JP5336803B2 - 脈波計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、被験者の脈波信号のような生体信号波を計測、およびその間隔を計測し、特にそのゆらぎ解析により自律神経活動や睡眠状態を判定する脈波計測装置に関する。

本発明の対象である脈拍、心拍動の波形は心拍動、血管の状態、自律神経状態等を反映すると考えられている。このような波形は心電図のような精度の高い情報が得られず、疾患の診断の指標に用いることが出来る程度ではあるものの、検査方法が簡便なために、波形の乱れや、波形の形状から、人体の変化を評価する研究が多くなされている。この波形の検出方法としては、従来から、運動時の心拍数のモニタ用途などで、光電脈波センサが用いられている。光電脈波センサは光を生体内に照射し、その反射光、または透過光を計測する。生体内のヘモグロビンにより光が吸収されることにより、反射光、透過光の強度は血液の量に応じて変動する。これにより心拍に同期した信号波形が脈波として観測される。脈波は、他の生体指標（たとえば心電）に比べるとセンサの装着が簡便で日常生活下での利用に適している。

脈波は、心臓から拍出され動脈を介して末梢に伝わった血流を観測している。そのため血管系が正常、定常であれば脈波の拍動ごとの間隔は、心臓の拍出の間隔（心拍間隔）に等しいと仮定でき、脈波間隔を心電図のＲ−Ｒ間隔（心拍間隔）と同等に使用されることもある。脈波間隔データを周波数スペクトル分布に変換し、周波数スペクトル分布に変換した一連の脈波間隔データから求めた低周波数領域（ＬＦ：０．０５〜０．１５Ｈｚ付近）と高周波数領域（ＨＦ：０．１５〜０．４Ｈｚ付近）におけるパワースペクトルの値から自律神経指標を取得し、例えば睡眠状態の判定なども行われている。

ただ、このような脈波間隔の周波数解析を行う場合、不整脈が混入した場合スパイク上のノイズとなるため、周波数領域では広帯域にノイズ成分が乗ってしまう。周波数解析を行う場合、不整脈に対応する脈波間隔データを除去する必要がある。

脈波に含まれる不整脈を検知する手法としては、脈波の極大値、極小値を検出しそれぞれの差分を振幅としたとき、大きな振幅を信号、小さな振幅のものをノイズ（不整脈）として判断するものがある（特許文献１参照）。
また、観測した脈波波形から不整脈自体を検知し、診断のために使用する試みもある（特許文献２、特許文献３参照）。特許文献２は検出したある一定時間内の脈波間隔データのばらつきが大きい場合に不整脈が含まれている、すなわち不整脈の症状がある、と判断するものである。また特許文献３はある一定時間内の脈波間隔データセットの周波数解析を行い、その分布特性、乱れの特性から不整脈が含まれている、すなわち不整脈の症状がある、と判断するものである。

特許文献１に開示された技術では、振幅の比較で不整脈を判断しているが、脈波信号自体振幅に揺らぎをもっており、また必ずしも不整脈時に振幅が小さくなる訳ではないため正確な不整脈検知は困難である。
さらに、特許文献２に開示された技術では、検出した脈波間隔のばらつきの特性から、また、特許文献３では、脈波間隔の周波数解析の結果から、不整脈症状があるかどうかを判定するものであり、一拍ごとに不整脈であるかどうかの判断を行うことは困難となっている。したがって、上記特許文献に開示されている方法では、波形の振幅及び間隔を総合的に判断して１拍ごとに不整脈かどうか判断することは困難であった。

特開２００７−１２５３６６号公報 特開２００７−１１７５９１号公報 特許第３６３５６６３号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、脈波の一波形ごとにその波形が正常であるか、不整脈かを判別することができる脈波計測装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の脈波計測装置は、被験者の脈波を検出する脈波検出手段と、
前記脈波検出部にて検出した脈波の振幅を検出する脈波振幅検出手段と、
前記脈波検出部にて検出した脈波の間隔を検出する脈波間隔検出手段と、
連続する２つの脈波の脈波振幅と脈波間隔の積、及び、脈波振幅と脈波間隔の比を、それぞれに設定した閾値とを比較し脈波間隔の特異値を判定する判定部とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、脈波の一波形ごとに、波形が不整脈であるか否かを判断でき、脈波間隔周波数解析による自律神経解析の精度を向上するとともに、不整脈症状の早期発見の支援が可能となるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる脈波計測装置の最良な実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態にかかる計測装置は、被験者（ユーザ）の生体情報として脈波を検出するセンサが、脈波間隔データを算出するとともに一拍ごとに脈波波形が不整脈か否かを判定し、不整脈でない脈波から得られた脈波間隔は正常データとして、それ以外のデータは不整脈データとして保存する。

