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特許7446597非接触バイタルサイン計測装置、非接触バイタルサイン計測方法およびプログラム
(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】2024-03-01
(45)【発行日】2024-03-11
(54)【発明の名称】非接触バイタルサイン計測装置、非接触バイタルサイン計測方法およびプログラム
(51)【国際特許分類】
A61B 5/11 20060101AFI20240304BHJP
A61B 5/0245 20060101ALI20240304BHJP
G01S 17/10 20200101ALI20240304BHJP
G01S 13/56 20060101ALI20240304BHJP
【ＦＩ】
A61B5/11 110
A61B5/0245 100Z
G01S17/10
G01S13/56
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2019104201
(22)【出願日】2019-06-04
(65)【公開番号】P2020195647
(43)【公開日】2020-12-10
【審査請求日】2022-05-17
(73)【特許権者】
【識別番号】504133110
【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000925
【氏名又は名称】弁理士法人信友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】孫 光鎬
(72)【発明者】
【氏名】松島 智哉
(72)【発明者】
【氏名】桐本 哲郎
【審査官】▲高▼原 悠佑
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１９８０８３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－０３９８３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０００４８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１７４８６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－００５５９６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｂ ５／００－ ５／３９８
Ｇ０１Ｓ １３／００－１３／９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被験者に照射した信号の反射波によるレーダ出力を取得するレーダ出力取得部と、距離センサにより得た前記被験者までの距離の計測信号を取得する距離センサデータ取得部と、
前記距離センサデータ取得部が取得した計測信号から変動成分を抽出する不規則成分抽出部と、
前記レーダ出力取得部が取得したレーダ出力から、実数成分および虚数成分を抽出する実数成分抽出部および虚数成分抽出部と、
前記実数成分と前記変動成分の余弦成分の積と、前記虚数成分と前記変動成分の正弦成分の積を加算することにより、前記変動成分が除去された実数成分を取得すると共に、前記虚数成分と前記変動成分の余弦成分の積と、前記実数成分と前記変動成分の正弦成分の積の差を得ることにより、前記変動成分が除去された虚数成分を取得する演算処理部と、
前記演算処理部での演算で前記変動成分が除去された実数成分および虚数成分のレーダ出力を復調する復調部と、
前記復調部で得られた復調信号を周波数解析して、バイタルサイン成分を得る周波数解析部と、を備える
非接触バイタルサイン計測装置。
【請求項2】
前記不規則成分抽出部は、抽出した変動成分から正弦成分および余弦成分を抽出する正弦成分抽出部および余弦成分抽出部を有し、前記演算処理部は、第１の乗算器と、第２の乗算器と、第３の乗算器と、第４の乗算器と、加算器と、減算器とを有し、
前記第１の乗算器は、前記実数成分抽出部が抽出したレーダ出力の実数成分と、前記余弦成分抽出部が抽出した変動成分の余弦成分との積を得、
前記第２の乗算器は、前記虚数成分抽出部が抽出したレーダ出力の虚数成分と、前記正弦成分抽出部が抽出した変動成分の正弦成分との積を得、
前記第３の乗算器は、前記虚数成分抽出部が抽出したレーダ出力の虚数成分と、前記余弦成分抽出部が抽出した変動成分の余弦成分との積を得、
前記第４の乗算器は、前記実数成分抽出部が抽出したレーダ出力の実数成分と、前記正弦成分抽出部が抽出した変動成分の正弦成分との積を得、
前記加算器は、前記第１の乗算器の出力と前記第２の乗算器の出力との和を取り、
前記減算器は、前記第３の乗算器の出力と前記第４の乗算器の出力との差を取り、
前記復調部は、前記演算処理部の前記加算器より前記変動成分が除去された実数成分のレーダ出力を得、前記減算器より前記変動成分が除去された虚数成分のレーダ出力を得るようにした
請求項１に記載の非接触バイタルサイン計測装置。
【請求項3】
前記不規則成分抽出部は、測定開始時における前記距離センサと前記被験者との距離を基準距離とし、前記基準距離と前記距離センサの出力との差分を、前記変動成分として抽出する請求項１または２に記載の非接触バイタルサイン計測装置。
【請求項4】
被験者に照射した信号の反射波によるレーダ出力を取得するレーダ出力取得処理と、距離センサにより得た前記被験者までの距離の計測信号を取得する距離センサデータ取得処理と、
前記距離センサデータ取得処理により取得した計測信号から変動成分を抽出する不規則成分抽出処理と、
前記レーダ出力取得処理により取得したレーダ出力から、実数成分および虚数成分を抽出する実数成分および虚数成分の抽出処理と、
前記実数成分および虚数成分の抽出処理で得た前記実数成分と前記変動成分の余弦成分の積と、前記虚数成分と前記変動成分の正弦成分の積を加算することにより、前記変動成分が除去された実数成分を取得すると共に、前記実数成分および虚数成分の抽出処理で得た前記虚数成分と前記変動成分の余弦成分の積と、前記実数成分と前記変動成分の正弦成分の積の差を得ることにより、前記変動成分が除去された虚数成分を取得する演算処理と、
