(57)【要約】【課題】検出対象者の周囲の人や環境の影響を受けることなく、かつ電波法の制約を受けることなく、検出対象者の生体情報の検出を可能にする。【解決手段】マイクロ波信号源１で生成されたマイクロ波信号は、ストリップ線路２、バラン３を経て無反射終端された平行２線線路４へ送信され、漏れ電波が平行２線線路４上の検出対象者６で反射する。入射信号Ｓ１と反射信号Ｓ４の混在によりストリップ線路２上に発生した定在波の電圧がマイクロ波の１／８波長離れたＡ点とＢ点で検出され、ダイオード７，８、ＬＰＦ９，１０、ＨＰＦ１１，１２により、呼吸や心拍に対応する信号が検出される。Ａ点とＢ点の検出信号のうち、レベルの大きい方を選択する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波信号を生成するマイクロ波信号源と、
マイクロ波信号を伝送する無反射終端した伝送線路と、
前記マイクロ波信号源から前記伝送線路に入力された入射信号と、前記伝送線路上の検出対象者で反射した漏れ電波の反射信号とに基づいて前記検出対象者の生体情報を検出する生体情報検出手段と
を有する生体情報検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載された生体情報検出装置において、
前記生体情報は呼吸数及び／又は心拍数、体動、並びに存否である、生体情報検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載された生体情報検出装置において、
前記伝送線路は、前記マイクロ波信号源に接続されたストリップ線路と、バランを介して前記ストリップ線路に接続された平行２線線路からなり、前記生体情報検出手段は、当該平行２線線路上の検出対象者の生体情報を検出する、生体情報検出装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載された生体情報検出装置において、
前記生体情報検出手段は、前記伝送線路上のマイクロ波信号の１／８波長離れた２点で、前記入射信号と前記反射信号との混在により生成される定在波の振幅を検出する定在波検出部と、当該定在波検出部により検出された定在波の振幅の変化に基づいて生体情報を検出する生体情報検出部とを有する生体情報検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載された生体情報検出装置において、
前記生体情報検出部は、前記２点で検出された定在波の振幅の変化を相補的に用いて生体情報を検出する、生体情報検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載された生体情報検出装置において、
前記生体情報検出手段は、前記入射信号と前記反射信号の位相差を検出し、位相差の変化に基づいて生体情報を検出する、生体情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を用いて検出対象者の呼吸数、心拍数、体動及び存否（いる、いない）などの生体情報を検出する生体情報検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
呼吸数、心拍数及び体動などの生体情報は、医療や介護の現場において患者や被介護者の身体状態を知るための重要な情報の一つである。例えば被験者の呼吸数は、睡眠時無呼吸症候群やいびきなどの症状の把握、及びこれらの症状の改善に役立てることができる。また、ベッド上での患者や被介護者の身体の移動の様子を把握することも有益である。
【０００３】
従来、生体情報を検出する装置として、マイクロ波ドップラーセンサを用いた生体情報検出装置が知られている（特許文献１、非特許文献１及び２）。図４は、非特許文献１、２に記載された生体情報検出装置におけるマイクロ波ドップラーセンサを示す図である。
【０００４】
このマイクロ波ドップラーセンサは、マイクロ波信号源１、マイクロ波信号を伝送するストリップ線路２、マイクロ波信号源１からストリップ線路２に入力され、ストリップ線路２により伝送された入射信号S11を検出対象者６の存在する空間へ送信波S13として放射し、かつその反射波S14を受信して反射信号S12をストリップ線路２に入力するアンテナ２１、入射信号S11と反射信号S12との混在によりストリップ線路２上に生成される定在波のＡ点とＢ点（Ａ点とＢ点はストリップ線路２上でλg/8（λgはマイクロ波信号の波長）離れている。）の信号を整流するためのダイオード７，８、ダイオード７，８により整流された信号の電圧レベルを表すＩ，Ｑ信号を取り出すためのＬＰＦ（低域通過フィルタ）９，１０、及びＬＰＦ９，１０の出力から検出対象者６の呼吸や心拍による定在波の電圧レベルの変化を表すｉ，ｑ信号を取り出すためのＨＰＦ（高域通過フィルタ）１１，１２を備えている。
