JP5448515B2 - 生体信号測定装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、この手法では、測定にある程度の熟練度合いが必要になることや、自己では行いにくいなどの理由から、電気的に脈波を測定できる機器等の提案がなされている。
ここで、生体の振動波である脈波とそれを用いて脈波信号を処理する公知の技術を、図6と図7とを用いて説明する。
図6(a)の周期的に発生している波形p11は、手首の橈骨近辺に配した圧力センサによる脈波信号を示し、不規則に発生している棘状の波形p11nは、周囲から混入する電磁的あるいは機械的なノイズを示している。
図6(c)の波形p1は、上記の脈波による波形p11にノイズp11nとノイズp12が加わった状態の圧力センサの出力波形であり、ノイズや揺らぎ成分の混入によって振幅が著しくばらついている様子を示している。
ノイズ信号が混在する波形になっている。
また、図7(a)に示した点線の信号P0は、波形P1を有意的信号として識別するための基準値である。
fc=C/(M・△t)
となる。
M=14からM=6
に減少するので、周波数帯域fcは、次のように拡大する。
すなわち、短周期と長周期との周期データを全て除去して脈拍数を算出すると、短周期と長周期との脈波信号に含まれていた信号成分も全て失われてしまうばかりでなく、測定系の周波数特性をも劣化させノイズも増大するという逆の効果を生じてしまう。
並び替えられた振動波の周期は、区分分類される。例えば、振動波の周期が短周期のものや長周期のものは信頼性が劣ると考え、振動波の周期が中周期のものは信頼性があると考え、各区分(この場合3つの区分)ごとに重み付けを行うのである。
信頼性が劣ると考えられる区分は重み付けを下げ、信頼性があると考えられる区分は重み付けを高める。そして、これらを加重平均するのである。
このようにすることで、振動数の周期がばらついたとしても、信頼性があると考えられる振動波を使うことができるようになる。
振動波を人体の脈波とすれば、ノイズではなく正しい脈波を信号処理することができるため、心拍数などの算出の精度が向上するのである。
生体が発する複数の振動波の周期データをグループ信号としてまとめ、各々の周期データを予め定められた周期信号の長さと比較して区分判別し、区分ごとに区分データとして記憶すると共に、区分ごとに重み係数を記憶し、区分データと重み係数とから周期データの振動波周期加重平均値を算出し、単位時間当りの振動数データを算出し、表示するものである。なお、振動数データを算出し表示したのち、算出に使用されたグループ信号は更新される。
以下、図1および図8を用いて本発明の生体信号測定装置の第1の実施形態を詳述する。
図1は機能ブロック図であり、図8は振動波信号の波形図であり、図9は振動波信号の数値例を表す図表である。
図1において、生体信号測定装置1は、振動波検出手段2と振動波周期測定部3とグループ記憶手段4と振動数算出手段5と表示手段6とクロック発生部7とから構成される。
まず、振動波検出手段2を説明する。
振動波検出手段2は、センサ21と振動波検出部22と基準値信号記憶部23とで構成しており、振動波信号P2を出力する。
脈波は、すでに説明したように、周期的に発生している波形として測定され、その信号には、不規則に発生している棘状の波形が、電磁的あるいは機械的なノイズとして混入している。脈波の波形は、呼吸動作によって生じるゆっくりした揺らぎノイズと、運動などによる大きい振幅の体動ノイズとの2つの成分が混在したノイズを含んでおり、振幅がばらついている。図8(a)に示すセンサ信号P1は、低周波の揺らぎ成分を電子回路的手法で除去したもので、ほぼ平坦な基線の上に振幅がばらついた脈波と、棘状のノイズ信号が混在する波形になっている。
基準値信号P0は、センサ信号P1を有意的信号として識別するための基準値である。つまり、測定した振動波が橈骨動脈の脈動に基づく振動波なのか否かを信号の大きさ(信号レベル)で判断するための閾値となる値である。例えば、測定した振動波があまりに微弱であれば、それは振動波ではないと判断する材料になるものである。このような基準値信号P0は、予め実験などをしておけば、その値を知り得ることができる。
振動波信号P2は、図8(a)に示すように、センサ信号P1と基準値信号P0とを比較して、図8(b)に示すように、基準値信号P0の振幅を上回るセンサ信号P1を振動波信号P2として出力するのである。
次に、振動波周期測定部3を説明する。
振動波周期測定部3は、クロック発生部7から出力されるクロック信号Cと振動波検出手段2から出力される振動波信号P2とを入力として、周期データDaを出力する。
クロック信号Cは、振動波信号P2の時間間隔を測定するための基準クロック信号となるものであって、水晶振動子、発振回路、分周回路などからなる公知のクロック発生手段を用いることができる。
次に、グループ記憶手段4を説明する。
