JP5874367B2

JP5874367B2 - 心拍信号処理装置、および心拍信号処理方法

Info

Publication number: JP5874367B2
Application number: JP2011272004A
Authority: JP
Inventors: 英樹冨森; 佐野　聡; 聡佐野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: JP2013123451A; US20140296723A1; US20130150743A1; US9247892B2; EP2604465A1; US8755878B2; EP2604465B1

Description

本発明は、心拍信号処理装置、および心拍信号処理方法に関する。

自動装置等を操作する操作者の居眠り操作を防止するため、操作者の心拍を計測し、その心拍の様子から操作者の眠気や覚醒度を検出することが検討されている（たとえば特許文献１）。

たとえば車両の場合、ハンドルなど運転者と接触するような箇所に電極が設けられる。運転者が電極に接触することにより、当該運転者の心電信号を検出することができる。検出された心電信号は、ノイズ低減処理等の信号処理が施される。信号処理を施された心電信号を、たとえば心電信号に含まれるＲ波と呼ばれる心拍信号を、解析することにより、運転者の心拍を計測することができる。

特開２００９−１４２５７６号公報

電極により検出される心拍信号には、多分のノイズ信号が含まれている。心拍信号とともに検出されるノイズ信号を適切に処理しなければ、運転者の心拍を精確に計測することは困難である。本発明の目的は、心拍信号に含まれるノイズ信号を適切に処理し、より精確な心拍計測を可能にする心拍信号処理装置、および心拍信号処理方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、一方の手掌で把握されることにより、基準電位との間の電位差信号である第１の心拍信号を検出する第１の電極と、他方の手掌で把握されることにより、前記基準電位との間の電位差信号である第２の心拍信号を検出する第２の電極と、前記第１および第２の心拍信号の直流成分における電圧値として、それぞれ第１および第２の平均直流電圧値を算出する直流電圧算出部と、前記第１および第２の心拍信号の交流成分における振幅値として、それぞれ第１および第２の平均交流振幅値を算出する交流振幅算出部と、前記第１の心拍信号の交流成分、および前記第２の心拍信号の交流成分の相関係数を算出する相関係数算出部と、前記第１および第２の平均直流電圧値、前記第１および第２の平均交流振幅値、ならびに、前記相関係数に基づいて、前記第１または第２の心拍信号を増幅するための増幅率を設定する増幅率設定部と、前記増幅率設定部によって設定された増幅率に基づいて、前記第１または第２の心拍信号を増幅し、該第１および第２の心拍信号の差分を算出して、差分心拍信号を生成する信号生成部と、を含む心拍信号処理装置、が提供される。

本発明の他の観点によれば、一方の手掌から、基準電位との間の電位差信号である第１の心拍信号を検出し、また、他方の手掌から、基準電位との間の電位差信号である第２の心拍信号を検出し、前記第１および第２の心拍信号の直流成分における電圧値として、それぞれ第１および第２の平均直流電圧値を算出し、前記第１および第２の心拍信号の交流成分における振幅値として、それぞれ第１および第２の平均交流振幅値を算出し、前記第１の心拍信号の交流成分、および前記第２の心拍信号の交流成分の相関係数を算出し、前記第１および第２の平均直流電圧値、前記第１および第２の平均交流振幅値、ならびに、前記相関係数に基づいて、前記第１または第２の心拍信号を増幅するための増幅率を設定し、前記増幅率により前記第１または第２の心拍信号を増幅し、該第１および第２の心拍信号の差分を算出して、差分心拍信号を生成する、心拍信号処理方法、が提供される。

心拍信号に含まれるノイズ信号を適切に処理し、より精確な心拍計測を可能にする。

図１Ａおよび図１Ｂは、車両のハンドルに設けられる電極の配置例を示すダイアグラムである。図２Ａは左手電極ないし右手電極から検出される理想的な心拍波形の例を示すグラフであり、図２Ｂは左手電極および右手電極から検出される実際の心拍波形の例を示すグラフである。図３は、本発明者らが提供する心拍信号処理装置の構成例を示すダイアグラムである。図４Ａおよび図４Ｂは、心拍信号のＤＣ信号およびＡＣ信号の波形を示すグラフである。図５は、増幅率設定部２４が、平均直流電圧値、平均交流振幅値、および相関係数に基づいて、運転者のハンドル把握状態、ないし検出された心拍信号の信頼性を判定する処理例を示すフローチャートである。図６Ａおよび図６Ｂは、本発明者らが提供する心拍信号処理装置の他の構成例の一部を示すダイアグラム、および心拍信号の信頼性を判定する他の処理例の一部を示すフローチャートである。図７は、本発明者らが提供する心拍信号処理装置を用いて、実際に車両を運転する運転者の心拍を計測した際に取得したＤＣ信号および差分心拍信号の波形を示すグラフである。

