脈拍数測定装置及び脈拍数測定方法
【課題】 フィルタバンクを使用することによって、ノイズが脈波に混入した場合であっても脈波データからノイズを除去し精度よく脈拍数を求め、リアルタイムで脈波同期音を鳴らすことができる脈拍数測定装置及び脈拍数測定方法を提供する。
【解決手段】 生体組織から検出した脈波信号２が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタ６と、脈波信号２の基本周波数を演算するためのＦＦＴ処理部４と、複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、ＦＦＴ処理部４によって演算された脈波信号２の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタの出力信号を選択し、選択された出力信号から脈拍数を計算する脈拍検出、ＰＲ計算、同期音生成部７を備えている。
【解決手段】 生体組織から検出した脈波信号２が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタ６と、脈波信号２の基本周波数を演算するためのＦＦＴ処理部４と、複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、ＦＦＴ処理部４によって演算された脈波信号２の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタの出力信号を選択し、選択された出力信号から脈拍数を計算する脈拍検出、ＰＲ計算、同期音生成部７を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療の分野において循環器系や呼吸器系等の機能評価に用いられる脈拍計やパルスフォトメータの信号処理の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療現場で、光電脈波計と言われる脈波波形から脈拍数を測定する装置が使用されている。酸素飽和度ＳｐＯ2の測定装置、一酸化炭素ヘモグロビンやＭｅｔヘモグロビン等の特殊ヘモグロビンの濃度の測定装置、注入色素濃度の測定装置などがパルスフォトメータとして知られており、脈拍数と血中物質濃度の情報を提供する。酸素飽和度ＳｐＯ2の測定装置をパルスオキシメータと呼ばれ、医療やスポーツ分野で広く使われている。
【０００３】
パルスフォトメータの原理は、対象物質での吸光性が異なる複数の波長の光を生体組織に透過又は反射させ、その透過光又は反射光の光量を連続的に測定することで得られる脈波データ信号から対象物質の濃度を求めるものである。
そしてその脈波データに雑音が混入すると、正しい脈拍数と濃度の計算が出来ず、誤処置につながる危険が生じる。
【０００４】
従来のパルスフォトメータにおいても雑音を低減するために、帯域フィルタを備えたパルスオキシメータ装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
また、２つの信号の相関を取るなどの方法が提案されてきた（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１５３１３９
【特許文献２】特表平１０−５０７１１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、これらの方法は推定した脈波基本周波数に応じてフィルタの特性を変える適応フィルタであり、閉ループの構成によって不安定な発振を起こすことがある。また、フィルタの過渡応答による振動や応答時間がかかるなどの問題もあって、実時間で安定にパルスレートを測定して同期音を生成することが難しい。
【０００７】
上記問題点を解決すべく、本発明は、フィルタバンクを使用することによって、ノイズが脈波に混入した場合であっても脈波データからノイズを除去し精度よく脈拍数を求め、リアルタイムで脈波同期音を鳴らすことができる脈拍数測定装置及び脈拍数測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記目的は、以下の手段によって達成される。
（１） 生体組織から検出した脈波信号が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタと、
前記脈波信号の基本周波数を演算するための演算手段と、
前記複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、前記演算手段によって取得された前記脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタの出力信号を選択する選択手段と、
前記選択手段から選択された出力信号から脈拍数を計算する計算手段を備えたことを特徴とする脈拍数測定装置。
（２） 前記演算手段は、前記脈波信号に対してＦＦＴ処理を行うことを特徴とする（１）に記載の脈拍数測定装置。
（３） 前記選択手段は、前記ＦＦＴ処理を行った結果、振幅値が最大となる周波数を前記基本周波数として選択することを特徴とする（１）又は（２）に記載の脈拍数測定装置。
（４） 前記計算手段は、前記選択手段によって選択された出力信号がゼロを横切るインターバルを求め、前記インターバルから脈拍数を計算することを特徴とする（１）〜（３）の何れかに記載の脈拍数測定装置。
（５） 前記選択手段によって選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、実時間で同期音を発生させる同期音生成部を有することを特徴とする（４）に記載の脈拍数測定装置。
（６） 前記生体組織から検出した脈波信号に重畳するノイズを分離する信号分離手段を備えたことを特徴とする（１）〜（５）の何れかに記載の脈拍数測定装置。
（７） 前記生体組織から検出した脈波信号は、パルスフォトメータからの赤外光及び赤色光の少なくとも１つであることを特徴とする（６）に記載の脈拍数測定装置。
