JP7491466B2 - 心拍検出方法および心拍検出装置 - Google Patents

Description

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。

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波に基づいて行われることが多い。

ＥＣＧ波形から心拍（Ｒ波）を検出する方法としては、時系列におけるピークを検出する方法が簡便である。すなわちデータの時系列に対してある閾値を設定し、ＥＣＧ波形が閾値を超えたときにＲ波と判定する。

図５は従来の心拍検出方法を説明するフローチャートである。心拍検出装置は、ＥＣＧ波形の値が入力されると（図５ステップＳ１００）、そのＥＣＧ波形値と以前のＥＣＧ波形値とに基づいて指標値を算出する（図５ステップＳ１０１）。次に、心拍検出装置は、指標値と閾値とを比較し（図５ステップＳ１０２）、指標値が閾値を超えているときに心拍と判定し（図５ステップＳ１０３）、指標値が閾値以下のときには心拍と判定しない。そして、心拍検出装置は、指標値と以前の指標値とを用いて閾値を更新する（図５ステップＳ１０４）。閾値を適応的に更新することで、被験者への電極の装着状態などによる信号レベルの変化を反映した心拍検出を行うことができる。

このような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に開示された方法では、指標値が、ＥＣＧ波形に由来するものとして尤もらしくない大きさの場合に、指標値を閾値に反映させないようにしている。これにより、ＥＣＧ波形に混入した大きなノイズにより閾値が跳ね上がることを防ぐことができ、正確に心拍検出を行えるという利点がある。

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、振幅が小さくＲ波としては不適当と考えられるような波形を、Ｒ波と誤って認識してしまう可能性があった。

特許第６６５２６５５号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、振幅の小さ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。

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指標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、心拍検出のための閾値と生体の心電図波形に由来する前記閾値として尤もらしい範囲の下限値とを比較する第２のステップと、前記第２のステップで前記閾値を前記下限値以上と判定し、前記閾値を超える前記指標値のピークを検出したときに、このピークのサンプリング時刻を心拍時刻とする第３のステップとを含み、前記第２のステップで前記閾値を前記下限値未満と判定した場合に、前記閾値と前記指標値との比較による心拍検出をしない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は、生体の心電図波形のサンプリングデータ列から指標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指標値算出部と、心拍検出のための閾値と生体の心電図波形に由来する前記閾値として尤もらしい範囲の下限値とを比較するように構成された閾値判定部と、前記閾値判定部によって前記閾値が前記下限値以上と判定され、前記閾値を超える前記指標値のピークを検出したときに、このピーク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、前記心拍時刻決定部は、前記閾値が前記下限値未満と判定された場合に、前記閾値と前記指標値との比較による心拍検出をしないことを特徴とするものである。

本発明によれば、閾値が下限値未満の場合には、指標値が閾値を超えていても心拍を検出しないようにするので、振幅の小さすぎる指標値のピークを除外することができ、正確に心拍検出を行うことができる。

図１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２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３は、本発明の実施例に係る心拍検出装置の閾値設定部の動作を説明するフローチャートである。 図４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５は、従来の心拍検出方法を説明するフローチャートである。

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１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、図２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。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一定の時間範囲の正負反転値と処理対象のサンプリング時刻よりも後の一定の時間範囲の正負反転値のうちの最大値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正負反転値から最大値を引いた指標値をサンプリング時刻ごとに算出する指標値算出部５と、心拍検出のための閾値と生体のＥＣＧ波形に由来する閾値として尤もらしい範囲の下限値とを比較する閾値判定部６と、閾値が下限値以上と判定され、閾値を超える指標値のピークを検出したときにピークのサンプリング時刻を心拍時刻とする心拍時刻決定部７と、現在の閾値を超える指標値のピークに基づいて閾値を更新する閾値設定部８とを備えている。

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。

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を引いた指標値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。

以下、本実施例の心拍検出方法を説明する。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。

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。

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。

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２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２ステップＳ２）。
Ｙ（ｉ）＝－｛Ｄ（ｉ＋１）－Ｄ（ｉ－１）｝ ・・・（１）

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２ステップＳ３）。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。

