(57)【要約】【課題】本発明は、音声信号波形をリアルタイムで処理する技術を用いて胎児の心音信号に基づいて心拍状態をリアルタイムで解析することができる心拍状態解析装置を提供することを目的とする。【解決手段】人体に取り付けられた接触検知センサ１３及び１４において体内に向かって送信された超音波信号を反射させて検知された心拍状態に関する検知信号を取得する検知処理部１００と、取得された検知信号の振幅データに基づいて処理して検知信号の周期をリアルタイムで求める心音処理部１０１と、求められた検知信号の周期を高速フーリエ変換により処理してリアルタイムで周波数解析する心音解析部１０２とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体に取り付けられた接触検知センサにおいて体内に向かって送信された超音波信号を反射させて検知された心拍状態に関する検知信号を取得する検知処理部と、取得された前記検知信号の振幅データに基づいて前記検知信号の周期をリアルタイムで求める心音処理部と、求められた前記検知信号の周期を高速フーリエ変換により処理してリアルタイムで周波数解析する心音解析部とを備えている心拍状態解析装置。
【請求項２】
前記心音処理部は、前記検知信号の周期として、心臓の収縮期の初めに房室弁が閉じる際に発生するＩ音波形に関する周期を求める請求項１に記載の心拍状態解析装置。
【請求項３】
心音処理部は、前記振幅データの平均値に基づいて設定された信号ブロックを４ブロックずつ区分した区間において前記Ｉ音波形の開始位置を抽出する請求項２に記載の心拍状態解析装置。
【請求項４】
前記心音解析部は、周波数解析により求められたピーク値の変動解析処理を行う請求項１から３のいずれかに記載の心拍状態解析装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の心拍状態解析装置を備えた分娩監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、胎児等の人体の心音信号に基づいて心拍状態を分析する心拍状態解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
胎児の健康状態の診断では、胎児の心拍状態が検査項目の１つとされており、特に胎児の心拍細変動についてその重要性が指摘されている。胎児の心拍状態については、分娩監視装置等において超音波ドプラ法を用いて胎児の心拍信号が計測されている。超音波ドプラ法では、妊婦の腹壁に接触子を取り付けておき、接触子から低い音圧で弱い超音波パルスを体内の胎児の心臓部に向かって放射し、心臓部で反射された反射波を接触子で受信して、受信信号に基づいて胎児の心拍信号を計測することができる。
【０００３】
超音波ドプラ法により得られた信号波形の処理に関しては、例えば、特許文献１では、瞬時心拍周期を算出するために、心拍のほぼ１拍分に相当する短時間窓を設定して自己相関手法により算出する点が記載されている。また、特許文献２では、得られた胎児心拍信号の自己相関関数を求め、複数の相関値の中から有効な相関値ピークを検出し、検出された相関値ピークに対応する時間差により胎児の心拍数を計数する点が記載されている。また、特許文献３では、超音波信号を胎児の心臓に照射し、エコー信号を検出して心臓弁膜信号を検出し、検出された信号から半月弁開放信号と房室弁閉鎖信号とを抽出して記憶し、記憶された半月弁開放信号と房室弁閉鎖信号とを表示装置において同一時間軸上に表示して、両信号の時間軸の位置と収容性収縮期とを測定する装置が記載されている。また、特許文献４では、体内音センサから得られた音声信号に基づいて母親及び胎児の心拍数及び心音レベルを算出し、算出されたデータについて予め記憶された分類を参照して胎児の状態を示すデータを取得する胎児観察支援装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２８６８６号公報
【特許文献２】特開昭６３−２７７０３４号公報
【特許文献３】特開２０００−１９７６３３号公報
【特許文献４】特開２００１−２７６０７９号公報
【特許文献５】特許第５２７８９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
