JP2022154291A - Cardiac output measuring sensor and control program of cardiac output measuring sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、心拍出量計測センサーおよび心拍出量計測センサーの制御プログラムに関する。 The present invention relates to a cardiac output measuring sensor and a control program for the cardiac output measuring sensor.
心拍出量の検出に関する従来技術には送信アンテナと、受信アンテナと、推定部と、を備えた特許文献1に記載の装置等がある。上記装置において送信アンテナは患者の胸部にマイクロ波等を送信し、受信アンテナは送信アンテナから送信され、生体を透過したマイクロ波等を受信し、推定部は、受信アンテナが受信したマイクロ波の位相または信号強度に基づいて、測定対象者の心拍出量を推定する。
Conventional technologies related to cardiac output detection include a device disclosed in
従来の技術は、心臓の収縮、拡張による、生体を透過したマイクロ波の変化から、心拍出量を推定している。生体を透過したマイクロ波の信号強度は、測定対象者の個体差、たとえば、体型や、体脂肪率の違いなどによって異なる。 Conventional techniques estimate the cardiac output from changes in microwaves that have passed through the body due to contraction and expansion of the heart. The signal intensity of the microwave that has passed through the living body differs depending on the individual difference of the person to be measured, for example, the difference in body type and body fat percentage.
しかしながら、従来の技術は、心拍出量を推定する際に、測定対象者の個体差について考慮されていないため、心拍出量の推定精度が低下することとなっていた。 However, when estimating the cardiac output, the conventional technique does not take into consideration the individual differences of the measurement subjects, resulting in a decrease in the accuracy of estimating the cardiac output.
そこで、本発明は、測定対象者の個体差に応じて心拍出量の推定を行うことのできる、心拍出量計測センサーおよび心拍出量計測センサーの制御プログラムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a cardiac output measuring sensor and a control program for the cardiac output measuring sensor, which can estimate the cardiac output according to the individual differences of the person to be measured. do.
上記目的を達成する本発明は、
電磁波を生体に向けて送信する送信アンテナと、
前記送信アンテナに対して、前記生体の心臓を挟んで対向するように配置された受信アンテナと、
前記受信アンテナが受信した前記電磁波の信号強度の経時的変化を表す波形データを作成する波形データ作成部と、
前記波形データから、心拍出量を推定する心拍出量推定部と、
前記生体に向けて送信された前記電磁波を受信することで得られる信号から前記生体の特徴を表す生体特徴データを抽出する生体特徴データ抽出部と、
前記生体特徴データから前記生体の特徴を生体パターンに分類する分類判定部と、
前記心拍出量推定部による前記心拍出量の推定の算出過程に対して、分類された前記生体パターンに基づき補正を実行する補正実行部と、
を有する、心拍出量計測センサーである。
The present invention for achieving the above object is
a transmitting antenna for transmitting electromagnetic waves toward a living body;
a receiving antenna arranged to face the transmitting antenna with the heart of the living body interposed therebetween;
a waveform data creation unit that creates waveform data representing changes over time in signal strength of the electromagnetic wave received by the receiving antenna;
a cardiac output estimation unit that estimates a cardiac output from the waveform data;
a biometric feature data extracting unit for extracting biometric feature data representing features of the living body from a signal obtained by receiving the electromagnetic waves transmitted toward the living body;
a classification determination unit that classifies the biometric features into biometric patterns from the biometric feature data;
a correction execution unit that executes correction based on the classified biometric pattern in the calculation process of the cardiac output estimation by the cardiac output estimation unit;
A cardiac output measurement sensor comprising:
また、上記目的を達成する本発明は、
電磁波を生体に向けて送信する送信アンテナと、
前記送信アンテナに対して、前記生体の心臓を挟んで対向するように配置された受信アンテナと、を有し、
前記受信アンテナで受信した、前記生体を透過した前記電磁波を用いて、心拍出量を推定する心拍出量計測センサーを制御するコンピューターで実行される制御プログラムであって、
前記受信アンテナが受信した前記電磁波の信号強度の経時的変化を表す波形データを作成する段階(a)と、
前記生体に向けて送信された前記電磁波を受信することで得られる前記信号から前記生体の特徴を表す生体特徴データを抽出する段階(b)と、
前記生体特徴データから前記生体の特徴を生体パターンに分類する段階(c)と、
前記波形データを用いて前記心拍出量を推定する段階であって、前記心拍出量の推定の算出過程に対して、分類された前記生体パターンに基づき補正しつつ、前記心拍出量を推定する段階(d)と、
を有する、制御プログラムである。
In addition, the present invention for achieving the above object is
a transmitting antenna for transmitting electromagnetic waves toward a living body;
a receiving antenna arranged to face the transmitting antenna with the heart of the living body interposed therebetween;
A control program executed by a computer for controlling a cardiac output measurement sensor for estimating cardiac output using the electromagnetic wave received by the receiving antenna and transmitted through the living body,
step (a) of creating waveform data representing changes over time in signal strength of the electromagnetic wave received by the receiving antenna;
a step (b) of extracting biometric feature data representing features of the living body from the signal obtained by receiving the electromagnetic waves transmitted toward the living body;
a step (c) of classifying the biometric features into biometric patterns from the biometric feature data;
In the step of estimating the cardiac output using the waveform data, the cardiac output is corrected based on the classified biological pattern in a calculation process for estimating the cardiac output. estimating (d)
is a control program having
本発明によれば、生体に電磁波を照射して得られた信号から、生体の特徴を表す生体特徴データ抽出して、これをさらに生体パターンに分類し、分類した生体パターンに合わせて、心拍出量の算出過程を補正することとした。これにより、本発明は、測定対象者の個体差に応じた精度の高い心拍出量を得ることができる。 According to the present invention, biometric feature data representing features of a living body are extracted from signals obtained by irradiating a living body with electromagnetic waves, and are further classified into biometric patterns. It was decided to correct the calculation process of the output amount. As a result, the present invention can obtain a highly accurate cardiac output corresponding to individual differences among measurement subjects.
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。本発明の技術的範囲は、以下に説明する実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々形態を変更して実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. Also, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios. The technical scope of the present invention is not limited to the embodiments described below, and various modifications can be made within the scope of the claims.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る心拍出量計測センサー1000全体を示す概略図である。図2は、第1の実施形態に係る心拍出量計測センサー1000の構成を示すブロック図であり、図3は、第1の実施形態における送受信アンテナの構成例を示す図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the entire cardiac
図1では、ベッド95上に患者90(生体または被検者ともいう)が横たわっている状態(仰臥位)を示している。心拍出量計測センサー1000により患者90の心拍出量等の心臓から拍出される血液量を測定(推定)する。たとえば、心拍出量計測センサー1000は、心不全の検査、心臓手術後の経過観察、心臓病の投薬効果・副作用等の検証、等で用いられる。
FIG. 1 shows a state in which a patient 90 (also referred to as a living body or subject) is lying on a bed 95 (supine position). The cardiac
測定時には、看護師、医師等のユーザーにより、送信アンテナ11と受信アンテナ12の中心を結ぶ線が、心臓91に対応するように、両アンテナユニット(以下、単に「送受信アンテナ」ともいう)は、心臓91を挟んで互いに対向するように配置される。なお、外部電波による影響を減少させるために、測定中は、布製の電波シールドで、患者90の胸部および送受信アンテナ全体を覆うようにしてもよい。たとえば、受信アンテナ12は、患者90の下に配置され、送信アンテナ11は、患者90の上方に配置される。具体的には、受信アンテナ12はベッド95の上に配置され、その上に患者90が仰向けに寝る。上方の送信アンテナ11は、側面視でコの字型の移動式の固定台(図示せず)に取り付けられる。この固定台は、手動で送信アンテナ11の高さを調整可能である。送信アンテナ11は、固定台により、患者90からわずかに離間した状態で、患者90の上方に配置される。離間させるのは、患者90の呼吸動作を妨げないことと、患者90との接触による、意図しない送信アンテナ11の移動を防止するためである。なお、送受信アンテナの配置は、図1等の配置に限定されない。送信および受信アンテナの配置は、たとえば、上下を逆にし、送信アンテナ11を患者90の下方(背面側)に配置し、受信アンテナ12を患者90の上方側(前面側)に配置してもよい。
At the time of measurement, a user such as a nurse or a doctor aligns the line connecting the centers of the transmitting
図2に示すように、心拍出量計測センサー1000は、送信アンテナ11、受信アンテナ12、および装置本体20を含む。装置本体20は、移動式の架台(図示せず)に載せられてベッド95の脇に配置される。装置本体20は、内蔵バッテリまたは、商用電源から供給された電力により動作する。また、両アンテナユニットは、信号ケーブル13を通じて、装置本体20と接続されており、この信号ケーブル13を通じて、データ信号の送受信および電力供給が行われる。送受信アンテナに関しては、後述する。
As shown in FIG. 2 , cardiac
(装置本体20)
装置本体20は、送受信コントローラー14、制御部21、記憶部22、入出力I/F(インターフェース)23、および通信I/F24を備える。
(Device body 20)
The apparatus
(送受信コントローラー14)
送受信コントローラー14は、信号ケーブル13を介して、送信アンテナ11および受信アンテナ12と電気的に接続される。制御部21の制御の下で、送受信コントローラー14は、両アンテナユニット間の送受信のタイミングを制御したり、受信アンテナ12からの計測値(受信信号)を取得したりする。
(transmission/reception controller 14)
Transmit/receive
(制御部21)
制御部21は、CPU、RAM、およびROM等を含み、ROMまたは記憶部22に記憶されたプログラムにしたがって、装置内の各部の制御を行う。制御部21は、プログラムを実行することにより、1次分布作成部211、2次分布作成部212、素子決定部213、心拍出量推定部214、設置状態判定部215、指示部216、生体特徴データ抽出部417、分類判定部418、補正実行部419、および体型データ取得部420として機能する。また、1次分布作成部211には、点データ記録部301、および波形データ生成部302が含まれる。
(control unit 21)
The
1次分布作成部211は、点データ記録部301と波形データ生成部302の機能によりアンテナ素子それぞれに関して計測された計測値の経時的変化を表す波形データを作成する(以下、「前段処理」という)。また1次分布作成部211は、この波形データをアンテナ素子それぞれと対応付けた波形分布データを作成する(以下、「後段処理」という)。
The primary distribution generating unit 211 generates waveform data representing temporal changes in measured values measured for each antenna element by the functions of the point
2次分布作成部212は、評価値(後述)を算出するとともに、アンテナ素子の位置に応じた評価値の分布データを作成する。 The secondary distribution creating unit 212 calculates evaluation values (described later) and creates distribution data of the evaluation values according to the positions of the antenna elements.
素子決定部213は、1次分布作成部211が作成した波形分布データに基づいて、心拍出量の推定の際に用いるアンテナ素子を決定する。すなわち、素子決定部213は、1次分布作成部が作成した波形分布データに基づいて、2次分布作成部212により作成された評価値の分布データに基づいて、心拍出量の推定の際に用いるアンテナ素子を決定する。また、素子決定部213は、1次分布作成部211が作成した波形分布データに基づいて、算出された評価値に基づいて、心拍出量の推定の際に用いるアンテナ素子を決定してもよい。 The element determination unit 213 determines antenna elements to be used in estimating the cardiac output based on the waveform distribution data created by the primary distribution creation unit 211 . That is, the element determining unit 213 uses the distribution data of the evaluation values created by the secondary distribution creating unit 212 based on the waveform distribution data created by the primary distribution creating unit 212 when estimating the cardiac output. Determine the antenna elements to be used for Further, the element determination unit 213 may determine the antenna elements to be used in estimating the cardiac output based on the calculated evaluation value based on the waveform distribution data created by the primary distribution creation unit 211. good.
