JP6404784B2 - 心拍検出方法および心拍検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、心電図波形から心拍間隔（Ｒ−Ｒ間隔）などの生体情報を抽出するための技術に係り、特に心電図波形をリアルタイムに取得しながら心拍を検出するための心拍検出方法および心拍検出装置に関するものである。

心拍数あるいはその変動はＥＣＧ（Electrocardiogram、心電図）から得られる生体情報であり、スポーツ関連の分野においては運動強度の指標となるとともに、日常生活や安静状態においては自律神経機能の評価などに活用される。ＥＣＧ波形は、心臓の電気的な活動を観測したものであり、電極を体表面に取り付けて計測する。ＥＣＧ波形の誘導法、すなわち電極の配置には様々な種類があるが、例えば左右の胸部など、心臓を挟むように電極を配すると振幅の大きい安定した波形が得られる。ＥＣＧ波形に対し心拍検出などのデータ処理を行う際には、ＥＣＧ波形は一定の時間間隔でサンプリングされた離散的なデータ列として扱われる。

図５に、一般的なＥＣＧ波形の例を示す。ＥＣＧ波形は、連続した心拍の波形からなり、１つの心拍波形は、それぞれ心房や心室の活動を反映したＰ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波等の成分からなっている。そのうち、心室の収縮（心室筋の脱分極）に伴うものがＲ波であり、振幅も大きいため、心拍の検出はＲ波を目安にして行われることが多い。特に、ＥＣＧ波形のサンプリングデータ列の時間差分を取ることにより、Ｒ波からＳ波への急峻な変化をピーク状に浮き立たせると、心拍を検出しやすくなる。１拍毎の心拍の間隔は、Ｒ−Ｒ間隔と称され、心拍変動の１次指標として扱われる。

従来の心拍検出方法として、以下のような文献が公知である。特許文献１には、ＥＣＧ波形の基線の搖動を除去するための構成が開示されている。また、特許文献２には、波形の山と谷との振幅に基づいた閾値でＲ波を認識する構成が開示されている。
非特許文献１には、ＥＣＧ波形を時間差分した値の変化をもとにＲ−Ｒ間隔などを求める方法が記載されている。具体的には、（ｎ＋１）番目のサンプリング値と（ｎ−１）番目のサンプリング値との差分の絶対値をとり、そのピークを閾値に基づいて検出し、２つのピークの時間幅をＲ−Ｒ間隔としている。

特開２００２−７８６９５号公報 特開２００３−５６１号公報

"ECG Implementation on the TMS320C5515 DSP Medical Development Kit (MDK) with the ADS1298 ECG-FE"，Texas Instruments Incorporated，＜http://www.ti.com/lit/an/sprabj1/sprabj1.pdf＞，2011

しかしながら、上記のような心拍検出方法には次のような問題点があった。ＥＣＧ波形の時間差分をとった際に現れる心拍に由来するピークが、測定時の条件等の影響により、小さくなってしまう場合がある。

図６は、従来の問題点を説明する図であり、ＥＣＧ波形のサンプリングデータの一部を示す図である。図６の横軸は時間、縦軸は心電位［μＶ］である。この例では、使用している電極および装具の特性により、心電位のレベルも小さく、かつ体動などによるノイズが重畳しやすくなっている。

図７は、図６のＥＣＧ波形の時間差分値「（ｎ＋１）番目のサンプリング値−（ｎ−１）番目のサンプリング値」を示す図であり、横軸は時間、縦軸は心電位の差分値［μＶ］である。ＥＣＧ波形の時間差分をとることで、Ｒ波〜Ｓ波の急峻な心電位の低下に伴う下向きのピークが、心拍のリズムに沿って出現しているのが見て取れる。また、図７中の◆印１１は、非特許文献１の方法に則って、上記の下向きのピークに対する閾値に基づいて検出した心拍時刻とＲ−Ｒ間隔［ｍｓ］とを示している。

