JP2023021703A

JP2023021703A - 心電信号解析装置

Info

Publication number: JP2023021703A
Application number: JP2021126741A
Authority: JP
Inventors: 彩子新谷; Ayako SHINTANI; 和明島田; Kazuaki Shimada; 悟松沼; Satoru Matsunuma; 励治服部; Reiji Hattori
Original assignee: Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2023-02-14
Also published as: CN117202850A; WO2023013260A1; US20240335153A1

Abstract

【課題】オフィスなどの日常環境において被験者の心電信号を安全かつ正確に計測して、ノイズの少ない良質の心電信号を得ることができ、しかも、心電信号を複数の手法で解析して、被験者の健康状態などの正確な評価に寄与し得る心電信号解析装置を提供する。【解決手段】計測部１は、被験者の心拍を非接触状態で検出し１次信号として出力する一対の容量結合型の検出電極６・６と、１次信号に含まれるノイズを低減して２次信号を出力する一対のアクティブガード回路７・７と、２次信号の電位差を増幅して心電信号を出力する増幅手段８と、２次信号の同相信号の影響を除去するためのフィードバック電極３３とを含む。解析部２は、心電信号を線形的に解析して自律神経指数を算出する線形解析手段３と、心電信号を非線形的に解析してリアプノフ指数を算出する非線形解析手段４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、オフィスで働く従業員などの被験者の心電信号を計測および解析するための心電信号解析装置に関する。本装置による心電信号の解析結果は、被験者の健康状態や疲労度・ストレス・外部適応度などの評価に用いることができる。

近年健康意識の高まりにより病気を未然に防ぐ予防医療への関心が高まっており、心身の健康面を日常的にモニタリングするシステムの需要が増加している。医療関連機関に加え、一般家庭やオフィスといった様々な環境下において、生体情報を日常的に計測および解析する技術が求められている。特にオフィス環境において、勤務中の従業員の生体情報を計測および解析し、従業員の健康維持に役立てたい、またストレス状態を早期に検知したいというニーズが高まっている。

生体情報の計測および解析に係る先行技術文献としては、例えば特許文献１を挙げることができる。特許文献１には、被験者の生体情報を計測するセンサ装置と、得られた生体情報に基づいて被験者の自律神経の状態を評価する評価装置などが開示されている。センサ装置は、生体情報としての心拍情報を取得する心拍センサを含み、同センサは例えば被験者の身体の表面に接触する一対の検出電極で構成される。評価装置は、得られた心拍情報からＲ波間の間隔であるＲＲＩを算出し、ＲＲＩの等間隔時系列データに対して例えば高速フーリエ変換を用いて周波数解析を行い、心拍変動の高周波成分ＨＦに対する低周波成分ＬＦの比すなわちＬＦ／ＨＦなどを自律神経指標として算出し、当該指標に基づき被験者の自律神経の状態を評価する。

特開２０１９－３０３８９号公報

特許文献１には、心拍センサとして被験者の身体の表面に接触する検出電極が例示されている。この種の電極は、長時間にわたって装着すると、皮膚かぶれや金属アレルギーを招くおそれがあるだけでなく、被験者に違和感や拘束感を与えてしまい、それに伴うストレスが心電信号に影響するおそれもある。そのため、心電信号を一時的に計測する例えば人間ドックなどの場面には適するが、本発明で主な対象とする日常的な心電信号の計測には適さない。

また日常環境には、心電信号の計測環境が整った病院などとは異なり、様々な環境ノイズが存在する。特にオフィス環境には、多くのパソコンやその他電気機器が存在することから、商用電源（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に由来するハムノイズが多く存在する。心電信号に大きな環境ノイズが混入すると、得られる心電信号が不適切なものとなり、その後の解析が困難になるおそれがあるため、環境ノイズを低減することは不可欠である。

さらに本発明者は、心電信号を従来とは別の手法で解析して、ＬＦ／ＨＦなどの公知の自律神経指数とは別の解析結果を得ることができれば、被験者の健康状態や疲労度・ストレス・外部適応度などをより正確に評価できることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。

