JP2019134953A - Biological information acquisition device and signal processing method - Google Patents

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努 藤田
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Abstract

To calculate a heartbeat interval from biological information including a ballistocardiogram or a biovibration signal.SOLUTION: A biological information acquisition device comprises: biological information acquiring means for acquiring biological information including at least a ballistocardiogram or a biovibration signal of an animal; and heartbeat interval calculating means for calculating variation in heartbeat interval from the biological information. The heartbeat interval calculating means subjects a signal derived from a ballistocardiogram waveform or a biovibration signal to a process of filtering with a frequency higher than a heartbeat frequency as a minimum frequency and taking an absolute value with respect to a signal having passed through the filter.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、動物から取得した生体情報に基づいて、心理ストレス又は睡眠状態の指標となる情報を取得する装置又は方法、又は動物の睡眠状態測定装置又は方法に関する。さらに、本発明は、動物から取得した生体情報から心拍波形又は呼吸波形を抽出する方法に関する。   The present invention relates to an apparatus or method for acquiring information serving as an indicator of psychological stress or sleep state based on biological information acquired from an animal, or an animal sleep state measurement apparatus or method. Furthermore, the present invention relates to a method for extracting a heartbeat waveform or a respiratory waveform from biological information acquired from an animal.

社会の高度化によってもたらされるストレス、あるいは少子高齢化が益々進展する中で、呼吸器・循環器疾患患者が増加しつつあり、呼吸循環機能の把握やその予防はますます重要になりつつある。従来、心理ストレス評価法は、問診による主観的評価、血圧、心拍数、皮膚温、発汗などの生理指標、カテコールアミンやコルチゾールなどの液性ストレスマーカーの計測など、医療機関での計測が主であり、個人が計測できる指標ではなかった。心電図を計測して心拍リズムゆらぎを抽出し、その周波数解析から間接的に自律神経活動を推定してストレス指標として用いる手法も提案されているが、呼吸周波数や一回換気量の影響を受け、ストレス負荷がない状態でも指標が変化するため汎化的な評価法になっていない。また、年齢の依存性やフィットネスの影響など個人差も大きく定量的に評価できないという問題があった(非特許文献1)。   As the stress brought on by sophistication of society and the aging of the birthrate continue to increase, the number of patients with respiratory and circulatory diseases is increasing, and understanding and prevention of respiratory circulatory functions is becoming increasingly important. Conventionally, psychological stress assessment methods have mainly been measured at medical institutions such as subjective assessments through interviews, physiological indices such as blood pressure, heart rate, skin temperature, and sweating, and measurement of liquid stress markers such as catecholamine and cortisol. It was not an indicator that individuals could measure. A method of measuring an electrocardiogram to extract heart rate rhythm fluctuation, indirectly estimating autonomic nerve activity from its frequency analysis and using it as a stress index has also been proposed, but affected by the respiratory frequency and tidal volume, Since the index changes even in the absence of stress load, it is not a generalized evaluation method. In addition, there is a problem that individual differences such as age dependency and fitness influence cannot be quantitatively evaluated (Non-patent Document 1).

非特許文献2には、心拍間隔の変動と呼吸パターンの瞬時位相差の位相コヒーレンスが心理ストレスと相関しており、位相コヒーレンスを心理ストレスの指標とが評価できる可能性があると開示されている。非特許文献2では、胸部に貼付した電極により心電図を取得し、胸部及び腹部に巻いて装着した呼吸努力ベルトで呼吸パターンを実測し、心電図から心拍間隔の変動(呼吸性洞性不整脈)を算出し、さらに心拍間隔の変動の瞬時位相を算出し、また、呼吸パターンの瞬時位相を算出し、これらから時刻tにおける心拍と呼吸リズムの瞬時位相差Ψ(t)jを求め、得られた瞬時位相差を使用して、式(1)により位
相コヒーレンスを算出することが記載されている。式(1)のNはサンプリングされたデータ数であり、N個平均して求める。
Non-Patent Document 2 discloses that the phase coherence of heartbeat interval fluctuation and the instantaneous phase difference of the respiratory pattern correlates with psychological stress, and the phase coherence may be evaluated as an index of psychological stress. . In Non-Patent Document 2, an electrocardiogram is obtained with electrodes attached to the chest, the respiratory pattern is measured with a breathing effort belt worn around the chest and abdomen, and heart rate interval fluctuations (respiratory sinus arrhythmia) are calculated from the electrocardiogram. Further, the instantaneous phase of the fluctuation of the heartbeat interval is calculated, the instantaneous phase of the breathing pattern is calculated, and the instantaneous phase difference Ψ (t) j between the heartbeat and the breathing rhythm at time t is obtained from these, and the obtained instantaneous It is described that the phase coherence is calculated by the equation (1) using the phase difference. N in Expression (1) is the number of sampled data, and is obtained by averaging N data.

位相コヒーレンスは、0〜1の値をとり、心拍間隔の変動と呼吸パターンの瞬時位相差が一定の関係に近いほど1に近づき、瞬時位相差がランダムになるほど0に近づく。安静リラックス時には位相コヒーレンスが1に近く,精神ストレスがかかると位相コヒーレンスが低下するので,心理ストレスを正規化した指標で推定することが可能となる。   The phase coherence takes a value of 0 to 1, approaching 1 as the fluctuation of the heartbeat interval and the instantaneous phase difference of the breathing pattern are closer to a fixed relationship, and approaching 0 as the instantaneous phase difference becomes random. When resting and relaxing, the phase coherence is close to 1, and when mental stress is applied, the phase coherence decreases. Therefore, it is possible to estimate psychological stress with a normalized index.

ところで、ヒトの睡眠はノンレム睡眠とレム睡眠に大別され、睡眠中に約90分周期で繰り返すと言われている。客観的に眠りの質や量(睡眠周期や睡眠深度)を評価する為には、睡眠ポリグラフィが必要であり、医療機関での計測や医療機関から機器を借りてきて計測が行われるが、脳波や心電図、筋電図、眼電図などの複数のセンサが必要であり、取り扱いが煩雑である。また、複数のセンサを身体の各所に固定する必要があり、センサによる拘束で動きが制限されていた。睡眠中の無意識の動作によってセンサが外れる可能性
もあり、センサが外れると信号が検出できず、状態を把握できない点でも問題があった。さらに、装置が大型であるため、個人で評価できるような指標ではなく、睡眠の質を個人が把握できる状況には至っていない。このため、個人が簡便にストレス状態や睡眠の質を把握できる生体計測手法とその装置が求められている。
By the way, it is said that human sleep is roughly classified into non-REM sleep and REM sleep, and is repeated at a cycle of about 90 minutes during sleep. In order to objectively evaluate the quality and quantity of sleep (sleep cycle and sleep depth), polysomnography is required, and measurements are taken at medical institutions and borrowed from medical institutions. A plurality of sensors such as an electroencephalogram, an electrocardiogram, an electromyogram, and an electrooculogram are necessary, and handling is complicated. In addition, it is necessary to fix a plurality of sensors to various parts of the body, and movement is restricted by restraint by the sensors. There is a possibility that the sensor may come off due to unconscious movement during sleep, and there is a problem in that the signal cannot be detected and the state cannot be grasped if the sensor is removed. Furthermore, since the apparatus is large, it is not an index that can be evaluated by an individual, but has not yet reached a situation where an individual can grasp the quality of sleep. For this reason, there is a need for a biometric technique and apparatus that allows an individual to easily grasp the stress state and sleep quality.

また、高齢者の孤独死や介護施設で不幸にして亡くなった場合、事故死なのか病死なのか判断がつかない場合が多い。このような事態を防ぐために、日常の身体活動を拘束せずに無侵襲で容易に計測できる生体情報計測機器の登場が待ち望まれている。特許文献1には、ベッドパッド又はマットレスの上部や下部に、人の身体から発生する振動を検出する圧電センサを設置し、非拘束タイプの圧電センサを用いて身体振動信号を検出することが開示されている。さらに、圧電センサによって検出した身体振動信号を差動信号増幅アンプによって増幅した後、対象とする人に起因する身体振動である心臓の拍動(心拍数換算:30〜240回/分、周波数帯域換算:0.5〜4Hz)による振動、肺呼吸活動(呼吸数換算:60回/分以下、周波数帯域換算:1Hz以下)による振動、鼾に起因する鼾振動を分離フィルタ機能を用いて抽出することが開示されている。特許文献1では、心臓の拍動に起因する拍動振動、肺呼吸活動に起因する肺呼吸振動または鼾振動が有りの状態が所定の存在継続時間以上を超えることで、人が所定場所に存在していること、及び拍動振動、肺呼吸振動または鼾振動が無い状態が所定の不在継続時間以上を超えることで、人が所定場所に不在であると判定している。   Also, when the elderly die lonely or die unfortunately at a nursing home, it is often impossible to judge whether the death is due to an accident or illness. In order to prevent such a situation, the appearance of a biological information measuring device that can be easily and non-invasively measured without restricting daily physical activity is awaited. Patent Document 1 discloses that a piezoelectric sensor that detects vibration generated from a human body is installed on the upper or lower portion of a bed pad or mattress, and a body vibration signal is detected using an unconstrained type piezoelectric sensor. Has been. Furthermore, after the body vibration signal detected by the piezoelectric sensor is amplified by the differential signal amplification amplifier, the heart beat (heart rate conversion: 30 to 240 times / minute, frequency band) that is the body vibration caused by the target person Conversion: 0.5 to 4 Hz) vibration, lung respiratory activity (respiration rate conversion: 60 times / min or less, frequency band conversion: 1 Hz or less), and sputum vibration caused by sputum are extracted using a separation filter function It is disclosed. In Patent Document 1, a person is present at a predetermined place when the state of pulsation vibration caused by heart beat, pulmonary respiratory vibration caused by pulmonary respiratory activity or sputum vibration exceeds a predetermined existence duration or longer. It is determined that the person is absent at the predetermined location by the fact that the absence of pulsation vibration, pulmonary respiratory vibration or vaginal vibration exceeds the predetermined absence continuation time.

特許文献1の人存在不在検出装置では、1個の圧電センサを用いて身体振動信号を取得し、身体振動信号を周波数フィルタにより分離して呼吸、心拍、鼾、体動の4つの信号を得ていた。周波数フィルタは、コンデンサや抵抗及びオペアンプ等で構成されたローパスフィルタ(LPF)やハイパスフィルタ(HPF)のアナログフィルタ、又は身体振動信号をA/Dコンバータでデジタル信号に変換し数値化されたデータをもとにCPU(中央処理装置)の演算処理にてフィルタリングを行なうデジタルフィルタの何れか一方又は双方で構成することが開示されている。   In the human absence detection device of Patent Document 1, a body vibration signal is obtained using one piezoelectric sensor, and the body vibration signal is separated by a frequency filter to obtain four signals of breathing, heartbeat, sputum, and body movement. It was. The frequency filter is a low-pass filter (LPF) or high-pass filter (HPF) analog filter composed of capacitors, resistors, operational amplifiers, etc., or a body vibration signal converted into a digital signal by an A / D converter and digitized data. It is disclosed that one or both of digital filters that perform filtering by arithmetic processing of a CPU (central processing unit) are used.

特開2013−210367号公報JP 2013-210367 A

Gary G Berntson, J. Thomas Bigger Jr. et al., “Heart rate variability: Origin, methods, and interpretive caveats”. Psychophysiology (USA) 34巻, p.623-648, 1997年Gary G Berntson, J. Thomas Bigger Jr. et al., “Heart rate variability: Origin, methods, and interpretive caveats”. Psychophysiology (USA) 34, p.623-648, 1997 Niizeki K and Saitoh T., “Incoherent oscillations of respiratory sinus arrhythmia during acute mental stress in humans”. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology (USA) 302巻, p.359-367, 2012年Niizeki K and Saitoh T., “Incoherent oscillations of respiratory sinus arrhythmia during acute mental stress in humans”. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology (USA) 302, p.359-367, 2012

上記のとおり、従来は、睡眠状態を測定するためには、医療機関における計測や大型の専用装置が必要であり、一般的な通常生活において測定することは困難であった。近年、睡眠障害が多発しており、自己管理の一環として簡易に睡眠状態を測定、観察又は評価できる手段が望まれていた。また、従来の装置は、複数のセンサを身体の各所に固定する必要があり、センサによる拘束で動きが制限されるため、できるだけセンサの数を減らしたいとの要望もあった。また、睡眠中の無意識の動作によってセンサが外れる可能性もあることから、取り付けが容易なセンサで測定できることも望まれていた。さらに、複数のセンサを身体の各所に固定する煩雑さを緩和することも求められていた。   As described above, conventionally, in order to measure a sleep state, measurement in a medical institution or a large dedicated device is required, and it has been difficult to measure in a general normal life. In recent years, sleep disorders have frequently occurred, and a means for easily measuring, observing or evaluating a sleep state has been desired as part of self-management. In addition, since the conventional apparatus needs to fix a plurality of sensors to various parts of the body, and the movement is restricted by restraint by the sensors, there has been a demand for reducing the number of sensors as much as possible. In addition, since there is a possibility that the sensor may come off due to unconscious movement during sleep, it has also been desired that measurement can be performed with a sensor that can be easily attached. Furthermore, it has been required to alleviate the complexity of fixing a plurality of sensors to various parts of the body.

別の課題として、非特許文献1に記載されたストレス評価法は、上記のとおり、ストレス負荷がない状態でも指標が変化すること、年齢の依存性やフィットネスの影響など個人差も大きく定量的に評価できないという問題があった。また、非特許文献2に記載された方法では、心拍を検出するための心電図用のセンサと呼吸パターンを検出するためのセンサが必要であった。特に、呼吸パターンを検出するためのセンサとして、口と鼻を覆うマスクを装着して呼吸量を測定するセンサの場合は、日常生活、運動中又は睡眠中において測定するのが困難である上に、マスク装着によってストレスが生じる虞があった。よって、より負担がなく、ストレスフリーな状態でストレスを評価可能な手法の開発が望まれていた。   As another problem, as described above, the stress evaluation method described in Non-Patent Document 1 has quantitatively large individual differences such as changes in indices even in the absence of a stress load, age dependency and fitness effects. There was a problem that could not be evaluated. Further, the method described in Non-Patent Document 2 requires an electrocardiogram sensor for detecting a heartbeat and a sensor for detecting a breathing pattern. In particular, as a sensor for detecting a breathing pattern, a sensor that measures a respiration rate by wearing a mask covering the mouth and nose is difficult to measure in daily life, during exercise, or during sleep. There was a risk that stress would be caused by wearing the mask. Therefore, it has been desired to develop a method that can evaluate stress in a stress-free state with less burden.

また、別の課題として、特許文献1に記載されているように、1つの圧電センサから取得した身体振動信号から周波数フィルタを用いて心拍情報や呼吸情報を取得する場合、抽出される呼吸情報や心拍情報として、できるだけ精度の高い情報を得ることが望まれていた。特に、上記のようなストレス評価にも使用可能な精度で心拍情報又は呼吸情報を複数の情報が混在した信号から間接的に心拍間隔の変動や呼吸パターンを取得する方法が求められている。   As another problem, as described in Patent Document 1, when acquiring heart rate information and respiration information from a body vibration signal acquired from one piezoelectric sensor using a frequency filter, As heart rate information, it has been desired to obtain information as accurate as possible. In particular, there is a need for a method of indirectly acquiring heartbeat interval fluctuations and breathing patterns from a signal in which a plurality of pieces of information of heartbeat information or breathing information are mixed with accuracy that can also be used for stress evaluation as described above.

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決することを目的とするものである。   An object of the present invention is to solve at least a part of the problems described above.

前記課題を解決するために、本発明の睡眠状態測定装置は、動物の睡眠中に取得した心拍間隔の変動の瞬時位相と、前記心拍間隔の変動と同一時系列における前記動物の呼吸パターンの瞬時位相との間の瞬時位相差に基づいて位相コヒーレンスを算出する位相コヒーレンス算出手段を含む。さらに、睡眠状態測定装置は、心電図を計測するセンサと、前記センサで計測した動物の心電図から呼吸パターンに関する信号を抽出する呼吸波形抽出手段とを有していてもよい。また、睡眠状態測定装置は、振動を計測するセンサと、前記センサで計測した信号から心拍間隔の変動を算出する心拍間隔算出手段と、前記センサで計測した信号から呼吸パターンに関する信号を抽出する呼吸波形抽出手段とを含んでいてもよい。上記睡眠状態測定装置は、前記センサのサンプリング周波数が100Hz以上であることが好ましい。さらに、上記睡眠状態測定装置は、前記位相コヒーレンス算出手段で算出した位相コヒーレンスに基づいて、睡眠状態等を判定する判定機能を有していてもよい。前記判定機能は、さらに前記呼吸パターンから睡眠中の呼吸状態を判定してもよい。   In order to solve the above-mentioned problems, the sleep state measuring apparatus of the present invention provides an instantaneous phase of fluctuation of a heartbeat interval acquired during sleep of an animal, and an instantaneous respiratory pattern of the animal in the same time series as the fluctuation of the heartbeat interval. Phase coherence calculating means for calculating phase coherence based on the instantaneous phase difference from the phase is included. Furthermore, the sleep state measurement apparatus may include a sensor that measures an electrocardiogram, and a respiratory waveform extraction unit that extracts a signal related to a respiratory pattern from the electrocardiogram of the animal measured by the sensor. In addition, the sleep state measurement device includes a sensor that measures vibration, a heartbeat interval calculation unit that calculates a fluctuation of a heartbeat interval from a signal measured by the sensor, and a breath that extracts a signal related to a respiratory pattern from the signal measured by the sensor Waveform extracting means may be included. In the sleep state measuring device, the sampling frequency of the sensor is preferably 100 Hz or more. Furthermore, the sleep state measurement apparatus may have a determination function for determining a sleep state or the like based on the phase coherence calculated by the phase coherence calculation unit. The determination function may further determine a respiratory state during sleep from the respiratory pattern.

