JP7267002B2 - 呼吸周期測定装置及び呼吸周期測定プログラム - Google Patents

Description

本開示は、レーダ信号の時系列変化に基づいて、呼吸周期を測定する技術に関する。

生体表面へと照射され生体表面から反射されたレーダ信号の時系列変化に基づいて、呼吸周期を測定する技術が、特許文献１～５に開示されている。特許文献１では、レーダ信号の時系列変化の山又は谷のカウント数に基づいて、呼吸周期を測定するが、レーダ信号の時系列変化の波形の歪みがあると、呼吸周期の測定が困難になる。特許文献２～４では、レーダ信号の時系列変化の周波数スペクトルに基づいて、呼吸周期を測定するが、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があると、呼吸周期の測定が困難になる。

特許第５６０６６０６号明細書 特開２０１８－０１１９４８号公報 特許第６０８６９３９号明細書 特開２０１５－０２７５５０号公報 特許第６２９０５０１号明細書

特許文献５では、レーダ信号の時系列変化の相関処理結果に基づいて、呼吸周期を測定する。よって、レーダ信号の時系列変化の波形の歪みがあっても、呼吸周期の測定が可能になる。しかし、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があると、呼吸周期の測定が困難になる。つまり、呼吸周期が短いときには、短い相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができるが、その後に、呼吸周期が長くなると、短い相関処理時間のままでは、相関ピークを観測することができない。一方で、呼吸周期が長いときには、長い相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができるが、その後に、呼吸周期が短くなると、長い相関処理時間のままでは、相関ピークを観測しにくくなる。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、レーダ信号の時系列変化の相関処理結果に基づいて、呼吸周期を測定するにあたり、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、呼吸周期の測定を可能とすることを目的とする。

前記課題を解決するために、複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻を呼吸周期として測定する。

具体的には、本開示は、生体表面へと照射され生体表面から反射されたレーダ信号の時系列変化について、複数種類の信号時間長で相関処理を実行する相関処理実行部と、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻を呼吸周期として測定する呼吸周期測定部と、を備えることを特徴とする呼吸周期測定装置である。

また、本開示は、生体表面へと照射され生体表面から反射されたレーダ信号の時系列変化について、複数種類の信号時間長で相関処理を実行する相関処理実行ステップと、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻を呼吸周期として測定する呼吸周期測定ステップと、を順にコンピュータに実行させるための呼吸周期測定プログラムである。

これらの構成によれば、呼吸周期が短いときには、長い相関処理時間及び短い相関処理時間のうち、短い相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができる。一方で、呼吸周期が長いときには、長い相関処理時間及び短い相関処理時間のうち、長い相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができる。よって、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、呼吸周期の測定を可能とすることができる。

また、本開示は、前記相関処理実行部は、前記レーダ信号の時系列変化について、現時点を終端時とする前記複数種類の信号時間長で相関処理を並列して実行することを特徴とする呼吸周期測定装置である。

この構成によれば、呼吸周期が短い期間から呼吸周期が長い期間へと遷移するときでも、長い相関処理時間及び短い相関処理時間で相関処理を並列して実行すれば、短時間の相関処理結果から長時間の相関処理結果へと直ちに切り替えることができる。一方で、呼吸周期が長い期間から呼吸周期が短い期間へと遷移するときでも、長い相関処理時間及び短い相関処理時間で相関処理を並列して実行すれば、長時間の相関処理結果から短時間の相関処理結果へと直ちに切り替えることができる。よって、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、呼吸周期のリアルタイム測定を可能とすることができる。

また、本開示は、前記相関処理実行部は、前記レーダ信号の時系列変化について、前記複数種類の信号時間長で自己相関処理を実行することを特徴とする呼吸周期測定装置である。

この構成によれば、レーダ信号の時系列変化とサンプル波形との間の相互相関処理を実行するのではなく、レーダ信号の時系列変化の自己相関処理を実行するため、生体個体差又は呼吸測定環境によらないで、呼吸周期の測定を可能とすることができる。

また、本開示は、前記呼吸周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定することを特徴とする呼吸周期測定装置である。

この構成によれば、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散がないときには、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。

また、本開示は、前記呼吸周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻のヒストグラムの代表値又は中央値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定するにあたり、相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて頻度の重み付けを実行することを特徴とする呼吸周期測定装置である。

この構成によれば、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、ヒストグラムの代表値又は中央値を呼吸周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。

