(57)【要約】【課題】計測した脈波波形から情報を抽出するときに、波形解析による結果のうち信頼性を確保した結果のみを使用することができる、生体情報処理装置を提供する。【解決手段】脈波からＲ−Ｒ間隔を算出する生体情報処理装置であって、生体から脈波を検出する第１処理手段と、検出された脈波を微分する第２処理手段と、微分によって得られた脈波データから、データが所定の条件を満足する波形点を検出する第３処理手段と、検出された波形点が所定回数連続する箇所をピーク候補として特定する第４処理手段と、検出された脈波において所定の波形変化を示す期間に現れるピーク候補を、対象外ピーク候補として検出する第５処理手段と、対象外ピーク候補を除いたピーク候補に基づいて、Ｒ−Ｒ間隔を算出する第６処理手段と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脈波からＲ−Ｒ間隔を算出する生体情報処理装置であって、
センサから生体の脈波を取得する第１処理手段と、
前記取得された脈波を微分する第２処理手段と、
前記微分によって得られた脈波データから、データが所定の条件を満足する波形点を検出する第３処理手段と、
前記検出された波形点が所定回数連続する箇所をピーク候補として特定する第４処理手段と、
前記取得された脈波において所定の波形変化を示す期間に現れる前記ピーク候補を、対象外ピーク候補として検出する第５処理手段と、
前記対象外ピーク候補を除いた前記ピーク候補に基づいて、Ｒ−Ｒ間隔を算出する第６処理手段と、を備える、生体情報処理装置。
【請求項２】
前記第５処理手段は、第１の前記ピーク候補から第２の前記ピーク候補までの間隔が５０ＢＰＭ以上１４０ＢＰＭ以下の範囲外である場合、当該第２のピーク候補を前記対象外ピーク候補として検出することを特徴とする、請求項１に記載の生体情報処理装置。
【請求項３】
前記第５処理手段は、第１の前記ピーク候補から第２の前記ピーク候補までの間隔が５０ＢＰＭ以上１４０ＢＰＭ以下の範囲内である場合、前記第１処理手段で取得された脈波をＡ／Ｄ変換した波形データがＡ／Ｄ変換の量子化ビット数の最大値によって定まる所定値未満であれば、当該第２のピーク候補を前記対象外ピーク候補として検出することを特徴とする、請求項１に記載の生体情報処理装置。
【請求項４】
前記第２処理手段は、
前記第１処理手段で取得された脈波をＡ／Ｄ変換する変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換によって得られた脈波データに低周波透過処理を施すフィルタ手段と、
前記低周波透過処理を施した脈波データを２階数値微分する微分手段と、を備え、
前記第３処理手段は、前記２階数値微分によって得られた加速度脈波データがひとつおきのデータ値で予め定めた複数回連続して下降するという条件を満足する波形点を検出し、
前記第４処理手段は、前記第３処理手段で検出された波形点が所定の回数連続する箇所を、前記ピーク候補として特定することを特徴とする、請求項１に記載の生体情報処理装置。
【請求項５】
生体情報処理装置が実行する、脈波からＲ−Ｒ間隔を算出する生体情報処理方法であって、
センサから生体の脈波を取得する第１ステップと、
前記取得された脈波を微分する第２ステップと、
前記微分によって得られた脈波データから、データが所定の条件を満足する波形点を検出する第３ステップと、
前記検出された波形点が所定回数連続する箇所をピーク候補として特定する第４ステップと、
前記取得された脈波において所定の波形変化を示す期間に現れる前記ピーク候補を、対象外ピーク候補として検出する第５ステップと、
前記対象外ピーク候補を除いた前記ピーク候補に基づいて、Ｒ−Ｒ間隔を算出する第６ステップと、を備える、生体情報処理方法。
【請求項６】
前記第５ステップは、第１の前記ピーク候補から第２の前記ピーク候補までの間隔が５０ＢＰＭ以上１４０ＢＰＭ以下の範囲外である場合、当該第２のピーク候補を前記対象外ピーク候補として検出することを特徴とする、請求項５に記載の生体情報処理方法。
【請求項７】
前記第５ステップは、第１の前記ピーク候補から第２の前記ピーク候補までの間隔が５０ＢＰＭ以上１４０ＢＰＭ以下の範囲内である場合、前記第１ステップで取得された脈波をＡ／Ｄ変換した波形データがＡ／Ｄ変換の量子化ビット数の最大値によって定まる所定値未満であれば、当該第２のピーク候補を前記対象外ピーク候補として検出することを特徴とする、請求項５に記載の生体情報処理方法。
【請求項８】
前記第２ステップでは、
前記第１ステップで取得された脈波をＡ／Ｄ変換し、
