特許 7224163 心拍周期測定装置及び心拍周期測定プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-09

(45)【発行日】2023-02-17

(54)【発明の名称】心拍周期測定装置及び心拍周期測定プログラム

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/0245 20060101AFI20230210BHJP

   A61B 5/11 20060101ALI20230210BHJP

   A61B 5/113 20060101ALI20230210BHJP

   G01S 13/56 20060101ALI20230210BHJP

【ＦＩ】

A61B5/0245 Z

A61B5/11 110

A61B5/113

G01S13/56

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018231688

(22)【出願日】2018-12-11

(65)【公開番号】P2020092783

(43)【公開日】2020-06-18

【審査請求日】2021-11-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000004330

【氏名又は名称】日本無線株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】500557048

【氏名又は名称】学校法人日本医科大学

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】松本 景子

(72)【発明者】

【氏名】神野 信夫

【審査官】▲高▼木 尚哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１７５０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００７３９６１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０８－０４４３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２２５８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１６３４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５００７４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ５／０２－５／０３

Ａ６１Ｂ ５／０６－５／２２

Ｇ０１Ｓ １３／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

生体表面へと照射され生体表面から反射されたレーダ信号の時系列変化について、呼吸成分を除去し心拍成分を抽出する心拍成分抽出部と、
心拍成分を抽出されたレーダ信号の時系列変化について、複数種類の信号時間長で相関処理を実行する相関処理実行部と、
前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻を心拍周期として測定する心拍周期測定部と、を備え、
前記心拍周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピークを心拍成分又は高調波成分に分類するにあたり、（１）第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい自然数ｎの個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい自然数ｎの個数より多いときに、第２ピーク時刻を心拍周期として測定する、又は、（２）第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい現在又は過去の相関処理結果の個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい現在又は過去の相関処理結果の個数より多いときに、第２ピーク時刻を心拍周期として測定する
ことを特徴とする心拍周期測定装置。

【請求項2】

前記相関処理実行部は、心拍成分を抽出されたレーダ信号の時系列変化について、現時点を終端時とする前記複数種類の信号時間長で相関処理を並列して実行する
ことを特徴とする、請求項１に記載の心拍周期測定装置。

【請求項3】

前記相関処理実行部は、心拍成分を抽出されたレーダ信号の時系列変化について、前記複数種類の信号時間長で自己相関処理を実行する
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の心拍周期測定装置。

【請求項4】

前記心拍周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定する
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の心拍周期測定装置。

【請求項5】

前記心拍周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻のヒストグラムの代表値又は中央値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定するにあたり、相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて頻度の重み付けを実行する
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の心拍周期測定装置。

【請求項6】

前記心拍周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関処理結果の加算結果の最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定するにあたり、相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて加算の重み付けを実行する
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の心拍周期測定装置。

【請求項7】

生体表面へと照射され生体表面から反射されたレーダ信号の時系列変化について、呼吸成分を除去し心拍成分を抽出する心拍成分抽出ステップと、
心拍成分を抽出されたレーダ信号の時系列変化について、複数種類の信号時間長で相関処理を実行する相関処理実行ステップと、
前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻を心拍周期として測定する心拍周期測定ステップと、
を順にコンピュータに実行させ、
前記心拍周期測定ステップは、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピークを心拍成分又は高調波成分に分類するにあたり、（１）第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい自然数ｎの個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい自然数ｎの個数より多いときに、第２ピーク時刻を心拍周期として測定する、又は、（２）第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい現在又は過去の相関処理結果の個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい現在又は過去の相関処理結果の個数より多いときに、第２ピーク時刻を心拍周期として測定する
ことを特徴とする心拍周期測定プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーダ信号の時系列変化に基づいて、心拍周期を測定する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

生体表面へと照射され生体表面から反射されたレーダ信号の時系列変化に基づいて、心拍周期を測定する技術が、特許文献１～５に開示されている。特許文献１では、レーダ信号の時系列変化の山又は谷のカウント数に基づいて、心拍周期を測定するが、レーダ信号の時系列変化の波形の歪みがあると、心拍周期の測定が困難になる。特許文献２～４では、レーダ信号の時系列変化の周波数スペクトルに基づいて、心拍周期を測定するが、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があると、心拍周期の測定が困難になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５６０６６０６号明細書

