JPH1119056A - 心拍数測定方法および心拍数測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 直接人体にセンサなどの検出部を取付けるこ
となく心拍数の検出することが可能で、かつ安価に製作
することができる心拍数測定装置であって、信号検出用
の圧力センサおよび心拍信号に重畳するノイズを低減し
て心拍数の測定精度を向上させる心拍数測定装置を提供
する。 【解決手段】 横臥姿勢もしくは着座姿勢の被験者の身
体の下に圧力センサを敷き、これに伝わる心拍の振動を
圧力センサに取付けた高性能の低周波用コンデンサマイ
クロフォンによって検出する。ついで心拍信号の特徴を
有する理想心拍信号波形を生成し、該理想心拍信号波形
と前記圧力センサによって検出した測定信号波形との間
の相関度を演算することによって心拍数を検出し、就寝
中もしくは着座中の被験者の心拍数を連続的に測定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】人体に直接センサを取付ける
ことなく、かつ人体に不快感を与えずに心拍の測定を行
うことができる心拍数測定用センサおよび心拍数測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】医療における検査もしくは診断において
患者に直接センサを取付けて測定する方法が通常行われ
ている。しかし直接センサを取り付ける方法では、患者
に心理的な圧迫感を与えるため測定結果が変動したり、
被験者にとって苦痛となるという問題点がある。また睡
眠中の被験者の生理情報を入手するために、被験者の身
体にセンサを取付けることは、睡眠の妨げとなるという
不具合がある。

【０００３】一方、直接センサを被験者に取付けずに情
報を入手できるならば、労働作業中もしくは運転中など
の身体の疲労度なども検出することが可能となり、健康
管理の面や安全性の面からも高い利用価値を生み出すも
のとなる。即ち、労働中の人や自動車運転者などの疲労
度や心理状態の推定などに必要な生理情報の計測など幅
広い範囲への応用が期待されるものである。

【０００４】特に車両等を運転中のの人体の心拍数を連
続的に測定し、これを健康管理のための情報として使い
たいという要求が高いが、従来の心拍数測定装置では、
何らかのセンサを人体に取付けるものが大半であり、実
用性の面で問題があった。

【０００５】上記の点を改良するものとして、センサ部
を身体に取付けるが、身体にかかる負荷を少なくして身
体的活動の制限を最小限にする患者モニタ装置が特開平
９−７２３１０で提案されている。この出願における検
出手段は、小型軽量にしたセンサ部をバンドを用いて手
首、足首、指、腕等の身体に装着し、無線で信号を伝達
することで配線を不要にし、身体にかかる負荷を軽減す
るものである。また、光を身体に照射し、その反射光も
しくは透過光を検出することによって心拍数を測定する
方法が特開平７−８８０９２において提案されており、
この方法によれば完全に身体に無接触で行うことができ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
９−７５３１０で提案されている方法では、小型ではあ
っても身体に検出手段を取付けており、余分なものを装
着していることによる不快感が解消されることはなく、
特に就寝中では睡眠の妨げとなるという不具合があり、
一方、特開平７−８８０９２で提案されている方法は、
身体に検出手段を装着する必要はなく、身体に与える苦
痛もしくは不快感は解消されるが、コストがかかるとい
う問題点がある。

【０００７】本発明は以上の問題点に鑑み、直接人体に
センサなどの検出部を取付けることなく心拍数の検出す
ることが可能で、かつ安価に製作することができる心拍
信号検出用の圧力センサユニットおよび心拍信号に重畳
するノイズを除去して心拍数の測定精度を向上させる心
拍数測定方法および心拍数測定装置を提供するものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の心拍数測定装置
は、横臥姿勢もしくは着座姿勢の被験者の身体の下に圧
力センサユニットを敷き、これに伝わる心拍の振動を圧
力センサユニットに取付けた高性能の低周波用コンデン
サマイクロフォンによって検出して心拍信号とし、この
信号を連続的に解析・推定することで就寝中もしくは着
座中の被験者の心拍数を連続的に測定するようにするも
のである。

【０００９】即ち、人体の心拍信号を検出するために、
可撓体からなるフレームと圧力検出手段である低周波用
コンデンサマイクロフォンとから構成される圧力センサ
ユニットを用いている。

【００１０】心拍信号から心拍数を検出するには、心拍
信号の特徴を有する理想心拍信号波形を生成し、これと
測定信号波形との相関度を演算することによって心拍数
を検出する方法を用いる。

