JP6429663B2 - 脈拍計、周波数解析装置及び脈拍測定方法 - Google Patents

Description

本発明は脈拍計、周波数解析装置及び脈拍測定方法に関し、例えば周波数解析を行う脈拍計、周波数解析装置及び脈拍測定方法に関する。

ＬＥＤ（light emitting diode）などの発光器と、フォトトランジスタ、フォトダイオードなどの光検出器とで構成される脈拍センサを使った脈拍計が知られている。脈拍センサからの出力から脈拍数を得る方法としては、センサからの出力に対してフーリエ変換処理を行うことで周波数解析を行い、解析結果に基づいて算出する方法がある。

フーリエ変換処理は、入力データの周波数成分を算出するという性格上、ある程度の入力データ数、すなわちサンプル数が必要となる。入力データ数は測定時間に依存し、脈拍数をより高分解能で演算し、かつ、測定範囲の上限をより拡げるためには入力データ数をより多くする必要がある。そのため、システムに求められる要求性能を満たすために、予め定められたサンプル数のデータ系列に対してフーリエ変換処理を行う場合には、入力データ数が揃うまではフーリエ変換処理ができず、脈拍数の出力までに時間がかかってしまう。

これに対し、特許文献１では、１２８個のサンプリングデータを処理単位とする高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）において、脈波データが３２個取得される毎に、直近の１２８個の脈波データにＦＦＴ処理を行うことで、結果出力までの時間を短縮する技術が開示されている。

特開平１０−２５８０３９号公報

特許文献１に記載された技術では、取得されたサンプリングデータ数が、１２８個に満たない場合、脈波データの中心値のデータとして０データを用いて補完することでサンプリングデータ数を１２８個にしている。

しかしながら、ＦＦＴの処理単位であるデータ数とするために０データで補完すると、脈波データに含まれる脈波以外の信号成分の影響により、脈拍数を正しく取得することが困難な場合があるという課題がある。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態によれば、脈拍計は、取得したサンプリングデータの数がｎ個（ｎは正整数）になった時、当該ｎ個のサンプリングデータと、ｎ番目のサンプリングデータを複製したデータとで、ｍ個（ｍは正整数、かつ、ｍ＞ｎ）のサンプリングデータを生成する複製部と、ｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う周波数解析部とを有するものである。

前記一実施の形態によれば、周波数解析時の分解能を劣化させず、かつ、測定範囲が狭くなることを抑制しつつ、測定時間を短縮することができる。

実施の形態１にかかる脈拍計の構成を示すブロック図である。 発光器及び光検出器により脈拍データを取得する様子を示す模式図である。 実際に測定されたサンプリングデータ系列を複製して生成されるデータ系列の一例を示すグラフである。 実施の形態１にかかる脈拍計の動作の流れを説明する模式図である。 ０データで補完したデータ系列の一例を模式的に示すグラフである。 図５に示されるデータ系列に対する周波数解析結果の一例を模式的に示すグラフである。 実施の形態１にかかる複製部により複製されたデータで補完したデータ系列の一例を模式的に示すグラフである。 図７に示されるデータ系列に対する周波数解析結果の一例を模式的に示すグラフである。 実施の形態２にかかる脈拍計の動作の流れを説明する模式図である。 実施の形態３にかかる脈拍計の構成を示すブロック図である。 カウンタ方式による脈拍数の測定について説明する模式図である。 実施の形態３にかかる脈拍計の動作の流れを説明する模式図である。

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェアとしては、ＣＰＵ、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェアとしては、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態にかかる脈拍計１の構成を示すブロック図である。脈拍計１は、脈拍データ取得部１００と、複製部１６と、周波数解析部１７と、脈拍数演算部１８とを有する。脈拍データ取得部１００は、脈拍数算出用のサンプリングデータを順次取得する構成であれば任意の構成が可能であるが、本実施の形態では、発光器１０、発光制御部１１、光検出器１２、増幅器１３、ＡＤ変換器１４及びバッファ１５を有する構成により脈拍データ取得部１００が実現されている。

発光器１０は、例えばＬＥＤであり、発光制御部１１の制御にしたがって発光する。脈拍の測定の際、発光器１０は、測定対象者の血管に対して発光する。発光器１０は、ＬＥＤを複数備えていてもよいし、単数であってもよい。発光器１０により発する光としては、例えば緑色、赤色、赤外色など任意の色を用いることができる。発光制御部１１は、発光器１０の発光タイミングを制御する。発光制御部１１は、例えば、常時発光、または予め定められた周期で点灯及び消灯を繰り返すなどの動作を行うよう制御信号を発光器１０に送信する。なお、発光制御部１１は、発光器１０の発光量を制御してもよい。この場合、例えば、発光制御部１１は、光検出器１２で検出される信号の強さに応じて発光量を制御してもよい。

