CN105007809A - 脉搏波传播时间测量装置 - Google Patents

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Abstract

脉搏波传播时间测量装置(1)包括：对心电传感器(10)检测出的心电信号实施滤波处理的第一信号处理部(310)；对光电脉搏波传感器(30)检测出的光电脉搏波信号实施滤波处理的第二信号处理部(320)；检测出心电信号和光电脉搏波信号的峰值的峰值检测部(316、326)；求出第一信号处理部(310)中的心电信号的延迟时间以及第二信号处理部(320)中的光电脉搏波信号的延迟时间的延迟时间获取部(317、327)；基于心电信号的延迟时间和光电脉搏波信号的延迟时间，对心电信号的峰值和光电脉搏波信号的峰值进行校正的峰值校正部(318、328)；以及根据校正后的心电信号的峰值和光电脉搏波信号的峰值之间的时间差来求出脉搏波传播时间的脉搏波传播时间测量部(330)。

Description

脉搏波传播时间测量装置
技术领域
本发明涉及对脉搏波传播时间进行测量的脉搏波传播时间测量装置。
背景技术
近年来，人们对于健康的维持、改善的关注日益提高。于是，为了进行健康管理，人们希望更加容易地获得例如血压、心电图、心率等信息。其中，专利文献1公开了一种便携式血压测定装置，其测定心电波和容积脉搏波来求出容积脉搏波的传播时间(脉搏波传播时间)，并计算出血压的最高值、最低值。该便携式血压测定装置包括：心电波检测单元，该心电波检测单元具有与生物体表面相接触的一个电极，对该电极检测出的心电位(心电波)进行检测；以及容积脉搏波检测单元，该容积脉搏波检测单元利用与生物体表面相接触的光电传感器对脉搏进行测定，根据检测出的心电波的R波(峰值)和脉搏波峰值(上升点)之间的时间差来求出脉搏波传播时间，基于预先决定的脉搏波传播时间与血压之间的相关图表来计算出血压。
然而，心电、光电脉搏波等生物体信号较微弱，且根据测定环境会带来大量噪声，因此，难以进行高精度测定。于是，为了提高S/N比，一般使用如下方法：即，利用滤频器等进行过滤的方法。其中，构成上述便携式血压测定装置的心电波检测单元中，通过陷波滤波器和带通滤波器来获取心电波信号，其中，陷波滤波器使50至60Hz的交流噪声截止，带通滤波器选择性地使心电波的频率分量通过。此外，在容积脉搏波检测单元中，使光电传感器的输出通过带通滤波器来提取出搏动分量(容积脉搏波信号)，该带通滤波器选择性地使脉搏波的频率分量即0.3Hz～10Hz的信号通过。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004-81285号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，若进行滤波，则会发生心电信号、光电脉搏波信号的峰值偏移的问题。此处，为了高精度地求出脉搏波传播时间，需要高精度地检测出心电信号的峰值和光电脉搏波信号的峰值。但是，在上述便携式血压测定装置中，由于因滤波发生了峰值偏移，脉搏波传播时间的测量精度有可能变差。尤其，滤波器通常具有频率特性(频率依赖性)，另一方面，心电信号和光电脉搏波信号中频率分量不同，因此，因滤波造成的峰值的偏移量在心电信号和光电脉搏波信号中有可能不同。其结果是，脉搏波传播时间的测量精度可能进一步变差。
本发明为了解决上述问题而完成，其目的在于提供一种脉搏波传播时间测量装置，其能更高精度地测量脉搏波传播时间。
解决技术问题所采用的技术手段
本发明所涉及的脉搏波传播时间测量装置的特征在于，包括：心电传感器，该心电传感器具有心电电极且对心电信号进行检测；光电脉搏波传感器，该光电脉搏波传感器具有发光元件和光接收元件且对光电脉搏波信号进行检测；第一信号处理单元，该第一信号处理单元对心电传感器检测出的心电信号进行包含滤波处理在内的信号处理；第二信号处理单元，该第二信号处理单元对光电脉搏波传感器检测出的光电脉搏波信号实施包含滤波处理在内的信号处理；峰值检测单元，该峰值检测单元分别对经第一信号处理单元实施了信号处理后的心电信号和经第二信号处理单元实施了信号处理后的光电脉搏波信号的峰值进行检测；延迟时间获取单元，该延迟时间获取单元求出第一信号处理单元中心电信号的延迟时间和/或第二信号处理单元中光电脉搏波信号的延迟时间；校正单元，该校正单元基于延迟时间获取单元求出的心电信号的延迟时间和/或光电脉搏波信号的延迟时间，对峰值检测单元检测出的心电信号的峰值和/或光电脉搏波信号的峰值进行校正；以及运算单元，该运算单元根据经校正单元进行校正后的光电脉搏波信号的峰值和心电信号的峰值之间的时间差来求出脉搏波传播时间。
根据本发明所涉及的脉搏波传播时间测量装置，通过实施包含滤波处理在内的信号处理，能得到S/N较高的心电信号、光电脉搏波信号。此外，关于检测出的心电信号和/或光电脉搏波信号的峰值，对因信号处理引起的心电信号和/或光电脉搏波信号的延迟时间进行校正，因此，能更准确地确定心电信号和光电脉搏波信号的峰值。由此，能更高精度地测量脉搏波传播时间。
本发明所涉及的脉搏波传播时间测量装置中优选为，延迟时间获取单元基于心电信号、光电脉搏波信号各自的频率分量，来求出心电信号的延迟时间和/或光电脉搏波信号的延迟时间。
由此，第一信号处理单元和第二信号处理单元具有频率特性(频率依赖性)，即便心电信号、光电脉搏波信号分别依赖于频率分量其峰值偏移(延迟时间)发生变动，也能适当地对各自的偏移进行校正。由此，能更高精度地测量脉搏波传播时间。