前記演算処理で前記変動成分が除去された実数成分および虚数成分のレーダ出力を復調する復調処理と、
前記復調処理で得られた復調信号を周波数解析して、バイタルサイン成分を得る周波数解析処理と、を含む
非接触バイタルサイン計測方法。
【請求項5】
被験者に照射した信号の反射波によるレーダ出力を取得するレーダ出力取得手順と、距離センサにより得た前記被験者までの距離の計測信号を取得する距離センサデータ取得手順と、
前記距離センサデータ取得手順により取得した計測信号から変動成分を抽出する不規則成分抽出手順と、
前記レーダ出力取得手順により取得したレーダ出力から、実数成分および虚数成分を抽出する実数成分および虚数成分の抽出手順と、
前記実数成分および虚数成分の抽出手順で得た前記実数成分と前記変動成分の余弦成分の積と、前記虚数成分と前記変動成分の正弦成分の積を加算することにより、前記変動成分が除去された実数成分を取得すると共に、前記実数成分および虚数成分の抽出手順で得た前記虚数成分と前記変動成分の余弦成分の積と、前記実数成分と前記変動成分の正弦成分の積の差を得ることにより、前記変動成分が除去された虚数成分を取得する演算手順と、
前記演算手順で前記変動成分が除去された実数成分および虚数成分のレーダ出力を復調する復調手順と、
前記復調手順で得られた復調信号を周波数解析して、バイタルサイン成分を得る周波数解析手順と、とをコンピュータ装置に実行させる
プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーダなどを用いて被験者と非接触な状態でバイタルサインを計測する非接触バイタルサイン計測装置、非接触バイタルサイン計測方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、レーダを使って、被験者と非接触な状態で、心拍や呼吸を計測する装置が提案されている。
例えば特許文献１には、マイクロ波を被験者に照射し、その反射波を使って呼吸数や心拍数を計測する計測装置が記載されている。
特許文献１に記載の技術は、被験者に触れない状態で呼吸数や心拍数を計測することで、被験者への負担を極めて少なくして、被験者の状態を診断することができる。つまり、被験者にとっては、無意識で呼吸数や心拍数を計測することができるので、被験者を診断する用途を拡張することが可能になる。例えば、高齢者が居住する施設において、ベッドで寝ている被験者の呼吸数や心拍数を、非接触で常時計測することができれば、睡眠障害や心臓の異常などを適切に検知できるようになる。
例えば特許文献１には、マイクロ波を被験者に照射し、その反射波を使って呼吸数や心拍数を計測する計測装置が記載されている。
特許文献１に記載の技術は、被験者に触れない状態で呼吸数や心拍数を計測することで、被験者への負担を極めて少なくして、被験者の状態を診断することができる。つまり、被験者にとっては、無意識で呼吸数や心拍数を計測することができるので、被験者を診断する用途を拡張することが可能になる。例えば、高齢者が居住する施設において、ベッドで寝ている被験者の呼吸数や心拍数を、非接触で常時計測することができれば、睡眠障害や心臓の異常などを適切に検知できるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００９－１７２１７６号公報
【非特許文献】
【0004】
【文献】C.Gu,G.Wang,Y.Li,T.Inoue,and C.Li,“A hybrid radar-camera sensing system with phase compensation for random body movement cancellation in doppler vital sign detection,”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.61,no.12,pp.4678-4688,2013.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
非接触で被験者の呼吸や心拍を計測する場合、呼吸や心拍による体動は微弱であるため、呼吸や心拍以外の不規則な体動が発生すると、呼吸や心拍の正確な算出が困難であった。例えば、ベッドで寝ている被験者の呼吸や心拍を計測する場合、寝返りなどの被験者の動きがあると、呼吸や心拍の正確な計測ができなくなってしまう。
【0006】
ここで、例えば非特許文献１には、カメラを用いて被験者を撮影し、その撮影画像を使って、不規則な体動成分を除去することが記載されている。しかしながら、非特許文献１に記載された手法では、カメラで計測した不規則な体動のパターンを手動でスケーリングする調整作業が必要であり、調整が適正でないと体動成分の除去が適切に行うことができないと共に、リアルタイムでの計測には適用できなかった。
【0007】
本発明は、非接触でのバイタルサインの計測が、リアルタイムで良好に行える非接触バイタルサイン計測装置、非接触バイタルサイン計測方法およびプログラム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】
【0008】
本発明の非接触バイタルサイン計測装置は、被験者に照射した信号の反射波によるレーダ出力を取得するレーダ出力取得部と、距離センサにより得た被験者までの距離の計測信号を取得する距離センサデータ取得部と、距離センサデータ取得部が取得した計測信号から変動成分を抽出する不規則成分抽出部と、レーダ出力取得部が取得したレーダ出力から、実数成分および虚数成分を抽出する実数成分抽出部および虚数成分抽出部と、実数成分抽出部および虚数成分抽出部で得た実数成分と変動成分の余弦成分の積と、虚数成分と変動成分の正弦成分の積を加算することにより、変動成分が除去された実数成分を取得すると共に、実数成分抽出部および虚数成分抽出部で得た虚数成分と変動成分の余弦成分の積と、実数成分と変動成分の正弦成分の積の差を得ることにより、変動成分が除去された虚数成分を取得する演算処理部と、演算処理部での演算で変動成分が除去された実数成分および虚数成分のレーダ出力を復調する復調部と、復調部で得られた復調信号を周波数解析して、バイタルサイン成分を得る周波数解析部と、を備える。
