JPH11128185A - Heart rate variability analysis method and apparatus - Google Patents
Heart rate variability analysis method and apparatusInfo
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- JPH11128185A JPH11128185A JP9301120A JP30112097A JPH11128185A JP H11128185 A JPH11128185 A JP H11128185A JP 9301120 A JP9301120 A JP 9301120A JP 30112097 A JP30112097 A JP 30112097A JP H11128185 A JPH11128185 A JP H11128185A
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- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 非定常信号である心拍変動に含まれる周波数
成分のパワーを高い時間分解能で求めることである。
【解決手段】 心拍間隔算出部102は、生体信号計測
部101で計測された生体信号から心拍間隔を求めるこ
とにより、時間的に不等間隔の心拍間隔時系列データを
得る。等間隔データ生成部103は、時間的に不当間隔
の心拍間隔時系列データを補間および再サンプリングす
ることにより、時間的に等間隔の心拍間隔時系列データ
を生成する。離散2進ウェーブレット変換部104は、
時間的に等間隔の心拍間隔時系列データを、離散2進ウ
ェーブレット変換により複数の周波数帯域のウェーブレ
ット係数に分割する。各パワー算出部105a〜105
fは、それぞれの周波数帯域に対応する最小時間解像度
の区間毎に、ウェーブレット係数の絶対値の最大値の二
乗の1/2を当該区間のパワーとして算出する。これに
よって、心拍変動に含まれる周波数成分のパワーの時間
変動が求められる。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To obtain the power of frequency components included in heart rate variability, which is an unsteady signal, with high time resolution. A heartbeat interval calculation unit obtains heartbeat intervals from biological signals measured by a biological signal measurement unit, thereby obtaining time-series heartbeat interval data that are unequally spaced in time. The equal-interval data generation unit 103 generates temporally-equivalent heartbeat-interval time-series data by interpolating and resampling the temporally incorrect heartbeat-interval time-series data. The discrete binary wavelet transform unit 104
The heartbeat interval time-series data at equal intervals in time is divided into wavelet coefficients in a plurality of frequency bands by discrete binary wavelet transform. Each power calculation unit 105a to 105
f calculates, for each section of the minimum time resolution corresponding to each frequency band, 1/2 of the square of the maximum value of the absolute value of the wavelet coefficient as the power of the section. Thus, the time variation of the power of the frequency component included in the heart rate variation is obtained.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、心拍変動解析方法
および装置に関し、より特定的には、自律神経機能の検
査やストレスの評価に用いることが可能な心拍変動解析
方法および装置に関する。The present invention relates to a method and apparatus for analyzing heart rate variability, and more particularly to a method and apparatus for analyzing heart rate variability that can be used for testing autonomic nervous function and evaluating stress.
【0002】[0002]
【従来の技術】周知のごとく、心臓は、交感神経と副交
感神経の両自律神経によって拮抗的に支配されている。
交感神経は促進的に作用して身体をより活動的な状態に
し、逆に、副交感神経は抑制的に作用して身体をよりリ
ラックスした状態にする。また、これらの自律神経の活
動は、精神活動とも深い関わりがある。2. Description of the Related Art As is well known, the heart is antagonistically controlled by both autonomic nerves, sympathetic nerves and parasympathetic nerves.
Sympathetic nerves act in a stimulatory manner to make the body more active, while parasympathetic nerves act in a depressing way to make the body more relaxed. In addition, these activities of the autonomic nervous system are closely related to mental activities.
【0003】心拍変動を周波数解析すると、二つの主要
な周波数成分が観察される。一つは低周波(LF:0.
04〜0.15Hz)成分であり、これは主に交感神経
と副交感神経の活動状態を反映する。もう一つは高周波
(HF:0.15〜0.45Hz)成分であり、これは
主に副交感神経の活動状態を反映する。また、LF/H
Fは、交感神経の活動状態の指標として提唱されてい
る。従って、これらの周波数成分のパワーは、自律神経
機能の検査(「循環器疾患と自律神経機能」医学書院を
参照)や精神的ストレスの評価(特開平4─54940
号公報を参照)等に利用されている。[0003] When frequency analysis of heart rate variability, two main frequency components are observed. One is low frequency (LF: 0.
04-0.15 Hz), which mainly reflects the activity of the sympathetic and parasympathetic nerves. The other is a high frequency (HF: 0.15 to 0.45 Hz) component, which mainly reflects the activity state of the parasympathetic nerve. LF / H
F has been proposed as an indicator of sympathetic activity. Therefore, the power of these frequency components can be determined by examining autonomic nervous function (see “Circulatory Disease and Autonomic Nervous Function”, Medical School) and evaluating mental stress (Japanese Patent Laid-Open No. 54940/1990).
No. 1).
【0004】図3は、心電図R波を用いて心拍間隔時系
列データを求める方法を説明するための図である。図1
4は、従来の心拍変動解析方法により、周波数成分のパ
ワーを求める方法を説明するための図である。以下、図
3および図14を参照して、心拍変動の各周波数成分の
パワーを求めるための従来の方法について説明する。FIG. 3 is a view for explaining a method for obtaining heartbeat interval time series data using an electrocardiogram R wave. FIG.
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of obtaining the power of the frequency component by the conventional heart rate variability analysis method. Hereinafter, a conventional method for obtaining the power of each frequency component of heart rate variability will be described with reference to FIGS.
【0005】まず、図3(1)に示すように、R波の発
生した時刻を検出し、心拍間隔(以下、RRIと略称す
る)を測定する。次に、図3(2)に示すように、各R
RIデータを後方のR波の時間的位置にプロットする。
次に、図3(3)に示すように、プロットされた各RR
Iの間を補間し、等間隔で再サンプリングすることによ
り、時間的に等間隔の心拍間隔時系列データを生成す
る。First, as shown in FIG. 3A, a time at which an R wave is generated is detected, and a heartbeat interval (hereinafter, abbreviated as RRI) is measured. Next, as shown in FIG.
The RI data is plotted at the temporal position of the rear R wave.
Next, as shown in FIG. 3 (3), each plotted RR
By interpolating between I and resampling at equal intervals, time-series heartbeat interval time-series data is generated at equal intervals in time.
【0006】図14(1)は、上記のようにして生成し
た時間的に等間隔の心拍間隔時系列データを示してお
り、このデータを図示のごとく一定の区間だけ切り出し
てFFT(高速フーリエ変換)またはAR(自己回帰モ
デル)等の周波数解析によりLF成分、HF成分のパワ
ーを求める。図14(2)は、FFTにより求めたパワ
ースペクトル密度を示している。この場合、LF成分、
HF成分のパワーは、それぞれに対応する周波数領域の
パワースペクトル密度を積分して求める。FIG. 14A shows time series data of heartbeat intervals generated at the same time intervals as described above, and this data is cut out in a fixed section as shown in the figure to obtain an FFT (Fast Fourier Transform). ) Or the power of the LF component and the HF component is obtained by frequency analysis such as AR (autoregressive model). FIG. 14 (2) shows the power spectrum density obtained by the FFT. In this case, the LF component,
The power of the HF component is obtained by integrating the power spectrum density in the corresponding frequency domain.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、FFT
やARを用いた従来の解析手法は、対象とする時系列デ
ータが定常性を有していること(周波数成分が急激に変
化しないこと)を前提としており、各周波数成分のパワ
ーも切り出した区間内の平均値を推定しているに過ぎな
い。そのため、切り出した区間内の各周波数成分のパワ
ーの変動まで調べることはできない。切り出す区間を短
くしたり、切り出す区間を少しずつずらして分析する方
法も試みられているが、最低でも1,2分程度のデータ
が必要であり、急速な自律神経反応を高い時間分解能で
捕らえることには限界がある。SUMMARY OF THE INVENTION However, FFT
And the conventional analysis method using AR presupposes that the time-series data to be processed has a stationarity (frequency components do not change abruptly), and the power of each frequency component is also cut out. It only estimates the average of For this reason, it is not possible to check the fluctuation of the power of each frequency component in the cut section. There have been attempts to shorten the section to be cut out or analyze the section to be cut out little by little, but at least about 1 or 2 minutes of data is required, and it is necessary to capture rapid autonomic nervous reaction with high time resolution. Has limitations.
