JP2016174872A - 生体情報の信号源特定装置及び生体情報の信号源特定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲の環境振動に影響されることなく、電波型の非接触電波センサを用いて正確に信号源の特定をすることができるようにする。
【解決手段】第１の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第１の環境情報と第２の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第２の環境情報を第１の減算器により減算し、第１の減算器からの信号を第１の適応フィルタに加えて雑音源として取り出す。そして、第１の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第１の環境情報から適応フィルタにより取り出した雑音源の信号を第２の減算器により減算しり、この第２の減算器からの信号の大小に応じて、対象物の位置を特定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、生体情報の信号源である被測定者（対象者）の位置を特定するための生体情報の信号源特定装置及び生体情報の信号源特定方法に関する。

近年、被測定者における運動時の脈拍数などの生体情報を監視して、被測定者の健康管理を行うための生体情報処理装置が開発されている。
通常、人体の脈拍を検出するためには、光電脈拍センサや心電計のように、人体にセンサを接触させた状態で測定する。

例えば、人間の手に装着される脈波測定装置から異なる波長の複数の光を手に照射して脈波を測定する光電脈拍センサの技術が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の技術は、複数の異なる波長の光が生体内の異なる部位に照射されることによって生じる誤差を減らすことを目的として開発されたものである。

また、運動の種類によってノイズ成分が異なり、これによって算出する脈拍数が不正確となる虞があるため、これらのノイズ成分が異なることによる影響を低減するための技術も提案されている（特許文献２参照）。
また、電波を用いた非接触式心肺機能監視装置のセンサも提案されている（特許文献３参照）。

特開２０１３−１５０７０７号公報 特許第５０７６９６２号公報 特許第３０５７４３８号公報

しかしながら、上記先行技術文献に記載された技術では、人体等の生体情報を発生する信号源が電場型センサと離れている場合に、その信号源の位置を正確に特定することは難しいという問題があった。
また特許文献３に開示される非接触センサはドプラーセンサであり、高速フーリエ変換と計算機による演算処理を用いるため、装置の規模が大きくなって、価格が高価になるという問題があった。
また、非接触センサからの信号は電波で送られるため、エアコンやカーテンなどの微小振動を検出して誤動作するという問題もあった。

本発明の目的は、少なくとも２個以上の複数のセンサを用いることにより、外部環境による微小振動の影響を低減化した上で信号源である被測定者（対象物）の位置を特定する信号源特定装置及びその方法を提供することにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の生体信号の信号源特定装置の第１の形態は、生体情報を非接触で検出する第１の非接触センサと、第１の非接触センサと所定距離離れた位置に設けられ、生体情報を非接触で検出する第２の非接触センサを備える。また、第１の非接触センサからの信号をデジタル変換した後に、ＤＣオフセットを調整する第１のＤＣオフセット調整部と、第２の非接触センサからの信号をデジタル変換した後にＤＣオフセットを調整する第２のＤＣオフセット調整部を備える。
更に、第１のＤＣオフセット調整部の信号から第２のＤＣオフセット調整部の信号を減算する第１の減算器と、第１の減算器からの信号を雑音源として取り出す第１の適応フィルタと、第１の非接触センサからの信号をデジタル変換した信号から雑音源として取り出された第１の適応フィルタの出力を減算する第２の減算器と、を備える。

また、本発明の生体信号の信号源特定方法は、以下のステップを含む。
(1)第１の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第１の環境情報と第２の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第２の環境情報を第１の減算器により減算するステップ、
(2)第１の減算器からの信号を第１の適応フィルタに加えて雑音源として取り出すステップ、
(3)第１の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第１の環境情報から第１の適応フィルタにより取り出した雑音源の信号を第２の減算器により減算するステップ、
(4)第２の減算器からの信号の大小に応じて、対象物の位置を特定するステップ。

また、本発明の生体情報の信号源特定装置の第２の形態として、第１〜第３の３個の非接触センサを用いるものが考えられる。この第２の形態では、上述した第１の形態に加えて、第２の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第２の環境情報と第３の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第３の環境情報を第３の減算器により減算し、第３の減算器の出力信号を第２の適応フィルタに加えて雑音源として取り出す。
そして、第１の形態で、第２の減算器から得られる、第１の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第１の環境情報から、第２の適応フィルタにより取り出した雑音源の信号を第４の減算器により減算する。その後、第４の減算器からの信号の大小に応じて、被測定者（対象物）の位置を特定する。