前記Ａ／Ｄ変換によって得られた脈波データに低周波透過処理を施し、
前記低周波透過処理が施された脈波データを２階数値微分し、
前記第３ステップでは、前記２階数値微分によって得られた加速度脈波データがひとつおきのデータ値で予め定めた複数回連続して下降するという条件を満足する波形点を検出し、
前記第４ステップでは、前記第３ステップで検出された波形点が所定の回数連続する箇所を、前記ピーク候補として特定することを特徴とする、請求項５に記載の生体情報処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定者の脈波から生体情報を取得して処理する生体情報処理装置および生体情報処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体の状態を把握するために身体から発する生体信号を測定するものがある。例えば、心拍、血圧、脳波、筋電位、呼吸、体温、発汗、生化学的や身体物理的な状態量など、さまざまな生体信号があるが、そのひとつに「脈波」と呼ばれるものがある。脈波とは、単なる高低の血圧値ではなく、心臓が拍動するときに生じる大動脈の内圧変化が動脈内を伝播する時間変動としての波のことである。
【０００３】
脈波からは、拍動の周期から脈拍数が取得できるだけではなく、脈波の波形を解析することで、交感神経・副交感神経の活性、血管の膨張・収縮の特徴などの自律神経系に関連した情報も得られる。例えば、心拍数は自律神経により調節されている洞結節の自動能により制御されている。心拍数を連続して観察してみると、わずかに変動しており、この変動は心拍変動といわれ、自律神経の活動度と関連することが示されてきた。また、呼吸に伴う心臓の拍動による変動は副交感神経の活動度と関連しているが、それよりも周期の長い変動は交感神経と副交感神経の両者の活動度と関連することが示されている。心拍変動の分析により自律神経機能の評価が可能であると考えられており、健康な人の場合は心拍変動の幅が大きく、病人やストレス状態にある人は心拍変動の幅も小さくなることが分かっている。
【０００４】
特許文献１には、脈波センサにより被験者の脈波を時々刻々と検出し、検出された脈波データを演算手段にて解析してピーク値およびピーク時点を求め、脈波からの拍動間隔のＲ−Ｒ間隔を算出する測定装置が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２では、脈波計測から得られた脈波の波形を２次微分して算出された加速度脈波の連続する波形から心電図のＲ−Ｒ間隔の変動に対応するａ−ａ間隔の変動を求め、隣り合うａ−ａ間隔の変化が一定範囲を外れるものを除外したａ−ａ間隔について、これらの値により標準ａ−ａ間隔を構成して、脈波計測から得られた拍動間隔の異常を判定する自律神経機能評価装置が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３では、脈波を測定し、測定データ解析を行うときに不必要となる異常な体位状態で測定された測定データを除外する処理を、加速度センサに基づいて判断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２２９０１３号公報
【特許文献２】特許第５０８０５５０号公報
【特許文献３】特開２００７−１１７５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
脈波計測時において、腕の動きや体動などの影響による波形の乱れや、指先の低温化があると、体表面近くの血管が収縮し血流量が低下して脈波信号レベル自体の低下と振幅の低下によってＳ／Ｎ状態が悪化し、それらの脈波から演算される波形解析の信頼性も低下してしまう。
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、計測した脈波波形から情報を抽出するときに、波形解析による結果のうち信頼性を確保した結果のみを使用することができる、生体情報処理装置および生体情報処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、脈波からＲ−Ｒ間隔を算出する生体情報処理装置であって、センサから生体の脈波を取得する第１処理手段と、取得された脈波を微分する第２処理手段と、微分によって得られた脈波データから、データが所定の条件を満足する波形点を検出する第３処理手段と、検出された波形点が所定回数連続する箇所をピーク候補として特定する第４処理手段と、検出された脈波において所定の波形変化を示す期間に現れるピーク候補を、対象外ピーク候補として検出する第５処理手段と、対象外ピーク候補を除いたピーク候補に基づいて、Ｒ−Ｒ間隔を算出する第６処理手段とから構成される。