(57)【要約】【課題】生体の心拍を正確に測定する。【解決手段】センサ１０により得られた生体の心拍波形信号は絶対値化部１８で絶対値化され、さらにローパスフィルタ２０でエンベロープ信号が抽出される。最大値検出周期判定部２２は、最大値及び振幅がしきい値以上のピークを検出し、さらに隣接するピークペアに対し、最大値の割合及び振幅の割合が所定範囲内であるか否かを判定し、所定範囲内である場合に心電図のＰ波とＲ波、あるいはＲ波とＴ波のペアであると特定し、Ｒ波を抽出する。抽出したＲ波の時間間隔から心拍数を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体信号センサにより得られた心拍波形信号から心拍を測定する装置であって、
前記心拍波形信号の低周波成分を除去するハイパスフィルタ手段と、
前記ハイパスフィルタ手段からの信号を絶対値化する絶対値化手段と、
前記絶対値化手段からの信号のエンベローブを検出するエンベロープ検出手段と、
前記エンベロープ検出手段からのエンベロープ信号を処理する処理手段であって、最大値及び振幅がそれぞれしきい値以上であるピークであって、かつ、隣接する２つの最大値及び振幅の割合がそれぞれ所定範囲内であるピークペアの一方のピークを心電図のＲ波として抽出する処理手段と、
抽出した前記Ｒ波の時間間隔に基づいて心拍を算出する算出手段と、
を有することを特徴とする心拍測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記処理手段は、さらに、前記一方のピークがその最大値から所定時間経過するまでに所定量以上レベルが低下するピークである場合に前記Ｒ波として抽出することを特徴とする心拍測定装置。
【請求項３】
請求項１、２のいずれかに記載の装置において、
前記処理手段は、隣接する２つの最大値の割合が第１所定値以上であり、隣接する２つの振幅の割合が第２所定値以上であるピークペアのうち時間的に先行するピークを前記Ｒ波として抽出することを特徴とする心拍測定装置。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、
前記第１所定値は５６％、第２所定値は６１％であることを特徴とする心拍測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の装置において、
前記生体信号センサは、心拍に伴う生体の動きを圧力として検出する圧力センサであることを特徴とする心拍測定装置。
【請求項６】
生体信号センサにより得られた心拍波形信号から心拍を測定する装置であって、
前記検出信号から、最大値の割合及び振幅の割合を用いて心電図におけるＰ波とＲ波に対応するピークペア、あるいはＲ波とＴ波に対応するピークペアを抽出し、抽出した前記ピークペアの一方をＲ波に対応するピークとして抽出する手段と、
前記Ｒ波に対応するピークの時間間隔を算出して心拍を算出する手段と、
を有することを特徴とする心拍測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は心拍測定装置、特に生体信号センサにより検出された心拍波形信号からノイズを除去して心拍を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、生体信号センサから得られた心拍波形信号から心拍を測定する装置が知られている。例えば、特許文献１には、生体信号センサから得られる生体信号に含まれる心拍信号のピークタイミングを検出し、検出されたピークタイミングと隣り合うピークタイミングの時間的間隔に基づいて心拍数を算出することが記載されている。具体的には、心拍に対応した信号を抽出し、抽出信号のレベルピーク値を保持して得られるエンベロープ信号を取得し、エンベロープ信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル心拍信号が増加傾向から減少傾向に推移する推移時点を検出し、推移時点から０．