JP7439924B2 - 心拍数検知方法、装置およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、正確な心拍数を提示する心拍数検知方法、装置およびプログラムに関する。

心拍数あるいはその変動はＥＣＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ、心電図）から得られる生体情報であり、日常生活や安静状態においては自律神経機能の評価、運動強度の指標などに活用される。

とくに、ウェアラブルなＥＣＧ波形取得・心拍計測デバイスを用いて、日常生活等の比較的長い時間にわたって心拍数を計測することは、ユーザの体調管理等に有用である。

特許文献１には、ウェアラブルデバイスによる計測のように、ＥＣＧ波形にノイズが重畳している場合に適切に心拍を検出できる方法が開示されている。

しかしながら、この方法において、体動によるＥＣＧ波形のノイズが激しい場合には、心拍検出を誤ることがある。例えば、検出すべきＲ波を取りこぼす場合、Ｒ波でないものをＲ波として検出してしまう場合などがある。

ウェアラブル心拍計測デバイスでは、このような心拍検出の誤りを回避するために、心拍数を一定の時間にわたって移動平均することや、ＩＩＲフィルタを用いることなどにより、心拍検出の誤りに起因する瞬時心拍数の変動を抑えた、平均心拍数を算出・提示する手法が採られることがある（特許文献２）。

特許第６５２７２８６号公報 特許第６６４５９２６号公報

しかしながら、特許文献２に開示された心拍の検出方法においては、どのようなＥＣＧ波形データに対しても、平均心拍数等の値が算出される。したがって、心拍検出に誤りが含まれ、正確な値として計測されていない状況にもかかわらず、異常な数値をユーザに正確な値として提示してしまうことがある。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る心拍数検知方法は、ＥＣＧ波形を測定するステップと、前記ＥＣＧ波形よりＲ－Ｒ間隔を算出するステップと、前記Ｒ－Ｒ間隔より瞬時心拍数を算出するステップと、前記瞬時心拍数に基づく指標を、前記瞬時心拍数と前記Ｒ－Ｒ間隔が検出された時刻以前の直近の瞬時心拍数との差分の２乗を、前記直近の所定の心拍数分加算することにより算出するステップと、前記指標を基準値と比較して、前記Ｒ－Ｒ間隔より求まる心拍数を表示するか否かを判定するステップとを備える。

また、本発明に係る心拍数検知装置は、ＥＣＧ波形を測定する測定部と、前記ＥＣＧ波形よりＲ－Ｒ間隔を算出し、前記Ｒ－Ｒ間隔より瞬時心拍数を算出し、前記瞬時心拍数に基づく指標を前記瞬時心拍数と前記Ｒ－Ｒ間隔が検出された時刻以前の直近の瞬時心拍数との差分の２乗を前記直近の所定の心拍数分加算することにより算出する算出部と、前記指標を基準値と比較して前記Ｒ－Ｒ間隔より求まる心拍数を表示するか否かを判定する判定部と
を備える。

また、本発明に係る心拍数検知プログラムは、ＥＣＧ波形を測定するステップと、前記ＥＣＧ波形よりＲ－Ｒ間隔を算出するステップと、前記Ｒ－Ｒ間隔より瞬時心拍数を算出するステップと、前記瞬時心拍数に基づく指標を、前記瞬時心拍数と前記Ｒ－Ｒ間隔が検出された時刻以前の直近の瞬時心拍数との差分の２乗を、前記直近の所定の心拍数分加算することにより算出するステップと、前記指標を基準値と比較して、前記Ｒ－Ｒ間隔より求まる心拍数を表示するか否かを判定するステップとを備える処理を実行させることを特徴とし、心拍数検知装置を機能させる。

本発明によれば、正確な心拍数を提示する心拍数検知方法、装置およびプログラムを提供できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る心拍数検知方法を説明するためのＥＣＧ波形とＲ－Ｒ間隔を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る心拍数検知方法を説明するための瞬時心拍数と平均心拍数を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る心拍数検知方法における指標の経時変化を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る心拍数検知装置のブロック図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る心拍数検知方法を示すフローチャート図である。 図６は、本発明の実施の形態におけるコンピュータの構成例を示す図である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態について図１～図５を参照して説明する。

