JP4914753B2 - 生体信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、睡眠状態に応じて変化する生体信号を検出して増幅し、この増幅された生体信号をフィルタリング等することにより、生体信号から、所定の周波数帯域内の信号を入力信号として抽出し、この入力信号に基づいて睡眠状態を推定する生体信号処理装置に関する。

従来から知られたこの種の生体信号処理装置の一つとして、空気を充填したエアマット上に寝るユーザの身体から、エアマット内部へと伝わってくる圧力変動を、微差圧センサが生体信号として検出するもので、自動利得制御ユニットを備えたものがある。この自動利得制御ユニットは、微差圧センサにより検出された生体信号の利得（増幅率）を自動的に調節して、後段のフィルタへと出力するようになっている（特許文献１参照）。このフィルタにより、例えば、生体信号から、心拍に対応する所定の周波数帯域内の信号が、心拍信号として抽出され、さらに、抽出された心拍信号の変動パターンが、エアマット上のユーザの睡眠状態を推定するために用いられるようになっている。

特開２０００−２７１１０３号公報（段落００２０〜００２２、図１等）

しかしながら、上述した従来の自動利得制御ユニットによると、利得の調節が適切に行われないことがあった。つまり、検出される生体信号のうち後段の処理に必要な周波数帯域の信号は、心拍（又は呼吸など）に対応するものである。ところが、ユーザは睡眠時間内であっても寝返りを打ったりトイレに立ったり、生体信号のうち心拍以外の他の身体の動きによる信号が外乱として働き、この外乱に反応して利得が自動的に調節されてしまうことがあったからである。

本発明は、上記課題を解決できる発明を提供することを目的とする。

請求項１に係る生体信号処理装置は、睡眠状態に応じて変化する生体信号を検出する検出手段と、検出された生体信号を増幅する増幅手段と、増幅された生体信号から抽出された所定の周波数帯域内の入力信号に基づき睡眠状態を推定する推定手段とを備えている。
本生体信号処理装置は、判定手段を備えたことを特徴とする。すなわち、この判定手段は、所定期間内において入力信号の大きさであるデータの平均値を算出して、算出された平均値からの隔たりが所定範囲内にあるデータの個数の、所定期間内のすべてのデータの個数に対する割合を求める。これとともに、判定手段は、求められた割合が所定値よりも大きい場合に増幅手段の増幅率が適正であると判定し、求められた割合が所定値よりも小さい場合に増幅手段の増幅率が適正でないと判定する。
請求項２に係る生体信号処理装置は、睡眠状態に応じて変化する生体信号を検出する検出手段と、検出された生体信号を増幅する増幅手段と、増幅された生体信号から抽出された所定の周波数帯域内の入力信号に基づき睡眠状態を推定する推定手段とを備えている。
本生体信号処理装置は、判定手段を備えたことを特徴とする。すなわち、この判定手段は、入力信号をスペクトル分析することにより得られた入力信号の周波数成分であるデータのうちの最大のものを求める。これとともに、判定手段は、求められた最大のデータが所定値よりも大きい場合に増幅手段の増幅率が適正であると判定し、求められた最大のデータが所定値よりも小さい場合に増幅手段の増幅率が適正でないと判定する。
請求項３に係る生体信号処理装置は、請求項１又は請求項２に係る生体信号処理装置において、上記所定の周波数帯域は、心拍又は呼吸に対応するものであることを特徴とする。
請求項４に係る生体信号処理装置は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る生体信号処理装置において、報知手段をさらに備えたことを特徴とする。この報知手段は、上記判定手段により上記増幅手段の増幅率が適正でないと判定された場合に、増幅率の変更が必要である旨を報知する。
請求項５に係る生体信号処理装置は、請求項４に係る生体信号処理装置において、入力手段と、変更手段とをさらに備えたことを特徴とする。入力手段は、報知手段により増幅手段の増幅率の変更が必要である旨が報知された際、ユーザが増幅率の変更を指示するためのものであり、変更手段は、入力手段による指示に応じて増幅率を変更する。
請求項６に係る生体信号処理装置は、請求項５に係る生体信号処理装置において、上記増幅手段は、生体信号処理装置の今回の起動時において上記変更手段により変更された増幅率を、生体信号処理装置の次回の起動時から用いることを特徴とする。
請求項７に係る生体信号処理装置は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る生体信号処理装置において、自動変更手段をさらに備えたことを特徴とする。この自動変更手段は、上記判定手段により上記増幅手段の増幅率が適正でないことが所定回数だけ繰り返して判定されたときに、増幅率を変更する。
請求項８に係る生体信号処理装置は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の生体信号処理装置において、上記検出手段は、空気室と、非圧縮性流体室と、受圧膜と、マットと、圧力変動検出手段とを備えたことを特徴とする。
空気室には、空気が充填されていて、非圧縮性流体室には、非圧縮性流体が充填されている。受圧膜が、空気室と非圧縮性流体室の間を仕切るために設けられている。マットには、非圧縮性流体が充填されており、このマットは、非圧縮性流体が非圧縮性流体室へと流動可能なように非圧縮性流体室に接続されている。圧力変動検出手段は、マット上の生体から生ずるとともに、マット内の非圧縮性流体、非圧縮性流体室内の非圧縮性流体、受圧膜、及び、空気室内の空気を順に介して伝えられてくる圧力の変動を検出する。

