特許 7574801 心拍検出装置、心拍検出方法、および心拍検出プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-21

(45)【発行日】2024-10-29

(54)【発明の名称】心拍検出装置、心拍検出方法、および心拍検出プログラム

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/352 20210101AFI20241022BHJP

【ＦＩ】

A61B5/352

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021558140

(86)(22)【出願日】2019-11-22

(86)【国際出願番号】 JP2019045793

(87)【国際公開番号】W WO2021100197

(87)【国際公開日】2021-05-27

【審査請求日】2022-02-22

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121669

【弁理士】

【氏名又は名称】本山 泰

(72)【発明者】

【氏名】橋本 優生

(72)【発明者】

【氏名】桑原 啓

(72)【発明者】

【氏名】松浦 伸昭

【審査官】牧尾 尚能

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０２９６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７７５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０７４１４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００３５３２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１５０１５６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ５／００ － ５／０５３８

Ａ６１Ｂ ５／０６ － ５／３９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

生体の心電波形を示すセンサデータを取得して、前記センサデータに基づくサンプリングデータ列を出力するセンサデータ取得部と、
出力された前記サンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する第１算出部と、
前記第１算出部によって算出された前記時間差分値が、設定された負の閾値を下回った時刻を心拍時刻とする決定部と、
前記決定部によって決定された前記心拍時刻におけるサンプリングデータと、前記心拍時刻の１サンプリング前のサンプリングデータとの２点を通る直線上で、心電位がゼロとなる時刻を補正された心拍時刻とする補正部と、
前記補正された心拍時刻から、前記生体の心拍数を算出する第２算出部と
を備え、
前記心電波形をサンプリングするサンプリング間隔は、１２．５ｍｓ以下で、下限が４ｍｓであることを特徴とする心拍検出装置。

【請求項2】

請求項１に記載の心拍検出装置において、
前記決定部によって決定された前記心拍時刻におけるサンプリングデータと、前記心拍時刻の１サンプリング前のサンプリングデータとの前記２点は、前記心電波形に含まれるＱ波とＲ波とＳ波とで構成されるＱＲＳ波の起始部からＳ波のピークまでのＲＳ間隔上の点であり、
前記補正部は、前記ＲＳ間隔上で心電位がゼロとなる時刻を前記補正された心拍時刻とする
ことを特徴とする心拍検出装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の心拍検出装置において、
前記第２算出部は、前記補正された心拍時刻を用いて、前記生体の心電波形に含まれるＲ波と１つ前のＲ波の時間間隔であるＲ－Ｒ間隔を算出し、前記Ｒ－Ｒ間隔から、前記生体の心拍数を算出する
ことを特徴とする心拍検出装置。

【請求項4】

生体の心電波形を示すセンサデータを取得して、前記センサデータに基づくサンプリングデータ列を出力する第１ステップと、
前記第１ステップで出力された前記サンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する第２ステップと、
前記第２ステップで算出された前記時間差分値が、設定された負の閾値を下回った時刻を心拍時刻とする第３ステップと、
前記第３ステップで決定された前記心拍時刻におけるサンプリングデータと、前記心拍時刻の１サンプリング前のサンプリングデータとの２点を通る直線上で、心電位がゼロとなる時刻を補正された心拍時刻とする第４ステップと、
前記補正された心拍時刻から、前記生体の心拍数を算出する第５ステップと
を備え、
前記心電波形をサンプリングするサンプリング間隔は、１２．５ｍｓ以下で、下限が４ｍｓであることを特徴とする心拍検出方法。

【請求項5】

請求項４に記載の心拍検出方法において、
前記第３ステップで決定された前記心拍時刻におけるサンプリングデータと、前記心拍時刻の１サンプリング前のサンプリングデータとの前記２点は、前記心電波形に含まれるＱ波とＲ波とＳ波とで構成されるＱＲＳ波の起始部からＳ波のピークまでのＲＳ間隔上の点であり、
前記第４ステップは、前記ＲＳ間隔上で心電位がゼロとなる時刻を前記補正された心拍時刻とする
ことを特徴とする心拍検出方法。

【請求項6】

請求項４または請求項５に記載の心拍検出方法において、
前記第５ステップは、前記補正された心拍時刻を用いて、前記生体の心電波形に含まれるＲ波と１つ前のＲ波の時間間隔であるＲ－Ｒ間隔を算出し、前記Ｒ－Ｒ間隔から、前記生体の心拍数を算出する
ことを特徴とする心拍検出方法。

【請求項7】

コンピュータに、
生体の心電波形を示すセンサデータを取得して、前記センサデータに基づくサンプリングデータ列を出力する第１ステップと、
前記第１ステップで出力された前記サンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する第２ステップと、
前記第２ステップで算出された前記時間差分値が、設定された負の閾値を下回った時刻を心拍時刻とする第３ステップと、
前記第３ステップで決定された前記心拍時刻におけるサンプリングデータと、前記心拍時刻の１サンプリング前のサンプリングデータとの２点を通る直線上で、心電位がゼロとなる時刻を補正された心拍時刻とする第４ステップと、
前記補正された心拍時刻から、前記生体の心拍数を算出する第５ステップと
を実行させ、
前記心電波形をサンプリングするサンプリング間隔は、１２．５ｍｓ以下で、下限が４ｍｓであることを特徴とする心拍検出プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、心拍検出装置、心拍検出方法、および心拍検出プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ランニング、ウォーキング等の日常生活での様々な活動シーンにおいて、ウェアラブルデバイスを装着して、歩数、活動量、心拍数などの計測データにより、自らの健康管理をすることへの関心が高まっている。

