(57)【要約】【課題】高速のＣＰＵや大きなメモリも必要とすることなく、短い処理時間で効率よく、かつ高い感度にて、生体の情報を検知する。【解決手段】周波数掃引に基づき変調波を送信すると共にその反射波を受信し、送信波と受信波をミキシングして両波の差の周波数を持つビート信号を出力するバイタルセンサにおいて、連続して繰り返される掃引の前後の掃引におけるビート信号間の減算（差分回路２７）により差分信号を抽出し、この差分信号のパワーを積算した積算パワー値を掃引毎に演算し（パワー積算回路２８）、この掃引毎の積算パワー値の変化を検出することにより、生体の微小変動の情報、呼吸数、心拍数等を判定する（計測回路２９）。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数掃引に基づき、発振周波数が連続的に上昇又は下降を繰り返す変調波を送信すると共に、この送信波が前方に存在する物体で反射した反射波を受信し、送信波と受信波をミキシングすることにより両波の差の周波数を持つビート信号を出力する送受信回路を備えるバイタルセンサにおいて、
連続して繰り返される掃引の前後の掃引における上記ビート信号間の減算により差分信号を抽出し、
この差分信号のパワーを積算した積算パワー値を掃引毎に演算し、この掃引毎の積算パワー値の変化により生体の微小変動の情報を検知することを特徴とするバイタルセンサ。
【請求項２】
送信波と受信波とのミキシング後に得られたビート信号の周波数を帯域制限することにより、複数の生体の各々の微小変動の情報を検知することを特徴とする請求項１記載のバイタルセンサ。
【請求項３】
上記生体の微小変動の情報は、心拍若しくは呼吸の有無又は心拍数若しくは呼吸数であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のバイタルセンサ。
【請求項４】
上記差分信号から生体までの距離を求め、生体の有無の情報も検知することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のバイタルセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバイタルセンサ、特にマイクロ波帯・ミリ波帯の変調波を送信し、この送信波と物体から反射された受信波を比較して、生体の呼吸、心拍等の微小な変動を検知するバイタルセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から電波式非接触のバイタルセンサには、主にドップラー方式とＦＭＣＷ（周波数変調連続波）で微小位相角を計測する方式のものが用いられており、ドップラー方式は、ＣＷ信号をターゲット（例えば人体）に放射し、人体で反射した反射波を受信し、この受信波と送信波との位相検波を行うことで、移動により生じるドップラー信号から呼吸や心拍の動く情報を得る方法である。
呼吸とは、人体の肺の収縮や同時に変動する腹部の動作を示し、心拍とは心臓の鼓動や血流の動き(脈拍)を示す。これらは動きの速度と移動する距離（量）が異なるがいずれの場合も人の動く動作に比べて遥かに小さい。
【０００３】
ドップラー方式は、主に極近距離でシングルターゲットに用いられ、ドップラー信号は動いているものの全てに反応し、不必要な信号の分別が難しい反面、システム的にＳＮ比を向上させ易い利点がある。即ち、ターゲットまでの距離を長くしようとすると、目的外の雑音の影響を受けて誤報等を生じさせる場合があり、ターゲットの正確な挙動の抽出が難しい。
【０００４】
一方、ＦＭＣＷ方式は、所定の変調幅及び掃引期間の掃引で形成された電波をアンテナより放射し、ターゲットである人体等により反射した信号を位相検波し、距離によって生じるビート信号の周波数から距離を算出する方法である（微小位相角方式ともいわれる）。このビート信号には、ターゲットが極少量だけ移動した場合、その移動に合わせた位相変動が生じ、この位相変動の時間（周期）を取り出すことで呼吸や心拍数などの動きを抽出することができる。
【０００５】
このＦＭＣＷ方式の場合は、距離計測が可能で比較的遠距離に対応できるが、掃引帯域幅による距離分離分解能が、ｃ／Δｆ（ｃ：光速、Δｆ：掃引帯域幅又は占有帯域幅）であり、国内の場合１．５ｍとなり、海外などの場合は３ｍとなる。
