JP2017113437A - 心拍波検出装置及び心拍数計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの影響を抑えて従来より正確に心拍波の検出と心拍数の計測を行うことが可能な心拍波検出装置及び心拍数計測装置を提供する。【解決手段】本発明の心拍波検出装置１０Ａ及び心拍数計測装置１０は、車両３０のハンドル３１に設けられて運転者の手が接触する第１電極１１と、運転席３２の着座部３３に設けられて運転者の大腿部に絶縁状態で対向する第２電極１２とを有する。また、第１電極１１は、グランドに接続されている。そして、第２電極１２とグランドとの間の電位差の変化に基づいて心拍波を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、被検者の表面電位の変化に基づいて心拍数を計測する心拍波検出装置及び心拍数計測装置に関する。

従来、この種の心拍数計測装置として、被検者の手に接触する第１電極と、被検者の脚部に絶縁状態で対向する第２電極と、その第２電極に絶縁状態に対向しかつグランドに接続される第３電極とを備え、第３電極を基準とした第１電極の電位と第２電極の電位との差分を被検者の表面電位として検出して心拍数を計測するものが知られている。即ち、この心拍数計測装置では、被験者の人体がグランドから浮遊したアンテナになってノイズを受信することに鑑み、第２電極もグランドから浮遊させてノイズを受信するアンテナになり得る構成にして、上記の如く差分を求めることでノイズのキャンセルを図っていた（例えば、特許文献１参照）。

特許第５１３２２９７号公報（請求項１、［００２４］，図１）

しかしながら、人体によるノイズの受信レベルと、第２電極によるノイズの受信レベルとが異なるため、上記した構成ではノイズをキャンセルすることができなかった。具体的には、人体が受信したノイズの一成分が、Ｅ１＝Ａ・ｓｉｎ（ｔ）であり、それに対応して第２電極が受信したノイズの一成分が、Ｅ２＝Ｂ・ｓｉｎ（ｔ）であるとすると（「ｔ」は時間、Ａ≠Ｂ）、Ｅ１−Ｅ２＝Ａ・ｓｉｎＴ−Ｂ・ｓｉｎＴ≠０、であるので上記した差分を求めることでノイズをキャンセルすることはできなかった。また、人体及び第２電極のノイズの受信レベルはばらつくので、ゲイン調整によって人体及び第２電極のノイズの受信レベルを一致させることもできなかった。これらにより、従来の心拍数計測装置では、心拍波の検出及び心拍数の計測を正確に行うことができなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ノイズの影響を抑えて従来より正確に心拍波の検出と心拍数の計測を行うことが可能な心拍波検出装置及び心拍数計測装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１の発明は、被検者の心拍波を検出する心拍波検出装置であって、前記被検者の手又は腕に接触しかつグランドに接続される第１電極と、前記被検者の大腿部又は臀部に絶縁状態で対向する第２電極と、前記第２電極と前記グランドとの間の電位差の変化に基づいて心拍波を検出する心拍波検出部とを有する心拍波検出装置である。

請求項２の発明は、前記第１電極は、乗り物のハンドルに配置され、前記第２電極は、前記乗り物の運転席のうち前記被検者としての運転者を下方から支持する着座部に配置されている請求項１に記載の心拍波検出装置である。

請求項３の発明は、前記第２電極は、前記被検者の大腿部の真下となる位置に配置されている請求項２に記載の心拍波検出装置である。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか１の請求項に記載の心拍波検出装置と、前記心拍波検出装置の検出結果に基づいて心拍数を計数する演算部とを有する心拍数計測装置である。

請求項１及び４の発明では、被検者の手又は腕に接触する第１電極がグランドに接続されるので、被験者の人体がアンテナとして機能し難くなり、被験者の人体以外のノイズ源からの無線ノイズが、被験者の人体に受信され難くなる。そして、被験者の人体を発信源とする心拍に伴う信号、即ち、心拍波が、被検者の表面電位の変化として顕著に現れる。これにより、ノイズの影響を抑えて従来より正確に心拍波の検出と心拍数の計測を行うことが可能になる。また、被検者の表面電位を検出するための第２電極を例えば被検者の背中に対して絶縁状態に対向配置すると、被検者の心臓が縦向きであった場合に心拍波の検出が困難になるが、本発明のように、第２電極を被検者の大腿部又は臀部に絶縁状態に対向配置すると、被検者の心臓の向きの如何に拘わらず、安定して心拍波の検出が可能になり、心拍数の計測も可能になる。

