特許 7589826 心拍検出方法および心拍検出装置

(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】2024-11-18

(45)【発行日】2024-11-26

(54)【発明の名称】心拍検出方法および心拍検出装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/352 20210101AFI20241119BHJP

【ＦＩ】

A61B5/352

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2023544908

(86)(22)【出願日】2021-09-02

(86)【国際出願番号】 JP2021032266

(87)【国際公開番号】W WO2023032119

(87)【国際公開日】2023-03-09

【審査請求日】2024-02-16

(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】松浦 伸昭

(72)【発明者】

【氏名】近藤 利彦

【審査官】阿部 知

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１７５１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２９６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－４２３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１５０１５６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ５／２４－５／３９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

生体の心電図波形の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の正負反転値をサンプリング時刻ごとに算出する第１のステップと、
処理対象のサンプリング時刻よりも前の第１の時間範囲の前記正負反転値と前記処理対象のサンプリング時刻よりも後の第２の時間範囲の前記正負反転値のうちの第１の最大値をサンプリング時刻ごとに検出する第２のステップと、
前記処理対象のサンプリング時刻よりも前の第３の時間範囲の前記正負反転値と前記処理対象のサンプリング時刻よりも後の第４の時間範囲の前記正負反転値のうちの第２の最大値をサンプリング時刻ごとに検出する第３のステップと、
前記処理対象のサンプリング時刻の前記正負反転値から前記第１の最大値を引いた減算値を第１の指標値としてサンプリング時刻ごとに算出する第４のステップと、
前記処理対象のサンプリング時刻の前記正負反転値から前記第２の最大値を引いた減算値を第２の指標値としてサンプリング時刻ごとに算出する第５のステップと、
前記第１の指標値が所定の閾値を超えた第１のサンプリング時刻における前記第２の指標値と、前記第１のサンプリング時刻と所定の関係にある第２のサンプリング時刻における前記第１の指標値とが、所定の条件を満たすときに、前記第１のサンプリング時刻を心拍時刻とする第６のステップとを含むことを特徴とする心拍検出方法。

【請求項2】

請求項１記載の心拍検出方法において、
前記処理対象のサンプリング時刻に対する前記第３の時間範囲の前縁のタイミングは、前記第１の時間範囲の前縁のタイミングと同じであり、
前記処理対象のサンプリング時刻に対する前記第４の時間範囲の後縁のタイミングは、前記第２の時間範囲の後縁のタイミングと同じであり、
前記第３の時間範囲と前記第４の時間範囲の間隔は、前記第１の時間範囲と前記第２の時間範囲の間隔よりも短いことを特徴とする心拍検出方法。

【請求項3】

請求項１または２記載の心拍検出方法において、
前記第６のステップは、前記第１のサンプリング時刻よりも前の前記第１の指標値に対して前記第１のサンプリング時刻における前記第１の指標値が増加し、かつ前記第１のサンプリング時刻における前記第２の指標値と前記第２のサンプリング時刻における前記第１の指標値とが所定の条件を満たすときに、前記第１のサンプリング時刻を心拍時刻とするステップを含むことを特徴とする心拍検出方法。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の心拍検出方法において、
前記第３の時間範囲と前記第４の時間範囲の間隔は、２０ｍｓから３０ｍｓの範囲であることを特徴とする心拍検出方法。

【請求項5】

生体の心電図波形の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の正負反転値をサンプリング時刻ごとに算出するように構成された正負反転値算出部と、
処理対象のサンプリング時刻よりも前の第１の時間範囲の前記正負反転値と前記処理対象のサンプリング時刻よりも後の第２の時間範囲の前記正負反転値のうちの第１の最大値をサンプリング時刻ごとに検出するように構成された第１の最大値検出部と、
前記処理対象のサンプリング時刻よりも前の第３の時間範囲の前記正負反転値と前記処理対象のサンプリング時刻よりも後の第４の時間範囲の前記正負反転値のうちの第２の最大値をサンプリング時刻ごとに検出するように構成された第２の最大値検出部と、
前記処理対象のサンプリング時刻の前記正負反転値から前記第１の最大値を引いた減算値を第１の指標値としてサンプリング時刻ごとに算出するように構成された第１の指標値算出部と、
前記処理対象のサンプリング時刻の前記正負反転値から前記第２の最大値を引いた減算値を第２の指標値としてサンプリング時刻ごとに算出するように構成された第２の指標値算出部と、
前記第１の指標値が所定の閾値を超えた第１のサンプリング時刻における前記第２の指標値と、前記第１のサンプリング時刻と所定の関係にある第２のサンプリング時刻における前記第１の指標値とが、所定の条件を満たすときに、前記第１のサンプリング時刻を心拍時刻とするように構成された心拍時刻決定部とを備えることを特徴とする心拍検出装置。