（８） 生体組織から検出した脈波信号が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタを備えた脈拍数測定装置の脈拍数測定方法であって、
前記脈波信号の基本周波数を取得するための演算ステップと、
前記複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、前記演算手段によって演算された前記脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタの出力信号を選択する選択ステップと、
前記選択ステップから選択された出力信号から脈拍数を計算する計算ステップと、を有することを特徴とする脈拍数測定方法。
（９） 前記選択ステップにおいて選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、実時間で同期音を発生させる同期音生成ステップを有することを特徴とする（８）に記載の脈拍数測定方法。
（１０） 前記生体組織から検出した脈波信号に重畳するノイズを分離する信号分離ステップを有することを特徴とする（８）又は（９）に記載の脈拍数測定方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、脈拍数測定装置は、生体組織から検出した脈波信号が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタを備えている。従って、脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを通ってくる信号によりパルスレートを測定するため、バンドパスフィルタの帯域以外のノイズを除去できるため、ノイズに起因したパルスレートの誤カウントをなくすことが可能となる。
【００１０】
また、本発明によれば、脈拍数測定装置は脈波信号の基本周波数を演算するための演算手段と、複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、演算手段によって演算された脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とする１つのバンドパスフィルタの出力信号を選択する選択手段を備えている。従って、検出信号に含まれる複数の周波数成分から特定（基本）の周波数成分を容易に検出することが可能である。また、複数のバンドパスフィルタを並列に持ってそれぞれに脈波信号を入力することによって、各フィルタの出力波形はステップ応答やインパルス応答のような不安定な動作の無い状態で常に使うことができる。
【００１１】
また、請求項５、６、７、９及び１０に記載の発明によれば、選択手段から選択された出力信号から脈拍数を計算する計算手段を有し、計算手段は、選択手段によって選択された出力信号がゼロを横切るインターバルを求め、該インターバルから脈拍数を計算するように構成されている。また、同期音生成部は選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、リアルタイムで同期音を発生させるように設定されている。従って、計算によって脈拍数を得るだけでなくリアルタイムで脈波信号を聴覚によって認識することが可能である。
【００１２】
また、請求項６、７及び１０に記載の発明によれば、パルスオキシメータからの赤外光及び赤色光の少なくとも１つからノイズを分離する信号分離手段を備えている。すなわち、脈波信号とノイズを良好に分離することが可能であり、分離した脈波信号をＦＦＴ処理したものからはっきりと脈波信号の周波数を認めることが可能である。従って、脈波信号にノイズが含まれていても、ＦＦＴ処理と信号分離手段を併用することによって確実かつ正確に脈波信号の周波数を検出でき脈拍数を計算することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、図面を参照しながら、本発明に係る脈拍数測定装置及び脈拍数測定方法の実施形態について説明する。図１は、脈拍数測定装置１が各種演算処理を行う主要構成部を模式的に示したブロック図である。
【００１４】
ＦＦＴ処理部４は、バンドパスフィルタ３からの出力信号を図示せぬＲＯＭのプログラムに従ってＦＦＴ処理を行い、時間軸における出力信号を周波数軸おける出力信号に変換する。なお、ＦＦＴ処理を行うことにより測定信号を複数の周波数成分に分解することができ振幅スペクトラムを得ることができる。ピーク検出部５は、ＦＦＴ処理部４によって得られた振幅スペクトラムから振幅値が最大となる周波数を得る。ここで、本実施形態においてはＦＦＴ処理部４及びピーク検出部５を演算手段としている。
【００１５】
フィルタバンク６は、複数のバンドパスフィルタを並列にした構成を有している。本実施形態においては、脈波信号２が含まれる０．５Ｈｚ−５Ｈｚの周波数帯域を０.５Ｈｚ刻みに１Ｈｚのバンド幅を有する８段のバンドパスフィルタから構成されている。すなわち、０.５Ｈｚ‐１.５Ｈｚ、１.０Ｈｚ‐２.０Ｈｚ、１.５Ｈｚ‐２.５Ｈｚ、２.０Ｈｚ‐３.０Ｈｚ、２.５Ｈｚ‐３.５Ｈｚ、３.０Ｈｚ‐４.０Ｈｚ、３.５Ｈｚ‐４.５Ｈｚ、４.０Ｈｚ‐５.０Ｈｚの８つバンドパスフィルタから構成されている。脈拍数測定装置１は、ＲＯＭのプログラムに従ってＦＦＴ処理部４によって得られた振幅スペクトラムのうち振幅値が最大の値となる周波数を検出し、フィルタバンク６の８つのバンドパスフィルタのうちから振幅値が最大となる周波数にもっとも近い中心周波数を持つ１つのバンドパスフィルタの出力信号を選択する。
【００１６】
脈拍検出、ＰＲ計算、同期音生成部７（計算手段）は、ピーク検出部５の出力に応じて選択された１つのバンドパスフィルタの出力信号から所定期間の脈拍数を計算する。具体的には、１つのバンドパスフィルタの出力信号について立ち上がりのゼロクロス点を検出し、ゼロクロス点間のインターバルＴｎを計算する。Ｔｎから瞬時脈拍数ＰＲを計算し所定期間の瞬時脈拍数ＰＲの平均値を平均脈拍数とする。
