JPH0123069B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、生体信号特に胎児の心拍信号の周
期を測定する周期測定装置に関する。

［従来の技術］ 生体信号の周期を測定する方式として従来、生
体信号の自己相関関数を求め、この自己相関関数
から周期を測定する相関方式による周期測定が知
られている。相関方式による周期測定装置とは、
生体信号を適当なサンプリング周期をもつてはサ
ンプリングし、サンプリングされたデータから生
体信号の自己相関関数を珪砂し、計算された自己
相関関数から生体信号のピークを検出し、周期を
求めるものである。自己相関関数とは、生体信号
の或る時刻における波形がその時刻からある時間
だけずれた時刻における波形とどれだけ類似性を
有しているかを示すものである。換言するなら
ば、生体信号の繰返し波形の類似度を示すもので
ある。

このことを第１図で参照して述べると、「周期
がＴならばその周期Ｔで繰返される部分M₁を、
時間（周期）Ｔだけ時間軸上で移動させると後続
する次の部分M₂に最も精度高く重なる。」という
ように表現することができる。ところで、生体信
号から自己相関関数を得るためには、時間ｔの関
数である生体信号ｆ（ｔ）であらわすとすると、
自己相関関数Ａ（τ）は、 で求めることができる。(1)式において、Ｔは信号
の周期を示している。τは、生体信号についての
ある時刻を基準としてその基準となる時刻からあ
る時間だけずれた時刻までの時間をあらわしてい
る。換言するならば、生体信号ｆ（ｔ）に時間軸
上で位相…を与える変数である。

ところで、生体信号が例えば胎児の心拍信号で
ある場合の、従来の相関関数方式による周期測定
方式について第２図を参照しながら説明する。測
定に際してはまず、プローブ２が例えば婦人の腹
部Ｗ上に配置され、心拍信号が採取される。採取
された心拍信号は前処理回路３で適当な波形処理
がなされ、サンプリング回路４により所定のサン
プリング周期でサンプリングされる。サンプリン
グされた心拍信号のデータは複数のシフトレジス
タで構成されているデータメモリ６に記憶され
る。複数のシフトレジスタから構成されているデ
ータメモリ６においては、新しいデータが入力さ
れてくる毎にそれまで記憶されていたデータが一
シフトレジスタ分だけ順次シフトしていき、最も
以前の古いデータは押し出されて消滅する。乗算
器８および加算器１０は自己相関関数計算回路を
構成しており、データメモリ６に記憶されたデー
タを用いて自己相関関数を計算する。相関メモリ
１２は計算された自己相関関数計算結果を記憶す
る。乗算器８および加算器１０によりデータメモ
リ６に記憶されたデータに基づいて自己相関関数
が計算されるが、この計算は１サンプリングサイ
クルを区切りにして行われ、サンプリングされた
各データx₁，x₂，x₃，…毎にx₂×x_S+1＋A₁→A₁，
x₁×x_S+2＋A₂→A₂，…x₁×x_S＋ｍ＋A_n→A_nなる
計算が行われる。各計算結果は順次相関メモリ１
２に記憶される。

このような計算、記憶をｎサイクル繰返すこと
により相関メモリ１２に自己相関関数を形成する
データが記憶される。ピーク検出器１４により相
関メモリ１２に記憶されている自己相関関数にお
ける周期性を示すピークを検出して周期を求め
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の測定装置にお
いては、１サンプリングサイクル中に位相差変数
τを変化させる方式としているために、１サンプ
リングサイクル毎に変数τの変化する範囲のすべ
てのデータの自己相関関数計算結果を相関メモリ
に記憶させなければならず、このため記憶容量の
大きな相関メモリを必要とした。また周期の短い
信号の測定の場合にも、その周期の二倍ないし三
倍の長さに対する時間における計算もしてしまう
という実質的に意味のないことをしており、この
ことも記憶容量の大きな相関メモリを要求するこ
ととなり、さらには実質的に意味のない計算を多
量に行うので実時間処理の点からみても問題があ
つた。

この発明は上述のような事情に鑑みなされたも
のであつて、その目的は、相関メモリの必要記憶
容量を低減せしめると共に計算時間をできるだけ
短縮せしめた、生体信号の周期測定装置を提供す
ることである。

本発明の他の目的は自己相関関数から得られる
複数のピークのうち生体信号の周期に対応する真
のピークを検出し正しい周期を測定することので
きる周期測定装置を提供することである。

