JP7557773B2 - HEART RATE VARIABILITY INDEX ESTIMATION DEVICE, HEART RATE VARIABILITY INDEX ESTIMATION METHOD, AND HEART RATE VARIABILITY INDEX ESTIMATION PROGRAM - Google Patents
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Description
本発明は、ウェアラブル端末が計測した心拍数に基づいて心拍変動を推定する心拍変動指標推定装置、心拍変動指標推定方法、及び、心拍変動指標推定プログラムに関する。 The present invention relates to a heart rate variability index estimation device, a heart rate variability index estimation method, and a heart rate variability index estimation program that estimate heart rate variability based on the heart rate measured by a wearable device.
心臓は、電気信号のリズムに従って収縮と拡張とを規則的に繰り返す。電気信号は、急激に収縮して血液を心臓から送り出す際に、一番鋭いピークを示すR波を発生する。心臓が鼓動する間隔(拍動間隔)は、一般的に、R波を用いて計測される。拍動間隔(RR間隔)は、安静時は長く、運動時には短くなるが、安静にしている間も周期的に変動する。拍動間隔の周期的な変動(心拍変動)には、高周波成分(HF:High Frequency)と低周波成分(LF:Low Frequency)とが含まれる。HFは、例えばリラックス状態にあるときにLFに対して相対的に高くなり、LFは、例えば緊張状態にあるときにHFに対して相対的に高くなる。よって、心拍変動から算出されるHFあるいはLF/HFに基づいて心理的ストレスを推定することができる(非特許文献1、非特許文献2参照)。 The heart regularly repeats contraction and expansion according to the rhythm of the electrical signal. When the electrical signal suddenly contracts to pump blood out of the heart, it generates an R wave, which shows the sharpest peak. The interval at which the heart beats (beat interval) is generally measured using the R wave. The beat interval (RR interval) is longer when at rest and shorter when exercising, but it also fluctuates periodically while at rest. The periodic fluctuation of the beat interval (heart rate fluctuation) includes high frequency components (HF: high frequency) and low frequency components (LF: low frequency). For example, HF is relatively high compared to LF when in a relaxed state, and LF is relatively high compared to HF when in a tense state. Therefore, psychological stress can be estimated based on HF or LF/HF calculated from heart rate fluctuation (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
例えば、特許文献1には、過去の心拍データに基づいて定めた間隔時間内で、心拍を計測するセンサのセンサ信号から心拍を計測できない場合に、センサにより取得した拍動間隔データを補間し、補間されたデータに基づいてHFあるいはLF/HFを算出する技術が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a technique for interpolating beat interval data acquired by a sensor and calculating HF or LF/HF based on the interpolated data when the heart rate cannot be measured from a sensor signal of the sensor that measures the heart rate within an interval time determined based on past heart rate data.
スマートウォッチなど、体に装着して使用する端末(ウェアラブル端末)の中には、心拍数計測機能を備えるものが多数存在する。ウェアラブル端末の心拍数計測機能は、一般にトレーニングの強度評価、睡眠覚醒リズムのモニタリング等、健康管理のために活用されている。最近になって、リラクゼーションやストレス評価、感情推定、睡眠覚醒判定にも使われるようになってきた。 Many wearable devices, such as smartwatches, are equipped with a heart rate measurement function. The heart rate measurement function of wearable devices is generally used for health management, such as evaluating training intensity and monitoring sleep-wake rhythms. Recently, it has also come to be used for relaxation and stress evaluation, emotion estimation, and sleep-wake determination.
図10は、心電計(S&ME社製DL-5000、心電心拍センサDL-310)と腕時計型ウェアラブル端末の心拍計(Polar社製A370)で同期測定されたデータを比較したものである。縦軸は、拍動間隔(ms)を示し、横軸は時間(sec)を示す。ウェアラブル端末は、脈波(血圧の変化、脈拍)を計測しており、心拍を直接計測しない。これに対して、心電計は、収縮と拡張を規則的に繰り返す心臓から発生する電気信号を測定しており、心拍を直接計測する。また例えば、ウェアラブル端末は、1~1.5Hzの周期で脈波を計測するのに対し、心電図は、1KHzの周期で心拍を計測する。よって、ウェアラブル端末は、心電計に比べ、心拍数の計測精度が低く、心臓の実動に対するデータ欠損が多い。また、図10のP11,P12に示すように、ウェアラブル端末の心拍数時系列データWHRは、心電図に基づく拍動間隔時系列データECGに比べ、10数秒のタイムラグが生じることがあった。 Figure 10 compares data measured synchronously using an electrocardiograph (DL-5000, S&ME, electrocardiogram heart rate sensor DL-310) and a heart rate monitor on a wristwatch-type wearable device (A370, Polar). The vertical axis indicates the beat interval (ms), and the horizontal axis indicates time (sec). The wearable device measures pulse waves (changes in blood pressure, pulse rate), but does not directly measure heart rate. In contrast, an electrocardiograph measures the electrical signals generated by the heart, which regularly repeats contraction and expansion, and directly measures heart rate. For example, a wearable device measures pulse waves at a cycle of 1 to 1.5 Hz, while an electrocardiogram measures heart rate at a cycle of 1 kHz. Therefore, wearable devices have lower accuracy in measuring heart rate than electrocardiographs, and there is a lot of data loss regarding the actual movement of the heart. Also, as shown in P11 and P12 in FIG. 10, the heart rate time series data WHR from the wearable device sometimes had a time lag of several tens of seconds compared to the beat interval time series data ECG based on the electrocardiogram.
データ欠損を補間する技術としては、特許文献1に開示されたものがある。しかし、ウェアラブル端末の心拍数時系列データにおける欠損データを補間した場合、欠損データが平滑化されてしまっていた。そのため、例えば、図10のP11,P12に示す部分にて、補間された心拍数時系列データと拍動間隔時系列データECGとの誤差が大きかった。 A technology for interpolating missing data is disclosed in Patent Document 1. However, when missing data in the heart rate time series data of a wearable device is interpolated, the missing data is smoothed. As a result, for example, in the portions shown in P11 and P12 of FIG. 10, there is a large error between the interpolated heart rate time series data and the beat interval time series data ECG.
図11は、図10の拍動間隔時系列データECGから算出したHFと、図10の心拍数時系列データWHRから算出したHFとの相関を示すグラフである。図12は、図10の拍動間隔時系列データECGから算出したLFと、図10の心拍数時系列データWHRから算出したLFとの相関を示すグラフである。図11、図12の各横軸は、拍動間隔時系列データECGに基づく値を示し(HF_ECG、LF_ECG)、各縦軸は、ウェアラブル端末による心拍数時系列データWHRに基づく値を示す(HF_WHR、LF_WHR)。ウェアラブル端末の心拍計の心拍数時系列データから得られるLFやHFの値(LF_WHR,HF_WHR)は、心電図の拍動間隔時系列データECGから得られるLFやHFの値(LF_ECG、HF_ECG)に比べ小さく、寄与率(r*r=0.352)も低かった。 Figure 11 is a graph showing the correlation between HF calculated from the beat interval time series data ECG of Figure 10 and HF calculated from the heart rate time series data WHR of Figure 10. Figure 12 is a graph showing the correlation between LF calculated from the beat interval time series data ECG of Figure 10 and LF calculated from the heart rate time series data WHR of Figure 10. The horizontal axes of Figures 11 and 12 indicate values based on the beat interval time series data ECG (HF_ECG, LF_ECG), and the vertical axes indicate values based on the heart rate time series data WHR from the wearable device (HF_WHR, LF_WHR). The LF and HF values (LF_WHR, HF_WHR) obtained from the heart rate time series data of the heart rate monitor of the wearable device were smaller than the LF and HF values (LF_ECG, HF_ECG) obtained from the beat interval time series data ECG of the electrocardiogram, and the contribution rate (r*r=0.352) was also low.
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ウェアラブル端末により計測した心拍数から心拍変動指標を高精度に推定できるモデルを構築する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a technology for constructing a model that can estimate a heart rate variability index with high accuracy from a heart rate measured by a wearable device.
本発明の一態様は、被験者の体の一部に装着されて前記被験者の心拍数を計測する心拍数計測機能を備える複数のウェアラブル端末毎に、前記ウェアラブル端末が計測した被験者の心拍数を時系列で示す心拍数時系列データを取得する第1取得部と、前記被験者に各々装着されて前記被験者の心臓が発生する電気信号を測定する複数の心電計毎に、前記心電計が計測した前記被験者の心拍変動を示す心電図データを取得する第2取得部と、前記第1取得部にて取得された前記心拍数時系列データを拍動間隔時系列データに変換し、前記拍動間隔時系列データから複数の特徴量を算出し、説明変数とする説明変数生成部と、前記説明変数生成部にて生成した複数の説明変数を組み合わせる説明変数組み合わせ部と、前記第2取得部にて取得された前記心電図データから心拍変動指標の実値を算出する心拍変動指標実値算出部と、心拍変動指標の実値を目的変数とする回帰モデルを複数選定し、選定した回帰モデル毎に、前記説明変数組み合わせ部にて組み合わされた説明変数の組み合わせデータに回帰モデルアルゴリズムを適用して学習するラーニング部と、前記目的変数生成部にて算出された前記心拍変動指標の実値と、前記ラーニング部にて学習した学習済みモデルから算出される心拍変動指標の推定値とに基づいて、前記選定した回帰モデル毎に評価指標を算出する評価指標算出部と、前記評価指標算出部にて算出された前記評価指標が最も優れていた回帰モデルと説明変数の組み合わせとからなるモデルを、最適モデルとして選定する最適モデル選定部と、を有すること、を特徴とする。 One aspect of the present invention is a method for measuring the heart rate of a subject by using a wearable device that is attached to a part of the subject's body and has a heart rate measurement function for measuring the heart rate of the subject. A first acquisition unit acquires, for each of a plurality of wearable devices that are attached to a part of the subject's body and have a heart rate measurement function for measuring the heart rate of the subject, heart rate time series data indicating the heart rate of the subject measured by the wearable device in a time series manner. A second acquisition unit acquires, for each of a plurality of electrocardiographs that are attached to the subject and measure the electrical signals generated by the subject's heart, electrocardiogram data indicating the heart rate fluctuation of the subject measured by the electrocardiograph. An explanatory variable generation unit converts the heart rate time series data acquired by the first acquisition unit into beat interval time series data, calculates a plurality of feature amounts from the beat interval time series data, and sets the calculated feature amounts as explanatory variables. An explanatory variable combination unit combines the plurality of explanatory variables generated by the explanatory variable generation unit. The system is characterized by having a heart rate variability index actual value calculation unit that calculates an actual value of a heart rate variability index from electrocardiogram data, a learning unit that selects a plurality of regression models using the actual value of the heart rate variability index as a response variable, and for each selected regression model, applies a regression model algorithm to the combination data of explanatory variables combined by the explanatory variable combination unit to learn the regression models, an evaluation index calculation unit that calculates an evaluation index for each selected regression model based on the actual value of the heart rate variability index calculated by the response variable generation unit and an estimated value of the heart rate variability index calculated from the trained model trained by the learning unit, and an optimal model selection unit that selects, as an optimal model, a model consisting of a combination of a regression model and explanatory variables with the best evaluation index calculated by the evaluation index calculation unit.
