JP3451793B2 - 心拍変動波形周波数解析方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は心拍変動波形周波数解析
方法及び装置に関し、特に心電図における心拍の間隔
（心室の収縮に対応する電位変化、周波数とも高く検出
が容易な電圧パルス）による心拍変動波形周波数解析方
法及び装置に関するものである。

【０００１】心拍のＲ波間隔より生成した心拍変動波形
の周波数解析を行うことにより、心拍変動性指標（以
下、ＨＲＶと略称することがある）と呼ばれる指標を得
ることができる。

【０００２】このＨＲＶは、交感・副交感神経系の活動
水準を反映しており、その周波数成分中のＬＦ（低周
波）成分（又はＭＷＳＡ成分と呼ばれる0.05〜0.15サイ
クル／ビートの周波数成分）、ＨＦ（高周波）成分（又
はＲＳＡ成分と呼ばれる0.15〜0.45サイクル／ビートの
周波数成分）のピークパワー値等を検討することで精神
的作業負荷、心的作業負荷、覚醒度、緊張度の定量化が
行える可能性が示唆されており、医学的に検討価値の高
い指標として知られている。

【０００３】即ち、ＬＦ成分とは交換神経系を反映する
血圧変動性の成分が低周波であることから重要となって
いる成分であり、そのパワーは精神的緊張の増大、起立
性の刺激（姿勢の変化）などにより増大するものとして
認識されている。また、ＨＦ成分とは呼吸変動性の成分
が高周波であることから称されるものであり、安静状態
や睡眠中に高い値を示し緊張度の増大により消失傾向に
向かうことが知られているものである。

【０００４】従って、被験者が安静状態に有るか否か、
言い換えれば覚醒度が低下しているか否かを判定できる
指標ＨＲＶにおけるＨＦ成分を正確に判定することが求
められている。

【０００５】

【従来の技術】この様な指標ＨＲＶを求めるための従来
の方法及び装置について以下に説明する。

【０００６】まず、図６に示すように人体２０に生体用
電極２１〜２３を張り付け、人体２０の心臓活動に対応
する皮膚表面の電位を交流アンプ２４により電極２１と
２３及び電極２２と２３の差電圧を求めて増幅し、出力
信号Ａ，ＢとしてそれぞれＡ／Ｄ変換器２５に送り、こ
こでディジタル信号に変換した後、それぞれ演算部２６
に与えることにより、出力信号Ａ−Ｂ間の電位差を心電
図として記録する。

【０００７】この様な心電図のＲ波が図７（１）に示さ
れており、演算部２６は、同図においてＲ波ピーク時点
を検出し、同図（２）に示すようにＲ波ピーク時点から
Ｒ−Ｒ間隔（以下、ＲＲＩと略称する）を計測する。例
えば、同図（１）に示すようにＲ波のピーク間隔ＲＲＩ
１が０．８秒であれば、同図（２）に示すようにその間
隔ＲＲＩ１を「０．８」とする。

【０００８】なお、以下、このＲＲＩ波形は心拍変動波
形と区別するため、原心拍変動波形と称する。

【０００９】この様にして心拍に応じて生成されたＲ波
間隔ＲＲＩは、同図（３）に示すように直線補間するこ
とにより横軸を拍数とし縦軸をＲ波間隔ＲＲＩとした心
拍振変動波形が生成される。

【００１０】この様に生成した原心拍変動波形により図
示の如く一定の区間だけ切り出してサンプリング周波数
５HzでＦＦＴ演算（高速フーリエ変換演算）またはＡＲ
（自己回帰モデル）などにより求めたパワースペクトル
密度（ＰＳＤ）が図８に示されている。

【００１１】この図８のパワースペクトル推定図から判
るように、推定されたパワーの殆どは０〔サイクル／ビ
ート〕を中心周波数とするドリフト成分であり、これは
図７（３）に示す心拍変動波形が多くの非周期性成分を
含んでいるためである。

【００１２】この為、上述したようにＨＲＶとして本来
の検出対象であるＬＦ成分又はＨＦ成分の確認が困難と
なる。

【００１３】これは、上記のような周波数解析法が周期
的な変動のみにより構成された波形データの解析を目的
としており、ＦＦＴ法はその典型で任意の周期変動波形
が単純な正弦波や余弦波の合成で表されることをその前
提としているからである。

