JP2010200994A

JP2010200994A - 生体情報検出装置

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Publication number: JP2010200994A
Application number: JP2009050250A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Sakurai; 敬一櫻井
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: JP5347577B2

Abstract

【課題】測定環境の条件を緩めても正確に脈拍の検出を行える生体情報検出装置を提供する。
【解決手段】生体に装着して脈拍を検出する生体情報検出装置において、複数のマイクロフォン（３，３…）が配列されたマイクアレイ（４）と、マイクアレイ（４）の複数のマイクロフォン（３，３…）により取得された複数の音信号または複数の音データから特定の位相差を有する成分を抽出する指向性抽出手段（５１）と、指向性抽出手段（５１）の出力に基づいて脈拍を検出する脈拍検出手段（５２）とを備えている。
【選択図】図３

Description

この発明は、脈拍の検出を行う生体情報検出装置に関する。

従来、マイクロフォンを生体に押し付けてその音信号から心拍や脈拍を検出する技術について幾つか提案されている（特許文献１〜３）。

特開昭５３−１２８１７８号公報特開２００３−２２５２１１号公報特開２００９−９３５０号公報

しかしながら、マイクロフォンを用いて心拍や脈拍を検出する従来の技術では、検出対象の音とそれ以外のノイズとの分離が難しいため、正常な検出を行うための環境条件が厳しいものであった。例えば、静かな場所で体を静止させた状態で測定しないと正確な測定ができなかったり、腕にマイクロフォンを装着して脈拍を検出するタイプのものでは、マイクロフォンが腕に強く押し付けられるように装着ベルトを強く締め付けないと正常な脈拍検出ができなかったりした。

本発明は、測定環境の条件を緩めても正確に脈拍の検出を行える生体情報検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、
生体に装着して脈拍を検出する生体情報検出装置において、
複数のマイクロフォンが配列されたマイクアレイと、
前記マイクアレイの複数のマイクロフォンにより取得された複数の音信号または複数の音データから特定の位相差を有する成分を抽出する指向性抽出手段と、
この指向性抽出手段の出力に基づいて脈拍を検出する脈拍検出手段と、
を備えていることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の生体情報検出装置において、
装置本体を腕に装着する装着ベルトを有し、
前記マイクアレイは前記装着ベルトに設けられていることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の生体情報検出装置において、
前記マイクアレイは２個以上のマイクロフォンを備え、
前記指向性抽出手段は、方向と距離により指定される特定領域から伝わる音の成分を抽出する構成であることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の生体情報検出装置において、
前記指向性抽出手段は、抽出する成分を決定づける前記特定の位相差に関する設定が変更可能な構成であり、
前記脈拍検出手段の検出出力を確認しながら、前記指向性抽出手段の抽出する成分に関する設定を変更し、前記脈拍検出手段により脈拍が検出可能となる設定を探索する指向性設定探索手段を備えていることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の生体情報検出装置において、
前記指向性抽出手段の抽出する成分に関する複数種類の設定情報を記憶した記憶手段を備え、
前記指向性設定探索手段は、前記記憶手段に記憶された複数種類の設定情報の中から、前記脈拍検出手段により脈拍が検出可能となる前記指向性抽出手段の設定を探索することを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項４記載の生体情報検出装置において、
前記複数のマイクロフォンにより取得された複数の音信号または複数の音データについて相互相関が強くなる位相差を算出する相関算出手段を備え、
前記指向性設定探索手段は、前記相関算出手段により算出された相互相関の強い位相差に対応する前記指向性抽出手段の設定候補を求め、この候補の中から前記脈拍検出手段により脈拍が検出可能となる前記指向性抽出手段の設定を探索することを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の生体情報検出装置において、
前記相関算出手段または前記指向性設定探索手段は、前記相互相関の強い位相差に対応する音源位置が生体が占める範囲内にないと推定される当該相互相関の強い位相差については除外して処理を行うことを特徴としている。

請求項８記載の発明は、請求項２記載の生体情報検出装置において、
前記装置本体には、前記脈拍検出手段により検出された脈拍に関する情報を表示する表示部が設けられていることを特徴としている。

請求項９記載の発明は、請求項１記載の生体情報検出装置において、
前記複数のマイクロフォンの各々の出力信号に対してレベル調整を行う複数の自動利得制御アンプと、
これら複数の自動利得制御アンプの出力信号をそれぞれデジタルデータに変換する複数のＡＤコンバータと、
これら複数のＡＤコンバータの各々の出力データから脈拍検出に不要な周波数成分を除去する複数のフィルタ手段と、
を備え、
前記指向性抽出手段は、前記複数のフィルタ手段の出力の中から前記特定の位相差を有する成分を抽出し、
前記脈拍検出手段は、前記指向性抽出手段の出力データの波形変動の周期を脈拍周期として検出する構成であることを特徴としている。

本発明に従うと、マイクアレイと指向性抽出手段によって脈拍変動が比較的はっきりと表れた音信号または音データを取得することができる。それにより、測定環境をさほど厳しくしなくても正確な脈拍検出を行うことができる。