【０００５】
そして、生体情報検出装置は、ＨＰＦ１１，１２の出力から、生体情報として呼吸や心拍による生体表面の振動の周波数である呼吸数や心拍数を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５３７７６８９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】荒井，鈴木：“マイクロ波による微小変位計測の一方法”，電子通信学会  宇宙航行エレクトロニクス研究会技報，SANE 80-10（昭和55年6月）
【非特許文献２】荒井，鈴木：“マイクロ波生体変位計の一方式”，電子通信学会論文誌，J67-C,6，pp.513-520（昭和59年6月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の生体情報検出装置では、送信波S13は広い範囲（角度φa）に広がるので、検出対象者６以外の周囲の人体の動きや環境の振動の影響を受けてしまうという問題がある。また、空中にマイクロ波を放射するので電波法の制約を受けるという問題もある。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、検出対象者の周囲の人や環境の影響を受けることなく、かつ電波法の制約を受けることなく、検出対象者の生体情報の検出を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る生体情報検出装置は、マイクロ波信号を生成するマイクロ波信号源と、マイクロ波信号を伝送する無反射終端した伝送線路と、前記マイクロ波信号源から前記伝送線路に入力された入射信号と、前記伝送線路上の検出対象者で反射した漏れ電波の反射信号とに基づいて前記検出対象者の生体情報を検出する生体情報検出手段とを有する生体情報検出装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、検出対象者の周囲の人や環境の影響を受けることなく、かつ電波法の制約を受けることなく、検出対象者の生体情報を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る生体情報検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る生体情報検出装置の構成を示す図である。
【図３】図２におけるＩＱ検波回路の内部構成を示す図である。
【図４】従来の生体情報検出装置におけるマイクロ波ドップラーセンサを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施形態］
〈生体情報検出装置の構成〉
図１は、本発明の第１の実施形態に係る生体情報検出装置の構成を示す図である。この図において、図４と同一又は対応する部分には図４と同じ参照符号が付されている。
【００１４】
本実施形態に係る生体情報検出装置は、マイクロ波信号源１、一端がマイクロ波信号源１に接続され、他端がバラン（バランスーアンバランス変換器）３に接続されたストリップ線路２と、一端がバラン３に接続され、他端がインピーダンスZoの無反射終端５に接続された平行２線線路４とを備えている。ここで、平行２線線路４は、例えばその両端がベッドの幅方向の両端に位置するように配置される。
【００１５】
また、本実施形態に係る生体情報検出装置は、生体情報検出手段として、ストリップ線路２上の定在波のＡ点，Ｂ点の信号を整流するためのダイオード７，８と、それぞれダイオード７，８により整流された信号の電圧レベルを表すＩ，Ｑ信号を取り出すためのＬＰＦ９，１０と、ＬＰＦ９，１０の出力から、平行２線線路４上の検出対象者６の呼吸や心拍による定在波の電圧レベルの変化を表すｉ，ｑ信号を取り出すためのＨＰＦ１１，１２と、ＨＰＦ１１，１２の出力レベルを比較し、大きい方の出力を選択するためのスイッチ制御信号１３ａをスイッチ回路１４に供給するレベル比較回路１３と、スイッチ回路１４の出力から、それぞれ呼吸信号、心拍信号を検出する呼吸信号検出回路１５、心拍信号検出回路１６とを備えている。ここで、ＬＰＦ９以降の回路は、論理回路又はコンピュータのソフトウェアにより構成することができる。