図面を用いて、実施例による心拍信号処理装置、および心拍信号処理方法を詳細に説明する。なお、以下では、実施例による心拍信号処理装置、および心拍信号処理方法が、車両を運転している運転者に適用される例について説明する。運転者の心拍信号は、たとえば、車両のハンドルに取り付けられた電極を運転者が把握することにより検出される。

図１Ａおよび図１Ｂは、車両のハンドルに設けられる電極の配置例を示すダイアグラムである。一般的な車両に取り付けられるハンドル１０は、図１Ａに示すように、円環状に形成されている。ハンドル１０には、運転者の左手および右手によって把握される箇所に、それぞれに左手電極１０ａおよび右手電極１０ｂが設けられる。なお、図中において、ハンドル１０に設けられる電極１０ａ，１０ｂは斜線で示されている。また、電極１０ａ，１０ｂは、ハンドル１０にベタ状に配置されても、メッシュ状に配置されていてもかまわない。運転者の左手および右手がそれぞれ電極１０ａ，１０ｂに接触することにより、電極１０ａ，１０ｂには、たとえば接地アースなどの基準電位に対して、それぞれ電位差（電圧）Ｖ１およびＶ２が生じる。電位差Ｖ１およびＶ２の時間変化は、運転者の心拍信号に対応している。なお、ハンドルの形状は、図１Ｂに示すようなレバー状であってもかまわない。

図２Ａは、左手ないし右手から検出される理想的な心拍波形の例を示すグラフである。グラフの縦軸は電圧（ｍＶ）であり、横軸は時間（秒）である。グラフ中の心拍信号５０は、運転者の左手なおし右手から検出される理想的な心拍信号の交流成分を示す波形である。心拍信号５０には、約１０Ｈｚ〜３０Ｈｚの主要周波数帯域からなるインパルス状のＲ波５１が含まれる。このようなＲ波５１を検出することにより、運転者の心拍を計測することができる。運転者が眠気を感じるような場合には、このＲ波５１の間隔Ｔが一定して検出される傾向がある。

図２Ｂは、左手電極および右手電極から検出される実際の心拍波形の例を示すグラフである。グラフの縦軸は電圧（ｍＶ）であり、横軸は時間（秒）である。グラフ中の心拍信号５０Ｌおよび５０Ｒは、それぞれ左手電極１０ａ（図１Ａ）および右手電極１０ｂ（図１Ａ）から検出される心拍信号の交流成分を示す波形である。グラフ中の区間６１は、運転者が電極付きハンドル１０（図１Ａ）を両手で安定的に保持している、具体的には、運転者が運転する車両が直進走行している区間である。また、グラフ中の区間６２は、運転者が電極付きハンドルを両手で安定的に保持していない、具体的には、運転者が運転する車両が右折ないし左折している区間である。

区間６１において、心拍信号５０Ｌ，５０Ｒには、同相的なノイズ信号（同相ノイズ信号）が重畳している。このようなノイズ信号を含む心拍信号５０Ｌ，５０Ｒから、Ｒ波を直接的に検出することは困難である。このような場合、心拍信号５０Ｌおよび心拍信号５０Ｒに含まれるノイズ信号の振幅値が相互に同じになるように、心拍信号５０Ｌまたは心拍信号５０Ｒを増幅して、それら心拍信号の差分を算出することにより、ノイズ信号が相殺された差分心拍信号を生成すればよい。心拍信号５０Ｌまたは心拍信号５０Ｒを増幅するための増幅率は、たとえば、心拍信号５０Ｌおよび心拍信号５０Ｒの振幅値の比率によって算出することができる。

グラフ中の差分心拍信号５０Ｄは、心拍信号５０Ｌまたは心拍信号５０Ｒの一方を増幅した後に、それら心拍信号を差分して生成した心拍信号である。区間６１における差分信号５０Ｄの波形を見れば明らかなように、差分信号５０ＤからＲ波５１を検出することは容易である。なお、この差分信号５０Ｄに含まれるＲ波５１の振幅値は、運転者によって異なり、たとえば０．２ｍＶ〜１．８ｍＶ程度となる。このように、心拍信号５０Ｌ，５０Ｒから差分信号５０Ｄを生成することにより、より精確な心拍計測を行うことが可能となる。

