JP6599883B2 - 心拍数モニターシステム、心拍数モニタリング方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ユーザーの心拍を測定する心拍モニターシステム及びユーザーの心拍を測定する方法に関連する。

EP1269911A2は、複数の生理学的データソースから生理学的データを選択するシステム及び方法を開示する。このシステムは、複数のセンサーと何れかのセンサーから測定値を選択する選択アルゴリズムとを有し、それぞれの測定結果を出力する。第1センサーは生理学的な特徴(trait)を測定し、第2センサーも生理学的な特徴を測定するが、異なる生理学的特徴を測定する。選択アルゴリズムは、出力に最も相応しい心拍を提供する生理学的データを選択する。特に、これらのセンサーのうち最も高い精度をもたらす測定結果が選択される。

EP2520222A1は、バイオロジカル情報処理装置を開示する。バイオロジカル情報処理装置は、ユーザーの脈拍数を測定するセンサーと、ユーザーの動きを検出するディテクタとを有する。モーションディテクタの測定に基づいて脈を推定する推定ユニットが設けられている。脈拍の測定が可能である限り、脈拍センサーの出力が表示される。しかしながら、測定が可能でない場合、推定ユニットにより決定される推定された脈拍が表示される。

EP2116183A1は、ロバストな光-電気式耳装着型の心臓血管モニタリングデバイスを開示する。デバイスは、第1の心臓血管信号を測定するPPG技術に基づく第1センサーと、第2の心臓血管信号を測定する心電図記録法及びインピーダンス心拍記録法に基づく少なくとも第2心臓血管センサーとを有する。このデバイスは、心臓血管信号の信頼性を推定する処理モジュールを更に有し、何れかの心臓血管信号を選択する。

US2012/0172684A1は、心拍センサー及びモーションセンサーを有する心拍モニターを開示する。モーションセンサーはユーザーの動きを検出する役割を果たす。検出された動きは、心拍センサーからの信号と時間的に相互に関連付けられ、動きに起因するノイズの寄与を減らす補償信号を提供する。

例えば光センサーを利用してユーザーの心拍をモニタリングすることは周知である。その場合、光センサーはユーザーの皮膚の中に光を放出する。放出された光は皮膚の中で散乱され、反射光は、皮膚から出て適切なセンサーにより捕捉される。センサーから受信した信号に基づいて、ユーザーの心拍を決定することが可能である。

心拍センサーは例えばフィットネスアプリケーションに使用されている。これらのデバイスは、胸部ベルトにより又はユーザーの手首もしくは前腕において心拍を測定する。心拍モニターは、(特に、フィットネスアプリケーションでは)ユーザーが動いている場合でも使用されるので、ユーザーの動きは、心拍センサーの測定にモーションアーチファクトを導入するおそれがある。心拍センサーはこれらのモーションアーチファクトを鼓動として誤って解釈するおそれがあるので、これらのモーションアーチファクトが鼓動とみなされ、不正確な心拍を招くおそれがある。

EP2612594A2は腕時計タイプの装置形式による心拍モニターを開示する。心拍モニターは、心拍を検出する光センサーと、ノイズを補償するために皮膚に対する装置の位置変化を検出するモーションセンサーとを有する。更に、ユーザーの心臓に関するユーザーの動きの情報を与える加速度計が設けられている。心拍カルマン(Kalman)フィルタは、複数のセンサーから取得される信号に基づいて心拍を算出するために使用される。

本発明の課題は、改善された精度、及び、ユーザーの実際の心拍をより安定してモニタリングすることを可能にする心拍モニタリングシステム及び関連する方法を提供することである。

