TWI583355B - Heart rate detection method and heart rate detection device - Google Patents

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TWI583355B TW104129166A TW104129166A TWI583355B TW I583355 B TWI583355 B TW I583355B TW 104129166 A TW104129166 A TW 104129166A TW 104129166 A TW104129166 A TW 104129166A TW I583355 B TWI583355 B TW I583355B
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Kazuhiko Takagahara
Ryusuke Kawano
Hiroshi Koizumi
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Description

心率檢測方法及心率檢測裝置 發明領域
本發明是涉及用於由心電圖波形抽出心率間隔(R-R間隔)等活體資訊之心率檢測方法及心率檢測裝置。
發明背景
ECG(Electrocardiogram、心電圖)波形是藉由觀測、記錄心臟之電性活動而成，一般方法是將電極安裝在身體表面而量測。ECG波形之導聯法、亦即電極之配置是具有使用四肢或胸部之各式各樣之種類。胸部導聯之中，V3~V5導聯是將電極配置在左胸。另外，適合長時間監測ECG波形之CC5導聯是將電極配置在左胸與右胸之對稱位置。該等導聯具有獲得振幅大小穩定之波形之優點。
於圖9顯示ECG波形之例。圖9之縱軸是電位，橫軸是時間。ECG波形是由連續之心率波形所成，1個心率波形是由分別反映心房、心室之活動之P波、Q波、R波、S波、T波等成分所成。
從ECG波形獲得之R-R間隔等活體資訊是作為反映自律神經之運作之指標而為人所知。取在日常生活中之ECG波形、從檢測出之心率來解析心率變動之資料，對評價自 律神經機能很有用。另外，還有從運動中之心率資料來推定運動負載而活用於其最佳化等之用途。
關於習知之心率檢測方法，如以下般之文獻是公知。在日本特開2002-78695號公報揭示到用於將ECG波形之基線之搖動去除之構成。另外，在日本特開2003-561號公報揭示到藉由根據波形之山與谷之振幅而獲得之閾值來認識R波之構成。
另外，在文獻「“ECG Implementation on the TMS320C5515 DSP Medical Development Kit(MDK)with the ADS1298 ECG-FE”,Texas Instruments Incorporated,<http：//www.ti.com/lit/an/sprabj1/sprabj1.pdf>,2011」記載到將ECG波形依據時間差分之值之變化而求出R-R間隔等之方法。該心率檢測方法具體而言是取第(n+1)個取樣值與第(n-1)個取樣值之差分之絕對值，基於閾值來檢測其峰，以2個峰之時間寬作為R-R間隔。
發明概要
然而，如上述般之心率檢測方法具有如下之問題點。要將日常生活或運動中之心率資料予以記錄或解析的情況下，與在安靜狀態下測量的情況不同，ECG波形可能會混有起因於身體動作等之雜訊。
圖10、圖11是說明習知之問題點的圖，橫軸是時間[ms]，縱軸是置換為數位值之電位[任意單位]。圖10、圖 11之X是顯示ECG波形之取樣資料之1例，圖中之R是顯示應被檢測作為心率之R波。圖10與圖11之ECG波形是同一物。
