(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体における血管の脈波情報に基づく脈動性信号を検出する検体情報検出ユニットと、
該脈動性信号を正規化する信号処理部とを備え、
該信号処理部は、該脈動性信号が入力されるＰＬＬ回路を備え、
該ＰＬＬ回路は、
該脈動性信号と帰還信号との位相を比較して、位相差に対応する位相差信号を出力する位相比較器と、
該位相差信号が入力されて、所定のカットオフ周波数より大きい周波数成分を除去した電圧制御信号を出力するローパスフィルタと、
該電圧制御信号の電圧に対応する発振周波数を有するクロック信号を出力する電圧制御発振器と、
該クロック信号が入力されて、所定の分周比で該クロック信号を分周した分周信号を出力する分周器とを有し、
上記の分周信号が該帰還信号として該位相比較器に入力され、
該脈動性信号と該帰還信号との位相が同期するように該電圧制御発振器の発振周波数が制御され、
該クロック信号により該脈動性信号を正規化し、
該信号処理部は、更に、
該脈動性信号の信号強度をデジタルデータとして取得するＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器で得られた該データを蓄積するメモリとを有する信号記録部と、
該分周器から該分周信号が入力されて、該分周信号をカウントして脈波の順番を示す波形番号を出力するカウンタと、
上記のメモリに記録した信号強度を読み出してフィルタ処理するフィードバックコムフィルタとを備え、
該ＡＤ変換器は、該電圧制御発振器から該クロック信号が入力されたタイミングで該信号強度を取得して該メモリに出力し、
該メモリは、該カウンタから入力される該波形番号を受けて、該脈動性信号を該波形番号と上記のクロック信号の入力されたタイミングに応じたクロック番号とに対応付けた信号強度として記録し、
該フィードバックコムフィルタは、該電圧制御発振器から該クロック信号が入力されて、該脈動性信号の一周期あたりの総クロック数の整数倍の周波数成分を通過させる
ことを特徴とする検体情報処理装置。
【請求項２】
該信号処理部は、上記のメモリに記録した複数の波形番号の信号強度を読み出して、同じクロック番号の信号強度を加算して波形番号ごとに平均値を出力する平均化処理部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の検体情報処理装置。
【請求項３】
該信号処理部は、上記のＰＬＬ回路に入力される脈動性信号と該帰還信号との位相が同期しているかを判定して、該ＰＬＬ回路がロックしているか否かを検出するロック検出部を備える
ことを特徴とする請求項２に記載の検体情報処理装置。
【請求項４】
該信号処理部は、該分周信号が入力されて、該分周信号の単位時間当たりのパルスをカウントする信号計数部を備える
ことを特徴とする請求項３に記載の検体情報処理装置。
【請求項５】
該脈動性信号に関連する情報を提示する表示器をさらに備え、
該ロック検出部が、ロックしているか否かを該表示器に表示し、
該信号計数部が、単位時間当たりの該分周信号のカウント値を該表示器に表示する
ことを特徴とする請求項４に記載の検体情報処理装置。
【請求項６】
該信号処理部は、上記の平均化処理部により処理された信号が入力されて、該クロック番号と該信号強度の平均値との関係を表す波形を生成して、波形番号ごとに複数の脈波を平均化した一周期の波形を該表示器に表示する波形表示部を備える
ことを特徴とする請求項５に記載の検体情報処理装置。
【請求項７】
該信号処理部は、上記のメモリに記録した信号強度を読み出して数値微分する微分処理部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の検体情報処理装置。
【請求項８】
該信号処理部は、上記のメモリに記録した信号強度を読み出して数値積分する積分処理部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の検体情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈動性信号を正規化する検体情報処理装置、脈動性信号を正規化する情報処理方法、脈動性信号を正規化する情報処理プログラム、及び同プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電式または圧電式の脈波計を利用した、検体からの脈波の検出が行われている。中でも、比較的太い血管が中に通っている腕や、毛細血管が網のように張り巡らされた指先などに対して、マイクロホンにより脈波を検出する試みがなされている。また、検体の耳内にセンサを配置して、外耳道に存在する血管から脈波を検出する試みがなされている。
【０００３】
特許文献１（特開２０１０−１１５４３１）では、空洞を有する筐体が装着部材により皮膚表面に装着され、装着面の一部にある開口部が皮膚により密閉され、体内音による皮膚表面の振動が直接空洞内の空気に伝わり、これをマイクロホンにより取得できる体内音取得装置について開示されている。
【０００４】
特許文献２（特開２０１０−２２５７２）では、外耳道挿入部が外耳道に挿入された際に外耳道を閉じて鼓膜との間に閉空間を形成し、その閉空間を介して生体振動である音を検出する生体情報検出装置が開示されている。またローパスフィルタにより生体情報を多く含んでいる低周波数帯域の信号成分だけを抽出することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１１５４３１
【特許文献２】特開２０１０−２２５７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１、２のように、検体の血管の脈動性信号に起因する圧力情報を受けて、検体における脈動性信号を検出し、この検出された検体情報の信号処理を行う試みがなされている。このような検出方法の場合、検出される信号の強度が低いために、外部からの音の影響を受けやすいことが課題としてあった。
【０００７】
さらに、脈動性信号を検出したとしても、検体が発声している際には、脈波の観察が困難となる。図１６は検体の外耳道から検出した脈動性信号の波形を示すものであるが、３秒から１２秒付近までは、検体が平常な状態であるときには脈波の波形が得られる。一方、１３秒付近から４３秒付近までは、アイウエヲとの発声により、外耳道から検出される脈波の波形に外乱が加わることによって、脈波の波形が変動している。また、図１７も検体の外耳道から検出した脈動性信号の波形を示すものであるが、０秒から１７秒付近までアウアウアウアウとの発生により、脈波の波形に外乱が表れることによって、外乱により脈波の波形が隠れている。これらの波形の変化は、検体が発声した際に外耳道の筋肉が動くことで、心拍に起因する血管の脈動に伴う皮膚の振動よりも大きな圧力変動が起きることによると考えられる。また、検体が運動をしていたり、または検出器の信号線からノイズがのったりすること等によっても、脈動性信号に突発性でバースト的な外乱が加わる。このような外乱によって脈動性信号が変動した場合には、脈波の観察が困難となる。
【０００８】
この他にも、脈動性信号の変動分としては、いわゆる不整脈を含む生体そのものの不規則性に起因して、周期性の脈波のパターンが乱れることが挙げられる。また、脈拍数自体の変化も脈動性信号の変動分として挙げられる。
上述した要因によって脈動性信号が変動した場合、脈拍数の異なる状況における波形どうしの間では、それぞれの時間軸が変化しているため、これらを同等に取り扱って信号処理を行うことができない。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みて創案されたものであり、脈動性信号に変動が生じた場合に信号の取扱性を向上させた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】
【００１０】
（１）ここで開示する検体情報処理装置は、検体における血管の脈波情報に基づく脈動性信号を検出する検体情報検出ユニットと、該脈動性信号を正規化する信号処理部とを備える。
（２）該信号処理部は、該脈動性信号が入力されるＰＬＬ回路を備え、該ＰＬＬ回路は、該脈動性信号と帰還信号との位相を比較して、位相差に対応する位相差信号を出力する位相比較器と、該位相差信号が入力されて、所定のカットオフ周波数より大きい周波数成分を除去した電圧制御信号を出力するローパスフィルタと、該電圧制御信号の電圧に対応する発振周波数を有するクロック信号を出力する電圧制御発振器と、該クロック信号が入力されて、所定の分周比で該クロック信号を分周した分周信号を出力する分周器とを有し、上記の分周信号が該帰還信号として該位相比較器に入力され、該脈動性信号と該帰還信号との位相が同期するように該電圧制御発振器の発振周波数が制御され、該クロック信号により該脈動性信号を正規化することが好ましい。
【００１１】
（３）該信号処理部は、該脈動性信号の信号強度をデジタルデータとして取得するＡＤ変換器と、該ＡＤ変換器で得られた該データを蓄積するメモリとを有する信号記録部と、該分周器から該分周信号が入力されて、該分周信号をカウントして脈波の順番を示す波形番号を出力するカウンタと、上記のメモリに記録した信号強度を読み出してフィルタ処理するフィードバックコムフィルタとを備え、該ＡＤ変換器は、該電圧制御発振器から該クロック信号が入力されたタイミングで該信号強度を取得して該メモリに出力し、該メモリは、該カウンタから入力される該波形番号を受けて、該脈動性信号を該波形番号と上記のクロック信号の入力されたタイミングに応じたクロック番号とに対応付けた信号強度として記録し、該フィードバックコムフィルタは、該電圧制御発振器から該クロック信号が入力されて、該脈動性信号の一周期あたりの総クロック数の整数倍の周波数成分を通過させることが好ましい。
【００１２】
（４）該信号処理部は、上記のメモリに記録した複数の波形番号の信号強度を読み出して、同じクロック番号の信号強度を加算して波形番号ごとに平均値を出力する平均化処理部を備えることが好ましい。
（５）該信号処理部は、上記のＰＬＬ回路に入力される脈動性信号と該帰還信号との位相が同期しているかを判定して、該ＰＬＬ回路がロックしているか否かを検出するロック検出部を備えることが好ましい。
（６）該信号処理部は、該分周信号が入力されて、該分周信号の単位時間当たりのパルスをカウントする信号計数部を備えることが好ましい。
【００１３】
（７）該脈動性信号に関連する情報を提示する表示器をさらに備え、該ロック検出部が、ロックしているか否かを該表示器に表示し、該信号計数部が、単位時間当たりの該分周信号のカウント値を該表示器に表示することが好ましい。
（８）該信号処理部は、上記の平均化処理部により処理された信号が入力されて、該クロック番号と該信号強度の平均値との関係を表す波形を生成して、波形番号ごとに複数の脈波を平均化した一周期の波形を該表示器に表示する波形表示部を備えることが好ましい。
（９）該信号処理部は、上記のメモリに記録した信号強度を読み出して数値微分する微分処理部を備えることが好ましい。
（１０）該信号処理部は、上記のメモリに記録した信号強度を読み出して数値積分する積分処理部を備えることが好ましい。
【００１４】
（１１）ここで開示する情報処理方法は、検体における血管の脈波情報に基づいて検出された脈動性信号を取得して、該脈動性信号を正規化する。
（１２）ここで開示する情報処理プログラムは、コンピュータに、検体における血管の脈波情報に基づいて検出された脈動性信号を取得して、該脈動性信号を正規化する処理を実行させる。
（１３）ここで開示するコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上述の情報処理プログラムを記録する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、脈動性信号を正規化することより、脈拍数の異なる波形の間であっても、時間軸によらずに信号を取り扱うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第一実施形態に係るＰＬＬ回路及び情報処理装置の構成の例を示すブロック図である。
【図２】平常時の場合の波形を示す図であり、（ａ）は二値化処理部に入力される脈動性信号の波形を示し、（ｂ）は二値化処理部で二値化された波形を示し、（ｃ）はＶＣＯから出力されるクロック信号の波形を示す。
【図３】平常時または歩行時の場合の波形を示す図であり、（ａ）は、二値化処理部に入力される脈動性信号の波形を示し、（ｂ）は、二値化処理部で二値化された脈動性信号の波形を示し、（ｃ）は、ＶＣＯから出力されるクロック信号の波形を示す。
【図４】平常時または歩行時の場合の長期間の脈動性信号の波形を示す図であり、（ａ）の上段は二値化処理部に入力される脈動性信号の波形を示し、（ｂ）の上段はＬＰＦから出力される電圧制御信号の波形を示し、（ｃ）の上段はＶＣＯから出力されるクロック信号の波形を示し、（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の下段は、ＶＣＯから出力されるクロック信号の波形を示す。
【図５】脈波の波形のパターンのパルスとしての分類を説明するための模式的な図であり、（ａ）は全く時間変動が無い場合のパターンを示し、（ｂ）は時間的にわずかな時間揺らぎがある場合のパターンを示し、（ｃ）はグループ単位の周期があるパターンを示し、（ｄ）は完全にランダムに近い場合のパターンを示し、（ｅ）は不整脈がある場合の一例のパターンを示し、（ｆ）は不整脈がある場合の別の例のパターンを示す。
【図６】第二実施形態に係るＰＬＬ回路及び情報処理装置の構成の例を示すブロック図である。
【図７】メモリ及びメモリバンクの構成を説明するための模式的な図である。
【図８】脈波の波形とクロック番号及び波形番号との関係を説明するための模式的な図である。
【図９】フィードバックコムフィルタの周波数特性を説明するためのブロック図である。
【図１０】フィードバックコムフィルタの周波数特性を説明するためのグラフである。
