JP2022012646A

JP2022012646A - 呼吸心拍計測装置及び呼吸心拍計測プログラム

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Publication number: JP2022012646A
Application number: JP2020114641A
Authority: JP
Inventors: 康正小礒; Yasumasa Koiso; 真也米澤; Shinya Yonezawa; 亜希小井▲土▼; Aki Koido; 宏輝下田; Hiroki Shimoda
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2040-07-02
Also published as: JP7428605B2

Abstract

【課題】被検体の呼吸及び心拍に由来するレーダ信号成分として、基本周波数を有するレーダ信号成分のみならず、高調波周波数を有するレーダ信号成分が存在するときでも、被検体の呼吸数及び心拍数を正確に計測する。【解決手段】呼吸心拍計測装置２は、レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、被検体Ｔの呼吸数を計測する呼吸数計測部２１と、レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及びその高調波周波数を有するレーダ信号成分をレーダ信号から除去することにより、被検体Ｔの呼吸に由来するレーダ信号成分をレーダ信号から除去したうえで、被検体Ｔの心拍に由来するレーダ信号成分を抽出した心拍レーダ信号を生成する呼吸成分除去部２２と、心拍レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、被検体Ｔの心拍数を計測する心拍数計測部２３とを備える。【選択図】図２

Description

本開示は、レーダを用いて被検体の呼吸数及び心拍数を計測する技術に関する。

レーダを用いて被検体の呼吸数及び心拍数を計測する技術が、特許文献１等に開示されている。特許文献１等では、被検体の呼吸及び心拍に由来する被検体の体表面の位置の時間変化を、被検体から反射されたレーダ信号の振幅又は位相の時間変化として検出することにより、被検体と非接触で被検体の呼吸数及び心拍数を計測することができる。

特開２０１９－０１３４７９号公報

特許文献１の呼吸心拍計測処理を図１に示す。まず、一般的な呼吸数に応じた通過帯域を有するバンドパスフィルタをレーダ信号に適用することにより、周波数ｆ_Ｂ１を有する電力Ｐの大きなレーダ信号成分をレーダ信号から抽出することができ、被検体の呼吸数を計測することができる。次に、一般的な心拍数に応じた通過帯域を有するバンドパスフィルタをレーダ信号に適用することにより、周波数ｆ_Ｈ１を有する電力Ｐの小さなレーダ信号成分をレーダ信号から抽出することができ、被検体の心拍数を計測することができる。

ここで、被検体の呼吸に由来するレーダ信号成分として、基本周波数ｆ_Ｂ１を有する電力Ｐの大きなレーダ信号成分のみならず、非正弦波信号又は非線形歪みに起因する高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３（更なる高調波周波数については省略している。）を有するレーダ信号成分が存在する。しかし、基本周波数ｆ_Ｂ１を有するレーダ信号成分は考慮されているが、高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分は考慮されていない。そして、被検体の心拍に由来するレーダ信号成分として、基本周波数ｆ_Ｈ１を有する電力Ｐの小さなレーダ信号成分のみならず、非正弦波信号又は非線形歪みに起因する高調波周波数ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３を有するレーダ信号成分が存在する。しかし、基本周波数ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分は考慮されているが、高調波周波数ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３を有するレーダ信号成分は考慮されていない。

図１の上段では、被検体の呼吸及び心拍は、通常と同等である。よって、一般的な呼吸数に応じた通過帯域を有するバンドパスフィルタをレーダ信号に適用することにより、基本周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分をレーダ信号から抽出することができる。そして、一般的な心拍数に応じた通過帯域を有するバンドパスフィルタをレーダ信号に適用することにより、基本周波数ｆ_Ｈ１及び高調波周波数ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３を有するレーダ信号成分をレーダ信号から抽出することができる。つまり、被検体の呼吸に由来する基本・高調波周波数ｆ_Ｂ１、ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分と、被検体の心拍に由来する基本・高調波周波数ｆ_Ｈ１、ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３を有するレーダ信号成分と、を正しく分離することができる。そして、被検体の呼吸数及び心拍数を正確に計測することができる。

