JP3122757B2

JP3122757B2 - 呼吸検出装置

Info

Publication number: JP3122757B2
Application number: JP07167142A
Authority: JP
Inventors: 潤一郎藤本; 達生宮地
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 2001-01-09
Anticipated expiration: 2016-01-09
Also published as: JPH08336508A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加速度センサーを用い
て呼吸の計測を行う検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の業務の電子化や、操作の複雑化に
よって、人間にストレスがたまり、支障をきたすなど問
題が発生している。そこで、人間にたまるストレスを計
測し、環境にフィ−ドバックするための研究がされてお
り、計測の為のパラメ−タの一つとして、心拍や呼吸の
周期の変化が着目されている。従来、心拍の計測は心電
図を用いるのが一般的であって、安定したデ−タが得ら
れることから広く使われている。しかし、この方法は、
体表上に電極を付けねばならないこと、計測用のケ−ブ
ルが必要であることなどから、測定の為の姿勢、環境が
必要であり、通常の業務をしながら心拍を計測すること
には適していない。

【０００３】そこで、先に本出願人は、加速度検出器を
使った心拍計の提案を行った。この心拍計は、１cmｘ２
cmｘ０．５cm程度の小さな加速度検出子を体上の一点
に、固定し、この部分の加速度を無線によって、測定機
へ飛ばすような利用が可能である。加速度を検出するこ
とは、心臓の弁の動き等によって生ずる体の振動を検出
することであり、人体の運動、発声などの影響が大きい
と言う欠点がある半面、検出子が小型であること、無線
であることからこれは非常に使いやすいというメリット
がある。

【０００４】一方、呼吸の検出は呼吸ベルトを胸にまい
てその伸縮によって、呼吸曲線を得るもの、マスク状の
物を付けて呼吸から直接測定する物があるが（真島英信
「整理学」（文光堂））、これも、心電図と同様に、通
常の業務に付いていながら計測をすることができないと
いう問題がある。

【０００５】加速度センサ−を使って呼吸の測定を試み
たものとして、例えば、特開平０２−１６３２８３に記
載されてたものが知られている。これは、呼吸に関連し
て往復動する生体の表面に加速度センサを装着し、加速
度センサから出力される信号に基づいて生体の呼吸を検
出することにより、センサ部分の装着状態によって影響
を受けず、正確に呼吸を検出する。上腹部の表面は呼吸
に関連して往復動し、その表面の往復動に伴って加速度
センサの板ばねが歪みを受けて、板ばねの歪みが半導体
歪みゲ−ジにより検出される。加速度センサからは、被
検者の上腹部の表面の往復動に対応する信号が出力され
る。加速度センサから供給された信号に基づいて呼吸を
検出し、単位時間当たりの呼吸数および呼吸波形をＣＴ
Ｒディスプレイ装置等の表示器に表示させるというもの
である。しかし、体は呼吸によってのみ動くものではな
く、それ以外の動きの方が圧倒的に多い。従って、その
検出器から出てくる信号は、体の動きであって、呼吸に
よる動きはその中にほんのわずかな信号として埋もれて
いることになる。精度良く呼吸は取り出せないという欠
点がある。

【０００６】また、心拍と呼吸の両方を測定するものも
ある（特開平０３−４８３４）。これは、入浴者の生体
機能音が浴槽の湯水を媒体として伝播する位置に、所要
数の測定用音センサを臨設し、センサに生体機能音を表
示する電気的出力装置を接続することにより、入浴しな
がら生体機能音を気軽に測定できるようにする。浴槽に
入浴者が入ることで、その生体機能音が、人体より浴槽
内の湯水を介して測定用音センサに達するので、測定用
音センサの出力信号を処理することにより、心音、肺呼
吸音等を、労せずして自然に測定できる、というもので
ある。その方法では、何よりも、浴槽の中に入らないと
測定できない欠点があるので、ここで述べているような
オフィスでの作業中の計測はできない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】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、
通常のオフィス業務をしながら付加や束縛による異様さ
を感じることなく、呼吸の周期を計測する呼吸検出装置
を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の呼吸検出装置は、体上の１点以上の点
において、心臓が発生する音または動きを検出するため
の加速度センサーと、該加速度センサーからの電気信号
を用い、該信号のある１つの鼓動に対応する期間の信号
から心臓のある特定の動作に対応する振幅極大値、及び
または、極小値を取り出し、次に別の鼓動に対応する期
間の信号から、心臓の先と同じ動作に対応する振幅極大
値、及びまたは、極小値を取り出す手段と、このような
振幅極大値、及びまたは、極小値同士を補間し、連結す
る処理を行うことにより、心臓から前記加速度センサー
までの器官の減衰特性を呼吸によって変調する周期信号
の情報を作る手段とを設け、該周期信号の情報から呼吸
の情報を取り出すようにしたことを特徴とするものであ
る。

