JP5970712B2 - Biological information measurement circuit, apparatus, program, and method - Google Patents
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Description
本発明は、ランニングやジョギング時等において、加速度センサーの検出結果に基づいて被験者の呼吸周期又は呼吸頻度（毎分の呼吸回数）を測定することができる生体情報測定回路に関する。また、本発明は、加速度センサーと生体情報測定回路とを含む生体情報測定装置に関する。さらに、本発明は、そのような生体情報測定装置において用いられる生体情報測定プログラム及び生体情報測定方法等に関する。 The present invention relates to a biological information measurement circuit capable of measuring a subject's breathing cycle or breathing frequency (the number of breaths per minute) based on a detection result of an acceleration sensor during running or jogging. The present invention also relates to a biological information measuring device including an acceleration sensor and a biological information measuring circuit. Furthermore, the present invention relates to a biological information measuring program and a biological information measuring method used in such a biological information measuring device.
ランニングやジョギング時において、心拍数、呼吸周期又は呼吸頻度、歩数、走行速度、及び、走行距離等を測定することが要望されている。心拍数は、身体に対する負荷が所定の範囲内にあるか否かを知るために重要な身体指標である。心拍数の測定は、心拍センサーを含む測定装置を被験者の胸部に装着することによって行うことができる。また、歩数等の測定は、加速度センサーを含む測定装置を被験者の足や腕に装着することによって行うことができる。 During running or jogging, it is desired to measure heart rate, respiratory cycle or frequency, number of steps, running speed, running distance, and the like. The heart rate is an important body index for knowing whether or not the load on the body is within a predetermined range. The heart rate can be measured by attaching a measuring device including a heart rate sensor to the chest of the subject. Further, the number of steps and the like can be measured by mounting a measuring device including an acceleration sensor on the subject's foot or arm.
一方、呼吸周期又は呼吸頻度は、心拍数に次いで重要な身体指標であり、各種の測定方法が提案されている。例えば、被験者の鼻及び口の付近に設置されたエアーフローセンサーによって、流入又は流出する気体の流れを検出して呼吸を把握する測定方法が提案されている。エアーフローセンサーとしては、熱電対等が用いられる。この測定方法は、睡眠時無呼吸症候群のスクリーニング検査等において広く利用されている。 On the other hand, the respiratory cycle or the respiratory frequency is an important body index after the heart rate, and various measurement methods have been proposed. For example, a measurement method has been proposed in which an airflow sensor installed in the vicinity of the subject's nose and mouth detects the inflow or outflow of gas and grasps respiration. A thermocouple or the like is used as the air flow sensor. This measuring method is widely used in screening tests for sleep apnea syndrome.
また、被験者の胸部に巻いたベルトの伸縮を検出して肺の動きを把握する測定方法も提案されている。センサーとしては、応力が印加されると電圧を発生する圧電フィルムや、インダクタンスの変化を検出するタイプのセンサーが用いられる。さらに、被験者に高周波信号を印加して被験者のインピーダンスを測定し、その変化から呼吸を把握する測定方法や、心拍信号の変動を信号処理して呼吸を把握する測定方法も提案されている。 In addition, a measurement method has been proposed in which the movement of the lung is grasped by detecting the expansion and contraction of the belt wound around the subject's chest. As the sensor, a piezoelectric film that generates a voltage when a stress is applied, or a sensor that detects a change in inductance is used. Furthermore, a measurement method for measuring a subject's impedance by applying a high-frequency signal to the subject, and grasping respiration from the change, and a measurement method for grasping respiration by performing signal processing on fluctuations in the heartbeat signal have been proposed.
加えて、脈派伝搬時間信号の変動を信号処理して呼吸を把握する測定方法や、ベッド又はシーツ等に設けられた圧力センサー等のアレイの出力信号を処理して呼吸を把握する測定方法や、ＧＨｚ帯の高周波に対する被験者からの反射波に基づいて呼吸や心拍を把握する測定方法も提案されている。 In addition, a measurement method for grasping respiration by signal processing of fluctuation of the pulse wave propagation time signal, a measurement method for grasping respiration by processing an output signal of an array such as a pressure sensor provided in a bed or a sheet, and the like A measurement method for grasping respiration and heartbeat based on a reflected wave from a subject with respect to a high frequency in the GHz band has also been proposed.
このように、呼吸周期又は呼吸頻度を測定するために多種多様な測定方法が提案されているものの、多くの測定方法は医療向けに開発されたものであり、安静時又は就寝時に使用することを前提としている。従って、センサーに大きな計測装置を有線で接続する必要があったり、ランニングやエアロビクス等の激しい運動による外乱の下では正確な測定ができない等の理由により、激しい運動中における測定には適さないものが多かった。 Although various measurement methods have been proposed for measuring the respiratory cycle or the respiratory frequency in this way, many measurement methods have been developed for medical use and should be used at rest or at bedtime. It is assumed. Therefore, there is a thing that is not suitable for measurement during intense exercise because it is necessary to connect a large measuring device to the sensor with a cable or accurate measurement cannot be performed under disturbance due to intense exercise such as running or aerobics. There were many.
ところで、ランニングやジョギング等のトレーニング用途の場合に、複数の測定装置を被験者に装着することは非常に煩雑であり、１つの測定装置に心拍センサーと加速度センサーとの両方を設けて、その測定装置を被験者の胸部に装着することにより、心拍数、歩数、走行速度、及び、走行距離等を測定することができれば便利である。さらに、加速度センサーを用いて呼吸周期又は呼吸頻度を測定することができればもっと便利である。 By the way, in the case of training applications such as running and jogging, it is very complicated to wear a plurality of measuring devices on a subject, and both measuring devices are provided with both a heart rate sensor and an acceleration sensor. It is convenient if the heart rate, the number of steps, the running speed, the running distance, and the like can be measured by attaching to the chest of the subject. Furthermore, it would be more convenient if the acceleration cycle could be used to measure the respiratory cycle or respiratory frequency.
