JP6793299B2 - 信号検出装置及び信号検出方法 - Google Patents
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Description
図1は、実施の形態1に係る信号検出装置1の構成を示すブロック図である。信号検出装置1は、測定部10と、演算部20と、周期検出部30から構成される。
図3に示すように、非線形演算部22の入力変数INとしてステップ信号を入力したとき、非線形演算部22出力する信号である出力変数vについて説明する。入力変数INが0の時(時間0s〜1s)、出力変数vは−1〜−2の間の一定値を保持する。入力変数INが1の時(時間1s〜)、出力変数vは自励振動状態となる。なお、入力変数INが約0.33〜1.42の範囲の時には自励振動となる。その範囲を外れると自励振動をしない。また、自励振動の周波数は、入力レベルが大きいほど高くなる。
一方、図4に示すように、非線形演算部22の入力変数INが周期信号であるときの非線形演算部22の出力変数vについて説明する。図4の入力変数INに示す周期信号は時速5kmで歩行し始めた際に測定した心電波形である。心電波形の測定に際しては、シャツ内に電極が埋込まれた服型センサを使用した。出力変数vにおいて、鋭いパルス成分の正の部分をR波、負の部分をS波と呼ぶ。一般的に、隣合うR波の時間間隔を心拍周期と呼び、この周期に同調して出力変数vが交番する様子が認められる。このように、非線形振動子が外部からの摂動波形に同期して振舞う現象のことを強制同期と言う。
図5は、非線形演算部22の共鳴条件を示すグラフである。横軸を時間、縦軸を入力変数INの振幅とする。グラフの中央部の右肩上がりの太線が共鳴領域と減衰領域の境界線である。そして、境界線の上側が共鳴領域で、境界線の下側が減衰領域である。
非線形演算部22の特長として、前述したパルス鋭敏性に加え、安定した増幅作用をあげることができる。図9の入力変数INは、時速14kmで走ったときの心電図を示す。運動によってセンサと体表との間のインピーダンスが変動する。これにより、いわゆる基線変動と呼ばれるノイズが心拍波形に重畳されていることがわかる。しかしながら、図9の出力変数vに示すように、出力変数vは入力変数INの心拍波形のR波に対して共鳴した状態にある。これにより、出力変数vの振幅エンベロープを、ほぼ一定のレベルを保持することができる。さらに、パルス性の強いR波を増幅させる一方で、R波以外の成分を、減衰させることができる。図9を用いて、一例を説明する。図9の入力変数INにおいて、R波ではないノイズ成分を示す波形のうち2つを実線矢印で示している。図9の出力変数vに示すように、上記2つのノイズに対する出力変数vの応答は、出力変数vの負の領域において減衰作用を受ける。これにより、振幅の大きなノイズが出力変数vに与える影響を抑えられる。
非線形振動子が、外部の摂動波形の周波数に同期して振舞う現象のことを、一般的に「周波数の引込み現象」と言う。前述した非線形演算部22の強制同期がこの現象にあたる。FN方程式を心拍数検出に応用する場合、心拍数のレンジにおいて、同期現象が起きることを確認する必要がある。そこで、表1に示す心拍数レンジ(20bpm〜250bpm)に亘って同期現象を調べた。
図10は、信号検出装置の周期信号検出動作における各種信号の波形を示す。具体的には、心電波形Eと、入力波形Iと、出力波形Fと、心拍周期R_devとの関係を示している。心電波形Eは、測定部10が計測した波形である。線形処理部21は、心電波形Eを入力とし、入力波形Iを非線形演算部22へ出力する。入力波形Iは、心電波形Eを線形処理部21によりフィルタリングを行ったパルス列の時間波形である。非線形演算部22は、入力波形Iを入力とし、出力波形Fを周期検出部30に出力する。出力波形Fは、非線形演算部22が演算処理した共鳴信号の時間波形である。周期検出部30は、出力波形Fを入力とし、心拍周期(周期信号)R_devを出力する。心拍周期R_devは、出力波形Fに基づき、心拍を検出したものである。