図１は、第１の実施の形態にかかる計測装置の構成を示すブロック図である。第１の実施の形態にかかる計測装置では、装着型脈拍センサ２０の場合を述べる。

装着型脈拍センサ２０の構成について説明する。図２および図３は、装着型脈拍センサ２０の外観の一例を示した模式図を示す。図２が上面図を、図３が側面図を示している。図２および図３に示すように、装着型脈拍センサ２０は、腕時計状に手首に装着して使用する形状となっている。また、図２に示すように、装着型脈拍センサ２０の上面には、表示部３０と操作部３１とが備えられている。また、図３に示すように、装着型脈拍センサ２０の下面側に、被験者の脈波を検出する脈波計測部２１が備えられている。

図１は、第１の実施の形態にかかる装着型脈拍センサ２０の構成を示すブロック図である。図１に示すように、装着型脈拍センサ２０は、脈波検出手段である脈波計測部２１と、アンプ・フィルタ部２４と、ゲイン調節部２５と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部２７と、解析部２８と、データ記憶部２９と、表示部３０と、操作部３１と、動作周波数切替部３２と、通信部３３と、バッテリー３４と、バッテリー電圧監視部３５と、制御部３６とを備えている。

脈波計測部２１は、図３で説明したように、装着型脈拍センサ２０の下側の面で脈波の計測を行うものである。脈波計測部２１は、緑色ＬＥＤとフォトダイオードを備え、手首の皮膚表面に光を照射し、毛細血管内の血流変化により変化する反射光の変動をフォトダイオードで捉えることで脈波を計測する。

アンプ・フィルタ部２４は、計測した脈波波形の増幅およびフィルタを行うものである。具体的には、アンプ・フィルタ部２４は、脈波計測部２１のフォトダイオードからの出力電流を電流電圧変換器で電圧に変換し、増幅器で電圧を増幅して、ハイパスフィルタ（例えばカットオフ周波数：０．１Ｈｚ）とローパスフィルタ（例えばカットオフ周波数：５０Ｈｚ）を用いてフィルタ処理を実施する。

ゲイン調節部２５は、計測状態に応じてアンプ・フィルタ部２４の増幅率を調節する、ものである。具体的には、ゲイン調節部２５は、制御部３６に入力された脈波波形の振幅を算出し、これと設定した閾値との関係からアンプ・フィルタ部２４の増幅率を制御する。

Ａ／Ｄ変換部２７は、脈波計測部２１の出力をＡ／Ｄ変換するものである。

解析部２８は、Ａ／Ｄ変換部２７によって取り込まれたデータを解析するものであり、被験者の脈波を検出する脈波検出手段と、前記脈波検出部で検出した脈波の振幅を検出する脈波振幅検出手段と、前記脈波検出部で検出した脈波の間隔を検出する脈波間隔検出手段と、前記脈波の間隔を算出する手段と、脈波の振幅と脈波の間隔の積を算出する手段および／または脈波の振幅と脈波の間隔の比を算出する手段と、これらの値とそれぞれの閾値とを比較する手段とを備えている。
具体的には、解析部２８は、脈波計測部２１で計測され、アンプ・フィルタ部２４で増幅およびフィルタされた後、Ａ／Ｄ変換部２７でＡ／Ｄ変換された脈波波形を解析し、脈波間隔データを算出する脈波間隔算出処理を実行する。

データ記憶部２９は、解析部２８が解析した結果としての脈波間隔データなどの計測データを記憶する記憶部であり、具体的には、フラッシュメモリなどである。

表示部３０は、時刻、脈拍数、脈波計測状態、バッテリー状態、メモリ状態、通信状態を表示する表示装置であり、具体的には、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）などにより構成することができる。

