WO2003067967A1 - Dispositif de maintien de temperature corporelle a fonction de detection de frequence cardiaque et de frequence respiratoire pour petits animaux et systeme de mesure de frequence cardiaque et de frequence respiratoire pour petits animaux utilisant ledit dispositif - Google Patents

Description

明 細 書 小動物用心拍■呼吸数検出機能付き体温保持装置及びそれを用いた小動物用心拍 '呼吸数測定システム 技術分野

本発明は、 小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装置及びそれを用いた 小動物用心拍 ·呼吸数測定システムに関するものである。 背景技術

本願発明者は既にマウスを主対象とした 「小動物用体温保持装置」 （特開 2 0 0 2 - 5 1 6 6 2 ) において、 麻酔により体温が低下したマウスを正常な生理状 態に保っための保温装置を提案しているが、 この装置では、 小動物の呼吸数と心 拍数は計測の対象外となっていた。

• ところが生理学実験において、 麻酔をかけた動物の体温を維持するとともに、 その動物の呼吸数と心拍数を監視することは、 動物の生理的状態を把握する上で 必要不可欠である。

なお、 人間が使用するカーぺッ卜において、 人間の体温や呼吸を計測して、 そ の人間を快適な状態にする従来技術は見受けられるが、人間と比べてはるかに小 さい小動物の生理的状態を計測するためには小動物特有の工夫が必要であり、 簡 便で確実な小動物用生理実験研究装置はこれまでに提供されていない。 発明の開示

上記したように、 これまで、 マウスなどのごく小型の小動物に適した心電図用 電極や呼吸モ二タ一装置はほとんど市販されていない。 現状では研究者らの手作 りによる心電図用電極等を実験において使用しているが、 最適なものではないた めに動物に痛みを与えたり、 また、 その設置の取扱が極めて困難である場合も少 なくない。 そのため、 小動物の呼吸数と心拍数が監視できるまでの準備時間も長 くなるという問題もあった。 本発明は、上記状況に鑑み、 動物に痛みを与えることなく、 簡便、 かつ容易に セッ 卜可能な小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装置及びそれを用いた 小動物用心拍 ·呼吸数測定システムを提供することを目的とする。

本発明は、 上記目的を達成するために、

〔 1〕 小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装置において、平板状発熱 装置と、 この平板状発熱装置上に配置される薄い絶縁性シート間に挟まれた感圧 センサ一と、 前記薄い絶縁性シート間に配置されるスぺーサ一と、 そのスぺーサ —上に搭載される温度センサーとを具備する。

〔 2〕 上記 〔 1〕 記載の小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装置にお いて、前記スぺーサ一は、 前記感圧センサ一を配置する穴を有する金属板である ことを特徴とする。

〔 3〕 小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、平板状発熱装置と、 この 平板状発熱装置上に配置される薄い絶縁性シート間に挟まれた感圧センサーと、 前記薄い絶縁性シート間に配置されるスぺーサ一と、 そのスぺーサー上に搭載さ れる温度センサーと、前記感圧センサ一上に小動物の胸部を載置し、 小動物の体 温を維持するとともに前記感圧センサ一からの情報を取得し、 呼吸数と心拍数を 得る制御装置と、 前記小動物の呼吸数と心拍数を監視する監視装置とを具備する。

〔 4〕 上記 〔 3〕記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 前記ス ぺーサ一は、 前記感圧センサ一を配置する穴を有する金属板であることを特徴と する小動物用心拍 ·呼吸数測定システム。

〔 5〕 上記 〔 4〕記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 前記感 圧センサ一からの情報を処理し、 小動物の呼吸数を計測するための低域のバンド パスフィルタ一と、 小動物の心拍数を計測するための高域のバンドバスフィル夕 —とを有することを特徴とする。

〔 6〕 上記 〔 4〕 記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 前記フ ィルタ一通過後の心拍および呼吸のァナ口グ信号波形を出力する端子を設置し、 この端子からの出力に基づいてデジタル信号に変換し、 心拍および呼吸数を計測 することを特徴とする。

〔 7〕 上記 〔 4〕記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 前記フ ィル夕一通過後の心拍および呼吸のアナ口グ信号波形を出力する端子を設置し、 この端子からの出力に基づいて心拍および呼吸を観測する観測装置を具備するこ とを特徴とする。

〔 8〕上記 〔 6〕 記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 デジ夕 ル化された心拍出力パルスの数がノイズによるものを除き 1個で 1心拍か 2個で 1心拍かのパターンを判断し計算するプログラムを格納した記憶媒体を具備する マイクロプロセッサを搭載することを特徴とする。