另外，在本发明所涉及的脉搏波传播时间测量装置中优选为，根据基于光电脉搏波信号求出的脉率、或基于心电信号求出的心率，来决定上述频率分量。
由此，利用根据光电脉搏波信号求出的脉率或根据心电信号求出的心率，从而无需进行特别或专用的处理(例如FFT等)，就能较容易地获取频率分量。
本发明所涉及的脉搏波传播时间测量装置优选为还包括反转单元，该反转单元使心电传感器检测出的心电信号的极性发生反转。
由此，即使在接触心电电极的生物体的部位颠倒的情况下、或心电信号包含的R波(峰值)上下颠倒的体质的使用者的情况下，通过使心电信号的极性反转，也能正确地检测出峰值。由此，能更准确地测量脉搏波传播时间。
本发明所涉及的脉搏波传播时间测量装置中优选为，在对心电信号检测出极性不同的多个峰值的情况下，运行单元将在规定时间内脉搏波传播时间最长的峰值设为真峰值。
由此，即使在接触心电电极的生物体的部位颠倒的情况下、或心电信号包含的R波(峰值)上下颠倒的体质的使用者的情况下，也能正确地检测出峰值。此外，心电波形根据测定部位、体质而不同，并且还因滤波而变形，因此，有时在上下侧发生R波，但即便在这种情况下，也能正确地检测出峰值。由此，能更高精度地测量脉搏波传播时间。
本发明所涉及的脉搏波传播时间测量装置中优选为，在求出的脉搏波传播时间不落入规定时间内的情况下，运算单元将该脉搏波传播时间判定为出错。
通常，心电和光电脉搏波的时间差即脉搏波传播时间是0.1～0.3秒左右的值，其变化幅度为10％左右，并不大。该情况下，在求出的脉搏波传播时间不落入规定时间内时，将该测量结果设为出错，从而能防止脉搏波传播时间的误检测。
本发明所涉及的脉搏波传播时间测量装置中优选为，在运算单元中，在求出的脉搏波传播时间不落入规定的时间内的情况下，心搏间隔变化率大于脉搏间隔变化率时，将检测出的心电信号的峰值判定为出错，脉搏间隔变化率大于心搏间隔变化率时，将检测出的光电脉搏波信号的峰值判定为出错。
在该情况下，求出的脉搏波传播时间不落入规定时间内时，也能防止误测量。此外，在该情况下，对心电信号的峰值和光电脉搏波信号的峰值中某一个出错进行确定，从而能使用未发生出错的一方的信号，来获取例如脉搏间隔或心搏间隔等数据。
本发明所涉及的脉搏波传播时间测量装置中优选为，在运算单元中，在求出的脉搏波传播时间不落入规定时间内的情况下，在检测出的峰值和位于该峰值附近的1个以上心电信号的峰值、及检测出的峰值和位于该峰值附近的1个以上光电脉搏波信号的峰值的组合内，搜索出脉搏波传播时间落入上述规定时间内的组合，在提取出多个该组合的情况下，对脉搏波传播时间变化率、心电信号峰值的振幅和该振幅变化率、光电脉搏波信号峰值的振幅和该振幅变化率、心搏间隔变化率以及脉搏间隔变化率内的至少某一个进行考虑来选出组合，求出脉搏波传播时间。
由此，即使在脉搏波传播时间的测量值不落入规定时间内的情况下，也能更准确地获取脉搏波传播时间。
发明效果
根据本发明，能更高精度地测量脉搏波传播时间。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的脉搏波传播时间测量装置的结构的框图。
图2是表示实施方式所涉及的脉搏波传播时间测量装置的脉搏波传播时间测量处理的处理步骤的流程图。
图3是表示实施方式所涉及的脉搏波传播时间测量装置的脉搏波传播时间测量处理的另一处理步骤的流程图。
图4是表示滤波前和滤波后的心电波形和光电脉搏波波形的图。
图5是将图4的局部扩大得到的图，是表示滤波造成的峰值延迟的示例的图。
图6是表示在心电波的上下侧出现峰值的情况下的心搏间隔、脉搏间隔和脉搏波传播时间的图。
图7是表示因噪声引起的峰值误检测示例的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。另外，在各图中，对相同要素标注相同的标号，并省略重复说明。
首先，利用图1，对脉搏波传播时间测量装置1的结构进行说明。图1是表示脉搏波传播时间测量装置1的结构的框图。
脉搏波传播时间测量装置1对心电信号和光电脉搏波信号进行检测，根据检测出的心电信号(心电波)的R波峰值和光电脉搏波信号(脉搏波)的峰值(上升点)之间的时间差来测量脉搏波传播时间(参照图4、5)。因此，脉搏波传播时间测量装置1包括：用于检测心电信号的心电传感器10；用于检测光电脉搏波信号的光电脉搏波传感器20；以及基于检测出的心电信号和光电脉搏波信号来测量脉搏波传播时间等的信号处理单元30。以下，对各结构要素进行详细说明。
心电传感器10具有一对第一心电电极11和第二心电电极12，利用该第一心电电极11和第二心电电极12对心电信号进行检测。第一心电电极11和第二心电电极12例如分别与人体的左右手、手腕等接触并安装于左右手、手腕。作为第一心电电极11、第二心电电极12的电极材料，例如优选使用金属(优选不锈钢、Au等耐腐蚀性强且金属过敏(metallic allergy)较少的金属)、导电凝胶、导电橡胶、导电布等。此外，作为第一心电电极11、第二心电电极12的电极材料，例如能使用导电塑料、电容性耦合电极等。第一心电电极11和第二心电电极12分别通过电缆与信号处理单元30相连接，经由该电缆向信号处理单元30输出心电信号。
光电脉搏波传感器20是使用血中的血红蛋白的吸光特性来光学性地检测出光电脉搏波信号的传感器。因此，光电脉搏波传感器20包含发光元件21和光接收元件22来构成。
发光元件21根据从信号处理单元30的驱动部350所输出的脉冲状的驱动信号来发光。作为发光元件21，例如可以使用LED、VCSEL(VerticalCavity Surface Emitting LASER：垂直腔面发射激光器)、或谐振器型LED等。另外，驱动部350生成并输出用于驱动发光元件21的脉冲状的驱动信号。
