JP7217011B2 - 生体信号処理装置、及び生体信号処理プログラム - Google Patents

生体信号処理装置、及び生体信号処理プログラム Download PDF

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Description

本発明は、生体信号処理装置、及び生体信号処理プログラムに関し、例えば、生体信号を解析するものに関する。
日々の健康状態を把握したり病気の予兆を発見したりするために、脈波の測定などのバイタル測定(生体測定)は、非常に重要である。
特に日常的に手軽に測定したいとの要望から非侵襲(針を刺したりしない)・非接触(装置を装着しない)で手軽に実施できるバイタル測定の需要があり、盛んに研究開発されている。
このような非侵襲・非接触でバイタル測定を行う技術に、マイクロ波レーダを用いるものがある。
当該レーダによって人体にマイクロ波を照射すると、その反射波は、呼吸・心拍・体動などによりドップラーシフト(周波数が遷移)するため、これを検波することによって呼吸・心拍・体動情報が含まれたベースバンドを検出することができる。
ところで、単にマイクロ波を照射してその反射波を検波した場合、レーダと人体の距離が、使用するマイクロ波の波長の整数倍の位置(ヌル検出位置)にあるとドップラー信号強度が低下するという現象がある。
この現象を改善するため、非特許文献1の技術では、IQ復調による生体信号の検出を行っている。
IQ復調は、反射波からI信号とこれと直交するQ信号を検出するものであり、I信号とQ信号のうち、一方のドップラー信号強度が最低の時、他方が最適となり、一方が中間状態の時、他方も中間状態となるため、相互に補完しあって感度の低下を緩和することができる。
このようにIQチャネル信号を組み合わせてバイタルの周波数変化分を検出する手法は各種提案されており、例えば、主成分分析などを利用してIQチャネルを選択する方法、アークタンジェント複合法、複素信号複合法などが提案されている。
これらドップラーレーダを用いて人体からバイタル成分を検出する技術では、反射の位相成分を、フィルタなどを用いて再生し、更に、周波数成分によって分離して、呼吸や心拍などの生体信号を得ている。
しかし、反射波には、人体によるもののほか、壁や家具などの周辺の固定物からの成分も含まれており、従来技術では、それらも位相成分として再生されて誤差が生じるという問題があった。
従来技術によっても呼吸数や心拍数を検出することが可能であり利用価値はあるが、より高精度に信号を解析することによって、より良いサービスを提供したいとの要望があった。
「呼吸・心拍の非接触モニタリングシステムの開発」東京都立産業技術研究センター研究報告、第9号、2014年、p6~p9
本発明は、高精度に生体信号を検出することを目的とする。
(1)本発明は、前記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では 生体に向けてマイクロ波を送信する送信アンテナと、前記送信アンテナから送信されたマイクロ波の反射波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナで受信した前記反射波の同相信号と直交信号から成る複素信号を取得する複素信号取得手段と、前記取得した複素信号が複素平面上で描く円弧状の軌跡の中心位置を特定し、当該中心位置により、前記複素信号に含まれる固定物からの反射による固定成分を推定する推定手段と、前記取得した複素信号から、前記推定した固定成分を除去することにより前記取得した複素信号を補正する補正手段と、前記補正した複素信号から前記生体の生体信号を取得する生体信号取得手段と、前記取得した生体信号を出力する出力手段と、を具備し、前記受信アンテナは、前記送信されたマイクロ波による複数パスの反射波を受信し、前記複素信号取得手段は、前記受信アンテナが受信した前記複数パスの反射波毎に前記複素信号を取得し、前記推定手段は、前記取得した複素信号毎に、前記固定成分を推定し、前記補正手段は、前記複素信号毎に、前記推定した固定成分を除去し、前記生体信号取得手段は、前記補正した全複素信号の時間領域における振幅の波形を足し合せた振幅波形から、前記生体の脈波に対応する生体信号を取得する、ことを特徴とする生体信号処理装置を提供する。
(2)請求項2に記載の発明では、前記送信アンテナは、生体に向けてマイクロ波を送信する複数素子パッチアレーアンテナを備え、前記受信アンテナは、前記送信アンテナにおける前記複数素子パッチアレーアンテナから送信されたマイクロ波による複数パスの反射波を受信する複数素子パッチアレーアンテナを備える、ことを特徴とする請求項1に記載の生体信号処理装置を提供する。