本発明によれば、例えば心拍又は呼吸等に対応する所定の周波数帯域以外の、他の身体の動きに対応する周波数帯域の生体信号によって、増幅手段の増幅率が適切であるか否かにつき、誤った判定がなされることを防ぐことができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
本発明に係る第１の実施の形態である睡眠測定装置（生体信号処理装置の例）につき、その全体構成からまず説明する。本睡眠測定装置は、図１に示すように、寝具１とともに用いられるものであり、マット２と、チューブ３と、睡眠測定装置本体４とを備えている。寝具１上に、睡眠測定の対象となるユーザが横臥しており、その寝具１の下にマット２が敷かれている。チューブ３は、その一端がマット２に接続されており、また、その他端が、睡眠測定装置本体４に取り付けられた生体信号センサ５に繋がれている。マット２及びチューブ３には、水（非圧縮性流体の例）が充填されている。これによって、寝具１上のユーザ（生体）の身体から生じる、心拍（脈拍）、呼吸、その他の身体の動きによる振動が、マット２及びチューブ３を介して、睡眠測定装置本体４内の生体信号センサ５へと伝えられてくる。

ここでは、寝具１の下にマット２を敷くものとしているため、ユーザは、間接的にマット２上に横臥することになっているが、寝具１の上にマット２を敷くものとして、ユーザが直接マット２上に横になるようにしてもよい。また、マット２は、枕の上側又は下側に敷くものとしても、枕の形状を有するものとしてもよい。

睡眠測定装置本体４の生体信号センサ５は、図２に示すように、接続口５１と、水室５２と、受圧膜５３と、空気室５４と、圧力変動検出部５５とを備える。上述したチューブ３は接続口５１に接続されていて、水室５２と空気室５４との間は、受圧膜５３により仕切られている。この水室５２内にも水が充填されていて、マット２から水室５２までは、チューブ３を介して水が流動可能なようになっている。空気室５４には空気が充填されており、また、空気室５４を挟んで受圧膜５３と対向する位置に、圧力変動検出部５５が設けられている。この圧力変動検出部５５には、圧電効果を利用した各種の圧力センサが用いられる。

マット２、チューブ３及び水室５２内の水、受圧膜５３、並びに、空気室５４内の空気を順に介して伝えられてくる圧力の変動は、この圧力変動検出部５５により検出され、圧力変動検出部５５が、その空気圧の変動に応じた電圧信号を生体信号として、睡眠測定装置本体４内の可変増幅器４１（後述）へと出力するようになっている。図３は、その生体信号センサ５の出力である生体信号の例を示している。ここに示す生体信号には、0.8秒前後である周期Ｔのユーザの心拍による信号が含まれている。生体信号には、心拍の他に呼吸その他の体動が現れ、これら生体信号は、ユーザの睡眠状態（睡眠の質）等に応じて変化する。

また、この生体信号の出力の大きさは、大よそ図４のように経時変化することが知られている。すなわち、本睡眠測定装置は、例えば、使用開始当初を１としてその基準とすると、徐々に増大して3か月後に２倍となりピークを迎え、その後に徐々に減少して、その3か月後に１倍へと戻り、さらにその後6か月後に０．４倍となるような特性を有している。これらは、主に、生体信号センサ５の構造によるものと考えられている。

睡眠測定装置本体４は、図５に示すように、この生体信号センサ５以外に、可変増幅器４１、フィルタ４２、増幅器４３、Ａ／Ｄ変換器４４及び制御部４５を有する。可変増幅器４１は、生体信号センサ５から出力された生体信号を増幅するようになっている。この可変増幅器４１の増幅率G(n)は、制御部４５にて後に詳述するようにして設定される増幅率G(n)の設定番号nに基づいている。ここでは、設定番号n=０，１，２又は３とし、可変増幅器４１は、この設定番号nに応じて、次の数１に示す増幅率G(0)〜G(3)を可変に設定可能なようになっている。本発明の特徴の一つは、生体信号センサ５の出力が経時変化する（図４）ことによりその出力の増幅率G(n)を変更する必要がある場合に、増幅率G(n)の変更をユーザに促し、ユーザに増幅率G(n)を手動で補正させることが可能な点である。

フィルタ４２は、3つのバンドパスフィルタ(ＢＰＦ)等により構成される。それら3つのうちの1つのＢＰＦは、可変増幅器４１から出力された生体信号から、0.5Hz〜2Hzといった周波数帯域の心拍に対応する信号を心拍信号（入力信号）として抽出するようになっている。他の1つのＢＰＦは、可変増幅器４１から出力された生体信号から、0.2Hz〜1Hz程度の周波数帯域の呼吸に対応する信号を呼吸信号として抽出するようになっている。さらにもう1つのＢＰＦは、可変増幅器４１から出力された生体信号から、0.2Hz〜2Hz前後の周波数帯域のその他の身体の動きに対応する信号を体動信号として抽出する。

増幅器４３は、フィルタ４２にて抽出された心拍信号、呼吸信号及び体動信号を増幅するようになっている。この増幅器４３の増幅率には固定値が用いられる。Ａ／Ｄ変換器４４は、後段の制御部４５における処理のために、増幅器４３から出力された心拍信号、呼吸信号及び体動信号をＡ／Ｄ変換するようになっている。