関連する技術として、特許文献１には、被験者が通常のオフィス業務をしながら付加や束縛による異様さを感じることなく、呼吸の周期を計測する呼吸検出装置が開示されている。この呼吸検出装置は、被験者の１つ以上の点において、心臓が発生する音又は動きを検出するための加速度センサーと、該加速度センサーからの電気信号における１つの鼓動に対応する期間の信号から、心臓の特定の動作に対応する振幅極大値及び／又は極小値を取り出し、次に別の鼓動に対応する期間の信号から、心臓の先と同じ動作に対応する振幅極大値及び／又は極小値を取り出す手段と、このような振幅極大値及び／又は極小値同士を補間して連結する処理を行うことにより、心臓から加速度センサーまでの器官の減衰特性を呼吸によって変調する周期信号の情報を作る手段とを含み、該周期信号の情報から呼吸の情報を取り出すことを特徴とする。
As a related technique,
しかしながら、特許文献１の呼吸検出装置は、ランニングやジョギング時において大きな加速度が被験者に生じる場合には、呼吸の周期を計測することができない。そこで、本発明の目的の１つは、ランニングやジョギング時においても、加速度センサーの出力に基づいて、被験者の呼吸周期又は呼吸頻度を測定することができる生体情報測定回路等を提供することである。
However, the respiration detection device of
以上の課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る生体情報測定回路は、被験者の胸部に生じる少なくとも正面方向の加速度を検出する加速度センサーの検出結果に基づいて少なくとも呼吸周期を測定するための生体情報測定回路であって、加速度センサーによって検出された加速度を表す測定データに基づいて、被験者が歩行又は走行している際の１歩又は重複歩の周期を測定し、該周期を単位期間として設定する制御部と、少なくとも単位期間において加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データを記憶する記憶部と、第１の単位期間において加速度センサーによって検出されて記憶部に記憶された正面方向の加速度を表す測定データと、第１の単位期間と異なる第２の単位期間において加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データとの差分を表す差分データを求め、該差分データに基づいて呼吸周期を求める演算部とを含む。 In order to solve the above problems, a biological information measurement circuit according to one aspect of the present invention measures at least a respiratory cycle based on a detection result of an acceleration sensor that detects at least a frontal acceleration generated in a chest of a subject. A biological information measuring circuit for measuring a cycle of one step or overlapping steps when a subject is walking or running based on measurement data representing acceleration detected by an acceleration sensor, and the cycle is a unit period A control unit that is set as a storage unit that stores measurement data representing acceleration in the front direction detected by the acceleration sensor at least in the unit period, and is detected by the acceleration sensor in the first unit period and stored in the storage unit Measurement data representing the acceleration in the front direction and the acceleration sensor in the second unit period different from the first unit period It obtains the difference data representing the difference between the measured data representative of the acceleration of the detected front direction I, and a calculation unit for obtaining a respiratory cycle on the basis of said difference data.
本発明の１つの観点によれば、被験者の胸部に生じる少なくとも正面方向の加速度を複数の単位期間において検出し、それらの差分を求めることにより、歩行又は走行に起因する加速度の変動成分を低減することができる。従って、ランニングやジョギング時等のトレーニング中においても、歩行又は走行に起因する大きな波形を消して呼吸周期を測定することが可能となる。また、そのために必要とされるセンサーは、通常のトレーニング時に用いられる加速度センサーだけで良い。 According to one aspect of the present invention, at least frontal acceleration generated in a subject's chest is detected in a plurality of unit periods, and a difference between them is obtained, thereby reducing a fluctuation component of acceleration caused by walking or running. be able to. Therefore, even during training such as running or jogging, it is possible to measure the respiratory cycle while eliminating large waveforms caused by walking or running. Further, the only sensor required for this purpose is an acceleration sensor used during normal training.
ここで、演算部が、差分データに対してローパスフィルター処理を施して処理データを生成し、処理データの値を閾値と比較することによって呼吸周期における基準時点を検出するようにしても良い。ローパスフィルターのカットオフ周波数を比較的高く設定することにより、実時間に近い応答速度で呼吸周期を測定することが可能である。 Here, the calculation unit may perform low-pass filter processing on the difference data to generate processing data, and detect the reference time point in the respiratory cycle by comparing the value of the processing data with a threshold value. By setting the cut-off frequency of the low-pass filter to be relatively high, it is possible to measure the respiratory cycle at a response speed close to real time.
その際に、演算部は、処理データの値が正又は負の閾値を超えた第１の基準時点と、該第１の基準時点からマスキング期間が経過した後に処理データの値が再び該閾値を超えた第２の基準時点との差を呼吸周期として求めるようにしても良い。マスキング期間を設けることによって、第２の基準時点の誤検出を防止することができる。 At this time, the calculation unit sets the first reference time when the value of the processing data exceeds the positive or negative threshold, and the value of the processing data again sets the threshold after the masking period has elapsed from the first reference time. You may make it obtain | require as a respiratory cycle the difference with the 2nd reference | standard time exceeded. By providing the masking period, erroneous detection at the second reference time can be prevented.
さらに、演算部は、既に測定された呼吸周期に基づいて、次の測定のためのマスキング期間の長さを調整するようにしても良い。これにより、呼吸周期の長さに応じてマスキング期間の長さを調整することができる。 Further, the calculation unit may adjust the length of the masking period for the next measurement based on the already measured respiratory cycle. Thereby, the length of the masking period can be adjusted according to the length of the respiratory cycle.
本発明の１つの観点に係る生体情報測定装置は、被験者の胸部に生じる少なくとも正面方向の加速度を検出する加速度センサーと、本発明のいずれかの観点に係る生体情報測定回路とを含む。加速度センサーを用いることによって、ランニングやジョギング時等のトレーニング中においても呼吸周期を測定することが可能である。 A biological information measuring device according to one aspect of the present invention includes an acceleration sensor that detects at least a frontal acceleration generated in a chest of a subject, and a biological information measuring circuit according to any aspect of the present invention. By using the acceleration sensor, the respiratory cycle can be measured even during training such as running or jogging.