光検出器１２は、例えば、フォトトランジスタやフォトダイオードを用いて構成されており、脈拍の測定の際、測定対象者の血管を介した発光器１０からの光を検出する。本実施の形態では、図２に示されるように、発光器１０と光検出器１２は、測定対象者の人体（図２に示した例では、指５０）に対して同じ向きとなるよう配置されている。このため、光検出器１２は、発光器１０が発した光が測定対象者の人体により反射された反射光を検出する。より具体的には、光検出器１２は、測定対象者の血管に反射した、発光器１０からの光を検出する。なお、発光器１０による光が照射される人体は、指に限定されない。例えば腕などであってもよい。このように反射型のセンサを用いる場合、発光器と光検出器とを人体を挟んで対向して配置する必要がないため、装置を小型化することができる。また、本実施の形態のように、提示された人体に光を照射することにより脈拍を測定する構成であるため、測定対象者に対する負担が低減される。

血管における拍動に応じて光検出器１２により検出される光の強度が変動する。脈拍計１は、この変動をとらえることにより後述するように脈拍数を演算している。

増幅器１３は、例えば、アンプにより構成されており、光検出器１２により検出された信号を増幅する。なお、増幅器１３は、ゲインを変更可能なプログラマブル計装アンプや電流−電圧変換アンプであってもよい。ただし、光検出器１２からの出力が十分である場合には、増幅器１３は必ずしも設けられなくてもよい。

ＡＤ変換器１４は、増幅器１３により増幅された信号を予め定められたサンプリング周期でアナログデジタル変換する。これにより、増幅器１３から出力されたアナログ信号は、脈拍数算出用のサンプリングデータであるデジタルデータに変換される。測定が開始されると発光器１０による発光が繰り返されるため、ＡＤ変換器１４は順次サンプリングデータを出力することとなる。

バッファ１５は、例えばメモリなどの記憶部であり、ＡＤ変換器１４から出力されたサンプリングデータを一時的に記憶する。

周波数解析を行う場合、予め定められた数のサンプリングデータ数を必要とする。例えば、フーリエ変換の場合、解析に必要となるサンプル数は、脈拍計１に仕様として要求される分解能及び測定範囲により定まる。なお、分解能とは、解析される周波数すなわち脈拍数の分解能をいう。測定範囲とは、測定可能な周波数の範囲、すなわち測定可能な脈拍数の範囲をいう。フーリエ変換の場合、サンプリングデータ数が多ければ多いほど、分解能は高くなり測定範囲も広くなる一方、サンプリングデータ数が少なければ少ないほど、分解能は低くなり測定範囲も狭くなる。このため、周波数解析を行うために、脈拍計１に仕様として要求される分解能及び測定範囲等により定まる予め定められた数のサンプリングデータ数が必要となる。以下の説明において、脈拍計１に仕様として要求される分解能及び測定範囲等により定まる予め定められたサンプル数について、要求サンプル数ということがある。

スマートウォッチ、フィットネスマシン、ライフログ計等のように運動中や歩行中などの脈拍数を測定する場合は、脈拍の変動に計測が追い付かなくなる恐れがあるため、測定時間を短くする必要がある。このため、要求サンプル数のサンプリングデータ数が取得される時間間隔で周波数解析を行うのではなく、より短時間で周波数解析を行うことが求められる。分解能や測定範囲を犠牲にすることなく、これを実現するため、本実施の形態では、データ数が要求サンプル数となるようサンプリングデータの複製を行う。

ここで、周波数解析処理に用いられるデータ数が要求サンプル数となるよう複製データで補完する方法としては、図３に示されるように、実際に測定された複数のサンプリングデータ系列を複製した複製データ系列を、複製元のサンプリングデータ系列の後に配列することが考えられる。しかし、このようにデータを補完した場合、データ系列のつなぎ目部分２０、２１に歪みが発生し、信号の周波数を変調してしまう。その結果、複製による歪みにより発生した周波数成分が脈拍の周波数として誤検出される恐れがある。

そこで、複製部１６は、以下のように複製を行う。
複製部１６は、バッファ１５に格納されたサンプリングデータがある一定の個数に達するとデータを取り出し、データを複製する。具体的には、複製部１６は、順次取得された予め定められた第１のデータ数のサンプリングデータのうち、最後に取得されたサンプリングデータを予め定められた第２のデータ数だけ複製する。すなわち、複製部１６は、取得したサンプリングデータの数がｎ個（ｎは正整数）になった時、当該ｎ個のサンプリングデータと、ｎ番目のサンプリングデータを複製したデータとで、ｍ個（ｍは正整数、かつ、ｍ＞ｎ）のサンプリングデータを生成する。なお、第１のデータ数は、第２のデータ数と同じであってもよいし、第１のデータ数が第２のデータ数よりも多くてもよい。第２のデータ数が第１のデータ数よりも多くてもよい。ただし、第１のデータ数と第２のデータ数の和は、要求サンプル数に等しい。