制御部４５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えており、所定のプログラムを実行することにより、これらＡ／Ｄ変換後の心拍信号、呼吸信号及び体動信号を用いて、ユーザの睡眠状態を推定するようになっている。睡眠状態の推定につき一例を挙げると、心拍信号から心拍数を算出して、この算出された心拍数がどの値の範囲にあるかによって、睡眠段階（段階１〜４のノンレム睡眠、及び、レム睡眠のいずれか）を判定することが可能である。また、呼吸信号から呼吸数を算出し、算出された呼吸数から、10秒以上の無呼吸が7時間の睡眠中に何回生じているかといったことをカウントすることが可能である。この制御部４５における睡眠状態の推定、さらに、上述した生体信号センサ５の構造等の詳細については、例えば、特開２００４−１１３６１８号公報、特開２００４−１１３３２９号公報等に開示されているので、必要ならば参照されたい。

加えて、制御部４５には、表示部４６、入力部４７及び補助記憶部４８が接続されている。表示部４６は、ユーザの睡眠状態の推定結果や、可変増幅器４１の増幅率G(n)の補正が必要である旨を表示するようになっている。入力部４７は、増幅率G(n)を増大させるための増幅率増大ボタン、及び、増幅率G(n)を減少させるための増幅率減少ボタンを含んでいる。また、補助記憶部４８は、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリやハードディスクドライブ等であり、この補助記憶部４８には、制御部４５が実行するプログラム、そのプログラムで用いるデータ等が記憶されている。制御部４５に、本睡眠測定装置から外部へと通信するための通信インターフェースを設けてもよい。

前述のように、本発明の特徴の一つは、可変増幅器４１の増幅率G(n)が適正でない場合に、その増幅率G(n)を手動補正可能な点である。以下では、図６〜８等を用いて、制御部４５（ＣＰＵ）がこの増幅率G(n)の手動補正のために実行するプログラムにつき説明する。図６に示す増幅率手動補正処理の概要を説明すると、制御部４５は、ステップ２（以下、ステップをＳと略す）の信号入力処理においてＡ／Ｄ変換器４４によるＡ／Ｄ変換後の心拍信号を入力する。そして、制御部４５は、Ｓ３の信号強度判定処理において、その心拍信号の強度（信号の強度、信号レベル）が過小レベルであるか、標準レベルであるか、過大レベルであるかといったことを判定する。さらに、Ｓ４〜Ｓ１５において、制御部４５は、Ｓ３にて判定されたその強度に応じて、増幅率G(n)の補正（変更、増加又は減少）が必要である旨などを表示部４６に表示する。この際、ユーザが入力部４７の増幅率増大ボタン又は増幅率減少ボタンを用いて増幅率G(n)の補正を指示可能なようになっており、制御部４５は、この可変増幅器４１の増幅率G(n)の補正についての指示に応じて、その増幅率G(n)を変更するようになっている。

詳細には、Ｓ１において、制御部４５は、まず、増幅率G(n)の設定番号nのメモリ値を補助記憶部４８から読み出し、この設定番号nを可変増幅器４１に設定する。ここでは、設定番号nがメモリ値として補助記憶部４８に格納されており、増幅率G(n)を変更するために設定番号nが変更されると、この変更とともに補助記憶部４８内の設定番号nのメモリ値も更新されるようになっている。

Ｓ２の信号入力処理では、所定のサンプリング期間に所定個数の心拍データ（心拍信号のデジタル値）、例えば2分間に2400個の心拍データが取得されるようになっている。すなわち、図７に示すように、まず、制御部４５が、Ａ／Ｄ変換器４４による変換後の心拍信号を取得し（Ｓ２０１）、この心拍信号のデジタル値である心拍データを、補助記憶部４８内等に保存していく（Ｓ２０２）。直前の心拍データの取得から0.05秒が経過すると（Ｓ２０３にてＹＥＳ）、取得された心拍データが2400個となったか否かが判定される（Ｓ２０４）。心拍データが2400個となって終了するまで（Ｓ２０４にてＹＥＳ）、Ｓ２０１〜Ｓ２０３の処理が繰り返される。

Ｓ３の信号強度判定処理では、図８に示すように、制御部４５は、上述した信号入力処理で得られた2400個の心拍データにつき、その平均値及び（平均値からの）偏差をまず算出する（Ｓ３０１）。そして、Ｓ３０２〜Ｓ３０５により、心拍データの偏差が所定範囲内にある心拍データの個数の、すべてのデータの個数に対する割合を求めつつ、この求められた割合が所定値よりも大きいか否かを判定すること等によって、信号の強度が適正であるか否かが判定される。

ここでは、信号の強度は、（１）無信号レベル、（２）異常レベル、（３）過小レベル、（４）標準レベル、及び、（５）過大レベルのいずれかであるものとする。信号の強度が（４）標準レベルであれば、可変増幅器４１の増幅率G(n)は適正であり、信号の強度が（３）過小レベル又は（５）過大レベルであれば、増幅率G(n)は適正でない。また、ここでは、心拍データの偏差についての上記所定範囲を、Ａ／Ｄ変換器４４の分解能（10ビット、0〜1023の整数値を出力）を基準とした範囲に設定するようになっている。すなわち、図９において、上限値はＡ／Ｄ変換器４４の分解能に対応し、上記所定範囲は下方値から上方値までの範囲である。制御部４５は、この所定範囲内にあるデータの個数の割合を用いて、信号の強度を判定する。

