JP6963293B2 - Heart rate / respiration measurement system and heart rate / respiration measurement method - Google Patents

Heart rate / respiration measurement system and heart rate / respiration measurement method Download PDF

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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Description

本発明は、非接触で被験者の心拍及び呼吸を計測する心拍・呼吸計測システム、及び心拍・呼吸計測方法に関する。 The present invention relates to a heartbeat / respiration measurement system that measures the heartbeat and respiration of a subject in a non-contact manner, and a heartbeat / respiration measurement method.

従来、レーダーを使って、被験者と非接触な状態で、心拍や呼吸を計測する装置が提案されている。
例えば特許文献1には、マイクロ波を被験者に照射し、その反射波を使って呼吸数や心拍数を計測する計測装置が記載されている。
特許文献1に記載の技術は、被験者に触れない状態で呼吸数や心拍数を計測することで、被験者への負担を極めて少なくして、被験者の状態を診断することができる。つまり、被験者にとっては、無意識で呼吸数や心拍数を計測することができるので、被験者を診断する用途を拡張することが可能になる。例えば、高齢者が居住する施設において、ベッドで寝ている被験者の呼吸数や心拍数を、非接触で常時計測することができれば、睡眠障害や心臓の異常などを適切に検知できるようになる。
Conventionally, a device for measuring heartbeat and respiration using a radar without contact with a subject has been proposed.
For example, Patent Document 1 describes a measuring device that irradiates a subject with microwaves and measures the respiratory rate and heart rate using the reflected waves.
The technique described in Patent Document 1 can diagnose a subject's condition with extremely little burden on the subject by measuring the respiratory rate and heart rate without touching the subject. That is, since the subject can unconsciously measure the respiratory rate and the heart rate, it is possible to expand the application for diagnosing the subject. For example, in a facility where an elderly person lives, if the respiratory rate and heart rate of a subject sleeping in a bed can be constantly measured in a non-contact manner, sleep disorders and heart abnormalities can be appropriately detected.

特開2009−172176号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-172176

従来のレーダーを使った呼吸数や心拍数の計測装置は、被験者から反射した信号を、高速フーリエ変換(FFT)を行って周波数成分ごとに分離し、呼吸に相当する周波数成分と心拍に相当する周波数成分を取得していた。つまり、それぞれの周波数成分から呼吸数や心拍数を得るようにしていた。FFTを使うと、目的とする周波数成分を的確に抽出することができるので、計測精度の向上からは好ましいが、FFTの演算を実行する回路は構成が複雑になるという問題があった。そのため、計測装置が複雑化かつ大型化し、消費電力が増大するという問題を抱えていた。 A conventional respiratory rate or heart rate measuring device using a radar separates the signal reflected from the subject into each frequency component by performing a fast Fourier transform (FFT), and corresponds to the frequency component corresponding to the breath and the heart rate. The frequency component was acquired. In other words, the respiratory rate and heart rate were obtained from each frequency component. When the FFT is used, the target frequency component can be accurately extracted, which is preferable from the viewpoint of improving the measurement accuracy, but there is a problem that the circuit for executing the FFT calculation has a complicated configuration. Therefore, there is a problem that the measuring device becomes complicated and large, and the power consumption increases.

FFTを使って演算処理を行う従来型の計測装置では、小型化や低消費電力化には限界があった。また、FFTの演算を行うためには、それぞれの周波数成分について複数の波長の成分が必要であるため、計測される呼吸数や心拍数は、被験者のリアルタイムの状態を即座に示した値とは言えない。
具体的には、呼吸数の正常値は毎分十数回前後であり、例えば毎分10回の呼吸であると仮定すると、1呼吸が6秒であり、その1呼吸6秒の信号をFFTの演算を行うために複数波長分取得するためには数十秒の計測信号を取得する必要があった。
In the conventional measuring device that performs arithmetic processing using the FFT, there is a limit to miniaturization and low power consumption. In addition, since multiple wavelength components are required for each frequency component in order to perform FFT calculation, the measured respiratory rate and heart rate are values that immediately indicate the real-time state of the subject. I can not say.
Specifically, the normal value of the respiratory rate is about ten and several times per minute. For example, assuming that there are 10 breaths per minute, one breath is 6 seconds, and the signal of that one breath is 6 seconds is FFT. It was necessary to acquire a measurement signal of several tens of seconds in order to acquire multiple wavelengths in order to perform the calculation of.

したがって、FFTの演算を行う計測装置では、例えば1回の呼吸に相当する短時間の計測信号から、呼吸の周期を即座に検出することは困難であった。
これに対し、非接触で呼吸数や心拍数を計測する装置とすることで、装置の小型化と低消費電力化を図ることができれば、一般家庭で心拍や呼吸を日常的に計測できるようになる点で、計測装置の用途が広がる可能性がある。
Therefore, it is difficult for a measuring device that performs FFT calculation to immediately detect the respiratory cycle from, for example, a short-time measurement signal corresponding to one breath.
On the other hand, if it is possible to reduce the size and power consumption of the device by using a device that measures the respiratory rate and heart rate in a non-contact manner, it will be possible to measure the heart rate and breathing on a daily basis at home. In that respect, the use of the measuring device may be expanded.

本発明は、心拍及び呼吸の非接触での計測を、簡単かつ低消費電力な構成でほぼリアルタイムに行うことができるようにすることを目的とする。 An object of the present invention is to enable non-contact measurement of heartbeat and respiration to be performed in near real time with a simple and low power consumption configuration.

本発明の心拍・呼吸計測システムは、被験者に照射した電波の反射波を受信するドップラーレーダーと、ドップラーレーダーの受信信号から、心拍成分が含まれる周波数帯域と呼吸成分が含まれる周波数帯域を抽出する第1フィルタと、第1フィルタで抽出された心拍成分及び呼吸成分から、呼吸成分が含まれる周波数帯域を抽出し、心拍成分が含まれる周波数帯域を除去する第2フィルタと、第1フィルタで抽出された心拍成分及び呼吸成分から、第2フィルタで抽出された周波数成分を減算して、心拍成分を抽出する減算器と、第2フィルタで抽出された呼吸成分が含まれる信号をデジタル変換すると共に、減算器で抽出された心拍成分が含まれる信号をデジタル変換するデジタル変換器と、デジタル変換器により変換された信号を解析して、被験者の心拍及び呼吸の計測結果を得るデータ処理部と、を備える。そして、データ処理部では、呼吸に対応して変動する波形の谷を検出して1呼吸期間を検出し、さらに1呼吸期間の吸気期間と呼気期間を検出し、吸気期間に検出された1心拍の平均期間と、呼気期間に検出された1心拍の平均期間とを比較して、吸気期間に検出された1心拍の平均期間が、呼気期間に検出された1心拍の平均期間よりも短いとき、該当する1呼吸期間に検出された心拍が、適正な計測結果と判断する。 The heart rate / respiration measurement system of the present invention extracts a frequency band including a heartbeat component and a frequency band including a respiration component from a Doppler radar that receives a reflected wave of a radio wave radiated to a subject and a signal received by the Doppler radar. The frequency band containing the respiratory component is extracted from the first filter and the heartbeat component and the respiratory component extracted by the first filter, and the frequency band including the heartbeat component is removed by the second filter and the first filter. A subtractor that extracts the heartbeat component by subtracting the frequency component extracted by the second filter from the obtained heartbeat component and the respiratory component, and a signal containing the respiratory component extracted by the second filter are digitally converted. , A digital converter that digitally converts the signal containing the heartbeat component extracted by the subtractor, a data processing unit that analyzes the signal converted by the digital converter and obtains the measurement results of the subject's heartbeat and respiration. Ru equipped with. Then, the data processing unit detects the valley of the waveform that fluctuates in response to respiration, detects one respiration period, further detects the inspiratory period and the expiratory period of one respiration period, and detects one heartbeat during the inspiratory period. When the average period of one heartbeat detected during the inspiratory period is shorter than the average period of one heartbeat detected during the expiratory period by comparing the average period of one heartbeat detected during the expiratory period. , The heartbeat detected in the corresponding one breathing period is judged to be an appropriate measurement result.

