JP6549359B2

JP6549359B2 - 心拍測定装置、心拍測定方法及び運転者モニタリングシステム

Info

Publication number: JP6549359B2
Application number: JP2014163336A
Authority: JP
Inventors: 兌ウク金; 汞杰韓
Original assignee: Industry Academic Cooperation Foundation of Yonsei University; University Industry Foundation UIF of Yonsei University
Current assignee: Industry Academic Cooperation Foundation of Yonsei University; University Industry Foundation UIF of Yonsei University
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2034-08-11
Also published as: US20150164364A1; JP2015116473A; EP2886051A1; CN104720769A

Description

本発明は、心拍測定装置、心拍測定方法及び運転者モニタリングシステムに係り、より詳しくは、被測定者と接触せずに心拍を測定する非接触式心拍測定装置、心拍測定方法と、これらを用いて運転者をモニタリングする心拍測定装置、心拍測定方法及び運転者モニタリングシステムに関する。

一般的に心臓の状態を測定するためには、電極を人体に接触させて心電図を測定する方式が用いられている。しかし、心電図を測定する方式は、人体に電極を付着しなければならない不便さがあり、専門知識のない一般人が用いるには無理がある。
このような問題点を解決するため、心臓に反射されるレーダーを用いて心拍を測定する方法が開発された。しかし、反射波を用いる方式は、レーダー送受信端と心臓の距離変化に基づいたもので、被測定者の動きに多くの影響を受ける問題点がある。

特開２０１３−１５３７８３号公報

本発明の目的は、被測定者と接触せずに被測定者の動きに関係なく心拍を測定することができる心拍測定装置、心拍測定方法及び運転者モニタリングシステムを提供することにある。

本発明の心拍測定装置は、信号生成装置から伝送される１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅｂａｎｄ）信号を受信して被測定者の心拍を測定する心拍測定装置であって、被測定者を基準に前記信号生成装置の反対方向に位置して、前記信号生成装置から伝送された前記１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ信号のうち、前記被測定者を透過したＵＷＢ信号を受信する受信部と、前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つを用いて前記被測定者の心拍を測定する測定部と、を含み、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数は、７１０ＭＨｚ〜７６０ＭＨｚの範囲であることを特徴とする。

前記測定部は、前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号を検出する信号検出部と、前記検出されたＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つの変化量を測定する信号分析部と、前記変化量をモニタリングして前記被測定者の心拍を測定する心拍測定部と、を含むことを特徴とする。

前記測定部は、前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号を検出する信号検出部と、前記検出されたＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つを測定する信号分析部と、前記中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つをモニタリングして前記被測定者の心拍を測定する心拍測定部と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の運転者モニタリングシステムは、１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅｂａｎｄ）信号を生成して伝送する信号生成装置と、被測定者を基準に前記信号生成装置の反対方向に位置して、前記信号生成装置から伝送された前記１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ信号のうち、前記被測定者を透過したＵＷＢ信号を受信し、前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つを用いて前記被測定者の心拍を測定する心拍測定装置と、を含み、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数は、７１０ＭＨｚ〜７６０ＭＨｚの範囲であることを特徴とする。

前記被測定者を基準に前記心拍測定装置の反対方向に位置して、前記信号生成装置から伝送された前記１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ信号のうち、前記被測定者により反射されたＵＷＢ信号を受信し、前記受信されたＵＷＢ信号の時間遅延量を用いて、前記被測定者の呼吸又は動きを測定する呼吸測定装置をさらに含むことを特徴とする。

また、本発明の心拍測定方法は、信号生成装置から伝送される１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅｂａｎｄ）信号を受信して被測定者の心拍を測定する心拍測定装置の心拍測定方法であって、被測定者を基準に前記信号生成装置の反対方向に位置する前記心拍測定装置が、前記信号生成装置から伝送された前記１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ信号のうち、前記被測定者を透過したＵＷＢ信号を受信する段階と、前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つを用いて前記被測定者の心拍を測定する段階と、を含み、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数は、７１０ＭＨｚ〜７６０ＭＨｚの範囲であることを特徴とする。