５秒間、増加傾向に転じなければ検出した推移時点をピークタイミングと判定することが記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１４０９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようにピークタイミングを検出し、検出されたピークタイミングと隣り合うピークタイミングの時間的間隔に基づいて心拍数を算出する場合、検出されたピークタイミングが必ず生体の心拍に基づいたピークタイミングでなければならない。しかしながら、実際の検出においては心拍信号が生体の種類や生体の状態、生体を取り巻く環境等により突発的なピークや連続したピーク等を備えた複雑な波形となり、突発的なピークをピークタイミングと誤検出する、あるいは連続したピーク等によりピークタイミングを検出できない事態が生じ得ることとなり、心拍数を正確に算出することができない問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、突発的なピークや連続したピーク等のノイズの影響によらず、正確に心拍を測定することができる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、生体信号センサにより得られた心拍波形信号から心拍を測定する装置であって、前記心拍波形信号の低周波成分を除去するハイパスフィルタ手段と、前記ハイパスフィルタ手段からの信号を絶対値化する絶対値化手段と、前記絶対値化手段からの信号のエンベローブを検出するエンベロープ検出手段と、前記エンベロープ検出手段からのエンベロープ信号を処理する処理手段であって、最大値及び振幅がそれぞれしきい値以上であるピークであって、かつ、隣接する２つの最大値及び振幅の割合がそれぞれ所定範囲内であるピークペアの一方のピークを心電図のＲ波として抽出する処理手段と、抽出した前記Ｒ波の時間間隔に基づいて心拍を算出する算出手段とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の１つの実施形態では、前記処理手段は、さらに、前記一方のピークがその最大値から所定時間経過するまでに所定量以上レベルが低下するピークである場合に前記Ｒ波として抽出する。
【０００８】
また、本発明の他の実施形態では、前記処理手段は、隣接する２つの最大値の割合が第１所定値以上であり、隣接する２つの振幅の割合が第２所定値以上であるピークペアのうち時間的に先行するピークを前記Ｒ波として抽出する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、単独のピークではなくピークペアを検出することでＲ波を検出するので、突発的なピークや連続したピーク等のノイズの影響によらず正確に心拍を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、生体信号センサとして圧力センサを用いる場合について説明する。
【００１１】
図１に、本実施形態における心拍測定装置１の構成ブロック図を示す。人間や動物等の生体の所定位置に設けられた圧力センサ１０からのセンサ信号（心拍波形信号）が心拍測定装置１に供給される。
【００１２】
心拍測定装置１は、アンチエイリアスフィルタ１２、Ａ／Ｄ変換器１４、ＦＩＲハイパスフィルタ１６、絶対値化部１８、ＦＩＲローパスフィルタ２０、最大値検出周期判定部２２、及び心拍数表示部２４を備える。アンチエイリアスフィルタ１２は、カットオフ周波数ｆｃ＝２０Ｈｚのローパスフィルタであり、圧力センサ１０から供給されたセンサ信号（心拍波形信号）の２０Ｈｚ以上の高周波成分を除去することでサンプリング時の折り返し雑音（エイリアス）を排除してＡ／Ｄ変換器１４に供給する。Ａ／Ｄ変換器１４は、高周波成分が除去されたセンサ信号（心拍波形信号）１００を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換してＦＩＲハイパスフィルタ１６に供給する。ＦＩＲ（有限インパルス応答）ハイパスフィルタ１６は、カットオフ周波数ｆｃ＝５Ｈｚのハイパスフィルタであり、５Ｈｚ以下の低周波成分を除去して絶対値化部１８に供給する。絶対値化部１８は、低周波成分が除去された信号２００を絶対値化、すなわち負レベルの信号を正レベルの信号に変換してＦＩＲローパスフィルタ２０に供給する。