【0003】

例えば、特許文献１は、衣服に装着されたウェアラブルセンサにより、着用時の心電波形を取得し、それをもとに心拍数を算出し、得られたデータをスマートフォン等の外部端末に送信するアプリケーションを開示している。

【0004】

このような、従来から知られているウェアラブルデバイスでは、外部電源が使用されないため、ユーザの心拍を計測する場合など、長時間の連続使用が必要な用途においては、デバイスの省電力化が重要である。

【0005】

そこで、従来から、ウェアラブルデバイスの省電力化を図るために、ユーザの心拍数などのデータを取得する間隔を大きくとって、単位時間当たりの演算処理量を軽減することが行われている。

【0006】

例えば、特許文献２は、心電位から心拍数を算出するために、心電位の時系列データに対し、Ｒ波の振幅に応じた閾値を設定し、データが閾値を上回ったことをもってＲ波を検出し、その周期（Ｒ－Ｒ間隔）から心拍数を算出する技術を開示している。

【0007】

また、体動ノイズに左右されることなく安定した生体の心拍数を検出する方法として、心電位の時系列データを用いる代わりに、心電位の時間差分値や、ＱＲＳ波のピーク前後のクリアランスを考慮した時間差分値を指標値として用いる手法も提案されている（特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】国際公開第２０１６／０２４４９５号

【文献】特開２０１５－１５６９３６号公報

【文献】特許第６４０４７８４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかし、従来の技術では、心電位の特徴量を閾値により検出するので、データの取得間隔に応じた検出時刻のずれが生じ、心拍数を算出する際の誤差が生ずる場合があった。

【0010】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、生体の心拍数をより正確に計測することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上述した課題を解決するために、本発明に係る心拍検出装置は、生体の心電波形を示すセンサデータを取得して、前記センサデータに基づくサンプリングデータ列を出力するセンサデータ取得部と、出力された前記サンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する第１算出部と、前記第１算出部によって算出された前記時間差分値が、設定された負の閾値を下回った時刻を心拍時刻とする決定部と、前記決定部によって決定された前記心拍時刻におけるサンプリングデータと、前記心拍時刻の１サンプリング前のサンプリングデータとの２点を通る直線上で、心電位がゼロとなる時刻を補正された心拍時刻とする補正部と、前記補正された心拍時刻から、前記生体の心拍数を算出する第２算出部とを備え、前記心電波形をサンプリングするサンプリング間隔は、１２．５ｍｓ以下で、下限が４ｍｓであることを特徴とするものである。

【0012】

上述した課題を解決するために、本発明に係る心拍検出方法は、生体の心電波形を示すセンサデータを取得して、前記センサデータに基づくサンプリングデータ列を出力する第１ステップと、前記第１ステップで出力された前記サンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する第２ステップと、前記第２ステップで算出された前記時間差分値が、設定された負の閾値を下回った時刻を心拍時刻とする第３ステップと、前記第３ステップで決定された前記心拍時刻におけるサンプリングデータと、前記心拍時刻の１サンプリング前のサンプリングデータとの２点を通る直線上で、心電位がゼロとなる時刻を補正された心拍時刻とする第４ステップと、前記補正された心拍時刻から、前記生体の心拍数を算出する第５ステップとを備え、前記心電波形をサンプリングするサンプリング間隔は、１２．５ｍｓ以下で、下限が４ｍｓであることを特徴とするものである。

【0013】

上述した課題を解決するために、本発明に係る心拍検出プログラムは、コンピュータに、生体の心電波形を示すセンサデータを取得して、前記センサデータに基づくサンプリングデータ列を出力する第１ステップと、前記第１ステップで出力された前記サンプリングデータ列からサンプリングデータの時間差分値をサンプリング時刻ごとに算出する第２ステップと、前記第２ステップで算出された前記時間差分値が、設定された負の閾値を下回った時刻を心拍時刻とする第３ステップと、前記第３ステップで決定された前記心拍時刻におけるサンプリングデータと、前記心拍時刻の１サンプリング前のサンプリングデータとの２点を通る直線上で、心電位がゼロとなる時刻を補正された心拍時刻とする第４ステップと、前記補正された心拍時刻から、前記生体の心拍数を算出する第５ステップとを実行させ、前記心電波形をサンプリングするサンプリング間隔は、１２．５ｍｓ以下で、下限が４ｍｓであることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、心電波形に基づくサンプリングデータ列から算出されたサンプリング時刻ごとのサンプリングデータの時間差分値の変化が設定された閾値を超えた時刻に基づいて決定された心拍時刻におけるサンプリングデータと、その直前のサンプリングデータとの２点を通る直線上で、心電位がゼロとなる時刻を基準時刻として、心拍時刻を補正する。そのため、ユーザの心臓の拍動数をより正確に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る心拍検出装置の機能構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、本実施の形態に係る心電波形を説明するための図である。

【図3】図３は、本実施の形態に係る心電波形を説明するための図である。

【図4】図４は、本実施の形態に係る心拍時刻算出部の機能構成を示すブロック図である。

【図5】図５は、本実施の形態に係る心拍時刻算出部の機能構成の別の例を示すブロック図である。

【図6】図６は、本実施の形態に係る心拍検出装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

【図7】図７は、本実施の形態に係る心拍検出方法を説明するためのフローチャートである。

【図8】図８は、本実施の形態に係る心拍時刻算出処理を説明するためのフローチャートである。

【図9】図９は、本実施の形態に係る心拍検出装置の効果を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図９を参照して詳細に説明する。

