JP5516428B2 - 拍動周期算出装置およびこれを備えた生体センサ - Google Patents

Description

本発明は、生体信号から生体の拍動の律動周期を算出する拍動周期算出装置、およびこの拍動周期算出装置を備えて構成される生体センサに関するものである。

従来、この種の拍動周期算出装置としては、例えば、特許文献１に開示された心拍測定装置がある。

この心拍測定装置では、心拍波形信号がピークホールド部でピークホールドされることで、階段状をした波形のピークホールド信号が生成される。パターン検出・周期判定部は、生成されたピークホールド信号から信号レベルが順次増大するパターンを検出し、このパターンを心電図におけるＰ波とＲ波に対応させる。そして、Ｐ波に対応するピークとＲ波に対応するピークとの時間間隔が所定の範囲内にあり、各ピーク間のレベル値がしきい値を超える場合に、これらのピークが確かにＰ波とＲ波とに対応するピークであるとみなし、最大のピークをＲ波と特定する。順次増大するパターンが検出されない場合、順次減少するパターンを補完的に検出し、このパターンを心電図におけるＲ波とＴ波に対応させる。そして、Ｒ波に対応するピークとＴ波に対応するピークとについて、Ｐ波とＲ波との場合と同様な処理を行うことで、これらのピークのうちの最大のピークをＲ波と特定する。心拍数は、このように特定されたＲ波の時間間隔から算出される。

また、従来、この種の拍動周期算出装置として、特許文献２に開示された心拍測定システムもある。

この心拍測定システムでは、信号検出装置により測定対象から心拍信号が検出される。検出された心拍信号は、信号処理装置により時間分割されて連続する信号が比較され、その比較結果から心拍信号のピーク値が検出される。また、信号処理装置により、一つ若しくは複数のピーク値を有するピーク値群が心拍信号の心拍単位に生成され、ピーク値群の最大のピーク値でピーク値群の各ピーク値が除算されることにより、ピーク値群の各ピーク値が規格化される。このため、規格化された信号が加算・積算され得ることとなり、従来見逃されがちであった信号の微細構造が顕現化される。

また、従来、この種の拍動周期算出装置として、特許文献３に開示された脈波解析装置もある。

この脈波解析装置では、脈波センサからの脈波信号に基づいて脈波が取得され、脈波解析装置を構成するデータ処理装置により、取得された脈波の頂点検索が行われて心臓の収縮期に対応した頂点（ピーク）が求められる。求められた頂点は、隣り合う時間間隔が頂点検索補正係数ｔ３で表される所定の時間未満であるか否かが判断される。この判断で隣り合う頂点の時間間隔が所定の時間以上であると判断されると、検出された頂点はノイズ等でない真の頂点としてカウントされ、この頂点の数の１分平均が脈拍数として算出される。また、脈波からその基線が引かれることで、ｓｉｎ波に近付けた修正脈波が求められる。この修正脈波が脈波の周波数で複素復調解析されると、各脈波のピーク間の周波数ｆを示す瞬時周波数が求められ、周波数ｆよりその周期Ｔである脈拍間隔が求められる。頂点検索補正係数ｔ３はこの脈拍間隔の平均値から更新され、頂点検索はノイズが除去されてより的確に行われる。

特開２００９−１１２６２４号公報 特開２００８−２２０５５６号公報 特開２００３−３３９６５１号公報

しかしながら、上記従来の特許文献１に開示された心拍測定装置は、Ｐ波とＲ波またはＲ波とＴ波との対応を判定するため、各ピーク間のレベル値が一定のしきい値を超え、かつ、ピーク値が低い方のＰ波またはＴ波がノイズに埋もれない信号レベルを持つことが必要とされる。このため、従来の特許文献１に開示された心拍測定装置では、センサから得られる生体の心拍波形信号のレベルが低い場合には、ピーク判定を行うことが出来ない。

また、上記従来の特許文献２に開示された心拍測定システムは、心拍信号のピーク値群の各ピーク値を規格化するための除算処理や、ピークアドレスの強度を対数関数を用いて指数化する指数化処理、ピークアドレス群情報が形成する波形信号を積算・平均化する処理等が必要とされる。このため、従来の特許文献２に開示された心拍測定システムは、演算処理が複雑で簡便性に欠け、装置の小型化および低価格化を図ることが出来ない。

また、上記従来の特許文献３に開示された脈波解析装置も、分析したい周波数領域の中心周波数を持つ複素三角関数を脈波信号に掛けたり、分析したい周波数領域の成分の実部と虚部を極座標系に変換したり等する複雑な複素復調解析を実施することにより、頂点検索補正係数ｔ３を更新するための脈拍間隔が求められる。このため、従来の特許文献３に開示された脈波解析装置も、演算処理が複雑で簡便性に欠け、装置の小型化および低価格化を図ることが出来ない。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
所定時間間隔で取得される生体信号の最大値を検出する最大値検出手段と、
最大値検出手段によって検出された最大値よりも大きな最大値が最大値検出手段によって一定時間内に検出されない場合に、最大値検出手段によって検出された最大値をピーク値と判定するピーク値判定手段と、
ピーク値判定手段によって判定される連続するピーク値間の時間間隔に基づいて生体信号を生じさせる生体の拍動の律動周期を算出する算出手段と、
ピーク値判定手段によって判定される連続するピーク値間の時間間隔に応じて、前記一定時間をピーク値間の時間間隔に応じて予め定められた複数の時間の中のいずれの時間に逐次変更する一定時間変更手段と
を備えて、拍動周期算出装置を構成した。

本構成によれば、所定時間間隔で取得される生体信号の最大値が最大値検出手段により検出され、検出された最大値よりも大きな最大値が最大値検出手段によって一定時間内に検出されない場合に、ピーク値判定手段により、最大値検出手段によって検出された最大値がピーク値と判定される。生体の拍動の律動周期は、ピーク値判定手段によって判定される連続するピーク値間の時間間隔に基づいて、算出手段により算出される。

このため、特許文献１に開示された従来の装置と異なり、センサから得られる生体信号のレベルが低い場合にも、最大値検出手段によって検出される生体信号の最大値がノイズに埋もれない信号レベルでありさえすれば、ピーク値の判定が行え、拍動の律動周期を算出することが出来る。また、生体信号の振幅の基準となる基線が変動しても、同様に、最大値検出手段によって検出される生体信号の最大値がノイズに埋もれない信号レベルでありさえすれば、ピーク値の判定が行え、拍動の律動周期を算出することが出来る。

また、ピーク値の判定に用いられる一定時間は、ピーク値判定手段によって判定される連続するピーク値間の時間間隔に応じて、ピーク値間の時間間隔に応じて予め定められた複数の時間の中のいずれの時間に、一定時間変更手段により逐次変更される。このため、ピーク値の判定は、除算等の複雑な演算処理を用いて行われる特許文献２や特許文献３に開示された従来の装置と異なり、取得される生体信号の大きさを単に比較する処理、一定時間やピーク値間の時間間隔をカウントする処理、予め定められた複数の時間の中のいずれの時間をピーク値間の時間間隔に応じて選択する処理といった簡便な演算処理によって行われる。この結果、逐次変動する生体の拍動の律動周期は、簡便な演算処理によって随時適切に算出され、拍動周期算出装置の小型化および低価格化を図ることが可能になる。

また、本発明は、ピーク値判定手段が、最大値検出手段によって検出された最大値よりも大きな最大値が最大値検出手段によって一定時間内に検出されると、大きな最大値が検出された時点から一定時間内に大きな最大値よりもさらに大きな最大値が最大値検出手段によって検出されない場合に、最大値検出手段によって検出された大きな最大値をピーク値と判定することを特徴とする。

本構成によれば、最大値検出手段によって検出された最大値よりも大きな最大値が最大値検出手段によって一定時間内に検出されると、大きな最大値が検出された時点から一定時間のカウントが再開される。そして、この一定時間内に、大きな最大値よりもさらに大きな最大値が最大値検出手段によって検出されない場合に、最大値検出手段によって検出された大きな最大値がピーク値判定手段によってピーク値と判定される。

このため、最大値検出手段によって一旦検出された最大値は、一定時間内にその最大値よりも大きな最大値が最大値検出手段によって検出されると、ピーク判定に用いられず、拍動の律動周期の算出データから除外される。この結果、最大値検出手段によって検出される最大値の中で、拍動の律動周期の算出にふさわしくない、心拍信号のＰ波やＴ波といった信号に相当する最大値や、ノイズに起因する最大値などがピーク判定の対象に用いられなくなり、拍動の律動周期の算出にふさわしいＲ波といった信号に相当する最大値のみがピーク判定の対象に用いられるようになって、拍動の律動周期の算出精度が向上する。

