CN110811589A - 脉搏波评价装置及脉搏波评价方法 - Google Patents

Abstract

实施方式涉及脉搏波评价装置及脉搏波评价方法。实施方式的脉搏波评价装置具备：测定部，测定被检者的脉搏波；时刻检测部，按照上述测定到的脉搏波的每1拍，检测上述脉搏波的上升时刻、将上述脉搏波以时间进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻及上述脉搏波的最大振幅时刻比率检测部，检测从上述上升时刻起到上述进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻为止的平均加速度、与从上述1阶微分的值达到最大的时刻起到上述最大振幅时刻为止的平均加速度之间的加速度比率；以及评价部，基于上述加速度比率，评价上述脉搏波。

Description

脉搏波评价装置及脉搏波评价方法

关联申请

本申请享受以日本专利申请2018－151981号(申请日：2018年8月10日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包括基础申请的全部内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及脉搏波评价装置及脉搏波评价方法。

背景技术

已知有通过测定与心率的变化对应的动脉及毛细血管的血液量的变化，来检测伴随心搏的脉搏波的光电式容积脉搏波计(PPG：Photoplethysmogram)传感器。使用PPG传感器并基于按每个脉搏在组织通过的血液量来检测心率的方法，被称为容积脉搏波(BVP：Blood Volume Pulse)测定。

容积脉搏波的波形，根据被检者的活动状态、精神状态而大幅变动，容积脉搏波会发生紊乱。在容积脉搏波紊乱时，无法正确地计测心率等。尤其是，心搏周期依赖于从容积脉搏波的上升时刻到峰值时刻为止的、容积脉搏波的微分系数，但在容积脉搏波紊乱时，无法正确地检测微分系数，所以心搏周期的测定精度变差。

发明内容

实施方式提供能够简易且高精度地评价脉搏波是否紊乱的脉搏波评价装置及脉搏波评价方法。

实施方式的脉搏波评价装置具备：测定部，测定被检者的脉搏波；时刻检测部，按照测定到的上述脉搏波的每1拍，检测上述脉搏波的上升时刻、将上述脉搏波以时间进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻及上述脉搏波的最大振幅时刻；比率检测部，检测从上述上升时刻起到上述进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻为止的平均加速度、与从上述进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻起到上述最大振幅时刻为止的平均加速度之间的加速度比率；以及评价部，基于上述加速度比率，评价上述脉搏波。

附图说明

图1是表示一个实施方式的脉搏波评价装置的概略构成的框图。

图2是表示手表式的生物体测定装置的一例的图。

图3是表示1拍量的正常的脉搏波的波形的一例的图。

图4是表示比率AR的偏差分布的图。

图5是表示被检者的脉搏波的一例的图。

图6是表示本实施方式的脉搏波评价装置1的处理动作的流程图。

图7A是表示使用被判断为正常的脉搏波计测心率而得到的结果的图，图7B是表示在未将紊乱的脉搏波除去的状态下计测心率而得到的结果的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。在以下的实施方式中，以脉搏波评价装置内的特征性的构成及动作为中心进行说明，但脉搏波评价装置可能有在以下的说明中省略了的构成及动作。

图1是表示一个实施方式的脉搏波评价装置1的概略构成的框图。脉搏波评价装置1具备测定部2、时刻检测部3、比率检测部4及评价部5。脉搏波评价装置1能够装入到例如图2所示那样的手表式的生物体测定装置6中。

测定部2，通过测定伴随被检者的心率的变化的、动脉及毛细血管的血液量的变化，由此取得伴随心搏的容积脉搏波的信息。以下，有时也将容积脉搏波简称为脉搏波。

测定部2具有发光部7、受光部8及脉搏波生成部9。发光部7例如具有发光出特定的波段(绿色、近红外波段等)的光信号的LED(Light Emitting Device)。受光部8接受来自发光部7的光信号在被检者的体内被吸收或者被反射·被散射之后的信号。脉搏波生成部9基于由受光部8接受到的信号，按心搏的每1拍，生成脉搏波。

在来自发光部7的光信号的发光量变动时，受光部8中的信号的受光量也变动。因此，脉搏波生成部9将接受到的信号分离为DC成分与AC成分，并基于AC/DC比，生成脉搏波。因此，生成的脉搏波是无因次的数据。