より具体的に、Ｓ３０２において、信号の強度が、（１）無信号レベルであるか否かを判定する際には、まず、心拍データの偏差が、第１所定範囲、例えばＡ／Ｄ変換器４４の分解能の-1％〜+1％の範囲内（-10〜+10の出力値の範囲内）となっている心拍データの個数がカウントされる。そして、このカウントされた心拍データの個数についての、すべての心拍データの個数に対する割合が求められる。この求められた割合が、第１所定値以上、例えば90％以上であれば、無信号レベルであるものと判定され（Ｓ３０２にてＹＥＳ）、この判定結果を示すように、結果判定フラグFLに値０が代入される（Ｓ３０６）。（結果判定フラグFLは、後述する図６のＳ４以降の処理に用いられる。）

Ｓ３０３において、信号の強度が（２）異常レベルであるか否かを判定する際、まず、心拍データの偏差が、第２所定範囲、例えばＡ／Ｄ変換器４４の分解能の-49％〜+49％の範囲外（-501〜+501の出力値の範囲外）となっている心拍データの個数がカウントされる。このカウントされた心拍データの個数についての心拍データ全体の個数に占める割合が求められる。この求められた割合が、第２所定値以上、例えば0.2％以上であれば、異常レベルであるものと判定され（Ｓ３０３にてＹＥＳ）、これを示すように、結果判定フラグFLに値４が代入される（Ｓ３０７）。

Ｓ３０４での信号の強度が（３）過小レベルであるか否かの判定では、心拍データの偏差が、第３所定範囲、例えばＡ／Ｄ変換器４４の分解能の-5％〜+5％の範囲内（-51〜+51の出力値の範囲内）となっている心拍データの個数がカウントされ、カウントされた個数の全体に占める割合が求められる。この求められた割合が、第３所定値以上、例えば90％以上であれば、過小レベルであるものと判定され（Ｓ３０４にてＹＥＳ）、結果判定フラグFLに値１が代入される（Ｓ３０８）。

さらに、Ｓ３０５において、信号の強度が（４）標準レベルであるか、（５）過大レベルであるかが判定される。すなわち、心拍データの偏差が、第４所定範囲、例えばＡ／Ｄ変換器４４の分解能の-20％〜+20％の範囲内（-255〜+255の出力値の範囲内）となっている心拍データの個数がカウントされ、このカウントされた個数の割合が求められる。この求められた割合が、第４所定値以上、例えば70％以上であれば、標準レベルであると判定され（Ｓ３０５にてＹＥＳ）、結果判定フラグFLに値２が代入される（Ｓ３０９）。また、その求められた割合が、第４所定値未満であれば、過大レベルであるものと判定され（Ｓ３０５にてＮＯ）、結果判定フラグFLに値３が代入される（Ｓ３１０）。

要約すると、Ｓ３０２〜Ｓ３０５における判定が順に行われていくことにより、信号の強度が求められ、Ｓ３０６〜Ｓ３１０によって、次のように結果判定フラグFLが設定される。
（１）分解能の±1％以内に偏差のあるデータが全体の90％以上→無信号レベル（FL＝０）
（２）分解能の±49％以上に偏差のあるデータが全体の0.2％以上→異常レベル（FL＝４）
（３）分解能の±5％以内に偏差があるデータが全体の90％以上→過小レベル（FL＝１）
（４）分解能の±20％以内に偏差があるデータが全体の70％以上→標準レベル（FL＝２）
（５）（１）〜（４）以外→過大レベル（FL＝３）

図６の増幅率手動補正処理におけるＳ４以降の処理では、これら信号の強度に応じた表示、この表示に応じた入力の受け付け、及び、可変増幅器４１の増幅率G(n)の変更等が行われる。つまり、Ｓ４〜Ｓ６において、信号の強度が上記５種のうちのいずれであったかが判定され、その結果、信号の強度が無信号レベル又は異常レベルであれば（Ｓ４にてＹＥＳ）、Ｓ７が処理される。信号の強度が過小レベルであれば（Ｓ５にてＹＥＳ）、Ｓ８〜Ｓ１１が処理され、標準レベルであれば（Ｓ６にてＹＥＳ）、Ｓ１２が処理される。そして、過大レベルであれば（Ｓ６にてＮＯ）、Ｓ１３〜Ｓ１５，Ｓ１１が処理される。

詳細に説明すると、まず、結果判定フラグFLが０又は４である場合（Ｓ４にてＹＥＳ）、言い換えれば、信号の強度が無信号レベル又は異常レベルであった場合、制御部４５は、測定のやり直しを指示する表示を表示部４６で行い（Ｓ７）、本処理は終了する。

結果判定フラグFLが１である場合（Ｓ５にてＹＥＳ）、すなわち、信号の強度が過小レベルであった場合、制御部４５は、増幅率G(n)の増大を促す旨、例えば「増幅率を上げてください。」といったメッセージを表示部４６で表示する（Ｓ８）。また、例えば、表示部４６がランプを用いて構成されるものとして、このランプの点灯が、増幅率G(n)の増大を促す旨を表示しているものとしてもよい。