また、本発明は、一定時間変更手段が、ピーク値判定手段によって判定される、相互の値が所定範囲内にある連続するピーク値間の時間間隔に応じて、一定時間を逐次変更することを特徴とする。

本構成によれば、ピーク値の判定に用いられる一定時間は、ピーク値判定手段によって判定される、相互の値が所定範囲内にある連続するピーク値間の時間間隔に応じて、一定時間変更手段により逐次変更される。

このため、ピーク値判定手段によって判定された連続するピーク値であっても、相互の値が所定範囲内にない場合には、同種のピーク値ではないものとされ、ピーク値の判定に用いられる一定時間は、このピーク値間の時間間隔に応じて変更されない。一方、連続する相互のピーク値が所定範囲内にある場合には、同種のピーク値であるものとされ、ピーク値の判定に用いられる一定時間は、このピーク値間の時間間隔に応じて変更される。従って、ピーク値の判定に用いられる一定時間は、似通ったピーク値間の時間間隔に応じて変更され、ノイズに起因するピーク値などに基づいて変更されることなく、拍動の律動周期の遷移に的確に追従して変更される。この結果、逐次変動する生体の拍動の律動周期は、簡便な演算処理によってより適切に随時算出されることになる。

また、本発明は、生体信号が心拍信号であり、算出手段が、拍動の律動周期を心拍数として算出することを特徴とする。

本構成によれば、ピーク値判定手段によって判定される心拍信号の連続するピーク値間の時間間隔に基づいて、拍動の律動周期が心拍数として算出手段により算出される。

また、本発明は、生体信号が脈波信号であり、算出手段が、拍動の律動周期を脈拍数として算出することを特徴とする。

本構成によれば、ピーク値判定手段によって判定される脈波信号の連続するピーク値間の時間間隔に基づいて、拍動の律動周期が脈拍数として算出手段により算出される。

また、本発明は、
最大値検出手段が、所定時間間隔で取得される心拍信号の最大値を検出する心拍最大値検出手段と、所定時間間隔で取得される脈波信号を２回微分した加速度脈波信号の最大値を検出する脈波最大値検出手段とから構成され、
ピーク値判定手段が、心拍最大値検出手段によって検出された心拍信号の最大値よりも大きな最大値が心拍ピーク値判定用の一定時間内に心拍最大値検出手段によって検出されない場合に、心拍最大値検出手段によって検出された心拍信号の最大値を心拍ピーク値と判定する心拍ピーク値判定手段と、脈波最大値検出手段によって検出された加速度脈波信号の最大値よりも大きな最大値が加速度脈波ピーク値判定用の一定時間内に脈波最大値検出手段によって検出されない場合に、脈波最大値検出手段によって検出された加速度脈波信号の最大値を加速度脈波ピーク値と判定する脈波ピーク値判定手段とから構成され、
算出手段が、心拍ピーク値判定手段によって判定された心拍ピーク値と脈波ピーク値判定手段によって判定された加速度脈波ピーク値との時間差から脈波伝搬時間を算出し、
一定時間変更手段が、心拍ピーク値判定手段によって判定される連続する心拍ピーク値間の時間間隔に応じて、心拍ピーク値判定用の一定時間を心拍ピーク値間の時間間隔に応じて予め定められた複数の時間の中のいずれの時間に逐次変更する心拍ピーク値判定用一定時間変更手段と、脈波ピーク値判定手段によって判定される連続する加速度脈波ピーク値間の時間間隔に応じて、加速度脈波ピーク値判定用の一定時間を加速度脈波ピーク値間の時間間隔に応じて予め定められた複数の時間の中のいずれの時間に逐次変更する脈波ピーク値判定用一定時間変更手段と
から構成されることを特徴とする。

本構成によれば、心拍最大値検出手段によって検出された心拍信号の最大値よりも大きな最大値が心拍ピーク値判定用の一定時間内に心拍最大値検出手段によって検出されない場合に、心拍最大値検出手段によって検出された心拍信号の最大値が心拍ピーク値判定手段によって心拍ピーク値と判定される。また、脈波最大値検出手段によって検出された加速度脈波信号の最大値よりも大きな最大値が加速度脈波ピーク値判定用の一定時間内に脈波最大値検出手段によって検出されない場合に、脈波最大値検出手段によって検出された加速度脈波信号の最大値が脈波ピーク値判定手段によって加速度脈波ピーク値と判定される。そして、心拍ピーク値判定手段によって判定された心拍ピーク値と脈波ピーク値判定手段によって判定された加速度脈波ピーク値との時間差が、算出手段によって脈波伝搬時間として算出される。このため、算出される脈波伝搬時間から、拍動により動脈に脈波が伝搬する時間が知れるので、血管年齢の推定や、血圧値の算出を行うことが可能になる。

また、本発明は、
生体信号を制御信号に応じた増幅率で増幅して最大値検出手段へ出力する増幅手段と、
増幅手段で増幅された生体信号の所定タイミングにおける大きさを基準値として検出する基準値検出手段とを備え、
算出手段が、ピーク値判定手段によって判定されたピーク値と基準値検出手段によって検出された基準値との差から、ピーク値判定手段によって判定されたピーク値の大きさを算出し、算出したピーク値の大きさに基づいた制御信号を増幅手段へ出力する
ことを特徴とする。

本構成によれば、ピーク値判定手段によって判定されたピーク値と基準値検出手段によって検出された基準値との差からピーク値の大きさが算出手段によって算出され、算出されたピーク値の大きさに基づいた制御信号が増幅手段へ出力されて、増幅手段の増幅率が変更される。従って、制御信号に応じた増幅率で増幅する増幅手段は、算出されたピーク値の大きさに基づいた増幅率で生体信号を増幅することになる。

このため、算出手段が、算出したピーク値の大きさが大きい場合には、増幅手段の増幅率を小さくする制御信号に変え、算出したピーク値の大きさが小さい場合には、増幅手段の増幅率を大きくする制御信号に変えることで、増幅手段によって増幅して得られる生体信号の大きさは、最大値検出手段による生体信号の最大値検出、およびピーク値判定手段によるピーク値の判定に適した大きさに適宜制御される。この結果、最大値検出手段による生体信号の最大値検出、およびピーク値判定手段によるピーク値の判定を誤ることが無くなり、ピーク値の検出精度が向上する。

また、本発明は、生体信号の前記所定タイミングが、Ｐ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波、およびＵ波で構成される生体信号のＳＴ分節が現れるタイミングであることを特徴とする。

本構成によれば、基準値検出手段によって検出される基準値は、生体信号のＳＴ分節の値、すなわち、生体信号の振幅の基準となる基線値となる。このため、算出手段によって算出されるピーク値の大きさは基線に対する大きさになって評価し易いものとなる。

また、本発明は、算出手段が、ピーク値判定手段によって連続して判定された複数のピーク値と基準値検出手段によって各ピーク値に対応して連続して検出された複数の基準値との各差から各ピーク値の大きさを算出し、算出した各ピーク値の大きさが連続して所定の範囲にある場合に増幅手段へ出力する制御信号を変えることを特徴とする。

本構成によれば、算出手段によって複数算出されるピーク値と基準値との各差が連続して所定の範囲にある場合に、増幅手段へ出力される制御信号が変えられて増幅手段の増幅率が変更される。このため、ピーク値の大きさが連続して所定の範囲にあって安定している場合に、増幅手段の増幅率が変更されるので、ピーク値の大きさを誤判定して増幅手段の増幅率を誤って変更することが無くなる。

また、本発明は、上記のいずれかの拍動周期算出装置を備えて、生体センサを構成した。

本構成によれば、上記の各効果が奏される生体センサが提供される。

本発明によれば、上記のように、最大値検出手段によって検出される生体信号の最大値がノイズに埋もれない信号レベルでありさえすれば、ピーク値の判定が行え、拍動の律動周期を算出することが出来る。また、逐次変動する生体の拍動の律動周期は、簡便な演算処理によって随時適切に算出され、拍動周期算出装置の小型化および低価格化を図ることが可能になる。