〔 9〕 上記 〔 6〕 記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、前記感 圧センサー出力を高域通過フィルターを通して増幅した信号と、 その信号を入力 とする積分回路出力とを、 差動増幅器の 2入力とし、 その差動増幅器の出力をァ ナ口グ信号出力波形とした高域のバンドパスフィルタ一回路を構成したことを特 徴とする。

〔 1 0〕 上記 〔 6〕 記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 上記 〔9〕 記載の高域のバンドパスフィルタ一回路の出力端子に、数ミリ秒程度の保 持時間を持つ正の信号のピークホールド回路と負の信号のピークホールド回路と を差動増幅器の 2入力に接続した回路を接続することにより、 心拍数計測のため のデジタル信号を生成する回路を具備することを特徴とする。

〔 1 1〕 上言己 〔 1 0〕記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 前 記ピークホールド回路は、 ダイォードと抵抗を直列接続した整流回路の抵抗にコ ンデンサを並列接続してなることを特徴とする。

このように、 本発明は、 小動物を体温保持用ヒータ一上に置くとき小動物の胸 部 （心臓直下） が覆う部分のヒーター表面に、 薄い平板型の感圧センサーを配置 して、 その感圧センサ一に接する小動物の呼吸と心拍による振動 （圧力変化） を 検出し、 呼吸数と心拍数を監視することができる。

すなわち、 体温保持ヒーター表面に呼吸数と心拍数を検出する装置を、 組込み 一体型とし、 小動物の体温を維持するとともに呼吸数と心拍数を監視することが できる。 図面の簡単な説明 第 1図は、 本発明の実施例を示す小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持 装置の構成図である。

第 2図は、 本発明の実施例を示す小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持 装置上にマゥスを置いた状態を示す図である。

第 3図は、 本発明の実施例を示す小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持 装置を用いた小動物の心拍，呼吸数測定システムの構成図である。

第 4図は、 本発明の実施例を示す小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持 装置において、 心拍信号を検出するための回路例を示す図である。

第 5図は、 本発明の実施例を示す小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持 装置において、 ピークホールド回路を具体的に実現する簡易な回路例を示す心拍 信号整形回路の回路図である。

第 6図は、 本発明の実施例を示す小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持 装置における感圧センサーによるマウスの拍動の出力を示す図であり、 性能の低 い高域フィル夕一を使用した場合のマゥスの心拍信号出力を示す図である。 第 7図は、 第 6図の時間軸を拡大した小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温 保持装置における感圧センサーによるマウスの拍動の出力を示す図であり、 性能 の低い高域フィルターを使用した場合のマウスの心拍信号出力を示す図である。 第 8図は、 本発明の実施例を示す低域バンドパスフィルタ一出力 （マウスの呼 吸） を示す図である。

第 9図は、 本発明の実施例を示す高域バンドパスフィルタ一出力 （マウスの心 拍） を示す図 （その 1 ) である。

第 1 0図は、 本発明の実施例を示す高域バンドパスフィルター出力 （マウスの 心拍） を示す図 （その 2 ) である。 発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

第 1図は本発明の実施例を示す小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装 置の構成図であり、 第 1図 （ a ) はその小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温 保持装置の分解斜視図、 第 1図 （b ) はその小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き 体温保持装置の斜視図である。 第 2図はその小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き 体温保持装置上にマウスを置いた状態を示す図、 第 3図はその小動物用心拍 ·呼 吸数検出機能付き体温保持装置を用いた小動物の心拍 ·呼吸数測定システムの構 成図である。

これらの図において、 1は平板状発熱装置、 2はヒーター電流供給線、 3は薄 い絶縁性シ一ト、 4は薄い板状の感圧センサ一、 5は感圧センサー 4の信号線、 6はスぺーサ一、 6 Aはスぺ一サー 6に形成される、 感圧センサー 4を配置する ための穴、 7はマウス、 8は温度センサー、 9はその温度センサ一 8の信号線、 1 0は制御装置、 1 1は入カインタフェース、 1 2は低域のバンドパスフィル夕 —部 （L B P F部） 、 1 3は高域のバンドパスフィルタ一部 （H B P F部） 、 1 4は処理部、 1 5はプログラムを格納する記憶装置 （メモリ ：記憶媒体） 、 1 6 , 1 7は出力インタフヱ一ス、 1 8は電源、 1 9は観測装置、 2 0は小動物の心拍 '呼吸数監視装置である。

