JP6914212B2 - バイタルサインを検出する方法およびデバイス - Google Patents

Description

本開示は、被験体の心拍数および呼吸数の少なくとも一方を含むバイタルサインを検出するための方法に関する。また、本開示は、バイタルサインを検出するためのデバイスに関する。

近年、非接触でのバイタルサインのモニタリングは、益々盛んな研究分野となっている。バイタルサインのセンシングは、レーダ技術を適用することによって、非接触で成し得、故に非侵襲で成し得る。心臓および肺の力学的な動きによって生じるドップラーシフトは、心拍数および呼吸数を決定するように、検出して解析できる。

連続波（ＣＷ）レーダは、ドップラーレーダとしても知られており、無線周波数における単一トーンの連続波信号を送信する。当該信号は、ターゲットで反射され、次いで受信機において復調される。ターゲットとする移動中の組織で反射された無線周波数信号は、ドップラー効果により、組織の表面速度に比例する周波数シフトを生じる。移動中の組織が周期的な動きを為す場合（被験体の胸部領域の内の組織が、心臓および肺の周期的な動きに応じて為す等）、ドップラーシフトは、反射された無線周波数信号において瞬間的な表面の変位に比例する位相シフトをもたらす。受信機では、送信された信号が、反射してドップラーシフトした信号とミキシングされ、低周波通過フィルタに従って瞬間的な表面の変位に正比例する低周波成分を含んだベースバンド信号となるミキシング結果を生成する。

しかしながら、ドップラーレーダに基づく手法においてベースバンド信号から低周波成分を抽出するには、心拍および呼吸に応じた胸部領域における変位の最大振幅が、無線周波数信号の波長よりも相当、小さいことが必要である。これは、小角度近似とも称される。典型的な被験体において、それぞれ略０．０８ｍｍ及び０．８ｍｍといった心拍および呼吸に応じた胸部組織の変位の平均的な最大振幅を仮定すると、上記の条件は、例えばλ＝０．１２５ｍ（２．４ＧＨｚ）の無線周波数を用いることで約５度の位相シフトを得るというように、容易に満たすことができる。このような条件においては、ベースバンド信号が（心拍数と呼吸数間の変調結果などの）幾らかの非線形項をなお含み得ても、心拍数と呼吸数に応じた瞬間的な表面の変位に線形に比例する項が支配的となる。しかしながら、単なる８ｍｍの組織の変位は、略４６度の位相シフトを生じさせ、小角度近似を破綻させてしまう。このことは、被験体のランダムな動きにより対応する組織のランダムな変位を生じる場合には、ベースバンド信号からの心拍及び呼吸数の抽出の信頼性が、厳しく阻害されることを示唆している。

ドップラーレーダに基づく手法においてベースバンド信号から低周波成分を抽出するための更なる条件は、送信された信号と反射した信号との間で固定された位相のオフセット（即ち、レーダと被験体との間の平均距離、被験体での反射および無線ブロック遅延といった、位相シフトにおけるドップラーシフトに起因しない部分）が、π／２の奇数倍になることである。これは、ドップラーレーダの最適動作点（又は略称して「最適点」）とも称される。この条件が満たされない限り、ミキシング結果の数学的解析をしても、非線形項のダブリング及び心拍数と呼吸数に対応する周波数成分のミキシングによってベースバンド信号が歪む事態になってしまう。さらには、心拍数と呼吸数に対応する周波数成分が、送信機と受信機との間の残留位相雑音の全体に乗算されることとなり、このため信号対雑音比が悪化する。このような問題は、送信された信号と反射した信号との間で固定された位相のオフセットがπの整数倍である場合に、特に明白になる。これは、ドップラーレーダのヌル動作点（又は略称して「ヌル点」）とも称される。

ヌル点と最適点とは、交互に分布し、λ／８の間隔があいている。ここで、λは送信された信号の波長を示す。一般に用いられる動作時の無線周波数では、隣接するヌル点と最適点間の距離は、数ミリメートル又は数センチメートルしかない。例えば、２．４ＧＨｚでは、当該距離は略１．５ｃｍである。このため、最適点において信頼できる計測を得ることは、実用上、非常に達成し難い。一方で、動作時の周波数を小さくすると、ヌル点と最適点との間隔が広がるものの、バイタルサインのパラメータを検出する感度の低下も生じてしまう。

Ｐ．−Ｈ．Ｗｕらは、非特許文献１において、バイタルサインのモニタリングのための代替的なドップラーレーダシステムであって、位相および自己注入同期（ＰＳＩＬ）発振器を採用するシステムを提案している。複同調電圧制御発振器（ＶＣＯ）のための微調整は、位相ロックループ（ＰＬＬ）によって制御されて、ドップラーシフトの信号を抽出する。ＶＣＯの出力信号は、送信アンテナおよびＰＬＬの位相周波数検出器（ＰＦＤ）の双方に供給される。受信されたドップラーシフトの信号は、ＳＩＬループを形成するサーキュレータを通ってＶＣＯに注入される。ＳＩＬループは、ＰＬＬによって位相同期されて、出力周波数を安定化させる。ドップラーシフトの注入信号は、ＶＣＯの出力位相の摂動をもたらす。位相の摂動は、ＰＦＤが、固定周波数の基準発振器による出力信号とドップラーシフトの注入信号を比較することによって検出される。チャージポンプ（ＣＰ）回路及びループフィルタは、ＰＦＤの出力を、ＶＣＯの固有信号周波数に調整された微調整電圧に変圧する。ターゲットの変位の最大振幅が送信された信号の自由空間波長よりも相当小さい場合には、ＰＬＬが制御するＶＣＯの微調整電圧は、心拍に応じてドップラー信号の位相変動を反映する。それ故、このアーキテクチャは、小角度近似にも依存する。更には、変位の検出が妨げられるゼロ電力スペクトルＳＮＲゲインが存在する動作点があることから、ＰＳＩＬレーダは「ヌル点」を示す。よって、パスダイバーシティスイッチが、π／２の位相差を示す２つの送信パス間を周期的に切り替えるように採用される。しかしながら、ヌル点問題は、小角度近似が有効である場合にはパスダイバーシティスイッチによって単に緩和されるに過ぎない。

バイタルサインを検出するための代替案は、アークタンジェント復調技術との組み合わせにおける直交ドップラーレーダのアーキテクチャを用いることである。このような手法は、小角度近似を必要とせず、且つ「ヌル点」の問題を回避し得る。一方、バイタルサインは、ターゲットのＤＣ情報が保存されている場合にのみ、検出できる。しかしながら、無線周波数及びベースバンド増幅器は、弱い反射信号を増幅させることがある。このため、ＤＣ情報も増幅されることとなり、受信機は、被験体がレーダアンテナに近接する際に飽和される場合がある。さらに、同相の直交チャンネル間の如何なる位相および振幅の不均衡も、検出精度を低下させてしまう。Ｃ．Ｇｕらは、非特許文献２において、直交チャンネルの不均衡を緩和し、アークタンジェント復調における複雑なＤＣオフセットの校正を排除することを促進するという、デジタルのヘテロダイン直交復調アーキテクチャを提案している。しかしながら、位相を正確に抽出するために、位相アンラッピングアルゴリズムまたは微分及び交差積アルゴルズムの組み合わせにおいて２つのチャンネルが必要になっている。

Ｐ．−Ｈ． Ｗｕ ｅｔ ａｌ "Ｐｈａｓｅ− ａｎｄ Ｓｅｌｆ−Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ−Ｌｏｃｋｅｄ Ｒａｄａｒ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｖｉｔａｌ Ｓｉｇｎｓ ｗｉｔｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＣ Ｏｆｆｓｅｔｓ ａｎｄ Ｎｕｌｌ Ｐｏｉｎｔｓ" ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ， ｖｏｌ． ６１， ｎｏ． １， ｐｐ． ６８５−６９５， Ｊａｎ． ２０１３ Ｃ． Ｇｕ ｅｔ ａｌ "Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ−Ｂａｓｅｄ Ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｒａｄａｒ Ｖｉｔａｌ Ｓｉｇｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ" ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ｖｏｌ． ２９， ｎｏ． ６， ｐｐ． １５８０−１５８８， Ｊｕｎｅ ２０１０

以上の観点より、本発明の思想の一般的な目的は、被験体の距離及び被験体の胸壁のランダムな動きに実質的に影響されず、小角度近似に依存しない手段によって、被験体の心拍数および呼吸数の少なくとも一方の非接触な検出を可能にすることである。更なる目的は、以下の記載から理解され得る。

