JP2017029459A - 脈拍測定装置及び脈拍測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】脈拍測定装置1は、人体の体温の変化から脈拍を測定する。具体的には、脈拍測定装置1は、脈拍を測定する測定部位に対して複数配置されるセンサ部2と、複数のセンサ部2が測定した温度を処理する信号処理部3とを備える。そして、信号処理部3は、測定した温度から、脈動に伴う温度変化を抽出する抽出部31と、抽出した温度変化の間隔から脈拍を測定する測定部32とを備える。
【選択図】図1
Description
初めに、図1を参照し、本発明に係る脈拍測定装置による脈拍測定方法の概要について説明する。図1は、脈拍測定装置による脈拍の測定方法を説明するための図である。図1に示すように、本発明では、血管(動脈)が表面に近い人体部位(例えば、手首、首、足首等)における微小な体温変化を検出し、この微小な体温変化の間隔から脈拍を測定する。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図2は、本発明に係る脈拍測定装置1の構成を示す図である。なお、図2(a)は、本発明に係る脈拍測定装置1の機能構成を示す図であり、図2(b)は、当該機能を発揮するための具体的なハードウェア構成の一例を示す図である。
脈拍測定装置1は、自身を装着する人体の脈拍を測定するウェアラブル端末であり、図2に示すように、脈拍測定装置1は、複数のセンサ部2a、2b・・・2n(以下、総称して「センサ部2」とする)と信号処理部3と出力部4とを含んで構成される。また、図2(a)に示すように、信号処理部3は、本発明に係る抽出部31(変換部33及びノイズ除去部34)及び測定部32として機能する。この信号処理部3の機能は、例えば、図2(b)に示すように、アンプ3aとA/Dコンバータ3bとFIFOメモリ3cと演算部3dというハードウェア構成により発揮される。もちろん、信号処理部3の機能は、図2(b)に一例として示すハードウェア構成に限らず、任意の構成(例えば、FIFOメモリ3cに代えてローパスフィルタ等の任意のノイズ除去手段を設ける)により実現することができる。以下では、まず、図2(b)を参照して、脈拍測定装置1のハードウェア構成の一例について説明する。
より具体的には、センサ部2は、脈拍測定装置1が測定対象の血管に接触する部分に複数設けられる。このとき、装着状態がずれた場合に測定対象の血管をカバー可能なように、複数のセンサ部2は、当該血管が延びる方向に対して直交する方向に複数設けられることがより好ましい。
もちろん、白金薄膜温度センサ等の高精度なセンサを用いることとしてもよい。
なお、脈拍測定装置1は、必要に応じて不図示の放熱部を更に備えることとしてもよい。この放熱部は、脈動に伴い上昇したセンサ部2の熱を吸収し、脈動の前後でセンサ部2の温度を略一定に保つ。
そのため、デジタル生体信号の所定サンプル周期に対して1周期分の商用電源ノイズが重畳するように、サンプリング周波数を商用電源ノイズの周期に応じて設定(例えば、商用電源ノイズの一周期の整数倍)することで、商用電源ノイズを簡単に除去することができる。
そこで、サンプリング周波数を、例えば、商用電源周波数(50Hz)の16倍の800Hzとすることで、折り返し雑音が生じる帯域(400Hz)を商用電源ノイズの周波数(50Hz)に対して大きく異ならせることができ、商用電源ノイズ及び折り返し雑音を除去することができる。なお、サンプリング周波数を800Hzとした場合、50Hzの商用電源ノイズは、デジタル生体信号の16サンプル周期に対して1周期分が重畳することになる。
図3は、商用電源ノイズが重畳したアナログ生体信号、及びアナログ生体信号をA/Dコンバータ3bでサンプリングして得られたデジタル生体信号(d1、d2・・・)を示している。
除去対象となる商用電源周波数の切り替え(関東・関西の切り替え)は、手動で行うこととしてもよく、センサ部2を切り離してノイズレベルだけを比較することで商用電源周波数を判断し切り替えることとしてもよく、また、GPS等の測位情報を利用して行うこととしてもよい。
また、脈動に伴う体温の上昇は、概ね一定であるため、前回の脈動時に上昇した体温の上昇度合いに基づいて、所定の温度範囲を設定(例えば、前回脈動時に上昇した温度±α)することとしてもよい。
そこで、抽出部31は、センサ部2aが検出した体温の最大値が、センサ部2aが直前のタイミングで検出した体温の最大値と異なり、他のセンサ部2bが直前に検出した体温の最大値とほぼ一致している場合、脈拍測定装置1の装着状態がずれたと判定する。この場合、抽出部31は、他のセンサ部2bが直前に体温の最大値を検出したタイミングを、ずれが生じる前の脈動のタイミングとして抽出し、センサ部2aで検出した体温の最大値を検出したタイミングを、ずれが生じた後の脈動のタイミングとして抽出してもよい。このようにすることで、脈拍測定装置1は、装着状態がずれた場合の脈拍測定の精度を向上させることができる。
