JP3564255B2

JP3564255B2 - 脈拍計

Info

Publication number: JP3564255B2
Application number: JP06348697A
Authority: JP
Inventors: 司小須田; 千秋中村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2017-03-17
Also published as: JPH10258039A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、利用者の運動量の管理や健康管理などを行うための脈拍計に関するものである。特に、安静時および運動時のいずれの状態においても、高い精度をもって脈拍数を計測するための信号処理技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マラソン中やジョギング中でも脈拍数を計測できれば、利用者の運動量の管理や健康管理（危険防止）を行うことができることから、腕などに装着したまま脈拍数の計測を行うことができる携帯用の脈拍計が案出されている。かかる携帯用の脈拍計では、光学センサなどを用いて脈波信号を計測し、この脈波信号から脈拍に相当する信号を抽出して脈拍数を求めている。但し、ジョギング中に計測した脈波信号には、その体動に起因する信号成分も含まれている。このため、脈波成分から体動成分を除去する必要がある。
【０００３】
体動成分の除去に関しては、以下の技術が開発されている。
まず、特開平７−２２７３８３号公報に開示されている脈拍計にあっては、体動センサによって検出された体動信号に基づいて体動の有無を判定する。体動が無いと判定された場合には、脈波センサによって検出された脈波信号を矩形波に波形整形しこの矩形波に基づいて脈拍数を算出する。一方、体動が有りと判定された場合には、脈波信号にＦＦＴ処理を施した解析結果から体動信号にＦＦＴ処理を施した解析結果を減算して体動周波数成分が除去された脈波周波数成分を求め、この演算結果に基づいて脈拍数を算出する。この脈拍計にあっては、体動が無い場合には、ＦＦＴ処理を行う必要がないので消費電力を低減することができる。
【０００４】
また、特願平８−２４５１０号に記載されている脈拍計にあっては、体動センサによって検出された体動信号に基づいて体動の有無を判定する。体動が無いと判定された場合には、脈波センサによって検出された脈波信号にＦＦＴ処理を施して周波数解析を行いこの解析結果に基づいて脈拍数を算出する。一方、体動が有ると判定された場合には、脈波信号にＦＦＴ処理を施した解析結果から体動信号にＦＦＴ処理を施した解析結果を減算して体動周波数成分が除去された脈波周波数成分を求め、この演算結果に基づいて脈拍数を算出する。この脈拍計にあっては、脈波信号を矩形波に波形整形を行う回路を省略できるので、構成を簡易することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の脈拍計においては、ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）処理を行っているが、ＦＦＴ処理した結果得られる最も低い周波数は、分析時間の逆数で決定される。すなわち、ＦＦＴ処理は、一定のサンプル数を分析単位として行われる。
【０００６】
しかしながら、分析単位の途中で体動有りから体動無しに切り替わった場合、体動が無くなった後半の期間においては、本来、脈波信号の周波数解析結果に基づいて脈拍数の算出を行うべきであるにもかかわらず、脈波の解析結果から体動の解析結果を減算した脈波周波数成分に基づいて脈拍数の算出が行われる。この場合には、正確な脈拍数の検出が、行われない場合があった。このように従来の脈拍計にあっては、利用者が運動をやめた場合であっても、すぐには脈拍数の算出方法を切り替えることができず、応答性に問題があった。
【０００７】
また、体動センサにノイズが重畳すると、本来、体動が無いにも拘わらず脈波成分から体動成分が差し引かれ、正確な脈波を検出することができない。このような異常状態から通常状態に戻った場合には、すぐに正確な脈波を検出することが望ましい。しかし、上述したように脈拍数の算出方法の切り替えには時間がかかるので、通常状態に復帰した後にも、不正確な脈拍数を検出してしまうといった問題があった。