【文献】特開２０１８－０１１９４８号公報

【文献】特許第６０８６９３９号明細書

【文献】特開２０１５－０２７５５０号公報

【文献】特許第６２９０５０１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献５では、レーダ信号の時系列変化の相関処理結果に基づいて、心拍周期を測定する。よって、レーダ信号の時系列変化の波形の歪みがあっても、心拍周期の測定が可能になる。しかし、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があると、心拍周期の測定が困難になる。つまり、心拍周期が短いときには、短い相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができるが、その後に、心拍周期が長くなると、短い相関処理時間のままでは、相関ピークを観測することができない。一方で、心拍周期が長いときには、長い相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができるが、その後に、心拍周期が短くなると、長い相関処理時間のままでは、相関ピークを観測しにくくなる。

【0005】

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、レーダ信号の時系列変化の相関処理結果に基づいて、心拍周期を測定するにあたり、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、心拍周期の測定を可能とすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記課題を解決するために、レーダ信号の時系列変化について、呼吸成分を除去し心拍成分を抽出したうえで、複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻を心拍周期として測定する。

【0007】

具体的には、本開示は、生体表面へと照射され生体表面から反射されたレーダ信号の時系列変化について、呼吸成分を除去し心拍成分を抽出する心拍成分抽出部と、心拍成分を抽出されたレーダ信号の時系列変化について、複数種類の信号時間長で相関処理を実行する相関処理実行部と、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻を心拍周期として測定する心拍周期測定部と、を備えることを特徴とする心拍周期測定装置である。

【0008】

また、本開示は、生体表面へと照射され生体表面から反射されたレーダ信号の時系列変化について、呼吸成分を除去し心拍成分を抽出する心拍成分抽出ステップと、心拍成分を抽出されたレーダ信号の時系列変化について、複数種類の信号時間長で相関処理を実行する相関処理実行ステップと、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻を心拍周期として測定する心拍周期測定ステップと、を順にコンピュータに実行させるための心拍周期測定プログラムである。

【0009】

これらの構成によれば、心拍周期が短いときには、長い相関処理時間及び短い相関処理時間のうち、短い相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができる。一方で、心拍周期が長いときには、長い相関処理時間及び短い相関処理時間のうち、長い相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができる。よって、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、心拍周期の測定を可能とすることができる。

【0010】

また、本開示は、前記相関処理実行部は、心拍成分を抽出されたレーダ信号の時系列変化について、現時点を終端時とする前記複数種類の信号時間長で相関処理を並列して実行することを特徴とする心拍周期測定装置である。

【0011】

この構成によれば、心拍周期が短い期間から心拍周期が長い期間へと遷移するときでも、長い相関処理時間及び短い相関処理時間で相関処理を並列して実行すれば、短時間の相関処理結果から長時間の相関処理結果へと直ちに切り替えることができる。一方で、心拍周期が長い期間から心拍周期が短い期間へと遷移するときでも、長い相関処理時間及び短い相関処理時間で相関処理を並列して実行すれば、長時間の相関処理結果から短時間の相関処理結果へと直ちに切り替えることができる。よって、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、心拍周期のリアルタイム測定を可能とすることができる。

【0012】

また、本開示は、前記相関処理実行部は、心拍成分を抽出されたレーダ信号の時系列変化について、前記複数種類の信号時間長で自己相関処理を実行することを特徴とする心拍周期測定装置である。

【0013】

この構成によれば、レーダ信号の時系列変化とサンプル波形との間の相互相関処理を実行するのではなく、レーダ信号の時系列変化の自己相関処理を実行するため、生体個体差又は心拍測定環境によらないで、心拍周期の測定を可能とすることができる。そして、心拍成分の抽出前後のレーダ信号の時系列変化の間の相互相関処理を実行するのではなく、心拍成分の抽出後のレーダ信号の時系列変化の自己相関処理を実行するため、心拍成分より大きい呼吸成分によらないで、心拍周期の測定を可能とすることができる。

【0014】

また、本開示は、前記心拍周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定することを特徴とする心拍周期測定装置である。

【0015】

この構成によれば、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散がないときには、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。

【0016】

また、本開示は、前記心拍周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻のヒストグラムの代表値又は中央値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定するにあたり、相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて頻度の重み付けを実行することを特徴とする心拍周期測定装置である。