また、本発明の心拍・呼吸計測方法は、被験者に照射した電波の反射波をドップラーレーダーで得、得られた受信信号から、心拍成分が含まれる周波数帯域と呼吸成分が含まれる周波数帯域とを抽出する第1のフィルタ処理と、第1のフィルタ処理で抽出された心拍成分及び呼吸成分から、呼吸成分が含まれる周波数帯域を抽出し、心拍成分が含まれる周波数帯域を除去する第2のフィルタ処理と、第1のフィルタ処理で抽出された心拍成分及び呼吸成分から、第2のフィルタ処理で抽出された周波数成分を減算して、心拍成分を抽出する減算処理と、第2のフィルタ処理で抽出された信号をデジタル変換すると共に、減算処理で抽出された信号をデジタル変換するデジタル変換処理と、デジタル変換処理により変換された信号を解析して、前記被験者の心拍及び呼吸の計測結果を得るデータ処理と、を含む。そして、データ処理では、呼吸に対応して変動する波形の谷を検出して1呼吸期間を検出し、さらに1呼吸期間の吸気期間と呼気期間を検出し、吸気期間に検出された1心拍の平均期間と、呼気期間に検出された1心拍の平均期間とを比較して、吸気期間に検出された1心拍の平均期間が、呼気期間に検出された1心拍の平均期間よりも短いとき、該当する1呼吸期間に検出された心拍が、適正な計測結果と判断する。 Further, in the heartbeat / respiration measurement method of the present invention, the reflected wave of the radio wave radiated to the subject is obtained by the Doppler radar, and the frequency band including the heartbeat component and the frequency band including the respiration component are obtained from the obtained received signal. A second filter that extracts a frequency band containing a respiratory component from the first filtering process to be extracted and the heartbeat component and the respiratory component extracted by the first filtering process, and removes the frequency band containing the heartbeat component. In the processing, the subtraction process for extracting the heartbeat component by subtracting the frequency component extracted in the second filter process from the heart rate component and the respiratory component extracted in the first filter process, and the second filter process. The extracted signal is digitally converted, and the digital conversion process that digitally converts the signal extracted by the subtraction process and the signal converted by the digital conversion process are analyzed to obtain the measurement results of the subject's heartbeat and breath. and data processing, the including. Then, in the data processing, the valley of the waveform that fluctuates in response to respiration is detected to detect one respiration period, and the inspiration period and expiration period of one respiration period are detected, and the one heartbeat detected in the inspiration period is detected. Comparing the average period with the average period of one heartbeat detected during the expiratory period, when the average period of one heartbeat detected during the inspiratory period is shorter than the average period of one heartbeat detected during the expiratory period. The heartbeat detected during the corresponding one breathing period is judged to be an appropriate measurement result.

本発明によれば、被験者の呼吸と心拍に伴う微細な動きを捉え、非接触で心拍数と呼吸数を迅速且つ的確に計測することができる、小型かつ安価なシステムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a compact and inexpensive system capable of capturing a subject's respiration and minute movements associated with the heartbeat and measuring the heart rate and the respiration rate quickly and accurately without contact.

本発明の一実施の形態例による心拍・呼吸計測システムの全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of the heart rate / respiration measurement system by the example of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態例によるドップラーレーダーの構成図である。It is a block diagram of the Doppler radar by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態例による心拍・呼吸計測装置のアナログ信号処理部の回路図である。It is a circuit diagram of the analog signal processing part of the heart rate / respiration measuring apparatus according to the example of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態例による各フィルタの通過帯域の例を示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the example of the pass band of each filter by the example of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態例による第1バンドパスフィルタの出力波形Vと、第2バンドパスフィルタの出力波形(呼吸成分の信号)VRRIの例を示す波形図である。Is a waveform diagram showing an output waveform V I of the first band-pass filter according to an exemplary embodiment, an example of the second band-pass filter output waveform (signal of the respiratory component) V RRI of the present invention. 本発明の一実施の形態例による呼吸成分の信号VRRI,VRRQの波形と、吸気及び呼気の判別状態の例を示す波形図である。 It is a waveform diagram which shows the waveform of the signal V RRI , V RRQ of the respiratory component according to the example of one Embodiment of this invention, and the example of the discriminant state of inspiration and exhalation. 本発明の一実施の形態例による第1バンドパスフィルタの出力波形Vに含まれる心拍成分の例を示す波形図である。Is a waveform diagram showing an example of the heartbeat components included according to an exemplary embodiment the output waveform V I of the first band-pass filter of the present invention. 本発明の一実施の形態例による減算器の出力波形(心拍成分の信号)VHRIの例を示す波形図である。It is a waveform diagram which shows the example of the output waveform (signal of the heartbeat component) V HR of the subtractor according to the example of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態例による心拍及び呼吸の検出処理例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detection processing example of heartbeat and respiration by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態例による呼気期間及び吸気期間と各期間での心拍の検出状態の例を示す波形図である。It is a waveform figure which shows the example of the detection state of the heartbeat in the expiratory period and the inspiratory period and each period by the example of one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態例による心拍・呼吸計測システムの全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of the heart rate / respiration measurement system by the example of another Embodiment of this invention. 図11の例による各フィルタの通過帯域の例を示す特性図である。It is a characteristic diagram which shows the example of the pass band of each filter by the example of FIG.

以下、本発明の一実施の形態例(以下、「本例」と称する。)を、図1〜図10を参照して説明する。
[1.心拍・呼吸計測システムの全体構成]
図1は、本例の心拍・呼吸計測システムの全体構成を示すブロック図である。
本例のシステムは、心拍・呼吸計測装置100と、表示装置200と、記録装置300で構成される。心拍・呼吸計測装置100には、ドップラーレーダー10が接続され、ドップラーレーダー10で得た受信信号から、心拍・呼吸計測装置100によって被験者の心拍数及び呼吸数が計測される。
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as “this example”) will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
[1. Overall configuration of heart rate / respiration measurement system]
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the heart rate / respiration measurement system of this example.
The system of this example includes a heart rate / respiration measuring device 100, a display device 200, and a recording device 300. A Doppler radar 10 is connected to the heart rate / respiration measuring device 100, and the heart rate and respiration rate of the subject are measured by the heart rate / respiration measuring device 100 from the received signal obtained by the Doppler radar 10.

ドップラーレーダー10は、被験者に対して所定の周波数帯の送信信号Txを送信し、被験者で反射した信号を受信信号Rxとして取得する。受信信号Rxは、心拍・呼吸計測装置100に供給される。この場合、受信信号Rxは、実数成分(I信号)と虚数成分(Q信号)とを含む。ドップラーレーダー10の構成例については後述する(図2)。 The Doppler radar 10 transmits a transmission signal Tx in a predetermined frequency band to the subject, and acquires the signal reflected by the subject as a reception signal Rx. The received signal Rx is supplied to the heart rate / respiration measuring device 100. In this case, the received signal Rx includes a real number component (I signal) and an imaginary number component (Q signal). A configuration example of the Doppler radar 10 will be described later (FIG. 2).

心拍・呼吸計測装置100は、ドップラーレーダー10から得られたI信号とQ信号とを、それぞれ別にアナログ信号処理して、呼吸成分が含まれた呼吸信号VRRI,VRRQと、心拍成分が含まれた心拍信号VHRI,VHRQとを得る。なお、正常な成人の1分間の呼吸数の基準値は12〜16回前後であり、1分間の心拍数の基準値は50〜90回である。本明細書で述べる呼吸成分や心拍成分としては、これらの基準となる範囲からある程度の幅を持たせた周波数範囲として、異常がある場合の呼吸数や心拍数を検出するようにしている。
I信号の処理系とQ信号の処理系は同一の構成であり、図1において、I信号を処理する処理部については、符号の末尾に「I」を付加し、Q信号を処理する処理部については、符号の末尾に「Q」を付加して示す。ここではI信号を処理する構成を説明するが、Q信号も同様に処理される。
The heart rate / respiration measuring device 100 separately processes the I signal and the Q signal obtained from the Doppler radar 10 as analog signals, and includes the respiration signals V RRI and V RRQ containing the respiration component and the heart rate component. heartbeat signals V HRI, obtain and V HRQ. The reference value of the 1-minute respiratory rate of a normal adult is around 12 to 16 times, and the reference value of the 1-minute heart rate is 50 to 90 times. As the respiratory component and the heart rate component described in the present specification, the respiratory rate and the heart rate when there is an abnormality are detected as a frequency range having a certain range from these reference ranges.
The I signal processing system and the Q signal processing system have the same configuration. In FIG. 1, for the processing unit that processes the I signal, "I" is added to the end of the code to process the Q signal. Is indicated by adding "Q" to the end of the code. Although the configuration for processing the I signal will be described here, the Q signal is also processed in the same manner.

ドップラーレーダー10から供給されたI信号は、増幅器101Iにより増幅された後、第1フィルタ102Iに供給される。第1フィルタ102Iは、I信号から呼吸成分と心拍成分が含まれる周波数帯域を抽出する第2フィルタ処理を行うバンドパスフィルタである。この第1フィルタ102Iにおいて、呼吸成分と心拍成分が含まれる周波数帯域よりも低域の帯域と高域の帯域が除去される。第1フィルタ102Iの具体例としては、例えば0.159Hzから3.18Hzまでの帯域を抽出するバンドパスフィルタとする。 The I signal supplied from the Doppler radar 10 is amplified by the amplifier 101I and then supplied to the first filter 102I. The first filter 102I is a bandpass filter that performs a second filter process for extracting a frequency band including a respiratory component and a heartbeat component from the I signal. In the first filter 102I, a low frequency band and a high frequency band are removed from the frequency band including the respiratory component and the heartbeat component. As a specific example of the first filter 102I, for example, a bandpass filter that extracts a band from 0.159 Hz to 3.18 Hz is used.

