JP2019129996A - Heartbeat detection system and heartbeat detection method - Google Patents

Heartbeat detection system and heartbeat detection method Download PDF

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Abstract

To improve precision of heartbeat detection.SOLUTION: This heartbeat detection system comprises: a Doppler sensor which receives a reflection wave from a subject and acquires an I signal and a Q signal of a time region; and a sparse spectrum reconstitution unit which converts the I signal and the Q signal of the time region to an I signal and a Q signal of a frequency region. The sparse spectrum reconstitution unit reconstitutes the sparse spectrum of heartbeats by using an algorithm belonging to a stochastic gradient descent method.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、心拍検出システム、心拍検出方法に関する。   The present invention relates to a heartbeat detection system and a heartbeat detection method.

近年、被験者の健康状態や精神状態を把握するために、例えばドップラーセンサを用いて非接触で心拍数や心拍間隔を検出する心拍検出システムが検討されている。ドップラーセンサを用いた心拍検出システムにおいて、心拍検出精度を向上することは重要な課題であり、そのために様々な提案がなされている。   In recent years, in order to grasp the health state and mental state of a subject, for example, a heart rate detection system that detects a heart rate and a heart rate interval without contact using a Doppler sensor has been studied. In a heart rate detection system using a Doppler sensor, improving heart rate detection accuracy is an important issue, and various proposals have been made for this purpose.

様々な提案のうちの1つとして、例えば、スペクトログラム法が挙げられる。スペクトログラム法は、スペクトログラム上の心拍に反応していると考えられる周波数から心拍成分を含む周波数帯域を決定し、周波数帯域内の心拍による周波数の振幅を積分し、積分値の時間変化から心拍を検出する手法である。   One of various proposals includes, for example, a spectrogram method. The spectrogram method determines the frequency band including the heartbeat component from the frequency that is considered to be responding to the heartbeat on the spectrogram, integrates the amplitude of the frequency due to the heartbeat in the frequency band, and detects the heartbeat from the change in the integrated value over time. It is a technique to do.

スペクトログラム法では、被験者が着座静止時には優れた心拍検出精度が得られるが、タイピング時や運転時等の様々な体動を伴う動作時には、十分な心拍検出精度が得られなかった。   In the spectrogram method, excellent heartbeat detection accuracy is obtained when the subject is seated and stationary, but sufficient heartbeat detection accuracy cannot be obtained during movements involving various body movements such as typing and driving.

茂木,大槻,"スペクトログラムを用いたドップラーレーダによる心拍検出",電子情報通信学会ASN研究会2017.Mogi, Otsuki, "Heartbeat detection by Doppler radar using spectrogram", IEICE ASN Study Group 2017.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、心拍検出精度を向上することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to improve heartbeat detection accuracy.

本心拍検出システムは、被験者からの反射波を受信して時間領域のI信号及びQ信号を取得するドップラーセンサと、時間領域の前記I信号及び前記Q信号を周波数領域のI信号及びQ信号に変換するスパーススペクトル再構成部と、を有し、前記スパーススペクトル再構成部は、確率的勾配降下法に属するアルゴリズムを用いて心拍のスパーススペクトルを再構成することを要件とする。   The heartbeat detection system receives a reflected wave from a subject and acquires a time domain I signal and a Q signal, and converts the time domain I signal and the Q signal into a frequency domain I signal and a Q signal. A sparse spectrum reconstruction unit for converting, and the sparse spectrum reconstruction unit is required to reconstruct a sparse spectrum of a heartbeat using an algorithm belonging to the stochastic gradient descent method.

開示の技術によれば、心拍検出精度を向上することができる。   According to the disclosed technology, heartbeat detection accuracy can be improved.

第1の実施の形態に係る心拍検出システムの概略構成を例示する図である。It is a figure which illustrates schematic structure of the heart-rate detection system concerning a 1st embodiment. ドップラーセンサで得た信号波形の一例である。It is an example of the signal waveform obtained with the Doppler sensor. 第1の実施の形態に係る信号処理部のハードウェアブロックを例示する図である。It is a figure which illustrates the hardware block of the signal processing part which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る信号処理部の機能ブロックを例示する図である。It is a figure which illustrates the functional block of the signal processing part which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る心拍検出システムの動作を示すフローチャートの一例である。It is an example of the flowchart which shows operation | movement of the heart rate detection system which concerns on 1st Embodiment. 所定のステップで得た信号波形の一例である。It is an example of the signal waveform obtained at the predetermined step. SSRに用いる適応フィルタについて説明する図である。It is a figure explaining the adaptive filter used for SSR. SSR問題について説明する図である。It is a figure explaining the SSR problem. ZA−SLMSアルゴリズムについて説明する図である。It is a figure explaining a ZA-SLMS algorithm. 実施例の代表的な測定結果を示す図(その1)である。It is FIG. (1) which shows the typical measurement result of an Example. 実施例の代表的な測定結果を示す図(その2)である。It is FIG. (2) which shows the typical measurement result of an Example. 実施例の代表的な測定結果を示す図(その3)である。It is FIG. (The 3) which shows the typical measurement result of an Example. 実施例の代表的な測定結果を示す図(その4)である。It is FIG. (The 4) which shows the typical measurement result of an Example. 5人の被験者について着座静止している場合の心拍数の評価結果をまとめた図である。It is the figure which put together the evaluation result of the heart rate in case the 5 test subjects are sitting still. 5人の被験者について着座静止している場合の心拍間隔の評価結果をまとめた図である。It is the figure which put together the evaluation result of the heartbeat interval in case the 5 test subjects are seated still. 5人の被験者についてタイピングしている場合の心拍数の評価結果をまとめた図である。It is the figure which put together the evaluation result of the heart rate at the time of typing about five test subjects. 5人の被験者についてタイピングしている場合の心拍間隔の評価結果をまとめた図である。It is the figure which put together the evaluation result of the heartbeat interval in the case of typing about five test subjects.

以下、図面を参照して、実施の形態の説明を行う。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and the overlapping description may be abbreviate | omitted.

図1は、第1の実施の形態に係る心拍検出システムの概略構成を例示する図である。図1に示すように、心拍検出システム1は、主要な構成要素として、ドップラーセンサ10と、信号処理部20とを有している。   FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a heartbeat detection system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the heartbeat detection system 1 includes a Doppler sensor 10 and a signal processing unit 20 as main components.

ドップラーセンサ10は、ドップラー効果による送信信号と受信信号の周波数シフトを観測することで、観測対象(被験者)の動きを検出するセンサである。本実施の形態では、一例として、送信波として無変調連続波(CW:Continuous Wave)を用いる。   The Doppler sensor 10 is a sensor that detects the movement of the observation target (subject) by observing the frequency shift of the transmission signal and the reception signal due to the Doppler effect. In the present embodiment, as an example, a non-modulated continuous wave (CW) is used as a transmission wave.

