JP4777755B2 - 心音検出装置 - Google Patents

Description

本発明は心音検出装置に関し、特に心II音の開始点検出を行う心音検出装置に関する。

従来、脈波伝播速度（ＰＷＶ:Pulse Wave Velocity）は動脈壁の硬さを表す指標として、動脈硬化の診断に広く用いられている。ＰＷＶは、血管の長さ方向に離間した２点間を脈波が伝播する速度（又は所要時間）として測定される。

心臓と他の一点（例えば四肢）との間のＰＷＶを測定したい場合、心臓（大動脈起始部）での脈波もしくはその特徴点を測定するのが理想的であるが、四肢での測定と異なり、容易には測定できない。

そのため、一般には、心音を手がかりに脈波の特徴点（具体的には立ち上がり点）を検出している。心音には心I音と心II音に大別され、心I音の主な成分は僧帽弁の閉鎖音と、それに引き続く大動脈弁の開放音である。また、心II音の主な成分は大動脈の閉鎖音と、それに引き続く僧帽弁の開放音である。

心I音に含まれる大動脈弁の開放音は、僧帽弁の閉鎖音と時間的に重なっており、大動脈弁の開放音の開始点を識別することは非常に困難である。しかし、大動脈起始部での脈波の立ち上がり点を検出するには、血液が大動脈に駆出される際に発生する大動脈弁の開放音を測定することが望まれる。そのため、心I音から大動脈弁の開放音の開始点を検出しようとする試みがなされている（例えば特許文献１）。

心I音から直接大動脈弁の開放音の開始点を見出すというアプローチとは別に、心II音の最初の主成分である大動脈弁の閉鎖音の開始点を精度良く検出することは難しくないという性質に着目し、大動脈弁の閉鎖音の開始点から大動脈弁の開放音の開始点を求めるというアプローチがある。これは、心II音の大動脈弁の閉鎖音の開始点を検出し、大動脈弁の開放時から閉鎖時までの時間差を補正することによって、大動脈弁の開放音の開始点を算出する方法である。補正は、例えば四肢で測定した脈波の特徴点間の時間差を心II音の開始時刻から差し引くことによって行う。

特開２００１−２２４５６３号公報

大動脈弁の閉鎖音の開始点は僧帽弁の開放音の影響を受けないため、僧帽弁の音と重なる大動脈弁の開放音の開始点よりも検出は容易であるが、ノイズの影響を受けやすいという心音検出の一般的な問題は依然として存在する。

心音は３０〜５００Ｈｚ程度の周波数帯域を有し、いびきや人の声、靴音などの環境音に影響を受けやすい。このような、環境音などのノイズの影響を低減するため、５０〜１００Ｈｚを通過帯とするＬ特性を有するバンドパスフィルタを用いて抽出した、心音に多く含まれる低い周波数成分の信号を用いて大動脈弁の閉鎖音の開始点（以下、心II音の開始点という）を検出することが多い。

このように、主成分である低周波成分を用いて心II音の開始点を検出することにより、ＳＮ比の良好な信号に基づいた検出が可能となる。しかしながら、その反面、低周波成分であることから、１００〜３００Ｈｚ程度の高周波成分よりも信号周期（ピーク間距離）が長く、また波形の立ち上がりが緩やかである。すなわち、時間的な分解能が高周波成分に比べて劣る。

ＰＷＶの測定を精度良く行うには、心II音の開始点をミリ秒オーダの精度で測定することが望ましい。時間的な分解能が低い低周波成分の信号を用いてこのような精度を実現することは容易でない。

一方、１００〜３００Ｈｚ程度の高周波成分は、波形の立ち上がりが急峻であり、ピーク間距離も短いため、音の開始点が検出しやすいという利点があるが、ノイズが混入し易いため、ノイズと検出したい音との区別が付けにくいという問題があった。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、簡単な構成で精度良く心II音の開始点を検出可能な心音検出装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨は、心II音の開始点を検出する心音検出装置であって、心音の、第１の周波数以下の成分からなる第１の信号を抽出する第１の抽出手段と、心音の、第１の周波数以上の成分からなる第２の信号を抽出する第２の抽出手段と、第１の信号から心II音の開始点を検出する第１の検出手段と、第２の信号の、第１の検出手段が第１の信号で検出した心II音の開始点に対応する時刻を基準とする所定の時間範囲で心II音の開始点を検出し、当第２の信号から検出された心II音の開始点を、最終的な心II音の開始点として検出する第２の検出手段とを有することを特徴とする心音検出装置に存する。