図１の中段では、被検体の呼吸及び心拍は、通常と比べて遅い。よって、一般的な呼吸数に応じた通過帯域を有するバンドパスフィルタをレーダ信号に適用することにより、基本周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２を有するレーダ信号成分をレーダ信号から抽出することができるが、高調波周波数ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分をレーダ信号から抽出することができない。そして、一般的な心拍数に応じた通過帯域を有するバンドパスフィルタをレーダ信号に適用することにより、基本周波数ｆ_Ｈ１及び高調波周波数ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３を有するレーダ信号成分をレーダ信号から抽出することができるが、呼吸に由来する高調波周波数ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分をレーダ信号から除去することができない。つまり、被検体の呼吸に由来する高調波周波数ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分を、被検体の心拍に由来する基本周波数を有するレーダ信号成分として誤って抽出してしまう。よって、被検体の呼吸数を正確に計測することはできるが、被検体の心拍数を正確に計測することができない。

図１の下段では、被検体の呼吸及び心拍は、通常と比べて早い。よって、一般的な呼吸数に応じた通過帯域を有するバンドパスフィルタをレーダ信号に適用することにより、基本周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分をレーダ信号から抽出することができるが、心拍に由来する基本周波数ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分をレーダ信号から除去することができない。そして、一般的な心拍数に応じた通過帯域を有するバンドパスフィルタをレーダ信号に適用することにより、高調波周波数ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３を有するレーダ信号成分をレーダ信号から抽出することができるが、基本周波数ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分をレーダ信号から抽出することができない。つまり、被検体の心拍に由来する高調波周波数ｆ_Ｈ２を有するレーダ信号成分を、被検体の心拍に由来する基本周波数を有するレーダ信号成分として誤って抽出してしまう。よって、被検体の呼吸数を正確に計測することはできるが、被検体の心拍数を正確に計測することができない。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、レーダを用いて被検体の呼吸数及び心拍数を計測するにあたり、被検体の呼吸及び心拍に由来するレーダ信号成分として、基本周波数を有するレーダ信号成分のみならず、高調波周波数を有するレーダ信号成分が存在するときでも、被検体の呼吸数及び心拍数を正確に計測することを目的とする。

前記課題を解決するために、レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数を有するレーダ信号成分を、被検体の呼吸に由来する基本周波数を有するレーダ信号成分として抽出することとした。すると、被検体の呼吸に由来する高調波周波数を有するレーダ信号成分を特定することができる。そして、被検体の呼吸に由来する基本周波数及び高調波周波数を有するレーダ信号成分を、レーダ信号から除去することができる。さらに、残りのレーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数を有するレーダ信号成分を、被検体の心拍に由来する基本周波数を有するレーダ信号成分として抽出することができる。

具体的には、本開示は、被検体から反射されたレーダ信号を周波数変換し、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、前記被検体の呼吸数を計測する呼吸数計測部と、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及びその高調波周波数を有するレーダ信号成分を前記レーダ信号から除去することにより、前記被検体の呼吸に由来するレーダ信号成分を前記レーダ信号から除去したうえで、前記被検体の心拍に由来するレーダ信号成分を抽出した心拍レーダ信号を生成する呼吸成分除去部と、前記心拍レーダ信号を周波数変換し、前記心拍レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、前記被検体の心拍数を計測する心拍数計測部と、を備えることを特徴とする呼吸心拍計測装置である。

また、本開示は、被検体から反射されたレーダ信号を周波数変換し、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、前記被検体の呼吸数を計測する呼吸数計測ステップと、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及びその高調波周波数を有するレーダ信号成分を前記レーダ信号から除去することにより、前記被検体の呼吸に由来するレーダ信号成分を前記レーダ信号から除去したうえで、前記被検体の心拍に由来するレーダ信号成分を抽出した心拍レーダ信号を生成する呼吸成分除去ステップと、前記心拍レーダ信号を周波数変換し、前記心拍レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、前記被検体の心拍数を計測する心拍数計測ステップと、を順にコンピュータに実行させるための呼吸心拍計測プログラムである。

これらの構成によれば、被検体の呼吸及び心拍に由来するレーダ信号成分として、基本周波数を有するレーダ信号成分のみならず、高調波周波数を有するレーダ信号成分が存在するときでも、被検体の呼吸数及び心拍数を正確に計測することができる。