本発明の思想の上記及び他の目的は、独立請求項に規定されるように本開示によって少なくとも部分的に達成される。好ましい実施形態は、従属請求項において設定される。

第１の態様によると、被験体の心拍数および呼吸数の少なくとも一方を含むバイタルサインを検出する方法であって、被験体に無線周波数信号を送信するステップと、被験体から反射信号を受信するステップであって、送信された信号が被験体によって反射され、心拍数および呼吸数の少なくとも一方に応じてドップラーシフトを起こして、反射信号を形成する、ステップと、反射信号を第１の基準信号とミキシングするステップと、第１の基準信号と反射信号のミキシングに基づくバイタルサインの搬送信号を、位相又は周波数比較器の第１の入力部に供給するステップと、基準信号生成器が調整可能な第２の基準信号を生成して、当該基準信号を位相又は周波数比較器の第２の入力部に供給するステップと、位相又は周波数比較器がバイタルサインの搬送信号および第２の基準信号に基づいて出力信号を生成するステップと、基準信号生成器が、位相又は周波数比較器の出力信号に基づいて、調整可能な第２の基準信号の位相および周波数の少なくとも一方を変化させて、バイタルサインの搬送信号の位相または周波数を追従するステップとを含む方法が提供される。

位相又は周波数比較器の出力信号を基準信号生成器にフィードバックして、基準信号生成器が出力する基準信号の位相および周波数の少なくとも一方を調整することにより、位相又は周波数比較器と基準信号生成器とが、反射信号の周波数および位相の変動を追従する位相同期ループを形成する。これにより、復調された出力信号が、心拍数及び／又は呼吸数に応じた組織の変位によって生じる反射信号の時間変化する周波数または位相のシフトを示すように得られる。

この場合、位相又は周波数比較器の出力信号は、心拍数および呼吸数の少なくとも一方を示すものになり得る。特に、出力信号は、心拍数に対応する周波数で振動する成分と、呼吸数に対応する周波数で振動する成分とを含み得る。これにより、心拍数および呼吸数の少なくとも一方を示す信号成分が、反射信号から抽出できる。

本発明の方法によると、従来技術の手法のような小角度近似も「ヌル点」の回避も、バイタルサインを正確に検出するための条件とはならない。この結果、送信された信号を反射する被験体の胸壁のランダムな動きが在ったとしても、心拍数及び／又は呼吸数を検出することができる。このことは、位相同期ループの定常状態において、位相又は周波数比較器の出力信号が、送信された信号と反射信号との間で固定された位相のオフセット（即ち、被験体までの距離、被験体での反射および無線ブロック遅延といった、位相シフトにおけるドップラーシフトに起因しない部分）と独立であることに鑑みて、理解され得る。固定された位相シフトが変化するランダムなステップは、位相又は周波数比較器の第１の入力部における反射信号の位相を変化させるステップに帰着する。これにより、位相又は周波数比較器は、基準信号生成器を制御することとなる出力信号を生成して、反射信号の位相を変化させるステップに追従し、過渡期の後に位相又は周波数比較器の第１の入力部における反射信号の位相に自動追跡することとなる。これにより、（与えられた又は変化した）固定された位相のオフセットに起因する、位相又は周波数比較器の出力信号における影響は、回避され得る。

よって、位相同期ループは、反射信号のダウンコンバートを実行して、位相又は周波数比較器の第１及び第２の入力部でそれぞれ受信される反射信号と調整可能な基準信号との間の周波数または位相の差分を示すベースバンド信号を供給し得る。当該差分は、被験体の心拍及び呼吸によって生じる組織の動きによる反射信号の変調に対応する。

調整可能な基準信号の位相及び／又は周波数は、所定のオフセットと共に反射信号の位相を追従するように調整され得る。所定のオフセットは、当業者には理解されるように、位相又は周波数比較器の伝送特性に一般的に依存し得る。よって、基準信号の位相及び／又は周波数は、基準信号が遅延又は同期した方法において位相を追従するように、変化できる。

第１の基準信号と受信された反射信号のミキシングによると、別々に解析され得る、ミキシングされた信号が生成される。この場合、本方法は、位相同期ループにおいて、幾つかの異なる方法においてミキシングされた信号の処理を行うことができる。位相同期ループは、アナログ領域において実装できるが、これに代えて、デジタル領域において又はデジタル直交領域においても実装できる。

特に、デジタル領域において位相同期ループを実装すると、デジタル実装が容易に修正できることから、本方法の柔軟性を提供することができる。例えば、位相同期ループのパラメータは、測定対象の動きの種類に、バイタルサインの検出を適合させるように、ソフトウェアにおいて動的に最適化できる。

また、デジタル領域において位相同期ループを実装すると、アナログ要素においては存在し得る非線形性を回避しながら、位相または周波数の追従を提供することができる。

無線周波数信号は、被験体の胸部領域に送信され得る。これに応じて、反射信号は、心拍数および呼吸数の少なくとも一方によって生じる胸部領域中の組織の変位に起因して、ドップラーシフトを起こし得る。送信した信号を反射する、変位した組織は、被験体の胸部領域、心臓および一つ又は複数の肺のうちの何れか一つまたは組み合わせを含んでもよい。

或る実施形態において、第１の基準信号の周波数は、送信された信号の周波数とは異なる。これにより、第１の基準信号と反射信号のミキシングが、ゼロでない中間周波数を提供する。ミキシングされた中間周波数の信号は、例えば、ローパスフィルタ後に、位相又は周波数比較器に入力され得る。位相又は周波数比較器は、第１及び第２の入力部に在る位相の和および差において新たな信号を生成する。位相同期ループがロックされると、一の出力は入力周波数（中間周波数）の２倍になり、一の出力は位相差の余弦に比例することとなる。ここで、２倍の周波数成分は、ローパスフィルタによって除去できる。よって、第１の基準信号と受信された反射信号のミキシングに基づく信号が、位相同期構造を満たし、中間周波数がゼロである場合、位相同期ループにおいて位相の和と差とを分離できず、歪みが生じてしまう。

しかしながら、直交型アーキテクチャが用いられる場合、反射信号は、ベースバンドにダウンコンバートできる。即ち、ゼロの中間周波数においても、同相及び直交チャンネルが複素形において組み合わされられることから、位相又は周波数比較器によって供給される和および差を分離することが成し得る。

或る実施形態において、第１の基準信号と反射信号のミキシングによって出力される信号が、デジタル領域中に変換される。これにより、位相同期ループが、デジタル領域において実装できる。

しかしながら、上述したように、位相同期ループは、上記に代えてアナログ領域において実装されてもよい。これにより、ミキシングされた信号のアナログ／デジタル変換を行う必要をなくすことができる。

或る実施形態において、バイタルサインの搬送信号を供給するステップと、調整可能な第２の基準信号を生成するステップと、位相又は周波数比較器が出力信号を生成するステップと、基準信号生成器が調整可能な第２の基準信号の位相および周波数の少なくとも一方を変化させるステップとは、デジタル領域において実行され、基準信号生成器は、数値制御発振器（１５２，７５２）を備える。これにより、反射信号を第１の基準信号とミキシングすることによって出力される信号が、デジタル領域中に変換される場合には、位相同期ループも、デジタル領域において実装できる。

或る実施形態において、受信された反射信号は、同相および直交成分に分割される。これにより、直交型アーキテクチャにおいて反射信号を扱うことができる。この場合、ドップラーシフトされた信号の位相は、直交型アーキテクチャにおいて、位相アンラッピングアルゴリズムまたは微分及び交差積アルゴルズムを用いる必要なく抽出できる。

或る実施形態において、バイタルサインの搬送信号は、同相および直交成分の複素形の組み合わせで構成される。この場合、デジタル領域における位相同期ループが、単一の複素形の信号を処理することができる。

或る実施形態において、送信された信号は、第１の位相同期ループによって生成され、第１の基準信号は、第２の位相同期ループによって生成され、第１の位相同期ループと第２の位相同期ループとは、同じ基準クロックを用いる。同じ基準クロックを用いることは、送信機と受信機とに同じ発振器を使用することを示唆する。これによって、送信された信号と第１の基準信号の位相雑音が、部分的に相関し得、それ故、バイタルサインの反動信号の位相または周波数の追従に、僅かしか影響しないようにすることができる。

