パルス型超広帯域センサおよびその方法
【課題】人体の生理パラメータを検知するため、レーダの補助により、静止または動的状態にある人体の生理パラメータを診断する医療用診断機器を提供する。
【解決手段】パルス型超広帯域センサは、制御手段と、探知信号生成経路と、送信アンテナと、受信アンテナと、探知信号送信経路と、反射信号受信経路と、第１の電子スイッチとを備えている。前記制御手段は遅延した同期パルス波を生成するものである。前記探知信号送信経路の出力端は前記送信アンテナに接続されている。前記反射信号受信経路の入力端は受信アンテナに接続されている。前記第１の電子スイッチの入力端は前記探知信号生成経路の出力端に接続されている。前記第１の電子スイッチの出力端は前記探知信号送信経路の入力端および前記反射信号受信経路に接続されている。前記反射信号受信経路内における反射信号を処理するためのチャネルの出力端は心拍および呼吸周期計算経路に接続されている。
【解決手段】パルス型超広帯域センサは、制御手段と、探知信号生成経路と、送信アンテナと、受信アンテナと、探知信号送信経路と、反射信号受信経路と、第１の電子スイッチとを備えている。前記制御手段は遅延した同期パルス波を生成するものである。前記探知信号送信経路の出力端は前記送信アンテナに接続されている。前記反射信号受信経路の入力端は受信アンテナに接続されている。前記第１の電子スイッチの入力端は前記探知信号生成経路の出力端に接続されている。前記第１の電子スイッチの出力端は前記探知信号送信経路の入力端および前記反射信号受信経路に接続されている。前記反射信号受信経路内における反射信号を処理するためのチャネルの出力端は心拍および呼吸周期計算経路に接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は人体の生理パラメータを検知するための医療用診断機器に関し、特にレーダの補助により、静止または動的状態にある人体の生理パラメータを診断する医療用診断機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超広帯域レーダを応用した測定装置は、例えば広帯域センサでは、非刺入型の測定方式を用いることで疾病に感染する確率を低減して、しかも特定の実験室または特別に訓練された操作人員を配置する必要がない、というように従来の測定装置では解決できなかった数々の問題を解決することができる。
【０００３】
超広帯域センサでは、広面積の火傷または皮膚疾患のある患者に対して従来の診断方式では達成し得なかった非接触型の診断方式を提供することができる。このようなセンサにより、患者は着衣したまま診断でき、診断の時間を節約することができる。
【０００４】
使用の安全において、超広帯域センサは放射線エネルギーが低いという特性を備えている。Ｘ線の断層撮影法と比べても、超広帯域センサが出射する放射線量は数レベルも少なくなっている。
【０００５】
また、超広帯域センサを医療用測定機器として用いる場合、測定機器全体を消毒する必要はなく、また使い捨て型の部品または消耗品を使用する必要もない。したがって、診断作業に必要なコストも大幅に削減することができる。
【０００６】
現在の分類方式（非特許文献１または非特許文献２を参照）によれば、超広帯域レーダシステムは、０.２５＜（ｆｕｐｐｅｒ−ｆｌｏｗｅｒ）／（ｆｕｐｐｅｒ＋ｆｌｏｗｅｒ）＜１の信号帯域条件を満たすレーダである。式中ｆｕｐｐｅｒおよびｆｌｏｗｅｒは上記信号帯域の上・下限である。また、超広帯域レーダ測定システムの信号帯域（ｆｕｐｐｅｒ−ｆｌｏｗｅｒ）は５００ＭＨｚ以上とすべきである（非特許文献３を参照）。超広帯域レーダの距離解析度が増えているので、その送信する情報内容も増えている。
【０００７】
現在、知られている様々なパルス型超広帯域センサの回路設計は、患者の呼吸器官および循環器系への監視・測定に応用されている。例えば特許文献１（１９９６年５月２１日発行）には、位相コード変調方式（ｐｈａｓｅ−ｃｏｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で被検体の移動を制御するパルス型超広帯域センサが開示されている。ショートビデオパルスが装置の送信アンテナのための基準信号および励起信号として用いられている。前記装置は、送信アンテナを用いて周波数が２ＧＨｚないし１０ＧＨｚの超広帯域信号を送信する送信機を備えている。時間遅延部が各パルス間の遅延時間を決定する制御信号を生成する。アンテナを有する受信機が、前記時間遅延部のゲート信号（ｇａｔｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ）に基づいて、個々のパルス信号を受信する。ゲート信号は送信信号の受信時間を遅らせるものであり、この遅延時間は前記送信信号が前記被検体に出射されて反射して前記受信アンテナに戻ってくるまでに要する時間に等しい。前記遅延時間は前記センサと前記被検体との間の距離に依存する。
【０００８】
前記時間遅延部は探知パルス信号と受信パルス信号との間に必要な遅延を提供している。これらパルス信号は前記時間遅延部により変調される。この変調された信号は隣接するレーダセンサの干渉を受けないように符号化されている。前記信号受信機は、前記信号受信端と変調信号とを同期させるための同期部と、二つのクアドラチュアチャネルとを備えている。前記クアドラチュアチャネルは反射信号を処理するためのものであり、このうち一方のチャネルは基準信号と同一位相で動作し、他方のチャネルは前記基準信号に対して９０度の位相差を持たせている。前記二つのクアドラチュアチャネルの出力データは後続の信号分析に用いられる。前記二つのチャネルは高速の制御可能な切替機構により反射信号を受信したときに交互に切り替えられる。各クアドラチュアチャネルは個々のフィルタと信号増幅器とを備えている。
【０００９】
従来のレーダセンサの動作時においては、前記二つのクアドラチュアチャネルから送られる信号を同時に処理することはできない。シングルチャネルの処理モードで、反射した電磁波信号を処理しなければならないので、前記二つのクアドラチュアチャネルで信号を同時に処理する方式にて信号ひずみを低減することはできない。
【００１０】
同様に、測定作業中において、前記複数のクアドラチュアチャネルの信号を同時に処理できないため、ある特定の距離においては、前記センサは被検体の正確な生理パラメータを取得することはできなくなる。このような被検体とセンサとの間の特定距離はいわゆるブラインド・ゾーン（ｂｌｉｎｄ ｚｏｎｅ）と呼ばれる部分となり、これらの範囲内では、前記センサが振幅の大きな反射探知信号を受信したとしても、前記センサの位相感度は大幅に低下してしまう。これらブラインド・ゾーンおよびこれら互いの間隔の数は被検体とセンサとの間の距離および探知信号内のパルス長により決まってくる。
【００１１】
これらブラインド・ゾーンの存在および限りある測定距離（探知信号のパルス長により決まる）は、特定の測定距離において、患者の生理パラメータの測定精度の低下を招くので、この種のパルス型超広帯域センサの実用に限界をもたらしている。このようなセンサは、患者が全く動くことができず、そして患者とセンサとの間が一定に距離に固定されている状態でのみ有効であり、患者の位置が変わってしまえばセンサ側で再度調整しなければならない。このような場合、被検体に対するセンサの位置を調整して、患部がブラインド・ゾーンに位置してしまう事態を回避しなければならない。
【００１２】
ある種の自動距離追従システムでは前記センサの距離を自動的に調整できるものの、機器の設計が複雑になるばかりでなく、ましてや高価な前記自動距離追従システムを応用したとしても、被検体がブラインド・ゾーンに位置してしまう不具合を排除できる保証はない。
【００１３】
特許文献２（２００４年１２月９日公開）には患者の生理パラメータを監視する他の超広帯域センサが開示されている。前記装置は受信アンテナを備えた低電力パルス型超広帯域レーダである。前記装置ではショートパルスを基準探知信号としている。前記装置は、一定周波数パルス発生器と、送信器と、受信器と、遅延信号生成部と、Ａ／Ｄ信号コンバータと、信号処理部と、データ表示部と、制御および同期部とを備えている。前記信号処理部は、統計法で反射信号を処理する。前記受信器は段階的増幅方式で反射信号のエネルギーを増強して、更に前記Ａ／Ｄ信号コンバータにより前記反射信号をディジタル信号に変換する。
【００１４】
しかしながら、前記センサの特性では、ある空間領域にあるとき、反射信号のデータ量が減少し、しかも前記センサでは患者の各器官に対して信頼性の高い生理パラメータを同時に生成することはできない。
【００１５】
特許文献３（１９９６年１１月１２日発行）には、患者の循環器系および呼吸器官の生理パラメータを含む各種生理パラメータを監視するパルス型レーダ機器が開示されている。前記機器の動作では、被検体からの反射信号に基づいて、音声周波発生器の信号を変調するための平均電圧信号を生成している。前記装置は、反射信号の測定電圧を、振幅から周波数へ変調する音声周波数信号に変換する信号コンバータを備えている。前記装置は、パルス発生器と、累算器とを更に備えている。前記パルス発生器は、信号受信器の入力回路を起動するパルスの生成に用いられる。前記累算器は前記受信器の入力回路の信号の累算に用いられる。
【００１６】
前記装置の受信信号は、フィルタおよび増幅処理プログラムにより各種パラメータを制御することができる。しかしながら、前記装置の信号処理回路は被検体とセンサとの間のブラインド・ゾーンを解消することはできない。また、前記センサは超広帯域型のセンサではなく、前記センサの駆動発生器の周波数は１ＭＨｚであり、そしてその信号帯域は０.１ＭＨｚを越えない。前記センサはドップラー効果（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）により反射信号を測定して処理する。したがって、前記センサでは、超広帯域センサのように、充分なデータ量を含む信号を提供することはできない。
【００１７】
本発明に最も近い従来技術である特許文献４（１９７８年４月２５日発行）には、患者の循環器系および呼吸器官の生理パラメータを監視するパルス型レーダセンサが開示されている。前記センサは、周波数が１０ＧＨｚの発振電磁波を生成するジェネレータを備えている。前記生成された電磁波は変調部により変調されるとともに、送信器の送信アンテナから被検体に出射される。
【００１８】
被検体に反射して戻ってきた前記探知信号は受信器の受信アンテナにより受信されるとともに、前記受信器の入力回路における二つのチャネルに入力される。これと同時に、基準探知信号が二つのチャネルを有する減衰器に送られる。前記受信器における第１のチャネルの混波器は同位相の基準信号を受信する。他方の基準信号には位相シフト回路により９０度の位相差が生じる。そして前記位相シフト回路の出力端は前記受信器における第２のチャネルの混波器の第２の入力端に接続されている。
【００１９】
前記センサの受信機は、反射信号を処理するための二つのクアドラチュアチャネルを有している。各々のチャネルが信号混波器を備え、そしてこれら混波器の出力は反射信号を復調する検出器に直接接続されており、前記信号は更に信号増幅器およびフィルタを介して処理される。患者の生理パラメータを監視する際には、前記複数のチャネルの混波器は正弦波形の混波器信号を出力する。位相がずれた二つの正弦波を含む複合信号を復調する場合、その振幅は、混波器に入力されたこれら二つの信号の相対角速度に基づいて定義される。前記複数の信号処理チャネルを調整するフィルタおよび増幅器により、前記反射信号は前記二つのチャネルの相対的位相差の幅にて、患者の胸腔の移動および心拍周期を表示することになる。
【００２０】
前記受信機における第１のクアドラチュアチャネルは胸腔運動の周期を表わす信号を分離するためのものであり、第２のクアドラチュアチャネルは心拍周期を表わす信号を分離するためのものである。前記二つの信号は患者の生理パラメータの相対振幅および周期に基づいて調整する増幅器およびフィルタにより定義されるものである。
【００２１】
従来技術のセンサにおいては、具体的には、各々のチャネルが例えば心拍周期または呼吸周期といった特定の生理パラメータを測定するための前記複数のクアドラチュアチャネルが反射信号を処理するのを機能的に指示するものである。したがって、従来技術における上記したような機器にように、被検体およびセンサとが特定の測定距離（つまりブラインド・ゾーン）にあるとき、前記センサの出力信号はかなり少ない情報量しか含まないことになる。前記センサの応用は、被検体とセンサとの距離を固定しなければならないことにより、制限されてしまう。被検体がわずかでも動いてしまえば、前記センサは使用できなくなってしまう。
【００２２】
上記した従来技術のセンサにおける信号処理形態は、相関システム（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）で反射信号を処理するものである。前記システムの動作は、探知信号と、信号が送信端から被検体に伝送されて受信端に反射し戻ってくるまでの時間である遅延した反射信号とを相乗するものを基本としている。一般的に常用される探知信号は持続時間が発振周期を越えないショートパルスである。前記相関システムが反射信号を処理した出力信号は反射信号および探知信号の位相差に正比例している。
【００２３】
被検体が静止した状態では、処理後の出力信号の振幅Ｚは下記相関性数式により決まってくる。
【数１】
【００２４】
数式１において、Ｅ０は探知信号の最大振幅、Ｅ１は反射信号の最大振幅、Ｔ０は探知信号の最大振幅、ｎは探知信号内の発振波の数の合計である。
【００２５】
数式１における位相差ψの大きさは電磁波の被検体とセンサとの間の往復時間に依存する。
【数２】
【００２６】
数式２において、ω０＝２πｆ０は探知信号の角周波数、ｆ０は探知信号の周波数スペクトルにおける平均周波数、Ｃは電磁波の伝送速度、λは探知信号内の発振波の波長、Ｒ１は被検体とセンサとの間の距離である。
【００２７】
図１は前記相関システムが被検体の距離に基づいて反射信号を処理して得られた出力信号の振幅を常態化したパターンＺ（Ｒ１）Ｔ０を示す。図に示すように、センサと被検体との測定距離内に数多くのブラインド・ゾーンがあり、これらブラインド・ゾーン内にあるセンサの出力信号が０に近くなりつつある。これらブラインド・ゾーンの存在は被検体の反射能力（有効反射面積）とは無関係である。これらブラインド・ゾーンの境目の間の距離はλ／４＝Ｔ０Ｃ／４に正比例し、探知信号の発振波の周期に依存している。
【００２８】
これらブラインド・ゾーンの数Ｎは探知信号の発振信号の周期Ｔ０または探知信号の波長λに反比例し、
【００２９】
となる。周期が短いほど（周波数が高いほど）、測定距離内のブラインド・ゾーンは多くなってしまう。
【００３０】
とりわけ、もし測定距離が２ｍであり、探知信号の周波数スペクトルにおける平均周波数が６ＧＨｚであると、約１６０個のブラインド・ゾーンが発生し、これらブラインド・ゾーンの境界の距離が約１２.５ｍｍとなる。したがって、心拍および呼吸周期を測定する際に、患者は、探知信号を反射させるための胸腔表面をこれらブラインド・ゾーンに位置させてしまう恐れがある。
【００３１】
万が一、被検体がこれらブラインド・ゾーン内に入ってしまい、その移動振幅が探知信号の発振波波長の１／４未満となってしまえば、被検体の移動を測定することはかなり難しくなってしまう。このような状況では測定結果の正確性に悪影響を及ぼし、そして患者の診断にとっても容認できない結果となってしまう。
【００３２】
例えば患者が深呼吸するといった被検体の反復的な移動の振幅が大きく、かつ探知信号スペクトルの平均周波数が高い場合には、前記相関システムの出力信号の波形は、実際に被検体の移動を描く法則と比べて、かなりの歪みが生じてしまう。よって、このような状態で確定される患者の心拍および呼吸周期では高精度に達することは難しい。
