[論文レビュー] A Bioimpedance Measurement System for Pulse Wave Analysis

Roman Kusche, Turner Adornetto+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2019

Non-Invasive Vital Sign Monitoring参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、50 kHz正弦波電流注入と同期された脈波測定用のフォトリトキサメトリー（PPG）を用いた、非侵襲的で24ビット、1000サンプル/秒の生体インピーダンス測定システムを提示する。システムは、心拍周期ごとに40 mΩのインピーダンス変化を示す前腕部の脈波形を正常に捉えた。これは、不快感を伴わず動脈硬化度評価が可能な可能性を示している。

ABSTRACT

The morphology and velocity of the pulse wave in the arteries provide meaningful information about the cardiovascular system. Nowadays, the pulse wave is usually acquired using common blood pressure cuffs at the extremities. This work describes a new measurement device which detects changes in bioimpedance due to the pulse wave. The system is able to measure up to 1000 bioimpedances per second with a resolution of 24 bits. For comparison purposes, an additional synchronized photoplethysmography circuit is implemented. Initial measurements proved that the system is able to acquire the pulse wave at the forearm.

研究の動機と目的

• 動脈硬化度評価を目的とした、非侵襲的で痛みのない継続的脈波モニタリング法の開発。
• 不快感を伴い長期間使用に適さない従来の cuff を用いた血圧測定法の限界を克服すること。
• 脈波形解析の向上を目的とした、高分解能生体インピーダンス測定（1000サンプル/秒、24ビット分解能）の実現。
• 信号比較および検証のための基準信号として、同期されたPPGの統合。
• 臨床的および長期モニタリング用途に適した、ポータブルで低消費電力のシステムの構築。

提案手法

• 32ビットマイコン（SAM4S16C）が、内部DACを介して50 kHzの正弦波励起信号を生成する。
• DCオフセットおよび高調波を除去するため、バック・トゥ・バックの4次バターワースローパスフィルタと1次ハイパスフィルタを用いて信号をフィルタリングする。
• ハウランド型電圧制御電流源（VCCS）が、2つの電極を通じて被験者の組織に1 mAの交流電流を注入する。
• 組織およびシャント抵抗子の両端の電圧降下をインstrumentationアンプリファイア（INA128）を用いて差動的に測定する。
• 差動信号は乗算IC（MPY634）を介して二乗処理され、その後4次バンドパスフィルタ（カットオフ周波数30 Hz）を通過する。
• 6チャンネル、24ビットADC（ADS131E06）が、インピーダンス信号およびPPG信号を1000サンプル/秒でデジタル化し、USB経由でPCに送信してリアルタイムGUIおよび信号処理を実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1000サンプル/秒のサンプリングレートと24ビット分解能を有する高分解能非侵襲的生体インピーダンスシステムは、脈波形を検出可能か？
• RQ2 脈波検出において、生体インピーダンス信号とPPGの波形およびタイミング的側面の比較はいかがなっているか？
• RQ3 本システムは、心拍周期に伴う組織インピーダンスの変化を信頼性高く捉えることができるか？
• RQ4 本システムを用いた前腕部における1心拍周期あたりのインピーダンス変動の大きさはどの程度か？
• RQ5 運動アーチファクトおよび信号安定性は、実世界の測定条件において測定にどのように影響を与えるか？

主な発見

• システムは、若い健常者男性被験者において、1000サンプル/秒のサンプリングレートで前腕部の脈波形を正常に取得した。
• 1心拍周期ごとに約40 mΩの一定したインピーダンス変化が観察され、組織インピーダンスの脈動的変動が検出可能であることが示された。
• 生体インピーダンス波形はPPG波形と類似した形を示しており、動脈脈波の信頼性ある検出が可能であることを示している。
• 生体インピーダンス信号にはPPG信号に存在しない高周波成分が含まれており、さらなる血行動態的または組織的性質への感受性が示唆された。
• システムはIEC60601-1の安全基準を満たしており、最大1 mAの電流注入が可能であった。
• 同期されたPPGの統合により、信号の検証が効果的に行われ、脈波検出の信頼性が向上した。