JP5471297B2 - 拍動検出装置及び拍動検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、拍動検出装置及び拍動検出方法に関するものである。

近年の健康志向や、病後のリハビリテーション機会の増加に伴い、運動中においても脈拍、血圧、脈波状態などを測定する装置が開発されてきている。このような装置では、脈波センサーから取得される脈波信号をもとに生体情報を計測するように構成されている。
ところが、本来安静状態で使用される計測装置を用いて運動中に測定を行うと、測定部位において運動に起因する血流変化が生じ前記の脈波信号上で脈動由来以外の信号がノイズとしてのってしまい、正しく測定できない状態となってしまう。

このような課題を解決する発明として、例えば、特許文献１、特許文献２などが開示されている。これらの発明の特徴は、次に通りである。脈波センサーに加え、装着者の体動を検出する加速度センサーを脈拍計へ備える。上記加速度センサーから入力された加速度信号をもとに適応フィルターを形成する。上記適応フィルターを用いて、脈波信号内の体動由来信号成分を打ち消す。上記における適応フィルター形成処理とは、具体的には次のような処理内容である。加速度信号と脈波信号とを参照する。脈波信号の中から、加速度との相関性のある信号成分を除去する計算を行うための適応フィルター係数を算出する。

特開２００１−８９０９号公報 特開２００２−２２４０５５号公報

しかしながら、上記の適用フィルターは、体動由来信号を除去することを目的としているにもかかわらず、例えば、次のようなケースでは、心拍成分の信号をも除去してしまう場合がある。ジョギングで１分間あたり１２０回腕を振り、その時の心拍数も１分間あたり１２０前後である場合、さらには、その両者信号の位相が重なっている場合である。

図１１に体動と心拍が重なっている場合の脈波信号データと拍動信号データを示す。なお、各グラフの上段の曲線１２０ｇ，１２０ｈは脈波信号及び駆動信号の波形を、下段の棒グラフ１２２ｇ，１２２ｈは高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による周波数解析結果を示す。図１１(Ａ）は、脈波センサーが出力する脈波信号データを示し、図１１(Ｂ）は、体動除去用適応フィルター出力信号の拍動信号データを示している。周波数解析結果１２２ｈに示すように、脈拍を示すスペクトルがどれかわからない状態である。

したがって、従来の拍動検出装置では、心拍由来の血流量変化成分と、歩行・ジョギング時の腕振りなどに起因する定常的血流変化成分と、を脈波センサーが捉えたときに、各々の信号の周波数・位相が近接している場合、脈拍数を算出することができない虞があった。また、体動影響信号成分と心拍信号成分との位相が重なった場合、あるいは体動影響成分除去用の適応フィルターが、心拍信号成分の信号も除去してしまった場合に、脈拍計測ができない虞があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］人体の拍動に由来する拍動信号を検出する拍動検出装置であって、前記拍動信号とノイズ信号とが混在した脈波信号を検出して出力する脈波センサーと、人体の体動に伴う体動信号を検出して出力する体動センサーと、前記体動信号に基づいて適応フィルターを生成して前記脈波信号中の前記ノイズ信号を抽出するとともに、該脈波信号から該ノイズ信号を除去した拍動信号を出力する体動影響成分フィルタリング部と、前記脈波信号又は前記拍動信号の少なくとも一方に基づいて脈拍数を算出し、該脈拍数の特定の可否を判定する脈拍数算出判定部と、を備えたことを特徴とする拍動検出装置。

これによれば、脈波信号又は拍動信号の少なくとも一方に基づいて脈拍数を算出するので、心拍由来の血流量変化成分と、歩行・ジョギング時の腕振りなどに起因する定常的血流変化成分と、を脈波センサーが捉えたときに、各々の信号の周波数・位相が近接している場合でも、脈拍数を算出することができる。また、体動影響信号成分と心拍信号成分との位相が重なった場合、あるいは体動影響成分除去用の適応フィルターが、心拍信号成分の信号も除去してしまった場合でも脈拍計測が可能である。

［適用例２］上記拍動検出装置であって、前記脈拍数算出判定部で前記脈拍数を特定できない場合、前記脈拍数算出判定部において前記脈波信号に基づいて脈拍数を算出することの可否を判定する脈波信号参照可否判定部をさらに備えることを特徴とする拍動検出装置。

これによれば、体動成分除去前の脈波信号に基づいて脈拍検出処理を行ってもよいかどうかを判定するので、体動成分除去後の脈波信号を参照して脈拍数を特定できない場合は、体動成分除去前の脈波信号を参照し脈拍検出処理を行うことができる。つまり、適応フィルターによるフィルタリングを行った結果、心拍成分の信号も除去してしまったと判定した場合、適応フィルターを通す前の信号（生のセンサー出力信号）に対して後処理（脈拍数算出判定部）を行うことができる。

［適用例３］上記拍動検出装置であって、前記脈波信号参照可否判定部は、前記拍動信号の各周波数のパワースペクトル値が所定の閾値以下の場合に、前記脈拍数算出判定部で前記脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定することを特徴とする拍動検出装置。

