心拍数測定装置及び心拍数測定機能付きヘッドセット
【課題】使用者に大きな違和感を与えることなく心拍数を測定することが可能な心拍数測定装置及び心拍数測定機能付きヘッドセットを提供する。
【解決手段】音を集音するマイク１０１と、前記集音した音から、心拍数に対応する所定の周波数より低い周波数成分からなる波形を抽出する低域通過フィルタ１０７と、前記低域通過フィルタ１０７によって抽出された波形から、心拍の波形を表す所定の基準波形と相関の高い波形を抽出する相関波形抽出部（心拍数計算部１１０）と、前記相関波形抽出部によって抽出された波形の繰り返し回数に基づき心拍数を計数する計数部（心拍数計算部１１０）と、を備える。
【解決手段】音を集音するマイク１０１と、前記集音した音から、心拍数に対応する所定の周波数より低い周波数成分からなる波形を抽出する低域通過フィルタ１０７と、前記低域通過フィルタ１０７によって抽出された波形から、心拍の波形を表す所定の基準波形と相関の高い波形を抽出する相関波形抽出部（心拍数計算部１１０）と、前記相関波形抽出部によって抽出された波形の繰り返し回数に基づき心拍数を計数する計数部（心拍数計算部１１０）と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は心拍数を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の心拍計として、人体に生じた電気を検出するセンサを胸部などに取り付け、心臓の動きに応じて検出された電気信号を用いて心拍数を測定するものや、赤外線センサで指先や耳たぶの血流の変化を検出することにより心拍数を測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−６６３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の心拍計は、被験者が心拍数を計測することを意図して所定のセンサを身体に意識的に装着することを要求するものであった。そのため、被験者に少なからず心理的な負担を強いることになり、気軽に心拍数を測ることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用者に大きな違和感を与えることなく心拍数を測定することが可能な心拍数測定装置及び心拍数測定機能付きヘッドセットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、音を集音するマイクと、前記集音した音から、心拍数に対応する所定の周波数より低い周波数成分からなる波形を抽出する低域通過フィルタと、前記低域通過フィルタによって抽出された波形から、心拍の波形を表す所定の基準波形と相関の高い波形を抽出する相関波形抽出部と、前記相関波形抽出部によって抽出された波形の繰り返し回数に基づき心拍数を計数する計数部と、を備えることを特徴とする心拍数測定装置である。
【０００７】
また本発明は、マイクとスピーカを有し頭部に装着されるヘッドセットであって、耳内の音を集音するように設置されたマイクと、前記集音した音から、心拍数に対応する所定の周波数より低い周波数成分からなる波形を抽出する低域通過フィルタと、前記低域通過フィルタによって抽出された波形から、心拍の波形を表す所定の基準波形と相関の高い波形を抽出する相関波形抽出部と、前記相関波形抽出部によって抽出された波形の繰り返し回数に基づき心拍数を計数する計数部と、を備えることを特徴とする心拍数測定機能付きヘッドセットである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る心拍数測定装置及び心拍数測定機能付きヘッドセットは、マイクで集音した音から心拍音を抽出することにより、心拍数の測定を行う。耳内には心拍に対応した心拍音が存在しているため、マイクで耳内の音を集音して心拍の波形を抽出することで、心拍数を測定することができる。このように、心拍数の測定に身近なマイク（心拍数測定機能付きヘッドセットの場合はヘッドセット内蔵のマイク）を用いることができるので、使用者に大きな違和感を与えることなく心拍数を測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による心拍数測定機能付きヘッドセットの構成を示すブロック図である。
【図２】信号合成部，Ａ／Ｄ変換部，及び信号分離部の動作の具体例を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】心拍数計算部の内部の構成を示すブロック図である。
【図４】歩数計算部による歩数の計算方法の一例を説明する図である。
【図５】方向計算部が頭部の向きを計算する動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による心拍数測定機能付きヘッドセットの構成を示すブロック図である。ヘッドセットはマイクとスピーカ（イヤホン）を備え外部の機器（例えば電話機。図１では不図示）との間で音声信号をやりとりするオーディオ機器であり、マイクとスピーカを耳や口の近傍に配置した状態で使用者の頭部に装着することが可能な形状を有する。図１において、ヘッドセット１００は、マイク１０１と、加速度センサ１０２と、ジャイロセンサ１０３と、信号合成部１０４と、Ａ／Ｄ変換部１０５と、信号分離部１０６と、フィルタ１０７〜１０９と、心拍数計算部１１０と、歩数計算部１１１と、方向計算部１１２と、Ｄ／Ａ変換部１１３と、スピーカ１１４と、通信部１１５と、アンテナ１１６と、を有し構成されている。
【００１１】