上記構成の心拍変動指標推定装置は、ウェアラブル端末の心拍数時系列データを拍動間隔時系列データに変換し、拍動間隔時系列データから複数の特徴量を算出して説明変数とし、その説明変数を組み合わせたデータに回帰モデルアルゴリズムを適用して学習する。そして、心電図データから算出した心拍変動指標の実値と学習済みモデルから算出した心拍変動指標の推定値とに基づいて算出される評価指標が最も優れていたモデルを、最適モデルとして選定するので、選定された最適モデルにより算出される心拍変動指標の推定値が、心電図データから算出した心拍変動指標の実値に近似する。よって、上記構成の心拍変動指標推定装置によれば、ウェアラブル端末により計測した心拍数から心拍変動指標を高精度に推定できるモデルを構築することができる。 The heart rate variability index estimation device configured as above converts the heart rate time series data of the wearable device into beat interval time series data, calculates multiple feature amounts from the beat interval time series data to set them as explanatory variables, and applies a regression model algorithm to the data combining the explanatory variables to learn. Then, the model with the best evaluation index calculated based on the actual value of the heart rate variability index calculated from the electrocardiogram data and the estimated value of the heart rate variability index calculated from the learned model is selected as the optimal model, so that the estimated value of the heart rate variability index calculated by the selected optimal model approximates the actual value of the heart rate variability index calculated from the electrocardiogram data. Therefore, the heart rate variability index estimation device configured as above can construct a model that can estimate the heart rate variability index with high accuracy from the heart rate measured by the wearable device.
上記装置によって実現される制御方法、システム、プログラム、当該プログラムを格納するコンピュータにて読取可能な記憶媒体も、新規で有用である。 The control method, system, and program realized by the above device, as well as the computer-readable storage medium storing the program, are also novel and useful.
上記構成を有する発明によれば、ウェアラブル端末により計測した心拍数から心拍変動指標を高精度に推定できるモデルを構築する技術を実現できる。 The invention having the above configuration realizes technology for constructing a model that can estimate a heart rate variability index with high accuracy from a heart rate measured by a wearable device.
以下に、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。本形態は、ウェアラブル端末により計測された心拍数から心拍変動指標を推定する装置について、開示する。 Below, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment discloses a device that estimates a heart rate variability index from a heart rate measured by a wearable device.
<心拍変動指標について>
まず、心拍変動指標について説明する。心臓は、右心室と右心房と左心室と左心房の4つの部屋と、三尖弁と肺動脈弁と僧帽弁と大動脈弁の4つの弁を備え、電気信号のリズムに従って規則的に収縮と拡張を繰り返す。電気信号は、心臓が収縮する時に心臓内に起こる電気の分布の変化によって引き起こされるもので、体表面から電位として検出される。心電計により計測される心電図データは、このような心臓の電気的活動を記録したものである。
<About heart rate variability index>
First, we will explain heart rate variability indexes. The heart has four chambers, the right ventricle, the right atrium, the left ventricle, and the left atrium, and four valves, the tricuspid valve, the pulmonary valve, the mitral valve, and the aortic valve, and it regularly repeats contraction and expansion according to the rhythm of electrical signals. The electrical signals are caused by changes in the distribution of electricity that occur within the heart when it contracts, and are detected as electrical potentials from the body surface. Electrocardiogram data measured by an electrocardiograph is a record of such electrical activity of the heart.
例えば、図8(a)に示すように、心電計によって計測される電気信号は、山や谷に、P,Q,R,Tのような名前がついている。一番鋭いピークを示す「R」は、心臓の心室が急激に収縮して血液を心臓から送り出す時に発生する電気信号である。つまり、心臓が「ドックン」とするときに発生する信号である。拍動間隔は、R波を利用して計測されるのが一般的である。安静時のように心臓がゆっくり拍動している場合、図8(b)に示すように、拍動間隔Tが長くなる。一方、心臓が速く拍動する場合、図8(c)に示すように、拍動間隔Tが短くなる(例えば、非特許文献1参照)。 For example, as shown in FIG. 8(a), the peaks and valleys of the electrical signal measured by an electrocardiograph are labeled with names such as P, Q, R, and T. The sharpest peak, "R," is the electrical signal that occurs when the ventricles of the heart suddenly contract and pump blood out of the heart. In other words, it is the signal that occurs when the heart "thumps." Beat intervals are generally measured using R waves. When the heart is beating slowly, such as when at rest, the beat interval T is long, as shown in FIG. 8(b). On the other hand, when the heart is beating quickly, the beat interval T is short, as shown in FIG. 8(c) (see, for example, Non-Patent Document 1).
拍動間隔Tは、常に変動している。例えば、図9に示すように、拍動間隔は、安静時であっても、周期的に変動する。本明細書では、この拍動間隔Tの周期的な変動を「心拍変動」とする。心拍変動には、高周波成分(HF)と低周波成分(LF)とが含まれる。HFは、高周波帯域のパワースペクトルの合計量を示す。LFは、低周波数帯域のパワースペクトルの合計量を指す。 The beat interval T is constantly fluctuating. For example, as shown in FIG. 9, the beat interval fluctuates periodically even when at rest. In this specification, this periodic fluctuation of the beat interval T is referred to as "heart rate fluctuation." Heart rate fluctuation includes high frequency components (HF) and low frequency components (LF). HF indicates the total amount of the power spectrum in the high frequency band. LF indicates the total amount of the power spectrum in the low frequency band.
心拍変動へのHFの変動波とLFの変動波の現れる大きさは、交感神経と副交感神経の緊張状態のバランスによって異なる。リラックスしている状態、つまり、副交感神経が活性化しているときは、LFが現れる一方、HFが減少する。これに対して、緊張している状態、つまり、交感神経が活性化しているときは、HFが現れる一方、LFが減少する。よって、リラックス状態にあるときは、HFがLFに対して相対的に大きくなり、LF/HFが大きくなるが、緊張状態にあるときは、LFがHFに対して相対的に大きくなり、LF/HFが小さくなる。このような特性より、心拍変動の時系列から算出したHFやLF/HFは、ストレス指標等の心理状態の検討に使用可能な指標として使用される(例えば、非特許文献2参照)。 The magnitude of the HF and LF fluctuation waves in heart rate fluctuations varies depending on the balance of tension between the sympathetic and parasympathetic nerves. In a relaxed state, that is, when the parasympathetic nerves are activated, LF appears and HF decreases. In contrast, in a tense state, that is, when the sympathetic nerves are activated, HF appears and LF decreases. Thus, in a relaxed state, HF becomes larger relative to LF, and LF/HF becomes larger, but in a tense state, LF becomes larger relative to HF, and LF/HF becomes smaller. Due to these characteristics, HF and LF/HF calculated from the time series of heart rate fluctuations are used as indices that can be used to examine psychological states, such as stress indicators (see, for example, Non-Patent Document 2).
本明細書において、心拍変動指標とは、拍動間隔(R-R間隔)の揺らぎから算出される値と定義する。HF、LF、LF/HFは、心拍変動指標の一例である。 In this specification, the heart rate variability index is defined as a value calculated from fluctuations in the beat interval (R-R interval). HF, LF, and LF/HF are examples of heart rate variability indexes.
<心拍変動指標推定装置の構成>
図1は、心拍変動指標推定装置10の電気ブロック図である。心拍変動指標推定装置10は、例えば、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置であり、CPU21と、ROM22と、RAM23と、NVRAM24とを備えるコントローラ11を有する。コントローラ11には、通信部12と操作部13と表示部14とが接続されている。
<Configuration of the heart rate variability index estimation device>
1 is an electrical block diagram of a heart rate variability
通信部12は、ウェアラブル端末50や心電計70などの外部装置と通信を行うハードウェアを有する。心拍変動指標推定装置10は、例えば、被験者X(X1,X2,X3…)に装着された複数のウェアラブル端末50(50A,50B,50C…)及び複数の心電計70(70A,70B,70C…)と、通信部12を介して通信可能に接続される。通信部12の通信方法は、無線でも有線でもよい。
The
ウェアラブル端末50は、体の一部に装着して用いられる携帯端末であり、通信機能を備える。また、ウェアラブル端末50は、脈波に基づいて心拍数を計測する心拍数計測部51を備える。心拍数計測部51は、例えば、光学式心拍センサ(PPGセンサ)である。ウェアラブル端末50は、心拍数計測部51により計測した心拍数を時系列で示す心拍数時系列データを心拍変動指標推定装置10に送信する。
The
心電計70は、心臓から発生する電気信号を測定し、心電図を記録する装置である。よって、ウェアラブル端末50と心電計70とでは、心拍の計測方法が異なる。心電計70は、無線通信機能を備え、心電図を示す心電図データを心拍変動指標推定装置10に送信する。心拍変動指標推定装置10は、複数の心電計(70A,70B,70C…)に通信可能に接続される。心電計70(70A,70B,70C…)は、ウェアラブル端末50(50A,50B,50C…)を装着された被験者X(X1,X2,X3…)に各々装着され、ウェアラブル端末50(50A,50B,50C…)と同期して心拍を計測する。
The