本発明の一側面では、ユーザーの心拍を測定又は判定し、及び、出力信号を出力する少なくとも1つのプライマリ光心拍センサーを有する心拍モニターシステムが提供される。出力信号は、測定された鼓動及び/又はアーチファクトに少なくとも基づいている。心拍モニターシステムは、モデルユニットに保存されているモデルと少なくとも1つのセカンダリセンサーから受信される情報とに基づいてユーザーの心拍を推定又は予想するモデルユニットも有し、セカンダリセンサーはユーザーの心拍に影響する少なくとも1つの生理学的要因を測定する。心拍モニターシステムは、測定された鼓動からアーチファクトを区別するために、プライマリセンサーから受信される出力信号と、モデルユニットから受信される推定又は予想される心拍との相関を求める処理ユニットを更に有する。モデルユニットからの推定又は予想される心拍を利用することにより、プライマリ心拍センサーの出力信号の中でアーチファクトが識別され及び出力信号から排除され、大幅なアーチファクトを伴うことなくユーザーの実際の心拍を取得することが可能になる。従って、心拍モニターシステムは、ロバスト性及び信頼性に富む。モデルユニットの入力として、ユーザーの心拍に影響する少なくとも1つの生理学的要因を測定するセカンダリセンサーからのデータが、使用可能である。

本発明の別の側面によれば、アーチファクトは、少なくとも1つのプライマリセンサーとユーザーとの間の相対的な動きにより生じるモーションアーチファクトである。プライマリ心拍センサーの出力からこれらのアーチファクトを排除することにより、心拍モニタリングシステムは、ロバスト性及び安定性に富んだものにすることが可能である。

本発明の別の側面によれば、プライマリセンサーは、選択的に緑色発光ダイオードを含むことが可能な光センサーである。

本発明の別の側面によれば、セカンダリセンサーにより測定される心拍に影響する生理学的要因は、ユーザーの呼吸、ユーザーの速度、ユーザーの加速度、ユーザーの皮膚の湿気、ユーザーの高度及び/又はユーザーの体温等である。

これらの生理学的要因は、ユーザーの正確な心拍を推定又は予想するためのモデルユニットの入力として使用されることが可能である。

本発明の一側面によれば、プライマリセンサーは、リストデバイス、チェストベルト、又は、ユーザーの耳の後ろに装着されるデバイスの中に配置される。

本発明は、ユーザーの心拍をモニタリングする方法にも関連する。ユーザーの心拍が測定又は判定され、出力信号が出力され、出力信号は測定された鼓動及び/又はアーチファクトに少なくとも基づいている。ユーザーの心拍は、モデルユニットに保存されているモデルと少なくとも1つのセカンダリセンサーから受信される情報とに基づいて推定又は予想され、セカンダリセンサーはユーザーの心拍に影響する少なくとも1つの生理学的要因を測定する。プライマリセンサーから受信される出力信号は、測定された鼓動からアーチファクトを区別するために、モデルユニットから受信される推定又は予想される心拍と相互に関連付けられる。

本発明の一側面では、少なくとも1つのセカンダリセンサーは、心拍モニターシステムに関して内部又は外部のセンサーであるとすることが可能である。言い換えれば、プライマリ及びセカンダリセンサーは単独のハウジングの中に配置されることが可能であるし、或いは、少なくとも1つのセカンダリセンサーが少なくとも1つの第1センサーのハウジングの外に配置されることも可能である。従って、少なくとも1つのセカンダリセンサーは、第1センサーに隣接して又は別の場所に配置されることが可能である。本発明の一側面によれば、例えば光センサーのようなプライマリセンサーは、ユーザーの心拍を測定するために使用される。セカンダリセンサーは、ユーザーの心拍に影響している生理学的要因を測定又は判定するために使用される。

本発明は心拍モニターシステムでユーザーの心拍を監視するためのコンピュータプログラムにも関連する。コンピュータプログラムは、心拍モニターシステムを制御するコンピュータ上でコンピュータプログラムが実行される場合に、ユーザーの心拍を監視するステップを実行することを心拍モニターシステムに行わせるプログラムコード手段を有する。

本発明についてのこれら及び他の側面は、以下に記述される実施形態から明らかになり及びそれに関連して説明される。

本発明による心拍モニターシステムの概略ブロック図。 心拍センサーの出力を時間の関数として示す概略的なグラフを示す図。 本発明の実施形態による心拍モニタリング方法の応用例を示す概略的なグラフを示す図。 本発明の実施形態による心拍を示すグラフを時間とともに示す図。