また、本開示は、前記呼吸成分除去部は、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及び前記高調波周波数を有するレーダ信号成分の振幅及び位相を算出するときに、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及び前記高調波周波数を有するレーダ信号成分を前記レーダ信号から除去した誤差値の絶対値が最小値となるようにすることを特徴とする呼吸心拍計測装置である。

この構成によれば、被検体の呼吸に由来する基本周波数及び高調波周波数でのバンド除去フィルタをレーダ信号に適用することなく、被検体の呼吸に由来する基本周波数及び高調波周波数を有するレーダ信号成分を、容易にレーダ信号から除去することができる。

また、本開示は、前記呼吸成分除去部は、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及び前記高調波周波数を有するレーダ信号成分の振幅及び位相を算出するときに、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及び前記高調波周波数での振幅及び位相を参照することを特徴とする呼吸心拍計測装置である。

この構成によっても、被検体の呼吸に由来する基本周波数及び高調波周波数でのバンド除去フィルタをレーダ信号に適用することなく、被検体の呼吸に由来する基本周波数及び高調波周波数を有するレーダ信号成分を、容易にレーダ信号から除去することができる。

また、本開示は、前記呼吸成分除去部は、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及び前記高調波周波数でのバンド除去フィルタを前記レーダ信号に適用するときに、前記バンド除去フィルタの周波数特性に起因する線形歪み信号成分を補償することを特徴とする呼吸心拍計測装置である。

この構成によれば、被検体の呼吸に由来する基本周波数及び高調波周波数でのバンド除去フィルタをレーダ信号に適用するときでも、被検体の呼吸に由来する基本周波数及び高調波周波数を有するレーダ信号成分を、確実にレーダ信号から除去することができる。

また、本開示は、前記心拍数計測部は、前記心拍レーダ信号と、前記心拍レーダ信号を擬似的に模した基準心拍レーダ信号と、の間の相互相関結果を周波数変換し、前記相互相関結果の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、前記被検体の心拍数を計測することを特徴とする呼吸心拍計測装置である。

この構成によれば、呼吸心拍計測装置に由来する高い周波数を有するノイズ成分や、被検体の呼吸に由来する低い周波数を有する信号成分が、心拍レーダ信号に重畳又は残留しているときでも、被検体の心拍数を正確に計測することができる。

また、本開示は、前記呼吸数計測部は、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数を有するレーダ信号成分が前記レーダ信号の周波数変換結果の全体中に占める重み付けの大小に基づいて、前記被検体の呼吸数の計測結果の信頼度の高低を評価し、前記心拍数計測部は、前記心拍レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数を有するレーダ信号成分が前記心拍レーダ信号の周波数変換結果の全体中に占める重み付けの大小に基づいて、前記被検体の心拍数の計測結果の信頼度の高低を評価することを特徴とする呼吸心拍計測装置である。

この構成によれば、被検体の呼吸数及び心拍数の計測結果の信頼度を評価することができる。そして、計測結果の信頼度が閾値と比べて高い／低いときには、計測結果を採用／棄却することができる。さらに、計測結果の信頼度に対する閾値が高い／低いときには、正確性／リアルタイム性を重視して計測結果を出力することができる。

このように、本開示は、レーダを用いて被検体の呼吸数及び心拍数を計測するにあたり、被検体の呼吸及び心拍に由来するレーダ信号成分として、基本周波数を有するレーダ信号成分のみならず、高調波周波数を有するレーダ信号成分が存在するときでも、被検体の呼吸数及び心拍数を正確に計測することができる。

従来技術の呼吸心拍計測処理を示す図である。本開示の呼吸心拍計測システムを示す図である。本開示の呼吸心拍計測手順を示す図である。本開示の第１の呼吸計測処理を示す図である。本開示の第２の呼吸計測処理を示す図である。本開示の第３の呼吸計測処理を示す図である。本開示の第３の呼吸計測処理を示す図である。本開示の第１の心拍計測処理を示す図である。本開示の第２の心拍計測処理を示す図である。本開示の呼吸数評価処理を示す図である。本開示の心拍数評価処理を示す図である。本開示の呼吸計測結果を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