図６の１０で示した個所には、Ｒ波が存在しているが、重畳しているノイズの影響でＲ波→Ｓ波の変化が減殺されている。その結果、図７における該当部分（図７中の１２の箇所）では、ピーク値が小さくなっていることが分かる。そのため、上述のような、単純にピーク値と閾値との大小比較による検出方法では心拍を検出し損ねてしまう。なお、時間差分の絶対値が閾値を超えた時刻を心拍時刻として検出すると、Ｒ波〜Ｓ波の電位の低下ではなく、Ｒ波の立ち上がりに由来するピークが閾値を超える場合が出現してしまい、Ｒ−Ｒ間隔を正確に測ることができない。

図８は、図６のＥＣＧ波形を含む、より長時間のＥＣＧ波形から非特許文献１の方法で抽出されたＲ−Ｒ間隔を示す図である。この図８によると、本来のＲ−Ｒ間隔を示していると思われる点１３に対して、心拍を取りこぼしたと思われる点１４が、数多く発生していることが分かる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＥＣＧ波形にノイズが重畳したデータからでも、心拍およびその時刻を的確に検出することができる心拍検出方法および心拍検出装置を提供することを目的とする。

本発明の心拍検出方法は、生体の心電図波形のサンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する時間差分値算出ステップと、直前の心拍時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第一の経過時間が第一の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する第一の時間判定ステップと、前記第一の経過時間が前記第一の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ１を保持する第一の最小値保持ステップと、前記時間差分値が閾値を下回るかどうかを判定する時間差分値判定ステップと、前記時間差分値が前記閾値を下回った時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第二の経過時間が第二の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する第二の時間判定ステップと、前記第二の経過時間が前記第二の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ２を保持する第二の最小値保持ステップと、前記第二の経過時間が前記第二の時間間隔の範囲を過ぎたと判定した時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第三の経過時間が第三の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する第三の時間判定ステップと、前記第三の経過時間が前記第三の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ３を保持する第三の最小値保持ステップと、前記最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が予め定められた心拍時刻確定条件を満たすとき、前記時間差分値が前記閾値を下回った時刻または前記最小値Ｍｉｎ２が得られた時刻を心拍時刻とする心拍時刻決定ステップとを含み、前記第一の時間間隔は、想定される次の心拍時刻の手前の時間領域を定めたものであり、前記第二の時間間隔は、前記時間差分値のピークを含むと想定される時間領域を定めるものであり、前記第三の時間間隔は、前記時間差分値のピークを含むと想定される時間領域の後の一定の時間領域を定めたものであり、前記最小値Ｍｉｎ２の前記最小値Ｍｉｎ１に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ１と、前記最小値Ｍｉｎ２の前記最小値Ｍｉｎ３に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ３とが一定値を上回ることを、前記心拍時刻確定条件とすることを特徴とするものである。

また、本発明の心拍検出方法の１構成例において、前記第一の時間判定ステップは、直前の心拍時刻から得られるＲ−Ｒ間隔に基づいて前記第一の時間間隔の範囲を設定するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の心拍検出方法の１構成例において、前記第一の時間判定ステップは、直前の心拍時刻から、前記時間差分値が次に前記閾値を下回る直前までの時間領域を前記第一の時間間隔の範囲とするステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の心拍検出方法の１構成例において、前記時間差分値判定ステップは、直近の複数回の心拍時刻の確定で得られた複数の最小値Ｍｉｎ２に基づいて前記閾値を設定するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の心拍検出方法の１構成例において、前記時間差分値判定ステップは、直近の複数回の心拍時刻の確定で得られた複数の最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３に基づいて前記閾値を設定するステップを含むことを特徴とするものである。

