JP2007143623A

JP2007143623A - 生体情報測定装置

Info

Publication number: JP2007143623A
Application number: JP2005338998A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Tsubata; 佳介津端
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-06-14
Also published as: US7885432B2; US20070116329A1

Abstract

【課題】生体情報の測定を、簡単な処理によって高精度に行えるようにすること。
【解決手段】生体情報検出部１０１が検出した脈拍信号は、フィルタ部１０２及び増幅部１０３を介して、ＡＤ変換部１０４によってデジタル信号に変換される。増幅部１０３の利得は、ＡＤ変換部１０４、信号強度判定部１０５及びゲインコントロール部１０６によって、増幅部１０３の出力レベルが所定範囲内になるように制御される。振幅変換部１０８は、振幅判定部１０７が所定の閾値を満足しないと判定した信号部分の振幅を抑圧して調整する。ＦＦＴ演算部１０９は、振幅変換部１０８からの信号をＦＦＴ処理し、脈拍数演算部１１０が脈拍数を算出し、表示部１１１が脈拍数を表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、脈拍や心拍等の生体情報を測定する生体情報測定装置に関する。

従来から、脈拍信号、心拍信号等の人の生体信号を検出して、単位時間当たりの脈拍数や心拍数等の前記生体信号に対応する生体情報を測定する生体情報測定装置が開発されている。
前記生体信号を検出する場合、被測定者の体動等によるノイズが生じるため、前記ノイズ等によって生じる測定誤差を抑制する必要がある。
従来の脈拍計や心拍計等の生体情報測定装置においては、脈拍信号や心拍信号から脈拍数や心拍数を算出する場合、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用している（例えば特許文献１参照。）。

しかしながら、特許文献１に記載した発明では、信号波形が体動等によって乱れると、ＦＦＴ処理結果は、本来求めたい基線以外に、直流成分に近いノイズ基線が高レベルで出現してしまい、正確な測定が困難になる。
これを防止するためには、特許文献２記載の発明のように、高度なアルゴリズムを使用する必要があるため、処理が複雑になるという問題がある。

特開２００３−２６５４４１号公報の段落［００１９］〜［００５８］及び図１〜図１５特開２００３−２６５４２２号公報の段落［００５５］〜［０１４５］及び図１〜図９

本発明は、前記問題点に鑑み成されたもので、生体情報の測定を、簡単な処理によって高精度に行えるようにすることを課題としている。

本発明によれば、人体から得られる生体信号を検出する生体信号検出手段と、生体情報を出力する生体情報出力手段と、前記生体信号検出手段によって検出した生体信号に基づく生体情報を算出し、前記生体情報を出力するように前記生体情報出力手段を制御する制御手段とを有する生体情報測定装置において、前記制御手段は、所定時間内の生体信号に含まれるノイズ部分以外の生体信号を用いて前記生体情報を算出し、前記生体情報を出力するように前記生体情報出力手段を制御することを特徴とする生体情報測定装置が提供される。
生体信号検出手段は人体から得られる生体信号を検出する。制御手段は、所定時間内の生体信号に含まれるノイズ部分以外の生体信号を用いて生体情報を算出し、前記生体情報を出力するように生体情報出力手段を制御する。生体情報出力手段は前記生体情報を出力する。

ここで、前記制御手段は、前記生体信号についての所定信号レベルを閾値として使用し、前記閾値を満足する信号をノイズ部分以外の生体信号として用いて前記生体情報を算出するように構成してもよい。
また、前記閾値は、第１方向の信号レベルについては第１閾値、前記第１方向とは逆方向の第２方向の信号レベルについては第２閾値であり、前記第１閾値と第２閾値は相違する値に設定されて成り、前記制御手段は、前記両閾値を満足する生体信号を前記ノイズ部分以外の生体信号とし、該生体信号を用いて前記生体情報を算出するように構成してもよい。

また、前記制御手段は、前記生体信号検出手段が検出した生体信号を増幅して出力する増幅手段と、前記増幅手段の出力信号に基づいて前記増幅手段の利得を制御することによって前記増幅手段の出力信号レベルを所定範囲内に抑制する利得制御手段とを備えて成り、前記利得制御手段は、所定時間内に含まれる最新の複数の生体信号に基づいて前記増幅手段の利得を制御し、前記制御手段は、前記増幅手段から出力される信号中の前記ノイズ部分以外の生体信号に基づいて、前記生体情報を算出するように構成してもよい。
また、前記制御手段は、前記ノイズ部分以外の生体信号をＦＦＴ処理することによって前記生体情報を算出するように構成してもよい。

