JP2020075009A - 生体信号処理装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】心拍数の検出に用いる誘導を自動的に決定可能な生体信号処理装置およびその制御方法を提供すること。【解決手段】複数種の誘導からなる心電図を取得する生体信号処理装置であって、２種類以上の誘導に基づいて、これら２種類以上の誘導から、心拍数の検出に用いる１種類の誘導を選択する機能を備えた生体信号処理装置である。【選択図】図１

Description

本発明は生体信号処理装置およびその制御方法に関し、特には心電図から心拍数を検出する技術に関する。

心電計や生体情報モニタ装置など、心電図を計測可能な生体信号処理装置が知られている。これらの生体信号処理装置は、被検者の胸部や四肢に取り付けられた電極を用いて心臓の電位変化を体表面で検出して心電図として記録することができる。近年は心電図をデジタルデータとして処理し、心電図から様々な情報を取得する心電図解析機能を備えた生体信号処理装置が知られている。

心電図解析機能によって取得される基本的な情報に心拍数（ＨＲ: heart rate [bpm]）がある。心拍数は、心電図に含まれる特定の波形（例えばＲ波）の周期を用いて得ることができる（特許文献１）。

特開２０１７−１３１７０２号公報

心電図の波形は検出する電極の位置に応じて異なるため、検出した電極に応じた呼称が存在する。例えば、四肢電極で検出される心電図には、双極肢誘導（Ｉ誘導、ＩＩ誘導、ＩＩＩ誘導）、単極肢誘導（ａＶＦ誘導、ａＶＲ誘導、ａＶＬ誘導）がある。また、胸部電極で検出される心電図には、胸部誘導（Ｖ１〜Ｖ６誘導）がある。四肢電極および胸部電極を用いて計測されるこれら１２種類の誘導からなる心電図は標準１２誘導心電図と呼ばれる。なお、標準１２誘導以外の誘導も知られている。

従来の生体信号処理装置は、測定可能な複数種の誘導のうち、予め設定された１種類の誘導を解析して心拍数を検出していた。しかしながら、被検者によっては設定された誘導で心拍数を検出できない場合がある。この場合、従来は設定画面を呼び出して心拍数の検出に用いる誘導の種類を変更する必要があり、手間がかかっていた。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、心拍数の検出に用いる誘導を自動的に決定可能な生体信号処理装置およびその制御方法を提供することを一目的とする。

上述の目的は、複数の誘導からなる心電図を取得する生体情報処理装置であって、１種類の誘導に基づいて心拍数を検出する検出手段と、２種類以上の誘導に基づいて、２種類以上の誘導から、検出手段で心拍数の検出に用いる誘導を選択する選択手段と、を有することを特徴とする生体信号処理装置によって達成される。

このような構成により、本発明によれば、心拍数の検出に用いる誘導を自動的に決定可能な生体信号処理装置およびその制御方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る心電計の一例としての心電計の機能構成例を示すブロック図である。 実施形態に係る心電計における、心拍数の検出に用いる誘導の自動選択動作に関するフローチャートである。 実施形態に係る誘導ごとの代表値の決定方法を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の例示的な実施形態について詳細に説明する。ここでは、本発明を生体信号処理装置の一例としての心電計に適用した実施形態を説明する。しかしながら、本発明は例えば生体情報モニタのような、心電図計測機能を有する他の装置にも適用可能である。さらに、本発明は、心電図の計測機能を有さず、計測済みの心電図を解析する、心電図解析装置のような生体情報処理装置にも適用可能である。このような生体情報処理装置は、汎用コンピュータ機器と、心電図解析機能を実現させるアプリケーションプログラムとの組み合わせによっても実現できる。

（心電計の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る心電計１００の構成例を示すブロック図である。
電極群１１０は、複数種の誘導からなる心電図を取得するための複数の電極、例えば四肢電極（４つ）および胸部電極（６つ）からなる。電極群１１０が有する電極の種類や数は、心電計１００で計測する心電図信号（誘導）の種類および数によって決まる。

電極群１１０（心電図電極）は心電計１００の入力部１１１が備えるコネクタに接続される。入力部１１１は例えば保護回路、誘導選択器、増幅回路などを有し、予め設定された種類と数の心電図信号を出力する。
Ａ／Ｄ変換部１１２は、入力部１１１から出力される心電図信号のそれぞれをデジタル化し、心電図データとして出力する。入力部１１１とＡ／Ｄ変換部１１２はアナログフロントエンド（ＡＦＥ）とも呼ばれる。