そこで、 第 1図 （a ) に示すように、 ヒーター電流供給線 2が接続される平板 状発熱装置 1の上に薄い絶縁性シ一卜 3， 3などでサンドィツチ状に挟まれた薄 い板状の感圧センサー 4 (圧電素子等） を配置する。

スぺ一サ一 6には、 感圧センサ一 4を配置するための穴 6 Aが形成される。 ま た、 スぺ一サー 6は温度分布の均等ィ匕と小動物による荷重の分散化を図るために 金属板とすることが望ましい。

ここで、 感圧センサ一 4の信号線 5および温度センサ一 8の信号線 9は制御装 置 1 0に接続されている。 また、 ヒータ一電流供給線 2は電源 1 8に接続され、 その電源 1 8は制御装置 1 0によって制御可能である。

そこで、 感圧センサ一 4の出力は、 小動物 （例えば、 第 2図におけるマウス 7 ) の呼吸数と心拍数が重畳された電気信号であるため、 これらを低域のバンド パスフィルタ一部 （L B P F部） 1 2にかけることにより、 小動物の呼吸に対応 した波形とし、 一方、 高域のバンドパスフィルタ一部 （H B F F部） 1 3にかけ ることにより、 小動物の心拍に対応した波形とする。 つまり、 感圧センサー 4の 出力である呼吸数と心拍数が重畳された電気信号を、 分離 '整形して表示するた めの処理を行う。 そして、 それぞれ整形された信号を外部の観測装置 （例えば、 9 オシロスコープ） 1 9で観測する。 さらに、 周波数を計測して L E D表示として 小動物の呼吸数と心拍数を監視装置 2 0にて監視することができる。 なお、 小動 物の体温は温度センサー 8によって出力され、 制御装置 1 0によって制御可能で ある。 以下、 本発明の心拍信号の検出手段について詳細に説明する。

第 4図は本発明の実施例を示す小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装 置において、 心拍信号を検出するための回路例を示す図、 第 5図はその小動物用 心拍 '呼吸数検出機能付き体温保持装置において、 ピークホ一ルド回路を具体的 に実現する簡易な回路例を示す心拍信号整形回路の回路図である。

これらの図において、 1 0 1は高域のバンドパスフィルター回路 （H B P F ) であり、 H F F (高域フィルター） 1 1 し 増幅器 1 1 2、 積分回路 1 1 3、 差 動増幅器 1 1 4からなる。 なお、 1 1 5は差動増幅器 1 1 4の出力信号線である。 また、 1 2 0は心拍信号整形回路、 1 2 1は正の信号のピークホールド回路で あり、 この正の信号のピークホールド回路 1 2 1は、 ダイオード （順方向接続）

1 2 2と、 このダイオード 1 2 2の出力側と接地との間に並列される抵抗 1 3 とコンデンサ 1 2 4からなる。 1 2 5は負の信号のピークホールド回路であり、 この負の信号のピークホールド回路 1 I 5は、 ダイオード 1 2 6 (逆方向接続） と、 このダイオード 1 1 6の出力側と接地との間に並列される抵抗 1 2 7とコン デンサ 1 1 8からなる。 1 3 1は正の信号のピークホールド回路 1 2 1の出力信 号と負の信号のピークホ一ルド回路 1 2 5の出力信号とを入力する差動増幅器、

1 3 2は差動増幅器 1 3 1に接続されるコンパレータ、 1 3 3はそのコンパレー 夕 1 3 2の出力信号線であり、 デジタル化された心拍信号が出力される。

第 6図は本発明の実施例を示す小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装 置におけるマウスの心拍信号出力を示す図、 第 7図は第 6図の時間軸を拡大した 小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装置におけるマウスの心拍信号出力 を示す図であり、 第 6図及び第 7図は性能の低い高域フィルターを使用した場合 のマウスの心拍信号出力を示し、 ノィズおよび呼吸の信号成分の分離が不十分で あ 。

第 8図は本発明の実施例を示す低域 ンドパスフィルタ一出力 （マウスの呼 吸） を示す図であり、 この図において、 周期約 3 5 0ミリ秒の大きな信号が観察 される力 これはマウスの呼吸による信号を示すものであり、 心拍による信号成 分は完全に分離されている。

第 9図は本発明の実施例を示す高域ノ ノドパスフィルター出力 （マウスの心 拍） を示す図であり、 この図において、 周期約 1 0 0ミリ秒の大きな振幅の信号 が観察されるが、 これはマウスの心臓の拍動による信号を示すものであり、 基線 付近の細かい振幅の小さいノイズとは目視によっても明確に区別することができ る。 また、 第 7図に示したものとは明確な差がある。 この信号が心拍による信号 であることは心電図 （E C G ) との対応を見ることによって確認している。 この ように第 4図に示す本発明の高域バンドバスフィルタ一回路により S N比の大き いマウスの心拍のアナログ信号出力を得ることができる。

