JP2020075136A - 生体振動信号検出装置 - Google Patents
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数を500Hz以下、400Hz以下、300Hz以下とすることが好ましい。例えば、20Hzから500Hzのバンドパスフィルタを用いてもよい。心音波形は、ノイズ、測定条件、測定環境、振動センサの性能、異常心音等によって、第一心音又は第二心音の一部又は全部が検出されない場合もある。また、心音波形が特定可能であれば、心音以外の振動に基づく信号を含んでいてもよい。なお、心音には、心室拡張期の前半に心室に血液が流入する際に生じるといわれる第三心音や、心房の収縮に基づく振動による第四心音(心房音)もあるが、異常心音の特徴として出現するものであり、心音波形として第三心音又は第四心音を含んでいてもよい。また、判定手段40は、心音波形から第三心音又は第四心音を検出した際には、心音に異常があることを示す表示を出力してもよい。
の強度(図2(B)では明るい部分は信号が強く、暗い部分は信号が弱い)を示しており、図2(C)は、図2(A)の生体振動信号を280〜320Hzのバンドパスフィルタで抽出した信号であり、縦軸は強度(au)、横軸は時間(s)である。図2(A)に示すように、生体振動信号の生データでは、多数の信号が重畳しており、周期性のある信号を確認できないが、図2(B)のウェーブレット変換した信号では、300Hz付近に周期性のある信号が確認された。例えば、ウェーブレット変換した信号波形からあるしきい値以上の明るさの領域又は暗さの領域を画像認識処理して識別することにより、心音の信号を検出することが可能である。また、図2(C)の280〜320Hzのバンドパスフィルタで抽出した信号では、太い信号S1と細い信号S2とが交互に検出されており、太い信号S1と細い信号S2との組み合わせが周期的に表れている。例えば、図2(C)のようなフィルタリング後の信号において、ピーク位置を検知する、または、あるしきい値以上の強度の信号を検知することにより、心音の信号を検出することが可能である。信号の太さは音の長さを意味し、一般的に第一心音は低調で長く、第二心音は高調で短いので、太い信号S1が第一心音の音波に相当し、細い信号S2が第二心音の音波に相当するものと推測される。つまり、図2(C)は第一心音の信号(太い信号S1)及び第二心音の信号(細い信号S2)を含む心音波形である。図2(B)に示すように、ウェーブレット変換によって心音波形が確認できることから、ウェーブレット変換する手段は心音抽出手段31である。また、図2(C)に示すように、280〜320Hzのバンドパスフィルタも心音抽出手段31であるが、バンドパスフィルタの周波数はかかる数値に限定されるものではない。生体振動信号をウェーブレット変換して心音の周波数を特定し、その結果に基づいてバンドパスフィルタの周波数を設定してもよい。
本実施例では、振動センサを、外部振動源を接続させた椅子の背もたれと座面の2カ所に貼り付けて配置し、着座したヒトの生体振動信号を検出した。センサのサイズは、8cm×16cmのセンサを、それぞれ座面の上(臀部の下)及び背もたれに1枚ずつ貼り付けた。図5(A)は、振動源を停止した状態における背もたれに配置された振動センサの検出結果であり、(B)は、そのウェーブレット変換した信号であり、(C)は(B)のウェーブレット変換した信号に同時に計測した心電図波形(ECG)を併記したものである。図6(A)は、振動源を停止した状態における座面に配置された振動センサの検出結果であり、(B)は、そのウェーブレット変換した信号であり、(C)は(B)のウェーブレット変換した信号に同時に計測した心電図波形(ECG)を併記したものである。図7(A)は、振動源を稼働させた際の背もたれに配置された振動センサの検出結果であり、(B)は、そのウェーブレット変換した信号であり、(C)は(B)のウェーブレット変換した信号に同時に計測した心電図波形(ECG)を併記したものである。図5〜図7において、振動センサは1000Hzのサンプリングレートで信号を検出し、各図(A)の縦軸は強度(任意単位)であり、横軸はいずれも時間である。また、各図(B)及び(C)のウェーブレット変換した信号は、明暗で信号の強度を示しており、暗い部分(濃い部分)は信号が強く、明るい部分(薄い部分)は信号が弱い。
