(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の心拍に関する信号である心拍信号を取得する心拍信号取得手段と、
前記心拍信号のうち、第１の所定周波数以下の信号を通過させるローパスフィルタ手段と、
前記ローパスフィルタ手段から出力される信号に高域補完を行って低周波ノイズの高調波信号を取得する高調波ノイズ取得手段と、
前記心拍信号のうち、第２の所定周波数以上の信号を通過させるハイパスフィルタ手段と、
前記ハイパスフィルタ手段から出力される信号から前記低周波ノイズの高調波信号を除去する高調波ノイズ除去手段と、
を有する心拍信号処理装置。
【請求項２】
前記心拍信号は、被験者の胸部付近の体表面または体内の変位に基づいて測定した信号である、
請求項１に記載の心拍信号処理装置。
【請求項３】
前記第１および第２の所定周波数は、心拍の基本周波数よりも低く、呼吸の基本周波数よりも高い周波数である、
請求項１または２に記載の心拍信号処理装置。
【請求項４】
前記第１の所定周波数は、心拍の基本周波数よりも低く、呼吸の基本周波数よりも高い周波数であり、
前記第２の所定周波数は、心拍の基本周波数よりも高い周波数である、
請求項１または２に記載の心拍信号処理装置。
【請求項５】
前記高調波ノイズ除去手段は、前記低周波ノイズの高調波信号を参照信号とする適応フィルタである、
請求項１〜４のいずれかに記載の心拍信号処理装置。
【請求項６】
心拍信号測定時に前記被験者の体表面に加えられる外部振動に関連する外部振動信号を取得する手段と、
前記心拍信号から、前記外部振動信号を除去する手段と、
をさらに有し、
外部振動信号が除去された心拍信号が、前記ローパスフィルタ手段および前記ハイパスフィルタ手段に入力される、
請求項１〜５のいずれかに記載の心拍信号処理装置。
【請求項７】
被験者の心拍に関連する心拍信号を取得する心拍信号取得ステップと、
前記心拍信号のうち、第１の所定周波数以下の信号を通過させる低域通過ステップと、
前記低域通過ステップにおいて出力される信号に高域補完を行って低周波ノイズの高調波信号を取得する高調波ノイズ取得ステップと、
前記心拍信号のうち、第２の所定周波数以上の信号を通過させる高域通過ステップと、
前記高域通過ステップにおいて出力される信号から前記低周波ノイズの高調波信号を除去する高調波ノイズ除去ステップと、
を含む心拍信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、心拍信号の信号処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体の心拍を検知する方法として、圧電センサ、空気圧センサ、電波式のドップラーセンサ、超音波式のドップラーセンサなどを用いて体表面変位を検出する方法がある。また、マイクロ波を測定対象者の胸部付近に照射し、心臓の拍動に応じて生じる体表面変動を検出することが知られている（特許文献１、非特許文献１）。
【０００３】
体表面の変位を測定する方法では、体表面変位は比較的小さいので、測定対象者自身による体動や外部振動などによるノイズの影響を大きく受ける。さらに、胸部付近の体表面変動を測定する方法では、呼吸の高調波信号が心拍信号と干渉することが報告されている（非特許文献２）。非特許文献２では、この干渉を抑制するために、ダブルサイドバンド方式によってマイクロ波を送信すること、および、胸部背面に対してマイクロ波を送信することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０５５９９７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８６２６８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Sungeun Lee, et. at., "Noncontact Vital Sign Detector Based on Miniaturized Radars", 2011 Microwave Workshop & Exhibition, November 2011.