［課題を解決するための手段及び作用］ この発明によれば、生体信号を表す電気信号を
所定のサンプリング周期でサンプリングするサン
プリング手段と、前記サンプリング手段によつて
得られた信号に基づいて、各サンプリング時点に
おいて計算に必要なデータが集積された特定の位
相差変数τの値について、 自己相関関数 Ａ（τ）＝１／ｎ_o 〓^k=1 ｆ（ｋ）・ｆ（ｋ＋τ） を計算する自己相関関数計算手段と、各サンプリ
ング時点において計算された前記自己相関関数と
既に保持されている自己相関関数の値とを比較し
て、より大きな値のみを保持する保持手段と、前
記自己相関関数計算手段により計算された自己相
関関数が前記保持手段に保持された自己相関関数
より小さい場合に、前記保持手段に保持された自
己相関関数をピークとして検出するピーク検出手
段と、該ピーク検出手段が検出した自己相関関数
のピーク値に基づいて、以後の前記ピーク検出手
段が検出したピークの真偽を判定する基準レベル
を設定する基準レベル設定手段と、前記ピーク検
出手段の検出したピークの中で、前記基準レベル
設定手段の設定した基準レベルを越えるものを真
のピークと決定するピーク決定手段と、前記ピー
ク決定手段によつて決定された前記自己相関関数
のピークの時間軸上の位置によつて決定される位
相差変数τに対応した時間信号を、周期信号とし
て出力する周期信号出力手段とを具備し、 前記ピーク決定手段がピークを決定するまで、
サンプリング時点の経過につれて前記位相差変数
τの値を順次変化させ、各サンプリング時点にお
いて計算可能となつた前記位相差変数τの値にお
ける自己相関関数を計算する如く構成されてい
る。

又、生体信号を表す電気信号を所定のサンプリ
ング周期でサンプリングするサンプリング手段
と、前記サンプリング手段によつて得られた信号
に基づいて、各サンプリング時点において計算に
必要なデータが集積された特定の位相差変数τの
値について、 自己相関関数 Ａ（τ）＝１／ｎ_o 〓^k=1 ｆ（ｋ）・ｆ（ｋ＋τ） を計算する自己相関関数計算手段と、各サンプリ
ング時点において計算された前記自己相関関数と
既に保持されている自己相関関数の値とを比較し
て、より大きな値のみを保持する保持手段と、前
記自己相関関数計算手段により計算された自己相
関関数が前記保持手段に保持された自己相関関数
より小さい場合に、前記保持手段に保持された自
己相関関数をピークとして検出するピーク検出手
段と、該ピーク検出手段が検出した自己相関関数
のピーク値に基づいて、以後の前記ピーク検出手
段が検出したピークの真偽を判定する基準レベル
を設定する基準レベル設定手段と、前記ピーク検
出手段によるピーク検出後も一定時間前記自己相
関関数の計算を続け、前記一定時間内に前記ピー
クより大きなピークが存在しないことを確認する
ピーク確認手段と、前記ピーク検出手段の検出し
たピークの中で、前記基準レベル設定手段の設定
した基準レベルを越えるものであつて、前記ピー
ク確認手段によりより大きなピークが存在しない
ことを確認されたピークを真のピークと決定する
ピーク決定手段と、前記ピーク決定手段によつて
決定された前記自己相関関数のピークの時間軸上
の位置によつて決定される位相差変数τに対応し
た時間信号を、周期信号として出力する周期信号
出力手段とを具備し、 前記ピーク決定手段がピークを決定するまで、
サンプリング時点の経過につれて前記位相差変数
τの値を順次変化させ、各サンプリング時点にお
いて計算可能となつた前記位相差変数τの値にお
ける自己相関関数を計算する如く構成されてい
る。

［実施例］ 以下この発明の実施例を添付図面を参照して説
明する。

第３図は、この発明による周期測定装置を説明
するための図であり、具体的には生体信号の自己
相関関数を計算する方式を示している。

ところで、生体信号を一定のサンプリング周期
T_Sでサンプリングして得られる各サンプリング
時のデータをｆ（ｋ）（ただしｋ＝１，２，３…
ｎ）とすると、この生体信号の自己相関関数Ａ
（τ）は(2)式であらわされる。

Ａ（τ）＝１／ｎ_o 〓^k=1 ｆ（ｋ）１／ｆ（ｋ＋τ） ……(2) (2)式においてτは生体信号に時間軸上で位相差
を与える変数であり、ｎは一サンプリングサイク
ル中における乗算と加算回路であり、ｋはサンプ
リング序除である。

(2)式は展開すると(3)式のようにあらわされる。

Ａ（τ）＝１／ｎ｛ｆ(1)ｆ（１＋τ） ＋ｆ(2)ｆ（２＋τ）＋ｆ(3)ｆ（３＋τ）＋ …＋ｆ（ｎ）ｆ（ｎ＋τ）｝ ……(3) ここで、ｆ(1)は最新のデータである。(3)式は、
位相差変数τだけ時間軸上でずれている二つの時
刻におけるサンプリングデータｆ（ｋ）とｆ（ｋ＋
τ）との積ｆ（ｋ）ｆ（ｋ＋τ）をｋを変化させな
がらｎ回加えることによつて生体信号の自己相関
関数が得られることを意味している。

