JP5562805B2 - Pulse rate measuring method and blood oxygen saturation measuring method - Google Patents

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Description

本発明は、血管組織からのLED透過光又は反射光を利用した脈拍計及び血中酸素飽和度測定のためのパルスオキシメータにおいて、受光信号のディジタル処理法に関するものである。   The present invention relates to a digital processing method of a light reception signal in a pulse meter and a pulse oximeter for measuring blood oxygen saturation using LED transmitted light or reflected light from a vascular tissue.

従来の脈拍計として、血管組織からのLED透過光又は反射光に対する受光信号波形において、各周期でのピーク及びボトムのタイミングを検出し、各ピーク間又はボトム間の時間幅から脈拍数を推定する方法がある。
また、従来のパルスオキシメータでは、赤色光及び赤外光のそれぞれの信号波形に対するピーク値及びボトム値を読み取ることにより、両者の比から血中酸素飽和度を求めている。
As a conventional pulse meter, in the light reception signal waveform for LED transmitted light or reflected light from vascular tissue, the peak and bottom timing in each cycle is detected, and the pulse rate is estimated from the time width between each peak or bottom. There is a way.
Further, in the conventional pulse oximeter, the blood oxygen saturation is obtained from the ratio of both by reading the peak value and the bottom value for the signal waveforms of red light and infrared light.

いずれも体動などの外来雑音がないことを前提としており、わずかでも雑音が混入すると信号波形の周期性が乱れ、本来脈拍に同期すべき波形のピークやボトムが無秩序に現れるため、正しく脈拍が推定されず、それに基づいて計算される血中酸素飽和度にも大きな誤差がともなう。   Both are based on the premise that there is no external noise such as body movement, and even if a slight amount of noise is mixed, the periodicity of the signal waveform will be disturbed, and the peak and bottom of the waveform that should be synchronized with the pulse will appear randomly. There is also a large error in blood oxygen saturation that is not estimated and calculated based on it.

これら以外に従来の方法として、周波数スペクトル分布において脈拍成分が基本周波数の整数倍の位置に鋭いピークを形成する倍音スペクトル構造を有することに着目し、これを利用する方法がある。この方法では、倍音ピークの位置が脈拍周波数を表すことを用いて赤色光及び赤外光に対するそれぞれのピーク値の比から血中酸素飽和度を計算している。   In addition to these methods, there is a conventional method using a harmonic spectrum structure in which a pulse component forms a sharp peak at a position that is an integral multiple of the fundamental frequency in the frequency spectrum distribution. In this method, blood oxygen saturation is calculated from the ratio of each peak value to red light and infrared light using the fact that the position of the harmonic peak represents the pulse frequency.

しかし、この方法では、雑音成分の周波数が脈拍成分の周波数と大きく異なる場合には雑音に良い耐性を示すものの、両者が近接又は一致する場合は雑音の影響を避けることは難しい。   However, with this method, when the frequency of the noise component is significantly different from the frequency of the pulse component, it shows good resistance to noise, but when both are close or coincide with each other, it is difficult to avoid the influence of noise.

特許第2816944号明細書Japanese Patent No. 2816944 特開2008−220722号公報JP 2008-220722 A 特開2002−17694号公報JP 2002-17694 A 特開2009−22484号公報JP 2009-22484 A

雑音成分の周波数と脈拍成分の周波数が近接又は一致する場合に雑音の影響を避け難いという問題に対して、加速度センサなどを利用して体動を検出し、その周波数スペクトル分布と、脈拍信号の倍音スペクトル構造との違いに着目して、体動による雑音の影響を減じる方法が提案されている(特許文献1)。
しかし、この方法は、加速度センサを別に設ける必要があり、装置のコストアップにつながること、及び、加速度センサから検出された信号が必ずしも体動を忠実に表しているとは限らないことから、雑音抑制の効果が限定的であるなどの問題がある。
In response to the problem that it is difficult to avoid the influence of noise when the frequency of the noise component and the frequency of the pulse component are close or coincident with each other, body motion is detected using an acceleration sensor, etc., and the frequency spectrum distribution and the pulse signal Focusing on the difference from the overtone spectrum structure, a method for reducing the influence of noise due to body movement has been proposed (Patent Document 1).
However, this method requires a separate acceleration sensor, leading to an increase in the cost of the device, and the signal detected from the acceleration sensor does not always accurately represent the body movement. There are problems such as limited effect of suppression.

これに対して、別のセンサを用いることなしに、受光信号をアナログフィルタ処理することにより、体動の影響を除く方法も提案されている(特許文献2)。
この方法では、LED発光の点滅周波数を脈拍周波数より十分高く設定し、その点滅周波数近傍の周波数成分を抽出するフィルタと、それより低い周波数成分を抽出するフィルタを用い、後者により体動の周波数スペクトル成分を得て、それを前者から取り除くことによって脈拍情報を得るものである。
On the other hand, a method of removing the influence of body movement by performing an analog filter process on the received light signal without using another sensor has been proposed (Patent Document 2).
In this method, the blinking frequency of the LED emission is set sufficiently higher than the pulse frequency, and a filter that extracts a frequency component in the vicinity of the blinking frequency and a filter that extracts a lower frequency component are used. The pulse information is obtained by obtaining the component and removing it from the former.

しかし、この方法は、体動による外来光の浸入が原因となる雑音を取り除くのには有効であるが、LED光の照射位置のずれや血流の乱れなどにより、血管組織を経由した透過光又は反射光に混入した雑音成分に対する分離は困難である。   However, this method is effective in removing noise caused by the invasion of extraneous light due to body movement, but transmitted light that has passed through the vascular tissue due to deviations in the irradiation position of LED light or disturbance in blood flow. Alternatively, it is difficult to separate noise components mixed in reflected light.

