JP2019084069A - 信号検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】 観測信号に強い雑音が混入した場合でも検出対象信号を適切に検出することができる信号検出システムを提供する。【解決手段】 入力信号Ｎ１，Ｎ２が入力される圧電センサ１０，２０の出力は、入力信号Ｎ３が入力される圧電センサ３０の出力とともに、雑音除去部１２，２２にそれぞれ入力されている。雑音除去部１２，２２の出力は信号分離部４０に入力されており、信号分離部４０から分離信号Ｔ１，Ｔ２である脈波及び非定常雑音が出力される。これらのうち、雑音除去部１２，２２としてはＡＮＣの手法を用い、圧電センサ３０で検出された入力信号Ｎ３である雑音信号を用いて定常雑音と同振幅逆位相の信号を生成し、これを圧電センサ１０，２０の出力信号に干渉させることで、定常雑音が除去される。次に、信号分離部４０としてはＢＳＳの手法を用い、体動などの非定常雑音の統計的な特徴に基づいた信号源分離処理が行われる。【選択図】図３

Description

本発明は、多様な背景雑音が存在する環境において得た観測信号から検出したい検出対象信号を分離する信号検出システムに関するものであり、特に、圧電素子を利用して検出した生体情報の一つである脈波信号の検出に好適な信号検出システムに関するものである。

脈波に関する背景技術としては、例えば、下記特許文献１記載の「動脈硬化評価装置」がある。これは、入射波と反射波とを正確に分離して、個体差による動脈硬化度を精度よく評価できるようにしたもので、被験者の頸部において、圧電トランスデューサで動脈を伝わる脈波を変位信号として検出するとともに、超音波診断装置のプローブで動脈の血流速度を測定する。そして超音波診断装置のプローブで得られた血流速度を変位信号に変換して入射波を得た後、圧電トランスデューサによって検出された変位信号から入射波を差し引いて反射波を得、更に、入射波と反射波の振幅強度から生体の血管機能を評価するようにしたものである。また、下記特許文献２には、指先に巻き付けて使用し、指先の動脈血管壁からの振動を脈波として捉えるようにした「振動波形センサ及び波形解析装置」が示されている。

国際公開第２０１０／０２４４１７号パンフレット 国際公開第２０１６／１６７２０２号パンフレット

上述した圧電体を利用した振動波形センサは、人体に直接取り付けなくてもよく、例えば自動車のシートに組み込んで太腿の脈波を測定すれば、運転者の着座の有無や健康状態を検出することができ、極めて有益である。しかしながら、自動車のシートに圧電センサを組み込んだ場合、空調音，エンジン音，ロードノイズ（走行音）など、各種の雑音があることから、これらを除去ないし分離して脈波信号を良好に検出する必要がある。

信号分離に関する技術としては、源信号の既知の統計的な特徴に基づいて分離するブラインド信号分離の手法が知られている。例えば、ＩＣＡ（Independent Component Analysis）では、それぞれ独立な現信号が時空間的に混合されたと仮定して、観測信号の統計的独立性を確立するようにパラメーターを調整することで信号分離を達成している。統計的独立性の基準となる尺度としては、ＫＬダイバージェンス（Kullback Leibler Divergence）が広く用いられている。

一方、空調音，エンジン音，ロードノイズなどの雑音を抑圧する手法として、ＡＮＣ（Active Noise Control）が知られている。ＡＮＣは、所望の信号以外の雑音源の信号のみを取得するセンサを用いて、このセンサから得た信号を用いて、雑音を抑圧したい地点に対して騒音と同振幅逆位相の信号を生成してこれを干渉させることで、特定の地点での騒音を除去する手法である。

しかしながら、信号分離を行う際に、観測信号を取得するセンサに強い雑音が混入してしまうと、分離の根拠となる源信号での統計的性質が成立しなくなってしまう場合がある。また、観測信号を取得するセンサのＳＮＲ（Signal to Noize Ratio）が低い環境下では、適切に信号分離が実行できない場合がある。