図1は本発明による心拍モニターシステムの概略ブロック図を示す。心拍モニターシステム100は、ユーザーの心拍を測定する少なくとも1つのプライマリセンサー110と、ユーザーの心拍に影響する少なくとも1つの生理学的要因を測定又は判定する少なくとも1つのセカンダリセンサー120とを有する。ユーザーの心拍(heart rate：HR)を判定する少なくとも1つのプライマリセンサー110の出力HRを処理する処理ユニット131が設けられている。選択的に、心拍モニターシステムは、心拍を表示するディスプレイ140、及び/又は、測定又は判定した心拍を出力する出力部150を有することが可能である。

本発明の一側面によれば、心拍モニターシステム100は、ユーザーの手首、前腕又はユーザーの耳の後部に配置されることが可能である。

プライマリセンサー110は光センサーとして実現されることが可能であり、光センサーは、人工的な光を生成する例えばLED形式の光源を有する。光源はユーザーの皮膚に人工光を照射する。皮膚の中で、放出された人工光は血管中の血液により部分的に吸収され、人工光は、皮膚の中で散乱され、光センサー110の一部をなすフォトディテクタの方に反射されることが可能である。フォトディテクタは、ユーザーの皮膚を通じて反射された光を検出し、出力信号を生成する。光センサー110の出力信号HRは、処理ユニット131に転送されることが可能である。選択的に、処理ユニット131は光センサー110の中に配置されることも可能である。処理ユニット131は、光センサー110から出力信号HRを受信し、プライマリセンサー110の出力信号に基づいてユーザーの脈拍又は心拍を判定する。

心拍モニターシステム100はモデルユニット132を更に有する。モデルユニット132にはモデルが保存されており、モデルは、ユーザーの身体的な活動とユーザーの心拍との間の関係を表現する。少なくとも1つのセカンダリセンサー120は、ユーザーの身体的な活動を示す信号126をモデルユニット132に出力する。身体的な活動又はユーザーの活動レベルに基づいて、心拍HRMがモデルユニット132により推定又は予測される。推定された心拍HRMは処理ユニット131に転送され、処理ユニット131は、推定された心拍HRMと、プライマリセンサー110からの出力信号HRとを比較する。プライマリセンサー110からの出力信号が、(例えば、出力信号中のアーチファクトに起因して)可能な心拍に対する複数の候補を含むかもしれない場合、処理ユニット131は、心拍についての可能な候補と、推定又は予想された心拍HRMとを比較し、推定又は予想された心拍に最も対応する心拍を選択する。

モデルユニット132及び/又は処理ユニット131は、マイクロコントローラ又はコンピュータ130に組み込まれることが可能である。

図2は、心拍センサーの出力を時間の関数として示す概略的なグラフを示す。図2には、時間の関数として、心拍センサー(即ち、プライマリセンサー)110の出力信号HRが示されている。ここで、センサー110の出力信号HRに複数のピークが示される可能性がある。しかしながら、それらのピークは、実際の鼓動、モーションアーチファクト、又は、それらの組み合わせに関連する可能性がある。図2は、特に、心拍センサー110の出力信号HRの関数を、時間領域における時間の関数として示す。特に、心拍センサーの出力信号に規則的に登場するこれらのピークは、ユーザーの鼓動に対応する可能性がある。従って、実際の心拍は、1秒当たりの(鼓動の)パルス数をカウントすることにより決定される。

しかしながら、モーションアーチファクトに起因して、鼓動に関連するピークだけでなく、モーションアーチファクトも生じる。モーションアーチファクトに関連するこれらのピークの頻度は、例えばスポーツ時の腕の動きのような動く頻度に関連するかもしれない。特に、そのようなピークはユーザーの鼓動に関連するピークとして誤って採用されてしまうかもしれない。従って、出力信号HRが鼓動と異なる候補を含み得る場合が生じ、従って、異なる心拍が出力信号に存在し得る。