また、本発明の心拍検出装置は、生体の心電図波形のサンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する時間差分値算出手段と、前記時間差分値が閾値を下回るかどうかを判定する時間差分値判定手段と、直前の心拍時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第一の経過時間が第一の時間間隔の範囲内にあるかどうか、前記時間差分値が前記閾値を下回った時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第二の経過時間が第二の時間間隔の範囲内にあるかどうか、および前記第二の経過時間が前記第二の時間間隔の範囲を過ぎたと判定した時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第三の経過時間が第三の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する時間判定手段と、前記第一の経過時間が前記第一の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ１と、前記第二の経過時間が前記第二の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ２と、前記第三の経過時間が前記第三の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ３とを保持する最小値保持手段と、前記最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が予め定められた心拍時刻確定条件を満たすとき、前記時間差分値が前記閾値を下回った時刻または前記最小値Ｍｉｎ２が得られた時刻を心拍時刻とする心拍時刻決定手段とを備え、前記第一の時間間隔は、想定される次の心拍時刻の手前の時間領域を定めたものであり、前記第二の時間間隔は、前記時間差分値のピークを含むと想定される時間領域を定めるものであり、前記第三の時間間隔は、前記時間差分値のピークを含むと想定される時間領域の後の一定の時間領域を定めたものであり、前記最小値Ｍｉｎ２の前記最小値Ｍｉｎ１に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ１と、前記最小値Ｍｉｎ２の前記最小値Ｍｉｎ３に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ３とが一定値を上回ることを、前記心拍時刻確定条件とすることを特徴とするものである。

本発明によれば、心電図波形のサンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出し、時間差分値が閾値を超えたピークである最小値Ｍｉｎ２とその前後の時間領域における時間差分値の最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ３とを保持し、最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が心拍時刻確定条件を満たすとき、時間差分値が閾値を超えた時刻または最小値Ｍｉｎ２が得られた時刻を心拍時刻とすることにより、ノイズを含むサンプリングデータ列からでも、心拍およびその時刻を的確に検出することができる。

本発明の実施の形態に係る心拍検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る心拍検出方法を説明するフローチャートである。 心電図波形に本発明の実施の形態に係る心拍検出方法を適用した結果を示す図である。 心電図波形から本発明の実施の形態に係る心拍検出方法で抽出したＲ−Ｒ間隔を示す図である。 心電図波形の例を示す図である。 心電図波形のサンプリングデータの１例を示す図である。 図６の心電図波形の時間差分値を示す図である。 心電図波形から抽出したＲ−Ｒ間隔を示す図である。

［発明の原理］
心拍に由来するＥＣＧ波形の時間差分のピークが上記のように測定時の条件等の影響により絶対値が小さくなってしまう場合、その小さなピークを捕捉するためには、ピークを捕捉するための閾値の絶対値も小さくしなければならない。一方で閾値の絶対値を小さくすると、心拍とは無関係のノイズまで拾ってしまう場合が出てくるため、ノイズを取り除くことが必要になる。本発明は、心拍の候補としてのピークに対し、ピークの値とその前後の状態とを比較して判定することにより、単峰性のピークを捉え、単峰性のピーク以外のものを排除する。

なお、心拍に由来するＥＣＧ波形の時間差分の鋭いピークでは、時間差分が閾値を超えた時刻とピーク頂点の時刻との時間差が小さく、また心拍毎に大きく変わるものではないため、時間差分が閾値を超えた時刻とピーク頂点の時刻のどちらを心拍時刻としても実質上支障はない。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る心拍検出装置の構成を示すブロック図、図２は本発明の実施の形態に係る心拍検出方法を説明するフローチャートである。心拍検出装置は、ＥＣＧ波形のサンプリングデータ列を出力する心電計１と、ＥＣＧ波形のサンプリングデータ列とサンプリング時刻の情報とを記憶する記憶部２と、ＥＣＧ波形のサンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する時間差分値算出部３と、時間差分値が閾値を超えているかどうかを判定する時間差分値判定部４と、想定される次の心拍時刻の手前の第一の時間間隔の範囲と時間差分値のピークを含む第二の時間間隔の範囲と時間差分値のピークの後の第三の時間間隔の範囲を求める時間判定部５と、第一、第二、第三の時間間隔の範囲における時間差分値の最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３を保持する最小値保持部６と、最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が心拍時刻確定条件を満たすとき、時間差分値が閾値を超えた時刻または最小値Ｍｉｎ２が得られた時刻を心拍時刻とする心拍時刻決定部７とを備えている。

以下、本実施の形態の心拍検出方法を説明する。ここでは、１つの心拍を検出し、その心拍時刻を得るまでの手順を説明する。このような心拍時刻の算出をＥＣＧ波形データの期間にわたって繰り返すことによって、心拍時刻の時系列データが得られ、この時系列データからＲ−Ｒ間隔なども算出することができる。