車両を運転する運転者の心拍は、本発明の課題が居眠り操作の防止ということを顧みると、リアルタイムに計測されることが望ましい。つまり、区間６１の心拍信号５０Ｌ，５０Ｒに適用する増幅率は、区間６１の直前の区間の心拍信号５０Ｌ，５０Ｒから予め算出しておき、区間６１の心拍信号５０Ｌ，５０Ｒが検出された時点で、逐次、増幅・差分処理を施し、差分信号５０Ｄを生成していくことが望ましい。予め算出された増幅率を用いて、差分信号を即時的に生成していく方式を、リアルタイム波形生成方式と呼ぶこととする。

なお、心拍信号５０Ｌ，５０Ｒに含まれるノイズ信号は同相ノイズ信号だけではない。区間６２における心拍信号５０Ｌ，５０Ｒのように、運転者のハンドル把握状況によって、検出される心拍信号に非同相的なノイズ信号（非同相ノイズ信号）が重畳する可能性もある。このような場合、区間６２における差分信号５０Ｄのように、増幅・差分処理を施しても精確な心拍計測は困難であるため、区間６２を心拍計測の対象から除外する必要がある。また、リアルタイム波形生成方式を採用する場合には、区間６２の直後の区間において、区間６２の心拍信号５０Ｌ，５０Ｒに基づいて算出された増幅率を適用しないようにする必要がある。つまり、区間６２によりも前の区間、たとえば検出される心拍信号の信頼性が高い区間６１において算出された増幅率を適用する必要がある。

本発明者らは、電極付きハンドルの把握状態、ないし検出される心拍信号の信頼性を判定し、差分信号の生成に適用する増幅率を適切に設定することができる心拍信号処理装置について検討を行った。以下では、まず本発明者らが提供する心拍信号処理装置の全体的な構成について説明し、次いで当該心拍信号処理装置を構成する各要素の機能について説明する。

図３は、本発明者らが提供する心拍信号処理装置の構成例を示すダイアグラムである。この心拍信号処理装置は、電極１０ａ，１０ｂ、増幅器１１、フィルタ１２、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１３、および信号処理装置２０を含む構成である。

電極１０ａ，１０ｂは、運転者に両手各々で把握されることにより、当該運転者の心拍信号５０Ｌ，５０Ｒを検出する。電極１０ａ，１０ｂにより検出された心拍信号５０Ｌ，５０Ｒは、増幅器１１によって増幅される。増幅器１１により増幅された心拍信号５０Ｌ，５０Ｒは、それぞれ２系統に分岐される。一方の系統の心拍信号５０Ｌ，５０Ｒは、たとえばＲ波の主要周波数帯域である１０Ｈｚ〜３０Ｈｚ以外の周波数帯域の信号を減衰させるバンドバスフィルタ１２を通過し、ＡＤＣ１３に入力される。他方の系統の心拍信号５０Ｌ，５０Ｒは、そのままＡＤＣ１３に入力される。

なお、フィルタ１２を通過しない心拍信号５０Ｌ，５０Ｒは、直流成分（ＤＣ成分）を含む信号であるため、ＤＣ信号５０Ｌｄ，５０Ｒｄと呼ぶこととする。フィルタ１２を通過した心拍信号５０Ｌ，５０Ｒは、ＤＣ成分がカットされ、主に交流成分（ＡＣ成分）からなる信号となるため、ＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａと呼ぶこととする。ＡＤＣ１３により、アナログ・デジタル変換されたＤＣ信号５０Ｌｄ，５０ＲｄおよびＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａは、信号処理装置２０に入力される。なお、ＡＤＣ１３において、アナログ・デジタル変換に用いるサンプリング周波数は、３００Ｈｚ以上であることが好ましい。

信号処理装置２０は、直流電圧算出部２１、交流振幅算出部２２、相関係数算出部２３、増幅率設定部２４、記憶部２５、および差分信号生成部２６を含む構成である。

信号処理装置２０に入力されたＤＣ信号５０Ｌｄ，５０Ｒｄは、直流電圧算出部２１に入力される。直流電圧算出部２１は、所定の時間帯におけるＤＣ信号５０Ｌｄ，５０Ｒｄの平均直流電圧値を算出する。算出された平均直流電圧値は、増幅率設定部２４に通知される。