代替的な実施形態において、送信された信号は、第１の発振器及び第２の発振器からの信号のミキシングによって生成され、第１の基準信号は、第２の発振器によって生成される。これにより、位相雑音がバイタルサインの反動信号の位相または周波数の追従に影響しない可能性を維持しながら、送信される信号と第１の基準信号を生成する際に、簡単な設定を用いることができる。

第１の発振器は、送信される信号の生成と、調整可能な第２の基準信号の生成との両方に第１の発振器が用いられるように、位相同期ループにおいて、基準信号生成器によって、さらに用いられてもよい。

或る実施形態において、本方法は、位相又は周波数比較器の出力信号に基づく信号の周波数解析を実行することによって、心拍数および呼吸数の少なくとも一方を決定するステップをさらに含む。よって、所望のバイタルサインの一つ又は複数が、高速フーリエ変換などの適切な周波数解析の技術によって、出力信号から識別できる。位相又は周波数比較器の出力信号は、周波数解析を実行する前に、ループフィルタによってフィルタされてもよい。

或る実施形態において、バイタルサインの搬送信号の周波数が追従される。これにより、心拍数および呼吸数の少なくとも一方を決定することができる。

別の実施形態において、バイタルサインの搬送信号の位相が追従され、本方法は、位相又は周波数比較器からの出力信号を積分するステップをさらに含む。出力信号を積分することにより、出力信号の信号レベルが増大し得、これによって更なる解析を簡単化することができる。また、出力信号を積分することにより、心拍数および呼吸数からの帰結として時間変化する反射信号の変化量を得ることができる。出力信号が、心拍、息、および送信された信号を反射する組織の他の動きに起因する力学的な動きの重ね合わせを表すことから、上記の構成により、心拍数及び／又は呼吸数は、積分された信号から容易に識別でき、解釈できる。これに応じて、心拍数及び／又は呼吸数は、積分された出力の周波数解析を実行することにより、決定できる。位相又は周波数比較器の出力信号は、積分される前のループフィルタによってフィルタされてもよい。

位相又は周波数比較器の出力の積分に基づいて、被験体の心臓または呼吸の作用に基づく組織の動きの大きさが、積分された出力の周波数成分の振幅を決定することにより、推定されてもよい。これにより、心臓及び／又は肺の力学的な動きの大きさに関する情報が、反射信号から抽出され得る。

或る実施形態において、位相又は周波数比較器は、ミキサを含む。ミキサは、位相又は周波数比較器の、簡単で且つ費用対効果が良い実装を提供する。ミキサは、第１の入力部で受信するバイタルサインの搬送信号と、第２の入力部で受信する調整可能な第２の基準信号との間の差分の周波数において振動する出力信号を生成し得る。本方法は、ミキサの出力信号をフィルタして、差分の周波数を超える周波数成分を抑制するステップを含んでもよい。周波数成分は、例えばバイタルサインの搬送信号と調整可能な基準信号との和の周波数と、任意でより高次の相互変調の結果物である。

或る実施形態において、基準信号生成器は、電圧制御発振器を含む。電圧制御発振器は、調整可能な基準信号生成器の、簡単で且つ費用対効果が良い実装を提供する。

或る実施形態において、基準信号生成器は、発振器と位相変調器とを含む。位相変調器は、発振器によって生成される基準信号の位相を変化させて、バイタルサインの搬送信号の位相を追従してもよい。

本方法は、位相又は周波数比較器の出力信号を積分するステップと、積分された出力信号を位相変調器に供給するステップとをさらに含んでもよい。よって、調整可能な基準信号の位相は、積分された出力信号に基づき変化して、バイタルサインの搬送信号の位相を追従できる。

或る実施形態において、被験体に送信された無線周波数信号は、固定された周波数の信号である。これにより、送信機および受信機側のハードウェアの実装を簡単化できる。特に、被験体に送信される無線周波数信号は、固定された周波数における連続波の無線周波数信号であってもよい。

第２の態様において、被験体の心拍数および呼吸数の少なくとも一方を含むバイタルサインを検出するデバイスであって、被験体に無線周波数信号を送信するように構成された送信機と、送信された信号が被験体によって反射され、心拍数および呼吸数の少なくとも一方に応じてドップラーシフトを起こして形成される反射信号を、被験体から受信するように構成された受信機と、反射信号を第１の基準信号とミキシングするミキサと、位相又は周波数比較器および基準信号生成器を備えた信号処理回路とを備え、位相又は周波数比較器は、第１の基準信号と反射信号のミキシングに基づくバイタルサインの搬送信号を、第１の入力部で受信し、基準信号生成器からの調整可能な第２の基準信号を、位相又は周波数比較器の第２の入力部で受信し、バイタルサインの搬送信号および第２の基準信号に基づいて出力信号を生成するように構成され、基準信号生成器は、位相又は周波数比較器の出力信号に基づいて、調整可能な第２の基準信号の位相および周波数の少なくとも一方を変化させて、バイタルサインの搬送信号の位相または周波数を追従するように構成されるデバイスが提供される。

第２の態様の効果および特徴は、第１の態様に関して上記したものと大半で同様である。第１の態様に関して上述した実施形態は、第２の態様においても大半で適用可能である。

位相又は周波数比較器および基準信号生成器は、反射信号の位相を追従する本デバイスの位相同期ループの一部を形成し得る。

本デバイスは、位相又は周波数比較器から受信される出力信号をフィルタするように構成されたループフィルタを含んでもよい。フィルタされた出力信号は、フィードバック信号として基準信号生成器に供給されてもよい。基準信号生成器は、フィルタされた出力信号に基づいて、調整可能な基準信号の位相および周波数の少なくとも一方を変化させるように構成されてもよい。

或る実施形態において、信号処理回路が、デジタル信号プロセッサにおいて実装される。デジタル領域において信号処理回路を実装することにより、デジタル実装が容易に修正できることから、本デバイスの柔軟性を提供することができる。また、デジタル領域において信号処理回路を実装することにより、アナログ要素においては存在し得る非線形性を回避しながら、位相または周波数の追従を提供することができる。

或る実施形態において、本デバイスは、バイタルサイン推定部をさらに備える。バイタルサイン推定部（１６０）は、デジタル信号プロセッサ（１４０）からの出力を受信して、デジタル信号プロセッサ（１４０）からの出力に基づき心拍数および呼吸数の少なくとも一方を決定するように構成される。

本デバイスは、処理部を含んでもよい。処理部は、バイタルサイン推定部として動作するように構成されてもよい。処理部は、（処理部に受信される前にループフィルタによってフィルタされ得る）位相又は周波数比較器の出力信号の周波数解析を実行することによって、心拍数および呼吸数の少なくとも一方を決定するように構成されてもよい。

上述した本発明の思想は、追加の要素、特徴および利点と共に、添付図面を参照しながら、以下の説明目的であって非限定的な、本発明の思想についての好ましい実施形態の詳細な説明を通してより良く理解され得る。図面においては、特に言及しない限り、同様の参照符号が同様の要素に付される。

被験体の心拍数及び／又は呼吸数を決定するために用いられる第１のデバイスの概略ブロック図 被験体の心拍数及び／又は呼吸数を決定するために用いられる第２のデバイスの概略ブロック図 被験体の心拍数及び／又は呼吸数を決定するために用いられる第３のデバイスの概略ブロック図 被験体の心拍数及び／又は呼吸数を決定するために用いられる第４のデバイスの概略ブロック図 被験体の心拍数及び／又は呼吸数を決定するために用いられる第５のデバイスの概略ブロック図 被験体の心拍数及び／又は呼吸数を決定するために用いられる第６のデバイスの概略ブロック図 被験体の心拍数及び／又は呼吸数を決定するために用いられる第７のデバイスの概略ブロック図 被験体の心拍数及び／又は呼吸数を決定するために用いられる第８のデバイスの概略ブロック図 実施の形態に係る方法のフローチャート

図１は、被験体の心拍数及び／又は呼吸数を検出し、決定するために用いられる第１のデバイス１００の概略ブロック図である。被験体は人間であってもよいが、本発明の思想は、他の哺乳類及び動物の被験体にも等しく適用可能である。被験体は、以下では「ターゲット」とも称される。

