JP7221195B2 - Heart rate variability analyzer, method and program - Google Patents

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本発明は、心拍変動解析装置、方法およびプログラムに関し、特に、心電データから心拍変動を解析して自律神経の働き具合を正しく評価することができるようにした心拍変動解析装置、方法およびプログラムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heart rate variability analysis device, method and program, and more particularly to a heart rate variability analysis device, method and program capable of analyzing heart rate variability from electrocardiogram data and correctly evaluating the working condition of the autonomic nerves. .

心拍の心室収縮の開始を表すR波の発生間隔(R-R間隔)は、周期性をもって変動し、その変動の周波数成分は、自律神経の働き具合を表すことが知られている。この関係を利用して自律神経の働き具合を評価でき、その一つの手法では、心電データにおけるR-R間隔を順次計測し、そのR-R間隔を周波数解析(スペクトル分析)してその変動の周波数成分を求め、その周波数成分から自律神経の働き具合を評価する。 It is known that the R-wave generation interval (RR interval) representing the start of ventricular contraction of heartbeat varies periodically, and the frequency component of the variation indicates the working condition of the autonomic nerves. This relationship can be used to evaluate the working condition of the autonomic nerves, and one method is to sequentially measure the RR intervals in the electrocardiographic data, frequency analyze the RR intervals (spectrum analysis), and change the is obtained, and the working condition of the autonomic nerve is evaluated from the frequency component.

図6は、従来におけるR-R間隔変動の周波数成分の解析手法の説明図である。 FIG. 6 is an explanatory diagram of a conventional method for analyzing frequency components of RR interval fluctuations.

同図(a)は、心電センサなどにより取得された心電データEPGを示す。ここで、R波は、心室収縮の開始を表し、時間軸方向(x軸方向)にR-R間隔RR1,RR2,RR3,・・・をもって出現し、その間隔は、周期性をもって変動する。 FIG. 1(a) shows electrocardiographic data EPG acquired by an electrocardiographic sensor or the like. Here, the R wave represents the start of ventricular contraction and appears with RR intervals RR1, RR2, RR3, .

一般的に、時間軸方向のデータをそのまま周波数解析することは難しい。そこで、R-R間隔変動を周波数解析する場合、R-R間隔RR1,RR2,RR3,・・・をy軸方向の振幅に置き換えた時系列データを生成し、これにより生成された時系列データを周波数解析する。 In general, it is difficult to perform frequency analysis directly on data along the time axis. Therefore, when performing frequency analysis of RR interval fluctuations, time-series data is generated by replacing RR intervals RR1, RR2, RR3, . . . with amplitudes in the y-axis direction. frequency analysis.

同図(b)は、R-R間隔RR1,RR2,RR3,・・・をそのままy軸方向の振幅A1,A2,A3,・・・に置き換えて生成された時系列データを示し、振幅A1,A2,A3,・・・はそれぞれ、R-R間隔RR1,RR2,RR3,・・・に等しい。 4B shows time series data generated by replacing the RR intervals RR1, RR2, RR3, . . . with amplitudes A1, A2, A3, . . . in the y-axis direction. , A2, A3, . . . are equal to the RR intervals RR1, RR2, RR3, .

同図(c)は、同図(b)のような時系列データを周波数解析して得られるパワースペクトル密度を示し、x軸は、周波数(Hz)であり、y軸は、x軸方向の各周波数におけるパワースペクトル密度(msec/Hz)を表す。なお、パワースペクトル密度とは、時系列データのパワーを各周波数成分に分解して表したものである。
ここで、0.04~0.15Hz成分の総和をLFとし、0.15~0.40Hz成分の総和をHFとすると、LF/HFは、交感神経の働き具合を示し、HFは、副交感神経の働き具合を示すことが知られているので、これらの値を自律神経指標とすることができる。
The figure (c) shows the power spectral density obtained by frequency analysis of the time-series data shown in the figure (b), the x-axis is the frequency (Hz), and the y-axis is the x-axis direction. Power spectral density (msec 2 /Hz) at each frequency is shown. Note that the power spectral density is obtained by decomposing the power of the time-series data into each frequency component.
Here, LF is the sum of 0.04-0.15 Hz components, and HF is the sum of 0.15-0.40 Hz components. These values can be used as autonomic nerve indices.

