JP7001244B1 - 非接触生体信号検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度や利便性の面で改良されている、非接触生体信号検出装置及び非接触生体信号検出方法を提案する。【解決手段】デジタルビーム制御機能をもつ1台の高分解能レーダにより、被測定者の人体における複数の生体信号検出部位から、それぞれ、個別に、同時に、連続して生体信号を検出する非接触生体信号検出装置。【選択図】図３

Description

本発明は、非接触生体信号検出装置に関する。特に、高分解能レーダを用いて呼吸や心拍などの生体信号を非接触で測定する装置に関する。また、このような非接触生体信号検出装置を用いた非接触生体信号検出方法に関する。

複数個の非接触センサを用いて呼吸や脈拍などの生体信号を測定し、その情報から脈波速度や血圧を推定する手法が研究され、実用化が進められている。信頼性の高い生体情報を非接触で得るためには、複数のセンサを用いるのが効果的であることがよく知られている（例えば、特許文献１、２、３）。

特許文献１には、カメラを用いて顔と手など異なる２か所で脈波を測定してその時間差から脈波伝搬速度を計測する手法が開示されている。

特許文献２にはアンテナ指向性の固定された二つのマクロ波レーダセンサを用い人体の異なる２つの部位からの心拍性情報で血圧を推定する手法が開示されている。

特許文献３にはカメラで顔の脈波を検出し、ミリ波レーダで胸部の心拍を検出して血圧を推定する手法が開示されている。

特許文献１の手法は、マイクロ波のアンテナが大きくて二個必要で、設置場所に制限が課される可能性がる。また、アンテナビームは固定されている。そこで、正確な生体情報計測に改良の余地があると思われる。

特許文献２の方法はスマートフォンなど簡便な装置で測定できる特長がある。画像の位置決めが測定のたびごとに必要となる。連続的な測定を行うことに関して改良の余地がある。

特許文献３の手法は正確なデータが期待できるが、レーダとカメラの二つの異なるセンサが必要になる。二つのセンサの設置に手間を要し、コスト的に割高となる可能性がある。

いずれの方式も測定面やコスト面で長所、短所があり、測定精度や利便性の面で改良の余地が残されている。

特許第６０７２８９３号公報 特許第６１９５２６７号公報 特許第６４９３６８０号公報

背景技術で述べているように、非接触で人体の生体信号を取得するには既に多くの手法が提示されているが、測定精度、測定の利便性や装置のサイズ、さらには連続測定などの面で改良の余地が残っている。

本発明は、測定精度や利便性の面で改良されている、非接触生体信号検出装置及び非接触生体信号検出方法を提案することを目的にしている。

本発明は、マイクロ波ミリ波帯の高分解能レーダを用いた呼吸や心拍などの生体信号の検出方法とその装置に係るものである。特に、人体の複数の部位の生体信号を同時に連続して安定した生体情報を検出する技術とその応用に関する。

本発明は、小型高分解能レーダを適用して従来の装置やシステムの機能の改善と向上を図り、病院や介護現場で要求される非接触生体信号検出装置を提供するものである。

マルチビーム機能を持つ高分解能のレーダ1台を利用して、生体信号の測定、検出が行われる対象である被測定者の人体の複数の異なる部位の生体情報を同時にかつ連続して検出する手法を提供する。

前記高分解能のレーダとしてはマイクロ波やミリ波帯の小型のＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）方式のレーダを用いて、頭部、胸郭部、下腹部、腕、足などの任意の複数の人体の部位で生体信号を計測して、その信号より心拍性信号や呼吸信号を抽出し、各部位の信号の相関関係より、生体信号の信頼度、精度の改善をするとともに、得られた情報より脈波速度や血圧などの生体信号なども推定する手法を可能としている。

本発明の基本となる技術は、高分解能の２次元あるいは３次元レーダ１台を利用して、生体信号の測定、検出が行われる対象である被測定者の人体の複数の異なる部位の生体情報をアンテナのマルチビーム指向性を利用して、同時に、かつ連続して検出する装置と手法である。

上述の高分解能の２次元あるいは３次元レーダとしてはマイクロ波やミリ波帯の小型のＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）方式のレーダを用いる。以下、本明細書、特許請求の範囲において「ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）方式のレーダ」を「ＭＩＭＯレーダ」と表すことがある。

ＭＩＭＯレーダによるデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）手法、すなわち、デジタルビーム制御機能でアンテナのマルチビーム制御を可能にし、マルチビームを利用することで、被測定者の人体の頭部、胸郭部、下腹部、腕、足などの異なる任意の部位（すなわち、複数の任意の生体信号検出部位）で、生体信号を、同時に、連続して計測する。

