JP2013111467A - Method and device for measuring rsa component from heart rate data - Google Patents

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  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a system that estimate RSA component strength from human subject's heart rate data.SOLUTION: The method includes: sampling a heart rate by a transducer device such as a photoplethysmograph (PPG) in digital processing to obtain a time series of inter beat interval time; performing autoregressive (AR) analysis to windowed segments of data; and identifying a filter pole for correlating the strength with the present RSA component in each data window. The method specifies the calculation of a robust measurement value of the RSA component by formula in the figure, where, R is a component output measurement value, Eis the total window energy, k is a proportionality constant, and Pis the filter pole with the strongest correlation with the RSA component.

Description

本発明は、心拍数変動(HRV)の呼吸性洞性不整脈(RSA)成分を測定するための方法及び本方法を利用するシステムに関する。本発明は、更に、心拍数変動のRSA成分を測定するための方法及びシステムに基づくバイオフィードバック若しくは不安管理のアプリケーションに関する。   The present invention relates to a method for measuring the respiratory sinus arrhythmia (RSA) component of heart rate variability (HRV) and a system utilizing the method. The present invention further relates to biofeedback or anxiety management applications based on methods and systems for measuring the RSA component of heart rate variability.

RSAに基づくバイオフィードバックは、不安やストレスの制御に有用であることが示されており、臨床試験は高血圧の軽減におけるその有効性を示している。瞬間RSAは、被験者又は使用者への視聴覚的表示を変調して、或る歩調の呼吸運動が当人の心臓のパターンにどの様に影響しているかを指し示すためのバイオフィードバックパラメータとして使用することができる。これの単純な例として、使用者に表示される画面色を変調することや被験者に向けて発せられる発信音の周波数を変調することが挙げられる。   Biofeedback based on RSA has been shown to be useful in controlling anxiety and stress, and clinical trials have shown its effectiveness in reducing hypertension. Instant RSA can be used as a biofeedback parameter to modulate the audiovisual display to the subject or user to indicate how a certain pace of breathing exercise affects the person's heart pattern Can do. Simple examples of this include modulating the screen color displayed to the user and modulating the frequency of the dial tone emitted to the subject.

一般的な測定値であるRSA強度S′(t)は、以下の方程式(1)、即ち、
にある様に、同期した時間ウィンドウに亘って計算された心拍数信号H(t)と呼吸数B(t)の関数の相互相関関数の最大値と定義することができ、ここに、*は、同じ時間間隔に亘って2つの信号に適用された相互相関関数を表し、maxは最大値関数を表している。
A typical measurement, RSA intensity S ′ (t), is the following equation (1):
Can be defined as the maximum value of the cross-correlation function of the functions of heart rate signal H (t) and respiration rate B (t) calculated over a synchronized time window, where * is Represents the cross-correlation function applied to the two signals over the same time interval, and max represents the maximum value function.

呼吸数は心拍数よりも測定するのが簡便でないことから、測度S′(t)は、B(t)を振幅1.0の正弦関数として演繹的に定義し、使用者が呼吸するように指導される目標呼吸周波数を大抵0.05ヘルツから0.2ヘルツの範囲と定義した上で、推定される場合が多い。これによりS′(t)を、呼気流又は肺の体積を直接測定することなく推定できる。   Since the respiration rate is less convenient to measure than the heart rate, the measure S ′ (t) is defined a priori as a sinusoidal function of B (t) with an amplitude of 1.0 so that the user breathes. In many cases, the target respiration frequency to be instructed is estimated after being defined as a range of 0.05 to 0.2 hertz. This allows S ′ (t) to be estimated without directly measuring expiratory airflow or lung volume.

心臓の活動を、処理及びRSA特徴分析に利用できる電気信号に変換するには、幾つかのセンサー技術を利用することができる。これらのセンサーには、マイクロフォン(音声心臓信号)、圧力センサー(脈圧)、心電計(ECG)、光電脈波計(PPG)、並びにRF技術を利用している非接触センサーが含まれる。   Several sensor technologies can be used to convert cardiac activity into electrical signals that can be used for processing and RSA feature analysis. These sensors include a microphone (voice heart signal), a pressure sensor (pulse pressure), an electrocardiograph (ECG), a photoelectric pulse wave meter (PPG), and a non-contact sensor utilizing RF technology.

RSAを求めるための現行方法は、相互相関又はパワースペクトル分析に基づいており、それらは、大抵、多くのモバイル機器上でリアルタイムで実行させるには演算処理上の要求が多すぎる。   Current methods for determining RSA are based on cross-correlation or power spectrum analysis, which are often too computationally intensive to run in real time on many mobile devices.