信号処理装置２０に入力されたＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａは、交流振幅算出部２２、および相関係数算出部２３入力される。交流振幅算出部２２は、所定の時間帯におけるＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａの平均交流振幅値を測定する。算出された平均交流振幅値は、増幅率設定部２４に通知される。また、相関係数算出部２３は、所定の時間帯におけるＡＣ信号５０ＬａとＡＣ信号５０Ｒａとの間の相関係数を算出する。算出された相関係数は、増幅率設定部２４に通知される。

増幅率設定部２４は、直流電圧算出部２１、交流振幅算出部２２、および相関係数算出部２３によって通知された平均直流電圧値、平均交流振幅値、および相関係数に基づいて、運転者によるハンドル把握状況、ないし検出された心拍信号、特にＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａの信頼性を判定する。そして、その判定結果に応じて、ＡＣ信号５０ＬａまたはＡＣ信号５０Ｒａを増幅するための増幅率を設定する。増幅率設定部２４は、記憶部２５に、各算出部によって通知された算出データや、それらのデータに基づいて算出した増幅率などを記憶させることができる。

信号処理装置２０に入力されたＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａは、さらに、差分信号生成部２６に入力される。差分信号生成部２６は、増幅率設定部２４によって設定された増幅率に基づいて、ＡＣ信号５０ＬａまたはＡＣ信号５０Ｒａの一方のＡＣ信号を増幅した後、増幅された一方のＡＣ信号と他方のＡＣ信号との差分を算出し、差分信号５０Ｄを生成する。差分信号生成部２６は、生成した差分信号５０Ｄを後段の装置、たとえば、差分信号５０Ｄに含まれるＲ波に基づいて運転者の眠気レベルを判定する眠気レベル判定装置３０に出力する。

このような構成により、電極付きハンドルの把握状態、ないし検出される心拍信号の信頼性を判定する心拍信号処理装置を得ることができる。次に、ＤＣ信号５０Ｌｄ，５０ＲｄおよびＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａの波形を参照しながら、直流電圧算出部２１、交流振幅算出部２２、相関係数算出部２３、および増幅率設定部２４の具体的な処理について説明する。

図４Ａおよび図４Ｂは、ＤＣ信号５０Ｌｄ，５０ＲｄおよびＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａの波形を示すグラフである。グラフの縦軸は電圧（ｍＶ）であり、横軸は時間（秒）である。グラフ中の区間６３は、運転者が両手で電極付きハンドルを保持していない、具体的には、運転者が運転する車両が信号待ちなどをしている区間である。グラフ中の区間６４は、運転者が両手で電極付きハンドルを安定的に保持していない、具体的には、運転者が運転する車両が右折ないし左折している区間である。グラフ中の区間６５は、運転者が電極付きハンドルを両手で安定的に保持している、具体的には、運転者が運転する車両が直進走行している区間である。

図４Ａに示すグラフから、運転者が両手で電極付きハンドルを保持していない区間６３では、ＤＣ信号５０Ｌｄ，５０Ｒｄの直流成分の電圧が、ほとんど検出されていないことがわかる。また、運転者が両手で電極付きハンドルを保持している区間６４，６５では、ＤＣ信号５０Ｌｄ，５０Ｒｄの直流成分の電圧が、およそ５ｍＶ以上の電圧で検出されていることがわかる。ただし、運転者が電極付きハンドルを安定的に保持していない区間６６では、ＤＣ信号５０Ｌｄ，５０Ｒｄに、大きな非同相ノイズ信号が重畳していることもわかる。図４Ａに示すグラフから、心拍信号の直流成分の電圧値に基づいて、運転者のハンドル保持／不保持の状況が判定できることがわかる。

直流電圧算出部２１は、このように検出されるＤＣ信号５０Ｌｄ，５０Ｒｄから、所定の時間帯（たとえば５秒間）ごとに、それぞれ平均直流電圧値ＶＬｄ，ＶＲｄを算出する。ＤＣ信号５０Ｌｄ，５０Ｒｄの平均直流電圧値ＶＬｄ，ＶＲｄとは、たとえば所定の時間帯における二乗平均電圧値ないしＲＭＳ（ｒｏｏｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅ：実効電圧値）である。