ドップラーセンサ10は被験者の近傍に配置され、被験者の心臓又はその近傍で反射された信号(反射波)を受信し、観測対象の動きにより発生した信号を得ることができる。被験者としては、例えば、PCでタイピングする作業者、車両の運転者等が挙げられる。   The Doppler sensor 10 is disposed in the vicinity of the subject, can receive a signal (reflected wave) reflected at or near the subject's heart, and can obtain a signal generated by the movement of the observation target. Examples of the test subject include an operator typing on a PC, a vehicle driver, and the like.

図2は、ドップラーセンサで得た信号波形の一例である。図2に示す信号は、送信信号と受信信号の間の周波数シフトを表わす信号を時間の関数として取得したものであり、送信信号と同相(In-phase)成分であるI信号、及び直交位相(Quadrature)成分であるQ信号で構成される。   FIG. 2 is an example of a signal waveform obtained by the Doppler sensor. The signal shown in FIG. 2 is obtained by obtaining a signal representing a frequency shift between the transmission signal and the reception signal as a function of time. The I signal which is an in-phase component of the transmission signal and the quadrature phase ( Quadrature) component Q signal.

心拍や呼吸、瞬き、体動(身体による動作)等の身体の表面の動きはドップラーセンサ10により観測できる。心拍検出を行う際には、ハイパスフィルタやバンドパスフィルタ等を用いて適宜ノイズ除去を行うことが好ましい。   Movements of the body surface such as heartbeat, breathing, blinking, and body movement (movement by the body) can be observed by the Doppler sensor 10. When performing heart rate detection, it is preferable to appropriately remove noise using a high-pass filter, a band-pass filter, or the like.

図1に戻り、信号処理部20は、ドップラーセンサ10の出力信号に基づいて、被験者の心拍数や心拍間隔を検出する。信号処理部20は、適宜、ドップラーセンサ10で受信した信号のI信号及びQ信号をそのまま利用したり、I信号及びQ信号に基づいて各種信号(振幅、位相、それらの積分値等)を生成したりすることができる。   Returning to FIG. 1, the signal processing unit 20 detects the heart rate and heart rate interval of the subject based on the output signal of the Doppler sensor 10. The signal processing unit 20 appropriately uses the I signal and Q signal of the signal received by the Doppler sensor 10 as they are, or generates various signals (amplitude, phase, their integrated values, etc.) based on the I signal and the Q signal. You can do it.

図3は、第1の実施の形態に係る信号処理部のハードウェアブロックを例示する図である。図3を参照するに、信号処理部20は、CPU21と、ROM22と、RAM23と、I/F24と、バスライン25とを有している。CPU21、ROM22、RAM23、及びI/F24は、バスライン25を介して相互に接続されている。   FIG. 3 is a diagram illustrating a hardware block of the signal processing unit according to the first embodiment. Referring to FIG. 3, the signal processing unit 20 includes a CPU 21, a ROM 22, a RAM 23, an I / F 24, and a bus line 25. The CPU 21, ROM 22, RAM 23, and I / F 24 are connected to each other via a bus line 25.

CPU21は、信号処理部20の各機能を制御する。記憶手段であるROM22は、CPU21が信号処理部20の各機能を制御するために実行するプログラムや、各種情報を記憶している。記憶手段であるRAM23は、CPU21のワークエリア等として使用される。又、RAM23は、所定の情報を一時的に記憶することができる。I/F24は、心拍検出システム1を他の機器等と接続するためのインターフェイスである。心拍検出システム1は、I/F24を介して、外部ネットワーク等と接続されてもよい。   The CPU 21 controls each function of the signal processing unit 20. The ROM 22 serving as a storage unit stores a program executed by the CPU 21 to control each function of the signal processing unit 20 and various types of information. The RAM 23 serving as storage means is used as a work area for the CPU 21. The RAM 23 can temporarily store predetermined information. The I / F 24 is an interface for connecting the heartbeat detection system 1 to other devices. The heartbeat detection system 1 may be connected to an external network or the like via the I / F 24.

但し、信号処理部20の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。ハードウェアの一例としては、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等が挙げられる。又、信号処理部20は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。   However, part or all of the signal processing unit 20 may be realized only by hardware. Examples of hardware include an application specific integrated circuit (ASIC), a digital signal processor (DSP), and a field programmable gate array (FPGA). The signal processing unit 20 may be physically configured by a plurality of devices.

図4は、第1の実施の形態に係る信号処理部の機能ブロックを例示する図である。図4を参照するに、信号処理部20は、機能ブロックとして、信号取得部201と、特異スペクトル分析部202と、時間差分処理部203と、スパーススペクトル再構成部204と、ピーク追跡部205とを有している。各機能ブロックの具体的な機能については、図5等の説明の中で後述する。   FIG. 4 is a diagram illustrating a functional block of the signal processing unit according to the first embodiment. Referring to FIG. 4, the signal processing unit 20 includes, as functional blocks, a signal acquisition unit 201, a singular spectrum analysis unit 202, a time difference processing unit 203, a sparse spectrum reconstruction unit 204, a peak tracking unit 205, have. Specific functions of each functional block will be described later in the description of FIG.

図5は、第1の実施の形態に係る心拍検出システムの動作を示すフローチャートの一例である。図5を中心にして適宜他の図も参照しながら、第1の実施の形態に係る心拍検出方法について説明する。   FIG. 5 is an example of a flowchart showing the operation of the heartbeat detection system according to the first embodiment. The heartbeat detection method according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 5 and other drawings as appropriate.

まず、ステップS11では、信号取得部201は、ドップラーセンサ10で被験者からの反射波を受信して信号を取得する(信号取得ステップ)。ここで取得する信号は、例えば、図2に示すようなI信号及びQ信号で構成されている。図2に示すI信号及びQ信号はサンプリングされた信号であり、サンプリングレートは、例えば、1000Hzである。   First, in step S11, the signal acquisition unit 201 acquires a signal by receiving a reflected wave from the subject by the Doppler sensor 10 (signal acquisition step). The signal acquired here is composed of, for example, an I signal and a Q signal as shown in FIG. The I signal and Q signal shown in FIG. 2 are sampled signals, and the sampling rate is, for example, 1000 Hz.

次に、ステップS12では、信号取得部201は、ステップS11で受信したI信号及びQ信号のダウンサンプリングを行う。ダウンサンプリングのサンプリングレートは、平常時の心拍(1〜1.6Hz程度)の2倍(3.2Hz)よりも十分に高ければ任意の値としてよく、例えば、125Hz程度とすることができる。   Next, in step S12, the signal acquisition unit 201 down-samples the I signal and the Q signal received in step S11. The sampling rate of downsampling may be any value as long as it is sufficiently higher than twice the normal heart rate (about 1 to 1.6 Hz) (3.2 Hz), and can be set to about 125 Hz, for example.

例えば、ステップS11で取得するドップラーセンサ10のサンプリングレートが1000Hzであり、I信号及びQ信号を取得するタイムウィンドウ(観測時間)が8秒であるとすると、サンプリング数は8000となる。これを125Hzのサンプリングレート(周波数帯域:0〜125Hz)でダウンサンプリングすることにより、サンプリング数は1000となり、信号処理における計算量を大幅に低減することができる。   For example, if the sampling rate of the Doppler sensor 10 acquired in step S11 is 1000 Hz and the time window (observation time) for acquiring the I signal and the Q signal is 8 seconds, the number of samplings is 8000. By downsampling this at a sampling rate of 125 Hz (frequency band: 0 to 125 Hz), the number of samplings becomes 1000, and the amount of calculation in signal processing can be greatly reduced.

