JP2006055504A - 心拍計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電波式ドップラーセンサを用いて人体表面からの反射波の振幅成分と位相成分とを含む出力信号を検出して、人体の体動により発生した振幅成分を分離して心拍成分だけを抽出した心拍計測装置を提供する。
【解決手段】電波式ドップラーセンサ５が出力する反射波４の振幅成分と位相成分との情報を含む出力信号（Ｉ信号６及びＱ信号７）を振幅・位相変換手段１２において極座標変換して振幅成分信号８と位相成分信号９とを心拍抽出手段１３に出力する。心拍抽出手段１３において、振幅成分信号８と位相成分信号９とから独立成分分析（ＩＣＡ）の手法を用いて振幅成分出力８に含まれる体動による振幅成分を分離して、正確な心拍だけを抽出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電波式ドップラーセンサを用い、人体に非接触で人体表面の位置変化と血流による人体表面の反射率変化を含む出力信号を得て、人体表面の動き成分を主とした出力と、血流による人体表面の反射率変化を主とした出力と、の二つの出力に対して独立成分分析（ＩＣＡ）を行うことで人体表面の動き成分を除去し、心拍を正確に検出する心拍検出技術に関する。

従来、センサを使用して呼吸や心拍を検出する装置が、特許文献１や特許文献２に開示されている。
特許文献１の人体検出装置はセンサとして圧電素子を使用し、圧電素子を人体に接触させて人体の呼吸活動や心拍による体動を検出している。このとき、圧電素子に起因する高周波のノイズ成分を除去する信号処理を行っているが、人体呼吸活動や心拍による人体表面の変位と人体自身の体動とを分離することは考慮されていない。
また、特許文献２に開示されている心拍の検出方法は、人体を圧迫または押圧することで人体にマッサージを施すマッサージ用空気袋を備えたマッサージ機において、この空気袋に骨振動によって伝わる動脈の脈拍や心臓の拍動による空気袋内の圧力変化をセンサにより検出するものであるが、やはり人体自身の位置変化に起因するノイズについては考慮されていない。
また、マイクロ波ドップラーセンサを用いて、人体に非接触で人体の呼吸や心拍を検出する心肺機能監視装置が特許文献３に開示されている。特許文献３に開示されている発明は、ドップラーセンサの出力が測定対象である人体とドップラーセンサとの距離によって周期的に変動するので、人体とドップラーセンサとの距離を変える、電波の周波数を変える、電波の位相を変える等の手段を用いてドップラーセンサの出力が大きくなるようにすることで検出信号の対ノイズ特性を改善しているものである。
特開平６−３１７６７６ 特開２００３−２７５３１７ 特開２００２−６５６７７

しかしながら、上記従来の発明では、いずれの場合も、センサは人体表面の動きを検出しているため、検出目的の心拍（あるいは呼吸）による人体表面の変位とともに人体自身が動くことによる体動をも合わせて検出することとなる。従って、心拍の微小な変位に対して人体自身が動くことによる体動は、ノイズ成分となり正確な心拍の計測の妨げとなっていた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電波式ドップラーセンサを用いて、電波の反射率は、心拍に関係する血流の変化に対応することに着目し、心拍をドップラーセンサの受信波（反射波）の振幅成分として検出する。
しかし、人体表面がドップラーセンサの電波に対して垂直であるとは限らないので、受信波（反射波）の振幅成分の中には体動による振幅の影響も含まれてしまう。ただし、人体自身が動くことによる体動は、ドップラーシフト（位相成分）として検出することができる。
そこで、この二つの情報を含むドップラーセンサの出力信号を、例えば、独立成分分析（ＩＣＡ：Independent Conponent Analysis）の手法を用いて振幅成分に含まれる反射率の変化による振幅成分以外の振幅成分（すなわち、体動により発生した振幅成分）を分離して、ドップラーセンサの出力信号から心拍成分だけを抽出した心拍計測装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１は、人体表面に非接触で電波を放射し、人体表面からの反射波を受信する電波式ドップラーセンサと、電波式ドップラーセンサが反射波を受信して検出した人体表面の動きに係わる位相成分と人体表面の血流の変化に係わる振幅成分とを含む信号出力を極座標変換して振幅成分出力と位相成分出力との２つの信号を出力する振幅・位相変換手段と、その振幅・位相変換手段が出力する振幅成分出力と位相成分出力の２つの出力信号から人体表面の動き成分を分離して、振幅成分出力から人体の心拍を抽出する心拍抽出手段と、を具備することを特徴としている。

