(57)【要約】【課題】波形解析精度の向上した脈波計測装置等及び商用電源周波数由来ノイズ成分除去方法の提供。【解決手段】脈波センサ、フィルター、脈波情報計測手段からなり、フィルターが遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次、２次アナログローパスフィルター、断周波数１５〜３０Ｈｚの初段デジタルローパスフィルター、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段高域カットデジタル微分フィルターからなる。初段フィルターが直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターであり、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける初段フィルターと後段フィルターとの減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成され、さらに初段フィルターはそのフィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えない直線位相特性を満たすように構成する。この装置を用いてノイズ成分を除去でき、実用的な解析精度を得ることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脈波を検出して脈波信号を出力する脈波センサと、該脈波信号を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する手段とからなる生体現象測定記録装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデジタル微分フィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターが、直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターから構成され、また、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデジタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成されていることを特徴とする生体現象測定記録装置。
【請求項２】
前記初段のデジタルローパスフィルターは、そのフィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えない直線位相特性を満たすＦＩＲフィルターであることを特徴とする請求項１記載の生体現象測定記録装置。
【請求項３】
前記初段のデジタルローパスフィルターを、そのフィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えない直線位相特性を満たすＦＩＲフィルターから構成し、そして５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上、また、６０Ｈｚにおける減衰量が６０ｄＢ以上となるように構成すると共に、前記後段の高域カットデシタル微分フィルターを零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデシタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成することを特徴とする請求項１記載の生体現象測定記録装置。
【請求項４】
脈波を検出して脈波信号を出力する脈波センサと、該脈波信号を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する手段とからなる生体現象測定記録装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデシタル微分フィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターにおいて、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成すると共に、該後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近となるように構成することを特徴とする生体現象測定記録装置。
【請求項５】
前記初段のデジタルローパスフィルターにおいて、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰量の最大値が６０ｄＢ以上となるように構成し、また、前記後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰量の最大値が４０ｄＢ以上となるように構成することを特徴とする請求項４記載の生体現象測定記録装置。
【請求項６】
脈波を検出して脈波信号を出力する脈波センサと、該脈波信号を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する手段とからなる生体現象測定記録装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデシタル微分フィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターを、ＩＩＲフィルターである６次以上１６次以下のベッセルフィルターから構成し、遮断周波数１５Ｈｚ〜３０Ｈｚの範囲で、５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上、また、６０Ｈｚにおける減衰量が６０ｄＢ以上となるように構成すると共に、該後段の高域カットデシタル微分フィルターを、零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデシタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が８０ｄＢ以上となるように構成することを特徴とする生体現象測定記録装置。
【請求項７】
前記脈波センサが、発光部と受光部とを有し、該発光部と該受光部とにより被験者の指の脈波を測定する反射型の脈波センサであって、該発光部を、該受光部より指の動脈血流の下流側に、その上面が該受光部の上面よりも突出するように配置し、また、該発光部及び該受光部の上方に、赤外線透過性の窓部を、窓部上面が指の腹部を載置する床面よりも所定の距離だけ突出するように配置し、そして指の先端部を該発光部よりも指動脈血流のさらに下流側に装着するための空間が該床面の先端部分に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の生体現象測定記録装置。
【請求項８】
前記窓部は、その上面が指の腹部を載置する床面より０．１〜０．５ｍｍ突出するように配置されており、前記受光部は、その上面が指の腹部を載置する床面と同じレベルになるように配置されているか、又は所定の距離だけ該床面より低くなるように配置されており、そして前記指の先端部を装着する空間の床面と対向する面に押圧材を取付け、該押圧材で発光部よりも指動脈血流のさらに下流側の指の先端部の上面を押さえるように構成し、該押圧材は、この押圧材で指の先端部の上面を押さえる際の圧力が５０〜２００ｇＷとなるように構成されていることを特徴とする請求項７記載の生体現象測定記録装置。
【請求項９】
生体現象を電気信号に変換して出力するセンサと、該信号波形を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された波形に基づいて生体現象を計測する手段とからなる生体現象測定記録装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターが、直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターから構成され、このＦＩＲローパスフィルターの構成において、遮断周波数が１５〜２５Ｈｚであって、フィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えず、かつ、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの双方での応答が零点付近になるように構成することを特徴とする生体現象測定記録装置。
【請求項１０】
前記生体現象測定記録装置が脈波計測装置であり、前記センサが請求項７又は８記載の脈波センサであることを特徴とする請求項９に記載の生体現象測定記録装置。
【請求項１１】
生体現象を電気信号に変換して出力するセンサと、該信号波形を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された波形に基づいて生体現象を計測する手段とからなる生体現象測定記録装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデジタル微分フィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターが、直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターから構成され、また、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデジタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成されていることを特徴とする生体現象測定記録装置。
【請求項１２】
ＡＤ変換のサンプリング周波数を４５０Samples/sec以上で行うことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の生体現象測定記録装置。
【請求項１３】
脈波センサで脈波を検出して脈波信号を出力し、フィルターで該脈波信号を濾波して出力し、該濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する際に、該脈波センサから出力された脈波信号を、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターを通して濾波し、この濾波された脈波信号を、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターであって、直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターを通して濾波を行い、次いで遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデジタル微分フィルターを通してさらに濾波を行い、その際、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデジタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成されているフィルターを用いて濾波を行って、該商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの双方において生体信号に乗る電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分を除去することを特徴とするノイズ成分除去方法。
【請求項１４】
前記初段のデジタルローパスフィルターとして、そのフィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えない直線位相特性を満たすＦＩＲフィルターを用いて濾波を行うことを特徴とする請求項１３記載のノイズ成分除去方法。
【請求項１５】