次に、ステップS13では、ステップS12でダウンサンプリングを行ったI信号及びQ信号のノイズ成分の除去を行う。ノイズ成分の除去は、例えば、バンドパスフィルタを用いてハードウェア的に行うことができる。又、信号処理部20内においてディジタル信号処理(ディジタルフィルタ等)により行ってもよい。一般に、平常時の心拍は1〜1.6Hz程度の範囲で変化するので、バンドパスフィルタの通過帯域は、例えば、0.4Hz〜5Hz程度とすることができる。   Next, in step S13, noise components of the I signal and Q signal that have been downsampled in step S12 are removed. The removal of the noise component can be performed by hardware using a band pass filter, for example. Alternatively, the signal processing unit 20 may perform digital signal processing (digital filter or the like). In general, since the heartbeat in a normal time changes in the range of about 1 to 1.6 Hz, the pass band of the bandpass filter can be set to about 0.4 Hz to 5 Hz, for example.

図6(a)に信号波形の一例を示す。図6(a)に示す信号波形は、タイムウィンドウを8秒とした場合に、ステップS12でサンプリングレート1000HzのI信号及びQ信号を125Hzでダウンサンプリングし、ステップS13でノイズ成分の除去を行ったドップラー信号である(つまり、図6(a)は8秒間のデータである)。   FIG. 6A shows an example of a signal waveform. In the signal waveform shown in FIG. 6A, when the time window is set to 8 seconds, the I signal and Q signal with a sampling rate of 1000 Hz are downsampled at 125 Hz in step S12, and noise components are removed in step S13. It is a Doppler signal (that is, FIG. 6A is data for 8 seconds).

次に、ステップS14では、特異スペクトル分析部202は、特異スペクトル分析(SSA:Singular Spectrum Analysis)を行う。SSAは、時間領域のI信号及びQ信号を振動的な成分とノイズ成分とに分解し、時間領域のI信号及びQ信号に含まれる呼吸や体動による雑音主成分(心拍に対する雑音主成分)を除去し、心拍成分を抽出するものである。なお、ステップS14では、必要に応じて、1回前の処理値を用いることができる。例えば、1回前の処理値からの範囲を制限して今回の処理値を求めることにより、精度が向上する場合がある。   Next, in step S14, the singular spectrum analysis unit 202 performs singular spectrum analysis (SSA: Singular Spectrum Analysis). The SSA decomposes the time-domain I and Q signals into vibrational components and noise components, and includes noise principal components (remaining noise components for heartbeats) due to breathing and body movement contained in the time-domain I and Q signals. The heartbeat component is extracted. In step S14, the previous processing value can be used as necessary. For example, the accuracy may be improved by limiting the range from the previous processing value and obtaining the current processing value.

次に、ステップS15では、時間差分処理部203は、時間領域のI信号及びQ信号に含まれる心拍に対する非周期雑音を抑える時間差分処理を行う。具体的には、ステップS14で特異スペクトル分析を行って呼吸や体動による雑音主成分を除去したサンプリング信号y=[y、y、・・・、y]を求め(例えば、M=1000)、サンプリング信号yの1次差分y'=[y−y、y−y、・・・、y−yM−1]を求める。時間差分処理を行うことで、ステップS16で再構成するスペクトルのピークを実際の周期的な心拍のピークに近づかせることができる。 Next, in step S15, the time difference processing unit 203 performs time difference processing that suppresses non-periodic noise with respect to heartbeats included in the I signal and Q signal in the time domain. Specifically, a singular spectrum analysis is performed in step S14 to obtain a sampling signal y = [y 1 , y 2 ,..., Y M ] from which noise main components due to respiration and body movement are removed (for example, M = 1000), and obtain a first order difference y ′ = [y 2 −y 1 , y 3 −y 2 ,..., Y M −y M−1 ] of the sampling signal y. By performing the time difference process, the peak of the spectrum reconstructed in step S16 can be brought close to the actual periodic heartbeat peak.

図6(b)に信号波形の一例を示す。図6(b)に示す信号波形は、図6(a)のI信号及びQ信号に対しステップS14で特異スペクトル分析を行って呼吸や体動による雑音主成分を除去したサンプリング信号yを求め(M=1000)、サンプリング信号yの1次差分y'を求めたものである。   FIG. 6B shows an example of a signal waveform. The signal waveform shown in FIG. 6B is obtained by performing a specific spectrum analysis on the I signal and the Q signal in FIG. 6A in step S14 to obtain a sampling signal y from which noise main components due to breathing and body movement are removed ( M = 1000) and the primary difference y ′ of the sampling signal y is obtained.

次に、ステップS16では、スパーススペクトル再構成部204は、時間領域のI信号及びQ信号を周波数領域のI信号及びQ信号に変換するスパーススペクトル再構成(SSR:Sparse Spectrum Reconstruction)を行う(スパーススペクトル再構成ステップ)。スパーススペクトル再構成部204は、確率的勾配降下法(SGD:Stochastic Gradient Descent)に属するアルゴリズムを用いて心拍のスパーススペクトルを再構成する。本実施の形態では、一例として、確率的勾配降下法に属するZA−LMS(Zero Attracting Least Mean Square)アルゴリズムをSSRに適用し、呼吸や体動による雑音を除去する例を示す。   Next, in step S16, the sparse spectrum reconstruction unit 204 performs sparse spectrum reconstruction (SSR) that converts the time domain I and Q signals into frequency domain I and Q signals (sparse spectrum reconstruction). Spectrum reconstruction step). The sparse spectrum reconstruction unit 204 reconstructs a sparse spectrum of heartbeats using an algorithm belonging to a stochastic gradient descent (SGD). In the present embodiment, as an example, a ZA-LMS (Zero Attracting Least Mean Square) algorithm belonging to the stochastic gradient descent method is applied to SSR, and an example of removing noise due to breathing or body movement is shown.

なお、スパーススペクトルとは、単に心拍ピークがあり、ほかの周波数に対応するエネルギーがほとんどゼロという(心拍)スペクトルである。   The sparse spectrum is simply a heartbeat spectrum in which there is a heartbeat peak and energy corresponding to other frequencies is almost zero.