【図１１】平常時の場合の容積脈波の周波数スペクトルの一例を示す図である。
【図１２】脈波に変動がある場合の第二実施形態に係る表示器の表示の例を説明するための図である。
【図１３】脈拍数が増えた場合の第二実施形態に係る表示器の表示の例を説明するための図である。
【図１４】脈波に変動がある場合の脈波と脈拍数の表示の例を示す図である。
【図１５】脈拍数が増えた場合の脈波と脈拍数の表示の例を示す図である。
【図１６】平常な状態とアイウエオとの発声をした場合の外耳道から検出される脈動性信号の波形を示した図である。
【図１７】平常な状態とアウアウアウアウとの発声をした場合の外耳道から検出される脈動性信号の波形を示した図である。
【図１８】第二実施形態に係る検体情報処理装置の処理の一例を説明するためのフローチャートである。
【図１９】第三実施形態に係る検体情報処理装置の構成の例を示すブロック図である。
【図２０】第三実施形態に係る検体情報処理装置の処理の一例を説明するためのフローチャートである。
【図２１】第四実施形態に係る検体情報処理装置の構成の例を示すブロック図である。
【図２２】第四実施形態に係る検体情報処理装置の処理の一例を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
【００１８】
ここで開示する検体情報処理装置６，７，８は、図６，図１９，図２１に示すように、検体情報検出ユニット１０１と、情報処理装置２，３，４とを備える。検体情報検出ユニット１０１は、検体における血管の脈波情報に基づく脈動性信号を検出する。情報処理装置２，３，４は、脈動性信号を正規化する信号処理部１５，１６，１７を備える。信号処理部１５，１６，１７は、ＰＬＬ回路１２（図６参照）、または脈拍周波数検出部３０１，３０２、及びクロックジェネレータ３０３（図１９，図２１参照）を備えている。初めに、入力される脈動性信号にロックするＰＬＬ回路１１を備える、第一実施形態に係る情報処理装置１及び検体情報処理装置５について説明する。次に、ＰＬＬ回路１２によって脈動性信号の正規化を行う、第二実施形態に係る情報処理装置２及び検体情報処理装置６について説明する。さらに、脈拍周波数検出部３０１，３０２、及びクロックジェネレータ３０３によって脈動性信号の正規化を行う、第三実施形態に係る情報処理装置３及び検体情報処理装置７、並びに第四実施形態に係る情報処理装置４及び検体情報処理装置８について説明する。
【００１９】
［１．第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係るＰＬＬ（フェーズロックドループ）回路１１、ＰＬＬ回路１１を備える情報処理装置１、及び検体情報処理装置５について、図１を参照して説明する。以下、第一実施形態の説明においては、第一実施形態を、単に本実施形態とも呼ぶ。
【００２０】
［１−１．ＰＬＬ回路の構成］
本実施形態に係るＰＬＬ回路１１は、図１に示すように、位相比較器２１、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２、及びＶＣＯ（電圧制御発振器）２３ａを備えて構成されている。
【００２１】
＜位相比較器＞
位相比較器２１は、入力される脈動性信号と帰還信号との位相を比較して、その位相差に対応する幅のパルス信号を、位相差信号としてＬＰＦ２２に出力する。本実施形態に係る位相比較器２１は、ＸＯＲ（エクスクルーシブオア）回路により構成されている。また、位相比較器２１は、脈動性信号及び帰還信号をロック検出部４１に出力する。
【００２２】
＜ＬＰＦ＞
ＬＰＦ２２は、位相差信号が入力されて、所定のカットオフ周波数より大きい周波数成分を除去した電圧制御信号として、ＶＣＯ２３ａに出力する。これにより、脈動性信号と帰還信号との位相差に対応した電圧が生成されて電圧制御発振器に入力される。ＬＰＦ２２は、カットオフ周波数を有する一次以上のローパスフィルタであるため、ＰＬＬ回路１１は２次系以上の高次のループとなる。以下、入力する脈波の位相の突然のシフトに対して一定時間内の位相差ゼロでロックすることを特徴とする２次系のＰＬＬを前提として説明する。
【００２３】
＜ＶＣＯ＞
ＶＣＯ２３ａは、入力された電圧制御信号の電圧に対応する発振周波数を有するクロック信号を出力する。本実施形態に係るＰＬＬ回路１１では、クロック信号が、上述の帰還信号として位相比較器２１に入力される。本実施形態では、ＶＣＯ２３ａの発振周波数は、脈波の周波数と同程度の１Ｈｚを中心として変動するよう設計されている。また、ＶＣＯ２３ａは、クロック信号を信号計数部４２に出力する。
【００２４】
＜ＰＬＬ回路＞
ＰＬＬ回路１１は上記の通り構成されており、ＰＬＬ回路１１に入力される脈動性信号と、帰還信号としてのクロック信号との位相が同期するようにＶＣＯ２３ａの発振周波数が制御される。これにより、ＰＬＬ回路１１は、入力された脈動性信号にロック（同期）する。本実施形態に係るＰＬＬ回路１１は、自然周波数ωnが０．５、ダンピングファクターζが０．８、引き込み時間が１０秒で５％誤差である、２次系のＰＬＬとなっている。すなわち、ＰＬＬ回路１１は、脈動性信号へのロック用のＰＬＬ回路である。
【００２５】
ＰＬＬ回路１１に入力される脈動性信号は、信号自体の周波数変化に加えて、突発性でバースト的な外乱や、不正脈の発生による脈波のパターンの乱れ等が加わり変動が生じる場合がある。これらの脈動性信号の変動の要因を前提とし、これらの要因の特性をとらえて、ＰＬＬの次数やループゲインのタイプを合わせるように設計することが好ましい。
【００２６】
ＰＬＬの設計には同じ２次系でも、そのフィルタの形状により、ループゲインのタイプをタイプ１〜タイプ３の３種類に分けて考えることができる。それぞれについてループゲインＧ1〜Ｇ3は、下記の式（１）〜式（３）の計算式により求めることができる。
【００２７】
タイプ１：
Ｇ1＝ｋ／ｓ（ｓ＋ａ）      （１）
タイプ２：
Ｇ2＝ｋ（ｓ＋ａ）／ｓ2      （２）
タイプ３：
Ｇ3＝ｋ（ｓ＋ａ）（ｓ＋ｂ）／ｓ3      （３）
【００２８】
なお、上記の式（１）〜式（３）において、ｋは、フィルタのゲイン（利得）を表す定数である。ａは、フィルタの特性を示すポールまたは零点を表す定数である。ｂは同じくフィルタの特性を示すゼロ点またはポールを表す定数である。ｓは、極座標での角周波数を表す複素数であって、フィルタの特性を記述するために用いるものである。
【００２９】
上述した脈動性信号の変動の要因の性質に応じて、ＰＬＬ回路１１に入力される脈動性信号の変動に追従するように、いずれかのタイプを選ぶ必要がある。脈波の位相の変化とＰＬＬのループゲインのタイプには以下の（ア）〜（ウ）の関係があり、これらはタイプの選択の指標となる。
【００３０】
（ア）脈波の位相のステップ変化には、タイプ１〜タイプ３の全てのタイプが設計上の時間で追従する。
（イ）脈波の位相の速度変化については、タイプ２及びタイプ３が設計上の時間で追従する。
（ウ）脈波の位相の加速度的変化については、タイプ３のみが設計上の時間で追従する。
【００３１】
なお、ＰＬＬのループゲインＧは、ＰＬＬ回路の自然周波数ωnとダンピングファクターζより、下記の式（４）の計算式により求めることができる。
Ｇ＝２×ζ×ωn      （４）
式（４）より、本実施形態のＰＬＬ回路１１は、ループゲインＧ＝０．８と算出される。
【００３２】
また、本実施形態のＰＬＬ回路１１は、いったんロックした後に、ロック状態を維持できる範囲を広く取るため、２次系のＰＬＬとしている。位相のステップ変化だけを考えて、上記のタイプ２のＰＬＬを用いている。
【００３３】
［１−２．情報処理装置の構成］
本実施形態に係る情報処理装置１の構成について図１を参照して説明する。情報処理装置１は、検出された信号を処理するためのモバイル端末機としての携帯情報端末（スマートフォン）である。情報処理装置１としてのスマートフォンは、図示しない入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等のメモリ）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ、及び無線送信部等を含んで構成される。
【００３４】
情報処理装置１は、ゲイン切り替え部５１、周波数特性補償部６１、周波数補正処理部７１、二値化処理部３１、ＰＬＬ回路１１、ロック検出部４１、及び信号計数部４２を備えている。情報処理装置１の上記構成部分をあわせて信号処理部１４という。さらに、情報処理装置１は、表示器８１を備える。検体情報検出ユニット１０１によって検出された脈動性信号が情報処理装置１に出力されて、ゲイン切り替え部５１、周波数特性補償部６１、周波数補正処理部７１、及び二値化処理部３１を通じて、ＰＬＬ回路１１に入力される。まず、検体情報検出ユニット１０１について説明して、次に情報処理装置１について説明する。
【００３５】
＜検体情報検出ユニット＞
検体情報検出ユニット１０１は、検体における血管の脈波情報に基づく脈動性信号を検出できるセンサを有する測定装置である。本実施形態の検体情報検出ユニット１０１は、ヘッドホンのダイナミック型のドライバユニットをセンサとして用いており、検体の外耳道を閉鎖またはほぼ閉鎖された空間構造となる空洞となるよう検体の外耳に装着して、外耳道から脈動性信号を検出する。検体情報検出ユニット１０１及びセンサ並びに測定部位はこれに限定されず、例えば、発光部として発光ダイオードを用い、受光部としてフォトダイオードやフォトトランジスタを用いて、腕や指先において透過光または反射光から脈動性信号を検出する、光電式の測定器を利用することができる。または、腕の動脈上に圧電素子を押し付けて脈動性信号を検出する、圧電式の測定器を利用することができる。または、血管の脈動に伴う皮膚または鼓膜部分の振動によって生じる空気の振動を検出できるマイクロホンを用いて、マイクロホンと振動源とを閉じた状態にして脈動性信号を検出する測定器を利用してもよい。なお、上述した「血管の脈波情報」とは、血管を伝わる脈波情報のことであって、検体の心臓の拍動に伴って生じる血管内を伝わってくる振動を示す情報（信号）である。検体情報検出ユニット１０１は、検出した脈動性信号を情報処理装置１へ出力する。
【００３６】
＜ゲイン切り替え部＞
情報処理装置１に入力された脈動性信号は、ゲイン切り替え部５１に入力される。
ゲイン切り替え部５１は、入力された信号のゲインを調節して信号の増幅または減衰を行い、信号のレベルを調整する電気回路である。中でも、ゲイン切り替え部５１は、検体情報検出ユニット１０１により検出された信号の飽和を検出し、飽和が検出された際に信号のレベルを減少させる処理を施す。ゲイン切り替え部５１は、処理した信号を周波数特性補償部６１に出力する。
【００３７】
＜周波数特性補償部＞
周波数特性補償部６１は、入力された信号に位相補償を行い、周波数特性を補正する電気回路である。検体情報検出ユニット１０１により検出されて情報処理装置１に入力される脈動性信号には、センサの特性、信号の検出状況、及び検体情報検出ユニット１０１または情報処理装置１が備えるデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）による処理等に起因して信号特性に影響受けている場合がある。周波数特性補償部６１は、少なくとも血管の脈波情報が検出される周波数帯域の位相補償を行い、脈動性信号が示す周波数応答を補償して、本来の脈波波形を示す脈動性信号を得る波形等化処理を行う。周波数特性補償部６１による位相補償によって、脈動性容積信号、脈動性速度信号、または脈動性加速度信号を得る。周波数特性補償部６１は、処理した信号を周波数補正処理部７１に出力する。
【００３８】
一般に、脈波の周波数は通常時の０．８Ｈｚ付近から、激しい運動をした時の３Ｈｚ程度まで変化することがある。脈動性信号の周波数成分がこのような下限または上限の周波数であるときに、周波数特性補償部６１は、位相補償を行う補償回路のカットオフ周波数との関係で、波形等化処理が正しく動作しない場合がある。しかし、周波数特性補償部６１から出力される信号は、波形をモニタするためのものではなくＰＬＬ回路１１に供給されてクロック信号を発生させることが主務であるので、これらの上限、下限の周波数を考慮した設計を行っておけば使用できる。
【００３９】
＜周波数補正処理部＞
周波数補正処理部７１は、入力された信号に対して、脈動性信号の有する周波数で少なくとも増幅動作、積分動作および微分動作のうちの１つの動作を行なうことにより、脈動性容積信号、脈動性速度信号、および脈動性加速度信号のうちの１つの信号を取り出す電気回路である。周波数補正処理部７１により脈動性容積信号、脈動性速度信号、及び脈動性加速度信号のうちの一つの信号を取り出す処理を、周波数補正処理ともいう。なお、脈動性容積信号、脈動性速度信号、および脈動性加速度信号が示す波形は、それぞれ容積脈波、速度脈波、加速度脈波ともいう。本実施形態に係る周波数補正処理部７１は、速度脈波の信号を二値化処理部３１に出力する。
【００４０】
周波数補正処理部７１は、周波数特性補償部６１と同様に、脈動性信号の周波数成分が下限の０．８Ｈｚまたは上限の３Ｈｚ程度の周波数であるときに、積分動作または微分動作を行う補償回路のカットオフ周波数との関係で、周波数補正処理が正しく動作しない場合がある。しかし、周波数補正処理部７１から出力される信号についても、ＰＬＬ回路１１に供給されてクロック信号を発生させることが主務であるので、これらの上限、下限の周波数を考慮した設計を行っておけば使用できる。
【００４１】
＜二値化処理部＞
二値化処理部３１は、入力された脈動性信号をオンとオフの二値の信号に変換処理する電気回路である。二値化処理部３１では、入力される脈波信号の立ち上がりまたは立下りを基準にオンの区間のデューティ比が概５０％になるようなパルスに整形される。さらに、このオンの区間以降から次の立ち上がりまでをオフとするように変換する。本実施形態に係る二値化処理部３１では、位相比較器２１がＸＯＲ回路であるため、上述した方法で二値化をしているが、二値化の処理は、変換された脈動性信号が位相比較器２１で検出できるように処理するものであれば限定されない。二値化処理部３１は、処理した信号をＰＬＬ回路１１に出力する。