増幅率設定部２４は、直流電圧測定部２１によって算出された平均直流電圧値ＶＬｄ，ＶＲｄと、予め設定されている閾値ＶＤｔｈ（たとえば１ｍＶ）と、を比較する。平均直流電圧値ＶＬｄまたは平均直流電圧値ＶＲｄが閾値ＶＤｔｈよりも小さい場合、運転者は両手でハンドルを保持していないと判定する。また、平均直流電圧値ＶＬｄおよび平均直流電圧値ＶＲｄが閾値ＶＤｔｈ以上である場合、運転者は両手でハンドルを保持していると判定する。

図４Ｂに示すグラフから、運転者が電極付きハンドルを安定的に保持していない区間６４では、ＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａの振幅が、非同相ノイズ信号の重畳により、相対的に大きいことがわかる。それに対し、運転者が電極付きハンドルを両手で安定的に保持している区間６５では、ＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａの振幅が、相対的に小さいことがわかる。

また、図４Ｂに示すグラフに基づいて、ＡＣ信号５０ＬａとＡＣ信号５０Ｒａとの間の相関関係について検討したところ、区間６５では、強い相関関係があることが確認された。また、区間６４では、非同相ノイズ信号の重畳により、相関関係が相対的に低くなることが確認された。

図４Ｂに示すグラフ、および相関関係に関する検討から、心拍信号の交流成分の振幅値、および相関関係に基づいて、運転者のハンドル把握状況の安定性が判定できることがわかる。

交流振幅算出部２２は、このように検出されるＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａから、所定の時間帯ごとに、それぞれ平均交流振幅値ＶＬａ，ＶＲａを算出する。また、相関係数算出部２３は、所定の時間帯ごとに、ＡＣ信号５０ＬａとＡＣ信号５０Ｒａとの間の相関係数Ｃを算出する。

増幅率設定部２４は、交流振幅算出部２２によって算出された平均交流振幅値ＶＬａ，ＶＲａと、予め設定されている閾値ＶＡｔｈ（たとえば５ｍＶ）と、を比較する。さらに、相関係数算出部２３によって算出された相関係数Ｃと、予め設定されている閾値Ｃｔｈと、を比較する。平均交流振幅値ＶＬａまたは平均交流振幅値ＶＲａが閾値ＶＡｔｈよりも大きく、かつ、相関係数Ｃが閾値Ｃｔｈよりも小さい場合、運転者が両手で安定的に電極付きハンドルを把握していないと判定する。また、平均交流振幅値ＶＬａおよび平均交流振幅値ＶＲａが閾値ＶＡｔｈ以下であり、または、相関係数Ｃが閾値Ｃｔｈ以上である場合、運転者が両手で安定的に電極付きハンドルを把握していると判定する。

図５は、増幅率設定部２４が、平均直流電圧値ＶＬｄ，ＶＲｄ、平均交流振幅値ＶＬａ，ＶＲａおよび相関係数に基づいて、運転者のハンドル把握状況を判定する処理例を示すフローチャートである。

増幅率設定部２４は、まず、直流電圧算出部２１から、所定の時間帯における平均直流電圧値ＶＬｄ，ＶＲｄを取得する（Ｓ１０１）。そして、その平均直流電圧値ＶＬｄ，ＶＲｄと、予め設定されている閾値ＶＤｔｈと、を比較する（Ｓ１０２）。

処理Ｓ１０２において、平均直流電圧値ＶＬｄまたは平均直流電圧値ＶＲｄが閾値ＶＤｔｈよりも小さい場合、増幅率設定部２４は、運転者が両手で電極付きハンドルを保持していない状態（ステータスＳ１）と判定する。平均直流電圧値ＶＬｄおよび平均直流電圧値ＶＲｄが閾値ＶＤｔｈ以上である場合、増幅率設定部２４は、次の処理Ｓ１０４を行う。

増幅率設定部２４は、次に、交流振幅算出部２２から、所定の時間帯における平均交流振幅値ＶＬａ，ＶＲａを取得する（Ｓ１０４）。さらに、相関係数算出部２３から、所定の時間帯における相関係数Ｃを取得する（Ｓ１０５）。そして、平均交流振幅値ＶＬａ，ＶＲａと、予め設定されている閾値ＶＡｔｈと、を比較し、相関係数Ｃと、予め設定されている閾値Ｃｔｈと、を比較する（Ｓ１０６）。

