WO2007037100A1 - 心拍計および心拍検出方法 - Google Patents

Abstract

心拍計は、生体の心拍波形を検出する心拍検出部と、心拍波形から心拍を検出するための信号処理部４とを備える。信号処理部４は、心拍波形の所定狭帯域の信号に対して所定の周波数特性を付加して心拍信号を形成する心拍信号形成処理部５と、心拍信号形成処理部により心拍信号に付加された波形歪みから心拍を検出する心拍検出処理部６とを備える。心拍信号形成処理部５は、心拍波形の所定狭帯域の信号に対して信号処理することで、心拍波形の主成分以外の周波数帯域にあるノイズ成分を除去し、所定の周波数特性を付加する信号処理を行うことで、周波数成分の信号強度を増幅させた心拍信号を形成する。心拍検出処理部６は、心拍信号形成処理部により心拍信号に付加された波形歪みを検出する。測定条件が変化し、心拍波形に含まれる基本波や高調波やノイズ成分の周波数や波高値などの信号特性が変化した場合であっても、心拍を正確に検出する。

Description

明 細 書

心拍計および心拍検出方法

技術分野

[0001] 本発明は、心拍計および心拍検出方法に関し、特に心拍波形に含まれる体動ノィ ズゃ外乱ノイズのノイズ除去に関する。

背景技術

[0002] 生体の心拍を測定する心拍計は従来より種々提案されている。発光素子力 身体 に光を照射し、その反射光または透過光を受光素子で検出し、受光信号を脈拍信号 に変換して脈拍を検出する脈拍検出回路として、例えば、特許文献 1が知られている

[0003] このような心拍計では、雑音に対して脈拍数が安定して表示されることが求められ ており、脈拍数表示の安定性を高める提案されている（例えば、特許文献 2、特許文 献 3、特許文献 4)。

[0004] 特許文献 2は、雑音に起因するパルスが比較的幅のせまいパルスであることに着目 し、脈波検出回路と脈波演算手段との間に、脈波検出回路が出力する脈波信号の パルス幅を評価する脈波パルス評価手段を設け、正規の脈波信号と認められる信号 のみを脈波演算手段に伝達することによって、脈拍表示の安定性を得ようとするもの である。

[0005] また、特許文献 3には、加速度センサとウェーブレット変換を用いて体動を除去する ものであり、加速度センサによって、体動を加速度として体動波形を検出し、この体 動波形にウェーブレット変換を施して周波数領域毎の体動解析データを生成し、ま た、生体の検出部位力も検出した脈波波形にウェーブレット変換を施して周波数領 域毎の脈波解析データを生成し、脈波解析データから体動解析データを減算して脈 拍を検出することが開示されている。

[0006] また、心拍情報を光学的に取り出すフォトプレチスムグラフィー（PPG)において、 PP G信号から高周波成分の雑音をウェーブレット変換を用いて除去する点については 、特許文献 4にも示されている。 [0007] 特許文献 1：特公昭 61— 29730号公報

特許文献 2：特公平 4— 79250号公報

特許文献 3：特開平 11― 9564号公報

特許文献 4：特開 2003— 310562号公報

非特許文献 1 :順天堂大学名誉教授 石河利寛著、「健康'体力のための運動生理 学」、杏林書院、 2000年 4月， P.75-78

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 心拍計による心拍数の測定は、例えば非運動時や運動時と!、うように様々な測定 条件で行われる。このように異なる測定条件下では、心拍センサで検出される心拍波 形は、基本波形に限らずこの基本波形に重畳されるノイズ成分についても、その周 波数や波高値などの信号特性が異なる。

[0009] 図 24は心拍センサ等の心拍検出部で検出される心拍波形の一例を示している。心 拍波形の主成分は基本波と高調波である。心拍波形は、この主成分に加えてノイズ 成分が重畳され、多数の周波数成分を含んでいる。

[0010] 例えば、基本波形は基本周波数成分の他に 2倍高調波成分をはじめとする高調波 成分を含み、ノイズ成分は、心拍センサや伝送系中に侵入する電気的な高周波ノィ ズである外乱ノイズや、心拍センサを装着した非測定者が運動した際に心拍センサ の装着位置ずれ等で発生する微動ノイズである体動ノイズを含んでいる。

[0011] 図 25は図 24の心拍波形に含まれるノイズ成分の一例であり、図 24 (a)は外乱ノィ ズの一例を示し、図 25 (b)は体動ノイズの一例を示している。

[0012] これら基本波や高調波の周波数や波高値は、被測定者が心拍計を使用する状態 に応じて変化し、例えば、非運動時、運動開始時、運動中等の各状態で異なる特性 を示す。

[0013] 図 26,図 27,図 28は、それぞれ非運動時，運動開始時，及び運動中における周 波数特性を示している。心拍波形は、上記したように、各状態において基本波や 2倍 高調波等の高調波の主成分に加えて外乱ノイズや体動ノイズを含み、運動中には、 基本波及び 2倍高調波の周波数は非運動時よりも高くなる他、低い周波数成分が増 加する（図 28参照)。また、運動開始時には、基本波や 2倍高調波等の高調波の主 成分と比較して、高周波成分が増加する（図 27参照)。

[0014] ここで、人体の心拍数は、おおよそ 20〜220bpm (—分当たりの心拍数）であり、この ときの基本周波数は 0.33 ( = 20bpm/60sec)〜3.67 ( = 220bpm/60sec) Hzの周波数帯 域となり、 2倍高調波までの高調波を考慮すると0.33 ( = 20bpm/60sec)〜7.34 (3.67 X 2) Hzの周波数帯域となる。なお、心拍数について記載する文献としては、例えば、 非特許文献 1がある。この非特許文献 1には、運動時の最大心拍数を、運動時の最 大心拍数 =220—年齢という関係式で表しており、 220bpmを上限としている。他方、 下限について、非特許文献 1には、最も低い実測例として、安静時心拍数が 28bpm のスキー選手が確認されて 、る旨の記載がある。

[0015] 一般的に、非運動時は例えば心拍数が 80bpm以下の低い値であって、基本周波数 は 1.34Hz以下でその振幅も小さい。非特許文献 1には、非運動時において、測定し た人の 90%以上が心拍数 50〜80bpmの範囲に入っているという実測データが記載さ れている。これに対して、運動中には心拍数は 80bpmよりも高い値となると共に基本 周波数も高くなり、また、運動による血流増加に伴った信号振幅も例えば 1.5倍以上 に増加する。

[0016] 心拍波形に含まれるノイズ成分を除去するには、一般的には、所定の周波数幅を 通過帯域とするバンドパスフィルタ等によって、主成分が含まれる周波数帯域の信号 成分を抽出することが考えられる。

[0017] 図 29は非運動時の例（基本周波数を 1.34Hzとする）を示し、図 30は運動中の例（ 基本周波数を 3.0Hzとする）を示し、 0.33 ( = 20bpm/60sec)〜3.67 ( = 220bpm/60sec) Hzの通過帯域を有するバンドパスフィルタによりノイズ除去を行う例を示している。

[0018] 上記したように、人体の心拍数は 0.33 ( = 20bpm/60sec)〜3.67 ( = 220bpm/60sec) Hzを主成分の周波数帯域と考えることができるため、図 29,図 30に示すように、心拍 波形の周波数成分（図 29 (a) ,図 30 (a) )を 0.33 ( = 20bpm/60sec)〜3.67 ( = 220bpm /60sec) Hzの通過帯域のバンドパスフィルタに通すことで、心拍波形の主成分である 基本周波数やその 2倍高調波を抽出することができる。例えば、非運動時には基本 周波数（1.34Hz)とその 2倍高調波 (2.67Hz)を抽出することができ（図 29 (c) )、運動 時には基本周波数 (3.0Hz)を抽出することができる（図 30 (c) )。

[0019] し力しながら、ノイズ成分の周波数帯域は 3〜30Hzであるため、心拍波形の主成分 の周波数帯域とノイズ成分の周波数帯域とで、周波数帯域に重なる部分 (例えば、 3. 0Hz〜3.67Hz)が存在する。そのため、この周波数帯域の重なり部分にノイズ成分が ある場合には、このノイズ成分を除去することができない（例えば、図 29 (c)中のノィ ズ成分）という問題がある。

[0020] このように、心拍波形に含まれるノイズ成分の除去を、主成分が含まれる周波数帯 域の信号成分を抽出し、その他の周波数帯域の信号成分を除去する信号処理によ つて行う場合には、帯域内に存在するノイズ成分を除去することができないという問 題がある。この問題は、上記したバンドパスフィルタによる処理に限らず、前記したゥ エーブレット変換を用いると 、つた周波数解析による手法にぉ 、ても同様と考えられ る。