本開示の呼吸心拍計測システムを図２に示す。本開示の呼吸心拍計測手順を図３に示す。呼吸心拍計測システムＳは、レーダ送受信装置１、呼吸心拍計測装置２及び呼吸心拍表示装置３を備え、レーダ送受信装置１を用いて、被検体Ｔに照射されるレーダ信号を送信したうえで、被検体Ｔから反射されたレーダ信号を受信するとともに、呼吸心拍表示装置３を用いて、被検体Ｔの呼吸数及び心拍数を表示することができる。呼吸心拍計測装置２は、呼吸数計測部２１、呼吸成分除去部２２及び心拍数計測部２３を備え、図３に示した呼吸心拍計測プログラムをコンピュータにインストールして実現することができる。

本開示の第１の呼吸計測処理を図４に示す。図４では、Ｉｎ－ｐｈａｓｅ成分及びＱｕａｄｒａｔｕｒｅ－ｐｈａｓｅ成分を重畳する。呼吸数計測部２１は、被検体Ｔから反射されたレーダ信号Ｓ（ｔ）を周波数変換し、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１に基づいて、被検体Ｔの呼吸数＝６０ｆ_Ｂ１／ｍｉｎを計測する（ステップＳ１）。つまり、呼吸数計測部２１は、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１を有するレーダ信号成分を、被検体Ｔの呼吸に由来する基本周波数ｆ_Ｂ１を有するレーダ信号成分として抽出する。そして、呼吸数計測部２１は、被検体Ｔの呼吸に由来する高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３（更なる高調波周波数については省略している。）を有するレーダ信号成分を特定する。

よって、被検体Ｔの呼吸及び心拍に由来するレーダ信号成分として、基本周波数ｆ_Ｂ１、ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分のみならず、高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３、ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３を有するレーダ信号成分が存在するときでも、被検体Ｔの呼吸数＝６０ｆ_Ｂ１／ｍｉｎを正確に計測することができる。なお、被検体Ｔの呼吸に由来するレーダ信号成分として、基本周波数の半分等の低調波周波数を有するレーダ信号成分を考慮してもよい。

呼吸成分除去部２２は、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１及びその高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分をレーダ信号Ｓ（ｔ）から除去する（ステップＳ２）。つまり、呼吸成分除去部２２は、被検体Ｔの呼吸に由来するレーダ信号成分をレーダ信号Ｓ（ｔ）から除去したうえで、被検体Ｔの心拍に由来するレーダ信号成分を抽出した心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）を生成する（ステップＳ３）。

具体的には、呼吸成分除去部２２は、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分の振幅及び位相を算出するときに、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分をレーダ信号Ｓ（ｔ）から除去した誤差値の絶対値が最小値となるようにする。すると、心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）は、数１で表される。

ここで、ａ_０＋ｂ_０ｔは、トレンド成分を表し、ａ_ｉ、ｂ_ｉは、周波数ｆ_Ｂ１、ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分のうちの、ｃｏｓ成分の振幅及びｓｉｎ成分の振幅を表す。なお、トレンド成分として、ａ_０＋ｂ_０ｔ＋ｃ_０ｔ^２＋・・・を用いてもよい。

よって、被検体Ｔの呼吸に由来する基本周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３でのバンド除去フィルタをレーダ信号Ｓ（ｔ）に適用することなく、被検体Ｔの呼吸に由来する基本周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分を、容易にレーダ信号Ｓ（ｔ）から除去することができる。なお、被検体Ｔの呼吸に由来するレーダ信号成分として、基本周波数の半分等の低調波周波数を有するレーダ信号成分を除去してもよい。

本開示の第２の呼吸計測処理を図５に示す。図５では、Ｉｎ－ｐｈａｓｅ成分及びＱｕａｄｒａｔｕｒｅ－ｐｈａｓｅ成分を重畳する。ステップＳ１については、図５に示した第２の呼吸計測処理は、図４に示した第１の呼吸計測処理と同様である。

具体的には、呼吸成分除去部２２は、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分の振幅及び位相を算出するときに、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３での振幅及び位相を参照する。なお、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３について、振幅は図示されているが位相は図示されていない。心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）は、数２で表される。