また、本発明の他の態様は、上述した生体情報処理装置が実現する各処理を実行する方法であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被測定者の脈波を計測して得るＲ−Ｒ間隔のうち、安定した脈波から算出されたＲ−Ｒ間隔のみを利用することが可能となり、Ｒ−Ｒ間隔、すなわち心拍変動を解析するアプリケーションにおいて、その信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態における生体情報処理装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】一実施形態におけるＦＰＧＡ内の構成を示すブロック図である。
【図３】一実施形態におけるローパスフィルタ透過後の脈波データを示す図である。
【図４】一実施形態における算出した加速度脈波データを示す図である。
【図５】一実施形態におけるピーク検出フラグの概念図である。
【図６】一実施形態における脈波データとピーク検出フラグおよびピーク候補を示す図である。
【図７】一実施形態におけるピーク検出フラグのアサート方法を示すフローチャートである。
【図８】一実施形態におけるピーク候補のアサート方法を示すフローチャートである。
【図９】一実施形態におけるＲ−Ｒ間隔を決定する方法を示すフローチャートである。
【図１０】一実施形態における脈波データとピーク候補、ＮＧフラグ、Ｒ−Ｒ間隔、およびＲ−Ｒ間隔カウンタとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る生体情報処理装置および生体情報処理装置の制御方法について、図面を参照して説明する。
【００１４】
［生体情報処理装置の構成］
図１が示すように、生体情報処理装置は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）１０２、ＩＲ＿ＬＥＤ（Infrared LED）１０３、光学センサ１０４、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）１０５、ＬＣＤドライバ１０６、バス１０７、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０８、ＲＡＭ（Random Access  Memory）１０９、ＩＲ＿ＬＥＤドライバ１１０、信号増幅器１１１、およびＡＤＣ（Analog Digital Convertor）１１２、を含んで構成される。
【００１５】
ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１は、バス１０７を介して接続されるＲＯＭ（Read Only Memory）１０８およびＲＡＭ（Random Access  Memory）１０９を制御する。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０８に記憶されているプログラムに従って処理を行う。ＲＡＭ１０９には、ＣＰＵ１０１が各種の処理を実行する上において必要とするデータなども適時記憶される。ＩＲ＿ＬＥＤドライバ１１０は、ＩＲ＿ＬＥＤ１０３の制御を行う。光学センサ１０４は、ＩＲ＿ＬＥＤ１０３が発光した赤外線を受光するように、ＩＲ＿ＬＥＤ１０３の近傍に実装される。光学センサ１０４は、ＩＲ＿ＬＥＤ１０３から指先に照射され、指先を通過した赤外線の光量を測定し、光電信号に変換して出力する。信号増幅器１１１は、光学センサ１０４から出力される光電信号（脈波信号）を増幅する。増幅された脈波のアナログレベル信号は、ＡＤＣ１１２にてデジタルの脈波データに変換されて、ＦＰＧＡ１０２に送られる。ＦＰＧＡ１０２は、データ演算等の各種処理を実行する。ＦＰＧＡ１０２は、ハードウェアの一例として、ここでの構成としているが、限定しない。ＦＰＧＡ１０２で行うデータ演算処理は、ＣＰＵ１０１で行ってもよい。ＬＣＤドライバ１０６は、各データ処理された表示データを受信し、表示部であるＬＣＤ１０５への電源供給、制御信号、および表示データを、垂直走査信号および水平走査信号にタイミングを合わせてＬＣＤ１０５に送信する。
【００１６】