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２ステップＳ４）。ＦＩＦＯバッファ４０の出力はＦＩＦＯバッファ４１に入力され（図２ステップＳ５）、ＦＩＦＯバッファ４１の出力はＦＩＦＯバッファ４２に入力される（図２ステップＳ６）。ＦＩＦＯバッファ４０～４２は、一定の時間範囲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。

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。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。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ａ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Ｍを求めることができ、出力値ａから最大値Ｍを減算することが可能となる。

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Ｍをサンプリング時刻ごとに検出する（図２ステップＳ７）。
減算処理部５１は、ＦＩＦＯバッファ５０の出力値ａから最大値Ｍを引いた指標値ｂ＝ａ－Ｍをサンプリング時刻ごとに算出する（図２ステップＳ８）。

次に、閾値判定部６は、心拍検出のための現在の閾値Ｔｈと生体のＥＣＧ波形に由来する閾値Ｔｈとして尤もらしい範囲の下限値Ｔｈｍｉｎとを比較する（図２ステップＳ９）。生体のＥＣＧ波形に由来する閾値Ｔｈとして尤もらしい範囲は、過去の測定結果に基づいて決定することができる。閾値Ｔｈの初期値は、閾値Ｔｈとして尤もらしい範囲の中で任意の値を予め設定しておけばよい。

心拍時刻決定部７は、閾値判定部６によって現在の閾値Ｔｈが下限値Ｔｈｍｉｎ以上と判定され（ステップＳ９においてＹＥＳ）、閾値Ｔｈを超える指標値ｂ（ｉ）のピークを検出したときに（図２ステップＳ１０においてＹＥＳ）、このピークのサンプリング時刻を心拍時刻とする（図２ステップＳ１１）。

指標値ｂ（ｉ）のサンプリング時刻とは、指標値ｂ（ｉ）の基となった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）のことを言う。指標値ｂ（ｉ）のサンプリング時刻は、記憶部２から取得することが可能である。

また、心拍時刻決定部７は、閾値判定部６が現在の閾値Ｔｈを下限値Ｔｈｍｉｎ未満と判定した場合（ステップＳ９においてＮＯ）、または閾値Ｔｈを超える指標値ｂ（ｉ）のピークを検出できていない場合には（ステップＳ１０においてＮＯ）、心拍（Ｒ波）と判定せず、心拍時刻を決定しない。

次に、閾値設定部８は、現在の閾値Ｔｈを超える指標値ｂ（ｉ）のピークに基づいて閾値Ｔｈを更新する（図２ステップＳ１２）。図３は閾値設定部８の動作（ステップＳ１２）を説明するフローチャートである。

まず、閾値設定部８は、現在の閾値Ｔｈを超える指標値ｂ（ｉ）のピークを検出できたかどうかを判定し（図３ステップＳ２０）、所定個数Ｖ（本実施例ではＶ＝５個）以上のピークを連続して検出できた場合には（図３ステップＳ２１においてＹＥＳ）、これらのピークのうち最新の所定個数Ｖのピークの平均値ｂａｖｅを求め、この平均値ｂａｖｅに所定の係数α（例えばα＝０．４）を乗じた値を閾値の候補Ｔｈｃとする（図３ステップＳ２２）。
Ｔｈｃ＝α×ｂａｖｅ ・・・（２）

閾値設定部８は、算出した閾値の候補Ｔｈｃを、生体のＥＣＧ波形の時間差分正負反転値として尤もらしいと言える差分限界値と現在の閾値Ｔｈとに基づく閾値限界値Ｌと比較し、閾値の候補Ｔｈｃが閾値限界値Ｌを上回るときは閾値Ｔｈを更新せず（図３ステップＳ２３においてＹＥＳ）、閾値の候補Ｔｈｃが閾値限界値Ｌ以下のときは（ステップＳ２３においてＮＯ）、候補Ｔｈｃを新たな閾値Ｔｈとする（図３ステップＳ２４）。閾値限界値Ｌについては後述する。

閾値設定部８は以上のような処理をサンプリング時刻ごとに行う。閾値Ｔｈを超える指標値ｂ（ｉ）のピークが継続して検出される場合には、ステップＳ２２の処理が繰り返し実行されることにより、閾値の候補Ｔｈｃが逐次算出され、閾値の候補Ｔｈｃが閾値限界値Ｌ以下であれば、閾値Ｔｈが更新されることになる。