【０００８】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、応答性を改善した脈拍計を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明にあっては、一定のサンプル数に対応するデータブロック毎に脈拍を計測する脈拍計において、生体の体動を検出して体動データを出力する体動検出手段と、前記体動データに基づいて体動の有無を前記データブロック毎に判定する判定手段と、前記生体の脈動を検出して脈波データを出力する脈波検出手段と、前記脈波データを記憶するとともに、前記判定手段の判定結果が体動有りから体動無しに切り替わった後の所定期間においては、体動有りと判定された期間中に記憶した前記脈波データを周波数解析に影響を与えないデータに置換して出力し、前記所定期間以外の期間においては記憶した前記脈波データを出力する置換手段と、前記置換手段の出力データに対して複数の前記データブロック単位で周波数解析を施し、次の周波数解析を１データブロックずらした前記置換手段の出力データに対して施すことにより、前記データブロック毎に解析結果を得る第１の演算手段と、前記体動データに対して複数の前記データブロック単位で周波数解析を施し、次の周波数解析を１データブロックずらした前記体動データに対して施すことにより、前記データブロック毎に解析結果を得る第２の演算手段と、前記判定手段によって体動無しと判定された場合には、前記第１の演算手段の周波数解析に基づいて脈拍に対応する周波数を抽出し、前記判定手段によって体動有りと判定された場合には、前記第１の演算手段と前記第２の演算手段の周波数解析結果に基づいて、脈拍に対応する周波数を抽出する脈波成分抽出手段と、前記脈波成分抽出手段によって抽出された前記脈拍の周波数から脈拍数を算出する脈拍数算出手段と、前記脈拍数を表示する表示手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明にあっては、前記第２の演算手段の周波数解析結果から、前記生体の体動のピッチを算出するピッチ算出手段と、前記判定手段によって体動有りと判定された場合には前記ピッチを表示するように前記表示手段を制御し、前記判定手段によって体動無しと判定された場合には、前記ピッチをに表示しないように前記表示手段を制御する表示制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明にあっては、前記第１の演算手段および前記第２の演算手段で行う周波数解析処理は高速フーリエ変換処理であり、前記データブロックのサンプル数は、高速フーリエ変換演算対象データに対して、１／４もしくは１／２であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
Ａ．脈拍計の機能構成
図１は、本発明に係わる脈拍計の代表的な構成例を示す機能ブロック図である。
図において、脈拍計ｆは、一定のサンプル数に対応するデータブロック毎に脈拍を計測するようになっている。ｆ１は体動検出手段であって、生体の体動を検出して体動データを出力する。体動検出手段ｆ１は、例えば加速度センサによって構成される。また、ｆ２は判定手段であって、体動検出手段ｆ１によって検出される体動データに基づいて体動の有無をデータブロック毎に判定する。
【００１３】
次に、ｆ３は脈波検出手段であって、生体の脈動を検出して脈波データを出力する。脈波検出手段ｆ３としては各種のものがあるが、例えば、光電式脈波センサが好適である。また、ｆ４は置換手段であって、脈波データを記憶するとともに、判定手段ｆ２の判定結果が体動有りから体動無しに切り替わった後の所定期間においては、体動有りと判定された期間中に記憶した脈波データを周波数解析に影響を与えないデータに置換して出力し、所定期間以外の期間においては記憶した脈波データを出力する。また、ｆ５は第１の演算手段であって、置換手段ｆ４の出力データに対して複数のデータブロック単位で周波数解析を施し、次の周波数解析を１データブロックずらした置換手段ｆ４の出力データに対して施すことにより、データブロック毎に解析結果を得る。これにより、第１の演算手段ｆ５は、体動有りから体動無しに切り替わった後の所定期間において、実質的に体動無しに対応する脈波データに基づいて周波数解析を行うことができる。
【００１４】
次に、ｆ６は第２の演算手段であって、体動データに対して複数の前記データブロック単位で周波数解析を施し、次の周波数解析を１データブロックずらした前記体動データに対して施すことにより、前記データブロック毎に解析結果を得る。また、ｆ７は脈波成分抽出手段であって、判定手段ｆ２によって体動有りと判定された場合には、第１の演算手段ｆ５の周波数解析に基づいて脈拍に対応する周波数を抽出し、判定手段ｆ２によって体動無しと判定された場合には、第１の演算手段ｆ５と第２の演算手段ｆ７の周波数解析結果に基づいて、脈拍に対応する周波数を抽出する。また、ｆ８は脈拍数検出手段であって、脈波成分抽出手段ｆ７によって抽出された前記脈拍の周波数から脈拍数を算出する。
