專利名稱：脈搏波分析裝置以及脈搏波分析方法
技術領域：
本發明涉及脈搏波分析裝置以及脈搏波分析方法，特別涉及用于計算脈搏波的特征點的脈搏波分析裝置以及脈搏波分析方法。
背景技術：
作為對動脈硬化等的心血管疾病的診斷有用的信息之一，可例舉脈搏波中的反射波的傳達時刻和占有時間。為了得到反射波存在于脈搏波中的時間，有必要將測定出的脈搏波分為射血波的范圍和反射波的范圍。在日本特開2005-349116號公報(以下稱為專利文獻1)中，本申請的申請人提出了提取脈搏波的特征點并計算AI (Augmentation Index 增大指數)和TR(Traveling time to Reflected wave :射血波和反射波的出現時間之差)等指標的脈搏波分析裝置。AI和 TR等指標是用于提取并計算合成波的上升拐點和反射波的上升拐點作為特征點的指標。在論文“Increased Systolic Pressure in Chronic Uremia Role of Arterial Wave Reflections”中，“London”以及其他人提出分析僅從動脈上的一點得到的脈搏波的特征，并提取從髂骨動脈的分支部分反射的波來求出TR等指標的方法。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2005-349116號公報。非專利文獻非專利文獻1 :“London” 以及其他人，“hcreased Systolic Pressure in Chronic Uremia Role of Arterial Wave Reflections、"Hypertension、vol. 20、No. 1、 1992、pp.10-19。
發明內容
發明要解決的問題然而，難以從合成波準確地提取反射波的上升拐點，特別地，有時因不同的測定部位導致在合成波中難以顯現反射波的上升拐點。在不能提取反射波的上升拐點的情況下， 利用文獻1所公開的方法則不能計算出指標。非專利文獻1是通過捕捉不同的現象來計算指標的技術，但存在這樣的問題難以應用于能夠在家庭中測定的用上臂測定出的脈搏波上。本發明是鑒于這樣的問題而做出的，其目的之一在于，提供一種能夠提取反射波的收斂時間并計算對心血管疾病診斷有用的指標的脈搏波分析裝置以及脈搏波分析方法。用于解決問題的方法為了達成上述目的，本發明的一個技術方案涉及的脈搏波分析裝置，包括脈搏波檢測部，其用于檢測脈搏波，運算裝置，其基于由脈搏波檢測部檢測出的脈搏波來進行處理；運算裝置所進行的處理包括從一拍的脈搏波波形中提取用于劃分反射波區間的特征點的處理，計算出反射波的收斂時間作為指標的處理。本發明的另一個技術方案涉及的脈搏波分析方法，具有如下步驟從用于檢測脈搏波的壓力傳感器所得到的一拍的脈搏波波形中，提取用于劃分反射波區間的特征點的步驟；計算出反射波的收斂時間來作為指標的步驟。本發明的另一個技術方案涉及的脈搏波分析程序，用于使計算機執行分析脈搏波并計算指標的處理，使計算機執行如下步驟通過用于檢測脈搏波的壓力傳感器來取得傳感器信號的步驟，從基于傳感器信號的一拍的脈搏波波形中提取用于劃分反射波區間的特征點的步驟，計算出反射波的收斂時間作為指標的步驟。發明的效果采用本發明，能夠提取反射波的收斂時間。此外，通過利用這樣的指標，即使在不能提取反射波的上升拐點的情況等下，也能夠自動進行脈搏波的分析。