また、本発明の睡眠状態を測定する方法は、動物の睡眠中に取得した同一時系列における心拍間隔の変動と呼吸周波数との間の瞬時位相差の位相コヒーレンスに基づいて睡眠状態を測定する。さらに、上記睡眠状態を測定する方法において、前記動物の心電図を計測し、計測した心電図から呼吸パターンに関する信号を取得してもよい。また、上記睡眠状態を測定する方法において、前記動物の心弾動図波形又は生体振動信号を計測し、計測した心弾動図波形又は生体振動信号から心拍間隔の変動と呼吸パターンに関する信号を取得してもよく、さらに、前記動物の心弾動図波形又は生体振動信号から心弾動の伝達特性を推定し、前記伝達特性の逆伝達関数を前記動物の心弾動図波形又は生体振動信号に用いて心拍波形を取得することが好ましい。   Moreover, the method for measuring a sleep state of the present invention measures the sleep state based on the phase coherence of the instantaneous phase difference between the fluctuation of the heartbeat interval and the respiratory frequency in the same time series acquired during the sleep of the animal. Furthermore, in the method for measuring the sleep state, an electrocardiogram of the animal may be measured, and a signal related to a respiratory pattern may be acquired from the measured electrocardiogram. Further, in the method for measuring a sleep state, a cardiac motion diagram waveform or a biological vibration signal of the animal is measured, and a signal relating to a heartbeat interval variation and a respiratory pattern is obtained from the measured cardiac motion diagram waveform or the biological vibration signal. Further, the transfer characteristic of the heart and ball motion is estimated from the animal's heart and ball movement diagram waveform or the biological vibration signal, and the inverse transfer function of the transfer characteristic is determined as the animal's heart and ball movement diagram waveform or the biological vibration signal. It is preferable to use for acquiring a heartbeat waveform.

また、本発明の位相コヒーレンス算出装置は、少なくとも動物の心拍に関する情報及び呼吸に関する情報の両方を含む生体情報を取得する生体情報取得手段と、前記生体情報から呼吸パターンを抽出する呼吸波形抽出手段と、前記生体情報から心拍間隔の変動を算出する心拍間隔算出手段と、前記呼吸パターンと前記心拍間隔の変動との間の瞬時位相差の位相コヒーレンスを算出する位相コヒーレンス算出手段とを含む。上記位相コヒーレンス算出装置において、前記生体情報は心電図であってもよいし、前記生体情報は心弾動図波
形又は生体振動信号であってもよい。上記位相コヒーレンス算出装置において、前記生体情報は100Hz以上のサンプリング周波数で取得されることが好ましい。
Further, the phase coherence calculation device of the present invention includes biological information acquisition means for acquiring biological information including at least information related to the heartbeat and respiration information of an animal, and respiratory waveform extraction means for extracting a respiratory pattern from the biological information. , Heart rate interval calculation means for calculating heartbeat interval fluctuations from the biological information, and phase coherence calculation means for calculating phase coherence of the instantaneous phase difference between the breathing pattern and heartbeat interval fluctuations. In the phase coherence calculating apparatus, the biological information may be an electrocardiogram, and the biological information may be a cardiogram waveform or a biological vibration signal. In the phase coherence calculation apparatus, the biological information is preferably acquired at a sampling frequency of 100 Hz or more.

また、本発明のストレス測定装置は、上記位相コヒーレンス算出装置を備えたものである。また、本発明の睡眠状態測定装置は、上記位相コヒーレンス算出装置を備えたものである。   A stress measurement apparatus according to the present invention includes the above-described phase coherence calculation apparatus. Moreover, the sleep state measuring apparatus of this invention is equipped with the said phase coherence calculation apparatus.

また、本発明の心拍波形抽出方法は、動物の心弾動図波形又は生体振動信号から心拍波形を抽出する方法であって、前記心弾動図波形又は生体振動信号から心弾動の伝達特性を推定し、前記伝達特性の逆伝達関数を前記心弾動図波形又は生体振動信号に用いて心拍波形を取得する。上記心拍波形抽出方法において、前記心弾動図波形又は生体振動信号を一回の心拍が含まれるように波形断片を切り出し、複数の前記波形断片を重ね合わせて平均化して心弾動の伝達特性を推定することが好ましい。   Further, the heartbeat waveform extracting method of the present invention is a method for extracting a heartbeat waveform from an animal's cardiac motion waveform or biological vibration signal, and the transfer characteristics of the cardiac motion from the cardiac motion diagram waveform or biological vibration signal. And the heartbeat waveform is acquired using the inverse transfer function of the transfer characteristic as the cardiogram waveform or biological vibration signal. In the above heartbeat waveform extraction method, the cardiac motion diagram waveform or the biological vibration signal is cut out so as to include one heartbeat, and a plurality of the waveform fragments are overlapped and averaged to transfer the cardiac motion. Is preferably estimated.

また、本発明の心拍間隔算出方法は、動物の心弾動図波形又は生体振動信号から心拍間隔を算出する方法であって、前記心弾動図波形又は生体振動信号に由来する信号に対し、心拍の周波数よりも高い周波数を下限周波数とするハイパスフィルタを通過させ、前記ハイパスフィルタを通過させた後の信号について絶対値をとる処理を行うことを特徴とする。   Further, the heartbeat interval calculation method of the present invention is a method for calculating a heartbeat interval from an animal cardiogram waveform or biological vibration signal, and for a signal derived from the cardiogram waveform or biological vibration signal, A process of obtaining an absolute value of a signal after passing through a high-pass filter having a frequency lower than the heartbeat frequency as a lower limit frequency and passing through the high-pass filter is performed.

また、本発明の信号処理方法は、動物の心拍に関する情報を含んだ生体情報又は呼吸に関する情報を含んだ生体情報の信号処理方法であって、前記生体情報に由来する信号のパワースペクトルから上限周波数又は下限周波数を求め、前記上限周波数又は下限周波数を遮断周波数とするフィルタを通過させる処理を含むことを特徴とする。   The signal processing method of the present invention is a biological information signal processing method including biological information including information related to the heartbeat of an animal or information related to respiration, and an upper limit frequency from a power spectrum of a signal derived from the biological information. Alternatively, it includes a process of obtaining a lower limit frequency and passing through a filter having the upper limit frequency or the lower limit frequency as a cutoff frequency.

本発明の睡眠状態測定装置及び方法は、心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相との瞬時位相差の位相コヒーレンスが、δ波の振幅と相関関係があることを利用して睡眠状態を測定することができる。位相コヒーレンスは、呼吸周波数の影響を受けにくく、より正確に睡眠状態を測定することができる。また、一つのセンサでも睡眠状態測定装置を実現することが可能であり、使用者に負担が少なくストレスを感じにくい装置を提供できる。特に振動を計測するセンサの場合は動物を拘束せずに計測することが可能であり、より簡便な装置を提供できる。位相コヒーレンスは、リアルタイムに測定することができ、ノンレム睡眠時間の発生時点やノンレム―レム睡眠のリズム周期を測定することができ、睡眠状態を的確に把握することができる。また、同時に呼吸パターンを測定又は抽出しているので、睡眠時の無呼吸状態を検出することも可能である。   The sleep state measuring apparatus and method of the present invention uses the fact that the phase coherence of the instantaneous phase difference between the instantaneous phase of the heartbeat interval and the instantaneous phase of the breathing pattern correlates with the amplitude of the δ wave. Can be measured. Phase coherence is less affected by the respiratory frequency and can more accurately measure the sleep state. In addition, it is possible to realize a sleep state measuring device with a single sensor, and it is possible to provide a device that is less burdensome for the user and less likely to feel stress. In particular, in the case of a sensor that measures vibration, measurement can be performed without restraining the animal, and a simpler device can be provided. The phase coherence can be measured in real time, the occurrence point of non-REM sleep time and the rhythm cycle of non-REM-REM sleep can be measured, and the sleep state can be accurately grasped. Moreover, since the respiratory pattern is measured or extracted at the same time, it is possible to detect an apnea state during sleep.

本発明の位相コヒーレンス算出装置は、少なくとも動物の心拍に関する情報及び呼吸に関する情報の両方を含む生体情報から、心拍間隔の変動と呼吸パターンを取得して、位相コヒーレンスを算出するので、一つのセンサで実現され、使用者に負担が少なくストレスを感じにくい装置を提供できる。特に振動を計測するセンサの場合は動物を拘束せずに計測することが可能であり、より簡便な装置を提供できる。位相コヒーレンスを測定することで、呼吸周波数に依存せずにリアルタイムで被測定者の心理ストレス状態や睡眠状態を確認することが可能となる。   The phase coherence calculation apparatus according to the present invention obtains the fluctuation of the heartbeat interval and the respiration pattern from the biological information including at least information related to the heartbeat and respiration of the animal, and calculates the phase coherence. An apparatus that is realized and less burdensome to the user can be provided. In particular, in the case of a sensor that measures vibration, measurement can be performed without restraining the animal, and a simpler device can be provided. By measuring the phase coherence, it is possible to confirm the psychological stress state and sleep state of the measurement subject in real time without depending on the respiratory frequency.

睡眠中の脳波におけるδ波の振幅及び睡眠中の位相コヒーレンスの時間的変化を示す図。The figure which shows the temporal change of the amplitude of (delta) wave in the brain wave during sleep, and the phase coherence during sleep. 睡眠状態測定装置の概略ブロック図。The schematic block diagram of a sleep state measuring apparatus. 睡眠状態測定装置の一実施形態。One embodiment of a sleep state measuring device. (A)は、心電図波形(上)と抽出した呼吸パターン(下実線)及び呼吸パターンの実測値(下点線)であり、(B)は、心拍間隔の変動を示すグラフであり、(C)は、実線が心拍間隔の変動の瞬時位相(上実線)及び呼吸パターンの瞬時位相(上点線)と算出した位相コヒーレンスλ(下)である。(A) is an electrocardiogram waveform (upper), an extracted respiratory pattern (lower solid line), and an actual measured value (lower dotted line) of the respiratory pattern, (B) is a graph showing fluctuations in heartbeat intervals, (C) The solid line is the calculated phase coherence λ (lower) and the instantaneous phase (upper solid line) of the fluctuation of the heartbeat interval and the instantaneous phase of the breathing pattern (upper dotted line). 呼吸数を1分間に8、10、12、15、18、20、24回で変化させた時の心電図から抽出した推定呼吸周波数と、実測呼吸周波数の相関関係を示す図。The figure which shows the correlation of the estimated respiration frequency extracted from the electrocardiogram when changing the respiration rate by 8, 10, 12, 15, 18, 20, 24 times per minute, and the actual measurement respiration frequency. 呼吸数を1分間に8、10、12、15、18、20、24回で変化させた時の推定呼吸周波数を用いて算出した位相コヒーレンスλecgと実測呼吸周波数を用いて算出した位相コヒーレンスλの相関関係を示す図。Phase coherence λ ecg calculated using the estimated respiratory frequency when the respiration rate is changed at 8, 10, 12, 15, 18, 20, 24 times per minute and phase coherence λ calculated using the measured respiratory frequency FIG. 位相コヒーレンス算出装置の概略ブロック図。The schematic block diagram of a phase coherence calculation apparatus. (A)は、心弾動図波形(上)と心弾動図波形から抽出された模擬心電図波形(下)であり、(B)は、心弾動図波形から求めた平均の伝達特性。(A) is an electrocardiogram waveform (upper) and a simulated electrocardiogram waveform (lower) extracted from the electrocardiogram waveform, and (B) is an average transfer characteristic obtained from the electrocardiogram waveform. 心電図波形を取得する際のサンプリング周波数として、1kHz、500Hz、200Hz、100Hz、50Hzと変化させた場合の位相コヒーレンスを比較した図。The figure which compared the phase coherence at the time of changing with 1kHz, 500Hz, 200Hz, 100Hz, 50Hz as a sampling frequency at the time of acquiring an electrocardiogram waveform. (A)は、安静時における心拍(実線)と呼吸(点線)の瞬時位相であり、(B)は、安静時の心拍と呼吸の瞬時位相のリサージュ図である。(C)は、暗算課題時(ストレス状態)における心拍(実線)と呼吸(点線)の瞬時位相であり、(D)は、暗算課題時の心拍と呼吸の瞬時位相のリサージュ図であり、(E)及び(F)は、安静状態と暗算課題時の呼吸性不整脈(RSA)及び位相コヒーレンスの変化を示す図。(A) is the instantaneous phase of the heartbeat (solid line) and breathing (dotted line) at rest, and (B) is a Lissajous diagram of the heartbeat and breathing instantaneous phase at rest. (C) is the instantaneous phase of heartbeat (solid line) and breathing (dotted line) during the mental arithmetic task (stress state), and (D) is a Lissajous diagram of the instantaneous phase of heartbeat and breathing during the mental arithmetic task ( E) and (F) are diagrams showing changes in respiratory arrhythmia (RSA) and phase coherence during a resting state and mental arithmetic task. 自発的に呼吸周波数を15回/分から25回/分に変化させた場合の心拍間隔(RRI)、呼吸性不整脈の振幅(ARSA)、位相コヒーレンス(λ)及び呼吸周波数(fR)を示す図。The heart rate interval (RRI), respiratory arrhythmia amplitude (A RSA ), phase coherence (λ), and respiratory frequency (f R ) when the respiratory frequency is spontaneously changed from 15 times / minute to 25 times / minute are shown. Figure. シート型圧電センサの構造を示す図。The figure which shows the structure of a sheet type piezoelectric sensor. 実施例で検出、算出した信号波形を示す図。The figure which shows the signal waveform detected and calculated in the Example. 心電図及び生体振動信号由来の信号のパワースペクトル密度(PSD)を示す図。The figure which shows the power spectral density (PSD) of the signal derived from an electrocardiogram and a biological vibration signal.

[睡眠状態測定装置及び方法]
睡眠の状態は、脳波と眼球運動のパターンによって分類されている。脳波は脳の神経活動に伴う電位差によって発生する電流の時間的変化を記録した脳電図(Electroencephalogram、「EEG」)で計測される。覚醒状態において、安静時にはα波(周波数:8〜13Hz、振幅:約50μV)が主成分であるが、精神活動中はα波が抑制され、振幅の小さいβ波(周波数:14〜Hz、振幅:多くは約30μV以下)が現れる。浅い睡眠の段階ではα波が徐々に減少し、θ波(周波数:4〜8Hz)が現れ、深い睡眠中はδ波(周波数:1〜4Hz)が現れる。α波よりも周波数の速いβ波を速波と呼ぶこともある。また、α波よりも周波数の遅い脳波を徐波と呼ぶこともあり、θ波やδ波は徐波の一種である。
[Sleep state measuring device and method]
Sleep states are classified according to brain wave and eye movement patterns. The electroencephalogram is measured by an electroencephalogram (Electroencephalogram, “EEG”) that records temporal changes in the current generated by the potential difference associated with the neural activity of the brain. In the awake state, α waves (frequency: 8 to 13 Hz, amplitude: about 50 μV) are the main components when resting, but α waves are suppressed during mental activity, and β waves (frequency: 14 to Hz, amplitude) with a small amplitude. : In many cases, about 30 μV or less) appears. In a shallow sleep stage, α waves gradually decrease, θ waves (frequency: 4 to 8 Hz) appear, and δ waves (frequency: 1 to 4 Hz) appear during deep sleep. A β wave having a faster frequency than the α wave may be called a fast wave. In addition, an electroencephalogram having a frequency lower than that of an α wave is sometimes referred to as a slow wave, and a θ wave or a δ wave is a kind of slow wave.