【００１７】
次に、図２から図４を用いて脈拍数測定装置１による脈拍数測定処理の流れを説明する。
図２は、脈拍数を測定、同期音を発生させるまでの流れを示すフローチャートであり、図３及び図４は所定の処理ステップにおいて得られる波形を示した図である。
【００１８】
まず、脈拍数測定装置１は電源をＯＮすると、生体組織が脈拍数測定装置１内の図示せぬプローブ部に装着されるまで待機する（ステップＳ１）。脈拍数測定装置１は生体組織を検出すると、図示せぬＬＥＤドライバによってプローブ内のＬＥＤが駆動される。すなわち、所定のタイミングに応じてＬＥＤから所定の波長の光が発光される（ステップＳ２）。
【００１９】
次に、ステップＳ３において生体組織を透過した光をフォトダイオードが受光し、光信号が電気信号に変換される（ステップＳ３）。さらに電流−電圧変換器によって電圧に変換され、脈波復調回路によって所定のタイミングに応じて取り出された波長に対応した脈波信号２がＡ／Ｄコンバータによってディジタル値に変換される（ステップＳ４）。ディジタル値に変換された脈波信号２は、バンドパスフィルタ３によってフィルタリングされる。すなわち、バンドパスフィルタ３によって脈波信号２が含まれる周波数帯域（０．５Hz〜5Ｈｚ）の信号成分だけを取り出す（ステップＳ５）。
【００２０】
ステップＳ６で、ＲＯＭに記録されているＦＦＴ処理に関するプログラムに従って、ＦＦＴ処理部４がＦＦＴ処理による演算を行う（ステップＳ６）。
【００２１】
次に、ピーク検出部５が、周波数スペクトラムから振幅値が最大となる周波数を脈波信号２の基本周波数として検出し（ステップＳ７）、８つのバンドパスフィルタ６の出力信号から、ステップＳ７で検出された脈波信号２の基本周波数に最も近い値を中心周波数とする１のバンドパスフィルタの出力を脈波信号２（図３参照）として選択する（ステップＳ８）。
【００２２】
ここで、脈波信号２の基本周波数として検出するには、振幅値が最大となる周波数について過去の所定期間の平均値をとったり、所定のタイミングにおける振幅値が最大となる周波数をとるように設定されている。また、フィルタバンク６にはヒステリシスを持たせ脈波信号２の基本周波数が８つのバンドパスフィルタのうち複数のバンドパスフィルタに属する場合でも必ず１のバンドパスフィルタを選択するように設定されている。
【００２３】
次に、脈拍検出、ＰＲ計算、同期音生成部７が脈波信号２から図３に示すように所定期間のゼロクロス点４１、４２、４３、４４を検出し、ゼロクロス点間のインターバルＴ１、Ｔ２、Ｔ３を計算する。インターバルＴ１、Ｔ２、Ｔ３から瞬時脈拍数ＰＲ１＝６０／Ｔ１、ＰＲ２＝６０／Ｔ２、ＰＲ３＝６０／Ｔ３を計算し、それぞれの瞬時脈拍数の平均値をとることによって平均脈拍数を計算する（ステップＳ９）。計算された平均脈拍数は表示部３に表示される。また、脈拍数計算部３３によってゼロクロス点が検出されると、同期音発生部４はゼロクロス点が検出される度に同期音を発生させる（ステップＳ１０）。
【００２４】
なお、本実施形態におけるバンドパスフィルタ３及びフィルタバンク６はディジタルタの他、アナログフィルタを用いることも可能である。また、フィルタバンク６は、ウェーブレット変換によるマルチレート処理によって作ることも可能である。
【００２５】
また、本実施形態においては１種類の波長の光を透過させることによって得られた信号のみから脈拍数を計算する脈拍数測定装置１について説明したが、１種類の光信号に限定されるものではなく、パルスオキシメータに脈拍数測定装置１を搭載させた場合には赤外光ＩＲ及び赤色光Ｒの少なくとも１つの信号を採用すればよい。なお、振幅値の高い赤外光ＩＲを採用すればよりピーク値を得やすい。
【００２６】
２種類の信号を交互に透過させる方法を採用した場合の所定時点において得られる脈波信号の波形を図４に示す。図４（ａ）はバンドパスフィルタによってフィルタリングされた後の脈波信号の波形であり、脈波信号に体動によるノイズがほとんど混入していない場合の波形である。また、ＦＦＴ処理後の振幅スペクトラムを図４（ｂ）に示す。このように脈波信号に体動によるノイズがほとんど混入していない場合には脈波信号の周波数において振幅スペクトラムが最大値を示している。この周波数の信号をフィルタバンクから取り出すことによっても図３に示す脈波信号を得ることが可能である。
【００２７】
また、本実施形態においては脈波信号２に体動によるノイズがほとんど混入していない状態を説明したが、従来技術である信号分離法を用いて脈波信号２と体動によるノイズに分離すれば、体動によるノイズが混入した状態においても脈波信号２の基本周波数を検出することが可能である。
【００２８】
図５に、信号分離手段を備えた場合の脈拍数測定装置１の主要構成部を示す。
信号分離処理部８（信号分離手段）は、脈波信号２をノイズのない脈波信号と体動によるノイズとに分離する処理部である。この信号分離処理部８による信号分離処理方法は、本出願人が先に特願２００４−１９１２９７として出願した信号分離方法や、他の従来技術を採用してもよい。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態において脈拍数測定装置１は、生体組織から検出した脈波信号２が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタを備えている。従って、脈波信号２の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを通ってくる信号によりパルスレートを測定するため、バンドパスフィルタの帯域以外のノイズを除去できるため、ノイズに起因したパルスレートの誤カウントをなくすことが可能となる。
【００３０】