また、本開示は、前記呼吸周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関処理結果の加算結果の最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定するにあたり、相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて加算の重み付けを実行することを特徴とする呼吸周期測定装置である。

この構成によれば、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、相関処理結果の加算結果での最大ピーク時刻を呼吸周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。

また、本開示は、前記呼吸周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピークを呼吸成分又は高調波成分に分類するにあたり、（１）第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい自然数ｎの個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい自然数ｎの個数より多いときに、第２ピーク時刻を呼吸周期として測定する、又は、（２）第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい現在又は過去の相関処理結果の個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい現在又は過去の相関処理結果の個数より多いときに、第２ピーク時刻を呼吸周期として測定することを特徴とする呼吸周期測定装置である。

この構成によれば、第２ｎピーク時刻での呼吸成分の相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での高調波成分の相関ピーク値より小さい自然数ｎが稀に存在するときでも、相関ピークを呼吸成分又は高調波成分に精度良く分類することができる。そして、複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。

このように、本開示は、レーダ信号の時系列変化の相関処理結果に基づいて、呼吸周期を測定するにあたり、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、生体個体差又は呼吸測定環境によらないで、呼吸周期の測定を可能とすることができる。

本開示の呼吸周期測定の原理を示す図である。 本開示の呼吸周期測定の原理を示す図である。 本開示の呼吸周期測定システムの構成を示す図である。 本開示の呼吸周期測定プログラムの手順を示す図である。 本開示のレーダ信号の時系列変化の抽出処理を示す図である。 本開示のレーダ信号の時系列変化の自己相関処理を示す図である。 本開示の呼吸周期測定プログラムの更なる手順を示す図である。 本開示の相関ピーク時刻のヒストグラム作成処理を示す図である。 本開示の最初の及び更なる自己相関処理結果の加算処理を示す図である。 本開示の第１の方法の呼吸周期測定の結果を示す図である。 本開示の第１の方法の呼吸周期測定の結果を示す図である。 本開示の第２の方法の呼吸周期測定の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。

本開示の呼吸周期測定の原理を図１、２に示す。レーダ信号の時系列変化として、レーダ信号のＩ成分、Ｑ成分、位相又は振幅の時系列変化が挙げられる。

図１の上段において、呼吸周期が短いときには、現時点から長い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークをリアルタイム観測しにくくなるが（呼吸周期の平均値に対する呼吸周期の変動幅の比率が大きくなるため。）、現時点から短い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークをリアルタイム観測することができる。

図１の下段において、呼吸周期が長いときには、現時点から短い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークをリアルタイム観測することができないが（呼吸周期の長さと比べて現時点からの自己相関処理時間が短くなるため。）、現時点から長い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークをリアルタイム観測することができる。

そこで、本開示では、呼吸周期が短いときには、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間のうち、短い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができる。一方で、呼吸周期が長いときには、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間のうち、長い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができる。よって、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、呼吸周期のリアルタイム測定を可能とすることができる。

図２の本開示の第１の方法では、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間で、自己相関処理を「切り替え」実行する。つまり、前回の呼吸周期が短いときには、今回の自己相関処理時間を短くし、前回の呼吸周期が長いときには、今回の自己相関処理時間を長くし、呼吸周期の変動に応じて自己相関処理時間を切り替える。

すると、呼吸周期が短い期間から呼吸周期が長い期間へと遷移するときでも、短時間の自己相関処理結果から長時間の自己相関処理結果へと遅れて切り替えることができる。一方で、呼吸周期が長い期間から呼吸周期が短い期間へと遷移するときでも、長時間の自己相関処理結果から短時間の自己相関処理結果へと遅れて切り替えることができる。

図２の本開示の第２の方法では、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間で、自己相関処理を「並列して」実行する。つまり、前回の呼吸周期が短いときにも、前回の呼吸周期が長いときにも、今回の自己相関処理時間として、短い時間及び長い時間をともに用い、呼吸周期の変動によらず自己相関処理時間を併用する。

すると、呼吸周期が短い期間から呼吸周期が長い期間へと遷移するときでも、短時間の自己相関処理結果から長時間の自己相関処理結果へと直ちに切り替えることができる。一方で、呼吸周期が長い期間から呼吸周期が短い期間へと遷移するときでも、長時間の自己相関処理結果から短時間の自己相関処理結果へと直ちに切り替えることができる。