【0008】そこで、自律神経の時間的な変化を捉える
方法として、従来の定常状態の解析手法ではなく、非定
常状態の解析手法であるウェーブレット変換を用いるこ
とが考えられる。離散ウェーブレット変換は、例えば東
京電機大学出版局から1995年5月20日に発行され
た榊原進著の「ウェーブレットビギナーズガイド」に示
されているように、時間周波数解析手法であり、入力信
号波形を複数の周波数帯域のウェーブレット係数に分割
することができる。離散ウェーブレット変換では、各周
波数帯域毎に異なる時間解像度を有している。すなわ
ち、離散ウェーブレット変換では、周波数帯域が高くな
るほど最小時間解像度が高くなっている。この離散ウェ
ーブレット変換は、信号の雑音除去や画像圧縮に利用さ
れている。Therefore, as a method for capturing temporal changes in the autonomic nerves, it is conceivable to use a wavelet transform, which is a non-stationary state analysis method, instead of the conventional steady state analysis method. The discrete wavelet transform is a time-frequency analysis method as shown in, for example, "Wavelet Beginner's Guide" by Susumu Sakakibara published by Tokyo Denki University Press on May 20, 1995. It can be divided into wavelet coefficients of a plurality of frequency bands. In the discrete wavelet transform, each frequency band has a different time resolution. That is, in the discrete wavelet transform, the higher the frequency band, the higher the minimum time resolution. This discrete wavelet transform is used for signal noise removal and image compression.
【0009】以下には、離散ウェーブレット変換を用い
て心拍変動の各周波数成分のパワーを求める方法につい
て考察してみる。離散ウェーブレット変換は、図15に
示すような離散時間高域通過フィルタ、離散時間低域通
過フィルタ、ダウンサンプラから成るフィルタバンクを
用いて実現され、ディジタル信号S0 (n)を複数の周
波数帯域のウェーブレット係数に分割することができ
る。図15は、6つの周波数帯域D1 ,D2 ,D3 ,D
4 ,D5 ,D6 に分割する場合のフィルタバンクの構成
例を示している。このようにして得られた各周波数帯域
のウェーブレット係数は、それぞれの周波数に応じて最
小の時間解像度で求められている。従って、心拍間隔時
系列データをこのフィルタバンクに入力し、離散ウェー
ブレット変換により複数の周波数帯域のウェーブレット
係数に分割し、このウェーブレット係数を二乗すること
で、分割した各周波数帯域のパワーを計算することがで
きる。In the following, a method of obtaining the power of each frequency component of heart rate variability using the discrete wavelet transform will be considered. The discrete wavelet transform is realized using a filter bank including a discrete time high-pass filter, a discrete time low-pass filter, and a downsampler as shown in FIG. 15, and converts the digital signal S 0 (n) into a plurality of frequency bands. It can be divided into wavelet coefficients. FIG. 15 shows six frequency bands D 1 , D 2 , D 3 , D
4 shows a configuration example of a filter bank in the case of dividing the D 5, D 6. The wavelet coefficients of each frequency band obtained in this manner are obtained with the minimum time resolution according to each frequency. Therefore, the heartbeat interval time series data is input to this filter bank, divided into wavelet coefficients of a plurality of frequency bands by discrete wavelet transform, and the power of each divided frequency band is calculated by squaring the wavelet coefficients. Can be.
【0010】図16は、周波数0.2Hzのsin波を
5Hzでサンプリングしたディジタル信号を、上記の離
散ウェーブレット変換方法を用いて解析した場合の結果
を示している。入力ディジタル信号が5Hzの場合、離
散ウェーブレット変換により分割したウェーブレット係
数の各周波数帯域は、以下のようになる。 D1 :1.25〜2.5Hz D2 :0.625〜1.25Hz D3 :0.3125〜0.625Hz D4 :0.15625〜0.3125Hz D5 :0.07812〜0.15625Hz D6 :0.03906〜0.07812HzFIG. 16 shows a result obtained by analyzing a digital signal obtained by sampling a sin wave having a frequency of 0.2 Hz at 5 Hz using the discrete wavelet transform method. When the input digital signal is 5 Hz, each frequency band of the wavelet coefficient divided by the discrete wavelet transform is as follows. D 1: 1.25~2.5Hz D 2: 0.625~1.25Hz D 3: 0.3125~0.625Hz D 4: 0.15625~0.3125Hz D 5: 0.07812~0.15625Hz D 6: 0.03906~0.07812Hz
【0011】図16を参照すると、入力信号の周波数
0.2Hzに対応するD4 の周波数帯域に大きなパワー
が現れているが、パワーの値は時間と共に変動している
ことがわかる。入力信号は、振幅,周波数共に一定のs
in波であるので、本来、時間方向にも一定のパワーが
現れるべきである。しかしながら、離散ウェーブレット
変換の各周波数帯域におけるウェーブレット係数には、
各周波数帯域の時間解像度に応じた時間間隔での入力信
号の振幅値が反映されるため、各周波数帯域での時間間
隔と入力信号との位相がずれている場合、パワーの値は
このように時間的に変動してしまい、入力信号のパワー
を正確に求めることができない。Referring to FIG. 16, but a large power to the frequency band of the D 4 corresponding to the frequency 0.2Hz input signal appearing, the value of the power it can be seen that the variation with time. The input signal has a constant amplitude and frequency s.
Since it is an in-wave, a constant power should appear in the time direction. However, the wavelet coefficients in each frequency band of the discrete wavelet transform include:
Since the amplitude value of the input signal at the time interval corresponding to the time resolution of each frequency band is reflected, if the time interval at each frequency band and the phase of the input signal are shifted, the power value will be It fluctuates with time, and the power of the input signal cannot be obtained accurately.
【0012】図17は、周波数が時間に比例して高くな
るsin波を5Hzでサンプリングしたディジタル信号
を、上記の離散ウェーブレット変換方法を用いて解析し
た場合の結果を示している。入力信号の周波数が連続的
に変化して高くなっていくのに伴い、各周波数帯域のパ
ワーの値も低い周波数帯域のD6 から高い周波数帯域の
D1 へ滑らかに変化していかなければならないが、図示
のごとく、解析結果は滑らかな変動を示さない。このよ
うに、離散ウェーブレット変換を用いた場合、入力信号
に含まれる周波数成分のパワーを正確に求めることがで
きない。FIG. 17 shows a result obtained by analyzing a digital signal obtained by sampling a sine wave whose frequency increases in proportion to time at 5 Hz using the discrete wavelet transform method. Along with the frequency of the input signal becomes higher continuously changing, it must be smoothly changed to D 1 of the higher frequency band from the D 6 values even lower frequency band power of each frequency band However, as shown, the analysis result does not show a smooth variation. As described above, when the discrete wavelet transform is used, the power of the frequency component included in the input signal cannot be accurately obtained.