【非特許文献２】Yanming Xiao, et. al., "Accuracy of A Low-Power Ka-Band Non-Contact Heartbeat Detector Measured from Four Sides of A Human Body", Microwave Symposium Digest 2006, IEEE MTT-S International, June 2006.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、非特許文献２では心拍信号の検出方法を工夫することで、呼吸の高調波による干渉を抑制している。しかしながら、心拍信号の検出方法には種々の方法があり、胸部付近の体表面変動を測定する方法では多かれ少なかれ呼吸の高調波による干渉を受ける。つまり、非特許文献２による方法では、心拍信号の測定方法が限定されてしまい、任意の測定方法によって得られた心拍信号から呼吸の高調波による干渉を除去することができない。
【０００７】
また、車両内などのように途切れなく振動が発生していたり、音楽や騒音などによる振動が発生していたりする環境では、これらのノイズを除去することも必要である。
【０００８】
本発明は上記の問題点を考慮してなされたものであり、心拍信号からノイズを除去して良好な心拍検知特性を得ることができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る心拍信号処理装置は、
被験者の心拍に関する信号である心拍信号を取得する心拍信号取得手段と、
前記心拍信号のうち、第１の所定周波数以下の信号を通過させるローパスフィルタ手段
と、
前記ローパスフィルタ手段から出力される信号に高域補完を行って低周波ノイズの高調波信号を取得する高調波ノイズ取得手段と、
前記心拍信号のうち、第２の所定周波数以上の信号を通過させるハイパスフィルタ手段と、
前記ハイパスフィルタ手段から出力される信号から前記低周波ノイズの高調波信号を除去する高調波ノイズ除去手段と、
を有する。
【００１０】
このような信号処理を採用することで、心拍信号から呼吸由来の信号の高調波成分を除去することができる。したがって、心拍信号の検出方法がどのようなものであっても、呼吸の高調波と心拍信号が干渉する場合に呼吸の高調波による干渉を除去して、良好な心拍検知特性を得ることが可能となる。
【００１１】
本発明において、上記の心拍信号は、被験者の胸部付近の体表面または体内の変位に基づいて測定した信号とすることができる。体表面の変位は、例えば、被験者の体表面に照射した電磁波や超音波の反射波に基づいて取得することができるし、圧電センサや空気圧センサによって取得することができる。また、体内の変位は、例えば、被験者の体表面に照射した電磁波の透過波や、体表面に電磁波を照射した際の体表付近での誘電率変化に基づいて取得することができる。
【００１２】
呼吸に伴う体表面の変位は微小であるため、呼吸の高調波成分の影響を相対的に大きく受ける。また、胸部付近の体表面の変位は呼吸による影響を受ける。したがって、胸部付近の体表面の変位に基づいて心拍検出する方法では、心拍信号に対して呼吸の高調波成分の比較的大きく干渉するので、本発明を適用して呼吸の高調波成分を除去することで、検出検知特性を大きく向上させることができる。
【００１３】
もっとも、呼吸の高調波成分は、体表面変位に基づく心拍検出のみに有効なわけではなく、体内を透過する電磁波によって体内の組織の変動に基づいて心拍を検出する方法にも有効である。心拍による体内組織の変動（典型的には、心臓の拍動）は、心拍による体表面変位よりも大きく、したがって呼吸の高調波による影響も相対的に小さくなるが、呼吸の高調波を除去することで心拍検知特性を向上させることができる。
【００１４】
本発明において、ローパスフィルタ手段およびハイパスフィルタ手段の遮断周波数（第１および第２の所定周波数）は、心拍の基本周波数よりも低く、呼吸の基本周波数よりも高い周波数とすることができる。なお、両フィルタ手段の遮断周波数は等しくても良いが、上記条件を満たす範囲で異なっていても構わない。
【００１５】
