| 【発明の名称】 |
生体状態測定装置及び生体状態測定方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】天野 和彦
【氏名】上馬場 和夫
【氏名】石山 仁
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| 【要約】 |
【課題】簡易な構成で中枢部血圧を正確に推定する。実際の心筋負荷に対応するより正確な心筋負荷指数ＷＰを算出する。
【解決手段】マイクロコンピュータ４は、脈波検出装置１により出力された脈波波形を解析することにより得られた循環動態パラメータに基づいて大動脈起始部血圧の推定値を算出するので、構成を簡略化して中枢部血圧を正確に推定できる。また、マイクロコンピュータ４は、生体の心拍数を検出し、大動脈起始部血圧の推定値及び検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出するので、末梢部血圧を用いて心筋負荷指数を算出する場合と比較して、より広範な条件下で、最適な心筋負荷指数を算出することが可能となる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 生体の末梢部の脈波波形に基づいて概略駆出期間を含む前記生体の状態を測定する測定手段と、前記生体の状態をもとに、前記生体の中枢部から末梢部に至る動脈系の循環動態を表わす循環動態パラメータとして、大動脈の粘弾性を含む循環動態パラメータを算出する解析手段と、前記循環動態パラメータに基づいて前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出手段と、を備え、前記解析手段は、前記循環動態パラメータを算出するに際し、前記概略駆出期間を初期値として算出した左心室加圧時間を用いることを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項２】 生体の末梢部血圧あるいは前記生体の末梢部の脈波波形に基づいて、前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出手段と、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出手段と、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出手段と、を備えたことを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項３】 生体の末梢部の脈波波形から所定の伝達関数に基づいて前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出手段と、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出手段と、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出手段と、を備えたことを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項４】 請求項１記載の生体状態測定装置において、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出手段と、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出手段と、を備えたことを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項５】 請求項１記載の生体状態測定装置において、前記脈波波形に基づいて前記生体の心拍数を検出する心拍数検出手段と、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出手段と、を備えたことを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項６】 生体の末梢部の脈波波形に基づいて前記生体の状態を測定する測定手段と、前記生体の状態をもとに、前記生体の中枢部から末梢部に至る動脈系の循環動態を表わす循環動態パラメータとして、大動脈の粘弾性を含む循環動態パラメータを算出する解析手段と前記循環動態パラメータに基づいて前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出手段と、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出手段と、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出手段と、を備えたことを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項７】 請求項１、請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の生体状態測定装置において、前記循環動態パラメータは、前記中枢部での血液粘性による血管抵抗，血液の慣性，前記末梢部での血管抵抗，前記末梢部での血管の粘弾性を含む、ことを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項８】 請求項１、請求項４ないし請求項７のいずれかに記載の生体状態測定装置において、前記大動脈血圧算出手段は、大動脈弁に対応するダイオードと，前記中枢部での血液粘性による血管抵抗に対応する第１の抵抗と，血液の慣性に対応するインダクタンスと，前記大動脈の粘弾性に対応する第１の静電容量と，前記末梢部での血管抵抗に対応する第２の抵抗と，前記末梢部での血管の粘弾性に対応する第２の静電容量を有するモデルであって、一対の入力端子間に前記ダイオードと前記第１の静電容量の直列回路が接続され、一対の出力端子間に前記第２の静電容量及び前記第２の抵抗からなる並列回路が挿入され、前記第１の静電容量の両端子間と前記出力端子との間に前記第１の抵抗及び前記インダクタンスからなる直列回路が挿入されてなる五要素集中定数モデルにより前記動脈系の循環動態をモデル化して、前記循環動態パラメータを決定するとともに、前記第１の静電容量の両端子間の電圧波形を前記大動脈圧波形とする、ことを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項９】 請求項１、請求項４ないし請求項８のいずれかに記載の生体状態測定装置において、前記生体の状態は前記動脈系の末梢部における脈波であり、前記血圧算出手段は、前記生体の左心室圧に対応する電気信号が前記入力端子間に与えられたときに、前記脈波の波形に対応する電気信号が前記出力端子から得られるように、前記五要素集中定数モデルを構成する各素子の値を決定することを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項１０】 請求項１、請求項４ないし請求項８のいずれかに記載の生体状態測定装置において、前記生体の状態は前記動脈系の末梢部における脈波であり、前記脈波の波形から該脈波のひずみを算出するひずみ算出手段を有し、前記血圧算出手段は、前記循環動態パラメータと前記脈波のひずみとの相関関係に基づいて前記循環動態パラメータを決定することを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項１１】 請求項１、請求項４ないし請求項１０のいずれかに記載の生体状態測定装置において、前記生体の１回拍出量を検出する１回拍出量検出手段を有し、前記血圧算出手段は、前記大動脈圧波形から得られる１回拍出量の計算値と、前記１回拍出量測定手段で測定された１回拍出量の実測値とが一致するように、前記循環動態パラメータの値を調整することを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項１２】 請求項１、請求項４ないし請求項１１のいずれかに記載の生体状態測定装置において、前記大動脈圧波形に基づいて前記生体の心臓の仕事量を算出する仕事量算出手段を有することを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項１３】 