JP2003339651A - 脈波解析装置及び生体状態監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 脈波を用いることにより、被験者に負担をか
けることなく、被験者の各種の生理状態を精度良く検出
して、リアルタイムにモニタすること等ができる脈波解
析装置、生体状態監視装置、プログラム、及び記録媒体
を提供すること。 【解決手段】 Ｓ１０では、脈波センサ１からの脈波信
号に基づいて脈波ＰＷ（ｉ）を取得する。Ｓ２０では、
脈波信号に基づいて呼吸（胸腔内圧）信号の解析等の呼
吸解析を行う。Ｓ３０では、脈波信号に基づいて脈拍間
隔ＰＩ（ｉ）を算出する。Ｓ４０では、前記Ｓ３０にて
算出した脈拍間隔ＰＩ（ｉ）を周波数解析（ＦＦＴ解
析）して脈拍間隔の揺らぎ即ち副交感神経活動量ＨＦを
求める。Ｓ５０では、脈波ＰＩ（ｉ）を周波数解析（Ｆ
ＦＴ解析）して脈波の基線の揺らぎを算出し、この脈波
の基線の揺らぎから生体異常を検知する。Ｓ６０では、
Ｓ１０〜Ｓ５０の検出結果をモニタ２１に表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生体から計測され
た脈波に基づいて、各種の生体異常等を検知することが
できる脈波解析装置、生体状態監視装置、プログラム、
及び記録媒体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、様々な医療現場において、患
者の状態を的確に把握するために、例えば患者の呼吸状
態を検出していた。この呼吸状態を検出するためには、
例えば上唇付近に呼吸センサを取り付け、呼吸に伴う鼻
穴からの息によって呼吸状態を検出していた。

【０００３】しかし、この方法では、顔面に呼吸センサ
を装着する必要があるため、装着感が悪く、日常の装着
は非常に困難であるという問題があった。また、胸部に
センサを装着し、呼吸に伴う胸部の動きによって呼吸を
検出するものがあるが、この場合も、装着感が悪いとい
う問題があった。

【０００４】これとは別に、脈拍の信号である脈波に
は、自律神経信号が乗っていることが分かっているの
で、脈波を解析して、呼吸情報を得る技術が研究されて
いる。つまり、自律神経には、交換神経と迷走神経（副
交感神経）があり、迷走神経出力は呼気時に減少し、吸
気時に増加することが知られているので、この自律神経
信号が乗っている脈波を解析することによって、呼吸情
報を得ようとしていた。

【０００５】ところが、従来では、脈波を精度良く検出
できる簡易で適当な装置が無い状況であったので、自律
神経機能（従って呼吸状態）の評価に役立つ指標とし
て、脈波ではなく心電図から得られる心拍変動が使われ
てきた。具体的には、心電図のピーク（Ｒ波）と次のピ
ーク（Ｒ波）の時間間隔を心拍間隔と呼び、この心拍間
隔を計測時間に対してプロットすると、心拍間隔の揺ら
ぎ（心拍変動）が観察されるが、この揺らぎ成分のう
ち、特定の周波数帯の成分を取り出して、自律神経機能
を評価する指標として利用してきた。

【０００６】しかし、心電図による心拍変動の測定は、
電極を最低２箇所以上体に貼り付ける必要があり、被験
者に負担が大きく、長時間の連続測定は困難であった。
また、心電図から呼吸信号を求めるには精度が十分では
なかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、近年では、軽
量で精度の良い脈波センサが開発されてきたこともあ
り、心電図ではなく、脈波を使った脈波解析により、心
電図と同様な自律神経機能評価を行おうとする試みがあ
る。

【０００８】ところが、脈波を計測する場合には、電極
が不要で装置がコンパクトであり、被験者に負担をかけ
ない等の利点や、（脈波には多くの情報が含まれてお
り）１つの脈波センサで多くの情報が得られるという利
点があるが、短所もある。つまり、脈波の場合、心電図
ほど一拍毎の区分が明確でなく、ノイズに弱いという問
題がある。また、従来のＦＦＴ解析やウェブレット解析
による周波数解析では、瞬時脈拍間隔を求めることは不
可能であり、計算に必要なデータ数も多いため、リアル
タイムで解析することは困難であった。

【０００９】このため、従来から、脈波や心電図から、
脈拍数、脈拍間隔、呼吸、副交換神経の活動量の検出や
解析方法の試みがなされているが、このうち、脈拍数解
析を除いて実用には至っていないのが現状である。本発
明は、前記課題を解決するためになされたものであり、
その目的は、簡便に検出可能な脈波を用いることによ
り、被験者に負担をかけることなく、被験者の各種の生
理状態（例えば脈拍、脈拍間隔、呼吸、副交感神経活動
量、生体異常信号等）を精度良く検出して、リアルタイ
ムにモニタすること等ができる脈波解析装置、生体状態
監視装置、プログラム、及び記録媒体を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】（１）請
求項１の発明（脈波解析装置）は、脈波信号に基づいて
脈波の頂点を求める脈波解析装置において、所定の脈波
の頂点Ｘから所定の設定時間範囲内にある別の頂点Ｙに
関して、前記頂点Ｙが前記頂点Ｘよりピークが小さいと
きには、前記頂点Ｙを脈波の頂点としないことを特徴と
する。