第1フィルタ102Iの出力信号Vは、第2フィルタ103Iに供給される。第2フィルタ103Iは、出力信号Vから呼吸成分が含まれる帯域を抽出する第2フィルタ処理を行うバンドパスフィルタである。この第2フィルタ103Iにより、呼吸成分が含まれる周波数帯域よりも低域の帯域と高域の帯域が除去される。第2フィルタ103Iの具体例としては、例えば0.159Hzから0.221Hzまでの帯域を抽出するバンドパスフィルタとする。
この第2フィルタ103Iにより、呼吸成分を含む信号である呼吸信号VRRIが得られる。第2フィルタ103Iが出力する呼吸信号VRRIは、アナログ/デジタル変換器111Iに供給され、デジタル変換処理が行われる。そして、デジタル変換されたデータがデータ処理部113に供給される。
The output signal V I of the first filter 102I is supplied to the second filter 103I. The second filter 103I is a band-pass filter for performing a second filtering process that extracts a band including a respiratory component from the output signal V I. The second filter 103I removes a low frequency band and a high frequency band from the frequency band including the respiratory component. As a specific example of the second filter 103I, for example, a bandpass filter that extracts a band from 0.159 Hz to 0.221 Hz is used.
The second filter 103I, a signal including the respiratory component respiration signal V RRI is obtained. Respiration signal V RRI second filter 103I outputs are supplied to an analog / digital converter 111I, digital conversion processing is performed. Then, the digitally converted data is supplied to the data processing unit 113.

また、第1フィルタ102Iの出力信号Vは、減算器105Iに供給される。そして、この減算器105Iで、出力信号Vから呼吸信号VRRIが減算される減算処理が行われ、心拍成分が含まれる信号である心拍信号VHRIが得られる。この場合、第2フィルタ103Iが出力する呼吸信号VRRIは、位相補正器104Iにより第2フィルタ103Iによる位相変化が補正された上で、減算器105Iに供給される。
減算器105Iで得られた心拍信号VHRIは、アナログ/デジタル変換器112Iでデジタルデータに変換され、データ処理部113に供給される。説明は省略するが、Q信号についてもI信号と同様な処理が行われる。
The output signal V I of the first filter 102I is supplied to the subtracter 105I. Then, the subtracter 105I, the output signal subtracted from V I respiration signal V RRI is subtracted is performed, the heart rate signal V HRI is a signal including a heartbeat ingredient. In this case, the breathing signal V RRI second filter 103I is output on the phase change by the second filter 103I by the phase corrector 104I is corrected, it is supplied to the subtracter 105I.
Subtractor heartbeat signal obtained by 105I V HRI is converted into digital data by an analog / digital converter 112I, supplied to the data processing unit 113. Although the description is omitted, the Q signal is processed in the same manner as the I signal.

このようにして得られた呼吸信号VRRI,VRRQ及び心拍信号VHRI,VHRQは、それぞれ別のアナログ/デジタル変換器111I,111Q,112I,112Qによりデジタルデータに変換され、データ処理部113に供給される。なお、図1では4つのアナログ/デジタル変換器111I,111Q,112I,112Qをそれぞれ別の変換器として構成したが、例えば1つのアナログ/デジタル変換器を使って、4つの信号VRRI,VRRQ,VHRI,VHRQをデジタルデータに変換するようにしてもよい。 The thus obtained respiration signal V RRI, V RRQ and heart signals V HRI, V HRQ the separate analog / digital converters 111I, and converted 111Q, 112I, into digital data by the 112Q, the data processing unit 113 Is supplied to. In FIG. 1, four analog / digital converters 111I, 111Q, 112I, and 112Q are configured as separate converters. For example, one analog / digital converter is used to use four signals V RRI and V RRQ. , V HRI , V HRQ may be converted into digital data.

データ処理部113は、デジタルデータに変換された呼吸信号VRRI,VRRQ及び心拍信号VHRI,VHRQの解析処理を行い、呼吸数及び心拍数を計測する。データ処理部113で行われる解析処理の詳細については後述する。
データ処理部113における解析結果として得られた呼吸数及び心拍数は、心拍・呼吸計測装置100に接続された表示装置200に表示される。また、心拍・呼吸計測装置100には記録装置300が接続され、この記録装置300に解析結果としての呼吸数及び心拍数が記録される。
なお、図1では表示装置200や記録装置300は、心拍・呼吸計測装置100に直接接続するようにしたが、例えば心拍・呼吸計測装置100が無線伝送部を備えて、その無線伝送部から無線伝送された呼吸数や心拍数の情報を、外部の装置が表示又は記録するようにしてもよい。
The data processing unit 113, the digital data is converted into a respiratory signal V RRI, V RRQ and heart signals V HRI, performs analysis processing of the V HRQ, measures the respiratory rate and heart rate. The details of the analysis process performed by the data processing unit 113 will be described later.
The respiration rate and the heart rate obtained as the analysis result in the data processing unit 113 are displayed on the display device 200 connected to the heart rate / respiration measurement device 100. Further, a recording device 300 is connected to the heart rate / respiration measuring device 100, and the respiratory rate and the heart rate as the analysis result are recorded in the recording device 300.
In FIG. 1, the display device 200 and the recording device 300 are directly connected to the heart rate / respiration measurement device 100. For example, the heart rate / respiration measurement device 100 is provided with a wireless transmission unit and is wirelessly connected to the wireless transmission unit. The transmitted respiratory rate and heart rate information may be displayed or recorded by an external device.

[2.ドップラーレーダーの構成]
図2は、ドップラーレーダー10の構成例を示す。
ドップラーレーダー10は、発振器11を備える。発振器11は、例えば24GHzの信号を発振する。この発振器11が出力する発振信号は、分波器12を介して送信アンテナ13に供給され、被験者に対して送信信号Txが送信される。そして、被験者の体表面で反射した反射波としての受信信号Rxが受信アンテナ14によって受信される。
[2. Doppler radar configuration]
FIG. 2 shows a configuration example of the Doppler radar 10.
The Doppler radar 10 includes an oscillator 11. The oscillator 11 oscillates, for example, a 24 GHz signal. The oscillation signal output by the oscillator 11 is supplied to the transmitting antenna 13 via the demultiplexer 12, and the transmission signal Tx is transmitted to the subject. Then, the received signal Rx as the reflected wave reflected on the body surface of the subject is received by the receiving antenna 14.

受信アンテナ14で得た受信信号Rxは、第1ミキサ15に直接供給されると共に、π/2移相器17によりπ/2(90°)シフトした信号が第2ミキサ18に供給される。そして、発振器11からの発振信号が、分波器12及び16を介して第1ミキサ15及び第2ミキサ18に供給され、それぞれのミキサ15,18でドップラー出力が得られる。第1ミキサ15で得られるドップラー出力が、I信号になり、第2ミキサ18で得られるドップラー出力が、Q信号になる。 The received signal Rx obtained by the receiving antenna 14 is directly supplied to the first mixer 15, and the signal shifted by π / 2 (90 °) by the π / 2 phase shifter 17 is supplied to the second mixer 18. Then, the oscillation signal from the oscillator 11 is supplied to the first mixer 15 and the second mixer 18 via the duplexers 12 and 16, and the Doppler output is obtained by the respective mixers 15 and 18. The Doppler output obtained by the first mixer 15 becomes an I signal, and the Doppler output obtained by the second mixer 18 becomes a Q signal.

発明者らが実験した結果では、呼吸による体動の変位は4〜12mmであり、心拍による体動の変位は0.2〜0.5mmであった。ドップラーレーダー10は、非接触でこれらの呼吸及び心拍による体動の変位を検出する装置である。すなわち、ドップラーレーダー10から被験者の体表面までの距離をdとしたとき、呼吸や心拍による体動の変位での距離dが変動し、その距離dの変動を受信信号から検出する処理が行われる。
なお、ドップラーレーダー10として24GHz帯を使用するのは一例であり、その他の周波数帯の信号を送信するドップラーレーダーとしてもよい。例えば、10GHz帯を使用したドップラーレーダーとすることもできる。
According to the results of experiments conducted by the inventors, the displacement of the body movement due to respiration was 4 to 12 mm, and the displacement of the body movement due to the heartbeat was 0.2 to 0.5 mm. The Doppler radar 10 is a device that detects the displacement of body movement due to these respirations and heartbeats in a non-contact manner. That is, when the distance from the Doppler radar 10 to the body surface of the subject and the d 0, processing the distance d 0 of the displacement of the body motion due to breathing and heart rate changes, detects a change of the distance d 0 from the received signal Is done.
It should be noted that the use of the 24 GHz band as the Doppler radar 10 is an example, and the Doppler radar that transmits signals in other frequency bands may be used. For example, it may be a Doppler radar using a 10 GHz band.