また、受光信号の周波数スペクトルに対する処理により、体動の影響を取り除く方法も提案されている。
例えば、あるレベル以上のスペクトルピークが複数存在する場合には体動の影響があると判断し、前時刻で推定された脈拍スペクトルピークに周波数及びピーク値として近いものを選択する方法(特許文献3)や、脈拍信号の周波数スペクトピークが互いに倍音関係にあることを用いて、体動の周波数スペクトルピークと区別するする方法(特許文献4)が提案されている。
しかし、いずれの方法も、体動の影響が大きくなり一旦脈拍のスペクトルピークを追跡し損なうと、正しい脈拍ピークへの復帰が難しく、安定した脈拍推定が困難になるという問題がある。
There has also been proposed a method for removing the influence of body movement by processing the frequency spectrum of the received light signal.
For example, when there are a plurality of spectrum peaks of a certain level or more, it is determined that there is an influence of body movement, and a method for selecting a frequency spectrum and peak value close to the pulse spectrum peak estimated at the previous time (Patent Document 3) ) And a method of distinguishing from the frequency spectrum peak of body motion using the fact that the frequency spectrum peaks of the pulse signal are in a harmonic relationship with each other (Patent Document 4) has been proposed.
However, any of these methods has a problem that once the influence of body movement becomes large and the spectrum peak of the pulse cannot be traced, it is difficult to return to the correct pulse peak and stable pulse estimation becomes difficult.

そこで本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、LED透過・反射光を利用した脈拍数の測定と血中酸素飽和度の測定に関して、体動に対して頑健性を有し脈拍変化にも追随可能にするディジタル信号処理方式を提供することを目的とするものである。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and has a robustness to body motion and changes in pulse with respect to measurement of pulse rate and measurement of blood oxygen saturation using LED transmitted / reflected light. It is an object of the present invention to provide a digital signal processing system that can be followed.

上記課題を解決するため、本発明の脈拍数測定方法は、生体の組織を透過又は反射した光を受光した受光素子による受光信号の波形のピーク間もしくはボトム間の時間幅を測定し、それに対応する倍音スペクトル分布を生成する時間幅測定工程と、受光信号の周波数解析によってスペクトル分布を計算するスペクトル分布計算工程と、現時刻における倍音スペクトル分布、現時刻におけるスペクトル分布、並びに、前時刻までに得られた倍音スペクトル分布及びスペクトル分布の重み付き平均をとることによりスペクトル分布を更新するスペクトル分布更新工程と、を有し、時間幅測定工程、スペクトル分布計算工程、及びスペクトル分布更新工程を逐次実行することにより、各時刻での脈波のスペクトル分布を求めた上で、その最大ピーク周波数から脈拍数を算出することを特徴としている。 In order to solve the above problems, the pulse rate measuring method of the present invention measures the time width between the peaks or the bottoms of the waveform of the received light signal by the light receiving element that receives the light transmitted or reflected through the tissue of the living body, and responds to it. A time width measurement process for generating a harmonic spectrum distribution to be performed, a spectrum distribution calculation process for calculating a spectrum distribution by frequency analysis of a received light signal, a harmonic spectrum distribution at the current time, a spectrum distribution at the current time, and a previous time A spectrum distribution update step of updating the spectrum distribution by taking a weighted average of the obtained harmonic overtone spectrum distribution and the spectrum distribution, and sequentially executing the time width measurement step, the spectrum distribution calculation step, and the spectrum distribution update step After obtaining the spectral distribution of the pulse wave at each time, It is characterized by calculating the pulse rate from the wave number.

本発明の脈拍数測定方法においては、生体の体動により、時間幅測定工程において時間幅の測定が困難な場合は、スペクトル分布計算工程において計算した、現時刻のスペクトル分布と前時刻の推定値を用いて脈拍数を算出することが好ましい。   In the pulse rate measurement method of the present invention, when it is difficult to measure the time width in the time width measurement process due to body movements, the current time spectrum distribution and the estimated value of the previous time calculated in the spectrum distribution calculation process It is preferable to calculate the pulse rate using.

本発明の脈拍数測定方法においては、脈波のスペクトル分布からのピーク選択において、周波数が倍音関係にないピークは、体動成分であると判断し追跡対象から除外することが好ましい。   In the pulse rate measurement method of the present invention, it is preferable that a peak whose frequency is not related to harmonics is determined to be a body motion component and excluded from the tracking target in peak selection from the spectrum distribution of the pulse wave.

本発明の脈拍数測定方法においては、脈派のスペクトル分布からのピーク選択において、前時刻で推定された脈拍数に対応する周波数の近くに位置するピークについては、他のピークに比べて値が小さくても、定められたレベルより大きい場合はそれを選択することが好ましい。   In the pulse rate measuring method of the present invention, in peak selection from the spectrum distribution of the pulse group, the peak located near the frequency corresponding to the pulse rate estimated at the previous time has a value compared to other peaks. Even if it is small, it is preferable to select it when it is larger than a predetermined level.

本発明の血中酸素飽和度測定方法は、上述のいずれかの脈拍数測定方法によって算出された脈拍数を基準として、赤色光及び赤外光について受光した受光素子による受光信号の周波数解析によって得られたスペクトル分布において脈拍数の周波数に最も近いスペクトルピークを選択し、赤色光及び赤外光についてのスペクトルピークの値の比から第1血中酸素飽和度を求め、スペクトルピーク値に対応するピーク周波数に対して倍音関係にあるピークについて、赤色光及び赤外光のスペクトルピーク値の比から第2血中酸素飽和度を推定し、第1血中酸素飽和度と第2血中酸素飽和度の平均から最終的な血中酸素飽和度を算出することを特徴としている。   The blood oxygen saturation measurement method of the present invention is obtained by frequency analysis of a light reception signal by a light receiving element that receives red light and infrared light with reference to the pulse rate calculated by any one of the above-described pulse rate measurement methods. The spectrum peak closest to the pulse rate frequency in the obtained spectrum distribution is selected, the first blood oxygen saturation is obtained from the ratio of the spectrum peak values for red light and infrared light, and the peak corresponding to the spectrum peak value is obtained. The second blood oxygen saturation is estimated from the ratio of the spectral peak values of the red light and the infrared light with respect to the peak having a harmonic overtone with respect to the frequency, and the first blood oxygen saturation and the second blood oxygen saturation are estimated. The final blood oxygen saturation is calculated from the average of the above.