また、請求項２の発明のように、第１電極を乗り物のハンドルに配置すると共に、第２電極を乗り物の運転席の着座部に配置すれば、運転中の運転者の体調を管理することができる。この場合、請求項３の発明のように、第２電極を被検者の大腿部の真下となる位置に配置すれば、被検者と第２電極との間の距離が一定となり、より安定した心拍波の検出及び心拍数の計測が可能になる。

本発明の一実施形態に係る心拍数計測装置の概念図 心拍数計測装置の電気的構成を示すブロック図 検出調整処理のフローチャート 感度調整処理のフローチャート 心拍数計測装置にて実測した検出波を示すモニタ画面 心拍数計測装置にて実測した検出波を拡大して示すモニタ画面

以下、本発明の一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。図１に示すように、実施形態の心拍数計測装置１０（本発明の「心拍波検出装置」にも相当する）は、車両３０のハンドル３１に取り付けられている第１電極１１と、車両３０の運転席３２に取り付けられている第２電極１２と、信号処理部１３とを有する。

第１電極１１は、例えば導電性樹脂で構成され、ハンドル３１の全周に亘って外周部分に配置されている。これにより、運転者の手が第１電極１１に必ず触れるようになっている。また、心拍数計測装置１０の電気回路では、車両３０のシャーシ４０がグランドになっていて、第１電極１１は、そのグランドに対して抵抗Ｒを介して接続されている。

なお、第１電極１１は、ハンドル３１のうち周方向の一部に配置されていてもよい。また、第１電極１１は、金属であってもよいし、半導体であってもよい。さらに、抵抗Ｒは、１０［ｋΩ］以下が好ましく、０［Ω］であってもよい。

第２電極１２は、可撓性を有する導電性のシートであって、例えば、運転席３２の着座部３３の上部のうち運転者の両方の大腿部の下方位置に配置され、上面を絶縁皮膜によって覆われている。

図２に示すように、信号処理部１３には、第１増幅回路１４と、フィルタ回路１５と、第２増幅回路１６と、Ａ／Ｄコンバータ１７と、マイクロコンピュータ１８とが設けられている。第１増幅回路１４には、初段アンプ１４Ｂとインピーダンス可変回路１４Ａとが備えられ、初段アンプ１４Ｂの正負の入力電極の一方に第２電極１２が接続される一方、他方にグランドが接続されている。これにより、運転者の表面電界によって第２電極１２とグランドとの間に生じる電圧、即ち、運転者の表面電位が初段アンプ１４Ｂによって増幅される。また、インピーダンス可変回路１４Ａは、第２電極１２とグランドとの間に接続されている。これにより、初段アンプ１４Ｂの実質的な入力インピーダンスが変更されて、第２電極１２による運転者の表面電位の検出感度が変更される。

詳細には、第２電極１２による検出感度を高くするために、初段アンプ１４Ｂの入力インピーダンスは、数十〜１００［ＭΩ］のハイインピーダンスに設定されている。しかしながら、運転者の人体が第１電極１１にてグランドに接続されているとはいえ、ハム等の無線ノイズを僅かに受信し得るので、そのノイズが極めて大きい場合には、初段アンプ１４Ｂが飽和状態になる。これを回避するために、マイクロコンピュータ１８によりインピーダンス可変回路１４Ａのインピーダンスが下げられて初段アンプ１４Ｂの実質的な入力インピーダンスを下げることができるようになっている。また、ノイズが小さい場合には、第２電極１２による検出感度を上げるために、マイクロコンピュータ１８によりインピーダンス可変回路１４Ａのインピーダンスが上げられて初段アンプ１４Ｂの実質的な入力インピーダンスを上げられる。

フィルタ回路１５には、可変バンドエリミネーションフィルタ１５Ａ（以下、「可変ＢＥＦ１５Ａ」という）とローパスフィルタ１５Ｂとが備えられている。そして、初段アンプ１４Ｂが出力する検出波に含まれる所定周波数のノイズが、可変ＢＥＦ１５Ａによってスポット的に抑制される。また、検出波のうち心拍波より高い周波数のノイズが、ローパスフィルタ１５Ｂにて除去される。なお、可変ＢＥＦ１５Ａによる抑制対象の周波数は、マイクロコンピュータ１８によって変更される。