本開示の第３の呼吸計測処理を図６、７に示す。図６、７では、Ｉｎ－ｐｈａｓｅ成分及びＱｕａｄｒａｔｕｒｅ－ｐｈａｓｅ成分を重畳する。ステップＳ１については、図６、７に示した第３の呼吸計測処理は、図４に示した第１の呼吸計測処理と同様である。

具体的には、呼吸成分除去部２２は、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３でのバンド除去フィルタをレーダ信号Ｓ（ｔ）に適用するときに、バンド除去フィルタの周波数特性に起因する線形歪み信号成分を補償する。なお、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３は特定されており、バンド除去フィルタの周波数特性は既知であるため、バンド除去フィルタの周波数特性に起因する線形歪み信号成分を計算することができる。

図６の第３段では、一括のバンド除去フィルタを適用しており、最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１から高調波周波数ｆ_Ｂ３までの周波数を有するレーダ信号成分を一括に除去している。図７の第３段では、くし型のバンド除去フィルタを適用しており、最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１、高調波周波数ｆ_Ｂ２及び高調波周波数ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分を個別に除去している。

よって、被検体Ｔの呼吸に由来する基本周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３でのバンド除去フィルタをレーダ信号Ｓ（ｔ）に適用するときでも、被検体Ｔの呼吸に由来する基本周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有するレーダ信号成分を、確実にレーダ信号Ｓ（ｔ）から除去することができる。なお、被検体Ｔの呼吸に由来するレーダ信号成分として、基本周波数の半分等の低調波周波数を有するレーダ信号成分を除去してもよい。

本開示の第１の心拍計測処理を図８に示す。図８では、Ｉｎ－ｐｈａｓｅ成分及びＱｕａｄｒａｔｕｒｅ－ｐｈａｓｅ成分を重畳する。心拍数計測部２３は、心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）を周波数変換し、心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｈ１に基づいて、被検体Ｔの心拍数＝６０ｆ_Ｈ１／ｍｉｎを計測する（ステップＳ４）。つまり、心拍数計測部２３は、心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分を、被検体Ｔの心拍に由来する基本周波数ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分として抽出する。そして、心拍数計測部２３は、被検体Ｔの心拍に由来する高調波周波数ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３（更なる高調波周波数については省略している。）を有するレーダ信号成分を特定する。

ここで、心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）の周波数変換結果では、被検体Ｔの呼吸に由来する基本周波数ｆ_Ｂ１及び高調波周波数ｆ_Ｂ２を有するレーダ信号成分が、若干残留しているが被検体Ｔの心拍に由来する基本周波数ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分と比べて小さい。

よって、被検体Ｔの呼吸及び心拍に由来するレーダ信号成分として、基本周波数ｆ_Ｂ１、ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分のみならず、高調波周波数ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３、ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３を有するレーダ信号成分が存在するときでも、被検体Ｔの心拍数＝６０ｆ_Ｈ１／ｍｉｎを正確に計測することができる。なお、被検体Ｔの心拍に由来するレーダ信号成分として、基本周波数の半分等の低調波周波数を有するレーダ信号成分を考慮してもよい。

本開示の第２の心拍計測処理を図９に示す。図９では、Ｉｎ－ｐｈａｓｅ成分及びＱｕａｄｒａｔｕｒｅ－ｐｈａｓｅ成分を重畳する。心拍数計測部２３は、心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）と、心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）を擬似的に模した基準心拍レーダ信号Ｓ_Ｓ（ｔ）と、の間の相互相関結果Ｓ_Ｃ（ｔ）を周波数変換し、相互相関結果Ｓ_Ｃ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｈ１に基づいて、被検体Ｔの心拍数＝６０ｆ_Ｈ１／ｍｉｎを計測する（ステップＳ４）。つまり、心拍数計測部２３は、相互相関結果Ｓ_Ｃ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分を、被検体Ｔの心拍に由来する基本周波数ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分として抽出する。そして、心拍数計測部２３は、被検体Ｔの心拍に由来する高調波周波数ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３（更なる高調波周波数については省略している。）を有するレーダ信号成分を特定する。

ここで、基準心拍レーダ信号Ｓ_Ｓ（ｔ）として、ｃｏｓ基底である基準心拍レーダ信号Ｓ_ＣＯＳ（ｔ）と、ｓｉｎ基底である基準心拍レーダ信号Ｓ_ＳＩＮ（ｔ）と、を準備する。そして、相互相関結果Ｓ_Ｃ（ｔ）として、数３に示す相互相関を計算する。