また、前記制御手段は、前記ノイズ部分以外の生体信号の中の所定信号レベルを超える生体信号の数を算出することによって前記生体情報を算出するように構成してもよい。
また、前記生体信号は脈拍信号又は心拍信号であり、前記生体情報は前記生体信号に対応する単位時間当たりの脈拍数又は心拍数であるように構成してもよい。
また、前記生体情報出力手段は表示手段であるように構成してもよい。

本発明によれば、脈拍や心拍等の生体情報の測定を、簡単な処理によって高精度に行うことが可能になる。

以下、本発明の実施の形態に係る生体情報測定装置について説明する。尚、以下の各実施の形態では、生体情報測定装置として脈拍計の例で説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る脈拍計のブロック図である。脈拍計は、腕時計型の外観を有しており、指や手首から脈拍を検出できるように、被測定者の腕に装着して使用される。

図１において、脈拍計は、被測定者の指や手首等から生体信号である脈拍を検出して出力する生体信号検出部１０１、生体信号検出部１０１からの生体信号中の高周波ノイズを除去する低域フィルタ又はバンドパスフィルタによって構成されたフィルタ部１０２、フィルタ部１０２からの生体信号を増幅する増幅部１０３、増幅部１０３の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログ／デジタル（ＡＤ）変換部１０４、ＡＤ変換部１０４の出力信号の強度を判定し前記強度に応じた信号を出力する信号強度判定部１０５、信号強度判定部１０５からの信号に基づいて増幅部１０３から適切なレベルの信号が出力されるように増幅部１０３の利得を制御するゲインコントロール部１０６、ＡＤ変換部１０４の出力信号と所定の閾値とを比較することによって前記出力信号の振幅を判定する振幅判定部１０７、振幅判定部１０７による判定結果に基づいてＡＤ変換部１０４の出力信号の振幅を所定値に変換する振幅変換部１０８、振幅変換部１０８から出力される脈拍等の生体信号をＦＦＴ処理するＦＦＴ演算部１０９、ＦＦＴ演算部１０９の出力信号に基づいて前記生体信号に対応する脈拍数等の生体情報を算出する脈拍数演算部１１０、脈拍数演算部１１０で算出した脈拍数等の生体情報を表示する表示部１１１を備えている。

ここで、生体情報検出部１０１は生体情報検出手段を構成し、表示部１１１は生体情報出力手段を構成している。フィルタ部１０２、増幅手段を構成する増幅部１０３、ＡＤ変換部１０４、信号強度判定部１０５、ゲインコントロール部１０６、振幅判定部１０７、振幅変換部１０８、ＦＦＴ演算部１０９及び脈拍数演算部１１０は制御手段を構成している。信号強度判定部１０５及びゲインコントロール部１０６は、増幅部１０３の出力信号に基づいて増幅部１０３の利得を制御することによって増幅部１０３の出力信号レベルを所定範囲内に抑制する利得制御手段を構成している。増幅部１０３、ＡＤ変換部１０４、信号強度判定部１０５及びゲインコントロール部１０６は、ＡＧＣ増幅手段を構成している。また、ＦＦＴ演算部１０９及び脈拍数演算部１１０は算出手段を構成している。
図２は、本第１の実施の形態の動作を示すフローチャートである。また、図３〜図６は、本第１の実施の形態の動作を説明するため図である。

以下、図１及び図２を用いると共に、図３〜図６を適宜参照しながら、本第１の実施の形態の動作を詳細に説明する。
先ず、脈拍検出装置の脈拍測定動作を開始すると、生体信号検出部１０１が、被測定者の生体信号である脈拍信号の検出動作を開始して、検出した脈拍信号を出力する（図２のステップＳ２０１：センサ駆動開始）。
生体信号検出部１０１から出力された脈拍信号は、フィルタ部１０２によって高周波ノイズが低減され、増幅部１０３によって増幅された後、ＡＤ変換部１０４によってＡＤ変換が行われてアナログ信号からデジタル信号への変換が開始され（ステップＳ２０２）、アナログ形式の脈拍信号はデジタル形式に変換されて取り込まれる（ステップＳ２０３）。