非線形演算部22で行われる非線形演算処理(S40)の詳細について、図12のフローチャートで説明する。まず、現在の出力変数vnに対応する導関数vndotを数式2aで算出する(S41)。同様に、現在の変数wnに対応する導関数wndotを数式2bで算出する(S42)。次に、現在の出力変数vnと導関数vndotと時間差分項ΔTに基づき、数式2cで新たな出力変数vn+1を算出する(S43)。同様に、現在の変数wnと導関数wndotと時間差分項ΔTに基づき、数式2dで新たな変数wn+1を算出する(S44)。ステップS43で算出された出力変数vn+1を共鳴信号の時間波形である出力波形Fにセットし周期検出部30に転送する。なお、変数n、vn、wn、は初期設定(S10)で0にセットされている。また、vn+1とwn+1は、周期検出処理(S50)で変数nがインクリメントされるので、次のサンプリングに対する非線形演算処理においては、vnとwnに代入される。
周期検出部30で行われる周期検出処理(S50)の詳細について、図13のフローチャートで説明する。周期検出部30は、隣合うゼロクロス点間の時間間隔、すなわち心拍の周期を検出する。その後、周期検出部30が非線形演算部22からの入力である出力波形Fがゼロクロスしたかどうかを判定する。具体的には、出力波形Fの直前の値であるF_oldが負で、新たに入力された出力波形Fの値が正となる時にゼロクロスしたと判定する(S51)。
図14に示すように、線形処理部21のみ(非線形演算部22を有さない)からなる演算部20zで構成された信号検出装置1zを比較例とし、図10と同じ心電波形Eを計測したときの検出結果を検討した。図15は、測定部10が計測した心電波形Eと、心電波形Eを線形処理部21によりフィルタリングを行ったパルス列の時間波形Iと、周期検出部30が検出した心拍周期(周期信号)R_conを示すグラフである。
本実施の形態の信号検出装置は、測定部10と、演算部20と、周期検出部30とを備える。測定部10は、信号を測定する。演算部20は、測定部10で測定した信号のパルス性成分を増幅し、かつ、信号のパルス性成分以外の成分を減衰する非線形演算処理を行う。周期検出部30は、演算部20の出力から周期信号を検出する。これにより、体の横曲げなどの運動で、信号検出装置と体表との間のインピーダンスが変動した場合でも、心拍波形などパルス性の信号を高い精度で検出することができる。
図16は、実施の形態2に係る信号検出装置1aの構成を示すブロック図である。信号検出装置1aにおいて、測定部10と周期検出部30が実施の形態1と同じで、演算部20aが実施の形態1と異なる。演算部20aは、線形処理部21と2個の非線形演算部22a、22bを縦続接続した構成である。
図17は、2個の非線形演算部22a、22bを縦続接続、つまり、非線形演算部22aの出力変数vを非線形演算部22bの入力変数INに入力した時の挙動を示したグラフである。非線形演算部22aの出力変数を第1出力波形F1、非線形演算部22bの出力変数を第2出力波形F2とする。破線矢印で示したとおり、非線形演算部22aの不完全な共鳴を非線形演算部22bで増幅することができる。つまり、演算部20aは、非線形演算処理を2回行うことで、測定したいパルス性の信号を高い精度で検出することができる。なお、縦続接続数を3個以上の複数個とすることでより高い精度で検出することができる。なお、例えば、従属接続数が2個の場合であれば、第2出力波形F2が実施の形態1における出力波形Fに相当する。すなわち、周期検出部30は、第2出力波形F2に基づき、周期信号を生成する。
5 ヘルスケアシステム
10 測定部
20,20a,20z 演算部
30 周期検出部
21 線形処理部
22,22a,22b 非線形演算部
40 携帯機器
50 サーバー
Claims (16)
- 信号を測定する測定部と、
前記測定部で測定した信号のパルス性成分を増幅し、かつ、前記測定部で測定した信号のパルス性成分以外の成分を減衰する非線形演算処理を行う演算部と、
前記演算部の出力から周期信号を検出する周期検出部とを備え、
