JP6603584B2 - 周期波検出装置、周期波検出方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、心電波形または加速度脈波波形からＲ波等の周期波を検出するための周期波検出装置、周期波検出方法およびプログラムに関する。

人体から取得された心電データからＲ波を検出して、Ｒ−Ｒ間隔を測定して周波数解析を行うことによりＬＦ／ＨＦ等の係数やＣＶＲＲ（Coefficient of Variation of R-R intervals：心電図Ｒ−Ｒ間隔変動係数）を算出して、被測定者の自律神経機能を評価する様々な方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

このような自律神経機能の評価を正確に行うためには、心電データからのＲ波の検出を正確に行う必要がある。そのため、心電データからＲ波を正確に検出するための様々な方法が提案されている（例えば、特許文献３、４、５参照。）

特許第４３１３４２４号公報 特許第５４２６５０２号公報 特開２００２−０７８６９５号公報 特開２００３−０００５６１号公報 特開２０１５−１５６９３６号公報

しかし、上述したようなＲ波の検出方法ではある一定の閾値以上のピークをＲ波であると検出しているため、ノイズ等をＲ波として検出してしまうという可能性を否定することができない。

そして、本来Ｒ波でないノイズ等をＲ波として検出してしまうと心電波形から得られる様々な係数が不正確なものになってしまし、自律神経機能の評価を正確に行うことができなくなってしまう。

そこで、本発明の目的は、ノイズ等の波形を検出対象の周期波として検出することなく、心電波形または加速度脈波波形からＲ波等の周期波を正確に検出することが可能な周期波検出装置、周期波検出方法およびプログラムを提供することである。

[周期波検出装置]
上記目的を達成するために、本発明の周期波検出装置は、被測定者から測定された心電波形または加速度脈波波形を、検出対象の周期波が予め設定されたドット数以下で表現されるような圧縮率で時間軸方向に圧縮する圧縮手段と、
前記圧縮手段により時間軸方向に圧縮された心電波形または加速度脈波波形から直線状の波形の高さをそれぞれ検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された波形の高さが予め設定された第１の閾値以上でかつ第２の閾値以下となる範囲内となり、かつ、前記検出手段により検出された波形が予め設定された前記ドット数よりも多いドット連続して前記第１の閾値を超えない場合に、当該波形を検出対象の周期波であると判定する判定手段とを備えている。

本発明では、Ｒ波等の周期波が予め設定されたドット数以下で表現されるような圧縮率で心電波形または加速度脈波波形を時間軸方向に圧縮することにより検出対象の周期波を直線状の波形として、その高さが第１の閾値以上となるものを検出対象の周期波として判定する際に、第２の閾値より大きい波形や３ドット連続して第１の閾値を超えるような波形は検出対象の周期波とは判定せずにノイズであると判定する。

そのため、本発明によれば、心電波形または加速度脈波波形から検出対象の周期波を検出する際に、複雑な処理を必要とせずに、ノイズ等の波形を検出対象の周期波として検出することなくＲ波等の周期波を正確に検出することができる。

また、本発明は、前記判定手段が、前記圧縮手段により時間軸方向に圧縮される前の心電波形または加速度脈波波形において、検出対象の周期波であると判定された波形のピークと当該ピークの所定時間前後の点とを結ぶ角度が予め設定された角度より大きい場合、当該波形を検出対象の周期波ではないと再判定するようにしても良い。

本発明では、波形形状が予め設定された範囲内の波形のみを検出対象の周期波と判定するため、波形の高さが第１の閾値以上で第２の閾値以下の範囲内になるようなノイズ波形についても検出対象の周期波と誤判定することを防ぐことが可能となる。

さらに、本発明では、前記圧縮手段は、被測定者から測定された心電波形または加速度脈波波形を、検出対象の周期波が１ドットまたは２ドットで表現されるような圧縮率で時間軸方向に圧縮し、
前記判定手段は、前記検出手段により検出された波形の高さが予め設定された第１の閾値以上でかつ第２の閾値以下となる範囲内となり、かつ、前記検出手段により検出された波形が３ドット連続して前記第１の閾値を超えない場合に、当該波形を検出対象の周期波であると判定するようにしても良い。