そして、各部位の生体信号の相関関係により、呼吸や心拍のなどの生体情報の精度の改善を可能にしている。また、得られた心拍情報から脈波速度や血圧などの付随する生体信号を推定することを可能にしている。

本発明の非接触生体信号検出装置の構成を例示すると次のようになる。
[１]
デジタルビーム制御機能をもつ1台の高分解能レーダにより、被測定者の人体における複数の生体信号検出部位から、それぞれ、個別に、同時に、連続して生体信号を検出する非接触生体信号検出装置。

[２]
前記高分解能レーダから前記被測定者の人体に向けて放射される送信波の数、放射される方向、あるいは前記人体から反射された到来波の数とその方向を制御することで、複数の前記生体信号検出部位の数を増減、変更制御する機能を有する[１]の非接触生体信号検出装置。

[３]
前記生体信号検出部位の位置が変動したときに、前記高分解能レーダから前記被測定者の人体に向けて放射される送信波の方向、あるいは前記人体から反射された到来波の方向を制御することで前記生体信号検出部位を自動追尾する機能を有する[１]又は[２]の非接触生体信号検出装置。

[４]
検出した複数の前記生体信号の中から、安定している一つ、あるいは複数の前記生体信号を検出する機能を有する[１]乃至[３]のいずれかの非接触生体信号検出装置。

[５]
複数の前記生体信号検出部位における心拍性信号から各部位における心拍性信号の相関をとり、それらの相関関係を解析して脈波情報、あるいは血圧情報を生成する機能を有する[１]乃至[４]のいずれかの非接触生体信号検出装置。

[６]
複数の前記生体信号検出部位における心拍性信号の中から二つの異なる前記生体信号検出部位を設定し、それぞれの前記生体信号検出部位における心拍性信号のピーク値の時間差と、それぞれの前記生体信号検出部位同士の間の血管距離から脈波速度を検出する機能を有する[１]乃至[５]のいずれかの非接触生体信号検出装置。

[７]
検出された脈波速度に基づいて血圧情報を検出する機能を有する[６]の非接触生体信号検出装置。

[８]
前記高分解能レーダが２次元あるいは３次元ＭＩＭＯレーダである[１]乃至[７]のいずれかの非接触生体信号検出装置。

上述した種々の構成からなる本発明の非接触生体信号検出装置を用いることで以下に例示する非接触生体信号検出方法を実現することが可能になる。

[９]
デジタルビーム制御機能をもつ１台の高分解能レーダを用いて、生体信号の測定、検出が行われる対象である被測定者における複数の人体部位（すなわち、複数の生体信号検出部位）の生体信号を個別にかつ同時に連続して検出する非接触生体信号検出方法。

[１０]
前記高分解能レーダのビーム制御を行い、前記生体信号を取得する複数の前記人体部位の箇所を必要に応じて設定し、かつその個所を増減する[９]の非接触生体信号検出方法。

[１１]
前記人体の体動を検出してレーダの検出部位を自動追尾して信号を得る[９]又は[１０]の非接触生体信号検出方法。自動追尾によって安定した信号を得るものである。

[１２]
複数の人体部位、すなわち、生体信号検出部位から得られた複数の生体信号のうちの安定した信号の一つあるいは二つを適宜選択する[９]又乃至[１１]のいずれかの非接触生体信号検出方法。このようにすることで、測定精度の向上を図ることができる。

[１３]
二つの異なる生体信号検出部位を設定して心拍性信号を検出し、得られるそれぞれの信号の二つのピーク値の時間差と二つの生体信号検出部位間の血管距離から脈波速度を検出する[９]又乃至[１２]のいずれかの非接触生体信号検出方法。また、このようにして検出した脈波速度から血圧を推定する非接触生体信号検出方法。

[１４]
前記被測定者が静止している静止状態で複数部位の心拍性信号を検出するとともに、各部位の信号の相関をとり、それらの相関関係を解析することにより脈波速度、血圧など生体情報を得る[９]又乃至[１３]のいずれかの非接触生体信号検出方法。

[１５]
前記被測定者が静止している静止状態が呼吸を止めている状態である[１４]の非接触生体信号検出方法。

[１６]
前記被測定者が自動車を運転中のドライバーであって、上述した[１]～[８]のいずれかの非接触生体信号検出装置における前記高分解能レーダが、当該自動車内に配備されていて、自動車を運転中の前記ドライバーの複数の異なる人体部位（例えば、頭部、胸部、下肢、など）からの生体信号を検出する[９]乃至[１３]のいずれかの非接触生体信号検出方法。