本開示の呼吸周期測定システムの構成を図３に示す。本開示の呼吸周期測定プログラムの手順を図４に示す。呼吸周期測定システムＢは、レーダ装置１及び呼吸周期測定装置２から構成される。レーダ装置１は、レーダ送受信部１１、ＩＱ検波部１２及びＡＤ変換部１３から構成される。呼吸周期測定装置２は、重心位置算出部２１、ＩＱ変位抽出部２２、相関処理実行部２３及び呼吸周期測定部２４から構成され、図４、７に示した呼吸周期測定プログラムをコンピュータにインストールすることにより実現される。

本開示のレーダ信号の時系列変化の抽出処理を図５に示す。本開示のレーダ信号の時系列変化の自己相関処理を図６に示す。本実施形態では、図２の本開示の第２の方法として、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間で、自己相関処理を「並列して」実行している。変形例では、図２の本開示の第１の方法として、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間で、自己相関処理を「切り替え」実行してもよい。

レーダ送受信部１１は、人間又は動物の生体表面Ｖへとレーダ照射信号を送信し、人間又は動物の生体表面Ｖからレーダ反射信号を受信する。ＩＱ検波部１２は、受信されたレーダ反射信号に対して、ＩＱ検波を行う。ＡＤ変換部１３は、ＩＱ検波されたレーダ反射信号に対して、ＡＤ変換を行う。重心位置算出部２１は、図５の上段に示したように、レーダ信号のＩＱ平面での移動軌跡の重心位置をＩＱ原点として算出する（ステップＳ１）。ＩＱ変位抽出部２２は、図５の左下欄及び右下欄に示したように、レーダ信号のＩＱ平面でのＩ成分、Ｑ成分、位相又は振幅の時系列変化を抽出する（ステップＳ２）。

図５の左下欄では、短期間でのレーダ信号の位相の時系列変化を示す。短期間でのレーダ信号の位相の時系列変化は、呼吸周期約２秒で規則的に変動している。図５の右下欄では、長期間でのレーダ信号の位相の時系列変化を示す。長期間でのレーダ信号の位相の時系列変化は、前半（上記の短期間と同じ）では呼吸周期約２秒で規則的に変動しているが、後半（上記の短期間の後）では生体の不規則動作により不規則に変動している。

相関処理実行部２３は、第１相関処理実行部２３－１、・・・、第ｎ相関処理実行部２３－ｎから構成され、レーダ信号の時系列変化について、現時点を終端時とする複数種類の信号時間長で自己相関処理を並列して実行する（ステップＳ３）。

図６の左上欄では、図５の左下欄及び右下欄に示したレーダ信号の位相の時系列変化についての、現時点を終端時とする２秒の信号時間長での自己相関処理結果を示す。なお、「２秒」とは、最も短い呼吸周期として期待される約１秒の２倍の時間として設定されている。また、「１倍」ではなく「２倍」であるのは、相関ピーク時刻を少なくとも１個得るためである。２秒の信号時間長での自己相関処理結果では、相関ピーク時刻は、約１．３秒であり、最大ピーク値は、相関ピーク時刻＝約１．３秒での約０．２５である。

図６の右上欄では、図５の左下欄及び右下欄に示したレーダ信号の位相の時系列変化についての、現時点を終端時とする５秒の信号時間長での自己相関処理結果を示す。５秒の信号時間長での自己相関処理結果では、相関ピーク時刻は、約２．０秒及び約４．０秒であり、最大ピーク値は、相関ピーク時刻＝約２．０秒での約０．５０である。

図６の左下欄では、図５の左下欄及び右下欄に示したレーダ信号の位相の時系列変化についての、現時点を終端時とする１０秒の信号時間長での自己相関処理結果を示す。１０秒の信号時間長での自己相関処理結果では、相関ピーク時刻は、約２．０秒～約８．８秒の４点であり、最大ピーク値は、相関ピーク時刻＝約８．８秒での約０．２０である。

図６の右下欄では、図５の左下欄及び右下欄に示したレーダ信号の位相の時系列変化についての、現時点を終端時とする２０秒の信号時間長での自己相関処理結果を示す。なお、「２０秒」とは、最も長い呼吸周期として期待される約１０秒の２倍の時間として設定されている。また、「１倍」ではなく「２倍」であるのは、相関ピーク時刻を少なくとも１個得るためである。２０秒の信号時間長での自己相関処理結果では、相関ピーク時刻は、約２．０秒の１点及び約７．０秒～約１７．３秒の６点であり、最大ピーク値は、相関ピーク時刻＝約２．０秒での約０．３５である。