【００４２】
なお、入力する脈波信号の周波数が変化した場合にはデューティ比５０％の確保はできなくなる場合があるが、これはロック位相の変動をもたらすことにつながる。この場合には、位相比較器２１としてエッジトリガ型や鋸歯状波を用いる位相比較器を用い、ＤＣゲインを無限大に設計しておけば、このようなロック位相の変動を無視できるような設計のＰＬＬとすることができる。
【００４３】
＜ロック検出部＞
ロック検出部４１は、ＰＬＬ回路１１に入力される脈動性信号と帰還信号との位相が同期しているかを判定して、ＰＬＬ回路１１が脈動性信号にロックしているか否かを検出する電気回路である。本実施形態では、ロック検出部４１は、位相比較器２１から脈動性信号と帰還信号が入力されて、両信号の位相比較を行う。位相比較器２１の特性がＸＯＲの論理を用いていることから、脈動性信号と帰還信号との位相が９０度ずれている場合に、両信号の位相が同期していると判定する。具体的には、脈動性信号の入力をＩ、帰還信号をＲとすると、ロックしている時には、Ｉが０（オフ）となりＲが１（オン）となる、Ｉが１となりＲも１となる、Ｉが１となりＲが０となる、Ｉが０となりＲも０となる、との関係を繰り返す。ロック検出部４１は、このような関係を検出して、位相が同期しているかを判定する。
【００４４】
ロック検出部４１は、脈動性信号と帰還信号との位相が同期していると判定することで、ＰＬＬ回路１１のロックを検出した場合には、表示器８１にロック検出信号を出力する。一方、ロック検出部４１は、位相が同期していないと判定することで、ＰＬＬ回路１１のロックを検出しない場合には、表示器８１にアンロック検出信号を出力する。
【００４５】
なお、後述の図１２，図１３のようにロック状態をモニタする際には、ＰＬＬのループゲインからなるフライホイール時間を考慮してロックしているか否かを確認することが好ましい。ロックをしている状態において、ロック外れの信号がフライホイール時間内で検出された場合には、このロック外れの信号は無視されて、ＰＬＬ回路１１がロックしたままであると判断する。一方、ロック外れの状態がそのフライホイール時間より長く続いている場合に初めて、ＰＬＬ回路１１のロックが外れていると判断するようにして行う。同様に図５（ｃ）、図５（ｄ）のように初めからＰＬＬが入力する脈波にロックしない場合にも、この一定時間のロック状態の確認を行うことが好ましい。
【００４６】
＜信号計数部＞
信号計数部４２は、ＶＣＯ２３ａからクロック信号が入力されて、このクロック信号の単位時間当たりのパルスをカウントする。信号計数部４２は、入力されたクロック信号のパルスの数を、内部の高い周波数のクロックで計数するマイクロコンピュータによって実現される。本実施形態では、信号計数部４２は、１分当たりのクロック信号のパルスの数をカウントする。信号計数部４２は、信号のカウント値を表示器８１に出力する。
【００４７】
＜表示器＞
表示器８１は、脈動性信号に関連する情報を提示する表示装置である。表示器８１は、ロック検出部４１からロック検出信号またはアンロック検出信号が入力されて、ＰＬＬ回路１１がロックしているか否かを表示する。また、表示器８１は、信号計数部４２からカウント値が入力されて、単位時間当たりのクロック信号のカウント値を表示する。本実施形態では、情報処理装置１（スマートフォン）に備えられるディスプレイの表示画面が、表示器８１として機能する。ロック検出信号が入力された場合には、表示器８１はＰＬＬ回路１１がロックしていることを表す緑色のアイコンを点灯する。また、アンロック検出信号が入力された場合には、表示器８１はＰＬＬ回路１１がロックしていないことを表す赤色のアイコンを点灯する。さらに、表示器８１は、クロック信号のカウント値の数値を表示画面に表示する。
【００４８】
＜検体情報処理装置＞
検体情報処理装置５は、上述の通り構成されており、検体情報検出ユニット１０１によって検出されて、情報処理装置１に入力された脈動性信号を、ゲイン切り替え部５１、周波数特性補償部６１、周波数補正処理部７１、及び二値化処理部３１を通じて、ＰＬＬ回路１１に入力する。ＰＬＬ回路１１は、ＶＣＯ２３ａからクロック信号を出力する。情報処理装置１は、ロック検出部４１及び信号計数部４２からの出力を、表示器８１に表示にする。
【００４９】
［１−３．ＰＬＬ回路の動作］
ＰＬＬ回路１１による、入力される脈動性信号へのロック動作の一例を説明する。
二値化処理部３１は、情報処理装置１に入力された脈動性信号を二値化して、ＰＬＬ回路１１に入力する（ステップＳ１１）。
位相比較器２１は、二値化された脈動性信号と帰還信号との位相を比較して、位相差に対応する位相差信号を出力する（ステップＳ１２）。
ＬＰＦ２２は、位相差信号から所定のカットオフ周波数より大きい周波数成分を除去した電圧制御信号を出力する（ステップＳ１３）。
ＶＣＯ２３ａは、電圧制御信号の電圧に対応する発振周波数を有するクロック信号を出力する（ステップＳ１４）。このとき、ステップＳ１４では、脈動性信号と帰還信号との位相が同期するようにＶＣＯ２３ａの発振周波数を制御する。ＶＣＯ２３ａは、クロック信号を帰還信号として位相比較器２１に入力するとともに、信号計数部４２に出力する。
【００５０】
［１−４．ＰＬＬ回路及び情報処理装置の作用］
＜ＰＬＬ回路と外乱について＞
ＰＬＬ回路１１の外乱に対する作用を、図２〜図４を参照して、ＰＬＬ回路１１に入力される波形とＰＬＬ回路１１による処理を受けた波形の例を示して説明する。
【００５１】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、検体が平常な状態で脈動性信号を検出して、これをＰＬＬ回路１１に入力した場合の波形を表すものである。図２では、横軸は時間（秒）を示しており、縦軸は信号の強度（Ｖ）を示している（以下の脈波の波形を示す図形でも同様。）。
【００５２】
図２（ａ）に示すように、平常な状態では脈波がほぼ一定の強度で一様な間隔で検出されている。これを受けて、図２（ｂ）に示すように、脈動性信号が二値化された波形も一定の間隔となっている。また、図２（ｃ）に示すように、ＶＣＯ２３ａから出力されるクロック信号の波形も一定の間隔となっている。このように、変動が無い場合には図２（ｃ）に示すように、ＰＬＬ回路１１が脈動性信号にロックして、脈波の波形に同期したクロック信号が得られる。
【００５３】
次に、図３（ａ）〜図３（ｃ）は、０秒〜２秒の間は検体が平常な状態、２秒〜７秒の間は検体が歩いた状態、７秒〜１０秒の間は検体が平常な状態での脈動性信号を検出した場合の波形を表すものである。図３（ａ）に示すように、２〜７秒の間は、歩行の影響を受けて脈波に外乱が加わって、ピークの強度及びピークの間隔が乱れた状態で検出されている。このような状態では、図３（ａ）の波形ではノイズのために本来の脈波を観察することは困難である。また、図３（ｂ）に示すように、脈動性信号が二値化された波形も、２〜７秒の間では、二値化された波形のオン状態が長くまたは短くなり、波形の間隔が狭まっている。このように、二値化した信号の波形でも、外乱の影響から脈波本来の波形が隠れてしまっており、本来の脈波を観察することは困難である。一方、図３（ｃ）に示すように、ＶＣＯ２３ａから出力されるクロック信号の波形は、外乱があったとしても大きな変化が現れずにほぼ一定の間隔となっている。これは、ＰＬＬによるフライホイール効果によって一定の慣性が働くことにより、ＰＬＬ回路１１に入力された信号が変動した場合であっても、ＶＣＯ２３ａから出力されるクロック信号は大きく動かないことによる。
【００５４】
さらに、図４（ａ）〜図４（ｃ）は、１３秒〜１７秒、２５秒〜２８秒、３５秒〜４１秒、及び１分３０秒〜３３秒の間は検体が歩いた状態、それ以外は検体が平常な状態での脈動性信号を検出した場合の波形を表したものである。図４（ａ）の上段に示すように、検体の運動に応じて脈波に外乱が加わっている。また、図４（ｂ）の上段に示すように、図３（ｂ）の場合と同様にして、二値化された信号も外乱の影響を受けて波形が変化している。また、図４（ｃ）の上段に示すように、位相比較器２１から出力される位相差信号が変化するため、脈動性信号が外乱を受けている領域では、ＬＰＦ２２から出力される電圧制御信号についても、波形の間隔が広がりまたは狭まるような変化を示している。一方、図４（ａ）〜図４（ｃ）の下段に示すように、ＶＣＯ２３ａから出力されるクロック信号の波形は、図３（ｃ）と同様に、入力された信号に外乱があったとしても大きな変化が現れずにほぼ一定の間隔となって表れる。
【００５５】
上述したように、本実施形態に係るＰＬＬ回路１１は、自然周波数ωnが０．５の二次系のＰＬＬである。これにより、図３（ａ）〜図３（ｃ）及び図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、検出される脈動性信号に外乱が生じて、ＰＬＬ回路１１に入力される信号が変動した場合であっても、フライホイール効果によってＶＣＯ２３ａから出力されるクロック信号が急変せずに、安定した本来の脈波の間隔を示す波形を出力することができる。
【００５６】
＜ＰＬＬ回路と脈拍数の変化について＞
検体が運動状態や興奮状態にある等して脈拍数が変化した場合には、ＰＬＬ回路１１に入力される脈動性信号の変動が続くことになる。この場合には、ＰＬＬ回路１１は、入力される信号の変動に応じて電圧制御信号が変化し、これに伴いクロック信号が追従するように構成されているため、次第にクロック信号が心臓の拍動と同期することになる。
【００５７】
＜ＰＬＬ回路と脈波のパターンの乱れについて＞
ＰＬＬ回路１１の作用を、図５を参照してさらに説明する。図５（ａ）〜（ｆ）では、心拍が表す複数の脈波のパターン１〜６におけるパルスの位置を示すとともに、一定の間隔でパルスが発生した場合のパルスの位置を縦の破線で示している。なお、これらのパターンは、Ken Grauer著、Daniel Cavallaro著、高尾信広訳、「不整脈判読トレーニング」、医学書院、２００１年、第３３頁〜第３４頁より引用している。
【００５８】
図５（ａ）は、パターン１を示す。パターン１は、全く時間変動が無い場合の心拍のパルスであって、規則正しく一定の間隔でパルスが生じている。通常であれば交感神経と副交感神経のせめぎあいが脈波信号の揺らぎをもたらすため、パターン１は臨終が近い人に見られるパターンである。通常は、健常人ではこのようなパターンは見られない。
【００５９】
図５（ｂ）は、パターン２を示す。パターン２は、時間的にわずかな時間揺らぎがある心拍のパルスであって、おおむね一定の間隔でパルスが生じている。パターン２は、健常者のほとんどにおいて見られるパターンである。
【００６０】
図５（ｃ）は、パターン３を示す。パターン３はグループ単位の周期があるパターンであって、３つごとまたは４つごとのパルスからなるグループが示すパルスの発生パターンを、グループ単位で規則正しく繰りかえして生じている。しかしながら、パターン３では、全体として見た場合には不規則なパルスとなっている。また、パターン３では、脈波の振幅成分のレベル変動をグループごとに繰り返す場合がある。パターン３は、実際はパターン２に混在して生じることが多い。
【００６１】
図５（ｄ）は、パターン４を示す。パターン４は完全にランダムに近い場合のパターンを示し、パルスの間の間隔が通常の半分程度に短くなったり、または一周期分程度に長くなったりと規則性が見られない。
なお、臨床的には、ほとんどの心拍リズムは上記のパターン１〜４のどれかに当てはまるとされている。
【００６２】
図５（ｅ）は、パターン５を示す。これはパターン２に不整脈Ａがある場合のパターンを示すものである。パターン５では、４つ目のパルスで不整脈が発生して、４つ目のパルスが通常の間隔よりも先んじて生じている。５つ目のパルスからは、パターン２と同様にしておおむね一定の間隔でパルスが生じている。パターン５は、premature beat（期外収縮）が出現する、心房（ＰＡＣ）、房室結節（ＰＪＣ）、心室（ＰＶＣ）の３箇所に起因すると考えられる。
【００６３】
図５（ｆ）は、パターン６を示す。これはパターン２に不整脈Ｂがある場合のパターンを示すものである。パターン６では、４つ目のパルスで不整脈が発生して、４つ目のパルスの位相がシフトし、通常よりも約０．７拍分送れて、３つ目のパルスまでとは異なった位相でパルスが生じている。さらに５つ目のパルスからは、４つ目のパルスと同様に不整脈前の位相からシフトしたままで、おおむね一定の間隔でパルスが生じている。これはescape beat（補充収縮）といい、極端な徐脈になることを防いでいる。パターン６のように、不整脈の後で脈が復活する際には、不整脈が起こる前の脈波の位相に対してどのような位相からスタートするかは予測することができない。このとき、位相のステップ上の変化が生じているといえる。
【００６４】
パターン１またはパターン２を示す脈動性信号がＰＬＬ回路１１に入力された場合には、おおむね一定の間隔でパルスが生じている信号が入力されるため、ＰＬＬ回路１１は入力された脈動性信号にロックすることができる。この場合には、ロック検出部４１はＰＬＬ回路１１がロックしていることを検出して、表示器８１はＰＬＬ回路１１がロックしていることを表す緑色のアイコンを点灯する。また、信号計数部４２は入力される脈動性信号と同期したクロック信号のパルスをカウントして、表示器８１はカウント値を検体の脈拍数として表示する。
【００６５】
パターン５またはパターン６を示す脈動性信号がＰＬＬ回路１１に入力された場合には、不整脈が発生するまでは上記のパターン１またはパターン２と同様にＰＬＬ回路１１及び情報処理装置１が動作する。不整脈が発生した際には入力される脈動性信号と帰還信号との位相が同期しなくなるためにそのパルスについてロックが外れたことが検出される。この状態がＰＬＬの設定時間以上続いた場合にはロック検出部４１はＰＬＬ回路１１がロックしていないことを検出したとして、表示器８１はＰＬＬ回路１１がロックしていないことを表す赤色のアイコンを点灯する。不整脈が発生した後には、再びおおむね一定の間隔でパルスが生じている脈動性信号が入力されるため、入力してくる脈動性信号に対して帰還信号が追従することで、ＰＬＬ回路１１は脈動性信号に再度ロックする。この場合も信号計数部４２はクロック信号のパルスをカウントして、表示器８１がカウント値を脈拍数として表示する。このとき、フライホイール効果によってクロック信号が急変しないため、不整脈が発生したタイミングでも、不整脈が無い場合と同程度の脈拍数が表示される。