【０００９】

【作用】本発明者らは、体上の１点以上の点に検出子を
装着し、心臓が発生する音または動きを検出した場合、
呼吸と同じ周期でパルス状波形列の振幅が変化させられ
ることを発見した。図３は、加速度心拍の信号の一例を
示し、図４は、その心拍を計測した時の呼吸の曲線の一
例を示す。この呼吸曲線は、従来の方法で、胸にベルト
をまいて、その伸縮から求めたものである。心拍と呼吸
曲線の両者を比較すると明らかなように、心拍信号の振
幅が、呼吸曲線の逆相で変調されている。その原因は次
のように考えられる。心臓の弁などが閉じたときに、ス
テップ状の動きが発生し、これが、体内を伝わり、検出
子１へ達してインパルス応答状の波形となる。隣合った
波形は、同じ弁の閉鎖でありながら、波形は違っている
のは、呼吸の影響であって、呼吸によって心臓から検出
器までの器官の減衰特性が変化し、それによって器官の
振動や音に対する減衰の状態に変化が起こったと考えら
れる。そこで、この事実を用いて心拍信号列から呼吸を
検出する方法を考案した。すなわち、本発明において
は、心臓が発生する音または動きを検出する検出子を、
体上の１点以上の点に装着する。該検出子の出力信号と
して、心臓の１周期以上の信号を調べ、心臓が発する信
号の極大値または及び極小値を複数連結するような処理
をすることによって、器官中を伝達する音または動きの
減衰に関する周期信号の情報を作り、この情報から、呼
吸の情報を取り出す。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例について説明する。
図１は実施例に係る呼吸検出システムのブロックダイア
グラムの概略構成図、図２は同システムで初期化として
実行される極大値算出処理のフローチャート、図３は同
システムで検出された検出信号を示すグラフ、図４は従
来の方法で求めた呼吸曲線を示すグラフ、図５は同シス
テムを用いて求めた呼吸曲線を示すグラフである。

【００１１】図１において、本システムでは、心臓が発
生する音または動きを検出する加速度センサからなる検
出子１を備えている。この検出子１は、体上の１点以上
の点に装着する。この検出子１からの信号を２分し、一
方は心拍計測部２へ入力し、他方は呼吸計測部３へ入力
する。上記心拍計測部２は、従来公知の加速度センサか
らの信号を用いて心拍を計測する従来公知のものを採用
できる。例えば、「平成５年度人間感覚計測応用技術の
研究開発」依託研究成果報告書第２編生理的影響計測技
術の研究開発５２９ペ−ジ等に記載のものなどを採用で
きる。

【００１２】上記呼吸計測部３では、まず最初に、ピー
ク検出部４で、図２のフロ−チャートに示すような簡単
な最大値を見つけるル−チンによって心拍の間隔を大ざ
っぱに調べておく。特別な環境でない限り、通常心拍は
１秒に１から２拍程度であるから、最初に１秒程度のデ
−タをメモリに取り込み、最大値のル−チンを通して、
１秒近い間隔で存在する２つの最大値を見つける。その
時間的に前にある方を第１の心拍の最大値、後のものを
第２の心拍の最大値と呼ぶことにする。この時、最大値
をメモリ５に記憶しておき、この値を、以後の実時間で
行う検索の時にピ−クを求めるためのしきい値として使
う。

【００１３】心臓の１周期におおまかに２つの大きな振
動があることが知られている。厳密にはもっとあるが、
振幅が小さくノイズが大きいため、これを検出しにくい
ことから、ここでは代表的な２つについて述べる。１周
期内の心臓の三尖弁と僧帽弁の閉鎖によって生じる振動
を第１波、半月弁の閉鎖で生じるものを第２波と呼ぶこ
とにする。一般的には図３のごとく第１波ａが大きく、
第２波ｂが小さい。しかし、単に極大値のみを計測して
いると第１波ａと第２波ｂを間違えることがあるため、
あらかじめ１秒あまりのデ−タから、第１波ａの間隔の
初期値を求める時に、第１波ａの大きさも調べておくと
よい。一番良いのは、第２波の高さ＋（第１波の高さ−第２波の高さ）位の大きさである。そのあたりをしきい値として、つぎ
の第１波を探索するようにする。第１波の求め方は、２
種類あって、しきい値を越える最初のピ−クとしてもよ
いし、しきい値を越える決められた時間内での最大値で
もよい。勿論、負側のピ−ク、つまり極小値を求める時
は、最大値の代りにに最小値を見つければよい。これ
は、必ずしも最初のピ−クが次のピ−クよりも大きいと
は限らないからで、発明者たちの実験によれば、どちら
を使っても、呼吸の曲線が得られることが分かってい
る。