デバイス１００は、被験体に向けて無線周波数信号Ｔ（ｔ）を送信するように配置された送信機１１０を備える。信号Ｔ（ｔ）は、詳細後述する信号生成器１３６によって生成される。信号Ｔ（ｔ）は、送信アンテナ１１２を介して被験体に送信される。送信機１１０は、任意で、送信アンテナ１１２によって送信される前に信号生成器１３６によって生成された信号を増幅する増幅器を備えてもよい。送信機１１０は、例えば３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの範囲における周波数を用いて信号Ｔ（ｔ）を生成するように構成されてもよい。

さらに、デバイス１００は、送信した信号Ｔ（ｔ）が被験体で反射した結果の無線周波数信号Ｒ（ｔ）を受信するように配置された受信機１２０を備える。反射信号Ｒ（ｔ）は、受信アンテナ１２２を介して受信され得る。受信機１２０は、任意で、受信機１２０による復調の前に受信した信号を増幅する増幅器１２４を備えてもよい。

送信アンテナ１１２及び受信アンテナ１２２の各々は、例えば、パッチアンテナ、ビーム形成アンテナまたはホーンアンテナとして構成されてもよい。

心拍数及び／又は呼吸数を検出する目的において、送信される信号Ｔ（ｔ）が被験体の胸部領域に向けられるように、送信機１１０が指向されることが有利である。これに対応して、受信機１２０は、被験体の胸部領域から反射信号Ｒ（ｔ）を受信するように指向されることが有利である。

被験体の心拍及び呼吸は、それぞれの周期的な、被験体の胸部領域における組織の動き又は変位を生じさせる。被験体が送信機１１０及び受信機１２０の方向に向いているとすると、被験体の胸部領域における組織は、心拍及び呼吸に応じて、送信した信号Ｔ（ｔ）と反射信号Ｒ（ｔ）の伝播の方向に沿って時間変化する変位を示す。当該変位は、送信した信号Ｔ（ｔ）の反射に応じて、反射信号Ｒ（ｔ）が形成されるときに時間変化するドップラーシフトを生じることになる。換言すると、被験体の心拍及び呼吸数は、反射信号Ｒ（ｔ）の（時間変化する周波数又は位相シフトとして表される）変調を生じることになる。

デバイス１００は、第１の基準信号生成器１３４をさらに備える。第１の基準信号生成器１３４の詳細は後述する。第１の基準信号生成器１３４は、第１の基準信号を生成する。以下では、第１の基準信号を、局部発振器（ＬＯ）信号ともいう。

反射信号Ｒ（ｔ）及び局部発振器信号ＬＯ（ｔ）は、ミキサ１３２に供給され得る。ミキサ１３２は、反射信号Ｒ（ｔ）を中間周波数ｆ_ＩＦにダウンコンバートできる。中間周波数ｆ_ＩＦは、送信された周波数ｆ_ｔと局部発振器信号の基準周波数ｆ_ｒ間の差分である。また、反射信号Ｒ（ｔ）と局部発振器信号ＬＯ（ｔ）のミキシングは、出力信号を、反射信号を解析するための信号処理回路１４０に供給し得る。

ミキサは、例えばダイオードミキサ、ダイオードリングミキサ、スイッチングミキサ、ギルバートセルミキサ、又は他の種類の周波数変換ミキサであってもよい。ミキサは、平衡ミキサ又は二重平衡ミキサであってもよい。

組織の変位によって生じた、反射信号Ｒ（ｔ）の位相及び／又は周波数を復調又は抽出するために、デバイス１００は、位相同期ループ（ＰＬＬ）を実装する信号処理回路１４０を採用する。ＰＬＬは、位相復調器または周波数復調器の構成において動作してもよい。

第１のデバイス１００は、デジタル領域においてＰＬＬを実装し、また信号処理回路１４０は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）として提供され得る。ＤＳＰ１４０は、ミキサ１３２からダウンコンバートされたベースバンド信号Ｂ（ｔ）のみを通過させるローパスフィルタ１４２を備えてもよい。さらに、ＤＳＰ１４０は、アナログ信号をデジタル領域に変換して、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］を形成するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１４４を備えてもよい。これに代えて、ローパスフィルタ１４２及びＡＤＣ１４４はＤＳＰ１４０の外部であって、ＤＳＰ１４０は、ＤＳＰ１４０の入力部において、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］を受信してもよい。

ＰＬＬは、位相又は周波数比較器１４６を含む。位相又は周波数比較器１４６は、第１の入力部及び第２の入力部を含む。位相又は周波数比較器１４６は、第１の入力部においてバイタルサインの搬送信号を受信し、第２の入力部において調整可能な第２の基準信号を受信することができる。位相又は周波数比較器１４６は、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］と調整可能な基準信号Ｆ［ｎ］間の位相差を示す出力信号Ｖ_ｅ［ｎ］を生成するように構成される。

さらに、ＰＬＬは、ローパスフィルタ１４８を含む。ローパスフィルタ１４８は、位相又は周波数比較器１４６からの出力信号を受信でき、位相又は周波数比較器１４６の第１の入力部の信号と第２の入力部の信号の差分のみを抽出するように（且つこれによって上記信号の他の組み合わせを除去するように）構成できる。

さらに、ＰＬＬは、積分器１５０を含んでもよい。積分器１５０は、ローパスフィルタ後の信号を受信できる。積分器１５０が用いられる場合、バイタルサインの搬送信号の位相が追従され、ＰＬＬは、位相復調器の構成において動作することとなる。位相復調器の構成によると、送信された周波数に応じた定数および調整可能な第２の基準信号の生成器の感度によって位相と変位が関係付けられることから、ターゲットの変位を決定できる。また、ＰＬＬにおいて積分器１５０を用いることにより、決定された位相に基づくターゲットの心拍又は呼吸の運動に基づいた組織の動きの大きさを推定することができる。

さらに、ＰＬＬは、数値制御発振器（ＮＣＯ）１５２を含む。ＮＣＯ１５２は、基準信号生成器を実装し、調整可能な第２の基準信号を出力として生成する。調整可能な第２の基準信号は、位相又は周波数比較器１４６の第２の入力部に供給される。また、ＮＣＯ１５２は、制御電圧Ｖ_ｃ［ｎ］を受信し、これに応じてフィードバック信号Ｆ［ｎ］を生成する。

しかしながら、ＰＬＬの積分器１５０は省略されてもよく、これにより、ローパスフィルタ後の信号が直接、ＮＣＯ１５２に供給されてもよい。この場合、バイタルサインの搬送信号の周波数が代わりに追従され、ＰＬＬは、周波数復調器の構成において動作することとなる。

当業者には理解されるように、ＤＳＰ１４０は、数ある異なった手法において実装できる。ＤＳＰ１４０は、ハードウェアで実装されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの如何なる組み合わせとして実装されてもよい。ＤＳＰ１４０は、例えば、汎用コンピュータで実行されるソフトウェアとして実装されてもよいし、例えば組み込みシステムにおいて構成されるファームウェアとして実装されてもよい。あるいは、ＤＳＰ１４０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）といった特別に設計される処理部として実装されてもよい。特定の実施形態において、ＤＳＰ１４０は、位相又は周波数比較器１４６、ローパスフィルタ１４８、積分器１５０及びＮＣＯ１５２の動作を実行するアルゴリズムを提供するソフトウェアとして実装され得る。

ソフトウェアにおけるＤＳＰ１４０の実装は、ソフトウェアが容易に変更し得ることから、デバイス１００の高度な柔軟性を提供する。例えば、デバイス１００の特性を変更し、バイタルサインの検出についての変更された設定にデバイス１００を適応させるように、位相又は周波数比較器１４６のゲインを変更し得る。

心拍数または呼吸数の検出の目的において、主に注目する周波数範囲の上限は、１０〜２０Ｈｚであり得る。これに応じて、ループフィルタ１４８は、１０〜２０Ｈｚを超える周波数を抑制するように（即ち１０〜２０Ｈｚの範囲内にあるカットオフ周波数を提供することにより）適用されてもよい。

なお、位相又は周波数比較器１４６は、第１及び第２の入力部の入力における位相（周波数）の和及び差にて新たな信号を生成し得る。２つの入力はループがロックされたときに同じ周波数になることから、入力の周波数の２倍となる一出力と、位相差の余弦に比例する一出力とが存在する。また、ループフィルタ１４８は、２倍の周波数成分を除去するように構成されてもよい。