心拍出量推定部214は、患者90の心拍出量、すなわち心臓91から拍出される血液量を推定(算出)する。
The cardiac output estimator 214 estimates (calculates) the cardiac output of the
設置状態判定部215は、送受信アンテナ(アンテナアレイ)の設置状態の適否を判定する。 The installation state determination unit 215 determines whether the installation state of the transmission/reception antenna (antenna array) is appropriate.
指示部216は、第1指示部として機能し、設置状態判定部215の判定結果に応じて、再計測または再配置の指示を出力する。また、指示部216は第2指示部として機能し、再配置の移動方向を指示する。
The
生体特徴データ抽出部417は、1次分布作成部211(波形データ作成部)によって作成されたアンテナ素子ごとの波形データから、生体の特徴を表す生体特徴データを抽出する。 The biometric feature data extracting unit 417 extracts biometric feature data representing biometric features from the waveform data for each antenna element created by the primary distribution creating unit 211 (waveform data creating unit).
分類判定部418は、生体特徴データ抽出部417によって取得された生体特徴データから、あらかじめ決められた生体ごとの特徴を生体パラメータとして分類する。
The
補正実行部419は、心拍出量推定部214による心拍出量を推定(算出)する算出過程に対して、分類された生体パターンごとに補正を実行する。この補正実行部419による補正が行われることで、心拍出量推定部214は、体型に合わせて補正された心拍出量を推定(算出)することができる。
The
体型データ取得部420は、測定対象者の体型データを取得する。
The body type
これらの制御部21内各部の機能についての詳細は後述する。
The details of the functions of these units in the
(記憶部22)
記憶部22は、あらかじめ各種プログラムや各種データを格納しておく半導体メモリや、ハードディスク等の磁気メモリから構成される。また、記憶部22には、点データ、波形データ、波形分布データ、比較分布パターン、心拍出特徴データの設定範囲、FFTデータおよびノイズ成分である周波数成分等(いずれも後述)が記憶される。また、記憶部22には、アンテナアレイにおけるアンテナ素子(後述のアンテナ素子r1~rx、またはt1~tx)の位置情報が記憶されている。位置情報は、たとえば、基板上のXY座標や、相対的な位置関係(距離、方向)の情報である。
(storage unit 22)
The
(入出力I/F23)
入出力I/F23は、入出力部として機能し、USB、DVIの規格等に準拠した入出力端子を備え、キーボード、マウス、マイク等の入力装置およびディスプレイ、スピーカ、プリンタ等の出力装置と接続するインターフェースである。図1、図3に示す例では、入出力I/F23には、タッチパネル51が接続されている。また、XYステージ52が接続されていてもよい。タッチパネル51は、液晶パネルおよびこれに重畳させたタッチパッドで構成され、これを介して、ユーザーからアンテナ素子決定処理、および心拍出量測定の開始指示を受け付ける。XYステージ52は、指示部216の再配置の指示におじて、両アンテナユニットの少なくとも一方を移動させ、配置位置を変更する。なお、タッチパネル51、XYステージ52等の入出力装置を、装置本体20または心拍出量計測センサー1000の構成に含めてもよい。
(Input/output I/F 23)
The input/output I/
(通信I/F24)
通信I/F24は、PC(パーソナルコンピュータ)、タブレット端末、等の外部の端末装置とネットワーク経由、またはピアツーピアで、有線または無線通信によるデータの送受信を行うインターフェースである。有線通信では、イーサネット(登録商標)、SATA、PCI Express、IEEE1394、等の規格によるネットワークインターフェースを用いてもよく、無線通信では、Bluetooth(登録商標)、IEEE802.11、4Gなどの無線通信インターフェースを用いてもよい。図1、図3に示す例では、通信I/F24には、PC61が接続されている。
(Communication I/F 24)
The communication I/
(送信アンテナ11)
図2、図3に示すように送信アンテナ11は、基板110、送信波形生成部111、およびアンテナ素子t1で構成される。図3に示す第1の実施形態では、後述の変形例(図4A等)とは異なり、送信アンテナ11は、単一のアンテナ素子t1を備え、受信側は複数のアンテナ素子を備える(1対多の構成)。
(Transmitting antenna 11)
As shown in FIGS. 2 and 3, the transmitting
送信アンテナ11は、生体を透過する電磁波(電波)を送信する。基板110は、各辺が数十mm~二百数十mmの全体が矩形板状の部材であり、この基板110上に送信波形生成部111、およびアンテナ素子t1が配置される。アンテナ素子t1として、一辺または直径が数十mmから百数十mmのパッチアンテナ、ダイポール形式の線状アンテナ、またはループアンテナを適用できる。たとえば、アンテナ素子t1は、パッチアンテナである。
The transmitting
送信波形生成部111は、電波生成器を含む。生成する電磁波の周波数は、生体の心臓91を電離作用なく透過することができれば特に限定されない。たとえば、周波数300MHzから30GHzのマイクロ波が好ましく、より好ましくは400M~1.0GHzのマイクロ波である。マイクロ波は、生体透過性と、心臓91の収縮、拡張における損失変化による感度(電界強度の変化率)が高いため、心拍出量の測定に好適である。生成する電波の電力は、受信アンテナ12において十分な電力が検出できれば特に限定されないが、たとえば、数mW~数十mWとしてもよい。また、生成する電波は、連続波、パルス波、または位相変調もしくは周波数変調を施した電波のいずれでもよい。
(受信アンテナ12)
図2、図3に示すように受信アンテナ12は、基板120、アンテナアレイ121、高速切替部122、およびサンプリング部123を含む。アンテナアレイ121、高速切替部122、およびサンプリング部123は、各辺が数十mm~二百数十mmの全体が矩形板状の基板120上に形成される。
(receiving antenna 12)
As shown in FIGS. 2 and 3, the receiving
アンテナアレイ121は、複数のアンテナ素子r1~rx(以下、これらを総称して、「アンテナ素子r」ともいう(アンテナ素子tも同じ)。また図面においては「素子」と記載する)で構成され、これらは平面状の基板120の表面に、同一平面上で格子状に配置される。送信側を単一のアンテナ素子t、受信側を複数のアンテナ素子rで構成することで、電界を作る送信アンテナの位置が一定となり、電磁波による電界が安定する。
図3に示す第1の実施形態においては、各アンテナ素子rとして、ダイポール形式の線状アンテナ、または微小ループアンテナを適用できる。アンテナ素子rは、たとえばそれぞれが、一辺または直径が数mm~十数mmのループアンテナである。隣接するアンテナ素子r同士は、密着することなく配置している。アンテナアレイ121全体のサイズとしては、生体の背面側から視たときの心臓91のサイズよりも大きいサイズに設定している。アンテナアレイ121全体のサイズとしては、具体的には、たとえば、1辺が100~500mmの矩形形状であり、一般的な成人男性の胸部の幅と同等か、それより大きくしてもよい。
In the first embodiment shown in FIG. 3, a dipole linear antenna or a minute loop antenna can be applied as each antenna element r. The antenna elements r are, for example, loop antennas each having a side or a diameter of several millimeters to ten and several millimeters. Adjacent antenna elements r are arranged without being in close contact with each other. The size of the
また、アンテナ素子rの総個数は、好ましくは40個以上100個以下である。後述の使用するアンテナ素子rを決定する際の位置精度(位置解像度)の観点から、40個以上とすることが好ましい。上限個数は、周期tsと総個数を乗じることで算出される1サイクル時間tc(サンプリングレート)の観点や、コストの観点から100個以下が好ましい。たとえば図3に示す例では、アンテナ素子rそれぞれは12mmの略矩形のループアンテナであり、アンテナアレイ121は、縦横7個ずつの総数49個のアンテナ素子r1~r49で構成される。そして、隣接するアンテナ素子r同士の間隔は2mm程度で配置され、アンテナアレイ121全体のサイズは約100mm角である。以下においては、横軸(後述の行A-Gの行方向)をX方向、縦軸(後述の列1-7の列方向)をY方向ともいう。これらのアンテナ素子rそれぞれの位置情報(XY座標)は、上述のように記憶部22に記憶されており、2次分布作成部212の処理に用いられる。
Also, the total number of antenna elements r is preferably 40 or more and 100 or less. From the viewpoint of positional accuracy (positional resolution) when determining antenna elements r to be used, which will be described later, the number is preferably 40 or more. The upper limit number is preferably 100 or less from the viewpoint of one cycle time tc (sampling rate) calculated by multiplying the period ts by the total number and from the viewpoint of cost. For example, in the example shown in FIG. 3, each antenna element r is a substantially rectangular loop antenna of 12 mm, and the
アンテナアレイ121全体のサイズおよび個数は、上記のサイズおよび個数とすることで、確実に、狙いとする心臓の部分に、少なくとも一つのアンテナ素子を対応させることができる。アンテナアレイ121全体のサイズや個数は、上記のサイズや個数に限定されない。
By setting the overall size and number of the
高速切替部122は、各アンテナ素子r1~rxに対応した複数のスイッチング素子s1~sx(以下、これらを総称して、「スイッチング素子s」ともいう)で構成される。高速切替部122では、いずれか1個のスイッチング素子s(たとえば素子s1(図2参照))のみをON状態にし、その他のスイッチング素子s(たとえば素子s2~sx)はすべてOFFにする。複数のアンテナ素子を同時にON状態で動作させた場合、アンテナ同士が結合し、一つのアンテナとして動作してしまい、所望の計測値が得られない虞がある。このような現象を避けるため、高速切替部122では、一つのアンテナ素子r(および図4A等の例では送信アンテナ素子t)のみをON状態にする。
The high-
また、高速切替部122は、OFF状態のアンテナ素子rの終端条件を制御する、すなわち、OFF状態のアンテナ素子rを、高周波的に接地する。このようにすることで、OFF状態のアンテナ素子による誘導障害等の影響を減らせる。
The high-
サンプリング部123は、サンプリング回路と、AD変換回路、バッファー回路を含む。サンプリング部123は、ON状態のアンテナ素子r(たとえば素子r1)が受信した電波信号をサンプリングし、電界強度をデジタル信号(計測値)に変換する。各アンテナ素子rに対応したデジタル化した計測値は、逐次、または所定単位(たとえば、1サイクル周期)でまとめて、装置本体20の送受信コントローラー14に送られる。
The
(送受信アンテナの変形例)
図4Aは、変形例(多対多)における送受信アンテナの構成例を示す図であり、図4Bは、別の変形例(多対1)における送受信アンテナの構成例を示す図である。
(Modified example of transmitting/receiving antenna)
FIG. 4A is a diagram showing a configuration example of transmission/reception antennas in a modification (many-to-many), and FIG. 4B is a diagram showing a configuration example of transmission/reception antennas in another modification (many-to-one).