前記初段のデジタルローパスフィルターを、そのフィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えない直線位相特性を満たすＦＩＲフィルターから構成し、そして５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上、また、６０Ｈｚにおける減衰量が６０ｄＢ以上となるように構成すると共に、前記後段の高域カットデシタル微分フィルターを零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデシタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成してある該初段のデジタルローパスフィルター及び後段の高域カットデジタル微分フィルターを用いて濾波を行うことを特徴とする請求項１３記載のノイズ除去方法。
【請求項１６】
前記初段のデジタルローパスフィルターとして商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成されたフィルターを用いて濾波を行い、次いで前記後段の高域カットデジタル微分フィルターとして該商用電源周波数の他方での応答が零点付近となるように構成されたフィルターを用いて濾波を行うことを特徴とする請求項１３記載のノイズ除去方法。
【請求項１７】
前記初段のデジタルローパスフィルターとして、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰量の最大値が６０ｄＢ以上となるように構成されたフィルターを用いて濾波を行い、そして前記後段の高域カットデジタル微分フィルターとして、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰量の最大値が４０ｄＢ以上となるように構成されたフィルターを用いて濾波を行うことを特徴とする請求項１６記載のノイズ成分除去方法。
【請求項１８】
脈波センサで脈波を検出して脈波信号を出力し、フィルターで該脈波信号を濾波して出力し、該濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する際に、該脈波センサから出力された脈波信号を、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターを通して濾波し、この濾波された脈波信号を、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターとしてＩＩＲフィルターである、６次以上１６次以下のベッセルフィルターを用いて、遮断周波数１５Ｈｚ〜３０Ｈｚの範囲で、５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上、また、６０Ｈｚにおける減衰量が６０ｄＢ以上となるように構成すると共に、後段の高域カットデシタル微分フィルターを、遮断周波数１５〜４０Ｈｚとしかつ零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデシタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が８０ｄＢ以上となるように構成されているフィルターを用いて濾波を行って、該商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおいて生体信号に乗る電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分を除去することを特徴とするノイズ成分除去方法。
【請求項１９】
前記脈波センサとして、請求項７又は８に記載の脈波センサを用いて脈波を検出することを特徴とする請求項１３〜１８のいずれかに記載のノイズ成分除去方法。
【請求項２０】
生体現象を電気信号に変換して出力し、フィルターで該信号波形を濾波して出力し、該濾波された波形に基づいて生体現象を計測する際に、該出力された波形を、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターを通して濾波し、この濾波された波形を、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターである直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターであって、遮断周波数が１５〜２５Ｈｚであり、フィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えず、かつ、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの双方での応答が零点付近になるように構成されたフィルターを通して濾波を行い、該商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおいて生体信号に乗る電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分を除去することを特徴とするノイズ成分除去方法。
【請求項２１】
生体現象を電気信号に変換して出力し、フィルターで該信号波形を濾波して出力し、該濾波された波形に基づいて生体現象を計測する際に、該出力された波形を、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターを通して濾波し、この濾波された波形を、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターである直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターであって、直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターを通して濾波を行い、次いで遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデジタル微分フィルターを通してさらに濾波を行い、その際、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデジタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成されているフィルターを用いて濾波を行って、該商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおいて生体信号に乗る電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分を除去することを特徴とするノイズ成分除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体現象測定記録装置及びノイズ成分除去方法に関し、特に、指先容積脈波計測装置、血圧計、血流計、眼振計、呼吸計等の信号変化の主要な成分が３０Ｈｚ以下であるような生体現象測定記録装置及び心電計、筋電計、脳波計等の３０Ｈｚ以下の周波数成分を評価する簡易型の生体現象測定記録装置、並びにこれら装置を用いて脈波情報、血圧情報、血流情報、眼振情報、呼吸情報、心電図情報、筋電図情報、脳波情報等の生体情報を計測し解析する際に、商用電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分及びその他のノイズ成分を除去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、本明細書中では、主として脈波波形との関連に基づいて説明するが、血圧波形、血流波形、眼振波形、呼吸波形、心電図波形、筋電図波形、脳波波形等の生体現象の波形についても同様な問題があり、その解決手段も同様である。
【０００３】
従来の光電式脈波計においては、被験者の指先がフォトダイオードからなる電極、特にアノードに接近して置かれることから、また、フォトダイオードの光電流を検出するための電流アンプの入力インピーダンスが非常に高低抗であることから、電流アンプの出力には被験者の指先からの誘導ノイズが大変乗りやすい。しかも、室内の測定においては商用電源ラインからの誘導ノイズが大変大きいため(図１に示すノイズの乗った波形例を参照)、有用な脈波計測装置を提供するためには、商用電源周波数５０Ｈｚと６０Ｈｚとの両方に由来する誘導ノイズを除去する必要がある。
【０００４】
また、これらの商用電源の交流波形には、無視できない高調波成分が含まれるので、これらの倍数の周波数も有効に除去できるようにする必要がある。
【０００５】
脈波において有効な周波数領域の２０Ｈｚ程度を遮断周波数とすれば、５０Ｈｚでの減衰量を６０ｄＢ(１０ビットの分解能で無視できる減衰量)以上とすることができるアナログローパスフィルター(Low Pass Filter)は１０次以上となるので、高価なものとなる。この際、遮断特性を急峻なものにすると、階段状波形入力で発生するリンギング状の波形変形が無視できなくなる。
【０００６】
また、加速度脈波(ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ波)を利用して脈波情報を得ようとする場合、この加速度脈波は元の指先容積脈波を２回微分して求めるため、微分処理に伴う問題点に十分注意する必要がある。一般的に、微分フィルターでは、高周波成分の振幅が周波数に比例して大きく出るため、高周波成分の信号を強調して見ることができるという利点はある。しかし、この際に高周波のノイズも大きく強調されて見えるため、不要なノイズを有効な信号から明確に区別して適切に除去する手段を設けることが必要となる。従って、この加速度脈波を求めるための、精度の良いアナログフィルター回路は複雑で高価なものとなる。
【０００７】
この高価なアナログフィルター回路の代わりに、従来から、誘導ノイズ除去にデジタルフィルターを用いることが提案されている。この場合、従来の脈波計で用いられているサンプリング周波数１００〜２００Samples/sec(Ｈｚ)を用いると、デジタルフィルターが有効に機能する上限周波数であるナイキスト周波数は、サンプリング周波数の二分の一であって、５０〜１００Ｈｚとなる。このため、サンプリング周波数付近の商用電源周波数高調波(１２０Ｈｚ、１５０Ｈｚ、１８０Ｈｚ等)を除去することができないという問題がある。
【０００８】
また、デジタルフィルターの次数(係数の数)が大きく、遮断特性の急峻なフィルターを設計する必要があるが、上記したように、遮断特性を急峻にすると波形のリンギングが発生することになる。
【０００９】
そこで、以上の問題を解決するために、従来提案されている光電式脈波計測装置においては、ナイキスト周波数以上の周波数成分を有効に除去するためのアンチエリアシングフィルターとして、遮断周波数１０Ｈｚ程度のアナログフィルターが用いられているのが実情である。この場合、急峻な立ちあがりのエッジや、心室弁閉止後に現れることがある１０Ｈｚ以上の揺らぎ等は計測できない。また、この脈波計測装置では、通常、遮断周波数１０Ｈｚ程度の高域カットフィルターと、加速度脈波を得るための微分処理を行うアナログ回路によるアナログフィルターとで構成される。微分フィルターは、そのままでは、周波数特性が周波数に比例するため、高周波数由来のノイズに弱い。
【００１０】
従って、加速度脈波を得るために二次微分処理を行う際、高次の高精度高域カットフィルターを構成する必要があり、従来の脈波計測装置では高価で規模の大きな回路構成となってしまう。このため、上記したように、アナログフィルターの代わりにデジタルフィルターで処理する技術が開発され、例えば、一般に広く使用されている光電式指尖容積脈波計では、次のような処理をすることにより、その解決を図ろうとしている。
【００１１】