図6では、x軸方向のR-R間隔をそのままy軸方向の振幅に置き換えて時系列データを生成しているが、x軸方向のR-R間隔の逆数をy軸方向の振幅に置き換えて時系列データを生成したり、x軸方向を一定間隔の定数とし、x軸方向のR-R間隔を各定数に対するy軸方向の振幅に置き換えてBeat関数で表される時系列データを生成したりすることも知られている。以下では、上記の時間列データの生成手法をそれぞれ、Equal、1/f fluctuation、Beat Functionと称する。 In FIG. 6, time-series data is generated by replacing the RR interval in the x-axis direction with the amplitude in the y-axis direction as it is, but the reciprocal of the RR interval in the x-axis direction is replaced with the amplitude in the y-axis direction. or generate time-series data represented by a Beat function by setting constants in the x-axis direction at regular intervals and replacing the RR interval in the x-axis direction with the amplitude in the y-axis direction for each constant. It is also known to Hereinafter, the methods for generating the above time series data are referred to as Equal, 1/f fluctuation, and Beat Function, respectively.

図7は、従来における時系列データの生成手法を示す説明図であり、同図(a),(b),(c)はそれぞれ、Equa1,1/f fluctuation,Beat Functionの手法を示している。
Equa1では、同図(a)に示されているように、x軸方向のR-R間隔(tn+1-tn)(msec)をそのままx軸方向のtn(msec)~tn+1(msec)のR-R間隔期間でのy軸方向の振幅に置き換える。したがって、x軸方向のtn(msec)~tn+1(msec)のR-R間隔期間でのy軸方向の振幅がx軸方向のR-R間隔(tn+1-tn)(msec)に等しい。
1/f fluctuationでは、同図(b)に示されているように、x軸方向のR-R間隔(tn+1-tn)(msec)の逆数1/(tn+1-tn)(msec-1)をy軸方向の振幅に置き換える。したがって、x軸方向のtn(msec)~tn+1(msec)のR-R間隔期間でのy軸方向の振幅がx軸方向のR-R間隔(tn+1-tn)(msec)の逆数1/(tn+1-tn)(msec-1)に等しい。
Beat Functionでは、同図(c)に示されているように、x軸方向が一定間隔の定数であり、x軸方向の定数nでのy軸方向の振幅がx軸方向のR-R間隔(tn+1-tn)(msec)に等しい。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a conventional method for generating time-series data, in which (a), (b), and (c) respectively show the Equa1, 1/f fluctuation and Beat Function methods. .
In Equa 1, as shown in FIG. 1(a), the RR interval (tn+1-tn) (msec) in the x-axis direction is changed to the R− Replaced by the amplitude in the y-axis direction in the R interval period. Therefore, the amplitude in the y-axis direction during the RR interval from tn (msec) to tn+1 (msec) in the x-axis direction is equal to the RR interval (tn+1-tn) (msec) in the x-axis direction.
In the 1/f fluctuation, as shown in FIG. 1(b), the reciprocal of the RR interval (tn+1-tn) (msec) in the x-axis direction, 1/(tn+1-tn) (msec −1 ) is Replace with the amplitude in the y-axis direction. Therefore, the amplitude in the y-axis direction in the RR interval period of tn (msec) to tn+1 (msec) in the x-axis direction is the reciprocal of the RR interval (tn+1-tn) (msec) in the x-axis direction 1/( tn+1-tn)(msec −1 ).
In the Beat Function, as shown in FIG. 1(c), the x-axis direction is constant at regular intervals, and the amplitude in the y-axis direction at constant n in the x-axis direction is the RR interval in the x-axis direction. Equal to (tn+1-tn) (msec).

非特許文献1には、心電図から縦軸をR-R間隔、横軸を時間とするRRI時刻歴を算出し、このRRI時刻歴により自律神経系の活動状況を把握し、乗員のストレスリラックス状態を判定することが記載されている。 In Non-Patent Document 1, an RRI time history is calculated from an electrocardiogram with the RR interval on the vertical axis and the time on the horizontal axis. It is described that the

非特許文献2には、隣り合うR波発生時刻の間で、そのR-R間隔の逆数を瞬時心拍数とし、それをスペクトル解析して心拍揺らぎを実時間的にとらえることが記載されている。 Non-Patent Document 2 describes that between adjacent R-wave occurrence times, the reciprocal of the RR interval is taken as the instantaneous heart rate, and spectrum analysis is performed to capture heart rate fluctuations in real time. .

非特許文献3には、R-R間隔をBeat数の関数とみなして心拍変動をスペクトル解析することが記載されている。 Non-Patent Document 3 describes spectral analysis of heart rate variability by regarding the RR interval as a function of the number of beats.