なお、表示部はＬＣＤ１０５に限定するものではなく、他の表示デバイスでもよい。また、ＦＰＧＡ１０２やＣＰＵ１０１での処理データは、生体情報処理装置内に構成されるＬＣＤドライバ１０６に送られるほかに、ＣＰＵ１０１に制御された、ここでは図示しないが例えば、無線モジュール等でネットワーク環境下に転送される場合もある。
【００１７】
[脈波計測]
ＩＲ＿ＬＥＤドライバ１１０は、ＩＲ＿ＬＥＤ１０３の発光駆動制御を行う。ＩＲ＿ＬＥＤ１０３が発光した赤外線は、光学センサ１０４に密接させた指先を通過して光学センサ１０４で受光され、その光量が計測される。指先内の血流量は、脈拍動に応じて変化するので、指先内を通過する赤外線光量も血液量に応じて吸光量が変化する。光学センサ１０４は、受光した光量を光電信号に変換する。光電信号は、信号増幅器１０３によって増幅され、ＡＤＣ１１２に送られ、アナログレベル信号からＡ／Ｄ変換を行われてデジタルの脈波データとしてＦＰＧＡ１０２に出力される。上記処理は、請求項の「第１処理手段」または「第１ステップ」によって実行される。
【００１８】
図２は、ＦＰＧＡ１０２内の本発明にかかる機能ブロック図である。ＦＰＧＡ１０２に入力されるＡＤＣ１１２からＡ／Ｄ変換された脈波データは、不必要な高周波成分を除去するために、まずローパスフィルタ２０１により低周波透過処理が行われる。図３は、ローパスフィルタ１０２を１ＫＨｚで適用透過後の脈波データを示した図である。
【００１９】
次に、脈波データから加速度脈波データを算出するために、隣接データ差分による２階数値微分（加速度脈波処理）が行われる。図４は、図３に示した脈波データから算出した加速度脈波データを示した図である。加速度脈波処理によって、脈波データからＲ−Ｒ間隔を検出する際の脈波の変曲点をより明瞭にする。微分は隣接データの差分によって行い、人の心拍間隔が平常時およそ１Ｈｚであることから、加速度脈波データの算出にはサンプリング部２０２にて１００Ｈｚ程度でサンプリングを行うことが望ましい。その後、加速度脈波処理部２０３で前述の微分処理を行う。上記処理は、請求項の「第２処理手段」または「第２ステップ」によって実行される。図３および図４に示したデータは、ＬＣＤドライバ１０６に送られてＬＣＤ１０５に表示され、視覚的な確認を可能とする構成とすることもできる。
【００２０】
[ピーク検出]
次に、ピーク検知部２０４にて、加速度脈波データからピークが検出される。次に、Ｒ−Ｒ間隔演算部２０５にて、検出されたピークのピーク間隔が算出され、さらに算出されたピーク間隔から、Ｒ−Ｒ間隔が求められる。求めたＲ−Ｒ間隔は、心拍数（ＢＰＭ）値として変換が行われる。ピーク検出アルゴリズムは、まず図４における連続して加速度脈波が急峻に下降する点を検出する。図５に概念図、図７にフローチャートを示す。
【００２１】
図５のように、ピーク検知部２０４は、加速度脈波データの現在時点での加速度脈波データを「ｎ」と、１点前のデータを「ｎ−１」と、同様に６点前のデータを「ｎ−６」として、データｎ−６からひとつおきのデータ値で３回の連続して下降する波形点を検知したら（図７のステップＳ７０１）、ピーク検出フラグをアサート（＝１）する（図７のステップＳ７０２）。そうでない場合には、ピーク検知部２０４は、ピーク検出フラグをネゲート（＝０）する（図７のステップＳ７０３）。これをすべての加速度脈波データについて行う。上記処理は、請求項の「第３処理手段」または「第３ステップ」によって実行される。
【００２２】
次に、図８に示すフローチャートに従って、アサート（＝１）したピーク検出フラグを有する波形点に基づいて加速度脈波データのピークとなるピーク候補を見つける。まず、ピーク検知部２０４は、これから検出するピーク候補がアサートされていない（≠１）状態において（ステップＳ８０１）、ピーク検出フラグ（波形点）を検出したら（ステップＳ８０２，Ｙｅｓ）、ピーク検出フラグの検出回数を１つインクリメント（＋１）する（ステップＳ８０３）。そして、ピーク検知部２０４は、ピーク検出フラグを５回検出したら（ステップＳ８０４、Ｙｅｓ）、すなわち波形点が所定の回数連続する箇所をピーク候補として特定し、アサート（＝１）する（ステップＳ８０５）。上記処理は、請求項の「第４処理手段」または「第４ステップ」によって実行される。なお、ピーク検出フラグの検出回数は、５回に限定するものではない。
【００２３】
ところで本発明では、安静時における計測を想定して、ピーク候補を検出したら次のピーク候補までは、計測時の平均的なＲ−Ｒ間隔を基にした時間が経過することを見越して、ピーク候補検出後に一定の時間をおいて次のピーク候補検出ステップに移行させている。例えば、過去８回分のＲ−Ｒ間隔の平均時間の７５％と設定している（ステップＳ８０６）が、判断基準の設定はこの限りではない。図６は、図４に示した加速度脈波データから検出したピーク検出フラグとピーク候補を示した図である