グループ記憶手段4は、記憶入力制御部41とグループ記憶部42と記憶出力制御部43とから構成されており、振動波周期測定部3から周期データDaを入力し、グループ信号Gaを出力する。以下にグループ記憶手段4の構成を詳述する。
この「所定区間」により選択された周期データは、測定対象としてのグループ信号Gaとして、グループ記憶部42に記憶される。
次に、振動数算出手段5を説明する。
振動数算出手段5は、区分判別部51と区分記憶部52と重み係数記憶部53と振動波周期加重平均値算出部54と振動数計算部55とで構成され、グループ記憶手段4の記憶出力制御部43から出力されるグループ信号Gaに基づき振動数データDbを出力する。
図8(c)に示すように、区分判別部51は、グループ信号Gaの構成要素である複数の周期データDa3〜Da16を、予め定められた周期信号の長さdas、dalと比較し区分判別し、判別済グループ信号Gbを出力する。
周期データDan<周期信号の長さdas
というように、周期信号の長さdas以下の周期を持つ周期データDaは、短周期区分のA区分に分類し、
周期データDan≧周期信号の長さdal
というように、周期信号の長さdal以上の周期を持つ周期データDaは、長周期区分のC区分に分類し、
周期信号の長さdas≦周期データDan<周期信号の長さdal
というように、周期信号の長さdas以上周期信号の長さdal未満の周期データDanは、中周期区分のB区分とに分類する。
区分数=(予め定められた周期信号の数)+1
となる。
複数の区分(この例では、3つの区分)ごと記憶し、各区分に対応した複数の区分データDcとして出力する。つまり、A区分は区分データDca、B区分は区分データDcb、C区分は区分データDccとして出力する。
A区分:区分データDca=[Da3、Da4、Da10、Da13、Da15]
B区分:区分データDcb=[Da5、Da6、Da7、Da9、Da8、Da11]
C区分:区分データDcc=[Da12、Da14、Da16]
となる。
図8(c)では、「A区分(1)」、「B区分(10)」、「C区分(1)」のように、重み係数を示した。
「重み係数」には、重み係数記憶部53によって記憶される区分ごとの重み係数が示されている。
周期データDa3=3.6
であり、最大値は、
周期データDa16=18.5
である。
既に述べたように、予め定められた周期信号の長さdas、dalは、それぞれ最小周期の140%と最大周期の50%であるから、
das=3.6×1.4=5.04
であり、
dal=18.5×0.5=9.25
と表される。
Da4=4.0
なので、区分判別部51は、A区分と判別する。また、重み係数記憶部53は、重み係数「1」と設定し記憶する。
また、周期データDa9は、
Da9=8.0
なので、区分判別部51は、B区分と判別する。また、重み係数記憶部53は、重み係数「10」と記憶する。
また、周期データDa12は、
Da12=11.5
なので、区分判別部51は、C区分と判別する。また、重み係数記憶部53は、重み係数「1」と記憶する。
同様に、周期データDa3〜Da16の全ての区分と、重み係数が決定される。
Dd=(区分データDcの「重み付けされた周期」の総和)/(区分データDcの「重み付けされたデータ数」)
「A区分データDcaの周期データDaの総和」をXAとし、
「B区分データDcbの周期データDaの総和」をXBとし、
「C区分データDccの周期データDaの総和」をXCとし、
さらに、
「A区分データDcaのデータ数」をXAnとし、
「B区分データDcbのデータ数」をXBnとし、
「C区分データDccのデータ数」をXCnとする。
Dd=(XAKa+XBKb+XCKc)/(XAnKa+XBnKb+XCnKc)
振動数データDb=(単位時間)/(振動波周期加重平均値Dd)
なお、新たな信号は、便宜上、振動波信号P2(2)などと括弧内に2回目の信号であるように表現することにした。
ここで、説明した第1の実施形態の効果を、図9の図表を参照してまとめる。
既に述べたように、振動数算出手段5の振動波周期加重平均値算出部54は、振動波周期加重平均値Ddを、式2で算出する。
A区分のデータ数は、XAn=5で、A区分の重み係数は、Ka=1である。
B区分のデータ数は、XBn=6で、B区分の重み係数は、Kb=10である。
C区分のデータ数は、XCn=3で、C区分の重み係数は、Kc=1である。
ゆえに、式2は、式3のように算出される。すなわち、
Dd=(XA+10XB+XC)/(5+60+3)=(XA+10XB+XC)/68
となる。
XA=Da3+Da4+Da10+Da13+Da15
XB=Da5+Da6+Da7+Da8+Da9+Da11
XC=Da12+Da14+Da16
となる。これを用いて、単純平均値は、
単純平均値=(XA+XB+XC)/14
と表すことができる。
A区分の周期データDaの総和=XA、
B区分の周期データDaの総和=XB、
C区分の周期データDaの総和=XC、
として、XA、XB、XCの算定結果に与える寄与を、本発明による場合と単純平均法による場合とを比較すると下記の表1のようになる。
