第5章　生体情報

51問 • 2年前

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生体計測の必要条件

低雑音性(immunityが高い), 変換効率が高い, ダイナミックレンジが広い, 直線性が良い, 必要な周波数レンジをカバーしている, 計測時間が短時間, 操作法が容易で誤操作を招かない構造, 機械的、生物学的に安全である

日本語では変換器であり、物理・化学量を電気信号などに変換する機械

トランスデューサー

生体の電気現象は、細胞組織の興奮によって生ずる(１)であるため、これに使用する電極はイオン電流を電気電流に変換する一種のトランスデューサーであると言える。

イオン電流

電気信号は増幅部で増幅された後、コンピュータによる信号処理を行うために(１)される。

A/D変換

信号処理部では、心電図などの自動解析で見られるような波形の区分点認識のための微分解析、(１)、等電位図などの信号処理が行われる。 (１)とは、周波数解析の理論をもとに、それを高速で処理する方法のことである。

FFT解析

金属電極が体液を含んだ組織と接触する場合の問題は、前述したように電極インピーダンスばかりではなく金属によって異なる(１)と(２)の影響を受けることである。

電極電位, 分極電圧

皮膚に電解質を含んだペーストを使用して金属電極を接着すると、それぞれのイオン化傾向による起電力が生ずる。この起電力は、温度が一定であれば電極を構成している金属にの種類によって異なる電位を持つ。この静止電位を(１)という。これは、直流増幅器を用いで生体の直流や非常に緩徐な電気を記録する場合には、記録時の初期(２)の大きな原因となる。

電極電位, ドリフト

金属電極には、(１)、(２)、(３)などがある。

表面電極(皿電極), 針電極, らせん電極

脳神経細胞などの発電体は、体積導体に囲まれており、それが皮膚表面に波及している。その波及電位を皮膚表面に接着した電極によって検出したものが生体電気現象である。しかし、これらの電位は組織インピーダンスによって影響され、さらにその電位は皮膚に接着した電極とその海面に存在する皮膚表面にインピーダンスや電極インピーダンスなどの(１)によって影響を受ける。いずれにしても、これらのインピーダンスは抵抗とコンデンサとの並列回路が基本である。

電気的等価回路

アナログ信号処理に用いられるオペアンプの+入力端子と-入力端子間の電圧差が0Vの時に出力されてしまう電圧のこと。

オフセット電圧

電極界面の電極電位が静止状態から一方向に変位することを(１)という。皮膚と電極の間に存在する直流電圧Eが許容値以下の100mVと小さい場合でも、体動や振動によって電極接着部が動くと、基線変動が(２)として記録される。

分極電圧, ドリフト雑音

電解質水分の主たる成分であるNaClが電離した時に生ずるCl-を持つため、正負の電荷の蓄積を少なくすることができる電極を(１)という。このような電極には(２)や(３)がある。

不分極電極, Ag-AgCl(銀-塩化銀)電極, カロメル(Hg-Hg2Cl2)電極

早く古い電極にすることを(１)といい、一昼夜生理食塩水に浸すことでかなり安定した(２)が得られる。

エージング, 塩化膜電極

通常、生体電気現象としての磁場の検出には、(１)とジョセフソン接合部を持つ(２)も用いた磁束計とがある。

ホール素子, SQUID(超電導量子干渉素子)

心磁図、脳磁図、筋磁図検査には、(１)が必要である。

磁気シールド室

トランスデューサーに対する要求事項 ①その物理現象の持つ(１)を十分にカバーできる必要がある。 ②広い(２)で(３)があることは少ないため、適切な標準値などを用いて必ず校正した後に使用する必要がある。 ③トランスデューサーの特性による測定器(４)を受けないために、必ず標準となる物理量あるいは化学量と比較した校正─(５)を行うことが重要である

周波数特性, 動作範囲, 直線性, 誤差, 補正

直線型と回転型があり、移動によって抵抗値が変化する素子。

ポテンショメーター

金属線や半導体あるいはゴム管内の体液長などの変化による電気抵抗の変化を検出するものを(１)という。シリコン単結晶などの(２)の(３)を応用した(２)(１)などがある。

歪(ストレン)ゲージ, 半導体, ピエゾ抵抗効果

ピエゾ抵抗効果とは、(１)が(２)により変化すること。

比抵抗, 応力

半導体を用いたストレンゲージ実際のストレンゲージを用いた回路では、温度補償を含めて2ゲージ法あるいは4ゲージ法を使用した(１)を構成して使用する。

ブリッジ回路

受圧膜に光を照射したとき、圧変化による受圧面の動きに伴って反射光量が異なる。この変化を光検出器─(１)などで検出する方法に、光の送受光伝送路として用いられるものを(２)という。