【００１５】
次に、ｆ９は表示手段であって、脈拍数検出手段ｆ８によって検出された脈拍数を表示する。また、ｆ１０はピッチ算出手段であって、第２の演算手段ｆ６の周波数解析結果から、前記生体の体動のピッチを算出する。これにより、ランニング時のピッチを求めることができる。また、ｆ１１は表示制御手段であって、判定手段ｆ２によって体動有りと判定された場合にはピッチを表示するように表示手段ｆ９を制御し、判定手段ｆ２によって体動無しと判定された場合には、ピッチを表示しないように表示手段ｆ９制御する。
【００１６】
Ｂ．実施形態の構成
１．脈拍計の機械的構成
図２は、本実施形態に係わる脈拍計の機械的構成を示す説明図である。
図２において、本例の脈拍計１（携帯用脈波計測装置）は、腕時計構造を有する装置本体１０と、この装置本体１０に接続されるケーブル２０と、このケーブル２０の先端側に設けられた脈波検出用センサユニット３０（脈波信号検出用センサ）とから大略構成されている。ケーブル２０の先端側にはコネクタピース８０が構成されており、このコネクタピース８０は、装置本体１０の６時の側に構成されているコネクタ部７０に対して着脱自在である。装置本体１０には、腕時計における１２時方向から腕に巻きついてその６時方向で固定されるリストバンド１２が設けられ、このリストバンド１２によって、装置本体１０は、腕に着脱自在である。脈波検出用センサユニット３０は、センサ固定用バンド４０によって遮光されながら人差し指の根本に装着される。このように、脈波検出用センサユニット３０を指の根本に装着すると、ケーブル２０が短くて済むので、ケーブル２０は、ランニング中に邪魔にならない。また、掌から指先までの体温の分布を計測すると、寒いときには、指先の温度が著しく低下するのに対し、指の根本の温度は比較的低下しない。従って、指の根本に脈波検出用センサユニット３０を装着すれば、寒い日に屋外でランニングしたときでも、脈拍数などを正確に計測できる。
【００１７】
また、装置本体１０は、樹脂製の時計ケース１１（本体ケース）を備えており、この時計ケース１１の表面側には、現在時刻や日付に加えて、走行時や歩行時のピッチ、および脈拍数などの脈波情報などを表示するＥＬバックライト付きの液晶表示装置１３が構成されている。液晶表示装置１３には、セグメント表示領域の他、ドット表示領域が構成されており、ドット表示領域では、各種の情報をグラフィック表示可能である。
【００１８】
時計ケース１１の内部には、加速度センサ９１を利用して、体の動きを体動信号ＴＳとして検出する体動検出用センサ装置９０が内蔵されている。また、時計ケース１１の内部には、脈波検出用センサユニット３０が計測した脈波信号ＭＳに基づいて脈拍数の変化などを求めるとともに、それを液晶表示装置１３に表示するために、各種の制御やデータ処理を行うマイクロコンピュータなどからなる制御部が構成されている。制御部には計時回路も構成されており、通常時刻、ラップタイム、スプリットタイムなども液晶表示装置１３に表示できるようになっている。また、時計ケース１１の外周部には、時刻合わせや表示モードの切換などの外部操作を行うためのボタンスイッチ１１１〜１１５が構成されている。
【００１９】
次に、脈波検出用センサユニット３０は、ＬＥＤ、フォトトランジスタなどから構成される。ＬＥＤから照射された光は血液によって反射され、その反射光がフォトトランジスタによって受光されるようになっている。また、ＬＥＤ３１としては、ＩｎＧａＮ系（インジウム−ガリウム−窒素系）の青色ＬＥＤが好適である。青色ＬＥＤの発光スペクトルは、例えば４５０ｎｍに発光ピークを有し、その発光波長域は、３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にある。この場合には、かかる発光特性を有するＬＥＤに対応させてフォトトランジスタとして、ＧａＡｓＰ系（ガリウム−砒素−リン系）のフォトトランジスタを用いればよい。このフォトトランジスタの受光波長領域は、例えば、主要感度領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にあって、３００ｎｍ以下にも感度領域がある。このような青色ＬＥＤとフォトトランジスタとを組み合わせると、その重なり領域である３００ｎｍから６００ｎｍまでの波長領域において、脈波が検出される。この場合には、以下の利点がある。