上述した本発明の生体情報の信号源特定装置及びその装置を使った信号源の特定方法によれば、複数の電波型センサを用いたことで、生体情報の信号から同位相の信号を強調させることができるので、周囲の環境雑音をキャンセルすることが可能となる。
このため、周囲の環境振動に影響されるという電波型の非接触センサの欠点を抑制することができ、従来のものに比べて極めて正確に信号源の特定をすることができるようになる。

本発明の生体情報の信号源特定方法の概念を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態例を示すブロック構成図である。 本発明の第２の実施形態例を示すブロック構成図である。

［本発明の生体情報の信号源特定方法の概要］
以下、図面を参照して、本発明の生体情報の信号源特定方法及び信号源特定装置について説明する。
図１は、本発明の生体情報の信号源特定装置及び方法の原理を示す概念図である。センサａとセンサｂは、いずれも電波型の非接触センサである。
この電波型の非接触センサとしては、例えば特許文献３に記載されるようなドプラーセンサや、発明者が他の特許出願（特願２００７−２１７０９３号）で提案した脈拍センサ等がある。この脈拍センサは、被測定者に電波を照射し、反射又は通過した電波の周波数の変化を検出することにより被測定者の脈拍を検出するというものである。
しかしながら、上述の電波型センサは、ＶＨＦ（Very High Frequency）帯の電波を使用する。このＶＨＦ帯の電波は無指向で広がるため、一つのセンサでは信号源である被測定者（対象物）の位置を特定することは困難であった。

図１Ａは、第１のセンサａが被測定者Ｘ（以下、「対象者Ｘ」という）の近くに配置され、第２のセンサｂが対象者Ｘから比較的遠く離れた位置に配置されている例である。つまり対象者Ｘが第１のセンサａに近づいた状態の配置図である。
これに対して、図１Ｂは、第１のセンサａと第２のセンサｂが対象者Ｘからほぼ等距離に配置されている例である。つまり、対象者Ｘがセンサａとセンサｂのほぼ中央にいるときの図である。

一般に、センサａあるいはセンサｂのような電波型の非接触センサは、電波の発信源である対象者Ｘが近づくにつれて大きな信号を出力する。つまり図１Ａのように対象者Ｘに近いセンサａは大きな出力信号を発生し、対象者Ｘから遠く離れたところにあるセンサｂは小さい出力信号を発生する。

一方、図１Ｂに示すように、対象者Ｘがセンサａ及びセンサｂとほぼ等距離にある場合には、センサａからの出力信号とセンサｂからの出力信号はほぼ等しい大きさになる。このことは、電波型の非接触センサの出力が、人間の動きの信号を変換した出力となることを意味している。つまり、センサａとセンサｂからの信号は対象者Ｘである人の動き信号を表していることになる。
本発明の生体情報の信号源特定装置及び信号源特定方法は、この原理を利用するものである。

［本発明の第１の実施形態例（信号源特定装置）の構成］
以下、本発明の生体情報の信号源特定装置に係る実施形態例について図面を参照して説明する。
図２は、本発明の生体情報の信号源特定装置の第１の実施形態例（以下、「本例」と称する）を示すブロック図である。
まず、本例の生体情報の信号源特定装置（以下、簡単に「信号源特定装置」と称する）の構成を、図２を参照して説明する。
図２に示すように、本例の信号源特定装置は、センサａとセンサｂからなる２個の電波型センサを備える。
センサａは、ＡＤ変換器１０に接続され、アナログデジタル（ＡＤ）変換器１０は加算器１２に接続されている。また、加算器１２の出力は積分器１４と、減算器１６（第１の減算器に相当する）と、遅延回路１７に接続されている。加算器１２でＡＤ変換器１０の出力（センサａの出力）と積分器１４（第１のＤＣオフセット調整部に相当する）の出力がデジタル加算される。