本発明の実施形態である脈拍測定装置の外観を示す斜視図である。図１の脈拍測定装置の全体構成を示すブロック図である。マイクアレイ部と音入力部と脈拍音処理部の構成を示すブロック図である。制御部により実行される指向性設定データ決定処理の制御手順を示すフローチャートである。指向性フィルタの指向性設定データに対応する複数の抽出音源領域の一例を表わした説明図である。第２実施形態の脈拍音処理部の構成を示すブロック図である。図６の相互相関器の処理内容を説明するための波形図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態である生体情報検出装置としての脈拍測定装置１００の外観を示す斜視図、図２は、脈拍測定装置１００の全体構成を示すブロック図である。

この実施形態の脈拍測定装置１００は、腕（例えば手首）に装着して脈拍を測定する機能を有する装置であり、図１に示すように、各種機能回路を搭載した本体部２と、装置を腕に嵌めるために腕に巻き付けられる装着バンド１等から構成される。本体部２には、表示部２１や複数の操作ボタン１４ａが設けられ、装着バンド１の途中には複数のマイクロフォン３が配列されてなるマイクアレイ部４が設けられている。

脈拍測定装置１００は、図２に示すように、上記のマイクアレイ部４、表示部２１、操作ボタン１４ａを有する操作部１４に加えて、装置の全体的な制御を行う制御部１１と、制御部１１が実行する制御プログラムや制御データを記憶した記憶手段としての記憶装置（不揮発性メモリなど）１２と、制御部１１に作業用のメモリ空間を提供するメモリ１３と、ユーザに警告を発する警告発生器２０と、無線基地局やサーバ装置と無線通信を行うための無線通信部１８およびアンテナ１９と、マイクアレイ部４から出力される音信号を取り込む音入力部１６と、音入力部１６の出力に対して音データに指向性を付与する処理や脈拍検出の処理を行う脈拍音処理部１７等を備えている。また、この脈拍測定装置１００は、時刻を表示して腕時計としての機能するために、一定周期の信号を供給する発振器２３および分周器２４と、この一定周期の信号をカウントして計時を行う計時部２２等を備えている。

マイクアレイ部４は、後述する指向性フィルタ５１と組み合わされて、指向性アレイマイクロフォンを構成するものである。指向性アレイマイクロフォンとは、複数のマイクロフォンを位置をずらして配置し、これら複数のマイクロフォンにより取得された複数の音信号の中から互いに特定の位相差を有する音信号の成分を多く抽出し、その他の成分を除去することで、収音範囲に鋭い指向性を持たせたマイクロフォンである。

音は音源から放射状に伝わって位置の異なる複数のマイクロフォンに僅かにタイミングをずらして入力される。さらに、このタイミングのずれは音源と複数のマイクロフォンとの相対位置に応じて異なる。従って、複数の音信号の中から特定の位相差を有する成分を抽出することで、様々な方向から到来する音の中から、所定方向で所定の距離範囲に音源のある音信号の成分を多く抽出することができる。

マイクアレイ部４は、特に制限されないが、４個のマイクロフォン３が２行２列に配列されたものである。マイクアレイ部４は、装着ベルト１の本体部２の反対側の範囲、すなわち、本体部２を手の甲の側に配置したときに、マイクアレイ部４が手首の内側に配置される範囲に設けられている。マイクロフォン３の受音面は、装着ベルト１の内周面側に向いており、マイクロフォン３は主に装着ベルト１の内周面側から到来する音をより多く入力して電気信号に変換する。装着ベルト１の外周面側から到来する音は装着ベルト１の部材により減衰されてから入力される。

装着バンド１は、図示は省略するが、腕時計の時計バンドと同様の構造により腕に巻いて固定するもので、腕の太さに応じて、その長さも調整可能な構造を有している。装着バンド１は、比較的緩めに腕に嵌めた場合でも、マイクアレイ部４の部分が腕に摺れて動いたりしないように、マイクアレイ部４の周辺部分が摩擦抵抗の大きな材質により形成されている。

表示部２１は、例えばセグメント形式やドット表示形式の液晶表示器などからなり、制御部１１の表示制御によって、現在時刻を表示したり、検出された脈拍に関する表示を行ったりする。例えば、脈拍を示す点滅表示や、脈拍数の表示などを行ったりする。

警告発生器２０は、制御部１１の制御によって、ブザー音や発光等によりユーザに警告を発するものである。無線通信部１８は、例えば、無線基地局や通信ネットワークを介して管理センターと脈拍測定に関する通信を行うものである。

記憶装置１２には、時計機能を実現するための時計処理プログラム１２ａ、脈拍測定を行うための脈拍測定処理プログラム１２ｂ、脈拍検出に適した指向性フィルタ５１（図３）の設定データを探索し決定する指向性設定データ決定処理プログラム１２ｃ、ならびに、指向性フィルタ５１の設定データの複数の候補が登録された指向性設定候補データリスト１２ｄなどが記憶されている。

制御部１１は、プログラムを実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）や、周辺回路との間で信号の入出力を行うＩ／Ｏ回路等を有し、ＣＰＵが記憶装置１２の制御プログラムを実行しながら周辺回路を連携動作させることで各種の機能を実現するようになっている。