睡眠は、大きくはレム睡眠とノンレム睡眠に分類されるが、ノンレム睡眠は、さらにステージIからIVまでの4段階に分類される。ステージI(まどろみ期、入眠期)は、うとうとした状態であり、α波のリズムが失われ、徐々に平坦化する。ステージIIは、ステージIよりは眠りが深い状態であり、睡眠紡錘波(spindle)とK複合波が出現する。ステージIIIは、かなり深い睡眠であり、δ波が20%以上50%未満を占める。ステージIVは、δ波が50%以上を占める段階であり、最も深い睡眠状態である。ノンレム睡眠のステージIII及びIVは、脳波が徐波を示すことから徐波睡眠とも呼ばれる。一方、レム睡眠は、覚醒時に似た低振幅速波パターンの脳波を示すのに、覚醒させるために徐波睡眠よりも強い刺激を必要とする深い睡眠状態であり、急速眼球運動を伴う。睡眠状態は、通常、約90分の周期(睡眠周期)で変動し、ステージIから徐々に睡眠が
深くなり、その後、一旦睡眠が浅くなり、レム睡眠に移行する。ただし、睡眠時間にも影響し、睡眠の前半ではノンレム睡眠が優勢であり、後半はレム睡眠が優勢となることが多い。上記のように、脳波における周波数1〜4Hzのδ波は、徐波睡眠において観察されることから、δ波を睡眠の深さの指標とすることができる。
Sleep is broadly classified into REM sleep and non-REM sleep, but non-REM sleep is further classified into four stages from stage I to IV. Stage I (slumbering period, falling asleep period) is a state in which the rhythm of the α wave is lost and it gradually flattens. Stage II is a state where sleep is deeper than stage I, and a sleep spindle and a K complex wave appear. Stage III is quite deep sleep, and δ waves account for 20% or more and less than 50%. Stage IV is a stage in which δ waves occupy 50% or more, and is the deepest sleep state. Non-REM sleep stages III and IV are also called slow wave sleep because the brain waves show a slow wave. On the other hand, REM sleep is a deep sleep state that requires a stronger stimulus than slow wave sleep in order to wake up, although it shows a brain wave with a low-amplitude fast wave pattern that resembles awakening, and is accompanied by rapid eye movement. The sleep state usually fluctuates in a cycle of about 90 minutes (sleep cycle), and sleep gradually deepens from stage I, and then sleep becomes shallow and then shifts to REM sleep. However, sleep time is also affected, and non-REM sleep is predominant in the first half of sleep, and REM sleep is predominant in the second half. As described above, a δ wave having a frequency of 1 to 4 Hz in an electroencephalogram is observed in slow wave sleep, and thus the δ wave can be used as an indicator of sleep depth.

本発明者らは、睡眠中の心拍間隔の変動と呼吸パターンの瞬時位相差の位相コヒーレンス(以下、「位相コヒーレンス」という)が、睡眠中の脳波におけるδ波と相関していることを発見し、位相コヒーレンスを計測することにより、睡眠状態を測定できることを発明したのである。図1は、睡眠中の検体の脳波におけるδ波の振幅(δ)と位相コヒーレンス(λ)の時間的変化を示すものである。図1から、δ波の振幅が大きくなると位相コヒーレンス(λ)が1に近づき、δ波の振幅が小さくなると位相コヒーレンス(λ)が0に近づく傾向があり、両者の相関関係が確認された。被験者11名による計測では、λとδ波との相関係数の平均は0.53であり、その標準偏差は0.10であった。また,λの変化はδ波の変化に平均で11.6分先行していた。   The present inventors have found that the phase coherence of the heartbeat interval variation during sleep and the instantaneous phase difference of the respiratory pattern (hereinafter referred to as “phase coherence”) correlates with the δ wave in the brain wave during sleep. It was invented that the sleep state can be measured by measuring the phase coherence. FIG. 1 shows temporal changes in the amplitude (δ) and phase coherence (λ) of a δ wave in an electroencephalogram of a subject during sleep. From FIG. 1, the phase coherence (λ) tends to approach 1 when the amplitude of the δ wave increases, and the phase coherence (λ) tends to approach 0 when the amplitude of the δ wave decreases, confirming the correlation between the two. In the measurement by 11 subjects, the average correlation coefficient between λ and δ waves was 0.53, and the standard deviation was 0.10. Moreover, the change of λ preceded the change of δ wave on average by 11.6 minutes.

位相コヒーレンスは、2つの信号間の位相差のばらつきの程度を示すものであり、本発明においては、呼吸由来の心拍間隔の変動の位相差と呼吸パターンの位相差とのばらつきの程度を示す。心拍間隔は、呼吸性不整脈(RSA)により、息を吸ったとき(吸気時)に短くなり、息を吐いたとき(呼気時)に長くなることから、心拍間隔は呼吸の影響により呼吸パターンと類似の周期で変動する。そして、上記の発見によれば、睡眠の深度が深い場合(δ波が優勢の場合)は、心拍間隔の変動と呼吸パターンの位相差のばらつきは少なく(位相コヒーレンスが1に近い)、睡眠の深度が浅くなるとばらつきが大きくなる(位相コヒーレンスが0に近い)。   The phase coherence indicates the degree of variation in the phase difference between two signals. In the present invention, it indicates the degree of variation between the phase difference of the heart rate interval derived from respiration and the phase difference of the respiration pattern. The heart rate interval is shortened when inhaling (during inspiration) and longer when exhaling (during exhalation) due to respiratory arrhythmia (RSA). It fluctuates with a similar period. And according to the above findings, when the depth of sleep is deep (when δ waves are dominant), the fluctuation of the heartbeat interval and the variation in the phase difference of the breathing pattern are small (phase coherence is close to 1), As the depth decreases, the variation increases (phase coherence is close to 0).

位相コヒーレンスは、同一時系列における心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相との瞬時位相差を各心拍間隔の情報及び呼吸パターンから算出することが可能である。各心拍間隔の情報は、心拍の情報を含んだ生体情報から取得することができる。心拍の情報を含んだ生体情報とは、例えば、心拍に伴う活動電位の時間的変化を計測した心電図、心拍に伴う振動の時間的変化を計測した心弾動図波形、動物の振動(心弾動を含む)の時間的変化を計測した生体振動信号等が利用可能である。また、呼吸パターンは、呼吸パターンの情報を含んだ生体情報から取得することもできる。呼吸パターンの情報を含んだ生体情報とは、例えば、呼吸による空気の流れを計測した実測値、呼吸に伴う胸郭インピーダンス変化を計測した実測値、呼吸による温度変化を計測した実測値、呼吸運動に伴う腹部の動きを計測した実測値、心電図、心弾動図波形、生体振動信号等が利用可能である。心電図は、心拍に伴う心筋活動電位の時間的変化を体表面から計測するものであるが、呼吸に伴う体表面電位の時間的変化も含むものであり、心拍の情報及び呼吸パターンの情報の両方を含む生体情報である。また、心弾動図波形は、心拍に伴う振動の時間的変化を計測するものであるが、呼吸に伴う振動の時間的変化も含むものであり、心拍の情報及び呼吸パターンの情報の両方を含む生体情報である。また、生体振動信号は、動物の振動を計測するものであり、かかる振動には、心拍に伴う振動、呼吸に伴う振動も含まれており、心拍の情報及び呼吸パターンの情報の両方を含む生体情報である。心電図、心弾動図波形又は生体振動信号の一つ又は複数を組み合わせて、位相コヒーレンスの算出に必要なレベルで心拍の情報又は呼吸パターンの情報を抽出し、抽出した心拍の情報又は呼吸パターンの情報に基づいて位相コヒーレンスの算出に利用することができる。   The phase coherence can calculate the instantaneous phase difference between the instantaneous phase of the fluctuation of the heartbeat interval and the instantaneous phase of the breathing pattern in the same time series from the information of each heartbeat interval and the breathing pattern. Information about each heartbeat interval can be acquired from biological information including heartbeat information. Biological information including heartbeat information includes, for example, an electrocardiogram obtained by measuring temporal changes in action potentials associated with heartbeats, a cardiocardiogram waveform obtained by measuring temporal changes in vibrations associated with heartbeats, and animal vibrations (cardiac bullets). A biological vibration signal or the like obtained by measuring a temporal change in the movement (including movement) can be used. The respiratory pattern can also be acquired from biological information including information on the respiratory pattern. Biological information including respiratory pattern information includes, for example, measured values that measure the flow of air due to breathing, measured values that measure changes in thoracic impedance associated with breathing, measured values that measure temperature changes due to breathing, and respiratory motion. Measured values, electrocardiograms, electrocardiogram waveforms, biological vibration signals, and the like obtained by measuring the accompanying abdominal movement can be used. An electrocardiogram measures temporal changes in myocardial action potential associated with a heartbeat from the body surface, but also includes temporal changes in body surface potential associated with respiration, both heartbeat information and respiratory pattern information. Is biometric information. In addition, the cardiocardiogram waveform measures temporal changes in vibration associated with the heartbeat, but also includes temporal changes in vibration associated with breathing, and includes both heartbeat information and respiratory pattern information. It is biometric information including. The biological vibration signal is for measuring the vibration of an animal. Such vibration includes vibrations associated with heartbeats and vibrations associated with respiration, and includes both information on heartbeats and respiratory pattern information. Information. By combining one or more of ECG, ECG waveform or biological vibration signal, heart rate information or respiratory pattern information is extracted at a level necessary for calculating phase coherence, and extracted heart rate information or respiratory pattern information Based on the information, it can be used to calculate phase coherence.

位相コヒーレンスは、呼吸に伴う心拍間隔の変動の瞬時位相ψh(t)と呼吸パターン
の瞬時位相ψr(t)とを算出し、これらの差(瞬時位相差)を算出し、算出された瞬時
位相差を使用して算出される。心拍間隔の変動の瞬時位相ψh(t)は、心拍間隔のデー
タから呼吸に伴う心拍間隔変動の時間的変化(S(t))を算出し、心拍間隔変動の時間
的変化(S(t))を下記式(2)で表されるヒルベルト変換により解析信号にすること
によって算出できる。なお、式(2)及び式(3)のH[…]はヒルベルト変数である。
The phase coherence was calculated by calculating the instantaneous phase ψ h (t) of the fluctuation of the heartbeat interval accompanying breathing and the instantaneous phase ψ r (t) of the breathing pattern, and calculating the difference between these (instantaneous phase difference). Calculated using the instantaneous phase difference. For the instantaneous phase ψ h (t) of the heartbeat interval fluctuation, the temporal change (S (t)) of the heartbeat interval fluctuation accompanying breathing is calculated from the heartbeat interval data, and the temporal change of the heartbeat interval fluctuation (S (t) )) Can be calculated by using the Hilbert transform represented by the following formula (2) as an analysis signal. Note that H [...] in the equations (2) and (3) is a Hilbert variable.

また、呼吸パターンの瞬時位相ψr(t)は、呼吸パターンの情報から、呼吸パターン
時間的変化(R(t))を算出し、呼吸パターンの時間的変化(R(t))を下記式(3)で表されるヒルベルト変換することによって算出できる。
The instantaneous phase ψ r (t) of the respiration pattern is calculated from the respiration pattern information by calculating the respiration pattern temporal change (R (t)), and the respiration pattern temporal change (R (t)) is expressed by the following equation. It can be calculated by Hilbert transform represented by (3).

瞬時位相差Ψ(t)は、式(2)及び式(3)によって算出された心拍間隔の変動の瞬時位相ψh(t)及び呼吸パターンの瞬時位相ψr(t)を用いて、次の式(4)で算出できる。
Ψ(t)=ψh(t)−ψr(t)+2nπ (4)
ここで、nは−π≦Ψ≦πとなる適当な整数である。
The instantaneous phase difference ψ (t) is calculated using the instantaneous phase ψ h (t) of the heartbeat interval fluctuation and the instantaneous phase ψ r (t) of the breathing pattern calculated by the equations (2) and (3). (4).
Ψ (t) = ψ h (t) −ψ r (t) + 2nπ (4)
Here, n is an appropriate integer satisfying −π ≦ Ψ ≦ π.

そして、これらから時刻tk における位相コヒーレンスを下記式(1)から算出することができる。式(1)のNはサンプリングされたデータ数であり、N個平均して求める。 From these, the phase coherence at time t k can be calculated from the following equation (1). N in Expression (1) is the number of sampled data, and is obtained by averaging N data.

位相コヒーレンスを利用した睡眠状態測定装置1は、図2に示すように、少なくとも情報取得部2及び情報処理部3を備えている。さらに睡眠状態測定装置1は、操作部4、出力部5及び記憶部6を備えていてもよい。   As shown in FIG. 2, the sleep state measurement apparatus 1 using phase coherence includes at least an information acquisition unit 2 and an information processing unit 3. Furthermore, the sleep state measuring apparatus 1 may include an operation unit 4, an output unit 5, and a storage unit 6.

情報取得部2は、位相コヒーレンスの算出に必要な情報を取得するものであり、動物を計測するためのセンサ及びセンサの情報を有線又は無線で入力する入力部を含む構成であってもよいし、すでに計測済みの情報が記録された他の記録媒体からの情報を有線又は無線で入力可能な入力部を含む構成であってもよい。すなわち、情報取得部2は、少なくとも情報を入力する入力部を備えており、場合によっては入力部と有線又は無線で接続された生体情報を計測するためのセンサを備えていてもよい。センサで生体情報を計測する場合、サンプリング周波数は100Hz以上であることが好ましい。   The information acquisition unit 2 acquires information necessary for calculation of phase coherence, and may include a sensor for measuring animals and an input unit for inputting sensor information by wire or wirelessly. The configuration may include an input unit capable of inputting information from another recording medium in which already measured information is recorded, by wire or wirelessly. That is, the information acquisition unit 2 includes at least an input unit for inputting information, and may include a sensor for measuring biological information connected to the input unit by wire or wirelessly depending on circumstances. When measuring biological information with a sensor, the sampling frequency is preferably 100 Hz or more.

情報処理部3は、入力された情報を処理するものであり、例えば、コンピュータのCPU(中央処理装置)の演算処理機能を利用することができる。また、情報処理の中には、
デジタル回路ではなくアナログ回路で実現することも可能である。例えば、情報処理として周波数フィルタを行う場合は、コンデンサや抵抗及びオペアンプ等で構成されたローパスフィルタ(LPF)やハイパスフィルタ(HPF)のアナログフィルタで実現してもよいし、CPUの演算処理機能によってフィルタリングを行なうデジタルフィルタで実現してもよい。情報処理部3は、情報処理の種類に応じて、デジタル回路とアナログ回路の両方を含んでいてもよいし、入力される情報がアナログであれば、アナログ−デジタル変換回路によってデジタル信号に変換してもよい。情報処理部3は、入力される情報によって必要となる機能又は処理が異なるが、少なくとも心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相との瞬時位相差を用いて位相コヒーレンスを算出する位相コヒーレンス算出機能を有している。なお、位相コヒーレンス算出機能を有する装置を「位相コヒーレンス算出装置」と呼び、本発明の睡眠状態測定装置1も位相コヒーレンス算出装置の一種である。
The information processing unit 3 processes input information and can use, for example, an arithmetic processing function of a CPU (central processing unit) of a computer. Also, during information processing,
It can also be realized by an analog circuit instead of a digital circuit. For example, when performing a frequency filter as information processing, it may be realized by an analog filter such as a low pass filter (LPF) or a high pass filter (HPF) constituted by a capacitor, a resistor, an operational amplifier, etc. You may implement | achieve with the digital filter which filters. The information processing unit 3 may include both a digital circuit and an analog circuit depending on the type of information processing. If the input information is analog, the information processing unit 3 converts the information into a digital signal by an analog-digital conversion circuit. May be. The information processing unit 3 has different functions or processes depending on the input information, but at least the phase coherence that calculates the phase coherence using the instantaneous phase difference between the instantaneous phase of the heartbeat interval fluctuation and the instantaneous phase of the breathing pattern. Has a calculation function. A device having a phase coherence calculation function is called a “phase coherence calculation device”, and the sleep state measurement device 1 of the present invention is also a kind of phase coherence calculation device.