また、本発明の１つの観点に係る生体情報測定プログラムは、被験者の胸部に生じる少なくとも正面方向の加速度を検出する加速度センサーの検出結果に基づいて少なくとも呼吸周期を測定するための生体情報測定プログラムであって、加速度センサーによって検出された加速度を表す測定データに基づいて、被験者が歩行又は走行している際の１歩又は重複歩の周期を測定し、該周期を単位期間として設定する手順（ａ）と、第１の単位期間において加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データを記憶部に記憶する手順（ｂ）と、手順（ｂ）において記憶部に記憶された測定データと、第１の単位期間と異なる第２の単位期間において加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データとの差分を表す差分データを求める手順（ｃ）と、手順（ｃ）において求められた差分データに基づいて呼吸周期を求める手順（ｄ）とをＣＰＵに実行させる。 A biological information measurement program according to one aspect of the present invention is a biological information measurement program for measuring at least a respiratory cycle based on a detection result of an acceleration sensor that detects at least frontal acceleration generated in a chest of a subject. Then, based on measurement data representing acceleration detected by the acceleration sensor, a procedure for measuring a cycle of one step or overlapping steps when the subject is walking or running and setting the cycle as a unit period (a ), A procedure (b) for storing measurement data representing the acceleration in the front direction detected by the acceleration sensor in the first unit period in the storage unit, and a measurement data stored in the storage unit in the procedure (b), Difference from measurement data representing acceleration in the front direction detected by the acceleration sensor in a second unit period different from the first unit period Obtaining the difference data representing the procedure (c), to perform the Procedure for obtaining a respiratory cycle on the basis of the difference data determined in (c) (d) to the CPU.
さらに、本発明の１つの観点に係る生体情報測定方法は、被験者の胸部に生じる少なくとも正面方向の加速度を検出する加速度センサーの検出結果に基づいて少なくとも呼吸周期を測定する生体情報測定方法であって、加速度センサーによって検出された加速度を表す測定データに基づいて、被験者が歩行又は走行している際の１歩又は重複歩の周期を測定し、該周期を単位期間として設定するステップ（ａ）と、第１の単位期間において加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データを記憶部に記憶するステップ（ｂ）と、ステップ（ｂ）において記憶部に記憶された測定データと、第１の単位期間と異なる第２の単位期間において加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データとの差分を表す差分データを求めるステップ（ｃ）と、ステップ（ｃ）において求められた差分データに基づいて呼吸周期を求めるステップ（ｄ）とを含む。 Furthermore, a biological information measuring method according to one aspect of the present invention is a biological information measuring method that measures at least a respiratory cycle based on a detection result of an acceleration sensor that detects at least frontal acceleration generated in a chest of a subject. (A) measuring a cycle of one step or overlapping steps when the subject is walking or running based on measurement data representing acceleration detected by the acceleration sensor, and setting the cycle as a unit period; (B) storing measurement data representing the acceleration in the front direction detected by the acceleration sensor in the first unit period in the storage unit, measurement data stored in the storage unit in step (b), The difference from the measurement data representing the acceleration in the front direction detected by the acceleration sensor in the second unit period different from the unit period of Comprising a step (c) determining the to difference data, and a step (d) to determine the breathing cycle based on the difference data determined in step (c).
上記のように差分演算を行うことにより、歩行又は走行に起因する加速度の変動成分を低減することができる。従って、ランニングやジョギング時等のトレーニング中においても、歩行又は走行に起因する大きな波形を消して呼吸周期を測定することが可能となる。 By performing the difference calculation as described above, it is possible to reduce the fluctuation component of the acceleration caused by walking or running. Therefore, even during training such as running or jogging, it is possible to measure the respiratory cycle while eliminating large waveforms caused by walking or running.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。本発明に係る生体情報測定装置は、被験者の胸部に生じる少なくとも正面方向の加速度を検出する加速度センサーを用いて、少なくとも呼吸周期を測定することが可能である。また、本発明に係る生体情報測定装置は、ランニングやジョギング時等のトレーニング中において、歩数、走行速度、及び、走行距離等を測定するようにしても良い。その場合には、加速度センサーとして、３軸加速度センサーを用いることが望ましい。以下の実施形態においては、さらに心拍数を測定する機能を有し、ベルトを用いて被験者の胸部に装着される生体情報測定装置を例として説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The biological information measuring apparatus according to the present invention can measure at least the respiratory cycle using an acceleration sensor that detects at least the acceleration in the front direction generated in the chest of the subject. Further, the biological information measuring apparatus according to the present invention may measure the number of steps, the running speed, the running distance, and the like during training such as running or jogging. In that case, it is desirable to use a triaxial acceleration sensor as the acceleration sensor. In the following embodiments, a biological information measuring device that further has a function of measuring a heart rate and is worn on the chest of a subject using a belt will be described as an example.
