バイオメディカル情報工学 第二部 生体情報技術入門 各種生体信号 Biosignal Range 心弾動図 Ballistocardiogram (BCG) 0-7 mg 0-40 Accelerometer, strain gage 0-100 μm 0-40 Displacement (LVDT, Linear Variable Differential Transformer ) 第２部 生体情報技術入門 膀胱圧 Bladder pressure 0-10 Strain gage manometer 第1章 生体信号の基礎 1-100 cm H2O 血流 Blood flow 1-300 ml/s 0-20 Flowmeter (electromagnetic or ultrasonic) （血圧値と心拍数の計測） 生体情報学講座 陳 文西 Biosignal Sensor 直接 10-400 0-50 mm Hg Strain-gage manometer 間接 25-400 0-60 mm Hg Cuff, auscultation 静脈血圧 Blood pressure, venous 0-50 0-50 mm Hg Strain gage 動脈血圧 Blood pressure, arterial Biosignal Range Freq., Hz Sensor 皮質脳波(ECoG) Electrocorticogram 10-5000 μV 0-150 Brain-surface or depth electrodes Range Freq., Hz PO2 30-100 mm Hg 0-2 筋電図(EMG) Electromyogram 0.1-5 mV 0-10,000 Needle electrodes PCO2 40-100 mm Hg 0-2 眼電図(EOG) Electrooculogram 50-3500 μV 0-50 Contact electrodes 1-3 mm Hg 0-2 網膜電図(ERG) Electroretinogram 0-900 μV 0-50 Contact electrodes 0.10.4mm Hg 0-2 電気皮膚反応(GSR) Galvanic skin response 1-500 kΩ 0.01-1 Skin electrodes 血液pH Blood pH 6.8-7.8 pH units 0-2 胃筋電図(EGG) Electrogastrogram 10-1000 μV 0-1 Skin-surface electrodes 心拍出量 Cardiac output 4-25 liter/min 0-20 Dye dilution, Fick 0.5-80 mV 0-1 Stomach-surface electrodes 0.01-250 Skin electrodes 0-100 cm H2O Strain-gage 0.5-4 mV Gastrointestinal pressure胃腸圧 0-10 心電図(ECG) Electrocardiogram 1-50 g 0-1 Displacement system, LVDT 脳波(EEG) Electroencephalogram 5-300 μV 0-150 Scalp electrodes Gastrointestinal forces胃腸力 胃pH Gastric pH 3 - 13 pH units 0-1 pH electrode, antimony electrode 血液ガス Blood gases PN2 PCO 第一章 生体信号の基礎 Sensor Freq., Hz Specific electrode, volumetric or manometric Specific electrode 1 バイオメディカル情報工学 第二部 生体情報技術入門 Biosignal Range Freq., Hz Sensor 神経電位 Nerve potentials 0.01- 3 mV 010,000 Surface or needle electrodes 心音図 Phonocardiogram (PCG) 5-2000 Dynamic range 80 dB, threshold about 100 μPa Microphone 容積脈波 Plethysmogram (volume change) Varies with organ 0-30 Displacement chamber or impedance change Flow rate 0-600 liter/min 0-40 Pneumotachograph head and differential pressure Respiratory rate 2-50 0.1-10 breaths/min Strain gage on chest, impedance, nasal thermistor Tidal volume 50-1000 ml/breath 0.1-10 Above methods 32-40 ℃ 90-104 ℉ 0-0.1 Thermistor, thermocouple 呼吸機能 Respiratory functions 体温 Body temperature 心電図と動脈血圧 ECGとABP（Arterial Blood Pressure） 第一章 生体信号の基礎 心電図(ECG) Electrocardiogram 心電図と呼吸 ECGとRESP(respiration) 2 バイオメディカル情報工学 自発脳波 Spontaneous EEG (Electroencephalogram) 第二部 生体情報技術入門 誘発脳波 Evoked, Event-related EEG 聴覚誘発電位 (AEP) Auditory Evoked Potential 視覚誘発電位（VEP） Visual Evoked Potential 体性感覚誘発電位(SEP) Somatosensory Evoked Potential 筋電図(EMG) Electromyogram 体温(BT) Body Temperature 睡眠時体温の変動 第２部 生体情報技術入門 第一章 生体信号の基礎 第1章 生体信号と計測技術 3 バイオメディカル情報工学 第二部 生体情報技術入門 血圧(BP),心拍数(HR),体重(BW),体温(BT) 収縮期圧 SBP (Systolic) 拡張期圧 DBP (Diastolic) 計測手法 第一章 生体信号の基礎 信号の多様性 計測システムの基本構成 4 バイオメディカル情報工学 第二部 生体情報技術入門 信号とノイズ 生体計測の特殊性 • 組織・器官破壊や生理状態の乱れを最小限にする • 生理量の変化は短時間の成分にも長時間の成分 にも意味があり、計測システムの広い周波数応答 性と高い生物的・化学的安定性が要求される • 組織や器官が柔らかく壊れやすく、異物に対して拒 絶反応のため、生体と直接接触するセンサ素材に 生物親和性が要求される • 人間に意思と感情があり、強制や拘束、不快や痛 みを最小限にする • Signal – the component of a variable that contains information about the object quantity • Noise – a component unrelated to the object quantity • Signal ↔ Noise – not defined by physical nature but by the intention of the observer • Signal-to-Noise Ratio (SNR) SNR dB 10 log10 – P and A indicate power and RMS amplitude, respectively ECGと各種雑音 Power line interference Baseline drift PS A 20 log10 S PN AN ノイズの種類 • Thermal Noise – Random thermal agitation relevant to temperature – Uniform distribution of power density • 1/f Noise EMG interference Motion artifact – Many natural phenomena – Power density is inversely frequency proportional to the • Interference – Electromagnetic coupling - power line, fluorescent lamps • Artifact – Superimposed on the object quantity and caused by external factors such as motion – skin-electrode contact 第一章 生体信号の基礎 5 バイオメディカル情報工学 第二部 生体情報技術入門 電磁ノイズ（EMI） ElectroMagnetic Interference 1/f ノイズ ノイズの確率分布 amplitude amplitude uniform distribution time amplitude amplitude amplitude probability probability density function 生体内圧力の計測 血圧BP Gaussian distribution time amplitude 第一章 生体信号の基礎 probability probability of noise occurs in such amplitude 6 バイオメディカル情報工学 第二部 生体情報技術入門 生体内の圧力 臓器系 圧力名 循環器 心室内圧 心臓の収縮と拡張 （大）動脈圧 左心室の収拡によって（大）動脈内の圧力、血圧BP 呼吸器 泌尿器 消化器 その他 生体内圧の変動範囲 説明 静脈圧 静脈血管内の圧力。右心房近傍の中心静脈圧CVP 肺動脈圧 右心室の収拡によって肺動脈内の圧力PCWP 微小血管内圧 直径20-250umの血管内圧、微小循環動態 気道内圧 呼吸に伴って生じる気道内の圧力、呼吸機能 胸腔内圧 呼吸に伴って生じる胸腔内の圧力、呼吸機能 消化管内圧 胃あるいは腸管の内圧 膀胱内圧 膀胱内に貯留する尿液の圧力 尿道内圧 排尿するための圧力 頭蓋内圧 頭蓋骨内部の圧力ICP。脳圧、脳髄液圧とも言う 眼圧 眼球内の圧力 子宮内圧 第1章 生体信号と計測技術 羊膜内の羊水圧 第２部 生体情報技術入門 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(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） 第一章 生体信号の基礎 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 • 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） 7 バイオメディカル情報工学 心臓血管循環系の血圧 第二部 生体情報技術入門 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 半導体ゲージセンサ 第２部 生体情報技術入門 第一章 生体信号の基礎 第2章 生体信号計測技術 32/56 8 バイオメディカル情報工学 第二部 生体情報技術入門 コロトコフ法 光ファイバセンサ 第２部 生体情報技術入門 カフ（内圧）振動法 第２部 生体情報技術入門 第一章 生体信号の基礎 第2章 生体信号計測技術 第2章 生体信号計測技術 34/56 血管の静的圧と容積の関係 35/56 9 バイオメディカル情報工学 指式の容積振動法 トノメトリ法による連続血圧計測 第一章 生体信号の基礎 第二部 生体情報技術入門 超音波ドップラー法 容積補償法ー概念図 10 バイオメディカル情報工学 容積補償法ー記録例 第二部 生体情報技術入門 脈波伝播概念図 脈波伝播時間と血圧の関係 演習課題 血圧値と心拍数の計測 第一章 生体信号の基礎 11 バイオメディカル情報工学 第二部 生体情報技術入門 内容・課題 • 内容 – 使用設備： • K音式手動血圧計１種類+手首式と上腕式自動血圧計各２種類 – 実験プロトコル： • 「安静時→運動中→回復中」の順で各機種各3回計測 • 運動方法は体力に応じて個人別選択（現地足踏み、マルチバイク、階段上下） • 血圧値（SBPとDBP）と心拍数（HR）の計測結果を実験用紙に記録 – チーム構成： • 4グループ分け、４～５人／グループ • 被験者＝１人／グループ、記録者＝１人／グループ、実験者＝その他 • 課題 – – – – 横方向：三回計測結果の平均値と標準偏差を求める 縦方向：計測部位毎の計測結果の平均値と標準偏差を求める オンライン情報サイトを利用し、実験に使った血圧計の仕様を調べる 計測部位、身体状態、血圧計種類によって生じた計測値（BPとHR） の差について、考えられる可能な原因を考察する 第一章 生体信号の基礎 12
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