JP2020174690A - Biological signal processing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は生体信号処理装置に関し、さらに詳しく言えば、運動中や環境の変化がある中においても安定したバイタル信号を取得し得る生体信号処理装置に関するものである。 The present invention relates to a biological signal processing device, and more specifically, to a biological signal processing device capable of acquiring a stable vital signal even during exercise or changes in the environment.
これまでに生体信号を測定する技術は数多く提案されており、その一例として、特許文献1には、使用者の生体情報を検出する生体情報検出部と、使用者の運動能力を判定する使用者判定部と、使用者の運動能力が所定の条件を満たすと判定されると使用者の運動能力に応じた解析情報を設定する情報設定部と、設定された解析情報に基づいて生体情報を解析する解析部とを備え、スポーツ心臓を有する使用者でも適切に生体情報を測定することができる生体情報解析装置が提案されている。
Many techniques for measuring biological signals have been proposed so far, and as an example,
特許文献2には、運動強度から推定する脈拍数の精度を向上させるため、被験者に関する生体情報を検出する生体情報検出部と、前記被験者の動作に関する体動情報を検知する体動情報検出部と、所定基準に基づき前記生体情報の信頼性を判定する信頼性判定部と、前記体動情報と前記生体情報との相関関係を記憶する記憶部と、前記記憶部が記憶する前記相関関係を更新する更新部とを備え、前記生体情報は前記所定基準を満たすと前記信頼性判定部が判定した場合、前記更新部は前記生体情報と前記体動情報とに基づいて前記相関関係を更新する生体情報処理装置が記載されている。
特許文献3には、被験者の心機能に関する第1のデータの時系列信号と被験者の呼吸運動による加速度に関する第2のデータの時系列信号の各々から被験者の呼吸数をそれぞれ推定する第1のステップと、第1のデータから推定した呼吸数と第2のデータから推定した呼吸数の各々についてカルマンフフィルタによりノイズを漉した呼吸数をそれぞれ推定する第2のステップと、この第2のステップで得られた複数の呼吸数の推定値の重み付け平均化処理を実行する第3のステップとを含む、呼吸数推定方法が記載されている。
In
また、特許文献4には、心電図を測定するための心電図測定電極と、ノイズを測定するためのノイズ測定電極と、心電図測定電極によって測定された心電図信号とノイズ測定電極によって測定されたノイズ信号を計測する計測部と、計測された心電図信号とノイズ信号を分析することにより、ノイズを除去したノイズ除去心電図を抽出する胸骨圧迫ノイズ除去処理部とを備え、胸骨圧迫によるノイズの影響を低減する心電図解析装置および電極セットが記載されている。
Further,
生体情報の測定(検出)は、安静状態のみならず作業中や運動中にも行われるが、上記に挙げた従来技術の対象は主に脈波や呼吸数であったり、また、心電であってもAEDにおける体動の影響等であり、激しい運動、エクササイズ、作業それに伴う環境の大きな変化が考慮されていない。 The measurement (detection) of biological information is performed not only in the resting state but also during work and exercise, but the objects of the prior art mentioned above are mainly pulse waves and respiratory rates, and also by electrocardiography. Even if there is, it is the influence of body movement in AED, and the large changes in the environment associated with strenuous exercise, exercise, and work are not taken into consideration.
そこで、本発明の課題は、生活や運動の中で、また、体の動きや環境の変化がある中においても安定したバイタル情報を取得できるようにすることにある。 Therefore, an object of the present invention is to enable stable vital information to be acquired in daily life and exercise, and also in the presence of changes in body movements and environment.
上記課題を解決するため、本発明はいくつかの特徴的な構成を備えている。まず、第1の発明は、生体の体表面から心電信号を取得するECG測定部と、上記心電信号に含まれているR波をその特徴から抽出し、R波ピークの位置を特定するR波抽出部と、上記R波抽出部によって特定されるR波区間のSNR(信号対ノイズ比)を算出するSNR算出部と、上記R波ピークの位置と上記R波区間の上記SNRからR波間隔を求めて出力する出力部とを備えていることを特徴としている。 In order to solve the above problems, the present invention has some characteristic configurations. First, the first invention specifies an ECG measuring unit that acquires an electrocardiographic signal from the body surface of a living body, extracts an R wave contained in the electrocardiographic signal from its characteristics, and specifies the position of an R wave peak. The R wave extraction unit, the SNR calculation unit that calculates the SNR (signal-to-noise ratio) of the R wave section specified by the R wave extraction unit, the position of the R wave peak, and the SNR to R of the R wave section. It is characterized by having an output unit that obtains and outputs a wave interval.
上記第1の発明には、上記R波抽出部により抽出されたR波時刻を用いて各R波の位置を合わせて平均化して上記SNR算出部でのSNRを算出するための信号量を算出する信号算出部と、上記ECG測定部にて測定されたノイズを含む心電信号からPQRST等の本来の心電信号を除去する波除去部と、上記SNR算出部で上記SNRを算出するために上記波除去部にて抽出されたノイズ波形からノイズ量を求めるノイズ算出部と、上記SNR算出部されたSNRと所定のしきい値とを上記R波各区間において比較するSNR比較部と、周波数解析部とをさらに備え、上記出力部は、上記SNR比較部でSNR<しきい値である区間を除く区間で2つの連続するR波ピークの時刻の差をとってRRIを計算してその計算結果を出力し、上記周波数解析部はRRIの揺らぎを計算して出力する態様が含まれる。 In the first invention, the signal amount for calculating the SNR in the SNR calculation unit is calculated by aligning and averaging the positions of each R wave using the R wave time extracted by the R wave extraction unit. To calculate the SNR by the signal calculation unit, the wave removal unit that removes the original electrocardiographic signal such as PQRST from the noisy electrocardiographic signal measured by the ECG measurement unit, and the SNR calculation unit. A noise calculation unit that obtains the amount of noise from the noise waveform extracted by the wave removal unit, an SNR comparison unit that compares the SNR calculated by the SNR calculation unit with a predetermined threshold value in each section of the R wave, and a frequency. The output unit further includes an analysis unit, and the output unit calculates the RRI by taking the difference between the times of two consecutive R wave peaks in the section excluding the section where SNR <threshold in the SNR comparison unit. The mode of outputting the result and calculating and outputting the fluctuation of RRI is included in the frequency analysis unit.
上記第1の発明において、上記周波数解析部は不定間隔のままのRRIを使い、正弦波の最小二乗法に基づく周波数解析を行うことを特徴としている。 In the first invention, the frequency analysis unit is characterized in that it uses RRI with an indefinite interval to perform frequency analysis based on the least squares method of a sine wave.
第2の発明では、ECG測定部は、複数のECG電極からの信号を処理することを特徴とし、上記SNR算出部にて算出されたSNRを上記ECG電極間で比較し、最良のSNRを選択するSNR・電極間比較部と、上記SNR・電極間比較部にて選択された最良のSNRと所定のしきい値とを比較し、その比較結果を上記出力部に与えるSNR・しきい値比較部とをさらに備える。 In the second invention, the ECG measuring unit processes signals from a plurality of ECG electrodes, compares the SNR calculated by the SNR calculating unit between the ECG electrodes, and selects the best SNR. The SNR / inter-electrode comparison section is compared with the best SNR / threshold value selected by the SNR / inter-electrode comparison section, and the comparison result is given to the output section. Further equipped with a part.
好ましくは、上記ECG測定部にて測定された上記各ECG電極の生波形の各区間ごとに、上記SNR算出部にて算出された当該区間のSNRを乗算するとともに、上記各ECG電極の極性を加算する重み合成部と、上記重み合成部で合成された合成波の中からR波を再抽出して上記出力部に与えるR波再抽出部とをさらに備える。 Preferably, each section of the raw waveform of each ECG electrode measured by the ECG measuring unit is multiplied by the SNR of the section calculated by the SNR calculating unit, and the polarity of each ECG electrode is determined. A weight synthesizing unit to be added and an R wave re-extracting unit that re-extracts the R wave from the synthesized wave synthesized by the weight synthesizing unit and gives it to the output unit are further provided.
第3の発明は、上記ECG測定部、上記R波抽出部、上記SNR算出部および上記出力部を含む信号処理回路を内部に有した格納容器としてのケースをさらに備え、上記複数のECG電極の一部は上記ケースの上部に設けられた端子を経由して上記ECG測定部に電気的に接続され、上記複数のECG電極の残部は上記ケースの底面に配置され上記ケース内の引き回し配線を介して上記ECG測定部に接続されることを特徴としている。 The third invention further includes a case as a storage container having a signal processing circuit including the ECG measurement unit, the R wave extraction unit, the SNR calculation unit, and the output unit inside, and the plurality of ECG electrodes. A part of the ECG electrode is electrically connected to the ECG measurement unit via a terminal provided on the upper part of the case, and the rest of the plurality of ECG electrodes are arranged on the bottom surface of the case and via a routing wire in the case. It is characterized in that it is connected to the ECG measuring unit.
上記第3の発明において、好ましくは、上記ケース内に、生体内部と環境との間に流れる熱流を測定する複数の温度計を有する熱流測定部が設けられる。 In the third invention, preferably, a heat flow measuring unit having a plurality of thermometers for measuring the heat flow flowing between the inside of the living body and the environment is provided in the case.
また、上記第3の発明は、上記ケースの底面は絶縁シートによって塞がれており、上記絶縁シートの外面側に2つに分割されたECG電極が所定の間隔をもって配置されているとともに、上記絶縁シートの内面側で上記2つのECG電極間に位置する部位に上記温度計が配置されており、上記各ECG電極の電極面と、それらの間の上記絶縁シートのシート面とが同一平面上に存在していることを特徴としている。 Further, in the third invention, the bottom surface of the case is closed by an insulating sheet, and ECG electrodes divided into two are arranged on the outer surface side of the insulating sheet at predetermined intervals, and the above is described. The thermometer is arranged at a portion located between the two ECG electrodes on the inner surface side of the insulating sheet, and the electrode surface of each ECG electrode and the sheet surface of the insulating sheet between them are on the same plane. It is characterized by being present in.
また、上記第3の発明の好ましい態様によれば、上記絶縁シートの外面側で上記ECG電極が配置される部分は上記ECG電極の厚さ分だけ薄く形成される。 Further, according to the preferred embodiment of the third invention, the portion where the ECG electrode is arranged on the outer surface side of the insulating sheet is formed as thin as the thickness of the ECG electrode.
第4の発明は、生体の上半身に装着される衣類を有し、上記衣類の所定部分に上記ECG電極と生体と環境の間を流れる熱流を測定する熱流パッドとが設けられていることを特徴としている。 The fourth invention is characterized in that it has a garment to be worn on the upper body of a living body, and a predetermined portion of the garment is provided with an ECG electrode and a heat flow pad for measuring a heat flow flowing between the living body and the environment. It is said.
上記第4の発明において、上記熱流パッドは、断熱材とその上面と下面とに配置される2つの温度計とからなる熱流測定手段を備えている。 In the fourth invention, the heat flow pad includes a heat flow measuring means including a heat insulating material and two thermometers arranged on an upper surface and a lower surface thereof.
また、上記第4の発明において、上記ECG電極は、上記衣類のうちの心電の正電位が顕著な領域に対応する部位と、心電の負電位が顕著な領域に対応する部位とに設けられている。 Further, in the fourth invention, the ECG electrodes are provided at a portion of the clothing corresponding to a region where the positive electrocardiographic potential is prominent and a portion corresponding to a region where the negative electrocardiographic potential is prominent. Has been done.
上記第4の発明には、上記衣類の生地と上記ECG電極との間に、上記ECG電極と皮膚との接触を保つばね材が配置されている態様が含まれている。 The fourth invention includes an embodiment in which a spring material for maintaining contact between the ECG electrode and the skin is arranged between the fabric of the clothing and the ECG electrode.
また、上記衣類の生地と上記断熱材との間にも、上記下面側の温度計と皮膚との接触を保つばね材が配置されていることが好ましい。 Further, it is preferable that a spring material for maintaining contact between the thermometer on the lower surface side and the skin is also arranged between the fabric of the clothing and the heat insulating material.
上記断熱材として、好ましくは、平面上に並べられた複数の気泡体を含む気体マットが用いられる。 As the heat insulating material, a gas mat containing a plurality of bubbles arranged on a flat surface is preferably used.
また、上記第4の発明には、上記熱流パッドは上記熱流測定手段を2つ備えているとともに、上記気体マットは上記一方の熱流測定手段用の第1気体マットと上記他方の熱流測定手段用の第2気体マットとに分けられ、上記第1気体マットと上記第2気体マットには、熱伝導率が異なる気体が封入されている態様が含まれる。 Further, in the fourth invention, the heat flow pad is provided with two heat flow measuring means, and the gas mat is for the first gas mat for one of the heat flow measuring means and the other heat flow measuring means. The first gas mat and the second gas mat are divided into the second gas mat, and the second gas mat includes a mode in which gases having different thermal conductivitys are sealed.
第5の発明は、生体内部と環境との間に流れる熱流を測定する熱流測定部と、上記熱流測定部からの温度情報に基づいて生体の深部温度を算出する深部温算出部と、上記深部温度に含まれているノイズを算出するノイズ算出部と、上記ノイズ算出部で算出されたノイズと上記深部温算出部で算出された深部温度から新たな深部温度を算出して出力する出力部とを備えていることを特徴としている。 A fifth invention includes a heat flow measuring unit that measures the heat flow flowing between the inside of the living body and the environment, a deep temperature calculating unit that calculates the deep temperature of the living body based on the temperature information from the heat flow measuring unit, and the deep portion. A noise calculation unit that calculates the noise contained in the temperature, and an output unit that calculates and outputs a new deep temperature from the noise calculated by the noise calculation unit and the deep temperature calculated by the deep temperature calculation unit. It is characterized by having.
また、上記第5の発明は、上記ノイズを深部温度入力としたハイパスフィルタの出力から得ることを特徴としている。 Further, the fifth invention is characterized in that the noise is obtained from the output of a high-pass filter having a deep temperature input.