処理Ｓ１０６において、平均交流振幅値ＶＬａまたは平均交流振幅値ＶＲａが閾値ＶＡｔｈよりも大きく、かつ、相関係数Ｃが閾値Ｃｔｈよりも小さい場合、増幅率設定部２４は、運転者が両手で安定的に電極付きハンドルを把握していない状態（ステータスＳ２）と判定する（Ｓ１０７）。平均交流振幅値ＶＬａおよび平均交流振幅値ＶＲａが閾値ＶＡｔｈ以下であり、または、相関係数Ｃが閾値Ｃｔｈ以上である場合、増幅率設定部２４は、運転者が両手で安定的に電極付きハンドルを把握している状態（ステータスＳ３）と判定する（Ｓ１０８）。

ここで、直流電圧算出部、交流振幅算出部、および相関係数算出部が、それぞれ平均直流電圧値、平均交流振幅値、および相関係数を算出する時間帯を第１の時間帯とする。また、第１の時間帯の直後の時間帯を第２の時間帯とし、第１の時間帯の直前の時間帯を第３の時間帯とする。第１〜第３の時間帯は、Ｒ波の主要周波数帯域１０Ｈｚ〜３０Ｈｚから換算される時間周期よりも長い時間帯にすることが好ましい。つまり、Ｒ波の主要周波数帯域から換算される０．１秒よりも長い時間帯にすることが好ましい。次に、増幅率設定部２４がステータスＳ１〜Ｓ３と判定した際の処理について説明する。

運転者のハンドル把握状況がステータスＳ３と判定された場合、増幅率設定部２４は、検出された心拍信号の信頼性は高いと判断する。そして、第１の時間帯におけるＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａの振幅比、たとえば第１の時間帯における平均交流振幅値ＶＬａ，ＶＲａの比率から、第１の増幅率を算出する。さらに、増幅率設定部２４は、差分信号生成部２６が第２の時間帯においてＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａに適用する増幅率に、第１の増幅率を設定する。差分信号生成部２６は、第２の時間帯において、第１の増幅率を用いて即時的に差分信号５０Ｄを生成することになる。

運転者のハンドル把握状況がステータスＳ１ないしステータスＳ２として判定された場合、増幅率設定部２４は、検出された心拍信号の信頼性は低いと判断する。そして、増幅率設定部２４は、差分信号生成部２６が第２の時間帯においてＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａに適用する増幅率に、第３の時間帯におけるＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａの振幅比から算出される第２の増幅率を設定する。なお、第３の時間帯において、運転者のハンドル把握状況はステータスＳ３と判定され、検出された心拍信号の信頼性は高いと判断されているものとする。差分信号生成部２６は、第２の時間帯において、第２の増幅率を用いて即時的に差分信号５０Ｄを生成することになる。なお、増幅率設定部２４は、第３の時間において算出した第２の増幅率を記憶部２５に記憶しておき、第１の時間帯において記憶部２５から第２の増幅率を読み出して、差分信号生成部２６に設定してもかまわない。

以上説明した心拍信号処理装置を用いることにより、電極付きハンドルの把握状況、ないし検出される心拍信号の信頼性を判定し、差分信号の生成に適用する増幅率を適切に設定することがようになる。なお、増幅率設定部２４による心拍信号の信頼性判断に、さらなる条件を付け加えてもかまわない。たとえば、運転者のハンドル把握状況がステータスＳ２（運転者が両手で安定的に電極付きハンドルを把握していない状態）と判定された場合、さらに、心拍信号に含まれる周波数成分を判定して、検出される心拍信号の信頼性を判断してもかまわない。このことは、心拍信号に非同相ノイズ信号が重畳している場合であっても、その非同相ノイズ信号の周波数がＲ波の主要周波数帯域よりも低い場合には、算出される増幅率に対して、その非同相ノイズ信号が与える影響は少ないことによる。

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明者らが提供する心拍信号処理装置の他の構成例の一部を示すダイアグラム、および心拍信号の信頼性を判断する他の処理例の一部を示すフローチャートである。

信号処理装置２０は、図６Ａに示すように、周波数解析部２７を含む構成であってもよい。周波数解析部２７は、所定の時間帯においてＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａに含まれる周波数成分ｆＬ，ｆＲを解析し、その解析結果を増幅率設定部２４に通知する。周波数解析部２７は、たとえばＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａをフーリエ変換するなどして、ＡＣ信号５０Ｌａ，５０Ｒａに含まれる周波数成分を解析することができる。

