JPH08227312A - 測定間隔自動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、ベースとなるサンプリング値制
御系に付加されることによって、ベース制御系の変数測
定間隔を制御対象の状態に合わせて自動的に制御し、効
率の良いサンプリング値制御を可能にするための測定間
隔自動制御装置を提供することを主要な特徴とする。 【構成】 測定手段２によってモニターされる変数と設
定目標値との偏差（ｅ値）、およびこの偏差（ｅ値）の
１サンプリング前の時点からの変化（ｃ値）に基づいて
制御手段３が制御パラメーターであるｕ値を決定し、こ
のｕ値によって操作手段４の操作量を制御する制御系に
おいて、本発明の測定間隔自動制御装置１は上記ｅ値お
よびｃ値に基づいて最適な測定間隔（ｔｓ値）を決定
し、これによって、ベース制御系の測定手段２が次の測
定を行う時期を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は測定間隔自動制御装置
に関し、さらに詳細には、サンプリング値制御系におけ
る変数の測定間隔をその制御状態に応じて延ばしたり縮
めたりできるような測定間隔自動制御装置、およびこの
装置の応用に関する。

【０００２】

【従来の技術】ある系の状態を表す変数をサンプリング
し、この変数を目標値に近づけるために、デジタル制御
やファジイ制御が行われている。かかるサンプリング値
制御系では、基本的には、制御すべき変数が一定間隔で
測定されてその時点での系の状態として入力され、この
入力値に基づいて次に行うベき具体的操作量が所定のル
ールによって決定されている。現在、このような制御方
法は、種々の分野に利用され成功を収めている。例え
ば、排水処理プラントでは凝集沈殿物を除去することに
よってその水質を管理するが、凝集剤の投入量を決定す
るために水の濁度や排水速度を変数としたファジイ制御
が応用されている。また、医療の分野では、患者の血圧
や血糖値の管理、または手術時の麻酔の深度を管理する
ために、デジタル制御やファジイ制御を用いる試みがな
されている（例えば、特開平３−２６７，０４０号公
報）。

【０００３】しかしながら、これまで提案されてきた制
御方法は、いずれもその変数を測定する間隔が初期設定
によって固定されるものであり、あるいは可変であると
しても、系の制御状態を観察する熟練者のカンに頼って
調整されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような系の変数
を測定する間隔が一定である制御系においては、その制
御の精度を上げるために、制御対象が不安定な状態を想
定して測定間隔が初期設定される。このため、設定間隔
は短くならざるを得ず、制御対象が安定して来るにつれ
て制御に不必要な測定操作が多くなってしまう。サンプ
リング値制御系におけるかかる欠点は、１回あたりの測
定にかかるコストや労力が高い場合、あるいは制御系に
負担を与えるような場合には、特に重大な問題となる。

【０００５】例えば、患者の血圧を変数として自動的に
制御する系において、その血圧測定がカフによって行わ
れるものである場合、長時間にわたり頻繁な測定を行え
ば患者に苦痛を強いることになり、医療の質的向上の妨
げになるばかりでなく、測定操作自体が患者に対する外
乱として制御系の安定を乱すことになりかねない。

【０００６】本発明は、上記した従来の制御系における
固定された測定間隔を可変のものとし、制御対象の状態
に合わせて測定間隔を自動的に調節することによって無
駄な測定操作を省略できる装置を提供するものである。
また、本発明は上記装置の一つの応用例として、患者の
血圧測定間隔を自動的に調節することのできる血圧自動
制御装置を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明の測
定間隔自動制御装置は、サンプリング値制御系におい
て、後述の推論手段によって与えられる測定間隔（ｔｓ
値）に従って測定された変数に基づいて、最適な測定間
隔（ｔｓ値）を推論するファジイ推論手段を備えて構成
される。

【０００８】請求項２に係る発明の測定間隔自動制御装
置は、請求項１に係る発明の推論手段が、サンプリング
値制御系の測定手段によって測定された変数と設定目標
値との偏差（ｅ値）、およびこの偏差（ｅ値）の１サン
プリング前の時点からの変化（ｃ値）に基づいて局所的
制御成績を評価し、当該評価に応じて次回までの測定間
隔（ｔｓ値）を推論するファジイ推論手段によって構成
される。