請求項１、請求項４ないし請求項１２のいずれかに記載の生体状態測定装置において、前記検出した心拍数の安静時の心拍数である基準心拍数に対する変動率が予め設定した基準心拍数変動率を越えたか否かを判別する判別手段を有し、前記心筋負荷指数算出手段は、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準心拍数変動率以上の場合に、前記大動脈起始部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項１４】 請求項１３記載の生体状態測定装置において、前記生体の末梢部血圧を非観血的に検出する末梢部血圧検出手段と、前記心筋負荷指数算出手段は、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準心拍数変動率未満の場合に前記末梢部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項１５】 請求項１、請求項４ないし請求項１２のいずれかに記載の生体状態測定装置において、前記心筋負荷指数算出手段は、前記算出した循環動態パラメータの所定のタイミングにおける前記循環動態パラメータである基準循環動態パラメータに対する変動率が予め設定したパラメータ基準変動率以上の場合に、前記大動脈起始部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項１６】 請求項１５記載の生体状態測定装置において、前記生体の末梢部血圧を非観血的に検出する末梢部血圧検出手段を有し、前記心筋負荷指数算出手段は、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準パラメータ変動率未満の場合に前記末梢部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴とする生体状態測定装置。
【請求項１７】 生体の末梢部の脈波波形に基づいて概略駆出期間を含む前記生体の状態を測定する測定プロセスと、前記生体の状態をもとに、前記生体の中枢部から末梢部に至る動脈系の循環動態を表わす循環動態パラメータとして、大動脈の粘弾性を含む循環動態パラメータを算出する解析プロセスと、前記循環動態パラメータに基づいて前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出プロセスと、を備え、前記解析プロセスは、前記循環動態パラメータを算出するに際し、前記概略駆出期間を初期値として算出した左心室加圧時間を用いることを特徴とする生体状態測定方法。
【請求項１８】 生体の末梢部の脈波波形に基づいて前記生体の状態を測定する測定プロセスと、前記生体の状態をもとに、前記生体の中枢部から末梢部に至る動脈系の循環動態を表わす循環動態パラメータとして、大動脈の粘弾性を含む循環動態パラメータを算出する解析プロセスと前記循環動態パラメータに基づいて前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出プロセスと、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出プロセスと、前記大動脈起始部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出プロセスと、を備えたことを特徴とする生体状態測定方法。
【請求項１９】 請求項１８記載の生体状態測定方法において、前記検出した心拍数の安静時の心拍数である基準心拍数に対する変動率が予め設定した基準心拍数変動率を越えたか否かを判別する判別判別プロセスを有し、前記心筋負荷指数算出プロセスは、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準心拍数変動率以上の場合に、前記大動脈起始部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴とする生体状態測定方法。
【請求項２０】 請求項１９記載の生体状態測定方法において、前記生体の末梢部血圧を非観血的に検出する末梢部血圧検出プロセスを有し、前記心筋負荷指数算出プロセスは、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準心拍数変動率未満の場合に前記末梢部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴とする生体状態測定方法。
【請求項２１】 請求項１７記載の生体状態測定方法において、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出プロセスと、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出プロセスと、を備えたことを特徴とする生体状態測定方法。
【請求項２２】 請求項１７記載の生体状態測定方法において、前記脈波波形に基づいて前記生体の心拍数を検出する心拍数検出プロセスと、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出プロセスと、を備えたことを特徴とする生体状態測定方法。
【請求項２３】 請求項１７ないし請求項２２のいずれかに記載の生体状態測定方法において、前記心筋負荷指数算出プロセスは、前記算出した循環動態パラメータの所定のタイミングにおける前記循環動態パラメータである基準循環動態パラメータに対する変動率が予め設定したパラメータ基準変動率を以上の場合に、前記大動脈起始部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴とする生体状態測定方法。
【請求項２４】 請求項２３記載の生体状態測定方法において、前記生体の末梢部血圧を非観血的に検出する末梢部血圧検出プロセスを有し、前記心筋負荷指数算出プロセスは、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準パラメータ変動率未満の場合に前記末梢部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴とする生体状態測定方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、生体としての人体の状態を測定するために好適な生体状態測定装置及び生体状態測定方法に係り、特に心筋負荷指数の算出に好適な生体状態測定装置及び生体状態測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】人体の循環器系の状態について診断を行う場合、最も一般的には血圧や心拍数等が用いられている。しかし、さらに詳しい診断を行うためには、血管の粘性抵抗やコンプライアンスといったいわゆる循環動態パラメータを測定することが必要となる。
【０００３】ところで、これらの循環動態パラメータをモデル化して表わす場合、動脈系の振る舞いを記述するモデルとして、四要素集中定数モデルが用いられている。一方、上記循環動態パラメータを測定するには、大動脈起始部と切痕部における圧力波形や血流量を測定する必要がある。すなわち、動脈にカテーテルを挿入して直接測定する方法を採るか、或いは、超音波等で間接的に測定する方法を採ることになる。
【０００４】上記、脈にカテーテルを挿入して直接測定する方法では侵襲的な測定となるため被験者への負担が大きいとともに、装置も大がかりなものとなるという問題があった。一方、超音波等で間接的に測定する方法では、血管内の血流を非侵襲的に観測することができ、被験者への負担を低減することはできるが、測定に熟練を要し、測定のための装置もやはり大がかりなものとなるという問題があった。
【０００５】そこで、本発明者は、橈骨動脈の脈波波形と１回拍出量を測定することにより四要素集中定数モデルのパラメータを近似的に算出する方法を見い出した。そして、この方法を用いることにより、循環動態パラメータの評価を非侵襲的かつ手軽に行うことが可能な脈波解析装置を提案してきた（特開平６−２０５７４７号、発明の名称：脈波解析装置）。
【０００６】ところで、上記橈骨動脈の脈波波形と１回拍出量を測定することにより四要素集中定数モデルのパラメータを近似的に算出する方法においては、血管のコンプライアンスを動脈系の中枢部と末梢部とに分けて取り扱うモデルを採用していない。したがって、運動時や循環動態動作薬を患者に投与した場合等に、循環動態作動薬を患者に投与した場合に、その効果を中枢部と末梢部に分けて評価することはできなかった。