【００１１】脈波信号を測定する際には、図６に例示す
る様に、真の頂点（ピーク）以外に、ノイズ等の影響に
より偽のピーク（Ｐ’）が、脈波に乗ることがある。そ
こで、本発明では、ある脈波の頂点Ｘから所定の設定時
間範囲（例えば頂点検索補正係数ｔ３）内にある別の頂
点Ｙに着目して、その頂点Ｙが頂点Ｘよりピークが小さ
いときには、頂点Ｙを偽のピークとして、脈波の真の頂
点としないようにしている。

【００１２】これにより、脈拍に対応した真の頂点のみ
を抽出することができるので、この真の頂点を用いるこ
とにより、正確な脈拍数や脈拍間隔などを求めることが
できる。 （２）請求項２の発明は、脈波信号の脈波の頂点に基づ
いて脈拍数を求める脈拍数検出手段と、前記脈拍数検出
手段によって検出した脈拍数により、脈拍信号から脈拍
間隔を計算する複素復調解析の中心周波数を決定して更
新する中心周波数更新手段と、を備えたことを特徴とす
る。

【００１３】本発明では、脈波信号の脈波の頂点に基づ
いて脈拍数を求め、その脈拍数により、（脈拍間隔を計
算する）複素復調解析の中心周波数を決定して更新する
ので、例えば周知のＦＦＴ解析から得られる脈拍数を用
いる場合と比べて、一層容易に且つリアルタイムに中心
周波数を決定することができる。

【００１４】従って、この中心周波数を用いて複素復調
解析を実施することにより、容易に且つリアルタイムに
脈拍間隔を求めることができる。尚、複素復調解析と
は、後に詳述するが、解析対象のデータ（脈波信号の波
形のデータ）に対して、脈波信号の波形に最も類似した
三角関数（分析したい周波数領域の中心周波数を持つ複
素三角関数）をフィッティングし（当てはめ）、その三
角関数（例えばｃｏｓ（φ＋ωｔ））の瞬時周波数
（ω）を、脈波の周波数ｆ（＝１／Ｔ）とするものであ
る。

【００１５】つまり、瞬時周波数（ω）は、各脈波のピ
ーク間の周波数ｆを示すものであるので、複素復調解析
を実施することによって、周波数ｆより、（その周期Ｔ
である）脈拍間隔を推定することができる。 （３）請求項３の発明では、前記請求項２の発明の脈拍
数検出手段は、前記請求項１の発明により決定した脈波
の頂点を用いて脈拍数を求めることを特徴とする。

【００１６】本発明では、（請求項１の発明にて決定さ
れた真の頂点を用いることにより得られた）正確な脈拍
数を使用することにより、一層精度の高い複素復調解析
の中心周波数が得られるという利点がある。 （４）請求項４の発明では、前記請求項２又は請求項３
の発明で決定した中心周波数を用いて複素復調解析を実
施して、前記脈拍間隔を求めることを特徴とする。

【００１７】例えば、請求項２の発明で決定した中心周
波数で複素復調解析を行うことにより、ＦＦＴ解析を用
いた場合と比べて、より正確に脈拍間隔を算出すること
ができる。また、請求項３の発明で決定した中心周波数
で複素復調解析を行うことにより、請求項２の発明を用
いた場合と比べて、より一層正確に脈拍間隔を算出する
ことができる。

【００１８】（５）請求項５の発明は、前記請求項４の
発明で求めた脈拍間隔より算出した脈拍数と、前記請求
項１の発明で決定した頂点を用いて求めた脈拍数とを比
較し、前記両脈拍数に所定の判定値以上の違いがある場
合には、ノイズが発生したと判定することを特徴とす
る。

【００１９】体動ノイズ等のノイズが発生した場合に
は、両脈拍数の間にズレが生じるので、このズレを前記
判定値（例えば図９のＳ３７０のａ）によって検出する
ことにより、体動ノイズ等の発生の有無を検出すること
ができる。従って、体動ノイズ等が検出された場合に
は、その間のデータの信頼性が低下するので、例えばそ
の間のデータを生体の異常判定のデータとして採用しな
い等の対策をとることができる。

【００２０】（６）請求項６の発明は、前記請求項４の
発明で求めた脈拍間隔により、前記請求項１の発明の設
定時間（例えば頂点検索補正係数ｔ３）を決定して更新
することを特徴とする。本発明では、請求項４の発明で
求めた（より正しい）脈拍間隔により、請求項１の発明
の設定時間を決定して更新するので、常に適切な設定時
間を設定することができる。これにより、脈波の頂点の
誤検出を防止することができる。

【００２１】（７）請求項７の発明は、脈波信号に基づ
いて、脈波の基線成分を求める基線算出手段と、前記脈
波から前記基線成分を引いて修正脈波を求める修正脈波
算出手段と、前記修正脈波に対して複素復調解析を実施
して、脈拍間隔を算出する脈拍間隔算出手段と、を備え
たことを特徴とする。

【００２２】脈波信号は、各種の要因により各脈波の変
動とは別に緩やかな揺らぎがある。従って、この揺らぎ
成分（即ち揺らぎを示す基線成分）を脈波信号から除去
して修正脈波を求め、この修正脈波に対して複素復調解
析を実施することによって、より精度の高い脈拍間隔を
算出することができる。

【００２３】（８）請求項８の発明は、前記請求項１〜
７のいずれかに記載の脈波解析装置を備え、脈波信号の
データを逐次更新し、脈波信号より得られる、脈拍数、
脈拍間隔、呼吸状態、副交感神経活動量、及び脈波の基
線の揺らぎを示す情報のうち、２種以上の情報に基づい
て、リアルタイムで生体の状態を判断することことを特
徴とする。