また、複製部１６は、第１のデータ数のサンプリングデータの後に、第２のデータ数の複製されたデータを挿入し、要求サンプル数のデータからなるデータ系列を周波数解析部１７に出力する。複製部１６は、バッファ１５に新たに格納されたサンプリングデータ数が第１のデータ数に到達する毎に、新たに格納された第１のデータ数のサンプリングデータに対して上記の複製を行い、要求サンプル数のデータからなるデータ系列を周波数解析部１７に出力する。

周波数解析部１７は、複製部１６から出力された要求サンプル数のデータ系列に対し、周波数解析を行う。すなわち、周波数解析部１７は、上記ｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う。具体的には、周波数解析部１７はＦＦＴ処理を実施する。

すなわち、周波数解析部１７は、脈拍の測定開始後、第１のデータ数のサンプリングデータが取得されると、１回目の周波数解析を行う。また、周波数解析部１７は、第１のデータ数のサンプリングデータが一旦取得された後は、さらに第１のデータ数のサンプリングデータが取得される毎に、直近の第１のデータ数のサンプリングデータの後に直近の第１のデータ数のサンプリングデータのうち最後に取得されたサンプリングデータを第２のデータ数だけ複製したデータが続くデータ系列に対し、周波数解析を行う。つまり、脈拍データ取得部１００が上記ｎ個のサンプリングデータを取得する毎に、複製部１６はｍ個のサンプリングデータを生成し、周波数解析部１７はｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う。なお、本実施の形態における複製部１６と周波数解析部１７の動作については、具体例に基づいて図４を参照して後述する。

脈拍数演算部１８は、周波数解析部１７による解析結果から脈拍数を演算する。具体的には、脈拍数演算部１８は、周波数解析部１７により解析された周波数成分のうち、スペクトル値が一番大きいものを脈拍に対応する周波数として抽出し、抽出した周波数から脈拍数を演算する。なお、脈拍数は、抽出した周波数を、１分あたりの振動数に換算することで算出される。脈拍数演算部１８は、演算した脈拍数を出力する。例えば、脈拍数演算部１８は、図示しないディスプレイなどの表示部に脈拍数を表示出力してもよい。

以下、図４を参照して、脈拍計１の動作について説明する。図４に示した例では、要求サンプル数が１２８、実際に測定されたサンプリングデータ数である上記第１のデータ数が４８、要求サンプル数を確保するために補完する複製データ数である上記第２のデータ数が８０であるものとする。なお、これらの個数は一例であり、これらに限られない。図４において、実線で表された矩形は、実際に計測されたサンプリングデータを表しており、破線で表された矩形は、複製されたサンプリングデータを表している。

この具体例では、測定が開始されて、サンプリングデータ数が４８個取得されると、１回目の脈拍数の測定がなされる。すなわち、サンプリングデータ数が４８個取得されると、１回目の脈拍数の出力が得られる。そして、さらにサンプリングデータ数が４８個取得されると、２回目の脈拍数の測定がなされる。より具体的には、計測開始から時間が経つにつれて、サンプリングデータｄ１、サンプリングデータｄ２、・・・、と順にバッファ１５に蓄積される。そして、計測開始から４８個目のサンプリングデータｄ４８がバッファ１５に蓄積されると、複製部１６は、サンプリングデータｄ４８を８０個複製する。複製が完了すると、複製部１６は周波数解析部１７に周波数解析処理の開始を指示する。これにより周波数解析部１７は、サンプリングデータｄ１からサンプリングデータｄ４８の計４８個のデータ系列の後に、８０個のサンプリングデータｄ４８が続く、合計１２８個のデータ系列に対して周波数解析を行う。これによって、実際の計測により取得されたサンプリングデータ数が要求サンプル数に到達する前に、脈拍数が得られる。

計測開始からさらに時間が経過し、計測開始から９６個目のサンプリングデータｄ９６がバッファ１５に蓄積されると、複製部１６は、サンプリングデータｄ９６を８０個複製する。さらに、周波数解析部１７は、計測開始から４９個目のサンプリングデータｄ４９から、計測開始から９６個目のサンプリングデータｄ９６までの計４８個のデータ系列の後に、８０個のサンプリングデータｄ９６が続く、合計１２８個のデータ系列に対して周波数解析を行う。このように、脈拍計１によれば第１のデータ数（ここでの例では４８個）のサンプリングデータが取得される毎に脈拍数が得られる。

