JP6149450B2 - Respiratory information estimation apparatus and method, and program - Google Patents
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Description
本発明は、呼吸情報推定装置及び方法並びにプログラムに関する。 The present invention relates to a respiratory information estimation apparatus and method, and a program.
例えば車両などの運転者、操作者など(以下、「被験者」とも言う)の覚醒状態を推定するのに使用される生理指標として、心拍、呼吸、血圧、目の動き、膚電位などがある。 For example, physiological indices used to estimate the arousal state of a driver of a vehicle, an operator, etc. (hereinafter also referred to as “subject”) include heart rate, respiration, blood pressure, eye movement, and skin potential.
覚醒状態を精度良く推定するには、生理指標を多角的にセンシングすることが望ましい。しかし、生理指標毎に専用のセンサを用いるのでは、各種センサを装着する被験者への負荷が大きくなり、センサ数の増加に伴いコストも増加する。そこで、被験者への負荷を減らすと共にコストを低減するため、少ない数のセンサで多くの生理指標を推定する技術の一例として、心拍センサまたは脈拍センサなどから出力される心拍信号から心拍と呼吸の2つの生理指標を推定する方法が提案されている。
In order to accurately estimate the arousal state, it is desirable to sense the physiological index from various angles. However, if a dedicated sensor is used for each physiological index, the load on the subject wearing various sensors increases, and the cost increases as the number of sensors increases. Therefore, as an example of a technique for estimating a large number of physiological indices with a small number of sensors in order to reduce the load on the subject and reduce the cost, heart rate and
心拍数から呼吸数を推定する第1の方法は、心拍数と呼吸数の比例関係を予め求めておき、心拍数から呼吸数を推定する。具体的には、予め、例えば心拍センサまたは脈拍センサなどを用いて被験者の心拍数を取得すると同時に、例えばサーミスタを使った呼吸センサや胸部に巻いた圧力センサなどを用いて被験者の呼吸周期を取得しておく。予め取得しておいた心拍数と呼吸周期の両データから求めた代表的な比例係数を用いることで、被験者に装着された心拍センサが検出した心拍数から呼吸数を推定できる(例えば、特許文献2)。しかし、心拍数と呼吸数の関係は、動的に変動し、被験者毎に異なるため、呼吸数の推定精度を向上することは難しい。 In the first method for estimating the respiratory rate from the heart rate, a proportional relationship between the heart rate and the respiratory rate is obtained in advance, and the respiratory rate is estimated from the heart rate. Specifically, the subject's heart rate is acquired in advance using, for example, a heart rate sensor or a pulse sensor, and at the same time, the respiratory cycle of the subject is acquired using, for example, a respiration sensor using a thermistor or a pressure sensor wound around the chest. Keep it. By using a typical proportionality coefficient obtained from both heart rate and respiratory cycle data acquired in advance, the respiratory rate can be estimated from the heart rate detected by the heart rate sensor attached to the subject (for example, patent document) 2). However, since the relationship between the heart rate and the respiratory rate varies dynamically and varies from subject to subject, it is difficult to improve the estimation accuracy of the respiratory rate.
心拍間隔の時系列データを周波数解析して呼吸成分を取り出す第2の方法は、所謂心拍揺らぎ解析を行うことで呼吸周期を抽出する。心拍センサなどが出力する心拍信号には、R波と呼ばれるピーク信号が特徴的に出現し、R波とR波の間隔データをRRI (R-wave R-wave Interval)と呼ぶ。このRRIを時系列的に集めた時系列データを周波数解析すると、自律神経活動を推定できることが知られている(例えば、非特許文献1,2)。
A second method for extracting a respiratory component by performing frequency analysis on time-series data of heartbeat intervals extracts a respiratory cycle by performing so-called heartbeat fluctuation analysis. In the heartbeat signal output from the heartbeat sensor or the like, a peak signal called R wave appears characteristically, and R-wave R-wave interval data is called RRI (R-wave R-wave Interval). It is known that autonomic nerve activity can be estimated by frequency analysis of time-series data obtained by collecting RRIs in time series (for example,
例えば0.15Hz以上で0.4Hzまでの比較的高い周波数帯をHF(High-Frequency)領域と呼ばれ、例えば0.05Hz以上で0.15Hz未満の比較的低い周波数帯をLF(Low-Frequency)領域と呼ばれることがある。自律神経活動は、心臓鼓動を速くし、呼吸数を増やすなど、生体を活性化させる方向に働く交感神経と、心臓鼓動を遅くし、呼吸数を減らすなど、生体を休ませる方向に働く副交感神経に分かれているが、HF領域は、副交感神経の影響を受け、LF領域は、副交感神経と交感神経の影響を受けることが知られている。また、HF領域で見られるピークを呼吸性洞性不整脈RSA(Respiratory Sinus Arrhythmia)と呼び、LF領域で見られるピークを血圧性不整脈MWSA(Mayer Wave related Sinus Arrhythmia)と呼ぶ。呼吸周期は、上記のRSAの変動の周波数成分から比較的精度良く推定できるが、周波数成分に基づく推定処理の計算量が多いため、簡易に心拍情報から呼吸情報を推定することは難しい。このため、このような推定処理を例えば安価な組み込み機器に実装することは難しい。 For example, a relatively high frequency band from 0.15 Hz to 0.4 Hz is called an HF (High-Frequency) region. For example, a relatively low frequency band from 0.05 Hz to less than 0.15 Hz is LF (Low-Frequency). ) Sometimes called a region. Autonomic nerve activity is a sympathetic nerve that works to activate the body, such as speeding up the heartbeat and increasing the respiratory rate, and a parasympathetic nerve that works in a direction to rest the body, such as slowing the heartbeat and reducing the respiratory rate. It is known that the HF region is affected by parasympathetic nerves, and the LF region is affected by parasympathetic nerves and sympathetic nerves. Moreover, the peak seen in the HF region is called respiratory sinus arrhythmia RSA (Respiratory Sinus Arrhythmia), and the peak seen in the LF region is called blood pressure arrhythmia MWSA (Mayer Wave related Sinus Arrhythmia). The respiratory cycle can be estimated with relatively high accuracy from the frequency component of the RSA variation described above, but it is difficult to easily estimate the respiratory information from the heartbeat information because of the large amount of estimation processing based on the frequency component. For this reason, it is difficult to implement such estimation processing in, for example, an inexpensive embedded device.