【０００７】次に、上述した血圧の測定について簡単に説明する。従来から一般的に用いられている非観血型の血圧測定装置は、カフ（腕帯）を被験者の上腕部等に装着させ、カフに圧力をかけて被験者の脈波を検出することにより血圧値を測定している。このように、被験者の末梢部における血圧の測定装置として、例えば、特開平４−２７６２３４号公報が挙げられる。すなわち、図２９に示すように、カフ１１０を被験者の上肢の上腕部に巻回させて取り付けるとともに、バンド１３８を手首１４０に巻回し、脈波センサ１３４を被験者の橈骨動脈部に密着させて、被験者の脈波を検出する。そして、カフ１１０を加圧させた後に、降圧時において周知のオシロメトリック法により最高血圧値や最低血圧値を計測するものである。
【０００８】ところで、人体の動脈系における中枢側の血圧値と末梢側の血圧値を実測してみると、特に最高血圧値については、中枢側と末梢側の血圧値に差異が見られる。しかも、この差異の程度は、末梢側で観察される脈波の形状によって様々である。図２２〜図２４に、このような脈波の形状に依存した血圧値の変動の様子を示す。
【０００９】これらの図には、中枢側である大動脈圧波形及び最高／最低血圧値、並びに、末梢側である橈骨動脈圧波形及び最高／最低血圧値を示してある。図２２に示す第１のタイプの脈波波形の場合には、点線で示す大動脈圧波形と実線で示す橈骨動脈波形から得られるそれぞれの最高血圧値は、若干橈骨動脈側が高いものの概ね等しいと言って良い。
【００１０】ところが、図２３に示す第２のタイプの脈波波形の場合には、最高血圧差が１４．９ｍｍＨｇ となって、図２２に示した第１のタイプの脈波波形の場合と比較してかなり大きくなってくる。さらに、図２４に示す第３のタイプの脈波波形になると、最高血圧差は２６．１ｍｍＨｇといっそう大きくなる上に、第１ないし第２のタイプの脈波波形とは逆に、大動脈圧波形が全体的に橈骨動脈波形を大きく上回るようになる。
【００１１】ちなみに、これらの図２２〜図２４によれば、橈骨動脈側における最低血圧値は、脈波の形状によらず略同じであることがわかる。ここで、既述した第１ないし第３のタイプの脈波について簡単に説明しておく。第１のタイプの脈波波形は、正常な健康人の脈象であって、その波形はゆったりとして緩和であり、リズムが一定であって乱れの少ないことが特徴である。
【００１２】また、第２のタイプの脈波波形は、急激に立ち上がった後にすぐに下降し、大動脈切痕が深く切れ込むと同時に、その後の弛期峰が通常よりもかなり高いのが特徴である。また、第３のタイプの脈波波形は、急激に立ち上がり、その後はすぐには下降せず血圧の高い状態が一定時間持続するのが特徴である。
【００１３】例示したこれらの図から導かれることは、橈骨部や上腕部といった末梢側の血圧値が高くとも大動脈起始部、すなわち中枢側，の血圧値が低い場合がある上、これとは逆に末梢側の血圧値が低くとも中枢側の血圧値が高い場合もある。このような関係は脈波波形の形状によって異なり、しかもこれらの関係が脈波波形の形状に如実に現れることである。
【００１４】例えば、高血圧治療のために患者に血圧降下剤を投与し、橈骨動脈部の血圧をもとにして薬の効果を見るとする。そうした場合、末梢側で測定した血圧が下がってきても、実際には中枢側の血圧は下がっていないこともあるわけである。したがって、末梢側の血圧からだけでは、薬効を正しく把握することが困難な場合があると言える。
【００１５】また、これとは反対に、末梢側の血圧には変化が見られなくとも、大動脈圧波形が変化して中枢側での血圧が下がっていれば、実際には心臓の負担は軽くなっているわけである。このような場合には、無理に末梢側の血圧を下げなくとも、薬の効果は充分現われているわけであるが、これを末梢側の血圧だけから判断することは難しい。
【００１６】ところで、従来より心筋に対する負荷がどの程度であるのかを推し量るための指標として、心筋負荷指数（Ｗ−Ｐｒｏｄｕｃｔ）が用いられている。心筋負荷指数ＷＰは、末梢側の血圧をＰperiとし、心拍数をＨＲとすると、以下のように表される。
ＷＰ=Ｐperi×ＨＲ【００１７】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、末梢側の血圧値が高い場合でも大動脈起始部、すなわち、中枢側の血圧値が低い場合がある。さらに、これとは逆に末梢側の血圧値が低くい場合でも中枢側の血圧値が高い場合もあり、末梢側の血圧値は、必ずしも中枢側の血圧値に連動しているわけではない。
【００１８】ところで、心筋負荷指数は、本来心臓の負担がどの程度なのかを見るための指標とすべきものであるにもかかわらず、従来から行われているように末梢側で測定した血圧値（収縮期血圧）に基づいて心筋負荷指数を算出すると、心臓の負担を過大評価してしまうこともあるし、逆に過小評価してしまうという不具合があった。
【００１９】そこで、本発明の第１の目的は、簡易な構成で正確に中枢部血圧を推定することが可能な生体状態測定装置及び生体状態測定方法を提供することにある。
【００２０】また本発明の第２の目的は、実際の心筋負荷に対応するより正確な心筋負荷指数ＷＰを算出することができる生体状態測定装置及び生体状態測定方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、請求項１記載の構成は、生体の末梢部の脈波波形に基づいて概略駆出期間を含む前記生体の状態を測定する測定手段と、前記生体の状態をもとに、前記生体の中枢部から末梢部に至る動脈系の循環動態を表わす循環動態パラメータとして、大動脈の粘弾性を含む循環動態パラメータを算出する解析手段と、前記循環動態パラメータに基づいて前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出手段と、を備え、前記解析手段は、前記循環動態パラメータを算出するに際し、前記概略駆出期間を初期値として算出した左心室加圧時間を用いることを特徴としている。
【００２２】請求項２記載の構成は、生体の末梢部血圧あるいは前記生体の末梢部の脈波波形に基づいて、前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出手段と、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出手段と、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出手段と、を備えたことを特徴としている。
【００２３】請求項３記載の構成は、生体の末梢部の脈波波形から所定の伝達関数に基づいて前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出手段と、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出手段と、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出手段と、を備えたことを特徴としている。
【００２４】請求項４記載の構成は、請求項１記載の構成において、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出手段と、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出手段と、を備えたことを特徴としている。
【００２５】請求項５記載の構成は、請求項１記載の構成において、前記脈波波形に基づいて前記生体の心拍数を検出する心拍数検出手段と、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出手段と、を備えたことを特徴としている。
【００２６】請求項６記載の構成は、生体の末梢部の脈波波形に基づいて前記生体の状態を測定する測定手段と、前記生体の状態をもとに、前記生体の中枢部から末梢部に至る動脈系の循環動態を表わす循環動態パラメータとして、大動脈の粘弾性を含む循環動態パラメータを算出する解析手段と、前記循環動態パラメータに基づいて前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出手段と、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出手段と、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出手段と、を備えたことを特徴としている。
【００２７】請求項７記載の構成は、請求項３記載の構成において、前記循環動態パラメータは、前記中枢部での血液粘性による血管抵抗，前記中枢部での血液の慣性，前記末梢部での血管抵抗，前記末梢部での血管の粘弾性を含む、ことを特徴としている。