すなわち第３図を参照して説明すると、時間軸
上でサンプリング周期T_Sの間隔でサンプリング
された複数のデータのうち位相差変数τがｍであ
る場合、このｍだけずれた二つのサンプリングデ
ータ、例えばｆ(1)ｆ（ｍ＋１）、ｆ(2)とｆ（ｍ＋
２）、ｆ（ｎ）とｆ（ｍ＋ｎ）、…等の積、ｆ(1)ｆ
（ｍ＋１）、ｆ(2)ｆ（ｍ＋２）…ｆ（ｎ）ｆ（ｍ＋ｎ
）
…をｎ回加え合わせることによつて自己相関関数
Ａ（ｍ）が得られることになる。

本願発明では、生体信号についての一サンプリ
ングサイクル中に、時間軸上で生体信号に位相差
を与える変数τの或る値における自己相関関数を
計算し、サンプリングサイクルの進行に対応させ
て位相差変数τの値を時間軸上で変化させてい
き、各サンプリングサイクル毎にそれぞれ対応す
る自己相関関数を計算する方式とし、それによつ
て最新の自己相関関数結果を記憶しておくことに
よつて信号ピークを求めかつ周期を求め得る方式
としてのである。

このことについて次に、胎児の心拍信号につい
て適用した場合を例に挙げて説明する。胎児心拍
の周期は先にも述べたように、ほぼ300msないし
1500msの範囲にある。したがつて、心拍信号の
全周期域にわたる自己相関関数を計算するために
は、測定周期を最小値300msから1500msまで変
えて自己相関関数を求める必要がある。すなわち
位相差変数τを(2)式において300／T_Sないし
1500／T_Sの範囲で変化させる必要がある。そし
てこの範囲内で位相差変数τが心拍信号の周期
Ｔ、および周期Ｔの整数倍の時間に定められた時
自己相関関数は最大のピークを有するので、周期
Ｔに相当するピークを検出すれば心拍信号の真の
周期を求めることができる。

ところで、この発明の周期測定装置において
は、自己相関関数の計算は各サンプリングサイク
ルそれぞれを一区切りとして行う。通常胎児の最
短心拍信号周期はほぼ300ms程度であり、また後
の説明から明らかになることであるが、測定結果
を周期に等しい時間間隔でとり出すために、自己
相関関数計算は測定周期の実質的な最小値すなわ
ち300msから開始する。すなわち、第１サンプリ
ングサイクルにおいてはまず、心拍信号の周期の
最小値に対応する300msについての自己相関関数
を求める。この場合、位相差変数τはτ＝300／
T_Sで求められ、サンプリング周期T_Sを5msと設
定すれば変数τは60となる。サンプリング周期
T_Sは5msであるので、サンプリングされたデータ
についての計算のために許される時間はほぼ5ms
以内である。τ＝60としてサンプリング周期T_S
＝5msをもつてｎ回サンプリングを行いτ＝60に
ついての自己相関関数Ａ（60）を求める。自己相
関関数Ａ（60）の求め方は、第３図を参照して自
己相関関数Ａ（τ）を求めた方式によるものであ
る。

心拍信号を示している第４図を参照してこのこ
とを説明すると、サンプリング周期T_S＝5msの間
隔をおいて１回、２回、３回、…全部でｎ回のサ
ンプリングを行う。各回毎のサンプリングによつ
て得られたデータｆ(1)、ｆ(2)、ｆ(3)、ｆ(4)…ｆ
（ｎ）はメモリに記憶させる。ついで位相差変数
τ＝60だけずれた二つのサンプリング時における
二つのデータｆ(k)とｆ（ｋ＋60）、ｆ(2)とｆ（２＋
60）、…の積を計算しこれらの積の総和を求める。
このようにして位相差変数τを60と設定したとき
の自己相関関数Ａ（60）を求めることができる。
Ａ（60）の値は、τ＝60（すなわち周期300ms）に
ついての周期性の強さを示している。Ａ（60）の
値は、比較のための次のサンプリングサイクルに
おける自己相関関数が得られるまでメモリに記憶
していおく。

次に第２サンプリングサイクルに移り、位相差
変数の値を“１”だけ進めＡ（61）すなわち周期
305msについての自己相関関数計算を行う。Ａ
（61）の自己相関関数の計算はＡ（60）の場合の計
算方法と実質的に同様であるので省略する。周期
305msについての計算から得られた自己相関関数
Ａ（61）と、先に計算して記憶しておいた周期
300msについての自己相関関数Ａ（60）とを比較
する。このように１サンプリングサイクル中に位
相差変数τのある値についての自己相関関数を計
算し、その計算結果のみをメモリに記憶し、次の
サンプリングサイクルにおける“１”だけ進めた
位相差変数での自己相関関数の計算結果と比較す
る方式としたので、最新のサイクルにおける自己
相関関数計算結果のみを記憶しておけばよく、こ
のため各サンプリングサイクル毎に位相差変数τ
の変化する範囲のすべてのデータの自己相関関数
計算結果を相関メモリに記憶させる従来の方式に
比べて、相関メモリの必要記憶容量を低減せしめ
ることができる。