従って、例えば室内で人体を検知する場合、室内の壁や家具等、色々な物があり、それらの反射物と人体とが距離分離分解能以上に離れていることが必要とされる。また、距離分離分解能以内の反射物の場合、ＦＦＴ後のスペクトラムの融合等により微小変動の挙動は現れるが、その距離が定まらなかったり、大きな反射信号に埋もれて微小な信号の抽出が困難となったり、大きな反射物がある等の環境（周囲）の影響を受け易く、測定結果の不安定さとして表れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５８４８４６９号公報
【特許文献２】米国特許第９４２３４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来のＦＭＣＷ方式のセンサでは、アンテナからの放射が広がらない比較的近距離のシングルターゲットの場合には、良好な検出ができ、特定の条件下において実用可能であるが、非接触で呼吸数、心拍数等を計測するセンサとして用いる殆どの場合において、感度が十分ではなく、誤報や失報が生じるという問題があった。
【０００８】
また、上記特許文献１の生体状態検出装置では、ＦＭＣＷレーダの検出結果（ＦＦＴ処理）に基づき、距離毎に距離スペクトラム強度データ（ピーク値）を求め、生体が存在しない状態の基準値と、生体が存在するときの状態の値との差を差分データ（周波数スペクトラムの差分）として算出し、その結果のスペクトラムにおけるピーク値の時間変動から姿勢や呼吸等を検出する。
上記特許文献２のワイヤレス検出装置でも、壁や窓の静止物と人等の生体が異なる距離にあるときに、距離に対するピークスペクトラムを時間的に比較し、生体のピークスペクトラムの時間変化を計測することにより生体検知を行っている。
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１及び２では、ＦＦＴ処理後のスペクトラムを比較し、スペクトラムの差分に基づいて生体検知を行っており、この手法では、基準（背景）情報を計測結果から引く処理のため、検出対象の距離の感度が著しく悪くなるという不都合がある。
【００１０】
また、従来では、ＦＦＴ処理で得られたスペクトラムの差分に基づいて生体検知を行うため、大きなメモリが必要となり、検知までの演算・処理も複雑になり、処理時間も長くなるという問題がある。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高速のＣＰＵや大きなメモリも必要とすることなく、短い処理時間で効率よく、かつ高い感度にて、生体の情報を検知することができるバイタルセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、周波数掃引に基づき、発振周波数が連続的に上昇又は下降を繰り返す変調波を送信すると共に、この送信波が前方に存在する物体で反射した反射波を受信し、送信波と受信波をミキシングすることにより両波の差の周波数を持つビート信号を出力する送受信回路を備えるバイタルセンサにおいて、連続して繰り返される掃引の前後の掃引における上記ビート信号間の減算により差分信号を抽出し、この差分信号のパワーを積算した積算パワー値を掃引毎に演算し、この掃引毎の積算パワー値の変化により生体の微小変動の情報を検知することを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明は、送信波と受信波とのミキシング後に得られたビート信号の周波数を帯域制限することにより、複数の生体の各々の微小変動の情報を検知することを特徴とする。
請求項３の発明は、上記生体の微小変動の情報は、心拍若しくは呼吸の有無又は心拍数若しくは呼吸数であることを特徴とする。
請求項４の発明は、上記差分信号から生体までの距離を求め、生体の有無の情報も検知することを特徴とする。
【００１４】