位相コヒーレンスを算出するためには、例えば、次のような情報を入力して算出することができる。A)情報取得部2に、同一時系列における心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相との瞬時位相差を入力し、情報処理部3が位相コヒーレンス算出機能によって入力された瞬時位相差を用いて位相コヒーレンスを算出する。B)情報取得部2に、同一時系列における心拍間隔の変動の瞬時位相及び呼吸パターンの瞬時位相を入力し、情報処理部3が、両者の瞬時位相差を算出する瞬時位相差算出機能を有し、瞬時位相差算出機能によって両者の瞬時位相差を算出し、算出された瞬時位相差を用いて位相コヒーレンス算出機能によって位相コヒーレンスを算出する。C)情報取得部2に、同一時系列における心拍間隔の変動及び呼吸パターンを入力し、情報処理部3が、瞬時位相算出機能を有し、瞬時位相算出機能によって心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相を算出し、算出された瞬時位相を用いて瞬時位相差算出機能及び位相コヒーレンス算出機能によって位相コヒーレンスを算出する。D)情報取得部2に、心拍に関する情報を含んだ生体情報及び呼吸に関する情報を含んだ生体情報を入力し、情報処理部3が、心拍間隔算出機能及び呼吸パターン算出機能を有し、心拍間隔算出機能によって心拍の情報を含んだ生体情報から心拍間隔の変動を算出し、呼吸パターン算出機能によって呼吸パターンの情報を含んだ生体情報から呼吸パターンを算出し、その後、上記C)と同様の処理を行う。E)情報取得部2に、心拍に関する情報及び呼吸に関する情報の両方を含む生体情報を入力し、情報処理部3が、かかる生体情報から心拍の情報又は呼吸パターンの情報を検出又は抽出する機能を有し、検出又は抽出した心拍の情報又は呼吸パターンの情報を用いてその後の処理をしてもよい。   In order to calculate the phase coherence, for example, the following information can be input and calculated. A) The instantaneous phase difference between the instantaneous phase of the heartbeat interval variation and the instantaneous phase of the breathing pattern in the same time series is input to the information acquisition unit 2, and the instantaneous phase difference input by the information processing unit 3 using the phase coherence calculation function Is used to calculate the phase coherence. B) The information acquisition unit 2 has an instantaneous phase difference calculation function for inputting the instantaneous phase of the heartbeat interval variation and the instantaneous phase of the breathing pattern in the same time series, and the information processing unit 3 calculates the instantaneous phase difference between them. Then, the instantaneous phase difference is calculated by the instantaneous phase difference calculation function, and the phase coherence is calculated by the phase coherence calculation function using the calculated instantaneous phase difference. C) The heart rate interval variation and breathing pattern in the same time series are input to the information acquisition unit 2, and the information processing unit 3 has an instantaneous phase calculation function, and the instantaneous phase calculation function The instantaneous phase of the respiratory pattern is calculated, and the phase coherence is calculated by the instantaneous phase difference calculating function and the phase coherence calculating function using the calculated instantaneous phase. D) Biological information including information related to heartbeats and biological information including information related to breathing are input to the information acquisition unit 2, and the information processing unit 3 has a heartbeat interval calculation function and a breathing pattern calculation function, The calculation function calculates the fluctuation of the heartbeat interval from the biological information including the heartbeat information, and the respiratory pattern calculation function calculates the respiratory pattern from the biological information including the respiratory pattern information. Thereafter, the same processing as the above C) I do. E) A function for inputting biological information including both information relating to heartbeat and information relating to breathing to the information acquisition unit 2 and for the information processing unit 3 to detect or extract heartbeat information or respiratory pattern information from the biological information. The subsequent processing may be performed using the detected or extracted heartbeat information or respiratory pattern information.

さらに、情報処理部3は、算出した位相コヒーレンスに基づいて、睡眠状態等を判定する判定機能を有していてもよい。判定機能としては、例えば、算出した位相コヒーレンスを閾値と比較して、閾値よりも大きい場合は深い睡眠であると判定し、小さい場合は浅い睡眠と判定してもよいし、位相コヒーレンスが閾値よりも大きい値だった時間で睡眠の品質を評価してもよいし、位相コヒーレンスの変動の周期によって睡眠の品質を評価してもよい。閾値は、予め定めた数値であってもよいし、計測対象の過去に算出した位相コヒーレンスの数値から特定してもよいし、複数の数値を設定し、段階的に睡眠の質を評価してもよい。さらに、情報処理部3の判定機能によって、睡眠中の呼吸状態を判定することもできる。例えば、呼吸パターンの取得方法にもよるが、いずれの取得方法であっても、中枢性睡眠時無呼吸(脳の呼吸中枢の異常等により呼吸運動が停止して起こる無呼吸)については、呼吸運動が停止するので呼吸パターンが検出できなくなるので、無呼吸状態であることを判定できる。さらに、呼吸による空気の流れを計測して呼吸パターンを取得した場合は、呼吸の気流が停止して呼吸パターンが検出されなくなるので、中枢性睡眠時無呼吸だけではなく、閉塞性睡眠時無呼吸(呼吸運動はあるが気道の閉塞等による無呼吸)も判定できる。   Furthermore, the information processing unit 3 may have a determination function for determining a sleep state or the like based on the calculated phase coherence. As a determination function, for example, the calculated phase coherence is compared with a threshold, and if it is larger than the threshold, it may be determined that the sleep is deep, and if it is smaller, it may be determined that the sleep is shallow, or the phase coherence is less than the threshold. Alternatively, the sleep quality may be evaluated based on the time when the value is greater than the value, or the sleep quality may be evaluated based on the phase coherence fluctuation period. The threshold value may be a predetermined numerical value, may be specified from the numerical value of the phase coherence calculated in the past of the measurement target, or a plurality of numerical values may be set and the sleep quality may be evaluated step by step. Also good. Furthermore, the respiratory function during sleep can be determined by the determination function of the information processing unit 3. For example, although depending on the method of acquiring the breathing pattern, in any of the acquisition methods, the central sleep apnea (the apnea that occurs when the respiratory motion stops due to abnormalities in the respiratory center of the brain, etc.) Since the movement stops, the breathing pattern cannot be detected, so it can be determined that the patient is in an apnea state. In addition, if the breathing pattern is obtained by measuring the airflow due to breathing, the breathing airflow stops and the breathing pattern is no longer detected, so not only central sleep apnea but also obstructive sleep apnea (Although there is respiratory motion, apnea due to airway obstruction, etc.) can also be determined.

操作部4は、使用者が睡眠状態測定装置1を操作するためのスイッチ、タッチパネル、ボタン、つまみ、キーボード、マウス、音声入力用マイク等の操作端子が設けられている。また操作部4には、操作内容等を表示するディスプレイが設けられていてもよい。出力部5は、算出した位相コヒーレンスを出力してもよいし、位相コヒーレンス以外の生体情報を出力してもよいし、判定機能で判定した睡眠状態等を出力してもよい。出力部5としては、結果を画像で表示するディスプレイ、結果を紙で出力するプリンター、結果を音声で出力するスピーカー、結果を電子情報で出力する有線又は無線の出力端子などを使用することができる。なお、出力部5としてのディスプレイを操作部4におけるタッチパネルや操作内容等を表示するディスプレイと兼用させる構成であってもよい。記憶部6は、情報取得部2で取得した情報や、情報処理部3で算出した結果、判定機能で判定した結果などを記憶することができる。   The operation unit 4 is provided with operation terminals such as a switch, a touch panel, a button, a knob, a keyboard, a mouse, and a voice input microphone for the user to operate the sleep state measuring apparatus 1. In addition, the operation unit 4 may be provided with a display for displaying operation contents and the like. The output unit 5 may output the calculated phase coherence, may output biological information other than the phase coherence, or may output the sleep state determined by the determination function. As the output unit 5, a display that displays the result as an image, a printer that outputs the result as paper, a speaker that outputs the result as sound, a wired or wireless output terminal that outputs the result as electronic information, and the like can be used. . In addition, the structure as which the display as the output part 5 is combined with the display which displays the touchscreen in the operation part 4, an operation content, etc. may be sufficient. The storage unit 6 can store information acquired by the information acquisition unit 2, results calculated by the information processing unit 3, results determined by the determination function, and the like.

図3は、睡眠状態測定装置1の一例である。睡眠状態測定装置1は、センサ21、アナログ−デジタル変換回路31、心拍抽出手段32、呼吸波形抽出手段33、心拍間隔算出手段34、ヒルベルト変換フィルタ35、36、瞬時位相差算出手段37、位相コヒーレンス算出手段38、操作ボタン41、タッチパネル42、音声入力用マイク43、表示ディスプレイ44、無線通信手段45、スピーカー46、記録装置47を有している。   FIG. 3 is an example of the sleep state measuring apparatus 1. The sleep state measuring apparatus 1 includes a sensor 21, an analog-digital conversion circuit 31, a heartbeat extraction means 32, a respiratory waveform extraction means 33, a heartbeat interval calculation means 34, a Hilbert transform filters 35 and 36, an instantaneous phase difference calculation means 37, a phase coherence. A calculation unit 38, operation buttons 41, a touch panel 42, a voice input microphone 43, a display display 44, a wireless communication unit 45, a speaker 46, and a recording device 47 are provided.

センサ21は、心拍に関する情報を含んだ生体情報及び呼吸に関する情報を含んだ生体情報を検出するものである。例えば、心拍に関する情報を含んだ生体情報を検出するものとして心電図計測用センサ又は振動を計測するセンサなどがあり、呼吸に関する情報を含んだ生体情報を検出するものとして心電図計測用センサ、振動を計測するセンサ又は呼吸センサなどがある。図3においては1つであるが、複数種類のセンサを含んでいてもよい。心電図計測用センサ又は振動を計測するセンサは、心拍に関する生体情報も呼吸に関する生体情報も含む信号を検出できるものであり、1つのセンサで両方検出することが可能であるが、何れかの生体情報を別のセンサで検出してもよい。心電図計測用センサの場合は、ディスポーザブル電極を用いて専用の電子回路を生体の胸部に貼付して計測することが好ましく、電極によって心電図波形が計測される。導出法は単極誘導または双極誘導でも良い。   The sensor 21 detects biological information including information related to heartbeat and biological information including information related to respiration. For example, there is an electrocardiogram measurement sensor or a vibration measurement sensor that detects biological information including information related to the heartbeat, and an electrocardiogram measurement sensor or vibration that detects biological information including information related to respiration. Sensor or breath sensor. Although the number is one in FIG. 3, a plurality of types of sensors may be included. An electrocardiogram measurement sensor or a vibration measurement sensor can detect a signal including both biological information related to heartbeats and biological information related to respiration, and can be detected by one sensor. May be detected by another sensor. In the case of an electrocardiogram measurement sensor, it is preferable to measure by attaching a dedicated electronic circuit to the chest of a living body using a disposable electrode, and an electrocardiogram waveform is measured by the electrode. The derivation method may be unipolar induction or bipolar induction.

また、振動を計測するセンサは、接触式でも非接触式でもよく、接触型の振動を計測するセンサの場合は、動物に直接又は間接的に接触させて配置することによって、心弾動図波形又は生体振動信号を検出することができる。心弾動図波形又は生体振動信号を検出するための接触型の振動を計測するセンサは、振動を発生する種々の生物に直接又は近傍に配置され、生物からの振動を検出し電気信号として出力できれば足りる。振動を計測するセンサとしては、圧電センサとしてピエゾ素子が好適に用いられるが、その他のセンサ、例えば高分子圧電体(ポリオレフィン系材料)を用いてもよい。ピエゾ素子の素材としては、例えば、多孔性ポリプロピレンエレクトレットフィルム(ElectroMechanical Film(EMFI))、またはPVDF(ポリフッ化ビニリデンフィルム
)、またはポリフッ化ビニリデンと三フッ化エチレン共重合体(P(VDF−TrFE))、又はポリフッ化ビニリデンと四フッ化エチレン共重合体(P(VDF−TFE))を用いてもよい。圧電センサとしては、フィルム状であることが好ましい。さらに、圧電センサの場合、動物を拘束せずに心弾動図波形又は生体振動信号を取得することが可能であり、よりストレスフリーで測定できるので好ましい。ただし、圧電センサは、リストバンド、ベルト、腕時計に取り付けて、動物に装着して利用することもできる。また、その他の種類の振動を計測するセンサとして、例えば、高感度の加速度センサを用いて、腕時計、携帯端末のように体と接触させて、あるいはベッド、椅子等の一部に加速度センサを設置して心弾動図波形又は生体振動信号を取得してもよいし、チューブ内の空気圧又は液体圧の変化を圧力センサ等で検知して、心弾動図波形又は生体振動信号を取得してもよい。さらに、振動を計測するセンサとして、マイクロ波等を用いた信号受発信に伴って非接触
で心弾動図波形又は生体振動信号を取得できる非接触式のセンサを利用してもよい。マイクロ波としてはマイクロ波ドップラーセンサ、UWB(ウルトラワイドバンド)インパルスの反射遅延時間を測定し、対象物との距離を測定する受信波による心弾動図波形又は生体振動信号、マイクロ波以外の電磁波を用いて得られた心弾動図波形又は生体振動信号、LED光を使った反射又は透過光から得られる心弾動図波形又は生体振動信号、さらには、超音波の反射波から得られる心弾動図波形又は生体振動信号を使用してもよい。これらのマイクロ波等を用いたセンサは、小型化が可能であり、非接触かつ非拘束で信号を取得でき、遠隔から信号を取得できる。なお、加速度センサも小型化が可能である。
The sensor for measuring the vibration may be a contact type or a non-contact type. In the case of a sensor for measuring the contact type vibration, it is arranged in contact with the animal directly or indirectly, so that the cardiocardiogram waveform. Alternatively, a biological vibration signal can be detected. Sensors that measure contact-type vibrations for detecting cardiopulsatile waveforms or biological vibration signals are placed directly or in the vicinity of various organisms that generate vibrations, and detect vibrations from living organisms and output them as electrical signals It is enough if possible. As a sensor for measuring vibration, a piezoelectric element is preferably used as a piezoelectric sensor, but other sensors such as a polymer piezoelectric material (polyolefin-based material) may be used. As a material of the piezo element, for example, a porous polypropylene electret film (ElectroMechanical Film (EMFI)), PVDF (polyvinylidene fluoride film), or polyvinylidene fluoride and ethylene trifluoride copolymer (P (VDF-TrFE)). Or polyvinylidene fluoride and a tetrafluoroethylene copolymer (P (VDF-TFE)) may be used. The piezoelectric sensor is preferably in the form of a film. Furthermore, the piezoelectric sensor is preferable because it can acquire a cardiogram waveform or a biological vibration signal without restraining the animal, and can measure more stress-free. However, the piezoelectric sensor can also be used by attaching it to an animal by attaching it to a wristband, belt or wristwatch. In addition, as a sensor for measuring other types of vibrations, for example, a high-sensitivity acceleration sensor is used, such as a wristwatch or a portable terminal, in contact with the body, or an acceleration sensor is installed on a part of a bed, chair, etc. Then, the cardiocardiogram waveform or the biological vibration signal may be acquired, or the change of the air pressure or the liquid pressure in the tube is detected by a pressure sensor or the like to acquire the cardiocardiogram waveform or the biological vibration signal. Also good. Furthermore, as a sensor for measuring vibration, a non-contact type sensor that can acquire a cardiodynamic chart waveform or a biological vibration signal in a non-contact manner along with signal transmission / reception using a microwave or the like may be used. Microwave Doppler sensor, UWB (ultra wide band) impulse reflection delay time is measured, and the distance from the object is measured. Cardiac motion chart waveform or biological vibration signal obtained by using the LED, cardiac motion chart waveform or biological vibration signal obtained from the reflected or transmitted light using the LED light, and heart obtained from the reflected wave of the ultrasonic wave A ballistic waveform or a biological vibration signal may be used. These sensors using microwaves and the like can be miniaturized, can acquire signals without contact and without constraint, and can acquire signals from a remote location. The acceleration sensor can also be reduced in size.

呼吸センサの場合は、例えば、呼吸による空気の流れを計測した実測値、呼吸に伴う胸郭インピーダンス変化を計測した実測値、呼吸による温度変化を計測した実測値、呼吸運動に伴う腹部の動きを計測した実測値等によって呼吸パターンの時間変化が計測される。センサ21で検出した信号は、有線又は無線で睡眠状態測定装置1のアナログ−デジタル変換回路31に入力される。図4(A)の上側のグラフは、心電図計測用センサで計測された心電図波形である。   In the case of a respiration sensor, for example, an actual value obtained by measuring the air flow due to respiration, an actual value obtained by measuring a change in thorax impedance due to respiration, an actual value obtained by measuring a temperature change due to respiration, and an abdominal movement accompanying respiration exercise The time change of the breathing pattern is measured by the actually measured value or the like. The signal detected by the sensor 21 is input to the analog-digital conversion circuit 31 of the sleep state measurement device 1 by wire or wireless. The upper graph in FIG. 4A is an electrocardiogram waveform measured by an electrocardiogram measurement sensor.

アナログ−デジタル変換回路31は、センサ21からのアナログ信号をデジタル信号に変換する回路である。センサ21内にアナログ−デジタル変換回路31を設けてもよいし、センサ21がデジタル信号を検出できる場合には設けなくてもよい。また、センサ21からのアナログ信号をフィルタリング等の処理を行った後にアナログ−デジタル変換回路31によってデジタル信号に変換してもよい。   The analog-digital conversion circuit 31 is a circuit that converts an analog signal from the sensor 21 into a digital signal. An analog-digital conversion circuit 31 may be provided in the sensor 21, or may not be provided when the sensor 21 can detect a digital signal. Further, the analog signal from the sensor 21 may be converted into a digital signal by the analog-digital conversion circuit 31 after performing processing such as filtering.