分のパワースペクトルを時間領域での情報を保ったまま可視化することができた。
本実施例では、事務所等で使用する椅子の座面に振動センサを配置し、振動センサ上に着座させたヒトの生体振動信号を検出した。図8(A)は、ヒトを椅子に着座させて安静な状態で測定した振動センサの検出結果であり、(B)は、そのウェーブレット変換した信号であり、(C)は(B)の点線の四角部分を拡大した図である。図8(A)に示すように、椅子の座面に配置した振動センサによって、着座したヒトの臀部を介して生体振動信号を検出することができ、同(B)及び(C)に示すように、ウェーブレット変換すると、第一心音に対応する信号S1が200Hz近傍及び300Hz近傍に検出され、第二心音に対応する信号S2が、300Hz近傍の信号S1の間に周期的に検出された。第一心音は複数の周波数帯において強い信号が検出されたが、第二心音は300Hz近傍で強い信号が検出された。このように、椅子の座面に配置した振動センサによって、第一心音及び第二心音のピークを含む生体振動信号を検出することができた。なお、図8〜図11におけるウェーブレット変換した信号は、明暗で信号の強度を示しており、暗い部分(濃い部分)は信号が強く、明るい部分(薄い部分)は信号が弱い。
本実施例では、1m離間させた2つの椅子のうち、一方の椅子の座面に振動センサを配置し、他方の椅子にヒトを着座させた状態で生体振動信号を検出した。図11(A)は、振動センサを配置した椅子の上には座らず、1m離れた椅子にヒトを着座させた状態の振動センサの検出結果であり、(B)は、そのウェーブレット変換した信号である。図11(B)に示すように、振動センサとヒトとが非接触な状態で検出した振動センサの検出結果をウェーブレット変換すると、188Hz〜375Hzの周波数帯における信号S1と、信号S1に僅かに遅れて信号S2が周期的に検出された。これは、1m離れた位置の椅子に着座したヒトの心音が音波として空気を介して振動センサに伝播し、振動センサにおいて生体振動信号として検出されたものである。このように、本発明の方法によれば、振動センサから離間した位置のヒトの心音の検出も可能となり、様々な場面において応用可能となる。
上記実施例1〜3においては、従来と同様の構成の振動センサを使用して測定したが、従来の振動センサは、50Hz以下の低周波数帯域の信号を取り出すために最適化されており、高周波数帯域を含む心音の検出は強度が減衰してしまっていた。薄膜圧電センサは、接続するプリアンプの入力インピーダンスによって周波数特性が変化する。そこで、高周波数帯域を含む心音の信号も感度よく検出できるように振動センサに接続されたプリアンプの入力インピーダンスを設定した。図12は、プリアンプが接続された薄膜圧電センサの等価回路図であり、電源Viは薄膜圧電センサが変形などによって発生する起電力、抵抗Riは内部抵抗、負荷RLは接続するプリアンプの入力インピーダンスに相当し、コンデンサCは強誘電体からなる薄膜圧電センサの容量であり、等価回路では並列に接続される。実際には、薄膜圧電センサのインダクタンス分やコンデンサに並列に接続される漏れ電流に相当する抵抗、配線用同軸ケーブルの静電容量やインダクタンス、抵抗なども存在するが、想定する周波数帯(500Hz以下)ではその影響は少ないと予想されるため、ここでは省略している。
