JP2008099849A - 非接触診断装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 被検体の所定の部位に呼吸計測用マイクロ波を照射し、被検体からの反射波を受信する呼吸計測用送受信手段(1)と、呼吸計測用マイクロ波の照射部位と異なる部位に、呼吸計測用マイクロ波より高い周波数の心拍計測用マイクロ波を照射し、被検体からの反射波を受信する心拍計測用送受信手段(2)と、受信した各反射波を位相検波する検波手段(3)と、位相検波で得られた呼吸信号成分と心拍信号成分とを異なる周波数帯域でフイルタリングするためのバンドパスフィルタ(5)とを備え、バンドパスフィルタの出力からパワーが最大となる周波数を求めて呼吸数、心拍数を計測する。
【選択図】 図1
Description
そのために本発明は、被検体の所定の部位に呼吸計測用マイクロ波を照射し、被検体からの反射波を受信する呼吸計測用送受信手段と、呼吸計測用マイクロ波の照射部位と異なる部位に、呼吸計測用マイクロ波より高い周波数の心拍計測用マイクロ波を照射し、被検体からの反射波を受信する心拍計測用送受信手段と、受信した各反射波を位相検波する検波手段と、位相検波で得られた呼吸信号成分と心拍信号成分とを異なる周波数帯域でフイルタリングするためのバンドパスフィルタとを備え、バンドパスフィルタの出力からパワーが最大となる周波数を求めて呼吸数、心拍数を計測することを特徴とする。
図1は非接触で心拍と呼吸を計測する装置構成を説明するブロック図である。本装置は人間以外の動物などの被検体にも適用可能であるが、以下では衣服を着用したままの被験者を診断対象として説明する。
被験者10は、ここでは担架11に仰向けになっている場合を想定する。この被験者に対し、呼吸計測用アンテナボックス1を被験者の胸部などの呼吸活動を観察するのに適した位置にセットし、呼吸計測用マイクロ波の照射部位と異なる位置で、心拍変動を観察するのに適した、例えば頸動脈付近、背中など呼吸運動の影響を受けにくい位置に心拍計測用アンテナボックス2をセットする。次いで、マイクロ波レーダー装置3からアンテナボックス1、2を通して呼吸計測用マイクロ波、心拍計測用マイクロ波をそれぞれ照射してその反射波を受信する。被験者に向けて電波を照射すると、衣服を着用したままの患者であってもマイクロ波に対して通常の衣服は透明で、人間の体は良好なマイクロ波反射体であるため、必要な強度の反射波が得られる。送信するマイクロ波の周波数としては、呼吸計測用としては1.0GHz 〜10数GHz 、心拍計測用としては、10数GHz 〜20数GHz 、パワーは数十mWである。マイクロ波レーダー装置3では、受信した反射波を位相検波し、アンテナ周囲の背景ノイズを除去して心臓の鼓動、呼吸による体表面の微小変位で変調された信号が得られる(詳細は後述)。
図2(a)は心拍信号を示しており、信号Aが接触法による波形、信号Bが非接触法による波形で、この例では1分間の心拍が59である。
図2(b)は呼吸信号を示しており、信号Cが接触法による波形、信号Dが非接触法による波形で、この例では1分間の呼吸数が18である。
図3はヘテロダイン方式の送信器と受信器を用いた例を示すブロック図である。
送信器20において、高周波(中間周波数)発生器21の出力は、分配/合成器22、増幅器23を経てミクサ24において局部発振器38の出力と混合されて周波数変換され、増幅器25、分配/合成器26、増幅器27を経て、送信用同軸ケーブル28に供給されてアンテナボックスのアンテナから被検体に対して放射され、被検体からの反射波はアンテナボックススのアンテナを通して受信器30で受信される。受信用同軸ケーブル37上の受信信号は、増幅器31、減算器32、増幅器33を経てミクサ34で局部発振器38の出力と混合されて中間周波数に変換され、増幅器35を経て検波器36に供給され、位相が90°異なる1対の検波出力E1 及びE2 に変換される。送信器内の分配/合成器26の分岐出力ep は、不要反射波相殺信号発生器39に供給され、この発生器39の出力eq は受信器内の減算器32に供給される。送信器内の分配/合成器22の分岐出力ec は、検波器36に供給される。
受信器30の増幅器35からの信号er は2分されて、一方は乗算器361に被乗数信号として供給され、他方は乗算器362に被乗数信号として供給される。また、送信器内の分配/合成器22の分岐出力ec も2分されて、一方はそのまま乗算器361に乗数信号ec として供給され、他方は90°移相器363を経て乗算器362に乗数信号es として供給される。乗算器361、362で同期検波された出力は、それぞれ低域フィルタ364、365を通って、直交成分検波出力E1 及びE2 となる。
送信器内の分配/合成器26の分岐出力ep は、可変移相器391と可変減衰器392により、それぞれ位相と振幅が調節されて、不要反射波相殺信号eq となる。
一般に、送信信号eT と受信信号eR は、
eT =aT cosω0 t (1)