【請求項6】

請求項５記載の心拍検出装置において、
前記処理対象のサンプリング時刻に対する前記第３の時間範囲の前縁のタイミングは、前記第１の時間範囲の前縁のタイミングと同じであり、
前記処理対象のサンプリング時刻に対する前記第４の時間範囲の後縁のタイミングは、前記第２の時間範囲の後縁のタイミングと同じであり、
前記第３の時間範囲と前記第４の時間範囲の間隔は、前記第１の時間範囲と前記第２の時間範囲の間隔よりも短いことを特徴とする心拍検出装置。

【請求項7】

請求項５または６記載の心拍検出装置において、
前記心拍時刻決定部は、前記第１のサンプリング時刻よりも前の前記第１の指標値に対して前記第１のサンプリング時刻における前記第１の指標値が増加し、かつ前記第１のサンプリング時刻における前記第２の指標値と前記第２のサンプリング時刻における前記第１の指標値とが所定の条件を満たすときに、前記第１のサンプリング時刻を心拍時刻とすることを特徴とする心拍検出装置。

【請求項8】

請求項５乃至７のいずれか１項に記載の心拍検出装置において、
前記第３の時間範囲と前記第４の時間範囲の間隔は、２０ｍｓから３０ｍｓの範囲であることを特徴とする心拍検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、心電図波形から心拍（Ｒ波）を検出するための心拍検出方法および心拍検出装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＥＣＧ（Electrocardiogram、心電図）波形は、心臓の電気的な活動を観測したもので、連続した心拍の波形からなる。１つの心拍波形は、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波由来のピークに基づいて行われることが多い。

【0003】

従来の心拍検出方法として、特許文献１に開示された方法がある。特許文献１に開示された方法は、ＥＣＧ波形の時間差分値のピークと、その前後の一定の時間領域での値との関係に着目した指標値を利用し、閾値に基づいた判定ロジックを用いてＲ波を検出するものである。この方法には、ＥＣＧ波形の振幅だけでなく形状（時間幅）にも感度を持たせることができ、Ｒ波よりも幅の広いＴ波等を誤ってＲ波と認識することが少ないといった利点がある。

【0004】

図１４は、ＥＣＧ波形の例を示す図である。ＥＣＧ波形には、１拍分の心拍が含まれている。心電位の振幅（peak to valley）は約５００μＶであり、通常の値（２０００～３０００μＶ）より小さいが、心電位を検出する電極の位置や状態によって振幅が減衰することがあり得る。

【0005】

図１５は、図１４のＥＣＧ波形の時間差分をとって正負を反転した値を示す図である。ＥＣＧ波形の時間差分をとることで、Ｒ波～Ｓ波の急峻な心電位の低下に伴う上向きのピークが、心拍のリズムに沿って出現しているのが確認できる。

【0006】

図１５の時点ｔの前後一定の時間範囲Ａ，Ｂにおける時間差分正負反転値の最大値を、時点ｔの時間差分正負反転値から減じた指標値は、時点ｔの周辺でのピークのクリアランスの高さに相当する。この指標値は、ピークを外れた時点については負の値になる。

【0007】

図１６は、指標値の時系列データをプロットした図である。図１６によると、指標値は、時間範囲ＡとＢの間隔よりも小さい時間幅を持つピークが強調された形になっている。検出対象がＲ波の場合、時間範囲Ａ，Ｂを１００ｍｓ、時間範囲ＡとＢの間隔を５０ｍｓなどとするのが好適である。図１６に示すように、指標値に、閾値ＴＨに基づいた判定ロジックを適用することでＲ波を検出することができる。閾値ＴＨは、複数の心拍由来のピークを含む期間における指標値の最大値を求め、その最大値に１以下の係数を乗じるなどの方法で得ることができる。

【0008】

しかしながら、以上のような指標値を用いる方法では、時間幅が短くＲ波としては不適当と考えられるような波形についても、Ｒ波と誤って認識してしまう可能性があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特許第６５２７２８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、時間幅の短すぎるピークを誤って心拍と認識することのない心拍検出方法および心拍検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の心拍検出方法は、生体の心電図波形の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の正負反転値をサンプリング時刻ごとに算出する第１のステップと、処理対象のサンプリング時刻よりも前の第１の時間範囲の前記正負反転値と前記処理対象のサンプリング時刻よりも後の第２の時間範囲の前記正負反転値のうちの第１の最大値をサンプリング時刻ごとに検出する第２のステップと、前記処理対象のサンプリング時刻よりも前の第３の時間範囲の前記正負反転値と前記処理対象のサンプリング時刻よりも後の第４の時間範囲の前記正負反転値のうちの第２の最大値をサンプリング時刻ごとに検出する第３のステップと、前記処理対象のサンプリング時刻の前記正負反転値から前記第１の最大値を引いた減算値を第１の指標値としてサンプリング時刻ごとに算出する第４のステップと、前記処理対象のサンプリング時刻の前記正負反転値から前記第２の最大値を引いた減算値を第２の指標値としてサンプリング時刻ごとに算出する第５のステップと、前記第１の指標値が所定の閾値を超えた第１のサンプリング時刻における前記第２の指標値と、前記第１のサンプリング時刻と所定の関係にある第２のサンプリング時刻における前記第１の指標値とが、所定の条件を満たすときに、前記第１のサンプリング時刻を心拍時刻とする第６のステップとを含むことを特徴とするものである。