次に、本実施の形態にかかる脈拍計１の効果について、比較例を参照して説明する。比較例では、不足するデータ数を０値のデータで補完して周波数解析を行うものとする。

人体に対して発光した光を検出して得られるサンプリングデータには、脈拍による信号成分以外に、脈以外の反射（皮膚や骨等の反射）で得られる信号成分が含まれる。このような他の信号成分の混入は、図２に示されるような反射型のセンサの場合、指に対し発光し、指を透過した光を発光側とは逆側で受光する透過型のセンサに比べて、より顕著である。また、上記他の信号成分は、脈拍による信号成分よりも値が大きく、脈拍による信号成分に対してＤＣオフセット信号と捉えることができる。

このため、サンプリングデータに０データを補完する場合、図５に示されるようなデータ系列が生成されることを意味する。このように、人体に対して発光した光を検出して得られるサンプリングデータにおいては、実際には、０データは、脈拍による信号の中心値にはなりにくい。そして、図５に示されるようなデータ系列に対してＦＦＴ処理を実施すると、図６に示されるように、例えば本来取得すべき脈拍の周波数成分６０よりも低周波数帯において、脈拍の周波数成分よりも大きなスペクトル値が検出されることがありうる。このため、脈拍数を誤って測定してしまう恐れがある。

このような問題に対し、ＦＦＴ実行前にＤＣオフセットを除去する方法や実際の脈拍信号の振幅の中心値を算出する方法も考えられるが、計測される信号成分は測定時の装着具合や体勢などにより計測中に変化する。そのため、中心値を算出して元の信号から除去して０データで補完した場合でも０データと除去された信号との間で非連続性が生じてしまう。したがって、このような方法は現実的ではない。また、脈拍による信号の下限周波数が０．５Ｈｚ程度であることから、０．５Ｈｚ以下の信号を除去するローパスフィルタを構成することも考えられるが、このようなローパスフィルタを設けると、処理時間が増大する。また、電源電圧立ち上げ時やＤＣ変動の発生、又は測定対象の変化が生じると、フィルタの出力が安定するまでに時間がかかり、さらに測定に時間を要することとなる。

これに対し、本実施の形態にかかる脈拍計１では、ＤＣオフセットの影響を抑えるよう、図７に示されるように、実際に測定されたサンプリングデータの最後のものを複製している。このため、図８に示されるようにＤＣオフセットの影響を抑制することができる。すなわち、本来取得すべき脈拍の周波数成分６０以外の周波数成分が抑制されるため、周波数解析結果から最大のスペクトル値を有する周波数を抽出して脈拍の演算を行うことができる。また、要求サンプル数を確保して周波数解析が行われるため、周波数解析時の分解能を劣化させず、かつ、測定範囲が狭くなることを抑制することができる。そして、実際に測定されたサンプリングデータの数が要求サンプル数に到達することを待つことなく周波数解析を行うので、脈拍の測定時間を短縮することができる。なお、０データによる補完ではなく、実際に測定されたサンプリングデータの最終値で補完した後に、最終値を元の信号から除去しても同様の効果が得られる。これに対し、中心値を除去した場合には、上述の非連続性が発生するため、効果は期待できない。

なお、複製部１６、周波数解析部１７、脈拍数演算部１８は、マイコン（マイクロコントローラユニット）で実現される。より具体的には、マイコンはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、不揮発性メモリ等で構成され、不揮発性メモリに複製部１６、周波数解析部１７、脈拍数演算部１８に相当するプログラムが格納され、ＣＰＵが該当するプログラムを実行することでそれぞれの処理が行われる。また、増幅器１３、ＡＤ変換器１４、バッファ１５を当該マイコンに内蔵してもよい。

＜実施の形態２＞
次に実施の形態２について説明する。実施の形態１にかかる周波数解析部１７は、第１のデータ数のサンプリングデータが取得される毎に、要求サンプル数のデータに対して周波数解析を行った。本実施の形態では、２回目以降の周波数解析は、第１のデータ数よりも少ない予め定められた第３のデータ数のデータが取得される毎に、第３のデータ数のサンプリングデータを含む直近の第１のデータ数のサンプリングデータの後に直近の第１のデータ数のサンプリングデータのうち最後に取得されたサンプリングデータを第２のデータ数だけ複製したデータが続くデータ系列に対し行われる。つまり、ｎ個のサンプリングデータを取得後、脈拍データ取得部１００が更にｋ個（ｋは正整数、かつ、ｋ＜ｎ）のサンプリングデータを取得した時、複製部１６は、（ｋ＋１）番目から（ｎ＋ｋ）番目のサンプリングデータと、（ｎ＋ｋ）番目のデータを複製したデータとでｍ個のサンプリングデータを生成し、周波数解析部１７は、ｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う。上記第３のデータ数は、ユーザからの指示に従い変更可能であってもよい。なお、実施の形態２は、周波数解析部１７の周波数解析が行われるタイミングが異なる点を除き、他の構成については実施の形態１と同様である。