【0017】

この構成によれば、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、ヒストグラムの代表値又は中央値を心拍周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。

【0018】

また、本開示は、前記心拍周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関処理結果の加算結果の最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定するにあたり、相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて加算の重み付けを実行することを特徴とする心拍周期測定装置である。

【0019】

この構成によれば、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、相関処理結果の加算結果での最大ピーク時刻を心拍周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。

【0020】

また、本開示は、前記心拍周期測定部は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、前記複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピークを心拍成分又は高調波成分に分類するにあたり、（１）第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい自然数ｎの個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい自然数ｎの個数より多いときに、第２ピーク時刻を心拍周期として測定する、又は、（２）第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい現在又は過去の相関処理結果の個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい現在又は過去の相関処理結果の個数より多いときに、第２ピーク時刻を心拍周期として測定することを特徴とする心拍周期測定装置である。

【0021】

この構成によれば、第２ｎピーク時刻での心拍成分の相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での高調波成分の相関ピーク値より小さい自然数ｎが稀に存在するときでも、相関ピークを心拍成分又は高調波成分に精度良く分類することができる。そして、複数種類の信号時間長での相関処理結果の自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。

【発明の効果】

【0022】

このように、本開示は、レーダ信号の時系列変化の相関処理結果に基づいて、心拍周期を測定するにあたり、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、心拍成分より大きい呼吸成分によらないで、心拍周期の測定を可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本開示の心拍周期測定の原理を示す図である。

【図2】本開示の心拍周期測定の原理を示す図である。

【図3】本開示の心拍周期測定システムの構成を示す図である。

【図4】本開示の心拍周期測定プログラムの手順を示す図である。

【図5】本開示のレーダ信号の時系列変化の抽出処理を示す図である。

【図6】本開示のレーダ信号の時系列変化の自己相関処理を示す図である。

【図7】本開示のレーダ信号の時系列変化の自己相関処理を示す図である。

【図8】本開示の心拍周期測定プログラムの更なる手順を示す図である。

【図9】本開示の相関ピーク時刻のヒストグラム作成処理を示す図である。

【図10】本開示の最初の及び更なる自己相関処理結果の加算処理を示す図である。

【図11】本開示の最初の及び更なる自己相関処理結果の加算処理を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

【0025】

本開示の心拍周期測定の原理を図１、２に示す。レーダ信号の時系列変化について、呼吸成分を除去し心拍成分を抽出しておく。レーダ信号の時系列変化として、レーダ信号のＩ成分、Ｑ成分、位相又は振幅の時系列変化が挙げられる。

【0026】

図１の上段において、心拍周期が短いときには、現時点から長い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークをリアルタイム観測しにくくなるが（心拍周期の平均値に対する心拍周期の変動幅の比率が大きくなるため。）、現時点から短い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークをリアルタイム観測することができる。

【0027】

図１の下段において、心拍周期が長いときには、現時点から短い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークをリアルタイム観測することができないが（心拍周期の長さと比べて現時点からの自己相関処理時間が短くなるため。）、現時点から長い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークをリアルタイム観測することができる。

【0028】

そこで、本開示では、心拍周期が短いときには、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間のうち、短い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができる。一方で、心拍周期が長いときには、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間のうち、長い自己相関処理時間を採用すれば、相関ピークを観測することができる。よって、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、心拍周期のリアルタイム測定を可能とすることができる。

【0029】

図２の本開示の第１の方法では、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間で、自己相関処理を「切り替え」実行する。つまり、前回の心拍周期が短いときには、今回の自己相関処理時間を短くし、前回の心拍周期が長いときには、今回の自己相関処理時間を長くし、心拍周期の変動に応じて自己相関処理時間を切り替える。

【0030】

すると、心拍周期が短い期間から心拍周期が長い期間へと遷移するときでも、短時間の自己相関処理結果から長時間の自己相関処理結果へと遅れて切り替えることができる。一方で、心拍周期が長い期間から心拍周期が短い期間へと遷移するときでも、長時間の自己相関処理結果から短時間の自己相関処理結果へと遅れて切り替えることができる。

【0031】

図２の本開示の第２の方法では、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間で、自己相関処理を「並列して」実行する。つまり、前回の心拍周期が短いときにも、前回の心拍周期が長いときにも、今回の自己相関処理時間として、短い時間及び長い時間をともに用い、心拍周期の変動によらず自己相関処理時間を併用する。

