JP6788876B2 - 心電図信号処理装置、個人認証装置及び心電図信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、心電図信号処理装置、個人認証装置及び心電図信号処理方法に関し、特に、心電図信号を用いて個人認証の精度を向上させる技術に関する。

心電図信号（Electrocardiogram（ECG）信号）は周期的な心臓の動きに起因する電気信号であり、その１周期分の波形パターン（以下、「心臓鼓動パターン」という）は各個人で異なる特徴を示すことが知られている。そのことを利用して、従来、心電図信号を用いた個人認証技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、測定装置は、同時に並行して動作する生体インピーダンス測定部と心電図信号測定部とを備える。これにより、得られた生体インピーダンスで測定不良等を判定したうえで心電図信号で個人認証をすることで、信頼性の高い個人認証を実現するというものである。

特開２０１２−２１０２３６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、導電性のペーストを用いないいわゆるドライ電極を用いて測定する場合等、電極と生体との接触インピーダンスが高い場合には、安定した心電図信号を取得できないために高い精度で個人認証をできないという問題がある。接触インピーダンスが高い場合には、心電図信号がハムノイズ等の外乱ノイズの影響を受け、心臓鼓動パターンにおけるＰ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波、Ｕ波のピークが安定しないからである。

そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電極と生体との接触インピーダンスが高い場合であっても、安定して心電図信号を測定できる心電図信号処理装置等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る心電図信号処理装置は、生体に装着される電極によって検出される心電図信号を増幅して出力する信号処理回路と、前記信号処理回路で増幅された心電図信号を用いて、前記心電図信号が示す心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号を生成し、生成した前記同相信号を前記電極に印加する同相信号生成回路とを備える。

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る個人認証装置は、上記心電図信号処理装置と、前記心電図信号処理装置が備える前記信号処理回路が出力する心電図信号が示す心電図波形の特徴量を複数のユーザのそれぞれごとに対応づけた登録情報を保持する記憶部と、被検者について、前記心電図信号処理装置が備える前記信号処理回路が出力する心電図信号が示す心電図波形の特徴量と、前記記憶部に保持された前記登録情報とを照合することで、前記被検者が前記複数のユーザのいずれであるかを識別する認証部とを備える。

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る心電図信号処理方法は、生体に装着された電極によって検出された心電図信号を取得する信号取得ステップと、前記信号取得ステップで取得された心電図信号が示す心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号を生成し、生成した前記同相信号を前記電極に印加する同相信号生成ステップとを含む。

本発明により、電極と生体との接触インピーダンスが高い場合であっても、安定して心電図信号を測定できる心電図信号処理装置、心電図処理方法、及び、心電図信号処理装置を備える個人認証装置が実現される。

図１は、実施の形態に係る個人認証装置の構成を示す外観図である。 図２Ａは、図１に示された心電図信号処理装置が備える電極の設置例を示す図である。 図２Ｂは、図２Ａに示された心電図信号処理装置に被検者が腰をかけた状態を示す図である。 図３は、心電図信号処理装置の別の形態を示す図である。 図４は、心電図信号処理装置のさらに別の形態を示す図である。 図５は、心電図信号処理装置が有する電極の形状例を示す図である。 図６は、実施の形態に係る個人認証装置の構成を示すブロック図である。 図７は、図６に示された心電図信号処理装置の詳細な構成を示すブロック図である。 図８は、心電図信号の心臓鼓動パターンを示す図である。 図９は、実施の形態に係る個人認証装置の心電図信号処理装置の処理を示すフローチャートである。 図１０は、実施の形態に係る個人認証装置の情報処理装置の処理を示すフローチャートである。 図１１は、情報処理装置による個人認証が行われているときの表示部による表示例を示す図である。 図１２は、心電図波形の心臓鼓動パターンにおける特徴量を示す図である。 図１３は、心電図信号処理装置において同相信号を重畳させない場合の心電図信号（登録データＡとする）の波形例を示す図である。 図１４は、心電図信号処理装置において同相信号を重畳させた場合の心電図信号（登録データＢとする）の波形例を示す図である。 図１５は、心電図信号処理装置において同相信号を重畳させない場合の別の心電図信号（登録データＣとする）の波形例を示す図である。 図１６は、登録データＡ〜Ｃの心電図波形の特徴量を登録した後、各波形で個人認証をした場合の結果を示す図である。 図１７は、実施の形態の変形例に係る心電図信号処理装置の構成を示すブロック図である。 図１８は、変形例に係る心電図信号処理装置において同相信号を重畳させた場合の心電図信号の波形例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。

図１は、実施の形態に係る個人認証装置１００の構成を示す外観図である。本図では、個人認証の対象となる被検者５も併せて図示されている。

個人認証装置１００は、被検者５を個人認証する装置であり、心電図信号処理装置１０、情報処理装置２０、及び、表示部２５で構成される。

心電図信号処理装置１０は、被検者５が腰をかけるための椅子の構造をもつ測定装置であり、被検者５の太ももの裏（ハムストリング）で心電図信号を測定し、測定した心電図信号を無線で情報処理装置２０に送信する。なお、心電図信号処理装置１０は、必ずしも、椅子の構造物を有する必要はない。別体としての椅子の構造物に、心電図信号処理装置１０が取り付けられてもよい。

情報処理装置２０は、心電図信号処理装置１０から無線で送信されてくる心電図信号を用いて、被検者５を個人認証し、その結果を表示部２５に表示する装置である。なお、情報処理装置２０は、プログラムを保持するハードディスク又はＲＯＭ等の不揮発性メモリ、一時的に情報を保持するＲＡＭ、プログラムを実行するプロセッサ、周辺機器と接続するための入出力ポート等を有するコンピュータ装置等で実現される。情報処理装置２０は、例えば、パーソナルコンピュータ、スマートフォン等の携帯情報端末等である。