胎児の心拍細変動を測定する場合には、心拍状態をリアルタイムに測定することが重要となる。これに対して、上述した特許文献では、胎児の心音信号に基づいて胎児の心拍数等の心拍状態を測定するようにしているが、リアルタイムでの測定は技術的に困難である。例えば、特許文献１及び２では、自己相関関数を用いて心拍波形を解析しているが、自己相関関数を用いた場合、信号波形を一旦記憶して処理する必要があるため、リアルタイムで解析を行うことが困難となっている。また、特許文献３及び４においても、同様に信号波形を記憶して処理する必要があり、リアルタイムで処理することは技術的に困難である。
【０００６】
大人の心拍状態をリアルタイムで測定する手法としては、心電図法や心磁図法といった手法が用いられているが、こうした手法では正確な測定を行うために身体に直接センサを取り付ける必要がある。胎児の場合には、身体に直接センサを取り付けることが困難であるため、心電図法等の手法は胎児の心拍状態の測定には不向きである。特に、胎児は胎内で動き回るため、正確な測定を行うことが困難とならざるを得ない。
【０００７】
本発明者は、特許文献５に記載されているように、乳幼児の感情診断装置を提案している。この感情診断装置では、乳幼児の音声について瞬時ピッチ周期をリアルタイムで測定するシステムが用いられている。
【０００８】
そこで、本発明は、こうした音声信号波形をリアルタイムで処理する技術を用いて胎児の心音信号に基づいて心拍状態をリアルタイムで解析することができる心拍状態解析装置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】
【０００９】
本発明に係る心拍状態解析装置は、人体に取り付けられた接触検知センサにおいて体内に向かって送信された超音波信号を反射させて検知された心拍状態に関する検知信号を取得する検知処理部と、取得された前記検知信号の振幅データに基づいて前記検知信号の周期をリアルタイムで求める心音処理部と、求められた前記検知信号の周期を高速フーリエ変換により処理してリアルタイムで周波数解析する心音解析部とを備えている。さらに、前記心音処理部は、前記検知信号の周期として、心臓の収縮期の初めに房室弁が閉じる際に発生するＩ音波形に関する周期を求める。さらに、心音処理部は、前記振幅データの平均値に基づいて設定された信号ブロックを４ブロックずつ区分した区間において前記Ｉ音波形の開始位置を抽出する。さらに、前記心音解析部は、周波数解析により求められたピーク値の変動解析処理を行う。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、胎児の心音信号に基づいて心拍状態をリアルタイムで解析することができるので、胎児の心拍細変動を正確に診断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る心拍状態解析装置の実施形態に関する概略ブロック構成図である。
【図２】心音信号及び心雑音の波形を模式的に示す説明図である。
【図３】実際に検知された母親及び胎児の検知信号に関する波形図である。
【図４】平均振幅差関数法の原理に関する説明図である。
【図５】検知波形に対して平均値及び再設定された信号ブロックを示すグラフである。
【図６】母親から得られた心音波形及び心電図波形に基づいて算出されたＲＲ時間の推移を示すグラフである。
【図７】母親及び胎児の心音波形から求められたＲＲ時間の時系列データを１分間の心拍数に換算して示したグラフである。
【図８】解析区間Ａの解析結果を示すグラフである。
【図９】解析区間Ｂの解析結果を示すグラフである。
【図１０】解析区間Ｃの解析結果を示すグラフである。
【図１１】胎児のスペクトル波形のピーク値の変動を示すグラフである。
【図１２】母親のスペクトル波形のピーク値の変動を示すグラフである。
【図１３】母親及び胎児に対して音楽を聞かせた場合の心拍数の推移を示すグラフである。
【図１４】表示画面に関する一例を示す画面例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明について具体的に説明する。図１は、本発明に係る心拍状態解析装置の実施形態に関する概略ブロック構成図である。心拍状態解析装置は、処理部１０、記憶部１１及び表示部１２を備えており、処理部１０には、妊婦である母親に取り付けられた接触検知センサ１３及び胎児の近傍の腹壁に取り付けられた接触検知センサ１４が接続されている。
【００１３】