フィルタ処理部１１３は、Ａ／Ｄ変換部１１２を通じて入力される心電図データに対し、制御部１２０からの設定に従ってノイズ除去フィルタを適用する。本実施形態において、フィルタ処理部１１３は、一例として、筋電ノイズ除去フィルタ、ＡＣノイズ除去フィルタ、およびドリフトノイズ除去フィルタを選択的に適用可能であるものとするが、フィルタ処理の種類や数はこれらに限定されない。
スピーカ１１４は、制御部１２０が例えば警告音や音声メッセージを出力するために用いる。

制御部１２０は例えばＲＯＭ、ＲＡＭおよびプログラマブルプロセッサを含み、ＲＯＭに記憶された制御プログラムをＲＡＭに展開してプログラマブルプロセッサが実行することにより、心電計１００全体の動作を制御する。ＲＯＭには制御プログラムのほか、各種の設定値やＧＵＩデータなどが記憶されており、制御プログラムの実行時に適宜用いられる。また、ＲＯＭの少なくとも一部は書き換え可能であってよい。

なお、例えばフィルタ処理部１１３は、制御部１２０が有するプログラマブルプロセッサがプログラムを実行することによって実現してもよいし、ＡＳＩＣやＡＳＳＰなどのハードウェアで実現してもよい。フィルタ処理部１１３はハードウェアとソフトウェアの組み合わせにより実現してもよい。

解析部１２０１は制御部１２０が実現する心電図データの自動解析機能に相当し、計測した心電図データに対して自動解析処理を適用する。自動解析処理は、大きく分けて計測処理と所見分類処理の２つに大別できる。計測処理は、心電図の区分点（Ｐ、ＱＲＳ、Ｔ）を検出し、計測値（Ｒ−Ｒ間隔、ＳＴレベル、ＰＱ、ＱＲＳ幅、ＱＴ等）を求める処理である。また、解析部１２０１は、設定された１種類の誘導の特徴点の周期または間隔、例えばＲ−Ｒ間隔から、心拍数[bpm]＝60[sec]/特徴点の周期[sec]として心拍数を算出する。また、所見分類処理は、計測値と予め判定された判定条件とから所見を決定する処理である。なお、ここで挙げた計測値は単なる例示であり、他の計測値を求めてもよい。制御部１２０は、解析部１２０１が特徴点を検出するための誘導を、後述する処理によって自動的に選択する。

カードスロット１１６にはメモリカードを着脱可能であり、制御部１２０は装着されたメモリカードに心電図検査データを記録したり、装着されたメモリカードから記録済みの心電図検査データを読み出したりすることができる。なお、心電図検査データは、心電図データおよび被検者情報のデータを含む。心電図データの自動解析を行った場合、検査データは自動解析結果のデータも含む。心電図検査データは所定のデータ形式で検査ごとに生成される。なお、心電図検査データは複数のデータファイルで構成されてもよいし、１つのデータファイルで構成されてもよい。

操作部１１７はユーザ（医療関係者）が心電計１００に各種設定や指示を入力する入力デバイスであり、ボタン、キー、タッチパネル（ソフトウェアキー）などが一般的に用いられるが、これらに限定されない。音声入力のような物理的な入力操作を必要としない入力方法がサポートされてもよい。

表示部１１８は、ＬＣＤなどの表示装置であり、制御部１２０の制御に従い、計測中の心電図、あるいはカードスロット１１６に装着されたメモリカードに記憶された心電図検査データに基づく心電図および／または解析レポートや、メニュー画面などを表示する。本実施形態において表示部１１８はタッチディスプレイであるものとする。
プリンタ１１９は、例えばサーマルプリンタであり、制御部１２０の制御に従い、心電図波形や解析レポートを所定のフォーマットで印刷出力する。

電源部１２１は例えば二次電池や商用電源（ＡＣアダプタ）であり、心電計１００の各部へ電力を供給する。

外部Ｉ／Ｆ１２３は外部機器を有線接続するための汎用インタフェースである。本実施形態において外部Ｉ／Ｆ１２３はＵＳＢ２．０規格に準拠したインタフェースであるものとするが、他の規格に準拠した汎用インタフェースであってもよい。また、外部Ｉ／Ｆ１２３の数は２つ以上であってもよい。外部Ｉ／Ｆ１２３にはＵＳＢ接続可能な任意の外部機器２００（例えばＵＳＢメモリやパーソナルコンピュータ）を接続可能である。