【００６６】
パターン３またはパターン４を示す脈動性信号がＰＬＬ回路１１に入力された場合には、ＰＬＬ回路１１は入力された脈動性信号にロックすることができない。この場合、ロック検出部４１はＰＬＬ回路１１が一定時間以上ロックしていないことを検出して、表示器８１はＰＬＬ回路１１がロックしていないことを表す赤色のアイコンを点灯する。また、信号計数部４２はクロック信号のパルスをカウントして、表示器８１がカウント値を脈拍数として表示する。
【００６７】
上述したように、ＰＬＬ回路１１は、脈波が概周期性と考えられるものであれば、入力された脈動性信号にロックすることができる。これにより、ＰＬＬ回路１１及び情報処理装置１は、不整脈が発生して脈波のパターンに乱れが生じた場合であっても、時間の経過に伴い、再び脈動性信号にロックして、脈拍数を表示することができる。また、ランダムな脈波のパターンであり、ＰＬＬ回路１１がロックできない場合であっても、情報処理装置１は、フライホイール効果を担うＰＬＬ回路１１がロックしないことを表示したうえで、クロック信号のカウント値を表示することができる。
【００６８】
［１−５．ＰＬＬ回路及び情報処理装置の効果］
第一実施形態に係るＰＬＬ回路１１は、ＬＰＦ２２が一次であることにより２次系のＰＬＬであって、入力される脈動性信号と帰還信号としてのクロック信号との位相が同期するように、ＶＣＯ２３ａから出力されるクロック信号の発振周波数が制御される。これにより、ＰＬＬ回路１１は、入力された脈動性信号にロックして、心臓の拍動に同期したクロック信号を出力することができる。さらに、ＰＬＬがフライホイール効果をもたらすことによって、入力される脈動性信号に、突発性でバースト的な外乱や、不整脈による周期性の脈波のパターンの乱れによって変動が生じた場合であっても、出力されるクロック信号には直ちに大きな変動は生じず、本来の脈波と同様の間隔を示す信号を出力することができる。また、運動しているような状態であって、脈拍数自体が漸次変化する場合には、次第にクロック信号が心臓の拍動と同期する。このように、ＰＬＬ回路１１は、変動に対するロバスト性を有する。すなわち、ＰＬＬ回路１１によれば、脈波を変動によらず安定して観察することが可能である。
【００６９】
また、第一実施形態に係る情報処理装置１は、ロック検出部４１を備えることで、ＰＬＬ回路１１がロックしているか否かを検出することができる。これにより、情報処理装置１は、ＰＬＬ回路１１から出力されるクロック信号がロック状態のものであって、脈動性信号の変動により乱されていない状態の拍動を表していることを判別することができる。また、ランダム性の信号が入力した際には、ＰＬＬ回路１１がロックしていないことを判別することができる。
【００７０】
また、情報処理装置１は、信号計数部４２を備えることで、クロック信号の単位時間当たりのパルスをカウントすることができる。これにより、情報処理装置１は、脈動性信号に変動が生じたとしても、クロック信号を利用して心臓の拍動と同期した脈拍数を測定することができる。
【００７１】
また、情報処理装置１は、表示器８１を備えることで、ＰＬＬ回路１１がロックしているか否かを表示し、単位時間当たりのクロック信号のカウント値を表示することができる。これにより、情報処理装置１は、ＰＬＬ回路１１の同期状態を表示するとともに、脈拍数を表示することができる。したがって、情報処理装置１によれば、検体は表示結果を確認して、実時間で運動の強度などを自分で調整することができる。さらに、入力する脈動性信号のうち、ランダム性の信号が入力した際には、ＰＬＬ回路１１がロックしないことを表示したうえで、脈拍数を表示することができる。
【００７２】
［２．第二実施形態］
本発明の第二実施形態に係るＰＬＬ回路１２、ＰＬＬ回路１２を備える情報処理装置２、及び検体情報処理装置６について、図６を参照して説明する。以下、第二実施形態の説明においては、第二実施形態を、本実施形態とも呼ぶ。本実施形態に係るＰＬＬ回路１２及び情報処理装置２は、一部の構成を除いて上述の第一実施形態に係るＰＬＬ回路１１及び情報処理装置１と同様に構成されており、ＰＬＬ回路１１及び情報処理装置１と同様のものについては説明を省略し、同符号を用いて説明する。
【００７３】
［２−１．ＰＬＬ回路の構成］
本実施形態に係るＰＬＬ回路１２は、図６に示すように、位相比較器２１、ＬＰＦ２２、ＶＣＯ２３ｂ、及び分周器２４を備えて構成されている。
位相比較器２１及びＬＰＦ２２は、第一実施形態に係るＰＬＬ回路１１と同様に構成されている。
【００７４】
＜ＶＣＯ＞
ＶＣＯ２３ｂは、入力された電圧制御信号の電圧に対応する発振周波数を有するクロック信号を出力する。本実施形態に係るＰＬＬ回路１２では、クロック信号が分周器２４に入力される。本実施形態では、ＶＣＯ２３ｂの発振周波数は、１２８Ｈｚを中心として変動するよう設計されている。
【００７５】
＜分周器＞
分周器２４は、所定の分周比Ｎでクロック信号の周波数を分周して、分周した周波数を分周信号として出力する。分周信号は、帰還信号として位相比較器２１に入力される。本実施形態に係る分周器２４は、分周比Ｎを１２８としている。
【００７６】
＜ＰＬＬ回路＞
ＰＬＬ回路１２は上記の通り構成されており、脈動性信号と、帰還信号としての分周信号との位相が同期するようにＶＣＯ２３ｂの発振周波数が制御される。これにより、ＰＬＬ回路１２は、入力された脈動性信号にロックする。ＰＬＬ回路１２が脈動性信号にロックした場合、ＶＣＯ２３ｂは、１つの脈波の波形に１２８個のクロック数のクロック信号を発生させるようになっている。これにより、ＰＬＬ回路１２は、脈動性信号をクロック信号により正規化する。すなわち、ＰＬＬ回路１２は、脈動性信号の正規化用のＰＬＬ回路である。
【００７７】
［２−２．情報処理装置の構成］
本実施形態に係る情報処理装置２の構成について、図６を参照して説明する。情報処理装置２は、情報処理装置１と同様に、ゲイン切り替え部５１、周波数特性補償部６１、周波数補正処理部７１、二値化処理部３１、ＰＬＬ回路１２、ロック検出部４１、及び信号計数部４２を備え、さらに、カウンタ２５、ＡＤ変換器３２、第一メモリ３３、フィードバックコムフィルタ３４、第二メモリ３５、平均化処理部３６、微分処理部３７、積分処理部３８、及び波形表示部４３を備えている。情報処理装置２の上記構成部分をあわせて信号処理部１５という。さらに、情報処理装置２は、表示器８１を備える。
【００７８】
ゲイン切り替え部５１、周波数特性補償部６１、周波数補正処理部７１、二値化処理部３１、及びロック検出部４１は、第一実施形態に係る情報処理装置１と同様に構成されている。情報処理装置２では、ゲイン切り替え部５１から出力された脈動性信号が、周波数特性補償部６１とＡＤ変換器３２とに出力される。ＡＤ変換器３２と第一メモリ３３とをあわせて信号記録部１３ともいう。なお、本実施形態に係る情報処理装置２では、周波数特性補償部６１及びＡＤ変換器３２に、速度脈波が入力される場合について説明する。
【００７９】
＜信号計数部＞
信号計数部４２は、ＶＣＯ２３ａからの信号入力に変えて、分周器２４から分周信号が入力されて、この分周信号の単位時間当たりのパルスをカウントして、単位時間当たりの分周信号のカウント値を表示器８１に表示する他は、第一実施形態の場合と同様に構成されている。
【００８０】
＜カウンタ＞
カウンタ２５は、分周器２４から分周信号が入力されてこれをカウントし、分周信号の番号によって脈波の順番を示す波形番号を出力する。波形番号は０、１、２・・・と、０から順に１ずつ増加する整数値によってカウントされる。カウンタ２５は、第一メモリ３３及び第二メモリ３５の記憶容量に応じて波形番号を適宜リセットして再度０からカウントする。ＰＬＬ回路１２にカウンタ２５を加えたものを、クロックアドレス発生部ともいう。
【００８１】
＜ＡＤ変換器＞
ＡＤ変換器３２は、アナログデータである脈動性信号が入力されて、脈動性信号の信号強度の値をデジタルデータに変換して取得する。ＡＤ変換器３２は、ＶＣＯ２３ｂからクロック信号が入力されて、クロック信号が入力されたタイミングで信号強度を取得する。ＡＤ変換器３２は取得した信号強度のデジタルデータを第一メモリ３３に出力する。
【００８２】
＜第一メモリ＞
第一メモリ３３は、ＡＤ変換器３２で得られた信号強度のデジタルデータが入力されて、このデータを記録する。第一メモリ３３を、単にメモリともいう。第一メモリ３３は、記憶領域を複数のバンクに分割してなるメモリバンクである。本実施形態に係る第一メモリ３３は、６４個のバンクを有している。第一メモリ３３は、バンクに順次データが書き込まれ、容量の制限に応じて古いメモリが消去されるリングバッファである。第一メモリ３３は、信号強度のデータを、クロック信号の入力されたタイミングに応じたクロック番号ごとに記録する。また、第一メモリ３３は、信号強度のデータを、カウンタ２５から入力される波形番号を受けて、波形番号毎に分けられたそれぞれのバンクに記録する。すなわち、第一メモリ３３は、脈動性信号を脈波の一周期毎に、波形番号とクロック番号に対応付けた信号強度として記録する
【００８３】
図７，図８を参照して、第一メモリ３３の構成とクロック番号及び波形番号との関係について説明する。図７では第一メモリ３３が有する６４個のバンクのうち、波形番号０、１、２、９、１０に対応するバンクを例示して説明する。
【００８４】
図７に示すように、第一メモリ３３は、各々の波形番号０、１、２、・・・９、１０に対応した複数のバンク２１１，２１２，２１３，２１４，２１５を有している。各バンクにはクロック番号０〜１２７に対応した信号強度のデータが記録される。このように、第一メモリ３３では、取得された信号強度のデータが、どの波形番号のどのクロック番号というように、脈波の波形の一周期のどこの箇所を指すのかが指定された形でデータが格納されている。
【００８５】
図８に示すように、ＶＣＯ２３ｂによって、脈波において一つの波形の立ち上がりから次の波形の立ち上がりまでを一周期として、一波形を０〜１２７までの計１２８のクロックにより脈波の１周期を等分割する。クロック数を定めた波形番号が０となる波形から順に、一つの波形ごとにクロック番号を０、１、２・・・１２５、１２６、１２７と順に振る。このとき、脈波の波形の立ち上がりのクロック番号を０としてこのタイミングで信号の強度ａ１がサンプリングされる。サンプリングされた波形番号０の波形のクロック番号０の信号強度は、図７に示すように、第一メモリ３３のメモリバンク２１１の先頭に記録される。次に、クロック番号１のタイミングで信号の強度ａ２がサンプリングされて、メモリバンク２１１のクロック番号０の信号の次に記録される。このようにして、クロック番号１２７のタイミングでの信号の強度ａ１２８までサンプリングされて、メモリバンク２１１にクロック番号０から順に１２７まで記録される。続いて、同様にして、波形番号１の波形のクロック番号０のタイミングで信号の強度ｂ１から順にサンプリングされて、メモリバンク２１２に保存される。
【００８６】
第一メモリ３３から、一つの波形番号においてクロック番号の順に信号強度を読み出し、クロック番号１２７まで読み出したら次の波形番号のクロック番号０から順に信号強度を読み出すことで、脈動性信号の信号強度を本来の時系列の順序で読み出すことができる。このとき、脈動性信号は、１２８のクロック数のクロック信号により正規化された信号として得られる。
【００８７】
＜フィードバックコムフィルタ＞
フィードバックコムフィルタ３４は、第一メモリ３３に記録した信号強度を読み出して、特定の周波数成分を通過させるフィルタ処理を行うデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）で構成される。フィードバックコムフィルタ３４は、フィルタ処理を施した信号を第二メモリ３５に出力する。フィードバックコムフィルタ３４は、ＤＳＰと第一メモリ３３及び第二メモリ３５の間の操作により実行される。
【００８８】
図９のブロック図に示すように、フィードバックコムフィルタ３４は、所定の遅延時間Ｋにより信号を遅延させるディレイ２０１と、掛け算器２０２と、加算器２０３とを有する、フィードバック型のコムフィルタである。フィードバックコムフィルタ３４に入力された信号は、一部がディレイ２０１によって遅延されて、遅延した信号が掛け算器２０２によって増幅されて、さらに加算器２０３に入力され、入力された信号にフィードバックされる。ディレイ２０１の遅延時間Ｋと、掛け算器２０２のフィードバックゲインαによって、フィードバックコムフィルタ３４の周波数特性が決定される。
【００８９】
図１０のグラフにフィードバックコムフィルタ３４の周波数特性を示す。図１０では、横軸は周波数を示し、縦軸がゲインを示す。図１０に示すように、フィードバックコムフィルタ３４は、入力された信号に対して、遅延時間Ｋの逆数１／Ｋとなる所定の周波数の整数倍の周波数成分を、櫛歯状に通過させるフィルタとして機能する。また、フィードバックゲインαが０．５、０．７５、０．９と増加するに従い、急峻な特性を示すフィルタが得られる。フィードバックコムフィルタ３４は、ＶＣＯ２３ｂからクロック信号が入力されて、脈動性信号の一周期（一波形）あたりの総クロック数をカウントする。フィードバックコムフィルタ３４は、この総クロック数を遅延時間Ｋの逆数１／Ｋとして、総クロック数の整数倍の周波数成分を通過させる。ＰＬＬ回路１２が脈動性信号にロックして、１周期あたりの総クロック数が１２８となった場合には、フィードバックコムフィルタ３４は、１２８、２５６、３８４、５１２・・・の周波数成分を通過させる。フィードバックコムフィルタ３４の急峻性は約２０ｄＢである。
【００９０】