従来の方法では、簡易に心拍情報から呼吸情報を高精度に推定することは難しい。 In the conventional method, it is difficult to easily estimate respiratory information from heartbeat information with high accuracy.
そこで、本発明は、簡易に心拍情報から呼吸情報を高精度に推定可能な呼吸情報推定装置及び方法並びにプログラムを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a respiratory information estimation apparatus, method, and program that can easily estimate respiratory information from heartbeat information with high accuracy.
本発明の一観点によれば、被験者の心拍に依存する情報に基づき心拍の周期を計算する第1の計算手段と、前記心拍の連続する複数の周期に基づき、心拍の遷移パターンの分散値を計算する第2の計算手段と、前記遷移パターンの分散値に基づき、呼吸情報を推定する推定手段と、複数の心拍パターンを記憶した記憶手段と、前記被験者の前記心拍に依存する情報を、前記記憶手段から読み出した前記被験者の心拍パターンに基づいて補正する補正手段を備え、前記第1の計算手段は、前記補正手段により補正された前記被験者の前記心拍に依存する情報に基づき計算した前記心拍の周期を前記第2の計算手段に供給する呼吸情報推定装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a first calculation means for calculating a heartbeat cycle based on information dependent on a heartbeat of a subject, and a variance value of a heartbeat transition pattern based on a plurality of successive cycles of the heartbeat. Second calculation means for calculating; estimation means for estimating respiration information based on a variance value of the transition pattern; storage means for storing a plurality of heartbeat patterns; and information dependent on the heartbeat of the subject, Compensating means for correcting based on the heart rate pattern of the subject read out from the storage means , wherein the first calculating means calculates the heart rate calculated based on the information dependent on the heart rate of the subject corrected by the correcting means. A breathing information estimation device is provided that supplies the period to the second calculation means .
開示の呼吸情報推定装置及び方法並びにプログラムによれば、簡易に心拍情報から呼吸情報を高精度に推定することができる。 According to the disclosed respiratory information estimation apparatus, method, and program, it is possible to easily estimate respiratory information from heartbeat information with high accuracy.
本発明者は、生理指標のうち、特に呼吸は、心拍より被験者の動きなどに起因するノイズの影響を受けにくいので、生理指標としては好適であることを見出した。心拍は、動態変化に敏感に反応するが、呼吸は心拍に対して比較的緩やかに反応する。そこで、開示の呼吸情報推定装置及び方法並びにプログラムによれば、呼吸情報推定処理は、被験者の心拍情報または脈拍情報から呼吸周期、呼吸数などの呼吸情報を推定する。呼吸情報推定処理は、周波数解析を用いず、動的解析を可能とする。 The present inventor has found that, among physiological indices, respiration, in particular, is more suitable as a physiological index because it is less susceptible to noise caused by the movement of the subject than the heartbeat. Heartbeats are sensitive to dynamic changes, but breathing is relatively slow to heartbeats. Therefore, according to the disclosed respiratory information estimation apparatus, method, and program, the respiratory information estimation process estimates respiratory information such as a respiratory cycle and a respiratory rate from the heartbeat information or pulse information of the subject. The respiration information estimation process enables dynamic analysis without using frequency analysis.
人間の心臓も肺も自律神経の支配下にあり、被験者の定常な安静に近い状態では、呼吸周期は心拍周期の例えば、3倍〜4倍程度の値をとることが多い。しかし、呼吸周期と心拍周期との間の比例定数は、被験者の状態変化により動的に変動する。そこで、呼吸情報推定処理では、比例定数の動的な変動を逐次動的に補正することで、動的に呼吸周期を高精度に推定する。 The human heart and lung are both under the control of autonomic nerves, and in a state close to the steady rest of the subject, the respiratory cycle often takes a value of, for example, about 3 to 4 times the heartbeat cycle. However, the constant of proportionality between the respiratory cycle and the heartbeat cycle varies dynamically with changes in the subject's condition. Therefore, in the respiratory information estimation process, the respiratory cycle is dynamically estimated with high accuracy by sequentially dynamically correcting the dynamic fluctuation of the proportionality constant.
以下に、開示の呼吸情報推定装置及び方法並びにプログラムの各実施例を図面と共に説明する。 Embodiments of the disclosed respiratory information estimation apparatus and method and program will be described below with reference to the drawings.