このような構成を有する心電計１００を用いて例えば心電図信号の計測及び記録を行う場合、電極群１１０の他端に設けられたコネクタを入力部１１１に接続し、心電計１００の電源がＯＮの状態で、電極群１１０の一端に設けられた胸部電極を被検者の胸部体表面の所定位置に、また四肢電極を被検者の四肢に取り付ける。

入力部１１１に電極群１１０が接続されると、検出された心電図信号が入力部１１１に入力され、Ａ／Ｄ変換部１１２、フィルタ処理部１１３などの処理を経て心電図データとして制御部１２０に入力される。制御部１２０は内部のＲＡＭの一部をバッファとして用い、直近の所定秒数分の心電図データを一時的に蓄積する。また、制御部１２０は、バッファ内の心電図データを用いて、表示部１１８への心電図の表示を開始する。本実施形態では、心電図信号が入力され始めてから記録（計測）の開始指示が入力されるまでの間に、解析部１２０１が心拍数を検出するために用いる心電図信号（誘導）を制御部１２０が自動で選択する。選択処理の詳細については後述する。

本実施形態の心電計１００は以下の計測モードを有するものとする。
（１）１２誘導自動計測モード
記録開始指示の入力（例えば操作部１１７が有するスタートボタンの押下）時点から、予め定められた期間（例えば１０秒間）に計測された１２誘導心電図信号について、自動解析結果を含んだ心電図検査データを記録するとともに、表示部１１８およびプリンタ１１９に出力する。
（２）１２誘導手動計測モード
記録開始指示の入力時点から、記録停止指示（例えば操作部１１７が有するスタートボタンの再押下）の入力時点まで、１２誘導のうち指定された一部の誘導の心電図波形をリアルタイムでプリンタ１１９から出力する。
（３）不整脈計測モード
１２誘導のうち指定された３種類の誘導について、記録開始指示が入力されてから、予め定められた期間（例えば数分）に計測された誘導の波形をリアルタイムでプリンタ１１９から出力する。
（４）リズム計測モード
１２誘導のうち指定された１種類の誘導について、記録開始指示が入力されてから、予め定められた期間（例えば数分）に計測された誘導の波形をリアルタイムでプリンタ１１９から出力する。
なお、これらの計測モードおよび動作は単なる例示であり、これらの全ての計測モードを有する必要はなく、また他の計測モードを有してもよい。

操作部１１７から記録開始指示が入力されると、制御部１２０は設定されている計測モードに応じた記録動作を実行し、設定された記録時間の経過、あるいは操作部１１７からの記録終了指示の入力を検出すると記録動作を終了する。

制御部１２０（解析部１２０１）は、記録中、バッファに蓄積された記録期間分の心電図データについて自動解析処理を実行する。自動解析処理の１つとして解析部１２０１は、選択された誘導の１拍期間ごとに予め定められた特徴点を検出し、その周期もしくは間隔に基づいて心拍数を１拍ごとに算出する。制御部１２０は、算出された心拍数を表示部１１８に随時表示することができる。また、制御部１２０は、心電図データとその自動解析結果のデータ、被検者情報のデータを含んだ検査データを生成し、カードスロット１１６に装着されたメモリカードあるいは外部Ｉ／Ｆ１２３に接続された外部機器２００に記録する。

なお、検査データのフォーマットに制限はなく、複数のデータファイルから構成されても、１つのデータファイルで構成されてもよい。例えば被検者情報と心電図データとを含んだデータファイルと、自動解析結果のデータとが別のデータファイルとして生成される場合、同じ検査に係る複数のデータファイルを判別できるように記録する。例えば、それぞれのデータファイルを同じフォルダに記録したり、同じファイル名で拡張子を異ならせて記録したりすることができる。また、検査データが１つのデータファイルで構成される場合、心電図データとその自動解析結果のデータ、被検者情報のデータを含んだデータファイルを生成する。これらは単なる例示であり、他の方法で検査データを生成してもよい。

１２誘導自動計測モードの場合、制御部１２０は、自動解析処理が終了すると、バッファに蓄積されている心電図波形とその自動解析結果とを所定のフォーマットで表示部１１８および／またはプリンタ１１９に出力する。

（心拍数算出に用いる誘導の自動選択処理）
次に、本実施形態の心電計１００における、心拍数の算出に用いる誘導の自動選択処理について、図２のフローチャートを用いて説明する。図２のフローチャートに示す自動選択処理は、制御部１２０がプログラムを実行することによって実現することができる。また、自動選択処理は、例えば制御部１２０が複数種の誘導（心電図信号）の入力を検出した時点や、設定されている計測モードで計測する全ての誘導の入力を検出した時点で自動的に開始することができる。しかしながら、操作部１１７の操作に応答して実行するなど、他の条件に基づいて開始してもよい。

