JP7272196B2

JP7272196B2 - 脈波解析装置及び脈波解析プログラム

Info

Publication number: JP7272196B2
Application number: JP2019167200A
Authority: JP
Inventors: 規之望月; 吉則小関
Original assignee: サクサ株式会社
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2039-09-13
Also published as: JP2021041070A

Description

本発明は、生体から検出した脈波信号から生体の動きによるノイズを除去する機能を備えた脈波解析装置及び脈波解析プログラムに関する。

従来より、血液中のヘモグロビンの光吸収特性を利用して生体の脈波を検出する光学式の脈波センサを備えた脈波解析装置がある。この脈波解析装置は、血液に吸収されやすい波長の光を発光ダイオードなどの発光素子から生体へ向けて照射し、生体を透過した光または生体内に進入後散乱等によって反射した光をフォトダイオードやフォトトランジスタなどの受光素子で受光して電気信号（容積脈波信号）に変換することにより容積脈波を検出し、この容積脈波信号、又は容積脈波信号を１回微分した速度脈波信号、又は容積脈波信号を２回微分した加速度脈波信号を解析することで、血圧や心拍数などの生体情報を取得する（特許文献１、２、３）。

ところで、これらの生体情報は脈波信号（容積脈波信号、速度脈波信号、加速度脈波信号）から得られる特徴量（ピーク値、ピーク間隔など）を基に取得しているが、脈波信号にはその特性上、自律神経による無意識下の生命活動やゆらぎを含む、人体の動きによるノイズが重畳されてしまうため、安定して取得することが難しい。また、ノイズの周波数には脈波信号の特徴量が持つ周波数成分と重複するものもあり、それらを完全に除去することは難しい。

この問題に対処した脈波計測・解析装置として、特許文献４に記載された脈波計測・解析装置がある。この脈波計測・解析装置は、加速度脈波信号に対して、ａ波（収縮初期陽性波）のピークとｅ波（拡張初期陽性波）のピークとの間隔であるａ－ｅ間隔の頻度分布を求め、頻度の高い加速度脈波信号の平均波形を生体情報を取得するための加速度脈波信号とする。

特開２００１－６１７９５号公報特開２００７－６１５７２号公報特開２０００－２２５０９７号公報特許第３９６５４３５号公報

しかしながら、生体の動きによるノイズはａ波とｅ波の間の区間にも存在するので、そのノイズを考慮せずにａ－ｅ間隔の頻度分布を基に平均化するための波形選別を行う上記の脈波計測・解析装置では、求めた加速度脈波信号の平均波形にノイズの影響が残ることがあり得る。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、生体情報を取得するための脈波信号（加速度脈波信号又は速度脈波信号又は容積脈波信号）を取得する際に、加速度脈波信号のａ波とｅ波との間の部分、又は速度脈波信号若しくは容積脈波信号における前記部分に対応する部分のノイズの影響を低減することである。

本発明は、脈波信号の特徴点の検出に基づいて、脈波信号を複数拍分取得する脈波信号取得手段と、前記脈波信号取得手段により取得された複数拍分の脈波信号に対して、１拍分毎の時間軸位置毎の信号値毎の出現頻度値を複数拍分累積し、出現頻度値が最大の信号値である最頻値を取得する最頻値取得手段と、前記最頻値取得手段により取得された最頻値に基づいて、生体情報を取得するための脈波信号を取得する最頻脈波信号取得手段と、前記最頻値取得手段により取得された最頻値が高い程高濃度の濃淡画像を表示するための画像データを生成する画像データ生成手段と、前記画像データ生成手段により生成された画像データの最高濃度の部分を通る曲線として、生体情報を取得するための脈波信号の波形データを生成する波形データ生成手段と、を有する脈波解析装置である。
また、本発明は、コンピュータを本発明の脈波解析装置の各手段として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、生体情報を取得するための脈波信号（加速度脈波信号又は速度脈波信号又は容積脈波信号）を取得する際に、加速度脈波信号のａ波とｅ波との間の部分、又は速度脈波信号若しくは容積脈波信号における前記部分に対応する部分のノイズの影響を低減することができる。

本発明の実施形態に係る脈波解析装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る脈波解析装置の要部の動作を示すフローチャートである。容積脈波信号、速度脈波信号及び加速度脈波信号の波形の２拍分を示す図である。１拍分の加速度脈波データの時間軸位置毎のデータ値毎の出現頻度値の一例を示す図である。複数拍分の加速度脈波データの時間軸位置毎のデータ値毎の出現頻度累積値の一例を示す図である。図５における出現頻度累積値が高い程高濃度となる濃淡画像、及び当該濃淡画像の最高濃度の部分を通るスプライン曲線により取得した最頻加速度脈波を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
〈脈波解析装置の構成〉
図１は、本発明の実施形態に係る脈波解析装置の構成を示すブロック図である。この脈波解析装置１は、光電脈波センサ２、信号処理ユニット３、操作部４、及び表示部５からなる。