雖然在圖10、圖11之21000ms以後可見到標準之ECG波形之圖樣，但在21000ms以前之部分是有雜訊重疊於原來之ECG波形。即便要基於閾值來對如此之ECG波形檢測心率，亦會因為振幅之變動大，而難以設定適切之閾值。另外，即便配合峰值來使閾值逐次更新，但閾值在包含雜訊之部分會提升，結果，不包含雜訊之部分之心率會捕捉不到。
另一方面，還有基於ECG波形之變化率來檢測心率之方法。一般而言，ECG波形在進行資料處理上是當作離散資料串來處置。所以，求出ECG波形之變化率會是取ECG波形之時間差分的意思。圖10之DF是繪製針對ECG波形之取樣資料X之各時刻來將5ms後之值減去5ms前之值而獲得之值，亦即繪製1次差分。在標準之ECG波形，可藉由取時間差分而使從R波往S波之急遽變化變得醒目，讓檢測心率變容易。然而，在圖10之1次差分值DF，因為雜訊亦含有急遽變化之成分，故有將該等雜訊誤認為心率之虞，要基於1次差分值DF來檢測心率將變困難。在圖10是將易誤認為心率之雜訊表示成N。
另外，圖11之DS是繪製針對圖10之1次差分值DF之各時刻來將5ms後之值減去5ms前之值而獲得之值，亦即繪製2次差分。即便是圖11之2次差分值DS，除了源於心率 之峰之外，還含有易誤認為心率之雜訊之峰。
本發明是為了解決上述課題而建構之發明，其目的在於提供即便從有由身體動作等造成之雜訊重疊在ECG波形之資料亦可確切地檢測心率及其時刻之心率檢測方法及心率檢測裝置。
本發明之心率檢測方法包含有：算出步驟，由活體之心電圖波形之取樣資料串來依各取樣時刻而算出取樣資料之變化量或變化之程度；乘算步驟，依各取樣時刻而算出將時刻K之前述取樣資料之變化量或變化之程度、及該時刻K之取樣資料或由該時刻K回溯預定時間t之時刻之取樣資料予以乘算之乘算值；峰檢測步驟，檢測前述乘算值之峰；心率時刻決定步驟，以前述乘算值之峰之時刻作為心率時刻。
另外，本發明之心率檢測裝置具備有：算出手段，由活體之心電圖波形之取樣資料串來依各取樣時刻而算出取樣資料之變化量或變化之程度；乘算手段，依各取樣時刻而算出將時刻K之前述取樣資料之變化量或變化之程度、及該時刻K之取樣資料或由該時刻K回溯預定時間t之時刻之取樣資料予以乘算之乘算值；峰檢測手段，檢測前述乘算值之峰；心率時刻決定手段，以前述乘算值之峰之時刻作為心率時刻。
根據本發明，由活體之心電圖波形之取樣資料串 來依各取樣時刻而算出取樣資料之變化量或變化之程度，依各取樣時刻而算出將時刻K之取樣資料之變化量或變化之程度、及該時刻K之取樣資料或由該時刻K回溯預定時間t之時刻之取樣資料予以乘算之乘算值，檢測乘算值之峰而以該乘算值之峰之時刻作為心率時刻。本發明可強調伴隨心率來之峰成分，即便從有由身體動作等造成之雜訊重疊在心電圖波形之取樣資料串亦可正確地檢測心率。
1‧‧‧心電計
2‧‧‧記憶部
3‧‧‧差分值算出部
4‧‧‧乘算部
5‧‧‧峰檢測部
6‧‧‧心率時刻決定部
[圖1]圖1是說明本發明之原理的圖。
[圖2]圖2是說明本發明之原理的圖。
[圖3]圖3是說明本發明之原理的圖。
[圖4]圖4是說明本發明之原理的圖。
[圖5]圖5是顯示與本發明之實施例相關之心率檢測裝置之構成的方塊圖。
[圖6]圖6是說明與本發明之實施例相關之心率檢測裝置之差分值算出部與乘算部之動作的流程圖。
[圖7]圖7是說明與本發明之實施例相關之心率檢測裝置之峰檢測部與心率時刻決定部之動作的流程圖。
[圖8]圖8是說明與本發明之實施例相關之心率檢測裝置之峰檢測部之其他動作的流程圖。
[圖9]圖9是顯示心電圖波形之例的圖。
[圖10]圖10是說明習知之問題點的圖。
[圖11]圖11是說明習知之問題點的圖。