前記心拍を測定する段階は、前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号を検出する段階と、前記検出されたＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つの変化量を測定する段階と、前記変化量をモニタリングして前記被測定者の心拍を測定する段階と、を含むことを特徴とする。

前記心拍を測定する段階は、前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号を検出する段階と、前記検出されたＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つを測定する段階と、前記中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つをモニタリングして前記被測定者の心拍を測定する段階と、を含むことを特徴とする。

本発明の多様な実施例によれば、心臓の位置とは関係なく心拍の測定が可能になる。したがって、心拍の測定中に被測定者が動いても被測定者の心臓が信号の透過経路に位置すれば、安定的に心拍を測定することができる。
また、心拍の測定とともに呼吸の測定が可能なので、被測定者の状態をより正確に観察することができる。

本発明の一実施例に係る運転者モニタリングシステムの構成を示す図である。本発明の一実施例に係る心拍測定装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施例に係る測定部の具体的な構成を示すブロック図である。本発明の一実施例によって信号を検出する原理を説明するための図である。被測定者の心臓を透過した信号の中心周波数の変化を説明するための図である。被測定者の心臓を透過した信号の振幅の変化を説明するための図である。本発明の一実施例に係る心拍測定方法を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る運転者モニタリングシステムの構成を示す図である。
図１に示す通り、運転者モニタリングシステム１０００は、信号生成装置１００、心拍測定装置２００及び呼吸測定装置３００を含む。
信号生成装置１００は、信号を生成して伝送することができる。信号生成装置１００は一定の信号特性（中心周波数、振幅など）を有する信号を生成して、持続的に周辺に放射する。例えば、信号生成装置１００は、１ないし５ｍｓ周期で信号を伝送する。信号生成装置１００は、特にＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅｂａｎｄ）信号を生成する。
一方、信号生成装置１００は、車両のステアリングホイール又は運転席シーツに内蔵された形態に具現される。

心拍測定装置２００は、被測定者を透過した信号を受信して被測定者の心拍を測定することができる。具体的に、心拍測定装置２００は、被測定者を透過した信号を受信し、受信された信号の中心周波数及び振幅のうち、少なくとも一つの変化量を用いて被測定者の心拍を測定する。
心拍測定装置２００は、被測定者を基準に信号生成装置１００と反対方向に位置することができる。心拍測定装置２００が運転者の心臓を透過した信号によって運転者の心拍測定が可能であることによる。

例えば、信号生成装置１００がステアリングホイールに位置する場合、心拍測定装置２００は運転席シーツに内蔵された形態に具現される。他の例として、信号生成装置１００が運転席シーツに位置する場合、心拍測定装置２００はステアリングホイール又はシートベルトに内蔵された形態に具現される。また他の例として、信号生成装置１００及び心拍測定装置２００の構成のうち、信号を送受信する構成のみ互いに反対方向に位置する形態に具現される。このとき、信号生成装置１００及び心拍測定装置２００の残りの構成は、物理的に一つの形態に具現される。

呼吸測定装置３００は、被測定者に反射された信号を受信して、被測定者の呼吸又は動きを測定することができる。呼吸測定装置３００は、被測定者に反射された信号の時間遅延量を用いて、被測定者の呼吸又は動きを測定する。呼吸測定装置３００は、受信された信号の受信時刻を信号生成装置１００から伝送される瞬間の時刻と比較して、時間遅延量を測定する。呼吸測定装置３００は、時間遅延量を測定するために信号生成装置１００と連結され、信号生成装置１００から信号の伝送時刻を受信する。また、呼吸測定装置３００は、時間遅延量をモニタリングして被測定者の呼吸及び動きを測定する。

