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FBGセンサを用いた血圧，脈拍，呼吸など バイタルサイン計測システム

信州大学 繊維学部 繊維・感性工学系

准教授 石澤 広明

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１．基礎的バイタルサイン

常時着用可能で通信機能のあるバイタルセンサの開発

【FBGセンサの特徴】 ・低損失、小型、安価で光ファイバー ・電磁波に干渉されない ・計測に電流を使わないため人体 へストレスをかけない

【従来の測定器】 ・測定に電流や圧力を用いる ・複数の生理量を測定出来ない ・大型であり高価

安全確保

一人一人の状態を把握

適切な処置

体に異変

体温

血圧

呼吸数

心拍数

バイタルサイン

救急活動者

3

心臓病 心筋梗塞 脳卒中

バイタルサイン

日本人の40-74才 男性：60％ 女性：40％

※厚生労働省

65才以上の高齢者の医療費の 一番多くを占めている

32.6% 治療

自覚症状がない 定期的な血圧測定が必要

心臓の収縮により拍出された血液が 血管内を循環している時に血管壁に及ぼす圧力 血圧・・・

一般に収縮期血圧値が140mmHg以上の状態を，高血圧 という

高血圧

高血圧 動脈硬化

健康状態を表す

採血せずに 血管の状態を示す

放置 放置

4

従来の血圧測定器の問題点 白衣高血圧

圧力測定

時間的拘束 連続測定が不可能 衣服の着脱

家庭 医療現場

無意識計測 血圧測定器の開発

血圧は一日のなかでも大きく変動する

計測する時間帯には 正常値だが，その他の 時間帯は高血圧

緊張によって普段より 高い血圧状態になる

仮面高血圧

脳卒中，心筋梗塞になるリスクが高い

ウェアラブル 連続測定

無拘束

FBGセンサを用いた血圧値測定システムの構築

7

Λ= effB n2λ: Effective refractive index : Grating period Λ

effn

FBG（Fiber Bragg Grating）

コア中に回折格子を形成し、光フィルタ機能を持った光ファイバ

Incident light Transmitted light

Core

Clad Grating

Wavelength

Inte

nsity

Inte

nsity

Wavelength

The Bragg wavelength

Inte

nsity

Wavelength

Reflected light

8

システム構成

FBG sensor 1

Λ= effB n2λLight source

Photodetector

∆Λ=∆ effB n2λ

FBG sensor 2

FBG sensor

TypeOutputClass

Wavelength rangeLength of sensor

Resolutionsensor 1 1550±0.5nmsensor 2 1560±0.5nm

Fiber materialFiber diameterCore diameter

Photodetector

5 mm±0.1pm

InGaAs10.5 μm145μm

Quartz silica glass

Wavelength range

1525-1570 nm

ASE light30 mW

1MLight source

Fiber

Sensor

specification

9

バイタルサイン測定（脈拍）

ピークの検出

脈拍数の算出

生体情報を持つ 波形の取得

-10

0

10

20

30

0 2 4 6 8 10Time [s]

Wav

elen

gth

[pm

]

45

50

55

60

65

70

75

80

45 50 55 60 65 70 75 80

Reference value [bpm]

Estim

ated

val

ue [b

pm] .

10

バイタルサイン測定（呼吸数）

脈拍の周期の変動

呼吸数の算出

生体情報を持つ 波形の取得

-10

0

10

20

30

0 2 4 6 8 10Time [s]

Wav

elen

gth

[pm

]

27

28

29

30

31

32

33

0 10 20 30 40 50 60Time[s]

Tem

pera

ture

[℃]

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

Peak

inte

rval

[s]

temperature

peak interval

11

PWV（脈波伝播速度）

血管の硬さ 柔らかい 硬い 血圧 低い 高い 脈波伝播速度 遅い 速い

血管

・・・脈波が身体に伝わる速度

血管が固いほどその速度は速くなる

ρ⋅⋅

=r

hEPWV2

E ：ヤング率 h ：壁の肉厚

：管の半径 r：血液の密度 ρ

通常 5-12 m/s

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PWVの測定

FBGセンサ2

FBGセンサ1

ΔT

本測定方法

生体信号の時間差

FBGセンサ1

FBGセンサ2

血圧値を相対的に算出

血圧 高い 低い

PWV 速い 遅い

血圧

高い 低い

脈波伝播時間

短い 長い

脈波伝播時間

距離一定

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血圧値の求め方

脈波伝播時間ΔTを取得

FBGセンサ1

FBGセンサ2

一般の血圧測定のしくみ

脈波伝播速度法

血圧測定のしくみ 脈波伝播時間

を測定

圧力センサで 圧力を検出

血圧推定式に あてはめる

血圧値 測定

腕帯で上腕を 加圧

【血圧】

【脈波伝播時間ΔT】

血圧値とΔTを比較

検量線を構築し， 脈波伝播時間ΔTから 血圧値のあてはめ

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測定方法

(テルモ電子血圧計ES-P2000BR)