光電脈波センサ２は、血中ヘモグロビンの吸光特性を利用して、容積脈波を光学的に検出するセンサであり、発光素子としてのＬＥＤ２１と、受光素子としてのフォトセンサ２２を備えている。

信号処理ユニット３は、光電脈波センサ２を駆動するとともに、光電脈波センサ２で検知された容積脈波を取得して処理する信号処理ユニットであり、駆動部３１、増幅部３２、フィルタ３３、Ａ／Ｄ変換器３４、及びマイコン（マイクロコンピュータ）３５を備えている。

操作部４は、信号処理ユニット３に各種指示や情報を入力するためのユーザインタフェースであり、表示部５は、信号処理ユニット３で処理された脈波などを表示するユーザインタフェースである。

光電脈波センサ２のＬＥＤ２１は、信号処理ユニット３の駆動部３１から出力される駆動電圧に応じて発光する。フォトセンサ２２は、ＬＥＤ２１から放射され、例えば指先などの人体を透過した透過光、又は人体で反射した反射光の強さに応じた検出信号（容積脈波信号）を出力する。

信号処理ユニット３の増幅部３２は、例えばオペアンプを用いた増幅器により構成されており、容積脈波信号を増幅する。フィルタ３３は、増幅部３２で増幅された容積脈波信号から、容積脈波を特徴づける周波数成分以外の成分であるノイズを除去するフィルタリングを行う。Ａ／Ｄ変換器３４は、フィルタ３３を通った容積脈波信号をデジタル化（デジタル値に変換）して容積脈波データとする。

マイコン３５は、ＣＰＵ３５ａ、ＲＡＭ３５ｂ、及びＲＯＭ３５ｃを備えている。ＣＰＵ３５ａは、容積脈波データに対して各種演算処理（詳細については後述する）を実行する。ＲＯＭ３５ｃはＣＰＵ３５ａが各種演算処理を実行するときに使用するプログラムやデータを記憶しており、ＲＡＭ３５ｂはＣＰＵ３５ａが各種演算処理を実行するときにプログラムやデータを一時的に記憶する作業エリアとなる。

〈脈波解析装置の動作〉
図２は、本発明の実施形態に係る脈波解析装置の要部の動作を示すフローチャートである。この動作は信号処理ユニット３内のマイコン３５により実行される。すなわち、マイコン３５は、脈波信号取得手段、最頻値取得手段、重ね合わせ手段、最頻脈波信号取得手段、波形データ生成手段、及び画像データ生成手段として機能する。

まずマイコン３５は、Ａ／Ｄ変換器３４から容積脈波データを取得し（ステップＳ１）、次に容積脈波データに対してフィルタリングを行う（ステップＳ２）。このフィルタリング処理は、容積脈波データに対してノイズを除去する処理であり、フィルタ３３によるフィルタリング処理と併用せず、いずれか一方を実行するように構成してもよい。次にマイコン３５は、容積脈波データを２回微分することで加速度脈波データを取得する（ステップＳ３）。

ここで、ステップＳ３について補足する。図３は、容積脈波信号、速度脈波信号及び加速度脈波信号の波形の２拍分を示す図である。この図の横軸は時間であり、縦軸は各脈波信号の信号値（脈波信号レベル）である。

次にマイコン３５は、加速度脈波がピークか否か、すなわちａ波（収縮初期陽性波）のピークであるａ点、ｂ波（収縮初期陰性波）のピークであるｂ点、ｃ波（収縮中期再上昇波）のピークであるｃ点、ｄ波（収縮後期再下降波）のピークであるｄ点又はｅ波（拡張初期陽性波）のピークであるｅ点であるか否かを判断する（ステップＳ４）。そして、ピークと判断した場合は（ステップＳ４：Yes）、そのピークが特徴点か否かを判断する（ステップＳ５）。ここでは、波形の立ち上がりが鋭いことから判断の容易なａ点であるか否かを判断する。なお、ａ波のピークか否かの判断に代えてａ波の立ち上がりか否かの判断を行ってもよい。

そして、特徴点であると判断した場合は（ステップＳ５：Yes）、この特徴点を開始点（基準点）として１拍の波形の記録を開始し（ステップＳ６）、波形記録中か否かを判断する（ステップＳ７）。ステップＳ４でピークではないと判断した場合（ステップＳ４：No）、及びステップＳ５で特徴点ではないと判断した場合は（ステップＳ５：No）、そのまま波形記録中か否かを判断する。

波形記録中と判断した場合は（ステップＳ７：Yes）、データ長足りか否かを判断する（ステップＳ８）。ここでは、１拍分の加速度脈波データが記録された時にデータ長足りと判断し（ステップＳ８：Yes）、波形記録を終了させる（ステップＳ９）。

次に今回記録した１拍分の加速度脈波データを過去に記録した加速度脈波データに重ね合わせ（ステップＳ１０）、重ね合わせ数が充分か否か、すなわち重ね合わせ数が所定数（例えば１００）に達したか否かを判断する（ステップＳ１１）。この重ね合わせの際、前述した開始点を基準点として時間軸方向の位置合わせを行う。

