JP2015150023A

JP2015150023A - 生体情報測定方法

Info

Publication number: JP2015150023A
Application number: JP2014023860A
Authority: JP
Inventors: 智由安江; Tomoyoshi Yasue
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2015-08-24
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: JP6152806B2

Abstract

【課題】生体信号に対する解析だけで信頼性のある生体情報の測定をすることができる技術を提供する。
【解決手段】制御部３０を備える生体情報測定装置１０により実行される生体情報測定方法であって、制御部３０が、設定された周波数範囲において複数の解析用周波数を用いて生体信号に関する複数の瞬時周波数を演算するステップと、演算された複数の前記瞬時周波数から複数の瞬時周期を演算するステップと、演算された複数の前記瞬時周期の発生頻度を演算するステップと、演算された前記発生頻度に基づいて前記生体信号の周期を決定するステップと、を実行する。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、生体情報を測定する生体情報測定方法に関する。

従来から生体情報を測定して利用する技術が知られている。このような技術として特許文献１には、生体センサの出力をＡ／Ｄ変換してサンプリングデータを得るＡ／Ｄ変換手段と、サンプリングデータを記憶する記憶手段とを備える装置が開示されている。また、この装置は、記憶手段に記憶されているサンプリングデータを周波数解析して、解析結果を記憶部に記憶する周波数解析手段と、記憶手段に記憶されている周波数解析結果から生体状態値を算出する生体状態値算出手段とを備えている。また、この装置は、記憶手段に記憶されているサンプリングデータのピーク値を全て求め、求めた各ピーク値間の時間間隔のばらつきを算出するピークインターバル算出手段と、生体状態値の信頼性を判定するためのしきい値が、ピーク値間の時間間隔のばらつきの値に応じて定義されたしきい値テーブルとを備えている。判定手段は、算出されたピーク値間の時間間隔のばらつきに対応するしきい値を前記しきい値テーブルから読み出し、このしきい値を使用して生体状態値の信頼性を判定する。

特開２００５−３２３７３４号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、生体状態値の信頼性の判定において、予め設定された閾値を用いて判定を行っているが、閾値自体の信頼性がない場合には問題が生じる。また、信頼性のある閾値を設定するためには過去に計測されたデータの統計値が必要となるが、統計値算出のためのデータ蓄積工程が必要になる。

そこで本明細書は、生体信号に対する解析だけで信頼性のある生体情報の測定をすることができる生体情報測定方法を提供することを目的とする。

本明細書に開示する生体情報測定方法は、制御部を備える生体情報測定装置により実行される。前記制御部は、設定された周波数範囲において複数の解析用周波数を用いて生体信号に関する複数の瞬時周波数を演算するステップと、演算された複数の前記瞬時周波数から複数の瞬時周期を演算するステップと、演算された複数の前記瞬時周期の発生頻度を演算するステップと、演算された前記発生頻度に基づいて前記生体信号の周期を決定するステップと、を実行する。

このような構成によれば、複数の解析用周波数を用いた瞬時周波数の演算を行うことにより、生体信号に対する周波数解析を行うだけで生体信号の真の周期を求めることができる。したがって、生体信号の周期を求めるために過去のデータを参照する必要がない。また、複数の解析用周波数を用いることにより、広い周波数範囲において誤差を低減することができる。したがって、信頼性の高い生体情報の測定をすることができる。以上より、生体信号に対する解析だけで信頼性のある生体情報の測定をすることができる。

実施形態に係る生体情報測定装置の概略構成図である。生体信号を示すグラフである。実施形態に係る生体情報測定方法のフローチャートである。瞬時周波数の演算を説明するための図である。瞬時周波数から瞬時周期を演算する方法を示すグラフである（１）。瞬時周波数から瞬時周期を演算する方法を示すグラフである（２）。瞬時周波数から瞬時周期を演算する方法を示すグラフである（３）。瞬時周期の発生頻度を示すグラフである。他の実施形態に係る生体情報測定装置の概略構成図である。

以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。まず、生体情報を測定するための生体情報測定装置について説明する。図１に示すように、実施形態に係る生体情報測定装置１０は、センサ２１（検知部）と、制御部３０と、モニタ４１（出力部）とを備えている。

センサ２１（検知部）は、生体信号を検知することができる。生体信号としては、例えば人体の心拍、脳波、呼吸等に関する信号が挙げられる。その他にも従来公知の生体信号を用いることができる。生体信号は、周期、周波数、及び振幅を有する波形として検知される。センサ２１は、人体に取り付けられる。または人体周辺に設置される。センサ２１により検知された生体信号は、センサ２１から制御部３０のＡ／Ｄ変換器３１に送られる。センサ２１により検知される生体信号はアナログ信号として検知される。