図３には、マイクアレイ部４と音入力部１６と脈拍音処理部１７の詳細を表わしたブロック図を示す。

音入力部１６は、図３に示すように、複数のマイクロフォン３から出力される音信号のレベル調整をそれぞれ行う複数のＡＧＣ（自動利得制御）アンプ４０ａ〜４０ｄと、レベル調整後の音信号をそれぞれサンプリングしてデジタルデータに変換する複数のＡ／Ｄコンバータ４１ａ〜４１ｄとを備えている。ＡＧＣアンプ４０ａ〜４０ｄは、入力される音信号の信号レベルが平均的に一定に保たれるように自動利得制御がかけられるようになっている。

脈拍音処理部１７は、音入力部１６でデジタル化された複数の音データに対してリアルタイムで信号処理を行うＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。脈拍音処理部１７は、入力された複数の音データに対して脈拍検出に不要な周波数成分をそれぞれ除去するフィルタ手段としてのデジタルフィルタ５０ａ〜５０ｄと、デジタルフィルタ５０ａ〜５０ｄを通過した複数の音データの中から互いに特定の位相差を有するデータ成分を抽出して合成する指向性抽出手段としての指向性フィルタ５１と、指向性フィルタ５１の出力データに対して大きなレベル変動が現れる周期やその変動レベルを求める脈拍検出手段としての周期検出器５２と、周期検出器５２の出力データを一時保持して制御部１１へ出力する保持装置５３等を備えている。

指向性フィルタ５１は、デジタルフィルタ５０ａ〜５０ｄを通過した複数の音データの中から互いに特定の位相差を有するデータ成分を抽出して合成することで、或る音源領域で発生された音のデータ成分を多く抽出し、その他の領域で発生された音のデータ成分を多く除去するものである。すなわち、この指向性フィルタ５１により、或る音源領域から複数のマイクロフォン３，３，３，３までの距離の差にそれぞれ対応する位相差を有する音データの成分が抽出されて合成される。ここで、指向性フィルタ５１により抽出対象となる音源領域に、腕内部の動脈位置の領域が設定されることで、他の領域から伝わる音の成分が除去されて、脈拍の変動が比較的はっきりと表れた音データを抽出することができる。

指向性フィルタ５１は、音データの抽出成分を決定づける上記特定の位相差に関する設定を、外部から指向性設定データを書き込えることで、変更することが可能にされている。

周期検出器５２は、指向性フィルタ５１の出力データの波形からデータレベルが一定の閾値を超えるピークを検出し、このピークの発生周波数を求めて周波数データとして出力する。さらに、上記のピーク部分のデータレベルを表わす検出レベル信号を生成して出力する。上記の指向性フィルタ５１によって脈拍変動がはっきりと表れた音データが抽出されていれば、この音データの波形は脈拍変動を表わすものとなり、そのピークの周波数は脈拍数を表わすこととなる。

また、周期検出器５２から出力される検出レベル信号は、指向性フィルタ５１の設定状態の適正度を表わす指標となる信号となる。すなわち、指向性フィルタ５１の指向性設定データが脈拍音の発生位置に対応する設定値に合致していれば、脈拍変動が比較的はっきりと表れた音データが抽出されることから、検出レベル信号は大きくなる。一方、指向性フィルタ５１の指向性設定データが脈拍音の発生位置から外れた設定値であれば、脈拍変動が埋もれた音データが抽出されることとなって、検出レベル信号は小さくなる。この検出レベル信号は、周期検出器５２から保持装置５３と制御部１１とにそれぞれ出力される。

なお、周期検出器５２は、上記構成に制限されず、次のような構成とすることもできる。すなわち、周期検出器５２に高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）を搭載し、指向性フィルタ５１から供給される音データに対して、一定のフレーム期間ごとにフーリエ変換処理を施すとともに、その変換結果から一番信号レベルの大きな周波数とその信号レベルとを求める。そして、この求められた周波数をコード化して周波数データとして出力し、また、上記の信号レベルを表わす検出レベル信号を生成して出力する。このような構成としても、上記と同様の周波数データと検出レベル信号を生成することができる。

保持装置５３は、周期検出器５２から入力される周波数データおよび検出レベル信号を、一旦、緩衝記憶して脈拍数データおよび脈拍検出信号として制御部１１に出力するものである。通常時、保持装置５３は、周期検出器５２から次の周波数データおよび検出レベル信号が入力されると、脈拍数データおよび脈拍検出信号を新たに入力されたこれらのデータにより更新して制御部１１に出力する。