上記第5の発明は、別の態様として、生体内部と環境との間に流れる熱流を測定する熱流測定部と、環境温度を測定する環境温測定部と、上記環境温測定部で測定された環境温度から偽信号を作り出す偽信号発生部と、上記熱流測定部にて測定された熱流から生体の深部温度を算出する深部温算出部と、上記偽信号発生部より発生された偽信号と上記深部温算出部より算出された深部温度とから新たな深部温度を算出して出力する出力部とを備えていることを特徴としている。 In another aspect, the fifth invention is measured by a heat flow measuring unit that measures the heat flow flowing between the inside of the living body and the environment, an environmental temperature measuring unit that measures the environmental temperature, and the environmental temperature measuring unit. A false signal generation unit that creates a false signal from the ambient temperature, a deep temperature calculation unit that calculates the deep temperature of the living body from the heat flow measured by the heat flow measurement unit, a false signal generated by the false signal generation unit, and the above. It is characterized by having an output unit that calculates and outputs a new deep temperature from the deep temperature calculated by the deep temperature calculation unit.
また、第6の発明は、生体の体表面から心電信号を取得するECG測定部と、生体内部と環境との間に流れる熱流を測定する熱流測定部と、生体の加速度を測定する加速度測定部と、生体を取り巻く環境状態を測定する環境測定部と、上記心電信号の信号対ノイズ比を算出し所定の第1しきい値と比較するECG−SNR比較部と、上記熱流測定部で測定された熱流に含まれているノイズを算出し所定の第2しきい値と比較する深部温−ノイズ比較部と、上記加速度測定部にて測定された加速度と上記環境測定部にて測定された環境状態とから上記第1しきい値および/または上記第2しきい値を変化させるしきい値発生部と、上記ECG−SNR比較部と上記深部温−ノイズ比較部からの比較結果をもとに通知信号を出力する出力部とを備えていることを特徴としている。 Further, the sixth invention is an ECG measuring unit that acquires an electrocardiographic signal from the body surface of a living body, a heat flow measuring unit that measures a heat flow flowing between the inside of the living body and the environment, and an acceleration measurement unit that measures the acceleration of the living body. The unit, the environment measurement unit that measures the environmental condition surrounding the living body, the ECG-SNR comparison unit that calculates the signal-to-noise ratio of the electrocardiographic signal and compares it with a predetermined first threshold value, and the heat flow measurement unit. A deep temperature-noise comparison unit that calculates the noise contained in the measured heat flow and compares it with a predetermined second threshold value, an acceleration measured by the acceleration measurement unit, and an environment measurement unit that measures the acceleration. The comparison result from the threshold generation unit that changes the first threshold value and / or the second threshold value from the environmental condition, the ECG-SNR comparison unit, and the deep temperature-noise comparison unit is also obtained. It is characterized by having an output unit that outputs a notification signal.
本発明によれば、生活や運動の中で、また、体の動きや環境の変化がある中においても安定したバイタル情報を取得することができる。 According to the present invention, it is possible to acquire stable vital information in daily life and exercise, and also in the presence of changes in body movements and environment.
次に、図面を参照して、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。 Next, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
〔第1実施形態〕ECG波のSNR算出とその利用について
図1に示すように、第1実施形態に係る生体信号処理装置は、基本的な構成として、ECG測定部110と、R波抽出部120と、SNR算出部130と、出力部(RRI出力部)140とを備える。
[First Embodiment] Calculation of SNR of ECG wave and its use As shown in FIG. 1, the biological signal processing apparatus according to the first embodiment has, as a basic configuration, an
各部の役割を概略的に説明すると、ECG(Electrocardiogram)測定部110は、体表面から心電信号を測定(取得)する。R波抽出部120は、心電信号に含まれているR波をその特徴から抽出し、R波ピークの位置を特定する。
Briefly explaining the role of each part, the ECG (Electrocardiography)
SNR算出部130は、心電信号の信号対ノイズ比(SNR)を計算する。信号として心電信号の最小から最大までの振幅を用いたり、実効値を用いることができる。ノイズは、取得した心電信号の中の心臓の拍動に起因する熱電力以外の成分で、運動や動作によって生じる電極−皮膚間のずれや接触の変化、接触電位の変化、静電気、汗等によるコンダクタンスの変化、筋電、AC電源からの誘導等に起因する。
The
出力部(RRI出力部)140は、R波抽出部120によって得られるR波とその周辺の区間に対して、SNR算出部130で得られるSNRに基づいた信号処理を加えて出力する。その信号処理として、例えば心拍数や心拍揺らぎ(HRV, Heart Rate Variability)、PQRST波の形状、それらから求められる生体情報(バイタル情報)を表示したり、通知したり、他のプログラムが利用できるようにする。
The output unit (RRI output unit) 140 outputs a signal process based on the SNR obtained by the
次に、図2に示すように、この生体信号処理装置は、具体的な構成として、ECG測定部110、R波抽出部120、SNR算出部130および出力部(RRI出力部)140のほかに、信号算出部121と、波除去部122と、ノイズ算出部123と、SNR比較部131と、周波数解析部150を備える。
Next, as shown in FIG. 2, this biometric signal processing device has, as a specific configuration, in addition to the
各部の動作をより詳しく説明すると、ECG測定部110は、体表面に付けた心電検出用の電極(ECG電極)からの信号を増幅し、適宜フィルタをかけて出力する(図3a参照)。フィルタには、ハイパスフィルタ(HPF)とローパスフィルタ(LPF)とが含まれる。
Explaining the operation of each unit in more detail, the
ハイパスフィルタは、心電信号の基線(ベースライン)の揺れを取り除く。ローパスフィルタは、AC電源ラインからの誘導ノイズや胸の筋肉の動き等による筋電ノイズの混入を取り除く。ハイパスフィルタやローパスフィルタによって決まる通過帯域は、通常、数Hzから40Hz程度、ノイズの多い環境では、10Hzから20Hz程度が通過するように設定する。 The high-pass filter removes the fluctuation of the baseline of the electrocardiographic signal. The low-pass filter removes inductive noise from the AC power line and myoelectric noise due to the movement of the chest muscles. The pass band determined by the high-pass filter or low-pass filter is usually set to pass from several Hz to 40 Hz, and in a noisy environment, to pass from about 10 Hz to 20 Hz.
通過帯域を狭くすると、ノイズの抑制効果は高まるが、心臓が拍動する際に発する本来の心電信号の再現性を悪化させてしまう。また、運動や生活の中の動きによって、狭くしたその帯域の中にノイズが入り込み除去しきれない現象も起こりかねない。 Narrowing the passband enhances the noise suppression effect, but deteriorates the reproducibility of the original electrocardiographic signal emitted when the heart beats. In addition, due to exercise or movement in daily life, noise may enter the narrowed band and cannot be completely removed.
運動によってノイズが発生する要因の一つとして、ECG電極と皮膚との間に生ずる接触電位がある。電極材料として、銀/塩化銀(Ag/Agcl)を用いることで接触電位は下げられるが、ゼロにすることは難しい。 One of the factors that generate noise due to exercise is the contact potential generated between the ECG electrode and the skin. By using silver / silver chloride (Ag / Agcl) as the electrode material, the contact potential can be lowered, but it is difficult to make it zero.
運動によってECG電極と皮膚との接触にずれが生じたり、接触面積に変化があると、この有限の電位が変化してノイズとなる。インパルス的な電位の変化は、幅広いスペクトルを持ち、上記通過帯域に入ってくる。 If the contact between the ECG electrode and the skin is displaced or the contact area is changed due to the movement, this finite potential changes and becomes noise. Impulse-like potential changes have a wide spectrum and enter the passband.
ECG電極を体に固定するためのベルトやウェアは、通常、繊維を用いているため、静電気の発生をゼロにすることは難しい。静電気もインパルス的な電位を発生し、同様の問題を引き起こす。 Since the belt or wear for fixing the ECG electrode to the body usually uses fibers, it is difficult to eliminate the generation of static electricity. Static electricity also generates impulse-like potentials, causing similar problems.
運動により生体が汗をかくと、皮膚表面に汗の層ができたり、ベルトやウェアに吸収されて0.1mS程度の導電率(10kΩ程度の抵抗率)を持つことがある。運動によってこの導電率が変化すると、やはり同様の問題を引き起こす。 When a living body sweats due to exercise, a layer of sweat may be formed on the skin surface, or it may be absorbed by a belt or clothing and have a conductivity of about 0.1 mS (resistivity of about 10 kΩ). Changes in this conductivity due to movement also cause similar problems.
これらの現象は、運動のベクトルや、ECG電極を付けている位置、皮膚との密着度等によって変わってくるランダムな過程であり、図3aに示すように、特定の区間にノイズ(アーティファクト)として現れる。 These phenomena are random processes that change depending on the motion vector, the position where the ECG electrode is attached, the degree of adhesion to the skin, etc., and as shown in FIG. 3a, as noise (artifact) in a specific section. appear.
ここでは区間の定義として、あるR波のピーク時刻と次のR波のピーク時刻との中間を区切りとして分けられる各R波ごとの時間領域としている。図3aに示すように、ノイズの少ない区間と多い区間が存在する。 Here, as the definition of the section, the time domain for each R wave is defined as a division between the peak time of one R wave and the peak time of the next R wave. As shown in FIG. 3a, there are sections with less noise and sections with more noise.
次に、図3bを参照して、R波抽出部120はR波の抽出を行う。R波を抽出する方法として、例えばQRS波の振幅に対してしきい値を設けて、しきい値以上をQRS波と同定する方法がある。別の方法として、波形の傾きや長さ等の特徴に対してしきい値を設定することもできる。
Next, referring to FIG. 3b, the R
また、心電信号は概ね同形状の波形の繰り返しであることから、自己相関関数やテンプレートマッチング、ウェーブレット等を用いてR波の位置を特定することもできる。 Further, since the electrocardiographic signal is a repetition of waveforms having substantially the same shape, the position of the R wave can be specified by using an autocorrelation function, template matching, a wavelet, or the like.
これらR波抽出には多くの方法が知られているが、本来の心電信号に似た形状のノイズや、ノイズの中に本来の心電信号が埋もれている場合等において限界がある。また、これら従来のR波検出法を用いながら、SNRによってR波区間を取捨選択したり、複数の電極の中から良い信号を選択したり合成したりする本発明の特徴を適用することで、より有効な出力を得ることもできる。 Many methods are known for these R wave extractions, but there is a limit in noise having a shape similar to the original electrocardiographic signal or when the original electrocardiographic signal is buried in the noise. Further, by applying the features of the present invention such as selecting the R wave section by SNR and selecting and synthesizing a good signal from a plurality of electrodes while using these conventional R wave detection methods. You can also get more effective output.
図3cを参照して、信号算出部121は、SNR算出のために信号量を算出する。信号として前述したように、心電信号の最小から最大までの振幅を用いたり、実効値を用いることができる。
With reference to FIG. 3c, the
例えば、R波抽出部120によって抽出されたR波時刻を用いて、各R波の位置を合わせて平均化することで、ノイズの少ない信号量を算出することができる。平均化の手法として、移動平均を用いることもできる。通常、QRS波が本来の心電信号の振幅最大波となることから、このQRS波のピークツーピーク(Peak to Peak)を信号振幅として用いることもできる。
For example, by using the R wave time extracted by the R
なお、信号算出部121での信号算出を行わずに、ノイズのみを用いて信号品質を判定できる場合もあるが、ECGの場合、振幅に個人差があったり、ECG電極の装着位置の違いによって振幅に差が生ずることがあり、さらにはAGC(Auto Gain Control)によって増幅器のゲインが自動調整される場合もあることから、信号算出部121で信号算出を行うことが好ましい。
In some cases, the signal quality can be determined using only noise without performing signal calculation by the
図3dを参照して、波除去部122は、本来の心電信号(心電波形)に含まれるPQRST等の波の除去を行う。この例では、図3d(a)に示すように、QRS波の期間とT波の期間を除去している。P波やU波等の他の波の期間についても除去することができるが、これらP波やU波等は、ノイズ量の算出に大きな影響を与えない場合が多いため、そのままにしておいてもよい。
With reference to FIG. 3d, the
図3d(b)の上段がPQRST波を除去する前の実際の心電波形で、下段がPQRST波除去後の波形を示している。R波のピークの位置を合わせて100程度の区間を重ねて描かれている。静止状態での取得であるためノイズ量は小さく、−8から+6LSB位の振幅、実効値で3LSBrms程度となっている。ちなみに、QRS波の振幅は、この例では350LSB程度であり、信号対ノイズ比(SNR)は100以上あることになる(信号振幅対ノイズ実効値)。 The upper part of FIG. 3d (b) shows the actual electrocardiographic waveform before removing the PQRST wave, and the lower part shows the waveform after removing the PQRST wave. The peak positions of the R waves are aligned and the sections of about 100 are overlapped. Since the acquisition is in a stationary state, the amount of noise is small, and the amplitude is about -8 to +6 LSB, and the effective value is about 3 LS Brms. By the way, the amplitude of the QRS wave is about 350 LSB in this example, and the signal-to-noise ratio (SNR) is 100 or more (signal amplitude-to-noise effective value).
図3d(c)は運動時に取得した例であり、上段がPQRST波を除去する前の実際の心電波形で、下段がPQRST波除去後の波形を示している。R波のピークの位置を合わせて100程度の区間を重ねて描かれている。ノイズ量は−600から+600LSB位の振幅、実効値で100LSBrms程度である。信号は300LSB程度であるため、SNRは約3となる。 FIG. 3d (c) shows an example acquired during exercise, the upper row shows the actual electrocardiographic waveform before the PQRST wave is removed, and the lower row shows the waveform after the PQRST wave is removed. The peak positions of the R waves are aligned and the sections of about 100 are overlapped. The amount of noise is an amplitude of about −600 to +600 LSB, and an effective value is about 100 LS Brms. Since the signal is about 300 LSB, the SNR is about 3.
