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RESPIRATION DETECTION DEVICE, RESPIRATION DETECTION METHOD, AND PROGRAM FOR RESPIRATION DETECTION meetings

Patent code P180014776
Posted date Jan 15, 2018
Application number P2016-126337
Publication number P2018-000224A
Date of filing Jun 27, 2016
Date of publication of application Jan 11, 2018
Inventor
  • (In Japanese)朱 欣
  • (In Japanese)陳 文西
Applicant
  • The University of Aizu
Title RESPIRATION DETECTION DEVICE, RESPIRATION DETECTION METHOD, AND PROGRAM FOR RESPIRATION DETECTION meetings
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To detect a respiration state of a subject based on electrocardiogram data.
SOLUTION: In a respiration detection method, a basic signal including a PQRST wave for a single heartbeat is first extracted from electrocardiogram data on a subject (S.03). Also, a PQRST wave of a basic signal extracted in the past is recorded in recording means as a template signal. Next, a residual signal is generated by subtracting the template signal from a next basic signal (S.05). Then, a difference in an amplitude value for each fixed time of the residual signal is obtained as a difference, and by obtaining a change in the difference cumulatively, a respiration wave indicating a respiration state of the subject is calculated (S.07). Later, the respiration frequency per unit time is detected based on a change in the waveform of the respiration wave (S.08).
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

従来より、被検者(患者等)の呼吸状態を検出するための呼吸検出装置が知られている。一般的な呼吸検出装置として、例えば、フローセンサ、サーミスタセンサ、あるいは呼吸バンドセンサと呼ばれる装置が用いられている(例えば、特許文献1(段落[0002]等)参照)。

フローセンサとは、鼻や口先に取り付けたセンサによって、呼吸に伴う気流変化(気流状態)をモニタリングする装置である。検出された気流状態に基づいて、被検者の呼吸状態を検出する。フローセンサは、睡眠中の無呼吸状態や低呼吸状態を調べるために用いられることが多い。

サーミスタセンサとは、鼻や口先に取り付けた温度検知用のセンサによって、呼吸に伴って変化する温度を検出する装置である。温度変化に伴ってサーミスタの抵抗値が変化するため、抵抗値の変化に基づいて、被検者の呼吸状態を検出することができる。一般的に、人が吐く息と吸う息とは、息の温度が異なっている、したがって、息の温度差を利用することによって、呼吸の呼気および吸気を測定することができる。

呼吸バンドセンサとは、ひずみゲージ(ストレインゲージ)付のベルトを胸部に装着することにより、被検者の呼吸状態を検出する装置である。一般的に、外力を加えて金属(抵抗体)を伸縮させると、その伸縮に伴って金属の抵抗値が増減する。このため、被検者の胸部などに抵抗体を装着させて、抵抗値の変化状態を検出する。例えば、被検者が呼吸を行うと、呼吸に伴って胸部が伸縮された状態になる。胸部が伸縮されると、胸部に装着された抵抗体が伸縮するため、電極間の抵抗値が変化する。変化する抵抗値に基づいて、被検者の呼吸状態を検出する。

しかしながら、フローセンサやサーミスタセンサでは、鼻や口先に物理的なセンサを取り付ける必要があるため、呼吸状態を検出する時に、被検者に違和感を与えてしまう。また、センサを物理的に取り付ける必要があるため、取付負担等が生じ、装置の利便性が悪いという問題があった。また、日常生活において、被検者にセンサを取り付けて継続的に呼吸測定を行うことが困難であった。さらに、センサを使用した後(呼吸測定後)にセンサを消毒する必要があるため、装置のメンテナンス等に負担が生じていた。

また、呼吸バンドセンサの場合には、胸部の動きを検出するために、胸部がベルトで締め付けられた状態になってしまう。このため、呼吸バンドセンサの使用に伴って、被検者に違和感と拘束感とを与えてしまうという問題があった。また、胸部に締め付けを伴うため、日常生活において継続的に測定を行うことが難しいという問題もあった。