フィードバックコムフィルタ３４によるフィルタ処理を行うに際して、まず、第一メモリ３３から、波形番号０においてクロック番号０から１２７まで順に信号強度を読み出し、続いて波形番号１においてクロック番号０から１２７までに信号強度を読み出す。同様にして、順次波形番号２以降の信号強度を読み出す。このようにして、脈動性信号を本来の時系列の順序で、クロック信号により正規化された信号強度の離散データとして得ることができる。この離散データをフィードバックコムフィルタ３４によりフィルタ処理を行い、フィルタ処理後の信号を第二メモリ３５に出力する。
【００９１】
＜第二メモリ＞
第二メモリ３５は、フィードバックコムフィルタ３４でフィルタ処理された信号の信号強度が入力されて、この信号強度のデータを記録する。第二メモリ３５は、図７を参照して説明した第一メモリ３３と同様に構成されており、フィルタ処理された信号の信号強度を、波形番号とクロック番号に対応付けて格納している。
【００９２】
＜平均化処理部＞
平均化処理部３６は、第二メモリ３５に記録した連続する複数の波形番号の信号強度のデータを読み出し、加算して、加算したデータの数で除算することで、波形番号ごとに各クロック番号の信号強度の平均値を出力する平均化処理をするものである。平均化処理部３６は、平均化処理の結果を波形表示部４３に出力する。本実施形態では、連続する１０個の信号強度の値の平均を取る。具体的には、第二メモリ３５の所望の波形番号から１０個の連続した波形番号において、各々のバンクから同じタイミングのクロック信号、すなわち同じクロック番号の信号強度を読み出し、これを加算して１０個の波形分のデータの平均値を出力する。次に、クロック番号を一つ後ろにずらし、同様にして順に平均値を算出していく。一つの波形番号の最後のクロック番号まで処理し終えたら、次の１０個の連続した波形番号の最初のクロック番号から順に平均値の算出を行う。このようにして、波形番号ごとの各クロック番号に対応して、１０個の信号強度の値の平均を得る。ここで、ある波形番号における信号強度の平均値とは、連続する複数の波形番号に対応する平均値を算出した場合において、最後の波形番号に対応する平均値をいうものとする。
【００９３】
図７を参照して、平均化処理部３６による平均化処理について説明する。初めに波形番号０〜９において、クロック番号０のａ１〜ｊ１の１０個のデータを読み出して平均値を出力する。次に、クロック番号を一つずらして、波形番号０〜９のクロック番号１のａ２〜ｊ２の１０個のデータの平均値を出力する。このようにして、波形番号０〜９のクロック番号１２７までのａ１２８〜ｊ１２８の１０個のデータの平均値を出力する。このときの平均値は、それぞれ波形番号９における平均値となる。その後、波形番号を一つずらして、波形番号１〜１０において、クロック番号０のｂ１〜ｋ１までの１０個のデータを読み出して平均値を出力する。このときの平均値は、それぞれ波形番号１０における平均値となる。以降、同様にして順に平均値を出力する。
【００９４】
＜微分処理部＞
微分処理部３７は、第一メモリ３３に記録した信号強度のデータを読み出して、数値微分をするものである。微分処理部３７は、数値微分の結果を波形表示部４３に出力する。数値微分は、１２８のクロックでサンプリングされた離散型データの傾きを出すだけであるので、公知の算出方法を適宜利用できる。一例として、最も単純な方法として前方差分をとるのであれば、注目する点とその後の点のサンプル値をｆ（ｘi），ｆ（ｘi+1）とすると、下記の
（ｆ（ｘi+1）−ｆ（ｘi））／Δｘ
の公式に乗っ取り、この例であれば１／１２８をΔｘとして、隣接するサンプル値間での演算を行えばよい。
＜積分処理部＞
積分処理部３８は、第一メモリ３３に記録した信号強度のデータを読み出して、数値積分をするものである。積分処理部３８は、数値積分の結果を波形表示部４３に出力する。数値積分は、１２８のクロックでサンプリングされた離散型データの傾き面積を出すだけであるので、台形則、シンプソン則等の公知の算出方法を適宜利用できる。シンプソン則に従えば、１／１２８の刻みでこれをΔｘとすれば注目する点の前後の点のサンプル値をｆ（ｘi-1），ｆ（ｘi），ｆ（ｘi+1）とすると、下記の
Δｘ｛ｆ（ｘi-1）＋４ｆ（ｘi）＋ｆ（ｘi+1）｝／３
の計算式で求めることができる。
【００９５】
＜波形表示部＞
波形表示部４３は、第二メモリ３５に記録した信号強度を読み出して、クロック番号と信号強度との関係を表す波形のデータを生成して、表示器８１に出力する。もしくは、波形表示部４３は、平均化処理部３６、微分処理部３７、または積分処理部３８で処理された結果が入力されて、クロック番号と信号強度との関係を表す波形のデータを生成して、表示器８１に出力する。波形表示部４３はいずれの場合でも同様に処理を行うことができるが、本実施形態では、平均化処理部３６で平均化処理された結果が波形表示部４３に入力される場合について説明する。
【００９６】
波形表示部４３は、平均化処理部３６から、所望の波形番号における、クロック番号０から順にクロック番号１２７までのそれぞれの信号強度の平均値が入力されることで、各クロック番号の１０個の波形分の信号強度の平均値を、本来の時系列の順序で取得する。さらに、波形表示部４３は、一脈波において時間軸を刻んだ計１２８のクロック番号を横軸にとり、入力された信号強度の平均値を縦軸にとることで、１０個分の脈波を平均化した一周期分の波形を二次元に表示するデータを生成する。このようにして、波形表示部４３は、所望の波形番号における、クロック番号と信号強度の平均値との関係を表す波形のデータを生成する。さらに波形表示部４３は、次の波形番号における信号強度の平均値が入力されて、同様に波形のデータを生成し、順次出力を行う。
【００９７】
＜表示器＞
表示器８１は、波形表示部４３から波形のデータが入力されて、脈動性信号を、波形番号ごとに脈波の一周期の波形として表示する他は、実施形態１の場合と同様に構成されている。なお、第二実施形態に係る表示器８１では、信号計数部４２からカウント値が入力されることで、単位時間当たりの分周信号のカウント値を表示する。表示器８１は、第二メモリ３５、平均化処理部３６、微分処理部３７、または積分処理部３８からの信号を、波形表示部４３を介して表示する。表示器８１は、表示画面の波形の表示領域に、横軸に１２８のクロック番号をとり、縦軸に信号強度とった、脈波の一周期の波形の画像を表示する。表示器８１は、波形番号の順番に順次波形のデータが入力されることで、脈波の波形を本来の時系列の順序で表示する。本実施形態では、表示器８１は、波形表示部４３からクロック番号と信号強度の平均値との関係を表す波形のデータが入力されて、波形番号ごとに１０個分の脈波を平均化した一周期毎の波形を表示する。
【００９８】
＜検体情報処理装置＞
検体情報処理装置６は、上述の通り構成されており、検体情報検出ユニット１０１によって検出されて、情報処理装置２に入力された脈動性信号を、ゲイン切り替え部５１を通じて、周波数特性補償部６１とＡＤ変換器３２に入力する。周波数特性補償部６１で処理された脈動性信号は、周波数補正処理部７１及び二値化処理部３１を通じて、ＰＬＬ回路１２に入力される。ＰＬＬ回路１２は、ＶＣＯ２３ｂからクロック信号をＡＤ変換器３２とフィードバックコムフィルタ３４に出力する。また、分周器２４から分周信号をカウンタ２５に出力する。ＡＤ変換器３２に入力された脈動性信号は、第一メモリ３３に信号強度として記録され、フィードバックコムフィルタ３４にフィルタ処理された信号が第二メモリ３５に記録される。第二メモリ３５に記録された信号は、平均化処理部３６、微分処理部３７、または積分処理部３８が読み出して、それぞれ処理を行って処理結果を出力する。情報処理装置２は、ロック検出部４１、信号計数部４２、及び波形表示部４３からの出力を、表示器８１に表示にする。
【００９９】
［２−３．ＰＬＬ回路と情報処理装置の動作］
図１８に示すフローチャートを参照しながら、ＰＬＬ回路１２による脈動性信号の正規化の動作と、情報処理装置２による正規化された脈動性信号の平均化処理と出力の動作との一例を説明する。
【０１００】
検体情報処理装置６は、検体情報検出ユニット１０１によって脈動性信号を検出し、脈動性信号を情報処理装置２に入力することで、脈動性信号を取得する（ステップＳ２０）。
二値化処理部３１は、情報処理装置２に入力された脈動性信号を二値化して、ＰＬＬ回路１２に入力する（ステップＳ２１）。
位相比較器２１は、二値化された脈動性信号と帰還信号との位相を比較して、位相差に対応する位相差信号を出力する（ステップＳ２２）。
ＬＰＦ２２は、位相差信号から所定のカットオフ周波数より大きい周波数成分を除去した電圧制御信号を出力する（ステップＳ２３）。
ＶＣＯ２３ｂは、電圧制御信号の電圧に対応する発振周波数を有するクロック信号を出力する（ステップＳ２４）。このとき、ステップＳ２４では、脈動性信号と帰還信号との位相が同期するようにＶＣＯ２３ｂの発振周波数を制御する。ＶＣＯ２３ｂは、クロック信号を、分周器２４とＡＤ変換器３２とフィードバックコムフィルタ３４に出力する。
分周器２４は、所定の分周比でクロック信号の周波数を分周して、分周信号を出力する（ステップＳ２５）。分周器２４は、分周信号を帰還信号として位相比較器２１に入力するとともに、カウンタ２５と信号計数部４２に出力する。
【０１０１】
カウンタ２５は、分周信号をカウントして、波形番号を出力する（ステップＳ２６）。
ＡＤ変換器３２は、クロック信号を受けたタイミングで脈動性信号の信号強度をデジタルデータとして取得して、第一メモリ３３に出力する（ステップＳ２７）。
第一メモリ３３は、各クロック番号の信号強度を波形番号毎のバンクに記録する（ステップＳ２８）。
フィードバックコムフィルタ３４は、総クロック数の整数倍の周波数成分を通過させるフィルタ処理を施す（ステップＳ２９）。
第二メモリ３５は、フィルタ処理された信号を記録する（ステップＳ３０）
平均化処理部３６は、第二メモリ３５に記録された信号強度のデータを読み出し、平均値を算出して、波形表示部４３に出力する（ステップＳ３１）。
波形表示部４３は、クロック番号と信号強度の平均値との関係を表す波形のデータを生成して、表示器８１に出力する（ステップＳ３２）。
表示器８１は、波形番号ごとに複数の脈波を平均化した一周期の波形を表示する（ステップＳ３３）
【０１０２】
［２−４．ＰＬＬ回路及び情報処理装置の作用］
＜ＰＬＬ回路について＞
ＰＬＬ回路１２は、ＰＬＬ回路１１と同様に、ＰＬＬ回路１２に入力される信号が変動した場合であっても、フライホイール効果によってＶＣＯ２３ｂから出力されるクロック信号が急変せずに、安定した本来の脈波を示す波形を出力することができる。ＰＬＬ回路１２の作用を、図２〜図４を参照して説明すると、ＰＬＬ回路１２では、ＶＣＯ２３ｂが１２８Ｈｚを中心として変動する発振周波数を有するクロック信号を出力して、分周器２４がこのクロック信号を分周比１２８で分周して分周信号として出力する。ＰＬＬ回路１２では、分周信号が、図２（ｃ），図３（ｃ），図４（ａ）〜図４（ｃ）の下段に示す波形のように、入力された信号に外乱があったとしても大きな変化が現れずにほぼ一定の間隔となって出力される。
【０１０３】
また、ＰＬＬ回路１２は、脈拍数が変化して入力される脈動性信号の変動が続く場合には、変動に応じて電圧制御信号が変化し、これに伴いこれに伴いクロック信号及び分周信号が追従するように構成されているため、次第に分周信号が心臓の拍動と同期することになる。
【０１０４】
また、ＰＬＬ回路１２及び情報処理装置２は、ＰＬＬ回路１１及び情報処理装置１と同様に、不整脈が発生して脈波のパターンに乱れが生じた場合であっても、脈動性信号にロックして、脈拍数を表示することができる。
【０１０５】
さらに、脈動性信号をロックした際には、ＶＣＯ２３ｂは脈波の一周期に１２８個のクロック数のクロック信号を発生させる。
【０１０６】
＜正規化について＞
図１１は、検体が平常時の場合の脈波の周波数スペクトルを、横軸を周波数、縦軸を信号の強度で示したものである。図１１に示すように、通常、１Ｈｚ，２Ｈｚ，３Ｈｚ・・・のようにして、脈波は基本周波数Ｔがおよそ１Ｈｚであってその逆数１／Ｔとなる１Ｈｚ付近に信号を有しており、その整数倍となる２／Ｔ、３／Ｔ、４／Ｔ、・・・の周波数にも信号を有する。
【０１０７】
情報処理装置２では、ＰＬＬ回路１２によって入力される脈動性信号にロックすることで、一脈波、すなわち脈波の一周期の間に１２８個のクロック数のクロック信号が存在するように、クロック信号により脈動性信号を正規化する。このとき、脈波の信号が表れる１／Ｔの周波数を、１２８のクロック信号により変換して定義することができる。言い換えれば、正規化によって、１２８のクロック信号ごとに一つの脈波の波形が存在して、脈動性信号がクロック軸で定義されている状態となっている。そもそも、脈波は静止時、活動時、または激しい運動時などの場合に応じて必要な酸素量を供給するために、その数を変動させるものであり、時間軸でこれらを扱うには困難であった。情報処理装置２では、脈動性信号の正規化を行うことにより、脈波の取扱性を向上させたものである。
【０１０８】
＜フィードバックコムフィルタについて＞
脈動性信号が正規化された状態にあることで、フィードバックコムフィルタ３４により、１２８、２５６、３８４・・・のように、１周期あたりの総クロック数の整数倍の周波数成分を通過させることによって、脈波に由来する成分を通過させることができる。またこのとき、フィードバックコムフィルタ３４に入力された信号から、外乱に由来する成分を除くことができる。
【０１０９】
従来、脈動性信号は時間軸がゆれることがあるために、変動する基本周波数成分にあわせて図１０に示すようなシャープな周波数特性を有するフィードバックコムフィルタをかけることは困難であった。情報処理装置２では、ＰＬＬ回路１２により脈動性信号にロックして、クロック信号により脈動性信号を正規化することで、脈動性信号がクロック軸で定義されている。ここで、図１１を参照して説明したように、脈波の波形をフーリエ変換した周波数スペクトルは、約１Ｈｚの基本波を中心にその２倍、３倍、４倍・・・の高調波から成り立っている。さらに、検体の運動状態等に応じて、この基本波及び高調波の周波数が変化する。なお、図１１は実際の人の脈波の計測例であるため、さらに低域に向かってノイズが加わっている。このような脈波を示す脈動性信号についても、クロック軸は脈拍数が変化しても一定であるから、ＰＬＬ回路１２がロックしている限り、時間軸が変動したとしてもフィードバックコムフィルタ３４を適用することができる。情報処理装置２は、この図１１の櫛歯状のすべての高調波を図１０のような急峻な通過特性を持つフィードバックコムフィルタ３４を通過させるとともに、本来の脈動性信号のエネルギーが存在しない周波数成分を抑圧する。
