JP2008228987A - Biological state detecting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、生体状態検出装置に関する。 The present invention relates to a biological state detection device.
従来、例えば車両のシートに設けられたセンサより、乗員の体温や血圧や脈拍等を検出し、乗員の生体情報を取得する装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、従来、例えば検査対象者の生体信号を互いに異なる複数の所定期間毎でフーリエ変換して各周波数成分を出力し、各周波数成分毎に呼吸や心拍の生体情報を検出する装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。
Further, conventionally, for example, a device is known that performs Fourier transform on a biological signal of a subject to be inspected and outputs each frequency component for each of a plurality of different predetermined periods, and detects biological information such as breathing and heartbeat for each frequency component. (For example, refer to Patent Document 2).
ところで、上記従来技術に係る装置において、生体情報を検出する際に、相対的に短い期間でのフーリエ変換によって高速に検出を行うと共に、相対的に長い期間でのフーリエ変換によって高精度に検出を行い、これら複数の検出結果を表示する場合には、高精度の検出処理に起因して、迅速な検出が困難になると共に、複数の検出結果が表示されることで、これらの検出結果を迅速に認識および評価することが困難となる虞がある。
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つつ、検出に要する時間を短縮す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。
By the way, in the apparatus according to the above prior art, when detecting biological information, high-speed detection is performed by Fourier transform in a relatively short period, and detection is performed with high accuracy by Fourier transform in a relatively long period. When these multiple detection results are displayed, due to the high-precision detection process, rapid detection becomes difficult, and the multiple detection results are displayed so that these detection results can be quickly displayed. It may be difficult to recognize and evaluate.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a biological state detection device capable of reducing the time required for detection while improving the detection accuracy of biological information such as a heartbeat of a biological object. It is aimed.
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第1態様に係る生体状態検出装置は、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(例えば、実施の形態での各圧電素子14,16)と、前記状態量検出手段により検出された前記状態量の信号を所定期間でフーリエ変換して周波数成分を出力するフーリエ変換手段(例えば、実施の形態での変換処理部23および切出間隔設定部27)と、前記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(例えば、実施の形態での生体情報検出部24)とを備え、前記フーリエ変換手段は、前記生体情報検出手段によって過去に検出された前記生体情報に基づき、前記所定期間を変更可能である。
In order to solve the above problems and achieve the object, the biological state detection apparatus according to the first aspect of the present invention is a state quantity detection unit (for example, an embodiment) that detects a state quantity related to the state of a biological object. Fourier transform means (for example, conversion in the embodiment) which outputs a frequency component by Fourier transforming each state element signal detected by the state quantity detection means in a predetermined period. A
さらに、本発明の第2態様に係る生体状態検出装置では、前記フーリエ変換手段は、前記所定期間であるΔt(s)を、ゼロ以上かつ1以下の所定係数であるαと、前記生体情報検出手段によって過去に検出された前記生体情報に基づく次回の処理での生体情報の予測値Bp((60s)−1)とを用いた所定数式(Δt=(60/Bp)×(2+α))により設定する。 Furthermore, in the biological state detection device according to the second aspect of the present invention, the Fourier transform means sets Δt (s), which is the predetermined period, to α, which is a predetermined coefficient that is greater than or equal to zero and less than or equal to 1, and the biological information detection By a predetermined formula (Δt = (60 / Bp) × (2 + α)) using a predicted value Bp ((60 s) −1 ) of biological information in the next process based on the biological information detected in the past by the means. Set.
本発明の第1態様に係る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状態量の信号をフーリエ変換する際に、生体情報検出手段によって過去に検出された生体情報によるフィードバック処理によってフーリエ変換の時間領域を設定することから、検出精度を向上させるために時間領域が過剰に長くなってしまったり、検出に要する時間を短縮するために時間領域が過剰に短くなって所望の検出精度を確保することができなくなることを防止することができる。
さらに、本発明の第2態様に係る生体状態検出装置によれば、所定数式(Δt=(60/Bp)×(2+α))により、所定周期(2+α)に対して、フーリエ変換の所定期間であるΔt(s)が生体情報の予測値Bp((60s)−1)に応じて変化することになり、過去に検出された生体情報に応じてフーリエ変換の時間領域が適切に設定される。
なお、所定周期(2+α)は、ゼロ以上かつ1以下の所定係数であるαに応じて、2以上かつ3以下となり、例えば2未満ではフーリエ変換の時間領域が過剰に短くなって誤差が増大してしまい、例えば3よりも大きい場合には生体情報が有する揺らぎ成分によって誤差が増大することになる。
According to the biological state detection device of the first aspect of the present invention, when the signal of the state quantity detected by the state quantity detection unit is Fourier-transformed, feedback processing based on biological information detected in the past by the biological information detection unit Since the time domain of Fourier transform is set by, the time domain becomes excessively long in order to improve detection accuracy, or the time domain is excessively shortened in order to shorten the time required for detection. It can be prevented that the accuracy cannot be ensured.