波除去の他の例として、図3d(d)に示すように、各区間のR波の位置を合わせて移動平均を求め、その移動平均をノイズを含む心電信号から減算するようにしてもよく、このような態様も本発明に含まれる。 As another example of wave removal, as shown in FIG. 3d (d), a moving average is obtained by aligning the positions of the R waves in each section, and the moving average is subtracted from the electrocardiographic signal containing noise. Often, such aspects are also included in the present invention.
次に、図3eを参照して、ノイズ算出部123は、上記のようにして抽出したノイズ波形の例えば実効値をノイズ量として求める。ノイズ量としてノイズの振幅を用いることもできる。各区間のノイズ量を例えば最新の区間のノイズ量Ni,その一つ前の区間のノイズ量をNi−1,さらにその一つ前の区間のノイズ量をNi−2,…とした場合、最新の区間のノイズ量Niを順次求めていき、一つ前の区間Ni−1の後に追加していく。
Next, with reference to FIG. 3e, the
SNR算出部130は、信号量とノイズ量とからSNRを算出する。信号量として、移動平均や各区間の瞬時値、ノイズ量として各区間の実効値等を使うことができる。このようにして求めたSNRの実例を図3fに示す。参考に心拍数も載せている。前半の心拍数が低い部分が座っている状態(座位時)で、後半の心拍数が高い部分がエアロバイク(登録商標)での運動を行っている状態(運動時)のときのものである。
The
SNRが20以下程度に低下すると、R波の抽出時刻がずれたり、ノイズをR波として抽出する等、R波の抽出そのものを誤る(誤検出)頻度が増えてくる。本来のR波を抽出できない検出漏れも発生するおそれがある。 When the SNR decreases to about 20 or less, the frequency of erroneous (false detection) extraction of the R wave itself increases, such as the extraction time of the R wave shifting or noise being extracted as the R wave. There is a possibility that a detection omission that cannot extract the original R wave may occur.
前半の座位時では、SNRは変動するものの、概ね30程度以上はあり、誤検出や検出漏れの頻度は低い。後半の運動時では、高い頻度でSNRが20以下となり、高い頻度で誤検出や検出漏れが発生する。誤検出や検出漏れは、心拍計算の精度を悪化させるだけでなく、R波の間隔(RRI:R−R Interval)を使って求めるHRVの精度も悪化させる。場合によっては、心拍数やHRVを出力できないことがあり得る。 In the first half of the sitting position, although the SNR fluctuates, it is about 30 or more, and the frequency of false detections and omissions is low. During the latter half of the exercise, the SNR becomes 20 or less at a high frequency, and false detection or detection omission occurs at a high frequency. False detections and omissions not only deteriorate the accuracy of heart rate calculation, but also deteriorate the accuracy of HRV obtained by using the R wave interval (RRI: RR Interval). In some cases, it may not be possible to output heart rate or HRV.
区間ごとのSNRは大きく変動する。前半の座位でも、完全に体が静止している区間とそうでない区間とがあるため、200以上のSNRから数十のSNRまで変動する。後半の運動時でも、エアロバイク(登録商標)をコンスタントに漕いでいる中で、SNRが非常に悪い区間とある程度良い区間とが存在する。 The SNR for each section fluctuates greatly. Even in the sitting position in the first half, there are sections in which the body is completely stationary and sections in which the body is not completely stationary, so the SNR varies from 200 or more to several tens of SNRs. Even during the latter half of the exercise, while constantly rowing an exercise bike (registered trademark), there are sections where the SNR is very bad and sections where the SNR is good to some extent.
区間の長さ(R−R間隔)は、心拍数によって異なるが0.3〜1秒程度である。エアロバイク(登録商標)運動は、例えば60rpmでペダルを回したとき1秒周期の運動になる。1秒周期の運動ベクトル変化の中で、例えば0.5秒程度、ECG電極にアーティファクトを生じない時間が存在すれば、SNRが高い区間が存在することになる。 The length of the section (RR interval) varies depending on the heart rate, but is about 0.3 to 1 second. The exercise bike (registered trademark) exercise becomes a one-second cycle exercise when the pedal is turned at 60 rpm, for example. If there is a time during which the ECG electrode does not generate an artifact, for example, about 0.5 seconds in the motion vector change with a cycle of 1 second, there is a section having a high SNR.
図3gを参照して、SNR比較部131は、各区間でSNRとしきい値を比較する。しきい値として、例えば前述した誤検出が発生してくるSNRである20以下の値を用いることができる。
With reference to FIG. 3g, the
区間SNRの低下により、心電の特徴抽出ができなくなり検出漏れも発生するが、本来の検出漏れは特徴抽出の問題であり、しきい値とは関係ない。誤検出を減らそうとしてしきい値を高めに設定すると、正常に検出できた区間を削除する(しきい値による検出漏れ)問題を引き起こす危険性が増加する。 Due to the decrease in the interval SNR, the electrocardiographic features cannot be extracted and detection omissions occur, but the original detection omissions are a problem of feature extraction and are not related to the threshold value. Setting a higher threshold to reduce false positives increases the risk of causing the problem of deleting normally detected sections (missing detection due to threshold).
しきい値による検出漏れの発生確率は、ある程度R波検出が可能なSNRが10程度から上がってくる。正常検出を破棄させない意味では、しきい値として10以下程度にすることが好ましい。 The probability of occurrence of detection omission due to the threshold value increases from about 10 SNRs that can detect R waves to some extent. In the sense that normal detection is not discarded, the threshold value is preferably about 10 or less.
SNRの比較結果を最新の区間Ri,その一つ前をRi−1とした場合、最新の区間Riを求め、Ri−1以前の結果に順次追加していく。そして、しきい値以上であればOK,しきい値未満であればNGといった判定を行う。 When the comparison result of SNR is the latest section Ri and the previous one is Ri-1, the latest section Ri is obtained and added to the results before Ri-1 in sequence. Then, if it is above the threshold value, it is judged as OK, and if it is below the threshold value, it is judged as NG.
RRI出力部140は、RRIの計算結果を出力する。RRIは、2つの連続するR波ピークの時刻の差をとって計算する。このとき、SNR比較部131での判定がNGとなった期間は使用しない。
The
例えば、区間Ri−2がNGの場合、区間i−2でのR波抽出結果を使用しない。つまり、区間i−1と区間i−2との間、さらには区間i−2と区間i−3との間でRRIを計算しないことを意味する。 For example, when the section Ri-2 is NG, the R wave extraction result in the section i-2 is not used. That is, it means that the RRI is not calculated between the interval i-1 and the interval i-2, and further between the interval i-2 and the interval i-3.
NGとなった区間は、R波の検出漏れを含んでいる場合が多く、区間i−2を飛び越えて、区間i−1と区間i−3との間でRRIを計算することも誤りである場合が多く、この計算も行わない。 The section that became NG often includes the detection omission of the R wave, and it is also an error to jump over the section i-2 and calculate the RRI between the section i-1 and the section i-3. In many cases, this calculation is not performed either.
周波数解析部150はRRIの揺らぎ、つまりはHRVを計算して出力する。RRIにスプライン補間をかけて一定の時間間隔でリサンプリングする従来例が存在するが、欠落を含むRRIにスプライン補間をかけると、偽の振動を生じる場合があり好ましくない。
The
スプライン補間やリサンプリングは行わずに、不定間隔のままRRIを使い正弦波の最小二乗法に基づく周波数解析を行うことが好ましい。このような周波数解析として、例えばLomb−Scargleピリオドグラムがある。 It is preferable to perform frequency analysis based on the least squares method of sine waves using RRI at indefinite intervals without performing spline interpolation or resampling. As such a frequency analysis, there is, for example, a Lomb-Scargle periodogram.
また、SNRの高い区間のECGの生波形をR波のピークの位置を合わせて何区間かの平均をとることで、ノイズによる誤差の少ない本来のECG波形に忠実な波形を取得することができる。運動中のアーティファクトによって乱れたECG波を使って平均化すると波情報に大きな誤差を生じる。 In addition, by aligning the peak positions of the R waves and averaging the raw ECG waveforms in the sections with high SNR, it is possible to obtain a waveform that is faithful to the original ECG waveform with little error due to noise. .. Averaging with ECG waves disturbed by moving artifacts causes large errors in the wave information.
PQRSTU波等の波高値や傾きは、生体の特性、自律神経やホルモン、血中酸素濃度、カリウム濃度、その他の物質の濃度等の状態を反映する。例えば、高高度の登山を模擬した実験で、血中酸素濃度の低下でST波に変化が生じる現象が報告されている。ECGの波情報を精度よく得ることで、このような生体の状態を把握することができる。 The peak value and slope of the PQRSTU wave and the like reflect the characteristics of the living body, autonomic nerves and hormones, blood oxygen concentration, potassium concentration, and other substance concentrations. For example, in an experiment simulating high-altitude mountain climbing, it has been reported that the ST wave changes due to a decrease in blood oxygen concentration. By accurately obtaining the wave information of ECG, it is possible to grasp the state of such a living body.
〔第2実施形態〕ECGのSNRを利用した複数電極信号の合成について
第2実施形態には、図4に示す第1の態様と、図7に示す第2の態様とが含まれ、ともに複数のECG電極1,2,…を有している。
[Second Embodiment] Synthesis of a plurality of electrode signals using the SNR of ECG The second embodiment includes a first aspect shown in FIG. 4 and a second aspect shown in FIG. 7, both of which are plural. It has
−第1の態様−
まず、第1の態様について説明すると、ECG測定部210、R波抽出部220、SNR算出部230の他に、SNR・電極間比較部231、SNR・しきい値比較部232、RRI出力部240および周波数解析部250を備える。
-First aspect-
First, the first aspect will be described. In addition to the
このうち、ECG測定部210、R波抽出部220、SNR算出部230、RRI出力部240および周波数解析部250は、それぞれ、先の第1実施形態で説明したECG測定部110、R波抽出部120、SNR算出部130、RRI出力部140および周波数解析部150と同様な構成であってよい。
Of these, the
ECG電極1,2,…は、心電を検出するために生体の皮膚に装着される。その電極材料としては、接触電位が小さいAg/AgClやAg、導電性プラスチックが好ましく採用される。
The
アーティファクトは、運動のベクトルやECG電極の装着場所、筋肉の動き、皮膚との密着度等に応じて、本来の心電信号に重畳して入ってくる。運動の内容によって(例えば、腹筋、腕立て、ランニング等の基礎トレーニングから、マシンを使ったトレーニング、競技スポーツ、自由な動きを伴うストレッチやヨガ、ダンス等)使う筋肉やベクトルが異なるため、複数のECG電極間でアーティファクトの入り方が異なる。 Artifacts are superimposed on the original electrocardiographic signal according to the motion vector, the place where the ECG electrode is attached, the movement of the muscle, the degree of adhesion to the skin, and the like. Multiple ECGs are used because the muscles and vectors used differ depending on the content of the exercise (for example, from basic training such as abdominal muscles, push-ups, running, training using machines, competitive sports, stretching with free movement, yoga, dance, etc.) The way in which artifacts enter differs between the electrodes.
ECG測定部210は、ECG電極ごとにあってもよいが、高分解能ADC(アナログデジタルコンバータ)を時分割(インターリーブ)で切り替えて使うことで1個にすることができる。
The
複数のECG電極1,2,…からの信号をSNRに応じて合成することで、アーティファクトの影響を抑制することができる。本来の心電信号を同期加算(位置を合わせて加算)することで、心電信号を大きくすることができる。
By synthesizing the signals from the plurality of
ECG信号は既知ではないため、ECGとアーティファクトを完全に分離することは難しい。しかしながら、アーティファクトは、上述したメカニズムによって生じるため、本来の心電信号(PQRST波)とは異なる波形やスペクトルを持つ。 Since the ECG signal is unknown, it is difficult to completely separate the ECG from the artifact. However, since the artifact is generated by the mechanism described above, it has a waveform and spectrum different from the original electrocardiographic signal (PQRST wave).
その多くは、運動の衝撃による接触電位のインパルス的・ステップ関数的な変化が帯域制限を受けた波動であり、本来の心電信号とは異質のものになる。SNR算出部230は、各区間に広がるアーティファクトの波動エネルギーを定量化する。
Most of them are band-limited waves in which the impulse-like and step-function-like changes in the contact potential due to the impact of motion are band-limited, and are different from the original electrocardiographic signal. The
R波抽出部220やこれに続くブロックは、上記第1実施形態と同様の構成を持つこともできるが、一定時間ごとに処理電極を切り替えるようにすることで1系統にすることができる。
The R
SNR算出部230は、各時間、各ECG電極1,2,…でSNRを計算し、ECG電極1,2,…ごとに図5に示すような区間SNRの時系列を得る。図5において、SNR1,i−2:SNR1,i−1:SNR1,iがECG電極1の区間SNRの時系列であり、SNR2,i−2:SNR2,i−1:SNR2,iがECG電極2の区間SNRの時系列である。
The
SNR・電極間比較部231は、上記ECG電極ごとのSNRを各時刻において比較し、最良のSNRを選択する。
The SNR-
SNR・しきい値比較部232は、上記選択したSNRとしきい値とを比較し、しきい値以上であれば各時刻における上記最良のSNRを持つECG電極で抽出したR波時刻を出力する。しきい値未満の場合には、空白を出力する。図5において、Ri,Ri−1,Ri−2…はメモリ等に保存された上記出力である。
The SNR / threshold
RRI出力部240は、上記保存されたR波時刻をもとにR波間隔(R−R Interval)を計算して出力する。上記第1実施形態と同様に、空欄はしきい値未満を意味するため、空欄前後のRRIは計算しない。 The RRI output unit 240 calculates and outputs the R wave interval (RR Interval) based on the stored R wave time. Similar to the first embodiment, the blank means less than the threshold value, so the RRI before and after the blank is not calculated.
