(57)【要約】 【課題】脈波が乱れているか否かを簡易かつ精度よく評価できるようにする。【解決手段】脈波評価装置は、被検者の脈波を測定する測定部と、前記測定された脈波の１拍ごとに、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出する時刻検出部と、前記立ち上がり時刻から、前記１階微分した値が最大になる時刻までの平均加速度と、前記１階微分した値が最大になる時刻から、前記最大振幅時刻までの平均加速度と、の加速度比率を検出する比率検出部と、前記加速度比率に基づいて前記脈波を評価する評価部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検者の脈波を測定する測定部と、
前記測定された脈波の１拍ごとに、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出する時刻検出部と、
前記立ち上がり時刻から、前記１階微分した値が最大になる時刻までの平均加速度と、前記１階微分した値が最大になる時刻から、前記最大振幅時刻までの平均加速度と、の加速度比率を検出する比率検出部と、
前記加速度比率に基づいて前記脈波を評価する評価部と、を備える、脈波評価装置。
【請求項２】
前記最大振幅時刻での前記脈波の第１の値と、前記１階微分した値が最大になる時刻での前記脈波の第２の値とを検出する脈波値検出部を備え、
前記比率検出部は、前記第１及び第２の値の脈波値比率に基づいて、前記加速度比率を検出する、請求項１に記載の脈波評価装置。
【請求項３】
前記比率検出部は、前記第１の値と前記第２の値との脈波値比率に第１係数を乗じた値に、第２係数を加算した値を、前記加速度比率とする、請求項２に記載の脈波評価装置。
【請求項４】
前記評価部は、前記測定部で測定された複数の脈波についての前記加速度比率のバラツキ度合いを示す正規分布曲線の母平均及び母標準偏差を推定し、前記推定された母平均及び母標準偏差に基づいて、前記脈波を評価する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の脈波評価装置。
【請求項５】
前記評価部は、
前記測定部で測定された隣り合う２つの脈波についての前記加速度比率の差分が所定の閾値より小さいか否かを判定する第１判定部と、
前記加速度比率が前記母平均を基準として所定の範囲内に含まれるか否かを判定する第２判定部と、
前記第１判定部及び前記第２判定部の判定結果に基づいて、前記脈波を評価する判定評価部と、を有する、請求項４に記載の脈波評価装置。
【請求項６】
前記判定評価部は、前記第１判定部にて前記加速度比率の差分が前記所定の閾値より小さいと判定されなかった場合、又は前記第２判定部にて前記加速度比率が前記所定の範囲内に含まれると判定されなかった場合には、前記脈波が乱れていると判定する、請求項５に記載の脈波評価装置。
【請求項７】
コンピュータは、
被検者の脈波を測定し、
前記測定された脈波の１拍ごとに、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出し、
前記立ち上がり時刻から、前記１階微分した値が最大になる時刻までの平均加速度と、前記１階微分した値が最大になる時刻から、前記最大振幅時刻までの平均加速度と、の加速度比率を検出し、
前記加速度比率に基づいて前記脈波を評価する、脈波評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、脈波評価装置及び脈波評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
心拍数の変化に対応する動脈及び毛細血管の血液量の変化を測定することにより、心拍に伴う脈波を検出する光電式容積脈波計（ＰＰＧ：Photoplethysmogram）センサが知られている。ＰＰＧセンサを用いて脈拍ごとに組織を通過する血液量に基づいて心拍数を検出する手法は、容積脈波（ＢＶＰ：Blood Volume Pulse）測定と呼ばれている。
【０００３】