[0021] また、図 30に示すように、運動中には低い周波数のノイズ成分が増えるため、バン ドバスフィルタの通過帯域内に発生したノイズ成分を除去することができない（図 30 ( c) ) ₀また、この運動中では基本周波数が高くなることで 2倍高調波はバンドパスフィ ルタの通過帯域外となって除去され、主成分は基本周波数のみとなる。このように、 運動中では、ノイズ成分が残り、さら〖こ、 2倍高調波が除去されて主成分は基本周波 数のみとなるため、 SZN比が低下するという問題がある。

[0022] 上記のように、測定条件が変化すると、心拍波形に含まれる基本波や高調波ゃノィ ズ成分の周波数や波高値などの信号特性が変化するため、ノイズ成分を除去して心 拍波形に含まれる主成分を有効に検出することが困難となり、心拍の正確な検出が 困難となるという問題がある。

[0023] そこで、本発明は従来の問題を解決し、測定条件が変化し、心拍波形に含まれる 基本波や高調波やノイズ成分の周波数や波高値などの信号特性が変化した場合で あっても、心拍を正確に検出することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0024] 本発明の心拍計は、生体の心拍波形を検出する心拍波形検出部と、心拍波形から 心拍を検出するための信号処理部とを備える。 [0025] 信号処理部は、心拍波形に対して信号処理を施して心拍信号を形成する心拍信 号形成処理部と、この心拍信号形成処理部により形成された心拍信号から心拍を検 出する心拍検出処理部とを備える。

[0026] 本発明の心拍信号形成処理部は、所定の周波数特性を付加する信号処理を行う ことによって、周波数成分の信号強度を増幅させた心拍信号を形成する。この周波 数成分の信号強度の増幅は、心拍波形の主成分を増加させ、ノイズ成分を低減させ るものである。

[0027] 心拍信号形成処理部は、心拍波形の周波数成分を信号増幅する信号増幅部を有 し、この信号増幅部は、心拍波形の低域側の周波数成分を低増幅率で増幅し、心拍 波形の高域側の周波数成分を高増幅率で増幅する信号増幅特性とすることによって 、心拍波形に所定の周波数特性を付加し、心拍波形の主成分を増加させ、ノイズ成 分を低減させる。この信号処理としては、例えば、心拍波形の周波数成分を微分特 性で信号増幅する。

[0028] また、心拍信号形成処理部は帯域通過のフィルタ処理を含むことができ、これによ つて心拍波形の所定狭帯域の信号に対して信号処理を行!、、心拍波形の主成分以 外の周波数帯域にあるノイズ成分を除去する。

[0029] この心拍信号形成処理部で行うノイズ成分の除去及び信号強度の増幅の信号処 理は、心拍信号に波形歪みを付加する。本発明による波形歪みは、心拍波形の主 成分を増加し、ノイズ成分を低減する。これにより、波形歪みは心拍と強い相関で関 係付けられる。したがって、波形歪みは心拍情報を良好な SZN比で備えることにな る。

[0030] 本発明の心拍検出処理部は、心拍信号形成処理部により心拍信号に付加された 波形歪みを検出することで、ノイズの影響を低減して、誤検出することなく心拍を検出 することができる。

[0031] なお、心拍検出部は心拍センサと検出回路で構成することができる。心拍センサは 、例えば光学式の反射センサあるいは透過センサを用いることができ、検出回路は、 心拍センサが光信号を出力する場合には電気信号に変換し、必要に応じて信号増 幅を行う。 [0032] 本発明の心拍信号形成処理部は、心拍信号が備える周波数内の所定の周波数帯 域に対して信号処理を施す狭帯域信号処理を施す。

[0033] 心拍信号形成処理部は、心拍波形の周波数成分から所定狭帯域の周波数成分を 通過させて外乱ノイズ成分又は体動ノイズ成分あるいは、外乱ノイズ成分と体動ノィ ズ成分の両方を除去するバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタを通過した周 波数成分を、高周波側を高 、増幅率で増幅する信号増幅部とを有する。

[0034] バンドパスフィルタは、心拍波形の主成分以外の周波数帯域にあるノイズ成分を除 去する。バンドパスフィルタの通過帯域は、心拍の第 1の状態における最高心拍波形 の 2倍高調波の周波数以上の周波数を高域側の遮断周波数とし、また、心拍の第 1 の状態における最低心拍波形の基本周波数以下の周波数を低域側の遮断周波数 とする周波数範囲とする。

[0035] 信号増幅部は、例えば微分特性による増幅によって、高周波側の周波数成分を強 調して増幅する。微分特性は、 1階微分特性や 2階微分特性の他、さらに高次の微 分特性とすることができるが、心拍波形の SZN比や、信号処理部を形成するハード ウェア構成やその費用対効果を考慮すると、 40dBの増幅率が得られる 2階微分特性 が適当である。この 2階微分特性等の微分特性によって、心拍信号の高周波側の周 波数成分は強調されて増幅される。

[0036] 信号増幅部は、心拍の第 2の状態における最高心拍波形の基本周波数の付近の 増幅度を最も高くする増幅特性を備え、この周波数付近の成分をより強調して増幅 する。これによつて、ノイズ成分については低い増幅率で増幅し、心拍の基本周波数 や 2倍高調波の周波数の成分につ 、ては高 、増幅率で増幅し、ノイズの影響を低減 する。

[0037] また、信号増幅部の増幅特性は、最も高い増幅度の周波数よりも高い周波数域側 において、増幅率が漸次低下する周波数帯域を備える。これにより、 2倍高調波の周 波数が変動した場合についても、信号成分を取りこぼすことなく有効に取得すること ができ、また、高次高調波成分についても取り込むことができる。

[0038] したがって、本発明の心拍信号形成処理部は、心拍の第 1の状態における最低心 拍波形の基本周波数以下の周波数を低域側の遮断周波数とし、心拍の第 1の状態 における最高心拍波形の 2倍高調波以上の周波数を高域側の遮断周波数とする周 波数範囲と、第 2の状態における最高心拍波形の基本周波数の周波数付近の増幅 度を最も高くする増幅特性とを組み合わせた周波数特性を備える。

[0039] 上記する周波数特性において、周波数範囲は第 1の心拍状態で定まる周波数によ つて周波数範囲を設定するものであり、心拍の第 1の状態を心拍数が少なく基本周 波数が低い状態とし、心拍の第 2の状態を心拍数が多く基本周波数が高い状態とす る。また、心拍波形の主成分は、基本周波数と 2倍高調波とする。

[0040] ここで、第 1の状態において取り得る周波数には幅があり、測定対象や測定条件に よって心拍波形の基本周波数及び 2倍高調波は所定の周波数幅内で変動する。

[0041] この周波数幅内において、最低の心拍波形の基本周波数以下の周波数を低域側 の遮断周波数とすることによって、主成分を含む低周波数の内で想定し得る最も低 V、周波数を低周側波数の目安として設定することができる。

[0042] また、同じく基本周波数及び 2倍高調波の周波数幅内において、最高の心拍波形 の 2倍高調波の周波数以上を高域側の遮断周波数とすることによって、主成分を含 む高周波数の内で想定し得る最も高い周波数を高域側周波数の目安として設定す ることがでさる。

[0043] したがって、この通過帯域は、この最低の心拍波形の基本周波数や最高の心拍波 形の 2倍高調波の周波数を基準とする帯域に幅を持たせた周波数帯域である。

[0044] 上記のように周波数範囲を設定することで、心拍波形の周波数成分力 この周波 数範囲の周波数成分を検出すれば、その中には必ずその心拍波形の基本周波数あ るいは 2倍高調波の主成分が含まれることになるため、検出した主成分力 心拍信号 を求めることが可能となる。

[0045] また、上記する周波数特性にぉ 、て、増幅特性は高周波側の周波数成分を、低周 波数側の周波数成分より大きく増幅するものであり、心拍の第 2の状態における最高 心拍波形の基本周波数付近の増幅度を最も高く設定する。心拍の第 2の状態を、単 位時間当たりの心拍数が多ぐ基本周波数が高い状態とすることによって、主成分を 含む高周波数の内で想定し得る最も高 ヽ基本周波数成分にっ ヽて高 ヽ増幅度で増 幅することができる。 [0046] 上記のように増幅特性を設定することで、第 2の状態において基本周波数が高周 波数となり、 2倍高調波が前記した周波数範囲力 外れ、周波数範囲内に含まれる 心拍波形の主成分が基本周波数のみとなった場合であっても、基本周波数を確実 に増幅することができると共に、その信号を他の周波数の信号と比較して大きく増幅 することができるため、心拍情報の SZN比を高めることができ、検出した主成分から 心拍信号を求めることが可能となる。