【００３３】
相関システムの出力信号の振幅Ｚ（ｔ）は下記数式で表わすことができる。
【数３】
【００３４】
このうち
【００３５】
は反射信号と探知信号とが連動する最大エネルギー値であるとともに、一単位のインピーダンスの負荷に出力される。
【００３６】
【００３７】
は被検体とセンサとの間の距離に基づく位相差であり、
【００３８】
は被検体移動に基づく瞬間位相値であり、Ｆ（Ωｔ）は被検体の移動規則であり、Ω＝２πｆは被検体の反復的な運動の周期であり、ｔは現在の時間であり、ΔＲは被検体の最大シフト量である。
【００３９】
仮に被検体がセンサから離れている距離がＲ１であり、しかも被検体が単振動運動にて移動するとともに、角周波数Ωおよび振幅ΔＲであるならば、数式３は下記する形式に調整することができる。
【数４】
【００４０】
図２ないし図９は相関システムの出力信号の波形図を示す（出力信号の振幅Ｚ（ｔ）および振幅と周波数の周波数スペクトルＺ（ｆ１）を変更している）。前記振幅Ｚ（ｔ）の変更は、図中におけるわずかな変化要因に対応しており、各々の図が異なる変数ｍにそれぞれ対応しており（図２および図３におけるｍは０.５、図４および図５におけるｍは２、図６および図７におけるｍは５、図８および図９におけるｍは１０に等しい）、このうちｍは
【００４１】
に等しい。図２ないし図９には、被検体の最大シフト量ΔＲを変更するとともに、その対応する変数ｍが出力信号の変化に対応しているものを示している。被検体にて測定された発振周波数は１Ｈｚである。図中ｆ１は反射信号の周波数である。
【００４２】
図に示すように、出力信号の波形は被検体の実際のシフトとは異なっている。ここでは被検体の最大シフト量はΔＲであり、探知信号の波長はλである。シングルチャネル信号処理回路を用いた場合、もしΔＲ＞λ（図４ないし図９に示すように、ｍがそれぞれ２、５および１０）であれば、被検体の振幅および移動速度の法則性を決定するのは難しい。
【００４３】
もし被検体の最大シフト量ΔＲが探知信号の波長λと比べて小さい場合には（ΔＲ＜λ）、クアドラチュアチャネルの出力信号は変数および定数成分を同時に含む。反射信号の定数成分は各々の静止物体の有用情報を付帯しており、被検体もまたこれら静止物体の列にあるということに注意されたい。従来技術の装置では、前記定数成分は反射信号を処理するときに各々のチャネル内におけるフィルタにより除去される。したがって、これらにより生理パラメータを正確に決定できる有用情報が消失してしまう。
【００４４】
被検体の移動情報を取得するために、静止している被検体に対してプログラミングされた特殊な信号補正を行うことはできる。このうち前記情報は反射信号の定数成分に存在している。もし被検体の位置が変わってしまうと、前記信号の補正ステップを再度行わなければならない。しかしながらこれでも測定に長時間かかってしまい、複雑なソフトウェアを設計することになってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４５】
【特許文献１】米国特許第５，５１９，４００号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０２４９２５８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５７３，０１２号明細書
【特許文献４】米国特許第４，０８５，７４０号明細書
【非特許文献】
【００４６】
【非特許文献１】I. Ya. Immoreev著、「Ultra-Wideband radars: new possibilities，unique problems，the feature of system」、Journal of Bauman’s MGTUシリーズ instrument making、1998年11月4日。
【非特許文献２】I. Ya. Immoreev著、「The possibilities and feature of ultra-wideband radio systems」、Applied electronics、Kharkov 第1巻、p.122−140、2002年11月2日。
【非特許文献３】米国連邦通信委員会FCC 02-48、Washington D.C.20554「First Report and Order」、ET Docket p.98−153、2002年4月22日。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００４７】
本発明は同時に二つのチャネルで被検体からの反射信号を処理し、最大情報内容を搬送する反射信号を後続する処理のために分離するとともに、患者の心拍周期、呼吸周期またはその他生理パラメータを高精度で確定するものである。
【００４８】
本発明の解決方法により、センサの位相感度を高めて、患者が測定範囲内で移動したときでも、その心拍周期、呼吸周期またはその他生理パラメータを正確に確定する効果を達成することができる。
【００４９】
上記効果はパルス型超広帯域センサにより提供されるものである。前記センサは制御手段と、探知信号生成経路と、送信アンテナと、受信アンテナと、探知信号送信経路と、反射信号受信経路と、位相シフト回路とを備えている。前記制御手段はパルス同期時の時間遅延を生成するものである。前記探知信号送信経路は、前記制御手段に接続されている同調パルス正弦波発生器を備えている。前記探知信号送信経路の出力は前記送信アンテナに接続されている。前記反射信号受信経路は、反射信号を処理するための直交する二つのチャネルを備えている。各々のチャネルはいずれも信号混波器を備えている。前記複数の混波器の第１の入力端は前記受信アンテナに接続されている。前記位相シフト回路の入力端は前記探知信号生成経路の出力端に接続されている。前記位相シフト回路の出力端は前記第２のチャネルの信号混波器の第２の入力端に接続されている。
【００５０】
本発明の実施例に係るセンサは、第１の電子スイッチと、心拍および呼吸周期計算経路とを備えている。前記心拍および呼吸周期計算経路は二つのフィルタと、二つの加算器と、二つの信号振幅計算部と、二つの信号エネルギー計算部と、二つの積分器と、二つの比較器と、二つの信号乗算部と、二つの基準信号生成部と、第２の電子スイッチと、第３の電子スイッチと、心拍周期計算部と、呼吸周期計算部とを備えている。
【００５１】
前記第１の電子スイッチの入力端は前記探知信号生成経路の出力端に接続されている。前記第１の電子スイッチの第１の出力端は前記探知信号送信経路の入力端に接続されている。前記第１の電子スイッチの第２の出力端は第１のチャネルの信号混波器の第２の入力端および前記位相シフト回路の入力端に接続されている。前記第１の電子スイッチの制御入力端は前記制御手段に接続されている。
【００５２】
前記第１および第２のフィルタの入力端は、前記第１および第２のチャネルの出力端にそれぞれ接続されている。前記第１の加算器の第１の入力端は前記第１のチャネルの出力端に接続されている。前記第１の加算器の第２の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されている。前記第２の加算器の第１の入力端は前記第２のチャネルの出力端に接続されている。前記第２の加算器の第２の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されている。
【００５３】
前記第１の信号乗算部の第１の入力端は前記第１の加算器の出力端に接続されている。前記第１の信号乗算部の第２の入力端は前記第１の基準信号生成部の出力端に接続されている。前記第２の信号乗算部の第１の入力端は前記第２の加算器の出力端に接続されている。前記第２の信号乗算部の第２の入力端は前記第２の基準信号生成部の出力端に接続されている。
【００５４】
前記第１の積分器の入力端は前記第１の信号乗算部の出力端に接続されている。前記第１の積分器の出力端は前記第２の電子スイッチの第１の入力端および前記第１の信号エネルギー計算部の入力端に接続されている。前記第２の積分器の入力端は前記第２の信号乗算部の出力端に接続されている。前記第２の積分器の出力端は前記第２の電子スイッチの第２の入力端および前記第２の信号エネルギー計算部の入力端に接続されている。前記第１の信号エネルギー計算部の出力端は前記第１の比較器の第１の入力端に接続されている。前記第２の信号エネルギー計算部の出力端は前記第１の比較器の第２の入力端に接続されている。前記第１の比較器の出力端は前記第２の電子スイッチの制御入力端に接続されている。
【００５５】
前記第１の信号振幅計算部の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されている。前記第１の信号振幅計算部の出力端は前記第２の比較器の第１の入力端に接続されている。前記第２の信号振幅計算部の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されている。前記第２の信号振幅計算部の出力端は前記第２の比較器の第２の入力端に接続されている。前記第２の比較器の出力端は前記第３の電子スイッチの制御入力端に接続されている。前記第３の電子スイッチの第１の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されている。前記第３の電子スイッチの第２の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されている。前記第３の電子スイッチの出力端は前記呼吸周期計算部の入力端に接続されている。前記第２の電子スイッチの出力端は前記心拍周期計算部の入力端に接続されている。
【００５６】
本発明の実施例における生理パラメータの測定方法は、第１の生理パラメータと第２の生理パラメータとを有する第１の情報信号および第２の情報信号をフィルタリングして、前記第１の生理パラメータのみを有する第１のフィルタ済み信号および第２のフィルタ済み信号を生成するステップと；前記第１の情報信号に前記第１のフィルタ済み信号を加えて前記第２の生理パラメータのみを有する第１の合算信号を生成するステップと；前記第２の情報信号に前記第２のフィルタ済み信号を加えて前記第２の生理パラメータのみを有する第２の合算信号を生成するステップと；前記第１の合算信号と第１の基準信号との相関計算を行って第１の相関信号を生成するステップと；前記第２の合算信号と第２の基準信号との相関計算を行って第２の相関信号を生成するステップと；前記第１のフィルタ済み信号および前記第２のフィルタ済み信号の振幅に基づいて、前記第１のフィルタ済み信号および前記第２のフィルタ済み信号中から第１の生理パラメータ信号を抽出するステップと；前記第１の相関信号および前記第２の相関信号のエネルギーに基づいて、前記第１の相関信号および前記第２の相関信号中から第２の生理パラメータ信号を抽出するステップと、を含む。
【００５７】
本発明は、心拍周期、呼吸周期またはその他生理パラメータを測定するためのパルス型超広帯域センサの具体的な各実施例により例示的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】静止した被検体の相対距離Ｒ１／λ基づいて得られた相関処理システムの出力信号の振幅を常態化したパターンＺ（Ｒ１）Ｔ０を示す図である。
【図２】ｍが０.５であるときの相関処理システムの出力信号Ｚ（ｔ）を示す図である。
【図３】ｍが０.５であるときの相関処理システムの出力信号の振幅周波数の周波数スペクトルＺ（ｆ１）を示す図である。
【図４】ｍが２であるときの相関処理システムの出力信号Ｚ（ｔ）を示す図である。
【図５】ｍが２であるときの相関処理システムの出力信号の振幅周波数の周波数スペクトルＺ（ｆ１）を示す図である。
【図６】ｍが５であるときの相関処理システムの出力信号Ｚ（ｔ）を示す図である。
【図７】ｍが５であるときの相関処理システムの出力信号の振幅周波数の周波数スペクトルＺ（ｆ１）を示す図である。
【図８】ｍが１０であるときの相関処理システムの出力信号Ｚ（ｔ）を示す図である。
【図９】ｍが１０であるときの相関処理システムの出力信号の振幅周波数の周波数スペクトルＺ（ｆ１）を示す図である。
【図１０】探知信号生成経路、探知信号送信経路および反射信号受信経路の概略図である。
【図１１】制御手段の概略図である。
【図１２】本発明の第１の実施例に係る心拍および呼吸周期計算経路の概略図である。
【図１３】本発明の第２の実施例に係る心拍および呼吸周期計算経路の概略図である。
【図１４−１９】図１４は、駆動生成器の出力信号の同期パルス波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。図１５は、制御可能なディジタル遅延線の出力信号の同期パルス波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。図１６は、第１のショートパルス生成手段の出力信号の同期パルス波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。図１７は、第２のショートパルス生成手段の出力信号の同期パルス波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。図１８は、制御手段の出力信号の同期パルス波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。図１９は、マイクロ波発生器の出力信号の同調パルス正弦波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。
【図２０】第１のチャネルの第１のフィルタの出力信号Ｚ１（ｔ）のシーケンス図である。
【図２１】第１のチャネルの第１の積分器の出力信号Ｚ１（ｔ）のシーケンス図である。
【図２２】第２のチャネルの第２のフィルタの出力信号Ｚ２（ｔ）のシーケンス図である。
【図２３】第２のチャネルの第２の積分器の出力信号Ｚ２（ｔ）のシーケンス図である。
【図２４】第１（上側の曲線）および第２（下側の曲線）の信号エネルギー計算部の出力信号の比較図Ｅ（ｔ）である。
【図２５】本発明の一実施例に係る処理回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
図１０に示すように、前記パルス型超広帯域センサは、同期信号を遅延させるための制御手段１と、コーヒレントパルス発生器として用いられる外部励起のマイクロ波発生器２を有する探知信号生成経路とを備えている。前記パルス型超広帯域センサは更に送信アンテナ３と、受信アンテナ４と、探知信号送信経路と、第１の電子スイッチ５と、反射信号受信経路とを備えている。前記反射信号受信経路は反射信号を処理するための二つのチャネルを備えている。
【００６０】
前記探知信号生成経路はバッファ増幅器６と、バンドパスフィルタ７とを備えており、前記バッファ増幅器６およびバンドパスフィルタ７は前記マイクロ波発生器２に直列接続されている。前記バンドパスフィルタ７は前記第１の電子スイッチ５の入力端に接続されている。前記探知信号送信経路はバンドパスフィルタ８と、増幅器９とを備えており、前記バンドパスフィルタ８および前記増幅器９は前記送信アンテナ３に直列接続されており、そして増幅器９の入力端は前記第１の電子スイッチ５の第１の出力端に接続されている。
【００６１】