操作部３１は、時刻モード、計測モードなどのモード切り替えスイッチ、またはバックライト点灯指示を行うためのプッシュスイッチなどを備えた操作部である。動作周波数切替部３２は、設定されたモードに応じて動作周波数の切替えを行うものである。時刻モードの時には時刻管理に必要最小限の動作周波数にして消費電力を低減する。

通信部３３は、外部装置との間のデータの送受信を行うものである。例えば、通信部３３は、データ記憶部２９に記憶したデータを自律神経指標計測装置１０に送信する。

通信部３３は、ＰＣ、ＰＤＡ端末、および携帯電話などの外部装置とデータ通信を行う通信部であり、具体的には、ＵＳＢなどにより構成することができる。これにより、例えば、複数日の睡眠時のデータを計測して蓄積し、ＰＣのＵＳＢポートに接続して所定の解析ソフトウェア上で解析可能な形式でデータをＰＣ上のハードディスクなどに保存し、解析ソフトで解析を行うことが可能となる。

バッテリー３４は、装着型脈拍センサ２０全体の電源供給を行うものである。バッテリー電圧監視部３５は、バッテリー３４の電圧を監視するものである。

制御部３６は、装着型脈拍センサ２０全体を制御する制御部であり、被験者の要求および指示を受け付けて各処理部に対する処理要求およびデータの流れを制御する。具体的には、被験者の要求を受け付けて電源のＯＮ／ＯＦＦ、計測開始および計測に関する各種処理などを制御する。

次に、このように構成された第１の実施の形態にかかる装着型脈拍センサ２０による脈波間隔算出処理について図６を用いて説明する。図６は、第１の実施の形態における脈波間隔算出処理の全体の流れを示すフローチャートである。

まず、解析部２８は、脈波から脈波データをサンプリングする（ステップＳ４０１）。次に、解析部２８は、サンプリングした一連の脈波データの処理ポイントを中心とした前後約１秒の脈波データの最大値と最小値を取得する（ステップＳ４０２）。

次に、解析部２８は、最大値と最小値とから基準値となる内分点を算出する（ステップＳ４０３）。例えば、解析部２８は、最大値と最小値との差を脈波振幅として算出し、算出した脈波振幅の内分点（例えば３：１）を基準値として算出する（図５（ａ）参照）。
次に、解析部２８は、直流変動成分を除去された一連の脈波データから、図５（ｂ）のように脈波波形と基準値との交点となる時刻を算出し、算出した時刻と過去の交点との時間間隔を脈波間隔データとして算出する（ステップＳ４０５）。解析部２８は、算出した脈波間隔データと対応する時点の脈波振幅をデータ記憶部２９に記憶する。
次に脈波間隔について、前回交点検出時の脈波間隔にくらべてその変化割合があらかじめ設定した設定値１（例えば０．１）よりも大きい場合を検出する（ステップＳ４０７）。変化割合１は例えば
変化割合１＝｜（前回の脈波間隔−今回の脈波間隔）／前回の脈波間隔｜
で求められる。
次に、脈波間隔変化が大きい場合、さらに脈波振幅を脈波間隔で割った値について、前回の交点となった時刻時のそれに対する今回の値を比較し、上記と同様に変化割合２を算出する。
変化割合２＝｜（前回の脈波振幅／前回の脈波間隔−今回の脈波振幅／前回の脈波間隔）／前回の脈波振幅／前回の脈波間隔｜

これがあらかじめ設定した設定値２（例えば０．１）以下であれば、これを脈波間隔の特異値（不整脈）と判定する（ステップＳ４０８，４０９）。それ以外であれば、正常脈波と判定する（ステップＳ４１０）。

設定値１、２については、被験者ごとに安静定常時のデータを取得しこれの標準偏差から決定してもよい。

なお、解析部２８は、このようにして算出された正常脈波からの脈波間隔データを１分間蓄積し（ステップＳ４１１）、そのデータセットについての自律神経解析を行う（ステップＳ４１２）。

