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JP2816944B2 - 脈拍計 - Google Patents

脈拍計

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JP2816944B2
JP2816944B2 JP6302511A JP30251194A JP2816944B2 JP 2816944 B2 JP2816944 B2 JP 2816944B2 JP 6302511 A JP6302511 A JP 6302511A JP 30251194 A JP30251194 A JP 30251194A JP 2816944 B2 JP2816944 B2 JP 2816944B2
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body motion
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signal
pulse
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博之 小田切
佳介 津端
千秋 中村
和実 佐久本
尚克 野坂
求 早川
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セイコーインスツルメンツ株式会社
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は人体の一部に装着して使
用する脈拍計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１１は従来の脈波検出装置の構成を示
す機能ブロック図である。脈波検出手段１１０１は脈波
信号を検出し、検出した脈波信号を周波数分析手段１１
０３に出力する。体動検出手段１１０２は体動信号を検
出し、検出した体動信号を周波数分析手段１１０３に出
力する。表示手段１１０４は周波数分析手段１１０３に
よって周波数分析された結果を表示する。制御手段１１
０５は周波数分析手段１１０３及び表示手段１１０４を
制御する。以上のような脈波検出装置が例えば、特開昭
６０−２５９２３９号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の脈拍計
においては、出力表示部に脈波センサの周波数分析結果
と体動センサの周波数分析結果とをそれぞれ表示するだ
けであった。したがって、脈波周波数もしくは脈拍数の
特定を使用者がそれぞれの表示を見て行っていた。又、
静止状態と運動状態とで全く同じ処理系にて信号の演算
を行っており、静止時においても不要な処理部が動いて
いた。
【０００４】そこで、本発明の目的は、最終出力を脈拍
数表示として表示することの可能な脈拍計を提供するこ
とにある。更にもし静止状態であれば、信号の演算量を
少なくすることにより消費電力を抑え、演算時間を短縮
させることのできる脈拍計を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は脈波センサと体動センサそれぞれの周波数
分析結果から脈波成分を抽出する脈波成分抽出手段と、
脈波成分抽出手段が抽出した脈波成分から一分当たりの
脈拍数を演算する脈拍数演算手段とを設ける構成とする
ことにより脈拍数を表示するようにする。又、体動検出
手段により体動信号の有無を判定し、体動が無い状態が
所定時間経過したとき脈拍数の演算方法を切り換える演
算方法切替手段を設ける構成とすることにより、演算量
を減らし、消費電流を抑え、演算時間を短縮させること
を可能にした。
【０００６】
【作用】図１は、本発明の代表的構成の一例を示す機能
ブロック図である。脈波検出手段１０１は、人体から脈
波を検出し、検出した信号を周波数分析手段１０３へ出
力する。体動検出手段１０２は、人体の動きを検出し、
検出した信号を周波数分析手段１０３へ出力する。周波
数分析手段１０３は、脈波検出手段１０１と体動検出手
段１０２のそれぞれの出力信号を周波数分析する。周波
