JP6716466B2 - 無線反射によるバイタルサインの監視 - Google Patents
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Description
本出願は、
・2014年4月28日に出願した、「MULTI-PERSON MOTION TRACKING VIA BODY RADIO REFLECTIONS」と題した米国仮出願第61/985,066号、及び
・2015年2月17日に出願した、「VITAL SIGNS MONITORING VIA RADIO REFLECTIONS」と題した米国仮出願第62/117,087号の利益を主張するものである。
・2013年10月9日に出願した、「MOTION TRACKING VIA BODY RADIO REFLECTIONS」と題した米国仮出願第61/888,662号、
・2014年2月24日に出願した、「MULTI-PERSON MOTION TRACKING VIA BODY RADIO REFLECTIONS」と題した米国仮出願第61/943,957号、
・2014年10月9日に出願した、「MOTION TRACKING VIA BODY RADIO REFLECTIONS」と題した米国実用特許出願第14/510,263号に関連するが、それらの利益を主張しない。
本発明は、国立科学財団(National Science Foundation)によって与えられたCNS−1117194の下での政府の支援によってなされた。政府は、本発明に特定の権利を有する。
図1を参照すると、バイタルサイン監視システム100は、1又は2以上の対象とバイタルサイン監視システム100との間のいかなる物理的接触も必要とせずに1又は2以上の対象102a、102bのバイタルサイン(例えば、呼吸数及び心拍数)を監視する。バイタルサイン監視システム100は、送信アンテナ104、受信アンテナ106、及び信号処理サブシステム108を含む。一部の例においては、単一の受信アンテナ及び単一の送信アンテナを有するのではなく、システム100は複数の受信アンテナ及び/又は複数の受信アンテナを含むことに留意されたい。しかし、バイタルサイン監視システムの説明を簡単にするために、以下の説明は、単一の受信アンテナ/単一の送信アンテナの実施形態についてのみ述べる。
信号処理サブシステム108は、信号ジェネレータ116、コントローラ118、周波数シフトモジュール120、位相信号抽出モジュール122、及び位相信号解析モジュール124を含む。
図2Aを参照すると、周波数シフトモジュール120によって受信される送信信号は、継続時間Tの一連の繰り返し時間間隔212を含む。時間間隔の各々に関して、送信周波数が、実線210によって示されるように、周波数範囲にわたって掃引される。一部の実施形態において、周波数範囲は、2.5ミリ秒の掃引継続時間及び繰り返しレートで5.46〜7.25GHz(つまり、約1.8GHzの周波数範囲)である。周波数シフトモジュール120が受信アンテナ106から受け取る受信信号は、信号のTOF222だけ遅延され(つまり、単一の物体から反射されたときの)、破線220に示される周波数を有する送信信号のバージョンである。TOF222は、TOFと、送信アンテナに関する掃引される搬送波の周波数の変化の率との積である、送信周波数及び受信周波数の差224に対応することに留意されたい。
図3を参照すると、各時間間隔に関するFFT出力S(ω)iが、位相信号抽出モジュール122に提供される。位相信号抽出モジュール122は、各FFT出力S(ω)iを処理して、対象102a、102bの呼吸及び心拍が原因であるシステム100の環境内の動作にそれぞれが対応するN個の位相信号φ1(t)、φ2(t)、...、φN(t)を抽出する。
