JP6394902B2

JP6394902B2 - 脈波検出装置

Info

Publication number: JP6394902B2
Application number: JP2015045589A
Authority: JP
Inventors: 良和本多; 幸樹二ツ山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2035-03-09
Also published as: JP2016165333A

Description

本発明は、生体の脈波を検出する脈波検出装置に関する。

従来、生体の脈波を検出して、その脈波に基づき血圧値、血管年齢、脈拍数などの生体情報を解析する技術が知られている。脈波には、体動などに由来にするノイズ成分が含まれることがある。そのノイズ成分が大きいと、生体情報の解析精度が低下するので、生体情報を精度よく解析するためには、ノイズ成分が小さい脈波を選択することが必要である。

そこで、従来では、脈波のノイズ判定を行う各種手法が提案されている（例えば特許文献１参照）。例えば特許文献１には、取得した脈波から速度脈波を求め、その速度脈波の極値を抽出する。そして、時系列に隣り合う速度脈波について、前回の極値と今回の極値とを比較し、極値の差が複数回連続して所定値以下となった場合に、速度脈波を正規の速度脈波として判定する手法が開示されている。

特許第５２５２０８８号公報

ところで、特許文献１などの従来の手法では、生体情報の解析に用いられる脈波の特徴量（特許文献１の場合は速度脈波の極値）に基づいてノイズ判定を行っているので、生体情報の影響を受けやすいという問題点がある。つまり、同じ量のノイズを含んでいたとしても、生体情報の違いにより特徴量は変わってくるので、生体情報の影響でノイズ判定の結果が変わってしまう可能性がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、脈波のノイズ判定において生体情報の影響を受けにくくできる脈波検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、生体の脈波を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された脈波のうち、生体情報を反映した特徴量があらわれにくい箇所を特定する特定手段と、
前記特定手段により特定された箇所に基づき前記脈波のノイズ判定を行う判定手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、脈波のうちでも特に生体情報を反映した特徴量があらわれにくい箇所を特定し、その特定した箇所に基づいて脈波のノイズ判定を行うので、そのノイズ判定において生体情報の影響を受けにくくできる。

脈波検出装置の構成図である。上段に容積脈波を示し、下段に加速度脈波を示した図である。第１実施形態におけるノイズ判定処理のフローチャートである。加速度脈波を例示した図である。第２実施形態におけるノイズ判定処理のフローチャートである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態の脈波検出装置の構成図を示している。図１の脈波検出装置１は、生体としての人間の血圧値、血管年齢、脈拍数などの生体情報を計測する装置である。

脈波検出装置１は、脈波センサ２と処理ユニット３とを備える。脈波センサ２は、被験者の脈波信号を検知するセンサである。具体的には、脈波センサ２は、発光部（例えば発光ダイオード）及び受光部（例えばフォトダイオード）を含んで構成される周知の光学式反射型センサである。すなわち、脈波センサ２は例えば被験者の指に装着されて、発光部から被験者の皮膚に向けて光が照射されると、光の一部が人体の内部を通る小・細動脈（毛細動脈）を流れる血液中のヘモグロビンに吸収され、残りの光が小・細動脈で反射して散乱し、散乱した光の一部が受光部に入射する。血液の脈動により小・細動脈をながれるヘモグロビンの量は波動的に変化し、ヘモグロビンに吸収される光も波動的に変化する。したがって、小・細動脈で反射して受光部で検出される受光量が変化することになり、このときの受光量の変化を脈波信号（例えば電圧信号）として、脈波センサ２から出力される。

処理ユニット３は、脈波センサ２で検知された脈波信号を取得して、その脈波信号に対して各種処理を行う。具体的には、処理ユニット３は、脈波信号を増幅するアンプ、アンプで増幅された脈波信号（アナログ信号）をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器、Ａ／Ｄ変換器でデジタル値に変換された脈波信号からユーザの生体情報（血圧値、血管年齢、脈拍数など）を算出する生体情報算出部などを備えている。

ここで、図２は、脈波信号を例示しており、詳しくは、脈波センサ２で検知される容積脈波を上段に示し、その容積脈波に対して２階微分を実施することにより得られる加速度脈波を下段に示している。脈波は、心臓の拍動に伴う末梢血管系内の血圧や体積の変化をあらわす。そのため、脈波の波形の特徴を把握することによって、被験者の心臓の拍出のしかた、血管の性状、及び血管壁の状態などを診断することができる。