光接收元件22输出检测信号，该检测信号与从发光元件21射出并透过例如指尖等人体或被人体所反射而射入的光的强度相对应。作为光接收元件22，优选使用例如光电二极管或光电晶体管等。在本实施方式中，使用光电二极管来作为光接收元件22。光接收元件22与信号处理单元30相连接，将由光接收元件22所获得的检测信号(光电脉搏波信号)输出至信号处理单元30。
如上所述，心电传感器10(第一心电电极11、第二心电电极12)和光电脉搏波传感器20分别与信号处理单元30相连接，检测出的心电信号和光电脉搏波信号被输入至信号处理单元30。
信号处理单元30对输入的心电信号进行处理，对心率、心搏间隔等进行测量。此外，信号处理单元30对输入的光电脉搏波信号进行处理，对脉率、脉搏间隔等进行测量。而且，信号处理单元30根据检测出的心电信号(心电波)的R波峰值和光电脉搏波信号(脉搏波)的峰值(上升点)之间的时间差来测量脉搏波传播时间等(参照图4、5)。另外，此时，信号处理单元30对下述的第一信号处理部310、第二信号处理部320中的峰值偏移(延迟)进行校正，高精度地测量脉搏波传播时间。
因此，信号处理单元30具有放大部311、321、第一信号处理部310、第二信号处理部320、峰值检测部316、326、延迟时间获取部317、327、峰值校正部318、328以及脉搏波传播时间测量部330。此外，上述第一信号处理部310具有模拟滤波器312、A/D转换器313、数字滤波器314。另一方面，第二信号处理部320具有模拟滤波器322、A/D转换器323、数字滤波器324、2阶微分处理部325。
此处，在上述各部内，数字滤波器314、324、2阶微分处理部325、峰值检测部316、326、延迟时间获取部317、327、峰值校正部318、328、脉搏波传播时间测量部330由进行运算处理的CPU、将用于对使该CPU执行各处理的程序、数据等进行存储的ROM、以及将运算结果等各种数据临时进行存储的RAM等构成。即，由CPU执行ROM所存储的程序，从而实现上述各部的功能。
放大部311例如由使用运算放大器等的放大器来构成，对心电传感器10(第一心电电极11、第二心电电极12)检测出的心电信号进行放大。放大部311放大后的心电信号输出至第一信号处理部310。同样，放大部321例如由利用运行放大器等的放大器来构成，对光电脉搏波传感器20检测出的光电脉搏波信号进行放大。放大部321放大后的光电脉搏波信号输出至第二信号处理部320。
如上所述，第一信号处理部310具有模拟滤波器312、A/D转换器313、数字滤波器314，对放大部311放大后的心电信号实施滤波处理，从而提取出搏动分量。即，第一信号处理部310起到权利要求书记载的第一信号处理单元的作用。
此外，如上所述，第二信号处理部320具有模拟滤波器322、A/D转换器323、数字滤波器324、2阶微分处理部325，对放大部321放大后的光电脉搏波信号实施滤波处理和2阶微分处理，从而提取出搏动分量。即，第二信号处理部320起到权利要求书记载的第二信号处理单元的作用。
模拟滤波器312、322和数字滤波器314、324将心电信号、光电脉搏波信号特有的频率以外的分量(噪声)去除，进行用于提高S/N的滤波。更详细地，心电信号中一般而言0.1～200Hz的频率分量占主导地位，光电脉搏波信号中0.1～数十Hz附近的频率分量占主导地位，因此，利用低通滤波器、带通滤波器等模拟滤波器312、322以及数字滤波器314、324来实施滤波处理，选择性地仅使上述频率范围的信号通过，从而提高S/N。
另外，仅将提取搏动分量作为目标的情况下(即，无需获取心电波形等的情况下)，为了提高耐噪声性，可使通过频率范围较窄，从而阻断搏动分量以外的分量。此外，模拟滤波器312、322和数字滤波器314、324中，未必一定都需要，也可仅设置模拟滤波器312、322以及数字滤波器314、324中的某一方。另外，利用模拟滤波器312、数字滤波器314实施滤波处理后的心电信号被输出至峰值检测部316。同样，利用模拟滤波器322、数字滤波器324实施滤波处理后的光电脉搏波信号被输出至2阶微分处理部325。
2阶微分处理部325对光电脉搏波信号进行2阶微分，从而获取2阶微分脉搏波(加速度脉搏波)信号。将获取到的加速度脉搏波信号输出至峰值检测部326。另外，光电脉搏波的峰值(上升点)有时变化不明确不易检测出，因此，优选转换成加速度脉搏波并进行峰值检测，但不一定要设置2阶微分处理部325，也可以是省略2阶微分处理部325的结构。
峰值检测部316对经第一信号处理部310实施信号处理(提取出搏动分量)后的心电信号的峰值(R波)进行检测。即，此时，峰值检测部316对心电波(心电信号)的上下侧均进行峰值检测。这是出于以下原因。即，第一心电电极11和第二心电电极12所接触的部位颠倒的情况下、或使用者的体质引起R波的上下颠倒的情况下，有时无法检测出R波(峰值)，或者将R波以外的峰值(例如T波等)误检测为R波。于是，为了自动地判定心电波形所包含的R波在上下侧的哪一方出现(下面进行详述)以便在这种情况下也能正确地检测出R波峰值，从而峰值检测部316对心电波的上下侧均进行峰值检测。
另一方面，峰值检测部326对经第二信号处理部320实施滤波处理后的光电脉搏波信号(加速度脉搏波)的峰值(上升点)进行检测。即，峰值检测部316、326起到权利要求书所记载的峰值检测单元的作用。另外，峰值检测部316和峰值检测部326分别在心搏间隔和脉搏间隔的正常范围内(下面进行详述)进行峰值检测，将检测出的所有峰值的峰值时间、峰值振幅等信息保存在RAM等。
