JP2007167545A

JP2007167545A - 生体状態検出装置

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Publication number: JP2007167545A
Application number: JP2005372450A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Shirakata; 哲朗白形; Yuta Urushiyama; 雄太漆山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】生体対象物の心拍等の生体情報の検出精度を向上させる。
【解決手段】処理装置１７のフィルタ処理部２１は、各圧電素子１４，１６により検出された乗員の体圧の時間変化の検出信号から人体の固有振動数に係る所定波形成分を抽出する。変換処理部２２は、抽出された所定波形成分をフーリエ変換によって周波数成分に分解し、時系列データの波形を周波数分布の周波数波形へと変換する。パターン波形生成部２３は、検出対象である心拍等の生体情報に対する複数の適宜値毎に、各適宜値に対応する周波数を基本周波数とする倍数周波数に対応する高調波成分により構成されるパターン波形を生成する。生体情報検出部２４は、生成された複数のパターン波形のうち、周波数波形に最も良く近似されるパターン波形を検出し、このパターン波形を構成する各波形成分のピーク位置の間隔に基づき、検出対象である心拍等の生体情報を検出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、生体状態検出装置に関する。

従来、例えば生体対象物の心電図において全てのピークの分布を検知して振幅エンベロープを設定し、心拍波形に重畳する呼吸波形を除去すると共に、生体対象物のインピーダンス信号から心拍数を検知する際に、インピーダンス信号のパワースペクトルにおいて呼吸調波を抑制し、心拍数の調波を強調するために、例えば基本波から第３次高調波に亘る波形成分によるコンボリューションを実行する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３４８６４１９号公報

ところで、上記従来技術の一例に係る装置によれば、検知対象となる心拍波形およびインピーダンス信号に対して、基本波成分と同等の周波数成分を有する雑音波形（例えば、平静時の心拍波形およびインピーダンス信号に対する、人体の動作に応じた波形が重畳している場合には、これらの雑音波形を心拍波形から除去することが困難であり、インピーダンス信号のパワースペクトルにおいて心拍数の調波を強調することが困難となり、心拍波形の検出精度を向上させることが困難であるという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、生体対象物の心拍等の生体情報の検出精度を向上させることが可能な生体状態検出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の生体状態検出装置は、生体対象物の状態に係る状態量（例えば、実施の形態での体圧または体表面の微小振動）を検出する状態量検出手段（例えば、実施の形態での各圧電素子１４，１６、感圧素子等）と、前記状態量検出手段により検出された前記状態量の時間変化の波形から前記生体対象物の固有振動数に係る所定波形成分を抽出するフィルタ手段（例えば、実施の形態でのフィルタ処理部２１）と、前記フィルタ手段により前記波形から抽出された前記所定波形成分を周波数成分に変換する変換手段（例えば、実施の形態での変換処理部２２）と、前記変換手段により前記所定波形成分から変換された前記周波数成分のうち、前記生体対象物の生体情報の適宜値に係る周波数を基本周波数とする倍数周波数成分に基づき、前記生体対象物の生体情報（例えば、実施の形態での心拍）を検出する生体情報検出手段（例えば、実施の形態での生体情報検出部２４）とを備えることを特徴としている。

上記の生体状態検出装置によれば、状態量検出手段により検出された波形から生体対象物の固有振動数に係る所定波形成分が抽出されることから、検出対象である生体情報に対して周波数領域が異なる雑音成分を適切に除去することができる。
さらに、フィルタ手段により抽出された所定波形成分から変換された周波数成分のうち、生体対象物の生体情報の適宜値に係る周波数を基本周波数とする倍数周波数成分（例えば、２次高調波成分、３次高調波成分、…等）に基づき生体情報を検出することにより、例えば基本周波数と同等の周波数領域に雑音成分が発生する場合であっても、この雑音成分によって生体情報の検出精度が低下してしまうことを防止することができる。

さらに、請求項２に記載の本発明の生体状態検出装置は、前記周波数成分の波形に対するパターンマッチングにより前記倍数周波数成分に対するパターン波形を検出する波形検出手段（例えば、実施の形態でのパターン波形生成部２３および生体情報検出部２４）を備え、前記生体情報検出手段は、前記波形検出手段により検出された前記パターン波形のピーク位置に基づき、前記生体情報を検出することを特徴としている。