制御部３０は、各種の演算等を行い、生体情報測定装置１０を制御する。制御部３０は、Ａ／Ｄ変換器３１とマイコン３２を有している。Ａ／Ｄ変換機３１は、センサ２１から送られてくる生体信号のアナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換機３１によりデジタル信号に変換された生体信号は、Ａ／Ｄ変換機３１からマイコン３２に送られる。マイコン３２は、生体信号に関する各種の演算等を実行することができる。マイコン３２による情報処理の詳細については後述する。マイコン３２により処理された生体信号に関する情報は、マイコン３２からモニタ４１に送られる。また、制御部３０には後述の情報処理を実行するためのプログラムが格納されている。

モニタ４１は、マイコン１０から送られてきた生体信号に関する情報を表示することができる。例えば、生体信号の周期を表示することができる。

次に、上記の構成を備える生体情報測定装置を用いて生体情報を測定する方法について説明する。具体的には、生体信号の真の周期を測定する方法について説明する。生体信号の波形は、図２に示すように、おおよそ一定の周期（図２に示す例では１秒）を有している。しかしながら、何らかの原因により生体信号の波形が乱れることがある。例えば、生体信号として心拍を用いる場合、運動時の心拍の乱れにより生体信号の波形が乱れることがある。そうすると、図２に示すように、おおよそ一定の周期の波形の中に異なる周期の波形が生じることがある。図２に示す例では、１秒から２秒の間において、２つのピークが生じることにより１秒とは異なる周期の波形が生じている。また、２秒から３秒の間において、３つのピークが生じることにより１秒とは異なる周期の波形が生じている。この場合、生体信号の真の周期（図２に示す例では１秒）を正確に測定できないことがある。そこで、上記の生体情報測定１０を用いた生体情報測定方法により、生体信号の真の周期を測定する。

生体情報測定方法について図３に示すフローチャートを用いて具体的に説明する。上記の生体情報測定装置１０ではまず、センサ２１が生体信号を検知する（ステップＳ１）。検知された生体信号は、センサ２１から制御部３０のＡ／Ｄ変換器３１に送られる。Ａ／Ｄ変換器３１に送られる生体信号はアナログ信号である。制御部３０ではＡ／Ｄ変換器３１がアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された生体信号は、Ａ／Ｄ変換器３１からマイコン３２に送られる。

次に、制御部３０ではマイコン３２が生体信号に関する複数の瞬時周波数を演算する（ステップＳ２）。瞬時周波数の演算は、直交変調による周波数解析方法を用いて行うことができる。マイコン３２が生体信号に対して周波数解析を行う。周波数解析では、複数の解析用周波数を用いて瞬時周波数を演算する。これにより複数の瞬時周波数が求められる。周波数解析を行う生体信号の範囲は任意に設定することができる。本実施形態の図２に示す例では、０秒〜３秒の間の生体信号に対して周波数解析を行う。

周波数解析は、１つの生体信号に対して複数回行う。具体的には、まず初期の解析用周波数を用いて周波数解析を行う。次に、初期の解析用周波数から変更した解析用周波数を用いて周波数解析を行う。更に、解析用周波数を変更して周波数解析を繰り返し行う。このように、解析用周波数を複数回にわたって変更して、変更された各解析用周波数を用いて周波数解析を繰り返す。

解析用周波数を変更するときは、「解析用周波数の変更回数＋１」の値を初期の解析用周波数に乗ずることにより算出された周波数を変更後の新たな解析用周波数とする。例えば、初期の解析用周波数が１Ｈｚであり、解析用周波数の変更が１回目の変更である場合、「解析用周波数の変更回数（１）＋１＝２」を初期の解析用周波数（１Ｈｚ）に乗じる。これにより算出される周波数（２×１Ｈｚ＝２Ｈｚ）を変更後の解析用周波数とする。また、解析用周波数の変更が２回目の変更である場合、「解析用周波数の変更回数（２）＋１＝３」を初期の解析用周波数（１Ｈｚ）に乗じる。これにより算出される周波数（３Ｈｚ）を変更後の解析用周波数とする。

解析用周波数の周波数範囲は解析対象の生体信号の周波数が取り得る最低周波数及び最高周波数に基づいて設定される。初期の解析用周波数は、解析対象の生体信号の周波数が取り得る最低の周波数以下に設定することが好ましい。例えば、生体信号の最低周波数が２０Ｈｚである場合、初期の解析用周波数を１０Ｈｚとすることができる。生体信号の最低周波数は、周波数解析の対象とする生体信号により異なる。本実施形態の図２に示す例では、生体信号の最低周波数が１Ｈｚであり、初期の解析用周波数を１Ｈｚとしている。