【0017】

［発明の概要］
まず、本発明の実施の形態に係る心拍検出装置１の概要について、図２および図３を参照して説明する。

【0018】

図２および図３は、一般的な心電波形（Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ：ＥＣＧ）を示す図である。ＥＣＧ波形は、連続した心拍の波形からなり、１つの心拍波形は、図２に示すように、それぞれ心房や心室の活動を反映したＰ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波等の成分からなっている。そのうち、心室の収縮（心室筋の脱分極）に伴うものがＲ波であり、振幅も大きいため、心拍の検出はＲ波を目安にして行われることが多い。特に、ＥＣＧ波形のサンプリングデータ列の時間差分をとることにより、Ｒ波からＳ波への急峻な変化をピーク状に浮き立たせると、心拍を検出しやすくなる。１拍ごとの心拍の間隔は、Ｒ－Ｒ間隔と称され、心拍変動の１次指標として扱われる。

【0019】

本実施の形態に係る心拍検出装置１は、Ｒ波からＳ波への急峻な変化を検出するために、ＥＣＧ波形に含まれるＱＲＳ波の起始部からＳ波のピークまでのＲＳ間隔上を検出点とする。本実施の形態では、ＲＳ間隔上の検出点と、その直前の点に対応した心電位を用いて、ＲＳ間隔で電位が０となる時刻を推定し、推定した時刻の時間間隔を用いて、Ｒ－Ｒ間隔を補正することがその特徴のひとつである。

【0020】

次に、本実施の形態に係る心拍検出装置１の構成について、図１を用いて説明する。以下においては、心拍検出装置１は１つの心拍を検出し、その心拍時刻を得るまでの手順を説明する。このような心拍時刻の算出をＥＣＧ波形の計測期間にわたって繰り返すことで、心拍時刻の時系列データが得られ、この時系列データからＲ－Ｒ間隔を算出することができる。

【0021】

また、本実施の形態では、ＥＣＧ波形をサンプリングしたサンプリングデータをＤ（ｉ）とする。ここで、ｉ（ｉ＝１，２，・・・）は、１サンプリングのデータに順番に付与される番号を示す。データ列の番号ｉが大きくなるほど、サンプリング時刻が後になる。

【0022】

また、本実施の形態では、後述する第１時間間隔Ｔｉｎｒ１の範囲における時間差分値の最小値をＭｉｎ１、第２時間間隔Ｔｉｎｒ２の範囲における時間差分値の最小値をＭｉｎ２、第３時間間隔Ｔｉｎｒ３の範囲における時間差分値の最小値をＭｉｎ３とする。これらの最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２、Ｍｉｎ３の初期値は、例えば０としておけばよい。

【0023】

［心拍検出装置の機能ブロック］
図１に示すように、心拍検出装置１は、センサデータ取得部１０、心拍時刻算出部１１、補正部１２、心拍数算出部（第２算出部）１３、第１記憶部１４、および送受信部１５を備える。

【0024】

センサデータ取得部１０は、ユーザの心電信号および計測時刻を含むセンサデータを取得する。センサデータ取得部１０は、例えば、心電計で構成されるセンサ１０５で計測されたユーザの心電信号を取得することができる。センサデータ取得部１０は、取得した心電信号の増幅、ＡＤ変換、およびノイズの除去などの信号処理を行う。センサデータ取得部１０は、ＥＣＧの時系列データであるサンプリングデータＤ（ｉ）とサンプリング時刻とを第１記憶部１４に記憶する。なお、本実施の形態では、センサデータ取得部１０は、センサ１０５からユーザの心電信号を取得する場合について説明するが、センサデータ取得部１０は、予め計測されたユーザの心電信号をオフラインで取得することもできる。

【0025】

心拍時刻算出部１１は、第１記憶部１４に記憶されたＥＣＧ波形のサンプリングデータＤ（ｉ）を読み出して、心拍時刻を算出する。心拍時刻算出部１１は、図４に示すように、第１算出部１１０、第１判定部１１１、第２判定部１１２、第２記憶部１１３、および決定部１１４を備える（特許文献３参照）。

【0026】

第１算出部１１０は、ＥＣＧ波形のサンプリングデータＤ（ｉ）の時間差分値ＤＹ（ｉ）を、サンプリング時刻（ｉで示される時刻）ごとに算出する。より詳細には、第１算出部１１０は、ＥＣＧ波形のサンプリングデータＤ（ｉ）の１サンプリング後のデータＤ（ｉ＋１）と１サンプリング前のサンプリングデータＤ（ｉ－１）とを第１記憶部１４から読み出して、サンプリングデータＤ（ｉ）の時間差分値ＤＹ（ｉ）を次式（１）により算出する。

【0027】

ＤＹ（ｉ）＝Ｄ（ｉ＋１）－Ｄ（ｉ－１） ・・・（１）

【0028】

第１判定部１１１は、第１算出部１１０が算出した時間差分値ＤＹ（ｉ）が、閾値ＴＨを下回るか否かを判定する。本実施の形態では、図２および図３のＥＣＧ波形に示すように、Ｒ波からＳ波への急峻な変化による時間差分値ＤＹ（ｉ）のピークを検出する。時間差分値ＤＹ（ｉ）のピークは負の値として現れる。したがって、第１判定部１１１は、設定された負の値の閾値ＴＨを用いて、時間差分値ＤＹ（ｉ）の閾値処理を行う。

【0029】

第１判定部１１１は、例えば、心拍として検出した時間差分値ＤＹ（ｉ）の直近のピーク（Ｍｉｎ２）、例えば直近５個のピーク（Ｍｉｎ２）の平均値に０．５を乗じた値を、閾値ＴＨとして用いることができる。ピーク（Ｍｉｎ２）の平均値に０．５を乗じる理由は、単純にピークを検出することを目的としたものよりも、閾値ＴＨの絶対値を小さく設定するためである（非特許文献３参照）。閾値ＴＨの絶対値を小さくすることで、絶対値の小さなピークも捕捉することができる。