本発明の血中酸素飽和度測定方法においては、第2血中酸素飽和度において、定められたレベルよりも低い値をとる場合には、倍音関係にあるピークは体動の影響を受けていると判断し、平均の計算から除外することが好ましい。   In the method for measuring blood oxygen saturation according to the present invention, when the second blood oxygen saturation takes a value lower than a predetermined level, the peak related to overtone is affected by body movement. It is preferable to exclude it from the calculation of the average.

また、スペクトルピーク値に対応するピーク周波数に対してn倍音関係にあるピークについて、赤色光及び赤外光のスペクトルピーク値の比から第n血中酸素飽和度を推定し、第1から第n血中酸素飽和度までの平均あるいは取捨選択により最終的な血中酸素飽和度を算出してもよい。 The nth blood oxygen saturation is estimated from the ratio of the spectral peak values of the red light and the infrared light for the peak having an n overtone relationship with the peak frequency corresponding to the spectral peak value, and the first to nth. The final blood oxygen saturation may be calculated by averaging up to blood oxygen saturation or by selection.

本発明の血中酸素飽和度測定方法では、第n血中酸素飽和度において、定められたレベルよりも低い値をとる場合には、倍音関係にあるピークは体動の影響を受けていると判断し、平均の計算から除外する。   In the blood oxygen saturation measurement method of the present invention, when the nth blood oxygen saturation takes a value lower than a predetermined level, the peak related to the harmonic overtone is affected by body movement. Judge and exclude from average calculation.

本発明の脈拍数測定方法及び血中酸素飽和度測定方法によると、体動に対して頑健性を有し脈拍変化にも追随可能であるため、脈拍計及びパルスオキシメータの測定精度を向上させることができる。   According to the pulse rate measuring method and the blood oxygen saturation measuring method of the present invention, it is robust against body movement and can follow changes in the pulse, thereby improving the measurement accuracy of the pulse meter and pulse oximeter. be able to.

本発明の実施形態に係る脈拍測定の流れを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the flow of the pulse measurement which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る脈拍測定の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the pulse measurement which concerns on embodiment of this invention. 図2に示すダウンサンプリングの出力波形の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the output waveform of the downsampling shown in FIG. 図2に示すスペクトル分布の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the spectrum distribution shown in FIG. 図2に示す倍音スペクトル分布の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the overtone spectrum distribution shown in FIG. 図2に示すスペクトル分布の加算によって生成されたスペクトル分布の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the spectrum distribution produced | generated by addition of the spectrum distribution shown in FIG. 本発明の実施形態に係る血中酸素飽和度測定の流れを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the flow of the blood oxygen saturation measurement which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る血中酸素飽和度測定の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the blood oxygen saturation measurement which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る図8に示すスペクトル分布の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the spectrum distribution shown in FIG. 8 which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態に係る脈拍数測定方法及び血中酸素飽和度測定方法について図面を参照しつつ詳しく説明する。
本発明は、LEDを照射した生体の血管組織からの透過光及び/又は反射光を利用した脈拍及び血中酸素飽和度の計測において、体動下でも安定かつ高精度な測定を可能にする信号処理方式を提供するものである。
Hereinafter, a pulse rate measuring method and a blood oxygen saturation measuring method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The present invention provides a signal that enables stable and highly accurate measurement even under body movement in measurement of pulse and blood oxygen saturation using transmitted light and / or reflected light from vascular tissue of a living body irradiated with an LED. A processing method is provided.

以下に説明する実施形態では、前記透過光及び/又は反射光の受光信号から得られる脈波信号のピーク・ボトムを検出する波形ピーク・ボトム検出法と、前記受光信号の短時間周波数解析から脈波スペクトルを計算するスペクトル解析法と、を併用している。   In the embodiments described below, a waveform peak / bottom detection method for detecting a peak / bottom of a pulse wave signal obtained from the received light signal of the transmitted light and / or reflected light and a short-time frequency analysis of the received light signal And a spectrum analysis method for calculating a wave spectrum.

さらに、前述の波形ピーク・ボトム検出法とスペクトル解析法のそれぞれにおいて脈拍推定を行い、その結果(現時刻での推定結果)と前時刻までの推定結果とを統合することにより、体動の状況に対応した最終的な脈拍値を得る。
具体的な処理の流れは下記のとおりである。
Furthermore, pulse estimation is performed in each of the waveform peak / bottom detection method and spectrum analysis method described above, and the results (estimation results at the current time) and the estimation results up to the previous time are integrated, so The final pulse value corresponding to is obtained.
The specific processing flow is as follows.

まず、脈拍の推定について、図1〜図6を参照しつつ説明する。図1は、脈拍測定の流れを示すブロック図である。図2は、脈拍測定の流れを示すフローチャートである。図3は、図2に示すダウンサンプリング(ステップS100)の出力波形の例を示すグラフである。図4は、図2に示すスペクトル分布(ステップS103)の例を示すグラフである。図5は、図2に示す倍音スペクトル分布(ステップS106)の例を示すグラフである。図6は、図2に示すスペクトル分布の加算(ステップS108)によって生成されたスペクトル分布の例を示すグラフである。   First, pulse estimation will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing the flow of pulse measurement. FIG. 2 is a flowchart showing the flow of pulse measurement. FIG. 3 is a graph showing an example of an output waveform of the downsampling (step S100) shown in FIG. FIG. 4 is a graph showing an example of the spectrum distribution (step S103) shown in FIG. FIG. 5 is a graph showing an example of the overtone spectrum distribution (step S106) shown in FIG. FIG. 6 is a graph showing an example of the spectrum distribution generated by the addition of the spectrum distribution shown in FIG. 2 (step S108).

図1を参照して、ダウンサンプリング出力までの流れを説明する。
パルス発生器101からのパルス信号はアンプ102で増幅され、このパルス信号によりLED(Light Emitting Diode)103が駆動される。LED103は、一定の周波数(例えば200Hz)で測定対象物S側へ発光する。受光素子104は、指や耳たぶなどの生体内血管組織Sを通過又は反射した光を受光する。脈拍にあわせて血管断面積が変化しそれに応じて光の減衰量が変わるため、受光素子104が受光した光は生体内血管組織Sにおける脈波に対応した振幅が生じる。
The flow up to the downsampling output will be described with reference to FIG.
A pulse signal from the pulse generator 101 is amplified by an amplifier 102, and an LED (Light Emitting Diode) 103 is driven by the pulse signal. The LED 103 emits light toward the measurement object S side at a constant frequency (for example, 200 Hz). The light receiving element 104 receives light that has passed through or reflected through the in-vivo vascular tissue S such as a finger or earlobe. Since the blood vessel cross-sectional area changes with the pulse and the light attenuation changes accordingly, the light received by the light receiving element 104 has an amplitude corresponding to the pulse wave in the vascular tissue S in the living body.