FBGセンサを首と足首に固定

生体情報を持つ波形を同時に取得

脈波伝播時間ΔTを算出する

測定時間：10秒 測定回数：80回

サンプリング周波数：1000Hz 被験者：20代男性1名

測定条件

自動血圧計

FBGセンサ2

FBGセンサ1

15

-3

0

3

6

0 2 4 6 8 10Time [s]

Wav

elen

gth

shift

[pm

]

NeckAnkle

ピークを検出

時間差ΔT1から ΔTnを検出

ΔTの平均値 を算出

解析方法

T∆

ΔT1 ΔT2 ΔTn

T∆ と を比較 収縮期血圧値

16

150

170

190

210

230

90 100 110 120 130 140Diastolic blood pressure [mmHg]

Aver

aged

ΔT

[ms]

測定結果

血圧の増加に伴って， が減少 T∆

距離が一定：PWVは増加 本計測の妥当性

PWVと血圧との関係性に準じている

R＝-0.65

SE＝ 8[mmHg]

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測定データのΔTと一次微分と二次微分のΔTを比較

1.ボトムから10％の部位 2.脈波のボトム 3.ボトムの水平線と収縮層の立ち上がりの曲線の接線との交点 4.収縮層の立ち上がりの曲線の接線と先行する拡張層の曲線の接線との交点 5.収縮層の曲線の一次微分の最大値点 6.収縮層の曲線の二次微分の最大値点

時間差ΔTの立ち上がり点の設定

※Asmar R. Pulse wave velocity principles and measurement. In:Asmar R, editor. Arterial Stiffness and Pulse Wave Velocity-Clinical Application.Paris: Elsevier ;1999.p.25-55.

現在報告されている立ち上がり点を決定する方法

18

-0.06

-0.03

0

0.03

0.06

0 2 4 6 8 10Time [s]

Wav

elen

gth

shift

[pm

]

NeckAnkle

一次微分法と二次微分法 一次微分処理後

二次微分処理後

S/N比が小さく 安定したピークの算出が困難

一次微分法でのΔTを 算出値として 収縮期血圧値と比較

-0.0015

-0.001

-0.0005

0

0.0005

0.001

0.0015

0 2 4 6 8 10Time [s]

Wav

elen

gth

shift

[pm

]

NeckAnkle

19

150

170

190

210

230

90 100 110 120 130 140Diastolic blood pressure [mmHg]

Aver

aged

ΔT

[ms]

DiastolicFilter

測定結果

相関係数が高く，誤差も少ない

R＝-0.65 SE＝8 [mmHg]

R＝-0.75

SE＝7 [mmHg]

微分未処理

一次微分法

一次微分法 安定した測定結果が得られる

最適な立ち上がり点

20

150

170

190

210

230

90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140Diastolic blood pressure [mmHg]

Ave

rage

d ΔT

[ms]

血圧値検量線構築

25076.0 +∆×−= T

最小二乗法より，予測式を算出

収縮期血圧値を目的変数， 算出値である脈波伝播時間ΔTを説明変数

ΔTを代入

収縮期血圧値

21

90

100

110

120

130

90 100 110 120 130

Reference value [mmHg]

Estim

ated

val

ue [m

mH

g]

血圧値計測の検証

SE=5 [mmHg]

予測値と参照値が よく対応している

本測定法によって 収縮期血圧を定量的に

算出する可能性を見出した

高い再現性

なお本研究開発は，信州大学 ヒトを対象とした研究に関する倫理委員会の承認のもとで行われている．

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まとめ

FBGセンサを用いて，収縮期血圧値の算出の可能性を検証した

本計測法によれば，１本のセンサで，血圧に加え 脈拍，呼吸の同時計測が可能である．

発明の名称：血圧測定装置

出願番号：PCT/JP2013/064685

出願人：信州大学

発明者：石澤広明、宮内祐樹、児山祥平、川村真輝

本技術に関する知的財産権

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常時測定可能なウェアラブルバイタルサインシステム

想定される用途

1. 診断のための長時間連続バイタルサイン計測 2. スポーツ時におけるトレーニング支援 3. 手術時における、連続的なバイタルサインモニタリング 4. 通常の計測装置装着が困難な子供などでのバイタルサイン

計測 5. MRI（高磁場）、高酸素療法（高酸素雰囲気中）などの特殊環

境におけるバイタルサイン計測 （光ファイバであるので、制限を受けにくい）

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常時測定可能な ウェアラブルバイタルサインシステムの実現のために

企業への期待

1. いろいろな利用場面における実証実験 2. 高度なハードウェア／ソフトウェア実装技術による小型化 ３. 医療機器認定のための治験

お問い合わせ先 （株）信州ＴＬＯ 技術移転グループ 勝野 進一 ＴＥＬ ０２６８‐２５‐５１８１ ＦＡＸ ０２６８‐２５‐５１８８ e-mail info@shinshu-tlo.co.jp