JP2849711B2

JP2849711B2 - 加速度心拍計

Info

Publication number: JP2849711B2
Application number: JP8309897A
Authority: JP
Inventors: 達生宮地; 春夫志田; 潤一郎藤本
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 1999-01-27
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: JPH10137205A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速度検出計を用
いて心拍を計測する加速度心拍計に係り、詳しくは、心
拍１周期分の加速度検出信号中に存在する第一波、第二
波の２つの加速度ピークのうち、少なくとも一方をピー
クのみを簡易な構成で分離して取り出すことにより、正
確に心拍を計測し得る加速度心拍計に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、人の健康状態を知るために心拍数
の測定が行われており、この測定に使用される心拍計と
して、心電図を検出する心電計、光電検出器を指に装着
して光透過量から脈波を検出する心拍計、加速度計を体
表に装着して脈波を検出する加速度心拍計などが知られ
ている。このうち加速度心拍計は、心電計と異なり、体
表への電極貼り付けが不要で、体への装着が比較的容易
である。また光電検出器を指に装着する心拍計と異な
り、検出器の装着箇所が指先などに制限されず、作業を
妨げずに作業中の人の心拍を測定できる。このため、加
速度心拍計は、作業環境における作業者の体調などを知
るための心拍計として好適である。しかし、作業中には
作業者の動きや発声に起因する成分が加速度検出器の出
力に含まれてしまうので、この出力をそのまま使用して
心拍を測定するのでは、正確な測定はできない。

【０００３】そこで、特開平５−５９５０号公報では、
被測定者の体表近くに配置され、体表の振動を含む加速
度を検知する第１の加速度検出器と、この第１の加速度
検出器の体表とは反対側であって第１の加速度検出に対
向する位置に取り付けられ、加速度を検知する第２加速
度検出器と、第１及び第２の加速度検出器の間に介在さ
れ、体表の振動に伴う第１の加速度検出器の振動を吸収
し、該振動が第２の加速度検出器に伝達されるのを抑制
する媒体と、第１及び第２の加速度検出器の出力値差分
に基づいて心拍についての信号を出力する信号処理部と
を備えた心拍計が提案されている。

【０００４】この提案に係る心拍計においては、第１の
加速度検出器で、心拍の他、体動などに起因する加速度
成分も検出する一方、心拍に伴う振動など振幅の小さな
振動の伝達を阻止するための上記媒体を介して第１の加
速度計に取り付けられた第２の検出器で、体動などの振
幅の大きな振動の加速度のみを検出する。そして、上記
信号処理部で、両検出器の出力の差分に基づいて心拍に
伴う加速度成分のみを取り出し、心拍を検出する。な
お、上記公報には、信号処理部の具体例として、上記媒
体により心拍とともに吸収される結果、心拍とともに両
加速度検出器の出力値差分に含まれてしまう音声成分に
起因する雑音を除去するため、音声成分などの高周波成
分を、ローパスフィルタでカットするものも開示されて
いる。

【０００５】しかし、上記特開平５−５９５０号公報で
提案された心拍計では、高価な部品である加速度検出器
を２個必要としている。また、体動などの心拍以外の振
動の加速度成分を除くのに、２個の加速度検出器の出力
値の差分をとっているので、このような余分な加速度成
分の除去を良好に行うためには、２個の加速度検出器の
特性を厳密に一致させるか、あるいは、出力値の差分を
とるための例えば差動増幅器を、両検出器の特性にあわ
せて厳密に調整しておかなければならないという不具合
があった。