例えば、脈波アンプを、高域遮断周波数２８Ｈｚの二次ローパスフィルターを通してから、１０．６Ｈｚの一次ローパスフィルターを通すように構成している。Ａ／Ｄ変換器では、サンプリング周波数２５０Samples/secとし、デジタルフィルターとしては、微分フィルターとして、差分フィルターとローパスフィルター(１７次のFinite Impulse Response Filter:以下「ＦＩＲ」フィルターと称す。)とで、構成したものを使用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
通常、計測される脈波信号は、被験者の体質・生理条件の個体差や測定時の体調の変化などにより、振幅が１００倍程度も変化する。従って、振幅の小さな脈波を計測した場合においても、有効に波形が解析できるためには、総合Ｓ／Ｎ比は１００００倍の８０ｄＢ程度が要求される。
【００１３】
上記従来技術において提案されたように、脈波アンプの構成を高域遮断周波数２８Ｈｚの二次ローパスフィルターを通してから、１０．６Ｈｚの一次ローパスフィルターを通すようにした場合、サンプリング周波数を２５０Ｈｚとした場合のナイキスト周波数１２５Ｈｚでの減衰量は、３０ｄＢを超えない。ところが、電源ラインからの誘導ノイズの振幅は、電源環境によっては平均的な容積脈波の振幅を超えるレベルに達する。従って、上記従来技術において提案された脈波アンプの場合、振幅の小さな脈波のデジタル信号解析においては、商用電源周波数５０Ｈｚの三次高調波１５０Ｈｚの折り返し歪など高周波数ノイズのエリアシングの影響を除くことができない。従って、より高精度の解析を行うためには、ハードウェアによる更に高価なアンチエリアシングフィルターが不可欠である。
【００１４】
また、加速度脈波の波形特徴点を正確に検出して波形解析を精度良く行う前提として、波形歪みがないことが上げられる。一般に、フィルターの応答に波形歪みがないことの条件として直線位相特性であることが上げられる。これは、一定周波数の波形をフィルターに入力した時に、出力波形の位相の変化量が、周波数に比例することを表しており、波形の極値などの特徴量の時間位置に大きなずれが生じないための条件と考えられる。しかしながら、このことは、波形に急峻な変化があったときに、アンダーシュートやオーバーシュートなどリップルの発生がないことを意味しない。線形位相特性のＦＩＲフィルターは、時間対称に構成することにより得ることができ、波形の応答特性は、フィルター係数の系列が単位インパルスに対する応答を表すことから評価できる。一般に、ＦＩＲの設計は、線形位相特性であることと、周波数特性に対する仕様を満たすように行われるが、脈波のような生体電気信号の波形解析においては、波形の応答特性にも充分注意を払う必要がある。
【００１５】
微分フィルターを差分フィルターで構成した場合には、周波数特性は正弦関数で表され、サンプリング周波数の四分の一の周波数(サンプリング周波数２５０Samples/secの場合、６２．５Ｈｚ)までが、周波数とともに感度が増大する微分特性を示し、サンプリング周波数の二分の一の周波数(サンプリング周波数２５０Samples/secの場合、１２５Ｈｚ)で感度がゼロとなる特性を示す。電源周波数６０Ｈｚは、加速度脈波の主要な周波数である５〜７Ｈｚに対して、約１０倍の周波数帯である。従って、微分フィルターの周波数特性から、加速度脈波においては、６０Ｈｚ帯域のノイズは、加速度脈波の最大振幅に対して１００倍近くに増幅されてしまうことになる。  
【００１６】
すでに述べたように、電源ラインからの誘導ノイズの振幅は、電源環境によっては標準的な容積脈波の振幅を超えるレベルに達する。従って、単純に微分フィルターとして差分フィルターを適用する場合に、商用電源周波数由来のノイズ成分を加速度脈波の振幅に対して１００分の１以下とするためには、約１万倍の８０ｄＢ以上の減衰量を達成する必要がある。
【００１７】
このように、デジタルフィルターを用いる場合、上記従来技術におけるように、微分フィルターとして、差分フィルターとローパスフィルターとで構成したものを用い、振幅の小さい波形で増幅度を上げると、商用電源周波数のノイズを完全には除去できず、二次微分波形に商用電源周波数のノイズ成分が見られるのが実情である(図１参照)。
【００１８】
さらに、デジタルフィルターの特性として、サンプリング周波数付近のノイズは１０Ｈｚ付近に折り返されて出現する。従って、サンプリング周波数を２５０Ｈｚとする場合、例えば、商用電源周波数６０Ｈｚの４次高調波２４０Ｈｚのノイズは１０Ｈｚのノイズとして出現する。
【００１９】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、加速度脈波の波形等の生体信号の波形の解析精度向上のため、急峻な波形変化に対する応答にリップルを発生させないで、脈波波形等の生体電気信号の波形に含まれる有効な周波数成分を１５Ｈｚ以上にするとともに、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ成分、及びその他のノイズ成分を除去可能な脈波計測装置等の生体現象測定記録装置、及びこれらのノイズ成分を有効に除去する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者は、脈波波形等の生体信号の波形により被験者の循環器系等の状態変化や、その変化をもたらす体調の変化を推定することができることより、脈波波形等の生体信号の波形を再現性よく測定し、かつ、測定の際の誘導ノイズを除くべく鋭意研究開発を行ってきた。その結果、特定の構成を有する脈波センサ等のセンサーとデジタルフィルターとを用いることにより、誘導ノイズが出現することなく、再現性よく正確に脈波波形等の生体信号の波形を測定できることに気がつき、本発明を完成させるに至った。
【００２１】
請求項１によれば、本発明の生体現象測定記録装置は、脈波を検出して脈波信号を出力する脈波センサと、該脈波信号を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する手段とからなる生体現象測定記録装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデジタル微分フィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターが、直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターから構成され、また、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデジタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成されていることを特徴とする。このように構成することにより、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ成分、及びその他のノイズ成分が有効に除去され、波形解析精度の向上した有用な脈波情報を得ることができる。
【００２２】
本発明の上記生体現象測定記録装置の構成において、１次、２次のアナログローパスフィルターの遮断周波数を２０〜３０Ｈｚとしているので、所望の減衰量を達成でき、また、急峻な入力波形に対する応答にリンギング状の波形変形は発生しない。しかし、この範囲を外れると、所望の減衰量の達成ができず、上記リンキング状の波形変形も発生する。また、初段のデジタルローパスフィルター及び後段の広域カットデジタル微分フィルターにおける遮断周波数が、１５Ｈｚ未満であると従来の場合と同等程度の性能しか得られず、また、初段のデジタルローパスフィルターにおける遮断周波数が３０Ｈｚを超えると、また、後段の高域カットデジタル微分フィルターにおける遮断周波数が４０Ｈｚを超えると、急峻な変化のある入力波形に対する応答にリンギング(振動波形)が生じる。
【００２３】
請求項２によれば、初段のデジタルローパスフィルターは、そのフィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えない直線位相特性を満たすＦＩＲフィルターであることを特徴とする。この場合、負値の絶対値の最大値が、正値の最大値の１．５％を超えると、応答特性に無視できないリップルが発生し、高次微分を用いた解析精度が大幅に低下するので、実用的ではない。
【００２４】
請求項３によれば、初段のデジタルローパスフィルターを、そのフィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えない直線位相特性を満たすＦＩＲフィルターから構成し、そして５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上、また、６０Ｈｚにおける減衰量が６０ｄＢ以上となるように構成すると共に、後段の高域カットデシタル微分フィルターを零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデシタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成することを特徴とする。
【００２５】
請求項４によれば、本発明の生体現象測定記録装置はまた、脈波を検出して脈波信号を出力する脈波センサと、該脈波信号を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する手段とからなる生体現象測定記録装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデシタル微分フィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターにおいて、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成すると共に、該後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近となるように構成することを特徴とする。
【００２６】
請求項５によれば、初段のデジタルローパスフィルターにおいて、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰量の最大値が６０ｄＢ（１／１０００）以上となるように構成し、また、後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰量の最大値が４０ｄＢ（１／１００）以上となるように構成することが好ましい。
【００２７】
上記の場合、一方の、初段のデジタルローパスフィルターにおいて零点となるように構成した商用電源周波数における、上記後段の高域カットデジタル微分フィルターの減衰量を２０ｄＢ以上（５０Ｈｚと６０Ｈｚとの間で２０ｄＢの差）となるように構成することは、比較的たやすいことである。同様に、他方の、後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて零点付近となるように構成した商用電源周波数における、上記初段のデジタルローパスフィルターの減衰量を４０ｄＢ以上となるように構成することは、比較的たやすいことである。そこで、本発明では、初段のデジタルローパスフィルターにおいて、一方の商用電源周波数付近における減衰量の最大値が６０ｄＢ以上とすることにより、高域カットデジタル微分フィルターの該商用電源周波数における減衰量を加えた総合減衰量が８０ｄＢ以上となるように、また、後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、他方の商用電源周波数付近における減衰量の最大値が４０ｄＢ以上とすることにより、デジタルローパスフィルターの該商用電源周波数における減衰量を加えた総合減衰量が８０ｄＢ以上となるように構成する。総合減衰量が８０ｄＢ未満となるように構成すると、計測された脈波の振幅が小さい場合などにおいて、商用電源周波数由来のノイズ成分を加速度脈波の振幅に対して１００分の１以下とすることができず、誘導ノイズを有効に除去できない。
【００２８】