心拍抽出手段32は、センサ21で検出した信号から心拍に関する信号を抽出する手段であり、センサの種類又は入力される信号に応じて適宜適当な処理が選択される。心電図波形や心弾動図波形が入力された場合、通常、心電図波形や心弾動図波形には呼吸の影響を受けているため、呼吸の成分を取り除くための処理を行うことが好ましいが、心拍間隔の算出に問題がなければ心拍抽出手段を使用しなくてもよい。また、生体振動信号が入力された場合、通常、生体振動信号には、心臓の拍動による心弾動だけではなく、呼吸による振動や、体動、発声、外部環境等に基づく振動も含まれる場合があり、これらのノイズを除去する処理を行うことが好ましい。かかる処理としては、例えば、心電図波形や振動信号の強度をn乗(nは2以上の整数であり、nが奇数の場合は絶対値を取る)して強調処理した後、バンドパスフィルタ(BPF)を通過させてもよい。心拍抽出手段32のBPFは、通過域の下限周波数が0.5Hz以上、0.6Hz以上、0.7Hz以上、0.8Hz以上、0.9Hz又は1Hz以上であることが好ましく、上限周波数が10Hz以下、8Hz以下、6Hz以下、5Hz以下、3Hz以下であることが好ましく、これらの下限周波数の何れかと上限周波数の何れかを組み合わせた通過域を持つことが好ましい。心拍抽出手段32の下限周波数が、呼吸波形抽出手段33の上限周波数と同じであってもよいし、呼吸波形抽出手段33の上限周波数よりも低く、心拍抽出手段32の通過域の一部が呼吸波形抽出手段33の通過域と重畳していてもよい。また、心拍間隔抽出方法として、取得した心弾動図波形又は生体振動信号からフィルタの上限周波数又は下限周波数を求めることが好ましく、さらに好ましくは、定期的又は不定期に、取得した心弾動図波形又は生体振動信号からフィルタの上限周波数又は下限周波数を求めることが好ましい。例えば、心弾動図波形又は生体振動信号もしくはこれらの信号に前処理(例えば、ノイズ除去、強調処理等)したもの(心弾動図波形又は生体振動信号に由来する信号)について、パワースペクトルを求め、0.5Hz以上から密度を検索して最初のピークを同定し、そのピークが所定の閾値(例えばピークの半値幅)まで低下する低周波側および/又は高周波側の周波数の帯域を通過周波数としても良い。パワースペクトルは、例えばフーリエ変換することにより求めることができる。このように、取得した心弾動図波形又は生体振動信号から求めた上限周波数又は下限周波数のフィルタを用いて信号処理を行うことにより、取得した生体に特有の生体情報や取得時の体勢、体調、環境等の条件が反映され、個人差や取得時の条件に対応したフィルタを設定することができ、リアルタイムで位相コヒーレンスを算出できた。なお、センサ21の一部に呼吸センサを使用していた場合には、呼吸センサからの信号は、心拍抽出手段32に入力する必要はない。   The heartbeat extracting means 32 is a means for extracting a signal relating to heartbeat from the signal detected by the sensor 21, and an appropriate process is appropriately selected according to the type of sensor or the input signal. When an ECG waveform or ECG waveform is input, since the ECG waveform or ECG waveform is usually affected by respiration, it is preferable to perform processing to remove the respiratory component, If there is no problem in the calculation of the heartbeat interval, the heartbeat extraction means may not be used. In addition, when a biological vibration signal is input, the biological vibration signal usually includes not only the cardiac movement due to the heartbeat but also vibration based on breathing, vibration based on body movement, vocalization, external environment, and the like. In some cases, it is preferable to perform a process for removing these noises. As such processing, for example, the intensity of the electrocardiogram waveform or vibration signal is enhanced to the nth power (where n is an integer equal to or larger than 2 and when n is an odd number), and then the bandpass filter (BPF) ) May be allowed to pass. The BPF of the heart rate extraction means 32 preferably has a lower limit frequency of the pass band of 0.5 Hz or more, 0.6 Hz or more, 0.7 Hz or more, 0.8 Hz or more, 0.9 Hz or 1 Hz or more, and an upper limit frequency of 10 Hz. Hereinafter, it is preferably 8 Hz or less, 6 Hz or less, 5 Hz or less, or 3 Hz or less, and preferably has a pass band that combines any one of these lower limit frequencies and any one of the upper limit frequencies. The lower limit frequency of the heartbeat extracting means 32 may be the same as the upper limit frequency of the breathing waveform extracting means 33, or lower than the upper limit frequency of the breathing waveform extracting means 33, and a part of the passband of the heartbeat extracting means 32 is breathing. It may be superimposed on the passband of the waveform extraction means 33. Further, as the heartbeat interval extraction method, it is preferable to obtain the upper limit frequency or the lower limit frequency of the filter from the acquired cardiogram waveform or biological vibration signal, and more preferably, the acquired cardiogram is periodically or irregularly. It is preferable to obtain the upper limit frequency or the lower limit frequency of the filter from the waveform or the biological vibration signal. For example, the power spectrum of a cardiodynamic waveform or a biological vibration signal or those signals pre-processed (for example, noise removal, enhancement processing, etc.) (a signal derived from a cardiac movement diagram waveform or a biological vibration signal) Find the density from 0.5Hz or more, identify the first peak, and pass through the frequency band of the low frequency side and / or high frequency side where the peak falls to a predetermined threshold (for example, half width of the peak) It is also good. The power spectrum can be obtained by, for example, Fourier transform. In this way, by performing signal processing using a filter having an upper limit frequency or a lower limit frequency obtained from the acquired cardiocardiogram waveform or biological vibration signal, the biological information unique to the acquired biological body and the posture and physical condition at the time of acquisition are obtained. In addition, conditions such as environment were reflected, filters corresponding to individual differences and acquisition conditions could be set, and phase coherence could be calculated in real time. When a respiration sensor is used as a part of the sensor 21, it is not necessary to input a signal from the respiration sensor to the heartbeat extracting means 32.

さらに、心弾動図波形から心拍間隔を算出する方法として、心弾動図波形を心拍の周波数よりも高い周波数を下限周波数とするハイパスフィルタ(HPF)を通過させ、HPF後の信号について絶対値をとることにより、利用したHPFを通過した信号の包絡線信号から、心弾動図波形の各心拍動の山を得ることができ、そのピーク値または心拍動の山の開始時点から心拍間隔を求めることができる。通常の心拍の周波数は最大でも3Hz程度であるが、このハイパスフィルタの下限周波数は、5Hz以上であることが好ましく、10Hz、20Hz、30Hz、40Hzであってもよい。この信号処理方法で心拍間隔の変動を算出して得られた位相コヒーレンス(λ)の値は、心電図波形から求めた位相コヒーレンス(λ)の値に非常に近い値を得ることができた。また、HPF後の信号について絶対値をとった信号について、上記のパワースペクトルから求めた通過周波数のBPF(またはLPF)を利用することがより好ましい。さらに、HPFを通過させる前に、ノイズ除去の前処理等を行ってもよい。生体振動信号(心弾動図波形を含む)は心拍動に伴う振動波形を含むものであるが、呼吸運動に伴う振動成分が心拍動成分と重畳すると波形が安定せず、原波形からRRIに相当する一拍毎の拍動間隔を得るのは従来難しかった。本手法では心拍動の基本周波数成分と重畳した呼吸周波数成分を予め除去した後、心拍動由来の高周波振動成分から拍動間隔を求めることにより、より正確な拍動間隔を得ることができ、その結果、心拍間隔の変動である呼吸性不整脈の検出も正確になり、算出した位相コヒーレンスは心電図と実測呼吸から求めたものとほぼ一致する。   Further, as a method of calculating the heartbeat interval from the heart ballistic waveform, the heart ballistic waveform is passed through a high pass filter (HPF) having a frequency lower than the heartbeat frequency as a lower limit frequency, and the absolute value of the signal after HPF From the envelope signal of the signal that has passed through the used HPF, it is possible to obtain each heartbeat peak of the electrocardiogram waveform, and calculate the heartbeat interval from the peak value or the start point of the heartbeat peak. Can be sought. The frequency of a normal heartbeat is about 3 Hz at the maximum, but the lower limit frequency of this high-pass filter is preferably 5 Hz or more, and may be 10 Hz, 20 Hz, 30 Hz, or 40 Hz. The value of the phase coherence (λ) obtained by calculating the fluctuation of the heartbeat interval by this signal processing method was very close to the value of the phase coherence (λ) obtained from the electrocardiogram waveform. It is more preferable to use the BPF (or LPF) of the pass frequency obtained from the above power spectrum for the signal obtained by taking the absolute value of the signal after HPF. Furthermore, preprocessing for noise removal and the like may be performed before passing the HPF. A biological vibration signal (including a cardiocardiogram waveform) includes a vibration waveform associated with a heartbeat, but when a vibration component associated with respiratory motion is superimposed on a heartbeat component, the waveform is not stable, and corresponds to RRI from the original waveform. Conventionally, it has been difficult to obtain a beat interval for each beat. In this method, the respiratory frequency component superimposed on the fundamental frequency component of the heartbeat is removed in advance, and then the beat interval is obtained from the high-frequency vibration component derived from the heartbeat, so that a more accurate beat interval can be obtained. As a result, the detection of respiratory arrhythmia, which is a fluctuation of the heartbeat interval, is also accurate, and the calculated phase coherence almost coincides with that obtained from the electrocardiogram and the measured respiration.

呼吸波形抽出手段33は、センサ21で検出した信号から呼吸パターンに関する信号を抽出する手段であり、センサの種類又は入力される信号に応じて適宜適当な処理が選択される。センサ21の一部に呼吸センサを使用し、呼吸センサによって呼吸パターンが実測される場合には、呼吸波形抽出手段33を設けなくてもよいし、呼吸波形抽出手段33でノイズとなる信号を除去する処理を行ってもよい。心電図波形、心弾動図波形又は生体振動信号から呼吸パターンに関する信号を抽出する場合には、かかる処理としては、例えば、心電図波形や振動信号の強度をn乗(nは2以上の整数であり、nが奇数の場合は絶対値を取る)して強調処理した後、0.5Hz以下の周波数範囲の通過域を有するローパスフィルタ(LPF)を通過させてもよい。呼吸波形抽出手段33のLPFの遮断周波数は、0.3、0.4、0.6、0.7Hz、0.8Hzであってもよい。また、呼吸波形抽出手段33の遮断周波数は、心拍抽出手段32の下限周波数と同じであってもよいし、下限周波数よりも高くして通過域の一部が重畳していてもよい。また、呼吸波形抽出方法として、取得した心電図波形、心弾動図波形又は生体振動信号からフィルタの上限周波数又は下限周波数を求めることが好ましく、さらに好ましくは、定期的又は不定期に、取得した心弾動図波形又は生体振動信号からフィルタの上限周波数又は下限周波数を求めることが好ましい。心電図波形、心弾動図波形又は生体振動信号もしくはこれらの信号に前処理(例えばノイズ除去のフィルタや強調処理等)したものについて、パワースペクトルを求め、低周波側からパワースペクトル密度を検索して最初のピークを同定し、そのピークが所定の閾値(例えばピークの半値幅)まで低下する高周波側の周波数を遮断周波数としても良い。このように、取得した心電図波形、心弾動図波形又は生体振動信号から求めた上限周波数又は下限周波数のフィルタを用いて信号処理を行うことにより、取得した生体に特有の生体情報や取得時の体勢、体調、環境等の条件が反映され、個人差や取得時の条件に対応したフィルタを設定することができ、リアルタイムで位相コヒーレンスを算出できた。また、LPFの代わりにBPFを通過させても良く、この場合、BPFの下限周波数は十分低い周波数であれば足り、例えば0.1Hzに設定してもよい。図4(A)の下側のグラフは、呼吸パターンを示すものであり、実線は心電図波形から抽出した呼吸パターンであり、点線は呼吸による空気の流れを計測した実測値である。図4(A)の下側のグラフより、心電図波形から抽出した呼吸パターンでも、周期は実測値と一致していることが確認できる。   The respiration waveform extraction unit 33 is a unit that extracts a signal related to a respiration pattern from the signal detected by the sensor 21, and an appropriate process is appropriately selected according to the type of sensor or the input signal. When a respiration sensor is used as a part of the sensor 21 and the respiration pattern is actually measured by the respiration sensor, the respiration waveform extraction means 33 may not be provided, and the respiration waveform extraction means 33 removes a signal that becomes noise. You may perform the process to do. In the case of extracting a signal related to a respiratory pattern from an electrocardiogram waveform, a cardiocardiogram waveform, or a biological vibration signal, as such processing, for example, the intensity of the electrocardiogram waveform or the vibration signal is set to the nth power (n is an integer of 2 or more If n is an odd number, an absolute value is taken), and after emphasizing processing, a low pass filter (LPF) having a pass band in a frequency range of 0.5 Hz or less may be passed. The cutoff frequency of the LPF of the respiratory waveform extraction means 33 may be 0.3, 0.4, 0.6, 0.7 Hz, and 0.8 Hz. Further, the cutoff frequency of the respiration waveform extraction unit 33 may be the same as the lower limit frequency of the heartbeat extraction unit 32, or may be higher than the lower limit frequency and a part of the passband may be superimposed. Further, as a respiratory waveform extraction method, it is preferable to obtain an upper limit frequency or a lower limit frequency of the filter from the acquired electrocardiogram waveform, cardiogram waveform or biological vibration signal, and more preferably, the acquired heart is periodically or irregularly acquired. It is preferable to obtain the upper limit frequency or the lower limit frequency of the filter from the ballistic waveform or the biological vibration signal. For ECG waveforms, ECG waveforms, biological vibration signals, or pre-processed signals (for example, noise removal filters or enhancement processes), find the power spectrum and search for the power spectrum density from the low frequency side. The first peak is identified, and the frequency on the high frequency side where the peak falls to a predetermined threshold (for example, the half-value width of the peak) may be set as the cutoff frequency. In this way, by performing signal processing using the filter of the upper limit frequency or the lower limit frequency obtained from the acquired electrocardiogram waveform, cardiocardiogram waveform or biological vibration signal, the biological information specific to the acquired biological information or Conditions such as posture, physical condition, environment, etc. were reflected, filters corresponding to individual differences and acquisition conditions could be set, and phase coherence could be calculated in real time. Further, the BPF may be passed instead of the LPF. In this case, it is sufficient that the lower limit frequency of the BPF is a sufficiently low frequency, for example, it may be set to 0.1 Hz. The lower graph in FIG. 4A shows a respiration pattern, the solid line is a respiration pattern extracted from an electrocardiogram waveform, and the dotted line is an actual measurement value obtained by measuring the air flow due to respiration. From the lower graph of FIG. 4 (A), it can be confirmed that the cycle matches the measured value even in the respiration pattern extracted from the electrocardiogram waveform.

図5は、8名の被験者で呼吸数を1分間に8、10、12、15、18、20、24回で変化させた時の心電図から抽出した推定呼吸周波数と、実測呼吸周波数の相関関係を示した図である。点線は呼吸周波数の95%信頼区間を示している。呼吸周波数が約0.4Hzを超えると95%信頼区間がidentity lineから外れ、過小評価されるが、0.4Hz未満では10%以内の精度で呼吸周波数を推定できる。図6は、図5の推定呼吸周波数を用いて算出した位相コヒーレンスλecgと実測呼吸周波数を用いて算出し
た位相コヒーレンスλの相関関係を示した図である。呼吸周波数が0.33Hz(20回/分)までは、9割以上の精度で位相コヒーレンスを求められた。
FIG. 5 shows the correlation between the estimated respiratory frequency extracted from the electrocardiogram and the measured respiratory frequency when the respiratory rate is changed by 8, 10, 12, 15, 18, 20, 24 times per minute in 8 subjects. FIG. The dotted line indicates the 95% confidence interval of the respiratory frequency. If the respiration frequency exceeds about 0.4 Hz, the 95% confidence interval falls out of the identity line and is underestimated, but if the respiration frequency is less than 0.4 Hz, the respiration frequency can be estimated with an accuracy within 10%. FIG. 6 is a diagram showing the correlation between the phase coherence λ ecg calculated using the estimated respiration frequency of FIG. 5 and the phase coherence λ calculated using the actually measured respiration frequency. Until the respiratory frequency was 0.33 Hz (20 times / min), phase coherence was obtained with an accuracy of 90% or more.

