Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7637408B2 - Biosignal analyzer, computer program, and recording medium - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7637408B2 - Biosignal analyzer, computer program, and recording medium - Google Patents

Biosignal analyzer, computer program, and recording medium Download PDF

Info

Publication number
JP7637408B2
JP7637408B2 JP2021107109A JP2021107109A JP7637408B2 JP 7637408 B2 JP7637408 B2 JP 7637408B2 JP 2021107109 A JP2021107109 A JP 2021107109A JP 2021107109 A JP2021107109 A JP 2021107109A JP 7637408 B2 JP7637408 B2 JP 7637408B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
waveform
frequency
measurement
time
data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021107109A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022071812A (en
Inventor
悦則 藤田
由美 小倉
慎一郎 前田
重行 小島
正博 堀川
良香 延廣
成彦 金子
正生 吉栖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Delta Tooling Co Ltd
Original Assignee
Delta Tooling Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delta Tooling Co Ltd filed Critical Delta Tooling Co Ltd
Priority to PCT/JP2021/039924 priority Critical patent/WO2022092243A1/en
Priority to US18/250,827 priority patent/US20230389814A1/en
Priority to EP21886360.3A priority patent/EP4238491A4/en
Publication of JP2022071812A publication Critical patent/JP2022071812A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7637408B2 publication Critical patent/JP7637408B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)

Description

本発明は、生体状態の推定に関する技術に関し、特に、心尖拍動に関連する指標を用いた生体信号分析装置、コンピュータプログラム及び記録媒体に関する。
The present invention relates to a technique for estimating a biological state, and more particularly to a biological signal analyzer, a computer program , and a recording medium using an index related to the apex beat.

心尖拍動は、左室心尖部の運動を反映し、心臓、主として左室機能の評価に用いられる。心尖拍動は、心機図(Mechanocardiogram:MCG)法により記録される心尖拍動図(Apex cardiogram: ACG)により客観化されるのが一般であるが、心尖拍動図は、心臓と胸壁の間の種々の組織を介して胸壁の動きを捉えているため、記録巧拙の影響を受けやすい。また、心機図記録装置は比較的大型のものが多く、測定にあたっても防音室で行わなければならないなどの制約がある。 The apex beat reflects the movement of the left ventricular apex and is used to evaluate cardiac, primarily left ventricular, function. The apex beat is generally objectively measured by the apex cardiogram (ACG) recorded using the mechanocardiogram (MCG) method, but since the apex cardiogram captures the movement of the chest wall via various tissues between the heart and the chest wall, it is easily affected by recording skill. In addition, most mechanocardiogram recording devices are relatively large, and there are restrictions such as the need to perform measurements in a soundproof room.

この点に鑑み特許文献1では、体表面から心尖部近傍に向けて超音波信号を入射させる超音波発信部と、反射超音波を受信する受信センサを備えた心尖拍動図用の生体情報測定装置を開示しており、防音室等の特殊な環境でなくても容易に心尖拍動図を作成できるとしている。 In consideration of this point, Patent Document 1 discloses a bioinformation measuring device for an apexcardiogram that is equipped with an ultrasound transmitter that transmits ultrasound signals from the body surface toward the vicinity of the apex of the heart and a receiving sensor that receives reflected ultrasound, and claims that the device can easily create an apexcardiogram even in special environments such as soundproof rooms.

一方、本発明者らは、特許文献2~5等において、人の背部の体表面に生じる振動を非拘束で捉え、その振動を解析して人の状態を推定する技術を提案している。人の背部の体表面に生じる振動は、心臓と大動脈等の生体内の振動が伝播したものであり、心房及び心室の収縮期及び拡張期の情報や、循環の補助ポンプとなる血管壁の弾力情報及び反射波の情報を含んでいる。 Meanwhile, in Patent Documents 2 to 5, the present inventors have proposed a technology for capturing vibrations occurring on the surface of a person's back in an unconstrained manner and estimating the person's condition by analyzing the vibrations. The vibrations occurring on the surface of a person's back are the result of the propagation of vibrations within the body, such as the heart and aorta, and contain information on the systole and diastole of the atrium and ventricle, as well as elasticity information and reflected wave information on the blood vessel walls that act as auxiliary pumps for circulation.

特許文献2では、体表面を介して伝播する振動(生体信号)から抽出した1Hz近傍の背部体表脈波の時系列波形に所定の時間幅を適用してスライド計算を行って周波数傾きの時系列波形を求め、その変化の傾向から、例えば、振幅が増幅傾向にあるか、減衰傾向にあるかなどによって生体状態の推定を行っている。また、生体信号を周波数解析し、予め定めたULF帯域(極低周波帯域)からVLF帯域(超低周波帯域)に属する機能調整信号、疲労受容信号及び活動調整信号に相当する各周波数のパワースペクトルを求め、各パワースペクトルの時系列変化から人の状態を判定することも開示している。 In Patent Document 2, a predetermined time width is applied to the time series waveform of the back surface pulse wave near 1 Hz extracted from the vibration (biological signal) propagating through the body surface, and a sliding calculation is performed to obtain a time series waveform of the frequency gradient, and the biological condition is estimated from the tendency of the change, for example, whether the amplitude is increasing or decreasing. It also discloses that the biological signal is frequency analyzed to obtain the power spectrum of each frequency corresponding to the function adjustment signal, fatigue acceptance signal, and activity adjustment signal belonging to a predetermined ULF band (very low frequency band) to VLF band (very low frequency band), and the human condition is judged from the time series change of each power spectrum.

特許文献3~4では、恒常性維持機能レベルを判定する手段を開示している。また、特許文献5では、生体信号の音・振動情報に対応した固有振動数を含む固有振動子を備えた共鳴層を具備する音・振動情報収集機構を開示している。
また、非特許文献1には、心音が不規則振動で構成されることが示されている。非特許文献2には、上記の心尖拍動図の波形を分類して診断に利用することが開示されている。非特許文献3には、心周期のゆらぎに関する説明がある。
Patent Documents 3 and 4 disclose means for determining the homeostatic function level, while Patent Document 5 discloses a sound/vibration information collecting mechanism having a resonance layer equipped with a natural oscillator having a natural frequency corresponding to sound/vibration information of a biosignal.
In addition, Non-Patent Document 1 shows that heart sounds are composed of irregular vibrations. Non-Patent Document 2 discloses that the waveform of the above apexcardiogram is classified and used for diagnosis. Non-Patent Document 3 explains the fluctuation of the cardiac cycle.

WO2012/165660号公報WO2012/165660 publication 特開2011-167362号公報JP 2011-167362 A 特開2014-117425号公報JP 2014-117425 A 特開2014-223271号公報JP 2014-223271 A 特開2016-26516号公報JP 2016-26516 A

Nobuhiro, Y. et al. Development of Physical Condition Fluctuation Prediction Model Using Trunk Biosignals, Proceeding of Asia-Pacific Vibration Conference 2019 (2019)Nobuhiro, Y. et al. Development of Physical Condition Fluctuation Prediction Model Using Trunk Biosignals, Proceeding of Asia-Pacific Vibration Conference 2019 (2019) Yoshikawa,J.et al. Physical Examination in Cardiology, Bunkodo Shoten Co.,Ltd.,79-95 (2005)Yoshikawa, J. et al. Physical Examination in Cardiology, Bunkodo Shoten Co.,Ltd.,79-95 (2005) Kobayashi M., Musha T.: 1/f fluctuation of heart beat period. IEEE Transactions on biomedical engineering. BME, 29, 45-457 (1982)Kobayashi M., Musha T.: 1/f fluctuation of heart beat period. IEEE Transactions on biomedical engineering. BME, 29, 45-457 (1982)

特許文献1に開示のものは、192個の超音波振動子を用いた装置であり、12個を一組としてそれらを順次ずらしてスキャンして心尖拍動図を作成する。また、より高い精度の心尖拍動図を作成するために、192個の超音波振動子を一列とし、それを複数列用いた装置も開示している。特許文献1では、超音波振動子をこのように多数使用しなければ所望の心尖拍動図を得ることは難しい。よって、製品としては非常に高価なものにならざるを得ず、実用的ではない。また、鮮明な心尖拍動図を作成するためには、肋骨の位置の検出も考慮する必要があり、発信周波数も限定され、また、受信素子の位置も限られ、それらの条件を満たす装置としなければならず、その点も、構造の複雑化、製造コストの増加につながる。 The device disclosed in Patent Document 1 uses 192 ultrasonic transducers, and 12 transducers are grouped together and scanned by shifting them sequentially to create an apexcardiogram. Patent Document 1 also discloses a device that uses multiple rows of 192 ultrasonic transducers in order to create an apexcardiogram with higher accuracy. Patent Document 1 states that it is difficult to obtain a desired apexcardiogram without using such a large number of ultrasonic transducers. Therefore, the product is inevitably very expensive and not practical. In addition, in order to create a clear apexcardiogram, it is necessary to consider the detection of the rib position, the transmission frequency is limited, and the position of the receiving element is also limited, so the device must satisfy these conditions, which also leads to a complex structure and increased manufacturing costs.

また、特許文献1では、従来の心機図記録装置が複数人数で取り扱わなければならなかったのに対し、一人でも測定できるということを利点として述べている。しかし、超音波振動子をスキャンするために、医師や技師の操作が必要であり、測定に手間がかかると共に、スキャンしている間のデータしか得られない。すなわち、測定対象者の心尖拍動を長時間に亘って捉えることには適していない。 Patent Document 1 also mentions that an advantage of this device is that it can be used by just one person, whereas conventional electrocardiogram recording devices require multiple people to operate. However, the ultrasound transducer needs to be operated by a doctor or technician to scan, which makes the measurement time-consuming and only provides data for the period of scanning. In other words, this device is not suitable for capturing the apical pulsation of the subject over a long period of time.

一方、特許文献2~5に開示した体表面に生じる振動を非拘束で捉えるセンサは、三次元立体編物、三次元立体編物を取り囲むフィルム、マイクロフォン等からなり、人の体に接触させておくだけで体表面を介した生体信号を取得できる。すなわち、人の体に取り付ければ、医師等が何らの操作をしなくても生体信号データが得られる。しかし、特許文献2~5は、主に自律神経機能や心拍変動の解析を行っており、左室心尖部の運動である心尖拍動に関する解析は行われていない。 Meanwhile, the sensors disclosed in Patent Documents 2 to 5 that capture vibrations occurring on the body surface in an unconstrained manner consist of a three-dimensional knitted fabric, a film surrounding the three-dimensional knitted fabric, a microphone, etc., and can acquire biosignals via the body surface simply by placing them in contact with the human body. In other words, when attached to the human body, biosignal data can be obtained without any manipulation by a doctor or other such person. However, Patent Documents 2 to 5 mainly analyze autonomic nerve function and heart rate variability, and do not analyze apical beat, which is the movement of the left ventricular apex.

また、特許文献2~5で用いたセンサは、人の背部の体表面から伝播される20~100Hzの音響振動を受動的に捉えるのに適しており、10Hz以下の体内振動である心尖拍動を抽出するのは適していない。
また、非特許文献3の心尖拍動図を利用して診断を行うには、心尖拍動図の波形を読み取る専門的知識が必要となると共に、判定者によって判定結果に差が生じる場合もあり、判定精度や迅速性の点で改善の余地がある。従って、心尖拍動図を利用した診断はあくまで補助的に利用されているに過ぎない。さらに、心尖拍動に関連する情報として、このような心尖拍動図は、補助的ながらも診断に利用されているが、心尖拍動図以外の心尖拍動に関連する指標を用いて人の様々な健康状態(心疾患等の疾病の有無、疾病の特定、体調の良否等)を推定することは行われていない。
In addition, the sensors used in Patent Documents 2 to 5 are suitable for passively capturing acoustic vibrations of 20 to 100 Hz propagating from the surface of the human body on the back, but are not suitable for extracting apical pulsation, which is an internal vibration of 10 Hz or less.
In addition, in order to make a diagnosis using the apexcardiogram of Non-Patent Document 3, professional knowledge is required to read the waveform of the apexcardiogram, and the judgment results may differ depending on the judge, so there is room for improvement in terms of judgment accuracy and speed. Therefore, diagnosis using the apexcardiogram is only used as a supplementary tool. Furthermore, as information related to the apexcardiogram, such an apexcardiogram is used for diagnosis, albeit in a supplementary manner, but indices related to the apexcardiogram other than the apexcardiogram are not used to estimate various health conditions of a person (presence or absence of diseases such as heart disease, identification of diseases, physical condition, etc.).

本発明は上記に鑑みなされたものであり、簡易で安価に製造可能であると共に、長時間に亘る測定も可能で、生体信号検出センサにより収集される生体信号を分析して、心尖拍動に関する情報を取り出すことを可能とし、さらには、人の様々な健康状態を推定することもできる生体信号分析装置、コンピュータプログラム及び記録媒体を提供することを課題とする。 The present invention has been made in consideration of the above, and aims to provide a biosignal analysis device, computer program, and recording medium that can be easily and inexpensively manufactured, is capable of long-term measurements, analyzes biosignals collected by a biosignal detection sensor, and extracts information related to the apical pulsation of the heart, and can also estimate various health conditions of a person.

上記課題を解決するため、本発明者らは、三次元立体編物とマイクロフォン等を用いたもので、0.5~80Hzの生体信号データを取得できる生体信号検出センサを開発した。一方、生体信号検出センサは、体表面から伝播される音響振動を受動的に捉えるだけであり、捕捉される生体信号データには、様々な生体音や体内振動が含まれている。収集可能な周波数帯域を低周波帯域まで広げた結果、心尖拍動に関するデータが含まれるようになったものの、心音のデータに隠れ、心尖拍動のデータのみを抽出することが困難であるという新たな課題に直面した。そこで、本発明者らはかかる課題を解決すべく鋭意研究し、本発明を完成するに至った。 To solve the above problems, the inventors developed a biosignal detection sensor that uses a three-dimensional knitted fabric and a microphone, etc., and can acquire biosignal data of 0.5 to 80 Hz. However, biosignal detection sensors only passively capture acoustic vibrations propagating from the body surface, and the captured biosignal data includes various biosounds and internal vibrations. As a result of expanding the collectable frequency band to the low frequency band, data related to the apex beat was included, but a new problem was faced in that the data was hidden by the heart sounds, making it difficult to extract only the apex beat data. Therefore, the inventors conducted extensive research to solve this problem, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の生体信号分析装置は、
体表面を介して生体信号検出センサにより得られる生体信号データを周波数解析する周波数解析手段と、
前記周波数解析手段から得られる前記生体信号データの周波数解析結果から、前記生体信号データ中、心尖拍動により生じる振動と心音により生じる振動との境界周波数を求める境界周波数特定手段と
を有することを特徴とする。
That is, the biosignal analyzer of the present invention is
a frequency analysis means for performing frequency analysis on biosignal data obtained by a biosignal detection sensor via a body surface;
The present invention is characterized in that it has a boundary frequency identifying means for determining, from a result of frequency analysis of the biological signal data obtained from the frequency analysis means, a boundary frequency between vibrations caused by apex beat and vibrations caused by heart sounds in the biological signal data.

前記境界周波数特定手段は、
前記周波数解析結果中、調和振動と不規則振動との境界となるパワースペクトルの急変部を求め、この急変部を基準に前記境界周波数を特定する手段を含むことが好ましい。
前記境界周波数特定手段は、
前記周波数解析結果に、同時に測定した心音データの周波数解析結果を加味して、前記パワースペクトルの急変部を求める手段を含むことが好ましい。
The boundary frequency identification means
It is preferable that the frequency analysis method further comprises means for determining a sudden change portion of a power spectrum that is a boundary between harmonic vibration and irregular vibration in the frequency analysis result, and for specifying the boundary frequency based on the sudden change portion.
The boundary frequency identification means
It is preferable to include a means for determining a sudden change part of the power spectrum by adding a result of frequency analysis of heart sound data measured at the same time to the result of the frequency analysis.

前記境界周波数特定手段は、
前記生体信号データ及び前記心音データの各周波数解析結果をそれぞれ加算平均処理した波形を対数差分法を用いて両対数軸表示する両対数軸表示手段と、両対数軸表示した波形からゆらぎの変化点を求め、このゆらぎの変化点を前記パワースペクトルの急変部として特定する急変部を特定する手段と
を有することが好ましい。
The boundary frequency identification means
It is preferable to have a double logarithmic axis display means for displaying on a double logarithmic axis, using a logarithmic difference method, waveforms obtained by averaging the results of frequency analysis of the biological signal data and the heart sound data, and a sudden change part identification means for determining a fluctuation change point from the waveform displayed on the double logarithmic axis and identifying this fluctuation change point as a sudden change part of the power spectrum.

前記周波数解析手段として、短時間フーリエ変換が適用され、
前記境界周波数特定手段は、前記短時間フーリエ変換の解析結果から前記パワースペクトルの急変部を求める手段を含むことが好ましい。
前記周波数解析手段は、前記短時間フーリエ変換の解析結果を、時間、周波数及びパワースペクトルの変動の程度を示す画像データに出力する手段を含み、
前記境界周波数特定手段は、前記画像データから、前記パワースペクトルの急変部を求める手段を含むことが好ましい。
A short-time Fourier transform is applied as the frequency analysis means,
The boundary frequency identifying means preferably includes means for determining abrupt change portions of the power spectrum from the analysis results of the short-time Fourier transform.
the frequency analysis means includes means for outputting an analysis result of the short-time Fourier transform into image data indicating the degree of fluctuation in time, frequency, and power spectrum;
The boundary frequency identifying means preferably includes means for determining an abrupt change portion of the power spectrum from the image data.

前記境界周波数に関連する相関データが記憶された相関データ記憶部と、
前記相関データに照合して、測定対象者の測定時の健康状態を推定する測定時状態推定手段と
をさらに有することが好ましい。
a correlation data storage unit in which correlation data relating to the boundary frequency is stored;
It is preferable that the apparatus further comprises a measurement time condition estimating means for estimating the health condition of the subject at the time of measurement by comparing with the correlation data.

前記相関データが、前記境界周波数と心拍数との相関データであり、
前記測定時状態推定手段は、測定対象者の測定時の心拍数を、前記境界周波数と心拍数との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の前記境界周波数を推定する手段を含むことが好ましい。
前記相関データが、前記境界周波数と心拍変動のゆらぎ特性との相関データであり、
前記測定時状態推定手段は、前記測定対象者の測定時の前記境界周波数を、前記境界周波数と心拍変動のゆらぎ特性との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の心拍変動のゆらぎ特性を推定する手段を含むことが好ましい。
the correlation data is correlation data between the boundary frequency and a heart rate,
It is preferable that the measurement-time state estimation means includes means for estimating the boundary frequency of the subject at the time of measurement by comparing the subject's heart rate at the time of measurement with correlation data between the boundary frequency and the heart rate.
the correlation data is correlation data between the boundary frequency and a fluctuation characteristic of heart rate variability,
It is preferable that the measurement-time state estimation means includes means for estimating the fluctuation characteristics of the heart rate fluctuation of the subject at the time of measurement by comparing the boundary frequency at the time of measurement of the subject with correlation data between the boundary frequency and the fluctuation characteristics of the heart rate fluctuation.

さらに、前記生体信号データを、前記境界周波数特定手段により特定される前記境界周波数を上限値に設定してフィルタリングし、前記心尖拍動により生じる振動の波形を求める心尖拍動波形抽出手段と、
前記心尖拍動により生じる振動の波形を分類する波形分類手段と
を有すると共に、
前記測定時状態推定手段は、前記心尖拍動波形抽出手段により求められる、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形を、前記波形分類手段により分類し、当該測定時の波形分類結果のデータをもとに、前記測定対象者の測定時の健康状態を推定する手段を含むことが好ましい。
an apex pulsation waveform extraction means for filtering the biological signal data by setting the boundary frequency identified by the boundary frequency identification means as an upper limit value, and obtaining a waveform of vibration caused by the apex pulsation;
A waveform classification means for classifying the waveform of the vibration generated by the apex beat of the heart,
It is preferable that the measurement-time condition estimation means includes means for classifying, by the waveform classification means, the waveform of vibration generated by the apex beat of the subject at the time of measurement, which is obtained by the apex beat waveform extraction means, and estimating the health condition of the subject at the time of measurement based on data of the waveform classification result at the time of measurement.

前記相関データ記憶部には、前記波形分類結果と健康状態との相関データが予め記憶されており、
前記測定時状態推定手段は、前記心尖拍動波形抽出手段により求められる、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形を、前記波形分類手段により分類し、当該測定時の波形分類結果を、予め記憶された前記波形分類結果と健康状態との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の健康状態を推定する手段を含むことが好ましい。
The correlation data storage unit stores correlation data between the waveform classification result and a health condition in advance,
It is preferable that the measurement-time condition estimation means includes means for classifying, by the waveform classification means, the waveform of vibration generated by the apex beat of the subject at the time of measurement, which is obtained by the apex beat waveform extraction means, and for estimating the health condition of the subject at the time of measurement by comparing the waveform classification result at the time of measurement with pre-stored correlation data between the waveform classification result and health condition.

前記心尖拍動波形抽出手段により出力され、前記波形分類手段における分類対象となる波形情報と前記健康状態とを教師データとして用い、前記波形情報から前記健康状態を推定する推定モデルを機械学習により生成するモデル作成手段を有し、
前記測定時状態推定手段は、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形情報を入力として、前記モデル作成手段により作成された推定モデルを用い、取得した測定時の波形情報から、測定時の前記健康状態の値を出力する手段を含むことが好ましい。
a model creation means for generating an estimation model by machine learning to estimate the health condition from the waveform information by using the waveform information output by the apex beat waveform extraction means and the health condition as teacher data,
It is preferable that the measurement condition estimation means includes means for inputting waveform information of vibrations generated by the apex beat of the subject at the time of measurement, using an estimation model created by the model creation means, and outputting a value of the health condition at the time of measurement from the acquired waveform information at the time of measurement.

前記波形分類手段は、次の(A)及び(B)の手段:
(A)フーリエ級数展開を用いた数学的アプローチにより前記波形を分類する手段、
(B)次の(1)~(4)の工学的アプローチにより得られるデータを1又は2以上組み合わせて前記波形を分類する手段、
(1)前記心尖拍動により生じる振動の波形の所定時間範囲における時間波形の形状を示すデータ、
(2)前記時間波形の前記周波数解析手段により得られる周波数とパワースペクトルを横軸と縦軸にとったグラフのデータ、及び、
(3)前記時間波形の前記短時間フーリエ変換の解析結果である時間、周波数及びパワースペクトルの変動の程度を示す所定時間範囲における画像データ、
(4)コレログラムにより抽出される波形の種類と周期に関する所定時間範囲におけるデータ、
を用い、
健常者の前記心尖拍動により生じる振動の波形を5つに分類し、
前記測定対象者の測定時の前記健康状態を、前記5つに分類された波形分類結果のいずれかに対応するか否かにより、健康状態か否かを推定することが好ましい。
The waveform classification means includes the following means (A) and (B):
(A) a means for classifying the waveform by a mathematical approach using a Fourier series expansion;
(B) A means for classifying the waveform by combining one or more pieces of data obtained by the following engineering approaches (1) to (4):
(1) data indicating a shape of a time waveform of a waveform of vibration caused by the apex beat in a predetermined time range;
(2) data of a graph in which the frequency and power spectrum obtained by the frequency analysis means of the time waveform are plotted on the horizontal and vertical axes, and
(3) image data in a predetermined time range showing the degree of fluctuation in time, frequency, and power spectrum, which are the analysis results of the short-time Fourier transform of the time waveform;
(4) Data for a predetermined time range regarding the type and period of a waveform extracted by a correlogram;
Using
The waveform of the vibration generated by the apex pulsation of a healthy person is classified into five types;
It is preferable to estimate whether the subject's health condition at the time of measurement corresponds to any of the five waveform classification results.

前記生体信号検出センサは、
三次元立体編物と、
前記三次元立体編物の周囲を密閉的に被覆する収容フィルムと、
前記収容フィルムの外側に配設されるマイクロフォンと
前記マイクロフォンをカバーするケースと、前記ケース内で前記マイクロフォンへの外乱の混入抑制機能を果たす外乱混入抑制部材と
を有して構成されることが好ましい。
前記外乱混入抑制部材がゲルであることが好ましい。
The biological signal detection sensor includes:
Three-dimensional knitting and
A containing film that hermetically covers the periphery of the three-dimensional knitted fabric;
It is preferable that the microphone is provided on the outside of the container film, and the case covers the microphone. The case includes a disturbance intrusion suppression member that suppresses disturbances from entering the microphone.
The disturbance-mixing suppression member is preferably a gel.

また、本発明は、体表面を介して生体信号検出センサにより得られる生体信号データを処理し、コンピュータを、生体信号分析装置として機能させるコンピュータプログラムであって、
前記生体信号データを周波数解析する手順と、
その周波数解析結果から、前記生体信号データ中、心尖拍動により生じる振動と心音により生じる振動との境界周波数を特定する手順と
を前記コンピュータに実行させるコンピュータプログラムを提供する。
The present invention also provides a computer program for processing biosignal data obtained by a biosignal detection sensor via a body surface and causing a computer to function as a biosignal analysis device, comprising:
A step of subjecting the biological signal data to frequency analysis;
The present invention provides a computer program that causes the computer to execute a procedure for identifying, from the frequency analysis results, a boundary frequency in the biosignal data between vibrations caused by apex beats and vibrations caused by heart sounds.

前記境界周波数を特定する手順では、
前記周波数解析結果中、調和振動と不規則振動との境界となるパワースペクトルの急変部を求め、この急変部を基準に前記境界周波数を特定することが好ましい。
前記境界周波数を特定する手順では、
前記周波数解析結果に、同時に測定した心音データの周波数解析結果を加味して、前記パワースペクトルの急変部を求めることが好ましい。
In the step of identifying the boundary frequency,
It is preferable to find a sudden change portion of the power spectrum that is a boundary between harmonic vibration and irregular vibration in the frequency analysis result, and to specify the boundary frequency based on this sudden change portion.
In the step of identifying the boundary frequency,
It is preferable to determine the sudden change part of the power spectrum by adding the result of frequency analysis of the heart sound data measured at the same time to the result of the frequency analysis.

前記境界周波数を特定する手順では、
前記生体信号データ及び前記心音データの各周波数解析結果をそれぞれ加算平均処理した波形を対数差分法を用いて両対数軸表示し、両対数軸表示した波形からゆらぎの変化点を求め、このゆらぎの変化点を前記パワースペクトルの急変部として特定することが好ましい。
In the step of identifying the boundary frequency,
It is preferable to display waveforms obtained by averaging the results of frequency analysis of the biosignal data and the heart sound data on a double logarithmic axis using a logarithmic difference method, to obtain a fluctuation change point from the waveform displayed on the double logarithmic axis, and to identify this fluctuation change point as a sudden change part in the power spectrum.

前記周波数解析する手順では、短時間フーリエ変換が適用され、
前記境界周波数を特定する手順では、前記短時間フーリエ変換の解析結果から前記パワースペクトルの急変部を求めることが好ましい。
前記周波数解析する手順では、前記短時間フーリエ変換の解析結果を、時間、周波数及びパワースペクトルの変動の程度を示す画像データに出力し、
前記境界周波数を特定する手順では、前記画像データから、前記パワースペクトルの急変部を求めることが好ましい。
相関データ記憶部に記憶された前記境界周波数に関連する相関データに照合して、測定対象者の測定時の健康状態を推定する手順を実行することが好ましい。
In the step of performing the frequency analysis, a short-time Fourier transform is applied,
In the step of identifying the boundary frequency, it is preferable to determine a sudden change portion of the power spectrum from the analysis result of the short-time Fourier transform.
In the step of performing the frequency analysis, the analysis result of the short-time Fourier transform is outputted as image data indicating the degree of fluctuation in time, frequency and power spectrum;
In the step of identifying the boundary frequency, it is preferable to find a sudden change portion of the power spectrum from the image data.
It is preferable to execute a procedure of estimating the health condition of the subject at the time of measurement by comparing the result with correlation data related to the boundary frequency stored in a correlation data storage unit.