本実施の形態では、ＥＣＧ波形をサンプリングしたデータ列をＸ（ｉ）とする。ｉ（ｉ＝１，２，…）は１サンプリングのデータに付与される番号である。番号ｉが大きくなる程、サンプリング時刻が後になることは言うまでもない。

また、本実施の形態では、後述する第一の時間間隔の範囲における時間差分値の最小値をＭｉｎ１、第二の時間間隔の範囲における時間差分値の最小値をＭｉｎ２、第三の時間間隔の範囲における時間差分値の最小値をＭｉｎ３とする。これら最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の初期値は例えば０としておけばよい。

心電計１は、図示しない生体（人体）のＥＣＧ波形を測定し、ＥＣＧ波形のサンプリングデータ列Ｘ（ｉ）を出力する。このとき、心電計１は、各サンプリングデータにサンプリング時刻の情報を付加して出力する。なお、ＥＣＧ波形の具体的な測定方法は周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。
記憶部２は、心電計１から出力されたＥＣＧ波形のサンプリングデータ列Ｘ（ｉ）とサンプリング時刻の情報とを記憶する。

まず、時間差分値算出部３は、サンプリングデータＸ（ｉ）の時間差分値Ｙ（ｉ）を算出するため、サンプリングデータＸ（ｉ）の１サンプリング後のデータＸ（ｉ＋１）と１サンプリング前のデータＸ（ｉ−１）とを記憶部２から取得する（図２ステップＳ１）。そして、時間差分値算出部３は、サンプリングデータＸ（ｉ）の時間差分値Ｙ（ｉ）を次式のように算出する（図２ステップＳ２）。
Ｙ（ｉ）＝Ｘ（ｉ＋１）−Ｘ（ｉ−１） ・・・（１）

次に、時間差分値判定部４は、時間差分値算出部３が算出した時間差分値Ｙ（ｉ）が、閾値ＴＨを超えているかどうかを判定する（ステップＳ３）。なお、本実施の形態では、Ｒ波からＳ波への急峻な変化による時間差分値Ｙ（ｉ）のピークを検出しようとしているので、このピークは負の値として現れる。したがって、閾値ＴＨは負の値である。時間差分値判定部４は、時間差分値Ｙ（ｉ）が閾値ＴＨ以上の場合、閾値ＴＨを超えていないと判定し、時間差分値Ｙ（ｉ）が閾値ＴＨを下回る場合、閾値ＴＨを超えていると判定することになる。

ここで、時間差分値判定部４は、後述のように心拍として検出した時間差分値の直近のピーク（Ｍｉｎ２）、例えば直近５個のピーク（Ｍｉｎ２）の平均値に０．５を乗じた値を、閾値ＴＨとして用いる。ピーク（Ｍｉｎ２）の平均値に０．５を乗じる理由は、非特許文献１に開示された閾値のように単純にピークを検出することを目的としたものよりも、閾値ＴＨの絶対値を小さく設定するためである。

閾値ＴＨの絶対値を小さくすることで、絶対値の小さなピークも捕捉することができる。一方で、閾値ＴＨの絶対値を下げたことにより、心拍に由来するものではないノイズも拾ってしまう可能性が出てくるが、これらのノイズは後述する判定により排除することができる。なお、例えばＥＣＧ波形の取り始めの２秒間は心拍検出を行わず、その間のピーク値を基に閾値ＴＨの初期値を設定すればよい。

続いて、時間判定部５は、時間差分値Ｙ（ｉ）が閾値ＴＨを超えていないと判定された場合（ステップＳ３においてｎｏ）、直前の心拍時刻から処理対象のサンプリングデータＸ（ｉ）のサンプリング時刻（ｉで示される時刻）までの経過時間（以下、第一の経過時間）が第一の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する（図２ステップＳ４）。

第一の時間間隔は、想定される次の心拍時刻の手前の時間領域を定めるためのパラメータである。時間判定部５は、例えば直前の心拍時刻から得られるＲ−Ｒ間隔よりも１５０ｍｓ短い時間から、この時間に１００ｍｓ加えた時間までの間を第一の時間間隔の範囲とする。ここでのＲ−Ｒ間隔とは、直前の心拍時刻から更に１つ前の心拍時刻を引いた時間である。直前の心拍時刻から得られたＲ−Ｒ間隔が４００ｍｓであるとすれば、第一の時間間隔は直前の心拍時刻からの経過時間が２５０ｍｓから３５０ｍｓまでの範囲となる。

