JP2018064642A

JP2018064642A - 生体センサ

Info

Publication number: JP2018064642A
Application number: JP2016203542A
Authority: JP
Inventors: 重知三谷; Shigetomo Mitani
Original assignee: Omron Automotive Electronics Co Ltd
Current assignee: Nidec Mobility Corp
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2018-04-26

Abstract

【課題】精度の高い生体情報を出力する。【解決手段】生体表面に電磁波を照射する電磁波照射部１０と、体表面で反射した反射波を受信しＩ信号とＱ信号を取得する反射波受信部２０と、ＩＱ座標系において、反射波受信部が受信したＩ信号およびＱ信号の度数分布を描画する度数画像生成部８１と、度数分布画像を微分する画像微分演算部８２と、微分した度数分布画像に基づいて、微分強度画像を演算する微分強度画像演算部８３と、微分強度画像のエッジを演算するエッジ演算部８４と、複数のエッジのそれぞれの法線を演算し、演算された複数の法線の交点を演算し、演算された複数の交点から交点の中心位置を演算するオフセット演算部８５と、反射波受信部が取得したＩ信号およびＱ信号、およびオフセット演算部が演算した中心位置に基づいて、生体情報を出力する外部出力部７０と、を備える生体センサ１００。【選択図】図２

Description

本発明は、生体から生体情報を取得する生体センサに関する。

従来から、ドップラーセンサを用いて、人体表面に電磁波を照射し、その反射波のＩ信号とＱ信号からなる座標平面に基づいて、その反射波に含まれる生体情報を取得する技術が知られている。例えば、特許文献１は、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（Ｉ信号及びＱ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する心拍計測装置を開示する。この心拍計測装置は、電波式ドップラーセンサが出力する反射波の振幅成分と位相成分の情報を含む出力信号を振幅・位相変換手段において極座標変換して振幅成分信号と位相成分信号を心拍抽出手段に出力する。この心拍抽出手段は、振幅成分信号と位相成分信号とから独立成分分析の手法を用いて振幅成分出力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。

また、特許文献２は、乗員の生体信号の精度の劣化を防止する生体信号検知装置を開示する。この生体信号検知装置は、電波式の無変調ドップラーセンサにより乗員の動きを検知するセンサ部と、センサ部の出力の位相変化に基づいて、乗員の生体信号を抽出する生体信号抽出部と、センサ部の出力の位相変化量の積分値に基づいて、センサ部と乗員との推定距離を算出する距離算出部と、推定距離に基づいて、生体信号の信頼度を判定し、信頼度が低い場合には生体信号の出力を中止する生体信号出力判定部とを備える。

センサ部は、局部発振器、送信アンテナ、受信アンテナ、分配器、混合器などを備え、運転者に向けて送信信号を照射する。局部発振器からは、たとえばＴ（ｔ）＝ｃｏｓ（２πｆｔ）で表される周波数ｆＨｚの局部信号Ｔ（ｔ）が放射され、放射された電波の一部は反射され、Ｒ（ｔ）＝ｃｏｓ（２πｆｔ−４πｄ（ｔ）／λ−４πｘ（ｔ）／λ）で近似される受信信号Ｒ（ｔ）として受信アンテナで受信される（なお、ｄ（ｘ）は、センサ部と運転手との間の距離変位であり、ｘ（ｔ）は、運転手の心拍や呼吸を含む体表面の微小な距離変位、λは局部信号Ｔ（ｔ）の波長である）。

受信信号Ｒ（ｔ）は、分配器で２つに分配されて２つの混合器に入力される。また、分配器で分配されたもう一方の局部信号Ｔ（ｔ）は、分配器で一方の位相のみがπ／４ラジアンシフトされた状態で２つに分配され、それぞれ２つの混合器に入力され、局部信号Ｔ（ｔ）と受信信号Ｒ（ｔ）とが混合される。２つの混合器では、乗算動作によってＤＣ領域に近いベースバンド成分と変調成分が出力されるが、その出力信号がそれぞれローパスフィルタを通過することによって、ベースバンド成分のみを含んだベースバンド受信信号の以下のように表される実数部Ｂｉ（ｔ）および虚数部Ｂｑ（ｔ）が得られる。
Ｂｉ（ｔ）＝１／２ｃｏｓ（４πｄ（ｔ）／λ＋４πｘ（ｔ）／λ）
Ｂｑ（ｔ）＝１／２ｃｏｓ（π／４＋４πｄ（ｔ）／λ＋４πｘ（ｔ）／λ）
これらは、ＡＤコンバータによってアナログ信号からデジタル信号に変換され、センサ部が出力した検出信号として、生体信号抽出部に入力される。

また、特許文献３は、非接触で生体の生体信号を取得し、生体信号に対して周波数解析などの複雑な処理をせずに、生体状態に関する情報を取得することのできる生体状態取得装置等を開示する。この生体状態取得装置は、生体の体表面に電磁波を送信し、その反射波をＩＱ検波して、Ｉ信号とＱ信号を出力するＩＱ検波器から出力されたＩ信号とＱ信号とを時系列に順次取得するＩＱ信号取得手段と、ＩＱ信号取得手段で取得した取得信号のＩＱ平面上の軌跡に基づいて、生体の状態を取得する生体状態取得手段とを有する。