以上より、市場では、心拍数信号のRSA成分を抽出する方法において、資源が制約されているモバイル機器を含め、広範な演算機器で使用することのできる方法が必要とされている。   From the above, in the market, there is a need for a method that can be used in a wide range of computing devices, including mobile devices with limited resources, in the method of extracting the RSA component of the heart rate signal.

本発明は、心臓コヒーレンスの状態が実現されるように歩調取りされた呼吸をする技法について使用者を案内するRSAバイオフィードバックアプリケーションを開示している。本発明は、更に、目標が満たされたときに点数を割り当てることによって被験者に見返りを与える点数制システムを開示している。   The present invention discloses an RSA biofeedback application that guides the user about techniques for breathing that are paced so that a state of cardiac coherence is achieved. The present invention further discloses a scoring system that rewards the subject by assigning points when the goal is met.

本発明は、ヒト被験者の心拍数のRSA成分のメトリックを生の拍動間隔のデータストリームから効率的に推定する方法を規定している。   The present invention provides a method for efficiently estimating the metric of the RSA component of the heart rate of a human subject from a raw beat interval data stream.

RSA強度推定方法は、デジタル心拍数信号を重なり合ったウィンドウ式のデータセグメントに分割し、拍動間隔のそれぞれのウィンドウについて最良適合全極型線形フィルタ(自己回帰モデル)を計算する。複素平面の目標セクタ内の単一極がRSA極として識別され、RSA強度の推定値は、以下の方程式、即ち、
に基づいて計算され、ここに、|PRSA|は識別されたRSA極の絶対値、Ewは総ウィンドウエネルギー、kは比例定数である。
The RSA intensity estimation method divides the digital heart rate signal into overlapping windowed data segments and calculates the best-fit all-pole linear filter (autoregressive model) for each window of the beat interval. A single pole in the target sector of the complex plane is identified as the RSA pole, and the RSA intensity estimate is the following equation:
Where | P RSA | is the absolute value of the identified RSA pole, E w is the total window energy, and k is a proportionality constant.

この方法の主要な利点は、フィルタモデルの度数をスケール化することによるものであって、そのおかげで本方法はその処理効率をスケールすることができる。このことは、複雑な高速フーリエ変換(FFT)処理をリアルタイムで行うには不十分な演算能力しか持ち合わせていないモバイル機器の様な演算機器に処理をオフロードしようとする場合には特に有用である。自己回帰方法論は、更に、より短いデータセグメントを使用してより高い分解能のRSA識別を可能にする。より短いデータウィンドウなら、被験者の生理状態の更新をより高速化できることから、或る特定のバイオフィードバックアプリケーションにとっては好適であろう。   The main advantage of this method is by scaling the frequency of the filter model, which allows the method to scale its processing efficiency. This is particularly useful when trying to offload processing to a computing device such as a mobile device that has insufficient computing power to perform complex Fast Fourier Transform (FFT) processing in real time. . The autoregressive methodology further allows for higher resolution RSA identification using shorter data segments. A shorter data window may be preferred for certain biofeedback applications because it can speed up the update of the subject's physiological state.

本発明のこれらの実施形態及び他の態様は、以下の詳細な説明及び添付図面から容易に明らかになるものであり、詳細な説明及び添付図面は本発明を例示的に説明しようとするものであって本発明を限定しようとするものではない。   These embodiments and other aspects of the invention will be readily apparent from the following detailed description and the accompanying drawings, which are intended to illustrate the invention by way of example. It is not intended to limit the invention.

本発明の或る例示としての実施形態のシステム図である。1 is a system diagram of an illustrative embodiment of the invention. FIG. 生の心拍数センサーデータからRSAメトリックを抽出するための或る好適な方法のフロー図である。FIG. 4 is a flow diagram of one preferred method for extracting RSA metrics from raw heart rate sensor data. 良適合全極型線形フィルタの極位置を示すアルガン図を描いており、識別されたRSA極Aとこの極の位相角度Bが表示されている。An Argan diagram showing the pole positions of a well-matched all-pole linear filter is drawn, with the identified RSA pole A and the phase angle B of this pole displayed.