本発明の目的は、オフィスなどの日常環境において被験者の心電信号を安全かつ正確に計測して、ノイズの少ない良質の心電信号を得ることができ、しかも、心電信号を複数の手法で解析して、被験者の健康状態などの正確な評価に寄与し得る心電信号解析装置を提供することにある。

本発明は、被験者の心拍を検出して心電信号を出力する計測部１と、計測部１から得た心電信号を解析する解析部２とを備える心電信号解析装置を対象とする。計測部１は、被験者の心拍を非接触状態で検出し１次信号として出力する一対の容量結合型の検出電極６・６と、１次信号に含まれるノイズを低減して２次信号を出力する一対のアクティブガード回路７・７と、２次信号の電位差を増幅して心電信号を出力する増幅手段８と、２次信号の同相信号の影響を除去するためのフィードバック電極３３とを含み、解析部２が、心電信号を線形的に解析して自律神経指数を算出する線形解析手段３と、心電信号を非線形的に解析してリアプノフ指数を算出する非線形解析手段４とを備えることを特徴とする。

計測部１は、増幅手段８で増幅された心電信号に含まれるノイズを除去するハイパスフィルタ１３とローパスフィルタ１４を含む。

増幅手段８が、両アクティブガード回路７・７から出力される２次信号を入力とする第１増幅器１１と、第１増幅器１１で増幅された信号をさらに増幅する第２増幅器１２とで構成されており、第１増幅器１１と第２増幅器１２の間にハイパスフィルタ１３とローパスフィルタ１４が配置されている。

線形解析手段３は、心電信号のＲ波間の間隔であるＲＲＩの変動を線形的に解析して、心拍変動の高周波成分ＨＦに対する低周波成分ＬＦの比を自律神経指数として算出する。

非線形解析手段４は、心電信号またはそのＲ波間の間隔であるＲＲＩの変動をカオス解析してリアプノフ指数を算出する。

アクティブガード回路７は、検出電極６と対になるガード電極１８を含み、検出電極６とガード電極１８が絶縁層２３を介して接合されて、電極ユニット２８として一体化されている。

検出電極６とガード電極１８を含む電極ユニット２８の全体が柔軟性を有する素材で構成されている。

本発明に係る心電信号解析装置においては、容量結合型の検出電極６で被験者の心拍を非接触状態で検出するようにした。これによれば、電極を長時間にわたって身体に直接装着する場合に懸念される皮膚かぶれや金属アレルギーを招くことなく、被験者の心拍を安全に検出することができる。加えて、電極の装着が被験者に与える違和感や拘束感を大幅に低減して、そのストレスに伴う心電信号への影響を抑制して、正確な心電信号を得ることができる。また本発明では、検出電極６が出力する１次信号に含まれるノイズを低減するアクティブガード回路７を設けたので、被験者の周囲にハムノイズなどのノイズが多く存在する場合にも、ノイズの少ない良質の心電信号を得ることができる。以上の検出電極６とアクティブガード回路７を備える本発明の計測部１によれば、オフィスなどの日常環境において被験者の心電信号を安全かつ正確に計測して、その後の解析部２による解析に耐え得る良質の心電信号を得ることができる。

さらに本発明では、心電信号を解析する解析部２が、従来のように心電信号を線形的に解析する線形解析手段３に加え、心電信号を非線形的に解析する非線形解析手段４を備えるものとした。非線形解析の利点は、線形解析で扱えなかった情報を扱える点にある。心電信号の周期性が認められる中、ばらつきと考えられていた“ゆらぎ”が非線形現象であると分かるなど、心電信号には非線形現象が含まれている。本発明者の知見によれば、リアプノフ指数は、外部からの刺激に対する被験者の適応度の指標として有用である。線形解析に加えて非線形解析を行う本発明の解析部２によれば、線形解析のみを行う従来の評価手法に比べて、被験者の健康状態や疲労度・ストレス・外部適応度などのより正確な評価に寄与することができる。

増幅手段８で増幅された心電信号に含まれるノイズを除去するハイパスフィルタ１３とローパスフィルタ１４を設けると、解析部２による解析の障害となるノイズが除去された明瞭な心電信号を得ることができる。