そして信号のピークを検出するためには、先に
計算し記憶されている先のサンプリングサイクル
における計算値と次のサンプリングサイクルにお
いて得られて計算値とを比較し、このような比較
プロセスを繰返し、その変化状態を調べる。連続
する二つのサンプリングサイクル間に増加から減
少の状態変化があつた場合、一つ目のサンプリン
グサイクル中にピークがあることが検出される。
なおピーク検出に際して、前記説明においては直
前の計算値のみと比較しているが、数回分の計算
値を記憶して比較することももちろん可能であ
る。

上記実施例では、必要記憶容量の削減ならびに
計算回数の削減を墓つたことによりマイクロプロ
セツサの使用が可能となり、そのため精度の高い
相関関数計算とシステム制御とが可能となる。と
ころで、自己相関関数から得られるピークの中に
は信号の周期に対する本来のピークの他に、一般
にその付近に存在する傾向のあるピークまで検出
されてしまう。したがつて、一層正確に周期を測
定するためには、これらピークの中から周期に対
応する本来のピークすなわち真のピークを検出す
る手段を付加することが必要となる。

以下この真のピークの検出について説明する。
すなわち真のピークとなり得る可能性のあるピー
クとして検出するための条件として、閾値として
の最小レベルを定め、この最小レベルに基づいて
レベルチエツクを行うことと、あるピークが検出
された場合、そのピーク検出後、最少測定周期に
対応する時間だけ自己相関関数の計算を続け、そ
の間にそれ以上の大きさのピークが存在しないこ
とを確認すること、によつて真のピークを検出す
る。レベルチエツクは、真のピークとなり得る可
能性のあるピークであると判断するためのレベル
が閾値を定め、ピークのレベルがこの閾値を越え
るものであるか否かを判断することによつて真の
ピークとなり得る可能性のあるピークとして検出
するべきか否かを決定するものである。

この一例として本実施例では、閾値を前回の測
定で採用したピーク、すなわち、最新の真のピー
クの1/2の値に設定し、設定されたこの閾値を越
えるレベルのピークのみを真のピークとなり得る
可能性のあるピークと判断している。この閾値
は、必ずしも最新の真のピークの1/2の値に定め
られるものではなく、その時の信号の状態に応じ
て最適な値を選ぶようにする。一般に周期を示す
真のピーク氏は、信号の強度、波形に影響される
が、特に問題となるのは雑音である。つまり雑音
が少ないほど真のピークは大きくはつきりと現わ
れるが、雑音が多いほど真のピークは小さく、そ
の値が雑音の少ない場合の真のピーク周辺の偽ピ
ークより小さくなることもある。このような理由
でピーク検出に際しては、その時の信号の状態に
応じた閾値を設定する必要が生じるわけである。
このようなレベルチエツクに加えて、さらに、こ
の実施例では、ピークの検出後一定時間自己相関
関数の計算を続けこの時間内にそれ以上の大きさ
のピークが存在しないか否かを確認する。

先にも述べたように自己相関関数から得られる
ピークには周期に対応する真のピークの他に、こ
の真のピークの付近に存在するいくつかのピーク
も含まれている。正しい周期を測定するために
は、これらのピークのうち真のピークを検出しな
ければならない。付近に存在するピークは一般に
真のピークにかなり近接して存在しているもので
あることから、あるピークを検出した後一定時間
自己相関関数の計算をつづけ、その一定時間内に
検出されたピーク以上の大きさのピークが存在し
ているか否かを確認することにより、付近に存在
するピークを真のピークとして検出してしまうこ
とが防止される。ところで、この一定時間は、測
定周期に対応する時間の最少値に定めれば充分で
ある。このため実施例では、ピーク検出後自己相
関関数の計算を続ける時間は測定周期の実質的に
最少値に対応する時間すなわち300msに定めてい
る。

第５図を参照して説明すると、図示のように、
今時刻t₁₁においてピークP₁が検出されたとする
と、この検出時刻t₁₁から300msの間、すなわち時
刻t₁₂まで自己相関関数計算を継続する。そして
第５図に示されるように時刻t₁₂までの300ms以内
の時刻t₂₁においてピークP₁より大きなピークP₂
が検出されたとしよう。この場合にはピークP₁
はクリアして捨て、ピークP₂を新たなピークと
してその後300msの間すなわち時刻t₂₂まで継続し
て自己相関関数計算を行い、その間にピークP₂
より大きなピークが存在しない場合にはピーク
P₂を真のピークとして検出するものである。第
５図においてピークP₂が検出された時刻t₂₁の後
300ms以内すなわち時刻t₂₂までのある時刻t₃₁に
おいてピークP₂より小振幅のピークP₃が得られ
たとしよう。しかしながらピークP₂よりも振幅
の小さなピークP₃は真のピークとなり得る可能
性のあるピークとしては検出されない。このよう
にして時刻t₂₁以後300msが経過するとすなわち時
刻t₂₂に連すると時刻t₂₁にて得られたピークP₂が
周期を示す真のピークとして検出される。