以上、脈拍測定装置1の構成について説明した。続いて、脈拍測定装置1の処理について説明する。図6は、脈拍測定装置1の処理の流れを示すフローチャートである。
以上、本発明の脈拍測定装置1の一実施形態について説明した。続いて、図7に、本発明者らが行った実験の結果を示す。本発明者らは、人体の体温をサーミスタで測定し、脈拍と体温との関係性について検証した。図7は、人体の体温と脈拍との関係を示すグラフである。図7において、縦軸は、サーミスタが出力した電圧の相対値を示し、横軸は、時間を示す。なお、縦軸の電圧が低いほど温度が高いことを示している。
以上のように脈拍測定装置1では、センサ部2が接触している測定部位の温度変化の間隔から人体の脈拍を測定する。このような温度変化は、動脈の近傍であれば検出することができるため、脈拍測定装置1では、例えば、手首や足首等にセンサ部2を接触させていれば足り、人体の行動を一切抑制することがなく、また、拘束感や圧迫感を与えることもない。また、温度測定に要する電力は極めてわずかであるため、従来のような光電脈波法と比較して極めて低い電力で脈拍を測定することができる。
また、装着者の動作により脈拍測定装置1の装着状態がずれた場合には、装着状態がずれる前とは異なるセンサ部2が測定部位の温度を測定することになるため、脈拍を測定することができる。その結果、脈拍測定装置1によれば、人体及び装置の双方に大きな負担がかからず、また、装着状態がずれてしまったとしても脈拍を継続して測定することができる。
また、センサ部2の測定結果のうち、人体温が取り得る温度範囲から外れる温度を処理対象外とすることで、ノイズを除去することができる。このとき、人体温が取り得る温度範囲をセンサ部2が測定した被検者の体温に基づいて設定することで、更なる低雑音化を実現することができる。
続いて、本発明に係る脈拍測定装置1の第2実施形態について説明する。ウェアラブル端末において脈拍を測定する場合、処理負担を軽減し、省電力化を実現することが好ましい。この点、上述した脈拍測定装置1では、複数のセンサ部2が測定した複数のアナログ生体信号のそれぞれをデジタル変換し、また、それぞれに対してノイズ除去を行っているため、センサ部2の数に応じて処理負担が増大してしまう。そこで、第2実施形態の脈拍測定装置1では、複数のセンサ部2が測定した複数のアナログ生体信号を合成し、合成後のアナログ生体信号に対してデジタル変換やノイズ除去等を行うことで、処理負担を軽減する。
なお、図9では、センサ部2aの測定結果を測定結果20aとし、センサ部2aとは異なる他のセンサ部2bの測定結果を測定結果20bとし、また、測定結果20aと測定結果20bとを合成した結果を合成測定結果21とする。また、図9では、説明を簡易にするため、2つの測定結果20a,20bのみを合成し、その他のセンサ部2による測定結果を省略している。また、図9では、装着者の脈動がタイミングt1、t2、t3において行われているものとする。
そこで、合成部35は、センサ部2aの測定結果20aとセンサ部2bの測定結果20bとを合成し、合成測定結果21とする。これにより、脈動がタイミングt1、t2、t3において行われていることを検出することができ、正確な脈拍を測定することができる。また、合成測定結果21に対してのみデジタル変換等の処理を行えばよいため、処理負担を軽減することができる。
第2実施形態の脈拍測定装置1では、複数のセンサ部2の測定結果を合成した合成測定結果から脈拍を測定するため、複数のセンサ部2の測定結果のそれぞれに対してデジタル変換等の処理を行う必要がなく、処理負担を軽減することができる。この場合においても、装着者の動作により脈拍測定装置1の装着状態がずれたとしても、他のセンサ部2で測定部位の温度変化を検出できているため、脈拍を測定することができる。その結果、第2実施形態の脈拍測定装置1によれば、装置の負担を更に軽減しつつ、装着状態がずれも脈拍を測定することができる。
第1実施形態及び第2実施形態においては、複数のセンサ部2が同一の人体部位の異なる位置に接触する例について説明したが、第3実施形態においては、複数のセンサ部2が異なる人体部位の異なる位置に接触する点で異なる。例えば、複数のセンサ部2のうち、一のセンサ部2aが、手首の血管の位置に接触し、他のセンサ部2bが、腕の血管の位置に接触するようにしてもよい。
第3実施形態の脈拍測定装置1では、複数のセンサ部2が異なる人体部位に接触するので、一つの人体部位のセンサ部2の装着状態が悪いような場合に、他の人体部位のセンサ部2の測定結果を利用できるので、一つの人体部位におけるセンサ部2の装着状態に問題がある場合でも脈拍を測定することができる。
続いて、以上説明した脈拍測定装置1の一態様であるウェアラブル端末の一例について説明する。上述した脈拍測定装置1は、手首等の動脈が人体表面に使い部位において好適に利用される。そこで、以下では、ウェアラブル端末の一例として、図10に示すように、バンド型のウェアラブル端末100を示す。