表示部２５は、情報処理装置２０による個人認証の結果等を表示するディスプレイであり、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等である。なお、個人認証装置１００を構成する出力装置としては、表示部２５に代えて、あるいは、表示部２５に加えて、音声出力装置が備えられていてもよい。

なお、この個人認証装置１００に、被検者５が心電図信号処理装置１０及び情報処理装置２０に指示を与えるためのリモートコントローラ、ボタン等の入力装置（図示せず）が備えられていてもよい。その入力装置は、有線又は無線で心電図信号処理装置１０及び情報処理装置２０に接続される独立した装置であってもよいし、心電図信号処理装置１０又は情報処理装置２０に組み込まれて固定されるデバイスであってもよい。

図２Ａは、図１に示された心電図信号処理装置１０が備える電極１１の設置例を示す図である。ここでは、電極１１は、直方体の椅子構造をもつ心電図信号処理装置１０に被検者５が腰をかけた際に、被検者５の両太ももの裏に接触するように、直方体の椅子構造物の上面の２箇所（測定電極用及び参照電極用）に設けられている。電極１１の材料は、例えば、金、銀、又は、銀−塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）等である。なお、電極１１は、必ずしも心電図信号処理装置１０に備えられる必要はなく、被検者５が予め装着した電極が用いられてもよい。

図２Ｂは、図２Ａに示された心電図信号処理装置１０に被検者５が腰をかけた状態を示す図である。被検者５の太ももの裏に電極１１が位置する。なお、被検者５は、太ももを露出している必要はなく、ズボン等の衣服を身に着けていてもよい。衣服を介して被検者５の太ももの裏の心電図信号が電極１１で検出される。本実施の形態では、心電図信号処理装置１０は、電極と生体との接触インピーダンスが高い場合であっても、安定して心電図信号を測定できるからである。

なお、心電図信号処理装置１０及び電極１１の形態及び設置位置は、図１、図２Ａ及び図２Ｂに示されたものに限られず、例えば、図３及び図４に示されるものであってもよい。

図３は、心電図信号処理装置１０の別の形態を示す図である。ここでは、心電図信号処理装置１０は、電極１１を介して被検者５の左胸に貼り付けて装着されるパッチ型の心電センサである。

図４は、心電図信号処理装置１０のさらに別の形態を示す図である。ここでは、心電図信号処理装置１０は、小型携帯型の操作コントローラのような構造を有し、直方体状の筐体の前面の２箇所に、被検者５の親指が触れる電極１１を有している。

図５は、心電図信号処理装置１０が有する電極１１の形状例を示す図である。電極１１の形状は、図５の（ａ）に示されるような円形、図５の（ｂ）に示されるような楕円形、図５の（ｃ）に示されるような正方形、図５の（ｄ）に示されるような長方形、及び、それらの組み合わせ（複数の電極１１における組み合わせ）のいずれであってもよい。

図６は、本実施の形態に係る個人認証装置１００の構成を示すブロック図である。個人認証装置１００は、心電図信号処理装置１０、情報処理装置２０及び表示部２５で構成される。

心電図信号処理装置１０は、電極１１、信号処理回路１２、同相信号生成回路１３及び通信部１４を備える。

電極１１は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、生体に装着される電極（測定電極及び参照電極を含む電極）であり、ドライ電極だけでなく、ウェット電極であってもよい。なお、「生体に装着される」とは、生体から心電図信号を測定できるように生体の近くに設けられる意味であり、生体の皮膚に直接接触する場合だけでなく、衣服等を介して生体に対して相対的に固定される場合も含まれる。

信号処理回路１２は、生体に装着される電極１１によって検出される心電図信号を増幅して出力する回路である。

同相信号生成回路１３は、信号処理回路１２で増幅された心電図信号を用いて、心電図信号が示す心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号を生成し、生成した同相信号を電極１１に印加する回路である。

通信部１４は、信号処理回路１２から出力される心電図信号に関する情報を情報処理装置２０に送信する通信インタフェースであり、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）又はＷｉＦｉ（登録商標）用の無線通信アダプタである。ここで、「心電図信号に関する情報」とは、心電図信号、及び、心電図信号に対する信号処理から得られる特徴量（心電図波形のピークに関する情報等）の少なくとも一つを含む意味である。なお、通信部１４は、無線通信用に限られず、有線通信用の通信インタフェースであってもよい。

なお、図示されていないが、心電図信号処理装置１０は、信号処理回路１２、同相信号生成回路１３及び通信部１４に直流電力を供給する電源回路を備える。電源回路は、バッテリ及びバッテリの電圧を必要な直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ、あるいは、商用電源から一定の直流電圧を生成するレギュレータ回路等で構成される。

情報処理装置２０は、通信部２１、認証部２２及び記憶部２３を備える。

通信部２１は、心電図信号処理装置１０から送信されてくる心電図信号に関する情報を受信する通信インタフェースであり、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）又はＷｉＦｉ（登録商標）用の無線通信アダプタである。なお、通信部２１は、無線通信用に限られず、有線通信用の通信インタフェースであってもよい。

記憶部２３は、心電図信号処理装置１０が備える信号処理回路１２が出力する心電図信号が示す心電図波形の特徴量を複数のユーザのそれぞれ（ユーザ識別子）ごとに対応づけた登録情報を保持する装置であり、例えば、ハードディスク等である。