図１は、本発明の一実施形態に係る生体情報測定装置の構成例を示す模式図である。図１（Ａ）は正面図であり、図１（Ｂ）は背面図である。図１（Ａ）に示すように、この生体情報測定装置は、回路基板１の第１の面において、３軸加速度センサー１０と、生体情報測定回路２０と、無線通信部３０と、アンテナ部４０とを含んでいる。また、図１（Ｂ）に示すように、この生体情報測定装置は、回路基板１の第２の面において、心拍測定用の電極端子５１及び５２と、電池ソケット６０とを含んでいる。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a biological information measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. 1A is a front view, and FIG. 1B is a rear view. As shown in FIG. 1 (A), this biological information measuring device includes a three-
３軸加速度センサー１０は、被験者の側面方向（Ｘ軸方向）における加速度と、垂直方向（Ｙ軸方向）における加速度と、被験者の正面方向（Ｚ軸方向）における加速度とを検出し、それぞれの加速度を表す３つの出力信号を生成する。正面方向とは、被験者が歩行又は走行することにより被験者が前進する方向である。Ｚ軸方向が被験者の正面方向と異なる方向となるように３軸加速度センサー１０が被験者に装着される場合には、３軸加速度センサー１０の３軸加速度の値から正面方向を推定して正面方向における加速度を求めても良い。
The
生体情報測定回路２０は、３軸加速度センサー１０の出力信号に基づいて、被験者の呼吸周期又は呼吸頻度（毎分の呼吸回数）、歩数、走行速度、及び、走行距離等を測定する。また、生体情報測定回路２０は、心拍測定用の電極端子５１及び５２を用いて、被験者の心拍数を測定しても良い。
The biological
無線通信部３０は、生体情報測定回路２０によって得られた測定結果を、アンテナ部４０を用いて、腕時計型の表示装置やスマートフォン等の外部機器に無線で送信する。測定結果を受信した外部機器は、測定結果をディスプレイに表示したり、記憶媒体に記憶したりする。これにより、被験者は、測定結果を目視して確認することができる。
The
無線通信部３０は、半導体集積回路装置（ＩＣ）によって構成されても良い。アンテナ部４０は、例えば、回路基板１に形成された配線パターンによって構成される。その場合に、回路基板１の第１及び第２の面において、アンテナ部４０の周囲の領域１ａには、他の配線パターンが形成されないようにすることが望ましい。電池ソケット６０の内部には、生体情報測定装置の各部に電力を供給するＣＲ電池（コイン形リチウム電池）が装着される。
The
図２は、被験者が走行している際に３軸加速度センサーによって生成されるＸ軸方向の加速度を表す出力信号の波形を示す図である。図３は、被験者が走行している際に３軸加速度センサーによって生成されるＹ軸方向の加速度を表す出力信号の波形を示す図である。図４は、被験者が走行している際に３軸加速度センサーによって生成されるＺ軸方向の加速度を表す出力信号の波形を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating a waveform of an output signal representing the acceleration in the X-axis direction generated by the three-axis acceleration sensor when the subject is running. FIG. 3 is a diagram illustrating a waveform of an output signal representing acceleration in the Y-axis direction generated by the three-axis acceleration sensor when the subject is running. FIG. 4 is a diagram illustrating a waveform of an output signal representing the acceleration in the Z-axis direction generated by the three-axis acceleration sensor when the subject is running.
図２〜図４において、横軸は時間（秒）を表しており、縦軸は任意単位である。被験者の１歩の周期は、約０．４秒となっている。本願において、「１歩」とは、片側の踵（例えば、左足の踵）が接地してから次にもう片側の踵（例えば、右足の踵）が接地するまでの動作をいう。また、「重複歩」とは、片側の踵が接地してから次に同じ側の踵が再び接地するまでの動作をいう。 2 to 4, the horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis is an arbitrary unit. The period of one step of the subject is about 0.4 seconds. In the present application, “one step” refers to an operation from when a heel on one side (for example, a heel on the left foot) contacts the ground until the next heel (for example, the heel on the right foot) contacts the ground. In addition, “overlapping” refers to an operation from the grounding of one side to the next grounding of the same side.
図２に示すように、Ｘ軸方向の加速度は、重複歩の周期で相関がとれることが分かる。一方、図３及び図４に示すように、Ｙ軸方向の加速度及びＺ軸方向の加速度は、１歩の周期で相関がとれることが分かる。従って、Ｘ軸方向の加速度に基づいて、重複歩の周期を検出することができる。また、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の加速度に基づいて、１歩又は重複歩の周期を検出することができる。 As shown in FIG. 2, it can be seen that the acceleration in the X-axis direction can be correlated with the cycle of overlapping steps. On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4, it can be seen that the acceleration in the Y-axis direction and the acceleration in the Z-axis direction can be correlated with the cycle of one step. Therefore, it is possible to detect the cycle of overlapping steps based on the acceleration in the X-axis direction. In addition, the cycle of one step or overlapping steps can be detected based on the acceleration in the Y-axis direction or the Z-axis direction.
ただし、Ｚ軸方向の加速度は、走行による加速度の他に、呼吸による加速度を含んでいる。被験者が歩行又は走行する際には、歩行又は走行による大きな波形が呼吸による波形に重なるので、呼吸による肺の動きを加速度センサーで検出しようとしても、呼吸による波形が歩行又は走行による波形に埋もれてしまう。 However, the acceleration in the Z-axis direction includes acceleration due to respiration in addition to acceleration due to running. When a subject walks or runs, a large waveform due to walking or running overlaps with a waveform due to breathing, so even if the motion of the lungs due to breathing is detected by an acceleration sensor, the waveform due to breathing is buried in the waveform due to walking or running. End up.
歩行又は走行による波形の周波数は主に２Ｈｚ〜４Ｈｚ程度であるが、呼吸による波形の周波数は０．５Ｈｚ程度のゆっくりした周波数である。従って、呼吸による波形を通常のローパスフィルターによって取り出そうとすると、ローパスフィルターの時定数が非常に大きくなり、ローパスフィルターの出力が安定して呼吸周期を測定するまでに長い時間がかかってしまう。 The frequency of the waveform due to walking or running is mainly about 2 Hz to 4 Hz, but the frequency of the waveform due to breathing is a slow frequency of about 0.5 Hz. Therefore, when trying to extract a waveform due to respiration with a normal low-pass filter, the time constant of the low-pass filter becomes very large, and it takes a long time for the output of the low-pass filter to stabilize and measure the respiration cycle.
しかしながら、トレーニング中においては、ペースの変更が行われることもあるので、実時間に近い応答速度で呼吸周期を測定できることが望ましい。そこで、本実施形態においては、ランニングやジョギング時等において、被験者が歩行又は走行する際の１歩又は重複歩の周期が、呼吸周期を測定するための単位期間として用いられる。左足の歩行周期と右足の歩行周期とが一致しない場合を考慮すると、重複歩の周期を単位期間とすることが望ましい。 However, since the pace may be changed during training, it is desirable that the respiratory cycle can be measured with a response speed close to real time. Therefore, in the present embodiment, during running or jogging, the cycle of one step or overlapping steps when the subject walks or runs is used as a unit period for measuring the respiratory cycle. Considering the case where the walking cycle of the left foot and the walking cycle of the right foot do not match, it is desirable to set the cycle of overlapping steps as a unit period.