本願請求項１の発明は、電波式ドップラーセンサを用いて人体表面に非接触でマイクロ波を放射し、人体表面からの反射波の情報を得て心拍を検出するものであるが、人体表面からの反射波は、血流の変化に対応してその反射率が変化するので、血流の変化（すなわち心拍）を反射波の振幅の変化として捕らえるものである。
しかし、人体表面はドップラーセンサの電波に対して常に垂直の角度を保っている訳ではないので体動がある場合は、ドップラーセンサが検出した振幅成分には体動による振幅の変化も含まれてしまう。そこで、ドップラーセンサの検出した振幅成分と位相成分の二つの信号をもとに、振幅成分から人体の体動に起因する成分を分離する処理行うことで純粋に心拍だけを抽出している。

請求項２の発明では、請求項１に記載の心拍計測装置において、心拍抽出手段は、振幅・位相変換手段が出力する振幅成分出力と位相成分出力の２つの信号をもとに独立成分分析（ＩＣＡ）を行うことにより振幅成分出力から人体表面の動き成分を分離して心拍を抽出することを特徴としている。

独立成分分析（ＩＣＡ）は、振幅成分出力から位相成分出力をもとに振幅成分出力に含まれる体動による振幅成分を分離する手法である。この操作により体動の影響を除去した心拍を抽出することができる。

請求項３の発明は、請求項１および請求項２に記載の心拍計測装置において、振幅・位相変換手段は、電波式ドップラーセンサの信号出力を増幅する信号増幅部と、電波式ドップラーセンサの信号出力からＤＣ成分を抽出して増幅し、信号増幅部の出力信号に補償するＤＣ成分補償部と、ＤＣ成分補償部の出力信号を極座標変換する振幅・位相変換部と、から構成されていることを特徴としている。

心拍成分は非常に微小であるので、電波式ドップラーセンサの信号出力を極座標変換する振幅・位相変換部において信号処理をするのに適した信号レべルに増幅する必要があるが、信号増幅部で失われる信号のＤＣ成分の補償を行うＤＣ成分補償部を設けることで、厳密な信号処理が行え、正確な心拍を検出することができる。

請求項４の発明は、請求項１および請求項２に記載の心拍計測装置において、振幅・位相変換手段は、電波式ドップラーセンサの信号出力を増幅する信号増幅部と、電波式ドップラーセンサの信号出力の円弧ベクトル値を予測し、予測した該円弧ベクトル値に基づいて信号増幅部の出力信号を補償する円弧ベクトル予測部と、円弧ベクトル予測部の出力信号を極座標変換する振幅・位相変換部と、から構成されていることを特徴とする。

すなわち、請求項４の発明では、信号増幅部で失われる信号のＤＣ成分の補償をベクトルの大きさを予測する手法で算出し、信号増幅部の出力信号に対してＤＣ成分補償を行うもので請求項３の手法より簡素な構成である。

請求項５の発明は、人体表面に非接触で電波を放射し、人体表面からの反射波を受信する電波式ドップラーセンサと、人体表面に近接して配置され、人体内の血流の変化に対応した振幅成分出力を出力する低周波センサと、電波式ドップラーセンサが反射波を受信して検出した信号出力を極座標変換して位相成分出力を出力する振幅・位相変換手段と、振幅・位相変換手段が出力する位相成分出力と低周波センサが出力する振幅成分出力の２つの信号から人体表面の動き成分を分離して、低周波センサが検出した振幅成分出力から人体の心拍を抽出する心拍抽出手段と、を具備することを特徴としている。

請求項１〜請求項４の心拍計測装置はドップラーセンサ１個で人体表面の振幅成分と位相成分の検出を行っている。それに対して請求項５の発明では、振幅成分の検出に低周波センサを使用し、ドップラーセンサの検出した位相成分と組み合わせて、人体の心拍を抽出する方法をとっている。
振幅成分の検出に低周波センサを使用することの利点は、ドップラーセンサの電波はマイクロ波で高い周波数であるため、人体に進入しにくく血流の変化を微小なレベルでしか振幅成分として捕らえられないが、それに比較して使用する電波が低い周波数（数百ＫＨｚ程度）である低周波センサは、電波がより人体に進入し易いため血流の変化をより大きな振幅成分として捕らえることができるという点にある。

