信号処理方法及び信号処理システム
【課題】ノイズを含む信号から生体情報を効果的に取得する。
【解決手段】ノイズと特定の振動波形とを含む外耳道圧センサ１６からの信号を処理する信号処理システム５０であって、外耳道圧センサ１６の信号を取得する外耳道圧センサインターフェース５３と、周期又は振動の位相が異なる複数の基準振動波形を含む母振動波形群データ５５を格納するメモリ５２と、メモリ５２に格納した母振動波形群データ５５の各基準振動波形と外耳道圧センサ１６からの信号との各相関を計算し、計算した相関が最大となる最大相関基準振動波形を決定し、最大相関基準振動波形に基づいて特定の振動波形の近似波形を生成するＣＰＵ５１を有する。
【解決手段】ノイズと特定の振動波形とを含む外耳道圧センサ１６からの信号を処理する信号処理システム５０であって、外耳道圧センサ１６の信号を取得する外耳道圧センサインターフェース５３と、周期又は振動の位相が異なる複数の基準振動波形を含む母振動波形群データ５５を格納するメモリ５２と、メモリ５２に格納した母振動波形群データ５５の各基準振動波形と外耳道圧センサ１６からの信号との各相関を計算し、計算した相関が最大となる最大相関基準振動波形を決定し、最大相関基準振動波形に基づいて特定の振動波形の近似波形を生成するＣＰＵ５１を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノイズと特定の振動波形とを含む信号の信号処理方法及び信号処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、外耳道の圧力振動を電気信号に変換して生体情報を電気信号として取得する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）が、生体情報は主に低周波帯域に多く存在し、特に人間の可聴周波数帯域よりも低い周波数帯域に多くの生体情報が含まれていることから、特許文献１に記載された従来技術では、ローパスフィルタを用いて生体情報の多く含まれる低周波帯域の信号を抽出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、生体情報が多く含まれている低周波領域には、心拍等の生体情報以外に身体を動作させた際に発生する外来ノイズを含んでいる。これらの外来ノイズは心拍信号等の生体情報と同様の周波数スペクトルを含んでいるため、ローパスフィルタでは除去することが困難で、所望の生体情報を効果的に抽出することが難しいという問題があった。特に、動作中の人間から生体情報を取得しようとする場合には、動作中の身体から発生するノイズレベルが大きくなり、生体情報を確実に抽出することが困難であるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、ノイズを含む信号から生体情報を効果的に取得することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の信号処理方法は、ノイズと特定の振動波形とを含む信号の信号処理方法であって、周期又は振動の位相が異なる複数の基準振動波形を含む母基準振動波形群を生成するステップと、評価対象信号を取得するステップと、評価対象信号と前記母振動波形群の前記各基準振動波形との各相関を計算するステップと、計算した相関が最大となる最大相関基準振動波形を決定するステップと、最大相関基準振動波形に基づいて特定の振動波形の近似波形を生成するステップと、を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の信号処理方法において、前記基準振動波形は、連続パルスとゼロ信号とからなる信号組を複数回繰り返したものであり、前記母振動波形群は、ゼロ信号の長さを異ならせて周期を異ならせた複数の異周期波形組を含み、前記各異周波波形組は、周期が同一で連続パルスの位相が異なる複数の同周期異位相波形を含むこと、としても好適である。
【０００８】
本発明の信号処理方法において、前記異周期波形組の各基準振動波形は、同一の連続パルスと異なるゼロ信号長さによって構成されていること、としても好適である。
【０００９】
本発明の信号処理方法において、評価対象信号と前記母振動波形群の各基準振動波形との各相関を計算するステップは、時間領域の前記母振動波形群の各基準振動波形を周波数領域に変換するステップと、時間領域の評価対象信号を周波数領域に変換するステップと、周波数領域に変換した各基準振動波形と周波数領域に変換した評価対象波形の相関を計算すること、としても好適である。
【００１０】
本発明の信号処理システムは、ノイズと特定の振動波形とを含む生体センサからの信号を処理する信号処理システムであって、生体センサの信号を取得する生体センサインターフェースと、周期又は振動の位相が異なる複数の基準振動波形を含む母振動波形群を格納するメモリと、メモリに格納した前記母振動波形群の前記各基準振動波形と生体センサからの信号との各相関を計算し、計算した相関が最大となる最大相関基準振動波形を決定し、最大相関基準振動波形に基づいて特定の振動波形の近似波形を生成するプロセッサと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ノイズを含む信号から生体情報を効果的に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態における信号処理システムの構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態における信号処理システムで母振動波形群を生成するステップを示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態における信号処理システムで連続パルスとゼロ信号とから生成した周期の異なる複数の基準振動波形を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態における信号処理システムで同一の周期で位相が異なる複数の同周期異位相波形を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態における信号処理システムの母振動波形群の構成を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態における信号処理システムの動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の他の実施形態における信号処理システムの構成を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施形態における信号処理システムで周波数変換後の母振動波形群データを生成するステップを示す説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態における信号処理システムの動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の他の実施形態における信号処理システムで連続パルスとゼロ信号とから生成した周期の異なる複数の基準振動波形を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の信号処理システムの実施形態について説明する。以下の説明では、生体情報センサとして人間の外耳道の圧力振動を電気信号に変換する外耳道圧センサを用い、ノイズと特定の振動波形である心拍波形とを含む信号を処理して心拍波形の近似波形と心拍数とを出力する場合について説明する。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の信号処理システム５０は、外耳道圧センサ１６からのアナログ信号をデジタル信号に変換して取得する外耳道圧センサインターフェース５３と、情報を処理するプロセッサであるＣＰＵ５１と、ＣＰＵ５１の実行するプログラムや処理するデータを格納するメモリ５２と、処理した信号を外部出力装置であるディスプレイ６１に出力する外部出力インターフェース５４とを含むコンピュータである。メモリ５２には、後で説明するＣＰＵ５１で処理される母振動波形群データ５５、ＣＰＵ５１で実行される相関計算プログラム５６、最大相関基準振動波形決定プログラム５７、近似波形生成プログラム５８が含まれると共に演算処理を行うための演算用データ領域５９が含まれている。
【００１５】
図１に示すように、外耳道圧センサ１６は、外耳道３１に挿入される外耳道挿入部１６ａと外耳道３１から耳殻に続く形状に合わせた形状の本体１６ｂとから構成されている。外耳道圧センサ１６の外耳道挿入部１６ａは、略耳穴の大きさと同様の直径の円筒で、内部に貫通孔２５が設けられている。本体１６ｂの内部には、貫通孔２５がつながっている空洞２６が設けられている。空洞２６は、貫通孔２５よりも大きな内径を持っている。そして空洞２６には、外耳道３１の圧力振動を電気信号に変換する振動電気変換器２７が取り付けられている。振動電気変換器２７は、例えば、圧電素子のようなものでも良いし、振動板の振動をマグネットによって電気信号に変換するようなものであってもよい。外耳道挿入部１６ａと本体１６ｂとは樹脂などによって構成されている。