(3)請求項3に記載の発明では、前記補正手段は、前記特定した中心位置に対する前記複素平面の原点の位置をオフセット量とし、前記複素信号を前記オフセット量だけ前記複素平面でオフセットすることにより、前記取得した複素信号を補正することを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の生体信号処理装置を提供する。
(4)請求項4に記載の発明では、前記生体信号取得手段は、前記振幅波形の移動平均を微分することにより前記脈波に対応する信号を取得することを特徴とする請求項1、請求項2、又は請求項3に記載の生体信号処理装置を提供する。
(5)請求項5に記載の発明では、生体に向けてマイクロ波を送信する送信アンテナから送信されたマイクロ波による複数パスの反射波を受信する受信アンテナで受信した前記反射波の同相信号と直交信号から成る複素信号を取得する複素信号取得機能と、前記取得した複素信号が複素平面上で描く円弧状の軌跡の中心位置を特定し、当該中心位置により、前記複素信号に含まれる固定物からの反射による固定成分を推定する推定機能と、前記取得した複素信号から、前記推定した固定成分を除去することにより前記取得した複素信号を補正する補正機能と、前記補正した複素信号から前記生体の生体信号を取得する生体信号取得機能と、前記取得した生体信号を出力する出力機能と、をコンピュータで実現するプログラムであって、前記複素信号取得機能は、前記複数パスの反射波毎に前記複素信号を取得し、前記複素信号取得機能は、前記受信アンテナが受信した前記複数パスの反射波毎に前記複素信号を取得し、前記推定機能は、前記取得した複素信号毎に、前記固定成分を推定し、前記補正機能は、前記複素信号毎に、前記推定した固定成分を除去し、前記生体信号取得機能は、前記補正した全複素信号の振幅の波形を足し合せた振幅波形から、前記生体の脈波に対応する生体信号を取得する、ことを特徴とする生体信号処理プログラムを提供する。
本発明によれば、反射波から固定成分を除くことによって、高精度に生体信号を検出することができる。
測定装置の構成を説明するための図である。 仮想原点O’を求める方法を説明するための図である。 チャネルの補正を説明するための図である。 補正前の信号による位相波形を説明するための図である。 補正後の信号による位相波形を説明するための図である。 補正前の信号による振幅波形を説明するための図である。 補正後の信号による振幅波形を説明するための図である。 脈波と振幅波形の関係を説明するための図である。 信号処理装置のハードウェア的な構成を説明するための図である。 信号処理の手順を説明するためのフローチャートである。
(1)実施形態の概要
図1に示したように、生体に照射したマイクロ波の反射応答には、振幅成分と位相成分があり、理想的には生体からの反射成分hv(t)を解析すればよい。
しかし、反射応答成分h(t)は、生体からの反射成分hv(t)のほか、生体以外の壁や家具などからの反射成分hf(t)を含んでいる。これによって解析するための原点が原点Oからずれ、これが信号誤差となって検出精度に影響する。
そこで信号処理装置4は、得られた信号を解析してhv(t)を解析する基準となる仮想原点O’を求め、当該仮想原点O’からの位相、振幅成分を求めることで従来のフィルタを用いる方式よりも現象にあった信号を得ることができる。
より具体的には、仮想原点O’からの位相、振幅を求めるために、信号処理装置4は、原点Oと仮想原点O’の差をオフセット量とし、h(t)をこれによってオフセットする。
これによって、仮想原点O’が原点Oに一致するため、仮想原点O’からの位相、振幅成分の解析を原点Oを基準とした位相、振幅成分によって行うことができる。
(2)実施形態の詳細
図1は、生体信号(バイタルサイン、バイタル信号)を測定する測定装置1の構成を説明するための図である。本実施の形態では、生体信号として呼吸と脈波を測定する。
測定装置1は、マイクロ波回路2、制御装置3、信号処理装置4などから構成されている。
更に、マイクロ波回路2は、発信器21、分配移相部24、混合器(ミキサ)26、27、送信アンテナ23、受信アンテナ25などから構成されている。
また、図示しないがマイクロ波回路2によるマイクロ波照射方向には、生体信号計測の対象者7が着座するための椅子が設置されている。
