JP2009195590A - 生体情報処理装置、生体情報処理装置の制御方法および制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】生体情報処理装置を装着しているユーザが行っている運動の種類が異なることに
よりノイズ成分が異なることの影響を低減して、脈拍数を用いた演算を正確に行う。
【解決手段】生体情報処理装置は、脈拍センサ３０および体動センサ３０２により脈拍数
を検出し、信号処理回路３０５において、適応フィルタを用いてノイズを除去するに際し
、運動の種類に応じてフィルタ係数を設定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、生体情報処理装置、生体情報処理装置の制御方法および制御プログラムに
係り、特に被験者（ユーザ）毎により正確に消費カロリーを推定することが可能な生体情
報処理装置、生体情報処理装置の制御方法および制御プログラムに関する。

従来、ユーザに装着されて当該ユーザの脈拍数などの生体情報を処理する生体情報処理
装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような生体情報処理装置においては、ノイズとしてのユーザの体動成分を除去する
ため適応フィルタを用いているものがある。
特許第３２５０６２２号

この場合において、運動の種類によっては、ノイズ成分（体動成分）も異なるため、一
定のパラメータを用いた適応フィルタを用いた場合、運動の種類によってはうまくノイズ
が除去できないこととなり、ひいては、算出する脈拍数が不正確となるおそれがあり、さ
らには、この脈拍数に基づいた処理、例えば、消費カロリーの計算も行えないおそれがあ
った。
そこで、本発明の目的は、生体情報処理装置を装着しているユーザが行っている運動の
種類が異なることにより脈波信号に含まれるノイズ成分が異なることの影響を低減して、
正確に脈拍数を検出し、ひいては、消費カロリー計算などのように、脈拍数を用いた演算
を正確に行うことができる生体情報処理装置、生体情報処理装置の制御方法および制御プ
ログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、ユーザに装着され、当該ユーザにお
ける運動時の生体情報を検出し、処理する生体情報処理装置であって、脈波成分を検出し
脈波検出信号を出力する脈波検出部と、体動成分を検出し体動成分検出信号を出力する体
動成分検出部と、所定のフィルタ係数、前記脈波検出信号及び前記体動成分検出信号に基
づいて前記脈波検出信号から前記体動成分を除去する適応フィルタ部と、前記運動の種類
をユーザに入力させ、設定するための運動種類設定部と、設定された前記運動の種類に応
じて前記フィルタ係数を設定するフィルタ係数設定部と、を備えたことを特徴としている
。
上記構成によれば、脈波検出部は、脈波成分を検出し脈波検出信号を出力する。
体動成分検出部は、体動成分を検出し体動成分検出信号を出力する。
一方、運動種類設定部は、運動の種類をユーザに入力させ、設定し、フィルタ係数設定
部は、定された運動の種類に応じてフィルタ係数を設定する。
こららの結果、適応フィルタ部は、運動の種類に応じたフィルタ係数を用いて、脈波検
出信号から前記体動成分を除去する。
したがって、運動の種類が異なることにより脈波検出信号に含まれるノイズ成分が異な
ることの影響を低減して、正確に体動成分を除去することができる。
第２の態様は、第１の態様において、前記フィルタ係数設定部において設定されるフィ
ルタ係数は、ステップサイズであるようにしてもよい。
また、第３の態様は、第１の態様または第２の態様において、前記体動成分検出部を構
成するセンサは、ユーザの腕に装着される少なくとも２軸の加速度センサであり、前記体
動成分を、前記加速度センサにより検出される加速度成分のうち前記腕の延在方向の加速
度成分、前記ユーザの手の甲に平行で、前記腕の延在方向に直交する方向の加速度成分と
して検出するようにしてもよい。
第４の態様は、第１の態様ないし第３の態様において、前記適応フィルタ部の出力信号
に基づいて、脈拍数を算出し、この算出した脈拍数に基づいて酸素摂取量を算出し、この
酸素摂取量に基づいて生体情報を算出するようにしてもよい。
第５の態様は、第４の態様において、算出される前記生体情報は、消費カロリーである
ようにしてもよい。
また、第６の態様は、脈波成分を検出し脈波検出信号を出力する脈波センサと、体動成
分を検出し体動成分検出信号を出力する体動センサと、前記脈波検出信号から前記体動成
分を除去する適応フィルタと、を備え、ユーザに装着されて当該ユーザの生体情報を処理
する生体情報処理装置の制御方法であって、前記ユーザが行う運動の種類を入力させ、設
定するための運動種類設定過程と、前記設定された運動の種類に応じて前記適応フィルタ
のフィルタ係数を設定するフィルタ係数設定過程と、を備えたことを特徴としている。
上記構成によれば、運動の種類が異なることにより脈波検出信号に含まれるノイズ成分
が異なることの影響を低減して、正確に体動成分を除去することができる。
また、第７の態様は、脈波成分を検出し脈波検出信号を出力する脈波センサと、体動成
分を検出し体動成分検出信号を出力する体動センサと、前記脈波検出信号から前記体動成
分を除去する適応フィルタと、を備え、ユーザに装着されて当該ユーザの生体情報を処理
する生体情報処理装置をコンピュータにより制御するための制御プログラムであって、前
記ユーザが行う運動の種類を入力させて設定させ、前記設定された運動の種類に応じて前
記適応フィルタのフィルタ係数を設定させる、ことを特徴としている。
上記構成によれば、運動の種類が異なることにより脈波検出信号に含まれるノイズ成分
が異なることの影響を低減して、正確に体動成分を除去することができる。

