JP2022096000A - 生体情報処理システムおよび生体情報取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より正確に拍動タイミングを特定することのできる生体情報処理システムを提供する。
【解決手段】生体情報処理システムの制御部は、検出された複数のピークのうち、所定の閾値よりも振幅の大きい第１ピークに関して次の処理を実行する。（１）第１のピークの時点を含む第１の期間内に、第１ピークを含み、かつ、正の方向および負の方向に振幅の大きい順にそれぞれ３つ以上のピークを特定する。（２）第１ピークの時点を含む第１の期間よりも短い第２の期間内に、３つ以上ピークのうちの第１ピークと反対方向のピークが、第１ピークの前後にそれぞれ１つずつ存在すると判断したときに、第１ピークを拍動タイミングと特定する。
【選択図】図９

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２０１６－５４８７７号公報（特許文献１）には、生体情報測定装置が開示されている。特許文献１によると、生体の心拍間隔を測定可能で生体に着用可能な生体情報測定装置であって、生体に接触する複数の電極と、心電図信号を作成する信号処理手段と、心電図信号から該心電図信号中の一のＲ波及び該一のＲ波と隣り合う他のＲ波の間隔若しくは一のＳ波及び該一のＳ波と隣り合う他のＳ波の間隔から心拍間隔を測定する心拍間隔測定手段と、三軸加速度測定手段と、温度測定手段とを備え、前記心拍間隔測定手段によって得られた心拍間隔と前記三軸加速測定手段によって得られた三軸加速度と前記温度測定手段によって得られた温度とを、同時に無線で送信する無線送信手段を備える。

また、特開２０１７－２９６２８号公報（特許文献２）には、心拍検出方法および心拍検出装置が開示されている。特許文献２によると、心拍検出装置は、心電図波形のサンプリングデータの時間差分値を算出する時間差分値算出部と、時間差分値が閾値を超えているかどうかを判定する時間差分値判定部と、想定される心拍時刻の手前の第一の時間間隔の範囲と時間差分値のピークを含む第二の時間間隔の範囲と時間差分値のピークの後の第三の時間間隔の範囲を求める時間判定部と、第一、第二、第三の時間間隔の範囲における時間差分値の最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３を保持する最小値保持部と、最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が心拍時刻確定条件を満たすとき、時間差分値が閾値を超えた時刻または最小値Ｍｉｎ２が得られた時刻を心拍時刻とする心拍時刻決定部を備える。

特開２０１６－５４８７７号公報 特開２０１７－２９６２８号公報

本開示の目的は、より正確に拍動タイミングを特定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、複数の電極と、複数の電極間の電位差を計測する計測部と、計測部の計測結果に基づいて、心電に由来する成分のピークを検出することによって、拍動タイミングを決定する制御部とを備える生体情報処理システムが提供される。制御部は、検出された複数のピークのうち、所定の閾値よりも振幅の大きい第１ピークに関して次の処理を実行する。（１）第１のピークの時点を含む第１の期間内に、第１ピークを含み、かつ、正の方向および負の方向に振幅の大きい順にそれぞれ３つ以上のピークを特定する。（２）第１ピークの時点を含む第１の期間よりも短い第２の期間内に、３つ以上ピークのうちの第１ピークと反対方向のピークが、第１ピークの前後にそれぞれ１つずつ存在すると判断したときに、第１ピークを拍動タイミングと特定する。

以上のように、本開示によれば、より正確に拍動タイミングを特定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の機能構成を示す図である。 第１の実施の形態にかかる信号取得装置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タイミングの送信データを示す図である。 第１の実施の形態にかかる心電データと拍動タイミングを示す図面である。 第１の実施の形態にかかるタイミング取得部５１２の機能構成を示す図である。 第１の実施の形態にかかる拍動タイミング決定処理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対象となるピークの近傍の心電データの拡大図である。 第１の実施の形態にかかる生体情報処理システム１の第１の自律神経バランスを算出するため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拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ）とその次の拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ＋１）との拍動間隔テーブルからＹ＝Ｘ方向とそれに垂直な方向の軸への変換を示すイメージ図である。 第１の実施の形態にかかる犬の精神的状態または肉体的状態毎の、Ｙ＝Ｘ軸に関する標準偏差と、Ｙ＝Ｘと垂直な軸に関する標準偏差との目安を示す表である。 第１の実施の形態にかかる犬の興奮状態における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犬の通常状態で呼吸が安定している状態における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犬の通常状態における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犬の安静状態における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生体情報処理システム１の第２の自律神経バランスを算出するため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犬の精神的または肉体的状態毎の、Ｙ＝Ｘ軸に関する標準偏差と、Ｙ＝Ｘと垂直な軸に関する標準偏差と、第２の自律神経バランスとしての標準偏差の積と、標準偏差の比との目安を示す表である。 第２の実施の形態にかかる対象となるピークの近傍の心電データの拡大図である。 第２の実施の形態にかかるタイミング取得部５１２Ｂの機能構成を示す図である。 第２の実施の形態にかかる所定時間変更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、好ましい所定時間に基づいて特定された拍動タイミングのヒストグラムを示す図面である。 第２の実施の形態にかかる、心電信号と、好ましい所定時間に基づいて特定された拍動タイミングとを示す図面である。 第２の実施の形態にかかる、短すぎる所定時間に基づいて特定された拍動タイミングのヒストグラムを示す図面である。 第２の実施の形態にかかる、心電信号と、短すぎる所定時間に基づいて特定された拍動タイミングとを示す図面である。