本発明は、次に続く詳細な説明を添付図面と関連付けて読んで頂ければ、より完全に理解されることであろう。ここには本発明の詳細な実施形態が開示されているが、但し、開示されている実施形態は、本発明を単に例示しているものであり、本発明は様々な形態に具現化することができるものと理解頂きたい。従って、ここに開示されている特定の機能関連の詳細事項は、制限を課すものと解釈されてはならず、単に、特許請求の範囲のための根本事項として、また本発明を様々な形で採用することを実質的且つ適切に詳述されている実施形態の中で当業者に教示するための代表的な根本事項として解釈されるべきである。   The invention will be more fully understood when the following detailed description is read in conjunction with the accompanying drawings. Although detailed embodiments of the present invention are disclosed herein, the disclosed embodiments are merely illustrative of the present invention, and the present invention may be embodied in various forms. I want you to understand that Accordingly, specific functional details disclosed herein are not to be construed as limiting, but merely as a basis for the claims and various aspects of the invention. It should be construed as a representative basis for teaching one skilled in the art in an embodiment that is substantially and adequately detailed to employ.

図1は、本発明の例示としての実施形態100のシステム図である。センサー104は、ヒト被験者102の心拍数を測っている。最も好適には、センサー104は、生の心拍数センサーデータを通信リンク106を介して演算機器108に連絡し、演算機器108は心拍数データを分析し、RSAメトリックを抽出する。或る好適な実施形態では、通信リンク106は、例えばブルートゥース通信の使用による、近距離通信リンクである。しかしながら、通信リンク106は、近距離通信、例えば、インターネットの様な広域ネットワーク、ワイヤレス通信、ローカルエリア通信ネットワークに限定されない。概して、通信リンク106は、データ通信をサポートしている如何なる型式の通信リンク又はネットワークによって提供されていてもよい。或る好適な実施形態では、RSAメトリックは、演算機器108で実行されているアプリケーションであって、処理されたセンサーデータに基づいて被験者102にバイオフィードバックを提供するバイオメトリックアプリケーションによって使用されている。センサー104は、市販のオキシメーターとして描かれているが、本発明はその様に限定されず、他の心拍数センサーが使用されていてもよい。加えて、演算機器108はスマートフォンとして描かれているが、とりわけ、携帯電話、ラップトップコンピュータ、パッドコンピュータ、ゲームコンソール、ケーブルTVシステムで使用されている様なセットトップボックス、及びパソコンを含め、如何なる型式の演算機器が使用されていてもよい。演算機器108は、最低でも、プロセッサと、プログラムコードやデータを記憶するためのデータストレージと、センサー104と通信するための通信性能と、バイオメトリックアプリケーションによるグラフィック式の結果を表示するためのディスプレイを保有している。   FIG. 1 is a system diagram of an exemplary embodiment 100 of the present invention. The sensor 104 measures the heart rate of the human subject 102. Most preferably, the sensor 104 communicates raw heart rate sensor data to the computing device 108 via the communication link 106, which computes the heart rate data and extracts RSA metrics. In certain preferred embodiments, the communication link 106 is a short-range communication link, for example, through the use of Bluetooth communication. However, the communication link 106 is not limited to near field communication, for example, a wide area network such as the Internet, a wireless communication, or a local area communication network. In general, communication link 106 may be provided by any type of communication link or network that supports data communication. In a preferred embodiment, the RSA metric is used by a biometric application that is running on the computing device 108 and provides biofeedback to the subject 102 based on the processed sensor data. Although sensor 104 is depicted as a commercially available oximeter, the invention is not so limited and other heart rate sensors may be used. In addition, although the computing device 108 is depicted as a smartphone, it includes any mobile phone, laptop computer, pad computer, game console, set top box such as used in cable TV systems, and personal computers. A type of computing device may be used. The computing device 108 has at least a processor, a data storage for storing program codes and data, a communication performance for communicating with the sensor 104, and a display for displaying a graphic expression result by the biometric application. I have it.