【００１６】
〈生体情報検出装置の概略動作〉
マイクロ波信号源１はマイクロ波帯（1〜30GHz）のマイクロ波信号を生成し、ストリップ線路２の一端（図では左端）に入力する。ストリップ線路２に入力されたマイクロ波信号はストリップ線路２を右の負荷方向に入射信号S1として進み、バラン３を通して、検出対象者６の呼吸及び心拍の検出のための平行２線線路４に送信信号S3として供給される。
【００１７】
ここでは、伝送線路としての平行２線線路４は接続が平衡（バランス）なので、ストリップ線路２の不平衡（アンバランス）の結線とは直接には結合できない。さらに、ストリップ線路２の特性インピーダンスが50Ωであるのに対して平行２線線路４の特性インピーダンスZoは例えば300Ωなので、接続にはインピーダンス整合する必要がある。バラン３はインピーダンス整合すると同時に平行２線線路４の平衡（バランス）とストリップ線路２の不平衡（アンバランス）との変換を行う。平行２線線路４の終端には平行２線線路４の特性インピーダンスZo（ここでは300Ω）の無反射終端５が接続されているので、ここに入射した送信信号S5は反射せずにすべて吸収される。
【００１８】
したがって、平行２線線路４の上に検出対象者６がいなければ、反射信号S4＝0なので送信信号S3＝送信信号S5であり、無反射終端５にほとんど吸収される。つまり、ストリップ線路２からバラン３を通して平行２線線路４には殆ど全てのエネルギーが入射し、閉じ込めることができることになる。ただし、僅かではあるが平行２線線路４内のエネルギーが外に漏れて漏れ電波となるが、ごく僅かなので電波法の微弱電波内に納めることができ、電波法の制約は受けないことになる。
【００１９】
また、検出対象者６が平行２線線路４の上にいるときは、平行２線線路４の僅かな漏れ電波が検出対象者６で反射して反射信号S4として平行２線線路４の左方向に進み、バラン３を通してストリップ線路２を左方向に反射信号S2として進むことになる。
【００２０】
よって、ストリップ線路２には右に進む入射信号S1と左に進む反射信号S2とが混在することになり、ストリップ線路２には定在波が発生する。この定在波の電圧レベルをＡ点で観測すると、平行２線線路４の上の検出対象者６の呼吸及び心拍により反射信号S4の位相、したがって反射信号S2の位相が微小に変化するので、Ａ点の定在波の電圧レベルも微小変化する。よって、この定在波の電圧レベルの微小な変化を検出することにより、検出対象者６の呼吸及び心拍が検出できることになる。
【００２１】
ここで、平行２線線路４の上の検出対象者６の位置が変わると、ストリップ線路２上のＡ点の定在波の電圧レベルが大きく変化し、呼吸及び心拍による電圧レベルの微小な変化を検出する感度も大きく変化する。すなわち、検出対象者６の呼吸及び心拍による電圧レベルの微小な変化を検出する感度はバラン３から検出対象者６までの距離Rにより大きく変化し、感度が0の位置もある。このときは、Ａ点では呼吸及び心拍が検出できない。
【００２２】
そこで、本実施形態に係る生体情報検出装置では、このような距離Rにより感度が変化する現象を避けるために、ストリップ線路２上でＡ点からλg/8（ただしλgはストリップ線路２で伝送されるマイクロ波信号の波長）だけ離れた観測点のＢ点が設けられている。ここで、Ａ点の感度とＢ点の感度とは、Ａ点で低いときはＢ点で高く、逆にＢ点で低いときはＡ点で高いと言う相補的な関係があるので、両者を相補的に用いれば、平行２線線路４の上の検出対象者６の位置によらずに常に検出対象者６の呼吸及び心拍による電圧レベルの微小な変化が検出できることになる。
【００２３】
図１において、ストリップ線路２に設けられたＡ点とＢ点から定在波の電圧レベルを検出するために、まずダイオード７，８とＬＰＦ９，１０で半波整流してＩ，Ｑ信号として出力する。このＩ，Ｑ信号には定在波の電圧レベルに相当する直流分と呼吸及び心拍による電圧レベルの微小な変化成分が含まれているので、Ｉ，Ｑ信号の直流分のレベルが大きいなら検出対象者６がおり、小さいならいないと判定でき、次のＨＰＦ１１，１２で直流分を除去して、呼吸及び心拍による電圧レベルの微小な変化成分をｉ，ｑ信号として出力する。ここで、ダイオード７，８とＬＰＦ９，１０が定在波検出部に対応し、ＨＰＦ１１，１２が生体情報検出部に対応する。
【００２４】
ここで、ＬＰＦ９，１０の遮断周波数ｆcは、心拍数の検出対象の上限値に対応する10Hz（毎秒10回の心拍）程度に設定する。また、ＨＰＦ１１，１２の遮断周波数ｆcは、呼吸数の検出対象の下限値に対応する0.1Hz（10秒で1呼吸）程度に設定する。