一部の例において、FFT出力S(ω)iは、まず、FFT出力の1又は2以上の既に受信された値335(例えば、j時間間隔又は掃引前に受信されたS(ω)の値、S(ω)i−j)と一緒に静的マルチパス削除モジュール334に提供される。静的マルチパス削除モジュール334は、時間差分手法を使用して、S(ω)i及びS(ω)iの1又は2以上の既に受信された値335を処理して、静的マルチパス効果を削除する。静的マルチパス削除モジュール334によって使用される時間差分手法は、動く物体の反射を、家具及び壁のような、環境内の動かない物体からの反射と区別する。特に、壁及び家具からの反射は、特に人間が壁の後ろにいる場合、人間からの反射よりもずっと強い。これらの反射は、削除されないと、人間から来る信号を隠し、その人間の動きを感知することを妨げる。この挙動は、「フラッシュ効果(Flash Effect)」と呼ばれる。
それから、静的マルチパスのないFFT出力S’(ω)iは、いくつか(すなわち、M個)の以前の静的マルチパスのないFFT出力S’(ω)i、S’(ω)i−1、S’(ω)i−2、...、S’(ω)i−Mを記憶するバッファ333に提供される。一部の例において、Mの値は、バッファ333が受信アンテナ106によって受信された信号の予め決められた量の時間(例えば、30秒)を表すように選択される。一部の例において、バッファ333は、新しい結果S’(ω)iを受け取ると、新しい結果S’(ω)iをバッファ333の頭にプッシュし、最も古い結果S’(ω)i−Mをバッファ333の末尾から追い出す先入れ先出し(FIFO,first-in-first-out)バッファである。
一部の例においては、静的マルチパスの削除後に残っているあらゆる反射が、対象の呼吸数及び心拍数に対応するとは限らない。例えば、特定の反射が、対象がタイピングすること、それらの対象の足を動かすこと、又は歩くことなどの四肢の動きに対応する可能性がある。周期的信号特定モジュール338は、対象の呼吸数及び心拍数に対応する反射とその他の種類の動作に対応する反射とを区別する。そのような区別をするために、周期的信号特定モジュール338は、バイタルサインに対応する反射の位相信号が周期的である一方、その他の種類の動作に対応する反射の位相信号は概して非周期的であるという事実を利用する。
図4を参照すると、位相信号抽出モジュール122の動作の例が、集中されたエネルギーのいくつかの領域490(すなわち、反射)を含む例示的なFFT出力S(ω)i488に関して示される。概して、集中されたエネルギーの領域332の各々は、受信アンテナ106において受信される信号内の反射に対応する。例示的なFFT出力S(ω)i488においては、(A、B、及びCとラベル付けされた)集中されたエネルギーの領域のうちの3つが、環境内に存在する動く物体が原因である反射に対応する。この例において、反射A及びBは、環境内の対象102a、102bの周期的なバイタルサインの動作が原因であり、反射Cは、環境内の非周期的な動作が原因である。
図4に示されるように、対象の呼吸及び心拍が原因で変わる位相信号は、対象の息を吸う動き及び息を吐く動きにそれぞれ対応する位相の大きなピーク及び谷を含む。また、位相信号は、対象の心拍が原因である大きなピーク及び谷に変調されたより小さな乱れを含む。
図6を参照すると、呼吸数推定モジュール462は、N個のFFT出力Φ1(ω)、Φ2(ω)、...、ΦN(ω)を受け取り、N個のFFT出力を処理してN個の推定された呼吸数464を決定する。
図7を参照すると、心拍数推定モジュール463は、N個のFFT出力Φ1(ω)、Φ2(ω)、...、ΦN(ω)を受け取り、N個のFFT出力を処理してN個の推定された心拍数464を決定する。
半径 = fmax - fmin
のように計算され、ここで、fmaxは、クラスタ内の最も高い周波数を有する候補基本周波数であり、fminは、クラスタ内の最も低い周波数を有する候補基本周波数である。一部の例において、半径は、クラスタ内の候補基本周波数の組がどれだけ集中しているかの指示である。概して、小さな半径を有するクラスタ内の候補基本周波数の組は、大きな半径を有するクラスタ内の候補基本周波数の組よりも良いと考えられる。
図8を参照すると、例示的なFFT出力Φm(ω)に関するピークを強調されたFFT出力
半径 = fmax - fmin
