JP2020062291A - Biological information detection device and biological information detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体情報検出装置及び生体情報検出方法に関する。 The present invention relates to a biological information detection device and a biological information detection method.
病院、介護施設、家庭等での患者、家族等の世話をする上で、それらの人の見守りは重要な位置を占める。適切に見守りをすることで、患者等の容態、状況に異変があれば適時に対応をとることができ、また患者等が、転倒等の不慮の事故に遭うのを防ぐことができる。 When taking care of patients, families, etc. in hospitals, nursing homes, homes, etc., watching over those persons occupies an important position. By appropriately watching, it is possible to take timely measures if there is a change in the condition or situation of the patient, etc., and it is possible to prevent the patient, etc. from encountering an accident such as a fall.
しかし、一方で、特に病院、介護施設のように見守り対象の人が多い場合、看護師、介護士、家族等の関係者が個々の見守り対象者のベッド、居室等を巡回しつつ、継続して各見守り対象者の状況を把握することは、担当する関係者に緊張を伴う労働を要求する。少子高齢化が急速に進行しつつあるわが国では、このような労働環境で必要な労働力を確保することも難しいという問題もある。 However, on the other hand, especially when there are many people to be watched over, such as hospitals and nursing homes, it is necessary for people such as nurses, caregivers, and family members to continue while patroling the beds, living rooms, etc. In order to grasp the situation of each person to be watched, it is necessary for the person in charge to work with tension. In Japan, where the birthrate is declining and the population is aging rapidly, it is difficult to secure the necessary labor force in such a working environment.
そこで、このような見守りに関する省力化を実現すべく、種々の技術的提案がされている。例えば、特許文献1には、マイクロ波ドップラーレーダーを用いて、体動、呼吸、脈波を検出する検出部を備えた睡眠段階判定装置等が記載されている。また、特許文献2には、被検者にマイクロ波を照射し前記被検者から反射される反射波に基づき前記被検者の呼吸状態を判定する呼吸判定装置が記載されている。
Therefore, various technical proposals have been made in order to realize such labor saving in watching. For example,
特許文献1,2は、いずれも対象に向けてマイクロ波を照射して、その反射波を計測することによって、対象の呼吸の状態等の生体情報、あるいは対象の動きなどを非接触で検出する構成を採用している。これにより、見守り対象の世話をする看護師等は、各見守り対象のベッド等を巡回して目視でその状態を確認する必要がなくなると考えられる。
In each of
しかし、マイクロ波照射の反射波を利用する構成では、反射波を適切に受信するために、見守り対象の比較的狭い領域に、マイクロ波をスポット的に照射する必要があるため、見守り対象が姿勢を変えたり移動したりする場合に適切に反射波を受信するのが困難なことがある。また、一般に用いられる、10GHzオーダーのマイクロ波送信機は、安定動作のために回路設計、使用部品に高い精度が求められるため、製品コストを抑えることが難しいという問題もあった。 However, in the configuration that uses the reflected wave of the microwave irradiation, in order to properly receive the reflected wave, it is necessary to irradiate the microwave in a spot on a relatively narrow area of the watching target, so It may be difficult to properly receive the reflected wave when changing or moving. In addition, generally used microwave transmitters on the order of 10 GHz require a high precision in circuit design and parts used for stable operation, and thus it is difficult to suppress product cost.
本発明は、上記の及び他の課題を解決するためになされたもので、簡易な構成により見守り対象の生体情報、姿勢変化、動き等を幅広く検出することができる生体情報検出装置及び生体情報検出方法の提供を一つの目的としている。 The present invention has been made to solve the above problems and other problems, and has a simple configuration that can detect a wide range of biometric information, posture changes, movements, etc. of a watching target and a biometric information detection. The purpose is to provide a method.