さらに、本発明では、前記検出対象の周期波を心電波形におけるＲ波とするようにしても良い。

[周期波検出方法]
また、本発明の周期波検出方法は、被測定者から測定された心電波形または加速度脈波波形を、検出対象の周期波が予め設定されたドット数以下で表現されるような圧縮率で時間軸方向に圧縮する圧縮ステップと、
前記圧縮ステップにおいて時間軸方向に圧縮された心電波形または加速度脈波波形から直線状の波形の高さをそれぞれ検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおいて検出された波形の高さが予め設定された第１の閾値以上でかつ第２の閾値以下となる範囲内となり、かつ、前記検出手段により検出された波形が予め設定された前記ドット数よりも多いドット連続して前記第１の閾値を超えない場合に、当該波形を検出対象の周期波であると判定する判定ステップとを備えている。

また、本発明は、前記圧縮ステップにおいて時間軸方向に圧縮された心電波形または加速度脈波波形を圧縮される前の元の心電波形に伸長する伸長ステップと、
前記伸長ステップにより伸長された心電波形において、検出対象の周期波であると判定された波形のピークと当該ピークの所定時間前後の点とを結ぶ角度が予め設定された角度より大きい場合、当該波形を検出対象の周期波ではないと再判定する再判定ステップとをさらに備えるようにしても良い。

[プログラム]
また、本発明のプログラムは、被測定者から測定された心電波形または加速度脈波波形を、検出対象の周期波が予め設定されたドット数以下で表現されるような圧縮率で時間軸方向に圧縮する圧縮ステップと、
前記圧縮ステップにおいて時間軸方向に圧縮された心電波形または加速度脈波波形から直線状の波形の高さをそれぞれ検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおいて検出された波形の高さが予め設定された第１の閾値以上でかつ第２の閾値以下となる範囲内となり、かつ、前記検出手段により検出された波形が予め設定された前記ドット数よりも多いドット連続して前記第１の閾値を超えない場合に、当該波形を検出対象の周期波であると判定する判定ステップとをコンピュータに実行させる。

また、本発明は、前記圧縮ステップにおいて時間軸方向に圧縮された心電波形または加速度脈波波形を圧縮される前の元の心電波形に伸長する伸長ステップと、
前記伸長ステップにより伸長された心電波形または加速度脈波波形において、検出対象の周期波であると判定された波形のピークと当該ピークの所定時間前後の点とを結ぶ角度が予め設定された角度より大きい場合、当該波形を検出対象の周期波ではないと再判定する再判定ステップとをさらにコンピュータに実行させるようにしても良い。

以上、説明したように、本発明によれば、ノイズ等の波形をＲ波として検出することなく、心電波形からＲ波を正確に検出することが可能なＲ波検出装置、Ｒ波検出方法およびプログラムを提供することができる。

本発明の一実施形態のＲ波検出装置を含む自律神経機能診断装置の構成を示すブロック図である。 心電データの周波数解析を行う際の心拍変動測定方法を示す図である。 心電データの周波数解析を行う際のスペクトル分析した一例を示す図である。 本発明の一実施形態のＲ波検出部１５におけるＲ波検出処理を説明するためのフローチャートである。 心電データの波形（１０００ｍｓ/１０００ドット）の一例を示す図である。 時間軸方向の圧縮後の心電データの波形（１０００ｍｓ/２０ドット）の一例を示す図である。 図６に示した圧縮後の心電データを模式的に示す図である。 圧縮後の心電データからＲ波を検出する様子を説明する図である。 圧縮後の心電データからＲ波を検出する様子を説明する模式図である。 Ｒ波検出部１５による波形形状による判定処理を説明するための図である。 従来の検出方法によりＲ波を検出した場合の検出結果を模式的に示す図である。 本実施形態による検出方法によりＲ波を検出した場合の検出結果を模式的に示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態のＲ波検出装置を含む自律神経機能診断装置の構成を示すブロック図である。