本実施形態のヘッドセット１００は、心拍数測定機能に加えて、歩数測定機能と方向（頭部の向き）測定機能を備えている。図１の各部のうち、マイク１０１とフィルタ１０７と心拍数計算部１１０は心拍数測定機能に対応し、加速度センサ１０２とフィルタ１０８と歩数計算部１１１は歩数測定機能に対応し、ジャイロセンサ１０３とフィルタ１０９と方向計算部１１２は方向測定機能に対応している。なお、図１中のこれら以外の各部は、心拍数、歩数、方向の各測定機能に共通して用いられる部分、又は、ヘッドセット本来の音声機能に用いられる部分である。以下各部を順に説明する。
【００１２】
マイク１０１は、音を集音して音声信号（アナログ）を信号合成部１０４へ出力する。このマイク１０１は、ヘッドセット１００が頭部に装着された状態において、耳内に挿入され、あるいは耳の近傍に配置されるようになっている。耳内には体内を伝わってきた心拍音が存在しているので、この心拍音をマイク１０１で集音することができる。また、マイク１０１で集音される音には、心拍音の他に、ヘッドセット１００を装着した使用者が話した声やそれ以外の環境音なども含まれる。
【００１３】
ここで、心拍音の繰り返しの周波数は通常１〜数Ｈｚ程度の範囲であり、心拍音（１周期）の波形はその繰り返し周波数より高い周波数の成分からなっている。このような心拍音を集音するために、マイク１０１は、集音可能な最低周波数が少なくとも１０Ｈｚ以下である周波数特性を持っているものとする。
【００１４】
加速度センサ１０２は、所定の１軸方向に印加された加速度に応じた電気信号（アナログ）を信号合成部１０４へ出力する。ここでは、所定の１軸方向がヘッドセット１００を装着した使用者から見て上下方向（鉛直方向）となるように、加速度センサ１０２がヘッドセット１００に取り付けられているものとする。即ち、加速度センサ１０２は、ヘッドセット１００を装着した使用者が上下動をした際の加速度を検出することが可能となっている。
【００１５】
ジャイロセンサ１０３は、所定の軸周りの角速度に応じた電気信号（アナログ）を信号合成部１０４へ出力する。ここでは、所定の軸がヘッドセット１００を装着した使用者の首と平行な軸（鉛直軸）となるように、ジャイロセンサ１０３がヘッドセット１００に取り付けられているものとする。即ち、ジャイロセンサ１０３は、ヘッドセット１００を装着した使用者が頭部を左右に回した際の角速度を検出することが可能となっている。
【００１６】
信号合成部１０４は、マイク１０１と加速度センサ１０２とジャイロセンサ１０３からの各信号を所定のサイクルで順次切り替えて１つの信号に合成し、合成後の信号をＡ／Ｄ変換部１０５へ出力する。換言すると、信号合成部１０４からは、あるタイミングではマイク１０１からの音声信号が出力され、別のあるタイミングでは加速度センサ１０２からの電気信号が出力され、また別のあるタイミングではジャイロセンサ１０３からの電気信号が出力され、信号合成部１０４の出力信号は、これらが周期的に繰り返される信号となる。
【００１７】
また、一般に、マイク１０１からの信号と加速度センサ１０２からの信号とジャイロセンサ１０３からの信号はそれぞれ最大値のレベルが異なっている。そこで、信号合成部１０４は、各信号の最大値のレベルがほぼ等しくなるように、マイク１０１、加速度センサ１０２、及びジャイロセンサ１０３からの各信号にそれぞれ予め定められた一定値のゲインをかけてから、各信号を合成することとする。こうすることで、Ａ／Ｄ変換部１０５でアナログ・デジタル変換をする際に、マイク１０１と加速度センサ１０２とジャイロセンサ１０３からのそれぞれの信号に対するアナログ・デジタル変換の感度を同程度にすることができる。
【００１８】
Ａ／Ｄ変換部１０５は、信号合成部１０４からの信号（アナログ）をアナログ・デジタル変換し、変換後の信号（デジタル）を信号分離部１０６へ出力する。信号合成部１０４からの信号は、上記のとおり、マイク１０１と加速度センサ１０２とジャイロセンサ１０３からの各信号が順次切り替えられることで合成された１つの信号である。したがって、Ａ／Ｄ変換部１０５の出力信号は、マイク１０１からの信号に対するアナログ・デジタル変換結果と加速度センサ１０２からの信号に対するアナログ・デジタル変換結果とジャイロセンサ１０３からの信号に対するアナログ・デジタル変換結果とが順次並んだデジタル信号となる。
【００１９】
信号分離部１０６は、信号合成部１０４における信号の切り替えタイミングに対応したタイミングでＡ／Ｄ変換部１０５からの信号を分離し、分離した各信号をそれぞれに対応するフィルタ１０７〜１０９へ出力する。具体的には、信号分離部１０６は、信号合成部１０４がマイク１０１からの信号を出力したタイミングでは、Ａ／Ｄ変換部１０５の出力信号（マイク１０１からの信号がアナログ・デジタル変換された信号）をフィルタ１０７へ出力し、信号合成部１０４が加速度センサ１０２からの信号を出力したタイミングでは、Ａ／Ｄ変換部１０５の出力信号（加速度センサ１０２からの信号がアナログ・デジタル変換された信号）をフィルタ１０８へ出力し、信号合成部１０４がジャイロセンサ１０３からの信号を出力したタイミングでは、Ａ／Ｄ変換部１０５の出力信号（ジャイロセンサ１０３からの信号がアナログ・デジタル変換された信号）をフィルタ１０９へ出力する。
【００２０】
信号合成部１０４，Ａ／Ｄ変換部１０５，及び信号分離部１０６の動作の具体例を説明するためのタイミングチャートを図２に示す。図２において、信号合成部１０４は、出力信号をマイク１０１からの音声信号に切り替えるための切り替え信号ＭＩＣを、クロック信号ＣＬＫの２クロック毎の期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ７，Ｔ９，Ｔ１１，…にオンにする。また、信号合成部１０４は、出力信号を加速度センサ１０２からの電気信号に切り替えるための切り替え信号ＡＣＣを、クロック信号ＣＬＫの４クロック毎の期間Ｔ２，Ｔ６，Ｔ１０，…にオンにする。また、信号合成部１０４は、出力信号をジャイロセンサ１０３からの電気信号に切り替えるための切り替え信号ＧＹＲを、クロック信号ＣＬＫの４クロック毎の期間Ｔ４，Ｔ８，Ｔ１２，…にオンにする。