心臓は、収縮と拡張とを交互に繰り返すことによって、血液を体内に送るポンプとしての役割を持つ。すなわち、心臓は、拡張によって心臓内に血液を溜め、収縮によって心臓内に溜まった血液を押し出す。詳しくは、心臓が拡張すると左右の心房及び心室内の圧力が下がり陰圧になる。この陰圧に引かれて血液が左右の心房及び心室内に流入する。このとき、肺動脈及び大動脈から逆行しようとする血液に押されて肺動脈弁及び大動脈弁が閉じて逆流を防ぐ。拡張が終わるころに、洞房結節から活動電位が発生し、心房に伝わった活動電位により、まず心房が収縮する。心房の収縮が終わるころに、心房から心室に伝わった活動電位により心室が収縮する。心室の収縮により、心室内に溜まった血液は肺動脈及び大動脈へ押し出される。

脈波は、心臓の収縮期、拡張期が反映された形状を有する。詳しくは、図２上段の（１）の脈波部分は、心臓が収縮した時の血液の駆出によって生ずる駆動圧波を反映した収縮期前方成分を示す。また、図２上段の（２）の脈波部分は、駆動圧が末梢に伝搬し、反射して戻ってきた再上昇圧波を反映した収縮期後方成分を示す。また、図２上段の（３）の脈波部分は、心臓の拡張期を反映した拡張期成分を示す。なお、（２）の脈波部分と（３）の脈波部分の間の脈波部分は、心臓の拡張期であるとはっきりと言うことができない部分であるので、（３）の脈波部分から除いてある。

処理ユニット３（生体情報算出部）は、生体情報の算出の際に、脈波の特徴を際立たせるために、図２下段に示す加速度脈波を算出する。同図中において、加速度脈波の立ち上がり開始から１番目の波ａは収縮初期陽性波と呼ばれ、２番目の波ｂは収縮初期陰性波と呼ばれる。また、３番目の波ｃは収縮中期再上昇波と呼ばれ、４番目の波ｄは収縮後期再下降波と呼ばれ、５番目の波は拡張初期陽性波と呼ばれる。収縮初期陽性波（ａ波）及び収縮初期陰性波（ｂ波）は図２上段の（１）の収縮期前方成分に含まれる。また、収縮中期再上昇波（ｃ波）及び収縮後期再下降波（ｄ波）は図２上段の（２）の収縮期後方成分に含まれる。また、拡張初期陽性波（ｅ）は図２上段の（３）の拡張期成分に含まれる。以下では、収縮初期陽性波（ａ波）のピーク点を第１変曲点ａといい、収縮初期陰性波（ｂ波）のピーク点を第２変曲点ｂといい、収縮中期再上昇波（ｃ波）のピーク点を第３変曲点ｃといい、収縮後期再下降波（ｄ波）のピーク点を第４変曲点ｄといい、拡張初期陽性波（ｅ波）のピーク点を第５変曲点ｅという。

各変曲点ａ〜ｅは、生体情報に応じて変化し、詳しくは、例えば第２〜第４変曲点ｂ〜ｅの値を第１変曲点ａの値で除した波高比ｂ／ａ、ｃ／ａ、ｄ／ａ、ｅ／ａは、加齢（血管年齢）や血圧値に伴って変化（上昇又は低下）することが知られている。そこで、処理ユニット３は、例えば、加速度脈波から、生体情報を反映した特徴量として第１〜第５変曲点ａ〜ｅを抽出し、抽出した第１〜第５変曲点ａ〜ｅの値に基づいて、血圧値、血管年齢等の生体情報を算出（解析）する。

このように、本実施形態では、一拍分の加速度脈波のうち、生体情報の解析に有効な特徴量を多く含んだ、脈波の立ち上がり開始から第５変曲点ｅまでの脈波部分を用いて、生体情報の解析を行っている。その脈波部分は、心臓の収縮期（心臓の大動脈弁が開いている期間）に対応する。一方、第５変曲点ｅ以降の脈波部分は、心臓の収縮期から拡張期に変わるに伴い大動脈弁が閉鎖した後の期間に対応する。この期間は、心臓からの血液の駆出や末梢での反射など、生体情報の解析に有効なイベントの発生が少ない期間である。つまり、第５変曲点ｅ以降の脈波部分は、生体情報の解析に有効な特徴量があらわれにくい（少ない）箇所とされる。また、第５変曲点ｅ以降の脈波部分は、第５変曲点ｅまでの脈波部分に比べて、振幅が小さい箇所とされる。