【００２４】本発明では、脈波信号のデータを逐次更新
し、脈拍数、脈拍間隔、呼吸状態（呼吸数や胸腔内
圧）、副交感神経活動量、及び脈波の基線の揺らぎを示
す情報のうち、２種以上の情報に基づいて、リアルタイ
ムで生体の状態を判断するので、生体の状態を的確に把
握することができる。

【００２５】（９）請求項９の発明は、前記請求項１〜
７のいずれかに記載の脈波解析装置を備え、脈波信号よ
り得られる、脈拍数、脈拍間隔、呼吸状態、副交感神経
活動量、及び脈波の基線の揺らぎを示す情報のうち、２
種以上の情報を、リアルタイムで、同一画面上に表示す
ることを特徴とする。

【００２６】本発明では、脈拍数、脈拍間隔、呼吸状態
（呼吸数や胸腔内圧）、副交感神経活動量、及び脈波の
基線の揺らぎを示す情報のうち、２種以上の情報を、リ
アルタイムで、モニタ等の同一画面上に（例えば同一時
間軸で）表示するので、一目で、生体の状態を把握する
ことができる。

【００２７】（１０）請求項１０の発明（プログラム）
は、請求項１〜７のいずれかに記載の脈波解析装置、或
いは請求項８又は９に記載の生体状態監視装置の機能を
実現するための手段を有している。つまり、上述した脈
波解析装置又は生体状態監視装置の機能を実現するため
の各手段は、コンピュータのプログラムにより実行され
る処理により実現することができる。

【００２８】（１１）請求項１１の発明（記録媒体）
は、請求項１０に記載のプログラムの機能を実現するた
めの手段を記憶している。つまり、上述した様なプログ
ラムをコンピュータシステムにて実現する機能は、例え
ば、コンピュータシステム側で起動するプログラムとし
て備えることができる。このようなプログラムの場合、
例えば、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＣＤ
−ＲＯＭ、ハードディスク等のコンピュータ読み取り可
能な記録媒体に記録し、必要に応じてコンピュータシス
テムにロードして起動することにより用いることができ
る。この他、ＲＯＭやバックアップＲＡＭ等をコンピュ
ータ読み取り可能な記録媒体として前記プログラムを記
録しておき、このＲＯＭあるいはバックアップＲＡＭ等
をコンピュータシステムに組み込んで用いても良い。

【００２９】尚、脈波センサを用いて、脈波を検出する
場合には、その測定部位として、腕（手首甲、上腕）、
額、こめかみ等が、装着性に優れており、ゆらぎ成分を
好適に検出することができる

【００３０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の脈波解析装置及び
生体状態監視装置の実施の形態の例（実施例）につい
て、図面に基づいて説明する。 （実施例）ここでは、被験者の脈波を脈波解析装置で解
析して、例えば脈拍数、脈拍間隔、副交感神経活動量
（脈拍間隔の揺らぎ）、呼吸（胸腔内圧）信号、生体異
常信号（脈波の基線の揺らぎ）などをリアルタイムでモ
ニタすることができる生体状態監視装置を例に挙げて説
明する。

【００３１】ａ）まず、本実施例の脈波解析装置を備え
た生体状態監視装置のシステム構成について、図１に基
づいて説明する。図１に示す様に、本実施例の生体状態
監視装置は、人体の例えば指や手首等に取り付けて使用
される脈波センサ１と、この脈波センサ１から出力され
る測定結果に基づいて脈波を計測するとともに、その脈
拍信号に基づいて運動強度に関する処理等を行うデータ
処理装置３とを備えている。尚、前記脈波センサ１を取
り付ける場所としては、指、手首、腕、額、こめかみ、
すねなどが好ましい。

【００３２】前記脈波センサ１は、発光素子（例えば発
光ダイオード：ＬＥＤ）５と、その駆動回路７と、受光
素子（例えばフォトダイオード：ＰＤ）９と、光を通過
させる透明な窓１１とを備える、周知の光学式反射型セ
ンサである。この脈波センサ１においては、発光素子５
から人体に向かって光が照射されると、光の一部が人体
の内部を通る毛細動脈に当たって、毛細動脈を流れる血
液中のヘモグロビンに吸収され、残りの光が毛細動脈で
反射して散乱し、その一部が受光素子９に入射する。こ
の時、血液の脈動により毛細動脈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、毛細動脈で反射して
受光素子９で検出される受光量が変化し、その受光量の
変化を脈波情報（例えば電圧信号）としてデータ処理装
置３に出力している。

【００３３】一方、前記データ処理装置３は、脈波解析
装置としての機能を有するものであり、検出回路１３
と、ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）１５と、マイクロコンピ
ュータ１７とを内蔵するとともに、各種のデータを（マ
ニュアル等により）入力するための入力部１９と、検出
結果等を表示する表示部（モニタ）２１とを備えてい
る。

【００３４】このうち、検出回路１３では、脈波センサ
１から得られた電圧信号を増幅し、ＡＤＣ１５では、検
出回路１３から得られた電圧信号であるアナログ信号を
デジタル信号に変換する。また、マイクロコンピュータ
１７は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた電子
回路であり、ＡＤＣ１５から得られたデジタル信号を処
理するためのプログラムが記憶されている。

