JP2023139471A - Detection apparatus, detection method, and detection program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出装置、検出方法、及び検出プログラムに関する。 The present invention relates to a detection device, a detection method, and a detection program.
例えば、生体信号のピークを含む波形には、体動や静電気等によるノイズが混入する場合がある。そのため、ノイズの影響を緩和して強調された生体信号のピークを検出することにより、ピークの検出精度を向上する方法がとられる。 For example, noise due to body movement, static electricity, etc. may be mixed into a waveform that includes a peak of a biological signal. Therefore, a method is used to improve the peak detection accuracy by detecting the peak of the biosignal that is emphasized while reducing the influence of noise.
特許文献1には、時系列に沿って入力される生体信号に対して所定の第1時間幅により第1移動平均量を順次に算出する第1算出部と、生体信号に対して所定の第1時間幅よりも大きい所定の第2時間幅により第2移動平均量を順次に算出する第2算出部と、第1算出部により算出された第1移動平均量と第2算出部により算出された第2移動平均量とに基づいて、生体信号がピークに達する時刻を含んだ時間帯であるピーク候補時間帯を算出する第3算出部と、を備える、検出装置、検出方法およびプログラムが開示されている。 Patent Document 1 discloses a first calculation unit that sequentially calculates a first moving average amount using a predetermined first time width for biosignals input in time series, and a first calculation unit that sequentially calculates a first moving average amount using a predetermined first time width for biosignals input in time series; a second calculation unit that sequentially calculates a second moving average amount using a predetermined second time width that is larger than one hour width; and a second calculation unit that calculates the first moving average amount calculated by the first calculation unit and A detection device, a detection method, and a program are disclosed, comprising: a third calculation unit that calculates a peak candidate time period that is a time period including the time when the biosignal reaches its peak based on the second moving average amount; has been done.
生体信号のピークを検出するにあたっては、検出精度を高めるために、フィルタリング処理を行ってノイズを除去又は低減することが考えられる。しかしながら、特許文献1に記載の技術では、第2時間幅(第2ウィンドウ)に含まれるノイズが検出対象のピークと周波数特性が類似している場合に、フィルタリング処理で完全に除去することができず、当該ノイズを誤検出する可能性があるという問題があった。 When detecting the peak of a biological signal, it is conceivable to perform filtering processing to remove or reduce noise in order to improve detection accuracy. However, with the technology described in Patent Document 1, if the noise included in the second time width (second window) has similar frequency characteristics to the peak to be detected, it cannot be completely removed by filtering. First, there is a problem that the noise may be erroneously detected.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高い精度で波形のピークを検出することができる検出装置、検出方法、及び検出プログラムを提供することを目的とするものである。 The present invention was made to solve such problems, and aims to provide a detection device, a detection method, and a detection program that can detect waveform peaks with high accuracy. be.
一実施の形態にかかる検出装置は、生体信号のピークを検出する検出装置であって、時系列に沿って入力された生体信号に対して第1の時間幅と第1の時間幅より小さい第2の時間幅とを設定する第1の算出部と、第1の時間幅に含まれる生体信号の第1の最大値を抽出する第2の算出部と、第2の時間幅に含まれる生体信号の第2の最大値を抽出する第3の算出部と、第1の最大値又は最新のピークに該当する第2の最大値を基準値として用いて、第2の時間幅毎に含まれる第2の最大値を順次取得し、取得した第2の最大値が基準値を含む所定の範囲内に収まる場合にピークとして検出する検出部と、を有し、第1の時間幅は、入力された生体信号の任意の取得時間を起点として適用され、第2の時間幅は、基準値の取得時間を起点として繰り返し適用される。 A detection device according to an embodiment is a detection device that detects a peak of a biological signal, and has a first time width and a first time width smaller than the first time width with respect to the biological signal inputted in time series. a first calculation unit that extracts a first maximum value of a biological signal included in the first time width; and a second calculation unit that extracts a first maximum value of a biological signal included in the second time width; a third calculation unit that extracts a second maximum value of the signal; and a third calculation unit that extracts a second maximum value of the signal, and uses the first maximum value or the second maximum value corresponding to the latest peak as a reference value, and includes the second maximum value included in each second time width. a detection unit that sequentially acquires the second maximum value and detects it as a peak when the acquired second maximum value falls within a predetermined range including the reference value; The second time width is repeatedly applied starting from the acquisition time of the reference value.
また、一実施の形態にかかる検出方法は、生体信号のピークを検出する検出方法であって、時系列に沿って入力された生体信号に対して第1の時間幅と第1の時間幅より小さい第2の時間幅とを設定するステップと、第1の時間幅に含まれる生体信号の第1の最大値を抽出するステップと、第2の時間幅に含まれる生体信号の第2の最大値を抽出するステップと、第1の最大値又は最新のピークに該当する第2の最大値を基準値として用いて、第2の時間幅毎に含まれる第2の最大値を順次取得し、取得した第2の最大値が基準値を含む所定の範囲内に収まる場合にピークとして検出するステップと、を有し、第1の時間幅は、入力された生体信号の任意の取得時間を起点として適用され、第2の時間幅は、基準値の取得時間を起点として繰り返し適用される。 Further, a detection method according to an embodiment is a detection method for detecting a peak of a biological signal, and is a detection method that detects a peak of a biological signal by detecting a first time width and a first time width for the biological signal input in time series. a step of setting a small second time width; a step of extracting a first maximum value of the biological signal included in the first time width; and a step of extracting a second maximum value of the biological signal included in the second time width. a step of extracting a value; using the first maximum value or a second maximum value corresponding to the latest peak as a reference value, sequentially obtaining a second maximum value included in each second time width; and detecting as a peak when the acquired second maximum value falls within a predetermined range including the reference value, and the first time width has a starting point at an arbitrary acquisition time of the input biological signal. The second time width is applied repeatedly starting from the reference value acquisition time.