これによれば、体動除去後の拍動信号の各周波数のパワースペクトル値が閾値以下の場合は、脈波信号を参照して脈拍数を特定できると容易に判定できる。

［適用例４］上記拍動検出装置であって、前記脈波信号参照可否判定部は、前記脈波信号のパワースペクトル値の合計値より、前記拍動信号のパワースペクトル値の合計値が小さい場合に、前記脈拍数算出判定部で前記脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定することを特徴とする拍動検出装置。

これによれば、脈波センサーが出力した脈波信号のパワースペクトルの合計値Ａと、体動除去後の拍動信号のパワースペクトルの合計値Ｂとを算出し、ＡとＢとの比の大きさをみて、Ｂが小さい場合は、脈波信号を参照して脈拍数を特定できると容易に判定できる。

［適用例５］上記拍動検出装置であって、前記脈波信号参照可否判定部は、前記拍動信号の各周波数のパワースペクトル値のばらつきが所定の閾値以下の場合に、前記脈拍数算出判定部で前記脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定することを特徴とする拍動検出装置。

これによれば、体動除去後の拍動信号の各周波数のパワースペクトルのばらつきが少ない（標準偏差が閾値以下）の場合は、脈波信号を参照して脈拍数を特定できると容易に判定できる。

［適用例６］上記拍動検出装置であって、前記脈拍数算出判定部は、前記脈波信号に基づいて脈拍数算出処理を行うにあたり、前回の脈拍数算出処理で得られた脈拍数を示すスペクトルの周波数と近いスペクトルを脈拍とすることを特徴とする拍動検出装置。

これによれば、体動除去前の脈波信号に基づいて脈拍検出処理を行うにあたり、前回の脈拍検出処理の結果、得られた脈拍数を示すスペクトルと近いスペクトルを脈拍と見なすことができる。具体的には、今回スペクトルをパワーの強い順に見たときに、１番目、若しくは２番目に強いスペクトルの位置が前回のスペクトルの位置と一定距離内（スペクトルで３本以内）の場合は、脈拍と見なすことができる。なおかつ、この１番目、２番目のスペクトルのうち、前回計測した脈拍と近いほうのスペクトルを脈拍と判定することができる。

［適用例７］拍動信号とノイズ信号とが混在した脈波信号を検出する脈波センサーと、人体の体動に伴う体動信号を検出して出力する体動センサーとを備えたコンピューターにより、人体の拍動に由来する拍動信号を検出するための拍動検出方法であって、前記コンピューターは、前記体動信号に基づいて適応フィルターを生成して前記脈波信号中の前記ノイズ信号を抽出するとともに、前記脈波信号から前記ノイズ信号を除去した拍動信号を出力する体動影響成分フィルタリングステップと、前記脈波信号又は前記拍動信号の少なくとも一方に基づいて脈拍数を算出し、該脈拍数の特定の可否を判定する脈拍数算出判定ステップと、を含むことを特徴とする拍動検出方法。

これによれば、脈波信号又は拍動信号の少なくとも一方に基づいて脈拍数を算出するので、心拍由来の血流量変化成分と、歩行・ジョギング時の腕振りなどに起因する定常的血流変化成分と、を脈波センサーが捉えたときに、各々の信号の周波数・位相が近接している場合でも、脈拍数を算出することができる。また、体動影響信号成分と心拍信号成分との位相が重なった場合に、体動影響成分除去用の適応フィルターが、心拍信号成分の信号も除去してしまった場合でも脈拍計測が可能である。

［適用例８］上記拍動検出方法であって、前記脈拍数算出判定ステップで前記脈拍数を特定できない場合、前記脈拍数算出判定ステップにおいて前記脈波信号に基づいて脈拍数を算出することの可否を判定する脈波信号参照可否判定ステップをさらに含むことを特徴とする拍動検出方法。

これによれば、体動成分除去前の脈波信号に基づいて脈拍検出処理を行ってもよいかどうかを判定するので、体動成分除去後の脈波信号を参照して脈拍数を特定できない場合は、体動成分除去前の脈波信号を参照し脈拍検出処理を行うことができる。つまり、適応フィルターによるフィルタリングを行った結果、心拍成分の信号も除去してしまったと判定した場合、適応フィルターを通す前の信号（生のセンサー出力信号）に対して後処理（脈拍数算出判定部）を行うことができる。

［適用例９］上記拍動検出方法であって、前記脈波信号参照可否判定ステップでは、前記拍動信号の各周波数のパワースペクトル値が所定の閾値以下の場合に、前記脈拍数算出ステップで前記脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定することを特徴とする拍動検出方法。

これによれば、体動除去後の拍動信号の各周波数のパワースペクトル値が閾値以下の場合は、脈波信号を参照して脈拍数を特定できると容易に判定できる。

［適用例１０］上記拍動検出方法であって、前記脈波信号参照可否判定ステップでは、前記脈波信号のパワースペクトル値の合計値より、前記拍動信号のパワースペクトル値の合計値が小さい場合に、前記脈拍数算出ステップで前記脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定することを特徴とする拍動検出方法。

これによれば、脈波センサーが出力する脈波信号のパワースペクトルの合計値Ａと、体動除去後の拍動信号のパワースペクトルの合計値Ｂとを算出し、ＡとＢとの比の大きさをみて、Ｂが小さい場合は、脈波信号を参照して脈拍数を特定できると容易に判定できる。

