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バイオメディカル情報工学第二部生体情報技術入門

第2章生体信号計測技術 1

第２部生体情報技術入門第２部生体情報技術入門

第2章生体信号計測技術

生体情報学講座生体情報学講座教授教授陳陳文西文西

生体信号の種類生体信号の種類

• 圧力ー血圧

• 流れー血流、呼吸ガス

• 運動と力ー加速度、筋収縮力

• 音声ー心音、呼吸音

• 温度と熱流ー体表と深部

• 化学量ー尿、血液（ガス、電解質、イオン）

• 電磁気量ー心電図、心磁図、脳波、筋電図

第２部生体情報技術入門第2章生体信号計測技術 2/59

生体内圧力の計測

血圧血圧BPBP


圧力圧力

• 単位面積当たりに働く力、単位パスカル（Pa）• １Pa＝１N/m2

• 水銀柱ミリメートル(mmHg)• 水柱センチメートル(cmH O)• 水柱センチメトル(cmH2O)• 1mmHg=133.322Pa• 1cmH2O=98.066Pa• 絶対圧=真空を基準とする=大気圧+ゲージ圧

• ゲージ圧=大気圧（101,325Pa）を基準とする

• 生体内圧力=一般的にゲージ圧（gauge pressure）第２部生体情報技術入門第2章生体信号計測技術 4/59

血圧血圧

• 心臓血管循環系には体循環と肺循環がある、静脈と動脈

• 心臓が血液を送り出す際に血管の壁にかかる圧力

• 般的に動脈にかかる圧力• 一般的に動脈にかかる圧力

• 通常は上腕の動脈で血圧を測定（心臓の位置と同じレベル）


心臓血管循環系の血圧心臓血管循環系の血圧




血圧計測法の分類血圧計測法の分類

• 観血法、侵襲法(invasive)、直接法

– 動脈カテーテル法(arterial catheter)• 非観血法、非侵襲法(noninvasive)、間接法

– 間欠法(intermittent method)( )• コロトコフ（聴診）法(Korotkoff method)• オシロメトリック（容積振動）法(Oscillometric method)• 超音波ドップラー法(ultrasound Doppler method)

– 連続法(continuous method)• トノメトリ法(tonometry method)• 容積補償法(unloading method)• 脈波伝播時間法(pulse wave transit time method)


動脈カテーテル法動脈カテーテル法


半導体ゲージセンサ半導体ゲージセンサ


光ファイバセンサ光ファイバセンサ


コロトコフ法コロトコフ法


カフ（内圧）振動法カフ（内圧）振動法




血管の静的圧と容積の関係血管の静的圧と容積の関係


指式の容積振動法指式の容積振動法


超音波ドップラー法超音波ドップラー法


トノメトリ法による連続血圧計測トノメトリ法による連続血圧計測


容積補償法容積補償法ーー概念図概念図


容積補償法容積補償法ーー記録例記録例




脈波伝播概念図脈波伝播概念図


脈波伝播時間と血圧の関係脈波伝播時間と血圧の関係


生体温度の計測

体温体温BTBT


各種体温の計測各種体温の計測

<

深部体温計測の種類


鼓膜温

×腋下温

外気に影響されやすい

直腸温

温度計を直腸に挿入する

舌下温

正確な計測には習熟が必要

熱の伝わり方熱の伝わり方


各種体温の計測部位と方式各種体温の計測部位と方式

測定部位方式

皮膚サーミスタ、水銀

直腸サーミスタ

http://hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml


舌下サーミスタ

鼓膜赤外線

深部サーミスタ（＋ヒータ）

体表赤外線

全身サーモグラフィ



熱膨張性熱膨張性

V

V pT

V

VpT

1

, pT

pT

1

,


水銀体温計と電子体温計水銀体温計と電子体温計


サーミスタサーミスタ

• Thermistor=thermally sensitive resistor– 温度変化に対して電気抵抗の変化の大きい抵抗体。温度計測センサとして利用される

• 計測温度範囲＝-50～350• NTC（Negative Temperature Coefficient）

– 鉄，ニッケル，コバルト，マンガン，銅などの金属酸化物を2～4種混合し，いろいろな形状に成形して高温（1200～1500）で焼結したもので，温度変化に対して抵抗値の変化が負の関係を持つ半導体抵抗器

• PTC（Positive Temperature Coefficient）


サーミスタ温度特性サーミスタ温度特性

NTC PTC


特長特長

• 感度高い

–抵抗温度係数が-2.8～-5.1%/で極めて大

• 加工しやすい

–利用現場の要求に応じていろいろな形状、特に小形化することが可能

• 抵抗値の可能な選択範囲が大きい

–数十Ω～数百kΩの間で自由選択可能


抵抗値の温度依存性抵抗値の温度依存性

• T0は基準温度で、一般に298.15K（25）

• R0はT0時の抵抗値

• Bはサーミスタ定数

– 1500～6000K1500 6000K

• αは温度係数


00

11exp

TTBRTR

2T

B

RdTdR



実測式と予測式実測式と予測式


放射温度計（赤外線温度計）放射温度計（赤外線温度計）

• 「放射」とは、物質が持つ熱

エネルギーを電磁波(可視光

線や赤外線など)という形態

で周囲に放出する現象で周囲に放出する現象

• 赤外線センサを用いて物体

の表面から放射される赤外

線エネルギーを検知し、その

赤外線の量から物体の表面

温度を測定する


熱電対熱電対（（ThermocoupleThermocouple））

Zeebeck effect (thermoelectric effect)