【0013】それ故に、本発明の目的は、自律神経の時
間的な変化を高い時間分解能で捉えることができ、か
つ、各周波数成分のパワーを正確に求めることができる
心拍変動の解析方法および装置を提供することである。[0013] Therefore, an object of the present invention is to provide a method and apparatus for analyzing heart rate variability in which temporal changes in autonomic nerves can be captured with high temporal resolution and the power of each frequency component can be accurately obtained. It is to provide.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段および発明の効果】第1の
発明は、心拍の変動を電気的に検出して解析する方法で
あって、心拍に関連する生体信号を計測する第1のステ
ップと、第1のステップで計測された生体信号に基づい
て心拍間隔を検出する第2のステップと、第2のステッ
プで検出された心拍間隔から得られる時間的に不等間隔
の心拍間隔時系列データを補間することにより、時間的
に等間隔の心拍間隔時系列データを生成する第3のステ
ップと、第3のステップで生成された時間的に等間隔の
心拍間隔時系列データを、離散2進ウェーブレット変換
により、複数の周波数帯域毎のウェーブレット係数に分
割する第4のステップと、複数の周波数帯域のそれぞれ
において、その周波数帯域での最小時間解像度に相当す
る時間区間毎に、各時間区間で得られる複数のウェーブ
レット係数を参照して各時間区間における周波数成分の
パワーを算出することにより、心拍変動に含まれる周波
数成分のパワーの時間変動を求める第5のステップとを
備えている。Means for Solving the Problems and Effects of the Invention A first invention is a method for electrically detecting and analyzing heartbeat fluctuations, comprising a first step of measuring a biological signal related to the heartbeat. A second step of detecting a heartbeat interval based on the biological signal measured in the first step, and temporally unequally spaced heartbeat interval time-series data obtained from the heartbeat interval detected in the second step A third step of generating time-series heartbeat interval time-series data at the same time interval by interpolation, and converting the time-series heartbeat interval time-series data at the same time interval generated in the third step to discrete binary A fourth step of dividing into wavelet coefficients for each of a plurality of frequency bands by a wavelet transform, and in each of the plurality of frequency bands, for each time section corresponding to the minimum time resolution in the frequency band, A fifth step of calculating the time variation of the power of the frequency component included in the heart rate variation by calculating the power of the frequency component in each time interval with reference to a plurality of wavelet coefficients obtained in the time interval. .
【0015】上記のように、第1の発明によれば、非定
常信号の解析手法である離散2進ウェーブレット変換を
適用し、各周波数帯域において、各時間区間にそれぞれ
複数個ずつ存在するウェーブレット係数から各時間区間
のパワーを算出するようにしているので、各周波数帯域
において時間区間の間隔と入力信号との位相がずれてい
ても、入力信号のパワーを正確に求めることができ、急
速な自律神経反応を高い時間分解能で捉えることが可能
となる。As described above, according to the first aspect of the present invention, a discrete binary wavelet transform, which is a technique for analyzing a non-stationary signal, is applied, and in each frequency band, a plurality of wavelet coefficients existing in each time section are provided. , The power of each time interval is calculated, so that even if the interval between the time intervals and the phase of the input signal are shifted in each frequency band, the power of the input signal can be obtained accurately, and rapid autonomous It becomes possible to capture neural responses with high temporal resolution.
【0016】第2の発明は、第1の発明において、第5
のステップは、各時間区間で得られる複数のウェーブレ
ット係数の絶対値の最大値の二乗の1/2を各時間区間
におけるパワーとして算出することを特徴とする。According to a second aspect, in the first aspect, the fifth aspect is provided.
Is characterized in that half of the square of the maximum value of the absolute values of the plurality of wavelet coefficients obtained in each time interval is calculated as the power in each time interval.
【0017】上記のように、第2の発明によれば、各時
間区間で得られる複数のウェーブレット係数の絶対値の
最大値の二乗の1/2を各時間区間におけるパワーとし
て算出するようにしているので、特に、入力信号がsi
n波の波形に近い場合に有効である。As described above, according to the second aspect, 1/2 of the square of the maximum value of the absolute value of the plurality of wavelet coefficients obtained in each time interval is calculated as the power in each time interval. In particular, the input signal is si
This is effective when the waveform is close to an n-wave waveform.
【0018】第3の発明は、第1の発明において、第5
のステップは、各時間区間で得られる複数のウェーブレ
ット係数の二乗の平均値を各時間区間におけるパワーと
して算出することを特徴とする。According to a third aspect, in the first aspect, the fifth aspect is provided.
Is characterized in that an average value of squares of a plurality of wavelet coefficients obtained in each time section is calculated as power in each time section.
【0019】上記のように、第3の発明によれば、各時
間区間で得られる複数のウェーブレット係数の二乗の平
均値を各時間区間におけるパワーとして算出するように
しているので、特に、入力信号がsin波の波形と異な
る場合に有効である。As described above, according to the third aspect, the average value of the square of a plurality of wavelet coefficients obtained in each time interval is calculated as the power in each time interval. Is different from the waveform of the sine wave.
【0020】第4の発明は、心拍の変動を電気的に検出
して解析する装置であって、心拍に関連する生体信号を
計測する生体信号計測手段と、生体信号計測手段で得ら
れたデータから心拍間隔を求める心拍間隔算出手段と、
心拍間隔算出手段によって求められた時間的に不等間隔
の心拍間隔時系列データを補間することにより、時間的
に等間隔の心拍間隔時系列データを生成する等間隔デー
タ生成手段と、等間隔データ生成手段により得られた時
間的に等間隔の心拍間隔時系列データを離散2進ウェー
ブレット変換し、複数の周波数帯域のウェーブレット係
数に分割する離散2進ウェーブレット変換手段と、複数
の周波数帯域のそれぞれにおいて、その周波数帯域での
最小時間解像度に相当する時間区間毎に、各時間区間で
得られる複数のウェーブレット係数を参照して各時間区
間における周波数成分のパワーを算出することにより、
心拍変動に含まれる周波数成分のパワーの時間変動を求
めるパワー算出手段とを備えている。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an apparatus for electrically detecting and analyzing heartbeat fluctuations, comprising a biological signal measuring means for measuring a biological signal related to the heartbeat, and data obtained by the biological signal measuring means. Heartbeat interval calculation means for obtaining a heartbeat interval from
Equal interval data generating means for generating temporally equal heart rate interval time series data by interpolating temporally non-equidistant heart rate interval time series data obtained by the heart rate interval calculating means; Discrete binary wavelet transforming means for performing discrete binary wavelet transform on the time-series heartbeat interval time series data obtained by the generating means and dividing the data into wavelet coefficients in a plurality of frequency bands; By calculating the power of the frequency component in each time section with reference to a plurality of wavelet coefficients obtained in each time section for each time section corresponding to the minimum time resolution in the frequency band,
Power calculation means for calculating a time variation of the power of the frequency component included in the heartbeat variation.
【0021】上記のように、第4の発明によれば、非定
常信号の解析手法である離散2進ウェーブレット変換を
適用し、各周波数帯域において、各時間区間にそれぞれ
複数個ずつ存在するウェーブレット係数から各時間区間
のパワーを算出するようにしているので、各周波数帯域
において時間区間の間隔と入力信号との位相がずれてい
ても、入力信号のパワーを正確に求めることができ、急
速な自律神経反応を高い時間分解能で捉えることが可能
となる。As described above, according to the fourth aspect, the discrete binary wavelet transform, which is a technique for analyzing a non-stationary signal, is applied, and in each frequency band, a plurality of wavelet coefficients existing in each time section are provided. , The power of each time interval is calculated, so that even if the interval between the time intervals and the phase of the input signal are shifted in each frequency band, the power of the input signal can be obtained accurately, and rapid autonomous It becomes possible to capture neural responses with high temporal resolution.
【0022】第5の発明は、第4の発明において、パワ
ー算出手段は、各時間区間で得られる複数のウェーブレ
ット係数の絶対値の最大値の二乗の1/2を各時間区間
におけるパワーとして算出することを特徴とする。In a fifth aspect based on the fourth aspect, the power calculating means calculates half of the square of the maximum value of the absolute values of the plurality of wavelet coefficients obtained in each time interval as power in each time interval. It is characterized by doing.
【0023】上記のように、第5の発明によれば、各時
間区間で得られる複数のウェーブレット係数の絶対値の
最大値の二乗の1/2を各時間区間におけるパワーとし
て算出するようにしているので、特に、入力信号がsi
n波の波形に近い場合に有効である。As described above, according to the fifth aspect, 1/2 of the square of the maximum value of the absolute value of the plurality of wavelet coefficients obtained in each time interval is calculated as the power in each time interval. In particular, the input signal is si
This is effective when the waveform is close to an n-wave waveform.