また、一実施の形態にかかる検出プログラムは、生体信号のピークを検出する検出プログラムであって、時系列に沿って入力された生体信号に対して第1の時間幅と第1の時間幅より小さい第2の時間幅とを設定するステップと、第1の時間幅に含まれる生体信号の第1の最大値を抽出するステップと、第2の時間幅に含まれる生体信号の第2の最大値を抽出するステップと、第1の最大値又は最新のピークに該当する第2の最大値を基準値として用いて、第2の時間幅毎に含まれる第2の最大値を順次取得し、取得した第2の最大値が基準値を含む所定の範囲内に収まる場合にピークとして検出するステップと、を有し、第1の時間幅は、入力された生体信号の任意の取得時間を起点として適用され、第2の時間幅は、基準値の取得時間を起点として繰り返し適用される処理をコンピュータに実行させる。 Further, the detection program according to one embodiment is a detection program that detects a peak of a biosignal, and is a detection program that detects a peak of a biosignal from a first time width and a peak of a biosignal input in time series. a step of setting a small second time width; a step of extracting a first maximum value of the biological signal included in the first time width; and a step of extracting a second maximum value of the biological signal included in the second time width. a step of extracting a value; using the first maximum value or a second maximum value corresponding to the latest peak as a reference value, sequentially obtaining a second maximum value included in each second time width; and detecting as a peak when the acquired second maximum value falls within a predetermined range including the reference value, and the first time width has a starting point at an arbitrary acquisition time of the input biological signal. The second time period causes the computer to execute a process that is repeatedly applied starting from the acquisition time of the reference value.
本発明により、高い精度で波形のピークを検出することができる検出装置、検出方法、及び検出プログラムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a detection device, a detection method, and a detection program that can detect waveform peaks with high accuracy.
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。さらに、以下の説明において同一又は同等の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
Embodiment 1
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. Further, in order to clarify the explanation, the following description and drawings are simplified as appropriate. Furthermore, in the following description, the same or equivalent elements are given the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
本実施形態にかかる検出装置、検出方法、及び検出プログラムは、周期性を有する波形を示す心拍、脈拍、呼吸、又は脳波等の生体現象に関する生体信号に対して好適に用いられる。本実施形態では、生体信号として生体から発生する心拍信号を例示して説明する。 The detection device, detection method, and detection program according to the present embodiment are suitably used for biological signals related to biological phenomena such as heartbeat, pulse, respiration, or brain waves that exhibit periodic waveforms. In this embodiment, a heartbeat signal generated from a living body will be exemplified and explained as a biological signal.
まず、図1を参照して、本実施形態にかかる検出装置100に入力される生体信号の波形について、具体的なデータを挙げて説明する。図1は、実施の形態1にかかる検出装置に入力される生体信号の時系列データの一例を示す図である。
First, with reference to FIG. 1, the waveform of the biological signal input to the
図1に示すように、時系列データDは、時系列に沿って検出装置100に入力される生体信号から生成されるデータであり、具体的には、心電図の波形データである。例えば、時系列データDの縦軸は、入力された生体信号の電位[mV]を示し、時系列データDの横軸は、時間[秒]を示す。生体信号が心拍信号である場合、時系列データDには、複数周期の波形が含まれる。図1の例では、時系列データDに4周期の波形が含まれている。
As shown in FIG. 1, the time series data D is data generated from biological signals input to the
そこで、図2を参照して、心電図の波形の構成について説明する。図2は、図1に示す時系列データに含まれる波形の1周期を示す図である。図2に示すように1周期の波形は、少なくとも、P波、QRS波(Q波、R波、S波)、T波、及びU波と呼ばれる各波により構成される。 Therefore, with reference to FIG. 2, the configuration of an electrocardiogram waveform will be described. FIG. 2 is a diagram showing one cycle of a waveform included in the time series data shown in FIG. As shown in FIG. 2, one cycle of waveforms is composed of at least waves called P waves, QRS waves (Q waves, R waves, S waves), T waves, and U waves.
P波、QRS波、T波、及びU波のうち、QRS波は、それぞれ心室全体が収縮を起こしたときに出現し、心室筋の興奮を示す波である。本実施形態では、心電において最も電位差の大きなR波を検出対象のピークRとする。時間軸上で隣接するR波間の時間幅は、RR間隔(RR Interval)と呼ばれる心拍間隔である。心拍数は、RR間隔を用いて、例えば下記の式(1)により算出することができる。
心拍数[bpm]=60/(RR間隔[秒])・・・式(1)
Among the P wave, QRS wave, T wave, and U wave, the QRS wave appears when the entire ventricle contracts, and is a wave indicating the excitation of the ventricular muscle. In this embodiment, the R wave with the largest potential difference in the electrocardiogram is set as the peak R to be detected. The time width between adjacent R waves on the time axis is a heartbeat interval called an RR interval. The heart rate can be calculated using the RR interval, for example, using equation (1) below.