なお、本実施の形態では、測定装置1を実験室で使用したため、対象者7を椅子に着座させたが、これは一例であって、例えば、車両に搭載してドライバの生体信号を検出したり、病院や介護施設でこれらの利用者の生体信号を検出したり、あるいは、家庭の洗面台に設置して洗面者の生体信号を検出したりなど、各種の利用シーンで広く活用することができる。
制御装置3は、発信器21の駆動を制御する制御装置である。
制御装置3は、発信器21に電力を供給すると共にこれを駆動してマイクロ波を発生させる。
発信器21は、マイクロ波発振用のデバイスを備えており、所定の周波数のマイクロ波(本実施の形態では、5.018[GHz]のマイクロ波を使用した)を生成して送信する。
発信器21が送信したマイクロ波は、送信経路を経由して送信アンテナ23に送出されるほか、一部は参照波として分配移相部24に分配送出される。
分配移相部24は、分配機能と移相機能を有しており(例えば、分配器と移相器を組み合わせて構成してある)、参照波を2波に分配すると共に、一方を参照波と同相で混合器26に入力し、他方を90°の位相量だけ移相して混合器27に入力する。
このようにして分配移相部24は、送信アンテナ23が出力するマイクロ波と同相の参照波と、これと位相が直交する参照波を生成し、それぞれ、混合器26と混合器27に入力する。
送信アンテナ23は、16素子パッチアレーアンテナで構成されており、発信器21が発生したマイクロ波を対象者7に向けて照射する。
受信アンテナ25は、8素子パッチアレーアンテナで構成されており、送信アンテナ23が送信したマイクロ波の反射波を受信して、これを分配して混合器26、27に送出する。
なお、実験では、送信アンテナ23を0.719mの高さに設置し、受信アンテナ25を0.975mの高さに設置した。
また、これらパッチアレーアンテナから対象者7までの距離を0.3mとし、パッチアレーアンテナの素子間の間隔を、発信器21が発信するマイクロ波の0.5波長とした。
このように測定装置1は、複数のアンテナで送受信するMIMO(Multiple Input Multiple Output)を採用しているが、図ではこれらのうちの1セットを示している。
MIMOにより、マイクロ波の指向性を鋭くすることができるほか、マイクロ波の方向を微調整して、脈波がよく検出できる部位(発明者の実験によると対象者7の心臓部あたり)にマイクロ波を照射することができる。
なお、対象者7が着衣していたり、病院や介護施設で布団をかけている場合でもマイクロ波はこれらを透過するため、対象者7に対して送信アンテナ23からマイクロ波を照射し、対象者7の体表面で反射した反射波を受信アンテナ25で受信することができる。
対象者7の胸付近の体表面は、測定装置1に対して矢線60に示したように呼吸で前後運動しているため、マイクロ波の反射波は、これによりドプラーシフトする。
また、対象者7の体表面は、脈拍によって膨張と縮小を繰り返し、これによってもドプラーシフトが生じる。
このように、受信アンテナ25が受信する反射波には、呼吸と脈波の情報が含まれている。
混合器26は、受信アンテナ25が受信した反射波を発信器21による同相の参照波と混合し、これによって、うなり(ビート、混合波)を発生させて信号処理装置4に出力する。
混合器27は、受信アンテナ25が受信した反射波を90°だけ移相した参照波と混合し、これによって、うなりを発生させて信号処理装置4に出力する。
信号処理装置4は、生体信号処理装置として機能する装置である。信号処理装置4は、混合器26と混合器27が出力する混合波をそれぞれ検波する検波装置を備えており、混合器26が出力する同相成分のI信号、混合器27が出力する直交成分のQ信号から式22で示した複素数の信号(複素信号)h(t)=I(t)+jQ(t)を生成する。ここで、jは、虚数単位であり、tは時間を表している。
このように、信号処理装置4は、生体に向けて送信されたマイクロ波の反射波の同相信号(I信号)と直交信号(Q信号)から成る複素信号を取得する複素信号取得手段を備えている。
これにより測定装置1は、ヌル検出位置による感度の低下を抑止することができ、対象者7は、測定装置1との位置関係を気にせずに測定装置1を利用することができる。
h(t)には、対象者7からの反射による成分hv(t)のほか、家具や壁などの環境に固定された物体50からの反射による成分hf(t)が重畳されている。
本来はhv(t)から生体信号を抽出したいが、h(t)にはhf(t)が重畳されているため、hv(t)を用いた精密測定を行う場合、何らかの方法によりこれを除去する必要がある。
そこで、信号処理装置4は、以下のようにしてhf(t)を推定し、これをh(t)から除く補正を行ってh(t)からhv(t)を再生する。