センサｂはＡＤ変換器１１に接続され、ＡＤ変換器１１は加算器１３に接続されている。加算器１３の出力は、積分器１５と減算器１６に接続されている。そして、加算器１３においてＡＤ変換器１１の出力（センサｂの出力）と積分器１５（第２のＤＣオフセット調整部に相当する）の出力がデジタル加算される。

減算器１６は、適応フィルタ１８に接続される。適応フィルタ１８はＦＩＲフィルタ（Finite Impulse Response Filter）１８ａとＬＭＳ（Least Mean Square）係数調整器１８ｂから構成される。適応フィルタ１８の出力は減算器１９（第２の減算器に相当）に接続される。減算器１９の出力は出力端子２０に接続されるとともに、適応フィルタ１８のＬＭＳ係数調整器１８ｂに接続されている。

［本発明の第１の実施形態例（信号源特定装置）の動作］
次に、本例の信号源特定装置の動作について、図２を参照して説明する。図２の例では、電波型のセンサａとセンサｂからの信号は、ＡＤ変換回路１０、１１でデジタル信号に変換され、それぞれ加算器１２、１３の第１の端子に供給される。一方、加算器１２、１３の第２の端子には、それぞれ積分器１４、１５の出力が供給されている。積分器１４，１５もデジタル信号を処理するデジタル積分回路であり、加算器１４、１５は、デジタル化されたセンサａ、ｂからの信号とその積分信号をそれぞれ加算する。つまり、加算器１２，１３及び積分器１４、１５はいずれもデジタル信号を取り扱う回路として構成されている。

一般に、脈波や心電波形等の生体情報は、その基準電位に対する上下の信号波形が対称とならない。つまり、コヒーレンシー（＋の成分と−の成分）が同じではない。
積分器１４、１５は、このようなプラス（＋）とマイナス（−）が非対称の波形を面積的に対称にする働きをしている。
この処理によってセンサａとセンサｂからの出力波形を減算する場合に、残渣が少なくなる。なぜなら、プラス（＋）とマイナス（−）の面積が同じ信号同士の減算をすれば、少なくともオフセットのような誤差は減少するからである。

そして、加算器１４の出力と加算器１５の出力は、減算器１６に供給され、一方の加算器１３の出力から他方の加算器１２の出力が減算される。減算器１６から出力される信号は、ある種の雑音信号である。例えば、図１Ｂに示すように、センサａとセンサｂが対象者Ｘから等距離にあれば、センサａの信号出力とセンサｂの信号出力はほぼ等しくなる。つまり、減算器１６から出力される信号は“０”に近い雑音源の信号になる。

この減算器１６からの出力信号は、適応フィルタ１８のＦＩＲフィルタ１８ａに供給される。ここでＬＭＳ係数調整器１８ｂによって減算器１９の出力の大きさに依存した係数調整がなされる。この適応フィルタ１８の出力は、減算器１９に供給され、遅延回路１７からのセンサａに依存した信号から、減算される。上述したように、センサａとセンサｂが対象者Ｘからほぼ等距離にあれば、減算器１６からの信号は“０”に近い雑音源の信号となるから、センサａからの信号出力に相当する遅延回路１７からの出力からＬＭＳ適応フィルタ１８の出力を減算器１９で減算しても、減算器１９から出力端子２０に出力される信号は、センサａから実際に得られる生体情報の信号に近い大きな信号となる。

一方、図１Ａのように、対象者Ｘがセンサａに近づいた場合、つまりセンサａと対象者Ｘの距離がセンサｂと対象者Ｘの距離よりも大きくなると、センサａからの信号がセンサｂからの信号より大きくなる。この場合、減算器１６から得られる雑音源の信号は、センサａから得られる生体情報に近い、比較的大きな出力信号になる。そうすると、減算器１９において、センサａからの信号（これを雑音源の信号に対して「環境音の信号」という）から、ＬＭＳ適応フィルタ１８からの信号を減算すると、出力端子２０に取り出される出力は“０”に近い出力となる。つまり、対象者Ｘがセンサａとセンサｂの中央から少しでも移動してどちらかのセンサに近づくと、出力端子２０からの信号が“０”に近くなって取り出されなくなるので、センサに指向性を持たせることが可能となる。