[0047] 心拍の第 1の状態は非運動状態とし、また、心拍の第 2の状態は運動状態とするこ とがでさる。

[0048] 前記した心拍信号形成処理部では高周波数側の周波数成分を強調して増幅する 処理を行うため、形成された心拍信号はスロープ成分が強調される。スロープ成分は 、心拍波形の主成分に基づいて形成されるものであるから、スロープ部分の個数と心 拍数とは対応するものとなる。本発明の心拍検出処理部は、このスロープ成分を検出 することによって、心拍を検出する。

[0049] 本発明の心拍検出処理部の一態様は、心拍信号の波形スロープ成分を検出し、 所定の波形スロープ成分であるとき心拍を検出する。なお、スロープ成分は、心拍信 号波形の立ち上がり期間、あるいは立ち下がり期間における信号変化の何れ力を用 いてもよぐまた、両方の信号変化を用いてもよい。この場合の検出数は心拍数の 2 倍となるため、検出数を 1Z2とすることで心拍数を求める。

[0050] 本発明の心拍検出処理部の他の態様は、心拍信号の波高値と傾きを検出条件とし て、心拍信号に付加された波形歪みを検出する波形歪み検出部を備える。この波形 歪み検出部は、波形歪みを心拍として検出する。

[0051] ここで、検出条件は、心拍信号が所定波高値以上であり、かつ、心拍信号の傾きが 所定期間において単純増加又は単純減少あるいは、単純増加と単純減少の両方で ある。

[0052] 所定波高値は、心拍の非運動時における最高心拍波形の 2倍高調波の周波数付 近での周波数成分とすることができる。通常、心拍波形の基本周波数の波高値は、 2 倍高調波の波高値よりも大きぐまた、運動中の波高値は非運動時の波高値よりも大 きくなる。また、一般に、心拍波形の 2倍高調波の波高値はノイズ成分の波高値よりも 大きい場合が多い。

[0053] そこで、非運動時における 2倍高調波の周波数付近での周波数成分よりも大きな波 高値を検出条件とすることによって、心拍波形の主成分に有無を判定することができ る。

[0054] また、所定期間は、心拍波形の周期の 1Z4以下の周期幅とすることができる。心拍 波形の主成分は、少なくとも基本周波数と 2倍高調波を含む場合、その周期特性は 長くとも心拍波形の周期の 1Z4と想定されるため、心拍の主成分は、少なくとも心拍 波形の周期の 1Z4以下の周期幅に渡って単調に増加あるいは単調に減少する。こ の周期幅は、前記したスロープ部分の幅に相当する。

[0055] ここで、心拍信号が心拍波形をサンプリングすることで得られる場合には、心拍波 形の周期の 1Z4の時間幅をサンプリング周期で除算した値に相当する個数の連続 するサンプリング点を検出し、そのサンプリング点の値が心拍の非運動時における最 高心拍波形の 2倍高調波の周波数付近での周波数成分よりも大きぐかつ、単調に 増加あるいは単調に減少する場合に、波形歪みを心拍として検出する。

[0056] 本発明は、上記した心拍計の態様の他に、心拍波形のノイズを除去し、心拍を検 出する方法の態様を含む。

[0057] 本発明の心拍検出方法は、生体の心拍波形を検出する心拍波形検出工程と、心 拍波形の低域側の周波数成分を低増幅率で増幅し、心拍波形の高域側の周波数 成分を高増幅率で増幅する信号増幅処理を施して心拍信号を形成する心拍信号形 成工程と、心拍信号形成工程において心拍信号に付加された波形歪みを検出する 波形歪み検出工程と、波形歪みを心拍として検出する心拍検出工程とを備える。

[0058] また、心拍信号形成工程は、心拍波形の周波数成分を微分特性で信号増幅する 信号増幅処理とすることができ、心拍検出工程は、波形歪みの検出により心拍波形 の基本波又は 2倍高調波あるいは、基本波と 2倍高調波の両方を心拍として検出す ることがでさる。

[0059] ここで、心拍信号形成工程の一態様は、心拍波形の周波数成分から所定狭帯域 の周波数成分を通過させて外乱ノイズ成分又は体動ノイズ成分ある!、は、外乱ノイズ 成分と体動ノイズ成分の両方を除去する帯域通過処理と、狭帯域内の周波数成分を 、高周波側を高!ヽ増幅度とする 2階微分特性等の微分特性で信号増幅する信号増 幅処理とを含む狭帯域信号処理の 2つの処理を含む。

[0060] また、心拍信号形成工程の別の態様は、帯域通過処理は、心拍の第 1の状態にお ける最低心拍波形の基本周波数以下の周波数を低域側の遮断周波数とし、心拍の 第 1の状態における最高心拍波形の 2倍高調波の周波数以上の周波数を高域側の 遮断周波数とする周波数範囲に制限することで行う。また、信号増幅処理は、第 2の 状態における最高心拍波形の基本周波数付近の増幅度を最も高くする増幅特性で 信号増幅することで行う。これらの処理を組み合わせることで、周波数範囲において 第 2の状態における最高心拍波形の基本周波数付近の心拍波形を強調して信号増 幅する。

[0061] 帯域通過処理は、非運動状態において測定して最低心拍波形の基本周波数を低 域側周波数とし、運動状態にお!、て測定した最高心拍波形の基本周波数を高域側 周波数とする周波数範囲に制限する。

[0062] 本発明の波形歪み検出工程の一態様は、心拍信号の波形スロープ成分を検出し

、所定の波形スロープ成分を抽出することによりノイズ成分を除去して心拍のみを検 出する。

[0063] スロープ成分は、心拍信号波形の立ち上がり期間あるいは立ち下がり期間におけ る信号変化、もしくはその両方期間における信号変化としてもよい。

[0064] 本発明の波形歪み検出工程の他の態様は、心拍信号の波高値と傾きを検出条件 として心拍信号に付加された波形歪みを検出し、検出した波形歪みを心拍として検 出する。

[0065] ここで、検出条件は、前記したように、心拍信号が所定波高値以上であり、かつ、所 定期間において単純増加又は単純減少あるいは、単純増加と単純減少の両方とし、 所定波高値は、心拍の非運動状態における最高心拍波形の 2倍高調波の周波数付 近での周波数成分とする。

発明の効果

[0066] 本発明によれば、測定条件が変化し、心拍波形に含まれる基本波や高調波ゃノィ ズ成分の周波数や波高値などの信号特性が変化した場合であっても、心拍を正確 に検出することができる。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明の概略を説明するための図である。