时刻检测部3，按脉搏波的每1拍，检测脉搏波的上升时刻、将脉搏波以时间进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻、及脉搏波的振幅达到最大峰值的时刻。图3是1拍量的正常的脉搏波的波形的一例。横轴表示时刻，纵轴表示脉搏波的振幅。正常的脉搏波，在振幅为底部的位置(t0)开始，振幅大致单调地增加并达到最大峰值(t2)，之后，振幅单调地减少并达到第二个底部的位置后(t3)，再次单调增加地变化，在振幅达到第二个峰值后(t4)，单调减少并到达底部值，进而结束(t5)。

时刻检测部3，检测图3的t0作为上升时刻，检测t2作为达到最大峰值的时刻。另外，时刻检测部3，检测在t0到t2期间、将脉搏波以时间进行1阶微分而得到的值达到最大的t1。

比率检测部4，检测从上升时刻t0起到将脉搏波进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻t1为止的脉搏波的平均加速度、与从时刻t1起到最大振幅时刻t2为止的脉搏波的平均加速度之间的加速度比率。

脉搏波评价装置1也可以具备脉搏波值检测部10。脉搏波值检测部10检测最大振幅时刻t2的脉搏波的第1值、及进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻t1的脉搏波的第2值。比率检测部4能够基于第1值及第2值的脉搏波值比率，检测加速度比率。

本发明人对各种波形的脉搏波进行了验证的结果可知，正常的脉搏波的加速度比率几乎为1，紊乱的脉搏波的加速度比率为与1不同的值。因此，评价部5基于通过比率检测部4检测到的加速度比率，评价脉搏波。

更具体而言，评价部5，将紊乱的脉搏波除去，并提取未被除去的脉搏波。所提取到的脉搏波，被用于心率的计测、血液循环的评价等。

在t₀～t₁间的脉搏波的平均加速度a₁、t₁的脉搏波的振幅值x(t₁)和t₁的脉搏波对时间的1阶微分值dx(t₁)/dt间，有以下的(1)式的关系成立。

同样地，在t₁～t₂间的脉搏波的平均加速度a₂、和t₁的脉搏波的振幅值x(t₁)、t₂的脉搏波的振幅值x(t₂)和t₁的1阶微分值dx(t₁)间，有以下的(2)式的关系成立。另外，t₂的1阶微分值dx(t₂)为，dx(t₂)＝0。

通过(1)式和(2)式，获得以下的(3)式。

2a₁·x(t₁)＝2a₂·{x(t₁)－x(t₂)}…(3)

使(3)式变形后，t₀～t₁间与t₁～t₂间的脉搏波的平均加速度之间的比率，通过以下的(4)式表示。

根据上述(4)式，t₀～t₁与t₁～t₂间的平均加速度之间的加速度比率AR，能够用(5)式表示。以下，有时也将加速度比率AR简称为比率AR。

a_peak是振幅值x(t₂)，a_mfd是振幅值x(t₁)。系数C0和C1是任意的数值，但系数C1被设定为AR的平均值接近于1。或者，也可以设为系数C0＝0，来设定系数C1。

a_peak和a_mfd是脉搏波的2点间的差分数据，通过取得a_peak与a_mfd的比率，能够抵消来自发光部7的光信号的发光量的变动的影响。

直接检测平均加速度a₁、a₂并不容易，但检测振幅值x(t₁)、x(t₂)，能够比较容易地进行。因此，在本实施方式中，代替直接检测平均加速度来求出加速度比率，而基于(5)式检测比率AR。

这样，比率检测部4，将对将t₂的脉搏波的值a_peak与t₁的脉搏波的值a_mfd之间的脉搏波值比率乘以系数(第1系数)C1而得到的值与系数(第2系数)C0相加而得到的值，作为加速度比率。

比率AR按每1拍而不同，因此认为每个心搏的比率AR如图4所示那样以正态分布而分散。正态分布曲线的总标准偏差比较小，例如小于0.15。即，一旦系数C1确定，无论被检者的活动状态如何，都能够根据比率AR的检测值和正态分布曲线的总平均及总标准偏差的估计值，判定各脉搏波是否紊乱。

各脉搏波是否紊乱的具体的判定方法，例如能够通过以下的步骤进行。要求第i个脉搏波中的比率ARi与第(i－1)个脉搏波中的比率ARi-1的差分，小于系数C2。

|ARi-1－ARi|＜C2…(6)