前記演算部は、前記周期信号の周波数が170/60(Hz)未満の場合に前記非線形演算処理の時間差分項を0.05以下の値に設定し、前記周期信号の周波数が170/60(Hz)以上の場合に前記時間差分項を0.05より大きな値に設定する信号検出装置。 - 前記演算部は、前記測定部で測定した信号をDC除去してから、前記非線形演算処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の信号検出装置。
- 前記非線形演算処理は、
前記非線形演算処理の入力に相当する入力変数と、前記非線形演算処理の出力に相当する出力変数と、に基づき演算され、
前記入力変数が0より大きい値で一定であるとき、前記出力変数は、周期的な波形である自励振動波形となり、
前記入力変数が0で一定であるとき、前記出力変数は、一定の値となり、
前記入力変数が周期的なパルス性成分を含む波形であるとき、前記出力変数は、前記周期的なパルス性成分を含む波形と同じ周期のパルス波形である共鳴信号波形となる、
請求項1に記載の信号検出装置。 - 前記周期検出部は、前記共鳴信号波形が所定の検出閾値とクロスする時点を検出することにより、前記周期信号を検出する、
請求項3に記載の信号検出装置。 - 前記演算部は、前記非線形演算処理を複数回行うことを特徴とする請求項1に記載の信号検出装置。
- 前記非線形演算処理は、FitzHugh−Nagumo方程式を用いて行われる請求項1に記載の信号検出装置。
- 前記非線形演算処理は、下記数式により行われる請求項1に記載の信号検出装置。
但し、
IN:非線形演算処理の入力変数
vn:非線形演算処理の出力変数
wn:非線形演算処理のための中間変数
ΔT:時間差分項
a、b、c:所定の定数項 - 前記周期信号は、心拍の周期である請求項1に記載の信号検出装置。
- 信号検出装置による信号検出方法であって、
前記信号検出方法は、
信号を測定し、
前記信号のパルス性成分を増幅し、かつ、前記信号のパルス性成分以外の成分を減衰する非線形演算処理を行い、
前記非線形演算処理の出力から周期信号を検出し、
前記周期信号の周波数が170/60(Hz)未満の場合に前記非線形演算処理の時間差分項を0.05以下の値に設定し、前記周期信号の周波数が170/60(Hz)以上の場合に前記時間差分項を0.05より大きな値に設定する、信号検出方法。 - 前記非線形演算処理を行う前に、前記信号をDC除去する、
請求項9に記載の信号検出方法。 - 前記非線形演算処理は、
前記非線形演算処理の入力に相当する入力変数と、前記非線形演算処理の出力に相当する出力変数と、に基づき演算され、
前記入力変数が0より大きい値で一定であるとき、前記出力変数は、周期的な波形である自励振動波形となり、
前記入力変数が0で一定であるとき、前記出力変数は、一定の値となり、
前記入力変数が周期的なパルス性成分を含む波形であるとき、前記出力変数は、前記周期的なパルス性成分を含む波形と同じ周期のパルス波形である共鳴信号波形となる、
請求項9に記載の信号検出方法。 - 前記共鳴信号波形が所定の検出閾値とクロスする時点を検出することで前記周期信号を検出する、
請求項11に記載の信号検出方法。 - 前記非線形演算処理を複数回行うことを特徴とする請求項9に記載の信号検出方法。
- 前記非線形演算処理は、FitzHugh−Nagumo方程式を用いて行われる、請求項9に記載の信号検出方法。
- 前記非線形演算処理は、下記数式により行われる、請求項9に記載の信号検出方法。
但し、
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vn:非線形演算処理の出力変数
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ΔT:時間差分項
a、b、c:所定の定数項 - 前記周期信号は、心拍の周期である、請求項9に記載の信号検出方法。
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