ＦＩＲローパスフィルタ２０は、カットオフ周波数ｆｃ＝３．８Ｈｚのローパスフィルタであり、供給された絶対値化信号３００の３．８Ｈｚ以上の高周波成分を除去することで絶対値化信号のエンベロープを抽出し、最大値検出・周期判定部２２に供給する。最大値検出・周期判定部２２は、供給されたエンベロープ信号４００から最大値（ピーク）を検出し、その周期を判定することで心拍数を算出する。最大値検出・周期判定部２２で検出されるピークは、後に詳述するように心電図におけるＲ波に対応するピークである。最大値検出・周期判定部２２は、算出した心拍数を心拍数表示部２４に供給する。心拍数表示部２４は、ＬＣＤや有機ＥＬで構成され、供給された心拍数を表示する。心拍数表示部２４は、心拍数のデータをＳＤメモリ等の外部記憶媒体に供給してもよい。最大値検出・周期判定部２２は、プロセッサ及びワーキングメモリを備えるＩＣで構成される。
【００１３】
図２Ａ〜図２Ｄに、図１における各部の信号波形を示す。図２Ａは、アンチエイリアスフィルタ１２から供給されるセンサ信号（心拍波形信号）１００の信号波形である。生体の所定位置に設けられた圧力センサが心拍に伴う生体の動きを圧力変化として検出する。図２Ｂは、ＦＩＲハイパスフィルタ１６から供給される信号２００の波形である。図２Ｃは、絶対値化部１８から供給される絶対値化信号３００の波形である。図２Ｂの信号波形のうち、基準レベル（ゼロレベル）より下のレベルを正側に折り返したような波形である。圧力センサからのセンサ信号は心拍に伴う圧力変化を示すものであるから正負の信号レベルがペアとなって存在する。絶対値化信号は、この負レベルの信号を正側に変換するものである。図２ＤはＦＩＲローパスフィルタ２０から供給されるエンベロープ信号４００の波形である。絶対値化部１８で負のレベルの信号を正のレベルの信号に変換しているため、エンベロープ信号は図２Ｂに示す信号２００のピーク波形を反映した信号となる。最大値検出・周期判定部２２は、図２Ｄに示すエンベロープ信号４００のピーク、すなわち心電図におけるＲ波のみを検出してその周期を判定する。
【００１４】
ここで、心電図におけるＲ波について説明する。図３に、心電図、すなわち心臓の活動電位の時間的変化の正常波形を示す。典型的な正常波形は、心拍１回毎に大きくＰ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔの５つの波で構成され、中でも目立つＱ、Ｒ、Ｓ波は一括してＱＲＳ波と呼ばれる。図にはないが、これ以外にもＵ波という波が存在する。Ｐ波は、心房の興奮により起こる活動電位の波であり、ＱＲＳ波は、心室の興奮により起こる活動電位の波であり、Ｔ波は興奮した心室の心筋細胞が再分極する過程で起こる活動電位の波である。心房に溜まった血液を心室に送るために心室が収縮する、このときの活動電位がＰ波であり、この時心室が膨張状態になる。次に、心室が激しく収縮し、心室の血液を全身に送り出す。このときの活動電位がＲ−Ｔ波となる。本実施形態では、心拍を検出する際の基準となるＲ波のピークを検出するに際し、Ｒ波に隣接してＰ波のピーク、あるいはＴ波のピークがあることを利用してＲ波のピークを検出する。すなわち、例えばＲ波とＴ波のように隣接した２つのピークが存在し、２つのピークのレベルがＲ波のレベルとＴ波のレベルの関係を満たすような場合に、２つのピークは確かにＲ波とＴ波に相当するピークであって、そのうちの大きい方がＲ波のピークであると特定する。
【００１５】
図４に、最大値検出・周期判定部２２における処理を示す。最大値検出・周期判定部２２は、エンベロープ信号４００の最大値Ａ（レベルｐＡ）、最大値Ｂ（レベルｐＢ）、最大値Ｃ（レベルｐＣ）、最小値Ａ（レベルｂＡ）、最小値Ｂ（レベルｂＢ）、最小値Ｃ（レベルｂＣ）を順次検出してメモリに記憶し、最大値Ａと最小値Ａのレベル差である振幅Ａ（レベルａＡ＝ｐＡ−ｂＡ）、最大値Ｂと最小値Ｂのレベル差である振幅Ｂ（レベルａＢ＝ｐＢ−ｂＢ）、最大値Ｃと最小値Ｃのレベル差である振幅Ｃ（レベルａＣ＝ｐＣ−ｂＣ）を順次算出してメモリに記憶する。そして、これらのデータを用いて以下の判定を行う。
第１条件：
最大値がしきい値を超えており、かつ、振幅がしきい値を超えている