圖1是示出了實施方式的脈搏波分析裝置的裝置結構的具體例的圖。圖2是示出了前臂/腳腕之間的脈搏波傳播時間(PTT =Pulse Transmission Time)和測定脈搏波過程中的反射波的持續時間(TRD traveling time of Reflection-wave Duration) 白勺白勺 。 圖3是示出了頸部/大腿部之間的PTT和TRD之間的關系的圖。圖4是示出了前臂/腳腕之間的脈搏波的傳播速度(PWV :pulse wave velocity) 和TRD之間的關系的圖。圖5是示出了頸部/大腿部之間的PWV和TRD之間的關系的圖。圖6是示出了在實施方式的脈搏波分析裝置中從包含在半導體壓力傳感器19中的傳感器部件得到的壓力信號(傳感器信號)的分析處理的流程圖。圖7是示出了脈搏波波形和一階微分波以及二階微分波之間的關系的具體例的圖。圖8A是示出了零交點(zero crossing point)的特征的圖。圖8B是示出了零交點的特征的圖。圖8C是示出了零交點的特征的圖。圖9是示出了四階微分的使用例的圖。圖10是示出了用于說明四階微分濾波器的頻率特性的圖。圖11是示出了在實施方式的脈搏波分析裝置中用于提取特征點的處理的具體的流程的流程圖。圖12是示出了用于實施方式的脈搏波分析裝置中的帶通型濾波器的具體例的圖。
具體實施例方式以下，參照附圖，對本發明的實施方式進行說明。在以下的說明中，對同一零件和結構要素標注同一附圖標記。它們的名稱和功能也均相同。參照圖1，本實施方式的脈搏波分析裝置包括傳感器單元1、顯示單元3及固定臺單元7。顯示單元3包括操作部M，其設置為可從外部進行操作，為了輸入與脈搏波分析等相關的各種信息而被操作；顯示部25，其由用于將脈搏波分析結果等各種信息輸出到外部的 LED (Light Emitting Diode 發光二極管)、LCD (Liquid Crystal Display :液晶顯示器)等構成。固定臺單元 7 包括ROM (Read Only Memory 只讀存儲器)12 及 RAM (Random Access Memory 隨機存取存儲器)13，用于存儲用于控制脈搏波分析裝置的數據及程序； CPU (Central Processing Unit 中央處理單元)11，其為了集中控制該脈搏波分析裝置而執行包括運算的各種處理；加壓泵15 ；負壓泵16 ；切換閥17 ；控制電路14，其接收來自 CPUll的信號并將其發送至加壓泵15、負壓泵16及切換閥17 ；可變特性濾波器22，其至少可變更為兩個值；A/D轉換器23。CPUll訪問R0M12，讀出程序并將其展開在RAM13上，執行該程序，以此整體控制該脈搏波分析裝置。CPUll通過操作部對接受來自用戶的操作信號，并基于該操作信號來整體控制脈搏波分析裝置。即，CPUll基于從操作部M輸入的操作信號，向控制電路14、多路調制器20以及可變特性濾波器22發送控制信號。此外，CPUll進行用于將脈搏波分析結果等顯示在顯示部25上的控制。加壓泵15是用于使后述的按壓袖帶(空氣袋)18的內壓(以下稱為“袖帶壓”) 增加(加壓)泵，負壓泵16則是用于減少袖帶壓(減壓)的泵。切換閥17選擇性地將這些加壓泵15和負壓泵16中的任意一個泵切換連接至空氣管5。控制電路14根據來自CPUll 的控制信號來控制這些處理。傳感器單元1包括半導體壓力傳感器19，其包括多個傳感器部件；多路調制器 20，其選擇性導出分別由多個傳感器部件輸出的壓力信號；放大器21，其用于放大由多路調制器20輸出的壓力信號；按壓袖帶18，其包括空氣袋，該空氣袋為了將半導體壓力傳感器19按壓到測定部位上而被加壓調整。半導體壓力傳感器19包括在由單晶硅等構成的半導體芯片上朝向一個方向以規定間隔排列的多個傳感器部件，并被按壓袖帶18的壓力按壓在測定過程中的上臂等測定部位上。在該狀態下，半導體壓力傳感器19通過撓骨動脈來檢測被測定人員的脈搏波。半導體壓力傳感器19針對各傳感器部件的通道(channel)，將通過檢測脈搏波而輸出的壓力信號輸入至多路調制器20。多個傳感器部件例如排列40個。多路調制器20選擇性地輸出各傳感器部件所輸出的壓力信號。