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および図２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。図２は、本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４０１，４０２，４０３と、心電信号を処理するための状態取得装置としての信号取得装置５００と、信号取得装置５００と通信可能な状態処理装置としての通信端末３００とを含む。

心電取得用の電極４０１，４０２，４０３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４０１，４０２，４０３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。
＜信号取得装置５００の構成＞

次に、図２および図３を参照して、信号取得装置５００の構成と処理とについて説明する。なお、図３は、本実施の形態にかかる信号取得装置５００が実行する全体処理を示すフローチャートである。信号取得装置５００は、心電前処理部５１１と拍動タイミング取得部５１２と送信部５６０を含む。

心電前処理部５１１は、フィルタや増幅器を含む。心電前処理部５１１は、電極４０１，４０２，４０３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して、拍動タイミング取得部５１２に受け渡す（ステップＳ００２）。

より詳細には、心電前処理部５１１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、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Ｓ００４）。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。すなわち、Ａ／Ｄ変換の周波数が、２５Ｈｚ以上の周波数で取得することが望ましい。例えば、本実施の形態においては、１００Ｈｚ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。

拍動タイミング取得部５１２は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１０やメモリを含む制御部によって実現される。より詳細には、ＣＰＵ５１０が、メモリに格納されているプログラムを実行することによって、後述する判断方法により、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Ｓ００６）。拍動タイミング取得部５１２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したり、拍動タイミングから拍動タイミングまでの時間を拍動間隔として特定したりする（ステップＳ００８）。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。

本実施の形態においては、拍動タイミング取得部５１２は、連続して入力される心電信号に対して連続して拍動タイミングの特定を実行する。拍動タイミング取得部５１２は、拍動毎に、拍動タイミングを示す時刻を、記憶部５２０に記憶したり、送信部５６０を介して通信端末３００に送信したりする（ステップＳ０１０）。例えば、ＣＰＵ５１０は、図５に示すように、所定の時間帯毎に、当該所定の時間帯の基準時刻を示すタイムスタンプと、当該所定の時間帯に含まれる拍動タイミング毎の、所定の時間帯の基準時刻からの詳細な経過時間とを記憶部５２０に記憶させたり、送信部５６０を介して通信端末３００に送信したりする。本実施の形態においては、所定の時間帯の長さは１秒間であって、所定の時間帯の基準時刻からの詳細な経過時間はｍｓｅｃで示される。

なお、記憶部５２０は、一例として、ＳＤカードやＵＳＢメモリなどによって実現される。送信部５６０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によって実現される。
＜拍動タイミングの特定方法＞

次に、信号取得装置５００における拍動タイミングを特定するための構成について説明する。信号取得装置５００の拍動タイミング取得部５１２は、図５に示すようなノイズが少ない心電データや図６に示すようなノイズの多い心電データが得られた場合に、複数のピークから拍動タイミングに対応するピークを特定したり抽出したりする。なお、図６に示す心電信号ａに関しては、犬などの動物への取り付けが上手くいかなかったり、動物が動いてしまったりすることなどによって、拍動タイミングが特定しにくいエリアｃが生じている場合を示す。このような場合などにおいても、本実施の形態にかかる拍動タイミング取得部５１２は、下記の構成や処理によって、正確な拍動タイミングｂを特定できる可能性が高い。

図７は、本実施の形態にかかる拍動タイミング取得部５１２の機能構成を示すブロック図である。図７および図２に示すように、本実施の形態にかかる拍動タイミング取得部５１２は、ＣＰＵ５１０やメモリを含む制御部によって実現される。より詳細には、ＣＰＵ５１０が、メモリに格納されているプログラムを実行することによって、ピーク検出部５１２２やピーク比較部５１２４や拍動タイミング決定部５１２５などを実現し、記憶部５２０がピーク記憶部５１２３や拍動タイミング記憶部５１２６などを実現する。

ピーク検出部５１２２は、心電データから対象となるピークを選択したり、当該ピークを基準とした所定の期間内の複数のピークを抽出したりする。ピーク記憶部５１２３は、それらのピークを特定するための時間情報などを記憶する。ピーク比較部５１４は、抽出された複数のピークを、所定のルールに従って比較する。拍動タイミング決定部５１２５は、比較結果に基づいて、所定の条件を満たすピークを拍動タイミングとして決定する。拍動タイミング記憶部５１２６は、拍動タイミングの時間情報を蓄積する。

