JP2014036800A - 生体動情報検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】系列信号から周期的変動信号成分の周期情報を少ない処理量にて精度よく検出することのできる周期的変動信号情報検出装置を提供することである。
【解決手段】
生体信号の信号レベル値をサンプリングするサンプリング手段（図４）と、該サンプリング手段にて得られた信号レベル値を注目信号レベル値とし、該注目信号レベル値のサンプリングタイミングから所定時間離れたタイミングを含む所定時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値を、前記サンプリング検出手段により得られた信号レベル値から、対応信号レベル値として抽出する対応信号レベル値抽出手段（Ｓ２５、Ｓ２６）と、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとに基づいて、周期的変動信号成分の周期を表す周期情報を生成する周期情報生成手段（Ｓ２７，Ｓ２９）とを有する。
【選択図】図７

Description

人の心拍動、呼吸動や体動を含み得る生体動を表す生体信号から心拍動や呼吸動を表す周期的変動信号成分の周期を検出する生体動情報検装置に関する。

本願出願の発明者は、心拍や呼吸等の生体信号の抽出装置を提案している（特許文献１参照）。この装置では、生体信号からサンプリングされた多くの信号レベル値に基づいて、同一レベル値であって変化傾向（情報傾向または下降傾向）が同一であり、かつ、時間軸上でそれらのサンプリングタイミングが最も近い当該生体信号上の２つの点が同位相点として検出され、それら同位相点間の時間が同位相点間ランニング距離として演算される。そして、得られた同位相点間ランニング距離が統計的に処理され、例えば、発生回数の最も多い同位相点間ランニング距離が、例えば、呼吸等の周期的変動信号成分の主要周期として出力される。

特許４１２２００３号公報

上述したような生体信号の抽出装置は、同位相点ランニング距離（２つの同位相点間の時間）を得ることで、心拍動や呼吸動を表す信号成分の周期を得ることができる。しかしながら、サンプリングされた多くの信号レベル値の１つ１つを選んで同位相点であるか否かの判定を行わなければならず、処理の対象となるデータの量が非常に多く、また、得られた多くの同位相点間ランニング距離についての統計的な処理も必要である。このため、高速にて処理結果（周期）を得ることが難しい。

一方、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用して周波数成分を計算する方法が知られている。しかし、この方法では、生体信号において非常に低い周波数（非常に大きい周期）の呼吸動信号成分の周期を検出するには、ＦＦＴの周波数分解能が不足して誤差が大きくなってしまうという欠点がある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたもので、生体信号から呼吸動や心拍動を表す周期的変動信号成分の周期情報をより少ない処理量にて精度よく検出することのできる生体動情報検出装置を提供するものである。

本発明に係る生体動情報検出装置は、人の心拍動、呼吸動及び体動を含み得る生体動を表す生体信号から該生体信号に含まれる周期的変動信号成分の周期を検出する生体動情報検出装置であって、前記生体信号の信号レベル値をサンプリングするサンプリング手段と、該サンプリング手段にて得られた信号レベル値から注目信号レベル値として選ばれる注目信号レベル値のサンプリングタイミングから所定時間離れたタイミングを含む所定時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値を、前記サンプリング手段にて得られた信号レベル値から、対応信号レベル値として抽出する対応信号レベル値抽出手段と、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとに基づいて、周期的変動信号成分の周期を表す周期情報を生成する周期情報生成手段とを有する構成となる。

このような構成により、生体信号からサンプリングされた信号レベル値から選択される注目信号レベル値のサンプリングタイミングから所定時間離れたタイミングを含む所定時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値が、前記生体信号からサンプリングされた多くの信号レベル値から、対応信号レベル値として抽出され、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとに基づいて、前記生体信号に含まれる周期的変動信号成分の周期を表す周期情報が生成される。

前記対応信号レベル値を抽出するために用いられる前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングからの所定時間を、呼吸動を表す信号成分等の前記周期的変動信号の既知であるおおよその周期に設定することにより、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、該注目信号レベル値と同一のレベル値となる前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングと間の時間が、前記周期的変動信号の真の周期により近いものとなり得る。

本発明に係る生体動情報検出装置において、前記周期情報生成手段は、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとの間の時間をランニング距離として演算するランニング距離演算手段を有し、該ランニング距離演算手段にて得られた前記ランニング距離に基づいて前記周期情報を生成する構成とすることができる。

このような構成により、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとの間の時間（ランニング距離）に基づいた前記周期的変動信号成分の周期情報が得られる。

また、本発明に係る生体動情報検出装置において、前記周期情報生成手段は、前記対応信号レベル値抽出手段にて複数の対応信号レベル値が抽出された場合、前記ランニング距離演算手段により前記複数の対応信号レベル値に対して得られる複数のランニング距離に基づいて前記周期情報を生成する構成とすることができる。

このような構成により、注目信号レベル値のサンプリングタイミングから所定時間離れたタイミングを含む所定時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値が、前記生体信号からサンプリングされた多くの信号レベル値に複数存在することにより、複数の対応信号レベル値が抽出された場合、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記複数の対応信号レベル値のサンプリングタイミングとによって演算される複数のランニング距離に基づいて、前記周期的変動信号成分の周期情報が生成される。

更に、本発明に係る生体動情報検出装置において、前記周期情報生成手段は、前記ランニング距離演算手段により前記複数の対応信号レベル値に対して得られる複数のランニング距離から１つのランニング距離を決めるランニング距離決定手段を有し、該ランニング距離決定手段により得られた前記１つのランニング距離に基づいて前記周期情報を生成する構成とすることができる。