受光素子104は受光した光に対応する受光信号を出力する。この受光信号は、アンプ105で増幅される。増幅・同期された受光信号は、A/D変換器106によりディジタル信号に変換される。この変換は、省電力化のために発光している間だけ回路が動作するように、パルス発生器101からLED103への出力信号と同期制御される。   The light receiving element 104 outputs a light receiving signal corresponding to the received light. This received light signal is amplified by the amplifier 105. The amplified and synchronized received light signal is converted into a digital signal by the A / D converter 106. This conversion is synchronously controlled with an output signal from the pulse generator 101 to the LED 103 so that the circuit operates only during light emission for power saving.

A/D変換器106によってディジタル信号は、DCカット回路107によって不要なDC(直流)成分をカットされる。さらに、この信号は、脈拍推定には不要な周波数成分(例えば50Hz以上)をLPF(Low Pass Filter)108でカットされ、ダウンサンプリングされた信号109が出力される。このダウンサンプリング出力信号109(図3、図2のステップS100)の周波数は、例えば25Hzである。 An unnecessary DC (direct current) component is cut from the digital signal by the DC cut circuit 107 by the A / D converter 106. Further, this signal has a frequency component (for example, 50 Hz or more) unnecessary for pulse estimation cut by an LPF (Low Pass Filter) 108, and a down-sampled signal 109 is output. The frequency of the downsampling output signal 109 (step S100 in FIGS. 3 and 2) is, for example, 25 Hz.

また、A/D変換器106によってディジタル信号に変換された信号は、ピーク・ボトム検出のために、LFP120によって高周波ノイズが除去される。このLFP120は、例えば、8サンプル移動平均を実行する。 The signal converted into a digital signal by the A / D converter 106 has high frequency noise removed by the LFP 120 for peak / bottom detection. The LFP 120 performs, for example, an 8-sample moving average.

ダウンサンプリング出力信号109は脈拍検出部110で処理される。この処理工程について、図1及び図2を参照しつつ説明する。
窓関数演算回路111は、ダウンサンプリングされた信号109(ステップS100)に窓関数を乗じる(ステップS101)。この演算結果に対して、FFT回路112は、例えば5秒の時間幅に切り出した後、FFT(高速フーリエ変換)を実行する(ステップS102)。つづいて、スペクトル分布計算回路113が、高速フーリエ変換された信号から周波数スペクトル分布(スペクトル分布1)を算出する(ステップS103、スペクトル分布計算工程)。このような短時間周波数解析によって算出された周波数スペクトル分布の例を図4に示す。また、スペクトル分布計算回路113は、算出したスペクトル分布に基づいて脈拍推定値を算出する。
The downsampling output signal 109 is processed by the pulse detector 110. This processing step will be described with reference to FIGS.
The window function calculation circuit 111 multiplies the down-sampled signal 109 (step S100) by the window function (step S101). For this calculation result, the FFT circuit 112 cuts out a time width of, for example, 5 seconds, and then executes FFT (fast Fourier transform) (step S102). Subsequently, the spectrum distribution calculation circuit 113 calculates a frequency spectrum distribution (spectrum distribution 1) from the fast Fourier transformed signal (step S103, spectrum distribution calculation step). An example of the frequency spectrum distribution calculated by such short-time frequency analysis is shown in FIG. The spectrum distribution calculation circuit 113 calculates a pulse estimated value based on the calculated spectrum distribution.

一方、時間幅測定回路114は、LFP120によって高周波ノイズがカットされた信号の波形の各周期におけるピークとボトムのタイミングを検出し、各ピーク間又は各ボトム間の時間幅を算出する(ステップS104、時間幅測定工程)。スペクトル分布計算回路115は、算出された時間幅から脈拍の推定が可能か否かを判断する(ステップS105)。脈拍の推定が可能と判断した場合(ステップS105でYES)、スペクトル分布計算回路115は、時間幅に基づいて脈拍推定値及び脈拍周波数を算出し、この脈拍周波数の倍音位置にピークが現れるように倍音スペクトル分布(合成スペクトル分布)を生成する(ステップS106)。生成された倍音スペクトル分布の例を図5に示す。   On the other hand, the time width measurement circuit 114 detects the timing of the peak and the bottom in each cycle of the waveform of the signal from which the high frequency noise has been cut by the LFP 120, and calculates the time width between the peaks or between the bottoms (step S104, Time width measurement process). The spectrum distribution calculation circuit 115 determines whether or not the pulse can be estimated from the calculated time width (step S105). When it is determined that the pulse can be estimated (YES in step S105), the spectrum distribution calculation circuit 115 calculates a pulse estimated value and a pulse frequency based on the time width, and a peak appears at the harmonic frequency position of the pulse frequency. A harmonic spectrum distribution (synthetic spectrum distribution) is generated (step S106). An example of the generated overtone spectrum distribution is shown in FIG.

脈拍の推定が可能でないと判断した場合(ステップS105でNO)、スペクトル分布計算回路115はスペクトル分布を生成しない(ステップS107)。   When it is determined that the pulse cannot be estimated (NO in step S105), the spectrum distribution calculation circuit 115 does not generate a spectrum distribution (step S107).