先ず、第1実施例について説明する。図1は、第1実施例における呼吸情報推定装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図1に示す呼吸情報推定装置1は、プロセッサ(または、コンピュータ)の一例であるCPU(Central Processing Unit)11、記憶装置12、及びインタフェース(I/F)13を有する。この例では、CPU11、記憶装置12、及びI/F13はバス15で接続されているが、バス15による接続に限定されるものではない。
First, the first embodiment will be described. FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a hardware configuration of the respiratory information estimation apparatus according to the first embodiment. A respiratory
心拍センサ(または、イヤクリップ型などの脈拍センサ)14は、この例ではバス15に接続されているが、I/F13に接続されていても良い。心拍センサ14は、呼吸情報推定装置1に対して外部接続されていても、呼吸情報推定装置1の一部を形成しても良い。心拍センサ14は、被験者(図示せず)の心拍、脈拍などの心拍に依存する情報を周知の方法で検知する周知のセンサの一例である。
The heart rate sensor (or an ear clip type pulse sensor) 14 is connected to the
CPU11は、呼吸情報推定装置1全体の制御を司り、プログラムを実行することで後述する呼吸情報推定処理などを実行する。記憶装置12は、CPU11が実行するプログラム、CPU11が実行する演算の中間結果、CPU11が実行するプログラム及び演算で用いるデータなどを格納する。記憶装置12は、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体で形成可能である。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、半導体記憶装置であっても良い。また、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体が磁気記録媒体、光記録媒体、光磁気記録媒体などの場合、記憶装置12はロードされた記録媒体に対して情報の読み書きを行うリーダ・ライタで形成可能である。I/F13は、外部装置(図示せず)と有線または無線で通信可能である。心拍センサ14に無線通信機能が設けられている場合、心拍センサ14はI/F13の無線通信機能を介して呼吸情報推定装置1と無線通信を行うようにしても良い。
The
図2は、第1実施例における呼吸情報推定装置の機能構成の一例を示すブロック図である。図2は、CPU11の機能構成を示しており、制御部111、心拍情報計算部112、及び呼吸情報推定部113を有する。制御部111には、心拍センサ14が出力する心拍信号が入力される。制御部111は、心拍情報計算部112による心拍情報に関する各種計算と、呼吸情報推定部113による呼吸情報の推定を制御する。心拍情報計算部112は、後述するように心拍周期、心拍の遷移パターン、心拍の遷移パターンの分散値などに関する計算を行う。呼吸情報推定部113は、分散値の比較などにより呼吸周期、呼吸数などの呼吸情報を推定する。制御部111は、呼吸情報推定部113が推定した呼吸情報を出力する。
FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration of the respiratory information estimation apparatus according to the first embodiment. FIG. 2 shows a functional configuration of the
図3は、第1実施例における呼吸情報推定処理の一例を説明するフローチャートである。図3において、ステップS1でCPU11の呼吸情報推定処理が開始されると、ステップS2では、制御部111により一定周期Pが経過したか否かを判定し、判定結果がYESであると処理はステップS3へ進む。一定周期Pは、どの程度の周期で計算を行うかを設定するパラメータである。一定周期Pは、被験者の呼吸周期を比較的細かく観察するか、或いは、比較的大きな遷移で観察するかに応じて、例えば数10秒から数分程度の時間に設定できる。
FIG. 3 is a flowchart for explaining an example of the respiratory information estimation process in the first embodiment. In FIG. 3, when the respiration information estimation process of the
ステップS3では、制御部111の制御下で、心拍情報計算部112により心拍センサ14が出力する心拍信号に基づいて心拍周期を計算により求める。図4は、心拍センサ14が出力する心拍信号の一例を示す図であり、縦軸は心電の強さを任意単位(a.u.)で示し、横軸は時間を任意単位(a.u.)で示す。心拍情報計算部112は、図4に示す如き心拍データからピークなどの特徴点を取得し、連続する特徴点の間の時間を計算して心拍周期を求める。図4に示す例の場合、心拍情報計算部112は、ピークの一例であるR波とR波の間隔データRRI (R-wave R-wave Interval)を周知の方法で計算して心拍周期を求める。
In step S <b> 3, under the control of the
ステップS4では、制御部111の制御下で、心拍情報計算部112により心拍の遷移パターンを計算により求める。例えば図5に示す如き心拍データの場合、RRI時系列データは、例えば図6に示す如きものとなる。図6中、縦軸はRRI(秒)を示し、横軸は心拍サンプル数を示す。また、図5に示す如き心拍データの場合、例えば連続する2個のRRI(RRI*2)、連続する3個のRRI(RRI*3)、連続する4個のRRI(RRI*4)、連続する5個のRRI(RRI*5)、...、連続するn個のRRI(RRI*n)を組として、一定周期Pの連続する組で形成されたRRI時系列データを計算して心拍の遷移パターンを求めても良い。図5では、説明の便宜上、連続する3個のRRI(1),RRI(2),RRI(3)を示す。
In step S <b> 4, a heart rate transition pattern is obtained by calculation by the heart rate
図7は、連続する3個のRRI(RRI*3)、連続する4個のRRI(RRI*4)、及び連続する5個のRRI(RRI*5)を組として、一定周期Pの連続する組で形成されたRRI時系列データの一例を示す図である。図7において、連続する3個のRRI(RRI*3)を組として一定周期Pの連続する組で形成されたRRI時系列データは、最初の連続する3個のRRI(1),RRI(2),RRI(3)が最初の組、次の連続する3個のRRI(4),RRI(5),RRI(6)が次の組、...を含み、一定周期P内には複数の組が含まれる。連続する4個のRRI(RRI*4)を組として一定周期Pの連続する組で形成されたRRI時系列データは、最初の連続する4個のRRI(1),RRI(2),RRI(3),RRI(4)が最初の組、次の連続する4個のRRI(5),RRI(6),RRI(7),RRI(8)が次の組、...を含み、一定周期P内には複数の組が含まれる。同様に、連続する5個のRRI(RRI*5)を組として一定周期Pの連続する組で形成されたRRI時系列データは、最初の連続する5個のRRI(1),RRI(2),RRI(3),RRI(4),RRI(5)が最初の組、次の連続する5個のRRI(6),RRI(7),RRI(8),RRI(9),RRI(10)が次の組、...を含み、一定周期P内には複数の組が含まれる。なお、図示は省略するが、連続する2個のRRI(RRI*2)を組として一定周期Pの連続する組で形成されたRRI時系列データは、最初の連続する2個のRRI(1),RRI(2)が最初の組、次の連続する2個のRRI(3),RRI(4)が次の組、...を含み、一定周期P内には複数の組が含まれる。なお、一定周期P内に含まれる組の数は、1以上であれば良く、整数個に限定されない。また、組の作り方も1つだけではなく、例えば最初の連続する2個のRRI(2),RRI(3)が最初の組、次の連続する2個のRRI(4),RRI(5)が次の組...と違うパターンで登録しても良い。 FIG. 7 shows a series of three consecutive RRIs (RRI * 3), four consecutive RRIs (RRI * 4), and five consecutive RRIs (RRI * 5). It is a figure which shows an example of the RRI time series data formed by the group. In FIG. 7, RRI time-series data formed by a continuous set having a fixed period P with a set of three consecutive RRIs (RRI * 3) is the first three consecutive RRIs (1), RRI (2 ), RRI (3) is the first set, the next three consecutive RRI (4), RRI (5), RRI (6) are the next set,... Is included. RRI time-series data formed by a continuous set having a constant period P with a set of four consecutive RRIs (RRI * 4) is the first four consecutive RRIs (1), RRI (2), RRI ( 3), RRI (4) is the first set, the next four consecutive RRI (5), RRI (6), RRI (7), RRI (8) are the next set, and so on. A plurality of sets are included in the period P. Similarly, RRI time-series data formed by a continuous set having a fixed period P with a set of five consecutive RRIs (RRI * 5) is the first five consecutive RRIs (1) and RRI (2). , RRI (3), RRI (4), RRI (5) are the first set, the next five consecutive RRI (6), RRI (7), RRI (8), RRI (9), RRI (10 ) Includes the next set,..., And a plurality of sets are included in the fixed period P. Although illustration is omitted, RRI time-series data formed by a continuous group having a constant period P with two consecutive RRIs (RRI * 2) as a group is the first two consecutive RRIs (1). , RRI (2) includes the first set, the next two consecutive RRI (3), RRI (4) include the next set,... Note that the number of sets included in the fixed period P may be one or more, and is not limited to an integer. Also, the method of creating a set is not limited to one. For example, the first two consecutive RRIs (2) and RRI (3) are the first group, and the next two consecutive RRIs (4) and RRI (5). May be registered in a different pattern than the next group.