生体信号解析に用いるデジタルローパスフィルターに要求されるステップ信号（階段状に変化する信号）入力に対する応答（以下、ステップ応答）のリップル許容幅として、１０ビット分解能（１０２４ステップ）に相当する０．１％（６０ｄＢ）を適用する。ステップ応答は、ステップ信号と、インパルス信号（１単位時間だけ値を持ち、他は零の信号）入力に対する応答（以下、インパルス応答；インパルス応答は、フィルター係数の系列により表される）との畳み込みで表されるので、ステップ応答のリップルの大きさは、インパルス応答の負の部分の面積と正の部分の面積の比で評価することができる。実用的には、アナログフィルターのステップ信号応答がデジタルフィルターに入力されるので、アナログフィルターのステップ信号応答の立ち上がり時間を考慮する必要がある。脈波計測に要求される立ち上がり時間を２０ｍｓｅｃ以内とすると、許容されるインパルス応答（＝フィルター係数）のリップル幅（負値の絶対値の最大値の、正値の最大値に対する比）を１．５％以内とすることにより、ステップ応答のリップル幅を０．１％以内の実用的に無視できるレベルにすることができる。更に、ステップ応答のリップル許容幅を０．０３％以内とする場合には、フィルター係数のリップル幅を１％以内に、ステップ応答のリップル許容幅を０．０１％以内とする場合には、フィルター係数のリップル幅を０．５％以内に抑える必要がある。
【００２９】
請求項６によれば、本発明の生体現象測定記録装置はまた、脈波を検出して脈波信号を出力する脈波センサと、該脈波信号を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する手段とからなる生体現象測定記録装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデシタル微分フィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターを、ＩＩＲ(Infinite Impulse Response)フィルターである６次以上１６次以下のベッセルフィルターから構成し、遮断周波数１５Ｈｚ〜３０Ｈｚの範囲で、５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上、また、６０Ｈｚにおける減衰量が６０ｄＢ以上となるように構成すると共に、該後段の高域カットデシタル微分フィルターを、零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデシタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が８０ｄＢ以上となるように構成することを特徴とする。
【００３０】
前記デジタルローパスフィルターと高域カットデシタル微分フィルターとの構成において、ローパスフィルターとしてＩＩＲフィルターを用いる場合について説明する。ＩＩＲフィルターは、一般的に直線位相特性とならない。しかしながら、脈波解析をリアルタイムで行う場合などにおいて、ＩＩＲフィルターを用いる必要がある。直線位相の最適近似フィルターとしてベッセルフィルターが知られており、このフィルターは、波形応答にリップルが発生しない。６次以上のベッセルフィルターを用いると、遮断周波数を１５Ｈｚとした時に、５０Ｈｚにおける減衰量は４０ｄＢ以上となる。しかしながら、このフィルターは、他のＩＩＲフィルターと比較すると周波数特性の遮断特性が最も悪く、遷移域の幅が広いため、遮断周波数を２５Ｈｚ以上とし、５０Ｈｚでの減衰量を４０ｄＢ以上とするためには１６次を越える非常に高次のフィルターを構成する必要がある。この場合、フィルター係数の最大値と最小値の比が十進１６桁以上にもなり、コンピューターでの倍精度浮動小数点演算の有効数字の桁数を超えてしまうため実用的でない。そこで、本発明では、６次以上１６次以下のベッセルフィルターを用いて、５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上、６０Ｈｚでの減衰量を６０ｄＢ以上となるように構成するとともに、高域カットデシタル微分フィルターを、零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚと６０Ｈｚにおける総合減衰量が８０ｄＢ以上となるようにする。
【００３１】
このように構成することにより、急峻な波形変化に対する応答にリップルを発生させないで、脈波に含まれる有効な周波数成分を１５Ｈｚ以上にするとともに、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ成分、及びその他のノイズ成分が有効に除去され得る。
【００３２】
尚、以上の説明で、初段にローパスフィルターを、後段に微分フィルターを配置する構成を示したが、これは一般に微分を施さない脈波（原脈波、光電脈波計においては容積脈波）の波形を表示することが多く、また容積脈波を解析・評価に用いることも行われるので、微分処理を行ってからローパスフィルター処理を行うことは実際上ほとんど行われないからである。また、ローパスフィルターにおいて減衰量を小さく設定したほうの商用電源周波数によるノイズが、容積脈波の波形表示に明瞭に認められないようにするには、該周波数における減衰量を４０ｄＢ以上とすることが好ましい。微分処理を行わない容積脈波の波形に付いての表示や解析・評価を必要とせず、微分もしくは２次微分波形の解析結果のみを用いる場合には、微分フィルターを前段に、ローパスフィルターを後段に配置しても良く、このようにしても数学的には同じ結果が得られる。
【００３３】
請求項７によれば、本発明の生体現象測定記録装置において用いる脈波センサは、発光部と受光部とを有し、該発光部と該受光部とにより被験者の指の脈波を測定する反射型の脈波センサであって、該発光部を、該受光部より指の動脈血流の下流側に、その上面が該受光部の上面よりも突出するように配置し、また、該発光部及び該受光部の上方に、赤外線透過性の窓部を、窓部上面が指の腹部を載置する床面よりも所定の距離だけ突出するように配置し、そして指の先端部を該発光部よりも指動脈血流のさらに下流側に装着するための空間が該床面の先端部分に設けられていることを特徴とする。この脈波センサを組み込んだ生体現象測定記録装置は、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ成分、及びその他のノイズ成分の除去された有用な脈波情報を得ることができる。
【００３４】
上記したように、発光部を、その上面が受光部の上面よりも高くなるように配置し、指の先端が照射光の経路よりも指動脈血流のさらに下流側に装着され得る構造をとることにより、指の発光部に対する密着性が良好になると共に、指動脈血流の下流側が圧迫されても、上流側が圧迫されるのに比べて脈波への影響は少なく、その結果、再現性よく脈波情報を得ることができる。また、発光部が受光部の上面と比べて突出しているため、指との接触面積は発光部の上面の面積と等しくなる。これに対し、発光部が受光部の上面と比べて突出していない場合は、指と床面との接触面積が増えるため、突出している場合と同一の単位面積あたりの接触圧を得るには、指にかかる全圧力は突出している場合よりも大きな圧力となる。この結果、波形の変化も大きなものとなる。
【００３５】
また、受光部を発光部より指の動脈血流の下流側に配置すると、以下述べるような押圧材を設けた場合、押圧部と押圧部よりも指動脈血流の下流側ではうっ血が発生するので、この部分の近くに受光部を設けると抹消動脈血流の循環の悪い波形が得られ、適切な評価ができない。
【００３６】
請求項８によれば、脈波センサにおける窓部は、その上面が指の腹部を載置する床面より０．１〜０．５ｍｍ突出するように配置されており、受光部は、その上面が指の腹部を載置する床面と同じレベルになるように配置されているか、又は所定の距離だけ床面より低くなるように配置されており、そして指の先端部を装着する空間の床面と対向する面に押圧材を取付け、この押圧材で発光部よりも指動脈血流のさらに下流側の指の先端部の上面を押さえるように構成することを特徴とする。押圧材は、この押圧材で指の先端部の上面を押さえる際の圧力が５０〜２００ｇＷとなるように構成されていることが望ましい。
【００３７】
請求項９によれば、本発明の生体現象測定記録装置はまた、生体現象を電気信号に変換して出力するセンサと、該信号波形を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された波形に基づいて生体現象を計測する手段とからなる生体現象測定記録装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターが、直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターから構成され、このＦＩＲローパスフィルターの構成において、遮断周波数が１５〜２５Ｈｚであって、フィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えず、かつ、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの双方での応答が零点付近になるように構成することを特徴とする。
【００３８】
上記したように後段に高域カットデジタル微分フィルターを用いない場合において、商用電源周波数５０Ｈｚと６０Ｈｚとが共に零点となるようなＦＩＲローパスフィルターを構成するには、一般的には、５０Ｈｚが零点となるＦＩＲローパスフィルターと６０Ｈｚが零点となるＦＩＲローパスフィルターを合成すればよい。ところが、合成フィルターの周波数特性は、元のフィルターの周波数特性の積となるから、元のフィルターの遮断周波数は設計遮断周波数よりも高くする必要がある。このため、５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ片方だけを零点とすればよい場合に比して、遮断周波数をより高周波数とすると、周波数特性がより急峻なフィルターを用いて合成することになり、その結果、インパルス応答のリップルが無視できないものとなる。
【００３９】
このジレンマを解決するため、ＦＩＲローパスフィルターにおける、最初の零点と２番目の零点が各々５０Ｈｚと６０Ｈｚになるようにすることが考えられる。しかし、残念ながら、遮断周波数が１５Ｈｚから３０Ｈｚで、第一零点と第二零点が５０Ｈｚと６０Ｈｚになり、インパルス応答のリップルが１．５％という要求を満足するフィルター構成を求める簡単な設計手法はなく、構成したフィルターの特性を計算で求めて仕様を満足するか確認するという、トライアンドエラーの手法で目的のフィルター構成を見出すことになる。こうして、窓関数を例えばハミング窓、ハニング窓、ブラックマン窓を用いた場合には、このような特性のフィルターはやはり周波数特性が急峻で、インパルス応答のリップルが無視できないものになることを示すことができる。
【００４０】
請求項１０によれば、生体現象測定記録装置が脈波計測装置であることが好ましい。
【００４１】
請求項１１によれば、本発明の生体現象測定記録装置はまた、生体現象を電気信号に変換して出力するセンサと、該信号波形を濾波して出力するフィルターと、該フィルターで濾波された波形に基づいて生体現象を計測する手段とからなる生体現象測定記録装置であって、該フィルターが、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターと、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターと、遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデジタル微分フィルターとで構成されており、該初段のデジタルローパスフィルターが、直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターから構成され、また、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデジタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成されていることを特徴とする。