また、特許文献４は、光を照射する皮膚の色の影響を低減でき、体動が生じた場合でも好適な測定が可能であり、装置の装着部分に隙間が発生して外光が入射した場合でも好適な測定が可能な生体状態検出装置を開示する。この生体状態検出装置は、赤外光ＬＥＤを用いて、体動信号を検出する。そして、生体状態検出装置は、その体動信号に基づいて、体動の有無を判定し、ここで体動が無いと判断された場合のみ、体動が無く安静な状態であるので、この状態において、脈波検出に用いる光を決定する。即ち、皮膚の色によって脈波検出に用いるのに適した光が異なるので、可視光及び赤外光のどちらの光を用いて脈波を検出するかを決定する。検出光として決定された光を用いて、周知の脈波の検出を行う。

また、特許文献５は、オフセット電圧の調整タイミングで増幅器のＤＣオフセットを変更するために発生する大きな不連続点を抑制して脈波を測定することができる脈波測定装置を開示する。この脈波測定装置は、測定対象である生体の動きもしくは光学的、磁気的、電気的な外乱によるＤＣもしくはＤＣ近傍のオフセットが、増幅後の脈波信号に重畳し、Ａ／Ｄ変換器の変換レンジを越え、脈波が測定不能となることを防止する。この脈波測定装置は、脈波信号からオフセットを除去する直前および直後に、Ａ／Ｄ変換器の出力データを記憶、保持し、オフセット除去した後のＡ／Ｄ変換器出力データと記憶、保持されている直前データを加算、直後データを減算し、脈波データの連続性を維持するように信号処理し、脈波計測中のいずれのタイミングでもオフセット除去を行うことを可能とする。

特開２００６−０５５５０４号公報特開２０１０−１２０４９３号公報特開２０１１−０１５８８７号公報特開２００７−１５１５７９号公報特開２００４−１７４１４７号公報

そこで、本発明は、生体表面からの反射波のＩ信号とＱ信号からなる座標平面において、測定対象や測定場所の環境により変化するオフセットを演算し、精度の高い生体情報を出力する生体センサを提供する。

上記課題を解決するために、生体の体表面に電磁波を照射する電磁波照射部と、電磁波照射部が照射した電磁波が体表面で反射した反射波を受信し、照射した電磁波信号と受信した反射信号を乗算したＩ信号とそのＩ信号を所定の位相だけ遅らせたＱ信号を取得する反射波受信部と、ＩＱ座標系において、反射波受信部が受信したＩ信号およびＱ信号の度数分布を描画する度数画像生成部と、度数画像生成部が描画した度数分布画像を微分する画像微分演算部と、画像微分演算部が微分した度数分布画像に基づいて、微分強度画像を演算する微分強度画像演算部と、微分強度画像演算部が演算した微分強度画像のエッジを演算するエッジ演算部と、エッジ演算部が演算した複数のエッジのそれぞれの法線を演算し、演算された複数の法線の交点を演算し、演算された複数の交点から交点の中心位置を演算するオフセット演算部と、反射波受信部が取得したＩ信号およびＱ信号、およびオフセット演算部が演算した中心位置に基づいて、生体情報を出力する外部出力部と、を備える生体センサが提供される。
これによれば、反射波のＩ信号およびＱ信号の度数分布の画像を処理することにより、Ｉ−Ｑ座標平面におけるオフセットを演算し、そのオフセットに基づいて生体情報を出力することで、精度の高い生体情報を出力する生体センサを提供することができる。

さらに、画像微分演算部は、度数画像生成部が描画した度数分布画像をＩ軸方向に微分し、Ｉ軸方向微分画像を演算するＩ軸微分演算部と、度数画像生成部が描画した度数分布画像をＱ軸方向に微分し、Ｑ軸方向微分画像を演算するＱ軸微分演算部と、を備え、微分強度画像演算部は、Ｉ軸方向微分画像およびＱ軸方向微分画像に基づいて微分強度画像を演算することを特徴としてもよい。
これによれば、より精度の高い生体情報を出力することができる。

本発明によれば、生体表面からの反射波のＩ信号とＱ信号からなる座標平面において、測定対象や測定場所の環境により変化するオフセットを演算し、精度の高い生体情報を出力する生体センサを提供することができる。

本発明に係る第一実施例の生体センサを車両の車室内に設置した場合の概略図。本発明に係る第一実施例の生体センサのブロック図。本発明に係る第一実施例の生体センサにおけるドップラーセンサのブロック図。Ｉ−Ｑ座標平面において角速度等を説明するための説明図。本発明に係る第一実施例の生体センサにおけるオフセット取得部のブロック図。本発明に係る第一実施例の生体センサのオフセット取得部において生成される度数分布画像を説明する説明図（その一）。本発明に係る第一実施例の生体センサのオフセット取得部において生成される度数分布画像を説明する説明図（その二）。本発明に係る第一実施例の生体センサのオフセット取得部において微分された度数分布画像を説明する説明図。本発明に係る第一実施例の生体センサのオフセット取得部において微分された度数分布画像の微分強度を説明する説明図。本発明に係る第一実施例の生体センサのオフセット取得部において生成された微分強度画像からエッジを演算して求めたエッジ画像を説明する説明図。本発明に係る第一実施例の生体センサのオフセット取得部において生成されたエッジ画像から中心位置を求める中心推定度数画像を説明する説明図。本発明に係る第一実施例の生体センサにおける全体の制御を示すフローチャート。本発明に係る第一実施例の生体センサのオフセット取得部における制御を示すフローチャート。