周波数解析部250は、上記RRIを用いて上記第1実施形態と同様の、正弦波の最小二乗近似に基づく不定間隔の周波数解析を行う。
The
図6を参照して、SNR・しきい値比較部232の詳細について説明する。
The details of the SNR / threshold
図6(a)は比較的単純な場合の例で、ECG電極1とECG電極2で区間の切り替わりタイミングが合っており、ECG電極1の区間i−2にアーティファクトが入っているとする。
FIG. 6A is an example of a relatively simple case, and it is assumed that the
SNR・電極間比較部31aによってSNRはECG電極1<ECG電極2と判定される。また、SNR・しきい値比較部31bにより、ECG電極2がしきい値以上であれば、ECG電極2が選択され、そのR波時刻が採用される(しきい値以下であれば、どちらも採用しない)。すなわち、次のとおり。
The SNR-electrode comparison unit 31a determines that the SNR is
(1)しきい値<SNR1,i−2<SNR2,i−2の場合、ECG電極2で抽出したR波時刻を採用。
(2)SNR1,i−2<しきい値<SNR2,i−2の場合、ECG電極2で抽出したR波時刻を採用。
(3)SNR1,i−2<SNR2,i−2<しきい値の場合、どちらも採用しない。
(1) When the threshold value <SNR1, i-2 <SNR2, i-2, the R wave time extracted by the
(2) When SNR1, i-2 <threshold value <SNR2, i-2, the R wave time extracted by the
(3) When SNR1, i-2 <SNR2, i-2 <threshold value, neither is adopted.
図6(b)はやや複雑な場合で、ECG電極1とECG電極2で区間の長さが異なる例である。ECG電極1では、区間i−2とi−1でアーティファクトをR波として抽出している。ECG電極2の区間i−2は本来のR波を正しく検出しているが、ECG電極1の区間i−2とi−1に跨がっている。
FIG. 6B is an example in which the length of the section differs between the
一般にQRS期間は、ECGの特徴抽出にとって最重要な期間で、この狭い期間に着目するとよい。狭くすることで、比較相手が1個に絞られる場合もあるが、この例のように相変わらず2個になってしまう場合がある。この場合、次のような処理を行うとよい。 In general, the QRS period is the most important period for feature extraction of ECG, and it is good to pay attention to this narrow period. By narrowing it, the number of comparison partners may be narrowed down to one, but as in this example, it may still be two. In this case, the following processing should be performed.
すなわち、SNR1,i−2<SNR1,i−1<SNR2,i−2の場合、SNR2,i−2を採用。その理由は、ECG電極1の両区間はSNRが低下しているためである。
That is, when SNR1, i-2 <SNR1, i-1 <SNR2, i-2, SNR2, i-2 is adopted. The reason is that the SNR is lowered in both sections of the
上記以外ではSNR2,i−2を採用しない。その理由は、ECG電極1にSNRが高い抽出が存在する、ECG電極2の方にアーティファクトが存在する可能性があるためである。
Other than the above, SNR2 and i-2 are not adopted. The reason is that the
−第2の態様−
図7に示すように、SNRに応じた重み付き合成を行うため、上記第1の態様におけるSNR・電極間比較部231、SNR・しきい値比較部232に代えて、重み合成部233とR波再抽出部234を備える。この他の構成は上記第1の態様と同じである。図8に各部の動作説明用の模式図を示す。
-Second aspect-
As shown in FIG. 7, in order to perform weighted synthesis according to SNR, the weight synthesis section 233 and R are replaced with the SNR /
重み合成部233は、各時間、各ECG電極1,2,…のECG生波形に当該区間のSNRを乗算する。例えば、ECG電極1のECG生波形は、R波仮検出によってv1,i:v1,i−1:v1,i−2,…の区間に区切られたとする。
The weight synthesizing unit 233 multiplies the ECG raw waveforms of the
各区間の長さは、上記したようにR−R間隔によって決まり、例えば0.3〜1秒程度である。例えばADCのサンプリングレートを128spsとすると、各区間には38〜128個の時系列データ(x1,x2,…)が含まれることになる。 The length of each section is determined by the RR interval as described above, and is, for example, about 0.3 to 1 second. For example, assuming that the sampling rate of the ADC is 128 sps, each section contains 38 to 128 time series data (x1, x2, ...).
つまり、各区間は上記時系列データの集合であり、例えば区間v1,i={x1,x2,…}となる。これにSNRを乗算すると、SNR1,i×v1,i={SNR1,i×x1,SNR1,i×x2,…}となる。 That is, each section is a set of the above time series data, and for example, the sections v1, i = {x1, x2, ...}. Multiplying this by SNR gives SNR1, i × v1, i = {SNR1, i × x1, SNR1, i × x2, ...}.
さらに重み合成部233は、各ECG電極1,2,…の極性を合わせて加算する。例えば最新の区間で合成される信号をv,iとすると、
v,i=p1×SNR1,i×v1,i+p2×SNR2,i×v2,i+…
となる。p1,p2,…は各ECG電極の極性であり、+1か−1の値をとる。
Further, the weight synthesizing unit 233 adds the polarities of the
v, i = p1 × SNR1, i × v1, i + p2 × SNR2, i × v2, i + ...
Will be. p1, p2, ... Are the polarities of each ECG electrode and take a value of +1 or -1.
通常、ECG電極の装着場所が決まれば、PQRST波の極性は変わらないため、区間ごとに極性を変える必要はない。つまり、p1,p2,…は区間が変わっても同じ値を使用することができる。 Normally, once the mounting location of the ECG electrode is determined, the polarity of the PQRST wave does not change, so it is not necessary to change the polarity for each section. That is, the same values can be used for p1, p2, ... Even if the interval changes.
一方で、複数のECG電極においてPQRST波の形が装着場所ごとに変わる現象がある。例えば12誘導心電計では、V1電極はS波がR波より大きくなる。この場合、例えばQRS振幅が最大となるように合成の極性を決めるとよい。 On the other hand, there is a phenomenon that the shape of the PQRST wave changes depending on the mounting location in a plurality of ECG electrodes. For example, in a 12-lead electrocardiograph, the S wave of the V1 electrode is larger than the R wave. In this case, for example, the polarity of the composition may be determined so that the QRS amplitude is maximized.
R波再抽出部234は、合成された信号v,1:v,i−1:v,i−2…に対してR波の再抽出を行う。合成波のSNRは、合成前の各ECG電極1,2,…のSNRのほぼ和となり、SNRを向上させてR波抽出が行える。
The R wave re-extraction unit 234 re-extracts the R wave for the combined signals v, 1: v, i-1: v, i-2 ... The SNR of the composite wave is approximately the sum of the SNRs of the
上述したように、運動中、SNRが非常に悪い区間とある程度良い区間が存在し、それは運動ベクトルや装着場所に依存することから、複数のECG電極1,2,…で重み合成することで、SNRが非常に悪い区間を減らすことができる。このことは、RRIの誤検出や検出漏れを減らすことにつながる。
As described above, during exercise, there are sections where the SNR is very bad and sections where the SNR is good to some extent, and since it depends on the motion vector and the mounting location, weight synthesis is performed by a plurality of
〔第3実施形態〕
ここでは、心電検出用の複数のECG電極を持ったセンサ構造について説明する。通常、ECG電極の数を増やすことは信号処理回路等を収納するケース(格納容器)の接続のための端子の数を増やすことになり、また電極面積も必然的に広くなるが、本発明では、これらの点を極力抑える工夫をしている。
[Third Embodiment]
Here, a sensor structure having a plurality of ECG electrodes for electrocardiographic detection will be described. Normally, increasing the number of ECG electrodes increases the number of terminals for connecting a case (containment vessel) for accommodating a signal processing circuit or the like, and also inevitably increases the electrode area. , We are trying to suppress these points as much as possible.
−第1の態様−
図9は、ケース310の底面にもECG電極3を設けて、端子数の増加や専有面積の増加を最小限に押さえた例である。この例において、ケース310はベルト301を介して皮膚面に固定される。ベルト301に代えて粘着テープが用いられてもよい。図示しないが、ケース310には信号処理回路等が内蔵されている。
-First aspect-
FIG. 9 shows an example in which the
図9(a)(b)に示すように、この例では、ECG電極としてケース310の両側に配置されたECG電極1,2と、ケース310の底面(皮膚面に接触する側の面)に設けられたECG電極3の3つのECG電極を備えている。
As shown in FIGS. 9A and 9B, in this example, the
ECG電極1,2は、先にも説明したように、好ましくはAg/AgClや導電性プラスチックからなる電極で、これらECG電極1,2はケース310の上面に設けられている端子321a,321bを介してケース310内の信号処理回路等に接続される。
As described above, the
ECG電極3は、ECG電極1,2と同じく、好ましくはAg/AgClや導電性プラスチックからなる電極でケース310の底面に設けられるが、ECG電極3には導電性ゲルが用いられてもよい。
Like the
ECG電極1,2,3は、皮膚に接触するように装着されるが、ECG電極1,2の端子部分を覆うように絶縁カバー302を配置する。絶縁カバー302は、ケース310の端部から10mm以上張り出して配置することが好ましい。これは、汗によるECG電極1,2間の絶縁抵抗の低下を最小限にするためである。
The
図10(a)(b)は、ケース310の底面に配置されるECG電極3を2分割してECG電極3a,3bとした例で、これにより電極数を増やしている。
10 (a) and 10 (b) show an example in which the
図11は、上記のECG電極1,2,3の他に、さらに4つのECG電極4〜7を備える例である。このうち、ECG電極4,5は体の側面に接するようにベルト301に配置され、ECG電極6,7は体の背面に接するようにベルト110に配置される。
FIG. 11 shows an example in which four
体の側面はベルトやウェアの生地を支える支点となり、運動時のずれが比較的少ない部位である。体の背面や前面および側面の組合せは、体を前後左右に延ばすような運動の時、ある瞬間どこかのECG電極でアーティファクトが少ない状態を生成する確率を増やす。 The side surface of the body serves as a fulcrum that supports the fabric of the belt and clothing, and is a part where there is relatively little deviation during exercise. The combination of the back, front, and sides of the body increases the probability of producing a low-artifact state at some ECG electrode at a given moment during a movement that stretches the body back and forth and left and right.
−第2の態様−
この第2の態様においては、図12(a)〜(c)に示すように、複数(例えば3つ)の心電検出用のECG電極1〜3と、深部体温計測用の温度計11a,11bを備えている。なお、温度計11a,11bを区別する必要がない場合には、総称として温度計11という。
-Second aspect-
In this second aspect, as shown in FIGS. 12A to 12C, a plurality of (for example, three)
ケース310内に基板330と2つの温度計11a,11bを有し、これによって皮膚と環境の間を流れる熱流を測定する。一方の温度計11aはケース310の底面に配置され、他方の温度計11bは温度計11aから離れた基板330に設けられる。
A
図示のように、一組の温度計対(温度計11a,11b)により、一つの熱流を測定することができる(SHF: Single Heat Flux)。また、温度計対を二組とすることにより、二つの熱流を測定することもできる(DHF: Dual Heat Flux)。この場合において、ECG電極3はケース310の底面に皮膚に接触するように設ける。
As shown, one set of thermometer pairs (
−第3の態様−
この第3の態様では、基板330と温度計11およびECG電極1〜3の接続例について説明する。図13aはECG電極3がケース310の底面全体にある場合、図13bは底面電極であるECG電極3をECG電極3aとECG電極3bに分割した場合である。
-Third aspect-
In this third aspect, an example of connecting the
いずれの場合も、ケース310の上蓋311にはベルト301(もしくはウェア)に取り付けられているECG電極1,2と電気的に接続する端子321a,321bを設ける。なお、端子321a,321bを区別する必要がない場合には、総称として端子321という。
In either case, the
端子321a,321bをケース310内の基板330にそれぞれ配線L1,L2で接続する。ケース310の底面には、絶縁シート312を内側とし、ECG電極3を外側として貼り合わせたものを配置する。
The
絶縁シート312の上には第1の温度計11aを配置する。基板330の上には第2の温度計11bを配置する。温度計11a,11bはケース310の中央部分に配置されることが好ましい。第2の温度計11bは基板330の下面側に配置されてもよい。
A
第2の温度計11bに放射温度計の機能を付加して、基板温度と底面の温度を同時に測るようにすれば、第1の温度計11aを省略することもできる。
If the function of the radiation thermometer is added to the
絶縁シート312にはスルーホール313を設け、スルーホール313を介してECG電極3(底面電極)と基板330とを配線L3で接続する。また、第1の温度計11aと基板330とを適宜配線で接続する。上記配線として、フレキシブルプリント配線を用いることもできる。
A through
絶縁シート312として、プラスチックを用いることができる。絶縁シート312の厚さを薄くして、第1の温度計11aの温度をできるだけ皮膚温に近づけて第2の温度計11bとの温度差を大きくすることが感度を上げるうえで好ましい。
Plastic can be used as the insulating
さらに、ケース310の厚さを薄くするうえでも、絶縁シート312の厚さは薄い方がよい。高強度のプラスチック材を用いれば、1mm程度の厚さにすることができる。ケース310の底面の強度を絶縁シート312が担うことで、高価な銀を使う底面のECG電極3の厚さを薄くできる。底面のECG電極3として、シート状のAg/AgClを用いることができる。
Further, in order to reduce the thickness of the
また、底面のECG電極3として、ヤング率が高い鉄等の金属の上にAg/AgClをメッキしたものを使うこともできる。ケース310の底面の強度をECG電極3が担うことで、絶縁シート312の厚さを薄くでき、第1の温度計11aの温度を皮膚温に近づけることができる。
Further, as the
図13bの例では、底面のECG電極3を2つのECG電極3aとECG電極3bとに分割する場合、これら分割電極3a,3bが配置される絶縁シート312の両側部分312a,312bを電極3a,3bの厚さ分だけ薄くすることにより、皮膚に接する面を平坦にすることができる。
In the example of FIG. 13b, when the
第1の温度計11aの直下やその周辺は熱流を計測するうえで重要な面であり、この面と皮膚との間に隙間ができると熱流計測に誤差が生じる。ECG電極3a,ECG電極3bも当然皮膚との接触が重要なことから、ケース310の底面に段差が生じないことが重要である。
Immediately below and around the
なお、相対的なこととして、絶縁シート312のうち、ECG電極3aとECG電極3bとの間の中央部分312cの厚さをそれら電極3a,3bの厚さ分増やして、ケース310の底面に段差が生じないようにしてもよい。
As a relative matter, in the insulating
−第4の態様−
第4の態様では、図13cに示すように、底面のECG電極3を4分割にするとともに、上記絶縁シート312を第1の絶縁シートとして、これとは別にケース310の底面にさらに第2の絶縁シート317を備える。
-Fourth aspect-
In the fourth aspect, as shown in FIG. 13c, the
上記第3の態様と同じく、ケース310の底面には、第1の温度計11aと第1の絶縁シート312を配置する。第1の絶縁シート312の皮膚側(底面側)に、ECG電極3を4分割した4つのECG電極3a〜3dを配置する。
Similar to the third aspect, the
第1の温度計11aの下に隙間ができないように、第1の温度計11aとその周辺にダミー電極Dを配置する。なお、ダミー電極Dに代えて同じ厚さの電気絶縁性のダミーシートが用いられてもよい。さらにその下に、第2の絶縁シート317を配置する。
A dummy electrode D is arranged in and around the
第2の絶縁シート317はケース310の底面より大きな面積を有し、その周辺部分はケース310の底面からはみ出している。第2の絶縁シート317には、プラスチック等の絶縁体を用いる。
The second
第2の絶縁シート317の底面に、導電性ゲル315a〜315dと非導電性ゲル316を配置する。第2の絶縁シート317の中央部分には開口部318を設け、ケース側の分割されたECG電極3a〜3dを、それぞれ、導電性ゲル315a〜315dに電気的に接続する。また、ダミー電極Dと非導電性ゲル316とを熱的に接触させる。第2の絶縁シート317は使い捨てにすることができる。
導電性ゲル315a〜315dと非導電性ゲル316に粘着性を持たせることにより、ケース310を含めて皮膚に吸着させることができる。衣服を脱がずに着脱できるメリットがある。
By making the
〔第4実施形態〕
複数のECG電極パッドおよび熱流パッドを持つ人体の上半身に装着されるウェアの実施形態で、図14(a)(b)にウェアWにECG電極パッドE、熱流パッドThおよび信号処理回路Pを設けた例を示す。図14(a)がウェアWの前面側で、図14(b)がウェアWの背面側である。
[Fourth Embodiment]
In the embodiment of the wear worn on the upper body of the human body having a plurality of ECG electrode pads and heat flow pads, ECG electrode pads E, heat flow pads Th, and signal processing circuit P are provided on the wear W in FIGS. An example is shown. FIG. 14A is the front side of the wear W, and FIG. 14B is the back side of the wear W.