【００４２】
請求項１２によれば、生体現象測定記録装置において、ＡＤ変換のサンプリング周波数を４５０Samples/sec以上で行うことが好ましい。ＡＤ変換のサンプリング周波数は、特に臨界的なものではなく、高い程よい。例えば、制御用マイクロコンピュータに安価なものを用いて、連続繰返しＡＤ変換の最大周波数が例えば３５ｋＨｚ程度の変換速度が遅いものを用いた場合でも、制御処理等のプログラムを考慮すれば、有効な脈波情報を得るためのサンプリング周波数として４５０Samples/sec(Ｈｚ)程度以上を得ることができる。サンプリング周波数を４５０Samples/sec未満とすると、有効な脈波情報を得るためには、４次以上のアンチエイリアシングフィルターを設けなければならず、装置構成が複雑になる。
【００４３】
サンプリング周波数が１ｋＨｚの時のナイキスト周波数５００Ｈｚでは、遮断周波数１５Ｈｚの３３倍なので、２次ＬＰＦで１/１１００に減衰する。また、遮断周波数２０Ｈｚ、３０Ｈｚでは各々１／６２５、１／３００に減衰する。従って、アナログの２次ＬＰＦでアンチエリアシングフィルターを構成することができ、ハードウェアを非常に安価に構成することができる。
【００４４】
また、ＡＤ変換の際のサンプリング周波数が高い程、ＡＤコンバーターが高価になると共に、フィルターの演算量が増えデジタル処理に時間がかかる。そのため、サンプリング周波数の上限は、適正な装置価格や処理時間等を考慮して適宜設定すればよい。
【００４５】
以上のようなサンプリング周波数を採用し、ローパスフィルターの零点(減衰量の最大点)を商用電源周波数の５０Ｈｚ又は６０Ｈｚとし、微分フィルターとして高周波数で減衰を効かせてローパスフィルターの零点の周波数とは異なる商用電源周波数を零点となるように構成したものを用いることにより、上記のようなプロセスを経て、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ、及びその他のノイズ成分を有効に除去することが可能となる。
【００４６】
更に、以下に述べるように、遮断周波数とフィルター次数の設定を最適化することにより、急峻な変化のある入力に対してオーバーシュートやアンダーシュートが実用的に無視できるフィルターを設計することが可能である。
【００４７】
請求項１３によれば、本発明のノイズ成分除去方法は、脈波センサで脈波を検出して脈波信号を出力し、フィルターで該脈波信号を濾波して出力し、該濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する際に、該脈波センサから出力された脈波信号を、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターを通して濾波し、この濾波された脈波信号を、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターであって、直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターを通して濾波を行い、次いで遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデジタル微分フィルターを通してさらに濾波を行い、その際、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデジタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成されているフィルターを用いて濾波を行って、該商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの双方において生体信号に乗る電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分を除去することを特徴とする。このように構成することにより、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ成分、及びその他のノイズ成分が有効に除去され、その結果として、波形解析精度の向上した有用な脈波情報を得ることができる。
【００４８】
請求項１４によれば、初段のデジタルローパスフィルターとして、そのフィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えない直線位相特性を満たすＦＩＲフィルターを用いて濾波を行うことを特徴とする。
【００４９】
請求項１５によれば、ノイズ成分除去方法において、初段のデジタルローパスフィルターを、そのフィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えない直線位相特性を満たすＦＩＲフィルターから構成し、そして５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上、また、６０Ｈｚにおける減衰量が６０ｄＢ以上となるように構成すると共に、前記後段の高域カットデシタル微分フィルターを零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデシタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成してある該初段のデジタルローパスフィルター及び後段の高域カットデジタル微分フィルターを用いて濾波を行うことを特徴とする。
【００５０】
請求項１６によれば、初段のデジタルローパスフィルターとして商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成されたフィルターを用いて濾波を行い、次いで前記後段の高域カットデジタル微分フィルターとして該商用電源周波数の他方での応答が零点付近となるように構成されたフィルターを用いて濾波を行うことを特徴とする。
【００５１】
請求項１７によれば、初段のデジタルローパスフィルターとして、商用電源周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰量の最大値が６０ｄＢ以上となるように構成されたフィルターを用いて濾波を行い、そして後段の高域カットデジタル微分フィルターとして、該商用電源周波数の他方での応答が零点付近になるように構成する場合、減衰量の最大値が４０ｄＢ以上となるように構成されたフィルターを用いて濾波を行うことを特徴とする。
【００５２】
請求項１８によれば、本発明のノイズ成分除去方法はまた、脈波センサで脈波を検出して脈波信号を出力し、フィルターで該脈波信号を濾波して出力し、該濾波された脈波信号に基づいて脈波情報を計測する際に、該脈波センサから出力された脈波信号を、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターを通して濾波し、この濾波された脈波信号を、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターとしてＩＩＲフィルターである、６次以上１６次以下のベッセルフィルターを用いて、遮断周波数１５Ｈｚ〜３０Ｈｚの範囲で、５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上、また、６０Ｈｚにおける減衰量が６０ｄＢ以上となるように構成すると共に、後段の高域カットデシタル微分フィルターを、遮断周波数１５〜４０Ｈｚとしかつ零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデシタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が８０ｄＢ以上となるように構成されているフィルターを用いて濾波を行って、該商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおいて生体信号に乗る電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分を除去することを特徴とする。
【００５３】
請求項１９によれば、ノイズ成分除去方法で用いる脈波センサ、フィルターは、上記した通りである。
【００５４】
請求項２０によれば、本発明のノイズ成分除去方法はまた、生体現象を電気信号に変換して出力し、フィルターで該信号波形を濾波して出力し、該濾波された波形に基づいて生体現象を計測する際に、該出力された波形を、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターを通して濾波し、この濾波された波形を、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターである直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターであって、遮断周波数が１５〜２５Ｈｚであり、フィルター係数の負値の絶対値の最大値が正値の最大値の１．５％を超えず、かつ、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの双方での応答が零点付近になるように構成されたフィルターを通して濾波を行い、該商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおいて生体信号に乗る電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分を除去することを特徴とする。
【００５５】
このように構成することにより、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ成分、及びその他のノイズ成分が有効に除去され、波形解析精度の向上した有用な生体情報を得ることができる。
【００５６】
請求項２１によれば、生体現象を電気信号に変換して出力し、フィルターで該信号波形を濾波して出力し、該濾波された波形に基づいて生体現象を計測する際に、該出力された波形を、遮断周波数２０〜３０Ｈｚの１次又は２次のローパスフィルターであるアナログフィルターを通して濾波し、この濾波された波形を、遮断周波数１５〜３０Ｈｚの初段のデジタルローパスフィルターであって、直線位相特性を満たすＦＩＲローパスフィルターを通して濾波を行い、次いで遮断周波数１５〜４０Ｈｚの後段の高域カットデジタル微分フィルターを通してさらに濾波を行い、その際、商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおける該初段のデジタルローパスフィルターと該後段の高域カットデジタル微分フィルターとのｄＢ単位の減衰量の和が、ともに８０ｄＢ以上となるように構成されているフィルターを用いて濾波を行って、該商用電源周波数５０Ｈｚ及び６０Ｈｚにおいて生体信号に乗る電源周波数、その高調波に由来するノイズ成分を除去することを特徴とするノイズ成分除去方法。
【００５７】
本発明のノイズ成分除去方法で用いる脈波センサ、フィルターは、上記した通りである。
【発明の効果】
【００５８】
本発明の生体現象測定記録装置によれば、特定のフィルターを備えているので、脈波波形等の生体信号の波形の解析精度の向上した有用な生体情報を得ることができる装置であって、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ、及びその他のノイズ成分を除去することが可能な装置を提供することができるという効果を奏する。
【００５９】
また、本発明の装置において脈波を検出して脈波信号を出力する脈波センサは、再現性よく正確な脈波信号を得ることができるので、その結果として、本発明の生体現象測定記録装置により、誘導ノイズが出現することなく、再現性のよい正確な脈波情報を提供することができる。
