JP2021137250A - 生体情報処理装置、生体情報処理システムおよび生体情報処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に心拍変動量を取得するための技術を提供する。【解決手段】生体から取得された心拍の拍動の間隔を算出する拍動間隔算出部５４０と、連続して算出された２つの拍動の間隔で形成される直交座標平面上での拍動の間隔の点をポアンカレプロットとして算出し、ポアンカレプロットの各点間の距離を元に心拍変動量を算出する心拍変動量算出部５６０と、を備える生体情報処理装置が提供される。【選択図】図２

Description

以下の開示は、生物の精神的状態または肉体的状態を取得するための技術に関する。

従来から、生物の精神的または肉体的な状態を取得するための技術が知られている。例えば、特開２０１０−１５５１６６号公報（特許文献１）には、脈波診断装置及び脈波診断装置制御方法が開示されている。特許文献１によると、脈波診断装置及び脈波診断装置制御方法は、光電センサを用いて脈波を検出し、検出した脈波から脈波の変動を算出することを特徴とする。具体的には、本発明に係る脈波診断装置制御方法は、動脈を透過した透過光又は動脈で散乱された散乱光を受光して脈波を検出する光電脈波検出部と、前記光電脈波検出部の検出する脈波の１拍ごとの脈波振幅を算出し、連続して算出された２つの前記脈波振幅同士で形成される直交座標平面上での前記脈波振幅の点をポアンカレ座標として１拍ごとに算出する脈波振幅ポアンカレ算出部と、を備える。

特開２０１０−１５５１６６号公報

本開示の目的は、効率的に心拍変動量を取得するための技術を提供することにある。

本開示の一態様に従うと、生体から取得された心拍の拍動の間隔を算出する拍動間隔算出部と、連続して算出された２つの拍動の間隔で形成される直交座標平面上での拍動の間隔の点をポアンカレプロットとして算出し、ポアンカレプロットの各点間の距離を元に心拍変動量を算出する心拍変動量算出部と、を備える生体情報処理装置が提供される。

以上のように、本開示によれば、効率的に心拍変動量を取得するための技術が提供される。

第１の実施の形態にかかる生体情報処理システム１の全体構成を示す図である。 第１の実施の形態にかかる生体情報処理システム１の機能構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態にかかる情報処理装置５００の処理手順を示すフローチャートである。 第１の実施の形態にかかる心電データと拍動間隔を示す図面である。 第１の実施の形態にかかる拍動間隔の推移と犬の状態とを示す図面である。 第１の実施の形態にかかる犬の拍動間隔のポアンカレプロット図である。 第１の実施の形態にかかる拍動間隔テーブルを示す図である。 第１の実施の形態にかかるポアンカレプロット間の距離の計算方法を示すイメージ図である。 第１の実施の形態にかかる拍動間隔の推移と心拍変動量の推移との関係を示すイメージ図である。 第１の実施の形態にかかる距離の計算に利用するプロットの個数毎の心拍変動量の推移との関係を示すイメージ図である。 第２の実施の形態にかかる情報処理装置５００の機能構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態にかかる周期算出処理の処理手順を示すフローチャートである。 第２の実施の形態にかかる頂点と周期の関係を示す表である。

以下、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
＜第１の実施の形態＞
＜生体情報処理システムの全体構成＞

まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる生体情報処理システム１の全体構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる生体情報処理システム１の全体構成を示す図である。本実施の形態にかかる生体情報処理システム１は、呼吸性の不整脈を有する動物にも適用することができる。なお、以下では、呼吸性の不整脈を有する動物を代表して犬の状態を判断する場合について説明する。

本実施の形態にかかる生体情報処理システム１は、主に、犬の胸部に取り付けられる心電取得用の電極（心拍取得部）４００と、心電信号を処理するための情報処理装置５００と、情報処理装置５００と通信可能な結果出力装置としての通信端末３００とを含む。

心電取得用の電極４００は、胸部等において、心臓部を挟むような位置に取り付けることが望ましく、例えば、両前足（または、前足と後ろ足）の肉球部など毛の生えていない場所であってもよい。また、毛を刈った状態であるか、ゲルなどが付着した電極、あるいは、突起状の構造を持ち、毛があっても皮膚と接触する構成であることが望ましい。あるいは、毛がある状態で、非接触で容量性材料を介して心電を誘導する形態が望ましい。それにより、犬等の表皮が毛に覆われた生物であっても心電を取得することが可能となる。本実施の形態においては、３個の電極４００を使用する構成としているが、電極は、２個以上であればよく、さらに、多くの電極を使用する構成としてもよい。
＜情報処理装置５００の構成＞