【0030】

第２判定部１１２は、直前の心拍時刻から、時間差分値ＤＹ（ｉ）を求めた最新のサンプリング時刻（ｉで示される時刻）までの第１経過時間Ｔ１が、第１時間間隔Ｔｉｎｒ１の範囲内にあるか否かを判定する。また、第２判定部１１２は、時間差分値ＤＹ（ｉ）が、閾値ＴＨを下回った時刻から、時間差分値ＤＹ（ｉ）を求めた最新のサンプリング時刻までの第２経過時間Ｔ２が、第２時間間隔Ｔｉｎｒ２の範囲内にあるか否かを判定する。さらに、第２判定部１１２は、第２経過時間Ｔ２が、第２時間間隔Ｔｉｎｒ２の範囲を過ぎた時刻から、時間差分値ＤＹ（ｉ）を求めた最新のサンプリング時刻までの第３経過時間Ｔ３が第３時間間隔Ｔｉｎｒ３の範囲内にあるか否かを判定する。

【0031】

第１時間間隔Ｔｉｎｒ１は、想定される次の心拍時刻の手前の時間領域を定めるためのパラメータである。第２時間間隔Ｔｉｎｒ２は、時間差分値ＤＹ（ｉ）のピークを含むと想定される時間領域を定めるためのパラメータである。また、第３時間間隔Ｔｉｎｒ３は、時間差分値ＤＹ（ｉ）のピークを含むと想定される時間領域の後の一定の時間領域を定めるためのパラメータである。

【0032】

第２判定部１１２は、例えば、直前の心拍時刻から得られるＲ－Ｒ間隔よりも１５０［ｍｓ］短い時間から、この時間に１００［ｍｓ］加えた時間までの間を、第１時間間隔Ｔｉｎｒ１の範囲として用いる。ここでのＲ－Ｒ間隔とは、直前の心拍時刻からさらに１つ前の心拍時刻を引いた時間である。

【0033】

あるいは、第２判定部１１２は、直前の心拍時刻から時間差分値ＤＹ（ｉ）が次に閾値ＴＨを超える直前のまでの時間領域を第１時間間隔Ｔｉｎｒ１の範囲として用いることもできる。

【0034】

第２時間間隔Ｔｉｎｒ２は、時間差分値ＤＹ（ｉ）のピークをカバーするのに十分な時間幅であることが好ましく、例えば、５０［ｍｓ］と予め設定することができる。

【0035】

第３時間間隔Ｔｉｎｒ３は、例えば、１００［ｍｓ］と予め設定することができる。

【0036】

第２記憶部１１３は、第１経過時間Ｔ１が、第１時間間隔Ｔｉｎｒ１の範囲内にあるときの時間差分値ＤＹ（ｉ）の最小値Ｍｉｎ１を保持する。また、第２記憶部１１３は、第２経過時間Ｔ２が、第２時間間隔Ｔｉｎｒ２の範囲内にあるときの時間差分値ＤＹ（ｉ）の最小値Ｍｉｎ２を保持する。また、第２記憶部１１３は、第３経過時間Ｔ３が、第３時間間隔Ｔｉｎｒ３の範囲内にあるときの時間差分値ＤＹ（ｉ）の最小値Ｍｉｎ３を保持する。

【0037】

決定部１１４は、第２記憶部１１３に保持されている時間差分値ＤＹ（ｉ）の最小値Ｍｉｎ１、Ｍｉｎ２、Ｍｉｎ３の関係が、予め設定された心拍時刻を確定する条件を満たす場合に、時間差分値ＤＹ（ｉ）が閾値ＴＨを下回った時刻、または、最小値Ｍｉｎ２が得られた時刻を心拍時刻とする。決定部１１４がいずれの時刻を心拍時刻として採用するかは、予めプログラムで設定することができる。

【0038】

例えば、最小値Ｍｉｎ２の最小値Ｍｉｎ１に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ１と、最小値Ｍｉｎ２の最小値Ｍｉｎ３に対する比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ３とがともに一定値を超えることを、予め設定された心拍時刻を確定する条件として用いることができる。このような条件を予め設定することで、時間差分値のピークが単峰性のものであるか、そうでないかを判定することができる。

【0039】

補正部１２は、心拍時刻算出部１１によって算出された心拍時刻に基づくＥＣＧ波形データより、心電位が０となる時刻を特定する。また、補正部１２は、特定した心電位が０となる時刻をＲ－Ｒ間隔を算出するための基準時刻として用いる。より詳細には、補正部１２は、心拍時刻算出部１１が算出した心拍時刻におけるＥＣＧ波形データＤ（ｎ）と直前のＥＣＧ波形データＤ（ｎ－１）の２点を通る直線上において、心電位が０となる時刻を特定し、Ｒ－Ｒ間隔を算出するための基準時刻とする。

【0040】

例えば、心電位が０となる時刻の心拍時刻を基準としたときのずれΔｎ（サンプリングデータ番号を単位とする）は、次式（２）より算出される。

【0041】

【数1】

【0042】

補正部１２は、上式（２）より算出されるずれΔｎを用いて基準時刻を算出することができる。

【0043】

ここで、心拍時刻算出部１１によって算出された心拍時刻におけるＥＣＧ波形データＤ（ｎ）と直前のＥＣＧ波形データＤ（ｎ－１）は、ＲＳ間隔上の点である必要がある。つまり、サンプリング間隔には、上限が存在する。例えば、ＱＲＳ間隔は、一般的に１００［ｍｓ］程度といわれており、それを考慮すると、ＲＳ間隔は、２５［ｍｓ］程度であるので、サンプリング間隔は１２．５［ｍｓ］以下である必要がある。