認証部２２は、被検者５について、心電図信号処理装置１０の信号処理回路１２が出力する心電図信号が示す心電図波形の特徴量と、記憶部２３に保持された登録情報とを照合することで、被検者が複数のユーザのいずれであるかを識別する処理部である。認証部２２は、識別した結果を表示部２５に表示する。このような認証部２２は、上述したように、情報処理装置２０が有するプロセッサがプログラムを実行することによって実現される。なお、認証部２２は、このような個人認証だけでなく、登録情報を取得して記憶部２３に登録する処理もする。具体的には、認証部２２は、心電図信号処理装置１０から送信されてくる心電図信号から個人認証に必要な特徴量を抽出し、又は、心電図信号処理装置１０から送信されてくる特徴量を取得する。そして、抽出又は取得した特徴量を被検者５に対応づけて、登録情報として、記憶部２３に保存する。

なお、図示されていないが、情報処理装置２０は、通信部２１、認証部２２及び記憶部２３に直流電力を供給する電源回路を備える。電源回路は、商用電源から一定の直流電圧を生成するレギュレータ回路等で構成される。

図７は、図６に示された心電図信号処理装置１０の詳細な構成を示すブロック図である。ここでは、心電図信号処理装置１０を構成する信号処理回路１２及び同相信号生成回路１３の詳細な回路図が示されている。なお、本図の左箇所には、被検者５の等価回路（つまり、心電図信号の信号源５ａ）も併せて図示されている。

信号処理回路１２は、電極１１（測定電極１１ａ及び参照電極１１ｂ）、バッファアンプ３０ａ及び３０ｂ、ハイパスフィルタ３１ａ及び３１ｂ、差動増幅器３２、ローパスフィルタ３３、Ａ／Ｄ変換器３４、及び、生体電位処理部３５を備える。

測定電極１１ａ及び参照電極１１ｂは、それぞれ、測定用の電極、及び、基準電位を測定するための電極である。

バッファアンプ３０ａ及び３０ｂは、それぞれ、測定電極１１ａ及び参照電極１１ｂで検出された信号（つまり、電位）をインピーダンス変換する回路であり、例えば、ボルテージフォロワ等である。つまり、バッファアンプ３０ａ及び３０ｂは、高入力インピーダンスをもち、かつ、低出力インピーダンスをもち、電圧増幅はしない（電圧増幅率は１である）。本明細書で「アンプ」（又は、「増幅器」）との用語は、必ずしも１よりも大きな電圧増幅率をもつアンプだけに限られず、インピーダンス変換だけをする（電圧増幅率が１である）アンプも含まれる。なお、測定電極１１ａとバッファアンプ３０ａとは、一体化され、アクティブ電極を構成している。参照電極１１ｂとバッファアンプ３０ｂとについても同様である。また、バッファアンプ３０ａ及び３０ｂは、１よりも大きな電圧増幅率を有してもよい。

ハイパスフィルタ３１ａ及び３１ｂは、それぞれ、バッファアンプ３０ａ及び３０ｂからの出力信号に対して不要な低周波成分を除去するフィルタであり、例えば、ＣＲフィルタ又はオペアンプを用いたアクティブフィルタ等である。

差動増幅器３２は、ハイパスフィルタ３１ａからの出力信号からハイパスフィルタ３１ｂからの出力信号を差し引き、得られた差分を増幅する増幅器であり、例えば、オペアンプ等で構成される。この差動増幅器３２は、測定電極１１ａで検出された信号と参照電極１１ｂで検出された信号との差を増幅する回路の一例である。つまり、差動増幅器３２からの出力信号は、参照電極１１ｂでの電位を基準とする測定電極１１ａでの電位を示す心電図信号となる。

ローパスフィルタ３３は、差動増幅器３２からの出力信号に対して不要な高周波成分を除去するフィルタであり、例えば、ＣＲフィルタ又はオペアンプを用いたアクティブフィルタ等である。

Ａ／Ｄ変換器３４は、ローパスフィルタ３３からの出力信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する変換器であり、例えば、１ｋＨｚサンプリングで１２ビットのデジタル信号に変換する。このＡ／Ｄ変換器３４は、差動増幅器３２から出力された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器の一例である。

生体電位処理部３５は、Ａ／Ｄ変換器３４からの出力信号（つまり、デジタルの心電図信号）に対して心臓鼓動パターンにおけるＰ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波のピークを検知するピーク検知部３５ａを有する。心臓鼓動パターンは、図８に示される通りである。具体的には、ピーク検知部３５ａは、Ａ／Ｄ変換器３４から出力された心電図信号に含まれる心臓鼓動パターンのＰ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波のピークに関する情報（つまり、ピークのタイミング及び振幅を示す信号）を生成する。そして、生成したピークに関する情報を同相信号生成回路１３の周波数決定部４０ａ及び振幅決定部４０ｂに出力する。

なお、生体電位処理部３５は、基本的には、Ａ／Ｄ変換器３４からの出力信号（つまり、デジタルの心電図信号）を、そのまま、通信部１４を介して、情報処理装置２０に送信する。ただし、事前の設定（入力装置（図示せず）による指示等）によっては、生体電位処理部３５は、心電図信号に加えて、ピーク検知部３５ａで検知されたピークに関する情報についても、特徴量として、通信部１４を介して情報処理装置２０に送信する。