[図 2]心拍波形、基本周波数及び 2倍高調波の概略を説明するための図である。

[図 3]本発明の心拍計の概略構成を説明するための図である。

[図 4]心拍センサの一構成例を説明するための概略断面図である。

[図 5]本発明の心拍計の別の構成を説明するための図である。

[図 6]心拍センサの別の構成例を説明するための概略断面図である。

[図 7]バンドパスフィルタ及び 2階微分特性処理による狭帯域信号処理の詳細説明図 である。

[図 8]心拍の第 1の状態 (非運動時）におけるバンドパスフィルタ及び 2階微分特性に よる動作を説明するための図である。

[図 9]心拍の第 2の状態 (運動中）におけるバンドパスフィルタ及び 2階微分特性によ る動作を説明するための図である。

[図 10]非運動時における処理前の波形及び周波数成分を説明するための図である [図 11]非運動時における処理後の波形及び周波数成分を説明するための図である

[図 12]運動開始直後における処理前の波形及び周波数成分を説明するための図で ある。

[図 13]運動開始直後における処理後の波形及び周波数成分を説明するための図で ある。

[図 14]運動中における処理前の波形及び周波数成分を説明するための図である。

[図 15]運動中における処理後の波形及び周波数成分を説明するための図である。

[図 16]狭帯域信号処理の一構成例を説明するための図である。

[図 17]本発明の信号増幅の増幅特性を説明するための図である。

[図 18]本発明の波形歪み検出 (スロープ検出）を説明するためのフローチャートであ る。 [図 19]周期とスロープ部分との関係を説明するための図である。

[図 20]基本周波数によるは波形歪みを説明するための図である。

[図 21]サンプリング点によるスロープ検出を説明するための図である。

[図 22]波形歪み検出の実例図を用いて説明するための図である。

[図 23]波形歪み検出部の一構成例を説明するための図である。

[図 24]心拍センサ等の心拍検出部で検出される心拍波形の一例を示す図である。

[図 25]図 24の心拍波形に含まれるノイズ成分の一例を示す図である。

[図 26]非運動時における周波数特性を示す図である。

[図 27]運動開始時における周波数特性を示す図である。

[図 28]運動中における周波数特性を示す図である。

[図 29]非運動時の例（基本周波数を 1.34Hzとする）を示す図である。

[図 30]運動中の例（基本周波数を 3.0Hzとする）を示す図である。

符号の説明

1 心拍計

2 心拍センサ

2a 発光素子部

2b 受光素子部

2c 遮光部

2A 触覚センサ

3 検出回路

3a 受光回路部

3b 増幅回路部

3c AZD変換部

4 信号処理部

5 狭帯域信号処理部

5a バンドパスフィルタ

5b 2階微分特性

6 スロープ検出部 6a 波高値

6b 傾斜

7 心拍計数部

8 心拍報知部

9 発光回路部

10 生体

11 血管

12 振動波

13 生体組織

14 皮膚

20 心拍波形

21 基本周波数

22 2倍高調波

50 遅延器

51 係数器

52 加算器

60 記憶手段

61 第 1の比較手段

62 第 2の比較手段

63 カウンタ

発明を実施するための最良の形態

[0069] 以下、本発明の心拍計及び心拍波形からノイズ成分を除去して心拍を検出する手 順につ 、て図を用いて詳細に説明する。

[0070] はじめに、本発明の概略について図 1を用いて説明する。図 1において、本発明の 心拍計 1は、生体の心拍波形を検出する心拍波形検出部 Aと、検出した心拍波形を 信号処理した心拍を検出する信号処理部 4とを備える。ここで、信号処理部 4は、心 拍信号形成処理部 Bと心拍検出処理部 Cを備える。信号処理部 4で検出した心拍は 、心拍数検出部 Dで心拍数を検出する。ここで、心拍数検出部 Dは、心拍数計数部 7 において心拍数を計数し、心拍数報知部 8において、計数した心拍数を表示、送信 、記録等により報知する。

[0071] なお、前記した心拍波形検出部 Aは、例えば、心拍センサ 2と、心拍センサ 2の出力 力も検出信号を取得する検出回路 3とにより構成することができる。心拍センサ 2は、 例えば、光学式センサを用いることができ、検出回路 3は光信号等の心拍センサ 2で 取得された出力を電気信号に変換し、必要に応じて信号増幅したり、 AZD変換によ りデジタル信号に変換することができる。

[0072] 信号処理部 4は、心拍波形の所定狭帯域の信号に対してフィルタ処理及び信号増 幅処理を行って心拍信号を形成する心拍信号形成処理部 Bと、この心拍信号形成 処理部 Bによる所定の周波数特性の付加によって、心拍信号に付加された波形歪み から心拍を検出する心拍検出処理部 Cとを備える。

[0073] 心拍信号形成処理部 Bは、狭帯域信号処理部 5によって構成することができる。狭 帯域信号処理部 5は、 2つの処理内容 5a, 5bを含んでいる。

[0074] 第 1の処理内容 5aは、心拍波形の主成分以外の周波数帯域にあるノイズ成分を除 去するものであり、取り込んだ心拍波形の周波数帯域力 所定狭帯域の信号を抽出 することで行うことができる。心拍波形は、主成分として基本周波数とその n倍高調波 の周波数成分を含んでいる。 n倍高調波は" n"の数を多くとるほど心拍波形に近づく 力 一般に n倍高調波の波高値は" n"が大きいほど小さいため、心拍数を検出するこ とを目的とする場合などの比較的に低い精度で十分な場合には、 "n"として" 2"を用 V、た 2倍高調波で十分である。

[0075] したがって、ここでは、心拍波形の主成分は基本周波数と 2倍高調波の周波数成 分とする。図 2は心拍波形、基本周波数及び 2倍高調波の概略を説明するための図 である。図 2 (a)は心拍波形 20の一例であり、図 2 (b)は心拍波形 20に含まれる基本 周波数 21の周波数成分と 2倍高調波 22の周波数成分を示している。なお、基本周 波数や 2倍高調波はフーリエ解析等の周波数解析で求めることができる。

[0076] 周波数軸上において、心拍波形の主成分である基本周波数と 2倍高調波の周波 数成分の他にノイズによる周波数成分が存在する。

[0077] ノイズとしては、前記したように心拍センサや回路上で侵入する外乱ノイズや、心拍 センサが被測定位置力 ずれることで発生する位置計体動ノイズがある。ノイズに含 まれる周波数はノイズ源等によって様々であり、心拍波形の主成分が存在する周波 数範囲の内外にわたって現れる。

[0078] 狭帯域信号処理部 5は、心拍波形の主成分である基本周波数や 2倍高調波の周 波数成分が現れる周波数範囲を設定し、この周波数範囲を用いて心拍波形を狭帯 域化して当該周波数範囲内の信号のみの狭帯域信号を生成する。この心拍波形の 狭帯域ィヒにより、周波数範囲の外側の周波数を持つノイズ成分を除去することができ る。

[0079] このノイズ成分を除去する第 1の処理内容 5aは、例えば、バンドパスフィルタで実現 することができる。

[0080] 次に、狭帯域信号処理部 5が持つ第 2の処理内容 5bは、周波数成分の信号強度 を増幅させ、これによつて心拍信号を形成するものである。この信号処理は、心拍波 形に所定の周波数特性を付加する信号処理を施すことによって行うことができる。こ の所定の周波数特性を付加する信号処理は、心拍波形の主成分を増加させ、ノイズ 成分を低減させるものである。

[0081] 前記した狭帯域信号処理によってノイズ成分を除去した場合であっても、基本周波 数と 2倍高調波の周波数成分の周波数範囲内で現れるノイズ成分は除去されずに 残存することになり、心拍信号の SZN比を低下させる要因となる。

[0082] 狭帯域信号処理部 5の第 2の処理は、このような、同じ周波数範囲内に存在する心 拍波形の主成分とノイズ成分について、主成分の波高値を信号増幅させることによつ てノイズ成分との信号強度差を大きくし、これによつて心拍信号の SZN比を向上さ せるものである。ここでは、 2倍高調波の周波数成分を信号増幅する例を示している

[0083] この主成分の波高値を信号増幅させる第 2の処理内容 5bは、例えば、主に 2倍高 調波を信号増幅する微分特性処理で実現することができる。微分特性処理は、例え ば 2階微分特性処理とすることができる。なお、 2階微分特性処理は、後述するように 微分特性処理の一例であり、また微分特性処理も、高い周波数域において高い増幅 率で信号増幅する一例である。 [0084] この狭帯域信号処理 5で行うノイズ成分の除去及び信号強度増幅は、心拍信号に 波形歪みを付加することになる（図 1中の E)。狭帯域信号処理 5で行う信号強度増幅 は、主成分の周波数成分、特に基本周波数及び 2倍高調波を非線形に信号増幅す るため、この信号増幅で得られた心拍信号に含まれる周波数成分の強度比率は、当 初の心拍波形に含まれている周波数成分の強度比率とは異なることになる。このこと は、心拍信号に波形歪みを付加することを意味して 、る。

[0085] この波形歪みは心拍波形を当初の信号形状力 歪ませることになる力 心拍波形 の主成分が増加され、ノイズ成分が低減されるため、波形歪みは心拍波形よりもより 強ぐ心拍と強い相関で関係付けられることになる。したがって、狭帯域信号処理 5に より得られる波形歪みを検出することによって、心拍情報を良好な SZN比で求めるこ とになる。

[0086] なお、バンドパスフィルタ及び 2階微分特性処理による狭帯域信号処理の詳細例に ついては、図 7を用いて後述する。

[0087] 心拍検出処理部 Cは、波形歪み検出部 6によって構成することができる。波形歪み 検出部 6は、例えば心拍信号中に含まれる所定スロープ成分を検出し、このスロープ と心拍と対応付けることによって心拍を検出する。スロープ成分は、心拍信号波形の 立ち上がり期間での信号変化から求めても、立ち下がり期間での信号変化から求め ても良ぐあるいは、その両期間での信号変化から求めても良い。

[0088] 波形歪み検出部 6は、心拍信号の波高値 6aと傾き 6bを検出条件として心拍信号に 付加された波形歪みを検出する。

[0089] 検出条件は、心拍信号が所定波高値以上であり、かつ、心拍信号の傾きが所定期 間において単純増加又は単純減少あるいは、単純増加と単純減少の両方である。

[0090] 所定波高値は、例えば、心拍の非運動時における最高心拍波形の 2倍高調波の 周波数付近での周波数成分とすることができる。

[0091] 心拍波形について見ると、通常、基本周波数の波高値は 2倍高調波の波高値よりも 大きぐまた、運動中の波高値は非運動時の波高値よりも大きい、また、心拍波形の 2 倍高調波の波高値はノイズ成分の波高値よりも大き 、場合が多 、。