[１７]
上述した[１]～[８]のいずれかの非接触生体信号検出装置における前記高分解能レーダがトイレに設置されていて、前記被測定者の排尿・排便時と排尿・排便後の生体情報の変化を計測して健康状態をモニターする[９]乃至[１３]のいずれかの非接触生体信号検出方法。

[１８]
上述した[１]～[８]のいずれかの非接触生体信号検出装置における前記高分解能レーダが居間に設置されていて、前記被測定者の飲食時及び／又はアルコール摂取時の生体情報を連続的に計測し、その変化よりアルコール摂取状態を推定する[９]乃至[１３]のいずれかの非接触生体信号検出方法。

[１９]
上述した[１]～[８]のいずれかの非接触生体信号検出装置における前記高分解能レーダがトレーニングジムに設置されていて、前記被測定者が、ヨガや気功などのトレーニングを行っている時に生体信号をリアルタイムに検出する[９]乃至[１３]のいずれかの非接触生体信号検出方法。

本発明によれば、測定精度や利便性の面で改良されている、非接触生体信号検出装置及び非接触生体信号検出方法を提供することができる。

本発明によれば、小型高分解能レーダを適用して従来の装置やシステムの機能の改善と向上を図り、病院や介護現場で要求される非接触生体信号検出装置と方法を提供することができる。

本発明の非接触生体信号検出装置に採用されるＭＩＭＯレーダの基本的な構成を説明する図。 ２４ＧＨｚ帯におけるＭＩＭＯレーダの一例を示す参考写真。 本発明の非接触生体信号検出装置を用いた本発明の非接触生体信号検出方法が実施される一形態を説明する概略図。 本発明の非接触生体信号検出装置の一実施形態のブロック図。 本発明の非接触生体信号検出装置を用いて本発明の非接触生体信号検出方法が実施される際に測定する人体の測定部位の一例を示す図。 被測定者の人体各部位から検出された生体信号が本発明の非接触生体信号検出装置の表示手段に表示される状態の一例を説明する参考写真。 本発明の非接触生体信号検出装置を用いて検出した心拍性生体信号の分析例を示す図。 本発明の非接触生体信号検出装置を用いて検出した呼吸停止時の心拍性生体信号の測定例を示す図。 本発明の非接触生体信号検出装置を用いた脈波速度の検出例を示す図。 本発明の非接触生体信号検出装置を用いて被測定者の身体状態をモニター表示する一例を説明するブロック図。 本発明の非接触生体信号検出装置を用いて、被測定者が座っている状態のときに本発明の非接触生体信号検出方法によって被測定者の人身体状態をモニターする実施形態の一例を説明する図。 本発明の非接触生体信号検出装置を用いて、被測定者が座っている状態のときに本発明の非接触生体信号検出方法によって被測定者の人身体状態をモニターする実施形態の他の例を説明する図。 本発明の非接触生体信号検出装置を用いて、被測定者がヨガレッスンを受けているときに本発明の非接触生体信号検出方法によって被測定者の人身体状態をモニターする実施形態の一例を説明する図。

以下、この発明の実施形態を添付図面を参照して説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々に変更可能である。

本発明では、マイクロ波やミリ波帯の小型のＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）方式のレーダのマルチビームを利用している。

以下、本発明に係る非接触生体信号検出装置及び方法の一実施形態を、図面を参照しながら、ＭＩＭＯレーダの特長と共に説明する。

この実施形態で採用するＭＩＭＯレーダの基本的な構成を図１に示す。ＭＩＭＯレーダは図１の上側に示したように、送信アレーアンテナ１００と、受信アレーアンテナ２００とで構成される。送信アレーアンテナ１００は、数波長離れて配置されたＭ個のアンテナ素子１０１、１０２、・・・、１０Ｍを備えている。受信アレーアンテナ２００は、半波長離れて配置されたＮ個のアンテナ素子２０１、２０２、・・・、２０Ｎを備えている。

ＭＩＭＯレーダでは送信アレーアンテナ１００のアンテナ素子１０１、１０２、・・・、１０Ｍのそれぞれから互いに時分割で送信が行われる。そして、受信アレーアンテナ２００のアンテナ素子２０１、２０２、・・・、２０Ｎのそれぞれは、時分割された送信アンテナ素子１０１、１０２、・・・、１０Ｍからの信号を受信する。これがＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）方式と呼ばれるものである。送信素子ごとの信号に分離することができる。

