JP2016137038A - Ｒ−ｒ間隔補間方法および心拍変動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｒ−Ｒ間隔タコグラムの表示に有効なＲ−Ｒ間隔の欠損部分の補間を簡単な計算で実現するとができるＲ−Ｒ間隔補間方法および心拍変動計測装置を提供する。【解決手段】Ｒ−Ｒ間隔補間方法は、生体の心電図波形から得られたＲ−Ｒ間隔に欠損が生じているか否かを判定する欠損判定ステップＳ１と、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じているときに、直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔を平均化した値に基づいて、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に挿入すべき心拍数Ｎを推定する心拍数推定ステップＳ２と、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に、心拍数推定ステップで推定した心拍数Ｎの数だけＲ−Ｒ間隔のデータを挿入することによりＲ−Ｒ間隔を補間するＲ−Ｒ間隔補間ステップＳ３とを含む。【選択図】図５

Description

本発明は、ＥＣＧ（Electrocardiogram、心電図）波形から得られるＲ−Ｒ間隔を補間するＲ−Ｒ間隔補間方法および心拍変動計測装置に関するものである。

心臓の拍動リズムは、自律神経すなわち交感神経・迷走神経の影響を受けて変動することが知られている。心拍の変動を分析することは、自律神経の働きを評価することにつながる。例えば、安静かつ寛いだ状態では、迷走神経が亢進し、呼吸に伴う心拍変動（呼吸性洞性不整脈）が顕著にみられるようになる。心拍変動の様子を観測することは、緊張／寛ぎの状態や、睡眠の質などを知ることに役立つ。

心拍変動は、一般的に、心電図のＲ波と１つ前のＲ波の間隔であるＲ−Ｒ間隔の変動として計測される。Ｒ−Ｒ間隔は、心電図波形のＱＲＳ波上の特定のポイントとして得られる心拍時刻の、隣り合う拍の間の長さをとったものであり、連続する心拍時刻のデータ列から、連続するＲ−Ｒ間隔のデータ列が得られる。上述の呼吸性洞性不整脈の場合、Ｒ−Ｒ間隔の時系列データには、心拍変動による凹凸の模様が明瞭に観察される（図６）。一方、運動中などでは交感神経が著しく亢進し、心拍のリズムはほぼ一定となって拍毎の変動は消失する（図７）。Ｒ−Ｒ間隔は、心拍変動の１次情報であり、Ｒ−Ｒ間隔を時系列にプロットしたタコグラムは、自律神経の状態を視覚的に分かりやすく示すものである。

心拍変動の分析には、タコグラムなどのほかに、時間領域の分析、周波数領域の分析（スペクトル分析）などの手法があり、それぞれ心拍変動の特徴を指標化して自律神経機能の評価等に用いる。
ところで、心電図波形を解析して心拍を検出する際、波形に加わったノイズ等の影響で、拍毎の検出に誤りが起きることがある。特に、携帯型の装置やウエアラブルな装置を用いて日常生活の中での心電図波形を取得する場合には、体動などによるノイズが入りやすく、ある程度の検出ミスが生じることはやむを得ない。

このような心拍検出のエラーは、２種類に大別できる。１つは、心拍ではないところで心拍を検出してしまう場合である（以下、「偽心拍」と呼ぶこととする）。つまり、波形に重畳したノイズを、ＱＲＳ波と誤認してしまうエラーである。このときのＲ−Ｒ間隔は、多くの場合、図８のｅｒｒ１で示すように正常値よりも小さい値となる。もう１つは、検出すべき心拍を検出できない場合である（以下、「取りこぼし」と呼ぶこととする）。つまり、ＱＲＳ波の形が乱れ、その判別が難しいために生じるエラーである。例えば、心拍を１つ検出し損ねたとすると、このときのＲ−Ｒ間隔は、図９のｅｒｒ２で示すように、その前後にある正常な値のおおむね２倍となる。これらのエラーは、自律神経機能の評価に影響を与え、不正確な結果を生じさせる可能性がある。