【0009】
また、本発明の非接触バイタルサイン計測方法は、被験者に照射した信号の反射波によるレーダ出力を取得するレーダ出力取得処理と、距離センサにより得た被験者までの距離の計測信号を取得する距離センサデータ取得処理と、距離センサデータ取得処理により取得した計測信号から変動成分を抽出する不規則成分抽出処理と、レーダ出力取得処理により取得したレーダ出力から、実数成分および虚数成分を抽出する実数成分および虚数成分の抽出処理と、実数成分および虚数成分の抽出処理で得た実数成分と変動成分の余弦成分の積と、虚数成分と変動成分の正弦成分の積を加算することにより、変動成分が除去された実数成分を取得すると共に、実数成分および虚数成分の抽出処理で得た虚数成分と変動成分の余弦成分の積と、実数成分と変動成分の正弦成分の積の差を得ることにより、変動成分が除去された虚数成分を取得する演算処理と、演算処理で変動成分が除去された実数成分および虚数成分のレーダ出力を復調する復調処理と、復調処理で得られた復調信号を周波数解析して、バイタルサイン成分を得る周波数解析処理と、を含む。
【0010】
また、本発明のプログラムは、上述した非接触バイタルサイン計測方法の各処理を行う手順をコンピュータ装置に実行させるプログラムとしたものである。
【発明の効果】
【0011】
本発明によると、少ない計算量で手動での調整も必要とせずに、精度の高いバイタルサインの非接触での計測が、リアルタイム性を持って行えるようになる。特に本発明の場合、レーダ出力の実数成分と虚数成分のそれぞれから変動成分を除去した上で、復調するようにしたことで、簡単な復調処理で変動成分が除去されたバイタルサイン成分がリアルタイムで得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の一実施の形態例による計測状態の一例を示す図である。
【図2】本発明の一実施の形態例による非接触バイタルサイン計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図3】本発明の一実施の形態例によるドップラーレーダの構成例を示すブロック図である。
【図4】本発明の一実施の形態例によるハードウェア構成の例を示すブロック図である。
【図5】本発明の一実施の形態例による計測処理の流れを示すフローチャートである。
【図6】本発明の一実施の形態例による不規則な体動成分の判断処理の流れを示すフローチャートである。
【図7】本発明の一実施の形態例による計測状態をテストするための構成を示す図である。
【図9】本発明の一実施の形態例による計測例（Ａ：仰臥位で体動少、Ｂ：座位で体動中）を示す特性図である。
【図10】本発明の一実施の形態例による計測結果の誤差率を比較した特性図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の一実施の形態例（以下、「本例」と称する。）を、図２～図１０を参照して説明する。
［１．非接触バイタルサイン計測装置の構成］
図１は、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０を使って被験者ａのバイタルサインを計測する際の計測状態の一例を示す。また図２は、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０の構成を示すブロック図である。本例の非接触バイタルサイン計測装置１０は、被験者の心拍と呼吸を計測するものである。
［１．非接触バイタルサイン計測装置の構成］
図１は、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０を使って被験者ａのバイタルサインを計測する際の計測状態の一例を示す。また図２は、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０の構成を示すブロック図である。本例の非接触バイタルサイン計測装置１０は、被験者の心拍と呼吸を計測するものである。
【0014】
まず図１を参照して、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０を使った計測状態の一例について説明する。
本例の非接触バイタルサイン計測装置１０には、ドップラーレーダ２と距離センサ３とが接続されている。図１の例では、ドップラーレーダ２と距離センサ３は、ベッド１に取り付けてある。
ドップラーレーダ２は、ベッド１に仰臥位となった被験者ａの特定箇所ａ１に電波（信号）を照射し、その反射波を受信して、レーダ出力を得る。ドップラーレーダ２の構成については後述する。また、距離センサ３は、被験者ａの特定箇所ａ２までの距離を計測する。
本例の非接触バイタルサイン計測装置１０には、ドップラーレーダ２と距離センサ３とが接続されている。図１の例では、ドップラーレーダ２と距離センサ３は、ベッド１に取り付けてある。
ドップラーレーダ２は、ベッド１に仰臥位となった被験者ａの特定箇所ａ１に電波（信号）を照射し、その反射波を受信して、レーダ出力を得る。ドップラーレーダ２の構成については後述する。また、距離センサ３は、被験者ａの特定箇所ａ２までの距離を計測する。
【0015】
ドップラーレーダ２が電波を照射する特定箇所ａ１は、例えば被験者ａの胸などの心拍や呼吸による体動が検出し易い箇所とする。距離センサ３が距離を計測する特定箇所ａ２は、例えば被験者ａの肩とする。但し、ドップラーレーダ２と距離センサ３が計測する特定箇所ａ１，ａ２を異なる箇所としたのは一例であり、同じ箇所としてもよい。また、距離センサ３が距離を計測する特定箇所ａ２については、後述するように１点ではなくある程度の面積を持った領域として、その領域内の平均の距離を計測するようにしてある。
また、図１に示すように被験者ａが仰臥位となった状態で計測するのは一例であり、被験者ａは座位や立位でもよい。