このような構成により、注目信号レベル値のサンプリングタイミングから所定時間離れたタイミングを含む所定時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値が、前記生体信号からサンプリングされた多くの信号レベル値に複数存在することにより、複数の対応信号レベル値が抽出された場合、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記複数の対応信号レベル値のサンプリングタイミングとによって複数のランニング距離が演算されると、その複数のランニング距離から１つのランニング距離が決められ、その決められたランニング距離に基づいて周期情報が生成される。

前記複数のランニング距離から決められる１つのランニング距離は、前記複数のランニング距離から選択されるものであっても、前記複数のランニング距離の平均値等、複数のランニング距離を加味して生成される新たなランニング距離であってもよい。

また、本発明に係る生体動情報検出装置において、前記対応信号レベル値抽出手段にて複数の対応信号レベル値が抽出された場合に、該複数の対応信号レベル値に対する複数のサンプリングタイミングから１つのタイミングを決めるタイミング決定手段を有し、前記ランニング距離演算手段は、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと前記タイミング決定手段にて得られた前記１つのタイミングとの間の時間を前記ランニング距離として演算する構成とすることができる。

このような構成により、注目信号レベル値のサンプリングタイミングから所定時間離れたタイミングを含む所定時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値が、前記生体信号からサンプリングされた多くの信号レベル値に複数存在することにより、複数の対応信号レベル値が抽出された場合、その複数の対応信号レベル値に対応する複数のサンプリングタイミングから１つのタイミングが決定され、前記注目信号レベル値のサンプリングタイムと前記決定されたタイミングとの間の時間がランニング距離として演算される。そして、そのランニング距離に基づいて周期的変動信号成分の周期情報が生成される。

更に、本発明に係る生体動情報検出装置において、前記対応信号レベル値抽出手段は、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングから人の呼吸の既知の周期に基づいて決められる呼吸インターバル時間離れたタイミングを含む第１時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値を、前記サンプリング検出手段により得られた信号レベル値から、前記対応信号レベル値として抽出し、前記周期情報生成手段は、前記周期的変動信号成分としての呼吸動を表す信号成分の周期を表す呼吸周期情報を生成する構成とすることができる。

このような構成により、生体信号からサンプリングされた信号レベル値が注目信号レベル値から選択される注目信号レベル値のサンプリングタイミングから人の呼吸の既知の周期に基づいて決められる呼吸インターバル時間離れたタイミングを含む第１時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値が、前記生体信号からサンプリングされた多くの信号レベル値から、対応信号レベル値として抽出される。そして、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとに基づいて、前記生体信号に含まれる呼吸動を表す信号成分の周期を表す呼吸周期情報が生成される。

注目信号レベル値のサンプリングタイミングから人の呼吸の既知の周期に基づいて決められる呼吸インターバル時間を用いて対応信号レベル値を抽出しているので、その注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、該注目信号レベル値と同一のレベルとなる前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとの間の時間が、呼吸動を表す信号成分の真の周期、即ち、呼吸の周期により近いものとなり得る。

また、本発明に係る生体動情報検出装置において、前記対応信号レベル値抽出手段にて用いられる前記呼吸インターバル時間を可変設定する呼吸インターバル設定手段を有する構成とすることができる。

このような構成により、生体信号の検出の対象となる人の年齢、体調等に合わせて呼吸インターバル時間を変えることができるので、生体信号における呼吸動を表す信号成分の周期情報をより精度良く検出することができる。

また、本発明に係る生体動情報検出装置において、前記対応信号レベル値抽出手段にて用いられる前記第１時間ウィンドウを可変設定する第１時間ウィンドウ設定手段を有する構成とすることができる。

このような構成により、呼吸インターバル時間が生体信号の検出の対象となる人の呼吸の周期に正確に合致していなくても、対応信号レベル値を抽出すべき範囲としての第１時間ウィンドウを調整することにより、適正な対応信号レベル値を検出することができる。

更に、本発明に係る生体動情報検出装置において、前記生体信号から前記呼吸動を表す信号成分を除去して呼吸動除去生体信号を生成するフィルタ手段を有し、前記サンプリング手段は、前記生体信号に代えて前記フィルタ手段にて得られた前記呼吸動除去生体信号の信号レベル値をサンプリングし、前記対応信号レベル値抽出手段は、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングから人の心拍の既知の周期に基づいて決められる心拍インターバル時間離れたタイミングを含む第２時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値を、前記サンプリング手段により得られた信号レベル値から、前記対応信号レベル値として抽出し、前記周期情報生成手段は、前記周期的変動信号成分としての心拍動を表す信号成分の周期を表す心拍周期情報を生成す構成とすることができる。

このような構成により、生体信号から呼吸動を表す信号成分を除去して残った呼吸動除去生体信号からサンプリングされた信号レベル値から選択される注目信号レベル値のサンプリングタイミングから人の心拍の周期に基づいて決められる心拍インターバル時間離れたタイミングを含む第２時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値が、前記呼吸動除去生体信号からサンプリングされた多くの信号レベル値から、対応信号レベル値として抽出される。そして、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとに基づいて、前記呼吸動除去生体信号に含まれる周期的変動信号成分としての心拍動を表す信号成分の周期を表す心拍周期情報が生成される。