【0012】

また、本発明の心拍検出方法の１構成例において、前記処理対象のサンプリング時刻に対する前記第３の時間範囲の前縁のタイミングは、前記第１の時間範囲の前縁のタイミングと同じであり、前記処理対象のサンプリング時刻に対する前記第４の時間範囲の後縁のタイミングは、前記第２の時間範囲の後縁のタイミングと同じであり、前記第３の時間範囲と前記第４の時間範囲の間隔は、前記第１の時間範囲と前記第２の時間範囲の間隔よりも短い。
また、本発明の心拍検出方法の１構成例において、前記第６のステップは、前記第１のサンプリング時刻よりも前の前記第１の指標値に対して前記第１のサンプリング時刻における前記第１の指標値が増加し、かつ前記第１のサンプリング時刻における前記第２の指標値と前記第２のサンプリング時刻における前記第１の指標値とが所定の条件を満たすときに、前記第１のサンプリング時刻を心拍時刻とするステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の心拍検出方法の１構成例において、前記第３の時間範囲と前記第４の時間範囲の間隔は、２０ｍｓから３０ｍｓの範囲である。

【0013】

また、本発明の心拍検出装置は、生体の心電図波形の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の正負反転値をサンプリング時刻ごとに算出するように構成された正負反転値算出部と、処理対象のサンプリング時刻よりも前の第１の時間範囲の前記正負反転値と前記処理対象のサンプリング時刻よりも後の第２の時間範囲の前記正負反転値のうちの第１の最大値をサンプリング時刻ごとに検出するように構成された第１の最大値検出部と、前記処理対象のサンプリング時刻よりも前の第３の時間範囲の前記正負反転値と前記処理対象のサンプリング時刻よりも後の第４の時間範囲の前記正負反転値のうちの第２の最大値をサンプリング時刻ごとに検出するように構成された第２の最大値検出部と、前記処理対象のサンプリング時刻の前記正負反転値から前記第１の最大値を引いた減算値を第１の指標値としてサンプリング時刻ごとに算出するように構成された第１の指標値算出部と、前記処理対象のサンプリング時刻の前記正負反転値から前記第２の最大値を引いた減算値を第２の指標値としてサンプリング時刻ごとに算出するように構成された第２の指標値算出部と、前記第１の指標値が所定の閾値を超えた第１のサンプリング時刻における前記第２の指標値と、前記第１のサンプリング時刻と所定の関係にある第２のサンプリング時刻における前記第１の指標値とが、所定の条件を満たすときに、前記第１のサンプリング時刻を心拍時刻とするように構成された心拍時刻決定部とを備えることを特徴とするものである。

【0014】

また、本発明の心拍検出装置の１構成例において、前記処理対象のサンプリング時刻に対する前記第３の時間範囲の前縁のタイミングは、前記第１の時間範囲の前縁のタイミングと同じであり、前記処理対象のサンプリング時刻に対する前記第４の時間範囲の後縁のタイミングは、前記第２の時間範囲の後縁のタイミングと同じであり、前記第３の時間範囲と前記第４の時間範囲の間隔は、前記第１の時間範囲と前記第２の時間範囲の間隔よりも短い。
また、本発明の心拍検出装置の１構成例において、前記心拍時刻決定部は、前記第１のサンプリング時刻よりも前の前記第１の指標値に対して前記第１のサンプリング時刻における前記第１の指標値が増加し、かつ前記第１のサンプリング時刻における前記第２の指標値と前記第２のサンプリング時刻における前記第１の指標値とが所定の条件を満たすときに、前記第１のサンプリング時刻を心拍時刻とすることを特徴とするものである。
また、本発明の心拍検出装置の１構成例において、前記第３の時間範囲と前記第４の時間範囲の間隔は、２０ｍｓから３０ｍｓの範囲である。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、処理対象のサンプリング時刻の時間差分正負反転値から、前後の第１、第２の時間範囲における時間差分正負反転値の最大値を減じた第１の指標値と、処理対象のサンプリング時刻の時間差分正負反転値から、前後の第３、第４の時間範囲における時間差分正負反転値の最大値を減じた第２の指標値とを算出し、第１の指標値が閾値を超えた第１のサンプリング時刻における第２の指標値と、第１のサンプリング時刻と所定の関係にある第２のサンプリング時刻における第１の指標値とが、所定の条件を満たすときに、第１のサンプリング時刻を心拍時刻とする。これにより、本発明では、Ｒ波として尤もらしい指標値のピークを検出するとともに、Ｒ波としての信憑性が低い、時間幅が短過ぎる指標値のピークを除外することができ、的確に心拍検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、ＥＣＧ波形の時間差分正負反転値を示す図である。