【００１１】なお、圧力センサユニットから得られた信
号波形から適応化平滑法によるノイズ除去手段を用いて
心拍信号に重畳するノイズを除去した心拍信号波形を得
て、該信号波形と理想心拍波形との間の層間度を演算す
ることで測定精度の向上が実現される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１から図６を参照しながら、本
発明にかかる実施について説明する。なお、ここで説明
するのは本発明の一つの例を示すものであり、これに限
るものではない。

【００１３】本発明の心拍による振動を検出する圧力セ
ンサユニット１を、図１に示す。圧力センサユニット１
は、可撓性を有し内部が中空なフレーム２と、圧力感知
部をフレーム２内部に向けて固定したコンデンサマイク
３とから構成され、さらにフレーム２に空気が流通する
ためのエアー通入穴４を設けてある。

【００１４】フレーム２は機密が保たれ、かつ被験者の
心拍の振動に応じてたわむ柔軟性を有する材料を使用す
る。心拍の振動によるフレーム２内部の圧力変化を検出
する圧力検出手段には、小型、軽量で設置が容易かつ安
価な低周波用コンデンサマイクロフオン３を採用してい
る。

【００１５】本実施で圧力センサユニットとして用いら
る低周波用コンデンサマイクロフォンは、図２に示すよ
うに、一端に開口２１を有し、他端が密閉された円筒、
角筒等の略筒伏に形成されたケーシング２０と、ケーシ
ング２０内において開口２１から遠ざかる方向即ち奥へ
の方向に順に配設された受圧面であるスクリーン２２
と、スクリーン２２に対向して設けられ、スクリーン２
２に平行な対向電極２３と、ＦＥＴトランジスタ等を有
し、一方のリード端子が対向電極２３に接統されている
増幅回路２４とを備え、ケーシング２０の後端即ち開口
２１と反対側の閉塞されているケーシング２０端に、通
孔２６を有する区画壁２５により形成された後方チャン
バー２７を備えている。また、ケーシング２０外におい
て、開口２１に対向してカーテン２８が設けられてい
る。

【００１６】低周波用コンデンサマイクロフォンの動作
について説明すると、低周波用コンデンサマイクロフォ
ンは、外気に振動が発生した場合、その振動が開口２１
からケーシング２０内に伝達されてスクリーン（受圧
面）２２が撓み変形し、スクリーン２２と対向電極２３
との間の距離が微小に変動し、その静電容量が変化す
る。この静電容量の変化を増幅回路２４で検出し、増幅
して検出信号を出力することによって、空気の動きを検
出する。後方チャンバー２７を設けているから、後方チ
ャンバー２７の大きさを適宜設定することにより、入力
された低周波領域における振動を後方チャンバー２７で
反射させ、共振させて振幅を大きくして、検出を容易且
つ明確にすることができるものである。なお、カーテン
２８は、外部の風等による影響を仰制するために設けら
れている。

【００１７】本実施で使用した低周波コンデンサマイク
ロフォンは、一般の音響用マイクロフォンが低周波領域
に対して配慮されていないのに引き替え、受圧面の後方
にチャンバーを設けることによって低周波領域の特性を
大幅に向上させたものであり、心拍信号を検出するのに
好適なものである。また、微小差を圧を計測するのに優
れており、０．２Ｐａの分解能を有し、通常使用される
セラミックを利用した微気圧センサと比較して数倍の性
能を持つものであり、心拍が体表面に通して台座センサ
１に加えた微小な圧力をを検出するのに好適なものであ
る。

【００１８】図３に示すように、コンデンサマイクフォ
ン３で検出された心拍信号は、バンドパスフィルタ回路
５、増幅器６、Ａ／Ｄ変換器７を経由して心拍数解析ユ
ニット８に送られる。

【００１９】信号解析装置８の内部は図４のように構成
される。ここで適応化平滑化回路９は適応化平滑化法を
用いて心拍数と似通った周期をもつノイズをも除去する
ための回路であり、分割サンプリング回路１０は心拍数
を解析する時点を含む所定の長さの信号波形を取り出す
回路であり、理想心拍波形生成回路１１は前記の分割サ
ンプリングした心拍信号波形と比較し相関をとる基準信
号を生成する回路であり、相関演算回路１２は心拍信号
波形と理想心拍波形との相関度を演算する回路である。

【００２０】次に本実施の心拍数測定方法および心拍数
測定装置の動作について説明する。圧力センサユニット
１は、就寝中の被験者であれば、寝具の下に、また着座
状態であれば、座布団の下に敷いて、被験者の心拍数の
測定を行う。圧力センサユニット１はいわばエアーマッ
トに類するものであり、寝具もしくは着座部に敷いても
何らの違和感をあたえるものではなく、したがって被験
者には測定されていることを意識させずに測定を実施す
ることが可能となる。