なお、図６では、上述の相関ピーク時刻において、呼吸による相関ピークが観測されているが、他の相関ピーク時刻において、心拍による相関ピークが観測され得る。そこで、呼吸による相関ピークを抽出するために、相関ピーク値及び相関ピーク幅が大きい相関ピークを、呼吸による相関ピークと判別する一方で、相関ピーク値及び相関ピーク幅が小さい相関ピークを、心拍による相関ピークと判別してもよい。或いは、呼吸による相関ピークを抽出するために、フィルタ処理をすることにより、呼吸成分の少なくとも基本波成分を維持したうえで、心拍成分のうちの基本波成分及び高調波成分を除去してもよい。

呼吸周期測定部２４は、最大相関ピーク抽出部２４－１、ヒストグラム作成部２４－２及び相関処理結果加算部２４－３から構成され、以下の方法で呼吸周期を測定する。

呼吸周期測定の第１の方法として、最大相関ピーク抽出部２４－１は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定する（ステップＳ４）。

図６では、最大相関ピーク抽出部２４－１は、２秒、５秒、１０秒及び２０秒の信号時間長での自己相関処理結果のうち、５秒及び２０秒の信号時間長での自己相関処理結果において、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻＝約２．０秒を呼吸周期として測定する。

もしも、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散がないときには、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定することができる。しかし、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときには、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定することができない。特に、最悪の場合は、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸成分ではなく高調波成分として測定してしまう。

そこで、本開示の呼吸周期測定プログラムの更なる手順を図７に示す。図７では、呼吸周期測定の第１の方法を含めて、呼吸周期測定の第２～６の方法を挙げる。

呼吸周期測定の第２の方法として、ヒストグラム作成部２４－２は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻のヒストグラムの代表値又は中央値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定するにあたり、自己相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて頻度の重み付けを実行する（図７の中央の破線枠内の「最初の自己相関処理結果」を参照。）。

本開示の相関ピーク時刻のヒストグラム作成処理を図８に示す。図８の上段では、ヒストグラム作成部２４－２は、自己相関処理結果が時間的に新しければ、そして、相関ピーク値が大きければ、相関ピーク時刻の頻度の重み付けを大きくすることができる。例えば、自己相関処理時間ｐ秒を用いて、第ｑ時刻において、最大相関ピーク及び第２相関ピークについて、相関ピーク時刻がｔ_ｐ、１（ｑ）及びｔ_ｐ、２（ｑ）であり、自己相関係数がｃ_ｐ、１（ｑ）及びｃ_ｐ、２（ｑ）であれば、相関ピーク時刻ｔ_ｐ、１（ｑ）及びｔ_ｐ、２（ｑ）についての相関ピーク頻度はｗ_ｑ×ｃ_ｐ、１（ｑ）及びｗ_ｑ×ｃ_ｐ、２（ｑ）である。ただし、第（ｍ－２）、（ｍ－１）、ｍ時刻（第ｍ時刻は現時点。）についての重み付け係数ｗ_ｍ－２、ｗ_ｍ－１、ｗ_ｍについて、ｗ_ｍ－２＜ｗ_ｍ－１＜ｗ_ｍ≦１が成り立つ。

図８の下段では、ヒストグラム作成部２４－２は、２秒、５秒、１０秒及び２０秒の信号時間長での自己相関処理結果のうち、全ての信号時間長での自己相関処理結果（図８の上段を参照。）において、相関ピーク時刻のヒストグラムの代表値又は中央値を呼吸周期として測定する。このように、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、ヒストグラムの代表値又は中央値を呼吸周期として測定することができる。

呼吸周期測定の第３の方法として、相関処理結果加算部２４－３は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、自己相関処理結果の加算結果の最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定するにあたり、自己相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて加算の重み付けを実行する（図７の中央の破線枠内の「最初の自己相関処理結果」を参照。）。