【００１６】
外耳道圧センサ１６の外耳道挿入部１６ａは外耳道３１の中にぴったりと嵌まり込んで、外部の音が外耳道３１へ侵入するのを抑制する。また、外耳道圧センサ１６の本体１６ｂは作業員の耳３０の耳殻にフィットして外耳道圧センサ１６の位置を安定させる。空洞２６を介して外耳道挿入部１６ａの貫通孔２５を塞いでいる振動電気変換器２７は、外耳道３１の中にぴったりと嵌まり込んだ外耳道挿入部１６ａと共に外耳道３１を閉じて鼓膜３２との間に閉空間３７を形成する。
【００１７】
図１に示すように、鼓膜３２は内耳３３と外耳道３１を含む外耳との境界に存在する膜であり、内耳３３に通じる内耳道３５から心拍音や外部ノイズなどの様々な音が鼓膜に伝達されてくる。内耳３３から鼓膜３２に伝達された心拍音は鼓膜３２を振動させる。鼓膜３２の振動は外耳道挿入部１６ａの貫通孔２５を通って空洞２６から閉空間３７を形成している振動電気変換器２７に伝達され電気信号に変換される。このように、振動電気変換器２７は外耳道３１に伝達される心拍音と様々な音ノイズとを検出して電気信号に変換して出力する。
【００１８】
図２に示すように、母振動波形群は、外耳道圧センサ１６を装着した人間が安静状態の際に外耳道圧センサ１６で取得した電気信号９１からその人間の代表的な一拍分の心拍波形を連続パルス９２として抽出し、図３、図４に示すように一拍分の連続パルス９２とゼロ信号９３，９４，９５とを組み合わせて心拍数又は心拍位相の異なる複数の基準振動波形１０１〜３０１を含む振動波形群としたものであり、図１に示す信号処理システム５０のメモリ５２の中にデータとして格納されている。以下、図２から図５を参照して母振動波形群データ５５の生成について説明する。以下の説明では、母振動波形群の生成は信号処理システム５０と別の母振動波形群データ生成システム７０によって生成されることとして説明するが、信号処理システム５０の中で同様の処理を行ってもよい。
【００１９】
図２に示すように、母振動波形群データ生成システム７０は、外耳道圧センサ１６を装着した人間が安静状態の際に外耳道圧センサ１６で取得した電気信号９１からその人間の代表的な一拍分の心拍波形を連続パルス９２として抽出する連続パルス抽出手段７１と、抽出した連続パルス９２から母振動波形群データを生成する母振動波形群生成手段７２と、生成した母振動波形群データ５５を格納するメモリ７３とを含んでいる。母振動波形群データ生成システム７０は、内部に情報を処理するＣＰＵを含むコンピュータであり、連続パルス抽出手段７１、母振動波形群生成手段７２はコンピュータによって実行されるプログラムであってもよい。
【００２０】
図２に示すように、連続パルス抽出手段７１は、室内のベッドに横たわって安静状態としている人間の耳に取り付けた外耳道圧センサ１６からの電気信号９１を取得する。人間は室内のベッドに横たわっているので、この電気信号９１には人間の動作などによる外部ノイズが非常に少ない状態で人間の安静状態の心拍音が含まれている。連続パルス抽出手段７１は、例えば、入力された電気信号９１の自己相関を取ることによってその人間の代表的な一拍分の心拍波形を連続パルス９２として抽出する。心拍数が変化した場合、その人間の一拍の心拍波形はほとんど変化せず、一拍分の連続パルス９２の間隔だけが変化する場合が多い。そこで、母振動波形群生成手段７２は、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）に示す抽出した時間ｔ1の一拍分の連続パルス９２に時間ｔ21の長さのゼロ信号９３をつなげた一つの信号組を３回繰り返すようにして連続パルス９２の周期が（ｔ1+ｔ21）で全体の信号長さが時間Ｔ1である一つの基準振動波形１０１を生成する。ここで、ゼロ信号９３と連続パルス９２との一つの信号組の時間長さ（ｔ1+ｔ21）は心拍の周期に相当する。また、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示すように、同一の時間ｔ1の一拍分の連続パルス９２に時間ｔ21と異なる時間ｔ22の長さのゼロ信号９４、または、時間ｔ21，ｔ22と異なる時間ｔ23の長さのゼロ信号９５をつなげた一つの信号組を３回繰り返すようにして連続パルス９２の周期が（ｔ1+ｔ22）、（ｔ1+ｔ23）で全体の信号長さが時間Ｔ2、Ｔ3である他の基準振動波形２０１、３０１を生成する。この様にして、母振動波形群生成手段７２は、一拍の心拍波形が同一で心拍数の異なる複数の波形、つまり異周期波形組となる複数の基準振動波形を生成する。
【００２１】
次に、図４に示すように、母振動波形群生成手段７２は、最初に生成した基準振動波形１０１に基づいて周期が同一で連続パルス９２の位相が異なる複数の基準振動波形１０２から１０６を生成する。各基準振動波形１０２から１０６はそれぞれ最初に生成した基準振動波形１０１に対して連続パルス９２の時間位置が信号処理システム５０の外耳道圧センサ１６からの電気信号をサンプリングするサンプリング周期Δｔの整数倍の時間だけずれるようにしたものである。
【００２２】
図４（ａ）に示すように、基準振動波形１０１は、時間ｔ21の長さのゼロ信号９３の後に時間ｔ1の長さの連続パルス９２が続く一組の信号組が３回繰り返されているものであり、図４（ｂ）に示すように次の基準振動波形１０２は基準振動波形１０１からサンプリング周期Δｔだけ連続パルス９２の時間位置がずれており、同様に、図４（ｃ）から図４（ｅ）に示す基準振動波形１０３から１０５はそれぞれ基準振動波形１０１からサンプリング周期Δｔの２倍から４倍だけ連続パルス９２の時間位置がずれているものである。
【００２３】
図４（ａ）に示すようにゼロ信号９３と連続パルス９２との一つの信号組の時間長さ（ｔ1+ｔ21）は心拍の周期に相当するので、例えば、基準振動波形１０１が一分間に６０回の心拍数に相当する場合には、（ｔ1+ｔ21）＝６０／６０＝１．０秒となる。そして、１００Ｈｚのサンプリング周波数でサンプリングを行った場合、サンプリング周期Δｔは１／１００秒となることから、（ｔ1+ｔ21）＝６０／６０＝１．０秒の間には１００回のサンプリングが行われることとなる。図４にはこのサンプリング回数をｎで示す。従って、サンプリング周期Δｔずつずれた基準振動波形は、図４（ａ）に示すようにずれ時間がゼロの基準振動波形１０１からずれ時間が９９＝（１００−１）×Δｔの基準振動波形１０６まで全部で１００種類できることとなる。このようにして母振動波形群生成手段７２は、同周期異位相波形組を生成する。つまり、母振動波形群生成手段７２は、ゼロ時間信号の長さを変えた異周期波形組を生成した後、それぞれの異周波波形の同周期異位相波形組を生成して母振動波形群を生成する。
【００２４】
本実施形態の信号処理システム５０で、一分間の心拍数が３０回から１８０回までを測定領域とする場合には、それぞれの心拍数に応じてゼロ時間信号の長さを変えた異周期波形組を生成し、それぞれの異周波波形の同周期異位相波形組を生成する必要がある。先に説明したように、心拍数が一分間に６０回でサンプリング周期が１００Ｈｚの場合には１００種類の位相の異なる基準振動波形が生成される。図５には各心拍数に応じて生成される同周期異位相波形の数を示してある。たとえば、心拍数が一分間に３０回の場合には、生成される同周期異位相波形の数は位相のずれが０から１９９×Δｔまでの２００種類となる。
【００２５】
図５に示すように、母振動波形群生成手段７２は、心拍数が一分間に３０回の場合には、２００種類、３１回の場合は１９２種類、６０回の場合には１００種類、１２０回の場合には５０種類、１８０回の場合は３３種類の基準振動波形を生成する。
【００２６】
母振動波形群生成手段７２は、各基準振動波形を生成したら、各基準振動波形に連続番号を付してそのデータをメモリ７３に格納する。番号のつけ方は任意であるが、例えば、一分間の心拍数とサンプリング周期Δｔの何倍だけ位相がずれているかによって、心拍が一分間に３０回の場合で位相のずれがゼロの場合を番号０として以下順番に番号をつけていくこととしてもよい。メモリ７３に格納された母振動波形群データ５５は、図１に示す信号処理システム５０のメモリ５２の母振動波形群データ５５の中に各基準振動波形の番号と共に転送される。母振動波形群のデータ５５の転送が終わると、信号処理システム５０の動作が可能となる。
【００２７】
図６を参照しながら本実施形態の信号処理システム５０の動作について説明する。図６のステップＳ１０１に示すように、信号処理システム５０のＣＰＵ５１は外耳道圧センサインターフェース５３に外耳道圧センサ１６からの電気信号を先に述べたサンプリング周期Δｔで所定時間分だけ取得する指令を出力する。この指令によって外耳道圧センサ１６の信号が取得され、取得された信号は図１に示すメモリ５２に格納される。取得された信号は心拍音の信号のほかに様々な外部ノイズを含むものである。
【００２８】