上述した図3に示す第1の実施形態(1対多)では、受信アンテナ12側に複数のアンテナ素子を配置した。すなわち、受信アンテナ12がアンテナアレイ121、およびこれをスイッチング制御する高速切替部122を備えた。しかしながら、図4Aに示す変形例のように、送信アンテナ11b側にも複数のアンテナ素子t1~txを配置してもよい。すなわち、図4Aに示すように、送信アンテナ11bが、送信波形生成部111とともに、アンテナアレイ113、およびこれをスイッチング制御する高速切替部112を備えてもよい。なお、アンテナアレイ113および高速切替部112は、受信アンテナ12のアンテナアレイ121および高速切替部122と同様の構成を備えるため、説明を省略する。
In the first embodiment (one-to-many) shown in FIG. 3 described above, a plurality of antenna elements are arranged on the receiving
また、図4Bに示す別の変形例(多対1)のように、受信アンテナ12b側を一つのアンテナ素子としてもよい。図4Bに示す受信アンテナ12bは、一つの受信アンテナr1とこれに接続したサンプリング部123で構成される。なお、図3、図4A、図4Bの実施形態でのアンテナアレイを構成する送受信アンテナ素子の数は、あくまでも例示であり、49個よりも少なくともよく、多くてもよい。たとえば、送信アンテナアレイ113のアンテナ素子tの個数を数個にしてもよく、100個以上にしてもよく、受信アンテナアレイ121のアンテナ素子rの個数を数個にしてもよく、100個以上にしてもよい。これらの数の下限はアンテナ素子の配置の位置精度に影響し、上限は、サンプリングレートに影響する。数を多くすると、1サイクル時間tcが長くなり、サンプリングレートが低くなり、正しい波形データ(後述の図5C参照)が得られなくなる。
Further, as in another modification (many-to-one) shown in FIG. 4B, one antenna element may be used on the receiving
図4Aに示した変形例(多対多)の場合も、図4Bに示した変形例(多対1)の場合も、送信アンテナアレイ113のサイズは、たとえば、1辺が100~500mmの矩形形状であり、患者90の胸部の幅と同等か、それより大きくすることがより好ましい。
In both the modification (many-to-many) shown in FIG. 4A and the modification (many-to-one) shown in FIG. 4B, the size of the transmitting
なお、図3に示した受信アンテナ12側をアレイにする構成と、図4Bに示した送信アンテナ11b側をアレイにする構成を比較すると、受信アンテナ12側をアレイにする構成の方が、送信アンテナ11b側をアレイにする構成よりも、心拍出量の測定に好適なアンテナ素子をより正確に選定できる。
Note that when comparing the configuration in which the receiving
(1次分布作成部211の前段処理)
次に、図5A~図5Cを参照し、1次分布作成部211による、波形データ作成までの前段処理について説明する。この前段処理は、以下に説明するように、主に点データ記録部301、および波形データ生成部302により行われる。なお、以下の説明においては、送受信アンテナの構成は、図3に示した第1の実施形態のような構成例であるとして説明する(図6以降も同様)。この場合、以下に説明するように点データ記録部301は、高速切替部122によりONとなったアンテナ素子rそれぞれに関して計測された計測値を、アンテナ素子rそれぞれと紐付けて点データとして記録する。
(Pre-processing of primary distribution generation unit 211)
Next, with reference to FIGS. 5A to 5C, pre-processing up to waveform data generation by the primary distribution generator 211 will be described. This pre-processing is mainly performed by the point
なお、図4Aに示した変形例(多対多)を適用する場合には、送信側のアンテナ素子t、および受信側のアンテナ素子rを順次、高速切替部112、122により切り替える。すなわち、ある時刻では、同時に1系統のアンテナ素子t、rの伝播経路のみが作動するように、両アンテナユニットを同期させながら高速で切り替える。この場合、点データ記録部301は、高速切替部112、122によりONとなったアンテナ素子t、rそれぞれに関する計測値を、アンテナ素子t、rそれぞれと紐付けて点データとして記録する。たとえば、ある時刻では、送信のアンテナ素子txと受信のアンテナ素子rxの伝播経路で送受信された受信信号を、これらの送受信のアンテナtx、rxに紐付けて、点データとして記録される。図4Bに示した別の変形例(多対1)でも同様の処理により、それぞれのアンテナ素子tx(と一つのアンテナ素子r1)に紐付けて、点データとして記録される。
Note that when the modification (many-to-many) shown in FIG. 4A is applied, the antenna element t on the transmitting side and the antenna element r on the receiving side are sequentially switched by the high-
図5Aは、素子走査処理における各アンテナ素子の高速切り替え処理を示す模式図である。送受信コントローラー14は、素子走査処理時(後述の図6のステップS101~S107に対応)には、高速切替部122を制御する。図5Aでは、巡回モードが「全巡回モード」で、所定の周期tsが100μsecに設定された例を示している。素子走査処理時においては、高速切替部122は巡回モードと周期の設定に応じて、アンテナ素子r1~r49まで、それぞれのON/OFFを周期tsで順次切り替える。なお、他の巡回モードとしては、「一部巡回モード」がある。この一部巡回モードでは、アンテナアレイ121のうち一部のアンテナ素子rのみを間引いて一巡させる。たとえば、アンテナ素子r1、r3,r5……r47、r49のように一つ置きのアンテナ素子rを使用したり、奇数列のアンテナ素子rのみを使用したりする。
FIG. 5A is a schematic diagram showing high-speed switching processing of each antenna element in the element scanning processing. The transmission/
また、周期tsおよび/または1サイクル時間tcは、任意の値に設定できる。たとえば周期tsは、10μsec~1msecの間で任意の値を設定できる。また、1サイクル時間tcは、周期tsの設定に伴い1msec~100msecの間で任意の値に設定したり、周期tsによらず、たとえば周期tsを固定(たとえば100μsec固定)で、ウェイト時間を調整することで、1サイクル時間tcを5~100msecの間で任意の設定にしたりしてもよい。この巡回モードと周期/1サイクル時間の設定は、ユーザーにより行われてもよく、制御部21側で自動に行ってもよい。この巡回モードと周期の設定は、ユーザーにより行われてもよく、制御部21側で自動に行ってもよい。
Also, the period ts and/or one cycle time tc can be set to any value. For example, the period ts can be set to any value between 10 μsec and 1 msec. One cycle time tc can be set to any value between 1 msec and 100 msec according to the setting of the cycle ts, or the wait time can be adjusted by fixing the cycle ts (for example, fixed at 100 μsec) regardless of the cycle ts. By doing so, one cycle time tc may be arbitrarily set between 5 and 100 msec. The setting of the cyclic mode and period/one cycle time may be performed by the user, or may be performed automatically by the
制御部21により自動で行う場合には、走査時間の短縮、および必要なメモリ容量を低減させるという観点から、たとえば、多段階で変更する。この多段階の変更は、一連の素子走査処理(図6参照)で行ってもよく、再計測(後述の12B等)する際に、変更するようにしてもよい。たとえば、最初は、半分または1/4間引きの一部巡回モードで動作させ、粗くアンテナ素子の候補を決定し、次にその周辺のアンテナ素子の周辺を動作させ、より細かく、アンテナ素子の受信特性を判定する。また、最初は周期tsを短くして、粗くアンテナ素子の候補を決定し、次に、減じた個数の(たとえば半分の)アンテナ素子に対して周期tsをその逆数分(たとえば2倍)長くして、より詳細に候補のアンテナ素子の受信特性を判定する。
When it is automatically performed by the
サンプリング部123はON状態にあるアンテナ素子rが受信した電界強度に応じた受信信号を取得する。点データ記録部301は、送受信コントローラー14を介して、この受信信号を取得し、各素子rと紐付けて、記憶部22またはRAMに一時的に記録する。
The
図5Bは、図5Aの処理で得られた点データを示す模式図である。隣接するアンテナ素子rでは、一つの周期ts(100μsec)分だけ、取得タイミングがずれる。たとえば、素子r2の点データp12の取得時刻は、素子r1の点データp11の取得時刻よりも周期ts分だけ遅れた時刻になる。同様に最後のアンテナ素子r49の点データp149は、素子r1の点データp11よりも、48の周期ts分(4.8msec)遅れることになる。また、一つの素子においては、隣接する点データは、1サイクル時間tc分の間隔となる。たとえば、素子r1の点データp11よりも1サイクル時間tc後に点データp21が取得されることになる。1サイクル時間tcは、総個数(多対多の場合は組み合わせ数)に周期tsを乗じることにより算出できる。たとえば図5Bでは、1サイクル時間tcは4.9msec(=49×100μsec)となる。なお、図5Bおよび以下においては、数値を丸めて4.9msecを5msecで表記する。 FIG. 5B is a schematic diagram showing point data obtained by the processing of FIG. 5A. Acquisition timings of adjacent antenna elements r are shifted by one period ts (100 μsec). For example, the acquisition time of the point data p12 of the element r2 is delayed by the period ts from the acquisition time of the point data p11 of the element r1. Similarly, the point data p149 of the last antenna element r49 is delayed by 48 periods ts (4.8 msec) from the point data p11 of the element r1. Also, in one element, adjacent point data are spaced for one cycle time tc. For example, the point data p21 is acquired one cycle time tc after the point data p11 of the element r1. One cycle time tc can be calculated by multiplying the total number (the number of combinations in the case of many-to-many) by the period ts. For example, in FIG. 5B, one cycle time tc is 4.9 msec (=49×100 μsec). In addition, in FIG. 5B and below, the numerical value is rounded and 4.9 msec is expressed as 5 msec.
図5Cは、図5Bの点データにより生成した波形データを示す模式図である。この波形データは、波形データ生成部302が、点データ記録部301が記録した点データを、素子rごとに収集して、経時的に並べたものである。図5Cでは、心拍出量による信号強度の変化をとらえている、一つの素子rの波形データw1を代表として示している。この波形データは、この素子rに紐付けられた多数の点データp11、p21、p23等で構成される。
FIG. 5C is a schematic diagram showing waveform data generated from the point data of FIG. 5B. This waveform data is obtained by collecting the point data recorded by the point
(所定の周期tsの範囲)
周期tsの上限は、複数のアンテナ素子rへのONが一巡する1サイクル時間tcが、心周期よりも十分に短くなるような周期である。具体的には、心拍数の最大値は、心疾患を考慮して最大180回/分、すなわち3Hzとする。一般に、精度よく波形を生成するためのサンプリングレートは、その10倍以上が好ましく30Hz(33msec)となる。これをアンテナ素子rの総個数の好ましい範囲40~100個の下限個数の40で除すると0.8msecとなる。周期tsの上限としては、これよりも少し広めの1.0msec(サンプリングレートを8倍程度想定)とした。なお周期tsの下限は、回路構成に依存するサンプリングの安定性により適宜決定される。たとえば周期tsの下限は数十μsecである。特に、1サイクル時間tcは、心周期よりも十分に短くなるような周期、たとえば1msec以下に設定されることで、十分なサンプリングレートを確保でき、波形を精度よく生成できる。
(Range of predetermined cycle ts)
The upper limit of the cycle ts is a cycle such that one cycle time tc in which a plurality of antenna elements r are turned ON is sufficiently shorter than the cardiac cycle. Specifically, the maximum heart rate is 180 beats/minute, ie, 3 Hz, in consideration of heart disease. In general, the sampling rate for generating a waveform with good accuracy is preferably 30 Hz (33 msec), which is 10 times or more. Dividing this by 40, which is the lower limit number in the preferred range of 40 to 100 total number of antenna elements r, gives 0.8 msec. The upper limit of the period ts was set to 1.0 msec (assuming a sampling rate of about 8 times), which is slightly wider than this. Note that the lower limit of the period ts is appropriately determined depending on the stability of sampling that depends on the circuit configuration. For example, the lower limit of the period ts is several tens of microseconds. In particular, one cycle time tc is set to a period that is sufficiently shorter than the cardiac cycle, for example, 1 msec or less, so that a sufficient sampling rate can be secured and a waveform can be generated with high accuracy.