図５は、図１に示す生体情報測定回路の構成例を周辺部と共に示すブロック図である。図５に示すように、生体情報測定回路２０は、入力部２１と、記憶部２２と、演算部２３と、制御部２４とを含んでいる。また、生体情報測定回路２０は、心拍センサー部２５をさらに含んでも良い。図５に示す生体情報測定回路の構成において、その構成要素の一部を、外部から生体情報測定回路２０に接続される構成としても良い。例えば、記憶部２２の少なくとも一部を、生体情報測定回路２０の外部に設けられたメモリーデバイスとしても良い。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of the biological information measurement circuit shown in FIG. As shown in FIG. 5, the biological
入力部２１は、３軸加速度センサー１０によって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及び、Ｚ軸方向において検出された加速度をそれぞれ表す３つの出力信号を入力し、それらの出力信号を増幅及びサンプリングして３種類の測定データを生成する。生成された測定データは、必要に応じて記憶部２２〜制御部２４に供給される。記憶部２２は、少なくとも単位期間において３軸加速度センサー１０によって検出されたＺ軸方向の加速度を表す測定データを記憶することができる。
The
制御部２４は、少なくともＺ軸方向の加速度を表す測定データに基づいて、被験者の運動状態、即ち、被験者が歩行又は走行しているか、あるいは、被験者が安静状態又は就寝状態にあるかを判定しても良い。また、制御部２４は、判定結果に応じて単位期間を設定して、記憶部２２及び演算部２３の動作を制御しても良い。
The control unit 24 determines, based on at least the measurement data representing the acceleration in the Z-axis direction, whether the subject is in motion, i.e., whether the subject is walking or running, or whether the subject is resting or sleeping. May be. The control unit 24 may set the unit period according to the determination result and control the operations of the
被験者が歩行又は走行している場合に、制御部２４は、Ｘ軸方向の加速度を表す測定データの複数の極大値を検出し、それらに基づいて重複歩の周期を測定する。あるいは、制御部２４は、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の加速度を表す測定データの複数の極大値を検出し、それらに基づいて１歩又は重複歩の周期を測定する。なお、極大値を検出する替りに、極小値を検出しても良い。 When the subject is walking or running, the control unit 24 detects a plurality of maximum values of measurement data representing acceleration in the X-axis direction, and measures the period of the overlapping steps based on them. Alternatively, the control unit 24 detects a plurality of maximum values of measurement data representing acceleration in the Y-axis direction or the Z-axis direction, and measures the period of one step or overlapping steps based on them. Instead of detecting the maximum value, the minimum value may be detected.
次に、制御部２４は、１歩又は重複歩の周期を単位期間として設定する。そのように設定された２つの単位期間における測定データの差分演算を行うことにより、歩行又は走行に起因する加速度の変動成分を低減することができる。 Next, the control unit 24 sets a cycle of one step or overlapping steps as a unit period. By performing the difference calculation of the measurement data in the two unit periods set in such a manner, the fluctuation component of the acceleration caused by walking or running can be reduced.
また、制御部２４は、Ｘ軸方向の加速度を表す測定データに基づいて重複歩数をカウントしても良いし、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の加速度を表す測定データに基づいて歩数又は重複歩数をカウントしても良い。ここで、「重複歩数」とは、片側の踵が接地してから次に同じ側の踵が再び接地するまでの動作の回数をいう。カウント結果は、演算部２３に出力される。
The control unit 24 may count the number of overlapping steps based on measurement data representing acceleration in the X-axis direction, or may calculate the number of steps or overlapping steps based on measurement data representing acceleration in the Y-axis direction or Z-axis direction. You may count. Here, the “number of overlapping steps” refers to the number of operations from the time when a heel on one side is grounded to the time when the same heel is grounded again. The count result is output to the
一方、被験者が安静状態又は就寝状態にある場合には、制御部２４は、既に設定されている単位期間をそのまま用いても良いし、これとは別の単位期間を用いても良い。ただし、測定の正確さと迅速性とを考慮すると、単位期間は、一般的な呼吸周期（約２秒）の１／８〜１／２程度の期間であることが望ましい。 On the other hand, when the subject is in a resting state or a sleeping state, the control unit 24 may use the unit period that has already been set as it is, or may use a unit period different from this. However, in consideration of the accuracy and speed of measurement, the unit period is preferably a period of about 1/8 to 1/2 of a general respiratory cycle (about 2 seconds).
制御部２４の制御の下で、第１の単位期間において３軸加速度センサー１０によって検出されたＺ軸方向の加速度を表す測定データＤ１１〜Ｄ１ｎが記憶部２２に記憶される。また、制御部２４の制御の下で、第１の単位期間に続く第２の単位期間において、記憶部２２に記憶されている測定データＤ１１〜Ｄ１ｎが演算部２３に供給されると共に、第２の単位期間において３軸加速度センサー１０によって検出されたＺ軸方向の加速度を表す測定データＤ２１〜Ｄ２ｎが演算部２３に供給される。
Under the control of the control unit 24, measurement data D11 to D1n representing acceleration in the Z-axis direction detected by the
演算部２３は、第１の単位期間において検出されたＺ軸方向の加速度を表す測定データＤ１１〜Ｄ１ｎと、第２の単位期間において検出されたＺ軸方向の加速度を表す測定データＤ２１〜Ｄ２ｎとの差分を表す差分データを求める。演算部２３は、この差分データに基づいて呼吸周期を求める。さらに、演算部２３は、６０（秒）を呼吸周期（秒）で割ることにより、呼吸頻度（毎分の呼吸回数）を求めても良い。以上の動作が、複数の単位期間について繰り返される。
The
ここで、第１の単位期間と第２の単位期間とは、必ずしも時間的に連続した期間でなくても良い。例えば、第１の単位期間から所定の期間経過後に第２の単位期間を開始しても良い。あるいは、第１の単位期間のデータにノイズが存在する等の異常がある場合に、異常が無い単位期間のデータを第１の単位期間のデータとして採用しても良い。更には、第１の単位期間のデータは、複数の単位期間の平均データとしても良い。第２の単位期間についても、以上と同様である。 Here, the first unit period and the second unit period do not necessarily have to be temporally continuous periods. For example, the second unit period may be started after a lapse of a predetermined period from the first unit period. Alternatively, when there is an abnormality such as noise in the data of the first unit period, data of the unit period without an abnormality may be adopted as the data of the first unit period. Furthermore, the data of the first unit period may be average data of a plurality of unit periods. The same applies to the second unit period.