【００１４】従って、これらの周波数解析法は０を中心
として±の変動を用い、なお且つこの変動の総和が０と
なるような波形データ（例えば安静状態での心拍波形デ
ータ）に対してのみ有効であり、これにあてはまらない
波形データに対しては直流成分除去法等を施して解析の
前提にあてはまるようにするための前処理が必要であ
る。

【００１５】ところが、車両運転などを含む日常生活で
は心拍の平均値が常に安定した状態にあることはなく様
々な外的な要因の変化（刺激）により大きく変化する。

【００１６】このため、外的要因の変化はランダムなも
のとなり周期性を持つことが少なくなってしまい、外的
要因変化に起因する心拍の変化も周期性の変動ではなく
ランダムな変化となる。

【００１７】通常の周波数解析はランダムな変動を前提
としていないため解析上以下のような問題が発生する。

【００１８】（１）見かけの低周波成分ＬＦの増大：一
般に周波数解析では時間軸上でのすべての変動が周波数
領域上でのパワーとして計算され、本来ランダムな変化
である心拍変化も異常に低い周波数成分を有する周期成
分として計算されてしまうため、心拍変化の大きなデー
タでは低周波側のパワーが全体的に上昇し、上昇したパ
ワーの為、本来の検出対象であるＬＦ成分の確認が困難
となる。

【００１９】（２）切り出しデータ数による誤ピークの
出現：周波数解析上当然留意する問題ではあるが、算出
する周期成分の低周波側の信頼性の限界は解析対象とし
た区間に１周期以上含まれるまでのものとなる。

【００２０】例えば線型的な変化を含む原心拍変動波形
をＦＦＴ、ＡＲ推定法で解析した場合、ＦＦＴ法では波
形の連続性が前提となるため、データ切り出し区間両端
のデータは０として扱われるが、これでは現実の波形デ
ータに則しない場合も多く、解析の精度上問題となる。

【００２１】そこで、波形データの両端が０でない場
合、窓関数処理を施し波形データの両端を０に揃える前
処理が一般的であるが、これをランダム変化を含む波形
データに当てはめた場合、存在しない周期成分が発生し
てしまう。

【００２２】従って、心拍変動波形の解析の主要な検討
項目であるＬＦ成分又はＨＦ成分のピークパワーの検出
や、絶対ピークパワーの推定が困難であるなど、従来知
られている解析法より心拍変動波形周波数解析を行って
も、緊張度又は覚醒度評価が必要とする解析結果が得ら
れないと言う問題点があった。

【００２３】そこで、本出願人に係る特願平５−１８９
９６１号（以下、第１の先願発明と言う）においては、
ランダムな心拍変化の大きなデータに対してもＨＲＶの
差異を比較し得るような精度の良いパワースペクトル結
果が得られるようにすることを目的として、心拍変動波
形周波数成分解析の基となる心拍変動波形を、心拍間隔
時間を基準とした絶対変移データからＲ波の隣接する心
拍間隔の差を求めて相対変移データに変換し、この相対
変移原心拍変動波形データを用いた周波数解析を行うこ
とによりその周波数成分の推定を行うようにしている。

【００２４】すなわち、ＨＲＶのパワースペクトル推定
が問題とするのは周期的な変動であり、絶対的な変化で
はなく相対的な変化に着目した変動性である。

【００２５】従って、ＨＲＶによって求めようとする周
波数成分はＲＲＩの前後データの差の波形にも保存され
ることが判る。

【００２６】そこで、隣接する原心拍変動波形同士の差
を取り、原心拍変動波形データを絶対的な変化量のデー
タから相対的な変化量のデータとすることで周波数的に
は非常に低い心拍のランダムな推移の成分を除去する事
が出来、より精度の高い周波数解析を行うことができ
る。

【００２７】このことにより、心拍のランダムな推移が
異なる条件間での絶対パワーの比較が容易になり、ピー
クパワーの推定もより容易に行うことが出来ることとな
った。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
第１の先願発明では、緩慢な心拍変化を急峻な心拍変化
として誤った変換を行ってしまうという問題があり、こ
れを、図９〜１１により説明する。

【００２９】図９は、第１の先願発明の手法をＦＦＴや
ＡＲ法等によるスペクトル解析の前処理と考えたときの
フィルタ減衰特性を検討するために、シミュレーション
により作成した完全に等価なパワーの０．１〔サイクル
／ビート〕と０．３３〔サイクル／ビート〕成分を含む
時系列データのＦＦＴ演算結果を示したグラフであり、
ＦＦＴ演算結果からの両成分が等価であることが分か
る。