図10(b)に示す例では、ベルト102の表示部101側(手首の外側)にセンサ部2a、2bが配置され、ベルト102の表示部101と対向する側(手首の内側)にセンサ部2c、2dが配置され、手首の血管の温度を複数のセンサ部2の何れかで確実に測定することとしている。なお、図10(b)では、図示の都合上、4つのセンサ部2a、2b、2c、2dのみを例示しているが、センサ部2の実際の個数は4つに限られるものではない。また、図10(b)では、複数のセンサ部2を血管が延びる方向に直交する方向にのみ並んで配置しているが、これに限られるものではなく、血管が延びる方向に並んで複数のセンサ部2を配置することとしてもよい。
なお、センサ部2は、ユーザの体温のみに反応することが好ましく、ウェアラブル端末100では、例えば表示部101等の他の機器からセンサ部2の熱の移動を防止する断熱部(不図示)を設けることが好ましい。同様に、脈動の前後においてセンサ部2の温度を略一定に保つために、脈動に伴い蓄積したセンサ部2の熱を放出する放熱部(不図示)を設けることが好ましい。例えば、腕時計型のウェアラブル端末100において、表示部101(時計)の近傍にセンサ部2を配置する場合、表示部101と、センサ部2(必要に応じて放熱部)との間に、断熱部を設けることとしてもよい。
2・・・センサ部
3・・・信号処理部
3a・・・アンプ
3b・・・A/Dコンバータ
3c・・・FIFOメモリ
3d・・・演算部
31・・・抽出部
32・・・測定部
33・・・変換部
34・・・ノイズ除去部
35・・・合成部
100・・・ウェアラブル端末
101・・・表示部
102・・・ベルト
Claims (15)
- 自身を装着する人体の脈拍を測定する脈拍測定装置であって、
装着時に複数の異なる位置に接触するように設けられ、接触面の温度を測定する複数のセンサ部と、
複数の前記センサ部が測定した複数の前記温度を処理する信号処理部と、
を備え、
前記信号処理部は、
複数の前記センサ部が測定した複数の前記温度に基づいて、脈動に伴う温度変化を抽出する抽出部と、
抽出した温度変化の間隔から脈拍を測定する測定部と、
を備える脈拍測定装置。 - 前記センサ部のそれぞれは、測定した温度を測定結果として出力し、
複数の前記センサ部から出力される複数の前記測定結果を合成する合成部を更に備え、
前記抽出部は、前記合成部が合成した合成測定結果から、脈動に伴う温度変化を抽出する、
請求項1に記載の脈拍測定装置。 - 前記合成部は、信号レベルが所定レベル以下のアナログ測定結果を増幅し、複数の前記センサ部から出力される複数の前記測定結果を合成する、
請求項2に記載の脈拍測定装置。 - 前記合成部は、複数の前記センサ部が接触する位置に基づいて複数の前記測定結果に重みづけし、重みづけした後の複数の測定結果を合成する、
請求項2又は3に記載の脈拍測定装置。 - 前記センサ部のそれぞれは、前記測定結果を無線で前記信号処理部に送信する、
請求項2から4の何れか1項に記載の脈拍測定装置。 - 前記抽出部は、複数の前記センサ部のうち一のセンサ部が測定した温度と、他のセンサ部が測定した温度との差分に基づいて、前記温度変化を抽出する、
請求項1に記載の脈拍測定装置。 - 前記センサ部のそれぞれは、測温抵抗体であり、
前記抽出部は、
前記センサ部のアナログ測定結果をデジタル変換する変換部と、
変換したデジタル測定結果を、除去対象の交流ノイズの周期に応じた数で移動平均することで前記センサ部の測定結果に対してノイズ除去を行うノイズ除去部と、
を備える請求項1から6の何れか1項に記載の脈拍測定装置。 - 前記ノイズ除去部は、前記センサ部が測定した、人体温が取り得る温度範囲から外れる温度を除去することで、ノイズ除去を行う、
請求項7に記載の脈拍測定装置。 - 前記ノイズ除去部は、前記センサ部が測定した体温から所定の温度範囲を、前記人体温が取り得る前記温度範囲として設定する、
請求項8に記載の脈拍測定装置。 - 前記所定の温度範囲は、前記抽出部が抽出した直前の脈動に伴う温度変化に基づき定められる範囲である、
請求項9に記載の脈拍測定装置。 - 前記ノイズ除去部は、複数の前記センサ部の測定結果を比較するとともに、当該比較結果に基づいて、ノイズを除去する、
請求項7から10の何れか1項に記載の脈拍測定装置。 - 前記抽出部は、前記測定部が測定した前記脈拍の間隔に応じて、前記温度変化の抽出を行う、
請求項1から11の何れか1項に記載の脈拍測定装置。 - 前記信号処理部から前記センサ部への熱の移動を防止する断熱部、
を更に備える請求項1から12の何れか1項に記載の脈拍測定装置。 - 前記センサ部の熱を放出する放熱部、
を更に備える請求項1から13の何れか1項に記載の脈拍測定装置。 - 人体の脈拍を測定する脈拍測定方法であって、
人体のそれぞれ異なる位置における温度を測定するステップと、
測定した複数の位置の温度に基づいて脈動に伴う温度変化を抽出するステップと、
抽出した温度変化の間隔から脈拍を測定するステップと、
を含む脈拍測定方法。
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