JP2022101213A - Biological signal processing system, biological signal processing method, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体信号処理システム、生体信号処理方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a biological signal processing system, a biological signal processing method and a program.
従来、対象者の呼吸や脈拍といったバイタル情報(生命徴候情報)や寝返り状態といった体動などの生体情報を継続的に計測して監視するシステムがある。これらは、対象者が装着して直接計測するものと、離隔した位置から電波などを照射してその反射波によりリモート計測するものとがあるが、装着型のものでは、ユーザーから外れた場合、取り外した場合や故障した場合などの対処に手間がかかるという問題がある。 Conventionally, there is a system that continuously measures and monitors vital information (life sign information) such as breathing and pulse of the subject and biological information such as body movement such as turning over. These include those that are worn by the subject and measured directly, and those that irradiate radio waves from a remote position and measure remotely by the reflected waves. There is a problem that it takes time and effort to deal with the case of removal or failure.
一方、リモート計測の場合にも、対象者の体勢や寝台(ベッド)の位置などによっては、適切に計測が行われない場合が生じ得る。特許文献1には、寝台の複数か所にモニタリング装置を設け、ベッド内での対象者の位置や体勢によらず計測を継続することができるシステムが開示されている。
On the other hand, even in the case of remote measurement, the measurement may not be performed properly depending on the posture of the subject and the position of the bed.
しかしながら、ベッドに取り付けた従来の計測装置で電波の送受信を行うと、対象者に対する電波の入射角が深くなり、適切に計測結果を得づらいという課題がある。 However, when radio waves are transmitted and received by a conventional measuring device attached to a bed, there is a problem that the incident angle of the radio waves to the target person becomes deep and it is difficult to obtain appropriate measurement results.
この発明の目的は、より確実かつ継続的に、生体情報を計測して取得することのできる生体信号処理システム、生体信号処理方法及びプログラムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a biometric signal processing system, a biometric signal processing method and a program capable of measuring and acquiring biometric information more reliably and continuously.
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、
生体に対して電波を発信する送信部と、
前記送信部とは独立に配置可能であり、当該送信部の発信した電波の前記生体による反射波を受信する受信部と、
を備えることを特徴とする生体信号処理システムである。
In order to solve the above problems, the invention according to
A transmitter that emits radio waves to living organisms,
A receiving unit that can be arranged independently of the transmitting unit and receives the reflected wave of the radio wave transmitted by the transmitting unit by the living body.
It is a biological signal processing system characterized by being provided with.
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の生体信号処理システムにおいて、
前記送信部により発信される電波の指向性の鋭さと前記受信部の電波受信に係る指向性の鋭さは、互いに異なることを特徴とする。
The invention according to
The sharpness of the directivity of the radio wave transmitted by the transmitting unit and the sharpness of the directivity related to the reception of the radio wave of the receiving unit are characterized by being different from each other.
また、請求項3記載の発明は、請求項2記載の生体信号処理システムにおいて、
前記受信部の電波受信に係る指向性は、前記送信部により発信される電波の指向性よりも鋭いことを特徴とする。
Further, the invention according to claim 3 is the biological signal processing system according to
The directivity of the receiving unit for receiving radio waves is characterized by being sharper than the directivity of the radio waves transmitted by the transmitting unit.
また、請求項4記載の発明は、請求項1~3のいずれか一項に記載の生体信号処理システムにおいて、
前記受信部が受信した電波信号に基づいて生体の状態に係る生体信号を取得する信号処理部を備えることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the biological signal processing system according to any one of
It is characterized by including a signal processing unit that acquires a biological signal related to the state of the living body based on the radio wave signal received by the receiving unit.
また、請求項5記載の発明は、請求項4記載の生体信号処理システムにおいて、
前記生体の状態には、呼吸及び脈拍数のうち少なくとも一方を含む生命徴候情報が含まれることを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the biological signal processing system according to claim 4.
The biological condition is characterized by including vital sign information including at least one of respiration and pulse rate.
また、請求項6記載の発明は、請求項4又は5記載の生体信号処理システムにおいて、
前記生体の状態には、生体の移動及び回転の発生情報が含まれることを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the biological signal processing system according to claim 4 or 5.
The state of the living body is characterized by including information on the movement and rotation of the living body.
また、請求項7記載の発明は、請求項1~6のいずれか一項に記載の生体信号処理システムにおいて、
前記受信部を複数備えることを特徴とする。
The invention according to claim 7 is the biological signal processing system according to any one of
It is characterized by having a plurality of the receiving units.
また、請求項8記載の発明は、請求項4~6のいずれか一項に記載の生体信号処理システムにおいて、
前記受信部を複数備え、
前記信号処理部は、複数得られた前記生体信号から取得対象の周波数帯域における受信強度に基づいて少なくとも一部を選択して解析処理を行う
ことを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the biological signal processing system according to any one of claims 4 to 6.
It is equipped with a plurality of the receiving units.
The signal processing unit is characterized in that at least a part of the obtained biological signals is selected and analyzed based on the reception intensity in the frequency band to be acquired.
また、請求項9記載の発明は、請求項4~6、8のいずれか一項に記載の生体信号処理システムにおいて、
前記受信部を複数備え、
前記信号処理部は、複数得られた前記生体信号の各々の組合せの間で相互相関を求め、相互相関が基準を満たす位相差の組合せで当該複数の生体信号を組み合わせたデータに対して解析処理を行う
ことを特徴とする。
The invention according to
It is equipped with a plurality of the receiving units.
The signal processing unit obtains a cross-correlation between each combination of the plurality of obtained biological signals, and analyzes the data obtained by combining the plurality of biological signals with a combination of phase differences in which the cross-correlation satisfies the standard. It is characterized by doing.
また、請求項10記載の発明は、請求項1~9のいずれか一項に記載の生体信号処理システムにおいて、
前記送信部の送信電波の指向方向と前記受信部の受信電波の指向方向のうち少なくとも一方が調整可能であることを特徴とする。
The invention according to
It is characterized in that at least one of the directivity direction of the transmitted radio wave of the transmitting unit and the directivity direction of the received radio wave of the receiving unit can be adjusted.
また、請求項11記載の発明は、請求項4~6、8のいずれか一項に記載の生体信号処理システムにおいて、
前記送信部の送信電波の指向方向と前記受信部の受信電波の指向方向のうち少なくとも一方が調整可能であり、
前記信号処理部は、得られた前記生体信号の利得を上昇させるように前記指向方向を調整させる
ことを特徴とする。
The invention according to
At least one of the directivity direction of the transmitted radio wave of the transmitting unit and the directivity direction of the received radio wave of the receiving unit can be adjusted.
The signal processing unit is characterized in that the directivity direction is adjusted so as to increase the gain of the obtained biological signal.
また、請求項12記載の発明は、請求項1~11のいずれか一項に記載の生体信号処理システムにおいて、
前記受信部は、前記生体の計測面を挟んで前記送信部と反対側に位置することを特徴とする。
The invention according to
The receiving unit is characterized in that it is located on the side opposite to the transmitting unit with the measurement surface of the living body interposed therebetween.
また、請求項13記載の発明は、請求項1~12のいずれか一項に記載の生体信号処理システムにおいて、
前記受信部は、前記送信部から送信される電波の前記生体による想定反射方向に位置することを特徴とする。
The invention according to
The receiving unit is characterized in that it is located in a direction of assumed reflection of radio waves transmitted from the transmitting unit by the living body.
また、請求項14記載の発明は、
生体に対して電波を発信する送信部と、前記送信部とは独立に配置可能であり、当該送信部の発信した電波の前記生体による反射波を受信する受信部と、を備える生体信号処理システムの生体信号処理方法であって、
生体の状態に係る生体信号を取得する取得ステップを含むことを特徴とする。
Further, the invention according to claim 14 is
A biological signal processing system including a transmitting unit that transmits radio waves to a living body and a receiving unit that can be arranged independently of the transmitting unit and receives reflected waves of the radio waves transmitted by the transmitting unit by the living body. It is a biometric signal processing method of
It is characterized by including an acquisition step of acquiring a biological signal related to the state of the living body.
また、請求項15記載の発明は、請求項14記載の生体信号処理方法において、
前記受信部は、前記生体の計測面を挟んで前記送信部と反対側に位置することを特徴とする。
The invention according to claim 15 is the biological signal processing method according to claim 14.
The receiving unit is characterized in that it is located on the side opposite to the transmitting unit with the measurement surface of the living body interposed therebetween.