また、図１に示すように被験者ａが仰臥位となった状態で計測するのは一例であり、被験者ａは座位や立位でもよい。
【0016】
距離センサ３としては、例えばＴｏＦカメラ（Time-of-Flight Camera）と称される目標までの距離を計測するセンサが使用される。ＴｏＦカメラは、計測箇所に赤外線などのパルス光を照射して、その反射光を撮像素子により検知し、パルス光の反射時間より計測箇所までの距離を計測する。
これらのドップラーレーダ２の出力と距離センサ３の出力は、非接触バイタルサイン計測装置１０に供給される。
これらのドップラーレーダ２の出力と距離センサ３の出力は、非接触バイタルサイン計測装置１０に供給される。
【0017】
次に、図２を参照して、非接触バイタルサイン計測装置１０の構成について説明する。
非接触バイタルサイン計測装置１０は、ドップラーレーダ２の出力と距離センサ３の出力を取得して、バイタルサインである心拍と呼吸を計測するものであり、例えばコンピュータ装置で構成される。図２は、非接触バイタルサイン計測装置１０の機能から見た構成を示すブロック図である。
非接触バイタルサイン計測装置１０は、ドップラーレーダ２の出力と距離センサ３の出力を取得して、バイタルサインである心拍と呼吸を計測するものであり、例えばコンピュータ装置で構成される。図２は、非接触バイタルサイン計測装置１０の機能から見た構成を示すブロック図である。
【0018】
非接触バイタルサイン計測装置１０は、ドップラーレーダ出力取得部１１と距離センサデータ取得部１２とを備える。ドップラーレーダ出力取得部１１は、ドップラーレーダ２のレーダ出力を取得するレーダ出力取得処理を行う。距離センサデータ取得部１２は、距離センサ３で計測された距離データを取得する距離センサデータ取得処理を行う。
ドップラーレーダ出力取得部１１で取得されたレーダ出力は、実数成分抽出部（Ｉ成分抽出部）１３および虚数成分抽出部（Ｑ成分抽出部）１４に供給される。Ｉ成分抽出部１３は、レーダ出力に含まれる実数成分を抽出処理する。Ｑ成分抽出部１４は、レーダ出力に含まれる虚数成分を抽出処理する。なお、以下の説明では、実数成分をＩ成分、虚数成分をＱ成分と称する。
ドップラーレーダ出力取得部１１で取得されたレーダ出力は、実数成分抽出部（Ｉ成分抽出部）１３および虚数成分抽出部（Ｑ成分抽出部）１４に供給される。Ｉ成分抽出部１３は、レーダ出力に含まれる実数成分を抽出処理する。Ｑ成分抽出部１４は、レーダ出力に含まれる虚数成分を抽出処理する。なお、以下の説明では、実数成分をＩ成分、虚数成分をＱ成分と称する。
【0019】
Ｉ成分抽出部１３で抽出されたレーダ出力のＩ成分と、Ｑ成分抽出部１４で抽出されたレーダ出力のＱ成分は、第１～第４の乗算器１８，１９，２０，２１と加算器２２と減算器２３とで構成される演算処理部に供給される。
【0020】
距離センサデータ取得部１２で取得した距離の計測データは、不規則成分抽出部１５に供給される。不規則成分抽出部１５は、距離センサ３で得られた計測データの内で、不規則に現れる変動成分を抽出する不規則成分抽出処理を行う。不規則成分抽出部１５で不規則成分を抽出する具体的な処理例については後述する。
【0021】
不規則成分抽出部１５で抽出された不規則成分のデータは、正弦成分抽出部１６および余弦成分抽出部１７に供給される。正弦成分抽出部１６は、不規則成分に含まれる正弦成分（ｓｉｎ成分sin XB′）を抽出する。余弦成分抽出部１７は、不規則成分に含まれる余弦成分（ｃｏｓ成分cos XB′）を抽出する。正弦成分抽出部１６および余弦成分抽出部１７で抽出された正弦成分（ｓｉｎ成分sin XB′）および余弦成分（ｃｏｓ成分cos XB′）は、第１～第４の乗算器１８，１９，２０，２１と加算器２２と減算器２３とで構成される演算処理部に供給される。
【0022】
次に、第１～第４の乗算器１８，１９，２０，２１と加算器２２と減算器２３とで構成される演算処理部の構成について説明する。
第１の乗算器１８は、Ｉ成分抽出部１３で得られたレーダ出力のＩ成分と、余弦成分抽出部１７で得られた余弦成分（ｃｏｓ成分cos XB′）との積を取る。
第２の乗算器１９は、Ｑ成分抽出部１４で得られたレーダ出力のＱ成分と、正弦成分抽出部１６で得られた正弦成分（ｓｉｎ成分sin XB′）との積を取る。
第３の乗算器２０は、Ｑ成分抽出部１４で得られたレーダ出力のＱ成分と、余弦成分抽出部１７で得られた余弦成分（ｃｏｓ成分cos XB′）との積を取る。
第４の乗算器２１は、Ｉ成分抽出部１３で得られたレーダ出力のＩ成分と、正弦成分抽出部１６で得られた正弦成分（ｓｉｎ成分sin XB′）との積を取る。
第１の乗算器１８は、Ｉ成分抽出部１３で得られたレーダ出力のＩ成分と、余弦成分抽出部１７で得られた余弦成分（ｃｏｓ成分cos XB′）との積を取る。
第２の乗算器１９は、Ｑ成分抽出部１４で得られたレーダ出力のＱ成分と、正弦成分抽出部１６で得られた正弦成分（ｓｉｎ成分sin XB′）との積を取る。
第３の乗算器２０は、Ｑ成分抽出部１４で得られたレーダ出力のＱ成分と、余弦成分抽出部１７で得られた余弦成分（ｃｏｓ成分cos XB′）との積を取る。
第４の乗算器２１は、Ｉ成分抽出部１３で得られたレーダ出力のＩ成分と、正弦成分抽出部１６で得られた正弦成分（ｓｉｎ成分sin XB′）との積を取る。
【0023】
第１の乗算器１８の乗算出力と、第２の乗算器１９の乗算出力は、加算器２２に供給する。加算器２２は、第１および第２の乗算出力の加算処理を行い、加算信号を得る。
加算器２２で得られた加算信号は、不規則成分が除去されたＩ成分Ｉ′（ｔ）として、復調部２４に供給される。
また、第３の乗算器２０の乗算出力と、第４の乗算器２１の乗算出力は、減算器２３に供給される。減算器２３は、第３および第４の乗算出力の差を取る減算処理を行い、減算信号を得る。
減算器２３で得られた減算信号は、不規則成分が除去されたＱ成分Ｑ′（ｔ）として、復調部２４に供給される。
加算器２２で得られた加算信号は、不規則成分が除去されたＩ成分Ｉ′（ｔ）として、復調部２４に供給される。