【００３５】つまり、マイクロコンピュータ１７は、脈
波センサ１で検出された脈波信号を計測し解析するとと
もに、その解析結果から生体状態を検知するものであ
り、脈波解析のアルゴリズムに基づいたプログラムとと
もに、生体状態を検知するためのアルゴリズムに基づい
たプログラムが組み込まれている。

【００３６】ｂ）次に、本実施例における制御処理につ
いて説明する。 まず、制御処理全体について、図２のフローチャート
及び図３のグラフに基づいて説明する。図２に示す様
に、ステップ（Ｓ）１０では、後に詳述する様に、脈波
センサ１からの脈波信号に基づいて、脈波ＰＷ（ｉ）を
取得する。

【００３７】この脈波信号を図３に示すが、脈波信号
は、心臓の収縮期に対応した上側の頂点（上ピーク）
と、心臓の拡張期に対応した下側の頂点（下ピーク）と
を有しており、時間の経過とともに、その脈波信号が微
妙に揺らいでいることが分かる。続くＳ２０では、後に
詳述する様に、脈波信号に基づいて、呼吸状態を検知す
るために、呼吸（胸腔内圧）信号の解析等の呼吸解析を
行う。

【００３８】続くＳ３０では、後に詳述する様に、脈波
信号に基づいて、脈拍間隔ＰＩ（ｉ）を算出する処理を
行う。続くＳ４０では、後に詳述する様に、前記Ｓ３０
にて算出した脈拍間隔ＰＩ（ｉ）を周波数解析（ＦＦＴ
解析）して、脈拍間隔の揺らぎ、即ち副交感神経活動量
ＨＦを求める。

【００３９】続くＳ５０では、後に詳述する様に、脈波
ＰＩ（ｉ）を周波数解析（ＦＦＴ解析）して、脈波の基
線の揺らぎを算出し、この脈波の基線の揺らぎから、生
体異常（特に血圧異常）を検知する処理を行う。続くＳ
６０では、前記Ｓ１０〜Ｓ５０の検出結果をモニタ２１
に表示する処理を行う。

【００４０】続くＳ７０では、計測継続か否かを、例え
ばマニュアルスイッチの操作状況により判定し、ここで
肯定判断されれば前記Ｓ１０に戻って同様な処理を繰り
返し、一方否定判断されれば、一旦本処理を終了する。 次に、前記Ｓ１０の脈波取得の処理を、図４のフロー
チャートに基づいて説明する。

【００４１】この処理は、設定した解析データ数ｔ２
（例えば２０Ｈｚサンプリングで１分間、１２００デー
タ）を、更新データ数ｔ１（例えば２０Ｈｚサンプリン
グで１秒間、２０データ）づつ更新しながら、脈波セン
サ１からの信号を取得する処理である。

【００４２】まず、図４に示す様に、Ｓ１１０では、取
得データ数を示すカウンタｓを０にセットする。続くＳ
１２０では、カウンタｓをインクリメントする。続くＳ
１３０では、脈波信号を、２０Ｈｚ毎に順次tmpＰＷ
（ｓ）に記憶する（取得する）。

【００４３】続くＳ１４０では、取得データ数ｓが、所
定の更新データ数ｔ１（例えば２０）以上か否かを判定
する。ここで肯定判断されるとＳ１５０に進み、一方否
定判断されるとＳ１２０に戻る。Ｓ１５０では、取得デ
ータ数ｓが所定の更新データ数ｔ１に達したので、脈波
データの更新を行う。

【００４４】具体的には、例えば１２００のデータのう
ちの古いデータを２０削除し、新しいデータを２０加え
る処理を行う。続くＳ１６０では、脈波データ数ｉが、
所定の解析データ数ｔ２（例えば１２００）以上か否か
を判定する。ここで否定判断されると前記１１０に戻
り、一方肯定判断されると一旦本処理を終了する。

【００４５】上述した処理により、解析データ数ｔ２の
時間幅で、データを２０個づつ更新しながら、リアルタ
イムで脈波ＰＷ（ｉ）を解析することができる。 次に、前記Ｓ２０の呼吸解析の処理を、図５のフロー
チャート及び図６〜図８のグラフに基づいて説明する。

【００４６】この処理は、前記Ｓ１０で得られた脈波の
呼吸（胸腔内圧）信号の解析処理である。まず、図５に
示す様に、Ｓ２１０にて、脈波の収縮期の頂点検索を行
う。つまり、心臓の収縮期に対応した頂点（ピーク）を
求める。

【００４７】続くＳ２２０では、隣合う頂点の時間間隔
｛Ｐ（ｔ）−Ｐ（ｔ−１）｝が、所定の時間（頂点検索
補正係数）ｔ３未満であるか否かを判断する。ここで肯
定判断されるとＳ２４０に進み、一方否定判断されると
Ｓ２３０に進む。Ｓ２３０では、隣合う頂点の時間間隔
が大きいので、検出された頂点を（ノイズ等でない）真
の頂点としてカウントする。

【００４８】一方、Ｓ２４０では、図６に示す様に、隣
合う頂点の時間間隔が小さいので、隣合う脈波の大きさ
ＰＷ（Ｐ（ｔ））とＰＷ（Ｐ（ｔ−１））とを比較し、
大きい方を（ノイズ等でない）真の頂点としてカウント
する。つまり、図６に示す様に、脈波信号には、心臓の
収縮期に対応した頂点以外に、ノイズ等により小さな偽
の頂点（Ｐ’）が現れることがあるので、このノイズ等
による偽の頂点を、前記Ｓ２１０〜Ｓ２４０の処理によ
り除去して、真の頂点を検出するのである。