図１は、ウェアラブルなデバイスを用いて計測されたＥＣＧ波形の一部である。図１には、Ｒ波が検出されたタイミングに、心拍数に相当するＲ－Ｒ間隔[ｍｓ]も併せて示す（図中、黒ひし形）。ここで、例えば、Ｒ－Ｒ間隔の検出には、特許文献１に開示された方法を用いることができる。

この波形では、１５：５３：３０～１５：５３：３３では、ＥＣＧ波形のノイズが小さくＲ波はほぼ適切に検出されるが、１５：５３：２０～１５：５３：２５では、ＥＣＧ波形のノイズが大きく、Ｒ波が的確に検出されていないことがわかる。

次に、従来法の１つである、正確な心拍数検知のための指標に平均心拍数（以下、「ＨＲ」（Ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ）という。）を用いる手法を説明する。

図２に、瞬時心拍数（以下、「ＩＨＲ」（Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ Ｈｅａｒｔ ｒａｔｅ）という。）と、それを基に算出された平均心拍数ＨＲを示す。図２において、黒ひし形は瞬時心拍数を示し、白丸は平均心拍数を示す。

瞬時心拍数ＩＨＲは、瞬時心拍数ＩＨＲ[ｂｐｍ]＝６０，０００÷（Ｒ－Ｒ間隔[ｍｓ]）より算出される。

また、ＩＩＲフィルタを用いて、瞬時心拍数の時系列データＩＨＲ[ｎ]に対し、平均心拍数ＨＲ[ｎ]は、以下の式で算出される。

ＨＲ[ｎ]＝（１－ａ）×ＨＲ[ｎ－１]＋ａ×ＩＨＲ[ｎ]

ここで、ａ＝０．１である。

図２に示すように、１５：５３：３０～１５：５３：３３では、瞬時心拍数のばらつきが少なく、平均心拍数も安定して観測され、信頼性の高いデータが得られる。

しかしながら、１５：５３：２０～１５：５３：２５では、瞬時心拍数のばらつきは大きい。一方、平均心拍数はほぼ一定の値で観測される。この観測された平均心拍数は、ばらつきの大きい瞬時心拍数に基づき得られているので信頼性に欠ける。

このことは、平均心拍数は安定した値を示しても、信頼性に欠ける可能性があることを示唆している。このように、平均心拍数を正確な心拍数検知のための指標としても、必ずしも正確に心拍数を検知できない。

そこで、瞬時心拍数のばらつきに着目して、瞬時心拍数に基づく指標について検討する。ここでは、瞬時心拍数に基づく指標を、瞬時心拍数の時系列データＩＨＲ[ｎ]の差分に関するものとして、（ＩＨＲ[ｎ]―ＩＨＲ[ｎ－１]）の２乗を過去直近の１０拍（心拍数）分加算して算出する。ここで、ＩＨＲ[ｎ]は任意の時刻ｔ［ｎ］における瞬時心拍数である。ＩＨＲ[ｎ－１]はｔ［ｎ］以前の直近の時刻ｔ［ｎ－１］における瞬時心拍数である。

図３に、図１に示す波形について、上述の瞬時心拍数に基づく指標の経時変化を示す。指標は、１５：５３：２０～１５：５３：２５で高い値を示し、１５：５３：２５～１５：５３：３０で減少し、１５：５３：３０～１５：５３：３５で低い値を示す。

この指標の経時変化において、基準値を２０，０００[ｂｐｍ^２]とすれば、１５：５３：２０～１５：５３：３０で指標は基準値を上回り、基準を満たさない。したがって、１５：５３：３０～１５：５３：３５で測定される心拍数が正確でないと判定される。

一方、１５：５３：３０～１５：５３：３５で指標は基準値以下となり、基準を満たす。したがって、１５：５３：３０～１５：５３：３５で測定される心拍数が正確であると判定される。