フォトトランジスタ, 光ファイバー

変位型トランスデューサー (１)を用いた心音用マイクロホンがある。

圧電素子

速度型トランスデューサー永久磁石による静磁界の中でコイルが動くと電流が発生することを利用した、(１)型のマイクロホンであるダイナミックマイクロホンが代表。

可動コイル

通常、医用の流速・流量トランスデューサーでは温度上昇に伴って抵抗が減少する(１)を持つ(２)が使われる。体温計測に用いられることが多い。また、(３)を用いて心臓の肺動脈内に留置し、温度低下を連続記録することにも使用されている。

負の抵抗温度係数, サーミスタ, スワン・ガンツカテーテル

気流が流れている回路に小さい抵抗体を挿入すると、その抵抗体の上流と下流の圧力差が流量の関数もなることを利用し、呼吸流量計測に用いられているものを(１)という。ステンレス細管を用いた(２)、ステンレス製の金属メッシュを用いた(３)の2種類がある。

差圧トランスデューサー, フライシュ型流量計, リリー型流量計

露出した血管内の血流速を測定する(１)に利用されているのが(２)である。

電磁血流計, 電磁誘導型トランスデューサー

血流速トランスデューサーでは、(１)を用いて血流速計測を行なっている。これには、(２)を用いたものと連続波を用いたものがある。

超音波ドプラ法, パルス波

体温測定用トランスデューサー代表的なものとして、(１)がある。半導体感温素子で、大きな抵抗温度係数を持っている。電子体温計などに用いる。

サーミスタ

熱電対トランスデューサー銅とコンスタンタンのような2種類の金属を結んだとき、その両端の接点との間に温度差があれば、それに比例した起電力が生じて回路に電流が流れることを(１)という。このような、2種類の異種金属の接触によるものを(２)という。 (２)の利点は、測定部位の接点を非常に小さくでき熱応答が良いことである。注射針の中に組み込んで、(３)などでの局所の温度測定などにも用いられている。なお、(２)に逆に電圧をかけて電流を流すと、2接点間に温度差ができる。こらを(４)といい、電子冷却に応用されている。温度の幅は狭いが、振動がないため薬の保管などに用いられる。

ゼーベック効果, 熱電対, ハイパーサーミア, ペルチェ効果

熱放射トランスデューサー皮膚表面より放射される遠赤外線のエネルギーを検知して、皮膚温を検出する。常温で(１)以下の波長付近では、(２)を利用することができる。エネルギーWは(３)の(４)に比例するというものである。

10μm, ステファン・ボルツマンの式, T(絶対温度), 4乗

熱放射トランスデューサー赤外線検出素子は、(１)と(２)に分類できる。

熱検知型, 光検知型(光量子型)

光電変換素子トランスデューサー光が当たると、起電力が発生したり、電気伝導が変化する素子であり、素子の材料によっては光の波長感度特性を持っている。光電変換素子を動作原理によって分類すると、①(１)、②(２)、③光電子電子放出効果、④焦電効果などがある。

光起電力効果, 光導電効果

光起電力効果を用いたトランスデューサー光が照射されると起電力が生じるものである。半導体のpn接合部に集光レンズを通して光エネルギーを当てると電子とホールが生じ、ダイオードの接合部に逆向きの電流が流れるというものが(１)、このダイオードに電源をかけて増幅作用をもたらしたものが(２)である。他には、(３)なども光起電力効果を用いている。なお、pn接合のダイオードに順方向の電流を逆に流すことで、赤黄などの可視光や赤外線を発するものを(４)という。(５)の赤色光や赤外線を発する発光素子として使用される。

フォトダイオード, フォトトランジスタ, 太陽電池, 発光ダイオード, パルスオキシメーター

光導電効果を用いたトランスデューサー光が当たると電気伝導度が増加し、電気抵抗が減少する半導体材料には、可視光領域から近赤外光領域で感度の高い(１)、(２)などが、また、赤外線領域で感度の高い(３)や(４)などがある。

CdSe(セレン化カドミウム), CdS(硫化カドミウム), PdS(硫化鉛), CdSe(インジウムアンチモン)

光電子放出効果を用いたトランスデューサー 2極真空管の陰極の受光面にナトリウム、カリウム、カドミウムなどのアルカリ金属を置くと、光が当たったときに光エネルギーで励起された電子は陽極に向かって飛び出すことにより、光量に比例した電流が2極管に流れる。この2極管を(１)という。 (１)の原理に光電子の倍増によって感度を一段と増倍したものを(２)という。(２)は、(３)や人の目にはみえない微弱な光も検出することができる高感度な光電変換素子として多用されている。