【０００６】そこで、本出願人は、特願平７−１１２６
４０号に、加速度検出器と、該加速度検出器の出力信号
中から特定の周波数帯域の信号を取り出す帯域通過フィ
ルタとを備え、該帯域通過フィルタで取り出した信号を
用いて心拍を計測する加速度心拍計であって、該帯域通
過フィルタの通過周波数帯域の下限を２０ヘルツ乃至４
０ヘルツの範囲内に設定し、かつ該通過周波数帯域の上
限を３０ヘルツ乃至５０ヘルツの範囲内に設定したこと
を特徴とする加速度心拍計を提案した。これによれば、
体の動きや発声に起因する加速度検出器の出力信号成分
と心拍に脈波に起因する加速度検出器の出力成分とを、
帯域通過フィルタを用いて分離するので、前述の特開平
５−５９５０号公報で提案されている心拍計に比して簡
易な構成で心拍を計測することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、測定された
心拍１周期分の加速度検出信号中には、図２に示すよう
に、心電図におけるピーク波（Ｒ波）よりもやや遅れて
出現する加速度ピーク（以下、第一波という）と、更に
遅れて出現する加速度ピーク（以下、第二波という）と
をもった加速度信号が存在することから、第一波と第二
波とが別々の心拍として検出され、誤検出につながる恐
れがあるという問題点が残されていた。なお、上記第一
波は心臓の僧坊弁及び三尖弁閉鎖により発生し、上記第
二波は大動脈弁及び肺動脈弁の閉鎖により発生するもの
と考えられている。

【０００８】本発明は以上の問題点に鑑みなされたもの
であり、その目的とするところは、心拍１周期分の加速
度検出信号中に含まれる第一波と第二波とからなる２つ
の加速度信号成分のうち、少なくとも一方を簡易な構成
で分離して除去することにより、正確に心拍を計測し得
る加速度心拍計を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の加速度心拍計は、加速度検出器と、該加
速度検出器の出力信号に対して所定の信号処理を行う信
号処理手段と、該信号処理手段の出力信号を用いて心拍
を計測する計測手段とを備えた加速度心拍計において、
該信号処理手段を、該加速度検出器の出力信号に対し
て、該加速度検出器の出力信号を所定時間ずらした信号
を用いて、検出された心拍１周期分の加速度検出信号中
に含まれる２つの加速度信号ピークのうち、少なくとも
一方を減衰させた信号を出力するように構成し、前記計
測手段を、該信号処理手段の出力におけるピークに基づ
いて心拍を計測するように構成したことを特徴とするも
のである。

【００１０】ここで、本発明の加速度心拍計は、体に加
速度検出器を装着し、該加速度検出器により、心拍に伴
う体表での振動による加速度を検出する。この加速度検
出器で検出された加速度信号には、上述したように、心
電図でのピーク波にやや遅れて出現する第一波と、更に
遅れて出現する第二波とからなる２つの加速度信号成分
が存在する。そこで、加速度検出器の出力信号に対して
所定の信号処理を行う信号処理手段では、該加速度検出
器で検出された信号に対し、この信号を所定時間ずらし
た信号を用いて、検出された心拍１周期分の加速度検出
信号中に含まれる２つの加速度信号ピークのうち、少な
くとも一方を減衰させた信号を出力する。これにより、
心拍に伴う加速度信号成分が１つだけ残る。そして、こ
の残った加速度信号成分に基づいて、計測手段が心拍を
計測する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、加速
度心拍計に組み込んだ状態として説明する。図１
（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る加速度心
拍計の概略構成図である。まず、全体の概略について説
明する。図１（ａ）に示すように、この加速度心拍計
は、加速度センサ１０１と、この加速度センサからの加
速度信号を増幅する増幅器１０２と、この増幅器１０２
により増幅された信号ＡＭＰＯのうち、所定の周波数帯
域以外の成分を減衰させる帯域通過フィルタ１０３と、
該帯域通過フィルタ１０３からの出力信号ＦＩＬＯが入
力される心拍検出手段２０１とからなっている。