【００２０】
まず、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指の組織を透過しにくい傾向があるため、外光がセンサ固定用バンドで覆われていない指の部分に照射されても、指の組織を介してフォトトランジスタ３２まで到達せず、検出に影響を与えない波長領域の光のみがフォトトランジスタ３２に達する。一方、３００ｎｍより低波長領域の光は、皮膚表面でほとんど吸収されるので、受光波長領域を７００ｎｍ以下としても、実質的な受光波長領域は、３００ｎｍ〜７００ｎｍとなる。したがって、指を大掛かりに覆わなくとも、外光の影響を抑圧することができる。また、血液中のヘモグロビンは、波長が３００ｎｍから７００ｎｍまでの光に対する吸光係数が大きく、波長が８８０ｎｍの光に対する吸光係数に比して数倍〜約１００倍以上大きい。したがって、この例のように、ヘモグロビンの吸光特性に合わせて、吸光特性が大きい波長領域（３００ｎｍから７００ｎｍ）の光を検出光として用いると、その検出値は、血量変化に応じて感度よく変化するので、血量変化に基づく脈波信号ＭＳのＳ／Ｎ比を高めることができる。
【００２１】
２．脈拍計の電気的構成
次に、脈拍計の電気的構成を図面を参照して説明する。図３は本実施形態に係わる脈拍計のブロック図である。
【００２２】
図３において、脈波検出用センサユニット３０によって検出された脈波信号ＭＳは、アンプ２０１によって所定のレベルの増幅された後、Ａ／Ｄ変換器２０２を介してデジタル信号に変換され脈波データＭＤとしてバッファ２０３に供給され、そこに格納されるようになっている。この脈波データＭＤは１サンプル当たり８ビットで表され、０レベルを中心として±１２７レベルを指示する。
【００２３】
一方、体動検出用センサ装置９０によって検出された体動信号ＴＳは、アンプ２０４によって所定のレベルの増幅された後、Ａ／Ｄ変換器２０５を介してデジタル信号に変換され体動データＴＤとして出力される。この体動データＴＤは１サンプル当たり８ビットで表される。なお、この例において、Ａ／Ｄ変換器２０２，２０５のサンプリング周波数は、８Ｈｚに設定されており、１６秒当たり１２８サンプルが得られるようになっている。
【００２４】
次に、バッファ２０３は、脈波データＭＤを順次格納し、後述するバッファ制御信号ＢＣＳに基づいて、所定期間内に供給された脈波データＭＤあるいは、その一部を０データに置換したデータを脈波信号用ＦＦＴ回路２０７に出力する。
【００２５】
次に、脈波信号用ＦＦＴ回路２０７は、バッファ２０３から出力される脈波データＭＤに対してＦＦＴ処理を施し、脈波信号ＭＳの各周波数脈成分を示す脈波解析データＭＫＤを生成する。このＦＦＴ処理を図４を参照して説明する。図において、時刻ｔ０は脈波の計測開始時刻であり、ＤＢ１，ＤＢ２，…ＤＢ５，…は脈波データＭＤを３２サンプル単位でまとめたデータブロックである。
【００２６】
ＦＦＴ処理では、１２８サンプル（４データブロック）を対象として演算が行われる。仮に、１２８サンプル毎に解析処理を行うと、１６秒（＝１２８＊１／８）毎に脈拍数が更新される。この場合、更新間隔を短くするためにＦＦＴ処理の対象となるサンプル数を減らすと、必要な周波数帯域での解析結果を得ることができない。そこで、この例にあっては、１回の演算毎に対象となるサンプルを１データブロック単位でずらし、直前の１２８サンプルに対してＦＦＴ処理を行うようにしている。これにより、データブロック（３２サンプル）毎に解析結果を出力して、脈拍数の更新を４秒毎に行うことが可能となる。このように、現在の演算対象とするデータを前回の演算対象となったデータと一部重複させ、順次、演算対象となるデータをずらしながら行うＦＦＴ処理を、以下、シフトＦＦＴ処理と称する。
【００２７】
図４において、第１回目のＦＦＴ処理は、脈波信号用ＦＦＴ回路２０７に第１のデータブロックＤＢ１が取り込まれた後に行われる。この場合、脈波データＭＤとしては計測開始時刻ｔ０の直後にサンプルされた３２サンプルしかないので、データブロックＤＢ１に０データを３データブロックＤＢ（９６サンプル）付加したものを演算対象データとしている。なお、０データは、脈波データＭＤの中心値であるので、０データを付加することによって、脈波信号ＭＳに含まれていない周波数スペクトルが演算結果に表れるといったことはない。
【００２８】
