JP2001353132A - 脈拍数検出装置 - Google Patents
脈拍数検出装置Info
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Abstract
ても心拍数と同期した脈拍数を検出できること。 【解決手段】 マイクロコンピュータ3cには、脈拍数
を算出するためのプログラムが組み込まれている。この
プログラムは、脈波に血流の乱れがあっても、心拍数と
略一致した脈拍数を算出できるようなアルゴリズムによ
って組み立てられている。アルゴリズムの特徴は、波長
の異なる2種類の発光素子2aを用いて同時に計測した
2種類の脈波信号をニューラルネットワークに入力し
て、体動の無い状態で計測される脈波信号と振幅のピー
クが略一致する脈波を再生することにある。これによ
り、血流の乱れのある信号から、心拍に同期する振幅の
ピークを持つ脈波を再生することができ、その再生され
た脈波から心拍数と同期した脈拍数を検出することがで
きる。
Description
拍数を検出する脈拍数検出装置に関する。
ジョギング等の軽い運動時に心臓の拍動数(心拍数)を
モニターするニーズが高まっている。心拍数を検出する
には、心拍に伴って発生する活動電位を胸部より計測し
て、心電図(図5(a)参照)に表し、その振幅のピー
ク間隔時間から算出する方法が一般的である。しかし、
この方法では、電極を体に貼り付ける必要があり、煩わ
しいため、心拍数の代用として、脈波から脈拍数を検出
する方法が提案されている。
内の圧力変動が末梢動脈に波動して伝わったもので、そ
の計測装置の1つに光学式の脈波センサがある。この脈
波センサは、血液中のヘモグロビンの光吸収特性を利用
して末梢動脈の血液の波動的な容積変化を計測するもの
で、人体の指、腕、こめかみ等に簡便に装着して脈波を
計測できるため、脈拍数を検出する装置として今後も広
く普及していくと考えられる。なお、心拍数及び脈拍数
は、それぞれ“60”を心電波形及び脈波波形の振幅の
ピーク時間間隔(秒)で割って計算される。
拍数を検出する方法では以下の問題が生じる。通常(安
静時)、心電波形と脈波波形の振幅のピーク位置は同期
しており、心拍数と脈拍数は一致する。しかし、日常生
活や運動時において、脈波センサを装着した計測部位に
体動が生ずると、末梢動脈の血流が乱れ、心拍とは無関
係な脈波の振幅のピークが発生し、心拍数と脈拍数は一
致しなくなる(図5(b)参照)。こうなると、脈拍数
を心拍数の代用として利用しようとする本来の目的が達
成できなくなる。
クは、心拍に同期する脈波の振幅のピークの発生周波数
と近いため、通常のノイズ除去に適用されるフィルタ処
理では対策が不可能である。本発明は、上記事情に基づ
いて成されたもので、その目的は、安静時のみならず、
日常生活や運動時においても心拍数と同期した脈拍数を
検出できる脈拍数検出装置を提供することにある。
明の脈拍数検出装置は、生体の脈波から計測された脈波
信号を入力して、生体の心拍に同期する振幅のピークを
持つ脈波を再生するように学習させたニューラルネット
ワークを有し、このニューラルネットワークで再生され
た脈波から脈拍数を算出することを特徴とする。
拍数検出装置において、生体の脈波を検出するための発
光手段と受光手段を備え、発光手段は、波長の異なる複
数の発光素子を有し、その複数の発光素子を個別に用い
て複数の脈波を検出し、それぞれの脈波から計測された
各脈波信号をニューラルネットワークに入力して、生体
の心拍に同期する振幅のピークを持つ脈波を再生するこ
とを特徴とする。
拍数検出装置において、複数の発光素子は、酸化ヘモグ
ロビンと還元ヘモグロビンの吸光特性がそれぞれ異なる
波長を持つ第1の発光素子と第2の発光素子を有してい
ることを特徴とする。
置は、生体の脈波から計測された脈波信号の微分値を入
力して、生体の心拍に同期する振幅のピークを持つ脈波
を再生するように学習させたニューラルネットワークを
有し、このニューラルネットワークで再生された脈波か
ら脈拍数を算出することを特徴とする。
拍数検出装置において、生体の脈波を検出するための発
光手段と受光手段を備え、発光手段は、波長の異なる複
数の発光素子を有し、複数の発光素子を個別に用いて複
数の脈波を検出し、それぞれの脈波から計測された各脈
波信号の微分値をニューラルネットワークに入力して、
生体の心拍に同期する振幅のピークを持つ脈波を再生す
ることを特徴とする。
拍数検出装置において、複数の発光素子は、酸化ヘモグ
ロビンと還元ヘモグロビンの吸光特性がそれぞれ異なる
波長を持つ第1の発光素子と第2の発光素子を有してい
ることを特徴とする。
を実施例に基づいて説明する。図1は脈拍数検出装置の
構成を示す概略図である。本実施例の脈拍数検出装置1
は、人体の脈波から脈拍数を算出するもので、図1に示
すように、人体の脈波を検出する脈波センサ2と、この
脈波センサ2の検出結果に基づいて脈拍数を算出するデ
ータ処理装置3とを備える。
2b、及び発光素子2aの駆動回路2cを備える周知の
光学式反射型センサであり、例えば人体の指4に取り付