【図2】図２は、ＥＣＧ波形の第１の指標値と第２の指標値の時系列データを示す図である。

【図3】図３は、図２の拡大図である。

【図4】図４は、ＥＣＧ波形を模した疑似波形の例を示す図である。

【図5】図５は、疑似波形の第１の指標値と第２の指標値の時系列データを示す図である。

【図6A-6C】図６Ａ－図６Ｃは、ＥＣＧ波形の第１の指標値と第２の指標値の時系列データを示す図である。

【図7A-7C】図７Ａ－図７Ｃは、疑似波形の第１の指標値と第２の指標値の時系列データを示す図である。

【図8】図８は、本発明の実施例に係る心拍検出装置の構成を示すブロック図である。

【図9】図９は、本発明の実施例に係る心拍検出装置の最大値検出部と指標値算出部と指標値記憶部の構成例を示すブロック図である。

【図10】図１０は、本発明の実施例に係る心拍検出方法を説明するフローチャートである。

【図11】図１１は、第１の指標値の算出方法を説明するフローチャートである。

【図12】図１２は、第２の指標値の算出方法を説明するフローチャートである。

【図13】図１３は、本発明の実施例に係る心拍検出装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

【図14】図１４は、ＥＣＧ波形の例を示す図である。

【図15】図１５は、図１４のＥＣＧ波形の時間差分正負反転値を示す図である。

【図16】図１６は、従来の心拍検出方法により算出した指標値の時系列データを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

［発明の原理］
図１に、図１５と同じＥＣＧ波形の時間差分正負反転値を示す。図１５との違いは、第２の時間範囲Ｃ，Ｄを併記したことである。処理対象のサンプリング時刻（図１の例ではｔ）に対する時間範囲Ｃの前縁のタイミングは、時間範囲Ａの前縁のタイミングと同じである。また、処理対象のサンプリング時刻に対する時間範囲Ｄの後縁のタイミングは、時間範囲Ｂの後縁のタイミングと同じである。一方、時間範囲ＣとＤの間隔は、時間範囲ＡとＢの間隔よりも短い。以下の図２～図４の例では、時間範囲ＣとＤの間隔を２４ｍｓとしている。

【0018】

ＥＣＧ波形の時間差分正負反転値をサンプリング時刻ごとに算出する。そして、処理対象のサンプリング時刻よりも前の時間範囲Ａの時間差分正負反転値と処理対象のサンプリング時刻よりも後の時間範囲Ｂの時間差分正負反転値のうちの最大値Ｍ１を、処理対象のサンプリング時刻の時間差分正負反転値から引いた値を、処理対象のサンプリング時刻の第１の指標値ｘとする。また、処理対象のサンプリング時刻よりも前の時間範囲Ｃの時間差分正負反転値と処理対象のサンプリング時刻よりも後の時間範囲Ｄの時間差分正負反転値のうちの最大値Ｍ２を、処理対象のサンプリング時刻の時間差分正負反転値から引いた値を、処理対象のサンプリング時刻の第２の指標値ｙとする。

【0019】

図２は、図１４のＥＣＧ波形の第１の指標値ｘと第２の指標値ｙの時系列データをプロットした図である。第２の指標値ｙのピークは、第１の指標値ｘのピークよりも細くなっていることが分かる。

【0020】

図３は、図２のＲ波由来のピークの付近を拡大して示したものである。図３では、サンプリング間隔１ｍｓ毎の値をプロットしている。第１の指標値ｘと第２の指標値ｙは、ピークの頂点から離れるにしたがって乖離していく様子が見て取れる。第１の指標値ｘと第２の指標値ｙが乖離する理由は、時刻がピークの中心からずれてくると、時間範囲Ｃの後縁と時間範囲Ｄの前縁がＥＣＧ波形の時間差分正負反転値のピークと干渉することで、時間範囲Ｃ，Ｄにおける最大値Ｍ２が上昇し、第２の指標値ｙのピークの裾野の傾斜が急になるためである。

【0021】

一方、図４は、ＥＣＧ波形を模した疑似波形の例を示す図である。図４に示した波形は、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波の時間幅を半分程度に短くしたものであり、Ｒ波として検出すべきでない例を示している。

【0022】

図５は、図４の波形について、図３と同様なプロットを示したものである。図３に比べ、第１の指標値ｘと第２の指標値ｙの乖離が少ない。第１の指標値ｘと第２の指標値ｙの乖離が少ない理由は、時間範囲ＣとＤの間隔に対してピークの幅が狭く、時間範囲Ｃ，Ｄとピーク波形の干渉の度合いが少なく、図３の場合のような最大値Ｍ２の上昇が起こり難いためである。

【0023】

図３と図５を比較すると、図３ではピークから離れるに従って第１の指標値ｘと第２の指標値ｙの差が徐々に広がり、図５では図３と比べて第１の指標値ｘと第２指標値ｙの差が少ない。このような第１の指標値ｘと第２の指標値ｙの関係をＲ波検出に利用するには、ある時点の第２の指標値ｙと少し離れた時点の第１の指標値ｘとの関係に着目するとよい。

