(57)【要約】【課題】走行中の車両を運転している運転者などの被験者の生体情報を精度良く取得する生体情報取得装置を提供する。【解決手段】  本発明における生体情報取得装置は、生体情報を検知する生体センサから入力される検知信号の移動平均を演算する移動平均演算部と、検知信号から移動平均演算部で演算された信号を減算する減算処理部と、予め生成されたテンプレート信号波形と減算処理部によって減算された信号とを比較して一致を判定する比較判定部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体情報を検知する生体センサから入力される検知信号の移動平均を演算する移動平均演算部と、
前記検知信号から前記移動平均演算部で演算された信号を減算する減算処理部と、
予め生成されたテンプレート信号波形と前記減算処理部によって減算された信号とを比較して一致を判定する比較判定部と、
を備えた生体情報取得装置。
【請求項２】
テンプレート波形を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶されたテンプレート波形の変数を調整して前記テンプレート信号波形を生成するテンプレート信号変数調整部と、
をさらに備えた請求項１に記載の生体情報取得装置。
【請求項３】
前記テンプレート信号変数調整部は、前記テンプレート波形の変数として周期と位相差を調整する請求項２に記載の生体情報取得装置。
【請求項４】
前記判定比較部は、前記テンプレート信号波形と前記減算処理部によって減算された信号の相関を算出して一致を判定する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の生体情報取得装置。
【請求項５】
前記移動平均演算部は、前記生体センサで検知される生体情報の周期よりも長い期間において移動平均を演算する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の生体情報取得装置。
【請求項６】
前記生体センサは、非接触で体表面の変位を測定するセンサである請求項１乃至５のいずれか一項に記載の生体情報取得装置。
【請求項７】
生体情報を検知する生体センサから入力される検知信号の移動平均を演算する移動平均演算処理と、
前記検知信号から前記移動平均演算処理で演算された信号を減算する減算処理と、
予め生成されたテンプレート信号波形と前記減算処理によって減算された信号とを比較して一致を判定する比較判定処理と、
をコンピュータが実行する生体情報取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体情報取得装置及び生体情報取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人体の心拍数を測定するために、被検者に電磁波等を照射して心拍数を検出する心拍数検出装置があった（例えば、特開２０１０−２８６２６８号公報、特開２００９−５５９９７号公報）。
【０００３】
また、心拍センサなどの生体センサによって運転者の健康状態を検出する装置があった（例えば、特開２０１１−２３８１３３号公報）。
【０００４】
また、人体に対して、電磁波を放射し、反射される電磁波から定められた周波数帯域、振幅範囲、又は位相範囲の信号を分離する装置があった（例えば、特開２０１２−２３９７４８号公報、特開２００６−０５５５０４号公報、特開２０１１−０１５８８７号公報）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２８６２６８号公報
【特許文献２】特開２００９−０５５９９７号公報
【特許文献３】特開２０１１−２３８１３３号公報
【特許文献４】特開２０１２−２３９７４８号公報
【特許文献５】特開２００６−０５５５０４号公報
【特許文献６】特開２０１１−０１５８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１−６に記載された従来の生体情報取得装置では、非接触で運転者の生体情報を取得するような生体センサを使用した場合、走行中に発生する車両の振動や運転操作による運転者の体動によって、検知対象である生体情報にノイズが重畳してしまい、生体情報を精度良く取得することが困難であった。
