JP2010131264A

JP2010131264A - 呼吸気情報測定センサ

Info

Publication number: JP2010131264A
Application number: JP2008311290A
Authority: JP
Inventors: Shinji Yamamori; 伸二山森
Original assignee: Nippon Koden Corp
Current assignee: Nippon Koden Corp
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-06-17
Also published as: US20100145211A1

Abstract

【課題】簡易な構成であるにも拘わらず、適切に鼾検出を行う。
【解決手段】呼吸気を通過させる筒体２０と、前記筒体２０内に設けられた熱線２２Ａ、２２Ｂと、前記熱線２２Ａ、２２Ｂを抵抗として含むブリッジ回路と、前記ブリッジ回路から呼吸気による前記熱線の抵抗変化に応じた呼吸気量信号を取り出す抽出回路と、前記抽出回路の出力側に設けられた第一フィルタと第二フィルタと、前記第一フィルタの出力信号から呼吸流量を検出し、前記第二フィルタの出力信号から鼾を検出する検出回路とを具備する。
【選択図】図１

Description

この発明は、熱線式の呼吸気情報測定センサに関するものであり、呼吸流量だけでなく、鼾も同時に検出可能とするものである。

近年、睡眠時無呼吸症候群（以下ＳＡＳ）の診断にあたり呼吸流量や鼾は基礎的なパラメータである。従来、鼾を検出するためにセンサを喉付近に貼着するなどし、鼾を音声信号や振動信号として検出を行うものが広く用いられている。この手法によると、呼気流量などとは全く別のセンサが必要となるため、被検者にセンサ装着の煩わしさや不快感を与えるという問題があった。

また、圧電素子を用いる手法（特許文献１参照）により、生体の呼吸および鼾を検出するものも知られている。しかし、この手法によると、圧電素子の装着状態や口の形状や口の開け方等によって呼吸流量により生じる出力が変動する。更には圧電素子が大気に開放されているので呼気と吸気の流量を定性的な測定しかできず、呼吸流量を定量的に測定するのが不可能である。

上記に対し、呼吸流量を制御する観点から鼾検出を行う装置が知られており、この装置では、圧力センサを用いて患者の気道圧力を示す圧力を監視し、気道圧力を示す圧力信号を検出し、検出した圧力信号を濾波して、特定の周波数領域内の周波数を含む濾波圧力信号を得て、閾値と上記濾波圧力信号を比較して、閾値を交差する濾波圧力信号に応答して第１の振動を検出し、この第１の振動の基準期間を決定する。

更に、濾波圧力信号内で継続する第２の振動が閾値を超えるとき、第２の振動を検出して、この継続する第２の振動の第２の期間を決定し、該第２の期間を基準期間と比較して、第２の期間と基準期間とが整合するかを決定し、基準期間に整合する第２の期間に応答して鼾と判断するようにしたものである（特許文献２参照）。

しかしながら、この装置では、前述の通り処理が複雑であり、単純に波形を見ることにより鼾検出ができるというものではなかった。更に、気道圧力から呼吸信号を測定しているため、小児のような低換気の被検者に適用した場合、呼気が弱く十分な圧力や振動が得られず、的確に鼾を捉えられない可能性があった。
特開２００６−２１２２７１号公報特表２００５−５０５３２９号公報

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構成であるにも拘わらず、適切に呼吸流量の測定と同時に、鼾検出を行うことが可能な呼吸気情報測定センサを提供することである。

本発明に係る呼吸気情報測定センサは、呼吸気を通過させる筒体と、前記筒体内に設けられた熱線と、前記熱線を抵抗として含むブリッジ回路と、前記ブリッジ回路から呼吸気による前記熱線の変化に基づき呼吸気信号を取り出す抽出回路と、前記抽出回路の出力側に設けられた第一フィルタと第二フィルタと、前記第一フィルタの出力信号から呼吸流量を検出し、前記第二フィルタの出力信号から鼾を検出する検出回路とを具備すること
を特徴とする。

