(57)【要約】【課題】乗員の生体信号の精度の劣化を防止する生体信号検知装置を提供する。【解決手段】自動車の乗員の生体信号を検知する生体信号検知装置であって、電波式の無変調ドップラーセンサにより前記乗員の動きを検知するセンサ部（１０１）と、センサ部（１０１）の出力の位相変化に基づいて、乗員の生体信号を抽出する生体信号抽出部（１０２）と、センサ部（１０１）の出力の位相変化量の積分値に基づいて、センサ部（１０１）と乗員との推定距離ｒ（ｔ）を算出する距離算出部（１０３）と、推定距離ｒ（ｔ）に基づいて、生体信号の信頼度を判定し、信頼度が低い場合には生体信号の出力を中止する生体信号出力判定部（１０４）とを備える。【選択図】図１
2010120493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の乗員の生体信号を検知する生体信号検知装置であって、
電波式のセンサにより前記乗員の動きを検知するセンサ部と、
前記センサ部が出力した検出信号に基づいて、前記乗員の生体信号を抽出する生体信号抽出部と、
前記センサ部が出力した検出信号に基づいて、前記センサ部と前記乗員との推定距離を算出する距離算出部と、
前記距離算出部が算出した推定距離に基づいて、前記生体信号の信頼度を判定し、前記信頼度が低い場合には、前記生体信号の出力を中止する生体信号出力判定部とを備える、生体信号検知装置。
【請求項２】
前記センサ部は、電波式の無変調ドップラーセンサであり、
前記生体信号抽出部は、前記センサ部が出力した検出信号の位相変化に基づいて、前記乗員の生体信号を抽出し、
前記距離算出部は、前記センサ部が出力した検出信号の位相変化量の積分値に基づいて、前記センサ部と前記乗員との推定距離を算出することを特徴とする、請求項１に記載の生体信号検知装置。
【請求項３】
前記センサ部は、電波式のパルス変調ドップラーセンサであり、
前記生体信号抽出部は、前記センサ部が出力した検出信号の位相変化に基づいて、前記乗員の生体信号を抽出し、
前記距離算出部は、前記センサ部から送信された信号が前記乗員に反射して再び前記センサ部に戻ってくるまでの時間に基づいて、前記センサ部と前記乗員との推定距離を算出することを特徴とする、請求項１に記載の生体信号検知装置。
【請求項４】
前記生体信号は、前記乗員の心拍を示す心拍信号または呼吸を示す呼吸信号の少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１に記載の生体信号検知装置。
【請求項５】
前記センサ部は、前記乗員の後方に設置され、
前記生体信号出力判定部は、前記距離算出部が算出した推定距離が所定の距離閾値以上である場合に、前記生体信号の信頼度が低いと判定して、前記生体信号の出力を中止することを特徴とする、請求項１に記載の生体信号検知装置。
【請求項６】
前記センサ部は、前記乗員が着座する座席の背もたれ部に設置されることを特徴とする、請求項５に記載の生体信号検知装置。
【請求項７】
前記センサ部は、前記乗員の前方に設置され、
前記生体信号出力判定部は、前記距離算出部が算出した推定距離が所定の距離閾値以下である場合に、前記生体信号の信頼度が低いと判定して、前記生体信号の出力を中止することを特徴とする、請求項１に記載の生体信号検知装置。
【請求項８】
前記センサ部は、前記自動車のステアリングホイール部、インストルメントパネル部、またはダッシュボード部に設置されることを特徴とする、請求項７に記載の生体信号検知装置。
【請求項９】
前記生体信号抽出部は、前記センサ部が出力した検出信号の実数部Ｂｉ（ｔ）と、虚数部Ｂｑ（ｔ）とを用いて、当該検出信号から位相信号Φ（ｔ）を算出する位相信号算出部を備え、
前記距離算出部は、
時刻（ｔ−１）における前記位相信号Φ（ｔ−１）と、時刻ｔにおける前記位相信号Φ（ｔ）との差分から、前記時刻ｔにおける前記位相信号Φ（ｔ）の変化量である位相変化量ΔΦ（ｔ）を算出する位相変化量算出部と、
前記時刻（ｔ−１）における前記位相信号Φ（ｔ−１）と、前記時刻ｔにおける前記位相変化量ΔΦ（ｔ）とを加算することで、前記時刻ｔにおける位相積分値θ（ｔ）を算出する位相積分値算出部と、
前記位相積分値θ（ｔ）と、前記センサ部から送信される送信信号の中心周波数の波長λに基づいて、下記式により、前記センサ部と前記乗員との推定距離ｒ（ｔ）を算出する推定距離算出部とを備える、請求項２に記載の生体信号検出装置。
Φ（ｔ）＝Ａｒｃｔａｎ（Ｂｑ（ｔ）／Ｂｉ（ｔ））
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）
ただし、（ｔ＝０）
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）−Φ（ｔ−１）＋２π
だだし、（ｔ＞０、Φ（ｔ−１）＞０、Φ（ｔ）＜０）
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）−Φ（ｔ−１）−２π