其中，滤波器(模拟滤波器312、322、数字滤波器314、324)具有频率特性，因此为了更高精度地测量脉搏波传播时间，需要分析心电信号、光电脉搏波信号的频率分量，需要基于该频率分量来校正峰值偏移时间(延迟时间)。此外，在2阶微分处理部325的微分处理中，也会发生信号延迟。因此，延迟时间获取部317获取第一信号处理部310(模拟滤波器312、数字滤波器314)中的心电信号的延迟时间。同样地，延迟时间获取部327获取第二信号处理部320(模拟滤波器322、数字滤波器324、2阶微分处理部325)中的光电脉搏波信号的延迟时间。即，延迟时间获取部317、327起到权利要求书所记载的延迟时间获取单元的作用。
更具体地，延迟时间获取部317、327基于心电信号和光电脉搏波信号各自的频率分量，求出心电信号的延迟时间(峰值偏移量)和光电脉搏波信号的延迟时间(峰值偏移量)。此处，将确定了频率分量与延迟时间之间的关系的图表(延迟时间表)预先存储在ROM等，延迟时间获取部317、327例如以脉率、心率(频率分量的指标值)来检索延迟时间表，从而获取第一信号处理部310的心电信号的延迟时间和第二信号处理部320的光电脉搏波信号的延迟时间，其中脉率根据光电脉搏波信号的峰值间隔求出，心率根据心电信号的峰值间隔求出。另外，将峰值检测部316、326检测出的心电信号和光电脉搏波信号(加速度脉搏)的峰值以及延迟时间获取部317、327获取到的峰值的延迟时间输出至峰值校正部318、328。
峰值校正部318基于延迟时间获取部317求出的心电信号的延迟时间，对峰值检测部316检测出的心电信号的峰值进行校正。同样，峰值校正部328基于延迟时间获取部327求出的光电脉搏波信号的延迟时间，对峰值检测部326检测出的光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)的峰值进行校正。即，峰值校正部318、328起到权利要求书所记载的校正单元的作用能。将校正后的心电信号的峰值和校正后的光电脉搏波(加速度脉搏波)的峰值输出至脉搏波传播时间测量部330。另外，心电信号的频率依赖性较低。即，即便脉率(心率)发生变化，心电信号的R波的频率分量几乎不发生变化。从而，不一定要设置延迟时间获取部317和峰值校正部318，可以是省略它们的结构。
脉搏波传播时间测量部330根据经峰值校正部318校正后的心电信号的R波(峰值)与经峰值校正部328校正后的光电脉搏波信号(加速度脉搏波)的峰值(上升点)之间的间隔(时间差)，来求出脉搏波传播时间。即，脉搏波传播时间测量部330起到权利要求书所记载的运算单元的作用。此处，在图4示出滤波前和滤波后的心电波形和光电脉搏波波形。此外，图5是对图4的局部进行放大得到的图，示出了根据校正后的心电信号的R波(峰值)和校正后的光电脉搏波信号(加速度脉搏波)的峰值之间的间隔求出的脉搏波传播时间。另外，在图4、5中，将滤波后的(校正前)的心电信号、光电脉搏波的波形以实线示出，将滤波前(校正后)的心电信号、光电脉搏波的波形以虚线示出。
此外，在对心电信号检测出极性不同的多个峰值的情况下，脉搏波传播时间测量部330将在规定时间内(脉搏波传播时间根据测定部位不同其值也不同，但例如在0.3秒的程度以下)脉搏波传播时间最长的峰值判定为真峰值。如上所述，在峰值检测部316中，对心电波形的上下侧均进行峰值检测，但脉搏波传播时间测量部330仅在一侧(上侧或下侧)检测出峰值，当峰值间隔为相当于心搏的周期的情况下，将该峰值判定为R波，在上下两侧检测出峰值的情况下，将在规定范围内(例如0.3秒以下)脉搏波传播时间更长的一个峰值判定为R波(参照图6)。另外，根据心搏间隔是否在一般范围(例如0.3～1.5秒)内、与之前的多个心搏的心搏间隔相比变化量是否大于规定值、其值是否与脉搏间隔几乎相同等，来判定是否是相当于心搏的周期。
其中，如图6所示，例如根据滤波处理、使用者的体质、安装第一心电电极11、第二心电电极12的部位等的不同，R波峰值有时也可能出现在下方。在该情况下，下方的峰值与上方的峰值相比，出现了时间上的延迟。因此，以下方的峰值计算出的脉搏波传播时间比以上方的峰值计算出的脉搏波传播时间要短。此外，虽然有可能错误地检测出T波等R波以外的峰值，但R波以外的峰值中，脉搏波传播时间出现较大偏移。因此，在上下两侧检测出峰值的情况下，脉搏波传播时间测量部330将在规定范围内脉搏波传播时间更大的一个峰值判定为R波。
此外，求出的脉搏波传播时间不落入上述规定范围内的情况下，脉搏波传播时间测量部330将心电R波峰值、光电脉搏波(加速度脉搏波)峰值判定为噪声，将心搏间隔、脉搏间隔、脉搏波传播时间等设为获取出错。即，在脉搏波传播时间未落入规定范围内的情况下，将噪声误检测为心电R波峰值、光电脉搏波(加速度脉搏波)峰值的可能性较高。因此，不能确定误检测的峰值的情况下，将双方的峰值均视作噪声，将根据这些峰值求出的心搏间隔、脉搏间隔、脉搏波传播时间全部都设为获取出错。
此处，在图7中示出将心电信号所含有的噪声误检测为心电R波峰值的示例。在图7所示示例中，心搏间隔2’因为误检测，比原本的间隔(心搏间隔2)小ΔT。另一方面，脉搏波传播时间2’因为误检测，比原本的时间(脉搏波传播时间2)大ΔT。通常，脉搏波传播时间比心搏间隔要短(脉搏波传播时间因测定部位不同其值也不同，但通常在0.3秒的程度以下)，此外变动幅度也较小(10％左右)。因此，心搏间隔2’(＝心搏间隔2-ΔT)处于作为心搏间隔的一般范围(例如0.3～1.5秒)，且与最近的多个心搏的心搏间隔(平均值)相比的变化率小于规定值，无法判定为误检测，即便在这种情况下，脉搏波传播时间2’(＝脉搏波传播时间2+ΔT)不落入规定范围内或者脉搏波传播时间的变化率大于规定值时，判定为误检测。判定为误检测的情况下，将心电R波峰值、光电脉搏波(加速度脉搏波)峰值判定为噪声，将心搏间隔、脉搏间隔、脉搏波传播时间设为获取出错。