ここで、Ｃｏｒｒは、２個の引数の間の時間領域の相関関数を表す。

よって、呼吸心拍計測装置２に由来する高い周波数を有するノイズ成分や、被検体Ｔの呼吸に由来する低い周波数ｆ_Ｂ１、ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３を有する信号成分が、心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）に重畳又は残留しているときでも、被検体Ｔの心拍数＝６０ｆ_Ｈ１／ｍｉｎを正確に計測することができる。なお、被検体Ｔの心拍に由来するレーダ信号成分として、基本周波数の半分等の低調波周波数を有するレーダ信号成分を考慮してもよい。

本開示の呼吸数評価処理を図１０に示す。図１０では、Ｉｎ－ｐｈａｓｅ成分及びＱｕａｄｒａｔｕｒｅ－ｐｈａｓｅ成分を重畳する。呼吸数計測部２１は、レーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１を有するレーダ信号成分がレーダ信号Ｓ（ｔ）の周波数変換結果の全体中に占める重み付けの大小に基づいて、被検体Ｔの呼吸数＝６０ｆ_Ｂ１／ｍｉｎの計測結果の信頼度の高低を評価する（ステップＳ５）。

具体的には、呼吸数計測部２１は、被検体Ｔの呼吸数の計測結果の信頼度として、（最大ピーク周波数ｆ_Ｂ１の信号成分）／（全ピーク周波数又は上位ピーク周波数の信号成分和）を計算する。なお、被検体Ｔの呼吸数の計測結果の信頼度として、（ピーク周波数ｆ_Ｂ１、ｆ_Ｂ２、ｆ_Ｂ３の信号成分和）／（全ピーク周波数又は上位ピーク周波数の信号成分和）を用いてもよい。そして、呼吸数計測部２１は、被検体Ｔの呼吸数の計測結果の信頼度が閾値と比べて高い／低いときには、被検体Ｔの呼吸数の計測結果を採用／棄却する。さらに、呼吸数計測部２１は、被検体Ｔの呼吸数の計測結果に対する閾値が高い／低いときには、正確性／リアルタイム性を重視して被検体Ｔの呼吸数の計測結果を出力する。

本開示の心拍数評価処理を図１１に示す。図１１では、Ｉｎ－ｐｈａｓｅ成分及びＱｕａｄｒａｔｕｒｅ－ｐｈａｓｅ成分を重畳する。心拍数計測部２３は、心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）の周波数変換結果の最大ピーク周波数ｆ_Ｈ１を有するレーダ信号成分が心拍レーダ信号Ｓ_Ｈ（ｔ）の周波数変換結果の全体中に占める重み付けの大小に基づいて、被検体Ｔの心拍数＝６０ｆ_Ｈ１／ｍｉｎの計測結果の信頼度の高低を評価する（ステップＳ６）。

具体的には、心拍数計測部２３は、被検体Ｔの心拍数の計測結果の信頼度として、（最大ピーク周波数ｆ_Ｈ１の信号成分）／（全ピーク周波数又は上位ピーク周波数の信号成分和）を計算する。なお、被検体Ｔの心拍数の計測結果の信頼度として、（ピーク周波数ｆ_Ｈ１、ｆ_Ｈ２、ｆ_Ｈ３の信号成分和）／（全ピーク周波数又は上位ピーク周波数の信号成分和）を用いてもよい。そして、心拍数計測部２３は、被検体Ｔの心拍数の計測結果の信頼度が閾値と比べて高い／低いときには、被検体Ｔの心拍数の計測結果を採用／棄却する。さらに、心拍数計測部２３は、被検体Ｔの心拍数の計測結果に対する閾値が高い／低いときには、正確性／リアルタイム性を重視して被検体Ｔの心拍数の計測結果を出力する。