しかしながら、バイタルサインの搬送信号が、中間周波数ｆ_ＩＦ＝０（ｆ_ｔ＝ｆ_ｒ）で提供されると、位相の和と差とを分離できない場合があり、そのため、バイタルサインの検出に対する歪みが生じることがある。よって、バイタルサインの検出を可能にするために、送信される周波数ｆ_ｔと基準周波数ｆ_ｒとは、異ならせるべきである。送信される周波数ｆ_ｔと基準周波数ｆ_ｒとは、ミキサ１３２からの出力信号（反射信号と第１の基準信号との和及び差）が容易に分離できるように、選択されてもよい。また、送信される周波数ｆ_ｔと基準周波数ｆ_ｒとは、差分がミキサのフリッカ雑音を避けるために充分に高くなるように、選択されてもよい。

図１に示すように、デバイス１００は、発振器１１６を備えてもよい。発振器１１６は、基準クロック信号を生成できる。基準クロック信号は、信号生成器１３６に入力され、送信機１１０による無線周波数信号Ｔ（ｔ）の形成を駆動し得る。信号生成器１３６は、位相同期ループとして実装されてもよく、基準クロック信号および送信周波数ｆ_ｔの入力を受け付けて、送信周波数ｆ_ｔを有する連続波の無線周波数信号を生成する。

また、発振器１１６からの基準クロック信号は、第１の基準信号生成器１３４にも入力され得る。信号生成器１３６と同様に、第１の基準信号生成器１３４は、位相同期ループとして実装されてもよく、基準クロック信号および基準周波数ｆ_ｒの入力を受け付けて、基準周波数ｆ_ｒを有する連続波の無線周波数信号ＬＯ（ｔ）を生成する。

反射信号Ｒ（ｔ）は、送信された信号Ｔ（ｔ）に基づいている。送信された信号Ｔ（ｔ）及び第１の基準信号ＬＯ（ｔ）は、同じ発振器１１６からの入力に基づいて形成されることから、反射信号Ｒ（ｔ）及び第１の基準信号ＬＯ（ｔ）は、部分的に相関する。このため、残る位相雑音は、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］に僅かにしか影響しない。

被験体の心拍数及び／又は呼吸数の検出にデバイス１００を用いる際に、無線周波数信号Ｔ（ｔ）は、送信機１１０によって、被験体の胸部領域に送信される。送信された信号Ｔ（ｔ）は、被験体の胸部領域の組織によって反射される。反射信号Ｒ（ｔ）は、受信機１２０によって受信される。上述したように、反射信号Ｒ（ｔ）は、反射信号Ｒ（ｔ）を出射する組織の変位の時間変化によって変調されることなる。

被験体の心拍と呼吸に応じた総計の組織の変位ｘ（ｔ）は、下記のように表すことができる。

ここで、ｘ_ｌ（ｔ）とｘ_ｈ（ｔ）とは、それぞれ呼吸と心拍とによって生じる数学的な変位を示す。式（ｅｑ．１）に示すように、ｘ_ｌ（ｔ）とｘ_ｈ（ｔ）とは、周期関数として近似できる。ここで、Ｘ_ｌ及びＸ_ｈは、肺及び心臓の拡大及び縮小によって生じる最大の力学的変位であり、ｆ_ｌ及びｆ_ｈは、決定する対象となる情報を示すバイタルサインの周波数である。Ｘ_ｌ及びＸ_ｈは、例えば、それぞれ成人において、平均的に略０．５〜１０ｍｍ及び０．０５〜０．１ｍｍであり得る。被験体および健康状態に応じて、ｆ_ｌ及びｆ_ｈは、一般的に０．１〜３Ｈｚの範囲内である。しかしながら、これらの範囲は、限定的でない単なる例示であって、システム１００は、組織の変位の振幅および周波数のより広い範囲においても、心拍数及び／又は呼吸数の検出に使用可能である。また、上記の近似は、発明の思想の原理を理解し易くするための一例として提供されるに過ぎず、発明の思想は、特定の近似の選択に依存するようなことはない点に留意されたい。

反射信号Ｒ（ｔ）は、（第１の基準信号とのミキシング後に）位相又は周波数比較器１４６の第１の入力部に供給され、Ｂ［ｎ］は、位相又は周波数比較器１４６の第２の入力部に供給されるフィードバック信号Ｆ［ｎ］と比較される。上述したように、フィードバック信号Ｆ［ｎ］は、ダウンコンバート後の反射信号Ｒ（ｔ）の位相を追従する。このため、位相又は周波数比較器１４６の出力信号Ｖ_ｅ［ｎ］は、時間変化する組織の変位によって生じる変調に比例することとなる。

バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］は、以下のように表すことができる。

ここで、ｎは、サンプリング時点ｔ_ｎ＝ｎ／ｆ_ｓに得られるｎ番目のサンプルである。また、ｆ_ｓは、サンプリング周波数であり、Ｃ（ｔ_ｎ）は、ターゲットの動きによって変調される電圧振幅であり、ｄ_０は、アンテナ１１２，１２２とターゲット間の平均距離であり、λは、ｆ_ｔの波長であり、θは、ターゲット表面での位相シフトおよび無線ブロック間の位相オフセットを考慮に入れたものであって通常、固定される。一方、Δφ（ｔ_ｎ）は、残留位相雑音であって、例えばＬＯ（ｔ）とＲ（ｔ）とが上述したように相関することから、僅かであって無視できる。

ＰＬＬの同期条件を満たす場合、フィードバック信号は、以下のように表すことができる。

ここで、Φ_ｔｕｎｅ［ｎ］＝Ｋ_ＮＣＯ＊Ｖ_ｃ［ｎ］は、ターゲットによって生じる位相変調を追従するために必要な位相変化であり、Ｋ_ＮＣＯは、ＮＣＯ１５２の感度（ｒａｄ／Ｖ）である。ＰＬＬの同期条件が達成された場合、フィードバック信号Ｆ［ｎ］の位相は、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］の位相に等しくなり、以下のように表すことができる。

よって、Φ_ｔｕｎｅ［ｎ］は、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］の位相のコピーになり、時間変化する組織の変位は、位相又は周波数比較器１４６の出力信号Ｖ_ｅ［ｎ］から正確に抽出され得る。出力信号Ｖ_ｅ［ｎ］は、ローパスフィルタ１４８によってフィルタされ、時間変化する組織の変位の抽出を更に容易化するように２倍の周波数成分が除去されるフィルタ後の信号Ｖ_ＬＰＦ［ｎ］を形成する。

上記位相の微分は、以下のように表すことができる。

式（ｅｑ．５）は、ｆ_ｔｕｎｅ［ｎ］が、ターゲットの速度情報を推定し得る、Ｂ［ｎ］の周波数に比例することを示す。

式（ｅｑ．４）における位相変化信号Φ_ｔｕｎｅ［ｎ］の特性は、被験体の位置がデバイス１００に対して固定される条件において確実である。しかしながら、デバイス１００の主な利点は、被験体／ターゲット（胸壁も）とシステム１００との間の距離が固定されないというような理想的でない状況であっても、心拍数及び／又は呼吸数を検出するために使用できる点にある。距離を変化させるステップは、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］と第２の基準信号Ｆ［ｎ］間の位相差を変化させるステップになる。ＤＳＰ１４０のＰＬＬは、位相差を変化させるステップに応答して、当該位相差を追従するように第１の基準信号Ｆ［ｎ］の位相を変化させる。過渡期（ＰＬＬのダイナミクスによって決定される期間）の後に、ＤＳＰ１４０のＰＬＬは、再度同期を得て、基準信号Ｆ［ｎ］が反射信号Ｒ（ｔ）の位相に追いつく／戻ることとなる。

静的なターゲットの距離ｄ_０は、バイタルサインに基づく変調が存在するＤＣレベルの上端を提供することとなる。このことは、定常状態において、バイタルサインに基づく位相の変調が、固定された位相シフト辺りを中心として抽出できることを示唆する。ターゲットが位置を変更すると、ＰＬＬは、この変化に追従でき、バイタルサインは、新たなターゲットの位置に応じた新たなＤＣレベルにセンタリングされることとなる。

上記の議論が、他の静的な信号源および半静的な位相オフセット、例えば無線ブロックの遅延にも等しく適用可能であることは、理解され得るとおりである。よって、ＤＳＰ１４０のＰＬＬは、受信機１２０が最適点で動作するように機能することとなる。最適点は、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］と第２の基準信号Ｆ［ｎ］間の位相差が比較的に小さい動作点に対応し、出力信号Ｖ_ｅ［ｎ］の低周波成分が０近傍になる。