Heart rate [bpm] = 60/(RR interval [seconds])...Equation (1)
つまり、図1に示す時系列データDには、4つのピークR(ピークR1~R4)が周期的に出現している。互いに隣接するピークR間の時間幅は、RR間隔である。以下、時系列データDに現れる4つのピークRを区別する場合には、検出装置100に入力される順にピークR1、ピークR2、ピークR3、ピークR4とする。
That is, in the time series data D shown in FIG. 1, four peaks R (peaks R1 to R4) appear periodically. The time width between adjacent peaks R is the RR interval. Hereinafter, when distinguishing four peaks R appearing in time series data D, peak R1, peak R2, peak R3, and peak R4 are assumed to be input in the order of input to the
さらに、時系列データDには、P~U波以外に、ノイズが混入する場合がある。心電図においてノイズが混入する要因としては、例えば、生体と電極との接触抵抗の変化、体動、筋電図混入による類似周波数の生体信号、及び静電気等が挙げられる。そのため、生体信号の検出精度を高めるために、ノイズ等を排除して、波形から検出対象のピークRのみを検出できる方法が求められる。 Furthermore, the time series data D may include noise in addition to the P to U waves. Factors that cause noise to be mixed into an electrocardiogram include, for example, changes in contact resistance between the living body and electrodes, body movements, biological signals of similar frequencies due to electromyogram mixing, and static electricity. Therefore, in order to improve the detection accuracy of biological signals, a method is required that can eliminate noise and the like and detect only the peak R of the detection target from the waveform.
次に、図3を参照して、検出装置100の機能構成について説明する。図3は、実施の形態1にかかる検出装置の機能構成の一例を示すブロック図である。図3に示す検出装置100は、例えば、ウェアラブルの心電計であって、心拍を計測するための装置である。図3に示すように、検出装置100は、センサ部10と、処理部20と、を有する。
Next, the functional configuration of the
センサ部10は、生体信号を取得する機能を有する。センサ部10としては、例えば、生体と接触することにより、生体から生体信号を直接的に検出可能な電極等を用いることができる。その他の方法として、センサ部10は、例えば、ネットワーク等の接続手段によって接続された外部の装置から生体信号を受信する事などによって生体信号を取得しても良い。センサ部10により取得された生体信号は、処理部20に出力される。
The
処理部20には、センサ部10から生体信号が入力される。処理部20では、入力された生体信号から検出情報を生成して、当該検出情報を外部に出力する。処理部20は、A/D変換部30と、バッファ部40と、第1の算出部41と、第2の算出部42と、第3の算出部43と、検出部50と、出力部60と、を有する。検出装置100は、他に入力装置等を備えていても良い。
A biological signal is input to the
A/D変換部30は、生体信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する機能を有する。本実施形態では、デジタル信号に変換された生体信号は、心電図の波形データを形成する。生体信号は、A/D変換部30によりアナログ信号からデジタル信号に変換された後、バッファ部40に出力される。
The A/
バッファ部40は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等のメモリにより構成される。ROMは、コンピュータを検出装置100として機能させるための各種プログラム、及び各種プログラムを実行するための各種データを記憶する。ROMに記憶されるプログラムは、図5に示す処理をCPU(Central Processing Unit)に実行させる検出プログラムを含む。RAMは、プログラムを実行することにより生成又は取得される各種データを記憶する。バッファ部40は、第1の算出部41、第2の算出部42、第3の算出部43、及び検出部50のそれぞれと相互に各種データのやりとりを行なうことができる。
The
第1の算出部41は、バッファ部40から生体信号等を読み出して、演算を行なう。第1の算出部41は、時系列に沿って入力された生体信号に対して第1の時間幅T1と第1の時間幅T1より小さい第2の時間幅T2とを設定する機能を有する。
The
第1の算出部41は、時系列データDのうち、生体信号が取得された任意の時間から第1の時間幅T1を適用する。以下の説明では、第1の時間幅T1が適用される任意の時間を時系列データDにおいて最初の生体信号が取得された時間(生体信号の取得時間)として説明する。また、第1の算出部41は、第1の最大値が取得された時間から第2の時間幅T2を繰り返し適用する。ここで、第1の最大値は、ピークR1に該当し、時系列データDにおける最初の基準値IHとなる。
The
基準値IHは、検出部50がピークRを検出する毎に順次更新される値である。基準値IHは、検出部50により検出された最新のピークRに該当する第2の最大値に更新される。以下、最新のピークRに該当する第2の最大値を検出値SHと呼ぶ場合がある。
The reference value IH is a value that is sequentially updated every time the
第1の算出部41は、基準値IHが更新された場合に、更新された基準値IHの取得時間から第2の時間幅T2を繰り返し適用する。これにより、基準値IHが更新された後に出現するピークRを検出するにあたっては、更新された基準値IHを起点として第2の時間幅T2が繰り返される。第1の算出部41により設定された第1の時間幅T1及び第2の時間幅T2に関する設定データは、バッファ部40に記憶される。
When the reference value IH is updated, the
ここで、図4を参照して、第1の時間幅T1及び第2の時間幅T2の関係について説明する。図4は、図3に示す検出装置が有する第1の算出部により設定される第1の時間幅及び第2の時間幅の関係を説明する図である。図4に示すように、第1の時間幅T1及び第2の時間幅T2は、RR間隔に基づいて設定されるものである。 Here, with reference to FIG. 4, the relationship between the first time width T1 and the second time width T2 will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the first time width and the second time width set by the first calculation unit included in the detection device shown in FIG. 3. As shown in FIG. 4, the first time width T1 and the second time width T2 are set based on the RR interval.