【0044】

一方で、サンプリング間隔が小さすぎる場合には、心拍時刻算出部１１によって算出された心拍時刻におけるＥＣＧ波形データＤ（ｎ）と直前のＥＣＧ波形データＤ（ｎ－１）は、Ｓ波付近の接線の傾きが急峻に変化する領域に存在することになる。そのため、ＥＣＧ波形データＤ（ｎ）と直前のＥＣＧ波形データＤ（ｎ－１）とを通る２点を用いて心拍時刻を補正する場合、誤差が大きくなる。つまり、サンプリング間隔には、下限も存在し、具体的には４［ｍｓ］程度である。

【0045】

心拍数算出部１３は、補正部１２によって補正された最新の心拍時刻から心拍数Ｘ［ｂｐｍ］を算出する。具体的には、心拍数算出部１３は、補正部１２により算出および確定された最新の心拍時刻から１つ前の心拍時刻を引いた時間であるＲ－Ｒ間隔を、ＲＲＩ［ｍｓ］としたとき、次式（３）により瞬時心拍数Ｘを算出する。

【0046】

【数2】

【0047】

心拍数算出部１３は、瞬時心拍数の代わりに、参考文献３（特開２０１８－０１１８１９）に記載されている次式（４）を用いて平均心拍数Ｘを算出する構成とすることもできる。

【0048】

【数3】

【0049】

上式（４）において、ＨＲ（ｉ）は平均化処理前のｉ番目の瞬時心拍数、Ｘ（ｉ－１）は、ｉ－１番目までの瞬時心拍数を平均化した値、１は、所定の平均化係数、Ｘ（ｉ）は、ｉ番目までの瞬時心拍数を平均化した平均心拍数を表している。

【0050】

送受信部１５は、心拍数算出部１３によって算出された心拍数を外部の図示されないスマートフォンなどの外部端末装置に有線または無線により送出する。

【0051】

［心拍時刻算出部の別の例］
本実施の形態に係る心拍検出装置１は、上述した心拍時刻算出部１１が備える機能構成に限らず、例えば、図５に示す構成を有する心拍時刻算出部１１Ａで心拍時刻を算出することもできる（参考文献１：特許６３６００１７号、参考文献２：特許６５２７２８６号参照）。

【0052】

心拍時刻算出部１１Ａは、第１算出部１１０、指標値算出部１１５、取得部１１６、第２記憶部１１３、および決定部１１４を備える。

【0053】

第１算出部１１０は、心電波形のサンプリングデータＤ（ｉ）の時間差分値ＤＹ（ｉ）をサンプリング時刻ごとに算出する。

【0054】

取得部１１６は、サンプリング点ｉごとに、そのサンプリング点ｉの前後の所定の時間領域における時間差分値の最小値を取得する。

【0055】

指標値算出部１１５は、サンプリング点ｉごとに、そのサンプリング点ｉの時間差分値ＤＹ（ｉ）からそのサンプリング点ｉの前後の所定の時間領域における時間差分値の最小値を引いた値を指標値として求める。

【0056】

決定部１１４は、サンプリング点ｉごとの指標値の中から、予め定められている閾値を下回り、かつ指標値の変化の傾向が減少から増加に転じる点の指標値を下向きのピークとして特定し、この特定した下向きのピークの時刻を心拍時刻とする。

【0057】

サンプリング点ｉの前後の所定の時間領域とは、例えば、サンプリング点ｉの時刻に対して、－１１２．５ｍｓ～－１２．５ｍｓの領域と、＋１２．５ｍｓ～＋１１２．５ｍｓの領域である。

【0058】

第２記憶部１１３は、取得部１１６によって取得された時間差分値の最小値、指標値算出部１１５によって求められた指標値、および決定部１１４によって決定された心拍時刻を一時的に記憶する。

【0059】

［心拍検出装置のハードウェア構成］
次に、上述した機能を有する心拍検出装置１を実現するハードウェア構成の一例を図６を参照して説明する。

【0060】

図６に示すように、心拍検出装置１は、例えば、バスを介して接続されるＣＰＵ１０１、メモリ１０２、ＡＦＥ１０３、ＡＤＣ１０４、通信Ｉ／Ｆ１０６を備えるコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。心拍検出装置１には、例えば、外部に設けられたセンサ１０５がバスを介して接続されている。また、心拍検出装置１は、電源１０７を備え、図５に示すセンサ１０５以外の装置全体への電源供給を行う。

【0061】

メモリ１０２には、ＣＰＵ１０１が各種制御や演算を行うためのプログラムが予め格納されている。ＣＰＵ１０１とメモリ１０２とによって、図１に示したセンサデータ取得部１０、心拍時刻算出部１１、補正部１２、心拍数算出部１３を含む心拍検出装置１の各機能が実現される。

【0062】

センサ１０５は、心電計などで実現され、ユーザの皮膚を経由して微弱な心電信号を計測する。

【0063】

ＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ）１０３は、センサ１０５で計測されたアナログ信号の心電信号を増幅する回路である。

【0064】

ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１０４は、ＡＦＥ１０３で増幅されたアナログ信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換する回路である。ＡＦＥ１０３およびＡＤＣ１０４は、図１で説明したセンサデータ取得部１０を実現する。

【0065】

メモリ１０２は、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリや、ＤＲＡＭなどの揮発性メモリなどで実現される。メモリ１０２は、ＡＤＣ１０４より出力された信号の時系列データを一時的に記憶する。メモリ１０２は、図１で説明した第１記憶部１４、および図５で説明した第２記憶部を実現する。

【0066】

また、メモリ１０２は、心拍検出装置１が心拍検出処理を行うためのプログラムを格納するプログラム格納領域を有する。さらには、例えば、上述したデータやプログラムやなどをバックアップするためのバックアップ領域などを有していてもよい。