【０１１０】
＜平均化処理について＞
従来は、例えば運動をしていて脈拍数が変動している場合には、一つの波形の時間軸上の長さが変るために、そのまま複数の波形の平均をとることはできなかった。一方で、本実施形態に係る情報処理装置２では、脈動性信号が正規化された状態にあることで、平均化処理部３６によって同じクロック番号の信号強度の平均値をとることによって、連続する複数の脈動性信号を平均化した波形を出力することができる。
【０１１１】
＜微分処理について＞
従来の特定のカットオフ周波数を有する周波数特性の微分回路または微分回路を通すことによる処理では、脈動性信号の基本周波数との関係で、微分又は積分の動作を行うことができない場合があった。例えば、カットオフ周波数が２Ｈｚの場合、脈動性信号の基本周波数が１Ｈｚ（６０回／分）であれば、微分又は積分動作を行うことができる。一方で、例えばレーシングカーに搭乗するなどして基本周波数が３Ｈｚとなった場合には、（不完全）微分回路のカットオフ周波数は変えられないことからすると、この場合にはカットオフ周波数以上の帯域に脈動性信号の成分が存在するために微分も積分も動作しない。このように、従来の時間軸で、同じ時定数で微分又は積分を行う場合には、基本周波数がカットオフ周波数に対して大きく変動した場合に、微分又は積分の処理ができない場合があった。一方で、本実施形態に係る情報処理装置２によれば、ＰＬＬ回路１２が脈動性信号にロックすることにより、常に一つの脈波の周期に一定数のクロック数があることで、カットオフ周波数と脈波の基本周波数の関係を保ったまま、安定な微分または積分の結果を得ることができる。
【０１１２】
＜情報処理装置の動作と表示について＞
従来、検体から検出した脈波と脈拍数を表示する場合には、図１４、図１５のような表示が行われていた。なお、これらの図は、脈動性信号に外乱や不整脈等の変動がある場合の表示の例を示すものである。図１４に示すように、速度脈波を示す波形は、本来の速度脈波に外乱に由来する成分が加わった状態で表示されていた。また、脈拍数を示す７８の表示は、変動によって脈動性信号が乱れていることから、本来の脈拍数を示すものかは明らかではなかった。さらに、図１５は、図１４の状態から脈拍数が増えた場合の表示の例を示すものである。このとき、表示領域内の一定時間に表示されるパルス数が増加することによって、速度脈波を示す波形が時間軸で圧縮されており、観察を行うことが困難であった。また、脈拍数を示す１５０の表示は、図１４と同様に、本来の脈拍数を示すものかは明らかではなかった。
【０１１３】
一方で、本実施形態に係る情報処理装置２の表示器８１は、速度脈波とロック状態と脈拍数を図１２、図１３のようにして表示する。図１２は、従来では図１４のように表示されていた脈動性信号を、情報処理装置２に入力した場合の表示を示すものである。情報処理装置２では１２８のクロック数のクロック信号により脈動性信号を正規化したことで、図１２に示すように、表示器８１は速度脈波を示す波形を、１２８のクロック番号からなるクロック軸で定義されている一定の領域に一脈波の表示をする。また、情報処理装置２はフィードバックコムフィルタ３４によって波形の乱れを除くとともに、フライホイール効果により脈動性信号に加わった変動を抑えた状態で波形を表示する。また、表示器８１は、ＰＬＬ回路１２がロックしていることを示す緑色（Ｇ）のアイコンを点灯し、ロックしていないことを示す赤色（Ｒ）のアイコンを消灯して、ロック状態を表示する。また、表示器８１が脈拍数を示す７５の表示は、ＰＬＬ回路１２のロックによりほぼ正しい値を表すと推測される。
【０１１４】
図１３は、図１２の状態から脈拍数が増えた場合の表示の例、すなわち、従来では図１５のように表示されていたものを示すものである。情報処理装置２ではクロック信号により脈動性信号を正規化したことで、図１３に示すように、表示器８１は、図１２の場合と同様に、脈拍数が増えた場合であっても速度脈波を示す波形を一定の領域に一脈波の表示をする。また、図１２の場合と同様に、情報処理装置２は波形の乱れを除くとともに、脈動性信号に加わった変動を抑えた状態で波形を表示する。また、表示器８１は、図１２の場合と同様にロック状態を表示する。また、表示器８１が脈拍数を示す１３０の表示も、図１２の場合と同様に、ほぼ正しい値を表すと推測される。
【０１１５】
［２−５．ＰＬＬ回路、情報処理装置、及び検体情報処理装置の効果］
第二実施形態に係るＰＬＬ回路１２は、第一実施形態に係るＰＬＬ回路１１と同様に、入力された脈動性信号にロックして、心臓の拍動に同期した分周信号を出力することができる。さらに、ＰＬＬ回路１２は、変動に対するロバスト性を有し、脈波を変動によらず安定して観察することが可能である。
【０１１６】
また、ＰＬＬ回路１２によれば、クロック信号により脈動性信号を正規化することができる。すなわち、脈動性信号をロックした際に、脈波の一波形毎に同数のクロック数を割り当てて、時間軸によらずに信号を取り扱うことが可能となる。これにより、脈拍数の異なる波形の間であっても、同じクロック信号のタイミングで信号の強度を比較することが可能となる。
【０１１７】
さらに、第二実施形態に係る情報処理装置２は、ＡＤ変換器３２、第一メモリ３３、及びカウンタ２５を備えることで、脈動性信号を波形番号とクロック番号に対応付けた信号強度のデータとして記録することで、クロック信号で正規化された脈波を１２８のクロック数からなる一定の空間に定義することができる。
【０１１８】
さらに、情報処理装置２は、脈動性信号が所定の数のクロック信号により正規化されていることで、フィードバックコムフィルタ３４を利用して、脈動性信号に由来する信号を通過させて、検体の体動や発声等に起因する外乱を効果的に除くことができる。これにより、情報処理装置２は、検出信号のＳ／Ｎ比（信号とノイズの比）を向上させることができる。
【０１１９】
また、情報処理装置２は、信号強度のデータを平均化処理部３６により平均化する。平均化された脈波波形は大きく変化せずに、変動に対して徐々に変化する応答を示すことから、情報処理装置２によればさらに安定した脈波の表示を示す脈動性信号を得ることができる。このため、平均化により、入力される脈動性信号の一脈波に不整脈のケースのようなドロップアウトが生じたタイミングでも、通常時と同様の脈波の波形を得ることができる。また、検体が運動を行っている場合等により、入力される脈動性信号に突発的な外乱が生じる状況においても安定した脈波の波形を得ることができる。
【０１２０】
また、情報処理装置２は、ロック検出部４１を備えることで、ＰＬＬ回路１２がロックしているか否かを検出することができる。これにより、情報処理装置２は、ＰＬＬ回路１２から出力されるクロック信号がロック状態のものであって、脈動性信号の変動により乱されていない状態の拍動を表していることを判別することができる。
【０１２１】
また、情報処理装置２は、信号計数部４２を備えることで、分周信号の単位時間当たりのパルスをカウントすることができる。これにより、情報処理装置２は、脈動性信号に変動が生じたとしても、分周信号を利用して心臓の拍動と同期した脈拍数を測定することができる。
【０１２２】
また、情報処理装置２は、表示器８１を備えることで、ＰＬＬ回路１２がロックしているか否かを表示し、単位時間当たりの分周信号のカウント値を表示することができる。これにより、情報処理装置２は、ＰＬＬ回路１２の同期状態を表示するとともに、脈拍数を表示することができる。したがって、情報処理装置２によれば、検体は表示結果を確認して、実時間で運動の強度などを自分で調整することができる。
【０１２３】
また、情報処理装置２は、波形表示部４３を備えることで、クロック信号により正規化されるとともに、平均化処理部３６により平均化された、一周期の波形を表示器８１に表示することができる。これにより、体動などによる本来の脈波と無関係な波形は、波形のわずかな状態変化として表示される。また、例えば検体によってまたは運動状態によって、脈拍数が少ない場合と多い場合とがあるが、このような脈波のパルス幅（時間の長さ）が異なる場合であっても、正規化された一定の平面内に一波形を表示することができる。したがって、情報処理装置２によれば、検体は、脈動性信号に変動が加わった場合であっても、本来の脈波と同様の波形を示す、常に一周期分が表示される波形を観察することができる。また、検体は、ロック状態及び脈拍数とともに一元的に表示された脈波の波形を確認して、実時間で運動の強度などを自分で調整することができる。
【０１２４】
また、情報処理装置２は、微分処理部３７を備えることで、脈動性信号を時間軸ではなく、クロック軸で定義されている波形を数値微分で微分を行うことができ、脈動性信号の基本周波数に影響を受けずに微分の動作が可能となる。これにより、情報処理装置２は、容積脈波、速度脈波、加速度脈波の変換を正しく行うことができる。
【０１２５】
また、情報処理装置２は、積分処理部３８を備えることで、脈動性信号を時間軸ではなく、クロック軸で定義されている波形を数値積分で積分を行うことができ、脈動性信号の基本周波数に影響を受けずに積分の動作が可能となる。これにより、情報処理装置２は、容積脈波、速度脈波、加速度脈波の変換を正しく行うことができる。
【０１２６】
［３．第三実施形態］
本発明の第三実施形態に係る脈拍周波数検出部３０１、及びクロックジェネレータ３０３を備える情報処理装置３、並びに検体情報処理装置７について、図１９を参照して説明する。以下、第三実施形態の説明においては、第三実施形態を、本実施形態とも呼ぶ。なお、後述する情報処理装置４が備える脈拍周波数検出部３０２と区別するため、第三実施形態に係る脈拍周波数検出部３０１を、第一脈拍周波数検出部３０１とも称する。また、第四実施形態に係る脈拍周波数検出部３０２を、第二脈拍周波数検出部３０２とも称する。本実施形態に係る情報処理装置３は、一部の構成を除いて上述の第二実施形態に係る情報処理装置２と同様に構成されており、情報処理装置２と同様のものについては説明を省略し、同符号を用いて説明する。
【０１２７】
［３−１．情報処理装置の構成］
情報処理装置３の信号処理部１６は、図１９に示すように、情報処理装置２が備える二値化処理部３１、位相比較器２１、ＬＰＦ２２、ＶＣＯ２３ｂ、及びロック検出部４１に替えて、ＡＤ変換器３０５、第一脈拍周波数検出部３０１、クロックジェネレータ３０３を備えている。第一脈拍周波数検出部３０１は、ＬＰＦ３１１、微分処理部３１２、タイミング検出部３１３、間隔取得部３１４、周波数算出部３１５、及び移動平均処理部３１６を有している。
【０１２８】
＜ＡＤ変換器＞
ＡＤ変換器３０５は、周波数補正処理部７１から入力された脈動性信号の信号強度の値をデジタルデータに変換して、第一脈拍周波数検出部３０１のＬＰＦ３１１に出力する。
【０１２９】
＜ＬＰＦ＞
ＬＰＦ３１１は、ＬＰＦ３１１に入力される脈動性信号に対して、ＬＰＦ処理を施す。ＬＰＦ３１１では、血管の脈波情報の基本波が含まれる周波数帯域の基本周波数成分を通過させて、基本周波数の高調波が含まれる周波数帯域の高調波数成分を減衰させる処理を行う。ＬＰＦ３１１により、脈波情報の基本周波数部分からなる脈動性信号が得られる。また、ＬＰＦ３１１により、脈動性信号に含まれる脈波情報以外に由来するノイズ成分が軽減される。
【０１３０】
ＬＰＦ３１１によるローパスフィルタのカットオフ周波数は、上記作用を発揮するように適宜設定できるが、カットオフ周波数の下限は、通常１．５Ｈｚ以上、好ましくは２Ｈｚ以上、より好ましくは２．５Ｈｚ以上である。また、カットオフ周波数の上限は、通常５Ｈｚ以下、好ましくは４Ｈｚ以下、より好ましくは３．５Ｈｚ以下である。ローパスフィルタのカットオフ周波数は、上記の下限よりも大きいことで、例えば検体が運動して脈拍数が増加した場合でも、基本周波数成分を通過させることができる。また、ローパスフィルタのカットオフ周波数は、上記の上限よりも小さいことで、高調波数成分を減衰させるとともに、ノイズ成分を軽減することができる。本実施形態では、ＬＰＦ３１１によるローパスフィルタのカットオフ周波数は、３Ｈｚである。
【０１３１】
＜微分処理部＞
微分処理部３１２は、ＬＰＦ３１１によってローパスフィルタ処理した脈動性信号に対して、数値微分を施す。微分処理部３１２により、脈動性信号の強度の経時的な変化において、その時間変化に伴う数値変化の傾きが得られる。
【０１３２】
＜タイミング検出部＞
タイミング検出部３１３は、微分処理部３１２によって得られた信号が０となるタイミングを検出する。タイミング検出部３１３により、脈動性信号の強度の時間変化におけるピーク位置のタイミングが得られる。タイミング検出部３１３は、脈動性信号の経時変化にあわせて、信号が０となるタイミングを順次検出する。
【０１３３】
＜間隔取得部＞
間隔取得部３１４は、タイミング検出部３１３で検出されたタイミングのうち、隣接するタイミングの間の時間間隔を取得する。間隔取得部３１４により、隣接するタイミングの間隔が、脈動性信号の隣接するピークに挟まれた脈波の１周期分の長さとして得られる。
【０１３４】
＜周波数算出部＞
周波数算出部３１５は、間隔取得部３１４で取得されたタイミングの間隔、すなわち脈波の１周期分の長さの逆数をとって、脈拍周波数を算出する。周波数算出部３１５は、脈動性信号の経時変化に合わせて、脈拍周波数を順次検出する。
【０１３５】
＜移動平均処理部＞
移動平均処理部３１６は、周波数算出部３１５で算出された複数の脈拍周波数に対して、移動平均処理を行う。本実施形態では、直近の連続する１０個の脈拍周波数の値に対して平均を取る。移動平均処理部３１６により、連続する複数の脈拍周波数の間で生じている変化をなだらかにした周波数が得られる。
【０１３６】
＜第一脈拍周波数検出部＞