また、本実施形態において脈拍数測定装置１は、脈波信号２の基本周波数を演算するためのＦＦＴ処理部４と、複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、ＦＦＴ処理部４によって演算された脈波信号２の基本周波数に近い周波数をピーク検出部５が検出し、脈波信号２の基本周波数に近い周波数を中心周波数とする１のバンドパスフィルタの出力信号を選択するよう設定されている。従って、検出信号に含まれる複数の周波数成分から特定（基本）の周波数成分を容易に検出することが可能である。また、複数のバンドパスフィルタを並列に持ってそれぞれに脈波信号２を入力することによって、各フィルタの出力波形はステップ応答やインパルス応答のような不安定な動作の無い状態で常に使うことができる。
【００３１】
また、本実施形態において脈拍数測定装置１は、脈拍数を計算する脈拍検出、ＰＲ計算、同期音生成部７を有し、脈波信号２の基本周波数に近い周波数を中心周波数とする１のバンドパスフィルタの出力信号がゼロを横切るインターバルを求め、該インターバルから脈拍数を計算するように構成されている。また、同期音生成部は選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、リアルタイムで同期音を発生させるように設定されている。従って、計算によって脈拍数を得るだけでなくリアルタイムで脈波信号２を聴覚によって認識することが可能である。
【００３２】
また、本実施形態において脈拍数測定装置１は、パルスオキシメータからの赤外光及び赤色光の少なくとも１つからノイズを分離する信号分離手段を備えることも可能である。すなわち、脈波信号２の中のノイズを良好に分離することが可能であり、分離した脈波信号２をＦＦＴ処理したものからはっきりと脈波信号２の周波数を認めることが可能である。従って、脈波信号２にノイズが含まれていても、ＦＦＴ処理と信号分離手段を併用することによって確実かつ正確に脈波信号２の周波数を検出でき脈拍数を計算することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態の脈拍数測定装置１の主要構成部を模式的に示したブロック図である。
【図２】脈拍数を測定、同期音を発生までの流れを示すフローチャートである。
【図３】所定の処理ステップにおいて得られる波形を示した図である。
【図４】所定の処理ステップにおいて得られる波形を示した図である。
【図５】信号分離手段を備えた場合の脈拍数測定装置１の主要構成部を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
１ 脈拍数測定装置
３ バンドパスフィルタ
４ ＦＦＴ処理部
５ ピーク検出部
６ フィルタバンク
７ 脈拍検出、ＰＲ計算、同期音生成部
４１、４２、４３、４４ ゼロクロス点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療の分野において循環器系や呼吸器系等の機能評価に用いられる脈拍計やパルスフォトメータの信号処理の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療現場で、光電脈波計と言われる脈波波形から脈拍数を測定する装置が使用されている。酸素飽和度ＳｐＯ2の測定装置、一酸化炭素ヘモグロビンやＭｅｔヘモグロビン等の特殊ヘモグロビンの濃度の測定装置、注入色素濃度の測定装置などがパルスフォトメータとして知られており、脈拍数と血中物質濃度の情報を提供する。酸素飽和度ＳｐＯ2の測定装置をパルスオキシメータと呼ばれ、医療やスポーツ分野で広く使われている。
【０００３】
パルスフォトメータの原理は、対象物質での吸光性が異なる複数の波長の光を生体組織に透過又は反射させ、その透過光又は反射光の光量を連続的に測定することで得られる脈波データ信号から対象物質の濃度を求めるものである。
そしてその脈波データに雑音が混入すると、正しい脈拍数と濃度の計算が出来ず、誤処置につながる危険が生じる。
【０００４】
従来のパルスフォトメータにおいても雑音を低減するために、帯域フィルタを備えたパルスオキシメータ装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
また、２つの信号の相関を取るなどの方法が提案されてきた（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１５３１３９
【特許文献２】特表平１０−５０７１１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、これらの方法は推定した脈波基本周波数に応じてフィルタの特性を変える適応フィルタであり、閉ループの構成によって不安定な発振を起こすことがある。また、フィルタの過渡応答による振動や応答時間がかかるなどの問題もあって、実時間で安定にパルスレートを測定して同期音を生成することが難しい。
【０００７】
上記問題点を解決すべく、本発明は、フィルタバンクを使用することによって、ノイズが脈波に混入した場合であっても脈波データからノイズを除去し精度よく脈拍数を求め、リアルタイムで脈波同期音を鳴らすことができる脈拍数測定装置及び脈拍数測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記目的は、以下の手段によって達成される。
（１） 生体組織から検出した脈波信号が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタと、
前記脈波信号の基本周波数を演算するための演算手段と、
前記複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、前記演算手段によって取得された前記脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタの出力信号を選択する選択手段と、