第２増幅回路１６には、ゲイン変更回路１６Ａと後段アンプ１６Ｂとを有する。そして、マイクロコンピュータ１８がゲイン変更回路１６Ａによって後段アンプ１６Ｂによる増幅率（ゲイン）を適宜変更し、フィルタ回路１５を通過した検出波が第２増幅回路１６によって好適な大きさに増幅されてからＡ／Ｄコンバータ１７を通してマイクロコンピュータ１８に取り込まれる。

マイクロコンピュータ１８は、図３に示した検出調整処理ＰＧ１を実行して、インピーダンス可変回路１４Ａのインピーダンスと可変ＢＥＦ１５Ａのトラップ周波数とゲイン変更回路１６Ａのゲインとを変更する。具体的には、検出調整処理ＰＧ１では、感度調整処理（Ｓ１０）が最初に実行され、図４に示すように、第２電極１２による検出感度が高すぎるか否かが判別される（Ｓ１１）。具体的には、予め決められた上下時間Ｔ１以上に亘って、検出波のピーク値が同じ値になっていれば、検出結果が飽和状態になっていて、検出感度が高すぎると判断し（Ｓ１１でＹＥＳ）、インピーダンス可変回路１４Ａのインピーダンスを予め定められた一定量ΔＧだけ下げてから（Ｓ１２）、第１タイマーをスタートさせて（Ｓ１３）、この感度調整処理（Ｓ１０）から抜ける。

検出波のピーク値が上下時間Ｔ１以上に亘って同じ値になっていなければ、検出感度が高すぎないと判断して（Ｓ１１でＮＯ）、第１タイマーの値が予め定められた一定時間に達したか否かを判別する（Ｓ１４）。そして、第１タイマーの値が一定時間に達していない場合には（Ｓ１４でＮＯ）、ただちに感度調整処理（Ｓ１０）から抜け、第１タイマーの値が一定時間に達していた場合には（Ｓ１４でＹＥＳ）、インピーダンス可変回路１４Ａのインピーダンスを一定量ΔＧだけ上げて元の状態に戻し（Ｓ１５）、第１タイマーをリセットしてから（Ｓ１６）、この感度調整処理（Ｓ１０）から抜ける。これにより、初段アンプ１４Ｂの入力インピーダンスが好適な状態に自動調整されて、第２電極１２による検出感度が好適な状態になる。

感度調整処理（Ｓ１０）から抜けると、図３に示すように、ＢＥＦ周波数決定処理（Ｓ２０）が実行される。この処理では、検出波のＦＦＴ解析を行い、心拍波より高周波で支配的な周波数を特定する。そして、その特定された周波数に可変ＢＥＦ１５Ａの周波数を設定する。

トラップ周波数決定処理（Ｓ２０）から抜けると図３に示すようにゲイン決定処理（Ｓ３０）が実行される。この所定では、検出波の最大値を求め、その最大値が、予め設定された所定の範囲に収まるように、マイクロコンピュータ１８がゲイン変更回路１６Ａの値を設定する。

マイクロコンピュータ１８は、検出調整処理ＰＧ１とは別に、図示しない心拍数計数処理を所定周期で実行して、検出波に基づいて運転者の心拍数を計測する。具体的には、例えば、検出波から、一般に知られる心拍波のＱ波、Ｒ波、Ｓ波に相当する形状を有する波を特定し、その特定された波が１分当りに出現する回数を、心拍数として計数する。なお、心拍数計測装置１０が計測した心拍数は、車両３０のＥＣＵ１８に付与され、心拍数に異常が生じたときには、警告等が発せられる。

なお、マイクロコンピュータ１８が検出調整処理ＰＧ１を実行しているときの信号処理部１３が、本発明の「心拍波検出部」に相当し、心拍数計数処理を実行しているときのマイクロコンピュータ１８が、本発明の「演算部」に相当する。