本開示の呼吸計測結果を図１２に示す。図１２の上部の縦線は、被検体Ｔの呼吸数の計測結果の信頼度が閾値と比べて低いため、被検体Ｔの呼吸数の計測結果が棄却されていることを示す。図１２の下部の白丸は、被検体Ｔの呼吸数の計測結果の信頼度が閾値と比べて高いため、被検体Ｔの呼吸数の計測結果が採用されていることを示す。なお、被検体Ｔの呼吸数の計測結果の信頼度が閾値と比べて高いときでも、被検体Ｔの呼吸数の計測結果が急激に変化したときには、被検体Ｔの呼吸数の計測結果を棄却してもよい。

本開示の呼吸心拍計測装置及び呼吸心拍計測プログラムは、レーダを用いて被検体の呼吸数及び心拍数を計測するにあたり、被検体の呼吸及び心拍に由来するレーダ信号成分として、基本周波数を有するレーダ信号成分のみならず、高調波周波数を有するレーダ信号成分が存在するときでも、被検体の呼吸数及び心拍数を正確に計測することができる。

Ｓ：呼吸心拍計測システム
Ｔ：被検体
１：レーダ送受信装置
２：呼吸心拍計測装置
３：呼吸心拍表示装置
２１：呼吸数計測部
２２：呼吸成分除去部
２３：心拍数計測部

Claims

被検体から反射されたレーダ信号を周波数変換し、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、前記被検体の呼吸数を計測する呼吸数計測部と、
前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及びその高調波周波数を有するレーダ信号成分を前記レーダ信号から除去することにより、前記被検体の呼吸に由来するレーダ信号成分を前記レーダ信号から除去したうえで、前記被検体の心拍に由来するレーダ信号成分を抽出した心拍レーダ信号を生成する呼吸成分除去部と、
前記心拍レーダ信号を周波数変換し、前記心拍レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、前記被検体の心拍数を計測する心拍数計測部と、
を備えることを特徴とする呼吸心拍計測装置。
前記呼吸成分除去部は、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及び前記高調波周波数を有するレーダ信号成分の振幅及び位相を算出するときに、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及び前記高調波周波数を有するレーダ信号成分を前記レーダ信号から除去した誤差値の絶対値が最小値となるようにする
ことを特徴とする、請求項１に記載の呼吸心拍計測装置。
前記呼吸成分除去部は、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及び前記高調波周波数を有するレーダ信号成分の振幅及び位相を算出するときに、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及び前記高調波周波数での振幅及び位相を参照する
ことを特徴とする、請求項１に記載の呼吸心拍計測装置。
前記呼吸成分除去部は、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及び前記高調波周波数でのバンド除去フィルタを前記レーダ信号に適用するときに、前記バンド除去フィルタの周波数特性に起因する線形歪み信号成分を補償する
ことを特徴とする、請求項１に記載の呼吸心拍計測装置。
前記心拍数計測部は、前記心拍レーダ信号と、前記心拍レーダ信号を擬似的に模した基準心拍レーダ信号と、の間の相互相関結果を周波数変換し、前記相互相関結果の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、前記被検体の心拍数を計測する
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の呼吸心拍計測装置。
前記呼吸数計測部は、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数を有するレーダ信号成分が前記レーダ信号の周波数変換結果の全体中に占める重み付けの大小に基づいて、前記被検体の呼吸数の計測結果の信頼度の高低を評価し、
前記心拍数計測部は、前記心拍レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数を有するレーダ信号成分が前記心拍レーダ信号の周波数変換結果の全体中に占める重み付けの大小に基づいて、前記被検体の心拍数の計測結果の信頼度の高低を評価する
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の呼吸心拍計測装置。
被検体から反射されたレーダ信号を周波数変換し、前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、前記被検体の呼吸数を計測する呼吸数計測ステップと、
前記レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数及びその高調波周波数を有するレーダ信号成分を前記レーダ信号から除去することにより、前記被検体の呼吸に由来するレーダ信号成分を前記レーダ信号から除去したうえで、前記被検体の心拍に由来するレーダ信号成分を抽出した心拍レーダ信号を生成する呼吸成分除去ステップと、
前記心拍レーダ信号を周波数変換し、前記心拍レーダ信号の周波数変換結果の最大ピーク周波数に基づいて、前記被検体の心拍数を計測する心拍数計測ステップと、
を順にコンピュータに実行させるための呼吸心拍計測プログラム。