【００４９】続くＳ２５０では、前記Ｓ２１０〜Ｓ２４
０と同様にして、脈波の（心臓の）拡張期に対応した頂
点検索を行い、その真の頂点を求める。続くＳ２６０で
は、上述した様にして求めた脈波の（収縮期の）頂点を
用いて、脈拍数の計算を行う。つまり、頂点の数の１分
平均Ａを脈拍数とする。

【００５０】続くＳ２７０では、図７に示す様に、前記
（収縮期の）頂点同士を結んで、脈波の包絡線、即ち第
１包絡線Ｂ（ｉ）を作成する。尚、同図の基線とは、上
ピークと下ピークの中央値同士を結んだものである。続
くＳ２８０では、図７に示す様に、脈波の包絡線の包絡
線、即ち第１包絡線の頂点同士を結んだ包絡線である第
２包絡線Ｃ（ｉ）を作成する。

【００５１】続くＳ２９０では、第１包絡線Ｂ（ｉ）と
第２包絡線Ｃ（ｉ）との差｛Ｃ（ｉ）−Ｂ（ｉ）｝よ
り、図８に示す様に、呼吸（胸腔内圧）信号を模した信
号Ｄ（ｉ）を作成する。即ち、この信号Ｄ（ｉ）は、胸
腔内圧と相関があることが知られており、呼吸に合わせ
て上下するので、これを呼吸（胸腔内圧）信号とする。

【００５２】続くＳ２９５では、呼吸（胸腔内圧）信号
Ｄ（ｉ）の山の数の１分平均Ｅを呼吸数としてカウント
し、一旦本処理を終了する。上述した処理により、脈波
信号からノイズ等を除去した真の頂点を求め、この頂点
から脈拍数Ａや呼吸数を求めることができる。また、呼
吸（胸腔内圧）信号から胸腔内圧を求めることもでき
る。

【００５３】次に、前記Ｓ３０の脈拍間隔計算の処理
を、図９のフローチャート及び図１０のグラフに基づい
て説明する。まず、図９に示す様に、Ｓ３１０では、前
記図５のＳ２６０にて算出した脈拍数Ａから、脈拍の周
波数Ｆを算出する。つまり、Ｆ＝Ａ／６０の式より、後
述する複素復調解析の中心周波数として用いる脈拍の周
波数Ｆを求める。

【００５４】続くＳ３２０では、図１０（ａ）に示す様
に、収縮期と拡張期の頂点の中間値、即ち脈波の波高の
中間値から、脈波の基線Ｇ（ｉ）を算出する。続くＳ３
３０では、図１０（ｂ）に示す様に、脈波ＰＷ（ｉ）か
ら脈波の基線Ｇ（ｉ）を引いて、脈波をｓｉｎ波に近づ
けた修正脈波ＰＷ’（ｉ）を求める。

【００５５】続くＳ３４０では、修正脈波ＰＷ’（ｉ）
を、脈拍の周波数Ｆ（中心周波数）で複素復調解析し
て、瞬時周波数Ｆｒｅｑ（ｉ）を求める。 ・ここで、複素復調解析について簡単に説明する。複素
復調解析とは、上述した様に、解析対象のデータ（脈波
信号の波形のデータ）に対して、脈波信号の波形に最も
類似した三角関数（分析したい周波数領域の中心周波数
を持つ複素三角関数）をフィッティングし（当ては
め）、その三角関数（例えばｃｏｓ（φ＋ωｔ））の瞬
時周波数（ω）を、脈波の周波数ｆ（＝１／Ｔ）とする
ものである。

【００５６】つまり、瞬時周波数（ω）は、各脈波のピ
ーク間の周波数ｆを示すものであるので、複素復調解析
を実施することによって、周波数ｆより、（その周期Ｔ
である）脈拍間隔を推定することができる。以下に、複
素復調解析の代表的な手順を示す。

【００５７】(1)まず、分析したい周波数領域を設定
し、その周波数領域を０Ｈｚに周波数シフトする。その
ためには、データ（脈波信号）に、分析したい周波数領
域の中心周波数を持つ複素三角関数（例えば複素ｓｉｎ
関数）をかける。これにより、複素信号を得る。

【００５８】(2)次に、得られた複素信号を、例えば
（第１の）ローパスフィルタに通し、分析したい周波数
領域の成分のみを取り出す。 (3)次に、前記周波数領域の成分の実部と虚部を、極座
標系に変換し、振動の振幅と位相を時間の関数として得
る。

【００５９】(4)次に、前記位相の時間関数である位相
信号を微分することにより、周波数０Ｈｚからのずれの
時間関数を得る。この関数に、前記(1)の中心周波数を
加えることで、瞬時周波数を時間の関数として得る。つ
まり、この様にして、前記Ｓ３４０では、修正脈波Ｐ
Ｗ’（ｉ）から瞬時周波数Ｆｒｅｑ（ｉ）を求めるので
ある。

【００６０】続くＳ３５０では、瞬時周波数Ｆｒｅｑ
（ｉ）の逆数から、脈拍間隔ＰＩ（ｉ）を求める。続く
Ｓ３６０では、脈拍間隔ＰＩ（ｉ）の平均値ａｖＰＩ
（例えば２００データ分の平均）の逆数から、脈拍数Ｈ
を求める。