図8は、ステップS4において心拍の遷移パターンを計算して求めたRRI時系列データの一例を示す図である。図8及び後述する図9及び図10において、縦軸はRRIの時間(秒)を示し、横軸は経過時間(分)を示す。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of RRI time-series data obtained by calculating a heartbeat transition pattern in step S4. In FIG. 8 and FIGS. 9 and 10 to be described later, the vertical axis represents RRI time (seconds), and the horizontal axis represents elapsed time (minutes).
ステップS5では、制御部111の制御下で、心拍情報計算部112により心拍の遷移パターンの分散値を計算により求める。例えば、心拍の遷移パターンの分散値は、次式に基づいて計算しても良い。
In step S5, under the control of the
ステップS6では、制御部111の制御下で、呼吸情報推定部113によりステップ5で計算した夫々の心拍の遷移パターン(即ち、RRI時系列データ)の分散値を比較して最小値を計算により求める。分散値が最小値となるRRI時系列データが、呼吸周期に相当する周期を有すると判断する。図9は、心拍の遷移パターンの分散値の一例を説明する図である。図9中、(A)はRRI*3を組としたRRI時系列データ、(B)はRRI*4を組としたRRI時系列データ、(C)はRRI*5を組としたRRI時系列データを示す。この例では、RRI*3を組としたRRI時系列データの分散値はD1、RRI*4を組としたRRI時系列データの分散値はD2、RRI*5を組としたRRI時系列データの分散値はD3であり、D1<D2<D3である(ここでは、図での説明上、分散を最大−最少の値としているように表現しているが、厳密には、例えば上記の分散値の式を用いる)。従って、ステップS6は、ステップS5で計算した分散値D1,D2,D3を比較して、この例では最小値である分散値D1を計算により求める。なお、図9において、D1〜D3は分散値を模式的に示しており、各分散値D1〜D3はこの例では上記の式に基づいて計算される。
In step S6, under the control of the
ステップS7では、制御部111の制御下で、呼吸情報推定部113によりステップS6で求めた分散値の最小値に基づいて呼吸情報を推定する。例えば、分散値が最小値であるRRI時系列データの周期を、現在の呼吸推定区間における呼吸周期として特定しても良い。図10は、最小値である分散値D1の図9中、(A)に示すRRI時系列データの周期を現在の呼吸推定区間における呼吸周期として特定した場合の呼吸時系列の一例を示す図である。なお、ステップS7において推定する呼吸情報は、呼吸数であっても良い。
In step S7, under the control of the
このように、本実施例では、RRIの移動平均処理で求めたRRI時系列データが呼吸成分と同期する、即ち、周期が合うと、呼吸成分の変動要素が消されることを利用して、特定周波数の周期性を取り去る一種のノッチフィルタと同様の考え方を採用する。 As described above, in this embodiment, the RRI time-series data obtained by the RRI moving average process is synchronized with the respiratory component, that is, the respiratory component variation element is deleted when the cycle is matched. The same idea as a kind of notch filter that removes frequency periodicity is adopted.
ステップS8では、制御部111により呼吸推定処理の対象区間が終了したか否かを判定し、判定結果がNOであると処理はステップS2へ戻り、判定結果がYESであれば、処理はステップS9で終了する。ステップS9では、制御部111により終了処理を行う際に、推定した呼吸情報を記憶装置12に記憶したり、或いは、推定した呼吸情報をI/F13を介して外部へ出力したり、心拍センサ14との通信を終了したりしても良い。
In step S8, the
なお、ステップS3で求めた心拍周期などの心拍情報は、記憶装置12に記憶したり、或いは、I/F13を介して外部へ出力したりしても良い。
The heartbeat information such as the heartbeat cycle obtained in step S3 may be stored in the
このように、本実施例では、単一の心拍センサ14が出力する心拍信号に基づいて、2種類の生理指標、即ち、心拍情報及び呼吸情報を求めることができる。また、被験者への負荷を抑えて、心拍情報から時間領域での簡易な計算により呼吸情報を高精度に推定することができる。
Thus, in this embodiment, two types of physiological indices, that is, heart rate information and respiration information, can be obtained based on the heart rate signal output from the single
図11は、呼吸と心拍の関係の一例をRRI*1〜RRI*8について示す図である。図11中、(A)〜(D)は4人の異なる被験者H1〜H4についての測定結果を示し、縦軸は周波数を任意単位(a.u.)で示し、横軸はRRI*n(n=1〜8)を示す。図11は、各被験者H1〜H4がシミュレーション装置で90分間車両の運転操作のシミュレーションを行い、運転操作中に10秒毎に測定した呼吸周期と心拍周期の関係を調べた結果である。図11中、(A)〜(D)に示す被験者H1〜H4についての測定結果から、呼吸周期が心拍周期の2倍〜5倍程度であるRRI*2〜RRI*5の場合が大半であった。従って、上記ステップS4において、連続する2個のRRI(RRI*2)、連続する3個のRRI(RRI*3)、連続する4個のRRI(RRI*4)、及び連続する5個のRRI(RRI*5)を組として、一定周期Pの連続する組(即ち、RRI*n(n=2〜5))で形成されたRRI時系列データを計算して心拍の遷移パターンを求めることが好ましいことが確認された。つまり、RRI*nのnは2〜5であることが好ましく、より好ましくは2〜4であることが確認された。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the relationship between respiration and heartbeat for RRI * 1 to RRI * 8. 11, (A) to (D) show the measurement results for four different subjects H1 to H4, the vertical axis shows the frequency in arbitrary units (au), and the horizontal axis shows RRI * n ( n = 1 to 8). FIG. 11 shows the result of examining the relationship between the respiratory cycle and the heartbeat cycle measured every 10 seconds during driving operation by each of the subjects H1 to H4 simulating the driving operation of the vehicle for 90 minutes with the simulation device. In FIG. 11, from the measurement results for subjects H1 to H4 shown in (A) to (D), the majority of cases are RRI * 2 to RRI * 5 where the respiratory cycle is about 2 to 5 times the heartbeat cycle. It was. Therefore, in step S4, two consecutive RRIs (RRI * 2), three consecutive RRIs (RRI * 3), four consecutive RRIs (RRI * 4), and five consecutive RRIs. (RRI * 5) is a set, and RRI time series data formed by a set having a constant period P (that is, RRI * n (n = 2 to 5)) is calculated to obtain a heartbeat transition pattern. It was confirmed that it was preferable. That is, it was confirmed that n of RRI * n is preferably 2 to 5, and more preferably 2 to 4.