【００２５】
ＨＰＦ１１，１２から出力されるｉ，ｑ信号を相補的に使用するため、ｉ，ｑ信号のレベルをレベル比較回路１３で比較し、大きい方のレベルの信号をスイッチ回路１４が選択するようにスイッチ制御信号１３ａをスイッチ回路１４に供給する。
【００２６】
スイッチ回路１４により選択されたｉ信号又はｑ信号は、呼吸信号検出回路１５及び心拍信号検出回路１６に入力される。呼吸信号検出回路１５は、入力されたｉ信号又はｑ信号中の例えば0.1Hz以上0.4Hz以下の信号を生体情報としての呼吸信号として検出する。また、心拍信号検出回路１６は、入力されたｉ信号又はｑ信号中の例えば0.5Hz以上10Hz以下の信号を生体情報としての心拍信号として検出する。図１における信号１４ａは呼吸信号の一例である。信号１４ａにおいて、信号が正の部分が吐出しに対応し、負の部分が吸込みに対応する。
【００２７】
〈生体情報検出装置の詳細な動作〉
次に本発明の実施形態に係る生体情報検出装置の詳細な動作を説明する。
図１において、Ａ点における入射信号S1(A)を
S1(A)＝2cosωｔ  …式〔１〕
とおけば、ストリップ線路２上でλg離れると位相が2π変化するので、λg/8離れたＢ点ではπ/4だけ位相が遅れる。よって、Ｂ点における入射信号S1(B)は
S1(B)＝2cos(ωt−π/4)  …式〔２〕
で表される。
【００２８】
一方、Ａにおける反射信号S2(A)は
S2(A)＝A1cos(ωt−θ1)＋A2cos(ωt−2βR−θ2)  …式〔３〕
で表される。ここに、A1、A2は信号の振幅、ω＝2πf、f＝周波数、t＝時間、θ1、θ2＝固定位相であり、β＝2π/λg（位相定数）である。
【００２９】
式〔３〕において、第一項目は平行２線線路４の上の検出対象者６に関係のないバラン３の反射などによるもので、平行２線線路４の左端から検出対象者６までの距離Rを含まないので固定信号である。また、第二項目が平行２線線路４の上の検出対象者６による反射信号であり、呼吸及び心拍による位相の変化は距離Rの微小な変化によるものである。
【００３０】
Ａ点における検波出力Ｉは、式〔１〕と式〔３〕より
Ｉ＝ＬＰＦ［S1(A）×S2(A）］
＝ＬＰＦ［2cosωt×（A1cos(ωt−θ1)＋A2cos(ωt−2βR−θ2)）］
＝A1cosθ1＋A2cos(2βR＋θ2)  …式〔４〕
で表される。ここで、ＬＰＦ［…］は［…］内の出力のうち低周波成分を出力することを意味する。
【００３１】
式〔４〕において、第二項目における距離Rは検出対象者６の呼吸等により微小な変化ΔRを有するので、
R＝R2−ΔR  …式〔５〕
とおけば、式〔４〕は次式〔６〕で表される。
Ｉ＝A1cosθ1＋A2cos(2βR2＋θ2−2βΔR)
≒A1cosθ1＋A2cos(2βR2＋θ2)＋2βA2ΔRsin(2βR2＋θ2)  …式〔６〕
【００３２】
ここで、第一項と第二項は直流成分なので、次のＨＰＦ１１で除去すれば
ｉ＝2βA2ΔRsin(2βR2＋θ2)  …式〔７〕
が得られる。この式において、ΔR以外は距離Rの微小変化に依存しない固定値なので、呼吸及び心拍による距離Rの微小変化ΔRが求まる。ただし、2βΔRの絶対値は十分小さいものとする。
【００３３】
式〔７〕によれば、平行２線線路４の上の検出対象者６による反射信号S2から呼吸及び心拍による距離Rの微小変化ΔRが求められるが、その検出感度は係数のsin(2βR2+θ2)に依存する。すなわち、例えばsin(2βR2＋θ2)≒0になる距離R2が存在する。
【００３４】
そこで、Ａ点からλg/8離れたＢ点でも同様に検出すれば、λg/8離れたＢ点ではπ/4だけ位相が進んでいるから、Ｂ点の反射信号S2(B）は
S2(B）＝A1cos(ωt−θ1＋π/4)＋A2cos(ωt−2βR−θ2＋π/4)  …式〔８〕
なので、
Ｑ＝ＬＰＦ［S1(B)×S2(B）］
＝A1cos(θ1−π/2)＋A2cos(2βR＋θ2−π/2)
＝A1sinθ1＋A2sin(2βR＋θ2)  …式〔９〕
で表される。
【００３５】
よって、ｉと同様にＨＰＦ１２の出力として、下記の式〔１０〕でｑが求められる。
ｑ＝2βA2ΔRcos(2βR2＋θ2)  …式〔１０〕