【００６１】続くＳ３７０では、頂点検索によって得ら
れた脈拍数Ａと、脈拍間隔ＰＩから得られた脈拍数Ｈと
の大きさを比較する。つまり、脈拍数Ａと脈拍数Ｈとの
差の絶対値が判定値ａ未満であるか否かを判定し、ここ
で肯定判断されるとＳ３８０に進み、一方否定判断され
るとＳ３８５に進む。

【００６２】Ｓ３８５では、脈拍数Ａと脈拍数Ｈとの差
が大きいので、体動又はノイズによる誤差が発生したと
判断して、脈拍数を前の値に補正し、一旦本処理を終了
する。一方、Ｓ３８０では、脈拍数Ａと脈拍数Ｈとの差
が小さいので、即ち両脈拍数Ａ、Ｈは近い値であるの
で、脈拍数Ａ又は脈拍数Ｈを真の脈拍数とする。

【００６３】続くＳ３９０では、脈拍間隔ＰＩ（ｉ）の
平均値ａｖＰＩから、前記頂点検索補正係数ｔ３を更新
し、例えば頂点検索補正係数ｔ３を平均値ａｖＰＩの７
０％とし、一旦本処理を終了する。この様に、本処理で
は、複素復調解析の中心周波数を脈拍数Ａを用いて更新
するので、複素復調解析の精度を高めることができ、よ
り適正な瞬時周波数Ｆｒｅｑ（ｉ）を算出することがで
きる。

【００６４】また、複素復調解析を行う対象である脈波
として、脈波ＰＷ（ｉ）から基線成分Ｇ（ｉ）を引いた
修正脈波ＰＷ’（ｉ）を用いるので、基線成分の変動を
除去して、より精密な解析を行うことができる。更に、
脈拍間隔ＰＩ（ｉ）の平均値ａｖＰＩから、頂点検索補
正係数ｔ３を更新するので、ノイズを除去して頂点検索
をより的確に行うことができる。

【００６５】次に、前記Ｓ４０の副交感神経活動量計
算の処理を、図１１のフローチャート及び図１２のグラ
フに基づいて説明する。まず、図１１に示す様に、Ｓ４
１０では、前記図９のＳ３５０にて求めた脈拍間隔ＰＩ
（ｉ）の周波数解析を行う。

【００６６】具体的には、図１２に示す様に、脈拍間隔
Ｐ（ｉ）の周波数解析（例えば周知のＦＦＴ解析）を行
い、そのうちの０．１５Ｈｚ以上の高周波成分ＡＭＰ
（ｉ）を算出する。この高周波成分は、副交感神経活動
をよく表しており、この値（成分のパワー）が大きいほ
ど副交感神経活動が活発である。

【００６７】続くＳ４２０では、前記高周波成分ＡＭＰ
（ｉ）を、副交感神経活動量ＨＦ（ｉ）として設定し、
一旦本処理を終了する。この様に、本処理では、脈拍間
隔Ｐ（ｉ）から副交感神経活動量ＨＦ（ｉ）を求めるこ
とができるので、この副交感神経活動量ＨＦ（ｉ）か
ら、心臓の活動の状態等を把握することができる。例え
ば副交感神経活動量ＨＦ（ｉ）が小さな場合には、心臓
の活動量が大きいことが分かる。

【００６８】次に、前記Ｓ５０の脈波の基線の揺らぎ
計算の処理を、図１３のフローチャート及び図１４のグ
ラフに基づいて説明する。まず、図１３に示す様に、Ｓ
５１０では、脈波ＰＷ（ｉ）から、周波数解析（例えば
周知のＦＦＴ解析）用のデータＦＦＴ（ｎ）を取得す
る。

【００６９】続くＳ５２０では、取得したＦＦＴ解析デ
ータ数ｎが、解析必要データ数ｎと一致したか否かを判
定する。ここで肯定判断されるとＳ５３０に進み、一方
否定判断されると一旦本処理を終了する。Ｓ５３０で
は、取得したＦＦＴ解析用のデータＦＦＴ（ｎ）をＦＦ
Ｔ解析する。

【００７０】続くＳ５４０では、図１４に示す様に、Ｍ
ＶＷ周波数帯（０．１〜０．２２Ｈｚ）の積分平均ＭＶ
Ｗを算出する。即ち、脈波の基線の揺らぎに対応する周
波数帯のパワーＭＶＷ（生体異常信号）を求める。続く
Ｓ５５０では、図１４に示す様に、ＰＷ周波数帯（１〜
２Ｈｚ）の積分平均ＰＷを算出する。即ち、脈拍に対応
する周波数帯のパワーＰＷを求める。

【００７１】続くＳ５６０では、脈波の基線に対応する
周波数帯のパワーＭＶＷと脈拍に対応する周波数帯のパ
ワーＰＷとの比ＭＶＷ／ＰＷを求める。即ち、脈波の基
線の揺らぎの状態を示す比ＭＶＷ／ＰＷを求める。この
比ＭＶＷ／ＰＷは、生体異常（特に血圧異常）と相関関
係があるので、この比ＭＶＷ／ＰＷから、生体異常（特
に血圧異常）を把握することができる。