前記選択手段から選択された出力信号から脈拍数を計算する計算手段を備えたことを特徴とする脈拍数測定装置。
（２） 前記演算手段は、前記脈波信号に対してＦＦＴ処理を行うことを特徴とする（１）に記載の脈拍数測定装置。
（３） 前記選択手段は、前記ＦＦＴ処理を行った結果、振幅値が最大となる周波数を前記基本周波数として選択することを特徴とする（１）又は（２）に記載の脈拍数測定装置。
（４） 前記計算手段は、前記選択手段によって選択された出力信号がゼロを横切るインターバルを求め、前記インターバルから脈拍数を計算することを特徴とする（１）〜（３）の何れかに記載の脈拍数測定装置。
（５） 前記選択手段によって選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、実時間で同期音を発生させる同期音生成部を有することを特徴とする（４）に記載の脈拍数測定装置。
（６） 前記生体組織から検出した脈波信号に重畳するノイズを分離する信号分離手段を備えたことを特徴とする（１）〜（５）の何れかに記載の脈拍数測定装置。
（７） 前記生体組織から検出した脈波信号は、パルスフォトメータからの赤外光及び赤色光の少なくとも１つであることを特徴とする（６）に記載の脈拍数測定装置。
（８） 生体組織から検出した脈波信号が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタを備えた脈拍数測定装置の脈拍数測定方法であって、
前記脈波信号の基本周波数を取得するための演算ステップと、
前記複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、前記演算手段によって演算された前記脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタの出力信号を選択する選択ステップと、
前記選択ステップから選択された出力信号から脈拍数を計算する計算ステップと、を有することを特徴とする脈拍数測定方法。
（９） 前記選択ステップにおいて選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、実時間で同期音を発生させる同期音生成ステップを有することを特徴とする（８）に記載の脈拍数測定方法。
（１０） 前記生体組織から検出した脈波信号に重畳するノイズを分離する信号分離ステップを有することを特徴とする（８）又は（９）に記載の脈拍数測定方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、脈拍数測定装置は、生体組織から検出した脈波信号が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタを備えている。従って、脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを通ってくる信号によりパルスレートを測定するため、バンドパスフィルタの帯域以外のノイズを除去できるため、ノイズに起因したパルスレートの誤カウントをなくすことが可能となる。
【００１０】
また、本発明によれば、脈拍数測定装置は脈波信号の基本周波数を演算するための演算手段と、複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、演算手段によって演算された脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とする１つのバンドパスフィルタの出力信号を選択する選択手段を備えている。従って、検出信号に含まれる複数の周波数成分から特定（基本）の周波数成分を容易に検出することが可能である。また、複数のバンドパスフィルタを並列に持ってそれぞれに脈波信号を入力することによって、各フィルタの出力波形はステップ応答やインパルス応答のような不安定な動作の無い状態で常に使うことができる。
【００１１】
また、請求項５、６、７、９及び１０に記載の発明によれば、選択手段から選択された出力信号から脈拍数を計算する計算手段を有し、計算手段は、選択手段によって選択された出力信号がゼロを横切るインターバルを求め、該インターバルから脈拍数を計算するように構成されている。また、同期音生成部は選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、リアルタイムで同期音を発生させるように設定されている。従って、計算によって脈拍数を得るだけでなくリアルタイムで脈波信号を聴覚によって認識することが可能である。
【００１２】
また、請求項６、７及び１０に記載の発明によれば、パルスオキシメータからの赤外光及び赤色光の少なくとも１つからノイズを分離する信号分離手段を備えている。すなわち、脈波信号とノイズを良好に分離することが可能であり、分離した脈波信号をＦＦＴ処理したものからはっきりと脈波信号の周波数を認めることが可能である。従って、脈波信号にノイズが含まれていても、ＦＦＴ処理と信号分離手段を併用することによって確実かつ正確に脈波信号の周波数を検出でき脈拍数を計算することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、図面を参照しながら、本発明に係る脈拍数測定装置及び脈拍数測定方法の実施形態について説明する。図１は、脈拍数測定装置１が各種演算処理を行う主要構成部を模式的に示したブロック図である。
【００１４】
ＦＦＴ処理部４は、バンドパスフィルタ３からの出力信号を図示せぬＲＯＭのプログラムに従ってＦＦＴ処理を行い、時間軸における出力信号を周波数軸おける出力信号に変換する。なお、ＦＦＴ処理を行うことにより測定信号を複数の周波数成分に分解することができ振幅スペクトラムを得ることができる。ピーク検出部５は、ＦＦＴ処理部４によって得られた振幅スペクトラムから振幅値が最大となる周波数を得る。ここで、本実施形態においてはＦＦＴ処理部４及びピーク検出部５を演算手段としている。