本発明に係る呼吸気情報測定センサでは、前記熱線の変化とは、熱線の温度変化、又は前記ブリッジ回路への供給電流の変化のいずれかであること
を特徴とする。

本発明に係る呼吸気情報測定センサでは、前記筒体の長手方向に更に熱線を設け並べて隣接配置させ、呼吸気の方向を検出する呼気/吸気判別回路を更に設けたこと
を特徴とする。

本発明に係る呼吸気情報測定センサでは、前記熱線の長手方向の前後に熱線をそれぞれ設け並べて隣接配置させ、呼吸気の方向を検出する呼気/吸気判別回路を更に設けたこと
を特徴とする。

本発明に係る呼吸気情報測定センサでは、生体の口と鼻とを覆い、前記筒体の一端側の開口部と連通するマスクを備えていること
を特徴とする。

本発明に係る呼吸気情報測定センサでは、第一フィルタはローパスフィルタであり、第二フィルタはハイパスフィルタであること
を特徴とする。

本発明に係る呼吸気情報測定センサでは、前記検出回路は検出された呼吸流量から換気量を算出すること
を特徴とする。

本発明に係る呼吸気情報測定センサによれば、生体の呼吸気による熱線の温度変化から呼吸気信号を取り出す抽出回路の出力をフィルタ処理する構成であるため、構成が簡単な単一のセンサで呼吸流量と鼾を同時かつ、応答性良く検出可能となる。

本発明に係る呼吸気情報測定センサによれば、被検者の呼気圧や振動などに依存せず、呼吸気による熱線の温度変化を検出するため、小児のような低換気の被検者であっても精度良く測定が可能である。

本発明に係る呼吸気情報測定センサによれば、センサが一つになることで、センサの小型化が可能となり被検者のセンサ装着の煩わしさや不快感といった問題も解決される。

本発明に係る呼吸気情報測定センサによれば、上記熱線の長手方向前後に複数の熱線を隣接配置させたので、呼気と吸気とを識別可能である。また、生体の口と鼻とを覆い、上記筒体の一端側の開口部と連通するマスクを備えているので、呼気と吸気の定量的な流量測定が可能なだけでなく、正確な換気量測定が可能である。

以下、添付図面を参照して本発明に係る呼吸気情報測定センサの実施例を説明する。図１に、呼吸気情報測定センサの実施例の構成図を示す。この呼吸気情報測定センサの実施例では、マスク１１に筒体２０の一端側の開口部２１が連通するように構成されたセンサ部１０を用いる。マスク１１は、被検者の口と鼻とを覆い、呼気及び吸気の全てが筒体２０を通過する構成を採用する。

図１（ａ）に全体構成を示し、図１（ｂ）に筒体２０につき内部を透過して示した拡大図を示す。呼気吸気を通過させる筒体２０内には、長手方向に並ぶように隣接された３本の熱線２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが配置されている。熱線２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは、白金やタングステンなどの知られた材料により構成され、通電により発熱し抵抗を変化させる素子である。熱線２２Ａがマスク１１側に配置され、熱線２２Ｂがマスク１１から遠い側に配置され、熱線２２Ｃが熱線２２Ａと熱線２２Ｂに挟まれて配置されている。熱線２２Ａの端部に接続されたリード２３Ａ、２４Ａと、熱線２２Ｂの端部に接続されたリード２５Ｂ、２６Ｂと、熱線２２Ｃの端部に接続されたリード２７Ｃ、２８Ｃとは、それぞれ抽出回路３０に接続されている。

抽出回路３０は、上記熱線２２Ｃを含む図２に示すようなブリッジ回路３１を有し、このブリッジ回路３１から呼気吸気による熱線２２Ｃの抵抗変化に応じた呼気吸気量信号を取り出すものである。本実施例に係る抽出回路３０は、呼気か吸気かを検出するための方向検出のための図３のブリッジ回路３２を更に含むものである。

図２のブリッジ回路３１は、熱線定温度回路と称される回路である。ブリッジ回路３１中のＲが熱線２２Ｃであり、他の抵抗ｒ１〜ｒ３は固定抵抗である。ブリッジ回路３１には、抵抗ｒ１と抵抗ｒ３の接続点にオペアンプ３３から電流が供給され、抵抗Ｒと抵抗ｒ２の接続点がグランドに接続され、電流が流れるようにされている。この電流により、抵抗Ｒが例えば摂氏４００度程度に発熱し抵抗Ｒの抵抗値が増加して、ブリッジ回路３１は平衡状態となるように各抵抗値が設定されている。