図６のステップＳ１０２に示すようにＣＰＵ５１はメモリ５２の中のカウンタの数値Ｎをゼロにリセットし、図６のステップＳ１０３に示すように、ＣＰＵ５１は母振動波形群データ５５の中からカウンタの数値Ｎ＝０と同一番号の基準振動波形を読み出し、図６のステップＳ１０４に示すように相関計算プログラム５６を実行してその基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との相関を計算する。
【００２９】
相関の計算は、例えば、基準振動波形の信号をＭ、外耳道圧センサ１６から取得した信号をＳとした場合以下のように計算することとしてもよい。
Ｃ＝Σ（Ｍ×Ｓ）／［（ΣＭ2）1/2×（ΣＳ2）1/2］ ----- （式１）
【００３０】
相関の計算が終了したら計算した相関を基準振動波形の番号或いはカウンタの数値と共にメモリ５２に格納する。相関と基準振動波形の番号とをメモリに格納したら、ＣＰＵ５１は、図６のステップＳ１０６に示すように、カウンタの数値Ｎが最終値Ｎｅｎｄ以上かどうかを判断する。そして、カウンタの数値Ｎが最終値Ｎｅｎｄに達していない場合には、図６のステップＳ１０７に示すように、カウンタの数値Ｎを１だけ増加させて図６のステップＳ１０３に戻って次の番号の基準振動波形を読み出し、図６のステップＳ１０４に示すように外耳道圧センサ１６から取得した信号との相関を計算し、図６のステップＳ１０５に示すように相関を基準振動波形の番号或いはカウンタの数値と共にメモリ５２に格納する。このように、図５に示した母振動波形群に含まれる全ての基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との相関の計算、メモリ５２への格納が終わるまで図６のステップＳ１０３から図６のステップＳ１０７を繰り返す。そして、最後の番号の基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との相関の計算、メモリ５２への格納が終わると、カウンタの数値Ｎは基準振動波形の最後の番号のＮｅｎｄとなっているので、ＣＰＵ５１は図６のステップＳ１０６に示すように図６のステップＳ１０３から図６のステップＳ１０７の繰り返しを終了する。
【００３１】
そして、ＣＰＵ５１は、図６のステップＳ１０８に示すように、メモリ５２の基準振動波形の番号と共に格納した各相関を読み出し、最大相関基準振動波形決定プログラム５７を実行して、その中から最大の相関を持つ基準振動波形の番号を決定する。そして、ＣＰＵ５１は図６のステップＳ１０９に示すように、その基準振動波形の番号からその基準振動波形が対応している心拍数を外耳道圧センサ１６の検出した心拍数として出力する。また、ＣＰＵ５１は、図６のステップＳ１１０に示すように、近似波形生成プログラム５８を実行して決定された番号の基準振動波形から心拍波形の近似波形を生成する。近似波形は、決定された番号の基準振動波形そのものでもよいし、信号処理システム５０の信号処理時間分だけ連続パルス９２の時間位置をずらしたものとしてもよい。生成された近似波形は、外耳道圧センサ１６の検出した心拍波形として図６のステップＳ１１１に示すように、図１に示す外部出力インターフェース５４からディスプレイ６１に出力される。
【００３２】
以上説明した様に、本実施形態の信号処理システム５０は、図５に示すように検出する心拍数の範囲で対応する心拍数毎に、周期が同一で連続パルスの位相が異なる複数の同周期異位相波形を含む母振動波形群に含まれる複数の基準振動波形の中から外耳道圧センサ１６から取得した電気信号と最も相関の大きい基準振動波形を決定し、その決定した基準振動波形の対応する心拍数を外耳道圧センサ１６の検出した検出心拍数とし、その決定した基準振動波形に基づいて生成した心拍波形の近似波形を外耳道圧センサ１６の検出した検出心拍波形として出力するものである。このため、人間が運動している場合のように外耳道圧センサ１６に様々な雑音が含まれている場合でも効果的に心拍数、心拍波形を検出、表示することができる。
【００３３】
また、本実施形態では、外耳道圧センサ１６からの電気信号をサンプリング周期Δｔで所定時間分だけ取得し、そのデータから最大の相関を持つ基準振動波形の番号を決定することとして説明したが、外耳道圧センサ１６からの電気信号を所定時間分、複数回取得し、それぞれの回毎に母振動波形群データの基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との相関を計算し、複数回計算した相関の平均値が最大となる基準振動波形を最大の相関を持つ基準波形としてもよい。この場合、サンプリングしたデータにエラーがあった場合でも時間平均的に最大の相関を持つ基準振動波形を決定できるので、最大の相関を持つ基準振動波形の決定の際の誤差が少なくなる。
【００３４】
本実施形態では、生体情報センサとして人間の外耳道の圧力振動を電気信号に変換する外耳道圧センサ１６の信号を処理して人間の心拍波形の近似波形と心拍数とを出力する場合について説明したが、例えば、生体情報センサとして呼吸音を検出する呼吸音センサを用いて本実施形態と同様に呼吸数、呼吸波形を検出、出力するように信号処理を行うようにしてもよいし、血流音を検出する血流音センサを用いて血流音の波形を検出、出力するように構成してもよい。
【００３５】
次に図７から図９を用いて本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図６を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。
【００３６】
図７に示すように、本実施形態の信号処理システム５００は、図１を参照して説明した信号処理システム５０の構成に加え、メモリ５２の中に外耳道圧センサ１６によって検出した時間領域の信号を周波数領域の信号に変換する例えば高速フーリエ変換プログラムのような周波数変換プログラム６２と、先に図３から図５を参照して説明した母振動波形群の各基準振動波形を周波数変換した周波数変換後の母振動波形群データ６３と、周波数領域で外耳道圧センサ１６によって検出した信号と周波数変換後の各基準振動波形との相関を計算する周波数領域の相関計算プログラム６４とを更に含んでいる。
【００３７】
図８に示すように、本実施形態の母振動波形群データ生成システム７００は、先に図２を参照して説明した母振動波形群データ生成システム７０の構成に加え、母振動波形群生成手段７２によって生成した母振動波形群の各基準振動波形を周波数変換する周波数変換手段７４を含み、メモリ７３には周波数変換後の母振動波形群の各基準振動波形が格納される。母振動波形群データ生成システム７００は、内部に情報を処理するＣＰＵを含むコンピュータであり、連続パルス抽出手段７１、母振動波形群生成手段７２、周波数変換手段７４はコンピュータによって実行されるプログラムであってもよい。
【００３８】
図８に示すように、連続パルス抽出手段７１、母振動波形群生成手段７２は、先に説明した実施形態と同様、母振動波形群生成手段７２は、一拍の心拍波形が同一で心拍数の異なる複数の波形、つまり異周期波形組となる複数の基準振動波形を生成し、その後それぞれの異周波波形について同周期異位相波形組を生成して母振動波形群を生成する。周波数変換手段７４は、生成した母振動波形群の時間領域の各基準振動波形を図８の符号９６で示すような周波数領域のデータに変換してメモリ７３に格納する。メモリ７３に格納された周波数変換後の母振動波形群のデータ６３は、図７に示す信号処理システム５００のメモリ５２の周波数変換後の母振動波形群データ６３の中に各基準振動波形の番号と共に転送される。周波数変換された母振動波形群のデータ６３の転送が終わると、信号処理システム５００の動作が可能となる。
【００３９】
図９を参照しながら本実施形態の信号処理システム５００の動作について説明する。図９のステップＳ２０１に示すように、信号処理システム５００のＣＰＵ５１は外耳道圧センサインターフェース５３に外耳道圧センサ１６からの電気信号を先に述べたサンプリング周期Δｔで所定時間分だけ取得する指令を出力する。この指令によって外耳道圧センサ１６の信号が取得され、取得された信号は図１に示すメモリ５２に格納される。取得された信号は心拍音の信号のほかに様々な外部ノイズを含むものである。図９のステップＳ２０２に示すように、ＣＰＵ５１は、周波数変換プログラム６２を実行して取得した時間領域の信号を周波数領域に変換し、図９のステップＳ２０３に示すように周波数領域に変換したデータをメモリ５２に格納する。
【００４０】
図９のステップＳ２０４に示すようにＣＰＵ５１はメモリ５２の中のカウンタの数値Ｎをゼロにリセットし、図９のステップＳ２０５に示すように、ＣＰＵ５１は周波数変換後の母振動波形群データ６３の中からカウンタの数値Ｎ＝０と同一番号の周波数変換後の基準振動波形を読み出し、図９のステップＳ２０６に示すように周波数領域の相関計算プログラム６４を実行して周波数変換後のその基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号の周波数変換後のデータとの相関を計算する。
【００４１】