【００２１】圧力センサユニット１の上に人が寝るかも
しくは座ると、体表面を伝わる心拍信号より圧力センサ
ユニット１内部に圧力変動が発生し、この圧力変動を低
周波用コンデンサマイクロフォン３でとらえる構造とな
っているので、圧力検出手段の取り付場所によるデータ
の差異がおこりにくい圧力検出手段を形成している。

【００２２】圧力センサユニット１には、体表面から伝
わる心拍による圧力だけではなく、その他の身体活動の
振動や、その他の様々な振動による圧力が加わり、これ
らがノイズとして心拍の信号に重なって検出される。心
拍は周期的な信号になるはずであるので、圧力センサユ
ニットの信号のうち周期的なものを検出することが必要
となり、このための手段として後述の心拍数解析ユニッ
ト８が用いられる。

【００２３】本発明の圧力センサユニット１のフレーム
２には空気の通入口であるエアー通入穴４を設けてあ
り、このエアー通入穴４は人が座ることによりおこるコ
ンデンサマイクロフオン３の飽和を防ぎ、なおかつ心拍
信号を検出する構造にするため空気の通入口を設けたも
ので、このエアー通入穴４のはたらきにより圧力センサ
ユニットは、超低域にカットオフ周波数をもつハイパス
フィルタ特性を機械的に実現している。超低域にカット
オフ周波数を有するハイパスフィルタ特性を電気回路或
いはその他の方法で実現するのは、困難であるのに引き
替え、本実施の圧力センサユニットでは呼吸などの超低
周波の周期的な圧力変動についての影響を除くことがで
きるという高い利用価値を有するものである。

【００２４】次に圧力センサユニットでとられた心拍信
号波形から、心拍を検出する方法について実際に被験者
に適用した場合に即して説明する。

【００２５】圧力センサユニット１を就寝中の被験者の
下になるようにもしくは着座の下になるように圧力セン
サユニット１を配置する。圧力センサユニット１の設置
形式としては、圧力センサユニット１の上に被験者が直
接寝る方式、圧力センサユニット１を寝具の下に挿入す
る方式、あるいは圧力センサユニット１を組み込んだ寝
具を用いる方式等が考えられる。圧力センサユニット１
の大きさは被験者が寝返りを打って移動することおよび
測定の感度とを併せて考慮して適当な面積を確保する必
要がある。

【００２６】圧力センサユニット１に取付けられた低周
波用コンデンサマイクロフォン３が採った心拍信号は２
０ｋＨｚのバンドパスフィルタ５を通った後増幅器６で
増幅され、Ａ／Ｄ変換器７を経由して心拍解析装置８に
送られる。ここで２０ｋＨｚのバンドパスフィルタ５を
用いるのは、明らかに心拍信号と異なるノイズを除去す
るためであり、Ａ／Ｄ変換器７は心拍解析装置において
コンピュータによるデジタル処理を行うために信号をデ
ジタル化するものである。

【００２７】図４は心拍数解析ユニット８の構造を示す
ものである。適応化平滑化回路９を用いてノイズの除去
を行うもので心拍信号に重畳しているノイズの特性を考
慮したノイズ除去回路となっている。すなわち、測定波
形においてノイズと心拍信号の周波数は近いところにあ
り、周波数帯域フィルタではノイズのみを除去すること
は難しいため、適応化平滑化法を用いてノイズを低減す
る方法を採用している。

【００２８】適応化平滑化法とは、信号波形の場所によ
る性質の違いを利用して観測波形の強度変化に適応して
平滑の程度を変化させるものである。一般に各観測点ご
とに近傍で局所的分散値を求め、この値の大きい部分
（変化の大きい部分）では平滑の程度を抑え、小さい部
分では大きく平滑化するものである。

【００２９】本発明の心拍数測定装置のように、直接に
人体にセンサを装着せずに測定を行おうとすると、心拍
信号の周波数と近い周波数のノイズが重なって来るとい
う不具合がある。その結果、通常のフィルタを通してノ
イズを除去する方法や移動平均法を用いてノイズをキャ
ンセル方法などでは心拍信号とノイズとを分離すること
が困難であり、これを図６の（ａ）測定心拍信号、
（ｂ）フィルタ処理した場合の測定データ、（ｃ）移動
平均処理した場合の測定データから知ることができる。