本実施形態における自律神経機能診断装置は、図１に示されるように、被測定者の心電データを取得するための心電図モニタ１４と、Ｒ波検出部１５と、ＣＶＲＲ算出部１６と、周波数解析部１７と、制御装置１８と、記憶装置２０と、生体情報を表示するための表示装置２２とから構成されている。

心電図モニタ１４は、被診断者の例えば喉元にマイナス電極を、左脇腹にプラス電極を、右脇腹にボディアースをそれぞれ装着し、心臓の動きを電気信号として得て心電データとして記録する。なお、心電図モニタ１４では、被測定者から測定された心電データをデジタル信号に変換して出力するものとする。

Ｒ波検出部１５は、心電図モニタ１４により測定された心電データからＲ波を検出対象の周期波として検出するためのＲ波検出装置である。このＲ波検出部１５がＲ波を検出処理については以下において詳細に説明する。

ＣＶＲＲ算出部１６は、Ｒ波検出部１５によりＲ波が検出されるタイミングに基づいて、ＣＶＲＲ（心電図Ｒ−Ｒ間隔変動係数）を算出する。

ＣＶＲＲとは、心拍変動のばらつき度合いを示す指標であり、心電波形におけるＲ−Ｒ間隔（心電波形のＲ波の頂点の間隔）のばらつき度合いを示す係数である。このＣＶＲＲは、具体的には、下記のような式により算出される。
ＣＶＲＲ＝Ｒ−Ｒ間隔標準偏差／Ｒ−Ｒ間隔平均×１００（％）

ここで、Ｒ−Ｒ間隔標準偏差とは、例えば、６０秒間という所定期間におけるＲ−Ｒ間隔の標準偏差である。また、Ｒ−Ｒ間隔平均とは、例えば、所定期間におけるＲ−Ｒ間隔の平均である。

周波数解析部１７は、心電図モニタ１４により測定された心電データに基づいて心拍変動の周波数解析を行うことにより、高周波成分ＨＦ、低周波成分ＬＦを求め、自律神経活動度の指標となるＬＦ／ＨＦ等の係数を算出する。

周波数解析部１７は、例えば、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、Ｒ波と次のＲ波との間隔をとってＲ−Ｒ間隔を測定し、次に図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）に示すように、測定したＲ-Ｒ間隔データを後方のＲ波の時間的位置にプロットし、これを補間した後に等間隔（図２（Ｃ）の点線）で再サンプリングしたデータを作成することにより行う。

そして、周波数解析部１７は、作成したデータに対してスペクトル分析（周波数変換）を行う。このようにして行われるスペクトル分析の結果の一例を図３に示す。そして、この図３に示したようなスペクトル分析結果から、低周波成分ＬＦおよび高周波成分ＨＦを求める。ここで、低周波成分ＬＦは、０．０４〜０．１５Ｈｚのパワースペクトル成分の積分値である。また、高周波成分ＨＦは、０．１５〜０．４０Ｈｚのパワースペクトル成分の積分値である。そして、ＬＦ／ＨＦについては、得られたＬＦとＨＦとの比を算出することにより得ることができる。

制御装置１８は、例えばコンピュータからなり、ＣＶＲＲ算出部１６により算出されたＣＶＲＲの値や、周波数解析部１７により算出された自律神経活動度指標（ＬＦ、ＨＦ、ＬＦ／ＨＦ等）を処理し、この処理した情報を記憶装置２０に記憶し、あるいは表示装置２２に表示する。

次に、本実施形態の自律神経機能診断装置のＲ波検出部１５におけるＲ波検出処理を図４のフローチャートを参照して詳細に説明する。

まず、Ｒ波検出部１５は、被測定者から測定された心電データの波形を、検出対象の周期波であるＲ波が１ドット（ピクセル）または２ドットで表現されるような圧縮率で時間軸方向に圧縮する（ステップＳ１０１）。