＜第一実施例＞
図１乃至図５を参照し、本実施例における生体センサ１００を説明する。生体センサ１００は、人間の身体の一部が直接的または間接的に接する面を有する機器に設置され、その機器の使用者の生体情報を検知する。ここで、人間の身体の一部が接する面を有する機器（器具・器械・機械の総称）とは、具体的には、たとえば、人が座る椅子やソファ、人が横たわるベッド、病院内に設置される身体検査機器、車両や航空機内に設置され人が座る座席などを言う。

人間の身体の一部が接する面とは、椅子等では座面や背もたれ面、ベッドではマットレス上面等をいう。当該面は、人間の身体の一部が直接的・間接的のいずれかで接すればよく、人が衣服を着用して間接的に接触することでもよい。身体の一部とは、椅子等の座面では臀部や太腿であり、椅子等の背もたれやベッド等では背中が一般的である。身体検査機器では、人の肢体のいずれであってもよい。

使用者の生体情報とは、本明細書においては、心拍数（脈拍数）や脈波の大きさ、呼吸数や呼吸の大きさをいい、これらに由来しない皮膚や筋肉の動きを生じさせる咳やくしゃみなどは含まない。心拍や呼吸は、生体の体表面において微細な動きを生じさせており、生体センサ１００は、かかる微細な動きを伴う生体情報を検出するものである。

本実施例では、図１に示すように車両の室内に設置される場合について説明する。生体センサ１００は、運転者等が座る座席ＳＴの背もたれ部に設置されている。生体センサ１００は、心拍や呼吸に伴う皮膚表面の微細な動きを検知することを目的としているので、前方のハンドルＷＬ方向から動きが大きい運転者の顔などに電波を照射して検知するよりも、比較的大きな動きが少ない運転者の背中が接する面となる背もたれ部に設置される方が好ましい。

図２に示すように、生体センサ１００は、生体の体表面に電磁波を照射する電磁波照射部１０と、電磁波照射部１０が照射した電磁波が体表面で反射した反射波を受信すると共に検波や増幅等を行ったうえで、照射した電磁波の信号と受信した反射信号を乗算したＩ信号とそのＩ信号を所定の位相だけ遅らせたＱ信号を取得する反射波受信部２０と、電磁波照射部１０を制御する制御部６０とを備える。なお、電磁波照射部１０および反射波受信部２０は、ドップラーセンサＤＳを構成する。

図３は、ドップラーセンサＤＳの詳細を示すブロック図である。ドップラーセンサＤＳの発振器１３は、制御部６０の制御により所定の周波数で発振する。なお、周波数は通常マイクロ波帯が用いられ、特に限定されないが、生体情報取得用途の場合通常２４ＧＨｚが用いられることが多い。発振器１３が発振した電磁波は、分配器１２により分配され、その一方は、送信アンテナ１１から周波数ｆ_０（例えば、２４ＧＨｚ）の電磁波として測定対象ＴＧに照射される。

周波数ｆ_０の電磁波は、動きのある測定対象ＴＧに当たって反射し、周波数がｆ_ｒに変化し、受信アンテナ２１は、その周波数ｆ_ｒとなった反射波を受信する。なお、測定対象ＴＧは、送信アンテナ１１および受信アンテナ２１の方向に対して交差角αを有する方向へ相対速度ｖで動いているものとする。そうすると、反射波周波数ｆ_ｒは、式（１）で求められる。
ｆ_ｒ＝ｆ_０±ｆ_ｄ・・・（１）
なお、送信波周波数：ｆ_０
ドップラ周波数ｆ_ｄ＝（２ｆ_０｜ｖ｜／ｃ_０）・ｃｏｓα
光速：ｃ_０
測定対象の相対移動速度：ｖ
送信波に対する測定対象の移動方向の交差角：α

受信アンテナ２１で受信した周波数ｆ_ｒの反射波は、分配器１２で分配された他方の電磁波（周波数ｆ_０）とミキサ２２において乗算演算され、ＤＣ領域に近いベースバンド成分と変調成分を含むＩ信号として、反射波受信部２０の一部であるＩ信号出力ポートＩＰから出力される。また、受信アンテナ２１で受信した周波数ｆ_ｒの反射波であってπ／２だけ位相をずらした反射波は、同様に分配器１２で分配された他方の電磁波（周波数ｆ_０）とミキサ２２において乗算演算され、ＤＣ領域に近いベースバンド成分と変調成分を含むＱ信号として、反射波受信部２０の一部であるＱ信号出力ポートＱＰから出力される。