以上の構成によれば、周波数掃引により上昇又は下降する変調波が順次送信され、この送信波による反射波が受信され、この受信波を送信波とミキシングすることにより両波の差の周波数を持つビート信号（ＩＱ信号）が得られる。このビート信号において、連続して繰り返される掃引毎に前回掃引のビート信号との間で減算処理をすることにより差分信号が抽出され、この差分信号の積算パワー値が演算される。この掃引毎の積算パワー値の変化をＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理等で把握することにより、生体の微小変動である呼吸、心拍（脈拍）、微小の動きの有無、そして心拍数若しくは呼吸数等が検知される。
【００１５】
また、送信波と受信波とをミキシングした後のビート信号の周波数をフィルタ等で帯域制限し、不必要な信号を除外することにより、複数の生体の各々の微小変動の情報が良好に検知される。
更に、上記差分信号を例えばＦＦＴ処理すれば、生体までの距離を求めることができ、これにより、生体自体の有無（存否）も把握することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＦＦＴ処理後の周波数スペクトラムについての差分を演算しないので、ＦＦＴ演算の回数が少なくてよく、高速のＣＰＵや大きなメモリも必要とすることなく、短い処理時間で効率よく、生体の情報を検知できるという利点がある。
また、掃引毎にビート信号の差をリアルタイムで求めるので、計測条件によって感度が変わったりせず、高い感度を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る実施例のバイタルセンサの回路構成を示すブロック図である。
【図２】実施例において周波数掃引から積算パワー値の変化を得るまでの信号処理を示す波形図である。
【図３】実施例において掃引毎に得られるビート信号の波形［図（ａ）］と積算パワー値の変化の信号［図（ｂ）］を示す図である。
【図４】実施例で得られる呼吸の周波数［図（ａ）］と心拍の周波数［図（ｂ）］を示す波形図である。
【図５】実施例のバイタルセンサにて生体の情報を得るときの状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に、実施例のバイタルセンサの回路構成が示されており、このバイタルセンサはマイクロ波を用いたＦＭＣＷセンサである。
図１に示されるように、送信部１０は、発振器１１、分配器１２、送信アンプ１３、送信波フィルタ１４、ＬＯアンプ１５等を有し、周波数掃引（所定の変調幅及び期間の掃引）により発振周波数が連続的に上昇又は下降を繰り返す変調波を送信し、受信部１８は、ＬＮＡ（低雑音増幅器）１９等を有し、対象物からの反射波を受信しており、これら送信部１０及び受信部１８は図示しない制御部によって制御される。
【００１９】
また、送信部１０及び受信部１８からの信号を入力し、送信波と受信波をミキシングしてビート信号（Ｉ，Ｑ信号）を出力するミキサ２０が設けられ、このミキサ２０の後段に、ＩＦフィルタ２１、ＩＦアンプ２２、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）２３が配置され、このＡＤＣ２３にＭＣＵ（マイクロコントロールユニット）等からなる演算部２５が接続される。
【００２０】
上記演算部２５には、掃引毎に今回の掃引で得られたビート信号と前回の掃引で得られたビート信号との間でビート信号の差分（差分信号）を算出する差分（減算）回路２７、この差分回路２７から出力された差分信号のパワー（振幅値）を積算するパワー積算回路２８、このパワー積算回路２８から出力された積算パワー値から生体の微小変動、例えば呼吸、心拍、微小の動き等を測定する計測回路２９が含まれている。この計測回路２９は、パワー積算回路２８から出力された積算パワー信号に対しＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を施し、得られた周波数スペクトラムから呼吸の有無、呼吸数、心拍の有無、心拍数等を検知することができる。この呼吸、心拍等の生体情報は、ＦＦＴ処理によらずパルスカウントを実施することによっても検知することが可能である。
【００２１】