だだし、（ｔ＞０、Φ（ｔ−１）＜０、Φ（ｔ）＞０）
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）−Φ（ｔ−１）
ただし、（上記以外）
θ（ｔ）＝Φ（ｔ）
ただし、（ｔ＝０）
θ（ｔ）＝θ（ｔ−１）＋ΔΦ（ｔ）
ただし、（ｔ＞０）
ｒ（ｔ）＝λ・θ（ｔ）／４π
【請求項１０】
自動車の乗員の生体信号を検知する生体信号検知方法であって、
電波式のセンサにより前記乗員の動きを検知するセンサステップと、
前記センサステップが出力した検出信号に基づいて、前記乗員の生体信号を抽出する生体信号抽出ステップと、
前記センサステップが出力した検出信号に基づいて、前記センサと前記乗員との推定距離を算出する距離算出ステップと、
前記距離算出ステップが算出した推定距離に基づいて、前記生体信号の信頼度を判定し、前記信頼度が低い場合には、前記生体信号の出力を中止する生体信号出力判定ステップとを備える、生体信号検知方法。
【請求項１１】
前記生体信号は、前記乗員の心拍を示す心拍信号または呼吸を示す呼吸信号の少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の生体信号検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の乗員、とりわけ運転手における、心拍や呼吸などの生体信号を検知する生体信号検知装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、車両の運転者の居眠り運転や眠気による集中力低下を原因とする交通事故が社会的に問題となっている。運転者の覚醒度を客観的に検知し、運転に支障のある状態まで覚醒度が低下した場合には、乗員を覚醒させたり、休憩を促したりする居眠り運転防止システムの実現が望まれている。
【０００３】
車室内のカメラ（近赤外線ＬＥＤ内蔵）で検知した運転者の瞼の開度にもとづいて運転者の眠気を判定するシステムが２００８年２月に世界で初めて商品化されたが、帽子を深く被るなど目がカメラによって撮像されない場合は瞼の開度を検知できない、上記カメラが比較的高価である、等の問題があった。
【０００４】
一方、比較的低コストで簡便に運転者の覚醒度を判定する生理指標として心拍や呼吸が着目され、これらを検知するための種々のセンサが検討されている。これらのセンサを車室内に設置して運転者の心拍や呼吸を検知する際には、運転者がわざわざセンサを装着することなく無意識のうちに検知することが望まれる。すなわち、運転者にとって無拘束なセンサが必要である。このような無拘束なセンサのひとつとして、マイクロ波ドップラーセンサを用いて乗員の心拍を計測する心拍計測装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に開示されている発明は、マイクロ波ドップラーセンサの受信信号を極座標変換して得られる振幅成分と位相成分とに対して独立成分分析を行うことにより、受信信号から体動の影響を除去した正確な心拍の計測を行うものである。
【特許文献１】特開２００６−５５５０４号公報
【非特許文献１】Ａ．  Ｄｒｏｉｔｃｏｕｒ  ｅｔ  ａｌ．：  “Ｒａｎｇｅ  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｉ／Ｑ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｂｅｎｅｆｉｔｓ  ｉｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｈｉｐ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｄｏｐｐｌｅｒ  Ｒａｄａｒｓ  ｆｏｒ  Ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔ  Ｃａｒｄｉｏｐｕｌｍｏｎａｒｙ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ”，  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，  Ｖｏｌ．５２，  Ｎｏ．３，  Ｍａｒｃｈ  ２００４，  ｐｐ．８３９−８４０．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１における体動とは、心臓の伸縮運動に応じて人体自身が動くことであり、いわゆる心弾動あるいはバリストカルジオグラムとして知られるものである。通常の運転操作時は、運転手の上半身が運転座席の背もたれにほぼ密着した状態であり、上記特許文献１に開示の心拍計測でも問題はないが、運転者が実際に車両を運転している最中は、上記体動だけでなく、上半身がより大きく動くことが想定される。例えば、エアコンやカーオーディオ等を操作する、見通しの悪い場所での視界確保のために前屈みの姿勢をとる、運転で萎縮した筋肉を伸ばすために上半身のストレッチ運動をする等が挙げられる。このような場合は、上半身が運転座席の背もたれから離れた状態となり、心拍による微小な変位よりもはるかに大きな上半身の変位が生じる可能性が高い。上記従来の発明では、このように上半身がダイナミックに動いた場合に対応した処理を行わないために、計測した心拍の精度が低下してしまう恐れがある。
