JP3815663B2 - 脈に関する情報を検出可能な測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は測定した荷重値の時間的変動から、脈に関する情報を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にデジタル式の体重計は、図９のブロック図に示すような構成から成り、ストレインゲージを貼り付けた起歪体のような荷重検出装置５１の出力電気信号を増幅部５２において増幅し、ローパスフィルタからなるフィルタ回路５３を通して、高周波成分を除去する。そして高周波成分を除去された信号は、Ａ／Ｄ変換器５４にて、アナログ信号をデジタル信号に変換され、マイクロコンピュータ５５において体重値に演算されていた。その演算された体重値を表示装置５６に表示するが、この時、測定された体重値を測定中に時間変化そのまま表示を行っていては、値を読みにくいため、マイクロコンピュータ５５では、一定時間の測定値を平均して表示している。
【０００３】
これは人体の微振動、つまり体動により人体が微妙に振動するため、荷重検出センサの出力も変動すると考えられる。従って、表示する体重値が安定するように、回路側ではフィルタ回路を設けたり、ソフト側では種々な平均化処理を行う等、従来は体重値のちらつきはノイズとして除去し、正確な体重値を得ようとしていた。従って従来の体重計は、単に被験者の体重を測定し表示するだけのものである。
【０００４】
一方、脈に関する指標は、身体の様々な情報を得ることができるために、有用であるとされる。この指標は心臓の心拍機能・状態を知ることが出来るだけではなく、特に加速度脈波は動脈硬化との相関があるとされ、また、脈波伝搬速度は精神的、肉体的緊張を知る指標になるとも言われている。この脈に関する情報を得る手法としては、光電容積脈波法、心電計を用いた測定法、カフによる容量補償法、レーザースペックルを用いた測定法等がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記した従来の脈を測定する方法には、それぞれ問題があった。
光電容積脈波法は、外来光が受光センサに入射すると測定値に影響を与えるものであった。
【０００６】
心電計では電極を胸や手足の皮膚に貼り付けるため、その作業が面倒であったり、測定者も機械とケーブルで接続されるため動きも制限され煩わしいものである。
【０００７】
カフによる測定は、腕を締め付けるため、測定中に被験者にとって若干の苦痛を伴うものであり、また、装置が複雑で高価なものである。
【０００８】
レーザースペックルを用いた測定は、レーザー光の照射用に光ファイバーが必要であり、これも高価なものとなる。
【０００９】
ところで特開昭６０−９７２１９号公報には、体重値には脈拍情報が付加されているとしているが、その根拠が示されておらず、また、脈拍の判定も単純に一定閾値を超えた場合に、一拍とすることが記載されている。
【００１０】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成から成る測定装置で生体の脈に関する情報を得ることであり、また、その測定方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の脈に関する情報を検出可能な測定装置は、荷重を検出する荷重検出手段と、測定された荷重値の時系列データを記憶しておく記憶手段と、記憶された荷重値の時系列データから平均値を演算する平均値演算手段と、前記記憶された荷重値のデータから演算された平均値を減算することにより、加速度脈波に相当する波形の時系列データを演算する加速度脈波演算手段と、演算された加速度脈波の時系列データから脈に関するパラメータを報知する報知手段とを備える。
【００１２】
また、本発明の脈に関する情報を検出可能な測定装置は、前記演算された加速度脈波に相当する波形の時系列データを二重積分演算することで脈波の時系列データを算出する脈波演算手段と、演算された脈波を前記報知手段に報知する。
【００１３】
また、本発明の脈に関する情報を検出可能な測定装置は、前記平均値演算手段において演算された荷重値時系列データの平均値も報知手段に報知する。