図6(c)に信号波形の一例を示す。図6(c)に示す信号波形は、図6(b)のI信号及びQ信号に対しZA−LMSアルゴリズムによりスパーススペクトル再構成を行った後のI信号である。図6(c)において、GT(Ground Truth:真値)は心電計で測定した心拍数(図6(d)に対応)、EST(Estimation:推定値)はスパーススペクトル再構成を行ったスペクトラムのピーク周波数である。図6(c)ではESTは約1.2Hzであり、即ち心臓が1分間に72回拍動することである(72BPM)。図6(c)の例では、この推定値(72BPM)とGTとのずれ(絶対値誤差)は、0.78BPMである。   FIG. 6C shows an example of a signal waveform. The signal waveform shown in FIG. 6C is an I signal after the sparse spectrum reconstruction is performed on the I signal and the Q signal in FIG. 6B by the ZA-LMS algorithm. In FIG. 6C, GT (Ground Truth: true value) is a heart rate (corresponding to FIG. 6D) measured by an electrocardiograph, and EST (Estimation: estimated value) is a spectrum obtained by performing sparse spectrum reconstruction. The peak frequency. In FIG. 6 (c), the EST is about 1.2 Hz, that is, the heart beats 72 times per minute (72 BPM). In the example of FIG. 6C, the deviation (absolute value error) between this estimated value (72 BPM) and GT is 0.78 BPM.

なお、図6(d)は、同じ被験者が心電図で測定した実際の心拍信号を参考のために示したものである。図6(d)からGTを求めることができる。   FIG. 6D shows an actual heartbeat signal measured by an electrocardiogram by the same subject for reference. GT can be obtained from FIG.

ここで、ZA−LMSアルゴリズムについて詳しく説明する。図7は、SSRに用いる適応フィルタについて説明する図である。図7に示すように、未知システム501に入った入力信号x(n)にインパルス応答horiをかけ、内積x(n)horiを得る。x(n)horiは、付加的な雑音z(n)に干渉されて目的信号d(n)=x(n)hori+z(n)となり、適応フィルタ502に入力される。 Here, the ZA-LMS algorithm will be described in detail. FIG. 7 is a diagram illustrating an adaptive filter used for SSR. As shown in FIG. 7, an impulse response hori is applied to the input signal x (n) that has entered the unknown system 501, and an inner product x T (n) hori is obtained. x T (n) hori is interfered by additional noise z (n) to be a target signal d (n) = x T (n) hori + z (n), and is input to the adaptive filter 502.

目的信号d(n)から、入力信号x(n)とフィルタ係数h(n)との内積x(n)h(n)を減算することで、回帰誤差e(n)が得られる。適応アルゴリズムを用い、回帰誤差e(n)を最小化するように確率的勾配降下法に基づいてフィルタ係数h(n)の回帰更新を行ってhoriを推定することができる。 By subtracting the inner product x T (n) h (n) of the input signal x (n) and the filter coefficient h (n) from the target signal d (n), a regression error e (n) is obtained. Using an adaptive algorithm, the regression update of the filter coefficient h (n) can be performed based on the stochastic gradient descent method so as to minimize the regression error e (n), and hori can be estimated.

SSR問題とは、ドップラー信号に対する少数のサンプリング信号yにより、フーリエ観測行列Φを用いて高解像度の心拍スペクトルを復元することである。本実施の形態では、SSR問題と適応フィルタ502のパラメータとの対応関係に基づき、図7に示す適応フィルタ502を用い、図8に示すSSR問題への応用を行う。   The SSR problem is to restore a high-resolution heart rate spectrum using a Fourier observation matrix Φ with a small number of sampling signals y with respect to the Doppler signal. In the present embodiment, based on the correspondence relationship between the SSR problem and the parameters of the adaptive filter 502, the adaptive filter 502 shown in FIG. 7 is used to apply the SSR problem shown in FIG.

具体的には、図8に示すフーリエ観測ベクトルφjを入力信号x(n)、スペクトル未知解s(n)をフィルタ係数h(n)、サンプリング信号の要素yjを目的信号d(n)に対応させる。なお、図8において、503は時間領域のドップラー信号を模式的に示したものであり、504は503をフーリエ変換した周波数領域のドップラー信号を模式的に示したものである。又、HR(Heart Rate)は心拍数に対応するピークを模式的に示したものである。   Specifically, the Fourier observation vector φj shown in FIG. 8 corresponds to the input signal x (n), the spectrum unknown solution s (n) corresponds to the filter coefficient h (n), and the sampling signal element yj corresponds to the target signal d (n). Let In FIG. 8, 503 schematically shows a Doppler signal in the time domain, and 504 schematically shows a Doppler signal in the frequency domain obtained by Fourier transforming 503. HR (Heart Rate) schematically shows a peak corresponding to the heart rate.

ZA−LMSアルゴリズムの場合、インパルス応答horiが2変数を含むことを仮定する。回帰毎に一つの入力信号x(n)を確率的に用い、2次の回帰誤差e(n)による目的関数の勾配∇fを逆方向にし、ステップサイズμをかけ、係数修正を行う。係数修正により、フィルタ係数h(n)がhoriに少しずつ近づいていく。   In the case of the ZA-LMS algorithm, it is assumed that the impulse response hori includes two variables. One input signal x (n) is stochastically used for each regression, the gradient ∇f of the objective function due to the secondary regression error e (n) is reversed, the coefficient is corrected by multiplying the step size μ. By the coefficient correction, the filter coefficient h (n) gradually approaches hori.

以上がZA−LMSアルゴリズムの説明であるが、非ガウス雑音環境では、回帰誤差が不安定に更新する可能性が高く、ZA−LMSアルゴリズムでは理想的な復号結果を達成することが困難な場合がある。そこで、インパルス雑音に有効に対応するため、図9に示すように、回帰誤差を一定の範囲内に制限し、突然のインパルス外乱に対しても誤差が急増しないことを実現するZA−SLMS(Zero Attracting Sign Least Mean Square)アルゴリズムを適用することがより好ましい。   The above is the explanation of the ZA-LMS algorithm. In a non-Gaussian noise environment, there is a high possibility that the regression error is unstablely updated, and it may be difficult to achieve an ideal decoding result with the ZA-LMS algorithm. is there. Therefore, in order to effectively cope with the impulse noise, as shown in FIG. 9, the regression error is limited to a certain range, and the ZA-SLMS (Zero It is more preferable to apply the Attracting Sign Least Mean Square) algorithm.

図9において、破線の円及び実線の矢印は回帰誤差を制限した勾配降下を示し、一点鎖線の矢印はインパルス雑音に干渉された勾配降下を示している。又、S(n)はスペクトル未知解を、Soriは心拍スペクトルを示している。このように、ZA−LMSアルゴリズムにスパース制約を導入することにより、スペクトル未知解S(n)は、より実際のスパースな心拍スペクトルSoriに近づくことができる。   In FIG. 9, a broken-line circle and a solid-line arrow indicate a gradient drop that limits the regression error, and a dashed-dotted arrow indicates a gradient drop that is interfered by impulse noise. S (n) represents a spectrum unknown solution, and Sori represents a heartbeat spectrum. Thus, by introducing a sparse constraint to the ZA-LMS algorithm, the spectrum unknown solution S (n) can be closer to the actual sparse heartbeat spectrum Sori.

ZA−LMSの目的関数は、式(1)で示すことができる。   The objective function of ZA-LMS can be expressed by equation (1).

Figure 2019129996
式(1)において、e(n)=d(n)−x(n)h(n)である。目的関数の導関数である式(2)により、ZA−LMSの更新方程式である式(3)が得られる。
Figure 2019129996
In the formula (1), e (n) = d (n) −x T (n) h (n). Equation (2), which is a derivative of the objective function, yields Equation (3), which is an update equation for ZA-LMS.