次に、加算回路116は、ステップS103で算出した元スペクトル分布と、ステップS106で生成した倍音スペクトル分布と、これら両スペクトル分布の前時刻のスペクトル分布(ステップS109)と、を一定の割合で加算し、これをもって現時刻でのスペクトル分布を生成・更新し、このスペクトル分布から脈拍数を算出する(ステップS108、脈拍数算出工程、スペクトル分布更新工程)。この加算に用いる前時刻のスペクトル分布は、スペクトル分布計算回路113が算出したスペクトル分布1とスペクトル分布計算回路115が生成した倍音スペクトル分布を、遅延回路117が時系列で記憶し、現時刻よりも1つ前の時刻のスペクトル分布を加算回路116へ出力する。また、一定の割合での加算は、例えば、スペクトル分布1、倍音スペクトル分布、及び前時刻のスペクトル分布について重み付け平均することにより行う。生成された修正スペクトル分布の例を図6に示す。   Next, the adding circuit 116 adds the original spectral distribution calculated in step S103, the harmonic overtone distribution generated in step S106, and the spectral distribution of these two spectral distributions at the previous time (step S109) at a constant rate. Then, a spectrum distribution at the current time is generated and updated, and the pulse rate is calculated from the spectrum distribution (step S108, pulse rate calculating step, spectrum distribution updating step). The spectrum distribution at the previous time used for the addition is the spectrum distribution 1 calculated by the spectrum distribution calculation circuit 113 and the harmonic overtone distribution generated by the spectrum distribution calculation circuit 115, which is stored in time series by the delay circuit 117, and is more than the current time. The spectrum distribution at the previous time is output to the adder circuit 116. Further, the addition at a certain ratio is performed by, for example, performing weighted averaging on the spectrum distribution 1, the harmonic overtone spectrum distribution, and the spectrum distribution at the previous time. An example of the generated corrected spectral distribution is shown in FIG.

つづいて、ピーク検出回路118は、修正スペクトル分布において前時刻の脈拍推定値に最も近い周波数をとるピークを選択する(ステップS110)。このとき、ピーク検出回路118は、選択したピークの近傍に、基準異常のピーク値をとり、かつ、そのピーク周波数の2倍以上の整数倍の値を持つピーク(倍音ピーク)が存在しているか否かを判断する(ステップS111)。このような倍音ピークが存在している場合(ステップS111でYES)、その倍音ピークを選択し(ステップS112)、そのピーク周波数をもって現時刻における最終的な脈拍値とする(ステップS113)。   Subsequently, the peak detection circuit 118 selects a peak having a frequency closest to the estimated pulse value at the previous time in the corrected spectrum distribution (step S110). At this time, the peak detection circuit 118 has a peak value of a reference abnormality in the vicinity of the selected peak and whether there is a peak (overtone peak) having a value that is an integer multiple of twice or more of the peak frequency. It is determined whether or not (step S111). If such a harmonic peak exists (YES in step S111), the harmonic peak is selected (step S112), and the peak frequency is set as the final pulse value at the current time (step S113).

ここで、ステップS110における脈波のスペクトル分布からのピーク選択において、前時刻で推定された脈拍数に対応する周波数の近くに位置するピークについては、他のピークに比べて値が小さくても、定められたレベルより大きい場合はそれを選択する。   Here, in the peak selection from the pulse wave spectrum distribution in step S110, the peak located near the frequency corresponding to the pulse rate estimated at the previous time is smaller than the other peaks, If it is greater than the set level, select it.

一方、倍音ピークが存在しない場合(ステップS111でNO)、選択されたピークが体動成分であると判断して追跡対象から除外し、ステップS110で選択したピーク周波数をもって現時刻における最終的な脈拍値とする(ステップS113)。
したがって、ステップS113において、脈波のスペクトル分布の最大ピーク周波数から脈拍数を算出している。
以上の処理を一定の時間間隔(例えば0.5秒毎)で繰り返し計算していくことにより、時系列の脈拍推定値及び脈拍数を時系列データとして得ることができる。
On the other hand, if there is no overtone peak (NO in step S111), it is determined that the selected peak is a body motion component and is excluded from the tracking target, and the final pulse at the current time with the peak frequency selected in step S110. A value is set (step S113).
Therefore, in step S113, the pulse rate is calculated from the maximum peak frequency of the spectrum distribution of the pulse wave.
By repeatedly calculating the above processing at regular time intervals (for example, every 0.5 seconds), a time-series pulse estimated value and a pulse rate can be obtained as time-series data.

次に、血中酸素飽和度の推定について、図7〜9を参照しつつ説明する。図7は、血中酸素飽和度測定の流れを示すブロック図である。図8は、血中酸素飽和度測定の流れを示すフローチャートである。図9は、図8に示すスペクトル分布(ステップS203)の例を示すグラフである。   Next, estimation of blood oxygen saturation will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a block diagram showing a flow of blood oxygen saturation measurement. FIG. 8 is a flowchart showing the flow of blood oxygen saturation measurement. FIG. 9 is a graph showing an example of the spectrum distribution (step S203) shown in FIG.

図7を参照して、ダウンサンプリング出力までの流れを説明する。
パルス発生器101からは、赤外光用と赤色用のパルス信号が出力され、アンプ202a、202bでそれぞれ増幅される。増幅されたパルス信号により、赤外域の発光のためのLED203aと赤色発光のためのLED203bが駆動される。これらのLED203a、203bは、一定の周波数(例えば200Hz)で測定対象物S側へ発光する。赤外光用の受光素子204a及び赤色光用の受光素子204bは、指や耳たぶなどの生体内血管組織Sを通過又は反射した赤外光及び赤色光をそれぞれ受光する。
The flow up to the downsampling output will be described with reference to FIG.
From the pulse generator 101, pulse signals for infrared light and red are output and amplified by the amplifiers 202a and 202b, respectively. The amplified pulse signal drives the LED 203a for infrared light emission and the LED 203b for red light emission. These LEDs 203a and 203b emit light toward the measuring object S at a constant frequency (for example, 200 Hz). The light receiving element 204a for infrared light and the light receiving element 204b for red light respectively receive infrared light and red light that have passed or reflected through the in-vivo vascular tissue S such as a finger or earlobe.

受光素子204a、204bは、受光した光に対応する受光信号をそれぞれ出力する。これらの受光信号は、アンプ205a、205bでそれぞれ増幅される。増幅・同期された受光信号は、それぞれ、A/D変換器106によりディジタル信号に変換される。この変換は、省電力化のために発光している間だけ回路が動作するように、パルス発生器101からLED203a、203bへの出力信号と同期制御される。   The light receiving elements 204a and 204b each output a light reception signal corresponding to the received light. These received light signals are amplified by amplifiers 205a and 205b, respectively. The amplified and synchronized received light signals are converted into digital signals by the A / D converter 106, respectively. This conversion is synchronously controlled with the output signal from the pulse generator 101 to the LEDs 203a and 203b so that the circuit operates only during light emission for power saving.