【００１４】
また、本発明の脈に関する情報を検出可能な測定装置は、前記加速度脈波に相当する波形の時系列データから加速度脈波指数を算出する加速度脈波算出手段を備える。
【００１５】
また、本発明の脈に関する情報を検出可能な測定装置は、年齢を入力する入力手段を更に設け、入力された年齢と前記加速度脈波指数から年齢における動脈硬化レベルを判定する判定手段を設ける。
【００１６】
また、本発明の脈に関する情報を検出可能な測定装置は、前記脈波演算手段において演算された脈波の時系列データにおける一定時間のピーク数を検出し、検出されたピーク数に基づいて脈拍数を算出する脈拍数算出手段とを更に備える。
【００１７】
また、本発明の脈に関する情報を検出可能な測定装置は、前記脈波演算手段において演算された脈波の時系列データから脈波の形状変化を算出する脈波形状算出手段と、算出された脈波の形状変化の周期に基づいて呼吸数を算出する呼吸数算出手段を備える。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明者は、体重の時間的な微変動は、主に脈に由来するものだと考察し、体重の測定と同時に、心電計で脈波の測定を行った。図１は、ある被験者における体重値の時系列データである。これを見ると、体重値は一定値に収束することはなく、周期的に変化している。尚、Ｙ軸のａ．ｕ（Ａｒｂｉｔｒａｒｙ Ｕｎｉｔ）は任意の単位である。
【００１９】
図２は、体重値の時系列データにどのような周波数成分が含まれているかを判断するためにＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理した図である。Ｘ軸は周波数ｆ（Ｈｚ）を、Ｙ軸は荷重のパワースペクトル（ＰｏｗｅｒＳｐｅｃｔｒｕｎｍ）を示している。この図を見ると、１Ｈｚ付近にスペクトルの集中した個所がある。それ以外のスペクトルは前記１Ｈｚの高調波である。つまり体重値は約１秒毎に周期的に変化していると言える。
【００２０】
図３は、図１に示した体重値の時系列データ測定と共に同被験者の心電図を測定し、Ｒ波が検出されてから１秒間のみを抽出した図である。この図を見ると、心電のＲ−Ｒ間隔は約１秒で、Ｒ波が検出された時を時刻ｔ＝０（ｓ）としてから、約０．２５秒後に大きな変動（Ａ点）を生じている。この図３は、ある１秒間のみを抽出した図であるが、他の区間においても毎回、Ｒ波が検出されてから約０．２５秒後に同様の変動が確認された。
【００２１】
従って、図２の体重のスペクトルから考えられる１秒毎の変動は、心電図から得られた心電の１秒周期と合致している点、及び図３のＲ波が検出されてから毎回ほぼ同じ遅れ時間で荷重値の大きな変動が生じていることから、心臓の動きが関与していることが明白である。
【００２２】
これは、心臓から血液を送り出す際の振動が骨や筋肉等を媒体として全身に伝わり、そのため荷重センサの検出値も変動していると考えられる。つまり脈と同様の変動であるといえる。
【００２３】
つまり、図１に示す荷重値の時系列データは、加速度脈波を含むものである。
測定されている荷重値Ｆは、
Ｆ＝ｍｇ＋△（ｍ´ａ´）
で表される。但し、ｍは質量、ｇは重力加速度である。ここで△（ｍ´ａ´）は振動成分であり長い時間における積分値をとると０に収束する。荷重値のＤＣ成分、即ちｍｇのみを得れば、従来通り体重値を算出することが出来る。
【００２４】
従って、本発明では、体重検出装置を利用して、拍動よりも十分に早いサンプリング周期で荷重値の時系列データを得て、記憶装置に記憶しておく。
【００２５】
記憶された体重の時系列データを、拍動周期程度以上の十分に長い時間で平均化する。測定場所における重力加速度ｇは一定であるので、体重ｗ＝ｍを算出することが出来る。
【００２６】
また時系列データからＤＣ成分を差し引いた残り（ＡＣ成分）には、主に拍動に由来する振動成分を加速度として観測することができる。ｍ´は体重とは異なるが、個人によりほぼ決まった定数なので、加速度ａ´が荷重値のＡＣ成分に比例する。荷重値の時系列データは以上より
Ｆ（ｔ）＝ｗｇ＋ｍ´ａ´（ｔ）
と書き直すことができる。
【００２７】
測定された体重の時系列データから体動に含まれる拍動成分を抽出する。荷重値の直流成分は体重であり、交流成分は加速度脈波であり、荷重値の二重積分は脈派に相応する。