本発明の一側面によれば、心拍センサー110の出力信号HRの分析は、後続のデータセグメントの自己相関関数に基づいて実行されることが可能である。ここで、自己相関関数におけるピークの1つが鼓動に関連するものとして選択され、心拍が算出される。モーションアーチファクトの存在に起因して、鼓動に対応する正しいピークの選択は困難になる可能性があり、その理由は、可能性のある複数のピークがデータ中に存在し得るからである。最も大きなピークが鼓動に対応するという仮定は、常には正しくない。

このように、心拍だけでなく可能な動き又は他のアーチファクトの存在に起因して、心拍センサー110の出力信号HRに幾つかのピークが存在し得る。本発明の一側面による心拍システムは、心拍センサーの出力信号における可能性のある複数のピークの中から、鼓動に対応する正しいピークを選択する仕方を決定する。

人の心拍は、ユーザーの身体的状態、動く速度、ユーザーの行動、ユーザーの感情的状態、及び、内的ないし外的な要因などのような幾つもの要因に依存することが良く知られている。セカンダリセンサー120を利用することにより、心拍に影響をもたらす要因に関連する情報を収集することが可能である。セカンダリセンサーにより測定されることが可能な身体的要因は、例えば、呼吸、ユーザーの速度、ユーザーの加速度、ユーザーの皮膚の湿気、高度などである。

本発明の一側面による心拍モニタリングシステムは、その依存性の情報を利用して、ユーザーの心拍のモデルを作成する。例えば、活動レベルに関する心拍のレベルは、次のような一次自己回帰モデルとすることが可能である：

HR(t)は、ある時点tにおける心拍に対応する。HR₀は安静時の心拍に対応する。HR_Aは活動の心拍に対する寄与に対応する。A(t)は時点tにおけるユーザーの活動レベルに対応する。

2つのパラメータα，βは固定されていてもよいし、或いは、ユーザー固有のパラメータ、現在の活動タイプ及び他の外的要因に応じて適合させてもよい。好ましくは、2つのパラメータα，βの適合又は較正は、正確な心拍測定が可能である場合に実行される。

図3は、本発明の実施形態による心拍モニタリング方法の応用例を示す概略的なグラフを示す。図3では、モーションレベル(動き度合い)及び予想される心拍HRが示されている。図3では、モーションレベルMLが時間に対する加速度A(g)として、及び、心拍が一分当たりの鼓動(beats per minute：bpm)として時間に関して示されている。

本発明の一側面によれば、セカンダリセンサー120はユーザーの活動レベルを決定するように使用されることが可能であり、その活動レベルに基づいて、モデルユニット132がユーザーの心拍HRMを推定又は予想できるようにする。ユーザーの推定又は予想される心拍HRMは、モデルユニット132による予測又は推定により、正確である可能性がある。しかしながら、そうではなく、予想又は推定される心拍がユーザーの実際の心拍に対応しない他の場合が存在し得る。上記のモデルはそのような限定を有する単なる簡易なモデルにすぎない点に留意すべきである。特に、このモデルの精度は、心拍の予測、ユーザーの動き及び身体的労力に基づく。更に、例えばリストデバイス内にモーションセンサー又は加速度センサーのみを備えることは、ユーザーの身体的努力の正確な又は直接的な測定を可能にしない。例えば、モーション及び/又は加速度センサーにより検出されるような手首の動きは、ユーザーの身体的努力を示すユーザーの動きと必ずしも相関しない。

本発明の一側面によれば、モデルユニット132による予想又は推定された心拍HRMは、心拍センサー110の出力HRMを確認するために使用される。言い換えれば、推定又は予想される心拍HRMは、何れの心拍がユーザーの実際の心拍であるかを判別するために使用される。従って、モデルユニット132からの推定又は予想された心拍HRMにより、実際の心拍には対応せず例えばモーションアーチファクト等に対応するこれらの潜在的な心拍を排除することが可能である。