前記反射信号受信経路はバンドパスフィルタ１０と、低ノイズ増幅器１１とを備えており、前記バンドパスフィルタ１０および低ノイズ増幅器１１は前記受信アンテナ４に直列接続されており、そして前記低ノイズ増幅器１１の出力端は、反射信号を処理するための平行した二つの前記チャネルに接続されている。前記反射信号受信経路は更に位相シフト回路１２を備えている。前記反射信号を処理するための前記第１のチャネルは信号混波器１３を備えており、その出力端はバンドパスフィルタ１４、低周波増幅器１５、低周波フィルタ１６およびＡ／Ｄコンバータ１７に直列接続されている。前記信号混波器１３の第１の入力端は前記低ノイズ増幅器１１の出力端に接続されており、そして信号混波器１３の第２の入力端は前記第１の電子スイッチ５の第２の出力端に接続されている。
【００６２】
反射信号を処理するための前記第２のチャネルは信号混波器１８を備えており、その出力端はバンドパスフィルタ１９、低周波増幅器２０、低周波フィルタ２１およびＡ／Ｄコンバータ２２に直列接続されている。前記信号混波器１８の第１の入力端は前記低ノイズ増幅器１１の出力端に接続されており、そして前記信号混波器１８の第２の入力端は前記位相シフト回路１２を介して前記第１の電子スイッチ５の第２の出力端に接続されている。前記位相シフト回路１２は探知信号に９０度の位相差を付与するためのものである。前記複数の低周波フィルタ１６および２１の下限周波数は、帯域がカットオフ周波数よりも高い信号を選択するように、約０.１Ｈｚとなっている。
【００６３】
図１１にブロック図が示されているように、前記制御手段１は同期パルス信号を遅延させるためのものであり、駆動信号発生器２３と、送信器の同期信号を形成しかつ探知信号形成過程を制御するための経路と、受信器の同期信号を形成する経路とを備えている。
【００６４】
前記送信器の同期信号を形成する経路は、ショートビデオパルス同期信号を生成するための第１のショートパルス生成手段２４を備えている。前記受信器の同期信号を形成する経路は、制御可能なディジタル遅延線２５と、第２のショートパルス生成手段２６とを備え、前記制御手段１の第１の出力端を構成しており、前記第１の出力端は第１の電子スイッチ５の制御入力端に接続されている。これら送信器および受信器の同期信号形成経路はいずれもＯＲゲート回路２７の入力端に接続されており、前記ＯＲゲート回路２７の出力端は前記制御手段１の第２の出力端となり、前記第２の出力端は前記マイクロ波発生器２の制御入力端に接続されている。
【００６５】
前記心拍および呼吸周期計算経路の概略図を図１２および図１３に示す。そして二つのフィルタ２８および２９と、二つの加算器３０および３１と、二つの信号振幅計算部３２および３３と、二つの信号エネルギー計算部３４および３５と、二つの積分器３６および３７と、二つの比較器３８および３９と、二つの信号乗算部４０および４１と、二つの基準信号生成部４２および４３と、第２の電子スイッチ４４と、第３の電子スイッチ４５と、呼吸周期計算部４６と、心拍周期計算部４７と、データ表示部４８とを備えている。
【００６６】
前記フィルタ２８および２９は入力信号に対して、胸腔の振動の信号および心拍の信号を周波数で選択する。これら信号は、患者の心臓の鼓動および呼吸機能の複合波形である反射信号内に含まれている。バンドパス機能を備えた前記複数のフィルタ２８および２９は前記反射信号内における心拍周期特性を含む部分を平滑化する。前記波形は心臓の鼓動および胸腔振動の周期特性を含む。前記複数のフィルタ２８および２９の上限カットオフ周波数は約１Ｈｚである。
【００６７】
前記第１のフィルタ２８の入力端は、反射信号を処理するための前記第１のチャネルの出力端に接続されている。前記第２のフィルタ２９の入力端は、反射信号を処理するための前記第２のチャネルの出力端に接続されている。本実施例においては、前記フィルタ２８および２９の入力端は、前記複数のＡ／Ｄコンバータ１７および２２の出力端にそれぞれ接続されている。
【００６８】
前記第１の加算器３０の第１の入力端は、反射信号を処理するための前記第１のチャネルの出力端に接続されており、そして前記Ａ／Ｄコンバータ１７は前記第１のチャネルの出力端となる。前記第１の加算器３０の第２の入力端は前記第１のフィルタ２８の出力端に接続されている。前記第２の加算器３１の第１の入力端は、反射信号を処理するため前記第２のチャネルの出力端に接続されており、そして前記Ａ／Ｄコンバータ２２は第２のチャネルの出力端となる。前記第２の加算器３１の第２の入力端は前記第２のフィルタ２９の出力端に接続されている。
【００６９】
前記第１の信号乗算部４０の第１の入力端は前記第１の加算器３０の出力端に接続されている。前記第１の信号乗算部４０の第２の入力端は前記第１の基準信号生成部４２の出力端に接続されている。前記第２の信号乗算部４１の第１の入力端は前記第２の加算器３１の出力端に接続されている。前記第２の信号乗算部４１の第２の入力端は前記第２の基準信号生成部４３の出力端に接続されている。
【００７０】
前記第１の積分器３６の入力端は前記第１の信号乗算部４０の出力端に接続されている。前記第１の積分器３６の出力端は前記第２の電子スイッチ４４の第１の入力端および前記第１の信号エネルギー計算部３４の入力端に接続されている。前記第２の積分器３７の入力端は前記第２の信号乗算部４１の出力端に接続されている。前記第２の積分器３７の出力端は前記第２の電子スイッチ４４の第２の入力端および前記第２の信号エネルギー計算部３５の入力端に接続されている。
【００７１】
前記第１の信号エネルギー計算部３４の出力端は前記第１の比較器３８の第１の入力端に接続されている。前記第２の信号エネルギー計算部３５の出力端は前記第１の比較器３８の第２の入力端に接続されている。前記第１の比較器３８の出力端は前記第２の電子スイッチ４４の制御入力端に接続されている。
【００７２】
前記第１の信号振幅計算部３２の入力端は前記第１のフィルタ２８の出力端に接続されている。前記第１の信号振幅計算部３２の出力端は前記第２の比較器３９の第１の入力端に接続されている。前記第２の信号振幅計算部３３の入力端は前記第２のフィルタ２９の出力端に接続されている。前記第２の信号振幅計算部３３の出力端は前記第２の比較器３９の第２の入力端に接続されている。前記第２の比較器３９の出力端は前記第３の電子スイッチ４５の制御入力端に接続されている。
【００７３】
前記第３の電子スイッチ４５の第１の入力端は前記第１のフィルタ２８の出力端に接続されている。前記第３の電子スイッチ４５の第２の入力端は前記第２のフィルタ２９の出力端に接続されている。前記第３の電子スイッチ４５の出力端は前記呼吸周期計算部４６の入力端に接続されている。前記第２の電子スイッチ４４の出力端は前記心拍周期計算部４７の入力端に接続されている。前記データ表示部４８の第１の入力端は心拍周期計算部４７の出力端に接続されている。前記データ表示部４８の第２の入力端は前記呼吸周期計算部４６の出力端に接続されている。
【００７４】
本実施例の一態様においては、図１２に示すように、前記第１の基準信号生成部４２および前記第２の基準信号生成部４３の入力端は前記複数の加算器３０および３１の出力端にそれぞれ接続されている。前記複数の加算器３０および３１の出力信号は、ある時間のリアルタイムな反射信号を取得する基準信号を生成するためのものである。前記基準信号の長さは３秒とされ、そして前記基準信号は前記複数の信号乗算部４０および４１に送信される。
【００７５】
本実施例の他の態様においては、図１３に示すように、前記第１の基準信号生成部４２および第２の基準信号生成部４３は一定形状の基準信号を生成するためのものである。前記基準信号は前記複数の基準信号生成部４２および４３に保存されるとともに、前記複数の信号乗算部４０および４１の入力端に送信される。前記基準信号の長さは３秒とされ、その波形は下記の数式５により定義される。
【数５】
【００７６】
そして本発明を実現できる回路のみで、位相感度を高めて、移動する被検体を検知する効果を達成することができ、本発明の実施例中に応用される数多くの構成要素および機能部分は省略することができるということに注意されたい。
【００７７】
とりわけ、一部の状況下では、前記データ表示部は省略することができる。前記探知信号送信経路において、前記送信アンテナ３は前記第１の電子スイッチ５の第１の出力端に直接接続することができる。
【００７８】
また、本発明の一部実施例においては、前記送信アンテナ３および前記受信アンテナ４は送受信装置（図示せず）における一つの機能部分に整合することができる。前記機能部分は例えば、前記送信アンテナの使用時には前記探知信号送信経路に接続されるか、または前記受信アンテナの使用時には前記反射信号受信経路に接続されるという具合に、前記送受信装置において異なる周期で異なる構成要素に接続されてもよく、この場合には前記送受信装置は電波の送信器と電波の受信器として交互に機能することになる。前記複数の送信および受信経路は別設される電子スイッチにより前記複数の送信および受信アンテナに交互に接続されてもよい。前記一つの機能部分の応用により、二つの個別の前記アンテナは前記センサ内における一つの構成要素として整合することができる。
【００７９】
上記したパルス型超広帯域センサの動作形態は下記のとおりである。
【００８０】
前記駆動生成器２３は、周期がＴ０であり、形状が方形波である同期パルス信号を生成する（前記同期パルス信号のシーケンスは図１４を参照のこと）。続いて、前記パルス信号を二つの経路、つまり前記送信器同期経路と受信器同期経路によりそれぞれ受信する。
【００８１】
図１６に示すように、前記送信器同期経路において、前記第１のショートパルス生成手段２４により、第１組の同期パルス信号の立ち上がり部分に遅延時間がｔｄ１であるショートパルス信号を生成する。前記ショートパルス信号の時間間隔は所望の探知信号の時間間隔に応じて決定する。
【００８２】
図１５に示すように、前記受信器同期経路において、前記制御可能なディジタル遅延線２５により、前記同期パルス信号を、探知信号が被検体に出射されて反射してセンサに戻ってくるまでに要する時間である遅延時間ｔｄ２だけ遅延させる。前記遅延時間ｔｄ２は被検体とセンサとの測定距離を定義するとともに、
【００８３】
により表わすことができる。数式において、Ｒ１は被検体とセンサとの間の距離であり、Ｃは電波の速度である。図１７に示すように、前記第２のショートパルス生成手段２６により、第２組の同期パルスの立ち上がり部分に遅延時間がｔｄ３＝ｔｄ１であるショートパルス信号が生成される。前記生成されたショートパルス信号は制御手段１の第１の出力端に送信される。前記第１の出力端は前記第１の電子スイッチ５の制御入力端に接続されている。
【００８４】
図１８に示すように、前記制御手段１は前記ＯＲゲート回路２７を介して、前記複数の同期経路に生成される同期信号を、周期性を持つショートパルス信号対である一つの同期信号として結合する。これらショートパルス信号対の時間間隔はｔｄ２である。これらパルス信号対の周期Ｔ０は前記駆動生成器２３により設定される。パルス信号対を含むこれら同期信号は前記制御手段１の第２の出力端に送信される。前記第２の出力端は前記マイクロ波発生器２の制御入力端に接続されている。図１９に示すように、前記マイクロ波発生器２が前記同期信号を受信すると、隣接するとともに間隔がｔｄ２である二つの同調パルス正弦波を生成する。
【００８５】
前記マイクロ波発生器２にて生成した前記複数の同調パルス正弦波は前記バッファ増幅器６およびバンドパスフィルタ７を介して第１の電子スイッチ５の入力端に送られる。前記第１の電子スイッチ５は前記制御手段１の第１の出力端から出力された信号により制御される。前記第１の電子スイッチ５は前記探知信号生成経路信号の切換え、つまりこれら探知信号が前記探知信号送信経路または前記反射信号受信経路に送信されるよう制御する。
【００８６】
初期状態では、前記第１の電子スイッチ５の切換えは図１０に示すように、前記マイクロ波発生器２にて生成した第１の同調パルス波が前記探知信号送信経路に入るようになっている。前記増幅器９は前記探知信号を増幅することで、前記バンドパスフィルタ７およびバンドパスフィルタ８にて探知信号のエネルギーが損失するのを補償している。前記複数のバンドパスフィルタ７、８および１０の結合の通過帯域は３ＧＨｚないし１０ＧＨｚとすることで、帯域外の信号の輻射を抑制している。
【００８７】
前記探知信号は前記送信アンテナ３を介して送信されるとともに被検体に出射される。ｔｄ２の時間が経過した後、前記探知信号は被検体により反射してセンサに戻り、前記受信器同期経路はショートパルス同期信号も生成する。前記同期信号は前記制御手段１の第１の出力端を介して前記第１の電子スイッチ５の制御入力端に送信される。
【００８８】
前記制御手段１が前記ショートパルス同期信号を受信すると、前記制御手段１はそのスイッチを切換える。よって、前記探知信号生成経路は前記複数の信号混波器１３および１８の第２の入力端に接続される。前記基準探知信号は前記位相シフト回路１２により−９０度の位相差が付与された後、前記信号混波器１８に送信される。これにより、前記マイクロ波発生器２にて生成された第２の同調パルス正弦波は、位相差をもって反射信号を処理するための前記第２のチャネルに入力される。これら同相および位相差を有する同調パルス正弦波は、前記複数の信号混波器１３および１８の基準信号となる。
【００８９】
被検体により反射して戻ってきた前記信号は前記受信アンテナ４により受信されるとともに、外部の電磁波に由来するノイズを低減するための前記バンドパスフィルタ１０および前記低ノイズ増幅器１１を通過する。フィルタリングされ増幅された前記信号は、位相検出器の信号混波器１３および１８とされ、反射信号を処理するための前記チャネルに送信される。前記複数の信号混波器１３および１８の第２の入力端を通過して送出される基準探知信号は相関演算が行われた後、これら反射信号を処理するためのチャネルは、第１のチャネルにある同一位相の信号と、第２のチャネルにある位相差が９０度の信号といった二つの信号を生成する。
【００９０】
前記複数のチャネルにおいて、前記複数の信号は各々前記複数のバンドパスフィルタ１４および１９を介して分離されて、前記複数の低周波増幅器１５および２０で増幅される。前記複数の低周波フィルタ１６および２１は周波数でこれら信号を選択するとともに、約０.１Ｈｚであり呼吸周期の下限に対応しているカットオフ周波数を下限としてこれら信号を分離する。これら分離され増幅された信号は前記複数のＡ／Ｄコンバータ１７および２２によりディジタル化される。
【００９１】
図２０に示すように、信号
【００９２】
は前記第１のチャネルの出力端に生成される。このうち前記信号と基準探知信号とは同相である。図２２に示すように、他の信号
【００９３】
は前記第２のチャネルの出力端に生成される。このうち前記信号と基準探知信号とには９０度の位相差がある。これら信号は前記心拍および呼吸周期計算経路に送信されるものであり、この概略図は図１２および図１３に示している。
【００９４】
前記第１のチャネルの信号は前記第１のフィルタ２８に送信され、そして前記第２のチャネルの信号は前記第１のフィルタ２９に送信される。前記複数のフィルタは、これら信号における高周波の心拍成分を減衰させるために、１Ｈｚの上限カットオフ周波数を備えている。したがって、前記複数のフィルタ２８および２９の出力信号は、患者の胸腔振動および心拍成分を有する前記複数の反射信号中から分離された患者の呼吸成分を表わす信号である。
【００９５】
前記周波数を選択した後、前記複数のフィルタ２８および２９の出力信号は前記複数の加算器３０および３１の第２の入力端、前記第３の電子スイッチ４５の入力端、前記第１の信号振幅計算部３２および前記第２の信号振幅計算部３３の入力端に入力される。前記第１のチャネルおよび前記第２のチャネルの信号は前記複数の加算器３０および３１の第１の入力端に送信される。
【００９６】
前記複数の加算器３０および３１はその入力信号を分離するためのものである。前記複数の加算器３０および３１は患者の胸腔振動および心拍成分を含む前記複数の複合信号から患者の呼吸成分の信号を消去して、出力端に患者の心拍成分のみを含む信号を生成する。周波数選択、各生理パラメータ（心拍および呼吸）を特徴化した後の前記分離された信号を後続する相関処理に用いる。
