新技術説明会 様式例

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1 1 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

2 1. 基礎的バイタルサイン 2 呼吸数 体温 血圧 心拍数 バイタルサイン 救急活動者一人一人の状態を把握体に異変適切な処置 安全確保 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 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 常時着用可能で通信機能のあるバイタルセンサの開発

3 3 バイタルサイン 血圧 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 採血せずに血管の状態を示す 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 日本人の 才男性 :60% 女性 :40% 厚生労働省 治療 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% 高血圧 放置 動脈硬化 放置 心臓病心筋梗塞脳卒中 自覚症状がない 健康状態を表す 定期的な血圧測定が必要

4 4 従来の血圧測定器の問題点 家庭 圧力測定 無拘束 連続測定 時間的拘束連続測定が不可能衣服の着脱 無意識計測 医療現場 血圧は一日のなかでも大きく変動する ウェアラブル 白衣高血圧 緊張によって普段より高い血圧状態になる 仮面高血圧 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 脳卒中, 心筋梗塞になるリスクが高い 血圧測定器の開発 FBG センサを用いた血圧値測定システムの構築

5 FBG(Fiber Bragg Grating) 7 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 Intensity Wavelength Incident light Grating Clad Intensity Wavelength Transmitted light Intensity Wavelength Reflected light Core The Bragg wavelength λb = 2neffΛ neff Λ : Effective refractive index : Grating period

6 8 システム構成 Light source λb = effλ 2n FBG sensor 1 FBG sensor 2 λb = 2n eff Λ Photodetector FBG sensor Light source Sensor Fiber Photodetector specification Type Output Class Wavelength range Length of sensor Resolution Wavelength range Fiber material Fiber diameter Core diameter ASE light 30 mw 1M nm 5 mm ±0.1pm sensor ±0.5nm sensor ±0.5nm Quartz silica glass 145μm 10.5 μm InGaAs

7 9 バイタルサイン測定 ( 脈拍 ) 30 生体情報を持つ波形の取得 Wavelength [pm] Estimated value [bpm] Time [s] ピークの検出 脈拍数の算出 Reference value [bpm]

8 10 バイタルサイン測定 ( 呼吸数 ) 30 生体情報を持つ波形の取得 Wavelength [pm] Time [s] 32 1 Temperature[ ] temperature peak interval Time[s] Peak interval[s] 脈拍の周期の変動 呼吸数の算出

9 11 PWV( 脈波伝播速度 ) 脈波が身体に伝わる速度 通常 5-12 m/s PWV = E 2r h ρ E : ヤング率 h : 壁の肉厚 r: 管の半径 ρ : 血液の密度 血管が固いほどその速度は速くなる 血管 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

10 PWV の測定 本測定方法 FBG センサ 1 FBG センサ 1 FBG センサ 2 ΔT 生体信号の時間差 脈波伝播時間 FBG センサ 2 血圧値を相対的に算出 血圧高い PWV 速い 距離一定 血圧 高い 脈波伝播時間 短い 低い 遅い 低い 長い 12

11 血圧値の求め方 13 脈波伝播時間 ΔT FBG センサ 1 FBG センサ 2 脈波伝播時間 ΔT を取得 血圧 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 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 腕帯で上腕を加圧 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

12 14 測定方法 FBG センサ 1 FBG センサ 2 自動血圧計 ( テルモ電子血圧計 ES-P2000BR) 測定条件 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 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

13 15 Wavelength shift [pm] 解析方法 ΔT1 ΔT2 ΔTn Neck Ankle Time [s] ピークを検出 時間差 ΔT1 から ΔTn を検出 ΔTの平均値を算出 T T と収縮期血圧値を比較

14 16 測定結果 Averaged ΔT [ms] R=-0.65 SE= 8[mmHg] Diastolic blood pressure [mmhg] 血圧の増加に伴って, T が減少 PWV と血圧との関係性に準じている 距離が一定 :PWV は増加 本計測の妥当性

15 17 時間差 ΔT の立ち上がり点の設定 現在報告されている立ち上がり点を決定する方法 Asmar R. Pulse wave velocity principles and measurement. In:Asmar R, editor. Arterial Stiffness and Pulse Wave Velocity-Clinical Application.Paris: Elsevier ;1999.p 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 測定データの ΔT と一次微分と二次微分の ΔT を比較

16 18 一次微分処理後 0.06 一次微分法と二次微分法 Neck Ankle Wavelength shift [pm] 一次微分法での ΔT を算出値として収縮期血圧値と比較 Time [s] 二次微分処理後 Wavelength shift [pm] Neck Ankle S/N 比が小さく安定したピークの算出が困難 Time [s]

17 19 測定結果 230 Diastolic 微分未処理 Averaged ΔT [ms] Filter R=-0.65 SE=8 [mmhg] 一次微分法 R= Diastolic blood pressure [mmhg] SE=7 [mmhg] 一次微分法 相関係数が高く, 誤差も少ない 安定した測定結果が得られる 最適な立ち上がり点

18 20 血圧値検量線構築 230 Averaged ΔT [ms] Diastolic blood pressure [mmhg] 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 収縮期血圧値 = 0.76 T ΔT を代入

19 21 血圧値計測の検証 130 Estimated value [mmhg] SE=5 [mmhg] 予測値と参照値がよく対応している 高い再現性 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 Reference value [mmhg] 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.

20 まとめ 22 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. 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 血圧測定装置出願番号 :PCT/JP2013/ 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

21 想定される用途 23 常時測定可能なウェアラブルバイタルサインシステム 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 )

22 24 企業への期待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 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 FAX info@shinshu-tlo.co.jp

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