容積脈波の波形は、被検者の活動状態や精神状態によって大きく変動し、容積脈波に乱れが生じる。容積脈波が乱れていると、心拍数等を正確に計測できなくなる。特に、心拍周期は、容積脈波の立ち上がり時刻からピーク値の時刻までの、容積脈波の微分係数に依存するが、容積脈波が乱れていると、微分係数を正確に検出できなくなることから、心拍周期の測定精度が悪くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６１７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、脈波が乱れているか否かを簡易かつ精度よく評価できる脈波評価装置及び脈波評価方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態によれば、被検者の脈波を測定する測定部と、
前記測定された脈波の１拍ごとに、前記脈波の立ち上がり時刻と、前記脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、前記脈波の最大振幅時刻とを検出する時刻検出部と、
前記立ち上がり時刻から、前記１階微分した値が最大になる時刻までの平均加速度と、前記１階微分した値が最大になる時刻から、前記最大振幅時刻までの平均加速度と、の加速度比率を検出する比率検出部と、
前記加速度比率に基づいて前記脈波を評価する評価部と、を備える、脈波評価装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態による脈波評価装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】腕時計型の生体測定装置の一例を示す図。
【図３】１拍分の正常な脈波の波形の一例を示す図。
【図４】比率ＡＲのバラツキ分布を示す図。
【図５】被検者の脈波の一例を示す図。
【図６】本実施形態による脈波評価装置１の処理動作を示すフローチャート。
【図７】（ａ）は正常であると判断された脈波を用いて心拍数を計測した結果を示す図、（ｂ）は乱れている脈波を除去しない状態で心拍数を計測した結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、脈波評価装置内の特徴的な構成および動作を中心に説明するが、脈波評価装置には以下の説明で省略した構成および動作が存在しうる。
【０００９】
図１は一実施形態による脈波評価装置１の概略構成を示すブロック図である。脈波評価装置１は、測定部２と、時刻検出部３と、比率検出部４と、評価部５とを備えている。脈波評価装置１は、例えば図２に示すような腕時計型の生体測定装置６に組み込むことができる。
【００１０】
測定部２は、被検者の心拍数の変化に伴う動脈及び毛細血管の血液量の変化を測定することにより、心拍に伴う容積脈波の情報を取得する。以下では、容積脈波を単に脈波と呼ぶこともある。
【００１１】
測定部２は、発光部７と、受光部８と、脈波生成部９とを有する。発光部７は、例えば、特定の波長帯域（緑色や近赤外帯域など）の光信号を発光するＬＥＤ（Light Emitting Device）を有する。受光部８は、発光部７からの光信号が被検者の体内で吸収又は反射・散乱された後の信号を受光する。脈波生成部９は、受光部８で受光された信号に基づいて、心拍の１拍ごとに脈波を生成する。
【００１２】
発光部７からの光信号の発光量が変動すると、受光部８での信号の受光量も変動する。このため、脈波生成部９は、受光された信号のＤＣ成分とＡＣ成分とに分離し、ＡＣ／ＤＣ比に基づいて脈波を生成する。このため、生成される脈波は、無次元のデータである。
【００１３】
時刻検出部３は、脈波の１拍ごとに、脈波の立ち上がり時刻と、脈波を時間で１階微分した値が最大になる時刻と、脈波の振幅が最大ピークになる時刻とを検出する。図３は、１拍分の正常な脈波の波形の一例である。横軸が時刻、縦軸が脈波の振幅を示す。正常な脈波は、振幅がボトムの位置（ｔ0）で開始し、振幅がほぼ単調に増加して最大ピークに達し（ｔ2）、その後、振幅が単調に減少して二番目のボトムの位置に達すると（ｔ3）、再び単調増加に変化し、振幅が二番目のピークに達すると（ｔ4）、単調減少してボトム値に達して終了する（ｔ5）。
【００１４】
時刻検出部３は、図３のｔ0を立ち上がり時刻として検出し、ｔ2を最大ピークになる時刻として検出する。また、時刻検出部３は、ｔ0からｔ2までの間で、脈波を時間で１階微分した値が最大になるｔ1を検出する。