［適用例１１］上記拍動検出方法であって、前記脈波信号参照可否判定ステップでは、前記拍動信号の各周波数のパワースペクトル値のばらつきが所定の閾値以下の場合に、前記脈拍数算出ステップで前記脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定することを特徴とする拍動検出方法。

これによれば、体動除去後の拍動信号の各周波数のパワースペクトルのばらつきが少ない（標準偏差が閾値以下）の場合は、脈波信号を参照して脈拍数を特定できると容易に判定できる。

［適用例１２］上記拍動検出方法であって、前記脈拍数算出ステップでは、前記脈波信号に基づいて脈拍数算出処理を行うにあたり、前回の脈拍数算出処理で得られた脈拍数を示すスペクトルの周波数と近いスペクトルを脈拍とすることを特徴とする拍動検出方法。

これによれば、体動除去前の脈波信号に基づいて脈拍検出処理を行うにあたり、前回の脈拍検出処理の結果、得られた脈拍数を示すスペクトルと近いスペクトルを脈拍と見なすことができる。具体的には、今回スペクトルをパワーの強い順に見たときに、１番目、若しくは２番目に強いスペクトルの位置が前回のスペクトルの位置と一定距離内（スペクトルで３本以内）の場合は、脈拍と見なすことができる。なおかつ、この１番目、２番目のスペクトルのうち、前回計測した脈拍と近いほうのスペクトルを脈拍と判定することができる。

第１の実施形態に係る拍動検出装置の機能ブロック図。 第１の実施形態に係る拍動検出装置の拍動検出方法の流れ図。 第１の実施形態に係る拍動検出装置の構成を示す説明図（Ａ）、本実施形態に係る拍動検出装置の脈波センサー近傍の断面図（Ｂ）。 第１の実施形態に係る拍動検出装置の装置本体を、リストバンドやケーブルなどを外した状態で示す平面図。 第１の実施形態に係る制御部近傍の概要構成ブロック図。 脈波センサーが出力した脈波信号を参照するか否かの判定を説明する拍動信号データを示す図。 脈波センサーが出力した脈波信号を参照するか否かの判定を説明する脈波信号データ（Ａ）と、拍動信号データ（Ｂ）とを示す図。 脈波センサーが出力した脈波信号を参照するか否かの判定を説明する拍動信号データを示す図。 第１の実施形態に係る拍動検出装置の脈拍数表示の推移を示す図。 第２の実施形態に係る拍動検出装置の拍動信号データ（Ａ）と、脈波信号データ（Ｂ）とを示す図。 体動と心拍が重なっている場合の脈波信号データ（Ａ）と、拍動信号データ（Ｂ）とを示す図。

（第１の実施形態）
以下に本実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る拍動検出装置の機能ブロック図である。本実施形態に係る拍動検出装置２の脈波センサー１０は、被験者の脈波信号を検出する。この脈波信号は、脈波信号取得部１２で増幅・ＡＤ変換され、サンプリングされた後、バッファーに記憶される。なお、本実施形態におけるサンプリング周波数は「１６Ｈz」である。この脈波信号は、本来の拍動成分と、体動に基づく体動成分との和になる。バッファーに記憶された脈波信号は、体動影響成分フィルタリング部１４と第２脈波周波数解析部１６とに出力される。

本実施形態に係る拍動検出装置２の体動センサー３０は、加速度センサー等によって構成され、被験者の体動信号を測定する。この体動信号は、体動信号取得部１８で増幅・ＡＤ変換され、サンプリングされた後、バッファーに記憶される。なお、本実施形態におけるサンプリング周波数は「１６Ｈz」である。バッファーに記憶された体動信号は、体動影響成分フィルタリング部１４に出力される。

体動影響成分フィルタリング部１４は、図示しない適応フィルターと、減算器と、係数演算部とを備えている。適応フィルターは、ＦＩＲフィルターによって構成され、体動成分の予測値を算出する。次に、減算器は、脈波信号から予測値を減算する。次に、係数演算部において残差信号により定数が逐次算出され、算出された定数は適応フィルターに設定される。体動影響成分フィルタリング部１４は、出力信号として拍動信号を第１脈拍数算出判定部（脈拍数算出判定部）２０に出力する。

第１脈波周波数解析部２２は、一連の拍動信号に対してＦＦＴ処理を施し、その周波数成分を求める。そして、これら周波数成分の中から最大のレベルを有する成分を拍動成分として抽出する。この周波数成分は、第１脈拍数算出判定部２０と、脈波信号参照可否判定部２４とに出力される。

第２脈波周波数解析部１６は、一連の脈波信号に対してＦＦＴ処理を施し、その周波数成分を求める。そして、これら周波数成分の中から最大のレベルを有する成分を拍動成分として抽出する。この周波数成分は、第２脈拍数算出判定部（脈拍数算出判定部）２６と、脈波信号参照可否判定部２４とに出力される。

第１脈拍数算出判定部２０は、第１脈波周波数解析部２２の解析結果を基に脈拍数の算出（判定）を行う。この判定結果は、脈波信号参照可否判定部２４に出力される。

第２脈拍数算出判定部２６は、第２脈波周波数解析部１６の解析結果を基に脈拍数の算出（判定）を行う。

脈波信号参照可否判定部２４は、「脈波センサー１０が出力した脈波信号に基づいて第２脈拍数算出判定部２６が脈拍数を算出することの可否」を、拍動信号と脈波信号とに基づいて判定する。