光電管, 光電子増倍管(フォトマル), シンチレーションカウンター

焦電効果を用いたトランスデューサー (１)や(２)などの強誘電体に赤外線を当てると、表面に電荷が誘起されることによって起電力が生じるもの。赤外線を温度の変化として検出している。

PZT, LiTaO3

化学量センサー血液ガス分析には、pH電極、Pao2電極、Paco2電極などがある。 pH電極内の電極には、(１)または(２)が使用される。感度は、理想的な(３)のpH1単位あたりの起電力は25℃で59mVといわれている。本測定法は、ガラス膜の内側と外側間に発生する電位差を測定する方法であるため、(４)ともいう。 Po2電極は電流を検出する(５)が使われており、(６)と言われる。

Ag-AgCl電極, カロメル電極, ガラス電極, ポテンショメトリック法, アンペロメトリック法, クラーク電極

Pco2,Po2電極に皮膚表面を40〜43℃に加温する加温機構を付加することで、採血すること無しに測定できる新生児用の(１)もある。

経皮的血液ガス分圧測定電極

成分ガスセンサー (１)ガスセンサーはガス放電型などがある。 (２)ガスセンサーは機能的残気量の測定に用いられる。 (３)、(４)ガスセンサーは、呼気二酸化炭素モニター─(５)に使用されている。

N2, He, CO, CO2, カプノメーター

成分ガスセンサーイオン化して質量の差で分離、測定するもの

質量分析計

化学・バイオセンサー (１)のゲート電極部分を直接血液に接する構造にした半導体を用いた(２)によるpH電極が開発されている。 H2O2などのガスセンサーに酵素,微生物,抗体・抗原などを固定化し、それを生体機能性膜として一体化することで、(３)、(４)、(５)、(６)などの種々の電極センサーが開発されおり、これを(７)という。

電界効果トランジスタ(FET), イオン電極FET(IS-FET), グルコース, 尿素, 乳酸, アミノ酸, 酵素センサー

増幅器とのマッチング (１)─(２)である。低雑音で入力抵抗が非常に高いΩ^18以上でかつ電圧増幅素子である(３)を用いてインピーダンス変換を行なっている。すなわち、(３)で合成された(４)の増幅器は増幅度はほぼ1倍で電圧増幅機能がないが、その出力抵抗は1kΩ以下にすることができる。通常これを(５)という。

インピーダンスマッチング, 整合性, 接合型電解効果トランジスタ(J-FET), ソースフォロア出力型, バッファ増幅器

直記式記録器 (１)、(２)などがある。 (２)は、デジタル信号の大きさと過熱部位を(３)で制御しながら結する機構を持っている。

熱ペン記録器, サーマルアレイ記録装置, シフトレジスタ

液晶表示器液晶には(１)がある。

液晶ディスプレイ(LCD)

液晶表示器の適応液晶表示器は、旧来のテレビの(１)とは異なり厚みも極めて薄く、消費電力も少ない。

ブラウン管

超音波画像反射波が時間軸上に検出されるのは、(１)。液晶ディスプレイ上に輝点による明るさを表すのは(２)。その他、心臓の動きや横隔膜の呼吸運動などを輝点の動きとして記録するのは(３)。

Aモード, Bモード, Mモード

超音波画像 Bモードの走査法には、腹部臓器や頸動脈を見る(１)、腹部・乳腺や骨盤内臓器を見る(２)、心臓を見る(３)などがある。

リニア走査, コンベックス走査, セクタ走査

超音波画像表示器変換器として、(１)が必要がある。

デジタルスキャンコンバーター(DSC)

磁気共鳴画像(MRI)の表示器歳差運動は、(１)で示される(２)による角度速で運動する。このような静磁場の中の原子核の歳差運動中に、(３)の電波を外部より与えると、原子核は共鳴現象を生じて電波エネルギーを吸収する。

ω0＝γB0, ラーモアの式, ラジオ周波数(RF)

MRIの表示器 (１)や(２)に表示される。

液晶ディスプレイ(LCD), TVモニター

サーモグラフィー皮膚表面より放射される遠赤外線エネルギーを(１)で検出し、皮膚表面を黒体と見做したステファン・ボルツマンの法則により測定する。従来は、(２)の検出器を用いてミラー走査していた。表示器は、(３)や(４)。