また、解析用周波数が解析対象の生体信号の周波数が取り得る最高の周波数以上になるまで複数回にわたって解析用周波数を変更して周波数解析を繰り返す。例えば、生体信号の最高周波数が５０Ｈｚである場合、解析用周波数が５０Ｈｚ以上になるまで解析用周波数の変更を繰り返し、変更されたそれぞれの解析用周波数を用いて周波数解析を行う。生体信号の最高周波数は、周波数解析の対象とする生体信号により異なる。本実施形態の図２に示す例では、生体信号の最高周波数が３Ｈｚであり、初期の解析用周波数から２回にわたって解析用周波数を変更し、３回の周波数解析を行っている。

生体信号が取り得る最低周波数および最高周波数は、生体信号の周期のばらつき、及び、１周期の中に生じるピークの数に基づいて求められる。例えば、生体信号の周期のばらつきが１秒〜２秒であり、１周期の中に生じるピークの数が１個〜４個である場合、最低周波数は、周期が最も長い２秒、及び、ピークの数が最も少ない１個に基づいて、１個／２秒＝０．５Ｈｚとして求められる。また、最高周波数は、周期が最も短い１秒、及び、ピークの数が最も多い４個に基づいて、４個／１秒＝４Ｈｚとして求められる。また、生体信号が取り得る最低周波数および最高周波数は、その生体信号について経験的に知られている最低周波数および最高周波数を用いてもよい。

直交変調による周波数解析は、互いに直交するＩ信号とＱ信号を用いた解析方法である。より詳細には、下記の式（１）〜（９）に沿って瞬時周波数を演算することができる。

上記の式について、式（１）は解析対象の信号の関数である。ｆは解析用周波数である。ｔは時間である。φは解析対象の信号における位相の変化量である。

また、式（２）は第１の解析用信号の関数である。式（３）は第２の解析用信号の関数である。第２の解析用信号は、第１の解析用信号に対して位相がπ／２ずれている。式（４）は解析対象の信号と第１の解析用信号が乗算された信号の関数である。式（５）は解析対象の信号と第２の解析用信号が乗算された信号の関数である。

式（６）は、式（４）からローパスフィルターを用いて低周波成分を抽出することにより得られる値である（式（４）の第１項）。式（７）は、式（５）からローパスフィルターを用いて低周波成分を抽出することにより得られる値である（式（５）の第１項）。式（４）および式（５）の第２項の周波数が解析用周波数の２倍になるので、解析用周波数とその２倍の周波数の間でフィルター周波数を設定することにより式（６）および式（７）が得られる。このフィルター処理により、解析用周波数からの差が大きい周波数帯では、その検知結果に歪み（誤差）が発生することになる。解析用周波数よりも高い周波数成分では、その強度が低下する。また、解析用周波数よりも低い周波数成分では、その周波数と解析用周波数との間に存在する周波数成分がノイズとして混入する。両者ともに信号雑音比（ＳＮ比）が低下して誤差が発生する要因となる。

φをφ１としたときに式（６）および式（７）により直交座標系に描かれるプロット点は図４に示すようになる。このプロット点は半径１／２の円周上に位置する。プロット点と原点がなす角度がφ１となる。この角度は逆正接関数arctan(φ)を用いて式（６）および式（７）の値より算出することができる。

このφに変化がない場合、式（１）の位相は角速度２πｆで時間経過と共に変化する。このとき、瞬時周波数はｆとなる。一方、φが時間的に変化した場合、式（１）の位相はベースとなる角速度２πｆにφの変化が加算された角速度（２πｆ＋φ（ｔ））となる。この角速度に対応した周波数をｆｘとした場合、式（８）が成り立つ。また、式（８）により式（９）となる。このようにして瞬時周波数ｆｘが求められる。

続いて、マイコン３２が、演算された瞬時周波数から瞬時周期を演算する（ステップＳ３）。複数の瞬時周波数についてそれぞれ瞬時周期を演算する。これにより複数の瞬時周期が求められる。より詳細には、まずマイコン３２が瞬時周波数の逆数を演算する。次に、マイコン３２が瞬時周波数の逆数に対して係数を乗じることにより、瞬時周期を演算する。演算に用いる係数は、上述した「解析用周波数の変更回数＋１」の値である。例えば、瞬時周波数が２Ｈｚの場合、瞬時周波数の逆数は１／２＝０．５となる。また、瞬時周波数の逆数が０．５であり、解析用周波数の変更回数が１回であって係数が２の場合、瞬時周期は０．５×２＝１秒となる。マイコン３２はこの演算を複数の瞬時周波数に対してそれぞれ行う。図５〜図７に示すように、各瞬時周波数および各係数に基づいて各瞬時周期が求められる。