次に、図８と図９とを参照して、拍動タイミング取得部５１２の処理について説明する。なお、図８は、本実施の形態にかかる拍動タイミング特定処理の処理手順を示すフローチャートである。本実施の形態にかかる拍動タイミング取得部５１２は、心電データを取得すると以下の処理を実行することによって、マイナス方向またはプラス方向に心電ピークが大きく出ている波形に対して当該ピークを検出して拍動のタイミングを認識する。

なお、フィルタを通過した後のＡＤ変換後の心電信号は、図９に示すように歪を生じた形状になっていることが多い。図９は、本実施の形態にかかる、拍動タイミングであるか否かの判断の対象となるピークの近辺に関する心電データの拡大図である。

以下では、マイナス方向に突出するピークに関して、拍動タイミングであるか否かを判断する場合の処理について説明するが、拍動タイミング取得部５１２は、同様の処理をプラス方向に突出するピークに関しても実行することによって、両方に突出したピークに関して拍動タイミングを検知できるように構成されている。なお、拍動タイミングがマイナス方向とプラス方向のどちらのピークに該当するかは、犬に取り付けられた電極の向きに依存する。

拍動タイミング取得部５１２は、ある時点における心電波形に関して、マイナス方向の閾値Ｖ１、例えば－０．２Ｖ、以下まで突出しており、その時点の前後の微分値の積がマイナスであって、直前のピークとの時間間隔が１０ｍｓよりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２にてＹＥＳである場合、拍動タイミング取得部５１２は、当該時点にピークが存在すると判断する。以下、拍動タイミング取得部５１２は、当該ピークＰ１に関して、拍動タイミングの可能性が高いか否かを判断する。

拍動タイミング取得部５１２は、当該ピークＰ１の時点を含む第１の期間Ｔ１において、マイナス方向の閾値Ｖ１以下まで突出し、振幅の大きな順に４つのピークＰｍ１、Ｐｍ２、Ｐｍ３、Ｐｍ４と、プラス方向の閾値Ｖ２、例えば０．２Ｖ、以上まで突出し、振幅の大きな順に４つのピークＰｐ１、Ｐｐ２、Ｐｐ３、Ｐｐ４とを特定して、メモリに記憶する（ステップＳ１０４）。ここで、第１の期間Ｔ１は、例えば、当該ピークの時点の前後に２００ｍｓ～４００ｍｓ、すなわち４００ｍｓ～８００ｍｓとすることが好ましい。第１の期間Ｔ１が４００ｍｓ未満の場合、測定の対象が犬の場合、ノイズをピークとして検出し、心拍数が大きく算出される恐れがある。一方で、第１の期間Ｔ１が８００ｍｓを超える場合、隣接する拍動を検出期間に含んでしまい、当該拍動と隣接する拍動のそれぞれの拍動タイミングを検出するべきところを、どちらか一方のみを検出する恐れがある。

拍動タイミング取得部５１２は、今回対象としているピークＰｍ１が、前回の拍動タイミングと判断されたピークから所定時間、例えば２００ｍｓなど、以上１００００ｍｓ以下経過しているものであるか否かを判断する（ステップＳ１０６）。

ステップＳ１０６にてＹＥＳである場合、拍動タイミング取得部５１２は、当該ピークの信号値Ｐｍ１が、第１の期間Ｔ１において、最小点であるか否かを判断する（ステップＳ１０８）。

ステップＳ１０８にてＹＥＳである場合、拍動タイミング取得部５１２は、第１の期間Ｔ１よりも短く、当該ピークＰｍ１を含む第２の期間Ｔ２の間において、４つのピークＰｐ１、Ｐｐ２、Ｐｐ３、Ｐｐ４のうち当該ピークＰｍ１の前後にそれぞれ１つずつピークが存在するか否かを判断する。例えば、図９では、第２の期間Ｔ２の間において、当該ピークＰｍ１の前のピークＰｐ１が存在し、当該ピークＰｍ１の後ろにピークＰｐ２が存在する。さらに好ましくは、第２の期間Ｔ２において、プラス側の最大のピークと２番から４番の少なくともいずれかのピークが存在する、または、プラス側の２番目のピークと３番から４番の少なくともいずれかのピークが存在する、か否かを判断する（ステップＳ１１０）。このとき、第２の期間Ｔ２は、当該ピークＰｍ１の前後５０ｍｓ以内、好ましくは４５ｍｓ以内であることが好ましい。

より好ましくは、第２の期間Ｔ２よりも短く、当該ピークＰｍ１を含む第３の期間Ｔ３の期間には、４つのピークＰｐ１、Ｐｐ２、Ｐｐ３、Ｐｐ４が存在するか否かも判断してもよい。例えば、第３の期間Ｔ３は、当該ピークＰｍ１の前後２０ｍｓ以内であることが好ましい。