Furthermore, according to the biological state detection device according to the second aspect of the present invention, a predetermined mathematical formula (Δt = (60 / Bp) × (2 + α)) and a predetermined period (2 + α) with a predetermined period of Fourier transform. A certain Δt (s) changes according to the predicted value Bp ((60s) −1 ) of the biological information, and the time domain of Fourier transform is appropriately set according to the biological information detected in the past.
The predetermined period (2 + α) is 2 or more and 3 or less depending on α, which is a predetermined coefficient of 0 or more and 1 or less. For example, if it is less than 2, the time domain of Fourier transform becomes excessively short and the error increases. For example, if it is larger than 3, the error increases due to the fluctuation component of the biological information.
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、例えば、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、波形領域抽出部22と、変換処理部23と、生体情報検出部24と、生体情報記憶部25と、予測値演算部26と、切出間隔設定部27とを備えて構成されている。
Hereinafter, a biological state detection device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The biological
The
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に作用する乗員の皮膚表面に伝わる微小振動の時間変化(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に作用する乗員の皮膚表面に伝わる微小振動の時間変化(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。
Each of the
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所定振動数帯域幅、例えば人体の固有振動数(例えば、4〜8Hz等)を含む帯域の波形成分を抽出して波形領域抽出部22へ出力する。
The
波形領域抽出部22は、フィルタ処理部21により抽出された波形成分に対して、予め設定された所定時間間隔(例えば、6s等)、あるいは、切出間隔設定部27から出力される切出間隔Δt(s)に応じた波形領域を抽出して変換処理部23へ出力する。
The waveform
変換処理部23は、波形領域抽出部22により抽出された波形領域を、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して生体情報検出部24へ出力する。
The
生体情報検出部24は、例えば、変換処理部23により生成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周波数成分、つまり高調波成分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。そして、複数のパターン波形のうち、変換処理部23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。
The biological
例えば心拍等の生体情報を検出対象とした場合に、生体情報検出部24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、各心拍数に応じた周波数(例えば、基本周波数および高調波成分等)と、変換処理部23から出力される周波数波形の包絡線波形に応じた振幅とを有する波形成分からなるパターン波形を生成する。そして、各パターン波形と、変換処理部23により生成された周波数波形とのマッチングの程度を、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を、検出対象である生体情報として設定する。
For example, when biometric information such as a heartbeat is a detection target, the biometric
生体情報記憶部25は、生体情報検出部24により検出される生体情報の履歴を記憶する。
予測値演算部26は、生体情報記憶部25に記憶された過去の生体情報の検出結果から所定の信頼度を有するデータを抽出し、例えばこれらのデータの平均値等によって、次回の検出処理における生体情報の予測値、例えば予測心拍数Bp(bpm:(60s)−1)を算出する。
The biological
The predicted
切出間隔設定部27は、予測値演算部26により演算された生体情報の予測値、例えば予測心拍数Bpと、ゼロ以上かつ1以下の所定係数αとに基づく下記数式(1)により、次回の処理での波形領域抽出部22により抽出される波形領域を設定するデータ抽出時間幅、つまり切出間隔Δt(s)を算出する。
なお、下記数式(1)において、所定値(2+α)は、心拍数の算出に最低限必要な拍動回数である2回(2周期)と、心拍数の算出の確実性を増大させるための拍動回数である3回(3周期)との間で、所定係数αに応じて変動する値であって、例えば所定値(2+α)の代わりに2未満の値を採用するとフーリエ変換の時間領域が過剰に短くなって生体情報の検出誤差が増大してしまい、例えば所定値(2+α)の代わりに3よりも大きい値を採用すると生体情報が有する揺らぎ成分によって誤差が増大することになる。
The cut-out
In the following formula (1), the predetermined value (2 + α) is 2 times (2 cycles) which is the minimum number of beats necessary for calculating the heart rate, and increases the certainty of heart rate calculation. A value that fluctuates according to a predetermined coefficient α between 3 times (3 cycles) that is the number of pulsations. For example, if a value less than 2 is used instead of the predetermined value (2 + α), the time domain of Fourier transform Becomes excessively short and increases the detection error of the biological information. For example, if a value larger than 3 is used instead of the predetermined value (2 + α), the error increases due to the fluctuation component of the biological information.