すなわち、被測定者が息を吸い込むと、胸が膨脹し、信号生成装置１００から伝送された信号が被測定者に反射され、呼吸測定装置３００に受信される距離が短くなる。これに伴い、受信される信号の時間遅延量が小さくなる。また、被測定者が息を吐き出すと、胸が収縮し、信号生成装置１００から伝送された信号が被測定者に反射され、呼吸測定装置３００に受信される距離が長くなる。これに伴い、受信される信号の時間遅延量が大きくなる。呼吸測定装置３００は、受信される信号の時間遅延量を持続的にモニタリングして、被測定者の呼吸又は動きを測定する。
一方、運転者モニタリングシステム１０００の構成のうち呼吸測定装置３００は、実施例によって省略されることもある。

図２は、本発明の一実施例に係る心拍測定装置の構成を示すブロック図である。
図２に示す通り、心拍測定装置２００は、受信部２１０及び測定部２２０を含む。
受信部２１０は、信号生成装置１００から伝送される信号のうち、被測定者を透過した信号を受信することができる。受信部２１０は、受信された信号を増幅するための低雑音増幅器を含む。
測定部２２０は、受信部２１０によって受信された信号の中心周波数及び振幅のうち少なくとも一つの変化量を用いて被測定者の心拍を測定することができる。測定部２２０については、図３ないし図６を参照して具体的に説明する。

図３は、本発明の一実施例に係る測定部の具体的な構成を示すブロック図である。
図３によれば、測定部２２０は、信号検出部２２１、信号分析部２２２及び心拍測定部２２３を含む。
信号検出部２２１は、受信部２１０によって受信された信号のうち、被測定者の心臓を透過した信号を検出する。信号検出の一実施例として、信号の減殺量を用いる方法について図４を参照して説明する。
図４は、本発明の一実施例によって信号を検出する原理を説明するための図である。
図４の（ａ）に示す通り、信号が人体を透過するとき、二つの経路に透過することができる。第一の経路（ｐａｔｈ１）は心臓を透過する経路であり、第二の経路（ｐａｔｈ２）は肺を透過する経路である。心臓は液体で満たされており、肺は気体で満たされているので、信号が二つの経路を通過する際に信号の減衰特性が異なる。

図４の（ｂ）に示す表は、それぞれ第一の経路及び第二の経路を通過する際の信号減衰特性である。図４の（ｂ）に示す通り、第一の経路での損失は１５７．７６ｄＢであり、第二の経路での損失は８０．１６ｄＢであることが分かる。すなわち、心臓を透過する経路と肺を透過する経路は、信号減衰程度が大きく相違する。したがって、信号検出部２２１は、受信される信号を信号の強さによって二つのグループに区分し、信号の強さが小さなグループを心臓を透過した信号として検出することができる。

信号検出の他の実施例として、信号の受信時刻を用いることができる。具体的に、信号検出部２２１は、信号生成装置１００で同一の時刻に伝送される信号のうち、最初に受信される信号を検出することができる。信号生成装置１００から伝送される信号のうち最初に受信される信号は、伝送距離が最も短い信号に該当する。すなわち、信号生成装置１００と心拍測定装置２００を直線に通過する信号に該当する。図４の（ａ）に示す通り、信号生成装置１００と心拍測定装置２００を直線に通過する信号は被測定者の心臓を通るようになる。
信号分析部２２２は、信号検出部２２１によって検出された信号を分析する。実施例によって信号分析部２２２は、二つの方法で信号を分析することができる。

第１実施例によれば、信号分析部２２２は、検出された信号の中心周波数及び振幅のうち少なくとも一つの変化量を分析することができる。信号生成装置１００は、一定の信号特性を有する信号を周期的に伝送することができる。また、信号分析部２２２は、信号生成装置１００から伝送される信号の中心周波数及び振幅が予め分かっており、受信された信号と比較して中心周波数及び振幅の変化量を分析する。ＵＷＢ信号の場合、被測定者の心臓を透過すると、中心周波数及び振幅が減少する。
第２実施例によれば、信号分析部２２２は、検出された信号の中心周波数及び振幅のうち少なくとも一つを分析する。すなわち、受信される信号の変化量を分析する第１実施例とは異なり、単に受信される信号の中心周波数及び振幅を測定することができる。