本発明の第１の実施形態による拍動周期算出装置の電気回路構成を示すブロック図である。 心拍信号の典型的な正常波形を示す図である。 第１の実施形態による拍動周期算出装置の信号処理部で行われるピーク値判定を説明するための心拍信号列を示す図である。 第１の実施形態による拍動周期算出装置の信号処理部で算出される、連続するピーク値間の時間間隔を説明するための心拍信号列を示す図である。 第１の実施形態による拍動周期算出装置の信号処理部で行われる心拍数算出処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態による拍動周期算出装置により脈拍数が算出される際に導出される加速度脈波信号列を示す図である。 本発明の第２の実施形態による拍動周期算出装置の電気回路構成を示すブロック図である。 第２の実施形態による拍動周期算出装置の信号処理部で算出される脈波伝搬時間を説明するための加速度脈波信号列および心拍信号列を示す図である。 本発明の第３の実施形態による拍動周期算出装置の電気回路構成を示すブロック図である。 第３の実施形態による拍動周期算出装置の信号処理部でピーク値と基準値との差から算出されるピーク値の大きさを説明するための心拍信号列を示す図である。 第３の実施形態による拍動周期算出装置の信号処理部で連続する複数のピーク値と複数の基準値との各差から算出される各ピーク値の大きさを説明するための心拍信号列、および制御信号としての判定信号を示す図である。 第３の実施形態による拍動周期算出装置の信号処理部で行われる心拍数算出処理を示すフローチャートである。

次に、本発明による拍動周期算出装置を心拍数の算出に用いた第１の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態による拍動周期算出装置の電気回路構成を示すブロック図である。

拍動周期算出装置１には心電センサ２が接続されている。心電センサ２は、人間や動物といった生体の所定位置に接触させられ、生体の心臓の拍動に伴って変化する心臓の活動電位の時間変化を検出し、これを生体信号である心拍信号として拍動周期算出装置１へ出力する。

心拍信号の１回の心拍に対応した典型的な正常波形は図２に示される。この心拍信号波形は、Ｐ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波の５つの波と図示しないＵ波とで構成される。Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波は一括してＱＲＳ波と呼ばれる。Ｐ波は心房の興奮により起こる活動電位の波であり、ＱＲＳ波は心室の興奮により起こる活動電位の波、Ｔ波は興奮した心室の心筋細胞が再分極する過程で起こる活動電位の波である。

拍動周期算出装置１は、増幅回路１０、フィルタ回路１１、ＡＤコンバータ１２、信号処理部１３、および表示部１４から構成される。心電センサ２から拍動周期算出装置１へ出力される心拍信号は、増幅回路１０で増幅され、フィルタ回路１１でノイズ成分が除去される。ノイズ成分が除去された心拍信号はＡＤコンバータ１２でアナログ信号からデジタル信号に変換され、信号処理部１３に与えられる。信号処理部１３は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（読み出し専用メモリ）、およびＲＡＭ（読み書き可能メモリ）を備えたマイクロコンピュータなどによって構成される。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された心拍数算出プログラムに従い、ＲＡＭを一時記憶作業領域として所定の演算処理を行って心拍数を算出する。算出された心拍数は、ＬＣＤ（液晶表示装置）や有機ＥＬ（エレクトロルミネセンス）等で構成される表示部１４に表示される。

信号処理部１３のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された心拍数算出プログラムにより、最大値検出手段、ピーク値判定手段、算出手段、および一定時間変更手段として、機能する。

最大値検出手段は、心電センサ２から出力される心拍信号を所定時間間隔で取得して、心拍信号の最大値Ｍを検出する。本実施形態では、心拍信号は、６００[Ｈｚ]のサンプリング時間間隔で取得され、検出された心拍信号の最大値ＭはＣＰＵによってＲＡＭに記憶される。ピーク値判定手段は、最大値検出手段によって検出された最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍ１が最大値検出手段によって一定時間Ｔ１内に検出されない場合に、最大値検出手段によって検出された最大値Ｍをピーク値Ｐと判定する。例えば、図３に示す心拍信号列が信号処理部１３に取得され、最大値検出手段によって時刻ｔ１に検出された、心拍信号ＳａのＲ波に対応する最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍ１が最大値検出手段によって一定時間Ｔ１内に検出されない場合に、ピーク値判定手段は、最大値検出手段によって時刻ｔ１に検出された最大値Ｍをピーク値Ｐと判定する。時刻ｔ１から一定時間Ｔ１の経過後の、ピーク値判定手段によってピーク値Ｐが判定される時刻ｔ２は、ピーク判定ポイントｔｐとされる。ピーク値判定手段によって判定されたピーク値ＰはＲＡＭに記憶される。ここで、心拍信号列における各心拍信号は、基線Ｇを基準に振幅している。また、一定時間Ｔ１は、最大値検出手段によって検出された最大値Ｍが更新されない時間であり、ＲＡＭの所定領域に形成された最大値更新カウンタでカウントされることによって計時される。

本実施形態では、ピーク値判定手段は、最大値検出手段によって検出された最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍ１が最大値検出手段によって一定時間Ｔ１内に検出されると、大きな最大値Ｍ１が検出された時点から一定時間Ｔ１内に大きな最大値Ｍ１よりもさらに大きな最大値Ｍ２が最大値検出手段によって検出されない場合に、最大値検出手段によって検出された大きな最大値Ｍ１をピーク値Ｐと判定する。例えば、図３に示すように、最大値検出手段によって時刻ｔ３に検出された心拍信号Ｓｂの最大値Ｍよりも大きな心拍信号Ｓｃの最大値Ｍ１が、最大値検出手段によって時刻ｔ３から一定時間Ｔ１内の時刻ｔ４において検出されると、大きな最大値Ｍ１が検出された時点の時刻ｔ４から一定時間Ｔ１内に、大きな最大値Ｍ１よりもさらに大きな最大値Ｍ２が最大値検出手段によって検出されない場合に、時刻ｔ４から一定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ５のピーク判定ポイントｔｐにおいて、最大値検出手段によって検出された大きな最大値Ｍ１をピーク値Ｐと判定する。そして、判定したピーク値ＰをＲＡＭに記憶する。

その後、同様に、最大値検出手段によって時刻ｔ６に検出された心拍信号Ｓｄの最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍ１が最大値検出手段によって一定時間Ｔ１内に検出されない場合に、ピーク値判定手段は、時刻ｔ６から一定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ７のピーク判定ポイントｔｐにおいて、最大値検出手段によって時刻ｔ６に検出された最大値Ｍをピーク値Ｐと判定し、ＲＡＭに記憶する。

算出手段は、ピーク値判定手段によって判定される連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に基づいて、１分間当たりに出現するピーク値Ｐの数を求め、生体信号を生じさせる生体の拍動の律動周期を心拍数として算出する。連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２は、例えば、図４の心拍信号列に示すように、ピーク値Ｐとして判定されてＲＡＭに記憶された心拍信号Ｓｅの最大値Ｍが検出された時刻ｔ８と、ピーク値Ｐとして判定されてＲＡＭに記憶された心拍信号Ｓｆの最大値Ｍが検出された時刻ｔ９との時間間隔である。同様に、ピーク値Ｐとして判定されてＲＡＭに記憶された心拍信号Ｓｆの最大値Ｍが検出された時刻ｔ９と、ピーク値Ｐとして判定されてＲＡＭに記憶された心拍信号Ｓｇの最大値Ｍが検出された時刻ｔ１０との時間間隔である。なお、図４において図３と同一のものには同一の符号を付してその説明は省略する。この連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２は、最大値Ｍが更新されない時間Ｔ１を計時する最大値更新カウンタとは別にＲＡＭの所定領域に形成されたピーク間隔カウンタでカウントされることにより、計時される。

ピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２は、最初の最大値Ｍが、一定時間Ｔ１が経過した直後のピーク判定ポイントｔｐにピーク値Ｐと判定され、そのピーク判定ポイントｔｐの直後に現れた最大値Ｍが、さらに一定時間Ｔ１が経過した直後の次のピーク判定ポイントｔｐにピーク値Ｐと判定される場合に、最短となり、一定時間Ｔ１を極僅かに超える時間間隔になる。また、ピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２は、最初の最大値Ｍが、一定時間Ｔ１が経過した直後のピーク判定ポイントｔｐにピーク値Ｐと判定され、そのピーク判定ポイントｔｐから一定時間Ｔ１が経過する直前に現れた最大値Ｍが、そのピーク判定ポイントｔｐから一定時間Ｔ１が経過した直後の次のピーク判定ポイントｔｐにピーク値Ｐと判定される場合に、最長となり、一定時間Ｔ１の２倍を極僅かに下回る時間間隔になる。成人の心拍数の標準値は１分間当たり６０〜９０であることから、一定時間Ｔ１を０．５[ｓ（秒）]とすることで、最短で０．５[ｓ]を極僅かに超え、最長で０．５[ｓ]の２倍の１[ｓ]を極僅かに下回るピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２が計測され、６０（＝６０÷１）を超え１２０（＝６０÷０．５）未満の心拍数が計測される。しかし、これでは、成人の標準的な心拍数しか測定することが出来ない。このため、一定時間変更手段は、ピーク値判定手段によって判定される連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて、一定時間Ｔ１を、ピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて予め定められた複数の時間の中のいずれの時間に、逐次変更する。