上記の及び他の目的を達成するための、本発明の一態様に係る生体情報検出装置は、所定周波数のマイクロ波を測定対象の近くを通過するように空間に送出するマイクロ波送信部と、前記マイクロ波送信部から送出されて前記測定対象の近くを伝播してきたマイクロ波である通過波を受信するマイクロ波受信部と、受信した前記通過波の信号である通過波受信信号を、前記マイクロ波送信部からのマイクロ波信号を用いて復調する復調部と、前記復調部から出力される復調信号の振幅及び位相を経時的に測定することにより、前記測定対象の状態を監視する解析部とを備える。 In order to achieve the above and other objects, the biological information detection device according to an aspect of the present invention, a microwave transmission unit that sends the microwave of a predetermined frequency to the space so as to pass near the measurement target, A microwave receiving unit that receives a passing wave that is a microwave that has been transmitted from the microwave transmitting unit and has propagated in the vicinity of the measurement target, and a passing wave reception signal that is a signal of the received passing wave, the microwave receiving unit A demodulation unit that demodulates using the microwave signal from the wave transmission unit, and an analysis unit that monitors the state of the measurement target by measuring the amplitude and phase of the demodulation signal output from the demodulation unit over time. Equipped with.
前記解析部は、前記通過波受信信号の振幅及び位相をモニタし、当該振幅の変動が所定範囲を超えない状態が所定時間継続したと判定した場合、測定対象に異常が生じたと判定するものとしてよい。 The analysis unit monitors the amplitude and phase of the passing wave reception signal, and when it is determined that the fluctuation of the amplitude does not exceed a predetermined range for a predetermined time, it is determined that an abnormality has occurred in the measurement target. Good.
前記解析部はさらに、前記通過波受信信号に基づいて測定対象の呼吸状態を解析し、前記所定範囲は、前記振幅が測定対象の呼吸状態に異常がないか判定するための判定基準を与えるとすることができる。 The analysis unit further analyzes the respiratory state of the measurement target based on the passing wave reception signal, and the predetermined range provides a determination criterion for determining whether the amplitude is abnormal in the respiratory state of the measurement target. can do.
また、前記解析部は、前記振幅の変動域が所定閾値を超えているか継続して監視し、前記所定閾値を超えていると判定した場合、前記通過波の伝播行路周辺に前記測定対象が存在しないと判定することができる。 Further, the analysis unit continuously monitors whether the fluctuation range of the amplitude exceeds a predetermined threshold value, and when determining that the fluctuation range exceeds the predetermined threshold value, the measurement target exists around the propagation path of the passing wave. It can be determined not to.
前記の生体情報測定装置に対応する生体情報測定方法も、本願発明の一態様をなす。 A biological information measuring method corresponding to the biological information measuring device also constitutes an aspect of the present invention.
本発明の一態様によれば、簡易な構成により見守り対象の生体情報、姿勢変化、動き等を幅広く検出することができる生体情報検出装置及び生体情報検出方法を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a biometric information detection device and a biometric information detection method that are capable of widely detecting biometric information, posture changes, movements, and the like of a watching target with a simple configuration.
以下、本発明につき、その一実施形態に即して図面を用いて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings in accordance with an embodiment thereof.