のように計算され、ここで、fmaxは、クラスタ内の最も高い周波数を有する候補基本周波数であり、fminは、クラスタ内の最も低い周波数を有する候補基本周波数である。例えば、窓999が第1の位置951にあるとき、クラスタの半径はゼロに等しい。窓999が第2の位置953にあるとき、クラスタの半径は0に等しい。窓999が第3の位置955にあるとき、クラスタの半径は3.3に等しい。窓999が第4の位置957にあるとき、クラスタの半径は3.8に等しい。
一部の例において、位相信号の心拍の成分の調波を解析するのではなく、心拍数推定モジュールは、フィルタに基づく手法を用いて心拍数に関する推定値を決定する。例えば、心拍数推定モジュールは、位相信号の心拍の成分が存在すると考えられる周波数範囲(例えば、40〜200心拍/分)内の通過帯域を有する帯域通過フィルタを使用して位相信号をフィルタリングする。フィルタリングされた位相信号のFFTが計算され、FFT出力内のピークが特定される。一部の例において、FFT出力の絶対的な最大は、位相信号の呼吸の成分からの漏れが原因であるので、特定されたピークとして選択されないことに留意されたい。そして、特定されたピークに対応するFFTビン及び特定されたピークに対応するFFTビンに隣接する2つのFFTビン内の信号の逆FFTが、計算される。そのとき、位相の回帰が、(呼吸数の推定値に関して行われたように)心拍数の推定値を決定するために使用される。
上述の技術を実装するシステムは、ソフトウェア、ファームウェア、デジタル電子回路、若しくはコンピュータハードウェア、又はそれらの組合せで実装され得る。システムは、プログラミング可能なプロセッサによって実行するために機械可読ストレージデバイス内に有形で具現化されたコンピュータプログラム製品を含む可能性があり、方法のステップは、入力データに対して演算を行い、出力を生じさせることによって機能を実行する命令のプログラムをプログラミング可能なプロセッサが実行することによって実行される可能性がある。システムは、データストレージシステム、少なくとも1つの入力デバイス、及び少なくとも1つの出力デバイスからデータ及び命令を受信し、それらにデータ及び命令を送信するために接続された少なくとも1つのプログラミング可能なプロセッサを含むプログラミング可能なシステム上で実行可能な1又は2以上のコンピュータプログラムに実装される可能性がある。各コンピュータプログラムは、必要に応じて、高レベルの手続き型若しくはオブジェクト指向プログラミング言語、又はアセンブリ若しくは機械語で実装される可能性があり、いずれの場合も、言語は、コンパイラ型言語若しくはインタープリタ型言語である可能性がある。好適なプロセッサは、例として、汎用マイクロプロセッサと専用マイクロプロセッサとの両方を含む。概して、プロセッサは、読み出し専用メモリ及び/又はランダムアクセスメモリから命令及びデータを受け取る。概して、コンピュータは、データの記録を記憶するための1又は2以上の大容量ストレージデバイスを含み、そのようなデバイスは、内蔵ハードディスク及び取り外し可能なディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、並びに光ディスクを含む。コンピュータプログラム命令及びデータを有形で具現化するのに好適なストレージデバイスは、例として、EPROM、EEPROM、及びフラッシュメモリデバイスなどの半導体メモリデバイス、内蔵ハードディスク及び取り外し可能なディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、並びにCD−ROMディスクを含むすべての形態の不揮発性メモリを含む。上記のいずれも、特別に設計された特定用途向け集積回路(ASIC,application-specific integrated circuit)によって補完されるか、又はASICに組み込まれ得る。
Claims (24)
- 1又は2以上の対象からの信号の反射を使用して前記対象のバイタルサインに関連する1又は2以上の周期的な動きを監視するための方法であって、
送信アンテナから送信される信号パターンの繰り返しを含む送信される信号を発するステップと、
前記送信される信号の複数の反射の組合せを含む受信される信号を1又は2以上の受信アンテナにおいて受信するステップであって、前記送信される信号の前記複数の反射のうちの少なくとも一部の反射が、前記1又は2以上の対象に関連づけられる、ステップと、