【００２１】
この結果、期間Ｔ１では、信号合成部１０４の出力信号はマイク１０１からの音声信号となり、期間Ｔ２では、信号合成部１０４の出力信号は加速度センサ１０２からの電気信号となり、期間Ｔ３では、信号合成部１０４の出力信号はマイク１０１からの音声信号となり、期間Ｔ４では、信号合成部１０４の出力信号はジャイロセンサ１０３からの電気信号となる。以降同様に、マイク１０１からの音声信号、加速度センサ１０２からの電気信号、マイク１０１からの音声信号、ジャイロセンサ１０３からの電気信号、の順に信号合成部１０４の出力が切り替わる。
【００２２】
ここで、Ａ／Ｄ変換部１０５はクロック信号ＣＬＫに同期してアナログ・デジタル変換を行うこととすると、Ａ／Ｄ変換部１０５の出力信号ＡＤ＿ＯＵＴは、期間Ｔ１ではマイク１０１からの音声信号のデジタル値となり、期間Ｔ２では加速度センサ１０２からの電気信号のデジタル値となり、期間Ｔ３ではマイク１０１からの音声信号のデジタル値となり、期間Ｔ４ではジャイロセンサ１０３からの電気信号のデジタル値となる（以降も同様）。また、信号分離部１０６は、期間Ｔ１ではマイク１０１からの音声信号のデジタル値をフィルタ１０７へ出力し、期間Ｔ２では加速度センサ１０２からの電気信号のデジタル値をフィルタ１０８へ出力し、期間Ｔ３ではマイク１０１からの音声信号のデジタル値をフィルタ１０７へ出力し、期間Ｔ４ではジャイロセンサ１０３からの電気信号のデジタル値をフィルタ１０９へ出力する（以降も同様）。
【００２３】
説明を図１に戻す。
フィルタ１０７は、信号分離部１０６から出力されたマイク１０１からの音声信号に含まれる周波数成分のうち、心拍音の波形を構成する主要な周波数成分である所定の周波数より低い周波数成分を通過させて心拍数計算部１１０へ出力し、当該所定の周波数より高い周波数成分を遮断する。ここで、マイク１０１からの音声信号には、前述したように、心拍音の他に使用者の話し声等が含まれている。心拍音は、主としてほぼ１００Ｈｚ以下の周波数成分からなり、使用者の話し声等は、５００Ｈｚ以上の周波数成分が主である。そこで、フィルタ１０７の通過周波数帯域を１００Ｈｚ以下とすることで、心拍音の信号成分のみを心拍数計算部１１０へ出力させることができる。
【００２４】
フィルタ１０８は、信号分離部１０６から出力された加速度センサ１０２からの電気信号に含まれる周波数成分のうち、ヘッドセット１００を装着した使用者が歩行しあるいは走行した際の振動に対応する周波数成分を通過させて歩数計算部１１１へ出力し、それ以外の周波数成分を遮断する。歩行や走行による振動はせいぜい数Ｈｚであるので、フィルタ１０８の特性は、例えば、１００Ｈｚ以下の周波数成分を通過させそれより高い周波数成分を遮断するものであればよい。これにより、加速度センサ１０２からの電気信号に含まれる高周波のノイズ成分を除去することができる。
【００２５】
フィルタ１０９は、信号分離部１０６から出力されたジャイロセンサ１０３からの電気信号に含まれる周波数成分のうち、ヘッドセット１００を装着した使用者が頭部を動かす速さに対応する所定の周波数成分を通過させて方向計算部１１２へ出力し、それ以外の周波数成分を遮断する。使用者が頭部を動かす速さはせいぜい１秒間に数回であるので、フィルタ１０９の特性は、例えば、１００Ｈｚ以下の周波数成分を通過させそれより高い周波数成分を遮断するものであればよい。これにより、ジャイロセンサ１０３からの電気信号に含まれる高周波のノイズ成分を除去することができる。また、ノイズ成分が除去されることにより、後述の方向計算部１１２が頭部の向きを計算する際のドリフト誤差（角速度を積分することによる誤差）を低減することができる。
【００２６】
心拍数計算部１１０は、フィルタ１０７から出力された心拍音の波形に対応する音声信号に基づいて、心拍数（単位時間当りの心拍の数）を測定する。図３は、心拍数計算部１１０の内部の構成を示すブロック図である。図３において、心拍数計算部１１０は、基準波形記憶部１１０１と、相関波形抽出部１１０２と、計数部１１０３とを備えている。
【００２７】
基準波形記憶部１１０１は、心拍音の１周期分の波形を記憶している。この波形は、例えば、予め多数の人物の心拍音を採取して、その波形を平均する等の方法によって用意しておいたものである。以下、この波形を基準心拍波形と呼ぶ。
【００２８】
相関波形抽出部１１０２へは、フィルタ１０７からの音声信号が入力される。相関波形抽出部１１０２は、入力された音声信号の波形と基準波形記憶部１１０１に記憶されている基準心拍波形との相関をとり、基準心拍波形と相関の高い波形を入力音声信号から抽出して計数部１１０３へ出力する。これにより、フィルタ１０７で取りきれなかった低周波の不要な音声を含まない、純粋に心拍音だけを含んだ音声信号が計数部１１０３へ出力される。なお、基準心拍波形と相関が高いとは、入力音声信号波形と基準心拍波形との相関値が所定の閾値以上であることを意味するものとする。
【００２９】
なお、基準波形記憶部１１０１は、基準心拍波形そのものを記憶するのではなく、基準心拍波形の特徴を示すデータを記憶するようにしてもよい。この場合、相関波形抽出部１１０２は、基準波形記憶部１１０１が記憶しているこの特徴データとの一致度が高い波形を入力音声信号から抽出するようにすればよい。
【００３０】
計数部１１０３は、相関波形抽出部１１０２から出力された音声信号波形（心拍音のみによる波形）の繰り返しの回数を計数し、その計数値を心拍数として出力する。相関波形抽出部１１０２からの音声信号波形は、心拍の１拍に１周期の心拍波形が対応して当該心拍波形が時間的に複数連続している波形であるので、その１周期分の波形の繰り返しの回数を求めることにより、心拍数が得られることになる。
【００３１】
再び説明を図１に戻す。