【００２８】請求項８記載の構成は、請求項１、請求項４ないし請求項７のいずれかに記載の構成において、前記血圧算出手段は、大動脈弁に対応するダイオードと，前記中枢部での血液粘性による血管抵抗に対応する第１の抵抗と，前記中枢部での血液の慣性に対応するインダクタンスと，前記大動脈の粘弾性に対応する第１の静電容量と，前記末梢部での血管抵抗に対応する第２の抵抗と，前記末梢部での血管の粘弾性に対応する第２の静電容量を有するモデルであって、一対の入力端子間に前記ダイオードと前記第１の静電容量の直列回路が接続され、一対の出力端子間に前記第２の静電容量及び前記第２の抵抗からなる並列回路が挿入され、前記第１の静電容量の両端子間と前記出力端子との間に前記第１の抵抗及び前記インダクタンスからなる直列回路が挿入されてなる五要素集中定数モデルにより前記動脈系の循環動態をモデル化して、前記循環動態パラメータを決定するとともに、前記第１の静電容量の両端子間の電圧波形を前記大動脈圧波形とする、ことを特徴としている。
【００２９】請求項９記載の構成は、請求項１、請求項４ないし請求項８のいずれかに記載の構成において、前記生体の状態は前記動脈系の末梢部における脈波であり、前記血圧算出手段は、前記生体の左心室圧に対応する電気信号が前記入力端子間に与えられたときに、前記脈波の波形に対応する電気信号が前記出力端子から得られるように、前記五要素集中定数モデルを構成する各素子の値を決定することを特徴としている。
【００３０】請求項１０記載の構成は、請求項１、請求項４ないし請求項８のいずれかに記載の構成において、前記生体の状態は前記動脈系の末梢部における脈波であり、前記脈波の波形から該脈波のひずみを算出するひずみ算出手段を有し、前記血圧算出手段は、前記循環動態パラメータと前記脈波のひずみとの相関関係に基づいて前記循環動態パラメータを決定することを特徴としている。
【００３１】請求項１１記載の構成は、請求項１、請求項４ないし請求項１０のいずれかに記載の構成において、前記生体の１回拍出量を検出する１回拍出量検出手段を有し、前記血圧算出手段は、前記大動脈圧波形から得られる１回拍出量の計算値と、前記１回拍出量測定手段で測定された１回拍出量の実測値とが一致するように、前記循環動態パラメータの値を調整することを特徴としている。
【００３２】請求項１２記載の構成は、請求項１、請求項４ないし請求項１１のいずれかに記載の構成において、前記大動脈圧波形に基づいて前記生体の心臓の仕事量を算出する仕事量算出手段を有することを特徴としている。
【００３３】請求項１３記載の構成は、請求項４ないし請求項１２のいずれかに記載の構成において、前記検出した心拍数の安静時の心拍数である基準心拍数に対する変動率が予め設定した基準心拍数変動率を越えたか否かを判別する判別手段を有し、前記心筋負荷指数算出手段は、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準心拍数変動率以上の場合に、前記大動脈起始部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴としている。
【００３４】請求項１４記載の構成は、請求項１３記載の構成において、前記生体の末梢部血圧を非観血的に検出する末梢部血圧検出手段を有し、前記心筋負荷指数算出手段は、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準心拍数変動率未満の場合に前記末梢部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴としている。
【００３５】請求項１５記載の構成は、請求項１、請求項４ないし請求項１２のいずれかに記載の構成において、前記心筋負荷指数算出手段は、前記算出した循環動態パラメータの所定のタイミングにおける前記循環動態パラメータである基準循環動態パラメータに対する変動率が予め設定したパラメータ基準変動率以上の場合に、前記大動脈起始部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴としている。
【００３６】請求項１６記載の構成は、請求項１５記載の構成において、前記生体の末梢部血圧を非観血的に検出する末梢部血圧検出手段を有し、前記心筋負荷指数算出手段は、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準パラメータ変動率未満の場合に前記末梢部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴としている。請求項１７記載の構成は、生体の末梢部の脈波波形に基づいて概略駆出期間を含む前記生体の状態を測定する測定プロセスと、前記生体の状態をもとに、前記生体の中枢部から末梢部に至る動脈系の循環動態を表わす循環動態パラメータとして、大動脈の粘弾性を含む循環動態パラメータを算出する解析プロセスと、前記循環動態パラメータに基づいて前記生体の大動脈起始部血圧の推定値を算出する大動脈血圧算出プロセスと、を備え、前記解析プロセスは、前記循環動態パラメータを算出するに際し、前記概略駆出期間を初期値として算出した左心室加圧時間を用いることを特徴としている。
【００３７】請求項１８記載の構成は、生体の末梢部の脈波波形に基づいて前記生体の状態を測定する測定プロセスと、前記生体の状態をもとに、前記生体の中枢部から末梢部に至る動脈系の循環動態を表わす循環動態パラメータとして、大動脈の粘弾性を含む循環動態パラメータを算出する解析プロセスと、前記循環動態パラメータに基づいて前記生体の大動脈起始部血圧を算出する大動脈血圧算出プロセスと、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出プロセスと、前記大動脈起始部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出プロセスと、を備えたことを特徴としている。
【００３８】請求項１９記載の構成は、請求項１８記載の構成において、前記検出した心拍数の安静時の心拍数である基準心拍数に対する変動率が予め設定した基準心拍数変動率を越えたか否かを判別する判別判別プロセスを有し、前記心筋負荷指数算出プロセスは、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準心拍数変動率以上の場合に、前記大動脈起始部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴としている。
【００３９】請求項２０記載の構成は、請求項１８記載の構成において、前記生体の末梢部血圧を非観血的に検出する末梢部血圧検出プロセスを有し、前記心筋負荷指数算出プロセスは、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準心拍数変動率未満の場合に前記末梢部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴としている。
【００４０】請求項２１記載の構成は、請求項１７記載の構成において、前記生体の心拍数を検出する心拍数検出プロセスと、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出プロセスと、を備えたことを特徴としている。
【００４１】請求項２２記載の構成は、請求項１７記載の構成において、前記脈波波形に基づいて前記生体の心拍数を検出する心拍数検出プロセスと、前記大動脈起始部血圧の推定値及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出する心筋負荷指数算出プロセスと、を備えたことを特徴としている。
【００４２】請求項２３記載の構成は、請求項１７ないし請求項２２のいずれかに記載の生体状態測定方法において、前記心筋負荷指数算出プロセスは、前記算出した循環動態パラメータの所定のタイミングにおける前記循環動態パラメータである基準循環動態パラメータに対する変動率が予め設定したパラメータ基準変動率を以上の場合に、前記大動脈起始部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴としている。
【００４３】請求項２４記載の構成は、請求項２３記載の構成において、前記生体の末梢部血圧を非観血的に検出する末梢部血圧検出プロセスを有し、前記心筋負荷指数算出プロセスは、前記判別に基づいて前記変動率が前記基準パラメータ変動率未満の場合に前記末梢部血圧及び前記検出した心拍数に基づいて心筋負荷指数を算出することを特徴としている。