被験体の胸部領域が、送信された信号Ｔ（ｔ）及び反射信号Ｒ（ｔ）の伝播の方向に沿って周期的に動く場合、このことによって、信号Φ_ｔｕｎｅ［ｎ］は次式のように表すことができる。

ここで、追加の項ｄ（ｔ_ｎ）は、平均距離ｄ_０に対するターゲットの距離の変化量を表し、変化量はバイタルサインに依拠していない。この変化量は、周期的であってもよく、如何なる任意の動きであってもよく、特定の位置にセンタリングする必要もない。任意の動きが、ターゲットの距離ｄ_０のシフトに関して、上述したように過渡期として扱われてもよい。周期的な変化量は、以下のように表すこともできる。

ここで、Ｘ_ｓは、被験体の距離における周期的な動きの最大振幅を示し、ｆ_ｓは、変化量の周波数を示す。信号Φ_ｔｕｎｅ［ｎ］は、心拍数、距級数及び周期的に変化するターゲットの距離の間の如何なる交差項からも自由である。バイタルサイン各々の周波数は、周期的な被験体の動きが在ったとしても、容易に判別して、抽出できる。周期的な被験体の動きの周波数が、心拍数及び呼吸数の周波数についての典型的な範囲の外部になった場合、周期的な被験体の動きによる信号の寄与は、心拍数及び呼吸数の周波数についての標準的な範囲の予め知られた情報に基づきフィルタリングすることにより、Φ_ｔｕｎｅ［ｎ］から除去もできる。フィルタリングは、心拍数及び呼吸数の周波数についての標準的な範囲の各々における周波数を通過させるように、且つこれら間の周期的な動きの周波数の除去を可能にするように構成できる。

位相又は周波数比較器１４６の出力信号Ｖ_ｅ［ｎ］は、もし在る場合には、心拍と呼吸（と他の周期的な胸部領域の動き）に応じた組織の変位から生じる、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］の周波数の変化量（即ち周波数変調）を示す。対応する位相の変化量（即ち位相変調）は、ＮＣＯ１５２によって生成された位相変化信号Φ_ｔｕｎｅ［ｎ］から直接、抽出できる。位相の変化量は、Ｋ_ＮＣＯを通して位相の変化量に比例する、積分された信号Ｖ_ｃ［ｎ］によっても表される。よって、位相の変化量は、積分された信号からも抽出できる。このことは、後述するように、位相変化信号Φ_ｔｕｎｅ［ｎ］は抽出に直接利用できないＰＬＬのアナログ実装において用いられ得る。

位相の情報は、ターゲットの一時的な変位が決定され得るようにバイタルサインの位相の復調を可能にする。位相の情報は、ＰＬＬのアナログ実装が周波数復調で設定されたとしても、ＤＳＰ１４０の位相変化信号Φ_ｔｕｎｅ［ｎ］において利用可能である。しかしながら、ＰＬＬのアナログ実装においては、後述するように、積分器１５０がＰＬＬに含まれない場合に、バイタルサインの搬送信号が、心臓または呼吸の作用の周波数のみを推定可能にするように周波数復調され得る。

デバイス１００は、ターゲットによって生じる位相変調を線形に抽出することを許容する。このため、心臓または呼吸の作用及び／又は心拍または呼吸数に基づく組織の動きの振幅は、デバイス１００によって実行される信号処理に基づいて決定され得る。デバイス１００は、ヌル点及び小角度近似を避けながら、位相変調の抽出を可能にする。

このことは、ＰＬＬの同期条件が満たされた場合の状況を考慮することによっても確認できる。このとき、Ｂ［ｎ］とＦ［ｎ］間の位相差φ_ｅ［ｎ］（又は周波数差）は、位相又は周波数比較器１４６の出力が実質的にゼロになるようなものである。このことは、フィードバックＦ［ｎ］によって位相又は周波数比較器１４６が線形領域において動作し、ｓｉｎ（φ_ｅ）≒φ_ｅとみなせることを意味する。

組織の動き、心拍数及び／又は呼吸数の振幅を検出する目的において、デバイス１００は、バイタルサイン推定部１６０をさらに含んでもよい。バイタルサイン推定部は、位相変化信号Φ_ｔｕｎｅ［ｎ］、フィルタ後の出力信号Ｖ_ＬＰＦ［ｎ］及び／又は積分された信号Ｖ_ｃ［ｎ］を入力として受信するように構成され得る。バイタルサイン推定部１６０は、ＤＳＰ１４０からの入力を受信する別体の処理部として実装されてもよいし、ＤＳＰ１４０とバイタルサイン推定部１６０の動作を実行できる共通の処理部において実装されてもよい。

バイタルサイン推定部１６０は、信号Ｖ_ＬＰＦ［ｎ］又はＶ_ｃ［ｎ］の周波数解析を実行することにより、心拍数及び／又は呼吸数を決定または推定するように構成できる。周波数解析は、与えられた周波数間隔内で信号Ｖ_ＬＰＦ［ｎ］又はＶ_ｃ［ｎ］の周波数成分の少なくとも一つの周波数を決定することを含み得る。一つ又は複数の周波数成分は、与えられた周波数間隔内であって、しきい値レベルを超える各々の振幅を有する信号Ｖ_ＬＰＦ［ｎ］又はＶ_ｃ［ｎ］の振幅を有する。周波数間隔は、決定対象の一つ又は複数のバイタルサインについて予想された周波数範囲に対応し得る。周波数間隔は、例えば０．１〜０．３Ｈｚであってもよい。しきい値レベルは、計測の感度を低減し過ぎることなく雑音の影響が最小化されるように設定されてもよい。バイタルサイン推定部１６０は、心拍数及び／又は呼吸数の推定として決定された一つ又は複数の周波数を出力できる。バイタルサイン推定部１６０は、呼吸数とする小さい方の周波数と、心拍数とする他方の周波数とを含んだ２成分の成分を識別し得る。出力は、例えば、デバイス１００に接続された表示部に表示されたり、更なる解析及び後処理のために記憶装置に格納されたりしてもよい。バイタルサイン推定部１６０は、積分される出力の周波数成分の振幅を決定することにより、心拍数及び呼吸数の少なくとも一方に応じて組織の変位の振幅を推定するように構成されてもよい。

なお、バイタルサイン推定部１６０は、他の手法において、信号を解析するように構成されてもよい。例えば、解析が時間領域において実行されてもよく、フィルタを用いて周波数ｆ_ｌ及びｆ_ｈを分離し、次いで時間領域信号を決定してバイタルサインを推定してもよい。

より基礎的な実装において、バイタルサイン推定部１６０は、例えば、周波数間隔が（それぞれの）しきい値レベルを超える振幅の如何なる一つ又は複数の成分を含むかを決定することにより、心拍数及び／又は呼吸数が在るか否かを検出するように簡単に構成されてもよい。この際、バイタルサイン推定部１６０は、このような成分が検出されたか否かを示す信号を出力し得る。

図２〜８を参照して、バイタルサインを決定するデバイスについて幾つかの異なる実施形態を説明する。これらの実施形態は、図１に示すデバイス１００と共通する特徴を多数有し、以下の記載では、主に異なる特徴について説明する。

図２において、アナログのデバイス２００を示す。図示するように、デバイス２００は、図１に示すデバイス１００に非常に類似している。しかしながら、ＤＳＰ１４０を用いる代わりに、アナログ信号処理回路２４０が、ミキサ１３２からダウンコンバート後の反射信号Ｒ（ｔ）を受信する位相復調回路を実装するために用いられる。

アナログ信号処理回路２４０は、ＰＬＬを実装するためのアナログ要素を備える。すなわち、アナログ信号処理回路２４０は、ダウンコンバート後のバイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］を位相又は周波数比較器２４６に通過させるローパスフィルタ２４２を備える。位相又は周波数比較器２４６は、ミキサとして実装されてもよい。しかしながら、他の種類の位相又は周波数比較器２４６も用いられてもよく、例えば、位相周波数検出器、チャージポンプ位相検出器または排他的論理和型の位相比較器などが用いられてもよい。