なお、ステップS4において連続するn個のRRI(RRI*n)を組として、n=2、n=3、n=4、及びn=5のいずれかについて一定周期Pの連続する組で形成されたRRI時系列データを計算する場合は、ステップS6を省略可能である。 Note that, in step S4, n consecutive RRIs (RRI * n) are used as a set, and the set is formed by a set having a constant period P for any of n = 2, n = 3, n = 4, and n = 5. When calculating RRI time-series data, step S6 can be omitted.
ところで、例えば連続する3個のRRI(RRI*3)を組として一定周期Pの連続する組で形成されたRRI時系列データを計算する代わりに、最初の組では連続する3個のRRI、次の組では連続する2個または4個のRRIといった具合に、一定周期P内の各組内の連続するRRIの個数は一定ではなく可変であっても良い。例えば、最初の組はRRI(1),RRI(2),RRI(3)、次の組はRRI(4),RRI(5),RRI(6),RRI(7)、次の組はRRI(8),RRI(9),RRI(10)といった具合に、連続する組内の連続するRRIの個数は、3,4,3であっても良い。同様に、最初の組はRRI(1),RRI(2)、次の組はRRI(3),RRI(4),RRI(5)、次の組はRRI(6),RRI(7),RRI(8),RRI(9)といった具合に、連続する組内の連続するRRIの個数は、2,3,4であっても良い。 By the way, instead of calculating RRI time series data formed by a continuous set having a constant period P, for example, by setting three consecutive RRIs (RRI * 3) as a set, the first set includes three consecutive RRIs, In such a group, the number of consecutive RRIs in each group within a certain period P may be variable instead of being constant, such as two or four consecutive RRIs. For example, the first set is RRI (1), RRI (2), RRI (3), the next set is RRI (4), RRI (5), RRI (6), RRI (7), and the next set is RRI. (8), RRI (9), RRI (10), etc., the number of consecutive RRIs in the consecutive set may be 3, 4, 3. Similarly, the first set is RRI (1), RRI (2), the next set is RRI (3), RRI (4), RRI (5), and the next set is RRI (6), RRI (7), For example, the number of continuous RRIs in a continuous set may be 2, 3, 4 such as RRI (8), RRI (9).
さらに、例えば連続する3個のRRIを組として一定周期Pの連続する組で形成されたRRI時系列データを計算する場合、最初の組はRRI(1),RRI(2),RRI(3)、次の組はRRI(2),RRI(3),RRI(4)といった具合に、連続する組の間でRRIが一部重複しても良い。 Furthermore, for example, when calculating RRI time-series data formed by a continuous set having a fixed period P using three consecutive RRIs as a set, the first set is RRI (1), RRI (2), RRI (3) In the next set, RRI (2), RRI (3), RRI (4), and so on, RRI may partially overlap between successive sets.
次に、第2実施例について説明する。第2実施例における呼吸情報推定装置のハードウェア構成は、図1と同じハードウェア構成で良いため、その図示及び説明は省略する。図12は、第2実施例における呼吸情報推定装置の機能構成の一例を示すブロック図である。図12中、図2と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。 Next, a second embodiment will be described. Since the hardware configuration of the respiratory information estimation apparatus in the second embodiment may be the same as that shown in FIG. 1, its illustration and description are omitted. FIG. 12 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration of the respiratory information estimation apparatus according to the second embodiment. In FIG. 12, the same parts as those in FIG.