注目信号レベル値のサンプリングタイミングから人の心拍の周期に基づいて決められる心拍インターバル時間を用いて、呼吸動除去生体信号から対応信号レベル値を抽出しているので、その注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、該注目信号レベル値と同一のレベルとなる前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとの間の時間が、心拍動を表す信号成分の真の周期、即ち、心拍の周期により近いものとなり得る。

また、本発明に係る生体動情報検出装置において、前記対応信号レベル値抽出手段にて用いられる前記心拍インターバル時間を可変設定する心拍インターバル設定手段を有する構成とすることができる。

このような構成により、生体信号の検出の対象となる人の年齢、体調等に合わせて心拍インターバル時間を変えることができるので、呼吸動除去生体信号における心拍動を表す信号成分の周期情報をより精度良く検出することができる。

また、本発明に係る生体動情報検出装置において、前記対応信号レベル値抽出手段にて用いられる前記第２時間ウィンドウを可変設定する第２時間ウィンドウ設定手段を有する構成とすることができる。

このような構成により、心拍インターバル時間が生体信号の検出の対象となる人の心拍の周期に正確に合致していなくても、対応信号レベル値を抽出すべき範囲としての第２時間ウィンドウを調整することにより、適正な対応信号レベル値を検出することができる。

更に、本発明に係る生体動情報検出装置において、前記サンプリング手段は、前記生体信号の信号レベルを所定範囲内のデジタル信号レベル値に変換し、該デジタル信号レベル値をサンプリングされた信号レベル値として出力するアナログ・デジタル変換器を有し、前記アナログ・デジタル変換器から出力されるデジタル信号レベル値が、前記所定範囲の上限値となるときに、体動のあることを表す体動情報を出力する体動情報出力手段を有する構成とすることができる。

このような構成により、心拍動や呼吸動に比べて非常に大きな動きとなる体動のあることを、より簡単な処理にて検出し、知らせることができる。

本発明に係る周期的変動信号情報検出装置によれば、生体信号からサンプリングされた信号レベル値から選択される注目信号レベル値と、その注目信号レベル値のサンプリングタイミングから所定時間離れたタイミングを含む所定時間ウィンドウ内において当該注目信号レベル値と同一の信号レベル値である対応信号レベル値との関係に基づいて周期情報が生成されるので、より少ない処理量にてその周期情報を得ることができる。また、前記対応信号レベル値を抽出するために用いられる前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングからの所定時間を、前記周期的変動信号の既知であるおおよその周期に設定することにより、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、該注目信号レベル値と同一のレベル値となる前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングと間の時間が、前記周期的変動信号の真の周期により近いものとなり得るので、前記周期情報をより精度良く検出することができる。

本発明の実施の形態に係る生体動情報検出装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す生体動情報検出装置にて処理すべき生体信号の信号波形の一例を示す波形図である。 図２に示す生体信号から呼吸動を表す信号成分を除去して得られた呼吸動除去生体信号の波形の一例を示す図である。 図３Ａに示す信号をレベル調整して得られる呼吸動除去生体信号の波形の一例を示す図である。 図１に示す生体動情報検出装置にてなされる生体動信号のサンプリング処理の流れを示フローチャートである。 サンプリングされた信号レベル値ｙ及びサンプリングタイミングｔの例を示す図である。 体動が発生した場合の生体信号の信号波形の一例を示す波形図である。 図１に示す生体動情報検出装置にてなされる生体信号から呼吸動を表す信号成分の周期情報を検出するための処理の手順を示すフローチャートである。 模式的に表した生体信号の波形Ｓbm、呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂ、時間ウィンドウＴ_Ｗ、及びランニング距離Ｔ_ＲＬの関係を示す図である。 複数の対応信号レベル値が抽出される生体信号の波形の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

本発明の実施の一形態に係る周期的変動信号情報検出装置である生体動情報検出装置は、図１に示すように構成される。

図１において、この生体動情報検出装置は、ベッドに敷かれたパッド１００、パッド１００に設けられた振動センサ１０（例えば、圧電センサ）、入力回路１１、第１アナログ・デジタル変換回路１２、タイミング信号生成回路１９及び処理ユニット２０を有している。ベッドに敷かれたパッド１００に伝わる人の呼吸動、心拍動、体動等の生体動に応じた振動が振動センサ１０により検出され（例えば、特許第４４２３４８１号公報参照）、振動センサ１０から出力される前記振動に応じた検出信号が入力回路１１に供される。入力回路１１は、振動センサ１０からの検出信号に対してレベル調整、ノイズ除去等の処理を施して、呼吸動、心拍動、体動等の生体動を表す生体信号Ｓbmを出力する。

入力回路１１から出力される生体信号Ｓbmは、例えば、図２に示すように、人の心拍動を表す信号成分Ｈｂ、人の呼吸動を表す信号成分Ｂｔ及び各種ノイズを含んでいる。また、後述するように、生体信号Ｓbmは、ベッド（パッド１００）上での不定期な人の動き（体動）に応じて変化し得る。

第１アナログ・デジタル変換回路１２は、タイミング信号生成回路１９からのタイミング信号に同期して入力回路１１からの生体信号Ｓbmを、例えば、２５６段階のデジタル信号レベル値（以下、単に、信号レベル値という）ｙに変換する。この第１アナログ・デジタル変換回路１２は、所定レベル以上の信号（アナログ信号）が入力されると、その出力（信号レベル値）を最大値ｙ_ＭＡＸ（２５６）に固定する。