例えば、時間領域の分析の指標として、隣り合うＲ−Ｒ間隔の差が５０ｍｓを超える度数の割合であるＲＲ５０、Ｒ−Ｒ間隔の（標準偏差÷平均値）で求められるＣＶＲＲ、といったものがある。
Ｒ−Ｒ間隔のデータ列に、正常値を大きく外れた異常値が含まれていた場合、度数に基づくＲＲ５０に関しては、異常値が単発であればさほど影響はない。一方、値に基づくＣＶＲＲに関しては、異常値が単発であっても、その影響を直接受ける。

そこで、異常値の影響を緩和する方法として、Ｒ−Ｒ間隔の時系列データに移動平均化（以下では平均化とする）処理を施す方法が考えられる。例えば図１０（Ａ）に示すＲ−Ｒ間隔の時系列データに平均化処理を施すと、図１０（Ｂ）のようになり、図１０（Ｃ）に示すＲ−Ｒ間隔の時系列データに平均化処理を施すと、図１０（Ｄ）のようになる。このように、平均化処理により、異常値ｅｒｒ１，ｅｒｒ２は目立たなくなり、ＣＶＲＲへの影響も緩和される。しかしその一方、心拍変動が均されることで、Ｒ−Ｒ間隔の速い変化を反映するＲＲ５０を過小評価してしまうことになる。したがって、Ｒ−Ｒ間隔に含まれる心拍検出のエラーは、ひとつひとつを識別して取り除くことが求められる。

偽心拍については、新たな心拍の候補を検出した際に、直前の心拍の時刻と一定時間以上離れていない場合には心拍として採用しない、といった方法で除去することができる。
取りこぼしに対しては、新たな心拍の候補によるＲ−Ｒ間隔が、直前のＲ−Ｒ間隔から一定割合以上増加している場合には心拍として採用しない、といった方法が考えられる。ただし、心拍の候補を不採用とした場合、Ｒ−Ｒ間隔のデータ列に欠損が生じることになる。

特許文献１には、Ｒ−Ｒ間隔のスペクトル分析において、特定の基準から外れるＲ−Ｒ間隔データをノイズとみなして、対象から削除して分析を行うこと、また、削除した部分を補間することが開示されている。しかし、補間の具体的な方法については言及されていない。

また、非特許文献１には、期外収縮の部分を除去して生じた欠損部分を補間することにより、スペクトル分析ではおおむね正しい結果が得られることと、スペクトル分析を行うための再サンプリングに用いる補間方法の種類は、解析結果にあまり影響を与えないことが記載されている。
一般的に、スペクトル分析の場合、本来は時間的に不等間隔のデータ列であるＲ−Ｒ間隔を、再サンプリングによって等間隔のデータ列に焼き直して、データの処理が行われる。Ｒ−Ｒ間隔の欠損部分についても、再サンプリングと同様に補間することで、等間隔のデータ列を得ることができる。

特許第３３７８３１１号公報

井上博編集，「循環器疾患と自律神経機能 第２版」，医学書院，ｐ．８３−８６，２００１年

しかしながら、Ｒ−Ｒ間隔をタコグラムで提示するといったアプリケーションにおいては、取りこぼしに由来するＲ−Ｒ間隔の異常値ｅｒｒを含む図１１のようなタコグラムから、異常値ｅｒｒを除去することで生じた欠損部分Ｄをそのまま表示すると（図１２）、実際のＲ−Ｒ間隔とは大きく異なるタコグラムになってしまうという問題点があった。また、線形補間などの単純な補間方法を用いて表示すると（図１３）、本来のＲ−Ｒ間隔と似つかわしくない補間部分Ｌが表示されてしまうため、見た目上もっともらしいタコグラムにならないという問題点があった。また、スプライン補間などの複雑な補間方法を用いると、計算量が多くなるという問題点があった。

