JP7278102B2 - Biological signal analysis device and its control method - Google Patents

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  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
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Description

本発明は生体信号解析装置およびその制御方法に関し、特には脈波信号の解析技術に関する。 The present invention relates to a biological signal analyzer and its control method, and more particularly to a pulse wave signal analysis technique.

脈波信号は心臓や血管に関する様々な情報を含む生体信号であり、計測が容易であることから、広く利用されている。脈波信号は様々な方法で計測することができるが、被検者の負荷が小さく、かつ小型の機器で計測できる方法として、体表面に特定の波長の光を照射し、その透過光や反射光の強度(光量)変化を脈波信号として計測する方法が知られている。 A pulse wave signal is a biological signal containing various information about the heart and blood vessels, and is widely used because it is easy to measure. Pulse wave signals can be measured in a variety of ways, but one method that places less burden on the subject and can be measured with a small device is to irradiate the body surface with light of a specific wavelength and transmit or reflect the light. A method of measuring changes in light intensity (light amount) as a pulse wave signal is known.

そして、このような光量変化として計測される脈波信号に基づく生体情報の計測装置も知られている。例えば、パルスオキシメータは、体組織を透過または反射した赤色光および赤外光の光量の差や比に基づいて動脈血酸素飽和度(SpO)を計測する装置である(特許文献1)。 There is also known a biological information measuring device based on a pulse wave signal measured as such a change in light intensity. For example, a pulse oximeter is a device that measures arterial blood oxygen saturation (SpO 2 ) based on the difference or ratio between the amounts of red light and infrared light transmitted or reflected by body tissue (Patent Document 1).

脈波信号には様々な情報が含まれているが、脈波から正確な生体情報を抽出するためには、脈波以外の成分、特にノイズ成分の影響を抑制することが必要である。しかしながら、例えば透過光量に基づく脈波計測は、指先や耳朶のような光が透過しやすい部位を挟むように計測センサ(発光部と受光部)を装着する必要があるため、環境ノイズや体動によるノイズの影響を受けやすく、ノイズが重畳した脈波信号が計測されやすい。 A pulse wave signal contains a variety of information, but in order to extract accurate biological information from the pulse wave, it is necessary to suppress the effects of components other than the pulse wave, particularly noise components. However, for pulse wave measurement based on the amount of transmitted light, for example, it is necessary to wear the measurement sensor (light-emitting part and light-receiving part) so that it is held between fingertips and earlobes where light easily penetrates, so environmental noise and body movement It is easily affected by noise due to noise, and a pulse wave signal with noise superimposed is likely to be measured.

脈波信号そのものを解析する場合も、計測した脈波から生体情報を抽出する場合も、ノイズが少ない脈波信号を用いることが望ましい。特許文献1では、脈波信号から検出された脈拍数に基づいて、脈波の基本周波数(脈拍数が60回/分(bmp)のとき1Hz)の成分を抽出するためのバンドパスフィルタとして、中心周波数の異なる複数のバンドパスフィルタの1つを選択し、脈波信号に適用するノイズ除去フィルタとして用いることで、呼吸や体動がSpOの精度に与える影響を抑制している。 Whether the pulse wave signal itself is to be analyzed or biological information is to be extracted from the measured pulse wave, it is desirable to use a pulse wave signal with little noise. In Patent Document 1, based on the pulse rate detected from the pulse wave signal, as a band-pass filter for extracting the component of the fundamental frequency of the pulse wave (1 Hz when the pulse rate is 60 beats per minute (bmp)), By selecting one of a plurality of bandpass filters with different center frequencies and using it as a noise removal filter applied to the pulse wave signal, the influence of respiration and body movement on SpO2 accuracy is suppressed.

特開平2-172443号公報JP-A-2-172443

しかしながら、特許文献1の方法では、ノイズ除去前の脈波信号から検出した脈拍数に基づいてバンドパスフィルタを選択しているため、脈拍数がノイズの影響を受けた場合に適切なバンドパスフィルタが選択できない。特許文献1では、ノイズの影響を抑制するために、脈拍数のばらつきに基づいて脈拍数の信頼度を決定し、信頼度が低いと判定される脈拍数は脈拍数の算出から除外するようにしている。また、脈拍数の信頼度が低い場合にはバンドパスフィルタの帯域幅を拡げ、脈拍数の信頼度が高いときにはバンドパスフィルタの帯域幅を狭めている。しかし、ノイズ除去前の脈波信号から検出した脈拍数に依存してバンドパスフィルタを選択している以上、ある程度のノイズの影響は避けられない。また、バンドパスフィルタの帯域幅を拡げている際にはノイズ除去能力が低下する。 However, in the method of Patent Document 1, since the band-pass filter is selected based on the pulse rate detected from the pulse wave signal before noise removal, an appropriate band-pass filter when the pulse rate is affected by noise cannot be selected. In Patent Document 1, in order to suppress the influence of noise, the reliability of the pulse rate is determined based on variations in the pulse rate, and pulse rates determined to have low reliability are excluded from the calculation of the pulse rate. ing. Further, when the reliability of the pulse rate is low, the bandwidth of the band-pass filter is widened, and when the reliability of the pulse rate is high, the bandwidth of the band-pass filter is narrowed. However, as long as the band-pass filter is selected depending on the pulse rate detected from the pulse wave signal before noise removal, the influence of noise is inevitable to some extent. Also, when the bandwidth of the bandpass filter is widened, the noise removal capability is lowered.

本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたもので、脈拍数を求めることなく脈波信号の基本周波数成分を抽出可能な生体信号解析装置およびその制御方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a biosignal analysis apparatus capable of extracting the fundamental frequency component of a pulse wave signal without determining the pulse rate, and a control method thereof. .