心拍数時系列データと心電図データは、それぞれ、ウェアラブル端末50と心電計70から、心拍変動指標推定装置10に指定された時間、或いは、一定時間毎に、定期的に送信してもよいし、心拍変動指標推定装置10からの要求に応じてウェアラブル端末50と心電計70から送信されてもよい。心拍変動指標推定装置10が被験者や計測に用いられたウェアラブル端末50や心電計70を特定できるように、心拍時系列データと心電図データには、被験者を特定するユーザ情報や、ウェアラブル端末50に関する端末情報や、心電計70を示す心電計情報などが付されている。
The heart rate time series data and the electrocardiogram data may be transmitted from the
操作部13は、例えばキーボードやマウスであり、情報等の入力操作を受け付ける。表示部14は、例えば液晶ディスプレイであり、情報を表示する。なお、操作部13と表示部14は、例えばタッチパネル等のように、操作機能と表示機能とを兼ね備える部品で構成してもよい。
The
ROM22とNVRAM24は、不揮発性のメモリであり、各種のプログラムやデータが記憶されている。RAM23は、揮発性のメモリであり、例えば、ROM22やNVRAM24に記憶されたプログラムを実行する際にデータを一時的に記憶するのに用いられる。
NVRAM24には、第1アプリ25と第2アプリ26が組み込まれている。第1アプリ25は、ウェアラブル端末50の心拍数時系列データから心拍変動指標を推定するのに最適なモデルを構築するためのアプリケーションプログラムである。第2アプリ26は、心電図データから心拍変動指標の実値を算出するための解析アプリケーションプログラムである。本明細書では、心電図データから算出される心拍変動指標を「心拍変動指標の実値」と定義する。また、本明細書では、ウェアラブル端末が取得した心拍数時系列データから算出される心拍変動指標を「心拍変動指標の推定値」と定義する。例えば、第2アプリ26により算出される心拍変動指数は「心拍変動指標の実値」である。そして、第1アプリ25にて選定された最適モデルを用いて算出される心拍変動指数は「心拍変動指標の推定値」の一例である。
The
第1アプリ25と第2アプリ26は、予め心拍変動指標推定装置10に組み込まれていてもよいし、アプリケーションストアや心拍変動指標推定装置10の製造元のホームページなどからダウンロードすることで心拍変動指標推定装置10組み込まれてもよい。第1アプリ25は、「心拍変動指標推定プログラム」の一例である。
The
NVRAM24は、第1アプリ25に用いられるデータを記憶する第1データベース(以下「第1DB」とする)27と、第2データベース(以下「第2DB」とする)28と、第3データベース(以下「第3DB」とする)29と、を備える。
第1DB27は、ウェアラブル端末50から受信した心拍数時系列データを、当該心拍数時系列データに付されたユーザ情報や端末情報等に関連付けて記憶する。第2DB28は、心電計70から受信した心電図データを、当該心電図データに付されたユーザ情報や心電計情報等に関連付けて記憶する。第3DB29は、学習済みモデルを、ウェアラブル端末50の機種を示す機種情報に関連付けて記憶する。
The
CPU21は、ROM22やNVRAM24に記憶されたプログラムを実行することにより、各種処理を実行する。第1アプリ25も第2アプリ26も、CPU21により実行される。なお、CPU21は「コンピュータ」の一例である。コントローラ11を「コンピュータ」の一例としてもよい。
The
図2は、心拍変動指標推定装置10の機能ブロック図である。心拍変動指標推定装置10は、第1取得部101と、第2取得部102と、心拍変動指標実値算出部108と、説明変数生成部103と、説明変数組み合わせ部104と、ラーニング部105と、評価指標算出部106と、最適モデル選定部107と、を備える。
Figure 2 is a functional block diagram of the heart rate variability
第1取得部101は、複数のウェアラブル端末50毎に、ウェアラブル端末50が計測した被験者Xの心拍数を時系列で示す心拍数時系列データを第1DB27に記憶して取得する機能を有する。第2取得部102は、複数の心電計70毎に、心電計70が計測した被験者Xの心拍変動を示す心電図データを第2DB28に記憶して取得する機能を有する。
The
説明変数生成部103は、第1取得部101にて取得された心拍数時系列データを拍動間隔時系列データに変換し、拍動間隔時系列データから複数の特徴量を算出し、説明変数とする機能を有する。説明変数組み合わせ部104は、説明変数生成部103にて生成された説明変数を組み合わせる機能を有する。心拍変動指標実値算出部108は、第2取得部102にて取得した心電図データから心拍変動指標となるLFとHFの実値を算出する機能を有する。
The explanatory
ラーニング部105は、心拍変動指標となるHFとLFを目的変数とする回帰モデルを複数選定し、選定した回帰モデル毎に、説明変数組み合わせ部104にて組み合わされた説明変数の組み合わせデータに回帰モデルアルゴリズムを適用して学習する機能を有する。評価指標算出部106は、心拍変動指標実値算出部108にて算出されたHFの実値及びLFの実値とラーニング部105にて推定されたHFの推定値およびLFの推定値とを、選定した回帰モデル毎に比較して評価指標を算出する機能を有する。最適モデル選定部107は、評価指標算出部106にて算出された評価指標が最も優れていた回帰モデルと説明変数の組み合わせとからなるモデルを、最適モデルとして選定する機能を有する。
The
続いて、心拍変動指標推定装置10の動作を、図3を参照して説明する。図3は、モデル構築処理の制御手順の一例を示すフローチャートである。心拍変動指標推定装置10は、最適モデルを構築するモデル構築指示を受け付けると、CPU21が第1アプリ25を起動させ、図3に示すモデル構築処理の実行を開始する。
Next, the operation of the heart rate variability
本形態では、第1DB27と第2DB28には、それぞれ、立位調理動作時のデータ456個、仰臥位時のデータ27個、立位時のデータ25個、立位スライド視聴時のデータ162個の計670個が記憶されているものとする。これらのデータは、いずれも健常大学生のものとする。また、これらのデータは、同一機種のウェアラブル端末50(Polar社製のA370)と、同一機種の心電計70(S&ME社製のDL-5000の心電心拍センサDL-310)により計測されたものとする。
In this embodiment, the
心拍変動指標推定装置10は、通信部12を介して複数のウェアラブル端末50から、各ウェアラブル端末50が計測した心拍数の心拍数時系列データを受信し、第1DB27に記憶している。第1DB27は「第1記憶部」の一例である。また、心拍変動指標推定装置10は、通信部12を介して複数の心電計70から、各心電計70が測定した心電図データを受信して第2DB28に記憶している。心拍数時系列データを受信して第1DB27に記憶するのは「第1取得ステップ」の一例であり、心電図データを受信して第2DB28に記憶するのは「第2取得ステップ」の一例である。
The heart rate variability
まず、CPU21は、回帰モデルを複数選定する(S1)。回帰モデルには、それぞれ特徴があり、最も高精度な回帰モデルを選定するために、回帰モデルを複数選定する。例えば、CPU21は、表示部14に選択可能な回帰モデルを一覧表示させ、操作部13を介して複数の回帰モデルを操作者に選択させる。なお、各回帰モデルの目的変数は、心拍変動のLF,HFとする。
First, the
CPU21は、心拍変動指標の実値を取得する(S2)。つまり、CPU21は、第2アプリ26を用いて、第2DB28に記憶されている複数の心電図データについて、それぞれ、心電図データからLFの実値とHFの実値を算出させる。そして、CPU21は、算出されたLFの実値とHFの実値を、RAM23又はNVRAM24に記憶させる。なお、RAM23又はNVRAM24は「第2記憶部」の一例である。また、S2は、「心拍変動指標実値算出ステップ」の一例である。
The
CPU21は、ウェアラブル端末50の機種を選定する(S3)。ウェアラブル端末50は、機種によって、心拍数計測部51の計測方法等が異なり、心拍数計測精度が異なる。ウェアラブル端末50の機種による心拍数時系列データのバラツキを抑制するため、学習データの元となる心拍数を計測するウェアラブル端末50の機種を1つ選定する。本説明では、同一機種のウェアラブル端末50(Polar社製のA370)により心拍数時系列データが取得されているので、S3では、ウェアラブル端末50の機種として、Polar社製のA370が選定される。例えば、CPU21は、第1DB27に記憶されている心拍数時系列データに関連付けられた端末情報に基づいてウェアラブル端末50の機種を表示部14に一覧表示させ、操作部13を介してウェアラブル端末50の機種の選定操作を受け付けるようにしてもよい。
The
複数の回帰モデルとウェアラブル端末50の機種が選定されると、CPU21は、心拍変動指標を算出するために、第1DB27に記憶されている心拍数時系列データを、拍動間隔時系列データに変換する(S5)。例えば、CPU21は、抽出した心拍数時系列データを、下記数式1により拍動間隔時系列データに変換する。数式1において、心拍数時系列データ[hr(t)|t=1,…,n]、拍動間隔時系列データ[beat_i(t)|t=1,…,n]とする。
When multiple regression models and the model of the
なお、本説明では、S5において、第1DB27に記憶されている心拍数時系列データを全て、拍動間隔時系列データに変換するが、学習データとして使用される一部の心拍数時系列データのみを拍動間隔時系列データに変換してもよい。なお、第1DB27に複数機種のウェアラブル端末50の心拍数時系列データが記憶されている場合には、S3にて選定したウェアラブル端末50の機種に関連付けられた心拍数時系列データを抽出し、変換してもよい。
In this description, all of the heart rate time series data stored in the
CPU21は、S5にて変換された拍動間隔時系列データから、説明変数(特徴量)を算出する(S7)。S7は、「説明変数生成処理」、「説明変数生成ステップ」の一例である。下記表1は、説明変数の一例を示す。
The
表1の番号1に示す説明変数LF_wは、拍動間隔時系列データbeat_i(t)に対し、フーリエ変換で得た0.04~0.15HzのLFのパワースペクトル値である。説明変数LF_wは、交感神経と副交感神経の両方の活動を反映した指標である。 The explanatory variable LF_w shown as number 1 in Table 1 is the power spectrum value of LF from 0.04 to 0.15 Hz obtained by Fourier transform of the beat interval time series data beat_i(t). The explanatory variable LF_w is an index that reflects the activity of both the sympathetic and parasympathetic nerves.
表1の番号2に示す説明変数HF_wは、拍動間隔時系列データbeat_i(t)に対し、フーリエ変換で得た0.15~0.4HzのHFのパワースペクトル値である。説明変数HF_wは、副交感神経の活動を反映した指標である。 The explanatory variable HF_w shown in number 2 in Table 1 is the power spectrum value of HF from 0.15 to 0.4 Hz obtained by Fourier transform of the beat interval time series data beat_i(t). The explanatory variable HF_w is an index reflecting the activity of the parasympathetic nervous system.
表1の番号3に示す説明変数avgは、拍動間隔時系列データbeat_i(t)の平均値である。すなわち、説明変数avgは、時間領域心拍変動指標データのひとつであり、期間内の拍動間隔の平均値である。説明変数avgは、活動量の増減を示す。 The explanatory variable avg shown in number 3 in Table 1 is the average value of the beat interval time series data beat_i(t). In other words, the explanatory variable avg is one of the time domain heart rate variability index data, and is the average value of the beat interval within a period. The explanatory variable avg indicates an increase or decrease in the amount of activity.
表1の番号4に示す説明変数sdは、拍動間隔時系列データbeat_i(t)の標準偏差である。すなわち、説明変数sdは、時間領域心拍変動指標データのひとつであり、期間内の拍動間隔の標準偏差を示す。つまり、説明変数sdは、拍動間隔のバラツキを示し、緊張強度の指標を示す。 The explanatory variable sd shown in number 4 in Table 1 is the standard deviation of the beat interval time series data beat_i(t). In other words, the explanatory variable sd is one of the time domain heart rate variability index data, and indicates the standard deviation of the beat interval within a period. In other words, the explanatory variable sd indicates the variation in the beat interval, and is an index of the intensity of tension.
表1の番号5に示す説明変数cvは、下記数式2により求められる拍動間隔時系列データbeat_i(t)の変動係数である。すなわち、説明変数cvは、時間領域心拍変動指標データのひとつであり、期間内の拍動間隔の変動係数を示す。説明変数cvは、説明変数sdを無次元化したもので、説明変数sdと扱いは同じである。 The explanatory variable cv shown in number 5 in Table 1 is the coefficient of variation of the beat interval time series data beat_i(t) calculated by the following formula 2. In other words, the explanatory variable cv is one of the time domain heart rate variability index data, and indicates the coefficient of variation of the beat interval within a period. The explanatory variable cv is a non-dimensional version of the explanatory variable sd, and is treated in the same way as the explanatory variable sd.