用以實施發明之形態
[發明原理]
圖1~圖4是說明本發明之原理的圖。在圖1~圖4也同樣令橫軸是時間[ms]、縱軸是置換為數位值之電位[任意單位]。
圖1是將圖10之一部分擴大的圖。可得知圖1中之R波之峰R1是位在1次差分值DF之峰D1之10ms前。所以，為了使峰R1與D1互相強調，追蹤將取樣值X之前後值之差分值(1次差分值DF)與該取樣值X之10ms前之取樣值予以乘算之資料串即可。
圖2是將圖11之一部分擴大的圖。可得知圖2中之R波之峰R1是與2次差分值DS之峰D2位在相同位置。
圖3是依各時刻來將圖10之各時刻之1次差分值DF、及圖10中之比該時刻前面10ms之取樣值X予以乘算而繪製。根據圖3，可得知相當於心率之峰M1受到強調，在圖10所看到之心率間之雜訊被削減，可基於閾值Th而檢測相當於心率之峰M1。
同樣地，圖4是依各時刻來將圖11之各時刻之2次差分值DS、及圖11中之該時刻之取樣值X予以乘算而繪製。根據圖4，可得知與圖3同樣地雜訊被削減，可基於閾值Th而檢測相當於心率之峰M2。
如以上，本發明是在ECG波形之取樣資料串將某時刻之取樣值之變化量或變化之程度、及該時刻之取樣值或由該時刻回溯預定時間t之時刻之取樣值予以乘算，以乘 算值之峰之時刻作為心率時刻。
ECG波形之取樣資料串是於每一心率含有相當於R波之峰成分。另外，ECG波形之取時間差分之資料串是於每一心率含有相當於R波~S波間之急遽變化之峰成分。亦即，於該等資料串分別含有源於相同搏動節奏之峰成分，若將該等資料串偏移某時間幅而重疊，則該等峰成分會同步。所以，可藉由將雙方之資料串以適切之條件相乘，而強調伴隨心率來之峰成分。另一方面，源於身體動作等之雜訊之變動成分是與心率無關係地出現，藉由將資料串相乘而大致有平滑化之傾向，因此，結果可僅使心率顯著而將易於檢測。
關於用於觀測伴隨R波~S波間之急遽變化而來之ECG波形變化之值，適合使用峰會呈現單峰性波形之1次差分或2次差分。在ECG波形之取樣資料串，某時刻K之取樣值之1次差分值是將時刻(K+W)之取樣值減去時刻(K-W)之取樣值之值(W舉例來說是5ms)。使用時刻K之取樣值之變化量、亦即使用1次差分值來作為與取樣值乘算之值的情況下，將1次差分值與由時刻K回溯預定時間t之時刻(K-t)之取樣值乘算即可。1次差分值之峰是出現在ECG波形之R波之峰之大約10~12ms後。所以，使用1次差分值的情況下，將預定時間t取10ms≦t≦12ms即可。
另外，時刻K之取樣值之2次差分值是將時刻(K+W)之取樣值之1次差分值減去時刻(K-W)之取樣值之1次差分值之值。使用時刻K之取樣值之變化之程度、亦即使 用2次差分值來作為與取樣值乘算之值的情況下，將2次差分值與時刻K之取樣值或由時刻K回溯預定時間t之時刻(K-t)之取樣值乘算即可。2次差分值之峰是出現在ECG波形之R波之峰之大約0~1ms後。所以，使用2次差分值的情況下，預定時間t取0ms<t≦1ms即可。
ECG波形之R波及S波是捕捉當心室肌之去極化從心內膜往心外膜進展之際之電位變化所伴隨之電流，其動作、速度不太受體型等個人差別影響，所以，該峰間之時間間隔亦大致固定。
[實施例]
以下，參考圖面來說明本發明之實施例。圖5是顯示與本發明之實施例相關之心率檢測裝置之構成的方塊圖。心率檢測裝置具備有心電計1、記憶部2、差分值算出部3(算出手段)、乘算部4(乘算手段)、峰檢測部5(峰檢測手段)、心率時刻決定部6(心率時刻決定手段)。
以下，說明本實施例之心率檢測方法。在此是說明檢測1個心率、算出其心率時刻為止之程序。藉由遍及ECG波形資料之期間而反覆進行如此之心率時刻之算出，可依序獲得心率時刻之時序列資料，亦可由此時序列資料算出心率變動之指標。