本発明は、かかる点に着目したもので、その目的は、観測信号に強い雑音が混入した場合でも検出対象信号を適切に検出することができる信号検出システムを提供することである。他の目的は、自動車の運転者の脈波の検出などを良好に行って、事故の防止などに役立てることである。

本発明は、検出対象信号に定常雑音や非定常雑音が含まれている観測信号を取得する複数の観測信号取得手段と、前記定常雑音を取得する雑音取得手段と、前記観測信号取得手段で得た観測信号から、前記雑音取得手段で得た定常雑音を除去する雑音除去手段と、を備えたことを特徴とする。

他の発明は、検出対象信号に定常雑音や非定常雑音が含まれている観測信号を取得する複数の観測信号取得手段と、前記定常雑音を取得する雑音取得手段と、前記観測信号取得手段で得た観測信号から、前記雑音取得手段で得た定常雑音を除去する雑音除去手段と、この雑音除去手段による雑音除去後の信号から前記検出対象信号を分離する信号分離手段と、を備えたことを特徴とする。

更に他の発明は、検出対象信号に定常雑音や非定常雑音が含まれている観測信号を取得する複数の観測信号取得手段と、この観測信号取得手段で得た観測信号から前記非定常雑音を分離する信号分離手段と、前記定常雑音を取得する雑音取得手段と、前記信号分離手段で分離して得た信号から、前記雑音取得手段で得た定常雑音を除去する雑音除去手段と、を備えたことを特徴とする。あるいは、検出対象信号に非定常雑音が含まれている観測信号を取得する複数の観測信号取得手段と、この観測信号取得手段で得た観測信号から前記非定常雑音を分離する信号分離手段と、を備えたことを特徴とする。

主要な形態の一つによれば、前記検出対象信号が含まれている周波数帯域の信号を取り出すＭＢＰＦ手段を含むことを特徴とする。他の形態によれば、前記検出対象信号が、乗り物を運転する運転者を含む人の脈波であることを特徴とする。更に他の形態によれば、前記雑音除去手段がＡＮＣの手法で雑音を除去し、前記信号分離手段がＢＳＳの手法で信号を分離することを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、検出対象信号に定常雑音や非定常雑音が含まれている観測信号を複数取得するとともに、定常雑音を別途取得し、前記観測信号から前記定常雑音を除去して前記検出対象信号を分離することとしたので、観測信号に強い雑音が混入した場合でも検出対象信号を適切に分離することができ、自動車の運転者の脈波の検出などを良好に行うことができる。

本発明の一実施例の基本的な構成を示す図である。 本発明を自動車の運転者の脈波信号検出に適用する場合の様子を示す図である。 前記図２に本発明を適用した場合のシステム構成を示す図である。 本発明の他の実施例の構成を示す図である。 本発明の他の実施例の構成を示す図である。 前記実施例による雑音除去及び信号源分離の一例を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１〜図３，図６を参照しながら、本発明の実施例１について説明する。図１には、本実施例における信号検出システムの基本構成が示されている。同図において、信号の発信元から出力された源信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３は、多様な伝達経路を通じて、センサＳ１，Ｓ２にそれぞれ入力する。このときの源信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３がセンサＳ１，Ｓ２に到達する伝達経路の伝達特性を、重み付け要素Ｈ11〜Ｈ22，Ｚ11，Ｚ21で示している。一方、源信号Ｇ３は、センサＳ３にも入力する。

すなわち、重み付け要素Ｈ11で伝達した源信号Ｇ１と、重み付け要素Ｈ12で伝達した源信号Ｇ２と、重み付け要素Ｚ11で伝達した源信号Ｇ３とが加算されて、センサＳ１の入力信号Ｎ１となる。また、重み付け要素Ｈ21で伝達した源信号Ｇ１と、重み付け要素Ｈ22で伝達した源信号Ｇ２と、重み付け要素Ｚ21で伝達した源信号Ｇ３とが加算されて、センサＳ２の入力信号Ｎ２となる。一方、源信号Ｇ３は、センサＳ３の入力信号Ｎ３となる。センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３では、入力信号Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３が電気的信号に変換されて出力される。