なお、内分点の設定割合は、脈波の一拍ごとの間隔を検出するために、適切な設定範囲がある。図６に示すように、一般的な脈波波形では、被験者の血管の状態、血行動態により波形が異なり、血管に弾力が大きい場合などは、図６（ａ）のように波形の後半に小さな極大値を持つことがある。脈波の生波形は基線が揺らぐために、それを除去するため時間微分をかけるが、そうした場合、図６（ｂ）のように極大値の部分が強調され、波形の中央付近に出現することが多い。この極大値よりも上方に基準値（内分点）を設定する必要がある。被験者１５名（年齢２０歳〜６２歳）についての脈波波形の振幅と極大値の振幅を実験的に調べた結果を図７にしめす。結果、最大で０．６３７（データ１４）であった。ここでたとえば内分点の割合を０．６４以上（すなわち６４：３６より左が大きく右が小さい）とすることにより極大値を誤って拾ってしまうことを防ぐこともできる。

なお、この割合は、通常使用前にテストデータを取得し、その極大値から所定のマージンをあけた割合に設定してもよい。たとえば極大値の割合が０．５だとすれば０．１のマージンをとって０．６以上とする。

なお、ここでは、設定値１との比較に、脈波間隔の変化割合を用いたが、脈波間隔と脈波振幅の積の変化割合を用いてもよい。

また、図８のように、装着型脈拍センサ２０の中に、加速度計測部２６を追加し、脈波計測時の体動も同時計測し、不整脈判定の前に体動有無を判定し、体動があれば体動による乱れとして脈波間隔を除去し、体動がなく、不整脈と判定されたものを不整脈として採用することで、より精度を上げることもできる。図９のフローチャートに示すように、脈波間隔、脈波振幅の検出後、脈波間隔検出時、交点検出時点およびその一定時間（例えば０．３秒）の間の体動量、具体的には３軸加速度のサンプリング間の変化量の二乗和の平方根の時間平均値、あるいは最大値を体動量とし、これが０．１Ｇを越えた場合は体動による影響が合ったと判断し、検出データをエラーと判断する。それ以外については図４と同様に脈波間隔の特異値（不整脈）か否かを判定する。

また、ここでは自律神経解析の際の不整脈除去に本手法を用いたが、不整脈検知目的で使用する場合は、判定結果を装着型脈拍センサ２０の表示部から出力する。例えば図１０のように、ハートの点滅を脈拍に同期させて表示させている場合、不整脈の発生時には表示のようにハートマークの両脇に波線を表示し不整脈が起きたことを表示する。もしくは計測終了時に、計測開始から終了までに発生した不整脈の回数、あるいは時間平均を表示部に表示する。あるいはデータを通信部を介してＰＣに転送し、ＰＣにて不整脈の回数、時間平均の表示を行ってもよい。

（第２の実施の形態）
第１および第２の実施の形態では、加速度センサと脈波センサとを備えた装着型脈拍センサを用いた例について説明した。これに対し、第２の実施の形態にかかる計測装置では、第１の実施の形態の装着型脈拍センサにかえて、心拍と体動を検出するマットセンサを用いた例について説明する。

すなわち、本実施の形態では、マット型のセンサモジュールであるマットセンサを利用し、胸部または腹部の振動を圧力センサで計測して睡眠時の心拍と体動を検出する。

図１１は、マットセンサの配置例を示す図である。マットセンサは、ベッド１１２７のマットレス１１２８の表面に配置された圧力計測部１１６１に接続されている。

圧力計測部１１６１は、被験者の不在、在床、および体動を検出する。また、圧力計測部１１６１は、被験者の胸部または腹部に対応する位置に配置され、被験者の動きによる振動を計測する。この計測結果により心拍と体動を検出することができる。すなわち、本実施の形態では、第１の実施の形態の加速度計測部２６および脈波計測部２１に代えて、圧力計測部１１６１が備えられている。

圧力計測部１１６１は、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子圧電材料で形成されている。これは、薄膜状に成形された高分子圧電材料の両面に可とう性の電極膜が付着され、テープ状に形成された圧電素子である。

図１２は、第２の実施の形態にかかるマットセンサの構成を示すブロック図である。図１２に示すように、マットセンサは、アンプ・フィルタ部２４と、ゲイン調節部２５と、Ａ／Ｄ変換部２７と、解析部２８と、データ記憶部２９と、表示部３０と、操作部３１と、動作周波数切替部３２と、通信部３３と、バッテリー３４と、バッテリー電圧監視部３５と、制御部３６とを備えている。