由多路調制器20 送出的壓力信號被放大器21放大，進而經由可變特性濾波器22而被選擇性地輸出至A/D 轉換器23。在本實施方式中，在選擇用于檢測脈搏波的最佳的傳感器部件之前，多路調制器 20根據來自CPUll的控制信號，依次切換輸出由多個傳感器部件輸出的多個壓力信號。此外，在選擇了用于檢測脈搏波的最佳的傳感器部件之后，根據來自CPUll的控制信號來固定在相應的通道上。此時，多路調制器20選擇并輸出從已選擇的傳感器部件輸出的壓力信號。可變特性濾波器22是用于截斷規定值以上的信號成分的低通濾波器，并至少可變更為兩個值。
A/D轉換器23將從半導體壓力傳感器19導出的作為模擬信號的壓力信號轉換成數字信息，并將其發送至CPU11。在由CPUll固定多路調制器20的通道之前，通過多路調制器20同時取得包含在半導體壓力傳感器19中的每個傳感器部件所輸出的壓力信號。并且，在由CPUll固定多路調制器20的通道之后，取得相應的傳感器部件所輸出的壓力信號。 采樣壓力信號的周期(以下稱為“采樣周期”)例如設為ans。在固定多路調制器20的通道之前和之后，上述的可變特性濾波器22變更截斷頻率的值。在固定多路調制器20的通道之前，切換多個壓力信號進行采樣。從而，選擇比此時的采樣頻率(例如20kHz)高的截斷頻率的值。由此，能夠防止在A/D轉換之后產生波動 (undulation)，且能夠恰當地選擇最佳的傳感器部件。在固定通道之后，根據來自CPUll的控制信號，選擇對于某一個壓力信號的采樣頻率(例如500Hz)的1/2以下的截斷頻率的值。由此，能夠減少折疊噪聲(aliasing noise)，從而能夠以高精度進行脈搏波分析。折疊噪聲是指，在根據采樣定理來將模擬信號轉換成數字信號時，由于折回現象，導致在采樣頻率的1/2以下的區域出現的具有采樣頻率的1/2以上的頻率成分的噪聲。在本實施方式中，由于將CPU11、R0M12以及RAM13設在固定臺單元7上，因而能夠實現顯示單元3的小型化。另外，雖然分別設置了固定臺單元7和顯示單元3，但也可以將顯示單元3內置于固定臺單元7中。相反也可以在顯示單元3中設置CPU11、R0M12及RAM13。也可以與 PC (Personal Computer 個人計算機)連接起來進行各種控制。在本實施方式中，脈搏波分析裝置根據脈搏波波形計算出測定脈搏波中的反射波的持續時間(以下稱為 TRD traveling time of Reflection-wave Duration)，將其作為對動脈硬化等心血管疾病的診斷有用的指標。由于動脈硬化越嚴重則心臟射血的脈搏波的傳播速度就越快，因而對動脈硬化等的心血管疾病的診斷有效的指標是脈搏波的傳播速度 (以下稱為PWV:pulSe wave velocity)。本申請的眾發明者根據多個脈搏波的樣品來計算出脈搏波傳播時間(以下稱為PTT =Pulse Transmission Time)和TRD，并驗證了這些數據之間具有關聯性。圖2示出了前臂/腳腕之間的PTT和TRD之間的關系，圖3則示出了頸部/大腿部之間的PTT和TRD之間的關系。此外，同樣地，本申請的眾發明者根據多個脈搏波的樣品計算出PWV和TRD，并驗證了這些數據之間具有關聯性。圖4示出了前臂/腳腕之間的PWV和TRD之間的關系，圖5則示出了頸部/大腿部之間的PWV和TRD之間的關系。 根據這些驗證，TRD也是對于動脈硬化等的心血管疾病的診斷有效的指標。為了根據測定出的脈搏波計算TRD，有必要將測定出的脈搏波分離為反射波存在區間和非反射波存在區間。在上述兩個區間中，前者的區間是指，在合成波中，即在測定出的一拍的脈搏波中，為了包括高頻成分而提取振動的區間；后者的區間則是不包括高頻成分而提取振動的區間。換言之，前者的區間可說是振動區間，后者的區間可說是穩定區間。 