【００１５】
比率検出部４は、立ち上がり時刻ｔ0から、脈波を１階微分した値が最大になる時刻ｔ1までの脈波の平均加速度と、時刻ｔ1から、最大振幅時刻ｔ2までの脈波の平均加速度と、の加速度比率を検出する。
【００１６】
脈波評価装置１は、脈波値検出部１０を備えていてもよい。脈波値検出部１０は、最大振幅時刻ｔ2での脈波の第１の値と、１階微分した値が最大になる時刻ｔ1での脈波の第２の値とを検出する。比率検出部４は、第１及び第２の値の脈波値比率に基づいて、加速度比率を検出することができる。
【００１７】
本発明者が種々の波形の脈波について検証したところ、正常な脈波の加速度比率はほぼ１になり、乱れた脈波の加速度比率は１とは異なる値になることがわかった。そこで、評価部５は、比率検出部４で検出された加速度比率に基づいて脈波を評価する。
【００１８】
より具体的には、評価部５は、乱れた脈波を除去して、除去されなかった脈波を抽出する。抽出された脈波は、心拍数の計測や血行の評価などに用いられる。
【００１９】
ｔ0〜ｔ1間での脈波の平均加速度ａ１と、ｔ1での脈波の振幅値ｘ(ｔ1)と、ｔ1での脈波の時間に対する１階微分値ｄｘ(ｔ1)／ｄｔとの間には、以下の（１）式の関係が成り立つ。
【数１】
2020025732.tif 000003
【００２０】
同様に、ｔ1〜ｔ2間での脈波の平均加速度ａ2と、ｔ1での脈波の振幅値ｘ(ｔ1)と、ｔ2での脈波の振幅値ｘ(ｔ2)と、ｔ1での１階微分値ｄｘ(ｔ1)との間には、以下の（２）式の関係が成り立つ。なお、ｔ2での１階微分値ｄｘ(ｔ2)は、ｄｘ(ｔ2)＝０である。
【数２】
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【００２１】
（１）式と（２）式により、以下の（３）式が得られる。
２ａ1・ｘ(ｔ1)＝２ａ2・｛ｘ(ｔ1)−ｘ(ｔ2)｝    …（３）
【００２２】
（３）式を変形すると、ｔ0〜ｔ1間とｔ1〜ｔ2間での脈波の平均加速度との比率は、以下の（４）式で表される。
【数３】
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【００２３】
上記（４）式から、ｔ0〜ｔ1間とｔ1〜ｔ2間での平均加速度との加速度比率ＡＲは、（５）式で表すことができる。以下では、加速度比率ＡＲを単に比率ＡＲと呼ぶこともある。
【数４】
2020025732.tif 000006
【００２４】
ａpeakは振幅値ｘ(ｔ2)、ａmfdは振幅値ｘ(ｔ1)である。係数Ｃ０とＣ１は任意の数値であるが、係数Ｃ１はＡＲの平均値が１に近づくように設定される。あるいは、係数Ｃ０＝０として係数Ｃ１を設定してもよい。
【００２５】
ａpeakとａmfdは、脈波の２点間の差分データであり、ａpeakとａmfdの比率を取ることで、発光部７からの光信号の発光量の変動の影響を相殺することができる。
【００２６】
平均加速度ａ１，ａ２を直接検出するのは容易ではないが、振幅値ｘ(ｔ1)やｘ(ｔ2)を検出するのは比較的容易に行うことができる。よって、本実施形態では、平均加速度を直接検出して加速度比率を求める代わりに、（５）式に基づいて比率ＡＲを検出する。
【００２７】
このように、比率検出部４は、ｔ2での脈波の値ａpeakと、ｔ1での脈波の値ａmfdとの脈波値比率に係数（第１係数）Ｃ１を乗じた値に、係数（第２係数）Ｃ０を加算した値を、加速度比率とする。
【００２８】
比率ＡＲは１拍ごとに異なるため、心拍ごとの比率ＡＲは図４に示すように正規分布でばらつくと考えられる。正規分布曲線の母標準偏差は比較的小さく、例えば０．１５未満である。すなわち、いったん係数Ｃ１を定めると、被検者の活動状態によらず、比率ＡＲの検出値と、正規分布曲線の母平均及び母標準偏差の推定値から、各脈波が乱れているか否かを判定することができる。
【００２９】
各脈波が乱れているか否かの具体的な判定方法は、例えば、以下の手順で行うことができる。ｉ番目の脈波における比率ＡＲｉと、(ｉ−１)番目の脈波における比率ＡＲi-1との差分は、係数Ｃ２未満であることが要求される。
｜ＡＲi-1−ＡＲi｜＜Ｃ２    …（６）
この（６）式は、隣り合う脈波の比率ＡＲが似通っていることを条件とするものである。