【００４４】
【発明の実施の形態】次に図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
第１実施形態以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
【００４５】［１］ 血圧測定装置の概要構成図１に第１実施形態による生体状態測定装置としての血圧測定装置の構成ブロック図を示す。本第１実施形態では、非侵襲的なセンサによって人体から得た情報に基づいて、人体の動脈系の循環動態パラメータを評価し、得られた循環動態パラメータに基づいて中枢部における最高血圧、最低血圧、心筋負荷指数及び心仕事量を算出するが、循環動態パラメータの具体的内容については後述することとする。
【００４６】脈波検出装置１は、図２に示すように、被験者の手首へ装着された圧力センサＳ２を介して橈骨動脈波形を検出するとともに、被験者の上腕部に装着されたカフ帯Ｓ１を介して被験者の血圧を検出する。そして、測定した橈骨動脈波形を血圧によって校正し、アナログ電気信号として出力する。このアナログ信号は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器３へ入力され、所定のサンプリング周期毎にデジタル信号に変換される。
【００４７】１回拍出量測定器２は、図２に示すように、カフ帯Ｓ１に接続されており、このカフ帯Ｓ１を介して、心臓から１回の拍で流出される血液の量である１回拍出量を測定し、その測定結果を１回拍出量データとしてデジタル信号で出力する。この種の測定器としては、いわゆる収縮期面積法により測定を行う装置を用いることができる。
【００４８】マイクロコンピュータ４は、Ａ／Ｄ変換器３から取り込んだ脈波波形を格納するための波形メモリと、作業領域としての一時記憶メモリを内蔵している。そして、マイクロコンピュータ４は、入力装置であるキーボード５から投入されたコマンドに従って、図６に示すような、各種の処理を行い、これら処理から得られた結果を出力装置６へ出力する。
【００４９】ここでは、処理の概要についてのみ説明し、それらの処理の詳細に関しては、動作説明の際に詳述することとする。
■ 脈波の測定データ読込処理（ステップＳ１）
ａ） Ａ／Ｄ変換器３を介して得られる橈骨動脈波形の時系列デジタル信号を内蔵の波形メモリ（図示略）に取り込む。
ｂ） 波形メモリへ取り込んだ橈骨動脈波形を”拍”毎に平均化して、１拍に対応した橈骨動脈波形（以下、平均波形と呼ぶ）を求める。
【００５０】■ １回拍出量の測定データ読込処理（ステップＳ２）
１回拍出量データを、マイクロコンピュータ４内蔵の一時記憶メモリへ取り込む■ パラメータ算出処理（ステップＳ３）
１拍に対応した橈骨動脈波形を表わす数式を求め、この数式に基づいて動脈系に対応した電気的モデルの各パラメータを算出する。
【００５１】■ データ算出処理（ステップＳ４）
得られた循環動態パラメータから、大動脈起始部における脈波波形を求めるとともに、大動脈起始部における最高血圧値，最低血圧値，心筋負荷指数ＷＰ及び心臓の仕事量を算出する。
■ 出力処理（ステップＳ５）
得られた循環動態パラメータ，最高血圧値，最低血圧値，心筋負荷指数ＷＰ及び心臓の仕事量を出力装置６へ出力する。
【００５２】［２］ 出力装置の詳細構成次に、出力装置６の詳細について図１を参照して説明する。実測血圧表示部６１は、橈骨動脈波形に基づいて実測された最高血圧、最低血圧および平均血圧を表示する。
【００５３】中枢部推定血圧表示部６２は、後述する処理によって求められた中枢部の平均血圧Ｅ01、最高血圧Ｅm’、最低血圧Ｅoを表示する。警告表示部６３は、横一列に配列された複数のＬＥＤによって構成されており、これらＬＥＤは、実測された最高血圧と中枢部の最高血圧Ｅm’との差に対応して点灯する。
【００５４】すなわち、両者の差が±１０mmHg以下であれば、「NORMAL」の緑色のＬＥＤが点灯され、差が±１０mmHgを越えた場合は「CAUTION」の赤色のＬＥＤが点灯される。
【００５５】パラメータ表示部６４は、マイクロコンピュータ４から静電容量Ｃc、電気抵抗Ｒc、インダクタンスＬ、静電容量Ｃ、電気抵抗Ｒp、左心室加圧時間ｔs、１拍の時間ｔp、１回拍出量ＳＶおよび心仕事量Ｗsが供給されると、これらのパラメータを表示する。なお、これらパラメータの詳細については後述する。ＣＲＴディスプレイ６７は、橈骨動脈波形、左心室圧波形、大動脈圧波形等、各種の波形を表示する。
【００５６】プリンタ６５は、プリント指令ボタン６６が押下されると、実測血圧表示部６１、中枢部推定血圧表示部６２、警告表示部６３、パラメータ表示部６４に表示された各種のデータと、ＣＲＴディスプレイ６７に表示された波形とを用紙にプリントアウトする。
【００５７】心筋負荷指数表示部６８は、後述する処理によって求められた心筋負荷指数ＷＰを表示する。ここで、警告表示部６３において警告表示を行う意義について説明する。
【００５８】先に図２２〜図２４について説明したように、推定された大動脈圧波形と橈骨動脈波形の最高血圧差には３つのタイプがある。そして、脈波波形が第１のタイプ（図２２）である被験者は健康人である可能性が高く、第２および第３のタイプの場合は被験者が何らかの疾患を有している場合が多い。
【００５９】例えば、第２のタイプ（図２３）は血流状態の異常に原因するもので、浮腫，肝腎疾患，呼吸器疾患，胃腸疾患，炎症性疾患などの疾患を有する可能性が高い。また、第３のタイプは、血管壁の緊張度の上昇に原因するもので、肝胆疾患，皮膚疾患，高血圧，疼痛性疾患などを有する可能性が高い。
【００６０】そこで、本実施形態にあっては、最高血圧差が異常であると考えられる場合に、赤色のＬＥＤを点灯させて警告表示を行うこととしたものである。なお、上記例にあっては、大動脈圧波形と橈骨動脈波形の最高血圧差に基づいて診断を行ったが、最高血圧差に代えて最低血圧差あるいは平均血圧差を用いてもよい。さらに、最高血圧差、最低血圧差および平均血圧差の全てを用いて診断を行ってもよいことは言うまでもない。
【００６１】［３］ 五要素集中定数モデルについて本第１実施形態では、動脈系の電気的モデルとして新たに「五要素集中定数モデル」を採用している。この五要素集中定数モデルでは、人体の循環系の挙動を決定する要因のうち、特開平６−２０５７４７号（発明の名称：脈波解析装置）が開示する四要素集中定数モデルで採用されている中枢部での血液による慣性，中枢部での血液粘性による血管抵抗（粘性抵抗），末梢部における血管のコンプライアンス（粘弾性），末梢部における血管抵抗（粘性抵抗）の４つのパラメータに、新たなパラメータとして大動脈コンプライアンスを追加し、これらの５つのパラメータを電気回路としてモデリングしたものである。なお、コンプライアンスとは血管の軟度を表わす量である。
【００６２】図３（ａ）には、四要素集中定数モデルの回路図を示してあり、また、図３（ｂ）には、五要素集中定数モデルの回路図を示してある。以下、五要素集中定数モデルを構成する各素子と各パラメータの対応関係を示す。
静電容量Ｃc ：大動脈コンプライアンス〔cm5/dyn〕
電気抵抗Ｒc ：動脈系中枢部での血液粘性による血管抵抗〔dyn・s/cm5〕
インダクタンスＬ：動脈系中枢部での血液の慣性 〔dyn・s2/cm5〕
静電容量Ｃ ：動脈系末梢部での血管のコンプライアンス〔cm5/dyn〕
電気抵抗Ｒp ：動脈系末梢部での血液粘性による血管抵抗〔dyn・s/cm5〕
【００６３】ここで、電気回路内の各部を流れる電流ｉ，ｉp，ｉc，ｉsは、各々対応する各部を流れる血 流〔cm3/ｓ〕に相当する。中でも、電流ｉは大動脈血流であり、電流ｉsは左心室から拍出される血流である。また、入力電圧ｅは左心室圧〔dyn/cm2〕に相当し、電圧ｖ1は大動脈起始部の圧力〔dyn/cm2〕に相当する。さらに、静電容量Ｃの端子電圧ｖpは橈骨動脈部での圧力〔dyn/cm2〕に相当するものである。加えて、図３（ｂ）に示すダイオードＤは大動脈弁に相当するものであって、収縮期に相当する期間においてオン（弁が開いた状態）となり、拡張期に相当する期間ではオフ（弁が閉じた状態）となる。
【００６４】後述するように、本第１実施形態においては、これら５つのパラメータを一度に算出してしまうのではなく、静電容量Ｃcを除くパラメータを前述の文献に開示されている四要素集中定数モデルを用いて算出した後に、静電容量Ｃcを決定するようにしている。そこで、まず、図３（ａ）に示す四要素集中定数モデルの挙動についての理論的説明を行うこととする。