さらに、信号処理回路２４０は、ローパスフィルタ２４８と、積分器２５０と、調整可能な基準信号生成器２５２とを備える。調整可能な基準信号生成器２５２は、（残留位相雑音がなお無視できるように）発振器１１６に接続される、ＰＬＬとして形成されてもよい。ＰＬＬ２５５は、積分器２５０からの制御電圧Ｖ_ｃ（ｔ）を受信し、これに応じて位相変調されたフィードバック信号Ｆ（ｔ）を生成する。この際、位相変調されたフィードバック信号Ｆ（ｔ）は、位相又は周波数比較器２４６の第２の入力部に供給される。

出力信号Ｖ_ＬＰＦ（ｔ）のローパスフィルタされた信号と積分された信号Ｖ_ｃ（ｔ）とは、出力信号からバイタルサインを抽出することを許容するために、信号処理回路２４０からそれぞれ出力されてもよい。バイタルサイン推定部２６０は、処理部において実装されてもよい。この際、上記信号は、まず、アナログ／デジタル変換され得る。また、バイタルサイン推定部２６０は、バイタルサインを決定するためのアナログ回路において実装されてもよい。

図３において、同様のアナログのデバイス３００を示す。デバイス３００において、信号処理回路３４０は、図２に示すデバイス２００に非常に類似している。しかしながら、上述したデバイス１００，２００と比較して、デバイス３００は、異なる方法において信号を生成するように構成される。

デバイス３００は、第１の局部発振器３１６と第２の局部発振器３２６とを備える。送信機３１０は、ミキサ３１６を備える。ミキサ３１８は、第１の局部発振器３１６からの信号を第１の入力部で受信し、第２の局部発振器３２６からの信号を第２の入力部で受信する。この際、ミキサ３１８は、第１及び第２の局部発振器３１６，３２６からの信号の周波数の組み合わせを含む信号を生成できる。ミキサ３１８からの信号は、さらに、ミキサ３１８による出力において所望の周波数を選択するためのバンドパスフィルタ３１９を通過してもよい。また、バンドパスフィルタ３１９は、ローパス又はハイパスフィルタであってもよい。これにより、単一トーンで連続波の無線周波数信号Ｔ（ｔ）が、送信アンテナに渡り得る。

さらに、第１の基準信号生成器は、第２の局部発振器３２６によって実装されてもよい。第２の局部発振器３２６は、局部発振器信号ＬＯ（ｔ）を供給してもよい。局部発振器信号ＬＯ（ｔ）は、反射信号Ｒ（ｔ）をダウンコンバートするため、ミキサ１３２に供給される。第２の局部発振器３２６が、局部発振器信号ＬＯ（Ｔ）を生成することと、送信される信号Ｔ（ｔ）を生成することとの両方に用いられるため、簡単な設定が採用できる。

デバイス３００の信号生成回路３４０は、調整可能な基準信号生成器３５２が、ここでは位相変調されたフィードバック信号Ｆ（ｔ）を生成するための入力として第１の局部発振器３１６からの信号を受信することを除いて、デバイス２００の信号処理回路２４０に対応する。よって、第１の局部発振器３１６は、再度用いられ、フィードバック信号Ｆ（ｔ）を生成することと送信される信号Ｔ（ｔ）を生成することとの両方に用いられ得る信号を供給することができる。

なお、図３に示す送信される信号Ｔ（ｔ）と第１の基準信号ＬＯ（ｔ）の生成方法を、図１に示すデバイス１００にも採用することは、当然に実現できる。

図４において、別のアナログのデバイス４００を示す。デバイス４００は、信号処理回路４４０が位相を追従する代わりに、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］の周波数を追従するように構成されることを除いて、図２のデバイス２００に対応する。この場合、信号処理回路４４０において積分器は配置されず、調整可能な基準信号生成器４５２が、周波数変調されたフィードバック信号Ｆ（ｔ）を供給するように構成される。積分器４５０は、出力信号を積分して、出力信号Ｖ_ｅ（ｔ）の周波数の変化量に対応する位相の変化量を供給するため、信号処理回路４５０の出力側に配置されてもよい。

同様に、図５において、さらに別のデバイス５００を示す。デバイス５００は、信号処理回路５４０が位相を追従する代わりに、バイタルサインの搬送信号Ｂ［ｎ］の周波数を追従するように構成されることを除いて、図３のデバイス３００に対応する。この場合、デバイス４００と同様に、信号処理回路５４０において積分器は配置されず、調整可能な基準信号生成器５５２が、周波数変調されたフィードバック信号Ｆ（ｔ）を供給するように構成される。積分器４５０は、信号処理回路５５０の出力側に配置されてもよい。

以下では図６〜８を参照して、デバイスの直交型アーキテクチャを示す。直交型アーキテクチャは、図１〜５のデバイスに示すような情報の復調と同様の手法を提供する。また、従来技術の直交型アーキテクチャを用いるバイタルサインの検出と比較して、本デバイスは、位相アンラッピングアルゴリズムまたは微分及び交差積アルゴルズムを必要としない。

本直交型アーキテクチャによると、同相の直交チャンネルが複雑な形態において結合されることによる位相の和および差を可能な範囲で分離するように、反射信号を、ベースバンド（ｆ_ＩＦ＝０Ｈｚ）においてダウンコンバートできる。

まず、図６において、デバイス６００を示す。デバイス６００において、局部発振器６１６は、送信される信号Ｔ（ｔ）を生成するために用いられる。局部発振器６１６は、第１の基準信号を生成するためにも用いられる。

受信した信号は、同相及び直交信号を形成する２つのチャンネルに分割される。この際、第１のミキサ６３２ａは、局部発振器６１６からの第１の基準信号と受信した信号をミキシングして、同相信号Ｉを形成する。第２のミキサ６３２ｂは、局部発振器６１６からの信号を９０°分のシフトに基づき第１の基準信号と受信した信号をミキシングして、直交信号Ｑを形成する。

さらに、デバイス６００は、信号処理回路６４０を備えてもよい。信号処理回路６４０は、時間領域において実装され得る。信号処理回路６４０は、コンバイナ６４４を備えてもよい。コンバイナ６４４は、ミキシング後に同相信号Ｉ及び直交信号Ｑを受信して、複素形のデジタル信号Ｉ＋ｊＱを形成する。デジタル信号処理回路６４０は、デバイス１００のデジタル信号処理回路１４０に対応する、ＰＬＬのデジタル実装をさらに備えてもよい。

代替的に、図７に示すように、直交型アーキテクチャのデバイス７００は、デバイス３００で用いた方法と同様に、送信される信号Ｔ（ｔ）及び第１の基準信号を生成するように構成されてもよい。この場合、デバイス７００は、第１の発振器７１６と第２の発振器７２６とを備えてもよい。第１の発振器７１６は、フィードバック信号Ｆ［ｎ］を生成するために、信号処理回路７４０のＮＣＯ７５２に入力を供給してもよい。

さらに代替的に、図８に示すように、直交型アーキテクチャのデバイス８００は、デバイス１００で用いた方法と同様に、送信される信号Ｔ（ｔ）及び第１の基準信号を生成するように構成されてもよい。デバイス８００において、第１の基準信号と反射信号をミキシングすることによって形成されるバイタルサインの搬送信号は、デジタル領域において２つのチャンネルに分割される。次いで、バイタルサインの搬送信号は、同相信号Ｉを形成するために、中間周波数ｆ_ＩＦを有する局部発振器からの信号とミキシングされ得る。さらに、バイタルサインの搬送信号は、直交信号Ｑを形成するように、９０°シフトされた局部発振器からの信号とミキシングされ得る。次いで、同相信号Ｉ及び直交信号Ｑは、複素形のデジタル信号Ｉ＋ｊＱを形成するように結合され得る。デジタル信号処理回路８４０は、デバイス１００のデジタル信号処理回路１４０に対応するＰＬＬのデジタル実装をさらに備えてもよい。

以下では、図９を参照して、バイタルサインの検出方法をまとめる。

本方法は、被験体に、無線周波数信号を送信するステップ９０２を含む。さらに本方法は、被験体から、反射信号を受信するステップ９０４を含む。送信された信号は、被験体によって反射され、被験体の心拍数および呼吸数の少なくとも一方に応じたドップラーシフトを起こして、反射信号を形成する。

さらに、本方法は、反射信号を、第１の基準信号とミキシングするステップ９０６を含む。ミキシングされた信号は、バイタルサインの搬送信号を生成するように、例えばローパスフィルタ及び／又はアナログ／デジタル変換等、さらに処理されてもよい。バイタルサインの搬送信号は、位相又は周波数比較器の第１の入力部に供給される（ステップ９０８）。

