JP2003102694A - 心拍数測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安静時はもちろん、運動時においても体動に
伴うノイズに影響されずに正確な心拍数を測定すること
ができる心拍数測定装置を提供することにある。 【解決手段】 被検者の身体の一部の光の透過率又は反
射率から脈波信号を検出する脈波信号検出部と、被検者
の体動に伴う加速度信号を検出する加速度センサと、該
脈波信号から該加速度信号を除去する差動変換部と、か
らなることを特徴とする心拍数測定装置とする。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は心拍数測定装置に関
し、その目的は、安静時はもちろん、運動時においても
体動に伴うノイズに影響されずに正確な心拍数を測定す
ることができる心拍数測定装置を提供することにある。 【０００２】 【従来の技術】人の健康状態を把握するための重要なバ
ロメータとして心拍数があり、臨床検査のひとつとして
心拍数を測定することは広く行われている。心拍数を測
定する方法としては、心電図を利用する方法、心音によ
り測定する方法、機械的に脈波などを検出して測定する
方法などが知られている。心電図を利用して心拍数を測
定する方法は、生体に電極を貼りつけて電位を測定する
ことにより行われる。心音により心拍数を測定する方法
は心臓から発せられるコロトコフ音を音センサなどによ
って検出することにより行われる。脈波により心拍数を
測定する方法は、加速度計などを体表面に貼りつけて容
積脈波や加速度脈波などを検出することにより行われ
る。 【０００３】心電図を利用して心拍数を測定する方法や
機械的に脈波などを検出して測定する方法は、心拍数を
測定するために心電図やカフ帯などの比較的大きな装置
が必要とされた。また心音により心拍数を測定する方法
は、外部からの雑音を取り除く必要があり、安静にした
状態で測定しなければならなかった。さらに前述したい
ずれの方法も測定には専門家が必要とされ、誰でも簡単
に測定することはできなかった。一方、より簡便に心拍
数を測定する方法として、耳朶の光の透過量の変化から
光学的に脈波を検出することで心拍数を測定する方法が
知られている。この方法は、心臓の拍出に伴い、心拍毎
にわずかながら耳朶の容積が変化することを利用したも
のである。より具体的に説明すると、被検者の心臓の拍
動に対応して変化する耳朶を流れる血流量を光学的な透
過量或いは反射量としてとらえて電気信号に変換し、マ
イクロコンピュータによって心拍数を算出するものであ
る。この方法は、大きな測定装置を必要とせず、また測
定端子を耳朶に挟むだけで被検者一人でも測定すること
ができるために、例えば、自転車などのトレーニングマ
シンの使用時に心拍数を測定する方法として広く普及し
ている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法は、安静時においては、正確な心拍数を測定すること
はできるものの、運動時においては、体動に伴うノイズ
が脈波信号の領域と重複するために心拍数を正確に測定
することはできなかった。つまり、ランニングマシンな
どのトレーニングマシンの使用時において心拍数を測定
する場合、得られた心拍数は運動に伴うノイズが含まれ
る場合があり、常に正確な心拍数が測定されるとは限ら
なかった。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明は上記した課題に
鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、
被検者の身体の一部の光の透過率又は反射率から脈波信
号を検出する脈波信号検出部と、被検者の体動に伴う加
速度信号を検出する加速度センサと、該脈波信号から該
加速度信号を除去する差動変換部と、からなることを特
徴とする心拍数測定装置に関する。 【０００６】 【発明の実施の形態】以下、本発明に係る心拍数測定装
置（１）について、図面を参照しつつ説明する。図１は