このような呼吸検出装置の問題を考慮して、異なる検出装置で検出されたデータを用いて、呼吸状態を検出する方法が提案されている。例えば、被検者の心電図データの波形状態に基づいて、被検者の呼吸状態を検出する方法が提案されている。ここで、心電図データとは、心臓の活動を電気信号(電気波形)として示したデータである。

心電図データによって検出される一般的な波形は、図14に示すように、P波とQRS波とT波とによって概略的に示すことができる。心電図データの波形では、初めに小さなドーム状のP波が発生し、次に背の高い上向きのQRS波が発生し、最後に、やや大きなドーム状のT波が発生する。QRS波は、頂点R点とその前後に下向で示されるQ点とS点とによって波形が形成される。一般的にQRS波は、Q点、R点およびS点からなる一体の波形として判断される。

心電図データでは、P波、QRS波およびT波を組み合わせたPQRST波が、1心拍毎に繰り返し発生する。1心拍分のPQRST波は、1回の心臓の拍動に対応する波形を示す。PQRST波のうち、P波は心房の興奮(収縮)を示し、QRS波は心室の興奮(収縮)を示し、T波は、心室が興奮消褪に入る状態(拡張)を示している。

心電図データは、上述したように心臓の心房や心室等の興奮状態を電気信号として検出したものであるが、心電図データには、呼吸動作に伴う電気信号も含まれ得ることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。一般的には、呼吸筋を動員して呼吸を行う努力呼吸はもちろんのこと、安静時呼吸であっても、呼吸動作に伴って筋肉が動くため、筋肉の動きが電気信号として検出される。例えば、努力呼吸に伴う胸鎖乳突筋や、内肋間筋や、腹筋などの補助呼吸筋の活動によって電気信号が発生する。また、呼吸動作に伴う胸郭や肩などの筋肉の動きによっても、電気信号が発生する。これらの筋肉の動きに関する電気信号は、筋電図データとして心電図データに含まれる。

したがって、呼吸動作に伴う電気信号だけを心電図データから抽出することができれば、心電図データから被検者の呼吸状態を判断することができる。特に、一般に市販されているホルター心電計等を用いることによって、日常生活において継続的に心電図データの検出を行うことができるため、日常生活において継続的に呼吸状態を検出することが可能になる。しかしながら、呼吸動作に伴う電気信号は、心臓の拍動に伴って検出される電気信号よりも弱い信号であるため、心電図データから呼吸動作に伴う電気信号だけを抽出することが困難であった。

このような課題に対し、近年では、心臓の興奮状態を示す電気信号、つまり、PQRST波の成分を、心電図データから取り除くことによって、呼吸状態を検出する方法が研究されている(例えば、非特許文献2および非特許文献3参照)。

心電図データから呼吸状態を検出する方法として、例えば、X,Y,Z(直交する3軸方向)の直交双極誘導を用いて、それぞれの心電図データを導出した後に、各誘導により得られた信号を120Hzで低域遮断することによって、PQRST波の低周波成分を低減させる。その後に、X,Y,Z誘導で求められた信号の3次元ベクトルマグニチュード値を時間減衰積分することにより、呼吸波形を抽出する方法が提案されている。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、呼吸検出装置、呼吸検出方法および呼吸検出用プログラムに関し、より詳細には、被検者より検出された心電図に基づいて、当該被検者の呼吸数を検出することが可能な呼吸検出装置、呼吸検出方法および呼吸検出用プログラムに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
被検者の心電図データから、1心拍分のPQRST波を含む基本信号を継続して抽出する基本信号抽出手段と、
該基本信号抽出手段により過去に抽出された前記被検者の基本信号をテンプレート信号として記録する記録手段と、
前記基本信号抽出手段により抽出される前記基本信号から、前記記録手段に記録された前記テンプレート信号を減算することによって、前記心電図データから前記PQRST波の成分を除去した残存信号を生成する残存信号生成手段と、
前記残存信号の一定時間毎の振幅値の差を差分として求めて、当該差分の変化を累積的に求めることにより、前記被検者の呼吸状態を示した呼吸波を算出する呼吸波算出手段と、
前記呼吸波の波形変化に基づいて単位時間当たりの呼吸数を検出する呼吸数検出手段と
を備えることを特徴とする呼吸検出装置。