RSA強度を心拍数信号から計算するための方法
図2は、RSAメトリックを生の心拍数センサーデータから抽出するための或る好適な方法200のフロー図である。方法200では、生のセンサーデータフィード202が、心拍数測定装置、即ちセンサーの或る実施形態104から入って来る。その様な心拍数測定値測定機器の例には、光学的に取得される脈波図である光電脈波図(PPG)機器、器官の体積測定機器、及び心電図(ECG)機器が含まれる。概して、方法200は、ヒトの拍動を測定するか又はヒトの拍動の態様に関する電気信号を提供するセンサー又はトランスデューサからの何らかのデータ信号に働きかける。成功している或る試作品では、センサー104は、ブルートゥース近距離通信リンクを使用してNokia N97モバイル機器に接続しているNONIN9560オキシメーターとして実装されている。NONINブルートゥースオキシメータのデータストリームは、NOKIA N97側で利用できるJSR82 JAVAブルートゥースソフトウェアモジュールを使用してアクセスされ、16ビット符号なしデータとして表現されるPPG心拍数センサーデータがNOKIA N97に毎秒75サンプルのレートで送信される。
Method for Computing RSA Intensity from Heart Rate Signals FIG. 2 is a flow diagram of one preferred method 200 for extracting RSA metrics from raw heart rate sensor data. In the method 200, a raw sensor data feed 202 comes from a heart rate measuring device, or sensor embodiment 104. Examples of such heart rate measurement measuring devices include photoelectric pulse wave (PPG) devices, which are optically acquired pulse wave diagrams, organ volume measuring devices, and electrocardiogram (ECG) devices. In general, the method 200 operates on some data signal from a sensor or transducer that measures a human beat or provides an electrical signal relating to aspects of the human beat. In one successful prototype, the sensor 104 is implemented as a NONIN 9560 oximeter connected to a Nokia N97 mobile device using a Bluetooth short range communication link. The NONIN Bluetooth oximeter data stream is accessed using the JSR82 JAVA Bluetooth software module available on the NOKIA N97 side, and PPG heart rate sensor data expressed as 16-bit unsigned data is sent to the NOKIA N97 at a rate of 75 samples per second. Sent by.

生のサンプリングされた拍動センサーデータストリームは、ステップ204でノイズを減らすための第1ローパスフィルタリングによって、ここではIBIデータと呼ばれる拍動間時間間隔の時系列へ変換され、次にステップ206で、ピーク検出アルゴリズムが、それぞれの拍動について局所的な最大ピークを割り出し、ピーク間の時間間隔を出力する。入って来る生データは、ローパスフィルタを使用してフィルタリングされ、移動平均フィルタを適用することによってトレンドが取り除かれる。1つの実施形態では、この目的に次数4のチェビシェフフィルタがカットオフ周波数4.0Hzで使用されている。   The raw sampled beat sensor data stream is converted to a time series of time intervals between beats, referred to herein as IBI data, by a first low pass filtering to reduce noise in step 204, and then in step 206. A peak detection algorithm determines the local maximum peak for each beat and outputs the time interval between peaks. Incoming raw data is filtered using a low pass filter and the trend is removed by applying a moving average filter. In one embodiment, an order 4 Chebyshev filter is used for this purpose with a cutoff frequency of 4.0 Hz.

これにより、ノイズが減ったゼロ平均信号をステップ206のピーク検出アルゴリズムに基づく閾の中へ通せるようになる。1階微分がゼロに等しければ、それはピークである可能性を示唆することになるが、その様な1階微分がゼロに等しい全ての点を比較することによってピークが検出され、それぞれの拍動サイクルの正の範囲内の最大値が見つけられる。これは、生理信号に対して堅牢なピーク検出を行うためのデジタル信号処理(DSP)の技術分野では知られている方法である。   This allows the zero average signal with reduced noise to pass through the threshold based on the peak detection algorithm in step 206. If the first derivative is equal to zero, it may indicate a peak, but by comparing all points where such first derivative is equal to zero, the peak is detected and each beat The maximum value within the positive range of the cycle is found. This is a known method in the field of digital signal processing (DSP) for robust peak detection on physiological signals.

ステップ208で、単位を秒とするIBIデータは、次に、異常値を識別し置き換えるために分析され、ここに、異常値とは、IBIデータストリーム内の現在の正規変動及びトレンドから外れている値のことである。異常値は、測定ノイズやピーク検出アルゴリズム内の誤差、更には非常に短いか非常に長いかのどちらかの拍動を発生させる異所性拍動の様な生理的原因によっても起こり得る。異所性拍動は、正常の健康な被験者にも起こり、これらの拍動の比率が非常に高ければ心臓疾患が疑われる。異常値除去は、ここでは、それぞれの拍動の期待値を計算することによって実現されている。異常値を処理するための第1パスは、IBIデータの単純な移動平均フィルタを使用して平均期待値を計算し、次に、以下、即ち、
に示されている様に、この期待値を中心とする範囲より外の値を異常値として定義することによって行われている。異常値は、次に、IBIストリームの中で期待値に置き換えられ、後の処理に向けて誤差のない信号が作成される。
At step 208, the IBI data in seconds is then analyzed to identify and replace outliers, where the outliers are out of the current normal fluctuations and trends in the IBI data stream. It is a value. Outliers can also occur due to measurement noise, errors in the peak detection algorithm, and even physiological causes such as ectopic beats that generate either very short or very long beats. Ectopic beats also occur in normal healthy subjects, and heart disease is suspected if the ratio of these beats is very high. Here, the abnormal value removal is realized by calculating the expected value of each beat. The first pass for handling outliers uses a simple moving average filter of the IBI data to calculate the average expected value, and then:
As shown in FIG. 4, the value outside the range centered on the expected value is defined as an abnormal value. The abnormal value is then replaced with the expected value in the IBI stream, and a signal with no error is created for later processing.