数分析には例えば高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕ
ｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いる。
【０００７】脈波抽出手段１０４は、脈波検出手段１０
１と体動検出手段１０２のそれぞれの出力を周波数分析
した結果から脈拍の周波数に相当する脈波成分を特定し
て脈拍数演算手段１０５へ出力する。脈拍数演算手段１
０５は、脈波成分抽出手段１０４で特定された脈拍の周
波数成分から一分間当たりの脈拍数を演算する。表示手
段１０６は、脈拍数演算手段１０５で演算された脈拍数
を表示する。
【０００８】図２は本発明の脈拍計の代表的な構成の他
の一例を示す機能ブロック図である。脈波信号変換手段
２０３は、脈波検出手段２０１で検出した人体の脈波ア
ナログ電圧信号をデジタル信号に変換して脈波信号記憶
手段２０５へ出力する。体動信号変換手段２０４は、体
動検出手段２０２で検出した体動の大きさに比例したア
ナログ電圧信号をデジタル信号に変換して体動信号記憶
手段２０６へ出力する。脈波信号記憶手段２０５はデジ
タル信号に変換された脈波信号を記憶する。体動信号記
憶手段２０６はデジタル信号に変換された体動信号を記
憶する。
【０００９】脈波信号演算手段２０７は、脈波信号記憶
手段２０５に記憶された脈波信号を順次呼び出し、脈波
信号の周波数分析を行いその結果を脈波成分抽出手段２
０９へ出力する。体動信号演算手段２０８は、体動信号
記憶手段２０６に記憶された体動信号を順次呼び出し、
体動信号の周波数分析を行いその結果を脈波成分抽出手
段２０９へ出力する。脈波成分抽出手段２０９は、脈波
信号演算手段２０７、体動信号演算手段２０８、それぞ
れで周波数分析された結果から脈波成分だけを抽出し演
算方法切替手段２１０へ出力する。
【００１０】計時手段２１１は、体動検出手段２０２か
らの矩形波処理された体動信号が無い時間を計時し、あ
る一定時間を越えるとその情報を演算方法切替手段２１
０へ伝達する。演算方法切替手段２１０は、計時手段２
１１からの体動無し信号を受けると、脈波検出手段２０
１で矩形波処理された脈波信号を脈拍数演算手段２１２
へ出力する。この時、同時に演算方法切替手段２１０
は、脈波信号変換手段２０３と脈波信号記憶手段２０５
と脈波信号演算手段２０７と、体動信号変換手段２０４
と体動信号記憶手段２０６と体動信号演算手段２０８
と、脈波成分抽出手段２０９の動作を停止させる。
【００１１】演算方法切替手段２１０が、矩形波処理さ
れた脈波信号を脈拍数演算手段２１２へ出力している最
中に体動検出手段２０２が体動を検出すると直ちに演算
方法切替手段２１０は、脈波信号変換手段２０３と脈波
信号記憶手段２０５と脈波信号演算手段２０７と、体動
信号変換手段２０４と体動信号記憶手段２０６と体動信
号演算手段２０８と、脈波成分抽出手段２０９の動作を
再開させると伴に、脈波成分抽出手段２０９の出力信号
に切り替える。
【００１２】脈拍数演算手段２１２では、脈波成分抽出
手段２０９で抽出された脈波の周波数成分か、または脈
波検出手段２０１で矩形波処理された脈波の周期データ
から一分当たりの脈拍数を演算して表示手段２１３へ出
力する。
【００１３】
【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図３は本発明の脈拍計の第一実施例を示す機能
ブロック図である。脈波センサ３０１は生体から脈波を
検出し、検出した脈波信号を脈波信号増幅回路３０３に
出力する。体動センサ３０２は生体の動きを検出し、検
出した体動信号を体動信号増幅回路３０４に出力する。
【００１４】脈波センサとしては例えば圧電マイクを用
いる。体動センサとしては加速度センサを用いる。脈波
信号増幅回路３０３は脈波信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器
３０５及び脈波波形整形回路３０６に出力する。体動信
号増幅回路３０４は体動信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器３