【０００７】
また、特許文献１における従来のシステムにおいては、テンプレート信号を作成することにより外来ノイズの影響を避けているが、走行中の車両の実環境においては、ＳＮ比の高いテンプレート信号を作成すること自体が困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、走行中の車両を運転している運転者などの被験者の生体情報を精度良く取得する生体情報取得装置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】
上記課題に鑑み、本発明における生体情報取得装置は、生体情報を検知する生体センサから入力される検知信号の移動平均を演算する移動平均演算部と、前記検知信号から前記移動平均演算部で演算された信号を減算する減算処理部と、予め生成されたテンプレート信号波形と前記減算処理部によって減算された信号とを比較して一致を判定する比較判定部と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、走行中の車両を運転している運転者などの被験者の生体情報を精度良く取得する生体情報取得装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】生体情報取得装置の全体構成を示すブロック図
【図２】生体情報制御部の構成を示すブロック図
【図３】生体情報取得装置の動作を示すフローチャート
【図４】生体センサの検知信号を示すグラフ
【図５】移動平均演算処理後の信号を示すグラフ
【図６】減算処理後の信号を示すグラフ
【図７】テンプレート波形を示すグラフ
【図８】変数入力後のテンプレート信号波形を示すグラフ
【図９】一致度比較を説明する図
【図１０】出力情報より再現された波形を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、生体情報取得装置の全体構成の一例を示すブロック図である。
【００１４】
図１において、生体情報取得装置１は、生体情報ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０、生体センサ１１、通信装置１２、ＧＰＳ（Global Positioning System）１３、車速センサ１４、操舵角センサ１５、操作表示装置１６、通話装置１７、エンジンＥＣＵ１８、ブレーキＥＣＵ１９、及び外図Ｉ／Ｆ（インターフェース）２０を備えている。
【００１５】
生体情報ＥＣＵ１０は、生体情報制御部１０１、及び記憶部１０２を備えている。生体情報ＥＣＵ１０の詳細は、図２を用いて後述する。
【００１６】
生体センサ１１は、被験者の生体情報を検知するセンサである。生体センサ１１は、例えば、被験者として車両の運転者の胸部に向かってマイクロ波を照射して、反射波により胸部の変位を非接触で測定する、マイクロ波式非接触変位センサである。本実施例においては無変調の連続波を照射する連続波方式（ＣＷ：Continuous Wave）のセンサを使用するが、例えば、周波数変調による連続波を照射するＦＭＣＷ方式のセンサを使用しても良い。生体センサ１１によって検知する生体情報は、例えば、運転者の心拍数や呼吸数である。非接触で心拍数や呼吸数を検出する場合、生体センサ１１の検知信号には、心拍や呼吸に伴う体表面変位成分に、運転者の体動による体表面変位成分、さらには車両からの振動による生体センサ１１へのノイズ成分が重畳されている。従って、心拍数や呼吸数を測定する場合には、運転者の体動による体表面変位成分などのノイズを除去する必要がある。
【００１７】
通信装置１２は、所定の通信方式にて図示しない外部の装置と通信する装置である。通信方式は、例えば、携帯電話やスマートフォン同様の移動体通信方式、無線ＬＡＮ方式、あるいは近距離無線通信規格を利用した通信方式などである。外部の装置は、例えば、通信装置１２で接続され、測定した生体情報の分析や記録のサービスを提供するサービス提供サーバである。
【００１８】