[3.心拍・呼吸計測装置のフィルタ構成及び特性]
図3は、心拍・呼吸計測装置のI信号を処理する第1フィルタ(バンドパスフィルタ)102I及び第2フィルタ(バンドパスフィルタ)103Iの構成を示す回路図である。Q信号を処理する第1フィルタ102Q及び第2フィルタ103Qについても、図3に示す第1フィルタ102I及び第2フィルタ103Iと同じ構成である。
[3. Filter configuration and characteristics of heart rate / respiration measuring device]
FIG. 3 is a circuit diagram showing the configurations of a first filter (bandpass filter) 102I and a second filter (bandpass filter) 103I for processing the I signal of the heart rate / respiration measuring device. The first filter 102Q and the second filter 103Q that process the Q signal also have the same configuration as the first filter 102I and the second filter 103I shown in FIG.

バンドパスフィルタである第1フィルタ102Iの入力端子102aには、コンデンサC1と抵抗器R1の直列回路を介して、演算増幅器121の−側入力端が接続される。また、演算増幅器121の−側入力端は、抵抗器R2とコンデンサC3の並列回路を介して接地電位部に接続される。
また、演算増幅器121の+側入力端と出力端との間に、抵抗器R4が接続され、演算増幅器121の+側入力端と接地電位部との間に、抵抗器R3が接続されている。演算増幅器121の出力端に得られる信号は、端子102bから第1フィルタ102Iの出力信号として取り出されると共に、第2フィルタ103Iに供給される。
The negative side input end of the operational amplifier 121 is connected to the input terminal 102a of the first filter 102I, which is a bandpass filter, via a series circuit of the capacitor C1 and the resistor R1. Further, the negative input end of the operational amplifier 121 is connected to the ground potential portion via a parallel circuit of the resistor R2 and the capacitor C3.
Further, a resistor R4 is connected between the + side input end and the output end of the operational amplifier 121, and a resistor R3 is connected between the + side input end of the operational amplifier 121 and the ground potential portion. .. The signal obtained at the output terminal of the operational amplifier 121 is taken out from the terminal 102b as an output signal of the first filter 102I and is supplied to the second filter 103I.

バンドパスフィルタである第2フィルタ103Iは、第1フィルタ102Iと接続された入力部に、コンデンサC4と抵抗器R5の直列回路を介して演算増幅器122の−側入力端が接続される。また、演算増幅器122の−側入力端は、抵抗器R6とコンデンサC5の並列回路を介して接地電位部に接続される。
また、演算増幅器122の+側入力端と出力端との間に、抵抗器R8が接続され、演算増幅器122の+側入力端と接地電位部との間に、抵抗器R7が接続される。そして、演算増幅器122の出力端に得られる信号が、端子103aから第2フィルタ103Iの出力信号として取り出される。
In the second filter 103I, which is a bandpass filter, the negative side input end of the operational amplifier 122 is connected to the input portion connected to the first filter 102I via a series circuit of the capacitor C4 and the resistor R5. Further, the negative input end of the operational amplifier 122 is connected to the ground potential portion via a parallel circuit of the resistor R6 and the capacitor C5.
Further, a resistor R8 is connected between the + side input end and the output end of the operational amplifier 122, and a resistor R7 is connected between the + side input end of the operational amplifier 122 and the ground potential portion. Then, the signal obtained at the output end of the operational amplifier 122 is taken out from the terminal 103a as the output signal of the second filter 103I.

図4は、第1フィルタ102I及び第2フィルタ103Iの通過特性を示す図である。図4において、横軸は周波数[Hz]、縦軸は減衰量[dB]を示す。
ここでは、バンドパスフィルタである第1フィルタ102Iは、通過帯域Faの下限周波数fL1を0.159Hzとし、通過帯域の上限周波数fH1を3.18Hzとしている。第1フィルタ102Iの下限周波数fL1は、コンデンサC1と抵抗器R1との定数により決まり、上限周波数fH1は、コンデンサC3と抵抗器R2との定数により決まる。
FIG. 4 is a diagram showing the passing characteristics of the first filter 102I and the second filter 103I. In FIG. 4, the horizontal axis represents the frequency [Hz] and the vertical axis represents the attenuation [dB].
Here, in the first filter 102I, which is a bandpass filter, the lower limit frequency f L1 of the pass band Fa is 0.159 Hz, and the upper limit frequency f H1 of the pass band is 3.18 Hz. The lower limit frequency f L1 of the first filter 102I is determined by the constants of the capacitor C1 and the resistor R1, and the upper limit frequency f H1 is determined by the constants of the capacitor C3 and the resistor R2.

また、バンドパスフィルタである第2フィルタ103Iは、通過帯域Fbの下限周波数fL2を0.159Hzとし、通過帯域の上限周波数fH2を0.221Hzとしている。第2フィルタ103Iの下限周波数fL2は、コンデンサC4と抵抗器R5との定数により決まり、上限周波数fH2は、コンデンサC5と抵抗器R6との定数により決まる。
図4に示す特性Fcは、2つのフィルタ102I及び103Iを通過した総合特性である。この2つのフィルタ102I及び103Iを通過した信号として、呼吸信号VRRI,VRRQを得る。なお、図4に示す帯域Drは、呼吸成分が含まれる帯域であり、帯域Dhは、心拍成分が含まれる帯域である。
Further, in the second filter 103I, which is a bandpass filter, the lower limit frequency f L2 of the pass band Fb is set to 0.159 Hz, and the upper limit frequency f H2 of the pass band is set to 0.221 Hz. The lower limit frequency f L2 of the second filter 103I is determined by the constants of the capacitor C4 and the resistor R5, and the upper limit frequency f H2 is determined by the constants of the capacitor C5 and the resistor R6.
The characteristic Fc shown in FIG. 4 is a comprehensive characteristic that has passed through the two filters 102I and 103I. Respiratory signals V RRI and V RRQ are obtained as signals that have passed through these two filters 102I and 103I. The band Dr shown in FIG. 4 is a band containing a respiratory component, and the band Dh is a band containing a heartbeat component.

[4.検出される信号の例]
図5は、第1フィルタ102Iの出力信号Vと、呼吸信号VRRIの例を示す。図5の横軸は時間(秒)、縦軸は電圧(V)を示す。
図5に示すように、第1フィルタ102Iの出力信号Vには、呼吸成分と心拍成分とが含まれている。そして、第2フィルタ103Iを通過した呼吸信号VRRIには、心拍成分が除去され、呼吸に連動した振幅の変動が明確に現れるようになる。
[4. Example of detected signal]
Figure 5 shows an output signal V I of the first filter 102I, an example of respiration signals V RRI. The horizontal axis of FIG. 5 represents time (seconds), and the vertical axis represents voltage (V).
As shown in FIG. 5, the output signal V I of the first filter 102I, contains the respiratory component and the cardiac component. Then, the respiration signal V RRI that has passed through the second filter 103I, heartbeat components are removed, variation in the amplitude in association with the breathing becomes to appear clearly.

図6は、I信号から得た呼吸信号VRRIと、Q信号から得た呼吸信号VRRQと、被験者の人体に装着した計測器から得た呼吸信号Vの例を示す。被験者の人体に装着した計測器は、ベルトを使って肌の上に直接取り付けて、呼吸を計測するタイプのものであり、本例の心拍・呼吸計測装置で得た呼吸信号VRRI,VRRQと比較のために従来の計測器で得た呼吸信号Vを示す。 FIG. 6 shows an example of the respiration signal V RRI obtained from the I signal, the respiration signal V RRQ obtained from the Q signal, and the respiration signal V x obtained from the measuring instrument attached to the human body of the subject. The measuring instrument attached to the human body of the subject is a type that measures respiration by attaching it directly on the skin using a belt, and the respiration signals V RRI and V RRQ obtained by the heart rate / respiration measuring device of this example. And for comparison, the respiratory signal V x obtained with a conventional measuring instrument is shown.

図6に示すように、本例の心拍・呼吸計測装置で得た呼吸信号VRRI,VRRQは、いずれも従来の計測器で得た呼吸信号Vと同様に被験者の呼吸状態を示した信号であり、本例の心拍・呼吸計測装置によって、呼吸数の計測が良好に行えることが分かる。
本例の心拍・呼吸計測装置のデータ処理部113は、呼吸信号VRRIの電圧波形の谷(図6で最もレベルが低い位置)となるタイミングt,t,t,t,・・・を検出し、その検出した谷で区切られる区間を1呼吸として判定する。具体的には、データ処理部113は、例えばタイミングtとタイミングtとの間を1呼吸、タイミングtとタイミングtとの間が次の1呼吸、というように1つ1つの呼吸期間を順に判定する。
As shown in FIG. 6, the respiration signals V RRI and V RRQ obtained by the heart rate / respiration measuring device of this example all showed the respiration state of the subject in the same manner as the respiration signal V x obtained by the conventional measuring device. It is a signal, and it can be seen that the respiration rate can be measured satisfactorily by the heart rate / respiration measurement device of this example.
The data processing unit 113 of the heart rate / respiration measuring device of this example has timings t a , t b , t c , t d , which are valleys of the voltage waveform of the respiration signal VRRI (the lowest level position in FIG. 6).・ ・ Is detected, and the section separated by the detected valley is determined as one breath. Specifically, the data processing unit 113, for example, the timing t 1 breath between a timing t b, while the next one breath, one single breath and so the timing t b and the timing t c Judge the period in order.