次に、第２回目のＦＦＴ処理は、演算対象データを１データブロック分ずらして行われる。この場合、データブロックＤＢ１，ＤＢ２に０データを２データブロックＤＢ（６４サンプル）付加したものを演算対象データとする。この後、演算の対象となるデータを順次ずらして、ＦＦＴ処理を継続する。これにより、脈波の計測開始から１６秒経過して脈波データＭＤを１２８サンプル得なくとも、４秒経過した時点で周波数解析を行うことができるので、脈波計測開始から脈拍数の表示までの時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００２９】
次に、図３に示す体動信号用ＦＦＴ回路２０８は、体動データＴＤに対して、ＦＦＴ処理を施し、体動信号ＴＳの各周波数成分を指示する体動解析データＴＫＤを生成する。この場合も、上述した脈波データＭＤと同様に、シフトＦＦＴ処理が行われる。すなわち、体動信号用ＦＦＴ回路２０８は、まず、直前の１２８サンプルに対してＦＦＴ処理を行ない、次の処理では３２サンプルずらした１２８サンプルに対してＦＦＴ処理を行う。
【００３０】
脈波成分抽出手段２０９は、脈波解析データＭＫＤのみから脈拍に相当する周波数を抽出し、その結果を脈波数算出手段２１０に出力する（第１の抽出方法）。また、脈波成分抽出手段２０９は、脈波解析データＭＫＤと体動解析データＴＫＤとを比較して、脈波解析データＭＫＤの示す各周波数成分から体動解析データＴＫＤの示す各周波数成分を差し引いて、その結果に基づいて脈拍に相当する周波数を抽出し、これを脈拍数算出手段２１０に出力することも可能である（第２の抽出方法）。この抽出方法の切換は、制御手段２０６から供給される抽出切換信号ＴＫＳによって制御される。
【００３１】
次に、制御手段２０６は、体動データＴＤに基づいて、体動の有無、すなわち利用者が運動状態にあるのか安静状態にあるのかを１データブロック（３２サンプル）毎に判別する。具体的には、体動データＴＤの正のピーク値から負のピーク値を減算して振幅値ＰＰを求め、これを予め設定された基準値ＲＥＦと比較して、振幅値ＰＰが基準値ＲＥＦを１データブロック期間中のいずれかのサンプルで上回る場合に体動有りと判定し、一方、振幅値ＰＰが基準値ＲＥＦを１データブロック期間連続して下回る場合には体動無しと判定している。この場合、基準値ＲＥＦは、体動の有無を判別できるように実験等によって予め定められるが、この例にあっては、「５」に設定している。そして、この判定結果に基づいて、脈波抽出方法を指示する抽出切換信号ＴＫＳ、バッファ２０３から出力するデータを制御するバッファ制御信号ＢＣＳ、およびピッチ表示の有無を制御するピッチ表示制御信号ＰＣＳが各々生成される。
【００３２】
ここで、抽出切換信号ＴＫＳは、脈波成分抽出手段２０９に対して、体動無しと判定された場合には第１の抽出方法で脈拍に相当する周波数を算出するよう指示し、一方、体動有りと判定した場合には第２の抽出方法で脈拍に相当する周波数を算出するよう指示する。
また、バッファ制御信号ＢＣＳは、バッファ２０３に対して、体動の状態が有りから無しに変化した後、一定の期間、脈波データＭＤの一部を０データに置換して出力するように指示する。
また、ピッチ表示制御信号ＰＣＳは、ピッチ検出手段２１１に対して、体動が有る場合にピッチの値を示すピッチデータを出力し、体動が無い場合にピッチデータを出力しないように指示する。
【００３３】
次に、脈拍数算出手段２１０は、脈波成分抽出手段２０９によって抽出された周波数に基づいて脈拍数を算出し、これを示す脈拍数データを出力する。この場合、抽出される周波数ｆは、脈波信号ＭＳの基本波成分に対応するので、脈拍数算出手段２１０は「６０／ｆ」を演算によって求め、脈拍数を特定する。
【００３４】
また、ピッチ算出手段２１１は、体動解析データＴＫＤに基づいて、ランニング中のピッチを指示するピッチデータを算出する。この場合、体動解析データＴＫＤは、３２サンプル（４秒）毎に生成されるので、ピッチ算出手段２１１によって算出されるピッチデータも４秒毎に生成される。但し、ピッチデータの表示部２１２への出力は、ピッチ表示制御信号ＰＣＳによって制御されるため、制御手段２０６によって体動無しと判定されると直ちにピッチデータの出力が停止され、ピッチは表示されなくなる。これにより、ランニングを終了した後に、ピッチが表示されるといったことがなくる。
【００３５】
また、表示部２１２は、脈拍数データに基づいて脈拍数を液晶表示装置１３に表示させるとともに、ピッチデータに基づいてピッチを液晶表示装置１３に表示させる。これにより、利用者は、脈拍数やピッチといった生体の情報を認識することができる。
【００３６】
Ｃ．実施形態の動作
次に、本実施形態の動作を図面を参照しつつ説明する。
１．全体動作