このような構成により、本発明によれば、簡単な構成で精度良く心II音の開始点を検出することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明をその好適な実施形態に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る心音検出装置の構成例を示すブロック図である。心音検出装置において、心音マイク１０５は、例えば被検者の胸部に貼り付けられ、心音を電気信号として出力する。第１のフィルタ１１０は、心音マイク１０５の出力する心音信号から、心音の主成分である低周波成分を抽出する。第２のフィルタ１２０は、心音信号から心音の高周波成分を抽出する。

第１のフィルタ１１０は例えば５０〜１００Ｈｚを通過帯とするＬ特性のバンドパスフィルタである。また、第２のフィルタ１２０は、例えば１００〜３００Ｈｚを通過帯とするバンドパスフィルタである。

なお、第１のフィルタ１１０と第２のフィルタ１２０との通過帯域を分離する周波数は、ここでは１００Ｈｚとしたが、他の値であっても良い。ただし、この周波数が高くなると、第１のフィルタ１１０が抽出する低周波成分に対するノイズ成分の影響が増加し、ＳＮ比の低下を招く。また、大動脈弁が閉鎖する際に発生する高周波成分（個人差によるが５０〜２５０Ｈｚ程度）が第２のフィルタ１２０で十分なレベルで抽出できなくなる。一方、低すぎると、高周波成分の時間分解能が低下するため、最終的に得られる心II音開始点の測定精度が低下する。そのため、これらの条件を勘案して５０〜２００Ｈｚの範囲で決定することが好ましい。

第１及び第２のフィルタ１１０及び１２０が出力する、心音の低周波成分及び高周波成分は、それぞれＡ／Ｄコンバータ１３０及び１４０に入力され、所定のサンプリング周波数（例えば１ＫＨｚ）でデジタルデータに変換される。第１の心II音開始点検出部１５０は、Ｒ波検出部１８０から入力されるＲ波の検出タイミングを用い、Ａ／Ｄコンバータ１３０が出力する心音の低周波成分データから、心II音の開始点（心II音波形の開始点。具体的には心II音由来の最初のピークの、直近のゼロクロス点）を検出する。

心電図電極１７０は、心音マイク１０５と同様に被検者の胸部に取り付けられる電極である。Ｒ波検出部１８０は、心電図電極１７０を通じて被検者の心電図信号を取得し、心電図波形に含まれるＲ波を検出する。そして、Ｒ波の検出を１拍ごとに第１の心II音開始点検出部１５０に通知する。

第１の心II音開始点検出部１５０は、心音の低周波成分データに含まれる第I音に帰因するピークと、第II音に帰因するピークとを識別し、第II音の開始点を検出するためにＲ波の検出タイミングを用いる。すなわち、心電図波形において最も大きなピークを有するＲ波は、心臓の収縮により発生される。従って、Ｒ波の検出タイミング近傍で生じる心音のピークは心I音に帰因するピークであると判断できる。そのため、第１の心II音開始点検出部１５０は、Ｒ波の検出タイミング近傍のピーク群は無視し、一旦小康状態となった後に現れるピーク波形の最初の立ち上がり点を第II音の開始点として検出する。そして、検出した開始点の時刻情報（測定開始時点からの経過時間情報、サンプル番号など、高周波成分データにおいて対応する時刻を特定可能な任意な情報）を、第２の心II音開始点検出部１６０に与える。

第２の心II音開始点検出部１６０は、第１の心II音開始点検出部１５０から入力される時刻情報を基準とした所定時間範囲内て、Ａ／Ｄコンバータ１４０が出力する高周波成分データから心II音の開始点を検出する。ここで、高周波成分に対する心II音開始点の探索時間範囲に特に制限はないが、心II音に含まれる主な周波数成分は３０Ｈｚ程度なので、その周波数成分である±３０〜５０ｍｓ程度の範囲を例示することができる。

第２の心II音開始点検出部１６０は、高周波成分の探索時間範囲内の波形から、心II音の開始点を検出する。具体的には、探索時間範囲内に出現する、予め定めた値以上のピーク値を有する波形に基づいて心II音開始点を検出する。

この方法には様々なものが考えられるが、例えば、以下の方法を用いることができる。まず、探索範囲に含まれる、所定の閾値以上で且つ最大のピーク（ボトム）を探索する。次に、その最大ピーク（ボトム）から時間を遡り、最大ピークの値（絶対値）の所定割合（例えば２０％）を超える最先のピーク（ボトム）を探索する。これが、心II音の最初の信号のピークと考えられる。従って、この最先のピーク（ボトム）から更に時間を遡り、波形が基線とクロスする時間を、心II音開始点として検出する。

探索範囲が第１の心II音開始点検出部１５０から入力される時刻情報を基準として過去の方向（例えば−５０ｍｓｅｃ）と未来の方向（例えば＋５０ｍｓｅｃ）の両方である場合には、過去の領域と未来の領域でそれぞれ同様の探索を行い、それぞれで心II音開始点の候補を探索する。そして、基準となる時刻に近い方の時間を最終的な心II音開始点とする。
なお、高周波成分は心音の少数成分であり、信号レベルが低いため、探索を開始する前に増幅処理を行なっても良い。