ここで、閾値設定部８は、閾値Ｔｈを超える指標値ｂ（ｉ）のピークを３秒間検出できなかった場合（図３ステップＳ２５においてＹＥＳ）、ピーク探索の動作をリセットし、閾値Ｔｈの設定をやり直す（図３ステップＳ２６）。具体的には、閾値設定部８は、ピーク探索の動作をリセットした時点から２秒間の期間における指標値ｂ（ｉ）のデータを用いて、その最大値ｂｍａｘを求め、最大値ｂｍａｘに所定の係数β（例えばβ＝０．４）を乗じた値を新たな閾値Ｔｈとする。
Ｔｈ＝β×ｂｍａｘ ・・・（３）

こうして、本実施例では、図２のステップＳ１～Ｓ１２の処理をサンプリング時刻ごとに繰り返すことで、心拍時刻の時系列データが得られる。

ここで、生体（人体）のＥＣＧ波形の時間差分正負反転値は最大どれくらいになるのか、逆に言うと、どれくらいの値であれば人のＥＣＧ波形の時間差分正負反転値として尤もらしくないか、について考える。ＱＲＳ間隔（Ｑ波の始まりからＳ波の終りまで）は、０．０６～０．１ｓである。

Ｒ波の最高値からＳ波の最低値までの時間は、ＱＲＳ間隔の１／４として、１５～２５ｍｓ程度と考えることができる。さらに、Ｒ波の最高値からＳ波の最低値の中でも、その中央付近が最も急峻に変化する。その時間範囲を、Ｒ波の最高値からＳ波の最低値までの概ね半分とすると、７．５～１２．５ｍｓ程度と見積もれる。この時間内に、仮にＱＲＳ振幅に相当する心電位の変化があるとすると、その心電位の変化率は、最大で３５０μＶ／ｍｓ程度になると考えられる。この心電位の変化率を式（１）で求められる時間差分正負反転値に直すと、サンプリング間隔が１ｍｓの場合は７００μＶとなり、さらに余裕をみて１０００μＶと大きく丸める。

以上から、サンプリング間隔が１ｍｓの場合、時間差分正負反転値が１０００μＶを超えるものは、人のＥＣＧ波形の時間差分正負反転値として尤もらしくないと言える。この目安は、サンプリング間隔が５ｍｓの場合には、５０００μＶとなる。すなわち、サンプリング間隔をｄＴとすれば、人のＥＣＧ波形の時間差分正負反転値として尤もらしいと言える差分限界値Ｘは以下のように表現できる。
Ｘ＝ｄＴ［ｍｓ］×１０００［μＶ］ ・・・（４）

指標値ｂは、Ｒ波由来のピークに対して、その周辺の時間領域の時間差分値のクリアランスの高さを表しており、ＥＣＧ波形の時間差分正負反転値に大きなノイズが含まれていて、そのノイズが鋭い単峰性のピークを呈するときには、最悪の場合そのままの値が指標値ｂに反映される。

現在の閾値Ｔｈを超える所定個数Ｖ（本実施例ではＶ＝５個）のピークの平均値ｂａｖｅに係数α＝０．４を乗じた値を新たな閾値Ｔｈ’とする場合、標準的な指標値ｂのピーク値をｐとすると、正常時の更新後の閾値Ｔｈ’は、およそＴｈ’＝ｐ×α＝ｐ×０．４となる。ピーク値がＸの異常ノイズが１回発生したとすると、次の閾値Ｔｈ’は、（Ｘ－ｐ）÷５×０．４＝０．０８Ｘ－０．２Ｔｈ分上昇する。Ｘ＝５０００μＶであれば、４００－０．２Ｔｈ［μＶ］となる。つまり、サンプリング間隔が５ｍｓの場合、現在の閾値Ｔｈに対する次の閾値Ｔｈ’の上げ幅が４００－０．２Ｔｈ［μＶ］を上回るときは、ノイズの影響を受けている蓋然性が高い。

そこで、本実施例においては、現在の閾値Ｔｈに対して、ステップＳ２２で算出する閾値の候補Ｔｈｃが閾値限界値Ｌ＝４００＋０．８Ｔｈ［μＶ］（＝Ｔｈ＋４００－０．２Ｔｈ）を上回るときは（ステップＳ２３においてＹＥＳ）、閾値Ｔｈを更新しないようにすればよい。なお、閾値限界値Ｌの一般式は以下のようになる。
Ｌ＝Ｔｈ＋（α／Ｖ）Ｘ－（１／Ｖ）Ｔｈ ・・・（５）