制御部１２０は例えば、電極群１１０からフィルタ処理部１１３を介して複数種の誘導が入力されていることを検出すると、自動選択処理を実行する。なお、誘導の入力有無は、フィルタ処理部１１３から入力され、バッファに記憶されている心電図データの値に基づいて、誘導ごとに判定することができる。

Ｓ１０３で制御部１２０は、誘導ごとに、１拍分の心電図データを読み出し、１拍区間内の最大レベルを検出する。なお、制御部１２０は、公知の方法により、連続する心電図データから１拍分の心電図データを読み出すことができる。例えば、ある１つの誘導についてＲ波を検出し、Ｒ波のピークを基準に前後所定時間を１拍区間として定め、他の誘導についても同じ時間区間の心電図データを読み出すことができる。あるいは、解析部１２０１によって検出した区分点を用いてもよい。なお、最大レベルを検出する前に、Ｔ波成分を除去するフィルタ処理を適用してもよい。

Ｓ１０５で制御部１２０は、誘導ごとに、Ｓ１０３で切り出した１拍分の心電図データの最大レベル（最大値）が、予め定められた閾値以上であるか否かを判定する。この閾値は、１拍分の心電図データが正常なレベルを有するか否かの判定を行うための閾値であり、予め例えば実験的に定めておくことができる。制御部１２０は、最大レベルが閾値未満である心電図データについてはＳ１０７およびＳ１０９の処理をスキップする。

Ｓ１０７で制御部１２０は、誘導ごとに、Ｓ１０５で最大レベルが閾値以上であると判定された心電図データから、基準値を算出する。基準値は例えば１拍分の心電図データの平均レベル（平均値）もしくは平均レベルに基づく値（例えば平均レベルのｎ倍）であってよい。この処理は必須ではないが、誘導による最大レベルの本質的な差を考慮して最大レベルを比較するために導入している。

Ｓ１０９で制御部１２０は、誘導ごとに、１拍分の心電図データの最大レベルと、Ｓ１０７で算出した基準値との差を求め、誘導の種類と関連づけて例えばＲＡＭに記憶する。

Ｓ１１１で制御部１２０は、予め定められた所定の複数拍数が経過したか否か、すなわち所定の複数拍数期間の心電図データについて、Ｓ１０５（最大レベルが閾値以上の場合にはさらにＳ１０７、Ｓ１０９）を実行したか否かを判定する。制御部１２０は、所定拍数が経過したと判定されれば処理をＳ１１３に進め、判定されなければ処理をＳ１０５に進めて次の１拍分の心電図データについて処理する。ここでの所定拍数は、多いと最初に誘導が選択されるまでのタイムラグが大きくなり、少ないと選択が心拍間の値の変動の影響を受けやすくなる。所定拍数は例えば３〜６拍程度であってよい。

Ｓ１１３で制御部１２０は、誘導ごとに、記憶されている差の最小値を代表値として検出し、誘導間で代表値を比較する。

Ｓ１１５で制御部１２０は、代表値が最大である誘導を、脈拍数の算出に用いる誘導として選択する。そして、解析部１２０１は、選択された誘導を用いた心拍数の検出（算出）を開始する。

図３は、ある誘導についての代表値の決定方法を模式的に示した図である。ここでは所定拍数＝４とする。また、ここでは、Ｔ波を除去するフィルタ処理が適用されているものとする。また、基準値（基準レベル）は、平均値（平均レベル）の所定倍数として算出されている。図３に示す例では、１拍目〜４拍目のそれぞれで、最大レベルと基準レベルとの差が、それぞれ０．８ｍＶ、０．５ｍＶ、０．４ｍＶ、０．３ｍＶであったとする。この場合、この誘導についての代表値は、０．３ｍＶとなる。なお、ここでは心電図データの値をｍＶ単位で示しているが、実際のデータは別の単位であってもよい。制御部１２０は、各誘導について同様の方法で代表値を決定する。

通常、１拍分の心電図データの最大レベルはＲ波のピークに相当する。したがって、各誘導についての代表値は、心電図データの値と所定の閾値とを比較することによってＲ波を検出する場合に、最も検出しづらい値（最悪値）である。そして、代表値が最大であるということは、最悪値が最も大きいことから、Ｒ波の検出がしやすい誘導であるといえる。