【０００９】請求項３に係る発明は、請求項１又は２の
測定間隔自動制御装置によって与えられる測定間隔（ｔ
ｓ値）に従って患者の血圧値を測定する血圧測定手段、
前記血圧測定手段によって測定された血圧値と目標血圧
値との偏差（ｅ値）、およびこの偏差（ｅ値）の１サン
プリング前の時点からの変化（ｃ値）に基づいて薬物注
入速度の最適な補正量（ｕ値）を推論するファジイ推論
手段、並びに前記補正量（ｕ値）に応じて補正された薬
物注入速度で薬物を投与する薬物投与手段を備えて構成
される。

【００１０】

【作用】すなわち、この発明に係る測定間隔自動制御装
置は、ベースとなる制御系の測定手段によって測定され
た変数からいくつかのパラメーターを算出し、このパラ
メーターに応じて次回の測定までの最適な時間間隔（ｔ
ｓ値）をファジイ推論することによって、測定間隔をそ
の制御状態に応じて延ばしたり縮めたりすることができ
るものである。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の一実施例の概略ブロック図で
あり、あるベースとなるサンプリング値制御系の外部に
本発明の測定間隔自動制御装置１を付加したものであ
る。すなわち、測定手段２によってモニターされる変数
と設定目標値との偏差（ｅ値）、およびこの偏差（ｅ
値）の１サンプリング前の時点からの変化（ｃ値）に基
づいて制御手段３が制御パラメーターであるｕ値を決定
し、このｕ値によって操作手段４の操作量を制御する制
御系において、本発明の測定間隔自動制御装置１は上記
ｅ値およびｃ値に基づいて最適な測定間隔（ｔｓ値）を
決定し、ベース制御系の測定手段２が次の測定を行う時
期を制御する。

【００１２】本発明は、このように１入力１出力の制御
系に付加することができ、特にファジイ制御系に付加す
ることによって当該制御系の測定間隔を効率的に制御す
ることができるものであり、極めて応用範囲が広い。そ
の一つの応用例として、以下に、患者の血圧を自動制御
する装置について詳細に説明する。

【００１３】図２は、本発明の測定間隔自動制御装置を
備えた血圧自動制御装置の一実施例の概略ブロック図を
示すものであり、患者の平均血圧値を変数として、血圧
制御と同時に血圧測定間隔（ｔｓ値）を自動制御しよう
とするものである。

【００１４】すなわち、図２において、測定手段である
血圧測定装置５は患者の血圧を測定してその値を電気信
号として出力できる装置であり、例えば動脈に挿入した
カテーテルで直接血圧を測定する観血式のものでも、ま
た、例えばカフ等を用いて血圧を測定する非観血式のも
のでもよい。血圧の測定時期については、第１回目から
第２回目までは予め設定された測定間隔に従って行われ
るが、第３回目以降の測定時期は後述する制御手段によ
って決定された血圧測定間隔（ｔｓ値、ｓ．）に従う。
血圧測定装置５によって測定された血圧値の電気信号
は、必要に応じて増幅された後Ａ／Ｄコンバーター（ア
ナログ／デジタル変換器）６によってデジタル化され、
制御手段に含まれるデータ演算部８に出力される。

【００１５】制御手段はコンピューターで作動するプロ
グラムである、知識ベース７、データ演算部８及びファ
ジイ推論部９によって構成される。データ演算部８は、
まず、入力された血圧値の電気信号から平均血圧値を求
め、次に、この平均血圧値に基づいて後述する測定パラ
メーターを算出する。ここで、前記血圧測定装置５が測
定された血圧値から平均血圧値を求めこの値をデジタル
信号として出力できるものである場合には、データ演算
部８は入力されたこの値をそのまま用い、必要な測定パ
ラメーターを算出することができる。ここで算出される
測定パラメーターは、以下のとおりである。 ｅ値：平均血圧値の設定目標血圧値からの偏差（ｍｍＨ
ｇ） ｃ値：ｅ値の１サンプリング前の時点からの変化（ｍｍ
Ｈｇ）

【００１６】知識ベース７は、各測定パラメーターの算
出に必要なデータ、すなわち目標血圧値、前回測定値、
前回ｅ値、前回薬物注入速度及び前回測定間隔等、並び
に制御ルールを記憶するものである。算出された測定パ
ラメーターはファジイ推論部９へ与えられる。