歩数計算部１１１は、フィルタ１０８からの出力信号に基づいて、歩数を測定する。フィルタ１０８からの出力信号、即ち加速度センサ１０２によって検出された加速度から高周波のノイズ成分を除去した加速度値は、例えば図４に示す曲線（加速度測定データ）のように、ヘッドセット１００を装着した使用者の上下動に合わせて正値と負値が繰り返される。ここで、例えば加速度値が正値をとっている間は、使用者は歩行や走行における上昇動作を行っている状態であり、加速度値が負値をとっている間は、使用者は下降動作を行っている状態である。そこで、歩数計算部１１１は、加速度値が正値から負値へ、あるいは負値から正値へと零点を２回横切ったことをもって歩行や走行における１歩と判定することにより、歩数を計数することができる。
【００３２】
方向計算部１１２は、フィルタ１０９からの出力信号に基づいて、頭部の向きを測定する。図５を参照して具体的に説明すると、方向計算部１１２は、初期時刻ｔ＝ｔ０におけるヘッドセット装着者の頭部９００の向きθ０を記憶しており（同図（Ａ））、フィルタ１０９からの出力信号、即ちジャイロセンサ１０３によって検出された角速度ωを時々刻々、積分した値を初期値θ０に加算していくことによって、初期時刻ｔ０以降の任意の時刻ｔにおける頭部９００の向きθを求める（同図（Ｂ），（Ｃ））。即ち、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔにおける頭部の向きは
θ＝θ０＋ω１・Δｔ
であり（同図（Ｂ））、時刻ｔ＝ｔ０＋２Δｔにおける頭部の向きは
θ＝θ０＋ω１・Δｔ＋ω２・Δｔ
である（同図（Ｃ））。但し、ω１，ω２はそれぞれ時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔ，ｔ＝ｔ０＋２Δｔにおいてジャイロセンサ１０３で検出された角速度であり、Δｔはジャイロセンサ１０３からの出力に対するＡ／Ｄ変換部１０５による１サンプリング期間（図２の４クロック分）である。なお、頭部の向きとは、例えばヘッドセット装着者の顔の正面であるとする。
【００３３】
通信部１１５は、アンテナ１１６を介して、ヘッドセット１００とヘッドセット１００の外部の機器との無線通信を行う。具体的には、通信部１１５は、心拍数計算部１１０から心拍数を表すデータを取得し、歩数計算部１１１から歩数を表すデータを取得し、方向計算部１１２から頭部の向きを表すデータを取得し、取得したこれらのデータを外部の機器へ送信する。外部の機器へ送信されたこれらのデータは、例えば、当該外部の機器の表示画面に表示させたり、あるいは当該外部の機器のメモリに記憶させたりすることができる。また、通信部１１５は、信号分離部１０６から直接、マイク１０１の音声信号を取得して、これを外部の機器へ送信する。前述のとおり、この音声信号には、ヘッドセット１００を装着した使用者の話し声等が含まれている。また、通信部１１５は、外部の機器から音声信号を受信する。受信された音声信号（デジタル）はＤ／Ａ変換部１１３によってデジタル・アナログ変換され、変換後の音声信号（アナログ）はスピーカ１１４へ入力されて、スピーカ１１４から音声が放音される。外部の機器は例えば電話機であり、通信部１１５が電話の音声信号を電話機とやりとりすることで、ヘッドセット１００を装着した使用者は電話機に耳や口を近付けずに電話をすることができる。
【００３４】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、信号合成部１０４が切り替え信号ＭＩＣ，ＡＣＣ，ＧＹＲをそれぞれオンにするタイミングを示した図２は一例に過ぎず、各切り替え信号をオンにするタイミングを他の態様にしてもよい。他の態様として、加速度センサ１０２やジャイロセンサ１０３の出力をサンプリングするレートはマイク１０１の出力をサンプリングするレートに比べて低いサンプリングレートであっても実用上問題が少ないため、切り替え信号ＡＣＣとＧＹＲについては、例えば、クロック信号ＣＬＫの２０クロック毎（図２では４クロック毎）の期間にオンにするようにしてもよい。
また、通信部１１５は有線により通信を行うものであってもよい。
また、ヘッドセット１００のスピーカ１１４をマイクロホンとして利用することにより、心拍音を集音するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１００…ヘッドセット １０１…マイク １０２…加速度センサ １０３…ジャイロセンサ １０４…信号合成部 １０５…Ａ／Ｄ変換部 １０６…信号分離部 １０７〜１０９…フィルタ １１０…心拍数計算部 １１１…歩数計算部 １１２…方向計算部 １１３…Ｄ／Ａ変換部 １１４…スピーカ １１５…通信部 １１６…アンテナ １１０１…基準波形記憶部 １１０２…相関波形抽出部 １１０３…計数部
【技術分野】
【０００１】
本発明は心拍数を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の心拍計として、人体に生じた電気を検出するセンサを胸部などに取り付け、心臓の動きに応じて検出された電気信号を用いて心拍数を測定するものや、赤外線センサで指先や耳たぶの血流の変化を検出することにより心拍数を測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−６６３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の心拍計は、被験者が心拍数を計測することを意図して所定のセンサを身体に意識的に装着することを要求するものであった。そのため、被験者に少なからず心理的な負担を強いることになり、気軽に心拍数を測ることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用者に大きな違和感を与えることなく心拍数を測定することが可能な心拍数測定装置及び心拍数測定機能付きヘッドセットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、音を集音するマイクと、前記集音した音から、心拍数に対応する所定の周波数より低い周波数成分からなる波形を抽出する低域通過フィルタと、前記低域通過フィルタによって抽出された波形から、心拍の波形を表す所定の基準波形と相関の高い波形を抽出する相関波形抽出部と、前記相関波形抽出部によって抽出された波形の繰り返し回数に基づき心拍数を計数する計数部と、を備えることを特徴とする心拍数測定装置である。