図２は、本実施形態の心音検出装置の全体的な動作を説明するフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１で、心音及び心電図の取得を開始する。同時に、Ｒ波検出部１８０による心拍毎のＲ波検出動作、第１及び第２のフィルタ１１０及び、Ａ／Ｄコンバータ１３０及び１４０の動作も開始する。

そして、Ａ／Ｄコンバータ１３０及び１４０の出力する低周波成分データ及び高周波成分データは、例えば第１及び第２の心II音開始点検出部１５０及び１６０の内部メモリに書き込まれる。この内部メモリは例えば直近の２拍分の期間に相当する心音のデータを保持する。
次に、ステップＳ１０３で、第１の心II音開始点検出部１５０が、内部メモリに格納されたサンプルを参照して、第II音の開始点を検出する。

ステップＳ１０３で行う開始点の検出処理について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。
Ｒ波検出部１８０からのＲ波出力タイミングを受けると、第１の心II音開始点検出部１５０はそのタイミングから、低周波成分データのピークを探索する。ピーク探索方法に特に制限は無いが、例えば時系列に並んだサンプル値の増減をしらべ、増加から減少に転じる点をピークとして検出することができる。ピークが検出されたら、そのピークが予め定めた閾値を超えるピークかどうかを調べる（ステップＳ２０１）。この閾値は、検出されたピークが心I音に係る大きなピークであるか、それ以外の小さなピークであるのかを判別するために設定された閾値である。

ステップＳ２０１において、閾値を超えるピークであれば、ステップＳ２０３へ進んで次のピークを検出し、ステップＳ２０１へ戻る。ステップＳ２０１とステップＳ２０３のループにより、Ｒ波に対応して生じる心I音由来のピークを心II音と誤って検出することを防止する（図４における心I音マスク期間）。

ステップＳ２０１において、閾値を超えないピークであれば、ステップＳ２０５へ進み、低周波成分データの値が予め定めた所定時間（例えば１００ｍｓｅｃ）に渡って閾値以下であるかどうかを調べる。これは、例えば所定時間前のサンプルからの値を確認することによっても確認できる。
閾値以下の状態が所定時間継続していない場合には、ステップＳ２０３へ進んで次のピークを検出する。

一方、閾値以下の状態が所定時間継続していた場合には、ステップＳ２０７へ進んで次のピークを検出する。そして、検出されたピークが閾値を超えるピークであるかどうかを調べる（ステップＳ２０９）。この閾値は、検出されたピークが心II音に係る大きなピークであるか、それ以外の小さなピークであるのかを判別するために設定された閾値である。なお、ステップＳ２０９で用いる閾値と、ステップＳ２０１で用いる閾値とは同じであっても異なっていても良い。

ステップＳ２０９で閾値を超えないピークであった場合には、ステップＳ２０７に戻って次のピークを探索する。ステップＳ２０９で閾値を超えるピークであると判定された場合には、心II音の開始に伴う最初のピークであると判定し、時刻を遡ってそのピーク波形の開始点を検出する（ステップＳ２１１）。開始点の検出方法にも制限はないが、ピーク値が得られた時刻から遡り、波形が基線と交差する点の時刻を開始点として検出することができる。
このようにして求められた心II音開始点の時刻情報は、第２の心II音開始点検出部１６０へ与えられる。

図２に戻って、ステップＳ１０５において、第２の心II音開始点検出部１６０は、低周波成分データにおいて検出された心II音開始点（心II音に係る最初のピーク波形の開始点（基線との交差点（ゼロクロス点）））を基準として、高周波成分データに出現する心II音由来の最初のピーク波形の開始点を検出する。

この検出処理は、例えば第２の心II音開始点検出部１６０が有する前述のメモリに記憶された、第１の心II音開始点検出部１５０から与えられた時刻情報を基準として所定時間範囲（例えば±５０ｍｓｅｃ）のサンプルに対し、上述した処理を適用することによって実現できる。すなわち、探索範囲に含まれる、所定の閾値以上で且つ最大のピーク（ボトム）を探索する。次に、その最大ピーク（ボトム）から時間を遡り、最大ピークの値（絶対値）の所定割合（例えば２０％）を超える最先のピーク（ボトム）を探索する。これが、心II音の最初の信号のピークと考えられる。従って、この最先のピーク（ボトム）から更に時間を遡り、波形が基線とクロスする時刻を、心II音開始点として検出する。