A/D変換器106によってディジタル信号に変換された信号は、AC・DC分離器207によりAC(交流)成分とDC(直流)成分に分離される。AC/DC計算回路208は、赤外光と赤色光の受光信号のそれぞれについて、分布されたAC成分とDC成分の比をもって血中酸素飽和度測定用の信号とする。 The signal converted into a digital signal by the A / D converter 106 is separated into an AC (alternating current) component and a DC (direct current) component by an AC / DC separator 207. The AC / DC calculation circuit 208 uses the ratio of the distributed AC component and DC component for each of the received light signals of infrared light and red light as a signal for measuring blood oxygen saturation.

また、A/D変換器106によってディジタル信号に変換された信号は、ピーク・ボトム検出のために、LFP120によって高周波ノイズが除去される。このLFP120は、例えば、8サンプル移動平均を実行する。 The signal converted into a digital signal by the A / D converter 106 has high frequency noise removed by the LFP 120 for peak / bottom detection. The LFP 120 performs, for example, an 8-sample moving average.

さらに、赤色光信号と赤外光信号のそれぞれについて、LPF108を通して不要な周波数成分をカットしてダウンサンプリングされた信号210が出力される。このダウンサンプリング出力信号210の周波数は、例えば50Hzである。   Further, for each of the red light signal and the infrared light signal, an unnecessary frequency component is cut through the LPF 108 and a down-sampled signal 210 is output. The frequency of the downsampling output signal 210 is, for example, 50 Hz.

ダウンサンプリング出力以後の処理工程について、図7及び図8を参照しつつ説明する。
窓関数演算回路111は、ダウンサンプリングされた信号210(ステップS200)に窓関数を乗じる(ステップS201)。この演算結果に対して、FFT回路112は、例えば5秒の時間幅に切り出した後、FFT(高速フーリエ変換)を実行する(ステップS202)。つづいて、スペクトル分布計算回路113が、高速フーリエ変換された信号から周波数スペクトル分布を算出する(ステップS203)。算出された周波数スペクトル分布の例を図9に示す。図9において、IRスペクトル分布は赤外光のスペクトル分布、Rスペクトル分布は赤色光のスペクトル分布である。
Processing steps after the downsampling output will be described with reference to FIGS.
The window function calculation circuit 111 multiplies the downsampled signal 210 (step S200) by the window function (step S201). For this calculation result, the FFT circuit 112 cuts out to a time width of, for example, 5 seconds, and then performs FFT (fast Fourier transform) (step S202). Subsequently, the spectrum distribution calculation circuit 113 calculates a frequency spectrum distribution from the fast Fourier transformed signal (step S203). An example of the calculated frequency spectrum distribution is shown in FIG. In FIG. 9, the IR spectrum distribution is a spectrum distribution of infrared light, and the R spectrum distribution is a spectrum distribution of red light.

一方、脈拍検出部110では、上述の脈拍の推定と同様に、時間幅測定回路114が、高周波ノイズがカットされた信号210の波形の各周期におけるピークとボトムのタイミングを検出し、各ピーク間又は各ボトム間の時間幅を算出する(図2のステップS104)。スペクトル分布計算回路115は、算出された時間幅から脈拍の推定が可能か否かを判断する(図2のステップS105)。脈拍の推定が可能と判断した場合(図2のステップS105でYES)、スペクトル分布計算回路115は、算出された時間幅を基準として脈拍推定値及び脈拍周波数を算出する(図8のステップS205)。   On the other hand, in the pulse detection unit 110, similarly to the above-described estimation of the pulse, the time width measurement circuit 114 detects the timing of the peak and the bottom in each cycle of the waveform of the signal 210 from which the high frequency noise has been cut, and between the peaks. Alternatively, the time width between the bottoms is calculated (step S104 in FIG. 2). The spectrum distribution calculation circuit 115 determines whether the pulse can be estimated from the calculated time width (step S105 in FIG. 2). When it is determined that the pulse can be estimated (YES in step S105 in FIG. 2), the spectrum distribution calculation circuit 115 calculates a pulse estimated value and a pulse frequency based on the calculated time width (step S205 in FIG. 8). .

このようにして推定された脈拍周波数を基準として、IR倍音ピーク選択回路214a及びR倍音ピーク選択回路214bは、赤外光及び赤色光について、その周波数に最も近いスペクトルピークをそれぞれ選択する(ステップS204)。R/IR比計算回路215は、ステップS204で選択した赤外光と赤色光の両者のピーク値の比を算出し、この比から血中酸素飽和度(SpO2)を求める(第1血中酸素飽和度、ステップS206)。ここで、「SpO2」は、「percutaneous oxygen saturation」又は「oxygen saturation by pulse oximetry」の略語である。   Based on the pulse frequency estimated in this way, the IR overtone peak selection circuit 214a and the R overtone peak selection circuit 214b respectively select the spectrum peak closest to the frequency for infrared light and red light (step S204). ). The R / IR ratio calculation circuit 215 calculates the ratio of the peak values of both the infrared light and red light selected in step S204, and obtains the blood oxygen saturation (SpO2) from this ratio (first blood oxygen Saturation, step S206). Here, “SpO2” is an abbreviation of “percutaneous oxygen saturation” or “oxygen saturation by pulse oximetry”.

倍音選択・平均化回路216は、ステップS204で選択した赤外光と赤色光のピーク周波数に対して倍音関係にあるピークについて、ステップS206と同様に両者の比から血中酸素飽和度(SpO2)を求める(第2血中酸素飽和度)。   The harmonic overtone selection / averaging circuit 216 determines the blood oxygen saturation (SpO2) based on the ratio between the peaks of harmonics with respect to the peak frequencies of the infrared light and red light selected in step S204, as in step S206. (Second blood oxygen saturation).