次に、図２および図３を参照して、情報処理装置５００の構成と情報処理とについて説明する。なお、図２は、本実施の形態にかかる情報処理装置５００の機能構成を示すブロック図である。図３は、本実施の形態にかかる情報処理装置５００が実行する全体処理を示すフローチャートである。情報処理装置５００は、心電前処理部５１０と、ＡＤ変換部５２０と、拍動検出部５３０と、拍動間隔算出部５４０と、拍動間隔記憶部５５０と、心拍変動量算出部５６０と、送信部５７０とを含む。

心電前処理部５１０は、フィルタや増幅器を含む。心電前処理部５１０は、電極４００から送られている信号を、図４に示すような心電信号データに変換する（ステップＳ１０２）。ＡＤ変換部５２０は、Ａ／Ｄ変換を行い、拍動検出部５３０に受け渡す（ステップＳ１０４）。

より詳細には、心電前処理部５１０には、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタなどのフィルタ装置、オペアンプなどから構成される増幅装置等が含まれる。ＡＤ変換部５２０には、心電のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置等が含まれる（ステップＳ１０４）。尚、フィルタ装置、増幅装置などは、ソフトウェアにより実装される形態であってもよい。また、Ａ／Ｄ変換装置においては、拍動間隔のゆらぎ量の差異が判別できる周期と精度でのサンプリングを行うことが望ましい。例えば、本実施の形態においては、１２ｂｉｔで１ｋＨｚでの心電信号のサンプリングを行っている。サンプリングの周波数を高めることにより、拍動間隔の揺らぎ量を正確に把握することが可能となる。

拍動検出部５３０は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５０１やメモリ５０２を含む制御部によって実現される。より詳細には、ＣＰＵ５０１が、メモリ５０２に格納されているプログラムを実行することによって、心電のピーク信号のうち、Ｒ波と判断できるピークを特定する（ステップＳ１０６）。ピーク検出の方法としては、例えば、複数のピークを閾値により、検出する方法などを行う。拍動検出部５３０は、Ｒ波と判断できるピークに対して拍動タイミングとしての時刻情報を付与する。

拍動間隔算出部５４０は、検出された拍動と拍動との間の時間を計算する（ステップＳ１０８）。なお、拍動間隔の算出方法としては、自己相関関数を用いた周期の導出や、矩形波相関トリガを用いる方法、特徴点を複数検出する方法などによるピーク検出で行ってもよい。

拍動間隔記憶部５５０は、たとえば、ＳＤカードやＵＳＢメモリやその他のメモリ５０２などによって実現され、拍動タイミングや拍動間隔を蓄積していく（ステップＳ１１０）。

心拍変動量算出部５６０は、連続する２つの拍動間隔からポアンカレプロットの座標を蓄積していき、拍動間隔の推移から犬などの対象生物の心拍変動量を計算する（ステップＳ１１２）。なお、心拍変動量の計算方法は、後述する。

送信部５７０は、アンテナやコネクタなどを含む通信インターフェイス５０６によって実現され、計算された心拍変動量を通信端末３００やサーバ１００に送信する。

なお、心拍変動量に関する情報は、情報処理装置５００自身が出力してもよい。たとえば、心拍変動量が高い場合は、ＬＥＤライトを緑色に点灯させ、心拍変動量が低い場合は、ＬＥＤライトを赤い色に点灯させたりしてもよい。また、心拍変動量が高い場合には、ＬＥＤライトをゆっくりと点滅させ、心拍変動量が低い場合には、速く点滅させたりし、点灯パターンにより出力してもよい。これにより、飼い主などのユーザーは、見た目で直感的に心拍の変動状態を把握することができる。

拍動間隔を得る方法としては、心拍取得部として、他に光電脈波や経皮的動脈血酸素飽和度（ＳＰＯ２）などを用い、AD変換した信号から脈波を検出し、さらに拍動タイミングから拍動間隔を得てもよい。その場合、心電前処理部は不要である。さらに、マイクロ波や圧力センサを用いて心拍による体の動きを検出することで拍動タイミングを導出し、拍動間隔を得てもよい。
＜心拍変動量の計算方法＞