【０００７】
それ故に、本発明の目的は、このような課題を解決するためになされたものであり、運転中に運転者の上半身が運転座席の背もたれから離れて不安定になった場合であっても、運転者の生体信号の精度劣化を防止する生体信号検知装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本願の第１の局面は、自動車の乗員の生体信号を検知する生体信号検知装置であって、電波式のセンサにより乗員の動きを検知するセンサ部と、センサ部が出力した検出信号に基づいて、乗員の生体信号を抽出する生体信号抽出部と、センサ部が出力した検出信号に基づいて、センサ部と乗員との推定距離を算出する距離算出部と、距離算出部が算出した推定距離に基づいて、生体信号の信頼度を判定し、信頼度が低い場合には、生体信号の出力を中止する生体信号出力判定部とを備える。
【０００９】
本願の第２の局面は、第１の局面による生体信号検知装置において、センサ部は、電波式の無変調ドップラーセンサであり、生体信号抽出部は、センサ部が出力した検出信号の位相変化に基づいて、乗員の生体信号を抽出し、距離算出部は、センサ部が出力した検出信号の位相変化量の積分値に基づいて、センサ部と乗員との推定距離を算出することを特徴とする。
【００１０】
本願の第３の局面は、第１の局面による生体信号検知装置において、センサ部は、電波式のパルス変調ドップラーセンサであり、生体信号抽出部は、センサ部が出力した検出信号の位相変化に基づいて、乗員の生体信号を抽出し、距離算出部は、センサ部から送信された信号が乗員に反射して再びセンサ部に戻ってくるまでの時間に基づいて、センサ部と乗員との推定距離を算出することを特徴とする。
【００１１】
本願の第４の局面は、第１の局面による生体信号検知装置において、生体信号が、乗員の心拍を示す心拍信号または呼吸を示す呼吸信号の少なくとも一方を含むことを特徴とする。
【００１２】
上記本願の第１〜４の局面では、心拍、呼吸、上半身の移動を含む乗員の動きに伴って変化するセンサ部が出力した検出信号の位相変化から、心拍信号又は呼吸信号の少なくとも一方を含む生体信号を抽出する。この位相の変化量は、ドップラーセンサのキャリア周波数で決定される波長と線形の関係があることを利用し、位相変化量の積分値からセンサ部と乗員との推定距離を算出する。そして、推定距離に基づいて、生体信号の信頼度を判定し、信頼度が低い場合には前記生体信号の出力を中止することで、生体信号の精度劣化を防止する。
【００１３】
本願の第５の局面は、第１の局面による生体信号検知装置において、センサ部は乗員の後方に設置され、生体信号出力判定部は、距離算出部が算出した推定距離が所定の距離閾値以上である場合に、生体信号の信頼度が低いと判定して、生体信号の出力を中止することを特徴とする。
【００１４】
本願の第６の局面は、第５の局面による生体信号検知装置において、センサ部は、乗員が着座する座席の背もたれ部に設置されることを特徴とする。
【００１５】
上記本願の第５および第６の局面は、センサ部を座席の背もたれ部など乗員の後方に設置した場合であり、センサ部と乗員との推定距離が所定の距離閾値以上である場合に、生体信号の信頼度が低いと判定して、生体信号の出力を中止することで、生体信号の精度劣化を防止するものである。
【００１６】
本願の第７の局面は、第１の局面による生体信号検知装置において、センサ部は乗員の前方に設置され、生体信号出力判定部は、距離算出部が算出した推定距離が所定の距離閾値以下である場合に、生体信号の信頼度が低いと判定して、生体信号の出力を中止することを特徴とする。
【００１７】
本願の第８の局面は、第７の局面による生体信号検知装置において、センサ部は、自動車のステアリングホイール部、インストルメントパネル部、またはダッシュボード部に設置されることを特徴とする。
【００１８】
上記本願の第７および第８の局面は、センサ部をステアリングホイール部、インストルメントパネル部、またはダッシュボード部など乗員の前方に設置した場合であり、センサ部と乗員との推定距離が所定の距離閾値以下である場合、生体信号の信頼度が低いと判定して生体信号の出力を中止することで、生体信号の精度劣化を防止する。
【００１９】
