(57)【要約】【課題】非接触かつ非拘束で測定対象者の心拍を確実に検知することができる心拍検知装置を提供する。【解決手段】測定対象者の所定の部位に無線周波信号を送信する無線送信手段と、前記測定対象者の体内を透過した前記無線周波信号を受信する無線受信手段と、前記受信した無線周波信号を位相もしくは振幅によって検波する検波手段と、前記検波された信号から、前記測定対象者の心拍を検出する心拍検知手段と、を有することを特徴とする。前記所定の部位とは、胸部であることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象者の所定の部位に無線周波信号を送信する無線送信手段と、
前記測定対象者の体内を透過した前記無線周波信号を受信する無線受信手段と、
前記受信した無線周波信号を位相検波もしくは振幅検波する検波手段と、
前記検波された信号から、前記測定対象者の心拍を検出する心拍検知手段と、
を有することを特徴とする、心拍検知装置。
【請求項２】
前記所定部位は、胸部である
ことを特徴とする、請求項１に記載の心拍検知装置。
【請求項３】
測定対象者の所定の部位に無線周波信号を送信するステップと、
前記測定対象者の体内を透過した前記無線周波信号を受信するステップと、
前記受信した無線周波信号を位相検波もしくは振幅検波するステップと、
前記検波された信号から、前記測定対象者の心拍を検出するステップと、
を含むことを特徴とする、心拍検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、心拍検知装置および心拍検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、生体の心拍を検知することによって、対象となる人の状態、特に覚醒状態を検出する技術が考案されている。当該技術は、医療分野だけでなく、日常生活における健康状態のモニタリングや居眠り運転の防止など、様々な分野での使用が模索されている。
【０００３】
生体の心拍を外部から検知する方法の一つに、生体表面に接触するセンサを用いる方法がある。例えば、電極を人間の皮膚に接触させ、心電を取得することで心拍を検知することができる。特許文献１には、心拍を検知することにより車両運転者の眠気を判定する発明が開示されている。当該発明では、車両のステアリングに配置された電極を握ることによって、心筋の収縮時に発生するパルス状の電圧、すなわち心電位を検出し、運転者の心拍を計測している。
【０００４】
また、圧電センサ等を対象部位に密着させ、心拍に由来する生体表面の変位を検出する方法もある。この方法を用いる場合、振動による誤検出を防止するため、対象の部位にセンサを装着し、動かないように固定することが望ましい。
【０００５】
このように、生体表面に接触させるタイプのセンサを用いて心拍を検出しようとした場合、センサと生体表面との接触を維持しなければ心拍を正確に検出できないという問題があった。また、センサの種類によっては、接触を維持するために測定部位を固定しなければならず、測定対象者を拘束するという問題があった。
【０００６】
この問題を解決するため、接触型のセンサ以外を用いて心拍を検出する技術が研究されている。非特許文献１には、車両用心拍検知装置に関する技術が記載されており、装置が有している一対の電極のうち片方を接触型電極、片方を非接触型電極とすることで、運転者が片手を離していても心拍を検出できるという特徴を持っている。
【０００７】
また、電波を用いて心拍を検出する試みも行われている。特許文献２には、心拍周波数検出装置に関する発明が記載されており、測定対象者の所定の部位にマイクロ波を照射し、反射波を受信して検波することによって、測定対象者の呼吸信号成分と心拍信号成分を取得する技術が開示されている。
【０００８】
特許文献２に記載の発明によると、マイクロ波を測定対象者の体表に照射して、その反射波を心拍の検出に利用するため、非拘束で心拍の検出ができるという利点がある。特許文献２に記載の発明では、周波数１０ＧＨｚのマイクロ波を測定対象者に照射し、その反射波から、脈拍については０．８Ｈｚ以上の信号を、呼吸については０．８Ｈｚ以下の信号をフィルタリングによって抽出する。この信号をフーリエ変換等の手段で周波数解析することで、呼吸および心拍数を取得することができる。
【０００９】