次に、情報処理装置５００における心拍変動量を特定するための構成について説明する。まず、図５は、ある犬の１分間の拍動間隔を縦軸、拍動間隔時間の累積加算を横軸にプロットした図である。図６は、図５の拍動間隔点をポアンカレプロットとして図示したものである。図７は、図６の各点の座標の数値を示す表である（１分間の最初の方のみ）。

この犬に関しては、図５の拍動間隔の点から決定される呼吸性周期の周期は３〜４点である。図５における犬が伏せている状態における600ms〜1200msの間の拍動間隔の揺らぎが、呼吸性の周期に従って拍動間隔が変動していることを示している。

犬の場合には、拍動間隔は、呼吸の影響を受け、大きく変動する。よりリラックスしている場合や、寝ている場合には、拍動間隔の揺らぎは大きくなり、心拍数も少なくなる。逆に、興奮しているときや、体を動かしている場合には、拍動間隔の揺らぎが小さくなり、心拍数が多くなる。

図８に図７のある３点（破線部）のポアンカレプロットの図を示す。図８の中のプロット点の間の距離（１）（２）の積を取り、２乗根を取ることで、心拍変動量を算出する。
・ある点Piを（X_i、Y_i）、次の拍動点であるPi+1を（X_i+1、Y_i+1）とし、Pi+2が（X_i+2,Y_i+2）とすると、心拍変動量は、
（（（X_i+2-X_i+1）^2+（Y_i+2-Y_i+1）^2）＾（1/2）*（（X_i+1-X_i）^2+（Y_i+1-Y_i）^2））＾（1/2）＾（1/2）
であらわされる。なお、４点で計算する場合には、３つの距離を乗算し、３乗根を計算し、５点で計算する場合には、４つの距離を乗算し、４乗根を計算する。尚、計算に用いるポアンカレプロットの各点は、必ずしも隣接している必要はなく、例えば、１つ置きの点を用いて、各点間の距離を計算してもよい。拍動の状態によっては、隣接する点ではなく、間をあけることで計算量が少なくなることができる場合がある。

図９に、図６のポアンカレプロット点に対して心拍変動量を計算した結果を、拍動間隔と重ねて表示する。

拍動間隔の揺らぎに合わせて心拍変動量が変化しているのが分かる。揺らぎが大きい場所（伏せている）では、心拍変動量が大きく、餌を１個食べている部分では、餌を食べる動作を行っているため、心拍変動が小さくなり、その分心拍変動量も小さい値として計算されており、ほぼリアルタイムに心拍の変動が分かるようになっている。

ポアンカレプロット座標での距離を用いることで、拍動間隔が大きい場合であっても、小さい場合であっても、拍動間隔の変化量（距離）が同じであれば、同じ変化量として算出されるため、心拍数の大きい小さいを考慮しなくてもよい。

図１０に心拍変動量の計算を連続するポアンカレプロットのまとまりを２点、３点、４点（距離は、１個、２個、３個）としてそれぞれ計算してプロットした図を示す。特に前半（0〜24000ms）においては、図５の点の位置から不整脈の周期が４点と予想される。実際、ポアンカレプロットの２点の距離で心拍変動量を計算するとバラツキが大きく算出されている。ポアンカレプロットの３点以上の距離で心拍変動量を計算すると、バラツキが抑えられて計算される。中盤（40000〜50000ms）においては、図５の点の位置から不整脈の周期が３点と予想される。実際、ポアンカレプロットの２点の距離で心拍変動量を計算してもバラツキは比較的抑えられている。

このように、本実施の形態においては、多数のポアンカレプロットが出そろうまでデータを蓄積する前に、ポアンカレプロットの、たとえば数個以上のポアンカレプロット間の距離で心拍変動量を計算することによって、精度の高い心拍変動量を取得することができる。すなわち、実際の犬の状態に対して、より時間ずれのないタイミングで、飼い主などのユーザーは、心拍の変動状態、すなわち犬のリラックス度合いや興奮度合いなどを把握することができる。
＜第２の実施の形態＞

上記の実施の形態においては、ポアンカレプロットの、たとえば３点以上の距離で心拍変動量を計算するものであった。本実施の形態においては、条件に応じて、心拍変動量の計算に利用する距離を計算するための、ひとまとめのポアンカレプロットの個数を調整するものである。