在本實施例，以對ECG波形取樣之資料串作為X(i)。i(i=1,2,…)是對1取樣之資料賦予之號碼。號碼i越大則取樣時刻越後面是自不在話下。另外，a是令在求取樣資料X(i)之1次差分值之際之時間間隔之一半(上述之W)除以 取樣間隔的整數。b是令在將取樣資料X(i)與取樣資料X(i)之1次差分值相乘之際設定之固定時間差t除以取樣間隔的整數。Th是用於求取樣資料X(i)與取樣資料X(i)之1次差分值之乘算值之峰的閾值。
心電計1是測定未圖示之活體(人體)之ECG波形，將ECG波形之取樣資料串X(i)輸出。此時，心電計1是對各取樣資料附加取樣時刻之資訊而輸出。附帶一提，由於ECG波形之具體測定方法是周知之技術，故詳細說明是予以省略。
記憶部2是記憶從心電計1輸出之ECG波形之取樣資料串X(i)與取樣時刻之資訊。
圖6是說明差分值算出部3與乘算部4之動作的流程圖。差分值算出部3是依各取樣時刻而算出取樣資料X(i)之1次差分值(X(i+a)-X(i-a))(圖6步驟S100)。
乘算部4是依各取樣時刻而算出取樣資料X(i)之1次差分值(X(i+a)-X(i-a))與由取樣資料X(i)回溯預定時間t之時刻之取樣資料X(i-b)之乘算值(X(i+a)-X(i-a))×X(i-b)(圖6步驟S101)。
圖7是說明峰檢測部5與心率時刻決定部6之動作的流程圖。峰檢測部5是檢索乘算值(X(i+a)-X(i-a))×X(i-b)超過閾值Th之點。
開始，峰檢測部5把用於將取樣資料串X(i)依序讀取之號碼(計數變數)i設定在初期值(在此為n)(圖7步驟S1)。接著，峰檢測部5將乘算部4所算出之乘算值(X(i+a)-X(i-a))×X(i-b) 與閾值Th進行比較(圖7步驟S2)。
當乘算值(X(i+a)-X(i-a))×X(i-b)等同於閾值Th或比較大時(步驟S2為否)，峰檢測部5判斷成在以i顯示之時刻之附近沒有乘算值之峰，令i=i+1(圖7步驟S3)，回到步驟S2。如此，反覆進行步驟S2、S3之處理直到乘算值(X(i+a)-X(i-a))×X(i-b)變得比閾值Th小。
若在步驟S2中乘算值(X(i+a)-X(i-a))×X(i-b)比閾值Th小，則峰檢測部5判斷成在以i顯示之時刻之附近有乘算值之峰，移往步驟S4以後之辨識峰位置之程序。
首先，峰檢測部5將峰值P假設地設定成(X(i+a)-X(i-a))×X(i-b)而記憶(圖7步驟S4)，將用於檢測乘算值之峰之計數變數j與顯示峰位置之變數k設定在1(圖7步驟S5)。
峰檢測部5將乘算部4所算出之乘算值(X(i+a+j)-X(i-a+j))×X(i-b+j)與現在之峰值P進行比較(圖7步驟S6)，當乘算值(X(i+a+j)-X(i-a+j))×X(i-b+j)等同於峰值P或比較大時(步驟S6為否)，不改變峰值P及變數k之值而移往步驟S9。
另外，當乘算值(X(i+a+j)-X(i-a+j))×X(i-b+j)比現在之峰值P小時，峰檢測部5將峰值P之值更新為(X(i+a+j)-X(i-a+j))×X(i-b+j)而記憶(圖7步驟S7)，將變數k置換為j(圖7步驟S8)，移往步驟S9。在步驟S9，峰檢測部5判定計數變數j是否未超過指定求峰值之範圍之預定值jmax。
若計數變數j未超過預定值jmax，則峰檢測部5令j=j+1(圖7步驟S10)，回到步驟S6。如此，反覆進行步驟S6~S10之處理直到計數變數j超過預定值jmax。若計數變數j超過預定值jmax，則峰檢測部5令基於計數變數j之峰值P之檢索結束。此時，最新之峰值P之時刻、亦即以(i+k)顯示之時刻成為心率時刻之候補。
接著，心率時刻決定部6判斷所檢測之心率時刻是否適切，作取捨選擇，而確定心率時刻。