【0024】

図３では、時刻ｔ３で第１の指標値ｘ＝ｘ３が閾値ＴＨを超えている。例えば、同じ時刻ｔ３での第２の指標値ｙ＝ｙ３と、その２サンプリング前の時刻における第１の指標値ｘ＝ｘ１が、（ｘ１－ｙ３）＞ａ（ａは所定の正の値）という条件を満たす場合に、時刻ｔ３を心拍時刻とすればよい。すなわち、時刻ｔ３の直後に出現する上向きのピークをＲ波由来のピークとして検出できる。

【0025】

同じ条件で、図５の場合、第１の指標値ｘ＝ｘ３が第２の指標値ｙ＝ｙ１を下回っており、時刻ｔ３が心拍時刻として検出されることはなく、図５のピークがＲ波由来のピークとして検出されることはない。

【0026】

なお、第１の指標値ｘと第２の指標値ｙがピークの頂点を過ぎて下降する局面で上記の条件を満たしてしまう場合がある。このように第１の指標値ｘと第２の指標値ｙが下降する局面での条件成立を防止するため、時刻ｔ３で第１の指標値ｘが増加している（ｘ３＞ｘ２）という条件をさらに課すことで、図５のようなピークをＲ波由来のピークとして検出しないようにすることができる。

【0027】

図６Ａ～図６Ｃは、図１４のＥＣＧ波形の第１の指標値ｘと第２の指標値ｙの時系列データをプロットした図である。図７Ａ～図７Ｃは、図４の疑似波形の第１の指標値ｘと第２の指標値ｙの時系列データをプロットした図である。図６Ａ、図７Ａは時間範囲ＣとＤの間隔が２０ｍｓの場合、図６Ｂ、図７Ｂは時間範囲ＣとＤの間隔が２４ｍｓの場合、図６Ｃ、図７Ｃは時間範囲ＣとＤの間隔が３０ｍｓの場合を示している。時間範囲ＡとＢの間隔は５０ｍｓである。

【0028】

図７Ａに示すように時間範囲ＣとＤの間隔が短くなると、Ｒ波として検出すべきでない疑似波形の場合でも第１の指標値ｘと第２の指標値ｙが乖離する。一方、図６Ｃに示すように時間範囲ＣとＤの間隔が長くなると、ＥＣＧ波形の場合でも第１の指標値ｘと第２の指標値ｙが接近する。ＥＣＧ波形と疑似波形を区別するための、時間範囲ＣとＤの間隔は、２０ｍｓから３０ｍｓの範囲で設定することが好ましい。

【0029】

［実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図８は本発明の実施例に係る心拍検出装置の構成を示すブロック図である。心拍検出装置は、ＥＣＧ波形のサンプリングデータ列を出力する心電計１と、ＥＣＧ波形のサンプリングデータ列とサンプリング時刻の情報とを記憶する記憶部２と、ＥＣＧ波形の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の正負反転値をサンプリング時刻ごとに算出する正負反転値算出部３と、処理対象のサンプリング時刻よりも前の時間範囲Ａの時間差分正負反転値と処理対象のサンプリング時刻よりも後の時間範囲Ｂの時間差分正負反転値のうちの最大値Ｍ１をサンプリング時刻ごとに検出する最大値検出部４と、処理対象のサンプリング時刻の時間差分正負反転値から最大値Ｍ１を引いた第１の指標値ｘをサンプリング時刻ごとに算出する指標値算出部５と、第１の指標値ｘを入力とする指標値記憶部６とを備えている。

【0030】

さらに、心拍検出装置は、処理対象のサンプリング時刻よりも前の時間範囲Ｃの時間差分正負反転値と処理対象のサンプリング時刻よりも後の時間範囲Ｄの時間差分正負反転値のうちの最大値Ｍ２をサンプリング時刻ごとに検出する最大値検出部７と、処理対象のサンプリング時刻の時間差分正負反転値から最大値Ｍ２を引いた第２の指標値ｙをサンプリング時刻ごとに算出する指標値算出部８と、第２の指標値ｙを入力とする指標値記憶部９と、第１の指標値ｘが閾値ＴＨを超えた第１のサンプリング時刻における第２の指標値ｙと、第１のサンプリング時刻と所定の関係にある第２のサンプリング時刻における第１の指標値ｘとが、所定の条件を満たすときに、第１のサンプリング時刻を心拍時刻とする心拍時刻決定部１０とを備えている。

【0031】

図９は最大値検出部４，７と指標値算出部５，８と指標値記憶部６，９の構成例を示すブロック図である。
最大値検出部４は、正負反転値算出部３によって算出された時間差分正負反転値を入力とするＦＩＦＯバッファ（First In,First Out）４０と、ＦＩＦＯバッファ４０の出力値を入力とするＦＩＦＯバッファ４１と、ＦＩＦＯバッファ４１の出力値を入力とするＦＩＦＯバッファ４２と、ＦＩＦＯバッファ４０に格納された時間差分正負反転値およびＦＩＦＯバッファ４２に格納された時間差分正負反転値のうちの最大値Ｍ１をサンプリング時刻ごとに検出する検出処理部４３とから構成される。