ユーザが入力部４７の増幅率増大ボタンを押すこと等によって、制御部４５に対して増幅率G(n)の増大が指示されると（Ｓ９にてＹＥＳ）、制御部４５は、増幅率G(n)を増大させるように、下限値０〜上限値３の範囲内で設定番号nを増加させる（Ｓ１０）。例えば、元の設定番号nが値１であってその増加が指示されれば、新たな設定番号nは値２となる。また、元の設定番号nが値３であってその増加が指示されたとしても、設定番号nはそれより大きく増加されることはなく、設定番号nは上限値３のまま維持される。増幅率G(n)の設定番号nは補助記憶部４８に記憶されており、その設定番号nの増加に伴い、その補助記憶部４８内のメモリ値が更新され（Ｓ１１）、本処理は終了する。

結果判定フラグFLが２である場合（Ｓ６にてＹＥＳ）、すなわち、信号の強度が標準レベルであった場合、制御部４５は、増幅率G(n)の変更を要しない旨を表示部４６で表示する（Ｓ１２）。また、結果判定フラグFLが３である場合（Ｓ６にてＮＯ）、すなわち、信号の強度が過大レベルであった場合、制御部４５は、増幅率G(n)の減少を促す旨、例えば「増幅率を下げてください。」といったメッセージを表示部４６にて表示する（Ｓ１３）。

ユーザが、入力部４７の増幅率減少ボタンを押すこと等により、制御部４５に対して増幅率G(n)の減少が指示されると（Ｓ１４にてＹＥＳ）、制御部４５は、増幅率G(n)を減少させるように、下限値０〜上限値３の範囲内で設定番号nを減少させる（Ｓ１５）。例えば、元の設定番号nが値１であってその減少が指示されれば、新たな設定番号nは値０となる。また、元の設定番号nが値０であってその減少が指示されたとしても、設定番号nはそれより小さく減少されることはなく、設定番号nは下限値０のままとなる。これらの設定番号nの減少に伴い、そのメモリ値が更新され（Ｓ１１）、本処理は終了する。

これらのようにして本睡眠測定装置の今回の起動時に変更（更新）された設定番号nによる増幅率G(n)は、本睡眠測定装置の次回の起動時から、可変増幅器４１において用いられるようになっている。

以上の睡眠測定装置によると、Ａ／Ｄ変換器４４によるＡ／Ｄ変換後の心拍データ（心拍信号のデジタル値）の分布状況に基づいて、信号の強度が適切であるか否か、すなわち可変増幅器４１の増幅率G(n)が適正であるか否かが判定される（図８のＳ３０２〜Ｓ３０５、図９等）。そのため、心拍信号に対応する周波数帯域以外の、他の身体の動きに対応する周波数帯域の生体信号によって、可変増幅器４１における増幅率G(n)が適切であるか否かにつき、誤った判定がなされることを防ぐことができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る第２の実施の形態である睡眠測定装置につき説明する。本実施の形態では、可変増幅器４１の増幅率G(n)を自動補正しつつ、睡眠測定のための心拍データ、呼吸データ（Ａ／Ｄ変換後の呼吸信号）、及び、体動データ（Ａ／Ｄ変換後の体動信号）からなる測定データを取得していく点が第１の実施の形態と異なっている。つまり、本実施の形態の睡眠測定装置は、測定データを取得しながら、心拍データにより可変増幅器４１の増幅率G(n)が適切でないと判定された場合に、その増幅率G(n)を自動補正するようになっている。ここで説明する睡眠測定装置の構成及び作用効果以外については、上記第１の実施の形態に準ずるものとする。

図１０に示す測定データ取得処理の概要を説明すると、Ｓ２４にて、上述した図７と同様の信号入力処理が行われ、Ｓ２５にて、上述した図８と同様の信号強度判定処理が行われる。そして、Ｓ２８〜Ｓ３０等の処理により、信号の強度が同一のレベルであることが所定回数（ここでは10回）だけ繰り返して判定された場合に、Ｓ３１にて、可変増幅器４１の増幅率G(n)が、そのレベルに応じて増減されるようになっている。

詳細には、入力部４７に設けられた所定の測定開始ボタンが押されると、制御部４５が本測定データ取得処理を実行するようになっている。制御部４５は、まず、補助記憶部４８から可変増幅器４１に対する設定番号nのメモリ値を読み出し、この設定番号nを可変増幅器４１に設定する（Ｓ２１）。続いて、制御部４５は、カウンタCTに値１を代入する（Ｓ２２）。ここでは、カウンタCT＝１，２，…，１０とし、結果判定フラグをFL(CT)としている。この結果判定フラグFL(CT)は、上述した第１の実施の形態の結果判定フラグFLと同様に、2分間に得られた2400個の心拍データに基づき判定された信号の強度を表している。

Ｓ２３では、入力部４７に設けられた所定の測定終了ボタンが押されたか否かが判定される。測定終了ボタンが押されなければ（Ｓ２３にてＮＯ）、Ｓ２４において、上述した図７と同様の信号入力処理が行われる。ただ、第１の実施の形態では、手動補正自体が専用の実行モードで行われることを想定していたため、同図７のＳ２０１及びＳ２０２は、心拍信号につき処理を行うものであった。これに対して、本実施の形態では、自動補正が通常の睡眠測定とともに行われることを想定しているため、このＳ２０１及びＳ２０２に対応するステップは、心拍信号、呼吸信号及び体動信号につき処理を行うものとなっている。