また、本実施の形態では、生体電位処理部３５は、心電図信号処理装置１０に設けられているが、この形態に限られず、これに代えて、あるいは、これに加えて、情報処理装置２０に設けられてもよい。その場合には、Ａ／Ｄ変換器３４からの出力信号は、通信部１４を介して情報処理装置２０に送信され、情報処理装置２０に設けられた生体電位処理部３５が有するピーク検知部３５ａにおいて、ピークに関する情報が生成される。そして、生成されたピークに関する情報は、情報処理装置２０の通信部２１及び心電図信号処理装置１０の通信部１４を介して心電図信号処理装置１０に伝送され、周波数決定部４０ａ及び振幅決定部４０ｂで利用される。

同相信号生成回路１３は、周波数決定部４０ａ、振幅決定部４０ｂ、信号生成部４１、及び、カップリングコンデンサ４２を備える。

周波数決定部４０ａは、第１モードでは、心電図波形におけるＰ波のピークとＲ波のピークとの時間差に対応する周波数を決定し、第２モードでは、心電図波形におけるＱ波又はＳ波のピークとＴ波のピークとの時間差に対応する周波数を決定する。具体的には、第１モードでは、周波数決定部４０ａは、ピーク検知部３５ａで検知されたピークに関する情報を用いて、Ｐ波のピークとＲ波のピークとの時間差を算出し、算出した時間差を周期とする周波数を決定する。第２モードでは、周波数決定部４０ａは、ピーク検知部３５ａで検知されたピークに関する情報を用いて、Ｑ波又はＳ波のピーク（例えば、振幅の大きいピーク）とＴ波のピークとの時間差を算出し、算出した時間差を周期とする周波数を決定する。なお、第１モード及び第２モードについては、事前の設定（入力装置（図示せず）による指示等）により、決定される。

振幅決定部４０ｂは、心電図波形におけるピークの振幅に基づいて、生成する同相信号の振幅を決定する。具体的には、振幅決定部４０ｂは、ピーク検知部３５ａで検知されたピークに関する情報を用いて、ピークの中で振幅が最大となるＲ波のピークの振幅（例えば、Ｒ波波高値の平均値）を算出する。そして、算出したＲ波のピークの振幅が小さいほど、同相信号の振幅として、より大きな値に決定する。例えば、振幅決定部４０ｂは、予め、Ｒ波のピークの振幅についての複数の振幅区間のそれぞれと、決定すべき同相信号の振幅とを対応づけたテーブルを保持している。そして、振幅決定部４０ｂは、そのテーブルを参照することで、心電図波形におけるＲ波のピークの振幅に対応する同相信号の振幅を決定する。

信号生成部４１は、周波数決定部４０ａで決定された周波数をもち、かつ、振幅決定部４０ｂで決定された振幅をもつ信号を同相信号として生成する。具体的には、信号生成部４１は、周波数決定部４０ａで決定された周波数をもち、かつ、振幅決定部４０ｂで決定された振幅をもつサンプルデータ列を生成し、内蔵のＤ／Ａ変換器でアナログ信号に変換した後に、内蔵のローパスフィルタを通過させる。これにより、心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号として、周波数決定部４０ａで決定された周波数をもち、かつ、振幅決定部４０ｂで決定された振幅をもつサイン波信号（例えば、３Ｈｚで１００ｍＶｐｐのサイン波信号）を生成する。なお、同相信号と心電図波形とは同期している（同相信号のサイン波のピークと心電図波形におけるピークとが重なる）必要はない。

カップリングコンデンサ４２は、信号生成部４１の出力端子と、参照電極１１ｂとの間に接続されたコンデンサであり、信号生成部４１からの出力信号のＡＣ成分だけを通過させて参照電極１１ｂに印加する。カップリングコンデンサ４２は、例えば、１００ｐＦのコンデンサである。

なお、生体電位処理部３５、周波数決定部４０ａ、振幅決定部４０ｂ、及び、信号生成部４１におけるデジタル信号処理は、専用の論理回路でハードウェア的に実現されてもよいし、プログラムを用いてソフトウェア的に実現されてもよい。ソフトウェア的に実現すある場合には、例えば、プログラムを保持するＲＯＭ等の不揮発性メモリ、一時的に情報を保持するＲＡＭ、プログラムを実行するプロセッサ、周辺回路と接続するための入出力ポート等を有するマイクロコンピュータによって実現される。

次に、以上のように構成された本実施の形態に係る個人認証装置１００の動作について説明する。

図９は、本実施の形態に係る個人認証装置１００の心電図信号処理装置１０の処理（心電図信号処理方法）を示すフローチャートである。

信号処理回路１２は、生体に装着された電極１１（測定電極１１ａ及び参照電極１１ｂ）によって検出された心電図信号を取得する（信号取得ステップＳ１０）。

具体的には、測定電極１１ａで検知された信号は、バッファアンプ３０ａでインピーダンス変換され、ハイパスフィルタ３１ａで不要な低周波成分が除去された後に差動増幅器３２のプラス入力端子に入力される。一方、参照電極１１ｂで検知された信号は、バッファアンプ３０ｂでインピーダンス変換され、ハイパスフィルタ３１ｂで不要な低周波成分が除去された後に差動増幅器３２のマイナス入力端子に入力される。差動増幅器３２において、プラス入力端子に入力された信号とマイナス入力端子に入力された信号の差が増幅される。増幅後の信号は、ローパスフィルタ３３で不要な高周波成分が除去された後に、Ａ／Ｄ変換器３４でデジタルの心電図信号に変換されて生体電位処理部３５に入力される。生体電位処理部３５では、Ａ／Ｄ変換器３４から出力された心電図信号に含まれる心臓鼓動パターンのＰ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波のピークに関する情報（つまり、ピークのタイミング及び振幅を示す信号）が生成され、同相信号生成回路１３（周波数決定部４０ａ及び振幅決定部４０ｂ）に出力される。