Figure 2019129996
Figure 2019129996

Figure 2019129996
式(3)において、γ=μλである。ここで、γはゼロ吸引ファクタ、μはステップサイズ、λは制御パラメータである。又、sgn関数が式(4)のように定義される。
Figure 2019129996
In equation (3), γ = μλ. Here, γ is a zero suction factor, μ is a step size, and λ is a control parameter. Also, the sgn function is defined as in equation (4).

Figure 2019129996
ZA−LMSの更新方程式である式(3)において、e(n)に式(4)に示すsgn関数を導入することで、ZA−SLMSの更新方程式である式(5)が得られる。
Figure 2019129996
In Formula (3) which is an update equation of ZA-LMS, Formula (5) which is an update equation of ZA-SLMS is obtained by introducing the sgn function shown in Formula (4) into e (n).

Figure 2019129996
図5の説明に戻り、次に、ステップS17では、ピーク追跡部205は、スパーススペクトルのピークを追跡し、心拍数を推定する。例えば、図6(c)の信号波形を例にとると、ピーク追跡部205は、図6(c)の信号波形のピークを追跡し、約1.2Hz(72BPM)にピークが存在することを認識する。まず、前回の推定値を参照し最大ピークを選び、そして、閾値により今回の推定値を確認する。
Figure 2019129996
Returning to the description of FIG. 5, next, in step S <b> 17, the peak tracking unit 205 tracks the peak of the sparse spectrum and estimates the heart rate. For example, taking the signal waveform of FIG. 6 (c) as an example, the peak tracking unit 205 tracks the peak of the signal waveform of FIG. 6 (c) and determines that a peak exists at about 1.2 Hz (72 BPM). recognize. First, the maximum peak is selected with reference to the previous estimated value, and the current estimated value is confirmed by a threshold value.

ピーク追跡部205は、選択操作及び確認操作を行う。具体的には、ピーク追跡部205は、前回の推定値を中心とした所定の探索範囲内(例えば、前後10BPMの範囲内)で、スパーススペクトルがピークとなる周波数を今回の推定値として選択する(選択操作)。次に、ピーク追跡部205は、隣接する推定値は大きく変化しないため、推定値の変化が所定の閾値(例えば、閾値θ=6BPM)を超える場合は、前回の推定値を出力する(確認操作)。   The peak tracking unit 205 performs a selection operation and a confirmation operation. Specifically, the peak tracking unit 205 selects, as a current estimated value, a frequency at which the sparse spectrum peaks within a predetermined search range centered on the previous estimated value (for example, within the range of 10 BPM before and after). (Selection operation). Next, since the adjacent estimated value does not change significantly, the peak tracking unit 205 outputs the previous estimated value when the change of the estimated value exceeds a predetermined threshold (for example, threshold θ = 6 BPM) (confirmation operation) ).

例えば、図6(c)の信号波形を例にとると、前回の推定値が72BPMであった場合、ピーク追跡部205は、例えば、62BPM〜82BPMの範囲内で今回の推定値を選択する。そして、例えば、推定値の変化が6BPM以下であれば今回の推定値を出力し、推定値の変化が6BPMを超える場合には前回の推定値を出力する。   For example, taking the signal waveform of FIG. 6C as an example, if the previous estimated value is 72 BPM, the peak tracking unit 205 selects the current estimated value within a range of 62 BPM to 82 BPM, for example. For example, if the estimated value change is 6 BPM or less, the current estimated value is output. If the estimated value change exceeds 6 BPM, the previous estimated value is output.

以上の各ステップにより、雑音を除去し、心拍検出精度を向上することができる。なお、I信号のスペクトルピークとQ信号のスペクトルピークのうち、ピーク値が高い方のデータを採用することができる。   Through the above steps, noise can be removed and heartbeat detection accuracy can be improved. Of the spectrum peak of the I signal and the spectrum peak of the Q signal, data having a higher peak value can be adopted.

このように、心拍検出システム1では、非接触センサであるドップラーセンサで取得したI信号及びQ信号に対して、スパーススペクトル再構成を行う。この際、スパーススペクトル再構成に、確率的勾配降下法に属するアルゴリズムを用いることにより、呼吸や体動による雑音を高精度で除去することができる。その結果、着座静止時のみならず、タイピング時や運転時等の様々な体動を伴う動作時においても、心拍検出精度を向上することができる。ここで、心拍検出は、心拍数の検出や心拍間隔(RRI:R-R Interval)の検出を含むものである。   Thus, in the heartbeat detection system 1, sparse spectrum reconstruction is performed on the I signal and the Q signal acquired by the Doppler sensor that is a non-contact sensor. At this time, by using an algorithm belonging to the stochastic gradient descent method for sparse spectrum reconstruction, it is possible to remove noise due to respiration and body movement with high accuracy. As a result, heartbeat detection accuracy can be improved not only when the user is seated and stationary, but also during movements involving various body movements such as typing and driving. Here, the heartbeat detection includes detection of a heart rate and detection of a heartbeat interval (RRI: R-R Interval).

なお、確率的勾配降下法に属するアルゴリズムには、雑音に高いロバスト性を持つZA−LMSアルゴリズムを用いることが好ましく、雑音に更に高いロバスト性を持つZA−SLMSアルゴリズムを用いることがより好ましい。但し、これらには限定されず、以下の第1の実施の形態の変形例で示すように、FOCUSS(Focal Underdetermined System Solver)アルゴリズム等を用いても構わない。   Note that, for the algorithm belonging to the stochastic gradient descent method, it is preferable to use a ZA-LMS algorithm having high robustness against noise, and it is more preferable to use a ZA-SLMS algorithm having higher robustness against noise. However, the present invention is not limited thereto, and a FOCUSS (Focal Underdetermined System Solver) algorithm or the like may be used as shown in the following modification of the first embodiment.

又、スパーススペクトル再構成を行う前に、特異スペクトル分析を行って呼吸や体動による雑音主成分を除去し、心拍成分を抽出すると、心拍検出精度をより向上することができる。又、特異スペクトル分析の後に、時間差分処理を行って再構成するスペクトルのピークを実際の周期的な心拍のピークに近づかせることで、心拍検出精度を更に向上することができる。   Moreover, before performing sparse spectrum reconstruction, by performing a specific spectrum analysis to remove noise main components due to breathing and body movement and extracting a heartbeat component, heartbeat detection accuracy can be further improved. Further, after the specific spectrum analysis, the time difference process is performed to bring the spectrum peak to be reconstructed closer to the actual periodic heartbeat peak, whereby the heartbeat detection accuracy can be further improved.

〈第1の実施の形態の変形例〉
第1の実施の形態の変形例では、図5のステップS16のスパーススペクトル再構成に、第1の実施の形態とは異なるアルゴリズムを適用する例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Modification of First Embodiment>
In the modification of the first embodiment, an example in which an algorithm different from that of the first embodiment is applied to the sparse spectrum reconstruction in step S16 in FIG. In the modification of the first embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.