また、請求項16記載の発明は、請求項14又は15記載の生体信号処理方法において、
前記受信部は、前記送信部から送信される電波の前記生体による想定反射方向に位置することを特徴とする。
The invention according to claim 16 is the biological signal processing method according to claim 14 or 15.
The receiving unit is characterized in that it is located in a direction of assumed reflection of radio waves transmitted from the transmitting unit by the living body.
また、請求項17記載の発明は、
コンピューターを、
生体に対して電波を発信する送信部とは独立に配置可能であって当該送信部の発信した電波の前記生体による反射波を受信する受信部が受信した電波信号に基づいて、生体の状態に係る生体信号を取得する取得手段として機能させることを特徴とするプログラムである。
Further, the invention according to claim 17 is
Computer,
It can be arranged independently of the transmitting unit that emits radio waves to the living body, and based on the radio signal received by the receiving unit that receives the reflected wave of the radio waves transmitted by the transmitting unit, it is in the state of the living body. It is a program characterized by functioning as an acquisition means for acquiring the biological signal.
本発明に従うと、より確実かつ継続的に、生体情報を計測して取得することができるという効果がある。 According to the present invention, there is an effect that biological information can be measured and acquired more reliably and continuously.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態の生体信号処理システム1を説明する図である。図1(a)は、側面を長辺の側から見た図であり、図1(b)が上方から見た図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating the biological
生体信号処理システム1は、送信部10と、受信部20と、信号処理部30とを含む。送信部10は、周波数f0のマイクロ波(電波)を発信する。受信部20は、送信部10が送信したマイクロ波を受信する。信号処理部30は、受信部20が受信したマイクロ波を処理して、当該マイクロ波(電波信号)に基づく生体の状態に係る情報(生体信号及びその評価など)を取得するコンピューターを含む。ここでは、取得対象の生体の状態に係る情報は、例えば、ベッドBに仰臥している計測対象者R(患者や被介護者など)の呼吸数といったバイタル情報(生命徴候情報)であり、胸部から腹部にかけての動き(周長変化に応じた上下動)に応じたマイクロ波の伝搬距離の変化などを利用して、呼吸の周期を特定する。マイクロ波は衣類や布団などを透過するので、これらの有無は計測にはほぼ影響がない。
The biological
送信部10と、受信部20とは、別個の筐体を有し、独立にベッドBに対して配置、取付が可能である。ここでは、送信部10がベッドBの頭部側(ヘッドボード又は枠)に位置し、受信部20がベッドBの脚部側(フットボード又は枠)に位置する。マイクロ波は、送信部10から生体に対して、より具体的には、計測範囲であり、マイクロ波の反射面とされる生体の胸部から腹部に向けて指向性を有して発信される。送信部10がベッドBへ取り付けられている場合、生体へのマイクロ波の入射角θが大きくなり、鏡面反射した多くのマイクロ波は入射した頭部方向とは反対の脚部方向へ向かう。受信部20は、ベッドB及び計測対象者Rを上方から見た平面視で計測対象者R(生体)の想定される反射位置(計測面)を挟んで送信部10の反対側、すなわち、マイクロ波が反射する側(想定反射方向)に位置することで、効率的に生体(特に計測範囲付近)から反射したマイクロ波(反射波)を受信する。
The transmitting
なお、計測対象者Rの体形や頭(枕)の位置の変化などにより生じ得る多少のずれは、ここでは、想定反射方向に厳密に考慮されてもよいしそこまで考慮されなくてもよい。すなわち、想定反射方向は、平均的な体形の計測対象者Rが仰臥した場合の基準位置に基づいて定められる程度の精度範囲であってよい。受信されるマイクロ波は、生体の呼吸などによる当該生体の動きに応じた位相変調(位相差成分φm(t)。tは時間を意味し、すなわち位相差成分φm(t)の値は受信時刻に依存して時間変化する)を受けている。 It should be noted that some deviations that may occur due to changes in the body shape of the measurement target R and the position of the head (pillow) may or may not be taken into consideration strictly in the assumed reflection direction. That is, the assumed reflection direction may be within an accuracy range that is determined based on the reference position when the measurement target person R having an average body shape is lying on his / her back. The received microwave is phase-modulated according to the movement of the living body due to the respiration of the living body (phase difference component φm (t). T means time, that is, the value of the phase difference component φm (t) is the reception time. It depends on the time).
また、本実施形態では、複数、例えば3個の受信部20a、20b、20c(まとめて受信部20)を備え、互いに異なる箇所(3か所)でマイクロ波の受信を行う。ベッドB上の生体は、寝返りなどで位置が中心からずれる場合がある。送信部10から送信されたマイクロ波は、生体の位置に応じて少なくともいずれかの受信部20により十分の強度で受信され得る。
Further, in the present embodiment, a plurality of, for example, three receiving
送信部10及び受信部20は、ベッドBに取り付けられる場合に限られるわけではないが、ベッドBに取り付けられることで、ベッドBが移動されても容易に生体との位置関係が維持される。送信部10及び受信部20は、それぞれ個別にバッテリー、例えば、乾電池や二次電池(専用のものであってもよい)などを有し、各々独立に動作可能である。これらは、ベッドBの柵(フレーム)などに応じて取り付け可能な位置に取り付けられればよく、高さが同一であっても異なっていてもよい。
The transmitting
信号処理部30は、例えば、受信部20a~20cのうちのいずれかに付属している。受信部20a~20cでそれぞれ受信された生体信号は、有線又は無線通信により信号処理部30に送られてもよい。信号処理部30は、当該信号処理部30が付属している受信部20を動作させるバッテリーから電力供給を受けてもよいし、別個にバッテリーを有していてもよい。
The
送信部10から送信するマイクロ波の指向性は、図1(a)の点線で示しているように、緩めに(広めに)定められていてもよい。上記のように、生体の位置がベッドBに対して移動し得るので、送信指向性を広く取ることで、生体にマイクロ波を生体に適切に到達させることができる。一方で、受信部20は、受信するマイクロ波の指向性を送信部10の指向性よりも鋭く(狭く)定めることができるものであってもよい。これにより、受信部20が送信部10から送信されたマイクロ波を直接受信したり、複数回反射したものや複数か所で乱反射などにより届いたものなどが混在(混信)するのを避けることができる。
The directivity of the microwave transmitted from the
図2は、送信部10及び受信部20の機能構成を説明する図である。
図2(a)に示すように、送信部10は、発振部11と、増幅部12と、アンテナ13などを有する。発振部11は、予め定められた周波数f0(マイクロ波帯域、例えば、24GHz)の信号、例えば、正弦波信号を生成する。増幅部12は、発振部11から入力された信号を増幅する。増幅された信号は、アンテナ13からマイクロ波として発信される。
FIG. 2 is a diagram illustrating a functional configuration of the transmitting
As shown in FIG. 2A, the
送信部10は、その他、マイクロ波の送信を行うか否かの切り替え操作を受け付ける操作受付部(スイッチ)、操作内容やバッテリーからの入力電圧などに応じて動作を制御する制御部や、動作状況を示すLEDランプといった表示部などを有していてもよい。また、外部機器から動作制御を受け付ける場合には、外部機器との間で通信を行う通信部を備えていてもよい。
The
図2(b)に示すように、受信部20は、アンテナ21と、復調部200などを備える。復調部200は、増幅部22と、直交復調部23と、アナログ/デジタル変換部(ADC24)と、検出部25などを備える。直交復調部23は、局部発振器231と、90度移相器232と、ミキサー233、234と、ローパスフィルター(LPF235、236)などを有する。
As shown in FIG. 2B, the receiving
アンテナ21は、送信部10が送信する周波数f0に合わせた長さや形状などを有し、送信部10が送信し、生体で反射された電波を受信する。
The
増幅部22は、アンテナ21により受信された電波に係る信号(受信信号)を低雑音で増幅するLNA(Low Noise Amplifier)などを有する。増幅された信号は、直交復調部23へ出力される。
The