生体センサ１００は、さらに、反射波受信部２０がＩ信号出力ポートＩＰから出力するＩ信号およびＱ信号出力ポートＱＰから出力するＱ信号が入力されるローパスフィルタ１０１およびバンドパスフィルタ１０２と、ローパスフィルタ１０１およびバンドパスフィルタ１０２からそれぞれ後述する信号を取得する信号取得部３０を備える。

ローパスフィルタ１０１は、Ｉ信号出力ポートＩＰおよびＱ信号出力ポートＱＰが出力するＩ信号およびＱ信号における高周波成分のノイズを除去しベースバンド成分のみを通過させ、Ｉ信号およびＱ信号を平滑化した信号（ＩとＱ）を出力する任意的なフィルタである。なお、生体センサ１００は、心拍や呼吸などの生体情報を取得することを目的としているので、ローパスフィルタ１０１は、約１Ｈｚの心拍や、約０．３Ｈｚの呼吸を通過するフィルタであり、たとえば１０Ｈｚ以上は除去するフィルタである。

バンドパスフィルタ１０２は、Ｉ信号出力ポートＩＰおよびＱ信号出力ポートＱＰが出力するＩ信号およびＱ信号から、ＤＣ成分を除去し、各信号の微分値（ΔＩとΔＱ）を出力する選択的なフィルタである。

信号取得部３０は、ローパスフィルタ１０１から高周波成分を除去したＩ信号およびＱ信号と、バンドパスフィルタ１０２からＩ信号の微分値であるＩ信号微分値ΔＩおよびＱ信号の微分値であるＱ信号微分値ΔＱを受信する。なお、信号取得部３０は、マイクロコンピュータに実装されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータを含むＡＤポートであってもよい。なお、このマイクロコンピュータは、制御部６０等の構成要素を実装されてもよい。

生体センサ１００は、さらに、反射波受信部２０が取得したＩ信号とＱ信号に基づいて、オフセットＩ_{ｏｆｆｓｅｔ}／Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}を取得するオフセット取得部８０と、Ｉ信号とＱ信号、バンドパスフィルタ１０２が算出したＩ信号微分値ΔＩとＱ信号微分値ΔＱ、およびオフセット取得部８０が取得したオフセットＩ_{ｏｆｆｓｅｔ}／Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}に基づいて、Ｉ信号とＱ信号の角速度を算出する角速度算出部４０と、を備える。角速度算出部４０は、以下のように、Ｉ信号、Ｑ信号、Ｉ信号微分値ΔＩ、およびＱ信号微分値ΔＱ、およびオフセットＩ_{ｏｆｆｓｅｔ}／Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}に基づいて、Ｉ信号とＱ信号の角速度ωを求める。

ドップラーセンサＤＳの送信アンテナ１１が送信する、時間ｔに伴う周波数ｆ_０の送信波ｘ_ｓ（ｔ）は、式（２）で表される。
ｘ_ｓ（ｔ）＝Ａ_ｓｃｏｓ（ω_ｓｔ）・・・（２）
なお、送信波振幅：Ａ_ｓ
送信波角速度：ω_ｓ＝２πｆ_０

また、ドップラーセンサＤＳの受信アンテナ２１が受信する、時間ｔに伴う周波数ｆ_ｒの反射波ｘ_ｒ（ｔ）は、式（３）で表される。
ｘ_ｒ（ｔ）＝Ａ_ｒｃｏｓ（［ω_ｓ±ω_ｄ］ｔ＋φ）・・・（３）
なお、受信波振幅：Ａ_ｒ
ドップラ角速度：ω_ｄ＝２πｆ_ｄ
測定対象との距離に依存する位相：φ

そして、送信波と反射波をミキサ２２に入力して乗算演算された信号は、式（４）で表される。
ｘ_ｓ（ｔ）ｘ_ｒ（ｔ）＝Ａ_ｓＡ_ｒｃｏｓ（ω_ｓｔ）ｃｏｓ（［ω_ｓ＋ω_ｄ］ｔ＋φ）
＝（Ａ_ｓＡ_ｒ／２）｛ｃｏｓ（ω_ｄｔ＋φ）＋ｃｏｓ（［２ω_ｓ＋ω_ｄ］ｔ＋φ）｝
・・・（４）

ローパスフィルタ１０１により高周波成分を除去された場合、式（４）における第２項の変調成分が分離される。そうすると、ローパスフィルタ１０１によりドップラ周波数成分を抽出した後のＩ信号であるＩ（ｔ）は、式（５）で表される。
Ｉ（ｔ）＝（Ａ_ｓＡ_ｒ／２）ｃｏｓ（ω_ｄｔ＋φ）・・・（５）

また、Ｉ信号からπ／２だけ位相を遅らせたＱ信号であるＱ（ｔ）は、式（６）で表される。
Ｑ（ｔ）＝（Ａ_ｓＡ_ｒ／２）ｃｏｓ（ω_ｄｔ＋φ−π／２）・・・（６）
式（５）で示されるＩ信号および式（６）で示されるＱ信号が、信号取得部３０に入力される。

また、Ｉ信号微分値ΔＩは、
ΔＩ≒ｄＩ／ｄｔ
であり、Ｑ信号微分値ΔＱは、
ΔＱ≒ｄＱ／ｄｔ
であるから、式（５）と式（６）をそれぞれ時間ｔで微分すると、Ｉ信号微分値ΔＩとＱ信号微分値ΔＱが算出できる。