以上のように、従来のＲ−Ｒ間隔補間方法では、Ｒ−Ｒ間隔をタコグラムで表示したときに、見た目上もっともらしいタコグラムにならなかったり、計算量が多くなったりするという問題点があった。そのため、Ｒ−Ｒ間隔における欠損部分を、もっともらしい形で少ない計算量で補間できることが望ましい。つまり、欠損部分に、取りこぼしたと推定されるＲ−Ｒ間隔（心拍）を挿入することで、Ｒ−Ｒ間隔のデータ列を再構成したい。そのためには、欠損部分に対して、推定心拍を適当な数だけ、適当な時間軸上の位置に挿入する必要がある。また、そのようにして補間されたＲ−Ｒ間隔データ列は、時間領域の分析やスペクトル分析においても、妥当な結果を与えると考えられる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、Ｒ−Ｒ間隔タコグラムの表示に有効なＲ−Ｒ間隔の欠損部分の補間を簡単な計算で実現することができるＲ−Ｒ間隔補間方法および心拍変動計測装置を提供することを目的とする。

本発明のＲ−Ｒ間隔補間方法は、生体の心電図波形から得られたＲ−Ｒ間隔に欠損が生じているか否かを判定する欠損判定ステップと、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じているときに、直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔を平均化した値に基づいて、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に挿入すべき心拍数Ｎを推定する心拍数推定ステップと、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に、前記心拍数推定ステップで推定した心拍数Ｎの数だけＲ−Ｒ間隔のデータを挿入することによりＲ−Ｒ間隔を補間するＲ−Ｒ間隔補間ステップとを含むことを特徴とするものである。
また、本発明のＲ−Ｒ間隔補間方法の１構成例において、前記Ｒ−Ｒ間隔補間ステップは、前記挿入するＲ−Ｒ間隔のデータに、直前のＲ−Ｒ間隔差に基づく揺らぎを加えることを特徴とするものである。
また、本発明のＲ−Ｒ間隔補間方法の１構成例において、前記Ｒ−Ｒ間隔補間ステップは、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との時間間隔を（Ｎ＋１）等分して求めた心拍時刻を、直前のＲ−Ｒ間隔差に基づく値の分だけランダムに前後させることで、前記挿入するＲ−Ｒ間隔のデータに揺らぎを加えることを特徴とするものである。

また、本発明のＲ−Ｒ間隔補間方法の１構成例において、前記心拍数推定ステップは、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との時間間隔を、直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔を平均化した値に１より大きい所定の係数を乗じた値で割ることにより、前記心拍数Ｎを求めることを特徴とするものである。
また、本発明のＲ−Ｒ間隔補間方法の１構成例において、前記欠損判定ステップは、生体の心電図波形から得られたＲ−Ｒ間隔の値が直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔の平均値の所定数倍の値を超えたときに、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じていると判定することを特徴とするものである。
また、本発明のＲ−Ｒ間隔補間方法の１構成例は、前記欠損判定ステップで欠損が生じていると判定したＲ−Ｒ間隔のデータおよび前記Ｒ−Ｒ間隔補間ステップで補間したＲ−Ｒ間隔のデータを、次回以降の欠損判定ステップと心拍数推定ステップとＲ−Ｒ間隔補間ステップの処理で使用しないことを特徴とするものである。

また、本発明の心拍変動計測装置は、生体の心電図波形から得られたＲ−Ｒ間隔に欠損が生じているか否かを判定する欠損判定手段と、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じているときに、直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔を平均化した値に基づいて、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に挿入すべき心拍数Ｎを推定する心拍数推定手段と、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に、前記心拍数推定手段で推定した心拍数Ｎの数だけＲ−Ｒ間隔のデータを挿入することによりＲ−Ｒ間隔を補間するＲ−Ｒ間隔補間手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、生体の心電図波形から得られたＲ−Ｒ間隔に欠損が生じているか否かを判定し、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じているときに、直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔を平均化した値に基づいて、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に挿入すべき心拍数Ｎを推定し、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に、心拍数Ｎの数だけＲ−Ｒ間隔のデータを挿入することによりＲ−Ｒ間隔を補間することにより、瞬時の心拍変動の影響を受けることがなく、不適切な補間を防ぐことができる。その結果、本発明では、心電図波形のノイズ等の影響で、検出すべき心拍を検出できなかった場合にも、Ｒ−Ｒ間隔の欠損部分をもっともらしく補間することができ、Ｒ−Ｒ間隔タコグラムの表示に有効な補間を簡単な計算で実現することができる。