増幅率設定部２４は、上記で説明した処理の中で、運転者のハンドル把握状況をステータスＳ２と判定した場合、さらに、図６Ｂに示すように、周波数解析部２７から周波数成分ｆＬ，ｆＲを取得し（Ｓ１１１）、その周波数成分ｆＬ，ｆＲと、予め設定されている閾値ｆｔｈと、を比較する（Ｓ１１２）。閾値ｆｔｈは、たとえばＲ波の主要周波数帯域よりも低い１０Ｈｚ以下とすることが好ましい。増幅率設定部２４は、周波数成分ｆＬまたは周波数成分ｆＲが閾値ｆｔｈ以下である場合、検出された心拍信号の信頼性は高いと判断し、ステータスＳ３における増幅率設定処理と同様に、第１の増幅率を算出し、差分信号生成部２６に設定する。また、周波数成分ｆＬまたは周波数成分ｆＲが閾値ｆｔｈよりも大きい場合、検出された心拍信号の信頼性は低いと判断し、ステータスＳ１における増幅率設定処理と同様に、たとえば記憶部２５に記憶されている第２の増幅率を、差分信号生成部２６に設定する。

検出される心拍信号の信頼性判断に、心拍信号の周波数成分の判定を加えることにより、差分信号の生成に適用する増幅率をさらに適切に設定することができるようになる。本発明者らは、以上説明した心拍信号処理装置を用いて、実際に車両を運転する運転者の心拍を計測する実験を行った。

図７は、その際に取得したＤＣ信号および差分心拍信号の波形を示すグラフである。グラフの縦軸は電圧（ｍＶ）であり、横軸は時間（秒）である。グラフ中の区間６６および区間６８は、運転者が電極付きハンドルを両手で安定的に把握している、具体的には、運転者が運転する車両が直進走行している区間である。グラフ中の区間６７は、運転者が両手で電極付きハンドルを安定的に把握していない、具体的には、運転者が運転する車両が車線を変更している区間である。

グラフ中の差分信号５０Ｄは、上記で説明したように、所定の時間帯における心拍信号の平均直流電圧値、平均交流振幅値、相関係数、および周波数成分に基づいて、心拍信号（ＡＣ信号）に適用する増幅率を設定した差分信号の波形である。グラフ中の参照差分信号５０Ｄｒｅｆは、所定の時間における心拍信号の交流成分の振幅値のみに基づいて、心拍信号（ＡＣ信号）に適用する増幅率を設定した差分信号の波形である。

グラフから、区間６７におけるＤＣ信号５０Ｌｄ，５０Ｒｄに、電圧変化が緩やかな非同相ノイズ６９が重畳していることがわかる。さらに、この非同相ノイズ６９は、交流成分の振幅値がそれほど大きくないこともわかる。また、区間６８における差分信号５０Ｄおよび参照差分信号５０Ｄｒｅｆの波形から、差分信号５０Ｄのほうが、参照差分信号５０Ｄｒｅｆよりもノイズ信号（主に同相ノイズ信号）が低減していることがわかる。

区間６８の差分信号５０Ｄの生成において、増幅率設定部２４は、区間６７の非同相ノイズ信号６９を検出して心拍信号の信頼性が低いと判断し、区間６６の心拍信号（ＡＣ信号）に基づいて算出した増幅率を、区間６８の心拍信号に適用している。ハンドル把握状況が安定している心拍信号に基づいて算出された増幅率が、区間６８の心拍信号に適用されているため、区間６８の差分信号５０Ｄは十分にノイズ成分が低減されている。

それに対し、区間６８の参照差分信号５０Ｄｒｅｆの生成において、増幅率設定部は、非同相ノイズ６９の交流成分の振幅値が小さいため、非同相ノイズ６９を検出できず、区間６７の心拍信号に基づいて算出した増幅率が、区間６８の心拍信号に適用されている。ハンドル把握状況が不安定なときの心拍信号に基づいて算出された増幅率が、区間６８の心拍信号に適応されているため、区間６８の参照差分信号５０Ｄｒｅｆは十分にノイズ成分が低減されていない。

以上の実験結果により、本発明者らが提供する心拍信号処理装置、および心拍信号処理方法の有用性が確認された。本発明者らが提供する心拍信号処理装置、ないし心拍信号処理方法を用いることにより、より精確な心拍計測が行えるようになるであろう。