直交復調部23において、局部発振器231は、送信部10が送信するマイクロ波と同一の周波数f0の信号を生成する。90度移相器232は、局部発振器231が生成した信号の位相を90度回転(遅延)させる。ミキサー233は、増幅部22から入力された受信信号と局部発振器231の信号とを合成して、直交する2成分の信号を出力する。
In the
LPF235、236は、ミキサー233から出力された直交する2成分の信号からそれぞれ高周波数成分(少なくとも周波数f0の2倍程度のもの)を取り除くことで、I相信号、Q相信号を抽出する。LPF235、236から出力された信号は、ADC24へ出力される。
The
なお、上記局部発振器231の発振周波数と送信部10により送信される信号の周波数f0との間には、実際には多少のずれ量dfが生じ得る。ずれの原因としては、主に個体差と温度変化が挙げられる。このずれ量dfがゼロでない場合には、LPF235、236から抽出されるI相信号及びQ相信号には、生体の動きに応じた変調成分だけではなく、周波数f0と発振周波数とのずれ量dfに応じた成分を含む。このずれ量dfを生じさせる上記個体差は時間変動せず、また、温度変化は、多くの場合、変調成分の周期(呼吸や脈拍の周期)に比して十分に時間スケールが長いので、短時間の範囲ではほぼ一定とみなせる。
It should be noted that a slight deviation amount df may actually occur between the oscillation frequency of the
ADC24は、第1ADC241と第2ADC242とを有する。LPF235から出力されたI相信号は、第1ADC241に入力されて所定のサンプリング周波数(呼吸周期に応じた周波数よりも十分に高い)でデジタルデータ化される。LPF236から出力されたQ相信号は、第2ADC242に入力されて第1ADC241と同一のサンプリング周波数でデジタルデータ化される。
The
ADC24から出力されたI相信号及びQ相信号のデジタルデータ(IQ信号データ)は、信号処理部30へ出力される。
The digital data (IQ signal data) of the I-phase signal and the Q-phase signal output from the
検出部25は、増幅部22により増幅された受信信号に送信部10が送信する電波が基準以上の強度で含まれているかを検出し、検出結果に応じて直交復調部23及びADC24の動作有無を切り替え制御する。検出部25は、例えば、積分器などであってよく、所定時間内に基準強度以上の電波が受信された場合に直交復調部23及びADC24の動作を開始させ、所定時間以上基準強度の電波受信がなされない状態が継続された場合に、直交復調部23及びADC24の動作を中止させる。すなわち、受信部20は、復調対象の電波が受信されていない場合には、復調以降の動作を行わずに待機状態となり、不要な電力消費を低減させる。
The
なお、増幅された受信信号の強度に基づいて受信部20の動作を一部停止させる代わりに又は加えて、ADC24の出力データに基づいて強度を特定し、所定強度以上の信号が取得されていない場合に、信号処理部30の動作を停止させてもよい。
In addition, instead of partially stopping the operation of the receiving
受信部20は、その他、マイクロ波の受信を行うか否かの切り替え操作を受け付ける操作受付部(スイッチ)、操作内容やバッテリーからの入力電圧などに応じて動作を制御する制御部や、動作状況を示すLEDランプといった表示部などを有していてもよい。また、受信部20は、信号処理部30へ信号データを出力したり、外部機器から命令などを取得したりするために、外部機器との間で通信を行う通信部を備えていてもよい。また、ADC24から出力されたデータを信号処理部30に送信するまで一時的に記憶するメモリーを備えていてもよい。
The receiving
信号処理部30は、各受信部20のADC24からの出力信号を取得して解析処理を行う。ここでは、上記のように呼吸数やその間隔などの呼吸状態の解析処理が行われる。
The
図3は、信号処理部30の処理構成について説明する図である。
信号処理部30は、通信部39と、信号合波部31と、振幅算出部32と、位相算出部33と、アンラップ処理部34と、差分値算出部35と、呼吸情報取得部36などを備える。
FIG. 3 is a diagram illustrating a processing configuration of the
The
上記のように、送信部10から送信されたマイクロ波は、複数の受信部20によりそれぞれ受信されて、各々IQ分離されたデジタル離散信号(IQ信号データ)として出力される。複数のIQ信号データ(I1~I3、Q1~Q3)は、受信経路長の差や信号の受信強度などに応じて位相や振幅の絶対値に差が生じるので、通信部39により受信された複数のIQ信号データ(I1~I3、Q1~Q3)は、信号合波部31に入力され、これら位相や振幅の違いを調整した上で加算されて合波される。調整量は、例えば、合波された波形の振幅強度が最大になるように動的に定められる。あるいは、その他の要素、例えば、S/N比などを考慮して調整量が定められてもよい。また、信号合波部31は、差分値算出部35の算出結果や呼吸情報取得部36の取得結果を取得して、これらを考慮して調整量を定めてもよい。
As described above, the microwave transmitted from the transmitting
例えば、受信対象のマイクロ波に対応する周波数帯域で基準以上の強度の受信信号が得られていない受信部20による受信信号を除外した上で(すなわち、受信強度に基づいて少なくとも一部の受信信号を選択する。いずれからも基準以上の強度が得られている場合には、全てが選択されてよい)、残りの受信信号については、相互相関をとり、相関が所定の基準を満たすずれ量(位相差)の組合せ、例えば、最も大きい相関が得られるずれ量を調整量(位相差)として合成する(組み合わせる)ことで、S/N比を向上させることができる。なお、各受信部20の受信信号の経路、すなわち、身体での反射位置に応じて呼吸に伴う変化量が異なるので、これにより、位相のずれ量も異なる場合がある。したがって、合成波形は単純に同一の変化量の和にはならないが、定性的には改善が見込まれる。
For example, after excluding the received signal by the receiving
信号合波部31は、例えば、CPUなどを有し、プログラムの実行による処理により最適なタイミングを求めてもよいし、特定の論理回路などを有するハードウェア回路を有し、当該ハードウェア回路に入力することで処理データを得てもよい。
The signal combine
振幅算出部32は、合波処理されたIQ信号データから受信信号の振幅強度Aを算出する。振幅強度は、各タイミングにおけるI信号とQ信号の二乗和で得られる。位相算出部33は、変調成分(ずれ量dfの影響を含む)の位相φ(t)を算出する。I相信号とQ相信号とは直交しているので、これらI相信号とQ相信号の成分比によって位相φ(t)が特定される。位相φ(t)は、一周期分、例えば、-π≦φ(t)<πの範囲とされる。
The
アンラップ処理部34は、上記の位相範囲の周回により見かけ上、位相が不連続となる部分をつなぐ。この処理は、差分値算出部35で差分値を適正に得るためのものである。
The
差分値算出部35は、サンプリングデータ間での位相φ(t)の差分値、すなわち、サンプリング間隔での位相変化量dφを算出する。上記のようにアンラップ処理された位相データに基づいて差分値を算出するので、各周期を跨ぐ期間での不連続の影響を受けない。
The difference
呼吸情報取得部36は、差分値算出部35で得られた位相変化量dφの変動を呼吸に応じた変動成分として取得する。位相φ(t)は、上述のように位相差成分φm(t)とずれ量dfによりミキサー233、234で残った成分(2π・df)との和であり、後者のずれ量dfに応じた成分は、短期間では一定とみなせる。したがって、位相変化量dφの変動は、位相差成分φm(t)の変動dφmであるとみなすことができる。位相差成分φm(t)、すなわち、生体の動きは、呼吸周期と同一周期で生じるので(ここでいう生体の動きとは、定性的な動きのパターンを意味し、完全に同一の動きが繰り返されることを意味しない)、変動dφmの周期と呼吸周期とは等しくなる。呼吸情報取得部36は、CPU361(Central Processing Unit)などのプロセッサーやRAM(Random Access Memory)などのメモリー362を備える。このCPUにより、この変動dφmを用いて単位時間(例えば、1分間当たり)の呼吸数や呼吸周期の長さ、呼吸周期ごとの変動幅(最大振幅)などを特定する。なお、計測対象者Rの姿勢や位置が変化すると計測される変動幅も変化し得るので、これら姿勢や位置の情報と対応付けられてもよいし、可能であれば、姿勢や位置に応じて補正されてもよい。
The respiration
また、メモリー362には、呼吸情報の取得制御に係るプログラム3621や設定データなどを記憶するフラッシュメモリーなどの不揮発性メモリーが含まれていてよい。
Further, the
なお、ここでは、呼吸情報取得部36の処理がCPUにより行われ、その他の処理は専用のハードウェア回路や別個のCPUなどにより行われるものとして説明したが、呼吸情報取得部36以外の各構成の処理動作の一部又は全部、特に、信号処理部30の全体動作が共通のCPUにより制御、処理されていてもよい。
Although it has been described here that the processing of the breathing
特定された呼吸数や呼吸間隔などの情報は、必要に応じてIQ信号データなど波形データとともに出力される。出力は、例えば、通信部などを介して情報処理(単なるサーバー装置へのデータ転送だけであってもよい)を行う端末装置への送信などによって行われる。送信は、各種無線通信規格、例えば、無線LAN(Local Area Network)やBluetooth(登録商標)などに従って行われてよい。 Information such as the specified respiratory rate and respiratory interval is output together with waveform data such as IQ signal data as needed. The output is performed, for example, by transmission to a terminal device that performs information processing (may be merely data transfer to a server device) via a communication unit or the like. The transmission may be performed in accordance with various wireless communication standards such as wireless LAN (Local Area Network) and Bluetooth (registered trademark).