【請求項2】
 
前記記録手段には、少なくとも1つ以上の前記テンプレート信号が記録されており、
前記基本信号抽出手段により抽出される前記基本信号の波形と、前記記録手段に記録された前記テンプレート信号の波形との相関係数を、前記記録手段に記録された全ての前記テンプレート信号について求めることにより、相関係数が最も高い値を示す前記テンプレート信号を1つだけ抽出するテンプレート信号抽出手段を備え、
前記残存信号生成手段は、前記基本信号抽出手段により抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号抽出手段により1つだけ抽出された前記テンプレート信号を減算することによって、前記残存信号を生成すること
を特徴とする請求項1に記載の呼吸検出装置。

【請求項3】
 
前記テンプレート信号抽出手段は、前記基本信号に含まれる前記PQRST波のR点を基準として、前記テンプレート信号のPQRST波におけるR点の時間位置を少しずつずらしながら、前記相関係数を求め、
前記残存信号生成手段は、前記相関係数が最も高い値を示した時間位置において、前記基本信号抽出手段により抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号抽出手段により1つだけ抽出された前記テンプレート信号を減算することによって、前記残存信号を生成すること
を特徴とする請求項2に記載の呼吸検出装置。

【請求項4】
 
前記基本信号抽出手段により抽出される前記基本信号と、前記テンプレート信号抽出手段により1つだけ抽出された前記テンプレート信号とを合成することにより、新たなテンプレート信号を生成するテンプレート信号生成手段と、
該テンプレート信号生成手段により生成された新たなテンプレート信号を、前記1つだけ抽出された前記テンプレート信号に換えて、前記記録手段に記録するテンプレート信号更新手段とを備え、
前記残存信号生成手段は、前記基本信号抽出手段により抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号生成手段により生成された前記新たなテンプレート信号を減算することにより、前記残存信号を生成すること
を特徴とする請求項2または請求項3に記載の呼吸検出装置。

【請求項5】
 
最も高い値を示した前記相関係数が、予め設定される閾値以下である場合に、前記基本信号抽出手段により抽出される前記基本信号を、新たなテンプレート信号として前記記録手段に追加記録するテンプレート信号追加手段を備え、
前記残存信号生成手段は、最も高い値を示した前記相関係数が、予め設定される閾値以下である場合に、前記基本信号抽出手段により抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号追加手段により追加記録された前記新たなテンプレート信号を減算することにより、前記残存信号を生成すること
を特徴とする請求項2または請求項3に記載の呼吸検出装置。

【請求項6】
 
前記基本信号抽出手段により抽出される前記基本信号のP波の終点からQRS波の始点までの間の振幅値を検出し、当該振幅値の標準偏差に基づいて、前記残存信号のノイズ判定に用いる閾値を決定する閾値決定手段と、
前記残存信号の振幅値のうち、前記閾値決定手段により決定された前記閾値に収まらなかった振幅値に対して、メディアンフィルタを適用することにより、前記残存信号に対するノイズの低減を行うノイズ低減手段と
を備え、
前記呼吸波算出手段は、前記ノイズ低減手段によりノイズの低減が行われた前記残存信号を用いて、前記呼吸波を算出すること
を特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の呼吸検出装置。

【請求項7】
 
被検者の心電図データから、1心拍分のPQRST波を含む基本信号を継続して抽出する基本信号抽出ステップと、
該基本信号抽出ステップにおいて過去に抽出された前記被検者の基本信号がテンプレート信号として記録手段に記録され、当該記録手段から読み出された前記テンプレート信号を、前記基本信号抽出ステップにおいて抽出される前記基本信号から減算することによって、前記心電図データから前記PQRST波の成分を除去した残存信号を生成する残存信号生成ステップと、
前記残存信号の一定時間毎の振幅値の差を差分として求めて、当該差分の変化を累積的に求めることにより、前記被検者の呼吸状態を示した呼吸波を算出する呼吸波算出ステップと、
前記呼吸波の波形変化に基づいて単位時間当たりの呼吸数を検出する呼吸数検出ステップと
を備えることを特徴とする呼吸検出方法。