【００９７】
患者の心拍成分のみを含むこれら信号を処理する前記複数の相関システムとして、前記複数の信号乗算部４０および４１と、前記複数の積分器３６および３７とは前記機能部分の出力端に接続される。前記複数の基準信号生成部４２および４３が出力した基準信号は前記複数の信号乗算部４０および４１の第２の入力端に送信される。
【００９８】
図１２に示すように、本実施例の一構造において、前記複数の基準信号生成部４２および４３の入力端は前記複数の加算器３０および３１の出力端に接続されている。この構造においては、基準信号として、処理後のこれら信号から一定長さを取出している。前記信号長さは少なくとも反射信号の発振の平均周期に等しく設定される。本構造における前記信号長さは３秒とされている。
【００９９】
所定時間内、例えば６０秒以内において、前記複数の基準信号生成部４２および４３は、前記複数の加算器３０および３１の出力信号を記憶手段に保存する。これら信号は基準信号とされるとともに、次の保存動作まで前記複数の信号乗算部４０および４１の第２の入力端に送信される。
【０１００】
図１３に示すように、本実施例の他の構造において、前記複数の基準信号生成部４２および４３は一定波形の基準信号を生成するためのものである。これら予め決められている波形の基準信号は前記複数の基準信号生成部４２および４３の記憶手段に保存されるとともに、前記複数の信号乗算部４０および４１の入力端に引き続き送信される。
【０１０１】
本構造において、前記一定長さおよび一定波形の基準信号は、
【０１０２】
により定義される。
【０１０３】
前記信号長さは少なくとも反射信号の発振の平均周期に等しく設定される。本構造における前記信号長さは３秒とされている。
【０１０４】
これら基準信号は、前記複数の信号乗算部４０および４１の乗算動作により処理に組込まれる信号である。前記複数の信号乗算部４０および４１の出力信号は前記複数の積分器３６および３７に送信される。前記複数の積分器３６および３７はある時間毎にこれら入力信号の積分動作を行う。図２１および図２３には、前記複数の積分器３６および３７の出力信号Ｚ１（ｔ）およびＺ２（ｔ）のシーケンス図をそれぞれ示している。
【０１０５】
図２１および図２３に示す出力信号Ｚ１（ｔ）およびＺ２（ｔ）のシーケンス図から理解できるように、相関システムが出力した第１のチャネルの信号は顕著な周期性を備えており、しかも前記信号に基づいて確定された心拍周期は高い精度を備えている。第２のチャネルの信号は拡散しており、その周期性は比較的明確ではなく、この信号により確定された心拍周期では所期の精度を得るのは難しくなっている。
【０１０６】
前記複数の積分器３６および３７の出力信号は前記第２の電子スイッチ４４の入力端と、前記第１の信号エネルギー計算部３４および前記第２の信号エネルギー計算部３５の入力端に送信される。前記信号Ｚ１（ｔ）は前記積分器３６の出力端から前記第２の電子スイッチ４４の第１の入力端および前記第１の信号エネルギー計算部３４の入力端に入力される。前記信号Ｚ２（ｔ）は前記積分器３７の出力端から前記第２の電子スイッチ４４の第２の入力端および前記第２の信号エネルギー計算部３５の入力端に入力される。
【０１０７】
心拍周期をより高精度で確定する信号を選択するために、信号のエネルギーに基づいて信号を選択する。前記複数の信号エネルギー計算部３４および３５は前記第１および第２のチャネルのエネルギーを計算するためのものである。前記複数の信号エネルギー計算部３４および３５は一定時間内の信号振幅の平方和を計算する。本実施例において、これら信号振幅の平方和は一定時間内に計算される。前記複数の信号エネルギー計算部３４および３５の動作は毎回の測定の後に行われ、リアルタイムにて、スライディングウィンドウ（時間長さは３秒）で入力信号に沿って移動させて演算が行われる。
【０１０８】
前記複数の信号エネルギー計算部３４および３５は、その計算結果を前記第１の比較器３８の第１および第２の入力端にそれぞれ送信する。前記第１の比較器３８はエネルギーの大きな信号を選択する。図２４はこれら計算する信号エネルギーの比較図Ｅ（ｔ）である。前記比較図Ｅ（ｔ）の上側の線は前記第１の信号エネルギー計算部３４の出力結果を示している。前記比較図Ｅ（ｔ）の下側の線は前記第２の信号エネルギー計算部３５の出力結果を示している。
【０１０９】
図２４から理解できるように、第１のチャネルの信号エネルギーは実質的には第２のチャネルの信号を越えている。この結果によれば、前記第１の比較器３８は、前記第２の電子スイッチ４４への切換えに用いられる制御信号を前記第２の電子スイッチ４４の制御入力端に送信する。前記第２の電子スイッチ４４の切換え結果は選択されたエネルギーの大きな信号に対応するはずである。前記第１の積分器３６の出力信号は前記心拍周期計算部４７に切換えられて後続の演算を行う。
【０１１０】
前記心拍周期計算部４７は、その入力信号の局所最大値およびその時点を探すためのものである。探し出された時点に基づいて、患者の心拍周期を計算することができる。計算された心拍周期を表わすための前記信号は前記データ表示部４８に送信される。
【０１１１】
呼吸周期をより高精度で確定するのに用いられる信号を選択するために、信号の振幅に基づいて信号を選択する。患者の胸腔振動は低周波特性であるので、本実施例では前記複数のフィルタ２８および２９の出力信号の振幅を比較する。呼吸周期は一般的に心拍周期よりも一レベルほど少ない。したがって、呼吸信号を選択する決定的な要因は、前記信号の振幅の最大値を明確に得られるか否かということである。Ｚ１（ｔ）およびＺ２（ｔ）のシーケンス図から理解できるように、第１のチャネル信号の振幅は第２のチャネル信号の振幅よりも大きくなる。図２０および２２に示すように、第１のチャネル信号の平均の相対的なピーク値は約４０単位であり、第２のチャネル信号平均の相対的なピーク値は３単位である。
【０１１２】
前記複数の信号振幅計算部３２および３３は、前記複数のフィルタ２８および２９により分離されて得られた呼吸信号の相関計算を行うためのものである。前記第１の信号振幅計算部３２は第１のチャネルの信号振幅を表わす信号を出力する。前記第２の信号振幅計算部３３は第２のチャネルの信号振幅を表わす信号を出力する。第１のチャネルの信号振幅および第２のチャネルの信号振幅を表わすためのこれら信号は、前記第２の比較器３９の第１および第２の入力端にそれぞれ送信される。
【０１１３】
前記第２の比較器３９は、前記複数の信号振幅計算部３２および３３の出力信号を比較するためのものである。前記結果に基づいて、前記第２の比較器３９は制御信号を前記第３の電子スイッチ４５の制御入力端に送信する。前記第３の電子スイッチ４５の切換え結果は選択された振幅の大きな信号に対応するはずである。本実施例において、前記第１のフィルタ２８の出力信号は前記呼吸周期計算部４６に切換えられて後続の演算を行われる。
【０１１４】
前記呼吸周期計算部４６は、その入力信号の局所最大値およびその時点を探すためのものである。探し出された時点に基づいて、患者の呼吸周期を計算することができる。計算された呼吸周期を表わすための前記信号は前記データ表示部４８に送信される。前記データ表示部４８は心拍および呼吸周期の前記結果を見やすい形態で表示するものであり、とりわけ、データ方式で画面上に表示するものである。
【０１１５】
図２５は本発明の一実施例に係る処理回路である。前記処理回路２５００はパルス型超広帯域センサに用いられるものであり、例えば本発明の実施例に係るパルス型超広帯域センサに基づいて、心拍および呼吸周期を測定するものである。前記処理回路２５００はは第１のフィルタ２５０１と、第２のフィルタ２５０２と、第１の信号振幅計算手段２５０３と、第２の信号振幅計算手段２５０４と、第１の電子スイッチ２５０５と、第１の加算器２５０６と、第２の加算器２５０７と、第１の信号積分手段２５０８と、第２の信号積分手段２５０９と、第１の信号エネルギー計算手段２５１０と、第２の信号エネルギー計算手段２５１１と、第２の電子スイッチ２５１２とを備えている。
【０１１６】
前記第１のフィルタ２５０１は、例えば前記Ａ／Ｄコンバータ１７の出力信号といった同相信号を受信するためのものである。前記第２のフィルタ２５０２は、例えば前記Ａ／Ｄコンバータ２２の出力信号といった直交信号を受信するためのものである。前記第１の信号振幅計算手段２５０３は前記第１のフィルタ２５０１の出力信号の振幅を計算するためのものである。前記第２の信号振幅計算手段２５０４は前記第２のフィルタ２５０２の出力信号の振幅を計算するためのものである。前記第１の電子スイッチ２５０５は前記第１の信号振幅計算手段２５０３および第２の信号振幅計算手段２５０４の計算結果に基づいて、前記第１のフィルタ２５０１または前記第２のフィルタ２５０２の出力信号を出力するためのものである。前記第１の加算器２５０６は前記第１のフィルタ２５０１の出力信号と入力信号との減算演算を行うためのものである。前記第２の加算器２５０７は前記第２のフィルタ２５０２の出力信号と入力信号との減算演算を行うためのものである。前記第１の信号積分手段２５０８は前記第１の加算器２５０６の出力信号と第１の基準信号との相関積分を計算するためのものである。前記第２の信号積分手段２５０９は前記第２の加算器２５０７の出力信号と第２の基準信号との相関積分を計算するためのものである。前記第１の信号エネルギー計算手段２５１０は前記第１の信号積分手段２５０８の入力信号のエネルギーを計算するためのものである。前記第２の信号エネルギー計算手段２５１１は前記第２の信号積分手段２５０９の入力信号のエネルギーを計算するためのものである。前記第２の電子スイッチ２５１２は前記第１の信号エネルギー計算手段２５１０および前記第２の信号エネルギー計算手段２５１１の計算結果に基づいて、前記第１の信号積分手段２５０８または前記第２の信号積分手段２５０９の出力信号を出力する。
【０１１７】
本発明の一部実施例においては、前記第１の信号積分手段２５０８は第１の信号乗算部２５１５と、第１の積分器２５１６とを備えている。前記第１の信号乗算部２５１５は前記第１の加算器２５０６の出力信号と前記第１の基準信号との乗積を計算するためのものである。前記第１の積分器２５１６は前記第１の信号乗算部２５１５の出力信号の積分値を計算するためのものである。本発明の他の一部実施例においては、前記第２の信号積分手段２５０９は第２の信号乗算部２５１７と、第２の積分器２５１８とを備えている。前記第２の信号乗算部２５１７は前記第２の加算器２５０７の出力信号と前記第２の基準信号との乗積を計算するためのものである。前記第２の積分器２５１８は前記第２の信号乗算部２５１７の出力信号の積分値を計算するためのものである。本発明の一部実施例においては、前記処理回路２５００は第１の比較器２５１３および第２の比較器２５１４を更に備えている。前記第１の比較器２５１３は前記第１の信号振幅計算手段２５０３と前記第２の信号振幅計算手段２５０４との計算結果を比較して、前記第１の電子スイッチ２５０５を制御するためのものである。前記第２の比較器２５１４は前記第１の信号エネルギー計算手段２５１０と第２の信号エネルギー計算手段２５１１との計算結果を比較して、前記第２の電子スイッチ２５１２を制御するためのものである。本発明の一部実施例においては、前記第１の基準信号および前記第２の基準信号は一定の波形である。本発明の他の一部実施例においては、前記第１の基準信号は前記第１の加算器２５０６の入力信号に基づいて生成され、そして前記第２の基準信号は前記第２の加算器２５０７の入力信号に基づいて生成される。本発明の一部実施例においては、前記処理回路２５００は前記第１の基準信号を生成するための第１の基準信号生成部と、前記第２の基準信号を生成するための第２の基準信号生成部とを更に備えている。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明で実現されるセンサは、二つのチャネルにより反射信号の周波数の選択を行い、心拍を表わす信号から呼吸を表わす信号を分離し、これら分離された信号の相関演算を各々行うとともに、測定すべき各々の生理パラメータに対してデータ量の大きな信号を選出して、後続の心拍および呼吸周期の演算を高精度に行うことができるものである。しかしながら、本発明のセンサおよび方法によって測定される生理パラメータは心拍および呼吸周期に限らず、例えば腸の蠕動などの生理パラメータに応用することもできる。
【０１１９】
上記した反射信号に対する処理作業および特定構造のチャネルにより心拍および呼吸周期を計算することで、センサの位相感度および生理パラメータの測定精度を大幅に向上することができる。また、測定距離内のブラインド・ゾーンが測定結果に影響を及ぼすのをなくし、移動する被検体のパラメータの測定もまた改善される。
【０１２０】
本発明のパルス型超広帯域センサは医療機器に応用でき、静止または活動していない状態において、循環器系および呼吸器官の高精度の監視装置とすることができる。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 制御手段
２ マイクロ波発生器
３ 送信アンテナ
４ 受信アンテナ
５ 第１の電子スイッチ
６ バッファ増幅器
７ バンドパスフィルタ
８ バンドパスフィルタ
９ 増幅器
１０ バンドパスフィルタ
１１ 低周波増幅器
１２ 位相シフト回路
１３ 信号混波器
１４ バンドパスフィルタ
１５ 低周波増幅器
１６ 低周波フィルタ
１７ Ａ／Ｄコンバータ
１８ 信号混波器
１９ バンドパスフィルタ
２０ 低周波増幅器
２１ 低周波フィルタ
２２ Ａ／Ｄコンバータ
２３ 駆動信号発生器
２４ 第１のショートパルス生成手段
２５ 制御可能なディジタル遅延線
２６ 第２のショートパルス生成手段
２７ ＯＲゲート回路
２８ 第１のフィルタ
２９ 第２のフィルタ
３０ 第１の加算器
３１ 第２の加算器
３２ 第１の信号振幅計算部
３３ 第２の信号振幅計算部
３４ 第１の信号エネルギー計算部
３５ 第２の信号エネルギー計算部
３６ 第１の積分器
３７ 第２の積分器
３８ 第１の比較器
３９ 第２の比較器
４０ 第１の信号乗算部
４１ 第２の信号乗算部
４２ 第１の基準信号生成部
４３ 第２の基準信号生成部
４４ 第２の電子スイッチ
４５ 第３の電子スイッチ
４６ 呼吸周期計算部
４７ 心拍周期計算部
４８ データ表示部
２５０１ 第１のフィルタ
２５０２ 第２のフィルタ
２５０３ 第１の信号振幅計算手段
２５０４ 第２の信号振幅計算手段
２５０５ 第１の電子スイッチ
２５０６ 第１の加算器
２５０７ 第２の加算器
２５０８ 第１の信号積分手段
２５０９ 第２の信号積分手段
２５１０ 第１の信号エネルギー計算手段
２５１１ 第２の信号エネルギー計算手段
２５１２ 第２の電子スイッチ
２５１３ 第１の比較器
２５１４ 第２の比較器
２５１５ 第１の信号乗算部
２５１６ 第１の積分器
２５１７ 第２の信号乗算部
２５１８ 第２の積分器
【技術分野】
【０００１】
本発明は人体の生理パラメータを検知するための医療用診断機器に関し、特にレーダの補助により、静止または動的状態にある人体の生理パラメータを診断する医療用診断機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超広帯域レーダを応用した測定装置は、例えば広帯域センサでは、非刺入型の測定方式を用いることで疾病に感染する確率を低減して、しかも特定の実験室または特別に訓練された操作人員を配置する必要がない、というように従来の測定装置では解決できなかった数々の問題を解決することができる。
【０００３】
超広帯域センサでは、広面積の火傷または皮膚疾患のある患者に対して従来の診断方式では達成し得なかった非接触型の診断方式を提供することができる。このようなセンサにより、患者は着衣したまま診断でき、診断の時間を節約することができる。