ここで、式〔７〕より、ｉにおいてsin(2βR2＋θ2)≒0になる距離R2では、式〔１０〕より、ｑではcos(2βR2＋θ2)≒±1になるので、Ａ点で検出したｉ信号とＢ点で検出したｑ信号は相補的な変化をする。したがって、両者を選択的に用いれば、常に７割以上の感度が得られる。前述したように、本実施形態では、レベル比較回路１３とスイッチ回路１４により、ｉ信号のレベルとｑ信号のレベルとを比較し、大きい方を選択する。
【００３６】
［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態に係る生体情報検出装置の構成を示す図であり、図３は、図２におけるＩＱ検波回路の内部構成を示す図である。これらの図において、図１と同一又は対応する部分には図１と同じ参照符号が付されている。
【００３７】
本実施形態に係る生体情報検出装置は、分配回路１７とＩＱ検波回路１８を備えていることが第１の実施形態に係る生体情報検出装置との相違であり、それ以外の部分は第１の実施形態に係る生体情報検出装置と同じである。
【００３８】
分配回路１７は、マイクロ波信号源１とバラン３との間に配置されており、第１の分配回路１７ａと第２の分配回路１７ｂを備えている。第１の分配回路１７ａは、マイクロ波信号源１からの入射信号S1を第２の分配回路１７ｂに供給し、かつＩＱ検波回路１８のLO（ローカル）端子に供給する。また、第２の分配回路１７ｂは、入力された入射信号S1をバラン３へ供給し、かつバラン３からの反射信号S4を反射信号S2としてＩＱ検波回路１８のRF（無線周波）端子に供給する。
【００３９】
ＩＱ検波回路１８は、LOとRFとの間に接続されたストリップ線路２、及びストリップ線路２上の定在波のＡ点，Ｂ点の信号を整流するためのダイオード７，８を備えている。Ａ点，Ｂ点の信号、及びそれ以降の各回路で検出される信号（Ｉ，Ｑ，ｉ，ｑ等）は、第１の実施形態に係る生体情報検出装置と同じである。
【００４０】
第１の実施形態に係る生体情報検出装置では、マイクロ波信号の増幅器を任意の部位に挿入することができないのに対し、本実施形態に係る生体情報検出装置では、第１の分配回路１７ａと第２の分配回路１７ｂとの間の伝送線１７ｃ、第１の分配回路１７ａとＩＱ検波回路１８との間の伝送線１９、第２の分配回路１７ｂとＩＱ検波回路１８との間の伝送線２０に挿入することができる。したがって、本実施形態に係る生体情報検出装置は、第１の実施形態に係る生体情報検出装置と比べて、より安定した生体情報を検出することができる。
【００４１】
以上詳細に説明したように、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態に係る生体情報検出によれば、マイクロ波信号源１から発せられたマイクロ波をアンテナで空中に放射しないで、無反射終端した伝送線路である平行２線線路４に直接給電することにより、伝送線路内にマイクロ波電波を閉じ込めるため、マイクロ波電波が外にはわずかしか漏れない。このため、電波法の微弱電波の範囲に収まる。また、伝送線路のわずかな漏れ電波を利用して伝送線路上に横たわる人の呼吸及び心拍を検出することができる。
【００４２】
［変形例］
本発明は、以上説明した実施形態について下記（１）〜（４）のような変形が可能である。
（１）第１の実施形態及び第２の実施形態において、平行２線線路４に代えてストリップ線路又は同軸線路を使用する。この場合にはバラン３は不要となる。
（２）第２の実施形態において、ＩＱ検波回路１８に代えて、一般的な市販のＩＱ検波回路を用いる。
（３）第１の実施形態及び第２の実施形態において、入射信号S1と反射信号S2の位相差を直接的に求め、位相差の変化に基づいて生体情報を検出する。この構成の場合、ストリップ線路２上の任意の１点で入射信号S1と反射信号S2を取り出し、その位相差を検出すればよい。位相差を検出する回路としては、例えばアナログデバイセズ株式会社のAD8302を使用することができる。
（４）マイクロ波信号源１としてＶＣＯ（電圧制御発振回路）を用いて通常のＦＭ−ＣＷレーダー方式にして、検出対象者６までの距離Rを求める。
【符号の説明】
【００４３】
１…マイクロ波信号源、２…ストリップ線路、３…バラン、４…平行２線線路、５…無反射終端、６…検出対象者、７，８…ダイオード、９，１０…ＬＰＦ、１１，１２…ＨＰＦ、１３…レベル比較回路、１４…スイッチ回路、１５…呼吸信号検出回路、１６…心拍信号検出回路、１７…分配回路、１８…ＩＱ検波回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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