けて使用される。この脈波センサ2は、発光素子2aか
ら指4に向かって光を照射し、指4の内部で反射した光
を受光素子2bで検出し、その受光素子2bで検出され
る受光量の変化(即ち脈波情報)を電気信号(例えば電
圧信号)に変換してデータ処理装置3へ出力している。
るメカニズムについて説明する。発光素子2aから指4
に向かって光が照射されると、光の一部が指4の内部を
通る毛細動脈4aに当たって、毛細動脈4aを流れる血
液中のヘモグロビンに吸収され、残りの光が毛細動脈4
aで反射して散乱し、その一部が受光素子2bに入射す
る。この時、血液の脈動により毛細動脈4aにあるヘモ
グロビンの量が波動的に変化するので、ヘモグロビンに
吸収される光も波動的に変化する。その結果、毛細動脈
4aで反射して受光素子2bに入射する受光量が変化す
るため、この受光量の変化を脈波情報として検出するこ
とができる。
コンバータ3b(ADCと呼ぶ)、マイクロコンピュー
タ3cを内蔵している。検出回路3aは、脈波センサ2
から入力された電気信号を増幅してADC3bへ出力す
る。ADC3bは、例えば100Hzのサンプリング周
波数で検出回路3aから取り込んだ電気信号(アナログ
信号)をデジタル信号に変換してマイクロコンピュータ
に出力する。マイクロコンピュータ3cには、脈拍数を
算出するためのプログラムが組み込まれている。このプ
ログラムは、脈波に血流の乱れがあっても、心拍数と略
一致した脈拍数を算出できるようなアルゴリズムによっ
て組み立てられている。
アルゴリズムの特徴は、波長の異なる2種類の発光素子
2aを用いて同時に計測した2種類の脈波信号をニュー
ラルネットワークに入力して、体動の無い状態で計測さ
れる脈波信号と振幅のピークが略一致する脈波を再生す
ることにある。ここで、ニューラルネットの設計及び学
習法について図2を用いて説明する。ニューラルネット
は、入力層−中間層−出力層の3層構成とし、中間層の
ユニット数を100個とした。また、入力層と出力層の
特性関数は線形、中間層の特性関数はシグモイドとし
た。入力は、波長470nm、波長525nmの発光素子2
aを用いて同時に計測した脈波信号を入力データ1、入
力データ2とした。
をニューラルネットワークに入力して得られた出力デー
タを教師データと比較し、その誤差を算出して、誤差が
規定値以下となるようにユニットの状態を変化させてい
く。ユニットの状態変化は、バックプロパゲーション法
を用いた。教師データは、心拍に同期する脈波であり、
体動の影響を受けない体の部分を用いて、入力データと
同時に取得した脈波信号を用いた。実際の学習では、入
力データの任意の数だけ切り出して、順番にニューラル
ネットワークに入力して学習させて行くという手順を繰
り返した。任意の数だけ切り出したデータは、重複した
部分を有している。また、切り出したデータをニューラ
ルネットワークに入力して行く順番は、ランダムにした
方が良い。
を再生した結果を図3に示す。図中(a)、(b)は、
それぞれ波長470nm、波長525nmの発光素子2aを
用いて同時に計測した脈波信号である。また、(c)
は、体動の無い計測部位を使って、リファレンスとして
(a)、(b)と同時に計測した脈波であり、心拍と同
期する脈波の振幅のピークが観察できる。図中(d)
は、ニューラルネットワークを用いて(a)、(b)の
信号から脈波信号を再生したものである。(d)のう
ち、点線がニューラルネットワークで再生した脈波信号
であり、実線が再生目標となる(c)の脈波信号であ
る。
いて図4を用いて説明する。血液中に含まれる酸化ヘモ
グロビン(Hb02)と還元ヘモグロビン(Hb)は、図4に
示す吸光係数特性を持つ。Hbは、脈動の少ない静脈中に
多く含まれることから、体動の影響を強く受けていると
考えられる。また、Hb02は、動脈中に多く含まれること
から脈動の影響を強く受けていると考えられる。このよ
うに、脈動と体動の影響に相関のある2種類の波長をニ
ューラルネットワークに入力することにより、心拍に同
期するピークを持つ脈波を再生できる。
おいては、脈波センサ2を取り付ける計測部位に体動が
生ずる事が日常的にあるので、図3(a)、(b)の様
な脈波が計測され、心拍とは無関係なピークが発生する
ため、心拍数と同等な脈拍数は検出できない。これに対
し、本実施例の脈拍数検出装置1によれば、上述したニ
ューラルネットワークを用いることにより、血流の乱れ
のある図3(a)、(b)の様な信号から、心拍に同期
する振幅のピークを持つ脈波(d)を再生することがで
きる。この結果、再生された脈波(d)から心拍数と同
期した脈拍数を検出することができ、安静時のみなら
ず、日常生活や運動時においても精度良く脈拍数を検出
することが可能である。
の信号をニューラルネットワークに入力しているが、入
力信号を2種類より多くしても良いことは言うまでもな
い。また、体動の種類が一定である場合や比較的緩やか
な場合は、1種類の入力信号でも可能である。更には、
計測された脈波信号の微分値を入力データとしてニュー
ラルネットワークに入力しても良い。
明図である。
Claims (6)