【0067】

通信Ｉ／Ｆ１０６は、通信ネットワークＮＷを介して各種外部電子機器との通信を行うためのインターフェース回路である。

【0068】

通信Ｉ／Ｆ１０６としては、例えば、ＬＴＥ、３Ｇ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）などの有線や無線によるデータ通信規格に対応した通信インターフェースおよびアンテナが用いられる。通信Ｉ／Ｆ１０６によって、図１で説明した送受信部１５が実現される。

【0069】

なお、心拍検出装置１は、ＣＰＵ１０１に内蔵されている時計、あるいは、図示されないタイムサーバから時刻情報を取得してサンプリング時刻として用いる。

【0070】

［心拍検出方法］
次に、上述した構成を有する心拍検出装置１の動作について、図７のフローチャートを用いて説明する。まず、ユーザに心電計からなるセンサ１０５が装着され、心電信号の計測が開始されると、以下の処理が実行される。

【0071】

まず、センサデータ取得部１０は、ユーザの心電信号を、例えば、センサ１０５から取得する（ステップＳ１）。センサデータ取得部１０は、心電信号を増幅し、所定のサンプリング周波数でサンプリングし、デジタルのＥＣＧ波形を出力する。ＥＣＧ波形のサンプリングデータは、第１記憶部１４に記憶される。

【0072】

次に、心拍時刻算出部１１は、第１記憶部１４からＥＣＧ波形のサンプリングデータＤ（ｉ）を読み出して、心拍時刻を算出する（ステップＳ２）。

【0073】

ここで、ステップＳ２で心拍時刻算出部１１が実行する心拍時刻算出処理について、図８を参照して説明する。

【0074】

まず、第１算出部１１０は、第１記憶部１４からサンプリングデータＤ（ｉ）の時間差分値ＤＹ（ｉ）を算出するため、サンプリングデータＤ（ｉ）の１サンプリング後のデータＤ（ｉ＋１）と１サンプリング前のデータＤ（ｉ－１）とを読み出す（ステップＳ２００）。

【0075】

次に、第１算出部１１０は、式（１）より、サンプリングデータＤ（ｉ）の時間差分値ＤＹ（ｉ）を算出する（ステップＳ２０１）。次に、第１判定部１１１は、時間差分値ＤＹ（ｉ）が閾値ＴＨを下回るかどうかを判定する（ステップＳ２０２）。

【0076】

次に、第２判定部１１２は、時間差分値ＤＹ（ｉ）が閾値ＴＨを下回っていないと判定された場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、直前の心拍時刻から処理対象のサンプリングデータＤ（ｉ）のサンプリング時刻（ｉで示される時刻）までの経過時間である第１経過時間Ｔ１が第１時間間隔Ｔｉｎｒ１の範囲内にあるかどうかを判定する（ステップＳ２０３）。

【0077】

第２記憶部１１３は、第１経過時間Ｔ１が第１時間間隔Ｔｉｎｒ１の範囲内と判定された場合、すなわち処理対象のサンプリングデータＤ（ｉ）のサンプリング時刻が、想定される次の心拍時刻の手前の時間領域にある場合（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、第１時間間隔Ｔｉｎｒ１の範囲内における時間差分値の最小値Ｍｉｎ１を更新する（ステップＳ２０４）。つまり、第２記憶部１１３は、処理対象のサンプリングデータＤ（ｉ）の時間差分値ＤＹ（ｉ）と現在の最小値Ｍｉｎ１とを比較し、処理対象の時間差分値ＤＹ（ｉ）が現在の最小値Ｍｉｎ１より小さい場合、時間差分値ＤＹ（ｉ）を新たな最小値Ｍｉｎ１とする。そして、ステップＳ２００に戻る。なお、ステップＳ２０３において第１経過時間Ｔ１が第１時間間隔Ｔｉｎｒ１の範囲外と判定された場合は、最小値Ｍｉｎ１を更新することなく、ステップＳ２００に戻る。

【0078】

一方、第１算出部１１０は、時間差分値ＤＹ（ｉ）が閾値ＴＨを超えていると判定された場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、次のサンプリングデータＤ（ｊ）の時間差分値ＤＹ（ｊ）を算出するため（ｊはｊ≧（ｉ＋１）の整数で、初期値はｊ＝ｉ＋１）、サンプリングデータＤ（ｊ）の１サンプリング後のデータＤ（ｊ＋１）と１サンプリング前のデータＤ（ｊ－１）とを第１記憶部１４から読み出す（ステップＳ２０５）。そして、第１算出部１１０は、サンプリングデータＤ（ｊ）の時間差分値ＤＹ（ｊ）を上式（１）と同様に算出する（ステップＳ２０６）。

【0079】

時間判定部５は、時間差分値Ｙ（ｉ）が閾値ＴＨを超えた時刻から処理対象のサンプリングデータＸ（ｊ）のサンプリング時刻（ｊで示される時刻）までの経過時間（第２経過時間Ｔ２）が第２時間間隔Ｔｉｎｒ２の範囲内にあるかどうかを判定する（ステップＳ２０７）。

【0080】

第２記憶部１１３は、第２経過時間Ｔ２が第２時間間隔Ｔｉｎｒ２の範囲内と判定された場合、すなわち処理対象のサンプリングデータＤ（ｊ）のサンプリング時刻が、時間差分値のピークを含むと想定される時間領域にある場合（ステップＳ２０７：ＹＥＳ）、第２時間間隔Ｔｉｎｒ２の範囲内における時間差分値の最小値Ｍｉｎ２を更新する（ステップＳ２０８）。つまり、第２記憶部１１３は、処理対象のサンプリングデータＤ（ｊ）の時間差分値ＤＹ（ｊ）と現在の最小値Ｍｉｎ２とを比較し、処理対象の時間差分値ＤＹ（ｊ）が現在の最小値Ｍｉｎ２より小さい場合、時間差分値ＤＹ（ｊ）を新たな最小値Ｍｉｎ２とする。そして、ステップＳ２０５に戻る。