本発明によれば、ユーザが行っている運動の種類が異なることに起因して、脈波信号に
含まれるノイズ成分が異なることの生体情報処理への影響を低減して、正確に脈拍数を検
出し、ひいては、消費カロリー計算などのように、脈拍数を用いた演算を正確に行うこと
ができる。

次に本発明の好適な実施の形態について説明する。
図１は、実施形態の生体情報処理装置の構成を示す説明図である。
図２は、生体情報処理装置の脈拍センサ近傍の断面図である。
本実施形態においては、生体情報として脈拍を用い、生体情報値として脈拍数を検出し
、さらに検出した脈拍数から消費カロリー量を算出するものとする。
生体情報処理装置１は、大別すると、腕時計型の装置本体１０と、この装置本体１０に
接続されるケーブル２０と、このケーブル２０の先端側に設けられ、センサ固定用バンド
４０により小指に密着するように固定された脈拍センサ３０と（図２参照）、を備えて構
成されている。
装置本体１０には、腕時計における１２時方向から腕に巻きついてその６時方向で固定
されるリストバンド１２が設けられている。このリストバンド１２によって、装置本体１
０は、腕に着脱自在に装着される。

脈拍センサ３０は、図２に示すように、センサ固定用バンド４０によって遮光された状
態で小指の根元から指関節までの間に装着されている。このように、脈拍センサ３０を指
の根元に装着することにより、ケーブル２０が短くて済むので、ケーブル２０は、ランニ
ング中に邪魔にならない。また、掌から指先までの体温の分布を計測すると、寒いときに
は、指先の温度が著しく低下するのに対し、指の根元の温度は比較的低下しない。したが
って、指の根元に脈拍センサ３０を装着すれば、寒い日に屋外でランニングしたときでも
、脈拍数などを正確に計測できるのである。なお、脈拍センサ３０を装着する指は、小指
に限らず、他の指でも良い。

図３は、生体情報処理装置１の装置本体１０を、リストバンドやケーブルなどを外した
状態で示す平面図、図４は、生体情報処理装置１を腕時計における３時の方向からみた側
面図である。
図３において、装置本体１０は、樹脂製の時計ケース１１（本体ケース）を備えている
。時計ケース１１の表面側には、現在時刻や日付に加えて、走行時や歩行時のピッチ、及
び脈拍数などの脈波情報などを表示するＥＬバックライト付きの液晶表示装置１３（表示
装置）が設けられている。
液晶表示装置１３には、表示面の左上側に位置する第１のセグメント表示領域１３１、
右上側に位置する第２のセグメント表示領域１３２、右下側に位置する第３のセグメント
表示領域１３３、及び左下側に位置するドット表示領域１３４が構成されており、ドット
表示領域１３４では、各種の情報をグラフィック表示可能である。
時計ケース１１の内部には、ピッチを求めるための体動センサ３０２（図６参照）が内
蔵されており、この体動センサ３０２としては、加速度センサなどを用いることができる
。

また、時計ケース１１の内部には、各種の制御やデータ処理を行う制御部５が設けられ
ている。
この制御部５は、体動センサ３０２による検出結果（体動信号）および脈拍センサ３０
による検出結果（脈波信号）に基づいて脈拍数、ひいては、消費カロリーを算出し、被験
者であるユーザの消費カロリーを液晶表示装置１３で表示する。
この場合において、制御部５には、計時回路も構成されているため、通常時刻なども液
晶表示装置１３に表示可能となっている。
また、時計ケース１１の外周部（側面部）には、図４に示すように、時刻合わせや表示
モードの切り換えなどの外部操作を行うためのボタンスイッチ１１１〜１１５が設けられ
ている。また、時計ケースの正面の表面には、運動中の操作を想定した大きめのボタンス
イッチ１１６、１１７が構成されている。

生体情報処理装置１の電源は、時計ケース１１に内蔵されているボタン形の小型の電池
５９（図３参照）であり、ケーブル２０は、電池５９から脈拍センサ３０に電力を供給す
るとともに、脈拍センサ３０の検出結果を時計ケース１１の制御部５に入力している。
生体情報処理装置１では、その機能を増やすに伴って、装置本体１０を大型化する必要
がある。しかしながら、装置本体１０には、腕に装着されるという制約があるため、装置
本体１０を腕時計における６時及び１２時の方向に向けては拡大できない。
そこで、本実施形態では、図４に示すように、装置本体１０には、３時及び９時の方向
における長さ寸法が６時及び１２時の方向における長さ寸法よりも長い横長の時計ケース
１１を用いてある。
この場合において、リストバンド１２は、３時の方向側に偏った位置で接続しているた
め、リストバンド１２からみると、腕時計における９時の方向には、３時の方向とは異な
り張出部分１０１が設けられている。したがって、横長の時計ケース１１を用いたわりに
は、手首を自由に曲げることができ、また、転んでも手の甲を時計ケース１１にぶつけた
りすることもない。

時計ケース１１の内部において、電池５９に対して９時の方向には、図４に一点鎖線で
示すように、ブザー用の偏平な圧電素子５８が配置されている。電池５９は、圧電素子５
８に比較して重いため、装置本体１０の重心位置は、３時の方向に偏った位置にある。こ
の重心が偏っている側にリストバンド１２が接続しているので、装置本体１０を腕に安定
した状態で装着できる。また、電池５９と圧電素子５８とを平面方向に配置してあるため
、装置本体１０を薄型化できる。
これとともに、図４に示すように、裏面部１１９に電池蓋１１８を設けることによって
、ユーザは、電池５９を簡単に交換できる。
図４において、時計ケース１１の１２時の方向には、リストバンド１２の端部に取り付
けられた止め軸１２１を保持するための連結部１０５が形成されている。時計ケース１１
の６時の方向には、腕に巻かれたリストバンド１２が長さ方向の途中位置で折り返される
とともに、この途中位置を保持するための留め具１２２が取り付けられる受け部１０６が
形成されている。