表1の番号6に示す説明変数ppは、拍動間隔時系列データbeat_i(t)の最大値と最小値の差である。すなわち、説明変数ppは、期間内の拍動間隔の最大変動幅を示す。 The explanatory variable pp shown in number 6 in Table 1 is the difference between the maximum and minimum values of the beat interval time series data beat_i(t). In other words, the explanatory variable pp indicates the maximum fluctuation range of the beat interval within the period.
表1の番号7に示す説明変数rmssdは、数式1で示す、隣接拍動間隔時系列データbeat_i(t)の差の二乗平均値の平方根(下記数式3参照)である。すなわち、説明変数rmssdは、時間領域心拍変動指標データのひとつであり、迷走神経緊張強度の指標として用いられる。 The explanatory variable rmssd shown in number 7 in Table 1 is the square root of the mean square of the difference between the adjacent beat interval time series data beat_i(t) shown in Formula 1 (see Formula 3 below). In other words, the explanatory variable rmssd is one of the time domain heart rate variability index data, and is used as an index of vagal tone strength.
表1の番号8に示す説明変数dif_avgは、差分時系列beat_dif(t)の平均値である。ここで、beat_dif(t)は、拍動間隔時系列データで、次の項beat_i(t)から前の項beat_i(t-1)を引いた値である階差を示す。すなわち、説明変数dif_avgは、ベースラインとなる拍動間隔が除去された変動を表す。
The explanatory variable dif_avg shown as
表1の番号9に示す説明変数dif_minは、差分時系列beat_dif(t)の最小値である。すなわち、説明変数dif_minは、期間内のベースラインとなる拍動間隔が除去された変動の最小値を示す。 The explanatory variable dif_min shown as number 9 in Table 1 is the minimum value of the differential time series beat_dif(t). In other words, the explanatory variable dif_min indicates the minimum value of the fluctuation with the baseline beat interval within the period removed.
表1の番号10に示す説明変数dif_maxは、差分時系列beat_dif(t)の最大値である。すなわち、説明変数dif_maxは、期間内のベースラインとなる拍動間隔が除去された変動の最大値を示す。
The explanatory variable dif_max shown in
表1の番号11に示す説明変数avg_30は、拍動間隔時系列データbeat_i(t)の30秒間(t=31~60)の平均値を、拍動間隔時系列データbeat_i(t)のその前の30秒間の平均値(t=1~30)の平均値で除した値である。すなわち、説明変数avg_30は、全データを30秒間隔に区切り、最初の30秒間の拍動間隔平均値に対するそれぞれの30秒間の拍動間隔平均値の比を取ったものである。説明変数avg_30は、開始時点からの大きな変動傾向を示す。
The explanatory variable avg_30 shown in
表1の番号12に示す説明変数avg_60は、拍動間隔時系列データbeat_i(t)の30秒間(t=61~120)の平均値を、拍動間隔時系列データbeat_i(t)のその前の30秒間の平均値(t=1~60)の平均値で除した値である。すなわち、説明変数avg_60は、全データを60秒間隔に区切り、最初の60秒間の拍動間隔平均値に対するそれぞれの60秒間の拍動間隔平均値の比を取ったものである。説明変数avg_60は、開始時点からの大きな変動傾向を示す。
The explanatory variable avg_60 shown in
表1の番号13に示す説明変数avg_90は、拍動間隔時系列データbeat_i(t)の30秒間(t=91~180)の平均値を、拍動間隔時系列データbeat_i(t)のその前の30秒間の平均値(t=1~90)の平均値で除した値である。すなわち、説明変数avg_90は、全データを90秒間隔に区切り、最初の90秒間の拍動間隔平均値に対するそれぞれの90秒間の拍動間隔平均値の比を取ったものである。説明変数avg_90は、開始時点からの大きな変動傾向を示す。
The explanatory variable avg_90 shown in
図3に示すように、CPU21は、S7にて説明変数を算出したら、算出した説明変数を任意に組み合わせる(S9)。S9は、「説明変数組み合わせ処理」、「説明変数組み合わせステップ」の一例である。説明変数を組み合わせることで、推定率を低下させる虞がある説明変数を予め排除しやすくする。例えば、CPU21は、表1に記載される番号1~13に示す説明変数の組み合わせから、任意の組み合わせを複数選定する。説明変数そのままの組み合わせ数は、n個の説明変数からr個取り出すこととなり、組み合わせ総数は、nCr個となる。それらの組み合わせの中から、選定基準に沿って組み合わせを選定する。本形態では、下記表2に示すように、説明変数を組み合わせた。
As shown in FIG. 3, after calculating the explanatory variables in S7, the
表2の組み合わせ番号1に示す組み合わせは、表1の番号1に示す説明変数LF_wと番号2に示す説明変数HF_wとを組み合わせたものである。説明変数LF_wとHF_wは、ウェアラブル端末の心拍時系列データを、フーリエ変換で得た実値とする。 The combination shown in combination number 1 in Table 2 is a combination of explanatory variable LF_w shown in number 1 and explanatory variable HF_w shown in number 2 in Table 1. The explanatory variables LF_w and HF_w are actual values obtained by Fourier transforming the heart rate time series data of the wearable device.
表2の組み合わせ番号2に示す組み合わせは、表1の番号3から番号13までの説明変数を組み合わせたものである。つまり、ウェアラブル端末50の心拍時系列データから算出した心拍変動指標データを集合(集約)させる。
The combination shown in combination number 2 in Table 2 is a combination of explanatory variables number 3 to
表2の組み合わせ番号3に示す組み合わせは、上記組み合わせ番号2に示す組み合わせの中で、目的変数との相関関係の絶対値が0.5以上となる説明変数の組み合わせである。つまり、同一の被験者X(X1)について、第1DB27に記憶されている、ウェアラブル端末50(50A)の心拍時系列データから得た時間領域心拍変動指標データなどと、第2DB28に記憶されている、心電計70(70A)から得たLF及びHFとの相関係数を算出し、比較的相関の高い説明変数を集合(集約)させる。
The combination shown in combination number 3 in Table 2 is a combination of explanatory variables among the combinations shown in combination number 2 above, in which the absolute value of the correlation with the objective variable is 0.5 or more. In other words, for the same subject X (X1), the correlation coefficient is calculated between the time domain heart rate variability index data obtained from the heart rate time series data of the wearable device 50 (50A) stored in the
表2の組み合わせ番号4に示す組み合わせは、上記組み合わせ番号2に示す組み合わせの中で、目的変数との相関関係の絶対値が0.5未満となる説明変数の組み合わせである。つまり、同一の被験者X(X1)について、第1DB27に記憶されている、ウェアラブル端末50(50A)の心拍時系列データから得た時間領域心拍変動指標データなどと、第2DB28に記憶されている、心電計70(70A)から得たLF及びHFとの相関係数を算出し、比較的相関の低い説明変数を集合(集約)させる。組み合わせ番号4に示す組み合わせは、組み合わせ番号3に示す組み合わせに対する検証に使用する。
The combination shown in combination number 4 in Table 2 is a combination of explanatory variables among the combinations shown in combination number 2 above, in which the absolute value of the correlation with the objective variable is less than 0.5. In other words, for the same subject X (X1), the correlation coefficient is calculated between the time domain heart rate variability index data obtained from the heart rate time series data of the wearable device 50 (50A) stored in the
表2の組み合わせ番号5に示す組み合わせは、表1の番号3から番号13までに示す11個の説明変数を主成分分析し、固有値が1以上となった主成分である。番号3~13の11個の説明変数(特徴量)の数を減らすため主成分分析を行い、抽出された主成分に置き換えている。主成分のデータは主成分得点である。 The combination shown in combination number 5 in Table 2 is a principal component that has an eigenvalue of 1 or more when principal component analysis is performed on the 11 explanatory variables shown in numbers 3 to 13 in Table 1. Principal component analysis is performed to reduce the number of explanatory variables (features) 11 from numbers 3 to 13, and they are replaced with the extracted principal component. The data for the principal component is the principal component score.
表2の組み合わせ番号3と組み合わせ番号4について具体的に説明する。表3は、表2の組み合わせ番号3と組み合わせ番号4の説明変数の分類を示す。 We will now explain combination numbers 3 and 4 in Table 2 in detail. Table 3 shows the classification of explanatory variables for combination numbers 3 and 4 in Table 2.
表3に示す組み合わせ番号3に示すように、LFの相関関係は、表1の番号3に示す説明変数avgと、表1の番号4に示す説明変数sdと、表1の番号6に示す説明変数ppと、表1の番号7に示す説明変数rmssdと、表1の番号10に示す説明変数dif_maxと、で高くなった。一方、HFの相関関係は、表1の番号3に示す説明変数avgと、表1の番号4に示す説明変数sdと、表1の番号6に示す説明変数ppと、表1の番号7に示す説明変数rmssdと、表1の番号9に示す説明変数dif_minと、表1の番号10に示す説明変数dif_maxと、で高くなった。
As shown in combination number 3 in Table 3, the correlation of LF was high with the explanatory variable avg shown in number 3 in Table 1, the explanatory variable sd shown in number 4 in Table 1, the explanatory variable pp shown in number 6 in Table 1, the explanatory variable rmssd shown in number 7 in Table 1, and the explanatory variable dif_max shown in
一方、表3に示す組み合わせ番号4に示すように、LFの相関関係は、表1の番号5に示す説明変数cvと、表1の番号8に示す説明変数dif_avgと、表1の番号9に示す説明変数dif_minと、表1の番号11に示す説明変数avg_30と、表1の番号12に示す説明変数avg_60と、表1の番号13に示す説明変数avg_90と、で低くなった。HFの相関関係は、表1の番号5に示す説明変数cvと、表1の番号8に示す説明変数dif_avgと、表1の番号11に示す説明変数avg_30と、表1の番号12に示す説明変数avg_60と、表1の番号13に示す説明変数avg_90と、で低くなった。
On the other hand, as shown in combination number 4 in Table 3, the correlation of LF was low with explanatory variable cv shown in number 5 in Table 1, explanatory variable dif_avg shown in
よって、相関係数が0.5以上となる説明変数には、時間領域心拍変動指標データを中心に選定された。組み合わせ対象となる説明変数を、時間領域心拍変動指標データに限定することができるので、説明変数の組み合わせの総数を減らして処理負荷を低減することができる。また、組み合わせ番号3の組み合わせでは、心電図データと相関が高い説明変数を集約させることができ、推定率の向上を期待できる。 Therefore, explanatory variables with a correlation coefficient of 0.5 or more were selected mainly from time-domain heart rate variability index data. Because the explanatory variables to be combined can be limited to time-domain heart rate variability index data, the total number of explanatory variable combinations can be reduced, thereby reducing the processing load. Furthermore, with combination number 3, explanatory variables that are highly correlated with electrocardiogram data can be consolidated, which is expected to improve the estimation rate.