本願の第９の局面は、第２の局面による生体信号検知装置において、生体信号抽出部は、センサ部出力した検出信号の実数部Ｂｉ（ｔ）と、虚数部Ｂｑ（ｔ）とを用いて、検出信号から位相信号Φ（ｔ）を算出する位相信号算出部を備え、距離算出部は、時刻（ｔ−１）における位相信号Φ（ｔ−１）と、時刻ｔにおける位相信号Φ（ｔ）との差分から、時刻ｔにおける位相信号Φ（ｔ）の変化量である位相変化量ΔΦ（ｔ）を算出する位相変化量算出部と、時刻（ｔ−１）における位相信号Φ（ｔ−１）と、時刻ｔにおける位相変化量ΔΦ（ｔ）とを加算することで、時刻ｔにおける位相積分値θ（ｔ）を算出する位相積分値算出部と、位相積分値θ（ｔ）と、センサ部から送信される送信信号の中心周波数の波長λに基づいて、下記式により、センサ部と乗員との推定距離ｒ（ｔ）を算出する推定距離算出部とを備えることを特徴とする。
Φ（ｔ）＝Ａｒｃｔａｎ（Ｂｑ（ｔ）／Ｂｉ（ｔ））
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）
ただし、（ｔ＝０）
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）−Φ（ｔ−１）＋２π
だだし、（ｔ＞０、Φ（ｔ−１）＞０、Φ（ｔ）＜０）
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）−Φ（ｔ−１）−２π
だだし、（ｔ＞０、Φ（ｔ−１）＜０、Φ（ｔ）＞０）
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）−Φ（ｔ−１）
ただし、（上記以外）
θ（ｔ）＝Φ（ｔ）
ただし、（ｔ＝０）
θ（ｔ）＝θ（ｔ−１）＋ΔΦ（ｔ）
ただし、（ｔ＞０）
ｒ（ｔ）＝λ・θ（ｔ）／４π
【００２０】
上記本願の第９の局面は、センサ部が出力した検出信号から位相信号を算出し、これを帯域制限することによって、位相信号から心拍信号又は呼吸信号を抽出する。また、位相信号の変化量である位相変化量を算出し、当該位相変化量から位相積分値を算出することで、センサ部と乗員との推定距離を算出することが可能となる。
【００２１】
本願の第１０の局面は、自動車の乗員の生体信号を検知する生体信号検知方法であって、センサにより乗員の動きを検知するセンサステップと、センサステップが出力した検出信号に基づいて、乗員の生体信号を抽出する生体信号抽出ステップと、センサステップが出力した検出信号に基づいて、センサと乗員との推定距離を算出する距離算出ステップと、距離算出ステップが算出した推定距離に基づいて、生体信号の信頼度を判定し、信頼度が低い場合には、生体信号の出力を中止する生体信号出力判定ステップとを備える。
【００２２】
本願の第１１の局面は、第１０の局面による生体信号検知方法において、生体信号が、乗員の心拍を示す心拍信号または呼吸を示す呼吸信号の少なくとも一方を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明に係る生体信号検知装置では、乗員の動きに伴って変化するセンサ部が出力した検出信号からセンサ部と乗員との推定距離を算出する。そして、推定距離と所定の距離閾値との大小関係から生体信号の信頼度を判定し、信頼度が低い場合には生体信号の出力を中止する。よって、乗員が運転中に前屈みになるなどして上半身が座席の背もたれを離れ、上半身が不安定になった場合でも、生体信号の精度劣化を防止することが可能である。この生体信号検知装置を用いて覚醒度の判定を行えば、乗員の覚醒度の判定精度を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る生体信号検知装置について、図１から図６を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る生体信号検知装置１００の構成の一例を示すブロック図である。図１において、生体信号検知装置１００は、センサ部１０１、生体信号抽出部１０２、距離算出部１０３、及び生体信号出力判定部１０４からなる。図２は、本発明の第１の実施形態に係る生体信号検知装置１００を車室内に設置した様子を示す図である。図２に示すように、生体信号検知装置１００は、運転手２０１が着座する運転座席２０２の背もたれ部に設置される。
【００２６】
生体信号検知装置１００を設置する際、少なくともセンサ部１０１が運転座席２０２の背もたれ部に内蔵されていればよく、生体信号抽出部１０２、距離算出部１０３、及び生体信号出力判定部１０４は、別の場所に設置されてもよい。すなわち、少なくともセンサ部１０１が、運転者２０１の後方に設置されていればよい。センサ部１０１は、運転者２０１の背中に向けて送信信号を照射する。
【００２７】
図２において、ｄ（ｔ）は、生体信号検知装置１００内のセンサ部１０１と運転手２０１との間の距離変位であり、ｘ（ｔ）は、運転手２０１の心拍や呼吸を含む体表面の微小な距離変位である。これらはいずれも時間と共に変動するため時刻ｔの関数として定義されるが、通常の運転操作においては、運転手２０１の上半身は運転座席２０２の背もたれに密着しており、ｄ（ｔ）はほぼ固定値と考えてよい。
【００２８】