ステップ212では、ステップ218で求められたARフィルタモデルを使用して、期待IBI値が計算される。ステップ218は、音声信号処理では線形予測符号化(LPC)として知られている方法を使用しているものであって、その方法は、安定及び準安定の時系列における期待値の堅牢な測定値を与える。ARモデル計算がステップ218から戻されてくる。nをモデルの次数として、前のn次IBI値にARモデルを適用して、次のIBI値の推定値を計算する。4から15の間のARモデルフィルタ次数が使用される。ステップ218は、ステップ218がステップ212の後に起こっているので、値、ARモデル値は、前のIBIデータウィンドウに対応することになる。これは、IBI信号が準定常であり且つ新しいデータウィンドウが比較的に十分短い間隔で取られているとの仮定に基づくと有効である。この仮定は、ウィンドウの重なりが5秒又はそれ以下である場合に有効である。   In step 212, the expected IBI value is calculated using the AR filter model determined in step 218. Step 218 uses a method known as linear predictive coding (LPC) in speech signal processing, which is a robust measure of expected values in stable and metastable time series. give. The AR model calculation is returned from step 218. Applying the AR model to the previous nth order IBI value, where n is the model order, calculate an estimate of the next IBI value. AR model filter orders between 4 and 15 are used. Step 218 will result in the value, AR model value, corresponding to the previous IBI data window since step 218 occurs after step 212. This is valid based on the assumption that the IBI signal is quasi-stationary and that the new data window is taken at a relatively short interval. This assumption is valid when the window overlap is 5 seconds or less.

異常値が除去されたら、ステップ210で、IBIデータストリームが均一レートでサンプリングし直される。これは、生データのサンプリングが生データストリーム中のそれぞれのピークで行われており、これらのピークは時間的に均一に間隔が空いているわけではないことから、必要になる。線形システム分析を利用するためには、データは均一レートで提供されなくてはならず、ひいてはデータは後の処理が適用できるようになる前にこれを実現するべく処理されなくてはならない。均一サンプリングは、均等に間隔が空けられた点にIBIデータの補完点を取ることによって実現される。非均一IBIデータに三次スプライン補完が適用され、サンプリングし直し点は0.25s(4Hz)間隔で確定される。   Once the outliers have been removed, at step 210, the IBI data stream is resampled at a uniform rate. This is necessary because the raw data is sampled at each peak in the raw data stream and these peaks are not evenly spaced in time. In order to take advantage of linear system analysis, the data must be provided at a uniform rate, and thus the data must be processed to achieve this before subsequent processing can be applied. Uniform sampling is achieved by taking complementary points in the IBI data at evenly spaced points. Cubic spline interpolation is applied to the non-uniform IBI data, and re-sampling points are established at 0.25 s (4 Hz) intervals.

ステップ214で、均一IBIデータストリームは、長さnのデータのセグメントへウィンドウ化され、それぞれのウィンドウは前のウィンドウとmサンプル分重なり合っている。nの好適な値は128であり、mの好適な値は32である。ウィンドウ化とは、特定の間隔の外では値がゼロとなる関数を適用することを指す。ウィンドウ化処理が原因のARパラメータの歪みを小さくするために、ウィンドウデータには更にハミングウィンドウ関数が適用されている。   In step 214, the uniform IBI data stream is windowed into segments of data of length n, each window overlapping m samples by the previous window. A preferred value for n is 128 and a preferred value for m is 32. Windowing refers to applying a function whose value is zero outside a certain interval. In order to reduce the distortion of the AR parameter caused by the windowing process, a Hamming window function is further applied to the window data.