第一脈拍周波数検出部３０１は、上述した各機能部を備えるＤＳＰとして構成される。第一脈拍周波数検出部３０１は、入力された脈動性信号の平均化された脈拍周波数を、クロックジェネレータ３０３に出力する。
【０１３７】
＜クロックジェネレータ＞
クロックジェネレータ３０３は、移動平均処理部３１６による移動平均処理によって得られた周波数の信号が入力されて、この信号に同期した周波数のクロック信号を発振する。本実施形態に係るクロックジェネレータ３０３は、第一脈拍周波数検出部３０１から入力された脈拍周波数の値を１２８倍した周波数のクロック信号を発振する。これにより、クロックジェネレータ３０３は、１つの脈波の波形に１２８個のクロック数のクロック信号を発生させる。情報処理装置３は、このクロック信号により脈動性信号を正規化する。
【０１３８】
＜分周器＞
分周器３０４は、所定の分周比Ｎでクロックジェネレータ３０３から発振されたクロック信号の周波数を分周して、分周した周波数を分周信号として出力する。本実施形態に係る分周器３０４は、第二実施形態に係る分周器２４と同様に、分周比Ｎを１２８としている。
【０１３９】
＜検体情報処理装置＞
検体情報処理装置７は、上述の通り構成されており、検体情報検出ユニット１０１によって検出されて、情報処理装置３に入力された脈動性信号を、ゲイン切り替え部５１を通じて、周波数特性補償部６１とＡＤ変換器３２に入力する。周波数特性補償部６１で処理された脈動性信号は、周波数補正処理部７１及びＡＤ変換器３０５を通じて、第一脈拍周波数検出部３０１に入力される。第一脈拍周波数検出部３０１は、移動平均処理部３１６により移動平均処理された脈拍周波数を、クロックジェネレータ３０３に出力する。クロックジェネレータ３０３は、クロック信号を、ＡＤ変換器３２とフィードバックコムフィルタ３４と分周器３０４に出力する。分周器３０４は、分周信号を、カウンタ２５と信号係数部４２に出力する。
【０１４０】
［３−２．第一脈拍周波数検出部と情報処理装置の動作］
図２０に示すフローチャートを参照しながら、第一脈拍周波数検出部３０１による脈拍周波数の検出の動作と、情報処理装置３による正規化処理の動作との一例を説明する。
【０１４１】
検体情報処理装置７は、検体情報検出ユニット１０１によって脈動性信号を検出し、脈動性信号を情報処理装置３に入力する。ＡＤ変換器３０５は、信号処理部１６に入力された脈動性信号をデジタルデータに変換を行い、第一脈波周波数検出部３０１に出力する。このようにして、検体情報処理装置７は、正規化処理を行うための脈動性信号を取得する（ステップＳ４０）。
ＬＰＦ３１１は、情報処理装置３に入力された脈動性信号に対して、ローパスフィルタ処理を行い、脈波情報の基本周波数部分からなる信号を出力する（ステップＳ４１）。
微分処理部３１２は、ローパスフィルタ処理した信号を微分して脈動性信号の変化の傾きを得る（ステップＳ４２）。
タイミング検出部３１３は、微分した信号の値が０となるタイミングを検出する（ステップＳ４３）。
間隔取得部３１４は、検出された複数のタイミングのうち隣接するタイミングの間隔を取得する（ステップＳ４４）。
周波数算出部３１５は、取得されたタイミングの間隔から、脈拍周波数を算出する（ステップＳ４５）。
移動平均処理部３１６は、脈拍周波数に対して、移動平均処理を行う（ステップＳ４６）。
【０１４２】
クロックジェネレータ３０３は、移動平均処理した周波数の信号が入力されて、この周波数のクロック信号を発振する（ステップＳ４７）。クロックジェネレータ３０３は、クロック信号を、分周器３０４とＡＤ変換器３２とフィードバックコムフィルタ３４に出力する。
分周器３０４は、所定の分周比でクロック信号の周波数を分周して、分周信号を出力する（ステップＳ４８）。分周器３０４は、分周信号を、カウンタ２５と信号計数部４２に出力する。
【０１４３】
上述したステップＳ４１〜ステップＳ４６により、情報処理装置３が取得した脈動性信号の脈拍周波数が出力される。さらに、ステップＳ４７によって、脈波の周波数に同期したクロック信号が出力される。
以降の情報処理装置３による、分周信号、及びクロック信号を用いた処理は、情報処理装置２のステップＳ２６〜ステップＳ３３による処理と同様に行うことができる。
【０１４４】
［３−３．情報処理装置、及び検体情報処理装置の作用および効果］
第三実施形態に係る情報処理装置３及び検体情報処理装置７によれば、前記第二実施形態で得られる効果に加えて、以下に記載の効果を奏する。
本実施形態に係る情報処理装置３は、第一脈拍周波数検出部３０１を備えることで、入力された脈動性信号の脈拍周波数を検出する。このとき、脈拍周波数は移動平均処理を受けていることから、入力される脈動性信号に変動が生じる状況においても、安定した脈波の周波数を得ることができる。さらに、情報処理装置３は、クロックジェネレータ３０３を備えることで、脈拍周波数に応じたクロック信号が出力される。これにより、心臓の拍動に同期したクロック信号を出力することができる。さらに、クロック信号によって脈動性信号を正規化することで、脈波の一波形毎に同数のクロック数を割り当てて、時間軸によらずに信号を取り扱うことが可能となる。
【０１４５】
［４．第四実施形態］
本発明の第四実施形態に係る脈拍周波数検出部３０２、及びクロックジェネレータ３０３を備える情報処理装置４、並びに検体情報処理装置８について、図２１を参照して説明する。以下、第四実施形態の説明においては、第四実施形態を、本実施形態とも呼ぶ。本実施形態に係る情報処理装置４は、一部の構成を除いて上述の第二実施形態に係る情報処理装置２と同様に構成されており、情報処理装置２と同様のものについては説明を省略し、同符号を用いて説明する。
【０１４６】
［４−１．情報処理装置の構成］
情報処理装置４の信号処理部１７は、図２１に示すように、情報処理装置２が備える二値化処理部３１、位相比較器２１、ＬＰＦ２２、ＶＣＯ２３ｂ、及びロック検出部４１に替えて、ＡＤ変換器３０５、第二脈拍周波数検出部３０２、クロックジェネレータ３０３を備えている。第二脈拍周波数検出部３０２は、ＬＰＦ３２１、周波数解析部３２２、ピーク検出部３２３、周波数取得部３２４、及び移動平均処理部３２５を有している。
【０１４７】
＜ＡＤ変換器＞
ＡＤ変換器３０５は、周波数補正処理部７１から入力された脈動性信号の信号強度の値をデジタルデータに変換して、第二脈拍周波数検出部３０２のＬＰＦ３２１に出力する。
【０１４８】
＜ＬＰＦ＞
ＬＰＦ３２１は、第三実施形態に係るＬＰＦ３２１と同様に、入力される脈動性信号に対してＬＰＦ処理を施し、脈波情報の基本周波数部分からなる信号を得る。
【０１４９】
＜周波数解析部＞
周波数解析部３２２は、ＬＰＦ３２１によってローパスフィルタ処理した脈動性信号に対して、周波数解析を施す。周波数解析部３２２により、脈動性信号は、周波数領域の脈波のスペクトルに変換される。周波数解析としては、例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform；高速フーリエ解析）、ＭＥＭ（Maximum Entropy Method；最大エントロピー法）、もしくは自己相関解析、中でもＡＲ（Auto-regressive；自己回帰法）を用いることができる。または、広義にはWavelet法を用いることができる。周波数解析は、所定の長さの時間の脈動性信号に対して、所定の間隔分の時間をずらして行う。
【０１５０】
周波数解析部３２２による周波数解析を行う長さ及び間隔は適宜設定できるが、周波数解析の長さは、サンプリング数の確保と信号処理の負荷との関係から、通常８秒以上３０秒以下、好ましくは１２秒以上２４秒以下、より好ましくは１４秒以上１８秒以下である。また、周波数解析の間隔は、第二脈拍周波数検出部３０２によって脈拍周波数が得られる間隔に対応し、脈拍周波数の変動に追従する観点から、通常３秒以下、好ましくは２秒以下、より好ましくは１秒以下である。本実施形態では、１６秒の長さの脈動性信号に対して周波数解析を行い、次に１秒の間隔を空けた後の１６秒の長さの周波数解析を行う。以降、同様にして１秒の間隔ずつ時間をずらして周波数解析を行う。周波数解析部３２２により、１６秒の長さの脈波信号の１秒おきのパワースペクトル（脈波スペクトル）が得られる。
【０１５１】
＜ピーク検出部＞
ピーク検出部３２３は、周波数解析部３２２で得られた脈波スペクトルから、スペクトル強度が最大のピークを検出する。上述したＬＰＦ３２１により、脈動性信号は脈波情報の基本周波数部分からなる信号となっているため、ピーク検出部３２３によって検出されるピークの周波数は、脈動性信号の脈拍周波数を表すことになる。ピーク検出部３２３は、周波数解析部３２２によって得られる１秒間隔の脈波スペクトルそれぞれについて、最大のピークを順次検出する。
【０１５２】
＜周波数取得部＞
周波数取得部３２４は、ピーク検出部３２３で検出された最大ピーク位置の周波数を読み込むことで、脈拍周波数を取得する。周波数取得部３２４による脈拍周波数の取得も、１秒間隔の脈波スペクトルから検出されたそれぞれのピークについて行われる。
【０１５３】
＜移動平均処理部＞
移動平均処理部３２５は、周波数取得部３２４で取得された複数の脈拍周波数に対して、移動平均処理を行う。本実施形態では、直近の連続する１０個の脈拍周波数の値に対して平均を取る。移動平均処理部３２５により、連続する複数の脈拍周波数の変化をなだらかにした周波数が、１秒間隔で得られる。
【０１５４】
＜第二脈拍周波数検出部＞
第二脈拍周波数検出部３０２は、上述した各機能部を備えるＤＳＰとして構成される。第二脈拍周波数検出部３０２は、入力された脈動性信号の平均化された脈拍周波数を、クロックジェネレータ３０３に出力する。
【０１５５】
＜クロックジェネレータ＞
クロックジェネレータ３０３は、移動平均処理部３２５による移動平均処理によって得られた周波数の信号が入力されて、第三実施形態に係るクロックジェネレータ３０３と同様に、この信号に同期した周波数のクロック信号を発振する。情報処理装置４は、このクロック信号により脈動性信号を正規化する。
【０１５６】
＜検体情報処理装置＞
検体情報処理装置８は、上述の通り構成されており、検体情報検出ユニット１０１によって検出されて、情報処理装置４に入力された脈動性信号を、ゲイン切り替え部５１を通じて、周波数特性補償部６１とＡＤ変換器３２に入力する。周波数特性補償部６１で処理された脈動性信号は、周波数補正処理部７１及びＡＤ変換器３０５を通じて、第二脈拍周波数検出部３０２に入力される。第二脈拍周波数検出部３０２は、移動平均処理部３２５により移動平均処理された脈拍周波数を、クロックジェネレータ３０３に出力する。クロックジェネレータ３０３は、クロック信号を、ＡＤ変換器３２とフィードバックコムフィルタ３４と分周器３０４に出力する。分周器３０４は、分周信号を、カウンタ２５と信号係数部４２に出力する。
【０１５７】
［４−２．第二脈拍周波数検出部と情報処理装置の動作］
図２２に示すフローチャートを参照しながら、第二脈拍周波数検出部３０２による脈拍周波数の検出の動作と、情報処理装置４による正規化処理の動作との一例を説明する。
【０１５８】
検体情報処理装置８は、検体情報検出ユニット１０１によって脈動性信号を検出し、脈動性信号を情報処理装置４に入力する。ＡＤ変換器３０５は、信号処理部１７に入力された脈動性信号をデジタルデータに変換を行い、第二脈波周波数検出部３０２に出力する。このようにして、検体情報処理装置８は、正規化処理を行うための脈動性信号を取得する（ステップＳ６０）。
ＬＰＦ３２１は、情報処理装置４に入力された脈動性信号に対して、ローパスフィルタ処理を行い、脈波情報の基本周波数部分からなる信号を出力する（ステップＳ６１）。
周波数解析部３２２は、ローパスフィルタ処理した信号に対して、周波数解析を行い、脈波のパワースペクトルを得る（ステップＳ６２）。
ピーク検出部３２３は、脈波のパワースペクトルから、スペクトル強度が最大のピークを検出する（ステップＳ６３）。
周波数取得部３２４は、検出された最大のピークから脈拍周波数を取得する（ステップＳ６４）。
移動平均処理部３２５は、脈拍周波数に対して、移動平均処理を行う（ステップＳ６５）。
【０１５９】
クロックジェネレータ３０３は、移動平均処理した周波数の信号が入力されて、クロック信号を発振する（ステップＳ６６）。クロックジェネレータ３０３は、クロック信号を、分周器３０４とＡＤ変換器３２とフィードバックコムフィルタ３４に出力する。
分周器３０４は、所定の分周比でクロック信号の周波数を分周して、分周信号を出力する（ステップＳ６７）。分周器３０４は、分周信号を、カウンタ２５と信号計数部４２に出力する。
【０１６０】
上述したステップＳ６１〜ステップＳ６５により、情報処理装置４が取得した脈動性信号の脈拍周波数が出力される。さらに、ステップＳ６６によって、脈波の周波数に同期したクロック信号が出力される。
以降の情報処理装置４による、分周信号、及びクロック信号を用いた処理は、情報処理装置２のステップＳ２６〜ステップＳ３３による処理と同様に行うことができる。
【０１６１】
［４−３．情報処理装置、及び検体情報処理装置の作用および効果］
第四実施形態に係る情報処理装置４及び検体情報処理装置８によれば、前記第二実施形態で得られる効果に加えて、以下に記載の効果を奏する。
本実施形態に係る情報処理装置４は、第二脈拍周波数検出部３０２を備えることで、入力された脈動性信号の脈拍周波数を検出する。このとき、脈拍周波数は移動平均処理を受けていることから、入力される脈動性信号に変動が生じる状況においても、安定した脈波の周波数を得ることができる。さらに、情報処理装置４は、クロックジェネレータ３０３を備えることで、脈拍周波数に応じたクロック信号が出力される。これにより、心臓の拍動に同期したクロック信号を出力することができる。またさらに、クロック信号によって脈動性信号を正規化することで、脈波の一波形毎に同数のクロック数を割り当てて、時間軸によらずに信号を取り扱うことが可能となる。
【０１６２】
［５．その他］
［５−１．装置の構成について］
＜情報処理装置について＞