処理部１０は、接触検知センサ１３及び１４において体内に向かって送信された超音波信号を反射させて検知された検知信号を取得する検知処理部１００、検知処理部１００において得られた検知信号を処理して心音信号を抽出する心音処理部１０１、心音処理部１０１において抽出された心音信号を解析する心音解析部１０２、及び、心音処理部１０１の処理結果及び心音解析部１０２の解析結果を表示部１２に表示処理する表示処理部１０３を備えている。
【００１４】
また、記憶部１１は、得られた検知信号を記憶する検知ＤＢ１１０及び検知信号を処理して得られたデータを記憶する処理ＤＢ１１１を備えている。
【００１５】
なお、処理部１０、記憶部１１及び表示部１２については、公知のパーソナルコンピュータを用いて機能を実現するために必要なプログラム及びデータをインストールすることで、パーソナルコンピュータに心拍状態解析装置の機能を実現させることができる。
【００１６】
検知処理部１００は、母親に取り付けられた接触検知センサ１３及び１４を超音波振動させて体内に向かって超音波信号を送信し、送信された超音波信号が体内で反射して受信した反射信号のドプラ効果により生じる唸り音（ビート）を検知信号として取得する。そして、取得された検知信号を記憶部１１の検知ＤＢ１１０に記憶する。
【００１７】
検知信号には、心拍に対応する心音信号の外に心拍に伴って生じる心雑音（ノイズ）が含まれる。図２は、心音信号及び心雑音の波形を模式的に示す説明図である。心音信号では、心臓の収縮期の初めに房室弁が閉じる際に発生するＩ音波形、収縮期の終わりに動脈弁が閉じる際に発生するＩＩ音波形、心臓の拡張期に発生するＩＩＩ音波形及びＩＶ音波形の４種類のパターンが生じることが知られている。また、心電図では、心臓の収縮期の初めにＲ波が生じるようになり、収縮期の終わりにＴ波が生じることが知られている。心音信号の波形を心電図の波形と比較した場合、Ｉ音波形がＲ波に対応するとともにＩＩ音波形がＴ波に対応するようになる。したがって、心電図の波形解析において瞬間的な心拍細変動の評価基準となっているＲ波と次のＲ波との間の時間（以下「ＲＲ時間」という。）をＩ音波形と次のＩ音波形との間の時間として測定することができる。
【００１８】
図３は、実際に検知された母親及び胎児の検知信号に関する波形図である。上側の波形Ｂが胎児の検知波形を示しており、下側の波形Ｍが母親の検知波形を示している。図２において説明したように、両者の心音及び心雑音を含む検知信号が波形に現れている。
【００１９】
心音処理部１０１は、検知処理部１００において取得された検知信号について所定の時間毎にサンプリングし、サンプリングして得られた検知信号の振幅データに基づいて平均振幅差関数（ＡＭＤＦ）法を用いて信号相関により検知信号の周期を求める。この例では、信号相関に基づいてＩ音波形の時間軸上の位置を決定し、Ｉ音波形と次のＩ音波形との間の時間を算出することで検知信号の基本周期であるＲＲ時間を求める。
【００２０】
図４は、平均振幅差関数法の原理に関する説明図である。図４では、縦軸に振幅をとり、横軸に時間をとって、音の検知波形が模式的に描かれている。検知波形においてサンプリングした任意の時間軸上の位置ｉからＮ個分のサンプリングした位置までの区間の波形Ａと、波形Ａと同じＮ個分の区間を時間遅れｍだけずらした波形Ｂの区間とを設定し、２つの区間の波形の平均振幅差に基づいて波形の相関をみることで基本周期を抽出することができる。２つの波形の相関値Ｄ（ｍ）は、以下の数式により算出し、相関値Ｄ（ｍ）が極小値となる時間遅れｍをＲＲ時間と推定することができる。
【数１】
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【００２１】
図２において説明したように、検知波形にはノイズが含まれているが、Ｉ音波形において振幅が最大となることから、波形の相関値Ｄ（ｍ）を算出する際に、振幅データに適宜閾値を設定すれば、Ｉ音波形の相関値の精度を高めることができる。そして、検知波形のサンプリングデータの取得タイミングに合わせて区間をずらしながら信号相関処理を行ってＲＲ時間を求めることで、ＲＲ時間の時系列データが得られる。したがって、リアルタイムでＲＲ時間の変動を検査することが可能となり、心拍細変動等の心拍状態を正確に把握することができる。得られた時系列データは、記憶部１１の処理ＤＢ１１１に保存される。
【００２２】
以上説明した平均振幅差関数法は、高速で計算処理を行うことができるため、リアルタイムでＲＲ時間の算出処理を行うことが可能となる。また、振幅差を算出する時間軸上の位置をサンプリングした位置の複数個おきに設定すれば、安定した高速処理が可能となり、リアルタイムでの心音処理を行って検査結果の表示処理を安定して行うことができる。