【００１５】
フィルタバンク６は、複数のバンドパスフィルタを並列にした構成を有している。本実施形態においては、脈波信号２が含まれる０．５Ｈｚ−５Ｈｚの周波数帯域を０.５Ｈｚ刻みに１Ｈｚのバンド幅を有する８段のバンドパスフィルタから構成されている。すなわち、０.５Ｈｚ‐１.５Ｈｚ、１.０Ｈｚ‐２.０Ｈｚ、１.５Ｈｚ‐２.５Ｈｚ、２.０Ｈｚ‐３.０Ｈｚ、２.５Ｈｚ‐３.５Ｈｚ、３.０Ｈｚ‐４.０Ｈｚ、３.５Ｈｚ‐４.５Ｈｚ、４.０Ｈｚ‐５.０Ｈｚの８つバンドパスフィルタから構成されている。脈拍数測定装置１は、ＲＯＭのプログラムに従ってＦＦＴ処理部４によって得られた振幅スペクトラムのうち振幅値が最大の値となる周波数を検出し、フィルタバンク６の８つのバンドパスフィルタのうちから振幅値が最大となる周波数にもっとも近い中心周波数を持つ１つのバンドパスフィルタの出力信号を選択する。
【００１６】
脈拍検出、ＰＲ計算、同期音生成部７（計算手段）は、ピーク検出部５の出力に応じて選択された１つのバンドパスフィルタの出力信号から所定期間の脈拍数を計算する。具体的には、１つのバンドパスフィルタの出力信号について立ち上がりのゼロクロス点を検出し、ゼロクロス点間のインターバルＴｎを計算する。Ｔｎから瞬時脈拍数ＰＲを計算し所定期間の瞬時脈拍数ＰＲの平均値を平均脈拍数とする。
【００１７】
次に、図２から図４を用いて脈拍数測定装置１による脈拍数測定処理の流れを説明する。
図２は、脈拍数を測定、同期音を発生させるまでの流れを示すフローチャートであり、図３及び図４は所定の処理ステップにおいて得られる波形を示した図である。
【００１８】
まず、脈拍数測定装置１は電源をＯＮすると、生体組織が脈拍数測定装置１内の図示せぬプローブ部に装着されるまで待機する（ステップＳ１）。脈拍数測定装置１は生体組織を検出すると、図示せぬＬＥＤドライバによってプローブ内のＬＥＤが駆動される。すなわち、所定のタイミングに応じてＬＥＤから所定の波長の光が発光される（ステップＳ２）。
【００１９】
次に、ステップＳ３において生体組織を透過した光をフォトダイオードが受光し、光信号が電気信号に変換される（ステップＳ３）。さらに電流−電圧変換器によって電圧に変換され、脈波復調回路によって所定のタイミングに応じて取り出された波長に対応した脈波信号２がＡ／Ｄコンバータによってディジタル値に変換される（ステップＳ４）。ディジタル値に変換された脈波信号２は、バンドパスフィルタ３によってフィルタリングされる。すなわち、バンドパスフィルタ３によって脈波信号２が含まれる周波数帯域（０．５Hz〜5Ｈｚ）の信号成分だけを取り出す（ステップＳ５）。
【００２０】
ステップＳ６で、ＲＯＭに記録されているＦＦＴ処理に関するプログラムに従って、ＦＦＴ処理部４がＦＦＴ処理による演算を行う（ステップＳ６）。
【００２１】
次に、ピーク検出部５が、周波数スペクトラムから振幅値が最大となる周波数を脈波信号２の基本周波数として検出し（ステップＳ７）、８つのバンドパスフィルタ６の出力信号から、ステップＳ７で検出された脈波信号２の基本周波数に最も近い値を中心周波数とする１のバンドパスフィルタの出力を脈波信号２（図３参照）として選択する（ステップＳ８）。
【００２２】
ここで、脈波信号２の基本周波数として検出するには、振幅値が最大となる周波数について過去の所定期間の平均値をとったり、所定のタイミングにおける振幅値が最大となる周波数をとるように設定されている。また、フィルタバンク６にはヒステリシスを持たせ脈波信号２の基本周波数が８つのバンドパスフィルタのうち複数のバンドパスフィルタに属する場合でも必ず１のバンドパスフィルタを選択するように設定されている。
【００２３】
次に、脈拍検出、ＰＲ計算、同期音生成部７が脈波信号２から図３に示すように所定期間のゼロクロス点４１、４２、４３、４４を検出し、ゼロクロス点間のインターバルＴ１、Ｔ２、Ｔ３を計算する。インターバルＴ１、Ｔ２、Ｔ３から瞬時脈拍数ＰＲ１＝６０／Ｔ１、ＰＲ２＝６０／Ｔ２、ＰＲ３＝６０／Ｔ３を計算し、それぞれの瞬時脈拍数の平均値をとることによって平均脈拍数を計算する（ステップＳ９）。計算された平均脈拍数は表示部３に表示される。また、脈拍数計算部３３によってゼロクロス点が検出されると、同期音発生部４はゼロクロス点が検出される度に同期音を発生させる（ステップＳ１０）。
【００２４】
なお、本実施形態におけるバンドパスフィルタ３及びフィルタバンク６はディジタルタの他、アナログフィルタを用いることも可能である。また、フィルタバンク６は、ウェーブレット変換によるマルチレート処理によって作ることも可能である。
【００２５】
また、本実施形態においては１種類の波長の光を透過させることによって得られた信号のみから脈拍数を計算する脈拍数測定装置１について説明したが、１種類の光信号に限定されるものではなく、パルスオキシメータに脈拍数測定装置１を搭載させた場合には赤外光ＩＲ及び赤色光Ｒの少なくとも１つの信号を採用すればよい。なお、振幅値の高い赤外光ＩＲを採用すればよりピーク値を得やすい。
【００２６】
２種類の信号を交互に透過させる方法を採用した場合の所定時点において得られる脈波信号の波形を図４に示す。図４（ａ）はバンドパスフィルタによってフィルタリングされた後の脈波信号の波形であり、脈波信号に体動によるノイズがほとんど混入していない場合の波形である。また、ＦＦＴ処理後の振幅スペクトラムを図４（ｂ）に示す。このように脈波信号に体動によるノイズがほとんど混入していない場合には脈波信号の周波数において振幅スペクトラムが最大値を示している。この周波数の信号をフィルタバンクから取り出すことによっても図３に示す脈波信号を得ることが可能である。
【００２７】
また、本実施形態においては脈波信号２に体動によるノイズがほとんど混入していない状態を説明したが、従来技術である信号分離法を用いて脈波信号２と体動によるノイズに分離すれば、体動によるノイズが混入した状態においても脈波信号２の基本周波数を検出することが可能である。