次に、マイコン３２が、演算された瞬時周期の発生頻度を演算する（ステップＳ４）。複数の瞬時周期についてそれぞれ発生頻度を演算する。より詳細には、マイコン３２が、瞬時周期が同じであるものの個数を測定する。測定された個数は、その瞬時周期が発生した回数になる。このようにして各瞬時周期の発生頻度が求められる。図８に示すように、各瞬時周期について、それぞれ発生頻度が測定される。

次に、マイコン３２が、演算された発生頻度に基づいて生体信号の周期を決定する（ステップＳ５）。より詳細には、解析周波数と生体信号周波数の差が大きい時の解析結果から算出された周期は誤差を持ちばらつく為、周期の誤差が少ない真の周期と比較し、発生頻度が低下する。これよりマイコン３２が、発生頻度が最も多い瞬時周期を生体信号の真の周期であると決定する。図８に示す例では、１秒の瞬時周期が最も多く発生しているので、１秒を生体信号の真の周期であると決定する。決定された生体信号の周期に関する情報は、マイコン３２からモニタ４１に送られる。このようにして生体情報（生体信号の周期）を測定することができる。

その後、モニタ４１が生体信号の周期を表示する。生体信号の周期は、例えば数値やグラフ等により表示される。

上述の説明から明らかなように、実施形態に係る生体情報測定方法によれば、制御部３０のマイコン３２が複数の解析用周波数を用いて生体信号に関する複数の瞬時周波数を演算している。また、複数の瞬時周波数から複数の瞬時周期を演算し、各瞬時周期の発生頻度を演算し、発生頻度に基づいて生体信号の真の周期を決定している。このように、複数の解析用周波数を用いた瞬時周波数の演算を行うことにより、生体信号に対する周波数解析を行うだけで生体信号の真の周期を求めることができる。したがって、生体信号の周期を求めるために過去のデータを参照する必要がない。また、複数の解析用周波数を用いることにより、広い周波数範囲において誤差を低減することができる。したがって、信頼性の高い生体情報の測定をすることができる。また、生体信号に個人差があっても誤差を低減することができる。

以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、説明を分かり易くするために瞬時周期の発生頻度を離散値により説明していたが、この構成に限定されるものではない。瞬時周期の発生頻度は、階級幅を有する度数分布として求めることもできる。また、上記実施形態では、発生頻度が最も多い瞬時周期を生体信号の周期としていたが、この構成に限定されるものではない。発生頻度が最も多い瞬時周期に近い周期を生体信号の周期としてもよい。

また、上記実施形態では、制御部３０においてマイコン３２が直交変調を行っていたが、この構成に限定されるものではない。他の実施形態では、図９に示すように、制御部３０が直交変調用回路３３を有していてもよい。この実施形態では、センサ２１により検知された生体信号が、センサ２１から制御部３０の直交変調用回路３３に送られる。直交変調用回路３３は、生体信号に対して直交変調を行い、Ｉ信号及びＱ信号を演算する。演算されたＩ信号及びＱ信号は、直交変調用回路３３からＡ／Ｄ変換器３１に送られる。Ａ／Ｄ変換器３１は、Ｉ信号及びＱ信号のアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された信号は、Ａ／Ｄ変換器３１からマイコン３２に送られる。マイコン３２は、Ｉ信号及びＱ信号に基づいて瞬時周波数を演算する。このような構成によっても、生体情報（生体信号の周期）を測定することができる。なお、図９において、図１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０；生体情報測定装置
２１；センサ（検知部）
３０；制御部
３１；Ａ／Ｄ変換器
３２；マイコン
３３；直交変調用回路
４１；モニタ（出力部）

Claims

制御部を備える生体情報測定装置により実行される生体情報測定方法であって、
前記制御部が、設定された周波数範囲において複数の解析用周波数を用いて生体信号に関する複数の瞬時周波数を演算するステップと、演算された複数の前記瞬時周波数から複数の瞬時周期を演算するステップと、演算された複数の前記瞬時周期の発生頻度を演算するステップと、演算された前記発生頻度に基づいて前記生体信号の周期を決定するステップと、を実行する生体情報測定方法。