この時点において相関関数計算を終了し、周期
計算を行う。このようにして求めた真のピークの
位相差変数τの値は周期に対応するものであり、
周期Ｔはデータサンプリング周期T_Sとすると、
Ｔ＝τ×T_Sなる計算式で与えられる。次の周期
測定は再びτ＝60（周期300msに対応する）から
始め、同様に行われる。以上のようにして生体信
号の正しい周期が測定される。ここで、相関関数
計算を相関時間軸上で300msから始め、（生体信
号周期Ｔ＋300ms）で終了していることは、真の
ピークの検出、測定結果の出力時期という点で重
要な意味を含んでいるものである。

まず、真のピークの検出については、測定対象
の生体信号のとり得る最短周期以下では真のピー
クが存在することはあり得ず、また最短周期以内
の間隔で真のピークが存在することもあり得な
い。したがつてこのようにして確認されたピーク
は真の周期の二倍の周期のピークを示す可能性を
完全になくしたものであるということができる。
測定の結果の出力時期という点に関しては、生体
信号の真の周期に同期して測定結果を出力するこ
とができるという効果がある。すなわち周期測定
を最短周期の300msから始めているが、一方ピー
ク確認期間として最短周期に等しい300msを設定
しているので、結果的に真の周期に等しい時間間
隔で測定結果を出力することができる。例えば真
の周期が500msであれば測定結果も500ms毎に出
力される。周期が変化した場合には出力される間
隔もそれに応じて変化する。これは、相関関数計
算間隔がデータサンプリング周期に一致していれ
ば、相関関数計算が相関時間軸上を実時間で進行
するということ、すなわち信号の最短周期からこ
の最短周期と真の周期との和であらわされる時間
までの時間についての相関計算は生体信号の真の
周期に等しい時間内に行われることによるもので
ある。

第６図は、第３図ないし第５図を参照して述べ
た周期測定方式を適用した周期測定装置の構成を
概略的に示しているものである。

第６図に示す実施例による本願発明の周期測定
装置について説明すると、トランスジユーサ２２
は婦人の腹部Ｗ上に配置されて胎児の心拍信号を
採取する。トランスジユーサ２２には前処理回路
２３を介してサンプリング回路２４が接続されて
おり、トランスジユーサ２２にて採取された心拍
信号は、前処理回路２３によつて波形成形がなさ
れた後、サンプリング回路２４において所定のサ
ンプリング周期をもつてサンプリングされ、デジ
タル信号の形態にアナログ−デジタル変換（Ａ／
Ｄ変換）される。サンプリング回路２４にはデー
タメモリ２６が接続されており、サンプリングさ
れたデータはこのデータメモリ２６に記憶され
る。機能的に説明すれば、データメモリ２６は複
数のシフトレジスタで構成されているものであ
り、新しいデータが入力される毎にそれまで記憶
されていたデータがそれぞれ１バイトづつ移動
し、最も古いデータは押し出されて消滅する。デ
ータメモリ２６には乗算器２８が接続されてお
り、乗算器２８には加算器３０が接続されてい
る。

機能としては、データメモリ２６は、バイト
（８ビツト）パラレルシフトレジスタで構成され、
サンプリングされかつデジタル化されたデータは
サンプリングのタイミングでシフトインされるご
とく構成され、かつ信号線adで指定される任意
の位置のデータを読み出せるように構成される。
なお、具体的にはデータメモリは読出し及び書込
みが可能なランダム・アクセス・メモリ；
RandamAccess Memory（RAM）及びそのコン
トローラで構成されるものである。

乗算器２８および加算器３０は、自己相関関数
を計算するための計算回路を構成しているもので
あり、データメモリ２６に記憶されているデータ
を用いて実質的に(3)の計算を行い生体信号すなわ
ち胎児心拍信号の自己相関関数を計算する。すな
わち各サンプリングサイクル毎にある値に定めら
れた位相差変数τについての自己相関関数の計算
を行う。

更に詳細に説明すると、後述の如く、制御部４
２で作られる位相差変数τだけ離れた位置のデー
タメモリ２６中のメモリ部の２個のアドレス（記
憶場所を示し、第７図の参照番号26中で斜線で示
される）に記憶された２個のデータを乗算し、そ
の積を加算器３０中のアキユームレータに加え込
むものである。乗算の回数は１つの位相差変数τ
について上述の説明で明らかな如く、第３式にお
けるｎ回であり、従つて加算回数もｎ個となる。
ｎ個の加算の完了によりそのときの位相差変数τ
に自己相関関数にｎ倍したものが計算されるが、
ｎは一定であるため、第３式における自己相関関
数に比例したデータが算出されたことになり、実
質的に自己相関関数が算出されたことになる。