(アンテナ素子決定処理から心拍出量測定処理)
図6は、アンテナ素子決定処理から心拍出量測定処理を示すメインルーチンフローチャートである。
(From antenna element determination processing to cardiac output measurement processing)
FIG. 6 is a main routine flow chart showing from the antenna element determination process to the cardiac output measurement process.
(ステップS11)
制御部21は、ユーザーの測定開始指示により送受信アンテナによる送受信を開始させる。具体的には、ユーザーは、送信アンテナ11と受信アンテナ12を互いに、心臓91を挟んだ状態で対向させて配置する。その後、ユーザーは、タッチパネル51やキーボード等により、測定開始の指示を入力する。この時に、ユーザーは、巡回モードと周期tsの設定を行ってもよい。以下においては、図5A~図5Cと同様に、巡回モードは全巡回モードで、素子数は49個で、周期tsが100μsec、1サイクル時間tcが5msecとして説明する。
(Step S11)
The
(素子走査処理(S12からS17))
このステップS12からS17の処理は素子走査処理である。この素子走査処理では、複数のアンテナ素子の中から心拍出量の測定に好適な、すなわち、心臓91に対する配置位置が最もよいアンテナ素子rを決定するために、各アンテナ素子rを順に走査して、計測信号を収集する。なお、素子走査処理の実行中は、送信アンテナ11では、マイクロ波を送信し続ける、または、受信側のアンテナ素子rの切り替えタイミングに合わせた、パルス波を送信する。
(Element scanning process (S12 to S17))
The processing from steps S12 to S17 is element scanning processing. In this element scanning process, each antenna element r is sequentially scanned in order to determine the antenna element r suitable for measuring the cardiac output, that is, the antenna element r best arranged relative to the
(ステップS12)
ステップS12では、制御部21は、ステップS16との間でループaの処理を行う。このループaでは、全巡回モードの設定に応じて、アンテナ素子r1から最後のアンテナ素子rx(r49)まで一つずつ順々に対象のアンテナ素子rを切り替える。
(Step S12)
In step S12, the
(ステップS13)
高速切替部122により、対象となるアンテナ素子rをON状態に切り替える。たとえば、アンテナ素子r1をOFF状態からON状態に変更し、他のON状態のアンテナ素子rがあればこれをOFF状態に変更する。
(Step S13)
The high-
(ステップS14)
サンプリング部123は、ON状態のアンテナ素子rでの計測値を取得する。
(Step S14)
The
(ステップS15)
点データ記録部301は、ステップS14で取得した計測値を、対象のアンテナ素子rと紐付けて点データとして記録する。なお、このステップS15は所定単位(たとえば1サイクル周期の49個分)でまとめて処理するようにしてもよい。たとえば、サンプリング部123のバッファーで所定単位のデータを保持しておく。そして点データ記録部301では、この所定単位のデータをまとめて取得し、一括して処理する。
(Step S15)
The point
(ステップS16)
最後のアンテナ素子rxでなければ、所定周期tsで、対象のアンテナ素子rを次に変更して、ステップS12以下のループ処理を繰り返す。最後のアンテナ素子rxであればループを抜けて処理をステップS17に進める。
(Step S16)
If it is not the last antenna element rx, the target antenna element r is changed to the next one at the predetermined cycle ts, and the loop processing from step S12 onward is repeated. If it is the last antenna element rx, the loop is exited and the process proceeds to step S17.
(ステップS17)
制御部21は、終了条件を満たしているか判定し、満たしていれば(YES)、処理をステップS18に進め、満たしていなければ(NO)、ステップS12以下のループ処理を繰り返す。終了条件としては、たとえば1~数回の心拍相当の時間(たとえば数秒から十数秒)が経過した場合、または繰り返し回数(数百~千回)に到達した場合である。
(Step S17)
The
(ステップS18)
波形データ生成部302は、点データから素子r1~素子rxの波形データを生成する。たとえば図5Cのような波形データを生成する。ここまでが1次分布作成部211による前段処理である。
(Step S18)
A waveform data generator 302 generates waveform data for the elements r1 to rx from the point data. For example, waveform data as shown in FIG. 5C is generated. Up to this point, the first-stage processing by the primary distribution generation unit 211 is performed.
(ステップS19)
ここでは、1次分布作成部211、2次分布作成部212、および素子決定部213が協働することで、最も特性がよいアンテナ素子rを決定する。図7は、このステップS19の処理を示すサブルーチンフローチャートである。
(Step S19)
Here, the primary distribution generator 211, the secondary distribution generator 212, and the element determiner 213 work together to determine the antenna element r with the best characteristics. FIG. 7 is a subroutine flow chart showing the process of step S19.
(ステップS511)
ここでは、1次分布作成部211は後段処理を行う。すなわち、1次分布作成部211は、ステップS18で作成した、各アンテナ素子rの波形データを、アンテナ素子rそれぞれと対応付けた波形分布データを作成する。図8は、ステップS511で作成した波形分布データの例を示す模式図である。波形分布データは、各アンテナ素子rに対応付けて波形データを並べたものである。以下においては、波形分布データを1次分布データともいう。
(Step S511)
Here, the primary distribution generation unit 211 performs post-processing. That is, the primary distribution creating unit 211 creates waveform distribution data by associating the waveform data of each antenna element r created in step S18 with each antenna element r. FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of waveform distribution data created in step S511. The waveform distribution data are waveform data arranged in association with each antenna element r. Waveform distribution data will also be referred to as primary distribution data hereinafter.
(ステップS512)
2次分布作成部212は、1次分布に基づいて各アンテナ素子rに対応する波形の評価を行い、評価値を算定する。そして、アンテナ素子rの位置に応じた評価値の分布データ(以下、「2次分布データ」ともいう)を作成する。図9は、各種の評価値の例を示す表である。2次分布作成部212が算出する評価値の指標としては、同図に示すように指標1~6のいずれを用いてもよく、これらを組み合わせて用いてもよい。
(Step S512)
The secondary distribution generator 212 evaluates the waveform corresponding to each antenna element r based on the primary distribution and calculates an evaluation value. Then, evaluation value distribution data (hereinafter also referred to as “secondary distribution data”) corresponding to the position of the antenna element r is created. FIG. 9 is a table showing examples of various evaluation values. As the index of the evaluation value calculated by the secondary distribution generator 212, any one of
(1)指標1の「波形データの振幅」は、波形データに含まれる1波形の振幅である。通常の心周期に近い周波数の波形を抽出し、その波形の振幅を指標1の評価値として求める。波形データに数個の波形が含まれていれば、振幅の平均値を用いてもよい。この評価値を求める際の前処理として、通常の心周期の範囲(30~180回/分)に対応した特定周波数(0.5~3Hz)よりも、外側の周波数を除外するようにバンドパスフィルターによるノイズ除去処理を行ってもよい。波形データの振幅の大きさからアンテナ素子と心臓の位置関係を推定可能である。なお、ここでいう「振幅」とは、マイクロ波の振幅ではなく、心拍に伴うマイクロ波の受信強度の変動幅である(以下、特に断りのない限り同様である)。
(1) The “amplitude of waveform data” of
(2)指標2の「フーリエ変換後の特定周波数における強度」は、波形データに関してFFT処理を行い、心周期に対応する周波数およびその整数倍(2~4倍)までの範囲の特定周波数(0.5~10Hz)における強度を指標2の評価値として求める。特定周波数における強度分布によって心臓との位置関係を推定できる。
(2)
(3)指標3は、「波形データの変曲点時間」である。変曲点時間は、波形データを2階微分することにより算出できる。この指標3の評価値は、波形の形状を表す評価値である。アンテナ素子と心臓の位置関係によって波形の形状が変化する傾向があるため、この指標3の評価値から心臓との位置関係を推定できる。
(3)
(4)指標4は、「波形データの時間積分値」であり、1波形を時間積分することにより算出できる。
(4)
(5)指標5は、「自己相関係数」であり、複数の波形が含まれる波形データから算出できる。自己相関係数は、連続する波形の類似性を表す評価値である。安定して波形取得ができているアンテナ素子の波形は変化が少ないと考えられるため、連続するアンテナ素子の波形の類似性が高い(自己相関係数が大きい)アンテナ素子を心拍出量推定に用いる。
(5)
(6)指標6は、「ピークのタイミングの差分時間」である。2次分布作成部212は、最初に、心臓91の収縮(または拡張)に伴う信号強度が最大(または最小)となるピークのタイミングを算出する。次に、このピークタイミングを、基準波形と比較することで差分時間を算出する。基準波形とは、あらかじめ定められたいずれかのアンテナ素子rの波形データである。たとえば、アンテナアレイ121の中央付近のアンテナ素子r(たとえばアンテナ素子r25)の波形データである。ピークのタイミングが進んでいるアンテナ素子rの近くに心臓がある傾向がある。その理由は、心臓から拍出される血流のピークは、心臓から離れるほど遅れて到達すると考えられるからである。
(6)
ここで、指標6について、図10A、図10Bを参照し、より詳細に説明する。図10Aは、ピークタイミングの差分時間を説明する模式図である。図10Bは、位置による差分時間の違いを示す模式図である。図10Aでは、対象となるアンテナ素子rx(たとえば素子r1)における波形と、基準波形を示している。基準波形は、上述したように中心のアンテナ素子r25から得られた波形データである。
Here,
2次分布作成部212は、同時、または略同時に計測した2つの対象アンテナ素子r1と基準アンテナ素子r25の点データから作成した波形データのピークタイミングの差分時間を算出し、この差分時間から評価値を算出する。ここで略同時に計測した点データから作成した波形データとは、図5A等で説明したように、1サイクル時間tcが、心周期よりも十分に短くなるような周期で、計測した点データから作成した波形データである。同時とは、文字通り一つの送信アンテナ素子tから送信された電磁波を、複数のアンテナ素子rで同時に計測した点データから作成した波形データである。この場合、アンテナ同士が結合し、一つのアンテナとして動作しないように、互いにある程度、距離が離れた、アンテナ素子rxで計測された点データを用いる。 The secondary distribution generation unit 212 calculates the differential time between the peak timings of the waveform data created from the point data of the two target antenna elements r1 and the reference antenna element r25 measured simultaneously or substantially simultaneously, and calculates the evaluation value from this differential time. Calculate Here, the waveform data created from the point data measured substantially simultaneously is created from the point data measured at a cycle such that one cycle time tc is sufficiently shorter than the cardiac cycle, as described with reference to FIG. 5A. This is the waveform data. "Simultaneous" literally means waveform data created from point data obtained by simultaneously measuring electromagnetic waves transmitted from one transmitting antenna element t by a plurality of antenna elements r. In this case, point data measured by antenna elements rx, which are separated from each other by a certain distance, are used so that the antennas are not coupled to each other and operate as one antenna.