生体動情報検出装置は、更に、フィルタ回路１３、調整回路１４及び第２アナログ・デジタル変換回路１５を有している。フィルタ回路１３（フィルタ手段）は、入力回路１１から出力される体動信号Ｓbmから極めて周波数の低い（周期の長い）呼吸動に対応する信号成分Ｂｔを除去し、例えば、図３Ａに示すような呼吸動除去生体信号Ｓhbを出力する。この呼吸動除去生体信号Ｓhbは、比較的周波数の高い（周期の短い）心拍動に対応した心信号成分Ｈｂを含み得る。フィルタ回路１３から出力された呼吸動除去生体信号Ｓhbは、調整回路１４によって、例えば、図３Ｂに示すように、処理され易いレベルに調整された後に、第２アナログ・デジタル変換回路１５に供給される。第２アナログ・デジタル変換回路１５は、第１アナログ・デジタル変換回路１２と同様に、タイミング信号生成回路１９からのタイミング信号に同期して、調整回路１４を介して供給される呼吸動除去生体信号Ｓhb（図３Ｂ参照）を、例えば、２５６段階の信号レベル値ｙに変換する。この第２アナログ・デジタル変換回路１５も第１アナログ・デジタル変換回路１２と同様に、所定レベル以上の信号（アナログ信号）が入力されると、その出力（信号レベル値）を最大値ｙ_ＭＡＸ（２５６）に固定する。

更に、生体動情報検出装置は、操作部１６、記憶部１７及び表示部１８を有し、操作部１６での操作に従って処理ユニット２０が各種処理を実行し、処理ユニット２０での処理により得られた情報等が記憶部１７に保存される。また、処理ユニット２０は、処理の過程で得られた各種情報やユーザとのインターフェースに必要な情報等を表示部１８に表示させることができる。

処理ユニット２０は、例えば、図４に示す手順に従って、生体信号Ｓbmの信号レベル値ｙのサンプリングに係る処理を実行する（サンプリング手段）。

図４において、処理ユニット２０は、第１アナログ・デジタル変換回路１２から出力される生体信号Ｓbmの信号レベル値ｙを取得するとともに、その取得時刻（内部タイマ値）をサンプリングタイミングとして取得する（Ｓ１１）。そして、処理ユニット２０は、取得した信号レベル値ｙとサンプリングタイミングｔとを対応づけて記憶部１７に格納する（Ｓ１２）。処理ユニット２０は、取得した信号レベル値ｙが最大値ｙ_ＭＡＸ（２５６）であるか否かを判別し（Ｙ１３）、その信号レベル値ｙが最大値ｙ_ＭＡＸでなければ（Ｓ１３でＮＯ）、第１アナログ・デジタル変換回路１２から出力される次の信号レベル値ｙ及びそのサンプリングタイミングｔを取得する（Ｓ１１）。以後、同様に、処理ユニット２０は、第１アナログ・デジタル変換回路１２から順次出力される信号レベル値ｙが最大値ｙ_ＭＡＸでないことを確認しつつ（Ｓ１３でＮＯ）、その信号レベル値ｙをサンプリングタイミングｔと対応づけて記憶部１７に格納する（Ｓ１１〜Ｓ１３）。

上記のような信号レベル値ｙのサンプリング処理の過程で、取得した信号レベル値ｙが最大値ｙ_ＭＡＸであると（Ｓ１３でＹＥＳ）、処理ユニット２０は、心拍動や呼吸動に比べて極端に大きい振動である体動があったとして、体動情報（例えば、所定のマーク）を表示部１８に表示させる（Ｓ１４：体動情報出力手段）。その後、取得される信号レベル値ｙが最大値ｙ_ＭＡＸであると判定される度に（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３ＹＥＳ）、体動情報が表示部１８に表示される。

上記のようなサンプリング処理によって、生体信号Ｓbmの信号レベル値ｙが、例えば、図５に示すように、記憶部１７に格納される（バッファリング）。そして、図６に示すように、生体信号Ｓbm（アナログ信号）のレベルが、心拍動や呼吸動に比べて極端に大きな振動である体動によって、極端に大きな状態になる時刻ｔkからｔmまでの間では、サンプリングされる信号レベル値ｙk、ｙk+1、ｙk+2、ｙk+3、・・・、ｔmが最大値ｙ_ＭＡＸに維持される（図５参照）。

上述したように生体信号Ｓbmの信号レベル値ｙをサンプリングする処理と並行して、処理ユニット２０は、所定のタイミングで、図７に示す手順に従って、生体信号Ｓbmから呼吸動に対応した信号成分（周期的変動信号）の周期情報を検出するための処理を行う。

図７において、処理ユニット２０は、内部カウンタＮを初期化（Ｎ＝０）し（Ｓ２１）、人の呼吸の周期（例えば、呼吸数毎分１５回に対応する４秒程度）に基づいて決められた呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂを設定し（Ｓ２２）、所定の時間幅（例えば、１秒程度）となる時間ウィンドウＴ_Ｗ（第１時間ウィンドウ）を設定する（Ｓ２３）。呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂ及び時間ウィンドウＴ_Ｗは、通常、デフォルトの値が設定されるが、操作部１６での操作によって種々の値に設定することができる（呼吸インターバル可変設定手段、第１時間ウィンドウ設定手段）。デフォルトの呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂは、一般的な人の呼吸の周期に基づいて決められているが、生体信号の検出の対象となる人の年齢、性別、体調等に応じて、呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂを可変設定することができる。また、呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂに応じて適正な時間ウィンドウＴ_Ｗを可変設定することができる。