また、保持装置５３は、制御部１１から保持コマンドやその解除コマンドが入力されることで動作モードを切り換えるようになっている。制御部１１から保持コマンドが入力されると、保持装置５３は最大レベル保持モードとなって、周期検出器５２から入力された検出レベル信号が最大値または一定値以上となったときの周波数データおよび検出レベル信号を保持して出力するようになっている。すなわち、周期検出器５２から入力された検出レベル信号が小さな信号値である場合には、脈拍数データや脈拍検出信号は更新せずに、以前のデータをそのまま出力する。一方、周期検出器５２から入力される検出レベル信号が一定値以上になった場合、或いは、保持コマンドが入力されてから一番大きな信号レベルとなった場合に、このときに周期検出器５２から入力されている周波数データおよび検出レベル信号によって、保持している脈拍数データおよび脈拍検出信号を更新して、この更新後の脈拍数データおよび脈拍検出信号を出力するように動作する。

この最大レベル保持モードは、指向性フィルタ５１の設定調整の際に利用されるものである。この最大レベル保持モードの動作によって、指向性フィルタ５１の設定調整に長い時間がかかる場合でも、その途中で比較的良好に脈拍変動が表れた音データが抽出された場合に、この音データに基づき求められた脈拍数データや脈拍検出信号が保持装置５３に保持されて、その後、また脈拍変動がうまく抽出できない調整期間が続いた場合でも、保持装置５３から上記の脈拍数データや脈拍検出信号が出力し続けられることとなる。それにより、たとえば、指向性フィルタ５１を設定調整する長い期間に、一時的に脈拍が検出された際の脈拍数の情報を継続的に表示することが可能となる。この最大レベル保持モードは、制御部１１から解除コマンドが送られることで解除されるようになっている。

上記のマイクアレイ部４、音入力部１６および脈拍音処理部１７は、制御部１１からの電源制御信号によって電源の供給がオン・オフされて、作動状態と非作動状態とが切り換え可能になっている。

次に、上記構成の脈拍測定装置１００の動作について説明する。

［時計処理］
この脈拍測定装置１００においては、常時、制御部１１のＣＰＵが時計処理プログラム１２ａを実行することで、計時部２２の計時データに従って制御部１１により時刻を表示する表示データが生成されて表示部２１に送られる。それにより、表示部２１において現在時刻の表示が行われる。

［脈拍測定処理］
さらに、この脈拍測定装置１００においては、例えば、ユーザが操作部１４を介して所定の操作入力を行うことで、制御部１１のＣＰＵが脈拍測定処理プログラム１２ｂを実行して、脈拍測定処理が開始されるようになっている。脈拍測定処理が開始されると、制御部１１はマイクアレイ部４、音入力部６、脈拍音処理部１７に電源をオンさせる電源制御信号を送り、これらが作動状態となる。

作動状態にされると、マイクアレイ部４は複数のマイクロフォン３，３，３，３により音を入力して音信号を出力する。そして、これらの音信号は音入力部１６でレベル調整された上でデジタル化される。さらに、音入力部１６から脈拍音処理部１７にこれらの音データが送られると、脈拍音処理部１７の指向性フィルタ５１によって、特定の位相差を有する成分が抽出されることで、腕内部の特定領域から発せられる音が抽出されてその他のノイズが除去された音データ、すなわち、脈拍変動が比較的はっきりと表われた音データが抽出される。そして、この音データから周期検出器５２が脈拍の検出や脈拍数の算出を行って、保持装置５３を介して制御部１１に脈拍数データや脈拍検出信号を出力する。

制御部１１は、この脈拍数データや脈拍検出信号に基づいて、脈拍動作や脈拍数を表わす表示データを生成して表示部２１に出力する。それにより、表示部２１においてリアルタイムに測定した脈拍に関する情報が継続的に表示される。

さらに、制御部１１は、脈拍数データや脈拍検出信号を監視して、これらから生体に異常が発生していないか判別処理を行う。そして、例えば、脈拍の継続的な測定中に、過大な脈拍数が計測されたり動脈細動を表わす脈拍が検出されるなど生体に異常ありと判別されたら、警報発生器２０からブザー音の出力や発光等により警告動作を行わせたり、無線通信部１８を介して管理センターに異常の発生や異常の内容を表わす情報を送信したりする。

この脈拍測定処理は、例えば、ユーザが操作部１４を介して所定の操作入力を行うことで終了され、処理終了時には制御部が電源オフの電源制御信号を出力することで、マイクアレイ部４、音入力部６、脈拍音処理部１７は非作動状態となる。

［指向性設定データ決定処理］

次に、指向性設定データ決定処理についてフローチャートに基づいて説明する。

図４には、この指向性設定データ決定処理のフローチャートを、図５には、指向性フィルタ５１の指向性設定データに対応する複数の抽出音源領域の一例を表わした説明図を示す。

指向性設定データ決定処理は、指向性フィルタ５１の指向性設定データを変更して脈拍検出に最適な設定状態を探索する処理である。すなわち、指向性設定データを変更することで指向性フィルタ５１により抽出対象とされる音データの音源位置が変更される。この指向性設定データ決定処理は、例えば、操作部１４を介してユーザにより脈拍測定処理の初期化操作がなされた場合や、脈拍測定処理が開始されてから一定時間以上一定レベルの脈拍検出信号が得られなかった場合に、実行されるものである。この指向性設定データ決定処理は、制御部１１により実行されて指向性設定探索手段を構成するものである。