相関の計算は、例えば、次のように行う。Ｎ番目の基準振動波形の周波数変換後のデータは、周波数をｆとして実数部ＭＲｅ（ｆ）Nと虚数部ＭＩｍ（ｆ）Nとを持っている。また、外耳道圧センサ１６から取得した信号の周波数変換後のデータも実数部ＳＲｅ（ｆ）と虚数部ＳＩｍ（ｆ）とを持っている。そして、Ｎ番目の基準振動波形の周波数変換後のデータと外耳道圧センサ１６から取得した信号の周波数変換後のデータの実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNはそれぞれ次のように計算する。
ＲｅN＝Σ（ＭＲｅ（ｆ）N・ＳＲｅ（ｆ））−------------- （式２）
ＩｍN＝Σ（ＭＩｍ（ｆ）N・ＳＩｍ（ｆ））−------------- （式３）
【００４２】
実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNの計算が終了したら計算したＣＰＵ５１は図９のステップＳ２０７に示すように各相関を基準振動波形の番号或いはカウンタの数値と共にメモリ５２に格納する。相関と基準振動波形の番号とをメモリに格納したら、ＣＰＵ５１は、図９のステップＳ２０８に示すように、カウンタの数値Ｎが最終値Ｎｅｎｄ以上かどうかを判断する。そして、カウンタの数値Ｎが最終値Ｎｅｎｄに達していない場合には、図９のステップＳ２０９に示すように、カウンタの数値Ｎを１だけ増加させて図９のステップＳ２０５に戻って次の番号の基準振動波形を読み出し、図９のステップＳ２０６に示すように外耳道圧センサ１６から取得した信号を周波数変換した信号と次の番号の基準振動波形の周波数領域の実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNを計算し、図９のステップＳ２０７に示すように各相関を基準振動波形の番号或いはカウンタの数値と共にメモリ５２に格納する。このように、図５に示した母振動波形群に含まれる全ての基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との周波数領域の実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNの計算、メモリ５２への格納が終わるまで図９のステップＳ２０５から図９のステップＳ２０９を繰り返す。そして、最後の番号Ｎｅｎｄの基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との実数部の相関ＲｅNendと虚数部の相関ＩｍNendの計算、メモリ５２への格納が終わると、カウンタの数値Ｎは基準振動波形の最後の番号のＮｅｎｄとなっているので、ＣＰＵ５１は図９のステップＳ２０８に示すように図９のステップＳ２０５から図９のステップＳ２０９の繰り返しを終了する。
【００４３】
そして、ＣＰＵ５１は、図９のステップＳ２１０に示すように、メモリ５２の基準振動波形の番号と共に格納した各実数部の相関ＲｅNと各虚数部の相関ＩｍNを読み出し、最大相関基準振動波形決定プログラム５７を実行して、例えば、実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNの平均値が最大となる基準振動波形の番号を決定する。そして、ＣＰＵ５１は母振動波形群データ５５を参照しながら図９のステップＳ２１１に示すように、その基準振動波形の番号からその基準振動波形が対応している心拍数を外耳道圧センサ１６の検出した心拍数として出力する。また、ＣＰＵ５１は、図９のステップＳ２１２に示すように、近似波形生成プログラム５８を実行して決定された番号の基準振動波形から心拍波形の近似波形を生成する。近似波形は、決定された番号の基準振動波形そのものでもよいし、信号処理システム５００の信号処理時間分だけ連続パルス９２の時間位置をずらしたものとしてもよい。生成された近似波形は、外耳道圧センサ１６の検出した心拍波形として図９のステップＳ２１３に示すように、図７に示す外部出力インターフェース５４からディスプレイ６１に出力される。
【００４４】
以上説明した様に、本実施形態の信号処理システム５００は、先に図１から図６を参照して説明した実施形態と同様の効果に加え、周波数領域で実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNに基づいて外耳道圧センサ１６によって取得した信号と最大相関を持つ基準振動波形を決定するので、先に説明した実施形態よりも効率的にノイズを除去することができるので、人間が運動している場合のように大きなノイズを含んでいる場合であってもより効果的に心拍数、心拍波形を検出、表示することができる。
【００４５】
以上説明した各実施形態では、母振動波形群は、図２、図７に示す連続パルス抽出手段７１によって抽出した同一の連続パルス９２に異なる時間長さのゼロ信号９３，９４，９５を組み合わせて生成することとして説明したが、図１０（ｂ）に示すように、図１０（ａ）に示す抽出した時間ｔ5の一拍分の連続パルス９２に時間ｔ51の長さのゼロ信号９４をつなげた一つの信号組を３回繰り返すようにして連続パルス９２の周期が（ｔ5+ｔ51）で全体の信号長さが時間Ｔ5である一つの基準振動波形５０１を生成し、基準振動波形５０１全体を時間Ｔ5から時間Ｔ6に拡大して、拡大した時間ｔ6の連続パルス９７に拡大した時間ｔ61の長さのゼロ信号９８をつなげた一つの信号組を３回繰り返すようにして連続パルス９７の周期が（ｔ6+ｔ61）で全体の信号長さが時間Ｔ6である他の基準振動波形６０１を生成して、図５の各心拍数に対応する複数の基準振動波形を生成し、図４に示したのと同様の方法で、位相をずらした複数の同周期異位相の基準振動波形を生成するようにしてもよい。
【００４６】
本実施形態は先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００４７】
１６ 外耳道圧センサ、１６ａ 外耳道挿入部、１６ｂ 本体、２５ 貫通孔、２６ 空洞、２７ 振動電気変換器、３０ 耳、３１ 外耳道、３２ 鼓膜、３３ 内耳、３５ 内耳道、３７ 閉空間、５０，５００ 信号処理システム、５１ ＣＰＵ、５２，７３ メモリ、５３ 外耳道圧センサインターフェース、５４ 外部出力インターフェース、５５ 母振動波形群データ、５６ 相関計算プログラム、５７ 最大相関基準振動波形決定プログラム、５８ 近似波形生成プログラム、５９ 演算用データ領域、６１ ディスプレイ、６２ 周波数変換プログラム、６３ 周波数変換後の母振動波形群データ、６４ 周波数領域の相関計算プログラム、７０，７００ 母振動波形群データ生成システム、７１ 連続パルス抽出手段、７２ 母振動波形群生成手段、７４ 周波数変換手段、９１ 電気信号、９２，９７ 連続パルス、９３，９４，９５，９８ ゼロ信号、１０１〜１０６，２０１，３０１，５０１，６０１ 基準振動波形。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノイズと特定の振動波形とを含む信号の信号処理方法及び信号処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、外耳道の圧力振動を電気信号に変換して生体情報を電気信号として取得する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）が、生体情報は主に低周波帯域に多く存在し、特に人間の可聴周波数帯域よりも低い周波数帯域に多くの生体情報が含まれていることから、特許文献１に記載された従来技術では、ローパスフィルタを用いて生体情報の多く含まれる低周波帯域の信号を抽出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、生体情報が多く含まれている低周波領域には、心拍等の生体情報以外に身体を動作させた際に発生する外来ノイズを含んでいる。これらの外来ノイズは心拍信号等の生体情報と同様の周波数スペクトルを含んでいるため、ローパスフィルタでは除去することが困難で、所望の生体情報を効果的に抽出することが難しいという問題があった。特に、動作中の人間から生体情報を取得しようとする場合には、動作中の身体から発生するノイズレベルが大きくなり、生体情報を確実に抽出することが困難であるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、ノイズを含む信号から生体情報を効果的に取得することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の信号処理方法は、ノイズと特定の振動波形とを含む信号の信号処理方法であって、周期又は振動の位相が異なる複数の基準振動波形を含む母基準振動波形群を生成するステップと、評価対象信号を取得するステップと、評価対象信号と前記母振動波形群の前記各基準振動波形との各相関を計算するステップと、計算した相関が最大となる最大相関基準振動波形を決定するステップと、最大相関基準振動波形に基づいて特定の振動波形の近似波形を生成するステップと、を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の信号処理方法において、前記基準振動波形は、連続パルスとゼロ信号とからなる信号組を複数回繰り返したものであり、前記母振動波形群は、ゼロ信号の長さを異ならせて周期を異ならせた複数の異周期波形組を含み、前記各異周波波形組は、周期が同一で連続パルスの位相が異なる複数の同周期異位相波形を含むこと、としても好適である。