０５及び体動波形整形回路３０７に出力する。Ａ／Ｄ変
換器３０５は脈波信号と体動信号をＡ／Ｄ変換しＣＰＵ
３０８に出力する。 脈波波形整形回路３０６は脈波信
号を整形し、ＣＰＵ３０８に出力する。体動波形整形回
路３０７は体動信号を整形し、ＣＰＵ３０８に出力す
る。
【００１５】図４は体動信号の有無を確認し、脈波の演
算方法を切替、脈拍数を演算、表示するまでの手順を示
すフローチャートである。図３及び図４において、ＣＰ
Ｕ３０８は体動波形整形回路３０７の出力信号により体
動信号の有無を確認し演算方法を切り替える（Ｓ４０
２）。体動信号が確認されている間は、Ａ／Ｄ変換され
た脈波信号（Ｓ４０３）と体動信号（Ｓ４０４）をＦＦ
Ｔ処理し（Ｓ４０５）、脈波周波数成分を抽出する（Ｓ
４０６）。
【００１６】体動信号が確認されない時は、脈波を検出
し（Ｓ４０７）、脈波波形を矩形波変換処理する（Ｓ４
０９）。その間に体動が有ったかどうかもう一度確認し
（Ｓ４０８）、体動が無い場合そのまま矩形波から脈拍
数を演算する（Ｓ４１０）。この時、図３においては、
脈波、体動ともにＡ／Ｄ変換の必要が無くなるのでＡ／
Ｄ変換回路３０５の動作は停止されると伴に、ＦＦＴ処
理のために必要な乗算器３１０の動作も停止される。更
に脈波抽出に必要なＣＰＵ３０８内で行われる処理も停
止され、総合的な消費電力を低減することができる。
【００１７】体動が有った場合（Ｓ４０８）、ＦＦＴ処
理で周波数分析を行い（Ｓ４０５）、抽出された脈波成
分から脈拍数を演算する（Ｓ４１０）。図５に周波数ｆ
A と周波数ｆA の１／２の振幅の周波数ｆB を加算した
信号（図５（ａ））をＦＦＴ処理した結果（図５
（ｂ））を示す。ＦＦＴ処理した結果得られる最も低い
周波数は、分析時間の逆数で決定される。例えば、分析
時間を１６秒とすると線スペクトルは１／１６（秒）、
すなわち６２．５ｍｓの分解能で得られる。したがっ
て、分析対象の信号は１６Ｈｚの整数倍の高調波成分に
分解される。それぞれの高調波成分の大きさ（パワー）
が縦軸で表現される。図５（ｂ）に於いては、周波数ｆ
A のパワーの半分を周波数ｆB が持っている事を示して
いる。
【００１８】図６に運動状態での脈波センサと体動セン
サの出力信号をＦＦＴ処理した結果の一例を示す。
（ａ）は脈波スペクトルｆmg、（ｂ）は体動のスペクト
ルｆsgを表し、（ｃ）は脈波スペクトルから体動スペク
トルを引いたスペクトルであり、抽出された脈波成分ｆ
M を表す。この結果に示すように（ａ）には脈波波形の
周波数成分と体動によって発生する信号がもつ周波数成
分の両方が乗ってくる。それに対して、体動センサは体
動だけに反応するので体動によって発生する信号だけが
持つ周波数成分が得られる。したがって、スペクトルｆ
mgからスペクトルｆsgを引き残った線スペクトルｆM の
中で最大のものを脈波周波数成分として特定する。この
脈波信号の周波数成分をもとに脈拍数を演算し（図４、
Ｓ４１０）、ＬＣＤパネルなどの表示素子に出力する
（Ｓ４１１）。
【００１９】以上述べた脈波成分の特定方法を図７に示
す。Ｓ７０３で脈波体動減算処理（ｆM ＝ｆmg−ｆsg）
を行い、脈波信号だけに有る周波数成分を取り出す。取
り出された脈波成分ｆM の中の最大の周波数成分をＳ７
０４で特定する。特定されたｆMmaxが脈波の周波数成分
である。
【００２０】実際にはそれぞれのセンサ出力波形を周波
数分析すると、高調波信号の影響が有って単純に差を取
る方法だけでは難しい場合も有る。そこで、脈波を特定
する方法を更に詳しく説明する。図８に体動センサの信
号から体動成分を抽出し、脈波信号の周波数分析結果か
ら体動成分を除去した後に脈波成分を特定する処理方法
を示す。体動成分として比較的に検出し易い体動センサ
の第２高調波ｆs2をＳ８０１、Ｓ８０２、Ｓ８０３で特
定する。Ｓ８０２のｆmin は運動を例えば走りとして、
走りの第２高調波の出現する下限周波数である２Ｈｚと
する。ｆmax はＡ／Ｄ変換するサンプリングレートで決
まる周波数であり、サンプリングを８Ｈｚとするとサン
プリング定理から原波形が再現出来る最高周波数は４Ｈ