続いて、Ｓ２５にて、上述した図８と同様の信号強度判定処理が行われる。上述のように、ここでは、信号の強度についての判定結果が、結果判定フラグFL(CT)の値として得られる。その結果判定フラグFL(CT)が値０，２又は４である場合（Ｓ２６にてＹＥＳ）、すなわち、今回の測定における信号の強度が、無信号レベル、標準レベル又は異常レベルであった場合、Ｓ２２へと処理が移される。このＳ２２にて、信号の強度が適正でないと連続して判定された回数を示すカウンタCTが値１にクリアされ、測定データの取得が続けられる。

Ｓ２６において、結果判定フラグFL(CT)が値０，２又は４でない場合（Ｓ２６にてＮＯ）、すなわち、今回の測定における信号の強度が、過小レベル又は過大レベルであった場合、カウンタCTの値が１であるか否かが判定される（Ｓ２７）。カウンタCTが値１でなく、２〜１０の整数である場合（Ｓ２７にてＮＯ）、Ｓ２８で、結果判定フラグFL(CT)が結果判定フラグFL(CT-1)に等しいか否かが判定される。結果判定フラグFL(CT)が結果判定フラグFL(CT-1)に等しくない場合、つまり、今回の測定における信号の強度が、前回、測定データのサンプリング周期とする2分ほど前の測定時の信号の強度に等しくなければ（Ｓ２８にてＮＯ）、前述と同様にＳ２２へと処理が移される。今回の測定における信号の強度が、前回の測定時の信号の強度と等しければ（Ｓ２８にてＹＥＳ）、カウンタCTに値１が加えられて（Ｓ２９）、このカウンタCTの値が１１になったか否かが判定されることになる（Ｓ３０）。

つまり、Ｓ２６にて結果判定フラグFL(1)が値１又は３であり且つＳ２７にてカウンタCTが値１であれば、Ｓ２８での判定がスキップされて、Ｓ２９にてカウンタCTの値が２とされる。これにより、カウンタCTの値１に対応するＳ２４での信号入力処理及びＳ２５での信号強度判定処理により得られた結果判定フラグFL(1)が保持されたまま、Ｓ３０へと処理が進められることになる。

Ｓ３０において、カウンタCTが値１１になっていない場合（Ｓ３０にてＮＯ）、Ｓ２３へと処理が移され、すなわち、カウンタCTがクリアされないまま、Ｓ２４での信号入力処理及びＳ２５での信号強度判定処理等が繰り返される。また、カウンタCTが値１１になった場合（Ｓ３０にてＹＥＳ）、すなわち、結果判定フラグFL(1)〜FL(10)がその値を１又は３に保持している場合、Ｓ３１の増幅率変更処理が行われる。この増幅率変更処理の後、Ｓ２２にてカウンタCTがクリアされ、測定終了ボタンが押されていなければ（Ｓ２３にてＮＯ）、Ｓ２４の信号入力処理、Ｓ２５の信号強度判定処理等が行われる。

Ｓ３１の増幅率変更処理では、図１１に示すように、まず、結果判定フラグFL(10)に応じて、可変増幅器４１の設定番号nが下限値０〜上限値３の範囲内で変更される（Ｓ３１１）。すなわち、上述した図６の増幅率手動補正処理におけるＳ１０と同様に、例えば、元の設定番号nが値１であるときに、結果判定フラグFL(10)が値１となっていて過小レベルの連続を示していれば、設定番号nは値２に増加される。また、元の設定番号nが値３であるときに、結果判定フラグFL(10)が値１となっていて過小レベルの連続を示していても、設定番号nは上限値３のまま維持される。加えて、図６の増幅率手動補正処理におけるＳ１５のように、例えば、元の設定番号nが値２であるときに、結果判定フラグFL(10)が値３となっていて過大レベルの連続を示していれば、設定番号nは値２に減少される。また、元の設定番号nが値０であるときに、過大レベルが連続しても、設定番号nは下限値０のまま維持される。

この結果判定フラグFL(10)の値、及び、変更時刻、変更前後の設定番号nの値は、後に図１０のＳ３２において測定データの再計算を行うために保存される（Ｓ３１２，Ｓ３１３）。これらにより、本増幅率変更処理は終了する。この増幅率変更処理（図１０ではＳ３１）の実行後には、Ｓ２２へと処理が移され、このＳ２２にてカウンタCTがクリアされて、Ｓ２４での信号入力処理及びＳ２５での信号強度判定処理等が続けられる。

Ｓ２３において、測定終了ボタンが押されていた場合（Ｓ２３にてＹＥＳ）、制御部４５は、Ｓ３２にて測定データの再計算を行う。すなわち、可変増幅器４１の増幅率G(n)が変更されると、例えば、その変更の前後に跨って制御部４５側で同じ２つの値の測定データが取得されていても、これら２つの測定データにつき、現実にユーザから生ずる振動自体の大きさは異なっている。図１１の増幅率変更処理のＳ３１２では、増幅率G(n)を変更する元となった結果判定フラグFL(10)が保存されており、また、Ｓ３１３では、その設定番号nを変更した時刻、及び、変更前後の設定番号nの値が保存されているから、これらを用いて、増幅率G(n)の変更前後における測定データの整合を図ることができる。