次に、図2を用いて図1に示す第1の実施形態の回路構成を説明する。
図2において、生体信号測定装置1は、センサ21と測定スイッチ8と記憶装置14と表示手段6とマイクロプロセッサ10と電源12とで構成される。
表示手段6は、例えば、液晶表示装置によって構成される。振動数データDbを表示する。
サ信号P1を入力として振動数データDbを出力する主機能を担う。電源12は、生体信号測定装置1を駆動するための電池等による駆動電源である。
次に、図3と図4と図5とを用いて生体信号測定装置1の外観図を説明する。この例では、本発明の生体信号測定装置を人体に装着して脈波を測定する装置として運用する例を説明する。
図3は、生体信号測定装置1の外観図であり、図4は手首に装着した様子を示す外観図である。また、図5は手首部分に装着した生体信号測定装置1および手首部の断面図である。
測定を開始するための操作ボタンである測定スイッチ8は、運動中等でも簡単に操作できるように、本体正面のような操作しやすく見やすい場所に設けると便利である。同様に、表示手段6は本体正面に設けてあり、使用者は測定した脈拍数を容易に確認することができる。図3に示す例では、脈拍数「112」と表示している。
生体信号測定装置1を生体に装着するに際しては、センサ21の検出面21aが手首90の内部の橈骨動脈91と平面的に重なるように、その位置をバンド9で調整する。
生体信号測定装置1は、その裏面にセンサ21を備えるのであるから、装置におけるセンサ21は、生体信号測定装置1を手首90に装着しただけで、自然に橈骨動脈91の上部の皮膚に当接するような位置に設けるように予め設計しておくと便利である。
次に、図10、図11、図12を用いて、本発明の生体信号測定装置の第2の実施形態について説明する。なお、第2の実施形態は、第1の実施形態に対してグループ記憶手段の構成が異なるものである。図10は第2の実施形態におけるグループ記憶手段を示すブロック図である。図11は、第2の実施形態における振動波信号の波形図である。図12は、図11の振動波信号を区分した結果を示すものである。なお、説明に際しては、図1に示す第1の実施形態の機能ブロック図も参照されたい。
連続して測定されたセンサ信号P1から新しい振動波信号P2を生成するたびに、新しい周期データDanを取り込んで、新しいグループ信号Ganを形成し新しい振動数データDbnを算出するものである。このような手法は、いわゆる移動平均法に基づく処理である。
図10に示すように、第2の実施形態のグループ記憶手段は、前述したように新しい振動波信号P2を生成するたびに新しい周期データDanを取り込み、新しいグループ信号Ganを形成し記憶するという動作によって、所定区間が新しい振動波信号P2を生成するたびに部分的に更新されてゆく「部分更新型」の構成となっている。
なお図10においては、説明のため記憶セル42aは3個が表現されているが、実施形態では1個の記憶セル42aを用い内容を更新していくようになっている。言うまでもないが、記憶セル42aを3個用いることも可能である。
図11は、第2の実施形態における振動波信号の波形図であり、図11の(a)には第1の実施形態と同様に一般的な振動波すなわち脈波を表すセンサ信号P1が示され、「所定区間」の範囲が測定対象であること示している。なお、「所定区間」は、「所定区間1」〜「所定区間3」が示されている。
なお、すでに説明したように、「所定区間」は、一定期間の脈拍数を算出するための範囲であり、連続して測定された脈波から算出されたセンサ信号P1のうち、どこから「所定区間」を開始してもよいのであるが、説明しやすいように、波形p3sから「所定区間1」が開始されている様子を示している。同様に、波形p4sからは、「所定区間2」が、波形p5sからは、「所定区間3」が、それぞれ開始されている。
その後、使用者の新たな振動波によって新たな振動波信号P2が発生し、振動波周期測定部3から新たな周期データDaがグループ記憶手段4に入力される。この周期データDaは、「所定期間2」のデータである。
さらに、3番目の周期データDan+3を2番目の周期データDan+2が記憶されていた記憶部に移し換え、以下同様のシフト動作を複数回繰り返して、時系列上で最新の周期データDamを含む複数の周期データDan+1〜Damを時系列順に複数個まとめ、図10に示すグループ記憶部42の記憶セル42aに第2番目のグループ信号Ga2として記憶する。
する。振動数算出手段5は、第2番目のグループ信号Ga2に基づき、加重平均法によって第2番目の振動数データDb2を算出する。
以上、説明した第2の実施形態の効果は、次のようなものである。
すなわち、グループ信号Gaの書き換えは、1個ないし数個の新しい周期データDaによって行われ、その都度振動数データDbの算出、並びに表示が行われる。
生体信号測定装置100に対する性能要求が、表示の即時性である場合には極めて有用な技術である。