上記のようにして、内部カウンタＮの初期設定（Ｓ２１）、呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂの設定（Ｓ２２）及び時間ウィンドウＴ_Ｗの設定（Ｓ２３）が終了すると、処理ユニット２０は、上述したようにしてサンプリングされて記憶部１７に格納された信号レベル値ｙ（図５参照）から１つの信号レベル値ｙを注目信号レベル値として選択する（Ｓ２４）。なお、注目信号レベル値として選択される信号レベル値ｙは、体動を表すｙ_ＭＡＸ及びその近傍のタイミングにてサンプリングされた信号レベル値以外であれることが好ましい。

以後の処理について、図７に示すフローチャートとともに、図２に示す生体信号Ｓbmを模式化して示す図８を参照して説明する。

処理ユニット２０は、例えば、生体信号Ｓbmの時刻ｔiでサンプリングされた信号レベル値ｙ（ｔi）（図８におけるサンプル点Ｐ（ｙ（ｔi））参照）を注目信号レベル値として選択すると（Ｓ２４）、その注目信号レベル値ｙ（ｔi）のサンプリングタイミングｔiから前記呼吸インターバルＴ_Ｂ離れたタイミングを含む時間ウィンドウＴ_Ｗ内においてサンプリングされた信号レベル値ｙ（図５参照）のなかに、前記注目信号レベル値ｙ（ｔi）と同一の信号レベル値があるか否かを判定する（Ｓ２５）。そのような信号レベル値ｙ（ｔj）（図８におけるサンプル点Ｐ（ｙ（ｔj））参照）があると（Ｓ２５でＹＥＳ）、処理ユニット２０は、その信号レベル値ｙ（ｔj）を対応信号レベル値として抽出する（Ｓ２６：対応信号レベル値抽出手段）。

このようにして、同一となる注目信号レベル値ｙ（ｔi）と対応信号レベル値ｙ（ｔj）とが得られると、処理ユニット２０は、注目信号レベル値ｙ（ｔi）のサンプリングタイミングｔiと、対応信号レベル値ｙ（ｔj）のサンプリングタイミングｔjとに基づいて呼吸動を表す信号成分の周期情報を演算する。具体的には、処理ユニット２０は、前記注目信号レベル値ｙ（ｔi）のサンプリングタイミングｔiと、前記対応信号レベル値ｙ（ｔj）のサンプリングタイミングｔjとの間の時間をランニング距離Ｔ_ＲＬとして演算する（Ｓ２７：ランニング距離演算手段）。そして、処理ユニット２０は、内部カウンタＮがゼロであることを確認し（Ｓ２８でＹＥＳ）、この場合（図８参照）、注目信号レベル値ｙ（ｔi）に対して単一の対応信号レベル値ｙ（ｔj）が得られているので、前記ランニング距離Ｔ_ＲＬを、生体信号Ｓbmの呼吸動を表す信号成分の周期を表す呼吸周期情報として生成する（Ｓ２９：周期情報生成手段）。その後、処理ユニット２０は、その呼吸周期情報から、単位時間（例えば、１分間）における呼吸数を演算し（Ｓ３０）、例えば、前記呼吸周期情報とともにその呼吸数を表示部１８に表示させる（Ｓ３１）。

生体信号Ｓbmの揺らぎやノイズなどにより、例えば、図９に示すように、前記注目信号レベル値ｙ（ｔi）のサンプリングタイミングｔiから前記呼吸インターバルＴ_Ｂ離れたタイミングを含む時間ウィンドウＴ_Ｗ内においてサンプリングされた信号レベル値ｙ（図５参照）のなかに、前記注目信号レベル値ｙ（ｔi）と同一の複数（例えば、３つ）の信号レベル値ｙ（ｔj-1）、ｙ（ｔj-2）、ｙ（ｔj-3）が存在する場合がある（Ｓ２５でＹＥＳ）。この場合、複数の対応信号レベル値ｙ（ｔj-1）、ｙ（ｔj-2）、ｙ（ｔj-3）が抽出される（Ｓ２６）ことになり、処理ユニット２０は、注目信号レベル値ｙ（ｔi）のサンプリングタイミングｔiと、複数の対応信号レベル値ｙ（ｔj-1）、ｙ（ｔj-2）、ｙ（ｔj-3）のそれぞれのサンプリングタイミングｔj-1、ｔj-2、ｔj-3との間の時間をランニング距離Ｔ_ＲＬ１、Ｔ_ＲＬ２、Ｔ_ＲＬ３として演算する（Ｓ２７）。そして、処理ユニット２０は、この複数のランニング距離Ｔ_ＲＬ１、Ｔ_ＲＬ２、Ｔ_ＲＬ３に基づいて呼吸周期情報を生成する（Ｓ２９）。例えば、複数のランニング距離Ｔ_ＲＬ１、Ｔ_ＲＬ２、Ｔ_ＲＬ３の平均値（単一のランニング距離として）を演算し、その平均値を、生体信号Ｓbmの呼吸動を表す信号成分の周期を表す呼吸周期情報として生成することができる。