呼吸計測システムの構成
まず、本実施形態に係る呼吸計測システムの構成例について説明する。図1に、本実施形態に係る呼吸計測システム1の構成例を、図2に、図1の呼吸計測システム1が備える呼吸計測装置100の構成例を、それぞれ模式的に示している。
Configuration of Respiration Measurement System First, a configuration example of the respiration measurement system according to the present embodiment will be described. FIG. 1 schematically shows a configuration example of the
本実施形態による呼吸計測システム1は、呼吸計測装置100と、これに接続されている送信アンテナTA及び受信アンテナRAとを備えている。呼吸計測装置100は、本システム1の主要な機能を提供する電気・電子回路ユニットであり、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータも備えている。呼吸計測装置100の具体的な構成例については後述する。
The
送信アンテナTAは、呼吸計測装置100において発生される所定周波数、所定出力のマイクロ波を送出するためのアンテナである。送信アンテナTAとしては、単一型、八木型のほか、ホーンアンテナ、パラボラ型アンテナ、平面アンテナ等の、マイクロ波送出に適した形式のアンテナを用いることができる。受信アンテナRAは、送信アンテナTAから送出されたマイクロ波を受信するためのアンテナであり、送信アンテナTAと同様に、マイクロ波受信に適した適宜の形式のアンテナを用いることができる。
The transmission antenna TA is an antenna for transmitting a microwave having a predetermined frequency and a predetermined output, which is generated in the
図1の呼吸計測システム1は、ベッドBに横臥している人Hを見守り対象者として、その状態を継続してモニタするために設けられている。本システム1の一つの特徴は、人Hの状態をモニタするために、マイクロ波の反射波ではなく、送信アンテナTAから送出されて対象物(この場合は人H)の近傍を伝播して受信アンテナRAで受信されるマイクロ波(以下「通過波」という)を用いていることである。図1では、この通過波を模式的に破線矢印で図示し、符号RWを付している。本システム1は、受信アンテナRAで受信される通過波を継続的にモニタして解析することにより、人HがベッドB上にいるかどうか、及び人Hの呼吸の状況についてデータを取得することができる。なお、通過波はベッドB上で横臥している人Hの近くを通過するように送信アンテナTA、受信アンテナRAの位置関係を設定すればよい。この点、人H、送信アンテナTA、受信アンテナRAの位置関係はそれほど厳密さを要求するものではない。また、本システム1は人Hの生体情報として呼吸状況を検出することが可能な構成としているが、後述する、受信した通過波の解析処理を調整することにより、心拍等の他の生体情報を計測するように構成することもできる。また、計測対象は、人Hに限らず、イヌ、ネコ等の他の生物であってもよい。
The
呼吸計測装置の構成
次に、図1の呼吸計測システム1に含まれる呼吸計測装置100について説明する。呼吸計測装置100は、マイクロ波(通過波)の生成、送出、受信、及び受信した通過波の解析の機能を果たす。図2に示すように、呼吸計測装置100は、マイクロ波発振部110、分配器120、送信増幅部130、受信増幅部140、直交復調回路150(復調部)、解析部160、通信部170、及び電源部180を備えている。マイクロ波発振部110、分配器120、及び送信増幅部130はマイクロ波送信部、受信増幅部140はマイクロ波受信部と捉えることができる。
Configuration of Respiration Measurement Device Next, the
マイクロ波発振部110は、所定の周波数のマイクロ波を発生するための発振回路であり、電圧制御発振器(VCO)等の適宜の形式の発振器を含む。本システム1では、周波数が2.4GHzの正弦波形を有するマイクロ波を使用しているが、これより低い周波数(100MHzオーダー)のマイクロ波を使用することもできる。このような比較的低い周波数のマイクロ波を使用することができるのは、反射波を検出する形式の場合ほど高分解能を要求されないためである。比較的低い周波数のマイクロ波を使用することで、発振回路に要求される精度も抑えられ、製造コスト低減が可能となっている。
The
マイクロ波発振部110で生成されたマイクロ波信号(正弦波信号)は、分配器120に入力され、送信増幅部130と直交復調回路150とに分配されて出力される。分配器120としては、使用する周波数に応じた分配特性を有する高周波分配器を使用することができる。直交復調回路150に出力される信号については後述する。
The microwave signal (sine wave signal) generated by the
分配器120からの出力の一方は、送信増幅部130に入力される。送信増幅部130では、分配器120からのマイクロ波信号の電力増幅が行われ、増幅されたマイクロ波信号は、送信アンテナTAから空間に送出される。以上が呼吸計測装置100のマイクロ波送信側の構成である。
One of the outputs from the