【００１７】ファジイ推論部９は、データ演算部８から
与えられた測定パラメーターを用い、後述する制御ルー
ルに従ってファジイ推論を実行し制御パラメーターを決
定する推論部（１）及び推論部（２）によって構成され
る。推論部（１）では前回薬物注入速度からの変化量
（ｕ値、ｍｌ／ｈｒ）を求めポンプ制御部１０へ、推論
部（２）では次回までの血圧測定間隔（ｔｓ値、ｓ．）
を求め血圧測定装置５へ、それぞれ与える。

【００１８】ポンプ制御部１０は予め設定された投与速
度に従って操作手段である薬物注入装置１１のポンプを
駆動し薬物を投与しているが、３回目の血圧測定時以降
は制御部（１）から与えられた上記ｕ値に従って投与速
度を補正し、薬物注入装置１１のシリンジポンプを制御
して最適速度で薬物を患者に注入する。注入される薬物
としては、患者の血圧をより高いレベルで維持しようと
する場合には昇圧剤が、より低いレベルで維持しようと
する場合には降圧剤が用いられる。

【００１９】次に、上記図２の実施例の推論部（１）及
び推論部（２）において用いられるファジイ推論につい
て説明する。ここで用いられるファジイ推論法として
は、たとえば「代数積−加算−重心法」、「Ｍｉｎ−Ｍ
ａｘ−重心法」等を用いることができるが、この発明に
おいては「代数積−加算−重心法」を用いることがより
好ましい。そこで、「代数積−加算−重心法」を用いて
推論する場合の方法について以下に具体的に説明する。

【００２０】推論部（１）：まず、測定パラメーターの
ｅ値が負の大きな値を示しｃ値が負の小さな値を示すと
きはｕ値は正の大きな値になるように推論し、ｅ値が負
の中程度の値を示しｃ値がおよそゼロならばｕ値は正の
中程度の値になるように推論する。以上のような制御ル
ールに従ってｅ値及びｃ値からｕ値を決定していくが、
この制御ルールは下式１のように記述することができ
る。

【００２１】

【式１】

【００２２】ｕ値を決定するために用いられる全ルール
を示すと、下記表１のとおりである。

【００２３】

【表１】

【００２４】上記式１及び表１中で用いられる略号ＮＢ
は「負の大きな値」を、ＮＭは「負の中程度の値」を、
ＮＳは「負の小さな値」を、ＺＯは「およそゼロ」を、
ＰＳは「正の小さな値」を、ＰＭは「正の中程度の値」
を、そしてＰＢは「正の大きな値」を意味する言語値で
あり、いずれもファジイ集合として表されるものであ
る。表１は、横欄のｅ値および縦欄のｃ値の各言語値に
対してその要素が対応するｕ値の言語値を示すものであ
る。ここでは制御ルールを簡単にするため、全ての変数
（ｅ値、ｃ値及びｕ値）について、同じ言語値は同じ形
のメンバーシップ関数を持っておりそれぞれの定義域に
適当な定数を掛けるだけで変換できることとした。実際
に使用した離散型メンバーシップ関数を下記表２に示
す。

【００２５】

【表２】

【００２６】ｅ値、ｃ値およびｕ値の定義域は、ステッ
プ応答の成績等を考慮して、例えば後記表８に示される
ように設定することができる。

【００２７】以上の制御ルールに従って実行されるファ
ジイ推論の結果をファジイ集合から具体的な薬物注入速
度の変化量（ｍｌ／ｈｒ）に変換するためには、メンバ
ーシップ関数の重心における値を用いることが好まし
い。

【００２８】推論部（２）：測定間隔（ｔｓ値）を決定
する場合の判断基準は次のように表現することができ
る。 「現在、制御がうまく行われており、しかもその状態が
しばらく続いているならば、制御対象は安定しているの
で測定間隔を延長しても良いだろう。しかし、測定値が
目標値から離れてきて操作量を大きく変更する必要がで
てきたらたら直ちに測定間隔を短くすべきである。」 かかる判断基準に基づいて最適な測定間隔を推論するた
めに、この実施例においては、局所的制御成績の評価、
制御成績指標の算出、測定間隔の決定の３ステップを採
用する。この各ステップを以下に説明する。