【００３０】
その他に、比率ＡＲが正規分布でばらつくことを仮定して、母平均を基準とする所定範囲内に比率ＡＲが含まれることを条件とすることができる。この条件は以下の（７）式で表すことができる。
Ｅ(ＡＲ)−Ｃ３＜ＡＲi＜Ｅ(ＡＲ)＋Ｃ４    …（７）
【００３１】
Ｅ(ＡＲ)は比率ＡＲの母平均の推定値である。係数Ｃ３とＣ４は任意の数値であるが、例えば母標準偏差の推定値の１／２であってもよい。
【００３２】
係数Ｃ０〜Ｃ４とＥ(ＡＲ)は、任意の初期値を設定することができる。例えば、Ｃ０＝０、Ｃ１＝０．５、Ｅ(ＡＲ)＝１．０６、Ｃ２＝０．１５、Ｃ３＝０．１５、Ｃ４＝０．１５に初期設定してもよい。
【００３３】
このとき、（５）〜（７）式は、以下の（８）〜（１０）式で表される。
ＡＲi＝ａipeak／(２．０×ａimfd)    …（８）
｜ＡＲi-1−ＡＲi｜＜０．１５    …（９）
１．０６−０．１５＜ＡＲi＜１．０６＋０．１５    …（１０）
【００３４】
より多くの脈波の比率ＡＲiが（９）式と（１０）式を満たすように脈波を安定させ、その後、検出された比率ＡＲが正規分布でばらつくと仮定して、比率ＡＲの母平均と母標準偏差を推定する。その推定値を用いてＥ(ＡＲ)とＣ０〜Ｃ４を設定して、（６）式と（７）式に基づいて、より正確に１拍ごとに脈波が乱れているか否かを判定してもよい。すなわち、被検者の脈波の計測を開始し、（９）式と（１０）式を満たした時点で、脈波がほぼ安定したと判断する。脈波が安定した状態では、脈波正規分布でばらつくとみなせるため、母平均と母標準偏差を求めることができ、これにより、（６）式と（７）式の母平均の推定値Ｅ(ＡＲ)と係数Ｃ０〜Ｃ４も求めることができる。よって、その後は、（６）式と（７）式に基づいて、脈波が安定したか否かを最終的に判断する。
【００３５】
このように、評価部５は、測定部２で測定された複数の脈波についての加速度比率のバラツキ度合いを示す正規分布曲線の母平均及び母標準偏差を推定し、推定された母平均及び母標準偏差に基づいて、脈波を評価してもよい。より具体的には、評価部５は、隣り合う脈波についての加速度比率の差分が所定の閾値より小さいか否かを判定する第１判定部と、加速度比率が母平均を基準として所定の範囲内に含まれるか否かを判定する第２判定部と、第１判定部及び第２判定部の判定結果に基づいて、脈波を評価する判定評価部と、を有していてもよい。この場合、判定評価部は、第１判定部にて加速度比率の差分が所定の閾値より小さいと判定されなかった場合、又は第２判定部にて加速度比率が所定の範囲内に含まれると判定されなかった場合には、脈波が乱れていると判定する。
【００３６】
図５は被検者の脈波の一例を示す図である。被検者の脈波の波形は、被検者の活動状態や精神状態によって１拍ごとに変化する。脈波評価装置１は、被検者の脈波が乱れているか否かを１拍ごとに評価する。より具体的には、脈波が上記（５）〜（７）式の条件、あるいは（８）〜（１０）式の条件を満たすか否かを判断し、条件を満たせば、脈波は乱れておらず正常であると判断する。図５の例では、複数拍分の脈波のうち、破線枠で囲んだ２拍分の脈拍が正常であり、その他の脈拍は乱れている。正常な脈波は、図３の波形と似通った波形になる。連続した２拍分の脈波が正常であれば、各脈波のピーク値間の時間によりＩＢＩ（Inter-Beat Interval）を計算でき、心拍数等を計測することができる。
【００３７】
図６は脈波評価装置１の処理を示すフローチャートである。まず、被検者の脈波が正規分布でばらつくと仮定して、脈波の母平均の推定値と、係数Ｃ０〜Ｃ４を初期設定する（Ｓ１）。
【００３８】
次に測定部２にて被検者の脈波を測定する（Ｓ２）。次に、測定された脈波の波形に対して、（５）式に基づいて比率ＡＲを検出する（Ｓ３）。Ｓ３の処理は、脈波の１拍ごとに行う。次に、Ｓ１で初期設定した値と、Ｓ３で検出された比率ＡＲとに基づいて、母平均と母標準偏差を推定する（Ｓ４）。
【００３９】
次に、Ｃ０＝０、Ｃ１＝０．５、Ｅ(ＡＲ)＝母平均の推定値、Ｃ２〜Ｃ４＝母標準偏差の推定値の１／２に設定する（Ｓ５）。あるいは、Ｃ０＝０、Ｃ１＝０．５、Ｅ(ＡＲ)＝１．０６、Ｃ２〜Ｃ４＝０．１５に設定してもよい。
【００４０】