また、第３の乗算器２０の乗算出力と、第４の乗算器２１の乗算出力は、減算器２３に供給される。減算器２３は、第３および第４の乗算出力の差を取る減算処理を行い、減算信号を得る。
減算器２３で得られた減算信号は、不規則成分が除去されたＱ成分Ｑ′（ｔ）として、復調部２４に供給される。
【0024】
復調部２４は、供給されるＩ成分Ｉ′（ｔ）およびＱ成分Ｑ′（ｔ）の複素復調を行う。複素復調された信号は、周波数解析部２５に供給され、周波数解析処理が行われる。
周波数解析部２５での周波数解析により、被験者ａの特定箇所ａ１までの距離が得られ、得られた距離に基づいてバイタルサインである心拍成分および呼吸成分が検出される。そして、周波数解析部２５での周波数解析で得られた心拍成分および呼吸成分が出力部２６から出力される。
例えば、出力部２６として表示装置を使用した場合、出力部２６は、心拍数や呼吸数を表示する。あるいは、出力部２６として記録装置を使用して、心拍数や呼吸数を記録するようにしてもよい。さらにまた、周波数解析で得られた心拍成分および呼吸成分を外部の別の機器に送信するようにしてもよい。
周波数解析部２５での周波数解析により、被験者ａの特定箇所ａ１までの距離が得られ、得られた距離に基づいてバイタルサインである心拍成分および呼吸成分が検出される。そして、周波数解析部２５での周波数解析で得られた心拍成分および呼吸成分が出力部２６から出力される。
例えば、出力部２６として表示装置を使用した場合、出力部２６は、心拍数や呼吸数を表示する。あるいは、出力部２６として記録装置を使用して、心拍数や呼吸数を記録するようにしてもよい。さらにまた、周波数解析で得られた心拍成分および呼吸成分を外部の別の機器に送信するようにしてもよい。
【0025】
［２．ドップラーレーダの構成］
図３は、ドップラーレーダ２の構成例を示す。
ドップラーレーダ２は、発振器２ａを備える。発振器２ａは、例えば２４ＧＨｚの信号を発振する。この発振器２ａが出力する発振信号は、分波器２ｂを介して送信アンテナ２ｃに供給され、被験者に対して送信信号Ｔｘが送信される。そして、被験者ａの体表面で反射した反射波としての受信信号Ｒｘが受信アンテナ２ｄによって受信される。
図３は、ドップラーレーダ２の構成例を示す。
ドップラーレーダ２は、発振器２ａを備える。発振器２ａは、例えば２４ＧＨｚの信号を発振する。この発振器２ａが出力する発振信号は、分波器２ｂを介して送信アンテナ２ｃに供給され、被験者に対して送信信号Ｔｘが送信される。そして、被験者ａの体表面で反射した反射波としての受信信号Ｒｘが受信アンテナ２ｄによって受信される。
【0026】
受信アンテナ２ｄで得た受信信号Ｒｘは、第１ミキサ２ｅに直接供給されると共に、π／２移相器２ｇによりπ／２（９０°）シフトされた信号が第２ミキサ２ｈに供給される。また、発振器２ａからの発振信号は、分波器２ｂおよび２ｆを介して第１ミキサ２ｅおよび第２ミキサ２ｈに供給される。そして、それぞれのミキサ２ｅ，２ｈでドップラー出力が得られる。第１ミキサ２ｅで得られるドップラー出力がＩ信号になり、第２ミキサ２ｈで得られるドップラー出力がＱ信号になる。
【0027】
なお、呼吸による体動の変位は例えば４～１２ｍｍであり、心拍による体動の変位は例えば０．２～０．５ｍｍである。ドップラーレーダ２は、非接触でこれらの呼吸および心拍による体動の変位を検出する。すなわち、ドップラーレーダ２から被験者ａの体表面までの距離をｄ０としたとき、呼吸や心拍による体動の変位により距離ｄ０が変動し、その距離ｄ０の変動を受信信号から検出する処理がドップラーレーダ２で行われる。
なお、ドップラーレーダ２として２４ＧＨｚ帯を使用するのは一例であり、その他の周波数帯の信号を送信するドップラーレーダを用いることもできる。例えば、１０ＧＨｚ帯を使用したドップラーレーダとすることもできる。
なお、ドップラーレーダ２として２４ＧＨｚ帯を使用するのは一例であり、その他の周波数帯の信号を送信するドップラーレーダを用いることもできる。例えば、１０ＧＨｚ帯を使用したドップラーレーダとすることもできる。
【0028】
［３．非接触バイタルサイン計測装置のハードウェア構成例］
図４は、図２に示す非接触バイタルサイン計測装置１０をコンピュータ装置で構成した場合のハードウェア構成例を示す。
図４に示すコンピュータ装置（非接触バイタルサイン計測装置１０）は、バスにそれぞれ接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）１０ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０ｂ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）１０ｃを備える。さらに、コンピュータ装置は、不揮発性ストレージ１０ｄ、ネットワークインタフェース１０ｅ、入力装置１０ｆ、および表示装置１０ｇを備える。
図４は、図２に示す非接触バイタルサイン計測装置１０をコンピュータ装置で構成した場合のハードウェア構成例を示す。
図４に示すコンピュータ装置（非接触バイタルサイン計測装置１０）は、バスにそれぞれ接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）１０ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０ｂ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）１０ｃを備える。さらに、コンピュータ装置は、不揮発性ストレージ１０ｄ、ネットワークインタフェース１０ｅ、入力装置１０ｆ、および表示装置１０ｇを備える。
【0029】
ＣＰＵ１０ａは、非接触バイタルサイン計測装置１０での演算処理を実行するソフトウェアのプログラムコードをＲＯＭ１０ｂから読み出して実行する演算処理部である。
ＲＡＭ１０ｃには、演算処理の途中に発生した変数やパラメータ等が一時的に書き込まれる。
ＲＡＭ１０ｃには、演算処理の途中に発生した変数やパラメータ等が一時的に書き込まれる。
【0030】
入力装置１０ｆには、例えば、キーボード、マウスなどの他、ドップラーレーダ２や距離センサ３の出力を取り込むインタフェースも含まれる。