装置本体１０の６時の方向において、裏面部１１９から受け部１０６に至る部分は、時
計ケース１１と一体に成形されて裏面部１１９に対して約１１５［゜］の角度をなす回転
止め部１０８になっている。すなわち、リストバンド１２によって装置本体１０を左の手
首Ｌ（腕）の上面部Ｌ１（手の甲の側）に位置するように装着したとき、時計ケース１１
の裏面部１１９は、手首Ｌの上面部Ｌ１に密着する。これと並行して、回転止め部１０８
は、橈骨Ｒのある側面部Ｌ２に当接する。
この状態で、装置本体１０の裏面部１１９は、橈骨Ｒと尺骨Ｕを跨ぐ感じになる。これ
とともに、回転止め部１０８と裏面部１１９との屈曲部分１０９から回転止め部１０８に
かけては、橈骨Ｒに当接する感じになる。このように、回転止め部１０８と裏面部１１９
とは、約１１５°という解剖学的に理想的な角度をなしているため、装置本体１０を矢印
Ａまたは矢印Ｂの方向に回そうとしても、装置本体１０は、腕の周りで不必要にずれるこ
とがない。
また、裏面部１１９及び回転止め部１０８によって腕の回りの片側２ヵ所で装置本体１
０の回転を規制するだけである。このため、腕が細くても、裏面部１１９及び回転止め部
１０８は確実に腕に接するので、回転止め効果が確実に得られる。さらに、腕が太くても
窮屈な感じがない。

図５は、実施形態の脈拍センサ３０の断面図である。
図５において、脈拍センサ３０は、そのケース体としてのセンサ枠３６の裏側に裏蓋４
０８が被されることによって、内側に部品収納空間４００が構成されている。部品収納空
間４００の内部には、回路基板３５が配置されている。回路基板３５には、ＬＥＤ３１、
フォトトランジスタ３２、その他の電子部品が実装されている。脈拍センサ３０には、ブ
ッシュ４９３によってケーブル２０の端部が固定され、ケーブル２０の各配線は、各回路
基板３５のパターン上にはんだ付けされている。ここで、脈拍センサ３０は、ケーブル２
０が指の根元側から装置本体１０の側に引き出されるようにして指に取り付けられる。し
たがって、ＬＥＤ３１及びフォトトランジスタ３２は、指の長さ方向に沿って配列される
ことになり、そのうち、ＬＥＤ３１は指の先端側に位置し、フォトトランジスタ３２は指
の根元の方に位置する。このように配置すると、外光がフォトトランジスタ３２に届きに
くいという効果がある。

脈拍センサ３０では、センサ枠３６の上面部分（実質的な脈波信号検出部）にガラス板
からなる透光板３４によって光透過窓が形成されている。そして、この透光板３４に対し
て、ＬＥＤ３１及びフォトトランジスタ３２は、それぞれ発光面及び受光面を透光板３４
の方に向けている。このため、透光板３４の外側表面４４１（指表面との接触面／センサ
面）に指表面を密着させると、ＬＥＤ３１は、指表面の側に向けて光を発する。これとと
もに、フォトトランジスタ３２は、ＬＥＤ３１が発した光のうち指の側から反射してくる
光を受光可能である。ここで、透光板３４の外側表面４４１と指表面との密着性を高める
目的に、透光板３４の外側表面４４１は、その周囲部分４６１から突出している構造にな
っている。

本実施形態では、ＬＥＤ３１として、ＩｎＧａＮ系（インジウム−ガリウム−窒素系）
の青色ＬＥＤを用いてあり、その発光スペクトルは、４５０ｎｍに発光ピークを有してい
る。さらにＬＥＤ３１の発光波長領域は、３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にある。
かかる発光特性を有するＬＥＤ３１に対応させて、本例では、フォトトランジスタ３２と
して、ＧａＡｓＰ系（ガリウム−砒素−リン系）のフォトトランジスタを用いている。フ
ォトトランジスタ３２自身の受光波長領域は、主要感度領域が３００ｎｍから６００ｎｍ
までの範囲にあって、３００ｎｍ以下にも感度領域がある。

このように構成した脈拍センサ３０を、センサ固定用バンド４０によって指の根元に装
着し、この状態で、ＬＥＤ３１から指に向けて光を照射すると、この光が血管に届いて血
液中のヘモグロビンによって光の一部が吸収され、一部が反射する。指（血管）から反射
してきた光は、フォトトランジスタ３２によって受光され、その受光量変化が血量変化（
血液の脈波）に対応する。すなわち、血量が多いときには、反射光が弱くなる一方、血量
が少なくなると、反射光が強くなるので、反射光強度の変化を検出すれば、脈拍数を含む
各種生体情報などを計測できる。

また、本実施形態では、ＬＥＤ３１の発光波長領域とフォトトランジスタ３２の受光波
長領域との重なり領域である約３００ｎｍから約６００ｎｍまでの波長領域、すなわち、
約７００ｎｍ以下の波長領域における検出結果に基づいて生体情報を表示する。
このような構成を採っている理由は、外光が指の露出部分にあたっても、外光に含まれ
る光のうち波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を導光体としてフォトトランジスタ３２
（受光部）にまで到達しないからである。これは、外光に含まれる波長領域が７００ｎｍ
以下の光は、指を透過しにくい傾向にあるためである。したがって、外光がセンサ固定用
バンド４０で覆われていない指の部分に照射されても、指を通ってフォトトランジスタ３
２まで届かず、測定結果に影響を与えることがないのである。
また、約７００ｎｍ以下の波長領域の光を利用して、脈波情報を得ているので、血量変
化に基づく脈波信号のＳ／Ｎ比が高い。この理由としては、血液中のヘモグロビンは、波
長が３００ｎｍから７００ｎｍまでの光に対する吸光係数が従来の検出光である波長が８
８０ｎｍの光に対する吸光係数に比して数倍〜約１００倍以上大きいからと考えられる。
したがって、血量変化に感度よく変化するので、血量変化に基づく脈波の検出率（Ｓ／Ｎ
比）が高くなるのであると考えられる。