该(6)式，将相邻的脉搏波的比率AR相似作为条件。

除此之外，能够假定比率AR以正态分布而分散，并将在以总平均为基准的规定范围内包含比率AR作为条件。该条件能够用以下的(7)式表示。

E(AR)－C3＜ARi＜E(AR)+C4…(7)

E(AR)是比率AR的总平均的估计值。系数C3和C4是任意的数值，但也可以是例如总标准偏差的估计值的1/2。

系数C0～C4和E(AR)，能够设定任意的初始值。例如，可以初始设定为C0＝0、C1＝0.5、E(AR)＝1.06、C2＝0.15、C3＝0.15、C4＝0.15。

此时，(5)～(7)式通过以下的(8)～(10)式表示。

ARi＝aipeak/(2.0×aimfd)…(8)

|ARi-1－ARi|＜0.15…(9)

1.06－0.15＜ARi＜1.06+0.15…(10)

假定使脉搏波稳定以使更多的脉搏波的比率Ari满足(9)式和(10)式，之后所检测到的比率AR以正态分布而分散，而估计比率AR的总平均和总标准偏差。使用该估计值，设定E(AR)和C0～C4，基于(6)式和(7)式，可以更正确地按每1拍判定脉搏波是否紊乱。即，开始被检者的脉搏波的计测，在满足(9)式和(10)式的时间点，判定为脉搏波大致稳定。在脉搏波稳定的状态下，视为脉搏波以正态分布而分散，因此能够求出总平均和总标准偏差，由此，也能够求出(6)式和(7)式的总平均的估计值E(AR)和系数C0～C4。因此，之后，基于(6)式和(7)式，最终判断脉搏波是否稳定。

这样，评价部5可以估计对与通过测定部2测定到的多个脉搏波有关的加速度比率的偏差程度进行表示的正态分布曲线的总平均及总标准偏差，并基于所估计出的总平均及总标准偏差，评价脉搏波。更具体而言，评价部5也可以具有：第1判定部，判定与相邻的脉搏波有关的加速度比率的差分是否比规定的阈值小；第2判定部，判定加速度比率是否以总平均为基准被包含于规定的范围内；以及判定评价部，基于第1判定部及第2判定部的判定结果，评价脉搏波。在该情况下，判定评价部，在通过第1判定部未判定为加速度比率的差分小于规定的阈值的情况下、或者在通过第2判定部未判定为加速度比率包含于规定的范围内的情况下，判定为脉搏波紊乱。

图5是表示被检者的脉搏波的一例的图。被检者的脉搏波的波形，根据被检者的活动状态、精神状态，按每1拍而变化。脉搏波评价装置1按每1拍评价被检者的脉搏波是否紊乱。更具体而言，判断脉搏波是否满足上述(5)～(7)式的条件、或者(8)～(10)式的条件，如果满足条件，则判断为脉搏波不紊乱，是正常的。在图5的例子中，多拍量的脉搏波中的、以虚线框包围的2拍量的脉搏是正常的，其他的脉搏是紊乱的。正常的脉搏波为与图3的波形相似的波形。如果连续的2拍量的脉搏波是正常的，则能够根据各脉搏波的峰值间的时间，计算IBI(Inter-Beat Interval，心搏间期)，能够计测心率等。

图6是表示脉搏波评价装置1的处理的流程图。首先，假定为被检者的脉搏波以正态分布而分散，并对脉搏波的总平均的估计值及系数C0～C4进行初始设定(S1)。

接下来，通过测定部2测定被检者的脉搏波(S2)。接下来，对于所测定到的脉搏波的波形，基于(5)式，检测比率AR(S3)。S3的处理按脉搏波的每1拍而进行。接下来，基于在S1中进行初始设定后的值及在S3中检测到的比率AR，估计总平均和总标准偏差(S4)。

接下来，设定为C0＝0，C1＝0.5，E(AR)＝总平均的估计值，C2～C4＝总标准偏差的估计值的1/2(S5)。或者，也可以设定为C0＝0，C1＝0.5，E(AR)＝1.06，C2～C4＝0.15。