【0032】

すると、心拍周期が短い期間から心拍周期が長い期間へと遷移するときでも、短時間の自己相関処理結果から長時間の自己相関処理結果へと直ちに切り替えることができる。一方で、心拍周期が長い期間から心拍周期が短い期間へと遷移するときでも、長時間の自己相関処理結果から短時間の自己相関処理結果へと直ちに切り替えることができる。

【0033】

本開示の心拍周期測定システムの構成を図３に示す。本開示の心拍周期測定プログラムの手順を図４に示す。心拍周期測定システムＨは、レーダ装置１及び心拍周期測定装置２から構成される。レーダ装置１は、レーダ送受信部１１、ＩＱ検波部１２及びＡＤ変換部１３から構成される。心拍周期測定装置２は、重心位置算出部２１、ＩＱ変位抽出部２２、心拍成分抽出部２３、相関処理実行部２４及び心拍周期測定部２５から構成され、図４、８に示した心拍周期測定プログラムをコンピュータにインストールすることにより実現される。

【0034】

本開示のレーダ信号の時系列変化の抽出処理を図５に示す。本開示のレーダ信号の時系列変化の自己相関処理を図６、７に示す。本実施形態では、図２の本開示の第２の方法として、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間で、自己相関処理を「並列して」実行している。変形例では、図２の本開示の第１の方法として、現時点から長い自己相関処理時間及び現時点から短い自己相関処理時間で、自己相関処理を「切り替え」実行してもよい。

【0035】

レーダ送受信部１１は、人間又は動物の生体表面Ｖへとレーダ照射信号を送信し、人間又は動物の生体表面Ｖからレーダ反射信号を受信する。ＩＱ検波部１２は、受信されたレーダ反射信号に対して、ＩＱ検波を行う。ＡＤ変換部１３は、ＩＱ検波されたレーダ反射信号に対して、ＡＤ変換を行う。重心位置算出部２１は、図５の左上欄に示したように、レーダ信号のＩＱ平面での移動軌跡の重心位置をＩＱ原点として算出する（ステップＳ１）。ＩＱ変位抽出部２２は、図５の右上欄に示したように、レーダ信号のＩＱ平面でのＩ成分、Ｑ成分、位相又は振幅の時系列変化を抽出する（ステップＳ２）。

【0036】

心拍成分抽出部２３は、レーダ信号の時系列変化について、呼吸成分を除去し心拍成分を抽出する（ステップＳ３）。図５の左下欄では、図５の右上欄に示したレーダ信号の位相の時系列変化について、移動平均を算出することにより、呼吸成分を抽出する。図５の右下欄では、図５の右上欄に示したレーダ信号の位相の時系列変化から図５の左下欄に示したレーダ信号の位相の移動平均結果を減算することにより、呼吸成分を除去し心拍成分を抽出する。変形例として、図５の右上欄に示したレーダ信号の位相の時系列変化について、フィルタ処理をすることにより、呼吸成分を除去し心拍成分を抽出してもよい。本実施形態及び変形例のいずれでも、心拍成分のうちの基本波成分及び高調波成分を除去することなく、呼吸成分の少なくとも基本波成分を除去することが望ましい。図５の右下欄では、レーダ信号の位相の時系列変化は、約０．４０秒で規則的に変動している。

【0037】

相関処理実行部２４は、第１相関処理実行部２４－１、・・・、第ｎ相関処理実行部２４－ｎから構成され、心拍成分を抽出されたレーダ信号の時系列変化について、現時点を終端時とする複数種類の信号時間長で自己相関処理を並列して実行する（ステップＳ４）。

【0038】

図６では、時間無相関な雑音成分及び周期的な振動成分等がフィルタ処理で除去される前における、レーダ信号の位相の時系列変化についての、現時点を終端時とする複数種類の信号時間長での自己相関処理結果を示す。図７では、時間無相関な雑音成分及び周期的な振動成分等がフィルタ処理で除去された後における、レーダ信号の位相の時系列変化についての、現時点を終端時とする複数種類の信号時間長での自己相関処理結果を示す。