例えば、心電データの波形が図５に示すように１０００ｍｓを１０００ドット（ピクセル）で表現するようなデータである場合について説明する。

ここで、Ｒ波の幅は一般的に１００ｍｓ未満となっている。そのため、１０００ｍｓを１０００ドットで表現したデータを、１０００ｍｓが２０ドット（圧縮率５０）〜１０（圧縮率１００）ドットで表現されたデータに変換することにより、Ｒ波は１ドットまたは２ドットで表現されることになる。

図５に示したような心電データを１０００ｍｓが２０ドットで表現されたデータに変換した場合の一例を図６に示す。

図６を参照すると分かるように、Ｒ波は１ドットまたは２ドットで表現された直線状の波形となっていることが分かる。

この図６に示した圧縮後の心電データの模式図を図７に示す。図７を参照すると、緩やかに変化している基線上に直線状のＲ波が１ドットまたは２ドットの波形として表れているのが分かる。

そして、次に、Ｒ波検出部１５は、時間軸方向に圧縮されたこのような心電波形データから直線状の波形の高さをそれぞれ測定する（ステップＳ１０２）。

そして、Ｒ波検出部１５は、測定された波形の高さが予め設定されたＲ波検出閾値（第１の閾値）以上でかつノイズ検出閾値（第２の閾値）以下となる範囲内に収まる波形をＲ波として検出する（ステップＳ１０３）。ただし、この際にＲ波検出部１５は、測定された波形が３ドット連続してＲ波検出閾値を超えた場合には、その波形はノイズ波形であると判定して当該波形は検出対象の周期波であるＲ波ではないと判定する。

つまり、Ｒ波であれば心電データを時間軸方向に圧縮したことにより最大で２ドットの幅としかならないため、３ドット幅となった波形はノイズ波形であると判定するようにしている。

このようにしてＲ波を検出する様子を図８、図９を参照して説明する。

図８（Ａ）は、圧縮後の心電データにおいてＲ波として検出された波形に丸印を設けたものである。また、図８（Ｂ）は、直線状となった波形の高さを測定してノイズ検出閾値、Ｒ波検出閾値と比較した様子を示す図である。なお、図８（Ｂ）において高さを表した線において他の線よりも濃い濃度で表示されている線は３ドット以上連続してＲ波検出閾値を超えたことによりＲ波ではなくノイズ波形であると判定されたものを示している。

また、図９は、図８（Ｂ）に示した図を模式的に示すことによりＲ波検出の様子を説明するための模式図である。

図９を参照すると、例えば、波形９１は、ノイズ検出閾値を超えたことによりノイズ波形であると判定され、波形９２については３ドット連続してＲ波検出閾値を超えたことによりノイズ波形であると判定された場合が示されている。

次に、Ｒ波検出部１５は、ステップＳ１０１の圧縮ステップにおいて時間軸方向に圧縮された心電波形データを圧縮される前の元の心電波形データに伸長する（ステップＳ１０４）。

そして、Ｒ波検出部１５は、時間軸方向に圧縮される前の心電波形データ対して、Ｒ波であると判定された波形の波形形状が所定範囲内であるか否かを確認することによりその波形が本当にＲ波であるか否かを再判定する（ステップＳ１０５）。具体的には、Ｒ波検出部１５は、ステップＳ１０３においてＲ波であると判定された場合でも、その波形形状が所定範囲内に収まらない場合には、その波形をＲ波から排除する。

例えば、Ｒ波検出部１５は、Ｒ波として判定された波形のピークと当該ピークの所定時間（例えば３０ｍｓ）前後の点とを結ぶ角度が予め設定された角度（例えば２５°）より大きい場合、当該波形をＲ波ではないと再判定する。

このＲ波検出部１５による波形形状による判定処理を図１０を参照して説明する。

図１０を参照すると、Ｒ波であると判定された波形のピークから３０ｍｓ前後の点を特定し、ピークからそれぞれの点を結んだ直線の角度θ₁、θ₂の両方がともに２５°以下の場合にはその波形はＲ波であると判定し、角度θ₁、θ₂のいずれか一方が２５°より大きい場合には、その波形はＲ波ではなくノイズであると判定する様子が示されている。