前記相関データが、前記境界周波数と心拍数との相関データであり、
前記測定時の状態を推定する手順では、測定対象者の測定時の心拍数を、前記境界周波数と心拍数との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の前記境界周波数を推定することが好ましい。
前記相関データが、前記境界周波数と心拍変動のゆらぎ特性との相関データであり、
前記測定時の状態を推定する手順では、前記測定対象者の測定時の前記境界周波数を、前記境界周波数と心拍変動のゆらぎ特性との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の心拍変動のゆらぎ特性を推定することが好ましい。
the correlation data is correlation data between the boundary frequency and a heart rate,
In the step of estimating the state at the time of measurement, it is preferable to compare the heart rate of the subject at the time of measurement with correlation data between the boundary frequency and the heart rate to estimate the boundary frequency of the subject at the time of measurement.
the correlation data is correlation data between the boundary frequency and a fluctuation characteristic of heart rate variability,
In the step of estimating the state during measurement, it is preferable to compare the boundary frequency during measurement of the subject with correlation data between the boundary frequency and the fluctuation characteristics of heart rate fluctuations to estimate the fluctuation characteristics of the heart rate fluctuations of the subject during measurement.

さらに、前記生体信号データを、前記境界周波数特定手段により特定される前記境界周波数を上限値に設定してフィルタリングし、前記心尖拍動により生じる振動の波形を求める手順と、
前記心尖拍動により生じる振動の波形を分類する手順と
をコンピュータに実行させ、
前記測定時の状態を推定する手順では、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形を、前記波形を分類する手順の実行により分類し、その波形分類結果をもとに、前記測定対象者の測定時の健康状態を推定することが好ましい。
前記相関データ記憶部には、前記波形分類結果と健康状態との相関データが記憶されており、
前記測定時の状態を推定する手順では、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形を、前記心尖拍動により生じる振動の波形を分類する手順の実行により分類し、その測定時の波形分類結果を、前記波形分類結果と健康状態との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の健康状態を推定することが好ましい。
Further, a step of filtering the biological signal data by setting the boundary frequency identified by the boundary frequency identification means as an upper limit value, and obtaining a waveform of vibration caused by the apex beat;
and classifying the waveform of the vibration caused by the apex beat of the heart.
In the procedure for estimating the condition at the time of measurement, it is preferable that the waveform of the vibration generated by the apex beat of the subject at the time of measurement is classified by executing a procedure for classifying the waveform, and the health condition of the subject at the time of measurement is estimated based on the waveform classification result.
the correlation data storage unit stores correlation data between the waveform classification result and a health condition,
In the step of estimating the condition at the time of measurement, it is preferable to classify the waveform of the vibration caused by the apex beat of the subject at the time of measurement by executing a step of classifying the waveform of the vibration caused by the apex beat of the subject, and to compare the waveform classification result at the time of measurement with correlation data between the waveform classification result and health condition to estimate the health condition of the subject at the time of measurement.

前記心尖拍動波形を抽出する手順の実行により出力され、前記波形を分類する手順における分類対象となる波形情報と前記健康状態とを教師データとして用い、前記波形情報から前記健康状態を推定する推定モデルを機械学習により生成し、
前記測定時の状態を推定する手順が、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形情報を入力として、前記推定モデルを用い、取得した測定時の波形情報から、測定時の前記健康状態の値を出力することが好ましい。
generating an estimation model by machine learning that estimates the health condition from the waveform information, using waveform information that is output by executing the procedure of extracting the apex beat waveform and is to be classified in the procedure of classifying the waveform and the health condition as teacher data;
It is preferable that the procedure for estimating the condition at the time of measurement uses waveform information of the vibration generated by the apex beat of the subject at the time of measurement as input, and uses the estimation model to output a value of the health condition at the time of measurement from the acquired waveform information at the time of measurement.

前記波形を分類する手順は、次の(A)及び(B)の手順:
(A)フーリエ級数展開を用いた数学的アプローチにより前記波形を分類する手順、
(B)次の(1)~(4)の工学的アプローチにより得られるデータを1又は2以上組み合わせて前記波形を分類する手順、
(1)前記心尖拍動により生じる振動の波形の所定時間範囲における時間波形の形状を示すデータ、
(2)前記時間波形の前記周波数解析手段により得られる周波数とパワースペクトルを横軸と縦軸にとったグラフのデータ、及び、
(3)前記時間波形の前記短時間フーリエ変換の解析結果である時間、周波数及びパワースペクトルの変動の程度を示す所定時間範囲における画像データ、
(4)コレログラムにより抽出される波形の種類と周期に関する所定時間範囲におけるデータ、
を用い、
健常者の前記心尖拍動により生じる振動の波形を5つに分類し、
前記測定対象者の測定時の前記健康状態を、前記5つに分類された波形分類結果のいずれかに対応するか否かにより、健康状態か否かを推定することが好ましい。
The procedure for classifying the waveform includes the following procedures (A) and (B):
(A) classifying the waveform using a mathematical approach using Fourier series expansion;
(B) classifying the waveform by combining one or more pieces of data obtained by the following engineering approaches (1) to (4):
(1) data indicating a shape of a time waveform of a waveform of vibration caused by the apex beat in a predetermined time range;
(2) data of a graph in which the frequency and power spectrum obtained by the frequency analysis means of the time waveform are plotted on the horizontal and vertical axes, and
(3) image data in a predetermined time range showing the degree of fluctuation in time, frequency, and power spectrum, which are the analysis results of the short-time Fourier transform of the time waveform;
(4) Data for a predetermined time range regarding the type and period of a waveform extracted by a correlogram;
Using
The waveform of the vibration generated by the apex pulsation of a healthy person is classified into five types;
It is preferable to estimate whether the subject's health condition at the time of measurement corresponds to any of the five waveform classification results.

また、本発明は、上記のコンピュータプログラムが記録された記録媒体を提供する。 The present invention also provides a recording medium on which the above computer program is recorded.

本発明によれば、心尖拍動と心音との境界周波数を求めることができる。この心尖拍動に関連する新たな指標である境界周波数は、心拍変動のゆらぎ特性と相関があり、境界周波数を用いた健康状態(心疾患等の疾病の有無、疾病の特定、体調の良否等)の推定を行うことができる。また、本発明によれば、この境界周波数が心拍数との関数で表すことができるため、それに基づく相関データを利用して、境界周波数をリアルタイムで知ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain the boundary frequency between the apex beat and heart sounds. This boundary frequency, which is a new index related to the apex beat, correlates with the fluctuation characteristics of heart rate variability, and it is possible to estimate health conditions (presence or absence of diseases such as heart disease, identification of diseases, physical condition, etc.) using the boundary frequency. Furthermore, according to the present invention, this boundary frequency can be expressed as a function with the heart rate, so that correlation data based on this can be used to know the boundary frequency in real time.

また、本発明では、上記の境界周波数を用いることで求められる心尖拍動により生じる振動の波形を分類し、各波形と人の健康状態(心疾患等の疾病の有無、疾病の特定、体調の良否等)を関連づけることで、健康状態の推定を行うことができる。それにより、医師等の専門家が行っていた心尖拍動図の波形の評価を自動的に行わせることができる。特に、心尖拍動の波形情報と健康状態とを教師データとして用い、波形情報から健康状態を推定する推定モデルを機械学習により生成する構成とすることで、健康状態の推定精度を向上させることができる。 In addition, in the present invention, the waveform of the vibration generated by the apical pulsation obtained by using the above-mentioned boundary frequency is classified, and each waveform is associated with the person's health condition (presence or absence of diseases such as heart disease, identification of diseases, physical condition, etc.), thereby making it possible to estimate the health condition. This makes it possible to automatically perform evaluation of the apical cardiogram waveform, which was previously performed by a specialist such as a doctor. In particular, by using the waveform information of the apical pulsation and the health condition as training data and configuring an estimation model that estimates the health condition from the waveform information to be generated by machine learning, the accuracy of estimating the health condition can be improved.

図1(a)は、本発明の第1の実施形態にかかる生体信号検出センサ(4SR)の示した外観斜視図であり、図1(b)は、エアパックとゲルパックとを分離して示した外観斜視図であり、図1(c)は、断面図である。FIG. 1(a) is an external perspective view of a biosignal detection sensor (4SR) according to a first embodiment of the present invention, FIG. 1(b) is an external perspective view showing an air pack and a gel pack separated, and FIG. 1(c) is a cross-sectional view. 図2は、本発明の第1の実施形態にかかる生体信号検出センサ(4SR)の構造を、従来の生体信号検出センサ(3SR)との比較で示した図である。FIG. 2 is a diagram showing the structure of the biosignal detection sensor (4SR) according to the first embodiment of the present invention in comparison with a conventional biosignal detection sensor (3SR). 図3(a)は、スピーカーから出力され、実施形態の生体信号検出センサ(4SR)と従来の生体信号検出センサ(3SR)に入力される心音図(Phonocardiogram:PCG)の機械的複製音(PCG複製入力)と、三次元立体編物が伝達する音響振動データを示す図であり、図3(b)は、PCG複製入力の共鳴波形と変調されたPCG複製入力を構成する周波数成分を示す図であり、図3(c)は、実施形態の生体信号検出センサ(4SR)と従来の生体信号検出センサ(3SR)のばね特性及び減衰特性を示したリサージュ図形であり、図3(d)はボード線図を示し、図3(e)は実施形態の生体信号検出センサ(4SR)における三次元立体編物が収容フィルム内に密封収容された構造(sealed air pack)のばね定数を示した図である。Figure 3(a) is a diagram showing the mechanical replica sound (PCG replica input) of a phonocardiogram (PCG) output from a speaker and input to the embodiment of the biosignal detection sensor (4SR) and the conventional biosignal detection sensor (3SR), and the acoustic vibration data transmitted by the three-dimensional knitted fabric; Figure 3(b) is a diagram showing the resonant waveform of the PCG replica input and the frequency components constituting the modulated PCG replica input; Figure 3(c) is a Lissajous figure showing the spring characteristics and damping characteristics of the embodiment of the biosignal detection sensor (4SR) and the conventional biosignal detection sensor (3SR); Figure 3(d) is a Bode plot; and Figure 3(e) is a diagram showing the spring constant of a structure (sealed air pack) in which the three-dimensional knitted fabric in the embodiment of the biosignal detection sensor (4SR) is sealed within a containing film. 図4は、PCGの波形を入力したときの増幅効果を示した図であり、(a)は、実施形態の生体信号検出センサ(4SR)と従来の生体信号検出センサ(3SR)の出力波形を、(b)は、それぞれの周波数解析結果を、(c)は、4SR/3SRのゲインを示す。Figure 4 shows the amplification effect when a PCG waveform is input, where (a) shows the output waveforms of the embodiment's biosignal detection sensor (4SR) and a conventional biosignal detection sensor (3SR), (b) shows the frequency analysis results for each, and (c) shows the gain of 4SR/3SR. 図5は、APW(Acoustic Pulse Wave)の増幅効果を示した図であり、(a)は、実施形態の生体信号検出センサ(4SR)と従来の生体信号検出センサ(3SR)の出力波形を、(b)は、それぞれの周波数解析結果を、(c)は、4SR/3SRのゲインを示す。Figure 5 shows the amplification effect of APW (Acoustic Pulse Wave), where (a) shows the output waveforms of the embodiment's biosignal detection sensor (4SR) and a conventional biosignal detection sensor (3SR), (b) shows the frequency analysis results for each, and (c) shows the gain of 4SR/3SR. 図6は、第1の実施形態の生体信号検出センサ(4SR)と、ゲルパックを除いたエアパックのみの構造体との比較実験を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a comparative experiment between the biosignal detection sensor (4SR) of the first embodiment and a structure including only an air pack without a gel pack. 図7(a)~(c)は、4SRの実験結果を示し、図7(d)~(f)は、エアパック1Aのみの構造体(4SR without gel pack)の実験結果を示す。図7(g)は、(d)の拡大図、図7(h)は、(e)の拡大図である。図7(i)は、ボード線図を示し、図7(j)は、4SRとエアパック1Aのみの構造体の荷重-たわみ特性を示し、図7(k)は、両者の振幅比(4SR/4SR without gel pack)を示した図である。Figures 7(a)-(c) show the experimental results for 4SR, and Figures 7(d)-(f) show the experimental results for a structure with only air pack 1A (4SR without gel pack). Figure 7(g) is an enlarged view of (d), and Figure 7(h) is an enlarged view of (e). Figure 7(i) shows a Bode plot, Figure 7(j) shows the load-deflection characteristics of 4SR and a structure with only air pack 1A, and Figure 7(k) shows the amplitude ratio between the two (4SR/4SR without gel pack). 図8(a)~(d)は、平均心拍数58/minの被験者のF-APW、R-APW、L-APWとPCGの3秒間の時系列波形計測結果を示した図である。8(a) to (d) show the results of 3-second time-series waveform measurements of F-APW, R-APW, L-APW and PCG of a subject with an average heart rate of 58/min. 図9(a)~(d)は、平均心拍数71/minの被験者のF-APW、R-APW、L-APWとPCGの3秒間の時系列波形計測結果を示した図である。9(a) to (d) show the results of 3-second time-series waveform measurements of F-APW, R-APW, L-APW and PCG of a subject with an average heart rate of 71/min. 図10(a)~(d)は、平均心拍数79/minの被験者のF-APW、R-APW、L-APWとPCGの3秒間の時系列波形計測結果を示した図である。10(a) to (d) show the results of 3-second time-series waveform measurements of F-APW, R-APW, L-APW and PCG of a subject with an average heart rate of 79/min. 図11(a)~(d)は、平均心拍数93/minの被験者のF-APW、R-APW、L-APWとPCGの3秒間の時系列波形計測結果を示した図である。11(a) to (d) show the results of 3-second time-series waveform measurements of F-APW, R-APW, L-APW and PCG of a subject with an average heart rate of 93/min. 図12は、本発明の第1の実施形態に係る生体信号分析装置の構造を模式的に示した図である。FIG. 12 is a diagram showing a schematic structure of the biosignal analyzer according to the first embodiment of the present invention. 図13は、境界周波数を抽出する工程を説明するためのフローチャートである。FIG. 13 is a flowchart for explaining the process of extracting the boundary frequency. 図14(a)~(d)は、平均心拍数58/min、71/min、79/min、93/minの各被験者のCAB(Cardiac Apex Beat)及びCAS(Cardiac Acoustic Sound)の周波数解析結果を示した図である。14(a) to (d) show the frequency analysis results of CAB (Cardiac Apex Beat) and CAS (Cardiac Acoustic Sound) for subjects with average heart rates of 58/min, 71/min, 79/min, and 93/min. 図15は、平均心拍数58/minの被験者から得られたFront CAB(0.5-BF)、Front CAB(5-BF)、Rear CAB(0.5-BF)、Lumbar CAB(0.5-BF)、PCG、Front CAS(BF-50)、Rear CAS(BF-50)、及びLumbar CAS(BF-50)の各処理波形を示した図である。FIG. 15 shows the processed waveforms of Front CAB(0.5-BF), Front CAB(5-BF), Rear CAB(0.5-BF), Lumbar CAB(0.5-BF), PCG, Front CAS(BF-50), Rear CAS(BF-50), and Lumbar CAS(BF-50) obtained from a subject with an average heart rate of 58/min. 図16は、平均心拍数71/minの被験者から得られたFront CAB(0.5-BF)、Front CAB(5-BF)、Rear CAB(0.5-BF)、Lumbar CAB(0.5-BF)、PCG、Front CAS(BF-50)、Rear CAS(BF-50)、及びLumbar CAS(BF-50)の各処理波形を示した図である。FIG. 16 shows the processed waveforms of Front CAB(0.5-BF), Front CAB(5-BF), Rear CAB(0.5-BF), Lumbar CAB(0.5-BF), PCG, Front CAS(BF-50), Rear CAS(BF-50), and Lumbar CAS(BF-50) obtained from a subject with an average heart rate of 71/min. 図17は、平均心拍数79/minの被験者から得られたFront CAB(0.5-BF)、Front CAB(5-BF)、Rear CAB(0.5-BF)、Lumbar CAB(0.5-BF)、PCG、Front CAS(BF-50)、Rear CAS(BF-50)、及びLumbar CAS(BF-50)の各処理波形を示した図である。FIG. 17 shows the processed waveforms of Front CAB(0.5-BF), Front CAB(5-BF), Rear CAB(0.5-BF), Lumbar CAB(0.5-BF), PCG, Front CAS(BF-50), Rear CAS(BF-50), and Lumbar CAS(BF-50) obtained from a subject with an average heart rate of 79/min. 図18は、平均心拍数93/minの被験者から得られたFront CAB(0.5-BF)、Front CAB(5-BF)、Rear CAB(0.5-BF)、Lumbar CAB(0.5-BF)、PCG、Front CAS(BF-50)、Rear CAS(BF-50)、及びLumbar CAS(BF-50)の各処理波形を示した図である。FIG. 18 shows the processed waveforms of Front CAB(0.5-BF), Front CAB(5-BF), Rear CAB(0.5-BF), Lumbar CAB(0.5-BF), PCG, Front CAS(BF-50), Rear CAS(BF-50), and Lumbar CAS(BF-50) obtained from a subject with an average heart rate of 93/min. 図19(a)~(d)は、平均心拍数58/min、71/min、79/min、93/minの4名の被験者について、ECG、F-APW、PCGをまとめて示した図である。Figures 19(a) to (d) show the ECG, F-APW, and PCG for four subjects with average heart rates of 58/min, 71/min, 79/min, and 93/min. 図20(a)~(d)は、平均心拍数58/min、71/min、79/min、93/minの4名の被験者について、ECG、Front CAB、Front CASを示した図である。20(a) to (d) show ECG, Front CAB, and Front CAS for four subjects with average heart rates of 58/min, 71/min, 79/min, and 93/min. 図21(a)~(d)は、平均心拍数58/min、71/min、79/min、93/minの4名の被験者について、Front CAB及びFront CASの各パワースペクトル密度(PSD)を示した図である。Figures 21(a) to (d) show the power spectral densities (PSDs) of Front CAB and Front CAS for four subjects with average heart rates of 58/min, 71/min, 79/min, and 93/min. 図22は、計測時間10秒間の平均心拍数93/minの被験者のSTFT解析結果を示した図であり、(a)はF-APWの解析結果を、(b)がPCGの解析結果を示す。FIG. 22 shows the results of STFT analysis of a subject with an average heart rate of 93/min over a 10-second measurement period, where (a) shows the results of F-APW analysis and (b) shows the results of PCG analysis. 図23(a)は、計測時間10秒間の平均心拍数93/minの被験者のF-APW×PCG-1のSTFT解析結果を示した図であり、図23(b)は、図23(a)の拡大図である。FIG. 23(a) shows the results of STFT analysis of F-APW×PCG −1 of a subject with an average heart rate of 93/min over a measurement time of 10 seconds, and FIG. 23(b) is an enlarged view of FIG. 23(a). 図24(a)は、計測時間10秒間の平均心拍数93/minの被験者のF-APW×PCGのSTFT解析結果を示した図であり、図24(b)は、F-APW×PCG-1、F-APW、PCG、F-APW×PCGのパワースペクトルを示した図である。Figure 24(a) shows the results of STFT analysis of F-APW×PCG of a subject with an average heart rate of 93/min over a 10-second measurement time, and Figure 24(b) shows the power spectra of F-APW×PCG -1 , F-APW, PCG, and F-APW×PCG. 図25(a)は、平均心拍数58/minの被験者のF-APW×PCG-1、F-APW、PCG、F-APW×PCGのパワースペクトルを示した図であり、図25(b)は、F-APW×PCG-1のSTFT解析結果を示した図である。Figure 25(a) shows the power spectra of F-APW×PCG -1 , F-APW, PCG, and F-APW×PCG of a subject with an average heart rate of 58/min, and Figure 25(b) shows the results of STFT analysis of F-APW×PCG -1 . 図26(a)は、平均心拍数71/minの被験者のF-APW×PCG-1、F-APW、PCG、F-APW×PCGのパワースペクトルを示した図であり、図26(b)は、F-APW×PCG-1のSTFT解析結果を示した図である。Figure 26(a) shows the power spectra of F-APW×PCG -1 , F-APW, PCG, and F-APW×PCG of a subject with an average heart rate of 71/min, and Figure 26(b) shows the results of STFT analysis of F-APW×PCG -1 . 図27(a)は、平均心拍数79/minの被験者のF-APW×PCG-1、F-APW、PCG、F-APW×PCGのパワースペクトルを示した図であり、図27(b)は、F-APW×PCG-1のSTFT解析結果を示した図である。Figure 27(a) shows the power spectra of F-APW×PCG -1 , F-APW, PCG, and F-APW×PCG of a subject with an average heart rate of 79/min, and Figure 27(b) shows the results of STFT analysis of F-APW×PCG -1 . 図28(a)は50名の被験者のBF-HR相関図であり、図28(b)は、高調波消失次数とHRから相関図である。FIG. 28(a) is a BF-HR correlation diagram for 50 subjects, and FIG. 28(b) is a correlation diagram between the harmonic disappearance order and HR. 図29(a)は、心拍変動のゆらぎ特性と心拍数の相関を示した図であり、図29(b)は、心拍変動のゆらぎ特性とBFとの相関を示した図であり、図29(c)は、ある1名の被験者の心拍数とBFとの相関を示した図であり、図29(d)は、他の1名の被験者の心拍数とBFとの相関を示した図であり、図29(e)は、さらに他の1名の被験者の心拍数とBFとの相関を示した図である。Figure 29(a) is a graph showing the correlation between the fluctuation characteristics of heart rate variability and heart rate, Figure 29(b) is a graph showing the correlation between the fluctuation characteristics of heart rate variability and BF, Figure 29(c) is a graph showing the correlation between the heart rate and BF of a certain subject, Figure 29(d) is a graph showing the correlation between the heart rate and BF of another subject, and Figure 29(e) is a graph showing the correlation between the heart rate and BF of yet another subject. 図30は、第2の実施形態に係る生体信号分析装置の構成を示した模式図である。FIG. 30 is a schematic diagram showing the configuration of a biosignal analyzer according to the second embodiment. 図31は、第2の実施形態に係る生体信号分析装置の他の態様を説明するめの模式図である。FIG. 31 is a schematic diagram for explaining another aspect of the biosignal analyzer according to the second embodiment. 図32(a)~(e)は、Front CAB(0.5-BF)の代表的な波形分析結果であって、疑似正弦波の事例を説明するための図である。32(a) to (e) are diagrams showing typical waveform analysis results of Front CAB (0.5-BF) and illustrating examples of pseudo-sine waves. 図33(a)~(e)は、Front CAB(0.5-BF)の代表的な波形分析結果であって、三角波の事例を説明するための図である。33(a) to (e) are diagrams illustrating typical waveform analysis results of Front CAB (0.5-BF) and are used to explain an example of a triangular wave. 図34(a)~(e)は、Front CAB(0.5-BF)の代表的な波形分析結果であって、余弦波の事例を説明するための図である。34(a) to (e) are diagrams illustrating typical waveform analysis results of Front CAB (0.5-BF) and are used to explain an example of a cosine wave. 図35(a)~(e)は、Front CAB(0.5-BF)の代表的な波形分析結果であって、ガウス波の事例を説明するための図である。35(a) to (e) are diagrams illustrating typical waveform analysis results of Front CAB (0.5-BF) and are used to explain examples of Gaussian waves. 図36(a)~(e)は、Front CAB(0.5-BF)の代表的な波形分析結果であって、疑似全波整流波の事例を説明するための図である。36(a) to (e) are diagrams showing typical waveform analysis results of the Front CAB (0.5-BF) and are used to explain an example of a pseudo full-wave rectified wave. 図37は、2種のSTFT、パワースペクトル、Correlogramを用いて波形検討を行った結果を示した図である。FIG. 37 shows the results of waveform analysis using two types of STFT, power spectrum, and correlogram. 図38(a)~(e)は、5人の被験者の計測部位別の周波数解析結果を示した図である。38(a) to (e) are diagrams showing the results of frequency analysis for each measurement site of five subjects. 図39は、計測部位別の振幅比を示した図である。FIG. 39 is a diagram showing the amplitude ratio for each measurement site. 図40は、安静時呼吸抑制時下で心拍変動が生じた際のBF-HR相関図である。FIG. 40 is a BF-HR correlation diagram when heart rate fluctuation occurs under respiratory inhibition at rest. 図41(a)は仰臥位におけるBF-HR相関図であり、図41(b)は左側臥位におけるBF-HR相関図であり、図41(c)は右側臥位におけるBF-HR相関図である。FIG. 41(a) is a BF-HR correlation diagram in the supine position, FIG. 41(b) is a BF-HR correlation diagram in the left lateral position, and FIG. 41(c) is a BF-HR correlation diagram in the right lateral position.

以下、図面に示した本発明の実施形態に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。
(第1の実施形態)
・生体信号検出センサ
まず、図1(a)~(c)に基づき、本実施形態で用いた生体信号検出センサ1の構成を説明する。本実施形態の生体信号検出センサ1は、エアパック1Aとゲルパック1Bとの積層構造からなる。エアパック1Aは、三次元立体編物(3Dネット)10及び該三次元立体編物(3Dネット)10を密閉的に収容する収容フィルム20とを有して構成される。ゲルパック1Bは、ケース40内にマイクロフォン30が固定配置され、マイクロフォン30の周囲にゲル50が充填されている。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the embodiments of the present invention shown in the drawings.
(First embodiment)
1(a) to 1(c), the configuration of the biosignal detection sensor 1 used in this embodiment will be described. The biosignal detection sensor 1 of this embodiment has a laminated structure of an air pack 1A and a gel pack 1B. The air pack 1A has a three-dimensional knitted fabric (3D net) 10 and a housing film 20 that hermetically houses the three-dimensional knitted fabric (3D net) 10. The gel pack 1B has a microphone 30 fixedly disposed within a case 40, and gel 50 is filled around the microphone 30.

三次元立体編物10は、互いに離間して配置された一対のグランド編地同士を連結糸で結合することにより形成されている。各グランド編地は、例えば、繊維を撚った糸から、ウェール方向及びコース方向のいずれの方向にも連続したフラットな編地組織(細目)に形成したり、ハニカム状(六角形)のメッシュを有する編地組織に形成したりすることができる。連結糸は、一方のグランド編地と他方のグランド編地とが所定の間隔を保持するように、三次元立体編物に所定の剛性を付与している。従って、面方向に張力が付与されることにより、三次元立体編物を構成する対向するグランド編地の糸、あるいは、対向するグランド編地間を連結する連結糸を弦振動させることが可能となる。それにより、生体信号である心臓・血管系の音・振動によって弦振動が生じ、三次元立体編物の面方向に伝播される。 The three-dimensional knitted fabric 10 is formed by connecting a pair of ground knitted fabrics arranged at a distance from each other with a connecting thread. Each ground knitted fabric can be formed, for example, from a yarn made of twisted fibers into a flat knitted fabric structure (fine stitches) that is continuous in both the wale direction and the course direction, or into a knitted fabric structure having a honeycomb-shaped (hexagonal) mesh. The connecting thread imparts a predetermined rigidity to the three-dimensional knitted fabric so that one ground knitted fabric and the other ground knitted fabric maintain a predetermined distance. Therefore, by applying tension in the surface direction, it is possible to string-vibrate the yarns of the opposing ground knitted fabrics that make up the three-dimensional knitted fabric, or the connecting threads that connect the opposing ground knitted fabrics. As a result, string vibrations are generated by the sound and vibrations of the heart and blood vessels, which are biological signals, and are propagated in the surface direction of the three-dimensional knitted fabric.

三次元立体編物のグランド編地を形成する糸又は連結糸の素材としては、種々のものを用いることができるが、例えば、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、レーヨン等の合成繊維や再生繊維、ウール、絹、綿等の天然繊維が挙げられる。上記素材は単独で用いてもよいし、これらを任意に併用することもできる。好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)などに代表されるポリエステル系繊維、ナイロン6、ナイロン66などに代表されるポリアミド系繊維、ポリエチレン、ポリプロピレンなどに代表されるポリオレフィン系繊維、あるいはこれらの繊維を2種類以上組み合わせたものである。また、グランド糸又は連結糸の糸形状も限定されるものではなく、丸断面糸、異形断面糸、中空糸等のいずれでもよい。さらに、カーボン糸、金属糸等を使用することもできる。 Various materials can be used as the material for the yarn or connecting yarn forming the ground knit of the three-dimensional knitted fabric, including synthetic fibers such as polypropylene, polyester, polyamide, polyacrylonitrile, and rayon, regenerated fibers, and natural fibers such as wool, silk, and cotton. The above materials may be used alone or in combination. Preferably, polyester-based fibers such as polyethylene terephthalate (PET) and polybutylene terephthalate (PBT), polyamide-based fibers such as nylon 6 and nylon 66, polyolefin-based fibers such as polyethylene and polypropylene, or a combination of two or more of these fibers. The shape of the ground yarn or connecting yarn is not limited, and may be any of round cross-section yarn, irregular cross-section yarn, hollow yarn, etc. Furthermore, carbon yarn, metal yarn, etc. can also be used.