そして、データ処理部113は、電圧波形の谷に基づいて検出したそれぞれの呼吸期間の内で、前半の電圧が谷から高くなっている期間を吸気期間(肺に息を吸い込んでいる期間)とし、後半の電圧が谷に向かって低くなっている期間を呼気期間(肺から息を吐き出している期間)と判定する。なお、図6の例では、2つの呼吸信号VRRI,VRRQの内で、I信号から得た呼吸信号VRRIから呼吸期間を検出する例を示したが、Q信号から得た呼吸信号VRRQから呼吸期間を検出するようにしてもよい。 Then, the data processing unit 113 defines the period in which the voltage in the first half is higher than the valley as the inspiratory period (the period during which the lungs are inhaled) among the respective breathing periods detected based on the valley of the voltage waveform. , The period during which the voltage in the latter half decreases toward the valley is determined as the exhalation period (the period during which the lungs exhale). In the example of FIG. 6, of the two respiratory signals V RRI and V RRQ , an example in which the respiratory period is detected from the respiratory signal V RRI obtained from the I signal is shown, but the respiratory signal V obtained from the Q signal is shown. The respiratory period may be detected from the RRQ.

図7及び図8は、第1フィルタ102Iの出力信号V(図7)と、心拍信号VHRI(図8)の例を示す。これら図7及び図8において、横軸は時間(秒)、縦軸は電圧(V)を示す。
図7に示すように、第1フィルタ102Iの出力信号Vは、被験者の呼吸の周期に連動して電圧が上下するが、微少に電圧が上下する心拍成分についても含まれている。すなわち、1呼吸期間内に、心拍に連動して電圧が上下して、その上下する成分の最も高い位置であるピークt,t,t,・・・が現れている。
そして、図8に示すように、減算器105Iで得られる心拍信号VHRIは、呼吸に対応した周波数成分が除去されて、心拍のピークt,t,t,・・・が明確化した信号になっている。データ処理部113は、このピークt,t,t,・・・から心拍を判定する処理を行う。すなわち、データ処理部113は、心拍信号VHRIから検出したピークt,t,t,・・・を、心拍のタイミングとする処理を行う。
7 and 8 show the output signal V I of the first filter 102I (FIG. 7), an example of the heartbeat signal V HRI (Figure 8). In FIGS. 7 and 8, the horizontal axis represents time (seconds) and the vertical axis represents voltage (V).
As shown in FIG. 7, the output signal V I of the first filter 102I is a voltage in conjunction with the cycle of respiration of the subject up and down, also includes the heart rate component voltage minutely up and down. That is, within one breathing period, the voltage fluctuates in conjunction with the heartbeat, and peaks t 1 , t 2 , t 3 , ..., Which are the highest positions of the fluctuating components, appear.
Then, as shown in FIG. 8, the heartbeat signal V HRI obtained by the subtractor 105I is removed frequency component corresponding to the respiratory, peak t 1 heartbeat, t 2, t 3, · · · clarification It is a signal that has been used. The data processing unit 113 performs processing for determining the heartbeat from the peaks t 1 , t 2 , t 3, .... That is, the data processing unit 113 performs processing using the peaks t 1 , t 2 , t 3 , ... Detected from the heartbeat signal V HR as the timing of the heartbeat.

[5.呼吸及び心拍の判定処理]
図9は、データ処理部113が行う呼吸及び心拍の判定処理例を示すフローチャートである。ここでは、I信号から得た呼吸信号VRRIと心拍信号VHRIを使って、呼吸及び心拍を判定するものとする。
まず、データ処理部113は、呼吸信号VRRIと心拍信号VHRIを取得し、呼吸信号VRRIのピーク検出(図8に示すt,t,t,・・・の検出)に基づいて心拍を検出すると共に、呼吸信号VRRIの谷から呼吸を検出する処理を行う(ステップS11)。
そして、データ処理部113は、1呼吸期間分の呼吸信号VRRIが入力されたか否かを判断する(ステップS12)。すなわち、データ処理部113は、例えば図6に示す例の場合には、2つの谷t,tの検出により、1呼吸期間分の呼吸信号VRRIが入力されたと判断する。ステップS12の判断で、1呼吸期間分の呼吸信号VRRIが入力されていないと判断すると(ステップS12のNO)、データ処理部113は、ステップS11の検出処理に戻る。
[5. Breathing and heartbeat judgment processing]
FIG. 9 is a flowchart showing an example of respiration and heartbeat determination processing performed by the data processing unit 113. Here, it is assumed that the respiration and the heartbeat are determined by using the respiration signal V RRI and the heartbeat signal V HR obtained from the I signal.
First, the data processing unit 113 acquires the respiratory signal V RRI and the heartbeat signal V HR, and is based on the peak detection of the respiratory signal V RRI (detection of t 1 , t 2 , t 3 , ... As shown in FIG. 8). The heartbeat is detected and the respiration is detected from the valley of the respiration signal VRRI (step S11).
Then, the data processing unit 113 determines whether or not the respiration signal VRRI for one respiration period has been input (step S12). That is, the data processing unit 113, in the example shown in FIG. 6, for example, 2 valleys t a, the detection of t b, respiration signal V RRI of one respiratory period is determined to have been entered. If it is determined in step S12 that the respiratory signal VRRI for one breathing period has not been input (NO in step S12), the data processing unit 113 returns to the detection process in step S11.

そして、ステップS12の判断で、1呼吸期間分の呼吸信号VRRIが入力されたと判断すると(ステップS12のYES)、データ処理部113は、2つの谷(例えば図6に示すt,t)の間で、呼吸信号VRRIのレベルが高くなっている区間である吸気期間と、呼吸信号VRRIのレベルが低くなっている区間である呼気期間とを判別する。そして、データ処理部113は、吸気期間内に検出した1心拍の平均の長さと、呼気期間に検出した1心拍の平均の長さの比率を判断する(ステップS13)。
すなわち、データ処理部113は、吸気期間内に検出した1心拍の平均の長さと、呼気期間に検出した1心拍の平均の長さを算出して、それぞれの平均の長さを比較し、吸気期間の1心拍の平均の長さと、呼気期間の1心拍の平均の長さとの比率を判断する。
Then, it is determined in step S12, 1 when breathing period of the respiration signal V RRI is determined to have been input (YES in step S12), the data processing unit 113, 2 valleys (e.g. t a shown in FIG. 6, t b ), The inspiratory period, which is the section where the level of the respiratory signal V RRI is high, and the expiratory period, which is the section where the level of the respiratory signal V RRI is low, are discriminated. Then, the data processing unit 113 determines the ratio of the average length of one heartbeat detected during the inspiratory period to the average length of one heartbeat detected during the expiratory period (step S13).
That is, the data processing unit 113 calculates the average length of one heartbeat detected during the inspiratory period and the average length of one heartbeat detected during the expiratory period, compares the average lengths of each, and inhales. The ratio of the average length of one heartbeat during the period to the average length of one heartbeat during the expiratory period is determined.

次に、データ処理部113は、吸気期間の1心拍の平均の長さの方が、呼気期間の1心拍の平均の長さよりも短いか否かを判定する(ステップS14)。この判定で、吸気期間の1心拍の平均の長さが、呼気期間の1心拍の平均の長さよりも短い場合(ステップS14のYES)、データ処理部113は、心拍の検出が適正であると判定して、1呼吸期間内の心拍の計測データを取り込む。そして、その心拍の計測データから、心拍数の計測データを得る処理を行う(ステップS15)。この吸気期間の1心拍の平均の長さが、呼気期間の1心拍の平均の長さよりも短い状態は、呼吸性不整脈と称される現象である。
心拍数の計測データは、例えば1分間の心拍数に換算して、表示装置200に表示されると共に、記録装置300に記録される。
Next, the data processing unit 113 determines whether or not the average length of one heartbeat during the inspiratory period is shorter than the average length of one heartbeat during the expiratory period (step S14). In this determination, when the average length of one heartbeat during the inspiratory period is shorter than the average length of one heartbeat during the expiratory period (YES in step S14), the data processing unit 113 determines that the heartbeat detection is appropriate. Judgment is made, and the measurement data of the heartbeat within one breathing period is taken in. Then, a process of obtaining the heart rate measurement data from the heart rate measurement data is performed (step S15). The state in which the average length of one heartbeat during the inspiratory period is shorter than the average length of one heartbeat during the expiratory period is a phenomenon called respiratory arrhythmia.
The heart rate measurement data is converted into, for example, a one-minute heart rate, displayed on the display device 200, and recorded on the recording device 300.