【0024】第6の発明は、第4の発明において、パワ
ー算出手段は、各時間区間で得られる複数のウェーブレ
ット係数の二乗の平均値を各時間区間におけるパワーと
して算出することを特徴とする。In a sixth aspect based on the fourth aspect, the power calculation means calculates an average value of squares of a plurality of wavelet coefficients obtained in each time section as power in each time section.
【0025】上記のように、第6の発明によれば、各時
間区間で得られる複数のウェーブレット係数の二乗の平
均値を各時間区間におけるパワーとして算出するように
しているので、特に、入力信号がsin波の波形と異な
る場合に有効である。As described above, according to the sixth aspect, the average value of the square of a plurality of wavelet coefficients obtained in each time interval is calculated as the power in each time interval. Is different from the waveform of the sine wave.
【0026】[0026]
(第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係る心拍変動解析装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態の心拍変動解析装置は、心電図計測を行う生
体信号計測部101と、心電図波形から心拍間隔を求め
る心拍間隔算出部102と、時間的に不等間隔の心拍間
隔時系列データを補間し、時間的に等間隔の心拍間隔時
系列データを生成する等間隔データ生成部103と、時
間的に等間隔の心拍間隔時系列データを離散2進ウェー
ブレット変換により複数の周波数帯域のウェーブレット
係数に分割する離散2進ウェーブレット変換部104
と、ウェーブレット係数から各周波数帯域のパワーを求
めるパワー算出部105a〜105fとを備えている。(First Embodiment) FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a heart rate variability analyzer according to a first embodiment of the present invention.
The heart rate variability analysis apparatus of the present embodiment interpolates a biological signal measurement unit 101 that performs an electrocardiogram measurement, a heartbeat interval calculation unit 102 that obtains a heartbeat interval from an electrocardiogram waveform, and heartbeat interval time-series data that is unequal in time. An equally-spaced data generation unit 103 for generating time-series heartbeat-interval time-series data, and dividing the time-series heartbeat-interval time-series data into wavelet coefficients in a plurality of frequency bands by discrete binary wavelet transform Binary wavelet transform unit 104
And power calculation units 105a to 105f for calculating the power of each frequency band from the wavelet coefficients.
【0027】図2は、図1に示す心拍変動解析装置の処
理手順を示すフローチャートである。以下、図2を参照
して、図1に示す心拍変動解析装置の動作を説明する。FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of the heart rate variability analyzer shown in FIG. Hereinafter, the operation of the heart rate variability analyzer shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
【0028】まず、生体信号計測部101で計測された
心電図データが心拍間隔算出部102に読み込まれる
(ステップS1)。次に、心拍間隔算出部102は、心
拍間隔を算出する(ステップS2およびS3)。すなわ
ち、心拍間隔算出部102は、図3(1)に示すように
R波の発生した時刻を検出し(ステップS2)、図3
(2)に示すように心拍間隔(以下、RRIと略称す
る)を算出し(ステップS3)、各RRIデータを後方
のR波の発生した時間的位置にプロットすることで、時
間的に不等間隔の心拍間隔時系列データを得る。次に、
等間隔データ生成部103は、時間的に不等間隔の心拍
間隔時系列データから時間的に等間隔の時系列データを
生成する(ステップS4)。すなわち、等間隔データ生
成部103は、図3(3)に示すように直線補間等を用
いて時間的に不等間隔の心拍間隔時系列データを補間
し、等間隔で再サンプリングすることにより、時間的に
等間隔の心拍間隔時系列データを生成する。なお、本実
施形態では、一例として、5Hzで再サンプリングした
場合について説明する。このようにして得られた時間的
に等間隔の心拍間隔時系列データは、離散2進ウェーブ
レット変換部104に与えられ、複数の周波数帯域のウ
ェーブレット係数に分割される(ステップS5)。離散
2進ウェーブレット変換は、最初にStephane
Mallatによって画像の圧縮や特徴抽出のために研
究されたもので、参考文献としては以下のものがある。 (1)S.Mallat 「Zero−crossin
gs of Wavelet Transform」
IEEE TRANSACTIONS ONINFOR
MATION THEORY, VOL.37, N
O.4, JULY 1991 (2)S.Mallat and S. Zohng
「Characterization of Sign
als from Multiscale Edge
s」 IEEE TRANSACTIONS ON P
ATTERN ANALYSIS AND MACHI
NE INTELIGENCE, VOL.14, N
O.7, JULY 1992 (3)中静真他、「多重解像度ピーク解析によるECG
データ圧縮」電子情報通信学会論文誌D−II Vo
l.J79−D−II NO.8 1412〜1421
頁 1996年8月First, the electrocardiogram data measured by the biological signal measuring unit 101 is read into the heartbeat interval calculating unit 102 (step S1). Next, the heartbeat interval calculation unit 102 calculates a heartbeat interval (steps S2 and S3). That is, the heartbeat interval calculation unit 102 detects the time at which the R wave occurs as shown in FIG. 3A (step S2), and
As shown in (2), a heartbeat interval (hereinafter abbreviated as RRI) is calculated (step S3), and each RRI data is plotted at a time position where the rear R wave is generated, so that the time is unequal. Obtain the heartbeat interval time series data of the interval. next,
The equal-interval data generation unit 103 generates time-series data at equal intervals in time from heart-interval time-series data at irregular intervals in time (step S4). That is, as shown in FIG. 3 (3), the equal interval data generation unit 103 interpolates the time-series heartbeat interval time data at unequal intervals using linear interpolation or the like, and performs resampling at equal intervals. Generate heartbeat interval time series data at equal intervals in time. In this embodiment, as an example, a case where resampling is performed at 5 Hz will be described. The time-series heartbeat interval data obtained at equal intervals in time obtained in this way is supplied to the discrete binary wavelet transform unit 104, and is divided into wavelet coefficients of a plurality of frequency bands (step S5). Discrete binary wavelet transform is first performed by Stephane
Researched by Mallat for image compression and feature extraction, the following references are available. (1) S. Mallat "Zero-crossin
gs of Wavelet Transform "
IEEE TRANSACTIONS ONINFOR
MATHION THEORY, VOL. 37, N
O. 4, JULY 1991 (2) S.M. Mallat and S.M. Zhongng
"Characterization of Sign
als from Multiscale Edge
s "IEEE TRANSACTIONS ON P
ATTERN ANALYSIS AND MACHI
NE INTELIGENCE, VOL. 14, N
O. 7, JULY 1992 (3) Makoto Nakashizu et al., "ECG by Multi-Resolution Peak Analysis"
Data Compression ”IEICE Transactions D-II Vo
l. J79-D-II NO. 8 1412-1421
Page August 1996
【0029】ここで、図4を参照して、離散2進ウェー
ブレット変換を行うステップS5の処理について説明す
る。図4は、ディジタル入力信号を6つの周波数帯域に
分割する場合の離散2進ウェーブレット変換のフィルタ
バンクの構成例を示す図である。離散2進ウェーブレッ
ト変換は、基本ウェーブレットΨ(x)の2のベキ乗の
スケール変換によって得られる関数系Ψi (x)(次式
(1)参照)と、信号f(x)との内積(次式(2)参
照)によって求められる。 Ψi (x)=2-iΨ(2-ix) …(1) Wi (n)=〈Ψi (x−n),f(x)〉 …(2)Here, the processing in step S5 for performing the discrete binary wavelet transform will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a filter bank of a discrete binary wavelet transform when a digital input signal is divided into six frequency bands. Discrete binary wavelet transform is performed by calculating the inner product of a function system Ψ i (x) (see the following equation (1)) and a signal f (x) obtained by a power-of-two scale transform of the basic wavelet Ψ (x). (See the following equation (2)). Ψ i (x) = 2 −i Ψ (2 −ix ) (1) Wi (n) = <( i (x−n), f (x)> (2)
【0030】今、Ψi (x)のフーリエ変換ψi (ω)
に対して、次式(3)を満たすスケーリング関数Φ
(x)を定義する。ただし、φ(ω)は、Φ(x)のフ
ーリエ変換である。Now, the Fourier transform of Ψ i (x) ψ i (ω)
For a scaling function Φ that satisfies the following equation (3):
(X) is defined. Here, φ (ω) is a Fourier transform of φ (x).