次に、呼吸数の特定についてより詳しく説明する。 Next, the identification of the respiratory rate will be described in more detail.
呼吸数は、単純に単位時間内の変動dφmの極値(極大値又は極小値)を特定して計数することにより求められてもよいし、あるいは、極値の間の時間差を算出してその代表値(例えば、平均値)に基づいて単位時間当たりの呼吸数が求められてもよい。また、代表値を利用する場合には、体動などによりノイズと思われる異常値、例えば、直近の所定期間内の呼吸周期から所定の規準幅(呼吸周期に対する比率など、呼吸周期に応じて変動してもよい)以上のずれを有するような場合や、受信強度に基準強度及び基準時間以上の低下(受信漏れ、取得ロス)がある場合などの計測結果を除外してもよい。また、直近の所定期間内の呼吸周期などから判断して次の極値が検出されると想定されるタイミング付近で異常値が存在したり取得ロスがあったりする場合には、当該タイミングに極値があるものとして呼吸数の計数を行ってもよい。 The respiratory rate may be obtained by simply specifying and counting the extreme value (maximum value or minimum value) of the fluctuation dφm within a unit time, or the time difference between the extreme values may be calculated and counted. The respiratory rate per unit time may be determined based on a representative value (for example, an average value). In addition, when using the representative value, an abnormal value that seems to be noise due to body movement, for example, fluctuates according to the respiratory cycle from the respiratory cycle within the latest predetermined period to the predetermined reference width (ratio to the respiratory cycle, etc.). You may exclude the measurement result when there is a deviation of more than or equal to, or when there is a decrease in reception intensity by more than the reference intensity and the reference time (reception omission, acquisition loss). In addition, if an abnormal value exists or there is an acquisition loss near the timing when the next extreme value is expected to be detected, judging from the respiratory cycle within the latest predetermined period, the extreme value is at that timing. Respiratory rate may be counted as if it had a value.
また、ノイズとして、複数の受信部20a~20cで呼吸による変動よりも遥かに大きな一時的な変動が生じた場合には、当該受信部20a~20c間で位相だけではなく、受信強度(振幅)の変化も大きくなる。この振幅変化のパターンも併せて考慮することで、体動や寝返りなどが識別し得る。これらのパターンを予め記憶、設定しておくことで、呼吸数の計測と並行して体動(生体の移動)や寝返り(生体の回転)の発生タイミングやその頻度など(まとめて発生情報)を計測、取得することとしてもよい。
Further, when a temporary fluctuation far larger than the fluctuation due to respiration occurs in the plurality of receiving
あるいは、代表値に基づいて再度呼吸数を算出してもよい。例えば、極小タイミング間の時間差、すなわち、個々の呼吸周期の平均値などにより平均呼吸周期が算出されて、この平均呼吸周期に応じた単位時間当たり呼吸数が計算されてもよい。また、体動などに伴う一時的なノイズなどの影響を除外するために、得られた個々の呼吸周期のうち大きい側から所定数個及び/又は小さい側から所定数個を削除して、残りに基づいて平均呼吸周期が求められてもよい。 Alternatively, the respiratory rate may be calculated again based on the representative value. For example, the average respiratory cycle may be calculated based on the time difference between the minimum timings, that is, the average value of the individual respiratory cycles, and the respiratory rate per unit time corresponding to the average respiratory cycle may be calculated. In addition, in order to exclude the influence of temporary noise due to body movement, etc., a predetermined number of the obtained individual respiratory cycles are deleted from the larger side and / or a predetermined number are deleted from the smaller side, and the rest. The average respiratory cycle may be determined based on.
また、位相変化量dφの変動成分(すなわち変動dφm)の変化の周期性は、時系列的に得られている位相変化量dφのデータの自己相関などによっても特定され得る。自己相関係数が最大になる時間差τに基づいて、直近の又は自己相関係数の算出区間での平均的な呼吸周期が特定される。また、自己相関に類するものとして、例えば、タイミングtの計測値S(t)(上記の位相変化量dφ)と、このタイミングtから時間差τずれたタイミング(t+τ)の計測値S(t+τ)との間の差分(ノルム)を直接ずれ量D(t、τ)として求めてもよい。ずれ量D(t、τ)は、L1ノルム(絶対値;D(t、τ)=|S(t)-S(t+τ)|であってもよいし、あるいは、L2ノルム、すなわち差分の二乗;D(t、τ)=(S(t)-S(t+τ))2など高次のものであってもよい。 Further, the periodicity of the change of the fluctuation component (that is, the fluctuation dφm) of the phase change amount dφ can be specified by the autocorrelation of the data of the phase change amount dφ obtained in time series. Based on the time difference τ that maximizes the autocorrelation coefficient, the average respiratory cycle in the most recent or autocorrelation coefficient calculation interval is specified. Further, as something similar to autocorrelation, for example, a measured value S (t) of timing t (the above-mentioned phase change amount dφ) and a measured value S (t + τ) of a timing (t + τ) deviated from this timing t by a time difference τ. The difference (norm) between them may be obtained as the direct deviation amount D (t, τ). The amount of deviation D (t, τ) may be the L1 norm (absolute value; D (t, τ) = | S (t) -S (t + τ) |, or the L2 norm, that is, the square of the difference. It may be of higher order such as D (t, τ) = (S (t) −S (t + τ)) 2 .
このずれ量D(t、τ)を一般的な呼吸周期からその数倍程度の所定時間k内の各計測タイミングtについて加算して得られた総ずれ量Z(τ)=Σ(0≦t≦k)D(t、τ)は、時間差τが代表的な呼吸周期に最も近くなるタイミングで極小となる。 The total deviation amount Z (τ) = Σ (0 ≦ t ) obtained by adding this deviation amount D (t, τ) for each measurement timing t within a predetermined time k, which is about several times the general respiratory cycle. ≦ k) D (t, τ) becomes the minimum at the timing when the time difference τ is closest to the typical respiratory cycle.
この総ずれ量Z(τ)は、τ=0で最小値「0」となるので、正負反転されても(-1が乗じられても)よい。また、これを更に正の値とするために、適宜なオフセット値が加算されてもよい。総ずれ量Z(τ)を正規化したz(τ)を正負反転し、更にオフセット値「1」を加算した値を得る関数F=(1-z(τ))は、値が0以上1以下となって極大値で一致度合が最大となる。この関数Fを、計測値S(t)により示される一次元座標の時間変化に係る自己相関関数として、Position Autocorrelation Function(以下、PACFと略す)と称する。 Since the total deviation amount Z (τ) has a minimum value of “0” at τ = 0, it may be positive or negative inverted (may be multiplied by -1). Further, in order to make this a positive value, an appropriate offset value may be added. The function F = (1-z (τ)), which obtains a value obtained by inverting z (τ) obtained by normalizing the total deviation amount Z (τ) and further adding an offset value “1”, has a value of 0 or more and 1 It becomes the following, and the degree of agreement becomes the maximum at the maximum value. This function F is referred to as a Position Autocorrelation Function (hereinafter abbreviated as PACF) as an autocorrelation function related to the time change of the one-dimensional coordinates indicated by the measured value S (t).