上記のように差分演算を行うことにより、主として歩行又は走行に起因する大きな波形は消えてしまう。これは、人間が歩行又は走行する際に、１歩毎又は重複歩毎の加速度の相関が非常に高いことによる。従って、演算部２３は、求められた差分データに対して軽いローパスフィルター処理を施して処理データを生成し、処理データの値を閾値と比較することによって被験者の呼吸周期における基準時点を検出しても良い。
By performing the difference calculation as described above, a large waveform mainly due to walking or running disappears. This is because, when a human walks or runs, the correlation of acceleration for each step or every overlapping step is very high. Accordingly, the
例えば、３軸加速度センサー１０の出力信号をサンプリングする際のサンプリング周波数が１００Ｈｚである場合に、ローパスフィルターのカットオフ周波数をサンプリング周波数の１／４〜１／３である２５Ｈｚ〜３３Ｈｚ程度としても良い。このように、呼吸の周波数よりも約５０倍以上高いカットオフ周波数を有するローパスフィルターを用いて、呼吸周期を測定することができる。これにより、実時間に近い応答速度で呼吸周期又は呼吸頻度を測定することが可能となる。
For example, when the sampling frequency when sampling the output signal of the
図６Ａ〜６Ｄは、被験者が走行している際のＺ軸方向の加速度を表す測定データの処理を説明するための図である。図６Ａ〜６Ｄにおいて、横軸は、時間（秒）を表しており、縦軸は、加速度値（４０９６＝１Ｇ）を表している。図６Ａは、入力部２１から供給される測定データの波形を示しており、図６Ｂは、図６Ａに示す測定データの時系列を重複歩の周期だけ遅らせた測定データの波形を示している。また、図６Ｃは、図６Ａに示す測定データから図６Ｂに示す測定データを減算して求められた差分データの波形を示しており、図６Ｄは、図６Ｃに示す差分データにローパスフィルター処理を施した処理データの波形を示している。
6A to 6D are diagrams for explaining processing of measurement data representing acceleration in the Z-axis direction when the subject is traveling. 6A to 6D, the horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents acceleration values (4096 = 1G). 6A shows the waveform of the measurement data supplied from the
図６Ｄにおいては、ローパスフィルターのカットオフ周波数を３０Ｈｚとし、閾値を−５００とし、マスキング期間Ｍの長さを０．４秒としている。図６Ｄに示すように、演算部２３は、処理データの値が閾値を超えた第１の基準時点Ｔ１と、第１の基準時点Ｔ１からマスキング期間Ｍが経過した後に処理データの値が再び閾値を超えた第２の基準時点Ｔ２との差を呼吸周期Ｐとして求めるようにしても良い。図６Ｄに示す例においては、演算部２３が、処理データの値が負の閾値を下方に超えたか否かを判定しているが、処理データの値が正の閾値を上方に超えたか否かを判定しても良い。
In FIG. 6D, the cutoff frequency of the low-pass filter is 30 Hz, the threshold value is −500, and the length of the masking period M is 0.4 seconds. As shown in FIG. 6D, the
呼吸周期における基準時点の検出においてマスキング期間Ｍを設けることにより、第２の基準時点の誤検出を防止することができる。マスキング期間Ｍの長さは、予め設定された値（例えば、０．４秒〜１．０秒）でも良い。あるいは、マスキング期間Ｍの初期値が予め設定され、図５に示す演算部２３が、既に測定された呼吸周期に基づいて、マスキング期間Ｍの長さを調整するようにしても良い。例えば、演算部２３は、測定された呼吸周期Ｐの１／５〜１／２の期間を、次の測定のためのマスキング期間Ｍとして設定しても良い。これにより、呼吸周期の長さに応じてマスキング期間の長さを調整することができる。
By providing the masking period M in the detection of the reference time point in the respiratory cycle, erroneous detection of the second reference time point can be prevented. The length of the masking period M may be a preset value (for example, 0.4 seconds to 1.0 seconds). Alternatively, the initial value of the masking period M may be set in advance, and the
このようにして、演算部２３は、第１の基準時点Ｔ１と第２の基準時点Ｔ２との差を呼吸周期として求め、次に、第２の基準時点Ｔ２と第３の時点Ｔ３との差を呼吸周期として求め、さらに、第３の時点Ｔ３と第４の時点Ｔ４との差を呼吸周期として求め、このような動作を繰り返す。
In this way, the
また、演算部２３は、１歩当りの歩幅の設定値に単位時間当りの歩数を掛けることによって走行速度を求めても良いし、走行速度を積分したり、１歩当りの歩幅の設定値に歩数を掛けることによって走行距離を求めても良い。左右の歩幅が異なることを考慮すると、１歩当りの歩幅として、左足の歩幅と右足の歩幅との平均値を用いることが望ましい。
In addition, the
あるいは、演算部２３は、左足の歩幅と右足の歩幅との和を１サイクル幅として、１サイクル幅の設定値に単位時間当りの重複歩数を掛けることによって走行速度を求めても良いし、走行速度を積分したり、１サイクル幅の設定値に重複歩数を掛けることによって走行距離を求めても良い。
Alternatively, the
一方、心拍センサー部２５は、電極端子５１及び５２を介して心臓の筋電位を測定することにより心拍検出信号を生成し、生成された心拍検出信号を演算部２３に出力する。演算部２３は、入力された心拍検出信号を単位時間当りの心拍数に換算して、心拍数を表すデータを無線通信部３０に出力する。さらに、演算部２３は、心拍数を記憶部２２に記憶されている目標心拍範囲と比較して、心拍数が目標心拍範囲外である場合には、警告信号を無線通信部３０に出力するようにしても良い。
On the other hand, the
無線通信部３０は、演算部２３によって得られた測定結果及び／又は警告信号を、腕時計型の表示装置やスマートフォン等の外部機器に無線で送信する。外部機器は、測定結果及び／又は警告をディスプレイに表示したり、記憶媒体に記憶したりする。また、外部機器は、警告信号に応答して警告音を発しても良い。
The
図５に示す生体情報測定回路２０は、ディジタル回路やアナログ回路で構成されても良いし、マイクロコンピューターで構成されても良い。記憶部２２は、ＤＲＡＭやＳＲＡＭ等のメモリーによって構成される。記憶部２２の少なくとも一部は、生体情報測定回路２０の外部に設けられたメモリーデバイスとして構成しても良い。また、演算部２３及び制御部２４は、中央演算装置（ＣＰＵ）と、ＣＰＵに各種の処理を行わせるためのソフトウェア（生体情報測定プログラム）を記録した記録媒体とによって構成されても良い。記録媒体としては、メモリー（ＵＳＢメモリー、メモリーカード、不揮発性メモリー、又は、ＲＡＭ等）、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＭＯ、又は、ＭＴ等を用いることができる。
The biological