増幅手段８を構成する第１増幅器１１と第２増幅器１２の間にハイパスフィルタ１３とローパスフィルタ１４を配置すると、ノイズが第２増幅器１２でさらに増幅される前にこれをフィルタ１３・１４で除去して、心電信号の明瞭化を図ることができる。

検出電極６とガード電極１８が絶縁層２３を介して接合されて、電極ユニット２８として一体化されていると、両電極が分離されている場合に比べて被験者への装着などを簡便に行うことができる。

検出電極６とガード電極１８を含む電極ユニット２８の全体が柔軟性を有する素材で構成されていると、被験者に対する電極ユニット２８の密着性を向上させて、心電信号を安定的に計測することができる。

本発明の実施形態に係る心電信号解析装置の全体を示すブロック図である。心電信号の計測部の概略構成図である。計測部を構成する電極ユニットと同軸ケーブルの断面図である。（ａ）は本実施形態の計測部が出力する心電図であり、（ｂ）はアクティブガード回路を省略した場合の心電図である。（ａ）は電極ユニットが取り付けられた装着ベルトの外観図であり、（ｂ）は装着ベルトの装着方法の説明図である。解析の対象となる心電信号の波形を例示した図である。心電信号の線形解析に関する説明図であり、（ａ）は心拍間隔の等間隔時系列データ、（ｂ）は心拍変動の低周波成分と高周波成分のパワースペクトル密度を例示したものである。心電信号の非線形解析に関する説明図であり、心拍間隔の時系列データを多次元化してアトラクタを得る手順を例示したものである。被験者に対するストレス負荷実験（タスク）を実施し、タスク前とタスク中の自律神経指数を横軸に、リアプノフ指数を縦軸にとった散布図である。タスク前とタスク中とタスク後の自律神経指数を横軸に、リアプノフ指数を縦軸にとった散布図である。

（実施形態）図１から図１０に、本発明に係る心電信号解析装置（以下、単に解析装置と言う。）の実施形態を示す。図１に示すように解析装置は、被験者の心拍を検出して心電信号を出力する計測部１と、計測部１から得た心電信号を解析する解析部２とを備える。解析部２は、心電信号を線形的に解析して自律神経指数を算出する線形解析手段３と、心電信号を非線形的に解析してリアプノフ指数を算出する非線形解析手段４とで構成される。各解析手段３・４の詳細については後述する。

図２に示すように計測部１は、被験者の心拍を検出し１次信号として出力する一対の検出電極６・６と、１次信号に含まれる環境ノイズを低減して２次信号を出力する一対のアクティブガード回路７・７と、２次信号の電位差を増幅して心電信号を出力する増幅手段８と、心電信号からラインノイズや干渉ノイズを除去するアナログフィルタ９などで構成される。増幅手段８は、両アクティブガード回路７・７の出力すなわち２次信号を入力とする第１増幅器１１と、第１増幅器１１で増幅された信号をさらに増幅する第２増幅器１２とで構成される。アナログフィルタ９は、両増幅器１１・１２の間で直列に並ぶハイパスフィルタ１３とローパスフィルタ１４で構成される。両増幅器１１・１２は共にオペアンプからなり、第１増幅器１１の増幅率は１００倍、第２増幅器１２の増幅率は１１倍である。両増幅器１１・１２を経て１１００倍に増幅された心電信号は、アナログ－デジタル変換器１５でデジタル変換された後、解析部２へ送られる。

オフィスなどの日常環境で計測部１を使用する場合、検出電極６が出力する１次信号には、商用電源に由来するハムノイズなどの様々な環境ノイズが混入しやすい。この環境ノイズを低減するために、各検出電極６に対応してアクティブガード回路７が設けられている。アクティブガード回路７は、検出電極６と対になるガード電極１８と、増幅率が１のオペアンプ１９を用いたボルテージフォロワ２０と、両電極６・１８をボルテージフォロワ２０に接続する同軸ケーブル２１とを備える。