【0032】

指標値算出部５は、正負反転値算出部３によって算出された時間差分正負反転値を入力とするＦＩＦＯバッファ５０と、ＦＩＦＯバッファ５０の出力値から、最大値検出部４によって検出された最大値Ｍ１を引いた第１の指標値ｘをサンプリング時刻ごとに算出する減算処理部５１とから構成される。
指標値記憶部６は、減算処理部５１によって算出された第１の指標値ｘを入力とするＦＩＦＯバッファ６０から構成される。

【0033】

最大値検出部７は、正負反転値算出部３によって算出された時間差分正負反転値を入力とするＦＩＦＯバッファ７０と、ＦＩＦＯバッファ７０の出力値を入力とするＦＩＦＯバッファ７１と、ＦＩＦＯバッファ７１の出力値を入力とするＦＩＦＯバッファ７２と、ＦＩＦＯバッファ７０に格納された時間差分正負反転値およびＦＩＦＯバッファ７２に格納された時間差分正負反転値のうちの最大値Ｍ２をサンプリング時刻ごとに検出する検出処理部７３とから構成される。

【0034】

指標値算出部８は、正負反転値算出部３によって算出された時間差分正負反転値を入力とするＦＩＦＯバッファ８０と、ＦＩＦＯバッファ８０の出力値から、最大値検出部７によって検出された最大値Ｍ２を引いた第２の指標値ｙをサンプリング時刻ごとに算出する減算処理部８１とから構成される。
指標値記憶部９は、減算処理部８１によって算出された第２の指標値ｙを入力とするＦＩＦＯバッファ９０から構成される。

【0035】

以下、本実施例の心拍検出方法を図１０～図１２を用いて説明する。ここでは、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波形データの期間にわたって繰り返すことによって、心拍時刻の時系列データが得られる。

【0036】

本実施例では、ＥＣＧ波形をサンプリングしたデータ列をＤ（ｉ）とする。ｉ（ｉ＝１，２，…）は１サンプリングのデータに付与される番号である。番号ｉが大きくなる程、サンプリング時刻が後になることは言うまでもない。

【0037】

心電計１は、図示しない生体（人体）のＥＣＧ波形を測定し、ＥＣＧ波形のサンプリングデータ列Ｄ（ｉ）を出力する。このとき、心電計１は、各サンプリングデータにサンプリング時刻の情報を付加して出力する。なお、ＥＣＧ波形の具体的な測定方法は周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。
記憶部２は、心電計１から出力されたＥＣＧ波形のサンプリングデータ列Ｄ（ｉ）とサンプリング時刻の情報とを記憶する。

【0038】

正負反転値算出部３は、サンプリングデータＤ（ｉ）の時間差分正負反転値Ｙ（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）とを記憶部２から取得する（図１０ステップＳ１）。そして、正負反転値算出部３は、サンプリングデータＤ（ｉ）の時間差分正負反転値Ｙ（ｉ）を次式のようにサンプリング時刻ごとに算出する（図１０ステップＳ２）。
Ｙ（ｉ）＝－｛Ｄ（ｉ＋１）－Ｄ（ｉ－１）｝ ・・・（１）

【0039】

最大値検出部４と指標値算出部５とによって第１の指標値ｘが算出される（図１０ステップＳ３）。具体的には、正負反転値算出部３は、算出した時間差分正負反転値Ｙ（ｉ）をサンプリング時刻ごとにＦＩＦＯバッファ５０に入力する（図１１ステップＳ１００）。入力された値は、ＦＩＦＯバッファ５０内に保持され、ＦＩＦＯバッファ５０の大きさに相当する時間（時間差分正負反転値がＦＩＦＯバッファ５０に入力されてから出力されるまでの遅延時間）の後、減算処理に用いられることになる。

【0040】

また、正負反転値算出部３は、算出した時間差分正負反転値Ｙ（ｉ）をサンプリング時刻ごとにＦＩＦＯバッファ４０に入力する（図１１ステップＳ１０１）。ＦＩＦＯバッファ４０の出力はＦＩＦＯバッファ４１に入力され（図１１ステップＳ１０２）、ＦＩＦＯバッファ４１の出力はＦＩＦＯバッファ４２に入力される（図１１ステップＳ１０３）。ＦＩＦＯバッファ４０～４２は、時間範囲Ａ，Ｂでの時間差分正負反転値の最大値を求めるためのものである。