図14(a)に示すように、人体の場合、体の前面で肋骨のやや下の左右に心電の正電位が顕著な(高い)部分が存在する。さらに、みぞおちとその上下にかけて心電の負電位が顕著な(絶対値として高い)部分が存在する。この領域にECG電極パッドEを設けることで、信号強度を上げられる。 As shown in FIG. 14A, in the case of the human body, there are prominent (high) positive electrocardiographic potentials on the left and right slightly below the ribs on the front surface of the body. Furthermore, there is a portion where the negative potential of the electrocardiogram is remarkable (high as an absolute value) in the epigastrium and above and below it. By providing the ECG electrode pad E in this region, the signal strength can be increased.
心電の正電位が顕著な部分に設けられるECG電極パッドをE(+),心電の負電位が顕著な部分に設けられるECG電極パッドをE(−)とする。区別する必要がない場合には、単にECG電極パッドEとする。 The ECG electrode pad provided in the portion where the positive potential of the electrocardiogram is prominent is E (+), and the ECG electrode pad provided in the portion where the negative potential of the electrocardiogram is prominent is E (-). When it is not necessary to distinguish them, the ECG electrode pad E is simply used.
ECG電極パッドEは大きすぎると、上記電位が高い部分とその周辺の相対的に電位の低い部分をショートすることになるおそれがあるため、好ましくない。一方で、小さいECG電極パッドEを多数配置することは、信号処理や配線の引き回しに負担を掛けることになる。 If the ECG electrode pad E is too large, the portion having a high potential and the portion having a relatively low potential in the vicinity thereof may be short-circuited, which is not preferable. On the other hand, arranging a large number of small ECG electrode pads E imposes a burden on signal processing and wiring routing.
正電位の高い部分はやや面積が小さいため、一例として、左右に一つずつECG電極パッド(E+)を配置し、負電位の高い中央部分には3つのECG電極パッド(E−)を配置することが好ましい。これによって、大きな信号が得られるとともに、上記の問題が軽減され、複数電極によるSNR改善効果が奏される。 Since the area of the high positive potential is rather small, as an example, one ECG electrode pad (E +) is placed on each side, and three ECG electrode pads (E-) are placed in the central part with high negative potential. Is preferable. As a result, a large signal can be obtained, the above-mentioned problems are alleviated, and the SNR improvement effect of the plurality of electrodes is achieved.
図14(b)を参照して、体の背面にも、前面よりも小さいながらも、前面と同様の電位分布が存在する。電極数や配線数、信号処理を増やすことになるが、適宜この部分(体の背面)も利用することにより、上記効果をさらに上げることができる。 With reference to FIG. 14B, the back surface of the body also has a potential distribution similar to that of the front surface, although it is smaller than the front surface. The number of electrodes, the number of wirings, and signal processing will be increased, but the above effect can be further improved by appropriately using this part (the back surface of the body).
熱流パッドThは、後述する熱流を測定する温度計11と断熱材432で構成され、熱流を体表面に対して鉛直方向に流す。熱流パッドThを複数配置する意味は、体の深部(例えば、腹部の上部と下部)に温度差があるためと、熱流計測にもアーティファクト(誤差の要因)があり、それを軽減するためである。
The heat flow pad Th is composed of a
皮膚と熱流パッドThの間に隙間が生ずるとアーティファクトとなるため、可能な限り平坦な面に装着することが好ましい。胸筋や胸の脂肪、女性の乳房、背中の肩甲骨のあたりは平坦性を損なうため、これらの領域は避けることが好ましい。 If a gap is created between the skin and the heat flow pad Th, it becomes an artifact, so it is preferable to wear it on a flat surface as much as possible. Pectoral muscles and chest fat, gynecomastia, and the area around the shoulder blades on the back impair flatness, so these areas should be avoided.
以上の観点から、上部で比較的平坦な胸骨丙のあたり、下部で比較的平坦な肋骨の下あたりに熱流パッドThを配置することが好ましい。なお、図14(a)の例ではECG電極パッドEと熱流パッドThの場所が重ならないようにしているが、ECG電極パッドEと熱流パッドThを一つのパッケージ内に収納して、両機能を合体させることも可能である。 From the above viewpoint, it is preferable to arrange the heat flow pad Th around the sternum, which is relatively flat at the upper part, and under the ribs, which is relatively flat at the lower part. In the example of FIG. 14A, the locations of the ECG electrode pad E and the heat flow pad Th do not overlap, but the ECG electrode pad E and the heat flow pad Th are housed in one package to provide both functions. It is also possible to combine them.
皮下脂肪は、熱流を小さくするとともに、熱時定数を大きくする。また、熱流計にとって感度を低下させるとともに、応答スピードを遅くする。さらに、電気の平行平板コンデンサの電気力線のアナロジーから、平行平板の距離が離れるほど周囲の流束が曲がる現象(3次元効果)が生じ、深部から熱流計までの距離が離れるほど、環境温度の影響を受けやすくなる。 Subcutaneous fat reduces the heat flow and increases the heat time constant. It also reduces the sensitivity of the heat flow meter and slows down the response speed. Furthermore, from the line of force analogy of the electric parallel plate capacitor, the phenomenon that the surrounding flux bends as the distance between the parallel plates increases (three-dimensional effect) occurs, and the environmental temperature increases as the distance from the deep part to the heat flow meter increases. Being susceptible to.
体の前面では、胸骨丙のあたりが比較的皮下脂肪が少ないため、皮下脂肪が厚い人向けに胸骨丙のあたりを選択するとよい。また、体の背面は前面よりも皮下脂肪が少ない場合が多いことから、前述した背中の場所を選択することもできる。 On the front of the body, the area around the sternum is relatively low in subcutaneous fat, so it is recommended to select the area around the sternum for people with thick subcutaneous fat. In addition, since the back surface of the body often has less subcutaneous fat than the front surface, the above-mentioned back location can be selected.
接地電極Gにも、アーティファクトが発生するため、広い面積を確保することが好ましい。前述した心電の電位分布を乱さないように、比較的電位が小さい背中側、その中でも電位が小さい首の下あたり、さらには腰のあたりに広い面積を確保することが好ましい。 Since artifacts also occur in the ground electrode G, it is preferable to secure a large area. It is preferable to secure a large area on the back side where the electric potential is relatively small, particularly under the neck where the electric potential is small, and further around the waist so as not to disturb the electric potential distribution of the electrocardiogram described above.
信号処理回路Pは、外部との通信を行うための無線回路を備えている。その通信距離を延ばすため、アンテナの地上高を上げることが好ましい。さらに運動の内容によっては、背中を地面につける場合もあり、信号処理回路が運動の妨げにならないようにユーザーに選択の余地があることが好ましい。 The signal processing circuit P includes a wireless circuit for communicating with the outside. In order to extend the communication distance, it is preferable to raise the ground clearance of the antenna. Further, depending on the content of the exercise, the back may be put on the ground, and it is preferable that the user has a choice so that the signal processing circuit does not interfere with the exercise.
これらの観点から、背中の首あたり、さらには前面の首あたりに信号処理回路Pを適宜配置できるようにしておくことが好ましい。信号処理回路PはSiP(System in Package)やCOP(Chip on Board)等の技術により、薄く小さくすることが可能になっており、信号処理と電池を別の場所に配置して配線で結ぶことができる。 From these viewpoints, it is preferable that the signal processing circuit P can be appropriately arranged around the neck on the back and further around the neck on the front side. The signal processing circuit P can be made thinner and smaller by technologies such as SiP (System in Package) and COP (Chip on Board), and the signal processing and the battery can be placed in different places and connected by wiring. Can be done.
薄いラミネート電池を着脱可能な形で、例えば図14aのBに示す位置に配置することができる。これによって、信号処理回路Pの厚さや面積を減らすことができる。首の周りの重量や厚さを減らすことができる。 A thin laminated battery can be detachably placed, for example, at the position shown in FIG. 14aB. As a result, the thickness and area of the signal processing circuit P can be reduced. You can reduce the weight and thickness around the neck.
次に、図15(a)〜(c)により、ECG電極パッドE(+),E(−)および各熱流パッドThを信号処理回路Pに接続するため、ウエアW上に配線されるGND(グランド)配線410について、アーティファクトの要因となる静電気や電磁誘導、静電結合、汗の影響を軽減する手法を説明する。
Next, according to FIGS. 15 (a) to 15 (c), the GND (which is wired on the wear W in order to connect the ECG electrode pads E (+) and E (-) and each heat flow pad Th to the signal processing circuit P A method for reducing the effects of static electricity, electromagnetic induction, electrostatic coupling, and sweat, which are factors of artifacts, will be described for the ground)
図15(c)にGND配線410の詳細を示す。これによると、GND配線410はウェア生地401の上に信号線となる被覆導体411、第1絶縁シート412a、GND電極となるGND導体413および第2絶縁シート412bを順次積層してなる。
FIG. 15C shows the details of the
ウェア生地401は、着心地や通気性、コンプレッシヨンを持たせたホールド性を維持させながら、静電気を帯びにくい特性を持たせることが好ましい。それでも静電気をゼロにすることは難しく、静電気に対する対策が必要になる。また、AC100V電源等の交流電源からの誘導ノイズや、人体と周囲物体との容量結合による静電ノイズを軽減する必要がある。
It is preferable that the
信号線として被覆導体411を用いることで、ウェア生地401が汗を吸ったとき、汗の塩分による他の配線とのショートを防止する。熱流パッドThでは、2本の被覆導体をより線(ツイストペア)で用いることが好ましい。温度計(例えばサーミスタ)からの信号線をツイストペアとすることで、信号処理回路Pで差信号として処理するときに、より効果的にコモンモードノイズを除去できる。
By using the
第1絶縁シート412aと第2絶縁シート412bの間にGND導体413を配置する(サンドイッチ)構造は、GND導体413が汗によりウェア生地401を介して他のGND配線とショートするのを防ぐ。GND導体413は、信号処理回路Pで一点接地することが好ましい。
The (sandwich) structure in which the
GND導体413は信号線である被覆導体411を十分に覆うように幅を持たせる。例えば、10mm程度の幅を持たせることが誘導ノイズや静電気ノイズを抑制するうえで好ましい。
The
これら被覆導体411やGND導体413、絶縁シート412a,412bは、ウェア生地401に対して環境側(皮膚とは反対側)に配置することが外部からの誘導ノイズや静電ノイズを抑制するうえで好ましいが、必要とされるSNRやウェアのデザイン等の観点によってはウェア生地401の皮膚側に配置することも可能である。
Placing the
次に、図16(a)(b)により、ECG電極パッドEの構造について説明する。ECG電極パッドEは、ウェア生地401の皮膚に面する側に、ECG電極421,第1の絶縁シート422aおよびばね材423の積層体を有し、ウェア生地401の環境側(皮膚とは反対側)に、第2の絶縁シート422b、GND導体424および第3の絶縁シート422cの積層体を備えている。
Next, the structure of the ECG electrode pad E will be described with reference to FIGS. 16A and 16B. The ECG electrode pad E has a laminate of the ECG electrodes 421, the first insulating sheet 422a and the spring material 423 on the side of the
ECG電極421は皮膚面に接するように配置する。前述したように、ECG電極421はAg/AgClやAgを主成分とする金属や導電性プラスチックを用いることができる。電極面積には前述したトレードオフがあり、100〜500平方mm程度であることが好ましい。 The ECG electrode 421 is arranged so as to be in contact with the skin surface. As described above, the ECG electrode 421 can be made of a metal containing Ag / AgCl or Ag as a main component or a conductive plastic. The electrode area has the above-mentioned trade-off, and is preferably about 100 to 500 mm2.