第２条件：
第１条件を満たすピークが隣接して存在し、これら隣接するピークの最大値及び振幅の割合が所定の範囲内にある
【００１６】
上記の第１条件は、微小なスパイクノイズを排除するためであり、第２条件は、隣接するピークが存在し、これらが心電図におけるＰ波とＲ波の組み合わせ、あるいはＲ波とＴ波の組み合わせに該当するか否かを判定するための条件である。この意味で、本実施形態では、単に心電図におけるＲ波のみを検出するのではなく、Ｒ波を検出するために、Ｐ波とＲ波との組み合わせ、あるいはＲ波とＴ波の組み合わせを検出し、検出された組み合わせを用いてＲ波を検出するものであるといえる。Ｐ波とＲ波との組み合わせを検出する場合には、着目するピークに対して時間的に先行する隣接ピークとの関係を判定すればよく、Ｒ波とＴ波との組み合わせを検出する場合には、着目するピークに対して時間的に後行する隣接ピークとの関係を判定すればよい。Ｐ波とＲ波の組み合わせ（ピークペア）、Ｒ波とＴ波の組み合わせ（ピークペア）のいずれかを用いるかは任意に設定することができるが、一般に、Ｐ波よりもＴ波の方がレベルが大きいため（Ｐ波のレベルは０．２５ｍＶ、Ｔ波のレベルは０．５ｍＶ（四肢誘導）、１．０ｍＶ（胸部誘導））、Ｒ波とＴ波のピークペアを用いるのがよい。
【００１７】
図４において、Ｒ波とＴ波との組み合わせを検出する場合を例示している。第２条件の所定の範囲は、Ｒ波とＴ波を確実に検出するために実験に基づいて調整することができる。本願出願人は、例えば最大値Ａを有するピークＡと最大値Ｂを有するピークＢに着目した場合、時間的に先行する最大値Ａ（ｐＡ）に対して時間的に後行する最大値Ｂ（ｐＢ）の割合ｐＢ／ｐＡが５６％以上の範囲内にあり、かつ、振幅Ａ（ａＡ）に対して振幅Ｂ（ａＢ）の割合ａＢ／ａＡが６１％以上の範囲内にある場合にこれらのペアを確実に検出できることを見出している。したがって、第１条件の最大値しきい値及び振幅しきい値をそれぞれ所定値Ｓ、ｓとした場合、第１条件及び第２条件は以下の式で記述できる。
第１条件：
ｐＡ＞Ｓ  かつ  ａＡ＞ｓ
ｐＢ＞Ｓ  かつ  ａＢ＞ｓ
第２条件：
ｐＢ／ｐＡ≧５６％  かつ  ａＢ／ａＡ≧６１％
【００１８】
第２条件は、言い換えれば、ｐＢ／ｐＡ＜５６％である場合には、時間的に先行するピークＡに対して時間的に後行するピークＢのレベルが小さすぎるためＲ波とＴ波のピークペアではないと判定し、あるいは、ａＢ／ａＡ＜６１％である場合には、時間的に先行するピークＡに対して時間的に後行するピークＢの振幅が小さすぎるためＲ波とＴ波のピークペアではないと判定することを意味する。
【００１９】
具体的な処理としては、まず、エンベロープ信号４００に対して第１条件を適用し、第１条件を満たすピークを検出してメモリに記憶する。次に、メモリに記憶したピーク群に対して、時間的に隣接する２つのピークをピークペアとして抽出し、これらピークペアに対して第２条件を適用し、第２条件を満たすピークペアを検出してメモリに記憶する。検出したピークペアはＲ波とＴ波とに対応するから、検出したピークペアのうち時間的に先行するピークをＲ波として特定する。以下、同様の処理を繰り返してピークペアを検出していき、Ｒ波を特定してその時間データをメモリに記憶していく。
【００２０】
上記の処理からも明らかなように、Ｒ波とＴ波のピークペアを検出する場合、心電図におけるＲ波とＴ波のレベル強度比に応じてしきい値が調整される。したがって、Ｐ波とＲ波のピークペアを検出する場合、心電図におけるＰ波とＲ波との強度比に応じてしきい値が調整され、別のしきい値が設定され得ることは当業者には明らかであろう。
【００２１】
また、上記では最大値Ａに対する最大値Ｂの割合を規定したが、最大値Ｂに対する最大値Ａの割合で規定してもよいのは明らかである。具体的には、第２条件は以下のようにも記述できる。ここで、１８０％及び１６５％は実験から定めた調整値である。
第２条件：
ｐＡ／ｐＢ＜１８０％  かつ  ａＡ／ａＢ＜１６５％
【００２２】
以上のようにしてＲ波を特定してその時間データをメモリに記憶し、時間データの間隔を算出することで心拍数が算出される。算出された心拍数は心拍数表示部２４に供給され表示される。
【００２３】