【００２８】
これにより、脈派、脈拍数、加速度脈派といった脈に関するパラメータを算出することが可能となる。
【００２９】
【実施例】
本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
本発明の一実施例である脈波検出可能な測定装置の外観図を図４に、ブロック図を図５に示す。
【００３０】
図４は、本発明に係る一実施例における測定装置の外観を示す斜視図である。図４に示すように、本測定装置は、表示およびキー入力を行うためのコントロール部１と体重を測定するための測定部２とから構成されており、それらはケーブル３で接続されている。コントロール部１のハウジング１ａの外側表面には、報知手段である表示装置５、入力手段であるキースイッチ６、その他、外部入出力インターフェイス７が配置されている。
【００３１】
図５は、図４に示す測定装置の内部構成を示すブロック図である。本測定装置は、前述のようにコントロール部１と測定部２に大別され、図５に示すように、コントロール部１は、測定に関する制御および演算処理等を行うＣＰＵ、制御および演算用プログラム、定数等を記憶するＲＯＭ、演算結果やパラメータ等を一時的に記憶するＲＡＭ、他にタイマー、ＩＯポート等を有する、平均値算出手段、加速度脈波演算手段、脈波演算手段、脈拍数算出手段、脈波形状算出手段、呼吸数算出手段であるマイクロコンピュータ１１を備える。また、コントロール部１は更に、測定結果、測定状況等を表示する液晶ディスプレイである表示装置５、本測定装置の電源投入及び切断や個人パラメータの入力を行うためのキースイッチ６、外部との入出力を行うための外部入出力インターフェイス７、測定に関するパラメータやデジタル荷重信号の多数の時系列データ等を記憶、読み出し、更新可能な不揮発性の記憶手段である記憶装置１２を備える。
【００３２】
一方、測定部２は、利用者の体重値を測定し、測定値をコントロール部１へケーブル３を介して出力するものであり、ストレインゲージを用いてブリッジ構成した荷重検出装置２１、荷重検出装置２１から出力される電圧信号を増幅する増幅器（ＡＭＰ）２２、増幅器２２からの出力であるアナログ信号をデジタル信号に変換し、マイクロコンピュータ１１へ出力するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）２３を備える。
【００３３】
次に本実施例の測定装置の動作について説明する。
図６は本測定装置の動作を示すフローチャートである。
キースイッチ６内の電源ＯＮ／ＯＦＦボタンが押されると、測定装置の電源はオンとなり初期化され、個人パラメータの設定が可能な状態となる（ステップＳ１）。利用者はキースイッチ６を用いて、自分の年齢を入力する。入力された年齢は記憶装置１２に一時的に記憶される（ステップＳ２）。
【００３４】
ここで利用者が測定部２に載ると、荷重検出装置２１は荷重の測定を開始する（ステップＳ３）。尚、荷重測定のサンプリング周期は拍動よりも十分に早い時間であることが必要である。一般に脈拍の周期は３００（ｍｓ）〜１．２（ｓ）と言われ、本測定装置では荷重測定のサンプリング周期を２０（ｍｓ）とする。測定された荷重信号は逐次、増幅部２２に取り込まれ増幅される。増幅されたアナログ荷重信号はＡ／Ｄ変換器２３においてデジタル荷重信号に変換され、マイクロコンピュータ１１を介して記憶装置１２に記憶される（ステップＳ４）。ここで荷重測定が開始されてから一定時間が経過したかを判断する（ステップＳ５）。ここでは一定時間を６０（ｓ）とし、６０（ｓ）経過するまではステップＳ３に戻り、荷重の測定を続ける。従って本測定装置では２０（ｍｓ）のサンプリング周期で６０（ｓ）間、体重の測定を行い荷重値の時系列データを記憶していく。
【００３５】
ステップＳ５において６０（ｓ）の測定時間が経過している場合には、記憶装置１２に記憶されている全荷重値データの平均値を算出する。この平均値の算出は単純平均であり、全荷重値データを加算した値をデータ数で除算することで算出する（ステップＳ６）。この算出された値は荷重値のＤＣ成分であり、利用者の体重値となる。
【００３６】