本開示の最初の自己相関処理結果の加算処理を図９の左欄に示す。図９の左欄では、相関処理結果加算部２４－３は、自己相関処理結果が時間的に新しければ、そして、相関ピーク値が大きければ、自己相関処理結果の加算の重み付けを大きくすることができる。または、変形例として、２秒、５秒、１０秒及び２０秒の信号時間長での自己相関処理結果を同じ重みで加算してもよい。さらに、変形例として、（１）時間０～２秒では、２秒、５秒、１０秒及び２０秒の信号時間長での自己相関処理結果をそれぞれ１／４の重みで加算し、（２）時間２～５秒では、５秒、１０秒及び２０秒の信号時間長での自己相関処理結果をそれぞれ１／３の重みで加算し、（３）時間５～１０秒では、１０秒及び２０秒の信号時間長での自己相関処理結果をそれぞれ１／２の重みで加算し、（４）時間１０～２０秒では、２０秒の信号時間長での自己相関処理結果を採用してもよい。

図９の左欄では、相関処理結果加算部２４－３は、自己相関処理結果の加算結果において、相関ピーク時刻のうちの最大ピーク時刻＝約２．０秒を呼吸周期として測定する。このように、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、自己相関処理結果の加算結果での最大ピーク時刻を呼吸周期として測定することができる。

呼吸周期測定の第４の方法として、最大相関ピーク抽出部２４－１は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定する（図７の右欄の破線枠内の「更なる自己相関処理結果」を参照。）。呼吸周期測定の第４の方法については信号データを図示しないが、呼吸周期測定の第１の方法と同様に信号データを解析すればよい。

このように、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散がないときには、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。ただし、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、長期的に安定した高調波変動がより現れやすくなることがあり得ることに注意することが望ましい。

呼吸周期測定の第５の方法として、ヒストグラム作成部２４－２は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻のヒストグラムの代表値又は中央値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定するにあたり、自己相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて頻度の重み付けを実行する（図７の右欄の破線枠内の「更なる自己相関処理結果」を参照。）。呼吸周期測定の第５の方法については信号データを図示しないが、呼吸周期測定の第２の方法と同様に信号データを解析すればよい。

このように、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、ヒストグラムの代表値又は中央値を呼吸周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。ただし、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、長期的に安定した高調波変動がより現れやすくなることがあり得ることに注意することが望ましい。

呼吸周期測定の第６の方法として、相関処理結果加算部２４－３は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、自己相関処理結果の加算結果の最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定するにあたり、自己相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて加算の重み付けを実行する（図７の右欄の破線枠内の「更なる自己相関処理結果」を参照。）。本開示の更なる自己相関処理結果の加算処理を図９の右欄に示す。呼吸周期測定の第５の方法についても、呼吸周期測定の第２の方法と同様に、相関処理結果加算部２４－３は、自己相関処理結果の加算の重み付けを実行すればよい。

図９の右欄では、相関処理結果加算部２４－３は、自己相関処理結果の加算結果において、相関ピーク時刻のうちの最大ピーク時刻＝約２．０秒を呼吸周期として測定する。このように、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、自己相関処理結果の加算結果での最大ピーク時刻を呼吸周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。ただし、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、長期的に安定した高調波変動がより現れやすくなることがあり得ることに注意することが望ましい。

呼吸周期測定の第１～６の方法を用いても、相関ピークを呼吸成分又は高調波成分に精度良く分類することができないときには、以下の追加方法で呼吸周期を測定すればよい。

呼吸周期測定部２４は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピークを呼吸成分又は高調波成分に分類する。

ここで、第１の追加方法として、呼吸周期測定部２４は、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい自然数ｎの個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい自然数ｎの個数より多いときに、第２ピーク時刻を呼吸周期として測定する。

なお、第１の追加方法に先立ち、自然数ｎの個数範囲を設定することが望ましい。また、第１の追加方法に代えて、呼吸成分の相関ピーク値が高調波成分の相関ピーク値より大きくなるように、解析パラメータを適応的に設定してもよい。

図９では、呼吸周期測定の第３、６の方法（自己相関処理結果の加算処理）を前提として、第１の追加方法を実行してもよい。図６では、呼吸周期測定の第１、４の方法（各自己相関処理結果の最大ピーク値検出）を前提として、第１の追加方法を実行してもよい。

具体例（不図示）として、自然数ｎ＝１であるときに、第２ピーク時刻での相関ピーク値は、第１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい。自然数ｎ＝２であるときに、第４ピーク時刻での相関ピーク値は、第３ピーク時刻での相関ピーク値より大きい。自然数ｎ＝３であるときに、第６ピーク時刻での相関ピーク値は、第５ピーク時刻での相関ピーク値より大きい。よって、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい自然数ｎの個数（２個）は、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい自然数ｎの個数（１個）より多い。そこで、呼吸周期測定部２４は、第２ピーク時刻＝約２．０秒を呼吸周期として測定する。