[0092] そこで、波高値を第 1の条件として心拍の主成分を検出する。非運動時における 2 倍高調波の周波数付近での周波数成分の波高値を閾値とすることで、この波高値よ りも小さ 、周波数成分には心拍の主成分は含まれず、この波高値よりも大き 、周波 数成分には心拍の主成分は含まれている可能性がある。

[0093] ノイズ成分の大きさによっては前記した波高値を超える場合があるため、上記の波 高値による心拍波形の主成分の判定のみによって心拍の主成分を検出することはで きない。

[0094] そこで、所定期間における傾きを第 2の条件とすることで心拍の主成分を検出する 。心拍波形の主成分が少なくとも基本周波数と 2倍高調波を含む場合には、その周 期特性は長くとも心拍波形の周期の 1Z4と想定される。このとき、心拍の主成分は、 少なくとも心拍波形の周期の 1Z4以下の周期幅に渡って単調に増加あるいは単調 に減少する。

[0095] したがって、心拍波形の周期の 1Z4以下の周期幅の所定期間内において、信号 が単調に増加あるいは単調に減少することを傾きの条件として、心拍の検出を行う。

[0096] 心拍信号がサンプリングデータである場合には、心拍波形の周期の 1Z4の時間幅 をサンプリング周期で除算した値に相当する個数の連続するサンプリング点を求め、 このサンプリング点の値が心拍の非運動時における最高心拍波形の 2倍高調波の周 波数付近での周波数成分よりも大きぐかつ、単調に増加あるいは単調に減少する 場合に、心拍として検出する。

[0097] 次に、本発明の心拍計の概略構成について図 3を用いて説明する。なお、ここでは 、心拍センサ 2として光学式センサの例につ!、て示して!/、る。

[0098] 心拍計 1は、生体 10から心拍情報を取得する心拍センサ 2と、心拍センサ 2の出力 力 検出信号を形成する検出回路 3と、検出回路 3からの検出信号を信号処理して 心拍を検出する信号処理部 4と、心拍を計数する心拍数計数部 7と、計数した心拍数 を報知する心拍数報知部 8を備える。

[0099] 心拍センサ 2は、発光回路 9によって駆動された生体 10に光を照射する発光素子 部 2aと、生体 10で散乱あるいは反射、又は透過した光を受光する受光素子部 2bを 備える。図 4は心拍センサ 2の一構成例を説明するための概略断面図であり、生体 1 0に対して光を照射し、反射した光を検出する構成例を示している。発光素子部 2aと 受光素子部 2bは遮光板 2cを挟んで対向し、照射点（図示していない）に対して対称 の位置に設置されている。ここで、遮光板 2cは発光素子部 2aから受光素子部 2bへ 直接に入射する光を阻止して 、る。

[0100] 発光素子部 2aから生体 10に照射された光は、生体 10内の組織や血管 11内の血 液で散乱し、再び生体 10の外に出射される。生体 10から出射する光の強度は、血 流に応じて変動する。本発明の心拍計 1は、この光の強度の血流に応じて変動する 光強度の変化に基づいて心拍を検出するものである。

[0101] 検出回路 3は、受光素子部 2bから得られる光信号を受光し、電気信号の検出信号 に変換する受光回路部 3aと、検出信号を信号増幅する増幅回路部 3bと、デジタル 信号に変換する AZD変換部 3cを備える。

[0102] 信号処理部 4は、検出回路 3からの検出信号を、前記したバンドパスフィルタや 2階 微分特性等によってノイズ除去や 2倍高調波の信号増幅を行う狭帯域信号処理部 5

、狭帯域信号処理部 5で生成された心拍信号の波形歪みを形成して心拍を検出す る心拍検出部 (スロープ検出部) 6を備える。

[0103] 心拍数計数部 7は信号処理部 4で求めた心拍を計数し、心拍数報知部 8は心拍数 計数部 7で計数した心拍数を報知する。なお、報知は、心拍数の表示、記録、送信 等を含むものである。

[0104] 図 5は、図 3で示した心拍計の別の構成を説明するための図である。この構成例で は、心拍センサ 2として触覚センサ 2Aの例につ!、て示して!/、る。

[0105] 心拍計 1は、前記図 3で示したように心拍センサ 2と、検出回路 3と、信号処理部 4と 、心拍計数部 7と、報知部 8を備え、心拍センサ 2である触覚センサ 2Aの検出信号は 、検出回路 3中の増幅回路部 3bで信号増幅され、 AZD変換部 3cでデジタル信号 に変換される。

[0106] この構成例では、心拍センサ 2として触覚センサ 2Aを備える。ここで、この触覚セン サ 2Aは、生体力 発せられる振動を検出するセンサを総称しており、例えば、生体 中の動脈血管の脈波を検出することで、心拍を検出する。

[0107] 図 6は触覚センサ 2Aの一構成例を説明するための概略断面図である。生体内の 動脈血管 11は、血管内を流れる血液の変動に応じて、脈拍に同期して振動する。こ の動脈血管の振動は、生体の組織 13内を振動波 12となって伝搬する。触覚センサ 2Aは、生体の例えば皮膚表面に触覚して取り付けられ、生体の組織 13内を伝搬し た振動波 12を検出する。この振動波の検出は、圧力変化や振動変化として検出され る。

[0108] 触覚センサ 2Aは、振動波を検出する態様に応じた各種センサを用いることができ る。例えば、触覚センサ 2Aとして圧力センサを用いた場合には、振動波を圧力変化 として検出する。また、触覚センサ 2Aとして振動センサを用いた場合には、振動波を 振動変化として検出する。振動変化としては、例えば、振幅や周波数等の変化を検 出する。

[0109] 触覚センサ 2Aは、生体の組織 13内を伝搬した振動波を、皮膚を介して検出する。

そのため、触覚センサ 2Aは生体の脈拍を検出する測定部位の近傍に設けられる。 触覚センサ 2Aは、測定部位の近傍の皮膚 14に接触させることで検出感度を高める ことができ、また、触覚センサ 2Aを皮膚 14に押し当てることによって、より検出感度を 高めることができる。

[0110] この構成例の触覚センサ 2Aは、血流に応じて変動する振動波を検出し、検出回路 3は検出信号を増幅回路部 3bで信号増幅し、 AZD変換部 3cでデジタル信号に変 換する。

[0111] なお、信号処理部 4内の狭帯域信号処理部 5、波形歪検出部 6、および心拍数計 数部 7の構成や信号処理、また、心拍数報知部 8の構成や信号処理、及び各部の作 用動作は、前記図 3を用いた説明と同様であるため、ここでの説明は省略する。

[0112] なお、心拍センサとして光学センサを用いた場合には、心拍信号を検出する部位を 狭い範囲で特定することができ、特定位置での心拍状態を検出することができる。ま た、心拍センサとして触覚センサを用いた場合には、心拍信号を広範囲から取得す ることができ、心拍センサの取り付けの位置決めに高 、精度を不要とすることができ、 また、使用中の位置ずれによる検出不良を緩和することができる。

[0113] 次に、心拍信号形成処理部 Bにおけるノイズ成分除去 5aと 2倍高調波の信号増幅 5bについて、それぞれバンドパスフィルタと 2階微分特性の例を図 7を用いて説明す る。 [0114] 図 7 (a)はバンドパスフィルタの通過帯域を示し、図 7 (b)は 2階微分特性の周波数 特性を示し、図 7 (c)はバンドパスフィルタと 2階微分特性の周波数特性とを組み合わ せて得られる周波数特性を示して 、る。

[0115] バンドパスフィルタは、心拍波形の周波数成分から所定狭帯域の周波数成分を通 過させて外乱ノイズ成分又は体動ノイズ成分あるいは、外乱ノイズと体動ノイズの両 方を除去する帯域通過フィルタである。

[0116] 図 7 (a)に示すように、バンドパスフィルタは、低域側周波数 F1を低域側の遮断周 波数とし、高域側周波数 F2を高域側の遮断周波数とする狭帯域を通過帯域として 設定する。

[0117] ここで、バンドパスフィルタの低域側周波数 F1は、心拍の第 1の状態における最低 心拍波形の基本周波数以下の周波数で設定し、高域側周波数 F2は心拍の第 1の 状態における最高心拍波形の 2倍高調波以上の周波数で設定することができる。こ こで、心拍の第 1の状態は、被測定者が運動していない非運動時とすることができる 。この非運動時における心拍数は個人差がある力 例えば、 20bpn！〜 80bpmとするこ とができる。なお、 [bpm]は 1分当たりの心拍数を表している。この心拍数はそれぞれ 0.33Hzと 1.34Hzに相当するため、低域側周波数 F1は 0.33Hzとなり、高域側周波数 F 2は 2.68 Hz (1.34Hz X 2)となる。