【００３０】図１０は図９の解析に用いた時系列データ
に実際のドライバーの心拍変動を模擬するため、やはり
シミュレーションにより生成した非定常的でランダムな
成分の時系列を加えたデータのＦＦＴの結果を示したグ
ラフであり、上述した図８に対応している。

【００３１】この図１０から明らかなように、０．１
〔サイクル／ビート〕のパワーが実際のパワーより大き
くなっており、例えばドライバーの緊張度や覚醒度等の
生理状態を心拍変動に含まれるＬＦパワーとＨＦパワー
の比により算出した指標を用いて評価しようとした場
合、上述の如く大きな問題となる。

【００３２】そして、第１の先願発明では、隣合った心
拍間隔の差を用いることで相対変位心拍変動波形を生成
しているが、この手法のフィルタ効果は図１１に示すよ
うに低周波側の減衰が大きい。

【００３３】これは、図１２にＬＦ成分（０．１〔サイ
クル／ビート〕成分）を取り出して示すように、心拍変
動波形の０．１〔サイクル／ビート〕成分を模擬した波
形（１）を考えた場合、この心拍変動波形（１）を１デ
ータ分だけずらした波形（２）から元の波形（１）を引
くと、得られた波形（３）に示すように振幅が保存され
ず大きく減衰するためである。

【００３４】このように、ＬＦ成分が本来のパワー値よ
り小さくなってしまうため、ＬＦパワーとＨＦパワーの
比により生理状態の指標を得ようとした場合等に問題と
なる。

【００３５】すなわち、ＲＲＩ波形の隣接する間隔差を
求めて相対変位心拍変動波形を生成すると、本来緩慢な
上昇傾向の心拍変動であるにも関わらず急峻に変化する
心拍変動に変換されてしまう。

【００３６】このような心拍変動波形は多くのデータを
とると、ＨＦ成分を多く含む波形になってしまう。

【００３７】そこで本出願人は更に特願平６−８００８
３号（以下、第２の先願発明と言う）において、心電図
のＲ波から原心拍変動波形を生成した後、該原心拍変動
波形から１／ｆゆらぎ成分波形を生成して該原心拍変動
波形から該１／ｆゆらぎ成分波形を減算してその周波数
成分を推定するという手法を採っている。

【００３８】これにより、図１３に示す如く第２の先願
発明においては、例えばピークパワー値で見た場合に、
本来通りのパワー値が得られる。

【００３９】しかしながら、この第２の先願発明の場合
には、精度は満足できるものであっても第１の先願発明
に比べて演算時間が長くなってしまうという問題があ
る。

【００４０】したがって本発明は、第１の先願発明のよ
うに演算時間が短くて済む手法を改良することにより、
結果として第２の先願発明のような本来の周波数成分に
対応したパワー値が得られる心拍変動波形周波数解析方
法及び装置を実現することを目的とする。

【００４１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明に係る心拍変動波形周波数解析方法において
は、心電図の心拍間隔から原心拍変動波形を生成し、さ
らに該原心拍変動波形の一つ置きに隣接する間隔差を求
めて相対心拍変動波形を生成した後、その周波数成分を
推定することを特徴としている。

【００４２】また、上記のような心拍変動波形周波数解
析方法を実現する装置としては、心拍ピックアップと、
該ピックアップの出力信号を所定の周波数帯域について
増幅する増幅器と、該増幅器の出力信号をディジタル信
号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該ディジタル信号による
Ｒ波の心拍間隔から原心拍変動波形を生成し、さらに該
原心拍変動波形の一つ置きに隣接する間隔差を求めて相
対心拍変動波形を生成し、その周波数成分を推定する演
算部と、で構成することができる。

【００４３】

【作用】本発明は、上記の第１の先願発明を発展させた
ものであり、第１の先願発明が隣合う心拍の差を用いて
いるのに対し、本発明では、１拍分飛ばしたデータ同士
の差分を取っている。すなわち、ｎ番目の心拍間隔の時
系列をＲＲＩ（ｎ）としたとき、その出力ＲＲＩ’
（ｎ）は、次式で表される。 ＲＲＩ’（ｎ）＝ＲＲＩ（ｎ＋２）−ＲＲＩ（ｎ） ・・・式（１）