一方、空間を伝播したマイクロ波である通過波は、受信アンテナRAによって受信され、受信増幅部140に入力される。通過波の信号は、受信増幅部140で電力増幅され、直交復調回路150に入力される。電力増幅された通過波信号を、通過波受信信号と呼ぶ。直交復調回路150には、前記のように、分配器120の一方の出力信号が入力されている。
On the other hand, the passing wave which is the microwave propagating in the space is received by the reception antenna RA and input to the
直交復調回路150では、通過波受信信号に対して分波器120から入力されるマイクロ波送信信号を乗算して直交復調処理を施し、同相成分であるI信号と直交成分であるQ信号とを抽出する。この直交復調処理には、分配器120からの送信信号そのものが使用されるので、受信信号と送信信号とを精度よく同期させることができ、その結果、I信号、Q信号を正確に得ることができる。なお、直交復調回路150に限らず、通過波受信信号を包絡線検波することによって振幅を取り出すように構成することもできる。
In the
図2の直交復調回路150から出力されたI信号、Q信号は、解析部160に入力され、受信信号の振幅変動が継続的にモニタされる。図3に解析部160の構成例を示している。本実施形態の解析部160は、CPU等のプロセッサ161と、ROM、RAM等の記憶デバイスである主記憶装置162とを有するコンピュータとして構成されている。主記憶装置162には、解析プログラム1621、解析用データ1622が記憶されている。解析プログラム1621は、プロセッサ161によって実行されることにより、解析部160の機能を実現する。解析用データ1622は、解析プログラム1621を実行する際に使用される数値データ等を含む。解析プログラム1621のデータ処理については後述する。
The I signal and the Q signal output from the
補助記憶装置163は、ハードディスクドライブ、半導体ドライブ、メモリカード等の記憶デバイスであり、解析プログラム1621による解析処理実行結果等のデータを記憶するのに用いることができる。入出力部164は、タッチパネル、キーパッド等の入力デバイス、液晶ディスプレイ、プリンタ等の出力デバイス等のデータ入出力デバイスを含む。なお、解析部160の構成は図3の例示に制約されるものではなく、例えばハードウェア論理回路等によって構成してもよい。
The
図3に戻ると、解析部160での解析結果データは、通信部170に入力される。通信部170は、LAN、インターネット等の通信ネットワークとの通信制御を行うインタフェースを備え、例えばネットワークインタフェースカード(NIC)等のハードウェアを含む。通信部170は、携帯端末、サーバコンピュータ等の外部装置とデータ通信を行い、それによって解析結果データ等を外部装置に送出することができる。電源部180は、ACDCコンバータ、トランス等を含む電力変換回路であり、例えば商用交流電源から電力供給を受け、必要な電力変換を行った後、呼吸計測装置100の各部に電力を供給する機能を有する。
Returning to FIG. 3, the analysis result data from the
解析部によるデータ処理
次に、呼吸計測装置100の解析部160が実行するデータ処理について説明する。図4に、解析部160によるデータ処理例を示すフローチャートを示している。解析部160は、直交復調回路150の出力であるI信号とQ信号とを用いて、通過波受信信号の振幅変動を経時的にモニタしている。図5に、通過波受信信号のIQ平面におけるベクトルを模式的に示している。送信アンテナTAから送出されて計測対象である人Hの近くを伝播するマイクロ波(通過波)は、人Hの身体によって一部散乱、偏向等の影響を受け、その振幅、位相が変化する。例えば、図5に模式的に示すように、ベッドB上に人Hがいない場合、IQ平面におけるベクトルはV1であり、その大きさが受信信号強度を代表する。これに対して、ベッドB上に人Hがいる場合、IQ平面におけるベクトルの大きさと向きはV2に変化し、受信信号強度は人Hの影響を受けて減少している。このIQ平面上のベクトルの大きさを、実験等を通じて設定可能な適宜の閾値によって判別することにより、解析部160は、ベッドB上に人Hがいるかどうかを判定することができる。
Data Processing by Analysis Unit Next, data processing executed by the
具体的には、図4において、解析部160は、S400で処理を開始すると、直交復調回路150から入力される通過波受信信号のI信号,Q信号をモニタし(S401)、IQ平面上におけるベクトルの大きさが所定値以上であるかを判定する(S402)。ベクトルの大きさが所定値以上であると判定した場合(S402,Yes)、解析部160は、測定対象である人HはベッドB上にいない(離床状態である)と判定して(S403)、S401のI信号,Q信号モニタステップに戻る。なお、S403において、解析部160は、入出力部164を通じて判定結果を表示したり、通信部170を介して外部装置に判定結果を送出したりするように構成してもよい。なお、S402のステップで使用する判定用閾値は、解析用データ1622として記憶させておけばよい。
Specifically, in FIG. 4, when the processing is started in S400, the
S402でベクトルの大きさが所定値未満であると判定した場合(S402,No)、解析部160は、測定対象である人HはベッドB上にいる(就床状態である)と判定する(S404)。S403と同様に、S404において、解析部160は、入出力部164を通じて判定結果を表示したり、通信部170を介して外部装置に判定結果を送出したりするように構成してもよい。