この指向性設定データ決定処理においては、記憶装置１２に記憶されている指向性設定候補データリスト１２ｄが使用される。指向性設定候補データリスト１２ｄには、指向性フィルタ５１に設定される指向性設定データとして、図５に示すような複数の抽出音源領域Ｕ１〜Ｕ４に対応して、これら領域Ｕ１〜Ｕ４を音源とする音データを抽出するように計算された複数の指向性設定データが登録されている。

図５に示す抽出音源領域Ｕ１〜Ｕ４は、それぞれ動脈が伸びる方向に長くされた小領域で、装着ベルト１を腕にしめたときに、腕の表層に近い部位から深い部位にかけて少しずつ位置をずらして複数設定されたものである。さらに、図５には示していないが、これらの領域Ｕ１〜Ｕ４に加えて、腕の幅方向にも位置を少しずつずらした複数の抽出音源領域を設定し、これらの抽出音源領域に対応する複数の指向性設定データをそれぞれ用意してデータリスト１２ｄに登録しておく。

さらに、指向性設定候補データリスト１２ｄには、上記のように抽出音源領域Ｕ１〜Ｕ４を始めに設定し、これらの領域から計算により指向性設定データの求めたもののほか、次のように実験的に求めた指向性設定データを含めるようにしても良い。すなわち、指向性設定データにパラメータを付加し、実験によりパラメータを変化させながら逐次脈拍測定を行い、さらに複数の人の腕で同様の脈拍測定の実験を行い、その中で良好に脈拍検出ができた指向性設定データを選別する。このように実験的に求めた指向性設定データを、指向性設定候補データリスト１２ｄに登録しても良い。

指向性設定データ決定処理が開始されると、図４に示すように、先ず、制御部１１は脈拍音処理部１７の保持装置５３に保持コマンドを出力する（ステップＳ１）。これにより、保持装置５３は上述した最大レベル保持モードに移行する。

次いで、制御部１１は記憶装置１２の指向性設定候補データリスト１２ｄから順番に１つの指向性設定データを読み出し、これを指向性フィルタ５１に書き込んで設定変更を行う（ステップＳ２）。この指向性設定データの書き込みによって、指向性フィルタ５１で抽出される音データの位相差が変更される。すなわち、抽出対象となる音の音源領域が変更される。

続いて、例えば３秒〜１０秒など周期検出器５２で安定した検出処理がなされるまで待機して（ステップＳ３）、周期検出器５２から出力される検出レベル信号が所定値を超えて良好なレベルになっているか判別する（ステップＳ４）。

ここで、検出レベル信号が所定値を超えていないと判別されたら、指向性フィルタ５１の抽出対象となっている音の音源領域が腕の動脈位置から外れていて、指向性フィルタ５１により脈拍変動がはっきりと表れた音データが抽出できていないと判断できる。したがって、指向性フィルタ５１に設定した指向性設定データが適したものでないと判断し、指向性設定候補データリスト１２ｄに登録されている指向性設定データが最後か確認し（ステップＳ５）、最後でなければステップＳ２に戻って、データリスト１２ｄの次に登録されている指向性設定データを用いて、ステップＳ２からの処理を繰り返す。

このようなステップＳ２〜Ｓ５のループ処理を繰り返すことで、指向性設定候補データリスト１２ｄの中から、ユーザの腕や現在の装着ベルト１の締め具合に適合した指向性設定データが読み出されて指向性フィルタ５１に登録されることとなる。すると、指向性フィルタ５１の抽出対象となる音の音源領域と腕の動脈位置とが合致して、指向性フィルタ５１により脈拍変動がはっきりと表れた音データが抽出され、ステップＳ４の判別処理で検出レベル信号が所定値を超えたと判別される。

ステップＳ４の判別処理で所定値を超えたと判別されたら、このときの指向性設定データを脈拍測定に適した設定データとして決定する。制御部１１は、指向性フィルタ５１にこの脈拍測定に適した指向性設定データが書き込まれた状態のままで、保持装置５３に保持解除コマンドを送って（ステップＳ６）、この指向性設定データ決定処理を終了する。

このような指向性設定データ決定処理により、その後に実行される脈拍測定処理において指向性フィルタ５１が良好な設定状態となって、正確な脈拍測定が行われることとなる。

［第２実施形態］
図６には、第２実施形態の脈拍測定装置の脈拍音処理部１７Ｂの構成を表わしたブロック図を、図７には、相互相関器５４の動作内容を説明する波形図を示す。なお、図７は動作の概要を説明するためのもので波形は実際のものと異なる。

第２実施形態の脈拍測定装置は、脈拍音処理部１７Ｂの構成の一部と、指向性フィルタ５１の設定調整の方式が、第１実施形態と異なるものであり、その他の構成は第１実施形態と同様である。従って、異なる構成についてのみ説明する。

第２実施形態の脈拍音処理部１７Ｂは、第１実施形態と同様に、デジタルフィルタ５０ａ〜５０ｄ、指向性フィルタ５１、周期検出器５２、および、保持装置５３を備えている。さらに、第２実施形態の脈拍音処理部１７Ｂには、上記構成に加えて、指向性フィルタ５１の設定調整を自動的に行うために、相関算出手段としての相互相関器５４と、指向性設定探索手段を構成する音方向推定装置５５とが設けられている。