PACFの値は、計測期間全体の傾向を反映するので、全体的に含まれるノイズ及び一部に重畳されるノイズ(バーストノイズなど)のいずれの影響も軽減される。一方で、呼吸数など計測対象の周期性が均一ではない場合には、周期に比して長すぎる計測期間のデータを入力すると関数Fの値が大きくならず、結果が不正確になる場合がある。したがって、呼吸数の周期に比して同程度~数周期程度で区切って入力する計測期間を各々定めればよい。計測期間は、直近の計測状況に従って可変とされてもよい。また、計測時間は、一部ずつ重複させながらスライドさせていってもよい。呼吸数を求める単位時間が計測期間より長い場合には、直近の単位時間内で得られた複数の計測時間における呼吸数を加算(重複がある場合には、重複の度合に応じた重み付けをしてよい)してもよい。 Since the PACF value reflects the tendency of the entire measurement period, the influence of both the noise included as a whole and the noise superimposed on a part (burst noise, etc.) is reduced. On the other hand, if the periodicity of the measurement target such as respiratory rate is not uniform, the value of the function F may not increase and the result may be inaccurate if data for a measurement period that is too long compared to the period is input. be. Therefore, it suffices to determine the measurement period to be input by dividing the respiratory rate into cycles of the same to several cycles. The measurement period may be variable according to the latest measurement situation. In addition, the measurement time may be slid while overlapping part by part. If the unit time for calculating the respiratory rate is longer than the measurement period, the respiratory rates in multiple measurement times obtained within the latest unit time are added (if there is overlap, weighting is performed according to the degree of overlap). May).
なお、上記のPACFを複数次元に拡張することで、各受信部20の受信信号間における位相ずれの関係性を維持したまま周期性を検出することができる。複数の受信部20a~20cが受信した信号は、単一の生体の呼吸動作に応じて同一周期の変動を含むので、信号振幅や位相ずれ量の振幅などが異なっていても、この同一周期の変動を共通に有する波形となる。そこで、各時間についてのN個の信号値をN次元計測値S(各成分をSi(1≦i≦N)とする)として扱い、当該計測値SのN次元座標空間での時間変化(軌跡)に係る周期性をPACFにより特定することで呼吸周期(測定対象の生体情報の発生周期)を得ることができる。
By extending the PACF to a plurality of dimensions, it is possible to detect the periodicity while maintaining the relationship of the phase shift between the received signals of each receiving
図4は、各受信部20a~20cの受信データに基づいてそれぞれ得られた位相変化量の計測値の時間変化を模式的に示す図である。
各受信部20a~20cと送信部10及び計測対象者Rとの位置関係により、計測対象者Rの反射位置から各受信部20a~20cで受信されるマイクロ波の強度とタイミングは互いに異なる。計測値S2では、計測値S1よりも振幅(受信強度)が大きく、タイミングもφL1だけ進んでいる。計測値S3では、計測値S1よりも更に振幅が小さく、タイミングもφL2だけ遅れている。これらの計測値S1~S3間での振幅や位相のずれに関係なく、PACFでは、時間差τにより各受信データをずらした自己相関をまとめて得られる。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the time change of the measured value of the phase change amount obtained based on the received data of each of the receiving
The intensity and timing of the microwaves received by the receiving
この場合、振幅算出部32による振幅の算出及び差分値算出部35による差分値の算出までは、複数の受信部20a~20cによる受信データに対して各々実行されてよい。
In this case, the calculation of the amplitude by the
N次元計測値Sにおいて時間差τだけ異なるタイミング間でのずれ量D(t、τ)は、L2ノルム(ユークリッド距離の二乗)では、D(t、τ)=Σ(1≦i≦N)(Si(t)-Si(t+τ))2)となる。また、L1ノルム(絶対値)では、D(t、τ)=Σ(1≦i≦N)|Si(t)-Si(t+τ)|)となる。ずれ量D(t、τ)から総ずれ量Z(τ)を求めて、これが極小となる時間差τを特定すれば、上記一次元の場合と同様に代表的な呼吸周期が求められる。 The amount of deviation D (t, τ) between timings that differ by the time difference τ in the N-dimensional measured value S is D (t, τ) = Σ (1 ≦ i ≦ N) in the L2 norm (square of the Euclidean distance) (1 ≦ i ≦ N). Si (t) -Si (t + τ)) 2 ). Further, in the L1 norm (absolute value), D (t, τ) = Σ (1 ≦ i ≦ N) | Si (t) −Si (t + τ) |). If the total deviation amount Z (τ) is obtained from the deviation amount D (t, τ) and the time difference τ at which this is the minimum is specified, a typical respiratory cycle can be obtained as in the one-dimensional case.
これにより、一部の計測値のS/N比が低く、単独では十分な精度が得られない場合でも、組み合わせることで総合的にノイズが低減されて精度が向上する。なお、ここでは、N次元データのN個の成分の大小関係を弱める又は適宜調整するように重み付け係数が各計測値Siに乗じられてもよい。また、マイクロ波受信による呼吸数計測以外の手法で呼吸数に係る物理量が計測される場合、得られる計測値は電波強度と基準(計測単位)が異なるので、重みが最適化されるように適宜係数が乗じられてもよい。あるいは、信号ごとの妥当性、例えば、上記の異常な波形(ノイズ)の混入率やその振幅などに応じて各々重みが設定されてもよい。 As a result, even if the S / N ratio of some of the measured values is low and sufficient accuracy cannot be obtained by themselves, noise is comprehensively reduced and the accuracy is improved by combining them. Here, the weighting coefficient may be multiplied by each measured value Si so as to weaken or appropriately adjust the magnitude relationship of the N components of the N-dimensional data. In addition, when the physical quantity related to the respiratory rate is measured by a method other than the respiratory rate measurement by receiving microwaves, the measured value obtained is different from the radio field intensity and the reference (measurement unit), so it is appropriate to optimize the weight. It may be multiplied by a factor. Alternatively, the weights may be set according to the validity of each signal, for example, the mixing rate of the abnormal waveform (noise) described above, the amplitude thereof, and the like.
PACFなどを用いて得られた呼吸数に対し、その信頼度を示す指標が併せて定められてもよい。例えば、所定時間k(計測期間)の間で複数得られた極大値のタイミングの間隔のばらつきに応じて信頼度が低下するように指標が定められてもよい。また、τ=0でのPACFの値(すなわち、1)に比して、極大値をとる他の時間差τでのPACFの値が小さいほど信頼度が低下するように指標が定められてよい。また、求められた呼吸数(計測期間内の一部の期間で求められるものも含めてもよい)が人間で得られるはずの呼吸数(例えば、1分間当たり4~50回)から逸脱しているような場合や、各極大値のタイミング間の間隔が上記呼吸数に応じた間隔(例えば、1.2~15.0秒)から逸脱している場合には、信頼度が最低レベルとなるように指標が定められてもよい。指標は、例えば、数値で表されるが、その他のもの、例えば、記号などにより段階設定されてもよい。 An index indicating the reliability of the respiratory rate obtained by using PACF or the like may also be determined. For example, the index may be set so that the reliability is lowered according to the variation in the timing interval of the maximum value obtained in a plurality of predetermined time k (measurement period). Further, the index may be set so that the reliability decreases as the PACF value at the other time difference τ having the maximum value becomes smaller than the PACF value at τ = 0 (that is, 1). Also, the respiratory rate obtained (which may include those obtained during some of the measurement periods) deviates from the respiratory rate that humans should be able to obtain (eg, 4-50 breaths per minute). If there is such a case, or if the interval between the timings of each maximum value deviates from the interval corresponding to the respiratory rate (for example, 1.2 to 15.0 seconds), the reliability becomes the lowest level. The index may be set as such. The index is represented by a numerical value, for example, but may be graded by other things such as a symbol.