【００４４】すなわち、図１に示すように、心拍変動波
形の例えば０．１〔サイクル／ビート〕成分を模擬した
波形（１）を考えた場合、波形（１）を上記の式（１）
に従って２データ分だけずらした波形（２）を模擬し、
さらにこの波形（２）から波形（１）を差し引くと、波
形（３）が得られるが、この波形（３）においては、図
１３に示した波形（３）との比較からも分かるように、
波形（１）の振幅が保存されている。

【００４５】したがって、本発明では、第２の先願発明
と同様に図１２に示したフィルタ特性が実現できること
になる。

【００４６】なお、本発明において心拍変動を上記の式
（１）に基づいて検討する際のもう一つの主要な成分で
あるＨＦ（高周波）成分に関しては、図２に示す上記の
０．３３〔サイクル／ビート〕成分の場合で検討する
と、同図（１）において３拍間で１周期＝０．３３〔サ
イクル／ビート〕であるので、この波形を同図（２）に
示すように１データ分ずらした場合と、同図（３）に示
すように２データ分ずらした場合とを比較すると、それ
ぞれ同図（４）及び（５）に拡大して示すように振幅差
分ａ＋ｂ＋ｃとａ’＋ｂ’＋ｃ’であり、両者は実質的
に同じとなることが分かる。

【００４７】

【実施例】図３は本発明に係る心拍変動波形周波数解析
装置の一実施例を示したもので、基本的には図６に示し
た装置構成と同様に、交流アンプ部２４とＡ／Ｄ変換部
２５と演算部２６とで構成されており、交流アンプ部２
４の入力信号は図示していないが同図と同様に人体に張
り付けた生体用電極から得ている。

【００４８】そしてこの実施例では、交流アンプ部２４
を作動入力アンプ１とバンドパスフィルタ２との直列回
路で構成しており、バンドパスフィルタ２はＲ波のみを
抽出するために５〜１５Hzの通過帯域に設定されてい
る。

【００４９】また、Ａ／Ｄ変換部２５はバンドパスフィ
ルタ２に接続されたアンプ３とサンプルホールド回路４
とＡ／Ｄ変換器５とバッファメモリ６との直列回路で構
成されている。

【００５０】更に、演算部２６はバッファメモリ６に接
続されたデータバス７に相互接続されたＲＡＭ８と演算
アルゴリズム用ＲＯＭ９とＣＰＵ１０とこれらＲＡＭ８
及びＣＰＵ１０と接続されてＣＰＵ１０を経由せずにＲ
ＡＭ８にデータを格納させる為のＤＭＡコントローラ１
１と、ＣＰＵ１０及びＤＭＡコントローラ１１に一定の
クロック信号を与えるための水晶発振回路１２とで構成
されている。

【００５１】尚、Ａ／Ｄ変換部２５には水晶発振回路１
２からのクロック信号を分周してＡ／Ｄ変換器５に与え
るための分周器１３が設けられており、ＤＭＡコントロ
ーラ１１はサンプルホールド回路４及びＡ／Ｄ変換器５
をも制御するようになっている。

【００５２】図４は図３に示したＣＰＵ１０における演
算処理手順を示したもので、以下、この図４の処理手順
並びに図４及び図５に示した波形図を参照して図３の実
施例の動作を説明する。

【００５３】まず、心拍ピックアップからの出力信号は
交流アンプ部２４において差動入力アンプ１で増幅され
ると共にバンドパスフィルタ２でＲ波のみが取り出され
る。

【００５４】このＲ波はＡ／Ｄ変換部２５においてアン
プ３で増幅された後、ＤＭＡコントローラ１１の制御下
のサンプルホールド回路４によりサンプルホールドされ
てＡ／Ｄ変換器５によりディジタル信号に変換され、バ
ッファメモリ６からデータバス７を介してＣＰＵ１０に
取り込まれる。

【００５５】ＣＰＵ１０では処理を開始するとＲ波形デ
ータを読み込み（ステップＳ１）、そのＲ波時刻を検出
する（ステップＳ２）。

【００５６】この様にして求めたＲ波時刻より図５
（１）に示すようにＲＲＩ１〜ＲＲＩｎを算出する（ス
テップＳ３）。

【００５７】この様にＲ波間隔を抽出した後、今度は一
つ置きに隣接したＲＲＩ同士の差を演算して（ステップ
Ｓ４）、同図（２）に示す波形を生成する。

【００５８】この様に生成されたＲＲＩ（ｎ＋２）−Ｒ
ＲＩ（ｎ）の波形を図７（３）と同様に補間することに
より図５（３）に示す様な横軸を拍数とする波形を得
る。

【００５９】この変換されたデータをＲＲＩ’（ｎ）と
すると、このデータＲＲＩ’をＲＡＭ８に格納しておく
（ステップＳ５）。

【００６０】一方、ＣＰＵ１０はこの解析を行うに際し
て解析開始点から終了点までのパラメータを設定してお
き（ステップＳ１１）、ＲＡＭ８からデータＲＲＩ’を
読み出して（ステップＳ１２）、好ましくはＡＲモデル
のパラメータを推定し（ステップＳ１３）、スペクトル
計算を行う（ステップＳ１４）。