【0041】

ＦＩＦＯバッファ４１の長さに相当する時間間隔Ｌ３（時間差分正負反転値がＦＩＦＯバッファ４１に入力されてから出力されるまでの遅延時間）は、Ｒ波由来のピークの幅（概ね１０ｍｓ程度である）に対して十分広くしておく必要があり、５０ｍｓ程度が好ましい。この間隔Ｌ３が時間範囲ＡとＢの間隔になる。また、ＦＩＦＯバッファ４０の長さに相当する時間間隔Ｌ２（時間差分正負反転値がＦＩＦＯバッファ４０に入力されてから出力されるまでの遅延時間）、およびＦＩＦＯバッファ４２の長さに相当する時間間隔Ｌ４（時間差分正負反転値がＦＩＦＯバッファ４２に入力されてから出力されるまでの遅延時間で、Ｌ２＝Ｌ４）は、１００ｍｓ程度が適当である。

【0042】

また、ＦＩＦＯバッファ５０の長さに相当する時間間隔Ｌ１は、Ｌ１＝Ｌ２＋Ｌ３／２とすればよい。したがって、上記の数値例で言えば、Ｌ１は１２５ｍｓとなる。Ｌ１＝Ｌ２＋Ｌ３／２かつＬ２＝Ｌ４とすることにより、ＦＩＦＯバッファ５０の出力値ｂの時刻（処理対象のサンプリング時刻）に対して、－（Ｌ２＋Ｌ３／２）～－（Ｌ３／２）の範囲と（Ｌ３／２）～（Ｌ２＋Ｌ３／２）の範囲について最大値Ｍ１を求めることができ、出力値ｂから最大値Ｍ１を減算することが可能となる。

【0043】

検出処理部４３は、ＦＩＦＯバッファ４０に格納された時間差分正負反転値およびＦＩＦＯバッファ４２に格納された時間差分正負反転値のうちの最大値Ｍ１をサンプリング時刻ごとに検出する（図１１ステップＳ１０４）。
減算処理部５１は、ＦＩＦＯバッファ５０の出力値ｂから最大値Ｍ１を引いた第１の指標値ｘ（ｉ）＝ｂ－Ｍ１をサンプリング時刻ごとに算出する（図１１ステップＳ１０５）。

【0044】

こうして、最大値検出部４と指標値算出部５とによってステップＳ３の処理が行われ、同時に最大値検出部７と指標値算出部８とによって第２の指標値ｙが算出される（図１０ステップＳ４）。

【0045】

具体的には、正負反転値算出部３は、算出した時間差分正負反転値Ｙ（ｉ）をサンプリング時刻ごとにＦＩＦＯバッファ８０に入力する（図１２ステップＳ２００）。また、正負反転値算出部３は、算出した時間差分正負反転値Ｙ（ｉ）をサンプリング時刻ごとにＦＩＦＯバッファ７０に入力する（図１２ステップＳ２０１）。ＦＩＦＯバッファ７０の出力はＦＩＦＯバッファ７１に入力され（図１２ステップＳ２０２）、ＦＩＦＯバッファ７１の出力はＦＩＦＯバッファ７２に入力される（図１２ステップＳ２０３）。ＦＩＦＯバッファ７０～７２は、時間範囲Ｃ，Ｄでの時間差分正負反転値の最大値を求めるためのものである。

【0046】

ＦＩＦＯバッファ７１の長さに相当する時間間隔Ｌ７（時間差分正負反転値がＦＩＦＯバッファ７１に入力されてから出力されるまでの遅延時間）は、上記の例では例えば２４ｍｓである。この間隔Ｌ７が時間範囲ＣとＤの間隔になる。また、ＦＩＦＯバッファ７０の長さに相当する時間間隔Ｌ６（時間差分正負反転値がＦＩＦＯバッファ７０に入力されてから出力されるまでの遅延時間）、およびＦＩＦＯバッファ７２の長さに相当する時間間隔Ｌ８（時間差分正負反転値がＦＩＦＯバッファ７２に入力されてから出力されるまでの遅延時間で、Ｌ６＝Ｌ８）は、１１３ｍｓ程度が適当である。上記の説明から明らかなように、Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＝Ｌ６＋Ｌ７＋Ｌ８となる。

【0047】

また、ＦＩＦＯバッファ８０の長さに相当する時間間隔Ｌ５は、Ｌ５＝Ｌ６＋Ｌ７／２とすればよい。したがって、上記の数値例で言えば、Ｌ５は１２５ｍｓとなる。この値はＦＩＦＯバッファ５０の長さＬ１と同じである。Ｌ５＝Ｌ６＋Ｌ７／２かつＬ６＝Ｌ８とすることにより、ＦＩＦＯバッファ８０の出力値ｃの時刻（処理対象のサンプリング時刻）に対して、－（Ｌ６＋Ｌ７／２）～－（Ｌ７／２）の範囲と（Ｌ７／２）～（Ｌ６＋Ｌ７／２）の範囲について最大値Ｍ２を求めることができ、出力値ｃから最大値Ｍ２を減算することが可能となる。