【００２３】
ＲＲ時間の抽出手法としては、図２において説明したように、心音波形が４つのパターンからなることに着目して求めることもできる。具体的には、まず、検知波形をサンプリングして所定のサンプリング数毎に振幅データの平均値を算出し、その平均値を閾値に設定する。どの程度のサンプリング数に設定するかは、心拍状態に応じて適宜設定すればよい。
【００２４】
次に、平均値を閾値として信号ブロック設定処理を行う。閾値以上の振幅データの波形区間を「信号有りの区間」として、平均値の振幅値を有する矩形波状の信号ブロックとし、閾値より小さい振幅データの波形区間を「信号無しの区間」として、振幅を０とする。
【００２５】
次に、信号ブロックの再設定処理を行う。信号ブロックの時間軸上の立上り位置及び立下り位置を検出し、信号ブロックの立下り位置と次の信号ブロックの立上り位置との間の間隔が所定の間隔よりも小さい場合には、信号ブロックが継続しているものと判定して、信号ブロックを再設定する。再設定された信号ブロックの立上り位置と立下り位置との間の長さが所定の長さよりも小さいと判定された場合には、ノイズとして、再設定された信号ブロックを「信号無しの区間」に設定する。図５は、検知波形に対して平均値及び再設定された信号ブロックを示すグラフである。
【００２６】
次に、ＲＲ区間を設定してＲＲ時間の開始位置の決定処理を行う。最終的に設定された信号ブロックについて４ブロックずつＲＲ区間に区分し、ＲＲ区間内において立上り位置と立下り位置との間の長さが最も長い信号ブロックを抽出し、その立上り位置をＲＲ時間の時間軸上の開始位置として保存する。
【００２７】
そして、ＲＲ時間の算出処理を行う。保存されたＲＲ時間の開始位置と次の開始位置との間の長さをＲＲ時間として求め、ＲＲ時間の時系列データを得ることができる。
【００２８】
以上説明したＲＲ時間の抽出手法では、心音波形の特徴に基づいて４つのブロック毎に処理するようにしているので、精度の高いデータを高速処理により得ることができ、心拍細変動を含む心拍状態を正確にリアルタイムで捉えることが可能となる。
【００２９】
図６は、母親から得られた心音波形及び心電図波形に基づいて算出されたＲＲ時間の推移を示すグラフである。図６では、縦軸にＲＲ時間（ミリ秒）をとり、横軸に波形区間をとっている。そして、母親から同時に得られた心音波形及び心電図波形を上述した平均振幅差関数法により処理してＲＲ時間を算出し、心音波形による算出値を◆印の折れ線グラフで示し、心電図波形による算出値を■印の折れ線グラフで示している。
【００３０】
２つの折れ線グラフは、心音波形による算出値がノイズの影響で大きくずれている区間があるものの全体としてほぼ一致しており、心音波形から求められたＲＲ時間を心電図波形から求められるＲＲ時間の代わりに用いることができることを示している。
【００３１】
したがって、胎児から正確な心電図波形を得ることは技術的に困難とされているが、胎児から得られた心音波形を用いることで、ＲＲ時間を正確に算出することができるようになり、胎児の心拍細変動等の心拍状態をリアルタイムで診断することが可能となる。
【００３２】
心音解析部１０２は、心音処理部１０１で求められたＲＲ時間に基づいて所定の解析区間毎に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により周波数解析処理を行うことで、ＲＲ時間の変動の様子を周波数特性の観点からリアルタイムで解析する。以下の説明では、具体例に基づいて心音解析処理について詳述する。
【００３３】
図７は、母親及び胎児の心音波形から求められたＲＲ時間の時系列データを１分間の心拍数に換算して示したグラフである。縦軸に１分間の心拍数（ｂｐｍ）をとり、横軸に時間（分）をとっている。グラフでは、母親の心拍数は７０前後で安定しているが、胎児の心拍数は１００〜１４０の間で変動しており、瞬間的な心拍細変動が明確に現れていることがわかる。図７に示すグラフについて、所定の時間幅の解析区間を設定し、解析区間に対して１０秒ずつずらした同じ幅の解析区間を設定する。図７では、所定の時間幅の解析区間Ａを設定し、１０秒ずつずらした解析区間Ｂ及びＣを設定しており、以後１０秒ずつずらして解析区間を順次設定する。そして、設定された各解析区間についてＦＦＴにより周波数解析処理を行う。図８から図１０は、それぞれ解析区間ＡからＣの解析結果を示すグラフである。各グラフは、縦軸にスペクトル強度をとり、横軸に周波数をとっている。
