JP4401014B2

JP4401014B2 - 脈波解析装置

Info

Publication number: JP4401014B2
Application number: JP2000262600A
Authority: JP
Inventors: 禎祐木村; 彰岩田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP2002065622A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検者の脈波を解析する脈波解析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、健康管理を目的として、日常生活や、ジョギング等の運動時における心臓の拍動数（心拍数）をモニターするニーズが高まっている。
心拍数を検出するには、胸部に電極を取り付け、心拍に伴って発生する活動電位を計測して心電図を描き、この心電図に描かれる波形のピーク間隔時間から算出する方法が一般に知られている。
【０００３】
しかし、電極を胸部に張り付ける必要があり、手間がかかるので、計測した脈波から簡便に脈拍数を検出する方法が代用として行われている。
脈波は、心拍によって起きる動脈内の圧力変化が、末梢動脈に波動として伝わったものであり、例えば、光学式脈波センサによって検出することができる。
光学式脈波センサは、血液中のヘモグロビンの光吸収特性を利用して、末梢動脈の血液の波動的な流量変化を計測するものであり、人体の適所（指、腕、こめかみ等）に簡便に装着することができ、被験者に大きな負担をかけない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の脈拍数検出装置は、以下の課題を有する。
図４に示す様に、心拍数、脈拍数は、それぞれ、６０を心電波形と脈波波形の振幅のピーク間隔時間（秒）で割って求められる。
通常、心電波形と脈波波形の振幅のピーク位置とは同期しており、心拍数と脈拍数とは一致する。
しかし、被験者は、日常生活や運動を行っているので、時々、脈波センサを装着した計測部位に体動が生じる。
体動が生じると、末梢動脈の血流が乱れ、心拍とは無関係な脈波の振幅のピークが発生するので、心拍数と脈拍数とが一致しなくなり、脈拍数を心拍数の代用として利用できなくなる。
【０００５】
また、心拍と無関係な脈波の振幅のピークの周波数が、心拍に同期する脈波の振幅のピークの周波数に近いので、心拍と無関係な脈波をノイズ除去用のフィルタで除去できない。
【０００６】
一方、特開平７- ２９９０４４号公報には、運動ノイズ検出センサを設け、脈波検出センサから得られる脈拍信号からピーク検出信号とその時間を求め、ピーク検出信号のうち運動ノイズによる信号を除去し、他のピーク検出信号から脈拍信号の周期を求め、該周期から脈拍数を求める脈拍検出装置が記載されている。しかし、運動ノイズ検出センサでは検知できない、血流の乱れに伴うノイズが脈拍信号に含まれている場合には有効に機能しない。
【０００７】
本発明の目的は、被検者が体動しても、脈波を精度良く解析することができる脈波解析装置の提供にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
脈波計測手段は、被検者の適所に装着した脈波センサが出力する脈波を計測する。
ウェーブレット変換手段は、脈波計測手段が計測した脈波データを複数のサブバンドにウェーブレット変換し、脈波データが細かく周波数成分に分解される。
逆ウェーブレット変換手段は、選定されたサブバンドを逆ウェーブレット変換する。
解析手段は、再構成された脈波データを解析する。
脈波解析装置は、脈波が整形されてピークが明確であるので、被検者が体動しても、脈波を精度良く解析することができる。
【０００９】
また、脈波解析装置は、サブバンドを選定するサブバンド選定手段とを備える。
サブバンド選定手段は、安静状態にある被検者から所定時間のあいだ計測した脈波データから解析指標Ｘ１を算出しておき（ｓ１１、ｓ１２）、さらに該脈波データを複数のサブバンドにウェーブレット変換し（ｓ１３）、複数のサブバンドから任意の１つのサブバンドを取り除いた残りのサブバンド群を逆ウェーブレット変換して再構成した脈波データから解析指標Ｘ２を求め（ｓ１５、ｓ１６）、解析指標Ｘ１と解析指標Ｘ２との差異が設定値以上になった場合に、取り除いたサブバンドを採用する（ｓ１７、ｓ１８）ことを繰り返すことによりサブバンドを選定することを特徴とする（図２参照）。
【００１０】
なお、差異は、脈波の立ち上がりの最大傾斜点間の距離の差の統計値、または脈波のピーク間距離の差の統計値である。
【００１１】
選定処理が終了すると、被検者の適所に装着した脈波センサが出力する脈波を所定時間、脈波計測手段が計測する（ステップＳ４）。
つぎに、この計測した脈波データをウェーブレット変換手段が複数のサブバンドにウェーブレット変換する（ステップＳ５）。ウェーブレット変換することにより、脈波データは細かく周波数成分に分解される。なお、その分解されたデータ係数の集合を一つのサブバンドと呼ぶ。