加算器３０にはピーク検出器３２が接続されて
おり、このピーク検出器３２は小容量の記憶容量
と比較機能とを有するものである。乗算器２８お
よび加算器３０とで構成される計算回路により計
算された自己相関関数計算値はピーク検出器３２
に入力される。後に詳述する如くピーク検出器３
２には、一サンプリングサイクル以前自己相関関
数計算値が記憶されており、記憶されているこの
計算値と新たに入力されてくる次のサンプリング
サイクルの計算値とを比較すると共に、新たに入
力された計算値が前の記憶より大の場合新たに入
力されてきた計算値を記憶する。ピーク検出器３
２は、最新のサンプリングサイクルにおける自己
相関関数計算値とそのときの位相差変数値τのみ
を記憶するだけで充分であるので、小容量のもの
でよいことになる。記憶された計算値と入力デー
タの二つのサンプリングサイクルにおける自己相
関関数計算値を比較器で比較することにより、そ
の増減状態が調べられる。この二つの計算値の比
較結果が増加から減少に変化する傾向が認められ
た場合、最初のサンプリングサイクルにピークが
存在することになる。ピーク検出器３２はピーク
検出信号と基準レベルとを比較する。基準レベル
を設定するには例えば先にも述べたように前回測
定された真のピーク値の1/2のレベルを利用する。
検出されたピークが基準レベルを越え、かつピー
クが基準レベルを越えた時から一定時間、この実
施例では300ms内にそれ以上大きなピークが検出
されないことを確認すると、ピーク検出器３２
は、真のピークを検出したと判断し、真のピーク
検出信号を出力する。

ピーク検出器３２には周期計算回路３８が接続
されている。周期計算回路３８はピーク確認回路
３６から真のピーク検出信号を受けると、ピーク
検出器３２の中のピーク時位相差変数値レジスタ
に保存された真のピークが得られた時の自己関数
計算値における位相差変数値に基いて周期を計算
する。周期計算回路３８には心拍計算回路４０が
接続されており、心拍計算回路４０は周期計算回
路３８にて計算された周期に基いて心拍数を計算
する。心拍数計算回路４０は制御回路４２に接続
されている。制御回路４２には、例えば発光ダイ
オード（LED）を具備してなる表示器４４が接
続されている。表示器４４は制御回路４２を介し
て心拍数計算回路４０から出力される信号に基い
て心拍信号の心拍数を表示する。制御回路４２
は、この時、心拍数計算回路４０からの信号が雑
音成分を含んであり場合あるいはプローブはずれ
が生じたような場合、心拍数計算回路４０からの
信号を表示器４４へ入力しないように制御して綾
まつた心拍数の表示を阻止するようにしている。

制御回路４２はまた、サンプリング回路２４に
クロツクパルスを出力して、サンプリング回路２
４におけるサンプリングタイミングを制御してい
る。制御回路４２はさらに、一サンプリング毎に
乗算器２８に位相差変数値を指示する信号を出力
する。位相差変数値は、心拍信号の実質的に最小
値に対応する時間から始め、サンプリングサイク
ルの進行にしたがつて順次進められる。乗算器２
８は制御回路４２からの信号の指示する位相差変
数値だけはなれた二つのデータをデータメモリ２
６から読出し、その積を求める。制御回路４２は
加算器３０にタイミング信号を出力し、加算器３
０は制御回路４２からのタイミング信号に基い
て、乗算器２８で順次計算される計算結果を加算
していく。すなわち、乗算器２８と加算器３０と
で制御回路４２による制御のもとにデータメモリ
からデータを読出して実質的に(3)式に示す自己相
関関数の計算を行う。

制御回路４２にはさらに基準レベル検出器４６
が接続されている。基準レベル検出器４６は制御
回路４２から適当な時間間隔で出力されてくるタ
イミング信号にしたがつて、サンプリングされた
データに（＋）（−）の符号付けするための最適
な基準レベル（ゼロレベル）を検出し、サンプリ
ング回路２４に最適基準レベル指示信号を出力す
る。データに符号付けする際データの正負のバラ
ンスが良好にとられているほど得られる自己相関
関数は確実な周期性をあらわすものであるが、基
準レベル検出器４６はそのための最適値を求める
ためのものであり、サンプリングの際データの最
大値、最小値あるいは平均値を検出して基準レベ
ルの最適値を求めるものである。