使用可能な三次元立体編物としては、例えば、以下のようなものを用いることができる。
(a) 製品番号:49013D(住江織物(株)製)、厚さ10mm
材質:
表側のグランド編地・・・450デシテックス/108fのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸の2本の撚り糸
裏側のグランド編地・・・450デシテックス/108fのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸の2本の撚り糸
連結糸・・・・・・・・・350デシテックス/1fのポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメント
(b)製品番号:AKE70042(旭化成(株)製)、厚さ7mm
(c)製品番号:T28019C8G(旭化成(株)製)、厚さ7mm
Examples of the three-dimensional knitted fabric that can be used include the following:
(a) Product number: 49013D (manufactured by Suminoe Textile Co., Ltd.), thickness 10 mm
Material:
Front ground knit: 2 strands of 450 dtex/108f polyethylene terephthalate false twist yarn Back ground knit: 2 strands of 450 dtex/108f polyethylene terephthalate false twist yarn Connecting yarn: 350 dtex/1f polytrimethylene terephthalate monofilament (b) Product number: AKE70042 (manufactured by Asahi Kasei Corporation), thickness 7 mm
(c) Product number: T28019C8G (manufactured by Asahi Kasei Corporation), thickness 7 mm

三次元立体編物10は、収容フィルム20により被覆されている。収容フィルム20は、本実施形態では、合成樹脂製の2枚のフィルム21,22を用いてなり、これを三次元立体編物10の表面及び裏面を被覆するように配置し、両者の周縁部を溶着等により固着している。これにより、三次元立体編物10は、収容フィルム20内に密閉的に収容される。なお、フィルム21,22の周縁部を固着する際には、フィルム21,22によって三次元立体編物10を厚み方向に若干押圧されるように固着することが好ましい。三次元立体編物10の張力が高まり、該三次元立体編物10を構成する糸の弦振動がより生じやすくなる。 The three-dimensional knitted fabric 10 is covered with a storage film 20. In this embodiment, the storage film 20 is made of two synthetic resin films 21, 22, which are arranged to cover the front and back surfaces of the three-dimensional knitted fabric 10, and the peripheral edges of both films are fixed by welding or the like. As a result, the three-dimensional knitted fabric 10 is hermetically stored within the storage film 20. When fixing the peripheral edges of the films 21, 22, it is preferable to fix the three-dimensional knitted fabric 10 so that the films 21, 22 slightly press the three-dimensional knitted fabric 10 in the thickness direction. The tension of the three-dimensional knitted fabric 10 increases, making it easier for string vibration to occur in the yarn that constitutes the three-dimensional knitted fabric 10.

収容フィルム20の外側には、ケース40が取り付けられ、そのケース40内にマイクロフォン30が配設されている。ケース40内であって、マイクロフォン30の周囲は、外乱混入抑制部材としてのゲル50が充填されている。ケース40は、合成樹脂製で、マイクロフォン30に伝播される音響振動の外部への拡散を防ぐ機能を有し、ゲル50により、外部振動がマイクロフォン30によって捕捉されることを抑制する。なお、マイクロフォン30には検出した音響振動データを搬送するコード30aが接続されている。 A case 40 is attached to the outside of the containing film 20, and a microphone 30 is disposed inside the case 40. Inside the case 40, the microphone 30 is filled with gel 50 as a disturbance suppression member. The case 40 is made of synthetic resin and has the function of preventing the acoustic vibrations propagated to the microphone 30 from diffusing to the outside, and the gel 50 suppresses the capture of external vibrations by the microphone 30. A cord 30a that carries detected acoustic vibration data is connected to the microphone 30.

生体信号検出センサ1は、人の各種部位、例えば、背部、胸部、腰部などに当接して使用される。体表面の振動が収容フィルム20及び三次元立体編物10に伝播されてマイクロフォン30によって捕捉されるものであるが、皮膚表面に直接貼着する場合に限らず、衣服の表面に取り付けて用いることができる。 The biosignal detection sensor 1 is used by contacting various parts of a person, such as the back, chest, or waist. Vibrations on the body surface are transmitted to the containing film 20 and the three-dimensional knitted fabric 10 and picked up by the microphone 30, but it is not limited to being attached directly to the skin surface, and can also be attached to the surface of clothing.

ここで、本実施形態で採用した新規の生体信号検出センサ1の検出性能を、本発明者らが特許文献2等で開示している従来の生体信号検出センサと比較して説明する。なお、以下において、本実施形態の生体信号検出センサ1を4SR(Sound Sensing System using Stochastic Resonance)と称し、従来の生体信号検出センサ1000を3SR(Sound Sensing System using Resonance)と称する。 Here, the detection performance of the new biosignal detection sensor 1 employed in this embodiment will be explained in comparison with the conventional biosignal detection sensor disclosed by the present inventors in Patent Document 2 and the like. In the following, the biosignal detection sensor 1 of this embodiment will be referred to as 4SR (Sound Sensing System using Stochastic Resonance), and the conventional biosignal detection sensor 1000 will be referred to as 3SR (Sound Sensing System using Resonance).

(心音の周波数帯域での4SRセンシング性能評価)
図2に4SR(生体信号検出センサ1)と3SR(従来の生体信号検出センサ1000)のセンシング性能を比較するための実験装置の概略と部品構成を示す。中央の実験装置の左右の各3枚の写真は、加速度センサ(a-1)とそれぞれ3SRと4SRの構成部品(a-2~a-6)を示し、実験装置下部には3SR(a-7)と4SR(a-8)の概観写真を示す。また、3SR、4SRに用いられている厚さ10mmの3次元立体編物 (以後場合により、3Dネットと呼ぶ)の断面を写真(a-4)に示す。写真(Section:a-a, Section:b-b)は、3SRと4SR用の3Dネットのカット断面である。
(Evaluation of 4SR sensing performance in the heart sound frequency band)
Figure 2 shows the outline and component configuration of the experimental equipment for comparing the sensing performance of 4SR (biological signal detection sensor 1) and 3SR (conventional biological signal detection sensor 1000). The three photographs on the left and right of the experimental equipment in the center show the acceleration sensor (a-1) and the components (a-2 to a-6) of 3SR and 4SR, respectively, and overview photographs of 3SR (a-7) and 4SR (a-8) are shown at the bottom of the experimental equipment. In addition, photograph (a-4) shows the cross section of the 10 mm thick three-dimensional knitted fabric (hereinafter sometimes called 3D net) used in 3SR and 4SR. Photographs (Section: aa, Section: bb) are cut cross sections of the 3D net for 3SR and 4SR.

まず、4SRの振幅増幅の基本原理を3Dネットの断面の写真(a-4)を用いて説明する。本実験で用いた3Dネットの上下面はマルチフィラメント糸で作られた基布層で、真ん中のモノフィラメント糸で作られたパイルは上下の基布層に編み込んであり、マルチフィラメント糸と摩擦結合している。被験者の体重が3Dネット上面に付加されると、エアパックに内蔵された3DネットのX型に編み込まれたパイル(以後、X型パイルと呼ぶ)がたわみ、体動によりパイル同士が擦れ、音と振動が生じる。この音と振動が確率共鳴現象を生じさせる。そして、X型パイルはたわむことで張力が発生し、固有振動子が構成される。張力作用下のX型パイルの固有振動数は20Hz近傍にある。そこで、密閉エアパックである4SRは確率共鳴と弦の振動という二つの共鳴機構により、0.5~80Hzの振動を増大させるものと考えられる。 First, the basic principle of the 4SR's amplitude amplification will be explained using a cross-sectional photograph (a-4) of the 3D net. The top and bottom surfaces of the 3D net used in this experiment are fabric layers made of multifilament yarn, and the pile in the middle made of monofilament yarn is woven into the top and bottom fabric layers and is frictionally bonded to the multifilament yarn. When the subject's weight is applied to the top surface of the 3D net, the pile woven into an X-shape of the 3D net built into the air pack (hereafter referred to as the X-shaped pile) bends, and the pile rubs against each other due to body movement, generating sound and vibration. This sound and vibration causes the stochastic resonance phenomenon. The X-shaped pile generates tension as it bends, forming a natural oscillator. The natural frequency of the X-shaped pile under tension is around 20 Hz. Therefore, it is thought that the 4SR, which is a sealed air pack, increases vibrations in the 0.5 to 80 Hz range through two resonance mechanisms: stochastic resonance and string vibration.

次に、心音に対する増幅能について検討する。図3(a)に示したように、検討に用いた心音は、PCG上I音の分裂間隔を0.03秒にしたI音を用いた。この心音は心拍数56/minの被験者から計測されたもので、フィルター処理を行った後、スピーカーによって機械的に複製した。スピーカーはFOSTEX社製P1000Kをエンクロージャー無しで用いた。P1000Kは径が10cmのコーン型フルレンジユニットである。P1000Kの振動板に600gのウェイトを載せ振動板の重さを1005gにし、最低共振周波数を82Hzから52Hzに低く設定した。これにより52Hz~16kHzが再生周波数帯域となった。最低共振周波数f0は、 Next, the amplification ability for heart sounds will be examined. As shown in Figure 3 (a), the heart sound used in the study was the first sound on the PCG with a split interval of 0.03 seconds. This heart sound was measured from a subject with a heart rate of 56 beats per minute, and after filtering, it was mechanically reproduced using a speaker. The speaker used was a FOSTEX P1000K without an enclosure. The P1000K is a cone-type full-range unit with a diameter of 10 cm. A 600g weight was placed on the diaphragm of the P1000K, making the weight of the diaphragm 1005g, and the lowest resonance frequency was set lower from 82Hz to 52Hz. This resulted in a playback frequency band of 52Hz to 16kHz. The lowest resonance frequency f0 was:

Figure 0007637408000001
で求められる。s0はばねの強さを示し、m0は振動板の重さを示す。
Figure 0007637408000001
where s0 is the strength of the spring and m0 is the weight of the diaphragm.

スピーカーから出力された機械的複製音(以後、Reproduction PCGと呼ぶ)は、加速度センサの上面に置かれた3Dネットを経由した後、3SRと4SRの各マイクロフォンで計測される。3SRのマイクロフォン1010は、3Dネット1020とともにエラストマフィルム1030とビーズ1040で包まれる。減衰は、スリット内を流れる空気の流動によって、内蔵された3Dネットがもつばね力によりマイクロフォン周りの空気が流動することによって発生する。その大きさは写真(a-7)に示すようにマイクロフォン付属のコード1010a周辺部のスリット幅で決められる。3SRは、エラストマフィルム1030内にマイクロフォン1010を配置しているため、コード1010aをエラストマフィルム1030外へ引き出さざるを得ず、その部位において必ず隙間が生じる。一方、4SRは、三次元立体編物(3Dネット)10が収容フィルム20内に収容されたエアパック1Aを、マイクロフォン30が配置されているゲルパック1Bとは分離した構成であるため、マイクロフォン30のコード30aはゲルパック1Bから外部に引き出されるため、エアパック1Aの密閉性がそれにより阻害されることがない。すなわち、4SRは、三次元立体編物(3Dネット)10の全周がエラストマフィルム(収容フィルム20)で密閉されており、4SRに負荷がかかると均一の空気圧がエラストマフィルムにかかることになるため、エラストマフィルムに張力が生じ、音響振動が伝播しやすい環境が作られる(図3(c)参照)。 The mechanically reproduced sound (hereafter referred to as Reproduction PCG) output from the speaker passes through a 3D net placed on the top surface of the acceleration sensor and is then measured by the microphones of the 3SR and 4SR. The microphone 1010 of the 3SR is wrapped in an elastomer film 1030 and beads 1040 along with the 3D net 1020. Attenuation occurs when the air around the microphone flows due to the spring force of the built-in 3D net caused by the air flowing through the slit. The magnitude of attenuation is determined by the width of the slit around the cord 1010a attached to the microphone, as shown in photo (a-7). Since the microphone 1010 of the 3SR is placed inside the elastomer film 1030, the cord 1010a must be pulled out of the elastomer film 1030, and a gap is inevitably created at that location. On the other hand, the 4SR is configured such that the air pack 1A, in which the three-dimensional knit (3D net) 10 is housed in the housing film 20, is separated from the gel pack 1B in which the microphone 30 is located, and the cord 30a of the microphone 30 is pulled out from the gel pack 1B, so that the airtightness of the air pack 1A is not impaired by it. In other words, the 4SR is sealed all around the three-dimensional knit (3D net) 10 with an elastomer film (housing film 20), and when a load is applied to the 4SR, a uniform air pressure is applied to the elastomer film, which generates tension in the elastomer film and creates an environment in which acoustic vibrations can easily propagate (see FIG. 3(c)).

なお、図3(a)は、上記のようにPCG複製入力と3Dネットが伝える音響振動データを示すが、3Dネットが伝える音響振動データは、3Dネットの固有振動子の共鳴効果による波形に続いて、変調されたPCG複製入力からなる。図3(c)のリサージュ図形の面積は、振動の1サイクル中に消費するエネルギーを示し、減衰容量から求めた3SRの減衰比は0.53で、4SRは0.20であった。 Figure 3(a) shows the PCG replica input and the acoustic vibration data transmitted by the 3D net as described above, but the acoustic vibration data transmitted by the 3D net consists of a waveform due to the resonance effect of the 3D net's natural oscillator, followed by a modulated PCG replica input. The area of the Lissajous figure in Figure 3(c) indicates the energy consumed during one cycle of vibration, and the damping ratio of the 3SR calculated from the damping capacity was 0.53 and that of the 4SR was 0.20.

(心尖拍動の周波数帯域での4SRセンシング性能評価)
健常者のACGでは、収縮早期のみに認められる持続時間の短い拍動(収縮期波は持続の短い尖鋭な陽性波とそれに続く下行脚(dicrotic limb)からなり、左心房の収縮に由来するA波は痕跡のように認められる)でtappingと形容され、ACGで良好な記録をとることが難しい。そこで触診でtappingと形容される心尖拍動を触知できる座位姿勢の被験者(心拍数:62/min)を選定し、3SRと4SRを用いてF-APW(胸部前面から計測した生体情報:Front Acoustic Pulse Wave)を計測し、データロガーに記録し、フィルター処理を行って以下の解析を行った。
(Evaluation of 4SR sensing performance in the apex beat frequency band)
In healthy subjects, the ACG shows a short-duration pulse observed only in the early systole (the systolic wave consists of a short-duration sharp positive wave followed by a dicrotic limb, and the A wave derived from the contraction of the left atrium is observed as a trace), which is described as tapping, and it is difficult to obtain a good record with the ACG. Therefore, we selected a subject in a seated position (heart rate: 62/min) who could palpate the apical pulse, which could be described as tapping, and measured the F-APW (biological information measured from the front of the chest: Front Acoustic Pulse Wave) using 3SR and 4SR, recorded it on a data logger, and performed the following analysis after filtering.

データロガーに記録した入力波形を周波数解析し、周波数に対する4SRと3SRのパワースペクトルの比(PSD4SR/PSD3SR)をゲインとし、センシング性能をゲインで評価する。4SRは左第5肋間、胸部正中線から左6cmの胸部前面に配置し、3SRは左10cmの胸部前面(心電図のV4誘導付近に相当)に配置する。PCGならびに4SRセンシングシステム用の各マイクロフォンの設置位置は、肺胞呼吸音が混入し易い部位であるため、呼吸を止めた状態で、F-APWを10秒間計測する。なお、計測実験の手順は安静時の呼吸を5分間継続して2秒間の吸気の後、呼吸を止めた。被験者には40歳代の心循環系に基礎疾患のない健康な男性を選定した。 The input waveform recorded in the data logger is frequency analyzed, and the ratio of the power spectrum of 4SR and 3SR to the frequency (PSD 4SR /PSD 3SR ) is taken as the gain, and the sensing performance is evaluated by the gain. The 4SR is placed on the front of the chest 6 cm to the left of the 5th intercostal space and the midline of the chest, and the 3SR is placed on the front of the chest 10 cm to the left (equivalent to the V4 lead of the electrocardiogram). The microphones for the PCG and 4SR sensing systems are placed in areas where alveolar respiratory sounds are likely to be mixed in, so F-APW is measured for 10 seconds with breathing stopped. The procedure for the measurement experiment was to continue breathing at rest for 5 minutes, and then stop breathing after 2 seconds of inhalation. The subjects were healthy men in their 40s with no underlying cardiovascular diseases.

(APW計測)
次に、APWの計測を行う。計測は、全て座位姿勢で行う。心尖拍動を含むと考えられるF-APWを捉えるための4SRは、左第5肋間、左鎖骨中線上(V4付近)で、胸部正中線から左10cmの胸部前面に配置し、R-APW(胸部後部から計測した生体情報:Rear Acoustic Pulse Wave)のための4SRは、胸部前面のF-APWのための4SRと同じ高さで背部正中線から左6cmの胸部後面に配置する。腰部のL-APW(腰部から計測した生体情報:Lumber Acoustic Pulse Wave)を捉える4SRは臍部の真後ろである第3~4腰椎部正中に配置し、PCG用マイクロフォンは心尖部に置く。また、ECG(Electrocardiogram:心電図)は、II誘導を取得する。
(APW measurement)
Next, the APW was measured. All measurements were performed in a seated position. The 4SR for capturing the F-APW, which is thought to include the apical pulsation, was placed on the front of the chest, 10 cm to the left of the chest midline, at the left 5th intercostal space and on the left midclavicular line (near V4). The 4SR for the R-APW (biological information measured from the posterior chest: Rear Acoustic Pulse Wave) was placed on the posterior chest, 6 cm to the left of the back midline, at the same height as the 4SR for the F-APW on the front of the chest. The 4SR for capturing the lumbar L-APW (biological information measured from the lumbar: Lumber Acoustic Pulse Wave) was placed in the midline between the 3rd and 4th lumbar vertebrae, directly behind the navel, and the microphone for PCG was placed at the apex of the heart. In addition, an ECG (Electrocardiogram) was obtained using lead II.

なお、胸部前部の心尖部マイクロフォンセンサ配置は、I音、III音、IV音の至適記録部位であるが、II音については良好な記録をとることが難しい。II音は、収縮終期に心室へ逆流しようとする動脈内血液が半月弁の過伸展、ついで動脈壁に反動を生じさせる(cardiohemic system)ことで発生すると言われており、心尖部では減弱する。 The placement of the microphone sensor at the apex of the heart on the anterior chest is the optimal location for recording the first, third, and fourth hearts, but it is difficult to obtain a good recording of the second heart sound. The second heart sound is said to be generated when blood in the arteries tries to flow back into the ventricle at the end of systole, causing excessive stretching of the semilunar valves and then recoil on the arterial wall (cardiohemic system), and is attenuated at the apex of the heart.

PCGならびに4SRセンシングシステム用の各マイクロフォンの設置位置は、肺胞呼吸音が混入し易い部位であるため、呼吸を止めた状態での10秒間の計測結果を用いて計算する。なお、安静時のAPW計測実験は、a)自然呼吸を5分間継続して行った状態、b)2秒間の吸気の後30秒間呼吸を止めた状態、c)30秒間の自然呼吸の状態、d)2秒間の吸気の後30秒間呼吸を止めた状態の4つの条件で行う。
被験者は、比較的胸壁の薄い集団と比較的胸壁の厚い集団の異なる特徴を持つ健常な男女70人とした。
比較的胸壁が薄い健常人で構成された50人は、年齢は20~60歳代に分布し、男性が78%だった。胸壁が薄いと心尖拍動の特徴である正弦波ないし三角波を観測するのが容易となる。この対象者を用いて、後述する5つの波形タイプの定義と、心尖拍動に起因する振動と心音に起因する振動との境界周波数(Boundary Frequency:BF)を決定した。
比較的胸壁の厚い20歳代で筋肉質な被験者20人を用いて、先行して決定した5つの波形タイプをもとに、解析方法の適合性評価と拡張性の検討を行った。
比較的胸壁が薄い健常人で構成された50人の臨床プロフィールは、次のとおりである。平均年齢 38.2(±10.3)歳、男性39名、女性11名、BMI値平均 23(±3.4)、そのうち高血圧症4名、喫煙者10名である。
一方、比較的胸壁の厚い20人の臨床プロフィールは、平均年齢 23.4(±3.6)歳、男性20名、BMI値平均 20.8(±2.4)、そのうち高血圧症1名、喫煙者5名である。
解析対象データは、呼吸を止めた最初の30秒間のうちRR変動が15%以内の部分から10秒間のデータを用い、心拍数はその10秒間のデータでの平均値とした。
The microphones for the PCG and 4SR sensing systems are installed in locations where alveolar breathing sounds are likely to be mixed in, so calculations are performed using the results of measurements taken for 10 seconds while breathing is stopped. The APW measurement experiment at rest is performed under four conditions: a) natural breathing continued for 5 minutes, b) breathing stopped for 30 seconds after 2 seconds of inhalation, c) natural breathing for 30 seconds, and d) breathing stopped for 30 seconds after 2 seconds of inhalation.
The subjects were 70 healthy men and women with different characteristics, from a group with relatively thin chest walls and a group with relatively thick chest walls.
The 50 subjects were healthy individuals with relatively thin chest walls, ranging in age from 20 to 60 years old, and 78% were male. A thin chest wall makes it easier to observe the sine wave or triangular wave that is characteristic of the apical pulsation. Using these subjects, we defined the five waveform types described below and determined the boundary frequency (BF) between the vibration caused by the apical pulsation and the vibration caused by the heart sound.
Using 20 muscular subjects in their 20s with relatively thick chest walls, we evaluated the suitability and scalability of the analysis method based on the five waveform types previously determined.
The clinical profile of the 50 healthy subjects with relatively thin chest walls was as follows: mean age 38.2 (±10.3) years, 39 men, 11 women, mean BMI 23 (±3.4), of which 4 had hypertension and 10 were smokers.
On the other hand, the clinical profile of the 20 patients with relatively thick chest walls was as follows: mean age 23.4 (±3.6) years, 20 men, mean BMI 20.8 (±2.4), one patient with hypertension, and five smokers.
The data to be analyzed were 10 seconds from the first 30 seconds after breathing was stopped during which RR fluctuation was within 15%, and the heart rate was calculated as the average value of the 10 seconds of data.

(4SRセンシングシステムの性能の評価結果とAPW計測結果)
図3(a)中で黒の細線で示した波形がReproduction PCGで、グレーの太線で示した波形が加速度センサで計測したAcceleration PCGである。Reproduction PCGは、I音(A波とB波)と30Hz近傍の波形(C波)、およびII音(D波、E波、F波)で構成され、Acceleration PCGは、Reproduction PCGの共鳴波形(a波とb波、およびd波とe波) とそれに続く振幅と周波数が変化した波形(c波とf波)で構成される。図3(b)の周波数解析結果で示す様に60Hz以上の周波数帯域にあるA波とB波およびD波とE波は、振幅が大きくなって、a波とb波、およびd波とe波になっており、30Hz近傍のC波とF波は、ヘテロダインにより振幅と周波数が変調されたc波とf波になった。その結果、30Hz近傍ではAcceleration PCG のパワースペクトルは、Reproduction PCGのものよりも小さくなった。
(4SR sensing system performance evaluation results and APW measurement results)
In Fig. 3(a), the waveform shown by the thin black line is the Reproduction PCG, and the waveform shown by the thick gray line is the Acceleration PCG measured by the acceleration sensor. The Reproduction PCG is composed of the I sound (A and B waves), the waveform around 30 Hz (C wave), and the II sound (D, E, F waves), while the Acceleration PCG is composed of the Reproduction PCG resonance waveform (a and b waves, and d and e waves) and the subsequent waveforms with changed amplitude and frequency (c and f waves). As shown in the frequency analysis results in Fig. 3(b), the A and B waves and the D and E waves in the frequency band above 60 Hz have increased in amplitude and become a and b waves, and d and e waves, and the C and F waves in the vicinity of 30 Hz have become c and f waves whose amplitude and frequency are modulated by heterodyning. As a result, the power spectrum of the Acceleration PCG is smaller than that of the Reproduction PCG in the vicinity of 30 Hz.

次に、センシングシステムを構成する機械振動系に含まれる減衰性能について検討する。図3(c)は、3SRと4SRの各センサがもつ減衰特性を示すリサージュ図形である。リサージュ図形は加圧板を110×110mmにして振幅±1.0mm、加振周波数1.34Hzの入力で、サーボパルサーを用いて描いた。予備圧縮力は652Nである。リサージュ図形で囲まれる面積は、振動の1サイクル中に消費するエネルギーで、減衰容量である。これをWと表すと、Wは、 Next, we will consider the damping performance of the mechanical vibration system that constitutes the sensing system. Figure 3 (c) is a Lissajous figure showing the damping characteristics of the 3SR and 4SR sensors. The Lissajous figure was drawn using a servo pulsar with a pressure plate of 110 x 110 mm, an amplitude of ±1.0 mm, and an input of a vibration frequency of 1.34 Hz. The precompression force is 652 N. The area enclosed by the Lissajous figure is the energy consumed during one cycle of vibration, and is the damping capacity. If this is expressed as W, then W is:

Figure 0007637408000002
となる。4SR と3SRの動的特性を比較すると、3SRは4SRとほぼ同等のばね特性に加えて、エアの流入流出による減衰の影響が顕著であることが分かる。
Figure 0007637408000002
Comparing the dynamic characteristics of the 4SR and 3SR, we can see that the 3SR has roughly the same spring characteristics as the 4SR, but also has a pronounced damping effect due to the inflow and outflow of air.

また、振動変位を評価する場合に用いられる振幅倍率Z/Yは、相対変位をZとし、心尖拍動の変位をYとすれば、 The amplitude magnification Z/Y used to evaluate vibration displacement is, where Z is the relative displacement and Y is the apex pulsation displacement.

Figure 0007637408000003
で与えられる。ここに4SRと3SRの各センサの機械振動系の固有角振動数は、
Figure 0007637408000004
であり、減衰比は、
Figure 0007637408000005
である。
Figure 0007637408000003
Here, the natural angular frequency of the mechanical vibration system of the 4SR and 3SR sensors is given by
Figure 0007637408000004
and the damping ratio is
Figure 0007637408000005
It is.

図3(d)は、式(3)を用いて計算した4SRと3SRの振幅倍率曲線を示す。4SRの各センサのばね定数を比較したものである。 Figure 3 (d) shows the amplitude magnification curves of 4SR and 3SR calculated using equation (3). It compares the spring constants of each 4SR sensor.

Figure 0007637408000006
の値を代入した。
Figure 0007637408000006
The value of was substituted.

なお、図3(e)は、φ15mmの加圧板で図2(a-8)で示したセンサ(4SR)をデジタルフォースゲイジ(RZ-20)で計測して得た荷重-たわみ特性である。心尖拍動の計測を想定してばね定数を計算した。胸部前部から計測する場合は、センサの押し付け力を小さくしているために、たわみ量が1mmの場合のばね定数を用いた。胸部後部からの計測は体重がセンサにかかるため、たわみ量が3SRの設計値である4~5mmの場合のばね定数を用いた。 Figure 3 (e) shows the load-deflection characteristics obtained by measuring the sensor (4SR) shown in Figure 2 (a-8) with a digital force gauge (RZ-20) using a φ15 mm pressure plate. The spring constant was calculated assuming measurement of the apex pulsation. When measuring from the front of the chest, the pressing force of the sensor is small, so the spring constant when the deflection is 1 mm was used. When measuring from the back of the chest, the body weight is applied to the sensor, so the spring constant when the deflection is 4 to 5 mm, which is the design value of the 3SR, was used.

4SRはセンシングシステムの固有振動数を低く設定してあるため、Z/Y≒1の範囲で測定すると4SRは0.45Hz以上の周波数帯域が測定でき、3SRは2.10Hz以上が測定できることが分かる。なお、減衰比をζ=0.7とした場合、4SRは0.99Hz以上が測定でき、3SRは3.15Hz以上が測定できる。このように、減衰比を変化させるとメカニカルフィルターの特性を調整することが可能である。 Because the natural frequency of the sensing system of the 4SR is set low, when measurements are taken in the range of Z/Y ≒ 1, the 4SR can measure frequencies above 0.45 Hz, while the 3SR can measure frequencies above 2.10 Hz. If the damping ratio is set to ζ = 0.7, the 4SR can measure frequencies above 0.99 Hz, while the 3SR can measure frequencies above 3.15 Hz. In this way, by changing the damping ratio it is possible to adjust the characteristics of the mechanical filter.