上記の生体状態検出装置によれば、倍数周波数成分に近似されるパターン波形をパターンマッチングにより生成する際に、周波数成分の波形に対する高調波成分上の位置にパターン波形のピーク位置が存在するように設定し、パターン波形の振幅を精度良く設定することにより、このパターン波形のピーク位置に基づいて生体対象物の心拍等の生体情報を精度良く検出することができる。

以上説明したように、請求項１に記載の本発明の生体状態検出装置によれば、検出対象である生体情報に対して周波数領域が異なる雑音成分を適切に除去することができると共に、例えば包絡線波形の周波数と同等の周波数領域に雑音成分が発生する場合であっても、この雑音成分によって生体情報の検出精度が低下してしまうことを防止することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の生体状態検出装置によれば、パターン波形の振幅を精度良く検出することができ、このパターン波形のピーク位置に基づく生体対象物の生体情報の検出精度を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る生体状態検出装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による生体状態検出装置１０は、例えば図１に示すように、車両の乗員の生体情報（例えば、乗員の生命徴候として全身状態の把握の基本となる身体的な情報であって、心臓の拍動（心拍）および呼吸数および血圧および体温等）のうち、例えば心拍あるいは心拍に係る状態量を検出する生体センサユニット１１を備え、この生体センサユニット１１は、車両用シート１２のシートクッション１３の内部に設けられたケーブル型の第１圧電素子１４と、車両用シート１２のシートバック１５の内部に設けられたケーブル型の第２圧電素子１６と、処理装置１７とを備えて構成されている。
そして、処理装置１７は、フィルタ処理部２１と、変換処理部２２と、パターン波形生成部２３と、生体情報検出部２４とを備えて構成されている。

各圧電素子１４，１６は、例えばケーブル型の圧電素子であって、シートクッション１３の内部に配置された２つの第１圧電素子１４，１４は、シートクッション１３に当接する乗員の臀部および大腿部からシートクッション１３に作用する乗員の体圧の時間変化（例えば、乗員の心臓の拍動に係る周期的な圧力変動等）を検出し、シートバック１５の内部に配置された第２圧電素子１６は、シートバック１５に当接する乗員の背中からシートバック１５に作用する乗員の体圧の時間変化（例えば、乗員の心臓の拍動に係る周期的な圧力変動等）を検出する。

処理装置１７のフィルタ処理部２１は、例えばバンドパスフィルタ等により、各圧電素子１４，１６により時系列データとして得られた検出信号から乗員（つまり人体）の固有振動数（例えば、４〜８Ｈｚ等）を含む振動数帯域幅の所定波形成分を抽出して変調処理部２２へ出力する。
例えば図２（ａ）に示すように、各圧電素子１４，１６から出力される乗員の体圧の時間変化の波形に対して、人体の固有振動数に相当する４〜８Ｈｚの所定振動数帯域幅の波形成分を抽出するフィルタ処理が実行されると、例えば図２（ｂ）に示す波形が得られる。
この図２（ｂ）に示す波形は、図２（ａ）に示す波形から、所定振動数帯域幅の下限値（つまり４Ｈｚ）よりも低い振動数の波形成分と、所定振動数帯域幅の上限値（つまり８Ｈｚ）よりも高い振動数の波形成分とが、除外された波形となる。そして、所定振動数帯域幅の下限値（つまり４Ｈｚ）よりも低い振動数の波形成分には、例えば検出対象である生体情報（例えば、心拍等）の基本波成分（例えば、振動数が１Ｈｚ程度の波形成分）に加えて、乗員の動作（例えば、ステアリング操作やアクセル操作やブレーキ操作等）に起因する振動成分（例えば、振動数が１Ｈｚ程度の波形成分）が含まれている。このため、図２（ｂ）に示す波形は、検出対象である生体情報の基本波成分と、乗員の動作に起因する振動成分とが、除外された波形となる。

つまり、このフィルタ処理により得られる波形には、例えば図２（ｃ）における包絡線波形（エンベロープ）ＳＡに示すように、検出対象である生体情報（例えば、心拍等）の高調波成分（例えば、２〜６次高調波成分等）による波形成分ＷＡと、この波形成分ＷＡと同等の周波数領域の雑音波形、例えばエンジンのアイドル運転等の運転状態に応じて発生する車体振動（つまり、エンジンのシリンダ内でのピストンの往復運動に起因する車体振動）による波形成分ＷＢとが含まれることになる。
なお、エンジンの停止状態であれば、このフィルタ処理により得られる波形において、例えば図２（ｄ）における包絡線波形（エンベロープ）ＳＡに示すように、検出対象である生体情報（例えば、心拍等）の高調波成分（例えば、２〜６次高調波成分等）による波形成分ＷＡの振幅が相対的に強調されることになる。