【０００４】
使用の安全において、超広帯域センサは放射線エネルギーが低いという特性を備えている。Ｘ線の断層撮影法と比べても、超広帯域センサが出射する放射線量は数レベルも少なくなっている。
【０００５】
また、超広帯域センサを医療用測定機器として用いる場合、測定機器全体を消毒する必要はなく、また使い捨て型の部品または消耗品を使用する必要もない。したがって、診断作業に必要なコストも大幅に削減することができる。
【０００６】
現在の分類方式（非特許文献１または非特許文献２を参照）によれば、超広帯域レーダシステムは、０.２５＜（ｆｕｐｐｅｒ−ｆｌｏｗｅｒ）／（ｆｕｐｐｅｒ＋ｆｌｏｗｅｒ）＜１の信号帯域条件を満たすレーダである。式中ｆｕｐｐｅｒおよびｆｌｏｗｅｒは上記信号帯域の上・下限である。また、超広帯域レーダ測定システムの信号帯域（ｆｕｐｐｅｒ−ｆｌｏｗｅｒ）は５００ＭＨｚ以上とすべきである（非特許文献３を参照）。超広帯域レーダの距離解析度が増えているので、その送信する情報内容も増えている。
【０００７】
現在、知られている様々なパルス型超広帯域センサの回路設計は、患者の呼吸器官および循環器系への監視・測定に応用されている。例えば特許文献１（１９９６年５月２１日発行）には、位相コード変調方式（ｐｈａｓｅ−ｃｏｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で被検体の移動を制御するパルス型超広帯域センサが開示されている。ショートビデオパルスが装置の送信アンテナのための基準信号および励起信号として用いられている。前記装置は、送信アンテナを用いて周波数が２ＧＨｚないし１０ＧＨｚの超広帯域信号を送信する送信機を備えている。時間遅延部が各パルス間の遅延時間を決定する制御信号を生成する。アンテナを有する受信機が、前記時間遅延部のゲート信号（ｇａｔｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ）に基づいて、個々のパルス信号を受信する。ゲート信号は送信信号の受信時間を遅らせるものであり、この遅延時間は前記送信信号が前記被検体に出射されて反射して前記受信アンテナに戻ってくるまでに要する時間に等しい。前記遅延時間は前記センサと前記被検体との間の距離に依存する。
【０００８】
前記時間遅延部は探知パルス信号と受信パルス信号との間に必要な遅延を提供している。これらパルス信号は前記時間遅延部により変調される。この変調された信号は隣接するレーダセンサの干渉を受けないように符号化されている。前記信号受信機は、前記信号受信端と変調信号とを同期させるための同期部と、二つのクアドラチュアチャネルとを備えている。前記クアドラチュアチャネルは反射信号を処理するためのものであり、このうち一方のチャネルは基準信号と同一位相で動作し、他方のチャネルは前記基準信号に対して９０度の位相差を持たせている。前記二つのクアドラチュアチャネルの出力データは後続の信号分析に用いられる。前記二つのチャネルは高速の制御可能な切替機構により反射信号を受信したときに交互に切り替えられる。各クアドラチュアチャネルは個々のフィルタと信号増幅器とを備えている。
【０００９】
従来のレーダセンサの動作時においては、前記二つのクアドラチュアチャネルから送られる信号を同時に処理することはできない。シングルチャネルの処理モードで、反射した電磁波信号を処理しなければならないので、前記二つのクアドラチュアチャネルで信号を同時に処理する方式にて信号ひずみを低減することはできない。
【００１０】
同様に、測定作業中において、前記複数のクアドラチュアチャネルの信号を同時に処理できないため、ある特定の距離においては、前記センサは被検体の正確な生理パラメータを取得することはできなくなる。このような被検体とセンサとの間の特定距離はいわゆるブラインド・ゾーン（ｂｌｉｎｄ ｚｏｎｅ）と呼ばれる部分となり、これらの範囲内では、前記センサが振幅の大きな反射探知信号を受信したとしても、前記センサの位相感度は大幅に低下してしまう。これらブラインド・ゾーンおよびこれら互いの間隔の数は被検体とセンサとの間の距離および探知信号内のパルス長により決まってくる。
【００１１】
これらブラインド・ゾーンの存在および限りある測定距離（探知信号のパルス長により決まる）は、特定の測定距離において、患者の生理パラメータの測定精度の低下を招くので、この種のパルス型超広帯域センサの実用に限界をもたらしている。このようなセンサは、患者が全く動くことができず、そして患者とセンサとの間が一定に距離に固定されている状態でのみ有効であり、患者の位置が変わってしまえばセンサ側で再度調整しなければならない。このような場合、被検体に対するセンサの位置を調整して、患部がブラインド・ゾーンに位置してしまう事態を回避しなければならない。
【００１２】
ある種の自動距離追従システムでは前記センサの距離を自動的に調整できるものの、機器の設計が複雑になるばかりでなく、ましてや高価な前記自動距離追従システムを応用したとしても、被検体がブラインド・ゾーンに位置してしまう不具合を排除できる保証はない。
【００１３】
特許文献２（２００４年１２月９日公開）には患者の生理パラメータを監視する他の超広帯域センサが開示されている。前記装置は受信アンテナを備えた低電力パルス型超広帯域レーダである。前記装置ではショートパルスを基準探知信号としている。前記装置は、一定周波数パルス発生器と、送信器と、受信器と、遅延信号生成部と、Ａ／Ｄ信号コンバータと、信号処理部と、データ表示部と、制御および同期部とを備えている。前記信号処理部は、統計法で反射信号を処理する。前記受信器は段階的増幅方式で反射信号のエネルギーを増強して、更に前記Ａ／Ｄ信号コンバータにより前記反射信号をディジタル信号に変換する。
【００１４】
しかしながら、前記センサの特性では、ある空間領域にあるとき、反射信号のデータ量が減少し、しかも前記センサでは患者の各器官に対して信頼性の高い生理パラメータを同時に生成することはできない。
【００１５】
特許文献３（１９９６年１１月１２日発行）には、患者の循環器系および呼吸器官の生理パラメータを含む各種生理パラメータを監視するパルス型レーダ機器が開示されている。前記機器の動作では、被検体からの反射信号に基づいて、音声周波発生器の信号を変調するための平均電圧信号を生成している。前記装置は、反射信号の測定電圧を、振幅から周波数へ変調する音声周波数信号に変換する信号コンバータを備えている。前記装置は、パルス発生器と、累算器とを更に備えている。前記パルス発生器は、信号受信器の入力回路を起動するパルスの生成に用いられる。前記累算器は前記受信器の入力回路の信号の累算に用いられる。
【００１６】
前記装置の受信信号は、フィルタおよび増幅処理プログラムにより各種パラメータを制御することができる。しかしながら、前記装置の信号処理回路は被検体とセンサとの間のブラインド・ゾーンを解消することはできない。また、前記センサは超広帯域型のセンサではなく、前記センサの駆動発生器の周波数は１ＭＨｚであり、そしてその信号帯域は０.１ＭＨｚを越えない。前記センサはドップラー効果（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）により反射信号を測定して処理する。したがって、前記センサでは、超広帯域センサのように、充分なデータ量を含む信号を提供することはできない。
【００１７】
本発明に最も近い従来技術である特許文献４（１９７８年４月２５日発行）には、患者の循環器系および呼吸器官の生理パラメータを監視するパルス型レーダセンサが開示されている。前記センサは、周波数が１０ＧＨｚの発振電磁波を生成するジェネレータを備えている。前記生成された電磁波は変調部により変調されるとともに、送信器の送信アンテナから被検体に出射される。
【００１８】
被検体に反射して戻ってきた前記探知信号は受信器の受信アンテナにより受信されるとともに、前記受信器の入力回路における二つのチャネルに入力される。これと同時に、基準探知信号が二つのチャネルを有する減衰器に送られる。前記受信器における第１のチャネルの混波器は同位相の基準信号を受信する。他方の基準信号には位相シフト回路により９０度の位相差が生じる。そして前記位相シフト回路の出力端は前記受信器における第２のチャネルの混波器の第２の入力端に接続されている。
【００１９】
前記センサの受信機は、反射信号を処理するための二つのクアドラチュアチャネルを有している。各々のチャネルが信号混波器を備え、そしてこれら混波器の出力は反射信号を復調する検出器に直接接続されており、前記信号は更に信号増幅器およびフィルタを介して処理される。患者の生理パラメータを監視する際には、前記複数のチャネルの混波器は正弦波形の混波器信号を出力する。位相がずれた二つの正弦波を含む複合信号を復調する場合、その振幅は、混波器に入力されたこれら二つの信号の相対角速度に基づいて定義される。前記複数の信号処理チャネルを調整するフィルタおよび増幅器により、前記反射信号は前記二つのチャネルの相対的位相差の幅にて、患者の胸腔の移動および心拍周期を表示することになる。
【００２０】
前記受信機における第１のクアドラチュアチャネルは胸腔運動の周期を表わす信号を分離するためのものであり、第２のクアドラチュアチャネルは心拍周期を表わす信号を分離するためのものである。前記二つの信号は患者の生理パラメータの相対振幅および周期に基づいて調整する増幅器およびフィルタにより定義されるものである。
【００２１】
従来技術のセンサにおいては、具体的には、各々のチャネルが例えば心拍周期または呼吸周期といった特定の生理パラメータを測定するための前記複数のクアドラチュアチャネルが反射信号を処理するのを機能的に指示するものである。したがって、従来技術における上記したような機器にように、被検体およびセンサとが特定の測定距離（つまりブラインド・ゾーン）にあるとき、前記センサの出力信号はかなり少ない情報量しか含まないことになる。前記センサの応用は、被検体とセンサとの距離を固定しなければならないことにより、制限されてしまう。被検体がわずかでも動いてしまえば、前記センサは使用できなくなってしまう。
【００２２】
上記した従来技術のセンサにおける信号処理形態は、相関システム（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）で反射信号を処理するものである。前記システムの動作は、探知信号と、信号が送信端から被検体に伝送されて受信端に反射し戻ってくるまでの時間である遅延した反射信号とを相乗するものを基本としている。一般的に常用される探知信号は持続時間が発振周期を越えないショートパルスである。前記相関システムが反射信号を処理した出力信号は反射信号および探知信号の位相差に正比例している。
【００２３】
被検体が静止した状態では、処理後の出力信号の振幅Ｚは下記相関性数式により決まってくる。
【数１】
【００２４】
数式１において、Ｅ０は探知信号の最大振幅、Ｅ１は反射信号の最大振幅、Ｔ０は探知信号の最大振幅、ｎは探知信号内の発振波の数の合計である。
【００２５】
数式１における位相差ψの大きさは電磁波の被検体とセンサとの間の往復時間に依存する。
【数２】
【００２６】
数式２において、ω０＝２πｆ０は探知信号の角周波数、ｆ０は探知信号の周波数スペクトルにおける平均周波数、Ｃは電磁波の伝送速度、λは探知信号内の発振波の波長、Ｒ１は被検体とセンサとの間の距離である。
【００２７】
図１は前記相関システムが被検体の距離に基づいて反射信号を処理して得られた出力信号の振幅を常態化したパターンＺ（Ｒ１）Ｔ０を示す。図に示すように、センサと被検体との測定距離内に数多くのブラインド・ゾーンがあり、これらブラインド・ゾーン内にあるセンサの出力信号が０に近くなりつつある。これらブラインド・ゾーンの存在は被検体の反射能力（有効反射面積）とは無関係である。これらブラインド・ゾーンの境目の間の距離はλ／４＝Ｔ０Ｃ／４に正比例し、探知信号の発振波の周期に依存している。
【００２８】
これらブラインド・ゾーンの数Ｎは探知信号の発振信号の周期Ｔ０または探知信号の波長λに反比例し、
【００２９】
となる。周期が短いほど（周波数が高いほど）、測定距離内のブラインド・ゾーンは多くなってしまう。
【００３０】
とりわけ、もし測定距離が２ｍであり、探知信号の周波数スペクトルにおける平均周波数が６ＧＨｚであると、約１６０個のブラインド・ゾーンが発生し、これらブラインド・ゾーンの境界の距離が約１２.５ｍｍとなる。したがって、心拍および呼吸周期を測定する際に、患者は、探知信号を反射させるための胸腔表面をこれらブラインド・ゾーンに位置させてしまう恐れがある。
【００３１】
万が一、被検体がこれらブラインド・ゾーン内に入ってしまい、その移動振幅が探知信号の発振波波長の１／４未満となってしまえば、被検体の移動を測定することはかなり難しくなってしまう。このような状況では測定結果の正確性に悪影響を及ぼし、そして患者の診断にとっても容認できない結果となってしまう。
【００３２】
例えば患者が深呼吸するといった被検体の反復的な移動の振幅が大きく、かつ探知信号スペクトルの平均周波数が高い場合には、前記相関システムの出力信号の波形は、実際に被検体の移動を描く法則と比べて、かなりの歪みが生じてしまう。よって、このような状態で確定される患者の心拍および呼吸周期では高精度に達することは難しい。
【００３３】
相関システムの出力信号の振幅Ｚ（ｔ）は下記数式で表わすことができる。
【数３】
【００３４】
このうち
【００３５】
は反射信号と探知信号とが連動する最大エネルギー値であるとともに、一単位のインピーダンスの負荷に出力される。
【００３６】
【００３７】
は被検体とセンサとの間の距離に基づく位相差であり、
【００３８】
は被検体移動に基づく瞬間位相値であり、Ｆ（Ωｔ）は被検体の移動規則であり、Ω＝２πｆは被検体の反復的な運動の周期であり、ｔは現在の時間であり、ΔＲは被検体の最大シフト量である。
【００３９】
仮に被検体がセンサから離れている距離がＲ１であり、しかも被検体が単振動運動にて移動するとともに、角周波数Ωおよび振幅ΔＲであるならば、数式３は下記する形式に調整することができる。
【数４】
【００４０】
図２ないし図９は相関システムの出力信号の波形図を示す（出力信号の振幅Ｚ（ｔ）および振幅と周波数の周波数スペクトルＺ（ｆ１）を変更している）。前記振幅Ｚ（ｔ）の変更は、図中におけるわずかな変化要因に対応しており、各々の図が異なる変数ｍにそれぞれ対応しており（図２および図３におけるｍは０.５、図４および図５におけるｍは２、図６および図７におけるｍは５、図８および図９におけるｍは１０に等しい）、このうちｍは
【００４１】
に等しい。図２ないし図９には、被検体の最大シフト量ΔＲを変更するとともに、その対応する変数ｍが出力信号の変化に対応しているものを示している。被検体にて測定された発振周波数は１Ｈｚである。図中ｆ１は反射信号の周波数である。
【００４２】
図に示すように、出力信号の波形は被検体の実際のシフトとは異なっている。ここでは被検体の最大シフト量はΔＲであり、探知信号の波長はλである。シングルチャネル信号処理回路を用いた場合、もしΔＲ＞λ（図４ないし図９に示すように、ｍがそれぞれ２、５および１０）であれば、被検体の振幅および移動速度の法則性を決定するのは難しい。
【００４３】
もし被検体の最大シフト量ΔＲが探知信号の波長λと比べて小さい場合には（ΔＲ＜λ）、クアドラチュアチャネルの出力信号は変数および定数成分を同時に含む。反射信号の定数成分は各々の静止物体の有用情報を付帯しており、被検体もまたこれら静止物体の列にあるということに注意されたい。従来技術の装置では、前記定数成分は反射信号を処理するときに各々のチャネル内におけるフィルタにより除去される。したがって、これらにより生理パラメータを正確に決定できる有用情報が消失してしまう。