然而，在脉搏波传播时间测量部330中，在求出的脉搏波传播时间不落入规定的时间内的情况下，心搏间隔变化率大于脉搏间隔变化率时，将检测出的心电信号的峰值判定为出错，脉搏间隔变化率大于心搏间隔变化率时，将检测出的光电脉搏波信号的峰值判定为出错。即，心搏间隔变化率大于脉搏间隔变化率的情况下，误检测心电R波峰值的可能性较高，因此，脉搏波传播时间测量部330将心电R波峰值判定为噪声，将心搏间隔、脉搏波传播时间设为获取出错。另一方面，心搏间隔变化率小于脉搏间隔变化率的情况下，误检测光电脉搏波(加速度脉搏波)可能性较高，因此，脉搏波传播时间测量部330将光电脉搏波(加速度脉搏波)峰值判定为噪声，将脉搏间隔、脉搏波传播时间设为获取出错。
另外，脉搏波传播时间测量部330除了测量脉搏波传播时间以外，还例如根据心电信号计算出心率、心搏间隔、心搏间隔变化率等。同样，脉搏波传播时间测量部330根据光电脉搏波信号(加速度脉搏波)计算出脉率、脉搏间隔、脉搏间隔变化率等。将计算出的脉搏波传播时间、心率、心搏间隔、脉率、脉搏间隔、心电波、光电脉搏波和加速度脉搏波等的测量数据输出至显示部340等。另外，将获取的脉搏波传播时间、心率、脉率等的测量数据例如积累并存储于上述RAM等，可在测量结束后输出至个人计算机等进行确认。
显示部340例如由液晶显示器(LCD)等构成，对获取的脉搏波传播时间、心率、脉率等的测量数据(测量结果)进行显示。
接着，参照图2，对脉搏波传播时间测量装置1的动作进行说明。图2是表示脉搏波传播时间测量装置1的脉搏波传播时间测量处理的处理步骤的流程图。另外，本处理在信号处理单元30中以规定的定时来执行。
在步骤S100中，读取心电传感器10检测出的心电信号(心电波形)和光电脉搏波传感器20检测出的光电脉搏波信号(光电脉搏波波形)。接着，在步骤S102中，对步骤S100所读取的心电信号(心电波形)和光电脉搏波信号(光电脉搏波波形)实施滤波处理。此外，对光电脉搏波信号进行2阶微分，从而获取加速度脉搏波。
接着，在步骤S104中，检测出心电信号、光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)的峰值。其中，在心搏间隔、脉搏间隔的正常范围内，对心电信号和光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)的峰值进行检测。另外，对于心搏间隔、脉搏间隔的正常范围，利用下述的步骤S132中上一次执行本流程时所设定的范围。此外，对于检测出的所有峰值，将峰值时间、峰值振幅等信息进行保存。另外，考虑峰值偏移的情况下，可基于之前的校正值来检测出经过预测校正后的峰值，也可预先检测出峰值直到正常范围外为止，在下述的步骤S106中对峰值偏移进行校正，之后，重新判定是否在正常范围内。
接着，在步骤S106中，求出心电信号的R波峰值和光电脉搏波信号(加速度脉搏波)的峰值各自的延迟时间(偏移量)，并且基于求出的延迟时间，对心电信号的R波峰值和光电脉搏波信号(加速度脉搏波)的峰值分别进行校正。另外，峰值延迟时间的求出方法如上所述，因此省略详细说明。
接着，在步骤S108中，对于心搏信号和光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)分别判定是否检测出了心搏间隔和脉搏间隔的正常范围内的峰值。此处，两者均检测出正常范围内的峰值的情况下，在步骤S110中，进行出错判定(即，心搏间隔、脉搏间隔、脉搏波传播时间全部判定为出错)。此后，暂时停止本处理。另一方面，对于心搏信号和光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)的任一方或者双方检测出正常范围内的峰值时，转移至步骤S112的处理。
在步骤S112中，对于心搏信号，判断是否检测出心搏间隔正常范围内的峰值。此处，未检测出正常范围内的峰值的情况下，在步骤S114中，选出光电脉搏波(加速度脉搏波)信号的峰值。更具体地，例如基于峰值振幅、之前的(之前多个心搏)的心搏间隔变化率，从多个光电脉搏波(加速度脉搏波)信号的峰值中选出更准确的光电脉搏波(加速度脉搏波)信号的峰值。另外，此时，可将峰值振幅变化率等加入到选择基准。而且，在步骤S116中，仅输出脉搏间隔。然后，处理转移到步骤S132。另一方面，检测出正常范围内的峰值时，处理转移至步骤S118。
在步骤S118中，对于光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)，判断是否检测出脉搏间隔正常范围内的峰值。此处，未检测出正常范围内的峰值的情况下，在步骤S120中，选出心搏信号的峰值。更具体地，例如基于峰值振幅、之前的(之前多个脉搏)的脉搏间隔变化率，从多个心电信号的峰值中选出更准确的心搏信号的峰值。另外，此时，可将峰值振幅变化率等加入到选择基准。而且，在步骤S122中，仅输出心搏间隔。然后，处理转移到步骤S132。另一方面，检测出正常范围内的峰值时，处理转移至步骤S124。
在步骤S124中，分别选出心搏信号和光电脉搏波(加速度脉搏波)信号的峰值。更具体地，例如基于峰值振幅、之前的(之前多个搏动)的搏动间隔变化率，分别从多个心电信号的峰值和光电脉搏波(加速度脉搏波)信号的峰值中选出更准确的心电信号和光电脉搏波(加速度脉搏波)信号各自的峰值。另外，此时，可将峰值振幅变化率等加入到选择基准。