【0039】

図６、７の左上欄では、図５の右下欄に示した心拍成分を抽出されたレーダ信号の位相の時系列変化についての、現時点を終端時とする０．５秒の信号時間長での自己相関処理結果を示す。なお、「０．５秒」とは、最も短い心拍周期として期待される約０．２秒の２倍の時間として設定されている。また、「１倍」ではなく「２倍」であるのは、相関ピーク時刻を少なくとも１個得るためである。０．５秒の信号時間長での自己相関処理結果では、相関ピーク時刻は、図６では約０．４０秒であり、図７でも約０．４０秒であり、最大ピーク値は、図６では約０．２０であり、図７でも０．２０である。

【0040】

図６、７の右上欄では、図５の右下欄に示した心拍成分を抽出されたレーダ信号の位相の時系列変化についての、現時点を終端時とする１秒の信号時間長での自己相関処理結果を示す。１秒の信号時間長での自己相関処理結果では、相関ピーク時刻は、図６では約０．３９、０．８０秒であり、図７でも約０．３９、０．８０秒であり、最大ピーク値は、図６では相関ピーク時刻＝約０．３９秒での約０．４０であり、図７でも相関ピーク時刻＝約０．３９秒での約０．４０である。

【0041】

図６、７の左下欄では、図５の右下欄に示した心拍成分を抽出されたレーダ信号の位相の時系列変化についての、現時点を終端時とする２秒の信号時間長での自己相関処理結果を示す。２秒の信号時間長での自己相関処理結果では、相関ピーク時刻は、図６では約０．３９ｎ秒（ｎは自然数）であり、図７でも約０．３９ｎ秒であり、最大ピーク値は、図６では相関ピーク時刻＝約０．３９秒での約０．３０であり、図７では相関ピーク時刻＝約０．７８秒での約０．３５である。

【0042】

図６、７の右下欄では、図５の右下欄に示した心拍成分を抽出されたレーダ信号の位相の時系列変化についての、現時点を終端時とする５秒の信号時間長での自己相関処理結果を示す。なお、「５秒」とは、最も長い心拍周期として期待される約２秒の２倍の時間として設定されている。また、「１倍」ではなく「２倍」であるのは、相関ピーク時刻を少なくとも１個得るためである。５秒の信号時間長での自己相関処理結果では、相関ピーク時刻は、図６では約０．３９ｎ秒（ｎは自然数）であり、図７でも約０．３９ｎ秒であり、最大ピーク値は、図６では相関ピーク時刻＝約０．７９秒での約０．２５であり、図７では相関ピーク時刻＝約０．７９秒での約０．５０である。

【0043】

心拍周期測定部２５は、最大相関ピーク抽出部２５－１、ヒストグラム作成部２５－２及び相関処理結果加算部２５－３から構成され、以下の方法で心拍周期を測定する。

【0044】

心拍周期測定の第１の方法として、最大相関ピーク抽出部２５－１は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定する（ステップＳ５）。

【0045】

図６では、最大相関ピーク抽出部２５－１は、０．５秒、１秒、２秒及び５秒の信号時間長での自己相関処理結果のうち、５秒の信号時間長での自己相関処理結果において、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻＝約０．７９秒を心拍周期として測定する。図７では、最大相関ピーク抽出部２５－１は、０．５秒、１秒、２秒及び５秒の信号時間長での自己相関処理結果のうち、２秒及び５秒の信号時間長での自己相関処理結果において、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻＝約０．７９秒を心拍周期として測定する。

【0046】

もしも、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散がないときには、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定することができる。しかし、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときには、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定することができない。特に、図６、７では、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍成分ではなく高調波成分として測定してしまう。

【0047】

そこで、本開示の心拍周期測定プログラムの更なる手順を図８に示す。図８では、心拍周期測定の第１の方法を含めて、心拍周期測定の第２～６の方法を挙げる。

【0048】

心拍周期測定の第２の方法として、ヒストグラム作成部２５－２は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻のヒストグラムの代表値又は中央値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定するにあたり、自己相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて頻度の重み付けを実行する（図８の中央の破線枠内の「最初の自己相関処理結果」を参照。）。