【００６１】この結果、パワースペクトル計算によって
得られた波形は図１２に示すようなものとなる。

【００６２】そして、この図１２のグラフより判るよう
に、ＬＦ成分及びＨＦ成分のピークパワー位置が比較的
容易に推定することが出来る。

【００６３】なお、本発明は当然、心電図のＲ波の代用
として脈波、心音のピーク値等、心拍間隔を抽出し得る
データを用いる場合にも適用可能である。

【００６４】また、上記の式（１）の代わりに、次式、 ＲＲＩ’（ｎ）＝ＲＲＩ（ｎ＋２）／ＲＲＩ（ｎ） ・・・式（２） を用いたり、或いは式（１）と（２）とを適宜切り替え
て使用してもよい。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る心拍
変動波形周波数解析方法及び装置によれば、心拍間隔か
ら原心拍変動波形を生成し、さらに該原心拍変動波形の
一つ置きに隣接する間隔差を求めて相対心拍変動波形を
生成した後、その周波数成分を推定するように構成した
ので、第１の先願発明と同様に短い時間で演算が行え、
第２の先願発明と同様に精度の良い解析結果を得ること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る心拍変動波形周波数解析方法及び
装置の原理を説明するためのＬＦ成分波形図である。

【図２】本発明に係る心拍変動波形周波数解析方法及び
装置の原理を説明するためのＨＦ成分波形図である。

【図３】本発明に係る心拍変動波形周波数解析装置の一
実施例を示したブロック図である。

【図４】本発明に係る心拍変動波形周波数解析装置の演
算部における演算処理を示したフローチャート図であ
る。

【図５】本発明の動作を説明するための波形図である。

【図６】一般的な心拍変動波形周波数解析装置としての
測定系を示したブロック図である。

【図７】従来の心拍変動波形生成手順を示した波形図で
ある。

【図８】従来例によってパワースペクトル推定されたグ
ラフ図である。

【図９】等価なパワーを有する０．１及び０．３３〔サ
イクル／ビート〕成分を含んだ時系列データのＦＦＴ演
算結果を示したグラフ図である。

【図１０】図９の時系列データに非定常的でランダムな
成分を加えた時系列データのＦＦＴ演算結果を示したグ
ラフ図である。

【図１１】本出願人による特願平５−１８９９６１号に
開示された時系列データのＦＦＴ演算結果を示したグラ
フ図である。

【図１２】本出願人による特願平５−１８９９６１号に
おけるＬＦ成分の減衰特性を説明するためのグラフ図で
ある。

【図１３】本発明及び本出願人による特願平６−８００
８３号に基づく時系列データのＦＦＴ演算結果を示した
グラフ図である。

【符号の説明】

２０ 人体 ２１〜２３ 生体用電極 ２４ 交流アンプ ２５ ＡＤ変換部 ２６ 演算部 ８ ＲＡＭ ９ ＲＯＭ １０ ＣＰＵ 図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−88094（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−31654（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−105819（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−70898（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−3877（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−275219（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−284482（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−284483（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−117198（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 5/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】心電図の心拍間隔から原心拍変動波形を生
   成し、さらに該原心拍変動波形の一つ置きに隣接する間
   隔差を求めて相対心拍変動波形を生成した後、その周波
   数成分を推定することを特徴とした心拍変動波形周波数
   解析方法。
2. 【請求項２】心拍ピックアップと、該ピックアップの出
   力信号を所定の周波数帯域について増幅する増幅器と、
   該増幅器の出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ
   変換器と、該ディジタル信号によるＲ波の心拍間隔から
   原心拍変動波形を生成し、さらに該原心拍変動波形の一
   つ置きに隣接する間隔差を求めて相対心拍変動波形を生
   成し、その周波数成分を推定する演算部と、を備えたこ
   とを特徴とする心拍変動波形周波数解析装置。