本発明において、ローパスフィルタ手段の遮断周波数（第１の所定周波数）は、心拍の基本周波数よりも低く、呼吸の基本周波数よりも高い周波数とし、ハイパスフィルタ手段の遮断周波数（第２の所定周波数）は、心拍の基本周波数よりも高い周波数とすることもできる。この際心拍の第２高調波あるいは第３高調波が通過するように、遮断周波数は第２高調波あるいは第３高調波よりも低くすることが好ましい。このようなハイパスフィルタ手段を用いる場合は、心拍信号の高調波成分に着目して被験者の心拍を検知することになる。そして、高調波ノイズ除去手段では、心拍信号の高調波成分に干渉する、呼吸の高調波成分を除去する。ハイパスフィルタ手段は、少なくとも呼吸の基本周波数を遮断していれば心拍の基本周波数はある程度残すようなフィルタ特性であっても問題ない。したがって、このような構成であればハイパスフィルタ手段の要件が緩和され簡易・低コストなハイパスフィルタ手段を利用できる。
【００１６】
本発明において、心拍信号測定時に被験者の体表面に加えられる外部振動に関連する外部振動信号を取得する手段と、心拍信号から前記外部振動信号を除去する手段と、をさらに有し、心拍信号がローパスフィルタ手段やハイパスフィルタ手段に入力される前に心拍信号から外部振動信号を除去することも好ましい。
【００１７】
外部振動には、被験者が位置する場所の振動（たとえば、車両における振動）や、音楽や騒音などによる空気の振動などが該当する。このような振動によるノイズを心拍信号からあらかじめ除去することで、より精度の良く心拍特性を検出できる。
【００１８】
なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を含む心拍信号処理装置として捉えることができる。また、上記処理の少なくとも一部を含む心拍信号処理方法として捉えることもできる。また、上記方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムとして捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、心拍信号からノイズを除去して良好な心拍検知特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態の心拍検知装置の機能構成を示す図である。
【図２】ハイパスフィルタおよびローパスフィルタのフィルタ特性を示す図である。
【図３】第２の実施形態の心拍検知装置の機能構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜第１の実施形態＞
実施形態に係る心拍検知装置のシステム概要について説明する。本実施形態に係る心拍検知装置は、測定対象者の心拍をマイクロ波によって検知する心拍検知装置である。本装置は、人間以外の動物などの被検体についても適用可能であり、対象が体内で動く器官であれば心拍以外の検出も可能であるが、本実施形態においては測定対象を人間の心拍として説明する。
【００２２】
（システム構成）
図１は、本実施形態に係る心拍検知装置の機能構成を示した図である。心拍検知装置は、大略、心拍センサ１０と心拍信号処理装置２０から構成される。なお、本実施形態においては、心拍信号処理装置２０は心拍センサ１０と共に心拍検知装置を構成するが、心拍信号処理装置２０は必ずしも心拍センサ１０と一体として提供する必要はない。心拍信号処理装置２０を心拍センサ１０と別体として、心拍信号を外部から受け取り受け取った心拍信号に対して信号処理を施すように構成しても構わない。
【００２３】
心拍センサ１０は、アンテナ１１、送受信部１２、検波部１３を備える。本実施形態においては、送受信部１２からアンテナ１１を介して、１０ＧＨｚのマイクロ波を被検体の体表面に照射し、体表面からの反射波を送受信部１２で受信して検波部１３で検波する。
【００２４】
アンテナ１１は、被験者の体表にマイクロ波を照射し、その反射波を受信するための手段である。アンテナ１１は、たとえば、被験者の胸部にマイクロ波を照射するように設置される。心拍センサを座席に設ける場合には、アンテナ１１は背もたれ部分に設置することが好ましく、したがって胸部の背面にマイクロ波が照射される。もっとも、胸部前面にマイクロ波を照射してもよい。
【００２５】
送受信部１２は、被験者に照射するマイクロ波を送信し、受信した反射波の増幅や周波数変換などを行う手段である。
【００２６】
検波部１３は、受信した反射波の検波を行う手段である。検波部１３は、包絡線検波（振幅検波）もしくは位相検波によってマイクロ波の検波を行う。
【００２７】
心拍信号処理装置２０は、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）２１、高域通過フィルタ（ハイパスフィルタ、ＨＰＦ）２２、遅延器２３、適応フィルタ２４、低域通過フィルタ（ローパスフィルタ、ＬＰＦ）２５、高域補完フィルタ２６、高域通過フィルタ２７を含む。
【００２８】