次に、信号取得ステップＳ１０で取得された心電図信号が示す心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号を生成し、生成した同相信号を参照電極１１ｂに印加する（同相信号生成ステップＳ２０）。

より詳しくは、周波数決定部４０ａは、第１モードでは、心電図波形におけるＰ波のピークとＲ波のピークとの時間差に対応する周波数を決定し、第２モードでは、心電図波形におけるＱ波又はＳ波のピークとＴ波のピークとの時間差に対応する周波数を決定する（Ｓ２１）。具体的には、第１モードでは、周波数決定部４０ａは、ピーク検知部３５ａで検知されたピークに関する情報を用いて、Ｐ波のピークとＲ波のピークとの時間差を算出し、算出した時間差を周期とする周波数を決定する。第２モードでは、周波数決定部４０ａは、ピーク検知部３５ａで検知されたピークに関する情報を用いて、Ｑ波又はＳ波のピーク（例えば、振幅の大きいピーク）とＴ波のピークとの時間差を算出し、算出した時間差を周期とする周波数を決定する。

続いて、振幅決定部４０ｂは、心電図波形におけるピークの振幅に基づいて、生成する同相信号の振幅を決定する（Ｓ２２）。具体的には、振幅決定部４０ｂは、ピーク検知部３５ａで検知されたピークに関する情報を用いて、Ｒ波のピークの振幅を算出し、算出したＲ波のピークの振幅が小さいほど、同相信号の振幅として、より大きな値に決定する。

最後に、信号生成部４１は、周波数決定部４０ａで決定された周波数をもち、かつ、振幅決定部４０ｂで決定された振幅をもつ信号を同相信号として生成し、カップリングコンデンサ４２を介して参照電極１１ｂに印加する（Ｓ２３）。

なお、上記信号取得ステップＳ１０及び同相信号生成ステップＳ２０は、一定周期で繰り返し、同時並行に行われる。よって、一旦、同相信号生成ステップＳ２０において同相信号が生成されて参照電極１１ｂに印加された後は、信号取得ステップＳ１０では、同相信号が参照電極１１ｂに印加された状態で、つまり、同相信号が重畳された状態で、心電図信号が取得される。

図１０は、本実施の形態に係る個人認証装置１００の情報処理装置２０の処理（個人認証方法）を示すフローチャートである。図１１は、情報処理装置２０による個人認証が行われているときの表示部２５による表示例を示す図である。

個人認証が開始されると、認証部２２は、まず、表示部２５の測定情報表示部２５ａに「心電図波形測定中」と表示し（Ｓ４１）、続いて、表示部２５に電極位置を示す電極図示部２５ｃを表示する（Ｓ４２）。

次に、認証部２２は、通信部２１を介して心電図信号処理装置１０に指示することで、心電図信号処理装置１０に心電図信号の測定を開始させ、心電図信号処理装置１０の通信部２１を介して心電図信号を取得する（Ｓ４３）。そして、認証部２２は、取得した心電図信号に対して、心電図波形として意味のある情報を抽出するために、特定の周波数成分を抽出し、抽出した周波数成分のパワースペクトル密度を算出することで、心電図波形を調整する（Ｓ４４）。

次に、認証部２２は、調整した心電図波形を表示部２５に心電図波形表示部２５ｂとして表示し（Ｓ４５）、これと並行して、個人認証を行う（Ｓ５１〜Ｓ５７）。

個人認証（Ｓ５１〜Ｓ５７）において、認証部２２は、まず、表示部２５の測定情報表示部２５ａに「心電図波形認証中」と表示する（Ｓ５１）。そして、認証部２２は、調整後の心電図波形に対して微分等することで心臓鼓動パターンにおける各ピークを検知し（Ｓ５２）、各ピークの相対波高値を算出することで心電図波形の振幅を正規化する（Ｓ５３）。

次に、認証部２２は、正規化した心電図波形から、図１２に示されるような心臓鼓動パターンの特徴量をシグニチャとして生成する（Ｓ５４）。図１２では、特徴量として、Ｐ波の高さを示す「Ｐ波高さ」、Ｑ波の高さを示す「Ｑ波高さ」、Ｒ波の高さを示す「Ｒ波高さ」Ｓ波の高さを示す「Ｓ波高さ」、Ｔ波の高さを示す「Ｔ波高さ」、Ｒ波とＱ波との高さの差を示す「Ｒｑ波高値」、Ｐ波とＱ波との高さの差を示す「Ｐｑ波高値」、Ｔ波とＳ波との高さの差を示す「Ｔｓ波高値」、Ｒ波とＳ波との高さの差を示す「Ｒｓ波高値」、Ｒ波からＳ波への傾きを示す「Ｒｓ傾き」、Ｓ波のピークの後半での傾きを示す「Ｓｓ傾き」が示されている。

次に、認証部２２は、記憶部２３に保存されている登録情報を取得し（Ｓ５５）、取得した登録情報を参照して、ステップＳ５４で生成したシグニチャと対応するユーザを認証する（Ｓ５６）。つまり、登録情報に登録された特徴量の中から、シグニチャに最も類似する特徴量を特定し、特定した特徴量に対応するユーザ（ユーザ識別子）を個人認証の結果として出力する。

最後に、認証部２２は、個人認証の結果を、認証結果表示部２５ｄとして表示部２５に表示する（Ｓ５７）。図１１に示される認証結果表示部２５ｄの表示例では、３人分のユーザ識別子に対する個人認証の結果（確率）が表示されている。なお、３人分のユーザ識別子は、シグニチャに最も類似するものから上位３位までのユーザ識別子、あるいは、予め登録されたユーザ識別子等である。