ＧＰＳ１３は、車両の位置情報を測位する装置である。位置情報には、経緯度、標高データが含まれる。ＧＰＳ１３は、例えば図示しないカーナビゲーションシステムの測位機能を利用しても良い。車速センサ１４は、走行中の車両の速度情報を測定する。また、操舵角センサ１５は、ステアリングの操舵角情報を測定する。ＧＰＳ１３で測定された位置情報、車速センサ１４で測定した速度情報、又は操舵角センサ１５で測定した操舵角情報は、生体センサ１１で検出した生体情報とともに、例えば、生体情報ＥＣＵ１０の記憶部１０２に記憶したり、通信装置１２を介して外部の装置に送信したり、あるいは後述する外部Ｉ／Ｆを介して外部装置に転送しても良い。これにより、車両の走行状態と運転者の生体情報とを対応させて記録、分析などが可能になる。
【００１９】
操作表示装置１６は、生体情報取得装置１による測定の開始及び停止、測定結果の記録又は転送などの設定操作を行う。また、測定結果や警告を表示画面に表示し、又は音声出力をして運転者に報知する。操作表示装置１６は、例えば、車両のインストルメントパネルである。また、カーナビゲーションシステムの操作表示部と機能を共用しても良い。
【００２０】
通話装置１７は、図示しない外部通話装置（例えば、電話器）との音声通話機能を提供する。通話装置１７は、マイクとスピーカーを含み、運転者による外部通話装置への意図的な発呼の他、生体センサ１１で検出した生体情報に基づき、予め登録された発信先に自動的に発呼しても良い。通話装置１７は、通信装置１２による近距離無線通信を介して生体情報ＥＣＵ１０と接続しても良い。
【００２１】
エンジンＥＣＵ１８はエンジン制御を行うＥＣＵであり、ブレーキＥＣＵ１９はブレーキ制御を行うＥＣＵである。エンジンＥＣＵ１８及びブレーキＥＣＵ１９は、生体センサ１１で検出した生体情報に基づき、エンジン出力やブレーキ出力を制御しても良い。例えば、生体情報に特定の特徴が検出された場合、アクセル開度を制限したり、また、ブレーキ操作をしたりして、運転者の意図しない車両の動作を制限することができる。
【００２２】
外部Ｉ／Ｆは、例えば、他のＥＣＵや外部記録媒体に接続するためのＩ／Ｆであり、規格化されたシリアルバスなどを使用することができる。
【００２３】
次に、生体情報制御部１０１の詳細を、図２を用いて説明する。図２は、生体情報制御部の構成の一例を示すブロック図である。
【００２４】
図２において、生体情報制御部１０１は、検知信号移動平均演算部１０１１、２信号減算処理部１０１２、テンプレート信号変数調整部１０１３、及び、２信号比較判定部１０１４を備えている。
【００２５】
検知信号移動平均演算部１０１１は、生体センサ１１から入力される検知信号に対して移動平均演算を行う。生体センサ１１から入力される検知信号は、例えば心拍数や呼吸数であり、前述したとおり、検出信号には運転者の体動に伴う体表面変位成分や車両からの振動によるノイズ成分が重畳されている。心拍や呼吸による胸や腹部の変位は変位距離が短く、また周期的であるため、検知信号に対して移動平均演算処理を行うと、心拍や呼吸による変位成分は平滑化されて、不規則で変位量が大きい運転者の体動による体表面変位信号を得ることができる。移動平均演算は、例えば、生体センサ１１から入力される検知信号の値を所定の周期でサンプリングして、サンプリングした個数ｎの平均値を算出することにより求めることができる。平均値は、サンプリングしたｎ個の単純平均を算出する単純移動平均法を用いて算出される。また、サンプリングした検知信号の値のうち、新しい値になるほど加重して平均値を求める加重移動平均法を用いて算出される。ここで、移動平均演算する周期は、検出する生体情報の種類に応じて適宜選択される。
【００２６】
検知信号移動平均演算部１０１１によって移動平均処理演算処理された検知信号は、２信号減算処理部１０１２に入力されるとともに、移動平均処理後の体表面変位信号（以下、「平均処理信号」という。）として、例えば図１の通信装置１２や外部Ｉ／Ｆを介して外部に出力される。外部に出力された平均処理信号は、例えば、他のＥＣＵによって、運転者の居眠り防止や運転者の動作確認に利用しても良い。
【００２７】
２信号減算処理部１０１２は、移動平均演算処理前における検知信号から、検知信号移動平均演算部１０１１から入力された平均処理信号を減算処理して差分を算出する。この減算処理により、検知信号から運転者の体の動きによる成分が除去されて、心拍数や呼吸数などの生体情報に基づく信号が抽出される。減算処理後の信号は、２信号比較判定部１０１４に入力される。