心臓聴診は、50~100Hz近傍の高い周波数範囲にある心音の特徴をつかみ、解釈し、それを確認することにあり、高い周波数の音響振動を記録することが重要である。一方、心尖拍動は心音よりも低い周波数波範囲内にある収縮早期のみに認められる持続の短い拍動であり、高い周波数の計測に力点を置くと良好な心尖拍動図を記録するのが難しくなる。このように、心音と心尖拍動ではセンシングシステムの要求仕様が異なるため、センシングシステムの定量評価を個別に評価した。図4(a)は、Acceleration PCGを入力にして、3SRと4SRの各センシングシステムが捉えた音響振動情報(以後、3SR data、4SR dataと呼ぶ)を比較したものである。また、図4(b)は、周波数解析結果を示す。3SR data及び4SR dataは、確率共鳴と固有振動子による共鳴の影響を受けた音響振動情報で、両者を比較すると同じ周波数帯域でパワースペクトルに増減が見られる。図4(c)は、4SR/3SRのゲイン(PSD4SR/PSD3SR)を示す。10Hz近傍の確率共鳴の効果と20Hz近傍の固有振動子の共鳴効果及び20~80Hzのセンサのもつ機械的振動特性の差がゲインの変化(最大11.6dBと最小8.0dB)となって表れ、図4(a)で示す波形の最大振幅差は4.3倍になった。なお、80Hz以上のゲインの急低下は4SRセンシングシステムに取り付けられたゲルの減衰効果によるものと考えられる。 Cardiac auscultation is to grasp, interpret, and confirm the characteristics of heart sounds in the high frequency range of around 50 to 100 Hz, so it is important to record high frequency acoustic vibrations. On the other hand, the apical beat is a short-lasting beat that is only observed in the early systole and is in a lower frequency range than the heart sound, so if the emphasis is placed on measuring high frequencies, it becomes difficult to record a good apical cardiogram. As the required specifications for the sensing system for heart sounds and apical beats are different, the quantitative evaluation of the sensing systems was evaluated separately. Figure 4 (a) compares the acoustic vibration information captured by the 3SR and 4SR sensing systems (hereinafter referred to as 3SR data and 4SR data) using the Acceleration PCG as input. Figure 4 (b) shows the frequency analysis results. The 3SR data and 4SR data are acoustic vibration information affected by stochastic resonance and resonance due to the natural oscillator, and when comparing the two, increases and decreases can be seen in the power spectrum in the same frequency band. Figure 4(c) shows the gain of 4SR/3SR (PSD 4SR /PSD 3SR ). The effect of stochastic resonance near 10 Hz, the effect of resonance of the natural oscillator near 20 Hz, and the difference in the mechanical vibration characteristics of the sensor from 20 to 80 Hz are manifested as changes in gain (maximum 11.6 dB and minimum 8.0 dB), and the maximum amplitude difference of the waveform shown in Figure 4(a) is 4.3 times. The sudden drop in gain above 80 Hz is thought to be due to the damping effect of the gel attached to the 4SR sensing system.

図5(a)に、スピーカに変えて人を音源としたときの3SR dataと4SR dataの時系列波形を示し、図5(b)に周波数解析結果を示す。図5(c)に、4SR/3SRのゲイン(PSD4SR/PSD3SR)を示す。3SRセンシングシステムに内在する減衰は1.34Hz以上で機能し、1Hz近傍のゲインが13.4dBであるのに、1.34~10Hz近傍のゲインは4.9dBまで低下している。波形で見ると減衰の影響は顕著で、図5(a)に示されるように収縮期波の最大振幅は6.8倍となって表れた。 Figure 5(a) shows the time series waveforms of 3SR data and 4SR data when a person was used as the sound source instead of a speaker, and Figure 5(b) shows the frequency analysis results. Figure 5(c) shows the gain of 4SR/3SR (PSD 4SR /PSD 3SR ). The attenuation inherent in the 3SR sensing system functions above 1.34Hz, and while the gain near 1Hz is 13.4dB, the gain near 1.34 to 10Hz drops to 4.9dB. The effect of attenuation is noticeable when viewed from the waveform, and as shown in Figure 5(a), the maximum amplitude of the systolic wave is 6.8 times larger.

なお、3SRのエアダンピングが、心音に関係する不規則振動に与える影響は小さいものの、図5(b)に示すように13Hz以下の心尖拍動波のパワースペクトルには影響を与え、その値は小さくなった。また、図3(c)に示すダンピング効果は、主に基本調波と2次高調波で顕著に認められた。これは、図3(d)のシミュレーション結果とも一致し、3SRでは心尖拍動波は描記できないことが分かった。 Although the air damping of the 3SR only had a small effect on the irregular vibrations related to heart sounds, it did affect the power spectrum of the apical pulsation wave below 13 Hz, reducing its value, as shown in Figure 5(b). The damping effect shown in Figure 3(c) was particularly noticeable in the fundamental and second harmonics. This is consistent with the simulation results in Figure 3(d), and it was found that the apical pulsation wave cannot be recorded with the 3SR.

振動伝達機構について考察すると、エラストマフィルム(4SRでは符号20の収容フィルム、3SRでは符号1030のエラストマフィルム)自体にも張力が生じるため、張力変動を介して、4SRでは1Hz近傍の低周波振動は内部の3Dネットに伝達される。その結果、13Hz以上の振動は、20Hz近傍で生じる固有振動子の効果で、図5(b)に示される13~30Hz間のほぼ同等のパワースペクトルとして3SRと4SRで計測された。その振動成分が3Dネットのパイルを伝わるものと考えられる。また、図5(b)で心音の最小周波数と心尖拍動波の高調波成分が心音に混じる周波数帯が10Hz近傍にあることが分かった。そこで、4SRの方が、考察対象周波数の全帯域にわたり、3SRよりも感度が高いことが分かった。
従来、3SRの解析対象周波数は10~30Hzに設定していたが、以上の実験結果より4SRが計測対象とするF-APWの振動数は、マイクロフォンの性能保証範囲が0.1Hz以上であることを考慮し、0.5~80Hzまでとし、心音については、大部分の音が低い可聴域に集まっていることで、100Hz以上ではなく、25~45Hzないし40~80Hzを解析対象周波数とすることとした。また、サンプリング周波数は、3SRでは200Hzとしていたが、4SRでは1000Hzに設定した。
Considering the vibration transmission mechanism, tension is generated in the elastomer film (the housing film with reference number 20 in 4SR, and the elastomer film with reference number 1030 in 3SR) itself, so that in 4SR, low-frequency vibrations around 1 Hz are transmitted to the internal 3D net through tension fluctuations. As a result, vibrations of 13 Hz or more were measured in 3SR and 4SR as almost the same power spectrum between 13 and 30 Hz as shown in Figure 5 (b) due to the effect of the natural oscillator occurring around 20 Hz. It is considered that the vibration components are transmitted through the piles of the 3D net. In addition, in Figure 5 (b), it was found that the minimum frequency of the heart sound and the frequency band where the harmonic components of the apex pulsation wave are mixed into the heart sound are around 10 Hz. Therefore, it was found that 4SR has higher sensitivity than 3SR over the entire frequency range considered.
Previously, the analysis target frequency for the 3SR was set to 10-30Hz, but based on the above experimental results, the frequency of the F-APW that the 4SR measures is set to 0.5-80Hz, taking into consideration that the microphone's performance guarantee range is 0.1Hz or higher, and for heart sounds, the analysis target frequency is set to 25-45Hz or 40-80Hz, rather than 100Hz or higher, because most sounds are concentrated in the low audible range. In addition, the sampling frequency was set to 200Hz for the 3SR, but to 1000Hz for the 4SR.

ここで、本実施形態の生体信号検出センサ1(4SR)と、4SRからゲルパック1Bを取り除き、エアパック1Aのみの構造体(4SR without gel pack)で音響振動を測定した場合との比較実験を行った。図6は、その実験の様子を示した図であり、ウレタンベース上、図の右側に生体信号検出センサ1(4SR)を、左側にエアパック1Aのみの構造体(4SR without gel pack)を配置して実験を行った。その他の実験条件は、上記の3SRと4SRの比較実験と同様である。図7にその結果を示す。
図7(a)~(c)は、4SRの実験結果を示す。図7(d)~(f)は、エアパック1Aのみの構造体(4SR without gel pack)の実験結果を示す。(a),(d)は、人を音源としたときに捉えられた音響振動情報の時系列波形を示し、(b),(e)は、(a),(d)の波形の振幅の中心をゼロ点として示した時系列波形であり、(c),(f)は、Acceleration PCGを入力して捉えられた音響振動情報の時系列波形を示す。図7(g)は、(d)の拡大図、図7(h)は、(e)の拡大図である。
これらの図から明らかなように、4SRは、エアパック1Aのみの構造体(4SR without gel pack)よりも、音響振動情報の検出感度が高い。特に、人を音源とした場合、4SRでは、±0.2[V]程度の振幅変化が生じ、音響振動情報を明確に捉えることができていたのに対し、エアパック1Aのみの構造体では振幅変化を捉えることは非常に困難であった。また、図7(j)に示したように、4SRは、エアパック1Aのみの構造体と比較して、荷重-たわみ特性における比較でヒステリシスロスが小さかった。
また、マイクロフォン30は、合成樹脂製のケース40の底面に、薄板の円板状の支持部材(図6の符号30bの部材)上に配置されているが、ケース40は、厚さ0.1~0.2mm程度で、円板状の支持部材30bよりも剛性が低い。そのため、ケース40は、音響振動に反応して振動しやすく、音響振動を共鳴させ、いわばスピーカーにおける振動板とエンクロージャーのような役割を果たし、マイクロフォン30による検出感度を高め、振幅を大きくする機能を有している。図7(k)は、両者の振幅比(4SR/4SR without gel pack)を示したものである。この図から、4SRは、心尖拍動のような周波数の極めて低い音響振動に対して検出感度が高いだけでなく、心音の領域(25~80Hz)においても検出感度が高いことがわかる。
また、胸部に直接取り付けたマイクロフォンにより計測される、体幹から出力された微小音響・振動(micro acoustic vibration(MAV))と、4SRのから計測されるF-APW(4SRを構成する上記部材の機械振動系の応答、並びに、固有振動子と確率共鳴による共鳴の影響を受けた音響振動情報)の各時間波形を周波数解析し、振幅倍率を計算したものがF-APW/MAVのゲインとなるが、F-APW/MAVのゲインは、心尖拍動の基本調波の周波数帯域で42dBとなり、高調波の周波数帯域で30dB強となり、固有振動子の周波数帯域である20~30Hz近傍の心音の最小周波数帯域で20dBとなった。機械振動系の応答と確率共鳴の効果は、最大で40dB超で最小10dBとなって表れ、振幅差は200倍弱となった。F-APWは1~1.5Hzの帯域の波形が観測され、心音と心尖拍動の情報が含まれた。MAVとF-APWのTime Lagは0.12秒であった。
Here, a comparative experiment was conducted between the biosignal detection sensor 1 (4SR) of this embodiment and a structure (4SR without gel pack) in which the gel pack 1B was removed from the 4SR and only the air pack 1A was used to measure acoustic vibration. Figure 6 shows the state of the experiment, in which the biosignal detection sensor 1 (4SR) was placed on the right side of the figure on a urethane base, and the structure (4SR without gel pack) with only the air pack 1A used was placed on the left side. The other experimental conditions were the same as those of the comparative experiment between 3SR and 4SR described above. The results are shown in Figure 7.
7(a)-(c) show the experimental results of 4SR. 7(d)-(f) show the experimental results of the structure with only the air pack 1A (4SR without gel pack). (a) and (d) show the time series waveforms of the acoustic vibration information captured when a person is the sound source, (b) and (e) are time series waveforms in which the center of the amplitude of the waveforms in (a) and (d) is the zero point, and (c) and (f) show the time series waveforms of the acoustic vibration information captured by inputting the Acceleration PCG. FIG. 7(g) is an enlarged view of (d), and FIG. 7(h) is an enlarged view of (e).
As is clear from these figures, 4SR has a higher detection sensitivity for acoustic vibration information than a structure consisting of only air pack 1A (4SR without gel pack). In particular, when a person was used as the sound source, 4SR caused an amplitude change of about ±0.2 [V], and was able to clearly capture acoustic vibration information, whereas it was very difficult to capture the amplitude change with a structure consisting of only air pack 1A. Also, as shown in Figure 7 (j), 4SR had a smaller hysteresis loss in the load-deflection characteristics compared to a structure consisting of only air pack 1A.
The microphone 30 is placed on a thin, disk-shaped support member (member 30b in FIG. 6) on the bottom surface of a synthetic resin case 40, but the case 40 is about 0.1 to 0.2 mm thick and has lower rigidity than the disk-shaped support member 30b. Therefore, the case 40 easily vibrates in response to acoustic vibrations, resonates with the acoustic vibrations, and plays a role similar to the diaphragm and enclosure of a speaker, thereby increasing the detection sensitivity of the microphone 30 and increasing the amplitude. FIG. 7(k) shows the amplitude ratio of the two (4SR/4SR without gel pack). From this figure, it can be seen that 4SR not only has high detection sensitivity for extremely low-frequency acoustic vibrations such as apical pulsation, but also has high detection sensitivity in the range of heart sounds (25 to 80 Hz).
In addition, the time waveforms of the microacoustic vibration (MAV) output from the trunk measured by a microphone attached directly to the chest and the F-APW (response of the mechanical vibration system of the above-mentioned components that make up the 4SR, and acoustic vibration information affected by resonance due to the natural oscillator and stochastic resonance) measured by the 4SR were frequency-analyzed, and the amplitude magnification was calculated to obtain the gain of the F-APW/MAV. The gain of the F-APW/MAV was 42 dB in the frequency band of the fundamental harmonic of the apex beat, slightly more than 30 dB in the frequency band of the harmonics, and 20 dB in the minimum frequency band of the heart sound near 20 to 30 Hz, which is the frequency band of the natural oscillator. The response of the mechanical vibration system and the effect of stochastic resonance were expressed as a maximum of more than 40 dB and a minimum of 10 dB, with an amplitude difference of just under 200 times. The waveform of the F-APW was observed in the 1 to 1.5 Hz band, and included information on the heart sound and the apex beat. The time lag between the MAV and the F-APW was 0.12 seconds.

図8~図11に、平均心拍数58、71、79、93/minの被験者4名についてのF-APW、R-APW、L-APWとPCGの3秒間の時系列波形計測結果を示す。これら3種類のAPWには心音と心尖拍動の情報が含まれる。F-APWは1~1.5Hzの帯域の波形、R-APWとL-APWでは5~7Hzの帯域の波形が観測された。 Figures 8 to 11 show the results of 3-second time-series waveform measurements of F-APW, R-APW, L-APW and PCG for four subjects with average heart rates of 58, 71, 79 and 93/min. These three types of APW contain information on heart sounds and apex beats. Waveforms in the 1-1.5 Hz band were observed for F-APW, while waveforms in the 5-7 Hz band were observed for R-APW and L-APW.

・生体信号分析装置
次に、本実施形態の生体信号検出センサ1から得られるデータを処理するコンピュータプログラムが設定されたコンピュータ機能を有する生体信号分析装置100について図12に基づき説明する。
Biological Signal Analysis Apparatus Next, a biological signal analysis apparatus 100 having a computer function in which a computer program for processing data obtained from the biological signal detection sensor 1 of this embodiment is set will be described with reference to FIG.

生体信号分析装置100は、生体信号検出センサ1によって取得される生体信号の時系列データを処理して心尖拍動の波形を得、さらに生体状態、すなわち、人の様々な健康状態(心疾患等の疾病の有無、疾病の特定、体調の良否等)を推定する。生体信号分析装置100は、コンピュータ(パーソナルコンピュータ、機器に組み込まれるマイクロコンピュータ等も含む)からなり、生体信号検出センサ1のマイクロフォン30から送信される生体信号の時系列データを受信する。そして、受信した時系列データを用いて所定の処理を行う周波数解析手段110、境界周波数特定手段120を有している。
また、記憶部には、予め測定して構築された、心尖拍動に起因する振動と心音に起因する振動との境界周波数と、心拍数との相関データが記憶された相関データ記憶部150を有している。
The biosignal analyzer 100 processes the time series data of the biosignal acquired by the biosignal detection sensor 1 to obtain the waveform of the apex beat, and further estimates the biocondition, i.e., various health conditions of a person (presence or absence of diseases such as heart disease, identification of diseases, physical condition, etc.). The biosignal analyzer 100 is composed of a computer (including a personal computer and a microcomputer incorporated in a device), and receives the time series data of the biosignal transmitted from the microphone 30 of the biosignal detection sensor 1. It has a frequency analysis means 110 and a boundary frequency identification means 120 that perform predetermined processing using the received time series data.
The storage unit also has a correlation data storage unit 150 that stores correlation data between the boundary frequency between vibrations caused by apex beats and vibrations caused by heart sounds, which has been measured and constructed in advance, and the heart rate.

より詳細には、生体信号分析装置100は、周波数解析手段110、境界周波数特定手段120として機能する手順を実行させるコンピュータプログラムが記憶部(当該コンピュータ(生体信号分析装置100)としての内蔵のハードディスク等の記録媒体のほか、リムーバブルの各種記録媒体、通信手段で接続された他のコンピュータの記録媒体等も含む)に記憶されている。なお、生体信号分析装置100は、周波数解析手段110、境界周波数特定手段120を実現するコンピュータプログラムが組み込まれた1以上の記憶回路を有する電子回路を用いて実現することもできる。 More specifically, the biosignal analysis device 100 has a computer program stored in a storage unit (including recording media such as a hard disk built into the computer (biological signal analysis device 100), as well as various removable recording media and recording media of other computers connected via communication means) that executes procedures that function as the frequency analysis means 110 and the boundary frequency identification means 120. The biosignal analysis device 100 can also be realized using an electronic circuit having one or more memory circuits incorporating computer programs that realize the frequency analysis means 110 and the boundary frequency identification means 120.

また、コンピュータプログラムは、記録媒体に記憶させて提供することができる。コンピュータプログラムを記憶した記録媒体は、非一過性の記録媒体であっても良い。非一過性の記録媒体は特に限定されないが、例えば フレキシブルディスク、ハードディスク、CD-ROM、MO(光磁気ディスク)、DVD-ROM、メモリカードなどの記録媒体が挙げられる。また、通信回線を通じてコンピュータプログラムをコンピュータに伝送してインストールすることも可能である。 The computer program can also be provided by storing it on a recording medium. The recording medium storing the computer program may be a non-transient recording medium. There is no particular limitation on non-transient recording media, but examples of such recording media include flexible disks, hard disks, CD-ROMs, MOs (magneto-optical disks), DVD-ROMs, and memory cards. It is also possible to transmit the computer program to a computer via a communication line and install it.

ここで、生体信号検出センサ1は、上記のように心音を捉えることができることから、得られた生体信号データを受信したならば、周波数解析手段110は、体表面を介して生体信号検出センサ1により得られる生体信号データを周波数解析する。 Since the biosignal detection sensor 1 can capture heart sounds as described above, when the obtained biosignal data is received, the frequency analysis means 110 performs frequency analysis on the biosignal data obtained by the biosignal detection sensor 1 via the body surface.

境界周波数特定手段120は、周波数解析手段110から得られる生体信号データの周波数解析結果から、生体信号データ中、心尖拍動に起因する振動と心音に起因する振動との境界周波数(Boundary Frequency:BF)を求める。境界周波数特定手段120は、周波数解析手段110により得られる周波数解析結果中、調和振動と不規則振動との境界となるパワースペクトルの急変部を求め、この急変部を基準に境界周波数を特定する手段を含む。 The boundary frequency identification means 120 determines the boundary frequency (BF) between the vibration caused by the apex beat and the vibration caused by the heart sound in the biosignal data from the frequency analysis result of the biosignal data obtained from the frequency analysis means 110. The boundary frequency identification means 120 includes a means for determining the sudden change part of the power spectrum that is the boundary between the harmonic vibration and the irregular vibration in the frequency analysis result obtained by the frequency analysis means 110, and identifying the boundary frequency based on this sudden change part.

本実施形態によれば、境界周波数が求められることで、生体信号から心尖拍動の波形を心音の波形とは区別して得ることが可能となる。 According to this embodiment, by determining the boundary frequency, it is possible to obtain the waveform of the apex beat from the biosignal separately from the waveform of the heart sounds.

また、本実施形態の生体信号分析装置100は、境界周波数そのものを判定指標として用いている。すなわち、後述の実験から明らかなように、境界周波数は心拍数との2次関数で表され、心拍数を基に両者の相関データから境界周波数を知ることができる。境界周波数と心拍数との相関を見ると、効率のよい状態の心臓の心拍数は約70~80/minである。これは、心臓の運動負荷が少ない状態であり、その場合の境界周波数は最小となっている。よって、心拍数を測定して相関データを用いて得られる測定時の境界周波数により、その時点の心臓がどのような状態であるかが推定できる。 The biosignal analyzer 100 of this embodiment also uses the boundary frequency itself as a judgment index. That is, as will be apparent from the experiments described below, the boundary frequency is expressed as a quadratic function of the heart rate, and the boundary frequency can be known from the correlation data between the two based on the heart rate. Looking at the correlation between the boundary frequency and the heart rate, the heart rate of an efficient state is approximately 70 to 80/min. This is a state in which the exercise load on the heart is low, and in this case the boundary frequency is at a minimum. Therefore, the state of the heart at that time can be estimated from the boundary frequency at the time of measurement, which is obtained by measuring the heart rate and using the correlation data.

本実施形態の生体信号分析装置100は、図12において想像線で示したように、境界周波数と心拍数との相関データが記憶された相関データ記憶部150を有し、相関データ記憶部150に記憶された相関データに照らし、測定対象者の心拍数をもとに境界周波数を求め、測定対象者の測定時の境界周波数を推定する測定時状態推定手段130を有する構成とすることが好ましい。 As shown by the imaginary lines in FIG. 12, the biosignal analyzer 100 of this embodiment preferably has a correlation data storage unit 150 in which correlation data between the boundary frequency and the heart rate is stored, and a measurement state estimation means 130 that determines the boundary frequency based on the heart rate of the subject in reference to the correlation data stored in the correlation data storage unit 150, and estimates the boundary frequency of the subject at the time of measurement.

測定時状態推定手段130によって状態を推定する際には,心拍数の情報が必要となるが、心拍数の情報は、図12に想像線で示した心拍数演算手段140により、心拍数を求めることができる。この場合には、生体信号検出センサ1と、その生体信号データを処理して心拍数を求める心拍数演算手段140をあわせて心拍数測定部として機能する。なお、心拍数の測定は、心電図法、心音図法、光電脈波法、血圧計法等があり、それらの測定装置を心拍数測定部として用いることも可能である。但し、本実施形態の生体信号検出センサ1は、人の体表面に当接するだけで、非拘束で測定でき、測定のしやすさの点で優れている。 When estimating the state by the measurement state estimation means 130, information on the heart rate is required, and the heart rate can be calculated by the heart rate calculation means 140 shown in phantom lines in FIG. 12. In this case, the biosignal detection sensor 1 and the heart rate calculation means 140 that processes the biosignal data to calculate the heart rate function together as a heart rate measurement unit. Note that the heart rate can be measured by electrocardiogram, phonocardiogram, photoplethysmography, sphygmomanometer, etc., and these measuring devices can also be used as the heart rate measurement unit. However, the biosignal detection sensor 1 of this embodiment is excellent in terms of ease of measurement, as it can measure without restraint just by contacting it with the surface of the human body.

相関データ記憶部150に記憶される相関データは、予め測定された心尖拍動に起因する振動と心音に起因する振動との境界周波数と、心拍数との相関データからなる。この相関データは、境界周波数と、境界周波数を求めた際の心拍数との相関を示した2次関数で構築されている。よって、測定した心拍数をこの相関データ記憶部150の記憶部に記憶された相関データに照合することで境界周波数を知ることができる。 The correlation data stored in the correlation data storage unit 150 consists of correlation data between the boundary frequency between vibrations caused by the apex beat and vibrations caused by heart sounds, which have been measured in advance, and the heart rate. This correlation data is constructed using a quadratic function that shows the correlation between the boundary frequency and the heart rate when the boundary frequency was determined. Therefore, the boundary frequency can be known by comparing the measured heart rate with the correlation data stored in the storage unit of the correlation data storage unit 150.

なお、相関データ記憶部150に記憶される境界周波数は、予め、多数の生体信号データを解析して求められる。境界周波数は、境界周波数特定手段120により特定される上記の急変部として求められる。 The boundary frequency stored in the correlation data storage unit 150 is determined in advance by analyzing a large amount of biological signal data. The boundary frequency is determined as the above-mentioned sudden change portion identified by the boundary frequency identification means 120.

急変部の求め方としては、まず、体表面を介して生体信号検出センサ1により得られる生体信号データを周波数解析し、その周波数解析結果に、同時に測定した心音データの周波数解析結果を加味し、生体信号データ中、心尖拍動に起因する振動と前記心音に起因する振動との境界周波数を抽出して求めることができる。 The area of sudden change can be determined by first frequency analyzing the biosignal data obtained by the biosignal detection sensor 1 via the body surface, and then adding the frequency analysis results of the heart sound data measured at the same time to the frequency analysis results, and extracting and determining the boundary frequency between the vibrations caused by the apex beat and the vibrations caused by the heart sounds in the biosignal data.

具体的には、周波数解析手段110により求められる生体信号データの周波数解析結果を加算平均処理し、その波形を周波数とパワースペクトルを用いて両対数軸表示すると共に、心音データの周波数解析結果を加算平均処理してその波形を周波数とパワースペクトルを用いて両対数軸表示し、両対数軸表示した2つの波形の対数差分の波形からゆらぎの変化点を求め、このゆらぎの変化点を心尖拍動の高調波成分が極めて小さくなる実質的な消失点とし、消失点の周波数を上記の急変部に相当するものとして境界周波数を求めることができる。 Specifically, the frequency analysis results of the biosignal data obtained by the frequency analysis means 110 are averaged and the resulting waveform is displayed on a double logarithmic axis using frequency and power spectrum, while the frequency analysis results of the heart sound data are averaged and the resulting waveform is displayed on a double logarithmic axis using frequency and power spectrum. A fluctuation change point is obtained from the logarithmic difference between the two waveforms displayed on the double logarithmic axis, and this fluctuation change point is regarded as the effective vanishing point where the harmonic components of the apex beat become extremely small. The frequency of the vanishing point corresponds to the above-mentioned sudden change part, making it possible to obtain the boundary frequency.

また、周波数解析手段110として、短時間フーリエ変換(STFT : Short Time Fourier Transform)の手法を適用することができる。この場合、境界周波数特定手段120は、短時間フーリエ変換の解析結果から上記のパワースペクトルの急変部を求める。短時間フーリエ変換は、好ましくは、その解析結果を、時間、周波数及びパワースペクトルの変動の程度を示す画像データに出力する。これにより、境界周波数特定手段120は、短時間フーリエ変換の画像データから、パワースペクトルの急変部を求めることができる。具体的な急変部の特定、すなわち、境界周波数を求める手段については後述する。 Furthermore, the frequency analysis means 110 may employ a short-time Fourier transform (STFT) technique. In this case, the boundary frequency identification means 120 determines the sudden change part of the power spectrum from the analysis result of the short-time Fourier transform. The short-time Fourier transform preferably outputs the analysis result as image data indicating the time, frequency, and degree of fluctuation of the power spectrum. This allows the boundary frequency identification means 120 to determine the sudden change part of the power spectrum from the image data of the short-time Fourier transform. Specific means for identifying the sudden change part, i.e., for determining the boundary frequency, will be described later.

ここで、生体信号検出センサ1は、人の体の背部、胸部、腰部等に取り付けられ、体内の音、振動を捉えるものであり、得られる生体信号は、種々の生体音、体内振動の集合体である。一方、心尖拍動は、心音の波形に隠れた振動であり、それらを分離することは難しい。しかしながら、本実施形態では、心尖拍動と波形と心音の波形とを区別する上記の境界周波数(Boundary Frequency:BF)を見出し、心拍数に基づいた心尖拍動に関連する生体状態の推定を可能としている。 Here, the biosignal detection sensor 1 is attached to the back, chest, waist, etc. of a person's body and captures sounds and vibrations within the body, and the obtained biosignal is a collection of various biosounds and internal vibrations. On the other hand, the apical pulsation is a vibration hidden in the waveform of the heart sounds, and it is difficult to separate them. However, in this embodiment, the above-mentioned boundary frequency (BF) that distinguishes between the apical pulsation waveform and the waveform of the heart sounds is found, making it possible to estimate the biological state related to the apical pulsation based on the heart rate.