【０００７】
また本発明は、マイクとスピーカを有し頭部に装着されるヘッドセットであって、耳内の音を集音するように設置されたマイクと、前記集音した音から、心拍数に対応する所定の周波数より低い周波数成分からなる波形を抽出する低域通過フィルタと、前記低域通過フィルタによって抽出された波形から、心拍の波形を表す所定の基準波形と相関の高い波形を抽出する相関波形抽出部と、前記相関波形抽出部によって抽出された波形の繰り返し回数に基づき心拍数を計数する計数部と、を備えることを特徴とする心拍数測定機能付きヘッドセットである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る心拍数測定装置及び心拍数測定機能付きヘッドセットは、マイクで集音した音から心拍音を抽出することにより、心拍数の測定を行う。耳内には心拍に対応した心拍音が存在しているため、マイクで耳内の音を集音して心拍の波形を抽出することで、心拍数を測定することができる。このように、心拍数の測定に身近なマイク（心拍数測定機能付きヘッドセットの場合はヘッドセット内蔵のマイク）を用いることができるので、使用者に大きな違和感を与えることなく心拍数を測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による心拍数測定機能付きヘッドセットの構成を示すブロック図である。
【図２】信号合成部，Ａ／Ｄ変換部，及び信号分離部の動作の具体例を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】心拍数計算部の内部の構成を示すブロック図である。
【図４】歩数計算部による歩数の計算方法の一例を説明する図である。
【図５】方向計算部が頭部の向きを計算する動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による心拍数測定機能付きヘッドセットの構成を示すブロック図である。ヘッドセットはマイクとスピーカ（イヤホン）を備え外部の機器（例えば電話機。図１では不図示）との間で音声信号をやりとりするオーディオ機器であり、マイクとスピーカを耳や口の近傍に配置した状態で使用者の頭部に装着することが可能な形状を有する。図１において、ヘッドセット１００は、マイク１０１と、加速度センサ１０２と、ジャイロセンサ１０３と、信号合成部１０４と、Ａ／Ｄ変換部１０５と、信号分離部１０６と、フィルタ１０７〜１０９と、心拍数計算部１１０と、歩数計算部１１１と、方向計算部１１２と、Ｄ／Ａ変換部１１３と、スピーカ１１４と、通信部１１５と、アンテナ１１６と、を有し構成されている。
【００１１】
本実施形態のヘッドセット１００は、心拍数測定機能に加えて、歩数測定機能と方向（頭部の向き）測定機能を備えている。図１の各部のうち、マイク１０１とフィルタ１０７と心拍数計算部１１０は心拍数測定機能に対応し、加速度センサ１０２とフィルタ１０８と歩数計算部１１１は歩数測定機能に対応し、ジャイロセンサ１０３とフィルタ１０９と方向計算部１１２は方向測定機能に対応している。なお、図１中のこれら以外の各部は、心拍数、歩数、方向の各測定機能に共通して用いられる部分、又は、ヘッドセット本来の音声機能に用いられる部分である。以下各部を順に説明する。
【００１２】
マイク１０１は、音を集音して音声信号（アナログ）を信号合成部１０４へ出力する。このマイク１０１は、ヘッドセット１００が頭部に装着された状態において、耳内に挿入され、あるいは耳の近傍に配置されるようになっている。耳内には体内を伝わってきた心拍音が存在しているので、この心拍音をマイク１０１で集音することができる。また、マイク１０１で集音される音には、心拍音の他に、ヘッドセット１００を装着した使用者が話した声やそれ以外の環境音なども含まれる。
【００１３】
ここで、心拍音の繰り返しの周波数は通常１〜数Ｈｚ程度の範囲であり、心拍音（１周期）の波形はその繰り返し周波数より高い周波数の成分からなっている。このような心拍音を集音するために、マイク１０１は、集音可能な最低周波数が少なくとも１０Ｈｚ以下である周波数特性を持っているものとする。
【００１４】
加速度センサ１０２は、所定の１軸方向に印加された加速度に応じた電気信号（アナログ）を信号合成部１０４へ出力する。ここでは、所定の１軸方向がヘッドセット１００を装着した使用者から見て上下方向（鉛直方向）となるように、加速度センサ１０２がヘッドセット１００に取り付けられているものとする。即ち、加速度センサ１０２は、ヘッドセット１００を装着した使用者が上下動をした際の加速度を検出することが可能となっている。
【００１５】
ジャイロセンサ１０３は、所定の軸周りの角速度に応じた電気信号（アナログ）を信号合成部１０４へ出力する。ここでは、所定の軸がヘッドセット１００を装着した使用者の首と平行な軸（鉛直軸）となるように、ジャイロセンサ１０３がヘッドセット１００に取り付けられているものとする。即ち、ジャイロセンサ１０３は、ヘッドセット１００を装着した使用者が頭部を左右に回した際の角速度を検出することが可能となっている。
【００１６】