例えば図2(a),(b)に示すように、各圧電素子14,16から出力される検出信号(電圧値)の時間変化を示す適宜の波形Pにおいて、拍動回数の1回(1周期)に相当する切出間隔Δt(s)により抽出される波形領域によれば、1周期未満の包絡線波形EVが得られるだけである。
これに対して、例えば図2(c),(d)に示すように、拍動回数の2回(2周期)に相当する切出間隔Δt(s)により抽出される波形領域によれば、少なくとも1周期より長い包絡線波形が得られ、例えば図2(e),(f)に示すように、拍動回数の3回(3周期)に相当する切出間隔Δt(s)により抽出される波形領域によれば、少なくとも2周期より長い包絡線波形が得られる。
For example, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), in an appropriate waveform P indicating the time change of the detection signals (voltage values) output from the
On the other hand, for example, as shown in FIGS. 2C and 2D, according to the waveform region extracted by the cut-out interval Δt (s) corresponding to two beats (two cycles), An envelope waveform longer than at least one period is obtained, and extracted, for example, by a cutting interval Δt (s) corresponding to three beats (three periods) as shown in FIGS. 2 (e) and 2 (f). According to the waveform region, an envelope waveform longer than at least two periods is obtained.
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3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。
The biological
Note that the following processing is performed, for example, when the vehicle encounters an accident, when an occupant protection device such as an air bag device is activated, or when detecting the drowsiness or determining the degree of arousal from the appropriate control device. It is executed when a detection request is output.
First, for example, in step S01 shown in FIG. 3, a detection signal of a time change of the occupant's body pressure or minute vibrations on the body surface detected by the
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)を含む所定振動数帯域幅の波形成分を抽出すると共に、切出間隔Δtに初期値として所定時間間隔(例えば、6s等)を設定する。
そして、ステップS03においては、切出間隔Δtに応じた波形領域を抽出する。
そして、ステップS04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。
In step S02, a waveform component having a predetermined frequency bandwidth including the natural frequency (eg, 4 to 8 Hz) of the human body is extracted from the acquired detection signal, and a predetermined time is set as an initial value for the cut interval Δt. An interval (for example, 6 s) is set.
In step S03, a waveform region corresponding to the cutting interval Δt is extracted.
In step S04, the extracted predetermined waveform component is decomposed into frequency components by, for example, orthogonal transformation such as Fourier transform, and the waveform of the time series data is converted into a frequency waveform of frequency distribution.
そして、ステップS05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し、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、検出対象である生体情報(例えば、心拍数)を検出する。 And in step S05, the pattern waveform comprised by the harmonic component corresponding to the multiple frequency which makes the frequency corresponding to each appropriate value a fundamental frequency for every some appropriate value with respect to biometric information, such as a heartbeat which is a detection target, The pattern waveform that best approximates the frequency waveform is detected from the multiple pattern waveforms, and the interval between the peak positions of each waveform component that makes up this pattern waveform, that is, the frequency difference at each peak position, is detected. Based on this, biological information (for example, heart rate) that is a detection target is detected.
そして、ステップS06においては、生体情報の検出結果を記憶する。
そして、ステップS07においては、終了指示が有るか否かを判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS08に進む。
そして、ステップS08においては、記憶された生体情報の検出結果うち、所定の信頼度を有するデータは存在するか否かを判定する。
なお、この判定処理では、例えば過去に得られた心拍数の所定時間(例えば、1分程度等)の母集団から平均値を算出し、この平均値と検出結果の差が所定範囲、例えば±20(bpm:(60s)−1)等であれば、所定の信頼度が得られていると判定する。
この判定結果が「NO」の場合には、上述したステップS03に戻る。
一方、この判定結果が「YES」の場合には、ステップS09に進む。
In step S06, the detection result of the biological information is stored.
In step S07, it is determined whether there is an end instruction.
If the determination result is “YES”, the series of processes is terminated.
On the other hand, if this determination is “NO”, the flow proceeds to step S08.
In step S08, it is determined whether or not there is data having a predetermined reliability among the detection results of the stored biological information.
In this determination process, for example, an average value is calculated from a population of heart rate obtained in the past for a predetermined time (for example, about 1 minute), and the difference between the average value and the detection result is within a predetermined range, for example, ± If it is 20 (bpm: (60 s) −1 ) or the like, it is determined that a predetermined reliability is obtained.
If this determination is “NO”, the flow returns to step S 03 described above.
On the other hand, if this determination is “YES”, the flow proceeds to step S 09.
そして、ステップS09においては、所定の信頼度を有する生体情報の検出結果に基づき、例えば平均値等によって、次回の検出処理における生体情報の予測値、例えば予測心拍数Bp(bpm:(60s)−1)を算出する。
そして、ステップS10においては、上記数式(1)により、次回の処理での切出間隔Δt(s)を算出し、上述したステップS03に戻る。
In step S09, based on the detection result of the biological information having a predetermined reliability, the predicted value of the biological information in the next detection processing, for example, the predicted heart rate Bp (bpm: (60s) − 1 ) is calculated.