［本発明の第２の実施形態例（信号源特定装置）の構成及び動作］
上述のように、本発明の第１の実施形態例では、２個のセンサａ、センサｂを用いて、対象者Ｘの位置を、センサａからの出力信号とセンサｂからの出力信号の差分として検出するものであった。
図３は、センサａ、センサｂに加えてセンサｃを付加した本発明の第２の実施形態例の構成を示している。センサｃに関係する信号処理以外の部分は、図２に示した第１の実施形態例と同じなので、同一符号を付して説明は省略する。

図３の例では、センサｃが追加されることによって、センサａ、センサｂ及びセンサｃと対象者Ｘの距離が全て同じになった時のみ、出力端子２０から大きな出力が得られる。しかし、対象者Ｘがセンサａとセンサｂから等距離の位置にあっても、センサｃからの距離が異なると、その出力は“０”に近いものとなってしまう。つまり、対象者Ｘが３つのセンサの全てから等距離に存在するときのみ、対象者Ｘの位置が特定されるので、より正確に特定することができる。

図３に示すように、第２の実施形態例では、図２に示す第２の実施形態例の構成に加えて、第３のセンサｃと、ＡＤ変換器２２と、積分器２４と、減算器２５（第３の減算器に相当する）と、適応フィルタ２６と、減算器２７（第４の減算器に相当する）が設けられている。それ以外の構成は、図２の実施形態例と同じなので、同一符号を付している。

第３のセンサｃからの信号は、ＡＤ変換回路２２でデジタル信号に変換され、加算器２３で積分器２４の出力と加算される。そして、加算器２３の出力は、減算器２５において、加算器１３の出力らから減算される。加算器１３の出力は、第２のセンサｂからの信号をデジタル信号に変換された信号と積分器１５の出力を加算したものである。ここで減算器２５の出力は、第２のセンサｂと第３のセンサｃからの信号が同じ値のときは“０”に近い値となる。つまり、センサｂとセンサｃが対象者Ｘから等距離にあるときに、減算器２５の出力は“０”に近い値になる。一方、対象者Ｘとセンサｂとの距離と、対象者Ｘとセンサｃとの距離が異なるときは、センサｂとセンサｃのいずれかのセンサの出力が大きくなるから、減算器２５からの信号が第２の適応フィルタ２６に提供されることになる。

第２の適応フィルタ２６の出力は減算器２７に供給され、ここで減算器１９の出力から減算される。ここで、対象物Ｘが３つのセンサａ、ｂ、ｃのいずれのセンサからも等距離にあるとすれば、第１の減算器１６及び第３の減算器２５の出力はいずれも“０”に近い値となるから、第１の適応フィルタ１８及び第２の適応フィルタ２６の出力も“０”出力に近いものとなり、第２の減算器１９の出力及び第４の減算器２７の出力は、いずれも遅延回路１７の出力がそのまま取り出される。したがって、出力端子２０には、第１のセンサａから検出される生体情報の信号がそのまま取り出されることになる。

一方、第２のセンサｂと第３のセンサｃが対象物Ｘから等距離にない場合には、減算器２５から対象物に近い方の信号が出力され、適応フィルタ２６経由で第４の減算器２７に供給される。すると、第２の減算器１９からの信号から、適応フィルタ２５の出力信号が減算されて、出力端子２０には“０”に近い信号が出力されることになる。すなわち、図３の回路で構成される実施形態例では、対象物Ｘが３つのセンサａ、ｂ、ｃのいずれのセンサからも等距離にあるときだけ、出力端子２０にセンサからの信号が出力され、それ以外のときには出力が取り出せない。したがって、２つのセンサを設けることにより、より正確に対象物Ｘの位置を特定することが可能となる。

以上、第１，第２の本実施形態例では、ＬＭＳ適応フィルタを用いたが、本発明の適応フィルタとしては、特にその形式が限定されない。ＬＭＳアルゴリズムを用いたＬＭＳ適応フィルタ以外のフィルタも適用される。例えば複素ＬＭＳアルゴリズム(Complex Least Mean Square Algorithm)やノーマライズドＬＭＳアルゴリズム (Normalized Least Mean Square Algorithm)などを用いたフィルタも適用することもできる。