【0049】

本開示の相関ピーク時刻のヒストグラム作成処理を図９に示す。図９の上段では、ヒストグラム作成部２５－２は、自己相関処理結果が時間的に新しければ、そして、相関ピーク値が大きければ、相関ピーク時刻の頻度の重み付けを大きくすることができる。例えば、自己相関処理時間ｐ秒を用いて、第ｑ時刻において、最大相関ピーク及び第２相関ピークについて、相関ピーク時刻がｔ_ｐ、１（ｑ）及びｔ_ｐ、２（ｑ）であり、自己相関係数がｃ_ｐ、１（ｑ）及びｃ_ｐ、２（ｑ）であれば、相関ピーク時刻ｔ_ｐ、１（ｑ）及びｔ_ｐ、２（ｑ）についての相関ピーク頻度はｗ_ｑ×ｃ_ｐ、１（ｑ）及びｗ_ｑ×ｃ_ｐ、２（ｑ）である。ただし、第（ｍ－２）、（ｍ－１）、ｍ時刻（第ｍ時刻は現時点。）についての重み付け係数ｗ_ｍ－２、ｗ_ｍ－１、ｗ_ｍについて、ｗ_ｍ－２＜ｗ_ｍ－１＜ｗ_ｍ≦１が成り立つ。

【0050】

図９の下段では、ヒストグラム作成部２５－２は、０．５秒、１秒、２秒及び５秒の信号時間長での自己相関処理結果のうち、全ての信号時間長での自己相関処理結果（図９の上段を参照。）において、相関ピーク時刻のヒストグラムの代表値又は中央値を心拍周期として測定する。このように、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、ヒストグラムの代表値又は中央値を心拍周期として測定することができる。

【0051】

心拍周期測定の第３の方法として、相関処理結果加算部２５－３は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、自己相関処理結果の加算結果の最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定するにあたり、自己相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて加算の重み付けを実行する（図８の中央の破線枠内の「最初の自己相関処理結果」を参照。）。

【0052】

本開示の最初の自己相関処理結果の加算処理を図１０、１１の左欄に示す。図１０、１１の左欄では、相関処理結果加算部２５－３は、自己相関処理結果が時間的に新しければ、そして、相関ピーク値が大きければ、自己相関処理結果の加算の重み付けを大きくすることができる。または、変形例として、０．５秒、１秒、２秒及び５秒の信号時間長での自己相関処理結果を同じ重みで加算してもよい。さらに、変形例として、（１）時間０～０．５秒では、０．５秒、１秒、２秒及び５秒の信号時間長での自己相関処理結果をそれぞれ１／４の重みで加算し、（２）時間０．５～１秒では、１秒、２秒及び５秒の信号時間長での自己相関処理結果をそれぞれ１／３の重みで加算し、（３）時間１～２秒では、２秒及び５秒の信号時間長での自己相関処理結果をそれぞれ１／２の重みで加算し、（４）時間２～５秒では、５秒の信号時間長での自己相関処理結果を採用してもよい。

【0053】

図１０の左欄では、相関処理結果加算部２５－３は、自己相関処理結果の加算結果において、相関ピーク時刻のうちの最大ピーク時刻＝約０．７９秒を心拍周期として測定する。このように、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、自己相関処理結果の加算結果での最大ピーク時刻を心拍周期として測定することができる。

【0054】

図１１の左欄では、相関処理結果加算部２５－３は、自己相関処理結果の加算結果において、相関ピーク時刻のうちの最大ピーク時刻＝約０．３９秒を心拍周期として測定してしまう。最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍成分ではなく高調波成分として測定してしまう問題を解決するためには、図１１の下欄の処理を実行すればよい。

【0055】

心拍周期測定の第４の方法として、最大相関ピーク抽出部２５－１は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定する（図８の右欄の破線枠内の「更なる自己相関処理結果」を参照。）。心拍周期測定の第４の方法については信号データを図示しないが、心拍周期測定の第１の方法と同様に信号データを解析すればよい。

【0056】

このように、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散がないときには、最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。ただし、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、長期的に安定した高調波変動がより現れやすくなることがあり得ることに注意することが望ましい。

【0057】

心拍周期測定の第５の方法として、ヒストグラム作成部２５－２は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピーク時刻のヒストグラムの代表値又は中央値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定するにあたり、自己相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて頻度の重み付けを実行する（図８の右欄の破線枠内の「更なる自己相関処理結果」を参照。）。心拍周期測定の第５の方法については信号データを図示しないが、心拍周期測定の第２の方法と同様に信号データを解析すればよい。

【0058】

このように、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、ヒストグラムの代表値又は中央値を心拍周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。ただし、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、長期的に安定した高調波変動がより現れやすくなることがあり得ることに注意することが望ましい。