第1の時間幅T1は、RR間隔より大きい時間幅である。第1の時間幅T1に含まれるピークRが多いほどデータの信頼性が向上するため、第1の時間幅T1は、RR間隔よりも十分に大きい時間幅であることが好ましい。一方、第2の時間幅T2は、RR間隔以下の時間幅である。処理スピードの観点から、第2の時間幅T2は、RR間隔と同一の時間幅であることが好ましい。 The first time width T1 is a time width larger than the RR interval. Since the reliability of data improves as the number of peaks R included in the first time width T1 increases, it is preferable that the first time width T1 is a time width that is sufficiently larger than the RR interval. On the other hand, the second time width T2 is less than or equal to the RR interval. From the viewpoint of processing speed, the second time width T2 is preferably the same time width as the RR interval.
図3に戻り、第2の算出部42は、バッファ部40から生体信号及び設定データ等を読み出して、演算を行う。第2の算出部42は、生体信号の任意の取得時間を起点とする第1の時間幅T1に含まれる生体信号の第1の最大値を抽出する機能を有する。第1の最大値は、第1の時間幅T1に含まれる全ての生体信号の中で最も高電位の信号値である。すなわち、第1の最大値は、時系列データDにおいて最初に現れるピークR1に該当する。第2の算出部42により抽出された第1の最大値に関するデータは、バッファ部40に記憶される。
Returning to FIG. 3, the
第3の算出部43は、バッファ部40から生体信号及び設定データ等を読み出して、演算を行う。第3の算出部43は、基準値IHの取得時間を起点として繰り返される第2の時間幅T2毎に含まれる生体信号の第2の最大値を抽出する機能を有する。第2の最大値は、第2の時間幅T2に含まれる全ての生体信号の中で最も高電位の信号値である。第3の算出部43により抽出された第2の最大値に関するデータは、バッファ部40に記憶される。
The
検出部50は、バッファ部40から読み出した生体信号及び各種データに基づいて、第1の最大値又は検出値SHを基準値IHとして用いて、生体信号のピークRを検出する機能を有する。詳細には、検出部50は、生体信号の他に、バッファ部40を介して第1の算出部41から第1の時間幅T1及び第2の時間幅T2に関する設定データを取得する。また、検出部50は、バッファ部40を介して第2の算出部42から、第1の最大値に関するデータを取得する。また、検出部50は、バッファ部40を介して第3の算出部43から、第2の時間幅T2毎に含まれる第2の最大値を順次取得する。そして、検出部50は、取得した第2の最大値が基準値IHを含む所定の範囲内に収まる場合に、これをピークRとして検出する。
The
例えば、基準値IHがピークR1の最大値である時、検出部50は、時系列データDにおいて2番目に現れるピークR2を検出する。また、基準値IHがピークR2の最大値である時、検出部50は、時系列データDにおいて3番目に現れるピークR3を検出する。基準値IHがピークR3の最大値である時、検出部50は、時系列データDにおいて4番目に現れるピークR4を検出する。
For example, when the reference value IH is the maximum value of the peak R1, the
さらに、検出部50は、ピークRを検出する毎に、最新のピークRに該当する第2の最大値を基準値IHとして更新した後、更新した基準値IHを用いて最新のピークRの次に出現するピークRを検出する。
Further, each time the
このように、検出部50は、時系列データDにおいて最初に出現するピークRを検出した後、基準値IHの更新と、ピークRの検出と、を時系列データDの最後に至るまで繰り返し行なう。そして、検出部50は、ピークRの検出情報を出力部60に出力する。
In this way, after detecting the peak R that first appears in the time series data D, the
検出情報は、例えば、検出した各ピークRの取得時間を用いて算出したピーク間隔等である。心電図の波形データからR波を検出する場合は、ピーク間隔はRR間隔であるため、ピーク間隔を用いて心拍数を算出することができる。 The detection information is, for example, the peak interval calculated using the acquisition time of each detected peak R. When detecting R waves from electrocardiogram waveform data, since the peak interval is the RR interval, the heart rate can be calculated using the peak interval.
出力部60は、例えば、検出情報等を外部に出力する機能を有する。出力部60は、例えば、ディスプレイ、スピーカー等の出力装置により構成される場合、ディスプレイの画面に検出情報を表示したり、音声により検出情報を通知したりする。出力部60は、検出情報を他のプログラムで利用できる電気信号として外部に出力しても良い。
The
第1の算出部41、第2の算出部42、第3の算出部43、及び検出部50は、例えば、マイクロプロセッサ(Micro Processing Unit)等のCPU、ROM、及びRAM等により構成され、CPUがROMに記憶されているプログラムをRAMに展開して実行することにより各機能ブロックの機能が実現される。しかし、このような構成に限らず、第1の算出部41、第2の算出部42、第3の算出部43、及び検出部50等は、専用のハードウェアにより構成されることとしても良い。
The
次に、図5及び図6を参照して、上記の構成を有する検出装置100の処理フローについて説明する。図5は、図3に示す検出装置により実行される処理の一例を示すフローチャートである。図6は、図5に示す処理フローの一部を模式的に示した図である。なお、図6は、ステップS4に対応する模式図である。図5及び図6に示すように、本実施形態にかかる検出方法は、ステップS1~S5の工程を有する。
Next, the processing flow of the
ステップS1では、センサ部10を介して時系列に沿って入力された生体信号に対して、第1の時間幅T1と第1の時間幅T1より小さい第2の時間幅T2とを設定する。ステップS2では、第1の時間幅T1に含まれる生体信号の第1の最大値を抽出する。ここで、第1の時間幅T1は、時系列データDにおいて入力された生体信号の任意の取得時間を起点として適用される時間幅である。ステップS3では、第2の時間幅T2に含まれる生体信号の第2の最大値を抽出する。ここで、第2の時間幅T2は、基準値IHの取得時間を起点として繰り返し適用される時間幅である。
In step S1, a first time width T1 and a second time width T2 smaller than the first time width T1 are set for the biological signals inputted in time series via the
ステップS4では、第1の最大値又は検出値SHを基準値IHとして用いて、第2の時間幅T2毎に含まれる第2の最大値を順次取得し、取得した第2の最大値が基準値IHを含む所定の範囲内に収まる場合にピークRとして検出する。図5に示す例では、所定の範囲を基準値IH±15パーセントとしている。なお、当該所定の範囲に収まる第2の最大値は、検出値SHに相当する。時系列データDの取得が開始された直後の基準値IHは第1の最大値であり、第1の最大値を基準値IHとして用いて次のピークRを検出した時間以後は、ピークRが検出される毎に、基準値IHが最新の検出値SHに更新される。 In step S4, the first maximum value or the detected value SH is used as the reference value IH, and the second maximum values included in each second time width T2 are sequentially obtained, and the obtained second maximum value is the reference value. If the value falls within a predetermined range including the value IH, it is detected as a peak R. In the example shown in FIG. 5, the predetermined range is the reference value IH±15%. Note that the second maximum value falling within the predetermined range corresponds to the detected value SH. The reference value IH immediately after the acquisition of time series data D is started is the first maximum value, and after the time when the next peak R is detected using the first maximum value as the reference value IH, the peak R is Each time it is detected, the reference value IH is updated to the latest detected value SH.