図12は、CPU11の機能構成を示しており、制御部111、心拍情報計算部112、呼吸情報推定部113に加え、心拍パターン読出部116を有する。心拍パターンROM(Read Only Memory)115は、被験者毎に予め求められた心拍信号に対する心拍データ、即ち、複数の被験者の心拍パターンを記憶している。心拍パターンROM115は、記憶装置12により形成可能である。心拍パターン読出部116は、制御部111の制御下で、心拍パターンROM115から対象となる被験者の心拍パターンを読み出して制御部111に出力する。制御部111は、心拍センサ14が出力する心拍信号に基づく被験者の心拍パターンと、心拍パターンROM115から読み出された同じ被験者の心拍パターンの平均心拍パターンを求める。心拍情報計算部112による計算及び呼吸情報推定部113による推定は、平均心拍パターンに対して実行される。なお、平均心拍パターンを求める平均化処理は、心拍センサ14が出力する心拍信号に基づく被験者の心拍パターンを、心拍パターンROM115から読み出された同じ被験者の心拍パターンに基づいて補正する補正処理の一例であり、補正処理は平均化処理に限定されない。
FIG. 12 shows a functional configuration of the
図13は、第2実施例における心拍パターンの登録処理の一例を説明するフローチャートである。図13において、ステップS21でCPU11の登録処理が開始されると、ステップS22では、CPU11により一定時間が経過したか否かを判定する。ステップS22の判定結果がYESになると、ステップS23では、CPU11により心拍パターンを登録するべき一人の被験者について求められた心拍信号に対する心拍データ、即ち、心拍パターンを心拍パターンROM115に記憶する。ステップS24では、CPU11により対象となる全ての被験者についての登録処理が終了したか否かを判定し、判定結果がNOであると処理はステップS22へ戻り次の被験者についての登録処理を開始する。一方、ステップS24の判定結果がYESであると、処理はステップS25で終了する。
FIG. 13 is a flowchart illustrating an example of a heartbeat pattern registration process according to the second embodiment. In FIG. 13, when the registration process of the
図14は、第2実施例における呼吸情報推定処理の一例を説明するフローチャートである。図14中、図3に示すステップと同一ステップには同一符号を付し、その説明は省略する。図14において、ステップS31では、制御部111により対象となる被験者の心拍パターンが心拍パターンROM115に登録されているか否かを判定し、判定結果がYESであると処理はステップS32へ進み、判定結果がNOであると処理はステップS33へ進む。ステップS32は、制御部111の制御下で、心拍パターン読出部116により心拍パターンROM115から対象となる被験者の心拍パターンを読み出して制御部111に出力し、処理はステップS33へ進む。ステップS33では、制御部111は、被験者の心拍パターンを決定する。ステップS31の判定結果がNOの場合、ステップS33では心拍センサ14が出力する心拍信号に基づいて被験者の心拍パターンが決定される。一方、ステップS32の後にステップS33が実行される場合、ステップS33では心拍センサ14が出力する心拍信号に基づく被験者の心拍パターンを、心拍パターンROM115から読み出された同じ被験者の心拍パターンに基づいて補正する補正処理を行い、補正処理の結果を心拍パターンとして決定する。この例では、説明の便宜上、補正処理は平均化処理を行うものとし、ステップS32の後にステップ33が実行される場合は、心拍センサ14が出力する心拍信号に基づく被験者の心拍パターンと、心拍パターンROM115から読み出された同じ被験者の心拍パターンの平均心拍パターンを求める。
FIG. 14 is a flowchart for explaining an example of the respiratory information estimation process in the second embodiment. 14, the same steps as those shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. In FIG. 14, in step S31, it is determined whether or not the heart rate pattern of the subject subject is registered in the heart
その後、ステップS2以降の心拍情報計算部112による計算及び呼吸情報推定部113による推定は、ステップS33で決定した心拍パターンに対して実行される。本実施例によれば、予め記憶された心拍パターンを用いて測定された心拍パターンを補正することで、心拍周期の計算などの精度を向上することができる。
Thereafter, the calculation by the heart rate
なお、呼吸周期の推定は、被験者毎に平均心拍数、あるいは、定数組と呼吸周期との相関を予め取得しておき、現在の平均心拍数、あるいは、定数組の長さによって推定しても良い。 The respiratory cycle can be estimated by acquiring the average heart rate or the correlation between the constant set and the respiratory cycle in advance for each subject, and estimating the respiratory cycle based on the current average heart rate or the length of the constant set. good.
呼吸周期と心拍周期との間の比例定数は、被験者の状態変化により動的に変動する。そこで、開示の呼吸情報推定処理では、上記の如く比例定数の動的な変動を逐次動的に補正することで、動的に呼吸周期を高精度に推定する。図15は、比例定数の動的な補正を説明する図である。図15中、縦軸は呼吸数、横軸は心拍数を示す。また、I,II,IIIは、例えば心拍数が呼吸数の3倍、4倍、5倍の比例定数である場合を示し、上記の各実施例のように心拍情報から呼吸情報を推定することで、推定した呼吸情報に応じて比例定数を例えばI,II,IIIのいずれかに動的に補正することができる。 The constant of proportionality between the respiratory cycle and the heartbeat cycle varies dynamically with changes in the subject's condition. Therefore, in the disclosed respiration information estimation process, the dynamic change of the proportionality constant is dynamically corrected sequentially as described above to dynamically estimate the respiration cycle with high accuracy. FIG. 15 is a diagram for explaining the dynamic correction of the proportionality constant. In FIG. 15, the vertical axis represents the respiratory rate and the horizontal axis represents the heart rate. In addition, I, II, and III indicate cases where the heart rate is a proportional constant of 3 times, 4 times, and 5 times the respiration rate, and the respiration information is estimated from the heart rate information as in each of the above embodiments. Thus, the proportionality constant can be dynamically corrected to any one of I, II, III, for example, according to the estimated respiratory information.
推定された呼吸情報の用途は特に限定されない。推定された呼吸情報は、例えば被験者の覚醒状態を推定するのに使用しても良い。 The use of the estimated respiratory information is not particularly limited. The estimated respiratory information may be used, for example, to estimate the subject's arousal state.