【0081】

こうして、第２経過時間Ｔ２が第２時間間隔Ｔｉｎｒ２の範囲外となるまで、ｊ＝ｉ＋１，ｉ＋２，ｉ＋３，ｉ＋４，・・・・というようにサンプリング時刻が新しい方のサンプリングデータＤ（ｊ）に処理対象を１つずつ移しながら、ステップＳ２０５～Ｓ２０８の処理を繰り返し実行する。

【0082】

次に、第１算出部１１０は、ステップＳ２０７において第２経過時間Ｔ２が第２時間間隔Ｔｉｎｒ２の範囲を過ぎたと判定された場合、すなわちサンプリング時刻が、時間差分値のピークを含むと想定される時間領域を超えた場合、次のサンプリングデータＤ（ｋ）の時間差分値ＤＹ（ｋ）を算出するため（ｋはｋ≧（ｊ＋１）の整数で、初期値はｋ＝ｊ＋１）、サンプリングデータＤ（ｋ）の１サンプリング後のデータＤ（ｋ＋１）と１サンプリング前のデータＤ（ｋ－１）とを第１記憶部１４から読み出す（ステップＳ２０９）。そして、第１算出部１１０は、サンプリングデータＤ（ｋ）の時間差分値ＤＹ（ｋ）を上式（１）と同様に算出する（ステップＳ２１０）。

【0083】

第２判定部１１２は、ステップＳ２０７において第２経過時間Ｔ２が第２時間間隔Ｔｉｎｒ２の範囲を過ぎたと判定された時刻から処理対象のサンプリングデータＤ（ｋ）のサンプリング時刻（ｋで示される時刻）までの経過時間（第３経過時間Ｔ３）が第３時間間隔Ｔｉｎｒ３の範囲内にあるかどうかを判定する（ステップＳ２１１）。

【0084】

第２記憶部１１３は、第３経過時間Ｔ３が第３時間間隔Ｔｉｎｒ３の範囲内と判定された場合、すなわち処理対象のサンプリングデータＤ（ｋ）のサンプリング時刻が、時間差分値のピークの後の一定の時間領域にある場合（ステップＳ２１１：ＹＥＳ）、第３時間間隔Ｔｉｎｒ３範囲内における時間差分値の最小値Ｍｉｎ３を更新する（ステップＳ２１２）。つまり、第２記憶部１１３は、処理対象のサンプリングデータＤ（ｋ）の時間差分値ＤＹ（ｋ）と現在の最小値Ｍｉｎ３とを比較し、処理対象の時間差分値ＤＹ（ｋ）が現在の最小値Ｍｉｎ３より小さい場合、時間差分値ＤＹ（ｋ）を新たな最小値Ｍｉｎ３とする。そして、ステップＳ２０９に戻る。

【0085】

こうして、第３経過時間Ｔ３が第３時間間隔Ｔｉｎｒ３の範囲外となるまで、ｋ＝ｊ＋１，ｊ＋２，ｊ＋３，ｊ＋４，・・・・というようにサンプリング時刻が新しい方のサンプリングデータＤ（ｋ）に処理対象を１つずつ移しながら、ステップＳ２０９～Ｓ２１２の処理を繰り返し実行する。

【0086】

次に、決定部１１４は、ステップＳ２１１において第３経過時間Ｔ３が第３時間間隔Ｔｉｎｒ３の範囲外と判定された場合、すなわち処理対象のサンプリングデータＤ（ｋ）のサンプリング時刻が、時間差分値のピークの後の一定の時間領域を超えた場合、３つの最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が予め定められた心拍時刻を確定する条件を満たすかどうかを判定する（ステップＳ２１３）。

【0087】

ここで、最小値Ｍｉｎ２はサンプリングデータの時間差分値の検出したピークの大きさに相当し、最小値Ｍｉｎ１はピークの前の一定領域のフロアレベルに相当し、最小値Ｍｉｎ３はピークの後の一定領域のフロアレベルに相当している。時間差分値のピークが単峰性の負のピークであれば、最小値Ｍｉｎ２は、最小値Ｍｉｎ１およびＭｉｎ３に対して絶対値が大きくなっていなければならない。

【0088】

決定部１１４は、比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ１とＭｉｎ２／Ｍｉｎ３が共に一定値を超える場合、所定の条件を満たすと判定し、比率Ｍｉｎ２／Ｍｉｎ１とＭｉｎ２／Ｍｉｎ３のうち少なくとも一方が一定値以下の場合、所定の条件を満たしていないと判定することができる。

【0089】

決定部１１４は、３つの最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が心拍時刻を確定する条件を満たすと判定した場合（ステップＳ２１３：ＹＥＳ）、時間差分値ＤＹ（ｉ）が閾値ＴＨを超えた時刻または最小値Ｍｉｎ２が更新された最新の時刻（時間差分値のピークの時刻）を、心拍時刻として採用する（ステップＳ２１４）。

【0090】

ステップＳ２１４の終了後、ｉ＝ｋ＋１としてステップＳ２００に戻る。これにより、次の心拍の検出が開始される。また、ステップＳ２１３において３つの最小値Ｍｉｎ１，Ｍｉｎ２，Ｍｉｎ３の関係が心拍時刻を確定する条件を満たしていないと判定された場合にも、ｉ＝ｋ＋１としてステップＳ２００に戻るが、この場合には、ステップＳ２０２で検出された閾値ＴＨを超える時間差分値が、ノイズによるもので、心拍に由来するものではなく、心拍を未だ検出していないことになる。