脈拍数表示部２８は、脈拍数を算出できた場合は、脈拍数を表示し、脈拍数を算出できなかった場合は、脈拍算出ができなった旨の表示をする。

上記のように構成された本実施形態に係る拍動検出装置２は、次の手順で脈拍数を算出する。第１脈拍数算出判定部２０の脈拍数算出（判定）で脈拍数が特定できない場合は、脈波信号参照可否判定部２４の判定結果が第２脈拍数算出判定部２６で脈波センサー１０が出力した脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定されれば、第２脈波周波数解析部１６の解析結果を基に第２脈拍数算出判定部２６で脈拍数の算出を行う。

脈波センサー１０が出力した脈波信号の周波数解析結果に基づき、脈拍数を算出する処理の内容は、体動影響成分フィルタリング部１４から出力された信号の周波数解析結果に基づく脈拍数算出処理と同じでよいことが、検証の結果明らかとなっている。例えば、基本的には、高いパワーを持つスペクトルを順番に見ていき、過去に算出した脈拍値と近い周波数成分であるかどうかを確認する処理を行う。

さらに、具体的には、第１脈拍数算出判定部２０が脈拍数を算出（判定）する処理を行った結果、脈拍値を算出できた場合は、脈拍数表示部２８で脈拍数を表示する。
一方、脈拍数を算出できなかった場合は、ＭＰＵ３２（図５参照）が、脈波信号参照可否判定部２４へ処理実行指示を出す(ステップＳ１)。

脈波信号参照可否判定部２４は、第１脈波周波数解析部２２からは体動除去を行った後の拍動信号の周波数解析結果を取得し(ステップＳ２)、第２脈波周波数解析部１６からは、体動除去を行う前の脈波センサー１０が出力した脈波信号の周波数解析結果を取得する。なお、この時、(ステップＳ２−１)の処理として、体動除去を行う前の脈波センサー１０が出力した脈波信号に対してＦＦＴ処理を行っておく。

脈波信号参照可否判定部２４は、上記の２つの入力に基づいて、「体動除去を行う前の脈波センサー１０が出力した脈波信号に基づいて脈拍を算出する処理を行ってもよいかどうか」を判定する。

判定結果がＮＧの場合（第２脈拍数算出判定部２６で脈波センサー１０が出力した脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行わないと判定）は、第１脈拍数算出判定部２０に対して、脈拍算出不可と応答する。その場合は、脈拍数表示部２８で脈拍算出ができなった旨の表示をする。

判定結果がＯＫの場合（第２脈拍数算出判定部２６で脈波センサー１０が出力した脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定）は、第２脈波周波数解析部１６の算出した周波数解析結果を、第２脈拍数算出判定部２６へ渡すよう、ＭＰＵ３２が指示する。

第２脈拍数算出判定部２６は、体動除去を行う前の脈波センサー１０が出力した脈波信号の周波数解析結果に基づいて(ステップＳ３)、脈拍数を算出(判定)する処理を行う。そして脈拍値を算出できた場合は、脈拍数表示部２８で脈拍数を表示し(ステップＳ４)、脈拍数を算出できなかった場合は、脈拍算出ができなった旨の表示をする。

図２は、本実施形態に係る拍動検出装置２の拍動検出方法の流れ図であり、ＭＰＵ３２（図５参照）が本実施例の拍動検出アルゴリズムにしたがって脈波信号と体動信号とを処理して拍動信号を抽出し、最終的にその拍動信号に基づく脈拍数を脈拍数表示部２８に表示出力するまでの処理の流れ図を示している。

まず、拍動検出装置２を装着した利用者が拍動検出装置測を開始するための所定のボタン操作を行うと、ＭＰＵ３２は、脈波信号と体動信号とをＲＡＭ４０（図５参照）に書き込むことで取得する（ステップＳ１０）。

次に、体動除去適応フィルター処理を施して、ＭＰＵ３２は、拍動信号をＲＡＭ４０に書き込むことで取得する（ステップＳ２０）。

次に、拍動信号に対してＦＦＴ処理を施し、その周波数成分を求める。ＭＰＵ３２は、周波数成分をＲＡＭ４０に書き込むことで取得する（ステップＳ３０）。

次に、周波数成分を基に脈拍数の算出（判定）を行う（ステップＳ４０）。結果、脈拍値を算出できた場合は、ステップＳ５０へ進む。脈拍値を算出できなかった場合は、ステップＳ６０へ進む。

次に、脈拍値を算出できた場合、脈拍数表示部２８に脈拍数を表示する（ステップＳ５０）。そして終了する。

また、脈拍値を算出できなかった場合、脈波信号と体動信号とに基づいて、「体動除去を行う前の脈波センサー１０が出力した脈波信号に基づいて脈拍を算出する処理を行ってもよいかどうか」を判定する（ステップＳ６０）。結果、判定結果がＯＫの場合（第２脈拍数算出判定部２６で脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定）は、ステップＳ７０へ進む。判定結果がＮＧの場合（第２脈拍数算出判定部２６で脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行わないと判定）は、ステップＳ９０へ進む。

次に、判定結果がＯＫの場合、脈波信号に対してＦＦＴ処理を施し、その周波数成分を求める。ＭＰＵ３２は、周波数成分をＲＡＭ４０に書き込むことで取得する（ステップＳ７０）。