より詳細には、今回対象としている当該ピークＰｍ１よりも前か後の一方において、当該ピークＰｍ１の時間差が２０ｍｓから４５ｍｓの範囲に、プラス側の最大のピークＰｐ１が存在し、今回対象としているピークＰｍ１よりも前か後の他方において、時間差が２０ｍｓから４５ｍｓの範囲に、Ｐｐ２～Ｐｐ４の少なくともいずれかのピークが存在するか否かを判断する。当てはまらない場合は、今回対象としているピークＰｐ１よりも前か後の一方において、時間差が２０ｍｓから４５ｍｓの範囲に、プラス側の２番目のピークＰｐ２が存在し、今回対象としているピークＰｍ１よりも前か後の他方において、時間差が２０ｍｓから４５ｍｓの範囲に、プラス側のＰｐ３かＰｐ４の少なくともいずれかのピークが存在するか否かを判断する。

ステップＳ１１０にてＹＥＳである場合、拍動タイミング取得部５１２は、当該ピークＰｍ１の振幅が、プラス側の１番または２番のピークＰｐ１、Ｐｐ２よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１１２）。

ＣＰＵ１１０は、ステップＳ１１２にてＹＥＳである場合、拍動タイミング取得部５１２は、当該ピークのタイミングを拍動タイミングと判断して、当該タイミングを示す時間情報を記憶部５２０に記憶する（ステップＳ１１４）。

本実施の形態においては、１秒毎のタイムスタンプからの差分（ｍｓ）を拍動時刻として記録する。信号取得装置５００は、所定の期間分の拍動タイミングを示す情報を通信端末３００に送信する。

以上の通り、本実施の形態にかかる拍動タイミング取得部５１２は、ステップＳ１０６、ステップＳ１０８、ステップＳ１１０、ステップＳ１１２などの判断を行うことによって、正確なＲ波を特定するものである。すなわち、他の種類のピークや体動、電磁波、物理的な衝撃によるノイズを、拍動タイミングであると特定してしまう可能性を低減することができるものである。
＜通信端末３００の構成＞

次に、図２および図１０を参照して、通信端末３００の構成と処理について説明する。なお、図１０は、本実施の形態にかかる通信端末３００が実行する処理を示すフローチャートである。通信端末３００は、受信部３６１、拍動間隔取得部３２１、解析部３１１と、グラフ作成部３１２と、結果出力部３１３と、ディスプレイ３３０と、データ記憶部３２２と、送信部３６２とを含む。

まず、受信部３６１と送信部３６２は、例えば、アンテナやコネクタなどを含む通信インターフェイス３６０によって実現される。受信部３６１は、信号取得装置５００からの拍動タイミングを示すデータを受信する（ステップＳ１００）。

拍動間隔取得部３２１は各種のメモリ３２０などによって構成され、信号取得装置５００から受信したデータを格納する。本実施の形態においては、ＣＰＵ３１０が、通信インターフェイス３６０を介して受信した拍動タイミングに基づいて拍動と拍動の間の時間を計算する（ステップＳ１０２）。ＣＰＵ３１０は、拍動間隔を拍動間隔テーブル（図１１参照。）として逐次メモリ３２０に蓄積していく（ステップＳ１０４）。本実施の形態においては、拍動間隔は、例えば、図１１に示すようにｍｓｅｃ（ミリセック）の単位で計算される。ただし、これらのデータは、通信端末３００のメモリ３２０に記憶されてもよいし、通信端末３００からアクセス可能な他の装置に記憶されてもよい。なお、図１１において拍動時刻１及び２に９が記入されている時刻の行は、もともと拍動が検出されていない時間帯示すものである。これは、拍動が無い時間帯を仮に９の数値を入力して示すものであり、その他の数値や記号であってもよい。

なお、本実施の形態においては、ＣＰＵ３１０は、何らかの原因によって信号取得装置５００からの拍動タイミングを示すデータが欠損した場合、後述する通り、拍動間隔が計算できない期間に関しては各種のプロットを行わず、当該期間を経過したところから各種のプロットを再開する。より詳細には、欠損データの取り扱い方法として後述する。

解析部３１１と、グラフ作成部３１２と、結果出力部３１３とは、例えばＣＰＵ３１０がメモリ３２０のプログラムを実行することによって実現される。解析部３１１は、一定時間単位、例えば、１分、１０分、１時間など、状態を判定するために必要な時間単位で、拍動間隔取得部３２１から拍動間隔データを読み出して、拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ）とその次の拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ＋１）との拍動間隔テーブルを作成する（ステップＳ１０６）。

解析部３１１は、図１２に示すように、拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ）とその次の拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ＋１）との拍動間隔テーブルからＹ＝Ｘ方向とそれに垂直な方向の軸への変換を行う（ステップＳ１０８）。