センサＳ３の出力は信号処理部ＳＰに入力される。信号処理部ＳＰでは、入力信号に対して定常雑音を除去する処理が行われる。そして、信号処理部ＳＰの出力は、重み付け要素Ｆ11，Ｆ21で伝達し、上述したセンサＳ１，Ｓ２の出力とそれぞれ加算されて、ＢＳＳ入力部１，２の入力となる。

ＢＳＳ入力部１，２の入力に対しては、重み付け要素Ｗ11〜Ｗ22で表されるブラインド信号源分離が行われ、出力部１，２から、分離信号Ｔ１，Ｔ２が得られる。すなわち、重み付け要素Ｗ11で伝達したＢＳＳ入力１と、重み付け要素Ｗ21で伝達したＢＳＳ入力２とが加算されて、出力部１の分離信号Ｔ１となる。また、重み付け要素Ｗ12で伝達したＢＳＳ入力１と、重み付け要素Ｗ22で伝達したＢＳＳ入力２とが加算されて、出力部２の分離信号Ｔ２となる。

以上のうち、本実施例では、前記源信号Ｇ１として脈波を想定し、前記源信号Ｇ２として非定常雑音（走行や運転に伴う体動）を想定している。一方、源信号Ｇ３としては、主として定常雑音を想定しており、ロードノイズ，エンジン音，エンジンの振動，その他の雑音が該当する。色々な雑音の混合になるので、いずれから由来する雑音なのかは一概に決まらない。

センサＳ１，Ｓ２には、源信号Ｇ１の脈波と、源信号Ｇ２の非定常雑音が混合された信号とともに、源信号Ｇ３である定常雑音が混入している。しかし、センサＳ３をセンサＳ１，Ｓ２から隔離するようにすると、センサＳ３は源信号Ｇ３である定常雑音のみを取得し、他の源信号Ｇ１，Ｇ２は取得しない。従って、センサＳ３を利用すれば、センサＳ１，Ｓ２に混入した源信号Ｇ３の定常雑音を除去することが可能となる。

例えば、図２に示すように、運転中の運転者の脈波を検出するような場合を想定する。自動車ＣＡの運転席シートＳＨに、センサＳ１，Ｓ２を設置し、運転者の脈波を検出する場合、脈波信号は、矢印ＦＡ，ＦＢで示すように、運転者の体内やシートＳＨを伝わって、センサＳ１，Ｓ２に到達する。一方、センサＳ１，Ｓ２には、運転者の体の動きによって生ずる体動信号，エンジンＥＧからの雑音，タイヤＴＹＦ，ＴＹＢからのロードノイズ，エアコンからの空調音，その他の各種の定常雑音・非定常雑音も、矢印ＦＣ，ＦＤ，ＦＥ，ＦＦで代表して示すように、運転者の体内やシートＳＨを伝わって到達する。

これに対し、センサＳ３は、運転者の脈波や体動などの信号を除く定常雑音を検出する。例えば、エンジンＥＧからの雑音，タイヤＴＹＦ，ＴＹＢからのロードノイズ，エアコンからの空調音，その他の各種の定常雑音が、矢印ＦＧ，ＦＨで代表して示すように、センサＳ３に到達する。

このような例のうち、運転者の脈波が図１の源信号Ｇ１に対応し、運転者の体動は非定常雑音として源信号Ｇ２に対応する。エンジンＥＧの振動やタイヤＴＹＦ，ＴＹＢからのロードノイズは、定常雑音として雑音源Ｇ３に対応する。また、矢印ＦＡ，ＦＣ，ＦＥで示す伝達経路の特性が、図１の重み付け要素Ｈ11，Ｈ12，Ｚ11に対応し、矢印ＦＢ，ＦＤ，ＦＦで示す伝達経路の特性が、重み付け要素Ｈ21，Ｈ22，Ｚ21に対応する。このような図２の例に、図１の手法を適用することで、分離信号Ｔ１として脈波信号が得られ、分離信号Ｔ２として体動信号が得られる。