また、ステップS14での判定で、吸気期間の1心拍の平均の長さが、呼気期間の1心拍の平均の長さと等しいか、あるいは吸気期間の1心拍の平均の長さの方が、呼気期間の1心拍の平均の長さよりも長い場合(ステップS14のNO)、データ処理部113は、正しく心拍を検出していないと判定して、該当する1呼吸期間での計測データを計測値としないエラー処理を行う(ステップS16)。ステップS15及びS16の処理の後、ステップS11の処理に戻る。 Further, in the determination in step S14, the average length of one heartbeat during the inspiratory period is equal to the average length of one heartbeat during the expiratory period, or the average length of one heartbeat during the inspiratory period is the exhalation. If it is longer than the average length of one heartbeat in the period (NO in step S14), the data processing unit 113 determines that the heartbeat is not detected correctly, and uses the measurement data in the corresponding one breathing period as the measured value. No error processing is performed (step S16). After the processing of steps S15 and S16, the process returns to the processing of step S11.

図10は、吸気期間と呼気期間の検出と、それぞれの期間で検出される心拍のタイミングの例を示す。図10Aは、呼吸信号VRRIの例を示し、図10Bは、心拍成分が含まれる信号Vの例を示す。なお、心拍の検出はこの信号Vから心拍成分を取り出した心拍信号VHRIにより行われる。
図10Bに示す例では、データ処理部113は、例えばタイミングt,t,tに検出した心拍が、吸気期間に検出した心拍であると判定する。また、タイミングt,t,t,t,tに検出した心拍が、呼気期間に検出した心拍であると判定する。そして、この判定に基づいて、データ処理部113は、ステップS14〜S16の処理を実行する。
FIG. 10 shows an example of the detection of the inspiratory period and the expiratory period and the timing of the heartbeat detected in each period. 10A shows an example of a respiration signal V RRI, FIG. 10B shows an example of the signal V I that contains heartbeat components. The detection of heart rate is performed by the heartbeat signal V HRI retrieving the heartbeat component from the signal V I.
In the example shown in FIG. 10B, the data processing unit 113 determines, for example timing t 1, t 2, heart rate detected in t 3 is the heart rate detected in the inspiratory period. Also, judges that the time t 4, t 5, t 6 , heart rate detected in t 7, t 8 is the heart rate detected in the exhalation period. Then, based on this determination, the data processing unit 113 executes the processes of steps S14 to S16.

なお、図9のフローチャートの説明では、データ処理部113は、I信号から得た呼吸信号VRRI及び心拍信号VHRIから呼吸数及び心拍数を得るようにしたが、Q信号から得た呼吸信号VRRQ及び心拍信号VHRQについても、同様の処理で呼吸数と心拍数を得るようにしてもよい。この場合には、例えばデータ処理部113は、I信号から得た計測値とQ信号から得た計測値とを比較して、適正と思われる計測値を、表示装置200及び記録装置300に出力する呼吸数及び心拍数とする。例えば、I信号を使った判断処理でステップS16でのエラー処理が行われた場合でも、Q信号を使った判断処理でステップS15の心拍数の計測データを得る処理ができた場合には、Q信号での計測結果を採用する。
また、心拍信号VHRI,VHRQについては、心拍に基づいた電圧の変動が比較的小さいため、I信号から得た心拍信号VHRIとQ信号から得た心拍信号VHRQのいずれからもデータ処理部113で心拍を検出できない期間が一時的に生じる可能性もある。このような場合には、その検出できない期間の前後の検出状態から補間などを行って、適正な心拍数を得る処理を行う。この補間を行う際には、データ処理部113は、該当する一時的に心拍を検出できない期間が、吸気期間であるのか、呼気期間であるのかを判別して、それぞれの期間に適した補間処理を行うことで、より適切な心拍数の判定ができるようになる。
In the description of the flowchart of FIG. 9, the data processing unit 113 obtains the respiratory rate and the heart rate from the respiratory signal V RRI and the heart rate signal V HR obtained from the I signal, but the respiratory signal obtained from the Q signal. For V RRQ and heart rate signal V HRQ , the respiratory rate and heart rate may be obtained by the same processing. In this case, for example, the data processing unit 113 compares the measured value obtained from the I signal with the measured value obtained from the Q signal, and outputs a measured value considered to be appropriate to the display device 200 and the recording device 300. Respiratory rate and heart rate to be performed. For example, even if the error processing in step S16 is performed in the judgment processing using the I signal, if the processing for obtaining the heart rate measurement data in step S15 can be obtained in the judgment processing using the Q signal, Q Adopt the measurement result by the signal.
Further, the heartbeat signal V HRI, for V HRQ, since variation in voltage based on the heart rate is relatively small, the data processing from any of the heartbeat signal V HRQ obtained from the heartbeat signal V HRI and Q signals obtained from the I signal There may be a temporary period during which the heartbeat cannot be detected in part 113. In such a case, interpolation or the like is performed from the detection state before and after the undetectable period to obtain an appropriate heart rate. When performing this interpolation, the data processing unit 113 determines whether the period during which the heartbeat cannot be detected temporarily is the inspiratory period or the expiratory period, and performs interpolation processing suitable for each period. By performing the above, it becomes possible to determine the heart rate more appropriately.

以上説明したように、本例の心拍・呼吸計測システムによると、被験者(患者)の呼吸と心拍を非接触で良好に計測することができるようになる。すなわち、本例の場合には、少なくとも1呼吸期間の信号が取得できれば、1呼吸期間と1心拍の期間が分かり、呼吸数及び心拍数が得られる。これは、従来FFTの演算を行う場合に、少なくとも複数の呼吸期間の信号が必要であったものに比べて、非常に短時間で呼吸数及び心拍数が得られるようになり、ほぼリアルタイムで呼吸数や心拍数を計測できる効果を有する。
しかも、本例の場合には、心拍と呼吸を同時に計測できるため、呼吸性不整脈と称される現象、つまり息を吸い込むときに心拍が早くなり、息を吐き出すときに心拍が遅くなる現象を確かめて、その呼吸性不整脈の現象が現れているとき、呼吸数と心拍数が正しく計測できていると扱うようにしたことで、正確な計測データが得られる効果を有する。
As described above, according to the heartbeat / respiration measurement system of this example, the respiration and heartbeat of the subject (patient) can be satisfactorily measured without contact. That is, in the case of this example, if a signal of at least one breathing period can be obtained, the period of one breathing period and the period of one heartbeat can be known, and the respiratory rate and the heart rate can be obtained. This makes it possible to obtain respiratory rate and heart rate in a very short time compared to those that required signals for at least multiple respiratory periods when performing FFT calculations in the past, and breathing in near real time. It has the effect of measuring the number and heart rate.
Moreover, in the case of this example, since the heartbeat and breathing can be measured at the same time, a phenomenon called respiratory arrhythmia, that is, a phenomenon in which the heartbeat becomes faster when inhaling and slows when exhaling, is confirmed. Therefore, when the phenomenon of respiratory arrhythmia appears, it is treated as if the respiratory rate and the heart rate can be measured correctly, which has an effect of obtaining accurate measurement data.

また、本例の心拍・呼吸計測システムは、FFTのような複雑な演算処理を必要としない簡単な構成であるため、心拍・呼吸計測システムの小型化や低価格化を図ることができる。さらに、複雑な演算処理を必要としない簡単な構成であるため、心拍・呼吸計測システムの低消費電力化が図れ、例えば電池で長時間連続駆動が可能な心拍・呼吸計測システムとすることができる。 Further, since the heart rate / respiration measurement system of this example has a simple configuration that does not require complicated arithmetic processing such as FFT, it is possible to reduce the size and price of the heart rate / respiration measurement system. Furthermore, since it has a simple configuration that does not require complicated arithmetic processing, the power consumption of the heartbeat / respiration measurement system can be reduced, and for example, a heartbeat / respiration measurement system that can be continuously driven by a battery for a long time can be obtained. ..

[6.他の実施の形態例(ローパスフィルタを使った例)]
図11は、心拍・呼吸計測システムの他の実施の形態例を示す。
この図11に示す例は、心拍・呼吸計測装置100が備える第2フィルタ103I′,103Q′として、バンドパスフィルタの代わりに、ローパスフィルタを使用したものである。
すなわち、図11に示すように、I信号の処理系として、第1フィルタ102Iの出力信号Vを、ローパスフィルタである第2フィルタ103I′に供給し、第2フィルタ103I′で心拍成分が含まれる高域を除去し、呼吸成分が含まれる低域を通過させ、呼吸信号VRRIを得る。そして、第2フィルタ103I′で得た呼吸信号VRRIをアナログ/デジタル変換器111Iに供給して、デジタルデータに変換し、変換されたデジタルデータをデータ処理部113に供給する。また、第2フィルタ103I′で得た呼吸信号VRRIを、位相補正器104Iを介して減算器105Iに供給する。そして、出力信号Vから呼吸信号VRRIを減算することにより、心拍信号VHRIを得、心拍信号VHRIをアナログ/デジタル変換器112Iに供給して、デジタルデータに変換し、変換されたデジタルデータをデータ処理部113に供給する。
[6. Examples of other embodiments (examples using a low-pass filter)]
FIG. 11 shows an example of another embodiment of the heart rate / respiration measurement system.
In the example shown in FIG. 11, a low-pass filter is used instead of the band-pass filter as the second filters 103I'and 103Q' provided in the heart rate / respiration measuring device 100.
That is, as shown in FIG. 11, as the processing system of the I signal, the output signal V I of the first filter 102I, 'supplied to the second filter 103I' second filter 103I is a low pass filter includes heartbeat components The high frequencies are removed and the low frequencies containing the respiratory components are passed to obtain the respiratory signal VRRI . Then, the respiration signal V RRI obtained by the second filter 103I 'and supplied to an analog / digital converter 111I, and converted into digital data, and supplies the converted digital data to the data processing unit 113. Also, the respiration signal V RRI obtained by the second filter 103I ', supplied to the subtracter 105I through the phase corrector 104I. Then, by subtracting the respiration signal V RRI from the output signal V I, to obtain a heartbeat signal V HRI, and supplies the heart rate signal V HRI analog / digital converter 112I, and converted into digital data, converted digital Data is supplied to the data processing unit 113.