上述の目的は、生体組織に照射された第1の波長の光の反射光もしくは透過光の光量変化に基づく第1の脈波信号を取得する取得手段と、第1の脈波信号から基本周波数の成分を抽出して出力する信号処理手段と、を有し、信号処理手段は、適応バンドパスフィルタを用いて第1の脈波信号から基本周波数の成分を抽出し、適応バンドパスフィルタが通過させる帯域中心周波数を制御する係数、適応バンドパスフィルタの状態変数を用いる適応アルゴリズムによって更ことにより中心周波数を基本周波数に追従させる、ことを特徴とする生体信号解析装置によって達成される。 The above object is provided by an acquisition means for acquiring a first pulse wave signal based on a change in the amount of reflected light or transmitted light of light of a first wavelength applied to living tissue, and a fundamental frequency from the first pulse wave signal. and a signal processing means for extracting and outputting a component of, the signal processing means extracting a fundamental frequency component from the first pulse wave signal using an adaptive bandpass filter, and the adaptive bandpass filter passes A biosignal analysis apparatus characterized in that the center frequency follows the fundamental frequency by updating a coefficient that controls the center frequency of the band to be adjusted by an adaptive algorithm that uses the state variable of the adaptive bandpass filter. achieved by

このような構成により、本発明によれば、脈拍数を求めることなく脈波信号の基本周波数成分を抽出可能な生体信号解析装置およびその制御方法を提供することができる。 With such a configuration, according to the present invention, it is possible to provide a biological signal analysis apparatus capable of extracting the fundamental frequency component of a pulse wave signal without obtaining the pulse rate, and a control method thereof.

本発明の実施形態に係る生体信号解析装置の一例としての動脈血酸素飽和度計測装置の機能構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a functional configuration example of an arterial blood oxygen saturation measuring device as an example of a biosignal analyzing device according to an embodiment of the present invention; FIG. 図1の信号処理部の機能構成例を示すブロック図である。2 is a block diagram showing a functional configuration example of a signal processing unit in FIG. 1; FIG. 図2の適応ノイズ除去フィルタの構成例を示す図である。3 is a diagram showing a configuration example of an adaptive noise removal filter in FIG. 2; FIG. 実施形態に係る適応ノイズ除去フィルタの動作例を示す図である。It is a figure which shows the operation example of the adaptive noise removal filter which concerns on embodiment. 実施形態に係る適応ノイズ除去フィルタの動作例を示す図である。It is a figure which shows the operation example of the adaptive noise removal filter which concerns on embodiment. 実施形態に係る適応ノイズ除去フィルタの動作例を示す図である。It is a figure which shows the operation example of the adaptive noise removal filter which concerns on embodiment.

以下、添付図面を参照して、本発明の例示的な実施形態について詳細な説明する。以下の実施形態は特許請求の範囲に係る本発明を限定するものでするものでなく、また本実施形態で説明されている構成の全てが本発明に必須のものとは限らない。 Exemplary embodiments of the invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are not intended to limit the present invention according to the claims, and not all the configurations described in the present embodiments are essential to the present invention.

なお、ここでは本発明に係る生体信号解析装置の一例としての動脈血酸素飽和度(SpO)計測装置に関して説明する。しかし、本発明は、生体組織で反射された光や生体組織を透過した光の強度(光量)変化を脈波信号として取得可能な任意の電子機器に適用可能である。このような電子機器には、生体情報モニタ、睡眠評価装置、血圧計、脈波計といった医療機器が含まれる。また、外付けのセンサやネットワークなどを通じて脈波信号を取得可能な汎用コンピュータ機器(スマートフォン、タブレット端末、メディアプレーヤ、スマートウォッチ、ゲーム機など)が含まれるが、これらに限定されない。 Here, an arterial blood oxygen saturation (SpO 2 ) measuring device will be described as an example of the biological signal analyzing device according to the present invention. However, the present invention can be applied to any electronic device capable of acquiring, as a pulse wave signal, changes in the intensity (light amount) of light reflected by or transmitted through living tissue. Such electronic devices include medical devices such as biological information monitors, sleep evaluation devices, sphygmomanometers, and pulse wave monitors. It also includes, but is not limited to, general-purpose computer equipment (smartphones, tablet terminals, media players, smartwatches, game consoles, etc.) capable of acquiring pulse wave signals through external sensors, networks, and the like.

図1は、本発明の一実施形態に係るSpO計測装置の機能構成例を示すブロック図である。
センサ部100は、第1の波長の光を発する第1発光部101と、第2の波長の光を発する第2発光部102と、受光量に応じた電気信号を出力する受光部103とを有する。受光部103は第1発光部101が発した光および第2発光部102が発した光が体組織を透過した光(透過光)または体組織で反射された光(反射光)を受光するように配置されている。
FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration example of an SpO 2 measuring device according to one embodiment of the present invention.
The sensor unit 100 includes a first light emitting unit 101 that emits light of a first wavelength, a second light emitting unit 102 that emits light of a second wavelength, and a light receiving unit 103 that outputs an electrical signal corresponding to the amount of received light. have. The light-receiving unit 103 receives the light emitted by the first light-emitting unit 101 and the light emitted by the second light-emitting unit 102 as transmitted through body tissue (transmitted light) or reflected by body tissue (reflected light). are placed in