なおここでは送信波の分離は時分割方式を採用しているが、送信アンテナ素子ごとに直交した信号を割り当てて送信し、受信信号をその直交性を利用して分離する手法を用いることも可能である。

これにより、受信アレーアンテナとしては、図１の下側に図示したようにＮ×Ｍ個の仮想的な仮想受信アレー２１０を構成できることになる。

これによって、ＭＩＭＯレーダは、少ないアンテナ素子で方位分解能を向上させる特長をもっている。

仮想受信アレー２１０の信号は、空間方向の信号処理により方位情報に変換できる。この操作をデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）と呼んでいる（以下、「デジタルビームフォーミング」を「ＤＢＦ」と表すことがある）。

ＤＢＦの手法を用いることで、アンテナの指向性制御が可能となる。このＤＢＦ手法により、すなわち、デジタルビーム制御機能を用いることで、アンテナのマルチビーム制御が可能となる。

そして、これによって、人体の生体信号検出で、人体の複数の部位から、各部位ごとに、個別に、なおかつ、同時に、連続して信号を取得することが可能になる。

従来の生体信号検出のレーダは、単一ビームを走査して検出する方式が採用されることが多い。この場合、走査時間が必要であることから信号検出に時間を要し、複数の部位の信号を、個別に、なおかつ、同時に、連続して、検出することは困難であった。

図２に、２４ＧＨｚ帯におけるＭＩＭＯレーダの一例を示す。図２では、送信アレーアンテナ１００は８個の方形パッチ素子からなる二つのアンテナ素子１０１、１０２を備えている。受信アレーアンテナ２００は同じ８個の方形パッチ素子からなる四つのアンテナ素子２０１、２０２、２０３、２０４を備えている。

図２図示の構成の送信アレーアンテナ１００と受信アレーアンテナ２００とからなる送受信アンテナのサイズは、例えば、１０４ｍｍ×７６ｍｍで、方位分解能が８°×４５°である。

これによって生体信号検出用のレーダセンサとして適用可能な特性になっている。

本発明では、マイクロ波やミリ波帯の小型のＭＩＭＯ方式のレーダを、高分解能の２次元あるいは３次元レーダとして使用している。

以下、本実施形態では、図２図示の構成の生体信号検出用レーダセンサを高分解能の２次元あるいは３次元レーダとして用いている。

図３はこの実施形態による非接触生体信号検出方法が実施される一形態を説明する概略図である。

図３では、被測定者５００はベッド５１０などに仰向けに寝ている状態で測定を行っている。これとは異なり、図示していないが、うつ伏せでも、横向きでも測定することができる。また、衣服や毛布など羽織っていて測定を行うこともできる。

図１、図２を用いて上記に説明した構成を備えたＭＩＭＯレーダセンサ３００は、被測定者の１～２ｍ程度の高さに設置される。

図３では、ＭＩＭＯレーダセンサ３００によってＤＢＦにより４つのビーム方向３０１、３０２、３０３、３０４で、被測定者５００の頭部５０１、胸郭部５０２、下肢上部(もも)５０３、下肢下部（すね）５０４の各人体部位のレーダ信号を、同時に、連続して検出するようになっている。

この例ではアンテナは４個のビーム制御を行っているが、任意の個数で任意の人体部位を設定でき、それぞれの部位から、同時に、かつ連続して信号を取得できる。

ＭＩＭＯレーダセンサ３００が取得したレーダ信号により、コンピュータなどからなる信号処理装置４００で、振幅情報、周波数情報を分析して心拍性信号が抽出される。

また、コンピュータなどからなる信号処理装置４００で行われる所定の処理により、取得したレーダ信号から脈波速度、血圧などの派生情報の推定が行われる。

信号処理装置４００で行われたこれらの処理の結果は、生体信号情報として出力端子４０１から出力される。

図４は、この実施形態による非接触生体信号検出装置の一実施形態のブロック図である。

この実施形態による高分解能レーダを用いた非接触生体信号検出装置は、液晶表示画面などからなる表示部を備えているパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６などによって構成される。