以上の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
心拍に依存する情報に基づき心拍の周期を計算する第1の計算手段と、
前記心拍の連続する複数の周期に基づき、心拍の遷移パターンの分散値を計算する第2の計算手段と、
前記遷移パターンの分散値に基づき、呼吸情報を推定する推定手段
を備えたことを特徴とする、呼吸情報推定装置。
(付記2)
前記第2の計算手段は、複数の遷移パターンと前記複数の遷移パターンの分散値を計算して最小値となる分散値を求め、
前記推定手段は、前記最小値となる分散値を有する遷移パターンの周期から呼吸周期を推定することを特徴とする、付記1記載の呼吸情報推定装置。
(付記3)
前記第1の計算手段は、前記心拍に依存する情報に基づきR波とR波の間隔データRRI (R-wave R-wave Interval)を計算し、
前記第2の計算手段が計算する前記遷移パターンは、RRI時系列データであることを特徴とする、付記1または2記載の呼吸情報推定装置。
(付記4)
前記RRI時系列データは、一定周期内でn個の連続するRRIの組を1組以上含み、nは2以上の整数であることを特徴とする、付記3記載の呼吸情報推定装置。
(付記5)
前記RRI時系列データは、一定周期内でn個の連続するRRIの組を2組以上含み、nは2以上の整数であり前記一定周期内で一定または可変であることを特徴とする、付記3記載の呼吸情報推定装置。
(付記6)
複数の心拍パターンを記憶した記憶手段と、
前記被験者の前記心拍に依存する情報を、前記記憶手段から読み出された前記被験者の心拍パターンに基づいて補正して前記第1の計算手段に供給する補正手段
を更に備えたことを特徴とする、付記1乃至5のいずれか1項記載の呼吸情報推定装置。
(付記7)
心拍に依存する情報に基づき心拍の周期をプロセッサが計算する第1のステップと、
前記心拍の連続する複数の周期に基づき、心拍の遷移パターンの分散値を前記プロセッサが計算する第2のステップと、
前記遷移パターンの分散値に基づき、前記プロセッサが呼吸情報を推定する推定ステップ
を含むことを特徴とする、呼吸情報推定方法。
(付記8)
前記第2のステップは、複数の遷移パターンと前記複数の遷移パターンの分散値を計算して最小値となる分散値を求め、
前記推定ステップは、前記最小値となる分散値を有する遷移パターンの周期から呼吸周期を推定することを特徴とする、付記7記載の呼吸情報推定方法。
(付記9)
前記第1のステップは、前記心拍に依存する情報に基づきR波とR波の間隔データRRI (R-wave R-wave Interval)を計算し、
前記第2のステップが計算する前記遷移パターンは、RRI時系列データであることを特徴とする、付記7または8記載の呼吸情報推定方法。
(付記10)
前記RRI時系列データは、一定周期内でn個の連続するRRIの組を1組以上含み、nは2以上の整数であることを特徴とする、付記9記載の呼吸情報推定方法。
(付記11)
前記RRI時系列データは、一定周期内でn個の連続するRRIの組を2組以上含み、nは2以上の整数であり前記一定周期内で一定または可変であることを特徴とする、付記9記載の呼吸情報推定方法。
(付記12)
被験者の前記心拍に依存する情報を、前記プロセッサが、複数の心拍パターンを記憶した記憶手段から読み出した前記被験者の心拍パターンに基づいて補正して前記第1のステップに供給する補正ステップ
を更に含むことを特徴とする、付記7乃至11のいずれか1項記載の呼吸情報推定方法。
(付記13)
呼吸情報を推定する処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
心拍に依存する情報に基づき心拍の周期を計算する第1の手順と、
前記心拍の連続する複数の周期に基づき、心拍の遷移パターンの分散値を計算する第2の手順と、
前記遷移パターンの分散値に基づき、呼吸情報を推定する推定手順
を前記コンピュータに実行させることを特徴とする、プログラム。
(付記14)
前記第2の手順は、複数の遷移パターンと前記複数の遷移パターンの分散値を計算して最小値となる分散値を求め、
前記推定手順は、前記最小値となる分散値を有する遷移パターンの周期から呼吸周期を推定することを特徴とする、付記13記載のプログラム。
(付記15)
前記第1の手順は、前記心拍に依存する情報に基づきR波とR波の間隔データRRI (R-wave R-wave Interval)を計算し、
前記第2の手順が計算する前記遷移パターンは、RRI時系列データであることを特徴とする、付記13または14記載のプログラム。
(付記16)
前記RRI時系列データは、一定周期内でn個の連続するRRIの組を1組以上含み、nは2以上の整数であることを特徴とする、付記15記載のプログラム。
(付記17)
前記RRI時系列データは、一定周期内でn個の連続するRRIの組を2組以上含み、nは2以上の整数であり前記一定周期内で一定または可変であることを特徴とする、付記15記載のプログラム。
(付記18)
被験者の前記心拍に依存する情報を、複数の心拍パターンを記憶した記憶手段から読み出した前記被験者の心拍パターンに基づいて補正して前記第1の手順に供給する補正手順
を前記コンピュータに更に実行させることを特徴とする、付記13乃至17のいずれか1
項記載のプログラム。
The following additional notes are further disclosed with respect to the embodiment including the above examples.
(Appendix 1)
A first calculating means for calculating a heartbeat period based on the heartbeat-dependent information;
Second calculation means for calculating a variance value of a heartbeat transition pattern based on a plurality of successive cycles of the heartbeat;
An apparatus for estimating respiratory information, comprising: estimating means for estimating respiratory information based on a variance value of the transition pattern.
(Appendix 2)
The second calculation means calculates a variance value of a minimum value by calculating a plurality of transition patterns and a variance value of the plurality of transition patterns,
The respiratory information estimation apparatus according to
(Appendix 3)
The first calculation means calculates R-wave R-wave interval data RRI (R-wave R-wave Interval) based on the information dependent on the heartbeat,
The respiratory information estimation apparatus according to
(Appendix 4)
The respiratory information estimation apparatus according to
(Appendix 5)
The RRI time series data includes two or more sets of n consecutive RRIs within a fixed period, and n is an integer of 2 or more and is constant or variable within the fixed period. 3. The respiratory information estimation device according to 3.
(Appendix 6)
Storage means for storing a plurality of heartbeat patterns;
The information processing apparatus further comprises correction means for correcting the information dependent on the heartbeat of the subject based on the heartbeat pattern of the subject read from the storage means and supplying the information to the first calculation means. The respiratory information estimation device according to any one of
(Appendix 7)
A first step in which a processor calculates a heartbeat period based on heartbeat-dependent information;
A second step by which the processor calculates a variance value of a heartbeat transition pattern based on a plurality of successive cycles of the heartbeat;
A respiration information estimation method, comprising: an estimation step in which the processor estimates respiration information based on a variance value of the transition pattern.
(Appendix 8)
The second step calculates a variance value that is a minimum value by calculating a plurality of transition patterns and a variance value of the plurality of transition patterns,
The respiratory information estimation method according to
(Appendix 9)
The first step calculates R-wave R-wave interval data RRI (R-wave R-wave Interval) based on the information depending on the heartbeat,
9. The respiratory information estimation method according to
(Appendix 10)
The respiratory information estimation method according to
(Appendix 11)
The RRI time series data includes two or more sets of n consecutive RRIs within a fixed period, and n is an integer of 2 or more and is constant or variable within the fixed period. 9. The respiratory information estimation method according to 9.
(Appendix 12)
And a correction step in which the processor corrects the information dependent on the heartbeat of the subject based on the heartbeat pattern of the subject read out from the storage means storing a plurality of heartbeat patterns, and supplies the information to the first step. The respiratory information estimation method according to any one of
(Appendix 13)
A program for causing a computer to execute processing for estimating respiration information,
A first procedure for calculating a heartbeat period based on heartbeat-dependent information;
A second procedure for calculating a variance value of a heartbeat transition pattern based on a plurality of successive cycles of the heartbeat;
A program for causing the computer to execute an estimation procedure for estimating respiration information based on a variance value of the transition pattern.