重ね合わせ数が充分と判断した場合は（ステップＳ１１：Yes）、加速度脈波データの時間軸方向の各位置における脈波データの最頻値を算出し（ステップＳ１２）、最頻加速度脈波を取得し、表示部５に出力して（ステップＳ１３）、この図に示されているフローを終了させる。

ステップＳ７で波形記録中でないと判断した場合（ステップＳ７：No）、ステップデータ長足りでないと判断した場合（ステップＳ８：No）、及びステップＳ１１で重ね合わせ数が充分でないと判断した場合は（ステップＳ１１：No）、ステップＳ１に戻り、容積脈波データの取得から繰り返す。

〈ステップＳ１０からＳ１２の具体例〉
ここでステップＳ１０からＳ１２について具体的に説明する。
図４は、１拍分の加速度脈波データの時間軸位置毎（時刻毎）のデータ値毎の出現頻度値の一例を示す図である。この出現頻度値は、ステップＳ６→Ｓ７→Ｓ８→Ｓ９の１回の実行により記録した１拍分の加速度脈波データを用いてステップＳ１０を実行する時に取得される。

この図の横方向は時間、縦方向はデータ値（加速度脈波信号レベル）であり、それぞれ図３における加速度脈波信号の横軸、縦軸に対応する。ただし、図４では、説明の便宜上、両方向の単位を粗く図示し、横方向の時刻が２２個の単位時間からなり、縦方向の電圧が２５個の単位電圧からなるものとした。この図における「１」、「０」は時刻毎のデータ値毎の出現頻度値のカウント値である。便宜上、時刻毎に出現頻度値が「１」の部分に網点を付加した。

図５は、複数拍分の加速度脈波データの時間軸位置毎のデータ値毎の出現頻度累積値の一例を示す図である。この図は、図４に示されている出現頻度値を１００回分加算（累積）した出現頻度累積値であり、横方向は時間、縦方向はデータ値（加速度脈波信号レベル）である。この図において、出現頻度累積値の「＃＃」は「１００」を表す。

図６は、図５における出現頻度累積値が高い程高濃度となる濃淡画像、及び当該濃淡画像の最高濃度の部分を通るスプライン曲線により取得した最頻加速度脈波を示す図である。ただし、便宜上、出現頻度累積値は省略した。この濃淡画像、最頻加速度脈波の波形は、マイコン３５により生成された画像データ及び波形データを表示部５に出力することで表示される。なお、最頻値となるデータ値が複数になった場合は、例えばその中央のデータ値を採用する。

以上詳細に説明したように、本発明の実施形態に係る脈波解析装置１によれば、加速度脈波信号の平均波形ではなく、加速度脈波信号の最も頻度の高い値を利用するので、生体の動きに基づく周波数変動や振幅変動の影響を受けにくくなるという効果がある。また、生体情報を取得するための脈波信号を取得する際にまるめ誤差が入らないという効果がある。

なお、以上説明した実施形態は、加速度脈波信号の最頻値を利用することで最頻加速度脈波信号を取得しているが、本発明は、容積脈波信号又は速度脈波信号の最頻値を利用することで最頻容積脈波信号又は最頻速度脈波信号を取得することもできる。また、光電脈波センサに代えて圧電脈波センサを用いることもできる。

１…脈波解析装置、２…光電脈波センサ、３…信号処理ユニット、３５…マイコン、２１…ＬＥＤ、２２…フォトセンサ。

Claims

脈波信号の特徴点の検出に基づいて、脈波信号を複数拍分取得する脈波信号取得手段と、
前記脈波信号取得手段により取得された複数拍分の脈波信号に対して、１拍分毎の時間軸位置毎の信号値毎の出現頻度値を複数拍分累積し、出現頻度値が最大の信号値である最頻値を取得する最頻値取得手段と、
前記最頻値取得手段により取得された最頻値に基づいて、生体情報を取得するための脈波信号を取得する最頻脈波信号取得手段と、
前記最頻値取得手段により取得された最頻値が高い程高濃度の濃淡画像を表示するための画像データを生成する画像データ生成手段と、
前記画像データ生成手段により生成された画像データの最高濃度の部分を通る曲線として、生体情報を取得するための脈波信号の波形データを生成する波形データ生成手段と、
を有する脈波解析装置。
請求項１に記載された脈波解析装置において、
前記最頻値取得手段は、脈波信号の特徴点を開始点として、１拍毎の脈波信号の時間軸位置を合わせる重ね合わせ手段を有する脈波解析装置。
請求項１又は２に記載された脈波解析装置において、
前記脈波信号が加速度脈波信号であり、前記特徴点がａ波のピークである脈波解析装置。
コンピュータを請求項１乃至３のいずれかに記載された脈波解析装置の各手段として機能させるためのプログラム。