一方で、脈波には、生体情報を反映した特徴量の他に、体動などに由来するノイズ成分が含まれる。そのノイズ成分が大きいと、生体情報の解析精度が低下する。そこで、処理ユニット３は、生体情報の算出に先立って、脈波信号に含まれるノイズ量を判定し、ノイズ量が少ない脈波のみを選択するノイズ判定処理を実行する。以下、ノイズ判定処理の詳細を説明する。

図３は、処理ユニット３が実行するノイズ判定処理のフローチャートを示している。図３の処理は、例えば脈波計測開始スイッチ（図示外）が操作された時に開始し、以降、所定の周期で繰り返し実行される。

図３の処理を開始すると、処理ユニット３は脈波センサ２が検知した脈波（容積脈波）を取得する（Ｓ１１）。次に、Ｓ１１で取得した脈波から加速度脈波を算出する（Ｓ１２）。図４は、Ｓ１２で得られた加速度脈波４を例示している。次に、Ｓ１２で得られた加速度脈波から、生体情報の解析に用いられる特徴量を抽出する（Ｓ１３）。具体的には、図４に示すように、加速度脈波４の立ち上がり開始点５を求め、その開始点５を基準に１番目から５番目までの変曲点ａ〜ｅ、つまり第１変曲点ａ〜第５変曲点ｅを抽出する。なお、Ｓ１３の処理により、加速度脈波のうち生体情報を反映した特徴量があらわれにくい箇所、つまり第５変曲点ｅ以降の脈波部分が特定される。

次に、一拍分の加速度脈波４のうちの第５変曲点ｅ（拡張初期陽性波）以降の脈波部分６の特徴量として、その脈波部分６と所定の基準線７とで囲まれる面積Ｓ（図４の斜線ハッチングの部分）を算出する（Ｓ１４）。基準線７は、加速度脈波の振幅値がゼロとなる横軸線（時間軸線）である。

Ｓ１４で得られた面積Ｓは、脈波に含まれたノイズ量に相関する。つまり、ノイズ量が多い場合には、少ない場合に比べて面積が大きくなる。また、脈波部分６は、生体情報の解析に有効な特徴量があらわれにくい箇所とされるので、脈波部分６の面積Ｓは、生体情報（血圧値、血管年齢等）の影響では変動しにくい。

そこで、次に、面積Ｓが予め定められた閾値以下か否かを判断する（Ｓ１５）。閾値以下の場合には（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、Ｓ１１で取得した脈波は、ノイズ量が少ない有効な脈波であると判定する（Ｓ１６）。この場合には、Ｓ１３で抽出した特徴量（第１変曲点ａ〜第５変曲点ｅ）に基づいて血圧値、血管年齢等の生体情報の解析を行う。Ｓ１６の後、図３の処理を終了する。

一方、面積Ｓが閾値を超えた場合には（Ｓ１５：Ｎｏ）、脈波に含まれるノイズ量が多いとして、Ｓ１１で取得した脈波は無効である判定し、その脈波を破棄する（Ｓ１７）。その後、図３の処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、加速度脈波のうち、生体情報を反映した特徴量があらわれにくい脈波部分に基づいてノイズ判定を行っているので、そのノイズ判定において生体情報の影響を受けにくくできる。つまり、生体情報の影響でノイズ判定の結果（脈波が有効か無効かの判定結果）が変わってしまうのを抑制でき、高精度、かつ簡易に脈波のノイズ判定を行うことができる。また、一拍ごとに、脈波が有効か無効かを判定できる。

これに対して、第５変曲点ｅまでの脈波部分を用いてノイズ判定を行う従来手法では、該脈波部分の形状は、生体情報を反映した特徴量なのか、ノイズなのかの判別がしづらく、その結果として、ノイズ判定の精度が低下したり、ノイズ判定の処理が複雑になったりする。また、特許文献１の手法では、時系列に隣り合う速度脈波について、前回の極値と今回の極値とを比較し、極値の差が複数回連続して所定値以下となった場合に、速度脈波を正規の速度脈波として判定するが、体動などに由来する非周期的な振幅が連続して入ってきた場合に、極値の差が所定値以下であれば、有効な脈波と判定してしまう可能性がある。この点、本実施形態では、特徴量があらわれにくい脈波部分に基づいてノイズ判定を行っているので、体動などに由来する非周期的な振幅が連続して入ってきた場合に、極値の差が所定値以下であっても、無効な脈波と判定することができる。また、特許文献１の手法では、複数拍分以上の脈波を見ないとノイズ判定を行うことができないが、本実施形態の手法では、一拍分の脈波でノイズ判定が可能なので、短時間でノイズ判定を行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を第１実施形態と異なる部分を中心にして説明する。本実施形態の脈波検出装置の構成は、第１実施形態と同様に図１に示される。処理ユニット３が実行するノイズ判定処理が第１実施形態と異なっている。