【００２４】
[異常判定]
次に、脈波データは、体動による波形変化や、手が冷たい等の十分な血流を確保できない状態によるデータ処理に適さない波形を測定する場合もある。前述のとおりＲ−Ｒ間隔の過去平均値からの水準によるピーク候補検出だけでなく、これらの波形を測定したときも前述のピーク検出フラグからピーク候補としてしまう。よって、そうした場合にピーク候補から異常と判定として、Ｒ−Ｒ間隔のデータとして取得することの無いように、これらを除外する。図９にフローチャートを示す。
【００２５】
図９において、最初にピーク候補が検出されるごとにＲ−Ｒ間隔を算出するＲ−Ｒ間隔タイマーをリセットする（ステップＳ９０１）。ピーク候補が検出されていない間、Ｒ−Ｒ間隔タイマーは動作し続けて（ステップＳ９０３）、ピーク候補が検出され（ステップＳ９０２、Ｙｅｓ）、後述するＮＧフラグがアサートされていなかったら（≠１）（ステップＳ９０４、Ｙｅｓ）Ｒ−Ｒ間隔データをＲ−Ｒ間隔タイマーの値で更新する（ステップＳ９０６）。ＮＧフラグがアサートされていたら（＝１）、Ｒ−Ｒ間隔データは変化させないで（ステップＳ９０５）、初期状態に戻る。Ｒ−Ｒ間隔データが更新された場合、Ｒ−Ｒ間隔データ（＝ピーク候補の間隔）が、安静時を想定した５０ＢＰＭ以上１４０ＢＰＭ以下を判断基準（ステップＳ９０７）として、それ以外の場合はＮＧフラグをアサート（＝１）する（ステップＳ９０９）。上記処理は、請求項の「第５処理手段」「第６処理手段」または「第５ステップ」「第６ステップ」によって実行される。
【００２６】
ところで、脈波データは、安静時においても僅かな腕の動きや、上半身の動きがあると信号増幅器１１３の出力後において０近辺から増幅回路が飽和したデータ値の間で激しく振幅した状態を観測されることが分かっている。そこで、Ｒ−Ｒ間隔データ（＝ピーク候補の間隔）が５０ＢＰＭ以上１４０ＢＰＭ以下の範囲内である場合、ＡＤＣ１１２から出力される脈波データが０近辺を検出した場合（ステップＳ９０８、Ｎｏ）も、ＮＧフラグをアサート（＝１）する（ステップＳ９０９）。なお、０近辺の値は限定するものではないが、脈波データの量子化ビット数を考慮して決めることが望ましい。例えば、本発明では所定の値「１５」未満としている。上記処理は、請求項の「第５処理手段」または「第５ステップ」によって実行される。
【００２７】
図１０は、ＡＤＣ１１２の出力である脈波データとＦＰＧＡ１０２内で処理されたピーク候補、ＮＧフラグ、Ｒ−Ｒ間隔（ＢＰＭ）、およびＲ−Ｒ間隔を、順にカウンタしている値を示した図である。ピーク候補は加速度脈波データから検出され、ＮＧフラグは“Ｈ”がアサート（＝１）状態である。ピーク候補が検出された時にＮＧフラグがアサート（＝１）状態にあるとき、Ｒ−Ｒ間隔の値およびＲ−Ｒ間隔カウンタは、前の値を保持していることがわかる。図示しないが、Ｒ−Ｒ間隔データが更新されるごとに、ＦＰＧＡ１０２内のメモリあるいはＣＰＵ１０１を通して、ＲＡＭ１０９に連続するＲ−Ｒ間隔データを適時格納することが望ましい。
【００２８】
以上のようにすると、腕の動きや体動などの影響による脈波波形の乱れや、指先の低温化などによる十分な血流でない状態の脈波から算出されたＲ−Ｒ間隔を排除することで、信頼性を確保したＲ−Ｒ間隔のみを利用することが可能になる。
【００２９】
［変形例］
上記実施形態は、以下のように変更して実施することが可能である。
［体動検出通知］
ＮＧフラグのうち体動を検出した時点でユーザーに対して、ＬＣＤ表示やＬＥＤ等で通知させる。
【００３０】
[血流量不足通知]
ＮＧフラグのうちピーク間隔が所定範囲外を検出した時点で、ＬＣＤ表示やＬＥＤ等で通知させる。
【符号の説明】
【００３１】
１０１…ＣＰＵ
１０２…ＦＰＧＡ
１０３…ＩＲ＿ＬＥＤ
１０４…光学センサ
１０５…ＬＣＤ
１０６…ＬＣＤドライバ
１０７…バス
１０８…ＲＯＭ
１０９…ＲＡＭ
１１０…ＩＲ＿ＬＥＤドライバ
１１１…信号増幅器
１１２…ＡＤＣ
２０１…ローパスフィルタ
２０２…サンプリング部
２０３…加速度脈波処理部
２０４…ピーク検知部
２０５…Ｒ−Ｒ間隔演算部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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