変換処理部２２は、時系列データである各圧電素子１４，１６の検出信号からフィルタ処理部２１により抽出された所定波形成分を、例えばフーリエ変換等の直交変換によって周波数成分に分解し、乗員の体圧または体表面の微小振動の時間変化を示す波形を、周波数分布を示す周波数波形へと変換する。
これにより、例えば図３に示すように、検出対象である心拍等の生体情報に対して、例えば周波数が１Ｈｚ程度の基本波成分Ａ１が除外され、高調波成分（例えば、２〜６次高調波成分Ａ２，…，Ａ６等）が含まれる周波数波形が得られる。

パターン波形生成部２３は、変換処理部２２により所定波形成分から変換された周波数波形に対するパターンマッチングにより、検出対象である心拍等の生体情報の基本波成分（例えば、図３に示す基本波成分Ａ１）に対応する周波数（例えば、図３に示す周波数ｆ１）を基本周波数とする倍数周波数（例えば、図３に示す周波数ｆ２，…，ｆ６）に対応する周波数成分、つまり高調波成分（例えば、図３に示す２〜６次高調波成分Ａ２，…，Ａ６等）に対応する各波形成分により構成されるパターン波形を生成する。

例えば心拍等の生体情報を検出対象とした場合に、パターン波形検出部２３は、所定範囲（例えば、３０〜１８０回／分）内での複数の適宜の心拍数毎に対してパターン波形を生成する。
ここで、各心拍数毎のパターン波形を構成する各波形成分の周波数は、各心拍数に応じた値となり、例えば心拍数が６０回／分である場合には、１Ｈｚを基本周波数として各高調波成分の周波数（例えば、２次高調波で２Ｈｚ，３次高調波で３Ｈｚ，…）が設定される。
そして、パターン波形検出部２３は、例えば図４に示すように、パターン波形（例えば、図４に示すパターン波形ＰＡ）を構成する各波形成分（例えば、図４に示す２〜６次高調波成分Ａ２，…，Ａ６等に対応する各波形成分）の振幅を設定する際には、心拍数に対応した周波数を基本周波数とする倍数周波数（例えば、図４に示す周波数ｆ２，…，ｆ７等）において、変換処理部２２から出力される周波数波形の包絡線波形（例えば、図４に示すエンベロープＥＡ）上に各波形成分のピーク位置（つまり、振幅の値）が存在するように設定する。

なお、パターン波形（例えば、図５に示すパターン波形ＰＡ）を構成する各波形成分（例えば、図５に示す３〜７次高調波成分Ａ３，…，Ａ７等に対応する波形成分）のピーク位置を設定するための包絡線波形（例えば、図５に示すエンベロープＥＡ）は、予め把握されている雑音成分、例えば図５に示すエンジンのアイドル運転等の運転状態に応じて発生する車体振動による波形成分Ｂ（例えば、エンジン回転数ＮＥ＝５００〜７５０ｒｐｍ程度での車体振動の０．５次成分、つまりエンジン回転数ＮＥ＝６６０ｒｐｍでは、６６０／６０／２＝５．５Ｈｚ程度の周波数成分）等を無視して形成されてもよい。この場合には、例えばエンジンの回転数を検出する回転数センサ２５から出力される検出信号に基づいてエンジンの運転状態（例えば、アイドル運転状態等）が検知され、この運転状態に起因する雑音成分が除外されて包絡線波形（例えば、図５に示すエンベロープＥＡ）が形成されることにより、生成されるパターン波形の精度が向上することになる。

生体情報検出部２４は、パターン波形検出部２３により生成された複数のパターン波形のうち、変換処理部２２から出力される周波数波形に最も良く近似されるパターン波形を検出し、このパターン波形を構成する各波形成分の周波数に基づいて、検出対象である心拍等の生体情報を検出する。
生体情報検出部２４は、例えば図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、パターン波形検出部２３により生成された複数のパターン波形（例えば、各心拍数３０，６０，９０，１２０回／分に対応するパターン波形）毎に変換処理部２２から出力される周波数波形に対するマッチングの程度を評価する。
例えば図７に示すように、生体情報検出部２４は、各パターン波形ＰＡと、各高調波成分（例えば、図６（ａ）〜（ｄ）に示す３〜７次高調波成分Ａ３，…，Ａ７等）を備えて構成される周波数波形とを、距離関数等の評価関数により評価し、例えば距離（ｄＢ）が最小値となるパターン波形が周波数波形に最も良く近似されると判定して、このパターン波形に対応する心拍数（例えば、図７に示す６０回／分）を、検出対象である生体情報として設定する。