実施例は以上の構成からなり、その作用を図２、図３により説明する。まず、上記送信部１０では、図２（ａ）に示されるように、繰り返し時間Ｔ（数ミリ秒）の周波数掃引（アップ掃引又はダウン掃引）に基づき変調されたマイクロ波［図２（ｂ）のＲＦ］が連続して送信され、このマイクロ波の送信に基づき、受信部１８では物体からの反射波が受信され、ミキサ２０にて両波をミキシングすることで、差の周波数であるビート信号［図２（ｃ）］が順次出力される。即ち、送信波に比べて受信波が遅れるため、両波の差の周波数を持つビート信号（Ｉ，Ｑ信号）が得られる。このビート信号の周波数は、掃引時間、掃引周波数帯域（占有帯域幅）、そして対象物までの距離により変わるため、この周波数を分析することで、対象物の距離を求めることができる。
【００２２】
次に、演算部２５の差分回路２７では、図２（ｄ）に示されるように、掃引毎にビート信号間の差分信号（差分ビート信号）が算出される。即ち、図２（ｃ）のように、連続する掃引毎にビート信号ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…ＳＷ（ｎ）が得られるが、このビート信号間の差、ＳＷ１−ＳＷ２，ＳＷ２−ＳＷ３，ＳＷ３−ＳＷ４…が順次求められ、その後、パワー積算回路２８では、図２（ｅ）に示されるように、差分信号のパワー（振幅値）の積算処理として、Ｓ12＝Σ（ＳＷ１−ＳＷ２）、Ｓ23＝Σ（ＳＷ２−ＳＷ３）、Ｓ34＝Σ（ＳＷ３−ＳＷ４）…が行われ、積算パワー値（電圧値）Ｓ12，Ｓ23，Ｓ34…が演算される。
【００２３】
次いで、計測回路２９では、上記積算パワー値Ｓ12，Ｓ23，Ｓ34…を、例えばＦＦＴ処理することにより、図２（ｆ）に示されるように、測定対象物である生体の微小変動（変化）、例えば呼吸、心拍、微小な動き等が検知される。そして、この波形を周波数解析（例えばＦＦＴ処理）することで、呼吸数、心拍数を得ることができる。
【００２４】
即ち、図３（ａ）にも示されるように、掃引毎に得られるビート信号ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，…ＳＷ（ｎ）において、ビート信号間の差Δ１，Δ２，Δ３，…Δ（ｎ）が算出され、その積算パワー値ＰΔ１，ＰΔ２，ＰΔ３，…ＰΔ（ｎ）が求められる。この積算パワー値ＰΔ（ｎ）は、図３（ｂ）のように、差分信号で得られる距離情報の変化の大小に応じた大きさの値となり、この積算パワー値をプロットすれば、呼吸、心拍、微少な動きの情報を含んだ信号が得られ、この信号の周波数を周波数解析することによって、所定の周波数が現れることになり、この周波数によって呼吸数、心拍数等が判定される。生体における動作（変動）の距離幅が大きいとき、積算パワー値（電圧値）は大きく、逆に距離幅が小さいときは、積算パワー値は小さくなり、この積算パワー値の変動により、心拍や呼吸等の動きを検知することができる。
【００２５】
図４に、上記計測回路２９で得られた呼吸及び心拍の周波数が示されており、図４（ａ）のピークの周波数で呼吸の存在及び呼吸数、図４（ｂ）のピークの周波数で心拍の存在及び心拍数が判定されることになる。一般に呼吸数は、１２〜２０回／分、心拍数は５０〜７５回／分であり、周波数では、呼吸数が０．２Ｈｚ〜０．３３Ｈｚ、心拍数が０．８３Ｈｚ〜１．２５Ｈｚとなるから、それぞれの周波数をフィルタ等で分解することで、呼吸数、心拍数及びその他の動きを判別する。
【００２６】
また、実施例では、差分回路２７で得られた差分信号に対しＦＦＴ処理等を施すことにより、移動する対象物の有無（存否）を検知することができる。
例えば、図１に示されるように、差分回路２７の差分信号をパワー積算部２８を介さずに計測回路２９に出力してＦＦＴ処理すれば、この計測回路２９にて、ＦＦＴ処理後の周波数スペクトラムにおいて、各周波数の信号強度がほぼ０となるとき、移動する対象物がなく、特定の周波数において信号強度のピークがあるとき、移動する対象物が存在することが判定される。
【００２７】
図５には、上方に配置したバイタルセンサで人の状態を検出する場合が示されており、左側のように、バイタルセンサの下を単に移動している場合は、上述のように、差分信号により人の通過が検知され、右側のように、ベッド等に寝ている人は、差分信号の積算パワー値に基づいてその呼吸、心拍、微小な動き等が検知される。
【００２８】