図１３〜図１６は、本実施の形態に係る個人認証装置１００の特徴を説明するための図である。より詳しくは、図１３は、心電図信号処理装置１０において同相信号を重畳させない場合の心電図信号（登録データＡとする）の波形例（つまり、元波形）を示す図である。図１４は、心電図信号処理装置１０において同相信号を重畳させた場合の心電図信号（登録データＢとする）の波形例（つまり、登録・認証用波形）を示す図である。図１５は、心電図信号処理装置１０において同相信号を重畳させない場合の別の心電図信号（登録データＣとする）の波形例（つまり、登録・認証用波形）を示す図である。図１６は、上記登録データＡ〜Ｃの心電図波形の特徴量を登録情報として記憶部２３に登録した後、認証部２２が各波形で個人認証をした場合の結果（正解率）を示す図である。

図１６から分るように、心電図信号処理装置１０において同相信号を重畳させた場合の心電図信号（登録データＢ）を用いて心電図波形を登録して個人認証をした場合に、最も高い正解率（１００％）を得ることができている。これは、心電図信号に同相信号を重畳させることで、心電図波形における各ピークの振幅が大きく強調される頻度が上昇し、心電図波形の特徴量が明確化されたためと考えられる。

以上のように、本実施の形態に係る心電図信号処理装置１０は、生体に装着される電極１１によって検出される心電図信号を増幅して出力する信号処理回路１２と、信号処理回路１２で増幅された心電図信号を用いて、心電図信号が示す心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号を生成し、生成した同相信号を電極１１に印加する同相信号生成回路１３とを備える。

これにより、心電図信号が示す心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号が電極１１に印加されるので、心電図信号における心臓鼓動パターンのピークが強調され、外乱ノイズが存在する状況下であっても安定した個人認証が可能になる。つまり、電極１１と生体との接触インピーダンスが高い場合であっても、安定して心電図信号を測定できる心電図信号処理装置が提供される。

また、同相信号生成回路１３は、心電図波形におけるＰ波のピークとＲ波のピークとの時間差に対応する周波数を決定する周波数決定部４０ａと、周波数決定部４０ａで決定された周波数をもつ信号を同相信号として生成する信号生成部４１とを有する。

これにより、心電図波形におけるＰ波のピークとＲ波のピークとの時間差に対応する周波数をもつ同相信号が電極１１に印加されるので、被検者の特徴を示す心臓鼓動パターンにおけるＰ波及びＲ波のピークの振幅が大きくなる。よって、心臓鼓動パターンにおけるＰ波及びＲ波のピークを用いた個人認証の処理が安定化され、精度が向上する。

あるいは、同相信号生成回路１３は、心電図波形におけるＱ波又はＳ波のピークとＴ波のピークとの時間差に対応する周波数を決定する周波数決定部４０ａと、周波数決定部４０ａで決定された周波数をもつ信号を同相信号として生成する信号生成部４１とを有する。

これにより、心電図波形におけるＱ波又はＳ波のピークとＴ波のピークとの時間差に対応する周波数をもつ同相信号が電極１１に印加されるので、被検者の特徴を示す心臓鼓動パターンにおけるＱ波又はＳ波のピークとＴ波のピークの振幅が大きくなる。よって、心臓鼓動パターンにおけるＱ波又はＳ波のピークとＴ波のピークを用いた個人認証の処理が安定化され、精度が向上する。

また、同相信号生成回路１３は、さらに、心電図波形におけるピークの振幅に基づいて、生成する同相信号の振幅を決定する振幅決定部４０ｂを有し、信号生成部４１は、振幅決定部４０ｂで決定された振幅をもつ信号を同相信号として生成する。

これにより、心電図波形におけるピークの振幅に基づいて決定された振幅をもつ同相信号が電極１１に印加されるので、心電図波形におけるピークの振幅が不十分な場合には振幅を大きくすることができる。よって、心電図信号の心臓鼓動パターンを用いた個人認証の処理が安定化され、精度が向上する。

また、生体に装着された電極１１には、測定電極１１ａ及び参照電極１１ｂが含まれ、信号処理回路１２は、測定電極１１ａで検出された信号と参照電極１１ｂで検出された信号との差を増幅する差動増幅器３２と、差動増幅器３２から出力された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３４とを有し、同相信号生成回路１３は、Ａ／Ｄ変換器３４から出力されたデジタル信号を用いて、参照電極１１ｂに同相信号を印加する。

これにより、測定電極１１ａで検出された信号と参照電極１１ｂで検出された信号との差の信号に基づいて生成された同相信号が参照電極１１ｂに印加されるので、両信号に重畳した同相ノイズが除去され、外乱ノイズの影響が少ない安定した心電図信号が生成される。

また、本実施の形態に係る個人認証装置１００は、上記心電図信号処理装置１０と、心電図信号処理装置１０が備える信号処理回路１２が出力する心電図信号が示す心電図波形の特徴量を複数のユーザのそれぞれごとに対応づけた登録情報を保持する記憶部２３と、被検者について、心電図信号処理装置１０が備える信号処理回路１２が出力する心電図信号が示す心電図波形の特徴量と、記憶部２３に保持された登録情報とを照合することで、被検者が複数のユーザのいずれであるかを識別する認証部２２とを備える。

これにより、心臓鼓動パターンのピークが強調された心電図信号を用いた個人認証が可能となり、電極１１と生体との接触インピーダンスが高い場合であっても、安定して高い精度で個人認証が行われる。