倍音選択・平均化回路216は、第1血中酸素飽和度と第2血中酸素飽和度について、前時刻の血中酸素飽和度に近いピークがあるか否かを判断する(ステップS207)。
前時刻の血中酸素飽和度に近いピークがある場合(ステップS207でYES)、倍音選択・平均化回路216は、そのピークのみを1〜2個選択する(ステップS208)。
前時刻の血中酸素飽和度に近いピークがない場合(ステップS207でNO)、倍音選択・平均化回路216は、倍音関係にあるピークは体動の影響を受けていると判断して、血中酸素飽和度が高いピークを赤外光と赤色光についてそれぞれ選択する(ステップS211)。
The overtone selection / averaging circuit 216 determines whether or not there is a peak close to the blood oxygen saturation at the previous time for the first blood oxygen saturation and the second blood oxygen saturation (step S207).
If there is a peak close to the blood oxygen saturation at the previous time (YES in step S207), the harmonic overtone selection / averaging circuit 216 selects only one or two peaks (step S208).
If there is no peak close to the blood oxygen saturation level at the previous time (NO in step S207), the harmonic selection / averaging circuit 216 determines that the peak related to harmonics is affected by body movement, and blood Peaks with high intermediate oxygen saturation are selected for infrared light and red light, respectively (step S211).

倍音選択・平均化回路216は、ステップS204で選択した赤外光と赤色光のピーク周波数に対してn倍音関係にあるピークについても同様に、ステップS206において両者の比から血中酸素飽和度(SpO2)を求めてもよい(第n血中酸素飽和度)。この場合、倍音選択・平均化回路216は、ピークを1〜n個選択する(ステップS208)。ここで、nは1より大きな整数である。 Similarly, the harmonic overtone selection / averaging circuit 216 also applies the blood oxygen saturation (from the ratio of both in step S206 to the peak in the nth harmonic relationship with respect to the peak frequency of the infrared light and red light selected in step S204. SpO2) may be determined (nth blood oxygen saturation). In this case, the harmonic overtone selection / averaging circuit 216 selects 1 to n peaks (step S208). Here, n is an integer greater than 1.

倍音選択・平均化回路216は、ステップS208又はS211で選択されたピークについて重み付け平均を実行する(ステップS209)。この重み付け平均においては、前時刻の血中酸素飽和度を参照する(ステップS210)。
倍音選択・平均化回路216は、算出した平均から最終的な血中酸素飽和度を決定する。ただし、各倍音ピークから推定された血中酸素飽和度において、定められたレベルよりも低い値をとる場合には、その倍音ピークは体動の影響を受けていると判断し、平均化の計算から除外する。スペクトル分布の計算までは前述の脈拍推定とほぼ共通しているので、例えば赤色光の方を脈拍推定と血中酸素飽和度推定について共通化してもよい。
The overtone selection / averaging circuit 216 performs weighted averaging on the peak selected in step S208 or S211 (step S209). In this weighted average, the blood oxygen saturation at the previous time is referred to (step S210).
The overtone selection / averaging circuit 216 determines the final blood oxygen saturation from the calculated average. However, if the blood oxygen saturation estimated from each overtone peak takes a value lower than the specified level, it is determined that the overtone peak is affected by body movement, and the calculation of averaging is performed. Exclude from Since the calculation up to the spectrum distribution is almost the same as the above-described pulse estimation, for example, the red light may be shared for the pulse estimation and the blood oxygen saturation estimation.

以上説明した本実施形態の脈拍数測定方法及び血中酸素飽和度測定方法は、体動の影響を受けにくくかつ急な脈拍変化にも対応した、脈拍数及び血中酸素飽和度の高精度な測定が可能である。これにより、従来は困難であった運動中の測定が可能となる。
また、ディジタル信号処理だけで測定を実現しているため、既存装置のソフトウェアの入れ替えだけで上記高性能化が可能であり低コストである。さらに、アルゴリズムがシンプルなため、固定小数点のCPUでも実装可能である。
The pulse rate measurement method and blood oxygen saturation measurement method of the present embodiment described above are highly sensitive to the pulse rate and blood oxygen saturation, which are not easily affected by body movements and are capable of dealing with sudden pulse changes. Measurement is possible. This makes it possible to perform measurement during exercise, which was difficult in the past.
Further, since the measurement is realized only by the digital signal processing, the above-described high performance can be achieved only by replacing the software of the existing apparatus, and the cost is low. Furthermore, since the algorithm is simple, it can be implemented by a fixed-point CPU.

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。   Although the present invention has been described with reference to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be improved or changed within the scope of the purpose of the improvement or the idea of the present invention.

以上のように、本発明に係る脈拍数測定方法及び血中酸素飽和度測定方法は、経皮的に脈拍数や血中酸素飽和度を測定するパルスオキシメータに有用である。   As described above, the pulse rate measuring method and the blood oxygen saturation measuring method according to the present invention are useful for a pulse oximeter that measures the pulse rate and blood oxygen saturation transcutaneously.

101 パルス発生器
102、105 アンプ
103 LED
104 受光素子
106 A/D変換器
107 DCカット回路
108 LPF
110 脈拍検出部
111 窓関数演算回路
112 FFT回路
113、115 スペクトル分布計算回路
114 時間幅測定回路
116 加算回路
117 遅延回路
118 ピーク検出回路
202a、202b アンプ
203a、203b LED
204a、204b 受光素子
205a、205b アンプ
207 AC・DC分離器
208 AC/DC計算回路
214a IR倍音ピーク選択回路
214b R倍音ピーク選択回路
215 R/IR比計算回路
216 倍音選択・平均化回路
101 Pulse generator 102, 105 Amplifier 103 LED
104 light receiving element 106 A / D converter 107 DC cut circuit 108 LPF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Pulse detection part 111 Window function arithmetic circuit 112 FFT circuit 113, 115 Spectral distribution calculation circuit 114 Time width measurement circuit 116 Adder circuit 117 Delay circuit 118 Peak detection circuit 202a, 202b Amplifier 203a, 203b LED
204a, 204b Light receiving element 205a, 205b Amplifier 207 AC / DC separator 208 AC / DC calculation circuit 214a IR overtone peak selection circuit 214b R overtone peak selection circuit 215 R / IR ratio calculation circuit 216 Overtone selection / averaging circuit

