JP2019013479A - 心拍・呼吸計測システム及び心拍・呼吸計測方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば特許文献1には、マイクロ波を被験者に照射し、その反射波を使って呼吸数や心拍数を計測する計測装置が記載されている。
特許文献1に記載の技術は、被験者に触れない状態で呼吸数や心拍数を計測することで、被験者への負担を極めて少なくして、被験者の状態を診断することができる。つまり、被験者にとっては、無意識で呼吸数や心拍数を計測することができるので、被験者を診断する用途を拡張することが可能になる。例えば、高齢者が居住する施設において、ベッドで寝ている被験者の呼吸数や心拍数を、非接触で常時計測することができれば、睡眠障害や心臓の異常などを適切に検知できるようになる。
具体的には、呼吸数の正常値は毎分十数回前後であり、例えば毎分10回の呼吸であると仮定すると、1呼吸が6秒であり、その1呼吸6秒の信号をFFTの演算を行うために複数波長分取得するためには数十秒の計測信号を取得する必要があった。
これに対し、非接触で呼吸数や心拍数を計測する装置とすることで、装置の小型化と低消費電力化を図ることができれば、一般家庭で心拍や呼吸を日常的に計測できるようになる点で、計測装置の用途が広がる可能性がある。
[1.心拍・呼吸計測システムの全体構成]
図1は、本例の心拍・呼吸計測システムの全体構成を示すブロック図である。
本例のシステムは、心拍・呼吸計測装置100と、表示装置200と、記録装置300で構成される。心拍・呼吸計測装置100には、ドップラーレーダー10が接続され、ドップラーレーダー10で得た受信信号から、心拍・呼吸計測装置100によって被験者の心拍数及び呼吸数が計測される。
I信号の処理系とQ信号の処理系は同一の構成であり、図1において、I信号を処理する処理部については、符号の末尾に「I」を付加し、Q信号を処理する処理部については、符号の末尾に「Q」を付加して示す。ここではI信号を処理する構成を説明するが、Q信号も同様に処理される。
この第2フィルタ103Iにより、呼吸成分を含む信号である呼吸信号VRRIが得られる。第2フィルタ103Iが出力する呼吸信号VRRIは、アナログ/デジタル変換器111Iに供給され、デジタル変換処理が行われる。そして、デジタル変換されたデータがデータ処理部113に供給される。
減算器105Iで得られた心拍信号VHRIは、アナログ/デジタル変換器112Iでデジタルデータに変換され、データ処理部113に供給される。説明は省略するが、Q信号についてもI信号と同様な処理が行われる。
データ処理部113における解析結果として得られた呼吸数及び心拍数は、心拍・呼吸計測装置100に接続された表示装置200に表示される。また、心拍・呼吸計測装置100には記録装置300が接続され、この記録装置300に解析結果としての呼吸数及び心拍数が記録される。
なお、図1では表示装置200や記録装置300は、心拍・呼吸計測装置100に直接接続するようにしたが、例えば心拍・呼吸計測装置100が無線伝送部を備えて、その無線伝送部から無線伝送された呼吸数や心拍数の情報を、外部の装置が表示又は記録するようにしてもよい。
図2は、ドップラーレーダー10の構成例を示す。
ドップラーレーダー10は、発振器11を備える。発振器11は、例えば24GHzの信号を発振する。この発振器11が出力する発振信号は、分波器12を介して送信アンテナ13に供給され、被験者に対して送信信号Txが送信される。そして、被験者の体表面で反射した反射波としての受信信号Rxが受信アンテナ14によって受信される。
なお、ドップラーレーダー10として24GHz帯を使用するのは一例であり、その他の周波数帯の信号を送信するドップラーレーダーとしてもよい。例えば、10GHz帯を使用したドップラーレーダーとすることもできる。