ECG電極421の上にECG電極から張り出すように第1絶縁シート422aを配置する。これはウェア生地401が汗を吸ったとき、ECG電極421がウェアWを介して他のECG電極421とショートしないようにするためである。汗をかいたとき、他のECG電極との抵抗値を100kΩ以上確保することが好ましく、張り出す長さは5〜10mm程度がよい。
The first insulating sheet 422a is arranged on the ECG electrode 421 so as to project from the ECG electrode. This is to prevent the ECG electrode 421 from short-circuiting with the other ECG electrodes 421 via the wear W when the
ばね材423は、ECG電極421と皮膚の接触を保つばねの役割を果たす。皮膚面には凹凸があり、その山谷の高さは呼吸や運動によって変化する。皮膚面のある部分では凹部となり、その周りの凸部でウェア生地を支える構造になる。 The spring material 423 acts as a spring that keeps the skin in contact with the ECG electrode 421. The surface of the skin is uneven, and the height of the peaks and valleys changes with breathing and exercise. A part of the skin surface becomes a concave part, and a convex part around it forms a structure that supports the wear fabric.
ウェア生地401にぶら下がるECG電極421はそのままでは皮膚から離れたり、接触圧が変化したりする。これに伴い、前述のケミカルポテンシャルの変化が起き、アーティファクトの大きな要因となる。
The ECG electrode 421 hanging from the
ばね材423は、皮膚面が凹部となった状態でもECG電極421を一定の圧力で皮膚に押し付ける役割を果たす。機能的には、小さなスプリングを面状に多数並べた構造になる。このような材料として、スポンジやクッション、発泡材、気泡緩衝材等を使うことができる。綿やポリウレタン等のプラスチックを用いることもできる。圧力をかけない状態で数mmから10mm程度の厚さであるのが好ましい。ばね材423と絶縁シート422aの上下関係は逆にしてもよい。 The spring material 423 plays a role of pressing the ECG electrode 421 against the skin with a constant pressure even when the skin surface is recessed. Functionally, it has a structure in which a large number of small springs are arranged in a plane. As such a material, a sponge, a cushion, a foaming material, a bubble wrap material, or the like can be used. Plastics such as cotton and polyurethane can also be used. The thickness is preferably about several mm to 10 mm without applying pressure. The vertical relationship between the spring material 423 and the insulating sheet 422a may be reversed.
ECG電極421への静電ノイズ、誘導ノイズの混入を最小限にするため、ウェア生地401を挟んでECG電極421の反対側にGND領域が設けられる。上記GND配線410と同様に、第2および第3の2枚の絶縁シート422b,422cでGNDとなる導体424を挟んだ構造をECG電極421から張り出すように配置する。
In order to minimize the mixing of electrostatic noise and inductive noise into the ECG electrode 421, a GND region is provided on the opposite side of the ECG electrode 421 with the
GND導体424が5〜10mm程度、ECG電極421の周辺(4辺)から張り出して配置することが好ましい。GND導体424を絶縁シート422b,422cで挟んだGND積層体をばね材423の上、ウェア生地401の下に配置することもできる。
It is preferable that the
図17(a)(b)を参照して、ECG電極421にGND配線410内の被覆導体411が接続され、ECG電極421は被覆導体411を介して信号処理回路Pに接続される。
With reference to FIGS. 17 (a) and 17 (b), the
被覆導体411は、ウェア生地401の環境側からウェア生地401、ばね材423および絶縁シート422aを貫通して引き出され、コンタクト425を介してECG電極421に接続される。
The
コンタクト425には、ECG電極421を上下から機械的に挟む、カシメ状の金具を用いることができる。被覆導体411が絶縁シート422aを貫いているため、ウェア生地401に染み込んだ汗等の水分がECG電極421に達しないように、絶縁シート422aの被覆導体411の貫通箇所にガスケット426を設けることが好ましい。ガスケット426として、接着剤やリング状のプラスチックを用いることができる。
For the
次に、図18(a)(b)により、熱流パッドThについて説明する。皮膚面に接するように第1の絶縁シート431aを配置し、その上に温度計11a,11bを備えた断熱材432を配置する。
Next, the heat flow pad Th will be described with reference to FIGS. 18A and 18B. The first insulating sheet 431a is arranged so as to be in contact with the skin surface, and the
一方の温度計11aは、断熱材432の下面側(皮膚面側)に配置され、他方の温度計11bは断熱材432の環境面側(反皮膚面側)に配置される。温度計11a,11bはともに断熱材432の中央部分において重なる位置に配置されるのが好ましい。絶縁シート431aは、皮膚からの汗が下面側の温度計11aに達するのを阻止する。
One
温度計11a,11bは、皮膚から環境に向かって流れる熱流を測定する。断熱材432の熱抵抗と熱流との掛け算によって発生する温度差は、温度計11a,11bによって検知され、熱流を求めることができる(SHFによる熱流計)。
The
通常、皮膚温は30℃程度の温度を持つが、隙間が空くことで瞬時に環境温度との熱交換が行われ、接触が回復しても熱平衡に戻るのに数十から数百秒の時間を要する。その間の深部温測定は大きな誤差を伴うことになる。 Normally, the skin temperature has a temperature of about 30 ° C., but when a gap is created, heat exchange with the environmental temperature is performed instantly, and even if contact is restored, it takes tens to hundreds of seconds to return to thermal equilibrium. Needs. The deep temperature measurement during that period will be accompanied by a large error.
ウェア生地401と断熱材432との間に、ばね材433が配置される。ばね材433は、上記ECG電極パッドEにおけるばね材423と同様に、皮膚と熱流測定構造(断熱材+温度計)の接触が失われるのを防ぐ効果がある。
A spring material 433 is arranged between the
また、ウェア生地401の環境面側に、GND導体434を第2および第3の絶縁シート431b,431cで挟んでなるGND積層体を配置することにより、温度計信号(サーミスタであれば抵抗変化)に重畳するノイズの混入を抑えることができる。
Further, by arranging a GND laminate having the
次に、図19(a)(b)を参照して、温度計11a,11bに対する配線接続について説明する。なお、図19(b)には、第1の絶縁シート431a、温度計11a,11bを有する断熱材432およびばね材433は図示が省略されている。
Next, the wiring connection to the
信号処理回路Pからウェア生地401の環境側を通ってきたGND配線410の被覆導体411を温度計11a,11bに接続するため皮膚側へ通過させている。配線は、温度計11a用のツイストペア配線411aと、温度計11b用のツイストペア配線411bであり、それぞれ、断熱材432の下面側の温度計11aと、断熱材432の上面側の温度計11bに接続される。なお、温度計11aの片方の端子と温度計11bの片方の端子を接続し、配線を3本にすることもできる。3本によるより線構造にすることもできる。
The
次に、図20(a)(b)により、2組の熱流計を有するDHF法による熱流パッドThの構成例について説明する。この場合には、4つの温度計11a〜11dと2つの断熱材432a,432bとが用いられる。その他の構成は、図18で説明した熱流パッドと同じであってよい。
Next, a configuration example of the heat flow pad Th by the DHF method having two sets of heat flow meters will be described with reference to FIGS. 20 (a) and 20 (b). In this case, four
このうち、温度計11a,11bは温度計対TP1として一方の断熱材432aの下面側と上面側に配置され、温度計11c,11dは温度計対TP2として他方の断熱材432bの下面側と上面側に配置される。
Of these, the
このように、2組の温度計対TP1,TP2を備えることにより、2つの熱流を測定することができる。断熱材432a,432bの熱抵抗を変えることにより、異なる大きさの熱流を作り、未知数である皮下の熱抵抗を算出して深部体温を計算することができる。
In this way, by providing two sets of thermometer pairs TP1 and TP2, two heat flows can be measured. By changing the thermal resistance of the
図21(a)(b)を参照して、温度計11a〜11dに対する配線接続について説明する。なお、図21(b)には、第1の絶縁シート431a、温度計11a,11bを有する断熱材432a,温度計11c,11dを有する断熱材432bおよびばね材433は図示が省略されている。
Wiring connections to the
温度計11a〜11dは、温度計対TP1に向かう被覆導体411による2組の配線410Aと、温度計対TP2に向かう同じく被覆導体411による2組の配線410Bを介してそれぞれ信号処理回路Pに接続される。
The
なお、各温度計の片方の端子を1本の配線にまとめれば、合計で5本の配線にすることもできる。また、温度計を選択的に切り換える例えば半導体スイッチを各熱流パッドに設けることにより、配線数を減らすこともできる。 If one terminal of each thermometer is combined into one wiring, a total of five wirings can be made. Further, the number of wirings can be reduced by providing, for example, a semiconductor switch for selectively switching the thermometer on each heat flow pad.
次に、図22(a)〜(c)により、図20,21で説明したDHF用の熱流パッドに好適な断熱材について説明する。 Next, the heat insulating material suitable for the heat flow pad for DHF described with reference to FIGS. 20 and 21 will be described with reference to FIGS. 22 (a) to 22 (c).
まず、図22(a)の例では、断熱材432a,432bを合わせた大きさに相当する大きさ(面積)の下面フィルム441の上に気泡緩衝材としての多数の気泡体(この例では中空円柱状の気嚢)Bを複数並べ、一方の断熱材432aの部分の気泡体Baと、他方の断熱材432bの部分の気泡体Bbとで封入する気体を変えている。
First, in the example of FIG. 22A, a large number of bubbles as a bubble wrap (hollow in this example) are placed on the
さらに、上面フィルム442と側面フィルム443を貼り合わせて気密的な気体マットとし、その気体マット内を仕切りフィルム444で断熱材432a側の気体室Raと断熱材432b側の気体室Rbとに区切り、その各々に異なる気体を封入する。
Further, the
断熱材432a側の気泡体Baと気体室Raに封入する気体は同一の気体、また、断熱材432b側の気泡体Bbと気体室Rbに封入する気体は同一の気体であってよい。
The bubble body Ba on the
断熱材432a側の気泡体Baと気体室Raに封入する気体と、断熱材432b側の気泡体Bbと気体室Rbに封入する気体の熱伝導率を変えることにより、2種類の熱抵抗を持つ断熱材432a,432bを構成することができる。
It has two types of thermal resistance by changing the thermal conductivity of the gas sealed in the bubble body Ba and the gas chamber Ra on the
熱伝導率(各数値の単位はW/mK)が高い気体として、水素0.3,ヘリウム0.14等を使用することができる。これに対して、熱伝導率(各数値の単位はW/mK)が低い気体として、空気0.026,アルゴン0.016,炭酸ガス0.015を使用することができる。 Hydrogen 0.3, helium 0.14, etc. can be used as a gas having a high thermal conductivity (unit of each numerical value is W / mK). On the other hand, air 0.026, argon 0.016, and carbon dioxide gas 0.015 can be used as a gas having a low thermal conductivity (unit of each numerical value is W / mK).
断熱材432a,432bを含む断熱材432全体の面積は、前述した皮下厚による3次元効果が軽減するように決定する。断熱材432の形状は円柱状であってもよい。例えば、平面視で縦横の各長さとして数十mm(直径として数十mm)程度、好ましくは30mm以上にするとよい。皮下厚は、通常、5mm以上はあり、環境温度変化による影響を抑える効果がある。
The area of the entire
断熱材432の厚さとして数mm程度、好ましくは2mm以上の厚さにするとよい。厚くすることにより、熱流測定の感度は上昇するが、ウェアの厚さが厚くなるので着心地や放熱性が低下する。また、薄くしすぎると、体表面が変位した際に気泡体の底面と上面とが接触する恐れがあったり、厚さの変動が誤差として現れやすくなるので、好ましくない。
The thickness of the
前述したように、熱流パッドThと皮膚との間に隙間が空くと大きな誤差となる。気泡体Bは体の凹凸にフィットするよう変形する。ばね材やウェアのコンプレッションによって体表面に押し付けられ、運動時においても隙間が生ずるのを防止できる。ミクロで見て気泡体Bの形状が変化しても、断熱材432全体として熱抵抗の変化が許容誤差の範囲内であればよい。気体は、液体や固体に比べて熱伝導率が低いため、熱流計の感度を上げることができる。
As described above, if there is a gap between the heat flow pad Th and the skin, a large error will occur. The bubble body B is deformed to fit the unevenness of the body. It is pressed against the body surface by the compression of the spring material and wear, and it is possible to prevent the formation of gaps even during exercise. Even if the shape of the cell B changes microscopically, the change in thermal resistance of the
類似の構成として、図22(b)に示すように、隣接する気泡体Bが仕切りで区切られた構造であってもよい。なお、気泡体Bやフィルムの中に、気体ではなく小さなビーズの集合体を封入することもできる。 As a similar configuration, as shown in FIG. 22B, the adjacent cell B may have a structure separated by a partition. It is also possible to enclose an aggregate of small beads instead of a gas in the cell B or the film.