第２の実施の形態では、上述のように、加速度計測部２６および脈波計測部２１が削除され、圧力計測部１１がアンプ・フィルタ部２４に接続されたこと、およびアンプ・フィルタ部２４の機能が第１の実施の形態と異なっている。その他の構成および機能は、第１の実施の形態にかかる装着型脈拍センサ２０の構成を表すブロック図である図６と同様であるので、同一符号を付し、ここでの説明は省略する。

アンプ・フィルタ部１４は、圧力計測部１１の出力を体動成分、心拍成分それぞれに分離してＡＤ変換部１７に出力するものである。フィルタとしては、体動計測の帯域、および心拍計測の帯域に適したものがそれぞれ利用される。

このように、第２の実施の形態にかかる計測装置では、第１の実施の形態にかかる脈波計測にかえて心拍計測を行い、この結果に対して第１の実施の形態における脈波計測結果に対する処理を行う。

なお、第２の実施の形態にかかる計測装置のこれ以外の構成および処理は、第１の実施の形態にかかる計測装置の構成および処理と同様であるため、その説明を省略する。

このように、第２の実施の形態にかかる脈波間隔計測装置では、マットセンサを用いた構成によって、無拘束で、脈波間隔の計測、および不整脈検知を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる脈波間隔計測装置は、日常生活で手軽に使用でき、かつ不整脈による自律神経解析への影響を低減し安定した評価が可能となるとともに、日常生活内で不整脈の発生可能性を早期に発見することが可能となる脈波計測装置に有用である。

第１の実施の形態にかかる装着型脈拍センサの構成を示すブロック図である。 装着型脈拍センサの外観の一例を示した模式図である。 装着型脈拍センサの外観の一例を示した模式図である。 第１の実施の形態における脈波間隔算出処理の全体の流れを示すフローチャートである。 脈波間隔データを算出する処理を表した模式図である 脈波データの一例と、その微分波形、および最大値、最小値、内分点の処理結果を示す説明図である。 脈波データの振幅と局大値の振幅の計測結果をしめす表である。 第１の実施の形態の変形例にかかる装着型脈拍センサの構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態の変形例にかかる脈波間隔算出処理の全体の流れを示すフローチャートである。 不整脈検知時の表示部への表示例を示す図である。 第２の実施の形態にかかるマットセンサの配置例を示す図である。 第２の実施の形態にかかるマットセンサの構成を示すブロック図である。

符号の説明

２０…装着型脈拍センサ
２１…脈波計測部
２４…アンプ・フィルタ部
２５…ゲイン調節部
２７…Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部
２８…解析部
２９…データ記憶部
３０…表示部
３１…操作部
３２…動作周波数切替部
３３…通信部
３４…バッテリー
３５…バッテリー電圧監視部
３６…制御部

Claims (5)

1. 被験者の脈波を検出する脈波検出手段と、
   前記脈波検出部にて検出した脈波の振幅を検出する脈波振幅検出手段と、
   前記脈波検出部にて検出した脈波の間隔を検出する脈波間隔検出手段と、
   連続する２つの脈波の脈波振幅と脈波間隔の積、及び、脈波振幅と脈波間隔の比を、それぞれに設定した閾値とを比較し脈波間隔の特異値を判定する判定部とを具備することを特徴とする脈波計測装置。
2. 前記脈波間隔検出手段が、
   脈波の所定区間内の最大値、最小値を検出する手段と、
   該最大値、最小値の所定割合の内分点を算出する内分点算出手段と、
   前記所定区間内の前記脈波が前記内分点をまたぐ交点の時刻をそれぞれ検出する交点時刻検出手段と、
   前記で検出された交点時刻と前回検出された交点時刻との差分を脈波間隔として算出する脈波間隔算出手段と、で構成され、
   前記脈波振幅検出手段が、
   前記で検出された交点時刻の時点を中心とした所定時間範囲の前記最大値、最小値の差分を脈波振幅として算出することを特徴とする請求項１に記載の脈波計測装置。
3. 前記内分点の割合は、０．６４以上であることを特徴とする、請求項２に記載の脈波計測装置。
4. 前記内分点の割合を、計測開始前に前もって計測した脈波波形の最大振幅に対する極大値振幅の割合で決定することを特徴とする、請求項２に記載の脈波計測装置。
5. 前記脈波検出手段で得られた脈波について、時間微分を行うことを特徴とする請求項１に記載の脈波計測装置。