このように本実施形態におけるＲ波検出部１５によれば、単に検出された波形のレベルが所定値以上であると判定するような検出方法でＲ波を検出するような方法と比較して、より高い精度でＲ波を検出することが可能となる。

例えば、このような従来の検出方法によりＲ波を検出した場合の検出結果を図１１に模式的に示す。この図１１に示した検出結果では、ノイズ波形９３、９４がＲ波であると誤検出されているのがわかる。

次に、この図１１に示した心電波形を本実施形態のＲ波検出部１５により検出した場合の検出結果を図１２に模式的に示す。

図１２を参照すると、ノイズ波形９３は、波形の幅がＲ波よりも広いことにより時間軸方向に圧縮したとしても３ドット以上連続してＲ波検出閾値を超えたことによりノイズ波形であると判定されているのが分かる。または、図１０に示したような波形形状による判定により、波形のピークとその３０ｍｓ前後の点とを結ぶ線と垂線により構成される角度が２５°より大きくなったことによりノイズ波形であると判定されている。

そして、ノイズ波形９４については、波形の高さがノイズ検出閾値を超えたことによりノイズ波形であると判定され、Ｒ波であるとは判定されていないのが分かる。

なお、上記の図１１、図１２は、本実施形態のＲ波検出方法の動作を説明するために作成した模式図であり、実際の測定データではない。

このように本実施形態によれば、ノイズ等の波形をＲ波として検出することなく、心電波形データまたは脈波波形データからＲ波を正確に検出することが可能になる。

なお、本実施形態では、Ｒ波検出部１５は、心電波形を、Ｒ波が１ドットまたは２ドットで表現されるような圧縮率で時間軸方向に圧縮する場合を用いて説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。Ｒ波検出部１５が、１ドットまたは２ドットで表現されるような圧縮率で心電波形を時間軸方向に圧縮するようにすれば、本発明は同様に適用可能である。

このような構成とした場合には、Ｒ波検出部１５は、検出された波形の高さが予め設定されたＲ波検出閾値以上でかつノイズ検出閾値以下となる範囲内となり、かつ、検出された波形が予め設定された上記のドット数よりも多いドット連続してＲ波検出閾値を超えない場合に、その波形をＲ波であると判定するようにすれば良い。

[その他]
なお、上記の実施形態では、心電データからＲ波を検出するためのＲ波検出装置に対して本発明を適用した場合を用いて説明しているが、本発明はこのような場合に限定されるものではない。本発明は、波形データからＲ波以外の特定の周期波を検出する場合でも適用可能である。例えば、指先容積脈波等の脈波データを２階微分することにより得られる加速度脈波におけるピーク値を求めて、このピーク値の間隔であるａ−ａ間隔を求めるような場合にも本発明は適用可能である。

１４ 心電図モニタ
１５ Ｒ波検出部
１６ ＣＶＲＲ算出部
１７ 周波数解析部
１８ 制御装置
２０ 記憶部
２２ 表示装置
９１、９２ 波形
９３、９４ ノイズ波形

Claims (7)