なお、図４に示すようなＩ−Ｑ座標平面における角速度ωは、
ω＝ｄθ／ｄｔ
なお、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｉ−Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}）／（Ｑ−Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}）
Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}：後述するオフセット取得部８０が出力するＩ軸におけるオフセット
Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}：後述するオフセット取得部８０が出力するＱ軸におけるオフセット
と表すことができるので、角速度ωは、（数１）で表すことができる。

なお、図４における円の大きさは、反射波の受信アンテナ２１における受信強度の大きさを示し、測定対象ＴＧである生体表面の状態（距離、反射面の傾き、反射率など）によって変動する。ドップラーセンサＤＳと生体表面の距離がｄである場合、その距離ｄの変位量Δｄは、式（７）で表される。
Δｄ＝λ・Δθ／４π ・・・（７）
なお、λ：送信波の波長（たとえば、周波数が２４ＧＨｚの場合１２．５ｍｍ）

人の身体が動くことにより生体の体表面に大きな変動が生じた場合、ドップラーセンサＤＳと生体表面の距離ｄの変位量Δｄが大きくなり、その結果Δθも大きく変動する。なお、バンドパスフィルタ１０２がない場合、角速度は、たとえば、ΔＩをＩ信号の時間差分、ΔＱをＱ信号の時間差分をとることにより求められる。

オフセット取得部８０は、反射波受信部２０が取得したＩ信号とＱ信号に基づいて、Ｉ信号とＱ信号の座標系におけるオフセットを演算し、角速度算出部４０に対してオフセットＩ_{ｏｆｆｓｅｔ}／Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}を出力する。オフセット取得部８０が取得したＩ−Ｑ座標におけるオフセット値Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}とＱ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、上述したように、角速度算出部４０に入力されて精度の高い生体情報が算出される基となる。

図５乃至図１１を参照して、オフセット取得部８０について説明する。オフセット取得部８０は、図５に示すように、Ｉ−Ｑ座標系においてＩ信号およびＱ信号の度数分布を描画する度数画像生成部８１と、その度数分布画像を微分する画像微分演算部８２と、微分した度数分布画像に基づいて微分強度画像を演算する微分強度画像演算部８３と、微分強度画像のエッジを演算するエッジ演算部８４と、エッジ演算部８４により算出された円弧形のエッジ化画像に基づいて、円弧の中心位置であるオフセットを求めるオフセット演算部８５とを備える。

度数画像生成部８１は、Ｉ信号とＱ信号の入力を受けて、Ｉ−Ｑ座標系においてＩ信号およびＱ信号の度数分布画像を生成する。図６に示すように、度数画像生成部８１は、反射波受信部２０が取得したＩ信号とＱ信号毎に、Ｉ−Ｑ座標系に時間経過と共にプロットしていき、同じ位置にプロットされた場合はその回数を加算していく。たとえば、Ｉ信号とＱ信号のデータ（i,q）を取得すると、Ｘ−Ｙ座標系へ座標変換し、対応する（x,y）にプロットし、（x,y）の値を１増加させ度数を加算する。時間が経過するに伴って、プロットされたＩ信号とＱ信号の軌跡は、黒地の白抜きの数字で表されるような度数分布情報として集積された二次元画像を形成する。白地の数字の０は、その領域には一度もプロットされなかったことを示す。

図７（Ａ）は、視覚的に分かりやすくするため、図６に示した度数分布情報を高さとして三次元のグラフとして描いたものである。ここの示された度数分布情報の例では、取得されたＩ信号／Ｑ信号は、円周の１／４程度の円弧の軌跡を示し、その円弧の中央部辺りに最も度数が高く、円弧の端に行くに従い度数は低くなるような分布を示している。図７（Ｂ）は、同じ度数分布情報を、白黒の濃淡（グレースケール）で表現したものであり、度数が高い部分は濃く、低い部分は薄く表されている。そうすると、取得されたＩ信号／Ｑ信号の軌跡は、円周の１／４程度の円弧状であり、その円弧の中央部辺りに最もグレーが濃く、円弧の端に行くに従いグレーが薄くなる度数分布を示す。なお、Ｉ信号／Ｑ信号のプロット数が少ないと十分な円弧を描くことができないので、後述するように円弧の中心位置を求められる程度にＩ信号／Ｑ信号のデータを収集し、プロットの数を確保することが好ましい。

度数画像生成部８１が生成した度数分布画像は、図５に示すように、Ｉ軸微分演算部８２１とＱ軸微分演算部８２２に入力される。Ｉ軸微分演算部８２１とＱ軸微分演算部８２２は、度数分布画像のグレースケールで表された円弧状の軌跡の画素とその周辺の画素との変化が際立つように、Ｉ軸方向とＱ軸方向を別々に微分処理する。Ｉ軸微分演算部８２１は、度数画像生成部８１が描画した度数分布画像をＩ軸方向に微分し、Ｉ軸方向微分画像を演算し、Ｑ軸微分演算部８２２は、同度数分布画像をＱ軸方向に微分し、Ｑ軸方向微分画像を演算する。