本実施形態では、連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２が、０．３[ｓ]超え０．５[ｓ]未満には０．３[ｓ]、０．５[ｓ]超え０．６[ｓ]未満には０．４[ｓ]、０．６[ｓ]超え０．８[ｓ]未満には０．５[ｓ]、０．８[ｓ]を超えるときには０．７５[ｓ]の一定時間Ｔ１が対応して予め定められている。これにより、一定時間Ｔ１は、０．３[ｓ]、０．４[ｓ]、０．５[ｓ]、および０．７５[ｓ]の４つの複数の時間から最適な時間に随時変動させられる。心拍数は、一定時間Ｔ１が０．３[ｓ]とされたときには１００（＝６０÷０．６）を超え２００（＝６０÷０．３）未満、０．４[ｓ]とされたときには７５（＝６０÷０．８）を超え１５０（＝６０÷０．４）未満、０．５[ｓ]とされたときには６０（＝６０÷１．０）を超え１２０（＝６０÷０．５）未満、０．７５[ｓ]とされたときには４０（＝６０÷１．５）を超え８０（＝６０÷０．７５）未満の範囲が測定される。この結果、４０を超え２００未満の心拍数が測定されることになり、成人の標準的な心拍数に限らず、広い範ちゅうの人や動物等の心拍数を測定することが可能になる。

また、本実施形態では、一定時間変更手段は、ピーク値判定手段によって判定される、相互の値が所定範囲内にある連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて、一定時間Ｔ１を逐次変更する。例えば、図４に示すように、心拍信号Ｓｅのピーク値Ｐとされた最大値Ｍから一定値Ｃを減算した値以上の最大値Ｍを心拍信号Ｓｆのピーク値Ｐが持つ場合、心拍信号Ｓｅおよび心拍信号Ｓｆの連続するピーク値Ｐは、相互の値が所定範囲内にあるものと一定時間変更手段によって判断される。同様に、心拍信号Ｓｆのピーク値Ｐとされた最大値Ｍから一定値Ｃを減算した値以上の最大値Ｍを心拍信号Ｓｇのピーク値Ｐが持つ場合、心拍信号Ｓｆおよび心拍信号Ｓｇの連続するピーク値Ｐは、相互の値が所定範囲内にあるものと一定時間変更手段によって判断される。このように相互の値が所定範囲内にあるものと判断されたピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて、一定時間Ｔ１は、一定時間変更手段によって逐次変更される。

次に、本実施形態による拍動周期算出装置１の信号処理部１３において、上記の心拍数算出プログラムに従ってＣＰＵによって行われる心拍数算出処理について、図５のフローチャートを参照して説明する。

ＣＰＵは、まず、図５、ステップ（以下、Ｓと記す）１において、心電センサ２から出力されて増幅回路１０で増幅され、フィルタ回路１１でノイズが除去されてＡＤコンバータ１２でデジタル信号に変換された心拍信号を、所定の時間間隔で取得する。次に、ＣＰＵは、Ｓ２で、所定の時間間隔で取得した心拍信号の最大値Ｍが、ＲＡＭに記憶された最新のピーク値Ｐから一定値Ｃを減算した値以上であるか否かを判別する。取得した心拍信号の最大値Ｍが最新のピーク値Ｐから一定値Ｃを減算した値以上で、Ｓ２の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ３において、ピーク間隔カウンタによってカウントされたピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が、０．３[ｓ]超え０．５[ｓ]未満であるか否かを判別する。ピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が０．３[ｓ]超え０．５[ｓ]未満で、Ｓ３の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ４において、一定時間Ｔ１を０．３[ｓ]に設定する。

一方、ピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が０．３[ｓ]超え０．５[ｓ]未満でなく、Ｓ３の判別結果がＮｏである場合、ＣＰＵは、Ｓ５において、ピーク間隔カウンタによってカウントされたピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が、０．５[ｓ]超え０．６[ｓ]未満であるか否かを判別する。ピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が０．５[ｓ]超え０．６[ｓ]未満で、Ｓ５の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ６において、一定時間Ｔ１を０．４[ｓ]に設定する。一方、ピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が０．５[ｓ]超え０．６[ｓ]未満でなく、Ｓ５の判別結果がＮｏである場合、ＣＰＵは、Ｓ７において、ピーク間隔カウンタによってカウントされたピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が、０．６[ｓ]超え０．８[ｓ]未満であるか否かを判別する。ピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が０．６[ｓ]超え０．８[ｓ]未満で、Ｓ７の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ８において、一定時間Ｔ１を０．５[ｓ]に設定する。一方、ピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が０．６[ｓ]超え０．８[ｓ]未満でなく、Ｓ７の判別結果がＮｏである場合、ＣＰＵは、Ｓ９において、ピーク間隔カウンタによってカウントされたピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が、０．８[ｓ]を超えるか否かを判別する。ピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が０．８[ｓ]を超え、Ｓ９の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ１０において、一定時間Ｔ１を０．７５[ｓ]に設定する。

ピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２が０．８[ｓ]を超えるものでなく、Ｓ９の判別結果がＮｏである場合、または、取得した心拍信号の最大値Ｍが最新のピーク値Ｐから一定値Ｃを減算した値以上でなく、Ｓ２の判別結果がＮｏである場合、または、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８、もしくはＳ１０で一定時間Ｔ１が設定された場合、次に、ＣＰＵは、Ｓ１１で、Ｓ１で取得した心拍信号の最大値Ｍが、ＲＡＭに記憶されている現在の最大値Ｍよりも大きいか否かを判別する。Ｓ１で取得した心拍信号の最大値Ｍが、図３に示す心拍信号Ｓｃの最大値Ｍ１のように、ＲＡＭに記憶されている心拍信号Ｓｂの現在の最大値Ｍよりも大きく、Ｓ１１の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ１２において、ＲＡＭに記憶されている現在の最大値Ｍを、Ｓ１で取得した心拍信号の最大値Ｍに書き換えて、更新する。そして、一定時間Ｔ１をカウントする最大値更新カウンタ、およびピーク値Ｐの時間間隔Ｔ２をカウントするピーク間隔カウンタをリセットし、各カウンタによる計時を再開させる。

また、Ｓ１で取得した心拍信号の最大値Ｍが現在の最大値Ｍよりも大きくなく、Ｓ１１の判別結果がＮｏである場合、ＣＰＵは、Ｓ１３において、最大値更新カウンタおよびピーク間隔カウンタの各カウント値をカウントアップし、計時を進める。次に、ＣＰＵは、Ｓ１４において、最大値更新カウンタによって計時される時間が一定時間Ｔ１を超えるか否かを判別する。最大値更新カウンタによって計時される時間が一定時間Ｔ１を超え、Ｓ１４の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ１５において、Ｓ１で取得した心拍信号の最大値Ｍをピーク値Ｐと判定し、最新のピーク値ＰとしてＲＡＭに記憶し、設定する。そして、この最新のピーク値Ｐとこれより１つ前のピーク値Ｐとの時間間隔Ｔ２から、１分間当たりのピーク値Ｐの数を求めて、心拍数を算出する。引き続いて、最大値更新カウンタをリセットすると共に、ＲＡＭに記憶されている、今回ピーク値Ｐと判定された最大値Ｍをリセットする。

最大値更新カウンタが一定時間Ｔ１を超えず、Ｓ１４の判別結果がＮｏである場合、または、Ｓ１２もしくはＳ１５の処理終了後、ＣＰＵは、Ｓ１の処理に戻って上記の各処理を繰り返し行う。

このような本実施形態による拍動周期算出装置１によれば、所定時間間隔で取得される心拍信号の最大値Ｍが最大値検出手段により検出され、Ｓ１１およびＳ１４の処理で、検出された最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍが最大値検出手段によって一定時間Ｔ１内に検出されない場合に、Ｓ１５の処理で、ピーク値判定手段により、最大値検出手段によって検出された最大値Ｍがピーク値Ｐと判定される。そして、ピーク値判定手段によって判定される連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に基づいて、心拍数が算出手段により算出される。

このため、本実施形態による拍動周期算出装置１は、特許文献１に開示された従来の装置と異なり、心電センサ２から得られる心拍信号のレベルが低い場合にも、最大値検出手段によって検出される心拍信号の最大値Ｍがノイズに埋もれない信号レベルでありさえすれば、心拍信号のＰ波やＴ波（図２参照）がノイズに埋もれていても、ピーク値Ｐの判定が行え、心拍数を算出することが出来る。また、心拍信号の振幅の基準となる基線Ｇ（図３参照）が変動しても、同様に、最大値検出手段によって検出される心拍信号の最大値Ｐがノイズに埋もれない信号レベルでありさえすれば、ピーク値Ｐの判定が行え、心拍数を算出することが出来る。