図６は、制御部周辺の概要構成ブロック図である。
制御部５は、大別すると、脈拍センサ３０からの入力結果に基づいて脈拍数などを求め
る脈波データ処理部５００と、体動センサ３０２からの入力結果に基づいてピッチを求め
るピッチデータ処理部５０１と、動作クロック信号を生成するクロック生成部５０２と、
制御部全体を制御するコントロール部５０３と、が構成されている。
脈波データ処理部５００は、大別すると、脈波信号増幅回路３０３と、脈波波形整形回
路３０６と、を独自に備え、ピッチデータ処理部５０１と共有して信号処理回路（ＤＳＰ
）３０５を備えている。
脈波信号増幅回路３０３は、脈拍センサ３０の出力である脈波信号を増幅して脈波増幅
信号を信号処理回路３０５および脈波波形整形回路３０６に出力する。
脈波波形整形回路３０６は、脈波増幅信号の波形整形を行ってコントロール部５０３に
出力する。

脈波データ処理部５００における信号処理回路３０５は、脈波増幅信号の信号処理を行
って脈波データとしてコントロール部５０３に出力する。
ピッチデータ処理部５０１は、大別すると、体動信号増幅回路３０４と、体動波形整形
回路３０７と、を独自に備え、上述したように脈波データ処理部５００と共有して信号処
理回路３０５を備えている。
体動信号増幅回路３０４は、体動センサ３０２の出力である体動信号を増幅して体動増
幅信号を信号処理回路３０５および体動波形整形回路３０７に出力する。
体動波形整形回路３０７は、体動増幅信号の波形整形を行ってコントロール部５０３に
出力する。
ピッチデータ処理部５０１における信号処理回路３０５は、体動増幅信号の信号処理を
行って体動データとしてコントロール部５０３に出力する。

クロック生成部５０２は、大別すると、発振回路３１２および分周回路３１３を備えて
いる。
発振回路３１２は、水晶発振器などを備え、コントロール部５０３にクロック信号を基
準動作クロックとして供給するとともに、クロック信号から計時用クロック信号を生成さ
せるべく、分周回路３１３に供給する。
分周回路３１３は、供給されたクロック信号を分周して、各種の計時用クロック信号を
生成してコントロール部５０３に供給する。
コントロール部５０３は、大別すると、ＭＰＵ３０８と、ＲＡＭ３０９と、ＲＯＭ３１
０と、通信部３１１と、を備えている。

ＭＰＵ３０８は、ＲＯＭ３１０内に格納された制御プログラムに基づいて制御部５全体
、ひいては、生体情報処理装置１全体を制御する。
ＲＡＭ３０９は、脈波データ、体動データを含む各種データを一時的に格納し、作業領
域として用いられる。
ＲＯＭ３１０は、ＭＰＵ３０８、ひいては、生体情報処理装置１全体を制御するための
制御プログラムをあらかじめ格納している。
通信部３１１は、ＭＰＵ３０８の制御の下、通信用コネクタを介して接続された外部機
器と、データの送受信を行う。すなわち、外部機器に測定データを出力したり、外部機器
から当該生体情報処理装置１の設定データの入力をしたりすることが可能となっている。

ここで、信号処理回路３０５について詳細に説明する。
図７は、信号処理回路３０５の概要構成ブロック図である。
信号処理回路３０５は、大別すると、入力された脈波増幅信号あるいは体動増幅信号の
Ａ／Ｄ変換を行って原脈波データあるいは体動データとして出力するＡ／Ｄ変換回路３０
５Ａと、原脈波データおよび体動データが入力され、体動データに基づいて原脈波データ
に含まれるノイズ成分（体動成分）を除去して脈波データとして出力する適応フィルタ回
路３０５Ｂと、を備えている。

図８は、適応フィルタ回路の原理構成ブロック図である。
適応フィルタ回路３０５Ｂは、あるタイミングで入力された体動データｘ（ｋ）および
インパルス応答ｈに基づいて同一タイミングで入力された原脈拍データｍ（ｋ）に含まれ
ていると推定されるノイズ、すなわち、推定ノイズデータｙ（ｋ）を生成するフィルタ部
４０１と、入力された原脈波データｍから推定ノイズデータｙ（ｋ）を減算して目的デー
タである脈波データｅ（ｋ）として出力する減算部４０２と、脈波データｅ（ｋ）に基づ
いてステップサイズμを含むフィルタ係数を設定するフィルタ係数設定部４０３と、を備
えている。
上記構成により、適応フィルタ回路３０５Ｂのフィルタ部４０１は、入力された体動デ
ータｘ（ｋ）およびインパルス応答ｈに基づいて原脈拍データｍ（ｋ）に含まれていると
推定されるノイズ、すなわち、推定ノイズデータｙ（ｋ）を生成し、減算部４０２に出力
する。
減算部４０２は、入力された原脈波データｍから推定ノイズデータｙ（ｋ）を減算して
目的データである脈波データｅ（ｋ）として出力する。
これと並行して、フィルタ係数設定部４０３は、脈波データｅ（ｋ）に基づいてステッ
プサイズμを含むフィルタ係数を設定する。