ＣＰＵなどの所定の構成を備えているパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６は、この実施形態の非接触生体信号検出装置全体の制御を行う。図示の実施形態では、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６は、液晶表示画面などからなる表示部を備えていて、この表示部に計測結果が表示されるようになっている。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６は、測定条件設定部としての機能を果たし、これによって、被測定者５００の状況に応じて、検出距離、検出部位などの設定を行う。生体信号を取得する人体部位の箇所を必要に応じて設定し、かつその個所を増減することができる。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６は、送受信制御部４０２としての機能を果たし、これによってＭＩＭＯレーダの制御が行われる。送受信制御部４０２からの制御信号で送信回路部４０３、送信アレーアンテナ１００が所定の動作を行って、送信波を被測定者５００に向けて放射する。

被測定者５００からの反射信号は受信アレーアンテナ２００で受信される。パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６は、受信回路部４０４としての機能を果たし、これによって、前記のように受信した反射信号がＤＢＦ手法によって、測定部位、すなわち、検出位置ごとの受信信号に分離される。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６は、信号検出部４０５としての機能を果たし、これによって、前記の受信信号から呼吸情報、心拍情報などの生体信号が抽出される。

抽出された生体信号は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６の表示部に表示される。また、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６の記憶部（不図示）に記憶される。

上記において、非接触生体信号検出装置を構成するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６は、所定のコンピュータプログラムに基づいて、以下に説明する種々の処理動作、機能を実施、実現することができる。

上述したように抽出された生体信号に基づいて、送信アレーアンテナ１００から送信波を放射する被測定者の人体部位の箇所の数を増減、変更する制御を行うことができる。

上述したように抽出された生体信号に基づいて、上述した受信信号が安定していないと判断したときには、送信アレーアンテナ１００から送信波を放射する被測定者の人体部位（すなわち、生体信号検出部位）を自動追尾する処理動作を行うようにすることができる。

これによって、被測定者が体を動かす、等によって、人体部位（すなわち、生体信号検出部位）が移動した場合でも、これを自動追尾することで、安定した生体信号を取得することが可能になる。

信号検出部４０５によって上述した複数の受信信号から抽出した複数の人体部位（すなわち、生体信号検出部位）、例えば、頭部、胸部、下肢における呼吸情報、心拍情報などの生体信号の中から、安定している一つ、あるいは複数の生体信号を検出する処理動作を行うようにすることができる。

これによって、測定精度の向上を図ることが可能になる。

信号検出部４０５によって上述した複数の受信信号から抽出した複数の人体部位（すなわち、生体信号検出部位）、例えば、頭部、胸部、下肢における心拍性信号から各部位における心拍性信号の相関をとり、それらの相関関係を解析して脈波速度情報、血圧などの生体情報を生成する処理動作を行うようにすることができる。

この際に、被測定者が停止している状態、例えば、被測定者が呼吸を止めている状態で取得した信号に基づいて信号検出部４０５が抽出した複数の人体部位（すなわち、生体信号検出部位）、例えば、頭部、胸部、下肢における心拍性信号から各部位における心拍性信号の相関をとり、それらの相関関係を解析して脈波速度情報、血圧などの生体情報を生成する処理動作を行うようにすることもできる。

信号検出部４０５によって上述した複数の受信信号から抽出した複数の人体部位（すなわち、生体信号検出部位）、例えば、頭部、胸部、下肢における心拍性信号の中から二つの異なる人体部位を設定し、それぞれの人体部位における心拍性信号のピーク値の時間差と、それぞれの人体部位同士の間の血管距離から脈波速度を検出する処理動作を行うようにすることができる。

この場合、更に、検出された脈波速度に基づいて血圧などの生体情報を検出する処理動作を行うようにすることもできる。

図５は、本発明に係る非接触生体信号検出装置を用いて、本発明に係る非接触生体信号検出方法が実施される際に、測定する人体の測定部位の一例を示すものである。

この実施形態の高分解能レーダを用いた非接触生体信号検出装置では、例えば、図５に楕円形で示している任意の複数の部位で測定を行うことができる。この楕円形で示している検出スポット径は、マイクロ波帯やミリ波帯のＭＩＭＯレーダのアンテナを適切に設計することで、被測定者との距離が２ｍ以内であれば、短径２０ｃｍ×長径４０ｃｍ程度の大きさに設定して検出を行うことが可能になる。

したがって、被測定対象が人体であれば、図５に示すように頭部５０１、胸郭部５０２、下肢上部（もも）５０３、下肢下部（すね）５０４、下腹部５０５、上肢右（右腕）５０６、上肢左（左腕）５０７の各部位を個別に設定して検出することが可能である。