また、ピーク値Ｐの判定に用いられる一定時間Ｔ１は、ピーク値判定手段によって判定される連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて、ピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて予め定められた０．３[ｓ]、０．４[ｓ]、０．５[ｓ]、および０．７５[ｓ]の複数の時間の中のいずれの時間に、一定時間変更手段によりＳ３〜Ｓ１０の処理において逐次変更される。このため、ピーク値Ｐの判定は、除算等の複雑な演算処理を用いて行われる特許文献２や特許文献３に開示された従来の装置と異なり、取得される心拍信号の大きさを単に比較するＳ１１の処理、一定時間Ｔ１やピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２をカウントするＳ１３の処理、予め定められた複数の時間の中のいずれの時間をピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて選択するＳ３〜Ｓ１０の処理といった簡便な演算処理によって行われる。この結果、逐次変動する心拍数は、簡便な演算処理によって随時適切に算出され、拍動周期算出装置１の小型化および低価格化を図ることが可能になる。

また、本実施形態による拍動周期算出装置１によれば、例えばＳ１１の処理において、図３に示す心拍信号Ｓｃのように、最大値検出手段によって検出された心拍信号Ｓｂの最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍ１が最大値検出手段によって時刻ｔ３から一定時間Ｔ１内に検出されると、Ｓ１２の処理により、大きな最大値Ｍ１が検出された時点の時刻ｔ４から一定時間Ｔ１のカウントが再開される。そして、その後のＳ１１およびＳ１４の処理で、この一定時間Ｔ１内に、大きな最大値Ｍ１よりもさらに大きな最大値Ｍ２が最大値検出手段によって検出されない場合に、Ｓ１５の処理で、最大値検出手段によって検出された大きな最大値Ｍ１がピーク値判定手段によってピーク値Ｐと判定される。

このため、最大値検出手段によって一旦検出された最大値Ｍは、一定時間Ｔ１内にその最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍ１が最大値検出手段によって検出されると、ピーク判定に用いられず、心拍数の算出データから除外される。この結果、最大値検出手段によって検出される最大値Ｍの中で、心拍数の算出にふさわしくない、心拍信号のＰ波やＴ波といった信号に相当する最大値Ｍや、ノイズに起因する最大値Ｍなどがピーク判定の対象に用いられなくなり、心拍数の算出にふさわしいＲ波に相当する最大値Ｍのみがピーク判定の対象に用いられるようになって、心拍数の算出精度が向上する。

また、本実施形態による拍動周期算出装置１によれば、ピーク値Ｐの判定に用いられる一定時間Ｔ１は、図４に示す心拍信号Ｓｆや心拍信号Ｓｇのように、１つ前のピーク値Ｐから一定値Ｃを減算した値以上のピーク値Ｐを持つ、相互の値が所定範囲内にある連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて、Ｓ３〜Ｓ１０の処理において、一定時間変更手段により逐次変更される。

このため、ピーク値判定手段によって判定された連続するピーク値Ｐであっても、相互の値が所定範囲内にない場合には、同種のピーク値Ｐではないものとされ、ピーク値Ｐの判定に用いられる一定時間Ｔ１は、このピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて変更されない。一方、連続する相互のピーク値Ｐが所定範囲内にある場合には、同種のピーク値Ｐであるものとされ、ピーク値Ｐの判定に用いられる一定時間Ｔ１は、このピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて変更される。従って、ピーク値Ｐの判定に用いられる一定時間Ｔ１は、似通ったピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて変更され、ノイズに起因するピーク値Ｐなどに基づいて変更されることなく、心拍数の遷移に的確に追従して変更される。この結果、逐次変動する生体の心拍数は、簡便な演算処理によってより適切に随時算出されることになる。

なお、上記の実施形態では、生体信号を心電センサ２によって検出される心拍信号とし、拍動周期算出装置１が拍動の律動周期を心拍数として算出する構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、生体信号を脈波センサによって検出される脈波信号とし、拍動周期算出装置１が拍動の律動周期を脈拍数として算出する構成にしてもよい。

この構成では、信号処理部１３において、脈波センサから取得される脈波信号を２回微分して加速度脈波信号とし、例えば、図６に示すような加速度脈波信号列における各加速度脈波信号Ｓ_Ａの連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に基づいて、拍動の律動周期が脈拍数として算出される。この際、加速度脈波信号Ｓ_Ａの最大値Ｍが最大値検出手段により検出され、検出された最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍが最大値検出手段によって一定時間Ｔ１内に検出されない場合に、ピーク値判定手段により、最大値検出手段によって検出された最大値Ｍがピーク判定ポイントｔｐでピーク値Ｐと判定されてＲＡＭに記憶される。そして、ピーク値判定手段によって判定される連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に基づいて、脈拍数が算出手段により算出される。ここで、脈波センサから取得される脈波信号を２回微分して加速度脈波信号とすることなく、脈波信号の連続するピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に基づいて、脈拍数を算出する構成にしてもよい。

このような構成によっても、拍動周期算出装置１は、最大値検出手段によって検出される加速度脈波信号Ｓ_Ａまたは脈波信号の最大値Ｍがノイズに埋もれない信号レベルでありさえすれば、ピーク値Ｐの判定が行え、脈拍数を算出することが出来て、上記実施形態と同様な作用効果が奏される。

次に、本発明による拍動周期算出装置を脈波伝搬時間の算出に用いた第２の実施形態について説明する。

図７は、本実施形態による拍動周期算出装置の電気回路構成を示すブロック図である。なお、同図において図１と同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明は省略する。

拍動周期算出装置３には心電センサ２および脈波センサ４が接続されている。脈波センサ４は、人間や動物といった生体の所定位置に当てられ、ＬＥＤ（発光ダイオード）から発せられる赤外線の反射光をフォトディテクタで検出することなどで、生体の心臓の拍動に伴って変化する血管中の血流の時間変化を検出し、これを生体信号である脈拍信号として拍動周期算出装置３へ出力する。

拍動周期算出装置３は、脈波センサ４から出力される脈波信号を増幅する増幅回路２０、増幅回路２０で増幅された脈波信号からノイズ成分を除去するフィルタ回路２１、ノイズ成分が除去された脈波信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤコンバータ２２を備えている。信号処理部１３は、ＡＤコンバータ２２から出力される脈波信号を２回微分して加速度脈波信号に変換する。

信号処理部１３のＲＯＭには、心拍信号のピーク値Ｐと加速度脈波信号のピーク値Ｐとを同時に検出して、それらの時間差から脈波伝搬時間を算出する脈波伝搬時間算出プログラムが記憶されている。脈波伝搬時間は、図８（ａ）に示す加速度脈波信号列における加速度脈波信号Ｓ_Ａのピーク値Ｐと、同図（ｂ）に示す心拍信号列における心拍信号Ｓのピーク値Ｐとの時間差Ｔ３として、算出される。ここで、信号処理部１３のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された脈波伝搬時間算出プログラムにより、最大値検出手段、ピーク値判定手段、算出手段、および一定時間変更手段として、機能する。

最大値検出手段は、心電センサ２から出力される心拍信号Ｓを所定時間間隔で取得して心拍信号Ｓの最大値Ｍを検出する心拍最大値検出手段と、脈波センサ４から出力される脈波信号を所定時間間隔で取得して２回微分した加速度脈波信号Ｓ_Ａの最大値Ｍを検出する脈波最大値検出手段とから構成される。ピーク値判定手段は、心拍最大値検出手段によって検出された心拍信号Ｓの最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍが心拍ピーク値判定用の一定時間Ｔ１内に心拍最大値検出手段によって検出されない場合に、心拍最大値検出手段によって検出された心拍信号Ｓの最大値Ｍをピーク判定ポイントｔｐで心拍ピーク値Ｐと判定する心拍ピーク値判定手段と、脈波最大値検出手段によって検出された加速度脈波信号Ｓ_Ａの最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍが加速度脈波ピーク値判定用の一定時間Ｔ１内に脈波最大値検出手段によって検出されない場合に、脈波最大値検出手段によって検出された加速度脈波信号Ｓ_Ａの最大値Ｍをピーク判定ポイントｔｐで加速度脈波ピーク値Ｐと判定する脈波ピーク値判定手段とから構成される。