第1の実施の形態の変形例では、図5のステップS16のスパーススペクトル再構成に、確率的勾配降下法に属するFOCUSSアルゴリズムを適用し、呼吸や体動による雑音を高精度で除去する。   In the modification of the first embodiment, the FOCUSS algorithm belonging to the stochastic gradient descent method is applied to the sparse spectrum reconstruction in step S16 in FIG. 5 to remove noise due to breathing and body movement with high accuracy.

FOCUSSアルゴリズムは、近似凸最適化に属する非凸ノルムアルゴリズムである。ここでは、圧縮センシング(CS)技術に基づき、M×Nフーリエ観測行列Φ∈CM×Nを用いたSSRアルゴリズムを適用する。Φは式(6)で示すことができる。 The FOCUSS algorithm is a non-convex norm algorithm that belongs to approximate convex optimization. Here, based on the compressed sensing (CS) technique, an SSR algorithm using an M × N Fourier observation matrix Φ∈CM × N is applied. Φ can be expressed by equation (6).

Figure 2019129996
例えば、図8の503中の破線で示す時間領域でのサンプリング数がM=1000の場合、Mの半分(500)の何倍かの周波数ビン(例えば、N=4096/2=2048:図8の504中の座標軸の正半分)に広げ、スパーススペクトル再構成を行う。同時に、スペクトルに雑音成分を含むゼロに近い値を減少し、大きな値の復元を強化する。
Figure 2019129996
For example, when the number of samplings in the time domain indicated by the broken line in 503 in FIG. 8 is M = 1000, frequency bins that are several times half of M (500) (for example, N = 4096/2 = 2048: FIG. And sparse spectrum reconstruction is performed. At the same time, the value close to zero including noise components in the spectrum is reduced, and the restoration of large values is enhanced.

SSR問題は式(7)の方程式で表示できる。   The SSR problem can be expressed by the equation (7).

Figure 2019129996
式(7)において、xはN次元の未知ベクトルである。この問題では、y'recによりΦを用いてxを求める。||x||を最小にすることによって、式(8)に示すようにアフィン尺度変換(AST)法を通して方程式の解x(最小ノルム解)を求める。
Figure 2019129996
In Expression (7), x is an N-dimensional unknown vector. In this problem, x is obtained using Φ by y ′ rec . By minimizing || x ||, the solution x (minimum norm solution) of the equation is obtained through the affine scale transformation (AST) method as shown in equation (8).

Figure 2019129996
式(8)において、擬似逆行列がΦ=Φ(ΦΦ−1と定義され、x(a)が復元結果を表す。
Figure 2019129996
In Equation (8), the pseudo inverse matrix is defined as Φ + = Φ T (ΦΦ T ) −1, and x (a) represents the restoration result.

次に、加重最小ノルム解を求める。最小ノルム解と同じ原理に基づき、||q||(q=Wx、WはN×N正方行列)を最適化目標として最小にし、式(9)を再定義する。 Next, a weighted minimum norm solution is obtained. Based on the same principle as the minimum norm solution, || q || (q = W + x, W is an N × N square matrix) is minimized as an optimization target, and Equation (9) is redefined.

Figure 2019129996
そして、式(10)、式(11)により方程式の解x(a)を求める。q(a)は復元した最適化目標である。
Figure 2019129996
And the solution x (a) of an equation is calculated | required by Formula (10) and Formula (11). q (a) is the restored optimization target.

Figure 2019129996
Figure 2019129996

Figure 2019129996
ここで、基本的なFOCUSSでは、式(12)〜式(14)で表されるが、式(15)〜式(17)で表される拡張版のM−FOCUSSや、式(18)〜式(20)で表される改良型のRM−FOCUSSを用いても良い。
Figure 2019129996
Here, in the basic FOCUSS, it is expressed by Expression (12) to Expression (14), but the extended version of M-FOCUSS expressed by Expression (15) to Expression (17) or Expression (18) to An improved RM-FOCUSS represented by the formula (20) may be used.

Figure 2019129996
Figure 2019129996

Figure 2019129996
Figure 2019129996

Figure 2019129996
式(12)〜式(14)において、nは回帰数である。
Figure 2019129996
In Formula (12)-Formula (14), n is a regression number.

Figure 2019129996
式(15)において、pはxのスパース性を高めるパラメータである。pは、例えば、0.8程度とすることができる。
Figure 2019129996
In Expression (15), p is a parameter that increases the sparsity of xn . For example, p can be set to about 0.8.

Figure 2019129996
Figure 2019129996

Figure 2019129996
Figure 2019129996

Figure 2019129996
Figure 2019129996

Figure 2019129996
Figure 2019129996

Figure 2019129996
式(19)において、I=diag(1,1,・・・,1)は単位行列である。又、λRMFはスパース性の比重を調整するパラメータである。λRMFは、例えば、0.1程度とすることができる。なお、λRMF=0の場合がM−FOCUSSである。
Figure 2019129996
In equation (19), I = diag (1, 1,..., 1) is a unit matrix. Λ RMF is a parameter for adjusting the specific gravity of the sparsity. λ RMF can be set to about 0.1, for example. The case of λ RMF = 0 is M-FOCUSS.

このように、スパーススペクトル再構成に用いる確率的勾配降下法に属するアルゴリズムとして、ZA−LMSアルゴリズムやZA−SLMSアルゴリズムに代えて、FOCUSSアルゴリズムを用いても、呼吸や体動による雑音を高精度で除去することができる。   As described above, even if the FOCUSS algorithm is used instead of the ZA-LMS algorithm or the ZA-SLMS algorithm as an algorithm belonging to the stochastic gradient descent method used for the sparse spectrum reconstruction, noise due to breathing or body motion can be accurately detected. Can be removed.

但し、FOCUSSアルゴリズムは、復元結果が雑音の影響を受けやすいため、雑音に高いロバスト性を持つZA−LMSアルゴリズムやZA−SLMSアルゴリズムを用いる方が、呼吸や体動による雑音をより高精度で除去することができる。   However, since the FOCUSS algorithm is susceptible to noise, the ZA-LMS algorithm and ZA-SLMS algorithm, which have high robustness against noise, remove noise caused by breathing and body movement with higher accuracy. can do.

[実施例]
実施例では、心拍検出システム1を用いて心拍検出の実験を行った。実験の諸元を表1に示す。
[Example]
In the example, an experiment of heart rate detection was performed using the heart rate detection system 1. Table 1 shows the specifications of the experiment.