あるいは、時間判定部５は、直前の心拍時刻から時間差分値Ｙ（ｉ）が次に閾値ＴＨを超える直前までの時間領域を第一の時間間隔の範囲とする。この場合、時間判定部５は、時間差分値Ｙ（ｉ）が閾値ＴＨを超えていないと判定された時点で、第一の経過時間が第一の時間間隔の範囲内にあると判定する。

最小値保持部６は、第一の経過時間が第一の時間間隔の範囲内と判定された場合、すなわち処理対象のサンプリングデータＸ（ｉ）のサンプリング時刻が、想定される次の心拍時刻の手前の時間領域にある場合（ステップＳ４においてｙｅｓ）、第一の時間間隔の範囲内における時間差分値の最小値Ｍｉｎ１を更新する（図２ステップＳ５）。つまり、最小値保持部６は、処理対象のサンプリングデータＸ（ｉ）の時間差分値Ｙ（ｉ）と現在の最小値Ｍｉｎ１とを比較し、処理対象の時間差分値Ｙ（ｉ）が現在の最小値Ｍｉｎ１より小さい場合、時間差分値Ｙ（ｉ）を新たな最小値Ｍｉｎ１とする。そして、ステップＳ１に戻る。なお、ステップＳ４において第一の経過時間が第一の時間間隔の範囲外と判定された場合は、最小値Ｍｉｎ１を更新することなく、ステップＳ１に戻る。

一方、時間差分値算出部３は、時間差分値Ｙ（ｉ）が閾値ＴＨを超えていると判定された場合（ステップＳ３においてｙｅｓ）、次のサンプリングデータＸ（ｊ）の時間差分値Ｙ（ｊ）を算出するため（ｊはｊ≧（ｉ＋１）の整数で、初期値はｊ＝ｉ＋１）、サンプリングデータＸ（ｊ）の１サンプリング後のデータＸ（ｊ＋１）と１サンプリング前のデータＸ（ｊ−１）とを記憶部２から取得する（図２ステップＳ６）。そして、時間差分値算出部３は、サンプリングデータＸ（ｊ）の時間差分値Ｙ（ｊ）を次式のように算出する（図２ステップＳ７）。
Ｙ（ｊ）＝Ｘ（ｊ＋１）−Ｘ（ｊ−１） ・・・（２）

時間判定部５は、時間差分値Ｙ（ｉ）が閾値ＴＨを超えた時刻から処理対象のサンプリングデータＸ（ｊ）のサンプリング時刻（ｊで示される時刻）までの経過時間（以下、第二の経過時間）が第二の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する（図２ステップＳ８）。第二の時間間隔は、時間差分値のピークを含むと想定される時間領域を定めるためのパラメータである。第二の時間間隔は、時間差分値のピークをカバーするのに十分な時間幅であることが好ましく、例えば５０ｍｓに予め設定される。

最小値保持部６は、第二の経過時間が第二の時間間隔の範囲内と判定された場合、すなわち処理対象のサンプリングデータＸ（ｊ）のサンプリング時刻が、時間差分値のピークを含むと想定される時間領域にある場合（ステップＳ８においてｙｅｓ）、第二の時間間隔の範囲内における時間差分値の最小値Ｍｉｎ２を更新する（図２ステップＳ９）。つまり、最小値保持部６は、処理対象のサンプリングデータＸ（ｊ）の時間差分値Ｙ（ｊ）と現在の最小値Ｍｉｎ２とを比較し、処理対象の時間差分値Ｙ（ｊ）が現在の最小値Ｍｉｎ２より小さい場合、時間差分値Ｙ（ｊ）を新たな最小値Ｍｉｎ２とする。そして、ステップＳ６に戻る。