以上説明したように本発明の心拍計測装置によれば次に述べる効果がある。
一つのドップラーセンサで人体表面の反射率の変化に係る反射波の振幅成分と、人体自身の体動によるドップラーシフトから位相成分とを検出し、この二つの情報をもとに心拍と体動と分離する信号処理を行っているので、体動の影響を除去した正確な心拍の計測が可能となる。
また、振幅成分の検出にドップラーセンサとは別に低周波センサを設けることで、より確実に振幅成分を検出する心拍計測装置とすることもできる。

以下、本発明の実施例を図面により説明する。図１は、本発明の概略の構成を示すブロック図である。心拍計測装置６０は、電波式ドップラーセンサ５と、振幅・位相変換手段１２と、心拍抽出手段１３とから構成されている。６と７は、ドップラーセンサ５の出力信号（ Ｉ信号６とＱ信号７）であり、８と９は、振幅・位相変換手段１２の出力信号（ 振幅成分出力８と位相成分出力９）である。１０は心拍出力、１１は体動出力である。
また、２は計測対象の人体表面で、１は人体を流れる血流である。３はドップラーセンサ５が放射するマイクロ波であり、４はその反射波である。

実施例１の心拍計測装置は、図２のブロック図に示すように、図１における振幅・位相変換手段１２が信号増幅部１４と、ＤＣ成分補償部１５と、振幅・位相変換部１６と、から構成されている。また、心拍抽出手段１３として独立成分分析（ＩＣＡ）の手法を採用している。

次に、実施例１の動作について図１および図２にもとづいて説明する。
電波式ドップラーセンサ５は、計測対象の人体表面２にマイクロ波３を放射し、人体表面２で反射されてくる反射波４を受信して反射波４の振幅と位相情報を含んだ出力信号（ 複素信号のＩ信号６とＱ信号７）を出力する。
このドップラーセンサ５の出力信号に対して信号増幅部１４に備えられたアンプ２３、２４において数百倍の増幅を行う。これは検出する心拍が非常に微小であるためである。ただし、ドップラーセンサ５の出力信号をそのまま増幅したのではＤＣ成分やノイズ成分も同時に増幅されてＡ／Ｄコンバータ２５、２６が飽和してしまう。従って、必要な信号のみを増幅するためバンドパスフイルタ２１、２２が設けられている。
しかし、バンドパスフイルタ２１、２２で出力信号のＤＣ成分がカットされることにより、複素平面上のベクトルの軌跡が異なったものとなってしまう。図３にその様子を模式的に示している。図３は、ドップラーセンサ５の出力のベクトルの軌跡を複素平面上に表したものである。横軸は実軸で信号の実数部分（Ｉ信号）を表し、縦軸は虚軸で信号の虚数部分（Ｑ信号）を表している。出力のベクトルの軌跡は、図３に示すように、本来、軌跡４１であるべきものがＤＣ成分がカットされることにより軌跡４２のようになってしまう。
ＤＣ成分補償部１５は、上述の信号増幅部１４において消失したＤＣ成分を増幅後の信号に補償して軌跡４１にもどすための操作である。すなわち、ドップラーセンサ５の出力信号からローパスフイルタ２７、２８でＤＣ成分を抽出し、Ａ／Ｄコンバータ２９、３０でデジタル信号に変換後、アンプ３１、３２で増幅する。増幅度はアンプ２３、２４と同じ倍率である。アンプ２３、２４で増幅されたＤＣ成分は加算回路３３、３４において信号増幅部１４からのＩ信号およびＱ信号とそれぞれ合成されてＤＣ成分を補償する。
このＤＣ成分補償の操作により、ＤＣ成分補償部１５の出力信号は軌跡４１をもつものとなる。

信号増幅部１４で増幅され、ＤＣ成分補償部１５においてＤＣ成分補償の処理が行われたＩ信号およびＱ信号は、振幅・位相変換部１６に入力される。振幅・位相変換部１６では直交座標から極座標に変換する信号処理が行われて、振幅成分出力８と位相成分出力９が心拍抽出手段１３に出力される。
心拍抽出手段１３においては、振幅成分出力８と位相成分出力９の情報をもとに振幅成分８から人体の体動による振幅成分への影響を取り除いて心拍を抽出する。
振幅成分出力８に含まれている人体の体動による振幅の変動分の分離は、独立成分分析（ＩＣＡ）の手法を用いている。

実施例２の心拍計測装置は、図４のブロック図に示すように、図１における振幅・位相変換手段１２が信号増幅部１４と、円弧ベクトル予測部４０と、振幅・位相変換部１６と、から構成されている。また、心拍抽出手段１３として独立成分分析（ＩＣＡ）の手法を採用している。本実施例が実施例１と異なる点は信号増幅部１４において失われる信号のＤＣ成分を補償する円弧ベクトル予測部４０を有している点である。