接着，在步骤S126中，判断脉搏波传播时间是否有异常。其中，在脉搏波传播时间异常的情况下，处理转移至步骤S128。另一方面，脉搏波传播时间没有异常时，处理转移到步骤S130。
在步骤S128中，对心搏间隔变化率是否大于脉搏间隔变化率进行判断。其中，当心搏间隔变化率大于脉搏间隔变化率的情况下，在步骤S116中，仅输出脉搏间隔。然后，处理转移到步骤S132。另一方面，在心搏间隔变化率在脉搏间隔变化率以下时，在步骤S122中，仅输出心搏间隔。然后，处理转移到步骤S132。
另一方面，在步骤S130中，向显示部340等输出心搏间隔、脉搏间隔、脉搏波传播时间。另外，对于获取到的心搏间隔(心率)、脉搏间隔(脉率)，在下次执行本流程时在上述步骤S106中使用。
接着，在步骤S132中，对心搏间隔、脉搏间隔和脉搏波传播时间的正常范围进行设定。此处，心搏间隔、脉搏间隔的正常范围除了一般的范围(例如0.3秒～1.5秒)以外，还将与之前的(之前多个搏动)的搏动间隔的变化率在规定值以下的范围设定为正常范围。另外，对于设定的心搏间隔、脉搏间隔的正常值，在下次执行本流程时在上述步骤S104、S106中使用。同样，对于脉搏波传播时间的正常范围除了一般的范围(例如0.3秒的程度以下)以外，还将与之前的(之前多个搏动)的搏动传播时间的变化率在规定值以下的范围设定为正常范围。另外，对于设定的脉搏波传播时间的正常值，在下次执行本流程时在上述步骤S116中使用。此后，暂时停止本处理。
综上，根据本实施方式，通过实施包含滤波处理在内的信号处理，能得到S/N较高的心电信号、光电脉搏波信号。此外，关于检测出的心电信号和光电脉搏波信号的峰值，对因信号处理引起的心电信号和光电脉搏波信号的时间延迟进行校正，因此，能更准确地确定心电信号和光电脉搏波信号的峰值。由此，能更高精度地测量脉搏波传播时间。
此外，根据本实施方式，基于心电信号和光电脉搏波信号各自的频率分量，求出心电信号的延迟时间和光电脉搏波信号的延迟时间。因此，包含滤波器的第一信号处理部310和第二信号处理部320具有频率特性(频率依赖性)，即便心电信号、光电脉搏波信号分别依赖于频率分量而其峰值偏移(延迟时间)发生变动，也能适当地对各自的偏移进行校正。由此，能更高精度地测量脉搏波传播时间。
此外，根据本实施方式，根据脉率或心率来决定上述频率分量。即，利用根据光电脉搏波信号求出的脉率或根据心电信号求出的心率，从而无需进行特别或专用的处理(例如FFT等)，就能较容易地获取频率分量。
此外，根据本实施方式，对心电信号检测出极性不同的多个峰值的情况下，将在规定时间内脉搏波传播时间最长的峰值判定为真峰值。因此，在接触第一心电电极11和第二心电电极12的生物体的部位颠倒的情况下、或心电信号包含的R波(峰值)上下颠倒的体质的使用者的情况下，仍能正确地检测出峰值。此外，心电波形根据测定部位、使用者的特质而不同，并且还因滤波而变形，因此，有时在上下侧发生R波(峰值)，但即便在这种情况下，也能正确地检测出峰值。由此，能更高精度地测量脉搏波传播时间。
此外，根据本实施方式，在求出的脉搏波传播时间不落入规定时间内的情况下，将该脉搏波传播时间判定为出错。即，在求出的脉搏波传播时间不落入规定时间内时，将该测量结果设为出错，从而能防止脉搏波传播时间的误检测。此外，通过这样，与仅用心搏间隔和脉搏波间隔来判定出错的情况相比能提高心电R波和光电脉搏波(加速度脉搏波)峰值的出错判定精度。
此外，根据本实施方式，在求出的脉搏波传播时间不落入规定的时间内的情况下，心搏间隔变化率大于脉搏间隔变化率时，将检测出的心电信号的峰值判定为出错，脉搏间隔变化率大于心搏间隔变化率时，将检测出的光电脉搏波信号的峰值判定为出错。即，对心电信号的峰值和光电脉搏波信号的峰值中哪一个出错进行确定，从而能使用未发生出错的一方的信号，来获取例如脉搏间隔或心搏间隔等的数据。
(其他处理方式)
在上述处理方式中，求出的脉搏波传播时间不落入规定时间内的情况下，将噪声误检测为心电R波峰值、光电脉搏波(加速度脉搏波)峰值的可能性较高，因此判定为获取出错，但也可从包含检测出的峰值附近的其它峰值在内的多个峰值组合中选出心搏间隔、脉搏间隔、脉搏波传播时间均在规定范围内且脉搏波传播时间等的变化率变小的组合，根据该组合所包含的峰值来计算出心搏间隔、脉搏间隔、脉搏波传播时间。
此外，不存在上述那样的适当的组合的情况下，在心搏间隔变化率大于脉搏间隔变化率时，将心电R波峰值判定为噪声，将心搏间隔、脉搏波传播时间设为获取出错，相反，在心搏间隔变化率小于脉搏间隔变化率时，将光电脉搏波(加速度脉搏波)峰值判定为噪声，将脉搏间隔、脉搏波传播时间设为获取出错。
根据本处理方式，在上述图7的示例中，“(心搏间隔2’-心搏间隔1)/心搏间隔1”的绝对值大于“(脉搏间隔2-脉搏间隔1)/脉搏间隔1”的绝对值，因此，将心电R波峰值判定为噪声，将心搏间隔、脉搏波传播时间设为获取出错，仅获取脉搏间隔。
接着，参照图3，对脉搏波传播时间测量处理的其它处理步骤(处理方式)进行说明。此处，图3是表示脉搏波传播时间测量装置1的脉搏波传播时间测量处理的其它处理步骤的流程图。
在步骤S200中，读取心电传感器10检测出的心电信号(心电波形)和光电脉搏波传感器20检测出的光电脉搏波信号(光电脉搏波波形)。接着，在步骤S202中，对步骤S200所读取的心电信号(心电波形)和光电脉搏波信号(光电脉搏波波形)实施滤波处理。此外，对光电脉搏波信号进行2阶微分，从而获取加速度脉搏波。