【００６５】同図（ａ）に示す四要素集中定数モデルにおいては、下記微分方程式が成立する。
ｖ1＝Ｒcｉ＋Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）＋ｖp …（1）
ここで、電流ｉは、 ｉ＝ｉc＋ｉp＝Ｃ（ｄｖp／ｄｔ）＋（ｖp／Ｒp） …（2）
と表わすことができるから、式（1）は次式のように変形される。
ｖ1＝ＬＣ（ｄ2ｖp／ｄｔ2）＋｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝（ｄｖp／ｄｔ）
＋｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝ｖp …（3）
【００６６】周知のように、式（3）によって示される２次の定係数常微分方程式の一般解は、式（3）を満足する特殊解（定常解）と、次式の微分方程式を満足する過渡解の和によって与えられる。
０＝ＬＣ（ｄ2ｖp／ｄｔ2）＋｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝（ｄｖp／ｄｔ）
＋｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝ｖp …（4）
【００６７】次に、微分方程式（4）の解は次のようにして得られる。まず、微分方程式（4）の解として次式によって表わされる減衰振動波形を仮定する。
ｖp＝ｅｘｐ（ｓｔ） …（5）
式（5）を式（4）に代入すると、式（4）は次のように変形される。
［ＬＣｓ2＋｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝ｓ＋｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝］ｖp＝０ …（6）
【００６８】式（6）をｓについて解くと、 ｓ＝［−｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝±√｛｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝2 −４ＬＣ｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝｝］／２ＬＣ …（7）
となる。式（7）において、 ｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝2＜４ＬＣ｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝ …（8）
である場合には、第２項の根号√の中が負となり、ｓは以下のようになる。
ｓ＝［−｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝±ｊ√（４ＬＣ｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝
−｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝2）］／２ＬＣ ＝−α±ｊω …（9）
【００６９】ここで、減衰率をα，角周波数をωとしており、 α＝｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝／２ＬＣ ＝（Ｌ＋ＲpＲcＣ）／２ＬＣＲp …（10）
ω＝［√｛４ＬＣ｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝−｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝2｝］
／２ＬＣ …（11）
である。そして、 Ａ1＝ＬＣ …（12）
Ａ2＝（Ｌ＋ＲcＲpＣ）／Ｒp …（13）
Ａ3＝（Ｒc＋Ｒp）／Ｒp …（14）
とおくと、式（10），式（11）は以下のように表わすことができる。
α＝（Ａ2／２Ａ1） …（15）
ω＝√｛（Ａ3／Ａ1）−α2｝ …（16）
【００７０】このようにしてｓの値が確定し、微分方程式（4）を満足する解が得られる。以上の知見に基づくことで、四要素集中定数モデルの応答波形に含まれる減衰振動成分を近似する式として、式（5）を用いることができる。次に、大動脈起始部における圧力波形のモデリングを行う。一般に、大動脈起始部の圧力波形は図４の太線の如き波形であって、同図における時間ｔp は波形の１拍分の時間，時間ｔsは左心室の加圧時間である。四要素集中定数モデルでは、この圧力波形を図５に示す三角波で近似することにする。図５において近似波形の振幅と時間がＥo，Ｅm，ｔp，ｔp1で表わされるとすると、任意の時間ｔにおける大動脈圧ｖ1は以下の式で表わされる。ここで、Ｅoは最低血圧（拡張期血圧）、Ｅmは脈圧，（Ｅo＋Ｅm）は最高血圧（収縮期血圧），ｔpは１拍の時間、ｔp1は大動脈圧の立ち上がりから圧力が最低血圧値になるまでの時間である。０≦ｔ＜ｔp1の区間： ｖ1＝Ｅo＋Ｅm｛１−（ｔ／ｔp1）｝ …（17）
ｔp1≦ｔ＜ｔpの区間： ｖ1＝Ｅo …（18）
【００７１】そして、式（17），式（18）によって表わされる電圧ｖ1を図３（ａ）の等価回路へ入力した時の応答波形ｖp（即ち橈骨動脈波）は以下のようになる。０≦ｔ＜ｔp1の区間： ｖp＝Ｅmin＋Ｂ（１−ｔ／ｔb）＋Ｄm1ｅｘｐ（−αｔ）
・ｓｉｎ（ωｔ＋θ1）
…（19）
ｔp1≦ｔ＜ｔpの区間： ｖp＝Ｅmin＋Ｄm2・ｅｘｐ｛−α（ｔ−ｔp1）｝
×ｓｉｎ｛ω（ｔ−ｔp1）＋θ2｝ …（20）
【００７２】ここで、Ｅminは、脈波検出装置１が測定する橈骨動脈波形における最低の血圧値（後述する 図１１を参照）である。式（19）における右辺第３項および式（20）における右辺第２項が既述した式（5）の減衰振動成分であって、これらの項におけるαおよびωは式（15），式（16）により与えられている。なお、Ｂ，ｔb，Ｄm1，Ｄm2は後述する手順にしたがって算出される定数値である。
【００７３】次に、式（19），式（20）の各定数のうち、既に確定したα，ω以外のものについて検討する。まず、式（17），式（19）を微分方程式（3）に代入すると、次式が得られる。
Ｅo＋Ｅm｛１−（ｔ／ｔp1）｝
＝｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝（Ｅmin＋Ｂ） −（Ｂ／ｔb）｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝ｔ ＋｛ＬＣ（α2−ω2）Ｄm1−αＤm1｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝
＋Ｄm1｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝｝
・ｅｘｐ（−αｔ）ｓｉｎ（ωｔ＋θ1） ＋｛ωＤm1｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝−２ＬＣαωＤm1｝
・ｅｘｐ（−αｔ）ｃｏｓ（ωｔ＋θ1） …（21）
【００７４】式（21）が成立するためには、以下の条件が必要となる。
Ｅo＋Ｅm＝｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝（Ｅmin＋Ｂ）
＝Ｅo＋Ａ3Ｂ−（Ｂ／ｔb）Ａ2 …（22）
（Ｅm／ｔp1）＝（Ｂ／ｔb）｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝
＝（Ａ3Ｂ／ｔb） …（23）
ＬＣ（α2−ω2）−α｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝＋（１＋Ｒc／Ｒp）＝０ …（24）
ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）＝２ＬＣα …（25）
【００７５】なお、式（24）および（25）はαおよびωを拘束するものであるが、既に式（15），式（16）により得られたα，ωはこれらの式を満足する。一方、式（18），式（20）を微分方程式（3）に代入すると、次式が得られる。