次にステップＳ６で算出された平均荷重値を、記憶装置１２に記憶されている全荷重値データから減算する（ステップＳ７）。この値は荷重値のＤＣ成分であるが、前述の通り利用者の加速度脈波に相当する。
【００３７】
次に加速度脈波の時系列データから、ノイズ除去する。ここでは移動平均処理を行うことでデータを平滑化する（ステップＳ８）。更に必要であれば、荷重によって決定される測定部の機械的共振のインパルス応答特性を減算することでノイズの除去を行っても良い。
【００３８】
次に、この加速度脈波のデータからＡＰＧ−Ｉｎｄｅｘ（加速度脈波指数）を算出する（ステップＳ９）。ＡＰＧ−Ｉｎｄｅｘは年齢によりＡ〜Ｇまでランク分けされる。従って、算出されたＡＰＧ−Ｉｎｄｅｘと設定された利用者の年齢から、利用者の年齢に応じた動脈硬化のランクを求める。尚、この加速度脈波からＡＰＧ−Ｉｎｄｅｘを算出する方法については既に多くの文献に記載されている事項であり、また年齢に応じた動脈硬化のレベル判定も公知な方法のため、ここでは省略する。
【００３９】
次にステップＳ７で算出された加速度脈波のデータを二重積分演算する（ステップＳ１０）。この積分演算は、マイクロコンピュータ１１内でソフト上演算されるが、回路側で積分回路を設け二重積分を行う構成としてもよい。この加速度脈波を二重積分した時系列データは、利用者の脈波に相当する脈波の時系列データとなる。
【００４０】
次にこの記憶された脈波データからピーク数を検出する。ここでは脈波データから得られる脈波の波形から、波高の最大となる点をソフトウェア上で順次探索することで脈波のピーク数を検出する（ステップＳ１１）。これを脈拍数とする。尚、脈波から脈拍数を得る手法は、他にも数多く提案されているが、この方法に限ることはない。
【００４１】
更に呼吸数も算出する。ここでは脈波の形状変化を検出する脈波形状変化検出手段を設け、検出された脈波の形状変化周期に従って呼吸数を算出する。よってステップＳ１０において算出された記憶装置１２に記憶されている脈波の形状に関するデータから、呼吸数を算出する（ステップＳ１２）。尚、この脈波の形状変化から生体の呼吸数を算出する方法については、特開平６−１４２０８２号公報の他、多くの公報に記載されており、ここでは省略する。
【００４２】
次に算出された各値を表示装置５に表示する。図７は、結果表示例を示す図である。このように、体重値、脈拍数、呼吸数、ＡＰＧ−Ｉｎｄｅｘが表示される（ステップＳ１３）。
【００４３】
表示が行われてから一定時間経過後、自動的に電源はオフされることにより全ての動作は終了する（ステップＳ１４）。
【００４４】
以上、ここでは測定した荷重値から、種々の処理を行うことで脈に関するパラメータを表示する測定装置について説明した。
【００４５】
本発明は、測定した体重値のデータから、体重値と脈波成分を分離することで脈に関するパラメータを算出するものであるが、ここでは体重値から脈波成分の抽出方法として、測定した体重値の時系列データを逐次記憶し、マイクロコンピュータで平均値の算出や減算等の種々の演算を行うことについて述べた。
【００４６】
しかし、これに限らず、回路側で抽出することとしてもよい。例えば図８（ａ）に示すように、高周波成分と低周波成分を各々分離可能なローパスフィルタとハイパスフィルタを共に備えるフィルタ回路を設けて、増幅した荷重値データをローパスフィルタ側において体重値成分を検出し、ハイパスフィルタ側において加速度脈波成分を検出する構成とすれば、回路側だけで脈に関するデータの抽出が可能である。
【００４７】
あるいは図８（ｂ）に示すように、増幅した荷重値データをローパスフィルタに通すことで体重値成分を抽出し、差動増幅器において、増幅した荷重値データから体重値成分を減算することで加速度脈波成分を抽出する構成としてもよい。この場合にも、回路側において荷重値と脈に関する成分を算出することが可能である。
【００４８】
また、マイクロコンピュータにおいて、脈に関する成分を演算する場合にも、測定された荷重値データを逐次記憶して平均値を算出し、その平均値を記憶している荷重値の時系列データから減算する形態ではなく、数サンプリングにおける測定値を積算することで平均値を算出し、測定した荷重値データから算出した平均値を減算した値を記憶する形態としてもよい。