図５は、本実施形態に係わる脈波計の動作を説明するためのタイミングチャートである。図５（ａ）は体動データＴＤの振幅値ＰＰの変化についてその一例を示すグラフである。この例にあっては、時刻ｔにおいて、振幅値ＰＰが基準値ＲＥＦを下回る。したがって、制御手段２０６は、期間Ｔ１〜期間Ｔ５では体動有りと判定し、期間Ｔ６〜期間Ｔ８では体動無しと判定する。なお、期間Ｔ５で体動有りと判定されるのは、時刻ｔｔに達した時点で始めて制御手段２０６は体動が無かったと検知するからである。また、図５（ｂ）は、Ａ／Ｄ変換器２０２から出力される脈波データＭＤである。また、体動有りと判定される期間中に検出されたデータブロックには、「’」を付してある。
【００３７】
まず、期間Ｔ５において、バッファ制御信号ＢＣＳは直前の１２８サンプルに相当するデータブロックＤＢ１’〜ＤＢ４’を出力するようにバッファ２０３を制御する。これにより、図５（ｃ）に示すデータがバッファ２０３から出力される。また、期間Ｔ５においては、体動有りと判定されるので、抽出切換信号ＴＫＳは、第２の抽出方法で脈拍に対応した周波数を抽出するように脈波成分抽出手段２０９を制御する。この場合、脈波成分抽出手段２０９は、データブロックＤＢ１’〜ＤＢ４’に基づいて生成された脈波解析データＭＫＤと体動解析データＴＫＤとを比較し、この結果に基づいて脈拍に対応する周波数を特定する。
【００３８】
次に、期間Ｔ６において、直前の４データブロックは、図５（ｄ）に示すＤＢ２’、ＤＢ３’、ＤＢ４’およびＤＢ１になる。ここで、データブロックＤＢ２’〜ＤＢ４’には体動成分が重畳しており、データブロックＤＢ１には体動成分が重畳していない。したがって、データブロックＤＢ１に着目すれば、脈波成分抽出手段２０９は、脈波解析データＭＫＤにのみ基づいて脈拍に対応する周波数を抽出するのが望ましい（第１の抽出方法）。しかし、ＦＦＴ処理の対象となるデータブロックＤＢ２’〜ＤＢ４’は、体動有りに対応するものであるため、第１の抽出方法では、正確に脈拍に対応する周波数を特定することができない。
【００３９】
このため、期間Ｔ６において、バッファ制御信号ＢＣＳは、データブロックＤＢ２’〜ＤＢ４’を０データに置換して出力し、これに続いてデータブロックＤＢ１を出力するようにバッファ２０３を制御する。図５（ｅ）はバッファ２０３から出力されるデータである。ここで、０データは脈波データＭＤの中心値であるから、体動成分が重畳したデータブロックＤＢ２’〜ＤＢ４’は周波数成分の解析に影響を与えないデータに置換される。これにより、脈波信号用ＦＦＴ回路２０７は、データブロックＤＢ１に基づいて周波数解析を行うことができる。
この際、抽出切換信号ＴＫＳは、第１の抽出方法で脈拍に対応した周波数を抽出するように脈波抽出手段２０９を制御する。この場合、脈波成分抽出手段２０９は、脈波解析データＭＫＤにのみ基づいて、脈拍に対応する周波数を特定する。
【００４０】
ここで、脈波データの置換動作についてより具体的に説明する。例えば、期間Ｔ２〜期間Ｔ５における脈波データＭＤの変化が図６に示すものである場合、この脈波データＭＤにＦＦＴ処理を施すと、図７に示す周波数スペクトルが得られる。この例では、比較的低域に体動成分が存在している。このように体動成分が重畳した周波数解析結果から脈拍に対応する周波数を特定することは、困難である。図８に、期間Ｔ２〜期間Ｔ４において０データに置換した脈波データＭＤの変化を示す。この脈波データＭＤは、図５（ｅ）に示すものに相当し、これにＦＦＴ処理を施すと、図９に示す周波数スペクトルが得られる。この場合の周波数解析結果には、体動成分が表れていないので、周波数解析結果から脈拍に対応する周波数を特定することが可能となる。すなわち、０データに置換することにより、実質的に体動成分がないデータにのみ基づいて周波数解析が行われる。
【００４１】
次に、図５に示す期間Ｔ７において、ＦＦＴの演算処理の対象となるデータブロックは、本来、図５（ｆ）に示すＤＢ３’、ＤＢ４’、ＤＢ１、ＤＢ２であるが、バッファ制御信号ＢＣＳは、図５（ｇ）に示すようにデータブロックＤＢ３’、ＤＢ４’を０データに置換したデータを出力し、これに続いてデータブロックＤＢ１、ＤＢ２を出力するようにバッファ２０３を制御する。また、この際、抽出切換信号ＴＫＳは、第１の抽出方法で脈拍に対応した周波数を抽出するように脈波抽出手段２０９を制御する。また、期間Ｔ８において、バッファ制御信号ＢＣＳは、図５（ｈ）に示すデータブロックＤＢ４’、ＤＢ１、ＤＢ２、ＤＢ３のうち、データブロックＤＢ４’を０データに置換して、図５（ｉ）に示すデータを出力するようにバッファ２０３を制御する。このように、判定結果が体動有りから体動無しに切り替わった直後の３ブロック期間には、体動成分が重畳したブロックデータが存在するため、これらのデータを０データに置換する処理がバッファ２０３において行われる。この意味において、バッファ２０３は脈波データの一部を周波数解析結果に影響を与えないデータへ置換する置換手段として機能する。