首先，心率時刻決定部6判定以(i+k)顯示之時刻T與前面檢測之心率時刻T(-1)是否離開一定時間以上(圖7步驟S11)，當時刻T未與前面之心率時刻T(-1)離開一定時間以上的情況下，不將以(i+k)顯示之時刻T採用作為心率時刻而予以廢棄，移往步驟S3。
心率間隔有一般之正常值之範圍，若檢測到與其相比是非常短之心率間隔，則很有可能是將因為身體動作等而重疊在心電圖波形之雜訊等誤認作為心率。藉由設下要求所檢測之乘算值之峰之時刻T與前面之心率時刻T(-1)離開一定時間以上之條件，可防止由雜訊等造成之誤檢測。
再者，心率時刻決定部6判定將以(i+k)顯示之時刻T視為心率時刻的情況下之心率間隔(T-T(-1))是否從前面之心率間隔(T(-1)-T(-2))增加一定比例以上(圖7步驟S12)，若心率間隔之增加率(T-T(-1))/(T(-1)-T(-2))為一定值以上，則為心率間隔增加一定比例以上，不將以(i+k)顯示之時刻T採用 作為心率時刻而予以廢棄，移往步驟S3。
某心率檢測失敗的情況下，以該心率之前後之心率之心率間隔來獲得之資料將成為與實際相比2倍左右之大的值，用在自律神經機能之評價等並不適當。藉由設下要求檢測之心率間隔不增加一定比例以上之條件，可將心率檢測失敗之錯誤資料從活體資訊之解析對象去除。
若以(i+k)顯示之時刻T與前面之心率時刻T(-1)離開一定時間以上、心率間隔之增加率(T-T(-1))/(T(-1)-T(-2))未滿一定值，則心率時刻決定部6將以(i+k)顯示之時刻T採用作為心率時刻(圖7步驟S13)。
步驟S13結束後，令i=i+1而回到步驟S2。藉此，開始下個心率之檢測。或者，亦可以使與比應檢測之心率間隔之最低值還小之某一定時間相當之數量之i值跳過，而回到步驟S2。藉由如此地反覆進行步驟S2~S13之處理，可獲得心率時刻之時序列資料，由該時序列資料獲得心率變動之指標。
附帶一提，閾值Th亦可以是基於至今為止之峰值P之平均等而依序更新。此情況之流程圖是顯示於圖8。峰檢測部5只要在步驟S9判定「是」之時點，將對測定開始時以後所檢測之峰值P之平均值乘上預定之係數r後之值當作最新之閾值Th來更新即可(圖8步驟S14)。在要檢設第m個心率之時點，第(m-1)個峰值P已檢測完畢，由於檢測新的峰值P之後是獲得合計m個峰值P，故對m個峰值P之平均值乘上係數r。附帶一提，在步驟S11、S12判定「否」之峰值不 使用在該閾值Th之算出。
ECG波形會因為個人差異或電極之安裝情形而造成各成分之振幅或變化之程度不同。可藉由令用於檢測乘算值之峰之閾值Th是基於至今為止之峰值P之平均來設定，而減低起因於個人差異等之波形不同之影響。圖8之步驟S14以外之處理是如圖7之說明。
本實施例之心率檢測方法在適用於獲得大的R波與深的S波之ECG之導聯、例如V3或V5導聯之ECG波形之情形下，可獲得顯著之效果。另外，尤其適合適用於當取日常生活中之ECG波形之際常用之CC5或類似之導聯之ECG波形。
依照本實施例之心率檢測方法，可獲得正確之心率時刻之資料串，基於該資料串可獲得信賴性高之心率變動之指標。
附帶一提，本實施例雖然是針對使用取樣資料之1次差分值來檢測心率之情況而進行說明，但亦可如上述而使用2次差分值。此情況下，差分值算出部3是依各取樣時刻而算出取樣資料X(i)之2次差分值(圖6步驟S100)。若令取樣資料X(i)之1次差分值是DF(i)=(X(i+a)-X(i-a))，則取樣資料X(i)之2次差分值會是(DF(i+a)-DF(i-a))。