ピーク検出器３２は、例えば第８図に示すよう
な回路で構成される。相関関数値と位相差変数値
τとをそれぞれ記憶する２つのメモリから成るメ
モリ５２は、比較器５４からの書込み信号の制御
のもとに加算器３０で計算された自己相関関数計
算値と制御部４２からの位相差変数値τとを対で
記憶するものである。比較器５４は、加算器３０
からの新たな自己相関関数計算値と、それ以前に
メモリ５２に記憶されていた最新かつ最も大きな
自己相関関数値とを比較し、新たな自己相関関数
計算値のほうが大きい場合には、メモリ５２に書
込み信号を出力して、メモリ５２の内容を新たな
自己相関関数計算値と制御部４２より出力されて
いる位相差変数値に入れかえる。このような比較
を繰返し、自己相関関数計算値が増加からの幻想
の状態に変化した場合、ピークを検出したと判断
して比較器５４は信号を出力する。メモリ５２に
格納されている自己相関関数計算値はピークレベ
ルをチエツクするための比較器５６に入力され、
比較器５６にて、基準レベル発生器５８から入力
されている基準レベルと比較される。基準レベル
発生器５８は、前回の真のピーク値検出時にカウ
ンタ６２の出力タイミングでセツトすることによ
り前回の測定における真のピークの、例えば1/2
のレベルを記憶するものであり、このレベルを基
準レベルとして出力するものである。

真のピークを1/2とする技法は第９図が示すよ
うに、メモリ５２の出力データを１ビツトLSB
（リースト・シグニフイカント・ビツト；Least
Significant Bit）側にシフトして比較器５６
（マグニチユードコンパレータ）に結線すること
により行われる。

比較の結果、メモリ５２に記憶されている自己
相関関数計算値のレベルが基準レベルを越えるも
のである場合には、比較器５６は信号を出力す
る。比較器５４，５６の出力はANDゲート６０
で論理積をとられ、ANDゲート６０の出力の立
上がり時にカウンタ６２をリセツトするとともに
ピーク時位相変数値（τ）レジスタ６４にメモリ
５２内に記憶されていたτをセツトする。カウン
タ６２は一定時間、例えば300msに対応する数の
クロツクパルスを計数すると、信号を出力する。
カウンタ６２の出力信号で真のピークが検出され
たものとして、ピーク時位相変数値レジスタ６４
にセツトされていたτが周期計算回路３８に出力
される。周期計算回路３８はτと制御回路４２か
ら与えられている信号線のサンプリング周期とを
乗算し、周期を計算する。例えばサンプリング周
期がmsで、τが60msあれば周期は300msと計算
されるのである。求められた周期は心拍数係数回
路４０に与えられ、 60×10³（ms）／周期（ms） の演算で１分換算値の心拍数が求められる。求め
られた心拍数は制御回路４２に与えられ、制御回
路４２の制御の下に表示器４４に表示される。以
上のような構成ならびに動作により、ピーク検
出、ピークの確認が行われ、真のピークがとり出
されることになる。

以上のようにこの発明によれば、生体信号につ
いての１サンプリングサイクル中に位相差変数τ
の或る値における自己相関関数を計算してしま
い、サンプリングサイクルの進行に対応させて位
相差変数τの値を時間軸上で変化させていき、各
サンプリングサイクル毎にそれぞれ自己相関計数
を計算し、連続する二つのサンプリングサイクル
における最初のサイクルにおける自己相関関数計
算結果のみを記憶しておき、次のサイクルにおけ
る計算結果と比較し、その増減からピークを検出
し周期を測定する形態としたことにより、自己相
関関数計算結果を記憶するための容量を大幅に減
少せしめ、しかも実際の周期より二倍、三倍、長
い時間における無意味な自己相関の計算時間が不
要となりほぼ実時間でデータ処理することのでき
る周期測定方式が提供される。

さらにまた、前記自己相関関数の計算を、時間
軸上で、前記生体信号の測定周期の実質的に最小
値からはじめ、ピーク検出後も前記実質的な最小
値に対応する時間だけ前記自己相関関数の計算を
続け、前記ピークの検出後の前記最小値に対応す
る前記時間内に最初のピークより大きなピークが
存在しないことを確認することによつて前記最初
のピークを真のピークとして検出するようにした
ことにより、本来の信号の周期を示す真のピーク
のみを確実に検出することができそれによつて正
しい周期を測定することができるばかりでなく、
自己相関関数計算範囲が前記実質的な最小値から
測定する信号の真の周期と確認のための期間（た
とえば前記最小値）との和であらわされる値の範
囲までに限定されるので、無意味な計算が省かれ
実時間処理に有効であると共に、測定すべき信号
の周期に等しい時間間隔で測定結果を出力するこ
とのできる周期測定方式が提供される。