心拍信号処理装置２０は、心拍センサ１０から出力（心拍信号）を取得するインタフェース（不図示）を備える。ＡＤＣ２１は、心拍センサ１０から取得したアナログの心拍信号をデジタル化する。心拍センサ１０からデジタル信号が取得できる場合には、ＡＤＣ２１は不要である。
【００２９】
ＡＤＣ２１によってデジタル化された心拍信号は、ＬＰＦ２５によって、心拍信号を除去して呼吸信号（基本波）が取り出される。心拍数は一般に６０〜１８０回／分、すなわち１〜３Ｈｚ程度であり、呼吸数は１０〜２０回／分、すなわち０．１５〜０．３Ｈｚ程度である。したがって、この間の周波数を、遮断周波数とするＬＰＦ２５を採用することで、心拍信号から呼吸信号の基本波を取り出すことができる。なお、後述するように呼吸信号の高域補完処理を行うので、フィルタ後の信号が呼吸信号の基本波だけでなく、いくつかの高調波を含むように、ＬＰＦ２５の遮断周波数を決定することが好ましい。図２ＡにＬＰＦ２５のフィルタ特性の例を示している。この例では、心拍信号の基本周波数よりも低い周波数の中で最も高い呼吸の高調波（図の例では、第３高調波）と、心拍信号の基本周波数との間の周波数を、ＬＰＦ２５の遮断周波数としている。
【００３０】
ＬＰＦ２５によって呼吸信号の高調波成分が失われるので、高域補完フィルタ２６によって、準周期性信号である呼吸信号の調波構造を保つ高域補完処理を行って、呼吸信号の高調波成分を生成する。高域補完処理は公知な技術であるので詳しい説明は省略するが、基本的には振幅変調を用いて呼吸信号の中域成分（ＬＰＦ２５の遮断周波数以下の呼吸信号の高調波成分）を、高域部分（ＬＰＦ２５の遮断周波数以上）にコピーすることで実現される。この際、入力される呼吸信号の周波数スペクトルの包絡線に基づいて高域部分のレベルを調節する。
【００３１】
高域補完フィルタ２６によって呼吸の高調波成分が補完された信号は、ＨＰＦ２７に入力されて、呼吸信号の高調波成分が取り出される。後述するように、呼吸信号の高調波成分は、ＨＰＦ２２によって分離した心拍信号から除去する成分なので、ＨＰＦ２７の遮断周波数は、ＨＰＦ２２の遮断周波数と同じまたはそれ以上にすることが好ましい。
【００３２】
また、ＡＤＣ２１によってデジタル化された心拍信号は、ＨＰＦ２２によって、呼吸信号が除去されて心拍信号が取り出される。本実施形態では、ＨＰＦ２２の遮断周波数は、図２Ａに示すように、ＬＰＦ２５の遮断周波数と同じである。ただし、入力された信号から、呼吸信号（基本波）と心拍信号を分離可能な周波数、すなわち呼吸の基本周波数よりも高く、心拍の基本周波数よりも低い周波数であれば、ＬＰＦ２５の遮断周波数と異なっていても構わない。
【００３３】
また、ＨＰＦ２２の遮断周波数を、心拍信号の基本周波数よりも高い周波数とすることもできる。この場合のＨＰＦ２２のフィルタ特性を図２Ｂに示す。なお、ＬＰＦ２５のフィルタ特性は上記と同じである。この例では、心拍信号の第２高調波を取り出すことを目的としている。このように心拍信号の第２高調波に基づいて心拍を検知するようにすれば
、ＨＰＦ２２に対する要求が緩くなり、したがって低コストなＨＰＦ２２を使用することができる。
【００３４】
遅延器２３は、心拍信号に対する呼吸信号の遅延を補償する。これにより、適応フィルタ２４に入力される心拍信号と呼吸信号との時間差を補正させる。
【００３５】
適応フィルタ２４は、心拍信号から、高域補完によって生成された呼吸の高調波成分を除去するフィルタである。適応フィルタ２４は、参照信号の除去を実現するための適応アルゴリズムを採用したフィルタであり、公知な技術であるので詳しい説明は省略する。基本的には、適応フィルタ２４は、入力信号をフィルタリングした結果（予測信号）と参照信号との差分（誤差信号）が小さくなるようにフィルタ係数を自己調整するフィルタである。なお、入力信号における呼吸の高調波成分と同等の振幅と同位相を有する信号を高域補完フィルタにおいて補完できるときには、適応フィルタを用いずに、呼吸の高調波信号を逆位相にして加えて呼吸の高調波を心拍信号から除去してもよい。
【００３６】
本実施形態にかかる心拍検知装置では、心拍信号と干渉する呼吸の高調波成分を除去可能となる。これにより、呼吸の高調波による干渉で生じる信号歪みが軽減されて、良好な心拍検知特性を得ることが可能となる。
【００３７】
＜第２の実施形態＞
本実施形態に係る心拍検知装置は、車両内での使用を想定する。車両内では、振動や騒音等の影響によって、被験者の体に振動が加えられる。このような環境での使用は、外部振動の影響を抑制できることが求められる。
【００３８】