日本機械学会論文集 Vol.81,No.832,2015 p.1-15 「乗員の心理状態推定による乗り心地制御システムの提案」Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Vol. 81, No. 832, 2015 p. 1-15 “Proposal of ride comfort control system by estimating occupant’s psychological state” BME Vol.8,No.10,1994 p.13-16 「心拍ゆらぎの1/fスペクトル推定」BME Vol. 8, No. 10, 1994 p. 13-16 "1/f Spectrum Estimation of Heart Rate Fluctuation" 生物物理 Vol.28,No.4,1988 p.32-36 「心拍変動と自律神経機能」Biophysics Vol. 28, No. 4, 1988 p. 32-36 "Heart rate variability and autonomic nerve function"

従来におけるR-R間隔変動の周波数成分の解析手法では、上記したように、心電データにおけるx軸方向のR-R間隔をそのままの数値やその逆数をy軸方向の振幅に置き換えた時系列データを生成し、それにより生成された時系列データを周波数解析してパワースペクトル密度を算出しており、これにより算出されたパワースペクトル密度から自律神経の働き具合を評価する。 In the conventional analysis method of the frequency component of the RR interval fluctuation, as described above, the time series in which the RR interval in the x-axis direction in the electrocardiographic data is replaced with the numerical value as it is or the reciprocal thereof is replaced with the amplitude in the y-axis direction. Data is generated, and the time-series data generated thereby is frequency-analyzed to calculate the power spectral density, and the working condition of the autonomic nerves is evaluated from the power spectral density thus calculated.

しかし、一般的に、定常状態におけるヒトの心臓の一回拍出量は一定であることから、心臓の各拍動でのパワースペクトル密度の総和を一定にすることが求められる。このパワースペクトル密度の総和が一定でない場合には、サンプリング時間毎に時間関数が持つエネルギー総和が異なるため、自律神経の働き具合の経時的変化を正しく評価することができない。すなわち、R-R間隔そのままの値やその逆数を振幅に置き換えた時系列データにおける各拍動でのパワースペクトル密度の総数は、時々で変化し、したがって、時系列データの時々の所定拍動回数区間におけるパワースペクトル密度の総和も変化し、それが周波数分析されて求められたパワースペクトル密度にはその変化分が含まれているので、時々パワースペクトル密度を比較しても、自律神経の働き具合の経時的変化を正しく評価することができない、という課題がある。 However, since the stroke volume of the human heart is generally constant in a steady state, it is required that the sum of the power spectral densities in each beat of the heart be constant. If the sum of the power spectral densities is not constant, the sum of the energies of the time function will differ for each sampling time, so it will not be possible to correctly evaluate changes over time in the working condition of the autonomic nerves. That is, the total number of power spectral densities at each beat in the time series data obtained by replacing the value of the RR interval as it is or its reciprocal with the amplitude changes from time to time. The sum of the power spectral densities in the interval also changes, and the power spectral densities obtained by frequency analysis include this change. However, there is a problem that it is not possible to correctly evaluate changes over time.

本発明の目的は、上記課題を解決し、心電データから心拍変動を解析して自律神経の働き具合を正しく評価することができるようにした心拍変動解析装置、方法およびプログラムを提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a heart rate variability analysis apparatus, method, and program capable of analyzing heart rate variability from electrocardiogram data and correctly evaluating the working condition of the autonomic nerves. be.

上記課題を解決するため、本発明は、心電データから心拍変動を解析する心拍変動解析装置であって、心電データにおけるR-R間隔を順次計測するR-R間計測手段と、前記R-R間隔計測手段により順次計測された各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅とした時系列データを生成する時系列データ生成手段と、前記時系列データ生成手段により生成された時系列データを周波数解析してそのパワースペクトル密度を求める周波数解析手段を備えたことを特徴としている。 In order to solve the above problems, the present invention provides a heart rate variability analysis apparatus for analyzing heart rate variability from electrocardiographic data, comprising RR interval measuring means for sequentially measuring RR intervals in electrocardiographic data; - time-series data generation means for generating time-series data whose amplitude in the RR interval period is the reciprocal of the square root of each RR interval sequentially measured by the R-interval measurement means or a constant multiple thereof; It is characterized by comprising frequency analysis means for frequency-analyzing the time series data generated by the series data generation means and obtaining the power spectral density thereof.

ここで、パワースペクトル密度における所定低周波成分の総和LFと所定高周波成分の総和HFをそれぞれ算出し、あるいはそれに加えてLF/HFを算出するようにしてもよい。 Here, the total sum LF of predetermined low-frequency components and the total sum HF of predetermined high-frequency components in the power spectral density may be calculated, or LF/HF may be calculated in addition to these.