［発明の効果］ 本発明により、相関メモリの必要記憶容量を低
減せしめると共に計算時間をできるだけ短縮せし
めた、生体信号の周期測定装置を提供できる。

又、自己相関関数から得られる複数のピークの
うち生体信号の周期に対応する真のピークを検出
し正しい周期を測定することのできる周期測定装
置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は自己相関方式による周期測定を説明す
るために用いた生体信号波形図、第２図は従来の
周期測定方式を適用した周期測定装置の構成を概
略的に示すブロツクダイヤグラム、第３図はこの
発明による周期測定方式における自己相関関数の
計算形態を説明するために用いた図、第４図はこ
の発明の周期測定方式を胎児心拍数の周期測定に
適用した場合を説明するための胎児心拍信号を示
す図、第５図は検出したピークが真のピークであ
るか否かを確認するために、ピークを検出した後
一定時間自己相関関数の計算を続ける方式を説明
するための図、第６図はこの発明による周期測定
方式を適用した周期測定装置の構成を概略的に示
すブロツクダイヤグラム、第７図はデータメモリ
へのサンプリングデータの記憶と読出し及びその
後の処理を説明するためのブロツク図、第８図は
第６図に示す周期測定装置におけるピーク検出
器、ピークレベルチエツク回路およびピーク確認
回路の詳細な構成を示すブロツク図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 生体信号を表す電気信号を所定のサンプリン
   グ周期でサンプリングするサンプリング手段と、 前記サンプリング手段によつて得られた信号に
   基づいて、各サンプリング時点において計算に必
   要なデータが集積された特定の位相差変数τの値
   について、 自己相関関数 Ａ（τ）＝１／ｎ_o 〓^k=1 ｆ（ｋ）・ｆ（ｋ＋τ） を計算する自己相関関数計算手段と、 各サンプリング時点において計算された前記自
   己相関関数と既に保持されている自己相関関数の
   値とを比較して、より大きな値のみを保持する保
   持手段と、 前記自己相関関数計算手段により計算された自
   己相関関数が前記保持手段に保持された自己相関
   関数より小さい場合に、前記保持手段に保持され
   た自己相関関数をピークとして検出するピーク検
   出手段と、 該ピーク検出手段が検出した自己相関関数のピ
   ーク値に基づいて、以後の前記ピーク検出手段が
   検出したピークの真偽を判定する基準レベルを設
   定する基準レベル設定手段と、 前記ピーク検出手段の検出したピークの中で、
   前記基準レベル設定手段の設定した基準レベルを
   越えるものを真のピークと決定するピーク決定手
   段と、 前記ピーク決定手段によつて決定された前記自
   己相関関数のピークの時間軸上の位置によつて決
   定される位相差変数τに対応した時間信号を、周
   期信号として出力する周期信号出力手段とを具備
   し、 前記ピーク決定手段がピークを決定するまで、
   サンプリング時点の経過につれて前記位相差変数
   τの値を順次変化させ、各サンプリング時点にお
   いて計算可能となつた前記位相差変数τの値にお
   ける自己相関関数を計算する如く構成されている
   ことを特徴とする周期測定装置。 ２ 前記位相差を与える変数τの値を、前記生体
   信号の測定周期の実質的に最小値から開始して、
   自己相関関数を計算することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の周期測定装置。 ３ 生体信号を表す電気信号を所定のサンプリン
   グ周期でサンプリングするサンプリング手段と、 前記サンプリング手段によつて得られた信号に
   基づいて、各サンプリング時点において計算に必
   要なデータが集積された特定の位相差変数τの値
   について、 自己相関関数 Ａ（τ）＝１／ｎ_o 〓^k=1 ｆ（ｋ）・ｆ（ｋ＋τ） を計算する自己相関関数計算手段と、 各サンプリング時点において計算された前記自
   己相関関数と既に保持されている自己相関関数の
   値とを比較して、より大きな値のみを保持する保
   持手段と、 前記自己相関関数計算手段により計算された自
   己相関関数が前記保持手段に保持された自己相関
   関数より小さい場合に、前記保持手段に保持され
   た自己相関関数をピークとして検出するピーク検
   出手段と、 該ピーク検出手段が検出した自己相関関数のピ
   ーク値に基づいて、以後の前記ピーク検出手段が
   検出したピークの真偽を判定する基準レベルを設
   定する基準レベル設定手段と、 前記ピーク検出手段によるピーク検出後も一定
   時間前記自己相関関数の計算を続け、前記一定時
   間内に前記ピークより大きなピークが存在しない
   ことを確認するピーク確認手段と、 前記ピーク検出手段の検出したピークの中で、
   前記基準レベル設定手段の設定した基準レベルを
   越えるものであつて、前記ピーク確認手段により
   より大きなピークが存在しないことを確認された
   ピークを真のピークと決定するピーク決定手段
   と、 前記ピーク決定手段によつて決定された前記自
   己相関関数のピークの時間軸上の位置によつて決
   定される位相差変数τに対応した時間信号を、周
   期信号として出力する周期信号出力手段とを具備
   し、 前記ピーク決定手段がピークを決定するまで、
   サンプリング時点の経過につれて前記位相差変数
   τの値を順次変化させ、各サンプリング時点にお
   いて計算可能となつた前記位相差変数τの値にお
   ける自己相関関数を計算する如く構成されている
   ことを特徴とする周期測定装置。 ４ 前記一定時間は前記生体信号の測定周期の実
   質的な最小値であることを特徴とする特許請求の
   範囲第３項に記載の周期測定装置。