- 【請求項1】生体の脈波から計測された脈波信号を入力
して、生体の心拍に同期する振幅のピークを持つ脈波を
再生するように学習させたニューラルネットワークを有
し、 このニューラルネットワークで再生された脈波から脈拍
数を算出することを特徴とした脈拍数検出装置。 - 【請求項2】請求項1に記載した脈拍数検出装置におい
て、 前記生体の脈波を検出するための発光手段と受光手段を
備え、 前記発光手段は、波長の異なる複数の発光素子を有し、 前記複数の発光素子を個別に用いて複数の脈波を検出
し、それぞれの脈波から計測された各脈波信号を前記ニ
ューラルネットワークに入力して、生体の心拍に同期す
る振幅のピークを持つ脈波を再生することを特徴とした
脈拍数検出装置。 - 【請求項3】請求項2に記載した脈拍数検出装置におい
て、 前記複数の発光素子は、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグ
ロビンの吸光特性がそれぞれ異なる波長を持つ第1の発
光素子と第2の発光素子を有していることを特徴とした
脈拍数検出装置。 - 【請求項4】生体の脈波から計測された脈波信号の微分
値を入力して、生体の心拍に同期する振幅のピークを持
つ脈波を再生するように学習させたニューラルネットワ
ークを有し、 このニューラルネットワークで再生された脈波から脈拍
数を算出することを特徴とした脈拍数検出装置。 - 【請求項5】請求項4に記載した脈拍数検出装置におい
て、 前記生体の脈波を検出するための発光手段と受光手段を
備え、 前記発光手段は、波長の異なる複数の発光素子を有し、 前記複数の発光素子を個別に用いて複数の脈波を検出
し、それぞれの脈波から計測された各脈波信号の微分値
を前記ニューラルネットワークに入力して、生体の心拍
に同期する振幅のピークを持つ脈波を再生することを特
徴とした脈拍数検出装置。 - 【請求項6】請求項5に記載した脈拍数検出装置におい
て、 前記複数の発光素子は、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグ
ロビンの吸光特性がそれぞれ異なる波長を持つ第1の発
光素子と第2の発光素子を有していることを特徴とした
脈拍数検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000177978A JP4320925B2 (ja) | 2000-06-14 | 2000-06-14 | 脈拍数検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000177978A JP4320925B2 (ja) | 2000-06-14 | 2000-06-14 | 脈拍数検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001353132A true JP2001353132A (ja) | 2001-12-25 |
JP4320925B2 JP4320925B2 (ja) | 2009-08-26 |
Family
ID=18679493
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000177978A Expired - Fee Related JP4320925B2 (ja) | 2000-06-14 | 2000-06-14 | 脈拍数検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4320925B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8551007B2 (en) | 2008-05-15 | 2013-10-08 | Fujitsu Limited | Pulse rate measuring apparatus |
WO2018147192A1 (ja) * | 2017-02-13 | 2018-08-16 | 学校法人帝京大学 | 脈波検出装置および方法 |
-
2000
- 2000-06-14 JP JP2000177978A patent/JP4320925B2/ja not_active Expired - Fee Related
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US8551007B2 (en) | 2008-05-15 | 2013-10-08 | Fujitsu Limited | Pulse rate measuring apparatus |
WO2018147192A1 (ja) * | 2017-02-13 | 2018-08-16 | 学校法人帝京大学 | 脈波検出装置および方法 |
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JP4320925B2 (ja) | 2009-08-26 |
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