なお、本発明は、心拍変動解析装置としてだけでなく、その各部の処理をステップとして有する心拍変動解析方法として実現することができ、また、その処理の機能をコンピュータに実現させるコンピュータプログラムとして実現することもできる。 The present invention can be realized not only as a heart rate variability analysis device, but also as a heart rate variability analysis method having steps of processing of each part of the heart rate variability analysis apparatus, and as a computer program that causes a computer to implement the function of the processing. can also

本発明では、時系列データ全体にわたって1回の拍動あたりのパワースペクトル密度の総和が等しくなるように、時系列データの時間領域表現を最適化しているので、時系列データの時々の所定拍動回数区間のパワースペクトル密度の総和を等しくすることができ、その下で、それぞれのパワースペクトル密度を求めることができる。したがって、それらのパワースペクトル密度を比較するだけで、自律神経の働き具合の経時的変化を正しく評価することができるようになる。 In the present invention, the time-domain representation of the time-series data is optimized so that the sum of the power spectral densities per beat is equal over the entire time-series data. The sum of the power spectral densities of the count intervals can be equalized, under which the respective power spectral densities can be determined. Therefore, simply by comparing their power spectral densities, it becomes possible to correctly evaluate changes over time in the working condition of the autonomic nerves.

本発明に係る心拍変動解析装置の一実施形態を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an embodiment of a heart rate variability analysis device according to the present invention; FIG. 図1の心拍変動解析装置における動作を示すフローチャートである。2 is a flow chart showing the operation of the heart rate variability analysis device of FIG. 1; 1回の拍動についての心電データのR-R間隔(x軸)と振幅(y軸)の関係を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the RR interval (x-axis) and the amplitude (y-axis) of electrocardiogram data for one beat; 本発明に従って時間領域表現が最適化された1回の拍動回数区間についての時系列データを示す図である。FIG. 3 shows time series data for a single beat count interval whose time domain representation has been optimized according to the present invention; 本発明と従来手法での各拍動に対するパワースペクトル密度の総和を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the sum of power spectral densities for each beat in the present invention and the conventional method; R-R間隔そのままの値を振幅に置き換える手法を利用した場合の、一般的なR-R間隔変動の周波数成分の解析手法の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of a general method of analyzing frequency components of RR interval fluctuations when a method of replacing the value of the RR interval as it is with an amplitude is used; 従来における時系列データの生成手法を対比して示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing a comparison of conventional time-series data generation methods;

以下、図面を参照して本発明を説明する。
図1は、本発明に係る心拍変動解析装置の一実施形態を示すブロック図である。
The present invention will now be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of a heart rate variability analysis device according to the present invention.

本実施形態の心拍変動解析装置10は、入出力インタフェース11、メモリ12、およびCPU13を備える。 A heart rate variability analysis device 10 of this embodiment includes an input/output interface 11 , a memory 12 , and a CPU 13 .

心電センサなどからの心電データが入出力インタフェース11を通して心拍変動解析装置10に入力され、また、心拍変動解析装置10における心拍変動解析の結果のパワースペクトル密度が入出力インタフェース11を通して出力される。 Electrocardiographic data from an electrocardiographic sensor or the like is input to the heart rate variability analysis device 10 through the input/output interface 11, and the power spectrum density of the heart rate variability analysis result in the heart rate variability analysis device 10 is output through the input/output interface 11. .

メモリ12は、心拍変動解析装置10が処理を実行するためのプログラムを予め記憶しており、また、心電データが処理されたデータなどを適宜保持する。 The memory 12 preliminarily stores a program for the heart rate variability analysis apparatus 10 to execute processing, and also appropriately holds data obtained by processing electrocardiographic data.

CPU13は、メモリ12に記憶されているプログラムに従って処理を実行する。ここでは、まず、メモリ12に蓄積された心電データにおけるR-R間隔を順次計測し、次に、順次計測された各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅とした時系列データを生成し、さらに、その時系列データを周波数解析してそのパワースペクトル密度を求める。 The CPU 13 executes processing according to programs stored in the memory 12 . Here, first, the RR intervals in the electrocardiographic data stored in the memory 12 are sequentially measured, and then the reciprocals of the square roots of the sequentially measured RR intervals or constant multiples thereof are calculated as the RR intervals. Time-series data is generated in terms of amplitude over a period, and the time-series data is subjected to frequency analysis to obtain its power spectral density.

以上のように、CPU13は、心電データにおけるR-R間隔を順次計測するR-R間隔計測手段14、R-R間隔計測手段14により順次計測された各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅とした時系列データを生成する時系列データ生成手段15、および時系列データ生成手段15により生成された時系列データを周波数解析してそのデータのパワースペクトル密度を求める周波数解析手段16として機能する。 As described above, the CPU 13 provides the RR interval measuring means 14 for sequentially measuring the RR intervals in the electrocardiographic data, the reciprocals of the square roots of the RR intervals sequentially measured by the RR interval measuring means 14, or Time-series data generation means 15 for generating time-series data with amplitude in the RR interval period as a constant multiple thereof, and frequency analysis of the time-series data generated by the time-series data generation means 15 It functions as frequency analysis means 16 for obtaining the power spectral density.