また、マイクロ波を用いた他の技術としては、非特許文献２に示したように、生体内にマイクロ波を透過させることで、内部の画像を非侵襲で取得する技術が提案されており、実用化の研究が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１６１６６４号公報
【特許文献２】特開２００９−０５５９９７号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】冨森秀樹，“自動車運転中の心拍周期計測の信号処理に関する研究”，東京大学新領域創成科学研究科修士論文，Mar.2009
【非特許文献２】佐藤武志，“マイクロ波ＣＴ開発のための基礎研究” ，大分大学工学部，技術部報告書，pp51-55 ，Sep.2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１について述べた通り、心拍に由来する生体表面の変位をセンサによって検知しようとした場合、対象部位にセンサが接触していなければならず、また、場合によっては接触状態を維持するための拘束が必要であるという問題がある。
【００１３】
これに対し、非特許文献１に記載の技術では、一対の電極のうち片方に非接触型電極を用いることで、心電の無検出状態を避けている。しかし、非接触型電極を用いた場合、測定対象者の体動や電荷の移動によって測定信号のベースラインが変動してしまうという問題がある。また、片方の電極は接触状態の維持が必要であるため、完全な非拘束状態を実現することができない。
【００１４】
特許文献２に記載の発明は、電波を用いるため非拘束で心拍を検出することができる。しかし、高周波を生体の表面にて反射させることによって体表の変位を検出する場合、測定誤差が発生しやすいという別の問題がある。高周波を用い、体表の変位を取得することで血管の動きを検知しようとした場合、１００μｍ程度の微細な変位を検出しなければならない。しかし、外部から測定対象者にマイクロ波を照射する場合、心拍による体表変位よりも大きな体動や、振動などの外部要因による体表の変位があると、ノイズとして観測結果に現れ、心拍による体表の変位を正確に検出できなくなる。測定対象者が動かない状態、たとえば寝台に横たわっている等の場合であればこのような影響は少ないが、測定対象者が活動中である場合、常に体が動いているため、このような問題が発生しやすくなる。
【００１５】
また、マイクロ波の透過を用いて生体内の情報を画像として取得する技術は考案されているが、心拍などの生体に特有な動きを検出するために簡易で安価に実現する技術については、これまで考案されていなかった。
【００１６】
本発明は上記の問題点を考慮してなされたものであり、非接触かつ非拘束で測定対象者の心拍を確実に検知することができる心拍検知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】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明に係る心拍検知装置では、以下の手段により測定対象者の心拍を測定する。
【００１８】
本発明に係る心拍検知装置は、測定対象者の所定の部位に無線周波信号を送信する無線送信手段と、前記測定対象者の体内を透過した前記無線周波信号を受信する無線受信手段と、前記受信した無線周波信号を位相もしくは振幅によって検波する検波手段と、前記検波された信号から、前記測定対象者の心拍を検出する心拍検知手段と、を有することを特徴とする。
【００１９】
すなわち、無線周波信号を測定対象者の体内に送信し、透過した信号を受信、検波する
ことによって、体内器官の変位に由来する変動を検出する。この変位が心拍由来の変位であるとき、従来技術にて検出していた心拍と体表の変位と体動などのノイズに由来する変位とに比較して、心拍由来の変位が大きくなる。したがって、体表面の変位を計測する場合と比較して、ノイズによる影響が相対的に小さくなるため、心拍をより確実に検知することができる。
【００２０】
また、前記所定部位は、胸部であることが好ましい。血管などによる変位も検出可能であるが、血管よりも大きな変位を持つ心臓を対象とする方がより確実に心拍を検知できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、非接触かつ非拘束で測定対象者の心拍を確実に検知することができる心拍検知装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態に係る心拍検知装置の機能構成図である。