ステップS5では、時系列データDの最後であるか否かを判定する。時系列データDの最後である場合(ステップS5:YES)、処理フローを終了する。一方、時系列データDの最後ではない場合(ステップS5:NO)、ステップS3に戻って、時系列データDの最後に至るまでステップS3~S5の処理を繰り返す。例えば、検出部50において、第2の最大値の取得回数が(第1の時間幅T1/第2の時間幅T2)+1回以上となった時点を時系列データDの最後であると判定することができる。
In step S5, it is determined whether or not the time series data D is the last. If it is the end of the time series data D (step S5: YES), the processing flow is ended. On the other hand, if it is not the end of the time series data D (step S5: NO), the process returns to step S3 and the processes of steps S3 to S5 are repeated until the end of the time series data D is reached. For example, the
以下、実施例について説明する。なお、実施例は、本発明を限定するものではない。本実施例では、検出装置100を用いて人の心拍を検出する具体例を説明する。実施例において、検出装置100は、心電図の波形からR波を検出する。
Examples will be described below. Note that the examples do not limit the present invention. In this embodiment, a specific example of detecting a person's heartbeat using the
(実施例)
まず、本実施例において定義される人の心拍数の範囲を説明する。まず、人の最大心拍数は、例えば、下記の式(2)により与えられるとされている。
最大心拍数[bpm]=220-年齢・・・式(2)
なお、bpm(beat per minute)とは、1分間の拍動数を表す心拍数の単位である。
(Example)
First, the range of human heart rate defined in this example will be explained. First, it is said that a person's maximum heart rate is given by, for example, the following equation (2).
Maximum heart rate [bpm] = 220 - age...Formula (2)
Note that bpm (beat per minute) is a unit of heart rate representing the number of beats per minute.
一方、例えば、一般の人より心拍数が小さくなるアスリート等のスポーツ心臓の心拍数は、40~50[bpm]とされている。 On the other hand, for example, the heart rate of a sports heart such as an athlete whose heart rate is lower than that of the average person is said to be 40 to 50 [bpm].
本実施例では、これらに基づいて、人の心拍数の範囲を下記の式(3)の通りに定義する。
40≦心拍数[bpm]≦220・・・式(3)
In this embodiment, based on these, the range of a person's heart rate is defined as shown in equation (3) below.
40≦heart rate [bpm]≦220...Formula (3)
また、式(3)より、心拍数の単位を、bpmからbps(beat per second)に換算した場合、人の心拍数の範囲は下記の式(4)の通りである。なお、bpsとは、1秒間の拍動数を表す単位である。
0.667≦心拍数[bps]≦3.667・・・式(4)
Furthermore, from equation (3), when the unit of heart rate is converted from bpm to bps (beat per second), the range of a person's heart rate is as shown in equation (4) below. Note that bps is a unit representing the number of beats per second.
0.667≦heart rate [bps]≦3.667...Formula (4)
続いて、図7を参照して、検出装置100の検出条件を説明する。図7は、実施例の検出条件を説明する図である。本実施例においては、検出装置100のA/D変換部30におけるサンプリングレートを、例えば、1/Δt[/ms]とする。この場合、時系列データDにおいて1秒間(1000ms)に含まれる心拍信号のカウント数Nは、下記の式(5)により与えられる。
N=1000/Δt・・・式(5)
Next, the detection conditions of the
N=1000/Δt...Formula (5)
ここで、式(4)の上限値3.667[bps]を丸めて、4[bps]とする。式(4)及び(5)より、カウント数Nに対応する時間幅を任意間隔毎に複数の区間に分割して評価する場合、生理学上、任意間隔がN/4よりも小さいと、R波の直後のN/4の区間中には、次のR波が出現しないと考えることができる。このことから、本実施例では、RR間隔の下限を区間下限と称し、区間下限をN/4とした。区間下限をN/4とすることにより、N/4の区間に、2つ以上のR波が含まれることがない。なお、任意間隔とは、本実施形態では、第2の時間幅T2を指す。 Here, the upper limit value of 3.667 [bps] in equation (4) is rounded to 4 [bps]. From equations (4) and (5), when evaluating the time width corresponding to the count number N by dividing it into multiple intervals at arbitrary intervals, physiologically, if the arbitrary interval is smaller than N/4, the R wave It can be considered that the next R wave does not appear during the N/4 section immediately after. For this reason, in this embodiment, the lower limit of the RR interval is referred to as the section lower limit, and the section lower limit is set to N/4. By setting the interval lower limit to N/4, two or more R waves will not be included in the N/4 interval. Note that in this embodiment, the arbitrary interval refers to the second time width T2.