図１１に示すように、上記の実施の形態の構成に加えて、本実施の形態においては、情報処理装置５００は、動き検出部５８０と、周期算出部５９０とを含む。

動き検出部５８０は、加速度センサや、赤外線センサなどを含み、犬などの対象生物の動きを検知する。

周期算出部５９０は、ＣＰＵ５０１やメモリ５０２を含む制御部によって実現され、条件に応じて、心拍変動量の計算に利用するひとまとめのポアンカレプロットの個数を決定するものである。本実施の形態においては、周期算出部５９０は、動き検出部５８０の測定結果に基づいて、対象生物の安静時に、周期を算出し直す。

これによって、犬の種類や犬の状態により適切なポアンカレプロットの点で計算できるため、不必要に計算量を多くすることなく心拍変動量の計算が可能となる。本実施の形態においては、周期算出部５９０は、拍動間隔を微分し、頂点から頂点までの点の数をカウントすることで算出する。他にも、フーリエ変換を行う、自己相関関数を求めて周期を出すなどの方法がある。

図１２に周期を決定するためのフローを示す。周期算出部５９０は、動き検出部５８０の測定結果に基づいて対象生物の安静が確認できると、拍動間隔が算出される毎にポアンカレプロットの元となる表を作成する（ステップＳ２０２）。周期算出部５９０は、拍動間隔nと拍動間隔n+1の差分をとることで、微分の演算を行って、拍動間隔のグラフの頂点すなわち極大点を特定する（ステップＳ２０４）。周期算出部５９０は、プラスの頂点から次のプラスの頂点までの拍動間隔の点の個数をカウントし（ステップＳ２０８）、当該個数を周期とする（ステップＳ２１０）。

なお、図１３に図７のポアンカレプロットに対して周期の算出処理を行った例を示す。図１３のケースでは、周期算出部５９０は、頂点間の個数の平均を計算して１周期は４点とする。

本実施の形態においては、周期の下限は３点とする。また、上限に関しては、呼吸数が１０で心拍数２００の場合を想定し、２０点とする。

なお、対象生物の安静時に周期を算出し直す形態に限らず、周期算出部５９０は、定期的に、たとえば１分毎や１０分毎など、周期を決め直してもよい。

あるいは、周期算出部５９０は、所定の時間幅、たとえば１分など、における心拍数/呼吸数を計算して、当該計算結果を周期として利用してもよい。

あるいは、メモリ５０２に犬の種類や年齢や体重などと、周期と、の対応関係を記憶してもよい。そして、周期算出部５９０は、測定者からの犬の種類や年齢や体重などの入力を受け付けて、それに対応する周期を設定してもよい。
＜第３の実施の形態＞

上記の実施の形態にかかる生体情報処理システム１は、電極４００からの心電信号に基づいて情報処理装置５００が拍動タイミングや拍動間隔や心拍変動量の計算を行い、その結果を通信端末３００が出力するものであった。しかしながら、それらの１つの装置の全部または一部の役割が、別の装置によって担われてもよいし、複数の装置によって分担されてもよい。逆に、それら複数の装置の全部または一部の役割を、１つの装置が担ってもよいし、別の装置が担ってもよい。

例えば、情報処理装置５００の役割の一部を通信端末３００やサーバ１００が担ってもよい。例えば、通信端末３００が情報処理装置５００からの拍動タイミングや拍動間隔などの必要な情報をルータやキャリア網やインターネットなどを介してサーバ１００に送信する。そして、サーバ１００が心拍変動量を算出し、当該情報を通信端末３００や情報処理装置５００に送信し、通信端末３００や情報処理装置５００が最終的な結果の情報をディスプレイやスピーカに出力する。
＜まとめ＞

上記の実施の形態においては、生体から取得された心拍の拍動の間隔を算出する拍動間隔算出部と、連続して算出された２つの拍動の間隔で形成される直交座標平面上での拍動の間隔の点をポアンカレプロットとして算出し、ポアンカレプロットの各点間の距離を元に心拍変動量を算出する心拍変動量算出部と、を備える生体情報処理装置が提供される。