以下、周波数解析手段110により周波数解析し、境界周波数特定手段120により境界周波数を特定する方法について詳述する。本実施形態においては、上記のように、両対数軸表示した波形を用い、その波形において高調波調和振動が実質的に消失する周波数に基づきゆらぎの変化点を求め、このゆらぎの変化点をパワースペクトルの急変部とする手法と、短時間フーリエ変換の解析結果からパワースペクトルの急変部を求める手法の2つがある。 The method of performing frequency analysis using the frequency analysis means 110 and identifying the boundary frequency using the boundary frequency identification means 120 will be described in detail below. In this embodiment, there are two methods: a method of using a waveform displayed on both logarithmic axes as described above, determining a fluctuation change point based on the frequency at which harmonic vibrations in the waveform essentially disappear, and treating this fluctuation change point as a sudden change part in the power spectrum, and a method of determining a sudden change part in the power spectrum from the analysis results of a short-time Fourier transform.

[境界周波数(BF)の抽出法]
(APWの高調波調和振動消失周波数に基づくBF抽出法)
心音は、非特許文献1に示されているように不規則振動であるが、心尖拍動波は、後述の実験結果より、主に基本調波と高調波からなる調和振動で構成されることが明らかになった。そこで、胸部前部に取り付けた4SRセンシングシステムから得られるAPWの波形を周波数解析し、加算平均処理を行い、高調波調和振動と不規則振動のパワースペクトルの変化点、すなわちパワースペクトルの急変部を見つけることに着目した。心尖拍動波のCAB(Cardiac Apex Beat)の高調波成分は周波数が高くなるにつれて、そのパワースペクトルが小さくなる。一方、心音のCAS(Cardiac Acoustic Sound)の不規則振動系のパワースペクトルは、周波数に依存せず、パワースペクトルの大きさが変化する。ここでは、このCABの高調波成分のパワースペクトルが小さくなり、そしてCASの変動挙動が変化する周波数を境界周波数:Boundary Frequencyと呼び、以下では、これをBFと呼ぶ。なお、心拍変動や血圧変動が生じるとAPWの波形が瞬時に変動するが、APW波形の瞬時変動の要因の一つに、PCGの卓越周波数の変動があると考えられる。
[Boundary frequency (BF) extraction method]
(BF extraction method based on APW harmonic oscillation vanishing frequency)
As shown in Non-Patent Document 1, the heart sound is an irregular vibration, but the experimental results described below have revealed that the apex beat wave is mainly composed of harmonic vibration consisting of fundamental and higher harmonics. Therefore, we focused on frequency analysis of the APW waveform obtained from a 4SR sensing system attached to the front of the chest, performing arithmetic averaging, and finding the change point of the power spectrum of the harmonic harmonic vibration and the irregular vibration, that is, the sudden change part of the power spectrum. The power spectrum of the harmonic component of the CAB (Cardiac Apex Beat) of the apex beat wave becomes smaller as the frequency increases. On the other hand, the power spectrum of the irregular vibration system of the CAS (Cardiac Acoustic Sound) of the heart sound does not depend on the frequency, and the magnitude of the power spectrum changes. Here, the frequency at which the power spectrum of the harmonic component of the CAB becomes smaller and the fluctuation behavior of the CAS changes is called the boundary frequency, and hereinafter this is called BF. In addition, when heart rate or blood pressure fluctuations occur, the APW waveform changes instantaneously. One of the factors that causes the instantaneous fluctuations in the APW waveform is thought to be changes in the dominant frequency of the PCG.

被験者の個人差により、体幹の音響振動の伝達特性に関してもインピーダンスが異なり、BFを見つけにくい場合もある。そこで、対数差分法を適用して心尖拍動波の高調波成分が消失する周波数(高調波成分のパワースペクトルが非常に小さくなり、実質的に無視できるレベルの周波数)を見つける。APWの加算平均処理は時間窓8.2秒で、90%オーバーラップでフーリエ変換を行う。加算平均処理された波形を両対数軸表示で表す。両対数軸表示のパワースペクトル波形は、加法定理が使えるためである。なお、心音にはPCGの波形を用いる。対数差分法を適用することで、PCGの0.5~20Hzの周波数帯域のパワースペクトルの絶対値が大きくなり、かつパワースペクトルの波形を逆位相にできる。これにより、心尖拍動の高調波成分と心音の不規則振動のパワースペクトルを小さくし、BFを見つけ易くする。 Depending on the individual differences of the subjects, impedance also differs with regard to the transmission characteristics of the acoustic vibration of the trunk, and it may be difficult to find the BF. Therefore, the logarithmic difference method is applied to find the frequency at which the harmonic components of the apical pulsation wave disappear (the frequency at which the power spectrum of the harmonic components becomes very small and can be practically ignored). The arithmetic average processing of the APW is performed with a time window of 8.2 seconds and a Fourier transform with 90% overlap. The arithmetic average processed waveform is displayed on a double logarithmic axis. This is because the power spectrum waveform displayed on a double logarithmic axis can be used for the addition theorem. Note that the PCG waveform is used for the heart sounds. By applying the logarithmic difference method, the absolute value of the power spectrum of the PCG in the 0.5 to 20 Hz frequency band is increased, and the power spectrum waveform can be made in opposite phase. This reduces the power spectrum of the apical pulsation harmonic components and the irregular vibration of the heart sounds, making it easier to find the BF.

(短時間フーリエ変換を用いたBF抽出法)
F-APW、PCG、APW×PCG、APW×PCG-1にパワースペクトルの短時間フーリエ変換(STFT : Short Time Fourier Transform)を適用し、ゆらぎの変化点を可視化する。本解析で用いる短時間フーリエ変換の式は、
(BF extraction method using short-time Fourier transform)
The short-time Fourier transform (STFT) of the power spectrum is applied to F-APW, PCG, APW×PCG, and APW×PCG -1 to visualize the change points of the fluctuations. The formula for the short-time Fourier transform used in this analysis is:

Figure 0007637408000007
となる。
Figure 0007637408000007
It becomes.

x(t)は計測信号データであり、W(t-τ)は窓関数である。周波数分解能を0.5Hz以下にするために、窓関数の点数は212=4096とする。4096点はサンプリング周波数を1000Hzにとると4.096秒となり、4.096秒は0.244Hzとなる。これにより、周波数分解能を0.5Hz以下の0.244Hzに設定できる。そして、窓関数の移動幅は50点に設定した。tは計測時間を示し、τは窓関数の移動時間による時系列データを示す。計測信号データに窓関数を掛け合わせることで、時間と共に変化する周波数情報を作ることができる。なお、周波数情報は50/1000=0.05秒毎に生じる。 x(t) is the measured signal data, and W(t-τ) is the window function. In order to set the frequency resolution to 0.5 Hz or less, the number of window function points is set to 2 12 = 4096. If the sampling frequency is 1000 Hz, 4096 points corresponds to 4.096 seconds, and 4.096 seconds is 0.244 Hz. This allows the frequency resolution to be set to 0.244 Hz, which is 0.5 Hz or less. The shift width of the window function is set to 50 points. t indicates the measurement time, and τ indicates the time series data based on the shift time of the window function. By multiplying the measured signal data by the window function, it is possible to create frequency information that changes over time. Note that frequency information is generated every 50/1000 = 0.05 seconds.

次に、上記二つのBF抽出法に基づいて決定したBFを用いて、F-APWから心尖拍動波形(Front CAB)と心音(Front CAS)を描記し、同様にR-APW、L-APWからRear CAB、Rear CASおよびLumbar CAB、Lumbar CASを描記する。また予備実験と予備的検討で、BFに関与しているのがHRであることが判明したので、両者の相関関係を調べるためにBFとHRの相関図を50名分のデータを用いて作成する。
なお、高調波成分が消失する周波数に基づくBF抽出法は周波数からBFを決定する手法で、一方、短時間フーリエ変換を用いたBF抽出法は、パワースペクトルを閾値としてBFを決定する手法である。具体的には、前者は周波数を変化させてパワースペクトル高さが下降から上昇に転ずる周波数をBFと定める方法で、後者はBF付近にあるパワースペクトル群の平均値の70%を閾値に設定し、BFを定める方法である。
ここで図19~図21に、HR(心拍数):58/min、71/min、79/min、93/minの4名の被験者について、ECG、F-APW、PCG、Front CAB、Front CASの比較をまとめて示す。
HR:58/minの被験者事例では、Front CABによって計測された収縮期波がACGのLate systolic bulgeを呈しているが、ECGとPCG(Front CAS)からは拡張型心筋症は考えにくく、重力の影響で心尖拍動がSustainedなパターンに近づいたと考えられる。
HR:71/minの被験者事例では、ECGではP波がはっきりとせず、小さくて見えない。Front CABにはACGで確認される左房収縮に由来するA波(心房性隆起波)が確認でき、Front CASにもPCGのI音より早く低周波の波があり、Ectopic rhythm(異所性調律)ではない。
HR:79/minの被験者事例では、Front CAB によって計測された波形はSustainedなパターンを呈すが、A波とRapid Filling Wave (RFW)の波形とFront CASから、左室肥大と収縮期に左室からのリークがある病例(僧房弁逆流等)ではないことが示唆される。
HR:93/minの被験者事例では、ECGで低電位を示し安静状態で高い心拍数を示すが、低周波成分・高周波成分をもつFront CABとI音が亢進も減弱していないFront CASから、基礎心疾患の疑いは消える。
Next, using the BF determined based on the above two BF extraction methods, the apical beat waveform (Front CAB) and heart sounds (Front CAS) are plotted from the F-APW, and similarly, the Rear CAB, Rear CAS, Lumbar CAB, and Lumbar CAS are plotted from the R-APW and L-APW.In addition, since it was found in the preliminary experiment and preliminary study that HR is involved in BF, a correlation diagram between BF and HR is created using data from 50 subjects to examine the correlation between the two.
The BF extraction method based on the frequency at which harmonic components disappear is a method for determining the BF from the frequency, while the BF extraction method using the short-time Fourier transform is a method for determining the BF using the power spectrum as a threshold. Specifically, the former is a method for determining the frequency at which the power spectrum height changes from decreasing to increasing as the BF by changing the frequency, while the latter is a method for determining the BF by setting 70% of the average value of the power spectrum group near the BF as the threshold.
Figures 19 to 21 show a comparison of ECG, F-APW, PCG, Front CAB, and Front CAS for four subjects with HR (heart rates): 58/min, 71/min, 79/min, and 93/min.
In the case of a subject with a HR of 58/min, the systolic wave measured by the Front CAB showed a late systolic bulge in the ACG, but the ECG and PCG (Front CAS) made it difficult to consider dilated cardiomyopathy, and it is thought that the apical beat approached a sustained pattern due to the influence of gravity.
In the case of a subject with a HR of 71/min, the P wave was unclear and small and not visible on the ECG. The A wave (atrial upstroke wave) originating from the left atrial contraction confirmed by the ACG was confirmed on the front CAB, and the front CAS also had a low-frequency wave earlier than the I sound of the PCG, so this was not an ectopic rhythm.
In the subject case with a HR of 79/min, the waveform measured by Front CAB exhibited a sustained pattern, but the waveforms of the A waves and Rapid Filling Wave (RFW) and Front CAS suggested that this was not a case of left ventricular hypertrophy or leakage from the left ventricle during systole (mitral valve regurgitation, etc.).
In the case of a subject with a HR of 93/min, the ECG showed low voltage and a high heart rate at rest, but the Front CAB had low and high frequency components, and the First sound was neither accentuated nor attenuated, eliminating suspicion of underlying heart disease.

(心拍変動のゆらぎ特性と心拍数およびBFとの相関)
両対数軸表示のパワースペクトルの傾きをここではゆらぎ係数と呼び、急峻なゆらぎ係数の変化点を、以後、ゆらぎの変化点と呼ぶ。ゆらぎの変化点では、複雑性の喪失やBreakpointが生じる。ゆらぎ係数はパワースペクトルP(f)と周波数(f)で表され、両対数軸表示でlog P(f)とlog(f)となり、log P(f) とlog(f)の間に直線関係がある場合は、
(Fluctuation characteristics of heart rate variability and correlation with heart rate and BF)
The slope of the power spectrum displayed on both logarithmic axes is called the fluctuation coefficient here, and the point where the fluctuation coefficient changes sharply is hereafter called the fluctuation change point. At the fluctuation change point, a loss of complexity or a breakpoint occurs. The fluctuation coefficient is expressed by the power spectrum P(f) and frequency (f), and is log P(f) and log(f) on both logarithmic axes. If there is a linear relationship between log P(f) and log(f), then

Figure 0007637408000008
で表される。
Figure 0007637408000008
It is expressed as:

ECGから求めた心拍変動のゆらぎ特性を評価するためAPW計測の実験プロトコルにより計測した実験データを用いる。なお、ゆらぎ特性は、式(5)を用いて計算する。得られるnの値はマイナスの数値(およそ-0.5~-1.5)となるが、非特許文献3によれば、心周期の1/fゆらぎと定義されているため、絶対値で表記する。 To evaluate the fluctuation characteristics of heart rate variability obtained from ECG, experimental data measured using the APW measurement experimental protocol is used. The fluctuation characteristics are calculated using formula (5). The obtained value of n is a negative number (approximately -0.5 to -1.5), but according to Non-Patent Document 3, it is defined as the 1/f fluctuation of the cardiac cycle, so it is expressed as an absolute value.

心拍変動のゆらぎを評価するため、無呼吸、自然呼吸、無呼吸の各30秒間、計90秒間のデータを用いる。ここでの心拍数は、90秒間の平均値を用いる。 To evaluate the fluctuation of heart rate variability, data from 30 seconds of apnea, natural breathing, and apnea is used, totaling 90 seconds. The heart rate here is the average value over the 90 seconds.

[各抽出法によるBFの抽出結果]
(F-APWの高調波調和振動消失周波数からのBF抽出の結果)
図13は、F-APW×PCG-1を用いてのBFを抽出する手順を示したフローチャートであり、次の(1)から(10)は図13中の丸囲み数字に該当する。以下、計算の手順と着眼点を説明する。
[BF extraction results for each extraction method]
(Results of BF extraction from harmonic loss frequencies of F-APW)
Figure 13 is a flowchart showing the procedure for extracting BF using F-APW×PCG −1 , and the following (1) to (10) correspond to the circled numbers in Figure 13. The calculation procedure and points of view are explained below.

(1) 4SR dataからフィルタ処理を行わず、F-APWを求め、周波数解析する。以下ではこれをF-APWと表す。
(2) F-APWに対して加算平均処理を行う(時間窓8.2秒で、90%オーバーラップ)。
(3) PCGから波形を抽出し、周波数解析する。以下ではこれをPCGと表す。
(4) (2)と同様の加算平均処理(時間窓8.2秒, 90%オーバーラップ)を行う。
(5) (2)と(4)で求められたF-APW とPCGのパワースペクトルF-APW、PCGを用いてF-APW×PCG -1を生成し、Breakpointを見つける。
(6) F-APW×PCG-1 波形上にあるBreakpointから、ゆらぎをもつ心尖拍動波の高調波消失周波数とホワイトノイズとなる心音の不規則振動成分出現周波数を同定する。
(7) F-APW×PCG -1上の高調波消失点からBFラインを引き、BFラインとF-APWとの交点をBFとする。
(8) 0.5Hz~BFがCAB帯域(以後、CAB (0.5-BF))となり、BF~50HzがCAS帯域(以後、CAS(BF-50))となる。
(9) F-APWに0.5Hz~BFのバンドパスフィルタを適用し、CABの高調波成分がBF近傍で減少していることを確認する。
(10) F-APWにBF~50Hzのバンドパスフィルタを適用し、BF近傍では周波数に依らずパワースペクトルが変化していることを確認する。
(1) Calculate the F-APW from the 4SR data without filtering and perform frequency analysis. Hereinafter, this is referred to as F-APW.
(2) Perform averaging on the F-APW (time window of 8.2 seconds, 90% overlap).
(3) Extract the waveform from the PCG and perform frequency analysis. Hereinafter, this will be referred to as PCG.
(4) Perform the same averaging process as in (2) (time window 8.2 seconds, 90% overlap).
(5) Generate F-APW×PCG -1 using the power spectra F-APW and PCG obtained in (2) and (4), and find the breakpoint.
(6) From the breakpoints on the F-APW×PCG -1 waveform, the harmonic disappearance frequency of the fluctuating apical pulsation wave and the appearance frequency of the irregular vibration components of the heart sound that becomes white noise are identified.
(7) Draw a BF line from the harmonic vanishing point on F-APW×PCG -1 , and let the intersection of the BF line and F-APW be BF.
(8) 0.5 Hz to BF is the CAB band (hereinafter, CAB (0.5-BF)), and BF to 50 Hz is the CAS band (hereinafter, CAS (BF-50)).
(9) Apply a bandpass filter of 0.5 Hz to BF to the F-APW and verify that the harmonic components of the CAB are reduced near the BF.
(10) Apply a bandpass filter from BF to 50 Hz to the F-APW and confirm that the power spectrum changes regardless of frequency near the BF.

図14は、両軸線形表示で心拍数(HR)別(58~93/min)にまとめた CABとCASの周波数解析結果である。この図から、BFでのCABの高調波成分の消失、BF近傍からCASの不規則振動の出現、およびBFの HR依存性が理解でき、本発明の手法が、CABとCASを分離してその特徴を可視化できることがわかる。 Figure 14 shows the results of frequency analysis of CAB and CAS, organized by heart rate (HR) (58-93/min) in a biaxial linear display. From this figure, it is possible to understand the disappearance of the harmonic components of CAB in BF, the appearance of irregular oscillations of CAS near BF, and the HR dependency of BF, and it is clear that the method of the present invention can separate CAB and CAS and visualize their characteristics.

次に、図15~図18に、APWの高調波調和振動消失周波数に基づくBF抽出法によって描記されたCAB、CAS波形を示す。平均心拍数58、71、79、93/minの被験者から得られたF-APW、R-APW、L-APWから抽出されたFront CAB(0.5-BF)、Front CAS(5-BF)、Rear CAB(0.5-BF)、Lumbar CAB(0.5-BF)および PCGならびにFront CAS(BF-50)、Rear CAS(BF-50)、Lumbar CAS(BF-50)の各処理波形を示す。描記時間は1.5秒間である。括弧内は適応したフィルターの周波数帯域を示す。各CAB、各CAS波形の縦軸、横軸のレンジは計測部位毎で統一されている。4人の被験者のFront CAB(0.5-BF)は、基本調波が主となる心尖拍動波が描記されていることがわかる。 Next, Figures 15 to 18 show CAB and CAS waveforms traced using the BF extraction method based on the harmonic loss frequency of the APW. The processed waveforms of Front CAB (0.5-BF), Front CAS (5-BF), Rear CAB (0.5-BF), Lumbar CAB (0.5-BF), and PCG, as well as Front CAS (BF-50), Rear CAS (BF-50), and Lumbar CAS (BF-50), extracted from the F-APW, R-APW, and L-APW obtained from subjects with average heart rates of 58, 71, 79, and 93/min, are shown. The tracing time is 1.5 seconds. The frequency band of the applied filter is shown in parentheses. The vertical and horizontal ranges of each CAB and CAS waveform are standardized for each measurement site. It can be seen that the Front CAB (0.5-BF) of four subjects shows that the apical pulsation wave, which is dominated by the fundamental harmonic, is depicted.

得られた結果の考察から、Front CAB(5-BF)は、複数の5~10Hzの波形の組み合わせで形成されていることが分かった。一方、Rear CAB(0.5-BF) 、Lumbar CAB(0.5-BF)については、Front CAB(0.5-BF)に示す波形より周波数の高い波形が主体の調和振動波形となり、Front CAB(0.5-BF)とは異なる波形になった。また、心音は、複数の振動成分と複数の振動波形が合成された高周波波形からなる不規則振動であった。 From the analysis of the results, it was found that the Front CAB (5-BF) was formed by a combination of multiple 5-10 Hz waveforms. On the other hand, the Rear CAB (0.5-BF) and Lumbar CAB (0.5-BF) were harmonic vibration waveforms dominated by waveforms with higher frequencies than the waveform shown in the Front CAB (0.5-BF), resulting in waveforms different from those of the Front CAB (0.5-BF). In addition, the heart sounds were irregular vibrations consisting of high-frequency waveforms that were a combination of multiple vibration components and multiple vibration waveforms.

(短時間フーリエ変換を用いたBF抽出の結果)
図22~図27は、計測時間10秒間の平均心拍数が93/min、58/min、71/min、79/minの被験者のF-APW、PCGの周波数解析によるパワースペクトルのSTFT解析結果を示す。
STFTの図は、縦軸は周波数を示し、横軸はSTFTの出力時刻を表す。色の濃淡はパワースペクトルの変動の程度を示し、色の濃淡のレンジを変えることで式(5)で表されるゆらぎ係数の大小も表現できる。パワースペクトルの変動の大小はRed, Green, Blue(RGB)の濃淡で示される。パワースペクトルの変動が少ない箇所やゆらぎ係数が急変しない部位や小振幅の不規則振動では、面状のRed、Green、Blueが出現し、逆にパワースペクトルの変動が大きい所や、ゆらぎ係数が急変する部位はRed、Green、Blueが線状に出現する。
(Results of BF extraction using short-time Fourier transform)
22 to 27 show the results of STFT analysis of power spectra by frequency analysis of F-APW and PCG for subjects with average heart rates of 93/min, 58/min, 71/min, and 79/min over a 10-second measurement period.
In the STFT diagram, the vertical axis represents frequency and the horizontal axis represents the STFT output time. The shade of color indicates the degree of fluctuation in the power spectrum, and the magnitude of the fluctuation coefficient expressed by equation (5) can be expressed by changing the range of the shade of color. The magnitude of the fluctuation in the power spectrum is shown by the shade of red, green, and blue (RGB). In areas where the fluctuation of the power spectrum is small, areas where the fluctuation coefficient does not change suddenly, or areas with small amplitude irregular vibration, red, green, and blue appear as planes, while in areas where the fluctuation of the power spectrum is large or areas where the fluctuation coefficient changes suddenly, red, green, and blue appear as lines.

上記の対数差分(F-APW×PCG-1)は、図23(a),(b)に示される。図24(b)は周波数解析結果を示し、Breakpointに対応するBFは15Hzとなる。 The logarithmic difference (F-APW×PCG −1 ) is shown in Figures 23(a) and 23(b). Figure 24(b) shows the frequency analysis result, where the BF corresponding to the breakpoint is 15 Hz.

図24(a)では、0.5~30Hzの周波数帯域にある高調波成分と不規則振動を強調するために、APWとPCGの対数和分(APW×PCG)を計算した。BFを境として心尖拍動波と不規則振動である心音の両者が強調されたSTFTとなった。このため、14~17HzのBlueとYellowが主体の帯域の中にBFが出現した。 In Figure 24 (a), the logarithmic sum of APW and PCG (APW x PCG) was calculated to emphasize the harmonic components and irregular vibrations in the frequency band of 0.5 to 30 Hz. The STFT emphasizes both the apical pulsation wave and the irregular vibration of the heart sounds, with the BF as the boundary. As a result, the BF appears in the band of 14 to 17 Hz, which is dominated by blue and yellow.

APW×PCG-1とAPW×PCG、これら二つの線状描記ラインから、心尖拍動の高調波と心音の不規則振動の変動挙動が検出され、心尖拍動の高調波消失の周波数と心音出現周波数、およびBFを同定することができた。 From these two linear tracing lines, APW×PCG -1 and APW×PCG, the fluctuating behavior of the apical beat harmonics and the irregular vibration of heart sounds was detected, and the frequency at which the apical beat harmonics disappeared, the frequency at which the heart sounds appeared, and the BF were identified.

次に、図22~図27の各図の考察のための着眼点を説明する。
図22~図24は計測時間10秒間の平均心拍数が93/minの被験者のSTFT解析結果を示す。
図22(a)は、APWが1.6Hzを基本調波とした9次までの高調波を成分にもつことを示す。本図のBFはパワースペクトルの急変部をbreakpointとするため、BFはBlueで示される14~17Hzの間に存在する。
図22(b)は、10~50Hzの間でパワースペクトルの変化が大きい振動成分をもつのがPCGで、図22(a)と併せて見ると5次の高調波から不規則振動までを捉えていることが分かる。
図23(a)はAPW×PCG-1で、BFはパワースペクトルの変動が少ない帯域での急変部をbreakpointとするため、BFはRed、Blue、Redで示される14~17Hzの間に存在する。図23(b)はAPW×PCG-1の拡大図で15Hz近傍にbreakpointを示す線状のRed lineが出現した。
図24(a)のAPW×PCGは、1.49Hzの基本調波がBlue Lineとなり、2次高調波がGreen Lineで、3次高調波から15Hzまでの高調波がRed lineとなり、基本調波より高調波の方がパワースペクトルが大きくなっていることが分かる。そして15Hz近傍のRed-Blue-Redで示されたBlue範囲にbreakpointがあり、Redが始まる15~20Hzの間から不規則振動があることを示した。
図24(b)は、APW×PCG-1、APW、PCG、APW×PCGのパワースペクトルを示す。APW×PCG-1にbreakpointがあり、breakpointは15Hzとなり、BFは15Hzに生じた。
Next, points to consider when considering each of FIGS. 22 to 27 will be described.
22 to 24 show the results of STFT analysis for a subject whose average heart rate over a 10-second measurement period was 93/min.
Figure 22(a) shows that the APW has components of 9th harmonic with 1.6Hz as the fundamental harmonic. The BF in this figure is the breakpoint at the sudden change in the power spectrum, so the BF exists between 14 and 17Hz, as shown in blue.
In Figure 22(b), the PCG has vibration components with large changes in the power spectrum between 10 and 50 Hz. When viewed together with Figure 22(a), it can be seen that the PCG captures everything from the 5th harmonic to irregular vibrations.
Figure 23(a) shows APW×PCG -1 , and BF has a breakpoint at a sudden change in the band with little fluctuation in the power spectrum, so BF exists between 14 and 17 Hz, as shown by Red, Blue, and Red. Figure 23(b) shows an enlarged view of APW×PCG -1 , where a linear red line appears near 15 Hz, indicating a breakpoint.
In the APW×PCG in Fig. 24(a), the fundamental harmonic of 1.49Hz is the blue line, the second harmonic is the green line, and the harmonics from the third harmonic to 15Hz are the red line, and it can be seen that the power spectrum of the harmonics is larger than that of the fundamental harmonic. There is also a breakpoint in the blue range shown by Red-Blue-Red near 15Hz, indicating that irregular vibrations occur from 15 to 20Hz where Red begins.
24B shows the power spectra of APW×PCG −1 , APW, PCG, and APW×PCG. APW× PCG had a breakpoint at 15 Hz, and BF occurred at 15 Hz.

図25~図28は、上記で説明したAPW×PCG-1とSTFTを用いたBF抽出法から求めたBFである。被験者の心拍数は58、71、79/minである。
図25(a)は、図22(a)の事例とは逆でbreakpointが山型のパワースペクトルの中に現れた事例で、図25(b)においてBFはRed-Green-Red-Blueで挟まれた帯域の中で線状のRedで現れた。
図26(a)は、図22(a)に示されるbreakpointが山型のパワースペクトルの稜線部に現れた事例で、図26(b)においてBFはRed-Blue-Red-Blueで挟まれた線状のRedで現れた。
図27(a),(b)は、パワースペクトルのゆらぎが変化した事例で、図27(a)の周波数解析結果からは判定が難しいが、図27(b)のSTFT法であればBFを判定できることがわかる。図27(b)では、BFはRed-Blueの境界線に線状のRedで現れた。
25 to 28 show the BFs obtained by the BF extraction method using APW×PCG −1 and STFT described above. The subjects' heart rates were 58, 71, and 79/min.
Figure 25(a) shows a case in which the breakpoint appears in a mountain-shaped power spectrum, which is the opposite of the case in Figure 22(a), while in Figure 25(b) the BF appears as a linear Red in the band sandwiched between Red-Green-Red-Blue.
FIG. 26(a) shows an example in which the breakpoint shown in FIG. 22(a) appears on the ridge of the mountain-shaped power spectrum, while in FIG. 26(b) the BF appears as a linear Red sandwiched between Red-Blue-Red-Blue.
Figures 27(a) and (b) show examples where the fluctuation of the power spectrum has changed. It is difficult to judge from the frequency analysis result in Figure 27(a), but it is possible to judge the BF by the STFT method in Figure 27(b). In Figure 27(b), the BF appears as a red line on the border between Red and Blue.