例えば、結果判定フラグFL(10)が値１となっていたことにより、時刻２３：５５に設定番号nが、値１から値２に増加されたとする。この場合、上記数１において、増幅率G(2)は増幅率G(1)の３倍となっているから、時刻２３：５５以降の測定データは、それ以前の測定データと、一貫性を持たせ、その整合性を図るために、（１／３）倍される。これらの処理を経て、本測定データ取得処理は終了する。

以上の睡眠測定装置によると、Ａ／Ｄ変換器４４によるＡ／Ｄ変換後の心拍データの分布状況に基づき、信号の強度が適切であるか否か、すなわち可変増幅器４１の増幅率G(n)が適正であるか否かが判定される。そのため、心拍信号に対応する周波数帯域以外の、他の身体の動きに対応する周波数帯域の生体信号によって、可変増幅器４１における増幅率G(n)が適切であるか否かにつき、誤った判定がなされることを防ぐことができる。さらに、その判定に基づいて、自動的に増幅率G(n)が変更されるため、ユーザにとって、第１の実施の形態の睡眠測定装置よりも便利である。

（他の実施の形態等）
以上、具体的な実施の形態によって本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更して実施することができる。
（Ａ）上記各実施の形態において、例えば、信号の強度を判定する際に用いた、平均値からの偏差についての所定範囲（図９の上方値及び下方値、Ａ／Ｄ変換器４４の分解能の-20％〜+20％といった範囲）は、予め定められた値とした。これに代えて、所定範囲を、標準偏差や分散等の統計量を用いて定めてもよい。
また、信号の強度を判定する際、偏差により平均値からのデータの隔たりを表し、その偏差が所定範囲内にあるデータの個数をカウントした。各データとその平均値との間の隔たりを、偏差の２乗、その他の各データと平均値とから得られる値としてもよい。

（Ｂ）信号の強度の判定は、心拍データの大きさの分布状況（図９）に基づくものとした。これに代えて、心拍データをスペクトル分析することにより得られた心拍データの周波数成分の大きさに基づくものとしてもよい。
すなわち、本睡眠測定装置の制御部４５は、図１２に示すように、その心拍データの周波数成分であるデータ（心拍データのスペクトル又はパワースペクトル）のうちの最大のものをまず求めるようになっている。そして、この求められた最大のデータが、所定値、すなわち、所定の閾値、又は、それらのデータの平均値の何倍かといった値よりも大きい場合に、制御部４５は、増幅率G(n)が適正であると判定する。また、その最大のデータがその所定値よりも小さい場合に、制御部４５は、増幅率G(n)が適正でなく、信号の強度が過小であるといったように判定する。
このような判定によっても、信号の強度が適正か否かにつき適切に判断されることになる。

（Ｃ）心拍信号を用いて信号の強度を判定したが、呼吸信号、体動信号等の他の周波数帯域の生体信号を用いて、信号の強度を判定してもよい。この場合、上述した第１の実施の形態の図７に示す信号入力処理のＳ２０１においてその信号の強度を判定する対象とする信号が取得され、Ｓ２０２でそのＡ／Ｄ変換後のデジタル値が保存されることになる。それら複数の信号の強度を個別に判定して、いずれかの信号の強度が適正でない場合、その信号の強度に基づき増幅率G(n)を変更するものとしてよい。

（Ｄ）上記各実施の形態では、Ａ／Ｄ変換器４４は、生体信号センサ５から可変増幅器４１及びフィルタ４２等を介して得られた心拍信号などをＡ／Ｄ変換するようになっている。これらの可変増幅器４１、フィルタ４２及びＡ／Ｄ変換器４４等の順序を入れ替えて、例えば、可変増幅器４１の前段にフィルタ４２及びＡ／Ｄ変換器４４等を設けるようにしてもよい。

（Ｅ）また、生体信号センサ５は、特に水が充填されたマット２に接続されることを想定した。これとは異なり、マット２には空気が充填されていてもよい。加えて、生体信号センサ５（生体信号を検出する検出手段の主要部）は、マット２に接続することなく、さらに、水室５２、受圧膜５３及び空気室５４の一部又は全部を備えないものであってもよい。例えば、生体信号の検出手段としての生体信号センサ５を、圧電素子単体等からなる圧力変動検出手段により構成してもよい。

（Ｆ）第１の実施の形態において、可変増幅器４１の増幅率G(n)が適正でないことのユーザへの報知は、表示部４６から行っている。これに代えて又はこれとともに、睡眠測定装置に、音声を再生して出力するための音声出力部を設けて、「増幅率を上げてください」といった音声出力によりユーザへの報知を行うものとしてもよい。また、睡眠測定装置に、外部接続されたＰＣ等との間での通信を処理するための通信処理部を設けて、その外部接続されたＰＣ等へ所定のデータを送信することによりユーザへの報知を行うものとしてもよい。

（Ｇ）第２の実施の形態において、例えば、一晩における１回の測定中にその信号の強度の判定から増幅率G(n)の変更を２回以上行う必要が生じた場合であっても、制御部４５は、増幅率G(n)を１回の測定中に２回以上変更しないように、増幅率G(n)の変更を制限してもよい。これによって、信号の強度についての誤った判定から、増幅率G(n)が誤設定されることを防ぐことができる。