解析部３１１は、軸の変換を行った後のそれぞれの軸を構成する数値列に関する標準偏差を算出する（ステップＳ１１０）。なお、解析部３１１は、Ｙ＝Ｘ軸に関する標準偏差だけを算出してもよいし、Ｙ＝Ｘと垂直な軸に関する標準偏差だけを算出してもよいし、両方を算出してもよい。図１３は、犬の精神状態または肉体的状態毎の、Ｙ＝Ｘ軸に関する標準偏差と、Ｙ＝Ｘと垂直な軸に関する標準偏差との目安を示す表である。

なお、解析部３１１は、主成分分析などの方法により分散が最大になる軸を特定し、当該軸と当該軸に垂直な軸に関する標準偏差を算出してもよい。さらには、解析部３１１は、軸変換を行わずに、Ｘ軸とＹ軸に関する標準偏差を算出するものであってもよい。分散の大きい方向がＸ軸方向とＹ軸方向である場合には、軸変換を行わなくとも、Ｘ軸とＹ軸の標準偏差を算出することで、ポアンカレプロットした拍動間隔のばらつき状態を評価できる。この場合、軸変換を行う必要が無いために、計算量を低減することができる。

結果出力部３１３は、例えば、自身の、あるいは外部の、ディスプレイ３３０やスピーカなどの出力装置に、標準偏差を表示させたり、音声メッセージを出力させたりする（ステップＳ１１４）。より詳細には、結果出力部３１３は、Ｙ＝Ｘ軸に関する標準偏差だけを出力させてもよいし、Ｙ＝Ｘと垂直な軸に関する標準偏差だけを出力させてもよいし、両方を出力させてもよいし、大きい方だけを出力させてもよいし、小さい方だけを出力させてもよい。

標準偏差を計算することにより、拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ）とその次の拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ＋１）とをそれぞれ軸としてポアンカレプロットした拍動間隔のばらつき状態が評価できる。

なお、本実施の形態にかかる生体情報処理システム１は、通信端末３００が通信可能なサーバを含む形態であってもよい。その場合、結果出力部３１３としてのＣＰＵ３１０は、標準偏差や関係テーブルなどデータ記憶部３２２に蓄積したり、送信部３６２を利用することによって、インターネットなどを介してサーバに送信したりする。これによって、今回の出力結果を観察対象の短期または長期のストレス状態の把握などに利用することができる。

本実施の形態においては、ステップＳ１０８とは別に、同時にグラフ作成部３１２は、図１１の拍動間隔テーブルから、標準偏差の計算に使用した範囲の拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ）とその次の拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ＋１）とのデータを取得して、図１４～図１７に示すようなポアンカレプロット図を作成する。

そして、結果出力部３１３は、作成されたポアンカレプロット図を、自身の、または外部の、ディスプレイなどの出力装置に表示させる。なお、グラフ作成部３１２は、ステップＳ１０８の結果を利用して、軸変換後のポアンカレプロット図を作成して出力してもよい。

ここで、ポアンカレプロット図に関して説明する。図１４は、本実施の形態にかかる犬の興奮状態におけるポアンカレプロット図である。図１５は、本実施の形態にかかる犬の通常状態で呼吸が安定している状態におけるポアンカレプロット図である。図１６は、本実施の形態にかかる犬の通常状態におけるポアンカレプロット図である。図１７は、本実施の形態にかかる犬の安静状態におけるポアンカレプロット図である。

まず、例えば犬などの呼吸性の不整脈を有する生物の場合、図１４のような興奮状態においては、心拍数が上昇し（拍動間隔は短くなる）、拍動間隔の揺らぎは小さくなり、プロットの点が一定の場所に集まるような状態になる。

そして、図１５のような呼吸が安定している通常の状態においては、心拍数が安静状態ほどは少なくない（プロットの点の広がりが安静状態ほど大きくない）が、プロット点の分布の中心にプロットが少ない（穴の空白）領域が存在する。このような形状になるのは、犬の心拍が呼吸の影響を大きく受けるため、拍動変動が周期的に変化することが原因と考えられる（呼吸性不整脈）。そのため、リラックスした緩やかな拍動ではないが、呼吸が安定して行われているため、空白の存在する状態になると考えられる。

そして、図１６のような通常状態においては、拍動に揺らぎがみられ、ばらつきは大きくなる（プロット点が広がる）が、プロット点が散乱している状態となる。

そして、図１７の安静状態においては、犬がリラックスしているために拍動の間隔が大きくなり、さらに呼吸性不整脈の影響を大きく受けるために、プロット点の広がりが大きくなると共に、円形や四角形に近い形状や、三角形に近い形状となる。そのいずれの形状においても、安静状態ではポアンカレプロットのプロット点の分布の中心部に空白部分が見られる形状となる。