図1(b)に示したように、h(t)は、複素平面上で表すと、物体50からの反射によるhf(t)と、対象者7からの反射によるhv(t)を足したものとなっている。
なお、この複素平面は、実軸である横軸を搬送波と同じ位相(同相成分)の軸とし(I軸とも呼ばれる)、虚軸である縦軸を搬送波と直交する位相(直交位相成分)の軸とする(Q軸とも呼ばれる)ものである。
hf(t)は、環境に固定した物体50によるものなので固定しており、固定成分(直流成分、DC成分)となっている。
一方、hv(t)は、対象者7の呼吸によって周期的に変化し、仮想原点O’(後述するようにこの点は推定されるため仮想と呼ぶことにした)を中心とする円弧61上を対象者7の呼吸に同期して時計方向と反時計方向に行ったり来たりの周期運動を行う。
hf(t)にhv(t)を加えたものがh(t)として複素平面上で観測されるため、h(t)の軌跡は、hf(t)の周期運動の中心が仮想原点O’にずれたものとなる。
このようにh(t)は、原点Oを中心として振動していないため、生体信号の波形が歪んで検出される。
そこで、本実施の形態では、対象者7からの反射波であるhv(t)が円弧を描くという性質があることに着目し、円弧61の位置と形状からhv(t)の周期運動の中心点である仮想原点O’の位置を推定することにより特定する。これによって原点Oから仮想原点O’に至るhf(t)を推定することができる。
このように、信号処理装置4は、複素信号が複素平面上で描く円弧状の軌跡の中心位置を特定し、当該中心位置により、当該複素信号に含まれる固定物からの反射による固定成分を推定する推定手段を備えている。
そして、信号処理装置4は、図1(c)に示したように、仮想原点O’が原点Oと一致するようにh(t)をオフセットすることによりh(t)からhf(t)を除去する補正を行う。
このように、信号処理装置4は、複素信号から、推定した固定成分を除去することにより当該複素信号を補正する補正手段を備えている。
そして、当該補正手段は、特定した中心位置に対する複素平面の原点の位置をオフセット量とし、複素信号を当該オフセット量だけ複素平面でオフセットすることにより、複素信号を補正している。
これによってhv(t)(補正後のh(t))が原点Oを中心として円弧62を描くため、原点Oを基準として位相や振幅を測定することができ、より精密な生体信号を検出することができる。
後述するように振幅からは生体信号として脈波を抽出することができ、信号処理装置4は、これをディスプレイなどに出力することができる。
このように、信号処理装置4は、補正した複素信号から生体の生体信号を取得する生体信号取得手段と、当該生体信号を出力する出力手段と、を備えている。
図2は、仮想原点O’を求める方法を説明するための図である。
図2は、複素平面を表しており、信号処理装置4は、複素平面上に仮想原点O’の候補となる探索点75、75、・・・を所定間隔で多数配置している。
信号65は、h(t)をサンプリングした点を複素平面上にプロットしたものであって、h(t)のIチャネルとQチャネルを足し合わせた(合成した)ものとなっている。そして、信号65の点の軌跡は、上述したように円弧状となる。
なお、本実験では、サンプリング周波数は、200Hzとし、70秒間測定した。
横軸を同相とし、縦軸を直交する相とする複素平面に信号をプロットした図は、コンスタレーションと呼ばれる。
信号処理装置4は、このように配置した探索点75、75、・・・において、信号65の全ての点(即ち、h(t)をサンプリングした点)から各探索点75までの距離rを計算する。そして、rの分散が最小となる探索点75を仮想原点O’に設定する。
このように分散が最小となる探索点75は、信号65の各点からの距離が概略等しいため、円弧の中心点として最もふさわしい点となっている。
図3は、チャネルの補正を説明するための図である。
図3(a)は、補正前のh(t)による信号66を表しており、仮想原点O’は、複素平面の原点Oから離れた位置にある。このオフセットされた成分がhf(t)によるものと推定される。
なお、この図は、図示したようにパッチアレーアンテナ90の2番目の送信アンテナ23と1番目の受信アンテナ25のパスによるものである。
信号処理装置4は、図3(b)に示したように、仮想原点O’と原点Oの差分だけ信号66をオフセットして(移動して)信号67を計算する。
この補正により、信号67による円弧の仮想原点O’が原点Oとなり、これがh(t)からhf(t)を除いたhv(t)の成分となる。