このように、制御部１２０は、複数種の誘導からなる心電図のデータから、Ｒ波の検出に適していると判定される誘導を自動で選択することができる。そのため、ユーザによる設定や設定の変更を必要とせずに、被検者および計測時の状態において最適な誘導に基づいて心拍数を検出することができる。

図２に戻って、Ｓ１１７で制御部１２０は、操作部１１７から計測開始指示が入力されたか否かを判定し、入力されたと判定されれば処理を終了し、判定されなければ処理をＳ１１９に進める。

Ｓ１１９で制御部１２０は、誘導の再選択が必要か否かを判定し、必要と判定されれば処理をＳ１０３に戻して、再度、所定拍数の心電図データに基づいて誘導の選択を実行する。一方、制御部１２０は、再選択が必要と判定されなければ、処理をＳ１１７に戻す。
制御部１２０は、例えばＲ波の検出もしくは心拍数の算出に失敗した場合に、再選択が必要であると判定することができるが、これらに限定されない。このように、必要に応じて誘導の自動選択を繰り返し実行することにより、常に最適な誘導を選択することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、複数種の誘導からなる心電図のうち、１種類の誘導に基づいて心拍数を検出する生体信号処理装置において、計測中の複数種の誘導に基づいて、心拍数の検出に最適であると考えられる誘導を自動的に選択することができる。そのため、被検者や観測環境などが変化した場合でも、ユーザが設定を変更する必要なしに、精度の良い心拍数を得ることができる。

なお、本発明に係る生体信号処理装置は、パーソナルコンピュータ、タブレット端末、スマートフォンのような汎用情報処理装置に、上述した制御部１２０（解析部１２０１を含む）の動作を実行させるプログラム（アプリケーションソフトウェア）として実現することもできる。また、心電計や生体情報モニタなどの生体信号処理装置が有するＲＯＭに記憶され、装置が有するプロセッサに上述した制御部１２０の動作を実現させるプログラムとして本発明を実施することもできる。したがって、このようなプログラムおよび、プログラムを格納した記録媒体（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光学記録媒体や、磁気ディスクのような磁気記録媒体、半導体メモリカードなど）もまた本発明を構成する。

１００…心電計、１１８…表示部、１２０…制御部、１２３…外部Ｉ／Ｆ、１２０１…解析部

Claims (10)

1. 複数種の誘導からなる心電図を取得する生体信号処理装置であって、
   １種類の誘導に基づいて心拍数を検出する検出手段と、
   ２種類以上の誘導に基づいて、前記２種類以上の誘導から、前記検出手段で心拍数の検出に用いる誘導を選択する選択手段と、
   を有することを特徴とする生体信号処理装置。
2. 前記選択手段は、前記２種類以上の誘導のレベルに基づいて前記選択を行うことを特徴とする請求項１に記載の生体信号処理装置。
3. 前記選択手段は、前記２種類以上の誘導の１拍期間内の最大レベルに基づいて前記選択を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の生体信号処理装置。
4. 前記選択手段は、基準値と前記最大レベルとの差に基づいて前記選択を行うことを特徴とする請求項３に記載の生体信号処理装置。
5. 前記選択手段は、１拍期間内の最大レベルに対する基準値を、該１拍期間の心電図のレベルに基づいて生成することを特徴とする請求項４記載の生体信号処理装置。
6. 前記選択手段は、前記２種類以上の誘導のそれぞれについて、前記基準値と前記最大レベルとの差を求め、前記差に基づいて前記選択を行うことを特徴とする請求項４または５に記載の生体信号処理装置。
7. 前記選択手段は、前記２種類以上の誘導のそれぞれについて、予め定められた複数拍数期間における前記差の最小値を求め、前記最小値が最大である誘導を選択することを特徴とする請求項６に記載の生体信号処理装置。
8. 前記選択手段は、予め定められた条件が満たされた場合、前記選択を再度実行することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の生体信号処理装置。
9. 複数種の誘導からなる心電図を取得する生体信号処理装置の制御方法であって、
   １種類の誘導に基づいて心拍数を検出する検出工程と、
   ２種類以上の誘導に基づいて、前記２種類以上の誘導から、前記検出工程で心拍数の検出に用いる誘導を選択する選択工程と、
   を有することを特徴とする生体信号処理装置の制御方法。
10. コンピュータを、請求項１から８のいずれか１項に記載の生体信号処理装置が有する各手段として機能させるためにプログラム。