前記複数のランニング距離から呼吸周期情報を生成する手法は、平均値の演算に限定されるものではなく、複数のランニング距離から統計的手法用いて単一のランニング距離を演算するものや、複数のランニング距離から単一のランニング距離を単に選択するものであってもよい。

なお、時間ウィンドウＴ_Ｗ内においてサンプリングされた信号レベル値ｙ（図５参照）のなかに、前記注目信号レベル値ｙ（ｔi）と同一の複数（例えば、３つ）の信号レベル値ｙ（ｔj-1）、ｙ（ｔj-2）、ｙ（ｔj-3）が存在する場合、そのサンプリングタイミングｔj-1、ｔj-2、ｔj-3から単一のタイミングを決定することができる（タイミング決定手段）。そして、前記注目信号レベル値ｙ（ｔi）のサンプリングタイミングｔiと前記決定されたタイミングとの間の時間を、呼吸周期情報を得るためのランニング距離Ｔ_ＲＬとして演算することができる。前記複数のサンプリングタイミングから単一のタイミングを決定する手法は、特に限定されるものでなく、例えば、複数のサンプリングタイミングの分布状態に応じて決めることでも、また、複数のサンプリングタイミングから単一のサンプリングタイミングを単に選択することにより決めることでもよい。

例えば、注目信号レベル値として、図８におけるサンプル点Ｐ（ｙ（ｔs））で表されるように、サンプリングタイミングｔsでサンプリングされた信号レベル値ｙ（ｔs）が選択されると（Ｓ２４）、その注目信号レベル値ｙ（ｔs）のサンプリングタイミングｔsから呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂ離れたタイミングを含む時間ウィンドウＴ_Ｗ内においてサンプリングされた信号レベル値ｙのなかに、前記注目信号レベル値ｙ（ｔs）と同一の信号レベル値が存在しない（Ｓ２５でＮＯ）。この場合、処理ユニット２０は、内部カウンタＮを＋１インクリメントし（Ｎ＝Ｎ＋１：Ｓ３２）、そのカウント値Ｎが所定値Ｎｏに達したか否かを判定する（Ｓ３３）。カウント値Ｎが所定値Ｎｏに達していない場合（Ｓ３３でＮＯ）、処理ユニット２０は、サンプリングされて記憶部１７に格納された信号レベル値ｙ（図５参照）から他の信号レベル値ｙを注目信号レベル値として選択する（Ｓ２４）。そして、処理ユニット２０は、その新たに選択された注目信号レベル値に基づいて、呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂ離れた時間ウィンドウＴ_Ｗ内においてサンプリングされた信号レベル値ｙのなかに、前記新たな注目信号レベル値と同一の信号レベル値が存在するか否かを判定する（Ｓ２５）。

そのような信号レベル値（対応信号レベル値）が無い（Ｓ２５でＮＯ）場合、処理ユニット２０は、更に、内部カウンタＮを＋１インクリメントし（Ｓ３２）、そのカウント値Ｎが所定値Ｎｏに達していないことを確認して（Ｓ３３）、新たな注目信号レベル値を選択する（Ｓ２４）。そして、処理ユニット２０は、注目信号レベル値に対応する対応信号レベル値が無い（Ｓ２５でＮＯ）状況において、上記処理（Ｓ２４、Ｓ２５でＮＯ，Ｓ３２、Ｓ３３）を繰り返し実行する。その過程で、選択された注目信号レベル値のサンプリングタイミングから呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂ離れたタイミングを含む時間ウィンドウＴ_Ｗ内においてサンプリングされた信号レベル値ｙのなかに、前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値があると（Ｓ２５でＹＥＳ）、その信号レベル値を対応信号レベル値として抽出して（Ｓ２６）、前述したようにランニング距離Ｔ_ＲＬを演算する（Ｓ２７）。

この場合、信頼性を確保するために、処理ユニット２０は、内部カウンタＮを−１デクリメントしつつ（Ｓ３５）、そのカウント値Ｎがゼロになるまで（Ｓ２８でＹＥＳ）、注目信号レベル値の選択（Ｓ２４）、対応信号レベル値の抽出（Ｓ２５、Ｓ２６）及びランニング距離Ｔ_ＲＬの演算（Ｓ２７）を繰り返し実行する。そして、カウント値Ｎがゼロになると（Ｓ２８でＹＥＳ）、処理ユニット２０は、それまでに得られた複数のランニング距離Ｔ_ＲＬに対して上述したような平均値演算や統計演算など施して、生体信号Ｓbmの呼吸動を表す信号成分の呼吸周期情報を生成する（Ｓ２９）。

なお、上述した処理（Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ３２、Ｓ３３）の過程で、選択される注目信号レベル値に対する対応信号レベル値が抽出されることなく、内部カウンタのカウント値Ｎが所定値Ｎｏに達すると（Ｓ３３でＹＥＳ）、処理ユニット２０は、呼吸動を表す信号成分の周期情報や呼吸数の検出ができないとして、その旨のメッセージを表示部１８に表示させる（Ｓ３４）。

処理ユニット２０は、図４に示す手順と同様の手順に従って、図３Ｂに示すような波形となる呼吸動除去生体信号Ｓhbについてのサンプリング処理も実行しており、第２アナログ・デジタル変換器１５から出力される前記呼吸動除去生体信号Ｓhbの信号レベル値ｙ（ｔ）をそのサンプリングタイミングｔ（取得タイミング）と対応づけて記憶部１７に格納（バッファリング）している（図５参照）。そして、処理ユニット２０は、そのサンプリング処理と並行して、図７に示す手順と同様の手順に従って、心拍動を表す信号成分の周期を表す心拍周期情報を生成し（Ｓ２９）、その心拍周期情報に基づいて、例えば、単位時間（例えば、１分間）当たりの心拍数を演算して（Ｓ３０）、その心拍数を前記周期情報とともに表示部１８に表示させている（Ｓ３１）。