【0059】

心拍周期測定の第６の方法として、相関処理結果加算部２５－３は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、自己相関処理結果の加算結果の最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍周期として測定するにあたり、自己相関処理結果の時間的新旧及び相関ピーク値の少なくともいずれかに基づいて加算の重み付けを実行する（図８の右欄の破線枠内の「更なる自己相関処理結果」を参照。）。本開示の更なる自己相関処理結果の加算処理を図１０、１１の右欄に示す。心拍周期測定の第５の方法についても、心拍周期測定の第２の方法と同様に、相関処理結果加算部２５－３は、自己相関処理結果の加算の重み付けを実行すればよい。

【0060】

図１０の右欄では、相関処理結果加算部２５－３は、自己相関処理結果の加算結果において、相関ピーク時刻のうちの最大ピーク時刻＝約０．７９秒を心拍周期として測定する。このように、（１）最大ピーク値を有する相関ピーク時刻に分散があるときでも、（２）相関ピーク時刻のうちの最短時刻よりも長い時刻において最大ピーク値をとる場合が稀にあるときでも、（３）小さいピーク値を有する相関ピーク時刻が存在するときでも、自己相関処理結果の加算結果での最大ピーク時刻を心拍周期として測定することができる。そして、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。ただし、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、長期的に安定した高調波変動がより現れやすくなることがあり得ることに注意することが望ましい。

【0061】

図１１の左欄では、相関処理結果加算部２５－３は、自己相関処理結果の加算結果において、相関ピーク時刻のうちの最大ピーク時刻＝約０．３７秒を心拍周期として測定してしまう。最大ピーク値を有する相関ピーク時刻を心拍成分ではなく高調波成分として測定してしまう問題を解決するためには、図１１の下欄の処理を実行すればよい。

【0062】

心拍周期測定の第１～６の方法を用いても、相関ピークを心拍成分又は高調波成分に精度良く分類することができないときには、以下の追加方法で心拍周期を測定すればよい。

【0063】

心拍周期測定部２５は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、又は、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果の少なくともいずれかにおいて、相関ピークを心拍成分又は高調波成分に分類する。

【0064】

ここで、第１の追加方法として、心拍周期測定部２５は、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい自然数ｎの個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい自然数ｎの個数より多いときに、第２ピーク時刻を心拍周期として測定する。

【0065】

なお、第１の追加方法に先立ち、自然数ｎの個数範囲を設定することが望ましい。また、第１の追加方法に代えて、心拍成分の相関ピーク値が高調波成分の相関ピーク値より大きくなるように、解析パラメータを適応的に設定してもよい。例えば、信号データを図１１から図１０へと変更するように、解析パラメータを適応的に設定してもよい。

【0066】

図１１では、心拍周期測定の第３、６の方法（自己相関処理結果の加算処理）を前提として、第１の追加方法を実行する。変形例として、心拍周期測定の第１、４の方法（各自己相関処理結果の最大ピーク値検出）を前提として、第１の追加方法を実行してもよい。

【0067】

自然数ｎ＝１であるときに、第２ピーク時刻での相関ピーク値は、第１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい。自然数ｎ＝２であるときに、第４ピーク時刻での相関ピーク値は、第３ピーク時刻での相関ピーク値より大きい。自然数ｎ＝３であるときに、第６ピーク時刻での相関ピーク値は、第５ピーク時刻での相関ピーク値より大きい。よって、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい自然数ｎの個数（２個）は、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい自然数ｎの個数（１個）より多い。そこで、心拍周期測定部２５は、第２ピーク時刻＝約０．７９秒を心拍周期として測定する。

【0068】

一方で、第２の追加方法として、心拍周期測定部２５は、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい現在又は過去の自己相関処理結果の個数が、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい現在又は過去の自己相関処理結果の個数より多いときに、第２ピーク時刻を心拍周期として測定する。

【0069】

なお、第２の追加方法に先立ち、自己相関処理結果の個数範囲を設定することが望ましい。また、第２の追加方法に代えて、心拍成分の相関ピーク値が高調波成分の相関ピーク値より大きくなるように、解析パラメータを適応的に設定してもよい。例えば、信号データを図１１から図１０へと変更するように、解析パラメータを適応的に設定してもよい。