【００６０】
さらに、本発明のノイズ成分除去方法によれば、上記生体現象測定記録装置を用いて実施できるので、特定のフィルターを通して、脈波信号、容積脈波及び加速度脈波等の生体信号を順次濾波することにより、問題となる商用電源周波数とその高調波由来のノイズ、及びその他のノイズ成分を効率的に除去することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を、主として脈波波形との関連に基づいて説明するが、血圧波形、血流波形、眼振波形、呼吸波形、心電図波形、筋電図波形、脳波波形等の生体現象の波形等の生体信号の波形についても同様なことが言える。
【００６２】
アナログフィルターの設計と回路例によれば、１次ローパスフィルター(ＬＰＦ)と２次ＬＰＦとは、オペアンプ１個に数本の抵抗とコンデンサーを設けるだけでよいので、安価に構成することができる。図２にＶＣＶＳ(電圧制御電圧源)型の２次ＬＰＦの一例を示す。
【００６３】
ＬＰＦの遮断周波数を３０Ｈｚとすると、−５０ｄＢ(約１／３００)減衰する周波数は１次ＬＰＦでは約１０ｋＨｚ、２次ＬＰＦでは約５００Ｈｚとなる。従って、アナログＬＰＦを１次ＬＰＦとすると、必要なＡ／Ｄ変換のサンプリング周波数は２０ｋＨｚ程度となり、また、アナログＬＰＦを２次ＬＰＦとすると、必要なＡ／Ｄ変換のサンプリング周波数は１,０００Samples/sec(１ｋＨｚ)程度となる。
【００６４】
日本国内における商用電源周波数が５０Ｈｚ及び６０Ｈｚであることから、有用な脈波計測装置を提供するには、デジタルフィルターで５０Ｈｚと６０Ｈｚとがともに大きく減衰する構成を考える必要がある。一つのＬＰＦで、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚでの応答が共に零点近くになるように構成することは可能であるが、一般的なデジタルフィルターの構成で、遮断周波数を１５Ｈｚ以上とする場合は、急峻な遮断特性となり、リンギングの発生を無視することができない。同様に、遮断周波数を１５Ｈｚ以上として、８０ｄＢ以上の減衰量となるように設計することも可能であるが、やはり急峻な遮断特性となり、リンギングの発生を無視することができない。
【００６５】
また、デジタルフィルターの場合は丁度零点となるように構成することは困難であるので、実用上は、例えば総合減衰量が８０ｄＢ以上となるように構成する。
【００６６】
そこで、図３に示すように、初段のデジタルＬＰＦにおいて、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの一方（例えば、図３では６０Ｈｚ）での応答が零点付近になるよう構成すると共に、図４に示すように、後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、他方の周波数（例えば、図４では５０Ｈｚ）での応答が零点付近となるように構成する。
【００６７】
上記において、デジタルＬＰＦにおいて零点に設定しなかった方の商用電源周波数（例えば、５０Ｈｚ）における減衰量は４０ｄＢ以上となるように構成することが望ましい。この構成により、５０Ｈｚ、６０Ｈｚの両地域において、共に速度、加速度脈波から商用電源周波数等由来のノイズを効率よく除去することができる。また、デジタルＬＰＦにおいて零点に設定しなかった方の商用電源周波数地域（例えば、５０Ｈｚ）においては、脈波信号に乗る商用電源周波数のノイズは実用上無視できるレベルになるとともに、微分演算を伴う解析処理において、両方の商用電源周波数ノイズの影響を受けずに加速度脈波の波形特徴量を抽出することができる。
【００６８】
上記のように商用電源周波数(６０Ｈｚ、５０Ｈｚ)での応答が、要求される減衰量を満足するフィルター係数の算出法は、以下の通りである。
【００６９】
ＦＩＲデジタルフィルターのフィルター係数をＣ(ｋ)とすると、出力(ｙ)と入力(ｘ)との関係は次式(１)で示される。
【００７０】
【数１】
2005287820.tif 000003
また、周波数特性を表す伝達関数Ｈ(ｆ)は、次式(２)で示される。
【００７１】
【数２】
2005287820.tif 000004
（式(２)中、周波数ｆは、サンプリング周波数ｆｓを１に規格化した値で表す。また、ｉは虚数単位を表す。以下同様とする。）
直線位相特性をもつＦＩＲローパスフィルターは、時間的に対称であって、Ｃ(ｋ)＝Ｃ(−ｋ)である。
【００７２】
【数３】
2005287820.tif 000005
ｆｃを遮断周波数とする理想フィルターのフィルター係数をｈ(ｋ)とすると、このフィルター係数は次式(４)で示される。
【００７３】
【数４】
2005287820.tif 000006
ｋを有限で打ち切ると、周波数特性にリップルが発生するので、通常、ＦＩＲデジタルフィルターのフィルター係数は、窓関数ｗ(ｋ)を用いて次式(５)で示される。
【００７４】
【数５】
2005287820.tif 000007
上式(５)のフィルター係数を式(３)に代入すると、周波数特性Ｈ(ｆ)が求まる。
この窓関数ｗ(ｋ)は、例えば、ハニング窓ｗｈ(ｋ)であれば、次式(６)で示される。
【００７５】
【数６】
2005287820.tif 000008
ここで、Ｌの２倍がフィルターの次数を表す。
例えば、商用電源周波数６０Ｈｚでの応答を零とするには、次式(７)：
【００７６】
【数７】
2005287820.tif 000009
から、ｆｃ、Ｌを求める。一般には、正確な解は求まらず、目的にあった適当な近似解を採用する。
【００７７】
次に、これらの解のうち、急峻な波形変化に対する応答にリップルの発生が無視できるものの範囲について検討する。
【００７８】
窓関数をハニング窓としたときの解の一つは、ｆｃ＝０．０２（サンプリング周波数１ｋＨｚのとき、２０Ｈｚ）、Ｌ＝３２である。このときの周波数振幅特性を上記した図３に、フィルター係数のグラフを図５に示す。図３から分かるように、２番目の零点がほぼ６０Ｈｚに一致している。また、フィルター係数の系列は、図５から分かるように、インパルス応答の時系列を表すので、インパルス応答のリップル(アンダーシュート)は、０．５８３％である。サンプリング周波数と遮断周波数を固定して１番目の零点を５０Ｈｚとするためには、Ｌを２７とすればよい。このとき、リップルの大きさは更に小さいので、設計仕様を満足する。どちらを採用するかは、遮断周波数以上の高周波数成分をどの程度除去する必要があるかによるが、脈波計測においては体動等の影響を考慮すると、実用上許される範囲で急峻な遮断特性が好ましく、前者の方が実用的である。
【００７９】
次に、遮断周波数を高周波側に設定したときの条件を検討する。
【００８０】
フィルター係数の式のｓｉｎ２πｋｆｃの項の値が０となるのは、ｓｉｎの引数２πｋｆｃがπとなるとき、つまり、ｋ＝１/２ｆｃのときで、それよりｋが大きくなると、負の値となる。このｋの値よりも、Ｌの値が大きくなるほど、フィルター係数の負の値が大きくなり、インパルス応答のリップルも大きくなる。
【００８１】
ｆｃが大きくなると、ｓｉｎ２πｋｆｃの値が０となるｋは、小さくなる。例えば、ｆｃ＝０．０２０のときｋ＝２５であり、ｆｃ＝０．０２５のときｋ＝２０、また、ｆｃ＝０．０３０のときｋ＝１６．７であって、これに伴い、リップルを１．５％以内に押さえることができるＬの値も小さくなる。実際、遮断周波数が３０Ｈｚのとき、最初の零点を６０Ｈｚになるようにすると、遮断特性が急峻となりすぎ、インパルス応答のリップルが１．５％を越えてしまう。従って、設計基準として、インパルス応答が１.５％を超えないようにしようとすると、ハニング窓を用いる時には、遮断周波数は３０Ｈｚ以下にする必要がある。
【００８２】
このことを念頭において、ｆｃ＝０．０２４８、Ｌ＝２３とすると、最初の零点が６０Ｈｚに近くなり、かつインパルス応答のリップルを１．５％以内に押さえることができる。しかし、２５Ｈｚを超える高周波数での減衰特性が悪く、５０Ｈｚでの減衰量は３０ｄＢ以下であるので、以後の加速度脈波の解析において、高周波ノイズの処理に注意を要する。
【００８３】
また、前記微分フィルターの零点のみを利用する場合、上で述べたように、インパルス応答のリップル幅を１．５％以内とするＦＩＲローパルスフィルターは、サンプリング周波数と設計遮断周波数及び窓関数に応じてフィルターの次数を制限することにより実現することができる。
【００８４】
ハニング窓を使用した場合には、フィルターの次数２Ｌを（０．８＊サンプリング周波数／遮断周波数）＜２Ｌ＜（１．５＊サンプリング周波数／遮断周波数）を満たすように構成して最適化することにより、商用電源周波数５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚのどちらか一方が零点付近となるように構成するとともに、後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、商用電源周波数の他方が零点付近となるように構成することにより、５０Ｈｚと６０Ｈｚにおけるローパスフィルターと微分フィルターの減衰量の和が８０ｄＢ以上となるように構成することができた。しかしながら、遮断周波数を１５Ｈｚ以上として、零点を用いずに６０Ｈｚでの減衰量が８０ｄＢ以上となる（最初の零点を６０Ｈｚ未満とし、阻止域での減衰量の最小値が８０ｄＢ以上となる）ように構成しようとすると、インパルス応答のリップル幅が１．５％を越えてしまう。
【００８５】
窓関数として、ブラックマン窓を用いると、上の問題を解決できる。ブラックマン窓ｗｂ(ｋ)は、次式(８)で表され、阻止域での減衰量は大きく取れるが、同じ遮断周波数であればフィルター次数がより大きくなる性質がある。
【００８６】
【数８】
2005287820.tif 000010
【００８７】
ブラックマン窓を用いて要求仕様を満足するフィルターの例として、サンプリング周波数１ｋＨｚ、遮断周波数２０Ｈｚ、フィルター次数２Ｌ＝８０のときの周波数特性を図６に示す。このときのフィルター係数のリップル幅は、１．２６５％である。
【００８８】
フィルターの理論から、周波数特性が滑らかなほど、インパルス応答のリップルが少ないことがいえるので、滑らかな周波数特性をもつように最適化されたカイザー窓を用いると、リップル幅とフィルターの次数が更に小さいフィルターを設計することができる。カイザー窓ｗｋ(ｋ)は、次式(９)で与えられる。
【００８９】
【数９】
2005287820.tif 000011
ここで、Io(α)は第一種変形ベッセル関数であって、αは、阻止域の設計減衰量Ａ(ｄＢ)から次式(１０)で求められる。
【００９０】
【数１０】
2005287820.tif 000012
これは、Ａ≧５０の場合の算式であるが、他のケースについては用いないので説明しない。
【００９１】
カイザー窓を用いて、遮断周波数を１５Ｈｚから２５Ｈｚとした場合には、フィルターの次数２Ｌが、（１．２＊サンプリング周波数／遮断周波数）＜２Ｌ＜（１．６＊サンプリング周波数／遮断周波数）を満たすようにすると、阻止域の設計減衰量を６０ｄＢ以上として、５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上、６０Ｈｚにおける減衰量が６０ｄＢ以上となるように構成することができる。このとき、後段の高域カットデジタル微分フィルターにおいて、零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚと６０Ｈｚにおけるローパスフィルターと微分フィルターの減衰量の和が８０ｄＢ以上となるように構成することができる。サンプリング周波数を１ｋＨｚとした時に、カイザー窓を用いて遮断周波数を２０Ｈｚ、阻止域の設計減衰量を８０ｄＢ、フィルターの次数２Ｌを７０としたときのフィルター係数のリップル幅は０．５９％であって、ブラックマン窓を用いるよりもより小さいフィルター次数で応答特性に優れたフィルターが構成できることがわかる。