【００２９】局所的制御成績の評価 局所的制御成績とはある時点において測定値が設定目標
値にどの程度到達しているかを示すもので、この実施例
の場合、測定血圧値が目標血圧値に近く、かつその微係
数の絶対値も小さいならば、大きな値となるように定義
することができる。局所的制御成績（Ｐ値）は具体的に
は、データ演算部８で算出された測定パラメーターのｅ
値及びｃ値からｌｏｇ｜ｅ｜値及び｜ｃ｜値を求め、下
式２のように記述される制御ルールによって決定するこ
とができる。

【００３０】

【式２】

【００３１】Ｐ値を決定するために用いられる全ルール
を示すと、下記表３のとおりである。

【００３２】

【表３】

【００３３】上記式２及び表３中で用いられる言語値で
ある、Ｚｅｒｏ、Ｓｍａｌｌ、Ｍｅｄｉｕｍ、Ｂｉｇ、
及びＭａｘはｌｏｇ｜ｅ｜値及び｜ｃ｜値のそれぞれの
ファジイ集合として表されるものである。表３は、横欄
のｌｏｇ｜ｅ｜および縦欄の｜ｃ｜のそれぞれの言語値
に対してその要素が対応するＰ値の言語値を示すもので
ある。Ｐ値の言語値としてはＷｏｒｓｔ、Ｐｏｏｒ、Ｇ
ｏｏｄ、Ｂｅｔｔｅｒ、及びＢｅｓｔを用いることがで
きる。ここで用いられるｌｏｇ｜ｅ｜値、｜ｃ｜値及び
Ｐ値の離散型メンバーシップ関数を、それぞれ下記表
４、表５及び表６に示す。また、ｌｏｇ｜ｅ｜値、｜ｃ
｜値及びＰ値の定義域は、ステップ応答の成績等を考慮
して、例えば後記表８に示されるように設定することが
できる。

【００３４】

【表４】

【００３５】

【表５】

【００３６】

【表６】

【００３７】制御成績指標の算出 制御成績は、上記のように局所的に評価するだけでなく
大局的に評価することが好ましい。そこで、制御結果が
安定しているか否かを加味して大局的に制御成績を評価
するため、Ｐ値の重み付き積算値として下式３で定義さ
れる制御成績指標（Ｐ_ｉ値）を求めることができる。

【００３８】

【式３】

【００３９】ここで、ｉは今回測定時点を表し、ｉ−１
は前回測定時点を表す。また、ｆ_ｇは忘却係数である。
忘却係数の値としては、測定値が目標値から離れたらす
ぐに制御成績が悪化したと判断できるように以下のよう
に定義することができる。

【００４０】

【式４】

【００４１】血圧測定間隔の決定 血圧測定間隔（ｔｓ値、ｓ．）は、上記の方法で求めた
制御成績指標に基づき下式５に示すファジイルールに従
って決定することができる。

【００４２】

【式５】

【００４３】以上のＰ_ｉ値及びｔｓ値は、下記表７に示
される同じ形の離散化したメンバーシップ関数に従って
求めることができる。

【００４４】

【表６】

【００４５】また、ｔｓ値の定義域は、ステップ応答の
成績を考慮して、例えば下記表８に示されるように設定
することができる。

【００４６】以上の制御ルールに従って実行されたファ
ジイ推論の結果をファジイ集合から具体的な血圧測定間
隔（ｓ．）に変換するためには、メンバーシップ関数の
重心における値を用いることが好ましい。

【００４７】この実施例によれば、患者の状態に合わせ
て薬物注入速度に対する最適な補正量を決定することが
できるため、目的に応じた目標血圧値を予め設定すれば
自動的に患者の血圧を上昇または下降させて速やかに目
標血圧値に収束させることができる。さらに、次回まで
の最適な血圧測定間隔を自動的に調節し、不安定時には
血圧測定及び薬物投与速度の補正を頻繁に行い、安定時
にはその間隔を長くするという効率的な制御が可能とな
るため、患者への負担を軽減することができる。