図2は、図1の心拍変動解析装置10における動作を示すフローチャートである。 FIG. 2 is a flow chart showing the operation of the heart rate variability analysis device 10 of FIG.

まず、S21で、心電データを、入出力インタフェース11を通して心拍変動解析装置10に入力し、S22で、メモリ12に蓄積する。続くS23以降では、メモリ12に蓄積された心電データを処理の対象とする。 First, in S21, electrocardiogram data is input to the heart rate variability analyzer 10 through the input/output interface 11, and stored in the memory 12 in S22. From S23 onward, the electrocardiographic data accumulated in the memory 12 are processed.

S23では、メモリ12に蓄積された心電データからR-R間隔を順次演算し、次の、S24では、S23で順次演算された各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅に置き換えて時系列データを生成する。S24では、S23で計測された各R-R間隔からその平方根の逆数あるいはその定数倍を算出し、その値を当該各R-R間隔期間で継続する振幅として与えればよい。 In S23, the RR intervals are sequentially calculated from the electrocardiographic data stored in the memory 12. In the next step, S24, the reciprocal of the square root of each RR interval sequentially calculated in S23 or a constant multiple thereof is calculated as the R - Generate time-series data by replacing the amplitude in the R interval period. In S24, the reciprocal of the square root or a constant multiple thereof is calculated from each RR interval measured in S23, and that value is given as the amplitude that continues during each RR interval.

S25では、S24で生成された時系列データを周波数解析する。ここでは、時系列データの時々の所定拍動回数区間を対象として周波数解析すればよく、所定拍動回数は任意に定めることができるが、自律神経の働き具合の変化を時々刻々評価できるようにするためには、それを、例えば、拍動回数25回程度の短い区間とするのが好ましい。なお、入力される心電データが時々の所定拍動回数区間のものである場合には、その全体を処理の対象とすればよい。
S25での周波数解析により、処理対象とされた時系列データ(所定拍動回数区間)のパワースペクトル密度が求められる。S26では、S25で求められたスペクトル密度を、入出力インタフェース11を通して出力する。
In S25, frequency analysis is performed on the time-series data generated in S24. In this case, frequency analysis may be performed for the interval of the predetermined number of beats in the time-series data, and the predetermined number of beats can be determined arbitrarily. In order to do so, it is preferable to set it to a short interval of, for example, about 25 beats. If the electrocardiographic data to be input is for a predetermined number of beats from time to time, the entire data may be processed.
Through the frequency analysis in S25, the power spectral density of the time-series data (predetermined number of beats section) to be processed is obtained. At S26, the spectral density obtained at S25 is output through the input/output interface 11. FIG.

なお、時々の所定拍動回数区間の時系列データを周波数分析する場合、その時々の所定拍動回数区間の時系列データを対象としてS23~S26の処理を繰り返し実行し、それぞれについてのパワースペクトル密度を求めればよい。 When frequency analysis is performed on the time-series data of the interval of the predetermined number of beats from time to time, the processes of S23 to S26 are repeatedly executed for the time-series data of the interval of the predetermined number of beats, and the power spectral density of each You can ask for

以上のように、時系列データの各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅に置き換えるのは、最適化された時間領域表現の時系列データを生成するためである。すなわち、時系列データ全体にわたって1回の拍動あたりのパワースペクトル密度の総和を等しくし、それにより、時系列データの時々の所定拍動回数区間のパワースペクトル密度の総和を等しくするためである。この最適化により、時系列データの時々の所定拍動回数区間のパワースペクトル密度の総和が等しいという条件の下でパワースペクトル密度が求められることが保証される。
以下、時系列データの時間領域表現での最適化について説明する。
As described above, replacing the reciprocal of the square root of each RR interval of the time series data or a constant multiple thereof with the amplitude in the RR interval period generates time series data of optimized time domain representation. It is for That is, the purpose is to equalize the sum of the power spectral densities per beat over the entire time-series data, thereby equalizing the sum of the power spectral densities of the predetermined number of beats intervals of the time-series data. This optimization ensures that the power spectral density is obtained under the condition that the sum of the power spectral densities of the predetermined beat count intervals of the time series data is equal.
The optimization of time-series data in the time domain representation will be described below.

図3は、1回の拍動についての心電データのR-R間隔(x軸)と振幅(y軸)の関係を示す説明図である。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the RR interval (x-axis) and amplitude (y-axis) of electrocardiographic data for one beat.

ここで、x軸方向のR-R間隔をB2-B1とし、y軸方向の振幅をAとすると、時間領域の信号f(t)のエネルギーの総和は、式(1)で表される。 Here, assuming that the RR interval in the x-axis direction is B2-B1 and the amplitude in the y-axis direction is A, the total energy of the signal f(t) in the time domain is expressed by Equation (1).