図4は、本発明の実施形態による心拍を示すグラフを時間とともに示す。図4では、一分当たりの鼓動として、可能性のある3つの異なる心拍HR1，HR2，HR3が時間tとともに示されている。更に、モデルユニット132により予想又は推定されるような、予想又は推定された心拍HRMも時間経過とともに示されている。本発明の一側面によれば、予想又は推定された心拍HRMは、3つの可能な心拍HR1，HR2，HR3と比較される。図4において、複数のポインタPも示されており、ポインタは、予想又は推定された心拍HRMのポイントから、最も近い候補(この例では、心拍HR1)へ向かうことを基礎としている。従って、予想又は推定された心拍HRMからの追加的な情報により、心拍モニターシステムは、一群の異なる心拍の中から、正しい心拍を選択することが可能である。

本発明の別の側面によれば、カメラが光センサーとして使用され、心拍を決定することが可能である。本発明のこの側面によれば、ユーザーは、トレッドミル、ローイングマシン等のようなフィットネス装置を使用してもよい。フィットネス装置の中又は面上における電力計が、ユーザーの実際の活動レベルを判定するために使用されることが可能である。そのような電力計は、ユーザーが自転車の車輪を押し進める電力を測定するジム自転車(gym bicycle)に搭載されたセンサーであるとすることが可能である。トレッドミルにより測定される速度であるとすることも可能である。本発明のこの側面によれば、装置により使用される電力と心拍との間にモデルが構築されることが可能である。そのようなモデルは、電力の関数として心拍の何らかの期待値を提供してもよい。これらの期待値は、心拍の候補を選択するために後に使用されてもよい。

本発明の基本概念の用途は、モデルユニットを利用することなく、装置の光センサーからの光信号が光センサーの出力と比較され、一群の可能な心拍の中から何れかの心拍を選択する状況に見出され得る。

本発明によれば、プライマリセンサーは、例えば緑色発光ダイオードを利用することが可能な光センサーであるとすることが可能である。本発明によれば、セカンダリセンサーは、プライマリセンサーに近接するが異なる場所に配置されることが可能である。

本発明の一側面によれば、セカンダリセンサー120は、湿度センサー121、高度計122、GPSセンサー123、加速度計124、及び/又は、圧力センサー125であるとすることが可能である。湿度センサー121は、ユーザーの皮膚の湿気を測定するために使用されることが可能である。ユーザーの皮膚の湿気は、感情、ユーザーの身体的状態、及び、気分の変化等を示すパラメータとすることが可能である。高度計122は、例えば、ユーザーの高度を判定するために使用されることが可能である。これは、ユーザーが滑空していること、よじ登っていること等についての当否の指標をもたらす。GPSセンサー123は、例えば、ユーザーがサイクリングしていること、競争していること等についての当否を判定する速度センサーとして使用されることが可能である。

圧力センサー125は、高度計と見なすことも可能である空気圧計であるとすることが可能である。空気圧が高い場合、心拍の上昇とともに、それに反応する人がいるかもしれない。

本発明の一側面によれば、心拍モニターシステムはモデルユニット132を有する。セカンダリセンサー120の出力126は、モデルユニット132により受信され、モデルユニット132に保存されているモデルに基づいて、セカンダリセンサー120からの情報に基づいて、心拍が予想又は推定される。

本発明によれば、心拍モニターシステムは、プライマリセンサー110及び少なくとも1つのセカンダリセンサー120を収容するハウジングを有することが可能である。しかしながら、代替的に、セカンダリセンサー120はプライマリセンサー110のハウジングの外側に配置されることが可能である。例えば、あるセカンダリセンサー120は、スマートフォンのような外部装置の一部分であってもよい。セカンダリセンサー120は、プライマリセンサー110のハウジングのような本体の他の部分に配置されてもよい。

心拍モニターシステムはリストデバイスとして配置されることが可能である。心拍モニターシステムは、ユーザーに装着される又はユーザーの耳に装着されるデバイスとして配置されることが可能である。心拍モニタリングシステムは、ユーザーにより着用される眼鏡の一部分であってもよい。心拍モニターシステムは、ユーザーの補聴器の一部分であってもよい。

プライマリセンサー110は、光センサー、電気センサー及び/又は圧力センサーとして組み込まれることが可能である。セカンダリセンサーは、湿度センサー、速度センサー、加速度センサー、高度計などとして組み込まれることが可能である。好ましくは、セカンダリセンサーは、プライマリセンサーの電力消費量よりも電力消費量が少ないものである。