また、被験者が装着する生体情報測定回路２０とは別体のシステム（例えばＰＣ、クラウドシステム等）を用いる場合に、プログラムは、当該システムに含まれる記録媒体に記録されてもよい。ＰＣ等を用いる場合には、被験者がＰＣ等を装着することは一般的に想定されないので、別体として構成された加速度センサー１０から無線通信等によってセンサー情報が取得され、当該センサー情報に対して、記録媒体に記録されたプログラムに基づいてソフトウェアの処理が行われることになる。また、当該ソフトウェアの処理の一部をハードウエアとして実現する構成としても良い。クラウドシステムの場合には、生体情報測定回路２０から無線送信されたデータに対して、生体情報測定回路２０が処理する生体情報測定の一部をクラウドシステムのプログラムに基づいて実行処理する構成としても良い。
Moreover, when using a system (for example, PC, cloud system, etc.) separate from the biological
本実施形態によれば、被験者の胸部に生じる少なくとも正面方向の加速度を複数の単位期間において検出し、それらの差分を求めることにより、歩行又は走行に起因する加速度の変動成分を低減することができる。従って、ランニングやジョギング時等のトレーニング中においても、歩行又は走行に起因する大きな波形を消して呼吸周期を測定することが可能となる。また、そのために必要とされるセンサーとしては、トレーニング時に用いられる加速度センサーを用いて測定を行うことができる。本実施形態においては、少なくとも正面方向の加速度を検出する加速度センサーの検出結果に基づいて、被験者の呼吸周期が測定される。加速度センサーの任意の１軸が正面方向と一致しない場合には、加速度センサーの３軸の加速度測定値を合成して正面方向の加速度を求めても良い。 According to this embodiment, at least frontal acceleration generated in the chest of the subject is detected in a plurality of unit periods, and the difference between them is obtained, thereby reducing the fluctuation component of acceleration caused by walking or running. . Therefore, even during training such as running or jogging, it is possible to measure the respiratory cycle while eliminating large waveforms caused by walking or running. Moreover, as a sensor required for that, it can measure using the acceleration sensor used at the time of training. In the present embodiment, the respiratory cycle of the subject is measured based on at least the detection result of the acceleration sensor that detects the acceleration in the front direction. When any one axis of the acceleration sensor does not coincide with the front direction, the acceleration in the front direction may be obtained by synthesizing the three axis acceleration measurement values of the acceleration sensor.
次に、本実施形態に係る生体情報測定装置において用いられる生体情報測定方法について、図５及び図７を参照しながら説明する。図７は、本発明の一実施形態に係る生体情報測定方法を示すフローチャートである。 Next, a biological information measuring method used in the biological information measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a flowchart showing a biological information measuring method according to an embodiment of the present invention.
図７に示すステップＳ１において、制御部２４が、３軸加速度センサー１０によって検出された加速度を表す測定データに基づいて、被験者が歩行又は走行している際の１歩又は重複歩の周期を測定し、該周期を単位期間として設定する。
In step S <b> 1 shown in FIG. 7, the control unit 24 measures the cycle of one step or multiple steps when the subject is walking or running based on the measurement data representing the acceleration detected by the
ステップＳ２において、制御部２４が、第１の単位期間において３軸加速度センサー１０によって検出された正面方向の加速度を表す測定データを記憶部２２に記憶する。
In step S <b> 2, the control unit 24 stores measurement data representing the acceleration in the front direction detected by the
ステップＳ３において、演算部２３が、ステップＳ２において記憶部２２に記憶された測定データと、第１の単位期間と異なる第２の単位期間において３軸加速度センサー１０によって検出された正面方向の加速度を表す測定データとの差分を表す差分データを求める。
In step S3, the
ステップＳ４において、演算部２３が、ステップＳ３において求められた差分データに基づいて呼吸周期を求める。例えば、演算部２３は、差分データに対してローパスフィルター処理を施して処理データを生成し、処理データの値を正又は負の閾値と比較することによって呼吸周期における基準時点を検出する。そして、演算部２３は、処理データの値が閾値を超えた第１の基準時点と、第１の基準時点からマスキング期間が経過した後に処理データの値が再び閾値を超えた第２の基準時点との差を呼吸周期として求める。
In step S4, the calculating
ステップＳ５において、演算部２３が、６０（秒）を呼吸周期（秒）で割ることにより、呼吸頻度（毎分の呼吸回数）を求める。
In step S <b> 5, the
上記のように測定データの差分演算を行うことにより、主として歩行又は走行に起因する大きな波形は消えてしまうので、呼吸による加速度を検出することが容易となる。従って、呼吸の周波数よりもかなり高いカットオフ周波数を有するローパスフィルターを用いて、呼吸周期を測定することができるので、実時間に近い応答速度で呼吸周期又は呼吸頻度を測定することが可能となる。 By performing the difference calculation of the measurement data as described above, a large waveform mainly caused by walking or running disappears, so that it is easy to detect acceleration due to respiration. Therefore, since the respiratory cycle can be measured using a low-pass filter having a cutoff frequency considerably higher than the respiratory frequency, the respiratory cycle or the respiratory frequency can be measured at a response speed close to real time. .