なお、算出された心拍数の信頼性をさらに向上させるべく、算出された心拍数が所定の範囲内にあるか否かを判定し、所定の範囲内にある場合のみ有意な値としてもよい。例えば、算出された心拍数が２５０ｍｓｅｃ〜２１００ｍｓｅｃの間にある場合には有意な値として心拍数表示部２４に供給し、そうでない場合にはエラーとする。
【００２４】
また、第１条件及び第２条件に合致するピークペアを検出した後に、さらに以下のような第３条件に合致するか否かを判定してもよい。
第３条件：
最大値からある一定時間経過するまでにレベルが最大値より所定値以上小さくなっている
【００２５】
図５及び図６に、この第３条件についての説明図を示す。第１条件及び第２条件に合致するピークペアが検出され、Ｒ波を検出できたとしても、その波形が乱れている場合にはピークの時間データを正確に検出することが困難となる。そこで、第３条件のようにピークの波形が整っているか否かを判定する。図５に示すように、最大値からある一定時間ｔが経過するまでにレベルが例えば２．５ｍＶ以上小さくならない場合、ピークが急峻な形状ではないとしてＲ波として特定しない。一方、図６に示すように、最大値からある一定時間ｔが経過するまでにレベルが２．５ｍＶ以上小さくなっている場合、ピークが急峻あるいは先鋭でありピークレベルの時間を正確に検出できるとしてＲ波として特定する。
【００２６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく種々の変更が可能である。
【００２７】
例えば、第１条件に関しては、以下のように変形してもよい。
第１条件：最大値がしきい値を超えており、かつ、前回最大値（最大値Ｂを検出する際の最大値Ａ）から最小値（最大値Ｂを検出する際の最小値Ｂ）を引いたときの差が所定値以下であり、かつ、前回最大値（最大値Ｂを検出する際の最大値Ａ）より新たに検出された最大値（最大値Ｂ）の方が大きい
【００２８】
これは、Ｐ波とＲ波をピークペアとする場合のＲ波を検出する処理である。図４に示すように、Ｒ波に対応する最大値ＡとＴ波に対応する最大値Ｂが存在する場合、前回最大値より新たに検出された最大値の方が大きいという条件を満たさないためピークとして検出されない。
【００２９】
また、第２条件についても、以下のように変形してもよい。
第２条件：振幅Ｂに対する振幅Ａの割合が１３３％以下であり、かつ、振幅Ｂが所定値（例えば５ｍＶ）以上である
【００３０】
要するに、単にＲ波のみを単独で検出するのではなく、Ｐ波とＲ波との相対的関係、あるいはＲ波とＴ波との相対的関係に基づいてＲ波を検出すればよい。相対的関係は、２つのピークのレベル比、振幅比を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施形態の構成ブロック図である。
【図２Ａ】センサ信号（心拍波形信号）のタイミングチャートである。
【図２Ｂ】ハイパスフィルタを通過したセンサ信号のタイミングチャートである。
【図２Ｃ】絶対値化信号のタイミングチャートである。
【図２Ｄ】エンベロープ信号のタイミングチャートである。
【図３】心電図の波形説明図である。
【図４】第１条件及び第２条件の説明図である。
【図５】第３条件の説明図（その１）である。
【図６】第３条件の説明図（その２）である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  圧力センサ、１２  アンチエイリアスフィルタ、１４  Ａ／Ｄ変換器、１６  ハイパスフィルタ、１８  絶対値化部、２０  ローパスフィルタ、２２  最大値検出周期判定部、２４  心拍数表示部。
【図１】
2009112625.tif 000003
【図２Ａ】
2009112625.tif 000004
【図２Ｂ】
2009112625.tif 000005
【図２Ｃ】
2009112625.tif 000006
【図２Ｄ】
2009112625.tif 000007
【図３】
2009112625.tif 000008
【図４】
2009112625.tif 000009
【図５】
2009112625.tif 000010
【図６】
2009112625.tif 000011