(Appendix 14)
In the second procedure, a plurality of transition patterns and a variance value of the plurality of transition patterns are calculated to obtain a variance value that is a minimum value,
14. The program according to
(Appendix 15)
The first procedure calculates R-wave R-wave interval data RRI (R-wave R-wave Interval) based on the information dependent on the heartbeat,
15. The program according to
(Appendix 16)
The program according to
(Appendix 17)
The RRI time series data includes two or more sets of n consecutive RRIs within a fixed period, and n is an integer of 2 or more and is constant or variable within the fixed period. 15. The program according to 15.
(Appendix 18)
Causing the computer to further execute a correction procedure for correcting the information dependent on the heartbeat of the subject based on the heartbeat pattern of the subject read from the storage means storing a plurality of heartbeat patterns and supplying the information to the first procedure Any one of
Program described in the section.
以上、開示の呼吸情報推定装置及び方法並びにプログラムを実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。 As described above, the disclosed respiratory information estimation apparatus, method, and program have been described with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and improvements can be made within the scope of the present invention. Needless to say.
1 呼吸情報推定装置
11 CPU
12 記憶装置
14 心拍センサ
111 制御部
112 心拍情報計算部
113 呼吸情報推定部
1
12
Claims (7)
前記心拍の連続する複数の周期に基づき、心拍の遷移パターンの分散値を計算する第2の計算手段と、
前記遷移パターンの分散値に基づき、呼吸情報を推定する推定手段と、
複数の心拍パターンを記憶した記憶手段と、
前記被験者の前記心拍に依存する情報を、前記記憶手段から読み出した前記被験者の心拍パターンに基づいて補正する補正手段
を備え、
前記第1の計算手段は、前記補正手段により補正された前記被験者の前記心拍に依存する情報に基づき計算した前記心拍の周期を前記第2の計算手段に供給することを特徴とする、呼吸情報推定装置。 First calculating means for calculating a heartbeat period based on information dependent on the heartbeat of the subject ;
Second calculation means for calculating a variance value of a heartbeat transition pattern based on a plurality of successive cycles of the heartbeat;
An estimation means for estimating respiratory information based on a variance value of the transition pattern ;
Storage means for storing a plurality of heartbeat patterns;
Correction means for correcting the information dependent on the heartbeat of the subject based on the heartbeat pattern of the subject read from the storage means ;
The first calculation means supplies the second calculation means with the cycle of the heartbeat calculated based on the information dependent on the heartbeat of the subject corrected by the correction means. Estimating device.
前記推定手段は、前記最小値となる分散値を有する遷移パターンの周期から呼吸周期を推定することを特徴とする、請求項1記載の呼吸情報推定装置。 The second calculation means calculates a variance value of a minimum value by calculating a plurality of transition patterns and a variance value of the plurality of transition patterns,
The respiration information estimation apparatus according to claim 1, wherein the estimation means estimates a respiration cycle from a cycle of a transition pattern having a variance value that is the minimum value.
前記第2の計算手段が計算する前記遷移パターンは、RRI時系列データであることを特徴とする、請求項1または2記載の呼吸情報推定装置。 The first calculation means calculates R-wave R-wave interval data RRI (R-wave R-wave Interval) based on the information dependent on the heartbeat,
3. The respiratory information estimation apparatus according to claim 1, wherein the transition pattern calculated by the second calculation means is RRI time series data.
前記心拍の連続する複数の周期に基づき、心拍の遷移パターンの分散値を前記プロセッサが計算する第2のステップと、
前記遷移パターンの分散値に基づき、前記プロセッサが呼吸情報を推定する推定ステップと、
前記被験者の前記心拍に依存する情報を、前記プロセッサが、複数の心拍パターンを記憶した記憶手段から読み出した前記被験者の心拍パターンに基づいて補正する補正ステップ
を含み、
前記第1のステップは、前記補正ステップにより補正された前記被験者の前記心拍に依存する情報に基づき計算した前記心拍の周期を前記第2のステップに供給することを特徴とする、呼吸情報推定方法。 A first step in which a processor calculates a heartbeat period based on information dependent on the subject's heartbeat;
A second step by which the processor calculates a variance value of a heartbeat transition pattern based on a plurality of successive cycles of the heartbeat;
An estimation step in which the processor estimates respiratory information based on a variance value of the transition pattern ;
Dependent information to the heartbeat of the subject, wherein the processor is seen containing a correction step of correcting, based on the subject's heart rate pattern read from the storage means for storing a plurality of heartbeat patterns,
The first step includes supplying the second step with the cycle of the heartbeat calculated based on the information dependent on the heartbeat of the subject corrected in the correction step. .
心拍に依存する情報に基づき心拍の周期を計算する第1の手順と、
前記心拍の連続する複数の周期に基づき、心拍の遷移パターンの分散値を計算する第2の手順と、
前記遷移パターンの分散値に基づき、呼吸情報を推定する推定手順と、
前記被験者の前記心拍に依存する情報を、複数の心拍パターンを記憶した記憶手段から読み出した前記被験者の心拍パターンに基づいて補正する補正手順
を前記コンピュータに実行させ、
前記第1の手順は、前記補正手順により補正された前記被験者の前記心拍に依存する情報に基づき計算した前記心拍の周期を前記第2の手順に供給することを特徴とする、プログラム。 A program for causing a computer to execute processing for estimating respiration information of a subject ,
A first procedure for calculating a heartbeat period based on heartbeat-dependent information;
A second procedure for calculating a variance value of a heartbeat transition pattern based on a plurality of successive cycles of the heartbeat;
An estimation procedure for estimating respiration information based on the variance value of the transition pattern ;
Causing the computer to execute a correction procedure for correcting the information dependent on the heartbeat of the subject based on the heartbeat pattern of the subject read out from a storage unit storing a plurality of heartbeat patterns ;
The first procedure supplies the second procedure with the cycle of the heartbeat calculated based on the information dependent on the heartbeat of the subject corrected by the correction procedure .
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