【数1】 (Equation 1)
【0031】また、2のi乗でスケール変換されたスケ
ーリング関数Φ(x)と信号f(x)との畳み込み演算
により得られた平滑化信号をSi (t)とし、Si
(t)を離散化した信号をSi (n)と定義する。離散
時間信号S0 (n)は、m帯域に分割した離散2進ウェ
ーブレット変換Wi (x)(ただし、1≦i≦m)と、
離散時間信号Sm (n)とによって再構成できる。ま
た、離散2進ウェーブレット変換Wi (n)は、離散時
間信号S0 (n)より、次式(4),(5),(6)の
関係を満たす離散時間低域通過フィルタG(ω)と離散
時間高域通過フィルタH(ω)とにより計算することが
できる。 φ(2ω)=H(ω)・φ(ω) …(4) ψ(2ω)=G(ω)・φ(ω) …(5) |G(ω)|2 +|H(ω)|2 =1 …(6)Further, a smoothed signal obtained by the convolution operation between the scale converted scaling function [Phi (x) and the signal f (x) in the second i squared and S i (t), S i
A signal obtained by discretizing (t) is defined as S i (n). The discrete-time signal S 0 (n) is obtained by dividing a discrete binary wavelet transform W i (x) (where 1 ≦ i ≦ m) into m bands,
It can be reconstructed with the discrete time signal S m (n). Further, the discrete binary wavelet transform W i (n) is based on the discrete time signal S 0 (n), and the discrete time low-pass filter G (ω) satisfying the following equations (4), (5), and (6). ) And the discrete-time high-pass filter H (ω). φ (2ω) = H (ω) · φ (ω) (4) ψ (2ω) = G (ω) · φ (ω) (5) | G (ω) | 2 + | H (ω) | 2 = 1 ... (6)
【0032】図4のフィルタバンクは、ディジタル(離
散)入力信号S0 (n)200を、離散時間高域通過フ
ィルタH(ω)211および離散時間低域通過フィルタ
G(ω)221に通すことにより、ウェーブレット変換
係数W1 (n)231および平滑化信号S1 (n)24
1を得ている。同様に、平滑化信号S1 (n)241を
離散時間高域通過フィルタ212および離散時間低域通
過フィルタ222に通すことにより、ウェーブレット変
換係数W2 (n)232および平滑化信号S2(n)2
42を得ている。さらに、同様な処理をi=3,4,
5,6まで実行することにより、ウェーブレット変換係
数Wi (n)233〜Wi (n)236と、平滑化信号
Si (n)243〜Si (n)246とを得ている。The filter bank of FIG. 4 passes a digital (discrete) input signal S 0 (n) 200 through a discrete-time high-pass filter H (ω) 211 and a discrete-time low-pass filter G (ω) 221. , The wavelet transform coefficient W 1 (n) 231 and the smoothed signal S 1 (n) 24
I have one. Similarly, by passing the smoothed signal S 1 (n) 241 through the discrete-time high-pass filter 212 and the discrete-time low-pass filter 222, the wavelet transform coefficient W 2 (n) 232 and the smoothed signal S 2 (n ) 2
42. Further, the same processing is performed for i = 3, 4,
By executing up to 5,6, thereby obtaining a wavelet transform coefficient W i (n) 233~W i ( n) 236, and a smoothed signal S i (n) 243~S i ( n) 246.
【0033】以上のようにして、ステップS5におい
て、離散2進ウェーブレット変換により6つの周波数帯
域に分割したウェーブレット係数W1 (n)からW6
(n)が得られる。ディジタル(離散)入力信号S0
(n)200のサンプリング周波数が5Hzの場合、そ
れぞれのウェーブレット係数の周波数帯域は、以下のよ
うになる。 W1 (n):1.25〜2.5Hz W2 (n):0.625〜1.25Hz W3 (n):0.3125〜0.625Hz W4 (n):0.15625〜0.3125Hz W5 (n):0.07812〜0.15625Hz W6 (n):0.03906〜0.07812HzAs described above, in step S5, the wavelet coefficients W 1 (n) to W 6 divided into six frequency bands by the discrete binary wavelet transform.
(N) is obtained. Digital (discrete) input signal S 0
(N) When the sampling frequency of 200 is 5 Hz, the frequency band of each wavelet coefficient is as follows. W 1 (n): 1.25 to 2.5 Hz W 2 (n): 0.625 to 1.25 Hz W 3 (n): 0.3125 to 0.625 Hz W 4 (n): 0.15625 to 0 .3125Hz W 5 (n): 0.07812~0.15625Hz W 6 (n): 0.03906~0.07812Hz
【0034】次に、図1のパワー算出部105a〜10
5fは、それぞれの周波数帯域に対して不確定性関係よ
り決まる最小の時間解像度の区間毎に、パワーを算出す
る(ステップS6)。それぞれの周波数帯域の最小の時
間解像度は、以下のようになる。 W1 (n):2サンプル点(0.4秒) W2 (n):4サンプル点(0.8秒) W3 (n):8サンプル点(1.6秒) W4 (n):16サンプル点(3.2秒) W5 (n):32サンプル点(6.4秒) W6 (n):64サンプル点(12.8秒)Next, the power calculation units 105a to 105a to
5f calculates the power for each section of the minimum time resolution determined by the uncertainty relation for each frequency band (step S6). The minimum time resolution of each frequency band is as follows. W 1 (n): 2 sample points (0.4 seconds) W 2 (n): 4 sample points (0.8 seconds) W 3 (n): 8 sample points (1.6 seconds) W 4 (n) : 16 sample points (3.2 seconds) W 5 (n): 32 sample points (6.4 seconds) W 6 (n): 64 sample points (12.8 seconds)
【0035】各パワー算出部105a〜105fは、上
記の時間解像度の区間毎に、それぞれの周波数帯域の係
数の絶対値の最大値を求め、当該最大値の二乗の1/2
を求めることにより、その区間のパワーを算出する。各
周波数帯域のパワーをPm (l)とすると、次式(7)
によりパワーが算出される。Each of the power calculators 105a to 105f obtains the maximum value of the absolute value of the coefficient of each frequency band for each section of the time resolution, and calculates a half of the square of the maximum value.
To calculate the power in that section. Assuming that the power of each frequency band is P m (l), the following equation (7)
Is used to calculate the power.
【数2】 (Equation 2)
【0036】図5は、パワー算出部105cにおいて、
3番目の周波数帯域のW3 (n)のパワーを求める場合
を図示したものである。W3 の周波数帯域の時間解像度
は8サンプル点であるから、まず、n=0〜7の区間0
について、W3 (n)の絶対値の最大値を求める。最大
値がW3 (1)とすると、区間0のパワーP3 (0)
は、W3 (1)の二乗の1/2により計算される。そし
て、順次、区間1、区間2、…とパワーが計算される。FIG. 5 shows that the power calculator 105c
FIG. 9 illustrates a case where the power of W 3 (n) in the third frequency band is obtained. Since the time of the frequency band of the W 3 resolution is 8 sample points, first, n = 0 to 7 interval 0
, The maximum value of the absolute value of W 3 (n) is obtained. Assuming that the maximum value is W 3 (1), the power P 3 (0) in section 0
Is calculated by の of the square of W 3 (1). Then, the power is sequentially calculated for section 1, section 2,....