たとえば、Ｉ軸微分演算部８２１は、図８（Ａ）に示す縦３個と横３個の合計９個の画素から構成される３ｘ３画像フィルタ（Ｄ_００〜Ｄ_２２）に本図（Ｂ）に示すようなＸ軸方向のみ値が変化するＸ方向微分フィルタを適用し、度数分布画像の３ｘ３の画素値ｆ（x,y）と３ｘ３のＸ方向微分フィルタ（Ｄ_００〜Ｄ_２２）の積和を演算する。そして、演算する度数分布画像の３ｘ３の画素値ｆ（x,y）を順次移動させていき、度数分布画像全体をＸ方向微分フィルタで微分処理を行い、本図（Ｄ）に示すＸ方向微分画像Ｆｘ（x,y）を取得する。

また、同様に、Ｑ軸微分演算部８２２は、図８（Ａ）に示す縦３個と横３個の合計９個の画素から構成される３ｘ３画像フィルタ（Ｄ_００〜Ｄ_２２）に本図（Ｃ）に示すＹ軸方向のみ値が変化するＹ方向微分フィルタを適用し、度数分布画像の３ｘ３の画素値ｆ（x,y）と３ｘ３のＹ方向微分フィルタ（Ｄ_００〜Ｄ_２２）の積和を演算する。そして、演算する度数分布画像の３ｘ３の画素値ｆ（x,y）を順次移動させていき、度数分布画像全体をＹ方向微分フィルタで微分処理を行い、本図（Ｅ）に示すＹ方向微分画像Ｆy（x,y）を取得する。

なお、ここで述べた微分処理は例であり、これに限定さることはない。たとえば、画像フィルタは５ｘ５の画素から構成されてもよいし、Ｉ軸方向とＱ軸方向を分けずＩ軸方向およびＱ軸方向の両方で値が変化し同時に積和演算できるようなフィルタであってもよい。また、上述したようなフィルタを用いず、白黒の濃淡の変化において、所定の周波数以上のノイズを除去して平滑化してから微分処理を行ってもよいし、フーリエ変換やウェーブレット変換などを使用してもよい。すなわち、かかる処理により、たとえば、円弧の端付近では薄いグレーであっても、その周辺が一度も軌跡が通ったことがなく白い状態ならば、その変化が際立つことにより、Ｉ信号／Ｑ信号の軌跡は大きな円弧としてとらえる方法であればよい。かかる場合、Ｉ軸微分演算部８２１とＱ軸微分演算部８２２と分けることなく、画像微分演算部８２の１つとして構成されてもよい。

Ｉ軸微分演算部８２１とＱ軸微分演算部８２２により微分処理された度数分布画像は、微分強度画像演算部８３に入力される。微分強度画像演算部８３は、Ｉ軸方向微分画像およびＱ軸方向微分画像に基づいて微分強度画像を演算する。すなわち、微分強度画像演算部８３は、式（７）で示される、Ｘ方向微分画像Ｆｘ（x,y）とＹ方向微分画像Ｆy（x,y）の二乗和を演算し、図９に示す微分強度画像Ａ（x,y）を得る。
Ａ（x,y）＝√（Ｆｘ（x,y）^２＋Ｆy（x,y）^２）・・・（７）

微分強度画像演算部８３が演算した微分強度画像Ａ（x,y）は、エッジ演算部８４に入力される。エッジ演算部８４は、図１０に示すように、微分強度画像を基に、画素値が周囲の画素より大きい画素を抽出することで、稜線を際立たせてエッジ化画像を得る。

エッジ演算部８４が演算したエッジ化画像は、オフセット演算部８５に入力される。オフセット演算部８５は、図１１（Ａ）に示すように、エッジとして抽出されたほぼ円弧状の各画素の法線方向の画素に投票を行い、法線が重なる画素に投票点数を加算していく。本図（Ｂ）は、投票点数が高い部分が濃く表されており、最も濃い部分が、円弧の中心であると推定できる。

たとえば、エッジ化画像の稜線上の点（x,y）の法線ベクトルは、（Ｆｘ（x,y），−Ｆｙ（x,y））または、（−Ｆｘ（x,y），Ｆｙ（x,y））で与えられるが、たとえば、法線上の点（m,n）において、
m＝x＋Ｆｘ＊β、n＝y−Ｆｙ＊β
βは、画素値に対応させた離散値を取る媒介変数
とした場合に、その点（m,n）に５点を投票し、その点（m,n）の上下左右の画素に１点を投票することで、投票点数が加算されていき、本図（Ｂ）に示すような、円弧の中心と推定される位置が濃く表現された中心推定度数画像Ｈ（x,y）が得られる。

オフセット演算部８５は、投票点数の最も高い位置を円弧の中心、すなわち、図４に示されるＩ−Ｑ座標系におけるオフセット位置（Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}、Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}）とすることができるが、これに限定されることはない。たとえば、オフセット演算部８５は、投票点数の平面上の度数分布における重心をオフセット位置としてもよいし、また、所定の大きさ（たとえば１１ｘ１１）の探索用矩形窓を用いてその窓内で投票点数（度数）の和を求めると共に、その窓を中心推定度数画像内で移動させてすべての投票点数の和を求めた後、それらの和の平面上の重心を求めて、その重心をオフセット位置としてもよい。