表2の組み合わせ番号5について具体的に説明する。表1の番号3~13に示す説明変数を主成分分析したことにより、固有値が1以上になる主成分が3つあった。それぞれの主成分に対し主成分負荷量が大きい説明変数は、表4に示す通りであった。 Here we will explain combination number 5 in Table 2 in more detail. By performing principal component analysis on the explanatory variables shown in numbers 3 to 13 in Table 1, there were three principal components with eigenvalues of 1 or more. The explanatory variables with large principal component loadings for each principal component are as shown in Table 4.
表4に示すように、第1主成分に対し主成分負荷量が大きい説明変数は、表1の番号8に示す説明変数dif_avgと、表1の番号11に示す説明変数avg_30と、表1の番号12に示す説明変数avg_60と、表1の番号13に示す説明変数avg_90と、であった。また、第2主成分に対し主成分負荷量が大きい説明変数は、表1の番号3に示す説明変数avgと、表1の番号7に示す説明変数rmssdと、表1の番号9に示す説明変数dif_minと、であった。さらに、第3主成分に対し主成分負荷量が大きい説明変数は、表1の番号4に示す説明変数sdと、表1の番号5に示す説明変数cvと、表1の番号6に示す説明変数ppと、であった。
As shown in Table 4, explanatory variables with large principal component loadings for the first principal component were the explanatory variable dif_avg shown at
表4に示す各主成分にて、主成分負荷量が大きい説明変数同士で置き換えることで、S7にて生成する説明変数の数を減らす。これにより、説明変数の組み合わせの総数を減らして処理負荷を低減することが可能になる。 For each principal component shown in Table 4, the number of explanatory variables generated in S7 is reduced by replacing explanatory variables with those with large principal component loadings. This makes it possible to reduce the total number of combinations of explanatory variables and reduce the processing load.
図3に示すように、CPU21は、S1にて選定した回帰モデル別に、S13のラーニング処理とS15の評価指標算出処理を所定回数繰り返し、心拍変動指標(LF,HF)の推定に最適な推定モデルを選定する(S11~S21)。
As shown in FIG. 3, the
すなわち、CPU21は、S1にて選定した4つの回帰モデルから、ラーニングと評価を行っていない未処理の回帰モデルを抽出する(S11)。例えば、S1にて、ガウス過程回帰、次数1次の線形重回帰、ランダムフォレスト回帰、SVM回帰の4つの回帰モデルが選定されている場合、その中の1つの回帰モデルを抽出する。
That is, the
そして、CPU21は、S11にて抽出した回帰モデルについて、ラーニング処理を実行する(S13)。S13は、「ラーニングステップ」の一例である。ラーニング処理では、S7にて算出された特徴量のうち、70%分を学習データとして使用する。なお、残り30%分は、評価データとして使用する。拍動間隔時系列データの分割方法は、データの偏りがないように、ランダムとする。
Then, the
CPU21は、S13にてラーニング処理を行った学習済みモデルついて、評価データを用いて評価指標を算出する(S15)。S15は、「評価指標算出処理」、「評価指標算出ステップ」の一例である。本形態では、下記数式4を用いて算出される決定係数を評価指標として用いた。R2は決定係数、HFバーは心電図データから得られたHFの平均値、弧HFはモデルによるHFの推定値である。
The
なお、評価指標は、決定係数に限らず、平方平均二乗誤差(RMSE)、平均絶対誤差(MAE)、等であってもよい。 The evaluation index is not limited to the coefficient of determination, but may be the root mean square error (RMSE), the mean absolute error (MAE), etc.
図3に示すように、CPU21は、S13のラーニング処理とS15の評価指標算出処理を所定回数行ったか否かを判断する(S17)。所定回数は、任意に設定可能だが、本説明では30回とする。説明変数の組み合わせを任意に変更しながらラーニング処理と評価指標算出処理を30回繰り返すことで、評価指標となる決定係数が、1つの回帰モデルにつき30個算出される。
As shown in FIG. 3, the
CPU21は、S11にて抽出した回帰モデルについて、ラーニング処理と評価指標算出処理を所定回数行ったら(S17:YES)、S1にて選定した全回帰モデルについて処理を終了したか否かを判断する(S19)。例えば、S1にて選定した回帰モデルの中の一部しか処理を終了していない場合(S19:NO)、CPU21は、S11の処理に戻り、未処理の回帰モデルを抽出する。S13以降の処理は上記と同様なので説明を省略する。
When the
CPU21は、S1にて選定した全回帰モデルについてS13のラーニング処理とS15の評価指標算出処理を所定回数行ったら(S19:YES)、最適モデルを選定する(S21)。S21は、「最適モデル選定処理」、「最適モデル選定ステップ」の一例である。
After performing the learning process of S13 and the evaluation index calculation process of S15 a predetermined number of times for all regression models selected in S1 (S19: YES), the
例えば、CPU21は、30回のラーニング処理と評価指標算出処理により得られた30個の決定係数の分散分析により統計的有意差を算出し、モデルの種類や説明変数の選択方法の比較を行うことで、モデル間の精度検証を行う。検証結果の一例を表5に示す。表5は、ガウス過程回帰、次数1次の線形重回帰、ランダムフォレスト回帰、SVM回帰の各回帰モデルにおいて、30個の決定係数の平均値が最大になった説明変数の組み合わせを、LFとHF別に表示したものである。
For example, the
表5に示すように、ガウス過程回帰は、表2に示す組み合わせ番号3の説明変数の組み合わせを用いると、LFの決定係数の平均値が最大となり、表2に示す組み合わせ番号2の決定係数の組み合わせを用いると、HFの決定係数の平均値が最大となった。次数1次の線形重回帰は、表2に示す組み合わせ番号2の説明変数の組み合わせを用いると、LFの決定係数の平均値が最大となり、表2に示す組み合わせ番号3の決定係数の組み合わせを用いると、HFの決定係数の平均値が最大となった。 As shown in Table 5, in the Gaussian process regression, when the combination of explanatory variables shown in Table 2 (combination number 3) was used, the average value of the coefficient of determination for LF was maximized, and when the combination of coefficients of determination for combination number 2 shown in Table 2 was used, the average value of the coefficient of determination for HF was maximized. In the first-order linear multiple regression, when the combination of explanatory variables shown in Table 2 (combination number 2) was used, the average value of the coefficient of determination for LF was maximized, and when the combination of coefficients of determination for combination number 3 shown in Table 2 was used, the average value of the coefficient of determination for HF was maximized.
ランダムフォレスト回帰は、表2に示す組み合わせ番号2の説明変数の組み合わせを用いると、LFの決定係数の平均値が最大となり、表2に示す組み合わせ番号3の決定係数の組み合わせを用いると、HFの決定係数の平均値が最大となった。SVM回帰は、表2に示す組み合わせ番号1の説明変数の組み合わせを用いると、LFの決定係数の平均値が最大となり、表2に示す組み合わせ番号5の決定係数の組み合わせを用いると、HFの決定係数の平均値が最大となった。 In the random forest regression, when the combination of explanatory variables shown in Table 2 (combination number 2) was used, the average value of the coefficient of determination for LF was maximized, and when the combination of coefficients of determination shown in Table 2 (combination number 3) was used, the average value of the coefficient of determination for HF was maximized. In the SVM regression, when the combination of explanatory variables shown in Table 2 (combination number 1) was used, the average value of the coefficient of determination for LF was maximized, and when the combination of coefficients of determination shown in Table 2 (combination number 5) was used, the average value of the coefficient of determination for HF was maximized.
よって、推定率が高い説明変数の組み合わせは、回帰モデル毎に異なることがわかる。つまり、複数の回帰モデル毎に、ラーニング処理と評価指標算出処理を実行することで、最も優れた推定を行う回帰モデルが選定されるようになる。 Therefore, it can be seen that the combination of explanatory variables with a high estimation rate differs for each regression model. In other words, by executing the learning process and the evaluation index calculation process for each of multiple regression models, the regression model that provides the best estimation can be selected.
図4は、表5の各回帰モデルにおいてHFが最大となった決定係数の平均値と標準偏差を示したグラフである。図5は、表5の各回帰モデルにおいてLFが最大となった決定係数の平均値と標準偏差を示したグラフである。なお、各グラフの横軸は、Gはガウス過程回帰、Mは次数1次の線形重回帰、Rはランダムフォレスト回帰、SはSVM回帰を示す。各グラフの縦軸は、S13~S15の処理を30回繰り返して算出した決定係数の平均値を示す。
Figure 4 is a graph showing the average and standard deviation of the coefficients of determination when HF was maximized in each regression model in Table 5. Figure 5 is a graph showing the average and standard deviation of the coefficients of determination when LF was maximized in each regression model in Table 5. Note that the horizontal axis of each graph shows G for Gaussian process regression, M for linear multiple regression of degree 1, R for random forest regression, and S for SVM regression. The vertical axis of each graph shows the average value of the coefficients of determination calculated by repeating the processes of S13 to
図4に示すように、LFの決定係数は、ランダムフォレスト回帰、次数1次の線形重回帰、ガウス過程回帰、SVM回帰の順に大きかった。また、図5に示すように、HFの決定係数は、ランダムフォレスト回帰、ガウス過程回帰、次数1次の線形重回帰、SVM回帰の順に大きかった。 As shown in Figure 4, the coefficient of determination for LF was largest for random forest regression, followed by first-order linear multiple regression, Gaussian process regression, and SVM regression. As shown in Figure 5, the coefficient of determination for HF was largest for random forest regression, followed by Gaussian process regression, first-order linear multiple regression, and SVM regression.
このように、HFとLFでは、回帰モデルの評価が異なっている。そのため、説明変数の組み合わせを任意に選定しながら、複数の回帰モデルについてラーニング処理と評価指標算出処理を実行することで、LFとHFの最も優れた推定を行う説明変数の組み合わせと回帰モデルを選定することができる。最適モデルが選定されることで、ウェアラブル端末50により計測される心拍数から、被験者の心理状態を検討することが可能になる。
In this way, the evaluation of the regression models differs between HF and LF. Therefore, by performing the learning process and the evaluation index calculation process for multiple regression models while arbitrarily selecting a combination of explanatory variables, it is possible to select the combination of explanatory variables and the regression model that provides the best estimation of LF and HF. By selecting the optimal model, it becomes possible to examine the psychological state of the subject from the heart rate measured by the
CPU21は、決定係数の平均値が最大となる回帰モデル(図4、図5ではランダムフォレスト回帰)と説明変数の組み合わせとからなるモデルを最適モデルに選定する。そして、CPU21は、S3にて選定したウェアラブル端末50の機種(Polar製A370)と、選定した最適モデルとを関連付け、第3DB29に保存する。これにより、CPU21は、図3に示す処理を終了する。
The
ところで、LFとHFの最適モデル構築にあたり、それぞれが異なる説明変数の組み合わせを用い、決定係数が最大となるモデルを採用してもよいが、できるだけ同じ説明変数の組み合わせを用いてモデル構築を行った方が、LFとHFの推定値を算出する複雑さや手間を回避できる。 Incidentally, when constructing optimal models for LF and HF, it is possible to use different combinations of explanatory variables and adopt the model that maximizes the coefficient of determination. However, constructing the models using the same combination of explanatory variables as much as possible can avoid the complexity and effort involved in calculating estimated values for LF and HF.