ここで、フィルタ係数設定部４０３におけるステップサイズμの設定について検討する
。
ステップサイズμは、をより小さくすると、フィルタの重みの補正は、各サンプルに対
して、より小さくなり、誤差は、ゆっくり減っていくこととなる。一方、ステップサイズ
μを大きくすると、各ステップに対する重みは大きくなり、誤差は急激に小さくなるが、
結果の誤差は、理想的な解に近付かない、すなわち、集束しなくなる可能性がある。
したがって、良い収束比と安定性を確保するため、所定の範囲で最適なステップサイズ
μを選択する必要がある。
そこで、発明者らは、最適なステップサイズμの設定について検討するために、後述す
る複数種類の運動毎にサンプリングしたデータに基づいて、重み付き平均を取るときの重
みであるタップ係数パラメータＴＡＰ、ステップサイズμを設定するためのＸ軸加速度に
対応するパラメータαｘおよびパラメータβｘ、ステップサイズμを設定するためのＹ軸
−Ｚ軸合成加速度に対応するパラメータαｙｚおよびパラメータβｙｚを適宜変更しなが
ら、脈の検出率およびフィルタによるＳ／Ｎの向上割合について検討した。

以下、詳細に説明する。
運動種類としては、以下の５種類について検討した。
（運動種類１）正常歩行
脈とピッチ（体動）が重ならなかった正常な歩行運動である。
（運動種類２）正常走行
脈とピッチ（体動）が重ならなかった正常な走行運動である。
（運動種類３）重なり運動
脈とピッチ（体動）が重なってしまう重なりが生じる運動であり、例えば、歩行運動、
スポーツ心臓を有するユーザの運動等が含まれる。
（運動種類４）握り運動
体動センサである加速度センサを腕に装着している場合に、当該腕を固定した状態で行
う運動であり、加速度にノイズが現れずに、脈にノイズが含まれる運動である。例えば、
バイクこぎ運動、手すりトレッドミルによる運動などが含まれる。
（運動種類５）脈あるいはピッチの急変運動
脈拍数あるいはピッチ（体動）が急激に変化して特徴的なスペクトルが出にくい運動で
ある。例えば、坂道における運動、インターバル運動、階段の昇り降りの運動などが含ま
れる。
なお、本検討においては、この脈あるいはピッチの急変運動については、インターバル
運動および階段の昇り降りの運動について検討した。

次にステップサイズμについて説明する。
ステップサイズμは、次式により表される。
μ＝α／（β＋Ｐ（ｎ））
ここで、Ｐ（ｎ）＝Σｘ（ｎ）^{^2}
Ｐは、パワー、ｎはデータ数、ｘはノイズ成分であり、ｎ＝０、すなわち、
Ｐ（０）＝ＴＡＰとなる。

図９は、各パラメータの設定値の説明図である。
本検討においては、タップ係数パラメータＴＡＰ、パラメータαｘ、パラメータβｘ、
パラメータαｙｚおよびパラメータβｙｚのそれぞれについてあらかじめ品質工学によっ
て大まかな傾向をつかんだ上で、図９に示すように、おのおの３つの値を設定して、脈の
検出率およびフィルタによるＳ／Ｎの向上割合についてデータを計測した。
脈の検出率とは、全体の計測データに対して正しい脈が検出できた割合であり、次式に
より表される。
検出率＝（脈検出データ数／計測データ数）
また、フィルタによるＳ／Ｎの向上割合（改善率）とは、
向上割合＝フィルタリング後のパワー比ＳＮ３／フィルタリング前のパワー比ＳＮ
３
ここで、パワー比ＳＮ３は、ＦＦＴの結果に基づいて次式により表される。
ＳＮ３＝脈拍数に相当する周波数およびその前後の周波数のパワーの和

図１０は、正常歩行時の検出率の説明図である。
図１１は、正常歩行時のＳ／Ｎの向上割合（改善率）の説明図である。
図１２は、正常走行時の検出率の説明図である。
図１３は、正常走行時のＳ／Ｎの向上割合（改善率）の説明図である。
図１４は、重なり運動時の検出率の説明図である。
図１５は、重なり運動時のＳ／Ｎの向上割合（改善率）の説明図である。
図１６は、握り運動時の検出率の説明図である。
図１７は、握り運動時のＳ／Ｎの向上割合（改善率）の説明図である。
図１８は、脈またはピッチ（体動）急変運動（インターバル）時の検出率の説明図であ
る。
図１９は、脈またはピッチ（体動）急変運動（インターバル）時のＳ／Ｎの向上割合の
説明図である。
図２０は、脈またはピッチ（体動）急変運動（階段）時の検出率の説明図である。
図２１は、脈またはピッチ（体動）急変運動（階段）時のＳ／Ｎの向上割合の説明図で
ある。

例えば、検出率については、図１２に示すように、正常走行時においては、タップ係数
パラメータＴＡＰについては、値が小さくなると検出率が向上し、パラメータαｘおよび
パラメータβｘについては、値が小さくなると検出率が低下し、パラメータαｙｚおよび
パラメータβｙｚについては、中間値が最も検出率が向上していることがわかる。
なお、図１２中、旧と記載している値は、タップ係数パラメータＴＡＰを同様に変えた
場合の従来の比較例である。
また、Ｓ／Ｎの向上割合（改善率）については、図１３に示すように、正常走行時にお
いては、タップ係数パラメータＴＡＰについては、中間値が最も改善率が向上し、パラメ
ータαｘおよびパラメータβｘについては、値が小さくなると改善率が低下し、パラメー
タαｙｚおよびパラメータβｙｚについては、中間値が最も検出率が向上していることが
わかる。
なお、図１３中、旧と記載している値は、タップ係数パラメータＴＡＰを同様に変えた
場合の従来の比較例である。