算出手段は、心拍ピーク値判定手段によって判定された心拍ピーク値Ｐと脈波ピーク値判定手段によって判定された加速度脈波ピーク値Ｐとの時間差Ｔ３を、脈波伝搬時間として算出する。算出された脈波伝搬時間は表示部１４に表示される。一定時間変更手段は、心拍ピーク値判定手段によって判定される連続する心拍ピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて、心拍ピーク値判定用の一定時間Ｔ１を心拍ピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて予め定められた複数の時間の中のいずれの時間に逐次変更する心拍ピーク値判定用一定時間変更手段と、脈波ピーク値判定手段によって判定される連続する加速度脈波ピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて、加速度脈波ピーク値判定用の一定時間Ｔ１を加速度脈波ピーク値Ｐ間の時間間隔Ｔ２に応じて予め定められた複数の時間の中のいずれの時間に逐次変更する脈波ピーク値判定用一定時間変更手段とから構成される。

このような本実施形態による拍動周期算出装置３によれば、心拍最大値検出手段によって検出された心拍信号Ｓの最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍが心拍ピーク値判定用の一定時間Ｔ１内に心拍最大値検出手段によって検出されない場合に、心拍最大値検出手段によって検出された心拍信号Ｓの最大値Ｍが心拍ピーク値判定手段によって心拍ピーク値Ｐと判定される。また、脈波最大値検出手段によって検出された加速度脈波信号Ｓ_Ａの最大値Ｍよりも大きな最大値Ｍが加速度脈波ピーク値判定用の一定時間Ｔ１内に脈波最大値検出手段によって検出されない場合に、脈波最大値検出手段によって検出された加速度脈波信号Ｓ_Ａの最大値Ｍが脈波ピーク値判定手段によって加速度脈波ピーク値Ｐと判定される。そして、心拍ピーク値判定手段によって判定された心拍ピーク値Ｐと脈波ピーク値判定手段によって判定された加速度脈波ピーク値Ｐとの時間差Ｔ３が、算出手段によって脈波伝搬時間として算出される。このため、算出される脈波伝搬時間から、拍動により動脈に脈波が伝搬する時間が知れるので、血管年齢の推定や、血圧値の算出を行うことが可能になる。

また、拍動周期算出装置３の信号処理部１３のＲＯＭに、第１の実施形態で説明した心拍数算出プログラムに加え、脈波センサ４から所定時間間隔で取得される脈波信号を２回微分した加速度脈波信号Ｓ_Ａから脈拍数を算出する脈拍数算出プログラムを備えることで、脈波伝搬時間と共に心拍数および脈拍数も同時に算出して、これらを表示部１４に表示させることが出来る。この構成では、心拍数算出プログラムの機能を実現する手段に加速度脈波信号Ｓ_Ａを与えることで、脈拍数算出プログラムの機能を実現する手段を構成することが出来るため、設計リソースを削減することが出来る。

次に、本発明による拍動周期算出装置を心拍数の算出に用いた第３の実施形態について説明する。

図９は、本実施形態による拍動周期算出装置の電気回路構成を示すブロック図である。なお、同図において図１と同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明は省略する。

本実施形態による拍動周期算出装置５は、信号処理部１３と増幅回路１０とが接続され、信号処理部１３から増幅回路１０へ向かうフィードバック経路が形成されている点が、第１の実施形態による拍動周期算出装置１と相違し、その他のハードウエア構成は、第１の実施形態による拍動周期算出装置１と同じである。

本実施形態による拍動周期算出装置５でも、心電センサ２から拍動周期算出装置５へ出力される心拍信号は、増幅回路１０で増幅されるが、その増幅率は、信号処理部１３からフィードバックされる制御信号によって定められる。制御信号に応じた増幅率で増幅された心拍信号は、フィルタ回路１１およびＡＤコンバータ１２を介して、信号処理部１３内のＣＰＵによって構成される最大値検出手段に与えられる。増幅回路１０は、心拍信号を制御信号に応じた増幅率で増幅して最大値検出手段へ出力する増幅手段を構成する。

本実施形態の信号処理部１３内のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された後述する心拍数算出プログラムにより、前述した最大値検出手段、ピーク値判定手段、算出手段、および一定時間変更手段として機能すると共に、基準値検出手段としても機能する。

基準値検出手段は、増幅回路１０で増幅された心拍信号の所定タイミングにおける大きさを基準値として検出する。この所定タイミングは、本実施形態では、Ｐ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波、およびＵ波で構成される図２に示した心拍信号のＳＴ分節が現れるタイミングに、設定されている。ここで、ＳＴ分節とは、Ｓ波からＴ波にかけての平坦部分であり、心拍信号の振幅の基準となる基線Ｇ（図３参照）に相当し、基準値は基線値Ｂとして検出される。本実施形態では、ピーク値Ｐとして検出されるＲ波の出現タイミングから０．１[ｓ]経過したタイミングを、ＳＴ分節が現れるタイミングとしている。

また、本実施形態の算出手段は、ピーク値判定手段によって判定されたピーク値Ｐと、基準値検出手段によって検出された基線値Ｂとの差（Ｐ−Ｂ）から、ピーク値判定手段によって判定されたピーク値Ｐの大きさを算出し、算出したピーク値Ｐの大きさに基づいた制御信号を増幅回路１０へ出力する。例えば、算出手段は、図１０に示す心拍信号列において、時刻ｔ８、ｔ９におけるＲ波のピーク値Ｐと、このピーク値Ｐが検出された時刻ｔ８、ｔ９からそれぞれ０．１[ｓ]経過した時点の基線判定ポイントｔｇにおいて検出されたＳＴ分節の基線値Ｂとの差（Ｐ−Ｂ）から、ピーク値Ｐの大きさＨを算出する。そして、算出したピーク値Ｐの大きさＨに基づいた制御信号を増幅回路１０へ出力する。なお、同図において図２および図４と同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明は省略する。

また、算出手段は、ピーク値判定手段によって連続して判定された複数のピーク値Ｐと、基準値検出手段によってこれら各ピーク値Ｐに対応して連続して検出された複数の基線値Ｂとの各差（Ｐ−Ｂ）から、各ピーク値Ｐの大きさＨを算出し、算出した各ピーク値Ｐの大きさＨが連続して所定の範囲にある場合に、増幅回路１０へ出力する制御信号を変える。

例えば、図１１（ａ）に示す心拍信号列において、心拍信号Ｓｈのピーク値Ｐの大きさＨ１は所定の第２の閾値Ｙ未満であるが、その後に連続する４個の心拍信号Ｓｉ、Ｓｊ、Ｓｋ、およびＳｌの各ピーク値の大きさＨ２、Ｈ３、Ｈ４、およびＨ５が第２の閾値Ｙ以上（Ｈ≧Ｙ）で大きい場合、増幅回路１０へ出力する制御信号である判定信号のレベルを変える。なお、同図において図１０と同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明は省略する。この場合、増幅回路１０へ出力される制御信号は、同図に示すように時刻ｔ１１において、高レベルのＨｉｇｈの判定信号から低レベルのＬｏｗの判定信号に変えられる。このＬｏｗの判定信号がフィードバックされた増幅回路１０は、予め用意された大増幅率および小増幅率の２つの増幅率の中の小増幅率で、心電センサ２から出力される心拍信号Ｓを増幅する。従って、信号処理部１３では、その後に、ピーク値Ｐの大きさＨがＨ６と小さくなった心拍信号Ｓｍが検出される。

また、さらにその後に連続する４個の心拍信号Ｓｎ、Ｓｏ、Ｓｐ、およびＳｑの各ピーク値の大きさＨ７、Ｈ８、Ｈ９、およびＨ１０が第１の閾値Ｘ以下（Ｈ≦Ｘ）で小さい場合、増幅回路１０へ出力される制御信号は、同図に示すように時刻ｔ１２において、Ｌｏｗの判定信号からＨｉｇｈの判定信号に変えられる。このＨｉｇｈの判定信号がフィードバックされた増幅回路１０は、予め用意された大増幅率および小増幅率の２つの増幅率の中の大増幅率で、心電センサ２から出力される心拍信号Ｓを増幅する。従って、信号処理部１３では、その後に、ピーク値Ｐの大きさＨがＨ１１と大きくなった心拍信号Ｓｒが検出される。

次に、本実施形態による拍動周期算出装置５の信号処理部１３において、ＲＯＭに記憶された心拍数算出プログラムに従ってＣＰＵによって行われる心拍数算出処理について、図１２のフローチャートを参照して説明する。なお、同図において図５のフローチャートと同一または相当するステップには同一のステップ符号を付してその説明は省略する。