以下、図９を参照して、実施の形態２にかかる脈拍計１の動作について説明する。図９に示した例では、要求サンプル数が１２８、実際に測定されたサンプリングデータ数である第１のデータ数が４８、要求サンプル数を確保するために補完する複製データ数である第２のデータ数が８０、２回目以降の周波数解析を行う間隔に相当するデータ数である上記第３のデータ数が８であるものとする。なお、これらの個数は一例であり、これらに限られない。図９において、図４と同様、実線で表された矩形は実際に計測されたサンプリングデータを表しており、破線で表された矩形は複製されたサンプリングデータを表している。また、黒く塗りつぶされた矩形は前回の脈拍測定の際にも周波数解析で用いられたサンプリングデータを表している。

この具体例では、１回目の脈拍の測定は、図４に示される実施の形態１と同様である。すなわち、測定が開始されて、サンプリングデータ数が４８個取得されると、１回目の脈拍数の測定がなされる。しかしながら、図４に示した例では、２回目以降の脈拍数の測定が、サンプリングデータ数が４８個取得される毎に行われたのに対し、図９に示される例では、サンプリングデータ数が８個取得される毎に行われる。

より具体的には、計測開始から時間が経つにつれて、サンプリングデータｄ１、サンプリングデータｄ２、・・・、と順にバッファ１５に蓄積される。そして、計測開始から４８個目のサンプリングデータｄ４８がバッファ１５に蓄積されると、複製部１６は、サンプリングデータｄ４８を８０個複製する。複製が完了すると、複製部１６は周波数解析部１７に周波数解析処理の開始を指示する。これにより周波数解析部１７は、サンプリングデータｄ１からサンプリングデータｄ４８の計４８個のデータ系列の後に、８０個のサンプリングデータｄ４８が続く、合計１２８個のデータ系列に対して周波数解析を行う。これにより１回目の脈拍の測定結果が得られる。

計測開始からさらに時間が経過し、第３のデータ数、すなわち８個のデータがさらに取得されると、複製部１６は新たに取得された８個目のデータの複製を行う。つまり、計測開始から５６個目のサンプリングデータｄ５６がバッファ１５に蓄積されると、複製部１６は、サンプリングデータｄ５６を８０個複製する。さらに、周波数解析部１７は、直近の第１のデータ数のサンプリングデータであるサンプリングデータｄ９からサンプリングデータｄ５６までの計４８個のデータ系列の後に、８０個のサンプリングデータｄ５６が続く、合計１２８個のデータ系列に対して周波数解析を行う。これにより２回目の脈拍の測定結果が得られる。

次に、計測開始から６４個目のサンプリングデータｄ６４がバッファ１５に蓄積されると、複製部１６は、サンプリングデータｄ６４を８０個複製する。さらに、周波数解析部１７は、直近の第１のデータ数のサンプリングデータであるサンプリングデータｄ１７からサンプリングデータｄ６４までの計４８個のデータ系列の後に、８０個のサンプリングデータｄ６４が続く、合計１２８個のデータ系列に対して周波数解析を行う。これにより３回目の脈拍の測定結果が得られる。

また、同様に、計測開始から７２個目のサンプリングデータｄ７２がバッファ１５に蓄積されると、複製部１６は、サンプリングデータｄ７２を８０個複製する。さらに、周波数解析部１７は、直近の第１のデータ数のサンプリングデータであるサンプリングデータｄ２５からサンプリングデータｄ７２までの計４８個のデータ系列の後に、８０個のサンプリングデータｄ７２が続く、合計１２８個のデータ系列に対して周波数解析を行う。これにより４回目の脈拍の測定結果が得られる。以降、同様に、測定が行われる。このように、２回目以降の測定は、サンプリングデータが８個取得される毎に行われることとなる。つまり、図４に示した例に比べ、測定時間を６分の１に短縮することができる。

以上説明したように、実施の形態２にかかる脈拍計１によれば、２回目以降の測定において、さらに測定間隔を短くすることができる。なお、図９に示されるように、周波数解析は、回を重ねるごとに、サンプリングデータを第３のデータ数だけシフトさせたデータ系列を用いて行われる。このため、バッファ１５はリングバッファとして構成されていることが好ましい。