【０００８】
本発明の信号処理方法において、前記異周期波形組の各基準振動波形は、同一の連続パルスと異なるゼロ信号長さによって構成されていること、としても好適である。
【０００９】
本発明の信号処理方法において、評価対象信号と前記母振動波形群の各基準振動波形との各相関を計算するステップは、時間領域の前記母振動波形群の各基準振動波形を周波数領域に変換するステップと、時間領域の評価対象信号を周波数領域に変換するステップと、周波数領域に変換した各基準振動波形と周波数領域に変換した評価対象波形の相関を計算すること、としても好適である。
【００１０】
本発明の信号処理システムは、ノイズと特定の振動波形とを含む生体センサからの信号を処理する信号処理システムであって、生体センサの信号を取得する生体センサインターフェースと、周期又は振動の位相が異なる複数の基準振動波形を含む母振動波形群を格納するメモリと、メモリに格納した前記母振動波形群の前記各基準振動波形と生体センサからの信号との各相関を計算し、計算した相関が最大となる最大相関基準振動波形を決定し、最大相関基準振動波形に基づいて特定の振動波形の近似波形を生成するプロセッサと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ノイズを含む信号から生体情報を効果的に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態における信号処理システムの構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態における信号処理システムで母振動波形群を生成するステップを示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態における信号処理システムで連続パルスとゼロ信号とから生成した周期の異なる複数の基準振動波形を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態における信号処理システムで同一の周期で位相が異なる複数の同周期異位相波形を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態における信号処理システムの母振動波形群の構成を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態における信号処理システムの動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の他の実施形態における信号処理システムの構成を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施形態における信号処理システムで周波数変換後の母振動波形群データを生成するステップを示す説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態における信号処理システムの動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の他の実施形態における信号処理システムで連続パルスとゼロ信号とから生成した周期の異なる複数の基準振動波形を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の信号処理システムの実施形態について説明する。以下の説明では、生体情報センサとして人間の外耳道の圧力振動を電気信号に変換する外耳道圧センサを用い、ノイズと特定の振動波形である心拍波形とを含む信号を処理して心拍波形の近似波形と心拍数とを出力する場合について説明する。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の信号処理システム５０は、外耳道圧センサ１６からのアナログ信号をデジタル信号に変換して取得する外耳道圧センサインターフェース５３と、情報を処理するプロセッサであるＣＰＵ５１と、ＣＰＵ５１の実行するプログラムや処理するデータを格納するメモリ５２と、処理した信号を外部出力装置であるディスプレイ６１に出力する外部出力インターフェース５４とを含むコンピュータである。メモリ５２には、後で説明するＣＰＵ５１で処理される母振動波形群データ５５、ＣＰＵ５１で実行される相関計算プログラム５６、最大相関基準振動波形決定プログラム５７、近似波形生成プログラム５８が含まれると共に演算処理を行うための演算用データ領域５９が含まれている。
【００１５】
図１に示すように、外耳道圧センサ１６は、外耳道３１に挿入される外耳道挿入部１６ａと外耳道３１から耳殻に続く形状に合わせた形状の本体１６ｂとから構成されている。外耳道圧センサ１６の外耳道挿入部１６ａは、略耳穴の大きさと同様の直径の円筒で、内部に貫通孔２５が設けられている。本体１６ｂの内部には、貫通孔２５がつながっている空洞２６が設けられている。空洞２６は、貫通孔２５よりも大きな内径を持っている。そして空洞２６には、外耳道３１の圧力振動を電気信号に変換する振動電気変換器２７が取り付けられている。振動電気変換器２７は、例えば、圧電素子のようなものでも良いし、振動板の振動をマグネットによって電気信号に変換するようなものであってもよい。外耳道挿入部１６ａと本体１６ｂとは樹脂などによって構成されている。
【００１６】
外耳道圧センサ１６の外耳道挿入部１６ａは外耳道３１の中にぴったりと嵌まり込んで、外部の音が外耳道３１へ侵入するのを抑制する。また、外耳道圧センサ１６の本体１６ｂは作業員の耳３０の耳殻にフィットして外耳道圧センサ１６の位置を安定させる。空洞２６を介して外耳道挿入部１６ａの貫通孔２５を塞いでいる振動電気変換器２７は、外耳道３１の中にぴったりと嵌まり込んだ外耳道挿入部１６ａと共に外耳道３１を閉じて鼓膜３２との間に閉空間３７を形成する。
【００１７】
図１に示すように、鼓膜３２は内耳３３と外耳道３１を含む外耳との境界に存在する膜であり、内耳３３に通じる内耳道３５から心拍音や外部ノイズなどの様々な音が鼓膜に伝達されてくる。内耳３３から鼓膜３２に伝達された心拍音は鼓膜３２を振動させる。鼓膜３２の振動は外耳道挿入部１６ａの貫通孔２５を通って空洞２６から閉空間３７を形成している振動電気変換器２７に伝達され電気信号に変換される。このように、振動電気変換器２７は外耳道３１に伝達される心拍音と様々な音ノイズとを検出して電気信号に変換して出力する。
【００１８】
図２に示すように、母振動波形群は、外耳道圧センサ１６を装着した人間が安静状態の際に外耳道圧センサ１６で取得した電気信号９１からその人間の代表的な一拍分の心拍波形を連続パルス９２として抽出し、図３、図４に示すように一拍分の連続パルス９２とゼロ信号９３，９４，９５とを組み合わせて心拍数又は心拍位相の異なる複数の基準振動波形１０１〜３０１を含む振動波形群としたものであり、図１に示す信号処理システム５０のメモリ５２の中にデータとして格納されている。以下、図２から図５を参照して母振動波形群データ５５の生成について説明する。以下の説明では、母振動波形群の生成は信号処理システム５０と別の母振動波形群データ生成システム７０によって生成されることとして説明するが、信号処理システム５０の中で同様の処理を行ってもよい。
【００１９】
図２に示すように、母振動波形群データ生成システム７０は、外耳道圧センサ１６を装着した人間が安静状態の際に外耳道圧センサ１６で取得した電気信号９１からその人間の代表的な一拍分の心拍波形を連続パルス９２として抽出する連続パルス抽出手段７１と、抽出した連続パルス９２から母振動波形群データを生成する母振動波形群生成手段７２と、生成した母振動波形群データ５５を格納するメモリ７３とを含んでいる。母振動波形群データ生成システム７０は、内部に情報を処理するＣＰＵを含むコンピュータであり、連続パルス抽出手段７１、母振動波形群生成手段７２はコンピュータによって実行されるプログラムであってもよい。
【００２０】