表示装置１０ｇは、例えば、液晶ディスプレイモニタであり、この表示装置１０ｇによりコンピュータ装置で実行される計算処理の結果が表示される。
表示装置１０ｇは、例えば、液晶ディスプレイモニタであり、この表示装置１０ｇによりコンピュータ装置で実行される計算処理の結果が表示される。
【0031】
不揮発性ストレージ１０ｄには、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの大容量情報記憶媒体が用いられる。不揮発性ストレージ１０ｄには、非接触バイタルサイン計測装置１０が実行する心拍や呼吸の計測についてのプログラムが記録される。また、心拍や呼吸の計測結果が、不揮発性ストレージ１０ｄに記録される。
【0032】
ネットワークインタフェース１０ｅには、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）などが用いられる。ネットワークインタフェース１０ｅは、ＬＡＮ（Local Area Network）、専用線などを介して外部と各種情報の送受信を行う。
【0033】
［４．計測処理の流れ］
次に、非接触バイタルサイン計測装置１０で心拍および呼吸を計測する処理の流れを、図５のフローチャートを参照して説明する。
まず、非接触バイタルサイン計測装置１０のドップラーレーダ出力取得部１１は、ドップラーレーダ２の出力を取得する（ステップＳ１１）。また、このドップラーレーダ２の出力を取得する処理と並行して、距離センサデータ取得部１２は、距離センサ３の出力を取得する（ステップＳ１２）。
次に、非接触バイタルサイン計測装置１０で心拍および呼吸を計測する処理の流れを、図５のフローチャートを参照して説明する。
まず、非接触バイタルサイン計測装置１０のドップラーレーダ出力取得部１１は、ドップラーレーダ２の出力を取得する（ステップＳ１１）。また、このドップラーレーダ２の出力を取得する処理と並行して、距離センサデータ取得部１２は、距離センサ３の出力を取得する（ステップＳ１２）。
【0034】
そして、Ｉ成分抽出部１３はレーダ出力のＩ成分を抽出し、Ｑ成分抽出部１４はレーダ出力のＱ成分を抽出する。つまり、レーダ出力のＩ成分とＱ成分は分離して抽出される（ステップＳ１３）。また、不規則成分抽出部１５が、距離センサ３の出力に含まれる不規則な体動情報を抽出する（ステップＳ１４）。不規則成分抽出部１５での不規則な体動情報の抽出処理の詳細については後述する（図６）。
【0035】
不規則な体動情報が得られると、非接触バイタルサイン計測装置１０の第１～第４の乗算器１８～２１、加算器２２および減算器２３による演算処理部による演算処理で、レーダ出力のＩ成分およびＱ成分から不規則な体動を除去したＩ成分およびＱ成分が取得される（ステップＳ１５）。これらの不規則な体動を除去したＩ成分およびＱ成分は、復調部２４に供給され、複素復調処理が行われる（ステップＳ１６）。
そして、周波数解析部２５で複素復調処理が行われた信号についての周波数解析処理が行われ、バイタルサインである心拍および呼吸の計測が行われ（ステップＳ１７）、計測結果としての心拍数および呼吸数の情報が出力部２６から出力される（ステップＳ１８）。
そして、周波数解析部２５で複素復調処理が行われた信号についての周波数解析処理が行われ、バイタルサインである心拍および呼吸の計測が行われ（ステップＳ１７）、計測結果としての心拍数および呼吸数の情報が出力部２６から出力される（ステップＳ１８）。
【0036】
［５．体動の不規則成分の判断処理］
次に、非接触バイタルサイン計測装置１０の距離センサデータ取得部１２が取得した距離データから、不規則成分抽出部１５で行われる不規則成分を判断する処理について説明する。
図６は、不規則成分を判断する処理の流れを示すフローチャートである。
次に、非接触バイタルサイン計測装置１０の距離センサデータ取得部１２が取得した距離データから、不規則成分抽出部１５で行われる不規則成分を判断する処理について説明する。
図６は、不規則成分を判断する処理の流れを示すフローチャートである。
【0037】
まず、非接触バイタルサイン計測装置１０の距離センサデータ取得部１２は、距離センサ３と対象物（被験者ａの特定箇所ａ２）との距離ｌ（ｔ）を得る（ステップＳ２１）。
次に、不規則成分抽出部１５は、距離センサ３での測定開始時の距離ｌ（０）を基準として、対象物の距離ｌ（ｔ）がどれくらい動いたかを測定する（ステップＳ２２）。
そして、不規則成分抽出部１５は、計測距離ｌ（ｔ）と基準距離ｌ（０）との差から、不規則な体動ＸＢ′（ｔ）を得る（ステップＳ２３）。
すなわち、不規則成分抽出部１５は、ＸＢ′（ｔ）＝ｌ（ｔ）－ｌ（０）の演算を行って、不規則な体動ＸＢ′（ｔ）を得る。
次に、不規則成分抽出部１５は、距離センサ３での測定開始時の距離ｌ（０）を基準として、対象物の距離ｌ（ｔ）がどれくらい動いたかを測定する（ステップＳ２２）。
そして、不規則成分抽出部１５は、計測距離ｌ（ｔ）と基準距離ｌ（０）との差から、不規則な体動ＸＢ′（ｔ）を得る（ステップＳ２３）。
すなわち、不規則成分抽出部１５は、ＸＢ′（ｔ）＝ｌ（ｔ）－ｌ（０）の演算を行って、不規則な体動ＸＢ′（ｔ）を得る。
【0038】
［６．体動の不規則成分を除去する原理］
次に、非接触バイタルサイン計測装置１０が、不規則な体動を適切に除去した上で、バイタルサインである心拍および呼吸の計測ができる原理について説明する。
まず、ドップラーレーダ出力取得部１１が取得するレーダ出力のベースバンド信号のＩ成分とＱ成分を、次の［数１］式に示す。
次に、非接触バイタルサイン計測装置１０が、不規則な体動を適切に除去した上で、バイタルサインである心拍および呼吸の計測ができる原理について説明する。
まず、ドップラーレーダ出力取得部１１が取得するレーダ出力のベースバンド信号のＩ成分とＱ成分を、次の［数１］式に示す。
【0039】
【数1】
【0040】
ここで、ｘｖは、呼吸や心拍のバイタルサイン、ｘＢは不規則な体動、Φは残留位相、Ａは搬送波の振幅、λは搬送波の波長、ｔは時間である。
バイタルサインｘｖは、次の［数２］式で示される。