また、本発明では、挿入するＲ−Ｒ間隔のデータに、直前のＲ−Ｒ間隔差に基づく揺らぎを加えることにより、直近のトレンドを反映した心拍変動を模擬し、もっともらしく補間することができる。

また、本発明では、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との時間間隔を、直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔を平均化した値に１より大きい所定の係数を乗じた値で割ることにより、適切な心拍数Ｎを求めることができる。

また、本発明では、生体の心電図波形から得られたＲ−Ｒ間隔の値と直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔の平均値の所定数倍の値とを比較することにより、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じているか否かを判定することができる。

また、本発明では、欠損判定ステップで欠損が生じていると判定したＲ−Ｒ間隔のデータおよびＲ−Ｒ間隔補間ステップで補間したＲ−Ｒ間隔のデータを、次回以降の欠損判定ステップと心拍数推定ステップとＲ−Ｒ間隔補間ステップの処理で使用しないことにより、Ｒ−Ｒ間隔の平均化した値の推移をより安定させることができる。

本発明の原理を説明するためのＲ−Ｒ間隔タコグラムの例を示す図である。 図１のＲ−Ｒ間隔タコグラムに推定心拍数に基づく点を加えた後のＲ−Ｒ間隔タコグラムの例を示す図である。 挿入した心拍時刻に揺らぎを与えた場合のＲ−Ｒ間隔タコグラムの例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る心拍変動計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るＲ−Ｒ間隔補間方法を説明するフローチャートである。 Ｒ−Ｒ間隔タコグラムの例を示す図である。 Ｒ−Ｒ間隔タコグラムの別の例を示す図である。 心拍検出のエラーが生じたときのＲ−Ｒ間隔タコグラムの例を示す図である。 心拍検出のエラーが生じたときのＲ−Ｒ間隔タコグラムの別の例を示す図である。 心拍検出のエラーが生じたときのＲ−Ｒ間隔タコグラムおよび移動平均化処理を施したＲ−Ｒ間隔タコグラムの例を示す図である。 従来の問題点を説明するためのＲ−Ｒ間隔タコグラムの例を示す図である。 図１１のＲ−Ｒ間隔タコグラムから異常値を除去した後のＲ−Ｒ間隔タコグラムを示す図である。 図１１のＲ−Ｒ間隔タコグラムに対して線形補間を施した後のＲ−Ｒ間隔タコグラムを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、Ｒ−Ｒ間隔タコグラムの一部を拡大したものであり、横軸が時間、縦軸がＲ−Ｒ間隔を示している。点Ａ〜Ｄは、検出された心拍に対応し、それぞれ心拍検出時刻ｔ_A，ｔ_B，ｔ_C，ｔ_DにおけるＲ−Ｒ間隔の値Ｒ_A，Ｒ_B，Ｒ_C，Ｒ_Dを示している。各点でのＲ−Ｒ間隔の値は、その点での心拍時刻と、１拍前の心拍時刻との時間間隔に等しい。

また、図中の点Ａ´は時刻ｔ_AまでのＲ−Ｒ間隔を平均化した値Ｒ_A´を示し、点Ｂ´は時刻ｔ_BまでのＲ−Ｒ間隔を平均化した値Ｒ_B´を示している。このＲ_A´，Ｒ_B´の値は、例えばｉ番目の心拍のＲ−Ｒ間隔をＲ（ｉ）、（ｉ−１）番目までのＲ−Ｒ間隔を平均化した値をＲ´（ｉ−１）とすると、係数ｒを用いて、Ｒ´（ｉ）＝ｒ×Ｒ（ｉ）＋（１−ｒ）×Ｒ´（ｉ−１）のようにして求めることができる。ｒの値を小さくするほど、Ｒ−Ｒ間隔の細かな変動が抑えられるものの、一方でＲ−Ｒ間隔の大まかな変化へも追随しにくくなるので、そういった点を鑑みて、例えばｒ＝０．１などとすると、瞬時の心拍変動が抑えられ、適度に平均化されたデータ列が得られる。また、ｒの値は、状況に応じて変化させてもよい。