＜実施の形態３＞
上述した実施の形態１及び実施の形態２にかかる脈拍計１では、サンプリングデータが第１のデータ数まで貯まるまで初回の脈拍数の出力がされない。そのため、初回の脈拍数の出力が得られるまでに時間がかかる。本実施の形態では、これを解決するため、周波数解析による脈拍測定に加え、カウンタ方式の脈拍測定を併用する。

ここで、カウンタ方式の脈拍測定とは、脈拍波形が基準値を超えたタイミングを検出することで脈拍数を演算する方法である。図１１は、カウンタ方式による脈拍数の測定について説明する模式図である。図１１に示されるように、カウンタ方式では、サンプリングデータの値を監視し、予め定められた基準値を超えるタイミングを毎回検出する。隣接する２つのタイミングの時間間隔は脈拍間隔に相当するため、この時間間隔から１分間あたりの脈拍数が演算される。カウンタ方式は、ＦＦＴを用いた脈拍数の測定に比べて、測定時間が短い特徴がある。具体的には、カウンタ方式では人間の脈の１拍分のサンプリングデータで測定することが可能であるのに対し、ＦＦＴを用いた脈拍数の測定では、１拍〜数拍分のサンプリングデータを必要とする。しかし、カウンタ方式の場合、適切な基準値の設定が必要である。また、特に図２に示される反射型の光センサを用いた場合には、例えば指などの測定対象の位置が測定中に変動する等のために測定環境が不安定であり、基準値を一意に定めることが難しい。また、カウンタ方式では、脈拍波形を再現可能なようサンプリングする必要があるため、サンプリング周期をＦＦＴによる脈拍測定の場合に比べて高くすることが好ましい。このため、ＬＥＤの点灯時間が増え、システム全体の消費電流が上がってしまう恐れがある。そこで、本実施の形態では、周波数解析に必要なデータ数が不足している状態ではカウンタ方式による脈拍測定を行い、周波数解析に必要なデータ数が貯まった後は、周波数解析による脈拍測定に切り替える。

図１０は、本実施の形態にかかる脈拍計２の構成を示すブロック図である。脈拍計２は、脈拍データ取得部１００と、複製部１６と、周波数解析部１７と、脈拍数演算部１８と、切替部３０と、カウント部３１と、脈拍数演算部３２とを有する。すなわち、脈拍計２は、脈拍計１の構成に、切替部３０、カウント部３１、脈拍数演算部３２が追加されている。以下、脈拍計２の構成のうち、脈拍計１と重複する構成については説明を省略し、追加された構成について説明する。

切替部３０は、周波数解析による脈拍数の測定と、カウンタ方式による脈拍数の測定とを切替える。具体的には、切替部３０は、取得されたサンプリングデータ数が第１のデータ数に達するまでの間、カウンタ方式による脈拍数の測定を実行するように制御し、サンプリングデータ数が第１のデータ数に達した後は、周波数解析による脈拍数の測定を実行するように制御する。なお、切替部３０は、さらに、カウンタ方式による脈拍数の測定時と、周波数解析による脈拍数の測定時とで、サンプリング周期を切替えてもよい。例えば、取得されたサンプリングデータ数が第１のデータ数に達するまでの間、第１のサンプリング周期でサンプリングデータを取得し、サンプリングデータ数が第１のデータ数に達した後は、第１のサンプリング周期よりも長い第２のサンプリング周期でサンプリングデータを取得するよう切替を行ってもよい。

カウント部３１及び脈拍数演算部３２は、カウンタ方式の脈拍数の測定を実現する構成部分である。
カウント部３１は、検出部として機能し、順次取得されるサンプリングデータの値が予め定められた基準値を超えるタイミングを検出する。カウント部３１は、サンプリングデータの値が予め定められた基準値を超える度に、超えたタイミングを検出する。

脈拍数演算部３２は、カウント部３１により検出されたタイミングの時間間隔から脈拍数を演算する。なお、脈拍数演算部３２は、切替部３０の切替により、第１のデータ数のサンプリングデータが取得するまでの間、脈拍数の測定を行う。

以下、図１２を参照して、脈拍計２の動作について説明する。本実施の形態では、周波数解析による脈拍数の測定においては、実施の形態１に示した方法も実施の形態２に示した方法も適用可能であるが、ここでは実施の形態１に示した方法により周波数解析による脈拍数の測定を行う場合を例に説明する。図１２に示した例では、図４と同様、要求サンプル数が１２８、実際に測定されたサンプリングデータ数である第１のデータ数が４８、要求サンプル数を確保するために補完する複製データ数である第２のデータ数が８０であるものとする。なお、これらの個数は一例であり、これらに限られない。また、図１２において、図４と同様、実線で表された矩形は実際に計測されたサンプリングデータを表しており、破線で表された矩形は複製されたサンプリングデータを表している。