【００４４】
被検体の移動情報を取得するために、静止している被検体に対してプログラミングされた特殊な信号補正を行うことはできる。このうち前記情報は反射信号の定数成分に存在している。もし被検体の位置が変わってしまうと、前記信号の補正ステップを再度行わなければならない。しかしながらこれでも測定に長時間かかってしまい、複雑なソフトウェアを設計することになってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４５】
【特許文献１】米国特許第５，５１９，４００号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０２４９２５８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５７３，０１２号明細書
【特許文献４】米国特許第４，０８５，７４０号明細書
【非特許文献】
【００４６】
【非特許文献１】I. Ya. Immoreev著、「Ultra-Wideband radars: new possibilities，unique problems，the feature of system」、Journal of Bauman’s MGTUシリーズ instrument making、1998年11月4日。
【非特許文献２】I. Ya. Immoreev著、「The possibilities and feature of ultra-wideband radio systems」、Applied electronics、Kharkov 第1巻、p.122−140、2002年11月2日。
【非特許文献３】米国連邦通信委員会FCC 02-48、Washington D.C.20554「First Report and Order」、ET Docket p.98−153、2002年4月22日。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００４７】
本発明は同時に二つのチャネルで被検体からの反射信号を処理し、最大情報内容を搬送する反射信号を後続する処理のために分離するとともに、患者の心拍周期、呼吸周期またはその他生理パラメータを高精度で確定するものである。
【００４８】
本発明の解決方法により、センサの位相感度を高めて、患者が測定範囲内で移動したときでも、その心拍周期、呼吸周期またはその他生理パラメータを正確に確定する効果を達成することができる。
【００４９】
上記効果はパルス型超広帯域センサにより提供されるものである。前記センサは制御手段と、探知信号生成経路と、送信アンテナと、受信アンテナと、探知信号送信経路と、反射信号受信経路と、位相シフト回路とを備えている。前記制御手段はパルス同期時の時間遅延を生成するものである。前記探知信号送信経路は、前記制御手段に接続されている同調パルス正弦波発生器を備えている。前記探知信号送信経路の出力は前記送信アンテナに接続されている。前記反射信号受信経路は、反射信号を処理するための直交する二つのチャネルを備えている。各々のチャネルはいずれも信号混波器を備えている。前記複数の混波器の第１の入力端は前記受信アンテナに接続されている。前記位相シフト回路の入力端は前記探知信号生成経路の出力端に接続されている。前記位相シフト回路の出力端は前記第２のチャネルの信号混波器の第２の入力端に接続されている。
【００５０】
本発明の実施例に係るセンサは、第１の電子スイッチと、心拍および呼吸周期計算経路とを備えている。前記心拍および呼吸周期計算経路は二つのフィルタと、二つの加算器と、二つの信号振幅計算部と、二つの信号エネルギー計算部と、二つの積分器と、二つの比較器と、二つの信号乗算部と、二つの基準信号生成部と、第２の電子スイッチと、第３の電子スイッチと、心拍周期計算部と、呼吸周期計算部とを備えている。
【００５１】
前記第１の電子スイッチの入力端は前記探知信号生成経路の出力端に接続されている。前記第１の電子スイッチの第１の出力端は前記探知信号送信経路の入力端に接続されている。前記第１の電子スイッチの第２の出力端は第１のチャネルの信号混波器の第２の入力端および前記位相シフト回路の入力端に接続されている。前記第１の電子スイッチの制御入力端は前記制御手段に接続されている。
【００５２】
前記第１および第２のフィルタの入力端は、前記第１および第２のチャネルの出力端にそれぞれ接続されている。前記第１の加算器の第１の入力端は前記第１のチャネルの出力端に接続されている。前記第１の加算器の第２の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されている。前記第２の加算器の第１の入力端は前記第２のチャネルの出力端に接続されている。前記第２の加算器の第２の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されている。
【００５３】
前記第１の信号乗算部の第１の入力端は前記第１の加算器の出力端に接続されている。前記第１の信号乗算部の第２の入力端は前記第１の基準信号生成部の出力端に接続されている。前記第２の信号乗算部の第１の入力端は前記第２の加算器の出力端に接続されている。前記第２の信号乗算部の第２の入力端は前記第２の基準信号生成部の出力端に接続されている。
【００５４】
前記第１の積分器の入力端は前記第１の信号乗算部の出力端に接続されている。前記第１の積分器の出力端は前記第２の電子スイッチの第１の入力端および前記第１の信号エネルギー計算部の入力端に接続されている。前記第２の積分器の入力端は前記第２の信号乗算部の出力端に接続されている。前記第２の積分器の出力端は前記第２の電子スイッチの第２の入力端および前記第２の信号エネルギー計算部の入力端に接続されている。前記第１の信号エネルギー計算部の出力端は前記第１の比較器の第１の入力端に接続されている。前記第２の信号エネルギー計算部の出力端は前記第１の比較器の第２の入力端に接続されている。前記第１の比較器の出力端は前記第２の電子スイッチの制御入力端に接続されている。
【００５５】
前記第１の信号振幅計算部の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されている。前記第１の信号振幅計算部の出力端は前記第２の比較器の第１の入力端に接続されている。前記第２の信号振幅計算部の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されている。前記第２の信号振幅計算部の出力端は前記第２の比較器の第２の入力端に接続されている。前記第２の比較器の出力端は前記第３の電子スイッチの制御入力端に接続されている。前記第３の電子スイッチの第１の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されている。前記第３の電子スイッチの第２の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されている。前記第３の電子スイッチの出力端は前記呼吸周期計算部の入力端に接続されている。前記第２の電子スイッチの出力端は前記心拍周期計算部の入力端に接続されている。
【００５６】
本発明の実施例における生理パラメータの測定方法は、第１の生理パラメータと第２の生理パラメータとを有する第１の情報信号および第２の情報信号をフィルタリングして、前記第１の生理パラメータのみを有する第１のフィルタ済み信号および第２のフィルタ済み信号を生成するステップと；前記第１の情報信号に前記第１のフィルタ済み信号を加えて前記第２の生理パラメータのみを有する第１の合算信号を生成するステップと；前記第２の情報信号に前記第２のフィルタ済み信号を加えて前記第２の生理パラメータのみを有する第２の合算信号を生成するステップと；前記第１の合算信号と第１の基準信号との相関計算を行って第１の相関信号を生成するステップと；前記第２の合算信号と第２の基準信号との相関計算を行って第２の相関信号を生成するステップと；前記第１のフィルタ済み信号および前記第２のフィルタ済み信号の振幅に基づいて、前記第１のフィルタ済み信号および前記第２のフィルタ済み信号中から第１の生理パラメータ信号を抽出するステップと；前記第１の相関信号および前記第２の相関信号のエネルギーに基づいて、前記第１の相関信号および前記第２の相関信号中から第２の生理パラメータ信号を抽出するステップと、を含む。
【００５７】
本発明は、心拍周期、呼吸周期またはその他生理パラメータを測定するためのパルス型超広帯域センサの具体的な各実施例により例示的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】静止した被検体の相対距離Ｒ１／λ基づいて得られた相関処理システムの出力信号の振幅を常態化したパターンＺ（Ｒ１）Ｔ０を示す図である。
【図２】ｍが０.５であるときの相関処理システムの出力信号Ｚ（ｔ）を示す図である。
【図３】ｍが０.５であるときの相関処理システムの出力信号の振幅周波数の周波数スペクトルＺ（ｆ１）を示す図である。
【図４】ｍが２であるときの相関処理システムの出力信号Ｚ（ｔ）を示す図である。
【図５】ｍが２であるときの相関処理システムの出力信号の振幅周波数の周波数スペクトルＺ（ｆ１）を示す図である。
【図６】ｍが５であるときの相関処理システムの出力信号Ｚ（ｔ）を示す図である。
【図７】ｍが５であるときの相関処理システムの出力信号の振幅周波数の周波数スペクトルＺ（ｆ１）を示す図である。
【図８】ｍが１０であるときの相関処理システムの出力信号Ｚ（ｔ）を示す図である。
【図９】ｍが１０であるときの相関処理システムの出力信号の振幅周波数の周波数スペクトルＺ（ｆ１）を示す図である。
【図１０】探知信号生成経路、探知信号送信経路および反射信号受信経路の概略図である。
【図１１】制御手段の概略図である。
【図１２】本発明の第１の実施例に係る心拍および呼吸周期計算経路の概略図である。
【図１３】本発明の第２の実施例に係る心拍および呼吸周期計算経路の概略図である。
【図１４−１９】図１４は、駆動生成器の出力信号の同期パルス波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。図１５は、制御可能なディジタル遅延線の出力信号の同期パルス波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。図１６は、第１のショートパルス生成手段の出力信号の同期パルス波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。図１７は、第２のショートパルス生成手段の出力信号の同期パルス波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。図１８は、制御手段の出力信号の同期パルス波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。図１９は、マイクロ波発生器の出力信号の同調パルス正弦波Ｕ（ｔ）のシーケンス図である。
【図２０】第１のチャネルの第１のフィルタの出力信号Ｚ１（ｔ）のシーケンス図である。
【図２１】第１のチャネルの第１の積分器の出力信号Ｚ１（ｔ）のシーケンス図である。
【図２２】第２のチャネルの第２のフィルタの出力信号Ｚ２（ｔ）のシーケンス図である。
【図２３】第２のチャネルの第２の積分器の出力信号Ｚ２（ｔ）のシーケンス図である。
【図２４】第１（上側の曲線）および第２（下側の曲線）の信号エネルギー計算部の出力信号の比較図Ｅ（ｔ）である。
【図２５】本発明の一実施例に係る処理回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
図１０に示すように、前記パルス型超広帯域センサは、同期信号を遅延させるための制御手段１と、コーヒレントパルス発生器として用いられる外部励起のマイクロ波発生器２を有する探知信号生成経路とを備えている。前記パルス型超広帯域センサは更に送信アンテナ３と、受信アンテナ４と、探知信号送信経路と、第１の電子スイッチ５と、反射信号受信経路とを備えている。前記反射信号受信経路は反射信号を処理するための二つのチャネルを備えている。
【００６０】
前記探知信号生成経路はバッファ増幅器６と、バンドパスフィルタ７とを備えており、前記バッファ増幅器６およびバンドパスフィルタ７は前記マイクロ波発生器２に直列接続されている。前記バンドパスフィルタ７は前記第１の電子スイッチ５の入力端に接続されている。前記探知信号送信経路はバンドパスフィルタ８と、増幅器９とを備えており、前記バンドパスフィルタ８および前記増幅器９は前記送信アンテナ３に直列接続されており、そして増幅器９の入力端は前記第１の電子スイッチ５の第１の出力端に接続されている。
【００６１】
前記反射信号受信経路はバンドパスフィルタ１０と、低ノイズ増幅器１１とを備えており、前記バンドパスフィルタ１０および低ノイズ増幅器１１は前記受信アンテナ４に直列接続されており、そして前記低ノイズ増幅器１１の出力端は、反射信号を処理するための平行した二つの前記チャネルに接続されている。前記反射信号受信経路は更に位相シフト回路１２を備えている。前記反射信号を処理するための前記第１のチャネルは信号混波器１３を備えており、その出力端はバンドパスフィルタ１４、低周波増幅器１５、低周波フィルタ１６およびＡ／Ｄコンバータ１７に直列接続されている。前記信号混波器１３の第１の入力端は前記低ノイズ増幅器１１の出力端に接続されており、そして信号混波器１３の第２の入力端は前記第１の電子スイッチ５の第２の出力端に接続されている。
【００６２】
反射信号を処理するための前記第２のチャネルは信号混波器１８を備えており、その出力端はバンドパスフィルタ１９、低周波増幅器２０、低周波フィルタ２１およびＡ／Ｄコンバータ２２に直列接続されている。前記信号混波器１８の第１の入力端は前記低ノイズ増幅器１１の出力端に接続されており、そして前記信号混波器１８の第２の入力端は前記位相シフト回路１２を介して前記第１の電子スイッチ５の第２の出力端に接続されている。前記位相シフト回路１２は探知信号に９０度の位相差を付与するためのものである。前記複数の低周波フィルタ１６および２１の下限周波数は、帯域がカットオフ周波数よりも高い信号を選択するように、約０.１Ｈｚとなっている。
【００６３】
図１１にブロック図が示されているように、前記制御手段１は同期パルス信号を遅延させるためのものであり、駆動信号発生器２３と、送信器の同期信号を形成しかつ探知信号形成過程を制御するための経路と、受信器の同期信号を形成する経路とを備えている。
【００６４】
前記送信器の同期信号を形成する経路は、ショートビデオパルス同期信号を生成するための第１のショートパルス生成手段２４を備えている。前記受信器の同期信号を形成する経路は、制御可能なディジタル遅延線２５と、第２のショートパルス生成手段２６とを備え、前記制御手段１の第１の出力端を構成しており、前記第１の出力端は第１の電子スイッチ５の制御入力端に接続されている。これら送信器および受信器の同期信号形成経路はいずれもＯＲゲート回路２７の入力端に接続されており、前記ＯＲゲート回路２７の出力端は前記制御手段１の第２の出力端となり、前記第２の出力端は前記マイクロ波発生器２の制御入力端に接続されている。
【００６５】
前記心拍および呼吸周期計算経路の概略図を図１２および図１３に示す。そして二つのフィルタ２８および２９と、二つの加算器３０および３１と、二つの信号振幅計算部３２および３３と、二つの信号エネルギー計算部３４および３５と、二つの積分器３６および３７と、二つの比較器３８および３９と、二つの信号乗算部４０および４１と、二つの基準信号生成部４２および４３と、第２の電子スイッチ４４と、第３の電子スイッチ４５と、呼吸周期計算部４６と、心拍周期計算部４７と、データ表示部４８とを備えている。
【００６６】