こうして、第二の経過時間が第二の時間間隔の範囲外となるまで、ｊ＝ｉ＋１，ｉ＋２，ｉ＋３，ｉ＋４，・・・・というようにサンプリング時刻が新しい方のサンプリングデータＸ（ｊ）に処理対象を１つずつ移しながら、ステップＳ６〜Ｓ９の処理を繰り返し実行する。

次に、時間差分値算出部３は、ステップＳ８において第二の経過時間が第二の時間間隔の範囲を過ぎたと判定された場合、すなわちサンプリング時刻が、時間差分値のピークを含むと想定される時間領域を超えた場合、次のサンプリングデータＸ（ｋ）の時間差分値Ｙ（ｋ）を算出するため（ｋはｋ≧（ｊ＋１）の整数で、初期値はｋ＝ｊ＋１）、サンプリングデータＸ（ｋ）の１サンプリング後のデータＸ（ｋ＋１）と１サンプリング前のデータＸ（ｋ−１）とを記憶部２から取得する（図２ステップＳ１０）。そして、時間差分値算出部３は、サンプリングデータＸ（ｋ）の時間差分値Ｙ（ｋ）を次式のように算出する（図２ステップＳ１１）。
Ｙ（ｋ）＝Ｘ（ｋ＋１）−Ｘ（ｋ−１） ・・・（３）

時間判定部５は、ステップＳ８において第二の経過時間が第二の時間間隔の範囲を過ぎたと判定された時刻から処理対象のサンプリングデータＸ（ｋ）のサンプリング時刻（ｋで示される時刻）までの経過時間（以下、第三の経過時間）が第三の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する（図２ステップＳ１２）。第三の時間間隔は、時間差分値のピークの後の一定の時間領域を定めるためのパラメータである。第三の時間間隔は、例えば１００ｍｓに予め設定される。

最小値保持部６は、第三の経過時間が第三の時間間隔の範囲内と判定された場合、すなわち処理対象のサンプリングデータＸ（ｋ）のサンプリング時刻が、時間差分値のピークの後の一定の時間領域にある場合（ステップＳ１２においてｙｅｓ）、第三の時間間隔の範囲内における時間差分値の最小値Ｍｉｎ３を更新する（図２ステップＳ１３）。つまり、最小値保持部６は、処理対象のサンプリングデータＸ（ｋ）の時間差分値Ｙ（ｋ）と現在の最小値Ｍｉｎ３とを比較し、処理対象の時間差分値Ｙ（ｋ）が現在の最小値Ｍｉｎ３より小さい場合、時間差分値Ｙ（ｋ）を新たな最小値Ｍｉｎ３とする。そして、ステップＳ１０に戻る。

こうして、第三の経過時間が第三の時間間隔の範囲外となるまで、ｋ＝ｊ＋１，ｊ＋２，ｊ＋３，ｊ＋４，・・・・というようにサンプリング時刻が新しい方のサンプリングデータＸ（ｋ）に処理対象を１つずつ移しながら、ステップＳ１０〜Ｓ１３の処理を繰り返し実行する。

次に、心拍時刻決定部７は、ステップＳ１２において第三の経過時間が第三の時間間隔の範囲外と判定された場合、すなわち処理対象のサンプリングデータＸ（ｋ）のサンプリング時刻が、時間差分値のピークの後の一定の時間領域を超えた場合、３つの最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が予め定められた心拍時刻確定条件を満たすかどうかを判定する（図２ステップＳ１４）。

ここで、最小値Ｍｉｎ２はサンプリングデータの時間差分値の検出したピークの大きさに相当し、最小値Ｍｉｎ１はピークの前の一定領域のフロアレベルに相当し、最小値Ｍｉｎ３はピークの後の一定領域のフロアレベルに相当している。時間差分値のピークが単峰性の負のピークであれば、最小値Ｍｉｎ２は、最小値Ｍｉｎ１およびＭｉｎ３に対して絶対値が大きくなっていなければならない。