図3は、心拍・呼吸計測装置のI信号を処理する第1フィルタ(バンドパスフィルタ)102I及び第2フィルタ(バンドパスフィルタ)103Iの構成を示す回路図である。Q信号を処理する第1フィルタ102Q及び第2フィルタ103Qについても、図3に示す第1フィルタ102I及び第2フィルタ103Iと同じ構成である。
また、演算増幅器121の+側入力端と出力端との間に、抵抗器R4が接続され、演算増幅器121の+側入力端と接地電位部との間に、抵抗器R3が接続されている。演算増幅器121の出力端に得られる信号は、端子102bから第1フィルタ102Iの出力信号として取り出されると共に、第2フィルタ103Iに供給される。
また、演算増幅器122の+側入力端と出力端との間に、抵抗器R8が接続され、演算増幅器122の+側入力端と接地電位部との間に、抵抗器R7が接続される。そして、演算増幅器122の出力端に得られる信号が、端子103aから第2フィルタ103Iの出力信号として取り出される。
ここでは、バンドパスフィルタである第1フィルタ102Iは、通過帯域Faの下限周波数fL1を0.159Hzとし、通過帯域の上限周波数fH1を3.18Hzとしている。第1フィルタ102Iの下限周波数fL1は、コンデンサC1と抵抗器R1との定数により決まり、上限周波数fH1は、コンデンサC3と抵抗器R2との定数により決まる。
図4に示す特性Fcは、2つのフィルタ102I及び103Iを通過した総合特性である。この2つのフィルタ102I及び103Iを通過した信号として、呼吸信号VRRI,VRRQを得る。なお、図4に示す帯域Drは、呼吸成分が含まれる帯域であり、帯域Dhは、心拍成分が含まれる帯域である。
図5は、第1フィルタ102Iの出力信号VIと、呼吸信号VRRIの例を示す。図5の横軸は時間(秒)、縦軸は電圧(V)を示す。
図5に示すように、第1フィルタ102Iの出力信号VIには、呼吸成分と心拍成分とが含まれている。そして、第2フィルタ103Iを通過した呼吸信号VRRIには、心拍成分が除去され、呼吸に連動した振幅の変動が明確に現れるようになる。
本例の心拍・呼吸計測装置のデータ処理部113は、呼吸信号VRRIの電圧波形の谷(図6で最もレベルが低い位置)となるタイミングta,tb,tc,td,・・・を検出し、その検出した谷で区切られる区間を1呼吸として判定する。具体的には、データ処理部113は、例えばタイミングtaとタイミングtbとの間を1呼吸、タイミングtbとタイミングtcとの間が次の1呼吸、というように1つ1つの呼吸期間を順に判定する。
図7に示すように、第1フィルタ102Iの出力信号VIは、被験者の呼吸の周期に連動して電圧が上下するが、微少に電圧が上下する心拍成分についても含まれている。すなわち、1呼吸期間内に、心拍に連動して電圧が上下して、その上下する成分の最も高い位置であるピークt1,t2,t3,・・・が現れている。
そして、図8に示すように、減算器105Iで得られる心拍信号VHRIは、呼吸に対応した周波数成分が除去されて、心拍のピークt1,t2,t3,・・・が明確化した信号になっている。データ処理部113は、このピークt1,t2,t3,・・・から心拍を判定する処理を行う。すなわち、データ処理部113は、心拍信号VHRIから検出したピークt1,t2,t3,・・・を、心拍のタイミングとする処理を行う。
図9は、データ処理部113が行う呼吸及び心拍の判定処理例を示すフローチャートである。ここでは、I信号から得た呼吸信号VRRIと心拍信号VHRIを使って、呼吸及び心拍を判定するものとする。
まず、データ処理部113は、呼吸信号VRRIと心拍信号VHRIを取得し、呼吸信号VRRIのピーク検出(図8に示すt1,t2,t3,・・・の検出)に基づいて心拍を検出すると共に、呼吸信号VRRIの谷から呼吸を検出する処理を行う(ステップS11)。