When it is determined in S402 that the size of the vector is less than the predetermined value (S402, No), the
人HがベッドB上にいると判定した場合は、解析部160はさらにI信号,Q信号に基づいて、ベクトルの大きさの変化を経時的にモニタする(S405)。図6に、人Hが就床状態であると判定した場合におけるベクトルの大きさ(通過波受信信号の振幅)の変化の模様を模式的に示している。人Hが就床状態にあるときは、通過波受信信号の振幅及び位相を代表するベクトルの大きさには、就床時と離床時ほどの大きな差は生じない。その代わり、人Hの呼吸に伴う胸郭の変位を反映してベクトルの大きさの小さな経時変動を検出することができるため、適切に経時変動の判定範囲を設定してやることで、人Hの呼吸の状態を判定することが可能である。図6の模式図では、横軸に時間tを、縦軸に通過波受信信号の振幅A(IQ平面上のベクトルの大きさ)をとり、就床期間における呼吸状態を、振幅Aの経時変化として示している。図6の例では、解析部160は、受信信号の振幅がΔAの範囲を超えて変動している場合に人Hが正常に呼吸をしていると判定し、ΔAの範囲内での小さな変動に留まる期間が時間ΔT継続したと判定した場合に、人Hの呼吸状態に変調が来したと判定する判定ロジックを採用している。もちろん呼吸状態の判定にはこれ以外の方法を適用してもさしつかえない。
When it is determined that the person H is on the bed B, the
図4のフローチャートに戻ると、人Hの就床状態と判定された場合、解析部160はさらに、通過波受信信号の振幅及び位相を代表するベクトルの大きさに所定の経時変化があるかを判定する(S406)。所定の経時変化があると判定した場合(S406,Yes)、解析部160は、人Hの呼吸状態に異常はないと判定して解析処理を終了する(S407,S408)。S407において、解析部160は、入出力部164を通じて判定結果を表示したり、通信部170を介して外部装置に判定結果を送出したりするように構成してもよい。
Returning to the flowchart of FIG. 4, when it is determined that the person H is in bed, the
ベクトルの大きさに所定の経時変化がないと判定した場合(S406,No)、解析部160は、さらにその経時変化がない状態が所定時間継続したかを判定する(S409)。経時変化がない状態が所定時間継続していないと判定した場合(S409,No)、解析部160はS409の判定ステップを繰り返し、経時変化がない状態が所定時間継続したと判定した場合(S409,Yes)、解析部160は、人Hの呼吸状態に異常があると判定し(S410)、その旨を出力して処理を終了する(S411,S408)。
When it is determined that the magnitude of the vector has not changed for a predetermined time (S406, No), the
以上の解析部160のデータ処理により、本システム1を用いて、測定対象である人HがベッドB上にいるかどうか、またベッドB上にいる場合には、その呼吸状態が正常であるかを継続して監視することができる。そして、監視結果は、呼吸計測装置100の入出力部に表示させたり、携帯端末等の外部装置に出力したりすることができる。したがって、入院患者や介護施設入居者等の見守りに本システム1を適用すれば、看護者や介護者は、入院患者等の状態を直接目視で確認する必要なく、離床、就床状態、及び呼吸の状態を継続して監視することができ、労力軽減を図ることができる。
Through the above-described data processing of the
なお、以上の実施形態では、本発明を呼吸計測システムとして実施した場合を例示して本発明を説明した。本発明では、呼吸計測に限らず、心拍、血流、四肢のけいれん等の生体情報、あるいは、見守り対象が就床状態にあるときの姿勢変化といった情報を、見守り対象のもとへ赴くことなく経時的に取得することができる。この際、生体情報や姿勢変化の検出については、あらかじめ通過波が受ける影響が通過波受信信号の振幅変化等としてどのように表れるかを、試験を通じて把握し、その結果を判定アルゴリズムや判定閾値として解析プログラムに組み込むことにより適宜実現することができるものである。 In the above embodiments, the present invention has been described by exemplifying the case where the present invention is implemented as a respiratory measurement system. In the present invention, not only breath measurement, but also biological information such as heartbeat, blood flow, convulsion of the extremities, or information such as posture change when the watching target is in bed, without going to the watching target. It