心拍間隔算出手段34は、心拍抽出手段32からの信号が入力され、心拍の間隔を算出する。心拍の間隔は、例えば心電図のP波、R波、T波又はU波の間隔、特にR波が鋭いピークを有するので、R波から次のR波までの間隔を計測することが好ましい。心弾動図波形や生体振動信号から抽出された心拍に関する信号の場合も、鋭いピークのR波に相当する波形の間隔を計測することが好ましい。図4(B)は、図4(A)の心電図から算出した心拍間隔の変動を示すグラフであり、縦軸が心拍間隔(ms)、横軸が時間(s)である。図4(B)から、心拍間隔が一定の周期で変動していることが確認できる。なお、呼吸性不整脈(RSA)の振幅も、心理ストレス等を評価する指標の一つとして利用可能であるが、後述するように、呼吸周波数によっても呼吸性不整脈(RSA)の振幅が変化するので、位相コヒーレンスによる評価と組み合わせて補助的又は追加的に評価するのが好ましい。また、心拍間隔算出手段34は、心拍に関する情報を含んだ生体情報から直接心拍の間隔を算出してもよい。この場合、心拍抽出手段32の機能を含む心拍間隔算出手段34であってもよいし、信号処理方法によっては、心拍抽出手段32を必要とせず、心拍に関する情報を含んだ生体情報から直接心拍の間隔を算出できる。   The heartbeat interval calculation means 34 receives the signal from the heartbeat extraction means 32 and calculates the interval between heartbeats. As the interval between heartbeats, for example, the interval between the P wave, R wave, T wave or U wave of the electrocardiogram, particularly the R wave has a sharp peak, and therefore it is preferable to measure the interval from the R wave to the next R wave. In the case of a heartbeat diagram waveform or a signal related to a heartbeat extracted from a biological vibration signal, it is preferable to measure an interval between waveforms corresponding to a sharp peak R wave. FIG. 4B is a graph showing fluctuations in the heart rate interval calculated from the electrocardiogram in FIG. 4A. The vertical axis is the heart rate interval (ms) and the horizontal axis is time (s). From FIG. 4B, it can be confirmed that the heartbeat interval fluctuates at a constant period. Note that the amplitude of respiratory arrhythmia (RSA) can also be used as one of indices for evaluating psychological stress and the like, but as will be described later, the amplitude of respiratory arrhythmia (RSA) also changes depending on the respiratory frequency. It is preferable to make an auxiliary or additional evaluation in combination with the evaluation by phase coherence. In addition, the heartbeat interval calculating unit 34 may directly calculate the interval between heartbeats from biological information including information related to the heartbeat. In this case, the heart rate interval calculating unit 34 including the function of the heart rate extracting unit 32 may be used. Depending on the signal processing method, the heart rate extracting unit 32 may not be required, and the heart rate can be directly calculated from the biological information including information on the heart rate. The interval can be calculated.

ヒルベルト変換フィルタ35は、心拍間隔の変動について瞬時位相と瞬時振幅を出力するものであり、ヒルベルト変換フィルタ36は、呼吸パターンについて瞬時位相と瞬時振幅を出力するものである。ヒルベルト変換は、アナログ回路で90度位相差分波器を実現しても良いし,有限インパルス応答型のデジタルフィルタで構成しても良い。ヒルベルト変換した信号と実信号を加えて解析信号を得て、解析信号の実部と虚部の比から瞬時位相を求めることができる。図4(C)の上側のグラフは、実線が心拍間隔の変動の瞬時位相であり、点線が呼吸パターンの瞬時位相であり、縦軸が位相(ラジアン)であり、横軸が時間(s)である。   The Hilbert transform filter 35 outputs an instantaneous phase and an instantaneous amplitude for fluctuations in the heartbeat interval, and the Hilbert transform filter 36 outputs an instantaneous phase and an instantaneous amplitude for a breathing pattern. In the Hilbert transform, a 90-degree phase difference wave detector may be realized by an analog circuit, or may be constituted by a finite impulse response type digital filter. The analytic signal is obtained by adding the Hilbert-transformed signal and the real signal, and the instantaneous phase can be obtained from the ratio of the real part and the imaginary part of the analytic signal. In the upper graph of FIG. 4C, the solid line is the instantaneous phase of heartbeat interval fluctuation, the dotted line is the instantaneous phase of the breathing pattern, the vertical axis is the phase (radian), and the horizontal axis is time (s). It is.

瞬時位相差算出手段37は、心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相との位相差(瞬時位相差)を算出し、結果を位相コヒーレンス算出手段38に出力する。位相コヒーレンス算出手段38では、上記のとおり、心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相との瞬時位相差を用いて位相コヒーレンスを算出する。位相コヒーレンスを求める際のデータは最低でも呼吸1周期の窓長で計算する。図4(C)の下側のグラフは、算出した位相コヒーレンスλである。図4(C)では、常に位相コヒーレンスが1に近く、比較的ばらつきが少ない状態であることが確認できる。睡眠状態測定装置1は、さらに算出した位相コヒーレンスλから睡眠状態を判定する機能を有していてもよい。   The instantaneous phase difference calculating unit 37 calculates the phase difference (instantaneous phase difference) between the instantaneous phase of heartbeat interval fluctuation and the instantaneous phase of the breathing pattern, and outputs the result to the phase coherence calculating unit 38. As described above, the phase coherence calculating unit 38 calculates the phase coherence using the instantaneous phase difference between the instantaneous phase of the heartbeat interval fluctuation and the instantaneous phase of the breathing pattern. The data for obtaining the phase coherence is calculated with the window length of one breath cycle at the minimum. The lower graph in FIG. 4C is the calculated phase coherence λ. In FIG. 4C, it can be confirmed that the phase coherence is always close to 1 and there is relatively little variation. The sleep state measurement apparatus 1 may further have a function of determining a sleep state from the calculated phase coherence λ.

操作ボタン41、タッチパネル42、音声入力用マイク43は、使用者が睡眠状態測定装置1を操作するための入力手段であり、睡眠状態測定装置1を作動させたり、必要な情報を出力させたりすることができる。表示ディスプレイ44、スピーカー46は、心拍、呼吸パターン、呼吸性不整脈、位相コヒーレンスλや、位相コヒーレンスλから推定される睡眠状態などを出力する出力手段として利用することができる。無線通信手段45は、
算出した位相コヒーレンスλや睡眠状態の出力手段に利用してもよいし、センサ20からの信号を入力する入力手段として使用してもよい。または、音声で睡眠状態などを出力してもよい。記録装置47は、入力された情報、各種手段のプログラム、計測結果などが記録される。
The operation button 41, the touch panel 42, and the voice input microphone 43 are input means for the user to operate the sleep state measurement device 1, and operate the sleep state measurement device 1 or output necessary information. be able to. The display 44 and the speaker 46 can be used as output means for outputting a heartbeat, a respiratory pattern, a respiratory arrhythmia, a phase coherence λ, a sleep state estimated from the phase coherence λ, and the like. The wireless communication means 45
The calculated phase coherence λ or sleep state may be used as an output means, or may be used as an input means for inputting a signal from the sensor 20. Or you may output a sleep state etc. with an audio | voice. The recording device 47 records input information, programs of various means, measurement results, and the like.

睡眠状態測定装置1は、携帯端末(たとえば、携帯電話、スマートフォン等)とセンサで実現することもできる。センサ、例えば心電図センサにA/D変換回路と無線通信機能を設け、センサで検出した信号をA/D変換回路でデジタル信号に変換し、デジタル信号を無線通信機能によって携帯端末に送信する。無線通信機能としては、例えばBluetooth(登録商標)、Wi−fi(登録商標)などを利用することが好ましい。   Sleep state measuring device 1 can also be realized by a portable terminal (for example, a cellular phone, a smart phone, etc.) and a sensor. An A / D conversion circuit and a wireless communication function are provided in a sensor, for example, an electrocardiogram sensor, a signal detected by the sensor is converted into a digital signal by the A / D conversion circuit, and the digital signal is transmitted to the portable terminal by the wireless communication function. As the wireless communication function, for example, Bluetooth (registered trademark), Wi-fi (registered trademark), or the like is preferably used.

本発明の睡眠状態測定装置1は、心拍間隔の変動の瞬時位相と呼吸パターンの瞬時位相との瞬時位相差の位相コヒーレンスが、δ波の振幅と相関関係があることを利用して睡眠状態を測定することができる。位相コヒーレンスは、後述するように、呼吸周波数の影響を受けにくく、より正確に睡眠状態を測定することができる。また、一つのセンサでも睡眠状態測定装置1を実現することが可能であり、使用者に負担が少なくストレスを感じにくい装置を提供できる。特に振動を計測するセンサの場合は動物を拘束せずに計測することが可能であり、より簡便な装置を提供できる。位相コヒーレンスは、リアルタイムに測定することができ、ノンレム睡眠時間の発生時点やノンレム―レム睡眠のリズム周期を測定することができ、睡眠状態を的確に把握することができる。また、同時に呼吸パターンを測定又は抽出しているので、睡眠時の無呼吸状態を検出することも可能である。さらに、被測定者の呼吸性不整脈の大きさも測定できるので、睡眠状態について補助的な判断指標とすることも可能である。   The sleep state measurement apparatus 1 of the present invention uses the fact that the phase coherence of the instantaneous phase difference between the instantaneous phase of the heartbeat interval and the instantaneous phase of the breathing pattern correlates with the amplitude of the δ wave. Can be measured. As will be described later, the phase coherence is less affected by the respiratory frequency and can measure the sleep state more accurately. Moreover, it is possible to realize the sleep state measuring apparatus 1 with a single sensor, and it is possible to provide an apparatus that is less burdensome to the user and less likely to feel stress. In particular, in the case of a sensor that measures vibration, measurement can be performed without restraining the animal, and a simpler device can be provided. The phase coherence can be measured in real time, the occurrence point of non-REM sleep time and the rhythm cycle of non-REM-REM sleep can be measured, and the sleep state can be accurately grasped. Moreover, since the respiratory pattern is measured or extracted at the same time, it is possible to detect an apnea state during sleep. Furthermore, since the magnitude of the respiratory arrhythmia of the measurement subject can also be measured, it can be used as an auxiliary determination index for the sleep state.

[位相コヒーレンス算出装置及び方法]
位相コヒーレンスは、睡眠状態だけではなく、心理ストレスの評価にも利用することができる。特に、本実施形態で説明する位相コヒーレンス算出装置は、少なくとも動物の心拍に関する情報及び呼吸に関する情報の両方を含む生体情報から、心拍間隔の変動と呼吸パターンを取得して、位相コヒーレンスを算出する。
[Phase Coherence Calculation Apparatus and Method]
Phase coherence can be used not only for sleep states but also for assessment of psychological stress. In particular, the phase coherence calculating apparatus described in the present embodiment calculates the phase coherence by acquiring the fluctuation of the heartbeat interval and the respiration pattern from the biological information including at least both information related to the heartbeat and respiration of the animal.

図7は、位相コヒーレンス算出装置11の概略ブロック図である。位相コヒーレンス算出装置11は、少なくとも生体情報取得手段12と、呼吸波形抽出手段13と、心拍間隔算出手段14と、位相コヒーレンス算出手段15とを含んでいる。さらに、位相コヒーレンス算出装置11は、図3に記載されたその他の手段を具備していてもよい。本実施形態における位相コヒーレンス算出装置11は、生体情報取得手段12が、少なくとも動物の心拍に関する情報及び呼吸に関する情報の両方を含む生体情報を取得するものであり、かかる生体情報として、例えば、心電図、心弾動図波形又は生体振動信号が挙げられる。生体情報取得手段12は、動物を計測するためのセンサ及びセンサの情報を有線又は無線で入力する入力部を含む構成であってもよいし、すでに計測済みの情報が記録された他の記録媒体からの情報を有線又は無線で入力可能な入力部を含む構成であってもよい。すなわち、情報取得部2は、少なくとも情報を入力する入力部を備えており、場合によっては入力部と有線又は無線で接続された生体情報を計測するためのセンサを備えていてもよい。センサで生体情報を計測する場合、サンプリング周波数は100Hz以上であることが好ましい。   FIG. 7 is a schematic block diagram of the phase coherence calculation device 11. The phase coherence calculation device 11 includes at least a biological information acquisition unit 12, a respiratory waveform extraction unit 13, a heartbeat interval calculation unit 14, and a phase coherence calculation unit 15. Furthermore, the phase coherence calculation device 11 may include other means described in FIG. In the phase coherence calculation apparatus 11 in the present embodiment, the biological information acquisition unit 12 acquires biological information including at least both information related to the heartbeat and respiration of the animal. As such biological information, for example, an electrocardiogram, Examples include a cardiogram waveform or a biological vibration signal. The biological information acquisition means 12 may include a sensor for measuring an animal and an input unit for inputting sensor information by wire or wireless, or another recording medium in which already measured information is recorded. It may be configured to include an input unit that can input information from That is, the information acquisition unit 2 includes at least an input unit for inputting information, and may include a sensor for measuring biological information connected to the input unit by wire or wirelessly depending on circumstances. When measuring biological information with a sensor, the sampling frequency is preferably 100 Hz or more.

心電図から呼吸パターンを抽出し、心拍間隔の変動と呼吸パターンを取得できることは上記睡眠状態測定装置1の説明において詳述したとおりである。心弾動図波形又は生体振動信号の場合、振動を計測するセンサは、生体に直接接触させてもよいが、生体から振動が伝搬する部材(床、ベッド、椅子、机、衣服、靴、絨毯、シーツ、カバーなどを含む)に接触させてもよいし、非接触式の場合は生体から離間して配置してもよい。接触式の振動を計測するセンサが設置される部材は、生体から複数の部材を介在させたものでもよい
。例えば、床の上、ベッドマットの上又は下、椅子の座板や背もたれの表面又は裏面、机の天板の表面又は裏面等に振動を計測するセンサを設置又は埋設してもよい。さらに、ベッドの脚において、床と接触する部位に設けられた保護部材の一つに、振動を計測するセンサを設けてもよいし、ベッドのフレーム、ヘッドボード又はサイドレール等に設けてもよいし、椅子の脚、ひじ掛け、フレーム等に設けてもよいし、机の脚、貫、幕板等に設けてもよい。また、トイレの便座又は便器に振動を計測するセンサを設けてもよく、便座又は便器の表面、裏側又は内部に振動を計測するセンサを配置することができる。例えば、便座の裏面における便器との接触箇所に設けられた緩衝部又は便器の表面における便座との接触箇所に振動を計測するセンサ部を配置してもよい。なお、振動を計測するセンサとしては、上記のとおり、圧電センサ、加速度センサ、圧力センサ、非接触式のセンサ等を使用することができる。
As described in detail in the description of the sleep state measuring apparatus 1, the breathing pattern can be extracted from the electrocardiogram and the fluctuation of the heartbeat interval and the breathing pattern can be acquired. In the case of an electrocardiographic waveform or a biological vibration signal, a sensor that measures vibration may be in direct contact with the living body, but a member (floor, bed, chair, desk, clothes, shoes, carpet, etc.) that propagates vibration from the living body. , A sheet, a cover, etc.), and in the case of a non-contact type, they may be arranged away from the living body. The member on which the sensor for measuring contact-type vibration is installed may be a member in which a plurality of members are interposed from a living body. For example, sensors for measuring vibration may be installed or embedded on the floor, on or under the bed mat, on the front or back surface of the seat plate or back of the chair, or on the front or back surface of the desk top. Further, in the leg of the bed, a sensor for measuring vibration may be provided in one of the protective members provided in contact with the floor, or may be provided on a bed frame, a headboard, a side rail, or the like. It may be provided on a chair leg, armrest, frame or the like, or may be provided on a desk leg, penetrating board, curtain, or the like. Moreover, you may provide the sensor which measures a vibration in the toilet seat or toilet bowl of a toilet, and the sensor which measures a vibration can be arrange | positioned on the surface, back side, or inside of a toilet seat or a toilet bowl. For example, you may arrange | position the sensor part which measures a vibration in the buffer part provided in the contact location with the toilet bowl in the back surface of a toilet seat, or the contact location with the toilet seat in the surface of a toilet bowl. In addition, as a sensor which measures a vibration, a piezoelectric sensor, an acceleration sensor, a pressure sensor, a non-contact type sensor, etc. can be used as above-mentioned.

心弾動図波形又は生体振動信号の場合、心拍に関する情報と、呼吸に関する情報をそれぞれ抽出する必要がある。ローパスフィルタ(LPF)、バンドパスフィルタ(BPF)、ハイパスフィルタ(HPF)によって周波数で心拍に関する情報と、呼吸に関する情報を抽出することができる。より正確に心弾動図波形又は生体振動信号から心拍を求めるために、心弾動の伝達特性を算出し、逆伝達関数を推定することで心弾動図波形又は生体振動信号から心電図に相当する波形を求めることができる。逆伝達関数は、予め被測定者の心電図と心弾動とを測定し、伝達特性を調査してもよいが、心弾動図波形又は生体振動信号のみから伝達特性を推定することも可能である。心弾動図波形から低周波成分を除去した後にWiener フィルタなどを適用し、逆伝達関数と元の心弾動図波形を重畳積分して模擬心電図波形を得ることができる。また、心弾動図波形から心拍間隔を算出する他の方法として、心弾動図波形を心拍の周波数よりも高い周波数を下限周波数とするハイパスフィルタ(HPF)を通過させ、HPF後の信号について絶対値をとることにより、利用したHPFを通過した信号の包絡線信号から、心弾動図波形の各心拍動の山を得ることができ、そのピーク値または心拍動の山の開始時点から心拍間隔を求めてもよい。   In the case of a cardiogram waveform or a biological vibration signal, it is necessary to extract information on heartbeats and information on breathing. By using a low-pass filter (LPF), a band-pass filter (BPF), and a high-pass filter (HPF), it is possible to extract information related to heartbeat and information related to respiration by frequency. In order to more accurately determine the heartbeat from the ECG waveform or biological vibration signal, the transfer characteristic of the ECP is calculated and the inverse transfer function is estimated to correspond to the ECG from the ECG waveform or biological vibration signal. Waveform to be obtained. The inverse transfer function may measure the electrocardiogram and cardiac motion of the person to be measured in advance and investigate the transfer characteristics, but it is also possible to estimate the transfer characteristics from only the electrocardiographic waveform or biological vibration signal. is there. After removing low frequency components from the ECG waveform, a Wiener filter or the like is applied, and a reverse EC function and the original ECG waveform are superimposed and integrated to obtain a simulated ECG waveform. Further, as another method for calculating the heartbeat interval from the cardiocardiogram waveform, the signal after HPF is passed through the high-pass filter (HPF) whose lower limit frequency is higher than the heartbeat frequency. By taking the absolute value, it is possible to obtain each heartbeat peak of the cardiogram waveform from the envelope signal of the signal that has passed through the used HPF, and the heartbeat from the peak value or the start point of the heartbeat peak. An interval may be obtained.