前記受信される信号及び前記送信される信号を処理して前記1又は2以上の対象からの前記送信される信号の前記反射に対応する複数の信号成分の時間的に連続したパターンを形成するステップであって、前記複数の信号成分の各信号成分が、前記信号成分に対応する前記送信される信号の反射に関する反射の距離の範囲に関連づけられ、前記処理が、
前記送信される信号及び前記受信される信号を組み合わせて、組み合わせ信号を形成すること、
反射の距離に従って、前記1又は2以上の対象以外の1又は2以上の物体に関連づけられる前記複数の反射のうちの反射に対応する前記組み合わせ信号から少なくとも一部の信号成分を削除すること、及び
反射の距離に従って、前記1又は2以上の対象に関連づけられる前記複数の反射のうちの対応する1又は2以上の反射に対応する前記組み合わせ信号から1又は2以上の信号成分を保存すること、
前記1又は2以上の信号成分の前記時間的に連続したパターンを処理して、前記1又は2以上の信号成分に関連づけられる前記反射の距離の範囲内の前記1又は2以上の信号成分に対応する対象の位置の経時的変化をそれぞれ表す1又は2以上の時変信号を形成すること、及び
前記1又は2以上の時変信号を処理して、前記対象の周期的な動きの基本周波数の推定値を決定することを含む前記ステップとを含む、前記方法。 - 前記反射の距離に従って、前記1又は2以上の対象以外の1又は2以上の物体に関連づけられる前記複数の反射のうちの反射に対応する前記組み合わせ信号から少なくとも一部の信号成分を削除することが、送信される信号の複数の反射のうちのそれぞれの反射に関して、前記反射が静的マルチパス反射であるかどうかを判定することと、前記反射が静的マルチパス反射である場合に前記反射の信号成分を削除することとを含む請求項1に記載の方法。
- 前記反射が静的マルチパス反射であるかどうかを判定することが、時間差分手法を使用することを含む請求項2に記載の方法。
- 前記1又は2以上の時変信号の各々を処理して前記時変信号の周期性の測定値を決定することと、前記時変信号の周期性の前記測定値が予め決められた閾値を超えない場合に前記時変信号を削除することをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記対象の周期的な動きの基本周波数の推定値を決定することが、前記対象の周期的な動きに関する前記基本周波数の暫定的な推定値を決定することと、前記暫定的な推定値及び前記時変信号の回帰に基づいて前記周期的な動きに関する前記基本周波数の前記推定値を決定することとを含む請求項1に記載の方法。
- 前記1又は2以上の周期的な動きが、対象の心拍に関連する周期的な動きを含む請求項1に記載の方法。
- 前記1又は2以上の周期的な動きが、対象の呼吸に関連する周期的な動きを含む請求項1に記載の方法。
- 前記1又は2以上の周期的な動きが、対象の干渉する動作に関連する周期的な動きを含む請求項1に記載の方法。
- 前記1又は2以上の周期的な動きが、対象の呼吸に関連する周期的な動きを含み、前記対象の心拍に関連する周期的な動きをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記対象の周期的な動きの基本周波数の推定値を決定することが、前記時変信号の周波数領域の表現の中の複数のスペクトルのピークを特定することであって、前記スペクトルのピークのうちの少なくとも一部が、前記基本周波数の前記推定値の調波周波数にある、特定することと、特定された1又は2以上のスペクトルのピークから前記基本周波数の前記推定値を決定することとを含む請求項1に記載の方法。
- 特定された1又は2以上のスペクトルのピークから基本周波数の推定値を決定することが、前記1又は2以上のスペクトルのピークを処理して、周期的な動きに関する複数の候補基本周波数を決定することを含む請求項10に記載の方法。
- 1又は2以上のスペクトルのピークを処理して、周期的な動きに関する複数の候補基本周波数を決定することが、
それぞれのスペクトルのピークに関して、前記周期的な動きに関する基本周波数の期待される周波数範囲内にあるスペクトルのピークに関連する周波数の1又は2以上の因子を決定することと、