Q信号の処理系についても同様に、第1フィルタ102Qの出力信号Vを、ローパスフィルタである第2フィルタ103Q′に供給し、第2フィルタ103Q′で心拍成分が含まれる高域を除去し、呼吸成分が含まれる低域を通過させて、呼吸信号VRRQを得ると共に、減算器105Qで心拍信号VHRQを得る処理を行う。
なお、図1の例の場合には、位相補正器104I,104Qが、第2フィルタ(バンドパスフィルタ)103I,103Qによる位相遅れを補正するのに対して、図11の例の場合、位相補正器104I,104Qは、第2フィルタ(ローパスフィルタ)103I′,103Q′での位相遅れを補正する。
Similarly, the processing system of the Q signal, the output signal V Q of the first filter 102Q, 'supplied to the second filter 103Q' second filter 103Q is a low pass filter the high frequency is removed that contains the heartbeat component , The low-pass filter containing the respiratory component is passed to obtain the respiratory signal V RRQ , and the subtractor 105Q is used to obtain the heartbeat signal V HRQ.
In the case of the example of FIG. 1, the phase correctors 104I and 104Q correct the phase delay due to the second filter (bandpass filter) 103I and 103Q, whereas in the case of the example of FIG. 11, the phase correction is performed. The instruments 104I and 104Q correct the phase lag in the second filter (low-pass filter) 103I'and 103Q'.

図12は、第1フィルタ102I及び第2フィルタ103I′の通過特性を示す図である。図12において、横軸は周波数[Hz]、縦軸は減衰量[dB]を示す。
ここでは、第1フィルタ102Iは、通過帯域Faの下限周波数fL1を0.159Hzとし、通過帯域の上限周波数fH1を3.18Hzとする。この第1フィルタ102Iの特性は、図4に示す特性と同じである。
また、第2フィルタ103I′は、通過帯域Fb′の上限周波数(カットオフ周波数)fH2を0.221Hzとし、それより下の周波数を通過させる。
図12に示す特性Fc′は、第1フィルタ102I及び第2フィルタ103I′を通過した総合特性である。この第1フィルタ102I及び第2フィルタ103I′を通過した信号として、呼吸信号VRRI,VRRQを得る。
FIG. 12 is a diagram showing the passing characteristics of the first filter 102I and the second filter 103I'. In FIG. 12, the horizontal axis represents the frequency [Hz] and the vertical axis represents the attenuation [dB].
Here, in the first filter 102I, the lower limit frequency f L1 of the pass band Fa is 0.159 Hz, and the upper limit frequency f H1 of the pass band is 3.18 Hz. The characteristics of the first filter 102I are the same as those shown in FIG.
Further, the second filter 103I'sets the upper limit frequency (cutoff frequency) f H2 of the pass band Fb' to 0.221 Hz, and passes frequencies below it.
The characteristic Fc'shown in FIG. 12 is a comprehensive characteristic that has passed through the first filter 102I and the second filter 103I'. Respiratory signals V RRI and V RRQ are obtained as signals that have passed through the first filter 102I and the second filter 103I'.

図12に示す特性から分かるように、バンドパスフィルタとローパスフィルタとの組み合わせによって、呼吸信号VRRI,RRQを及び心拍信号VHRI,HRQを得ることもできる。ローパスフィルタである第2フィルタ103I′,103Q′は、呼吸成分が含まれる帯域Drよりも低域の成分についても通過させる特性であるが、この帯域Drよりも低域の成分については、第1フィルタ102I,102Qで既に除去されているため、図1の例とほぼ同等の性能が得られる。 As can be seen from the characteristics shown in FIG. 12, it can be a combination of the band-pass filter and the low-pass filter, the respiratory signal V RRI, V RRQ a Oyobi heartbeat signal V HRI, also possible to obtain the V HRQ. The second filters 103I'and 103Q', which are low-pass filters, have the characteristic of allowing components in the lower range than the band Dr containing the respiratory component to pass through, but the first filter is the first for the components in the band lower than this band Dr. Since it has already been removed by the filters 102I and 102Q, almost the same performance as the example of FIG. 1 can be obtained.

[7.変形例]
なお、上述した実施の形態では、ドップラーレーダー10として、24GHzの周波数信号を送信するものとした。この送信周波数は一例であり、例えば10GHzなどのその他の周波数信号を送信するドップラーレーダーを使用してもよい。
[7. Modification example]
In the above-described embodiment, the Doppler radar 10 is used to transmit a frequency signal of 24 GHz. This transmission frequency is an example, and a Doppler radar that transmits other frequency signals such as 10 GHz may be used.

また、図4や図12に示す第1フィルタ(バンドパスフィルタ)や第2フィルタ(バンドパスフィルタ又はローパスフィルタ)の通過帯域についても一例であり、通過帯域の上限周波数や下限周波数として、その他の周波数としてもよい。但し、呼吸成分が含まれる周波数帯域や心拍成分が含まれる周波数帯域そのものは決まった帯域であり、上限周波数や下限周波数を変化させるとしても、上述した実施の形態例で説明した周波数の近傍の値とするのが好ましい。
また、図3に示した各フィルタの具体的な回路についても好適な一例を示したものであり、その他の回路構成のフィルタとしてもよい。
Further, the pass band of the first filter (bandpass filter) and the second filter (bandpass filter or lowpass filter) shown in FIGS. 4 and 12 is also an example, and other as the upper limit frequency and the lower limit frequency of the pass band. It may be a frequency. However, the frequency band including the respiratory component and the frequency band itself including the heartbeat component are fixed bands, and even if the upper limit frequency and the lower limit frequency are changed, the values in the vicinity of the frequencies described in the above-described embodiment example are used. Is preferable.
Further, a suitable example is shown for the specific circuit of each filter shown in FIG. 3, and a filter having another circuit configuration may be used.

また、上述した実施の形態例では、ドップラーレーダー10で得られたI信号(実数成分)とQ信号(虚数成分)の双方をフィルタ処理して、I信号の呼吸成分及び心拍成分と、Q信号の呼吸成分及び心拍成分の双方を得るようにした。計測精度を向上させる点からは、このように双方の信号から呼吸成分及び心拍成分を得るのが好ましいが、いずれか一方(例えばI信号)の呼吸成分及び心拍成分のみを得るようにして、より回路構成を簡易化するようにしてもよい。 Further, in the above-described embodiment, both the I signal (real number component) and the Q signal (imaginary number component) obtained by the Doppler radar 10 are filtered, and the respiratory component and heartbeat component of the I signal and the Q signal are filtered. I tried to obtain both the respiratory component and the heartbeat component of. From the viewpoint of improving the measurement accuracy, it is preferable to obtain the respiratory component and the heartbeat component from both signals in this way. The circuit configuration may be simplified.

また、上述した実施の形態例では、心拍・呼吸計測装置100が、ドップラーレーダー10から得た信号のフィルタ処理と、そのフィルタ処理した信号(心拍成分の信号及び呼吸成分の信号)をデジタル変換したデータから心拍及び呼吸を解析する処理を行うデータ処理とを行う構成とした。これに対して、例えば、データ処理部113での心拍及び呼吸の解析処理を行うソフトウェア(プログラム)が実装されたコンピュータ装置を用意して、そのコンピュータ装置のデータ入力部に、フィルタ処理などを行うアナログ回路系を備えた装置又は回路基板を接続して、上述した実施の形態例の心拍・呼吸計測システムと同様の計測処理が行えるようにしてもよい。この場合、表示装置200や記録装置300に相当する機能を、コンピュータ装置に内蔵させるようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、心拍や呼吸の解析結果として、1分間の心拍数や呼吸数を得るようにしたが、1分間の心拍数や呼吸数を得るのは一例であり、その他の形態で心拍や呼吸の解析結果を得て、それらの解析結果の表示や記録を行うようにしてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the heart rate / respiratory measurement device 100 digitally converts the signal obtained from the Doppler radar 10 by filtering and the filtered signal (heartbeat component signal and respiratory component signal). The configuration is such that data processing is performed to analyze heartbeat and respiration from the data. On the other hand, for example, a computer device equipped with software (program) for analyzing heartbeat and respiration in the data processing unit 113 is prepared, and a filter process or the like is performed on the data input unit of the computer device. A device or circuit board provided with an analog circuit system may be connected so that the same measurement processing as the heartbeat / respiration measurement system of the above-described embodiment may be performed. In this case, a function corresponding to the display device 200 or the recording device 300 may be built into the computer device.
Further, in the above-described embodiment, the heart rate and respiration rate for one minute are obtained as the analysis result of the heart rate and respiration, but the heart rate and respiration rate for one minute are obtained as an example, and other It is also possible to obtain the analysis results of heartbeat and respiration in the form and display or record the analysis results.