図３に示すようにガード電極１８は、検出電極６の裏面（被験者に正対する面の裏側の面）に絶縁層２３を介して接合されており、同軸ケーブル２１の外部導体（シールド）２４でオペアンプ１９の反転入力端子（－）に接続されている。検出電極６は、同軸ケーブル２１の内部導体２５でオペアンプ１９の非反転入力端子（＋）に接続されている。同軸ケーブル２１の電極６・１８側の端部は、（ａ）に示すように各導体２４・２５が電極１８・６の縁に接続されていてもよく、あるいは（ｂ）に示すように、内部導体２５がこれを覆う絶縁筒２６と共にガード電極１８および絶縁層２３を貫通して、検出電極６に接続されていてもよい。オペアンプ１９の出力端子は、第１増幅器１１の入力端子（一方のアクティブガード回路７のオペアンプ１９は反転入力端子、他方のアクティブガード回路７のオペアンプ１９は非反転入力端子）に接続されるとともに、外部導体２４を介してオペアンプ１９の反転入力端子に接続（フィードバック）されている。つまり、オペアンプ１９の出力端子と反転入力端子は同じ電位とされている。以上の構成によれば、オペアンプ１９の出力端子からは、非反転入力端子へ入力される１次信号から環境ノイズが低減された２次信号が出力される。

図４（ａ）は、アクティブガード回路７を備える本実施形態の計測部１が出力する心電図を示し、図４（ｂ）は比較対象としてアクティブガード回路７を備えない場合の心電図を示す。両図の比較から明らかなように、本実施形態に係るアクティブガード７は、環境ノイズを低減するうえで極めて有用である。

検出電極６とガード電極１８は、絶縁層２３を介して接合されて電極ユニット２８を構成する。各電極ユニット２８は、被験者の心臓の付近、具体的には、被験者が上半身に着用する肌着などの衣服（絶縁体）の前身頃の表面側に、検出電極６を被験者に向けて装着される。装着手段は任意であるが、例えば図５に示すように、２個の電極ユニット２８を左右に並べて取り付けた装着ベルト２９を、衣服の上から被験者に巻き付けて装着することができる。この装着状態において、検出電極６と被験者の肌との間には衣服が介在する。つまり各検出電極６は、被験者に非接触状態で配されて容量結合型電極を構成する。容量結合型電極とは、生体内の電気信号源（心臓）と生体外の金属板（検出電極６）との間でコンデンサを形成し、生体内の電気信号を生体外から非接触に導出するものである。

本実施形態では、検出電極６とガード電極１８を同形の四角シート状の導電性フォームで構成し、絶縁層２３を両電極６・１８より一回り大きい絶縁性のウレタンフォームで構成した。電極ユニット２８の全体を柔軟性に優れた素材で構成することにより、被験者に対する電極ユニット２８の密着性を向上させて、心電信号を安定的に計測することができる。なお、検出電極６とガード電極１８の素材は導電性フォームに限定されず、例えば両電極６・１８をステンレス製の薄い金属板で構成することもできる。

図２に示すように第１増幅器１１は、アクティブガード回路７から入力される２次信号の同相信号を反転して出力する反転出力手段３１を備える。反転出力手段３１はフィードバックアンプ３２の一方の入力端子に接続されており、フィードバックアンプ３２の他方の入力端子は基準電位とされている。フィードバックアンプ３２の出力端子は、被験者が座る椅子の座面に設けられたフィードバック電極３３に接続されている。本実施形態ではフィードバック電極３３を導電性ゴムで構成した。このフィードバック電極３３などの働きにより、２次信号の同相信号の影響を除去することができる。

以上のように、本実施形態に係る解析装置の計測部１においては、容量結合型の検出電極６で被験者の心拍を非接触状態で検出するようにした。これによれば、電極を長時間にわたって身体に直接装着する場合に懸念される皮膚かぶれや金属アレルギーを招くことなく、被験者の心拍を安全に検出することができる。加えて、電極の装着が被験者に与える違和感や拘束感を大幅に低減して、そのストレスに伴う心電信号への影響を抑制して、正確な心電信号を得ることができる。また本実施形態では、検出電極６が出力する１次信号に含まれるノイズを低減するアクティブガード回路７を設けたので、被験者の周囲にハムノイズなどのノイズが多く存在する場合にも、ノイズの少ない良質の心電信号を得ることができる。以上の検出電極６とアクティブガード回路７を備える本実施形態の計測部１によれば、オフィスなどの日常環境において被験者の心電信号を安全かつ正確に計測して、その後の解析部２による解析に耐え得る良質の心電信号を得ることができる。