次に、周波数成分を基に脈拍数の算出（判定）を行う（ステップＳ８０）。結果、脈拍値を算出できた場合は、ステップＳ５０へ進む。脈拍値を算出できなかった場合は、ステップＳ９０へ進む。

次に、判定結果がＮＧの場合、脈拍数表示部２８に脈拍算出ができなった旨の表示をする（ステップＳ９０）。そして終了する。

図３（Ａ）は、本実施形態に係る拍動検出装置２の構成を示す説明図である。拍動検出装置２は、大別すると、腕時計構造を有する装置本体４４と、この装置本体４４に接続されるケーブル４６と、このケーブル４６の先端側に設けられた脈波センサー１０と、を備えて構成されている。

ケーブル４６の一端側にはコネクターピース４８が構成されている。このコネクターピース４８は、装置本体４４の６時の側に構成されているコネクター部５０に対して着脱自在に構成されている。

装置本体４４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５２が設けられている。このリストバンド５２によって、装置本体４４は、腕に着脱自在に装着される。

図３（Ｂ）は、本実施形態に係る拍動検出装置２の脈波センサー１０近傍の断面図である。脈波センサー１０は、センサー固定用バンド５４によって遮光された状態で人差し指の根元から指関節までの間に装着されている。このように、脈波センサー１０を指の根元に装着することにより、ケーブル４６が短くて済むので、ケーブル４６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、指の根元の温度は比較的低下しない。したがって、指の根元に脈波センサー１０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のである。

図４は、本実施形態に係る拍動検出装置２の装置本体４４を、リストバンド５２やケーブル４６などを外した状態で示す平面図である。図４において、装置本体４４は、樹脂製の時計ケース５６を備えている。時計ケース５６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、及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脈拍数表示部２８が設けられている。

脈拍数表示部２８には、表示面の左上側に位置する第１セグメント表示領域５８、右上側に位置する第２セグメント表示領域６０、右下側に位置する第３セグメント表示領域６２、及び左下側に位置するドット表示領域６４が構成されており、ドット表示領域６４では、各種の情報をグラフィック表示可能である。

時計ケース５６の内部には、ピッチを求めるための体動センサー３０（図５参照）が内蔵されており、この体動センサー３０としては、加速度センサーなどを用いることができる。

また、時計ケース５６の内部には、各種の制御やデータ処理を行う制御部６６が設けられている。この制御部６６は、体動センサー３０による検出結果（体動信号）及び脈波センサー１０による検出結果（脈波信号）に基づいて平均脈拍数及び平均脈拍数に対する脈拍数ばらつきの時間変化などを求め、必要に応じて脈拍数表示部２８で表示するとともに、送受信回路６８（図５参照）及びアンテナ部７０を介して管理センター（図示せず）に当該拍動検出装置２を特定するＩＤコードとともに、計測した各演算タイミングに対応する平均脈拍データ、平均脈拍データに対応する平均脈拍数に対する脈拍数のばらつきを表す脈拍ばらつきデータを送信する。

この場合において、制御部６６には、計時回路も構成されているため、通常時刻なども脈拍数表示部２８に表示可能となっている。

また、時計ケース５６の外周部には、入力装置７２（図５参照）を構成し、時刻合わせや表示モードの切り換えなどの外部操作を行うためのボタンスイッチ７４〜８２が設けられている。また、時計ケース５６の表面には、同じく、入力装置７２を構成する、大きめのボタンスイッチ８４，８６が構成されている。

拍動検出装置２の電源は、時計ケース５６に内蔵されているボタン形の小型の電池８８であり、ケーブル４６は、電池８８から脈波センサー１０に電力を供給するとともに、脈波センサー１０の検出結果を時計ケース５６の制御部６６に入力している。

拍動検出装置２では、その機能を増やすに伴って、装置本体４４を大型化する必要がある。しかしながら、装置本体４４には、腕に装着されるという制約があるため、装置本体４４を腕時計における６時及び１２時の方向に向けては拡大できない。

そこで、本実施形態では、装置本体４４には、３時及び９時の方向における長さ寸法が６時及び１２時の方向における長さ寸法よりも長い横長の時計ケース５６を用いてある。

この場合において、リストバンド５２は、３時の方向側に偏った位置で接続しているため、リストバンド５２からみると、腕時計における９時の方向には、３時の方向とは異なり張出部分９０が設けられている。したがって、横長の時計ケース５６を用いたわりには、手首を自由に曲げることができ、また、転んでも手の甲を時計ケース５６にぶつけたりすることもない。

時計ケース５６の内部において、電池８８に対して９時の方向には、ブザー用の偏平な圧電素子９２が配置されている。電池８８は、圧電素子９２に比較して重いため、装置本体４４の重心位置は、３時の方向に偏った位置にある。この重心が偏っている側にリストバンド５２が接続しているので、装置本体４４を腕に安定した状態で装着できる。また、電池８８と圧電素子９２とを平面方向に配置してあるため、装置本体４４を薄型化できる。これとともに、図示しないが、裏面部に電池蓋を設けることによって、利用者は、電池８８を簡単に交換できる。