好ましくは、心拍変動量算出部は、呼吸性不整脈の１周期分のポアンカレプロットの各点間の距離を元に心拍変動量を算出する。

好ましくは、心拍変動量算出部は、拍動間隔の推移の極大点から極大点の間の拍動間隔の個数に基づいて、呼吸性不整脈の１周期分のポアンカレプロットの個数を決定する。

好ましくは、心拍変動量算出部は、呼吸性不整脈の１周期分として、心拍数を呼吸数で割った個数のポアンカレプロットの点を用いる。

好ましくは、心拍変動量算出部は、対象の生物の動きに従って、呼吸性不整脈の周期を犬が安静時になる毎に更新する。

好ましくは、心拍変動量算出部は、呼吸性不整脈の周期を所定の間隔で更新する。

好ましくは、心拍変動量算出部は、犬の種類に応じて算出した呼吸性不整脈の周期を用いる。

好ましくは、心拍変動量算出部は、呼吸性不整脈の１周期分のポアンカレプロットの３個から２０個までの点を用いる。

上記の実施の形態においては、生体から心拍を取得する心拍取得部と、取得された心拍から心拍変動量を算出する生体情報処理装置と、算出された心拍変動量を示す情報を表示する表示部と、を備える生体情報処理システムが提供される。

好ましくは、表示部は、心拍変動量に応じて色または点灯パターンを変更する。

上記の実施の形態においては、生体から取得された心拍の拍動の間隔を算出するステップと、連続して算出された２つの拍動間隔で形成される直交座標平面上での拍動間隔の点をポアンカレプロットとして算出するステップと、ポアンカレプロットの各点間の距離を元に心拍変動量を算出するステップと、を備える生体情報処理方法が提供される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ：生体情報処理システム
１００ ：サーバ
２００ ：心拍数
３００ ：通信端末
４００ ：電極（心拍取得部）
５００ ：情報処理装置
５０１ ：ＣＰＵ
５０２ ：メモリ
５０６ ：通信インターフェイス
５１０ ：心電前処理部
５２０ ：ＡＤ変換部
５３０ ：拍動検出部
５４０ ：拍動間隔算出部
５５０ ：拍動間隔記憶部
５６０ ：心拍変動量算出部
５７０ ：送信部
５８０ ：動き検出部
５９０ ：周期算出部

Claims (11)

1. 生体から取得された心拍の拍動の間隔を算出する拍動間隔算出部と、
   連続して算出された２つの前記拍動の間隔で形成される直交座標平面上での前記拍動の間隔の点をポアンカレプロットとして算出し、前記ポアンカレプロットの各点間の距離を元に心拍変動量を算出する心拍変動量算出部と、を備える生体情報処理装置。
2. 前記心拍変動量算出部は、呼吸性不整脈の１周期分の前記ポアンカレプロットの各点間の距離を元に前記心拍変動量を算出する、請求項１に記載の生体情報処理装置。
3. 前記心拍変動量算出部は、拍動間隔の推移の極大点から極大点の間の拍動間隔の個数に基づいて、呼吸性不整脈の１周期分の前記ポアンカレプロットの個数を決定する、請求項１または２に記載の生体情報処理装置。
4. 前記心拍変動量算出部は、呼吸性不整脈の１周期分として、心拍数を呼吸数で割った個数のポアンカレプロットの点を用いる、請求項１または２に記載の生体情報処理装置。
5. 前記心拍変動量算出部は、対象の生物の動きに従って、呼吸性不整脈の周期を該生物が安静時になる毎に更新する、請求項１から４のいずれか１項に記載の生体情報処理装置。
6. 前記心拍変動量算出部は、呼吸性不整脈の周期を所定の間隔で更新する、請求項１から４のいずれか１項に記載の生体情報処理装置。
7. 前記心拍変動量算出部は、犬の種類に応じて算出した呼吸性不整脈の周期を用いる、請求項１または２に記載の生体情報処理装置。
8. 前記心拍変動量算出部は、呼吸性不整脈の１周期分の前記ポアンカレプロットの３個から２０個までの点を用いる、請求項１から７のいずれか１項に記載の生体情報処理装置。
9. 生体から心拍を取得する心拍取得部と、
   取得された前記心拍から前記心拍変動量を算出する請求項１から８のいずれか１項に記載の生体情報処理装置と、
   算出された心拍変動量を示す情報を表示する表示部と、を備える生体情報処理システム。
10. 前記表示部は、前記心拍変動量に応じて色または点灯パターンを変更する、請求項９に記載の生体情報処理システム。
11. 生体から取得された心拍の拍動の間隔を算出するステップと、
    連続して算出された２つの前記拍動間隔で形成される直交座標平面上での前記拍動間隔の点をポアンカレプロットとして算出するステップと、
    前記ポアンカレプロットの各点間の距離を元に心拍変動量を算出するステップと、を備える生体情報処理方法。

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