そこで、例えば最小値Ｍｉｎ２の最小値Ｍｉｎ１に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ１と、最小値Ｍｉｎ２の最小値Ｍｉｎ３に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ３とが共に一定値を超えるといった心拍時刻確定条件を予め設定しておくことで、時間差分値のピークが単峰性のものであるか、そうでないかを判定することができる。心拍時刻決定部７は、比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ１とＭｉｎ２／Ｍｉｎ３が共に一定値を超える場合、心拍時刻確定条件を満たすと判定し、比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ１とＭｉｎ２／Ｍｉｎ３のうち少なくとも一方が一定値以下の場合、心拍時刻確定条件を満たしていないと判定する。

心拍時刻決定部７は、３つの最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が心拍時刻確定条件を満たすと判定した場合（ステップＳ１４においてｙｅｓ）、時間差分値Ｙ（ｉ）が閾値ＴＨを超えた時刻または最小値Ｍｉｎ２が更新された最新の時刻（時間差分値のピークの時刻）を、心拍時刻として採用する（図２ステップＳ１５）。時間差分値が閾値ＴＨを超えた時刻と時間差分値のピークの時刻のうちどちらを心拍時刻として採用するかは、予めプログラムで設定しておけばよい。

ステップＳ１５の終了後、ｉ＝ｋ＋１としてステップＳ１に戻る。これにより、次の心拍の検出が開始される。また、ステップＳ１４において３つの最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が心拍時刻確定条件を満たしていないと判定された場合にも、ｉ＝ｋ＋１としてステップＳ１に戻るが、この場合には、ステップＳ３で検出された閾値ＴＨを超える時間差分値が、ノイズによるもので、心拍に由来するものではなく、心拍を未だ検出していないことになる。

こうして、ステップＳ１〜Ｓ１５の処理を繰り返すことで、心拍時刻の時系列データが得られ、この時系列データからＲ−Ｒ間隔（心拍時刻の間隔）を得ることができる。

図３は、図６のＥＣＧ波形に本実施の形態の心拍検出方法を適用した結果を示す図であり、ＥＣＧ波形の時間差分値を示す図である。この例では、閾値や各時間間隔の設定は、上述で挙げた数値例を用い、また心拍時刻確定条件としては、上記の一定値を１０／９とした。図３中の◆印２１は、本実施の形態で検出した心拍時刻とＲ−Ｒ間隔［ｍｓ］とを示している。また、図３中の２２は、ノイズの影響でＲ波→Ｓ波の変化が減殺されている箇所を示しており、図７中の１２に相当する箇所を示している。

図３によれば、非特許文献１に開示された技術よりも閾値ＴＨの絶対値を小さく設定しているため、時間差分値のピークの絶対値が小さい心拍をも捕捉しつつ、その後に心拍時刻確定条件を課しているため、ノイズを排除することができ、適切に心拍を検出できていることが分かる。

図４は、図６のＥＣＧ波形を含む、より長時間のＥＣＧ波形から本実施の形態の心拍検出方法で抽出されたＲ−Ｒ間隔を示す図である。この図４によると、本来のＲ−Ｒ間隔を示していると思われる点２３に対して、心拍を取りこぼしたと思われる点２４の発生数が少なくなっており、図８に比べ、心拍検出の精度が改善していることが分かる。

なお、閾値ＴＨや各時間間隔に関しては、上記に挙げた例のほかにも種々の設定の仕方が考えられる。例えば、時間差分値判定部４は、ステップＳ１〜Ｓ１５を１回の処理として、時間差分値のピーク値（Ｍｉｎ２）とノイズフロア（Ｍｉｎ１とＭｉｎ３のうちどちらか小さい方の値）との中間値を１回の処理毎に求め、直近５回の処理で求めた中間値の平均値を閾値ＴＨとしてもよい。

本実施の形態で説明した記憶部２と時間差分値算出部３と時間差分値判定部４と時間判定部５と最小値保持部６と心拍時刻決定部７とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、生体の心拍を検出する技術に適用することができる。

１…心電計、２…記憶部、３…時間差分値算出部、４…時間差分値判定部、５…時間判定部、６…最小値保持部、７…心拍時刻決定部。

Claims (6)