図10Bでは、あるアンテナ素子rのX方向の位置を変位させながら測定させた際の波形データの差分時間の変化を示している。図10Bの実験においては、実施形態と異なり差分時間の算出時は、基準波形として心電図の波形を用いる。図10Bに示すように、差分時間(遅延時間)は、左端で最も(絶対値が)大きく、X方向のプラス方向に移動させることで徐々に小さくなり、-10~-30mmの範囲で最小となり、-40でまた増加傾向を示すことがわかる。この遅延時間は、心臓の各位置(左心室、右心室、またはこの各部分)による動きの違いにより生じると考えられる。このようなことから、アンテナ素子rの心臓91との相対位置が離れる程、すなわち、受信アンテナ12のアンテナ素子tと、アンテナ素子rとの間の電波の伝播経路が、心臓91の中心(特に左心室)から離れる程、ピークの遅延時間が長くなる。つまり、指標6の評価値においては、2次分布作成部212は、差分時間が少ない(または、ピークタイミングが最も早い)程、高い評価値を算出する。そして、素子決定部213は、複数のアンテナ素子rから、最も評価値が高い位置にあるアンテナ素子rを選択する。
FIG. 10B shows changes in differential time of waveform data when measuring while displacing the position of an antenna element r in the X direction. In the experiment of FIG. 10B, unlike the embodiment, an electrocardiogram waveform is used as a reference waveform when calculating the differential time. As shown in FIG. 10B, the difference time (delay time) is the largest (absolute value) at the left end, gradually decreases by moving in the positive direction of the X direction, and becomes the minimum in the range of -10 to -30 mm. , -40 also show an increasing trend. It is believed that this delay time is caused by differences in motion between different locations of the heart (left ventricle, right ventricle, or portions thereof). For this reason, as the relative position of the antenna element r to the
2次分布作成部212は、このような指標1~6の少なくともいずれかにより、2次分布データを作成する。2次分布データは、各アンテナ素子rの位置(XY座標)と、そのアンテナ素子rの波形データから算出した評価値の分布を表したものである。
The secondary distribution creating unit 212 creates secondary distribution data using at least one of the
(ステップS513)
素子決定部213は、ステップS512で作成された2次分布データから心拍出量の推定に用いるアンテナ素子を決定する。図11は、第1の実施形態における、評価値を各アンテナ素子rの位置に対応付けて並べて作成した2次分布データの例を示す模式図である。図11に示す例では、模式的に、評価値の高低に応じてレベル0~5の6段階の濃淡で示している。レベルが高い程、最も評価値が高く、最も特性が好適なアンテナ素子rである。通常は、心臓91(特に左心室)との位置関係が良好なアンテナ素子rほど、評価値が高くなる。
(Step S513)
The element determination unit 213 determines antenna elements to be used for estimating the cardiac output from the secondary distribution data created in step S512. FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of secondary distribution data created by arranging the evaluation values in association with the positions of the antenna elements r according to the first embodiment. In the example shown in FIG. 11, six levels of gradation from 0 to 5 are schematically shown according to the evaluation value. The higher the level, the higher the evaluation value and the antenna element r with the most suitable characteristics. Normally, the antenna element r with a better positional relationship with the heart 91 (particularly the left ventricle) has a higher evaluation value.
素子決定部213は、図11に示す2次分布データの例では、評価値が最も高い位置E4(列4、行E)にあるアンテナ素子r32を決定する。
The element determination unit 213 determines the antenna element r32 at the position E4 (
なお、評価値のレベルは、図11に示すようにある位置(たとえば図11では位置E4)が最も高く、その位置から離れるにしたがって、評価値が変化するという特性を示す。このようなことから、素子決定部213は、2次分布データを、X軸、Y軸、またはXY平面上で、多項式近似することによりピーク位置を算出し、そのピーク位置に最も近い位置にあるアンテナ素子rを、心拍出量測定用のアンテナ素子rとして選択(決定)するようにしてもよい。また、素子決定部213は、記憶部22に記憶してある比較分布パターンと比較することで、心拍出量測定用のアンテナ素子rを決定するようにしてもよい。また、別の例として、素子決定部213は、(2次分布データの生成を経由せずに)、2次分布作成部212により算出された評価値(たとえば指標1~5)から、心拍出量測定用のアンテナ素子rを決定するようにしてもよい。以上により、図7のサブルーチンフローチャートでの処理を終了し、図6の処理に戻る。
As shown in FIG. 11, the level of the evaluation value is highest at a certain position (for example, position E4 in FIG. 11), and the evaluation value changes as the distance from that position increases. For this reason, the element determination unit 213 calculates the peak position by polynomial approximation of the secondary distribution data on the X-axis, Y-axis, or XY plane. The antenna element r may be selected (determined) as the antenna element r for cardiac output measurement. Further, the element determination unit 213 may determine the antenna element r for cardiac output measurement by comparing with the comparison distribution pattern stored in the
(ステップS20)
ここでは、生体特徴データ抽出部417、分類判定部418、補正実行部419、および体型データ取得部420が協働することで、波形データから生体特徴データを抽出して、生体パターンを分類し、さらに補正値を決定する。図12は、ステップS20の処理を示すサブルーチンフローチャートである。
(Step S20)
Here, biometric feature data extraction unit 417,
(ステップS811)
まず、生体特徴データ抽出部417は、ステップS18で作成されたアンテナ素子rごとの波形データから、生体特徴データを抽出する。波形データから抽出される生体特徴データは、たとえば、呼吸に伴うマイクロ波の信号強度の変化(呼吸性振幅)と分布分散性である。
(Step S811)
First, the biometric feature data extraction unit 417 extracts biometric feature data from the waveform data for each antenna element r created in step S18. The biometric feature data extracted from the waveform data is, for example, a change in microwave signal intensity (respiratory amplitude) and distribution variance associated with respiration.
呼吸に伴うマイクロ波の信号強度の変化は、たとえば、各アンテナ素子の波形データから、呼吸のタイミングに同期している波形を抽出することで得られる。また、呼吸に伴うマイクロ波の信号強度の変化は、たとえば、アンテナ素子rごとに波形データを高速フーリエ変換(FFT)し、その周波数が、呼吸タイミングの周波数に近い周波数成分を抽出することでも得られる。この場合、信号強度は、抽出された周波数成分の強度を使用することができる。また、呼吸に伴う信号強度の変化は、心拍出量に伴う信号強度の変化よりも、多くのアンテナ素子に分布している。したがって、呼吸に伴う信号強度の変化は、より多くのアンテナ素子rに分布が広がっている信号強度の変化があれば、それを呼吸に伴うものと判断してもよい。 A change in microwave signal intensity associated with respiration can be obtained, for example, by extracting a waveform synchronized with respiration timing from waveform data of each antenna element. In addition, the change in the signal strength of the microwave accompanying respiration can be obtained, for example, by performing a fast Fourier transform (FFT) on the waveform data for each antenna element r, and extracting the frequency component whose frequency is close to the respiration timing frequency. be done. In this case, the strength of the extracted frequency component can be used as the signal strength. In addition, changes in signal strength associated with respiration are distributed over more antenna elements than changes in signal strength associated with cardiac output. Therefore, if there is a change in signal strength that spreads over more antenna elements r, it may be determined that the change in signal strength is due to respiration.
図13は、呼吸性振幅の一例を示すグラフである。図13では、第1体型と第2体型の呼吸波形を示している。ここで第1体型と第2体型は、第1体型の人の胸囲<第2体型の人の胸囲とする。 FIG. 13 is a graph showing an example of respiratory amplitude. FIG. 13 shows respiratory waveforms of the first body type and the second body type. Here, the first body type and the second body type are such that the chest circumference of the person with the first body type<the chest circumference of the person with the second body type.
図13に示すように、呼吸性振幅は、測定対象者の体型によって異なり、第1体型の人の振幅aの方が、第2体型の人の振幅bよりも大きい。これは、第1体型の人の方が、第2体型の人よりも、呼吸による胸部の動き、特にアンテナによって挟まれた方向の変化が大きい。生体に対するマイクロ波の損失は、生体の変化が大きいほど大きくなる傾向がある。このため、胸部の変化が大きい第1体型の人の振幅aの方が、第2体型の人の振幅bよりも大きくなる。 As shown in FIG. 13, the respiratory amplitude differs depending on the body type of the person to be measured, and the amplitude a of the person with the first body type is larger than the amplitude b of the person with the second body type. This is because the movement of the chest due to respiration, particularly the change in the direction sandwiched between the antennas, is greater for people with the first body type than for people with the second body type. Loss of microwaves to living organisms tends to increase as changes in living organisms increase. For this reason, the amplitude a of the person with the first body type having a large change in the chest is larger than the amplitude b of the person with the second body type.
分布分散性は、呼吸に起因したマイクロ波の信号強度の変化(すなわち振幅)が、どの程度に広がっているかを示す。たとえば、分布分散性は、最大振幅に対して、所定振幅以上となっているアンテナ素子rの個数とその広がりである。より具体的には、分類判定部418は、まず、すべてのアンテナ素子rの中から最大振幅を求める。続いて、分類判定部418は、求めた最大振幅に対する所定振幅以上となっているアンテナ素子rを抽出し、その位置を求める。所定振幅は、たとえば、最大振幅に対して80%以上などとする。
The dispersiveness indicates the extent to which the change in microwave signal intensity (that is, the amplitude) due to respiration is spread. For example, the distribution dispersion is the number of antenna elements r whose amplitude is greater than or equal to a predetermined amplitude with respect to the maximum amplitude and its spread. More specifically,
本実施形態では、この分布分散性をアンテナアレイのマトリックスにおける配置と個数から分類した。図14は、分布分散性の分類の例を示す図である。図14(a)は、呼吸による信号の振幅が最大振幅に対して80%以上となっているアンテナ素子の広がりが、3行3列の合計9個のアンテナ素子の範囲の場合分散性「1」とする。図14(b)は、同様に、5行5列の合計25個のアンテナ素子の範囲の場合、分散性「2」とする。図14(c)は、同様に、7行7列の合計49個のアンテナ素子の範囲場合、分散性「3」とする。なお、分布分散性とアンテナ素子の個数の関係は、任意に決定すればよく、この例に限定されない。また、アンテナアレイのマトリックスを用いずに、単純に所定振幅以上となっているアンテナ素子の個数から分布分散性を分類してもよい。 In this embodiment, this distribution dispersion is classified according to the arrangement and number of antenna arrays in the matrix. FIG. 14 is a diagram showing an example of classification of distribution dispersion. FIG. 14(a) shows that when the spread of the antenna elements where the amplitude of the signal due to respiration is 80% or more of the maximum amplitude is the range of a total of nine antenna elements of 3 rows and 3 columns, the dispersion is "1". ”. Similarly, in FIG. 14(b), the dispersibility is set to "2" in the case of a range of 25 antenna elements in total of 5 rows and 5 columns. Similarly, in FIG. 14(c), the dispersibility is set to "3" in the case of a range of 49 antenna elements in total of 7 rows and 7 columns. Note that the relationship between distribution dispersion and the number of antenna elements may be determined arbitrarily, and is not limited to this example. Alternatively, the distribution dispersion may be classified simply based on the number of antenna elements having a predetermined amplitude or more without using the matrix of the antenna array.
図15は、呼吸の分布分散性の一例を示すグラフである。図15では、第1体型と第2体型の呼吸の分布分散性を示している。 FIG. 15 is a graph showing an example of respiration distribution dispersion. FIG. 15 shows the respiration distribution dispersion of the first body type and the second body type.