【図２】送受信アンテナの配置形態を表す図である。
【図３】実施形態に係る心拍検知方法を説明する図である。
【図４】受信波を検波およびサンプリングした後の信号例を表す図である。
【図５】実施形態に係る心拍検知装置の動作フローチャートである。
【図６】取得した無線周波信号を検波した結果のエンベロープ図である。
【図７】取得した無線周波信号を周波数変換した結果のスペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
（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。
送信部１２は、本発明における無線送信手段であり、高周波、好ましくは連続するマイクロ波を測定対象者に対して送信するための送信装置である。マイクロ波は、測定対象者の体内を透過して受信することができれば、どのような周波数帯が用いられてもよい。本発明に係る心拍検知装置は、例えばサブギガ帯を含む１ＧＨｚ前後の周波数を用いることで比較的容易に実現することができる。周波数が高くなると体内を透過する無線周波信号の減衰が大きくなるため、測定対象者の体動の影響を受けやすくなるといった問題が発生する。また、周波数が低いとアンテナが大きくなることで装置の実現に制約が生じたり体表での回り込みが発生しうるが、無線装置が簡略化できコストを抑えることができる。このように、求められる装置構成の条件などに応じて適宜周波数を選択することができる。なお、電波利用についての法規制がある場合は、利用可能である周波数のうち、最も好適な周波数を選択すればよい。送信出力は、受信側にて十分な電力が検出できる程度でよい。本実施形態では数ｍ〜数十ｍＷを想定する。送信部１２は、図示しないマイクロ波発振器によって生成された高周波信号をアンテナ１３へ供給する。
【００２５】
送信アンテナ１３は、送信部１２によって送信されたマイクロ波を測定対象者の体内に照射するための手段であり、受信アンテナ１４は、送信アンテナ１３から放射されたマイクロ波を受信するための手段である。両アンテナは、図２に示したように、測定対象者の心臓をマイクロ波が透過するような位置に設置され、信号を取得するのに最適な間隔で保
持される。たとえば、本発明に係る心拍検知装置を自動車に適用した場合、座席の両脇にアンテナを配置してもよいし、シートベルト上の、運転者の胸に位置する場所に送信アンテナ１３を内蔵し、運転席の背もたれに受信アンテナ１４を内蔵してもよい。偏波については水平偏波、垂直偏波のどちらを使用してもよい。
【００２６】
ここで、図３を参照しながら生体を通過したマイクロ波の変化について説明する。マイクロ波をはじめとする無線周波信号を生体の内部に照射すると、生体内の誘電率の差がある器官の境界面で反射や回析が発生する。受信アンテナで取得される信号は、器官を回り込んで反対側に到達する回折波と、器官の内部を透過した透過波であると考えられる。図３（ａ）は、心臓の拡張期においてマイクロ波が体内を通過する模様を表した図であり、図３（ｂ）は、心臓の収縮期においてマイクロ波が体内を通過する模様を表した図である。心臓を含む体内の器官は、それぞれ異なる誘電率と電波吸収率を持っているため、器官の大きさが変化することにより、観測される無線周波信号の位相や振幅に変化が生じる。
【００２７】
例えば、図３の例でマイクロ波３１を体内に送波した場合は、心臓が拡張期である場合の受信波３２と、収縮期である場合の受信波３３との間に振幅の変化を観測することができる。誘電率が高い箇所では、誘電率が低い箇所と比較して信号の減衰率が大きくなる。心臓は、周辺の器官と比較して誘電率が高いため、収縮期と比較すると、拡張期においてより大きく信号が減衰、すなわち受信波の振幅が小さくなる。このように、マイクロ波が透過する経路上に器官があり、体内での動きの変動がある場合、マイクロ波の伝搬特性が体内器官の変位で変動する。検波した結果の変動の信号の大きさは、器官の変位の大きさに比例するため、当該器官を透過したマイクロ波を受信し、振幅によって検波することで、心拍を確実に検知することができる。
【００２８】