そして、区間下限よりも十分に大きい時間幅となるように、第1の時間幅T1は2N(2秒間)とした。また、区間下限以下の時間幅となるように、第2の時間幅T2はN/4(0.25秒間)とした。 The first time width T1 was set to 2N (2 seconds) so that the time width was sufficiently larger than the lower limit of the interval. Further, the second time width T2 was set to N/4 (0.25 seconds) so that the time width was equal to or less than the lower limit of the interval.
さらに、所定の範囲は、基準値IH±15パーセントとした。所定の範囲は、人の心拍信号に対して実験等により求められる任意の範囲であり、心電図の波形データからR波を検出するにあたっては、基準値IH±15パーセントに設定することが好ましい。 Further, the predetermined range was set as the reference value IH±15%. The predetermined range is an arbitrary range determined through experiments or the like for a human heartbeat signal, and is preferably set to a reference value IH±15% when detecting R waves from electrocardiogram waveform data.
上記の検出条件に基づいて、下記の手順1~4に従ってR波の検出を行なった。
<手順1>
心拍信号の取得開始時間を起点に2Nの区間に含まれる心拍信号の最大値を取得し、取得した最大値を基準値IHとした。
<手順2>
基準値IHを起点にN/4からNまでの各区間をN/4毎に心拍信号の最大値を取得した。
<手順3>
基準値IH±15パーセントの範囲内に収まる最大値(手順2で取得した最大値)をR波として検出した。
<手順4>
基準値IHを最新のR波の最大値に更新した後、手順2から繰り返して次に出現するR波の検出を行なった。
Based on the above detection conditions, R waves were detected according to the following steps 1 to 4.
<Step 1>
The maximum value of the heartbeat signal included in the 2N interval starting from the heartbeat signal acquisition start time was acquired, and the acquired maximum value was set as the reference value IH.
<Step 2>
The maximum value of the heartbeat signal was acquired every N/4 in each section from N/4 to N starting from the reference value IH.
<
The maximum value (the maximum value obtained in step 2) falling within the range of reference value IH±15% was detected as an R wave.
<
After updating the reference value IH to the latest maximum value of R waves, the next appearing R wave was detected by repeating step 2.
次に、図8を参照しつつ、比較例として特許文献1に記載の技術を挙げて、その問題点を説明する。図8は、比較例の問題点を説明する図である。なお、図8は、特許文献1の図10に対応する図である。特許文献1に記載の技術は、時系列に沿って入力される生体信号に対して算出される第1移動平均量WN及び第2移動平均量Wnを用いて生体信号のピークを検出するものである。入力された生体信号には、予めバンドパスフィルタが適用され、低域の周波数成分がカットされている。 Next, with reference to FIG. 8, the technology described in Patent Document 1 will be cited as a comparative example, and its problems will be explained. FIG. 8 is a diagram illustrating problems in the comparative example. Note that FIG. 8 is a diagram corresponding to FIG. 10 of Patent Document 1. The technique described in Patent Document 1 detects the peak of a biological signal using a first moving average amount W N and a second moving average amount W n that are calculated for biological signals input in time series. It is something. A bandpass filter is applied to the input biosignal in advance to cut low frequency components.
第1移動平均量WNは、例えば、Q波からS波までに相当する時間よりも狭い時間幅を第1ウィンドウ幅として、第1ウィンドウ幅毎に順次に算出される。各第1移動平均量WNは、それぞれ時刻における電位を用いて算出された電力量である。 The first moving average amount WN is calculated sequentially for each first window width, for example, using a time width narrower than the time corresponding to the Q wave to the S wave as the first window width. Each first moving average amount WN is a power amount calculated using the potential at each time.
第2移動平均量Wnは、例えば、R波からR波までに相当する時間(RR間隔)の1.2倍以上であり、かつ、1.5倍以下の時間幅を第2ウィンドウ幅として、第2ウィンドウ幅毎に順次に算出される。各第2移動平均量Wnは、それぞれ時刻における電位を用いて算出された電力量である。 The second moving average amount W n is, for example, a second window width that is 1.2 times or more and 1.5 times or less the time corresponding to R waves to R waves (RR interval). , are calculated sequentially for each second window width. Each second moving average amount W n is a power amount calculated using the potential at each time.
図8は、第1移動平均量WN及び第2移動平均量Wnが時間軸に沿って示されたグラフである。そして、特許文献1に記載の技術では、第1移動平均量WNが第2移動平均量Wnを超える時間帯をピーク候補時間帯とし、ピーク候補時間帯のそれぞれにおける生体信号の電位の最大値をピーク値として検出する。 FIG. 8 is a graph showing the first moving average amount W N and the second moving average amount W n along the time axis. In the technique described in Patent Document 1, the time period in which the first moving average amount W N exceeds the second moving average amount W n is defined as a peak candidate time period, and the maximum potential of the biosignal in each of the peak candidate time periods is Detect the value as the peak value.