【００７２】例えば比ＭＶＷ／ＰＷが、正常な値より大
きくなった場合には、例えば血圧の低下などの血圧異常
が発生した判定することができる。 次に、前記Ｓ６０のデータの表示処理を、図１５のグ
ラフに基づいて説明する。

【００７３】本処理では、前記〜の各処理により得
られた結果等を、モニタ２１の表示画面上に一括して表
示する。具体的には、モニタ２１の第１表示領域Ｈ１に
脈拍数を表示し、第２表示領域Ｈ２に呼吸数を表示し、
第３表示領域Ｈ３に脈拍間隔ＰＩを表示し、第４表示領
域Ｈ４に副交感神経活動量ＨＦを表示し、第５表示領域
Ｈ５に生体異常信号ＭＶＷを表示する。

【００７４】また、第６表示領域Ｈ６には、脈波信号と
その包絡線（第１、第２包絡線）と基線の経時変化を表
示し、第７表示領域Ｈ７には、脈拍間隔ＰＩの経時変化
を示し、第８表示領域Ｈ８には、副交感神経活動量ＨＦ
の経時変化を示し、第９表示領域Ｈ９は、呼吸信号Ｄの
経時変化を表示する。

【００７５】尚、第１０表示領域には、ＦＦＴ解析の結
果を示している。 ｃ）次に、本実施例による効果を説明する。 ・本実施例では、ある脈波の頂点Ｘから頂点検索補正係
数ｔ３の範囲内にある別の頂点Ｙに着目して、その頂点
Ｙが頂点Ｘよりピークが小さいときには、頂点Ｙを偽の
ピークとして、脈波の真の頂点としないようにしてい
る。

【００７６】これにより、脈拍に対応した真の頂点のみ
を抽出することができるので、この真の頂点を用いるこ
とにより、正確な脈拍数や脈拍間隔などを求めることが
できる。 ・本実施例では、脈波信号の脈波の頂点に基づいて脈拍
数を求め、その脈拍数により、（脈拍間隔を計算する）
複素復調解析の中心周波数を決定して更新するので、例
えば周知のＦＦＴ解析から得られる脈拍数を用いる場合
と比べて、一層容易に且つリアルタイムに中心周波数を
決定することができる。

【００７７】しかも、上述した真の頂点を用いることに
より得られた正確な脈拍数を使用することにより、精度
の高い複素復調解析の中心周波数が得られるので、この
中心周波数で複素復調解析を行うことにより、容易に且
つリアルタイムに、高い精度で脈拍間隔を算出すること
ができる。

【００７８】その上、本実施例では、脈波信号の揺らぎ
成分を脈波信号から除去して修正脈波を求め、この修正
脈波に対して複素復調解析を実施するので、この点から
も、精度の高い脈拍間隔を算出することができる。 ・本実施例では、上述した様にして求めた精度の高い脈
拍間隔により、頂点検索補正係数ｔ３を更新するので、
脈波の頂点の誤検出を防止することができる。

【００７９】また、頂点検索によって得られた脈拍数Ａ
と脈拍間隔ＰＩから得られた脈拍数Ｈとの差を比較し、
その差が大きな場合には、体動又はノイズによる誤差が
発生したと判断して、脈拍数を前の値に補正し、その差
が小さい場合には、脈拍数Ａ又は脈拍数Ｈを真の脈拍数
とするので、体動等のノイズの影響を排除して、正確な
脈波数を求めることができる。

【００８０】・本実施例では、脈波信号のデータを逐次
更新し、脈拍数、脈拍間隔、呼吸状態（呼吸数や胸腔内
圧）、副交感神経活動量、及び脈波の基線の揺らぎを示
す情報のうち、２種以上の情報に基づいて、リアルタイ
ムで生体の状態を判断するので、生体の状態を的確に把
握することができる。

【００８１】また、脈拍数、脈拍間隔、呼吸状態、副交
感神経活動量、及び脈波の基線の揺らぎを示す情報のう
ち、２種以上の情報を、リアルタイムで、モニタ２１の
同一画面上に表示するので、一目で、生体の状態を把握
することができる。更に、脈拍数、脈拍間隔、副交感神
経活動量、呼吸信号、生体異常信号のうち１種又は２種
以上の情報を用いて、それぞれ、正常値からどれくらい
外れているかを判断して、生体の異常の発生を検知し
て、被験者本人又は周囲の人に、生体の異常を報知する
ことができる。

【００８２】例えば検出した情報の値において、正常値
から標準偏差や変動係数を基に、正常値からどのくらい
外れているかによって、生体の異常を的確に判定するこ
とができる。尚、本発明は前記実施例になんら限定され
るものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々
の態様で実施しうることはいうまでもない。

【００８３】（１）例えば、前記実施例では、脈波解析
装置及び生体状態監視装置について述べたが、本発明
は、それらに限らず、上述したアルゴリズムに基づく処
理を実行させるプログラムやそのプログラムを記憶して
いる記録媒体にも適用できる。この記録媒体としては、
マイクロコンピュータとして構成される電子制御装置、
マイクロチップ、フレキシブルディスク、ハードディス
ク、光ディスク等の各種の記録媒体が挙げられる。つま
り、上述した脈波解析装置及び生体状態監視装置の処理
を実行させることができるプログラムを記憶したもので
あれば、特に限定はない。