本発明に係る心拍数測定装置（１）の概略を示すブロッ
ク図である。本発明に係る心拍数測定装置（１）は、脈
波信号検出部（２）と演算処理部（３）とから構成され
る。脈波信号検出部（２）には、耳朶などの被検者の身
体の一部（Ｈ）を両側から挟持するための一組の挟持部
材（２４ａ）（２４ｂ）が設けられ、この挟持部材（２
４ａ）（２４ｂ）の挟持面には発光素子（２１）と受光
素子（２２）が設けられている。発光素子（２１）と受
光素子（２２）は、挟持面の一方の面に設けてもよく、
互いに相対向するように挟持面にそれぞれ設けても構わ
ない。図示例の心拍数測定装置（１）においては、挟持
部材（２４ａ）の挟持面に発光素子（２１）が設けら
れ、この発光素子（２１）と相対向するように挟持部材
（２４ｂ）の挟持面に受光素子（２２）が設けられてい
る。 【０００７】発光素子（２１）から発せられた光は身体
の一部（Ｈ）で反射或いは身体の一部を透過する。受光
素子（２２）は、この反射光または透過光を受光するこ
とで、発光素子（２１）の光強度に応じた電気信号を出
力することができる。この発光素子（２１）と受光素子
（２２）によって耳朶の光の透過率或いは反射率を測定
することで、脈波信号を測定することができる。この理
由は、耳朶は心臓の拍動に伴いわずかながら容積が変化
しており、この容積変化を反射光或いは透過光の変化と
して捕えることができるからである。脈波信号はリード
線（Ａ）を通じて演算処理部（３）に送信される。発光
素子（２１）としては、発光ダイオードを例示すること
ができるが特に限定はされない。また受光素子（２２）
としては、フォトトランジスタなどを例示することがで
きるが特に限定はされない。また発光素子（２２）によ
り発せられる光は、赤外線または可視光であればよく、
皮下への透過性を考慮すると赤外線が好ましい。尚、発
光素子（２１）と受光素子（２２）によって測定される
脈波信号には、心臓の拍動に由来する真の脈波信号と被
検者の体動に伴うノイズが含まれている。 【０００８】また心拍数測定装置（１）には加速度セン
サ（２３）が設けられる。加速度センサ（２３）は図１
に示すように脈波信号検出部（２）に設けることも可能
である。また、脈波信号検出部（２）と独立して設ける
ことも可能であり、この場合は、加速度センサ（２３）
を脈波信号検出部（２）とは別に被検者の身体の一部に
装着すればよい。加速度センサ（２３）を設けること
で、被検者の体動に伴うノイズ（加速度信号）を検出す
ることができる。用いられる加速度センサ（２３）は特
に限定されないが、例えば、体動に応じて圧電素子が圧
縮されることで、圧縮応力に応じた電気信号が出力され
る圧電式の加速度センサ、バネ材などの弾性体に重りを
吊してケーシングと重りの相対変位量を検出するひずみ
ゲージ式の加速度センサ、振動によってコイル中を永久
磁石が運動するときに生じる起電力を検出する起電式の
加速度センサなどを例示することができる。加速度セン
サ（２３）により検出された加速度信号は、リード線
（Ｂ）を通じて演算処理部（３）に送信される。 【０００９】演算処理部（３）に送信された脈波信号と
加速度信号は、まず、増幅器（３１ａ）（３１ｂ）によ
って所定の電圧まで増幅され、フィルタ（３２ａ）（３
２ｂ）により低周波或いは高周波のノイズが除去され、
さらにＡ／Ｄ変換器（３３ａ）（３３ｂ）によってデジ
タル信号に変換される。演算処理部（３）には脈波信号
から加速度信号を除去する差動変換部（３４）が設けら
れている。これにより、脈波信号から加速度信号が除去
される。脈波信号検出部（２）によって検出された脈波
信号には、耳朶の容積変化に由来する真の脈波信号に加
えて、被検者の体動に伴うノイズ（加速度信号）が含ま
れている。このために、被検者が運動などを行っている
場合、正確な心拍数を検出することができなかった。そ
こで、被検者の運動に伴う加速度信号を検出する加速度
センサ（２３）によって加速度信号を検出して、これを
脈波信号から除去することで、真の脈波信号を得ること
ができる。 【００１０】得られた真の脈波信号は心拍数算出部（３