計測部１から心電信号を得た解析部２は、線形解析手段３と非線形解析手段４で自律神経指数とリアプノフ指数を同時に算出する。まず線形解析手段３は、図６に例示する心電信号からＲ波間の間隔であるＲＲＩ（心拍間隔）を算出し、ＲＲＩの変動を線形的に解析する。具体的には、ＲＲＩの等間隔時系列データ（図７（ａ）参照）に対して高速フーリエ変換を用いて周波数解析を行い、心拍変動の低周波成分ＬＦ（０．０４～０．１５Ｈｚ）および高周波成分ＨＦ（０．１５～０．４Ｈｚ）のパワースペクトル密度（図７（ｂ）参照）を求め、高周波成分ＨＦに対する低周波成分ＬＦの比すなわちＬＦ／ＨＦを、交感神経の活性度を示すストレス指標として算出する。

自律神経のうち副交感神経が活性化する低ストレス状態では、ＨＦ成分とＬＦ成分が共に現れるが、交感神経が活性化する高ストレス状態では、ＬＦ成分が現れる一方でＨＦ成分は減少する。つまり、低ストレス状態にあるときは、相対的にＨＦ成分が大きくなるのでＬＦ／ＨＦの値は小さくなり、逆に高ストレス状態にあるときは、ＨＦ成分に対してＬＦ成分が大きくなるのでＬＦ／ＨＦの値は大きくなる。

非線形解析手段４は、ＲＲＩ（心拍間隔）の変動を非線形的に解析、具体的にはカオス解析してリアプノフ指数を算出する。まず図８に示すように、ＲＲＩの時系列データを多次元化（本実施形態では６次元化、図８では簡略化のため３次元化）してアトラクタを得る。すなわち、多次元空間内に座標Ｐ_ｉ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）をＰ_１から順次プロットする。なお、ＲＲＩの値をＲ（ｔ）とすると、ｘ_ｉ＝Ｒ（ｉ）、ｙ_ｉ＝Ｒ（ｉ＋τ）、ｚ_ｉ＝Ｒ（ｉ＋２τ）であり、また本実施形態ではτ＝１（秒）とした。

アトラクタにおける軌道のカオス性を定量化したものがリアプノフ指数である。指数関数的に拡大していくアトラクタの時間変動量を無限大まで計算することで、リアプノフ指数を算出することができる。このリアプノフ指数が正であれば、軌道にカオス性があると言うことができ、その値が大きいほど軌道が複雑でゆらぎが増大していると言うことができる。本発明者の知見によれば、リアプノフ指数は、外部からの刺激に対する被験者の適応度の指標として有用であり、集中度やストレス状態の指標となり得るものである。

カオス解析など非線形解析の利点は、線形解析で扱えなかった情報を扱える点にある。心電信号の周期性が認められる中、ばらつきと考えられていた“ゆらぎ”が非線形現象であると分かるなど、心電信号には非線形現象が含まれている。線形解析に加えて非線形解析を行う本実施形態の解析部２によれば、線形解析のみを行う従来の評価手法に比べて、被験者の健康状態や疲労度・ストレス・外部適応度などのより正確な評価に寄与することができる。以上のように、本実施形態に係る解析装置は、国連の提唱する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ : Sustainable Development Goals）の目標３（すべての人に健康と福祉を）に貢献し得るものである。

次に、被験者にストレスを付与して心電信号を計測および解析したストレス負荷実験について説明する。ここでは、２０代女性の被験者１名に対してストレス負荷タスクを実施し、タスク中とその前後の心電信号を計測し、それぞれの自律神経指数（ＬＦ／ＨＦ）とリアプノフ指数を算出した。タスクの実施時間とその前後の計測時間はそれぞれ２００秒とした。ストレス負荷タスクとしては、前頭葉の注意や干渉の抑制機能を測定するための神経心理学テストとして知られるストループカラーワードテストを実施した。