Figure 2019129996
具体的には、心拍検出システム1において、図5のステップS16のスパーススペクトル再構成に、RM−FOCUSSアルゴリズムを用いた場合、ZA−LMSアルゴリズムを用いた場合、ZA−SLMSアルゴリズムを用いた場合について、心拍数及び心拍間隔(RRI)の評価を行った。又、基準値として、心電計で心拍数及び心拍間隔の測定を行った。又、比較例として、スペクトログラム法を用いた場合について、実施例と同一条件で評価した。なお、スペクトログラム法とは、前述のように、スペクトログラム上の心拍に反応していると考えられる周波数から心拍成分を含む周波数帯域を決定し、周波数帯域内の心拍による周波数の振幅を積分し、積分値の時間変化から心拍を検出する手法である。
Figure 2019129996
Specifically, in the heart rate detection system 1, when the RM-FOCUSS algorithm is used for the sparse spectrum reconstruction in step S <b> 16 in FIG. 5, the ZA-LMS algorithm is used, or the ZA-SLMS algorithm is used. Evaluation of heart rate and heart rate interval (RRI) was performed. As a reference value, the heart rate and heart rate interval were measured with an electrocardiograph. Further, as a comparative example, the case where the spectrogram method was used was evaluated under the same conditions as in the examples. The spectrogram method, as described above, determines the frequency band including the heartbeat component from the frequency that is considered to respond to the heartbeat on the spectrogram, integrates the amplitude of the frequency due to the heartbeat within the frequency band, and integrates This is a technique for detecting the heartbeat from the time change of the value.

図10〜図13に、代表的な測定結果を示す。図10は、5人の被験者のうち被験者3が着座静止している場合の心拍数の評価結果である。図11は、5人の被験者のうち被験者2がタイピングしている場合の心拍数の評価結果である。図12は、5人の被験者のうち被験者3が着座静止している場合の心拍間隔の評価結果である。図13は、5人の被験者のうち被験者2がタイピングしている場合の心拍間隔の評価結果である。   10 to 13 show typical measurement results. FIG. 10 shows the evaluation results of the heart rate when the subject 3 is seated and stationary among the five subjects. FIG. 11 shows an evaluation result of the heart rate when the subject 2 is typing among the five subjects. FIG. 12 shows the evaluation result of the heartbeat interval when the subject 3 is seated and stationary among the five subjects. FIG. 13 shows the evaluation result of the heartbeat interval when the subject 2 is typing among the five subjects.

なお、図10及び図11において、RM−FOCUSSアルゴリズム、ZA−LMSアルゴリズム、及びZA−SLMSアルゴリズムを用いて測定した各データは、タイムウィンドウを8秒、ずらし時間を2秒として、図6(a)〜図6(c)を参照して説明した方法によりスパーススペクトル再構成を行ったスペクトラムのピークの周波数(EST)から推定した心拍数をタイムウィンドウごとにプロットしたものである。又、図10(着席静止時)及び図11(タイピング時)に示したデータに基づいて心拍数、図12(着席静止時)及び図13(タイピング時)に示したデータに基づいて心拍間隔をプロットしたものである。   10 and 11, each data measured using the RM-FOCUSS algorithm, the ZA-LMS algorithm, and the ZA-SLMS algorithm has a time window of 8 seconds and a shift time of 2 seconds. The heart rate estimated from the peak frequency (EST) of the spectrum subjected to sparse spectrum reconstruction by the method described with reference to FIG. 6C is plotted for each time window. Further, the heart rate is based on the data shown in FIG. 10 (at the time of sitting) and FIG. 11 (at the time of typing), and the heart rate interval is calculated based on the data shown in FIG. 12 (at the time of sitting still) and FIG. It is a plot.

図14は、5人の被験者について着座静止している場合の心拍数の評価結果をまとめた図であり、基準値に対する絶対値誤差を比較している(単位はBPM)。図14に示すように、各アルゴリズムについて、着座静止している場合の心拍数の基準値に対する絶対値誤差の平均値を比較すると、比較例であるスペクトログラム法に比べて、実施例である3つのアルゴリズムは、絶対値誤差の平均値が大幅に低減されており、心拍検出精度を向上できることが確認された。中でも、ZA−SLMSアルゴリズムを用いた場合に、絶対値誤差の平均値が最も小さくなっており、ZA−SLMSアルゴリズムは心拍検出精度を向上するための好適なアルゴリズムであることが確認された。   FIG. 14 is a table summarizing the evaluation results of heart rate when five subjects are seated and stationary, and compares absolute value errors with reference values (unit: BPM). As shown in FIG. 14, for each algorithm, when comparing the average value of the absolute value error with respect to the reference value of the heart rate in the case of sitting still, compared to the spectrogram method that is a comparative example, It was confirmed that the average value of the absolute value error of the algorithm is greatly reduced, and the heartbeat detection accuracy can be improved. In particular, when the ZA-SLMS algorithm was used, the average value of absolute value errors was the smallest, and it was confirmed that the ZA-SLMS algorithm is a suitable algorithm for improving heartbeat detection accuracy.

図15は、5人の被験者について着座静止している場合の心拍間隔の評価結果をまとめた図であり、RMSE(Root Mean Square Error)を比較している(単位はmsec)。図15に示すように、各アルゴリズムについて、着座静止している場合の心拍間隔のRMSEの平均値を比較すると、比較例であるスペクトログラム法に比べて、実施例である3つのアルゴリズムは、RMSEの平均値が大幅に低減されており、心拍検出精度を向上できることが確認された。中でも、ZA−LMS及びZA−SLMSアルゴリズムを用いた場合に、RMSEの平均値が最も小さくなっており、ZA−LMS及びZA−SLMSアルゴリズムは心拍検出精度を向上するための好適なアルゴリズムであることが確認された。   FIG. 15 is a table summarizing the evaluation results of heartbeat intervals when five subjects are seated and stationary, and compares RMSE (Root Mean Square Error) (unit: msec). As shown in FIG. 15, when comparing the average value of the RMSE of the heartbeat interval when sitting still for each algorithm, compared to the spectrogram method that is a comparative example, the three algorithms that are examples are It was confirmed that the average value was greatly reduced and the heartbeat detection accuracy could be improved. Above all, when the ZA-LMS and ZA-SLMS algorithms are used, the average value of RMSE is the smallest, and the ZA-LMS and ZA-SLMS algorithms are suitable algorithms for improving heartbeat detection accuracy. Was confirmed.

図16は、5人の被験者についてタイピングしている場合の心拍数の評価結果をまとめた図であり、基準値に対する絶対値誤差を比較している(単位はBPM)。図16に示すように、各アルゴリズムについて、タイピングしている場合の心拍数の基準値に対する絶対値誤差の平均値を比較すると、比較例であるスペクトログラム法に比べて、実施例である3つのアルゴリズムは、絶対値誤差の平均値が大幅に低減されており、心拍検出精度を向上できることが確認された。中でも、ZA−SLMSアルゴリズムを用いた場合に、絶対値誤差の平均値が最も小さくなっており、ZA−SLMSアルゴリズムは心拍検出精度を向上するための好適なアルゴリズムであることが確認された。   FIG. 16 is a diagram summarizing the evaluation results of the heart rate when typing is performed for five subjects, and the absolute value error with respect to the reference value is compared (unit: BPM). As shown in FIG. 16, when comparing the average value of the absolute value error with respect to the reference value of the heart rate when typing for each algorithm, compared to the spectrogram method as a comparative example, three algorithms as an example It was confirmed that the average value of the absolute value error was significantly reduced and the heartbeat detection accuracy could be improved. In particular, when the ZA-SLMS algorithm was used, the average value of absolute value errors was the smallest, and it was confirmed that the ZA-SLMS algorithm is a suitable algorithm for improving heartbeat detection accuracy.