前記周期的な動きに関する前記複数の候補基本周波数に決定された1又は2以上の因子を含めることとを含む請求項11に記載の方法。 - 複数の候補基本周波数を処理して、周期的な動きに関する基本周波数の暫定的な推定値を決定するステップをさらに含む請求項11に記載の方法。
- 基本周波数の暫定的な推定値及び時変信号の回帰に基づいて前記基本周波数の推定値を決定するステップをさらに含む請求項13に記載の方法。
- 時変信号をフィルタリングして前記時変信号のフィルタリングされたバージョンを形成するステップであって、基本周波数の暫定的な推定値の周波数成分及び前記基本周波数の前記暫定的な推定値に隣接する周波数成分を時変信号の前記フィルタリングされたバージョン内に維持することと、実質的にすべてのその他の周波数を前記時変信号の前記フィルタリングされたバージョンから除外することとを含む、ステップと、
前記時変信号の前記フィルタリングされたバージョンの回帰に基づいて周期的な動きの前記基本周波数の推定値を決定するステップとをさらに含む請求項14に記載の方法。 - 時変信号のフィルタリングされたバージョンの回帰に基づいて周期的な動きの基本周波数の推定値を決定するステップが、前記時変信号の前記フィルタリングされたバージョンの位相角の傾きを決定することを含む請求項15に記載の方法。
- 複数の候補基本周波数を処理して、基本周波数の暫定的な推定値を決定するステップが、前記複数の候補基本周波数に票決アルゴリズムを適用することを含む請求項13に記載の方法。
- 1又は2以上の時変信号が、対象の心拍が原因である周期的な動きに関連する第1の複数のスペクトルのピークと、前記対象の呼吸が原因である周期的な動きに関連する第2の複数のスペクトルのピークとを含む請求項10に記載の方法。
- 時変信号の周波数領域の表現の中の複数のスペクトルのピークを特定することが、スペクトルのピークを周波数領域の表現のノイズフロアと区別するための正規化アルゴリズムを適用することを含む請求項10に記載の方法。
- 前記対象の周期的な動きに関する基本周波数の推定値を決定することが、
前記周期的な動きの前記基本周波数の暫定的な推定値を決定することと、
前記周期的な動きの前記基本周波数の前記暫定的な推定値及び前記時変信号の回帰に基づいて前記周期的な動きの前記基本周波数の推定値を決定することとを含む請求項1に記載の方法。 - 周期的な動きの基本周波数の暫定的な推定値を決定することが、時変信号のスペクトル表現内の最も大きなピークに関連する周波数を特定することを含み、
前記周期的な動きの前記基本周波数の推定値を決定することが、
前記暫定的な推定値の周波数成分及び前記暫定的な推定値に隣接する周波数成分を時変信号のフィルタリングされたバージョン内に維持し、実質的にすべてのその他の周波数を前記時変信号の前記フィルタリングされたバージョンから除外することを含む、前記時変信号をフィルタリングして前記時変信号の前記フィルタリングされたバージョンを形成することと、
前記時変信号の前記フィルタリングされたバージョンの回帰に基づいて前記周期的な動きの前記基本周波数の前記推定値を決定することとを含む請求項20に記載の方法。 - 時変信号のフィルタリングされたバージョンの回帰に基づいて周期的な動きの基本周波数の推定値を決定することが、前記時変信号の前記フィルタリングされたバージョンの位相角の傾きを決定することを含む請求項21に記載の方法。
- 1又は2以上の対象からの信号の反射を使用して前記対象の1又は2以上の周期的な動きを監視するためのコンピュータによって実装されるシステムであって、請求項1〜22のいずれかに記載のすべてのステップを実行するようにプログラミングされたプロセッサを含む、システム。
- 請求項1〜22のいずれかに記載のすべてのステップをプロセッサに実行させるための命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶されたソフトウェア。
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