[0118] また、 2階微分特性は高周波側を高い増幅度で信号増幅する。 2階微分特性は、 図 7 (b)に示すように、低周波数側から高周波側周波数 F3に向力つて増幅度が直線 的に増加する。なお、高周波側周波数 F3は 2階微分の微分上限値を設定する。

[0119] ここで、 2階微分特性の高周波側周波数 F3は、心拍の第 2の状態における最高心 拍波形の基本周波数とし、設定することができる。ここで、心拍の第 2の状態は、被測 定者が運動中とすることができる。この運動中における心拍数は個人差があるが、例 えば、 220bpmとすることができる。この心拍数は 3.67Hzに相当する。

[0120] なお、低周波数側では、バンドパスフィルタの低域側周波数 F1付近の増幅度がほ ぼ 1となるように設定して！/、る。

[0121] 図 7 (c)は、図 7 (a)に示すバンドパスフィルタと図 7 (b)に示す 2階微分特性の周波 数特性とを組み合わせて得られる周波数特性を示している。低域側周波数 Fl、高域 側周波数 F2、及び高周波側周波数 F3の周波数の設定例を前記した数値例に設定 した場合には、周波数は、 Fl、 F2, F3の順に高くなるため、低域側周波数 F1付近 の増幅度をほぼ 1とし、この低域側周波数 F1付近力も高域側周波数 F2に向かって 直線的に増幅度が上昇して、高域側周波数 F2で最高の増幅度となり、高域側周波 数 F2から高周波側周波数 F3に向かって増幅度が減少し、高周波側周波数 F3付近 の周波数を超える周波数範囲では増幅度はほぼ 1以下となる。また、低域側周波数 F1付近より低い周波数範囲においても増幅度はほぼ 1以下となる。

[0122] ここで、運動時におけるノイズ成分 (体動ノイズや外乱ノイズのノイズ成分）は、およ そ 3〜30Hzであるため、上記した数値例の周波数特性と重ねると、図 7 (c)に示すよう に、運動時におけるノイズ成分の大部分は、バンドパスフィルタの通過帯域外となつ て除去される。運動時におけるノイズ成分の内の 3〜3.67Hz近傍のノイズ成分は、 2 階微分特性と重なるため、除去されない。この周波数範囲に現れるノイズ成分につい ては、前記したように、本発明の波形歪み検出 (スロープ検出）によって、心拍波形の 主成分を強調して増幅させることでノイズ成分との波高値に差を設けることによって、 SZN比を向上させて、心拍検出の精度を高める。

[0123] なお、図 7に示す周波数特性は前記した数値例に基づくものであるため、異なる数 値例を用いた場合には異なる周波数特性を示す。例えば、最高の増幅度を示す周 波数部分も多少ずれることになるが、低周波数側から高周波数側に向かって増幅度 が増加する傾向は共通である。

[0124] なお、高周波側周波数 F3よりも高い周波数では、増幅率を急峻に下げずに漸次 低下するように設定する。これによつて、心拍信号の基準周波数や 2倍高調波が高 周波側周波数 F3よりも高い周波数にずれた場合であっても、切り捨てることなく心拍 検出に寄与させることができる。また、 3倍高調波を心拍検出に寄与させることもでき る。

[0125] 以下、図 8を用いて心拍の第 1の状態 (非運動時）におけるバンドパスフィルタ及び 2階微分特性による動作を説明し、図 9を用いて心拍の第 2の状態 (運動中）における バンドパスフィルタ及び 2階微分特性による動作を説明する。なお、以下に示す各周 波数成分の大きさの比率は説明上力 任意に設定したものであり、実際の状態を示 すものではない。

[0126] はじめに、図 8を用いて心拍の第 1の状態 (非運動時）におけるバンドパスフィルタ 及び 2階微分特性による動作を説明する。

[0127] 図 8 (a)は、非運動時における検出信号 (心拍波形)の周波数成分を表し、基本周 波数と 2倍高調波が共に、低域側周波数 F1と高域側周波数 F2との間にあるものとす る。

[0128] 図 8 (c)の信号は、上記した図 8 (a)の周波数成分を図 8 (b)に示すバンドパスフィ ルタに通して得られた周波数成分を示している。バンドパスフィルタによって、高域側 周波数 F2より高周波数にあるノイズ成分は除去される。

[0129] 図 8 (e)の信号は、バンドパスフィルタ通過後の信号を、図 8 (d)に示す 2階微分特 性によって信号増幅して得られた周波数成分を示して!/、る。 2階微分特性によって、 高域側周波数 F3付近の周波数成分はより大きく増幅される。図 8 (d)では、 2倍高調 波の周波数成分及びノイズ成分が強調されて増幅される。

[0130] 次に、図 9を用いて心拍の第 2の状態（運動中）におけるバンドパスフィルタ及び 2 階微分特性による動作を説明する

[0131] 図 9 (a)は、運動中における検出信号 (心拍波形)の周波数成分を表し、基本周波 数と 2倍高調波が共に、高域側周波数 F2よりも高周波数側にあるものとする。なお、 基本周波数は 2階微分特性の高周波数側周波数 F3よりも低周波数とする。

[0132] 図 9 (c)の信号は、上記した図 9 (a)の周波数成分を図 9 (b)に示すバンドパスフィ ルタに通して得られた周波数成分を示している。バンドパスフィルタによって、高域側 周波数 F2より高周波数にあるノイズ成分及び 2倍高調波は除去される。

[0133] 図 9 (e)の信号は、バンドパスフィルタ通過後の信号を、図 9 (d)に示す 2階微分特 性によって信号増幅して得られた周波数成分を示して!/、る。 2階微分特性によって、 高域側周波数 F3付近の周波数成分はより大きく増幅される。図 9 (d)では、基本周 波数の周波数成分及びノイズ成分が強調されて増幅される。

[0134] 以下の図 10〜図 15に心拍信号形成処理部 A (狭帯域信号処理）による信号処理 例を示す。図 10,図 11は、非運動時における処理前と処理後を示し、図 12,図 13 は運動開始直後における処理前と処理後を示し、図 14,図 15は運動中における処 理前と処理後を示し、それぞれ (a)は波形を示し、（b)は周波数成分を示している。

[0135] はじめに、非運動時の場合にっ 、て説明する。

[0136] 図 10 (a)に示すように、非運動時における狭帯域信号処理前の元波形では、血流 が低レベルにあるため心拍波形の振幅が低ぐまた、非運動であるためノイズのレべ ルも低い。図 11 (a)は、この波形に対して狭帯域信号処理を施して得られる波形を 示している。この波形は、狭帯域信号処理による波形歪みによって元波形力も変形 するが、 SZN比は向上する。なお、図 11 (a)中の実線は高域側周波数 F2の曲率成 分を示し、これ以上の波形部分は心拍の主成分を表して!、る。

[0137] また、図 10 (b)と図 11 (b)の周波数成分を比較すると、狭帯域信号処理により F1 〜F3の周波数範囲の信号レベルが高められている。

[0138] 次に、運動開始直後の場合について説明する。

図 12 (a)に示すように、運動開始直後における狭帯域信号処理前の元波形では、 血流が低レベルにあるため心拍波形の振幅が低いが、運動が開始されたためノイズ のレベルは高くなるため、 SZN比は悪化する。

[0139] 図 13 (a)は、この波形に対して狭帯域信号処理を施して得られる波形を示している 。この波形は、狭帯域信号処理により、波形歪みによって元波形力 変形する力 ノ ィズよりも 2倍高調波が強調されて増幅され SZN比は向上する。なお、図 13 (a)中 の実線は高域側周波数 F2の曲率成分を示し、これ以上の波形部分は心拍の主成 分を表している。

[0140] また、図 12 (b)と図 13 (b)の周波数成分を比較すると、狭帯域信号処理により F1

〜F3の周波数範囲の信号レベルが高められている。

[0141] 次に、運動中の場合について説明する。

[0142] 図 14 (a)に示すように、運動中における狭帯域信号処理前の元波形では、心拍及 び血流が増加し、心拍波形の振幅が高まる。

[0143] 図 15 (a)は、この波形に対して狭帯域信号処理を施して得られる波形を示している

。この波形は、狭帯域信号処理により高周波数側の信号が増幅される。このとき、高 周波数側にノイズ成分がある場合には、このノイズ成分の増幅によって、ピーク点が ばらつくとつた波形歪みが発生する。 [0144] また、図 14 (b)と図 15 (b)の周波数成分を比較すると、狭帯域信号処理により F1 〜F3の周波数範囲のノイズを含む信号レベルが高められている。

[0145] 次に、図 16を用いて狭帯域信号処理の一構成例を説明する。なお、図 16に示す 構成例は、入力信号をサンプリング信号とし、デジタルフィルタで構成する場合を示 している。