【0037】以上のようにして、第1の実施形態では、
各周波数帯域毎のパワーを求めることができる。なお、
心拍変動の二つの主要な周波数成分である、LF成分、
HF成分のパワーを求める場合は、ステップS7が実行
される。ステップS7では、HF成分の周波数に対応す
る周波数帯域のW3 およびW4 におけるパワーP3 およ
びP4 を加算することによりHF成分のパワーが求めら
れ、LF成分の周波数に対応するW5 およびW6 におけ
るパワーP5 およびP6 を加算することによりLF成分
のパワーが求められる。As described above, in the first embodiment,
The power for each frequency band can be obtained. In addition,
The two main frequency components of heart rate variability, the LF component,
When determining the power of the HF component, step S7 is executed. In step S7, the power of the HF component is obtained by adding the power P 3 and P 4 in W 3 and W 4 of the frequency band corresponding to the frequency of the HF component, corresponding to the frequency of the LF component W 5 and W power of the LF component is obtained by adding the power P 5 and P 6 in 6.
【0038】図6は、周波数0.2Hzのsin波を5
Hzでサンプリングしたディジタル信号を、第1の実施
形態の装置を用いて解析した場合の結果を示している。
図6を参照すると、入力信号の周波数0.2Hzを含む
周波数帯域W4 のパワーであるP4 に一定のパワー(約
0.5)が現れていることがわかる。入力信号の振幅値
は1であり、この時の入力信号のパワーは0.5である
ので、正しいパワーを算出できていることがわかる。FIG. 6 shows a sine wave having a frequency of 0.2 Hz
FIG. 5 shows a result when a digital signal sampled at Hz is analyzed using the device of the first embodiment.
Referring to FIG. 6, it can be seen that the constant power (about 0.5) appears in the P 4 is a power of the frequency band W 4 including the frequency 0.2Hz input signal. Since the amplitude value of the input signal is 1, and the power of the input signal at this time is 0.5, it can be seen that the correct power has been calculated.
【0039】図7は、周波数が時間に比例して高くなる
sin波を5Hzでサンプリングしたディジタル信号
を、第1の実施形態の装置を用いて解析した場合の結果
を示している。この図7を参照すると、入力信号の周波
数が連続的に変化していくのに伴い、各周波数帯域のパ
ワーが低い周波数帯域のP6 から高い周波数帯域のP1
へ滑らかに変化していく様子を捉えていることがわか
る。FIG. 7 shows a result obtained by analyzing a digital signal obtained by sampling a sine wave whose frequency increases in proportion to time at 5 Hz using the apparatus of the first embodiment. Referring to FIG. 7, as the frequency of the input signal changes continuously, the power of each frequency band is increased from P 6 in the low frequency band to P 1 in the high frequency band.
It can be seen that the situation changes smoothly.
【0040】図8は、10分間エルゴメーターで運動
し、その後20分間座位安静を保った場合の心電図を計
測し、第1の実施形態の装置によりHF成分、LF成分
のパワーおよびLF/HFを求めた結果を示している。
この図8を参照すると、副交感神経の活動状態を反映す
るHF成分のパワーは、運動と共に低下し、運動停止
後、徐々に回復しており、実際の様子が忠実に捉えられ
ていることがわかる。また、交感神経の活動状態の指標
とされるLF/HFは、運動中および運動停止後10分
間ほどは高い値を示し、運動後もしばらくは交感神経が
優位な状態が持続していることがわかる。FIG. 8 shows an electrocardiogram measured by exercising with an ergometer for 10 minutes and then sitting and resting for 20 minutes. The power of the HF component, the LF component and the LF / HF were measured by the apparatus of the first embodiment. The results obtained are shown.
Referring to FIG. 8, it can be seen that the power of the HF component, which reflects the activity state of the parasympathetic nerve, decreases with exercise and gradually recovers after exercise cessation, and the actual state is faithfully captured. . In addition, LF / HF, which is an index of the activity state of the sympathetic nerve, shows a high value during exercise and for about 10 minutes after exercise cessation, and the state in which the sympathetic nerve is dominant continues for a while after exercise. Recognize.
【0041】(第2の実施形態)次に、本発明の第2の
実施形態に係る心拍変動解析装置について、図面を参照
しながら説明する。なお、本実施形態の心拍変動解析装
置の構成は、図1と同じである。(Second Embodiment) Next, a heart rate variability analyzer according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The configuration of the heart rate variability analyzer of the present embodiment is the same as that of FIG.
【0042】図9は、第2の実施形態に係る心拍変動解
析装置の処理手順を示すフローチャートである。以下、
図1および図9を参照して、第2の実施形態に係る心拍
変動解析装置の動作について説明する。FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure of the heart rate variability analysis device according to the second embodiment. Less than,
The operation of the heart rate variability analyzer according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
【0043】第2の実施形態の心拍変動解析装置の動作
において、前述した第1の実施形態の動作と異なる部分
は、パワー算出部105a〜105fの動作および図9
のステップS8である。図2のステップS6の代りに、
図9ではステップS8において、それぞれの周波数帯域
に対して不確定性関係より決まる最小の時間解像度毎に
パワーが算出される。それぞれの周波数帯域の最小の時
間解像度は、以下のようになる。 W1 (n):2サンプル点(0.4秒) W2 (n):4サンプル点(0.8秒) W3 (n):8サンプル点(1.6秒) W4 (n):16サンプル点(3.2秒) W5 (n):32サンプル点(6.4秒) W6 (n):64サンプル点(12.8秒)In the operation of the heart rate variability analysis apparatus of the second embodiment, the difference from the operation of the first embodiment described above is the operation of the power calculation units 105a to 105f and FIG.
Step S8. Instead of step S6 in FIG.
In FIG. 9, in step S8, power is calculated for each frequency band for each minimum time resolution determined by the uncertainty relationship. The minimum time resolution of each frequency band is as follows. W 1 (n): 2 sample points (0.4 seconds) W 2 (n): 4 sample points (0.8 seconds) W 3 (n): 8 sample points (1.6 seconds) W 4 (n) : 16 sample points (3.2 seconds) W 5 (n): 32 sample points (6.4 seconds) W 6 (n): 64 sample points (12.8 seconds)
【0044】各パワー算出部105a〜105fは、上
記の時間解像度の区間毎に、それぞれの周波数帯域の係
数の二乗の平均値を求めることで、その区間のパワーを
算出する。各周波数帯域のパワーをPm (l)とする
と、次式(8)によりパワーが算出される。Each of the power calculators 105a to 105f calculates, for each section of the time resolution, the average value of the square of the coefficient of each frequency band, thereby calculating the power of that section. Assuming that the power of each frequency band is P m (l), the power is calculated by the following equation (8).
【数3】 (Equation 3)
【0045】図10は、パワー算出部105cにおい
て、3番目の周波数帯域のW3 (n)のパワーを求める
場合を図示したものである。W3 の周波数帯域の時間解
像度は8サンプル点であるから、まず、n=0〜7の区
間0について、W3 (n)の二乗の平均を求めること
で、区間0のパワーP3 (0)を計算する。そして、順
次、区間1、区間2、…とパワーを計算する。FIG. 10 shows a case where the power of the W 3 (n) in the third frequency band is obtained by the power calculator 105c. Since the time of the frequency band of the W 3 resolution is 8 sample points, first, n = the interval 0 0-7, by obtaining the average of the squares of W 3 (n), the power P 3 of the section 0 (0 ) Is calculated. Then, power is sequentially calculated for section 1, section 2,....
【0046】以上のようにして、第2の実施形態では、
各周波数帯域毎のパワーを求めることができる。なお、
心拍変動の二つの主要な周波数成分である、LF成分、
HF成分のパワーを求める場合は、ステップS7が実行
される。ステップS7では、HF成分の周波数に対応す
る周波数帯域のW3 およびW4 におけるパワーP3 およ
びP4 を加算することによりHF成分のパワーが求めら
れ、LF成分の周波数に対応するW5 およびW6 におけ
るパワーP5 およびP6 を加算することによりLF成分
のパワーが求められる。As described above, in the second embodiment,
The power for each frequency band can be obtained. In addition,
The two main frequency components of heart rate variability, the LF component,
When determining the power of the HF component, step S7 is executed. In step S7, the power of the HF component is obtained by adding the power P 3 and P 4 in W 3 and W 4 of the frequency band corresponding to the frequency of the HF component, corresponding to the frequency of the LF component W 5 and W power of the LF component is obtained by adding the power P 5 and P 6 in 6.