信号処理装置4は、以上のようにしてh(t)による信号66の各点について、上記オフセットを行う補正を行うことにより、hv(t)による信号67を計算する。
即ち、信号処理装置4は、信号66で表される補正前の伝搬チャネルを信号67で表される補正後の伝搬チャネルに変換する。
生体信号は、h(t)の位相、振幅として現れるため、これらが補正の前後でどのように改善するか説明する。
図4は、補正前の信号(h(t))による位相波形を説明するための図である。
図4(a)で示すように、h(t)の信号66が示す円弧は、原点Oを中心としておらず、これから離れた仮想原点O’を中心としている。
原点Oの周りの位相は、図の矢線で示した原点Oの周りの角度方向に計測されるが、信号66の円弧の中心は原点Oから固定成分だけずれているため、信号66の原点Oに対する位相の時間変化をグラフにすると図4(b)のように、きれいなサインカーブとはならずに、サインカーブの頂点が扁平となった歪んだものとなる。
なお、このグラフは、測定開始後25秒から35秒までの10秒間を表している。以下、同様である。
このように、補正前の信号66は、固定成分の分だけ歪んでいるため、精密な生体信号を検出するのには不向きである。
図5は、補正後の信号(hv(t))による位相波形を説明するための図である。
図5(a)で示すように、オフセットによって固定成分を除去して信号66を補正することにより、hv(t)による信号67が複素平面上に再生される。
原点Oと仮想原点O’が一致するため、信号67が示す円弧は、原点Oを中心とする円弧となる。
これにより、原点Oの周りの位相の時間変化は、図5(b)に示したように、きれいなサインカーブとなる。
このように補正後の信号は、歪みがとれて正常な波形となるため、これから生体信号(例えば、呼吸)を好適に抽出することができる。
図6は、補正前の信号(h(t))による振幅波形を説明するための図である。
図6(a)で示すようにh(t)の信号66が示す円弧は、原点Oを中心としておらず、これから離れた仮想原点O’を中心としている。
そのため、矢線で示したように原点Oから信号66の各点までの距離によって振幅を計測すると、その時間変化は、図6(b)のグラフに示したように、呼吸の影響が優位に現れるものの歪なサインカーブとなる。
図7は、補正後の信号(hv(t))による振幅波形を説明するための図である。
図7(a)で示すように、原点Oと仮想原点O’が一致するため、原点Oに対する振幅方向が信号67の示す円弧の中心方向を向いている。
これから信号67の振幅の時間変化をグラフにすると、図7(b)のように補正前の信号66では歪みによって隠れていた微細な構造が振幅変化として現れた。
図に示したように、破線で囲った領域83、83、・・・には、脈波とみられる成分が確認された。
図8は、脈波と振幅波形の関係を説明するための図である。
本願発明者は、対象者7の指に血圧センサを装着し、これによって脈波を測定しながら同時にマイクロ波によって対象者7の体表に対するh(t)を計測した。
図8(a)は、血圧センサによって検出した実験開始後45秒から55秒までの対象者7の脈波である。
図では、脈波を破線で示してある。図に示したように、きれいな波形が計測された。脈波のピークの後に小さいピークが現れるのは、若者の弾力のある血管によくみられる波形である。
図8(b)は、信号67の振幅波形を移動平均によって平均化した後、時間で微分した波形を表している。
図から分かるように、脈波のピークの付近にピークが現れている。
図8(c)は、脈波と、振幅移動平均微分波形を重ねて表したものである。
図から明らかなように、脈波のピークと、振幅移動平均微分波形のピークが一致している。このため信号67には、脈波が現れていると考えられる。
なお、本願発明者の実験によると、補正後の振幅波形を全てのパスで足し合わせると脈波(心拍)の成分が強められることが分かった。
このように、信号66を原点移動により補正することにより、歪みの中に埋もれていた脈波を複素信号から取り出すことができた。
なお、本実施の形態では、振幅波形から脈波を検出したが、これは、振幅波形に脈波が顕著に表れるためであり、位相波形にも脈波による成分は含まれている。
このように、信号処理装置4が備える生体信号取得手段は、複素信号の時間領域における振幅、又は位相から生体の脈波に対応する信号を取得している。
そして、当該生体信号取得手段は、振幅の波形の移動平均を微分することにより脈波に対応する信号を取得している。
更に、複素信号取得手段は、複数のパスを伝搬してきた反射波から複素信号を取得することにより脈波の成分を強めることができる。