図１０ないし図２１の結果に基づけば、握り運動以外においては、以下の場合に検出率
、改善率が向上することが定性的にわかった。
パラメータαｘ→小
パラメータβｘ→大
パラメータαｙｚ→大
パラメータβｙｚ→大
また、握り運動においては、以下の場合に検出率が向上することがわかった。
パラメータαｘ→大
パラメータβｘ→小
パラメータαｙｚ→小
パラメータβｙｚ→小

したがって、フィルタ係数設定部４０３は、図１０ないし図２１に示した結果に基づい
て、適切にタップ係数パラメータＴＡＰ、パラメータαｘ、パラメータβｘ、パラメータ
αｙｚおよびパラメータβｙｚをユーザにより設定された運動の種類に応じて適宜設定す
るようになっている。
この結果、適応フィルタ回路３０５Ｂから出力されるノイズ除去脈波データｅ（ｋ）は
、運動の種類に応じて、誤差としてのノイズが低減され、より正確な脈波データとして得
ることが可能となるのである。

図２２は、適応フィルタ回路の動作説明図である。
図２２（Ａ）は、原脈波データｍ（ｋ）の説明図である。
図２２（Ａ）において、上部は、原脈波データｍ（ｋ）に対応する脈波信号の波形図で
あり、下部は、ＦＦＴ処理後の原脈波データｍ（ｋ）のスペクトル図（縦軸パワー、横軸
周波数）である。
また、図２２（Ｂ）は、フィルタ部により生成されるＸ軸方向推定ノイズデータｙ（ｋ
）ｘの説明図である。
図２２（Ｂ）において、上部は、Ｘ軸方向推定ノイズデータｙ（ｋ）ｘに対応するＸ軸
方向推定ノイズ信号の波形図であり、下部は、ＦＦＴ処理後の推定ノイズデータｙ（ｋ）
ｘのスペクトル図（縦軸パワー、横軸周波数）である。
適応フィルタ回路のフィルタ部４０１は、図２２（Ｂ）に示すＸ軸方向推定ノイズデー
タｙ（ｋ）ｘを生成し、減算部４０２に出力する。
これにより、減算部４０２は、原脈波データｍ（ｋ）からＸ軸方向推定ノイズデータｙ
（ｋ）ｘを減算し、Ｘ軸方向ノイズ除去脈波データｅ（ｋ）ｘが得られる。

図２２（Ｃ）は、Ｘ軸方向ノイズ除去脈波データｅ（ｋ）ｘの説明図である。
図２２（Ｃ）において、上部は、Ｘ軸方向ノイズ除去脈波データｅ（ｋ）ｘに対応する
脈波信号の波形図であり、下部は、ＦＦＴ処理後のＸ軸方向ノイズ除去脈波データｅ（ｋ
）ｘのスペクトル図（縦軸パワー、横軸周波数）である。
図２２（Ｄ）は、ノイズ除去脈波データｅ（ｋ）の説明図である。
図２２（Ｄ）において、上部は、ノイズ除去脈波データｅ（ｋ）に対応する脈波信号の
波形図であり、下部は、ＦＦＴ処理後のノイズ除去脈波データｅ（ｋ）のスペクトル図（
縦軸パワー、横軸周波数）である。
上述したのと同様にして、適応フィルタ回路３０５Ｂにおいて、Ｙ軸方向推定ノイズデ
ータｙ（ｋ）ｙおよびＺ軸方向推定ノイズデータｙ（ｋ）ｚ（あるいはＹ軸−Ｚ軸合成推
定ノイズデータｙ（ｋ）ｙ−ｚ）をＸ軸方向ノイズ除去脈波データｅ（ｋ）ｘから除去す
ることにより、図２２（Ｄ）に示すように、最終的なノイズ除去脈波データｅ（ｋ）を得
ることとなる。

ここで、具体的な消費カロリー量の算出動作説明に先立ち、本実施形態の消費カロリー
量算出方法について説明する。
まず、本実施形態の適用にあたり、前提条件として以下の要件を満たしているものとす
る。
・本実施形態では、消費カロリー量を酸素摂取量から算出しているため、脈拍数が
運動強度に比例するものとして取り扱える範囲内にあること。

脈拍数が低い場合、あるいは、高い場合には比例しない場合があるのは、運動量が少な
く脈拍数が低い場合には、脈拍数には心理的な影響が大きく現れ、酸素摂取能力の限界を
超えて脈拍数が高くなる場合があるからである。
・年齢、性別、運動能力などによる脈拍数の個人差が存在している。
また、以下の説明においては、安静時脈拍数とは、測定開始時の安静座位、かつ、脈拍
数安定状態で測定した最低脈拍数のこととしている。しかしながら、同一条件で安定的に
図れるのであれば、これに限られるものではない。

次に実施形態の動作について説明する。
図２３は、実施形態の生体情報処理装置の消費カロリー量算出処理フローチャートであ
る。
まず、生体情報処理装置１のＭＰＵ３０８は、脈拍数ＨＲを計測する（ステップＳ１１
）。