【0091】

こうして、ステップＳ２００～Ｓ２１４の処理を繰り返すことで、心拍時刻の時系列データが得られる。

【0092】

次に、図７に戻り、補正部１２は、心拍時刻算出部１１によって求められた心拍時刻を補正する（ステップＳ３）。より詳細には、補正部１２は、心拍時刻算出部１１によって算出された心拍時刻に基づくＥＣＧ波形データより、心電位が０となる時刻を特定する。また、補正部１２は、特定した心電位が０となる時刻をＲ－Ｒ間隔を算出するための基準時刻として用いる。より詳細には、補正部１２は、心拍時刻算出部１１が算出した心拍時刻におけるＥＣＧ波形データＤ（ｎ）と直前のＥＣＧ波形データＤ（ｎ－１）の２点を通る直線上において、心電位が０となる時刻を特定し、Ｒ－Ｒ間隔を算出するための基準時刻とする。

【0093】

次に、心拍数算出１３は、補正部１２によって特定された心電位が０となる基準時刻を用いて補正された最新の心拍時刻から心拍数Ｘ［ｂｐｍ］を算出する（ステップＳ４）。より詳細には、心拍数算出部１３は、補正部１２により算出および確定された最新の心拍時刻から１つ前の心拍時刻を引いた時間であるＲ－Ｒ間隔を、ＲＲＩ［ｍｓ］としたとき、上述した式（３）により瞬時心拍数Ｘを算出する。あるいは、心拍数算出部１３は、瞬時心拍数の代わりに、上述した式（４）を用いて平均心拍数Ｘを算出する構成とすることもできる。

【0094】

その後、送受信部１５は、心拍数算出部１３によって算出された瞬時心拍数Ｘあるいは平均心拍数Ｘを、有線または無線により、通信ネットワークを介してスマートフォンなどの図示されない外部端末に送信する（ステップＳ５）。

【0095】

［心拍検出装置の効果］
次に、本実施の形態に係る心拍検出装置１の効果ついて、図９を参照して説明する。図９の例では、心拍数が６０［ｂｐｍ］で一定の心電波形を入力した際の、補正部１２の有無による、Ｒ－Ｒ間隔間隔（ＲＲＩ）の検出結果を示している。図９の横軸は時間、縦軸はＲ－Ｒ間隔を示している。「四角形」マーカーは、従来例に係る補正部１２を備えていない心拍検出装置による計測結果を示している。一方、「丸」マーカーは、本実施の形態に係る補正部１２を備えた心拍検出装置１による計測結果を示している。

【0096】

図９の例では、心拍時刻算出部１１として、参考文献１および参考文献２に記載されている心拍時刻算出部１１Ａによって算出された心拍時刻を用いた。また、サンプリング間隔は１０［ｍｓ］としている。図９の算出結果より、補正部１２を導入することで、検出誤差が低減されていることがわかる。また、本実施の形態に係る心拍検出装置１では、ＥＣＧ波形からサンプリング間隔を超えた精度で、心拍およびＲＲＩを検出できることが実証された。

【0097】

以上説明したように、本実施の形態に係る心拍検出装置１によれば、ＲＳ上の検出点とその直前の点に対応した心電位を用いてＲＳ間隔で電位が０になる時刻を推定し，推定した時刻の時間間隔を用いてＲ－Ｒ間隔を補正するので、生体の心拍数をより正確に計測することができる。

【0098】

また、本実施の形態によれば、省電力化のために、心電計でユーザの心拍数を取得する際のデータの取得間隔をより大きくとった場合であっても、正確にユーザの心拍数を検出することができる。

【0099】

なお、説明した実施の形態では、心拍数を検出する場合を例示したが、心拍数だけでなく、脈波など、周期性を有する生体情報に基づいて心拍数を算出する場合や、ＥＣＧ波形に含まれるＲ－Ｒ間隔の他の特徴量、例えば、Ｐ波、Ｑ波、Ｓ波、Ｔ波などのサンプルデータの補正についても、適用可能である。

【0100】

また、説明した実施の形態では、心拍時刻算出部１１の具体例として、特許文献３、および参考文献１、２に記載された技術を用いた場合を例に挙げて説明した。しかし、心拍時刻算出部１１は、これらの文献に記載されている心拍時刻の算出方法に限らず、本実施の形態に係る心拍検出装置１は適用することができる。

【0101】

また、特許文献３、および参考文献１、２に記載された心拍時刻算出方法は、従来の心拍検出技術と比較して、体動や発汗などに起因した基線の搖動や急峻なノイズによる、心拍の誤検出を低減できる。そのため、特許文献３、および参考文献１、２に記載されている心拍時刻算出方法と本発明に係る補正部１２とを組わせることで、より高精度での心拍数の算出が可能となる。

【0102】

以上、本発明の心拍検出装置、心拍検出方法、および心拍検出プログラムにおける実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

【符号の説明】

【0103】

１…心拍検出装置、１０…センサデータ取得部、１１，１１Ａ…心拍時刻算出部、１２、…補正部、１３…心拍数算出部、１４…第１記憶部、１５…送受信部、１１０…第１算出部、１１１…第１判定部、１１２…第２判定部、１１３…第２記憶部、１１４…決定部、１１５…指標値算出部、１１６…取得部、１０１…ＣＰＵ、１０２…メモリ、１０３…ＡＦＥ、１０４…ＡＤＣ、１０５…センサ、１０６…通信Ｉ／Ｆ、１０７…電源。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】