eR =aR cosω0 (t−τ) (2)
aT 、aR :定数
ω0 :角周波数=2πf0
f0 は例えば1200MHz
t:時間
τ=2R/V
R:被検体までの距離
V:電波の速度
の式で表わすことができる。
er =ar cosω(t−τ) (3)
ω:周波数変換後の中間角周波数=2πf
fは例えば10MHz
の式で表わすことができる。
ec =ac cosωt (4)
と表わすことができる。乗算器361によりec とer を乗算すると、
ec ×er =am cosωtcosω(t−τ)
=(1/2) am {cosω(2t−τ)+cosωτ} (5)
am =ar ×ac
また、ec を90°移相した信号es とer とを乗算器362により乗算すると、
es ×er =(1/2) am {sinω(2t−τ)+sinωτ} (6)
(5)式及び(6)式において、右辺を展開したときの第1項は、放射電波の2倍の周波数を持つが、第2項におけるωτは、被検体が静止している場合は一定であり、運動している場合でも、その変化の周波数は第1項に比して極めて低い。したがって、これら乗算器の出力をそれぞれ低域フィルタ364及び365を通すと、(5)式及び(6)式の右辺第1項に対応する成分が除去されて、検波出力E1 及びE2 は、
E1 =(1/2)am cosωτ (7)
E2 =(1/2)am sinωτ (8)
となる。
E1 =(1/2)am cosωτ0 +(1/2)am ′cosωτn (9)
E2 =(1/2)am sinωτ0 +(1/2)am ′sinωτn (10)
となるはずである。
ωτ0 =ω・2(R0 +r)/V
=(2ω/V)R0 +(2ω/V)r
ここで、2ω/VとR0 は一定であるから、(2ω/V)R0 =A、2ω/V=Bと置けば、(9)式と(10)式は次のように書き替えられる。ただし、前述のようにして低減された不要反射波信号の残りを△E1 と△E2 で表わすと、
E1 =(1/2)am cos(A+Br)+△E1
E2 =(1/2)am sin(A+Br)+△E2
となる。
|A|≫|Br|であり、したがって、次の近似式
E1 ≒(1/2)am {cosA−BrsinA}+△E1 (11)
E2 =(1/2)am {sinA+BrcosA}+△E2 (12)
が成り立つ。
被験者は、救急車のアイソレータ内に仰向けになり、その間の呼吸及び心拍の活動を被接触診断装置で観察する。その際、マイクロ波を照射するアンテナは、被験者胸部(呼吸活動を観察するため)と、被験者背部(心拍を観察するため)に設置する。また、同時に被験者には、電極と呼吸センサを付けて、心電図と呼吸の活動を接触法により観察し、これをリファレンスとする。
(a)マイクロ波レーダで検出した心拍・呼吸活動のデータをそれぞれ、サンプリング周波数100■で60秒間取得する。
(b)取得した心拍と呼吸のデータに、異なる帯域のバンドパスフィルタをかけてノイズを除去する。
(c)バンドパスフィルタの出力を高速フーリエ変換してパワーが最大ピークとなる周波数を読み取る。
(d)得られた周波数から1分間の心拍数および呼吸数を逆算する。
また、リファレンスとして取得した接触法のデータについても上記(a)〜(d)の手順で解析し、1分間の心拍数および呼吸数を求めて非接触法で求めた値と比較する。
(イ)呼吸による体表面の変位の振幅は数mmから1cm程度であるのに対して、心拍は0.1mmといったオーダである。小さい動きを検出するには短い波長の電波が有利であり、大きい動きに対しては長い波長の電波を使わないと、位相が360度以上回ってしまう場合があり、正しく動きの周波数が検出されない。
(ロ)呼吸と心拍を同じ部位で取得しようとすると2桁大きい振幅である呼吸運動が心拍測定に大きな妨害要因となる。呼吸検出は胸部付近を正面から検出するのがよく、心拍計測は胸部付近を避けて頸動脈付近、背中など呼吸運動の影響を受けにくいところで動作させる。
(ハ)場所を変えても同じ周波数のセンサを使用すると、干渉が発生してしまう。そこで、全く干渉の起きない異なる周波数のセンサを異なる部位に使用する。
Claims (2)
- 被検体の所定の部位に呼吸計測用マイクロ波を照射し、被検体からの反射波を受信する呼吸計測用送受信手段と、
呼吸計測用マイクロ波の照射部位と異なる部位に、呼吸計測用マイクロ波より高い周波数の心拍計測用マイクロ波を照射し、被検体からの反射波を受信する心拍計測用送受信手段と、
受信した各反射波を位相検波する検波手段と、
位相検波で得られた呼吸信号成分と心拍信号成分とを異なる周波数帯域でフイルタリングするためのバンドパスフィルタとを備え、
バンドパスフィルタの出力からパワーが最大となる周波数を求めて呼吸数、心拍数を計測することを特徴とする非接触診断装置。 - バンドパスフィルタの出力を高速フーリエ変換してパワーが最大となる周波数を求めることを特徴とする請求項1記載の非接触診断装置。
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