心拍測定部２２３は、信号分析部２２２の分析結果を用いて被測定者の心拍を測定する。具体的に、心拍測定部２２３は、信号分析部２２２の分析結果をモニタリングして、被測定者の心拍を測定する。心拍測定部２２３の心拍測定原理を図５及び図６を参照して説明する。
図５は、被測定者の心臓を透過した信号の中心周波数の変化を説明するための図である。
信号生成装置１００から伝送される信号は、被測定者の心臓を透過することによって中心周波数が減少する。また、中心周波数の減少量は心臓の大きさによって異なる。
図５に示す通り、心臓の大きさと中心周波数の減少量の関係が分かる。図５は心臓と類似の環境を作るために、水風船を対象として実験した結果に該当する。図５より、水風船を通過した信号は中心周波数が減少し、水風船の大きさが大きくなるほど、中心周波数の減少量が大きくなることが分かる。

被測定者の心臓は周期的に収縮と弛緩を繰り返し、収縮時には心臓の大きさが小さくなり、弛緩時には心臓の大きさが大きくなる。すなわち、心拍測定部２２３により、受信される信号の中心周波数又は中心周波数の変化量をモニタリングすることで、心臓の収縮及び弛緩の可否が分かる。
図６は、被測定者の心臓を透過した信号の振幅の変化を説明するための図である。
信号生成装置１００から伝送される信号は、被測定者の心臓を透過するによって振幅が減少する。また、振幅の減少量は、心臓の大きさによって変化する。

図６により、心臓の大きさによる振幅の減少量が分かる。図６は図５と同様に、心臓と類似の環境を作るために、水風船を対象として実験した結果に該当する。図６に示す通り、水風船の大きさが大きくなるほど、振幅の減少量が大きくなることが分かる。
被測定者の心臓は周期的に収縮と弛緩を繰り返し、収縮時には心臓の大きさが小さくなり、弛緩時には心臓の大きさが大きくなる。すなわち、心拍測定部２２３により、受信される信号の振幅又は振幅の変化量をモニタリングすることで、心臓の収縮及び弛緩の可否が分かる。
本発明の一実施例に係る心拍測定装置は、反射波基盤の心拍測定装置とは異なり、心臓の位置とは関係なく心拍の測定が可能である。したがって、心拍の測定中に被測定者が動いても、被測定者の心臓が信号の透過経路に位置すれば、心拍の測定が可能な長所を有する。

図７は、本発明の一実施例に係る心拍測定方法を説明するためのフローチャートである。
図７に示す通り、先ず、心拍測定装置２００は被測定者を透過した信号を受信する（Ｓ７１０）。ここで、被測定者を透過した信号はＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅｂａｎｄ）信号になる。
また、心拍測定装置２００は、受信された信号の中心周波数及び振幅のうち少なくとも一つを用いて被測定者の心拍を測定する（Ｓ７２０）。心拍を測定する過程を具体的に説明すれば、先ず、受信された信号のうち被測定者の心臓を透過した信号を検出する。ここで、信号を検出する際に、信号の減衰量を用いるか、信号の受信時刻を用いる。

心臓を透過する経路と肺を透過する経路は、信号減衰の程度が大きく相違する。したがって、心拍測定装置２００は、受信される信号を信号の強さによって二つのグループに区分し、信号の強さが小さなグループを心臓を透過した信号として検出する。
または、受信される信号のうち最初に受信される信号を、心臓を透過した信号として検出する。最初に受信される信号は直線経路を介して受信されるので、伝送距離が最も短い信号に該当する。したがって、信号生成装置１００と心拍測定装置２００との間の直線経路に被測定者の心臓が位置するように設定する場合、最初に受信される信号を心臓を透過した信号として検出する。