前記フィルタ２８および２９は入力信号に対して、胸腔の振動の信号および心拍の信号を周波数で選択する。これら信号は、患者の心臓の鼓動および呼吸機能の複合波形である反射信号内に含まれている。バンドパス機能を備えた前記複数のフィルタ２８および２９は前記反射信号内における心拍周期特性を含む部分を平滑化する。前記波形は心臓の鼓動および胸腔振動の周期特性を含む。前記複数のフィルタ２８および２９の上限カットオフ周波数は約１Ｈｚである。
【００６７】
前記第１のフィルタ２８の入力端は、反射信号を処理するための前記第１のチャネルの出力端に接続されている。前記第２のフィルタ２９の入力端は、反射信号を処理するための前記第２のチャネルの出力端に接続されている。本実施例においては、前記フィルタ２８および２９の入力端は、前記複数のＡ／Ｄコンバータ１７および２２の出力端にそれぞれ接続されている。
【００６８】
前記第１の加算器３０の第１の入力端は、反射信号を処理するための前記第１のチャネルの出力端に接続されており、そして前記Ａ／Ｄコンバータ１７は前記第１のチャネルの出力端となる。前記第１の加算器３０の第２の入力端は前記第１のフィルタ２８の出力端に接続されている。前記第２の加算器３１の第１の入力端は、反射信号を処理するため前記第２のチャネルの出力端に接続されており、そして前記Ａ／Ｄコンバータ２２は第２のチャネルの出力端となる。前記第２の加算器３１の第２の入力端は前記第２のフィルタ２９の出力端に接続されている。
【００６９】
前記第１の信号乗算部４０の第１の入力端は前記第１の加算器３０の出力端に接続されている。前記第１の信号乗算部４０の第２の入力端は前記第１の基準信号生成部４２の出力端に接続されている。前記第２の信号乗算部４１の第１の入力端は前記第２の加算器３１の出力端に接続されている。前記第２の信号乗算部４１の第２の入力端は前記第２の基準信号生成部４３の出力端に接続されている。
【００７０】
前記第１の積分器３６の入力端は前記第１の信号乗算部４０の出力端に接続されている。前記第１の積分器３６の出力端は前記第２の電子スイッチ４４の第１の入力端および前記第１の信号エネルギー計算部３４の入力端に接続されている。前記第２の積分器３７の入力端は前記第２の信号乗算部４１の出力端に接続されている。前記第２の積分器３７の出力端は前記第２の電子スイッチ４４の第２の入力端および前記第２の信号エネルギー計算部３５の入力端に接続されている。
【００７１】
前記第１の信号エネルギー計算部３４の出力端は前記第１の比較器３８の第１の入力端に接続されている。前記第２の信号エネルギー計算部３５の出力端は前記第１の比較器３８の第２の入力端に接続されている。前記第１の比較器３８の出力端は前記第２の電子スイッチ４４の制御入力端に接続されている。
【００７２】
前記第１の信号振幅計算部３２の入力端は前記第１のフィルタ２８の出力端に接続されている。前記第１の信号振幅計算部３２の出力端は前記第２の比較器３９の第１の入力端に接続されている。前記第２の信号振幅計算部３３の入力端は前記第２のフィルタ２９の出力端に接続されている。前記第２の信号振幅計算部３３の出力端は前記第２の比較器３９の第２の入力端に接続されている。前記第２の比較器３９の出力端は前記第３の電子スイッチ４５の制御入力端に接続されている。
【００７３】
前記第３の電子スイッチ４５の第１の入力端は前記第１のフィルタ２８の出力端に接続されている。前記第３の電子スイッチ４５の第２の入力端は前記第２のフィルタ２９の出力端に接続されている。前記第３の電子スイッチ４５の出力端は前記呼吸周期計算部４６の入力端に接続されている。前記第２の電子スイッチ４４の出力端は前記心拍周期計算部４７の入力端に接続されている。前記データ表示部４８の第１の入力端は心拍周期計算部４７の出力端に接続されている。前記データ表示部４８の第２の入力端は前記呼吸周期計算部４６の出力端に接続されている。
【００７４】
本実施例の一態様においては、図１２に示すように、前記第１の基準信号生成部４２および前記第２の基準信号生成部４３の入力端は前記複数の加算器３０および３１の出力端にそれぞれ接続されている。前記複数の加算器３０および３１の出力信号は、ある時間のリアルタイムな反射信号を取得する基準信号を生成するためのものである。前記基準信号の長さは３秒とされ、そして前記基準信号は前記複数の信号乗算部４０および４１に送信される。
【００７５】
本実施例の他の態様においては、図１３に示すように、前記第１の基準信号生成部４２および第２の基準信号生成部４３は一定形状の基準信号を生成するためのものである。前記基準信号は前記複数の基準信号生成部４２および４３に保存されるとともに、前記複数の信号乗算部４０および４１の入力端に送信される。前記基準信号の長さは３秒とされ、その波形は下記の数式５により定義される。
【数５】
【００７６】
そして本発明を実現できる回路のみで、位相感度を高めて、移動する被検体を検知する効果を達成することができ、本発明の実施例中に応用される数多くの構成要素および機能部分は省略することができるということに注意されたい。
【００７７】
とりわけ、一部の状況下では、前記データ表示部は省略することができる。前記探知信号送信経路において、前記送信アンテナ３は前記第１の電子スイッチ５の第１の出力端に直接接続することができる。
【００７８】
また、本発明の一部実施例においては、前記送信アンテナ３および前記受信アンテナ４は送受信装置（図示せず）における一つの機能部分に整合することができる。前記機能部分は例えば、前記送信アンテナの使用時には前記探知信号送信経路に接続されるか、または前記受信アンテナの使用時には前記反射信号受信経路に接続されるという具合に、前記送受信装置において異なる周期で異なる構成要素に接続されてもよく、この場合には前記送受信装置は電波の送信器と電波の受信器として交互に機能することになる。前記複数の送信および受信経路は別設される電子スイッチにより前記複数の送信および受信アンテナに交互に接続されてもよい。前記一つの機能部分の応用により、二つの個別の前記アンテナは前記センサ内における一つの構成要素として整合することができる。
【００７９】
上記したパルス型超広帯域センサの動作形態は下記のとおりである。
【００８０】
前記駆動生成器２３は、周期がＴ０であり、形状が方形波である同期パルス信号を生成する（前記同期パルス信号のシーケンスは図１４を参照のこと）。続いて、前記パルス信号を二つの経路、つまり前記送信器同期経路と受信器同期経路によりそれぞれ受信する。
【００８１】
図１６に示すように、前記送信器同期経路において、前記第１のショートパルス生成手段２４により、第１組の同期パルス信号の立ち上がり部分に遅延時間がｔｄ１であるショートパルス信号を生成する。前記ショートパルス信号の時間間隔は所望の探知信号の時間間隔に応じて決定する。
【００８２】
図１５に示すように、前記受信器同期経路において、前記制御可能なディジタル遅延線２５により、前記同期パルス信号を、探知信号が被検体に出射されて反射してセンサに戻ってくるまでに要する時間である遅延時間ｔｄ２だけ遅延させる。前記遅延時間ｔｄ２は被検体とセンサとの測定距離を定義するとともに、
【００８３】
により表わすことができる。数式において、Ｒ１は被検体とセンサとの間の距離であり、Ｃは電波の速度である。図１７に示すように、前記第２のショートパルス生成手段２６により、第２組の同期パルスの立ち上がり部分に遅延時間がｔｄ３＝ｔｄ１であるショートパルス信号が生成される。前記生成されたショートパルス信号は制御手段１の第１の出力端に送信される。前記第１の出力端は前記第１の電子スイッチ５の制御入力端に接続されている。
【００８４】
図１８に示すように、前記制御手段１は前記ＯＲゲート回路２７を介して、前記複数の同期経路に生成される同期信号を、周期性を持つショートパルス信号対である一つの同期信号として結合する。これらショートパルス信号対の時間間隔はｔｄ２である。これらパルス信号対の周期Ｔ０は前記駆動生成器２３により設定される。パルス信号対を含むこれら同期信号は前記制御手段１の第２の出力端に送信される。前記第２の出力端は前記マイクロ波発生器２の制御入力端に接続されている。図１９に示すように、前記マイクロ波発生器２が前記同期信号を受信すると、隣接するとともに間隔がｔｄ２である二つの同調パルス正弦波を生成する。
【００８５】
前記マイクロ波発生器２にて生成した前記複数の同調パルス正弦波は前記バッファ増幅器６およびバンドパスフィルタ７を介して第１の電子スイッチ５の入力端に送られる。前記第１の電子スイッチ５は前記制御手段１の第１の出力端から出力された信号により制御される。前記第１の電子スイッチ５は前記探知信号生成経路信号の切換え、つまりこれら探知信号が前記探知信号送信経路または前記反射信号受信経路に送信されるよう制御する。
【００８６】
初期状態では、前記第１の電子スイッチ５の切換えは図１０に示すように、前記マイクロ波発生器２にて生成した第１の同調パルス波が前記探知信号送信経路に入るようになっている。前記増幅器９は前記探知信号を増幅することで、前記バンドパスフィルタ７およびバンドパスフィルタ８にて探知信号のエネルギーが損失するのを補償している。前記複数のバンドパスフィルタ７、８および１０の結合の通過帯域は３ＧＨｚないし１０ＧＨｚとすることで、帯域外の信号の輻射を抑制している。
【００８７】
前記探知信号は前記送信アンテナ３を介して送信されるとともに被検体に出射される。ｔｄ２の時間が経過した後、前記探知信号は被検体により反射してセンサに戻り、前記受信器同期経路はショートパルス同期信号も生成する。前記同期信号は前記制御手段１の第１の出力端を介して前記第１の電子スイッチ５の制御入力端に送信される。
【００８８】
前記制御手段１が前記ショートパルス同期信号を受信すると、前記制御手段１はそのスイッチを切換える。よって、前記探知信号生成経路は前記複数の信号混波器１３および１８の第２の入力端に接続される。前記基準探知信号は前記位相シフト回路１２により−９０度の位相差が付与された後、前記信号混波器１８に送信される。これにより、前記マイクロ波発生器２にて生成された第２の同調パルス正弦波は、位相差をもって反射信号を処理するための前記第２のチャネルに入力される。これら同相および位相差を有する同調パルス正弦波は、前記複数の信号混波器１３および１８の基準信号となる。
【００８９】
被検体により反射して戻ってきた前記信号は前記受信アンテナ４により受信されるとともに、外部の電磁波に由来するノイズを低減するための前記バンドパスフィルタ１０および前記低ノイズ増幅器１１を通過する。フィルタリングされ増幅された前記信号は、位相検出器の信号混波器１３および１８とされ、反射信号を処理するための前記チャネルに送信される。前記複数の信号混波器１３および１８の第２の入力端を通過して送出される基準探知信号は相関演算が行われた後、これら反射信号を処理するためのチャネルは、第１のチャネルにある同一位相の信号と、第２のチャネルにある位相差が９０度の信号といった二つの信号を生成する。
【００９０】
前記複数のチャネルにおいて、前記複数の信号は各々前記複数のバンドパスフィルタ１４および１９を介して分離されて、前記複数の低周波増幅器１５および２０で増幅される。前記複数の低周波フィルタ１６および２１は周波数でこれら信号を選択するとともに、約０.１Ｈｚであり呼吸周期の下限に対応しているカットオフ周波数を下限としてこれら信号を分離する。これら分離され増幅された信号は前記複数のＡ／Ｄコンバータ１７および２２によりディジタル化される。
【００９１】
図２０に示すように、信号
【００９２】
は前記第１のチャネルの出力端に生成される。このうち前記信号と基準探知信号とは同相である。図２２に示すように、他の信号
【００９３】
は前記第２のチャネルの出力端に生成される。このうち前記信号と基準探知信号とには９０度の位相差がある。これら信号は前記心拍および呼吸周期計算経路に送信されるものであり、この概略図は図１２および図１３に示している。
【００９４】
前記第１のチャネルの信号は前記第１のフィルタ２８に送信され、そして前記第２のチャネルの信号は前記第１のフィルタ２９に送信される。前記複数のフィルタは、これら信号における高周波の心拍成分を減衰させるために、１Ｈｚの上限カットオフ周波数を備えている。したがって、前記複数のフィルタ２８および２９の出力信号は、患者の胸腔振動および心拍成分を有する前記複数の反射信号中から分離された患者の呼吸成分を表わす信号である。
【００９５】
前記周波数を選択した後、前記複数のフィルタ２８および２９の出力信号は前記複数の加算器３０および３１の第２の入力端、前記第３の電子スイッチ４５の入力端、前記第１の信号振幅計算部３２および前記第２の信号振幅計算部３３の入力端に入力される。前記第１のチャネルおよび前記第２のチャネルの信号は前記複数の加算器３０および３１の第１の入力端に送信される。
【００９６】
前記複数の加算器３０および３１はその入力信号を分離するためのものである。前記複数の加算器３０および３１は患者の胸腔振動および心拍成分を含む前記複数の複合信号から患者の呼吸成分の信号を消去して、出力端に患者の心拍成分のみを含む信号を生成する。周波数選択、各生理パラメータ（心拍および呼吸）を特徴化した後の前記分離された信号を後続する相関処理に用いる。
【００９７】
患者の心拍成分のみを含むこれら信号を処理する前記複数の相関システムとして、前記複数の信号乗算部４０および４１と、前記複数の積分器３６および３７とは前記機能部分の出力端に接続される。前記複数の基準信号生成部４２および４３が出力した基準信号は前記複数の信号乗算部４０および４１の第２の入力端に送信される。
【００９８】
図１２に示すように、本実施例の一構造において、前記複数の基準信号生成部４２および４３の入力端は前記複数の加算器３０および３１の出力端に接続されている。この構造においては、基準信号として、処理後のこれら信号から一定長さを取出している。前記信号長さは少なくとも反射信号の発振の平均周期に等しく設定される。本構造における前記信号長さは３秒とされている。
【００９９】
所定時間内、例えば６０秒以内において、前記複数の基準信号生成部４２および４３は、前記複数の加算器３０および３１の出力信号を記憶手段に保存する。これら信号は基準信号とされるとともに、次の保存動作まで前記複数の信号乗算部４０および４１の第２の入力端に送信される。
【０１００】
図１３に示すように、本実施例の他の構造において、前記複数の基準信号生成部４２および４３は一定波形の基準信号を生成するためのものである。これら予め決められている波形の基準信号は前記複数の基準信号生成部４２および４３の記憶手段に保存されるとともに、前記複数の信号乗算部４０および４１の入力端に引き続き送信される。
【０１０１】
本構造において、前記一定長さおよび一定波形の基準信号は、
【０１０２】
により定義される。
【０１０３】
前記信号長さは少なくとも反射信号の発振の平均周期に等しく設定される。本構造における前記信号長さは３秒とされている。
【０１０４】
これら基準信号は、前記複数の信号乗算部４０および４１の乗算動作により処理に組込まれる信号である。前記複数の信号乗算部４０および４１の出力信号は前記複数の積分器３６および３７に送信される。前記複数の積分器３６および３７はある時間毎にこれら入力信号の積分動作を行う。図２１および図２３には、前記複数の積分器３６および３７の出力信号Ｚ１（ｔ）およびＺ２（ｔ）のシーケンス図をそれぞれ示している。
【０１０５】
図２１および図２３に示す出力信号Ｚ１（ｔ）およびＺ２（ｔ）のシーケンス図から理解できるように、相関システムが出力した第１のチャネルの信号は顕著な周期性を備えており、しかも前記信号に基づいて確定された心拍周期は高い精度を備えている。第２のチャネルの信号は拡散しており、その周期性は比較的明確ではなく、この信号により確定された心拍周期では所期の精度を得るのは難しくなっている。