図15に示すように、呼吸の分布分散性は、測定対象者の体型によって異なる。呼吸によるマイクロ波の信号が、最大振幅に対して80%以上となっているアンテナ素子rは、は、図15(b)に示した第2体型の方が、図15(a)に示した第1体型よりも多く分布している。これは、第2体型の人の方が、第1体型の人よりも、胸部の幅が大きいためである。なお、図14の分類に照らして、図15(a)に示した第1体型の分布分散性=1であり、図15(b)に示した第2体型の分布分散性=3である。 As shown in FIG. 15, the respiration distribution varies depending on the body type of the subject. Antenna element r with which the microwave signal due to respiration is 80% or more of the maximum amplitude is shown in FIG. It is distributed more than the first body type. This is because a person with the second body type has a wider chest than a person with the first body type. 14, the distribution variance of the first figure shown in FIG. 15(a)=1, and the distribution variance of the second figure shown in FIG. 15(b)=3.
(ステップS812)
分類判定部418は、生体特徴データを生体パターンに分類する。図16は、第1の実施形態における生体パターンの分類の例を示す生体パターンテーブルである。生体パターンは、図16に示すように、ステップS811で説明した生体特徴データ、すなわち、呼吸性振幅と分布分散性の組み合わせから分類される。たとえば、呼吸性振幅が1.0dbで、分布分散性が2であれば、生体パターンは、生体パターンNo.5に分類される。このような生体パターンテーブルは、あらかじめ記憶部22に記憶させておくとよい。
(Step S812)
The
(ステップS813)
体型データ取得部420は、体型データを、たとえば、PC61などから取得して記憶部22へ記憶する。図17は、体型データの例を示す体型データテーブルである。体型データは、図17に示すように、たとえば、測定対象者の体重、体脂肪率、性別などである。このような体型データは、あらかじめ体重体脂肪計などを用いて、測定対象者を測定し、PC61に記憶しておく。なお、体型データは、PC61以外にも、外部のサーバーから取得してもよいし、心拍出量の測定前に、体重体脂肪計などを用いて、測定対象者を測定し、測定結果を入力して、記憶部22へ記憶してもよい。
(Step S813)
Body type
(ステップS814)
補正実行部419は、生体パターンと体型データの組み合わせから補正値を求める。本実施形態では、あらかじめ生体パターンと体型データの組み合わせから決められた補正値を補正データテーブルとして記憶部22に記憶させている。
(Step S814)
A
図18は、生体パターンと体型データの組み合わせから決められた補正値の例を示す補正データテーブルである。図18に示す補正データテーブルにおいて、補正値の強度係数は、後述する(2)式において、定数β(後述)を補正するための補正係数であり、振幅係数は振幅h(後述)を補正するための補正係数である。 FIG. 18 is a correction data table showing an example of correction values determined from a combination of biometric pattern and body type data. In the correction data table shown in FIG. 18, the intensity coefficient of the correction value is a correction coefficient for correcting the constant β (described later) in equation (2) described later, and the amplitude coefficient corrects the amplitude h (described later). is a correction factor for
補正実行部419は、図18に示す補正データテーブルを参照して補正値を決定する。補正実行部419は、たとえば、分類された生体パターンNo.が「1」で、取得された体型No.が「A」であれば、補正No.A1として、補正値を強度係数=1.2、振幅係数0.8とする。
The
そして、補正実行部419は、後述のステップS21において、心拍出量推定部214による心拍出量の推定(算出過程)に対して補正を実行する。
Then, the
以上により、図12のサブルーチンフローチャートでの処理を終了し、図6の処理に戻る。 As described above, the processing in the subroutine flowchart of FIG. 12 is completed, and the processing returns to that of FIG.
(ステップS21)
心拍出量推定部214は、ステップS19で決定されたアンテナ素子rの波形データを用いて、心拍出量、または心臓から拍出される血液量を推定する。この時、補正実行部419による補正が実行される。図5Cに示したような心拍波形において、心臓が収縮期にあるときと、拡張期にあるときの信号強度の差分を振幅hとし、患者90の心臓91の心拍出量、または心臓から拍出される血液量を推定する。心臓91は、収縮期に比べて拡張期においては、マイクロ波の損失がより大きくなり、信号の減衰が大きくなる。すなわち収縮期の受信信号の強度は、ベース強度bより小さくなり、拡張期の受信信号の強度は、ベース強度bより大きくなる。そして、波形w1の山の頂点と谷の底の差が振幅hである。なお、ベース強度bは、すべてのアンテナ素子rで受信したマイクロ波の電界強度の平均値である。
(Step S21)
Cardiac output estimator 214 estimates the cardiac output or the volume of blood pumped from the heart using the waveform data of antenna element r determined in step S19. At this time, correction is performed by the
このような信号強度の変化である振幅hは、心臓の大きさの変化、すなわち1拍出量に比例するので、振幅hにより心拍出量を推定(算出)できる。具体的には、たとえば、下記(1)式により算出される。 The amplitude h, which is the change in signal intensity, is proportional to the change in the size of the heart, that is, the stroke volume, so the cardiac output can be estimated (calculated) from the amplitude h. Specifically, for example, it is calculated by the following formula (1).
心拍出量=振幅h×定数α-定数β (1)
(1)式中、定数αおよびβの項は、受信信号の電界強度から求めた値を心臓から拍出される血液量としてのmL(またはL)の値に変換するための定数である。このような定数αおよびβに代えて、電界強度による心拍出量の数値を血液量の数値に換算するための検量線などを用いて変換してもよい。
Cardiac output = amplitude h x constant α - constant β (1)
In the equation (1), the terms of constants α and β are constants for converting the value obtained from the electric field intensity of the received signal into the value of mL (or L) as the volume of blood pumped from the heart. Instead of such constants α and β, a calibration curve or the like for converting numerical values of cardiac output based on electric field intensity into numerical values of blood volume may be used.
そして、本実施形態では、このような心拍出量の算出過程において、定数βおよび振幅hをステップS20において求めた補正値による補正する。したがって、補正する場合の心拍出量は、下記(2)式による算出される。 In this embodiment, in the process of calculating the cardiac output, the constant β and the amplitude h are corrected by the correction values obtained in step S20. Therefore, the cardiac output for correction is calculated by the following equation (2).
心拍出量=振幅h×振幅係数×定数α-定数β×強度係数 (2)
心拍出量推定部214は、この(2)式を用いて、心拍出量を推定する。
Cardiac output = amplitude h x amplitude coefficient x constant α - constant β x intensity coefficient (2)
Cardiac output estimator 214 estimates the cardiac output using this equation (2).
以上説明した第1の実施形態は、以下の効果を奏する。 The first embodiment described above has the following effects.
心拍出量計測センサー1000は、生態を透過して、受信された信号の波形データから、測定対象者の生体特徴を抽出し、それを生体パターンとして分類し、分類ごとに決められた補正値により心拍出量の算出過程を補正することとした。
The cardiac
これにより本実施形態は、計測目的である心拍出量を、測定対象者の個体差に応じて高い精度で推定することができる。 As a result, the present embodiment can estimate the cardiac output, which is the purpose of measurement, with high accuracy according to the individual differences of the person to be measured.
また、本実施形態においては、別途測定された体型データも、生体パターンの分類と合わせて使用することで、心拍出量の推定精度を一層向上させることができる。 In addition, in the present embodiment, the accuracy of estimating the cardiac output can be further improved by using separately measured body shape data together with the classification of the biological pattern.
また、本実施形態においては、生体特徴データの抽出に、呼吸による受信強度の変動(振幅)を用いた。呼吸による受信強度の変動は、体型の大きさに依存するため、生体パターンの分類精度が向上する。 In addition, in the present embodiment, the variation (amplitude) of the reception intensity due to respiration is used to extract biometric feature data. The variation in received intensity due to respiration depends on the size of the body, thus improving the accuracy of bio-pattern classification.
また、本実施形態においては、同時または略同時に、各アンテナ素子で計測された計測値を用い、得られた計測値から波形データを作成する。このように同時または略同時に計測された計測値を用いることにより、指標1~6のいずれかの評価値を用いた2次分布データを用いた心拍出特徴データを抽出する際の精度が向上する。
In addition, in the present embodiment, measured values obtained by each antenna element are used at the same time or substantially at the same time, and waveform data is created from the obtained measured values. By using measured values measured at the same time or substantially at the same time in this way, accuracy is improved when extracting cardiac output feature data using secondary distribution data using evaluation values of any of
また、本実施形態においては、高速切替部122(または高速切替部112)を含み、1次分布作成部211は、点データ記録部301および波形データ生成部302を含む。これにより、略同時に複数のアンテナ素子での計測を行え、ひいては上述の精度向上を図れる。
Further, in this embodiment, the high-speed switching section 122 (or the high-speed switching section 112) is included, and the primary distribution creating section 211 includes a point
なお、ピークのタイミングの差分時間(指標6の評価値)以外を用いる場合においては、各アンテナ素子で異なる時刻に計測した計測値を用いてもよい。たとえば、一つの送信側アンテナ素子tと一つの受信側アンテナ素子rとの間の伝播経路での受信信号の計測を数秒周期で順次切り替えながら行い、これをアンテナ素子r全数分繰り返すことにより、計測値を取得するようにしてもよい。 In the case of using a difference time other than peak timing (evaluation value of index 6), measured values obtained at different times for each antenna element may be used. For example, the measurement of the received signal on the propagation path between one transmitting-side antenna element t and one receiving-side antenna element r is performed while sequentially switching at intervals of several seconds, and this is repeated for all the antenna elements r. You can also get the value.
また、本実施形態では電磁波としてマイクロ波を用いる。マイクロ波は、人体を透過する際の減衰が他の周波数よりも少なく、また心臓の拡張/収縮の動きに応じた損失変化に伴う信号の変化の感度(振幅の増減率)が他の周波数よりも大きく、心拍出量の測定に好適である。 Further, in this embodiment, microwaves are used as electromagnetic waves. Microwaves are attenuated less than other frequencies when they pass through the human body, and are more sensitive to signal changes (amplitude increase/decrease rate) associated with loss changes in response to heart expansion/contraction movements than other frequencies. It is also large and suitable for measuring cardiac output.
なお、第1の実施形態においては、呼吸性振幅のデータを用いず、分布分散性のみを生体特徴データとして用いてもよい。分布分散性のみ用いた場合、生体における胸部(特に心臓周辺)の筋肉や脂肪の広がり方などの違いを判別できる。筋肉や脂肪の広がり方が違うと、電磁波の通りやすさ(損失の違い)が異なるので、それによる生体パターンの分類ができる。そして、分類した生体パターンに基づき、補正を行うことで心拍出量の推定精度を向上させることができる。 Note that, in the first embodiment, only the distribution variance may be used as biometric characteristic data without using respiratory amplitude data. When only the distribution variance is used, it is possible to discriminate differences in the spread of muscle and fat in the chest (particularly around the heart) in a living body. If the spread of muscle or fat is different, the easiness of passage of electromagnetic waves (difference in loss) will be different, so it is possible to classify biological patterns according to this. By performing correction based on the classified biological patterns, the estimation accuracy of the cardiac output can be improved.
また、第1の実施形態においては、分布分散性のデータを用いず、呼吸性振幅のみを生体特徴データとして用いてもよい。呼吸性振幅のみ用いた場合でも、生体に対する電磁波の通りやすさ(損失の違い)を判別できるので、生体パターンの分類ができる。そして、分類した生体パターンに基づき、補正を行うことで心拍出量の推定精度を向上させることができる。この場合、送信アンテナ11および受信アンテナ12は、いずれも1個のアンテナ素子からなるように構成してもよい。送信アンテナ11および受信アンテナ12をともに1個のアンテナ素子とする場合、可能な限り、心臓、特に左心室を挟むように設置することが望まれる。また、この場合、ステップS11~S17およびS19の処理は不要であり、一つのアンテナ素子における波形データを作成して、用いることになる。
Further, in the first embodiment, only the respiratory amplitude may be used as the biometric characteristic data without using the distribution dispersion data. Even if only the respiratory amplitude is used, it is possible to determine how easily the electromagnetic wave passes through the living body (difference in loss), so that the living body pattern can be classified. By performing correction based on the classified biological patterns, the estimation accuracy of the cardiac output can be improved. In this case, each of the transmitting
(第1の実施形態の変形例)
第1の実施形態による、生体の違いによる補正は、受信したマイクロ波の信号の波形生成過程にも適用することができる。
(Modification of the first embodiment)
The correction due to differences in living organisms according to the first embodiment can also be applied to the waveform generation process of received microwave signals.