図5は、呼吸情報取得部36により実行される呼吸情報取得制御処理(本実施形態の取得手段)のCPU(プロセッサー)による制御手順を示すフローチャートである。この処理は、設定されている計測時間の計測データ(変動dφm)が差分値算出部35から入力されるごとに繰り返し実行される。
FIG. 5 is a flowchart showing a control procedure by the CPU (processor) of the respiratory information acquisition control process (acquisition means of the present embodiment) executed by the respiratory
呼吸情報取得制御処理が開始されると、CPU361は、計測時間の変動dφmの変化における極値(極大又は極小)の位置と値を特定する(ステップS101)。特定には、上記の各手法のいずれかが用いられてよい。CPU361は、極値の大きさの比(PACFを用いた場合には、τ=0における関数Fの値とτ≠0における関数Fの値との比)に応じて信頼度を設定する(ステップS102)。
When the respiratory information acquisition control process is started, the
CPU361は、計測時間当たりの極値の出現回数を特定し、単位時間当たりの呼吸数を算出する(ステップS103)。単位時間が計測時間よりも長い場合には、CPU361は、直近の単位時間内の複数の計測時間における極値の数に基づいて呼吸数を算出してもよいし、単位時間と計測時間との比に応じた計数を計測時間内の呼吸数に乗じて呼吸数を求めてもよい。
The
CPU361は、各極値の間隔をそれぞれ呼吸間隔として算出する(ステップS104)。
The
CPU361は、単位時間当たりの呼吸数が異常値であるか否かを判別する(ステップS105)。上記のように、例えば、3回以下又は51回以上が異常値とされてもよい。異常値であると判別された場合には(ステップS105で“YES”)、CPU361は、総合信頼度を最低レベルに設定する(ステップS110)。それから、CPU361の処理は、ステップS111へ移行する。
The
呼吸数が異常値ではないと判別された場合には(ステップS105で“NO”)、CPU361は、算出された各呼吸間隔に異常なものがあるか否かを判別する(ステップS106)。異常値は、例えば、上記のように1.2秒未満又は15.0秒より長い場合などである。異常なものがあると判別された場合には(ステップS106で“YES”)、CPU361の処理は、ステップS110へ移行する。なお、体動や咳などのように明らかに呼吸を一時的に乱す要因が生じていることが判別可能であり、これにより呼吸間隔に異常が生じた場合には、その部分を例外(ノイズ)としてステップS110へ移行させなくてもよい。あるいは、その部分を除外して回数及び間隔の算出を行ってもよい。CPU361は、この除外処理をステップS101の前に行ってもよい。除外要因は、咳や体動に限られず、種々の一時的な動作、例えば、くしゃみやあくびなどを含んでもよく、また、計測対象者Rの離床などを含み、これらの発生に伴って適切に計測できない状況などの判別条件が予め設定されていてよい。また、CPU361は、判別条件との一致に応じてこれらの発生を特定して記録してもよい。
If it is determined that the respiratory rate is not an abnormal value (“NO” in step S105), the
異常なものがないと判別された場合には(ステップS106で“NO”)、CPU361は、呼吸間隔のばらつき度合を算出する(ステップS107)。ばらつき度合は、単純に分散又は標準偏差などであってもよいし、平均値から基準範囲内に入らない呼吸間隔の数(割合)などが計数されたものであってもよい。CPU361は、ばらつき度合に応じた信頼度を設定する(ステップS108)。
If it is determined that there is no abnormality (“NO” in step S106), the
CPU361は、ステップS102で設定された信頼度と、ステップS108で設定された信頼度とに基づいて、総合信頼度を設定する(ステップS109)。総合信頼度は、両者のうち低い方であってもよいし平均値であってもよい。あるいは、どちらかをより重視するように重み付けが定められていてもよい。それから、CPU361の処理は、ステップS111へ移行する。
The
ステップS109又はステップS110の処理からステップS111の処理へ移行すると、CPU361は、得られた呼吸に係るデータを出力する(ステップS111)。ここでは、出力されるデータには、少なくとも単位時間当たりの呼吸数と総合信頼度が含まれていてよい。その他、信頼度を低下させた原因に係る情報などが含まれていてもよい。また、元の計測データと特定された極値の検出位置(タイミング)とを対応付けて出力してもよい。そして、CPU361は、呼吸情報取得制御処理を終了する。
When the process of step S109 or step S110 shifts to the process of step S111, the
[変形例]
図6は、変形例の受信部20の機能構成を示す図である。
この受信部20dは、複数(ここでは3つを図示)の復調部200a~200dと、指向性制御部201とを備える。各復調部200a~200dには、アンテナ素子21a~21dを各々備える。アンテナ素子21a~21dは、アレイアンテナをなし、アンテナ21による受信電波の指向方向を変化させる方向に並んで固定されて位置している。なお、指向方向を二次元的に変化させる場合には、複数のアンテナ素子が二次元面内でマトリクス状又は同心円状などに並んでいてもよい。すなわち、この受信部20dは、マイクロ波受信に係る指向方向を調整可能である。
[Modification example]
FIG. 6 is a diagram showing a functional configuration of the receiving
The receiving
復調部200a~200dは、上記実施形態で示した復調部200と同一の構成である。すなわち、各アンテナ素子21a~21dに同調した電波が復調部200a~200dでそれぞれ復調されて、指向性制御部201に入力される。
The
指向性制御部201は、各復調部200a~200dで復調されたIQ信号を、設定する入射方向から各アンテナ素子21a~21dに入力する電波の時間差に応じてずらして重ねる。この時間差をフェーズドアレイなどにおいて適切に調整することで、アレイアンテナによる指向方向を可変に設定することができる。
The
指向方向の変更動作は、逐次又は定期的に行われてもよい。あるいは、受信強度が所定の基準変動幅以上変化した場合に指向方向の変更が行われてもよい。変更時には、全ての指向方向で受信して最も利得が上昇する方向が選択されてもよいし、より利得の大きい方へ変化させて絞り込んでいってもよい。 The directivity change operation may be performed sequentially or periodically. Alternatively, the directivity direction may be changed when the reception intensity changes by a predetermined reference fluctuation range or more. At the time of change, the direction in which the gain is most increased by receiving in all the directivity directions may be selected, or may be changed to the one having the larger gain and narrowed down.
指向性の制御は、指向性制御部201が受信強度などに基づいて動的に行うだけではなく、送信部10と受信部20dとの位置関係に基づいて予め理想的な方向が設定、保持されていてもよい。見かけ上の強度で呼吸などによる変動とは関係のない位置での反射波を強く受信するように指向するのを抑制することができる。
The directivity control is not only dynamically performed by the
以上のように、本実施形態の生体信号処理システム1は、生体に対して電波を発信する送信部10と、送信部10とは独立に配置可能であり、当該送信部10の発信した電波の生体による反射波を受信する受信部20と、を備える。このように、送信部10に対して受信部20を反射波の受信がしやすい位置に別個かつ独立に配置することができるので、この生体信号処理システム1では、より確実かつ継続的に、生体情報を計測して取得することができる。
As described above, the biological
また、送信部10により発信される電波の指向性の鋭さと受信部20の電波受信に係る指向性の鋭さは、互いに異なる。これにより、送信したマイクロ波の受信漏れを減らしつつ、ノイズの受信強度を小さくして効率のよい受信を行うことができる。
Further, the sharpness of the directivity of the radio wave transmitted by the transmitting
また、特に、受信部20の電波受信に係る指向性は、送信部10より発信される電波の指向性よりも鋭くてもよい。これにより、受信部20が必要な範囲外からの受信を抑制することで、ノイズなどの受信を低減することができる。
Further, in particular, the directivity related to the radio wave reception of the receiving
また、生体信号処理システム1は、受信部20が受信した電波信号に基づいて生体の状態に係る生体信号を取得する信号処理部30を備える。これにより、受信したマイクロ波から復調された信号に基づいて適切に生体情報を得ることができる。
Further, the biological
また、生体の状態には、呼吸及び脈拍数のうち少なくとも一方を含むバイタル情報(生命徴候情報)が含まれる。本実施形態の生体信号処理システム1により、このような特に病院の患者などの継続的なモニタリングに不可欠な内容をより適切かつ確実に安定して取得することができる。
In addition, the state of the living body includes vital information (life sign information) including at least one of respiration and pulse rate. With the biological
また、生体の状態には、生体の移動及び寝返りなどの回転の発生情報が含まれる。長期間横になっている患者や被介護者などには体動も重要であり、長期間継続的な計測がより適切に行われることで、より容易に対処の要否などの判断を行うことができる。 In addition, the state of the living body includes information on the occurrence of rotation such as movement and turning over of the living body. Physical movement is also important for patients who are lying down for a long period of time and care recipients, and it is easier to judge whether or not it is necessary to take measures by performing continuous measurement for a long period of time. Can be done.