図１において、点Ｃは、点Ａ、点Ｂ、点Ｄなどに比べてＲ−Ｒ間隔が異常に大きな値になっている。したがって、点Ｂと点Ｃとの間には検出し損ねた心拍があったと推測される。このときの判定基準として、例えば、ある心拍でのＲ−Ｒ間隔の値がそれまでの平均化した値の１．５倍を超えるような場合には、その前の心拍を取りこぼしている可能性が疑われる。そこで、点Ｃの値Ｒ_Cは、Ｒ−Ｒ間隔としては採用しないこととする。ただし、時刻ｔ_Cで心拍を検出していることは確かである。Ｒ_Cを採用しないことによって生じるＲ−Ｒ間隔データ列の欠損を補間するには、点Ｂと点Ｃとの間に推定した心拍を挿入する。その際に、挿入する心拍の個数を適切に選ぶ必要がある。

挿入する心拍の個数は、心拍の取りこぼしが発生した時間間隔（ｔ_C―ｔ_B）を、もっともらしいＲ−Ｒ間隔の値で除することによって概ね得られるが、もっともらしいＲ−Ｒ間隔の値として、直前の値ではなく、心拍の取りこぼしが発生した時点までの平均化した値を用いる。個々のＲ−Ｒ間隔には変動成分が含まれているため、ある１つのＲ−Ｒ間隔の値は、それまでの平均化した値からは外れている場合があり、そのような個々のＲ−Ｒ間隔の値に基づいて挿入する心拍を推定すると、挿入すべき心拍数を誤る可能性がある。したがって、挿入すべき心拍数の推定は、心拍の取りこぼしが発生した時点までのＲ−Ｒ間隔の平均化した値に基づいて行なうのが適切である。

つまり、ここではＲ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻ｔ_Cとその直前の心拍時刻ｔ_Bとの時間間隔（ｔ_C―ｔ_B）を、時刻ｔ_BまでのＲ−Ｒ間隔を平均化した値Ｒ_B´に基づいた値で除することによって、点Ｂと点Ｃとの間に挿入する心拍数を決めるのが適切である。ただし、（ｔ_C―ｔ_B）がＲ_B´の整数倍よりわずかに大きいといった場合には、（ｔ_C―ｔ_B）をＲ_B´でそのまま割ってしまうと、推定心拍数が適切な数より１つ多くなってしまう。そこで、例えば、挿入する心拍の個数を多く見積もり過ぎないようにするために、Ｒ_B´に１より大きい所定の係数α（例えば１．２５程度）を乗じた値を用いるようにするのがよい。したがって、推定心拍数Ｎは、次式により求めることができる。
Ｎ＝（ｔ_C―ｔ_B）／（Ｒ_B´×α） ・・・（１）
実際には、式（１）により求めた値の小数点以下を切り捨てて整数にした値を推定心拍数Ｎとする。

図２は、上述のようにして推定心拍数Ｎを２個と決定し、点Ｂと点Ｃとの間を（Ｎ＋１）分割（ここでは３分割）する形で点Ｘ，Ｙを挿入し、さらに点Ｃに替えて点Ｚを加えた場合のＲ−Ｒ間隔タコグラムである。挿入された心拍は、Ｒ−Ｒ間隔の値自体としてはもっともらしく見えるが、点Ｂと点Ｃとの間を３分割にしているため、Ｒ−Ｒ間隔の値Ｒ_X，Ｒ_Y，Ｒ_Zが同じ値で連続しており、Ｒ−Ｒ間隔データ列としてはもっともらしさに欠けている。
また、このとき心拍を挿入することによって得られるＲ−Ｒ間隔の値が、実際のＲ−Ｒ間隔の値等に対して、かえって異常になる場合には、心拍を挿入することをしないで、データ欠損として扱うこととするという指針もあり得る。