ｚと自動的に決まる。このｆmax からｆmin の範囲で最
大の線スペクトルを体動成分の第２高調波として特定す
る。Ｓ８０４で体動成分の基本波ｆs1を求める。
【００２１】次いでＳ８０５、Ｓ８０６、Ｓ８０７、Ｓ
８０８、で体動成分の基本波（ｆs1）、第２高調波（2
×ｆs1）、第３高調波（3 ×ｆs1）と一致する脈波成分
を除去し、除去した後に残った最大の周波数成分を脈波
ｆm としてＳ８０９で特定する。通常、体動周波数は１
〜２Ｈz である。従って、ｆmax ＝４Ｈz とすると第３
高調波チェックまでで十分である。
【００２２】ここで、上記実施例において２Ｈz 〜４Ｈ
z の周波数領域の最大体動成分を抽出して、その周波数
を体動成分の第２高調波として扱っている理由について
述べる。図１３は、体動センサの出力をＦＦＴ処理した
結果である。一般に、運動状態、特に走行状態において
は、図１３のごとく基本波に比べて第２高調波のパワー
がより高く得られる。（ごく平均的な走り方をしている
時で、３〜１０倍程度）走行時の体動センサの検知要因
として、以下の３点が考えられる。
【００２３】（１）走行時の上下動 （２）腕の振りの基本波 （３）腕の振りの第２高調波 （１）に関しては、右足をステップした時と左足をステ
ップした時に均等に上下動が出るので、体動成分の第２
高調波となる。（２）に関しては、腕の振り出し、引き
戻しを一周期とする振り子運動を指すが、通常走行にお
いて腕の振りを滑らかな振り子運動にするのは難しく、
この成分のパワーは弱めとなる。（３）については、腕
の振り出し、引き戻しのそれぞれの瞬間に加速度がかか
る為、第２高調波が（２）の基本波より強く出る。した
がって、体動周波数の内、第２高調波成分が特徴的に得
られることになる。
【００２４】通常走行では、２Ｈz 〜４Ｈz の範囲であ
れば走行ペースの速い遅いを考えても第２高調波が出現
する領域がカバー出来る。したがって、この領域に限定
した上で特徴的な第２高調波成分を抽出することで検出
精度を上げる事が出来る。図９に体動信号の高調波を特
定した後に脈波成分を特定する処理方法を示す。Ｓ９０
１で体動信号の周波数分析結果からパワ−Ｐが最大の線
スペクトルｆs を求める。次にｆs の１／２の周波数
に、ある一定値Ｔｈ以上の体動成分Ｐ（ｆs/2 ）が有る
かどうかチェックする（Ｓ９０２）。有った場合、ｆs
は第２高調波（ＨＭＣ＝２）と特定する（Ｓ９０３）。
無い場合は、Ｓ９０４でｆs の１／３の周波数にある一
定値Ｔｈ以上の体動成分Ｐ（ｆs/3 ）が有るかどうかチ
ェックする。（Ｓ９０４）有った場合、ｆs は第３高調
波（ＨＭＣ＝３）と特定する（Ｓ９０５）。無かった場
合は、ｆs を基本波ｆs1と特定する（Ｓ９０６）。
【００２５】以上の処理でｆs が第何高調波であるかが
特定出来たので、Ｓ９０７で体動の基本波ｆs1を求め
る。Ｓ９０８では脈波の周波数分析結果からパワ−Ｐの
大きな線スペクトル順にその周波数ｆm と体動周波数と
の比較を行い、その周波数が体動信号の基本波（ｆs
1）、第２高調波（2 ×ｆs1）、第３高調波（3 ×ｆs
1）と一致するかどうかをチェックする。（Ｓ９０８、
Ｓ９０９、Ｓ９１０、Ｓ９１１）この処理を行うことで
Ｓ９１２において、体動成分と一致しない最大の脈波周
波数成分ｆm を抽出する事ができる。
【００２６】図１０は体動信号の有無を確認し、体動信
号が確認されない状態がある一定時間Ｔを超えると演算
方法を切り替え、脈拍数を演算、表示するまでの手順を
示すフローチャートである。図３及び図１０においてＣ
ＰＵ３０８は体動波形整形回路３０７の出力信号により
体動信号の有無を確認する（Ｓ１００２）。体動信号が
確認されている間は切替信号をＯＦＦし（Ｓ１００
３）、体動無しの累積時間Ｒt をゼロにする（Ｓ１００
４）。その後Ａ／Ｄ変換された体動信号と脈波信号をＦ
ＦＴ処理し脈波を抽出する（Ｓ１００７）。その後、脈
拍数を演算し（Ｓ１０１２）、表示素子３１３に出力す
る（Ｓ１０１３）。
【００２７】体動信号が確認されないときは発振回路３
１１と、分周回路３１２からの出力信号をもとに計時を