ステップ216で、ウィンドウ化されたデータには、次いで、データのDCオフセットを除去する平均値除去が行われ、そしてデータウィンドウの長さに亘ってデータから内在する何らかのトレンドを除去するトレンド除去が行われる。ウィンドウ中のデータの平均値除去及びトレンド除去は、ウィンドウ中のそれぞれのデータ点を通る最良適合線を、最小二乗平均アルゴリズムを使用して計算し、この中心線をウィンドウ中のそれぞれのデータ点から差し引くことによって行われる。   At step 216, the windowed data is then averaged to remove the DC offset of the data and detrended to remove any inherent trends from the data over the length of the data window. Is called. Mean removal and detrending of data in the window calculates the best-fit line through each data point in the window using a least mean square algorithm and calculates this centerline from each data point in the window. Done by subtracting.

ステップ218で、データウィンドウは、次に、自己回帰(AR)法により処理されて、データの最良適合全極型フィルタモデルが計算される。AR法は、タイムドメインで、以下の方程式、即ち、
にある様に、時系列におけるそれまでの値の線形加重和に基づいて次の値の最良推定値を見つけるために使用される線形予測法として定式化することができる。ここに
は期待値であり、
は予測係数である。これは、以下の方程式、即ち、
にある様に、入力信号を出力信号に関係付けるz空間の伝達関数と見ることもできる。
At step 218, the data window is then processed by an autoregressive (AR) method to calculate the best-fit all-pole filter model of the data. The AR method is in the time domain and has the following equation:
Can be formulated as a linear prediction method used to find the best estimate of the next value based on the linear weighted sum of the previous values in the time series. here
Is the expected value,
Is a prediction coefficient. This is the following equation:
As can be seen, the input signal can be viewed as a transfer function in z-space that relates the output signal.

方程式5は、全極型フィルタを記述しており、それぞれのフィルタ極は、以下に方程式(6)、即ち、
に示されている大きさと位相角度を有するものとして極座標に記述することができる。
Equation 5 describes an all-pole filter, and each filter pole is represented by equation (6) below:
Can be described in polar coordinates as having the magnitude and phase angle shown in FIG.

極Piの大きさrが大きいほど、それがシステムの力学全体に及ぼす影響は強くなる。それぞれの極について、位相角度θは、この極がその効果を働かせる周波数に関係付けられる。それぞれの極は、モデル化されるデータストリームの成分にマップさせることができ、この成分の強度と周波数は、それが整合している極の大きさと移相によって追跡することができる。 The larger the size r of the pole P i, the stronger the effect it has on the overall dynamics of the system. For each pole, the phase angle θ is related to the frequency at which this pole exerts its effect. Each pole can be mapped to a component of the data stream being modeled, and the intensity and frequency of this component can be tracked by the magnitude and phase shift of the pole with which it is matched.

全極型モデルのパラメータa1からapまでを入力データのウィンドウから計算するのに方法が幾つかある。或る好適な実施形態では、最大エントロピー法又はMEMとしても知られているブルグ法が使用されている。ブルグ法は、当技術ではよく知られており、入力データのウィンドウに基づき、次数pの全極型フィルタモデルのパラメータを推定するものである。ブルグ法の演算効率は、特に低次数システムについては、他の方法に勝って有利である。ブルグ法は、更に、正確な極推定がより難しい短いデータセグメント(例えば30秒など)の分析に特に有利である。1つの実施形態では、フィルタ次数は、方法を実行する演算機器の演算能力に適合されている。前述のN97機器と共に使用される1つの実施形態では、フィルタ次数9が成功裏に使用された。 There are several ways to calculate the parameters a 1 to a p of the all-pole model from the window of input data. In a preferred embodiment, the Burg method, also known as the maximum entropy method or MEM, is used. The Burg method is well known in the art and estimates the parameters of an all-pole filter model of order p based on a window of input data. The computational efficiency of the Burg method is advantageous over other methods, especially for low order systems. The Burg method is also particularly advantageous for the analysis of short data segments (eg, 30 seconds) that are more difficult to accurately estimate poles. In one embodiment, the filter order is adapted to the computing power of the computing device that performs the method. In one embodiment used with the aforementioned N97 instrument, a filter order of 9 has been used successfully.

ブルグアルゴリズムの出力は、ユール・ウォーカの多項式として知られている、伝達関数に整合する多項式を記述するパラメータセットa1,a2,…apである。ステップ220で、伝達関数の極が、この多項式の根を解くことによって計算される。このステップでは、根を解く標準的な如何なるアルゴリズムが使用されてもよい。1つの実施形態では、堅牢な結果を与える効率のよいアルゴリズムであるジェンキンス・トラウブ法が使用されている。 The output of the Burg algorithm is a parameter set a 1 , a 2 ,... A p that describes a polynomial that matches the transfer function, known as Yule-Walker polynomial. At step 220, the poles of the transfer function are calculated by solving the roots of this polynomial. In this step, any standard root solving algorithm may be used. In one embodiment, the Jenkins-Traub method, an efficient algorithm that gives robust results, is used.