図３は、本実施形態に係る心拍検知装置の機能構成を示した図である。本実施形態においては、心拍検知装置は、心拍センサ１０と加速度センサ３０と心拍信号処理装置２０から構成される。心拍センサ１０は第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００３９】
加速度センサ３０は、たとえば車内に固定して設置されて、車両に加わる加速度信号を取得する。車両に加わる加速度から、被験者に加わる振動を取得することができる。加速度センサ３０は、たとえば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）式のＭＥＭ
Ｓ加速度センサを採用することができる。また、加速度の検出方式は、静電容量検出方式、ピエゾ抵抗方式、熱検知方式などどのようなものであってもよい。
【００４０】
心拍信号処理装置２０は、加速度センサ３０からの信号も入力として利用する。ＡＤ変換器２８は、加速度センサ３０から得られるアナログの振動信号をデジタル化する。そして、適応フィルタ２９は、心拍センサ１０の出力である心拍信号から、加速度センサ３０の出力である振動信号を参照信号として参照信号と相関が高い信号を除去する。適応フィルタ２９は、適応フィルタ２６と同様にノイズを除去するためのフィルタであり、同様の構成を有するので詳しい説明は省略する。
【００４１】
心拍信号から振動信号を除去した後の処理は、第１の実施形態と同様である。すなわち、心拍信号を低周波側と高周波側に分離し、低周波側の信号から呼吸の高調波を生成し、高周波側の信号から呼吸の高調波を除去する。
【００４２】
このように呼吸の高調波による干渉を除去する処理の前に車両に生じる外部振動などの影響、すなわち生体由来以外のノイズの影響を除去することで、心拍信号より低い周波数成分の外部信号の高調波再生などによる干渉波を発生させてしまうことが避けられる。すなわち、心拍への干渉波の抑圧効果が向上し、心拍検知特性が向上する。
【００４３】
なお、適応フィルタ２９による除去の対象とする振動信号は、加速度センサから得られるものに限る必要はない。周囲の騒音や車両内で再生する音楽なども心拍信号に対するノイズとなる。そこで、集音装置（マイク）の検出信号や音響装置の出力信号を除去することも好ましい。
【００４４】
＜その他＞
上記の実施形態では、心拍検知装置が心拍センサと心拍信号処理装置の両方を含み、車両内等に設置されるものとして説明したが、心拍センサと心拍信号処理装置の設置場所は分離することができる。たとえば、心拍センサが取得した心拍信号を、離れた場所に設置された心拍信号処理装置にネットワーク経由で送信して信号処理を施すことが考えられる。
【００４５】
また、上記の説明では、被験者の背部にマイクロ波を照射してその反射波を取得する心拍センサから得られる心拍信号を処理対象としていたが、呼吸の高調波が干渉している心拍信号であれば、任意の検知方法によって取得された心拍信号を処理対象とすることができる。一般に、胸部の体表面変位あるいは体内の変位（臓器の大きさ等の変化）に基づいて心拍信号を取得する方法であれば呼吸の高調波成分の干渉を受ける。したがって、被験者の胸部の体表面変位あるいは体内変位に基づいて取得された心拍信号に対して、本発明に係る信号処理技術を適用することで、呼吸の高調波成分を好適に除去することができる。
【００４６】
また、上記の説明では、各種フィルタなどを固有の回路あるいはＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等により構成する例を説明したが、心拍信号処理装置をＣＰＵ、ＲＡＭ，ＲＯＭ等を含むコンピュータにより実現して、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、各種信号処理を実現しても構わない。
【符号の説明】
【００４７】
１０    心拍センサ
２０    心拍信号処理装置
２１    ＡＤ変換器
２２    高域通過フィルタ（ＨＰＦ）
２３    遅延器
２４    適応フィルタ
２５    低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
２６    高域補完フィルタ
２７    高域通過フィルタ（ＨＰＦ）
２８    ＡＤ変換器
２９    適応フィルタ
３０    加速度センサ
【図１】
0005454593.tif 000002
【図２】
0005454593.tif 000003
【図３】
0005454593.tif 000004