そこで、20種類[回帰モデル4つ(ガウス過程回帰、次数1次の線形重回帰、ランダムフォレスト回帰、SVM回帰)と説明変数の組み合わせ5つ(表2の組み合わせ)]のモデル構築で得た30個の決定係数に対し、回帰モデル毎に説明変数の組み合わせ5つに対し一元配置分散分析を行い、表5のランダムフォレスト回帰の説明変数の組み合わせと同質のものとして扱える説明変数の組み合わせを抽出した。その結果を表6に示す。 Therefore, for the 30 coefficients of determination obtained from constructing 20 types of models [four regression models (Gaussian process regression, first-order linear multiple regression, random forest regression, SVM regression) and five combinations of explanatory variables (combinations in Table 2)], one-way analysis of variance was performed for the five combinations of explanatory variables for each regression model, and combinations of explanatory variables that can be treated as being of the same quality as the combinations of explanatory variables in random forest regression in Table 5 were extracted. The results are shown in Table 6.
表6に示すように、決定係数が最大となったHFのランダムフォレスト回帰に用いた、表2に示す組み合わせ番号3の組み合わせに基づく決定係数と、同質として扱われた説明変数の組み合わせは、表2の組み合わせ番号2の組み合わせとなった。これより、LFとHFの推定モデルのアルゴリズムは、いずれもランダムフォレスト回帰で、説明変数の組み合わせは表2の組み合わせ番号2の組み合わせとなり、時間領域心拍変動指標データ(avg、SD、cv、rmssd)のすべてが含まれたものを採用すると、LFとHFの推定値の算出の複雑さや手間を回避できると考えられる。そこで、CPU21は、ランダムフォレスト回帰と、決定係数が最大となったときの説明変数の組み合わせ(組み合わせ番号3に示す組み合わせ)とを関連付け、最適モデルとして第3DB29に記憶する。
As shown in Table 6, the coefficient of determination based on combination number 3 in Table 2, which was used in the random forest regression for HF with the maximum coefficient of determination, and the combination of explanatory variables treated as being homogeneous, was the combination of combination number 2 in Table 2. As a result, the algorithms for the estimation models for LF and HF are both random forest regression, and the combination of explanatory variables is the combination of combination number 2 in Table 2, and it is believed that by adopting one that includes all of the time-domain heart rate variability index data (avg, SD, cv, rmssd), it is possible to avoid the complexity and effort involved in calculating the estimated values for LF and HF. Therefore, the
なお、S21の処理では、最適モデルを、S1にて選定したウェアラブル端末50の機種に関連付けて、第3DB29に記憶することが好ましい。ウェアラブル端末50の機種によって、心拍数の計測特性が異なるからである。
In addition, in the process of S21, it is preferable to store the optimal model in the
図6は、第1、第2ウェアラブル端末を用いて同時計測した際の心拍数時系列データを示すグラフである。第1ウェアラブル端末としてPolar社製のV800を用い、第2ウェアラブル端末として、Polar社製のA370を用いた。測定は、次の3条件に従って行った。第1条件は、第1ウェアラブル端末を左腕に装着する条件である。第2条件は、腕時計型の第2ウェアラブル端末を左腕に装着する条件である。第3条件は、腕時計型の第2ウェアラブル端末を右腕に装着する条件である。一般に、腕時計型心拍計は、利き腕とは反対側に装着することが推奨されている。 Figure 6 is a graph showing heart rate time series data measured simultaneously using the first and second wearable devices. A Polar V800 was used as the first wearable device, and a Polar A370 was used as the second wearable device. Measurements were performed under the following three conditions. The first condition is that the first wearable device is worn on the left arm. The second condition is that the wristwatch-type second wearable device is worn on the left arm. The third condition is that the wristwatch-type second wearable device is worn on the right arm. It is generally recommended that wristwatch-type heart rate monitors be worn on the arm opposite the dominant arm.
図6に示すように、第1~第3条件とも大きな動きは相似する。しかし、第1条件と第2条件に示すように、同じ左腕に装着した第1ウェアラブル端末と第2ウェアラブル端末は大きな動きが生じた時間帯の細かな変動はほとんど一致しておらず、機種によって誤差が生じていることがわかる。また、第2条件と第3条件に示すように、同じ機種でも、装着する腕によって誤差が生じていることがわかる。 As shown in Figure 6, the large movements are similar under conditions 1 to 3. However, as shown in conditions 1 and 2, the small fluctuations during the time periods when large movements occurred for the first and second wearable devices worn on the same left arm hardly match, indicating that errors occur depending on the model. Also, as shown in conditions 2 and 3, errors occur depending on the arm on which the device is worn, even when using the same model.
例えば、第2ウェアラブル端末と同じ機種のウェアラブル端末50により計測した心拍数に基づいて構築された最適モデルに、第1ウェアラブル端末により計測した心拍数に基づく心拍数データを入力したとする。この場合、最適モデルから算出されるHFやLF/HFは、評価指標としての信頼性が低いと考えられ、そのまま従来の指標解釈を適用するのは結果を見誤る可能性がある。
For example, assume that heart rate data based on the heart rate measured by a first wearable device is input to an optimal model constructed based on the heart rate measured by a
そこで、最適モデルは、ウェアラブル端末50を1機種選定して行う(図3のS3)。これにより、ウェアラブル端末50毎に最適モデルが構築され、ウェアラブル端末50の機種の違いによる推定誤差を抑制し、心拍変動指標を高精度に推定することが可能になる。
Therefore, the optimal model is created by selecting one model of wearable device 50 (S3 in FIG. 3). This allows an optimal model to be constructed for each
<推定モデルの適用>
上記推定モデルの選定方法に基づき、周波数領域指標HFの最適モデルをランダムフォレスト回帰アルゴリズムで導出し、他の実験においてウェアラブル端末50により収集した心拍時系列データを用いて、その最適モデルからHF推定値を算出し、既往の結果と比較した。
<Application of the estimation model>
Based on the above estimation model selection method, an optimal model for the frequency domain index HF was derived using a random forest regression algorithm, and an HF estimate was calculated from the optimal model using heart rate time series data collected by the
検証データは、健常女子高校生11名のウェアラブル端末(Polar社製A370)により取得した心拍数時系列データである。11名はガスコンロ使用時の火の管理方法をVR(Virtual Reality)教材で学んでから調理実習に臨んだ。VR教材で学んでから調理実習に臨むと、調理実習中の火の管理について慎重な行動をとるようになり、調理実習前に比べ加熱調理時は緊張するようになることが知られている(例えば、河原ゆう子、伊藤久敏、清水彩子、丸山智美:VRを活用した「火」の学び教材の学習効果、日本調理科学会大会研究発表要旨集、31(0)、p.31、2019)。 The validation data was time series heart rate data obtained by a wearable device (Polar A370) from 11 healthy female high school students. The 11 students learned how to manage fire when using a gas stove using VR (Virtual Reality) teaching materials before participating in a cooking class. It is known that students who learn using VR teaching materials before participating in a cooking class tend to be more careful about fire management during the class and become more nervous when cooking compared to before the class (e.g., Kawahara Yuko, Ito Hisatoshi, Shimizu Ayako, Maruyama Tomomi: Learning Effects of VR-Based Learning Materials on "Fire," Abstracts of Research Presentations at the Japan Society of Food Science and Technology Conference, 31(0), p.31, 2019).
HF推定値(HF_est)は、調理実習前(Pre)と加熱調理時(Heating)で切り分け、11名の平均値を算出し、調理実習前に比べ加熱調理時のHF推定値が低下したか否かを検証した。統計的な判定には、調理実習前と加熱調理時の平均値の差の検定を実施し、有意確率1%未満で判定した。HF推定値の結果を図7に示す。加熱調理時は調理実習前に比べ有意に低値となり、加熱調理時は緊張していたと解釈できる。これは、上記既往文献の論理展開を支持する結果になった。 The estimated HF values (HF_est) were separated into those before the cooking lesson (Pre) and those during heating (Heating), and the average values for the 11 participants were calculated to verify whether the estimated HF values during heating had decreased compared to before the cooking lesson. For statistical judgment, a test was conducted on the difference in the average values before and during heating, and a judgment was made with a significance probability of less than 1%. The results of the estimated HF values are shown in Figure 7. The values during heating were significantly lower than before the cooking lesson, which can be interpreted as indicating that participants were nervous when cooking. This result supports the logical development of the previous literature mentioned above.
<使用例>
例えば、上記のように算出された最適モデルは、講義等における情動判定に用いられる。例えば、最適モデルに対応するウェアラブル端末50(例えばPolar製A370)を、講義を受講する受講生に装着させる。ウェアラブル端末50は、講義中に、受講生の心拍数を計測し、例えばクラウドサーバに心拍数時系列データを送信する。クラウドサーバには、受講生の心拍数時系列データが蓄積される。クラウドサーバは、ウェアラブル端末50の機種を含む端末情報、あるいは、受講生を識別する識別情報に関連付けて心拍数を記憶する。
<Usage example>
For example, the optimal model calculated as described above is used for emotion determination in a lecture or the like. For example, a wearable device 50 (e.g., Polar A370) corresponding to the optimal model is worn by a student attending a lecture. The
受講生の心理状態を評価するために用いられるパーソナルコンピュータ(心理状態評価装置の一例、以下「PC」とする)には、ウェアラブル端末50の機種毎に選定された最適モデルが記憶されている。PCは、最適モデルに対応するウェアラブル端末50の機種を1つ選定する操作を受け付ける。また、PCは、推定する心拍変動指標(例えば、LF、HF)を選定する操作を受け付ける。PCは、選定された機種に関連付けられた心拍数時系列データをクラウドサーバからダウンロードする。そして、PCは、選定された機種に対応する最適モデルを読み出し、ダウンロードした心拍数時系列データを読み込む。最適モデルは、構築時に用いた説明変数の組み合わせを含むアルゴリズムを用いて入力された心拍数時系列データから、選定された心拍変動指標の推定値を算出し、出力する。例えば、PCは、算出されたHF、LFの推定値をディスプレイに表示したり、描画したりする。なお、PCは、最適モデルから算出されたLFの推定値とHFの推定値との比を算出し、表示あるいはプリントアウトしてもよい。
A personal computer (an example of a psychological state evaluation device, hereinafter referred to as "PC") used to evaluate the psychological state of a student stores an optimal model selected for each model of
講義を行った教授等は、出力結果に基づいて受講生の講義への関心度等を分析し、講義内容を見直すことが可能になる。 Professors who gave lectures will be able to analyze students' interest in the lecture based on the output results and revise the content of the lecture.