Claims (8)

生体の組織を透過又は反射した光を受光した受光素子による受光信号の波形のピーク間もしくはボトム間の時間幅を測定し、それに対応する倍音スペクトル分布を生成する時間幅測定工程と、
前記受光信号の周波数解析によってスペクトル分布を計算するスペクトル分布計算工程と、
現時刻における前記倍音スペクトル分布、現時刻における前記スペクトル分布、並びに、前時刻までに得られた前記倍音スペクトル分布及び前記スペクトル分布の重み付き平均をとることによりスペクトル分布を更新するスペクトル分布更新工程と、
を有し、
前記時間幅測定工程、前記スペクトル分布計算工程、及びスペクトル分布更新工程を逐次実行することにより、各時刻での脈波のスペクトル分布を求めた上で、その最大ピーク周波数から脈拍数を算出することを特徴とする脈拍数測定方法。
A time width measuring step for measuring a time width between peaks or bottoms of a waveform of a light reception signal by a light receiving element that receives light transmitted or reflected through a living tissue, and generating a harmonic spectrum distribution corresponding to the time width; and
A spectral distribution calculation step of calculating a spectral distribution by frequency analysis of the received light signal;
A spectrum distribution updating step of updating the spectrum distribution by taking a weighted average of the harmonic spectrum distribution at the current time, the spectrum distribution at the current time, and the harmonic spectrum distribution obtained up to the previous time and the spectrum distribution; ,
Have
The pulse width is calculated from the maximum peak frequency after obtaining the pulse wave spectrum distribution at each time by sequentially executing the time width measuring step, the spectrum distribution calculating step, and the spectrum distribution updating step. A pulse rate measuring method characterized by the above.
前記生体の体動により、前記時間幅測定工程において前記時間幅の測定が困難な場合は、前記スペクトル分布計算工程において計算した、現時刻のスペクトル分布と前時刻の推定値を用いて脈拍数を算出することを特徴とする請求項1に記載の脈拍数測定方法。 If it is difficult to measure the time width in the time width measurement step due to body movement of the living body, the pulse rate is calculated using the current time spectrum distribution and the estimated value of the previous time calculated in the spectrum distribution calculation step. The pulse rate measuring method according to claim 1 , wherein the pulse rate is calculated. 前記脈波のスペクトル分布からのピーク選択において、周波数が倍音関係にないピークは、体動成分であると判断し追跡対象から除外することを特徴とする請求項1に記載の脈拍数測定方法。 2. The pulse rate measuring method according to claim 1 , wherein in selecting a peak from the spectrum distribution of the pulse wave, a peak whose frequency is not related to a harmonic is determined to be a body motion component and excluded from a tracking target. 前記脈派のスペクトル分布からのピーク選択において、前時刻で推定された脈拍数に対応する周波数の近くに位置するピークについては、他のピークに比べて値が小さくても、定められたレベルより大きい場合はそれを選択することを特徴とする請求項1に記載の脈拍数測定方法。 In the peak selection from the spectrum distribution of the pulse group, the peak located near the frequency corresponding to the pulse rate estimated at the previous time is less than the predetermined level even if the value is smaller than the other peaks. 2. The pulse rate measuring method according to claim 1 , wherein when it is large, it is selected. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の脈拍数測定方法によって算出された脈拍数を基準として、赤色光及び赤外光について受光した前記受光素子による前記受光信号の周波数解析によって得られたスペクトル分布において前記脈拍数の周波数に最も近いスペクトルピークを選択し、
赤色光及び赤外光についての前記スペクトルピークの値の比から第1血中酸素飽和度を求め、
前記スペクトルピーク値に対応するピーク周波数に対して倍音関係にあるピークについて、赤色光及び赤外光のスペクトルピーク値の比から第2血中酸素飽和度を推定し、
前記第1血中酸素飽和度と前記第2血中酸素飽和度の平均から最終的な血中酸素飽和度を算出することを特徴とする血中酸素飽和度測定方法。
Obtained by frequency analysis of the received light signal by the light receiving element that receives red light and infrared light with reference to the pulse rate calculated by the pulse rate measuring method according to any one of claims 1 to 4. Selecting the spectral peak closest to the frequency of the pulse rate in the given spectral distribution;
Obtain the first blood oxygen saturation from the ratio of the spectral peak values for red light and infrared light,
Estimating the second blood oxygen saturation from the ratio of the spectral peak value of red light and infrared light with respect to the peak in harmonic relation with the peak frequency corresponding to the spectral peak value,
A method for measuring blood oxygen saturation, comprising calculating a final blood oxygen saturation from an average of the first blood oxygen saturation and the second blood oxygen saturation.
前記第2血中酸素飽和度において、定められたレベルよりも低い値をとる場合には、前記倍音関係にあるピークは体動の影響を受けていると判断し、前記平均の計算から除外することを特徴とする請求項5に記載の血中酸素飽和度測定方法。 If the second blood oxygen saturation level is lower than a predetermined level, it is determined that the harmonic-related peak is affected by body movement and is excluded from the average calculation. The method for measuring blood oxygen saturation according to claim 5 . 前記ピーク周波数に対してn倍音関係にある各ピークについて、赤色光及び赤外光のスペクトルピーク値の比から第n血中酸素飽和度を推定し、
第1から第nまでの血中酸素飽和度の平均から最終的な血中酸素飽和度を算出することを特徴とする請求項5に記載の血中酸素飽和度測定方法。
For each peak that has an n overtone relationship with the peak frequency, the nth blood oxygen saturation is estimated from the ratio of the spectral peak values of red light and infrared light,
6. The blood oxygen saturation measuring method according to claim 5 , wherein a final blood oxygen saturation is calculated from an average of the first to nth blood oxygen saturations.
前記第n血中酸素飽和度において、定められたレベルよりも低い値をとる場合には、前記倍音関係にあるピークは体動の影響を受けていると判断し、前記平均の計算から除外することを特徴とする請求項7に記載の血中酸素飽和度測定方法。 If the n-th blood oxygen saturation level is lower than a predetermined level, it is determined that the overtone-related peak is affected by body movement and is excluded from the average calculation. The method for measuring blood oxygen saturation according to claim 7 .
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