尚、信号強度判定部１０５は、ＡＤ変換部１０４から所定時間内に供給される最新の複数の脈拍信号データに関連する値（例えば、最新の所定数の脈拍データの平均値）と所定の基準値とを比較することによって前記脈拍信号の強度を判定し、前記判定結果に応じた信号をゲインコントロール部１０６に出力する。ゲインコントロール部１０６は、信号強度判定部１０５からの信号に基づいて、増幅部１０３から出力される脈拍信号が所定範囲のレベルになるように、増幅部１０３の利得を制御する。

図３は、ＡＤ変換部１０４から出力される脈拍信号データを示す図である。ＡＤ変換部のサンプリング周波数が８Ｈｚであり、図３には１２８個（１６秒間分）の脈拍信号データが示されている。
増幅部１０３の利得制御動作は、その出力レベルが変動するたびに行われるのではなく、所定時間内に含まれる最新の複数の脈拍信号データに基づいて行われるため、増幅部１０３の出力変動に対して利得制御動作の応答が遅れることになる。したがって、図３においては、時間軸中央部周辺において、増幅部１０３のダイナミックレンジを超えているため、信号電圧が飽和した波形となっている。その後の脈拍データに対しては、利得制御動作の効果によって振幅が小さくなっている。

次に、所定時間（本実施の形態では４ｎ（ｎは正の整数）秒）経過した後、即ち、ＡＤ変換部１０４が４ｎ秒間デジタル形式の脈拍信号を取り込んだ後（ステップＳ２０４）、信号強度判定部１０５が、前記取り込んだ脈拍信号の振幅判定（定期的振幅判定）を行う（ステップＳ２０５）。ここで、前記所定時間を４の整数（ｎ）倍としているのは、後段で行うＦＦＴ処理を行いやすくするためである。
信号強度判定部１０５による振幅判定の結果、振幅が所定の基準値外（所定値を超えた或いは下回った）の場合には（ステップＳ２０６）、ゲインコントロール部１０６が前記脈拍信号のレベルが所定範囲に入るように増幅部１０３の利得を変更した後（ステップＳ２０７）、振幅判定部１０７はＡＤ変換部１０４から出力される脈拍信号の振幅を確認する（ステップＳ２０８）。尚、ステップＳ２０６において、前記所定の基準値内場合には、増幅部１０３の利得変更は行わず、ステップＳ２０８に移行する。

次に、振幅判定部１０７は、ＡＤ変換部１０４から出力される脈拍信号の振幅が所定の閾値を満足するか否かを判定し（ステップＳ２０９）、前記閾値を満足しないと判定した場合には、体動等によるノイズが含まれていると判断して、振幅変換部１０８がＡＤ変換部１０４から出力される脈拍信号の振幅調制を行う（ステップＳ２１０）。
図５は、振幅変換部１０８が、図３の脈拍データに対して振幅調整を行った後の脈拍データである。図５の例は、第１方向（本例では正方向）の閾値（第１閾値）を９６（任意単位）、前記第１方向とは逆方向（本例では負方向）の閾値（第２閾値）を−６４（任意単位）として前記両閾値が相違するように構成し、前記第１閾値と第２閾値の範囲外の信号を、閾値を満足しないノイズ部分の信号と判定して、該ノイズ部分に含まれる各信号及び該各信号の前後１秒間の信号の振幅を０にしている。

次に、ＦＦＴ演算部１０９は、所定時間（本実施の形態では４ｎ秒）経過したか否かを判断する（ステップＳ２１１）。
ステップＳ２１１において、前記所定時間が経過していなければステップＳ２０３に戻り、経過している場合には、ＦＦＴ演算部１０９が、振幅変換部１０８からの脈拍信号に基づいてＦＦＴ処理を行い（ステップＳ２１２）、脈拍数演算部１１０が脈拍数の算出処理を行う（ステップＳ２１３）。これにより、ＦＦＴ演算部１０９は、所定時間内の生体信号に含まれるノイズ部分以外の生体信号を用いて生体情報を算出する。

図４は、ＦＦＴ演算部１０９が、図３に示す振幅未調整の脈拍データに基づいてＦＦＴ処理を行った結果を示す図である。
これに対して図６は、ＦＦＴ演算部１０９が、図５に示す振幅調整後の脈拍データに基づいてＦＦＴ処理を行った結果を示す図である。
図４と図６との比較から明らかなように、図６においては、振幅を調整することにより、体動等によるノイズが低減されており、正確な脈拍の算出が可能になる。図６の例では、心拍数が約８０拍である。