Ｒ−Ｒ間隔は、本来、変動成分を持つものであるため、欠損部分を補間する際にも、推定した心拍を等間隔に挿入するより、揺らぎを持たせたほうがもっともらしくなる。そのとき与える揺らぎは、Ｒ−Ｒ間隔差を参照して決めるのが適当であるが、Ｒ−Ｒ間隔差は、被測定者の状態（運動、精神状態等）によって容易に変化するため、平均化したものよりも直近の値を用いるのが適切である。

したがって、ここではＲ−Ｒ間隔に欠損が生じた時点よりも１つ前のＲ−Ｒ間隔差｜Ｒ_A−Ｒ_B｜に基づく揺らぎを心拍時刻に与えるのが適切である。例えば、心拍時刻ｔ_X，ｔ_Yを、｜Ｒ_A−Ｒ_B｜の１／３程度の値の分だけ、ランダムに前後させるとよい。それにより、Ｒ−Ｒ間隔に、最大で｜Ｒ_A−Ｒ_B｜の２／３程度となる、直近のＲ−Ｒ間隔差に近い変動が加わることになる。

図３は、上述のように、挿入した心拍時刻に揺らぎを与えた場合のＲ−Ｒ間隔タコグラムを示している。ここでは、心拍時刻ｔ_X，ｔ_Yは次式のようになる。
ｔ_X＝ｔ_B＋（ｔ_C−ｔ_B）／３＋｜Ｒ_A−Ｒ_B｜／３ ・・・（２）
ｔ_Y＝ｔ_B＋２（ｔ_C−ｔ_B）／３−｜Ｒ_A−Ｒ_B｜／３ ・・・（３）

各点でのＲ−Ｒ間隔の値は、その点での心拍時刻と、１拍前の心拍時刻との時間間隔に等しいので、心拍時刻ｔ_X，ｔ_Y，ｔ_CにおけるＲ−Ｒ間隔の値Ｒ_X，Ｒ_Y，Ｒ_Zは次式のようになる。
Ｒ_X＝ｔ_X−ｔ_B ・・・（４）
Ｒ_Y＝ｔ_Y−ｔ_X ・・・（５）
Ｒ_Z＝ｔ_C−ｔ_Y ・・・（６）

図３によれば、補間したＲ−Ｒ間隔データ列Ｒ_X，Ｒ_Y，Ｒ_Zにも、心拍変動を模した変動が加わることで、よりもっともらしく見えるようになっている。
ここで、図３の点Ｄ´は時刻ｔ_DまでのＲ−Ｒ間隔を平均化した値Ｒ_D´を示しているが、補間したＲ−Ｒ間隔の値Ｒ_X，Ｒ_Y，Ｒ_ZはＲ_D´の算出に使用しない。また、時刻ｔ_XまでのＲ−Ｒ間隔を平均化した値Ｒ_X´、時刻ｔ_YまでのＲ−Ｒ間隔を平均化した値Ｒ_Y´、時刻ｔ_CまでのＲ−Ｒ間隔を平均化した値Ｒ_C´については算出しないものとする。なぜなら、補間したＲ−Ｒ間隔はＲ−Ｒ間隔の平均化した値に基づいて推定したものであり、この補間したＲ−Ｒ間隔を、Ｒ−Ｒ間隔の平均値に再び組み込むことは適切ではないからである。

このようにして、本実施の形態のＲ−Ｒ間隔補間方法によれば、心拍の検出をし損ねて欠損を生じている場合のＲ−Ｒ間隔データ列を、もっともらしく修復することができる。
図４は本実施の形態に係る心拍変動計測装置の構成を示すブロック図、図５は本実施の形態に係るＲ−Ｒ間隔補間方法を説明するフローチャートである。心拍変動計測装置は、心電計１と、記憶部２と、欠損判定部３と、心拍数推定部４と、Ｒ−Ｒ間隔補間部５と、表示部６とを備えている。