このように、瞬時心拍数に基づく指標を用いれば、図１に示すＥＣＧ波形ノイズが大きく正確な心拍数検知ができないときには、指標は基準値を上回る値を示す。一方、ＥＣＧ波形ノイズが小さく正確な心拍数検知ができるときには、指標は基準値以下の値を示す。

したがって、瞬時心拍数に基づく指標を用いれば、測定された心拍数が正確か否かを判定でき、換言すれば、正確に心拍数を検知（提示）できる。

本発明は、瞬時心拍数に基づく指標により正確に心拍数を検知（提示）できるという知見に基づくものである。

＜心拍数検知装置の構成＞
図４に、本実施の形態に係る心拍数検知装置１の構成の一例のブロック図を示す。心拍数検知装置１は測定部１１と、記憶部１２と、算出部１３と、判定部１４と、出力部１５を備える。

測定部１１はＥＣＧ波形を測定し、一例として、ウェアラブルデバイスにおける心電計を用いる。

記憶部１２は、心電計で測定したＥＣＧ電位に基づき算出する瞬時心拍数を記憶する。
また、心電計で測定した時刻とＥＣＧ電位を記憶することもできる。

算出部１３では、記憶部１２から心電計で測定した時刻とＥＣＧ電位を取得して、Ｒ－Ｒ間隔を検知するためにＥＣＧ波形に基づき計算を行う。また、瞬時心拍数を算出して、指標となる数値を算出する。

判定部１４は、指標と基準値を比較して、検知される心拍数が正確か否か（正当性）を判定する。

出力部１５では、計算された心拍数を出力する。また、心拍数が正確に測定されなかったことや、計測されたＥＣＧ波形や時間差分値、積算値も出力できる。

＜心拍数検知方法＞
図５に、本実施の形態に係る心拍数検知方法を説明するためのフローチャート図を示す。

初めに、心電図（ＥＣＧ波形）を測定する（ステップ２１）。

次に、ＥＣＧ波形のデータを用いて、Ｒ－Ｒ間隔を検出する（ステップ２２）。ここで、Ｒ－Ｒ間隔は、例えば、ＥＣＧ波形を時間差分した値の変化を基に所定の閾値と比較して算出（検出）することができる。また、例えば、複数のＥＣＧ波形を時間差分した値の変化を用いて所定の閾値と比較することにより検出精度を向上させることができる（特許文献１参照）

次に、検出したＲ－Ｒ間隔から、瞬時心拍数ＩＨＲを、ＩＨＲ＝６０，０００÷（Ｒ－Ｒ間隔[ｍｓ]）より、算出する（ステップ２３）。ここで、瞬時心拍数は、任意の時刻ｔ［ｎ］に検出されるＲ－Ｒ間隔から、時系列データＩＨＲ[ｎ]として取得される。

次に、Ｒ－Ｒ間隔が検出された時刻と、Ｒ－Ｒ間隔から算出された瞬時心拍数ＩＨＲを記憶する（ステップ２４）。

次に、瞬時心拍数の時系列データＩＨＲ[ｎ]の差分に関する指標を、（ＩＨＲ[ｎ]―ＩＨＲ[ｎ－１]）の２乗を過去直近の１０拍（心拍数）分加算して算出する（ステップ２５）。ここで、ＩＨＲ[ｎ]は任意の時刻ｔ［ｎ］における瞬時心拍数である。ＩＨＲ[ｎ－１]はｔ［ｎ］以前の直近の時刻ｔ［ｎ－１］における瞬時心拍数であり、記憶部に記憶されている瞬時心拍数を読み出して用いる。このように、ＩＨＲ[ｎ]―ＩＨＲ[ｎ－１]は、サンプリング時刻間での瞬時心拍数ＩＨＲの差分値である。

ここで、指標を算出する際に、過去直近の１０拍（心拍数）分加算する例を示したが、これに限らず、所定の拍数分を加算すればよい。

次に、この算出された指標を基準値と比較して、以下の通り判定する（ステップ２６）。

指標が基準値以下の場合には、ＥＣＧ波形から算出される心拍数は正確ではあると判定される。

この場合には、時刻ｔ［ｎ］に検出されるＲ－Ｒ間隔から求まる心拍数を出力（提示）する（ステップ２７）。

一方、指標が基準値を上回る場合には、ＥＣＧ波形から算出される心拍数は正確ではないと判定される。

この場合は、心拍数を計算せず、正確な心拍数が測定されないことが出力（表示）される（ステップ２８）。または、時刻ｔ［ｎ］以前の直近の正確な心拍数を表示してもよいし、ブランク（何も表示されない状態）を表示してもよい。