【００１２】
逆ウェーブレット変換手段は、選定された複数のサブバンドを用いて逆ウェーブレット変換する（ステップＳ６）。これにより、脈波データが再構成される。再構成された脈波データを解析手段が各種解析処理を行う（ステップＳ７）。解析処理は、例えば、脈拍数の算出や脈拍間隔の揺らぎ解析等である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図２、図３、図５、および図６に基づいて説明する。図３に示す様に、脈波解析装置Ａは、被検者に装着する脈波センサ１と、脈波センサ１を駆動するための駆動回路２と、脈波を計測して解析するデータ処理部３と、表示器（図示せず）とを有する。
【００１４】
本実施例では、脈波センサ１は光学式であり、窓１１を有するセンサユニット１２内に、発光素子１３と受光素子１４とを配設したものであり、例えば、被検者の指に装着する。
【００１５】
発光素子１３から被検者の皮膚１５に向かって光１３０が照射されて人体内部１６に入り、毛細血管１７に当たった光の一部が、毛細血管１７中を流れる血液中のヘモグロビンに吸収される。また、残りの光が毛細血管１７で反射して散乱し、その一部が受光素子１４に入光する。
【００１６】
この際、血液の流動により、毛細血管１７中のヘモグロビンの量が波動的に変化するので、ヘモグロビンに吸収される光も波動的に変化する。
その結果、毛細血管１７で反射して受光素子１４で検出される受光量が変化し、その受光素子１４の受光量が変化し、センサ出力１００（脈波）の電圧変化に現れる。
【００１７】
駆動回路２は、発光素子１３に駆動用の電力を供給する回路であり、駆動用の電力が供給されると発光素子１３が発光する。
データ処理部３は、センサ出力１００（脈波）を増幅する検出回路３１と、増幅された脈波１０１（アナログ信号）をデジタル信号１０２に変換するＡ／Ｄコンバータ３２と、デジタル信号１０２を処理するマイクロコンピュータ３３とを有する。
【００１８】
マイクロコンピュータ３３には、デジタル信号１０２を図２に示すフローチャートに基づいて処理するプログラム（脈波計測手段、ウェーブレット変換手段、逆ウェーブレット変換手段、解析手段、サブバンド選定手段に相当）が組み込まれている。
【００１９】
つぎに、マイクロコンピュータ３３の作動および脈拍解析装置Ａの作用効果を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
マイクロコンピュータ３３は、脈波の計測・解析に先立って後述するサブバンドの選定処理（ステップｓ１１〜ｓ１９）をステップｓ１で行う。
【００２０】
サブバンドの選定処理が終了すると、ステップｓ２でデジタル信号１０２を所定時間、取り込み脈波データを得る。
つぎに、ステップｓ３で、この脈波データをＮ個のサブバンドにウェーブレット変換する。ウェーブレット変換することにより、脈波データは細かく周波数成分に分解される。なお、その分解されたデータ係数の集合を一つのサブバンドと呼ぶ。
【００２１】
後述するサブバンドの選定処理（ステップｓ１１〜ｓ１９）により選定された複数のサブバンドを用いて、ステップｓ４で脈波データを逆ウェーブレット変換する。これにより、脈波データが再構成される。
ステップｓ５で、再構成された脈波データを用いて各種解析処理を行う。解析処理は、例えば、脈拍数の算出や脈拍間隔の揺らぎ解析等である。
【００２２】
サブバンドの選定処理（ステップｓ１１〜ｓ１９）について
ステップｓ１１で、安静状態にある被検者から所定時間のあいだ脈波１０１をサンプリングしてデジタル信号１０２を所定時間、取り込み脈波データを得る。ステップｓ１２で、この脈波データから解析指標Ｘ１を算出する。解析指標Ｘ１は、例えば、脈拍数や脈拍間隔である。
【００２３】
ステップｓ１３で、安静状態にある被検者から所定時間のあいだ脈波１０１をサンプリングしてデジタル信号１０２を所定時間、取り込み、得られた脈波データをＮ個のサブバンドにウェーブレット変換する。また、変数Ｉを０とする。ウェーブレット変換することにより、脈波データが細かく周波数成分に分解される。なお、分解されたデータ係数の集合を一つのサブバンドと呼ぶ。
【００２４】
ステップｓ１４で変数Ｉを１〜Ｎまで変化させる。
ステップｓ１５で、Ｉ個目のサブバンドを除いた残りのサブバンドを逆ウェーブレット変換する。
【００２５】
ステップｓ１６で、逆ウェーブレット変換により再構成された所定時間の脈波データから解析指標Ｘ２を算出する。
ステップｓ１７で、｜Ｘ１−Ｘ２｜≧設定値であるか否かを判別し、｜Ｘ１−Ｘ２｜≧設定値である場合（ＹＥＳ）にはステップｓ１８に進み、｜Ｘ１−Ｘ２｜＜設定値である場合（ＮＯ）にはステップｓ１４に戻る。
ステップｓ１８でＩ番目のサブバンドを選定する。
ステップｓ１９でＩ≧Ｎであるか否かを判別し、Ｉ≧Ｎである場合（ＹＥＳ）にはステップｓ２に進み、Ｉ＜Ｎである場合（ＮＯ）にはステップｓ１４に戻る。