【００１２】上記加速度センサ１０１は、人体胸部など
の体表に装着されるものであり、例えばセンサのインピ
ーダンスが加速度により変化することを利用したストレ
インゲージ型加速度センサ、ピエゾ抵抗型加速度センサ
などを用いることができる。上記増幅器１０２は、加速
度センサ１０１からの加速度信号を、同図中の波形例ａ
に示すように、電気的ノイズなどの影響を受けにくい信
号レベルまで増幅するものである。上記帯域通過フィル
タ１０３は、増幅器１０２により増幅された信号の所定
の周波数帯域以外の成分を減衰させるものである。

【００１３】更に、この心拍検出手段２０１は、絶対値
化手段３０１、平滑化手段３０２、遅延手段３０３、加
算手段３０４、及びピーク検出手段３０５で構成されて
いる。

【００１４】絶対値化手段３０１は、同図中の波形例ｃ
に示すように、正及び負の値を取る帯域通過フィルタ１
０３を通過した後の信号ＦＩＬＯの極性を、たとえば正
の値のみをとるよう変換し、出力信号ＡＢＳＯを出力す
る。平滑化手段３０２は、同図中の波形例ｄに示すよう
に、絶対値化手段３０１により単極性に変換された加速
度信号ＡＢＳＯの細かな変化を平滑化し、出力信号ＳＭ
Ｏを出力する。遅延手段３０３は、平滑化手段３０２の
出力信号ＳＭＯを基に、遅延時間の異なる複数の遅延出
力ＤＦＯを発生させる。加算手段３０４は、同図中の波
形例ｅに示すように、遅延手段３０３からの遅延出力Ｄ
ＦＯを加算して加算出力信号ＡＤＯを出力する。ピーク
検出手段３０５は、同図中の波形例ｊに示すように、平
滑化手段３０２の出力信号ＳＭＯと、加算手段３０４か
らの加算出力信号ＡＤＯとを用いて心拍に対応するピー
クを検出する。なお、このピーク検出については後述す
る。

【００１５】ここで、本出願人は、さまざまな作業条件
での計測及びその分析をした。その結果、以下の事実が
判明した。すなわち、測定された心拍の１周期中、すな
わち1回の心拍で検出される加速度信号中には、上述し
たように、図２中の心電図におけるピーク波（Ｒ波）よ
りもやや遅れて出現する第一波と、更に遅れて出現する
第二波とをもった２つのピークが存在する。そして、例
えば、被測定者が安静な状態にあるか、軽作業を行って
いる場合のように、その心拍数が毎分４０回から９０回
程度では、第一波と第二波との間隔は、第二波と次の周
期の第一波との間隔よりも狭いということがわかった。

【００１６】本実施形態の例では、上記の事実に基づい
て、上記平滑化手段３０２の出力信号ＳＭＯを、次のよ
うに処理している。例えば、加速度信号の振幅に注目し
て第一波の検出を行う場合には、現在注目しているピー
クの位置（あるいは時刻）より少し前、すなわち第一波
と第二波との平均的な時間間隔程度前に大きな振幅ピー
クがあるか否かを検査し、大きな振幅ピークが存在しな
い場合には、現在注目しているピークを第一波として検
出する。そして、少し前に大きな振幅ピークが存在する
場合には、現在注目しているピークを第二波とみなして
無視する。すなわち、信号の遅延をもたらす遅延手段を
用い、この遅延手段を通過させた信号と通過させない信
号とを比較し、前者の振幅が大きい場合には第二波であ
ると判断する。ここで、第一波と第二波との時間間隔
は、被測定者の個人差や、毎分の心拍数により異なる。
このため、遅延手段３０３の遅延時間を一定にして、平
滑化手段３０２からの出力信号ＳＭＯと、遅延手段３０
３からの出力信号ＤＦＯとを単純に比較してしまうと、
両者のピーク信号をうまく比較できないことがある。そ
こで、本実施形態における遅延手段３０３は、図３に示
すように、第一波と第二波との平均的な時間間隔Ｔを中
心値とし、この中心値に対して所定の範囲に分布する複
数の遅延出力を発生させ、加算手段３０４でその複数の
出力を合成することで第一波と第二波との時間間隔のば
らつきに対応させるようにしている。