開示された実施形態に対する他の変形例は、本開示、図面及び添付の特許請求の範囲に基づいて、請求項に係る発明を実施する当業者により、理解及び適用されることが可能である。

特許請求の範囲において、「有する」という言葉は他の要素又はステップを排除しておらず、「ある」又は「或る」という不定冠詞的な言葉は複数個存在することを排除していない。

請求項に記載された複数の事項についての機能を、1つのユニット又はデバイスが遂行してもよい。ある複数の事項が相互に異なる従属請求項で引用されているに過ぎないことそれ自体は、それらの事項の組み合わせが有利に使用できないことを意味していない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給されてもよい光記憶媒体又はソリッドステート媒体等のような適切な媒体に保存及び/又は分散されてもよいが、インターネット又は他の有線又は無線通信システム等を介する他の形態で分散されてもよい。

請求項に何らかの参照符号が含まれる場合、その参照符号は請求項の範囲を限定するように解釈されるべきでない。

Claims (7)

1. 心拍数モニターシステムであって：
   ユーザーの心拍数に係る出力信号を生成する少なくとも１つのプライマリセンサーであって、前記出力信号がアーチファクトを含む、少なくとも１つのプライマリセンサー；
   モデルユニットに保存されているモデルと少なくとも１つのセカンダリセンサーから受信される情報とに基づいて、ユーザーの心拍数を推定するモデルユニットであって、前記セカンダリセンサーはユーザーの心拍数に影響する少なくとも１つの生理学的要因を測定する、モデルユニット；及び
   前記少なくとも１つのプライマリセンサーから受信される出力信号から時間の関数として導出される複数の可能な心拍数の候補と、前記モデルユニットから受信される推定された心拍数とを比較し、前記複数の可能な心拍数の候補から、前記アーチファクトに影響された１つ又は複数の心拍数を排除する処理ユニット；
   を有する心拍数モニターシステム。
2. 前記アーチファクトは、少なくとも１つのプライマリセンサーと前記ユーザーとの間の相対的な動きにより生じるモーションアーチファクトである、請求項１に記載の心拍数モニターシステム。
3. 前記プライマリセンサーは緑色発光ダイオードを含む、請求項１に記載の心拍数モニターシステム。
4. 前記セカンダリセンサーにより測定される心拍に影響する生理学的要因は、前記ユーザーの呼吸、前記ユーザーの速度、前記ユーザーの加速度、前記ユーザーの皮膚の湿気、前記ユーザーの高度及び/又は前記ユーザーの体温である、請求項１に記載の心拍数モニターシステム。
5. 前記プライマリセンサーは、リストデバイス、チェストベルト、又は、ユーザーの耳の後ろに装着されるデバイスに配置される、請求項１に記載の心拍数モニターシステム。
6. ユーザーの心拍数をモニタリングする方法であって：
   プライマリセンサーにより、ユーザーの心拍数に係る出力信号を生成するステップであって、前記出力信号がアーチファクトを含む、ステップ；
   モデルユニットに保存されているモデルと少なくとも１つのセカンダリセンサーから受信される情報とに基づいて、ユーザーの心拍数を推定するステップであって、前記セカンダリセンサーはユーザーの心拍数に影響する少なくとも１つの生理学的要因を測定する、ステップ；及び
   前記プライマリセンサーから受信される前記出力信号から時間の関数として導出される複数の可能な心拍数の候補と、前記モデルユニットから受信される推定された心拍数とを比較し、前記複数の可能な心拍数の候補から、前記アーチファクトに影響された１つ又は複数の心拍数を排除するステップ；
   を有する方法。
7. 請求項１に記載の心拍数モニターシステムにおいてユーザーの心拍数をモニタリングするためのコンピュータプログラムであって、前記心拍数モニターシステムを制御するコンピュータ上で前記コンピュータプログラムが実行される場合に、請求項６に記載のユーザーの心拍数をモニタリングする方法のステップを実行することを、前記心拍数モニターシステムに実行させるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。

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