センサ部１０１は、電波式の無変調ドップラーセンサである。図３は、センサ部１０１の構成の一例を示すブロック図である。図３において、センサ部１０１は、局部発振器３０１、分配器３０２、送信アンテナ３０３、受信アンテナ３０４、分配器３０５、混合器３０６、３０７、分配器３０８、ローパスフィルタ３０９、３１０、及びＡＤコンバータ３１１、３１２を備える。
【００２９】
局部発振器３０１からは、（数１）で表される周波数ｆ［Ｈｚ］の局部信号Ｔ（ｔ）が出力される。本実施形態においては、一例として、ｆ＝２．４ＧＨｚとする。
（数１）
Ｔ（ｔ）＝ｃｏｓ（２πｆｔ）
【００３０】
局部信号Ｔ（ｔ）は、分配器３０２で２つに分配され、一方の局部信号Ｔ（ｔ）は送信アンテナ３０３に給電されて運転手２０１に向けて放射される。放射された電波の一部は反射され、（数２）で近似される受信信号Ｒ（ｔ）として受信アンテナ３０４で受信される。ただし、λ［ｍ］は局部信号Ｔ（ｔ）の波長であり、光速をｃ［ｍ／ｓ］としてｃ／ｆで求められる。本実施形態においては、ｆ＝２．４ＧＨｚより、λ＝１２５ｍｍである。ただし、λ［ｍ］はセンサ部１０１から送信される送信信号の中心周波数の波長である。
（数２）
Ｒ（ｔ）＝ｃｏｓ（２πｆｔ−4πｄ（ｔ）／λ−４πｘ（ｔ）／λ）
【００３１】
受信信号Ｒ（ｔ）は、分配器３０５で２つに分配されて混合器３０６、および混合器３０７に入力される。また、分配器３０２で分配された他方の局部信号Ｔ（ｔ）は、分配器３０８で一方の位相のみがπ／４［ｒａｄ］シフトされた状態で２つに分配され、それぞれ混合器３０６、および混合器３０７に入力される。混合器３０６および混合器３０７では、入力された局部信号Ｔ（ｔ）と受信信号Ｒ（ｔ）とが混合される。混合器３０６および混合器３０７では、乗算動作によってＤＣ領域に近いベースバンド成分、および４．８ＧＨｚ成分をはじめとする変調成分が出力されるが、その出力信号をそれぞれローパスフィルタ３０９およびローパスフィルタ３１０を通過させることによって、ベースバンド成分のみを含んだベースバンド受信信号の実数部Ｂｉ（ｔ）および虚数部Ｂｑ（ｔ）が得られる。
【００３２】
ベースバンド受信信号の実数部Ｂｉ（ｔ）および虚数部Ｂｑ（ｔ）は、それぞれ（数３）および（数４）で表される。これらは更にＡＤコンバータ３１１、およびＡＤコンバータ３１２によってアナログ信号からデジタル信号に変換され、センサ部１０１が出力した検出信号として、生体信号抽出部１０２に入力される。なお、（数２）、（数３）及び（数４）の導出については、非特許文献１が詳しいので、本明細書においては説明を省略し、結果のみを示すこととする。
（数３）
Ｂｉ（ｔ）＝１／２ｃｏｓ（４πｄ（ｔ）／λ＋４πｘ（ｔ）／λ）
（数４）
Ｂｑ（ｔ）＝１／２ｃｏｓ（π／４＋４πｄ（ｔ）／λ＋４πｘ（ｔ）／λ）
【００３３】
図５は、生体信号検出装置１００を用いて検出する各種信号の時間波形を示す図である。図５（ａ）は、ベースバンド受信信号の時間波形を示す図である。図５（ａ）において、ベースバンド受信信号の実数部Ｂｉ（ｔ）の時間波形を実線で、虚数部Ｂｑ（ｔ）の時間波形を破線で示す。
【００３４】
次に、生体信号抽出部１０２、距離算出部１０３、及び生体信号出力判定部１０４のブロック構成を図４に示す。生体信号抽出部１０２は、位相信号算出部４０１、心拍信号抽出部４０２、及び呼吸信号抽出部４０３を備える。距離算出部１０３は、位相変化量算出部４０５、位相積分値算出部４０６、及び推定距離算出部４０７を備える。生体信号出力判定部１０４は、信頼度判定部４０８を備える。
【００３５】
まず、生体信号抽出部１０２において、位相信号算出部４０１は、ベースバンド受信信号における位相信号Φ（ｔ）を（数５）により求める。
（数５）
Φ（ｔ）＝Ａｒｃｔａｎ（Ｂｑ（ｔ）／Ｂｉ（ｔ））
【００３６】
ここで、（数３）および（数４）の右辺にはｄ（ｔ）とｘ（ｔ）とが含まれているが、先述したように、通常の運転操作においては、運転手２０１の上半身は運転座席２０２の背もたれに密着しており、ｄ（ｔ）はほぼ固定値と考えてよい。よって、実数部Ｂｉ（ｔ）、および虚数部Ｂｑ（ｔ）の取る値は、ｘ（ｔ）によって支配的に決定される。ｘ（ｔ）は、運転手２０１の体表面の微小な変位であり、心拍や呼吸をよく反映する。
【００３７】
（数３）および（数４）の右辺内のｘ（ｔ）の項より、ｘ（ｔ）がλ／２変化する毎に位相が２π変化する。本実施形態においてはλ＝１２５ｍｍであるため、ｘ（ｔ）が１ｍｍ変化すると位相が５．８ｄｅｇ変化することになる。よって、（数５）で求められる位相Φ（ｔ）により、心拍や呼吸のような微小な変位も高感度に検知することが可能である。図５（ａ）のベースバンド受信信号から求めた位相信号Φ（ｔ）の時間波形を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）に示す時間波形には、心拍および呼吸による変動成分が含まれている。
【００３８】