[0146] 一般に、デジタルフィルタは、遅延器 50と係数器 51と加算器 52によって構成され る。

[0147] 図 16 (a)は本発明の狭帯域信号処理を構成するバンドパスフィルタの構成例を示 し、図 16 (b)は本発明の狭帯域信号処理を構成する 2階微分特性の構成例を示して いる。

[0148] 図 16 (a)に示すバンドパスフィルタは、 FIR型（Finite Impulse Response :有限イン パルス応答）の例を示し、狭帯域の通過帯域の周波数 Fl, F2は、サンプリング周期 と、係数器 51に定める係数 h0〜hmで設定する。

[0149] また、図 16 (b)に示す 2階微分特性は、サンプリング周期と、後退差分の遅延器の 設定個数によって、微分上限値 F3を設定する。

[0150] 上記した例では、信号増幅の増幅特性にお!、て 2階微分特性の場合を示して ヽる 力 2階微分特性に限らず 1階微分あるいは、より高次の微分特性とする他、微分特 性以外の増幅特性としてもよ!、。

[0151] 図 17は、本発明の信号増幅の増幅特性を説明するための図である。図 17 (a)〜（ c)は微分特性による増幅特性の例であり、図 17 (d)はステップ状の増幅特性の例で ある。

[0152] 図 17 (a)は 1階微分の微分特性を示し、図 17 (b)は 2階微分の微分特性を示し、図 17 (c)は 3階微分の微分特性を示している。各微分特性は微分の回数により増幅率 が異なり、 1階微分では 20dBの増幅率となり、 2階微分では 40dBの増幅率となり、 3 階微分では 60dBの増幅率となる。なお、各 dBの数値は、所定の周波数幅に対する 増幅率で表している。

[0153] 何れの階数の微分特性とするかは任意に設定することができるが、ここでは、検出 される心拍信号の SZN比の程度や、信号処理の回路構成や、費用対効果等から、 例えば 40dBの増幅率が得られる 2階微分を用いた例を示して ヽる。

[0154] また、高い周波数域で高い増幅率を実現する増幅特性として、微分特性の他、図 1 7 (d)に示すようにステップ状の増幅率を設定してもよい。図 17 (d)では、周波数 F1 付近の増幅率を" 1"とし、高い周波数 F3付近の増幅率を高く設定し、この間をステツ プ状に変化させる例を示している。なお、ステップの段数は任意に設定することがで きる。

[0155] 次に、本発明の心拍検出処理部 Cである波形歪み検出 (スロープ検出）について、 図 18のフローチャート、図 19の周期とスロープ部分との関係を説明するための図、 図 20の基本周波数による波形歪みを説明するための図、図 21のサンプリング点によ るスロープ検出を説明するための図、図 22の波形歪み検出の実例図を用いて説明 する。

[0156] 図 18に示す複数のフローチャートでは、波形歪み検出 (スロープ検出）を、検出波 形について所定周期でサンプリングして得られるサンプリング値を用いて行う (Sll)。

[0157] 図 19において、心拍の周期を Tとしたとき、波形歪み検出は心拍波形の周期 Tの 1 Z4の時間幅で行う。この時間幅 TZ4内で波形歪み検出を行うには、サンプリング周 期 tとしたとき、時間幅 TZ4をサンプリング周期 tで除算した値（(TZ4) Zt)に相当 する個数の連続するサンプリング点（S1〜S5)を検出し、このサンプリング点（S1〜S 5)の値が心拍の非運動時における最高心拍波形の 2倍高調波の周波数付近での 周波数成分よりも大きぐかつ、単調に増加あるいは単調に減少する場合に、波形歪 みを心拍として検出する。

[0158] 例えば、運動時の最大心拍 F3を例えば、 3.367Hzとしたとき、この周期の 1/4以下 の時間幅（68msec)でスロープ検出を行う。ここで、サンプリング周期を 12msecとする と、 5.67サンプリング回数以下のサンプリングで検出される。なお、このサンプリング回 数以上である場合には、 1Z4周期を超えてしまうため、スロープ検出を行うことがで きなくなる。

[0159] そこで、ここでは、サンプリング回数として 5回を設定する。 S1で求めたサンプリング 値を、少なくともスロープの傾斜を求める際に必要な個数分求め、順次 S1〜S5に格 納する。なお、各サンプリング値は、サンプリングが行われる毎に順次入れ替え、古 いサンプリング値力 順力 廃棄する (S12)。

[0160] 波形歪みを検出する第 1の条件として、サンプリング点（S1〜S5)の値が設定値以 上であるかを判定する。設定値としては、心拍の非運動時における最高心拍波形の

2倍高調波の周波数付近での周波数成分とすることができ、前記したように、この設 定値以上であれば、ノイズ成分を除去することができる。（S13)。

[0161] 次に、波形歪みを検出する第 2の条件として、サンプリング点（S1〜S5)の傾斜が 所定期間で連続して単純増加あるいは単純減少であるかを判定する。

[0162] 図 20はこの第 1の条件及び第 2の条件による判定を示している。図 20 (a)において

、 Hは第 1の条件である設定値を示している。

[0163] 図 20 (a)の場合には、サンプリング値 S1〜S5の全てが第 1の条件である設定値 H 以上であり、サンプジング値31〜35カ 31 < 32< 33< 34< 35の関係にぁり、第 2 の条件を満足している。これより、このスロープ部分によって一心拍と判定する。

[0164] 図 20 (b)の場合には、サンプリング値 S1〜S5力 S1 < S2< S3< S4< S5の関係 にあって第 2の条件を満足している力 サンプリング値 S1は設定値 H以下であるため

、このスロープ部分による一心拍の判定は行わない。

[0165] また、図 20 (c)の場合には、サンプリング値 S1〜S5の全てが設定値 H以上であつ て第 1の条件を満たす力 サンプリング値 S5は S4よりも小さく、 S1 < S2< S3< S4

< S5の第 2の条件を満足していないため、このスロープ部分による一心拍の判定は 行わない (S14)。

[0166] S13と S14の第 1、第 2の条件の両条件を満たした場合には、このスロープ部分によ つて一心拍があつたと判定する (S15)。この心拍数を順次計数し (S16)、計数した心拍 数を報知する。報知としては、表示するほか、記録媒体へのデータ記録や、他の装 置へのデータ送信を含む。

[0167] 図 21は、心拍波形の基本周波数の大きさによる 2倍高調波の現れ方を説明してい る。図 21 (a)は、心拍波形の基本周波数が高域側周波数 F2以下の場合 (1.5Hz)を 示している。このときには、主に F2 (2倍高調波）の曲率成分 (2.68Hz) Eが現れる。こ の Eについて、スロープの傾きを判定することで心拍を判定する。

[0168] また、図 21 (b)は、心拍波形の基本周波数が高域側周波数 F2と微分上限値 F3と の間の場合（2.68Hz)を示している。このときには、高調波がカットされるため、 F2 (2 倍高調波）の曲率成分は零となり、基本周波数の正弦波そのものの曲率成分 Fが現 れる。この Fについて、スロープの傾きを判定することで心拍を判定する。

[0169] 図 22は波形歪み検出の実例図を示している。ここでは、心拍の基本周波数として は F3の 3.67Hzが取り得るため、右肩上がりの傾きを検出するために、運動時最大心 拍 F3の周期の 1Z4以下の時間幅（68msec以下）の期間でスロープ検出を行う。また 、ここでは、サンプリング値の最低値として 2を設定している（図 22中の H)。

[0170] 図 23は、波形歪み検出部の一構成例を説明するための図である。

[0171] 図 23に示す構成では、入力したサンプリング値 S1〜S 5を順次記憶する記憶手段 60と、この記憶手段 60に記憶されるサンプリング値 S1〜S5を設定値と比較する第 1 の比較手段 61と、第 1の比較手段 61の比較結果と記憶手段 60に記憶されるサンプ リング値 S1〜S5を入力し、サンプリング値 S1〜S5が設定値よりも大きい場合に、サ ンプリング値 S1〜S5の大きさの順を判定する第 2の比較手段 62と、第 2の比較手段 62の判定結果に基づいて心拍を計数するカウンタ 63を備える。

産業上の利用可能性

[0172] 本発明の心拍波形の検出方法は、心拍計に適用する他、身体機能測定装置等の 心拍を一つのデータとして身体機能を測定する装置に適応することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 生体の心拍波形を検出する心拍波形検出部と、