【００４２】
次に、期間Ｔ９において、バッファ制御信号ＢＣＳは、図５（ｊ）に示すデータブロックＤＢ１〜ＤＢ４を出力するようにバッファ２０３を制御する。データブロックＤＢ１〜ＤＢ４は、体動成分が重畳していない脈波データＭＤであり、脈波成分抽出手段２０９は、脈波解析データＭＫＤにのみ基づいて脈拍に対応する周波数を特定する。
【００４３】
このようにバッファ２０３は、体動有りから体動無しに切り替わった後の所定期間において、体動有りと判定された期間中に記憶した脈波データＭＤを周波数解析に影響を与えないデータに置換して出力するので、当該期間において脈波信号用ＦＦＴ回路２０７は、実質的に、体動無しの期間に検出された脈波データＭＤにのみ基づいて脈波の周波数解析を行うことができる。この結果、例えば、ランニングを終えた直後のように生体の状態が体動有りから体動無し変化した場合であっても、正確な脈拍を直ちに表示させることができる。また、体動信号ＴＳにノイズが突発的に重畳して異常状態に陥った場合であっても通常状態に戻ると、正確な脈拍を直ちに表示させることができる。
【００４４】
２．脈波抽出処理
次に、図面を参照して脈波成分抽出手段２０９の脈波抽出処理について説明する。図１０は脈波抽出手段の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、脈波成分抽出手段２０９は、抽出切換信号ＴＫＳが第２の抽出方法を指示するか否かを判定する。第２の抽出方法を指示する場合は、運動時であって、以下の手順に従って、脈拍に対応する周波数を特定する。まず、ステップＳ２では、体動解析データＴＫＤの最大周波数成分ｆｍを特定し、その１／２の周波数にある一定値ＴＨ以上の体動成分があるかどうか判定する（ステップＳ２）。一定値ＴＨ以上の体動成分がある場合、ｆｍは第２高調波として特定する（ステップＳ３）。一方、無い場合には、ｆｍの１／３の周波数に、ある一定値以上の体動成分があるか否かを判定する（ステップＳ４）。ある一定値ＴＨ以上の体動成分が存在するならば、ｆｍを第３高調波として特定する（ステップＳ５）。一方、無かった場合にはｆｍを基本波として特定する（ステップＳ６）。
【００４５】
これらの処理によって、特定されたｆｍが何番目（変数ＨＭＣできていされている。）の高調波であるかを求め、ステップＳ７で基本波を求めるためにｆｍを除する数値（変数ＨＭＣ）を決定する。そこでステップＳ７では、体動の基本波を求める。
【００４６】
次に、ステップＳ８からステップＳ１１においては、脈波の周波数解析の結果の大きな線スペクトル順にその周波数と体動周波数との比較を行い、その周波数が体動信号の基本波、第２高調波、第３高調波と一致するかどうかを判定する。すなわち、脈波検出用センサユニット３０によって検出された脈波信号ＭＳを周波数解析した結果と、体動検出用センサ装置９０によって検出された体動信号ＴＳを周波数解析した結果との間で、互いに重なる周波数があるかどうかを判定するものである。
【００４７】
まず、ステップＳ９においては、体動周波数の基本波との比較を行い、ステップＳ１０においては体動周波数の第２高調波との比較を行い、ステップＳ１１においては体動周波数の第３高調波との比較を行う。これを、検出されたすべての脈波の周波数成分について繰り返して行い、もし、仮に一致する周波数が存在する場合は、この周波数成分を除去する。但し、脈波周波数成分のうち最大のレベルを有する周波数成分のみを用いて判定してもよい。これは、脈波の基本波のレベルが、通常一番大きいからである。この処理を行うことで、ステップＳ１２において、体動成分と一致しない最大脈波成分ｆｎを抽出することができる。
【００４８】
一方、抽出切換信号ＴＫＳが第１の抽出方法を指示する場合には、ステップＳ１の判定結果はＮＯとなり、ステップＳ１３に進んで、脈波解析データＭＫＤのうち最大のものを脈波周波数成分ｆｎとして特定する。この場合は、安静時の抽出方法に対応する。
【００４９】