一方で、第２の追加方法として、呼吸周期測定部２４は、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい現在又は過去の自己相関処理結果の個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい現在又は過去の自己相関処理結果の個数より多いときに、第２ピーク時刻を呼吸周期として測定する。

なお、第２の追加方法に先立ち、自己相関処理結果の個数範囲を設定することが望ましい。また、第２の追加方法に代えて、呼吸成分の相関ピーク値が高調波成分の相関ピーク値より大きくなるように、解析パラメータを適応的に設定してもよい。

図９では、呼吸周期測定の第３、６の方法（自己相関処理結果の加算処理）を前提として、第２の追加方法を実行してもよい。図６では、呼吸周期測定の第１、４の方法（各自己相関処理結果の最大ピーク値検出）を前提として、第２の追加方法を実行してもよい。

具体例（不図示）として、自然数ｎ＝１であるとする。現在の自己相関処理結果では、第２ピーク時刻での相関ピーク値は、第１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい。現在より１回分だけ過去の自己相関処理結果では、第２ピーク時刻での相関ピーク値は、第１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい。現在より２回分だけ過去の自己相関処理結果では、第２ピーク時刻での相関ピーク値は、第１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい。よって、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい現在又は過去の自己相関処理結果の個数（２個）は、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい現在又は過去の自己相関処理結果の個数（１個）より多い。そこで、呼吸周期測定部２４は、第２ピーク時刻＝約２．０秒を呼吸周期として測定する。

このように、第２ｎピーク時刻での呼吸成分の相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での高調波成分の相関ピーク値より小さい自然数ｎが稀に存在するときでも、相関ピークを呼吸成分又は高調波成分に精度良く分類することができる。そして、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。

本開示の第１の方法の呼吸周期測定の結果を図１０に示す。図１０では、図２の本開示の第１の方法として、現時点から１０秒及び２０秒の自己相関処理時間で、自己相関処理を「切り替え」実行している。図１０の左欄では、自己相関係数が０．５を超える相関ピークについて、個数は十分でなく、これらの相関ピーク時刻に基づく１分間当たりの呼吸数について、特に早い呼吸が十分に検出されていない。図１０の右欄では、生体の状態変化（安静時と動作時との間の変化等）があるかどうかによらず、瞬時での及び平滑された１分間当たりの呼吸数について、特に早い呼吸が十分に検出されていない。

本開示の第１の方法の呼吸周期測定の結果を図１１に示す。図１１では、図２の本開示の第１の方法として、現時点から２秒、５秒、１０秒及び２０秒の自己相関処理時間で、自己相関処理を「切り替え」実行している。図１１の左欄では、自己相関係数が０．５を超える相関ピークについて、個数は多少増えるが、これらの相関ピーク時刻に基づく１分間当たりの呼吸数について、特に早い呼吸が十分に検出されていない。図１１の右欄では、生体の状態変化（安静時と動作時との間の変化等）があるかどうかによらず、瞬時での及び平滑された１分間当たりの呼吸数について、特に早い呼吸が十分に検出されていない。

本開示の第２の方法の呼吸周期測定の結果を図１２に示す。図１２では、図２の本開示の第２の方法として、現時点から２秒、５秒、１０秒及び２０秒の自己相関処理時間で、自己相関処理を「並列して」実行している。図１２の左欄では、自己相関係数が０．５を超える相関ピークについて、個数は十分であり、これらの相関ピーク時刻に基づく１分間当たりの呼吸数について、早い／遅い呼吸が十分に検出されている。図１２の右欄では、生体の状態変化（安静時と動作時との間の変化等）があるかどうかによらず、瞬時での及び平滑された１分間当たりの呼吸数について、早い／遅い呼吸が十分に検出されている。

本実施形態では、レーダ信号の時系列変化について、「現時点」を終端時とする相関処理を実行している。変形例として、レーダ信号の時系列変化について、「任意時刻」を終端時とする相関処理を実行してもよい。本実施形態では、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、呼吸周期のリアルタイム測定を可能とすることができる。

本実施形態では、レーダ信号の時系列変化について、複数種類の信号時間長で相関処理を「並列して」実行している。変形例として、レーダ信号の時系列変化について、複数種類の信号時間長で相関処理を「順次」実行してもよい。本実施形態では、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、呼吸周期の高速測定を可能とすることができる。