第1および第2発光部101、102としては、SpO計測装置では一般的に赤色光と赤外光とを発するLEDが用いられる。ただし、波長や光源の種類についてはこれらに限定されず、波長λ1、λ2における酸化ヘモグロビンの吸光度をa1λ1、a1λ2、還元ヘモグロビンの吸光度をa2λ1、a2λ2とすると、a1λ1とa1λ2、a2λ1とa2λ2がそれぞれ有意に異なる任意の波長λ1、λ2の光を発生する任意の光源を(例えば赤色光源と、赤外光源または緑色光源との組み合わせなど)用いることができる。本実施形態では一例として、第1発光部101に波長660nmの赤色光を発生するLEDを、第2発光部102に波長900nmの赤外光を発生するLEDを用いるものとする。 As the first and second light emitting units 101 and 102, LEDs that emit red light and infrared light are generally used in the SpO 2 measuring device. However, the wavelengths and the types of light sources are not limited to these . and a2 λ2 can be used (eg, a combination of a red light source and an infrared or green light source, etc.) that produces light of any wavelength λ1, λ2 that are significantly different from each other. In this embodiment, as an example, an LED that emits red light with a wavelength of 660 nm is used as the first light emitting unit 101 and an LED that emits infrared light with a wavelength of 900 nm is used as the second light emitting unit 102 .

透過光量を検出する構成の場合、測定部位(耳朶や指尖など)の生体組織を挟んで第1および第2発光部101、102と対向する位置に受光部103が配置される。また、反射光量を検出する構成の場合、第1発光部101、と受光部103、第2発光部102が近接して配置される。なお、透過光量を検出するか反射光量を検出するかによらず、第1および第2発光部101、102は近接して配置され、また受光部103は第1および第2発光部からそれぞれ体表面に照射された光の透過光または反射光を同様の条件(例えば距離や角度)で受光するように配置される。 In the case of the configuration for detecting the amount of transmitted light, the light receiving section 103 is arranged at a position facing the first and second light emitting sections 101 and 102 across the living tissue of the measurement site (earlobe, fingertip, etc.). Moreover, in the case of the configuration for detecting the amount of reflected light, the first light emitting unit 101, the light receiving unit 103, and the second light emitting unit 102 are arranged close to each other. Regardless of whether the amount of transmitted light is detected or the amount of reflected light is detected, the first and second light-emitting sections 101 and 102 are arranged close to each other, and the light-receiving section 103 is separated from the first and second light-emitting sections, respectively. It is arranged so as to receive transmitted light or reflected light of the light irradiated to the surface under similar conditions (for example, distance and angle).

受光部103は、第1発光部101および第2発光部102が発した光の透過光または反射光を受光し、受光量に応じた電気信号を出力する。受光部103は、検出する透過光または反射光の波長を感度波長とする受光センサ、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタであってよい。受光部103により、第1および第2の波長の光についての、計測部位による透過光あるいは反射光の光量変化として、第1および第2の脈波信号が検出される。 The light receiving unit 103 receives transmitted light or reflected light of the light emitted by the first light emitting unit 101 and the second light emitting unit 102, and outputs an electric signal according to the amount of received light. The light-receiving unit 103 may be a light-receiving sensor, such as a photodiode or a phototransistor, whose sensitivity wavelength is the wavelength of transmitted light or reflected light to be detected. The light receiving unit 103 detects the first and second pulse wave signals as changes in the amount of transmitted light or reflected light depending on the measurement site for the light of the first and second wavelengths.

信号処理部130は、受光部103が出力する信号に増幅やA/D変換やノイズ除去などの信号処理を適用し、脈波信号から基本周波数成分を抽出して制御部110に出力する。信号処理部130は、受光部103が出力する第1および第2の脈波信号それぞれについて、基本周波数成分を抽出して出力する。基本周波数成分は、脈波の基本周波数[Hz]=脈拍数[bpm]/60を中心周波数とし、所定の帯域幅を有する帯域成分である。 Signal processing unit 130 applies signal processing such as amplification, A/D conversion, and noise removal to the signal output from light receiving unit 103 , extracts a fundamental frequency component from the pulse wave signal, and outputs the extracted fundamental frequency component to control unit 110 . Signal processing section 130 extracts and outputs the fundamental frequency component of each of the first and second pulse wave signals output from light receiving section 103 . The fundamental frequency component is a band component having a center frequency of fundamental frequency of pulse wave [Hz]=pulse rate [bpm]/60 and having a predetermined bandwidth.

制御部110は例えばプログラマブルプロセッサ、不揮発性メモリ(ROM)、および揮発性メモリ(RAM)を有し、ROMに記憶されたプログラムをRAMに読み込んで実行することによって各部を制御し、SpO計測装置の機能を実現する。なお、制御部110の動作のうち少なくとも一部はプログラマブルロジックアレイなどのハードウェア回路によって実現されてもよい。 The control unit 110 has, for example, a programmable processor, a nonvolatile memory (ROM), and a volatile memory (RAM), and controls each unit by reading a program stored in the ROM into the RAM and executing it, thereby making the SpO 2 measuring device to realize the function of At least part of the operation of the control unit 110 may be implemented by a hardware circuit such as a programmable logic array.

駆動部120は制御部110が指示する発光量および発光タイミングに従い、第1および第2発光部101、102を駆動する。制御部110は、1つの受光部103を用いて2つの波長についての透過光量または反射光量を検出するため、第1発光部101と第2発光部とを交互に所定時間ずつ発光させるように発光タイミングを制御する。 Driving section 120 drives first and second light emitting sections 101 and 102 in accordance with the light emission amount and light emission timing instructed by control section 110 . In order to detect the amount of transmitted light or the amount of reflected light for two wavelengths using one light receiving unit 103, the control unit 110 causes the first light emitting unit 101 and the second light emitting unit to alternately emit light for a predetermined time. Control timing.