【００２８】
記憶部１０２には、図７を用いて後述するテンプレート波形が記憶されている。また、例えば、テンプレート波形に適用する各種のパラメータ、判定条件、計測した生体情報、運転者の個人情報、通信装置１２を介した通信先、通話装置１７を介した発呼先などを記憶しておく。
【００２９】
テンプレート信号変数調整部１０１３は、記憶部１０２に記憶されたテンプレート波形からテンプレート信号波形を生成して、２信号比較判定部１０１４に入力する。また、２信号比較判定部１０１４に入力したテンプレート信号波形に対して、２信号比較判定部１０１４による判定がＮＧであった場合は、テンプレート波形の変数である、周期、及び位相を調整して再度テンプレート波形信号を生成して２信号比較判定部１０１４に入力する。テンプレート信号変数調整部１０１３は、２信号比較判定部１０１４による判定がＯＫとなるまでテンプレート波形の変数の調整を繰り返す。なお、変数の調整の詳細は図９によって説明する。
【００３０】
２信号比較判定部１０１４は、２信号減算処理部１０１２からの減算処理後の信号とテンプレート信号変数調整部１０１３から入力されたテンプレート信号波形とを比較して一致度を算出する。一致度の算出は、例えば、２信号間における相関関数を算出することにより算出する。一致度が設定された閾値以上の場合（相関関数が所定値以上の場合）、２信号比較判定部１０１４の判定はＯＫになり、一致度が設定された閾値より小さい場合は、判定がＮＧになる。閾値は、記憶部１０２に予め設定されて記憶されている。記憶された閾値を変更することにより判定条件を変更することができる。
【００３１】
２信号間の相関関数の計算は、例えば２信号間の直交性を求めることにより算出される。ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）の２信号間の直交性は、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）を内積（乗算）した相互相関関数によって求めることができる。ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）の直交性が低い場合（相関が低い場合）、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）内積は０に近づく。相互相関関数は、例えば次式によって求められる。
【数１】
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ここでτは信号ｘ（ｔ）と信号ｙ（ｔ）の位相差である。信号ｘ（ｔ）と信号ｙ（ｔ）の内積が最大になるのは、信号ｘ（ｔ）と信号ｙ（ｔ）の周期が一致しており、かつ、位相差が０のときである。したがって、テンプレート信号変数調整部１０１３は、テンプレート波形に対して周期と位相の変数を適宜変更したテンプレート信号波形を順次生成して、そのテンプレート波形における一致度が高い周期と位相差を探し出していく。
【００３２】
２信号比較判定部１０１４は、相関関数が予め設定された閾値以上か、閾値より小さいかの判断を行い、判定結果をテンプレート信号変数調整部１０１３にフィードバックする。判定結果がＯＫである場合は、調整されたテンプレート信号波形が出力される。出力されたテンプレート信号波形は、生体情報をテンプレート波形によって再現したものであり、信号が単純化されているので、心拍数をカウントしたり、心拍に伴う体表面の変位量を解析したりすることが容易になる。
【００３３】
なお、図１及び図２で説明した生体情報取得装置の構成は、各機能を機能ブロックとして説明している。従って、各機能は、その機能を発揮する限りにおいて、単一のブロックで実施されても良いし、複数のブロックに分けて実施されても良い。また、各機能ブロックは、ソフトウエアによって実施されても、ハードウエアによって実施されても良い。さらに、本実施例では、生体情報制御部１０１は生体情報ＥＣＵ１０の機能として説明したが、例えば、他のＥＣＵや通信によって接続された装置とのシステムによって実施されても良い。
【００３４】