図28(a),(b)は、高調波消失周波数からのBF抽出法により求めると共に、STFTを用いたBF抽出法によっても確認した50名の被験者のBFと心拍数との相関図(BF-HR相関図)である。図28(a)は、BFの周波数を縦軸に、HRを横軸にとって示したもので、両者の関係を2次関数で近似すると、その関係は、y = 0.0173x2 - 2.5847x + 107.6111で表され、HRが75/minのときに10Hz近傍で最小値をとる。このときR2 = 0.8242となった。本図を用いると、PCGを計測する必要が無く、BFを知ることができる。
また、BFは年齢、SBP、DBP、BMIとの相関はなかった。さらに、20名の若年対照群におけるBFの検討において、STFTによって求められたBFと BF-HR曲線によって決定されるBFの間に強い相関がみられた(R2=0.85)。すなわち、本実施形態の生体信号検出センサ1(4SR)を用いて、体幹から出力される微小音響・振動(micro acoustic vibration (MAV))を採取しているため、生体信号分析装置100により分析することで、従来特定が困難であった「胸壁の厚い集団」の被験者からもBF、心尖拍動波の特定や、波形分類(正弦波ないし三角波)を行うことができる。
Figures 28(a) and (b) show the correlation diagrams (BF-HR correlation diagrams) between BF and heart rate of 50 subjects, which were obtained by the BF extraction method from harmonic disappearance frequency and confirmed by the BF extraction method using STFT. Figure 28(a) shows the frequency of BF on the vertical axis and HR on the horizontal axis. When the relationship between the two is approximated by a quadratic function, the relationship is expressed as y = 0.0173x2 - 2.5847x + 107.6111, and the minimum value is near 10Hz when HR is 75/min. In this case, R2 = 0.8242. By using this diagram, BF can be known without having to measure PCG.
In addition, BF was not correlated with age, SBP, DBP, or BMI. Furthermore, in a study of BF in a group of 20 young controls, a strong correlation was observed between BF obtained by STFT and BF determined by the BF-HR curve (R2=0.85). In other words, since the microacoustic vibration (MAV) output from the trunk is collected using the biosignal detection sensor 1 (4SR) of this embodiment, by analyzing it with the biosignal analysis device 100, it is possible to identify BF and apical pulsation waves and classify waveforms (sine wave or triangular wave) even from subjects in the "group with thick chest walls," which was previously difficult to identify.

図28(b)は、高調波消失次数とHRから相関図を求めたものである。次数を縦軸に、HRを横軸にとり、両者の関係を2次関数で近似すると、その関係は、y = 0.0203x2 -3.2258x + 135.4587で表され、HRが79/minのときに10Hz近傍で最小値をとる。このときR2 = 0.9479となった。なお、図28(a),(b)は、安静状態でRR変動が15%以内の計測時間10秒間のデータで構成されている。 Figure 28(b) shows a correlation diagram between the harmonic disappearance order and HR. If the order is taken on the vertical axis and HR on the horizontal axis, and the relationship between the two is approximated by a quadratic function, the relationship is expressed as y = 0.0203x 2 -3.2258x + 135.4587, and the minimum value is near 10Hz when HR is 79/min. In this case, R2 = 0.9479. Note that Figures 28(a) and (b) are composed of data measured for 10 seconds in a resting state with RR fluctuations of 15% or less.

よって、図28(a),(b)の相関図及びその2次関数を相関データ記憶部150に予め記憶させておくことにより、測定時状態推定手段130が、心拍数から速やかに測定時の境界周波数を求めることができ、その境界周波数に応じて、測定時の人の心臓の状態や健康状態を速やかに判定し、出力することができる。 Therefore, by storing the correlation diagrams of Figures 28(a) and (b) and their quadratic functions in advance in the correlation data storage unit 150, the measurement state estimation means 130 can quickly determine the boundary frequency at the time of measurement from the heart rate, and can quickly determine and output the state of the person's heart and health at the time of measurement according to the boundary frequency.

(心拍変動のゆらぎ特性と心拍数およびBFとの関係)
APW計測実験のECGから求めた心拍変動のゆらぎ特性と心拍数の相関を50人の被験者において検討した。図29(a)に示すように両者の関係は2次関数で近似され、HRが72/minのときに1/fゆらぎ(|n|=1)となった。一方、HRが50または90/min付近のときは、1/f2ゆらぎ(|n|=2)となった。
図29(b)は、心拍変動のゆらぎ特性とBFの相関を検討したものである。両者の関係は1次関数で近似された。BFが8~12Hz付近において1/fゆらぎ(|n|=1)となり、BFがおよそ20Hz以上で1/f2ゆらぎ(|n|=2)となった。
図29(c)~(e)は、同一被験者で90秒間の実験データを9等分して、安静時呼吸抑制時下で心拍変動が生じたときのBFの変動を求め、BF-HR相関図の回帰曲線上に描記したものである。3名の被験者は回帰曲線上を心拍変動に伴いBFが移動した。
(The relationship between heart rate fluctuation characteristics, heart rate, and BF)
The correlation between the fluctuation characteristics of heart rate variability obtained from ECG in the APW measurement experiment and the heart rate was examined for 50 subjects. As shown in Figure 29 (a), the relationship between the two was approximated by a quadratic function, and when the HR was 72/min, the fluctuation was 1/f (|n| = 1). On the other hand, when the HR was around 50 or 90/min, the fluctuation was 1/f 2 (|n| = 2).
Figure 29(b) shows the correlation between the fluctuation characteristics of heart rate variability and BF. The relationship between the two was approximated by a linear function. When BF was around 8 to 12 Hz, it showed 1/f fluctuation (|n| = 1), and when BF was around 20 Hz or more, it showed 1/ f2 fluctuation (|n| = 2).
Figures 29(c)-(e) show the experimental data for 90 seconds for the same subject, which was divided into 9 equal parts, and the BF fluctuations when heart rate fluctuations occurred during respiratory inhibition at rest were calculated and plotted on the regression curve of the BF-HR correlation diagram. For the three subjects, BF moved along the regression curve in accordance with heart rate fluctuations.

安静状態で心拍数が70~80/minの場合に心拍変動のゆらぎが1/fとなっており、これをBFに照らすと、心拍変動のゆらぎが1/fとなるのは上記のBFが8~12Hz付近のときであり、BFがこの付近の値を示すときに心臓が効率の良い運動を行っていると推定できる。よって、図29(b)の相関図を相関データ記憶部150に記憶させておくことにより、測定時状態推定手段130が、境界周波数特定手段120により得られたBFから速やかに測定時の心拍変動のゆらぎ特性を推定できる。このとき、ゆらぎ特性が1/fと推定できれば、心臓の動きがよいこと、すなわち心臓の動きに関して健康であることが推定でき、BFの値が1/fゆらぎを示す8~12Hz付近から外れるほど、加齢の影響、疾病の影響等が大きいと推定できる。 When the heart rate is 70-80/min in a resting state, the fluctuation of the heart rate fluctuation is 1/f. In light of this, when the BF is in the vicinity of 8-12 Hz, the fluctuation of the heart rate fluctuation becomes 1/f. When the BF shows a value in this vicinity, it can be estimated that the heart is moving efficiently. Therefore, by storing the correlation diagram in FIG. 29(b) in the correlation data storage unit 150, the measurement state estimation means 130 can quickly estimate the fluctuation characteristics of the heart rate fluctuation during measurement from the BF obtained by the boundary frequency identification means 120. If the fluctuation characteristics can be estimated as 1/f, it can be estimated that the heart is moving well, that is, that the patient is healthy in terms of the heart's movement. The further the BF value deviates from the vicinity of 8-12 Hz, which shows 1/f fluctuation, the greater the influence of aging, disease, etc. can be estimated.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について図30に基づいて説明する。本実施形態では、生体信号分析装置100が、上記の第1の実施形態の構成に加え、心尖拍動波形抽出手段160、波形分類手段170を有している。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 30. In this embodiment, a biosignal analyzer 100 includes an apex beat waveform extracting means 160 and a waveform classifying means 170 in addition to the configuration of the first embodiment.

心尖拍動波形抽出手段160は、生体信号データを、境界周波数特定手段120により特定される境界周波数(BF)を上限値に設定してフィルタリングし、心尖拍動により生じる振動の波形を求める。本実施形態では、上記のように0.5Hz~BFのバンドパスフィルターを用いてフィルタリングしている。なお、第1の実施形態の図15~図18において、心尖拍動波形(CAB)及び心音波形(CAS)を描記している。その際の心尖拍動波形は、本実施形態の心尖拍動波形抽出手段160と同様の手法により、0.5Hz~BFのバンドパスフィルターにより求めたものである。また、心音波形は、BF~50Hzのバンドパスフィルターを適用して求めている。 The apex beat waveform extraction means 160 filters the biosignal data by setting the boundary frequency (BF) identified by the boundary frequency identification means 120 as the upper limit value, and obtains the waveform of the vibration caused by the apex beat. In this embodiment, filtering is performed using a band pass filter of 0.5 Hz to BF as described above. Note that the apex beat waveform (CAB) and phonocardial waveform (CAS) are depicted in Figures 15 to 18 of the first embodiment. The apex beat waveform in this case is obtained using a band pass filter of 0.5 Hz to BF using a method similar to that used by the apex beat waveform extraction means 160 of this embodiment. The phonocardial waveform is obtained by applying a band pass filter of BF to 50 Hz.

波形分類手段170は、心尖拍動波形抽出手段160により出力される心尖拍動により生じる振動の波形(心尖拍動波形)を分類する。本実施形態では、(A)フーリエ級数展開を用いた数学的アプローチにより前記波形を分類する手段と、(B)工学的アプローチにより得られるデータから波形を分類する手段とを併用して分類する。詳細は後述するが、2つのアプローチを併用して、本実施形態では、健常者の心尖拍動波形を5つに分類している。
また、工学的アプローチにより得られるデータから波形を分類する手段では、次の4つのうちの少なくとも1つの判定要素を用いて波形を分類する。分類精度の向上のためには、好ましくは、2つ以上の判定要素を組み合わせて分類する。
The waveform classification means 170 classifies the waveform of vibrations caused by the apex pulsation (apex pulsation waveform) output by the apex pulsation waveform extraction means 160. In this embodiment, classification is performed by combining (A) a means for classifying the waveform by a mathematical approach using Fourier series expansion, and (B) a means for classifying the waveform from data obtained by an engineering approach. As will be described in detail later, in this embodiment, the apex pulsation waveforms of healthy subjects are classified into five types by combining the two approaches.
In addition, in the means for classifying waveforms from data obtained by an engineering approach, the waveforms are classified using at least one of the following four judgment factors. In order to improve the classification accuracy, it is preferable to classify using a combination of two or more judgment factors.

(1)前記心尖拍動により生じる振動の波形の所定時間範囲における時間波形の形状を示すデータ(図32~図36の各(b)の図)
(2)前記時間波形の前記周波数解析手段により得られる周波数とパワースペクトルを横軸と縦軸にとったグラフのデータ(図32~図36の各(c)の図)
(3)前記時間波形の前記短時間フーリエ変換の解析結果である時間、周波数及びパワースペクトルの変動の程度を示す所定時間範囲における画像データ(図32~図36の各(d)の図)
(4)コレログラムにより抽出される波形の種類と周期に関する所定時間範囲におけるデータ(図32~図36の各(e)の図)
(1) Data showing the shape of the time waveform of the vibration generated by the apex beat in a predetermined time range (the diagrams (b) in each of Figures 32 to 36)
(2) Graph data in which the horizontal and vertical axes represent the frequency and power spectrum obtained by the frequency analysis means of the time waveform (Figures (c) in each of Figures 32 to 36)
(3) Image data in a predetermined time range showing the degree of fluctuation in time, frequency and power spectrum, which are the analysis results of the short-time Fourier transform of the time waveform (Figures (d) in each of Figures 32 to 36)
(4) Data on the type and period of waveforms extracted by correlograms over a specified time range (Figures (e) in each of Figures 32 to 36)

上記のうち、まず、健常者の時間波形が、フーリエ級数展開を用いた数学的アプローチにより5つの波形に分類されることを求め、その実証として、工学的アプローチにより、振幅、周波数、時相を分析して、5つの波形に対応するデータを、Front CAB(0.5-BF)の時間波形の形状データ(図32~図36の各(b)の図)、パワースペクトルを横軸と縦軸にとったグラフのデータ(図32~図36の各(c)の図)、STFTの解析結果の図形データ(図32~図36の各(d)の図)、コレログラムにより抽出されるデータ(図32~図36の各(e)の図)から求めている。なお、この波形の評価法についてはさらに後述する。 First, we sought to classify the time waveforms of healthy subjects into five waveforms using a mathematical approach that uses Fourier series expansion, and to prove this, we used an engineering approach to analyze the amplitude, frequency, and time phase, and obtained data corresponding to the five waveforms from the shape data of the time waveform of Front CAB (0.5-BF) (Figures 32 to 36 (b)), the graph data with the power spectrum on the horizontal and vertical axes (Figures 32 to 36 (c)), the graphic data of the STFT analysis results (Figures 32 to 36 (d)), and the data extracted by the correlogram (Figures 32 to 36 (e)). The method for evaluating these waveforms will be described in more detail later.

波形分類手段170により分類された波形分類結果の情報は、相関データ記憶部150に記憶される。ここで、波形分類結果の情報は、健康状態(心疾患等の疾病の有無、疾病の特定、体調の良否等)に関する情報に紐付けられて記憶されている。これは、できるだけ多くの人の心尖拍動波形を測定し、その時の健康状態に対応させてデータ化されたものである。 The information on the waveform classification results classified by the waveform classification means 170 is stored in the correlation data storage unit 150. Here, the information on the waveform classification results is stored in association with information on health status (presence or absence of illness such as heart disease, identification of illness, physical condition, etc.). This is the result of measuring the apical pulsation waveforms of as many people as possible and digitizing them in accordance with their health status at that time.

測定時状態推定手段130は、心尖拍動波形抽出手段160により求められる、測定対象者の測定時の心尖拍動により生じる振動の波形について、波形分類手段170を用いて分類させ、当該測定時の波形分類結果を、相関データ記憶部150にアクセスして、予め記憶された波形分類結果の情報に照合する。それにより、測定時の波形分類結果に対応する健康状態が出力される。 The measurement condition estimation means 130 classifies the waveform of vibrations caused by the apex beat of the subject at the time of measurement, which is obtained by the apex beat waveform extraction means 160, using the waveform classification means 170, and accesses the correlation data storage unit 150 to compare the waveform classification result at the time of measurement with information on the waveform classification result stored in advance. As a result, the health condition corresponding to the waveform classification result at the time of measurement is output.

なお、図31に示したように、心尖拍動波形抽出手段160により出力され、波形分類手段170において分類対象となる心尖拍動波形の波形情報と健康状態とを教師データとして用い、波形情報から健康状態を推定する推定モデルを機械学習により生成するモデル作成手段180を有する構成とすることもできる。また、波形分類手段170による分類結果の情報(分類情報)を加味して機械学習を行わせることにより、推定モデルの精度が向上する。 As shown in FIG. 31, the configuration may include a model creation means 180 that uses the waveform information of the apical pulsation waveform output by the apical pulsation waveform extraction means 160 and to be classified by the waveform classification means 170, and the health condition, as teacher data, to generate an estimation model that estimates the health condition from the waveform information by machine learning. Furthermore, the accuracy of the estimation model is improved by performing machine learning while taking into account information on the classification results by the waveform classification means 170 (classification information).

この場合、測定時状態推定手段130は、測定対象者の測定時の心尖拍動により生じる振動の波形情報を入力として、モデル作成手段180により作成された推定モデルを用い、取得した測定時の波形情報から、測定時の健康状態の値を出力する。このような機械学習を組み込んだ構成とすることにより、波形情報からの健康状態の推定精度が向上する。なお、学習対象の波形情報の特徴量は、図32~図36に示した各波形の構築している振幅、周波数、時相等となるが、図32~図36の各(c)に示したSTFTの解析結果としての画像データは情報量が多く、学習対象の特徴量を抽出しやすい。よって、波形情報の把握には、STFTの画像データを学習対象に含めることが好ましい。また、図32~図36の各(c)の上図及び下図は、0.5Hz~BFの心尖拍動波形を、1.95Hzと7.81Hzの2つに切り分けたものであり、これにより学習対象の特徴量がより増加し、推定精度の向上に寄与できる。
なお、第2の実施形態のその他の構成は、生体信号検出センサ1を含め、第1の実施形態と同様である。
In this case, the measurement state estimation means 130 uses the waveform information of the vibration generated by the apex pulsation of the subject at the time of measurement as input, and outputs the value of the health state at the time of measurement from the acquired waveform information at the time of measurement using the estimation model created by the model creation means 180. By adopting such a configuration incorporating machine learning, the accuracy of estimating the health state from the waveform information is improved. Note that the feature amount of the waveform information of the learning object is the amplitude, frequency, time phase, etc. constructed in each waveform shown in Figures 32 to 36, but the image data as the analysis result of STFT shown in each (c) of Figures 32 to 36 has a large amount of information, and it is easy to extract the feature amount of the learning object. Therefore, in order to grasp the waveform information, it is preferable to include the image data of STFT in the learning object. In addition, the upper and lower diagrams of each (c) of Figures 32 to 36 show the apex pulsation waveform of 0.5 Hz to BF divided into two, 1.95 Hz and 7.81 Hz, which further increases the feature amount of the learning object and contributes to improving the estimation accuracy.
Other configurations of the second embodiment, including the biological signal detection sensor 1, are similar to those of the first embodiment.

以下、波形の分類、評価する方法についてさらに具体的に説明する。
[Front CABの時間波形の評価法]
(Front CABの時間波形分析)
次に、Front CAB波形の評価法について説明する。
心血管系の動態について非侵襲的に評価し、病態及び治療の指標となる理学的診断ツールの一つに上記の心尖拍動図(ACG)が知られているが、診察の体位は仰臥位が絶対的なものではなく、座位や左側臥位がとられる場合がある。そこで、仰臥位、左側臥位、座位を網羅した、計測体位別心尖拍動正常パターンに関する情報があると、PCG、ECGの波形分析や時相分析との関係について検討することができる。
The classification and evaluation methods of the waveforms will be explained in more detail below.
[Evaluation method for time waveform of Front CAB]
(Front CAB time waveform analysis)
Next, the method for evaluating the Front CAB waveform will be described.
The apex cardiogram (ACG) is known as one of the physical diagnostic tools that non-invasively evaluates the dynamics of the cardiovascular system and serves as an indicator of pathology and treatment, but the position for examination is not necessarily supine, and the patient may be in a sitting or left lateral position. Therefore, if there is information on the normal apex cardiogram pattern by measurement position, covering the supine, left lateral, and sitting positions, it would be possible to examine the relationship with waveform analysis and time phase analysis of PCG and ECG.

そこで、胸壁上に置かれたマイクロフォンで測定されたF-APW波形を周波数解析し、0.5HzからBFの周波数帯域を取り出したもの、すなわちFront CAB(0.5-BF)を生成し、臨床的に知られる心尖拍動波のものと比較する。波形分析の着眼点としては、視診でも触診でも収縮早期のみに認められる持続の短い拍動であるE波のtappingと拍動の持続が長く力強いsustainedに注目する。ここではFront CAB(0.5-BF)の波形の形状とACGのピークが出現する時相を用いて波形分析を行う。 Therefore, we perform frequency analysis on the F-APW waveform measured with a microphone placed on the chest wall, extracting the frequency band from 0.5 Hz to BF, i.e., Front CAB (0.5-BF), and compare it with the clinically known apical beat wave. The focus of the waveform analysis is on the tapping of the E wave, which is a short-lasting beat that can only be seen by visual inspection or palpation during early systole, and the sustained beat, which is a long-lasting, powerful beat. Here, we perform waveform analysis using the shape of the Front CAB (0.5-BF) waveform and the time phase at which the ACG peak appears.

Front CAB(0.5-BF)での各時間波形の振幅の評価は、収縮期の時相で行う。左心房の収縮に由来するA波並びにA波の痕跡をFront CAB(0.5-BF)で確認する。A波の後のボトム値をACGのC pointとし、ACGのE波に相当するピーク値までの全振幅を計測し、収縮期波の振幅とする。このACGのC pointとE波に至る全振幅を、Front CAB(5-BF)、Rear CAB(0.5-BF)、Lumbar CAB(0.5-BF)の時間波形 についても計算する。計測部位別の時間波形の振幅比較を行う場合は、Front CAB(0.5-BF)を基準値にして行う。各波形毎の比をもって振幅比とする。時間波形の振幅のボトム値は心電図のP波とR波の間に存在する。時間波形の振幅のピーク値はR波以降、PCGのII音の開始点までに存在する。次に、被験者50名分のFront CAB(0.5-BF)の時間波形の分類を行う。 The amplitude of each time waveform in the Front CAB (0.5-BF) is evaluated during the systolic time phase. The A wave and traces of the A wave resulting from left atrial contraction are confirmed in the Front CAB (0.5-BF). The bottom value after the A wave is taken as the C point of the ACG, and the total amplitude up to the peak value corresponding to the E wave of the ACG is measured and taken as the amplitude of the systolic wave. The total amplitude from the C point of the ACG to the E wave is also calculated for the time waveforms of the Front CAB (5-BF), Rear CAB (0.5-BF), and Lumbar CAB (0.5-BF). When comparing the amplitude of time waveforms at different measurement sites, the Front CAB (0.5-BF) is used as the reference value. The ratio of each waveform is taken as the amplitude ratio. The bottom value of the amplitude of the time waveform is between the P wave and the R wave of the electrocardiogram. The peak value of the amplitude of the time waveform is after the R wave and up to the start of the second sound of the PCG. Next, we classify the time waveforms of the Front CAB (0.5-BF) of 50 subjects.

(短時間フーリエ変換を用いた高調波成分分析法)
次に、短時間フーリエ変換を用いた波形勾配分析法と高調波成分分析法について説明する。
Front CAB(0.5-BF)の時間波形を構成する高調波を対象にして、式(4)を用いて時間波形のどの部位に高調波の成分が重畳されているかを検討した。周波数は、1~4Hzと4~16Hzに分けて分析する。1~4Hzの波形分析のために窓点数は、29=512とした。512点はサンプリング周波数1000Hzにより0.512秒となり、計算上では、1.95Hzのパワースペクトルの成分が出現する。ハニング窓関数の移動幅は51点に設定する。その時には、周波数情報は51/1000=0.051秒毎に作り出される。
(Harmonic component analysis using short-time Fourier transform)
Next, the waveform gradient analysis method and the harmonic component analysis method using the short-time Fourier transform will be explained.
Equation (4) was used to examine which parts of the time waveform the harmonic components are superimposed on, focusing on the harmonics that make up the time waveform of the Front CAB (0.5-BF). The frequency was divided into 1-4 Hz and 4-16 Hz for analysis. The number of window points for 1-4 Hz waveform analysis was set to 2 9 = 512. With a sampling frequency of 1000 Hz, 512 points equals 0.512 seconds, and a power spectrum component of 1.95 Hz appears in the calculations. The shift width of the Hanning window function is set to 51 points. At that time, frequency information is generated every 51/1000 = 0.051 seconds.

高調波によって構成されるE波を捉えるための窓点数は、27=128とした。128点はサンプリング周波数1000Hzにより0.128秒となり、7.8Hzでパワースペクトルの成分が出現する。分解能を0.12秒間(7.8Hz)とした理由は、心拍数90/minの場合の収縮期の持続時間を0.26秒間と想定し、収縮期の持続時間のピークを捉える検出周波数の必要分解能を0.13秒間としたことによる。この場合には、ハニング窓関数の移動幅を12点に設定した。その時には、周波数情報は12/1000=0.012秒毎に作り出される。 The number of window points to capture the E wave, which is made up of harmonics, was set to 2 7 =128. With a sampling frequency of 1000 Hz, 128 points corresponds to 0.128 seconds, and power spectrum components appear at 7.8 Hz. The reason for setting the resolution to 0.12 seconds (7.8 Hz) is that the duration of systole at a heart rate of 90 beats per minute is assumed to be 0.26 seconds, and the required resolution of the detection frequency to capture the peak of the systolic duration is set to 0.13 seconds. In this case, the movement width of the Hanning window function was set to 12 points. At that time, frequency information is generated every 12/1000 = 0.012 seconds.

(自己相関関数を用いた振動の峻別)
自己相関関数(Autocorrelation function:ACF)を用いてCorrelogramを描き、波形の峻別を行う。Correlogramの縦軸はACFで、横軸は時間である。それぞれの時間間隔TについてのACFを計算し、Correlogramから波形の種類と周期を捉える。なお、ACF、すなわちR(τ)は、
(Distinguishing vibrations using the autocorrelation function)
A correlogram is drawn using the autocorrelation function (ACF) to distinguish between waveforms. The vertical axis of the correlogram is the ACF, and the horizontal axis is time. The ACF is calculated for each time interval T, and the type and period of the waveform are identified from the correlogram. The ACF, i.e., R x (τ), is expressed as follows:

Figure 0007637408000009
で表される。τは時間間隔、ラグ (Lag)を示し、Tは全区間を示す。
Figure 0007637408000009
where τ is the time interval or lag, and T is the entire interval.

正規化自己相関関数は、τ=0で最大値1をとり、その値は2乗平均値となる。ACF値が0.2以下の場合、自己相関を持たないことに対する95%以上の信頼区間にある。振動の種類分析は、10秒間のデータで判定する。 The normalized autocorrelation function has a maximum value of 1 when τ = 0, and this value is the mean square value. When the ACF value is 0.2 or less, it is within a 95% or higher confidence interval for no autocorrelation. Vibration type analysis is determined using 10 seconds of data.

[Front CABの時間波形の評価結果]
座位における正常パターンを50人の被験者から計測されたFront CAB(0.5-BF)を用いて、分類と検定を行った。図32~図36がその結果を示す。Front CAB(0.5-BF)の波形は、図32~図36の各(b)の図に示され、図32~図36の各(a)の図に示したECGの1秒間の時間波形に対応する。Front CAB(0.5-BF)の波形は、5つの波形に分類さる。心尖拍動図のA波(心房収縮波:矢頭)及びE波(*印)に始まる心室収縮期波に類した波形が認められる。
5つの波形パターンの分類手法はフーリエ級数展開に基づくものである。ただし、数式表現は直観的な理解には不向きである。そこで、Front CABの波形の考察にあたり、振幅に注目する時にはPSD(パワースペクトル密度)、振幅と位相に注目する時にはSTFT、周期性を持つかどうかを調べる時にはCorrelogramを用いることで、Front CABの波形の特徴を分類した。
本明細書では、分類した5つの波形を疑似正弦波(S波)、疑似三角波群(T波(三角波)、C波(余弦波)、G波(ガウス波))、疑似全波整流波(R波)と名付けた。このうちS波とG波は、収縮期波の持続時間から捉えると視診・触診で言われているsustained、T波、C波、R波はtappingが対応する。なお、これらの波形は、完全な正弦波、三角波、全波整流波ではないものの、その波形形状は類似していることから、「疑似」を接頭語に付している。
[Front CAB time waveform evaluation results]
Using the normal patterns in the sitting position, Front CAB (0.5-BF) measured from 50 subjects was used for classification and testing. The results are shown in Figures 32 to 36. The waveforms of Front CAB (0.5-BF) are shown in each of Figures 32 to 36 (b), and correspond to the time waveforms of the ECG over one second shown in each of Figures 32 to 36 (a). The waveforms of Front CAB (0.5-BF) are classified into five waveforms. Waveforms similar to the A wave (atrial contraction wave: arrowhead) and the ventricular systolic wave starting from the E wave (marked with an asterisk) of the apical cardiogram are observed.
The classification method for the five waveform patterns is based on Fourier series expansion. However, mathematical expressions are not suitable for intuitive understanding. Therefore, when examining the Front CAB waveform, we classified the characteristics of the Front CAB waveform by using PSD (power spectral density) when focusing on the amplitude, STFT when focusing on the amplitude and phase, and Correlogram when examining whether it has periodicity.
In this specification, the five classified waveforms are named pseudo-sine waves (S waves), pseudo-triangular waves (T waves (triangular waves), C waves (cosine waves), G waves (Gaussian waves)), and pseudo-full-wave rectified waves (R waves). Of these, S waves and G waves correspond to sustained, as seen in visual and palpation based on the duration of the systolic wave, while T waves, C waves, and R waves correspond to tapping. Although these waveforms are not perfect sine waves, triangular waves, or full-wave rectified waves, the waveform shapes are similar, so the word "pseudo" is added to the prefix.

波形分析のために必要なものは、基本調波の波形とbottomとpeakの各近傍にある各波形の振幅と周波数、および位相である。 What is needed for waveform analysis is the fundamental harmonic waveform and the amplitude, frequency, and phase of each waveform near the bottom and peak.