実施例２の動作について図１および図３にもとづいて説明する。
電波式ドップラーセンサ５が出力する、人体表面２からの反射波４にもとづいた検出信号（複素信号のＩ信号６とＱ信号７）は、信号増幅部１４に入力されバンドパスフイルタ２１、２２を経て増幅され、Ａ／Ｄコンバータ２５、２６でデジタル信号に変換されるのは、実施例１と同一の構成で同じ動作をする。
しかし、本実施例では、信号増幅部１４において失われる信号のＤＣ成分を補償する方法として、バンドパスフイルタ２１、２２およびアンプ２３、２４の特性から信号増幅部１４の出力に対して補償すべきＤＣ成分を予測し、その値にもとづいて円弧ベクトル予測部４０で信号に対してＤＣ成分補償を行うものである。
円弧ベクトル予測方法は、円弧からその中心点を求めればよく、具体的な方法としては図５に示すように、円弧の両端Ｐ１、Ｐ２及び円弧の中心座標Ｐ３を計算し、線分Ｐ１−Ｐ３の中点を通る法線と、線分Ｐ２−Ｐ３の中点を通る法線の交点Ｃ１が中心点である。
円弧ベクトル予測部４０の出力は、振幅・位相変換部１６に入力される。振幅・位相変換部１６では直交座標から極座標に変換する信号処理が行われて、振幅成分８と位相成分９が心拍抽出手段１３に出力される。
心拍抽出手段１３においては、実施例１と同じ構成、すなわち、独立成分分析（ＩＣＡ）の手法を用いて振幅成分８と位相成分９の情報をもとに振幅成分８から人体の体動による振幅成分への影響を取り除いた心拍を抽出する。

実施例３の心拍計測装置６１は、図６のブロック図に示すように、電波式ドップラーセンサ５と、低周波センサ５０と、振幅・位相変換手段１２と、心拍抽出手段１３とから構成されている。６と７は、ドップラーセンサ５の出力信号（ Ｉ信号６とＱ信号７）であり、８は、低周波センサ５０の出力信号であり、９は、振幅・位相変換手段１２の出力信号（ 位相成分出力）である。その他、１、２、３、４、１０、１１は図１に示すものと同じである。
また、心拍抽出手段１３として、実施例１及び実施例２と同様に独立成分分析（ＩＣＡ）の手法を採用している。実施例３が実施例１及び実施例２と異なる点は、血流１の変化の検出に低周波センサ５０を使用していることにある。

実施例３の動作は、次のようになる。図６において、電波式ドップラーセンサ５は、計測対象の人体表面２にマイクロ波３を放射し、人体表面２で反射されてくる反射波４を受信して反射波４の振幅と位相情報を含んだ出力信号を振幅・位相変換手段１２に出力し、振幅・位相変換手段１２において極座標変換され、振幅成分と位相成分の出力が得られるが、位相成分のみを位相成分出力９として心拍抽出手段１３に出力する。
一方、人体表面２に近接して配置された低周波センサ５０が出力する人体内の血流の変化に同期した出力信号は、振幅成分出力８として心拍抽出手段１３に入力される。心拍抽出手段１３では、上記の振幅成分出力８と位相成分出力９とから独立成分分析（ＩＣＡ）の手法を用いて体動の影響を取り除いた心拍を抽出する。
なお、低周波センサと人体表面との距離は、低周波センサのシート状コイル（アンテナ部）が人体表面に接していてもよいし、多少空間を設けて配置されていてもよい。また、低周波センサを配置する場所は、血流を検出し易い場所（例えば、背中など）を任意に選定することができる。

図７に低周波センサ５０の具体的な構成及び動作の一例を示す。
シート状コイル５１とコンデンサ５３で共振回路を構成し、オッシレータ５２から所定の周波数の信号を共振回路に供給する。このとき、人体に近接して配置されたシート状コイル５１のインダクタンスが血流の変化に対応して変化する。従って、共振回路の共振周波数が変化して、抵抗５４の両端の電圧（低周波センサ５０の出力）が変化することとなる。本実施例のシート状コイル５１の値は５５０μＨ、コンデンサ５３は１００ｐＦ、
抵抗５４は１０ＫΩを使用し、オッシレータ５２の発振周波数は４００ＫＨｚである。
本実施例の低周波センサの場合は、ドップラーセンサで振幅成分として血流の反射率の変化を検出しているものとは異なるが、血流の変化を捕らえて振幅成分として出力しているので振幅成分出力８と同等の出力が得られている。
低周波センサは、低周波であるためドップラーセンサのマイクロ波に比較し電波が人体内に進入し易く、Ｓ（信号）／Ｎ（ノイズ）比のよい出力信号が得られる。
なお、本実施例では、血流の変化を検出するのにシート状コイルを使用しているが、これに限定されるものではなく、例えば、フェライトにコイルを巻いたアンテナなど血流の変化に反応する構成のものであればよい。