ＣＰＵは、増幅回路１０で増幅されてＳ１で取得された心拍信号の最大値ＭがＲＡＭに記憶されている現在の最大値Ｍよりも大きくなく、Ｓ１１の判別結果がＮｏである場合、Ｓ１３において、最大値更新カウンタおよびピーク間隔カウンタの各カウント値をカウントアップし、計時を進める。次に、ＣＰＵは、Ｓ２１において、最大値更新カウンタによって計時される時間が、ＲＡＭに記憶されている最新のピーク値Ｐが出現したタイミングから０．１[ｓ]経過した時点で、ＳＴ分節が現れる基線判定ポイントｔｇであるか否かを判別する。０．１[ｓ]経過した時点で、Ｓ２１の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ２２において、最大値更新カウンタによる計時が０．１[ｓ]経過した時点における心電センサ２からの入力値を基線値ＢとしてＲＡＭに記憶し、Ｓ１の処理に戻って上記の各処理を繰り返し行う。

一方、０．１[ｓ]経過した時点でなく、Ｓ２１の判別結果がＮｏである場合、ＣＰＵは、Ｓ１４において、前述したように、最大値更新カウンタによって計時される時間が一定時間Ｔ１を超えるか否かを判別する。最大値更新カウンタによって計時される時間が一定時間Ｔ１を超え、Ｓ１４の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ２３において、ＲＡＭに記憶されている最新のピーク値Ｐと、Ｓ２２でＲＡＭに記憶した基線値Ｂとの差、つまり、ピーク値Ｐの大きさＨを算出する。

次に、ＣＰＵは、Ｓ２４において、算出したピーク値Ｐと基線値Ｂとの差が第１の閾値Ｘ以下で、ＲＡＭに記憶されている最新のピーク値Ｐの大きさＨが小さいものであるか否かを判別する。ピーク値Ｐと基線値Ｂとの差が第１の閾値Ｘ以下で最新のピーク値Ｐの大きさＨが小さく、Ｓ２４の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ２５において、ピーク値Ｐと基線値Ｂとの第１の閾値Ｘ以下の差が連続して４回、図１１に示す心拍信号Ｓｎ、Ｓｏ、Ｓｐ、およびＳｑのように、検出されたか否かを判別する。連続して４回、第１の閾値Ｘより小さいものとして検出されて、Ｓ２５の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ２６において、増幅回路１０へフィードバックする判定信号を例えば時刻ｔ１２にＬｏｗからＨｉｇｈに変更する。このため、増幅回路１０の増幅率は大増幅率となり、心電センサ２から出力される心拍信号は、例えば心拍信号Ｓｒのようにピーク値Ｐの大きさＨ１１が大きな適切なものとなる。

一方、ピーク値Ｐと基線値Ｂとの差が第１の閾値Ｘ以下でなく、Ｓ２４の判別結果がＮｏである場合、ＣＰＵは、Ｓ２７において、Ｓ２３で算出したピーク値Ｐと基線値Ｂとの差が第２の閾値Ｙ以上で、ＲＡＭに記憶されている最新のピーク値Ｐの大きさＨが大きいものであるか否かを判別する。ピーク値Ｐと基線値Ｂとの差が第２の閾値Ｙ以上で最新のピーク値Ｐの大きさＨが大きく、Ｓ２７の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ２８において、ピーク値Ｐと基線値Ｂとの第２の閾値Ｙ以上の差が連続して４回、図１１に示す心拍信号Ｓｉ、Ｓｊ、Ｓｋ、およびＳｌのように、検出されたか否かを判別する。連続して４回、第２の閾値Ｙより大きいものとして検出されて、Ｓ２８の判別結果がＹｅｓである場合、ＣＰＵは、Ｓ２９において、増幅回路１０へフィードバックする判定信号を例えば時刻ｔ１１にＨｉｇｈからＬｏｗに変更する。このため、増幅回路１０の増幅率は小増幅率となり、心電センサ２から出力される心拍信号は、例えば心拍信号Ｓｍのようにピーク値Ｐの大きさＨ６が小さな適切なものとなる。

連続して４回検出されずにＳ２５もしくはＳ２８の判別結果がＮｏである場合、または、判定信号のレベルを変更してＳ２６もしくはＳ２９の処理が終了した場合、次に、ＣＰＵは、Ｓ１５において、前述したように、Ｓ１で取得した心拍信号の最大値Ｍをピーク値Ｐと判定し、最新のピーク値ＰとしてＲＡＭに設定し、１分間当たりのピーク値Ｐの数を求めて心拍数を算出すると共に、最大値更新カウンタおよび今回ピーク値Ｐと判定された最大値Ｍをリセットする。

このような本実施形態による拍動周期算出装置５によれば、ピーク値判定手段によって判定されたピーク値Ｐと基準値検出手段によって検出された基線値Ｂとの差からピーク値Ｐの大きさＨが、図１２のＳ２３において算出手段によって算出される。そして、算出されたピーク値Ｐの大きさＨに基づいた制御信号が、Ｓ２６またはＳ２９でＨｉｇｈまたはＬｏｗの判定信号として増幅回路１０へ出力されて、増幅回路１０の増幅率が変更される。

すなわち、算出されたピーク値Ｐの大きさＨが第２の閾値Ｙより大きい場合には、制御信号が増幅回路１０の増幅率を小さくするＬｏｗの判定信号に変えられ、算出されたピーク値Ｐの大きさＨが第１の閾値Ｘより小さい場合には、制御信号が増幅回路１０の増幅率を大きくするＨｉｇｈの判定信号に変えられる。このため、増幅回路１０によって増幅して得られる心拍信号の大きさは、Ｓ１１およびＳ１２における最大値検出手段による心拍信号の最大値検出、およびＳ１４およびＳ１５におけるピーク値判定手段によるピーク値Ｐの判定に適した大きさに、適宜制御される。この結果、最大値検出手段による心拍信号の最大値検出、およびピーク値判定手段によるピーク値Ｐの判定を誤ることが無くなり、ピーク値Ｐの検出精度が向上する。

また、本実施形態による拍動周期算出装置５によれば、基準値検出手段によって検出される基準値は、心拍信号のＳＴ分節の値、すなわち、心拍信号の振幅の基準となる基線値Ｂとなる。このため、算出手段によって算出されるピーク値Ｐの大きさＨは基線Ｇ（図３参照）に対する大きさになって評価し易いものとなる。

また、本実施形態による拍動周期算出装置５によれば、算出手段によって複数算出されるピーク値Ｐと基線値Ｂとの各差が連続して所定の範囲にある場合に、増幅回路１０へフィードバック出力される制御信号が変えられて、増幅回路１０の増幅率が変更される。例えば、図１１に示す心拍信号Ｓｉ、Ｓｊ、Ｓｋ、およびＳｌの各ピーク値Ｐと基線値Ｂとの各差が連続して第２の閾値Ｙ以上（Ｈ≧Ｙ）の所定の範囲にあって、各ピーク値Ｐの大きさＨが連続して大きい場合に、増幅回路１０へ出力される制御信号が時刻ｔ１１にＨｉｇｈからＬｏｗの判定信号に変えられて、増幅回路１０の増幅率が小増幅率に変更される。また、図１１に示す心拍信号Ｓｎ、Ｓｏ、Ｓｐ、およびＳｑの各ピーク値Ｐと基線値Ｂとの各差が連続して第１の閾値Ｘ以下（Ｈ≦Ｘ）の所定の範囲にあって、各ピーク値Ｐの大きさＨが連続して小さい場合に、増幅回路１０へ出力される制御信号が時刻ｔ１２にＬｏｗからＨｉｇｈの判定信号に変えられて、増幅回路１０の増幅率が大増幅率に変更される。このため、ピーク値Ｐの大きさＨが連続して所定の範囲にあって安定している場合に、増幅回路１０の増幅率が変更されるので、ピーク値Ｐの大きさＨを誤判定して増幅回路１０の増幅率を誤って変更することが無くなる。

なお、上記の実施形態では、連続する４個の心拍信号のピーク値Ｐの大きさＨが第１の閾値Ｘ以下または第２の閾値Ｙ以上の場合に判定信号のレベルを変える構成の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、連続する２個や３個、もしくは５個以上の心拍信号のピーク値Ｐの大きさＨが第１の閾値Ｘ以下または第２の閾値Ｙ以上の場合に、判定信号のレベルを変えるように構成してもよい。また、１個の心拍信号のピーク値Ｐの大きさＨが第１の閾値Ｘ以下または第２の閾値Ｙ以上の場合に、判定信号のレベルを変えるように構成してもよい。

また、上記の実施形態では、ピーク値Ｐの大きさＨを判定する閾値を第１および第２の２つとした場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、閾値を３つ以上用意して、ピーク値Ｐの大きさＨをさらに細かく判定し、判定信号の種類を増やして、増幅回路１０の増幅率が３種類以上設定されるように構成してもよい。