【００８４】尚、前記プログラムは、単に記録媒体に記
憶されたものに限定されることなく、例えばインターネ
ットなどの通信ラインにて送受信されるプログラムにも
適用される。 （２）また、前記脈波解析装置及び生体状態監視装置
は、脈波センサから得られた信号を、すぐそばにあるデ
ータ処理装置に直接に入力する場合だけでなく、脈波セ
ンサからの得られたデータを例えばパソコン等の装置に
入力し、そのデータを例えばインターネット等を利用し
て遠隔地にあるデータ処理装置に送信にして、生体異常
等を検知する場合などに適用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の脈波解析装置を備えた生体状態監視
装置のシステム構成を示す説明図である。

【図２】 実施例の主要な処理を示すメインのフローチ
ャートである。

【図３】 脈波信号を示すグラフである。

【図４】 脈波取得の処理を示すフローチャートであ
る。

【図５】 呼吸解析の処理を示すフローチャートであ
る。

【図６】 脈波信号の脈波の頂点の状態を示すグラフで
ある。

【図７】 脈波信号における包絡線等を示すグラフであ
る。

【図８】 呼吸信号を示すグラフである。

【図９】 脈拍間隔計算の処理を示すフローチャートで
ある。

【図１０】 （ａ）は脈波信号の揺らぎの状態を示すグ
ラフであり、（ｂ）は補正した脈波信号を示すグラフで
ある。

【図１１】 副交感神経活動量計算の処理を示すフロー
チャートである。

【図１２】 副交感神経活動量等の変化を示すグラフで
ある。

【図１３】 脈波の基線の揺らぎ計算の処理を示すフロ
ーチャートである。

【図１４】 脈波の基線の揺らぎ計算の結果を示すグラ
フである。

【図１５】 モニタの表示画面を示す説明図である。

【符号の説明】

１…脈波センサ ３…データ処理装置 ５…発光素子 ９…受光素子 １７…マイクロコンピュータ １９…表示部 ２１…表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西井 克昌 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 難波 晋治 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 4C017 AA10 AA14 AA20 AB01 AB02 AB03 AB06 AB07 AB10 AC28 BC01 BC14 BC16 BC21 BD04 CC01 FF03 FF05 4C038 SS00 ST00 ST04 SV00 SX07 SX09 SX12

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 脈波信号に基づいて脈波の頂点を求める
   脈波解析装置において、 所定の脈波の頂点Ｘから所定の設定時間範囲内にある別
   の頂点Ｙに関して、前記頂点Ｙが前記頂点Ｘよりピーク
   が小さいときには、前記頂点Ｙを脈波の頂点としないこ
   とを特徴とする脈波解析装置。
2. 【請求項２】 脈波信号の脈波の頂点に基づいて脈拍数
   を求める脈拍数検出手段と、 前記脈拍数検出手段によって検出した脈拍数により、前
   記脈拍信号から脈拍間隔を計算する複素復調解析の中心
   周波数を決定して更新する中心周波数更新手段と、 を備えたことを特徴とする脈波解析装置。
3. 【請求項３】 前記請求項２の発明の脈拍数検出手段
   は、前記請求項１の発明により決定した脈波の頂点を用
   いて脈拍数を求めることを特徴とする脈波解析装置。
4. 【請求項４】 前記請求項２又は請求項３の発明で決定
   した中心周波数を用いて複素復調解析を実施して、前記
   脈拍間隔を求めることを特徴とする脈波解析装置。
5. 【請求項５】 前記請求項４の発明で求めた脈拍間隔よ
   り算出した脈拍数と、前記請求項１の発明で決定した頂
   点を用いて求めた脈拍数とを比較し、前記両脈拍数に所
   定の判定値以上の違いがある場合には、ノイズが発生し
   たと判定することを特徴とする脈波解析装置。
6. 【請求項６】 前記請求項４の発明で求めた脈拍間隔に
   より、前記請求項１の発明の設定時間を決定して更新す
   ることを特徴とする脈波解析装置。
7. 【請求項７】 脈波信号に基づいて、脈波の基線成分を
   求める基線算出手段と、 前記脈波から前記基線成分を引いて修正脈波を求める修
   正脈波算出手段と、 前記修正脈波に対して複素復調解析を実施して、脈拍間
   隔を算出する脈拍間隔算出手段と、 を備えたことを特徴とする脈波解析装置。
8. 【請求項８】 前記請求項１〜７のいずれかに記載の脈
   波解析装置を備え、 脈波信号のデータを逐次更新し、脈波信号より得られ
   る、脈拍数、脈拍間隔、呼吸状態、副交感神経活動量、
   及び脈波の基線の揺らぎを示す情報のうち、２種以上の
   情報に基づいて、リアルタイムで生体の状態を判断する
   ことことを特徴とする生体状態監視装置。
9. 【請求項９】 前記請求項１〜７のいずれかに記載の脈
   波解析装置を備え、 脈波信号より得られる、脈拍数、脈拍間隔、呼吸状態、
   副交感神経活動量、及び脈波の基線の揺らぎを示す情報
   のうち、２種以上の情報を、リアルタイムで、同一画面
   上に表示することを特徴とする生体状態監視装置。
10. 【請求項１０】 前記請求項１〜７のいずれかに記載の
    脈波解析装置、或いは前記請求項８又は９に記載の生体
    状態監視装置の機能を実現するための手段を有すること
    を特徴とするプログラム。
11. 【請求項１１】 前記請求項１０に記載のプログラムの
    機能を実現するための手段を記憶していることを特徴と
    する記録媒体。