更に、これらのＬＭＳアルゴリズム以外にも、射影アルゴリズム (Projection Algorithm)、ＳＨＡＲＦアルゴリズム (Simple Hyperstable Adaptive Recursive Filter Algorithm)、ＲＬＳアルゴリズム (Recursive Least Square Algorithm)、ＦＬＭＳアルゴリズム(Fast Least Mean Square Algorithm)、ＤＣＴを用いた適応フィルタ (Adaptive Filter using Discrete Cosine Transform)、ＳＡＮフィルタ (Single Frequency Adaptive Notch Filter)、ニューラルネットワーク (Neural Network) 、遺伝的アルゴリズム (Genetic Algorithm)のような他の適応型フィルタでも同様な処理を行うことができる。

なお、本発明は、明細書で説明した実施の形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、種々の変形例、応用例を含むことは言うまでもない。

１０、１１、２２・・・電波型センサ、１２、１３、２３・・・加算器、１４，１５、２４・・・積分器、１６、１９，２５、２７・・・減算器、１８、２６・・・適応フィルタ

Claims (6)

1. 生体情報を非接触で検出する第１の非接触センサと、
   前記第１の非接触センサと所定距離離れた位置に設けられ、生体情報を非接触で検出する第２の非接触センサと、
   前記第１の非接触センサからの信号をデジタル変換した後に、ＤＣオフセットを調整する第１のＤＣオフセット調整部と、
   前記第２の非接触センサからの信号をデジタル変換した後にＤＣオフセットを調整する第２のＤＣオフセット調整部と、
   前記第１のＤＣオフセット調整部からの信号から前記第２のＤＣオフセット調整部の信号を減算する第１の減算器と、
   前記第１の減算器の信号が供給され、前記第１の減算器からの信号を雑音源として取り出す第１の適応フィルタと、
   前記第１の非接触センサからの信号をデジタル変換した信号から前記雑音源として取り出された前記第１の適応フィルタの出力を減算する第２の減算器と、を備える
   生体情報の信号源特定装置。
2. 更に、生体情報を非接触で検出する第３の非接触センサと、
   前記第３の非接触センサからの信号をデジタル変換した後に、ＤＣオフセットを調整する第３のＤＣオフセット調整部と、
   前記第２のＤＣオフセット調整部の信号から前記第３のＤＣオフセット調整部の信号を減算する第３の減算器と、
   前記第３の減算器の信号が供給され、前記第３の減算器からの信号を雑音源として取り出す第２の適応フィルタと、
   前記第２の減算器からの信号から、前記雑音源として取り出された前記第２の適応フィルタの出力を減算する第４の減算器と、を備える
   生体情報の信号源特定装置。
3. 前記適応フィルタはＬＭＳ適応フィルタである、請求項１または２に記載の生体情報の信号源特定装置。
4. 前記第１〜第３のＤＣオフセット調整部は、デジタル信号の積分器と加算器によって構成される、請求項１〜３のいずれかに記載の生体情報の信号源特定装置。
5. 第１の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第１の環境情報と第２の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第２の環境情報を第１の減算器により減算するステップと、
   前記第１の減算器からの信号を第１の適応フィルタに加えて雑音源として取り出すステップと、
   前記第１の非接触センサにより検出した生体情報に関連する前記第１の環境情報から前記適応フィルタにより取り出した前記雑音源の信号を第２の減算器により減算するステップと、
   前記第２の減算器からの信号の大小に応じて、対象物の位置を特定するステップと、
   を含む生体情報の信号源特定方法。
6. 更に、前記第２の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第２の環境情報と第３の非接触センサにより検出した生体情報に関連する第３の環境情報を第３の減算器により減算するステップと、
   前記第３の減算器からの信号を第２の適応フィルタに加えて雑音源として取り出すステップと、
   前記第２の減算器から得られる、前記第１の非接触センサにより検出した生体情報に関連する前記第１の環境情報から前記第２の適応フィルタにより取り出した前記雑音源の信号を第４の減算器により減算するステップと、
   前記第４の減算器からの信号の大小に応じて、対象物の位置を特定するステップと、
   を含む請求項５に記載の生体情報の信号源特定方法。

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