以上説明したように、本形態の心拍変動指標推定装置10は、ウェアラブル端末50の心拍数時系列データを拍動間隔時系列データに変換し、拍動間隔時系列データから複数の特徴量を算出して説明変数とし、その説明変数を組み合わせたデータに回帰モデルアルゴリズムを適用して学習する。そして、心電図データから算出した心拍変動指標の実値と学習済みモデルから算出した心拍変動指標の推定値とに基づいて算出される評価指標が最も優れていたモデルを、最適モデルとして選定するので、選定された最適モデルにより算出される心拍変動指標の推定値が、心電図データから算出した心拍変動指標の実値に近似する。よって、本形態の心拍変動指標推定装置10によれば、ウェアラブル端末50により計測した心拍数から心拍変動を高精度に推定できるモデルを構築することができる。これにより、ウェラブル端末の心拍数計測機能を用いて計測した心拍数を最適モデルに入力することで算出される心拍変動指標の推定値を、従来の心電図データから算出した心拍変動指標と同様に解釈して、被験者の心理状態を検討することが可能になる。
As described above, the heart rate variability
尚、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。例えば、上記形態では、心拍変動指標推定装置10が、ウェアラブル端末50と心電計70から心拍数時系列データと心電図データとを受信して第1DB27と第2DB28に記憶させることで、心拍数時系列データと心電図データとを取得した。これに対して、ウェアラブル端末50と心電計70が、それぞれ、計測した心拍を心拍変動指標推定装置10に随時送信し、心拍変動指標推定装置10側で心拍数時系列データと心電図データを生成してもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various applications are possible. For example, in the above embodiment, the heart rate variability
例えば、上記形態では、心拍数時系列データと心電図データを通信部12を介して取得した。これに対して、心拍数時系列データと心電図データは、クラウドサーバなどの外部記憶装置や、メモリカードなどの記憶媒体に記憶され、心拍変動指標推定装置が、それらから心拍数時系列データと心電図データを読み取って取得するようにしてもよい。
For example, in the above embodiment, the heart rate time series data and the electrocardiogram data are acquired via the
例えば、上記形態では、説明変数1~13を例に挙げたが、これ以外の説明変数を用いてもよい。また、上記形態では、組み合わせ番号1~5を例に挙げてモデル構築を行ったが、これ以外の方法で説明変数を組み合わせてもよい。但し、組み合わせ番号3の説明変数の組み合わせを用いることで、心電図データとの相関が高い説明変数を集約(集合)させて組み合わせを作ることができ、推定率の向上を期待できる。また、説明変数となる心拍変動指標データを時間領域拍動変動指標データに限定して、説明変数の組み合わせ総数を減らし、処理負荷を低減できる。また、組み合わせ番号5の説明変数の組み合わせを用いることで、組み合わせ対象となる説明変数の数が絞られ、説明変数の組み合わせの総数を減らして処理負荷を低減できる。 For example, in the above embodiment, explanatory variables 1 to 13 are given as examples, but explanatory variables other than these may be used. In addition, in the above embodiment, a model is constructed using combination numbers 1 to 5 as examples, but explanatory variables may be combined in other ways. However, by using the combination of explanatory variables with combination number 3, explanatory variables that are highly correlated with electrocardiogram data can be aggregated (collected) to create a combination, and an improvement in the estimation rate can be expected. Furthermore, by limiting the heart rate variability index data that serves as the explanatory variable to time domain beat variability index data, the total number of combinations of explanatory variables can be reduced, and the processing load can be reduced. Furthermore, by using the combination of explanatory variables with combination number 5, the number of explanatory variables to be combined is narrowed down, and the total number of combinations of explanatory variables can be reduced, and the processing load can be reduced.
心拍変動指標の実値と推定値は、HFおよびLFの実値と推定値でなくてもよい。例えば、pNN50(percent of difference between adjacent normal RRintervals greater than 50ms)、rMSSD (rootmean square successive difference)、SDNN(standard deviation of NN intervals),SDANN(standard deviation of the normal-normal R-R period)などを、心拍変動指標の実値と推定値にしてもよい。つまり、心拍変動指標の実値と推定値は、心理状態の検討に使用可能な指標に限らず、疾病の重症度の予測に使用可能な指標などでもよい。 The actual and estimated values of the heart rate variability index do not have to be the actual and estimated values of HF and LF. For example, the actual and estimated values of the heart rate variability index may be pNN50 (percent of difference between adjacent normal RR intervals greater than 50 ms), rMSSD (rootmean square successive difference), SDNN (standard deviation of NN intervals), SDANN (standard deviation of the normal-normal R-R period), etc. In other words, the actual and estimated values of the heart rate variability index are not limited to indices that can be used to examine psychological states, and may also be indices that can be used to predict the severity of illness.
例えば、最適モデル選定部107にて選定される最適モデルは、HFを算出する回帰モデルと、LFを算出する回帰モデルとで、説明変数の組み合わせが同じでなくてもよい。但し、説明変数の組み合わせを同じにすることで、推定値の算出の複雑さや手間を低減できる。
For example, the optimal model selected by the optimal
例えば、図3のS1の処理を省略し、複数の回帰モデルを予め指定してもよい。但し、S1にて複数の回帰モデルを選定できるようにすることで、目的に合った回帰モデルを選定しやすくなる。 For example, the process of S1 in FIG. 3 may be omitted and multiple regression models may be specified in advance. However, by allowing multiple regression models to be selected in S1, it becomes easier to select a regression model that suits the purpose.
例えば、図3のS3の処理を省略してもよい。但し、S3にてウェアラブル端末50の機種を選定することで、複数のウェアラブル端末50を用いて心拍数を計測する場合でも、ウェアラブル端末50の機種毎に特性に応じたモデルを構築することができる。
例えば、最適モデルを選定する場合に、回帰モデル毎に評価指標(例えば決定係数)の平均値を算出しなくてもよい。但し、回帰モデル毎に評価指標の平均値を求め、評価指標の平均値が最も大きいモデルを最適モデルに選定することで、心拍変動指標の推定に適したアルゴリズムを有する回帰モデルを最適モデルとして選定できるようになる。
For example, the process of S3 in Fig. 3 may be omitted. However, by selecting the model of the
For example, when selecting an optimal model, it is not necessary to calculate the average value of the evaluation index (e.g., the coefficient of determination) for each regression model. However, by calculating the average value of the evaluation index for each regression model and selecting the model with the largest average value of the evaluation index as the optimal model, it becomes possible to select a regression model having an algorithm suitable for estimating a heart rate variability index as the optimal model.
例えば、上記形態では、第2アプリ26が心拍変動指標の実値を算出したが、第1アプリ25にて心拍変動指標の実値を算出してもよい。
For example, in the above embodiment, the
例えば、上記形態に開示されているフローチャートにおいて、任意の複数のステップにおける複数の処理は、処理内容に矛盾が生じない範囲で、任意に実行順序を変更できる、または並列に実行できる。 For example, in the flowchart disclosed in the above embodiment, the execution order of multiple processes in any of the multiple steps can be changed as desired or the processes can be executed in parallel, as long as no inconsistencies occur in the process content.
また、上記形態に開示されている処理は、単一のCPU、複数のCPU、ASICなどのハードウェア、またはそれらの組み合わせで実行されてもよい。また、上記形態に開示されている処理は、その処理を実行するためのプログラムを記録した記録媒体、または方法、システム等の種々の態様で実現することができる。 The processes disclosed in the above embodiments may be executed by a single CPU, multiple CPUs, hardware such as an ASIC, or a combination of these. The processes disclosed in the above embodiments may be realized in various forms, such as a recording medium having a program for executing the processes recorded thereon, or a method or system.
10 心拍変動指標推定装置
21 CPU
27 第1DB
28 第2DB
101 第1取得部
102 第2取得部
103 説明変数算出部
104 説明変数組み合わせ部
105 ラーニング部
106 評価指標算出部
107 最適モデル選定部
108 心拍変動指標実値算出部
10 Heart rate variability
27 First DB
28 2nd DB
101
Claims (11)
前記被験者に各々装着されて前記被験者の心臓が発生する電気信号を測定する複数の心電計毎に、前記心電計が計測した前記被験者の心拍変動を示す心電図データを取得する第2取得部と、
前記第1取得部にて取得された前記心拍数時系列データを拍動間隔時系列データに変換し、前記拍動間隔時系列データから複数の特徴量を算出し、説明変数とする説明変数生成部と、
前記説明変数生成部にて生成した複数の説明変数を組み合わせる説明変数組み合わせ部と、
前記第2取得部にて取得された前記心電図データから心拍変動指標の実値を算出する心拍変動指標実値算出部と、
心拍変動指標の実値を目的変数とする回帰モデルを複数選定し、選定した回帰モデル毎に、前記説明変数組み合わせ部にて組み合わされた説明変数の組み合わせデータに回帰モデルアルゴリズムを適用して学習するラーニング部と、
心拍変動指標実値算出部にて算出された前記心拍変動指標の実値と、前記ラーニング部にて学習した学習済みモデルから算出される心拍変動指標の推定値とに基づいて、前記選定した回帰モデル毎に評価指標を算出する評価指標算出部と、
前記評価指標算出部にて算出された前記評価指標が最も優れていた回帰モデルと説明変数の組み合わせとからなるモデルを、最適モデルとして選定する最適モデル選定部と、
を有すること、
を特徴とする心拍変動指標推定装置。 a first acquisition unit that acquires, for each of a plurality of wearable devices that are attached to a part of a body of a subject and have a heart rate measurement function that measures the heart rate of the subject based on a pulse wave, heart rate time series data that indicates the heart rate of the subject measured by the wearable device in a time series;
a second acquisition unit that acquires electrocardiogram data indicating heart rate fluctuations of the subject measured by a plurality of electrocardiographs that are attached to the subject and measure electrical signals generated by the heart of the subject, for each of the plurality of electrocardiographs;
an explanatory variable generating unit that converts the heart rate time series data acquired by the first acquiring unit into beat interval time series data, calculates a plurality of feature amounts from the beat interval time series data, and sets the feature amounts as explanatory variables;
an explanatory variable combination unit that combines a plurality of explanatory variables generated by the explanatory variable generation unit;
a heart rate variability index actual value calculation unit that calculates an actual value of a heart rate variability index from the electrocardiogram data acquired by the second acquisition unit;
a learning unit that selects a plurality of regression models using the actual value of the heart rate variability index as a response variable, and applies a regression model algorithm to the combination data of the explanatory variables combined by the explanatory variable combination unit for each selected regression model to learn the regression models;
an evaluation index calculation unit that calculates an evaluation index for each of the selected regression models based on the actual value of the heart rate variability index calculated by the heart rate variability index actual value calculation unit and an estimated value of the heart rate variability index calculated from the trained model trained by the learning unit;
an optimal model selection unit that selects, as an optimal model, a model consisting of a combination of a regression model and explanatory variables that has the best evaluation index calculated by the evaluation index calculation unit;
having
A heart rate variability index estimation device comprising:
前記説明変数組み合わせ部は、前記説明変数生成部にて算出された前記複数の特徴量についてそれぞれ、当該特徴量と、前記第2取得部にて取得した前記心電図データから算出した値であって前記特徴量に対応する前記値との相関を分析し、前記複数の特徴量のうち、前記相関が高い特徴量を組み合わせること、
を特徴とする心拍変動指標推定装置。 2. The heart rate variability index estimation device according to claim 1,
the explanatory variable combination unit analyzes a correlation between each of the plurality of feature amounts calculated by the explanatory variable generation unit and a value calculated from the electrocardiogram data acquired by the second acquisition unit and corresponding to the feature amount, and combines feature amounts having a high correlation among the plurality of feature amounts;