次に、心拍信号抽出部４０２は、位相信号Φ（ｔ）より心拍信号Ｈｂ（ｔ）を抽出する。心拍信号抽出部４０２は、位相信号Φ（ｔ）を、例えば、通過帯域が０．８〜２．０Ｈｚ程度のバンドパスフィルタを通過させることによって、図５（ｃ）のような心拍信号Ｈｂ（ｔ）を抽出する。なお、上記バンドパスフィルタの通過帯域は固定値ではなく、上記位相信号Φ（ｔ）に対してスペクトラム解析を行い、心拍が通常とりうる周波数帯域内においてスペクトラムが極大値をとる周波数を含む、適当な周波数範囲をバンドパスフィルタの通過帯域に設定してもよい。
【００３９】
次に、呼吸信号抽出部４０３は、位相信号Φ（ｔ）より呼吸信号Ｒｓｐ（ｔ）を抽出する。呼吸信号抽出部４０３は、例えば、通過帯域が０．１〜０．３Ｈｚ程度のバンドパスフィルタを通過させることによって、図５（ｄ）のような呼吸信号Ｒｓｐ（ｔ）を抽出する。なお、上記バンドパスフィルタの通過帯域は固定値ではなく、上記位相信号Φ（ｔ）に対してスペクトラム解析を行い、呼吸が通常とりうる周波数帯域内においてスペクトラムが極大値をとる周波数を含む、適当な周波数範囲をバンドパスフィルタの通過帯域に設定してもよい。
【００４０】
以上のように、通常の運転操作時、つまり、運転手２０１の上半身が運転座席２０２の背もたれに密着し、ｄ（ｔ）がほぼ固定値と見なせる場合においては、運転手２０１の心拍信号Ｈｂ（ｔ）および呼吸信号Ｒｓｐ（ｔ）を精度よく抽出することができる。しかし、エアコンやカーオーディオ等を操作する際や、見通しの悪い場所での視界確保のために前屈みの姿勢をとる際や、運転で萎縮した筋肉を伸ばすために上半身のストレッチ運動をする際等の動作により、運転手２０１の上半身が運転座席２０２の背もたれから離れた場合には、心拍や呼吸によって生じる変位ｘ（ｔ）よりもはるかに大きな変位ｄ（ｔ）が発生する。この場合、（数３）および（数４）より、ベースバンド受信信号の実数部Ｂｉ（ｔ）および虚数部Ｂｑ（ｔ）のとる値は、ｄ（ｔ）の変化によって支配的に決定され、心拍や呼吸に伴う微小変位ｘ（ｔ）を精度よく検知するのは困難となる。
【００４１】
そこで、距離算出部１０３、及び生体信号出力判定部１０４は、センサ部１０１と運転手２０１との距離ｄ（ｔ）が所定閾値を超えたら、運転手２０１の上半身が運転座席２０２の背もたれから離れて不安定な状態であり、生体信号の信頼度が低いと判定してその出力を停止することにより、生体信号の精度劣化を防止する。ただし、センサ部１０１と運転手２０１との距離変位ｄ（ｔ）の算出は、センサ部１０１の無変調ドップラーセンサを用いては原理的にできないので、所定の処理が必要になる。上記の処理を実現する距離算出部１０３、及び生体信号出力判定部１０４の動作を引き続き説明する。
【００４２】
距離算出部１０３において、位相変化量算出部４０５は、位相変化量ΔΦ（ｔ）を（数６）により算出する。上述した（数５）で求まる位相信号Φ（ｔ）は絶対位相を示しており、時刻ｔにおける位相信号Φ（ｔ）と、時刻ｔ−１における位相信号Φ（ｔ−１）との差分をとることで、時刻ｔ−１から時刻ｔに至るまでの位相の変化量が求まる。（数６）におけるΦ（ｔ−１）およびΦ（ｔ）の符号による場合分けについては後述する。なお、本実施形態においては、時刻ｔを０から始めて１ずつカウントアップしているが、この１という時間は、ＡＤコンバータ３１１、３１２におけるサンプリングの一周期に相当するものである。
（数６）
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）
ただし、（ｔ＝０）
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）−Φ（ｔ−１）＋２π
だだし、（ｔ＞０、Φ（ｔ−１）＞０、Φ（ｔ）＜０）
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）−Φ（ｔ−１）−２π
だだし、（ｔ＞０、Φ（ｔ−１）＜０、Φ（ｔ）＞０）
ΔΦ（ｔ）＝Φ（ｔ）−Φ（ｔ−１）
ただし、（上記以外）
【００４３】
位相積分値算出部４０６は、位相変化量ΔΦ（ｔ）が求まったら、位相積分値θ（ｔ）を（数７）により算出する。具体的には、位相積分値算出部４０６は、時刻ｔ−１における位相積分値θ（ｔ−１）と、時刻ｔにおける位相変化量ΔΦ（ｔ）とを加算することで、時刻ｔにおける位相積分値θ（ｔ）を求める。
（数７）
θ（ｔ）＝Φ（ｔ）                  （ｔ＝０）
θ（ｔ）＝θ（ｔ−１）＋ΔΦ（ｔ）  （ｔ＞０）
【００４４】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る生体信号検知装置１００が検出するベースバンド受信信号の軌跡を示す模式図である。図６に示す軌跡は、ベースバンド受信信号の実数部Ｂｉ（ｔ）を横軸とし、虚数部Ｂｑ（ｔ）を縦軸とし、複素平面上にプロットしたものである。この例では、時刻ｔ＝２までの位相変化量ΔΦ（ｔ）および位相積分値θ（ｔ）の計算例を模式的に示している。図６を参照して、位相信号Φ（ｔ）と位相積分値θ（ｔ）とは一見同じ値をとり続けるように思われるが、位相信号Φ（ｔ）を算出する（数５）において、Ａｒｃｔａｎｇｅｎｔのとりうる値の範囲は−π〜＋πである。