表示部１１１は、脈拍数演算部１１０が算出した脈拍数を表示する（ステップＳ２１４）。
その後、脈拍計の操作部（図示せず）の操作によって終了命令が入力されない場合には、ステップＳ２０３に戻って、前記処理を繰り返す（ステップＳ２１５）。
一方、ステップＳ２１５において、終了命令が入力されると、生体信号検出部の駆動を停止する（ステップＳ２１６）と共に、ＡＤ変換部１０４によるＡＤ変換動作を停止して（ステップＳ２１７）、動作を終了する。

以上の通り、本第１の実施の形態によれば、所定時間内の生体信号に含まれるノイズ部分以外の生体信号を用いて生体情報を算出しているので、脈拍の測定を、簡単な処理によって高精度に行うことが可能になる。
また、前記生体信号についての所定信号レベルを閾値として使用し、前記閾値を満足する信号をノイズ部分以外の生体信号として用いて前記生体情報を算出するように構成すると共に、脈拍信号は第１方向に大きくその逆の第２方向には小さいという特性に合わせて、第１方向の閾値と前記第１方向とは逆方向の第２方向の閾値とを相違する値に設定し、前記両閾値を満足する生体信号を前記ノイズ部分以外の生体信号とし、該生体信号を用いて前記生体情報を算出するように構成しているため、高精度な脈拍の測定が可能になる。

また、増幅部１０３の利得は、所定時間内に含まれる最新の複数の生体信号に基づいて制御しているため、外部ノイズに過剰に反応することなく、緩やかで適切な利得制御動作が行われ、より高精度な脈拍測定が可能になる。
また、ノイズ部分以外の生体信号をＦＦＴ処理することによって高精度な脈拍数の測定が可能になる。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る脈拍計において、振幅調整後の脈拍データを示す図である。本第２の実施の形態では、ブロック図及びフローチャートは前記第１の実施の形態と同一であり、振幅判定部１０７の閾値が異なる点で、前記第１の実施の形態と相違している。
即ち、図７の例においては、閾値を、ダイナミックレンジの上限値及び下限値として両閾値が同一になるように構成し、前記閾値の範囲外の信号を、前記閾値を満足しないノイズ部分と判定して、該ノイズ部分に含まれる各信号及び該各信号の前後合わせて１秒間（ここでは、データ数が前２個、後５個）の信号の振幅を２０％に減少させている。

図８は、ＦＦＴ演算部１０９が、図７に示す振幅調整後の脈拍データに基づいてＦＦＴ処理を行った結果を示す図である。
図４と図８との比較から明らかなように、図８においては、振幅を調整することによって体動等によるノイズが抑制されるため、ＦＦＴ処理した場合に、前記ノイズによる測定誤差を抑制することが可能になり、正確な脈拍数の算出が可能になる。

図９は、本発明の第３の実施の形態に係る脈計のブロック図であり、図１と同一部分には同一符号を付している。
また、図１０は、本第３の実施の形態の処理を示すフローチャートであり、図２と同一部分には同一符号を付している。
本第３の実施の形態と前記第１の実施の形態の相違点は、本第３の実施の形態ではＦＦＴ処理を行わずに、所定時間内の脈拍信号に含まれるノイズ部分以外の脈拍信号の中の所定信号レベルを超える脈拍信号の数を算出することによって、生体情報を算出するように構成している点である。

以下、図９及び図１０を用いて、本第３の実施の形態が前記第１の実施の形態と相違する部分について、その動作を説明する。
図９及び図１０において、振幅変換部１０８は、所定の閾値外の脈拍信号を体動等のノイズを含む信号と判定して、例えば、図５や図７のように、前記所定範囲内の振幅に調整する（ステップＳ２１０）。

次に、所定時間（本実施の形態では４ｎ秒）経過したか否かを判断する（ステップＳ２１１）。
ステップＳ２１１において、前記所定時間が経過した場合、脈拍数演算部９０１が脈拍数の算出処理を行う（ステップＳ１００１）。
次に、表示部１１１は、脈拍数演算部９０１が算出した脈拍数を表示し（ステップＳ２１４）、以下、前記第１の実施の形態と同様の処理が行なわれる。