上記の実施形態においては、ランニングやジョギング時等において用いられる生体情報測定装置について説明したが、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明は、睡眠時無呼吸症候群のスクリーニング検査等の医療向けとしても応用可能であり、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。 In the above embodiment, the biological information measuring device used during running, jogging, etc. has been described, but the present invention is not limited to the above described embodiment. For example, the present invention can be applied to medical applications such as screening tests for sleep apnea syndrome, and many variations can be made within the technical idea of the present invention by those who have ordinary knowledge in the technical field. It is.
１…回路基板、１ａ…領域、１０…３軸加速度センサー、２０…生体情報測定回路、２１…入力部、２２…記憶部、２３…演算部、２４…制御部、２５…心拍センサー部、３０…無線通信部、４０…アンテナ部、５１、５２…電極端子、６０…電池ソケット
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記加速度センサーによって検出された加速度を表す測定データに基づいて、被験者が歩行又は走行している際の１歩又は重複歩の周期を測定し、該周期を単位期間として設定する制御部と、
少なくとも単位期間において前記加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データを記憶する記憶部と、
第１の単位期間において前記加速度センサーによって検出されて前記記憶部に記憶された正面方向の加速度を表す測定データと、第１の単位期間と異なる第２の単位期間において前記加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データとの差分を表す差分データを求め、該差分データに基づいて呼吸周期を求める演算部と、
を含む生体情報測定回路。 A biological information measurement circuit for measuring at least a respiratory cycle based on a detection result of an acceleration sensor that detects at least frontal acceleration generated in a chest of a subject,
Based on measurement data representing acceleration detected by the acceleration sensor, a control unit that measures the cycle of one step or multiple steps when the subject is walking or running, and sets the cycle as a unit period;
A storage unit for storing measurement data representing acceleration in a front direction detected by the acceleration sensor at least in a unit period;
Measurement data representing the acceleration in the front direction detected by the acceleration sensor in the first unit period and stored in the storage unit, and detected by the acceleration sensor in a second unit period different from the first unit period Calculating difference data representing a difference from measurement data representing acceleration in the front direction, and calculating a respiratory cycle based on the difference data;
A biological information measuring circuit including:
請求項１〜４のいずれか１項記載の生体情報測定回路と、
を含む生体情報測定装置。 An acceleration sensor for detecting at least frontal acceleration generated in the chest of the subject;
The biological information measuring circuit according to any one of claims 1 to 4,
A biological information measuring device including:
前記加速度センサーによって検出された加速度を表す測定データに基づいて、被験者が歩行又は走行している際の１歩又は重複歩の周期を測定し、該周期を単位期間として設定する手順（ａ）と、
第１の単位期間において前記加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データを記憶部に記憶する手順（ｂ）と、
手順（ｂ）において前記記憶部に記憶された測定データと、第１の単位期間と異なる第２の単位期間において前記加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データとの差分を表す差分データを求める手順（ｃ）と、
手順（ｃ）において求められた差分データに基づいて呼吸周期を求める手順（ｄ）と、
をＣＰＵに実行させる生体情報測定プログラム。 A biological information measurement program for measuring at least a respiratory cycle based on a detection result of an acceleration sensor that detects at least frontal acceleration generated in a chest of a subject,
A procedure (a) for measuring a cycle of one or multiple steps when the subject is walking or running based on measurement data representing acceleration detected by the acceleration sensor, and setting the cycle as a unit period; ,
A procedure (b) of storing measurement data representing acceleration in the front direction detected by the acceleration sensor in the first unit period in a storage unit;
A difference representing a difference between the measurement data stored in the storage unit in step (b) and the measurement data representing the acceleration in the front direction detected by the acceleration sensor in a second unit period different from the first unit period. A procedure (c) for obtaining data;
A procedure (d) for obtaining a respiratory cycle based on the difference data obtained in the procedure (c);
Is a biological information measurement program for causing a CPU to execute.
前記加速度センサーによって検出された加速度を表す測定データに基づいて、被験者が歩行又は走行している際の１歩又は重複歩の周期を測定し、該周期を単位期間として設定するステップ（ａ）と、
第１の単位期間において前記加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データを記憶部に記憶するステップ（ｂ）と、
ステップ（ｂ）において前記記憶部に記憶された測定データと、第１の単位期間と異なる第２の単位期間において前記加速度センサーによって検出された正面方向の加速度を表す測定データとの差分を表す差分データを求めるステップ（ｃ）と、
ステップ（ｃ）において求められた差分データに基づいて呼吸周期を求めるステップ（ｄ）と、
を含む生体情報測定方法。 A biological information measurement method for measuring at least a respiratory cycle based on a detection result of an acceleration sensor that detects at least frontal acceleration generated in a chest of a subject,
(A) measuring a cycle of one or multiple steps when the subject is walking or running based on measurement data representing acceleration detected by the acceleration sensor, and setting the cycle as a unit period; ,
Storing measurement data representing acceleration in the front direction detected by the acceleration sensor in the first unit period in a storage unit (b);
A difference representing a difference between the measurement data stored in the storage unit in step (b) and the measurement data representing the acceleration in the front direction detected by the acceleration sensor in a second unit period different from the first unit period. Obtaining data (c);
A step (d) for obtaining a respiratory cycle based on the difference data obtained in step (c);
A method for measuring biological information.
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