実際の測定時には、すべての部位で検出せずに必要に応じて複数の検出部位を設定することができる。

生体信号の検出は測定時に人体が動いたり、姿勢が変化したりするため、従来は、測定が不安定になりやすいとされていた。

本実施形態の非接触生体信号検出装置は、ＤＢＦ制御機能を持つ高分解能レーダであるＭＩＭＯレーダを採用している。ＭＩＭＯレーダによれば測定部位を追尾することが可能なので、測定時に人体が動いたり、姿勢が変化したりしても測定部位を追尾して安定的に生体信号を検出することができる。

また、本実施形態の非接触生体信号検出装置、非接触生体信号検出方法によれば、上述したように、複数の部位で、同時に、連続的に測定することが可能である。そこで、複数の部位で、同時に、連続的に測定している信号の中から安定している信号を選択することで、正確な呼吸信号や心拍性信号を抽出することが可能となる。

本実施形態の非接触生体信号検出装置、非接触生体信号検出方法によれば、同時に、連続して得られる複数の部位の信号の相関をとり、時間遅れの情報を検出することもできる。これによって、脈波伝搬速度の推定をすることも可能になる。

図６は、人体の各部位における生体信号検出の実例を示すものである。図６の実施形態では、仰向けに横たわっている被測定者５００の上方２ｍの位置に図２図示の構成の生体信号検出用レーダセンサを固定して検出を行っている。

図６において仰向けに横たわっている被測定者５００の頭部５０１、胸郭部５０２、下肢上部５０３、下肢下部５０４の生体信号を検出している。

検出した各部位の時系列の検出信号が、液晶表示手段などからなる表示部６０１、６０２、６０３、６０４にそれぞれ表示されている。

それぞれの部位で得られた信号は周波数分析されて心拍情報と呼吸情報に分離され、表示部６０１、６０２、６０３、６０４において赤線（上側に図示されている線）は心拍情報、青線（下側に図示されている線）は呼吸情報を示すものになっている。下肢下部５０４から検出された生体信号では青線の呼吸情報と、赤線の心拍情報とは数値に大きな相違がないことから、青線の呼吸情報の上に赤線の心拍情報が重なっている状態で表示部６０４への表示が行われている。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６の液晶表示画面などからなる表示部に仰向けに横たわっている被測定者５００を表示し、その頭部５０１、胸郭部５０２、下肢上部５０３、下肢下部５０４から検出された生体信号の数値情報を、表示されている人体の各部位の位置に文字情報で表示することもできる。例えば、表示部６１１には頭部５０１から検出された情報が、表示部６１２には胸郭部５０２から検出された情報が、表示部６１３には下肢下部５０４から検出された情報が、表示部６１４には下肢下部５０４から検出された情報が表示される。各表示部において、Ｈは心拍データの数字、Ｒは呼吸データの数字であり、人体の複数部位における、同一時刻での心拍データ：Ｈ、呼吸データ：Ｒが数字情報で認識可能になる。

このように、人体の各部位の生体信号を、個別に、かつ、同時に、連続して取得できる。

図７は、検出した心拍性生体信号の分析例を示すものである。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６の液晶表示画面などからなる表示部６２１には、距離情報の時間情報が表示されている。２４ＧＨｚ帯のＭＩＭＯレーダでは０．１ｍｍの変位を検出可能である。そこで、このデータにより心臓の鼓動も十分検出可能である。

表示部６２２に表示されているものは、上述の距離(変位)データを時間微分して得た速度情報である。速度情報を検出することでピークが明確に出現して脈拍を正確に検出することが可能になる。

表示部６２２に表示されているものは、上述の速度情報を時間微分して得た加速度情報である。これからわかるように、ピーク値がより鋭くパルス状となり、加速度情報を心拍数検出に適用することでより正確なデータが検出可能になる。

実際の生体信号測定時に体動があると測定が不安定になることはよく知られている。そこで、この実施形態では、上述したように、複数部位を同時測定する手法を採用している。

更に、体動特に呼吸を停止して測定を実施すると、脈波信号を正確に把握し、脈波速度や血圧などの生体情報を推定する上で有利である。

図８は、呼吸停止時の心拍性生体信号の測定例を示すものである。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６の液晶表示画面などからなる表示部６３１には、仰向けに横たわっている被測定者が呼吸を行っている通常の測定状態で測定した心拍性生体信号が表示されている。一方、表示部６３２には、前記被測定者が呼吸を停止している状態で測定した心拍性生体信号が表示されている。

