[論文レビュー] An Inexpensive Arterial Pressure Wave Sensor and its application in different physiological condition

Shantanu Sur, S.K. Ghatak|ArXiv.org|Dec 8, 2005

Heart Rate Variability and Autonomic Control参考文献 8被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、動脈壁径径の変化を検出する低周波数の圧電材料を用いた低コストな収縮圧波センサーを提案する。このシステムは圧力波形とその微分を両方とも捉えることができ、さまざまな生理的状態下での正確な心周期変動検出を可能にし、頸動脈および上腕動脈における信号のバリエーションが検証された。

ABSTRACT

Arterial Blood Pressure wave monitoring is considered to be important in assessment of cardiovascular system. We developed a novel pulse wave detection system using low frequency specific piezoelectric material as pressure wave sensor. The transducer detects the periodic change in the arterial wall diameter produced by pressure wave and the amplified signal after integration represents the pressure wave. The signal before integration is proportional to the rate of change of pressure wave and it not only reproduces the pressure waveform faithfully, but also its sharper nature helps to reliably detect the heart period variability (HPV). We have studied the position-specific (e.g. over carotid or radial artery) nature of change of this pulse wave signal (shape and amplitude) and also the changes at different physiological states.

研究の動機と目的

• 心血管評価のための安価でアクセス可能な動脈圧波センシングシステムの開発を目的とする。
• 脈波形および振幅が動脈の位置（例：頸動脈対上腕動脈）によってどのように変化するかを調査することを目的とする。
• さまざまな生理的状態下での心周期変動（HPV）の検出におけるセンサーの性能を評価することを目的とする。
• 圧力波の微分信号（圧力波の変化率）の信頼性を検証し、波形の忠実度および解析の向上に寄与することを目的とする。

提案手法

• 脈波による周期的な動脈壁径径変化を検出するために、低周波数の圧電材料を変換器として採用した。
• センサーからの生信号を増幅し、統合処理を施して圧力波形を再構築した。
• 統合しない信号を保持することで、圧力の変化率を捉え、波形の鋭さの検出を向上させた。
• 同じセンサー設定を用いて、頸動脈および上腕動脈部位における信号特性（振幅、形状）を比較した。
• 安静時、運動後、血行動態が変化した状態を含む、複数の生理的状態下での信号挙動を評価した。
• 信号の統合および微分処理を用いて、圧力波形およびその微分を抽出し、心周期変動のより良い解析を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 頸動脈と上腕動脈の両部位で測定した脈波信号の波形および振幅は、どのように異なるか？
• RQ2 圧力波信号の微分は、さまざまな生理的状態下で心周期変動（HPV）を信頼性高く検出できるか？
• RQ3 活動レベルや血行動態の変化といった生理的状態の変化が、検出された脈波の形態にどのように影響するか？
• RQ4 低コストな圧電センサーを用いることで、動脈圧波形の再現性がどの程度維持されるか？
• RQ5 統合信号と比較して、非統合信号は、微細な血行動態変化を検出する上で優れた時間分解能を提供するか？

主な発見

• 圧力の変化率に比例する非統合信号は、動脈脈波形を忠実に再現し、鋭い特徴の検出を向上させる。
• 微分信号により、心周期変動（HPV）の信頼性ある測定が可能となり、自律神経系評価への応用が可能である。
• 頸動脈および上腕動脈部位における信号の振幅および波形に顕著な差が認められ、脈波特性が動脈の位置に依存することが示された。
• センサー・システムは、運動後や血行動態が変化した状態など、さまざまな状態下での脈波パターンの生理的変化を正常に捉えた。
• 低周波数の圧電材料の使用により、複雑な信号条件調整を要せず、安価で高感度な動脈脈波検出が可能となった。
• 生信号の統合により、標準的な動脈圧波形に類似した波形が得られ、システムの波形再構築の正確性が検証された。