次に、図３〜１０を用いて生体情報取得装置１の具体的な動作を説明する。図３は、生体情報取得装置の動作の一例を示すフローチャートである。図４は、生体センサの検知信号の一例を示すグラフである。図５は、移動平均演算処理後の信号の一例を示すグラフである。図６は、減算処理後の信号の一例を示すグラフである。図７は、テンプレート波形の一例を示すグラフである。図８は、変数入力後のテンプレート信号波形の一例を示すグラフである。図９は、一致度比較の一例を説明する図である。また、図１０は、出力情報より再現された波形の一例を示すグラフである。
【００３５】
なお、図３で説明する動作は、この実施例では図１及び図２で説明した生体情報制御部１０１で制御されるものとする。
【００３６】
図３において、生体情報取得装置１による生体情報取得がＯＮになっているか否かを判断する（Ｓ１０）。生体情報取得のＯＮ／ＯＦＦの切り替えは、例えば操作表示装置１６に設けられたスイッチで行う。生体情報取得がＯＮでない場合は（Ｓ１０でＮＯ）、生体情報取得装置１の動作を行わない。生体情報取得のＯＮ／ＯＦＦの切り替えは、エンジン始動中の所定の時間間隔において自動的に切り替えられても良い。また、キーがアクセサリポジション、あるいはイグニッションポジションになったときに生体情報取得をＯＮにして、測定終了にて自動的にＯＦＦにしても良い。
【００３７】
生体情報取得がＯＮの場合は（Ｓ１０でＹＥＳ）、生体センサ１１からの検知信号が入力される（Ｓ１１）。図４は、生体センサ１１としてマイクロ波式非接触変位センサを使用し、運転者の体表面で反射されたマイクロ波を検知した検知信号を時系列で表している。図４のグラフにおいて、縦軸は運転者の体表面の変位に応じた生体センサ１１から入力される電圧値である。この実施例では、０．１Ｖの変化は１ｍｍの変位に相当している。図４では、６ｍｍ程度の運転者による体動による変位と、０．２ｍｍ程度の心動に伴う変位が重畳されている。
【００３８】
次に、検知信号移動平均演算部１０１１は、生体センサ１１から入力される検知信号に対して移動平均演算を行う（Ｓ１２）。ここでは、移動平均を算出する平均期間を１秒としている。図５は、図４で示した検知信号に対して移動平均演算処理を行った平均処理信号を表している。心拍に伴う周期的な細かい変位成分は除去されて平滑化されたグラフは運転者の体動を示している。平均処理信号は、体表面変位信号として出力される（Ｓ１３）。
【００３９】
次に、２信号減算処理部１０１２によって、移動平均演算処理前における検知信号から、平均処理信号を減算処理する（Ｓ１４）。図６は、図４の信号波形から図５の信号波形を減算処理したグラフである。体動による変位量の大きな変位成分が除去されて、平均期間の１秒以下の変位が抽出されている。
【００４０】
次に、２信号比較判定部１０１４は、減算処理後の信号とテンプレート信号変数調整部１０１３から入力されたテンプレート信号波形とを比較して一致度を算出し、一致度が予め設定された閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ１５）。ここで、テンプレート信号波形とは、テンプレート信号変数調整部１０１３が、記憶部１０２に記憶されたテンプレート波形を基に所定の変数を適用して生成したものである。図７は、記憶部１０２に記憶されたテンプレート波形の例である。図７においては、テンプレート波形１〜３で３つ波形を例示している。テンプレート波形は、生体センサで得られる生体情報をモデル化した波形である。例えば、呼吸による体表面変位のパターンと、心拍による体表面変位のパターンとでは、その特徴が異なり、また個人差によってもそのパターンが異なる。図７で図示しているのは、その波形パターンの一例を示しているが、記憶部１０２には、図示しない数多くのテンプレートを記憶させておくことができる。例えば、運転者に対応した一致度の高いテンプレートを予め登録しておき、運転者が操作表示装置１６により自らのテンプレートを呼出すようにしてもよい。
【００４１】
テンプレート信号変数調整部１０１３は、先ず、選択された一のテンプレート波形に対して、変数の初期値（周期、位相）を入力する。図７においては、初期値として、周期０．６秒、位相０度を入力している。図８は、テンプレート波形３に対して、周期０．６、位相０を適用して生成されたテンプレート信号波形を示している。
【００４２】