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、第2ウィンドウ幅に含まれるノイズが検出対象のピークと類似した周波数特性を有する場合に、ノイズに相当する部分において一点鎖線で示される第1移動平均量Wfが第2移動平均量Wnを超えることにより、ノイズを正常なピーク値として誤検出する可能性があるという問題がある。特に、第2移動平均量Wnが低下している時間帯(検出対象のピークに相当する部分)では、第1移動平均量Wfが第2移動平均量Wnを超える可能性が相対的に高くなる。したがって、このような技術では、ある程度の大きさを有するノイズを十分に除去することができないと考えられる。 However, in the technique described in Patent Document 1, when the noise included in the second window width has frequency characteristics similar to the peak of the detection target, the first moving average amount is When W f exceeds the second moving average amount W n , there is a problem that noise may be erroneously detected as a normal peak value. In particular, in a time period when the second moving average amount W n is decreasing (a portion corresponding to the peak of the detection target), there is a relative possibility that the first moving average amount W f exceeds the second moving average amount W n . It becomes expensive. Therefore, it is considered that such a technique cannot sufficiently remove noise having a certain size.
これに対し、本実施形態にかかる検出装置100は、第1の算出部41と、第2の算出部42と、第3の算出部43と、検出部50と、を有する。第1の算出部41は、時系列に沿って入力された生体信号に対して第1の時間幅T1と第1の時間幅T1より小さい第2の時間幅T2とを設定する。第2の算出部42は、第1の時間幅T1に含まれる生体信号の第1の最大値を抽出する。第3の算出部43は、第2の時間幅T2に含まれる生体信号の第2の最大値を抽出する。検出部50は、第1の最大値又は最新のピークRに該当する第2の最大値を基準値IHとして用いて、第2の時間幅T2毎に含まれる第2の最大値を順次取得し、取得した第2の最大値が基準値IHを含む所定の範囲内に収まる場合にピークRとして検出する。さらに、第1の時間幅T1は、入力された生体信号の任意の取得時間を起点として適用され、第2の時間幅T2は、基準値IHの取得時間を起点として繰り返し適用されるものである。
In contrast, the
このような構成により、検出対象のピークRの典型的な特徴量を取得することができる。また、時間軸上に隣接するピークR間に現れる所定の範囲外の周波数成分を除去して、検出対象のピークRのみを検出することができる。そのため、例えば、特許文献1に記載されるように、検出装置にバンドパスフィルタ等のフィルタ機能を備えて、これによりノイズを除去するといった工程を省略することが可能である。 With such a configuration, a typical feature amount of the peak R to be detected can be acquired. Further, by removing frequency components outside a predetermined range that appear between peaks R adjacent on the time axis, only the peak R to be detected can be detected. Therefore, for example, as described in Patent Document 1, it is possible to omit the step of equipping the detection device with a filter function such as a bandpass filter and thereby removing noise.
本実施形態にかかる検出装置100を用いれば、ピークRの検出を行うにあたって生体信号のテンプレートが不要であり、例えば、心電図のように個人差のある波形データであっても、個人差の影響を抑制することができる。そして、本実施形態にかかる検出装置100を用いれば、ピークRの緩やかな変化には追従し、ピークRの急激な変化はノイズとして除去できるため、ピークRの誤検出を防止することができる。よって、本実施形態にかかる検出装置100によれば、高い精度で波形のピークRを検出することができる。
If the
また、検出部50は、ピークRを検出する毎に最新のピークRに該当する第2の最大値を基準値IHとして更新した後、次のピークRを検出し、第2の時間幅T2は、更新された基準値IHの取得時間を起点として繰り返し適用されるものである。本実施形態にかかる検出装置100によれば、時系列データDにおける検出対象の全ピークRを漏れなく検出することができる。また、ピークRを検出する毎に基準値IHが更新されるため、個人差の影響を低減することができる。
In addition, each time the
また、生体信号が心拍信号である場合、生体の心拍数を検出することができる。さらに、第1の時間幅T1が心拍間隔より大きい時間幅であり、第2の時間幅T2が心拍間隔以下の時間幅である場合、データの信頼性が向上するとともに、ピークRの検出を迅速に行うことができる。さらにまた、所定の範囲が基準値IH±15パーセントである場合、人から取得した心電図の波形データからR波を確実に検出することができる。 Further, when the biological signal is a heartbeat signal, the heart rate of the biological body can be detected. Furthermore, when the first time width T1 is a time width larger than the heartbeat interval and the second time width T2 is a time width less than or equal to the heartbeat interval, data reliability is improved and peak R can be detected quickly. can be done. Furthermore, when the predetermined range is the reference value IH±15%, R waves can be reliably detected from waveform data of an electrocardiogram obtained from a person.
よって、本実施形態にかかる検出装置100によれば、高い精度で心拍数を検出することができる。
Therefore, according to the
さらに、本実施形態にかかる検出装置100によれば、上記の作用効果を奏する検出方法及び検出プログラムを提供することができる。
Furthermore, according to the
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施の形態にかかる検出装置100の機能ブロックの一部は、外部の装置を用いて実現されても良い。他の機能構成の具体例としては、ネットワーク等の接続手段によって検出装置100と接続された外部の装置に第1の算出部41、第2の算出部42、及び第3の算出部43を備える構成であっても良い。この場合、検出装置100に第1の算出部41、第2の算出部42、及び第3の算出部43を備える必要はない。
Note that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be modified as appropriate without departing from the spirit. For example, some of the functional blocks of the
上述の例において、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD-ROM(Read Only Memory)、CD-R、CD-R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(ProgrammableROM)、EPROM(ErasablePROM)、フラッシュROM、RAM(Random Access Memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。 In the examples described above, the program may be stored and provided to the computer using various types of non-transitory computer readable media. Non-transitory computer-readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-transitory computer-readable media include magnetic recording media (eg, flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (eg, magneto-optical disks), CD-ROMs (Read Only Memory), CD-Rs, CD-R/W, semiconductor memory (for example, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (Random Access Memory)). The program may also be provided to the computer on various types of transitory computer readable media. Examples of transitory computer-readable media include electrical signals, optical signals, and electromagnetic waves. The temporary computer-readable medium can provide the program to the computer via wired communication channels, such as electrical wires and fiber optics, or wireless communication channels.