図２に示すように、連続パルス抽出手段７１は、室内のベッドに横たわって安静状態としている人間の耳に取り付けた外耳道圧センサ１６からの電気信号９１を取得する。人間は室内のベッドに横たわっているので、この電気信号９１には人間の動作などによる外部ノイズが非常に少ない状態で人間の安静状態の心拍音が含まれている。連続パルス抽出手段７１は、例えば、入力された電気信号９１の自己相関を取ることによってその人間の代表的な一拍分の心拍波形を連続パルス９２として抽出する。心拍数が変化した場合、その人間の一拍の心拍波形はほとんど変化せず、一拍分の連続パルス９２の間隔だけが変化する場合が多い。そこで、母振動波形群生成手段７２は、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）に示す抽出した時間ｔ1の一拍分の連続パルス９２に時間ｔ21の長さのゼロ信号９３をつなげた一つの信号組を３回繰り返すようにして連続パルス９２の周期が（ｔ1+ｔ21）で全体の信号長さが時間Ｔ1である一つの基準振動波形１０１を生成する。ここで、ゼロ信号９３と連続パルス９２との一つの信号組の時間長さ（ｔ1+ｔ21）は心拍の周期に相当する。また、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示すように、同一の時間ｔ1の一拍分の連続パルス９２に時間ｔ21と異なる時間ｔ22の長さのゼロ信号９４、または、時間ｔ21，ｔ22と異なる時間ｔ23の長さのゼロ信号９５をつなげた一つの信号組を３回繰り返すようにして連続パルス９２の周期が（ｔ1+ｔ22）、（ｔ1+ｔ23）で全体の信号長さが時間Ｔ2、Ｔ3である他の基準振動波形２０１、３０１を生成する。この様にして、母振動波形群生成手段７２は、一拍の心拍波形が同一で心拍数の異なる複数の波形、つまり異周期波形組となる複数の基準振動波形を生成する。
【００２１】
次に、図４に示すように、母振動波形群生成手段７２は、最初に生成した基準振動波形１０１に基づいて周期が同一で連続パルス９２の位相が異なる複数の基準振動波形１０２から１０６を生成する。各基準振動波形１０２から１０６はそれぞれ最初に生成した基準振動波形１０１に対して連続パルス９２の時間位置が信号処理システム５０の外耳道圧センサ１６からの電気信号をサンプリングするサンプリング周期Δｔの整数倍の時間だけずれるようにしたものである。
【００２２】
図４（ａ）に示すように、基準振動波形１０１は、時間ｔ21の長さのゼロ信号９３の後に時間ｔ1の長さの連続パルス９２が続く一組の信号組が３回繰り返されているものであり、図４（ｂ）に示すように次の基準振動波形１０２は基準振動波形１０１からサンプリング周期Δｔだけ連続パルス９２の時間位置がずれており、同様に、図４（ｃ）から図４（ｅ）に示す基準振動波形１０３から１０５はそれぞれ基準振動波形１０１からサンプリング周期Δｔの２倍から４倍だけ連続パルス９２の時間位置がずれているものである。
【００２３】
図４（ａ）に示すようにゼロ信号９３と連続パルス９２との一つの信号組の時間長さ（ｔ1+ｔ21）は心拍の周期に相当するので、例えば、基準振動波形１０１が一分間に６０回の心拍数に相当する場合には、（ｔ1+ｔ21）＝６０／６０＝１．０秒となる。そして、１００Ｈｚのサンプリング周波数でサンプリングを行った場合、サンプリング周期Δｔは１／１００秒となることから、（ｔ1+ｔ21）＝６０／６０＝１．０秒の間には１００回のサンプリングが行われることとなる。図４にはこのサンプリング回数をｎで示す。従って、サンプリング周期Δｔずつずれた基準振動波形は、図４（ａ）に示すようにずれ時間がゼロの基準振動波形１０１からずれ時間が９９＝（１００−１）×Δｔの基準振動波形１０６まで全部で１００種類できることとなる。このようにして母振動波形群生成手段７２は、同周期異位相波形組を生成する。つまり、母振動波形群生成手段７２は、ゼロ時間信号の長さを変えた異周期波形組を生成した後、それぞれの異周波波形の同周期異位相波形組を生成して母振動波形群を生成する。
【００２４】
本実施形態の信号処理システム５０で、一分間の心拍数が３０回から１８０回までを測定領域とする場合には、それぞれの心拍数に応じてゼロ時間信号の長さを変えた異周期波形組を生成し、それぞれの異周波波形の同周期異位相波形組を生成する必要がある。先に説明したように、心拍数が一分間に６０回でサンプリング周期が１００Ｈｚの場合には１００種類の位相の異なる基準振動波形が生成される。図５には各心拍数に応じて生成される同周期異位相波形の数を示してある。たとえば、心拍数が一分間に３０回の場合には、生成される同周期異位相波形の数は位相のずれが０から１９９×Δｔまでの２００種類となる。
【００２５】
図５に示すように、母振動波形群生成手段７２は、心拍数が一分間に３０回の場合には、２００種類、３１回の場合は１９２種類、６０回の場合には１００種類、１２０回の場合には５０種類、１８０回の場合は３３種類の基準振動波形を生成する。
【００２６】
母振動波形群生成手段７２は、各基準振動波形を生成したら、各基準振動波形に連続番号を付してそのデータをメモリ７３に格納する。番号のつけ方は任意であるが、例えば、一分間の心拍数とサンプリング周期Δｔの何倍だけ位相がずれているかによって、心拍が一分間に３０回の場合で位相のずれがゼロの場合を番号０として以下順番に番号をつけていくこととしてもよい。メモリ７３に格納された母振動波形群データ５５は、図１に示す信号処理システム５０のメモリ５２の母振動波形群データ５５の中に各基準振動波形の番号と共に転送される。母振動波形群のデータ５５の転送が終わると、信号処理システム５０の動作が可能となる。
【００２７】
図６を参照しながら本実施形態の信号処理システム５０の動作について説明する。図６のステップＳ１０１に示すように、信号処理システム５０のＣＰＵ５１は外耳道圧センサインターフェース５３に外耳道圧センサ１６からの電気信号を先に述べたサンプリング周期Δｔで所定時間分だけ取得する指令を出力する。この指令によって外耳道圧センサ１６の信号が取得され、取得された信号は図１に示すメモリ５２に格納される。取得された信号は心拍音の信号のほかに様々な外部ノイズを含むものである。
【００２８】
図６のステップＳ１０２に示すようにＣＰＵ５１はメモリ５２の中のカウンタの数値Ｎをゼロにリセットし、図６のステップＳ１０３に示すように、ＣＰＵ５１は母振動波形群データ５５の中からカウンタの数値Ｎ＝０と同一番号の基準振動波形を読み出し、図６のステップＳ１０４に示すように相関計算プログラム５６を実行してその基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との相関を計算する。
【００２９】
相関の計算は、例えば、基準振動波形の信号をＭ、外耳道圧センサ１６から取得した信号をＳとした場合以下のように計算することとしてもよい。
Ｃ＝Σ（Ｍ×Ｓ）／［（ΣＭ2）1/2×（ΣＳ2）1/2］ ----- （式１）
【００３０】
相関の計算が終了したら計算した相関を基準振動波形の番号或いはカウンタの数値と共にメモリ５２に格納する。相関と基準振動波形の番号とをメモリに格納したら、ＣＰＵ５１は、図６のステップＳ１０６に示すように、カウンタの数値Ｎが最終値Ｎｅｎｄ以上かどうかを判断する。そして、カウンタの数値Ｎが最終値Ｎｅｎｄに達していない場合には、図６のステップＳ１０７に示すように、カウンタの数値Ｎを１だけ増加させて図６のステップＳ１０３に戻って次の番号の基準振動波形を読み出し、図６のステップＳ１０４に示すように外耳道圧センサ１６から取得した信号との相関を計算し、図６のステップＳ１０５に示すように相関を基準振動波形の番号或いはカウンタの数値と共にメモリ５２に格納する。このように、図５に示した母振動波形群に含まれる全ての基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との相関の計算、メモリ５２への格納が終わるまで図６のステップＳ１０３から図６のステップＳ１０７を繰り返す。そして、最後の番号の基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との相関の計算、メモリ５２への格納が終わると、カウンタの数値Ｎは基準振動波形の最後の番号のＮｅｎｄとなっているので、ＣＰＵ５１は図６のステップＳ１０６に示すように図６のステップＳ１０３から図６のステップＳ１０７の繰り返しを終了する。
【００３１】
そして、ＣＰＵ５１は、図６のステップＳ１０８に示すように、メモリ５２の基準振動波形の番号と共に格納した各相関を読み出し、最大相関基準振動波形決定プログラム５７を実行して、その中から最大の相関を持つ基準振動波形の番号を決定する。そして、ＣＰＵ５１は図６のステップＳ１０９に示すように、その基準振動波形の番号からその基準振動波形が対応している心拍数を外耳道圧センサ１６の検出した心拍数として出力する。また、ＣＰＵ５１は、図６のステップＳ１１０に示すように、近似波形生成プログラム５８を実行して決定された番号の基準振動波形から心拍波形の近似波形を生成する。近似波形は、決定された番号の基準振動波形そのものでもよいし、信号処理システム５０の信号処理時間分だけ連続パルス９２の時間位置をずらしたものとしてもよい。生成された近似波形は、外耳道圧センサ１６の検出した心拍波形として図６のステップＳ１１１に示すように、図１に示す外部出力インターフェース５４からディスプレイ６１に出力される。
【００３２】
以上説明した様に、本実施形態の信号処理システム５０は、図５に示すように検出する心拍数の範囲で対応する心拍数毎に、周期が同一で連続パルスの位相が異なる複数の同周期異位相波形を含む母振動波形群に含まれる複数の基準振動波形の中から外耳道圧センサ１６から取得した電気信号と最も相関の大きい基準振動波形を決定し、その決定した基準振動波形の対応する心拍数を外耳道圧センサ１６の検出した検出心拍数とし、その決定した基準振動波形に基づいて生成した心拍波形の近似波形を外耳道圧センサ１６の検出した検出心拍波形として出力するものである。このため、人間が運動している場合のように外耳道圧センサ１６に様々な雑音が含まれている場合でも効果的に心拍数、心拍波形を検出、表示することができる。