また、生体信号処理システム1は、受信部20を複数備えていてもよい。計測対象者Rが上記寝返りなどにより移動すると、一個の受信部20が固定されているだけでは適切な信号が得られなくなる時間帯などが生じる。複数の受信部20を異なる位置に並べて利用することで、多少の計測対象者Rの動きに関わらずいずれかにより、より継続的に安定して生体に係る情報を取得しやすくすることができる。
Further, the biological
また、信号処理部30は、複数の受信部20によりそれぞれ得られた生体信号から取得対象の周波数帯域における受信強度に基づいて少なくとも一部を選択して解析処理を行ってもよい。すなわち、複数の受信部20を並べて並列に受信を行う場合、送信部10及び生体との位置関係に応じて一部でマイクロ波を受信しやすく、他の一部でマイクロ波が受信しにくい状況が生じ得る。したがって、一部のマイクロ波が必要な強度で受信されている受信部20の生体信号を選択して利用することで、S/N比を向上させ、より精度のよい生体情報を取得することができる。
Further, the
また、信号処理部30は、複数の受信部20によりそれぞれ得られた生体信号の各々の組合せの間で相互相関を求め、相互相関が基準を満たす位相差の組合せで当該複数の生体信号を組み合わせたデータに対して解析処理を行ってもよい。
送信部10から送信されたマイクロ波が生体で反射してから各受信部20へ到達するまでの距離は互いに異なるので、生体の動きに応じた変化により変調されたマイクロ波が各受信部20により受信されるタイミングも各々異なる。したがって、このタイミングのずれが小さくなるように互いにずらして重ね合わせることで、変調信号をより確実に取得することができる。この重ね合わせのずれ量は、相互相関により求められることで、生体信号処理システム1では、計測対象者Rの体勢や位置の変化による特徴的な変調パターン(位相の変化パターン)及び受信強度の増減の組合せを総合的に評価し、安定した変調信号の取得を可能とする。
Further, the
Since the distance from the reflection of the microwave transmitted from the transmitting
また、変形例1の生体信号処理システム1では、送信部10の送信電波の指向方向と受信部20の受信電波の指向方向のうち少なくとも一方が調整可能である。上記のように鋭い指向性で受信することでノイズなどの混入を低減させることができる。一方で、受信部20の取り付け位置などに応じてアンテナの向きを細かく物理的に調整するのは難しく、指向方向が送信部10、反射位置及び受信部20を結ぶ線からずれていることで、適切な方向へ/から電波を送受信できない場合が生じ得る。そこで、生体信号処理システム1は、指向方向をアレイアンテナなどにより調整制御することが可能とされることで、より安定して適正な強度で受信することができる。また、送信部10でも必要以上の強度でマイクロ波の送信をする必要がなくなるので、電力消費の増大を抑制することができる。
Further, in the biological
また、信号処理部30は、得られた生体信号の利得を上昇させるように送信部10及び/又は受信部20の指向方向を調整させてもよい。信号処理部30が動的に指向方向を調整することで、ユーザーが調整を指示しなくても、適切な指向方向を探索してよい感度で電波受信を行うことができる。
Further, the
また、実際の取り付け/設置において、受信部20は、平面視で生体の計測面を挟んで送信部10と反対側に位置するとよい。上記のように、特にベッドBでは生体に対して発信されるマイクロ波の入射角が大きくなり、発信側に反射波が戻ってこないので、反対側に位置するように設置されることで、マイクロ波の発信強度に比して効率よく当該マイクロ波の反射波を受信することができる。
Further, in actual mounting / installation, the receiving
また、受信部20は、送信部10から送信される電波の生体による想定反射方向に位置する。これにより、生体で反射したマイクロ波を効率よく受信することができる。
Further, the receiving
また、本実施形態の送信部10及び当該送信部10とは独立に配置可能な受信部20を用いた生体情報処理方法は、受信部20が受信した電波信号に基づいて、生体の状態に係る生体信号を取得する取得ステップを含む。これにより、送信部10の反射方向を考慮してより好ましい位置関係で送信部10と受信部20とを配置することができるので、受信したマイクロ波から復調された信号に基づいてより適切に生体情報を得ることが可能になる。
Further, the biological information processing method using the transmitting
また、特に、この生体情報処理方法において、受信部20が平面視で生体の計測面を挟んで送信部10と反対側に位置したり、送信部10から送信される電波の生体による想定反射方向に位置したりすることで、生体で反射したマイクロ波を効率よく受信することが可能になる。
Further, in particular, in this biometric information processing method, the receiving
また、本実施形態のプログラム3621は、信号処理部30(コンピューター)を、生体に対して電波を発信する送信部10とは独立に配置可能であって当該送信部10の発信した電波の生体による反射波を受信する受信部20が受信した電波信号に基づいて、生体の状態に係る生体信号を取得する取得手段として機能させる。このように、受信したマイクロ波の信号処理にCPU361によるソフトウェア処理を含めることで、汎用構成にプログラム3621をインストールして実行することにより容易に生体情報を取得することが可能になる。また、受信部20の数や配置による調整や指向性の制御などの種々の制御処理を統合的に行うことができるので、オプション動作などへの拡張やその制御が容易である。
Further, in the
なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、送信部10が低指向性のマイクロ波を送信し、複数(3個)の受信部20がそれぞれ高指向性で受信を行うことで、受信側におけるノイズの混入を抑制しつつ広い範囲での受信を可能としたがこれに限られない。受信部20が1つであってもよい。この場合、送信部10は、受信部20の位置に応じて高指向性のマイクロ波を送信してもよく、反対に受信部20は、指向性を低くして受信部20からの電波をなるべく漏れなく受信可能としてもよい。すなわち、指向性を送信部10と受信部20とで異ならせることで、送受信感度の低下の抑制とノイズの受信抑制とを適宜に両立させることができる。また、このとき、送信部10の指向方向を調整可能とされてもよい。あるいは、送信部10の指向方向と受信部20の指向方向とが同時に調整可能であってもよい。一方で、送信部10及び受信部20の指向性は、適宜な指向性の程度で固定されていてもよく、また、指向性の程度が同一であってもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
For example, in the above embodiment, the transmitting
また、上記実施形態では24GHzのマイクロ波を送受信する場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。他の波長帯のマイクロ波やミリ波などであってもよい。この場合、人体で適切に反射され、布団や衣類などを透過する波長帯であるとよい。 Further, in the above embodiment, the case of transmitting and receiving a microwave of 24 GHz has been described as an example, but the present invention is not limited to this. It may be a microwave or a millimeter wave in another wavelength band. In this case, it is preferable that the wavelength band is appropriately reflected by the human body and passes through a futon, clothing, or the like.
また、上記実施の形態では、呼吸数の計測を例に挙げて説明したが、これに限られない。生体の変動により計測される各種生体情報、バイタル情報としては、例えば脈拍数(心拍数)などが挙げられる。すなわち、計測される周期的な変動はパルス状のものであってもよい。計測対象に応じて対象となる変化の周波数、時間分解能や振幅強度が異なるので、これらに応じてサンプリング間隔や送信電波の強さなどが各々定められてよい。 Further, in the above embodiment, the measurement of the respiratory rate has been described as an example, but the present invention is not limited to this. Examples of various biological information and vital information measured by changes in the living body include pulse rate (heart rate) and the like. That is, the measured periodic fluctuation may be pulsed. Since the frequency, time resolution, and amplitude intensity of the target change differ depending on the measurement target, the sampling interval, the strength of the transmitted radio wave, and the like may be determined according to these.
また、上記実施の形態では、反射時の生体振動に応じた位相変調を計測するものとして説明したが、その他の周期変動、例えば、ドップラー効果に伴う周波数変調などを計測するものであってもよい。 Further, in the above embodiment, the phase modulation according to the biological vibration at the time of reflection is measured, but other periodic fluctuations, for example, the frequency modulation accompanying the Doppler effect may be measured. ..
また、IQ分離されて2成分となったデータを各々独立に呼吸数の特定などに利用可能な場合には、それぞれ別個に利用してもよい。すなわち、1個の受信部20について、I相信号及びQ相信号がPACFにおける2次元計測値の各成分として並列に入力、利用されてもよい。3個の受信部20a~20cについてそれぞれI相信号とQ相信号とが独立に利用可能な場合には、6次元計測値Sが得られる。
Further, when the data obtained by IQ separation into two components can be used independently for specifying the respiratory rate, they may be used separately. That is, the I-phase signal and the Q-phase signal may be input and used in parallel as each component of the two-dimensional measurement value in the PACF for one receiving
図7は、ずれ量dfがない場合のI相信号とQ相信号の変化パターンを直交するIQ座標系で示した場合の模式図である。
この場合、図7(a)に示すように、呼吸などの通常の周期変動の計測では、IQ座標系で示されるI軸方向からの角度p(位相φ)は、ある回転角度範囲で大きな振幅変化を伴わずに振動する。振幅変化は、生体の変動の大きさだけではなく、受信機20の指向性の鋭さなどにも依存する。また、振動範囲によってはI相信号とQ相信号のいずれかが呼吸周期内で2回振動する場合もある。ここでは、図7(b)に示すように、Q相信号は、I相信号の強度がゼロになる位置で極大をとって両側で減少することで、呼吸周期内で2回極大が生じており、単純にQ相信号における極大回数のみを計数すると呼吸周期や呼吸数が不正確になる。しかしながら、IQ信号両方を用いることで、このような不正確な計数は避けられる。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the change patterns of the I-phase signal and the Q-phase signal when there is no deviation amount df in an orthogonal IQ coordinate system.