このように、本実施の形態においては、算出結果に基づいて間接的に、ポアンカレプロットのプロット点の分布の広がりの大きさや形状、中心部にプロットが多くみられるか少なくみられるかを予想することができ、その結果、生物の精神的状態または肉体的状態を予想することができる。そして、上述した通り、解析部３１１は、自律神経バランスを示す数値として、ポアンカレプロットのバラツキ具合すなわち拍動間隔の標準偏差を算出するものである。
＜自律神経バランスの数値に関する別の形態＞

上記の実施の形態においては、通信端末３００が、ポアンカレプロットのＹ＝Ｘの軸に沿った標準偏差またはＹ＝Ｘと垂直な軸に沿った標準偏差を出力するものであった。しかしながら、自律神経バランスを示す数値として、それら２つの標準偏差の積を算出してもよい。以下では、図１８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の処理手順について説明する。

図１８は、本実施の形態にかかる生体情報処理システム１の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１００～ステップＳ１０８は、図１０のものと同様であるため、ここでは説明を繰り返さない。

解析部３１１としてのＣＰＵ３１０は、軸の変換を行った後のそれぞれの軸に関する標準偏差を算出する（ステップＳ１１０）。なお、解析部３１１は、分散が最大になる軸を特定し、当該軸と当該軸に垂直な軸に関する標準偏差を算出してもよい。

そして、解析部３１１は、自律神経バランスを示す数値として、それらの２つの標準偏差の積や積の平方根などを計算する（ステップＳ１１２）。

結果出力部３１３は、例えば、通信端末３００の、または外部の、ディスプレイやスピーカなどの出力装置に、標準偏差の積や積の平方根などを表示させたり、音声メッセージを出力させたりする（ステップＳ１１４）。より詳細には、結果出力部３１３は、Ｙ＝Ｘ軸に関する標準偏差と、Ｙ＝－Ｘの軸に関する標準偏差と、両者の積や積の平方根などとを出力させてもよい。

図１９は、犬の精神状態または肉体的状態毎の、Ｙ＝Ｘ軸に関する標準偏差と、Ｙ＝Ｘと垂直な軸に関する標準偏差と、自律神経バランスを示す数値としての標準偏差の積や積の平方根などと、標準偏差の比との目安を示す表である。

標準偏差の積を計算することにより、拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ）とその次の拍動間隔Ｒ－Ｒ（ｎ＋１）とをそれぞれ軸としてポアンカレプロットした拍動間隔の分布の広がりの大きさや形状、一様に分散している、中心に空白がある等のばらつき状態が評価できる。また、縦横比が同じで大きさのみ変化している状態や分布の広がり面積が同じで中心部のばらつき状態が異なる場合などに有効にばらつき状態を評価できる。

この場合も、結果出力部３１３は、標準偏差や標準偏差の積や積の平方根や拍動間隔テーブルなどをデータ記憶部３２２に蓄積したり、送信部３６２を利用することによって、インターネットなどを介してサーバ１００に送信したりする。これによって、今回の出力結果を観察対象の短期または長期のストレス状態の把握などに利用することができる。

解析部３１１は、２つの軸の標準偏差の積や積の平方根などを計算するものであるが、３つ以上の軸の標準偏差の積やその累乗根などを計算するものであってもよい。

ＣＰＵ３１０は、所定の期間、例えば数分間、毎に上記の計算を行い、当該計算結果を後述する診断グラフ作成のためにメモリ３２０のデータベースに蓄積していく。
＜第２の実施の形態＞

心電信号の取得や拍動間隔の取得においては、様々な要因により、図２０に示すように、拍動タイミング以外の時点で、拍動タイミングのピークと同様に大きいピークが検出されてしまう場合がある。このような場合は、両者を拍動タイミングであると認識してしまう可能性が高い。このような不具合が生じる可能性をさらに低減するために、ステップＳ１０６の所定時間やステップＳ１０４の第１の所定期間が、自動的に調整されることが好ましい。

例えば、本実施の形態にかかる拍動タイミング取得部５１２Ｂに関しては、図２１に示すように、ＣＰＵ５１０は、メモリのプログラムを実行することによって、ピーク検出部５１２２やピーク記憶部５１２３やピーク比較部５１２４や拍動タイミング決定部５１２５や拍動タイミング記憶部５１２６などに加えて、拍動間隔解析部５１２７や、経過時間設定部５１２８などを実現することが好ましい。なお、ピーク検出部５１２２やピーク記憶部５１２３やピーク比較部５１２４や拍動タイミング決定部５１２５や拍動タイミング記憶部５１２６は、上記の実施の形態と同様であるため、ここでは説明を繰り返さない。

拍動間隔解析部５１２７は、拍動タイミングと判断したピーク同士がステップＳ１０６の所定時間よりも少しだけ長い程度の間隔をあけて存在することが頻繁に生じているか否かを判断する。経過時間設定部５１２８は、拍動タイミングと判断したピーク同士が所定時間よりも少しだけ長い程度の間隔に存在することが頻繁に生じている場合に、所定期間を長めに設定し直す。