同様に、図３の例では、誘電率が異なる器官をマイクロ波が透過することで、マイクロ波の伝搬経路長が変化するため、受信波３２と受信波３３との間で伝搬時間の変化による位相の変化が発生する。よって、前記検波は位相によって行うこともできる。
【００２９】
また、肺のように呼吸に伴う容積変化により平均誘電率が変化する組織においては、伝搬する器官の誘電率変化に伴って、マイクロ波の減衰量と伝搬時間とが共に変化するため、位相の変化が発生する。よって、この場合も、検波は位相によって行うことができる。
【００３０】
図１に戻り、システム構成の説明を続ける。受信部１５は、本発明における無線受信手段である。受信部１５は、アンテナ１４によって送信されたマイクロ波を受信した信号を、検波部１６が必要とする信号へ変換する手段である。
【００３１】
検波部１６は、受信部１５によって受信したマイクロ波の検波を行う手段である。検波部１６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復調を行う。
【００３２】
サンプリング部１７は、検波信号を既定の周波数によってサンプリングし、デジタル信号列に変換する手段である。サンプリング間隔は、たとえば１０ミリ秒とすることができる。
【００３３】
制御部１１は、送信部１２に対してマイクロ波の出力を指示したのち、サンプリング部１７から受信したデジタル信号列を解析し、心拍を検出するための手段である。詳細な動作については後述する。
【００３４】
（処理フロー）
次に、制御部１１の処理フローチャートである図５を参照しながら装置の動作を説明する。制御部１１は、装置の動作が開始されると、送信部１２に対してマイクロ波の出力を
指示する（Ｓ１１）。本実施形態に係る心拍検知装置を自動車に対して適用した場合、エンジン始動と同時に装置が動作を開始し、エンジン停止によって動作を終了してもよい。
【００３５】
続いて、受信部１５が、測定対象者の体内を透過したマイクロ波を受信する（Ｓ１２）。受信された信号は増幅され、中間周波数に変換されたのち、検波部１６によって検波が行われる（Ｓ１３）。検波の方法については、前述した通り、位相検波であってもよいし、包絡線検波（振幅検波）であってもよい。本実施形態においては、位相による検波を行う例を挙げる。
【００３６】
続いて、検波信号をサンプリングする処理を実施する（Ｓ１４）。サンプリング処理は、サンプリング部１７が有するＡ／Ｄ変換器によって行ってもよいし、ソフトウェアにて処理を行ってもよい。ステップＳ１４を実行することにより、時間と位相のずれで心臓および血管の動きを表したデータを得ることができる。図４は、サンプリング処理をした後の心拍信号波形の例を示している。
【００３７】
ステップＳ１４によるサンプリング処理が終了すると、制御部１１は、サンプリング部１７から取得した心拍データの信号列を用いて心拍の検出を行う（Ｓ１５）。心拍の検出は、取得した心拍データのピークを検出することによって行うことができる。本ステップが、本発明を適用することができる心拍検知装置における心拍検知手段である。
【００３８】
次に、本実施形態に係る心拍検知装置を用いて測定を行った結果を説明する。図６は、マイクロ波による心拍検知の仕組みを検証するため、周波数９５０ＭＨｚのマイクロ波を用い、測定対象者の前部から背部への透過特性を計測した結果の一例を表した図である。なお、比較対象として、送信アンテナおよび受信アンテナを測定対象者の前部に配置し、身体前部でマイクロ波を反射させた場合、および、送信アンテナおよび受信アンテナを測定対象者の後部に配置し、身体後部でマイクロ波を反射させた場合のそれぞれについての計測結果も示した。
【００３９】
計測は、測定対象者の前後から３つのパターンによってマイクロ波を照射し、測定することによって行った。図６のグラフのうち、グラフ３０１（実線）が、前方からマイクロ波を照射して後方で透過波を計測したパターン、グラフ３０２（点線）が、前方からマイクロ波を照射して前方で反射波を計測したパターン、グラフ３０３（破線）が、後方からマイクロ波を照射して後方で反射波を計測したパターンのそれぞれの結果を示している。
【００４０】
グラフ３０１〜３０３のピークを検出することにより、測定対象者の体内器官の動きを検出することができる。正面にて反射波を検出したグラフ３０２では、変位の周期が２秒前後であり、心拍よりも呼吸ないしは体動を大きく検出してしまっていることがうかがえる。また、背面にて反射波を検出したグラフ３０３では、大きな変位をとらえることができていない。これに対し、グラフ３０１では、適切な振幅と周期が得られていることがわかる。