本発明の心拍計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１の構成を示すブロック図である。 本発明の心拍計測装置の電波式ドップラーセンサの出力信号の増幅に関する説明図である。 本発明の実施例２の構成を示すブロック図である。 本発明の円弧ベクトル予測法の説明図である。 本発明の実施例３の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３の低周波センサの概略の構成図である。

符号の説明

１：血流
２：人体表面
３：放射波
４：反射波
５：電波式ドップラーセンサ
６：電波式ドップラーセンサの出力信号（Ｉ信号）
７：電波式ドップラーセンサの出力信号（Ｑ信号）
８：振幅成分出力
９：位相成分出力
１０：心拍出力
１１：体動出力
１２：振幅・位相変換手段
１３：心拍抽出手段
１４：信号増幅部
１５：ＤＣ成分補償部
１６：振幅・位相変換部
２１、２２：バンドパスフイルタ
２３、２４、３１、３２：アンプ
２５、２６、２９、３０：Ａ／Ｄコンバータ
２７、２８：ローパスフイルタ
３３、３４：加算回路
４０：円弧ベクトル予測部
４１、４２：出力信号のベクトル軌跡
５０：低周波センサ
５１：シート状コイル
５２：オッシレータ
５３：コンデンサ
５４：抵抗
６０、６１：心拍計測装置

Claims (5)

1. 人体表面に非接触で電波を放射し、該人体表面からの反射波を受信する電波式ドップラーセンサと、
   前記電波式ドップラーセンサが該反射波を受信して検出した前記人体表面の動きに係わる位相成分と前記人体表面の血流の変化に係わる振幅成分とを含む信号出力を極座標変換して振幅成分出力と位相成分出力との２つの信号を出力する振幅・位相変換手段と、
   前記振幅・位相変換手段が出力する該振幅成分出力と該位相成分出力の２つの該信号から人体表面の動き成分を分離して、前記振幅成分出力から人体の心拍を抽出する心拍抽出手段と、を具備することを特徴とする心拍計測装置。
2. 前記心拍抽出手段は、前記振幅成分出力と前記位相成分出力の２つの前記信号をもとに独立成分分析（ＩＣＡ）を行うことにより前記振幅成分出力から人体表面の動き成分を分離して心拍を抽出することを特徴とする請求項１に記載の心拍計測装置。
3. 前記振幅・位相変換手段は、前記電波式ドップラーセンサの前記信号出力を増幅する信号増幅部と、
   前記電波式ドップラーセンサの前記信号出力からＤＣ成分を抽出して増幅し、該信号増幅部の出力信号に補償するＤＣ成分補償部と、
   該ＤＣ成分補償部の出力信号を極座標変換する振幅・位相変換部と、から構成されていることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の心拍計測装置。
4. 前記振幅・位相変換手段は、前記電波式ドップラーセンサの前記信号出力を増幅する信号増幅部と、
   前記電波式ドップラーセンサの前記信号出力の円弧ベクトル値を予測し、予測した該円弧ベクトル値に基づいて該信号増幅部の出力信号にＤＣ成分を補償する円弧ベクトル予測部と、
   該円弧ベクトル予測部の出力信号を極座標変換する振幅・位相変換部と、から構成されていることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の心拍計測装置。
5. 人体表面に非接触で電波を放射し、該人体表面からの反射波を受信する電波式ドップラーセンサと、
   前記人体表面に近接して配置され、人体内の血流の変化に対応した振幅成分出力を出力する低周波センサと、
   前記電波式ドップラーセンサが該反射波を受信して検出した信号出力を極座標変換して位相成分出力を出力する振幅・位相変換手段と、
   前記振幅・位相変換手段が出力する該位相成分出力と該低周波センサが出力する該振幅成分出力の２つの信号から人体表面の動き成分を分離して、前記振幅成分出力から人体の心拍を抽出する心拍抽出手段と、を具備することを特徴とする心拍計測装置。

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