５）へ出力される。そして、心拍数算出部（３５）にお
いて所定の演算処理が行われることで心拍数が算出され
る。算出された心拍数は液晶表示装置などの表示部
（４）などに送られて、その情報が表示部（４）に表示
される。被検者は表示部（４）に表示された情報が心拍
数を認識することができる。 【００１１】次に、本発明に係る心拍数測定装置（１）
の具体的な動作について説明する。まず、脈波信号検出
部（２）に設けられた挟持部（２４ａ）（２４ｂ）によ
って、脈波信号検出部（２）を被検者の耳朶に装着す
る。挟持部（２４ａ）（２４ｂ）には発光素子（２１）
と受光素子（２２）が設けられているから、耳朶の光の
透過率又は反射率の変化を測定することができる。そし
て、その透過率又は反射率の変化、すなわち被検者の耳
朶の容積変化から脈波信号が得られる。また加速度セン
サ（２３）が設けられているから、この加速度センサ
（２３）によって、被検者の体動に伴う加速度信号が得
られる。 【００１２】脈波信号および加速度信号は、増幅器（３
１ａ）（３１ｂ）で増幅され、フィルタ（３２）で低周
波或いは高周波のノイズが除去されて、Ａ／Ｄ変換器
（３３ａ）（３３ｂ）でデジタル信号に変換されて、差
動変換部（３４）に入力される。差動変換部（３４）に
おいて、脈波信号から加速度信号が取り除かれて、真の
脈波信号が得られる。差動変換部（３４）によって算出
された真の脈波信号は心拍数算出部（３５）に入力され
て、心拍数が算出される。算出された心拍数は表示部
（４）に表示される。 【００１３】図２を参照して、演算処理部（３）におけ
る具体的な演算処理について説明する。演算処理部
（３）における具体的な演算処理としては、まず、差動
変換部（３４）に設けられたモデル化手段により脈波信
号検出部（２）により検出された脈波信号をモデル化す
る。具体的には、脈波信号を心拍由来の信号（真の脈波
信号）と被検者の体動に伴う加速度由来の信号の和のモ
デル（自己回帰移動平均モデル）で表わす。（ステップ
１） 次に、差動手段により加速度センサ（２３）により測定
された実際に耳朶にかかる加速度信号を、ステップ１の
モデルに入力して、脈波信号を心拍依存成分（真の脈波
信号）と加速度依存成分（ノイズ）に分離する。脈波信
号から加速度依存成分を取り除くことで心拍依存成分、
すなわち真の脈波信号が得られる。（ステップ２） 最後に、心拍数算出部（３５）において、得られた真の
脈波信号の周期性（心周期）を自己相関関数から検出す
ることで、心拍数が算出される。（ステップ３） 【００１４】 【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説
明する。尚、本発明は以下の実施例により何ら限定され
ることはない。図１に示す構成の心拍数測定装置を、被
検者（ｎ＝１９）の耳朶に取り付けて、安静時の脈波信
号と加速度信号を測定した。またトレッドミルの速度を
６、８、１０、１２、１４、１６ｋｍ／ｈの速度に設定
した場合の脈波信号と加速度信号を測定した。そして、
脈波信号から加速度信号を取り除くことで、真の脈波信
号を算出した。尚、算出された心拍数の測定誤差の有無
を調べるために、被検者には電極を取り付けて、同時に
心電図によって心拍数を測定した。 【００１５】図３の（ａ）は、脈波信号検出部により検
出された脈波信号を示す波形図である。図３の（ｂ）
は、加速度センサにより得られた加速度信号を示す波形
図である。図３の（ｃ）は、脈波信号から加速度信号を
取り除いた真の脈波信号を示す波形図である。図３の
（ｄ）は、心電図により測定された心拍数を示す波形図
である。（ａ）〜（ｄ）のいずれも、安静時および６、
８、１０、１２、１４、１６ｋｍ／ｈの速度で計測を行
った。（ｂ）の波形図から、加速度信号は安静時にはほ
とんど何の変化も見せていないが、運動の程度が大きく
なるにつれて、加速度信号も大きくなることが分かる。
（ａ）と（ｃ）の波形図を比較すると、安静時にはそれ
ぞれの波形には変化は見られないが、運動の程度が増す
につれて、両者の差が大きくなることが分かる。この原
因は、（ｂ）の波形図に示される加速度信号であること