バイタルサインｘｖは、次の［数２］式で示される。
【0041】
【数2】
【0042】
また、不規則な体動ｘＢは、次の［数２］式で示される。
【0043】
【数3】
【0044】
これらの［数２］式～［数３］式において、ｍｈは心拍の体動の振幅、ｍｒは呼吸の体動の振幅、ｍＢは不規則な体動の振幅、ωｈは心拍の体動の角周波数、ωｒは呼吸の体動の角周波数、ωＢは不規則な体動の角周波数である。
ここで、上述したように、測定開始時の距離ｌ（０）を基準とした不規則な体動を、体動ＸＢ′（ｔ）としたとき、不規則な体動を軽減する加法定理による演算が、乗算器１８，１９，２０，２１と加算器２２と減算器２３とで行われ、不規則な体動を軽減した実部Ｉ′（ｔ）および虚部Ｑ′（ｔ）が、［数４］式に示すように得られる。
ここで、上述したように、測定開始時の距離ｌ（０）を基準とした不規則な体動を、体動ＸＢ′（ｔ）としたとき、不規則な体動を軽減する加法定理による演算が、乗算器１８，１９，２０，２１と加算器２２と減算器２３とで行われ、不規則な体動を軽減した実部Ｉ′（ｔ）および虚部Ｑ′（ｔ）が、［数４］式に示すように得られる。
【0045】
【数4】
【0046】
この［数４］式に示す実部Ｉ′（ｔ）および虚部Ｑ′（ｔ）が、復調部２４に供給され、［数５］式に示す複素信号復調による信号Ｓ′（ｔ）が得られる。
【0047】
【数5】
【0048】
復調部２４で複素信号復調が行われることで、ＤＣオフセットの影響を受けにくい復調が行われる。
この複素信号復調による信号Ｓ′（ｔ）は、不規則な体動ＸＢ′（ｔ）が除去された信号である。この複素信号復調された信号Ｓ′（ｔ）から呼吸や心拍のバイタルサインｘｖを適切に検出できるようになる。信号Ｓ′（ｔ）から呼吸や心拍を検出する際には、例えば呼吸が含まれる周波数帯域のピークを呼吸周波数とし、心拍が含まれる周波数帯域のピークを心拍周波数とする。
この複素信号復調による信号Ｓ′（ｔ）は、不規則な体動ＸＢ′（ｔ）が除去された信号である。この複素信号復調された信号Ｓ′（ｔ）から呼吸や心拍のバイタルサインｘｖを適切に検出できるようになる。信号Ｓ′（ｔ）から呼吸や心拍を検出する際には、例えば呼吸が含まれる周波数帯域のピークを呼吸周波数とし、心拍が含まれる周波数帯域のピークを心拍周波数とする。
【0049】
［７．実験例］
次に、図７～図１０を参照して、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０でバイタルサインを計測することで、不規則な体動に影響されない計測の実験を行った例について説明する。
図７および図８は、特定の周波数で振動するスピーカを強制的に揺らした場合に、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０で、スピーカの振動周波数を計測した例を示す。
次に、図７～図１０を参照して、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０でバイタルサインを計測することで、不規則な体動に影響されない計測の実験を行った例について説明する。
図７および図８は、特定の周波数で振動するスピーカを強制的に揺らした場合に、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０で、スピーカの振動周波数を計測した例を示す。
【0050】
図７は、計測対象となるスピーカの構成を示す。
ここでは、台車１００に載せたスピーカ装置１１０のホーン１１１を、０．３Ｈｚで振動させながら、台車１００を人手で不規則に大きく揺らせる。つまり、スピーカ装置１１０を不規則に振動させながら、ホーン１１１を特定周波数（０．３Ｈｚ）で振動させる。この状態で、ドップラーレーダ２がホーン１１１の振動を計測すると共に、距離センサ３がスピーカ装置１１０までの距離を計測する。図８は、これらの計測データに基づいて、非接触バイタルサイン計測装置１０でホーン１１１の振動の計測を行った結果を示す。図８の横軸は計測周波数、縦軸は正規化したベクトルを示す。
ここでは、台車１００に載せたスピーカ装置１１０のホーン１１１を、０．３Ｈｚで振動させながら、台車１００を人手で不規則に大きく揺らせる。つまり、スピーカ装置１１０を不規則に振動させながら、ホーン１１１を特定周波数（０．３Ｈｚ）で振動させる。この状態で、ドップラーレーダ２がホーン１１１の振動を計測すると共に、距離センサ３がスピーカ装置１１０までの距離を計測する。図８は、これらの計測データに基づいて、非接触バイタルサイン計測装置１０でホーン１１１の振動の計測を行った結果を示す。図８の横軸は計測周波数、縦軸は正規化したベクトルを示す。
【0051】
図８に破線で示す特性αは、不規則な振動を除去しない場合であり、実線で示す特性βは、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０で不規則な振動を除去した場合である。
不規則な振動を除去しない特性αでは、本来のホーン１１１の振動周波数である０．３Ｈｚの近傍の複数箇所にピークが発生しており、ホーン１１１の振動周波数を特定できない状態である。
これに対して、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０で不規則な振動を除去した特性βの場合には、信号のピーク位置β１が、ホーン１１１の振動周波数である０．３Ｈｚになり、ホーン１１１の振動周波数を正確に計測できていることが分かる。
不規則な振動を除去しない特性αでは、本来のホーン１１１の振動周波数である０．３Ｈｚの近傍の複数箇所にピークが発生しており、ホーン１１１の振動周波数を特定できない状態である。
これに対して、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０で不規則な振動を除去した特性βの場合には、信号のピーク位置β１が、ホーン１１１の振動周波数である０．３Ｈｚになり、ホーン１１１の振動周波数を正確に計測できていることが分かる。
【0052】