次にシート型圧電センサを使用して心音図を測定する実験を行った。図21(A)は測定した振幅波形とパワースペクトルのグラフであり、図21(B)はそのウェーブレット解析した結果であり、図21(C)は心音の抽出処理を行った後の振幅波形とパワースペクトルのグラフである。横軸は時間軸(30秒)である。測定は、椅子にシート型圧電センサ(PVDF)を置き、その上に着座して大腿動脈からの振動をセンサによって検出した。本実施例においては、よりノイズを少なくするためUSB接続のオーディオインタフェースにシート型圧電センサ(PVDF)を接続した。このオーディオインタフェースは、マイクの風切り音などを防止する目的で20Hz以下の低域をカットするHPFが内蔵されているため、心弾動の信号は削除されている。なお測定は、量子化ビット数は16bit、サンプリング周波数は6kHzで、入力インピーダンスは3kΩである。図21(A)の振幅波形からは心音を判別することはできないが、パワースペクトルには約140Hzと280Hz付近に心音と思われる特徴的な信号を確認することができた。図21(B)のウェーブレット解析した結果からも、第1心音S1と第2心音S2が検出され、心音が測定できていることが確認できた。図21(C)は、80Hz〜350Hzのみ通過するBPFをソフトウェア的に実行し、心音の抽出処理を行った後の振幅波形とパワースペクトルのグラフであり、信号の振幅のノーマライズは行っていないが、それでも上側の振幅波形で心音図が確認できる。なお、フィルタはタップ数が1024のFIRフィルタを使用した。
本実施例では、1つのセンサで心弾動と心音を同時に測定可能な整体振動信号検出装置を設計した。ここで問題となるのが、シート型圧電センサの周波数特性である。心弾動の信号は20Hz以下の低い周波数帯が主であり、心音の信号はそれよりも高い周波数帯が主となる。これまでは、心弾動の低い周波数帯の信号を測定する時は、プリアンプ部の入力インピーダンスを高くし、低い周波数のゲインを高くして雑音の影響を少なくしていた。逆に、心音の比較的高い周波数帯の信号を測定する時は、プリアンプ部の入力インピーダンスを低くして周波数によるゲイン差を抑え、AD変換器での分解能が不足しないように測定していた。これらの問題を解決し1つのセンサで心弾動と心音を同時に測定するため、測定回路の低雑音化と高分解能化(AD変換器のビット数を上げる)した。プリアンプ部の入力インピーダンスを高くして全体的なゲインを稼ぎ雑音の影響を抑えるとともに、高分解能化で音圧の小さな心音の信号も埋もれることなく測定する。AD変換器のビット数は、図16から、入力インピーダンスを1MΩとした場合、10Hzと10kHzでは約90dBのゲイン差があるところ、これまで使用していた16bitのAD変換器ではダイナミックレンジが約96dBであり、分解能が不足するため、ダイナミックレンジが約120dBの20bitのAD変換器又はそれ以上のビット数のAD変換器を採用することが望まれる。また、低雑音化として電源を金属ケースに入れてノイズを遮蔽するなどの対策をすることが好ましい。本実施例では、AD変換器として、24bitで高インピーダンス入力(1MΩ)のあるUSB接続のオーディオインタフェース(BEHRINGER UMC204HD)を使用した。
本実施例では、心音を含む生体信号をデジタル値に変換して安定に出力するまでの最適なシステム構成を示す。図17は、生体振動信号検出装置の振動センサの入力部分の概略構成図である。図17では、振動センサ171から順番に電圧制限用リミッター172、バッファーアンプ173、ローパスフィルタ174、AD変換器175、自動ゲイン調整機能176が接続されている。振動センサ171で検出した信号には必要とする生体信号の他にも直流成分や大信号が含まれるために、不要な直流成分を除去するハイパスフィルタと大信号を除去する電圧制限用リミッター172において生体信号のみを抽出する。さらに微弱な生体信号を減衰させることが無いようにバッファーアンプ173によって後段の回路を駆動する能力を向上させる。バッファーアンプ173は利得0dBのいわゆるインピーダンス変換でも良いが、生体信号の大きさや全体の回路構成から利得を数から数10dB持たせても良い。バッファーアンプ173によって駆動能力を得た信号は、AD変換器175によるサンプリングによって折り返し雑音が発生しないように、ローパスフィルタ174でサンプリング周波数の半分以下に生体信号の周波数帯域を制限する。