前記心拍波形力 心拍を検出するための信号処理部とを備え、

前記信号処理部は、

前記心拍波形に対して信号処理を行って心拍信号を形成する心拍信号形成処理 部と、

前記心拍信号形成処理部により形成された心拍信号力 心拍を検出する心拍検 出処理部とを備え、

前記心拍信号形成処理部は、前記心拍波形の周波数成分を信号増幅する信号増 幅部を有し、当該信号増幅部の信号増幅特性は、心拍波形の低域側の周波数成分 を低増幅率で増幅し、心拍波形の高域側の周波数成分を高増幅率で増幅すること を特徴とする心拍計。

[2] 生体の心拍波形を検出する心拍波形検出部と、

前記心拍波形力 心拍を検出するための信号処理部とを備え、

前記信号処理部は、

前記心拍波形に対して信号処理を行って心拍信号を形成する心拍信号形成処理 部と、

前記心拍信号形成処理部により形成された心拍信号力 心拍を検出する心拍検 出処理部とを備え、

前記心拍信号形成処理部は、前記心拍波形の周波数成分を微分特性で信号増 幅する信号増幅部を有することを特徴とする心拍計。

[3] 前記心拍信号形成処理部は、

前記心拍波形力 所定狭帯域の周波数成分を通過させて外乱ノイズ成分又は体 動ノイズ成分あるいは、外乱ノイズ成分と体動ノイズ成分の両方を除去するバンドパ スフイノレタを備え、

前記信号増幅部は、前記バンドパスフィルタを通過した周波数成分を信号増幅す ることを特徴とする請求項 2に記載の心拍計。

[4] 前記バンドパスフィルタは、 心拍の第 1の状態における最高心拍波形の 2倍高調波の周波数以上の周波数を 高域側の遮断周波数とする周波数範囲を備えることを特徴とする請求項 3に記載の 心拍計。

[5] 前記バンドパスフィルタは、

心拍の第 1の状態における最低心拍波形の基本周波数以下の周波数を低域側の 遮断周波数とする周波数範囲を備えることを特徴とする請求項 3又は 4に記載の心拍 計。

[6] 前記心拍の第 1の状態は非運動状態であることを特徴とする請求項 4又は 5に記載 の心拍計。

[7] 前記信号増幅部は、

前記微分特性を 2階微分特性として前記心拍波形の周波数成分を信号増幅するこ とを特徴とする請求項 2乃至 6の何れか一つに記載の心拍計。

[8] 前記信号増幅部は、

前記微分特性を 2階以上の微分特性で前記心拍波形の周波数成分を信号増幅す ることを特徴とする請求項 2乃至 6の何れか一つに記載の心拍計。

[9] 前記信号増幅部は、

心拍の第 2の状態における最高心拍波形の基本周波数の付近の増幅度を最も高く する増幅特性を備えることを特徴とする請求項 1乃至 8の何れか一つに記載の心拍 計。

[10] 前記増幅特性は、最も高い増幅度の周波数よりも高い周波数域側に、増幅率が漸 次低下する周波数帯域を備えることを特徴とする請求項 9に記載の心拍計。

[11] 前記心拍の第 2の状態は運動状態であることを特徴とする請求項 9又は 10に記載 の心拍計。

[12] 前記心拍検出処理部は、

前記心拍信号の波形スロープ成分を検出し、所定の波形スロープ成分であるとき 心拍を検出することを特徴とする請求項 1乃至 11の何れか一つに記載の心拍計。

[13] 前記スロープ成分は、心拍信号波形の立ち上がり期間、又は立ち下がり期間ある いは、立ち上がり期間と立ち下がり期間の両方における信号変化であることを特徴と する請求項 12に記載の心拍計。

[14] 前記心拍検出処理部は、

前記心拍信号の波高値と傾きを検出条件として、心拍信号に付加された波形歪み を検出する波形歪み検出部を備え、この波形歪み検出部で検出した波形歪みを心 拍として検出することを特徴とする請求項 1乃至 11の何れか一つに記載の心拍計。

[15] 前記検出条件は、前記心拍信号が、所定波高値以上であり、かつ、所定期間にお いて単純増加又は単純減少あるいは、単純増加と単純減少の両方であることを特徴 とする請求項 14に記載の心拍計。

[16] 前記所定波高値は、心拍の第 1の状態における最高心拍波形の 2倍高調波の周 波数付近での周波数成分であることを特徴とする請求項 15に記載の心拍計。

[17] 前記所定期間は、心拍波形の周期の 1Z4以下の周期幅であることを特徴とする請 求項 16に記載の心拍計。

[18] 生体の心拍波形を検出する心拍波形検出工程と、

前記心拍波形の低域側の周波数成分を低増幅率で増幅し、心拍波形の高域側の 周波数成分を高増幅率で増幅する信号増幅処理を施して心拍信号を形成する心拍 信号形成工程と、

前記心拍信号形成工程において心拍信号に付加された波形歪みを検出する波形 歪み検出工程と、

前記波形歪みを心拍として検出する心拍検出工程とを備えることを特徴とする心拍 検出方法。

[19] 生体の心拍波形を検出する心拍波形検出工程と、

前記心拍波形の周波数成分を微分特性で信号増幅する信号増幅処理を施して心 拍信号を形成する心拍信号形成工程と、

前記心拍信号形成工程において心拍信号に付加された波形歪みを検出する波形 歪み検出工程と、

前記波形歪みの検出により心拍波形の基本波又は 2倍高調波あるいは、基本波と 2倍高調波の両方を心拍として検出する心拍検出工程とを備えることを特徴とする心 拍検出方法。

[20] 前記心拍信号形成工程は、

前記心拍波形の周波数成分から所定狭帯域の周波数成分を通過させて外乱ノィ ズ成分又は体動ノイズ成分ある 、は、外乱ノイズ成分と体動ノイズ成分の両方を除去 する帯域通過処理を施し、

帯域通過処理を通過した周波数成分を信号増幅することを特徴とする請求項 18又 は 19に記載の心拍検出方法。

[21] 前記心拍信号形成工程は、

心拍の第 1の状態における最高心拍波形の 2倍高調波の周波数以上の周波数を 高域側の遮断周波数として帯域通過処理することを特徴とする請求項 20に記載の 心拍検出方法。

[22] 前記心拍信号形成工程は、

前記心拍の第 1の状態における最低心拍波形の基本周波数以下の周波数を低域 側側の遮断周波数として帯域通過処理することを特徴とする請求項 20又は 21記載 の心拍検出方法。

[23] 前記心拍の第 1の状態は非運動状態であることを特徴とする請求項 21又は 22に 記載の心拍検出方法。

[24] 前記信号増幅処理は、

2階微分特性で信号増幅する処理であることを特長とする請求項 19乃至 23の何れ か一つに記載の心拍検出方法。

[25] 前記信号増幅処理は、

2階以上の微分特性で信号増幅する処理であることを特長とする請求項 19乃至 23 の何れか一つに記載の心拍検出方法。

[26] 前記信号増幅処理は、

心拍の第 2の状態における最高心拍波形の基本周波数付近の増幅度を最も高く する増幅特性で信号増幅することを特徴とする請求項 18乃至 25の何れか一つに記 載の心拍検出方法。

[27] 前記信号増幅処理は、前記最も高い増幅度の周波数よりも高い周波数域側にお いて、増幅率を漸次低下させて信号増幅することを特徴とする請求項 26に記載の心 拍検出方法。

[28] 前記心拍の第 2の状態は運動状態であることを特徴とする請求項 26又は 27に記 載の心拍検出方法。

[29] 前記波形歪み検出工程は、前記心拍信号の波形スロープ成分を検出し、所定の 波形スロープ成分を抽出することによりノイズ成分を除去して心拍のみを検出するこ とを特徴とする請求項 18乃至 28の何れか一つに記載の心拍検出方法。

[30] 前記スロープ成分は、心拍信号波形の立ち上がり期間、又は立ち下がり期間ある いは、立ち上がり期間と立ち下がり期間の両方における信号変化であることを特徴と する請求項 29に記載の心拍検出方法。

[31] 前記波形歪み検出工程は、

前記心拍信号の波高値と傾きを検出条件として心拍信号に付加された波形歪みを 検出し、検出した波形歪みを心拍として検出することを特徴とする請求項 18乃至 28 の何れか一つに記載の心拍検出方法。

[32] 前記検出条件は、前記心拍信号が所定波高値以上であり、かつ、所定期間におい て単純増加又は単純減少あるいは、単純増加と単純減少の両方であることを特徴と する請求項 31に記載の心拍検出方法。

[33] 前記所定波高値は、心拍の第 1の状態における最高心拍波形の 2倍高調波の周 波数付近での周波数成分であることを特徴とする請求項 32に記載の心拍検出方法

[34] 前記所定期間は、心拍波形の周期の 1Z4以下の周期幅であることを特徴とする請 求項 32に記載の心拍検出方法。