図９は、タスク前とタスク中のＬＦ／ＨＦを横軸に、リアプノフ指数を縦軸にとった散布図である。この散布図からは、タスク中はタスク前よりもＬＦ／ＨＦとリアプノフ指数が共に大きくなることや、ＬＦ／ＨＦとリアプノフ指数が一定の相関関係にあることが分かる（タスク前の相関係数＝０．５７、タスク中の相関係数＝０．５２）。ただし、線形近似線の比例係数は、タスク前は相対的に大きく、タスク中は相対的に小さくなっている（タスク前の比例係数＝３．１７、タスク中の比例係数＝０．６６）。以上の結果から、リアプノフ指数はＬＦ／ＨＦよりも、被験者が環境から受ける小さな影響をもその値に反映している可能性があると考えられる。

図１０は、図９の散布図にタスク後の値を加えたものである。この散布図からは、ＬＦ／ＨＦの値はタスク後に比較的すぐに減少する（タスク前の値に戻る）のに対し、リアプノフ指数の値はなかなか減少しない（タスク中の値を維持する）傾向が見て取れる。このことから、リアプノフ指数はＬＦ／ＨＦに比べて、比較的長期のストレス等の評価に適していると考えられる。

１計測部
２解析部
３線形解析手段
４非線形解析手段
６検出電極
７アクティブガード回路
８増幅手段
１１第１増幅器
１２第２増幅器
１３ハイパスフィルタ
１４ローパスフィルタ
１８ガード電極
２３絶縁層
２８電極ユニット
３３フィードバック電極

Claims

被験者の心拍を検出して心電信号を出力する計測部（１）と、計測部（１）から得た心電信号を解析する解析部（２）とを備える心電信号解析装置であって、
計測部（１）は、被験者の心拍を非接触状態で検出し１次信号として出力する一対の容量結合型の検出電極（６・６）と、１次信号に含まれるノイズを低減して２次信号を出力する一対のアクティブガード回路（７・７）と、２次信号の電位差を増幅して心電信号を出力する増幅手段（８）と、２次信号の同相信号の影響を除去するためのフィードバック電極（３３）とを含み、
解析部（２）が、心電信号を線形的に解析して自律神経指数を算出する線形解析手段（３）と、心電信号を非線形的に解析してリアプノフ指数を算出する非線形解析手段（４）とを備えることを特徴とする心電信号解析装置。
計測部（１）が、増幅手段（８）で増幅された心電信号に含まれるノイズを除去するハイパスフィルタ（１３）とローパスフィルタ（１４）を含む請求項１に記載の心電信号解析装置。
増幅手段（８）が、両アクティブガード回路（７・７）から出力される２次信号を入力とする第１増幅器（１１）と、第１増幅器（１１）で増幅された信号をさらに増幅する第２増幅器（１２）とで構成されており、
第１増幅器（１１）と第２増幅器（１２）の間にハイパスフィルタ（１３）とローパスフィルタ（１４）が配置されている請求項２に記載の心電信号解析装置。
線形解析手段（３）は、心電信号のＲ波間の間隔であるＲＲＩの変動を線形的に解析して、心拍変動の高周波成分（ＨＦ）に対する低周波成分（ＬＦ）の比を自律神経指数として算出する請求項１から３のいずれかひとつに記載の心電信号解析装置。
非線形解析手段（４）は、心電信号またはそのＲ波間の間隔であるＲＲＩの変動をカオス解析してリアプノフ指数を算出する請求項１から４のいずれかひとつに記載の心電信号解析装置。
アクティブガード回路（７）は、検出電極（６）と対になるガード電極（１８）を含み、
検出電極（６）とガード電極（１８）が絶縁層（２３）を介して接合されて、電極ユニット（２８）として一体化されている請求項１から５のいずれかひとつに記載の心電信号解析装置。
検出電極（６）とガード電極（１８）を含む電極ユニット（２８）の全体が柔軟性を有する素材で構成されている請求項６に記載の心電信号解析装置。