前記呼吸動除去生体信号Ｓhbの心拍動を表す信号成分の周期情報を生成する処理（図７参照）では、呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂに代えて、人の心拍の周期（例えば、１秒程度）に基づいて決められた心拍インターバル時間Ｔ_ｈが設定され（Ｓ２２）、所定の時間幅（例えば、０．２５秒程度）となる時間ウィンドウＴ_Ｗ（第２時間ウィンドウ）が設定される（Ｓ２３）。これら心拍インターバル時間Ｔ_ｈ及び時間ウィンドウＴ_Ｗは、呼吸動の場合と同様に、通常、デフォルトの値が設定されるが、操作部１６での操作によって種々の値に設定することができる（心拍インターバル可変設定手段、第２時間ウィンドウ設定手段）。デフォルトの心拍インターバル時間Ｔ_Ｂは、一般的な人の心拍の周期に基づいて決められているが、生体信号の検出の対象となる人の年齢、性別、体調等に応じて、心拍インターバル時間Ｔ_ｈを可変設定することができる。また、心拍インターバル時間Ｔ_ｈに応じて適正な時間ウィンドウＴ_Ｗを可変設定することができる。

また、上記処理では、呼吸動の場合（図７参照）と同様に、記憶部１７に格納された信号レベル値から１つの注目信号レベル値が選択され、該注目信号レベル値のサンプリングタイミングから心拍インターバル時間Ｔ_ｈ離れたタイミングを含む時間ウィンドウＴ_Ｗ内においてサンプリングされた信号レベル値ｙから、前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値が対応信号レベル値として抽出される（Ｓ２４〜Ｓ２６）。そして、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとの間の時間がランニング距離として演算され、そのランニング距離に基づいて心拍動を表す信号成分の周期を表す心拍周期情報が生成される（Ｓ２７〜２９）。

上述したような生体動情報検出装置では、生体信号Ｓbmからサンプリングされた信号レベル値ｙ（図５参照）から選択される注目信号レベル値ｙ（ｔi）と、その注目信号レベル値ｙ（ｔi）のサンプリングタイミングｔiから呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂ離れたタイミングを含む所定時間ウィンドウＴ_Ｗ内においてサンプリングされた当該注目信号レベル値ｙ（ｔi）と同一の信号レベル値である対応信号レベル値ｙ（ｔj）との関係に基づいて呼吸動を表す信号成分の周期を表す呼吸周期情報が生成されるので、より少ない処理量にてその呼吸周期情報を得ることができる。また、前記呼吸インターバル時間Ｔ_Ｂが、既知となる人の呼吸の周期に基づいて決められているので、前記注目信号レベル値ｙ（ｔi）のサンプリングタイミングｔiと前記対応信号レベル値ｙ（ｔj）のサンプリングタイムｔjとの間の時間であるランニング距離Ｔ_ＲＬが、呼吸動を表す信号成分の真の周期により近いものとなり得る。従って、生体信号Ｓbmから呼吸動を表す信号成分の呼吸周期情報（呼吸数）をより精度良く検出することができる。

また、上述したのと同様の理由により、生体信号Ｓbmから呼吸動を表す信号成分を除去した呼吸動除去生体信号Ｓhbから心拍動を表す信号成分の周期を表す心拍周期情報（心拍数）を少ない処理量にて精度よく検出することができる。

なお、図７に示す手順に従った処理において、注目信号レベル値に対する対応信号レベル値が抽出されない場合、注目信号レベル値の再度の選択（Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ２４）を行うことなく、呼吸数検出ができない旨のメッセージを表示させて、処理を終了させるようにしてもよい（Ｓ２５→Ｓ３４）。また、再度選択された注目信号レベル値に対する対応信号レベル値が一度抽出されれば、注目信号レベル値の選択、それに伴う対応信号レベル値の抽出、及びランニング距離の演算（Ｓ２８、Ｓ３５、Ｓ２４〜Ｓ２７）を繰り返し行わなくてもよい（Ｓ２７→Ｓ２９）。また、処理Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ３２、Ｓ３３における注目信号レベル値の選択回数Ｎと、その後の、注目信号レベル値の選択８Ｓ２４、対応信号レベル値の抽出（Ｓ２５、Ｓ２６）、ランニング処理の演算（Ｓ２７）の繰り返し回数は、同じでなくてもよい。

また、前述したように注目信号レベル値に対する対応信号レベル値が抽出できない場合に限って、注目信号レベル値を変えて、対応信号レベル値の抽出（Ｓ２５、Ｓ２６）及びランニング距離演算（Ｓ２７）を行ったが、当初から複数の注目信号レベル値のそれぞれに対して、対応信号レベル値の抽出（Ｓ２５、Ｓ２６）及びランニング距離演算（Ｓ２７）を行い、その過程で得られた複数のランニング距離に基づいて周期情報（呼吸周期情報、心拍周期情報）を生成するようにしてもよい。