オフセット演算部８５は、中心推定度数画像Ｈ（x,y）のオフセット位置と推定されるところが、所定の閾値より大きい度数（投票点数）を有する場合、中心推定に成功したと判断して、角速度算出部４０に対して出力してもよい。一方、オフセット演算部８５は、中心推定度数画像Ｈ（x,y）のオフセット位置と推定されるところの度数が、所定の閾値を超えることがない場合（たとえば、盆地状に分布している場合）、中心推定に成功しなかったと判断して、Ｉ信号／Ｑ信号のデータの取得をやり直してもよい。

また、生体センサ１００は、さらに、角速度算出部４０が算出した角速度ωに基づいて、生体の生体情報を抽出する生体情報抽出部５０と、生体情報抽出部５０が抽出した生体情報を使用する外部機構に出力するための外部出力部７０とを備える。生体情報抽出部５０は、抽出する生体情報の特徴に基づき抽出する。たとえば、生体情報抽出部５０は、前段におけるバンドパスフィルタ１０２により通過させた周波数成分が心拍成分と呼吸の両方の周波数成分を通過させている場合、角速度算出部４０が出力した角速度ωは、呼吸の周期成分と心拍の周期成分の２つが合成されたものとなっている。外部出力部７０は、反射波受信部２０が取得したＩ信号およびＱ信号、およびオフセット演算部８５が演算した中心位置（オフセット位置）に基づいて、生体情報を出力する。

上述したように、オフセット演算部８５は、エッジ演算部８４が演算した複数のエッジのそれぞれの法線を演算し、演算された複数の法線の交点を演算し、演算された複数の交点から交点の中心位置を演算する。そして、オフセット演算部８５は、中心推定に成功したと判断した場合には、その中心位置をＩ−Ｑ座標系におけるオフセット位置を補正して、角速度算出部４０へ入力する。このように、反射波のＩ信号およびＱ信号の度数分布の画像を処理することにより、Ｉ−Ｑ座標平面におけるオフセットを演算し、そのオフセットに基づいて生体情報を出力することで、精度の高い生体情報を出力する生体センサ１００を提供することができる。

図１２および１３を参照して、生体センサ１００の制御方法を説明する。なお、フローチャートにおけるＳはステップを意味する。生体センサ１００の信号取得部３０は、Ｓ１００において、ＡＤコンバータを含むＡＤポートで、Ｉ信号、Ｑ信号、Ｉ信号の微分値であるＩ信号微分値ΔＩ、およびＱ信号の微分値であるＱ信号微分値ΔＱのＡＤ値を取得する。オフセット取得部８０は、Ｓ１０２において、信号取得部３０が取得したＩ信号とＱ信号に基づいて、図４に示すようなＩ信号／Ｑ信号のオフセット位置（Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}、Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}）を算出する。

なお、Ｓ１０２の詳細ステップは、図１３のフローチャートに示されているので、図１３を参照して、オフセット取得部８０の制御方法を説明する。オフセット取得部８０の度数画像生成部８１は、Ｓ２００において、信号取得部３０からＩ信号およびＱ信号のデータを取得して、Ｉ−Ｑ座標系におけるＩ信号／Ｑ信号の値を度数分布情報の１つとしてプロットして加算する。度数画像生成部８１は、Ｓ２０２において、Ｉ信号／Ｑ信号の値を所定数（Ｎ個）加算したか否かを検査する。所定数を超えない場合は、Ｓ２００に戻り、Ｉ信号／Ｑ信号の値をプロットして加算することを続ける。なお、所定数のＮ個は、十分な円弧を描くための予め定められた値である。なお、所定数のＮ個での判断は、これに限定されず、たとえば、十分な円弧を描けるような幅として度数分布画像における所定の分布の幅を予め定めて、その幅を超えたか否かで判断してもよい。

オフセット取得部８０のＩ軸微分演算部８２１とＱ軸微分演算部８２２は、Ｓ２０４において、度数分布画像をＩ軸方向およびＱ軸方向にそれぞれ微分して、図８（Ｄ）と（Ｅ）に示すような画像を生成する。微分強度画像演算部８３は、Ｓ２０６において、微分処理した度数分布画像に基づいて、図９に示すような微分強度画像を生成する。エッジ演算部８４は、Ｓ２０８において、微分強度画像の稜線を際立たせるためにエッジを演算し、度数分布画像のエッジ検出を行い、図１０（Ａ）に示すような円弧上のエッジを抽出したエッジ化画像を生成する。