図32~図36の各(c)では、周波数解析によりパワースペクトル密度(PSD)を求め、振幅と周波数の関係を分類し、図32~図36の各(e)は、Correlogram により振動の種類を分類した。これらのパラメータにより、Front CAB(0.5-BF)の時間波形は5つの代表的な波形に分類された。 In each of Figures 32 to 36 (c), the power spectrum density (PSD) was calculated by frequency analysis and the relationship between amplitude and frequency was classified, and in each of Figures 32 to 36 (e), the type of vibration was classified by correlogram. Using these parameters, the time waveforms of the Front CAB (0.5-BF) were classified into five representative waveforms.

より詳細には、PSDによると以下のような波形パターンの分類が可能となる。
まず、Front CABのS波が示す収縮期波E波は、高周波成分の寄与が小さく正弦波に近くなる。すなわち、基本周波数成分のみが卓越する(図に示した「X」のパターン)。
次に、Front CABのT波・C波・G波が示す収縮期波E波は、三角波に収束していく過程の中にあるもので、三角波として分類できる。すなわち、奇数次の周波数成分が卓越し、かつ、その振幅は、次数が高くなるにつれて、次数の二乗の逆数に比例して小さくなる(図に示した「Y」のパターン)。
Front CABのR波は、基本周波数成分の振幅が小さく、その整数倍の周波数成分の振幅との差が少ないため、三角波の部分が正弦波の全波整流波形に置き換わる。対応するPSDは、偶数次の周波数成分が卓越し、かつ、高次になるにつれて振幅は小さくなる(図に示した「Z」のパターン)。
STFTは、位相情報の影響を調べる際に適しており、PSDとSTFTを重ね合わせることにより、波形分類の精度が向上する。これにCorrelogram を用いて、A波とE波の波形間の周期性を検討することで、正常な波形のバリアントとして、任意の波形を振幅、位相、周期性の観点から分類することができる。
More specifically, the PSD allows classification of waveform patterns as follows:
First, the systolic E wave shown by the S wave of the Front CAB has a small contribution of high frequency components and is close to a sine wave. In other words, only the fundamental frequency component is dominant (the "X" pattern shown in the figure).
Next, the systolic E wave shown by the Front CAB T, C, and G waves is in the process of converging into a triangular wave, and can be classified as a triangular wave. In other words, odd-order frequency components are dominant, and the amplitude decreases in proportion to the inverse of the square of the order as the order increases (the "Y" pattern shown in the figure).
The R wave of the Front CAB has a small amplitude of the fundamental frequency component and a small difference with the amplitude of the integral multiple frequency component, so the triangular wave part is replaced by a full-wave rectified sine wave. The corresponding PSD has even-order frequency components that are dominant, and the amplitude becomes smaller as the order increases (the "Z" pattern shown in the figure).
STFT is suitable for investigating the influence of phase information, and the accuracy of waveform classification is improved by superimposing PSD and STFT. By examining the periodicity between the A and E waves using Correlogram, any waveform can be classified as a variant of the normal waveform in terms of amplitude, phase, and periodicity.

図32~図36の各(d)の図のSTFT図は、図32~図36の各(c)に現れる基本調波から5Hzまでのパワースペクトル情報を、中心周波数1.95Hzと7.81Hz の2つの周波数で切り分けて、パワースペクトルに関する情報量を2倍にして、パターンマッチングを行いやすくしたものである((d)の上図が1.95Hz、下図が7.8Hz)。図32~図36の各(c)の基本調波並びに1~5Hz間の高調波の情報は、STFTの1~5Hz間に描記される。なお、時間波形の情報はRed、Green、Blueによる等高線で表した。 The STFT diagrams in (d) of Figures 32 to 36 are obtained by dividing the power spectrum information from the fundamental harmonic to 5 Hz appearing in (c) of Figures 32 to 36 into two frequencies, center frequencies of 1.95 Hz and 7.81 Hz, doubling the amount of information about the power spectrum and making pattern matching easier (the upper diagram in (d) is 1.95 Hz, and the lower diagram is 7.8 Hz). The information on the fundamental harmonic and the harmonics between 1 and 5 Hz in (c) of Figures 32 to 36 is plotted between 1 and 5 Hz in the STFT. The time waveform information is represented by red, green, and blue contour lines.

波形I(S波)は基本調波の出現する時間帯が3箇所あり、そして5~10Hzの成分が出現する時間帯が2箇所あり、心房性隆起波と収縮期波の出現間隔が短く、矩形波であることを示す。波形II(T波)は5Hz以下の成分の出現を示すSTFTが2.3~2.5秒間に集中し、5~10Hzの成分は2.5~2.7秒間に集中し、おおよそ収縮期の時相にこれらの成分が収まり、三角波であることを示す。同様に、波形III(C波)も収縮期の時相に収まり、心房性隆起波と収縮期波までの間隔が短く、三角波であることを示す。波形IV(G波)は波5~10Hzのピーク値間隔が波形I(S波)に近くなり、S波とT波を組み合わせたような形状で、全体としては三角波の特徴を示す。波形V(R波)は5Hz以下のSTFTのピーク値が右下がりの等高線を示し基本調波から高調波のパワースペクトルが同じ大きさにあることが示され、さらに5Hz以上10Hz以下のピーク値が3点以上あり、そして出現の時相が5Hz以下の成分と同一となり、全波整流波の特徴を示した。 Waveform I (S wave) has three time periods where the fundamental harmonic appears, two time periods where 5-10 Hz components appear, and the interval between the atrial bump and systolic wave is short, indicating that it is a square wave. Waveform II (T wave) has STFTs indicating the appearance of components below 5 Hz concentrated at 2.3-2.5 seconds, and 5-10 Hz components concentrated at 2.5-2.7 seconds, indicating that these components are approximately contained in the systolic phase, indicating that it is a triangular wave. Similarly, waveform III (C wave) is also contained in the systolic phase, and the interval between the atrial bump and systolic wave is short, indicating that it is a triangular wave. Waveform IV (G wave) has a peak value interval of 5-10 Hz close to that of waveform I (S wave), and has a shape that resembles a combination of S waves and T waves, and overall shows the characteristics of a triangular wave. Waveform V (R wave) shows that the STFT peak values below 5Hz show a downward sloping contour line, indicating that the power spectrum from the fundamental harmonic to the higher harmonics is of the same magnitude, and furthermore that there are three or more peak values between 5Hz and 10Hz, and the time phase of their appearance is the same as that of the components below 5Hz, showing the characteristics of a full-wave rectified wave.

図32~図36の各(e)のCorrelogram により振動の種類(A波とE波の波形間の周期性)を自己相関係数が0.5以上、0.2以下を基準値とし、正弦波のノッチの出方で、分類した。そこで、Front CAB(0.5-BF)の Correlogramの波形は、正弦波であるi、正弦波にノッチが1つ入る波形であるii、2つ以上入る波形であるvが抽出される。残りの波形は、包絡線が片減衰のiiiと両減衰のivに分けられた。 The correlograms in Figures 32 to 36 (e) were used to classify the type of vibration (periodicity between the waveforms of A and E waves) by the appearance of sine wave notches, with the autocorrelation coefficient set at 0.5 or more and 0.2 or less as standard values. From the correlogram waveforms of the Front CAB (0.5-BF), i, a sine wave, ii, a waveform with one notch in the sine wave, and v, a waveform with two or more notches, were extracted. The remaining waveforms were divided into iii, with envelopes that decay on one side, and iv, with envelopes that decay on both sides.

[波形分類の理論的根拠と客観的分類基準]
ここで、フーリエ級数展開を用いた心尖拍動波への数学的アプローチについて詳述する。これらの数学的アプローチにより健常者の心尖拍動波が5つに分類されることが示され、上記のPSD、STFT及びCorrelogramはこの5つに分類を工学的アプローチによる裏付けとなっている。
まず、任意の周期関数をf(t)とすると、f(t)は、次のフーリエ級数に展開できる。
ただし、周期をTとして、ω=2π/Tである。
[Theoretical basis and objective classification criteria for waveform classification]
Here, we will explain in detail the mathematical approach to the apex wave using Fourier series expansion. These mathematical approaches show that the apex wave of a healthy person can be classified into five types, and the above PSD, STFT, and Correlogram support this classification into five types through an engineering approach.
First, if any periodic function is f(t), f(t) can be expanded into the following Fourier series.
Here, ω = 2π/T, where T is the period.

Figure 0007637408000010
S波は、その波形形状が正弦波に近いため、式(7)で、1次成分が卓越する状況にあたる。ただし、若干の高調波成分も含まれているため、STFT解析結果からは、基本周波数が主体となり、これに高次周波数成分が伴ったものと解釈できる。
これは、収縮期の持続時間が長い、Sustainedの所見に合致する。
Figure 0007637408000010
Since the waveform of an S wave is close to a sine wave, the first-order component is dominant in equation (7). However, since it also contains some harmonic components, the STFT analysis results show that the fundamental frequency is dominant, accompanied by higher-order frequency components.
This is consistent with the findings of Sustained, where the duration of systole is long.

T波は、三角波に近いため、以下のようにフーリエ級数に展開できると考えられる。 Since the T wave is close to a triangular wave, it can be expanded into a Fourier series as follows:

Figure 0007637408000011
式(8)よりnの次数が高くなるにつれて、急激に展開係数が小さくなってゆくという特徴があることが分かる。
また、スペクトルとして発現する次数は、奇数次であることが分かる。
これによってPSDの形が説明できる。
Correlogramで示される自己相関係数がt=0でピークを持ち、それ以外の時間では自己相関係数び絶対値が1より小さくなることは、正弦波とは別の高調波の波形が影響を及ぼしていることから説明可能である。
これは、正弦波に、収縮早期の持続の短い尖鋭な心室収縮に由来する波形の重畳を意味し、収縮早期の持続時間が短いTappingの所見に合致する。
Figure 0007637408000011
It can be seen from equation (8) that the expansion coefficients become smaller rapidly as the degree of n increases.
It can also be seen that the orders appearing as spectra are odd orders.
This explains the shape of the PSD.
The autocorrelation coefficient shown in the correlogram has a peak at t=0, and the absolute value of the autocorrelation coefficient is less than 1 at other times. This can be explained by the fact that this is due to the influence of harmonic waveforms other than the sine wave.
This means that a waveform resulting from a sharp ventricular contraction with a short duration of early systole is superimposed on the sine wave, which is consistent with the findings of Tapping, in which the duration of the early systole is short.

C波の心室収縮に由来する波形についてもT波と同様な考察が可能である。T波との違いは、式(8)のフーリエ級数展開において、C波は、T波よりも1次成分の卓越度が高いことである。
STFT解析の結果を見ると、基本周波数と第2高調波が主体となり、第7高調波までの周波数成分で心室収縮に由来する波形が形作られ、Correlogramは、T波と同様に、収縮早期の持続時間が短いTappingの所見に合致する。
The waveform of the C wave resulting from ventricular contraction can be considered in the same way as the T wave. The difference between the C wave and the T wave is that in the Fourier series expansion of equation (8), the C wave has a higher dominance of the first-order component than the T wave.
The results of the STFT analysis show that the waveform resulting from ventricular contraction is dominated by the fundamental frequency and the second harmonic, with frequency components up to the seventh harmonic. The correlogram matches the findings of tapping, in which the duration of the early contraction is short, similar to the T wave.

G波は、STFT解析から、S波にT波を組み合わせたものとして考察でき、1次成分が卓越する。T波よりもS波に近いため、収縮期の持続時間が長く、Sustainedの所見に合致する。 From STFT analysis, G waves can be considered as a combination of S waves and T waves, with the first-order component being predominant. Because they are closer to S waves than T waves, the duration of the systole is longer, which is consistent with the findings of Sustained.

R波の心室収縮に由来する波形は、波形自体は、単峰ではなく多峰であるが、全波整流波形と類似しているとの仮説を立てると、次のようなフーリエ級数に展開できる。 The waveform of the R wave resulting from ventricular contraction is not single-peaked but multi-peaked, but if we hypothesize that it is similar to a full-wave rectified waveform, it can be expanded into the following Fourier series.

Figure 0007637408000012
式(9)は、2次成分から始まり、これに偶数次の高調波が重畳したものと考えられる。nが大きくなるとともに展開係数は小さくなる。なお、R 波には1次成分も含まれているため、PSDの図に示すような形をとるものと考えられる。
Correlogramの分析から、T波と同様に1次成分以外が卓越している理由が分かる。これは収縮早期の持続時間が短いTappingの所見に合致する。
以上のとおり、Correlogram からは正弦波の基本周期を持つS波とG波に分類され、高調波が顕在化するT波、C波、R波に分類される。また、ラグに対する自己相関関数の差に注目すると、Correlogramの+側でS波とG波が区別でき、Correlogramの-側でT波とC波が区別でき、多峰性を示すノッチによりR波が区別できる。
すなわち、Correlogramによる分類は、S波とG波は正弦波的な周期性に着目し、他方T波、C波、R波はひずみ波的な周期性に着目したものである。収縮期波の周期性はCorrelogramの+側の自己相関関数で分類され、心房性隆起波と他の波形の周期性はCorrelogramの-側の自己相関関数で分類される。S波とG波は、ラグに対する自己相関の差からさらに仕分け、T波、C波、R波は-側の自己相関係数の値(上記の例では、0,-0.2,-0.5)で仕分けることができた。そして心房性隆起波と他の波形の凸凹は描かれた自己相関関数の形(ノッチ)を利用した。R波は多峰であるため、ノッチが2つ以上となった。
Figure 0007637408000012
Equation (9) can be considered to start with the second-order component and then superimpose even-order harmonics on it. As n increases, the expansion coefficients become smaller. Note that the R wave also contains the first-order component, so it is considered to take the form shown in the PSD diagram.
Analysis of the correlogram reveals why non-primary components are predominant, as with the T wave, and this is consistent with the findings of tapping, where the duration of the early systole is short.
As described above, the correlogram classifies waves into S and G waves, which have a fundamental sine wave period, and into T, C, and R waves, which are manifestations of harmonics. In addition, by looking at the difference in the autocorrelation function against the lag, S and G waves can be distinguished on the positive side of the correlogram, T and C waves can be distinguished on the negative side of the correlogram, and R waves can be distinguished by the notches that show multi-peaks.
In other words, classification by correlogram focuses on the sinusoidal periodicity of S waves and G waves, while the distorted wave-like periodicity of T waves, C waves, and R waves. The periodicity of systolic waves is classified by the autocorrelation function on the positive side of the correlogram, while the periodicity of atrial upswing waves and other waveforms is classified by the autocorrelation function on the negative side of the correlogram. S waves and G waves are further classified based on the difference in autocorrelation against the lag, while T waves, C waves, and R waves can be classified by the value of the autocorrelation coefficient on the negative side (0, -0.2, -0.5 in the above example). The bumps and dips of atrial upswing waves and other waveforms are determined by the shape (notches) of the autocorrelation function drawn. Since R waves are multi-peaked, there are more than two notches.

図32~図36の各(b)~(d)の図を用いて、50事例をパターンマッチングして波形を検定した。その結果、疑似正弦波(S波)、三角波(T波)、余弦波(C波)、ガウス波(G波)、疑似全波整流波(R波)の発生比率は、それぞれ4/50=8%、8/50=16%、15/50=30%、11/50=22%、12/50=24%となった。 The waveforms were examined by pattern matching 50 cases using (b) to (d) in Figures 32 to 36. As a result, the occurrence rates of pseudo-sine waves (S waves), triangular waves (T waves), cosine waves (C waves), Gaussian waves (G waves), and pseudo-full-wave rectified waves (R waves) were 4/50=8%, 8/50=16%, 15/50=30%, 11/50=22%, and 12/50=24%, respectively.

図37は、図32~図36の各(a)の図で決められた波形検定を用いずに、図32~図36の各(b)~(e)の図に示されているパワースペクトル、2種のSTFT、Correlogramを用いて波形検討を行った結果を示す。図中の太字は、波形検定ができた数値を示す。STFTとCorrelogramで、50件中、三角波の1件以外の43件は波形検定ができた。パワースペクトルは、50件中38件の波形検定は可能となった。なお、P値はSTFT検定でP=2.2×10-16、パワースペクトル検定でP=7.9×10-5、Correlogram検定でP=2.2×10-16となった。Wiener-Khintchineの定理に従うと、STFTとCorrelogram (ACF) の両者は逆フーリエ変換の関係にあることから、両者のP値が一致したことは、解析手法の妥当性を支持する結果となった。したがって、この3つの検定を合わせて行うことで、Front CAB(0.5-BF)の波形検定の精度向上が可能となり、従来のACGの波形の形状により行っていた評価を、高い精度で分類できる可能性が見出され、4SRセンシングシステムが、正常心と肥大・拡大心の鑑別等の異常所見を見つけるために必要な波形解像度を有していることがわかった。 FIG. 37 shows the results of waveform analysis using the power spectrum, two types of STFT, and correlogram shown in each of (b) to (e) of FIG. 32 to FIG. 36, without using the waveform test determined in each of (a) of FIG. 32 to FIG. 36. The bold numbers in the figure indicate the values that could be tested. For STFT and correlogram, 43 out of 50 waveforms could be tested, except for one triangular wave. For power spectrum, 38 out of 50 waveforms could be tested. The P values were P=2.2×10 -16 for STFT test, P=7.9×10 -5 for power spectrum test, and P=2.2×10 -16 for correlogram test. According to the Wiener-Khintchine theorem, STFT and correlogram (ACF) are inverse Fourier transform related, so the fact that the P values of both were the same supports the validity of the analysis method. Therefore, by performing these three tests together, it is possible to improve the accuracy of the Front CAB (0.5-BF) waveform test, and it has been found possible to classify with high accuracy the evaluation that was previously performed based on the shape of the ACG waveform. It was also found that the 4SR sensing system has the waveform resolution necessary to detect abnormal findings, such as distinguishing between normal hearts and hypertrophied/enlarged hearts.

よって、本実施形態の測定時状態推定手段130は、波形分類手段170により得られる測定対象者の心尖拍動波の分類結果が、上記の健常者の波形分類である5つのパターンに対応する場合には、健常と判断してその結果を出力し、それらのいずれにもあてはまらない場合には、心疾患に関する異常所見を有していると判断し、その結果を出力する。 Therefore, in this embodiment, the measurement condition estimation means 130 judges the subject to be healthy and outputs the result if the classification result of the apical pulsation wave of the subject obtained by the waveform classification means 170 corresponds to the five patterns of the waveform classification of healthy subjects described above, and judges the subject to have abnormal findings related to cardiac disease and outputs the result if the classification result does not correspond to any of the five patterns.

図38(a)~(e)には、図32~図36の各(a)の図で定義された5つの波形の代表事例として5人の被験者のFront CAB(0.5-BF)、Front CAB(5-BF)、Rear CAB(0.5-BF)、Lumbar CAB(0.5-BF)の周波数解析結果を示す。図39に計測部位別のCABの振幅比の平均値と標準偏差と周波数解析結果を示す。振幅比はFront CAB(0.5-BF)に対する計測部位別CABの振幅の大きさの違いから計測の容易性を表す指標で、上記の(Front CABの時間波形分析)の項で示した収縮期波の左室内圧上昇開始点から心室収縮波の最大振幅値を用いて計算する。Front CAB(5-BF)の振幅比はFront CAB(5-BF)とFront CAB(0.5-BF)の比から求められる。同様にRear CAB(0.5-BF)の振幅比はRear CAB(0.5-BF)とFront CAB(0.5-BF) の比、Lumbar CAB(0.5-BF)の振幅比はLumbar CAB(0.5-BF)とFront CAB(0.5-BF)の比から求められる。ここにFront CAB(0.5-BF)に対してFront CAB(5-BF)は0.5Hz~5Hzの周波数成分を含まないため振幅比は0.2となった。Rear CAB(0.5-BF)は振幅比が1.1となり、Lumbar CAB(0.5-BF)は振幅比は2.6となった。平均値と標準偏差は50人の被験者の振幅比を用いて計算した。 Figures 38 (a) to (e) show the frequency analysis results of Front CAB(0.5-BF), Front CAB(5-BF), Rear CAB(0.5-BF), and Lumbar CAB(0.5-BF) of five subjects as representative examples of the five waveforms defined in each of Figures 32 to 36 (a). Figure 39 shows the average value and standard deviation of the amplitude ratio of CAB by measurement site and the frequency analysis results. The amplitude ratio is an index that indicates the ease of measurement based on the difference in the amplitude of CAB by measurement site relative to Front CAB(0.5-BF), and is calculated using the maximum amplitude value of the ventricular contraction wave from the start of the left ventricular pressure rise of the systolic wave shown in the above section (Front CAB time waveform analysis). The amplitude ratio of Front CAB(5-BF) can be calculated from the ratio of Front CAB(5-BF) to Front CAB(0.5-BF). Similarly, the amplitude ratio of the Rear CAB(0.5-BF) is calculated from the ratio of the Rear CAB(0.5-BF) to the Front CAB(0.5-BF), and the amplitude ratio of the Lumbar CAB(0.5-BF) is calculated from the ratio of the Lumbar CAB(0.5-BF) to the Front CAB(0.5-BF). The amplitude ratio of the Front CAB(5-BF) to the Front CAB(0.5-BF) is 0.2 because it does not contain frequency components between 0.5 Hz and 5 Hz. The amplitude ratio of the Rear CAB(0.5-BF) is 1.1, and the amplitude ratio of the Lumbar CAB(0.5-BF) is 2.6. The average and standard deviation were calculated using the amplitude ratios of 50 subjects.

次に、図38(a)~(e)のパワースペクトルと図39の振幅について検討する。Rear CAB(0.5-BF)とLumbar CAB(0.5-BF)では、5Hz近傍のパワースペクトルが増大した。具体的には、Rear CAB(0.5-BF)は5Hz近傍が1.8~4.8倍となり、Lumbar CAB(0.5-BF)は5Hz近傍が3.7~7.9倍となった。5Hz近傍の高調波のパワースペクトルの差は、大動脈の長さに起因するもので、大動脈と圧力脈動による液柱共振現象が生じたことが示唆された。 Next, we will consider the power spectra in Figures 38(a)-(e) and the amplitude in Figure 39. The power spectrum near 5 Hz increased in the Rear CAB (0.5-BF) and Lumbar CAB (0.5-BF). Specifically, the power spectrum near 5 Hz increased by 1.8 to 4.8 times in the Rear CAB (0.5-BF), and by 3.7 to 7.9 times in the Lumbar CAB (0.5-BF). The difference in the power spectrum of the harmonics near 5 Hz is due to the length of the aorta, suggesting that a liquid column resonance phenomenon occurred due to the aorta and pressure pulsation.

以上より、本発明によれば、具体的に次のような効果が得られた。
従来の3SRは車両積載を目的として開発したセンシングシステムで、外部振動をエアパックの持つエアダンピング効果により減衰させ、20Hz以上の周波数成分を含む心音のI音、II音と心拍変動の周期成分を取り出していた。一方、本発明の4SRは室内で使用されることを目的として開発したもので、1~2Hz近傍にある心尖拍動の周期と振幅を捉えるためのセンサとして適していることがわかった。
As described above, according to the present invention, the following specific effects were obtained.
The conventional 3SR is a sensing system developed for mounting on vehicles, which attenuates external vibrations by the air damping effect of the air pack, and extracts the first and second heart sounds, which contain frequency components of 20 Hz or higher, and the periodic components of heart rate fluctuations. On the other hand, the 4SR of the present invention was developed for indoor use, and was found to be suitable as a sensor for capturing the period and amplitude of the apex beat, which is in the vicinity of 1 to 2 Hz.

F-APWは、心尖拍動波と近似した波形となった。そして、F-APWから心尖拍動波と心音の各波形を生成できた。R-APWとL-APWは、圧力脈動による共振現象が起因して異なる波形になったと考えられる。但し、F-APWと異なる波形となったR-APWとL-APWも、振動解析を適用することで心尖拍動を含む心臓の運動に関する振動情報(CAB)と心音(CAS)を抽出でき、臨床的意義のあるものとなる可能性が示された。 The F-APW produced a waveform similar to the apex beat wave. The waveforms of the apex beat wave and heart sounds could be generated from the F-APW. It is believed that the R-APW and L-APW produced different waveforms due to a resonance phenomenon caused by pressure pulsation. However, even for the R-APW and L-APW, which produced waveforms different from the F-APW, vibration information (CAB) related to cardiac movement, including the apex beat, and heart sounds (CAS) could be extracted by applying vibration analysis, demonstrating the possibility that this could be of clinical significance.

F-APWの高調波消失周波数からのBF抽出法と STFT法を用いたBF抽出法を組み合わせることにより、BF-心拍数の相関図が作成され、実際の計測結果からBFは心拍数の2次関数で表すことができ、PCGを用いることなく心拍数からリアルタイムでF-APWのデータのみでBFを決定することが可能となった。そしてSTFT法による可視化法を用いると心臓の振動や大動脈の圧力脈動の振動分析のみならず、変化の度合いを活用した診断ができる可能性が示唆された。 By combining the BF extraction method from the harmonic disappearance frequency of the F-APW with the BF extraction method using the STFT method, a correlation diagram of BF-heart rate was created. From the actual measurement results, BF could be expressed as a quadratic function of heart rate, making it possible to determine BF in real time from the heart rate using only the F-APW data without using PCG. It was also suggested that the visualization method using the STFT method may enable not only vibration analysis of the heart vibration and aortic pressure pulsation, but also diagnosis based on the degree of change.

心拍変動のゆらぎの実験結果から安静状態で心拍数が70~80/minの場合に1/fとなり、効率の良い運動を行っていることが示唆された。心拍変動のゆらぎの実験結果からBFが10Hz付近のときに心拍変動のゆらぎが1/fとなり効率の良い運動を行っていることが示唆された。この特性を活用すれば、薬物が循環器機能に及ぼす変化を定量化することができる可能性がある。 The results of the experiment on heart rate fluctuations showed that when the heart rate is 70-80 beats per minute in a resting state, the fluctuation is 1/f, suggesting that efficient exercise is being performed.The results of the experiment on heart rate fluctuations showed that when the BF is around 10 Hz, the fluctuation is 1/f, suggesting that efficient exercise is being performed. Utilizing this characteristic may make it possible to quantify the changes that drugs have on cardiovascular function.

上記のように心拍数(この場合は10秒間)からBFが決定される。そのBFから得られる心拍変動のゆらぎ(90秒間)の値が、心拍数(90秒間)から直接得られる心拍変動のゆらぎ(90秒間)の値と傾向が一致した。これらの関係式を代入して求めた結果は、BFの妥当性を支持するものとなった。 As shown above, BF is determined from the heart rate (for 10 seconds in this case). The value of heart rate variability fluctuation (for 90 seconds) obtained from that BF tended to match the value of heart rate variability fluctuation (for 90 seconds) obtained directly from the heart rate (for 90 seconds). The results obtained by substituting these relationship equations support the validity of BF.

さらに、APWに対して0.5HzからBFの帯域でバンドパスフィルター処理をすることで、ACG近似の波形が描記でき、周波数解析、STFT法を用いた時系列解析法、Correlogramを用いた波形分析法から心尖拍動を表すFront CAB(0.5-BF)を大きく5つの波形に分類することができた。 Furthermore, by applying a bandpass filter to the APW in the range from 0.5 Hz to BF, it was possible to draw a waveform that approximated the ACG, and the Front CAB (0.5-BF), which represents the apical beat, could be broadly classified into five waveforms using frequency analysis, time series analysis using the STFT method, and waveform analysis using a correlogram.

安静時呼吸抑制時下で心拍変動が生じると、BF-HR相関図の回帰曲線上をBFが移動する(図40参照)ため、上記で説明した振動解析法とBF-HR相関図から心臓の運動解析と圧力脈動、および心臓の運動の様子や心室内血流を評価できる可能性が示唆された。 When heart rate fluctuations occur during respiratory depression at rest, BF moves along the regression curve of the BF-HR correlation diagram (see Figure 40). This suggests the possibility that the vibration analysis method and BF-HR correlation diagram described above can be used to analyze cardiac motion and pressure pulsation, as well as evaluate cardiac motion and intraventricular blood flow.

また、仰臥位および左右側臥位でも座位と同じBF-HR相関図が得られた(図41参照)。したがって、BF-HR相関図は姿勢にとらわれることなく、一つの線図で推定できる可能性が示唆され、4SRを用いた計測法は容易にデータ取得が可能であるため実用性が高く、視診・触診所見の客観化への応用が可能となり、APWは心血管系の動態について非侵襲的に評価し、病態及び治療の指標となる理学的診断ツールとなる可能性が出てきた。 In addition, the same BF-HR correlation diagram was obtained in the supine and left and right lateral positions as in the sitting position (see Figure 41). This suggests the possibility that the BF-HR correlation diagram can be estimated from a single diagram, regardless of posture, and the measurement method using 4SR is highly practical as data can be easily obtained, making it possible to apply it to objectify visual and palpation findings. APW has the potential to be a physical diagnostic tool that non-invasively evaluates the dynamics of the cardiovascular system and serves as an indicator of pathology and treatment.