また、図22(c)に示すように、断熱材432として、熱抵抗率が異なる合成樹脂シート451,452を用いてもよい。合成樹脂は、ゴム材や発泡材等、形状変化が可能な材料であることが好ましい。これらの材料の組成や添加物、発泡倍率を変えることで2種類の熱抵抗を持たせることができる。
Further, as shown in FIG. 22C,
〔第5実施形態〕
−第1の態様−
第5実施形態は、温度アーティファクトの定量化と補正を行う実施形態で、第1の態様は、その基本的な構成として、図23に示すように、熱流測定部500と、深部温算出部510と、ノイズ算出部520と、深部温出力部540とを備えている。
[Fifth Embodiment]
-First aspect-
The fifth embodiment is an embodiment for quantifying and correcting temperature artifacts, and the first embodiment has, as its basic configuration, a heat
熱流測定部500は、SHF法もしくはDHF法等により、生体から周囲の環境に向かって流れる一つないしは複数の熱流を測定する。深部温算出部510は、熱流と皮下の熱抵抗、表皮(体表面)の温度を用いて深部温度を計算する。ノイズ算出部520は、深部温度に重畳しているノイズを算出する。深部温出力部540は、算出されたノイズに応じて深部温度に処理を加え、その結果を出力する。
The heat
−第2の態様−
好ましくは第2の態様として、図24に示すように、ノイズ算出部520の後段にノイズ比較部530をさらに備え、ノイズ算出部520にて算出されたノイズ期間のデータを除去する。
-Second aspect-
Preferably, as a second aspect, as shown in FIG. 24, a
この例では、熱流測定部500はDHF方式を採用しており、先の図20(b)で説明したように、2組の温度計対TP1,TP2を備え、図25に示すように、温度計対TP1,TP2にて2つの熱流Ith1,Ith2を測定するとともに、温度計対TP1,TP2に含まれている皮膚面側の温度計により皮膚温Tsk1,Tsk2を測定する。
In this example, the heat
深部温算出部510は、生体の深部組織から体表面までの体内熱抵抗をRthbodyとして、(Tsk2−Tsk1)/(Ith1−Ith2)よりRthbodyを算出した後、(Ith1×Rthbody+Tsk1)もしくは(Ith2×Rthbody+Tsk2)より生体の深部体温Tcの時系列を求める。
The core
ノイズ算出部520は、ハイパスフィルタ(HPF)を有し、深部温度Tcを入力として特定の周波数以上の成分を出力する。ハイパスフィルタとして、例えば1次のフィルタ、特定の周波数(遮断周波数)として0.001Hz程度の周波数を設定することができる。
The
これにより、周期160秒以下の温度ゆらぎ成分がほぼ減衰することなく、算出ノイズとして通過することになる。ノイズ量として、二乗の移動平均、つまりは実効値を出力することができる。 As a result, the temperature fluctuation component having a period of 160 seconds or less passes through as calculated noise with almost no attenuation. As the amount of noise, the square moving average, that is, the effective value can be output.
この他に、特定の体の姿勢において、温度ノイズが現れる場合がある。例えば、熱流計としての熱流パッドThを腹部の左側に付けての左向きの仰臥において、熱流パッドThを固定するベルトのテンションが緩んだり、体表面が変位したりすると、皮膚と熱流パッドThとの間に隙間ができ、これが原因で大きな温度ノイズが発生する現象を本発明者は観測している。 In addition to this, temperature noise may appear in a specific body posture. For example, in a left-facing lie with the heat flow pad Th as a heat flow meter attached to the left side of the abdomen, when the tension of the belt fixing the heat flow pad Th is loosened or the body surface is displaced, the skin and the heat flow pad Th The present inventor has observed a phenomenon in which a gap is formed between the gaps, which causes a large temperature noise.
体の姿勢の変化は、加速度センサで検知することができる。温度ノイズは、姿勢の変化より遅れて発生するため、特定の姿勢を検知したら、その後で除去しやすい疑似的な温度ノイズを発生させて算出ノイズとして出力することもできる。 Changes in body posture can be detected by an acceleration sensor. Since the temperature noise is generated later than the change in posture, it is possible to generate pseudo temperature noise that is easy to remove after detecting a specific posture and output it as calculated noise.
ノイズ比較部530は、ノイズ算出部520より算出された温度ノイズを所定のしきい値と比較する。しきい値は、要求される温度誤差によって決定できるが、例えば数十〜数百m℃程度の値に設定することができる。
The
深部温出力部540は、例えばノイズ実効値がしきい値未満なら深部温度Tcを出力する。つまりは、しきい値以上のノイズが算出されている期間、深部温度Tcの出力を停止する。出力停止部分は空白となるが、例えばユーザーインターフェイス(UI)として、空白直前と直後の点を結んで表示することにより、ユーザーや他のプログラム、システムにノイズによる誤判断をさせないようにすることができる。
The deep
なお、しきい値の分だけ結んだ線に誤差が生じるため、ノイズ発生期間を前後に拡張してマスクすることにより、誤差の影響を減らすことができる。 Since an error occurs in the line connected by the threshold value, the influence of the error can be reduced by extending the noise generation period back and forth and masking.
−第3の態様−
第3の態様では、図26に示すように、熱流測定部500として複数の熱流測定部500a,500b,…と、深部温算出部510と、ノイズ算出部520と、ノイズ・測定部間比較部531と、ノイズ・しきい値比較部532と、深部温出力部540とを備えている。
-Third aspect-
In the third aspect, as shown in FIG. 26, a plurality of heat
深部温算出部510,ノイズ算出部520および深部温出力部540は上記第1,2の態様と同じであってよい。また、熱流測定部500a,500b,…はDHF方式を採用している。
The deep
図27の動作説明図を参照して、深部温算出部510は複数あってもよいが、ここでは一つの演算回路に各熱流測定部500a,500b,…を順次切り換えて接続し、上記したように、各熱流測定部500a,500b,…からの熱流と皮膚温度等のデータに基づいて各部の深部温度Tca,Tcb,…を計算する。
With reference to the operation explanatory diagram of FIG. 27, there may be a plurality of deep
ノイズ算出部520は、上記第2の態様と同じく、各深部温度中の温度ノイズ実効値Nca,Ncb,…を計算する。
The
ノイズ・測定部間比較部531は、各熱流測定部間の温度ノイズ実効値を比較し、最小の温度ノイズ実効値を選択する。
The noise / measurement
ノイズ・しきい値比較部532は、その最小の温度ノイズ実効値と所定のしきい値とを比較する。
The noise
深部温出力部540は、最小の温度ノイズ実効値がしきい値未満であれば、その測定部で抽出した深部温度Tcを出力する。最小の温度ノイズ実効値がしきい値以上であれば、空白を出力する。
If the minimum effective temperature noise value is less than the threshold value, the deep
ECG信号の合成の場合と同様に、複数の熱流測定部からの信号をSNRに応じて合成することで、アーティファクトの影響を軽減することができる。複数の熱流パッド間で深部温度にオフセットを持つ場合がある。その場合、ノイズが少ないときにオフセットを記録しておき、合成するときに補正することもできる。 Similar to the case of ECG signal synthesis, the influence of the artifact can be reduced by synthesizing the signals from the plurality of heat flow measuring units according to the SNR. There may be an offset in the deep temperature between multiple heat flow pads. In that case, the offset can be recorded when there is little noise and corrected when synthesizing.
−第4の態様−
図28,29を参照して、第4の態様では、複数の深部温度計算値をノイズに応じて重み付けして合成する。そのため、上記第3の態様におけるノイズ・測定部間比較部531とノイズ・しきい値比較部532に代えて重み合成部533が用いられる。熱流測定部500a,500b,…、深部温算出部510およびノイズ算出部530は上記第3の態様と同様の処理を行う。
-Fourth aspect-
With reference to FIGS. 28 and 29, in the fourth aspect, a plurality of calculated deep temperature values are weighted according to noise and combined. Therefore, the
重み合成部533は、各熱流測定部500a,500b,…で測定された深部温Tca,Tcb,…に、算出されたノイズの逆数を乗算し、各熱流測定部の乗算結果を足し合わせたのち、各熱流測定部の逆数の総和で除算する。深部温出力部540は、上記計算結果を合成されたTcとして出力する。Tcは下記の式で表される。
Tc=(1/Nca×Tca+1/Ncb×Tcb)/(1/Nca+1/Ncb)
The
Tc = (1 / Nca x Tca + 1 / Ncb x Tcb) / (1 /
これによって、各熱流測定部500(500a,500b,…)の測定値は、ノイズが小さければ大きく評価されて合成されることになり、各熱流測定部の結果を効果的に利用することができる。合成SNRは、各熱流測定部のSNRのほぼ和になる。 As a result, the measured values of each heat flow measuring unit 500 (500a, 500b, ...) Are greatly evaluated and synthesized if the noise is small, and the results of each heat flow measuring unit can be effectively used. .. The synthetic SNR is approximately the sum of the SNRs of each heat flow measuring section.
−第5の態様−
第5の態様は、図30に示すように、基本的な構成として、熱流測定部500、環境温測定部501、偽信号発生部502、深部温算出部503および深部温出力部540を有し、温度偽信号を補正する。
-Fifth aspect-
As shown in FIG. 30, the fifth aspect has, as a basic configuration, a heat
熱流測定部500は、SHF法もしくはDHF法により生体から周囲の環境に向かって流れる一つないし複数の熱流を測定する。環境温測定部501は、環境温度を測定する。偽信号発生部502は、環境温度から偽信号を作り出す。深部温算出部503は、熱流と皮下の熱抵抗と表皮の温度を用いて深部温度を計算する。深部温出力部540は、上記生成された偽信号に応じて深部温度に処理を加えて新たな深部温度を算出し出力する。
The heat
−第6の態様−
第6の態様は、図31に示すように、上記第5の態様に加えて偽信号除去部504をさらに備え、その動作を図32の模式図を参照して説明する。
-Sixth aspect-
As shown in FIG. 31, the sixth aspect further includes a false
熱流測定部500の熱流測定では、生体から環境に向かって流れる熱流Ithを測定するため、環境温度の変化の影響を受ける。前述した皮下厚による三次元効果はその一例である。これによって、深部温度Tcに大きな偽信号を生じる場合がある。
In the heat flow measurement of the heat
環境温測定部501は、環境温度を測定する温度計であり、例えば先の態様で説明したケース310の最上部や、ベルト301やウェアWの表面に設置することができる。熱流測定部500の環境側に近い箇所で取得された温度を利用することもできるが、熱時定数があると遅れが生じるため、熱時定数が小さい箇所での取得が好ましい。
The environmental
偽信号発生部502は、あらかじめ環境温度と偽信号との関係を取得しておき、その取得結果に応じて、現在の環境温度から偽信号を作り出す。偽信号は、環境温度を入力としたある時間応答を持つ。この関係式をあらかじめ実験等により取得する。
The false
例えば、ホットプレートを深部、シリコーンゴムを皮下組織と見立てて、ホットプレートの温度を一定に保ちながら環境温度を変化させた実験を行う。シリコーンゴムが厚くなるほど大きな偽信号が発生するため、シリコーンゴムの厚さを変えながら、偽信号の時間応答伝達係数を取得する。 For example, the hot plate is regarded as a deep part and the silicone rubber is regarded as a subcutaneous tissue, and an experiment is conducted in which the environmental temperature is changed while keeping the temperature of the hot plate constant. Since a larger false signal is generated as the silicone rubber becomes thicker, the time response transmission coefficient of the false signal is acquired while changing the thickness of the silicone rubber.
環境温度の変化によって、生の深部温度算出結果には偽信号が生じるが、偽信号除去部504は、生の深部温度算出結果から偽信号を減算して除去する。深部温出力部540は、上記処理結果をユーザーや管理者、あるいは他のプログラムやシステムに出力する。
A false signal is generated in the raw deep temperature calculation result due to the change in the environmental temperature, and the false
〔第6実施形態〕
第6実施形態では、各部のノイズ測定から測定機能の診断を行う。そのための基本的な構成として、図33に示すように、生体信号測定部610、環境測定部620、ノイズ診断部630および出力部640を備えている。
[Sixth Embodiment]
In the sixth embodiment, the measurement function is diagnosed from the noise measurement of each part. As a basic configuration for that purpose, as shown in FIG. 33, a biological
生体信号測定部610は、生体が発生する電気信号をはじめ、生体に装着して生体の状態に応じて得られる信号を測定する。環境測定部620は、生体を取り巻く環境の状態を測定する。ノイズ診断部630は、各測定部に含まれるノイズを取得して、測定機能の状態を診断する。出力部640は、診断結果を出力する。
The biological
次に、図34により、具体的な構成について説明する。生体信号測定部610には、ECG測定部611、熱流測定部612、加速度測定部613が含まれ、それぞれ、生体が発するECGや熱流、加速度を測定する。一方、環境測定部620は、生体を取り巻く温度や湿度、大気圧、風速、大気組成、緯度・経度等を測定する。
Next, a specific configuration will be described with reference to FIG. 34. The biological
なお、ECG測定部611,熱流測定部612は第6実施形態独自のものではなく、ECG測定部611は先に説明したECG測定部110と同じ構成であってよく、また、熱流測定部612も先に説明した熱流測定部500と同じ構成であってよい。
The
ノイズ診断部630は、ECG・SNR比較部631と、深部温・ノイズ比較部632と、動き判定部633と、環境判定部634と、しきい値発生部635とを備えている。
The
ECG・SNR比較部631は、ECG電極のSNRとしきい値発生部635より発生されるしきい値とを比較する。ECG電極は、前述したように、好ましくはAg/AgClや導電性プラスチックで構成されるが、測定を繰り返すうちに、生体からの析出物質と反応したり、酸化したり、物理的に損傷を受けたりする。また、ECG電極を支えるベルト301やウェアWは、汗を吸ったり、絶縁シートが劣化したり、損傷を受けたりする。
The ECG /
これらによって、静止時においてもノイズが増加し、あるいは信号が低下してSNRが劣化することがある。さらには、動作時のアーティファクトが通常より大きく、頻繁に発生する場合がある。 As a result, noise may increase or the signal may decrease and the SNR may deteriorate even at rest. In addition, operational artifacts may be larger than normal and occur frequently.
生体からの析出物質は、ECG電極やベルト、ウェアを洗うことによってある程度は除去可能であり、初期の機能を回復させることができる場合がある。熱流測定でも、使っているうちに断熱材が変形したり、物理的な損傷を受ける場合がある。 Precipitated substances from the living body can be removed to some extent by washing the ECG electrodes, belts, and clothing, and the initial function may be restored. Even in heat flow measurement, the heat insulating material may be deformed or physically damaged during use.