赤外線センサー, 光量子型センサー単素子, LEDディスプレイ, TVモニター

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電極電位, ドリフト

金属電極には、(１)、(２)、(３)などがある。

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電気的等価回路

アナログ信号処理に用いられるオペアンプの+入力端子と-入力端子間の電圧差が0Vの時に出力されてしまう電圧のこと。

オフセット電圧

分極電圧, ドリフト雑音

不分極電極, Ag-AgCl(銀-塩化銀)電極, カロメル(Hg-Hg2Cl2)電極

早く古い電極にすることを(１)といい、一昼夜生理食塩水に浸すことでかなり安定した(２)が得られる。

エージング, 塩化膜電極

通常、生体電気現象としての磁場の検出には、(１)とジョセフソン接合部を持つ(２)も用いた磁束計とがある。

ホール素子, SQUID(超電導量子干渉素子)

心磁図、脳磁図、筋磁図検査には、(１)が必要である。

磁気シールド室

周波数特性, 動作範囲, 直線性, 誤差, 補正

直線型と回転型があり、移動によって抵抗値が変化する素子。

ポテンショメーター

歪(ストレン)ゲージ, 半導体, ピエゾ抵抗効果

ピエゾ抵抗効果とは、(１)が(２)により変化すること。

比抵抗, 応力

ブリッジ回路

フォトトランジスタ, 光ファイバー

変位型トランスデューサー (１)を用いた心音用マイクロホンがある。

圧電素子

可動コイル

負の抵抗温度係数, サーミスタ, スワン・ガンツカテーテル

差圧トランスデューサー, フライシュ型流量計, リリー型流量計

露出した血管内の血流速を測定する(１)に利用されているのが(２)である。

電磁血流計, 電磁誘導型トランスデューサー

血流速トランスデューサーでは、(１)を用いて血流速計測を行なっている。これには、(２)を用いたものと連続波を用いたものがある。

超音波ドプラ法, パルス波

体温測定用トランスデューサー代表的なものとして、(１)がある。半導体感温素子で、大きな抵抗温度係数を持っている。電子体温計などに用いる。

サーミスタ

ゼーベック効果, 熱電対, ハイパーサーミア, ペルチェ効果

10μm, ステファン・ボルツマンの式, T(絶対温度), 4乗

熱放射トランスデューサー赤外線検出素子は、(１)と(２)に分類できる。

熱検知型, 光検知型(光量子型)

光起電力効果, 光導電効果

フォトダイオード, フォトトランジスタ, 太陽電池, 発光ダイオード, パルスオキシメーター

CdSe(セレン化カドミウム), CdS(硫化カドミウム), PdS(硫化鉛), CdSe(インジウムアンチモン)

光電管, 光電子増倍管(フォトマル), シンチレーションカウンター

PZT, LiTaO3

Ag-AgCl電極, カロメル電極, ガラス電極, ポテンショメトリック法, アンペロメトリック法, クラーク電極

Pco2,Po2電極に皮膚表面を40〜43℃に加温する加温機構を付加することで、採血すること無しに測定できる新生児用の(１)もある。

経皮的血液ガス分圧測定電極

N2, He, CO, CO2, カプノメーター

成分ガスセンサーイオン化して質量の差で分離、測定するもの

質量分析計

電界効果トランジスタ(FET), イオン電極FET(IS-FET), グルコース, 尿素, 乳酸, アミノ酸, 酵素センサー

インピーダンスマッチング, 整合性, 接合型電解効果トランジスタ(J-FET), ソースフォロア出力型, バッファ増幅器

直記式記録器 (１)、(２)などがある。 (２)は、デジタル信号の大きさと過熱部位を(３)で制御しながら結する機構を持っている。

熱ペン記録器, サーマルアレイ記録装置, シフトレジスタ

液晶表示器液晶には(１)がある。

液晶ディスプレイ(LCD)

液晶表示器の適応液晶表示器は、旧来のテレビの(１)とは異なり厚みも極めて薄く、消費電力も少ない。

ブラウン管

Aモード, Bモード, Mモード

超音波画像 Bモードの走査法には、腹部臓器や頸動脈を見る(１)、腹部・乳腺や骨盤内臓器を見る(２)、心臓を見る(３)などがある。

リニア走査, コンベックス走査, セクタ走査

超音波画像表示器変換器として、(１)が必要がある。

デジタルスキャンコンバーター(DSC)

ω0＝γB0, ラーモアの式, ラジオ周波数(RF)

MRIの表示器 (１)や(２)に表示される。

液晶ディスプレイ(LCD), TVモニター

赤外線センサー, 光量子型センサー単素子, LEDディスプレイ, TVモニター

第5章 生体情報

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第5章　生体情報

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