所以，乘算部4將會是依各取樣時刻而算出取樣資料X(i)之2次差分值(DF(i+a)-DF(i-a))與取樣資料X(i)之乘算值(DF(i+a)-DF(i-a))×X(i)、或2次差分值(DF(i+a)-DF(i-a))與由取樣資料X(i)回溯預定時間t之時刻之取樣資料X(i-b) 之乘算值(DF(i+a)-DF(i-a))×X(i-b)(圖6步驟S101)。
在圖7、圖8之說明中，將乘算值(X(i+a)-X(i-a))×X(i-b)置換為(DF(i+a)-DF(i-a))×X(i)或(DF(i+a)-DF(i-a))×X(i-b)、將乘算值(X(i+a+j)-X(i-a+j))×X(i-b+j置換為(DF(i+a+j)-DF(i-a+j))×X(i+j)或(DF(i+a+j)-DF(i-a+j))×X(i-b+j)即可。如此，可使用取樣資料之2次差分值來檢測心率。
在本實施例所說明之記憶部2與差分值算出部3與乘算部4與峰檢測部5與心率時刻決定部6可藉由具備有CPU(Central Processing Unit)與記憶裝置與介面之電腦、控制該等硬體資源之程式來實現。CPU是依循記憶裝置所儲存之程式而實行在本實施例所說明之處理。
[產業利用性]
本發明可適用於檢測活體之心率之技術。
1‧‧‧心電計
2‧‧‧記憶部
3‧‧‧差分值算出部
4‧‧‧乘算部
5‧‧‧峰檢測部
6‧‧‧心率時刻決定部

Claims (8)

  1. 一種心率檢測方法，其特徵在於包含以下步驟：算出步驟，由活體之心電圖波形之取樣資料串來依各取樣時刻而算出取樣資料之變化量或變化之程度；乘算步驟，依各取樣時刻而算出將時刻K之前述取樣資料之變化量或變化之程度、及該時刻K之取樣資料或由該時刻K回溯預定時間t之時刻之取樣資料予以乘算之乘算值；峰檢測步驟，檢測前述乘算值之峰；心率時刻決定步驟，以前述乘算值之峰之時刻作為心率時刻。
  2. 如請求項1之心率檢測方法，其中前述峰檢測步驟是檢測前述乘算值比閾值低且成為峰之點。
  3. 如請求項2之心率檢測方法，其中前述峰檢測步驟包含基於所檢測之乘算值之峰之平均而將前述閾值更新之步驟。
  4. 如請求項1之心率檢測方法，其中前述心率時刻決定步驟判定前述乘算值之峰之時刻與前面之心率時刻是否離開一定時間以上，若未與前面之心率時刻離開一定時間以上，則不將前述乘算值之峰之時刻採用作為心率時刻。
  5. 如請求項1之心率檢測方法，其中前述心率時刻決定步驟判定將前述乘算值之峰之時刻視為心率時刻的情況 下之心率間隔是否從前面之心率間隔增加一定比例以上，若心率間隔增加一定比例以上，則不將前述乘算值之峰之時刻採用作為心率時刻。
  6. 如請求項1之心率檢測方法，其中前述取樣資料之變化量是取樣資料之1次差分值，前述乘算步驟是依各取樣時刻而算出將時刻K之取樣資料之1次差分值、及由該時刻K回溯預定時間t之時刻之取樣資料予以乘算之乘算值，前述預定時間t是10ms≦t≦12ms。
  7. 如請求項1之心率檢測方法，其中顯示前述取樣資料之變化之程度之值是取樣資料之2次差分值，前述乘算步驟是依各取樣時刻而算出將時刻K之取樣資料之2次差分值、及該時刻K之取樣資料或由該時刻K回溯預定時間t之時刻之取樣資料予以乘算之乘算值，前述預定時間t是0ms<t≦1ms。
  8. 一種心率檢測裝置，其特徵在於具備有：算出手段，由活體之心電圖波形之取樣資料串來依各取樣時刻而算出取樣資料之變化量或變化之程度；乘算手段，依各取樣時刻而算出將時刻K之前述取樣資料之變化量或變化之程度、及該時刻K之取樣資料或由該時刻K回溯預定時間t之時刻之取樣資料予以乘算之乘算值；峰檢測手段，檢測前述乘算值之峰； 心率時刻決定手段，以前述乘算值之峰之時刻作為心率時刻。
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