なお、第1発光部101と第2発光部102とは同時に発光しないため、厳密には第1脈波信号と第2の脈波信号の取得タイミングは異なる。しかし、第1発光部101と第2発光部102の発光周波数を脈波の周波数成分よりも十分高くすることで、第1脈波信号および第2脈波信号を同じタイミングでサンプリングされた計測値群として取り扱うことができる。従って、以下では第1脈波信号および第2脈波信号を同じタイミングで取得したものとして説明する。 Since the first light emitting unit 101 and the second light emitting unit 102 do not emit light at the same time, strictly speaking, the acquisition timings of the first pulse wave signal and the second pulse wave signal are different. However, by making the light emission frequencies of the first light emitting unit 101 and the second light emitting unit 102 sufficiently higher than the frequency component of the pulse wave, the measured values obtained by sampling the first pulse wave signal and the second pulse wave signal at the same timing can be treated as a group. Therefore, in the following description, it is assumed that the first pulse wave signal and the second pulse wave signal are obtained at the same timing.

記録部140は例えば不揮発性メモリであり、例えばメモリカードのような着脱可能な記録媒体であってもよい。記録部140には制御部110によって脈波信号やSpO計測値などが計測日時などの書誌事項と関連づけて記録される。
表示部150は例えば液晶ディスプレイであり、制御部110の制御に従い、SpO計測値および、SpO計測装置の動作状態や設定メニュー画面などを表示する。
The recording unit 140 is, for example, a non-volatile memory, and may be a removable recording medium such as a memory card. The control unit 110 records the pulse wave signal, the SpO2 measurement value, and the like in the recording unit 140 in association with bibliographic items such as the date and time of measurement.
The display unit 150 is, for example, a liquid crystal display, and displays the SpO 2 measurement value, the operating state of the SpO 2 measuring device, the setting menu screen, etc. under the control of the control unit 110 .

操作部160はユーザがSpO計測装置に指示を入力するためのボタン、スイッチ、キーなどを含む。表示部150がタッチディスプレイの場合、タッチパネル部分は操作部160に含まれる。
外部インタフェース(I/F)170は外部機器と有線または無線によって通信するための通信インタフェースである。
The operation unit 160 includes buttons, switches, keys, etc. for the user to input instructions to the SpO 2 measuring device. When display unit 150 is a touch display, the touch panel portion is included in operation unit 160 .
An external interface (I/F) 170 is a communication interface for wired or wireless communication with an external device.

図2は、図1における信号処理部130の機能構成例を示すブロック図である。AD変換部131は、受光部103から出力されるアナログ信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングしてデジタル信号に変換する。AD変換部131の出力部にはデジタル信号を第1発光部101由来の第1の脈波信号と、第2発光部102由来の第2の脈波信号とに振り分けて出力する振り分け回路が設けられる。 FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration example of the signal processing section 130 in FIG. The AD conversion section 131 samples the analog signal output from the light receiving section 103 at a predetermined sampling frequency and converts it into a digital signal. The output section of the AD conversion section 131 is provided with a distribution circuit that distributes and outputs the digital signal into the first pulse wave signal derived from the first light emitting section 101 and the second pulse wave signal derived from the second light emitting section 102. be done.

前処理部132は、第1および第2の脈波信号に対し、電源ノイズ(ハムノイズ)や、明らかに脈波の周波数成分と異なる高周波成分や低周波成分などを除去するフィルタ処理を適用したり、信号値を対数変換したり、振幅値を正規化したりといった前処理を適用する。なお、これらの処理は前処理として実行しうる処理の単なる例示であり、必須ではない。また他の処理を前処理として適用してもよい。また、振幅値の正規化は例えば第2の脈波信号(赤外光由来の信号)の最大値が1となるように、第2の脈波信号および第1の脈波信号の値を正規化する処理であってよい。 The preprocessing unit 132 applies filter processing to the first and second pulse wave signals to remove power supply noise (hum noise), high frequency components and low frequency components that are clearly different from the frequency components of the pulse wave, etc. , apply preprocessing such as logarithmic transformation of signal values and normalization of amplitude values. Note that these processes are merely examples of processes that can be executed as preprocessing, and are not essential. Other treatments may also be applied as pretreatments. Further, normalization of the amplitude value normalizes the values of the second pulse wave signal and the first pulse wave signal so that the maximum value of the second pulse wave signal (signal derived from infrared light) is 1, for example. It may be a process to convert

適応ノイズ除去フィルタ133は、前処理部132が出力する第1信号および第2信号それぞれについて、その基本周波数成分を抽出し、第1信号および第2信号として出力する。適応ノイズ除去フィルタ133は、脈波信号の基本周波数を通過帯域の中心周波数とし、通過帯域幅が狭いバンドパスフィルタである。また、適応ノイズ除去フィルタ133の通過帯域の中心周波数は、生体の特性に依存した脈波の基本周波数の変動に追従するように適応制御される。このような適応バンドパスフィルタを適用することにより、体動や呼吸といった被検者由来のノイズを簡便な構成で効果的に除去することができる。 The adaptive noise removal filter 133 extracts the fundamental frequency component of each of the first signal and the second signal output by the preprocessing section 132, and outputs them as the first signal and the second signal. The adaptive noise elimination filter 133 is a bandpass filter having a narrow passband width, with the fundamental frequency of the pulse wave signal as the center frequency of the passband. Further, the center frequency of the passband of the adaptive noise elimination filter 133 is adaptively controlled so as to follow fluctuations in the fundamental frequency of the pulse wave that depend on the characteristics of the living body. By applying such an adaptive bandpass filter, subject-derived noise such as body movement and breathing can be effectively removed with a simple configuration.