【００１４】また、上記時間間隔は、時間間隔計測部６
で計測し、時間間隔記憶部７へ格納しておいて、第１の
心拍が見つかった時点で第２の心拍の探索は時間間隔記
憶部７に格納された値より、予備時間記憶部８に記憶さ
れている予備的な時間分だけ少し前から最大値探索を行
う。予備時間としては２５ms程度前からが適当である。
第２の心拍が見つかった時に、その間隔を時間間隔記憶
部７へ再度格納しておき次のピ−ク探索に使う。

【００１５】次に、直線補間部９で、以上のようにして
得られたピ−クの高さと時刻を使い、例えば直線補間に
よって曲線を得る。具体的には、第１の心拍のピ−クが
時刻ｘ１で、大きさまたは高さｙ１が得られ、今、第２
心拍のピ−クで同様に、ｘ２、ｙ２が求められたとする
と、次のような式に当てはめ、直線補間をしてｘ１とｘ
２間のデ−タを作っておく。ｙ＝（ｙ１−ｙ２）・ｘ／（ｘ１−ｘ２）＋ｙ１−（ｙ
１−ｙ２）・ｘ１／（ｘ１−ｘ２）勿論、直線補間が必須のことではなく、どの様な補間で
もよいが、一番簡単に実施できることから、ここでは、
直線補間で説明している。

【００１６】以上の処理が終わると、第２の心拍に関す
るデータを第１の心拍のデータに置き換え、再び第２の
心拍のデータを求める。これを繰り返して計測をする。
こうして出力された信号は、呼吸の曲線を表している。
必須ではないが、出来上がった信号を、図１に示すよう
にローパスフィルタ部１０に加え、遮断周波数０．５Ｈ
ｚで滑らかにするとさらに、呼吸曲線に近くなる。勿論
０．５Ｈｚにこだわるものではない。このようにして、
実施例に従って、一つ一つ計算してグラフに表すと図５
のようになり、図４の呼吸曲線と近い曲線が得られる。
その例では心拍波形の負側で曲線を求めたが、これに限
るものではなく、正側、あるいはその両方のデータから
曲線を作ってもよいことはいうまでもない。

【００１７】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、心臓が発生す
る音または動きを検出する検出子を装着し、心臓の１周
期以上に相当する該検出子からの出力信号を調べ、呼吸
によって心臓から検出器までの器官の減衰特性が呼吸の
影響で変化して心拍信号の振幅が呼吸曲線の逆相で変調
されるのを利用し、心臓が発するある特定の動作に対応
する信号の極大値、または、極小値を複数連結するよう
な処理をすることによって器官中を伝達する音または動
きの減衰に関する周期信号の情報を作り、この情報から
呼吸の情報を取り出すので、上記検出子からの信号を用
いて呼吸の情報を検出することができる。しかも、体上
には検出子を装着するだけで計測が行えるので、通常の
オフィス業務をしながら付加や束縛による異様さを感じ
ることなく、呼吸の周期を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る呼吸検出システムのブロックダイ
アグラムの概略構成図。

【図２】同システムで初期化として実行される極大値算
出処理のフローチャート。

【図３】同システムで検出された検出子信号を示すグラ
フ。

【図４】従来の方法で求めた呼吸曲線を示すグラフ。

【図５】同システムを用いて求めた呼吸曲線を示すグラ
フ。

【符号の説明】１検出子２心拍計測部３呼吸計測部４ピーク検出部５最大値メモリ６時間間隔計測部７時間間隔記憶部８予備時間記憶部９直線補間部１０ローパスフィルタ部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】体上の１点以上の点において、心臓が発生
する音または動きを検出するための加速度センサーと、
該加速度センサーからの電気信号を用い、該信号のある
１つの鼓動に対応する期間の信号から心臓のある特定の
動作に対応する振幅極大値、及びまたは、極小値を取り
出し、次に別の鼓動に対応する期間の信号から、心臓の
先と同じ動作に対応する振幅極大値、及びまたは、極小
値を取り出す手段と、このような振幅極大値、及びまた
は、極小値同士を補間し、連結する処理を行うことによ
り、心臓から前記加速度センサーまでの器官の減衰特性
を呼吸によって変調する周期信号の情報を作る手段とを
設け、該周期信号の情報から呼吸の情報を取り出すよう
にしたことを特徴とする呼吸検出装置。