信号合成部１０４は、マイク１０１と加速度センサ１０２とジャイロセンサ１０３からの各信号を所定のサイクルで順次切り替えて１つの信号に合成し、合成後の信号をＡ／Ｄ変換部１０５へ出力する。換言すると、信号合成部１０４からは、あるタイミングではマイク１０１からの音声信号が出力され、別のあるタイミングでは加速度センサ１０２からの電気信号が出力され、また別のあるタイミングではジャイロセンサ１０３からの電気信号が出力され、信号合成部１０４の出力信号は、これらが周期的に繰り返される信号となる。
【００１７】
また、一般に、マイク１０１からの信号と加速度センサ１０２からの信号とジャイロセンサ１０３からの信号はそれぞれ最大値のレベルが異なっている。そこで、信号合成部１０４は、各信号の最大値のレベルがほぼ等しくなるように、マイク１０１、加速度センサ１０２、及びジャイロセンサ１０３からの各信号にそれぞれ予め定められた一定値のゲインをかけてから、各信号を合成することとする。こうすることで、Ａ／Ｄ変換部１０５でアナログ・デジタル変換をする際に、マイク１０１と加速度センサ１０２とジャイロセンサ１０３からのそれぞれの信号に対するアナログ・デジタル変換の感度を同程度にすることができる。
【００１８】
Ａ／Ｄ変換部１０５は、信号合成部１０４からの信号（アナログ）をアナログ・デジタル変換し、変換後の信号（デジタル）を信号分離部１０６へ出力する。信号合成部１０４からの信号は、上記のとおり、マイク１０１と加速度センサ１０２とジャイロセンサ１０３からの各信号が順次切り替えられることで合成された１つの信号である。したがって、Ａ／Ｄ変換部１０５の出力信号は、マイク１０１からの信号に対するアナログ・デジタル変換結果と加速度センサ１０２からの信号に対するアナログ・デジタル変換結果とジャイロセンサ１０３からの信号に対するアナログ・デジタル変換結果とが順次並んだデジタル信号となる。
【００１９】
信号分離部１０６は、信号合成部１０４における信号の切り替えタイミングに対応したタイミングでＡ／Ｄ変換部１０５からの信号を分離し、分離した各信号をそれぞれに対応するフィルタ１０７〜１０９へ出力する。具体的には、信号分離部１０６は、信号合成部１０４がマイク１０１からの信号を出力したタイミングでは、Ａ／Ｄ変換部１０５の出力信号（マイク１０１からの信号がアナログ・デジタル変換された信号）をフィルタ１０７へ出力し、信号合成部１０４が加速度センサ１０２からの信号を出力したタイミングでは、Ａ／Ｄ変換部１０５の出力信号（加速度センサ１０２からの信号がアナログ・デジタル変換された信号）をフィルタ１０８へ出力し、信号合成部１０４がジャイロセンサ１０３からの信号を出力したタイミングでは、Ａ／Ｄ変換部１０５の出力信号（ジャイロセンサ１０３からの信号がアナログ・デジタル変換された信号）をフィルタ１０９へ出力する。
【００２０】
信号合成部１０４，Ａ／Ｄ変換部１０５，及び信号分離部１０６の動作の具体例を説明するためのタイミングチャートを図２に示す。図２において、信号合成部１０４は、出力信号をマイク１０１からの音声信号に切り替えるための切り替え信号ＭＩＣを、クロック信号ＣＬＫの２クロック毎の期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ７，Ｔ９，Ｔ１１，…にオンにする。また、信号合成部１０４は、出力信号を加速度センサ１０２からの電気信号に切り替えるための切り替え信号ＡＣＣを、クロック信号ＣＬＫの４クロック毎の期間Ｔ２，Ｔ６，Ｔ１０，…にオンにする。また、信号合成部１０４は、出力信号をジャイロセンサ１０３からの電気信号に切り替えるための切り替え信号ＧＹＲを、クロック信号ＣＬＫの４クロック毎の期間Ｔ４，Ｔ８，Ｔ１２，…にオンにする。
【００２１】
この結果、期間Ｔ１では、信号合成部１０４の出力信号はマイク１０１からの音声信号となり、期間Ｔ２では、信号合成部１０４の出力信号は加速度センサ１０２からの電気信号となり、期間Ｔ３では、信号合成部１０４の出力信号はマイク１０１からの音声信号となり、期間Ｔ４では、信号合成部１０４の出力信号はジャイロセンサ１０３からの電気信号となる。以降同様に、マイク１０１からの音声信号、加速度センサ１０２からの電気信号、マイク１０１からの音声信号、ジャイロセンサ１０３からの電気信号、の順に信号合成部１０４の出力が切り替わる。
【００２２】
ここで、Ａ／Ｄ変換部１０５はクロック信号ＣＬＫに同期してアナログ・デジタル変換を行うこととすると、Ａ／Ｄ変換部１０５の出力信号ＡＤ＿ＯＵＴは、期間Ｔ１ではマイク１０１からの音声信号のデジタル値となり、期間Ｔ２では加速度センサ１０２からの電気信号のデジタル値となり、期間Ｔ３ではマイク１０１からの音声信号のデジタル値となり、期間Ｔ４ではジャイロセンサ１０３からの電気信号のデジタル値となる（以降も同様）。また、信号分離部１０６は、期間Ｔ１ではマイク１０１からの音声信号のデジタル値をフィルタ１０７へ出力し、期間Ｔ２では加速度センサ１０２からの電気信号のデジタル値をフィルタ１０８へ出力し、期間Ｔ３ではマイク１０１からの音声信号のデジタル値をフィルタ１０７へ出力し、期間Ｔ４ではジャイロセンサ１０３からの電気信号のデジタル値をフィルタ１０９へ出力する（以降も同様）。
【００２３】
説明を図１に戻す。
フィルタ１０７は、信号分離部１０６から出力されたマイク１０１からの音声信号に含まれる周波数成分のうち、心拍音の波形を構成する主要な周波数成分である所定の周波数より低い周波数成分を通過させて心拍数計算部１１０へ出力し、当該所定の周波数より高い周波数成分を遮断する。ここで、マイク１０１からの音声信号には、前述したように、心拍音の他に使用者の話し声等が含まれている。心拍音は、主としてほぼ１００Ｈｚ以下の周波数成分からなり、使用者の話し声等は、５００Ｈｚ以上の周波数成分が主である。そこで、フィルタ１０７の通過周波数帯域を１００Ｈｚ以下とすることで、心拍音の信号成分のみを心拍数計算部１１０へ出力させることができる。
【００２４】