10…ドップラーレーダー、11…発振器、12…分波器、13…送信アンテナ、14…受信アンテナ、15…第1ミキサ、17…π/2移相器、18…第2ミキサ、100…心拍・呼吸計測装置、101I,101Q…増幅器、102I,102Q…第1フィルタ(バンドパスフィルタ)、103I,103Q…第2フィルタ(バンドパスフィルタ)、103I′,103Q′…第2フィルタ(ローパスフィルタ)、104I,104Q…位相補正器、105I,105Q…減算器、111I,111Q,112I,112Q…アナログ/デジタル変換器、113…データ処理部、121,122…演算増幅器、200…表示装置、300…記録装置
10 ... Doppler radar, 11 ... Oscillator, 12 ... Demultiplexer, 13 ... Transmitting antenna, 14 ... Receiving antenna, 15 ... 1st mixer, 17 ... π / 2 phase shifter, 18 ... 2nd mixer, 100 ... Heartbeat Respiration measuring device, 101I, 101Q ... Amplifier, 102I, 102Q ... 1st filter (bandpass filter), 103I, 103Q ... 2nd filter (bandpass filter), 103I', 103Q' ... 2nd filter (lowpass filter), 104I, 104Q ... phase corrector, 105I, 105Q ... subtractor, 111I, 111Q, 112I, 112Q ... analog / digital converter, 113 ... data processing unit, 121, 122 ... operational amplifier, 200 ... display device, 300 ... recording Device

Claims (4)

被験者に照射した電波の反射波を受信するドップラーレーダーと、
前記ドップラーレーダーの受信信号から、心拍成分が含まれる周波数帯域と呼吸成分が含まれる周波数帯域を抽出する第1フィルタと、
前記第1フィルタで抽出された心拍成分及び呼吸成分から、呼吸成分が含まれる周波数帯域を抽出し、心拍成分が含まれる周波数帯域を除去する第2フィルタと、
前記第1フィルタで抽出された心拍成分及び呼吸成分から、前記第2フィルタで抽出された周波数成分を減算して、心拍成分を抽出する減算器と、
前記第2フィルタで抽出された呼吸成分が含まれる信号をデジタル変換すると共に、前記減算器で抽出された心拍成分が含まれる信号をデジタル変換するデジタル変換器と、
前記デジタル変換器により変換された信号を解析して、前記被験者の心拍及び呼吸の計測結果を得るデータ処理部と、を備え、
前記データ処理部は、呼吸に対応して変動する波形の谷を検出して1呼吸期間を検出し、さらに1呼吸期間の吸気期間と呼気期間を検出し、
前記吸気期間に検出された1心拍の平均期間と、前記呼気期間に検出された1心拍の平均期間とを比較して、前記吸気期間に検出された1心拍の平均期間が、前記呼気期間に検出された1心拍の平均期間よりも短いとき、該当する1呼吸期間に検出された心拍が、適正な計測結果と判断する
心拍・呼吸計測システム。
A Doppler radar that receives reflected waves of radio waves radiated to the subject,
A first filter that extracts a frequency band including a heartbeat component and a frequency band including a respiratory component from the received signal of the Doppler radar, and
A second filter that extracts a frequency band containing a respiratory component from the heartbeat component and the respiratory component extracted by the first filter and removes the frequency band containing the heartbeat component,
A subtractor that extracts the heartbeat component by subtracting the frequency component extracted by the second filter from the heartbeat component and the respiratory component extracted by the first filter.
A digital converter that digitally converts a signal containing a respiratory component extracted by the second filter and a digital converter that digitally converts a signal containing a heartbeat component extracted by the subtractor.
A data processing unit that analyzes a signal converted by the digital converter and obtains a measurement result of the heartbeat and respiration of the subject is provided.
The data processing unit detects a valley of a waveform that fluctuates in response to respiration, detects one respiration period, and further detects an inspiratory period and an exhalation period of one respiration period.
Comparing the average period of one heartbeat detected during the inspiratory period with the average period of one heartbeat detected during the expiratory period, the average period of one heartbeat detected during the inspiratory period is the expiratory period. A heartbeat / respiration measurement system that determines that the heartbeat detected in the corresponding one breathing period is an appropriate measurement result when it is shorter than the average period of one detected heartbeat.
前記第1フィルタは、心拍成分と呼吸成分が含まれる周波数帯域よりも低域と高域を除去するバンドパスフィルタであり、
前記第2フィルタは、呼吸成分が含まれる周波数帯域よりも高域を除去するローパスフィルタ、又は呼吸成分が含まれる周波数帯域よりも低域と高域を除去するバンドパスフィルタである
請求項1に記載の心拍・呼吸計測システム。
The first filter is a bandpass filter that removes low and high frequencies from the frequency band including the heartbeat component and the respiratory component.
The second filter is a low-pass filter that removes high frequencies from a frequency band containing a respiratory component, or a band-pass filter that removes low frequencies and high frequencies from a frequency band containing a respiratory component. Described heart rate / respiration measurement system.
前記第1フィルタは、約0.1Hzから約3.1Hzの帯域を抽出するフィルタであり、
前記第2フィルタは、約0.4Hzよりも下の帯域を通過させるフィルタである
請求項に記載の心拍・呼吸計測システム。
The first filter is a filter that extracts a band from about 0.1 Hz to about 3.1 Hz.
The heart rate / respiration measurement system according to claim 2 , wherein the second filter is a filter that passes a band below about 0.4 Hz.
被験者に照射した電波の反射波をドップラーレーダーで得、得られた受信信号から、心拍成分が含まれる周波数帯域と呼吸成分が含まれる周波数帯域とを抽出する第1のフィルタ処理と、
前記第1のフィルタ処理で抽出された心拍成分及び呼吸成分から、呼吸成分が含まれる周波数帯域を抽出し、心拍成分が含まれる周波数帯域を除去する第2のフィルタ処理と、
前記第1のフィルタ処理で抽出された心拍成分及び呼吸成分から、前記第2のフィルタ処理で抽出された周波数成分を減算して、心拍成分を抽出する減算処理と、
前記第2のフィルタ処理で抽出された信号をデジタル変換すると共に、前記減算処理で抽出された信号をデジタル変換するデジタル変換処理と、
前記デジタル変換処理により変換された信号を解析して、前記被験者の心拍及び呼吸の計測結果を得るデータ処理と、を含み、
前記データ処理では、前記被験者の呼吸に対応して変動する谷の箇所を検出して1呼吸期間を検出し、さらに1呼吸期間の吸気期間と呼気期間を検出すると共に、
前記吸気期間に検出された1心拍の平均期間と、前記呼気期間に検出された1心拍の平均期間とを比較して、前記吸気期間に検出された1心拍の平均期間が、前記呼気期間に検出された1心拍の平均期間よりも短いとき、該当する1呼吸期間に検出された心拍が、適正な計測結果と判断する
心拍・呼吸計測方法。
The first filter processing that obtains the reflected wave of the radio wave radiated to the subject by the Doppler radar and extracts the frequency band including the heartbeat component and the frequency band including the respiratory component from the obtained received signal, and
A second filter process for extracting a frequency band containing a respiratory component from the heartbeat component and a respiratory component extracted by the first filtering process and removing the frequency band containing the respiratory component, and a second filtering process.
A subtraction process for extracting the heartbeat component by subtracting the frequency component extracted by the second filter process from the heartbeat component and the respiratory component extracted by the first filter process.
A digital conversion process that digitally converts the signal extracted by the second filter process and digitally converts the signal extracted by the subtraction process, and a digital conversion process.
The digital conversion process by analyzing the signal converted by, saw including a data processing to obtain a measurement result of the heartbeat and respiration of the subject,
In the data processing, a valley that fluctuates according to the subject's breathing is detected to detect one breathing period, and an inspiratory period and an expiratory period of one breathing period are detected.
Comparing the average period of one heartbeat detected during the inspiratory period with the average period of one heartbeat detected during the expiratory period, the average period of one heartbeat detected during the inspiratory period is the expiratory period. A heartbeat / respiration measurement method in which when the average period of one detected heartbeat is shorter than the average period of one detected heartbeat, the heartbeat detected in the corresponding one breathing period is judged to be an appropriate measurement result.
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