この具体例では、測定が開始されて、サンプリングデータ数が４８個取得されるまでの間、カウンタ方式による測定が繰り返され、サンプリングデータ数が４８個取得された後は、周波数解析による脈拍測定が繰り返される。より具体的には、以下のように脈拍計２は動作する。まず、計測開始から時間が経つにつれて、サンプリングデータｄ１、サンプリングデータｄ２、・・・、と順にバッファ１５に蓄積されるが、計測開始から４８個目のサンプリングデータｄ４８がバッファ１５に蓄積されるまでの間は、切替部３０はカウント部３１及び脈拍数演算部３２による測定を選択する。そのため、この間、カウント部３１は、順次取得されるサンプリングデータを監視し、サンプリングデータの値（ＡＤ変換値）が、基準値未満から基準値以上へと変化するタイミングを検出する。脈拍数演算部３２は、カウント部３１が検知した隣接する２つのタイミングの時間間隔から脈拍数を演算する。カウント部３１及び脈拍数演算部３２による脈拍数の測定は、サンプリングデータ数が４８個取得されるまでの間、繰り返される。図１２に示した例では、カウント部３１及び脈拍数演算部３２による脈拍数の測定はｎ回繰り返されている。なお、カウント部３１及び脈拍数演算部３２による脈拍数の測定は、このようにカウント部３１によりカウントが行われる毎に行われてもよいが、１回であってもよい。このようにカウンタ方式の脈拍測定を行うことで、第１のデータ数のデータが取得されるよりも前の段階で、脈拍数を測定することができる。

そして、サンプリングデータｄ４８がバッファ１５に蓄積されると、切替部３０は周波数解析による脈拍測定に切り替える。複製部１６は、サンプリングデータｄ４８を８０個複製し、周波数解析部１７は、サンプリングデータｄ１からサンプリングデータｄ４８の計４８個のデータ系列の後に、８０個のサンプリングデータｄ４８が続く、合計１２８個のデータ系列に対して周波数解析を行う。そして、得られた周波数解析結果に基づいて、脈拍数演算部１８が脈拍数を演算し、ｎ＋１回目の測定が完了する。

計測開始からさらに時間が経過し、計測開始から９６個目のサンプリングデータｄ９６がバッファ１５に蓄積されると、複製部１６は、サンプリングデータｄ９６を８０個複製する。さらに、周波数解析部１７は、計測開始から４９個目のサンプリングデータｄ４９から、計測開始から９６個目のサンプリングデータｄ９６までの計４８個のデータ系列の後に、８０個のサンプリングデータｄ９６が続く、合計１２８個のデータ系列に対して周波数解析を行う。そして、得られた周波数解析結果に基づいて、脈拍数演算部１８が脈拍数を演算し、ｎ＋２回目の測定が完了する。以降、同様に、第１のデータ数（ここでの例では４８個）のサンプリングデータが取得される毎に、周波数解析に基づく脈拍数の測定が繰り返される。なお、上述の通り、図１２に示した例では、第１のデータ数のサンプリングデータが取得される毎に周波数解析が行われるが、上述の第３のデータ数のサンプリングデータが取得される毎に周波数解析が行われてもよい。
以上説明したように、本実施の形態によれば、第１のデータ数のサンプリングデータが取得されるまでの間、カウンタ方式の脈拍測定が行われるため、第１のデータ数が取得されるのを待たずに初回の脈拍数を測定することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態では、図２に示される反射型のセンサにより脈拍データを取得する構成となっているが、指に対し発光し、指を透過した光を発光側とは逆側で受光して脈拍データを取得する透過型のセンサが用いられてもよい。なお、測定対象は人体に限らず動物でもよい。また、測定部位は指以外に腕や手のひら、足でもよい。また、パルスオキシメータにおける脈拍測定において適用されてもよい。さらに、脈拍の測定に限らず、周波数解析装置として、歩行周期などの周期的な体動の測定に適用されてもよいし、構造物の振動検知等に用いられてもよい。また、実施の形態３では、初回にカウンタ方式に切り替える構成について示しているが、初回に限らず、例えば測定中に外的要因によりデータが乱れた場合などの不測の事態が起こった時もカウンタ方式に切り替えるよう構成してもよい。