以下、本実施の形態の心拍変動計測装置の動作を説明する。心電計１は、図示しない生体（人体）のＥＣＧ波形を測定し、ＥＣＧ波形からＲ−Ｒ間隔を求める。ＥＣＧ波形の具体的な測定方法は周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。また、Ｒ−Ｒ間隔を求める方法としては、例えば文献「“ECG Implementation on the TMS320C5515 DSP Medical Development Kit (MDK) with the ADS1298 ECG-FE”，Texas Instruments Incorporated，＜http://www.ti.com/lit/an/sprabj1/sprabj1.pdf＞，2011」に開示された技術を用いることができる。この文献に開示された技術では、ＥＣＧ波形を時間差分した値の変化を基にＲ−Ｒ間隔を求めている。

記憶部２は、心電計１から出力されたＲ−Ｒ間隔の時系列データを記憶する。このとき、心電計１から出力されるＲ−Ｒ間隔の各データには、対応する心拍時刻のデータが付加されているので、記憶部２は、Ｒ−Ｒ間隔の時系列データと心拍時刻のデータとを記憶する。

次に、欠損判定部３は、心電計１が求めたＲ−Ｒ間隔に欠損が生じているか否かを判定する（図５ステップＳ１）。欠損判定部３は、ある心拍時刻ｔでのＲ−Ｒ間隔の値が、直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔の平均値の所定数倍（本実施の形態では１．５倍）の値を超える場合、心拍時刻ｔのＲ−Ｒ間隔に欠損が生じていると判定する。

心拍数推定部４は、欠損判定部３がＲ−Ｒ間隔に欠損が生じていると判定した場合（ステップＳ１においてＹＥＳ）、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻とその直前の心拍時刻との間に挿入すべき心拍数Ｎを推定する（図５ステップＳ２）。上記のとおり、心拍数Ｎは式（１）により求めることができる。

Ｒ−Ｒ間隔補間部５は、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻とその直前の心拍時刻との間に、心拍数推定部４が推定した心拍数Ｎの数だけＲ−Ｒ間隔のデータを挿入することによりＲ−Ｒ間隔を補間するが、このときに挿入するＲ−Ｒ間隔に、直前のＲ−Ｒ間隔差に基づく揺らぎを与える（図５ステップＳ３）。揺らぎの与え方は上記のとおりである。こうして、Ｒ−Ｒ間隔の欠損部分を補間することができる。
欠損判定部３と心拍数推定部４とＲ−Ｒ間隔補間部５とは、以上の図５で説明した処理を、記憶部２に記憶されているＲ−Ｒ間隔のデータ毎に行う。

表示部６は、Ｒ−Ｒ間隔補間部５によって補間処理が実施された後のＲ−Ｒ間隔の時系列データを基にＲ−Ｒ間隔タコグラムを表示する。例えば図３の例では、記憶部２に記憶されているＲ−Ｒ間隔を示す点Ａ，Ｂと、補間されたＲ−Ｒ間隔を示す点Ｘ，Ｙ，Ｚと、記憶部２に記憶されているＲ−Ｒ間隔を示す点Ｄとが表示されることになる。

なお、記憶部２に記憶されているＲ−Ｒ間隔のデータが、欠損判定部３と心拍数推定部４とＲ−Ｒ間隔補間部５の処理によって書き換えられることはないので、次の補間を行うときに、それまでの処理で補間されたＲ−Ｒ間隔のデータが欠損判定部３と心拍数推定部４とＲ−Ｒ間隔補間部５の処理に使用されることはない。

また、点Ｃの時刻ｔ_Cは心拍時刻として扱われるが、点Ｃの値Ｒ_CはＲ−Ｒ間隔として記憶部２に記憶されているものの、上記のとおり点Ｃの値Ｒ_CがＲ−Ｒ間隔の値として使用されることはない。図３の点Ｄから見ると、時刻ｔ_Cが直前の心拍時刻となるが、Ｒ_X，Ｒ_Y，Ｒ_Z，Ｒ_Cは平均値の算出に使用されない。本実施の形態でいうＲ−Ｒ間隔を平均化した値とは、１データ当たりの平均値なので、直前の心拍時刻ｔ_CまでのＲ−Ｒ間隔の平均値は、心拍時刻ｔ_BまでのＲ−Ｒ間隔の平均値Ｒ_B´と同じである。また、補間したＲ_X，Ｒ_Y，Ｒ_Zの値を使用しないので、点Ｄから見ると、直前のＲ−Ｒ間隔差は｜Ｒ_A−Ｒ_B｜になる。