【００４９】
また、算出した加速度脈波及び脈波の時系列データをそのまま表示することで、それらの波形を示す形態としてもよい。あるいは、外部入出力インターフェイス７を利用して外部の表示装置に表示したり、コンピュータと接続して、コンピュータ上で種々の解析を行う形態としてもよい。
【００５０】
更に、本実施例では脈波データからピーク検出を行うことで脈拍数を算出したが、各ピーク間隔の算出を行うことで平均脈拍間隔（心電図におけるＲ−Ｒ間隔）を求めたり、あるいはまた、脈波の時系列データから脈波スペクトルを除いた残りの成分は利用者の測定中における体動に由来する値である。従って、測定した荷重値データから脈波成分を分離して体動評価を行い表示する機能を設けた形態としてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の測定装置によれば、一定時間利用者の荷重を測定し、得られた荷重値の時系列データから、幾つかの演算処理を行うことで脈に関するパラメータを算出することが可能である。これにより、従来のように測定が煩わしかったり利用者が測定中に苦痛をともなったりすることはなく、従来の体重を測定する場合と同様、測定装置に直立して載っているだけで、脈に関する情報を簡単に得ることが可能である。
【００５２】
また、本発明の測定装置であれば、従来から用いられている簡単な構成であるデジタル式の体重計にプログラム上の僅かな変更を加えるだけで、脈に関する種々の情報を得られるため、有用なものとなる。
【００５３】
従って、本発明の測定装置であれば、体重と同時に簡単に脈に関する情報を得ることが可能なので、健康管理において非常に有用なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 荷重値の二重積分を示す図。
【図２】 荷重値の二重積分のＦＦＴを示す図。
【図３】心電図のＲ波が検出されてから１秒間の体重値の時系列データを示す図。
【図４】本発明の実施例における測定装置の外観図。
【図５】本発明の実施例における測定装置のブロック図。
【図６】本発明の実施例における測定装置の動作を示すフローチャート。
【図７】本発明の実施例における測定装置の結果画面を表す図。
【図８】本発明のその他の実施形態におけるブロック図。
【図９】従来の体重計におけるブロック図。
【符号の説明】
１ コントロール部
１ａ ハウジング
２ 測定部
３ ケーブル
５、５６ 表示装置
６ キースイッチ
７ 外部入出力インターフェイス
１１、５５ マイクロコンピュータ
１２ 記憶装置
２１、５１ 荷重検出装置
２２、５２ 増幅器
２３、５４ Ａ／Ｄ変換器
５３ フィルタ回路

Claims (2)

1. ２０ｍｓの周期で荷重を検出する荷重検出手段と、前記２０ｍｓの周期で検出された荷重を逐次６０ｓ間にわたって荷重値の時系列データとして記憶していく記憶手段と、前記記憶された６０ｓ間にわたる荷重値の時系列データの平均値を演算する平均値演算手段と、前記記憶された６０ｓ間にわたる荷重値の時系列データから前記演算された６０ｓ間にわたる荷重値の時系列データの平均値を減算することにより加速度脈波に相当する波形の時系列データを演算する加速度脈波演算手段とを備える脈に関する情報を検出可能な測定装置。
2. 前記加速度脈波に相当する波形の時系列データから加速度脈波指数を算出する加速度脈波指数算出手段と、年齢を入力する入力手段と、前記入力された年齢及び前記算出された加速度脈波指数から前記入力された年齢における動脈硬化レベルを判定する判定手段と、前記演算された加速度脈波に相当する波形の時系列データを二重積分演算することで脈波の時系列データを演算する脈波演算手段と、前記演算された脈波の時系列データにおける一定時間のピーク数を検出し前記検出されたピーク数に基づいて脈拍数を算出する脈拍数算出手段と、前記演算された脈波の時系列データから脈波の形状変化を算出する脈波形状算出手段と、前記算出された脈波の形状変化の周期に基づいて呼吸数を算出する呼吸数算出手段とを更に備える請求項１記載の脈に関する情報を検出可能な測定装置。

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