また、本実施の形態に係る心電図信号処理方法は、生体に装着された電極１１（測定電極１１ａ及び参照電極１１ｂ）によって検出された心電図信号を取得する信号取得ステップＳ１０と、信号取得ステップＳ１０で取得された心電図信号が示す心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号を生成し、生成した同相信号を参照電極１１ｂに印加する同相信号生成ステップＳ２０とを含む。

これにより、心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号が電極１１に印加されるので、心電図信号における心臓鼓動パターンのピークが強調され、外乱ノイズが存在する状況下であっても安定した個人認証が可能になる。つまり、電極１１と生体との接触インピーダンスが高い場合であっても、安定して心電図信号を測定できる心電図信号処理方法が実現される。

なお、本発明は、上記心電図信号処理方法に含まれるステップをコンピュータに実行させるプログラム、あるいは、上記情報処理装置２０による個人認証方法に含まれるステップをコンピュータに実行させるプログラム、あるいは、それらのプログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体として、実現してもよい。

次に、上記実施の形態の変形例に係る心電図信号処理装置を説明する。

図１７は、上記実施の形態の変形例に係る心電図信号処理装置１０ａの構成を示すブロック図である。この心電図信号処理装置１０ａは、上記実施の形態に係る心電図信号処理装置１０において、同相信号生成回路１３に代えて、位相決定部４０ｃが追加され、かつ、信号生成部４１が新たな信号生成部４１ａに置き換えられた同相信号生成回路１３ａを設けたものに相当する。

位相決定部４０ｃは、生成する同相信号において一時的に位相をずらす、又は、一時的に振幅を小さくするための制御信号を生成する。具体的には、位相決定部４０ｃは、ピーク検知部３５ａで検知されたピークに関する情報を用いて、Ｔ波の誤検知を防ぐために、図１７に図示される波形例のような同相信号を生成する。ここでは、１Ｈｚで、３つのピークのうちの中央のピークの振幅が小さくなるような３つのピークが１００ｍＶｐｐで繰り返されるような波形を同相信号として生成する。

信号生成部４１ａは、位相決定部４０ｃで生成された制御信号に基づいて、一時的に位相をずらした、又は、一時的に振幅を小さくした箇所を含む信号を同相信号として生成する。具体的には、信号生成部４１ａは、周波数決定部４０ａで決定された周波数をもち、かつ、振幅決定部４０ｂで決定された振幅をもち、かつ、位相決定部４０ｃで決定された一時的に位相をずらした、又は、一時的に振幅を小さくした箇所を含む同相信号を生成する。つまり、そのようなサンプルデータ列を生成し、内蔵のＤ／Ａ変換器でアナログ信号に変換した後に、内蔵のローパスフィルタを通過させる。

なお、位相決定部４０ｃ及び信号生成部４１ａにおけるデジタル信号処理は、専用の論理回路でハードウェア的に実現されてもよいし、プログラムを用いてソフトウェア的に実現されてもよい。ソフトウェア的に実現すある場合には、例えば、プログラムを保持するＲＯＭ等の不揮発性メモリ、一時的に情報を保持するＲＡＭ、プログラムを実行するプロセッサ、周辺回路と接続するための入出力ポート等を有するマイクロコンピュータによって実現される。

図１８は、本変形例に係る心電図信号処理装置１０ａにおいて同相信号を重畳させた場合の心電図信号（登録データＢ’とする）の波形例（つまり、登録・認証用波形）を示す図である。上記実施の形態１における図１４に示された登録データＢの波形例と比較して分かるように、Ｓ波とＴ波との間に存在する不要なピーク（図１８の破線枠）の波高が減少している。これにより、個人認証における正解率が向上する。

以上のように、本変形例に係る心電図信号処理装置１０ａによれば、同相信号生成回路１３ａは、生成する同相信号において一時的に位相をずらす、又は、一時的に振幅を小さくするための制御信号を生成する位相決定部４０ｃを有し、信号生成部４１ａは、位相決定部４０ｃで生成された制御信号に基づいて、一時的に位相をずらした、又は、一時的に振幅を小さくした箇所を含む信号を同相信号として生成する。

これにより、一時的に位相をずらした、又は、一時的に振幅を小さくした箇所を含む同相信号が電極１１に印加されるので、心電図信号における心臓鼓動パターンを特徴づけるピークだけに対して振幅を大きくすることができる。よって、心電図信号の心臓鼓動パターンを用いた個人認証の処理が安定化され、精度が向上する。

以上、本発明に係る心電図信号処理装置、個人認証装置及び心電図信号処理方法について、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態及び変形例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態及び変形例に施したものや、実施の形態及び変形例における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態及び変形例において、生体電位処理部３５は、心電図信号処理装置１０に設けられたが、この形態に限られず、これに代えて、あるいは、これに加えて、情報処理装置２０に設けられてもよい。生体電位処理部３５が情報処理装置２０に設けられる場合には、生体電位処理部３５のピーク検知部３５ａによって生成されたピークに関する情報は、認証部２２におけるシグニチャの生成に利用される。

さらに、生体電位処理部３５が情報処理装置２０に設けられる場合には、心電図信号処理装置１０の周波数決定部４０ａ、振幅決定部４０ｂ及び位相決定部４０ｃも情報処理装置２０に設けられてもよい。この場合には、周波数決定部４０ａ、振幅決定部４０ｂ及び位相決定部４０ｃで決定された周波数、振幅及び制御信号は、情報処理装置２０の通信部２１及び心電図信号処理装置１０の通信部１４を介して心電図信号処理装置１０の信号生成部４１及び４１ａに伝送され、同相信号の生成に利用される。