A heart rate variability index estimation device comprising:
前記説明変数組み合わせ部は、前記説明変数生成部にて生成された説明変数のうち、時間領域拍動変動指標データを示す説明変数を組み合わせ対象とすること、
を特徴とする心拍変動指標推定装置。 3. The heart rate variability index estimation device according to claim 1,
The explanatory variable combination unit selects explanatory variables indicating time domain pulsation variation index data as combination targets among the explanatory variables generated by the explanatory variable generation unit;
A heart rate variability index estimation device comprising:
前記説明変数組み合わせ部は、前記説明変数生成部にて生成された説明変数を主成分分析し、固有値が大きい主成分に説明変数を置き換えること、
を特徴とする心拍変動指標推定装置。 2. The heart rate variability index estimation device according to claim 1,
the explanatory variable combination unit performs principal component analysis on the explanatory variables generated by the explanatory variable generation unit, and replaces the explanatory variables with principal components having large eigenvalues;
A heart rate variability index estimation device comprising:
前記心拍変動指標は、心拍変動の高周波成分と低周波成分であり、
前記最適モデル選定部にて選定される前記最適モデルは、前記高周波成分を算出する回帰モデルと、前記低周波成分を算出する回帰モデルとで、前記説明変数の組み合わせが同じであること、
を特徴とする心拍変動指標推定装置。 The heart rate variability index estimation device according to any one of claims 1 to 3,
The heart rate variability index is a high frequency component and a low frequency component of the heart rate variability,
the optimal model selected by the optimal model selection unit has the same combination of explanatory variables between a regression model for calculating the high frequency components and a regression model for calculating the low frequency components;
A heart rate variability index estimation device comprising:
前記ウェアラブル端末の機種毎に前記最適モデルを選定すること、
を特徴とする心拍変動指標推定装置。 The heart rate variability index estimation device according to any one of claims 1 to 5,
Selecting the optimum model for each model of the wearable device;
A heart rate variability index estimation device comprising:
前記心拍変動指標の推定値及び前記心拍変動指標の実値は、心理状態の検討に使用可能な指標を示すこと、
を特徴とする心拍変動指標推定装置。 The heart rate variability index estimation device according to any one of claims 1 to 6,
The estimated value of the heart rate variability index and the actual value of the heart rate variability index indicate indices that can be used to examine a psychological state;
A heart rate variability index estimation device comprising:
被験者の体の一部に装着されて脈波に基づいて前記被験者の心拍数を計測する心拍数計測機能を備える複数のウェアラブル端末毎に、前記ウェアラブル端末が計測した被験者の心拍数を時系列で示す心拍数時系列データを取得する第1取得ステップと、
前記被験者に各々装着されて前記被験者の心臓が発生する電気信号を測定する複数の心電計毎に、前記心電計が計測した前記被験者の心拍変動を示す心電図データを取得する第2取得ステップと、
前記第1取得ステップにて取得された前記心拍数時系列データを拍動間隔時系列データに変換し、前記拍動間隔時系列データから複数の特徴量を算出し、説明変数とする説明変数生成ステップと、
前記説明変数生成ステップにて生成した複数の説明変数を組み合わせる説明変数組み合わせステップと、
前記第2取得ステップにて取得された前記心電図データから心拍変動指標の実値を算出する心拍変動指標実値算出ステップと、
心拍変動指標の実値を目的変数とする回帰モデルを複数選定し、選定した回帰モデル毎に、前記説明変数組み合わせステップにて組み合わされた説明変数の組み合わせデータに回帰モデルアルゴリズムを適用して学習するラーニングステップと、
心拍変動指標実値算出ステップにて算出された前記心拍変動指標の実値と、前記ラーニングステップにて学習した学習済みモデルから算出される心拍変動指標の推定値とに基づいて、前記選定した回帰モデル毎に評価指標を算出する評価指標算出ステップと、
前記評価指標算出ステップにて算出された前記評価指標が最も優れていた回帰モデルと説明変数の組み合わせとからなるモデルを、最適モデルとして選定する最適モデル選定ステップと、
を行うこと、
を特徴とする心拍変動指標推定方法。 A method for estimating a heart rate variability index, comprising:
a first acquisition step of acquiring, for each of a plurality of wearable devices having a heart rate measurement function that is attached to a part of a body of a subject and measures the heart rate of the subject based on a pulse wave, heart rate time series data indicating the heart rate of the subject measured by the wearable device in a time series;
a second acquiring step of acquiring electrocardiogram data indicating heart rate fluctuations of the subject measured by a plurality of electrocardiographs each attached to the subject and measuring an electrical signal generated by the heart of the subject, the electrocardiographs;
an explanatory variable generating step of converting the heart rate time series data acquired in the first acquisition step into beat interval time series data, calculating a plurality of feature amounts from the beat interval time series data, and setting the feature amounts as explanatory variables;
an explanatory variable combination step of combining a plurality of explanatory variables generated in the explanatory variable generation step;
a heart rate variability index actual value calculation step of calculating an actual value of a heart rate variability index from the electrocardiogram data acquired in the second acquisition step;
a learning step of selecting a plurality of regression models using the actual value of the heart rate variability index as a response variable, and applying a regression model algorithm to the combination data of the explanatory variables combined in the explanatory variable combination step for each selected regression model to learn the regression models;
an evaluation index calculation step of calculating an evaluation index for each of the selected regression models based on the actual value of the heart rate variability index calculated in the heart rate variability index actual value calculation step and an estimated value of the heart rate variability index calculated from the trained model trained in the learning step;
an optimal model selection step of selecting, as an optimal model, a model consisting of a combination of the regression model and explanatory variables for which the evaluation index calculated in the evaluation index calculation step is the best;
To carry out the following:
A method for estimating a heart rate variability index, comprising:
前記情報処理装置は、
被験者の体の一部に装着されて脈波に基づいて前記被験者の心拍数を計測する心拍数計測機能を備える複数のウェアラブル端末毎に、前記ウェアラブル端末が計測した被験者の心拍数を時系列で示す心拍数時系列データを記憶する第1記憶部と、
前記被験者に各々装着されて前記被験者の心臓が発生する電気信号を測定する複数の心電計毎に、前記心電計が計測した前記被験者の心拍変動を示す心電図データから算出した心拍変動指標の実値を記憶する第2記憶部と、
を備えており、
前記情報処理装置のコンピュータに、
前記第1記憶部に記憶されている前記心拍数時系列データを拍動間隔時系列データに変換し、前記拍動間隔時系列データから複数の特徴量を算出し、説明変数とする説明変数生成処理と、
前記説明変数生成処理にて生成した複数の説明変数を組み合わせる説明変数組み合わせ処理と、
心拍変動指標の実値を目的変数とする回帰モデルを複数選定し、選定した回帰モデル毎に、前記説明変数組み合わせ処理にて組み合わされた説明変数の組み合わせデータに回帰モデルアルゴリズムを適用して学習するラーニング処理と、
前記第2記憶部に記憶されている前記心拍変動指標の実値と、前記ラーニング処理にて学習した学習済みモデルから算出される心拍変動指標の推定値とに基づいて、前記選定した回帰モデル毎に評価指標を算出する評価指標算出処理と、
前記評価指標算出処理にて算出された前記評価指標が最も優れていた回帰モデルと説明変数の組み合わせとからなるモデルを、最適モデルとして選定する最適モデル選定処理と、
を実行させること、
を特徴とする心拍変動指標推定プログラム。 Incorporated into information processing equipment,
The information processing device includes:
a first storage unit configured to store, for each of a plurality of wearable devices that are attached to a part of a body of a subject and have a heart rate measurement function that measures the heart rate of the subject based on a pulse wave , heart rate time series data that indicates the heart rate of the subject measured by the wearable device in a time series;
a second storage unit configured to store, for each of a plurality of electrocardiographs attached to the subject and measuring an electrical signal generated by the heart of the subject, an actual value of a heart rate variability index calculated from electrocardiogram data indicating the heart rate variability of the subject measured by the electrocardiograph;
Equipped with
A computer of the information processing device
an explanatory variable generation process of converting the heart rate time series data stored in the first storage unit into beat interval time series data, calculating a plurality of feature amounts from the beat interval time series data, and setting the feature amounts as explanatory variables;
an explanatory variable combination process for combining a plurality of explanatory variables generated in the explanatory variable generation process;
A learning process of selecting a plurality of regression models using the actual value of the heart rate variability index as a response variable, and applying a regression model algorithm to the combination data of the explanatory variables combined in the explanatory variable combination process for each selected regression model to learn the regression models;
an evaluation index calculation process for calculating an evaluation index for each of the selected regression models based on the actual value of the heart rate variability index stored in the second storage unit and an estimated value of the heart rate variability index calculated from the trained model trained in the learning process;
an optimal model selection process for selecting, as an optimal model, a model consisting of a combination of a regression model and explanatory variables for which the evaluation index calculated in the evaluation index calculation process is the best;
To carry out the
A heart rate variability index estimation program comprising:
前記コンピュータに、前記ウェアラブル端末の機種毎に、前記説明変数生成処理と、前記説明変数組み合わせ処理と、前記ラーニング処理と、前記評価指標算出処理と、前記最適モデル選定処理と、を実行させること、
を特徴とする心拍変動指標推定プログラム。 10. The heart rate variability index estimation program according to claim 9,
causing the computer to execute, for each model of the wearable device, the explanatory variable generation process, the explanatory variable combination process, the learning process, the evaluation index calculation process, and the optimal model selection process;
A heart rate variability index estimation program comprising:
前記ラーニング処理と前記評価指標算出処理を、選定した回帰モデル1つにつき、所定回数ずつ行い、
前記最適モデル選定処理では、選定した回帰モデル毎に前記評価指標の平均値を求め、前記評価指標の平均値が最も大きい回帰モデルと説明変数の組み合わせとからなるモデルを、最適モデルとして選定する、
ことを特徴とする心拍変動指標推定プログラム。 11. The heart rate variability index estimation program according to claim 9,
The learning process and the evaluation index calculation process are performed a predetermined number of times for each selected regression model;
In the optimal model selection process, an average value of the evaluation index is calculated for each selected regression model, and a model consisting of a combination of the regression model and explanatory variables having the largest average value of the evaluation index is selected as an optimal model.
A heart rate variability index estimation program comprising:
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