相互相関器５４は、制御部１１からの作動信号によって作動して、デジタルフィルタ５０ａ〜５０ｄから送られる複数の音データＷ１〜Ｗ４に対して、これらの全ての組み合わせについて、相互相関値（波形の類似度）が高くなる位相差を求めるものである。

例えば、図７に示すように、相互相関器５４は、第１の音データＷ１（図７（ａ））と第２の音データＷ２（図７（ｂ））のデータ波形に対して、後者のデータ波形を位相差（時間差）τだけずらした相互相関値Ｃ_１２を算出する。さらに、この相互相関値Ｃ_１２を位相差τを連続的に変化させた関数Ｃ_１２（τ）として求める（図７（ｃ））。さらに、この相互相関値Ｃ_１２（τ）のピークを検出して、ピークが表れる位相差τの値τ_１２（１），τ_１２（２），τ_１２（３）…をピークリストとして選出する。

相互相関器５４は、このような処理を、デジタルフィルタ５０ａ〜５０ｄから出力される第１〜第４の音データＷ１〜Ｗ４の全ての組み合わせ（［Ｗ１，Ｗ２］，［Ｗ１，Ｗ３］，［Ｗ１，Ｗ４］，［Ｗ２，Ｗ３］，［Ｗ２，Ｗ４］，［Ｗ３，Ｗ４］）について行なう。そして、これら全ての組み合わせについてのピークリストを下記のように作成し、これらを音方向推定装置５５に送る。
組み合わせ［Ｗ１，Ｗ２］のピークリスト：｛τ_１２（１），τ_１２（２），τ_１２（３）…｝
組み合わせ［Ｗ１，Ｗ３］のピークリスト：｛τ_１３（１），τ_１３（２），τ_１３（３）…｝
組み合わせ［Ｗ１，Ｗ４］のピークリスト：｛τ_１４（１），τ_１４（２），τ_１４（３）…｝
組み合わせ［Ｗ２，Ｗ３］のピークリスト：｛τ_２３（１），τ_２３（２），τ_２３（３）…｝
組み合わせ［Ｗ２，Ｗ４］のピークリスト：｛τ_２４（１），τ_２４（２），τ_２４（３）…｝
組み合わせ［Ｗ３，Ｗ４］のピークリスト：｛τ_３４（１），τ_３４（２），τ_３４（３）…｝

なお、相互相関器５４は、上記のピークリストを作成する際に、腕の内側に音源があると判別しえない位相差τが含まれる場合に、この位相差τをピークリストから除外するようにしても良い。

音方向推定装置５５は、相互相関器５４から送られるピークリストの中から、位相差τの値が互いに近いものを各ピークリストから１つずつ選び出して、次のように、その組み合わせＳＴ１を求める。
ＳＴ１＝｛τ_１２（４），τ_１３（５），τ_１４（５），τ_２３（４），τ_２４（３），τ_３４（６）｝
但し、τ_１２（４）≒τ_１３（５）≒τ_１４（５）≒τ_２３（４）≒τ_２４（３）≒τ_３４（６）
そして、このような条件で、互いに値が近い位相差の組み合わせＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３…をできる限り選出する。

さらに、音方向推定装置５５は、上記のような互いに値の近い位相差τの組み合わせＳＴ１を選出したら、それらの位相差τの値と４つのマイクロフォン３との位置関係とから、このような位相差τで音が到来する音源位置（方向と距離）を推定する。そして、この音源位置が装着ベルト１の内側の領域に含まれるものか否かを判別し、この領域に含まれえないものであれば、腕の外側に音源位置があると判断して、脈拍の音源としての候補から除外する。一方、上記領域に含まれるものであれば、脈拍の音源位置としての候補の一つとする。

このような処理を、上記互いに値の近い位相差τを選出した複数通りの組み合わせＳ１，ＳＴ２，ＳＴ３…について全て行う。これにより、脈拍の音源位置の候補が１つまたは複数求められる。

音方向推定装置５５は、上記のように脈拍の音源位置の候補が求められたら、順に、この音源位置を抽出対象の音源領域とする指向性フィルタ５１の設定データを作成し、一定の時間間隔を開けて、順に、指向性フィルタ５１に出力していく。

音方向推定装置５５により、指向性フィルタ５１に１つの指向性設定データが設定されると、周期検出器５２で脈拍変動の検出が行われて、その検出レベル信号が制御部１１に送られる。制御部１１は、この検出レベル信号が低い場合には、まだ適した指向性設定データが設定されていないと判断して、次の設定変更を行うために音方向推定装置５５の作動信号を有効にしたままとする。

すると、音方向推定装置５５により、次の脈拍の音源位置候補に対応する指向性設定データが作成されて指向性フィルタ５１に設定される。そして、同様に、周期検出器５２で脈拍変動の検出が行われる。そして、検出レベル信号が低いままであれば、このような処理が繰り返される。