以上述べたように、本発明の生体信号測定装置によれば、複数の周期データDaはグループ信号Gaとしてまとめられたのち、予め定められた周期信号の長さdas、dalと比較して複数の区分に判別されると共に区分ごとに記憶され、B区分すなわち中周期区分の周期データDaについては重みを上げ、A区分すなわち短周期区分の周期データDaやC区分すなわち長周期区分の周期データDaについては重みを下げ、加重平均算出が行われる。
なお、以上説明した実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を満たすものであれば任意に変更することができることは言うまでもない。
2 振動波検出手段
21 センサ
21a センサ検出面
22 振動波検出部
23 基準値信号記憶部
3 振動波周期測定部
4 グループ記憶手段
41 記憶入力制御部
42 グループ記憶部
42a 記憶セル
43 記憶出力制御部
5 振動数算出手段
51 区分判別部
52 区分記憶部
53 重み係数記憶部
54 振動波周期加重平均値算出部
55 振動数計算部
6 表示手段
7 クロック発生部
8 測定スイッチ
9 バンド
90 手首
91 橈骨動脈
10 マイクロプロセッサ
11 電装ボード
12 電源
14 記憶装置
P0 基準値信号
P1 センサ信号
p1 センサ内部信号
p11n ノイズ成分
p12 揺らぎノイズ
P2 振動波信号
Da 周期データ
Da1 時系列上で最も古い周期データ
Da2 時系列上で2番目に古い周期データ
Da3 時系列上で3番目に古い周期データ
Dan、Dam 時系列上で最新の周期データ
Dan+1 時系列上で周期データDanの次の周期データ
Ga グループ信号
Gb 判別済グループ信号
Dc 区分データ
Dca A区分データ
Dcb B区分データ
Dcc C区分データ
K 重み係数
Ka A区分の重み係数
Kb B区分の重み係数
Kc C区分の重み係数
Dd 振動波周期加重平均値
Db 振動数データ
C クロック信号
XA A区分データDcaの周期データDaの総和
XB B区分データDcbの周期データDaの総和
XC C区分データDccの周期データDaの総和
XAn A区分データDcaのデータ数
XBn B区分データDcbのデータ数
XCn C区分データDccのデータ数
fc 遮断周波数
M 平均化点数
Δt 標本間隔
C −3db点定数
Claims (6)
- 生体が発する振動波を検出し、単位時間当りの振動数データを算出する生体信号測定装置であって、
生体より発せられる振動波を検出し、振動波信号として出力する振動波検出手段と、
前記振動波信号の時間間隔を測定して、周期データとして出力する振動波周期測定部と、
前記周期データを複数まとめて、測定対象としてのデータグループであるグループ信号として記憶するグループ記憶手段と、
前記グループ記憶手段に記憶された前記グループ信号に基づき、振動数データを算出する振動数算出手段と、を備え、
前記振動数算出手段は、
前記グループ信号を構成する、前記複数の周期データを入力して、前記複数の周期データと予め定められた周期信号の長さとを比較し、区分判別を行う区分判別部と、
前記区分判別部によって区分判別された複数の周期データを区分ごとに記憶し、複数の区分ごとに区分データとして出力する区分記憶部と、
前記複数の区分データに対応する複数の重み係数を記憶する重み係数記憶部と、
前記複数の区分データと前記区分データに対応する前記複数の重み係数とから、振動波周期加重平均値を算出する振動波周期加重平均値算出部と、を備え、
前記振動波周期加重平均値に基づいて、振動数データを算出する
ことを特徴とする生体信号測定装置。 - 前記区分判別部において、前記予め定められた周期信号の長さを、前記複数の周期データに基づいて算出することを特徴とする請求項1に記載の生体信号測定装置。
- 前記生体信号測定装置は、前記振動数データを表示するための表示手段を備えることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の生体信号測定装置。
- 前記グループ記憶手段において、グループ記憶手段に記憶されるグループ信号の更新の際に、全ての周期データを書換更新することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の生体信号測定装置。
- 前記グループ記憶手段において、グループ記憶手段に記憶されるグループ信号の更新の
際に、一部の周期データを書換更新することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の生体信号測定装置。 - 前記グループ信号は、前記区分判別部から出力される際に判定済グループ信号として並び替えられることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の生体信号測定装置。
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