そして、データ処理部113は、1呼吸期間分の呼吸信号VRRIが入力されたか否かを判断する(ステップS12)。すなわち、データ処理部113は、例えば図6に示す例の場合には、2つの谷ta,tbの検出により、1呼吸期間分の呼吸信号VRRIが入力されたと判断する。ステップS12の判断で、1呼吸期間分の呼吸信号VRRIが入力されていないと判断すると(ステップS12のNO)、データ処理部113は、ステップS11の検出処理に戻る。
すなわち、データ処理部113は、吸気期間内に検出した1心拍の平均の長さと、呼気期間に検出した1心拍の平均の長さを算出して、それぞれの平均の長さを比較し、吸気期間の1心拍の平均の長さと、呼気期間の1心拍の平均の長さとの比率を判断する。
心拍数の計測データは、例えば1分間の心拍数に換算して、表示装置200に表示されると共に、記録装置300に記録される。
図10Bに示す例では、データ処理部113は、例えばタイミングt1,t2,t3に検出した心拍が、吸気期間に検出した心拍であると判定する。また、タイミングt4,t5,t6,t7,t8に検出した心拍が、呼気期間に検出した心拍であると判定する。そして、この判定に基づいて、データ処理部113は、ステップS14〜S16の処理を実行する。
また、心拍信号VHRI,VHRQについては、心拍に基づいた電圧の変動が比較的小さいため、I信号から得た心拍信号VHRIとQ信号から得た心拍信号VHRQのいずれからもデータ処理部113で心拍を検出できない期間が一時的に生じる可能性もある。このような場合には、その検出できない期間の前後の検出状態から補間などを行って、適正な心拍数を得る処理を行う。この補間を行う際には、データ処理部113は、該当する一時的に心拍を検出できない期間が、吸気期間であるのか、呼気期間であるのかを判別して、それぞれの期間に適した補間処理を行うことで、より適切な心拍数の判定ができるようになる。
しかも、本例の場合には、心拍と呼吸を同時に計測できるため、呼吸性不整脈と称される現象、つまり息を吸い込むときに心拍が早くなり、息を吐き出すときに心拍が遅くなる現象を確かめて、その呼吸性不整脈の現象が現れているとき、呼吸数と心拍数が正しく計測できていると扱うようにしたことで、正確な計測データが得られる効果を有する。
図11は、心拍・呼吸計測システムの他の実施の形態例を示す。
この図11に示す例は、心拍・呼吸計測装置100が備える第2フィルタ103I′,103Q′として、バンドパスフィルタの代わりに、ローパスフィルタを使用したものである。
すなわち、図11に示すように、I信号の処理系として、第1フィルタ102Iの出力信号VIを、ローパスフィルタである第2フィルタ103I′に供給し、第2フィルタ103I′で心拍成分が含まれる高域を除去し、呼吸成分が含まれる低域を通過させ、呼吸信号VRRIを得る。そして、第2フィルタ103I′で得た呼吸信号VRRIをアナログ/デジタル変換器111Iに供給して、デジタルデータに変換し、変換されたデジタルデータをデータ処理部113に供給する。また、第2フィルタ103I′で得た呼吸信号VRRIを、位相補正器104Iを介して減算器105Iに供給する。そして、出力信号VIから呼吸信号VRRIを減算することにより、心拍信号VHRIを得、心拍信号VHRIをアナログ/デジタル変換器112Iに供給して、デジタルデータに変換し、変換されたデジタルデータをデータ処理部113に供給する。
なお、図1の例の場合には、位相補正器104I,104Qが、第2フィルタ(バンドパスフィルタ)103I,103Qによる位相遅れを補正するのに対して、図11の例の場合、位相補正器104I,104Qは、第2フィルタ(ローパスフィルタ)103I′,103Q′での位相遅れを補正する。
ここでは、第1フィルタ102Iは、通過帯域Faの下限周波数fL1を0.159Hzとし、通過帯域の上限周波数fH1を3.18Hzとする。この第1フィルタ102Iの特性は、図4に示す特性と同じである。
また、第2フィルタ103I′は、通過帯域Fb′の上限周波数(カットオフ周波数)fH2を0.221Hzとし、それより下の周波数を通過させる。