また、上記実施の形態において、心電図信号処理装置１０には、周波数決定部４０ａ及び振幅決定部４０ｂが設けられたが、いずれかだけが設けられてもよい。その場合には、周波数決定部４０ａ及び振幅決定部４０ｂのいずれかからの情報に基づいて、信号生成部４１は、同相信号を生成する。

同様に、上記変形例において、心電図信号処理装置１０ａには、周波数決定部４０ａ、振幅決定部４０ｂ及び位相決定部４０ｃが設けられたが、これらのうちの少なくとも一つが設けられてもよい。その場合には、周波数決定部４０ａ、振幅決定部４０ｂ及び位相決定部４０ｃの少なくとも一つからの情報に基づいて、信号生成部４１ａは、同相信号を生成する。

また、上記実施の形態に係る心電図信号処理装置１０ａは、上記実施の形態に係る情報処理装置２０及び表示部２５とともに個人認証装置を構成してもよい。これにより、一時的に位相をずらした、又は、一時的に振幅を小さくした箇所を含む同相信号が電極１１に印加されるので、心電図信号における心臓鼓動パターンを特徴づけるピークだけに対して振幅を大きくすることができる。よって、心電図信号の心臓鼓動パターンを用いた個人認証の処理が安定化され、精度が向上する。

また、上記実施の形態及び変形例では、心電図信号処理装置１０及び１０ａは、参照電極１１ｂで検出された電位を基準として測定電極で検出された信号を処理したが、これに限られない。参照電極で検出された電位を基準として、複数の測定電極のそれぞれで検出された信号を処理してもよい。このように心電図信号処理装置において多チャネルの信号が処理される場合には、それらの多チャネルの信号で得られた複数の心電図波形を平均化する等して個人認証に用いてもよい。また、参照電極は必ずしも必要ではない。グランド電位を基準として測定電極の信号だけが処理されてもよい。この場合には、同相信号は、測定電極に印加される。

５ 被検者
１０、１０ａ 心電図信号処理装置
１１ 電極
１１ａ 測定電極
１１ｂ 参照電極
１２ 信号処理回路
１３、１３ａ 同相信号生成回路
２２ 認証部
２３ 記憶部
３２ 差動増幅器
３４ Ａ／Ｄ変換器
４０ａ 周波数決定部
４０ｂ 振幅決定部
４０ｃ 位相決定部
４１、４１ａ 信号生成部
１００ 個人認証装置

Claims (9)

1. 生体に装着される電極によって検出される心電図信号を増幅して出力する信号処理回路と、
   前記信号処理回路で増幅された心電図信号を用いて、前記心電図信号が示す心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号を生成し、生成した前記同相信号を前記電極に印加する同相信号生成回路と
   を備える心電図信号処理装置。
2. 前記同相信号生成回路は、
   前記心電図波形におけるＰ波のピークとＲ波のピークとの時間差に対応する周波数を決定する周波数決定部と、
   前記周波数決定部で決定された周波数をもつ信号を前記同相信号として生成する信号生成部とを有する
   請求項１記載の心電図信号処理装置。
3. 前記同相信号生成回路は、
   前記心電図波形におけるＱ波又はＳ波のピークとＴ波のピークとの時間差に対応する周波数を決定する周波数決定部と、
   前記周波数決定部で決定された周波数をもつ信号を前記同相信号として生成する信号生成部とを有する
   請求項１記載の心電図信号処理装置。
4. 前記同相信号生成回路は、さらに、前記心電図波形におけるピークの振幅に基づいて、生成する同相信号の振幅を決定する振幅決定部を有し、
   前記信号生成部は、前記振幅決定部で決定された振幅をもつ信号を前記同相信号として生成する
   請求項２又は３記載の心電図信号処理装置。
5. 前記同相信号生成回路は、生成する同相信号において一時的に位相をずらす、又は、一時的に振幅を小さくするための制御信号を生成する位相決定部を有し、
   前記信号生成部は、前記位相決定部で生成された前記制御信号に基づいて、一時的に位相をずらした、又は、一時的に振幅を小さくした箇所を含む信号を前記同相信号として生成する
   請求項２〜４のいずれか１項に記載の心電図信号処理装置。
6. 前記生体に装着された電極には、測定電極及び参照電極が含まれ、
   前記信号処理回路は、
   前記測定電極で検出された信号と前記参照電極で検出された信号との差を増幅する差動増幅器と、
   前記差動増幅器から出力された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とを有し、
   前記同相信号生成回路は、前記Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号を用いて、前記参照電極に前記同相信号を印加する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の心電図信号処理装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の心電図信号処理装置と、
   前記心電図信号処理装置が備える前記信号処理回路が出力する心電図信号が示す心電図波形の特徴量を複数のユーザのそれぞれごとに対応づけた登録情報を保持する記憶部と、
   被検者について、前記心電図信号処理装置が備える前記信号処理回路が出力する心電図信号が示す心電図波形の特徴量と、前記記憶部に保持された前記登録情報とを照合することで、前記被検者が前記複数のユーザのいずれであるかを識別する認証部と
   を備える個人認証装置。
8. 生体に装着された電極によって検出された心電図信号を取得する信号取得ステップと、
   前記信号取得ステップで取得された心電図信号が示す心電図波形におけるピークの振幅を大きくするための同相信号を生成し、生成した前記同相信号を前記電極に印加する同相信号生成ステップと
   を含む心電図信号処理方法。
9. 請求項８記載の心電図信号処理方法に含まれるステップをコンピュータに実行させるプログラム。

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