can be acquired over time. At this time, regarding the detection of the biological information and the posture change, how the influence of the passing wave appears as the amplitude change of the passing wave reception signal in advance is understood through a test, and the result is used as a judgment algorithm or a judgment threshold value. It can be appropriately realized by incorporating it into an analysis program.
本発明の技術的範囲は上記の実施形態に限定されることはなく、他の変形例、応用例等も、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内に含まれるものである。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and other modifications, applications, etc. are also included within the scope of the matters described in the claims.
1 呼吸計測システム
100 呼吸計測装置
110 マイクロ波発振部
120 分配器
130 送信増幅部
140 受信増幅部
150 直交復調回路
160 解析部
170 通信部
180 電源部
1621 解析プログラム
TA 送信アンテナ
RA 受信アンテナ
1
Claims (5)
前記マイクロ波送信部から送出されて前記測定対象の近くを伝播してきたマイクロ波である通過波を受信するマイクロ波受信部と、
受信した前記通過波の信号である通過波受信信号を、前記マイクロ波送信部からのマイクロ波信号を用いて復調する復調部と、
前記復調部から出力される復調信号の振幅及び位相を経時的に測定することにより、前記測定対象の状態を監視する解析部と、を備える
生体情報測定装置。 A microwave transmission unit that sends a microwave of a predetermined frequency to the space so as to pass near the measurement target,
A microwave receiving unit that receives a passing wave that is a microwave that has been transmitted from the microwave transmitting unit and has propagated in the vicinity of the measurement target,
A demodulation unit that demodulates a passing wave reception signal that is a signal of the received passing wave using the microwave signal from the microwave transmission unit;
A biological information measuring device, comprising: an analysis unit that monitors the state of the measurement target by measuring the amplitude and phase of the demodulated signal output from the demodulation unit over time.
前記空間に送出され前記測定対象の近くを伝播してきたマイクロ波である通過波を受信し、
受信した前記通過波の信号である通過波受信信号を、空間に送出された前記マイクロ波信号を用いて復調し、
前記復調された信号の振幅及び位相を経時的に測定することにより、測定対象の状態を監視する、
生体情報測定方法。 A microwave of a predetermined frequency is sent to the space so that it passes near the object to be measured,
Receiving a passing wave that is a microwave transmitted to the space and propagating near the measurement target,
A passing wave reception signal which is a signal of the received passing wave is demodulated using the microwave signal sent to space,
By measuring the amplitude and phase of the demodulated signal over time, monitor the state of the measurement target,
Biological information measurement method.
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