開始し時間Ｒt を累積する（Ｓ１００８）。累積時間Ｒ
t が、ＦＦＴ処理の際に用いられる信号のサンプリング
周期あるいはサンプリング数、などによって決められる
ある一定時間Ｔを超えたときには（Ｓ１００９）脈拍数
の演算方法を切り替え（Ｓ１０１０）、Ａ／Ｄ変換及び
ＦＦＴ処理を停止し、脈波波形整形回路３０６から整形
された脈波信号を入力し、脈拍数を演算し（Ｓ１０１
２）、表示素子３１３に出力する（Ｓ１０１３）。
【００２８】以上、体動成分と一致しない最大脈波周波
数成分を特定して脈拍計を実現する方法を述べてきた
が、本発明と全く同じ構成で高精度な運動ピッチ計も構
成可能である。図１４に運動ピッチ計に限定した場合の
本発明の機能構成ブロック図を示す。体動成分抽出手段
１４０５で運動ピッチの周波数成分を特定するが、その
手法は前述した図８、図９で説明した方法で容易に実現
出来る。本発明による運動ピッチ計によれば、走者にと
って有用な情報であるランニングピッチを正確にしるこ
とができる。また、ランニングピッチと歩幅から走行距
離を求めることができる。
【００２９】図１２は本発明の外観の例を示す説明図で
ある。（ａ）は脈波センサを指サック１２０１に組み込
んだタイプで、（ｂ）は体動センサ１２０２をベルト１
２０３に組み込んだタイプ、（ｃ）は脈波センサ１２０
４と体動センサ１２０５を一体に腕時計バンドに組み込
んだタイプである。
【００３０】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれば
脈波センサと体動センサそれぞれの周波数分析結果から
脈波成分を抽出する脈波成分抽出手段を設けることによ
り、運動中の脈拍数を表示出来るようになった。更に本
発明によれば、周波数分析処理を行わなくてよい非運動
時には電力を消費するＡ／Ｄ変換回路や演算回路の動作
を停止させる事が出来るため消費電力をおさえる事が可
能になった。また静止状態になってから、演算方法を切
り替えるまでに周波数分析に必要な一定時間をおくこと
により、矛盾のない処理が行える事によりより正確な脈
拍数を表示させることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の代表的構成の一例を示す機能ブロック
図である。
【図２】本発明の代表的構成の一例を示す機能ブロック
図である。
【図３】本発明の脈拍計の第一実施例を示す機能ブロッ
ク図である。
【図４】本発明の脈拍計の第一実施例におけるＣＰＵの
動作概要を示すフローチャートである。
【図５】（ａ）はＦＦＴ処理の対象となる波形例、
（ｂ）はその波形をＦＦＴ処理した結果を示す図であ
る。
【図６】（ａ）は脈波センサの出力信号をＦＦＴ処理し
た結果、（ｂ）は体動センサの出力信号をＦＦＴ処理し
た結果、（ｃ）は（ａ）の結果から（ｂ）の結果を差し
引いた脈波成分を表す図である。
【図７】本発明の脈拍計の脈波成分の特定方法の一例の
フローチャートである。
【図８】本発明の脈拍計の脈波成分の特定方法の一例の
フローチャートである。
【図９】本発明の脈拍計の脈波成分の特定方法の一例の
フローチャートである。
【図１０】本発明の脈拍計の脈波成分の特定方法の一例
のフローチャートである。
【図１１】従来の脈拍計の構成を示す機能ブロック図で
ある。
【図１２】本発明の脈拍計の外観の例を示す説明図であ
り、（ａ）は脈波センサを指サック型としたもの、
（ｂ）は体動センサをベルトに組み込んだもの、（ｃ）
は脈波センサと体動センサを腕時計バンドに組み込んだ
ものである。
【図１３】体動センサの出力をＦＦＴ処理した結果を示
す図である。
【図１４】本発明の運動ピッチ計の機能構成図の一例を
示す図である。
【符号の説明】