【００１７】次に、図１（ｂ）に基づいて上記ピーク検
出手段３０５について説明する。このピーク検出手段３
０５は、図１（ｂ）に示すように、減算手段４０１、微
分手段４０２、零交差検出手段４０３、比較手段４０
４、乗算手段４０５で構成されている。

【００１８】ピーク検出手段３０５に入力される、平滑
化手段３０２の出力信号ＳＭＯ、及び加算手段３０４の
加算出力信号ＡＤＯのうち、加算出力信号ＡＤＯは、複
数の遅延手段の出力が加算されているため、図３中の波
形例ｅで示すように、大きな出力レベルになっている。
そこで、次に説明する減算手段４０１による減算処理の
ために、まず、乗算手段４０５において、例えば、加算
手段３０４の加算出力信号ＡＤＯの最高レベルが、平滑
化手段３０２の出力信号ＳＭＯの最高レベルとほぼ同じ
レベルになるように、１より小さい値に設定された所定
の定数を、加算出力信号ＡＤＯに乗算する。そして、同
図中の波形例ｆに示すような乗算手段４０５の出力信号
ＭＰＯは減算手段４０１に入力される。この減算手段４
０１では、平滑化手段３０２の出力信号ＳＭＯから、乗
算手段４０５の出力信号ＭＰＯを減算し、同図中の波形
例ｇに示すような減算手段４０１の出力信号ＳＵＢＯを
出力する。そしてこの出力信号ＳＵＢＯは、例えばハイ
パスフィルタで構成された微分手段４０２に入力され、
時間微分された後、同図中の波形例ｈに示すような微分
手段４０２からの出力信号ＤＩＦＯを出力する。一方、
減算手段４０１の出力信号ＳＵＢＯは比較手段４０４に
も入力される。比較手段４０４は、該出力信号ＳＵＢＯ
を、出力信号ＳＵＢＯのピーク値よりも低く、かつ、回
路などの雑音よりも高い値に設定された所定の定数と比
較し、比較結果に応じて同図中の波形例ｉに示すような
制御信号ＴＨＯを出力する。そして、この制御信号ＴＨ
Ｏは、所定の定数よりも大きいときは例えば論理値”
１”を出力し、それ以外の場合、例えば論理値”０”を
とるものとする。また、微分手段４０２の出力信号ＤＩ
ＦＯ及び比較手段４０４の出力信号ＴＨＯは零交差検出
手段４０３に入力される。ここでは、制御信号ＴＨＯが
論理値”１”の場合に該出力信号ＤＩＦＯが零レベルと
交差したか否かを検出する処理を行い、該出力信号ＤＩ
ＦＯが零レベルと交差したときに例えば論理値”１”の
パルスをピーク検出手段３０５のピーク検出出力ＰＤＯ
として発生させる。一方、制御信号ＴＨＯが論理値”
０”の場合には零交差検出処理を行わず、ピーク検出出
力ＰＤＯは論理値”０”をとる。このピーク検出手段３
０５のピーク検出出力ＰＤＯが、図示しない時間間隔計
測手段による、心拍の時間間隔の計測や１分間あたりの
心拍数の計測に供される。

【００１９】そして、減算手段４０１の出力信号ＳＵＢ
Ｏが次第に増加していき、ピークに達した時点では、増
加が停止するので微分手段の出力信号ＤＩＦＯはそれま
での正値から０になる。さらに、減算手段４０１の出力
信号ＳＵＢＯが次第に減少すると、微分手段の出力信号
ＤＩＦＯは負値となる。したがって、上記零交差検出処
理を行うことによって、減算手段４０１の出力信号ＳＵ
ＢＯのピークを検出することができる。さらに、比較手
段４０４からの比較手段の出力信号ＴＨＯによって、減
算手段４０１の出力信号ＳＵＢＯが所定のレベルよりも
大きい場合のみ零交差検出処理を行っているので、減算
手段４０１の出力信号ＳＵＢＯに含まれる雑音、すなわ
ち所定のレベルよりも小さなピークによる心拍の誤検出
を防止することができる。