Ｅo＝ ｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝Ｅmin ＋［ＬＣ（α2−ω2）Ｄm2−α｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝Ｄm2 ＋｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝Ｄm2］ ・ｅｘｐ｛−α（ｔ−ｔp1）｝ｓｉｎ｛ω（ｔ−ｔp1）＋θ2｝
＋［ω｛ＲcＣ＋（Ｌ／Ｒp）｝Ｄm2−２ＬＣαωＤm2］ ・ｅｘｐ｛−α（ｔ−ｔp1）｝ｃｏｓ｛ω（ｔ−ｔp1）＋θ2｝ …（26）
【００７６】式（26）が成立するためには式（24），式（25）が成立することに加えて、次式が成立することが必要である。
Ｅo＝｛１＋（Ｒc／Ｒp）｝Ｅmin＝Ａ3Ｅmin …（27）
次に、微分方程式（3）が成立するための条件式（22）〜（25），式（27）に基づいて、式（19），式（20）の各定数を算定する。
【００７７】まず、Ｅminは式（27）より次式のように得られる。
Ｅmin＝（ＥO／Ａ3） …（28）
また、式（23）よりＢは、 Ｂ＝（ｔbＥm）／（ｔp1Ａ3） …（29）
となる。また、式（22）に式（29）を代入して、ｔbについて解くと、 ｔb＝（ｔp1Ａ3＋Ａ2）／（Ａ3） …（30）
となる。
【００７８】さらに、残りの定数Ｄm1，Ｄm2，θ1，θ2は、橈骨動脈波形ｖpがｔ＝０，ｔp1，ｔpにおいて連続性を維持し得るような値、すなわち、下記に示す条件■〜■を満足する値が選ばれる。
■ 式（19）のｖp（ｔp1）と式（20）のｖp（ｔp1）とが一致すること■ 式（20）のｖp（ｔp）と式（19）のｖp（０）とが一致すること■ 式（19）および式（20）におけるｔ＝ｔp1の微分係数が一致すること■ 式（19）のｔ＝０での微分係数と、式（20）のｔ＝ｔpでの微分係数が一致すること【００７９】すなわち、Ｄm1およびθ1は、 Ｄm1＝√（Ｄ112＋Ｄ122）／ω …（31）
θ1＝ｔａｎ-1（Ｄ11／Ｄ12） …（32）
なる値が選ばれる。ただし、 Ｄ11＝（ｖO1−Ｂ−Ｅmin）ω …（33）
Ｄ12＝（ｖO1−Ｂ−Ｅmin）α＋（Ｂ／ｔp）＋（ｉO1／Ｃ） …（34）
であり、ｖO1とｉO1はｔ＝０におけるｖpとｉcの初期値である。
【００８０】また、Ｄm2およびθ2は、 Ｄm2＝√（Ｄ212＋Ｄ222）／ω …（35）
θ2＝ｔａｎ-1（Ｄ21／Ｄ22） …（36）
なる値が選ばれる。ただし、 Ｄ21＝（ｖO2−Ｅmin）・ω …（37）
Ｄ22＝（ｖO2−Ｅmin）・α＋（ｉO2／Ｃ） …（38）
であり、ｖO2とｉO2はｔ＝ｔp1でのｖpとｉcの初期値である。
【００８１】このようにして、式（19），式（20）の各定数が得られた。さて、式（16）の角周波数ωから逆算することにより、血管抵抗ＲCは、 Ｒc＝［Ｌ−２Ｒp√｛ＬＣ（１−ω2ＬＣ）｝］／ＣＲp …（39）
となる。ここで、Ｒcが実数でかつ正となる条件は、 ｛４Ｒp2Ｃ｝／｛１＋（２ωＲpＣ）2｝≦Ｌ≦（１／ω2Ｃ） …（40）
である。
【００８２】一般に、Ｒpは１０3［dyn・s/cm5］程度，Ｃは１０-4［cm5/dyn］程度であり、ωは脈波に重 畳している振動成分の角周波数であるから１０（rad/s）以上であるとみてよい。このため、式（40）の下限はほぼ１／（ω2Ｃ）と見なせる。そこで、簡略化のため、Ｌを近似的に、 Ｌ＝１／（ω2Ｃ） …（41）
とおくと、Ｒcは、 Ｒc＝Ｌ／（ＣＲp） …（42）
となる。
【００８３】また、式（41），式（42）の関係より式（15）の減衰定数αは、 α＝１／（ＣＲp） …（43）
となる。式（41）〜式（43）の関係を用いて、α，ω，Ｌによって四要素集中定数モデルの残りのパラメータを表わすと、 Ｒc＝αＬ …（44）
Ｒp＝（ω2Ｌ／α） …（45）
Ｃ＝１／（ω2Ｌ） …（46）
となる。これらの式（44）〜式（46）より、パラメータはα，ω，Ｌが得られることにより確定することが明らかである。
【００８４】ここで、後述するようにα，ω，Ｂ，ｔbは橈骨動脈波の実測波形から得られ、Ｌは１回拍出量ＳＶに基づいて算出できる。以下に１回拍出量ＳＶに基づくＬの算出手順について説明する。まず、大動脈起始部の圧力波の平均値Ｅ01は次式により与えられる。
Ｅ01＝｛Ｅoｔp＋（ｔp1Ｅm／２）｝／ｔp …（47）
一方、Ｒc，Ｒp，α，ω，Ｌの間には次式が成立する。
Ｒc＋Ｒp＝αＬ＋（ω2Ｌ／α）＝（α2＋ω2）Ｌ／α …（48）
【００８５】そして、四要素集中定数モデルを流れる平均電流，すなわち平均値Ｅ01，を（Ｒc＋Ｒp）によって除算したものは、拍動により動脈を流れる血流の平均値（ＳＶ／ｔp）に相当するから、次式が成立する。
ＳＶ／ｔp＝（α）／｛（α2＋ω2）Ｌ｝（１／ｔp）｛Ｅoｔp＋（ｔp1Ｅm／２）｝
…（49）
【００８６】このようにして得られた式（49）をＬについて解くことにより、１回拍出量ＳＶからＬを求めるための式が次の通りに得られる。
Ｌ＝ α・｛Ｅoｔp＋（ｔp1Ｅm／２）｝／｛（α2＋ω2）ＳＶ｝ …（50）
なお、血流量を測定することにより式（49）中の平均電流（１／ｔp）｛Ｅoｔp＋（ｔp1Ｅm／２）｝に相当する値を求め、この結果に基づいてインダクタンスＬを算出してもよい。血流量を測定する装置としては、インピーダンス法によるもの，ドップラー法によるもの等が知られている。また、ドップラー法による血流量測定装置には、超音波を利用したもの，レーザを利用したもの等がある。
【００８７】［４］ 循環動態パラメータの算出方法の原理説明次に、五要素集中定数モデルに基づいた循環動態パラメータの算出方法の原理的な説明をおこなう。先に触れたように、循環動態パラメータの中のＲc，Ｒp，Ｃ，Ｌが、四要素集中定数モデルを用いて決定されるので、これらのパラメータをもとに静電容量Ｃcの値を決定する。そのために、図３（ｂ）における電流ｉ，電流ｉs，電圧ｖ1，電圧ｖp等を求める必要がある。
【００８８】まず、左心室圧波形ｅを図４に示すような正弦波で近似する。すなわち、ωs＝π／ｔsとおいて、左心室圧波形ｅを次式で表わす。
ｅ＝Ｅm’ ｓｉｎωsｔ …（51）
ここで、Ｅm’は最高血圧であって、図５で言えば（Ｅm＋Ｅo）に相当する。以下、図４に示すように、時間ｔがｔ1≦ｔ＜ｔ2の収縮期とｔ2≦ｔ＜（ｔp＋ｔ1）の拡張期に場合分けして説明することとする。ここで、時刻ｔ1，時刻ｔ2は左心室圧波形と大動脈圧波形との交点における時刻である。
【００８９】［４．１］ 収縮期この場合、ｖ1＝ｅが成立するとともに、電圧ｖ1と電流ｉについてはそれぞれ式（1）と式（2）が成立する。したがって、式（1）〜式（3）と式（12）〜式（14），式（51）から、次に示す微分方程式が成立する。
Ａ1（ｄ2ｖp／ｄｔ2）＋Ａ2（ｄｖp／ｄｔ）＋Ａ3ｖp＝Ｅm’ｓｉｎωsｔ …（52）
【００９０】そこでまず、四要素集中定数モデルと同様にして、この微分方程式の定常解ｖpstを求める。そのために、定常解ｖpstを次式のように仮定する。
ｖpst＝Ｅ1ｃｏｓωsｔ＋Ｅ2ｓｉｎωsｔ …（53）
式（53）を式（52）のｖpに代入して係数を比較することにより、次の２式が得られる。
（Ａ3・ωs2Ａ1）Ｅ1＋ωsＡ2Ｅ2＝０ …（54）
−ωsＡ2Ｅ1＋（Ａ3−ωs2Ａ1）Ｅ2＝Ｅm’ …（55）
【００９１】これらの式を解くことにより、 Ｅ1＝（−ωsＡ2Ｅm’）／｛（ωsＡ2）2＋（Ａ3−ωs2Ａ1）2｝ …（56）
Ｅ2＝｛（Ａ3−ωs2Ａ1）Ｅm’｝／｛（ωsＡ2）2＋（Ａ3−ωs2Ａ1）2｝
…（57）
が得られる。
【００９２】次に、式（52）の微分方程式の過渡解ｖptrを求める。そのために、ｖptr＝ｅｘｐ（λｔ）
とおいて、次式のｖpへ代入する。
Ａ1（ｄ2ｖp／ｄｔ2）＋Ａ2（ｄｖp／ｄｔ）＋Ａ3ｖp＝０ …（58）
これにより、次式が得られる。
Ａ1λ2＋Ａ2λ＋Ａ3＝０ …（59）
【００９３】そこで、この式をλについて解くと次式が得られる。λ＝｛−Ａ2±√（Ａ22−４Ａ1Ａ3）｝／（２Ａ1）＝｛−Ａ2／（２Ａ1）｝±√［｛Ａ2／（２Ａ1）｝2−（Ａ3／Ａ1）］…（60）
【００９４】ここで、｛Ａ2／（２Ａ1）｝2＜（Ａ3／Ａ1）とする（振動モード）と、次式が得られる。
λ＝−Ａ2／（２Ａ1）±ｊ√［（Ａ3／Ａ1）−｛Ａ2／（２Ａ1）｝2］
＝−β1±ｊω1 …（61）
【００９５】このとき、 β1＝Ａ2／（２Ａ1） …（62）
ω1＝√（Ａ3／Ａ1−β12 …（63）
である。
【００９６】ここで、さらに過渡解ｖptrを次式のように置く。
ｖptr＝（ａ1ｃｏｓω1ｔ＋ｊａ2ｓｉｎω1ｔ）ｅｘｐ（−β1ｔ）…（64）