In step S10, the cut-out interval Δt (s) in the next process is calculated by the above formula (1), and the process returns to the above-described step S03.
これにより、例えば所定係数αを1とし、所定周期(2+α)を3(周期)に固定した場合であっても、例えば図4(a),(b)に示す各圧電素子14,16から出力される検出信号(電圧値)の時間変化を示す適宜の波形Pのように、切出間隔Δt(s)つまりフーリエ変換の時間領域は、予測心拍数Bp(bpm:(60s)−1)に応じて変化することになる。
そして、例えば図5に示す実施例のように、平均心拍数が64(bpm:(60s)−1)である場合に、各圧電素子14,16から得られた検出信号に対し、切出間隔Δtを1〜10(s)に亘って変化させた時の心拍数の検出誤差から分かるように、切出間隔Δt=3、つまり拍動回数で約2.8回(周期)に相当する場合に検出誤差が最小となり、例えば切出間隔Δt=2未満、つまり拍動回数で約1.9回(周期)未満ではフーリエ変換の時間領域が過剰に短くなって生体情報の検出誤差が増大してしまい、例えば切出間隔Δt=3よりも大きい値、つまり拍動回数で3回(周期)よりも大きい値では、生体情報が有する揺らぎ成分によって誤差が増大することになる。
Thus, for example, even when the predetermined coefficient α is set to 1 and the predetermined period (2 + α) is fixed to 3 (period), for example, output from each of the
For example, when the average heart rate is 64 (bpm: (60 s) −1 ) as in the embodiment shown in FIG. 5, the extraction interval is detected with respect to the detection signals obtained from the
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から出力される検出信号(電圧値)の時間変化を示す波形をフーリエ変換する際に、過去に検出された生体情報によるフィードバック処理によってフーリエ変換の時間領域、つまり切出間隔Δt(s)を設定することから、生体情報の検出精度を向上させるためにフーリエ変換の時間領域が過剰に長くなってしまったり、生体情報の検出に要する時間を短縮するためにフーリエ変換の時間領域が過剰に短くなって生体情報の所望の検出精度を確保することができなくなることを防止することができる。
さらに、切出間隔Δt(s)を設定する上記数式(1)において、所定周期(2+α)を2以上かつ3以下とすることによって、例えばフーリエ変換の時間領域が過剰に短くなって誤差が増大してしまったり、例えば生体情報が有する揺らぎ成分によって誤差が増大することを防止して、フーリエ変換の時間領域を適切に設定することができる。
As described above, according to the biological
Further, in the above formula (1) for setting the cutting interval Δt (s), by setting the predetermined period (2 + α) to 2 or more and 3 or less, for example, the time domain of the Fourier transform becomes excessively short and the error increases. For example, it is possible to prevent the error from increasing due to the fluctuation component of the biological information, and appropriately set the time domain of the Fourier transform.
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。
In the above-described embodiment, the
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)
23 変換処理部(フーリエ変換手段)
24 生体情報検出部(生体情報検出手段)
27 切出間隔設定部(フーリエ変換手段)
DESCRIPTION OF
16 Second piezoelectric element (state quantity detection means)
23 Conversion processing unit (Fourier transform means)
24 Biological information detection unit (biological information detection means)
27 Cutting interval setting unit (Fourier transform means)
Claims (2)
前記状態量検出手段により検出された前記状態量の信号を所定期間でフーリエ変換して周波数成分を出力するフーリエ変換手段と、
前記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、
前記フーリエ変換手段は、前記生体情報検出手段によって過去に検出された前記生体情報に基づき、前記所定期間を変更可能であることを特徴とする生体状態検出装置。 State quantity detection means for detecting a state quantity relating to the state of the biological object;
Fourier transform means for Fourier-transforming a signal of the state quantity detected by the state quantity detection means in a predetermined period and outputting a frequency component;
Biological information detection means for detecting biological information of the biological object based on the frequency component,
The biological state detection apparatus, wherein the Fourier transform means can change the predetermined period based on the biological information detected in the past by the biological information detection means.
(Δt=(60/Bp)×(2+α))
により設定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。 In the next processing based on the biological information detected in the past by the biological information detecting means, the Fourier transforming means sets Δt (s), which is the predetermined period, to α, which is a predetermined coefficient not less than zero and not more than 1. The predetermined mathematical formula (Δt = (60 / Bp) × (2 + α)) using the predicted value Bp ((60 s) −1 ) of the biological information of
The biological state detection device according to claim 1, wherein the biological state detection device is set according to claim 1.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20100601 |