本発明によれば、二つの周波数帯にまたがる信号をBFを特定して分離している。
すなわち、APWから心尖拍動と心音に対応する信号が分離できたことにより、1つの生理的信号を観測することで、心臓活動の異なる種類の動作の結果を定量的に認識することが可能となり、心臓状態に関する有用な相補情報を得ることができる。また、信号分離によって波形分解能が高くなることで、例えば、二つの周波数帯の境界となる周波数とその近傍のFront CABの高調波成分とFront CASの卓越周波数成分が、心循環系の新たなパラメータとなる可能性がある。
また、Front CABは心尖拍動図の収縮期波の圧力情報を有し、Front CASは心周期に関する時相情報を有し、圧力と時相情報を組み合わせることにより、相補情報から診断目的に使えると考えられる。
According to the present invention, signals spanning two frequency bands are separated by identifying the BFs.
In other words, by separating the signals corresponding to the apex beat and heart sounds from the APW, it becomes possible to quantitatively recognize the results of different types of cardiac activity by observing one physiological signal, and useful complementary information on the cardiac state can be obtained. In addition, by increasing the waveform resolution through signal separation, for example, the frequency at the boundary between two frequency bands and the harmonic components of the Front CAB and the dominant frequency components of the Front CAS in the vicinity of the frequency band may become new parameters of the cardiocirculatory system.
In addition, Front CAB has pressure information of the systolic wave of the apexcardiogram, and Front CAS has time-phase information regarding the cardiac cycle. By combining the pressure and time-phase information, it is believed that the complementary information can be used for diagnostic purposes.

例えば、Front CASから心音I音が特定でき、収縮期波の上行脚のI音に対応するノッチは、図32~図36の各(b),(c)に示したSTFTで広い範囲でも狭い範囲でも観察できる。0~20Hz帯域のウインド幅を変更することにより観察できる範囲が変えられ、コントラストを調整することでノッチが判別し易くなる。収縮期の圧力波のノッチの有無の判定やこのノッチが心臓活動の異常原因の特定に使え、診断に活用できる。心臓の振動情報であるFront CABと心臓の音響情報であるFront CASは、主に心房・心室・弁・血液・大動脈の力学的特性を示す。そしてその相補性の結果は、血圧や心拍数、および呼吸数のゆらぎとなって表れる。また、薬物治療で、患者に投薬する間に起きる変化を定量化することもできる。例えば左心室不全の診断において、警戒すべき左心室の力学的特性を同じ年齢層の健常人のものと比較することでも左心室不全の存在を診断する際に役立つ。さらに、導通経路や速度の特徴、および電位などのECG情報と関連付けられることにより、心筋の細胞の健康状態の推定ができる可能性もある。Front CABとFront CASの情報から、心臓状態の監視や機能評価に関連するデータが提供できる可能性もある。その結果、心室の大きさ、心臓の壁の厚さ並びに心臓の力学的特性のモデル化ができ、運動が数式で記述できる可能性もある。
そして、大動脈に沿ってデータを計測することで、大動脈の血行動態の中で心尖拍動ないし心音に由来するものに分離でき、大動脈の血行動態に関する新たな知見を得ることができる可能性もある。
For example, the first heart sound can be identified from the Front CAS, and the notch corresponding to the first sound in the ascending limb of the systolic wave can be observed in a wide or narrow range in the STFT shown in (b) and (c) of Figures 32 to 36. The observable range can be changed by changing the window width of the 0 to 20 Hz band, and the notch can be easily identified by adjusting the contrast. This can be used to determine the presence or absence of a notch in the systolic pressure wave and to identify the cause of abnormal cardiac activity, and can be used for diagnosis. Front CAB, which is vibration information of the heart, and Front CAS, which is acoustic information of the heart, mainly indicate the mechanical properties of the atrium, ventricle, valves, blood, and aorta. The result of their complementarity is expressed as fluctuations in blood pressure, heart rate, and respiratory rate. It can also be used to quantify changes that occur during drug therapy while a patient is being administered medication. For example, in diagnosing left ventricular failure, comparing the mechanical properties of the left ventricle that should be watched out for with those of healthy people of the same age group can also be useful in diagnosing the presence of left ventricular failure. Furthermore, by correlating with ECG information such as conduction pathways, velocity characteristics, and potentials, it may be possible to estimate the health of myocardial cells. Front CAB and Front CAS information may provide data relevant for cardiac status monitoring and functional evaluation. As a result, it may be possible to model the ventricular size, heart wall thickness, and mechanical properties of the heart, and to describe the motion mathematically.
Furthermore, by measuring data along the aorta, it may be possible to separate aortic hemodynamics from that resulting from the apical pulsation or heart sounds, which may provide new insight into aortic hemodynamics.

上記のことから明らかなように、0.5~80Hzの音響振動情報(Acoustic Pulse Wave :APW)を抽出し、所定のフィルタ処理を適用することで、ACG相当波形(Cardiac Apex Beat: CAB)と心音相当波形(Cardiac Acoustic Sound: CAS)を生成できることがわかる。
また、CABとCASは、発生源と伝達経路が異なり、これら二つの振動が重畳したものがAPWである。収縮能が心筋固有の特性で、前負荷や後負荷から独立していると考えると、収縮期のCABの波形は、収縮の際の化学的刺激やホルモンの影響に関する情報を有する。収縮期に心室から駆出される血液の運動情報を有するものとしてCASを考えると、APWは前負荷と後負荷、および収縮能の情報を有するものとなる。
よって、APW、CAB、CASには多くの音・振動・圧に関する情報があり、ECGの持つ分極現象と合わせて観察することで、心臓の故障診断ができる。
そして、APW・CAB・CASのリアルタイム計測により、臨床的意義のある音振動・圧力情報が加わり、機械の故障診断に用いられてきた工学的アプローチが健康診断へ適用可能であることもわかった。また、APWを計測する本発明の4SRシステムは長期にわたり繰返し非侵襲的に生体情報を取得することができるPhysical diagnostic tool となり、上記の機械学習を含むAIを使用した分析を含め広範な応用が期待される。
As is clear from the above, by extracting acoustic vibration information (Acoustic Pulse Wave: APW) from 0.5 to 80 Hz and applying a specified filter process, it is possible to generate an ACG equivalent waveform (Cardiac Apex Beat: CAB) and a heart sound equivalent waveform (Cardiac Acoustic Sound: CAS).
CAB and CAS have different sources and transmission pathways, and the superposition of these two vibrations forms the APW. If contractility is considered to be an inherent property of the myocardium and independent of preload and afterload, the CAB waveform during systole contains information about the influence of chemical stimuli and hormones during contraction. If CAS is considered to contain information about the movement of blood ejected from the ventricle during systole, the APW contains information about preload, afterload, and contractility.
Therefore, APW, CAB, and CAS contain a lot of information about sound, vibration, and pressure, and by observing them in conjunction with the polarization phenomenon of ECG, it is possible to diagnose cardiac malfunctions.
Real-time measurement of APW, CAB, and CAS adds clinically significant sound, vibration, and pressure information, and it was found that the engineering approach used for machine failure diagnosis can be applied to health checks. In addition, the 4SR system of the present invention that measures APW can become a physical diagnostic tool that can obtain bioinformation non-invasively and repeatedly over a long period of time, and is expected to have a wide range of applications, including analysis using AI including the above-mentioned machine learning.

1 生体信号検出センサ(4SR)
10 三次元立体編物
20 収容フィルム
30 マイクロフォン
40 ケース
50 ゲル
100 生体信号分析装置
110 周波数解析手段
120 境界周波数特定手段
130 測定時状態推定手段
140 心拍数演算手段
150 相関データ記憶部
160 心尖拍動波形抽出手段
170 波形分類手段
180 モデル作成手段
1000 生体信号検出センサ(3SR)
1. Biosignal detection sensor (4SR)
REFERENCE SIGNS LIST 10 Three-dimensional knitted fabric 20 Storage film 30 Microphone 40 Case 50 Gel 100 Biological signal analysis device 110 Frequency analysis means 120 Boundary frequency identification means 130 Measurement state estimation means 140 Heart rate calculation means 150 Correlation data storage unit 160 Apex beat waveform extraction means 170 Waveform classification means 180 Model creation means 1000 Biological signal detection sensor (3SR)

Claims (24)

体表面を介して生体信号検出センサにより得られる生体信号データを周波数解析する周波数解析手段と、
前記周波数解析手段から得られる前記生体信号データの周波数解析結果から、前記生体信号データ中、心尖拍動により生じる振動と心音により生じる振動との境界周波数を求める境界周波数特定手段と
を有し、
前記境界周波数特定手段は、
前記周波数解析結果中、調和振動と不規則振動との境界となるパワースペクトルの急変部を求め、この急変部を基準に前記境界周波数を特定する手段を含む生体信号分析装置。
a frequency analysis means for performing frequency analysis on biosignal data obtained by a biosignal detection sensor via a body surface;
a boundary frequency specifying means for determining a boundary frequency between a vibration caused by an apex beat and a vibration caused by a heart sound in the biosignal data from a frequency analysis result of the biosignal data obtained from the frequency analysis means,
The boundary frequency identification means
The biosignal analysis device includes a means for determining a sudden change portion of the power spectrum that is a boundary between harmonic vibration and irregular vibration in the frequency analysis result, and for specifying the boundary frequency based on this sudden change portion .
前記境界周波数特定手段は、
前記周波数解析結果に、同時に測定した心音データの周波数解析結果を加味して、前記パワースペクトルの急変部を求める手段を含む請求項記載の生体信号分析装置。
The boundary frequency identification means
2. The biosignal analyzer according to claim 1 , further comprising means for determining an abrupt change in said power spectrum by adding a result of frequency analysis of simultaneously measured heart sound data to the result of said frequency analysis.
前記境界周波数特定手段は、
前記生体信号データ及び前記心音データの各周波数解析結果をそれぞれ加算平均処理した波形を対数差分法を用いて両対数軸表示する両対数軸表示手段と、両対数軸表示した波形からゆらぎの変化点を求め、このゆらぎの変化点を前記パワースペクトルの急変部として特定する急変部を特定する手段と
を有する請求項記載の生体信号分析装置。
The boundary frequency identification means
3. The biosignal analyzer according to claim 2, further comprising: a double logarithmic axis display means for displaying, on a double logarithmic axis, a waveform obtained by averaging the results of frequency analysis of the biosignal data and the heart sound data, respectively, using a logarithmic difference method; and a sudden change portion identifying means for determining a fluctuation change point from the waveform displayed on the double logarithmic axis and identifying the fluctuation change point as a sudden change portion of the power spectrum.
前記周波数解析手段として、短時間フーリエ変換が適用され、
前記境界周波数特定手段は、前記短時間フーリエ変換の解析結果から前記パワースペクトルの急変部を求める手段を含む請求項又は記載の生体信号分析装置。
A short-time Fourier transform is applied as the frequency analysis means,
3. The biosignal analyzer according to claim 1 , wherein the boundary frequency identifying means includes means for determining an abrupt change portion of the power spectrum from the analysis result of the short-time Fourier transform.
前記周波数解析手段は、前記短時間フーリエ変換の解析結果を、時間、周波数及びパワースペクトルの変動の程度を示す画像データに出力する手段を含み、
前記境界周波数特定手段は、前記画像データから、前記パワースペクトルの急変部を求める手段を含む請求項記載の生体信号分析装置。
the frequency analysis means includes means for outputting an analysis result of the short-time Fourier transform into image data indicating the degree of fluctuation in time, frequency, and power spectrum;
5. The biosignal analyzing apparatus according to claim 4 , wherein said boundary frequency identifying means includes means for determining an abrupt change portion of said power spectrum from said image data.
前記境界周波数に関連する相関データが記憶された相関データ記憶部と、
前記相関データに照合して、測定対象者の測定時の健康状態を推定する測定時状態推定手段と
をさらに有する請求項1~のいずれか1に記載の生体信号分析装置。
a correlation data storage unit in which correlation data relating to the boundary frequency is stored;
6. The biosignal analyzer according to claim 1 , further comprising a measurement-time condition estimating means for estimating the health condition of the subject at the time of measurement by collating the correlation data.
前記相関データが、前記境界周波数と心拍数との相関データであり、
前記測定時状態推定手段は、測定対象者の測定時の心拍数を、前記境界周波数と心拍数との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の前記境界周波数を推定する手段を含む請求項記載の生体信号分析装置。
the correlation data is correlation data between the boundary frequency and a heart rate,
The biosignal analysis device of claim 6, wherein the measurement state estimation means includes means for estimating the boundary frequency of the subject at the time of measurement by comparing the subject's heart rate at the time of measurement with correlation data between the boundary frequency and the heart rate.
前記相関データが、前記境界周波数と心拍変動のゆらぎ特性との相関データであり、
前記測定時状態推定手段は、前記測定対象者の測定時の前記境界周波数を、前記境界周波数と心拍変動のゆらぎ特性との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の心拍変動のゆらぎ特性を推定する手段を含む請求項記載の生体信号分析装置。
the correlation data is correlation data between the boundary frequency and a fluctuation characteristic of heart rate variability,
The biosignal analysis device of claim 6, wherein the measurement state estimation means includes means for estimating the fluctuation characteristics of the heart rate fluctuation of the subject during measurement by comparing the boundary frequency of the subject during measurement with correlation data between the boundary frequency and the fluctuation characteristics of the heart rate fluctuation.
さらに、前記生体信号データを、前記境界周波数特定手段により特定される前記境界周波数を上限値に設定してフィルタリングし、前記心尖拍動により生じる振動の波形を求める心尖拍動波形抽出手段と、
前記心尖拍動により生じる振動の波形を分類する波形分類手段と
を有すると共に、
前記測定時状態推定手段は、前記心尖拍動波形抽出手段により求められる、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形を、前記波形分類手段により分類し、当該測定時の波形分類結果のデータをもとに、前記測定対象者の測定時の健康状態を推定する手段を含む請求項記載の生体信号分析装置。
an apex pulsation waveform extraction means for filtering the biological signal data by setting the boundary frequency identified by the boundary frequency identification means as an upper limit value, and obtaining a waveform of vibration caused by the apex pulsation;
A waveform classification means for classifying the waveform of the vibration generated by the apex beat of the heart,
7. The biosignal analysis device of claim 6, wherein the measurement condition estimation means includes means for classifying, by the waveform classification means, the waveform of vibration generated by the apex pulsation of the subject at the time of measurement, which is obtained by the apex pulsation waveform extraction means, and estimating the health condition of the subject at the time of measurement based on data of the waveform classification result at the time of measurement.
前記相関データ記憶部には、前記波形分類結果と健康状態との相関データが予め記憶されており、
前記測定時状態推定手段は、前記心尖拍動波形抽出手段により求められる、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形を、前記波形分類手段により分類し、当該測定時の波形分類結果を、予め記憶された前記波形分類結果と健康状態との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の健康状態を推定する手段を含む請求項記載の生体信号分析装置。
The correlation data storage unit stores correlation data between the waveform classification result and a health condition in advance,
10. The biosignal analysis device of claim 9, wherein the measurement condition estimation means includes means for classifying, by the waveform classification means, the waveform of vibration caused by the apex beat of the subject at the time of measurement, which is obtained by the apex beat waveform extraction means, and collating the waveform classification result at the time of measurement with pre-stored correlation data between the waveform classification result and health condition, to estimate the health condition of the subject at the time of measurement.
前記心尖拍動波形抽出手段により出力され、前記波形分類手段における分類対象となる波形情報と前記健康状態とを教師データとして用い、前記波形情報から前記健康状態を推定する推定モデルを機械学習により生成するモデル作成手段を有し、
前記測定時状態推定手段は、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形情報を入力として、前記モデル作成手段により作成された推定モデルを用い、取得した測定時の波形情報から、測定時の前記健康状態の値を出力する手段を含む請求項記載の生体信号分析装置。
a model creation means for generating an estimation model by machine learning to estimate the health condition from the waveform information by using the waveform information output by the apex beat waveform extraction means and the health condition as teacher data,
The biosignal analysis device of claim 9, wherein the measurement condition estimation means includes means for receiving as input waveform information of vibrations caused by the apex beat of the heart of the subject at the time of measurement, using an estimation model created by the model creation means, and outputting a value of the health condition at the time of measurement from the acquired waveform information at the time of measurement.
前記生体信号検出センサは、
三次元立体編物と、
前記三次元立体編物の周囲を密閉的に被覆する収容フィルムと、
前記収容フィルムの外側に配設されるマイクロフォンと
前記マイクロフォンをカバーするケースと、前記ケース内で前記マイクロフォンへの外乱の混入抑制機能を果たす外乱混入抑制部材と
を有して構成される請求項1~11のいずれか1に記載の生体信号分析装置。
The biological signal detection sensor includes:
Three-dimensional knitting and
A containing film that hermetically covers the periphery of the three-dimensional knitted fabric;
The biosignal analysis device of any one of claims 1 to 11 , comprising a microphone arranged on the outside of the containing film, a case covering the microphone, and a disturbance intrusion suppression member within the case that functions to suppress the intrusion of disturbances into the microphone.
体表面を介して生体信号検出センサにより得られる生体信号データを処理し、コンピュータを、生体信号分析装置として機能させるコンピュータプログラムであって、
前記生体信号データを周波数解析する手順と、
その周波数解析結果から、前記生体信号データ中、心尖拍動により生じる振動と心音により生じる振動との境界周波数を特定する手順と
を前記コンピュータに実行させ
前記境界周波数を特定する手順では、
前記周波数解析結果中、調和振動と不規則振動との境界となるパワースペクトルの急変部を求め、この急変部を基準に前記境界周波数を特定するコンピュータプログラム。
A computer program for processing biosignal data obtained by a biosignal detection sensor via a body surface and causing a computer to function as a biosignal analysis device,
A step of subjecting the biological signal data to frequency analysis;
and causing the computer to execute a procedure of identifying a boundary frequency between a vibration caused by an apex beat and a vibration caused by a heart sound in the biosignal data based on the frequency analysis result ;
In the step of identifying the boundary frequency,
A computer program for determining a sudden change in the power spectrum that is the boundary between harmonic vibration and irregular vibration from the frequency analysis results, and for specifying the boundary frequency based on this sudden change .
前記境界周波数を特定する手順では、
前記周波数解析結果に、同時に測定した心音データの周波数解析結果を加味して、前記パワースペクトルの急変部を求める請求項13記載のコンピュータプログラム。
In the step of identifying the boundary frequency,
14. The computer program according to claim 13 , further comprising: a step of calculating a sudden change in the power spectrum by adding a result of frequency analysis of simultaneously measured heart sound data to the result of the frequency analysis.
前記境界周波数を特定する手順では、
前記生体信号データ及び前記心音データの各周波数解析結果をそれぞれ加算平均処理した波形を対数差分法を用いて両対数軸表示し、両対数軸表示した波形からゆらぎの変化点を求め、このゆらぎの変化点を前記パワースペクトルの急変部として特定する請求項14記載のコンピュータプログラム。
In the step of identifying the boundary frequency,
15. The computer program according to claim 14, further comprising: displaying waveforms obtained by averaging the results of frequency analysis of the biosignal data and the heart sound data on a double logarithmic axis using a logarithmic difference method; determining a fluctuation change point from the waveform displayed on the double logarithmic axis; and identifying the fluctuation change point as a sudden change portion of the power spectrum.
前記周波数解析する手順では、短時間フーリエ変換が適用され、
前記境界周波数を特定する手順では、前記短時間フーリエ変換の解析結果から前記パワースペクトルの急変部を求める請求項13又は14記載のコンピュータプログラム。
In the step of performing the frequency analysis, a short-time Fourier transform is applied,
15. The computer program according to claim 13 , wherein in the step of identifying the boundary frequency, abrupt changes in the power spectrum are obtained from the analysis results of the short-time Fourier transform.
前記周波数解析する手順では、前記短時間フーリエ変換の解析結果を、時間、周波数及びパワースペクトルの変動の程度を示す画像データに出力し、
前記境界周波数を特定する手順では、前記画像データから、前記パワースペクトルの急変部を求める請求項16記載のコンピュータプログラム。
In the step of performing the frequency analysis, the analysis result of the short-time Fourier transform is outputted as image data indicating the degree of fluctuation in time, frequency and power spectrum;
17. The computer program according to claim 16 , wherein in the step of identifying the boundary frequency, a sudden change portion of the power spectrum is obtained from the image data.
相関データ記憶部に記憶された前記境界周波数に関連する相関データに照合して、測定対象者の測定時の健康状態を推定する手順を実行する請求項1317のいずれか1に記載のコンピュータプログラム。 The computer program according to any one of claims 13 to 17 , which executes a procedure of estimating the health condition of the subject at the time of measurement by comparing the correlation data related to the boundary frequency stored in a correlation data storage unit. 前記相関データが、前記境界周波数と心拍数との相関データであり、
前記測定時の健康状態を推定する手順では、測定対象者の測定時の心拍数を、前記境界周波数と心拍数との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の前記境界周波数を推定する請求項18記載のコンピュータプログラム。
the correlation data is correlation data between the boundary frequency and a heart rate,
20. The computer program of claim 18, wherein the step of estimating the health condition at the time of measurement includes estimating the boundary frequency of the subject at the time of measurement by comparing the subject's heart rate at the time of measurement with correlation data between the boundary frequency and the heart rate.
前記相関データが、前記境界周波数と心拍変動のゆらぎ特性との相関データであり、
前記測定時の健康状態を推定する手順では、前記測定対象者の測定時の前記境界周波数を、前記境界周波数と心拍変動のゆらぎ特性との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の心拍変動のゆらぎ特性を推定する請求項18記載のコンピュータプログラム。
the correlation data is correlation data between the boundary frequency and a fluctuation characteristic of heart rate variability,
The computer program of claim 18, wherein the step of estimating the health condition at the time of measurement includes comparing the boundary frequency at the time of measurement of the subject with correlation data between the boundary frequency and the fluctuation characteristics of heart rate fluctuation to estimate the fluctuation characteristics of the heart rate fluctuation of the subject at the time of measurement.
さらに、前記生体信号データを、前記境界周波数を上限値に設定してフィルタリングし、前記心尖拍動により生じる振動の波形を求める心尖拍動波形を抽出する手順と、
前記心尖拍動により生じる振動の波形を分類する手順と
をコンピュータに実行させ、
前記測定時の健康状態を推定する手順では、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形を、前記波形を分類する手順の実行により分類し、その波形分類結果をもとに、前記測定対象者の測定時の健康状態を推定する請求項18記載のコンピュータプログラム。
Further, a step of filtering the biological signal data by setting the boundary frequency as an upper limit value, and extracting an apex pulsation waveform for obtaining a waveform of vibration caused by the apex pulsation;
and classifying the waveform of the vibration caused by the apex beat of the heart.
20. The computer program of claim 18, wherein the step of estimating the health condition at the time of measurement includes classifying a waveform of vibration generated by the apex beat of the subject at the time of measurement by executing a step of classifying the waveform, and estimating the health condition of the subject at the time of measurement based on the waveform classification result.
前記相関データ記憶部には、前記波形分類結果と健康状態との相関データが記憶されており、
前記測定時の健康状態を推定する手順では、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形を、前記心尖拍動により生じる振動の波形を分類する手順の実行により分類し、その測定時の波形分類結果を、前記波形分類結果と健康状態との相関データに照合して、前記測定対象者の測定時の健康状態を推定する請求項21記載のコンピュータプログラム。
the correlation data storage unit stores correlation data between the waveform classification result and a health condition,
22. The computer program of claim 21, wherein the step of estimating the health condition at the time of measurement includes classifying a waveform of vibration caused by the apex beat of the subject at the time of measurement by executing a step of classifying the waveform of vibration caused by the apex beat of the subject, and estimating the health condition of the subject at the time of measurement by comparing the waveform classification result at the time of measurement with correlation data between the waveform classification result and the health condition.
前記心尖拍動波形を抽出する手順の実行により出力され、前記波形を分類する手順における分類対象となる波形情報と前記健康状態とを教師データとして用い、前記波形情報から前記健康状態を推定する推定モデルを機械学習により生成し、
前記測定時の健康状態を推定する手順が、前記測定対象者の測定時の前記心尖拍動により生じる振動の波形情報を入力として、前記推定モデルを用い、取得した測定時の波形情報から、測定時の前記健康状態の値を出力する請求項21記載のコンピュータプログラム。
generating an estimation model by machine learning that estimates the health condition from the waveform information, using waveform information that is output by executing the procedure of extracting the apex beat waveform and is to be classified in the procedure of classifying the waveform and the health condition as teacher data;
The computer program according to claim 21, wherein the step of estimating the health condition at the time of measurement uses waveform information of vibrations generated by the apex beat of the subject at the time of measurement as input, and uses the estimation model to output a value of the health condition at the time of measurement from the acquired waveform information at the time of measurement.
前記請求項1323のいずれか1に記載のコンピュータプログラムが記録された記録媒体。 A recording medium on which the computer program according to any one of claims 13 to 23 is recorded.
JP2021107109A 2020-10-28 2021-06-28 Biosignal analyzer, computer program, and recording medium Active JP7637408B2 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2021/039924 WO2022092243A1 (en) 2020-10-28 2021-10-28 Biological signal analysis device, computer program, and recording medium
US18/250,827 US20230389814A1 (en) 2020-10-28 2021-10-28 Biological signal analysis device, computer program, and recording medium
EP21886360.3A EP4238491A4 (en) 2020-10-28 2021-10-28 BIOLOGICAL SIGNAL ANALYSIS DEVICE, COMPUTER PROGRAM AND RECORDING MEDIUM

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020180963 2020-10-28
JP2020180963 2020-10-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022071812A JP2022071812A (en) 2022-05-16
JP7637408B2 true JP7637408B2 (en) 2025-02-28

Family

ID=81593859

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021107109A Active JP7637408B2 (en) 2020-10-28 2021-06-28 Biosignal analyzer, computer program, and recording medium

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7637408B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2025041288A1 (en) * 2023-08-23 2025-02-27 日本電気株式会社 Information processing device, information processing method, and recording medium

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008511396A (en) 2004-09-01 2008-04-17 ウェルチ・アリン・インコーポレーテッド Combined sensor assembly
JP2020065818A (en) 2018-10-25 2020-04-30 株式会社デルタツーリング Biological signal measuring device, biological state estimation device, and biological state estimation system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008511396A (en) 2004-09-01 2008-04-17 ウェルチ・アリン・インコーポレーテッド Combined sensor assembly
JP2020065818A (en) 2018-10-25 2020-04-30 株式会社デルタツーリング Biological signal measuring device, biological state estimation device, and biological state estimation system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022071812A (en) 2022-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3078948B1 (en) Acoustic and vibration information accumulation mechanism, acoustic and vibration sensing system, and computer program
JP6097495B2 (en) Biological condition analyzer and computer program
US20080154144A1 (en) Systems and methods for cardiac contractility analysis
JP2015517842A (en) Method and instrument for measuring information indicative of cardiac dysfunction and abnormality
US20190175072A1 (en) Cardiovascular and cardiorespiratory fitness determination
JP6443517B2 (en) Biological information measuring device and method of operating biological information measuring device or biological information measuring system
JP7607337B2 (en) Health monitoring device, computer program and recording medium
CN113423331A (en) Physical condition determination device, computer program, and recording medium
WO2022092243A1 (en) Biological signal analysis device, computer program, and recording medium
Johnson et al. Detecting Aortic Valve-Induced Abnormal Flow with Seismocardiography and Cardiac MRI.
US20040267149A1 (en) Method and system for analyzing cardiovascular sounds
JP7637408B2 (en) Biosignal analyzer, computer program, and recording medium
JP7278566B2 (en) Biological state estimation device and biological state estimation system
CN119343088A (en) Phonocardiogram (PCG) signal processing system and method for determining cardiac tissue and valve blood flow parameters
US20070197927A1 (en) Method for detecting cardiovascular problems using micro or nano vibrations
CN111345791A (en) A pulse wave measuring device
JP7560104B2 (en) Apex beat detection device, computer program and recording medium
JP2024004423A (en) Blood pressure estimation device, computer program and recording medium
Mann et al. Heart Rate Monitoring Using Heart Acoustics
Park et al. Ballistocardiography
藤田悦則 Extraction of apex beat waveform from acoustic pulse wave by sound sensing system using stochastic resonance
Mignanelli et al. Algorithm for automatic detection of the cardiovascular parameter PR-interval from LDV-velocity signals
RUSCONI et al. ECG-derived respiration in atrial fibrillation

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240507

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20241028

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241225

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250121

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250207

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7637408

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150