１０１ 脈波検出手段 １０２ 体動検出手段 １０３ 周波数分析手段 １０４ 脈波成分抽出手段 ２０１ 脈波検出手段 ２０２ 体動検出手段 ２０７ 脈波信号演算手段 ２０８ 体動信号演算手段 ２０９ 脈波成分抽出手段 ２１０ 演算方法切替手段 ２１２ 脈拍数演算手段 ２１３ 表示手段 １２０１ 指サック １２０２ 体動センサ １２０３ ベルト １２０４ 脈波センサ １２０５ 体動センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐久本 和実 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイ コー電子工業株式会社内 (72)発明者 野坂 尚克 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイ コー電子工業株式会社内 (72)発明者 早川 求 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コーエプソン株式会社内 (56)参考文献 特表 平５−506802（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) A61B 5/0245

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 脈波センサにより脈波を検出し脈波信号
    を出力する脈波検出手段と、 体動センサにより体動を検出し体動信号を出力する体動
    検出手段と、 脈波検出手段と体動検出手段のそれぞれの出力信号を周
    波数分析する周波数分析手段と、前記周波数分析手段の前記体動検出手段の出力信号の周
    波数分析結果から最大パワースペクトルを持つ周波数成
    分を抽出する最大体動成分抽出手段と、 前記最大体動成分抽出手段で求められた周波数が基本波
    なのか第何高調波であるのかを特定する高調波特定手段
    と、 前記周波数分析手段の前記脈波検出手段の出力信号の周
    波数分析結果から前記高調波特定手段で特定された高調
    波次数にしたがって全ての体動信号の高調波成分を除去
    する体動成分除去手段と、 体動の周波数成分が除去された周波数成分の中から 最大
    のパワースペクトルを持った周波数成分を抽出する脈波
    最大成分抽出手段とから構成される事を特徴とする脈拍
    計。
  2. 【請求項２】 前記最大体動成分抽出手段で求められた
    周波数を第２高調波と見なして基本波及び高調波成分全
    てに相当する周波数成分を特定する高調波特定手段より
    構成される事を特徴とする請求項１記載の脈拍計。
  3. 【請求項３】 脈波センサにより脈波を検出し脈波信号
    を出力する脈波検出手段と、 体動センサにより体動を検出し体動信号を出力する体動
    検出手段と、 脈波検出手段と体動検出手段のそれぞれの出力信号を周
    波数分析する周波数分析手段と、 前記周波数分析手段の前記体動検出手段の出力信号の周
    波数分析結果から最大パワースペクトルを持つ周波数成
    分を抽出する最大体動成分抽出手段と、 前記最大体動成分抽出手段で求められた周波数が基本波
    なのか第何高調波であるのかを特定する高調波特定手段
    と、 前記周波数分析手段の前記脈波検出手段の出力信号の周
    波数分析結果から前記高 調波特定手段で特定された高調
    波次数にしたがって全ての体動信号の高調波成分を除去
    する体動成分除去手段と、 体動の周波数成分が除去された周波数成分の中から最大
    のパワースペクトルを持つ周波数成分を抽出する脈波最
    大成分抽出手段と、 前記脈波センサより出力された脈波信号と前記脈波最大
    成分抽出手段の出力信号を入力するとともに、体動検出
    手段から出力される体動信号を入力し、前記体動信号が
    有る場合は前記脈波最大成分抽出手段の出力信号を選択
    し、前記体動信号が無い場合は前記脈波センサより出力
    された脈波信号の出力信号を選択して出力する演算方法
    切替手段と、 前記演算方法切替手段により選択された前記脈波成分抽
    出手段の出力信号および脈波信号のいずれか一方の信号
    から脈拍数を演算する脈拍数演算手段と、 前記脈拍数演算手段の出力に基づき脈拍数を表示する表
    示手段とを有することを特徴とする脈拍計。
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