【００９２】
次いで、ＩＩＲフィルターを用いる場合について説明する。
前記デジタルローパスフィルターと高域カットデシタル微分フィルターとの構成において、ローパスフィルターとしてＩＩＲフィルターを用いる場合は次のように構成する。直線位相の最適近似フィルターとして知られているベッセルフィルターを用いる。ベッセルフィルターの係数は、ベッセル多項式Ｂ(ｓ)から求められ、周波数特性は、このベッセル多項式より、次の式により求められる。
【００９３】
【数１１】
2005287820.tif 000013
（式中、Ｃｂはベッセル多項式の定数項である。）
【００９４】
６次のベッセルフィルターの周波数特性を図７に示す。
【００９５】
６次以上のベッセルフィルターを用いて、６０Ｈｚでの減衰量を６０ｄＢ以上、５０Ｈｚにおける減衰量が４０ｄＢ以上となるように構成するとともに、高域カットデシタル微分フィルターを、零点が５０Ｈｚ付近となるように構成することにより、５０Ｈｚと６０Ｈｚにおける総合減衰量が８０ｄＢ以上となるようにすることができる。
【００９６】
次に、微分フィルターの零点を用いない上記した構成の場合について、５０Ｈｚと６０Ｈｚとを共に零点に持つＬＰＦを検討する。この条件でかつインパルス応答が設計仕様を満足するなら、次段の微分フィルターに課す電源周波数での減衰量の条件が不要となる。
【００９７】
例えば、ハニング窓で、Ｌ＝４２、遮断周波数３０Ｈｚで、５０Ｈｚと６０Ｈｚ近くで零点となるようにできるので、窓関数の最適化も含めて調整すれば、５０Ｈｚと６０Ｈｚとで同時に零点となるようなフィルターを設計することができる。しかしながら、このとき遮断特性が急峻な為、インパルス応答に無視できないリップルが発生する。また、阻止域での減衰量の最小値を８０ｄＢとなるように設計した場合も、同様に遮断特性が急峻となるため、インパルス応答に無視できないリップルが発生する。
【００９８】
今までに検討した、５０Ｈｚに零点を持つＬＰＦと６０Ｈｚに零点をもつＬＰＦを組み合わせる場合を考えると、上で設計したものをそのまま用いると、２０Ｈｚの減衰量が倍になり、設計仕様を満たさない。合成したフィルターの周波数特性が設計仕様を満足するためには、遮断周波数を２５Ｈｚより大きくしなければならないが、既に述べたように、このとき、５０Ｈｚに零点を持つＬＰＦは、やはりインパルス応答のリップルが大きくなり、設計仕様を満足しなくなる。
【００９９】
そこで、窓関数を最適化して設計仕様を満足するようにできないか検討してみると、滑らかな周波数特性となるように構成された窓関数にカイザー窓がある。窓関数として、このカイザー窓を適用することにより、目標とする設計仕様を満足するフィルター構成を見出すことができた。
【０１００】
カイザー窓を用いて、設計仕様を満足する設計パラメーターとそのときのフィルター係数及び周波数特性のグラフを図８に示す。この時のフィルター係数のリップル幅は１．０１２％である。上に述べた方法で検討を進めた結果、設計仕様を満足する設計パラメータの範囲を次のように絞り込むことができた。
【０１０１】
サンプリング周波数≧４５０Ｈｚ
遮断周波数：１５〜２５Ｈｚ
フィルター次数２Ｌ：（０．８＊サンプリング周波数／遮断周波数）＜２Ｌ＜（１．５＊サンプリング周波数／遮断周波数）
設計減衰量：５０ｄＢ〜６０ｄＢ
【０１０２】
なお、デジタルフィルターにおいては、窓関数やフィルター係数がデジタルデーターであるため、これらの値を設計値から補正を加えた修正窓関数もしくは修正フィルター係数を用いることにより、上記設計範囲内で、５０Ｈｚ、６０Ｈｚともに零点付近となるよう構成することができる。
【０１０３】
上記した構成において、例えば２０ＨｚをデジタルＬＰＦの遮断周波数とした場合に、アナログＬＰＦ、デジタルＬＰＦとも、リンギング発生の極めて少ないなだらかな周波数特性となるように構成してあるので、高域カットデジタル微分フィルターの遮断周波数をより高周波側に設定すれば、２０Ｈｚよりも高周波の加速度脈波信号成分も評価可能になる。
【０１０４】
また、サンプリング周波数を４５０Samples/sec程度以上、好ましくは４５０〜２０,０００Samples/sec程度、さらに好ましくは１,０００〜５,０００Samples/sec程度とし、初段のデジタルＬＰＦの零点(減衰量の最大点)を商用電源周波数の５０Ｈｚ又は６０Ｈｚとし、デジタル微分フィルターとして、高周波数で減衰を効かせてデジタルＬＰＦの零点の周波数とは異なる商用電源周波数を零点となるように構成したものを用いることにより、上記のようなプロセスを経て、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ、及びその他のノイズ成分を有効に除去し、有効な脈波情報を得ることができる。
【０１０５】
本発明の脈波計測装置で用いる反射型脈波センサについて、以下、図面を参照して説明する。
【０１０６】
ところで、加速度脈波計には反射型と透過型との二種類があり、さらに光源波長、フィルターの種類、微分形式等の違いにより、各製品の波形は微妙に異なっている。本発明では、下記の反射型脈波センサ（脈波計）を用いて加速度脈波を測定し、これを解析して脈波情報を得た。この脈波センサを採用すれば、今後の研究の発展や健康管理にも有用であると考えられる。
【０１０７】
本発明で用いる脈波センサは、発光部と受光部とを有し、発光部と受光部とにより被験者の指の脈波を測定する反射型の脈波センサであって、この発光部を、受光部より指の動脈血流の下流側に、その上面が受光部の上面よりも突出するように配置し、また、発光部及び受光部の上方に、赤外線透過性の窓部を、その上面が腹部を載置する床面よりも所定の距離だけ突出するように配置し、そして指の先端部を発光部よりも指動脈血流のさらに下流側に装着するための空間が床面の先端部分に設けられている脈波センサである。
【０１０８】
このように構成することにより、指の発光部に対する密着性が良好になると共に、指動脈血流の下流側が圧迫されても、上流側が圧迫されるのに比べて脈波への影響は少なく、再現性よく脈波情報を得ることができる。また、指と発光部との接触面積は発光部の上面の面積と等しくなり、指にかかる接触面積が小さいので、波形の変化はほとんどない。
【０１０９】
上記指の先端部を装着する空間の床面と対向する面に押圧材を取付け、押圧材で発光部よりも指動脈血流のさらに下流側の指の先端部の上面を押さえるように構成することが好ましい。被験者は、脈波測定中に意識的・無意識的に指先に力を入れる場合がある。この場合に、力を抜くように指導すると、被験者の指の形状によっては、センサへの密着性が悪くなることがある。力を入れる場合も、力を抜く場合も、指の小さな動きによるノイズが発生する。押圧材を設けることにより、ノイズが減少し、測定データの再現性が増し、正確な脈波情報を得ることができる。
【０１１０】
上記したように、押圧部位を指の先端部上面の小面積に限るように構成してあるので、押圧部位の上流側の指動脈血流部分の脈波を再現性よく正確に測定することができる。
【０１１１】
上記窓部の上面は、指の腹部を載置する床面より通常０．１〜１．５ｍｍ程度、望ましくは０．２〜１．０ｍｍ程度、更に望ましくは０．３〜０．５ｍｍ程度突出するように配置されることが好ましい。
【０１１２】
上記押圧材で窓部より先の指の先端部の上面を押さえる際の圧力を通常５０〜２００ｇＷ、望ましくは７０〜１５０ｇＷになるように構成することが好ましい。５０ｇＷ未満であると、脈波の振幅が小さく、測定時の振動や被験者の指のふるえによるノイズが入りやすく、また、被験者の緊張などにより測定波形が変形しやすい。また、２００ｇＷを超えると測定波形が極端に変形する。なお、指全体を加圧すると測定波形が変形し、再現性が低下する。
【０１１３】
なお、受光部を発光部よりも指の動脈血流の下流側に配置すると、上記したような押圧材を設けた場合、押圧部と押圧部よりも指動脈血流の下流側とにおいてうっ血が発生するので、この部分の近くに受光部を設けると抹消動脈血流の循環の悪い波形が得られ、適切な評価ができない。
【０１１４】
上記発光部は、その上面が指の腹部を載置する床面より通常０．１〜１．５ｍｍ程度、好ましくは０．２〜１．０ｍｍ程度、さらに好ましくは０．３〜０．５ｍｍ程度突出するように配置されてもよい。発光部をこのように配置すると、指腹部の皮膚面が発光部上面から下に被さるので、測定データに対する外乱光や漏洩光や反射光の影響を小さくすることができると共に、被験者が指を装着する際に、その突出部に触れることによりセンサ位置を認識して、指を所定の位置に載置し易いという利点がある。しかし、０．１ｍｍ未満であると、センサ位置を確認し難いので、指先を所定位置に載置し難いと共に、測定データに対する反射光の影響が大きくなる。また、１．５ｍｍを超えると、指皮膚面が床面から浮くため、不安定な装着状態になると共に、指を載置した時の指に対する圧力により波形の変形が生じて再現性が悪くなり、測定される脈波データにバラツキが生じて、正確な脈波情報を得ることが難しくなる。
【０１１５】
上記受光部は、その上面が指の腹部を載置する床面と同じレベルになるように配置されているか、又は所定の距離だけ床面より低くなるように配置されていてもよく、これにより発光部に対する指の密着性がより良好になる。
【０１１６】
上記発光部の側面は、発光部から指内に照射される光が外部に漏れるのを阻止しかつ指の腹部表面からの反射光を阻止するために、遮光壁で囲まれていることが好ましい。
【０１１７】
上記発光部は、内面が照射光に対する反射特性を有する遮光壁内部に配置され、遮光壁の上端が、指の腹部を載置する床面から通常０．１〜１．５ｍｍ程度、好ましくは０．２〜１．０ｍｍ程度、さらに好ましくは０．３〜０．５ｍｍ程度突出するように構成され、指の腹部がこの上端に載置されて遮光壁上端全面を覆うようにすることが好ましい。遮光壁の上端をこのような範囲内になるように突出させると、指腹部の皮膚面が発光部上面から下に被さるので、測定データに対する外乱光や漏洩光や反射光の影響を小さくすることができると共に、被験者が指を装着する際に、遮光壁の突出位置に触れることによりセンサ位置を認識して、指を所定の位置に載置し易いという利点がある。
【０１１８】
しかし、０．１ｍｍ未満であると、遮光壁位置を確認し難いので、指先を所定位置に載置し難いと共に、発光部からの照射光や指腹部表面からの反射光が漏れ易くなり、測定データに対する反射光の影響が大きくなる。また、１．５ｍｍを超えると、指皮膚面が床面から浮くため、不安定な装着状態になると共に、指を載置した時の指に対する圧力により波形の変形が生じて再現性が悪くなり、測定される脈波データにバラツキが生じて、正確な脈波情報を得ることが難しくなる。
【０１１９】
以下、図面を参照して本発明で用いることができる脈波センサについて詳細に説明する。
【０１２０】
図９は、反射型脈波センサの要部である指装着部の断面構造を示す図(図９(Ａ))、並びに発光部及び受光部の近傍を拡大して示す図(図９(Ｂ))であり、指を装着した状態で示す。
【０１２１】
この反射型脈波センサは、発光部及び受光部を有し、被験者の指を装着して脈波の測定ができるものであって、蓋部を構成する開閉自在の合成樹脂製の上方部分と、指腹部を載置することができるように構成された合成樹脂製の床部分とを有してなる。上方部分はその内面が指の外形に沿った形状をしていてもよく、また、床部分はその床面が平坦であっても又は外乱光を遮断するために指の付け根側がやや高く又は低くなるように傾斜した形状になっていてもよい。以下述べるように、上方部分の先端部には押圧材が設けられ、床面に載置した指の動脈血流の発光部よりもさらに下流側の指の先端部分を押さえて固定できるようになっており、また、床部分には発光部及び受光部が所定の位置に配置されている。この押圧材は、指の先端部分を押さえて固定できるものであればよく、例えば、クッション材や、バネ材のような板材などでよく、所定の圧力で指の先端部分を押さえることができるように構成されている。また、このセンサには、反射光の電流／電圧変換回路、増幅器が設けられており、このセンサをパーソナルコンピュータに接続すれば、センサからの出力に基づき正確な脈波情報を得ることができる。