第 1 0図は、 本発明の実施例を示す高域バンドパスフィルター出力 （マウスの 心拍） のうち、 心拍出力パルス 2個につき 1心拍である例を示した図であり、 こ の図において、 周期約 1 0 0ミリ秒の間に 2つの大きな振幅の信号が観察される が、 マウスの心臓の拍動は感圧センサ一では、 小動物の生理的状態や個体差によ つて、 1心拍あたり 1回または 2回の大きな振動を検出する。 その振動はそれぞ れ心拍出力パルス 1個あるいは 2個に変換されるが、 この図では、心拍出力パル ス 2個につき 1心拍である例を示した。

これらの第 6図〜第 7図においては、 横軸は時間 （m s ) 、縦軸は電圧 （m V) を、 第 8図〜第 1 0図においては、 横軸は時間 （m s ) 、縦軸は電圧 （V ) をそれぞれ示している。

上述したように、 本発明では感圧センサ一 4の出力を低域のバンドパスフィル 夕一部 （L B P F部） 1 2と高域のバンドパスフィルタ一部 （H B P F部） 1 3 にかけることにより、 呼吸数と心拍数が重畳された電気信号を、 分離 '整形して 表示するための処理を行うが、 心拍信号の整形において性能の低い高域フィル夕 一を使用すると、 第 6図や第 7図のような S N比の小さい波形となるので、 性能 の高い高域のバンドパスフィルタ一部を使用しなければならない。 本発明におい ては、 第 4図に示した高域のバンドパスフィルタ一部 （H B P F部） 1 0 1のよ うな、 安価に製作可能な独自に開発した回路構成の高域のバンドバスのフィル夕 —を使用した結果、 第 8図のような S N比の大きい心拍信号のアナログ出力波形 を得ることができた。 積分回路 1 1 3は最も簡単な抵抗とコンデンサの直列回路 でもよい。 そして、 それぞれ整形された信号を外部のオシロスコープ等の観測装 置 1 9で観測する。 さらに、処理部 1 4内の心拍信号整形回路 1 0において、 数ミリ秒程度の保持時間を持つ正の信号のピークホールド回路 1 2 1および負の 信号のピークホールド回路 1 2 5を差動増幅器 1 3 1の 2入力に接続した回路に より、 心拍信号の数ミリ秒程度の限られた時間内に正負に大きく振動する成分の みを抽出することができる。 この回路を加えることにより、 ノイズレベルが高い 場合でもさらに容易に心拍信号を検出することが可能となる。 また、 これらのピ 一クホ一ルド回路 1 2 1， 1 2 5は、 第 5図に示した回路のように、 ダイオード 1 2 2 , 1 2 6と抵抗とを直列接続した整流回路の抵抗 1 2 3 , 1 2 7にコンデ ンサ 1 2 4 , 1 2 8を並列接続した簡単な回路でも代用が可能である。 これらの 回路でデジタル化され出力される心拍出力パルスを、 さらに処理部 1 4内のマイ クロプロセッサによって、 その心拍出力パルスの数のうちノイズによるものを除 き、 第 9図に示すような、 1個で 1心拍であるか、 第 1 0図に示すような、 2個 で 1心拍かのパターンを判断することができる。 その計算した糸吉果を L E D表示 として小動物の呼吸数と心拍数を監視装置 I 0にて監視することができる。 以上、詳細に説明したように、 本発明によれば、 小動物用心拍，呼吸数検出機 能付き体温保持装置の上に小動物を置くだけで、 小動物の体温維持のみならずノ ィズゃ小動物の心拍信号のパ夕一ン変化に左右されずに呼吸数や心拍数を監視す ることができる。 これは、 従来必要であった心電図用電極の装着と配線、 そして 装置の調整の手間と時間を皆無にすることができる画期的な装置である。 呼吸数 の測定装置についても同様であり、 外部装置の削減が可能となるため、 実験室ス ペースを低減することができ、 その分、 余裕拡大につながる。 すなわち、 本発明 の装置を導入すれば、 実験準備の手間と時間が大幅に短縮され、 実験スペースが 確保されるという利点がある。 さらに、 高価な呼吸モニタ一や心電計を別途購入 する必要もなくなるので経済的にも効果が大きい。