また、本実施の形態のＲ−Ｒ間隔補間方法は、ＥＣＧ波形からＲ−Ｒ間隔をリアルタイムで抽出するプロセスだけでなく、既に心拍を検出して得られているＲ−Ｒ間隔データ列にも適用することができる。

本実施の形態で説明した心電計１と記憶部２と欠損判定部３と心拍数推定部４とＲ−Ｒ間隔補間部５とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、Ｒ−Ｒ間隔タコグラムを表示する際にＲ−Ｒ間隔の欠損部分を補間する技術に適用することができる。

１…心電計、２…記憶部、３…欠損判定部、４…心拍数推定部、５…Ｒ−Ｒ間隔補間部、６…表示部。

Claims (7)

1. 生体の心電図波形から得られたＲ−Ｒ間隔に欠損が生じているか否かを判定する欠損判定ステップと、
   Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じているときに、直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔を平均化した値に基づいて、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に挿入すべき心拍数Ｎを推定する心拍数推定ステップと、
   Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に、前記心拍数推定ステップで推定した心拍数Ｎの数だけＲ−Ｒ間隔のデータを挿入することによりＲ−Ｒ間隔を補間するＲ−Ｒ間隔補間ステップとを含むことを特徴とするＲ−Ｒ間隔補間方法。
2. 請求項１記載のＲ−Ｒ間隔補間方法において、
   前記Ｒ−Ｒ間隔補間ステップは、前記挿入するＲ−Ｒ間隔のデータに、直前のＲ−Ｒ間隔差に基づく揺らぎを加えることを特徴とするＲ−Ｒ間隔補間方法。
3. 請求項２記載のＲ−Ｒ間隔補間方法において、
   前記Ｒ−Ｒ間隔補間ステップは、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との時間間隔を（Ｎ＋１）等分して求めた心拍時刻を、直前のＲ−Ｒ間隔差に基づく値の分だけランダムに前後させることで、前記挿入するＲ−Ｒ間隔のデータに揺らぎを加えることを特徴とするＲ−Ｒ間隔補間方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＲ−Ｒ間隔補間方法において、
   前記心拍数推定ステップは、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との時間間隔を、直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔を平均化した値に１より大きい所定の係数を乗じた値で割ることにより、前記心拍数Ｎを求めることを特徴とするＲ−Ｒ間隔補間方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＲ−Ｒ間隔補間方法において、
   前記欠損判定ステップは、生体の心電図波形から得られたＲ−Ｒ間隔の値が直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔の平均値の所定数倍の値を超えたときに、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じていると判定することを特徴とするＲ−Ｒ間隔補間方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＲ−Ｒ間隔補間方法において、
   前記欠損判定ステップで欠損が生じていると判定したＲ−Ｒ間隔のデータおよび前記Ｒ−Ｒ間隔補間ステップで補間したＲ−Ｒ間隔のデータを、次回以降の欠損判定ステップと心拍数推定ステップとＲ−Ｒ間隔補間ステップの処理で使用しないことを特徴とするＲ−Ｒ間隔補間方法。
7. 生体の心電図波形から得られたＲ−Ｒ間隔に欠損が生じているか否かを判定する欠損判定手段と、
   Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じているときに、直前の心拍時刻までのＲ−Ｒ間隔を平均化した値に基づいて、Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に挿入すべき心拍数Ｎを推定する心拍数推定手段と、
   Ｒ−Ｒ間隔に欠損が生じた心拍時刻と直前の心拍時刻との間に、前記心拍数推定手段で推定した心拍数Ｎの数だけＲ−Ｒ間隔のデータを挿入することによりＲ−Ｒ間隔を補間するＲ−Ｒ間隔補間手段とを備えることを特徴とする心拍変動計測装置。

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