図3は、適応ノイズ除去フィルタ133として用いることのできる、適応バンドパスフィルタの回路構成例を示す図である。本実施形態では狭い通過帯域を実現するため、適応ノッチフィルタを用いて適応バンドパスフィルタを実現している。適応ノッチフィルタは、入力信号に含まれる狭帯域信号の周波数を適応的に推定し、狭帯域信号を阻止するフィルタとして用いられている。 FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration example of an adaptive bandpass filter that can be used as the adaptive noise removal filter 133. As shown in FIG. In order to achieve a narrow pass band in this embodiment, an adaptive bandpass filter is implemented using an adaptive notch filter. An adaptive notch filter is used as a filter that adaptively estimates the frequency of a narrowband signal contained in an input signal and blocks the narrowband signal.

適応ノイズ除去フィルタ133は、入力信号u(n)の基本周波数を中心周波数とした狭帯域を阻止した出力信号y(n)を生成する適応ノッチフィルタと、入力信号u(n)から出力信号y(n)を減算してu(n)-y(n)を出力する減算器とを有する。 The adaptive noise removal filter 133 includes an adaptive notch filter for generating an output signal y(n) that rejects a narrow band centered on the fundamental frequency of the input signal u(n), and an adaptive notch filter for generating an output signal y(n) from the input signal u(n). a subtractor for subtracting (n) and outputting u(n)-y(n).

本実施形態では、適応ノッチフィルタで阻止する狭帯域信号の周波数(すなわち脈波信号の基本周波数)を推定する適応アルゴリズムとして、Simplified Lattice Algorithm(SLA)を用いるものとする。SLAの詳細については例えばP. A. Regalia, ”An Improved Lattice-Based Adaptive IIR Notch Filter”, IEEE Trans. Signal Process.,Vol. 39, No. 9, pp. 2124-2128, Sept., 1991.を参照されたい。しかしながら、Lattice Gradient Algorithm(LGA:正規化ラチス構造に基づく勾配法)、LMSアルゴリズム、NLMSアルゴリズム、RLSアルゴリズムなど他の適応アルゴリズムを用いて脈波の基本周波数を推定してもよい。 In this embodiment, Simplified Lattice Algorithm (SLA) is used as an adaptive algorithm for estimating the frequency of a narrowband signal blocked by an adaptive notch filter (that is, the fundamental frequency of a pulse wave signal). See, for example, P. A. Regalia, "An Improved Lattice-Based Adaptive IIR Notch Filter", IEEE Trans. Signal Process., Vol. 39, No. 9, pp. 2124-2128, Sept., 1991. sea bream. However, other adaptive algorithms such as the Lattice Gradient Algorithm (LGA), LMS algorithm, NLMS algorithm, RLS algorithm, etc. may be used to estimate the fundamental frequency of the pulse wave.

適応ノイズ除去フィルタ133が用いる適応ノッチフィルタは、適応信号x(n)を用いない場合、

Figure 0007278102000001
とすることにより、中心周波数ω、帯域幅Qの周波数成分を阻止するノッチフィルタとして機能する。αは帯域幅Qによって定まる固定値である。このノッチフィルタの伝達関数は以下の通りである。
Figure 0007278102000002
そして、このノッチフィルタのβについて適応アルゴリズムを適用することで、適応ノッチフィルタを実現する。ここでは適応アルゴリズムとしてSLAを用いるため、フィルタの状態変数である適応信号x(n)を用いてβを更新することにより、阻止する帯域の中心周波数(ノッチ周波数)を入力信号の基本周波数に追従させる。 The adaptive notch filter used by the adaptive noise reduction filter 133 does not use the adaptive signal x(n),
Figure 0007278102000001
As a result, it functions as a notch filter that blocks the frequency component of the center frequency ω and the bandwidth Q. α is a fixed value determined by the bandwidth Q; The transfer function of this notch filter is:
Figure 0007278102000002
Then, by applying an adaptive algorithm to β of this notch filter, an adaptive notch filter is realized. Since SLA is used as the adaptive algorithm here, the center frequency (notch frequency) of the band to be blocked follows the fundamental frequency of the input signal by updating β using the adaptive signal x(n), which is the state variable of the filter. Let

図3の適応バンドパスフィルタのうち、適応ノッチフィルタ部分の伝達関数は以下の通りである。

Figure 0007278102000003
Figure 0007278102000004
そして、βを以下の様に適応させることにより適応ノッチフィルタが阻止する中心周波数を、入力信号u(n)の基本周波数に追従させることができる。
Figure 0007278102000005
ここで、ステップサイズμは固定値であり、例えば実験的に求めることができる。なお、βは、SLA以外の適応アルゴリズムを用いて更新させてもよい。 The transfer function of the adaptive notch filter portion of the adaptive bandpass filter in FIG. 3 is as follows.
Figure 0007278102000003
Figure 0007278102000004
Then, by adapting β as follows, the center frequency blocked by the adaptive notch filter can be made to follow the fundamental frequency of the input signal u(n).
Figure 0007278102000005
Here, the step size μ is a fixed value and can be obtained experimentally, for example. Note that β may be updated using an adaptive algorithm other than SLA.