図19は、変形例を説明するためのグラフであって、ある一つのアンテナ素子rに対応して、受信されたマイクロ波の信号の波形データを示すグラフである。
ある一つのアンテナ素子rに対応して、受信されたマイクロ波の信号の波形データを示すグラフであって、図19(a)はフィルターリング前を示し、図19(b)はフィルターリング後を示している。ここでのフィルターリングとは、平滑化フィルターを適用し、高周波成分を除去する処理である。具体的には、図19(a)に示したグラフ中の高周波成分を、図19(b)に示すように、平滑化フィルターによって除去する。
FIG. 19 is a graph for explaining a modification, and is a graph showing waveform data of a microwave signal received corresponding to one certain antenna element r.
FIG. 19A is a graph showing waveform data of a microwave signal received corresponding to one antenna element r, FIG. showing. Filtering here is a process of applying a smoothing filter to remove high frequency components. Specifically, the high frequency components in the graph shown in FIG. 19(a) are removed by a smoothing filter as shown in FIG. 19(b).
本変形例では、このような平滑化フィルターで使用するフィルター係数および電界強度補正係数を、分類された生体パターンごとに設定する。 In this modified example, filter coefficients and electric field intensity correction coefficients used in such a smoothing filter are set for each classified biological pattern.
図20は、第1の実施形態の変形例の補正値として、フィルター係数および電界強度補正係数の例を示す補正データテーブルである。 FIG. 20 is a correction data table showing examples of filter coefficients and electric field intensity correction coefficients as correction values in the modified example of the first embodiment.
図20に示す補正データテーブルにおいて、補正値は、第1の実施形態同様に、生体パターンと体型データの組み合わせから決められている。なお、生体パターンの分類、および体型データは第1の実施形態において説明したとおりである。 In the correction data table shown in FIG. 20, the correction value is determined from the combination of the biometric pattern and body type data, as in the first embodiment. It should be noted that the classification of biometric patterns and body type data are as described in the first embodiment.
補正値となるフィルター係数は、高周波成分を除去する際の係数であり、強度係数は、信号強度の低い値を高くして、信号強度を均等化するために用いる補正係数である。 A filter coefficient serving as a correction value is a coefficient for removing high-frequency components, and an intensity coefficient is a correction coefficient used to equalize the signal intensity by increasing low signal intensity values.
補正実行部419は、図20に示す補正データテーブルを参照して補正値を決定する。補正実行部419は、たとえば、分類された生体パターンNo.が「1」で、取得された体型No.が「A」であれば、補正No.A1として、その補正値をフィルター係数=1.2、電界強度補正係数0.8とする。
The
そして、ステップS21において、心拍出量推定部214は、補正値によって補正された平滑化フィルターによって、平滑化処理された波形データを用いて心拍出量の推定(算出過程)を実行する。 Then, in step S21, the cardiac output estimator 214 estimates (calculates) the cardiac output using the waveform data smoothed by the smoothing filter corrected by the correction value.
(第2の実施形態)
図21は、第2の実施形態に係る心拍出量計測センサーの構成を示すブロック図である。
(Second embodiment)
FIG. 21 is a block diagram showing the configuration of a cardiac output measurement sensor according to the second embodiment.
第2の実施形態は、生体特徴データとして、生体の反射係数を用いる。このために、第2の実施形態の心拍出量計測センサー1000は、ネットワークアナライザー600を有する。ネットワークアナライザー600は、送受信コントローラー14を介して、送信アンテナ11から、生体へ向けて電磁波を照射させ、送信アンテナ11を受信アンテナとして機能させて、生体からの反射波を受信させる。そして、ネットワークアナライザー600が反射係数を求め、生体特徴データ抽出部417が反射係数を生体特徴データとして抽出する。
The second embodiment uses the reflection coefficient of the living body as the biological feature data. For this purpose, the
送信アンテナ11のアンテナ素子tが複数ある場合(図4Aおよび図4B参照)、使用するアンテナ素子tは、いずれか一つでよい。 When there are a plurality of antenna elements t of the transmitting antenna 11 (see FIGS. 4A and 4B), any one antenna element t may be used.
その他の構成は、第1の実施形態と同様であるので、それらの説明は省略する。また、第2の実施形態は、制御部21における、生体特徴データ抽出部417、分類判定部418、および補正実行部419の一部の機能が、第1の実施形態と異なる。ここでは、これら各部の機能のうち、第1の実施形態と異なる部分のみ説明する。
Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof will be omitted. In addition, the second embodiment differs from the first embodiment in some functions of a biological characteristic data extraction unit 417, a
図22は、第2の実施形態における図6のステップS20の処理を示すサブルーチンフローチャートである。 FIG. 22 is a subroutine flowchart showing the processing of step S20 of FIG. 6 in the second embodiment.
(ステップS20)
ここでは、生体特徴データ抽出部417、ネットワークアナライザー600、分類判定部418、補正実行部419、および体型データ取得部420が協働することで、反射係数を測定して、生体特徴データとし、生体パターンを分類し、さらに補正値を決定する。
(Step S20)
Here, the biometric feature data extraction unit 417, the
(ステップS911)
まず、生体特徴データ抽出部417は、ネットワークアナライザー600を起動して、生体に向けて電磁波を照射させる。使用する電磁波は、心拍出量を推定するために用いるマイクロ波と同じでよい。これにより、ネットワークアナライザー600は、生体の反射係数を測定する。なお、反射係数の測定には、専用の電磁波が使用されてもよい。その場合、生体特徴データ抽出部417は、送受信コントローラー14を介することなく、ネットワークアナライザー600から送信アンテナ11へ直接アクセスさせて、専用の電磁波を送信させてもよい。専用の電磁波は、マイクロ波であってもよいし、マイクロ波以外であってもよいが、生体に対して影響がない、または極めて少ない(安全基準をクリアしている)電磁波を用いる。
(Step S911)
First, the biometric feature data extraction unit 417 activates the
反射係数は、入射波に対する反射波の比であり、S11パラメータと称されており、下記(3)式のように表されている。入射波は生体に向けて照射される電磁波であり、反射波は、生体からの反射である。 The reflection coefficient is the ratio of the reflected wave to the incident wave, is called the S11 parameter, and is represented by the following equation (3). An incident wave is an electromagnetic wave irradiated toward a living body, and a reflected wave is a reflection from the living body.
反射係数(S11)=(反射波の電界強度)/(入射波の電界強度) (3)
ネットワークアナライザー600によって計測された反射係数は、接触面、すなわち生体表面の電気定数によって変化する。そして、生体表面の電気定数が変化すると、生体を透過するマイクロ波の損失も変化する。
Reflection coefficient (S11)=(field strength of reflected wave)/(field strength of incident wave) (3)
The reflection coefficient measured by the
ネットワークアナライザー600によって計測された反射係数は、生体特徴データ抽出部417によって生体特徴データとして抽出される。
The reflection coefficient measured by the
図23は、生体に対する反射係数の傾向を説明するための模式図である。図23(a)の第3体型の人は、図23(b)の第4体型の人より、筋肉が多い(逆にいうと、第4体型の人の方が第3体型の人より脂肪が多い)。 FIG. 23 is a schematic diagram for explaining the tendency of the reflection coefficient with respect to a living body. People with the third body type in FIG. 23(a) have more muscles than people with the fourth body type in FIG. many).
生体に対する反射係数(S11パラメータ)は、図23(a)に示した第3体型のように筋肉量の多い人の方が、脂肪が多い人よりも高くなる傾向がある。 The reflection coefficient (S11 parameter) for the living body tends to be higher for a person with a large amount of muscle, such as the third body type shown in FIG. 23(a), than a person with a large amount of fat.
したがって、本実施形態は、反射係数を測定し、これを生体特徴データとすることで、似たような体型(たとえば、胸囲が同じ)であっても、筋肉のよく発達した人とそうでない人のマイクロ波の損失の違いを見分けられるようになる。 Therefore, in the present embodiment, by measuring the reflection coefficient and using it as biological characteristic data, it is possible to distinguish between people with well-developed muscles and those with less muscles, even if they have similar body types (for example, the same chest circumference). be able to discern the difference in microwave loss between
(ステップS912)
分類判定部418は、反射係数(生体特徴データ)を生体パターンに分類する。図24は、第2の実施形態における生体パターンの分類の例を示す生体パターンテーブルである。第2の実施形態における生体パターンは、図24に示すように、ネットワークアナライザー600によって測定された反射係数ごとに分類される。
(Step S912)
The
(ステップS913)
体型データ取得部420は、第1の実施形態と同様であり、体型データを、たとえば、PC61などから取得して記憶部22へ記憶する。
(Step S913)
The figure
(ステップS914)
補正実行部419は、生体パターンと体型データの組み合わせから補正値を求める。図25は、第2の実施形態における生体パターンと、体型データの組み合わせから決められた補正値の例を示す補正データテーブルである。第2の実施形態では、第1の実施形態と異なり、補正値としては振幅係数のみが決定される。第2の実施形態においても、補正値は、図25に示すように、あらかじめ生体パターンと体型データの組み合わせから決められている。このような補正データテーブルは記憶部22に記憶させておく。補正実行部419は、この補正データテーブルを参照して、補正値を決定する。
(Step S914)
A
そして、補正実行部419は、後述のステップS21において、心拍出量推定部214による心拍出量の推定(算出過程)に対して補正を実行する。
Then, the
以上により、図22のサブルーチンフローチャートでの処理を終了し、図6の処理に戻る。 As described above, the processing in the subroutine flowchart of FIG. 22 is completed, and the processing returns to that of FIG.
(ステップS21)
心拍出量推定部214は、第1の実施形態と同様に、ステップS19で決定されたアンテナ素子rの波形データを用いて、心拍出量、または心臓から拍出される血液量を推定する。この時、補正実行部419による補正が実行される。ここでの補正は、振幅hに対する補正である。したがって、補正する場合の心拍出量は、下記(4)式による算出される。
(Step S21)
Cardiac output estimator 214 uses the waveform data of antenna element r determined in step S19 to estimate the cardiac output or the volume of blood pumped from the heart, as in the first embodiment. do. At this time, correction is performed by the
心拍出量=振幅h×振幅係数×定数α-定数β (4)
心拍出量推定部214は、この(4)式を用いて、心拍出量を推定する。なお、(4)式においても、定数αおよびβは、(1)式と同様である。
Cardiac output = amplitude h x amplitude coefficient x constant α - constant β (4)
The cardiac output estimation unit 214 estimates the cardiac output using this equation (4). It should be noted that the constants α and β in the equation (4) are the same as those in the equation (1).
以上説明した第2の実施形態は、第1の実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。 The second embodiment described above has the following effects in addition to the effects of the first embodiment.