なお、パターン波形検出部２３は、パターン波形のピーク位置を設定する際に、車両状態の検出信号（例えば、回転数センサ２５から出力される検出信号等）から得られるエンジンの回転数に基づき、パワースペクトル内に現れるピーク波形を予測し、このピーク波形のピーク位置が、検出対象である生体情報以外のピーク位置であると特定できる場合には、これらのピーク位置を予め除去することにより、パターン波形の検出精度を向上させることができる。

また、距離関数に基づいて心拍数を検出する際には、過去に推定した心拍数の値から現在の心拍数を予測し、この予測値の所定範囲内（例えば、過去に推定した心拍数の平均値±１５程度の範囲内）での距離関数による評価結果のみを用いてもよい。

また、次回の信号処理において心拍数を算出する際には、算出に用いるデータ抽出時間を、６０（秒）／（過去の測定結果に基づく次回予測値）×所定値（例えば、２〜３等）程度に設定してもよい。ここで、所定値＝２は、心拍数の算出に最低限必要な拍動回数である２回に対応した値であり、さらに、所定値＝３とすることで算出の確実性が増大することになる。この場合には、次回の処理でのデータ抽出時間幅を心拍数の過去の測定結果に基づく次回予測値に応じて可変とすることで、必要範囲を絞り込み、算出結果の精度を向上させることができる。

本実施の形態による生体状態検出装置１０は上記構成を備えており、次に、この生体状態検出装置１０の動作、特に、各圧電素子１４，１６から出力される検出信号に基づき、心拍等の生体情報を検出する処理について説明する。
なお、以下の処理は、例えば車両が事故に遭遇したとき、あるいは、エアバッグ装置等の乗員保護装置が作動したとき、あるいは、居眠り検知や覚醒度判定等において、適宜の制御装置から生体情報の検出要求が出力された場合に実行される。
先ず、例えば図８に示すステップＳ０１においては、各圧電素子１４，１６により検出される乗員の体圧または体表面の微小振動の時間変化の検出信号を取得する。

そして、ステップＳ０２においては、取得した検出信号から人体の固有振動数（例えば、４〜８Ｈｚ等）を含む振動数帯域幅の所定波形成分を抽出する。
そして、ステップＳ０３においては、抽出した所定波形成分を、例えばフーリエ変換等の直交変換によって周波数成分に分解し、時系列データの波形を、周波数分布の周波数波形へと変換する。
そして、ステップＳ０４においては、検出対象である心拍等の生体情報に対する複数の適宜値毎に、各適宜値に対応する周波数を基本周波数とする倍数周波数に対応する高調波成分により構成されるパターン波形を生成する。
そして、ステップＳ０５においては、生成した複数のパターン波形のうち、周波数波形に最も良く近似されるパターン波形を検出し、このパターン波形を構成する各波形成分のピーク位置の間隔、つまり各ピーク位置での周波数の差に基づいて、検出対象である心拍等の生体情報を検出し、一連の処理を終了する。

上述したように、本実施の形態による生体状態検出装置１０によれば、各圧電素子１４，１６により検出された乗員の体圧または体表面の微小振動の時間変化を示す波形から、人体の固有振動数に係る所定波形成分が抽出されることから、検出対象である生体情報に対して周波数領域が異なる雑音成分を適切に除去し、検出対象に係る波形成分が強調された波形を得ることができる。
さらに、抽出された所定波形成分から変換された周波数波形のうち、検出対象である心拍等の生体情報に係る周波数を基本周波数とする倍数周波数に対応する周波数成分、つまり高調波成分に基づき生体情報を検出することにより、例えば基本周波数と同等の周波数領域に雑音成分が発生する場合であっても、この雑音成分によって生体情報の検出精度が低下してしまうことを防止することができる。
また、倍数周波数成分に近似されるパターン波形をパターンマッチングにより生成する際に、周波数成分の波形に対する包絡線波形上の位置にパターン波形のピーク位置が存在するように設定することにより、パターン波形の振幅を精度良く設定することができ、このパターン波形のピーク位置の間隔に基づいて生体対象物の心拍等の生体情報を精度良く検出することができる。