図17は、5人の被験者についてタイピングしている場合の心拍間隔の評価結果をまとめた図であり、RMSEを比較している(単位はmsec)。図17に示すように、各アルゴリズムについて、タイピングしている場合の心拍間隔のRMSEの平均値を比較すると、比較例であるスペクトログラム法に比べて、実施例である3つのアルゴリズムは、RMSEの平均値が大幅に低減されており、心拍検出精度を向上できることが確認された。中でも、ZA−SLMSアルゴリズムを用いた場合に、RMSEの平均値が最も小さくなっており、ZA−SLMSアルゴリズムは心拍検出精度を向上するための好適なアルゴリズムであることが確認された。   FIG. 17 is a table summarizing the evaluation results of heartbeat intervals when typing is performed on five subjects, and RMSE is compared (unit: msec). As shown in FIG. 17, when comparing the average value of the RMSE of the heartbeat interval when typing for each algorithm, the three algorithms of the examples are compared with the spectrogram method of the comparative example. The value was greatly reduced, and it was confirmed that the heartbeat detection accuracy could be improved. In particular, when the ZA-SLMS algorithm was used, the average value of RMSE was the smallest, and it was confirmed that the ZA-SLMS algorithm is a suitable algorithm for improving heartbeat detection accuracy.

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。   The preferred embodiments and the like have been described in detail above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope described in the claims. Variations and substitutions can be added.

1 心拍検出システム
10 ドップラーセンサ
20 信号処理部
21 CPU
22 ROM
23 RAM
24 I/F
25 バスライン
201 信号取得部
202 特異スペクトル分析部
203 時間差分処理部
204 スパーススペクトル再構成部
205 ピーク追跡部
1 Heart Rate Detection System 10 Doppler Sensor 20 Signal Processing Unit 21 CPU
22 ROM
23 RAM
24 I / F
25 Bus line 201 Signal acquisition unit 202 Singular spectrum analysis unit 203 Time difference processing unit 204 Sparse spectrum reconstruction unit 205 Peak tracking unit

Claims (8)

被験者からの反射波を受信して時間領域のI信号及びQ信号を取得するドップラーセンサと、
時間領域の前記I信号及び前記Q信号を周波数領域のI信号及びQ信号に変換するスパーススペクトル再構成部と、を有し、
前記スパーススペクトル再構成部は、確率的勾配降下法に属するアルゴリズムを用いて心拍のスパーススペクトルを再構成する心拍検出システム。
A Doppler sensor that receives a reflected wave from a subject and obtains an I signal and a Q signal in a time domain;
A sparse spectrum reconstruction unit that converts the I signal and the Q signal in the time domain into an I signal and a Q signal in the frequency domain, and
The sparse spectrum reconstruction unit is a heartbeat detection system for reconstructing a sparse spectrum of a heartbeat using an algorithm belonging to a stochastic gradient descent method.
前記スパーススペクトルのピークを追跡し、心拍数を推定するピーク追跡部を有し、
前記ピーク追跡部は、2つの隣接する心拍数を推定する際に、前回の推定値を中心とした所定の探索範囲内で今回の推定値を選択し、推定値の変化が所定の閾値を超える場合は、前回の推定値を出力する請求項1に記載の心拍検出システム。
A peak tracking unit for tracking a peak of the sparse spectrum and estimating a heart rate;
When estimating the two adjacent heart rates, the peak tracking unit selects the current estimated value within a predetermined search range centered on the previous estimated value, and the change in the estimated value exceeds a predetermined threshold value. The heartbeat detection system according to claim 1, wherein the previous estimated value is output.
時間領域の前記I信号及び前記Q信号に含まれる心拍に対する雑音主成分を除去し、心拍成分を抽出する特異スペクトル分析部を有し、
前記スパーススペクトル再構成部は、前記特異スペクトル分析部により雑音主成分を除去された時間領域の前記I信号及び前記Q信号を周波数領域のI信号及び前記Q信号に変換する請求項1又は2に記載の心拍検出システム。
A singular spectrum analysis unit for removing a main component of noise for heartbeats included in the I signal and the Q signal in the time domain and extracting a heartbeat component;
The sparse spectrum reconstruction unit converts the time domain I signal and the Q signal from which the noise main component is removed by the singular spectrum analysis unit into a frequency domain I signal and the Q signal. The described heart rate detection system.
時間領域の前記I信号及び前記Q信号に含まれる心拍に対する非周期雑音を抑える時間差分処理部を有し、
前記スパーススペクトル再構成部は、前記特異スペクトル分析部により雑音主成分を除去され、前記時間差分処理部により非周期雑音を抑えられた時間領域の前記I信号及び前記Q信号を周波数領域のI信号及び前記Q信号に変換する請求項3に記載の心拍検出システム。
A time difference processing unit that suppresses non-periodic noise for heartbeats included in the I signal and the Q signal in the time domain;
The sparse spectrum reconstruction unit removes the noise main component by the singular spectrum analysis unit, and converts the I signal and the Q signal in the time domain from which non-periodic noise is suppressed by the time difference processing unit to the I signal in the frequency domain The heartbeat detection system according to claim 3, wherein the heartbeat detection system converts the signal into the Q signal.
前記確率的勾配降下法に属するアルゴリズムは、ZA−SLMSアルゴリズムである請求項1乃至4の何れか一項に記載の心拍検出システム。   The heartbeat detection system according to any one of claims 1 to 4, wherein the algorithm belonging to the stochastic gradient descent method is a ZA-SLMS algorithm. 前記確率的勾配降下法に属するアルゴリズムは、ZA−LMSアルゴリズムである請求項1乃至4の何れか一項に記載の心拍検出システム。   The heartbeat detection system according to any one of claims 1 to 4, wherein the algorithm belonging to the stochastic gradient descent method is a ZA-LMS algorithm. 前記確率的勾配降下法に属するアルゴリズムは、FOCUSSアルゴリズムである請求項1乃至4の何れか一項に記載の心拍検出システム。   The heartbeat detection system according to any one of claims 1 to 4, wherein the algorithm belonging to the stochastic gradient descent method is a FOCUSS algorithm. ドップラーセンサで被験者からの反射波を受信して時間領域のI信号及びQ信号を取得する信号取得ステップと、
時間領域の前記I信号及び前記Q信号を周波数領域のI信号及び前記Q信号に変換するスパーススペクトル再構成ステップと、を有し、
前記スパーススペクトル再構成ステップでは、確率的勾配降下法に属するアルゴリズムを用いて心拍のスパーススペクトルを再構成する心拍検出方法。
A signal acquisition step of receiving a reflected wave from a subject by a Doppler sensor and acquiring an I signal and a Q signal in a time domain;
A sparse spectrum reconstruction step of converting the time domain I signal and the Q signal into a frequency domain I signal and the Q signal, and
In the sparse spectrum reconstruction step, a heartbeat detection method for reconstructing a sparse spectrum of a heartbeat using an algorithm belonging to the stochastic gradient descent method.
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