接下来，通过测定部2再次测定被检者的脉搏波(S6)。接下来，判定是否满足(6)式和(7)式(S7)。接下来，评价部5基于S7的判定结果，评价脉搏波(S8)。

作为S8的评价的方法，考虑多种。例如也可以将(6)式和(7)式这两者都不满足的脉搏波作为紊乱的脉搏波而除去。或者，也可以将不满足(6)式的脉搏波作为紊乱的脉搏波而除去。或者，也可以将不满足(7)式的脉搏波作为紊乱的脉搏波而除去。

另外，也可以在不估计总平均和总标准偏差，而在例如如E(AR)＝1.06，C2～C4＝0.07那样设定了特定的值的状态下，基于(6)式和(7)式，判定脉搏波是否紊乱。

如图6的流程图所示那样，评价部5按每1拍判定脉搏波是否紊乱，并仅提取不紊乱的脉搏波。在被检者正在进行激烈运动的情况下，脉搏波大幅紊乱，但对于数十个脉搏波，有1～2个程度地存在不紊乱的脉搏波。在本实施方式中，能够可靠地提取不紊乱的脉搏波，因此通过使用所提取到的正常的脉搏波来测定心率、血液循环等，从而能够提高其测定精度。即使脉搏波的大半是紊乱的，如果其中的一部分存在不紊乱的脉搏波，则使用该脉搏波，能够测定被检者的各种生物体信息，因此根据本实施方式，能够高精度地测定被检者的生物体信息。

图7A是表示使用通过脉搏波评价装置1判断为正常(不紊乱)的脉搏波来计测心率而得到的结果的图，图7B是表示在未将紊乱的脉搏波除去的状态下计测心率而得到的结果的图。图7中的横轴，是心率的计测时刻，纵轴是心率(BPM：Beats Per Minute)，对各时刻的心率进行绘图。心率是按每1拍、计算60,000/IBI而得到的结果。

在图7A中心率的偏差较少，与此相对，在图7B中心率大幅偏差，可知心率的测定精度差。在图7B的情况下，脉搏波的波形变动，因此无法正确地估计1阶微分值达到最大的时刻。作为结果，将该时刻作为基准的平均加速度的值也变动，所以心率的测定精度低下。另一方面，本实施方式的情况下，图7A所示那样，能够抑制心率的偏差。在图7A中，作为E(AR)，假定正态分布，为1.06。另外，C1是2.0，C2～C4是总标准偏差的估计值除以2而得到的0.07。

这样，在本实施方式中，在从脉搏波的上升时刻起到最大振幅时刻为止的期间内，基于从上升时刻起到进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻为止的平均加速度、与从进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻起到最大振幅时刻为止的平均加速度之间的加速度比率，评价脉搏波。因此，能够按每1拍简易并且正确地判断脉搏波是否紊乱。

另外，在本实施方式中，使用最大振幅时刻的脉搏波的值与进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻的脉搏波的值之间的比率，检测平均加速度的比率。因此，能够比较容易地计算比率，能够实时地评价每1拍的脉搏波。

根据本实施方式，能够提取正常的脉搏波，因此无论被检者的活动状态、精神状态如何，都能够高精度地测定心率、心搏周期等。

上述的脉搏波评价装置1的至少一部分，可以由硬件构成，也可以由软件构成。在由软件构成的情况下，可以将实现脉搏波评价装置1的至少一部分的功能的程序，收纳于软盘、CD－ROM等的记录介质，并使计算机读取并执行。记录介质不限定于磁盘、光盘等的能够装拆的记录介质，也可以是硬盘装置、存储器等的固定型的记录介质。

另外，也可以经由因特网等的通信线路(也包括无线通信)，来发布实现脉搏波评价装置1的至少一部分的功能的程序。并且，也可以在将该程序加密、或进行调制的、或进行了压缩的状态下，经由因特网等的有线线路、无线线路或者收纳于记录介质中来发布。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，意图不是限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种各样的方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形，包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求书记载的发明及其等同的范围中。

Claims (14)

1.一种脉搏波评价装置，具备：

测定部，测定被检者的脉搏波；

时刻检测部，按照测定到的上述脉搏波的每1拍，检测上述脉搏波的上升时刻、将上述脉搏波以时间进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻及上述脉搏波的最大振幅时刻；

比率检测部，检测从上述上升时刻起到上述进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻为止的平均加速度、与从上述进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻起到上述最大振幅时刻为止的平均加速度之间的加速度比率；以及