【００２８】
図５に、信号分離手段を備えた場合の脈拍数測定装置１の主要構成部を示す。
信号分離処理部８（信号分離手段）は、脈波信号２をノイズのない脈波信号と体動によるノイズとに分離する処理部である。この信号分離処理部８による信号分離処理方法は、本出願人が先に特願２００４−１９１２９７として出願した信号分離方法や、他の従来技術を採用してもよい。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態において脈拍数測定装置１は、生体組織から検出した脈波信号２が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタを備えている。従って、脈波信号２の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを通ってくる信号によりパルスレートを測定するため、バンドパスフィルタの帯域以外のノイズを除去できるため、ノイズに起因したパルスレートの誤カウントをなくすことが可能となる。
【００３０】
また、本実施形態において脈拍数測定装置１は、脈波信号２の基本周波数を演算するためのＦＦＴ処理部４と、複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、ＦＦＴ処理部４によって演算された脈波信号２の基本周波数に近い周波数をピーク検出部５が検出し、脈波信号２の基本周波数に近い周波数を中心周波数とする１のバンドパスフィルタの出力信号を選択するよう設定されている。従って、検出信号に含まれる複数の周波数成分から特定（基本）の周波数成分を容易に検出することが可能である。また、複数のバンドパスフィルタを並列に持ってそれぞれに脈波信号２を入力することによって、各フィルタの出力波形はステップ応答やインパルス応答のような不安定な動作の無い状態で常に使うことができる。
【００３１】
また、本実施形態において脈拍数測定装置１は、脈拍数を計算する脈拍検出、ＰＲ計算、同期音生成部７を有し、脈波信号２の基本周波数に近い周波数を中心周波数とする１のバンドパスフィルタの出力信号がゼロを横切るインターバルを求め、該インターバルから脈拍数を計算するように構成されている。また、同期音生成部は選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、リアルタイムで同期音を発生させるように設定されている。従って、計算によって脈拍数を得るだけでなくリアルタイムで脈波信号２を聴覚によって認識することが可能である。
【００３２】
また、本実施形態において脈拍数測定装置１は、パルスオキシメータからの赤外光及び赤色光の少なくとも１つからノイズを分離する信号分離手段を備えることも可能である。すなわち、脈波信号２の中のノイズを良好に分離することが可能であり、分離した脈波信号２をＦＦＴ処理したものからはっきりと脈波信号２の周波数を認めることが可能である。従って、脈波信号２にノイズが含まれていても、ＦＦＴ処理と信号分離手段を併用することによって確実かつ正確に脈波信号２の周波数を検出でき脈拍数を計算することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態の脈拍数測定装置１の主要構成部を模式的に示したブロック図である。
【図２】脈拍数を測定、同期音を発生までの流れを示すフローチャートである。
【図３】所定の処理ステップにおいて得られる波形を示した図である。
【図４】所定の処理ステップにおいて得られる波形を示した図である。
【図５】信号分離手段を備えた場合の脈拍数測定装置１の主要構成部を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
１ 脈拍数測定装置
３ バンドパスフィルタ
４ ＦＦＴ処理部
５ ピーク検出部
６ フィルタバンク
７ 脈拍検出、ＰＲ計算、同期音生成部
４１、４２、４３、４４ ゼロクロス点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体組織から検出した脈波信号が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタと、
前記脈波信号の基本周波数を演算するための演算手段と、
前記複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、前記演算手段によって演算された前記脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタの出力信号を選択する選択手段と、
前記選択手段から選択された出力信号から脈拍数を計算する計算手段を備えたことを特徴とする脈拍数測定装置。
【請求項２】
前記演算手段は、前記脈波信号に対してＦＦＴ処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の脈拍数測定装置。
【請求項３】
前記選択手段は、前記ＦＦＴ処理を行った結果、振幅値が最大となる周波数を前記基本周波数として選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の脈拍数測定装置。
【請求項４】
前記計算手段は、前記選択手段によって選択された出力信号がゼロを横切るインターバルを求め、前記インターバルから脈拍数を計算することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の脈拍数測定装置。
【請求項５】
前記選択手段によって選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、実時間で同期音を発生させる同期音生成部を有することを特徴とする請求項４に記載の脈拍数測定装置。