図8(A)は、上側のグラフが心弾動図波形であり、下側のグラフが心弾動図波形から抽出された模擬心電図波形である。まず、心弾動図波形においても、鋭いピークが周期的に生じているので、そのピークの時刻(T)を求め、その時刻が心電図から得られるR波時刻と仮に推定し、心弾動図波形の鋭いピークを起点として、それに伴う心弾動図波形を所定の窓長(長くとも次のピークまで)の波形断片で切り出してまとめる。まとめた際にばらつきの大きい波形断片は、時刻(T)がR波時刻と一致していないとして排除することが好ましい。図8(B)の実線は、100個の波形断片を重ね合わせた際の平均であり、点線は標準偏差である。この実線を心電図と心弾動間の平均伝達特性とし、かかる伝達特性の逆伝達関数を用いて心弾動図波形から模擬心電図波形を得ることができた。このように、心弾動の伝達特性を算出し、逆伝達関数を推定することで心弾動図波形又は生体振動信号から心電図に相当する波形を求めることでより正確に抽出することができる。特に、本発明の位相コヒーレンス算出装置及び睡眠状態測定装置は、心拍間隔の変動や、呼吸パターンの抽出を行うものであり、より正確に心電図に相当する波形を求めることは重要である。   In FIG. 8A, the upper graph is a cardiac electrocardiogram waveform, and the lower graph is a simulated electrocardiogram waveform extracted from the cardiac ballistic waveform. First, since sharp peaks occur periodically in the ECG waveform, the peak time (T) is obtained, and the time is estimated as the R wave time obtained from the ECG. Starting from a sharp peak of the waveform, the accompanying cardio-acoustic diagram waveform is cut out and collected by waveform fragments of a predetermined window length (up to the next peak at the longest). It is preferable to eliminate waveform fragments having large variations when they are put together, assuming that the time (T) does not coincide with the R-wave time. The solid line in FIG. 8B is the average when 100 waveform fragments are superimposed, and the dotted line is the standard deviation. This solid line is the average transfer characteristic between the electrocardiogram and the electrocardiogram, and a simulated electrocardiogram waveform can be obtained from the electrocardiogram waveform using the inverse transfer function of the transfer characteristic. In this way, it is possible to more accurately extract the waveform corresponding to the electrocardiogram from the cardiogram diagram or the biological vibration signal by calculating the transfer characteristic of the cardiogram and estimating the inverse transfer function. In particular, the phase coherence calculation apparatus and sleep state measurement apparatus of the present invention extract heartbeat intervals and breathing patterns, and it is important to obtain a waveform corresponding to an electrocardiogram more accurately.

また、心弾動図波形から呼吸に関する信号は、ローパスフィルタ(LPF)を通過させることで抽出したり、模擬心電図波形から呼吸由来の振幅変調を抽出したりすることで抽出できる。   Further, a signal related to respiration can be extracted from the electrocardiogram waveform by passing it through a low-pass filter (LPF), or by extracting amplitude modulation derived from respiration from the simulated electrocardiogram waveform.

センサで生体情報を計測する場合、サンプリング周波数は100Hz以上であることが好ましい。図9は、心電図波形を取得する際のサンプリング周波数として、1kHz、500Hz、200Hz、100Hz、50Hzと変化させた場合の位相コヒーレンスを比較した図である。1kHzでサンプリングした心電図の位相コヒーレンスと比較した二乗平均平方根誤差(Root Mean Square Error:RMSE)は、500Hzが0.028、200Hzが0.039、100Hzが0.045、50Hzが0.109であった。このように、100Hz以上のサンプリング周波数であれば、十分精度の高い位相コヒーレンスを得ることができる。   When measuring biological information with a sensor, the sampling frequency is preferably 100 Hz or more. FIG. 9 is a diagram comparing phase coherence when the sampling frequency when acquiring an electrocardiogram waveform is changed to 1 kHz, 500 Hz, 200 Hz, 100 Hz, and 50 Hz. The root mean square error (RMSE) compared with the phase coherence of the electrocardiogram sampled at 1 kHz is 0.028 at 500 Hz, 0.039 at 200 Hz, 0.045 at 100 Hz, and 0.109 at 50 Hz. It was. Thus, if the sampling frequency is 100 Hz or more, sufficiently accurate phase coherence can be obtained.

図10は、安静時と暗算課題時(ストレス状態)の心拍間隔の変動と呼吸パターンの瞬時位相の関係を示すものである。図10(A)は、安静時における心拍(実線)と呼吸(点線)の瞬時位相であり、(B)は、安静時の心拍と呼吸の瞬時位相のリサージュ図である。図10(C)は、暗算課題時(ストレス状態)における心拍(実線)と呼吸(点線)の瞬時位相であり、(D)は、暗算課題時の心拍と呼吸の瞬時位相のリサージュ図である。図10(E)は、安静状態から暗算課題を課したとき、および暗算課題終了後の呼吸性不整脈(RSA)の変化である。図10(F)は、安静状態から暗算課題を課したとき,および暗算課題終了後の位相コヒーレンスの変化であり、点線は、呼吸流速による実測の呼吸パターンを用いて算出された位相コヒーレンスであり、実線は、心電図から算出した呼吸パターンを用いて算出された位相コヒーレンスである。安静時の位相コヒーレンスは、0.69±0.12(95%信頼区間:0.63〜0.75)であり、暗算課題時の位相コヒーレンスは、0.45±0.17(95%信頼区間:0.41〜0.49)であり、安静時に比べて暗算課題時は有意に位相コヒーレンスが低下していた。図10から、瞬時位相差は、安静時では非常に安定しており、暗算課題などの精神ストレスを課すと呼吸性不整脈(RSA)の大きさが減弱するだけではなく、位相差が乱れることが確認できる。これは呼吸中枢により生成される呼吸振動子と自律神経支配下にある心拍振動子の協調関係がストレスにより攪乱されることを意味している。   FIG. 10 shows the relationship between the fluctuation of the heart rate interval and the instantaneous phase of the breathing pattern at rest and during mental arithmetic task (stress state). FIG. 10A is an instantaneous phase of a heartbeat (solid line) and breathing (dotted line) at rest, and FIG. 10B is a Lissajous diagram of an instantaneous phase of heartbeat and breathing at rest. FIG. 10C is an instantaneous phase of the heartbeat (solid line) and breathing (dotted line) during the mental arithmetic task (stress state), and FIG. 10D is a Lissajous diagram of the instantaneous heartbeat and respiratory phase during the mental arithmetic task. . FIG. 10E shows changes in respiratory arrhythmia (RSA) when a mental arithmetic task is imposed from a resting state and after the mental arithmetic task is completed. FIG. 10F shows the phase coherence change when the mental arithmetic task is imposed from a resting state and after the mental arithmetic task is finished, and the dotted line is the phase coherence calculated using the actually measured respiratory pattern based on the respiratory flow velocity. The solid line is the phase coherence calculated using the respiration pattern calculated from the electrocardiogram. The phase coherence at rest is 0.69 ± 0.12 (95% confidence interval: 0.63 to 0.75), and the phase coherence during mental arithmetic task is 0.45 ± 0.17 (95% confidence). The interval was 0.41 to 0.49), and the phase coherence was significantly reduced during the mental arithmetic task as compared to the rest. From FIG. 10, the instantaneous phase difference is very stable at rest. When mental stress such as a mental arithmetic task is imposed, not only the magnitude of respiratory arrhythmia (RSA) is attenuated, but also the phase difference is disturbed. I can confirm. This means that the cooperative relationship between the respiratory oscillator generated by the respiratory center and the heart beat oscillator under autonomic innervation is disturbed by stress.

図11は、自発的に呼吸周波数を変化させた場合の心拍間隔(RRI)、呼吸性不整脈の振幅(ARSA)、位相コヒーレンス(λ)及び呼吸周波数(fR)を示す図である。
最初、呼吸数は1分当たり15回であったが、300sから、意識的に1分当たり25回に増やした。呼吸数が増えると呼吸性不整脈の振幅(ARSA)は小さくなるが、位相コヒ
ーレンスはほとんど変化しない。呼吸性不整脈は自律神経の副交感神経活動に由来する生理現象であり、その振幅は副交感神経活動の緊張度を反映すると言われているが、図11のように、副交感神経活動の緊張度を変化させるのではなく、呼吸数を変化させただけでも呼吸性不整脈の振幅に影響するため、必ずしも呼吸性不整脈から自律神経活動を推定することはできなかった。この点、位相コヒーレンスは呼吸数を変化させても変化しないので、位相コヒーレンスから自律神経活動を推定することでより正確に自律神経活動を推定できる。このように,位相コヒーレンスを測定することで、呼吸周波数に依存せずにリアルタイムで被測定者の心理ストレス状態や睡眠状態を確認することが可能となる。さらに、被測定者の呼吸性不整脈の大きさも測定できるので、心理ストレス状態や睡眠状態について補助的な判断指標とすることができる。さらに、心拍間隔の変動も情報として取得することができるので、心拍間隔の変動の時間変化を周波数分析(フーリエ変換)することにより、遅いゆらぎの成分(LF)及び速いゆらぎの成分(HF)を求め、LH/HFを交感神経活動指標とし、HFを副交感神経活動指標として検出することも可能である。例えば、心拍間隔の変動の時間変化をフーリエ変換したパワースペクトルの0.04〜0.15Hzの成分をLFとし、0.15〜0.4Hzの成分をHFとして算出してもよい。これらの指標は、従来、心電図から得られたR波の心拍間隔の変動解析として用いられていたが、本発明においては、心電図のみではなく、心弾動図波形又は生体振動信号から得られた心拍間隔の変動においても、解析手法として用いることができ、交感神経・副交感神経活動の調節障害を調べることが可能となった。なお、本発明の睡眠状態測定装置において心電図を利用した場合に、これらの指標を同時に検出してもよい。
FIG. 11 is a diagram showing the heartbeat interval (RRI), respiratory arrhythmia amplitude (ARSA), phase coherence (λ), and respiratory frequency (f R ) when the respiratory frequency is spontaneously changed.
Initially, the respiration rate was 15 times per minute, but was consciously increased from 300 s to 25 times per minute. As the respiratory rate increases, the respiratory arrhythmia amplitude (A RSA ) decreases, but the phase coherence hardly changes. Respiratory arrhythmia is a physiological phenomenon derived from autonomic parasympathetic nerve activity, and its amplitude is said to reflect the degree of parasympathetic nerve activity. As shown in FIG. 11, the degree of parasympathetic nerve activity changes. However, autonomic nerve activity could not always be estimated from respiratory arrhythmia because the amplitude of respiratory arrhythmia is affected only by changing the respiratory rate. In this respect, since phase coherence does not change even if the respiratory rate is changed, the autonomic nerve activity can be estimated more accurately by estimating the autonomic nerve activity from the phase coherence. Thus, by measuring the phase coherence, it is possible to confirm the psychological stress state and sleep state of the measurement subject in real time without depending on the respiratory frequency. Furthermore, since the magnitude of the respiratory arrhythmia of the measurement subject can also be measured, it can be used as an auxiliary determination index for the psychological stress state and the sleep state. Furthermore, since fluctuations in the heartbeat interval can also be acquired as information, a slow fluctuation component (LF) and a fast fluctuation component (HF) can be obtained by performing frequency analysis (Fourier transform) on the time change of the fluctuation in the heartbeat interval. It is also possible to detect LH / HF as a sympathetic nerve activity index and detect HF as a parasympathetic nerve activity index. For example, the component of 0.04 to 0.15 Hz in the power spectrum obtained by Fourier transforming the time change of the heartbeat interval may be calculated as LF, and the component of 0.15 to 0.4 Hz may be calculated as HF. Conventionally, these indexes have been used as an analysis of fluctuations in the R-wave heartbeat interval obtained from an electrocardiogram. It can also be used as an analysis method for fluctuations in heart rate intervals, and it has become possible to investigate dysregulation of sympathetic / parasympathetic nerve activity. In addition, when an electrocardiogram is used in the sleep state measurement device of the present invention, these indices may be detected simultaneously.

動物の心拍に関する情報を含んだ生体情報又は呼吸に関する情報を含んだ生体情報の信号処理方法として、生体情報に由来する信号のパワースペクトルから上限周波数又は下限
周波数を求め、前記上限周波数又は下限周波数を遮断周波数とするフィルタを通過させる処理を含むことが好ましい。生体情報に由来する信号のパワースペクトルから上限周波数又は下限周波数を求めることにより、取得した生体に特有の生体情報や、生体情報を取得する際の体勢、体調、環境等の条件が反映され、個人差や取得時の条件に対応したフィルタを設定することができる。さらに、体勢、体調、環境等の条件は常に変化するので、定期的又は不定期に、フィルタの上限周波数又は下限周波数を更新することが好ましい。
As a signal processing method of biological information including information related to the heartbeat of an animal or biological information including information related to respiration, an upper limit frequency or a lower limit frequency is obtained from a power spectrum of a signal derived from biological information, and the upper limit frequency or the lower limit frequency is determined. It is preferable to include a process of passing through a filter having a cutoff frequency. By obtaining the upper limit frequency or the lower limit frequency from the power spectrum of the signal derived from the biological information, the biological information unique to the acquired biological information and the conditions such as the posture, physical condition, environment, etc. when acquiring the biological information are reflected. It is possible to set a filter corresponding to a difference or a condition at the time of acquisition. Furthermore, since conditions such as posture, physical condition, environment, etc. always change, it is preferable to update the upper limit frequency or lower limit frequency of the filter regularly or irregularly.

心拍に関する情報を含んだ生体情報とは、例えば、心電図、心弾動図波形、動物の振動(心弾動を含む)の時間的変化を計測した生体振動信号等が利用可能であり、呼吸に関する情報を含んだ生体情報とは、例えば、呼吸による空気の流れを計測した実測値、呼吸に伴う胸郭インピーダンス変化を計測した実測値、呼吸による温度変化を計測した実測値、呼吸運動に伴う腹部の動きを計測した実測値、心電図、心弾動図波形、生体振動信号等が利用可能である。生体情報に由来する信号とは、これらの心拍に関する情報を含んだ生体情報又は呼吸に関する情報を含んだ生体情報それ自体だけではなく、生体情報に前処理(例えば、ノイズ除去、強調処理等)したものを含む。かかる信号処理方法は、例えば、上記睡眠状態測定装置において、心拍間隔算出機能によって心拍の情報を含んだ生体情報から心拍間隔の変動を算出したり、呼吸パターン算出機能によって呼吸パターンの情報を含んだ生体情報から呼吸パターンを算出したりする際に利用してもよいし、位相コヒーレンス算出装置において、動物の心拍に関する情報及び呼吸に関する情報の両方を含む生体情報から、心拍間隔の変動を算出したり、呼吸パターンを算出したりする際に利用してもよい。   The biological information including information about the heartbeat can be, for example, an electrocardiogram, a cardiocardiogram waveform, a biological vibration signal obtained by measuring temporal changes in animal vibration (including cardiopulsation), and the like. The biological information including information includes, for example, an actual measurement value obtained by measuring the air flow due to respiration, an actual measurement value obtained by measuring a change in thorax impedance accompanying respiration, an actual measurement value obtained by measuring a temperature change caused by respiration, Actual values obtained by measuring movement, electrocardiograms, electrocardiogram waveforms, biological vibration signals, and the like can be used. The signal derived from biological information is not only biological information including information related to the heartbeat or biological information including information related to respiration itself, but also pre-processed (for example, noise removal and enhancement processing) on the biological information. Including things. Such a signal processing method, for example, in the sleep state measurement device, calculates heart rate interval fluctuation from biological information including heart rate information by the heart rate interval calculation function, or includes respiration pattern information by the respiration pattern calculation function. It may be used when calculating a respiratory pattern from biological information, or in a phase coherence calculating device, calculating fluctuations in heartbeat intervals from biological information including both information related to the heartbeat of an animal and information related to respiration. It may be used when calculating a breathing pattern.