なお、上述した実施の形態においては、各圧電素子１４，１６を備えるとしたが、これに限定されず、乗員の体圧または体表面の微小振動の時間変化を検出する適宜の感圧素子であってもよい。

なお、上述した実施の形態においては、パターン波形を構成する各波形成分の振幅を設定する際に、周波数波形の包絡線波形上に各波形成分のピーク位置が存在するように設定したが、これに限定されず、例えば図９に示すように、各波形成分のピーク位置の全てが同等の値、例えば周波数波形の最大値を有するように設定してもよい。
また、パターン波形を構成する各波形成分の振幅を設定する際に、例えば図１０に示すように、各波形成分が周波数波形の各高調波成分に沿った形状を有するように設定してもよい。

なお、上述した実施の形態においては、検出対象である心拍等の生体情報を検出する際に、周波数波形に最も良く近似されるパターン波形に対応する心拍数を生体情報として設定するとしたが、これに限定されず、例えば周波数波形を構成する高調波成分のうち、適宜の周波数帯域の高調波成分のみを、逆フーリエ変換によって時間変化の波形へと変換し、変換して得た時間変化の波形に対する包絡線波形の周期を検出対象である心拍等の生体情報として設定してもよい。

なお、上述した実施の形態において、フィルタ処理部２１は、各圧電素子１４，１６の検出信号から人体の固有振動数に係る所定波形成分を抽出するとしたが、これに限定されず、例えば車両の状態等に応じた適宜の波形成分を抽出してもよい。要するに、検出対象とされる心拍等の生体情報に係る波形成分の比率が増大するようなフィルタ処理であればよい。

本発明の実施の形態に係る生体状態検出装置の構成図である。図２（ａ）は各圧電素子から出力されるエンジン運転時の乗員の体圧の時間変化の一例を示す図であり、図２（ｂ）はフィルタ処理後のエンジン運転時の乗員の体圧の時間変化の一例を示す図であり、図２（ｃ）はフィルタ処理後のエンジン運転時の乗員の体圧の時間変化に対する包絡線波形の一例を示す図であり、図２（ｄ）はフィルタ処理後のエンジン停止時の乗員の体圧の時間変化に対する包絡線波形の一例を示す図である。フィルタ処理後のエンジン運転時の乗員の体圧の時間変化から変換された周波数波形の一例を示す図である。フィルタ処理後のエンジン運転時の乗員の体圧の時間変化から変換された周波数波形と、パターン波形との一例を示す図である。フィルタ処理後のエンジン運転時の乗員の体圧の時間変化から変換された周波数波形と、パターン波形との一例を示す図である。図６（ａ）〜（ｄ）はフィルタ処理後のエンジン運転時の乗員の体圧の時間変化から変換された周波数波形と、心拍数に応じたパターン波形の一例を示す図である。心拍数に応じたパターン波形と、周波数波形を構成する各高調波成分とに対する距離関数による評価結果の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る生体状態検出装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態の変形例に係るフィルタ処理後のエンジン運転時の乗員の体圧の時間変化から変換された周波数波形と、パターン波形との一例を示す図である。本発明の実施形態の変形例に係るフィルタ処理後のエンジン運転時の乗員の体圧の時間変化から変換された周波数波形と、パターン波形との一例を示す図である。

符号の説明

１０生体状態検出装置
１４第１圧電素子（状態量検出手段）
１６第２圧電素子（状態量検出手段）
２２変換処理部（変換手段）
２３パターン波形生成部（波形検出手段）
２４生体情報検出部（生体情報検出手段、波形検出手段）

Claims

生体対象物の状態に係る状態量を検出する状態量検出手段と、
前記状態量検出手段により検出された前記状態量の時間変化の波形から前記生体対象物の固有振動数に係る所定波形成分を抽出するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段により前記波形から抽出された前記所定波形成分を周波数成分に変換する変換手段と、
前記変換手段により前記所定波形成分から変換された前記周波数成分のうち、前記生体対象物の生体情報の適宜値に係る周波数を基本周波数とする倍数周波数成分に基づき、前記生体対象物の生体情報を検出する生体情報検出手段と
を備えることを特徴とする生体状態検出装置。
前記周波数成分の波形に対するパターンマッチングにより前記倍数周波数成分に対するパターン波形を検出する波形検出手段を備え、
前記生体情報検出手段は、前記波形検出手段により検出された前記パターン波形のピーク位置に基づき、前記生体情報を検出することを特徴とする請求項１に記載の生体状態検出装置。