為了提取兩個區間，本實施方式的脈搏波分析裝置從測定出的脈搏波提取上述兩個區間中的至少一個區間的開始點以及結束點，來作為特征點。由固定臺單元7內的CPUll訪問R0M12，將程序讀出并展開到RAM13上來執行，由此實現圖6的流程圖示出的處理。此外，至少一部分處理可通過圖1示出的硬件結構來實現。另外，將該處理作為固定了多路調制器20的通道之后的分析處理來進行說明。參照圖6，在步驟SlOl中，若具有多個傳感器部件的半導體壓力傳感器19檢測出壓力信號，則向多路調制器20輸入壓力信號。此時，利用多路調制器20選擇與已固定的通道相應的傳感器部件所輸出的傳感器信號。利用多路調制器20選擇的壓力信號被輸入至放大器21。在步驟S103中，放大器21將壓力信號放大至規定振幅，在步驟S105中可變特性濾波器22進行模擬濾波處理。此時，可變特性濾波器22截斷采樣頻率的1/2以下的信號成分。若采樣頻率是500Hz，則例如截斷超過IOOHz的頻率的信號成分。在步驟S107中，A/D轉換器23對通過可變特性濾波器22的壓力信號進行數字化， 在步驟S109中，以除去噪聲等作為目的，執行用于提取規定范圍的頻率的數字濾波處理。 A/D轉換器23將實現了數字化的壓力信號傳送至CPU11。在步驟Slll中，CPUll從A/D轉換器23接收壓力信號，并通過取得各數據的差值來進行1 5階微分。CPUll通過執行存儲在R0M12中的程序，對根據壓力信號得到的脈搏波波形進行N階微分。在步驟S113中，CPUll基于微分結果來分割脈搏波波形，由此提取一拍的脈搏波波形。具體而言，CPUll從在步驟Slll中取得的N階微分中，等待出現一階微分為正。若一階微分為正，則保持該上升零交點，并將其作為“暫時上升拐點”。然后，等待出現一階微分的極大值。若檢測出一階微分的極大值，則CPUll判斷是否識別出了一拍的脈搏。具體而言，參照圖7，等待出現原波形的極大值，若檢測出極大值，則參照從之前的暫時上升拐點(PA點)至此前的上升拐點(PB點)為止的波形。然后，確認從PA點至PB 點之間存在原波形的最大點(PP點)，且在從PP點至PB點之間PB點為最小值。若確認PB 點為最小值，則確定PA點為“上升拐點”。并且，將從PA點至PB點為止作為一拍的脈搏波波形。另外，也能夠將PA點定義為一拍的“脈搏波開始點”。在步驟Sl 15中，CPUll從在上述步驟Sl 13中切割(分離出)一拍的脈搏波波形中提取規定的特征點，由此在步驟S117中計算TRD。以上，結束傳感器信號分析處理。如前述，作為用于計算TRD所需的特征點，可例舉上述的振動區間和穩定區間中的至少一個區間的開始點以及結束點，具體而言，本實施方式的脈搏波分析裝置在上述步驟S115中提取振動區間的開始點以及結束點，即一拍的脈搏波波形中的反射波成分的收斂時間。作為通常的特征點的提取，多利用從原波形得到的四階微分波的零交點。然而，由于基線的變動等的影響，不一定能夠提取到如圖8A所示的鮮明的零交點。如圖8B以及圖 8C所示，存在零交點不明確的情況。圖8B是存在多個零交點且應當作為脈搏波波形的特征點提取的零交點不明確的情況。圖8C是因變成零的時間持續而零交點不明確的情況。在如圖8B以及圖8C示出那樣的不明確的零交點的情況下，必須選擇用于提取脈搏波的特征點的零交點。因此，為了自動進行脈搏波的分析，而這樣利用零交點提取特征點，則缺乏穩定性。為了自動進行脈搏波分析，需要穩定性。因此，為了實現穩定性，可考慮利用如極點那樣的不受基線變動等的影響的點。另外，極點是指包括極大點以及極小點的名稱。在可利用傅立葉級數表示全部的信號的前提下，某一波形的四階微分對提取包含在該信號的高頻成分有效。數學公式第一部分f(t) = sin(t)+sin(2t)... (1)