抵抗ｒ１と抵抗ｒ２の接続点をオペアンプ３３の非反転側入力端子に接続し、抵抗ｒ３と抵抗Ｒの接続点をオペアンプ３３の反転側入力端子に接続して、ブリッジ回路３１が不平衡となったときの信号値を増幅して出力信号Ｅｏを得ている。この出力信号Ｅｏによる電流源は、ブリッジ回路３１へフィードバックされて、ブリッジ回路３１が平衡するまで電流が増加する。つまり、測定前の筒体２０においては、抵抗Ｒが例えば摂氏４００度程度に発熱し抵抗Ｒの抵抗値が増加して、ブリッジ回路３１が平衡状態となるまでオペアンプ３３の出力によりブリッジ回路３１に電流が増加する。

上記の抽出回路３０においては、測定状態となって呼吸気流が筒体２０内を流れると、熱線２２Ｃである抵抗Ｒが呼吸気流により冷却されて抵抗Ｒの抵抗値が変化しブリッジ回路３１の平衡が崩れて不平衡電圧が増幅されて出力信号が得られると共に、ブリッジ回路３１を平衡に戻すように電流を増加するようにフィードバックがなされる。呼吸流量に応じて、抵抗Ｒが冷却されるので、オペアンプ３３の出力信号Ｅｏは筒体２０の内径を考慮した演算をすれば呼吸流量として得られる。

図３のブリッジ回路３２は、方向識別用のブリッジ回路である。ここで用いられるブリッジ回路３２に含まれる熱線２２Ａ（図３のＲ１）と熱線２２Ｂ（図３のＲ２）は、熱線２２Ｃと同じ熱線であるが、熱線２２Ａと２２Ｂの温度がほとんど上昇しないようにブリッジに印加する電圧を設定しており、熱線２２Ａと２２Ｂは感熱線として機能させる。

前述の通り、筒体２０内においては、長手方向に並べられて隣接された３本の熱線２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが配置され、熱線２２Ｃは温度が高く保たれているので、呼気または吸気の気流の流れにおいて最下流となる側の熱線（２２Ａまたは２２Ｂ）は２２Ｃによって暖められた気流を受ける。この結果、熱線（２２Ａまたは２２Ｂ）の抵抗値が上昇してブリッジ回路３２の平衡が崩れ、不平衡電圧が出力される。気流の方向によって出力される不平衡電圧は例えば図４（ｂ）に示すようにプラスあるいはマイナスとなるため、方向を識別することができる。すなわち、筒体２０内を呼気が流れているのか又は吸気が流れているのかを検出可能である。熱線２２Ａと熱線２２Ｂを含むブリッジ回路３２に接続されたオペアンプ３４の出力は、出力ライン３８を介して呼気/吸気判別回路４３へ送られ、呼気/吸気判別回路４３による上記検出結果に基づきフィルタ処理やゼロ調整等の処理が施され、検出回路４５へ出力される。

熱線２Ｃを含むブリッジ回路３１に接続されたオペアンプ３３の出力は、出力ライン３９を介して出力される。出力ライン３９の分岐された一方にはカットオフ周波数が２０Ｈｚ程度のローパスフィルタ４１および直線近似するためのリニアライズ回路４４が接続されており、また、出力ライン３９の分岐された他方にはカットオフ周波数が２０Ｈｚ程度のハイパスフィルタ４２が接続されている。

ここで、図４（ａ）はローパスフィルタ４１で処理された後の呼吸流量に関する波形の一例であり、図４（ｂ）は呼気／吸気判別回路４３で処理された後の方向検出に関する波形の一例であり、図４（ｃ）はハイパスフィルタ４２で処理された後の鼾に関する波形の一例である。

この図４（ｃ）から明らかなように、ハイパスフィルタ４２を通過させた信号は、一定周期で他の部分よりも振幅が短時間間隔で大きく振動した波形部分を観察することができ、鼾発生を視覚的に捕らえることができる。