1. 生体の心電図波形のサンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する時間差分値算出ステップと、
   直前の心拍時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第一の経過時間が第一の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する第一の時間判定ステップと、
   前記第一の経過時間が前記第一の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ１を保持する第一の最小値保持ステップと、
   前記時間差分値が閾値を下回るかどうかを判定する時間差分値判定ステップと、
   前記時間差分値が前記閾値を下回った時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第二の経過時間が第二の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する第二の時間判定ステップと、
   前記第二の経過時間が前記第二の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ２を保持する第二の最小値保持ステップと、
   前記第二の経過時間が前記第二の時間間隔の範囲を過ぎたと判定した時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第三の経過時間が第三の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する第三の時間判定ステップと、
   前記第三の経過時間が前記第三の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ３を保持する第三の最小値保持ステップと、
   前記最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が予め定められた心拍時刻確定条件を満たすとき、前記時間差分値が前記閾値を下回った時刻または前記最小値Ｍｉｎ２が得られた時刻を心拍時刻とする心拍時刻決定ステップとを含み、
   前記第一の時間間隔は、想定される次の心拍時刻の手前の時間領域を定めたものであり、前記第二の時間間隔は、前記時間差分値のピークを含むと想定される時間領域を定めるものであり、前記第三の時間間隔は、前記時間差分値のピークを含むと想定される時間領域の後の一定の時間領域を定めたものであり、
   前記最小値Ｍｉｎ２の前記最小値Ｍｉｎ１に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ１と、前記最小値Ｍｉｎ２の前記最小値Ｍｉｎ３に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ３とが一定値を上回ることを、前記心拍時刻確定条件とすることを特徴とする心拍検出方法。
2. 請求項１記載の心拍検出方法において、
   前記第一の時間判定ステップは、直前の心拍時刻から得られるＲ−Ｒ間隔に基づいて前記第一の時間間隔の範囲を設定するステップを含むことを特徴とする心拍検出方法。
3. 請求項１記載の心拍検出方法において、
   前記第一の時間判定ステップは、直前の心拍時刻から、前記時間差分値が次に前記閾値を下回る直前までの時間領域を前記第一の時間間隔の範囲とするステップを含むことを特徴とする心拍検出方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の心拍検出方法において、
   前記時間差分値判定ステップは、直近の複数回の心拍時刻の確定で得られた複数の最小値Ｍｉｎ２に基づいて前記閾値を設定するステップを含むことを特徴とする心拍検出方法。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の心拍検出方法において、
   前記時間差分値判定ステップは、直近の複数回の心拍時刻の確定で得られた複数の最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３に基づいて前記閾値を設定するステップを含むことを特徴とする心拍検出方法。
6. 生体の心電図波形のサンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する時間差分値算出手段と、
   前記時間差分値が閾値を下回るかどうかを判定する時間差分値判定手段と、
   直前の心拍時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第一の経過時間が第一の時間間隔の範囲内にあるかどうか、前記時間差分値が前記閾値を下回った時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第二の経過時間が第二の時間間隔の範囲内にあるかどうか、および前記第二の経過時間が前記第二の時間間隔の範囲を過ぎたと判定した時刻から、前記時間差分値を求めた最新のサンプリング時刻までの第三の経過時間が第三の時間間隔の範囲内にあるかどうかを判定する時間判定手段と、
   前記第一の経過時間が前記第一の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ１と、前記第二の経過時間が前記第二の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ２と、前記第三の経過時間が前記第三の時間間隔の範囲内にあるときの前記時間差分値の最小値Ｍｉｎ３とを保持する最小値保持手段と、
   前記最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が予め定められた心拍時刻確定条件を満たすとき、前記時間差分値が前記閾値を下回った時刻または前記最小値Ｍｉｎ２が得られた時刻を心拍時刻とする心拍時刻決定手段とを備え、
   前記第一の時間間隔は、想定される次の心拍時刻の手前の時間領域を定めたものであり、前記第二の時間間隔は、前記時間差分値のピークを含むと想定される時間領域を定めるものであり、前記第三の時間間隔は、前記時間差分値のピークを含むと想定される時間領域の後の一定の時間領域を定めたものであり、
   前記最小値Ｍｉｎ２の前記最小値Ｍｉｎ１に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ１と、前記最小値Ｍｉｎ２の前記最小値Ｍｉｎ３に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ３とが一定値を上回ることを、前記心拍時刻確定条件とすることを特徴とする心拍検出装置。

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