具体的には、拍動タイミング取得部５１２は、所定の期間、例えば１分など、が経過するたびに以下のような処理を実行する。図２２を参照して、拍動タイミング取得部５１２は、所定の期間分の、拍動タイミング間の時間を示す拍動間隔のヒストグラムを生成する（ステップＳ１３２）。

例えば、拍動タイミングの近傍において、拍動タイミングのピークと同様に大きいピークが検出されてしまうことが少ない状況に関しては、図２３や図２４に示すように、２００ｍｓ～４００ｍｓの範囲の拍動間隔が検出されることが少ない。なお、図２３は、所定の期間における拍動間隔のヒストグラムである。図２４は、所定の期間における、心電信号の波形と、拍動タイミングと判断されたピーク毎の直前の拍動タイミングからの拍動間隔と、を示すグラフである。

逆に、拍動タイミングの近傍において、拍動タイミングのピークと同様に大きいピークが検出されてしまうことが多い状況に関しては、図２５や図２６に示すように、２００ｍｓ～４００ｍｓの範囲の拍動間隔が多く検出される。例えば、拍動間隔の最頻値が２００ｍｓ～４００ｍｓの範囲にあったり、２００ｍｓ～４００ｍｓの拍動間隔の頻度が上位３番目以内であったりする。

このようにして、拍動タイミング取得部５１２は、２００ｍｓ～４００ｍｓの範囲にヒストグラムの大きなピークが存在するか否かを判断する（ステップＳ１３４）。ステップＳ１３４にてＹＥＳである場合、拍動タイミング取得部５１２は、４００ｍｓを上限として、ステップＳ１０６の所定時間を２０ｍｓだけ長くする（ステップＳ１３６）。

なお、ステップＳ１３４にてＹＥＳである場合、拍動タイミング取得部５１２は、２００ｍｓを下限として、第２の所定時間を２０ｍｓだけ短くしてもよい。
＜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４０１，４０２，４０３からの心電信号に基づいて信号取得装置５００が拍動タイミングや拍動間隔を取得し、通信端末３００が拍動間隔から生物の状態を判断するための情報または生物の状態の判定結果の情報を算出して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、通信端末３００の役割をサーバ１００が担ってもよい。例えば、通信端末３００が信号取得装置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が生物の状態を判断するための情報または生物の状態の判定結果を示す情報を算出し、当該情報を通信端末３００に送信し、通信端末３００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。

あるいは、信号取得装置５００の機能を通信端末３００やサーバ１００が実現しても良い。例えば、通信端末３００やサーバ１００が、信号取得装置５００から心電信号を受信して、複数のピークから拍動タイミングを特定したり、拍動間隔を計算したりしてもよい。
＜まとめ＞

上記の実施の形態においては、複数の電極と、複数の電極間の電位差を計測する計測部と、計測部の計測結果に基づいて、心電に由来する成分のピークを検出することによって、拍動タイミングを決定する制御部とを備える生体情報処理システムが提供される。制御部は、検出部で検出された複数のピークのうち、所定の閾値よりも振幅の大きい第１ピークに関して次の処理を実行する。（１）第１のピークの時点を含む第１の期間内に、第１ピークを含み、かつ、正の方向および負の方向に振幅の大きい順にそれぞれ３つ以上のピークを特定する。（２）第１ピークの時点を含む第１の期間よりも短い第２の期間内に、３つ以上ピークのうちの第１ピークと反対方向のピークが、第１ピークの前後にそれぞれ１つずつ存在すると判断したときに、第１ピークを拍動タイミングと特定する。

好ましくは、制御部は、（２）の処理において、３つ以上ピークのうちの第１ピークと反対方向のピークが、第２の期間に含まれる第３の期間外に、第１のピークの前後にそれぞれ１つずつ存在することを特定した時に、第１ピークを拍動タイミングと決定する。第３の期間は０ｍｓ以上３０ｍｓ以下である。第２の期間は３０ｍｓ以上１００ｍｓ以下である。

好ましくは、第１の期間は、４００ｍｓ以上８００ｍｓ以下である。

好ましくは、制御部は、１つ前の拍動タイミングと決定された第１のピークから所定の時間以上が経過した時点のピークから対象とする第１のピークを選択する。

好ましくは、制御部は、１つ前の拍動タイミングと決定された第１のピークから２００ｍｓ以上１００００ｍｓ以下の時間が経過した時点のピークから対象とする第１ピークを選択する。