【００４５】
一方、運転手２０１の上半身が大きく移動すると、変位ｄ（ｔ）が大きいために位相信号Φ（ｔ）が上記範囲を超える場合があり、後述する推定距離が正しく算出できなくなる可能性がある。よって、位相積分値算出部４０６は、（数６）および（数７）により位相変化量ΔΦ（ｔ）の積分値を算出するようにする。ただし、位相変化量ΔΦ（ｔ）の算出において、Φ（ｔ−１）とΦ（ｔ）との間で図６の第２象限と第３象限をまたぐ場合は、そのまま計算すると正しい位相変化量ΔΦ（ｔ）が求められないため、（数６）のように、Φ（ｔ−１）およびΦ（ｔ）の符号により場合分けを行う。
【００４６】
推定距離算出部４０７は、位相積分値θ（ｔ）が求まったら、先述したように距離がλ／２変化する毎に位相が２π変化することを利用し、センサ部１０１から運転手２０１までの推定距離ｒ（ｔ）を（数８）により算出する。
（数８）
ｒ（ｔ）＝λ・θ（ｔ）／４π
【００４７】
生体信号出力判定部１０４において、信頼度判定部４０８は、推定距離ｒ（ｔ）と所定の距離閾値ｒｔｈとの比較により、生体信号の信頼度を判定する。信頼度判定部４０８は、推定距離ｒ（ｔ）が距離閾値ｒｔｈより小さければ、生体信号抽出部１０２で抽出した生体信号の信頼度が高いと判定し、生体信号を出力する。一方、信頼度判定部４０８は、推定距離ｒ（ｔ）が距離閾値ｒｔｈ以上であれば、生体信号の信頼度が低いと判定し、生体信号の出力を停止する。
【００４８】
本実施形態においては、一例として、距離閾値ｒｔｈ＝５０ｍｍとする。これは、運転手２０１の上半身が運転座席２０２の背もたれから遠ざかると、運転手２０１の上半身がセンサ部１０１から遠ざかる方向に移動するため、位相積分値θ（ｔ）およびそれに伴い推定距離ｒ（ｔ）も正の値をとりながら増加するためである。この場合、信頼度判定部４０８は、（数７）で求めた位相積分値θ（ｔ）が２８８ｄｅｇ以上になると、（数８）より推定距離ｒ（ｔ）が５０ｍｍ以上となるため、生体信号の信頼度が低いと判定し、生体信号の出力を停止する。
【００４９】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態に係る生体信号検知装置１００によれば、センサ部１０１と運転手２０１との距離ｄ（ｔ）が所定の距離閾値ｒｔｈを超えたら、運転手２０１の上半身が運転座席２０２の背もたれから離れて不安定な状態であり、生体信号の信頼度が低いと判断してこれらの生体信号の出力を停止することで、生体信号の精度劣化を防止する。また、センサ部１０１と運転手２０１との距離ｄ（ｔ）の算出は、センサ部１０１の無変調ドップラーセンサを用いては原理的にできないが、距離算出部１０３が、ベースバンド受信信号の位相変化量ΔΦ（ｔ）の積分値から推定距離ｒ（ｔ）を算出する。これにより、生体信号検知装置１００は、例えばパルス変調をかけて、距離ｄ（ｔ）を測定するなど複雑で高コストな装置を必要とせず、低コストで簡単に距離ｄ（ｔ）を推定することが可能である。
（第２の実施形態）
【００５０】
以下、本発明の第２の実施形態に係る生体信号検知装置１５０について説明する。第２の実施形態に係る生体信号検知装置１５０の構成は、第１の実施形態と同様であるため、図１、図３、及び図４を援用して説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る生体信号検知装置１５０を車室内に設置した様子を示す図である。第１の実施形態においては、運転座席２０２の背もたれ部に生体信号検知装置１００を内蔵したが、本実施形態においては、図７に示すように、生体信号検知装置１５０をステアリングホイール部に内蔵する。生体信号検知装置１５０は、第１の実施形態同様、センサ部１０１、生体信号抽出部１０２、距離算出部１０３、及び生体信号出力判定部１０４で構成される。
【００５１】
生体信号検知装置１５０を設置する際、少なくともセンサ部１０１がステアリングホイール部にあればよく、生体信号抽出部１０２、距離算出部１０３、及び生体信号出力判定部１０４は別の場所に設置されてもよい。すなわち、少なくともセンサ部１０１が、運転者２０１の前方に設置されていればよい。センサ部１０１は、運転手２０１の胸部に向けて送信信号を照射する。センサ部１０１、生体信号抽出部１０２、及び距離算出部１０３の動作については、第１の実施形態と同じであるため説明を省略し、動作内容の異なる生体信号出力判定部１０４のみについて以下に説明する。
【００５２】
生体信号出力判定部１０４において、信頼度判定部４０８は、推定距離ｒ（ｔ）が距離閾値ｒｔｈより大きければ、生体信号抽出部１０２で抽出した生体信号の信頼度が高いと判定し、生体信号を出力する。一方、信頼度判定部４０８は、推定距離ｒ（ｔ）が距離閾値ｒｔｈ以下であれば、生体信号の信頼度が低いと判定し、生体信号の出力を停止する。