なお、上述した実施形態においては、３２サンプルを１データブロックとし、４データブロックに対してＦＦＴ処理を行ったが（データブロックのサンプル数は、高速フーリエ変換演算対象データに対して、１／４）、６４サンプルを１データブロックとしてもよい。この場合、ＦＦＴ処理の演算の対象を１２８サンプル（２データブロック）とし、１回の解析毎に１データブロックずらすシフトＦＦＴ処理を行ってもよい（データブロックのサンプル数は、高速フーリエ変換演算対象データに対して、１／２）。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の発明特定事項によれば、生体の状態が体動有りから体動無しに切り替わった場合に、体動有りの期間に検出された脈波データについては周波数解析の結果に影響を与えないデータに置換するから、実質的に体動無しの期間に検出された脈波データに基づいて脈拍数を特定することができ、この結果、脈拍数表示の応答性を改善することができる。また、体動無しの場合には、生体の体動ピッチを表示しないので、利用者が戸惑うこともない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の代表的構成の一例を示す機能ブロック図である。
【図２】同本実施形態に係わる脈拍計の機械的構成を示す説明図である。
【図３】同実施形態に係わる脈拍計のブロック図である。
【図４】同実施形態に係わるＦＦＴ処理を説明する図である。
【図５】同実施形態に係わる脈波計の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】同実施形態に係わる脈波データＭＤの変化の一例を示す図である。
【図７】図６に示す脈波データＭＤにＦＦＴ処理を施した周波数スペクトラムを示す図である。
【図８】同実施形態において０データに置換した脈波データＭＤの変化を示す図である。
【図９】図８に示す脈波データＭＤにＦＦＴ処理を施した周波数スペクトラムを示す図である。
【図１０】本実施形態に係わる脈波抽出手段の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
３０脈波検出用センサユニット（脈波検出手段）
９０体動検出用センサ装置（体動検出手段）
２０３バッファ（置換手段）
２０６制御手段（判定手段）
２０７脈波信号用ＦＦＴ回路（第１の演算手段）
２０８体動信号用ＦＦＴ回路（第２の演算手段）
２０９脈波抽出手段
２１０脈拍数算出手段
２１１ピッチ検出手段
２１２表示部（表示手段）

Claims

一定のサンプル数に対応するデータブロック毎に脈拍を計測する脈拍計において、
生体の体動を検出して体動データを出力する体動検出手段と、
前記体動データに基づいて体動の有無を前記データブロック毎に判定する判定手段と、
前記生体の脈動を検出して脈波データを出力する脈波検出手段と、
前記脈波データを記憶するとともに、前記判定手段の判定結果が体動有りから体動無しに切り替わった後の所定期間においては、体動有りと判定された期間中に記憶した前記脈波データを周波数解析に影響を与えないデータに置換して出力し、前記所定期間以外の期間においては記憶した前記脈波データを出力する置換手段と、
前記置換手段の出力データに対して複数の前記データブロック単位で周波数解析を施し、次の周波数解析を１データブロックずらした前記置換手段の出力データに対して施すことにより、前記データブロック毎に解析結果を得る第１の演算手段と、
前記体動データに対して複数の前記データブロック単位で周波数解析を施し、次の周波数解析を１データブロックずらした前記体動データに対して施すことにより、前記データブロック毎に解析結果を得る第２の演算手段と、
前記判定手段によって体動無しと判定された場合には、前記第１の演算手段の周波数解析に基づいて脈拍に対応する周波数を抽出し、前記判定手段によって体動有りと判定された場合には、前記第１の演算手段と前記第２の演算手段の周波数解析結果に基づいて、脈拍に対応する周波数を抽出する脈波成分抽出手段と、
前記脈波成分抽出手段によって抽出された前記脈拍の周波数から脈拍数を算出する脈拍数算出手段と、
前記脈拍数を表示する表示手段と
を備えたことを特徴とする脈拍計。
前記第２の演算手段の周波数解析結果から、前記生体の体動のピッチを算出するピッチ算出手段と、
前記判定手段によって体動有りと判定された場合には前記ピッチを表示するように前記表示手段を制御し、前記判定手段によって体動無しと判定された場合には、前記ピッチを表示しないように前記表示手段を制御する表示制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の脈拍計。
前記第１の演算手段および前記第２の演算手段で行う周波数解析処理は高速フーリエ変換処理であり、前記データブロックのサンプル数は、高速フーリエ変換演算対象データに対して、１／４もしくは１／２であることを特徴とする請求項１に記載の脈拍計。