フィルタ１０８は、信号分離部１０６から出力された加速度センサ１０２からの電気信号に含まれる周波数成分のうち、ヘッドセット１００を装着した使用者が歩行しあるいは走行した際の振動に対応する周波数成分を通過させて歩数計算部１１１へ出力し、それ以外の周波数成分を遮断する。歩行や走行による振動はせいぜい数Ｈｚであるので、フィルタ１０８の特性は、例えば、１００Ｈｚ以下の周波数成分を通過させそれより高い周波数成分を遮断するものであればよい。これにより、加速度センサ１０２からの電気信号に含まれる高周波のノイズ成分を除去することができる。
【００２５】
フィルタ１０９は、信号分離部１０６から出力されたジャイロセンサ１０３からの電気信号に含まれる周波数成分のうち、ヘッドセット１００を装着した使用者が頭部を動かす速さに対応する所定の周波数成分を通過させて方向計算部１１２へ出力し、それ以外の周波数成分を遮断する。使用者が頭部を動かす速さはせいぜい１秒間に数回であるので、フィルタ１０９の特性は、例えば、１００Ｈｚ以下の周波数成分を通過させそれより高い周波数成分を遮断するものであればよい。これにより、ジャイロセンサ１０３からの電気信号に含まれる高周波のノイズ成分を除去することができる。また、ノイズ成分が除去されることにより、後述の方向計算部１１２が頭部の向きを計算する際のドリフト誤差（角速度を積分することによる誤差）を低減することができる。
【００２６】
心拍数計算部１１０は、フィルタ１０７から出力された心拍音の波形に対応する音声信号に基づいて、心拍数（単位時間当りの心拍の数）を測定する。図３は、心拍数計算部１１０の内部の構成を示すブロック図である。図３において、心拍数計算部１１０は、基準波形記憶部１１０１と、相関波形抽出部１１０２と、計数部１１０３とを備えている。
【００２７】
基準波形記憶部１１０１は、心拍音の１周期分の波形を記憶している。この波形は、例えば、予め多数の人物の心拍音を採取して、その波形を平均する等の方法によって用意しておいたものである。以下、この波形を基準心拍波形と呼ぶ。
【００２８】
相関波形抽出部１１０２へは、フィルタ１０７からの音声信号が入力される。相関波形抽出部１１０２は、入力された音声信号の波形と基準波形記憶部１１０１に記憶されている基準心拍波形との相関をとり、基準心拍波形と相関の高い波形を入力音声信号から抽出して計数部１１０３へ出力する。これにより、フィルタ１０７で取りきれなかった低周波の不要な音声を含まない、純粋に心拍音だけを含んだ音声信号が計数部１１０３へ出力される。なお、基準心拍波形と相関が高いとは、入力音声信号波形と基準心拍波形との相関値が所定の閾値以上であることを意味するものとする。
【００２９】
なお、基準波形記憶部１１０１は、基準心拍波形そのものを記憶するのではなく、基準心拍波形の特徴を示すデータを記憶するようにしてもよい。この場合、相関波形抽出部１１０２は、基準波形記憶部１１０１が記憶しているこの特徴データとの一致度が高い波形を入力音声信号から抽出するようにすればよい。
【００３０】
計数部１１０３は、相関波形抽出部１１０２から出力された音声信号波形（心拍音のみによる波形）の繰り返しの回数を計数し、その計数値を心拍数として出力する。相関波形抽出部１１０２からの音声信号波形は、心拍の１拍に１周期の心拍波形が対応して当該心拍波形が時間的に複数連続している波形であるので、その１周期分の波形の繰り返しの回数を求めることにより、心拍数が得られることになる。
【００３１】
再び説明を図１に戻す。
歩数計算部１１１は、フィルタ１０８からの出力信号に基づいて、歩数を測定する。フィルタ１０８からの出力信号、即ち加速度センサ１０２によって検出された加速度から高周波のノイズ成分を除去した加速度値は、例えば図４に示す曲線（加速度測定データ）のように、ヘッドセット１００を装着した使用者の上下動に合わせて正値と負値が繰り返される。ここで、例えば加速度値が正値をとっている間は、使用者は歩行や走行における上昇動作を行っている状態であり、加速度値が負値をとっている間は、使用者は下降動作を行っている状態である。そこで、歩数計算部１１１は、加速度値が正値から負値へ、あるいは負値から正値へと零点を２回横切ったことをもって歩行や走行における１歩と判定することにより、歩数を計数することができる。
【００３２】
方向計算部１１２は、フィルタ１０９からの出力信号に基づいて、頭部の向きを測定する。図５を参照して具体的に説明すると、方向計算部１１２は、初期時刻ｔ＝ｔ０におけるヘッドセット装着者の頭部９００の向きθ０を記憶しており（同図（Ａ））、フィルタ１０９からの出力信号、即ちジャイロセンサ１０３によって検出された角速度ωを時々刻々、積分した値を初期値θ０に加算していくことによって、初期時刻ｔ０以降の任意の時刻ｔにおける頭部９００の向きθを求める（同図（Ｂ），（Ｃ））。即ち、時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔにおける頭部の向きは
θ＝θ０＋ω１・Δｔ
であり（同図（Ｂ））、時刻ｔ＝ｔ０＋２Δｔにおける頭部の向きは
θ＝θ０＋ω１・Δｔ＋ω２・Δｔ
である（同図（Ｃ））。但し、ω１，ω２はそれぞれ時刻ｔ＝ｔ０＋Δｔ，ｔ＝ｔ０＋２Δｔにおいてジャイロセンサ１０３で検出された角速度であり、Δｔはジャイロセンサ１０３からの出力に対するＡ／Ｄ変換部１０５による１サンプリング期間（図２の４クロック分）である。なお、頭部の向きとは、例えばヘッドセット装着者の顔の正面であるとする。
【００３３】