図５は本実施形態のノイズ判定処理のフローチャートを示している。図５の処理は、例えば脈波計測開始スイッチ（図示外）が操作された時に開始し、以降、所定の周期で繰り返し実行される。

図５の処理を開始すると、処理ユニット３は、図３のＳ１１〜Ｓ１３の処理と同様に、脈波センサ２が検知した脈波を取得し（Ｓ２１）、その脈波から加速度脈波を算出し（Ｓ２２）、その加速度脈波から特徴量（第１変曲点ａ〜第５変曲点ｅ）を抽出する（Ｓ２３）。

次に、第１変曲点ａ（収縮初期陽性波）における特徴量として、第１変曲点ａの振幅値Ｈ（図４参照）を算出する（Ｓ２４）。次に、図３のＳ１４の処理と同様に、第５変曲点ｅ（拡張初期陽性波）以降の脈波部分６（図４参照）の面積Ｓを算出する（Ｓ２５）。

ここで、収縮初期陽性波（第１変曲点ａ）は、同一個人内であれば振幅変動が小さく、安定している部分である。また、収縮初期陽性波以外の脈波部分の振幅レベルは、収縮初期陽性波の振幅レベルに応じて変わる傾向がある。すなわち、収縮初期陽性波の振幅レベルが大きければ、それ以外の脈波部分の振幅レベルも大きくなる傾向がある。反対に、収縮初期陽性波の振幅レベルが小さければ、それ以外の脈波部分の振幅レベルも小さくなる傾向がある。つまり、同一のノイズ量であっても、収縮初期陽性波の振幅レベルが大きければ、第５変曲点ｅ以降の脈波部分の振幅レベルや面積も大きくなる。

そこで、個人間で脈波信号の振幅レベル（収縮初期陽性波の振幅レベル）が違うことを考慮してノイズ判定を行うために、面積Ｓを振幅値Ｈで規格化する（Ｓ２６）。詳しくは、振幅値Ｈを信号、面積Ｓをノイズとして、振幅値Ｈ（信号）と面積Ｓ（ノイズ）の比ＳＮＲ（＝Ｈ／Ｓ）を算出する（Ｓ２６）。比ＳＮＲは、同一個人であれば、ノイズが大きいほど小さい値となる。

そこで、次に、比ＳＮＲが予め定められた閾値以上か否かを判定する（Ｓ２７）。閾値以上の場合には（Ｓ２７：Ｙｅｓ）、Ｓ２１で取得した脈波はノイズ量が少ない有効な脈波であると判定する（Ｓ２８）。この場合には、Ｓ２３で抽出した特徴量（第１変曲点ａ〜第５変曲点ｅ）に基づいて血圧値、血管年齢等の生体情報の解析を行う。Ｓ２８の後、図５の処理を終了する。

これに対し、比ＳＮＲが閾値未満の場合には（Ｓ２８：Ｎｏ）、脈波に含まれるノイズ量が多いとして、Ｓ２１で取得した脈波は無効である判定し、その脈波を破棄する（Ｓ２９）。その後、図５の処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られることに加え、ノイズの影響が少ない収縮初期陽性波（第１変曲点ａ）の振幅値Ｈで面積Ｓを規格化した比ＳＮＲに基づいてノイズ判定を行っているので、個人間で脈波の振幅レベルの違ったとしても高精度なノイズ判定を行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない限度で種々の変更が可能である。例えば、第１実施形態では、第５変曲点ｅ以降の脈波部分の面積に基づいてノイズ判定を行っていたが（図３のＳ１４〜Ｓ１７）、その脈波部分の最大振幅値又は平均振幅値に基づいてノイズ判定を行っても良い。この場合には、最大振幅値又は平均振幅値が閾値以下の場合に脈波は有効と判定し、閾値を超えた場合には脈波は無効と判定する。