【0047】図11は、周波数0.2Hzのsin波を
5Hzでサンプリングしたディジタル信号を、第2の実
施形態の装置を用いて解析した場合の結果を示してい
る。この図11を参照すると、入力信号の周波数0.2
Hzを含む周波数帯域W4 のパワーであるP4 にほぼ一
定のパワー(約0.5)が現れていることがわかる。入
力信号の振幅値は1であり、この時の入力信号のパワー
は0.5であるので、正しいパワーを算出できているこ
とがわかる。入力信号がsin波の波形の場合は、第1
の実施形態のほうがより一定のパワーを正確に求めるこ
とができるが、入力信号の波形がsin波の波形と異な
る場合は、第1の実施形態で算出されたパワーが入力信
号のパワーと異なってしまう可能性があり、このような
場合は第2の実施形態の平均値により求める方法がより
実際の値に近いパワーを求めることができる。FIG. 11 shows a result obtained by analyzing a digital signal obtained by sampling a sin wave having a frequency of 0.2 Hz at 5 Hz using the apparatus of the second embodiment. Referring to FIG. 11, the frequency of the input signal is 0.2
Hz It can be seen that has appeared substantially constant power (about 0.5) to P 4 is a power of the frequency band W 4 including. Since the amplitude value of the input signal is 1, and the power of the input signal at this time is 0.5, it can be seen that the correct power has been calculated. If the input signal has a sinusoidal waveform, the first
The embodiment can more accurately obtain a constant power. However, when the waveform of the input signal is different from the waveform of the sine wave, the power calculated in the first embodiment is different from the power of the input signal. In such a case, the method using the average value in the second embodiment can obtain a power closer to the actual value.
【0048】図12は、周波数が時間に比例して高くな
るsin波を5Hzでサンプリングしたディジタル信号
を、第2の実施形態の装置を用いて解析した場合の結果
を示している。この図12を参照すると、入力信号の周
波数が連続的に変化していくのに伴い、各周波数帯域の
パワーが低い周波数帯域のP6 から高い周波数帯域のP
1 へ滑らかに変化していく様子を捉えていることがわか
る。FIG. 12 shows a result obtained by analyzing a digital signal obtained by sampling a sine wave whose frequency increases in proportion to time at 5 Hz using the apparatus of the second embodiment. Referring to FIG. 12, as the frequency of the input signal changes continuously, the power of each frequency band is increased from P 6 in the lower frequency band to P 6 in the higher frequency band.
It can be seen that the transition to 1 is captured smoothly.
【0049】図13は、10分間エルゴメーターで運動
し、その後20分間座位安静を保った場合の心電図を計
測し、第2の実施形態の装置によりHF成分、LF成分
のパワーおよびLF/HFを求めた結果を示している。
この図13を参照すると、第1の実施形態と同様に、副
交感神経の活動状態を反映するHF成分のパワーは、運
動と共に低下し、運動停止後、徐々に回復しており、実
際の様子が忠実に捉えられている。また、交感神経の活
動状態の指標とされるLF/HFは、運動中および運動
停止後10分間ほどは高い値を示し、運動後もしばらく
は交感神経が優位な状態が持続していることがわかる。FIG. 13 shows an electrocardiogram obtained by exercising with an ergometer for 10 minutes and then sitting and resting for 20 minutes. The power of the HF component, the LF component and the LF / HF were measured by the apparatus of the second embodiment. The results obtained are shown.
Referring to FIG. 13, similarly to the first embodiment, the power of the HF component reflecting the activity state of the parasympathetic nerve decreases with exercise, and gradually recovers after exercise cessation. Being faithfully captured. In addition, LF / HF, which is an index of the activity state of the sympathetic nerve, shows a high value during exercise and for about 10 minutes after exercise cessation, and the state in which the sympathetic nerve is dominant continues for a while after exercise. Recognize.
【0050】なお、以上説明した第1および第2の実施
形態は、心電図を計測し、そのR波から心拍間隔を算出
するように構成されているが、本発明はこれに限定され
るものではなく、脈波や心音のピーク値等の心拍間隔を
算出し得るその他の生体信号を用いることも可能であ
る。また、時間等間隔の心拍間隔時系列データのサンプ
リングレートを5Hzとし、離散2進ウェーブレット変
換によって6つの周波数帯域に分割する場合を説明した
が、サンプリングレートと分割する周波数帯域数は共に
これに限定されるものではない。In the first and second embodiments described above, an electrocardiogram is measured, and a heartbeat interval is calculated from the R wave. However, the present invention is not limited to this. Instead, it is also possible to use other biological signals that can calculate a heartbeat interval such as a pulse wave or a peak value of a heart sound. Also, the case has been described where the sampling rate of time-series heartbeat interval data at equal intervals of time is set to 5 Hz and divided into six frequency bands by discrete binary wavelet transform, but both the sampling rate and the number of divided frequency bands are limited to this. It is not something to be done.
【0051】また、以上の説明では、最小の時間解像度
に相当する区間で得られる複数のウェーブレット係数か
らその区間における周波数成分のパワーを求める演算手
法として、第1および第2の実施形態を例示したが、本
発明はこれらに限定されることはなく、その他の演算手
法によって各区間おけるパワーを求めるようにしても良
い。In the above description, the first and second embodiments have been described as examples of the calculation method for obtaining the power of the frequency component in a section from a plurality of wavelet coefficients obtained in the section corresponding to the minimum time resolution. However, the present invention is not limited to these, and the power in each section may be obtained by other calculation methods.
【図1】本発明の第1の実施形態に係る心拍変動解析装
置の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a heart rate variability analysis device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】図1に示す心拍変動解析装置の処理手順を示す
フローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of the heart rate variability analyzer shown in FIG.
【図3】心電図R波を用いて心拍間隔時系列データを求
める方法を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a method of obtaining heartbeat interval time series data using an electrocardiogram R wave.
【図4】ディジタル入力信号を6つの周波数帯域に分割
する場合の離散2進ウェーブレット変換のフィルタバン
クの構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a filter bank of a discrete binary wavelet transform when a digital input signal is divided into six frequency bands.
【図5】第1の実施形態において、離散2進ウェーブレ
ット係数からパワーを算出する方法を説明するための図
である。FIG. 5 is a diagram for describing a method of calculating power from discrete binary wavelet coefficients in the first embodiment.
【図6】第1の実施形態の心拍変動解析装置を用いて一
定周波数のsin波を解析した結果を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a result of analyzing a sine wave having a constant frequency using the heart rate variability analysis device of the first embodiment.
【図7】第1の実施形態の心拍変動解析装置を用いて周
波数が時間に比例して高くなるsin波を解析した結果
を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a result of analyzing a sine wave whose frequency increases in proportion to time using the heart rate variability analysis device of the first embodiment.
【図8】第1の実施形態の心拍変動解析装置を用いて実
際の心電図データを解析した結果を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a result of analyzing actual electrocardiogram data using the heart rate variability analyzer of the first embodiment.
【図9】第2の実施形態に係る心拍変動解析装置の処理
手順を示すフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart illustrating a processing procedure of the heart rate variability analyzer according to the second embodiment.
【図10】第2の実施形態において、離散2進ウェーブ
レット係数からパワーを算出する方法を説明するための
図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a method of calculating power from discrete binary wavelet coefficients in the second embodiment.
【図11】第2の実施形態の心拍変動解析装置を用いて
一定周波数のsin波を解析した結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a result of analyzing a sine wave of a constant frequency using the heart rate variability analysis device of the second embodiment.
【図12】第2の実施形態の心拍変動解析装置を用いて
周波数が時間に比例して高くなるsin波を解析した結
果を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a result of analyzing a sine wave whose frequency increases in proportion to time using the heart rate variability analysis device of the second embodiment.