【００３４】
こうして得られた各解析区間のスペクトル波形のピーク値の変動を分析することで、母親及び胎児の健康状態の診断に活用することができる。また、両者の解析結果の間の相関関係をみることで、両者の健康状態を関連付けて総合的に診断することが可能となる。図１１は、胎児のスペクトル波形のピーク値の変動を示すグラフである。図１１では、縦軸にスペクトル強度をとり、横軸に時間（分）をとっており、ＶＬＦ（０−０．０４Ｈｚ；超低周波成分）、ＬＦ（０．０４−０．１５Ｈｚ；低周波成分）及びＨＦ（０．１５−０．４Ｈｚ；高周波成分）の３つの周波数範囲において、各周波数範囲のピーク値の推移を示している。
【００３５】
これらの周波数範囲のピーク値は、自律神経系の活動に密接に関連していることが知られており、ＶＬＦ及びＬＦの周波数範囲のピーク値が大きくなっている場合には、交感神経系の活動が活発なストレス状態とされ、ＨＦの周波数範囲のピーク値が大きくなっている場合には副交感神経系の活動が活発なリラックス状態とされている。したがって、図１１に示すようなピークにおけるスペクトル強度に関するグラフを分析することで、胎児の現在の健康状態を診断する重要なデータの１つとして活用することができる。
【００３６】
図１２は、母親のスペクトル波形のピーク値の変動を示すグラフである。図１２では、図１１と同様に３つの周波数範囲についてピーク値の推移を示しており、胎児の場合と同様に、母親の現在の健康状態を診断する際に重要なデータとして活用することができる。
【００３７】
そして、母親及び胎児の心拍状態の解析結果について相関関係を分析することで、両者の健康状態を関連付けて総合的に診断する際の有用なデータを得ることが可能となる。具体的な例として、母親の好みの音楽及び胎教音楽を所定の時間ずつ交互に聞かせ、両者の心拍状態の変動について相関関係が見出せるか実験を行った。図１３は、母親及び胎児に対して音楽を聞かせた場合の心拍数の推移を示すグラフである。図１３では、太枠で囲まれた時間帯に母親の好みの音楽及び胎教音楽を聞かせている。そして、上述したＦＦＴによる周波数解析及びピーク値の変動解析を行ったところ、胎児及び母親の自律神経系の活動が活発になるピーク値の変動がみられ、そうした変動の様子は音楽の種類により異なることがわかった。このように、母親及び胎児に与える様々な外的要因による影響の程度を定量的にリアルタイムで分析することが可能となる。
【００３８】
表示処理部１０３は、上述した検知信号及び処理結果を一覧で表示部１２に表示して母親及び胎児の心拍状態を正確に確認できるように表示処理する。図１４は、表示画面に関する一例を示す画面例である。操作表示部１２０は、処理開始又は終了ボタン、ファイル選択等の選択ボタン、閾値等の設定ボタンが表示されている。検知表示部１２１は、検知信号を信号波形として設定されたスケールでリアルタイムで表示する。処理表示部１２２は、心音処理部１０１において求められたＲＲ時間の時系列データを設定されたスケールで表示する。この例では、所定区間毎の平均ＲＲ時間のグラフ及びＲＲ時間の連続したグラフをリアルタイムで表示する。解析表示部１２３は、図８に示すスペクトル波形をリアルタイムで動的に表示する。
【００３９】
上述した心拍状態解析装置は、超音波ドプラ法により心音信号を取得するようになっているので、超音波ドプラ法を用いた公知の分娩監視装置に心拍状態解析装置の機能を持たせることができる。そのため、母親及び胎児の心拍状態を表示画面でリアルタイムで確認しながら両者の健康状態を監視することが可能となる。
【符号の説明】
【００４０】
１０・・・処理部、１１・・・記憶部、１２・・・表示部、１００・・・検知処理部、１０１・・・心音処理部、１０２・・・心音解析部、１０３・・・表示処理部
【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図１】
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【図３】
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【図５】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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