好ましくは、制御部は、拍動タイミングの間隔に関するヒストグラムを生成し、当該ヒストグラムに基づいて、所定の時間を変更する。

好ましくは、制御部は、所定の時間を２００ｍｓ以上４００ｍｓ以下に変更する。

上記の実施の形態においては、生体の心電波形を取得し、心電波形を取得するときに検出された複数のピークのうち、所定の閾値よりも振幅の大きい第１ピークに関して次の処理を実行する生体情報取得方法が提供される。
（１）第１のピークの時点を含む第１の期間内に、第１ピークを含み、かつ、正の方向および負の方向に振幅の大きい順にそれぞれ３つ以上のピークを特定し、
（２）第１ピークの時点を含む第１の期間よりも短い第２の期間内に、３つ以上ピークのうちの第１ピークと反対方向のピークが、第１ピークの前後にそれぞれ１つずつ存在すると判断したときに、第１ピークを拍動タイミングと特定する。

好ましくは、生体は、呼吸性の不整脈を有する動物である。

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
１１０ ：ＣＰＵ
３００ ：通信端末
３１０ ：ＣＰＵ
３１１ ：解析部
３１２ ：グラフ作成部
３１３ ：結果出力部
３２０ ：メモリ
３２１ ：拍動間隔取得部
３２２ ：データ記憶部
３３０ ：ディスプレイ
３６０ ：通信インターフェイス
３６１ ：受信部
３６２ ：送信部
４０１ ：電極
４０２ ：電極
４０３ ：電極
５００ ：信号取得装置
５１０ ：ＣＰＵ
５１１ ：心電前処理部
５１２ ：拍動タイミング取得部
５１２Ｂ ：拍動タイミング取得部
５１４ ：ピーク比較部
５２０ ：記憶部
５６０ ：送信部
５１２２ ：ピーク検出部
５１２３ ：ピーク記憶部
５１２４ ：ピーク比較部
５１２５ ：拍動タイミング決定部
５１２６ ：拍動タイミング記憶部
５１２７ ：拍動間隔解析部
５１２８ ：経過時間設定部

Claims (9)

1. 複数の電極と、
   前記複数の電極間の電位差を計測する計測部と、
   前記計測部の計測結果に基づいて、心電に由来する成分のピークを検出することによって、拍動タイミングを決定する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   検出された複数のピークのうち、所定の閾値よりも振幅の大きい第１ピークに関して次の処理を実行する、
   （１）前記第１のピークの時点を含む第１の期間内に、前記第１ピークを含み、かつ、正の方向および負の方向に振幅の大きい順にそれぞれ３つ以上のピークを特定し、
   （２）前記第１ピークの時点を含む前記第１の期間よりも短い第２の期間内に、前記３つ以上ピークのうちの前記第１ピークと反対方向のピークが、前記第１ピークの前後にそれぞれ１つずつ存在すると判断したときに、前記第１ピークを前記拍動タイミングと特定する、生体情報処理システム。
2. 前記制御部は、前記（２）の処理において、
   前記３つ以上ピークのうちの前記第１ピークと反対方向のピークが、前記第２の期間に含まれる第３の期間外に、前記第１のピークの前後にそれぞれ１つずつ存在することを特定した時に、前記第１ピークを前記拍動タイミングと決定し、
   前記第３の期間は０ｍｓ以上３０ｍｓ以下であって、
   前記第２の期間は３０ｍｓ以上１００ｍｓ以下である、請求項１に記載の生体情報処理システム。
3. 前記第１の期間は、４００ｍｓ以上８００ｍｓ以下である、請求項１または２に記載の生体情報処理システム。
4. 前記制御部は、１つ前の拍動タイミングと決定された第１のピークから所定の時間以上が経過した時点のピークから対象とする前記第１のピークを選択する、請求項１から３のいずれか１項に記載の生体情報処理システム。
5. 前記制御部は、１つ前の拍動タイミングと決定された第１のピークから２００ｍｓ以上１００００ｍｓ以下の時間が経過した時点のピークから対象とする前記第１ピークを選択する、請求項４に記載の生体情報処理システム。
6. 前記制御部は、拍動タイミングの間隔に関するヒストグラムを生成し、当該ヒストグラムに基づいて、前記所定の時間を変更する、請求項４または５に記載の生体情報処理システム。
7. 前記制御部は、前記所定の時間を２００ｍｓ以上４００ｍｓ以下に変更する、請求項６に記載の生体情報システム。
8. 生体の心電波形を取得し、
   前記心電波形を取得するときに検出された複数のピークのうち、所定の閾値よりも振幅の大きい第１ピークに関して次の処理を実行する
   （１）前記第１のピークの時点を含む第１の期間内に、前記第１ピークを含み、かつ、正の方向および負の方向に振幅の大きい順にそれぞれ３つ以上のピークを特定し、
   （２）前記第１ピークの時点を含む前記第１の期間よりも短い第２の期間内に、前記３つ以上ピークのうちの前記第１ピークと反対方向のピークが、前記第１ピークの前後にそれぞれ１つずつ存在すると判断したときに、前記第１ピークを前記拍動タイミングと特定する、生体情報取得方法。
9. 前記生体は、呼吸性の不整脈を有する動物である、ことを特徴とする請求項８に記載の生体情報取得方法。

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