以上のような図１の手法を信号処理システムとして示すと、図３(A)に示すような構成となる。同図に示すように、入力信号Ｎ１，Ｎ２が入力される圧電センサ１０，２０の出力は、入力信号Ｎ３が入力される圧電センサ３０の出力とともに、雑音除去部１２，２２にそれぞれ入力されている。雑音除去部１２，２２の出力は信号分離部４０に入力されており、信号分離部４０から分離信号Ｔ１，Ｔ２である脈波及び非定常雑音が出力されるようになっている。なお、圧電センサ１０，２０，３０としては、上述した特許文献２に記載の振動波形センサが好適な例の一つである。

これらのうち、雑音除去部１２，２２としては、例えばＡＮＣの手法を用いる。すなわち、圧電センサ３０で検出された入力信号Ｎ３である雑音信号を用いて定常雑音と同振幅逆位相の信号を生成し、これを圧電センサ１０，２０の出力信号に干渉させることで、定常雑音が除去される。次に、信号分離部４０としては、ＢＳＳの手法を用いる。すなわち、脈波と、体動などの非定常雑音の統計的な特徴に基づいた信号源分離処理が行われる。なお、図３(B)に示すように、雑音除去部１２，２２による処理と、信号分離部４０の処理の順序を逆に行うようにしてもよい。

図６には、本実施例による雑音除去及び信号源分離の実験例（シミュレーション例）が示されている。同図の横軸は時間，縦軸は信号利得である。グラフＧＡ〜ＧＥは、次のとおりである。
ＧＡ：観測信号から定常雑音を除去し非定常雑音を分離した脈波信号
ＧＢ：観測信号から定常雑音を除去した信号
ＧＣ：ロードノイズなどの定常雑音
ＧＤ：当初の観測信号
ＧＥ：指先で計測した脈波信号

これらのグラフを比較すれば明らかなように、観測信号から定常雑音を除去し非定常雑音を分離した脈波信号ＧＡは、指先で計測した脈波信号ＧＥに匹敵する良好な信号波形となっている。

以上のように、本実施例によれば、次のような効果が得られる。
ａ，検出信号に各種の定常・非定常の雑音が混入している場合であっても、別途定常雑音を検出してＡＮＣの手法で除去するとともに、ＢＳＳの手法で信号分離を行うこととしたので、検出すべき本来の信号を良好に分離・抽出することができる。
ｂ，自動車の運転者の脈波を良好に検出することができるので、運転中の運転者の健康状態を的確に把握することができる。

次に、図４〜図５を参照しながら、本発明の他の実施例について説明する。まず、図４(A)に示す例は、上述した実施例１の圧電センサ３０と雑音除去部１２，２２を省略した例であり、圧電センサ１０，２０の出力に対して信号分離部４０を適用した例である。上述した実施例１と比較して、圧電センサ３０を利用した雑音除去の処理が行われないが、例えば定常雑音成分が少ないときは、この手法でも脈波と体動などの非定常雑音の信号分離を行うことができる。

同図(B)に示す例は、上述した実施例１の信号分離部４０を省略した例で、雑音除去部１２，２２の出力がそれぞれ脈波，非定常雑音となる。非定常雑音成分が少ないときは、この手法でも脈波を検出することができる。

同図(C)に示す例は、上述した実施例１の雑音除去部１２，２２の代わりに、ＭＢＰＦ（マルチバンドパスフィルタ）１４，２４を使用する例である。ＭＢＰＦ１４，２４によって脈波信号が含まれている周波数帯域の信号を取り出すことで、良好に脈波信号を得ることができる。なお、ＭＢＰＦ１４，２４も、結果的に雑音除去を行っていると考えることができる。