すると、電圧ｖpは定常解と過渡解との和で表わされることから、式（53）と式（64）によって次式で与えられる。
ｖp＝（Ｅ1ｃｏｓωsｔ＋Ｅ2ｓｉｎωsｔ）＋ （ａ1ｃｏｓω1ｔ＋ｊａ2ｓｉｎω1ｔ）ｅｘｐ（−β1ｔ）…（65）
【００９７】また、電流ｉは、式（65）を式（2）へ代入することによって、次式のように得られる。
ｉ＝（Ｅ1／Ｒp＋ωsＣＥ2）ｃｏｓωsｔ＋（−ωsＣcＥ1＋Ｅ2／Ｒp）ｓｉｎωsｔ＋［［｛（１−β1ＣＲp）／Ｒp｝ｃｏｓω1ｔ−ω1Ｃｓｉｎω1ｔ］ａ1＋ｊ［ω1Ｃｃｏｓω1ｔ＋｛（１−β1ＣＲp）／Ｒp｝ｓｉｎω1ｔ］ａ2］ｅｘｐ（−β1ｔ） …（67）
【００９８】次に、ｔ＝ｔ1のときのｖp，ｉを各々ｖ02，ｉ0として次式の如く仮定する。
ｉ0＝Ｊ0＋（ａ1Ｊ1＋ｊａ2Ｊ2）ｅｘｐ（−β1ｔ1） …（68）
ｖ02＝Ｐ0＋（ａ1Ｐ1＋ｊａ2Ｐ2）ｅｘｐ（−β1ｔ1） …（69）
すると、式（65）〜式（69）より以下の式が成立する。
Ｊ0＝（Ｅ1／Ｒp＋ωsＣＥ2）ｃｏｓωsｔ1＋−ωsＣＥ1＋Ｅ2／Ｒp）
・ｓｉｎωsｔ1 …（70）
Ｊ1＝｛（１−β1ＣＲp）／Ｒp｝ｃｏｓω1ｔ1−ω1Ｃｓｉｎω1ｔ1…（71）
Ｊ2＝ω1Ｃｃｏｓω1ｔ1＋｛（１−β1ＣＲp）／Ｒp｝ｓｉｎω1ｔ1…（72）
Ｐ0＝Ｅ1ｃｏｓωsｔ1＋Ｅ2ｓｉｎωsｔ1 …（73）
Ｐ1＝ｃｏｓω1ｔ1 …（74）
Ｐ2＝ｓｉｎω1ｔ1 …（75）
【００９９】また、式（68）〜式（69）をａ1，ａ2について解くと、次のようになる。
ａ1＝［｛（ｖ02−Ｐ0）Ｊ2−（ｉ0−Ｊ0）Ｐ2｝／（Ｊ2Ｐ1−Ｊ1Ｐ2）］
・ｅｘｐ（β1ｔ1） …（76）
ａ2＝［｛−（ｖ02−Ｐ0）Ｊ1＋（ｉ0−Ｊ0）Ｐ1｝
／｛ｊ（Ｊ2Ｐ1−Ｊ1Ｐ2）｝］・ｅｘｐ（β1ｔ1） …（77）
【０１００】さらに、式（71）〜式（75）から次式の関係が成立することがわかる。
Ｊ2Ｐ1−Ｊ1Ｐ2＝ω1Ｃ …（78）
したがって、式（64）に式（76）〜式（77）を代入し、その際に式（78）を用いると、過渡解ｖptrとして次式が得られる。
ｖptr＝［（ｖ02−Ｐ0）ｃｏｓω1（ｔ−ｔ1）−［｛（１−β1ＣＲp）
・（ｖ02−Ｐ0）−Ｒp（ｉ0−Ｊ0）｝｛ｓｉｎω1（ｔ−ｔ1）｝
］
／（ω1ＣＲp）］ｅｘｐ（β1ｔ1）ｅｘｐ（−β1ｔ）…（80）
【０１０１】ここで、 Ｂ1tr＝ｖ02−Ｐ0 …（81）
ｔ’ ＝ｔ−ｔ1 …（82）
Ｂ2tr＝−｛（１−β1ＣＲp）（ｖ02−Ｐ0）−Ｒp（ｉ0−Ｊ0）｝
／（ω1ＣＲp） …（83）
とおくと、 ｖptr＝（Ｂ1trｃｏｓω1ｔ’＋Ｂ2trｓｉｎω1ｔ’） ｅｘｐ（−β1ｔ’）
…（84）
が得られる。
【０１０２】結局、式（65）は次式のようになる。
ｖp＝（Ｅ1ｃｏｓωsｔ＋Ｅ2ｓｉｎωsｔ）＋ （Ｂ1trｃｏｓω1ｔ’＋Ｂ2trｓｉｎω1ｔ’） ｅｘｐ（−β1ｔ’）
…（85）
【０１０３】次に、前述した式（67）において Ｄ1st＝（Ｅ1／Ｒp）＋ωsＣＥ2 …（86）
Ｄ2st＝−ωsＣＥ1＋（Ｅ2／Ｒp） …（87）
Ｄ1tr＝｛（１−β1ＣＲp）／Ｒp｝Ｂ1tr＋ω1ＣＢ2tr …（88）
Ｄ2tr＝−ω1ＣＢ1tr＋｛（１−β1ＣＲp）／Ｒp｝Ｂ2tr …（89）
とする。
【０１０４】すると、電流ｉとしては、 ｉ＝（Ｄ1stｃｏｓωsｔ＋Ｄ2stｓｉｎωsｔ）
＋（Ｄ1trｃｏｓω1ｔ’＋Ｄ2trｓｉｎω1ｔ’）ｅｘｐ（−β1ｔ’）
…（90）
が得られる。
【０１０５】また、電流ｉsは、 ｉs＝Ｃc（ｄｖ1／ｄｔ）＋ｉ＝ωsＣcＥm’ｃｏｓωsｔ＋ｉ …（91）
として得られる。
【０１０６】［４．２］ 拡張期拡張期においては、ダイオードＤがオフとなって、左心室圧ｅがダイオードＤのカソード側の回路へ印加されなくなり、静電容量ＣCを流れる電流は、電流ｉと大きさが等しく、逆方向の電流となる。したがって、電圧ｖ1は上述した式（1）で表わされるとともに、電流ｉ，電流ｉcはそれぞれ以下の式で表わされる。
ｉ＝−Ｃc（ｄｖ1／ｄｔ） …（92）
ｉc＝Ｃ（ｄｖp／ｄｔ） …（93）
【０１０７】したがって、電圧ｖpは、 ｖp＝Ｒp（ｉ−ｉc）＝−Ｒp｛Ｃc（ｄｖ1／ｄｔ）＋Ｃ（ｄｖp／ｄｔ）｝
…（94）
となる。
【０１０８】また、ｉ−ｉc＝ｉp＝ｖp／Ｒp であるから、 ｉ＝ｖp／Ｒp＋Ｃ（ｄｖp／ｄｔ） …（95）
となる。
【０１０９】次に、式（1）に式（95）を代入して、得られた式の両辺を時間ｔで微分すると次式が得られ る。
ｄｖ1／ｄｔ＝ＬＣ（ｄ3ｖp／ｄｔ3）
＋（Ｌ／Ｒp＋ＣＲc）（ｄ2ｖp／ｄｔ2）
＋（Ｒc／Ｒp＋１）（ｄｖp／ｄｔ） …（96）
【０１１０】また、式（92）と式（95）から次式が導かれる。
ｄｖ1／ｄｔ＝−｛ｖp／Ｒp＋Ｃ（ｄｖp／ｄｔ）｝／Ｃc …（97）
そして、式（96）と式（97）から次式が得られる。
ＬＣ（ｄ3ｖp／ｄｔ3）＋｛（Ｌ＋ＣＲcＲp）／Ｒp｝（ｄ2ｖp／ｄｔ2）
＋ ｛（ＣcＲc＋ＣcＲp＋ＣＲp）／ＣcＲp｝（ｄｖp／ｄt）
＋｛１／（ＣcＲp）｝ｖp＝０ …（98）
【０１１１】したがって、この式を変形すると次式が得られる。
（ｄ3ｖp／ｄｔ3）＋Ａ1’（ｄ2ｖp／ｄｔ2）
＋Ａ2’（ｄｖp／ｄt）＋Ａ3’ｖp＝０ …（99）
ここで、 Ａ1’＝（Ｌ＋ＣＲcＲp）／（ＬＣＲp） …（100）
Ａ2’＝（ＣcＲc＋ＣcＲp＋ＣＲp）／（ＬＣcＣＲp） …（101）
Ａ3’＝１／（ＬＣcＣＲp） …（102）
【０１１２】次に、ｖp＝ｅｘｐ（λｔ）とおいて、これを式（99）へ代入すると次式が得られる。
（λ3＋Ａ1’λ2＋Ａ2’λ＋Ａ3’）ｅｘｐ（λｔ）＝０ …（103）
さらに、以下のような定義をおこなう。
ｐ＝（Ａ1’2／９）−（Ａ2’／３） …（104）
ｑ＝−Ａ1’3／２７＋（Ａ1’Ａ2’）／６−Ａ3’／２ …（105）
ｕ＝｛ｑ＋√（ｑ2−ｐ3）｝1/3 …（106）
ｖ＝｛ｑ−√（ｑ2−ｐ3）｝1/3 …（107）
α’＝−（ｕ＋ｖ）＋Ａ1’／３ …（108）
β2＝（ｕ＋ｖ）／２＋Ａ1’／３ …（109）
ω2＝（ｕ−ｖ）√（３）／２ …（110）
λ1＝−α’ …（111）
λ2＝−β2＋ｊω2 …（112）
λ3＝−β2−ｊω2 …（113）
なお、（ｑ2−ｐ3）＞０であれば振動モードである。
【０１１３】そして、電圧ｖpをさらに次式のように仮定する。
ｖp＝ｂ1ｅｘｐ（−α’ｔ）＋ｂ2ｅｘｐ｛（−β2＋ｊω2）ｔ｝
＋ｂ3ｅｘｐ｛（−β2−ｊω2）ｔ｝ …（114）
【０１１４】すると、式（95）へ式（114）を代入することにより、電流ｉは次式のように変形される。
ｉ＝ｇ0ｂ1ｅｘｐ（−α’ｔ） ＋（ｇ1＋ｊｇ2）ｂ2ｅｘｐ｛（−β2＋ｊω2）ｔ｝ ＋（ｇ1−ｊｇ2）ｂ3ｅｘｐ｛（−β2−ｊω2）ｔ｝ …（115）
【０１１５】ここで、 ｇ0＝（１−α’ＣＲp）／Ｒp …（116）
ｇ1＝（１−β2ＣＲp）／Ｒp …（117）
ｇ2＝（ω2ＣＲp）／Ｒp …（118）
【０１１６】したがって、電圧ｖ1は式（115）から次式のようになる。
ｖ1＝−（１／ＣC） ∫ｉ ｄｔ ＝ｆ0ｂ1ｅｘｐ（−α’ｔ）
＋（ｆ1＋ｊｆ2）ｂ2ｅｘｐ｛（−β2＋ｊω2）ｔ｝ ＋（ｆ1−ｊｆ2）ｂ3ｅｘｐ｛（−β2−ｊω2）ｔ｝ …（119）
【０１１７】ここで、 ｆ0＝ｇ0／（α’Ｃc） …（120）
ｆ1＝（β2ｇ1−ω2ｇ2）／｛（β22＋ω22）Ｃc｝ …（121）
ｆ2＝（ω2ｇ1＋β2ｇ2）／｛（β22＋ω22）Ｃc｝ …（122）
次に、計算の簡略化を図るために、以後の説明においては、図４に示す時刻ｔ2をｔ＝０とおくことにする。そして、ｔ＝０における電圧ｖ1，電圧ｖp，電流ｉを各々ｖ01，ｖ02，ｉ0とすると、これらは式（119），式（114），式（115）のｔをｔ＝０とおくことで以下のように得られる。
ｖ01＝ｆ0ｂ1＋（ｆ1＋ｊｆ2）ｂ2＋（ｆ1−ｊｆ2）ｂ3 …（123）
ｖ02＝ｂ1＋ｂ2＋ｂ3 …（124）
ｉ0＝ｇ0ｂ1＋（ｇ1＋ｊｇ2）ｂ2＋（ｇ1−ｊｇ2）ｂ3 …（125）
【０１１８】次に、式（114）における第２項と第３項を変形することで、電圧ｖp は次式のようになる。
ｖp＝ｂ1 ｅｘｐ（−α’ｔ）＋｛（ｂ2＋ｂ3）ｃｏｓω2ｔ ＋ｊ（ｂ2−ｂ3）ｓｉｎω2ｔ｝ｅｘｐ（−β2ｔ） ＝Ｂ0ｅｘｐ（−α’ｔ）
＋（Ｂ1ｃｏｓω2ｔ＋Ｂ2ｓｉｎω2ｔ）ｅｘｐ（−β2ｔ）…（126）
【０１１９】ここで、 Ｂ0＝ｂ1 ＝ｖ02−（ｋ1ｇ2−ｋ2ｆ2）／（ｋ4ｇ2−ｋ3ｆ2） …（127） | |