図12に示す特性Fc′は、第1フィルタ102I及び第2フィルタ103I′を通過した総合特性である。この第1フィルタ102I及び第2フィルタ103I′を通過した信号として、呼吸信号VRRI,VRRQを得る。
なお、上述した実施の形態では、ドップラーレーダー10として、24GHzの周波数信号を送信するものとした。この送信周波数は一例であり、例えば10GHzなどのその他の周波数信号を送信するドップラーレーダーを使用してもよい。
また、図3に示した各フィルタの具体的な回路についても好適な一例を示したものであり、その他の回路構成のフィルタとしてもよい。
また、上述した実施の形態では、心拍や呼吸の解析結果として、1分間の心拍数や呼吸数を得るようにしたが、1分間の心拍数や呼吸数を得るのは一例であり、その他の形態で心拍や呼吸の解析結果を得て、それらの解析結果の表示や記録を行うようにしてもよい。
Claims (5)
- 被験者に照射した電波の反射波を受信するドップラーレーダーと、
前記ドップラーレーダーの受信信号から、心拍成分が含まれる周波数帯域と呼吸成分が含まれる周波数帯域を抽出する第1フィルタと、
前記第1フィルタで抽出された心拍成分及び呼吸成分から、呼吸成分が含まれる周波数帯域を抽出し、心拍成分が含まれる周波数帯域を除去する第2フィルタと、
前記第1フィルタで抽出された心拍成分及び呼吸成分から、前記第2フィルタで抽出された周波数成分を減算して、心拍成分を抽出する減算器と、
前記第2フィルタで抽出された呼吸成分が含まれる信号をデジタル変換すると共に、前記減算器で抽出された心拍成分が含まれる信号をデジタル変換するデジタル変換器と、
前記デジタル変換器により変換された信号を解析して、前記被験者の心拍及び呼吸の計測結果を得るデータ処理部と、を備える
心拍・呼吸計測システム。 - 前記データ処理部は、呼吸に対応して変動する電圧波形の谷を検出して1呼吸期間を検出し、さらに1呼吸期間の吸気期間と呼気期間を検出し、
前記吸気期間に検出された1心拍の平均期間と、前記呼気期間に検出された1心拍の平均期間とを比較して、前記吸気期間に検出された1心拍の平均期間が、前記呼気期間に検出された1心拍の平均期間よりも短いとき、該当する1呼吸期間に検出された心拍が、適正な計測結果と判断する
請求項1に記載の心拍・呼吸計測システム。 - 前記第1フィルタは、心拍成分と呼吸成分が含まれる周波数帯域よりも低域と高域を除去するバンドパスフィルタであり、
前記第2フィルタは、呼吸成分が含まれる周波数帯域よりも高域を除去するローパスフィルタ、又は呼吸成分が含まれる周波数帯域よりも低域と高域を除去するバンドパスフィルタである
請求項1に記載の心拍・呼吸計測システム。 - 前記第1フィルタは、約0.1Hzから約3.1Hzの帯域を抽出するフィルタであり、
前記第2フィルタは、約0.4Hzよりも下の帯域を通過させるフィルタである
請求項3に記載の心拍・呼吸計測システム。 - 被験者に照射した電波の反射波をドップラーレーダーで得、得られた受信信号から、心拍成分が含まれる周波数帯域と呼吸成分が含まれる周波数帯域とを抽出する第1のフィルタ処理と、
前記第1のフィルタ処理で抽出された心拍成分及び呼吸成分から、呼吸成分が含まれる周波数帯域を抽出し、心拍成分が含まれる周波数帯域を除去する第2のフィルタ処理と、
前記第1のフィルタ処理で抽出された心拍成分及び呼吸成分から、前記第2のフィルタ処理で抽出された周波数成分を減算して、心拍成分を抽出する減算処理と、
前記第2のフィルタ処理で抽出された信号をデジタル変換すると共に、前記減算処理で抽出された信号をデジタル変換するデジタル変換処理と、
前記デジタル変換処理により変換された信号を解析して、前記被験者の心拍及び呼吸の計測結果を得るデータ処理と、を含む
心拍・呼吸計測方法。
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