式(5)に示すように、本実施形態の適応ノイズ除去フィルタ133の通過帯域の中心周波数βは、出力信号y、適応信号x、ステップサイズμに基づいて順次更新される。中心周波数βの更新のために脈拍数を算出したり、算出した脈拍数の信頼性を評価したりする必要はない。 As shown in equation (5), the center frequency β of the passband of the adaptive noise reduction filter 133 of this embodiment is sequentially updated based on the output signal y, the adaptive signal x, and the step size μ. It is not necessary to calculate the pulse rate or evaluate the reliability of the calculated pulse rate in order to update the center frequency β.

適応ノイズ除去フィルタ133は、第1脈波信号と第2脈波信号に対して別個に同じフィルタ係数のフィルタ処理を適用して基本周波数成分を抽出し、第1信号および第2信号を生成する。中心周波数βは、第1脈波信号または第2脈波信号の一方の信号の出力信号yおよび適応信号xにより算出し、同じβを第1脈波信号、第2脈波信号のそれぞれのフィルタ処理に適用することで、第1脈波信号と第2脈波信号に同じフィルタ処理を適用させる。そして、適応ノイズ除去フィルタ133が生成した第1信号および第2信号が、信号処理部130から制御部110に供給される。 The adaptive noise reduction filter 133 separately applies filtering with the same filter coefficient to the first pulse wave signal and the second pulse wave signal, extracts the fundamental frequency component, and generates the first signal and the second signal. . The center frequency β is calculated from the output signal y of one of the first pulse wave signal or the second pulse wave signal and the adaptive signal x. By applying the processing, the same filtering process is applied to the first pulse wave signal and the second pulse wave signal. Then, the first signal and the second signal generated by adaptive noise removal filter 133 are supplied from signal processing section 130 to control section 110 .

制御部110は、赤色光由来の第1信号および赤外光由来の第2信号に公知の方法を適用して、例えば脈拍数やSpOなどの生体情報を取得(算出)することができる。例えば、制御部110は、まず、第1信号および第2信号を所定の条件で1拍区間ずつ切り出す。そして制御部110は、1拍区間ごとに少なくとも一方の信号についてピーク値(振幅値が正の区間における最大値)とその位置、およびボトム値(振幅値が負の区間における最小値)とその位置をそれぞれ検出する。 The control unit 110 can apply a known method to the first signal derived from red light and the second signal derived from infrared light to acquire (calculate) biological information such as pulse rate and SpO2 . For example, the control unit 110 first cuts out the first signal and the second signal by one beat section under a predetermined condition. Then, the control unit 110 determines the peak value (maximum value in the interval where the amplitude value is positive) and its position, and the bottom value (minimum value in the interval where the amplitude value is negative) and its position for at least one signal for each beat interval. are detected respectively.

制御部110は、隣接する2拍区間におけるピーク(またはボトム)位置の時間差を1拍の周期として、瞬時脈拍数(回/分)を算出する。また、制御部110は、第1および第2の信号の最大振幅値を、ピーク値とボトム値との差によって算出し、比R=第1の信号の最大振幅値/第2の信号の最大振幅値を算出する。制御部110は例えばROMに予め記憶されている、比RをSpOに換算するテーブルを参照することにより、1拍ごとのSpOを求めることができる。なお、脈拍数やSpOは、連続する所定拍数分の移動平均値を求め、表示には移動平均値を用いてもよい。 The control unit 110 calculates the instantaneous pulse rate (beats/minute) using the time difference between the peak (or bottom) positions in the adjacent two-beat interval as the period of one beat. Further, the control unit 110 calculates the maximum amplitude values of the first and second signals from the difference between the peak value and the bottom value, and the ratio R=maximum amplitude value of the first signal/maximum value of the second signal. Calculate the amplitude value. The control unit 110 can obtain the SpO2 for each beat by referring to a table for converting the ratio R into SpO2 , which is pre-stored in the ROM, for example. For the pulse rate and SpO2 , a moving average value for a predetermined number of continuous beats may be obtained, and the moving average value may be used for display.

このように、本実施形態では環境ノイズに加え、体動や呼吸といった被検者由来のノイズを適応ノイズ除去フィルタ133によって除去し、脈波の基本周波数成分に基づいて脈拍数やSpOといった生体情報を求めることができる。そのため、精度のよい値を取得することができる。 In this way, in this embodiment, in addition to environmental noise, the adaptive noise removal filter 133 removes subject-derived noise such as body movement and respiration, and based on the fundamental frequency component of the pulse wave, the pulse rate and SpO 2 of the subject's body are detected. You can ask for information. Therefore, accurate values can be obtained.

また、フィルタへの入力値、フィルタの出力値、フィルタの状態変数に基づく適応アルゴリズムによって脈波の基本周波数を推定し、適応ノイズ除去フィルタ133の通過帯域を脈波の基本周波数に追従させている。そのため、適応処理をフィルタ処理の一部として実行することができ、フィルタ処理以外に特別な処理を行う必要がない。例えば、ウェーブレット変換のような周波数解析によって脈波の基本周波数成分を取得する場合と比較して、大幅に演算コストを低減することができる。さらに、狭帯域のフィルタを用いてノイズを除去するため、ノイズ除去性能が高い。その結果、最終的に得られる生体情報の精度も向上させることができる。 Also, the fundamental frequency of the pulse wave is estimated by an adaptive algorithm based on the input value to the filter, the output value of the filter, and the state variable of the filter, and the pass band of the adaptive noise removal filter 133 follows the fundamental frequency of the pulse wave. . Therefore, adaptive processing can be executed as part of filtering processing, and there is no need to perform special processing other than filtering processing. For example, compared to obtaining the fundamental frequency component of the pulse wave by frequency analysis such as wavelet transform, the calculation cost can be significantly reduced. Furthermore, since noise is removed using a narrow band filter, noise removal performance is high. As a result, the accuracy of finally obtained biometric information can be improved.