【0048】

検出処理部７３は、ＦＩＦＯバッファ７０に格納された時間差分正負反転値およびＦＩＦＯバッファ７２に格納された時間差分正負反転値のうちの最大値Ｍ２をサンプリング時刻ごとに検出する（図１２ステップＳ２０４）。
減算処理部８１は、ＦＩＦＯバッファ８０の出力値ｃから最大値Ｍ２を引いた第２の指標値ｙ（ｉ）＝ｃ－Ｍ２をサンプリング時刻ごとに算出する（図１２ステップＳ２０５）。こうして、最大値検出部７と指標値算出部８とによってステップＳ４の処理が行われる。

【0049】

減算処理部５１は、算出した第１の指標値ｘ（ｉ）をサンプリング時刻ごとにＦＩＦＯバッファ６０に入力する（図１０ステップＳ５）。同時に、減算処理部８１は、算出した第２の指標値ｙ（ｉ）をサンプリング時刻ごとにＦＩＦＯバッファ９０に入力する（図１０ステップＳ６）。

【0050】

心拍時刻決定部１０は、ＦＩＦＯバッファ６０，９０の第１の位置に格納されている第１の指標値ｘ（ｉ）＝ｘ３、第２の指標値ｙ（ｉ）＝ｙ３を取得する。また、心拍時刻決定部１０は、ＦＩＦＯバッファ６０の第２の位置に格納されている、第１の指標値ｘ（ｉ）＝ｘ３よりも１サンプリング（１ｍｓ）だけ過去の第１の指標値ｘ（ｉ－１）＝ｘ２を取得する。さらに、心拍時刻決定部１０は、ＦＩＦＯバッファ６０の第３の位置に格納されている、第１の指標値ｘ（ｉ）＝ｘ３よりも２サンプリング（２ｍｓ）だけ過去の第１の指標値ｘ（ｉ－２）＝ｘ１を取得する。

【0051】

心拍時刻決定部１０は、第１の指標値ｘ（ｉ）＝ｘ３が閾値ＴＨを超え（図１０ステップＳ７においてＹＥＳ）、かつ１サンプリング前の第１の指標値ｘ（ｉ－１）＝ｘ２に対して第１の指標値ｘ（ｉ）＝ｘ３が増加しているときに（図１０ステップＳ８においてＹＥＳ）、第１の指標値ｘ（ｉ）＝ｘ３と同時刻における第２の指標値ｙ（ｉ）＝ｙ３と２サンプリング前の第１の指標値ｘ（ｉ－２）＝ｘ１とが（ｘ１－ｙ３）＞ａという条件を満たす場合（図１０ステップＳ９においてＹＥＳ）、第１の指標値ｘ（ｉ）＝ｘ３のサンプリング時刻を心拍時刻とする（図１０ステップＳ１０）。

【0052】

上記のとおり、サンプリングデータＤ（ｉ）から時間差分正負反転値Ｙ（ｉ）が算出され、時間差分正負反転値Ｙ（ｉ）から第１の指標値ｘ（ｉ）が算出される。したがって、第１の指標値ｘ（ｉ）のサンプリング時刻とは、時間差分正負反転値Ｙ（ｉ）のサンプリング時刻（データＤ（ｉ）のサンプリング時刻）のことであり、記憶部２から取得することが可能である。
こうして、ステップＳ１～Ｓ１０の処理をサンプリング周期ごとに繰り返し実行することで、心拍時刻の時系列データが得られる。

【0053】

なお、本実施例では、第１の指標値ｘ（ｉ）＝ｘ３が閾値ＴＨを超えた第１のサンプリング時刻（図３の例ではｔ３）における第２の指標値ｙ（ｉ）＝ｙ３と、第１のサンプリング時刻と所定の関係にある第２のサンプリング時刻（図３の例ではｔ１）における第１の指標値ｘ（ｉ－２）＝ｘ１とが条件を満たすかどうかを判定しているが、第２のサンプリング時刻は、第１のサンプリング時刻に対して所定の時間だけ過去の時刻であればよく、２サンプリング（２ｍｓ）前でなくてもよい。

【0054】

本実施例で説明した心拍検出装置の記憶部２と正負反転値算出部３と最大値検出部４，７と指標値算出部５，８と指標値記憶部６，９と心拍時刻決定部１０とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、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。このコンピュータの構成例を図１３に示す。

【0055】

コンピュータは、ＣＰＵ１００と、記憶装置１０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）１０２とを備えている。Ｉ／Ｆ１０２には、心電計１などが接続される。本発明の心拍検出方法を実現させるためのプログラムは記憶装置１０１に格納される。ＣＰＵ１００は、記憶装置１０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本発明は、生体の心拍を検出する技術に適用することができる。

【符号の説明】

【0057】

１…心電計、２…記憶部、３…正負反転値算出部、４，７…最大値検出部、５，８…指標値算出部、６，９…指標値記憶部、１０…心拍時刻決定部、４０～４２，５０，６０，７０～７２，８０，９０…ＦＩＦＯバッファ、４３，７３…検出処理部、５１，８１…減算処理部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図14】

【図15】

【図16】