更に、 高度な利用方法として、 小動物の心臓の拍動および肺の動きの大きさ (強さ） やパターンを観測することができる出力インターフェースを備えること により、 心電図、 血圧による従来の方法では知ることのできなかった心臓の生理 的状態を示す情報を分析することや心臓や肺の動きの状態を分析することが可能 となる。 したがって、本発明により医学 '療養の研究分野に新たな発展をもたら すことができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、 本発明の趣旨に基づい て種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するものではない。 産業上の利用可能性

本発明の小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装置及びそれを用いた小 動物用心拍■呼吸数測定システムは、 小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保 持装置の上に小動物を置くだけで、 小動物の体温維持のみならず呼吸数や心拍数 を監視することができるため、 小動物の生理学上必要な基礎となるデー夕を無侵 襲で簡便、 かつ確実に計測するための研究実験装置として好適である。

Claims

請 求 の 範 囲

1 .

( a ) 平板状発熱装置と、

( b ) 該平板状発熱装置上に配置される薄い絶縁性シ一ト間に挟まれた感圧セン サ一と、

( c ) 前記薄い絶縁性シート間に配置されるスぺ一サ一と、

( d ) 該スぺーサー上に搭載される温度センサ一とを具備することを特徴とする 小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装置。

2 . 請求項 1記載の小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装置において、 前記スぺ一サ一は、 前記感圧センサーを配置する穴を有する金属板であることを 特徴とする小動物用心拍 ·呼吸数検出機能付き体温保持装置。

3 .

( a ) 平板状発熱装置と、

( b ) 該平板状発熱装置上に配置される薄い絶縁性シ一ト間に挟まれた感圧セン サ一と、

( c ) 前記薄い絶縁性シート間に配置されるスぺーサ一と、

( d ) 該スぺーサー上に搭載される温度センサーと、

( e ) 前記感圧センサー上に小動物の胸部を載置し、 小動物の体温を維持すると ともに前記感圧センサ一からの情報を取得し、 呼吸数と心拍数を得る制御装置と、

( f ) 前記小動物の呼吸数と心拍数を監視する監視装置とを具備する小動物用心 拍 ·呼吸数測定システム。

4 . 請求項 3記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、前記スぺー サ一は、前記感圧センサ一を配置する穴を有する金属板であることを特徴とする 小動物用心拍 ·呼吸数測定システム。

5 . 請求項 4記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 前記感圧セ ンサ一からの情報を処理し、 小動物の呼吸数を計測するための低域のバンドバス フィルタ一と、 小動物の心拍数を計測するための高域のバンドパスフィルタ一と を有することを特徴とする小動物用心拍 ·呼吸数測定システム。

6 . 請求項 4記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 前記フィル ター通過後の心拍および呼吸のアナ口グ信号波形を出力する端子を設置し、該端 子からの出力に基づいてデジタル信号に変換し、 心拍および呼吸数を計測するこ とを特徴とする小動物用心拍■呼吸数測定システム。

7 . 請求項 4記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、前記フィル 夕一通過後の心拍および呼吸のァナ口グ信号波形を出力する端子を設置し、該端 子からの出力に基づいて心拍および呼吸を観測する観測装置を具備することを特 徴とする小動物用心拍 ·呼吸数測定システム。

8 . 請求項 6記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 デジタル化 された心拍出力パルスの数がノイズによるものを除き、 1個で 1心拍か 2個で 1 心拍かのパ夕一ンを判断し計算するプログラムを格納した記憶媒体を具備するマ イク口プロセッサを搭載することを特徴とする小動物用心拍 ·呼吸数測定システ ム。

9 . 請求項 6記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、前記感圧セ ンサー出力を高域通過フィルターを通して増幅した信号と、 該信号を入力とする 積分回路出力とを、 差動増幅器の 2入力とし、 該差動増幅器の出力をアナログ信 号出力波形とした高域のバンドパスフィルター回路を構成したことを特徴とする 小動物用心拍 ·呼吸数測定システム。

1 0 . 請求項 6記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 請求項 記載の高域のバンドパスフィルター回路の出力端子に、 数ミリ秒程度の保持時間 を持つ正の信号のピークホールド回路と負の信号のピークホールド回路とを差動 増幅器の 1入力に接続した回路を接続することにより、 心拍数計測のためのデジ タル信号を生成する回路を具備することを特徴とする小動物用心拍 ·呼吸数測定 システム。

1 1 . 請求項 1 0記載の小動物用心拍 ·呼吸数測定システムにおいて、 前記ピ

—クホールド回路は、 ダイォードと抵抗を直列接続した整流回路の抵抗にコンデ ンサを並列接続してなることを特徴とする小動物用心拍 ·呼吸数測定