(評価)
図4~図6は、本実施形態に係る適応ノイズ除去フィルタ133によるノイズ除去効果の評価結果を示している。ここでは、ノッチ周波数を1Hz、帯域幅Qを0.1Hz(すなわち、阻止周波数帯域の初期値が0.9Hz~1.1Hz)としてαの値、βの初期値を定めて図3に示した構成の適応ノイズ除去フィルタ133の適用前後の信号波形を示している。なお、AD変換部131におけるサンプリングレートは250Hzとした。また、センサ部100を人差し指の先端に装着して計測を行った。
(evaluation)
4 to 6 show evaluation results of the noise removal effect of the adaptive noise removal filter 133 according to this embodiment. Here, the notch frequency is 1 Hz, the bandwidth Q is 0.1 Hz (that is, the initial value of the stop frequency band is 0.9 Hz to 1.1 Hz), and the initial values of α and β are determined and shown in FIG. Signal waveforms before and after application of the adaptive noise removal filter 133 of the configuration are shown. Note that the sampling rate in the AD converter 131 was set to 250 Hz. Also, the measurement was performed by attaching the sensor unit 100 to the tip of the index finger.

ここでは、脈波信号の計測開始からある程度経過した時点から、センサ部100を装着した指先でノイズを発生させる動作を行い、ノイズ除去効果を評価した。ノイズを発生させる動作は、指先を軽く叩きつける動作(Tapping)、指先でひっかく動作(Scratching)、および、スポンジを手で握る動作(Squeezing)とした。図4、図5、図6はそれぞれ、赤外光由来の第2の脈波信号について、計測中にこれら各動作を行った際のAD変換部131の出力波形を上段に、適応ノイズ除去フィルタ133で抽出した第2信号の波形を下段に示している。また、各図において、ノイズを発生させる動作を行った期間を矢印で示している。 Here, after a certain amount of time has elapsed from the start of measurement of the pulse wave signal, the fingertip on which the sensor unit 100 is attached is operated to generate noise, and the noise removal effect is evaluated. The noise-generating motions were the motion of tapping the fingertip (Tapping), the motion of scratching with the fingertip (Scratching), and the motion of squeezing the sponge with the hand (Squeezing). 4, 5, and 6 show the output waveform of the AD converter 131 when these operations are performed during measurement for the second pulse wave signal derived from infrared light. The waveform of the second signal extracted at 133 is shown at the bottom. Also, in each figure, the arrow indicates the period during which the operation for generating noise is performed.

図4~図6から、本実施形態の適応ノイズ除去フィルタ133は、ノイズが混入している期間においても、第2信号の周波数が混入前の期間とほぼ変わらないことが分かる。これは、ノイズが混入していても、第2脈波信号の基本周波数を精度よく推定して抽出できていることを示している。したがって、第2信号に基づいて精度よく脈拍数を検出することができる。 From FIGS. 4 to 6, it can be seen that in the adaptive noise removal filter 133 of the present embodiment, the frequency of the second signal is almost the same even during the period when the noise is mixed with the period before the noise is mixed. This indicates that the fundamental frequency of the second pulse wave signal can be accurately estimated and extracted even when noise is mixed. Therefore, it is possible to accurately detect the pulse rate based on the second signal.

なお、本発明に係る生体信号解析装置は、一般的に入手可能な、パーソナルコンピュータのような汎用情報処理装置に、上述した制御部110、駆動部120、信号処理部130の動作を実現させるプログラム(アプリケーションソフトウェア)として実現することもできる。従って、このようなプログラムおよび、プログラムを格納した記録媒体(CD-ROM、DVD-ROM等の光学記録媒体や、磁気ディスクのような磁気記録媒体、半導体メモリカードなど)もまた本発明を構成する。また、本発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。 In addition, the biological signal analysis apparatus according to the present invention is a program that causes a generally available general-purpose information processing apparatus such as a personal computer to realize the operations of the control unit 110, the driving unit 120, and the signal processing unit 130 described above. It can also be implemented as (application software). Therefore, such programs and recording media storing the programs (optical recording media such as CD-ROMs and DVD-ROMs, magnetic recording media such as magnetic discs, semiconductor memory cards, etc.) also constitute the present invention. . Moreover, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist of the present invention.

100…センサ部、101…第1発光部、102…第2発光部、103…受光部、110…制御部、120…駆動部、130…信号処理部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100... Sensor part 101... 1st light emission part 102... 2nd light emission part 103... Light-receiving part 110... Control part 120... Drive part 130... Signal processing part

Claims (11)