上記のように、閾値Ｔｈは、検出すべきピークの値に１以下の係数αを乗じた値に基づいて設定される。閾値Ｔｈを適応的に更新する方法では、入力信号レベルが下がり、小さな振幅を持つ指標値ｂのピークが連続すると、閾値Ｔｈが低下する。閾値Ｔｈが人のＥＣＧ波形に由来する閾値Ｔｈとして尤もらしくない程度に下がっている状況では、指標値ｂのピークがあったとしても、このピークがＲ波由来である蓋然性は低い。

閾値Ｔｈが下限値を下回らないように制限するという方法では、指標値ｂの小さい振幅のピークを検出しないようにできるものの、閾値Ｔｈを超える指標値ｂには反応してしまう。このため、ＥＣＧ波形に加わったノイズ等に由来するような指標値ｂのピークでも心拍として検出してしまう。

一方、本実施例では、閾値Ｔｈが下限値Ｔｈｍｉｎ未満の場合には、心拍判定（ステップＳ１０）をしないので、ＥＣＧ波形に加わったノイズ等を誤って心拍として検出することがなく、適切な心拍検出を実現することができる。
なお、図３で説明した閾値更新の方法は１例であって、別の方法で閾値を更新するようにしてもよい。

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と指標値算出部５と閾値判定部６と心拍時刻決定部７と閾値設定部８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４に示す。

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２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２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１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。

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。

１…心電計、２…記憶部、３…正負反転値算出部、４…最大値検出部、５…指標値算出部、６…閾値判定部、７…心拍時刻決定部、８…閾値設定部、４０～４２，５０…ＦＩＦＯバッファ、４３…検出処理部、５１…減算処理部。

Claims (6)

1. 生体の心電図波形のサンプリングデータ列から指標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、
   心拍検出のための閾値と生体の心電図波形に由来する前記閾値として尤もらしい範囲の下限値とを比較する第２のステップと、
   前記第２のステップで前記閾値を前記下限値以上と判定し、前記閾値を超える前記指標値のピークを検出したときに、このピークのサンプリング時刻を心拍時刻とする第３のステップとを含み、
   前記第２のステップで前記閾値を前記下限値未満と判定した場合に、前記閾値と前記指標値との比較による心拍検出をしないことを特徴とする心拍検出方法。
2. 請求項１記載の心拍検出方法において、
   前記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４のステップと、
   処理対象のサンプリング時刻よりも前の一定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一定の時間範囲の前記正負反転値のうちの最大値をサンプリング時刻ごとに検出する第５のステップとをさらに含み、
   前記第１のステップは、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最大値を引いた減算値を前記指標値としてサンプリング時刻ごとに算出するステップを含むことを特徴とする心拍検出方法。
3. 請求項１または２記載の心拍検出方法において、
   現在の閾値を超える前記指標値のピークに基づいて前記閾値を更新する第６のステップをさらに含むことを特徴とする心拍検出方法。
4. 生体の心電図波形のサンプリングデータ列から指標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指標値算出部と、
   心拍検出のための閾値と生体の心電図波形に由来する前記閾値として尤もらしい範囲の下限値とを比較するように構成された閾値判定部と、
   前記閾値判定部によって前記閾値が前記下限値以上と判定され、前記閾値を超える前記指標値のピークを検出したときに、このピーク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、
   前記心拍時刻決定部は、前記閾値が前記下限値未満と判定された場合に、前記閾値と前記指標値との比較による心拍検出をしないことを特徴とする心拍検出装置。
5. 請求項４記載の心拍検出装置において、
   前記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一定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一定の時間範囲の前記正負反転値のうち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最大値検出部とをさらに備え、
   前記指標値算出部は、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最大値を引いた減算値を前記指標値としてサンプリング時刻ごとに算出することを特徴とする心拍検出装置。
6. 請求項４または５記載の心拍検出装置において、
   現在の閾値を超える前記指標値のピークに基づいて前記閾値を更新するように構成された閾値設定部をさらに備えることを特徴とする心拍検出装置。

Images