【００３３】
また、本実施形態では、外耳道圧センサ１６からの電気信号をサンプリング周期Δｔで所定時間分だけ取得し、そのデータから最大の相関を持つ基準振動波形の番号を決定することとして説明したが、外耳道圧センサ１６からの電気信号を所定時間分、複数回取得し、それぞれの回毎に母振動波形群データの基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との相関を計算し、複数回計算した相関の平均値が最大となる基準振動波形を最大の相関を持つ基準波形としてもよい。この場合、サンプリングしたデータにエラーがあった場合でも時間平均的に最大の相関を持つ基準振動波形を決定できるので、最大の相関を持つ基準振動波形の決定の際の誤差が少なくなる。
【００３４】
本実施形態では、生体情報センサとして人間の外耳道の圧力振動を電気信号に変換する外耳道圧センサ１６の信号を処理して人間の心拍波形の近似波形と心拍数とを出力する場合について説明したが、例えば、生体情報センサとして呼吸音を検出する呼吸音センサを用いて本実施形態と同様に呼吸数、呼吸波形を検出、出力するように信号処理を行うようにしてもよいし、血流音を検出する血流音センサを用いて血流音の波形を検出、出力するように構成してもよい。
【００３５】
次に図７から図９を用いて本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図６を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。
【００３６】
図７に示すように、本実施形態の信号処理システム５００は、図１を参照して説明した信号処理システム５０の構成に加え、メモリ５２の中に外耳道圧センサ１６によって検出した時間領域の信号を周波数領域の信号に変換する例えば高速フーリエ変換プログラムのような周波数変換プログラム６２と、先に図３から図５を参照して説明した母振動波形群の各基準振動波形を周波数変換した周波数変換後の母振動波形群データ６３と、周波数領域で外耳道圧センサ１６によって検出した信号と周波数変換後の各基準振動波形との相関を計算する周波数領域の相関計算プログラム６４とを更に含んでいる。
【００３７】
図８に示すように、本実施形態の母振動波形群データ生成システム７００は、先に図２を参照して説明した母振動波形群データ生成システム７０の構成に加え、母振動波形群生成手段７２によって生成した母振動波形群の各基準振動波形を周波数変換する周波数変換手段７４を含み、メモリ７３には周波数変換後の母振動波形群の各基準振動波形が格納される。母振動波形群データ生成システム７００は、内部に情報を処理するＣＰＵを含むコンピュータであり、連続パルス抽出手段７１、母振動波形群生成手段７２、周波数変換手段７４はコンピュータによって実行されるプログラムであってもよい。
【００３８】
図８に示すように、連続パルス抽出手段７１、母振動波形群生成手段７２は、先に説明した実施形態と同様、母振動波形群生成手段７２は、一拍の心拍波形が同一で心拍数の異なる複数の波形、つまり異周期波形組となる複数の基準振動波形を生成し、その後それぞれの異周波波形について同周期異位相波形組を生成して母振動波形群を生成する。周波数変換手段７４は、生成した母振動波形群の時間領域の各基準振動波形を図８の符号９６で示すような周波数領域のデータに変換してメモリ７３に格納する。メモリ７３に格納された周波数変換後の母振動波形群のデータ６３は、図７に示す信号処理システム５００のメモリ５２の周波数変換後の母振動波形群データ６３の中に各基準振動波形の番号と共に転送される。周波数変換された母振動波形群のデータ６３の転送が終わると、信号処理システム５００の動作が可能となる。
【００３９】
図９を参照しながら本実施形態の信号処理システム５００の動作について説明する。図９のステップＳ２０１に示すように、信号処理システム５００のＣＰＵ５１は外耳道圧センサインターフェース５３に外耳道圧センサ１６からの電気信号を先に述べたサンプリング周期Δｔで所定時間分だけ取得する指令を出力する。この指令によって外耳道圧センサ１６の信号が取得され、取得された信号は図１に示すメモリ５２に格納される。取得された信号は心拍音の信号のほかに様々な外部ノイズを含むものである。図９のステップＳ２０２に示すように、ＣＰＵ５１は、周波数変換プログラム６２を実行して取得した時間領域の信号を周波数領域に変換し、図９のステップＳ２０３に示すように周波数領域に変換したデータをメモリ５２に格納する。
【００４０】
図９のステップＳ２０４に示すようにＣＰＵ５１はメモリ５２の中のカウンタの数値Ｎをゼロにリセットし、図９のステップＳ２０５に示すように、ＣＰＵ５１は周波数変換後の母振動波形群データ６３の中からカウンタの数値Ｎ＝０と同一番号の周波数変換後の基準振動波形を読み出し、図９のステップＳ２０６に示すように周波数領域の相関計算プログラム６４を実行して周波数変換後のその基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号の周波数変換後のデータとの相関を計算する。
【００４１】
相関の計算は、例えば、次のように行う。Ｎ番目の基準振動波形の周波数変換後のデータは、周波数をｆとして実数部ＭＲｅ（ｆ）Nと虚数部ＭＩｍ（ｆ）Nとを持っている。また、外耳道圧センサ１６から取得した信号の周波数変換後のデータも実数部ＳＲｅ（ｆ）と虚数部ＳＩｍ（ｆ）とを持っている。そして、Ｎ番目の基準振動波形の周波数変換後のデータと外耳道圧センサ１６から取得した信号の周波数変換後のデータの実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNはそれぞれ次のように計算する。
ＲｅN＝Σ（ＭＲｅ（ｆ）N・ＳＲｅ（ｆ））−------------- （式２）
ＩｍN＝Σ（ＭＩｍ（ｆ）N・ＳＩｍ（ｆ））−------------- （式３）
【００４２】
実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNの計算が終了したら計算したＣＰＵ５１は図９のステップＳ２０７に示すように各相関を基準振動波形の番号或いはカウンタの数値と共にメモリ５２に格納する。相関と基準振動波形の番号とをメモリに格納したら、ＣＰＵ５１は、図９のステップＳ２０８に示すように、カウンタの数値Ｎが最終値Ｎｅｎｄ以上かどうかを判断する。そして、カウンタの数値Ｎが最終値Ｎｅｎｄに達していない場合には、図９のステップＳ２０９に示すように、カウンタの数値Ｎを１だけ増加させて図９のステップＳ２０５に戻って次の番号の基準振動波形を読み出し、図９のステップＳ２０６に示すように外耳道圧センサ１６から取得した信号を周波数変換した信号と次の番号の基準振動波形の周波数領域の実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNを計算し、図９のステップＳ２０７に示すように各相関を基準振動波形の番号或いはカウンタの数値と共にメモリ５２に格納する。このように、図５に示した母振動波形群に含まれる全ての基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との周波数領域の実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNの計算、メモリ５２への格納が終わるまで図９のステップＳ２０５から図９のステップＳ２０９を繰り返す。そして、最後の番号Ｎｅｎｄの基準振動波形と外耳道圧センサ１６から取得した信号との実数部の相関ＲｅNendと虚数部の相関ＩｍNendの計算、メモリ５２への格納が終わると、カウンタの数値Ｎは基準振動波形の最後の番号のＮｅｎｄとなっているので、ＣＰＵ５１は図９のステップＳ２０８に示すように図９のステップＳ２０５から図９のステップＳ２０９の繰り返しを終了する。
【００４３】
そして、ＣＰＵ５１は、図９のステップＳ２１０に示すように、メモリ５２の基準振動波形の番号と共に格納した各実数部の相関ＲｅNと各虚数部の相関ＩｍNを読み出し、最大相関基準振動波形決定プログラム５７を実行して、例えば、実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNの平均値が最大となる基準振動波形の番号を決定する。そして、ＣＰＵ５１は母振動波形群データ５５を参照しながら図９のステップＳ２１１に示すように、その基準振動波形の番号からその基準振動波形が対応している心拍数を外耳道圧センサ１６の検出した心拍数として出力する。また、ＣＰＵ５１は、図９のステップＳ２１２に示すように、近似波形生成プログラム５８を実行して決定された番号の基準振動波形から心拍波形の近似波形を生成する。近似波形は、決定された番号の基準振動波形そのものでもよいし、信号処理システム５００の信号処理時間分だけ連続パルス９２の時間位置をずらしたものとしてもよい。生成された近似波形は、外耳道圧センサ１６の検出した心拍波形として図９のステップＳ２１３に示すように、図７に示す外部出力インターフェース５４からディスプレイ６１に出力される。