以上、実施例を用いて本発明を説明したが、本発明はこれら実施例に制限さえるものではない。たとえば、心拍信号処理装置における各要素は、別々に構成されていなくてもかまわず、各要素が果たす機能を兼ね備えた単一のデバイスなどによって構成されていてもかまわない。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ハンドル、
１０ａ左手電極、
１０ｂ右手電極、
１１増幅器、
１２フィルタ、
１３アナログ・デジタル変換器、
２０信号処理装置、
２１直流電圧算出部、
２２交流振幅算出部、
２３相関係数算出部、
２４増幅率設定部、
２５記憶部、
２６差分信号生成部、
２７周波数解析部、
３０眠気レベル判定装置、
５０心拍信号、
５１Ｒ波、
６１〜６８区間、
６９非同相ノイズ。

Claims

一方の手掌で把握されることにより、基準電位との間の電位差信号である第１の心拍信号を検出する第１の電極と、
他方の手掌で把握されることにより、前記基準電位との間の電位差信号である第２の心拍信号を検出する第２の電極と、
前記第１および第２の心拍信号の直流成分における電圧値として、それぞれ第１および第２の平均直流電圧値を算出する直流電圧算出部と、
前記第１および第２の心拍信号の交流成分における振幅値として、それぞれ第１および第２の平均交流振幅値を算出する交流振幅算出部と、
前記第１の心拍信号の交流成分、および前記第２の心拍信号の交流成分の相関係数を算出する相関係数算出部と、
前記第１および第２の平均直流電圧値、前記第１および第２の平均交流振幅値、ならびに、前記相関係数に基づいて、前記第１または第２の心拍信号を増幅するための増幅率を設定する増幅率設定部と、
前記増幅率設定部によって設定された増幅率に基づいて、前記第１または第２の心拍信号を増幅し、該第１および第２の心拍信号の差分を算出して、差分心拍信号を生成する信号生成部と、
を含む心拍信号処理装置。
第１の時間帯よりも後の時間帯である第２の時間帯において、
前記増幅率設定部は、
前記第１の時間帯における前記第１および第２の平均直流電圧値、前記第１および第２の平均交流振幅値、ならびに、前記相関係数に基づいて、前記第１の時間帯における前記第１および第２の心拍信号の信頼性を判定し、
該信頼性の判定に基づいて、前記第２の時間帯の前記第１または第２の心拍信号に適用する増幅率を設定する請求項１記載の心拍信号処理装置。
さらに、前記第１および第２の心拍信号各々に含まれる第１および第２の周波数成分を解析する周波数解析部と、を含み、
前記増幅率設定部は、さらに、前記第１の時間帯における前記第１および第２の周波数成分に基づいて、前記第１の時間帯における前記第１および第２の心拍信号の信頼性を判定する請求項２記載の心拍信号処理装置。
前記増幅率設定部は、前記第１の時間帯における前記第１および第２の心拍信号の信頼性が高いと判定した場合には、前記第２の時間帯の前記第１または第２の心拍信号に適用する増幅率として、前記第１の時間帯の前記第１および第２の心拍信号に基づいて算出された第１の増幅率を設定する請求項２または３記載の心拍信号処理装置。
第３の時間帯を前記第１の時間帯よりも前の時間帯としたとき、
前記増幅率設定部は、前記第１の時間帯における前記第１および第２の心拍信号の信頼性が低いと判定した場合には、前記第２の時間帯の前記第１または第２の心拍信号に適用する増幅率として、前記第３の時間帯の前記第１および第２の心拍信号に基づいて算出された第２の増幅率を設定する請求項２または３記載の心拍信号処理装置。
一方の手掌から、基準電位との間の電位差信号である第１の心拍信号を検出し、また、他方の手掌から、基準電位との間の電位差信号である第２の心拍信号を検出し、
前記第１および第２の心拍信号の直流成分における電圧値として、それぞれ第１および第２の平均直流電圧値を算出し、
前記第１および第２の心拍信号の交流成分における振幅値として、それぞれ第１および第２の平均交流振幅値を算出し、
前記第１の心拍信号の交流成分、および前記第２の心拍信号の交流成分の相関係数を算出し、
前記第１および第２の平均直流電圧値、前記第１および第２の平均交流振幅値、ならびに、前記相関係数に基づいて、前記第１または第２の心拍信号を増幅するための増幅率を設定し、
前記増幅率により前記第１または第２の心拍信号を増幅し、該第１および第２の心拍信号の差分を算出して、差分心拍信号を生成する、
心拍信号処理方法。