[実施例]本実施例では、振動を計測するセンサとして、シート型圧電センサ(ピエゾ素子)を用いて生体情報を取得し、当該生体情報から位相コヒーレンスを求めた。また、同時に、被験者の心電図及び熱線型呼吸流速計により被験者の呼吸パターンを計測し、これらの生体情報からも位相コヒーレンスを求めた。   [Embodiment] In this embodiment, biological information is obtained using a sheet-type piezoelectric sensor (piezo element) as a sensor for measuring vibration, and phase coherence is obtained from the biological information. At the same time, the subject's respiratory pattern was measured with the subject's electrocardiogram and a hot-wire respiratory velocimeter, and the phase coherence was also obtained from these biological information.

図12は、本実施例で使用したシート型圧電センサ210の構造である。シート型圧電センサ210は、シート状の振動センサ素材211を挟んで上下に正電極層212及び負電極層213を有し、さらにこれらを覆って外側カバー214、215で保護されている。振動センサ素材211としては、フッ素系の有機薄膜強誘電体材料であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)を使用した。また、上下の電極から信号を取り出してもよいが、負電極層213は一定電位とし、振動センサ素材211の変位によって発生した信号を正電極層212から取り出すように構成することができる。外側カバー214、215は、外部からの各種雑音、特に電磁雑音を排除するため、一定電位に保持し、遮蔽層としてもよい。ここで遮蔽層を負電極層213と同一の電位とすることもでき、この場合には一部材で負電極層と保護カバーを兼用させることもできる。また、正電極層212又は負電極層213と、外側カバー214、215との間に、絶縁層(絶縁シート)を配置して、両者を絶縁してもよい。正電極層212及び負電極層213には図示しない取り出し端子がフィルタ回路などとともに実装組立されており、それぞれ電極に対して電圧の印加又は電極からの信号の出力を可能としている。圧電センサ210は、ピエゾ素子であり、機械的な力(僅かな力)が印加されると、振動センサ素材211に起電力が発生し、振動センサ素材211に蓄積された電荷を電流電圧変換し、電気信号として取り出すことができる。   FIG. 12 shows the structure of the sheet-type piezoelectric sensor 210 used in this example. The sheet-type piezoelectric sensor 210 has a positive electrode layer 212 and a negative electrode layer 213 on the upper and lower sides with a sheet-like vibration sensor material 211 interposed therebetween, and further covers these to be protected by outer covers 214 and 215. As the vibration sensor material 211, polyvinylidene fluoride (PVDF), which is a fluorine-based organic thin film ferroelectric material, was used. Although signals may be extracted from the upper and lower electrodes, the negative electrode layer 213 can be configured to have a constant potential and a signal generated by the displacement of the vibration sensor material 211 can be extracted from the positive electrode layer 212. The outer covers 214 and 215 may be kept at a constant potential and may be used as a shielding layer in order to eliminate various external noises, particularly electromagnetic noise. Here, the shielding layer can be set to the same potential as the negative electrode layer 213, and in this case, the negative electrode layer and the protective cover can be combined with one member. Further, an insulating layer (insulating sheet) may be disposed between the positive electrode layer 212 or the negative electrode layer 213 and the outer covers 214 and 215 to insulate them. The positive electrode layer 212 and the negative electrode layer 213 are each assembled with an extraction terminal (not shown) together with a filter circuit and the like, and can apply a voltage to the electrode or output a signal from the electrode, respectively. The piezoelectric sensor 210 is a piezo element. When a mechanical force (a slight force) is applied, an electromotive force is generated in the vibration sensor material 211, and the electric charge accumulated in the vibration sensor material 211 is converted into a current voltage. It can be taken out as an electrical signal.

本実施例では、シート型圧電センサ210をベッドのシーツ下に敷き、被験者には全く負担をかけずに、無拘束で生体信号をリアルタイムで分離抽出した。ベッドでの計測の場合はベッドマットレス上にシート型圧電センサ210を設置し、その上にシーツをかけ、ヒトが仰臥位で安静を取った。ヒトがベッドに寝ると、ヒトの心臓や呼吸の動きが、体内、及び体表面を通じて振動波としてセンサ210に伝わり、センサ210でμVオーダーの起電力が発生する。この信号には、心拍、呼吸等の所望する生体情報に加えて、障害となる雑音信号も含まれるので、その後の信号処理アルゴリズム(電子回路及びソフトウェア)を用いて心拍、呼吸等の生体情報を分離抽出した。また、被験者は、胸部に心電図用電極を貼付し、単極導出により心電図(ECG)を同時に計測した。さらに、被験者はフェイスマスクを装着し、熱線型呼吸流速計により呼吸パターンを同時に計測した。なお、シート型圧電センサ210を椅子の座位部(臀部下)の薄い座布団の下に敷き、被験者を座った状態で生体信号を検出することもできた。   In the present embodiment, the sheet-type piezoelectric sensor 210 was laid under the bed sheet, and the biological signal was separated and extracted in real time without any burden on the subject. In the case of measurement in a bed, a sheet-type piezoelectric sensor 210 was installed on a bed mattress, a sheet was placed on it, and a human was rested in a supine position. When a human sleeps on the bed, the motion of the human heart and breathing is transmitted to the sensor 210 as a vibration wave through the body and the body surface, and the sensor 210 generates an electromotive force on the order of μV. In addition to the desired biological information such as heartbeat and respiration, this signal also includes a noise signal that becomes an obstacle, so that subsequent biological information such as heartbeat and respiration can be obtained using a signal processing algorithm (electronic circuit and software). Separated and extracted. The test subject also attached an electrocardiogram electrode to the chest and simultaneously measured an electrocardiogram (ECG) by unipolar derivation. Furthermore, the subject wore a face mask, and simultaneously measured the respiration pattern with a hot-wire respirometer. In addition, the biological signal could be detected in a state where the seat type piezoelectric sensor 210 was laid under a thin cushion on the sitting position (under the buttocks) of the chair and the subject was sitting.

生体振動信号ならびに心電図、呼吸流速波形を100Hzでサンプリングして保存した。生体振動信号は、心拍検出用と呼吸検出用の特定のデジタルフィルタを用いて信号処理を行った。生体振動信号に高周波バンドパスフィルタ(ハイパスフィルタでもよい)をかけた後、全波整流積分を行い心拍由来の振動成分のみを抽出し、この波形のピークを求めるため、全波整流積分後の心拍由来の振動成分波形を微分し、閾値を設定してピーク(心拍動パルス)を検出し、そのピークの間隔から拍動間隔を求めた。ここでは、心電図から求めた心拍間隔をRRI、生体振動信号から求めた心拍間隔をBBIと称する。また生体振動信号に低周波のバンドパスフィルタ(ローパスフィルタでもよい)をかけ呼吸由来の振動成分を抽出し、呼吸パターンを推定した。RRIならびにBBIをスプライン補間により10Hzで再サンプリングした。熱線型呼吸流速計により実測した呼吸パターンと生体振動信号から推定した呼吸パターンも10Hzで再サンプリングした。呼吸性不整脈と呼吸パターンをヒルベルト変換し、解析信号から瞬時位相を求め、その位相差Ψから位相コヒーレンスλを算出した。位相コヒーレンスは10秒の計算窓で5秒ずつシフトさせながら求めた。   The biological vibration signal, electrocardiogram, and respiratory flow rate waveform were sampled and stored at 100 Hz. The biological vibration signal was subjected to signal processing using specific digital filters for heartbeat detection and respiration detection. After applying a high-frequency bandpass filter (or a high-pass filter) to the biological vibration signal, full-wave rectification integration is performed to extract only the vibration component derived from the heartbeat, and the peak of this waveform is obtained. The derived vibration component waveform was differentiated, a threshold value was set, a peak (heartbeat pulse) was detected, and the pulsation interval was obtained from the peak interval. Here, the heartbeat interval obtained from the electrocardiogram is referred to as RRI, and the heartbeat interval obtained from the biological vibration signal is referred to as BBI. Moreover, a vibration component derived from respiration was extracted by applying a low-frequency band-pass filter (or a low-pass filter) to the biological vibration signal, and a respiration pattern was estimated. RRI and BBI were resampled at 10 Hz by spline interpolation. The respiration pattern actually measured by the hot-wire respiration velocimeter and the respiration pattern estimated from the biological vibration signal were also resampled at 10 Hz. Respiratory arrhythmia and respiratory pattern were subjected to Hilbert transform, the instantaneous phase was obtained from the analysis signal, and the phase coherence λ was calculated from the phase difference Ψ. The phase coherence was obtained while shifting by 5 seconds with a 10 second calculation window.

図13(A)は、シート型圧電センサ210から得られた生体振動信号の原信号である。図13(B)は、原信号からの信号処理後(全波整流積分後の心拍由来の振動成分波形を微分処理した後)の波形である。図13(C)は、上側に心電図(点線)の心拍動パルス、下側に信号処理後の波形から得られた心拍動パルス(実線)を示した。図13(D)は、心電図から求めたRRI(点線)と生体振動信号から求めたBBI(実線)である。図13(E)は、実測した呼吸パターン(点線)と生体振動信号から推定した呼吸パターン(実線)である。図13(F)は、心電図及び実測した呼吸パターンから算出した位相コヒーレンス(点線)と生体振動信号から推定した位相コヒーレンス(実線)である。図13(D)に示すように、心電図から同時計測で得られたRRIと生体振動信号から求めたBBIは酷似しており、信号処理により生体振動信号から心拍間隔の変動を算出することができた。また、図13(E)に示すように、実測した呼吸パターンと生体振動信号から推定した呼吸パターンもほぼ一致していた。さらに、図13(F)に示すように、心電図及び実測した呼吸パターンから算出した位相コヒーレンスと、生体振動信号のみから算出した位相コヒーレンスとはほぼ一致していた。これらのことから、生体振動信号を測定するだけで、心拍間隔の変動(呼吸性不整脈)、呼吸パターン及び位相コヒーレンスを算出することが可能であった。   FIG. 13A is an original signal of the biological vibration signal obtained from the sheet type piezoelectric sensor 210. FIG. 13B shows a waveform after signal processing from the original signal (after differential processing of the heartbeat-derived vibration component waveform after full-wave rectification integration). FIG. 13C shows the heartbeat pulse of the electrocardiogram (dotted line) on the upper side and the heartbeat pulse (solid line) obtained from the waveform after signal processing on the lower side. FIG. 13D shows an RRI (dotted line) obtained from an electrocardiogram and a BBI (solid line) obtained from a biological vibration signal. FIG. 13E shows an actually measured respiration pattern (dotted line) and a respiration pattern (solid line) estimated from a biological vibration signal. FIG. 13F shows the phase coherence (dotted line) calculated from the electrocardiogram and the actually measured respiration pattern, and the phase coherence (solid line) estimated from the biological vibration signal. As shown in FIG. 13D, the RRI obtained by simultaneous measurement from the electrocardiogram and the BBI obtained from the biological vibration signal are very similar, and the fluctuation of the heartbeat interval can be calculated from the biological vibration signal by signal processing. It was. Further, as shown in FIG. 13E, the actually measured breathing pattern and the breathing pattern estimated from the biological vibration signal almost coincided. Furthermore, as shown in FIG. 13 (F), the phase coherence calculated from the electrocardiogram and the actually measured respiration pattern almost coincided with the phase coherence calculated only from the biological vibration signal. From these facts, it was possible to calculate heartbeat interval fluctuation (respiratory arrhythmia), respiratory pattern and phase coherence only by measuring the biological vibration signal.

図14は、心電図のパワースペクトル密度(点線)と図13(B)に示す生体振動信号の信号処理後の波形のパワースペクトル密度(実線)を示している。心電図の基本周波数である心拍周波数(約1Hz)と信号処理後の波形のパワースペクトルのピークは一致し、信号処理後の波形は心電図の基本周波の周波数成分以外が信号処理により除去されていることがわかる。このように、本手法では予め呼吸周波数成分を完全に除去した後、心拍由来の振動成分を求めてRRIに相当するBBIを求めることにより、BBIが正確になり、その結果、心拍間隔の変動である呼吸性不整脈の検出もでき、算出した位相コヒーレンスは心電図と実測呼吸から求めたものとほぼ一致した。   FIG. 14 shows the power spectrum density (dotted line) of the electrocardiogram and the power spectrum density (solid line) of the waveform after the signal processing of the biological vibration signal shown in FIG. 13 (B). The heart rate frequency (about 1 Hz), which is the basic frequency of the electrocardiogram, matches the peak of the power spectrum of the waveform after signal processing, and the waveform after signal processing has been removed by signal processing except for the frequency component of the basic frequency of the electrocardiogram. I understand. Thus, in this method, after completely removing the respiratory frequency component in advance, the BBI corresponding to the RRI is obtained by obtaining the vibration component derived from the heartbeat, and as a result, the BBI becomes accurate. Some respiratory arrhythmias could also be detected, and the calculated phase coherence almost coincided with that obtained from the ECG and measured respiration.

本発明の位相コヒーレンス算出装置は、さまざまな家具、電子機器等に組み込んで使用することができる。たとえば、椅子、寝具に振動を計測するセンサを組み込み、使用者の
ストレス状態を計測してもよい。この場合、電車、飛行機などの座席や、職場の座席、車、電車、飛行機等の運転席等に適用し、ストレス管理や居眠り防止に利用することや、病院や介護施設のベッドに適用し、患者等の健康状態の管理に利用することもできる。また、トイレ、浴室、脱衣場などの床に振動を計測するセンサを組み込み、失神や脳卒中などの事故の監視にも利用できる。さらに、携帯端末、コンピュータ等に位相コヒーレンス算出装置を組み込み、日常生活の種々の場面において心理ストレスを評価することもできる。
The phase coherence calculation apparatus of the present invention can be used by being incorporated in various furniture, electronic devices, and the like. For example, a sensor for measuring vibration may be incorporated in a chair or bedding to measure the stress state of the user. In this case, it applies to seats on trains, airplanes, workplace seats, driver's seats on cars, trains, airplanes, etc., and is used for stress management and bedtime prevention, and it is applied to beds in hospitals and nursing homes. It can also be used to manage the health status of patients. In addition, sensors that measure vibration can be built into the floor of toilets, bathrooms, dressing rooms, etc., and can be used to monitor accidents such as fainting and stroke. Furthermore, a phase coherence calculation device can be incorporated in a portable terminal, a computer, etc., and psychological stress can be evaluated in various scenes of daily life.

1 睡眠状態測定装置
2 情報取得部
3 情報処理部
4 操作部
5 出力部
6 記憶部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sleep state measuring apparatus 2 Information acquisition part 3 Information processing part 4 Operation part 5 Output part 6 Storage part

Claims (3)

少なくとも動物の心弾動図又は生体振動信号を含む生体情報を取得する生体情報取得手段と、
前記生体情報から心拍間隔の変動を算出する心拍間隔算出手段を有し、
前記心拍間隔算出手段は、前記心弾動図波形又は生体振動信号に由来する信号に対し、心拍の周波数よりも高い周波数を下限周波数とするフィルタを通過させ、前記フィルタを通過させた後の信号について絶対値をとる処理を行うことを特徴とする生体情報取得装置。
Biological information acquisition means for acquiring biological information including at least an animal cardiogram or biological vibration signal;
Heart rate interval calculating means for calculating heart rate interval variation from the biological information;
The heartbeat interval calculating means passes a signal having a lower frequency than a heartbeat frequency with respect to the signal derived from the cardiogram waveform or biological vibration signal, and a signal after passing through the filter A biological information acquisition apparatus characterized in that processing for taking an absolute value is performed.
前記絶対値をとる処理を行った後の信号の包絡線信号から、心弾動図波形の各心拍動の山を取得して心拍間隔を算出する請求項1に記載の生体情報取得装置。   The biometric information acquisition apparatus according to claim 1, wherein a heartbeat interval is calculated by acquiring a peak of each heartbeat of a cardiocardiogram waveform from an envelope signal of the signal after performing the process of obtaining the absolute value. 動物の心弾動図波形又は生体振動信号から心拍間隔を算出する信号処理方法であって、
前記心弾動図波形又は生体振動信号に由来する信号に対し、心拍の周波数よりも高い周波数を下限周波数とするフィルタを通過させ、前記フィルタを通過させた後の信号について絶対値をとる処理を行うことを特徴とする信号処理方法。
A signal processing method for calculating a heartbeat interval from an animal cardiogram waveform or a biological vibration signal,
A process of obtaining an absolute value of the signal after passing through the filter having a lower limit frequency that is higher than the heartbeat frequency with respect to the signal derived from the cardiogram waveform or the biological vibration signal. A signal processing method characterized by comprising:
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