【００２０】以下に、１回の心拍に伴って検出された加
速度信号に含まれる第一波と第二波とを弁別し、第一波
のみを取り出す処理について説明する。例えば、今、加
速度センサ１０１によって第一波が検出されたとする
と、平滑化手段３０２の出力信号ＳＭＯがピークに達す
る時点では、前に検出された第二波が、すでに遅延手段
３０３を通過し終わるように遅延手段３０３の遅延時間
が設定されているので、加算手段３０４の出力信号ＡＤ
Ｏは小さい。よって、ピーク検出手段３０５に入力され
る信号レベルは小さいので、平滑化手段３０２の出力信
号ＳＭＯは減算手段４０１で減算されてもさほど変化す
ることなく減算手段４０１の出力信号ＳＵＢＯとして出
力され、比較手段４０４に入力される。したがって、比
較手段４０４は論理値”１”のパルスを出力信号ＴＨＯ
として出力する。そして、減算手段４０１の出力信号Ｓ
ＵＢＯがピークに達する時点で、微分手段４０２の出力
信号ＤＩＦＯは０になり、かつ比較手段４０４の出力信
号ＴＨＯは論理値”１”の状態にあるので、零交差検出
手段４０３は心拍による第一波の検出を示す論理値”
１”なるピーク検出出力ＰＤＯを出力する。

【００２１】一方、加速度センサ１０１によって第二波
が検出され、平滑化手段３０２の出力信号ＳＭＯはピー
クに達した時点では、遅延手段３０３により、第一波と
第二波との平均的な時間間隔を中心値として遅延された
心拍の第一波の信号もピークに達するから、加算手段３
０４の加算出力信号ＡＤＯは大きな値をとる。よって、
ピーク検出手段３０５への入力信号値が大きくなり、上
記減算手段４０１で減算された後の出力信号ＳＵＢＯは
小さな値となる。このため、比較手段４０４はこの値を
所定の定数値と比較しても、この定数値を越えず、論理
値”０”なるピーク検出出力ＰＤＯを出力する。

【００２２】本実施形態によれば、以上のように、１回
の心拍に伴って検出された加速度信号に含まれる第一波
と第二波とを弁別し、第一波のみを確実に取り出すよう
にしているので、第二波を心拍として誤検知してしまう
ことを回避することができ、心拍の検出が精度よく行う
ことができる。

【００２３】なお、上記実施形態では、測定された加速
度信号を単極性に変換するための絶対値化手段３０１を
用いて説明したが、これに代え、信号値の二乗を計算す
る二乗手段を用いても、加速度信号を単極性に変換でき
るので、上記同様の効果を得ることができる。また、上
記帯域通過フィルタ１０３としては、例えば、上記特願
平７−１１２６４０号で提案したような帯域通過フィル
タを用いて、通過帯域下限周波数を、２０ヘルツ乃至４
０ヘルツの範囲内に、かつ通過周波数帯域上限周波数を
３０ヘルツ乃至５０ヘルツの範囲内にそれぞれ設定すれ
ば、さらに精度よく心拍数を検出することが可能であ
る。

【００２４】

【発明の効果】本発明の加速度心拍計によれば、加速度
検出器の出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処
理手段において、該加速度検出器で検出された信号に対
し、この信号を所定時間ずらした信号を用いて、検出さ
れた心拍１周期分の加速度検出信号中に含まれる２つの
加速度信号ピークのうち、少なくとも一方を減衰させ
て、残りの加速度信号成分に基づいて、計測手段が心拍
を計測するので、前述の特開平５−５９５０号公報、あ
るいは特願平７−１１２６４０号で提案されている心拍
計では対応できなかった、２つの加速度信号のピークを
それぞれ別々の心拍として検出してしまうという誤検出
を防止することができ、心拍数を精度良く計測すること
ができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る加速度心
拍計の概略構成の説明図。（ｂ）は、図１（ａ）中のピ
ーク検出手段の概略構成の説明図。