図５は、図３(A)の例に、ＭＢＰＦ１４，２４を追加した例である。図５(A)は、ＭＢＰＦ１４，２４を雑音除去部１２，２２と信号分離部４０の間にそれぞれ接続した例であり、図５(B)は、ＭＢＰＦ１４，２４を、圧電センサ１０，２０と雑音除去部１２，２２の間にそれぞれ接続した例である。なお、図３(B)に示した雑音除去部１２，２２による処理と信号分離部４０の処理の順序を逆に行う場合にも、同様に適用可能である。これらの例のように、ＭＢＰＦ１４，２４を適用することで、より良好な信号分離を行って、脈波を検出することができる。なお、ＭＢＰＦ１４，２４も、脈波信号が含まれている周波数帯域を取り出すことから、雑音除去処理を行っていると考えることができる。すなわち、図５の例では、雑音除去部１２，２２による雑音除去と、ＭＢＰＦ１４，２４による雑音除去とが行われると考えることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例では、自動車を運転する運転者の脈波を検出する場合を好適な例としたが、運転者の脈波に限定されるものではなく、脈波以外の信号に対しても適用可能である。また、自動車以外の乗り物，例えば鉄道車両，船舶，航空機などの運転者に対しても同様に適用可能である。動物の脈波に対して適用してもよい。
(2)雑音除去部による雑音除去の手法としては、上述したＡＮＣに限定されるものではなく、各種の公知の手法を適用してよい。

本発明によれば、検出対象信号に定常雑音や非定常雑音が含まれている観測信号を複数取得するとともに、定常雑音を別途取得し、前記観測信号から前記定常雑音を除去して前記検出対象信号を分離することとしたので、観測信号に強い雑音が混入した場合でも検出対象信号を適切に分離することができ、自動車の運転者の脈波の検出などを良好に行うことができる。従って、運転者の健康状態を的確に把握して、事故の防止などに役立てることができる。

１０，２０，３０：圧電センサ
１２，２２：雑音除去部
１４，２４：ＭＢＰＦ
４０：信号分離部
ＣＡ：自動車
ＥＧ：エンジン
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３：源信号
Ｈ11〜Ｈ22，Ｚ11〜Ｚ21，Ｆ11〜Ｆ21，Ｗ11〜Ｗ22：重み付け要素
Ｎ１，Ｎ２：入力信号
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３：センサ
ＳＨ：シート
Ｔ１，Ｔ２：分離信号
ＴＹＦ，ＴＹＢ：タイヤ

Claims (7)

1. 検出対象信号に定常雑音や非定常雑音が含まれている観測信号を取得する複数の観測信号取得手段と、
   前記定常雑音を取得する雑音取得手段と、
   前記観測信号取得手段で得た観測信号から、前記雑音取得手段で得た定常雑音を除去する雑音除去手段と、
   を備えたことを特徴とする信号検出システム。
2. 検出対象信号に定常雑音や非定常雑音が含まれている観測信号を取得する複数の観測信号取得手段と、
   前記定常雑音を取得する雑音取得手段と、
   前記観測信号取得手段で得た観測信号から、前記雑音取得手段で得た定常雑音を除去する雑音除去手段と、
   この雑音除去手段による雑音除去後の信号から前記検出対象信号を分離する信号分離手段と、
   を備えたことを特徴とする信号検出システム。
3. 検出対象信号に定常雑音や非定常雑音が含まれている観測信号を取得する複数の観測信号取得手段と、
   この観測信号取得手段で得た観測信号から前記非定常雑音を分離する信号分離手段と、
   前記定常雑音を取得する雑音取得手段と、
   前記信号分離手段で分離して得た信号から、前記雑音取得手段で得た定常雑音を除去する雑音除去手段と、
   を備えたことを特徴とする信号検出システム。
4. 検出対象信号に非定常雑音が含まれている観測信号を取得する複数の観測信号取得手段と、
   この観測信号取得手段で得た観測信号から前記非定常雑音を分離する信号分離手段と、
   を備えたことを特徴とする信号検出システム。
5. 前記検出対象信号が含まれている周波数帯域の信号を取り出すＭＢＰＦ手段を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の信号検出システム。
6. 前記検出対象信号が、乗り物を運転する運転者を含む人の脈波であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の信号検出システム。
7. 前記雑音除去手段がＡＮＣの手法で雑音を除去し、前記信号分離手段がＢＳＳの手法で信号を分離することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の信号検出システム。