さらに、本方法は、基準信号生成器によって第２の基準信号を生成するステップ９１０であって、位相又は周波数比較器の第２の入力部に基準信号を供給するステップを含む。この際、位相又は周波数比較器は、バイタルサインの搬送信号および第２の基準信号に基づいて、出力信号を生成してもよい（ステップ９１２）。出力信号は、ループにおいて基準信号生成器に戻される前に、例えばローパスフィルタ及び／又は積分等、さらに処理されてもよい。

さらに、基準信号生成器は、位相又は周波数比較器の出力信号に基づいて、調整可能な第２の基準信号の位相または周波数の少なくとも一方を変化させて（ステップ９１４）、バイタルサインの搬送信号の位相または周波数を追従してもよい。

ここで、バイタルサインの搬送信号の位相及び／または周波数が抽出されてもよく、位相又は周波数比較器の出力信号が、被験体のバイタルサインを決定するためのバイタルサイン推定部に出力されてもよい。

以上の本発明の思想は、主に、限定された数の実施例を参照して説明された。しかしながら、当業者には容易に理解されるように、以上に開示された実施例とは他の実施例が、本発明の思想の範囲内で等しく、添付の特許請求の範囲に規定されるとおり実施可能である。

例えば、デバイス１００〜８００の様々な電子素子が、一つ又は複数の集積回路において実装できる。また、デバイス１００〜８００は、別体の送信アンテナ１１２および別体の受信アンテナ１２２を採用している。しかしながら、これに代えて、共通のアンテナを介して送信／受信するように送信機１１０及び受信機１２０を構成することも等しく可能である。送信機１１０及び受信機１２０は、送信機１１から（例えば信号生成器１３６の送信出力部から又はもし在れば増幅器の出力部から）共通アンテナに、送信された信号Ｔ（ｔ）を向け、共通アンテナから受信機１２０に（例えばミキサ１３２の入力部に又はもし在れば増幅器１２４の入力部に）、反射信号Ｒ（ｔ）を向けるように、サーキュレータ又はカプラを介して共通アンテナに接続され得る。このように、信号Ｔ（ｔ）の送信と反射信号Ｒ（ｔ）の受信との両方において、同一のアンテナを用いることができる。

Claims (14)

1. 被験体の心拍数および呼吸数の少なくとも一方を含むバイタルサインを検出する方法であって、
   前記被験体に、無線周波数信号を送信するステップ（９０２）と、
   前記被験体から、反射信号を受信するステップ（９０４）であって、送信された信号が前記被験体によって反射され、心拍数および呼吸数の少なくとも一方に応じてドップラーシフトを起こして、前記反射信号を形成する、ステップ（９０４）と、
   前記反射信号を、第１の基準信号とミキシングするステップ（９０６）と、
   前記第１の基準信号と前記反射信号のミキシングに基づくバイタルサインの搬送信号を、位相又は周波数比較器（１４６，２４６）の第１の入力部に供給するステップ（９０８）と、
   基準信号生成器（１５２，２５２，３５２，４５２，５５２，７５２）が、調整可能な第２の基準信号を生成して、当該基準信号を、前記位相又は周波数比較器（１４６，２４６）の第２の入力部に供給するステップ（９１０）と、
   前記位相又は周波数比較器（１４６，２４６）が、前記バイタルサインの搬送信号および前記第２の基準信号に基づいて出力信号を生成するステップ（９１２）と、
   前記位相又は周波数比較器と前記基準信号生成器とが、周波数スペクトルを用いない位相同期ループを形成するように、前記基準信号生成器（１５２，２５２，３５２，４５２，５５２，７５２）が、前記位相又は周波数比較器（１４６，２４６）の出力信号に基づいて、前記調整可能な第２の基準信号の位相および周波数の少なくとも一方を変化させて、前記バイタルサインの搬送信号の位相または周波数を追従するステップ（９１４）と
   を含み、
   前記第１の基準信号に、前記送信された信号の周波数成分とは異なる周波数成分を持たせて前記反射信号とミキシングして、前記バイタルサインの搬送信号を生成する、方法。
2. 前記第１の基準信号と前記反射信号のミキシングによって出力される信号が、デジタル領域中に変換される
   請求項１に記載の方法。
3. バイタルサインの搬送信号を供給するステップと、調整可能な第２の基準信号を生成するステップと、位相又は周波数比較器（１４６）が出力信号を生成するステップと、基準信号生成器（１５２，７５２）が前記調整可能な第２の基準信号の位相および周波数の少なくとも一方を変化させるステップとは、デジタル領域において実行され、
   前記基準信号生成器は、数値制御発振器（１５２，７５２）を備える
   請求項２に記載の方法。
4. 受信された反射信号は、同相および直交成分に分割される
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記バイタルサインの搬送信号は、同相および直交成分の複素形の組み合わせで構成される
   請求項４に記載の方法。
6. 前記送信された信号は、第１の位相同期ループ（１３６）によって生成され、
   前記第１の基準信号は、第２の位相同期ループ（１３４）によって生成され、
   前記第１の位相同期ループと前記第２の位相同期ループとは、同じ基準クロックを用いる
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記送信された信号は、第１の発振器（３１６）及び第２の発振器（３２６）からの信号のミキシングによって生成され、
   前記第１の基準信号は、前記第２の発振器（３２６）によって生成される
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記位相又は周波数比較器（１４６，２４６）の出力信号に基づく信号の周波数解析を実行することによって、心拍数および呼吸数の少なくとも一方を決定するステップをさらに含む
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記バイタルサインの搬送信号の周波数が追従される
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記バイタルサインの搬送信号の位相が追従され、
    前記位相又は周波数比較器（１４６，２４６）からの出力信号を積分するステップをさらに含む
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記積分された出力の周波数成分の振幅を決定することにより、前記被験体の心臓または呼吸の作用に基づく組織の動きの大きさを推定するステップをさらに含む
    請求項１０に記載の方法。
12. 被験体の心拍数および呼吸数の少なくとも一方を含むバイタルサインを検出するデバイスであって、
    前記被験体に、無線周波数信号を送信するように構成された送信機（１１０，３１０）と、
    送信された信号が前記被験体によって反射され、心拍数および呼吸数の少なくとも一方に応じてドップラーシフトを起こして形成される反射信号を、前記被験体から受信するように構成された受信機（１２０）と、
    前記反射信号を、第１の基準信号とミキシングするミキサ（１３２，６３２ａ〜ｂ）と、
    位相又は周波数比較器（１４６，２４６）と基準信号生成器（１５２，２５２，３５２，４５２，５５２，７５２）とを備えた信号処理回路（１４０，２４０，３４０，４４０，５４０，６４０，７４０，８４０）とを備え、
    前記位相又は周波数比較器（１４６，２４６）は、
    前記第１の基準信号と前記反射信号のミキシングに基づくバイタルサインの搬送信号を、第１の入力部で受信し、
    前記基準信号生成器（１５２，２５２，３５２，４５２，５５２，７５２）からの調整可能な第２の基準信号を、前記位相又は周波数比較器（１４６，２４６）の第２の入力部で受信し、
    前記バイタルサインの搬送信号および前記第２の基準信号に基づいて出力信号を生成するように構成され、
    前記基準信号生成器（１５２，２５２，３５２，４５２，５５２，７５２）は、前記位相又は周波数比較器（１４６，２４６）の出力信号に基づいて、前記位相又は周波数比較器と前記基準信号生成器とが、周波数スペクトルを用いない位相同期ループを形成するように前記調整可能な第２の基準信号の位相および周波数の少なくとも一方を変化させて、前記バイタルサインの搬送信号の位相または周波数を追従するように構成され、
    前記第１の基準信号に、前記送信された信号の周波数成分とは異なる周波数成分を持たせて前記反射信号とミキシングして、前記バイタルサインの搬送信号を生成する、デバイス。
13. 信号処理回路（１４０）が、デジタル信号プロセッサにおいて実装される
    請求項１２に記載のデバイス。
14. バイタルサイン推定部（１６０）をさらに備え、
    前記バイタルサイン推定部（１６０）は、前記デジタル信号プロセッサ（１４０）からの出力を受信して、前記デジタル信号プロセッサ（１４０）からの出力に基づき心拍数および呼吸数の少なくとも一方を決定するように構成される
    請求項１３に記載のデバイス。

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