図９は、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０で被験者の心拍および呼吸を計測した例を示す。図９においても、図８と同様に横軸は計測周波数、縦軸は正規化したベクトルを示す。
図９Ａは、被験者ａが仰臥位となった状態（横に寝た状態）で計測した場合の特性であり、図９Ｂは、被験者ａが座位となった状態（座った状態）で計測した場合の特性である。両図共に破線の特性αは不規則な振動を除去しない場合、実線の特性βは不規則な振動を除去した場合である。
図９Ａは、被験者ａが仰臥位となった状態（横に寝た状態）で計測した場合の特性であり、図９Ｂは、被験者ａが座位となった状態（座った状態）で計測した場合の特性である。両図共に破線の特性αは不規則な振動を除去しない場合、実線の特性βは不規則な振動を除去した場合である。
【0053】
図９Ａに示す仰臥位の場合には、被験者ａは、１５秒に１回程度、指を動かす比較的少ない体動を加えた状態で、１分間計測を行った。一方、図９Ｂに示す座位の場合には、被験者ａは、１５秒に１回程度、腕を動かすといったそれなりのレベルの体動（中位の体動）で、１分間計測を行った。
また、図９Ａおよび図９Ｂに、被験者ａに装着した呼吸バンドおよび心電計により計測した正確な呼吸周波数ｆ１１，ｆ２１と心拍周波数ｆ１２，ｆ２２を示す。
また、図９Ａおよび図９Ｂに、被験者ａに装着した呼吸バンドおよび心電計により計測した正確な呼吸周波数ｆ１１，ｆ２１と心拍周波数ｆ１２，ｆ２２を示す。
【0054】
図９Ａに示す仰臥位の例では、体動が少ない状態のため、不規則な振動を除去しない特性αと、不規則な振動を除去した特性βとに大きな差はない。しかし、不規則な振動を除去した特性βに、呼吸周波数ｆ１１に対応したピークと、心拍周波数ｆ１２に対応したピークが現れている。
【0055】
一方、図９Ｂに示す座位の例では、中位の体動が加わった状態のため、不規則な振動を除去しない特性αと、不規則な振動を除去した特性βとに大きな相違があり、不規則な振動を除去した特性βの場合、呼吸周波数ｆ２１に対応した明確なピークが発生している。また、図９Ｂの特性βでは、心拍周波数ｆ１２に対応したピークは本来の周波数ｆ２２から若干ずれているが、不規則な振動を除去しない特性αでは心拍に相当するピークがほとんど現れておらず、心拍についても検出精度が向上したと言える。
【0056】
図１０は、仰臥位の被験者で体動が少、中、大の３つのケースと、座位の被験者で体動が少、中、大の３つのケースのそれぞれで、体動除去をしない場合の特性（それぞれ左側のシングルハッチングで示す特性）の誤差率と、体動除去をした場合の特性（それぞれ右側のダブルハッチングで示す特性）の誤差率を比較した図である。図１０に示す誤差率は値が少ないほど、計測精度が高いことを示す。
【0057】
図１０に示すように、体動除去をした場合には、仰臥位で体動が少と中のいずれでも、誤差率が２０％前後であり、座位についても、体動が少と中のいずれでも、誤差率が１０％前後であり、低い誤差率で計測が行えることが分かる。なお、図１０の例では、仰臥位で体動が中のときと、座位で体動が少のときには、体動除去をしないケースの方が、誤差率が若干低い特性になっているが、誤差率の変化はわずかであり、本例の体動除去をした場合にも十分に低い誤差率が維持されている。
【0058】
また、図１０に示すように、体動が大の場合には、仰臥位と座位のいずれでも、誤差率が大きくなり、計測精度が悪化している。しかし、体動除去をした場合には、体動除去をしない場合に比べて誤差率が低下しており、測定精度の向上が図られていることが分かる。
【0059】
［８．変形例］
なお、上述した実施の形態では、距離センサとして、距離画像が取得できるＴｏＦカメラを使用したが、その他の方式の距離センサを使用してもよい。例えば、３Ｄカメラを使って、撮影画像内の被写体の距離を取得するようにしてもよい。
また、図２に示す構成では、レーダ出力から得た実数成分（Ｉ成分）と虚数成分（Ｑ成分）から、不規則成分を除去する演算処理部として、４つの乗算器１８～２１と加算器２２と減算器２３とを使う構成としたが、演算処理部としてこの図２に示す構成に限定されるものではない。
なお、上述した実施の形態では、距離センサとして、距離画像が取得できるＴｏＦカメラを使用したが、その他の方式の距離センサを使用してもよい。例えば、３Ｄカメラを使って、撮影画像内の被写体の距離を取得するようにしてもよい。
また、図２に示す構成では、レーダ出力から得た実数成分（Ｉ成分）と虚数成分（Ｑ成分）から、不規則成分を除去する演算処理部として、４つの乗算器１８～２１と加算器２２と減算器２３とを使う構成としたが、演算処理部としてこの図２に示す構成に限定されるものではない。
【0060】
また、上述した実施の形態例では、バイタルサインとして呼吸や心拍の周波数とした例とした。これに対して、呼吸や心拍以外のバイタルサインを計測する場合にも、本例の非接触バイタルサイン計測装置１０は適用が可能である。
【0061】
また、図３では、非接触バイタルサイン計測装置１０をコンピュータ装置で構成し、コンピュータ装置に実装されたソフトウェア（プログラム）の実行で、不規則な振動を除去する例とした。これに対して、図２に示す非接触バイタルサイン計測装置１０の各処理部の一部または全てを専用の回路として構成してもよい。
【符号の説明】
【0062】
１…ベッド、２…ドップラーレーダ、３…距離センサ、１０…非接触バイタルサイン計測装置（コンピュータ装置）、１０ａ…中央制御ユニット（ＣＰＵ）、１０ｂ…ＲＯＭ、１０ｃ…ＲＡＭ、１０ｄ…不揮発性ストレージ、１０ｅ…ネットワークインタフェース、１０ｆ…入力装置、１０ｇ…表示装置、１１…ドップラーレーダ出力取得部、１２…距離センサデータ取得部、１３…Ｉ成分抽出部（実数成分抽出部）、１４…Ｑ成分抽出部（虚数成分抽出部）、１５…不規則成分抽出部、１６…正弦成分抽出部、１７…余弦成分抽出部、１８，１９，２０，２１…乗算器、２２…加算器、２３…減算器、２４…復調部、２５…周波数解析部、２６…出力部、１００…台車、１１０…スピーカ装置、１１１…ホーン
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】