また、時計ケース５６の内部には、管理センターと通信を行うためのアンテナ部７０が設けられている。

図５は、本実施形態に係る制御部６６近傍の概要構成ブロック図である。
制御部６６は、大別すると、脈波センサー１０からの入力結果に基づいて脈拍数などを求める脈波データ処理部９６と、体動センサー３０からの入力結果に基づいてピッチを求めるピッチデータ処理部９８と、動作クロック信号を生成するクロック生成部１００と、制御部全体を制御するコントロール部１０２と、が構成されている。

脈波データ処理部９６は、大別すると、脈波信号増幅回路１０４と、脈波波形整形回路１０６と、を独自に備え、ピッチデータ処理部９８と共有してＡ／Ｄ変換回路１０８を備えている。

脈波信号増幅回路１０４は、脈波センサー１０が出力した脈波信号を増幅して脈波増幅信号をＡ／Ｄ変換回路１０８及び脈波波形整形回路１０６に出力する。

脈波波形整形回路１０６は、脈波増幅信号の波形整形を行ってコントロール部１０２に出力する。

Ａ／Ｄ変換回路１０８は、脈波増幅信号のＡ／Ｄ変換を行って脈波データとしてコントロール部１０２に出力する。

ピッチデータ処理部９８は、大別すると、体動信号増幅回路１１０と、体動波形整形回路１１２と、を独自に備え、上述したように脈波データ処理部９６と共有してＡ／Ｄ変換回路１０８を備えている。

体動信号増幅回路１１０は、体動センサー３０の出力である体動信号を増幅して体動増幅信号をＡ／Ｄ変換回路１０８及び体動波形整形回路１１２に出力する。

体動波形整形回路１１２は、体動増幅信号の波形整形を行ってコントロール部１０２に出力する。

Ａ／Ｄ変換回路１０８は、体動増幅信号のＡ／Ｄ変換を行って体動データとしてコントロール部１０２に出力する。

クロック生成部１００は、大別すると、発振回路１１４及び分周回路１１６を備えている。

発振回路１１４は、水晶発振器などを備え、コントロール部１０２にクロック信号を基準動作クロックとして供給するとともに、クロック信号から計時用クロック信号を生成させるべく、分周回路１１６に供給する。

分周回路１１６は、供給されたクロック信号を分周して、各種の計時用クロック信号を生成してコントロール部１０２に供給する。

コントロール部１０２は、大別すると、ＭＰＵ３２と、ＲＡＭ４０と、ＲＯＭ１１８と、を備えており、ＭＰＵ３２には上述した脈拍数表示部２８の他、入力装置７２、送受信回路６８、及びアンテナ部７０が接続されている。

ＭＰＵ３２は、ＲＯＭ１１８内に格納された制御プログラムに基づいて制御部６６全体、ひいては、拍動検出装置２全体を制御する。

ＲＡＭ４０は、脈波データ、体動データを含む各種データを一時的に格納し、作業領域として用いられる。

ＲＯＭ１１８は、ＭＰＵ３２、ひいては、拍動検出装置２全体を制御するための制御プログラムを予め格納している。

上記実施形態において、拍動検出装置２における体動影響成分フィルタリング部１４、第１及び第２脈波周波数解析部２２，１６、脈波信号参照可否判定部２４、第１及び第２脈拍数算出判定部２０，２６は、上記ＭＰＵ３２が脈波信号と体動信号を所定のプログラムを処理することで実現される。例えば、体動影響成分フィルタリング部１４の要部は、ＦＩＲフィルターなどによって構成される適用フィルターを用いて脈波信号から体動に相関するノイズ成分を除去することで拍動を検出するものであり、その適応フィルターは、ＭＰＵ３２が所定のプログラムを実行することで実現されるデジタルフィルターである。

以下では、脈波センサー１０が出力した脈波信号を参照するか否かの判定を行う脈波信号参照可否判定部２４の実施例を挙げる。
（実施例１）
図６は、脈波センサー１０が出力した脈波信号を参照するか否かの判定を説明する拍動信号データを示す図である。なお、グラフの上段の曲線１２０ａは拍動信号の波形を、下段の棒グラフ１２２ａは周波数解析結果を示す。

図６に示すように、体動除去後の拍動信号の周波数解析結果１２２ａの各周波数のパワースペクトル値が閾値以下である場合は、第２脈拍数算出判定部２６で体動除去前の脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定する。なお、パワースペクトル値の平均が閾値以下であってもよい。
これにより、体動除去後の拍動信号の各周波数のパワースペクトル値が閾値以下の場合は、脈波信号を参照して脈拍数を特定できると容易に判定できる。

（実施例２）
図７は、脈波センサー１０が出力した脈波信号を参照するか否かの判定を説明する脈波信号データ（Ａ）と、拍動信号データ（Ｂ）とを示す図である。なお、各グラフの上段の曲線１２０ｂ，１２０ｃは脈波信号及び拍動信号の波形を、下段の棒グラフ１２２ｂ，１２２ｃは周波数解析結果を示す。