【０１２２】
この脈波センサの場合、指装着部に指を差し込み、指の先端部分の腹部に赤外線などの光を当てると、毛細血管中のヘモグロビン（赤血球）が光の一部を吸収し、光の反射量が変化する（血液量が多い部分は光の反射量が少なくなる）。この微妙な光の反射量の変化を検出し、検出された反射光を電流から電圧へ変換し、増幅器に送信し、増幅された信号電圧をパーソナルコンピュータを利用してＡＤ変換して出力し、脈波情報として活用する。
【０１２３】
脈波センサの要部を構成する指装着部には、図９(Ａ)及び(Ｂ)に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子からなる発光部１が、フォトダイオード（ＰＤ）などの半導体受光素子からなる受光部２よりも被験者の指３の動脈血流の下流側に配置される。指内の発光部１からの照射光１ａの経路を見ると、発光部分の光束は、指内を進むにつれて拡散して拡がる。このため、発光部１からの入射光量変化による受光部２の光量変化は大きく、受光部２の位置変化による受光する拡散光の光量変化は小さい。従って、発光部１を指に密着するようにすることが必要となる。しかし、密着性を良くすることは、指に余分の圧力を加えることにつながる。そこで、発光部１を受光部２より指動脈血流の下流側に配置し、指に余分の圧力が加わらないようにする。
【０１２４】
また、発光部１は、その上面が受光部２の上面より所定の距離だけ突出する（すなわち、高くなる）ように配置される。すなわち、発光部１の高さＨ１が受光部２の高さＨ２より所定の距離だけ高くなるように構成する。指装着部の先端部分には、赤外ＬＥＤなどからなる発光部１から照射される光１ａの経路よりも指動脈血流のさらに下流側に空間４が設けられ、指３の先端部がこの空間内に載置され得るように構成される。
【０１２５】
図９(Ａ)及び(Ｂ)によれば、発光部１及び受光部２の上方に赤外線透過性の窓部７が設けられている。この窓部７は、その上面が被験者の指の腹部を載置する床面５よりも所定の距離(０．１ｍｍ以上、例えば約０．３５ｍｍ)だけ高くなるように配置されている。窓部７を、図９(Ｂ)に示すように、発光部１及び受光部２を覆うように床面の縁端部上に載置して固定しても、又は縁端部の切欠き上に載置して固定してもよく、その配置の仕方に制限はない。窓部７を設けることにより、発光部１及び受光部２と被験者の指とが直接接触しないようになる。これにより、通電部に影響が及ぶことはなく、また、発光部及び受光部表面の汚れを清拭しないで済み、メンテナンスが楽になる。
【０１２６】
窓部７の外形は特に制限されず、例えば、厚さ０．５ｍｍ程度の板状でよい。この窓部７の上面を凹レンズで構成すれば、射出光の指向性をさらに広げることができる。この窓部の材料としては、赤外線に対して透光性が高い赤外線透過性材料であれば特に制限はなく、例えば、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂等や赤外線透過性ガラスをあげることができる。
【０１２７】
本発明で用いる脈波センサによれば、発光部を、受光部より指の動脈血流の下流側に、その上面が受光部の上面よりも所定の距離突出するように配置し、また、発光部及び受光部の上方に、赤外線透過性の窓部を、その上面が腹部を載置する床面よりも所定の距離だけ突出するように配置し、そして指の先端部が発光部よりも指動脈血流のさらに下流側に装着され得るように、床面の先端部分に空間を設けてあるので、指の発光部に対する密着性が良好になると共に、指動脈血流の下流側が圧迫されても、上流側が圧迫されるのに比べて脈波への影響は少なく、再現性よく正確な脈波情報を得ることができる。
【０１２８】
また、この脈波センサでは、発光部及び受光部の上方に赤外線透過性の窓部を、窓部の上面が指の腹部を載置する床面よりも所定の距離だけ突出するように配置してあるので、測定波形への影響は少なく、再現性よく正確な脈波情報を得ることができる。
【０１２９】
指装着部の指腹部を載置する面は、指載置床面５として構成される。床面５には発光部１及び受光部２が所定の位置に設けられ、床面の先端部分は傾斜して立ち上がり、指の先端が適切に納まるように構成される。この指装着部において、発光部１の配置された位置より動脈血流の下流側であって、床面と対向する面に押圧材６が設けられる。この押圧材により、装着された指の先端部分（好ましくは、爪部）を軽く押さえ、装着された指が動かないように固定する。このように構成することにより、被験者の意識的・無意識的な指の小さな動きが少なくなって、ノイズ発生が減少し、その結果、測定波形の変化も少なくなる。なお、押圧材により動脈血流の下流側を圧迫しても、脈波への影響は小さい。
【０１３０】
発光部１からの照射光１ａが指の皮膚表面で反射して受光部２に入り込むと、この反射光がノイズとなり、受光部２に入る受光量が変動する。このために、正確な脈波を測定することができなくなる。また、照射光１ａが脈波センサの外部に漏れると、照射光の効率が下がり、かつ、受光部が受け取る反射光２ａの光量が減少して正確な脈波を測定することが困難になる。そのため、余分な反射光や漏洩光を阻止するために、発光部１の側面を遮光壁で囲んでもよい。この遮光壁は、反射光や漏洩光をなくすような形状であれば、その形状は問わないが、例えば、発光部１の外周形状に沿った円筒状などの形状が好ましい。装着された指は、この遮光壁の上面の所定の点で密着し、固定される。遮光壁は、その受光部２側が黒色であってもよく、また、その内面が鏡面であってもよい。遮光壁の材料としては、赤外線を遮る性質を有する材料であれば特に制限はなく、例えば、赤外線を実質的に透過させないポリプロピレン系樹脂やＡＢＳ系樹脂などの熱可塑性樹脂など、又はこれらに黒色塗装などの表面処理を施したものをあげることができる。
【０１３１】
発光部１の上面に赤外線透過性の絶縁体キャップを設け、発光部１と指３とが直接接触しないようにしてもよい。これは、発光部の通電部に影響を及ぼさないようにするためと、発光部表面の汚れを清拭しないで済むようにするためである。絶縁体キャップの外形は、例えば、発光体１の上方部分の形状に沿った円筒形状などの形状であればよい。絶縁体キャップの上面を凹レンズで構成すれば、射出光の指向性をさらに広げることができる。この絶縁体キャップの材料としては、赤外線に対して透光性が高い赤外線透過性材料であれば特に制限はなく、例えば、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂等や赤外線透過ガラスをあげることができる。また、受光部２と指３とが直接接触して指に圧力がかからないように、受光部２と指３との間に隙間を設けるような構造とすることが好ましい。
【０１３２】
発光部１の発光素子と受光部２の受光素子との指向性の影響について図１０に示す。図１０(Ａ)に示すように、発光部１の発光素子と受光部２の受光素子との配置が従来の指向性が強い配置の場合、発光部１の発光ダイオードの光軸がずれると、有効な検出領域もずれる。しかし、上記したように、指向性の弱い発光部１の発光素子と受光部２の受光素子とを接近して配置すれば、図１０(Ｂ)に示すように、発光ダイオードの光軸のずれに対する有効検出領域のずれは相対的に小さい。そのため、得られる脈波情報は正確となる。
【０１３３】
発光部１からの照射光の射出角（半値角）αを通常５０度以上、好ましくは５０〜８５度、より好ましくは５０〜８０度とすることにより、有効検出領域のずれは相対的に少なくなる。５０度未満であると、有効検出領域のずれが大きくなり、正確な脈波データを得ることが困難になる。
【０１３４】
上記脈波センサにおいて、発光部１と受光部２との距離が長くなる程、加速度脈波の波形であるａ波の振幅は小さくなり、ノイズ成分が発生し易くなって、測定波形の変形が大きくなる傾向がある。また、この距離が長い程、圧力の影響がある指部位の脈波を測定することになり、測定波形が変形し易い。そのため、発光部と受光部との距離を、所定の距離、例えば、通常８ｍｍ以内、好ましくは６ｍｍ以内に設定すれば、加速度脈波のａ波の振幅及びｂ波とａ波との比(ｂ/ａ)は適切な範囲内に納まる。この場合、光軸のずれも少なく、有効検出領域のずれも少なく、また、波形は変形し難い。なお、この距離が上記範囲を外れた動脈上流側の指部位では、動脈血管が膨らんで、ｂ/ａが小さい(絶対値が大きい)状態になり、また、下流側の指部位では、鬱血状態となって、ｂ/ａが大きい(絶対値が小さい)状態になる。また、発光部と受光部との距離の下限は、特に制限はなく、発光部と受光部との物理的な大きさや脈波センサの大きさなどに依って所望により設定できる最低距離であればよい。例えば、２〜３ｍｍ程度に設定してもよい。
【０１３５】
また、絶縁体キャップが脱落しないようにして、脈波センサ本体の取り扱い性を向上させるため、絶縁体キャップの下方部分につば部を設けた構造としてもよい。さらに、絶縁体キャップの上面を凹レンズで構成すれば、射出光の指向性をさらに広げることができる。
【０１３６】
上記した脈波センサでは、受光部は、指に圧力がかからないように、その上面が指装着部の床面と同一高さ又はそれより下になるように配置される。これにより、受光部に入射する光の割合が最も多い受光部上面位置にあたる指部分が圧迫されないようになる。例えば、受光部を脈波センサの指載置床面より１ｍｍ程度低くなるように配置すればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明によれば、特定のフィルターを備えているので、脈波波形等の生体電気信号の波形の解析精度の向上した有用な生体情報を得ることができるため、また、商用電源周波数とその高調波由来のノイズ、及びその他のノイズ成分を効率的に除去することができるため、本発明は、脈波計測装置等の生体現象測定記録装置を用いる分野において有効に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】従来の光電式指尖容積脈波計による出力波形図であり、ノイズの乗った脈波波形の一例を示す波形図。
【図２】ＶＣＶＳ(電圧制御電圧源)型の２次ローパスフィルターの回路例。
【図３】本発明で用いる初段のデジタルローパスフィルターの例を説明するための波形を示すグラフ。
【図４】本発明で用いる後段の高域カットデジタル微分フィルターの例を説明するための波形を示すグラフ。
【図５】ハニング窓について説明するためのフィルター係数のグラフ。
【図６】ブラックマン窓について説明するための波形の周波数特性を示すグラフ。
【図７】６次のベッセルフィルターの周波数特性を示すグラフ。
【図８】カイザー窓について説明するための周波数特性を示すグラフ。
【図９】本発明で用いる脈波センサの構造の一例を示す断面図であり、(Ａ)は脈波センサの要部である指装着部の模式的構造を示す断面図、(Ｂ)はその発光部及び受光部の近傍の拡大断面図。
【図１０】脈波センサにおける発光素子と受光素子との光の指向性を示す模式図であり、(Ａ)は従来技術の場合、(Ｂ)は本発明で用いる脈波センサーの場合の指向性の影響について示す図。
【符号の説明】
【０１３９】
１  発光部                            ２  受光部
１ａ  照射光                          ２ａ  反射光
Ｈ１  発光部の高さ                     Ｈ２  受光部の高さ
５  指載置床面                        ６  押圧材
７  窓部
【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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