接着，在步骤S204中，检测出心电信号、光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)的峰值。其中，在心搏间隔、脉搏间隔的正常范围内，对心电信号和光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)的峰值进行检测。另外，对于心搏间隔、脉搏间隔的正常范围，利用下述的步骤S236中上一次执行本流程时所设定的范围。此外，对于检测出的所有峰值，将峰值时间、峰值振幅等信息进行保存。另外，考虑峰值偏移的情况下，可基于之前的校正值进行预测校正，之后检测出峰值，也可预先检测出峰值直到正常范围外为止，在下述的步骤S206中对峰值偏移进行校正，之后，重新判定是否在正常范围内。
接着，在步骤S206中，求出心电信号的R波峰值和光电脉搏波信号(加速度脉搏波)的峰值各自的延迟时间(偏移量)，并且基于求出的延迟时间，对心电信号的R波峰值和光电脉搏波信号(加速度脉搏波)的峰值分别进行校正。另外，峰值延迟时间的求出方法如上所述，因此省略详细说明。
接着，在步骤S208中，对于心搏信号和光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)分别判定是否检测出了心搏间隔和脉搏间隔的正常范围内的峰值。此处，两者均检测出正常范围内的峰值的情况下，在步骤S210中，进行出错判定(即，心搏间隔、脉搏间隔、脉搏波传播时间全部判定为出错)。此后，暂时停止本处理。另一方面，对于心搏信号和光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)的任一方检测出正常范围内的峰值或者双方均检测出正常范围内的峰值时，转移至步骤S112的处理。
在步骤S212中，对于心搏信号，判断是否检测出心搏间隔正常范围内的峰值。此处，未检测出正常范围内的峰值的情况下，在步骤S214中，选出光电脉搏波(加速度脉搏波)信号的峰值。更具体地，例如基于峰值振幅、之前的(之前多个心搏)的心搏间隔变化率，从多个光电脉搏波(加速度脉搏波)信号的峰值中选出更准确的光电脉搏波(加速度脉搏波)信号的峰值。另外，此时，可将峰值振幅变化率等加入到选择基准。而且，在步骤S216中，仅输出脉搏间隔。然后，处理转移到步骤S236。另一方面，检测出正常范围内的峰值时，处理转移至步骤S218。
在步骤S218中，对于光电脉搏波信号(加速度脉搏波信号)，判断是否检测出脉搏间隔正常范围内的峰值。此处，未检测出正常范围内的峰值的情况下，在步骤S220中，选出心搏信号的峰值。更具体地，例如基于峰值振幅、之前的(之前多个脉搏)的脉搏间隔变化率，从多个心电信号的峰值中选出更准确的心搏信号的峰值。另外，此时，可将峰值振幅变化率等加入到选择基准。而且，在步骤S222中，仅输出心搏间隔。然后，处理转移到步骤S236。另一方面，检测出正常范围内的峰值时，处理转移至步骤S224。
在步骤S224中，分别选出心搏信号和光电脉搏波(加速度脉搏波)信号的峰值。更具体地，例如基于峰值振幅、之前的(之前多个搏动)的搏动间隔变化率，分别从多个心电信号的峰值和光电脉搏波(加速度脉搏波)信号的峰值中选出更准确的心电信号和光电脉搏波(加速度脉搏波)信号各自的峰值。另外，此时，可将峰值振幅变化率等加入到选择基准。
接着，在步骤S226中，判断脉搏波传播时间是否有异常。其中，在脉搏波传播时间异常的情况下，处理转移至步骤S228。另一方面，脉搏波传播时间没有异常时，处理转移到步骤S234。
在步骤S228中，对于检测出的1个以上的心电信号的峰值、检测出的1个以上的光电脉搏波信号的峰值的组合内是否存在脉搏波传播时间在规定范围内的峰值组合进行判断。此处，存在这样的峰值组合的情况下，处理转移至步骤S230。另一方面，不存在这样的峰值组合时，处理转移至步骤S232。
在步骤S230中，选出峰值组合。更具体地，在步骤S230中，在脉搏波传播时间变化率、心电信号的峰值振幅和该振幅变化率、光电脉搏波信号的峰值振幅和该振幅变化率、心搏间隔变化率、以及脉搏波间隔变化率内，考虑至少一项来选出组合，求出脉搏波传播时间。然后，处理转移到步骤S234。
在步骤S232中，对心搏间隔变化率是否大于脉搏间隔变化率进行判断。其中，当心搏间隔变化率大于脉搏间隔变化率的情况下，在步骤S216中，仅输出脉搏间隔。然后，处理转移到步骤S236。另一方面，在心搏间隔变化率在脉搏间隔变化率以下时，在步骤S222中，仅输出心搏间隔。然后，处理转移到步骤S236。
另一方面，在步骤S234中，向显示部340等输出心搏间隔、脉搏间隔、脉搏波传播时间。另外，对于获取到的心搏间隔(心率)、脉搏间隔(脉率)，在下次执行本流程时在上述步骤S206中使用。
接着，在步骤S236中，对心搏间隔、脉搏间隔和脉搏波传播时间的正常范围进行设定。此处，心搏间隔、脉搏间隔的正常范围除了一般的范围(例如0.3秒～1.5秒)以外，还将与之前的(之间多个搏动)的搏动间隔的变化率在规定值以下的范围设定为正常范围。另外，对于设定的心搏间隔、脉搏间隔的正常值，在下次执行本流程时在上述步骤S204、S206中使用。同样，对于脉搏波传播时间的正常范围除了一般的范围(例如0.3秒的程度以下)以外，还将与之前的(之前多个搏动)的搏动传播时间的变化率在规定值以下的范围设定为正常范围。另外，对于设定的脉搏波传播时间的正常值，在下次执行本流程时在上述步骤S226中使用。此后，暂时停止本处理。