【００３０】一方、適応化平滑化回路９において適応化
平滑化法を用いてノイズ除去をおこなっ場合の測定デー
タを図５に示すが、（ａ）の測定データに対して、
（ｂ）の適応化平滑化処理した場合の測定データの方が
著しくノイズ除去できることが伺える。

【００３１】適応化平滑化されてノイズが除去された信
号波形から心拍数を検出するために、比較基準として心
拍の理想信号波形を生成し、これと測定信号波形とを比
較して心拍数を推定する。すなわち、心拍信号の周期
は、特定範囲内にありその信号波形は一様と考えられの
で、平滑化後のデータを適当な区問に分割しその区間ご
とに特定範囲内で可変の周期を持づ理想信号波形をつく
り、分割された心拍信号データに理想信号波形をタイム
シフトしながら畳み込みを求めて、相関度を算出する。
相関度の高い理想信号波形の周期を分割区間での心拍信
号波形の周期とすることにより心拍数が求められるの
で、この作業を全データに対して行うことで測定時間に
おける心拍数の変化を知ることができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の圧力センサユニットでは、心拍
数を検出するためのセンサを被験者の身体に直接取り付
ける必要がないため、被験者に苦痛もしくは不快感を与
えることがなく、安定した心拍信号を測定することがで
きる。

【００３３】また適応化平滑化法を用いたノイズ除去に
よって、フィルタや移動法などで除去できない心拍数と
似通った周波数のノイズ成分を効率良く除去することが
可能となり、心拍数の検出精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態にかかる圧力センサユニットの外
観図である。

【図２】本実施の形態にかかる圧力センサユニットに使
用する低周波用コンデンサマイクロフォンの構造を示す
説明図である。

【図３】本実施の信号処理の経路を示す説明図である。

【図４】本実施の信号処理に用いる心拍数解析ユニット
の構造を示す説明図である。

【図５】本実施にかかる適応化平滑化回路の適用効果を
示す測定データであって、（ａ）は測定信号波形データ
であり、（ｂ）は適応化平滑化信号波形である。

【図６】従来例のノイズ除去法の効果を示す測定データ
であって、（ａ）は測定信号波形データであり、（ｂ）
はフィルタ処理信号波形であり、（ｃ）は移動平均処理
信号波形である。

【符号の説明】

１ 圧力センサユニット ２ フレーム ３ 低周波用コンデンサマイクロフォン ４ エアー通入穴 ５ バンドパスフィルタ ６ 増幅器 ７ Ａ／Ｄ変換器 ８ 心拍数解析ユニット ９ 適応化平滑化回路 １０ 分割サンプリング回路 １１ 理想心拍波形生成回路 １２ 相関度演算回路 ２０ ケーシング ２１ 開口 ２２ スクリーン ２３ 対向電極 ２４ 増幅回路 ２５ 区画壁 ２６ 通孔 ２７ 後方チャンバー ２８ カーテン

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横臥姿勢もしくは着座姿勢の人体の下
   に、可撓体で形成された中空のフレームに圧力検出手段
   を組み込んだ圧力センサユニットを敷き、該圧力センサ
   ユニットの検出した信号波形と理想心拍信号波形との間
   の相関度を演算することによって心拍数を測定する心拍
   数測定方法。
2. 【請求項２】 前記圧力検出手段として低周波用コンデ
   ンサマイクロフォンを用いることを特徴とする心拍数測
   定方法。
3. 【請求項３】 前記圧力センサユニットの検出した信号
   波形に適応化平滑法を用いてノイズ成分を軽減する手段
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の心
   拍数測定方法。
4. 【請求項４】 可撓体からなる中空のフレームで形成さ
   れた圧力センサユニットと、該圧力センサユニットの検
   出した信号波形から心拍数を測定する心拍数解析手段と
   からなる心拍数測定装置において、低周波用のコンデン
   サマイクロフォンを前記圧力センサユニットの圧力検出
   手段として備えることを特徴とする心拍数測定装置。
5. 【請求項５】 前記心拍数解析手段は、心拍信号の特徴
   を有する理想心拍信号波形を生成し、該理想心拍信号波
   形と前記測定信号波形との相関度を演算することによっ
   て心拍数を測定することを特徴とする請求項４の心拍数
   測定装置。
6. 【請求項６】 前記心拍数解析手段は適応化平滑法を用
   いて心拍信号波形に重畳するノイズを低減することを特
   徴とする請求項５の心拍測数測定装置。