このように、本実施形態によれば、低周波成分で検出された心II音開始点を基準として、高周波成分において心II音開始点を検出する。ＳＮ比が高く、立ち上がり点の検出が安定して行える低周波成分の検出結果を元に、時間分解能の高い高周波成分でピーク波形の立ち上がり点を検出するので、高周波成分に混入しやすいノイズ由来のピーク波形を心II音由来のピーク波形と誤検出する可能性を低減できるとともに、低周波成分から心II音の開始点を検出するよりも精度の高い検出を実現することができる。

図４及び図５は、具体的な脈波及び心音の信号波形例と、本実施形態による検出方法を模式的に示す図である。図５は、図４の一部拡大図である。これらの図において、横軸は時間（ｍｓｅｃ）、縦軸は無名数である。なお、高周波成分は比較のため増幅されている。脈波に含まれるＲ波を検出し、心I音区間での誤検出を防止することは前述したとおりであり、図４において心I音マスク期間として示されている。また、図４において、心II音立ち上がり候補と記載されているのは、低周波成分の検出結果を用いずに、高周波成分のみから心II音の開始点を検出した場合に検出されうる時刻を示している。

低周波成分において、心II音の開始点（立ち上がり点）として検出されるのは１２１８ｍｓｅｃ付近の時刻ｔ１である。この時刻を基準として、高周波成分波形の例えば±５０ｍｓｅｃを探索範囲として心II音の開始点を検出する。

＋５０ｍｓｅｃの探索範囲内では、時刻１２３０ｍｓｅｃに出現するボトムが、閾値±ｔｈを超え、かつ最大のピーク値である。そして、最大ピーク値の２０％を超える最先のピークは、時刻ｔ１の直後に現れるボトムである。この場合、＋５０ｍｓｅｃの範囲内では、このボトムから時刻を遡って最初のゼロクロス点である時刻ｔ２が心II音の開始点候補として検出される。

一方、−５０ｍｓｅｃの探索範囲内では、閾値±ｔｈを超えるピークが検出されない。そのため、時刻ｔ２が最終的な心II音開始点として検出される。ｔ１とｔ２の差は、低周波成分と高周波成分の時間的な分解能の差である。

なお、上述の条件を満たす最先のピークから時間的に遡ったゼロクロス点を心II音の開始点候補とする場合を説明したが、ピークを挟んだ２つのゼロクロス点までの信号の変化率の大きい方を候補として選択しても良い。従って、時刻１２１８ｍｓｅｃのボトムからの信号の変化率において、時刻ｔ３へ向かう方が大きければ、時刻ｔ３を開始点候補としてもよい。

このように、低周波成分での検出時刻を基準として用い、高周波成分での開始点検出を行うことで、図４に示したような、高周波成分単独での検出では区別のしにくい複数の候補の中から、適切な開始点を検出することができる。
換言すれば、従来の高周波成分単独での検出方法で開始点候補を検出しておき、その中から低周波成分で検出した基準時刻に最も近い候補を選択するという方法でも本発明を実施することが可能であることが当業者には理解されよう。

なお、本実施形態では、心音や心電図を計測しながら心II音開始点を検出する心音検出装置を説明した。しかし、時間的な同期がとれさえすれば、予め測定された心音データや心電図データを用いて心II音開始点を検出することが可能であることは言うまでもない。この場合、心音マイクや心電図電極は不要となり、その代わりに記録済みのデータを読み取る構成が付加される。

本発明の実施形態に係る心音検出装置の構成例を示すブロック図である。 実施形態に係る心音検出装置の心II音開始点検出処理の全体の流れを説明するフローチャートである。 図２のステップＳ１０３における処理の詳細を説明するフローチャートである。 具体的な脈波及び心音の信号波形図の例と、本実施形態による検出方法を模式的に示す図である。 図４の一部拡大図である。

Claims (3)

1. 心II音の開始点を検出する心音検出装置であって、
   心音の、第１の周波数以下の成分からなる第１の信号を抽出する第１の抽出手段と、
   心音の、前記第１の周波数以上の成分からなる第２の信号を抽出する第２の抽出手段と、
   前記第１の信号から心II音の開始点を検出する第１の検出手段と、
   前記第２の信号の、前記第１の検出手段が前記第１の信号で検出した心II音の開始点に対応する時刻を基準とする所定の時間範囲で心II音の開始点を検出し、当該第２の信号から検出された心II音の開始点を、最終的な心II音の開始点として検出する第２の検出手段とを有することを特徴とする心音検出装置。
2. 前記第１の周波数が、１００〜２００Ｈｚの範囲で定められた周波数であることを特徴とする請求項１記載の心音検出装置。
3. 前記第２の検出手段が、前記所定の時間範囲内で検出される、前記第１の検出手段が前記第１の信号で検出した心II音の開始点に対応する時刻に最も近い、予め定めた閾値を超えるピーク波形の開始点を、前記心II音の開始点として検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の心音検出装置。