ローパスフィルタ４１の出力信号はリニアライズ回路４４にて直線近似された後、検出回路４５において呼気／吸気判別回路４３からの信号に基づいて吸気相または呼気相を判別し、呼吸流量信号に変換される。さらに検出回路４５では呼吸流量信号を積分して換気量信号を算出し、呼吸流量信号と換気量信号は鼾信号と共に生体情報測定装置５０へ送られる。生体情報測定装置５０は、検出回路４５からの信号を受けて、表示波形画像を生成するなどの信号処理を行うコンピュータ等により構成されるものである。

生体情報測定装置５０は、検出回路４５からの信号を受信し表示波形画像を生成してディスプレイに表示する。

なお、上記においてブリッジ回路３１は、熱線定温度回路を用いたが、ブリッジ回路３２のＲ１を熱線２２Ｃで構成した熱線の温度変化を検出する定電流型のブリッジ回路を用いて、呼吸流量と鼾を検出するようにしても良い。

また、抽出回路３０におけるブリッジ回路３１とブリッジ回路３２を、２つのブリッジ回路３１で構成しても良い。

流れの下流側の熱線は流れの上流側の熱線の熱の影響を受けて、下流側の抵抗が上流側の抵抗より温度を奪われにくくなるので、同じ流量でも下流側のブリッジ回路３１の出力は上流側のブリッジ回路３１の出力よりも小さくなる。この出力の大小関係より流れの方向を検出することができる。なお流量検出は、常に上流側のブリッジ回路の出力を採用する。上流側のブリッジ回路３１の出力信号Ｅｏを一つのローパスフィルタを通過させて呼吸流量波形画像を得ると共に、ブリッジ回路３１の出力信号Ｅｏを一つのハイパスフィルタを通過させて鼾波形画像を得るように、呼吸気情報測定センサを構成する。その他の構成は、前述の構成に等しく構成する。

本発明に係る呼吸気情報測定センサの実施例の構成を示すブロック図。本発明に係る呼吸気情報測定センサの実施例に採用されるブリッジ回路の一例を示す図。本発明に係る呼吸気判別用のセンサに採用されるブリッジ回路の他の一例を示す図。本発明に係る呼吸気情報測定センサの実施例により表示される換気量及び鼾に係る波形の例を示す図。

符号の説明

１０センサ部
１１マスク
２０筒体
２２Ａ、２２Ｂ熱線
３１、３２ブリッジ回路
３３、３４オペアンプ
４１ローパスフィルタ
４２ハイパスフィルタ
４３呼気／吸気判別回路
４４リニアライズ回路
４５検出回路
５０表示情報生成部

Claims

呼吸気を通過させる筒体と、
前記筒体内に設けられた熱線と、
前記熱線を抵抗として含むブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路から呼吸気による前記熱線の変化に基づき呼吸気信号を取り出す抽出回路と、
前記抽出回路の出力側に設けられた第一フィルタと第二フィルタと、
前記第一フィルタの出力信号から呼吸流量を検出し、前記第二フィルタの出力信号から鼾を検出する検出回路と
を具備することを特徴とする呼吸気情報測定センサ。
前記熱線の変化とは、熱線の温度変化、又は前記ブリッジ回路への供給電流の変化のいずれかであること
を特徴とする請求項１に記載の呼吸気情報測定センサ。
前記筒体の長手方向に更に熱線を設け並べて隣接配置させ、
呼吸気の方向を検出する呼気/吸気判別回路を更に設けたこと
を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の呼吸気情報測定センサ。
前記熱線の長手方向の前後に熱線をそれぞれ設け並べて隣接配置させ、
呼吸気の方向を検出する呼気/吸気判別回路を更に設けたこと
を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の呼吸気情報測定センサ。
生体の口と鼻とを覆い、前記筒体の一端側の開口部と連通するマスクを備えていること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の呼吸気情報測定センサ。
第一フィルタはローパスフィルタであり、第二フィルタはハイパスフィルタであること
を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の呼吸気情報測定センサ。
前記検出回路は、検出された呼吸流量から換気量を算出すること
を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の呼吸気情報測定センサ。