以上述べたように本第３の実施の形態においても、脈拍数演算部９０１は所定時間内の脈拍信号に含まれるノイズ部分以外の脈拍信号を用いて生体情報を算出しており、この場合特に、前記ノイズ部分以外の脈拍信号の中の所定閾値を超える脈拍信号の数を算出することによって前記生体情報を算出するようにしている。
したがって、ＦＦＴのような複雑な処理を施すことなく簡単な処理を行うことにより、体動等のノイズによる測定誤差を抑制することが可能になり、正確な脈拍数の算出が可能になる。

尚、前記各実施の形態では、生体情報として脈拍を例に挙げて説明したが、心拍や歩行等、周期的に発生する人体の生体情報を測定するように構成することができる。

脈拍計のみならず、心拍計や歩数計等、人の脈拍、心拍、歩行等の生体情報を測定する生体情報測定装置に適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る脈拍計のブロック図である。本発明の第１の実施の形態における処理を示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態に係る脈拍系の動作を説明するための図である。本発明の第１の実施の形態に係る脈拍系の動作を説明するための図である。本発明の第１の実施の形態に係る脈拍系の動作を説明するための図である。本発明の第１の実施の形態に係る脈拍系の動作を説明するための図である。本発明の第２の実施の形態に係る脈拍系の動作を説明するための図である。本発明の第２の実施の形態に係る脈拍系の動作を説明するための図である。本発明の第３の実施の形態に係る脈拍計のブロック図である。本発明の第３の実施の形態における処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１・・・生体情報検出手段を構成する生体信号検出部
１０２・・・制御手段を構成するフィルタ部
１０３・・・制御手段を構成する増幅部
１０４・・・制御手段を構成するＡＤ変換部
１０５・・・制御手段及び利得制御手段を構成する信号強度判定部
１０６・・・制御手段及び利得制御手段を構成するゲインコントロール部
１０７・・・制御手段を構成する振幅判定部
１０８・・・制御手段を構成する振幅変換部
１０９・・・制御手段及び算出手段を構成するＦＦＴ演算部
１１０、９０１・・・制御手段及び算出手段を構成するを構成する脈拍数演算部
１１１・・・生体情報出力手段を構成する表示部

Claims

人体から得られる生体信号を検出する生体信号検出手段と、生体情報を出力する生体情報出力手段と、前記生体信号検出手段によって検出した生体信号に基づく生体情報を算出し、前記生体情報を出力するように前記生体情報出力手段を制御する制御手段とを有する生体情報測定装置において、
前記制御手段は、所定時間内の生体信号に含まれるノイズ部分以外の生体信号を用いて前記生体情報を算出し、前記生体情報を出力するように前記生体情報出力手段を制御することを特徴とする生体情報測定装置。
前記制御手段は、前記生体信号についての所定信号レベルを閾値として使用し、前記閾値を満足する信号をノイズ部分以外の生体信号として用いて前記生体情報を算出することを特徴とする請求項１記載の生体情報測定装置。
前記閾値は、第１方向の信号レベルについては第１閾値、前記第１方向とは逆方向の第２方向の信号レベルについては第２閾値であり、前記第１閾値と第２閾値は相違する値に設定されて成り、
前記制御手段は、前記両閾値を満足する生体信号を前記ノイズ部分以外の生体信号とし、該生体信号を用いて前記生体情報を算出することを特徴とする請求項２記載の生体情報測定装置。
前記制御手段は、前記生体信号検出手段が検出した生体信号を増幅して出力する増幅手段と、前記増幅手段の出力信号に基づいて前記増幅手段の利得を制御することによって前記増幅手段の出力信号レベルを所定範囲内に抑制する利得制御手段とを備えて成り、
前記利得制御手段は、所定時間内に含まれる最新の複数の生体信号に基づいて前記増幅手段の利得を制御し、
前記制御手段は、前記増幅手段から出力される信号中の前記ノイズ部分以外の生体信号に基づいて、前記生体情報を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の生体情報測定装置。
前記制御手段は、前記ノイズ部分以外の生体信号をＦＦＴ処理することによって前記生体情報を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の生体情報測定装置。
前記制御手段は、前記ノイズ部分以外の生体信号の中の所定信号レベルを超える生体信号の数を算出することによって前記生体情報を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の生体情報測定装置。
前記生体信号は脈拍信号又は心拍信号であり、前記生体情報は前記生体信号に対応する単位時間当たりの脈拍数又は心拍数であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の生体情報測定装置。
前記生体情報出力手段は表示手段であることを特徴とする請求項７記載の生体情報測定装置。