一致度は、上述した通り、二つの信号間の直交性により求めるため、先ず、減算処理後の信号とそのテンプレート波形における一番直交性が高い周期と位相を選択する必要がある。なお、最初に適用するテンプレート波形、及びその変数は、過去の記録を基に、運転者毎に予め設定されたものであってもよい。
【００４３】
２信号間の一致度が閾値より小さく、比較判定結果がＯＫでなかった場合（Ｓ１５でＮＯ）、テンプレート信号変数調整部１０１３は、選択したテンプレート波形に入力する変数を順次変更したテンプレート信号波形を生成して（Ｓ１６）、再度一致度の判定を行うことを繰り返す（Ｓ１５）。
【００４４】
図９は、一致度の比較を行うためにテンプレート信号変数調整部１０１３がテンプレート波形に適用する変数を順次変えていく様子を説明している。図９左図の図６で説明した減算処理後の信号に対して、図９中図のサンプリングする処理実施区間を選定する。この区間で選定された減算処理後の信号とテンプレート波形信号との相関関数を計算していく。
【００４５】
図９右図において、最初に適用した周期０．６秒に対して、位相差を、０度、９０度、さらに１５０度と変更したテンプレート信号波形を生成していく。次に周期を０．８秒として、同様に位相差を変更していく。ここで、周期０．８秒、位相差０度の場合に一致度の閾値を満足する場合（Ｓ１５でＹＥＳ）、その結果を生体情報として外部に出力する（Ｓ１７）。図１０は、テンプレート信号波形により再現された生体情報である。
【００４６】
テンプレート信号変数調整部１０１３は、図９で説明したとおり、予め設定された周期と位相の組み合わせによって順次テンプレート信号波形を生成していくが、例えば、一致度が閾値以上である変数の近傍についてさらに詳細に変数を調整しても良い。例えば、周期０．８秒、位相０で閾値を満足する場合、周期０．７秒〜９秒の間、位相−１５度〜１５度の間でさらに変数を変えて一致度を調査しても良い。
【００４７】
以上の判定方法により、例えば信号波形のピークを検出す平滑化数値微分法などの演算処理によりピークを検出して、ピークとピークの間隔を算出するアルゴリズムを使用した演算を行う波形解析処理を行う必要がなくなる。
【００４８】
検知信号に心拍による信号と呼吸による信号が重畳されている場合は、テンプレート波形と周期を変えて、同様に最適なテンプレート波形信号を選択していくことができる。例えば、心拍による周期は、心拍数が５０〜１８０回／分の場合、約０．３秒〜１．２秒程度であるが、呼吸による周期はさらに長周期となる。複数のテンプレート信号波形を使用して一致度を判定することにより、1つの検知信号から異なる種類の生体情報を取得することができる。
【００４９】
なお、図９では、テンプレート信号変数調整部１０１３が変数を変えたテンプレート信号波形を都度発生させていたが、例えば、予め各変数におけるテンプレート信号波形を記憶させておき、記憶差したテンプレート信号波形を適宜読み出して一致度を計算しても良い。
【００５０】
以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００５１】
例えば、車両に振動センサをさらに設け、検知信号から振動センサからの振動信号成分を除去することにより、周期的な車両の振動成分を除去して、生体情報に含まれるノイズ成分を減らすことができる。
【００５２】
また、マイクロ波の代わりに赤外線や超音波を利用した生体センサを使用することもできる。
【符号の説明】
【００５３】
１  生体情報取得装置
１０  生体情報ＥＣＵ
１０１  生体情報制御部
１０１１  検知信号移動平均演算部
１０１２  ２信号減算処理部
１０１３  テンプレート信号変数調整部
１０１４  ２信号比較判定部
１０２  記憶部
１１  生体センサ
１２  通信装置
１３  ＧＰＳ
１４  車速センサ
１５  操舵角センサ
１６  操作表示装置
１７  通話装置
１８  エンジンＥＣＵ
１９  ブレーキＥＣＵ
２０  外部Ｉ／Ｆ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2014151010.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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