一方、この処理の際に、高い検出レベル信号が出力されると、制御部１１は指向性フィルタ５１の設定が適当なものになったと判断して、音方向推定装置５５の作動信号を無効とする。これにより、指向性フィルタ５１の設定状態が固定され、正確な脈拍測定が可能な状態とされる。

上記のような脈拍音処理部１７Ｂの構成により、第２実施形態では、制御部１１が相互相関器５４と音方向推定装置５５に作動信号を出力することで、指向性フィルタ５１の設定調整が開始され、適宜な検出レベル信号が得られた段階で、制御部１１が上記の作動信号を停止することで、指向性フィルタ５１が適切な設定状態となって設定調整が終了されることとなる。

以上のように、上記第１実施形態および第２実施形態の脈拍測定装置１００によれば、マイクアレイ部４と指向性フィルタ５１により、脈拍変動が比較的はっきりと表れる音データが抽出され、これにより脈拍検出が行われるので、１個のマイクロフォンで脈拍音を検出して脈拍測定を行う構成や、赤外線で脈流を検出して脈拍測定を行う構成と比較して、測定環境の条件を大きく緩めることができる。

例えば、赤外線で脈流を検出して脈拍測定を行う腕時計型の脈拍センサや、１個のマイクロフォンで脈拍音を検出して脈拍測定を行う腕時計型の脈拍センサなどでは、静かな環境で体を静止させた状態で計測したり、脈拍センサが腕に強く押し付けられるように装着ベルトを強く締めた状態にしないと、正確な計測ができなかったのに対して、本実施形態の脈拍測定装置１００では、周囲に雑音がある環境で体を動かしながらでも正確な計測を行うことができたり、装着ベルト１を緩めに締めた状態でも正確な計測を可能とすることができる。腕に強い圧力をかけることなく脈拍計測を可能とすることで、ユーザに強いストレスを与えることなく、例えば一日２４時間の連続的な計測を行うことも可能となる。

また、本実施形態の脈拍測定装置１００によれば、装着ベルト１にマイクアレイ部４が配置されているので、表示部２１や操作ボタン１４ａを有する本体部２は手の甲側に配置して表示の確認や操作が行いやすくすることができる一方、マイクアレイ部４は腕の内側に配置されて脈拍音を高感度に取り込めるようになっている。

また、マイクアレイ部４には３個以上のマイクロフォン３が設けられているので、指向性フィルタ５１の処理によって、方向や距離により指定される一定の領域に音源を有する音の抽出が可能となる。従って、腕の動脈位置に焦点を絞った音の抽出も可能となり、より高感度に脈拍変動が表れた音データを得ることができる。

なお、マイクアレイ部４に設けられるマイクロフォン３は２個としても良く、２個とした場合でも、抽出する音源領域をある程度しぼって脈拍変動の表れた音テータを高感良く取得することができる。

また、本実施形態の脈拍測定装置１００によれば、指向性フィルタ５１の抽出成分に関する設定が変更可能にされ、脈拍が良好に検出される指向性設定データが探索されて設定されるようになっているので、ユーザごとの動脈位置のバラツキや脈拍測定装置１００の装着状態のバラツキがあっても、このようなバラツキに対応して指向性フィルタ５に適宜な指向性設定データが設定されて、良好な脈拍測定を行うことが可能になっている。

また、第１実施形態の脈拍測定装置１００によれば、脈拍検出が可能となるような複数の指向性設定データが予め記憶装置１２のデータリスト１２ｄに登録され、指向性設定データ決定処理により、このデータリスト１２ｄの指向性設定データが順次適用されて、指向性フィルタ５１の良好な設定状態が探索されるので、確実に良好な設定状態を探し出すことが可能となる。

また、第２実施形態の脈拍測定装置１００によれば、複数のマイクロフォン３により取得された音データの相互相関が強くなる位相差を算出するとともに、これらから音源位置を推定し、この音源位置に対応する指向性設定データを算出して、これを指向性フィルタ５１の設定データの候補とするので、脈拍検出に良好な指向性フィルタ５１の設定状態をすばやく見つけることができるという効果が得られる。また、推定した音源位置が腕の領域外にあると判別された場合には、この音源位置は処理から除外されるので、無駄な処理を省いて、脈拍検出に良好な設定状態をより速やかに見つけることができる。

また、マイクロフォン３，…３と指向性フィルタ５１との間に、ＡＧＣアンプ４０ａ〜４０ｂ、Ａ／Ｄコンバータ４１ａ〜４１ｄ、デジタルフィルタ５０ａ〜５０ｄを介在させることで、指向性フィルタ５１の設定調整の際や、周期検出器５２による脈拍検出の処理において、音データの無用なレベル変動や不要なノイズ成分の影響を考慮せずに、処理の単純化を図れるようになっている。

なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、上記実施形態では、指向性フィルタ５１はデジタル化した音データに対してフィルタ処理を行う構成としているが、アナログの音信号に対して同様のフィルタ処理を行う構成を適用することもできる。また、マイクロフォン３，…３と指向性フィルタ５１との間に、ＡＧＣアンプ４０ａ〜４０ｂ、Ａ／Ｄコンバータ４１ａ〜４１ｄ、デジタルフィルタ５０ａ〜５０ｄを介在させた例を示したが、これらの構成は省略しても良い。また、デジタルフィルタ５０ａ〜５０ｄの代わりに、脈拍検出に不要な周波数成分を除去するフィルタをアナログ回路により構成してＡ／Ｄコンバータ４１ａ〜４１ｄの前段に設けるようにしても良い。

また、第１実施形態では、予め複数の指向性設定データの候補を記憶装置１２に記憶させておき、これらの中から適当な指向性設定データを探索する例を示したが、指向性フィルタ５１の抽出音源領域が腕の内部で少しずつ位置を変えていくような複数の指向性設定データを制御部１１により逐次演算させて、これを指向性フィルタ５１に順次適用させながら適当な指向性設定データを探索するように構成しても良い。

また、第１および第２実施形態では、マイクアレイ部４を装着ベルト１に設けた例を示したが、マイクアレイ部４を本体部２の裏側に設けるように構成することもできる。また、マイクアレイと指向性フィルタを用いて体内の特定領域の音を抽出する技術は、本発明に係る脈拍検出に利用するほか、例えば、上半身にマイクアレイをベルト装着して体内の特定領域の音を抽出することで、抽出した音信号や音データから、例えば心拍や呼吸など種々の体内動作や体内発生音を検出するのに適用することもできる。

１装着ベルト
２本体部
３マイクロフォン
４マイクアレイ部
１１制御部
１２記憶装置
１２ｄ指向性設定候補データリスト
１４操作部
１６音入力部
１７脈拍音処理部
２１表示部
４０ａ〜４０ｄＡＧＣアンプ
４１ａ〜４０ｄＡ／Ｄコンバータ
５０ａ〜５０ｄデジタルフィルタ
５１指向性フィルタ
５２周期検出器
５３保持装置
５４相互相関器
５５音方向推定装置

Claims

生体に装着して脈拍を検出する生体情報検出装置において、
複数のマイクロフォンが配列されたマイクアレイと、
前記マイクアレイの複数のマイクロフォンにより取得された複数の音信号または複数の音データから特定の位相差を有する成分を抽出する指向性抽出手段と、
この指向性抽出手段の出力に基づいて脈拍を検出する脈拍検出手段と、
を備えていることを特徴とする生体情報検出装置。
装置本体を腕に装着する装着ベルトを有し、
前記マイクアレイは前記装着ベルトに設けられていることを特徴とする請求項１記載の生体情報検出装置。
前記マイクアレイは２個以上のマイクロフォンを備え、
前記指向性抽出手段は、方向と距離により指定される特定領域から伝わる音の成分を抽出する構成であることを特徴とする請求項１記載の生体情報検出装置。
前記指向性抽出手段は、抽出する成分を決定づける前記特定の位相差に関する設定が変更可能な構成であり、
前記脈拍検出手段の検出出力を確認しながら、前記指向性抽出手段の抽出する成分に関する設定を変更し、前記脈拍検出手段により脈拍が検出可能となる設定を探索する指向性設定探索手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の生体情報検出装置。
前記指向性抽出手段の抽出する成分に関する複数種類の設定情報を記憶した記憶手段を備え、
前記指向性設定探索手段は、前記記憶手段に記憶された複数種類の設定情報の中から、前記脈拍検出手段により脈拍が検出可能となる前記指向性抽出手段の設定を探索することを特徴とする請求項４記載の生体情報検出装置。
前記複数のマイクロフォンにより取得された複数の音信号または複数の音データについて相互相関が強くなる位相差を算出する相関算出手段を備え、
前記指向性設定探索手段は、前記相関算出手段により算出された相互相関の強い位相差に対応する前記指向性抽出手段の設定候補を求め、この候補の中から前記脈拍検出手段により脈拍が検出可能となる前記指向性抽出手段の設定を探索することを特徴とする請求項４記載の生体情報検出装置。
前記相関算出手段または前記指向性設定探索手段は、前記相互相関の強い位相差に対応する音源位置が生体が占める範囲内にないと推定される当該相互相関の強い位相差については除外して処理を行うことを特徴とする請求項６記載の生体情報検出装置。
前記装置本体には、前記脈拍検出手段により検出された脈拍に関する情報を表示する表示部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の生体情報検出装置。
前記複数のマイクロフォンの各々の出力信号に対してレベル調整を行う複数の自動利得制御アンプと、
これら複数の自動利得制御アンプの出力信号をそれぞれデジタルデータに変換する複数のＡＤコンバータと、
これら複数のＡＤコンバータの各々の出力データから脈拍検出に不要な周波数成分を除去する複数のフィルタ手段と、
を備え、
前記指向性抽出手段は、前記複数のフィルタ手段の出力の中から前記特定の位相差を有する成分を抽出し、
前記脈拍検出手段は、前記指向性抽出手段の出力データの波形変動の周期を脈拍周期として検出する構成であることを特徴とする請求項１記載の生体情報検出装置。