また、上記の実施形態では、ＳＴ分節が現れる基線判定ポイントｔｇを、ピーク値Ｐが出現したタイミングから０．１[ｓ]経過した時点とし、その１点の時点における心拍信号の大きさを基線値Ｂとした。しかし、ピーク値Ｐが出現したタイミングから０．１[ｓ]経過した時点を含むその前後の複数の時点を複数の基線判定ポイントｔｇとし、これら複数の基線判定ポイントｔｇにおける心拍信号の各大きさの平均値を基線値Ｂとするように構成してもよい。この構成によれば、基線値Ｂの検出精度が向上し、ピーク値Ｐの大きさＨがより精度よく算出されるようになる。

また、上記の実施形態では、基準値検出手段によって検出される基準値をＳＴ分節が現れる基線値Ｂとした場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、Ｓ波に続くＴ波のピーク値が出現する時の心拍信号の大きさや、Ｐ波とＱ波との間に現れる平坦部分における心拍信号の大きさなどを基準値とし、この基準値とピーク値Ｐとの差をピーク値Ｐの大きさＨとして検出するように構成してもよい。

また、上記の実施形態では、生体信号を心電センサ２によって検出される心拍信号とし、拍動の律動周期を心拍数として算出する装置構成における増幅回路１０の増幅率をフィードバック制御する場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、生体信号を脈波センサによって検出される脈波信号とし、拍動の律動周期を脈拍数として算出する装置構成における増幅回路の増幅率をフィードバック制御するようにしてもよい。また、図７に示す拍動周期算出装置３のように、生体信号を、心電センサ２によって検出される心拍信号、および脈波センサ４によって検出される脈波信号とし、拍動の律動周期を心拍数および脈拍数として算出したり、脈波伝搬時間を算出する装置構成における増幅回路１０および増幅回路２０の各増幅率をフィードバック制御するようにしてもよい。

また、上記の第１、第２および第３の各実施形態による拍動周期算出装置１、３および５の信号処理部１３は、ＡＳＩＣ（特定用途向けカスタム集積回路）や、ＦＰＧＡ（現場プログラム可能集積回路）、ＤＳＰ（デジタル信号処理プロセッサ）などによって構成することも可能である。

心拍数や脈拍数を算出する上記の第１の実施形態による拍動周期算出装置１を心電センサ２や脈波センサ４と共に備えて、生体センサを構成することが出来る。この構成によれば、上記の第１の実施形態による拍動周期算出装置１の各効果が奏される生体センサが提供される。同様に、脈波伝搬時間を算出する上記の第２の実施形態による拍動周期算出装置３を心電センサ２および脈波センサ４と共に備えて、生体センサを構成することも出来る。この構成によれば、上記の第２の実施形態による拍動周期算出装置３の各効果が奏される生体センサが提供される。同様に、心拍信号を増幅する増幅回路１０や脈波信号を増幅する増幅回路２０の増幅率をフィードバック制御する上記の第３の実施形態による拍動周期算出装置５を心電センサ２や脈波センサ４と共に備えて、生体センサを構成することも出来る。この構成によれば、上記の第３の実施形態による拍動周期算出装置５の各効果が奏される生体センサが提供される。

１、３…拍動周期算出装置
２…心電センサ
４…脈波センサ
１０、２０…増幅回路
１１、２１…フィルタ回路
１２、２２…ＡＤコンバータ
１３…信号処理部
１４…表示部
Ｔ１…一定時間
Ｔ２…ピーク値間時間間隔
Ｔ３…時間差（脈波伝搬時間）
Ｍ…最大値
ｔｐ…ピーク判定ポイント
ｔｇ…基線判定ポイント
Ｃ…一定値
Ｇ…基線
Ｈ…ピーク値の大きさ

Claims (10)

1. 所定時間間隔で取得される生体信号の最大値を検出する最大値検出手段と、
   前記最大値検出手段によって検出された最大値よりも大きな最大値が前記最大値検出手段によって一定時間内に検出されない場合に、前記最大値検出手段によって検出された最大値をピーク値と判定するピーク値判定手段と、
   前記ピーク値判定手段によって判定される連続するピーク値間の時間間隔に基づいて前記生体信号を生じさせる生体の拍動の律動周期を算出する算出手段と、
   前記ピーク値判定手段によって判定される連続する前記ピーク値間の時間間隔に応じて、前記一定時間を前記ピーク値間の時間間隔に応じて予め定められた複数の時間の中のいずれの時間に逐次変更する一定時間変更手段と
   を備えて構成される拍動周期算出装置。
2. 前記ピーク値判定手段は、前記最大値検出手段によって検出された最大値よりも大きな最大値が前記最大値検出手段によって前記一定時間内に検出されると、前記大きな最大値が検出された時点から前記一定時間内に前記大きな最大値よりもさらに大きな最大値が前記最大値検出手段によって検出されない場合に、前記最大値検出手段によって検出された前記大きな最大値をピーク値と判定することを特徴とする請求項１に記載の拍動周期算出装置。
3. 前記一定時間変更手段は、前記ピーク値判定手段によって判定される、相互の値が所定範囲内にある連続する前記ピーク値間の時間間隔に応じて、前記一定時間を逐次変更することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の拍動周期算出装置。
4. 前記生体信号は心拍信号であり、
   前記算出手段は、前記拍動の律動周期を心拍数として算出する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の拍動周期算出装置。
5. 前記生体信号は脈波信号であり、
   前記算出手段は、前記拍動の律動周期を脈拍数として算出する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の拍動周期算出装置。
6. 前記最大値検出手段は、所定時間間隔で取得される心拍信号の最大値を検出する心拍最大値検出手段と、所定時間間隔で取得される脈波信号を２回微分した加速度脈波信号の最大値を検出する脈波最大値検出手段とから構成され、
   前記ピーク値判定手段は、前記心拍最大値検出手段によって検出された心拍信号の最大値よりも大きな最大値が心拍ピーク値判定用の前記一定時間内に前記心拍最大値検出手段によって検出されない場合に、前記心拍最大値検出手段によって検出された心拍信号の最大値を心拍ピーク値と判定する心拍ピーク値判定手段と、前記脈波最大値検出手段によって検出された加速度脈波信号の最大値よりも大きな最大値が加速度脈波ピーク値判定用の前記一定時間内に前記脈波最大値検出手段によって検出されない場合に、前記脈波最大値検出手段によって検出された加速度脈波信号の最大値を加速度脈波ピーク値と判定する脈波ピーク値判定手段とから構成され、
   前記算出手段は、前記心拍ピーク値判定手段によって判定された心拍ピーク値と前記脈波ピーク値判定手段によって判定された加速度脈波ピーク値との時間差から脈波伝搬時間を算出し、
   前記一定時間変更手段は、前記心拍ピーク値判定手段によって判定される連続する心拍ピーク値間の時間間隔に応じて、心拍ピーク値判定用の前記一定時間を前記心拍ピーク値間の時間間隔に応じて予め定められた複数の時間の中のいずれの時間に逐次変更する心拍ピーク値判定用一定時間変更手段と、前記脈波ピーク値判定手段によって判定される連続する加速度脈波ピーク値間の時間間隔に応じて、加速度脈波ピーク値判定用の前記一定時間を前記加速度脈波ピーク値間の時間間隔に応じて予め定められた複数の時間の中のいずれの時間に逐次変更する脈波ピーク値判定用一定時間変更手段と
   から構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の拍動周期算出装置。
7. 前記生体信号を制御信号に応じた増幅率で増幅して前記最大値検出手段へ出力する増幅手段と、
   前記増幅手段で増幅された前記生体信号の所定タイミングにおける大きさを基準値として検出する基準値検出手段とを備え、
   前記算出手段は、前記ピーク値判定手段によって判定されたピーク値と前記基準値検出手段によって検出された基準値との差から、前記ピーク値判定手段によって判定されたピーク値の大きさを算出し、算出したピーク値の大きさに基づいた前記制御信号を前記増幅手段へ出力する
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の拍動周期算出装置。
8. 前記所定タイミングは、Ｐ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波、およびＵ波で構成される前記生体信号のＳＴ分節が現れるタイミングであることを特徴とする請求項７に記載の拍動周期算出装置。
9. 前記算出手段は、前記ピーク値判定手段によって連続して判定された複数のピーク値と前記基準値検出手段によって各前記ピーク値に対応して連続して検出された複数の基準値との各差から各前記ピーク値の大きさを算出し、算出した各前記ピーク値の大きさが連続して所定の範囲にある場合に前記増幅手段へ出力する前記制御信号を変えることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の拍動周期算出装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の拍動周期算出装置を備えて構成される生体センサ。

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