本実施形態では、レーダ信号の時系列変化の「自己」相関処理を実行している。変形例として、レーダ信号の時系列変化とサンプル波形（例えば、患者の過去の波形を事前に取得、又は、ウェーブレット変換のマザー関数及びスケール数等のパラメータを事前に設定。）との間の「相互」相関処理を実行してもよい。本実施形態では、生体個体差又は呼吸測定環境によらないで、呼吸周期の測定を可能とすることができる。

本実施形態では、時間無相関な雑音成分、周期的な振動成分及び呼吸成分の高調波成分等がフィルタ処理で除去される前における、レーダ信号の時系列変化について、相関処理を実行している。変形例として、時間無相関な雑音成分、周期的な振動成分及び呼吸成分の高調波成分等がフィルタ処理で除去された後における、レーダ信号の時系列変化について、相関処理を実行してもよい。

本開示の呼吸周期測定装置及び呼吸周期測定プログラムは、レーダ信号の時系列変化の相関処理結果に基づいて、呼吸周期を測定するにあたり、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、生体個体差又は呼吸測定環境によらないで、呼吸周期の測定を可能とすることができる。

Ｂ：呼吸周期測定システム
Ｖ：生体表面
１：レーダ装置
２：呼吸周期測定装置
１１：レーダ送受信部
１２：ＩＱ検波部
１３：ＡＤ変換部
２１：重心位置算出部
２２：ＩＱ変位抽出部
２３：相関処理実行部
２３－１：第１相関処理実行部
２３－ｎ：第ｎ相関処理実行部
２４：呼吸周期測定部
２４－１：最大相関ピーク抽出部
２４－２：ヒストグラム作成部
２４－３：相関処理結果加算部

Claims (6)

1. 生体表面へと照射され生体表面から反射されたレーダ信号の時系列変化について、現時点を終端時とする複数種類の信号時間長で相関処理（前記レーダ信号の時系列変化の自己相関処理、又は、前記レーダ信号の時系列変化とサンプル波形との間の相互相関処理）を並列して実行する相関処理実行部と、
   前記複数種類の信号時間長での前記相関処理の結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻を呼吸周期として測定する呼吸周期測定部と、
   を備えることを特徴とする呼吸周期測定装置。
2. 前記呼吸周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での前記相関処理の結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での前記相関処理の結果の更なる自己相関処理の結果の少なくともいずれかにおいて、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の呼吸周期測定装置。
3. 前記呼吸周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での前記相関処理の結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での前記相関処理の結果の更なる自己相関処理の結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻のヒストグラムの代表値又は中央値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定するにあたり、前記相関処理の結果（又は前記更なる自己相関処理の結果）の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて頻度の重み付けを実行する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の呼吸周期測定装置。
4. 前記呼吸周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での前記相関処理の結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での前記相関処理の結果の更なる自己相関処理の結果の少なくともいずれかにおいて、前記相関処理の結果（又は前記更なる自己相関処理の結果）の加算結果の最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を呼吸周期として測定するにあたり、前記相関処理の結果（又は前記更なる自己相関処理の結果）の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて加算の重み付けを実行する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の呼吸周期測定装置。
5. 前記呼吸周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での前記相関処理の結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での前記相関処理の結果の更なる自己相関処理の結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピークを呼吸成分又は高調波成分に分類するにあたり、（１）第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい自然数ｎの個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい自然数ｎの個数より多いときに、第２ピーク時刻を呼吸周期として測定する、又は、（２）第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい現在又は過去の前記相関処理の結果（又は前記更なる自己相関処理の結果）の個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい現在又は過去の前記相関処理の結果（又は前記更なる自己相関処理の結果）の個数より多いときに、第２ピーク時刻を呼吸周期として測定する
   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周期測定装置。
6. 生体表面へと照射され生体表面から反射されたレーダ信号の時系列変化について、現時点を終端時とする複数種類の信号時間長で相関処理（前記レーダ信号の時系列変化の自己相関処理、又は、前記レーダ信号の時系列変化とサンプル波形との間の相互相関処理）を並列して実行する相関処理実行ステップと、
   前記複数種類の信号時間長での前記相関処理の結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻を呼吸周期として測定する呼吸周期測定ステップと、
   を順にコンピュータに実行させるための呼吸周期測定プログラム。

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