评价部，基于上述加速度比率，评价上述脉搏波。

2.如权利要求1所述的脉搏波评价装置，

具备脉搏波值检测部，该脉搏波值检测部检测上述最大振幅时刻的上述脉搏波的第1值、及上述进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻的上述脉搏波的第2值，

上述比率检测部，基于上述第1值及上述第2值的脉搏波值比率，检测上述加速度比率。

3.如权利要求2所述的脉搏波评价装置，

上述比率检测部，以将上述第1值与上述第2值之间的脉搏波值比率乘以第1系数而得到的值加上第2系数后得到的值，作为上述加速度比率。

4.如权利要求1所述的脉搏波评价装置，

上述评价部，估计对与通过上述测定部所测定到的多个脉搏波有关的上述加速度比率的偏差程度进行表示的正态分布曲线的总平均及总标准偏差，并基于所估计出的上述总平均及总标准偏差，评价上述脉搏波。

5.如权利要求4所述的脉搏波评价装置，

上述评价部具有：

第1判定部，判定与通过上述测定部所测定到的相邻的2个脉搏波有关的上述加速度比率的差分是否比规定的阈值小；

第2判定部，判定上述加速度比率是否以上述总平均为基准被包含于规定的范围内；以及

判定评价部，基于上述第1判定部及上述第2判定部的判定结果，评价上述脉搏波。

6.如权利要求5所述的脉搏波评价装置，

上述判定评价部，在通过上述第1判定部未判定为上述加速度比率的差分比上述规定的阈值小的情况下、或者在通过上述第2判定部未判定为上述加速度比率被包含于上述规定的范围内的情况下，判定为上述脉搏波紊乱。

7.如权利要求5所述的脉搏波评价装置，

上述判定评价部，在通过上述第1判定部判定为上述加速度比率的差分比上述规定的阈值小、并且通过上述第2判定部判定为上述加速度比率被包含于上述规定的范围内的情况下，判定为上述脉搏波正常。

8.一种脉搏波评价方法，

通过计算机进行以下步骤：

测定被检者的脉搏波，

按照测定到的上述脉搏波的每1拍，检测上述脉搏波的上升时刻、将上述脉搏波以时间进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻及上述脉搏波的最大振幅时刻，

检测从上述上升时刻起到上述进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻为止的平均加速度、与从上述进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻起到上述最大振幅时刻为止的平均加速度之间的加速度比率，

基于上述加速度比率，评价上述脉搏波。

9.如权利要求8所述的脉搏波评价方法，还具备如下步骤：

检测上述最大振幅时刻的上述脉搏波的第1值、及上述进行1阶微分而得到的值达到最大的时刻的上述脉搏波的第2值，

基于上述第1值及上述第2值的脉搏波值比率，检测上述加速度比率。

10.如权利要求9所述的脉搏波评价方法，

以将上述第1值与上述第2值之间的脉搏波值比率乘以第1系数而得到的值加上第2系数后得到的值，作为上述加速度比率。

11.如权利要求8所述的脉搏波评价方法，还具备如下步骤：

估计对与通过上述测定部所测定到的多个脉搏波有关的上述加速度比率的偏差程度进行表示的正态分布曲线的总平均及总标准偏差，并基于所估计出的上述总平均及总标准偏差，评价上述脉搏波。

12.如权利要求11所述的脉搏波评价方法，还具备如下步骤：

通过第1判定部判定与上述所测定到的相邻的2个脉搏波有关的上述加速度比率的差分是否比规定的阈值小，

通过第2判定部判定上述加速度比率是否以上述总平均为基准被包含在规定的范围内，

基于上述第1判定部及上述第2判定部的判定结果，评价上述脉搏波。

13.如权利要求12所述的脉搏波评价方法，

在通过上述第1判定部未判定为上述加速度比率的差分比上述规定的阈值小的情况下，或者在通过上述第2判定部未判定为上述加速度比率被包含于上述规定的范围内的情况下，判定为上述脉搏波紊乱。

14.如权利要求12所述的脉搏波评价方法，

在通过上述第1判定部判定为上述加速度比率的差分比上述规定的阈值小、并且通过上述第2判定部判定为上述加速度比率被包含于上述规定的范围内的情况下，判定为上述脉搏波是稳定的。

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