一旦、伝達関数の極が計算されると、ステップ222で、拍動データのRSA成分に最も密接に関係している極が識別される。この極は、毎秒4呼吸から30呼吸の正常な呼吸数の制約付きのセクタに在る。この範囲には、更に、呼吸が20呼吸を上回れば交感神経系がRSAの効果を減少させ、その結果極の大きさが下がるという事実の制約が付けられている。これは、0.07Hzから0.33Hzの周波数範囲に関係している。(毎分5−7呼吸程度の遅い制御された呼吸数はRSA成分強度にピークを生じさせることが示されている。)サンプリングレートfsを所与とすると、これは、以下の方程式(7)、即ち、
で与えられるセクタ角度の範囲に相当する。このセクタ内の極が、大きさの観点から比較される。それぞれの極Piの影響のメトリックは極エネルギーEiとして定義することができ、ここに、
である。
Once the transfer function poles are calculated, in step 222 the poles most closely related to the RSA component of the beat data are identified. This pole is in a normal respiratory rate constrained sector of 4 to 30 breaths per second. This range is further constrained by the fact that if the breathing exceeds 20 breaths, the sympathetic nervous system reduces the effects of RSA, resulting in a decrease in the pole size. This is related to the frequency range from 0.07 Hz to 0.33 Hz. (A slow controlled respiration rate on the order of 5-7 breaths per minute has been shown to cause a peak in RSA component intensity.) Given a sampling rate f s , this is the following equation (7 ), That is,
Corresponds to the sector angle range given by. The poles in this sector are compared in terms of size. The metric of the influence of each pole P i can be defined as the pole energy E i , where
It is.

目標セクタ内の最も大きいEiを有する極が識別される。より低い位相角度のセクタに、0.7×Ei maxより大きい極エネルギーを有する極が他にあれば、これらの極の角度の最も低いものがRSA極として識別される。 The pole with the largest E i in the target sector is identified. If there are other poles in the lower phase angle sector with pole energies greater than 0.7 × E i max, the lowest of these pole angles is identified as the RSA pole.

平均値除去及びトレンド除去されたIBIデータウィンドウの総ウィンドウエネルギーEwは、以下の方程式、即ち、
によって計算される。
The total window energy E w of the averaged and detrended IBI data window is the following equation:
Calculated by

ステップ224で、RSA成分の総強度が、以下の方程式(10)、即ち、
を使用して計算される。ここに、ERSAは、選択されたRSA極PRSAと関連付けられる極エネルギー、Ewは、総ウィンドウエネルギー、kは、目標範囲への出力を正規化するのに使用される比例定数である。1つの実施形態では、kの値は、IBIデータウィンドウ中のサンプルの数nの逆数と定義されており、n=128の場合、k=0.0078の値を意味する。以上の方程式(9)と方程式(10)を組み合わせると、以下の式、即ち、
が与えられる。強度SRSAは、心拍数データの現在のRSA成分の堅牢な測定値である。現在の実施形態では、RSAが強いと、SRSA測定値のこの値は1.0を超えた。0.2より下のSRSAは、IBIデータウィンドウ中にRSA成分が殆ど又は全くないことの表れであった。
In step 224, the total intensity of the RSA component is calculated by the following equation (10):
Calculated using Where E RSA is the pole energy associated with the selected RSA pole P RSA , E w is the total window energy, and k is a proportionality constant used to normalize the output to the target range. In one embodiment, the value of k is defined as the reciprocal of the number n of samples in the IBI data window, where n = 128 means a value of k = 0.008. Combining the above equation (9) and equation (10), the following equation:
Is given. The intensity S RSA is a robust measurement of the current RSA component of the heart rate data. In the current embodiment, this value of S RSA measurement exceeded 1.0 when RSA was strong. An S RSA below 0.2 was an indication that there was little or no RSA component in the IBI data window.

ステップ226で、SRSA、即ちRSA成分の総強度は、演算機器308に送信される。他の実施形態では、SRSA値は、記憶され、要求があり次第演算機器108に送られる。 In step 226, S RSA , the total strength of the RSA component, is transmitted to computing device 308. In other embodiments, the S RSA value is stored and sent to the computing device 108 on demand.