【００２６】
Ｉ番目のサブバンドが解析指標に大きく影響を与えている場合には、｜Ｘ１−Ｘ２｜≧設定値になる。つまり、Ｉ番目のサブバンドには解析指標に必要な情報が含まれているといえる。
このようにして、サブバンドを選定すれば、解析しようとしている指標に係る情報（例えば、脈拍数の解析に必要な情報）のみを抽出できる。
【００２７】
脈波解析装置Ａは、サブバンドの選定処理（ステップｓ１１〜ｓ１８）により選定された複数のサブバンドを用いて、脈波データを逆ウェーブレット変換して脈波データを再構成している。
このため、被検者の体動により血流に乱れが生じて、図５の（ａ）に示す脈波データ（原波形）が計測されても、図５の（ｂ）に示す波形（再構成した波形）に整形されてピークが明確となるので脈波データを精度良く解析することができる。
【００２８】
本発明は、上記実施例以外に、つぎの実施態様を含む。
ａ．図６の（ａ）は、安静状態にある被検者から脈波１０１を計測して、デジタル信号１０２に変換して得られた脈波データ（安静時脈波データの原波形）である。
図６の（ｂ）は、その脈波データ（安静時脈波データの原波形）からＩ番目のサブバンドを除いた残りのサブバンドを逆ウェーブレット変換して再構成した脈波データ（安静時脈波データの原波形から、Ｉ番目のサブバンドを除いて再構成した脈波データ）である。
【００２９】
或る解析指数に基づいて、この二つの波形を評価した場合、その差が大きければ、Ｉ番目のサブバンドは、その解析指標にとって重要であるので、Ｉ番目のサブバンドを選定する。
ここで、解析指標を図６に示すＹ１…、Ｘ１…とする。
Ｙ１…は、安静時脈波データの立ち上がりの最大傾斜点間の距離（時間の単位）である。
Ｘ１…は、安静時脈波データの原波形から、Ｉ番目のサブバンドを除いて再構成した脈波データの立ち上がりの最大傾斜点間の距離（時間の単位）である。
【００３０】
これら、Ｙ１…、Ｘ１…に基づいてサブバンドの重要性を判断する。例えば、｜Ｙ１−Ｘ１｜、｜Ｙ２−Ｘ２｜、｜Ｙ３−Ｘ３｜……の合計、平均値、二乗平均値、分散、標準偏差といった統計値である。
また、上記最大傾斜点を、脈波データのピーク間距離としても良い。
【００３１】
ｂ．脈波センサは、指以外に、被検者の耳、足、胴体、首等に装着しても良い。また、装着する脈波センサは、光学式以外に、超音波式、圧力式、ドップラー式等でも良い。
【００３２】
ｃ．上記実施例の脈波センサ１の発光素子１３は、ＬＥＤが使用でき、受光素子１４はフォトダイオードやフォトトランジスタが使用できる。また、受光素子１４の、抵抗値変化、電流値変化、または電圧値変化に基づいて脈波を検出すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１を説明するためのフローチャートである。
【図２】本発明の一実施例に係る脈波解析装置の作動を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施例に係る脈波解析装置の説明図である。
【図４】心電波形と脈波波形とを比較したグラフである。
【図５】（ａ）は被検者の体動により血流に乱れが生じている場合の脈波データ（原波形）であり、（ｂ）はその脈波データを再構成した場合の波形（再構成した波形）である。
【図６】（ａ）は安静状態にある被検者から得られた脈波データ（安静時脈波データの原波形）であり、（ｂ）はその脈波データからＩ番目のサブバンドを除いた残りのサブバンドを逆ウェーブレット変換して再構成した脈波データ（安静時脈波の原波形から、Ｉ番目のサブバンドを除いて再構成した脈波データ）である。
【符号の説明】
Ａ脈波解析装置
１脈波センサ
３３マイクロコンピュータ（脈波計測手段、ウェーブレット変換手段、逆ウェーブレット変換手段、解析手段、サブバンド選定手段）
Ｘ１、Ｘ２解析指標（差異）

Claims

被検者の適所に装着した脈波センサが出力する脈波を計測する脈波計測手段と、
脈波データを複数のサブバンドにウェーブレット変換するウェーブレット変換手段と、
選定されたサブバンドを逆ウェーブレット変換する逆ウェーブレット変換手段と、
再構成された脈波データを解析する解析手段と、
サブバンドを選定するサブバンド選定手段とを備え、
該サブバンド選定手段は、
安静状態にある前記被検者から所定時間のあいだ計測した脈波データから解析指標Ｘ１を算出しておき、さらに該脈波データを複数のサブバンドにウェーブレット変換し、複数のサブバンドから任意の１つのサブバンドを取り除いた残りのサブバンド群を逆ウェーブレット変換して再構成した脈波データから解析指標Ｘ２を求め、
解析指標Ｘ１と解析指標Ｘ２との差異が設定値以上になった場合に、取り除いたサブバンドを採用することを繰り返すことによりサブバンドを選定することを特徴とする脈波解析装置。
前記差異は、前記脈波の立ち上がりの最大傾斜点間の距離の差の統計値であることを特徴とする請求項１記載の脈波解析装置。
前記差異は、脈波のピーク間距離の差の統計値であることを特徴とする請求項１記載の脈波解析装置。