【図２】心臓の拍動に起因する加速度信号の波形の形状
を示すグラフ。

【図３】心拍検出手段で処理された主な信号を示す説明
図。

【符号の説明】

１０１加速度センサ１０２増幅器１０３帯域通過フィルタ２０１心拍検出手段３０１絶対値化手段３０２平滑化手段３０３遅延手段３０４加算手段３０５ピーク検出手段４０１減算手段４０２微分手段４０３零交差検出手段４０４比較手段４０５乗算手段ＡＭＰＯ増幅器からの出力信号ＦＩＬＯ帯域通過フィルタからの出力信号ＡＢＳＯ絶対値化手段からの出力信号ＳＭＯ平滑化手段からの出力信号ＤＦＯ遅延手段からの出力信号ＡＤＯ加算手段からの出力信号ＰＤＯピーク検出出力ＭＰＯ乗算手段からの出力信号ＳＵＢＯ減算手段からの出力信号ＴＨＯ比較手段からの制御出力信号ＤＩＦＯ微分手段からの出力信号

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加速度検出器と、該加速度検出器の出力信
号に対して所定の信号処理を行う信号処理手段と、該信
号処理手段の出力信号を用いて心拍を計測する計測手段
とを備えた加速度心拍計において、該信号処理手段を、該加速度検出器の出力信号に対し
て、心臓の僧坊弁及び三三尖弁閉鎖により発生する加速
度信号ピークと、大動脈弁及び肺動脈弁の閉鎖により発
生する加速度信号ピークとの平均的な時間間隔程度だ
け、該加速度検出器の出力信号をずらした信号を用い、
現在注目している加速度信号ピークより該時間間隔程度
前に加速度信号ピークがあるか否かにより、現在注目し
ている加速度信号ピークが前者の加速度信号ピークか後
者の加速度信号ピークかを判別して心拍１周期分の加速
度検出信号中に含まれる２つの加速度信号ピークのう
ち、少なくとも一方を減衰させた信号を出力するように
構成し、前記計測手段を、該信号処理手段の出力におけるピーク
に基づいて心拍を計測するように構成したことを特徴と
する加速度心拍計。
【請求項２】加速度検出器と、該加速度検出器の出力信
号に対して所定の信号処理を行う信号処理手段と、該信
号処理手段の出力信号を用いて心拍を計測する計測手段
とを備えた加速度心拍計において、該信号処理手段を、前記加速度検出器の出力信号を単極性に変換する絶対値
化手段と、該絶対値化手段からの出力信号を、臓の僧坊弁及び三三
尖弁閉鎖により発生する加速度信号ピークと、大動脈弁
及び肺動脈弁の閉鎖により発生する加速度信号ピークと
の平均的な時間間隔程度だけ遅延させた信号を出力する
遅延手段と、該絶対値化手段からの出力信号から前記遅延手段の出力
を減算する減算手段とを具備し、該減算手段からの出力
を基に、検出された心拍一周期分の加速度検出信号中に
含まれる２つの加速度信号ピークのうち、少なくとも一
方を減衰させた信号を出力するように構成し、前記計測手段を、該信号処理手段の出力におけるピーク
に基づいて心拍を計測するように構成したことを特徴と
する加速度心拍計。
【請求項３】請求項２の加速度心拍計において、上記絶対値化手段の出力に平滑化処理を施す平滑化手段
を設けて、上記遅延手段及び減算手段それぞれで、該平
滑化手段の出力を上記絶対値化手段からの出力信号とし
て用いるとともに、上記遅延手段を、互いに異なる遅延時間を有する複数の
遅延手段と、該は複数の遅延手段からの出力を加算合成
する加算手段とで構成したことを特徴とする加速度心拍
計。