1. 被測定者から測定された心電波形または加速度脈波波形を、１０００ｍｓが２０ドット〜１０ドットの範囲で表現されるような圧縮率で時間軸方向に圧縮する圧縮手段と、
   前記圧縮手段により時間軸方向に圧縮された心電波形または加速度脈波波形から直線状の波形の高さをそれぞれ検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された波形の高さが予め設定された第１の閾値以上でかつ第２の閾値以下となる範囲内となり、かつ、前記検出手段により検出された波形が３ドット連続して前記第１の閾値を超えない場合に、当該波形を検出対象の周期波であると判定し、前記検出手段により検出された波形の高さが前記第１の閾値未満であるか前記第２の閾値を超えるかいずれかの場合、または、前記検出手段により検出された波形が３ドット連続して前記第１の閾値を超えた場合に、当該波形を検出対象の周期波ではないノイズ波であると判定する判定手段と、
   を備えた周期波検出装置。
2. 前記判定手段は、前記圧縮手段により時間軸方向に圧縮される前の心電波形または加速度脈波波形において、検出対象の周期波であると判定された波形のピークと当該ピークの所定時間前後の点とを結ぶ角度が予め設定された角度より大きい場合、当該波形を検出対象の周期波ではないノイズ波であると再判定する請求項１記載の周期波検出装置。
3. 前記検出対象の周期波が、心電波形におけるＲ波である請求項１又は２記載の周期波検出装置。
4. 被測定者から測定された心電波形または加速度脈波波形を、１０００ｍｓが２０ドット〜１０ドットの範囲で表現されるような圧縮率で時間軸方向に圧縮する圧縮ステップと、
   前記圧縮ステップにおいて時間軸方向に圧縮された心電波形または加速度脈波波形から直線状の波形の高さをそれぞれ検出する検出ステップと、
   前記検出ステップにおいて検出された波形の高さが予め設定された第１の閾値以上でかつ第２の閾値以下となる範囲内となり、かつ、前記検出ステップにおいて検出された波形が３ドット連続して前記第１の閾値を超えない場合に、当該波形を検出対象の周期波であると判定し、前記検出ステップにおいて検出された波形の高さが前記第１の閾値未満であるか前記第２の閾値を超えるかいずれかの場合、または、前記検出ステップにおいて検出された波形が３ドット連続して前記第１の閾値を超えた場合に、当該波形を検出対象の周期波ではないノイズ波であると判定する判定ステップと、
   を周期波検出装置において実行することにより心電波形または加速度脈波波形から周期波を検出する周期波検出方法。
5. 前記圧縮ステップにおいて時間軸方向に圧縮された心電波形または加速度脈波波形を圧縮される前の元の心電波形に伸長する伸長ステップと、
   前記伸長ステップにより伸長された心電波形において、検出対象の周期波であると判定された波形のピークと当該ピークの所定時間前後の点とを結ぶ角度が予め設定された角度より大きい場合、当該波形を検出対象の周期波ではないノイズ波であると再判定する再判定ステップと、
   をさらに前記周期波検出装置において実行する請求項４記載の周期波検出方法。
6. 被測定者から測定された心電波形または加速度脈波波形を、１０００ｍｓが２０ドット〜１０ドットの範囲で表現されるような圧縮率で時間軸方向に圧縮する圧縮ステップと、
   前記圧縮ステップにおいて時間軸方向に圧縮された心電波形または加速度脈波波形から直線状の波形の高さをそれぞれ検出する検出ステップと、
   前記検出ステップにおいて検出された波形の高さが予め設定された第１の閾値以上でかつ第２の閾値以下となる範囲内となり、かつ、前記検出ステップにおいて検出された波形が３ドット連続して前記第１の閾値を超えない場合に、当該波形を検出対象の周期波であると判定し、前記検出ステップにおいて検出された波形の高さが前記第１の閾値未満であるか前記第２の閾値を超えるかいずれかの場合、または、前記検出ステップにおいて検出された波形が３ドット連続して前記第１の閾値を超えた場合に、当該波形を検出対象の周期波ではないノイズ波であると判定する判定ステップとをコンピュータに実行させるためのプログラム。
7. 前記圧縮ステップにおいて時間軸方向に圧縮された心電波形または加速度脈波波形を圧縮される前の元の心電波形に伸長する伸長ステップと、
   前記伸長ステップにより伸長された心電波形または加速度脈波波形において、検出対象の周期波であると判定された波形のピークと当該ピークの所定時間前後の点とを結ぶ角度が予め設定された角度より大きい場合、当該波形を検出対象の周期波ではないノイズ波であると再判定する再判定ステップとをさらにコンピュータに実行させる請求項６記載のプログラム。