１、２ 脈拍計
１０ 発光器
１１ 発光制御部
１２ 光検出器
１３ 増幅器
１４ ＡＤ変換器
１５ バッファ
１６ 複製部
１７ 周波数解析部
１８ 脈拍数演算部
１８、３２ 脈拍数演算部
３０ 切替部
３１ カウント部
１００ 脈拍データ取得部

Claims (12)

1. 脈拍数算出用のサンプリングデータを順次取得する脈拍データ取得部と、
   前記取得したサンプリングデータの数がｎ個（ｎは正整数）になった時、当該ｎ個のサンプリングデータと、ｎ番目のサンプリングデータを複製したデータとで、ｍ個（ｍは正整数、かつ、ｍ＞ｎ）のサンプリングデータを生成する複製部と、
   前記ｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う周波数解析部と、
   前記周波数解析部による解析結果から脈拍数を演算する第一の脈拍数演算部と
   を有する脈拍計。
2. 前記脈拍データ取得部が前記ｎ個のサンプリングデータを取得する毎に、前記複製部は前記ｍ個のサンプリングデータを生成し、前記周波数解析部は前記ｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う
   請求項１に記載の脈拍計。
3. 前記ｎ個のサンプリングデータを取得後、前記脈拍データ取得部が更にｋ個（ｋは正整数、かつ、ｋ＜ｎ）のサンプリングデータを取得した時、前記複製部は、（ｋ＋１）番目から（ｎ＋ｋ）番目のサンプリングデータと、前記（ｎ＋ｋ）番目のデータを複製したデータとで前記ｍ個のサンプリングデータを生成し、前記周波数解析部は、前記ｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う
   請求項１に記載の脈拍計。
4. 前記脈拍データ取得部により順次取得されるデータが予め定められた基準値を超えるタイミングを検出する検出部と、
   前記ｎ個のサンプリングデータを前記脈拍データ取得部が取得するまでの間、前記検出部により検出されたタイミングの時間間隔から脈拍数を演算する第二の脈拍数演算部と
   をさらに有する請求項１に記載の脈拍計。
5. 前記脈拍データ取得部は、
   測定対象の血管に対して発光する発光器と、
   前記血管を介した前記発光器からの光を検出する光検出器と、
   前記光検出器からの信号をアナログデジタル変換する変換器と
   を有する請求項１に記載の脈拍計。
6. 前記光検出器は、前記血管に反射した前記発光器からの光を検出する
   請求項５に記載の脈拍計。
7. 前記周波数解析部は、高速フーリエ変換により周波数解析を行う
   請求項１に記載の脈拍計。
8. サンプリングデータを順次取得するデータ取得部と、
   前記取得したサンプリングデータの数がｎ個（ｎは正整数）になった時、当該ｎ個のサンプリングデータと、ｎ番目のサンプリングデータを複製したデータとで、ｍ個（ｍは正整数、かつ、ｍ＞ｎ）のサンプリングデータを生成する複製部と、
   前記ｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う周波数解析部と
   を有する周波数解析装置。
9. 脈拍数算出用のサンプリングデータを順次取得する脈拍データ取得ステップと、
   前記取得したサンプリングデータの数がｎ個（ｎは正整数）になった時、当該ｎ個のサンプリングデータと、ｎ番目のサンプリングデータを複製したデータとで、ｍ個（ｍは正整数、かつ、ｍ＞ｎ）のサンプリングデータを生成する複製ステップと、
   前記ｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う周波数解析ステップと、
   前記周波数解析ステップでの解析結果から脈拍数を演算する第一の脈拍数演算ステップと
   を含む脈拍測定方法。
10. 前記脈拍データ取得ステップにより前記ｎ個のサンプリングデータを取得する毎に、前記複製ステップは前記ｍ個のサンプリングデータを生成し、前記周波数解析ステップは前記ｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う
    請求項９に記載の脈拍測定方法。
11. 前記ｎ個のサンプリングデータを取得後、前記脈拍データ取得ステップによりｋ個（ｋは正整数、かつ、ｋ＜ｎ）のサンプリングデータを取得した時、前記複製ステップは、（ｋ＋１）番目から（ｎ＋ｋ）番目のサンプリングデータと、前記（ｎ＋ｋ）番目のデータを複製したデータとで前記ｍ個のサンプリングデータを生成し、前記周波数解析ステップは、前記ｍ個のサンプリングデータに対して周波数解析を行う
    請求項９に記載の脈拍測定方法。
12. 順次取得されるデータが予め定められた基準値を超えるタイミングを検出する検出ステップと、
    前記ｎ個のサンプリングデータが取得されるまでの間、検出された前記タイミングの時間間隔から脈拍数を演算する第二の脈拍数演算ステップと
    をさらに含む
    請求項９に記載の脈拍測定方法。

Images