上記の実施形態では、情報処理装置１〜４としてスマートフォンを例示したが、情報処理装置１〜４はこれに限るものではない。例えば、タブレット型の端末（タブレットＰＣ）、デスクトップパソコン、ノートパソコン等、またはその他の測定機器、表示機器にも適用できる。
【０１６３】
＜信号の出力について＞
上記の実施形態では、ＶＣＯ２３ａ、位相比較器２１、平均化処理部３６、微分処理部３７、及び積分処理部３８からの出力について、ロック検出部４１、信号計数部４２、及び波形表示部４３を介して、表示器８１に表示にする場合について説明した。ＶＣＯ２３ａ、位相比較器２１、平均化処理部３６、微分処理部３７、及び積分処理部３８からの信号の出力はこれに限定されず、情報処理装置１〜４の内部での信号処理に利用してもよく、または記録媒体に保存したり、もしくは無線又は有線を利用したりすることで、外部の情報処理装置に情報を送って信号処理に供してもよい。
【０１６４】
＜表示器について＞
上記の実施形態においては、情報処理装置１〜４に備えられるディスプレイの表示画面が表示器８１として機能する場合について説明した。表示器８１の構成はこれに限定されず、例えば、情報処理装置１〜４に備えられる緑色と赤色のＬＥＤランプであって、これらの点灯によって、ＰＬＬ回路１１，１２のロック状態を表示してもよい。または、表示器８１は、情報処理装置１〜４に備えられる複数の７セグメントディスプレイにより構成され、これらの点灯によりクロック信号のカウント値を表示してもよい。また、波形表示部４３からの出力を、液晶ディスプレイ、ＣＲＴ、プリンタ、オシロスコープ、又はペンレコーダ等の外部の波形表示器に入力することで波形の表示を行ってもよい。
【０１６５】
［５−２．信号処理について］
＜信号処理部の構成について＞
上記の実施形態においては、ゲイン切り替え部５１、周波数特性補償部６１、周波数補正処理部７１、ＰＬＬ回路１１，１２による処理をアナログ回路による処理について説明したが、デジタル回路、例えばＤＳＰを含む回路とアナログ回路とを組み合わせたり、演算処理装置（ＣＰＵ）やＤＳＰを組み合わせたりして、このデジタル回路を含む回路により信号を処理する構成としてもよい。または、情報処理装置１〜４が備えるメモリ上に信号処理用のアプリケーションソフトが展開されてＣＰＵにより実行されることで、ゲイン切り替え手段、周波数特性補償手段、周波数補正処理手段、ＰＬＬとして機能するようにしてもよい。
【０１６６】
また、上記の実施形態においては、ＤＳＰがフィードバックコムフィルタ３４の処理を行う場合について説明したが、フィードバックコムフィルタ３４は、マイクロコンピュータと第一メモリ３３及び第二メモリ３５の間の操作により実行されてもよい。
【０１６７】
また、上記の実施形態においては、ＰＬＬ回路１２、またはＤＳＰである第一脈拍周波数検出部３０１もしくは第二脈拍周波数検出部３０２、及びクロックジェネレータ３０３によって脈動性信号を正規化する場合について説明した。これら脈動性信号の正規化を行う各手段（正規化手段）による処理は、情報処理装置１〜４が備えるメモリ上に信号処理用のアプリケーションソフトが展開されてＣＰＵにより実行されることで、正規化手段として機能するようにしてもよい。情報処理装置１〜４は、脈動性信号をＡＤ変換器によりデジタルデータに変換して、この脈動性信号のデジタルデータを取得して、脈動性信号を正規化する処理を実行する。
【０１６８】
この場合、情報処理装置１〜４内部の記憶装置は、ＣＰＵに実行させることで、ＰＬＬ回路１２、または第一脈拍周波数検出部３０１及び第二脈拍周波数検出部３０２、及びクロックジェネレータ３０３としてそれぞれ機能させるプログラムを保存する。情報処理装置１〜４のＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、種々の機能を実現する。そして、ＣＰＵが、これらのプログラムを実行することにより、信号処理部１５〜１７の正規化手段としてそれぞれ機能する。このようにして、プログラムは、コンピュータ２〜４に、脈動性信号を取得して、この脈動性信号を正規化する処理を実行させる。
【０１６９】
このとき、第一脈拍周波数検出部３０１は、情報処理装置３内部のＣＰＵで演算処理される機能部位であって、各機能は個別のプログラムとして構成される。すなわち、第一脈拍周波数検出部３０１は、ＬＰＦ手段、微分処理手段、タイミング検出手段、間隔取得手段、周波数算出手段、及び移動平均処理手段として機能する。
【０１７０】
また、第二脈拍周波数検出部３０２は、情報処理装置４内部のＣＰＵで演算処理される機能部位であって、各機能は個別のプログラムとして構成される。すなわち、第二脈拍周波数検出部３０２は、ＬＰＦ手段、周波数解析手段、ピーク検出手段、周波数取得手段、及び移動平均処理手段として機能する。
【０１７１】
なお、これらの各機能手段としての機能を実現するためのプログラムは、例えばフレキシブルディスク，ＣＤ（ＣＤ−ＲＯＭ，ＣＤ−Ｒ，ＣＤ−ＲＷ等），ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＡＭ，ＤＶＤ−Ｒ，ＤＶＤ＋Ｒ，ＤＶＤ−ＲＷ，ＤＶＤ＋ＲＷ，ＨＤ  ＤＶＤ等），ブルーレイディスク，磁気ディスク，光ディスク，光磁気ディスク等の、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形態で提供される。そして、情報処理装置１〜４はその記録媒体からプログラムを読み取って内部記憶装置または外部記憶装置に転送し格納して用いる。又、そのプログラムを、例えば磁気ディスク，光ディスク，光磁気ディスク等の図示しない記憶装置（記録媒体）に記録しておき、その記憶装置から通信経路を介して情報処理装置１〜４に提供するようにしてもよい。
【０１７２】
また、上記の実施形態において、情報処理装置３，４は、ＡＤ変換器３０５、及びＤＳＰとして構成された脈拍周波数検出部３０１，３０２を用いて、入力された脈動性信号をデジタル信号に変換して処理する場合について説明した。脈動性信号の処理はこれに限定されず、情報処理装置３，４がＡＤ変換器３０５を備えずに、脈拍周波数検出部３０１，３０２の各機能部位がアナログ回路により構成されていてもよい。このとき、情報処理装置３，４は、入力された脈動性信号をアナログ信号の形式で処理を行う。
【０１７３】
＜ＰＬＬについて＞
上記の実施形態においては、ＰＬＬ回路１１，１２が２次系のＰＬＬである場合について説明したが、ＰＬＬ回路１１，１２はこれに限定されず、２次系以上の高次のループであればよい。これによりＰＬＬ回路１１，１２は、入力する脈動性信号の脈波の位相が突然にシフトした場合であっても、一定時間内に位相差ゼロでロックすることができる。
【０１７４】
＜ＶＣＯについて＞
上記の実施形態においては、ＶＣＯ２３ｂの発振周波数が１２８Ｈｚを中心として変動するよう設計されており、分周器２４の分周比Ｎが１２８である場合について説明したが、クロック信号の単位時間あたりのクロック数及び分周比はこれに限定されず適宜変更してもよい。例えば、クロック数及び分周比を２５６、５１２、または１０２４としてもよい。また、分周器２４は、ＶＣＯ２３ｂの発振周波数にあわせて分周比Ｎを変更できるプログラマブル分周器であってもよい。このとき、クロック数が多いほど、ＰＬＬの特性を決めるループゲインがその分低下することになるためにいわゆるロックレンジが小さくなる傾向にあるが、波形判定の精度が高くなる点からは好ましい。また、クロックが小さいほど、低周波でのＶＣＯを安定に発振させるよう制御が必要となる傾向にあるが、ループゲインの低下がない点からは好ましい。
【０１７５】
＜ＰＬＬ回路及びＡＤ変換器に入力される信号について＞
上記の実施形態においては、速度脈波の信号を二値化処理部３１、ＡＤ変換器３２、またはＡＤ変換器３０５に出力する場合について説明したが、二値化処理部３１、ＡＤ変換器３２、またはＡＤ変換器３０５に入力される信号は、容積脈波、速度脈波、または加速度脈波のいずれの脈波の信号でもよい。
【０１７６】
また、上記の実施形態においては、二値化処理部３１により二値化した信号をＰＬＬ回路１１，１２に入力した場合について説明したが、二値化を行わずに、脈波の波形そのままの信号を入力してもよい。
【０１７７】
＜平均化処理部について＞
上記の実施形態においては、平均化処理部３６が、１０個の波形分の信号強度の平均値を出力する場合について説明したが、平均値を算出する個数はこれに限定されず、適宜変更してよい。平均化する信号の数が多い場合には、信号の変化に対して緩やかに応答する特性を示す信号を得ることができる。これは、検体が運動をしている状態など、信号に対して変動が大きい場合に適している。平均化する信号の数が少ない場合には、信号の変化に対して追従しやすい特性を示す信号を得ることができる。これは、検体が安静にしている状態など、脈波の変化を観察したい場合に適している。または、平均化処理部３６による平均化を行わずに、一つの波形分の信号の出力を行ってもよい。
【０１７８】
＜信号処理の順序及び内容について＞
上記の実施形態においては、第一メモリ３３に記録された脈動性信号の信号強度を、フィードバックコムフィルタ３４が読み出してフィルタ処理を行い、フィルタ処理後の信号強度のデータを第二メモリ３５に記録する場合について説明した。さらに、第二メモリ３５に記録された信号強度を、平均化処理部３６、微分処理部３７、及び積分処理部３８がそれぞれ読み出して処理する場合について説明した。脈動性信号の処理の順序及び内容はこれに限定されず、適宜変更して行ってよい。例えば、フィードバックコムフィルタ３４によりフィルタ処理を行わずに、第一メモリ３３に記録された脈動性信号の信号強度を、平均化処理部３６、微分処理部３７、及び積分処理部３８がそれぞれ読み出して処理してもよい。また、平均化処理部３６によって算出された平均値の信号強度について、微分処理部３７、及び積分処理部３８がそれぞれ処理してもよい。
【０１７９】
また、上記の実施形態においては、平均化処理部３６から波形表示部４３を介して表示器８１に波形を表示する場合について説明したが、第一メモリ３３または第二メモリ３５に記録された信号を波形表示部４３及び表示器８１に出力して波形を表示するようにしてもよい。例えば、第二メモリ３５に記録された信号を表示する場合には、まず、波形表示部４３が、第二メモリ３５から、所望の波形番号において、クロック番号０から順にクロック番号１２７まで信号強度を読み出す。次に、波形表示部４３は、クロック番号と信号強度との関係を表す一つの波形のデータを生成して、表示器８１に出力する。表示器８１は、波形表示部４３からのデータを受けて、脈動性信号を１個分の脈波の一周期毎の波形として表示する。
【０１８０】
＜波形の表示について＞
上記の実施形態においては、波形表示部４３が一周期分の波形を表示するデータを生成し、表示器８１が脈動性信号を一周期の波形として表示場合について説明したが、一周期の一脈波だけではなく所望の数の脈波の波形を表示する様に構成してもよい。この場合、波形表示部４３が複数の波形番号における信号強度について、波形の数に応じた１２８の整数倍のクロック番号を横軸にとることで、複数の周期分の波形を二次元に表示するデータを生成すればよい。
【０１８１】
＜ロック検出部について＞
上記の実施形態においては、ロック検出部４１は、位相比較器２１から脈動性信号と帰還信号が入力されて、両信号の位相比較を行う場合について説明したが、脈動性信号と帰還信号との位相の同期の判定と、ＰＬＬ回路１１，１２のロックの検出はこれに限定されない。ロック検出部４１は、位相比較器２１から位相差信号が入力されて、この入力された位相差信号の大きさを所定の設定値と比較して、ＰＬＬ回路１１，１２が脈動性信号にロックしているか否かを判定してもよい。このとき、入力された位相差信号の大きさと所定の設定値とを比較して、入力された位相差信号の大きさが所定の設定値よりも小さいときに、ロックしていると判定する。また、入力された位相差信号の大きさが所定の設定値以上のときに、ロックしていないと判定する。また、ロック状態の表示は、一定時間の連続した状態でロックしている状態またはロックが外れている状態が継続した場合に、それぞれロック状態の変化を検出したとして表示器８１に表示するようにしてもよい。
【０１８２】
［５−３．平均値より大きく外れた脈動性信号の表示について］
情報処理装置２は、平均値より大きく外れた脈動性信号を表示する手段を有していてもよい。稀に生じる不整脈のように生体信号として意味のある外乱は、その部分だけを表示することが求められる場合がある。情報処理装置２に入力される脈動性信号と、平均化処理部３６により得られた信号強度の平均値とを比較して、平均値より一定以上離れた波形を示す脈動性信号は、通常の脈波の波形とは別に表示器８１に表示することが好ましい。
【０１８３】
［５−４．脈動性信号の取得について］
上記の実施形態では、検体情報検出ユニット１０１が脈動性信号を検出して、この脈動性信号が情報処理装置１〜４に入力されることで、情報処理装置１〜４が脈動性信号を取得する場合について説明した。脈動性信号の取得は、情報処理装置１〜４の内部または外部の記憶手段に保存された脈動性信号データを読み出すことで取得してもよい。
【符号の説明】
【０１８４】
１，２，３，４  情報処理装置
５，６，７，８  検体情報処理装置
１１，１２  ＰＬＬ回路
１３  信号記録部
１４，１５  信号処理部
２１  位相比較器
２２  ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
２３ａ，２３ｂ  ＶＣＯ（電圧制御発振器）
２４  分周器
２５  カウンタ
３１  二値化処理部
３２  ＡＤ変換器
３３  第一メモリ
３４  フィードバックコムフィルタ
３５  第二メモリ
３６  平均化処理部
３７  微分処理部
３８  積分処理部
４１  ロック検出部
４２  信号計数部
４３  波形表示部
８１  表示器
３０１，３０２  脈拍周波数検出部
３０３  クロックジェネレータ
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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