オフセット演算部８５は、Ｓ２１０において、エッジ化画像の円弧状の各画素の法線方向の画素に投票を行い、法線が重なる画素に投票点数を加算していき中心位置を演算し、図１０（Ｂ）に示すような中心推定度数画像Ｈ（x,y）を生成する。オフセット演算部８５は、Ｓ２１２において、探索用矩形窓を用いて中心推定度数画像Ｈ（x,y）の領域探索を行い、その窓内で投票点数（度数）の総和を求め、その総和が最大となる中心位置（Ｃｘ，Ｃｙ）を求める。オフセット演算部８５は、Ｓ２１４において、その中心位置（Ｃｘ，Ｃｙ）の矩形窓領域の度数の和Ｗ（Ｃｘ，Ｃｙ）が、所定の閾値より大きいか否か検査する。その矩形窓領域の度数の和Ｗ（Ｃｘ，Ｃｙ）が所定の閾値以下の場合、オフセット取得部８０は、中心推定に成功しなかったと判断し、Ｓ２００に戻って、Ｉ信号／Ｑ信号の値をプロットして加算することを続ける。なお、この所定の閾値は、十分な円弧を描くだけでなく、その円弧の中心推定が可能な閾値を予め適宜定める。

矩形窓領域の度数の和Ｗ（Ｃｘ，Ｃｙ）が所定の閾値を超えて中心推定に成功したと判断した場合、オフセット演算部８５は、Ｓ２１６において、矩形窓内の重心位置（Ｇｘ，Ｇｙ）を求める。オフセット演算部８５は、Ｓ２１８において、その重心位置に相当する中心推定度数画像Ｈ（Ｇｘ，Ｇｙ）が所定の閾値より大きいか否かを検査する。その中心推定度数画像Ｈ（Ｇｘ，Ｇｙ）が所定の閾値以下の場合、オフセット演算部８５は、たとえば取得したＩ信号／Ｑ信号においてノイズが多かったなどのために精度の高い中心位置（オフセット）を取得することができなかったとして、Ｓ２２２において、それまでの度数分布のデータを破棄し、信号取得部３０からＩ信号とＱ信号の収集を再開する。中心推定度数画像Ｈ（Ｇｘ，Ｇｙ）が所定の閾値より大きかった場合、オフセット演算部８５は、Ｓ２２０において、Ｉ−Ｑ座標系における重心位置に対応する座標を座標変換により求め、その値で以って新しいオフセット位置（Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}、Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}）として修正する。

Ｓ２００〜Ｓ２２２により新しいオフセット位置が算出されたら、その値を角速度算出部４０に出力し、角速度算出部４０は、Ｓ１０４において、Ｉ信号、Ｑ信号、Ｉ信号微分値ΔＩ、Ｑ信号微分値ΔＱ、およびその新しいオフセットＩ_{ｏｆｆｓｅｔ}／Ｑ_{ｏｆｆｓｅｔ}に基づいて、Ｉ信号とＱ信号の角速度ωを（数１）により算出する。生体情報抽出部５０は、Ｓ１０６において、角速度ωから信号処理により心拍や呼吸などの生体情報を抽出する。そして、外部出力部７０は、Ｓ１０８において、抽出した生体情報を外部機構に出力する。

上述したように、反射波のＩ信号およびＱ信号の度数分布の画像を処理することにより、Ｉ−Ｑ座標平面における新しいオフセットを適宜演算し、そのオフセットに基づいて生体情報を出力することで、精度の高い生体情報を出力する生体センサ１００を提供することができる。

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

１００生体センサ
１０電磁波照射部
１１送信アンテナ
１２分配器
１３発振器
２０反射波受信部
２１受信アンテナ
２２ミキサ
３０信号取得部
４０角速度算出部
５０生体情報抽出部
６０制御部
７０外部出力部
８０オフセット取得部
８１度数画像生成部
８２画像微分演算部
８２１Ｉ軸微分演算部
８２２Ｑ軸微分演算部
８３微分強度画像演算部
８４エッジ演算部
８５オフセット演算部

Claims

生体の体表面に電磁波を照射する電磁波照射部と、
前記電磁波照射部が照射した電磁波が前記体表面で反射した反射波を受信し、照射した電磁波信号と受信した反射信号を乗算したＩ信号と前記Ｉ信号を所定の位相だけ遅らせたＱ信号を取得する反射波受信部と、
ＩＱ座標系において、前記反射波受信部が受信したＩ信号およびＱ信号の度数分布を描画する度数画像生成部と、
前記度数画像生成部が描画した度数分布画像を微分する画像微分演算部と、
前記画像微分演算部が微分した度数分布画像に基づいて、微分強度画像を演算する微分強度画像演算部と、
前記微分強度画像演算部が演算した微分強度画像のエッジを演算するエッジ演算部と、
前記エッジ演算部が演算した複数のエッジのそれぞれの法線を演算し、演算された複数の法線の交点を演算し、演算された複数の交点から交点の中心位置を演算するオフセット演算部と、
前記反射波受信部が取得したＩ信号およびＱ信号、および前記オフセット演算部が演算した中心位置に基づいて、生体情報を出力する外部出力部と、
を備える生体センサ。
前記画像微分演算部は、
前記度数画像生成部が描画した度数分布画像をＩ軸方向に微分し、Ｉ軸方向微分画像を演算するＩ軸微分演算部と、
前記度数画像生成部が描画した度数分布画像をＱ軸方向に微分し、Ｑ軸方向微分画像を演算するＱ軸微分演算部と、
を備え、
前記微分強度画像演算部は、前記Ｉ軸方向微分画像および前記Ｑ軸方向微分画像に基づいて微分強度画像を演算することを特徴とする請求項１に記載の生体センサ。