本実施形態では、生体特徴データとして反射係数を測定することとしたので、生体内の筋肉量や脂肪量の違いによる電磁波の損失の違いを見分けることができる。したがって、本実施形態では、見た目の体型が同じであっても、実際には電磁波の損失量が異なるような場合にも、正確に心拍出量を推定できるようになる。これにより本実施形態は、計測目的である心拍出量を、測定対象者の個体差に応じて高い精度で推定することができる。 In the present embodiment, since the reflection coefficient is measured as the biometric characteristic data, it is possible to distinguish the difference in electromagnetic wave loss due to the difference in the amount of muscle and fat in the living body. Therefore, in the present embodiment, even if the body shape is the same in appearance, the cardiac output can be accurately estimated even when the amount of electromagnetic wave loss is actually different. As a result, the present embodiment can estimate the cardiac output, which is the purpose of measurement, with high accuracy according to the individual differences of the person to be measured.
なお、第2の実施形態においては、送信アンテナ11および受信アンテナ12は、いずれも1個のアンテナ素子からなるように構成してもよい。なぜなら、反射係数を生体特徴データとする場合は、第1の実施形態のように、その分布分散性を用いない。このため反射係数の測定だけであれば、生体に対して1ポイントで電磁波を照射し、その反射を受信すればよいからである。送信アンテナ11および受信アンテナ12をともに1個のアンテナ素子とする場合、心拍出量測定の際に、送信アンテナ11および受信アンテナ12は、可能な限り、心臓、特に左心室を挟むように設置することが望まれる。また、この場合、ステップS11~S17およびS19の処理は不要であり、一つのアンテナ素子における波形データを作成して、用いることになる。
In addition, in the second embodiment, each of the transmitting
また、第2の実施形態では、ネットワークアナライザー600を心拍出量計測センサー1000に組み込み、制御部21から制御することで、反射係数を求めることとした。しかし、本第2の実施形態は、ネットワークアナライザー600を単独で用いて、あらかじめ反射係数を求めたのち、第1実施形態による心拍出量計測センサーにより心拍出量の推定を実施することとしてもよい。その場合、ネットワークアナライザー600を単独で用いて計測した反射係数の値は、心拍出量計測センサーに入力して生体特徴データとして使用する。生体パターンの分類、および補正は、心拍出量計測センサーによって実行させる。また、生体パターンの分類、および補正は、別途、コンピューター(PC)などによって実行して、補正値を心拍出量計測センサーに提供して、心拍出量を推定させることとしてもよい。
Further, in the second embodiment, the
以上に説明した実施形態は、上述の構成に限られず、特許請求の範囲内において、種種改変することができる。 The embodiments described above are not limited to the configurations described above, and various modifications can be made within the scope of the claims.
上述した各実施形態では、体型データを取得して、生体パターンの分類と合わせて使用することとしたが、体型データを用いることなく、生体パターンの分類を用いるだけでも、心拍出量の推定精度を向上させることができる。体型データを使用しない場合、体型データ取得部420はなくてもよい。また、ステップS813およびS913は不要である。
In each of the above-described embodiments, the body shape data is acquired and used together with the biological pattern classification. Accuracy can be improved. If the body type data is not used, the body type
また、補正値については、第1の実施形態においては、強度係数と振幅係数の両方を用いるとしたが、補正値は、いずれか一方だけでもよい。すなわち、補正値は、強度係数のみ用いたり、振幅係数のみ用いたりしてもよい。変形例においても同様であり、フィルター係数のみ用いたり、電界強度補正係数のみ用いたりしてもよい。また、第2の実施形態においては、振幅係数による振幅の補正だけでなく、反射係数の違いによる、透過したマイクロ波の受信強度の違いから、信号強度に対する補正(強度係数)を用いることとしてもよい。 As for the correction value, both the intensity coefficient and the amplitude coefficient are used in the first embodiment, but only one of them may be used as the correction value. That is, the correction value may use only the intensity coefficient or only the amplitude coefficient. The same applies to the modified examples, and only the filter coefficients or only the electric field strength correction coefficients may be used. Further, in the second embodiment, not only the amplitude correction by the amplitude coefficient, but also the signal strength correction (strength coefficient) is used from the difference in the reception intensity of the transmitted microwave due to the difference in the reflection coefficient. good.
また、上述した心拍出量計測センサー1000における各種処理を行う手段および方法は、専用のハードウェア回路、またはプログラムされたコンピューターのいずれによっても実現することが可能である。上記プログラムは、たとえば、USBメモリやDVD-ROM等のコンピューター読み取り可能な記録媒体によって提供されてもよいし、インターネット等のネットワークを介してオンラインで提供されてもよい。この場合、コンピューター読み取り可能な記録媒体に記録されたプログラムは、通常、ハードディスク等の記憶部に転送され記憶される。また、上記プログラムは、単独のアプリケーションソフトとして提供されてもよいし、一機能として装置のソフトウエアに組み込まれてもよい。
Moreover, the means and methods for performing various processes in the cardiac
1000 心拍出量計測センサー
11、11b 送信アンテナユニット
110 基板
111 送信波形生成部
112 高速切替部
113 アンテナアレイ(送信側)
t1~tx アンテナ素子(送信側)
12、12b 受信アンテナユニット
120 基板
121 アンテナアレイ(受信側)
122 高速切替部
123 サンプリング部
13 信号ケーブル
14 送受信コントローラー
20 装置本体
21 制御部
211 1次分布作成部
301 点データ記録部
302 波形データ生成部
212 2次分布作成部
213 素子決定部
214 心拍出量推定部
215 設置状態判定部
216 指示部
217 生体特徴データ抽出部
218 分類判定部
219 補正実行部
600 ネットワークアナライザー
22 記憶部
23 入出力I/F
24 通信I/F
51 タッチパネル
52 XYステージ
61 PC
REFERENCE SIGNS
t1 to tx antenna element (transmitting side)
12, 12b receiving
122 high-
24 Communication I/F
51
Claims (15)
前記送信アンテナに対して、前記生体の心臓を挟んで対向するように配置された受信アンテナと、
前記受信アンテナが受信した前記電磁波の信号強度の経時的変化を表す波形データを作成する波形データ作成部と、
前記波形データから、心拍出量を推定する心拍出量推定部と、
前記生体に向けて送信された前記電磁波を受信することで得られる信号から前記生体の特徴を表す生体特徴データを抽出する生体特徴データ抽出部と、
前記生体特徴データから前記生体の特徴を生体パターンに分類する分類判定部と、
前記心拍出量推定部による前記心拍出量の推定の算出過程に対して、分類された前記生体パターンに基づき補正を実行する補正実行部と、
を有する、心拍出量計測センサー。 a transmitting antenna for transmitting electromagnetic waves toward a living body;
a receiving antenna arranged to face the transmitting antenna with the heart of the living body interposed therebetween;
a waveform data creation unit that creates waveform data representing changes over time in signal strength of the electromagnetic wave received by the receiving antenna;
a cardiac output estimation unit that estimates a cardiac output from the waveform data;
a biometric feature data extracting unit for extracting biometric feature data representing features of the living body from a signal obtained by receiving the electromagnetic waves transmitted toward the living body;
a classification determination unit that classifies the biometric features into biometric patterns from the biometric feature data;
a correction execution unit that executes correction based on the classified biometric pattern in the calculation process of the cardiac output estimation by the cardiac output estimation unit;
A cardiac output sensor, comprising:
前記波形データ作成部は、前記アンテナ素子ごとに前記波形データを作成する、請求項1~3のいずれか一つに記載の心拍出量計測センサー。 at least one of the transmitting antenna and the receiving antenna includes a plurality of antenna elements having different positions with respect to the living body;
The cardiac output measurement sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the waveform data creation unit creates the waveform data for each of the antenna elements.
前記波形データ作成部は、前記受信アンテナが受信した前記電磁波の信号強度から、前記高速切替部によりONとなった前記アンテナ素子それぞれに対応する前記波形データを作成する、請求項4または5に記載の心拍出量計測センサー。 a high-speed switching unit that sequentially switches ON/OFF of each of the plurality of antenna elements at a predetermined cycle;
6. The waveform data creation unit according to claim 4, wherein the waveform data creating unit creates the waveform data corresponding to each of the antenna elements turned on by the high-speed switching unit from the signal strength of the electromagnetic wave received by the receiving antenna. cardiac output sensor.
前記体型データと前記生体特徴データとの対応関係から補正値があらかじめ決められた補正データテーブルを記憶する記憶部と、をさらに有し、
前記補正実行部は、前記補正データテーブルを用いて前記算出過程に対して補正を実行する、請求項1~8のいずれか一つに記載の心拍出量計測センサー。 a body type data acquisition unit that acquires body type data measured for each living body;
a storage unit that stores a correction data table in which correction values are determined in advance based on the correspondence relationship between the body shape data and the biological feature data;
The cardiac output measurement sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the correction execution unit uses the correction data table to correct the calculation process.
前記送信アンテナに対して、前記生体の心臓を挟んで対向するように配置された受信アンテナと、を有し、
前記受信アンテナで受信した、前記生体を透過した前記電磁波を用いて、心拍出量を推定する心拍出量計測センサーを制御するコンピューターで実行される制御プログラムであって、
前記受信アンテナが受信した前記電磁波の信号強度の経時的変化を表す波形データを作成する段階(a)と、
前記生体に向けて送信された前記電磁波を受信することで得られる信号から前記生体の特徴を表す生体特徴データを抽出する段階(b)と、
前記生体特徴データから前記生体の特徴を生体パターンに分類する段階(c)と、
前記波形データを用いて前記心拍出量を推定する段階であって、前記心拍出量の推定の算出過程に対して、分類された前記生体パターンに基づき補正しつつ、前記心拍出量を推定する段階(d)と、
を有する、制御プログラム。 a transmitting antenna for transmitting electromagnetic waves toward a living body;
a receiving antenna arranged to face the transmitting antenna with the heart of the living body interposed therebetween;
A control program executed by a computer for controlling a cardiac output measurement sensor for estimating cardiac output using the electromagnetic wave received by the receiving antenna and transmitted through the living body,
step (a) of creating waveform data representing changes over time in signal strength of the electromagnetic wave received by the receiving antenna;
a step (b) of extracting biometric feature data representing features of the living body from a signal obtained by receiving the electromagnetic waves transmitted toward the living body;
a step (c) of classifying the biometric features into biometric patterns from the biometric feature data;
In the step of estimating the cardiac output using the waveform data, the cardiac output is corrected based on the classified biological pattern in a calculation process for estimating the cardiac output. estimating (d)
A control program.
前記段階(a)は、前記アンテナ素子ごとに前記波形データを作成する、請求項10~12のいずれか一つに記載の制御プログラム。 at least one of the transmitting antenna and the receiving antenna includes a plurality of antenna elements having different positions with respect to the living body;
The control program according to any one of claims 10 to 12, wherein said step (a) creates said waveform data for each said antenna element.
前記体型データと前記生体特徴データとの対応関係から補正値があらかじめ決められた補正データテーブルが、前記コンピューター内に記憶されており、
前記段階(d)は、前記補正データテーブルを用いて、前記算出過程に対して補正を実行する、請求項10~14のいずれか一つに記載の制御プログラム。 further comprising a step (e) of acquiring body shape data measured for each living body prior to the step (d);
a correction data table in which correction values are determined in advance from the corresponding relationship between the body shape data and the biological characteristic data is stored in the computer;
15. The control program according to any one of claims 10 to 14, wherein said step (d) uses said correction data table to correct said calculation process.
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