生体組織に照射された第1の波長の光の反射光もしくは透過光の光量変化に基づく第1の脈波信号を取得する取得手段と、
前記第1の脈波信号から基本周波数の成分を抽出して出力する信号処理手段と、を有し、
前記信号処理手段は、適応バンドパスフィルタを用いて前記第1の脈波信号から前記基本周波数の成分を抽出し、前記適応バンドパスフィルタが通過させる帯域中心周波数を制御する係数、前記適応バンドパスフィルタの状態変数を用いる適応アルゴリズムによって更ことにより前記中心周波数を前記基本周波数に追従させる、
ことを特徴とする生体信号解析装置。
Acquisition means for acquiring a first pulse wave signal based on a change in the amount of reflected light or transmitted light of the light of the first wavelength applied to the living tissue;
and signal processing means for extracting and outputting a fundamental frequency component from the first pulse wave signal,
The signal processing means extracts the fundamental frequency component from the first pulse wave signal using an adaptive band-pass filter, and sets a coefficient for controlling a center frequency of a band passed by the adaptive band-pass filter to the adaptive band-pass filter. causing the center frequency to track the fundamental frequency by updating with an adaptive algorithm using state variables of the bandpass filter;
A biological signal analysis device characterized by:
前記適応バンドパスフィルタが、
前記第1の脈波信号の基本周波数を中心周波数とする帯域を阻止する適応ノッチフィルタと、
前記適応ノッチフィルタの出力信号を前記第1の脈波信号から減算する減算器と、
を用いて前記基本周波数の成分を抽出することを特徴とする請求項1に記載の生体信号解析装置。
The adaptive bandpass filter is
an adaptive notch filter that blocks a band centered on the fundamental frequency of the first pulse wave signal;
a subtractor that subtracts the output signal of the adaptive notch filter from the first pulse wave signal;
2. The biological signal analysis apparatus according to claim 1, wherein the component of the fundamental frequency is extracted using
前記適応ノッチフィルタは固定値の係数と前記更新される係数とを有することを特徴とする請求項2に記載の生体信号解析装置。 3. The biological signal analysis apparatus according to claim 2, wherein said adaptive notch filter has fixed coefficients and said updated coefficients. 前記適応アルゴリズムが、さらに前記出力信号を用いて前記係数を更新することを特徴とする請求項3に記載の生体信号解析装置。 4. The biological signal analysis apparatus of claim 3, wherein said adaptive algorithm further updates said coefficients using said output signal. 前記適応ノッチフィルタの伝達係数が
Figure 0007278102000006
で表され、αが固定値の係数、βが前記更新される係数であることを特徴とする請求項からのいずれか1項に記載の生体信号解析装置。
The transfer coefficient of the adaptive notch filter is
Figure 0007278102000006
5. The biological signal analysis apparatus according to any one of claims 2 to 4 , wherein α is a fixed coefficient, and β is the updated coefficient.
前記適応アルゴリズムがSimplified Lattice Algorithm(SLA)、Lattice Gradient Algorithm(LGA)、LMSアルゴリズム、NLMSアルゴリズム、RLSアルゴリズムのいずれかであることを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の生体信号解析装置。 The living body according to any one of claims 1 to 5 , wherein the adaptive algorithm is any one of Simplified Lattice Algorithm (SLA), Lattice Gradient Algorithm (LGA), LMS algorithm, NLMS algorithm, and RLS algorithm. Signal analyzer. さらに、前記信号処理手段が抽出した前記第1の脈波信号の基本周波数の成分に基づいて脈拍数を取得する脈拍数取得手段を有することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の生体信号解析装置。 7. The apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising pulse rate obtaining means for obtaining a pulse rate based on the fundamental frequency component of said first pulse wave signal extracted by said signal processing means. The biological signal analysis device according to 1. 前記取得手段が、前記生体組織に照射された第2の波長の光の反射光もしくは透過光の光量変化に基づく第2の脈波信号をさらに取得し、
前記信号処理手段がさらに、前記適応バンドパスフィルタを用いて前記第2の脈波信号から基本周波数の成分を抽出して出力する、
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の生体信号解析装置。
The acquiring means further acquires a second pulse wave signal based on a change in the amount of reflected light or transmitted light of the second wavelength light irradiated to the living tissue,
The signal processing means further extracts and outputs a fundamental frequency component from the second pulse wave signal using the adaptive bandpass filter.
The biological signal analysis apparatus according to any one of claims 1 to 7, characterized in that:
さらに、前記信号処理手段が抽出した前記第1の脈波信号の基本周波数の成分および前記第2の脈波信号の基本周波数の成分に基づいて、動脈血酸素飽和度(SpO)を取得するSpO取得手段を有することを特徴とする請求項8に記載の生体信号解析装置。 Further, SpO for acquiring arterial blood oxygen saturation (SpO 2 ) based on the fundamental frequency component of the first pulse wave signal and the fundamental frequency component of the second pulse wave signal extracted by the signal processing means 9. The biological signal analysis apparatus according to claim 8, further comprising 2 acquisition means. 生体信号解析装置が実行する生体信号解析装置の制御方法であって、
生体組織に照射された第1の波長の光の反射光もしくは透過光の光量変化に基づく第1の脈波信号を取得する取得工程と、
前記第1の脈波信号から基本周波数の成分を抽出して出力する信号処理工程と、を有し、
前記信号処理工程では、適応バンドパスフィルタを用いて前記第1の脈波信号から前記基本周波数の成分を抽出し、前記適応バンドパスフィルタが通過させる帯域中心周波数を制御する係数を、前記適応バンドパスフィルタの状態変数を用いる適応アルゴリズムによって更新する、
ことを特徴とする生体信号解析装置の制御方法。
A control method for a biosignal analysis device executed by the biosignal analysis device, comprising:
an acquisition step of acquiring a first pulse wave signal based on a change in the amount of reflected light or transmitted light of the light of the first wavelength applied to the living tissue;
a signal processing step of extracting and outputting a fundamental frequency component from the first pulse wave signal;
In the signal processing step, an adaptive band-pass filter is used to extract the fundamental frequency component from the first pulse wave signal , and a coefficient for controlling the center frequency of the band passed by the adaptive band-pass filter is applied to the adaptive band-pass filter. update by an adaptive algorithm using the state variables of the bandpass filter;
A control method for a biological signal analysis device, characterized by:
コンピュータに、請求項1から9のいずれか1項に記載の生体信号解析装置の少なくとも信号処理手段の動作を実現させるプログラム。 A program that causes a computer to realize the operation of at least the signal processing means of the biological signal analysis apparatus according to any one of claims 1 to 9.
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