図9は、信号処理装置4のハードウェア的な構成を説明するための図である。
信号処理装置4は、CPU(Central Processing Unit)41、ROM(Read Only Memory)42、RAM(Random Access Memory)43、検波装置44、入力装置45、出力装置46、記憶装置47などを用いて構成されている。
CPU41は、ROM42や記憶装置47が記憶する信号処理プログラムに従ってh(t)の補正処理や、補正後のh(t)(即ち、hv(t))から生体信号を抽出したりなどする。
ROM42は、信号処理装置4を動作させる基本的なプログラムやパラメータなどを記憶している読み取り専用のメモリである。
RAM43は、読み書きが可能なメモリであって、CPU41が信号処理プログラムに従って動作する際のワーキングメモリを提供する。
より詳細には、I信号とQ信号からのh(t)の生成、探索点75からの仮想原点O’の計算、補正前の信号66のオフセットによる信号67への補正、信号67からの位相波形や振幅波形の生成などを行う際の計算のためのメモリを提供する。
検波装置44は、混合器26、27が出力する混合波を検波してI信号とQ信号を出力する。
入力装置45は、例えば、タッチパネル、キーボード、マウスなどの入力デバイスを備えており、信号処理装置4のユーザからの操作を受け付けるなどする。
出力装置46は、例えば、ディスプレイ、スピーカ、プリンタなどの出力デバイスを備えており、信号処理装置4の操作画面をディスプレイに表示したり、解析した生体信号をこれら出力デバイスに出力する。
記憶装置47は、例えば、半導体記憶装置やハードディスクなどの大容量の媒体を備えており、検波装置44が検波したI信号とQ信号から脈波などの生体信号を抽出するための信号処理プログラムや、その他のプログラム、及び過去の測定値のデータなどを記憶している。
図10は、信号処理装置4が行う信号処理の手順を説明するためのフローチャートである。
以下の処理は、CPU41が信号処理プログラムに従って行うものである。
まず、CPU41は、解析に必要なデータを取得する(ステップ5)。
CPU41は、この処理を検波装置44が検波したI信号とQ信号をRAM43に記憶することにより行う。
次に、CPU41は、原点補正演算を行う(ステップ10)。
CPU41は、この処理を、h(t)を生成して信号66の点列をRAM43に記憶し、信号66の全ての点について、各探索点75に対する距離rの分散を計算してRAM43に記憶することにより行う。
次に、CPU41は、仮想原点O’を取得する(ステップ15)。
CPU41は、この処理をRAM43に記憶した分散が最も小さくなる探索点75を仮想原点O’に設定して、これをRAM43に記憶することにより行う。
次に、CPU41は、原点補正を行う(ステップ20)。
CPU41は、この処理を原点Oに対する仮想原点O’の変位から固定成分であるhf(t)を推定し、-hf(t)だけ信号66の各点をオフセットすることにより補正後の信号67を計算してRAM43に記憶することにより行う。
次に、CPU41は、脈波を検出する(ステップ25)。
CPU41は、この処理をRAM43に記憶した信号67から振幅波形を計算し、これを移動平均して更に微分し、そのピークの時刻や振幅をRAM43に記憶することにより行う。
次に、CPU41は、例えば、1分間に70回など、脈波に関する情報を出力装置46のディスプレイに表示するなどして出力する(ステップ30)。
以上で、信号処理装置4が行う信号処理は終わりであるが、仮想原点O’は、周囲環境によって変化するので、CPU41は、所定時間ごとに上記の処理を繰り返し、仮想原点O’の更新、及び脈波の更新を行っていく。
以上に説明した実施の形態では、仮想原点O’を原点Oに移動することにより仮想原点O’を基準とする位相・振幅の測定を原点Oを基準とする位相・振幅の測定で行ったが、これは、一例であって、複素平面上での仮想原点O’の位置が分かるため、直接仮想原点O’を基準としてhv(t)の位相・振幅を測定してもよい。
以上に説明した実施の形態により、次のような効果を得ることができる。
(1)生体信号が複素平面上で円弧を描くことを利用して、複素チャネルに含まれる生体信号成分の原点を推定することができる。
(2)推定した生体信号成分の原点を基準として生体信号から位相と振幅を計測することができる。
(3)生体の反射波から変動部分以外の固定反射波による固定成分を除くことにより、原点のずれから生じる位相と振幅の歪みを除いて正しい波形を復元することができる。