10 センサ部
20 処理部
30 A/D変換部
40 バッファ部
41 第1の算出部
42 第2の算出部
43 第3の算出部
50 検出部
60 出力部
100 検出装置
D 時系列データ
IH 基準値
N カウント数
R、R1、R2、R3、R4 ピーク
SH 検出値
T1 第1の時間幅
T2 第2の時間幅
Wf、WN 第1移動平均量
Wn 第2移動平均値
10
Claims (7)
時系列に沿って入力された前記生体信号に対して第1の時間幅と前記第1の時間幅より小さい第2の時間幅とを設定する第1の算出部と、
前記第1の時間幅に含まれる前記生体信号の第1の最大値を抽出する第2の算出部と、
前記第2の時間幅に含まれる前記生体信号の第2の最大値を抽出する第3の算出部と、
前記第1の最大値又は最新の前記ピークに該当する第2の最大値を基準値として用いて、前記第2の時間幅毎に含まれる前記第2の最大値を順次取得し、取得した前記第2の最大値が前記基準値を含む所定の範囲内に収まる場合にピークとして検出する検出部と、
を有し、
前記第1の時間幅は、入力された前記生体信号の任意の取得時間を起点として適用され、前記第2の時間幅は、前記基準値の取得時間を起点として繰り返し適用される検出装置。 A detection device that detects a peak of a biological signal,
a first calculation unit that sets a first time width and a second time width smaller than the first time width for the biological signals input in time series;
a second calculation unit that extracts a first maximum value of the biological signal included in the first time width;
a third calculation unit that extracts a second maximum value of the biological signal included in the second time width;
Using the first maximum value or the second maximum value corresponding to the latest peak as a reference value, the second maximum values included in each of the second time widths are sequentially acquired, and the acquired a detection unit that detects the second maximum value as a peak when it falls within a predetermined range including the reference value;
has
The first time width is applied starting from an arbitrary acquisition time of the input biological signal, and the second time width is repeatedly applied starting from the acquisition time of the reference value.
前記第2の時間幅は、更新された前記基準値の取得時間を起点として繰り返し適用される請求項1に記載の検出装置。 The detection unit updates a second maximum value corresponding to the latest peak as the reference value each time it detects the peak, and then detects the next peak,
The detection device according to claim 1, wherein the second time width is repeatedly applied starting from an acquisition time of the updated reference value.
時系列に沿って入力された前記生体信号に対して第1の時間幅と前記第1の時間幅より小さい第2の時間幅とを設定するステップと、
前記第1の時間幅に含まれる前記生体信号の第1の最大値を抽出するステップと、
前記第2の時間幅に含まれる前記生体信号の第2の最大値を抽出するステップと、
前記第1の最大値又は最新の前記ピークに該当する第2の最大値を基準値として用いて、前記第2の時間幅毎に含まれる前記第2の最大値を順次取得し、取得した前記第2の最大値が前記基準値を含む所定の範囲内に収まる場合にピークとして検出するステップと、
を有し、
前記第1の時間幅は、入力された前記生体信号の任意の取得時間を起点として適用され、前記第2の時間幅は、前記基準値の取得時間を起点として繰り返し適用される検出方法。 A detection method for detecting a peak of a biological signal,
setting a first time width and a second time width smaller than the first time width for the biological signals input in time series;
extracting a first maximum value of the biological signal included in the first time width;
extracting a second maximum value of the biological signal included in the second time width;
Using the first maximum value or the second maximum value corresponding to the latest peak as a reference value, sequentially acquire the second maximum value included in each of the second time widths, and Detecting the second maximum value as a peak if it falls within a predetermined range including the reference value;
has
The first time width is applied starting from an arbitrary acquisition time of the input biological signal, and the second time width is repeatedly applied starting from the acquisition time of the reference value.
時系列に沿って入力された前記生体信号に対して第1の時間幅と前記第1の時間幅より小さい第2の時間幅とを設定するステップと、
前記第1の時間幅に含まれる前記生体信号の第1の最大値を抽出するステップと、
前記第2の時間幅に含まれる前記生体信号の第2の最大値を抽出するステップと、
前記第1の最大値又は最新の前記ピークに該当する第2の最大値を基準値として用いて、前記第2の時間幅毎に含まれる前記第2の最大値を順次取得し、取得した前記第2の最大値が前記基準値を含む所定の範囲内に収まる場合にピークとして検出するステップと、
を有し、
前記第1の時間幅は、入力された前記生体信号の任意の取得時間を起点として適用され、前記第2の時間幅は、前記基準値の取得時間を起点として繰り返し適用される処理をコンピュータに実行させる検出プログラム。 A detection program that detects a peak of a biological signal,
setting a first time width and a second time width smaller than the first time width for the biological signals input in time series;
extracting a first maximum value of the biological signal included in the first time width;
extracting a second maximum value of the biological signal included in the second time width;
Using the first maximum value or the second maximum value corresponding to the latest peak as a reference value, the second maximum values included in each of the second time widths are sequentially acquired, and the acquired Detecting the second maximum value as a peak if it falls within a predetermined range including the reference value;
has
The first time width is applied starting from an arbitrary acquisition time of the input biosignal, and the second time width is applied to the computer to repeatedly apply processing starting from the acquisition time of the reference value. Detection program to run.
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