図７(Ａ）に示す脈波センサー１０が出力した脈波信号の周波数解析結果１２２ｂのパワースペクトルの合計値Ａと、図７(Ｂ）に示す体動除去後の拍動信号の周波数解析結果１２２ｃのパワースペクトルの合計値Ｂとを算出し、合計値ＡとＢとの比の大きさをみて、合計値Ｂが小さい場合は、第２脈拍数算出判定部２６で体動除去前の脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定する。具体的には、図７（Ａ）及び（Ｂ）より、（体動除去適応フィルターの拍動信号のスペクトル値合計）／（脈波センサー１０が出力した脈波信号データのスペクトル値合計）＝３３５８．１１３／１４９３２．６６＝０．２２４８８３８＜０．２５である。
これにより、脈波センサー１０が出力する脈波信号のパワースペクトルの合計値Ａと、体動除去後の拍動信号のパワースペクトルの合計値Ｂとを算出し、ＡとＢとの比の大きさをみて、Ｂが小さい場合は、脈波信号を参照して脈拍数を特定できると容易に判定できる。

（実施例３）
図８は、脈波センサー１０が出力した脈波信号を参照するか否かの判定を説明する拍動信号データを示す図である。なお、グラフの上段の曲線１２０ｄは拍動信号の波形を、下段の棒グラフ１２２ｄは周波数解析結果を示す。また、左表は周波数解析結果１２２ｄの各周波数ごとのパワースペクトル値である。

図８に示すように、体動除去後の拍動信号の周波数解析結果１２２ｄの各周波数ごとのパワースペクトルのばらつきが少ない（標準偏差が閾値以下）場合は、第２脈拍数算出判定部２６で体動除去前の脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定する。具体的には、図６より、６４基線分のスペクトル値の標準偏差＝５．５８８が１０以下の値なので、第２脈拍数算出判定部２６で体動除去前の脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定する。
これにより、体動除去後の拍動信号の各周波数のパワースペクトルのばらつきが少ない（標準偏差が閾値以下）の場合は、脈波信号を参照して脈拍数を特定できると容易に判定できる。

図９は、本実施形態に係る拍動検出装置２の脈拍数表示の推移を示す図であり、従来の拍動検出アルゴリズムで算出した脈拍数と、上記実施例のそれぞれの拍動検出アルゴリズムに基づいて拍動信号を検出して脈拍数とを計測した場合の推移を示している。

図中の２つの曲線は、上記実施例における拍動検出アルゴリズムを用いて計測した脈拍数の推移１２４と、従来の拍動検出アルゴリズムを用いて計測した脈拍数の推移１２６とであり、１分あたりに換算した腕振り回数の推移１２８を設け、上記拍動検出装置２を装着した被験者がその推移１２８にしたがって腕振り回数を変化させたときに脈拍計に表示された脈拍数をプロットしたものである。

推移１２６では、心拍由来の血流量変化成分と、歩行・ジョギング時の腕振りなどに起因する定常的血流変化成分と、を脈波センサー１０が捉えたときに、各々の信号の周波数・位相が近接している場合、あるいは、体動影響信号成分と心拍信号成分との位相が重なった場合、脈拍数の計測ができずエラーを示す「脈拍ゼロ」１３０を表示した。一方、上記実施例では、体動変化に伴う計測の失敗がなく、精度良く脈拍数を計測し続けることができた。

（第２の実施形態）
図１０は、本実施形態に係る拍動検出装置２の拍動信号データ（Ａ）と、脈波信号データ（Ｂ）とを示す図である。なお、各グラフの上段の曲線１２０ｅ，１２０ｆは脈波信号及び拍動信号の波形を、下段の棒グラフ１２２ｅ，１２２ｆは周波数解析結果を示す。図１０(Ａ)は、前回(４秒前)に脈拍を計測したときにおける、体動除去処理まで終えた後の１６秒間分の脈の拍動信号の波形１２０ｅとその周波数解析結果１２２ｅを示す図である。図１０(Ｂ）は、今回、脈拍計測処理を行う対象とする。体動除去処理をする前のつまり、脈波センサー１０が出力した脈波信号の波形１２０ｆと、その周波数解析結果１２２ｆを示す図である。

本実施形態に係る拍動検出装置２は、体動除去前の脈波信号に基づいて脈拍計測処理を行うにあたり、前回の脈拍検出処理の結果得られた脈拍数を示すスペクトルと近いスペクトルを脈拍と見なすことに特徴がある。

図１０(Ａ)に示すように、周波数解析結果１２２ｅの左から数えて２５本目のスペクトルが最もパワーを持っていることから、このスペクトルが心拍の周波数を示していると判定して、脈拍数＝２５＊３．７５＝９４拍／分の計算により、脈拍数は、９４拍／分と決まる（３．７５は、ＦＦＴ処理の解像度により決まる）。

一方、図１０(Ｂ）に示すように、周波数解析結果１２２ｆの左から数えて４９本目のスペクトルが最もパワーを持っており、左から数えて２４本目のスペクトルが２番目に大きいパワーを持っている。

故に、単に最も大きいパワーを持っているスペクトルに注目してしまうと、心拍を示す脈波信号を捕らえ間違えてしまい、算出する脈拍数が不正確になってしまう。

そこで、今回脈拍数を算出するにあたり、注目する領域を「前回、脈拍数として算出したスペクトルと近い距離にあるスペクトル」に絞る。具体的には、前回、脈拍とみなした２５本目±３本＝２２本目〜２８本目の範囲に絞り、この範囲にあるスペクトルの中で、最もパワーの大きいスペクトルを心拍と見なす。