図3は、最良適合全極型フィルタの極位置を示すアルガン図を描いており、識別されたRSA極Aとこの極の位相角度Bが表示されている。図3に示されている実施形態は、心拍数データの1つのウィンドウ化されたセグメントについて、9次全極型フィルタモデルをサンプリングレート2Hzで使用して計算された極位置を示している。関心セクタ内で、1つの極(Aと標示)は、最大の大きさを有し、閾強度値より上であり、RSA極として識別される。この極位置から計算された強度値SRSAは、図2のステップ426として送信される出力RSA測定値であり、当該出力RSA測定値が演算機器側のバイオフィードバックアプリケーションで利用される。 FIG. 3 depicts an Argan diagram showing the pole position of the best-fit all-pole filter, with the identified RSA pole A and the phase angle B of this pole displayed. The embodiment shown in FIG. 3 shows the pole positions calculated using a 9th-order all-pole filter model at a sampling rate of 2 Hz for one windowed segment of heart rate data. Within the sector of interest, one pole (labeled A) has the largest magnitude, is above the threshold intensity value, and is identified as the RSA pole. The intensity value S RSA calculated from this pole position is the output RSA measurement value transmitted as step 426 in FIG.

100 システム
102 ヒト被験者
104 センサー
106 通信リンク
108 演算機器
100 System 102 Human Subject 104 Sensor 106 Communication Link 108 Computing Device

Claims (7)

拍動センサーデータからRSAを計算するためのコンピュータ実装型の方法において、
(a)時間のウィンドウ期間中の被験者の拍動をセンサーによってサンプリングして、拍動センサーデータを取得する段階と、
(b)前記センサーによって、前記ウィンドウ期間中のそれぞれのサンプルに対応する拍動センサーデータを演算機器に送信する段階と、
(c)前記演算機器によって、前記拍動センサーデータから、拍動間間隔を計算する段階と、
(d)前記演算機器によって、前記拍動間間隔データに最良適合する全極型フィルタモデルを求める段階と、
(e)前記演算機器によって、前記フィルタモデル極の位置を計算する段階と、
(f)前記演算機器によって、単位円の事前に規定されているセクタ内で最も大きな絶対値を有する極を識別する段階と、
(g)前記演算機器によって、前記識別された極に基づいてRSAの値を特定する段階と、から成る方法。
In a computer-implemented method for calculating RSA from beat sensor data,
(A) sampling the subject's beat during a window of time with a sensor to obtain beat sensor data;
(B) transmitting, by the sensor, pulsation sensor data corresponding to each sample during the window period to a computing device;
(C) calculating an interval between beats from the beat sensor data by the computing device;
(D) obtaining an all-pole filter model that best fits the inter-beat interval data by the computing device;
(E) calculating the position of the filter model pole by the computing device;
(F) identifying, by the computing device, the pole having the largest absolute value in a predefined sector of the unit circle;
(G) identifying an RSA value by the computing device based on the identified poles.
前記特定する段階は、SRSAと表される成分強度を、方程式、
に従って特定し、ここに、PRSAは識別された極、Ewは総ウィンドウエネルギー、kは比例定数である、請求項1に記載の方法。
The step of identifying includes determining the component intensity represented as S RSA by the equation:
The method of claim 1 wherein: P RSA is the identified pole, E w is the total window energy, and k is a proportionality constant.
前記センサーは、心電計、光電脈波計、圧力センサー、及びマイクロフォンから成る群より選択されたトランスデューサ機器である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the sensor is a transducer device selected from the group consisting of an electrocardiograph, a photoelectric pulse meter, a pressure sensor, and a microphone. 前記計算された拍動間間隔は、均一レートでサンプリングし直される、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the calculated inter-beat interval is resampled at a uniform rate. 前記演算機器によって、ウィンドウ中の前記サンプルを平均値除去及びトレンド除去する段階を更に含んでいる、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, further comprising removing the average value and detrending the sample in the window by the computing device. 前記最良適合全極型モデルフィルタ係数を計算するのに、ブルグ法が使用されている、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein a Burg method is used to calculate the best-fit all-pole model filter coefficients. 前記単位円の前記事前に規定されているセクタは、
によって定義されており、ここにfsはサンプリング周波数である、請求項10に記載の方法。
The pre-defined sector of the unit circle is
The method of claim 10, wherein f s is a sampling frequency.
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