In this case, as shown in FIG. 7A, in the measurement of normal periodic fluctuation such as respiration, the angle p (phase φ) from the I-axis direction indicated by the IQ coordinate system has a large amplitude in a certain rotation angle range. It vibrates without change. The amplitude change depends not only on the magnitude of the fluctuation of the living body but also on the sharpness of the directivity of the
また、生体センサーは、マイクロ波の送受信によるものに加えて他の方式のものが併用されてもよい。呼吸数などの特定には、複数のセンサーのデータがまとめて解析されてよい。例えば、PACFにおいて、受信部20(数は特に限られない)による受信データから得られたdφと、接触型のセンサーの計測データとをまとめて4次元値Sとして扱ってもよい。 Further, as the biosensor, in addition to the one by transmitting and receiving microwaves, another type of sensor may be used in combination. Data from a plurality of sensors may be collectively analyzed for identification of the respiratory rate and the like. For example, in the PACF, the dφ obtained from the received data by the receiving unit 20 (the number is not particularly limited) and the measurement data of the contact type sensor may be collectively treated as a four-dimensional value S.
また、上記実施形態では、送信部10が頭部側、受信部20が脚部側に位置するものとして説明したが、これに限られない。
図8は、送信部10及び受信部20の配置の他の例を示す図である。
図8(a)に示すように、計測対象者Rの胴体を挟んで左右に送信部10と受信部20とが取り付けられていてもよい。この場合も受信部20は、送信部10と左右対称な位置に加えて/代えて頭部寄りや脚部寄りなど複数か所に位置していてもよい。また、図8(b)に示すように、横向きで寝る人のために、同じ側の異なる高さ位置や、頭部側と脚部側とに分けて送信部10と受信部20とを取り付けることも可能である。また、頭部側の送信部10に対し、側面と脚部側との両方に受信部20が位置していてもよい。また、一個の受信部20を用いる場合、受信部20は、レールなどに沿って容易に移動可能であってもよい。さらには、移動は電動で行われ、また、当該移動は、マイクロ波の受信状態などに応じて信号処理部30又は信号処理部30から受信情報を受信した他の制御部により自動で制御されてもよい。
Further, in the above embodiment, the
FIG. 8 is a diagram showing another example of the arrangement of the transmitting
As shown in FIG. 8A, the transmitting
また、上記実施の形態では、ベッドに横になっている計測対象者Rの計測を行うものとして説明したが、ある程度状態を起こしている場合や継続的にリクライニングシートなどに座している場合など、他の種々の体勢での計測も可能である。いずれの場合であっても、入射角が大きくなる場合には特に有効である。 Further, in the above embodiment, the measurement of the measurement target person R lying on the bed has been described, but when the patient is in a state to some extent or when he / she is continuously sitting on a reclining seat or the like, etc. , It is also possible to measure in various other postures. In any case, it is particularly effective when the incident angle is large.
また、信号処理部30は、受信部20に付属していなくてもよく、受信部20と通信可能な場所に独立して位置していてもよい。また、信号処理部30は、計測結果を表示し、異常な状態を検出、報知するモニター装置と一体的な構成であってもよい。あるいは、受信部20が一個の場合には、受信部20と信号処理部30とが一体的であってもよい。また、一個でない場合でも、受信部20と信号処理部30とが一定的な親機と、受信部20のみの子機との組み合わせであってもよい。
Further, the
また、以上の説明では、本発明の生体情報(呼吸情報)取得制御に係るプログラム3621を記憶するコンピューター読み取り可能な媒体としてフラッシュメモリーなどからなるメモリー362を例に挙げて説明したが、これらに限定されない。その他のコンピューター読み取り可能な媒体として、(ハードディスク(HDD)、MRAMなどの他の不揮発性メモリー、CD-ROMやDVDディスクなどの可搬型記録媒体を適用することが可能である。また、本発明に係るプログラムのデータを通信回線を介して提供する媒体として、キャリアウェーブ(搬送波)も本発明に適用される。
その他、上記実施の形態で示した具体的な構成、処理動作の内容及び手順などは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載した発明の範囲とその均等の範囲を含む。
Further, in the above description, a
In addition, the specific configuration, the content and procedure of the processing operation shown in the above embodiment can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. The scope of the present invention includes the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1 生体信号処理システム
10 送信部
11 発振部
12 増幅部
13 アンテナ
20、20a~20d 受信部
200、200a~200d 復調部
201 指向性制御部
21 アンテナ
21a~21d アンテナ素子
22 増幅部
23 直交復調部
231 局部発振器
232 90度移相器
233、234 ミキサー
235、236 LPF
24 ADC
241 第1ADC
242 第2ADC
25 検出部
30 信号処理部
31 信号合波部
32 振幅算出部
33 位相算出部
34 アンラップ処理部
35 差分値算出部
36 呼吸情報取得部
361 CPU
362 メモリー
3621 プログラム
39 通信部
B ベッド
R 計測対象者
dφ 位相変化量
dφm 変動
f0 周波数
df ずれ量
τ 時間差
φm 位相差成分
1 Biometric
24 ADC
241 1st ADC
242 2nd ADC
25
362
Claims (17)
前記送信部とは独立に配置可能であり、当該送信部の発信した電波の前記生体による反射波を受信する受信部と、
を備えることを特徴とする生体信号処理システム。 A transmitter that emits radio waves to living organisms,
A receiving unit that can be arranged independently of the transmitting unit and receives the reflected wave of the radio wave transmitted by the transmitting unit by the living body.
A biological signal processing system characterized by being equipped with.
前記信号処理部は、複数得られた前記生体信号から取得対象の周波数帯域における受信強度に基づいて少なくとも一部を選択して解析処理を行う
ことを特徴とする請求項4~6のいずれか一項に記載の生体信号処理システム。 It is equipped with a plurality of the receiving units.
One of claims 4 to 6, wherein the signal processing unit selects at least a part of the obtained biological signals based on the reception intensity in the frequency band to be acquired and performs analysis processing. The biological signal processing system described in the section.
前記信号処理部は、複数得られた前記生体信号の各々の組合せの間で相互相関を求め、相互相関が基準を満たす位相差の組合せで当該複数の生体信号を組み合わせたデータに対して解析処理を行う
ことを特徴とする請求項4~6、8のいずれか一項に記載の生体信号処理システム。 It is equipped with a plurality of the receiving units.
The signal processing unit obtains a cross-correlation between each combination of the plurality of obtained biological signals, and analyzes the data obtained by combining the plurality of biological signals with a combination of phase differences in which the cross-correlation satisfies the standard. The biological signal processing system according to any one of claims 4 to 6 and 8.
前記信号処理部は、得られた前記生体信号の利得を上昇させるように前記指向方向を調整させる
ことを特徴とする請求項4~6、8のいずれか一項に記載の生体信号処理システム。 At least one of the directivity direction of the transmitted radio wave of the transmitting unit and the directivity direction of the received radio wave of the receiving unit can be adjusted.
The biological signal processing system according to any one of claims 4 to 6, 8, wherein the signal processing unit adjusts the pointing direction so as to increase the gain of the obtained biological signal.
生体の状態に係る生体信号を取得する取得ステップを含むことを特徴とする生体信号処理方法。 A biological signal processing system including a transmitting unit that transmits radio waves to a living body and a receiving unit that can be arranged independently of the transmitting unit and receives reflected waves of the radio waves transmitted by the transmitting unit by the living body. It is a biometric signal processing method of
A biological signal processing method comprising an acquisition step of acquiring a biological signal relating to a biological state.
生体に対して電波を発信する送信部とは独立に配置可能であって当該送信部の発信した電波の前記生体による反射波を受信する受信部が受信した電波信号に基づいて、生体の状態に係る生体信号を取得する取得手段として機能させることを特徴とするプログラム。 Computer,
It can be arranged independently of the transmitting unit that emits radio waves to the living body, and based on the radio signal received by the receiving unit that receives the reflected wave of the radio waves transmitted by the transmitting unit, it is in the state of the living body. A program characterized by functioning as an acquisition means for acquiring the biological signal.
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