【請求項8】
 
前記記録手段には、少なくとも1つ以上の前記テンプレート信号が記録されており、
前記基本信号抽出ステップにおいて抽出される前記基本信号の波形と、前記記録手段より読み出された前記テンプレート信号の波形との相関係数を、前記記録手段に記録された全ての前記テンプレート信号について求めることにより、相関係数が最も高い値を示す前記テンプレート信号を1つだけ抽出するテンプレート信号抽出ステップを備え、
前記残存信号生成ステップにおいて、前記基本信号抽出ステップにおいて抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号抽出ステップにおいて1つだけ抽出された前記テンプレート信号を減算することにより、前記残存信号を生成すること
を特徴とする請求項7に記載の呼吸検出方法。

【請求項9】
 
前記テンプレート信号抽出ステップにおいて、前記基本信号に含まれる前記PQRST波のR点を基準として、前記テンプレート信号のPQRST波におけるR点の時間位置を少しずつずらしながら、前記相関係数を求め、
前記残存信号生成ステップにおいて、前記相関係数が最も高い値を示した時間位置で、前記基本信号抽出ステップにおいて抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号抽出ステップにおいて1つだけ抽出された前記テンプレート信号を減算することにより、前記残存信号を生成すること
を特徴とする請求項8に記載の呼吸検出方法。

【請求項10】
 
前記基本信号抽出ステップにおいて抽出される前記基本信号と、前記テンプレート信号抽出ステップにおいて1つだけ抽出された前記テンプレート信号とを合成することにより、新たなテンプレート信号を生成するテンプレート信号生成ステップと、
該テンプレート信号生成ステップにおいて生成された新たなテンプレート信号を、前記1つだけ抽出された前記テンプレート信号に換えて、前記記録手段に記録させるテンプレート信号更新ステップとを備え、
前記残存信号生成ステップにおいて、前記基本信号抽出ステップにより抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号生成ステップにおいて生成された前記新たなテンプレート信号を減算することにより、前記残存信号を生成すること
を特徴とする請求項8または請求項9に記載の呼吸検出方法。

【請求項11】
 
最も高い値を示した前記相関係数が、予め設定される閾値以下である場合に、前記基本信号抽出ステップにおいて抽出される前記基本信号を、新たなテンプレート信号として前記記録手段に追加記録するテンプレート信号追加ステップを備え、
前記残存信号生成ステップにおいて、最も高い値を示した前記相関係数が、予め設定される閾値以下である場合に、前記基本信号抽出ステップにおいて抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号追加ステップにおいて追加記録された前記新たなテンプレート信号を減算することにより、前記残存信号を生成すること
を特徴とする請求項8または請求項9に記載の呼吸検出方法。

【請求項12】
 
前記基本信号抽出ステップにおいて抽出される前記基本信号のP波の終点からQRS波の始点までの間の振幅値を検出し、当該振幅値の標準偏差に基づいて、前記残存信号のノイズ判定に用いる閾値を決定する閾値決定ステップと、
前記残存信号の振幅値のうち、前記閾値決定ステップにおいて決定された前記閾値に収まらなかった振幅値に対して、メディアンフィルタを適用することにより、前記残存信号に対するノイズの低減を行うノイズ低減ステップと
を備え、
前記呼吸波算出ステップでは、前記ノイズ低減ステップにおいてノイズの低減が行われた前記残存信号を用いて、前記呼吸波を算出すること
を特徴とする請求項7乃至請求項11のいずれか1項に記載の呼吸検出方法。

【請求項13】
 
被検者の心電図データに基づいて当該被検者の呼吸数を検出する呼吸検出装置用の呼吸検出用プログラムであって、
前記呼吸検出装置は記録手段を有し、
前記呼吸検出装置の制御手段に、
前記心電図データから、1心拍分のPQRST波を含む基本信号を継続して抽出させる基本信号抽出機能と、
該基本信号抽出機能において過去に抽出された前記被検者の基本信号がテンプレート信号として前記記録手段に記録されており、前記記録手段から読み出された前記テンプレート信号を、前記基本信号抽出機能により抽出される前記基本信号から減算することによって、前記心電図データから前記PQRST波の成分を除去した残存信号を生成させる残存信号生成機能と、
前記残存信号の一定時間毎の振幅値の差を差分として求めて、当該差分の変化を累積的に求めることにより、前記被検者の呼吸状態を示した呼吸波を算出させる呼吸波算出機能と、
前記呼吸波の波形変化に基づいて単位時間当たりの呼吸数を検出させる呼吸数検出機能と
を実現させることを特徴とする呼吸検出用プログラム。