根据本处理方式，在脉搏波传播时间的测量值不落入规定时间内的情况下，也能更准确地获取脉搏波传播时间。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，可以进行各种变形。例如，在上述实施方式中，对心电波的峰值极性自动地进行判定，但例如，可如图1虚线矩形框所示那样，还可构成为包括将数字滤波器314和峰值检测部316之间的心电信号的极性反转的反转部315(反转单元)。此外，还可以构成为使用者能物理性地切换第一心电电极11、第二心电电极12与放大部311之间的布线。
此处，在包括反转部315的情况下，在脉搏波传播时间测量部330判定为心电信号的R波峰值出现在下侧的情况下，反转部315使心电信号的极性反转。即，心电波进行上下反转。若进行这种处理，在接触第一心电电极11和第二心电电极12的生物体的部位颠倒的情况下、或心电信号包含的R波(峰值)上下颠倒的体质的使用者的情况下，也能通过将心电信号的极性反转来正确地检测出峰值，能更高精度地测量脉搏波传播时间。
在上述实施方式中，在求出心电信号和光电脉搏波信号的频率分量时利用了脉率，但还可构成为通过进行FFT等处理，来求出频率分量。
此外，在上述实施方式中，基于心电信号和光电脉搏波信号的频率分量来求出峰值延迟时间(偏移量)，但将模拟滤波器312、322和数字滤波器314、324设计成在搏动分量的频率范围内频率特性没有较大变动的滤波器的情况下，可构成为将峰值延迟时间(偏移量)视作几乎恒定来计算出脉搏波传播时间。
标号说明
1 脉搏波传播时间测量装置
10 心电传感器
11 第一心电电极
12 第二心电电极
20 光电脉搏波传感器
21 发光元件
22 光接收元件
30 信号处理单元
310 第一信号处理部
320 第二信号处理部
311，321 放大部
312，322 模拟滤波器
313，323 A/D转换器
314，324 数字滤波器
315 反转部
325 2阶微分处理部
316，326 峰值检测部
317，327 延迟时间获取部
318，328 峰值校正部
330 脉搏波传播时间测量部
340 显示部
350 驱动部

Claims (8)

1.一种脉搏波传播时间测量装置，其特征在于，包括：
心电传感器，该心电传感器具有心电电极且对心电信号进行检测；
光电脉搏波传感器，该光电脉搏波传感器具有发光元件和光接收元件且对光电脉搏波信号进行检测；
第一信号处理单元，该第一信号处理单元对所述心电传感器检测出的心电信号实施包含滤波处理在内的信号处理；
第二信号处理单元，该第二信号处理单元对所述光电脉搏波传感器检测出的光电脉搏波信号实施包含滤波处理在内的信号处理；
峰值检测单元，该峰值检测单元对经所述第一信号处理单元实施了信号处理后的心电信号和经所述第二信号处理单元实施了信号处理后的光电脉搏波信号分别检测出峰值；
延迟时间获取单元，该延迟时间获取单元求出所述第一信号处理单元中的心电信号的延迟时间和/或所述第二信号处理单元中的光电脉搏波信号的延迟时间；
校正单元，该校正单元基于所述延迟时间获取单元求出的心电信号的延迟时间和/或光电脉搏波信号的延迟时间，对所述峰值检测单元检测出的心电信号的峰值和/或光电脉搏波信号的峰值进行校正；以及
运算单元，该运算单元根据经所述校正单元进行校正后的光电脉搏波信号的峰值和心电信号的峰值之间的时间差来求出脉搏波传播时间。
2.如权利要求1所述的脉搏波传播时间测量装置，其特征在于，
所述延迟时间获取单元基于心电信号、光电脉搏波信号各自的频率分量，来求出心电信号的延迟时间和/或光电脉搏波信号的延迟时间。
3.如权利要求2所述的脉搏波传播时间测量装置，其特征在于，
根据基于光电脉搏波信号求出的脉率或基于心电信号求出的心率，来决定所述频率分量。
4.如权利要求1至3中任一项所述的脉搏波传播时间测量装置，其特征在于，
还包括反转单元，该反转单元使所述心电传感器检测出的心电信号的极性反转。
5.如权利要求1至4中任一项所述的脉搏波传播时间测量装置，其特征在于，
关于心电信号检测出极性不同的多个峰值的情况下，所述运算单元将规定时间内脉搏波传播时间最长的峰值设为真峰值。
6.如权利要求1至5中任一项所述的脉搏波传播时间测量装置，其特征在于，
求出的脉搏波传播时间不落入规定时间内的情况下，所述运算单元将该脉搏波传播时间判定为出错。
7.如权利要求1至5中任一项所述的脉搏波传播时间测量装置，其特征在于，
在所述运行单元中，在求出的脉搏波传播时间不落入规定的时间内的情况下，心搏间隔变化率大于脉搏间隔变化率时，将检测出的心电信号的峰值判定为出错，脉搏间隔变化率大于心搏间隔变化率时，将检测出的光电脉搏波信号的峰值判定为出错。
8.如权利要求1至5中任一项所述的脉搏波传播时间测量装置，其特征在于，
在所述运算单元中，在求出的脉搏波传播时间不落入规定时间内的情况下，在检测出的峰值和位于该峰值附近的1个以上心电信号的峰值、及检测出的峰值和位于该峰值附近的1个以上光电脉搏波信号的峰值的组合内，搜索出脉搏波传播时间落入所述规定时间内的组合，在提取出多个该组合的情况下，对脉搏波传播时间变化率、心电信号峰值的振幅和该振幅的变化率、光电脉搏波信号峰值的振幅和该振幅的变化率、心搏间隔变化率以及脉搏间隔变化率内的至少任一个进行考虑来选出组合。
CN201480010693.0A 2013-02-26 2014-01-24 脉搏波传播时间测量装置 Active CN105007809B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

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