次に、本実施の形態に係る心拍数検知方法および装置における動作（出力）の一例を説明する。ここで、基準値を基準値を２０，０００[ｂｐｍ^２]とする。

図１に示すＥＣＧ波形が計測される場合には、図３に示す指標が算出される。次に、図３において時刻１５：５３：２０～１５：５３：３０では、基準値は２０，０００[ｂｐｍ^２]を上回るので、ＥＣＧ波形から算出される心拍数は正確ではないと判定される。そこで、正確な心拍数が測定されないことが出力（提示）される。または、測定時刻以前の直近の正確な心拍数を提示される。または、ブランク（何も表示されない状態）が提示される。

一方、図３において時刻１５：５３：３０～１５：５３：３５では、基準値は２０，０００[ｂｐｍ^２]以下なので、ＥＣＧ波形から算出される心拍数は正確ではあると判定される。そこで、図１に示すＥＣＧ波形より算出された心拍数が出力（提示）される。

以上のように、本実施の形態によれば、心拍数が正確な値として計測されていない状況にもかかわらず、異常な数値をユーザに提示してしまうことを回避することができ、正確な心拍数の数値のみをユーザに提示することができる。

本実施の形態では、基準値の２０，０００[ｂｐｍ^２]を用いたが、これに限らず、他の値でもよい。

本実施の形態では、検知された心拍数データの信頼性が低い場合には、前後の瞬時心拍数の時系列データの差が大きいことに着目して、指標に（ＩＨＲ[ｎ]―ＩＨＲ[ｎ－１]）の２乗を用いたが、これに限らない。指標には、瞬時心拍数と平均心拍数の差を用いてもよい。この場合は、図５に示す第１の実施の形態に係る心拍数検知方法を示すフローチャート図において、瞬時心拍数を算出した後に、平均心拍数を算出するステップを必要とする。

または、指標には、｜ＩＨＲ[ｎ]―ＩＨＲ[ｎ－１]｜や（ＩＨＲ[ｎ]―ＩＨＲ[ｎ－１]）のｎ乗値を用いてもよい。また、瞬時心拍数の絶対値を用いてもよい。

このように、指標には、瞬時心拍数に基づく数値を用いることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、心拍数が正確な値として計測されていない状況にもかかわらず、異常な数値をユーザに提示してしまうことを回避することができ、正確な心拍数の数値のみをユーザに提示することができる。

本実施の形態に係る心拍数検知装置は、ウェアラブルデバイス一体としてユーザの身体に装着してもよい。

または、本実施の形態に係る心拍数検知装置は、測定部をウェアラブルデバイスとしてユーザの身体に装着して、ウェアラブルデバイス外部のスマートフォンやサーバ等に記憶部、算出部、判定部を備えてもよい。この場合、心拍数検知装置はウェアラブルデバイスと外部のサーバ等それぞれに送受信部を備え、ウェアラブルデバイスで測定されるＥＣＧ波形をサーバ等に送信し、サーバ等で記憶、算出、判定などを行う。最後に、心拍数等（心拍数は測定されないことの表示等を含む）はサーバ等に出力されてもよいし、ウェアラブルデバイス等に送信されて出力されてもよい。

本発明に係る実施の形態では、測定されるタイミングで、順次記憶部より直近のＥＣＧ波形（ＥＣＧ電位）を取得して心拍数が正確か否かの正当性を判定する例を示したが、ＥＣＧ波形をまとめて記憶してから、記憶部よりＥＣＧ波形を取得して心拍数の正当性を判定してもよい。