また、図５のＳ２４では、第１変曲点ａの振幅値を算出していたが、第１変曲点ａにおける面積、つまり収縮初期陽性波（ａ波）と基準線７（図４参照）とで囲まれる面積Ｓ１を算出しても良い。また、図５のＳ２５では、脈波部分６（図４参照）の面積Ｓを算出していたが、脈波部分６の振幅値Ｈ１（最大振幅値又は平均振幅値）を算出しても良い。そして、Ｓ２６では、振幅値Ｈと面積Ｓとの比ＳＮＲに代えて、上記面積Ｓ１と面積Ｓとの比ＳＮＲ１を算出しても良いし、振幅値Ｈと上記振幅値Ｈ１との比ＳＮＲ２を算出しても良いし、上記面積Ｓ１と上記振幅値Ｈ１との比ＳＮＲ３を算出しても良い。そして、Ｓ２７〜Ｓ２９では、ＳＮＲ１、ＳＮＲ２又はＳＮＲ３に基づいてノイズ判定を行っても良い。これによっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

また、第２実施形態では、第１変曲点ａの振幅値Ｈを第５変曲点ｅ以降の脈波部分の面積Ｓで除算した値（＝Ｈ／Ｓ）に基づいてノイズ判定を行っていたが、面積Ｓを振幅値Ｈで除算した値（＝Ｓ／Ｈ）に基づいてノイズ判定を行っても良い。この場合には、Ｓ／Ｈが閾値以下か否かを判断し、閾値以下の場合には脈波は有効と判定し、閾値を超える場合には脈波は無効と判定する。

また、上記実施形態では、加速度脈波の第５変曲点ｅ以降の脈波部分に基づいてノイズ判定を行っていたが、第５変曲点ｅ以降の第５変曲点ｅと異なる所定点（例えば、脈波の立ち上がり開始から６番目の変曲点（第６変曲点））以降の脈波部分に基づいてノイズ判定を行っても良い。

また、上記実施形態では、加速度脈波に基づいてノイズ判定を行っていたが、その他、ノイズ成分を顕著にするため、容積脈波を１階微分することにより得られる速度脈波や、２次よりも高次微分で得られる脈波に基づいて、ノイズ判定を行っても良い。心臓の拡張期（大動脈弁が閉じた以降の期間）に対応する脈波部分を特定し、その脈波部分に基づいてノイズ判定を行う。明確なノイズであれば、微分せずに容積脈波そのものを用いても良い。その場合、大動脈弁が閉じる前のパワースペクトルをSと、大動脈弁が閉じた後のパワースペクトルをNとし、SN比を取ることでノイズ判定を行う。

また、上記実施形態では、光学式反射型の脈波センサを用いた例を説明したが、特許文献１のように脈波センサとして圧電トランスデューサを用いても良い。

なお、上記実施形態において、脈波センサ２及び図３のＳ１１、Ｓ１２又は図５のＳ２１、Ｓ２２の処理を実行する処理ユニット３が本発明の取得手段に相当する。また、図３のＳ１３又は図５のＳ２３の処理を実行する処理ユニット３が本発明の特定手段に相当する。また、図３のＳ１４〜Ｓ１７又は図５のＳ２４〜Ｓ２９の処理を実行する処理ユニット３が本発明の判定手段に相当する。

１脈波検出装置
２脈波センサ
３処理ユニット

Claims

生体の容積脈波を２階微分して得られる加速度脈波（４）を取得する取得手段（２、３、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２）と、
前記取得手段により取得された一拍分の前記加速度脈波のうち、前記加速度脈波の立ち上がり開始から５番目の変曲点以降の脈波部分（６）を特定する特定手段（３、Ｓ１３、Ｓ２３）と、
前記特定手段により特定された前記脈波部分と基準線（７）とで囲まれる面積に基づき脈波のノイズ判定を行う判定手段（３、Ｓ１４〜Ｓ１７、Ｓ２４〜Ｓ２９）と、
を備えることを特徴とする脈波検出装置（１）。
前記判定手段（Ｓ２４〜Ｓ２９）は、前記加速度脈波の立ち上がり開始から１番目の変曲点の脈波部分と基準線（７）とで囲まれる面積又は該脈波部分の振幅値と、５番目の変曲点以降の脈波部分と前記基準線とで囲まれる面積との比を求め、その比と予め定められた閾値とを比較することを特徴とする請求項１に記載の脈波検出装置。