また、出荷時の校正された状態から変化すると、同じ校正パラメータでは誤差が生ずる場合がある。また、温度計から信号処理回路までの信号配線にまで汗が入り込むと、温度計の指示に誤差が生じることがある。GNDパターンが断線すると、所望のシールド効果が得られず、ノイズが増大する場合がある。 In addition, if the calibration conditions are changed from the factory-calibrated state, an error may occur with the same calibration parameters. Further, if sweat gets into the signal wiring from the thermometer to the signal processing circuit, an error may occur in the reading of the thermometer. If the GND pattern is broken, the desired shielding effect may not be obtained and noise may increase.
ノイズやSNRの劣化は、これ以外に、不適切な装着方法に起因する場合がある。体のサイズとベルトやウェアのサイズが異なると、ECG電極や熱流パッドが皮膚に接触できなかったり、不完全な接触になったりする場合がある。 Noise and SNR deterioration may also be due to improper mounting methods. If the size of the body and the size of the belt or garment are different, the ECG electrode or heat flow pad may not be able to contact the skin or may be incompletely contacted.
特に、装着場所がベルトのように心臓から離れると、ECG信号が極めて小さくなる場合がある。また、肩甲骨のあたりは、腕の運動で大きく起伏するため、運動に伴ってECG電極や熱流パッドと皮膚との接触が失われる場合がある。胸部は、胸筋からの筋電や、脂肪や乳房による凹凸の影響を受ける。ベルトやウェアがよじれていたり、しわがある場合でも、ノイズやSNR劣化の要因になる。 In particular, when the wearing place is away from the heart like a belt, the ECG signal may become extremely small. In addition, since the area around the scapula is greatly undulated by the movement of the arm, the contact between the ECG electrode or the heat flow pad and the skin may be lost with the movement. The chest is affected by electromyography from the pectoral muscles and unevenness caused by fat and breast. Even if the belt or wear is twisted or wrinkled, it causes noise and SNR deterioration.
また、測定の開始時に不安定になる場合がある。ECG電極の材質によっては、皮膚からの析出物が皮膚とECG電極とのケミカルポテンシャルを低減する場合があり、析出物が蓄積するまでSNRが低い状態が続くことがある。最初にECG電極に水を付けることで改善する場合がある。 In addition, it may become unstable at the start of measurement. Depending on the material of the ECG electrode, the precipitate from the skin may reduce the chemical potential between the skin and the ECG electrode, and the SNR may remain low until the precipitate accumulates. It may be improved by first adding water to the ECG electrode.
熱流測定では、環境温度によっては、装着時にオーバーシュートやアンダーシュート等大きな変動が生じる場合がある。 In heat flow measurement, large fluctuations such as overshoot and undershoot may occur during mounting depending on the environmental temperature.
これらを踏まえて、しきい値発生部635には、第1しきい値としての「装着開始時のしきい値」、第2しきい値としての「静止時のしきい値」、第3しきい値としての「運動時のしきい値」、第4しきい値としての「環境温度の高低によるしきい値」等を適宜設定することが好ましい。
Based on these, the
例えば、運動では、そもそもECGや熱流にSNR劣化やノイズ劣化が生じやすい。静止時よりしきい値を上げる必要があるが、運動時にしか現れないECG電極や熱流パッド、ベルトやウェア等の部材の劣化によるSNR・ノイズ劣化を検出する必要がある。心拍数や深部温度、加速度、環境温度等を観測しながら運動量を検知して、しきい値を適宜変えることで、再装着や洗浄・交換を判断することができる。 For example, in exercise, SNR deterioration and noise deterioration are likely to occur in ECG and heat flow in the first place. It is necessary to raise the threshold value from the time of rest, but it is necessary to detect SNR / noise deterioration due to deterioration of members such as ECG electrodes, heat flow pads, belts and wears that appear only during exercise. By detecting the amount of exercise while observing the heart rate, deep temperature, acceleration, environmental temperature, etc., and changing the threshold value as appropriate, it is possible to determine reattachment or cleaning / replacement.
静止時は、SNRやノイズが比較的安定している。静止時のSNRやノイズを測定のたびに記録し、日々の使用の中での変化を見ることで、前述した部材の劣化の経時変化を判断することもできる。ある頻度で洗浄を促し、洗浄でも回復せずに劣化が進行していくようであれば、このような経時変化を観測することで、精度よく交換が必要な劣化の判断をすることができる。 When stationary, SNR and noise are relatively stable. By recording the SNR and noise at rest for each measurement and observing the changes during daily use, it is possible to determine the changes over time in the deterioration of the members described above. If cleaning is promoted at a certain frequency and deterioration progresses without recovery even after cleaning, it is possible to accurately determine deterioration that requires replacement by observing such changes over time.
SNRやノイズは、スタート時や環境温度の変化時に悪化するため、ECGや熱流パッド、加速度センサ、環境センサの値を総合して、上記の第1ないし第4のしきい値を決めるとよい。 Since SNR and noise deteriorate at the start and when the environmental temperature changes, it is preferable to determine the first to fourth threshold values by combining the values of the ECG, the heat flow pad, the acceleration sensor, and the environment sensor.
出力部640は、ユーザーや管理者に、再装着の指示を出したり、洗浄や交換を促したりの通知を行う。部材の交換に関しては、顧客をサポートする部門に通知を出して、サポート部門のアクションを促すこともできる。
The
さらには、高頻度で再装着が発生する等の不具合がある場合には、サイズの確認やECG電極に水を付ける等、顧客サポートからのサポートを促すこともできる。これらはユーザーの管理者が代行してもよい。 Furthermore, if there is a problem such as frequent reattachment, it is possible to encourage support from customer support such as checking the size and watering the ECG electrode. These may be performed by the user's administrator on behalf of the user.
ECG測定部611や熱流測定部612等、各センサ部の動作履歴、特には静止時の履歴を見ることで、前述のように経時変化を判断・予測することができ、これらの情報をユーザー、管理者、顧客サポートへの通知に加味することができる。
By looking at the operation history of each sensor unit such as the
1,2,… ECG電極
11(11a,11b) 温度計
110,210 ECG測定部
120,220 R波抽出部
121 信号算出部
122 波除去部
130,230 SNR算出部
131 SNR比較部
140,240 RRI出力部
150,250 周波数解析部
231 SNR・電極間比較部
232 SNR・しきい値比較部
233 重み合成部
234 R波再抽出部
301 ベルト
310 ケース
330 基板
401 ウェアの生地
410 GND配線
411 被覆導体(信号線)
421 ECG電極
423 ばね材
432 断熱材
500(500a,500b,…) 熱流測定部
510 深部温算出部
520 ノイズ算出部
530 ノイズ比較部
531 ノイズ・測定部間比較部
532 ノイズ・しきい値比較部
533 重み合成部
540 深部温出力部
1, 2, ... ECG electrode 11 (11a, 11b)
421 ECG electrode 423
Claims (21)
上記心電信号に含まれているR波をその特徴から抽出し、R波ピークの位置を特定するR波抽出部と、
上記R波抽出部によって特定されるR波区間のSNR(信号対ノイズ比)を算出するSNR算出部と、
上記R波ピークの位置と上記R波区間の上記SNRからR波間隔を求めて出力する出力部と、
を備えていることを特徴とする生体信号処理装置。 An ECG measuring unit that acquires an electrocardiographic signal from the body surface of a living body,
An R wave extraction unit that extracts the R wave contained in the above electrocardiographic signal from its characteristics and specifies the position of the R wave peak,
An SNR calculation unit that calculates the SNR (signal-to-noise ratio) of the R wave section specified by the R wave extraction unit, and
An output unit that obtains and outputs the R wave interval from the position of the R wave peak and the SNR of the R wave section, and
A biological signal processing device characterized by being equipped with.
上記ECG測定部にて測定されたノイズを含む心電信号からPQRST等の本来の心電信号を除去する波除去部と、
上記SNR算出部で上記SNRを算出するために上記波除去部にて抽出されたノイズ波形からノイズ量を求めるノイズ算出部と、
上記SNR算出部されたSNRと所定のしきい値とを上記R波各区間において比較するSNR比較部と、
周波数解析部と、をさらに備え、
上記出力部は、上記SNR比較部でSNR<しきい値である区間を除く区間で2つの連続するR波ピークの時刻の差をとってRRIを計算してその計算結果を出力し、上記周波数解析部はRRIの揺らぎを計算して出力することを特徴とする請求項1に記載の生体信号処理装置。 A signal calculation unit that calculates the signal amount for calculating the SNR in the SNR calculation unit by aligning and averaging the positions of each R wave using the R wave time extracted by the R wave extraction unit.
A wave removing unit that removes the original electrocardiographic signal such as PQRST from the noisy electrocardiographic signal measured by the ECG measuring unit, and a wave removing unit.
A noise calculation unit that obtains the amount of noise from the noise waveform extracted by the wave removal unit in order to calculate the SNR by the SNR calculation unit.
An SNR comparison unit that compares the calculated SNR and a predetermined threshold value in each section of the R wave, and an SNR comparison unit.
Further equipped with a frequency analysis unit
The output unit calculates the RRI by taking the difference between the times of two consecutive R wave peaks in the section excluding the section where SNR <threshold value in the SNR comparison unit, calculates the calculation result, and outputs the calculation result, and outputs the calculation result. The biometric signal processing device according to claim 1, wherein the analysis unit calculates and outputs the fluctuation of the RRI.
上記SNR・電極間比較部にて選択された最良のSNRと所定のしきい値とを比較し、その比較結果を上記出力部に与えるSNR・しきい値比較部と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項4に記載の生体信号処理装置。 An SNR / electrode-to-electrode comparison unit that compares the SNR calculated by the SNR calculation unit between the ECG electrodes and selects the best SNR.
An SNR / threshold value comparison unit that compares the best SNR selected by the SNR / electrode-to-electrode comparison unit with a predetermined threshold value and gives the comparison result to the output unit.
The biometric signal processing apparatus according to claim 4, further comprising.
上記重み合成部で合成された合成波の中からR波を再抽出して上記出力部に与えるR波再抽出部と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項4に記載の生体信号処理装置。 A weight that multiplies each section of the raw waveform of each ECG electrode measured by the ECG measurement unit by the SNR of the section calculated by the SNR calculation unit and adds the polarity of each ECG electrode. Synthetic part and
The R wave re-extracting unit that re-extracts the R wave from the combined wave synthesized by the weight combining unit and gives it to the output unit,
The biometric signal processing apparatus according to claim 4, further comprising.
上記熱流測定部からの温度情報に基づいて生体の深部温度を算出する深部温算出部と、
上記深部温度に含まれているノイズを算出するノイズ算出部と、
上記ノイズ算出部で算出されたノイズと上記深部温算出部で算出された深部温度から新たな深部温度を算出して出力する出力部と、
を備えていることを特徴とする生体信号処理装置。 A heat flow measuring unit that measures the heat flow flowing between the inside of the living body and the environment,
A deep temperature calculation unit that calculates the deep temperature of a living body based on the temperature information from the heat flow measurement unit,
A noise calculation unit that calculates the noise contained in the deep temperature,
An output unit that calculates and outputs a new deep temperature from the noise calculated by the noise calculation unit and the deep temperature calculated by the deep temperature calculation unit.
A biological signal processing device characterized by being equipped with.
環境温度を測定する環境温測定部と、
上記環境温測定部で測定された環境温度から偽信号を作り出す偽信号発生部と、
上記熱流測定部にて測定された熱流から生体の深部温度を算出する深部温算出部と、
上記偽信号発生部より発生された偽信号と上記深部温算出部より算出された深部温度とから新たな深部温度を算出して出力する出力部と、
を備えていることを特徴とする生体信号処理装置。 A heat flow measuring unit that measures the heat flow flowing between the inside of the living body and the environment,
An environmental temperature measuring unit that measures the environmental temperature,
A false signal generator that creates a false signal from the environmental temperature measured by the environmental temperature measuring section,
A deep temperature calculation unit that calculates the deep temperature of a living body from the heat flow measured by the heat flow measurement unit, and a deep temperature calculation unit.
An output unit that calculates and outputs a new deep temperature from the false signal generated by the false signal generation unit and the deep temperature calculated by the deep temperature calculation unit.
A biological signal processing device characterized by being equipped with.
生体内部と環境との間に流れる熱流を測定する熱流測定部と、
生体の加速度を測定する加速度測定部と、
生体を取り巻く環境状態を測定する環境測定部と、
上記心電信号の信号対ノイズ比を算出し所定の第1しきい値と比較するECG−SNR比較部と、
上記熱流測定部で測定された熱流に含まれているノイズを算出し所定の第2しきい値と比較する深部温−ノイズ比較部と、
上記加速度測定部にて測定された加速度と上記環境測定部にて測定された環境状態とから上記第1しきい値および/または上記第2しきい値を変化させるしきい値発生部と、
上記ECG−SNR比較部と上記深部温−ノイズ比較部からの比較結果をもとに通知信号を出力する出力部と、
を備えていることを特徴とする生体信号処理装置。 An ECG measuring unit that acquires an electrocardiographic signal from the body surface of a living body,
A heat flow measuring unit that measures the heat flow flowing between the inside of the living body and the environment,
An acceleration measuring unit that measures the acceleration of a living body,
An environmental measurement unit that measures the environmental conditions surrounding the living body,
An ECG-SNR comparison unit that calculates the signal-to-noise ratio of the electrocardiographic signal and compares it with a predetermined first threshold value.
A deep temperature-noise comparison unit that calculates the noise contained in the heat flow measured by the heat flow measurement unit and compares it with a predetermined second threshold value.
A threshold value generating unit that changes the first threshold value and / or the second threshold value from the acceleration measured by the acceleration measuring unit and the environmental state measured by the environmental measuring unit.
An output unit that outputs a notification signal based on the comparison results from the ECG-SNR comparison unit and the deep temperature-noise comparison unit, and
A biological signal processing device characterized by being equipped with.
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