また、検出された信号の中心周波数及び振幅のうち、少なくとも一つを分析することができる。検出された信号を分析する際に、中心周波数及び振幅を分析するか、中心周波数及び振幅の変化量を分析する。
また、分析結果をモニタリングして被測定者の心拍を測定することができる。ＵＷＢ信号は心臓を透過して受信される場合、中心周波数及び振幅が減少する。また、心臓の大きさが大きくなるほど、減少量が増加する。これによって、分析結果を持続的にモニタリングすることによって、心臓の収縮又は弛緩状態が分かる。

以上では、本発明の好ましい実施例に対して図示して説明したが、本発明は前述した特定の実施例に限定されず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を外れることなく、当該発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって、多様な変形実施が可能であるのは勿論であり、このような変形実施等は本発明の技術的思想や見込みから理解されてはならないはずである。

１０００：運転者モニタリングシステム
１００：信号生成装置
２００：心拍測定装置
３００：呼吸測定装置

Claims

信号生成装置から伝送される１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅｂａｎｄ）信号を受信して被測定者の心拍を測定する心拍測定装置であって、
被測定者を基準に前記信号生成装置の反対方向に位置して、前記信号生成装置から伝送された前記１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ信号のうち、前記被測定者を透過したＵＷＢ信号を受信する受信部と、
前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つを用いて前記被測定者の心拍を測定する測定部と、を含み、
前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数は、７１０ＭＨｚ〜７６０ＭＨｚの範囲であることを特徴とする心拍測定装置。
前記測定部は、
前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号を検出する信号検出部と、
前記検出されたＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つの変化量を測定する信号分析部と、
前記変化量をモニタリングして前記被測定者の心拍を測定する心拍測定部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の心拍測定装置。
前記測定部は、
前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号を検出する信号検出部と、
前記検出されたＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つを測定する信号分析部と、
前記中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つをモニタリングして前記被測定者の心拍を測定する心拍測定部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の心拍測定装置。
１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅｂａｎｄ）信号を生成して伝送する信号生成装置と、
被測定者を基準に前記信号生成装置の反対方向に位置して、前記信号生成装置から伝送された前記１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ信号のうち、前記被測定者を透過したＵＷＢ信号を受信し、前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つを用いて前記被測定者の心拍を測定する心拍測定装置と、を含み、
前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数は、７１０ＭＨｚ〜７６０ＭＨｚの範囲であることを特徴とする運転者モニタリングシステム。
前記被測定者を基準に前記心拍測定装置の反対方向に位置して、前記信号生成装置から伝送された前記１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ信号のうち、前記被測定者により反射されたＵＷＢ信号を受信し、前記受信されたＵＷＢ信号の時間遅延量を用いて、前記被測定者の呼吸又は動きを測定する呼吸測定装置をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の運転者モニタリングシステム。
信号生成装置から伝送される１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ（ＵｌｔｒａＷｉｄｅｂａｎｄ）信号を受信して被測定者の心拍を測定する心拍測定装置の心拍測定方法であって、
被測定者を基準に前記信号生成装置の反対方向に位置する前記心拍測定装置が、
前記信号生成装置から伝送された前記１ｍｓ周期〜５ｍｓ周期のＵＷＢ信号のうち、前記被測定者を透過したＵＷＢ信号を受信する段階と、
前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つを用いて前記被測定者の心拍を測定する段階と、を含み、
前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号の中心周波数は、７１０ＭＨｚ〜７６０ＭＨｚの範囲であることを特徴とする心拍測定方法。
前記心拍を測定する段階は、
前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号を検出する段階と、
前記検出されたＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つの変化量を測定する段階と、
前記変化量をモニタリングして前記被測定者の心拍を測定する段階と、を含むことを特徴とする請求項６に記載の心拍測定方法。
前記心拍を測定する段階は、
前記受信されたＵＷＢ信号のうち、前記被測定者の心臓を透過したＵＷＢ信号を検出する段階と、
前記検出されたＵＷＢ信号の中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つを測定する段階と、
前記中心周波数及び振幅のうちの少なくとも一つをモニタリングして前記被測定者の心拍を測定する段階と、を含むことを特徴とする請求項６に記載の心拍測定方法。