次に、測定部２にて再度、被検者の脈波を測定する（Ｓ６）。次に、（６）式と（７）式を満たすか否かを判定する（Ｓ７）。次に、評価部５は、Ｓ７の判定結果に基づいて、脈波を評価する（Ｓ８）。
【００４１】
Ｓ８の評価の仕方として、複数通りが考えられる。例えば、（６）式と（７）式の双方とも満たさない脈波を乱れた脈波として除去してもよい。あるいは、（６）式を満たさない脈波を乱れた脈波として除去してもよい。あるいは、（７）式を満たさない脈波を乱れた脈波として除去してもよい。
【００４２】
なお、母平均と母標準偏差を推定せずに、例えば、Ｅ(ＡＲ)＝１．０６、Ｃ２〜Ｃ４＝０．０７のように特定の値を設定した状態で、（６）式と（７）式に基づいて、脈波が乱れているか否かを判定してもよい。
【００４３】
図６のフローチャートに示すように、評価部５は、１拍ごとに脈波が乱れているか否かを判定し、乱れていない脈波のみを抽出する。被検者が激しい運動をしている場合、脈波は大きく乱れるが、数十個の脈波に対して１〜２個程度は、乱れていない脈波が存在する。本実施形態では、乱れていない脈波を的確に抽出できるため、抽出された正常な脈波を用いて心拍数や血行などを測定することで、その測定精度を向上できる。脈波の大半が乱れていても、そのうちの一部に乱れていない脈波が存在すれば、その脈波を用いて、被検者の種々の生体情報を測定できるため、本実施形態によれば、被検者の生体情報を精度よく測定できる。
【００４４】
図７（ａ）は脈波評価装置１にて正常である（乱れていない）と判断された脈波を用いて心拍数を計測した結果を示す図、図７（ｂ）は乱れている脈波を除去しない状態で心拍数を計測した結果を示す図である。図７における横軸は、心拍数の計測時刻、縦軸は心拍数（ＢＰＭ：Beats Per Minute）であり、各時刻での心拍数をプロットしている。心拍数は、１拍ごとに、60,000／ＩＢＩを計算した結果である。
【００４５】
図７（ａ）では心拍数のばらつきは少ないのに対して、図７（ｂ）では心拍数が大きくばらついており、心拍数の測定精度が悪いことがわかる。図７（ｂ）の場合、脈波の波形が変動するため、１階微分値が最大にある時刻を正しく推定できない。結果として、この時刻を基準とする平均加速度の値も変動することから、心拍数の測定精度が低下する。一方、本実施形態の場合、図７（ａ）に示すように、心拍数のバラツキを抑制することができる。図７（ａ）では、Ｅ(ＡＲ)として正規分布を仮定して１．０６であった。また、Ｃ１は２．０、Ｃ２〜Ｃ４は母標準偏差の推定値を２で除した０．０７である。
【００４６】
このように、本実施形態では、脈波の立ち上がり時刻から最大振幅時刻までの期間内において、立ち上がり時刻から１階微分した値が最大になる時刻までの平均加速度と、１階微分した値が最大になる時刻から最大振幅時刻までの平均加速度との加速度比率に基づいて脈波を評価する。このため、１拍ごとに脈波が乱れているか否かを簡易かつ正確に判断できる。
【００４７】
また、本実施形態では、平均加速度の比率を、最大振幅時刻での脈波の値と、１階微分した値が最大になる時刻での脈波の値との比率を用いて検出する。このため、比較的容易に比率を計算でき、１拍ごとの脈波をリアルタイムで評価できる。
【００４８】
本実施形態によれば、正常な脈波を抽出できるため、被検者の活動状態や精神状態によらず、心拍数や心拍周期等を精度よく測定できる。
【００４９】
上述した脈波評価装置１の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、脈波評価装置１の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。
【００５０】
また、脈波評価装置１の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１  脈波評価装置、２  測定部、３  時刻検出部、４  比率検出部、５  評価部、６  生体測定装置、７  発光部、８  受光部、９  脈波生成部、１０  脈波値検出部、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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