【請求項14】
 
前記記録手段には、少なくとも1つ以上の前記テンプレート信号が記録されており、
前記制御手段に、
前記基本信号抽出機能により抽出される前記基本信号の波形と、前記記録手段より読み出された前記テンプレート信号の波形との相関係数を、前記記録手段に記録された全ての前記テンプレート信号について求めることにより、相関係数が最も高い値を示す前記テンプレート信号を1つだけ抽出させるテンプレート信号抽出機能を実現させ、
前記残存信号生成機能において、前記基本信号抽出機能により抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号抽出機能により1つだけ抽出された前記テンプレート信号を減算することにより、前記残存信号を生成させること
を特徴とする請求項13に記載の呼吸検出用プログラム。

【請求項15】
 
前記制御手段に対して、
前記テンプレート信号抽出機能において、前記基本信号に含まれる前記PQRST波のR点を基準として、前記テンプレート信号のPQRST波におけるR点の時間位置を少しずつずらしながら、前記相関係数を求めさせ、
前記残存信号生成機能において、前記相関係数が最も高い値を示した時間位置において、前記基本信号抽出機能により抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号抽出機能により1つだけ抽出された前記テンプレート信号を減算することにより、前記残存信号を生成させること
を特徴とする請求項14に記載の呼吸検出用プログラム。

【請求項16】
 
前記制御手段に、
前記基本信号抽出機能により抽出される前記基本信号と、前記テンプレート信号抽出機能により1つだけ抽出された前記テンプレート信号とを合成することにより、新たなテンプレート信号を生成させるテンプレート信号生成機能と、
該テンプレート信号生成機能により生成された新たなテンプレート信号を、前記1つだけ抽出された前記テンプレート信号に換えて、前記記録手段に記録させるテンプレート信号更新機能とを実現させ、
前記残存信号生成機能において、前記基本信号抽出機能により抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号生成機能により生成された前記新たなテンプレート信号を減算することにより、前記残存信号を生成させること
を特徴とする請求項14または請求項15に記載の呼吸検出用プログラム。

【請求項17】
 
前記制御手段に、
最も高い値を示した前記相関係数が、予め設定される閾値以下である場合に、前記基本信号抽出機能により抽出される前記基本信号を、新たなテンプレート信号として前記記録手段に追加記録させるテンプレート信号追加機能を実現させ、
前記残存信号生成機能において、最も高い値を示した前記相関係数が、予め設定される閾値以下である場合に、前記基本信号抽出機能により抽出される前記基本信号から、前記テンプレート信号追加機能により追加記録される前記新たなテンプレート信号を減算することにより、前記残存信号を生成させること
を特徴とする請求項14または請求項15に記載の呼吸検出用プログラム。

【請求項18】
 
前記制御手段に対して、
前記基本信号抽出機能により抽出される前記基本信号のP波の終点からQRS波の始点までの間の振幅値を検出させ、当該振幅値の標準偏差に基づいて、前記残存信号のノイズ判定に用いる閾値を決定させる閾値決定機能と、
前記残存信号の振幅値のうち、前記閾値決定機能により決定された前記閾値に収まらなかった振幅値に対して、メディアンフィルタを適用することにより、前記残存信号に対するノイズの低減を行わせるノイズ低減機能と
を備え、
前記呼吸波算出ステップにおいて、前記ノイズ低減機能によりノイズの低減が行われた前記残存信号を用いて、前記呼吸波を算出させること
を特徴とする請求項13乃至請求項17のいずれか1項に記載の呼吸検出用プログラム。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2016126337thum.jpg
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