具体的には、１回の測定中に最初に信号の強度が過小レベルであると判定された場合、増幅率G(n)の設定番号nを１だけ増加させる。この後、（１）再び、信号の強度が過小レベルであると判定されても、設定番号n（増幅率G(n)）を変更しない。一方、（２）信号の強度が過大レベルであると判定されれば、増幅率G(n)の設定番号nを１だけ減少させ、これによって増幅率G(n)を元の設定に戻す。

また、１回の測定中に最初に信号の強度が過大レベルであると判定された場合、増幅率G(n)の設定番号nを１だけ減少させる。その後、（１）再び、過大レベルであると判定されても、設定番号nを変更しない。（２）過小レベルであると判定されれば、設定番号nを１だけ増加させて増幅率G(n)を元の設定に戻す。

本発明に係る第１の実施の形態の睡眠測定装置の全体構成を示す図である。 生体信号センサ５の構成を示す図である。 生体信号の例を示すグラフである。 生体信号の出力の大きさの経時変化を示すグラフである。 睡眠測定装置本体４の構成を示す図である。 増幅度手動補正プログラムの流れを示すフローチャートである。 図６のＳ２の信号入力処理を示すフローチャートである。 図６のＳ３の信号強度判定処理を示すフローチャートである。 信号強度の判定手法の第一の例を説明するための図である。 第２の実施の形態の睡眠測定装置における、自動補正を伴う測定データ取得処理を示すフローチャートである。 図１０のＳ３１の増幅率変更処理を示すフローチャートである。 信号強度の判定手法の第二の例を説明するための図である。

符号の説明

１………寝具
２………マット
３………チューブ
４………睡眠測定装置本体
５………生体信号センサ（検出手段のマットを除いた部分）
４１……可変増幅器（増幅手段）
４２……フィルタ
４３……増幅器
４４……Ａ／Ｄ変換器
４５……制御部（実行プログラムとともに推定手段、判定手段、変更手段）
４６……表示部（報知手段）
４７……入力部（入力手段）
４８……補助記憶部
５１……接続口
５２……水室（非圧縮性流体室）
５３……受圧膜
５４……空気室
５５……圧力変動検出部（圧力変動検出手段）

Claims (8)

1. 睡眠状態に応じて変化する生体信号を検出する検出手段と、
   検出された該生体信号を増幅する増幅手段と、
   増幅された該生体信号から抽出された、所定の周波数帯域内の入力信号に基づき、睡眠状態を推定する推定手段とを備えた生体信号処理装置であって、
   所定期間内において前記入力信号の大きさであるデータの平均値を算出して、算出された該平均値からの隔たりが所定範囲内にあるデータの個数の、該所定期間内のすべてのデータの個数に対する割合を求めるとともに、求められた該割合が所定値よりも大きい場合に前記増幅手段の増幅率が適正であると判定し、求められた該割合が該所定値よりも小さい場合に該増幅手段の増幅率が適正でないと判定する判定手段を備えたことを特徴とする生体信号処理装置。
2. 睡眠状態に応じて変化する生体信号を検出する検出手段と、
   検出された該生体信号を増幅する増幅手段と、
   増幅された該生体信号から抽出された、所定の周波数帯域内の入力信号に基づき、睡眠状態を推定する推定手段とを備えた生体信号処理装置であって、
   前記入力信号をスペクトル分析することにより得られた該入力信号の周波数成分であるデータのうちの最大のものを求めるとともに、求められた該最大のデータが所定値よりも大きい場合に前記増幅手段の増幅率が適正であると判定し、求められた該最大のデータが該所定値よりも小さい場合に該増幅手段の増幅率が適正でないと判定する判定手段を備えたことを特徴とする生体信号処理装置。
3. 前記所定の周波数帯域は、
   心拍又は呼吸に対応するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の生体信号処理装置。
4. 前記判定手段により前記増幅手段の増幅率が適正でないと判定された場合に、該増幅率の変更が必要である旨を報知する報知手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の生体信号処理装置。
5. 前記報知手段により前記増幅手段の増幅率の変更が必要である旨が報知された際、ユーザが該増幅率の変更を指示するための入力手段と、
   該入力手段による指示に応じて、該増幅率を変更する変更手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の生体信号処理装置。
6. 前記増幅手段は、
   該生体信号処理装置の今回の起動時において前記変更手段により変更された増幅率を、該生体信号処理装置の次回の起動時から用いることを特徴とする請求項５に記載の生体信号処理装置。
7. 前記判定手段により前記増幅手段の増幅率が適正でないことが所定回数だけ繰り返して判定されたときに、該増幅率を変更する自動変更手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の生体信号処理装置。
8. 前記検出手段は、
   空気が充填されている空気室と、
   非圧縮性流体が充填されている非圧縮性流体室と、
   前記空気室と前記非圧縮性流体室の間を仕切る受圧膜と、
   非圧縮性流体が充填されており、該非圧縮性流体が前記非圧縮性流体室へと流動可能なように該非圧縮性流体室に接続されたマットと、
   該マット上の生体から生ずるとともに、該マット内の非圧縮性流体、前記非圧縮性流体室内の非圧縮性流体、前記受圧膜、及び、前記空気室内の空気を順に介して伝えられてくる圧力の変動を検出する圧力変動検出手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の生体信号処理装置。
   

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