以上、説明したように、本発明に係る周期的変動信号情報検出装置は、生体信号から周期的変動信号成分の周期情報を少ない処理量にて精度よく検出することができるという効果を有し、人の心拍動、呼吸動や体動を含み得る生体動を表す生体信号から心拍動や呼吸動を表す周期的変動信号成分の周期を検出する生体動情報検出装置として有用である。

１０ 振動センサ
１１ 入力回路
１２ 第１アナログ・デジタル変換器
１３ フィルタ回路
１４ 調整回路
１５ 第２アナログ・デジタル変換器
１６ 操作部
１７ 記憶部
１８ 表示部
１９ タイミング信号生成回路
２０ 処理ユニット
１００ パッド

Claims (12)

1. 人の心拍動、呼吸動及び体動を含み得る生体動を表す生体信号から該生体信号に含まれる周期的変動信号成分の周期を検出する生体動情報検出装置であって、
   前記生体信号の信号レベル値をサンプリングするサンプリング手段と、
   該サンプリング手段にて得られた信号レベル値から注目信号レベル値として選ばれる注目信号レベル値のサンプリングタイミングから所定時間離れたタイミングを含む所定時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値を、前記サンプリング手段にて得られた信号レベル値から、対応信号レベル値として抽出する対応信号レベル値抽出手段と、
   前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとに基づいて、周期的変動信号成分の周期を表す周期情報を生成する周期情報生成手段とを有する生体動情報検出装置。
2. 前記周期情報生成手段は、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと、前記対応信号レベル値のサンプリングタイミングとの間の時間をランニング距離として演算するランニング距離演算手段を有し、
   該ランニング距離演算手段にて得られた前記ランニング距離に基づいて前記周期情報を生成する請求項１記載の生体動情報検出装置。
3. 前記周期情報生成手段は、前記対応信号レベル値抽出手段にて複数の対応信号レベル値が抽出された場合、前記ランニング距離演算手段により前記複数の対応信号レベル値に対して得られる複数のランニング距離に基づいて前記周期情報を生成する請求項２記載の生体動情報検出装置。
4. 前記周期情報生成手段は、前記ランニング距離演算手段により前記複数の対応信号レベル値に対して得られる複数のランニング距離から１つのランニング距離を決めるランニング距離決定手段を有し、
   該ランニング距離決定手段により得られた前記１つのランニング距離に基づいて前記周期情報を生成する請求項３記載の生体動情報検出装置。
5. 前記対応信号レベル値抽出手段にて複数の対応信号レベル値が抽出された場合に、該複数の対応信号レベル値に対する複数のサンプリングタイミングから１つのタイミングを決めるタイミング決定手段を有し、
   前記ランニング距離演算手段は、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングと前記タイミング決定手段にて得られた前記１つのタイミングとの間の時間を前記ランニング距離として演算する請求項２記載の生体動情報検出装置。
6. 前記対応信号レベル値抽出手段は、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングから人の呼吸の既知の周期に基づいて決められる呼吸インターバル時間離れたタイミングを含む第１時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値を、前記サンプリング検出手段により得られた信号レベル値から、前記対応信号レベル値として抽出し、
   前記周期情報生成手段は、前記周期的変動信号成分としての呼吸動を表す信号成分の周期を表す呼吸周期情報を生成する請求項１乃至５のいずれかに記載の生体動情報検出装置。
7. 前記対応信号レベル値抽出手段にて用いられる前記呼吸インターバル時間を可変設定する呼吸インターバル時間設定手段を有する請求項６記載の生体動情報検出装置。
8. 前記対応信号レベル値抽出手段にて用いられる前記第１時間ウィンドウを可変設定する第１時間ウィンドウ設定手段を有する請求項６または７記載の生体動情報検出装置。
9. 前記生体信号から前記呼吸動を表す信号成分を除去して呼吸動除去生体信号を生成するフィルタ手段を有し、
   前記サンプリング手段は、前記生体信号に代えて前記フィルタ手段にて得られた前記呼吸動除去生体信号の信号レベル値をサンプリングし、
   前記対応信号レベル値抽出手段は、前記注目信号レベル値のサンプリングタイミングから人の心拍の既知の周期に基づいて決められる心拍インターバル時間離れたタイミングを含む第２時間ウィンドウ内において前記注目信号レベル値と同一の信号レベル値を、前記サンプリング手段により得られた信号レベル値から、前記対応信号レベル値として抽出し、
   前記周期情報生成手段は、前記周期的変動信号成分としての心拍動を表す信号成分の周期を表す心拍周期情報を生成する請求項１乃至５のいずれかに記載の生体動情報検出装置。
10. 前記対応信号レベル値抽出手段にて用いられる前記心拍インターバル時間を可変設定する心拍インターバル設定手段を有する請求項９記載の周期的変動信号情報検出装置。
11. 前記対応信号レベル値抽出手段にて用いられる前記第２時間ウィンドウを可変設定する第２時間ウィンドウ設定手段を有する請求項９または１０記載の周期的変動信号情報検出装置。
12. 前記サンプリング手段は、前記生体信号の信号レベルを所定範囲内のデジタル信号レベル値に変換し、該デジタル信号レベル値をサンプリングされた信号レベル値として出力するアナログ・デジタル変換器を有し、
    前記アナログ・デジタル変換器から出力されるデジタル信号レベル値が、前記所定範囲の上限値となるときに、体動のあることを表す体動情報を出力する体動情報出力手段を有する請求項６乃至８のいずれかに記載の周期的変動信号情報検出装置。

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