熱電堆熱電堆（（ThermopileThermopile））


サーモグラフのシステム構成サーモグラフのシステム構成


体温分布測定体温分布測定

• サーモグラフィ




加熱型深部体温計加熱型深部体温計


T2

R1

T1I

熱流等価回路熱流の動き熱

流

断熱材

T1

T2 R1

非加熱型深部体温計測原理非加熱型深部体温計測原理

TB

R

T1I

皮下脂肪

皮膚組織

深部体温TB

R非灌流組織

熱流

灌流組織 RTTRTTI B 1121

1

211 R

RTTTTB

38/59第２部生体情報技術入門第2章生体信号計測技術

双熱流プローブ双熱流プローブ


深部温の推定深部温の推定

1

311 R

RTTTT S

B

2

422 R

RTTTT S

B

仮に, 近いので、両Rsは等しい


3142

31211 TTTTK

TTTTTTB

仮に, 近ので、両は等し定義 K=R1/R2、センサの特性を示す

血液ガスの計測

血血中中酸素飽和度酸素飽和度SSPPOO22


血中酸素飽和度血中酸素飽和度• Binding oxygen in the pulmonary capillaries and

releasing oxygen in the systemic capillaries• Oxyhemoglobin(HbO2)-fully saturated with oxygen• Reduced hemoglobin(Hb)-partly saturated with

oxygen

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oxygen• Functional oxygen saturation (Functional SO2)

• Arterial blood ->functional arterial oxygen saturation functional SaO2 SaO2 SpO2

第２部生体情報技術入門第2章生体信号計測技術

%100%100][][

][

2

2

2

2

HbHbO

HbO

cc

c

HbHbO

HbO



BeerBeer--LambertLambert法則法則


cdeI

IT

0

cdTA ln

血中赤細胞の振る舞い血中赤細胞の振る舞い

• The axis of the erythrocytes changes during the cardiac cycle.

• Erythrocytes tend to align their major diameter parallel to the direction of flow

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pduring diastole, whereas perpendicular during systole, thereby a greater absorption path length.


血流変動と透過光変動血流変動と透過光変動


血管中の血管中のBeerBeer--LambertLambert法則法則

dcc HbOHbOHbHbeIdI 220

dddd DC min


心拍周期と最小・最大吸光心拍周期と最小・最大吸光

max220

dccdcL

HbOHbOHbHbDCDCDC eeII

min220

dccdcH

HbOHbOHbHbDCDCDC eeII

t I 0

HL


Inci

dent

ligh

H

各種ヘモグロビンの吸光特性各種ヘモグロビンの吸光特性




SpOSpO22、、光波長と吸光信号波形光波長と吸光信号波形


信号の正規化信号の正規化

dcc

Hn

HbOHbOHbHbeI

II

22


各種ヘモグロビンによる光吸収各種ヘモグロビンによる光吸収

• Four absorbent components–Oxy-hemoglobin–Deoxy-hemoglobin

Other hemoglobins (MetHb COHb)–Other hemoglobins (MetHb, COHb)–Unknown sources

• Total absorbance


00

222ln Adcdcdc

I

IA xxxHbHbHbHbOHbOHbO

SpOSpO22の計算の計算• Absorbencies of oxygenated and deoxygenated hemoglobin

differ and vary dependent on incident light wavelength.• Hemoglobin saturation

%1002

22

HbHbO

HbOSpO

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• Two unknown parameters: oxygenated hemoglobin (HbO2) and deoxygenated hemoglobin (Hb).

• Two equations are required.• Two wavelengths are used to measure absorption at two

wavelength points and calculate outcome as oxygen saturation, i.e. SpO2.

• SpO2 is usually derived by applying the “R/IR” ratio to a look-up table instead of various empirical equations.


SpOSpO22の計算の計算

HbHbOHbO ccSOc 22 2

HbHbOHb ccSOc 221

(1)

(2)


HbHbHbHbOHbOHbOt dcdcA 222

dccSOSOA HbHbOHbHbOt 22 22 1

(3)

(4)

Assuming d=dHb=dHbO2, and combining (1)-(3) to obtain (4)

SpOSpO22の計算の計算

IRHIRL

RHRL

IRt

Rt

II

II

A

AR

,,

,,

,

,

ln

ln

IRHbOIRHbOHbIRHb

RHbORHbOHbRHb

dcc

dccR

22

22

(5)

(6)


2

2

2

2

SaO

SaOR

IRHbIRHbOIRHb

RHbRHbORHb

%100

22

2

R

RSpO

IRHbIRHbORHbORHb

IRHbRHb

Assuming ∆dR=∆dIR, and combining (4) and (7) to obtain (8)

(7)

(8)



校正曲線校正曲線


経験的方法経験的方法

• Ratio of pulse-to-constant

• Clinical formulaIRIR

REDRED

DCAC

DCACR

2

11

2

111

n

ii

n

ii

n

ii

n

ii

n

iii

RRn

SRSRnb

• Clinical formula

– a and b are coefficients determined through calibration第２部生体情報技術入門第2章生体信号計測技術

RSpO ba 2

2

11

2

111

2

1

n

ii

n

ii

n

iii

n

ii

n

ii

n

ii

RRn

SRRRSa

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透過型と反射型のプローブ透過型と反射型のプローブ

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青柳パルスオキシメータ青柳パルスオキシメータ


22波長の脈波波形波長の脈波波形


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