【図13】第2の実施形態の心拍変動解析装置を用いて
実際の心電図データを解析した結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a result of analyzing actual electrocardiogram data using the heart rate variability analyzer of the second embodiment.
【図14】従来の心拍変動解析方法により、周波数成分
のパワーを求める方法を説明するための図である。FIG. 14 is a diagram for explaining a method of obtaining power of a frequency component by a conventional heart rate variability analysis method.
【図15】従来の離散ウェーブレット変換において、6
つの周波数帯域に分割する場合のフィルタバンクの構成
例を示す図である。FIG. 15 shows a conventional discrete wavelet transform,
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a filter bank when dividing into two frequency bands.
【図16】従来の離散ウェーブレット変換による解析方
法を用いて一定周波数のsin波を解析した結果を示す
図である。FIG. 16 is a diagram showing a result of analyzing a sine wave having a constant frequency using a conventional analysis method based on discrete wavelet transform.
【図17】従来の離散ウェーブレット変換による解析方
法を用いて周波数が時間に比例して高くなるsin波を
解析した結果を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing a result of analyzing a sine wave whose frequency increases in proportion to time using a conventional analysis method based on discrete wavelet transform.
101…生体信号計測部 102…心拍間隔算出部 103…等間隔データ生成部 104…離散2進ウェーブレット変換部 105a〜105f…パワー算出部 200…ディジタル入力信号 211〜216…離散時間高域通過フィルタ 221〜226…離散時間低域通過フィルタ 231〜236…ウェーブレット変換係数 241〜246…平滑化信号 Reference Signs List 101: biological signal measuring unit 102: heartbeat interval calculating unit 103: equal interval data generating unit 104: discrete binary wavelet transform unit 105a to 105f: power calculating unit 200: digital input signal 211 to 216: discrete time high-pass filter 221 ... 226 discrete time low-pass filter 231 to 236 wavelet transform coefficients 241 to 246 smoothed signal
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾島 修一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 井上 尚 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 桂 卓史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Shuichi Ojima 1006 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Naoshi Inoue 1006 Odaka Kadoma Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. ( 72) Inventor Takushi Katsura 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Claims (6)
方法であって、 心拍に関連する生体信号を計測する第1のステップと、 前記第1のステップで計測された生体信号に基づいて心
拍間隔を検出する第2のステップと、 前記第2のステップで検出された心拍間隔から得られる
時間的に不等間隔の心拍間隔時系列データを補間するこ
とにより、時間的に等間隔の心拍間隔時系列データを生
成する第3のステップと、 前記第3のステップで生成された時間的に等間隔の心拍
間隔時系列データを、離散2進ウェーブレット変換によ
り、複数の周波数帯域毎のウェーブレット係数に分割す
る第4のステップと、 前記複数の周波数帯域のそれぞれにおいて、その周波数
帯域での最小時間解像度に相当する時間区間毎に、各時
間区間で得られる複数のウェーブレット係数を参照して
各時間区間における周波数成分のパワーを算出すること
により、心拍変動に含まれる周波数成分のパワーの時間
変動を求める第5のステップとを備える、心拍変動解析
方法。1. A method for electrically detecting and analyzing heartbeat fluctuations, comprising: a first step of measuring a biological signal related to a heartbeat; and a biological signal measured in the first step. A second step of detecting a heartbeat interval by using the above-described second step, and interpolating temporally unequally spaced heartbeat interval time-series data obtained from the heartbeat interval detected in the second step to obtain a temporally equal heartbeat interval. A third step of generating heartbeat interval time-series data, and a wavelet for each of a plurality of frequency bands by discrete binary wavelet transform of the temporally equal heartbeat interval time-series data generated in the third step. A fourth step of dividing into a coefficient, and in each of the plurality of frequency bands, for each time section corresponding to a minimum time resolution in the frequency band, a plurality of obtained in each time section. By referring to Eburetto coefficient for calculating the power of the frequency components for each time interval, and a fifth step of determining a time variation of the power of the frequency components contained in the HRV, heart rate variability analysis method.
られる複数のウェーブレット係数の絶対値の最大値の二
乗の1/2を各時間区間におけるパワーとして算出する
ことを特徴とする、請求項1に記載の心拍変動解析方
法。2. The method according to claim 1, wherein the fifth step calculates, as a power in each time section, a half of a square of a maximum value of absolute values of a plurality of wavelet coefficients obtained in each time section. Item 7. A heart rate variability analysis method according to Item 1.
られる複数のウェーブレット係数の二乗の平均値を各時
間区間におけるパワーとして算出することを特徴とす
る、請求項1に記載の心拍変動解析方法。3. The heart rate variability according to claim 1, wherein in the fifth step, an average value of squares of a plurality of wavelet coefficients obtained in each time interval is calculated as power in each time interval. analysis method.
装置であって、 心拍に関連する生体信号を計測する生体信号計測手段
と、 前記生体信号計測手段で得られたデータから心拍間隔を
求める心拍間隔算出手段と、 前記心拍間隔算出手段によって求められた時間的に不等
間隔の心拍間隔時系列データを補間することにより、時
間的に等間隔の心拍間隔時系列データを生成する等間隔
データ生成手段と、 前記等間隔データ生成手段により得られた時間的に等間
隔の心拍間隔時系列データを離散2進ウェーブレット変
換し、複数の周波数帯域のウェーブレット係数に分割す
る離散2進ウェーブレット変換手段と、 前記複数の周波数帯域のそれぞれにおいて、その周波数
帯域での最小時間解像度に相当する時間区間毎に、各時
間区間で得られる複数のウェーブレット係数を参照して
各時間区間における周波数成分のパワーを算出すること
により、心拍変動に含まれる周波数成分のパワーの時間
変動を求めるパワー算出手段とを備える、心拍変動解析
装置。4. An apparatus for electrically detecting and analyzing heartbeat fluctuations, comprising: a biological signal measuring means for measuring a biological signal related to a heartbeat; and a heartbeat interval from data obtained by the biological signal measuring means. Heart rate interval time-series data that is temporally equally spaced by interpolating the temporally unequally spaced heart rate interval time-series data obtained by the heart rate interval calculating means. Interval data generating means; discrete binary wavelet transform for performing discrete binary wavelet transform on temporally equally spaced heartbeat interval time series data obtained by the uniform interval data generating means, and dividing the data into wavelet coefficients of a plurality of frequency bands Means, for each of the plurality of frequency bands, for each time interval corresponding to the minimum time resolution in that frequency band, Of by calculating the power of the frequency components in referring to wavelet coefficients each time period, and a power calculating means for calculating the time variation of the power of the frequency components contained in the HRV, heart rate variability analysis apparatus.
られる複数のウェーブレット係数の絶対値の最大値の二
乗の1/2を各時間区間におけるパワーとして算出する
ことを特徴とする、請求項4に記載の心拍変動解析装
置。5. The power calculation unit according to claim 1, wherein the power calculation unit calculates half of the square of the maximum value of the absolute values of the plurality of wavelet coefficients obtained in each time interval as the power in each time interval. The heart rate variability analyzer according to claim 4.
られる複数のウェーブレット係数の二乗の平均値を各時
間区間におけるパワーとして算出することを特徴とす
る、請求項4に記載の心拍変動解析装置。6. The heart rate variability analysis according to claim 4, wherein said power calculation means calculates an average value of squares of a plurality of wavelet coefficients obtained in each time section as power in each time section. apparatus.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9301120A JPH11128185A (en) | 1997-10-31 | 1997-10-31 | Heart rate variability analysis method and apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9301120A JPH11128185A (en) | 1997-10-31 | 1997-10-31 | Heart rate variability analysis method and apparatus |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11128185A true JPH11128185A (en) | 1999-05-18 |
Family
ID=17893079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9301120A Pending JPH11128185A (en) | 1997-10-31 | 1997-10-31 | Heart rate variability analysis method and apparatus |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11128185A (en) |
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