ここで、脈拍数ＨＲの計測について詳細に説明する。
まず、ＭＰＵ３０８は、脈拍センサ３０と体動センサ３０２の出力信号を取得する。
具体的には、脈拍センサ３０は生体から脈波を検出し、検出した脈波信号を脈波信号増
幅回路３０３に出力する。脈波信号増幅回路３０３は、入力された脈波信号を増幅し、信
号処理回路３０５及び脈波波形整形回路３０６に出力する。脈波波形整形回路３０６は、
脈波信号を整形し、ＭＰＵ３０８に出力する。
一方、体動センサ３０２は、ユーザの動きを検出し、検出した体動信号を体動信号増幅
回路３０４に出力する。体動信号増幅回路３０４は、体動信号を増幅し、信号処理回路３
０５及び体動波形整形回路３０７に出力する。体動波形整形回路３０７は、体動信号Ｓｘ
を整形し、ＭＰＵ３０８に出力される。
一方、信号処理回路３０５は、Ａ／Ｄ変換回路３０５Ａにより脈波信号Ｓｍおよび体動
信号ＳｘをそれぞれＡ／Ｄ変換し、得られた原脈波データｍ（ｋ）および体動データｘ（
ｋ）を適応フィルタ回路３０５Ｂに出力するとともに、体動データｘ（ｋ）をＭＰＵ３０
８に出力する。
これにより適応フィルタ回路３０５Ｂは、上述した手順により、原脈波データｍ（ｋ）
から推定ノイズデータｙ（ｋ）を除去して、のノイズ除去脈波データｅ（ｋ）をＭＰＵ３
０８に出力する。

続いてＭＰＵ３０８は、ノイズ除去脈波データｅ（ｋ）および体動データｘ（ｋ）に基
づいて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行い、ノイズ除去脈波データｅ（ｋ）および体
動データｘ（ｋ）のＦＦＴ処理の結果から、脈拍成分Ｆｍおよび体動成分Ｆｔを抽出する
。
次にＭＰＵ３０８は、体動成分の量が脈拍数算出の可否を判別するための所定のしきい
値よりも大きいか否かを判別する。
そして、体動成分の量が脈拍数算出の可否を判別するための所定のしきい値よりも大き
い場合には、今回の脈拍数については、体動成分が多すぎて不可能であるので、計測不能
とする。
一方、体動成分の量が脈拍数算出の可否を判別するための所定のしきい値以下である場
合には、脈拍成分Ｆｍから体動成分Ｆｔを除去したものを本来の脈拍成分Ｆｍとする。

具体的には、
Ｆｍ＝Ｆｍ−Ｆｔ
という処理を行う。すなわち、脈波信号だけに存在する周波数成分を取り出す。

そして、取り出された脈拍成分Ｆｍの中の最大の周波数成分を脈拍スペクトルとする。
次にＭＰＵ３０８は、抽出した脈拍スペクトルの周波数に基づいて、脈拍数ＨＲを算出
することとなる。
続いてＭＰＵ３０８は、現在の酸素摂取量ＶＯ₂を（１）式により算出する（ステップ
Ｓ１３）。この場合に、ＭＰＵ３０８は、現在の酸素摂取量ＶＯ₂を（１）式により算出
するに際し、上述したハリス・ベネディクト方程式により安静時酸素摂取量ＶＯ₂ｒｅｓ
ｔ（＝基礎代謝量）を算出する。

そして、算出した安静時酸素摂取量ＶＯ₂ｒｅｓｔに基づいて、現在の酸素摂取量ＶＯ₂
を（４）式により算出する。

続いて、ＭＰＵ３０８は、現在の酸素摂取量ＶＯ₂から消費カロリー量Ｃを算出する（
ステップＳ１７）。
具体的には、（２）式により消費カロリー量Ｃを算出する。

そして、この運動状態を１時間続けた場合には、総カロリー消費量ＣＴとして、
ＣＴ＝Ｃ×６０
を算出し、算出結果である総カロリー消費量ＣＴ（ｋｃａｌ／ｈ）が、図４に示すように
、液晶表示装置１３に表示されることとなる。

以上の説明のように、本実施形態によれば、脈拍信号（脈拍データ）から体動成分（体
動データ；ノイズ成分）を除去するに際し、運動の種類によって、最適な適応フィルタ回
路のパラメータを設定するので、運動の種類に影響されず、正確な脈拍数を算出すること
が可能となる。
この結果、脈拍数から運動に伴うカロリー消費量を自動的に算出するに際し、より正確
に、かつ、専門的知識及び複雑で高価な測定機器を必要とせずにユーザは自己が行ってい
る運動のカロリー消費量を把握することができる。
また、脈拍数の測定が行えれば、演算処理だけでカロリー消費量を算出することができ
るので、装置の小型化および製造コストの低減が図れる。
さらに、カロリー消費量の算出には、相対酸素摂取量を用いているので、各ユーザの個
人差、すなわち、各ユーザの体力差を考慮した誤差の少ないカロリー消費量を算出するこ
とができる。

以上の説明においては、生体情報処理装置を制御するための制御プログラムがあらかじ
めＲＯＭに記憶されている場合について説明したが、各種磁気ディスク、光ディスク、メ
モリカードなどの記録媒体に制御用プログラムをあらかじめ記録し、これらの記録媒体か
ら読み込み、インストールするように構成することも可能である。また、通信インターフ
ェースを設け、インターネット、ＬＡＮなどの通信ネットワークを介して制御用プログラ
ムをダウンロードし、インストールして実行するように構成することも可能である。

以上の説明のように、本実施形態によれば、脈拍数から運動に伴うカロリー消費量を自
動的に算出するので、専門的知識及び複雑で高価な測定機器を必要とせずにユーザは自己
が行っている運動のカロリー消費量を容易に把握することができる。
また、脈拍数の測定が行えれば、演算処理だけでカロリー消費量を算出することができ
るので、装置の小型化および製造コストの低減が図れる。
さらに、カロリー消費量の算出には、相対酸素摂取量を用いているので、各ユーザの個
人差、すなわち、各ユーザの体力差を考慮した誤差の少ないカロリー消費量を算出するこ
とができる。