【００４４】
以上説明した様に、本実施形態の信号処理システム５００は、先に図１から図６を参照して説明した実施形態と同様の効果に加え、周波数領域で実数部の相関ＲｅNと虚数部の相関ＩｍNに基づいて外耳道圧センサ１６によって取得した信号と最大相関を持つ基準振動波形を決定するので、先に説明した実施形態よりも効率的にノイズを除去することができるので、人間が運動している場合のように大きなノイズを含んでいる場合であってもより効果的に心拍数、心拍波形を検出、表示することができる。
【００４５】
以上説明した各実施形態では、母振動波形群は、図２、図７に示す連続パルス抽出手段７１によって抽出した同一の連続パルス９２に異なる時間長さのゼロ信号９３，９４，９５を組み合わせて生成することとして説明したが、図１０（ｂ）に示すように、図１０（ａ）に示す抽出した時間ｔ5の一拍分の連続パルス９２に時間ｔ51の長さのゼロ信号９４をつなげた一つの信号組を３回繰り返すようにして連続パルス９２の周期が（ｔ5+ｔ51）で全体の信号長さが時間Ｔ5である一つの基準振動波形５０１を生成し、基準振動波形５０１全体を時間Ｔ5から時間Ｔ6に拡大して、拡大した時間ｔ6の連続パルス９７に拡大した時間ｔ61の長さのゼロ信号９８をつなげた一つの信号組を３回繰り返すようにして連続パルス９７の周期が（ｔ6+ｔ61）で全体の信号長さが時間Ｔ6である他の基準振動波形６０１を生成して、図５の各心拍数に対応する複数の基準振動波形を生成し、図４に示したのと同様の方法で、位相をずらした複数の同周期異位相の基準振動波形を生成するようにしてもよい。
【００４６】
本実施形態は先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００４７】
１６ 外耳道圧センサ、１６ａ 外耳道挿入部、１６ｂ 本体、２５ 貫通孔、２６ 空洞、２７ 振動電気変換器、３０ 耳、３１ 外耳道、３２ 鼓膜、３３ 内耳、３５ 内耳道、３７ 閉空間、５０，５００ 信号処理システム、５１ ＣＰＵ、５２，７３ メモリ、５３ 外耳道圧センサインターフェース、５４ 外部出力インターフェース、５５ 母振動波形群データ、５６ 相関計算プログラム、５７ 最大相関基準振動波形決定プログラム、５８ 近似波形生成プログラム、５９ 演算用データ領域、６１ ディスプレイ、６２ 周波数変換プログラム、６３ 周波数変換後の母振動波形群データ、６４ 周波数領域の相関計算プログラム、７０，７００ 母振動波形群データ生成システム、７１ 連続パルス抽出手段、７２ 母振動波形群生成手段、７４ 周波数変換手段、９１ 電気信号、９２，９７ 連続パルス、９３，９４，９５，９８ ゼロ信号、１０１〜１０６，２０１，３０１，５０１，６０１ 基準振動波形。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノイズと特定の振動波形とを含む信号の信号処理方法であって、
周期又は振動の位相が異なる複数の基準振動波形を含む母振動波形群を生成するステップと、
評価対象信号を取得するステップと、
評価対象信号と前記母振動波形群の前記各基準振動波形との各相関を計算するステップと、
計算した相関が最大となる最大相関基準振動波形を決定するステップと、
最大相関基準振動波形に基づいて特定の振動波形の近似波形を生成するステップと、
を有することを特徴とする信号処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の信号処理方法であって、
前記基準振動波形は、連続パルスとゼロ信号とからなる信号組を複数回繰り返したものであり、
前記母振動波形群は、ゼロ信号の長さを異ならせて周期を異ならせた複数の異周期波形組を含み、
前記各異周波波形組は、周期が同一で連続パルスの位相が異なる複数の同周期異位相波形を含むこと、
を特徴とする信号処理方法。
【請求項３】
請求項２に記載の信号処理方法であって、
前記異周期波形組の各基準振動波形は、同一の連続パルスと異なるゼロ信号長さによって構成されていること、
を特徴とする信号処理方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の信号処理方法であって、
評価対象信号と前記母振動波形群の各基準振動波形との各相関を計算するステップは、
時間領域の前記母振動波形群の各基準振動波形を周波数領域に変換するステップと、
時間領域の評価対象信号を周波数領域に変換するステップと、
周波数領域に変換した各基準振動波形と周波数領域に変換した評価対象波形の相関を計算すること、
を特徴とする信号処理方法。
【請求項５】
ノイズと特定の振動波形とを含む生体情報センサからの信号を処理する信号処理システムであって、
生体情報センサの信号を取得する生体情報センサインターフェースと、
周期又は振動の位相が異なる複数の基準振動波形を含む母振動波形群を格納するメモリと、
メモリに格納した前記母振動波形群の前記各基準振動波形と生体情報センサからの信号との各相関を計算し、計算した相関が最大となる最大相関基準振動波形を決定し、最大相関基準振動波形に基づいて特定の振動波形の近似波形を生成するプロセッサと、
を有することを特徴とする信号処理システム。
【請求項１】
ノイズと特定の振動波形とを含む信号の信号処理方法であって、
周期又は振動の位相が異なる複数の基準振動波形を含む母振動波形群を生成するステップと、
評価対象信号を取得するステップと、
評価対象信号と前記母振動波形群の前記各基準振動波形との各相関を計算するステップと、
計算した相関が最大となる最大相関基準振動波形を決定するステップと、
最大相関基準振動波形に基づいて特定の振動波形の近似波形を生成するステップと、
を有することを特徴とする信号処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の信号処理方法であって、
前記基準振動波形は、連続パルスとゼロ信号とからなる信号組を複数回繰り返したものであり、
前記母振動波形群は、ゼロ信号の長さを異ならせて周期を異ならせた複数の異周期波形組を含み、
前記各異周波波形組は、周期が同一で連続パルスの位相が異なる複数の同周期異位相波形を含むこと、
を特徴とする信号処理方法。
【請求項３】
請求項２に記載の信号処理方法であって、
前記異周期波形組の各基準振動波形は、同一の連続パルスと異なるゼロ信号長さによって構成されていること、
を特徴とする信号処理方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の信号処理方法であって、
評価対象信号と前記母振動波形群の各基準振動波形との各相関を計算するステップは、
時間領域の前記母振動波形群の各基準振動波形を周波数領域に変換するステップと、
時間領域の評価対象信号を周波数領域に変換するステップと、
周波数領域に変換した各基準振動波形と周波数領域に変換した評価対象波形の相関を計算すること、
を特徴とする信号処理方法。
【請求項５】
ノイズと特定の振動波形とを含む生体情報センサからの信号を処理する信号処理システムであって、
生体情報センサの信号を取得する生体情報センサインターフェースと、
周期又は振動の位相が異なる複数の基準振動波形を含む母振動波形群を格納するメモリと、
メモリに格納した前記母振動波形群の前記各基準振動波形と生体情報センサからの信号との各相関を計算し、計算した相関が最大となる最大相関基準振動波形を決定し、最大相関基準振動波形に基づいて特定の振動波形の近似波形を生成するプロセッサと、
を有することを特徴とする信号処理システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１１０５５９（Ｐ２０１２−１１０５５９Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６３４８４（Ｐ２０１０−２６３４８４）
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構 「ＳＢＩＲ技術革新事業／生体情報対応 小型・軽量 多目的受発信機に関する研究開発」委託研究、産業技術協力強化法１９条の適応を受ける特許出願）
【出願人】（５０８２１９４３８）株式会社イノベンチャー・シー (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構 「ＳＢＩＲ技術革新事業／生体情報対応 小型・軽量 多目的受発信機に関する研究開発」委託研究、産業技術協力強化法１９条の適応を受ける特許出願）
【出願人】（５０８２１９４３８）株式会社イノベンチャー・シー (5)
【Ｆターム（参考）】
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