表示部６３１と表示部６３２とに表示されている生体信号を比較すると、呼吸を停止していないと信号が安定しないが、呼吸を停止することで安定した周期的な信号を取得することができる。

このような安定した信号を複数部位で個別に、かつ、同時に測定することで後述する脈波速度などの計測も可能となる。

脈波速度は特許文献１～３に開示されているように二つの異なる部位の生体信号を用いて計測可能である。本願においても基本的な原理はこの手法を適用している。

図９に脈波速度の検出例を示す。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６の液晶表示画面などからなる表示部６４１には胸郭部の心拍性信号の速度情報が表示され、表示部６４２には下肢の心拍性信号の速度情報が表示されている。

二つの信号の波形は異なるがピーク値における時間差を比較すると０．１４秒となっていることがわかる。

図９においてパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０６の液晶表示画面などからなる表示部６４３、６４４に表示されているものは、同時刻に同時に抽出した胸郭部、下肢部の心拍性信号の加速度情報である。

この場合も二つの信号の波形そのものは異なっているがピークは検出でき、その時間差は０．１５秒で、速度情報から得られた時間差とほぼ一致することがわかる。

この時間差は胸郭部と下肢部の脈波伝搬時間Ｔｄに対応する。そこで、検出部位間の血管の長さ（距離）をＬとすればＬ／Ｔｄより脈波の伝搬速度を推定できる。

この例では、Ｌ＝１ｍとすると脈波伝搬速度はおおよそ７ｍ／ｓｅｃ程度となっている。

脈波速度が計測できると、脈波速度と血圧には相関関係があることが知られているので血圧の推定が可能となる。

また脈波速度を連続測定してその時間変動データを解析することで血管年齢を推定することなどに利用することができる。

図１０は、この実施形態による高分解能レーダを用いた非接触生体信号検出装置を用いて被検査者の身体状態をモニタ表示する一例を説明するブロック図である。

図１０図示の構成は、例えば、音楽や映像を視聴している視聴者の身体／心身の状態を視聴者に気づかれないように非接触で簡易にモニタする装置として使用することが可能である。これによって、例えば、音楽・映像番組の評価などに利用することができる。

ＭＩＭＯレーダの受信信号４１０は、受信部４１１でＤＢＦ信号処理され、被測定者（音楽や映像を視聴している視聴者）の人体の各部位ごとの生体部位信号４１２、４１３、４１４、４１５に分離され出力される。

この複数の信号波は相関信号処理部４１６で各信号間の波形や時間の相関をとり、心拍、脈波速度、血圧などの生体情報が生成される。生成された生体情報に基づいて、身体／心身状態解析部４２０で、緊張や弛緩、喜怒哀楽など身体や心身の状況が判断され、出力端子４２１から出力される。

身体／心身状態解析にはカメラによる情報も入力することも可能である。深層学習などＡＩ技術を適用することにより、数多くのデータを蓄積して学習させ、より正確な身体モニタ／心身モニタを提供することできる。

図１１は、この実施形態による非接触生体信号検出装置を用いて、被検者が自動車の運転席に座って自動車を運転しているとき、あるいは、洋式トイレで便器に腰を下ろしているときにおける、この実施形態による非接触生体信号検出方法の実施形態を説明するものである。自動車を運転しているドライバーの身体状態や、洋式トイレで便器に腰を下ろして使用している状態の人の身体状態をモニタするものである。

ドップラレーダを用いてドライバーの呼吸、脈拍を検出して、居眠りなどの危険情報をドライバーに警告する方法はすでに技術として公知である。ドライバーの姿勢は動きやすく、従来は検出箇所が胸部を中心とした一か所だけであるために、検出に安定さが欠けるという問題点があった。

本発明は、上述した非接触生体信号検出装置のマルチビーム機能を用いてこの問題点を解決している。

図１１では、ＭＩＭＯレーダセンサ３００は３つのビーム３０１、３０２、３０３をもち、座席５１１に座っているドライバー５００の頭部、胸部、下肢の三つの部位の生体情報を検出している。

３箇所の検出部位を持つことで、ドライバーの姿勢が変化しても生体情報が検出できる。更に、図１０で説明したように、身体状況のモニタを行うことができる。そこで、より正確な身体状態を検知できる。

図１１ではＭＩＭＯレーダセンサ３００は自動車の運転席天井部に設置した例で示している。これに替えて、運転席前部のリアミラー近傍に設置することもできる。

また、図１２に示すように運転席前部ステアリングの近傍に設置して下肢の上部や下部の生体情報を検出することも可能である。

なお、図１１、図１２では車のドライバーの例を説明したが、座席に座った状態であれば、読書中、懇談中、食事中あるいはトイレの中など、どのような状況でも適用できることは言うまでもない。