実施形態の生体情報処理装置の構成を示す説明図である。 生体情報処理装置の脈拍センサ近傍の断面図である。 生体情報処理装置の装置本体を、リストバンドやケーブルなどを外した状態で示す平面図である。 生体情報処理装置を腕時計における３時の方向からみた側面図である。 実施形態の脈拍センサの断面図である。 制御部周辺の概要構成ブロック図である。 信号処理回路３０５の概要構成ブロック図である。 適応フィルタ回路の原理構成ブロック図である。 各パラメータの設定値の説明図である。 正常歩行時の検出率の説明図である。 正常歩行時のＳ／Ｎの向上割合（改善率）の説明図である。 正常走行時の検出率の説明図である。 正常走行時のＳ／Ｎの向上割合（改善率）の説明図である。 重なり運動時の検出率の説明図である。 重なり運動時のＳ／Ｎの向上割合（改善率）の説明図である。 握り運動時の検出率の説明図である。 握り運動時のＳ／Ｎの向上割合（改善率）の説明図である。 脈またはピッチ（体動）急変運動（インターバル）時の検出率の説明図である。 脈またはピッチ（体動）急変運動（インターバル）時のＳ／Ｎの向上割合の説明図である。 脈またはピッチ（体動）急変運動（階段）時の検出率の説明図である。 脈またはピッチ（体動）急変運動（階段）時のＳ／Ｎの向上割合の説明図である。 適応フィルタ回路の動作説明図である。 実施形態の生体情報処理装置の消費カロリー量算出処理フローチャートである。

符号の説明

１…生体情報処理装置、５…制御部、１０…装置本体、１１…時計ケース、１２…リス
トバンド、１３…液晶表示装置、２０…ケーブル、３０…脈拍センサ、３０２…体動セン
サ、３０３…脈波信号増幅回路、３０４…体動信号増幅回路、３０５…信号処理回路、３
０５Ａ…Ａ／Ｄ変換回路、３０５Ｂ…適応フィルタ回路、３０６…脈波波形整形回路、３
０７…体動波形整形回路、３０８…ＭＰＵ、３０９…ＲＡＭ、３１０…ＲＯＭ、３１１…
発振回路、３１２…分周回路、４０１…フィルタ部、４０２…減算部、４０３…フィルタ
係数設定部、５００…脈波データ処理部、５０１…ピッチデータ処理部、５０２…クロッ
ク生成部、５０３…コントロール部。

Claims (7)

1. ユーザに装着され、当該ユーザにおける運動時の生体情報を検出し、処理する生体情報
   処理装置であって、
   脈波成分を検出し脈波検出信号を出力する脈波検出部と、
   体動成分を検出し体動成分検出信号を出力する体動成分検出部と、
   所定のフィルタ係数、前記脈波検出信号及び前記体動成分検出信号に基づいて前記脈波
   検出信号から前記体動成分を除去する適応フィルタ部と、
   前記運動の種類をユーザに入力させ、設定するための運動種類設定部と、
   設定された前記運動の種類に応じて前記フィルタ係数を設定するフィルタ係数設定部と
   、
   を備えたことを特徴とする生体情報処理装置。
2. 請求項１記載の生体情報処理装置において、
   前記フィルタ係数設定部において設定されるフィルタ係数は、ステップサイズであるこ
   とを特徴とする生体情報処理装置。
3. 請求項１または請求項２記載の生体情報処理装置において、
   前記体動成分検出部を構成するセンサは、ユーザの腕に装着される少なくとも２軸の加
   速度センサであり、
   前記体動成分を、前記加速度センサにより検出される加速度成分のうち前記腕の延在方
   向の加速度成分、前記ユーザの手の甲に平行で、前記腕の延在方向に直交する方向の加速
   度成分として検出することを特徴とする生体情報処理装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の生体情報処理装置において、
   前記適応フィルタ部の出力信号に基づいて、脈拍数を算出し、この算出した脈拍数に基
   づいて酸素摂取量を算出し、この酸素摂取量に基づいて生体情報を算出することを特徴と
   する生体情報処理装置。
5. 請求項４載の生体情報処理装置において、
   算出される前記生体情報は、消費カロリーであることを特徴とする生体情報処理装置。
6. 脈波成分を検出し脈波検出信号を出力する脈波センサと、体動成分を検出し体動成分検
   出信号を出力する体動センサと、前記脈波検出信号から前記体動成分を除去する適応フィ
   ルタと、を備え、ユーザに装着されて当該ユーザの生体情報を処理する生体情報処理装置
   の制御方法であって、
   前記ユーザが行う運動の種類を入力させ、設定するための運動種類設定過程と、
   前記設定された運動の種類に応じて前記適応フィルタのフィルタ係数を設定するフィル
   タ係数設定過程と、
   を備えたことを特徴とする生体情報処理装置の制御方法。
7. 脈波成分を検出し脈波検出信号を出力する脈波センサと、体動成分を検出し体動成分検
   出信号を出力する体動センサと、前記脈波検出信号から前記体動成分を除去する適応フィ
   ルタと、を備え、ユーザに装着されて当該ユーザの生体情報を処理する生体情報処理装置
   をコンピュータにより制御するための制御プログラムであって、
   前記ユーザが行う運動の種類を入力させて設定させ、
   前記設定された運動の種類に応じて前記適応フィルタのフィルタ係数を設定させる、
   ことを特徴とする制御プログラム。

Images