が分かる。（ｃ）と（ｄ）の波形図を比較すると、真の
脈波信号から算出された心拍数と、心電図によって測定
された心拍数は、安静時から１６ｋｍ／ｈの速度の全て
の領域で、良好な相関関係を有することが分かる。一
方、（ａ）と（ｄ）の波形図を比較すると、安静時から
約６ｋｍ／ｈの場合では、算出される心拍数に大きな差
異は見られないが、それ以上の速度の場合では、算出さ
れる心拍数に差異が見られることがわかる。 【００１６】図４は速度を段階的に上昇させた場合の心
拍数の変化を示すグラフである。（ａ）はトレッドミル
の速度を表すグラフである。（ｂ）は加速度信号を除去
した脈波信号から算出された心拍数を示すグラフであ
る。（ｃ）は加速度信号を除去する前の脈波信号から算
出された心拍数を示すグラフである。（ｄ）は心電図に
より測定された心拍数を示すグラフである。これらグラ
フによれば、約６〜８ｋｍ／ｈ以上の速度の運動では、
心電図により得られる心拍数（ｄ）と、加速度信号を除
去する前の脈波信号から算出された心拍数（ｃ）に誤差
が現われることが分かる。一方、加速度センサにより得
られた加速度信号によって補正することで、心電図信号
により得られる心拍数（ｄ）と、補正された心拍数
（ｂ）は、ともにほぼ同じ心拍数を示すことが分かる。 【００１７】図５は正確な心拍数を検出することができ
る速度の平均（ｎ＝１９）を算出したグラフである。こ
のグラフによれば、脈波検出部から得られた脈波信号の
みから心拍数を算出する場合、正確な値が得られるのは
平均で８ｋｍ／ｈ程度の運動が限度であることが分か
る。一方、加速度センサにより加速度信号を検出して真
の脈波信号を算出することで、平均で１４ｋｍ／ｈの運
動であっても、正確な心拍数を測定できることが分か
る。 【００１８】 【発明の効果】以上詳述した如く、本発明に係る心拍数
測定装置は、被検者の身体の一部の光の透過率又は反射
率から脈波信号を検出する脈波信号検出部と、被検者の
体動に伴う加速度信号を検出する加速度センサと、該脈
波信号から該加速度信号を除去する差動変換部と、から
なることを特徴とする心拍数測定装置であるから、以下
のような効果を奏する。すなわち、安静時はもちろん、
運動時においても体動に伴うノイズに影響されずに正確
な心拍数を測定することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係る心拍数測定装置の概略を示すブロ
ック図である。 【図２】本発明における脈波信号や加速度信号から心拍
数を測定する演算処理の一例を示したブロック図であ
る。 【図３】それぞれの速度において実際に測定した心拍数
を示す波形図である。（ａ）は加速度信号が除去されて
いない脈波信号を示す波形図である。（ｂ）は加速度信
号を示す波形図である。（ｃ）は加速度信号が除去され
た脈波信号を示す波形図である。（ｄ）は心電図を示す
波形図である。 【図４】（ａ）はトレッドミルの速度を示すグラフであ
る。（ｂ）は加速度信号が除去された脈波信号により算
出した心拍数を示すグラフである。（ｃ）は加速度信号
が除去されていない脈波信号より算出した心拍数を示す
グラフである。（ｄ）は心電図により測定された心拍数
を示すグラフである。 【図５】脈波信号または真の脈波信号により心拍数を算
出する場合の検出可能な最高速度を示すグラフである。 【符号の説明】 １ 心拍数測定装置 ２ 脈波信号検出部 ２１ 発光素子 ２２ 受光素子 ２３ 加速度センサ ２４ａ，２４ｂ 挟持部材 ３ 演算処理部 ３１ａ，３１ｂ 増幅器 ３２ａ，３２ｂ フィルタ ３３ａ，３３ｂ Ａ／Ｄ変換器 ３４ 差動変換部 ３５ 心拍数算出部 ４ 表示部 Ｈ 被検者の身体の一部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 被検者の身体の一部の光の透過率又は反
   射率から脈波信号を検出する脈波信号検出部と、被検者
   の体動に伴う加速度信号を検出する加速度センサと、該
   脈波信号から該加速度信号を除去する差動変換部と、か
   らなることを特徴とする心拍数測定装置。