この範囲内では、左から数えて２４本目のスペクトルが最もパワーを持っているので、脈拍数＝２４＊３．７５＝９０拍／分の計算により、脈拍数は、９０拍／分と決まる(３．７５は、ＦＦＴ処理の解像度により決まる)。
これにより、体動除去前の脈波信号に基づいて脈拍検出処理を行うにあたり、前回の脈拍検出処理の結果、得られた脈拍数を示すスペクトルと近いスペクトルを脈拍と見なすことができる。

２…拍動検出装置 １０…脈波センサー １２…脈波信号取得部 １４…体動影響成分フィルタリング部 １６…第２脈波周波数解析部 １８…体動信号取得部 ２０…第１脈拍数算出判定部（脈拍数算出判定部） ２２…第１脈波周波数解析部 ２４…脈波信号参照可否判定部 ２６…第２脈拍数算出判定部（脈拍数算出判定部） ２８…脈拍数表示部 ３０…体動センサー ３２…ＭＰＵ ４０…ＲＡＭ ４４…装置本体 ４６…ケーブル ４８…コネクターピース ５０…コネクター部 ５２…リストバンド ５４…センサー固定用バンド ５６…時計ケース ５８…第１セグメント表示領域 ６０…第２セグメント表示領域 ６２…第３セグメント表示領域 ６４…ドット表示領域 ６６…制御部 ６８…送受信回路 ７０…アンテナ回路 ７２…入力装置 ７４〜８６…ボタンスイッチ ８８…電池 ９０…張出部分 ９２…圧電素子 ９６…脈波データ処理部 ９８…ピッチデータ処理部 １００…クロック生成部 １０２…コントロール部 １０４…脈波信号増幅回路 １０６…脈波波形整形回路 １０８…Ａ／Ｄ変換回路 １１０…体動信号増幅回路 １１２…体動波形整形回路 １１４…発振回路 １１６…分周回路 １１８…ＲＯＭ。

Claims (4)

1. 人体の拍動に由来する拍動信号を検出する拍動検出装置であって、
   前記拍動信号とノイズ信号とが混在した脈波信号を検出して出力する脈波センサーと、
   人体の体動に伴う体動信号を検出して出力する体動センサーと、
   前記体動信号に基づいて適応フィルター処理によって前記脈波信号中の該ノイズ信号を除去した拍動信号を出力する体動影響成分フィルタリング部と、
   前記脈波信号又は前記拍動信号の少なくとも一方に基づいて脈拍数を算出し、該脈拍数の特定の可否を判定する脈拍数算出判定部と、
   前記脈拍数算出判定部で前記脈拍数を特定できない場合、前記脈拍数算出判定部において前記脈波信号に基づいて脈拍数を算出することの可否を判定する脈波信号参照可否判定部と、を備え、
   前記脈波信号参照可否判定部は、前記拍動信号の各周波数のパワースペクトル値が所定の閾値以下の場合、または前記脈波信号のパワースペクトル値の合計値より、前記拍動信号のパワースペクトル値の合計値が小さい場合、もしくは前記拍動信号の各周波数のパワースペクトル値のばらつきが所定の閾値以下の場合に、前記脈拍数算出判定部で前記脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定することを特徴とする拍動検出装置。
2. 請求項１に記載の拍動検出装置において、
   前記脈拍数算出判定部は、前記脈波信号に基づいて脈拍数算出処理を行うにあたり、前回の脈拍数算出処理で得られた脈拍数を示すスペクトルの周波数と近いスペクトルを脈拍とすることを特徴とする拍動検出装置。
3. 拍動信号とノイズ信号とが混在した脈波信号を検出する脈波センサーと、人体の体動に伴う体動信号を検出して出力する体動センサーとを備えたコンピューターにより、人体の拍動に由来する拍動信号を検出するための拍動検出方法であって、
   前記コンピューターは、前記体動信号に基づいて適応フィルター処理によって前記脈波信号中の前記ノイズ信号を除去した拍動信号を出力する体動影響成分フィルタリングステップと、
   前記脈波信号又は前記拍動信号の少なくとも一方に基づいて脈拍数を算出し、該脈拍数の特定の可否を判定する脈拍数算出判定ステップと、
   前記脈拍数算出判定ステップで前記脈拍数を特定できない場合、前記脈拍数算出判定ステップにおいて前記脈波信号に基づいて脈拍数を算出することの可否を判定する脈波信号参照可否判定ステップと、を含み、
   前記脈波信号参照可否判定ステップでは、前記拍動信号の各周波数のパワースペクトル値が所定の閾値以下の場合、または前記脈波信号のパワースペクトル値の合計値より、前記拍動信号のパワースペクトル値の合計値が小さい場合、もしくは前記拍動信号の各周波数のパワースペクトル値のばらつきが所定の閾値以下の場合に、前記脈拍数算出ステップで前記脈波信号に基づいて脈拍数の算出を行うと判定すること、
   を特徴とする拍動検出方法。
4. 請求項３に記載の拍動検出方法において、
   前記脈拍数算出ステップでは、前記脈波信号に基づいて脈拍数算出処理を行うにあたり、前回の脈拍数算出処理で得られた脈拍数を示すスペクトルの周波数と近いスペクトルを
   脈拍とすることを特徴とする拍動検出方法。