【００４８】試験例：上記で説明した本発明の測定間隔
自動制御装置を備えた血圧自動制御装置の有効性を検証
するため、体重３００ｇ〜５００ｇのラットを用いた動
物実験を行った。すなわち、ラットの外腸骨動脈にカテ
ーテルを挿入し、半導体型の圧力変換器によって直接動
脈圧を測定してその５秒間の算術平均を求め平均血圧値
とした。この方法による測定自体は測定回数を減らす必
要はないが、カフによる測定の代わりとした。本試験で
は目標血圧値を１２０ｍｍＨｇとする昇圧制御のみを対
象としたため、昇圧剤としてアンジオテンシン−ＩＩを
０．１ｍｇ／１００ｍｌに希釈した生理食塩水溶液を定
量注入ポンプを使用して外腸骨静脈に挿入したカテーテ
ルより注入した。ファジイ推論の制御ルール、メンバー
シップ関数及び各変数の定義域は、上記図２の実施例で
示したものをそのまま用いた。

【００４９】制御結果の１例を図３に示した。図の上部
は平均血圧値の経時的変化を示すものであり、図の下部
は測定時期及び薬物注入速度の変化を示すものである。
図から明らかなとおり、制御開始当初は測定間隔が短い
が、５分経過して平均血圧値が目標値の１２０ｍｍＨｇ
に到達した頃から測定間隔が長くなっている。状況変化
に対するこの装置の適応性を調べるため、制御２１分経
過後にラットに脱血処理を行った。これによって血圧が
一時低下しているが、本装置は、この状況変化に対応し
て測定間隔を短くし、速やかに制御を回復した。その
後、測定間隔は再び延長され、効率的な制御が行われ
た。

【００５０】

【発明の効果】以上のとおり、本発明の測定間隔自動制
御装置によれば制御対象が安定している際に測定間隔を
延長することによって、従来の制御系に比べて測定回数
を減少することが可能となる。かかる本発明の有効性は
本発明の測定間隔自動制御装置を血圧自動制御装置に付
加した場合の試験例によって実証されたが、これによっ
て、従来、血圧値を長時間一定に維持する場合に避ける
ことができなかった患者への血圧測定によるストレスを
著しく軽減することができる。また、測定回数を減少す
ることができるという本発明の効果は他のアプリケーシ
ョンに応用した場合にも同様に発揮されるものである。
したがって、本発明は測定のコストが高い制御系や大き
な労力を伴う制御系に極めて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略ブロック図である。

【図２】本発明の測定間隔自動制御装置を備えた血圧自
動制御装置の一実施例の概略ブロック図である。

【図３】本発明の試験例の制御結果を示すものであり、
上部に時間（ｔｉｍｅ［ｍｉｎ］）−平均血圧値（ＭＡ
Ｐ［ｍｍＨｇ］）を、下部に時間（ｔｉｍｅ［ｍｉ
ｎ］）−薬物注入速度（ｕ［ｍｌ／ｈｒ］）を示す。

【表７】

【表８】

フロントページの続き (72)発明者 山下 善之 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉無番地 宮 城教育大学職員宿舎１−13 (72)発明者 鈴木 睦 宮城県仙台市太白区鈎取２−13−10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サンプリング値制御系において、後述の
   推論手段によって与えられる測定間隔（ｔｓ値）に従っ
   て測定された変数に基づいて、最適な測定間隔（ｔｓ
   値）を推論するファジイ推論手段を備えた測定間隔自動
   制御装置。
2. 【請求項２】 前記推論手段が、サンプリング値制御系
   の測定手段によって測定された変数と設定目標値との偏
   差（ｅ値）、およびこの偏差（ｅ値）の１サンプリング
   前の時点からの変化（ｃ値）に基づいて局所的制御成績
   を評価し、当該評価に応じて次回までの測定間隔（ｔｓ
   値）を推論するファジイ推論手段である、請求項１の測
   定間隔自動制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２の測定間隔自動制御装置
   によって与えられる測定間隔（ｔｓ値）に従って患者の
   血圧値を測定する血圧測定手段、前記血圧測定手段によ
   って測定された血圧値と目標血圧値との偏差（ｅ値）、
   およびこの偏差（ｅ値）の１サンプリング前の時点から
   の変化（ｃ値）に基づいて薬物注入速度の最適な補正量
   （ｕ値）を推論するファジイ推論手段、および前記補正
   量（ｕ値）に応じて補正された薬物注入速度で薬物を投
   与する薬物投与手段を備えた、測定間隔自動制御装置付
   き血圧自動制御装置。