本実施形態の心拍数計測装置１０の構成に関する説明は以上である。次に、この心拍数計測装置１０の作用効果について説明する。本実施形態の心拍数計測装置１０を有しない車両の運転席に着座している運転者は、電気的には巨大な浮遊アンテナになるので、略〜〜６０［Ｈz］の無線ノイズが支配的になる。そして、人体表面に誘起する心拍波の波高が数１００［μＶ］〜数［ｍＶ］であるのに対し、無線ノイズの波高は、その１，０００から１０，０００倍になる。

これに対し、本実施形態の心拍数計測装置１０を搭載した車両３０では、運転者の手が常時触れるハンドル３１に第１電極１１が設けられて、その第１電極１１がグランドに接続されているので、運転者の人体がアンテナとして機能し難くなり、運転者の人体以外のノイズ源からの無線ノイズが、運転者の人体に受信され難くなる。そして、被験者の人体を発信源とする心拍波が、被検者の表面電位の変化として顕著に現れる。これにより、ノイズの影響を抑えて従来より正確に心拍波の検出と心拍数の計測を行うことが可能になる。なお、図１では、符号「Ｈ」で示した心臓が心拍波の発信源として模式的に示されている。

ところで、本願発明者が計測した結果、被験者の心拍数は、被験者の心臓が縦向きであった場合、被験者の左右の手間の表面電位としては現れにくいが、被験者の大腿部や臀部と上体部間の電位差としては、被験者の心臓の向きの如何にかかわらず、被検者の心拍波が表面電位としては現れることが分かった。これに対し、本実施形態の心拍数計測装置１０では、運転席３２の着座部３３に第２電極１２が配置されているので、運転者の心臓の向きの如何に拘わらず、安定して心拍波の検出と心拍数の計測を行うことができる。また、第２電極１２が、着座部３３のうち運転者の両方の大腿部の下方位置に配置されているので、第２電極１２と運転者との位置関係が一定で、運転者の姿勢や車両３０の振動の影響を受け難い。この点においても、安定した心拍波の検出と心拍数の計測が可能になる。

［実施例］
図５には、前記実施形態と同じ構成の心拍数計測装置を使用して得られた検出波が示され、図６には、図５の検出波の一部が拡大して示されている。同図６から明らかなように、本発明の心拍数計測装置によれば、心拍波のＱ波、Ｒ波、Ｓ波に相当する形状を有する波を特定するレベルで正確に心拍波の検出が可能になり、これにより従来より正確に心拍数の計測を行えることが確認できた。

［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）前記実施形態の心拍数計測装置１０では、車両３０のハンドル３１に第１電極１１が配置されていたが、これに加えて運転者の手に巻き付けることが可能なリストバンドを設けて、そのリストバンドに第１電極を配置してグランドに接続した構成にしてもよい。この構成によれば、手袋を常用する運転者の心拍波の検出及び心拍数の計数も正確に行うことができる。

（２）本発明の心拍波検出装置及び心拍数計測装置は、病院や診療所に設置する場合には、例えば第１電極を被験者の手に触れさせる部位に配置するか被検者の腕に巻き付けるリストバンドに配置する一方、第２電極を被験者が座る椅子に配置することで、容易に心拍波の検出と心拍数の計測を行うことができる。

１０ 心拍数計測装置（心拍波検出装置）
１１ 第１電極
１２ 第２電極
１８ マイクロコンピュータ（心拍波検出部、演算部）
３０ 車両
３１ ハンドル
３２ 運転席
３３ 着座部

Claims (4)

1. 被検者の心拍波を検出する心拍波検出装置であって、
   前記被検者の手又は腕に接触しかつグランドに接続される第１電極と、
   前記被検者の大腿部又は臀部に絶縁状態で対向する第２電極と、
   前記第２電極と前記グランドとの間の電位差の変化に基づいて心拍波を検出する心拍波検出部とを有する心拍波検出装置。
2. 前記第１電極は、乗り物のハンドルに配置され、
   前記第２電極は、前記乗り物の運転席のうち前記被検者としての運転者を下方から支持する着座部に配置されている請求項１に記載の心拍波検出装置。
3. 前記第２電極は、前記被検者の大腿部の真下となる位置に配置されている請求項２に記載の心拍波検出装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１の請求項に記載の心拍波検出装置と、
   前記心拍波検出装置の検出結果に基づいて心拍数を計数する演算部とを有する心拍数計測装置。