Figure 0007221195000001
Figure 0007221195000001

また、時間領域の信号f(t)を周波数解析した周波数領域の信号をF(f)とすると、そのエネルギーの総和は、式(2)で表される。 Further, when the frequency domain signal obtained by frequency analysis of the time domain signal f(t) is denoted by F(f), the sum of the energies thereof is represented by Equation (2).

Figure 0007221195000002
Figure 0007221195000002

パーゼルの定理によれば、式(3)が成り立つ。 According to Pazel's theorem, Equation (3) holds.

Figure 0007221195000003
なお、式(2)、式(3)における上線( ̄)付のF(f)は、F(f)の共役複素数を表す。
Figure 0007221195000003
Note that the overscored F(f) in equations (2) and (3) represents the complex conjugate of F(f).

式(3)から、図3のパワースペクトル密度の総和は、式(4)で表すことができる。式(4)から式(5)が導出され、式(5)に従う振幅Aとすれば、時系列データ全体にわたって1回の拍動あたりのパワースペクトル密度の総和を一定値Cにすることができる。これにより、時系列データの時々の所定拍動回数区間のパワースペクトル密度の総和が等しいという条件の下でパワースペクトル密度が求められることを保証される。なお、式(5)におけるCは、任意の定数である。 From equation (3), the sum of the power spectral densities in FIG. 3 can be expressed by equation (4). Equation (5) is derived from Equation (4), and if the amplitude A conforms to Equation (5), the sum of the power spectral densities per beat over the entire time-series data can be a constant value C . This ensures that the power spectral density is obtained under the condition that the sum of the power spectral densities of the predetermined number of beats intervals of the time-series data is equal. Note that C in Expression (5) is an arbitrary constant.

Figure 0007221195000004
Figure 0007221195000004

Figure 0007221195000005
Figure 0007221195000005

式(5)は、時系列データの各R-R間での振幅AをR-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍に置き換えれば、1回の拍動あたりのパワースペクトル密度の総和を一定値Cにすることができ、これにより、時系列データの時々の所定拍動回数区間のパワースペクトル密度の総和を等しくすることができることを示している。 Equation (5) replaces the amplitude A between each RR of the time series data with the reciprocal of the square root of the RR interval or a constant multiple thereof, so that the sum of the power spectral densities per beat is constant. This indicates that the sum of the power spectral densities of the predetermined number of beats intervals of the time-series data can be equalized.

そこで、本発明では、最適化された時間領域表現の時系列データとして、順次計測された各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅とした時系列データを生成し、それにより、時系列データの時々の所定拍動回数区間を周波数分析する場合に、それらの所定拍動回数区間のパワースペクトル密度の総和が等しいという条件の下でパワースペクトル密度が求められることが保証されるようにする。この保証の下で求められたパワースペクトル密度をそのまま比較するだけで、自律神経の働き具合の経時的変化を正しく評価することができる。 Therefore, in the present invention, as time series data of optimized time domain expression, the reciprocal of the square root of each RR interval sequentially measured or a constant multiple thereof is used as the amplitude in the RR interval period. data so that when frequency analysis is performed on occasional predetermined beat count intervals of the time series data, the power spectral density is equal to the sum of the power spectral densities of the predetermined beat count intervals. Ensure that what is required is guaranteed. By simply comparing the power spectral densities obtained under this guarantee, it is possible to correctly evaluate changes over time in the working conditions of the autonomic nerves.

図4は、本発明に従って時間領域表現が最適化された1回の拍動回数区間についての時系列データを示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing time series data for a single beat number interval whose time domain representation has been optimized according to the present invention.

図4では、各R-R間隔の平方根の逆数を当該R-R間隔期間での振幅に置き換えているが、式(5)から明らかなように、各R-R間隔の平方根の逆数の定数倍を当該R-R間隔期間での振幅に置き換えてもよい。 In FIG. 4, the reciprocal of the square root of each RR interval is replaced by the amplitude during the RR interval, but as is clear from equation (5), the constant of the reciprocal of the square root of each RR interval is The double may be replaced by the amplitude during that RR interval.

図5は、本発明と従来手法での各拍動に対するパワースペクトル密度の総和を示す説明図である。ここでは、各拍動のR-R間隔を、同図(a)に示されるR-R間隔(sec)データサンプル(y方向そしてx方向の順に推移)とし、各拍動(拍動番号)におけるパワースペクトル密度の総和を求めた。その結果が同図(b)である。なお、y軸方向の振幅は、本発明ではsec-1であり、1/f fluctuationではsec-2であり、EqualとBeat Functionではsecである。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing the sum of power spectral densities for each beat in the present invention and the conventional method. Here, the RR interval of each beat is the RR interval (sec) data sample (transition in the y direction and then the x direction) shown in FIG. The sum of the power spectral densities at . The result is shown in FIG. The amplitude in the y-axis direction is sec −1 in the present invention, sec −2 in the 1/f fluctuation, and sec 2 in the Equal and Beat functions.