図６に、本発明の実施の形態に係る心拍数検知装置におけるコンピュータ３０の構成例を示す。心拍数検知装置は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３３、記憶装置（記憶部）３２およびインタフェース装置３１を備えたコンピュータ３０と、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ここで、インタフェース装置３１に、本発明の実施の形態に係る心拍数検知装置における測定部と、出力部が接続される。ＣＰＵ３３は、記憶装置３２に格納された心拍数検知プログラムに従って本発明の実施の形態における処理を実行する。このように、心拍数検知プログラムは心拍数検知装置を機能させる。

本発明の実施の形態に係る心拍数検知装置では、コンピュータを装置内部に備えてもよいし、コンピュータの機能の少なくとも１部を外部コンピュータを用いて実現してもよい。また、記憶部も装置外部の記憶媒体を用いてもよく、記憶媒体に格納された心拍数検知プログラムを読み出して実行してもよい。記憶媒体には、各種磁気記録媒体、光磁気記録媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、各種メモリを含む。また、心拍数検知プログラムはインターネットなどの通信回線を介してコンピュータに供給されてもよい。

本発明の実施の形態では、心拍数検知装置の構成、心拍数検知方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。心拍数検知装置および方法の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。

本発明は、ＥＣＧ波形波形から得られる生体信号を分析する技術に適用することができる。

１ 心拍数検知装置
１１ 測定部
１２ 記憶部
１３ 算出部
１４ 判定部

Claims (6)

1. ＥＣＧ波形を測定するステップと、
   前記ＥＣＧ波形よりＲ－Ｒ間隔を算出するステップと、
   前記Ｒ－Ｒ間隔より瞬時心拍数を算出するステップと、
   前記瞬時心拍数に基づく指標を、前記瞬時心拍数と前記Ｒ－Ｒ間隔が検出された時刻以前の直近の瞬時心拍数との差分の２乗を、前記直近の所定の心拍数分加算することにより算出するステップと、
   前記指標を基準値と比較して、前記Ｒ－Ｒ間隔より求まる心拍数を表示するか否かを判定するステップと
   を備える心拍数検知方法。
2. 前記指標が基準値以下の場合に、前記Ｒ－Ｒ間隔より求まる心拍数を表示して、前記指標が基準値より大きい場合に、ブランクを表示することを特徴とする請求項１に記載の心拍数検知方法。
3. 前記指標が基準値以下の場合に、前記Ｒ－Ｒ間隔より求まる心拍数を表示して、前記指標が基準値より大きい場合に、正確な心拍数が測定されなかったことを表示することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の心拍数検知方法。
4. 前記指標が基準値以下の場合に、前記Ｒ－Ｒ間隔より求まる心拍数を表示して、前記指標が基準値より大きい場合に、前記Ｒ－Ｒ間隔が検出された時刻以前の直近の正確な心拍数を表示することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の心拍数検知方法。
5. ＥＣＧ波形を測定する測定部と、
   前記ＥＣＧ波形よりＲ－Ｒ間隔を算出し、前記Ｒ－Ｒ間隔より瞬時心拍数を算出し、前記瞬時心拍数に基づく指標を前記瞬時心拍数と前記Ｒ－Ｒ間隔が検出された時刻以前の直近の瞬時心拍数との差分の２乗を前記直近の所定の心拍数分加算することにより算出する算出部と、
   前記指標を基準値と比較して前記Ｒ－Ｒ間隔より求まる心拍数を表示するか否かを判定する判定部と
   を備える心拍数検知装置。
6. ＥＣＧ波形を測定するステップと、
   前記ＥＣＧ波形よりＲ－Ｒ間隔を算出するステップと、
   前記Ｒ－Ｒ間隔より瞬時心拍数を算出するステップと、
   前記瞬時心拍数に基づく指標を、前記瞬時心拍数と前記Ｒ－Ｒ間隔が検出された時刻以前の直近の瞬時心拍数との差分の２乗を、前記直近の所定の心拍数分加算することにより算出するステップと、
   前記指標を基準値と比較して、前記Ｒ－Ｒ間隔より求まる心拍数を表示するか否かを判定するステップと
   を備える処理を実行させることを特徴とする、心拍数検知装置を機能させるための心拍数検知プログラム。

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