トイレではカメラなどの設置はプライバシー上問題もある。しかし、この実施形態によれば、カメラを用いることなく、排泄時の異常な事態の検知や呼吸、心拍のモニターを行うことができ、有用性のあるものになっている。

この実施形態の非接触生体信号検出装置のＭＩＭＯレーダセンサをトイレに設置して本実施形態の非接触生体信号検出方法を実施する場合、尿・排便時と排尿・排便後の生体情報の変化を検出することで、被測定者の健康状態をモニターすることが可能である。

また、この実施形態の非接触生体信号検出装置のＭＩＭＯレーダセンサを居間に設置し、この実施形態の非接触生体信号検出方法を実施することで、居間などにおいて、被測定者の飲食時の呼吸や心拍性データを長期的に取得、保存して被測定者の日常の平均的なデータを取得し、日々のデータと比較することにより、その日の心身状態や飲酒量などの推定に、この実施形態の非接触生体信号検出方法を適用することも可能である。

すなわち、被測定者の飲食時やアルコール摂取時における生体情報を常時測定して、その変化より、被測定者のアルコール摂取状態を推定するようにすることもできる。本発明の非接触生体信号検出装置、非接触生体信号検出方法を、いわば、家庭用ヘルスケア装置、家庭用ヘルスケア方法として用いるものである。

図１３は、この実施形態による非接触生体信号検出装置を用いて、この実施形態による非接触生体信号検出方法によって、ヨガスタジオでレッスンを行っている被測定者の生体情報を検出してモニターする一例を説明するものである。

ヨガレッスン者５００の動作の支障にならない前方にＭＩＭＯレーダ３００をおいてアンテナビーム３０１、３０２でレッスン中の人の頭部と胸郭部の生体情報を非接触で測定できるようにしている。

これによって、レッスン中の心身の状態をリアルタイムで知ることが可能になる。ヨガや気功などの運動はゆったりとしており、呼吸を止めることも多いが、前述した本実施形態の手法により生体情報を正確に取得することができる。

ＭＩＭＯレーダは測定部位を追尾することも可能なので、レッスン者の体動にも自動追尾して計測することも可能である。

このように、この実施形態の非接触生体信号検出装置、非接触生体信号検出方法により、ヨガや気功などのトレーニングジムにおいて、トレーニング時に非接触に生体信号をリアルタイムに検出することで、トレーニングやレッスンを受けている者の心身状態のモニタリングを行うようにすることができる。

本発明により、病院や介護施設において非接触で入院患者や被介護者の呼吸、心拍さらには脈波速度、血圧などの生体情報を提供することが可能になる。

また、本発明の非接触生体信号検出装置、方法は、自動車を運転しているドライバーや、ヨガなどのレッスンを受けている者の身体状況をモニターすることなどにも利用可能である。

本発明により、生体情報を、人手を介さず、非接触に、常時、連続して提供することが可能となり、計測の利便性が向上する。

本発明の非接触生体信号検出装置、方法は、経済性も高い技術である。

Claims (4)

1. デジタルビーム制御機能をもつ1台の高分解能レーダである２次元あるいは３次元ＭＩＭＯレーダにより、被測定者の人体における複数の生体信号検出部位から、それぞれ、個別に、同時に、連続して生体信号を検出する非接触生体信号検出装置であって、
   前記高分解能レーダから前記被測定者の人体に向けて放射される送信波の数、放射される方向、あるいは前記人体から反射された到来波の数と方向を制御することで、複数の前記生体信号検出部位の数を増減、変更制御する機能を有する非接触生体信号検出装置。
2. 前記生体信号検出部位の位置が変動したときに、前記高分解能レーダから前記被測定者の人体に向けて放射される送信波、あるいは前記人体から反射された到来波の方向を制御することで前記生体信号検出部位を自動追尾する機能を有する請求項１記載の非接触生体信号検出装置。
3. 検出した複数の前記生体信号の中から、安定している一つ、あるいは複数の前記生体信号を検出する機能を有する請求項１又は２記載の非接触生体信号検出装置。
4. 複数の前記生体信号検出部位における心拍性信号から各部位における心拍性信号の相関をとり、それらの相関関係を解析して脈波速度情報、あるいは血圧情報を生成する機能を有する請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の非接触生体信号検出装置。

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