図5から、本発明によれば、各拍動に対するパワースペクトル密度の総和が一定(=1)となり、これにより、時系列データの時々の所定拍動回数区間のパワースペクトル密度の総和が等しいという条件の下でそれらの区間のデータのパワースペクトル密度がそれぞれ求められることが保証されていることが分かる。 From FIG. 5, according to the present invention, the sum of the power spectral densities for each beat is constant (=1), which means that the sum of the power spectral densities of the time-series data for the predetermined number of beats is equal. It can be seen that it is guaranteed that the power spectral densities of the data in those sections can be obtained under the conditions.

これに対し、従来手法(Equal,1/f fluctuation,Beat Function)では、各拍動に対するパワースペクトル密度の総和が一定でなく、時系列データの時々の所定拍動回数区間のパワースペクトル密度の総和が等しいという条件が保証されていないので、その時その時で求められたパワースペクトル密度を比較しただけでは、自律神経の働き具合の経時的変化を正しく評価することができない。 On the other hand, in the conventional method (Equal, 1/f fluctuation, Beat Function), the sum of the power spectral densities for each beat is not constant, and the sum of the power spectral densities of the time-series data in a predetermined number of beats interval Since the condition of equality is not guaranteed, it is not possible to correctly evaluate changes over time in the working condition of the autonomic nerves simply by comparing the power spectral densities obtained at different times.

以上は、本発明を心拍変動解析装置として実現した場合であるが、本発明は、コンピュータがR-R間隔計測手段、時系列データ生成手段および周波数解析手段として機能して心電データから心拍変動を解析する心拍変動解析方法であって、R-R間隔計測手段が、心電データからR-R間隔を順次計測する第1のステップと、時系列データ生成手段が、前記第1のステップにより順次計測された各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅とした時系列データを生成する第2のステップと、周波数解析手段が、前記第2のステップにより生成された時系列データを周波数解析してそのパワースペクトル密度を求める第3のステップを有する心拍変動解析方法として実現することができる。 The above is a case where the present invention is implemented as a heart rate variability analysis device. A heart rate variability analysis method comprising: a first step in which RR interval measurement means sequentially measures RR intervals from electrocardiographic data; and a time-series data generation means in the first step A second step of generating time-series data in which the reciprocal of the square root of each RR interval sequentially measured or a constant multiple thereof is the amplitude in the RR interval period; It can be implemented as a heart rate variability analysis method having a third step of frequency-analyzing the time-series data generated by the step to obtain its power spectral density.

また、本発明は、コンピュータに、心電データからR-R間隔を順次計測する第1の機能と、前記第1の機能により順次計測された各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅とした時系列データを生成する第2の機能と、前記第2の機能により生成された時系列データを周波数解析してそのパワースペクトル密度を求める第3の機能を実現させるためのプログラムとして実現することもできる。
以上実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、種々に変更することができる。例えば、下記のように変更したり、それらの変更を適宜組み合わせたりすることができる。
・入力される心電データが外部メモリに予め蓄積されたものである。
・異なる時期に取得された心電データそれぞれを比較処理の対象とする。
・R-R間隔計測や時系列データ生成や周波数解析などの処理を別々のCPU、あるいはハードウエアにより実行する。
・パワースペクトル密度から所定低周波成分、例えば0.04~0.15Hz成分の総和LF、所定高周波成分、例えば0.15~0.40Hz成分の総和HFを算出し、LF/HFとHFを自律神経指標として出力する。
・複数の所定拍動回数区間についてそれぞれ求められたパワースペクトル密度や自律神経指標を比較する手段を備える。
・外部メモリを適宜利用して時系列データやその他のデータを一時的に保存する。
・心拍変動の解析結果を表示する表示手段を備える。
Further, the present invention provides a computer with a first function of sequentially measuring RR intervals from electrocardiographic data, and a reciprocal of the square root of each RR interval sequentially measured by the first function or a constant multiple thereof. A second function of generating time-series data with the amplitude in the RR interval period, and a third function of frequency-analyzing the time-series data generated by the second function to obtain its power spectral density. It can also be realized as a program for realizing the function.
Although the embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments and can be modified in various ways. For example, the following changes can be made, or these changes can be combined as appropriate.
• The electrocardiographic data to be input is stored in advance in an external memory.
- ECG data obtained at different times are subject to comparison processing.
・Processes such as RR interval measurement, time-series data generation, and frequency analysis are executed by separate CPUs or hardware.
・From the power spectral density, calculate the sum LF of predetermined low frequency components, such as 0.04 to 0.15 Hz components, and the sum HF of predetermined high frequency components, such as 0.15 to 0.40 Hz components, and autonomously calculate LF/HF and HF Output as a neural index.
A means for comparing power spectrum densities and autonomic nerve indexes respectively obtained for a plurality of predetermined beat number intervals.
・Temporarily store time-series data and other data using an external memory as appropriate.
- A display means for displaying analysis results of heart rate variability is provided.