【００５３】
本実施形態においては、一例として、距離閾値ｒｔｈ＝−５０ｍｍとする。これは、運転手２０１の上半身が運転座席２０２の背もたれから遠ざかると、運転手２０１の上半身がセンサ部１０１に近づく方向に移動するため、位相積分値θ（ｔ）およびそれに伴い推定距離ｒ（ｔ）も負の値をとりながら減少するためである。この場合、信頼度判定部４０８は、（数７）で求めた位相積分値θ（ｔ）が−２８８ｄｅｇ以下になると、（数８）より推定距離ｒ（ｔ）が−５０ｍｍ以下となるため、生体信号の信頼度が低いと判定し、生体信号の出力を停止する。
【００５４】
なお、第１および第２の実施形態では、自動車の運転手の生体信号を検知する例を示したが、運転手及び同乗者を含む乗員にも適用可能であり、自動車に限らず電車、飛行機その他の移動体にも広く適用可能である。また、各種のパラメータは適宜変更可能である。
【００５５】
また、第２の実施形態では、生体信号検知装置１５０のセンサ部１０１をステアリングホイール部に内蔵したが、センサ部をインストルメントパネル部や、ダッシュボード部２０５に内蔵しても同様の効果が得られる。
【００５６】
なお、第１および第２の実施形態においては、センサ部１０１に電波式の無変調ドップラーセンサを用いたときの例を示したが、センサ部１０１はこれに限らず、例えばパルス変調ドップラーセンサを用いることも可能である。パルス変調ドップラーセンサは、無変調ドップラーセンサを時間的に間欠動作（オン／オフ動作）させるものであり、通常のパルスレーダ同様、送信された信号があるターゲットに反射されて再び受信されるまでの時間を測定することにより、そのターゲットまでの距離を算出することが可能である。つまり、センサ部１０１と運転手との推定距離については、センサ部１０１から送信された信号が運転手２０１に反射して再びセンサ部１０１に戻ってくるまでの時間に基づいて算出すればよい。
【００５７】
また、パルス変調ドップラーセンサは、間欠動作においてオン動作である区間については、無変調ドップラーセンサと同じ振る舞いをする。よって、生体信号については、第１および第２の実施形態と同様に、センサ部１０１が出力した検出信号の位相変化に基づいて抽出することが可能である。このように、１つのセンサ部１０１で生体信号の抽出、及びセンサ部１０１と運転手２０１との推定距離の算出が可能であれば、他の構成を加えることなく運転手２０１の覚醒度の判定精度を向上させる生体信号検知装置を提供することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の生体信号検知装置は、自動車の運転者等の生体信号を検知する際等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る生体信号検知装置１００の構成の一例を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る生体信号検知装置１００を車室内に設置した様子を示す図
【図３】本発明の第１の実施形態に係る生体信号検知装置のセンサ部１０１の構成の一例を示すブロック図
【図４】本発明の第１の実施形態に係る生体信号抽出部１０２、距離算出部１０３、及び生体信号出力判定部１０４の構成の一例を示すブロック図
【図５】本発明の第１の実施形態に係る生体信号検知装置１００を用いて検出する各種信号の時間波形を示す図
【図６】本発明の第１の実施形態に係る生体信号検知装置１００が検出するベースバンド受信信号の軌跡を示す模式図
【図７】本発明の第２の実施形態に係る生体信号検知装置１５０を車室内に設置した様子を示す図
【符号の説明】
【００６０】
１００、１５０・・・生体信号検知装置
１０１・・・センサ部
１０２・・・生体信号抽出部
１０３・・・距離算出部
１０４・・・生体信号出力判定部
２０１・・・運転手
２０２・・・運転座席
３０１・・・局部発振器
３０２・・・分配器
３０３・・・送信アンテナ
３０４・・・受信アンテナ
３０５・・・分配器
３０６・・・混合器
３０７・・・混合器
３０８・・・分配器
３０９・・・ローパスフィルタ
３１０・・・ローパスフィルタ
３１１・・・ＡＤコンバータ
３１２・・・ＡＤコンバータ
４０１・・・位相信号算出部
４０２・・・心拍信号抽出部
４０３・・・呼吸信号抽出部
４０５・・・位相変化量算出部
４０６・・・位相積分値算出部
４０７・・・推定距離算出部
４０８・・・信頼度判定部
【図１】
2010120493.tif 000003
【図２】
2010120493.tif 000004
【図３】
2010120493.tif 000005
【図４】
2010120493.tif 000006
【図５】
2010120493.tif 000007
【図６】
2010120493.tif 000008
【図７】
2010120493.tif 000009