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權利要求
1.一種脈搏波分析裝置，其特征在于， 包括脈搏波檢測部(1)，其用于檢測脈搏波，運算裝置(11)，其基于由所述脈搏波檢測部檢測出的脈搏波來進行處理； 所述運算裝置所進行的處理包括從一拍的脈搏波波形中提取用于劃分反射波區間的特征點的處理(S115)， 計算出所述反射波的收斂時間作為指標的處理(S117)。
2.根據權利要求1記載的脈搏波分析裝置，其特征在于， 還包括數字轉換部(23)，其用于將來自所述脈搏波檢測部的脈搏波信號轉換成數字信號， 四階微分濾波器(22)，其基于由所述數字轉換部轉換得到的所述數字信號來得到原波形的四階微分波，而且能夠對頻率特性進行調整；所述運算裝置所進行的處理，還包括計算在一拍的脈搏波的區間內的所述四階微分波的極點的處理(S301)；提取所述特征點的處理包括基于所述四階微分波的極點來提取所述反射波區間的開始點的處理(S303)， 基于所述四階微分波的振幅來提取所述反射波區間的結束點的處理(S305)。
3.根據權利要求2記載的脈搏波分析裝置，其特征在于，在提取所述反射波區間的開始點的處理中，提取從所述一拍的脈搏波的上升拐點開始第一個所述四階微分波的極大點，來作為所述反射波區間的開始點即所述特征點，在提取所述反射波區間的結束點的處理中，在與所述一拍脈搏波的上升拐點后第一個所述四階微分波的極點相當的點之后，提取所述脈搏波的振幅相對于與所述極點相當的點的所述脈搏波的振幅達到規定比例的點，來作為所述反射波區間的結束點即所述特征點。
4.根據權利要求2記載的脈搏波分析裝置，其特征在于，在提取所述反射波區間的開始點的處理中，提取所述一拍的所述四階微分波的移動平均值為最大的點，來作為所述反射波區間的開始點即所述特征點，在提取所述反射波區間的結束點的處理中，在所述一拍的所述四階微分波的移動平均值達到所述最大的點之后，提取此后移動平均值不超過特定值的點，來作為所述反射波區間的結束點即所述特征點，所述特定值是指，比該最大值降低規定比例的值。
5.根據權利要求2記載的脈搏波分析裝置，其特征在于，所述運算裝置所進行的處理還包括濾波處理，該濾波處理用于利用在所述一拍的脈搏波的區間內的所述四階微分波的移動平均值來使噪聲成分偏移以除去該噪聲成分。
6.一種脈搏波分析方法，其特征在于，具有如下步驟從用于檢測脈搏波的壓力傳感器所得到的一拍的脈搏波波形中提取用于劃分反射波區間的特征點的步驟(S115)，計算出所述反射波的收斂時間作為指標的步驟(S117)。
7.一種脈搏波分析程序，用于使計算機執行分析脈搏波并計算指標的處理，該脈搏波分析程序的特征在于，使計算機執行如下步驟通過用于檢測脈搏波的壓力傳感器來取得傳感器信號的步驟(SlOl)，從基于所述傳感器信號的一拍的脈搏波波形中提取用于劃分反射波區間的特征點的步驟(Si 15)，計算出所述反射波的收斂時間作為指標的步驟(S117)。
全文摘要
提供脈搏波分析裝置以及脈搏波分析方法。在脈搏波分析裝置中，取得一拍的脈搏波的四階微分波的極大點(S301)，將存在于原波形的區間內的四階微分的極大點中的最大點作為特征點的之一的反射波的最大點(P2點)，決定為第一特征點即反射波區間的開始點(S303)。以第一特征點的振幅的10％作為閾值，將在該點以后振幅達到該閾值的時間點，決定為第二特征點即反射波區間的結束點(S305)。計算第一特征點和第二特征點之間的時間即反射波的持續時間，來作為對心血管疾病診斷有用的指標。
文檔編號A61B5/0245GK102307520SQ20108000654
公開日2012年1月4日 申請日期2010年1月28日 優先權日2009年2月3日
發明者佐藤博則, 吉田秀輝, 小林達矢, 小椋敏彥, 藤井健司 申請人:歐姆龍健康醫療事業株式會社