【請求項６】
前記生体組織から検出した脈波信号に重畳するノイズを分離する信号分離手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の脈拍数測定装置。
【請求項７】
前記生体組織から検出した脈波信号は、パルスフォトメータからの赤外光及び赤色光の少なくとも１つであることを特徴とする請求項６に記載の脈拍数測定装置。
【請求項８】
生体組織から検出した脈波信号が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタを備えた脈拍数測定装置の脈拍数測定方法であって、
前記脈波信号の基本周波数を演算するための演算ステップと、
前記複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、前記演算手段によって演算された前記脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタの出力信号を選択する選択ステップと、
前記選択ステップから選択された出力信号から脈拍数を計算する計算ステップと、を有することを特徴とする脈拍数測定方法。
【請求項９】
前記選択ステップにおいて選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、実時間で同期音を発生させる同期音生成ステップを有することを特徴とする請求項８に記載の脈拍数測定方法。
【請求項１０】
前記生体組織から検出した脈波信号に重畳するノイズを分離する信号分離ステップを有することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の脈拍数測定方法。
【請求項１】
生体組織から検出した脈波信号が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタと、
前記脈波信号の基本周波数を演算するための演算手段と、
前記複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、前記演算手段によって演算された前記脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタの出力信号を選択する選択手段と、
前記選択手段から選択された出力信号から脈拍数を計算する計算手段を備えたことを特徴とする脈拍数測定装置。
【請求項２】
前記演算手段は、前記脈波信号に対してＦＦＴ処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の脈拍数測定装置。
【請求項３】
前記選択手段は、前記ＦＦＴ処理を行った結果、振幅値が最大となる周波数を前記基本周波数として選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の脈拍数測定装置。
【請求項４】
前記計算手段は、前記選択手段によって選択された出力信号がゼロを横切るインターバルを求め、前記インターバルから脈拍数を計算することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の脈拍数測定装置。
【請求項５】
前記選択手段によって選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、実時間で同期音を発生させる同期音生成部を有することを特徴とする請求項４に記載の脈拍数測定装置。
【請求項６】
前記生体組織から検出した脈波信号に重畳するノイズを分離する信号分離手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の脈拍数測定装置。
【請求項７】
前記生体組織から検出した脈波信号は、パルスフォトメータからの赤外光及び赤色光の少なくとも１つであることを特徴とする請求項６に記載の脈拍数測定装置。
【請求項８】
生体組織から検出した脈波信号が入力される中心周波数が異なる複数のバンドパスフィルタを備えた脈拍数測定装置の脈拍数測定方法であって、
前記脈波信号の基本周波数を演算するための演算ステップと、
前記複数のバンドパスフィルタの出力信号のうち、前記演算手段によって演算された前記脈波信号の基本周波数に近い周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタの出力信号を選択する選択ステップと、
前記選択ステップから選択された出力信号から脈拍数を計算する計算ステップと、を有することを特徴とする脈拍数測定方法。
【請求項９】
前記選択ステップにおいて選択された出力信号がゼロを横切る毎に同期音を生成し、実時間で同期音を発生させる同期音生成ステップを有することを特徴とする請求項８に記載の脈拍数測定方法。
【請求項１０】
前記生体組織から検出した脈波信号に重畳するノイズを分離する信号分離ステップを有することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の脈拍数測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−５４４７１（Ｐ２００７−５４４７１Ａ）
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４５５０１（Ｐ２００５−２４５５０１）
【出願日】平成１７年８月２６日（２００５．８．２６）
【出願人】（０００２３０９６２）日本光電工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２６日（２００５．８．２６）
【出願人】（０００２３０９６２）日本光電工業株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
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