通信部１１５は、アンテナ１１６を介して、ヘッドセット１００とヘッドセット１００の外部の機器との無線通信を行う。具体的には、通信部１１５は、心拍数計算部１１０から心拍数を表すデータを取得し、歩数計算部１１１から歩数を表すデータを取得し、方向計算部１１２から頭部の向きを表すデータを取得し、取得したこれらのデータを外部の機器へ送信する。外部の機器へ送信されたこれらのデータは、例えば、当該外部の機器の表示画面に表示させたり、あるいは当該外部の機器のメモリに記憶させたりすることができる。また、通信部１１５は、信号分離部１０６から直接、マイク１０１の音声信号を取得して、これを外部の機器へ送信する。前述のとおり、この音声信号には、ヘッドセット１００を装着した使用者の話し声等が含まれている。また、通信部１１５は、外部の機器から音声信号を受信する。受信された音声信号（デジタル）はＤ／Ａ変換部１１３によってデジタル・アナログ変換され、変換後の音声信号（アナログ）はスピーカ１１４へ入力されて、スピーカ１１４から音声が放音される。外部の機器は例えば電話機であり、通信部１１５が電話の音声信号を電話機とやりとりすることで、ヘッドセット１００を装着した使用者は電話機に耳や口を近付けずに電話をすることができる。
【００３４】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、信号合成部１０４が切り替え信号ＭＩＣ，ＡＣＣ，ＧＹＲをそれぞれオンにするタイミングを示した図２は一例に過ぎず、各切り替え信号をオンにするタイミングを他の態様にしてもよい。他の態様として、加速度センサ１０２やジャイロセンサ１０３の出力をサンプリングするレートはマイク１０１の出力をサンプリングするレートに比べて低いサンプリングレートであっても実用上問題が少ないため、切り替え信号ＡＣＣとＧＹＲについては、例えば、クロック信号ＣＬＫの２０クロック毎（図２では４クロック毎）の期間にオンにするようにしてもよい。
また、通信部１１５は有線により通信を行うものであってもよい。
また、ヘッドセット１００のスピーカ１１４をマイクロホンとして利用することにより、心拍音を集音するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１００…ヘッドセット １０１…マイク １０２…加速度センサ １０３…ジャイロセンサ １０４…信号合成部 １０５…Ａ／Ｄ変換部 １０６…信号分離部 １０７〜１０９…フィルタ １１０…心拍数計算部 １１１…歩数計算部 １１２…方向計算部 １１３…Ｄ／Ａ変換部 １１４…スピーカ １１５…通信部 １１６…アンテナ １１０１…基準波形記憶部 １１０２…相関波形抽出部 １１０３…計数部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音を集音するマイクと、
前記集音した音から、心拍数に対応する所定の周波数より低い周波数成分からなる波形を抽出する低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタによって抽出された波形から、心拍の波形を表す所定の基準波形と相関の高い波形を抽出する相関波形抽出部と、
前記相関波形抽出部によって抽出された波形の繰り返し回数に基づき心拍数を計数する計数部と、
を備えることを特徴とする心拍数測定装置。
【請求項２】
マイクとスピーカを有し頭部に装着されるヘッドセットであって、
耳内の音を集音するように設置されたマイクと、
前記集音した音から、心拍数に対応する所定の周波数より低い周波数成分からなる波形を抽出する低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタによって抽出された波形から、心拍の波形を表す所定の基準波形と相関の高い波形を抽出する相関波形抽出部と、
前記相関波形抽出部によって抽出された波形の繰り返し回数に基づき心拍数を計数する計数部と、
を備えることを特徴とする心拍数測定機能付きヘッドセット。
【請求項３】
外部の機器との通信を行う通信部を備え、
前記通信部は、前記マイクが集音した音の音声信号を外部の機器へ送信する
ことを特徴とする請求項２に記載の心拍数測定機能付きヘッドセット。
【請求項１】
音を集音するマイクと、
前記集音した音から、心拍数に対応する所定の周波数より低い周波数成分からなる波形を抽出する低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタによって抽出された波形から、心拍の波形を表す所定の基準波形と相関の高い波形を抽出する相関波形抽出部と、
前記相関波形抽出部によって抽出された波形の繰り返し回数に基づき心拍数を計数する計数部と、
を備えることを特徴とする心拍数測定装置。
【請求項２】
マイクとスピーカを有し頭部に装着されるヘッドセットであって、
耳内の音を集音するように設置されたマイクと、
前記集音した音から、心拍数に対応する所定の周波数より低い周波数成分からなる波形を抽出する低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタによって抽出された波形から、心拍の波形を表す所定の基準波形と相関の高い波形を抽出する相関波形抽出部と、
前記相関波形抽出部によって抽出された波形の繰り返し回数に基づき心拍数を計数する計数部と、
を備えることを特徴とする心拍数測定機能付きヘッドセット。
【請求項３】
外部の機器との通信を行う通信部を備え、
前記通信部は、前記マイクが集音した音の音声信号を外部の機器へ送信する
ことを特徴とする請求項２に記載の心拍数測定機能付きヘッドセット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１８７８４２（Ｐ２０１０−１８７８４２Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３３９９９（Ｐ２００９−３３９９９）
【出願日】平成２１年２月１７日（２００９．２．１７）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１７日（２００９．２．１７）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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