(4)非侵襲・非接触で脈波測定と同等な情報を含んだ波形を計測することができる。
(5)反射波の振幅は、補正前は呼吸成分と考えられるものが支配的であったが、補正後は脈波が顕著化し、従来方法よりも情報量の多い波形が得られる。
1 測定装置
2 マイクロ波回路
3 制御装置
4 信号処理装置
7 対象者
21 発信器
22 式
23 送信アンテナ
24 分配移相部
25 受信アンテナ
26、27 混合器
41 CPU
42 ROM
43 RAM
44 検波装置
45 入力装置
46 出力装置
47 記憶装置
60 矢線
61、62 円弧
65、66、67 信号
75 探索点
83 領域
90 パッチアレーアンテナ

Claims (5)

  1. 生体に向けてマイクロ波を送信する送信アンテナと、
    前記送信アンテナから送信されたマイクロ波の反射波を受信する受信アンテナと、
    前記受信アンテナで受信した前記反射波の同相信号と直交信号から成る複素信号を取得する複素信号取得手段と、
    前記取得した複素信号が複素平面上で描く円弧状の軌跡の中心位置を特定し、当該中心位置により、前記複素信号に含まれる固定物からの反射による固定成分を推定する推定手段と、
    前記取得した複素信号から、前記推定した固定成分を除去することにより前記取得した複素信号を補正する補正手段と、
    前記補正した複素信号から前記生体の生体信号を取得する生体信号取得手段と、
    前記取得した生体信号を出力する出力手段と、を具備し
    前記受信アンテナは、前記送信されたマイクロ波による複数パスの反射波を受信し、
    前記複素信号取得手段は、前記受信アンテナが受信した前記複数パスの反射波毎に前記複素信号を取得し、
    前記推定手段は、前記取得した複素信号毎に、前記固定成分を推定し、
    前記補正手段は、前記複素信号毎に、前記推定した固定成分を除去し、
    前記生体信号取得手段は、前記補正した全複素信号の時間領域における振幅の波形を足し合せた振幅波形から、前記生体の脈波に対応する生体信号を取得する、
    ことを特徴とする生体信号処理装置。
  2. 前記送信アンテナは、生体に向けてマイクロ波を送信する複数素子パッチアレーアンテナを備え、
    前記受信アンテナは、前記送信アンテナにおける前記複数素子パッチアレーアンテナから送信されたマイクロ波による複数パスの反射波を受信する複数素子パッチアレーアンテナを備える、
    ことを特徴とする請求項1に記載の生体信号処理装置。
  3. 前記補正手段は、前記特定した中心位置に対する前記複素平面の原点の位置をオフセット量とし、前記複素信号を前記オフセット量だけ前記複素平面でオフセットすることにより、前記取得した複素信号を補正することを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の生体信号処理装置。
  4. 前記生体信号取得手段は、前記振幅波形の移動平均を微分することにより前記脈波に対応する信号を取得することを特徴とする請求項1、請求項2、又は請求項3に記載の生体信号処理装置。
  5. 生体に向けてマイクロ波を送信する送信アンテナから送信されたマイクロ波による複数パスの反射波を受信する受信アンテナで受信した前記反射波の同相信号と直交信号から成る複素信号を取得する複素信号取得機能と、
    前記取得した複素信号が複素平面上で描く円弧状の軌跡の中心位置を特定し、当該中心位置により、前記複素信号に含まれる固定物からの反射による固定成分を推定する推定機能と、
    前記取得した複素信号から、前記推定した固定成分を除去することにより前記取得した複素信号を補正する補正機能と、
    前記補正した複素信号から前記生体の生体信号を取得する生体信号取得機能と、
    前記取得した生体信号を出力する出力機能と、をコンピュータで実現するプログラムであって、
    前記複素信号取得機能は、前記複数パスの反射波毎に前記複素信号を取得し、
    前記複素信号取得機能は、前記受信アンテナが受信した前記複数パスの反射波毎に前記複素信号を取得し、
    前記推定機能は、前記取得した複素信号毎に、前記固定成分を推定し、
    前記補正機能は、前記複素信号毎に、前記推定した固定成分を除去し、
    前記生体信号取得機能は、前記補正した全複素信号の振幅の波形を足し合せた振幅波形から、前記生体の脈波に対応する生体信号を取得する、
    ことを特徴とする生体信号処理プログラム。
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