ローパスフィルタ174のカットオフ周波数は従来の生体情報を取得する振動センサでは50Hz程度で良かったが、例えば500Hzの心音を抽出する場合は少なくとも500Hzまでは必要である。ローパスフィルタ174によって帯域制限された信号はAD変換器175によってデジタル値に変換されるが、その際の正確に変換する為には生体信号の少なくとも2倍以上のサンプリング周波数であることが好ましい。従来は、50Hz程度までの周波数帯の生体信号しか利用していなかったため、サンプリング周波数は100Hzで十分であったが、500Hzの心音を含む生体信号の場合には1KHz以上のサンプリング周波数とすることが好ましい。また生体信号に占める心音の成分は数100から数1000分の1と非常に小さく、従来の12bit分解能のAD変換器では正確にデジタル変換することは困難である為に例えば24bit程度の分解能が要求される。つまり従来の生体信号に用いるAD変換器に比べて高速で高分解能のAD変換器を用いる事で心音成分を正確にデジタル変換できる。デジタル値に変換されたデータは、生体信号は環境や被験者の違いによりその振幅が大きく異なるので、自動ゲイン調整機能176によってデータに対して演算により全体の振幅を一定に保つ様に補正する。振幅を一定に保つことにより心拍抽出の信号解析を正確に安定して行うことが出来る。
2 情報取得部
3 情報処理部
21 振動センサ
31 心音抽出手段
32 心弾動・脈波抽出手段
33 呼吸波形抽出手段
34 心拍数算出手段
35 心拍間隔算出手段
36 ヒルベルト変換フィルタ
37 瞬時位相差算出手段
38 位相コヒーレンス算出手段
39 判定手段
Claims (9)
- 生体振動信号を検出するための振動センサと、
前記振動センサで検出された生体振動信号から心音に基づく心音波形を抽出する心音抽出手段と、
前記心音抽出手段で抽出された心音波形から心拍間隔を算出する心拍間隔算出手段と、を有することを特徴とする生体情報検出装置。 - 前記心拍間隔算出手段は、心音波形用の処理手段を有することを特徴とする請求項1に記載の生体情報検出装置。
- 前記心音抽出手段は、下限が5Hz以上のフィルタ又はウェーブレット変換する手段であることを特徴とする請求項1又は2に記載の生体情報検出装置。
- 前記振動センサで検出された生体振動信号から心弾動又は脈波を抽出する心弾動・脈波抽出手段をさらに有することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の生体情報検出装置。
- 前記心拍間隔算出手段は、前記心弾動・脈波抽出手段で抽出された心弾動又は脈波からも心拍間隔を算出することを特徴とする請求項4に記載の生体情報検出装置。
- 前記振動センサで検出された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呼吸波形抽出手段をさらに有することを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の生体情報検出装置。
- 前記心拍間隔算出手段は、算出された心拍間隔から、さらに心拍間隔の変動を算出し、
前記呼吸波形抽出手段で抽出された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をさらに有することを特徴とする請求項6に記載の生体情報検出装置。 - 前記振動センサは、圧電効果を有する材料を含むセンサ素材層と、前記センサ素材層の上面に形成された第1の電極層と、前記センサ素材層の下面に形成された第2の電極層と、を含むシート状であることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の生体情報検出装置。
- 前記センサ素材層は、多孔性ポリプロピレンエレクトレットフィルム、ポリフッ化ビニリデンフィルム、ポリフッ化ビニリデンと三フッ化エチレンとの共重合体、又はポリフッ化ビニリデンと四フッ化エチレンとの共重合体であることを特徴とする請求項8に記載の生体情報検出装置。
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