上述した積算パワー値（電圧値）は、微小に変化する距離情報に対応して振幅値に変化が生じるデータであり、この変化の周期（周波数）が微小に変化する生体の周期を表すデータとなる。繰り返しの測定時間が生体の変化する時間に対して遥かに短いため、このような挙動を示すことになる。
例えば、５ｍ先の人が歩行又は移動したときは、比較し得られた周波数（差分信号）は、その人までの距離を表し、この場合の人の動きは大きいため、移動距離そのものを示す。
一方、人が静止しその場所に留まるような行動をしたとき、距離が変わる訳ではないので、移動しているとはいえず、その場合、差分信号で検出された距離情報の変化は見られないが、人は通常（寝ているときでも）、呼吸や微妙な動きをするし、少なくとも心臓は常時動いている。
本発明は、これらの動きを掃引毎に比較し、結果の積算パワーを繋ぎ合わせることにより、呼吸、心拍、微小な動き等を検知するものである。
【００２９】
また、実施例では、差分信号を算出する前に、１掃引で得られるビート信号に対し、対象物（生体）までの距離に相当する周波数成分を抽出するような帯域制限を行うことにより、複数の生体が存在する場合でも、これら生体のそれぞれの心拍や呼吸等を同時に検出することが可能である。
具体的な手法としては、例えばビート信号に対してＦＦＴ処理を行い、ピークが立った周波数から対象となる人物までの距離を測定し、それ以外の周波数成分を除去するようなバンドパスフィルタにビート信号を通過させることにより実現できる。例えば、扇風機やエアコンといった環境雑音と考えられる物体が測定範囲にある場合も、対象物に起因しない周波数成分を除去することにより、それらの影響を排除することができる。
【００３０】
更に、実施例では、今回と前回の掃引に基づく差分信号から得られる周波数スペクトラムの移動する物体の距離情報と、１回の掃引のみで得られたビート信号の周波数スペクトラムの物体の距離情報を比較し、静止体のみの距離を検出することもでき、これによって、移動する生体と静止体を明確に区別して検出することが可能である。
即ち、本発明のバイタルセンサは、ＦＭＣＷ方式の持つ弱点である掃引幅による距離分離分解能の影響を受けず、静止物、移動する生体、生体が静止した時の微小な動きを検出できる電波センサである。
【００３１】
また、上記パワー積算回路２８では、差分信号の値が絶対値で比較されるため、元の周波数の倍の値のデータが得られる。これは、差分処理において、等間隔の比較により変化の少ない箇所と大きな箇所を繰り返し、少ない箇所が１サイクル（周期）に２回存在するためであり、差分信号の電圧値は、本来の呼吸や心拍の２倍の速さを示す。従って、呼吸と心拍の各々の周波数分解が行い易く、確実に呼吸の情報と心拍の情報を分離して抽出できるという利点がある。
【００３２】
以上の構成のバイタルセンサによれば、掃引毎にビート信号のスペクトラムを演算して比較する必要がなく、ビート信号の差分信号に基づいた簡単な処理で検知ができるため、ＭＣＵ等で構成される演算部２５に搭載されるメモリが少なくて済み、演算処理も高速になる。
また、従来に比較して、リアルタイムに比較を行うため、計測条件において感度が変わらず、感度の高い検知が可能で、誤報や失報を軽減できるという利点がある。
【符号の説明】
【００３３】
１０…送信部、            １１…発振器、
１５…ＬＯアンプ、        １８…受信部、
１９…ＬＮＡ（低雑音増幅器）、  ２０…ミキサ、
２１…ＩＦフィルタ、      ２２…ＩＦアンプ、
２３…アナログデジタルコンバータ、
２５…演算部、            ２７…差分回路、
２８…パワー積算回路、    ２９…計測回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2019152441.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月5日(2018.3.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
次いで、計測回路２９では、上記積算パワー値Ｓ12，Ｓ23，Ｓ34…から、図２（ｆ）に示されるように、測定対象物である生体の微小変動（変化）、例えば呼吸、心拍、微小な動き等が検知される。そして、この波形を周波数解析（例えばＦＦＴ処理）することで、呼吸数、心拍数を得ることができる。