10・・・心拍変動解析装置、11・・・入出力インタフェース、12・・・メモリ、13・・・CPU、14・・・R-R間隔計測手段、15・・・時系列データ生成手段、16・・・周波数解析手段 10 Heart rate variability analysis device 11 Input/output interface 12 Memory 13 CPU 14 RR interval measuring means 15 Time-series data generating means 16 ... frequency analysis means

Claims (5)

心電データから心拍変動を解析する心拍変動解析装置であって、
心電データにおけるR-R間隔を順次計測するR-R間計測手段と、
前記R-R間隔計測手段により順次計測された各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅とした時系列データを生成する時系列データ生成手段と、
前記時系列データ生成手段により生成された時系列データを周波数解析してそのパワースペクトル密度を求める周波数解析手段を備えたことを特徴とする心拍変動解析装置。
A heart rate variability analysis device for analyzing heart rate variability from electrocardiographic data,
RR interval measuring means for sequentially measuring RR intervals in electrocardiographic data;
a time-series data generating means for generating time-series data in which the reciprocal of the square root of each RR interval sequentially measured by the RR interval measuring means or a constant multiple thereof is used as the amplitude in the RR interval period;
A heart rate variability analysis apparatus comprising frequency analysis means for frequency-analyzing the time-series data generated by the time-series data generation means to obtain a power spectral density thereof.
前記周波数解析手段は、パワースペクトル密度における所定低周波成分の総和LFと所定高周波成分の総和HFをそれぞれ算出し、あるいはそれに加えてLF/HFを算出することを特徴とする請求項1に記載の心拍変動解析装置。 2. The frequency analysis means according to claim 1, wherein said frequency analysis means calculates a total sum LF of predetermined low frequency components and a total sum HF of predetermined high frequency components in the power spectral density, or additionally calculates LF/HF. Heart rate variability analyzer. 前記周波数解析手段は、時系列データの所定拍動回数区間のデータを周波数解析することを特徴とする請求項1または2に記載の心拍変動解析装置。 3. The heart rate variability analysis apparatus according to claim 1, wherein said frequency analysis means frequency-analyzes data in a predetermined number of beats section of the time-series data. コンピュータがR-R間隔計測手段、時系列データ生成手段および周波数解析手段として機能して心電データから心拍変動を解析する心拍変動解析方法であって、
前記R-R間隔計測手段が、心電データにおけるR-R間隔を順次計測する第1のステップと、
前記時系列データ生成手段が、前記第1のステップにより順次計測された各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅とした時系列データを生成する第2のステップと、
前記周波数解析手段が、前記第2のステップにより生成された時系列データを周波数解析してそのパワースペクトル密度を求める第3のステップを有する心拍変動解析方法。
A heart rate variability analysis method in which a computer functions as RR interval measurement means, time-series data generation means, and frequency analysis means to analyze heart rate variability from electrocardiographic data,
a first step in which the RR interval measuring means sequentially measures RR intervals in electrocardiographic data;
The time-series data generating means generates time-series data in which the reciprocal of the square root of each RR interval sequentially measured in the first step or a constant multiple thereof is the amplitude in the RR interval period. 2 steps;
A heart rate variability analysis method comprising a third step, wherein the frequency analysis means frequency-analyzes the time-series data generated in the second step to determine its power spectral density.
コンピュータに、
心電データにおけるR-R間隔を順次計測する第1の機能と、
前記第1の機能により順次計測された各R-R間隔の平方根の逆数あるいはその定数倍を当該R-R間隔期間での振幅とした時系列データを生成する第2の機能と、
前記第2の機能により生成された時系列データを周波数解析してそのパワースペクトル密度を求める第3の機能を実現させるためのプログラム。
to the computer,
a first function of sequentially measuring RR intervals in electrocardiographic data;
a second function of generating time-series data in which the reciprocal of the square root of each RR interval sequentially measured by the first function or a constant multiple thereof is the amplitude in the RR interval period;
A program for realizing a third function of frequency-analyzing the time-series data generated by the second function and determining its power spectral density.
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