【００４１】
図７は、ステップＳ１５にて得られた心拍（グラフ３０１）を、参考のために周波数スペクトルに置き換え、グラフ４０１によって表した図である。なお、測定すべき実際の心拍数は、測定対象者が装着したパルスオキシメータより取得し、図中の４０４にて表した。図７からわかるように、受信信号の周波数スペクトルには、心拍を表すピーク４０２と、呼吸を表すピーク４０３が現れており、心拍を表す信号が呼吸によって妨害されず、明瞭に現れていることがわかる。
【００４２】
このように、測定対象者にマイクロ波を照射し、体内を透過させる本発明の測定方法では、測定対象者の体動の影響を受けにくいという利点を確認することができる。体表にて
マイクロ波を反射させた場合、測定対象者の体動や外的要因による体表の変位が、心拍に由来する体表の変位と同等もしくは大きいため、心拍信号との干渉を起こす原因となっていた。これに対し、マイクロ波を透過させる手法であれば、マイクロ波の伝送経路上にいる測定対象者に若干の体動があっても、体内器官の変位量と比較すると相対的に小さいため測定に影響を与えにくく、確実に心拍を検知できる。
【００４３】
また、呼吸の高調波成分は、周波数が心拍の周波数と近接しており、従来技術による測定では心拍信号に対してレベルが相対的に大きかったため、心拍信号のレベルと同等ないしは心拍信号よりも大きくなり、呼吸の高調波成分による心拍信号への干渉が顕著であったが、測定対象者の体内にマイクロ波を透過させる本発明においては、体表での小さな変動に対して体内器官の比較的大きな変動を検出するようにしたことで、心拍信号への干渉を相対的に小さくすることができる。
【００４４】
本発明によると、マイクロ波による生体測定技術の基本となる、マイクロ波の伝播特性変化の検出を応用することによって、生体内部の動きを確実に検出することができる。マイクロ波を用いる断層撮影装置が、生体内の組織に関する情報を非侵襲で取得できるという効果を有するのに対し、本発明は、体動をはじめとする雑音の影響を受けずに、単純な機器構成によって測定対象者の心拍を非侵襲で検出することができるという新しい効果を奏する。さらに、マイクロ波を用いる断層撮影装置のアンテナが生体に接することを必要とするのに対して、本発明ではアンテナを生体から離して設置することができる。
【００４５】
上記の実施形態はあくまでも一例であって、本発明はその要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施しうる。たとえば、送信アンテナ１３および受信アンテナ１４は、それぞれの位置を逆にしてもよい。実施形態で行った例示は、マイクロ波の透過方向を限定するものではない。
【００４６】
また、本実施形態においては、測定対象者の心拍を検出したが、生体内器官の変動を検出するものであれば、他の用途にも適用することができる。例えば、肺に空気を吸い込むことによって、肺の内部の誘電率が変化するため、測定対象者の肺の動きを検出することによって、呼吸を検出することが期待できる。呼吸を検出する場合は、アンテナ１３および１４は、マイクロ波が肺を透過するような位置に配置することが望ましい。また、この場合、フィルタ等の適切な手段によって心拍の信号と呼吸の信号とを分離することが望ましい。
【００４７】
また、本発明を適用することができる心拍検知装置は、前述した実施形態の機能を実現するために、中央演算処理装置（ＣＰＵ）および主記憶装置（ＲＡＭ）、補助記憶装置（記憶媒体）を有していてもよい。このように構成した場合、先に説明したフローチャートに対応するプログラムコードが補助記憶装置に格納され、当該プログラムコードをＣＰＵが読み出して実行することにより、前述した実施形態の機能が実現される。
【符号の説明】
【００４８】
１１  制御部
１２  送信部
１３  送信アンテナ
１４  受信アンテナ
１５  受信部
１６  検波部
１７  サンプリング部
【図１】
2013153783.tif 000003
【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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