【0070】

図１１では、心拍周期測定の第３、６の方法（自己相関処理結果の加算処理）を前提として、第２の追加方法を実行する。変形例として、心拍周期測定の第１、４の方法（各自己相関処理結果の最大ピーク値検出）を前提として、第２の追加方法を実行してもよい。

【0071】

自然数ｎ＝１であるとする。現在の自己相関処理結果（図１１に図示。）では、第２ピーク時刻での相関ピーク値は、第１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい。現在より１回分だけ過去の自己相関処理結果（図１１に不図示。）では、第２ピーク時刻での相関ピーク値は、第１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい。現在より２回分だけ過去の自己相関処理結果（図１１に不図示。）では、第２ピーク時刻での相関ピーク値は、第１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい。よって、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より大きい現在又は過去の自己相関処理結果の個数（２個）は、第２ｎピーク時刻での相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での相関ピーク値より小さい現在又は過去の自己相関処理結果の個数（１個）より多い。そこで、心拍周期測定部２５は、第２ピーク時刻＝約０．７９秒を心拍周期として測定する。

【0072】

このように、第２ｎピーク時刻での心拍成分の相関ピーク値が第２ｎ－１ピーク時刻での高調波成分の相関ピーク値より小さい自然数ｎが稀に存在するときでも、相関ピークを心拍成分又は高調波成分に精度良く分類することができる。そして、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果の更なる自己相関処理結果では、複数種類の信号時間長での自己相関処理結果と比べて、長期的に安定した変動がより見やすくなる。

【0073】

本実施形態では、レーダ信号の時系列変化について、「現時点」を終端時とする相関処理を実行している。変形例として、レーダ信号の時系列変化について、「任意時刻」を終端時とする相関処理を実行してもよい。本実施形態では、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、心拍周期のリアルタイム測定を可能とすることができる。

【0074】

本実施形態では、レーダ信号の時系列変化について、複数種類の信号時間長で相関処理を「並列して」実行している。変形例として、レーダ信号の時系列変化について、複数種類の信号時間長で相関処理を「順次」実行してもよい。本実施形態では、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、心拍周期の高速測定を可能とすることができる。

【0075】

本実施形態では、心拍成分の抽出後のレーダ信号の時系列変化の「自己」相関処理を実行している。第１の変形例として、心拍成分の抽出後のレーダ信号の時系列変化とサンプル波形（例えば、患者の過去の波形を事前に取得、又は、ウェーブレット変換のマザー関数及びスケール数等のパラメータを事前に設定。）との間の「相互」相関処理を実行してもよい。本実施形態では、生体個体差又は心拍測定環境によらないで、心拍周期の測定を可能とすることができる。第２の変形例として、心拍成分の抽出前後のレーダ信号の時系列変化の間の「相互」相関処理を実行してもよい。本実施形態では、心拍成分より大きい呼吸成分によらないで、心拍周期の測定を可能とすることができる。

【0076】

本実施形態（例えば、図７以外。）では、時間無相関な雑音成分、周期的な振動成分及び心拍成分の高調波成分等がフィルタ処理で除去される前における、レーダ信号の時系列変化について、相関処理を実行している。変形例（例えば、図７。）として、時間無相関な雑音成分、周期的な振動成分及び心拍成分の高調波成分等がフィルタ処理で除去された後における、レーダ信号の時系列変化について、相関処理を実行してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本開示の心拍周期測定装置及び心拍周期測定プログラムは、レーダ信号の時系列変化の相関処理結果に基づいて、心拍周期を測定するにあたり、レーダ信号の時系列変化の波形間隔の変動があっても、心拍成分より大きい呼吸成分によらないで、心拍周期の測定を可能とすることができる。

【符号の説明】

【0078】

Ｈ：心拍周期測定システム
Ｖ：生体表面
１：レーダ装置
２：心拍周期測定装置
１１：レーダ送受信部
１２：ＩＱ検波部
１３：ＡＤ変換部
２１：重心位置算出部
２２：ＩＱ変位抽出部
２３：心拍成分抽出部
２４：相関処理実行部
２４－１：第１相関処理実行部
２４－ｎ：第ｎ相関処理実行部
２５：心拍周期測定部
２５－１：最大相関ピーク抽出部
２５－２：ヒストグラム作成部
２５－３：相関処理結果加算部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】