【０１０６】
前記複数の積分器３６および３７の出力信号は前記第２の電子スイッチ４４の入力端と、前記第１の信号エネルギー計算部３４および前記第２の信号エネルギー計算部３５の入力端に送信される。前記信号Ｚ１（ｔ）は前記積分器３６の出力端から前記第２の電子スイッチ４４の第１の入力端および前記第１の信号エネルギー計算部３４の入力端に入力される。前記信号Ｚ２（ｔ）は前記積分器３７の出力端から前記第２の電子スイッチ４４の第２の入力端および前記第２の信号エネルギー計算部３５の入力端に入力される。
【０１０７】
心拍周期をより高精度で確定する信号を選択するために、信号のエネルギーに基づいて信号を選択する。前記複数の信号エネルギー計算部３４および３５は前記第１および第２のチャネルのエネルギーを計算するためのものである。前記複数の信号エネルギー計算部３４および３５は一定時間内の信号振幅の平方和を計算する。本実施例において、これら信号振幅の平方和は一定時間内に計算される。前記複数の信号エネルギー計算部３４および３５の動作は毎回の測定の後に行われ、リアルタイムにて、スライディングウィンドウ（時間長さは３秒）で入力信号に沿って移動させて演算が行われる。
【０１０８】
前記複数の信号エネルギー計算部３４および３５は、その計算結果を前記第１の比較器３８の第１および第２の入力端にそれぞれ送信する。前記第１の比較器３８はエネルギーの大きな信号を選択する。図２４はこれら計算する信号エネルギーの比較図Ｅ（ｔ）である。前記比較図Ｅ（ｔ）の上側の線は前記第１の信号エネルギー計算部３４の出力結果を示している。前記比較図Ｅ（ｔ）の下側の線は前記第２の信号エネルギー計算部３５の出力結果を示している。
【０１０９】
図２４から理解できるように、第１のチャネルの信号エネルギーは実質的には第２のチャネルの信号を越えている。この結果によれば、前記第１の比較器３８は、前記第２の電子スイッチ４４への切換えに用いられる制御信号を前記第２の電子スイッチ４４の制御入力端に送信する。前記第２の電子スイッチ４４の切換え結果は選択されたエネルギーの大きな信号に対応するはずである。前記第１の積分器３６の出力信号は前記心拍周期計算部４７に切換えられて後続の演算を行う。
【０１１０】
前記心拍周期計算部４７は、その入力信号の局所最大値およびその時点を探すためのものである。探し出された時点に基づいて、患者の心拍周期を計算することができる。計算された心拍周期を表わすための前記信号は前記データ表示部４８に送信される。
【０１１１】
呼吸周期をより高精度で確定するのに用いられる信号を選択するために、信号の振幅に基づいて信号を選択する。患者の胸腔振動は低周波特性であるので、本実施例では前記複数のフィルタ２８および２９の出力信号の振幅を比較する。呼吸周期は一般的に心拍周期よりも一レベルほど少ない。したがって、呼吸信号を選択する決定的な要因は、前記信号の振幅の最大値を明確に得られるか否かということである。Ｚ１（ｔ）およびＺ２（ｔ）のシーケンス図から理解できるように、第１のチャネル信号の振幅は第２のチャネル信号の振幅よりも大きくなる。図２０および２２に示すように、第１のチャネル信号の平均の相対的なピーク値は約４０単位であり、第２のチャネル信号平均の相対的なピーク値は３単位である。
【０１１２】
前記複数の信号振幅計算部３２および３３は、前記複数のフィルタ２８および２９により分離されて得られた呼吸信号の相関計算を行うためのものである。前記第１の信号振幅計算部３２は第１のチャネルの信号振幅を表わす信号を出力する。前記第２の信号振幅計算部３３は第２のチャネルの信号振幅を表わす信号を出力する。第１のチャネルの信号振幅および第２のチャネルの信号振幅を表わすためのこれら信号は、前記第２の比較器３９の第１および第２の入力端にそれぞれ送信される。
【０１１３】
前記第２の比較器３９は、前記複数の信号振幅計算部３２および３３の出力信号を比較するためのものである。前記結果に基づいて、前記第２の比較器３９は制御信号を前記第３の電子スイッチ４５の制御入力端に送信する。前記第３の電子スイッチ４５の切換え結果は選択された振幅の大きな信号に対応するはずである。本実施例において、前記第１のフィルタ２８の出力信号は前記呼吸周期計算部４６に切換えられて後続の演算を行われる。
【０１１４】
前記呼吸周期計算部４６は、その入力信号の局所最大値およびその時点を探すためのものである。探し出された時点に基づいて、患者の呼吸周期を計算することができる。計算された呼吸周期を表わすための前記信号は前記データ表示部４８に送信される。前記データ表示部４８は心拍および呼吸周期の前記結果を見やすい形態で表示するものであり、とりわけ、データ方式で画面上に表示するものである。
【０１１５】
図２５は本発明の一実施例に係る処理回路である。前記処理回路２５００はパルス型超広帯域センサに用いられるものであり、例えば本発明の実施例に係るパルス型超広帯域センサに基づいて、心拍および呼吸周期を測定するものである。前記処理回路２５００はは第１のフィルタ２５０１と、第２のフィルタ２５０２と、第１の信号振幅計算手段２５０３と、第２の信号振幅計算手段２５０４と、第１の電子スイッチ２５０５と、第１の加算器２５０６と、第２の加算器２５０７と、第１の信号積分手段２５０８と、第２の信号積分手段２５０９と、第１の信号エネルギー計算手段２５１０と、第２の信号エネルギー計算手段２５１１と、第２の電子スイッチ２５１２とを備えている。
【０１１６】
前記第１のフィルタ２５０１は、例えば前記Ａ／Ｄコンバータ１７の出力信号といった同相信号を受信するためのものである。前記第２のフィルタ２５０２は、例えば前記Ａ／Ｄコンバータ２２の出力信号といった直交信号を受信するためのものである。前記第１の信号振幅計算手段２５０３は前記第１のフィルタ２５０１の出力信号の振幅を計算するためのものである。前記第２の信号振幅計算手段２５０４は前記第２のフィルタ２５０２の出力信号の振幅を計算するためのものである。前記第１の電子スイッチ２５０５は前記第１の信号振幅計算手段２５０３および第２の信号振幅計算手段２５０４の計算結果に基づいて、前記第１のフィルタ２５０１または前記第２のフィルタ２５０２の出力信号を出力するためのものである。前記第１の加算器２５０６は前記第１のフィルタ２５０１の出力信号と入力信号との減算演算を行うためのものである。前記第２の加算器２５０７は前記第２のフィルタ２５０２の出力信号と入力信号との減算演算を行うためのものである。前記第１の信号積分手段２５０８は前記第１の加算器２５０６の出力信号と第１の基準信号との相関積分を計算するためのものである。前記第２の信号積分手段２５０９は前記第２の加算器２５０７の出力信号と第２の基準信号との相関積分を計算するためのものである。前記第１の信号エネルギー計算手段２５１０は前記第１の信号積分手段２５０８の入力信号のエネルギーを計算するためのものである。前記第２の信号エネルギー計算手段２５１１は前記第２の信号積分手段２５０９の入力信号のエネルギーを計算するためのものである。前記第２の電子スイッチ２５１２は前記第１の信号エネルギー計算手段２５１０および前記第２の信号エネルギー計算手段２５１１の計算結果に基づいて、前記第１の信号積分手段２５０８または前記第２の信号積分手段２５０９の出力信号を出力する。
【０１１７】
本発明の一部実施例においては、前記第１の信号積分手段２５０８は第１の信号乗算部２５１５と、第１の積分器２５１６とを備えている。前記第１の信号乗算部２５１５は前記第１の加算器２５０６の出力信号と前記第１の基準信号との乗積を計算するためのものである。前記第１の積分器２５１６は前記第１の信号乗算部２５１５の出力信号の積分値を計算するためのものである。本発明の他の一部実施例においては、前記第２の信号積分手段２５０９は第２の信号乗算部２５１７と、第２の積分器２５１８とを備えている。前記第２の信号乗算部２５１７は前記第２の加算器２５０７の出力信号と前記第２の基準信号との乗積を計算するためのものである。前記第２の積分器２５１８は前記第２の信号乗算部２５１７の出力信号の積分値を計算するためのものである。本発明の一部実施例においては、前記処理回路２５００は第１の比較器２５１３および第２の比較器２５１４を更に備えている。前記第１の比較器２５１３は前記第１の信号振幅計算手段２５０３と前記第２の信号振幅計算手段２５０４との計算結果を比較して、前記第１の電子スイッチ２５０５を制御するためのものである。前記第２の比較器２５１４は前記第１の信号エネルギー計算手段２５１０と第２の信号エネルギー計算手段２５１１との計算結果を比較して、前記第２の電子スイッチ２５１２を制御するためのものである。本発明の一部実施例においては、前記第１の基準信号および前記第２の基準信号は一定の波形である。本発明の他の一部実施例においては、前記第１の基準信号は前記第１の加算器２５０６の入力信号に基づいて生成され、そして前記第２の基準信号は前記第２の加算器２５０７の入力信号に基づいて生成される。本発明の一部実施例においては、前記処理回路２５００は前記第１の基準信号を生成するための第１の基準信号生成部と、前記第２の基準信号を生成するための第２の基準信号生成部とを更に備えている。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明で実現されるセンサは、二つのチャネルにより反射信号の周波数の選択を行い、心拍を表わす信号から呼吸を表わす信号を分離し、これら分離された信号の相関演算を各々行うとともに、測定すべき各々の生理パラメータに対してデータ量の大きな信号を選出して、後続の心拍および呼吸周期の演算を高精度に行うことができるものである。しかしながら、本発明のセンサおよび方法によって測定される生理パラメータは心拍および呼吸周期に限らず、例えば腸の蠕動などの生理パラメータに応用することもできる。
【０１１９】
上記した反射信号に対する処理作業および特定構造のチャネルにより心拍および呼吸周期を計算することで、センサの位相感度および生理パラメータの測定精度を大幅に向上することができる。また、測定距離内のブラインド・ゾーンが測定結果に影響を及ぼすのをなくし、移動する被検体のパラメータの測定もまた改善される。
【０１２０】
本発明のパルス型超広帯域センサは医療機器に応用でき、静止または活動していない状態において、循環器系および呼吸器官の高精度の監視装置とすることができる。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 制御手段
２ マイクロ波発生器
３ 送信アンテナ
４ 受信アンテナ
５ 第１の電子スイッチ
６ バッファ増幅器
７ バンドパスフィルタ
８ バンドパスフィルタ
９ 増幅器
１０ バンドパスフィルタ
１１ 低周波増幅器
１２ 位相シフト回路
１３ 信号混波器
１４ バンドパスフィルタ
１５ 低周波増幅器
１６ 低周波フィルタ
１７ Ａ／Ｄコンバータ
１８ 信号混波器
１９ バンドパスフィルタ
２０ 低周波増幅器
２１ 低周波フィルタ
２２ Ａ／Ｄコンバータ
２３ 駆動信号発生器
２４ 第１のショートパルス生成手段
２５ 制御可能なディジタル遅延線
２６ 第２のショートパルス生成手段
２７ ＯＲゲート回路
２８ 第１のフィルタ
２９ 第２のフィルタ
３０ 第１の加算器
３１ 第２の加算器
３２ 第１の信号振幅計算部
３３ 第２の信号振幅計算部
３４ 第１の信号エネルギー計算部
３５ 第２の信号エネルギー計算部
３６ 第１の積分器
３７ 第２の積分器
３８ 第１の比較器
３９ 第２の比較器
４０ 第１の信号乗算部
４１ 第２の信号乗算部
４２ 第１の基準信号生成部
４３ 第２の基準信号生成部
４４ 第２の電子スイッチ
４５ 第３の電子スイッチ
４６ 呼吸周期計算部
４７ 心拍周期計算部
４８ データ表示部
２５０１ 第１のフィルタ
２５０２ 第２のフィルタ
２５０３ 第１の信号振幅計算手段
２５０４ 第２の信号振幅計算手段
２５０５ 第１の電子スイッチ
２５０６ 第１の加算器
２５０７ 第２の加算器
２５０８ 第１の信号積分手段
２５０９ 第２の信号積分手段
２５１０ 第１の信号エネルギー計算手段
２５１１ 第２の信号エネルギー計算手段
２５１２ 第２の電子スイッチ
２５１３ 第１の比較器
２５１４ 第２の比較器
２５１５ 第１の信号乗算部
２５１６ 第１の積分器
２５１７ 第２の信号乗算部
２５１８ 第２の積分器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御手段と、探知信号生成経路と、送信アンテナと、受信アンテナと、探知信号送信経路と、反射信号受信経路と、位相シフト回路とを備えており、前記制御手段は遅延した同期パルス波を生成するものであり、前記探知信号生成経路は前記制御手段に接続されている同調パルス正弦波発生器を備えており、前記探知信号送信経路の出力端は前記送信アンテナに接続されており、前記反射信号受信経路は反射信号を処理するための第１および第２の二つのチャネルを備えており、各々のチャネルはいずれも信号混波器を備えており、混波器の第１の入力端は前記受信アンテナに接続されており、前記位相シフト回路の入力端は前記探知信号生成経路の出力端に接続されており、前記位相シフト回路の出力端は反射信号を処理するために前記第２のチャネルの信号混波器の第２の入力端に接続されている、心拍および呼吸周期を測定するためのパルス型超広帯域センサであって、
第１の電子スイッチと、
二つのフィルタと、二つの加算器と、二つの信号振幅計算部と、二つの信号エネルギー計算部と、二つの積分器と、二つの比較器と、二つの信号乗算部と、二つの基準信号生成部と、第２の電子スイッチと、第３の電子スイッチと、呼吸周期計算部と、心拍周期計算部とを備えた心拍および呼吸周期計算経路と、を更に備えており、
前記第１の電子スイッチの入力端は前記探知信号生成経路の出力端に接続されており、前記第１の電子スイッチの第１の出力端は前記探知信号送信経路の入力端に接続されており、前記第１の電子スイッチの第２の出力端は前記第１のチャネルの前記信号混波器の第２の入力端および前記位相シフト回路の入力端に接続されており、前記第１の電子スイッチの制御入力端は前記制御手段に接続されており、前記第１および第２のフィルタの入力端は、反射信号を処理を処理するために前記第１および第２のチャネルの出力端にそれぞれ接続されており、前記第１の加算器の第１の入力端は反射信号を処理するために前記第１のチャネルの出力端に接続されており、反射信号を処理をするために前記第１の加算器の第２の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されて、しかも第２の加算器の第１の入力端は前記第２のチャネルの出力端に接続されており、前記第２の加算器の第２の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されており、前記第１の信号乗算部の第１の入力端は前記第１の加算器の出力端に接続されており、前記第１の信号乗算部の第２の入力端は前記第１の基準信号生成部の出力端に接続されており、前記第２の信号乗算部の第１の入力端は前記第２の加算器の出力端に接続されており、前記第２の信号乗算部の第２の入力端は前記第２の基準信号生成部の出力端に接続されており、前記第１の積分器の入力端は前記第１の信号乗算部の出力端に接続されており、前記第１の積分器の出力端は前記第２の電子スイッチの第１の入力端および前記第１の信号エネルギー計算部の入力端に接続されており、前記第２の積分器の入力端は前記第２の信号乗算部の出力端に接続されており、前記第２の積分器の出力端は前記第２の電子スイッチの第２の入力端および前記第２の信号エネルギー計算部の入力端に接続されており、前記第１の信号エネルギー計算部の出力端は前記第１の比較器の第１の入力端に接続されており、前記第２の信号エネルギー計算部の出力端は前記第１の比較器の第２の入力端に接続されており、前記第１の比較器の出力端は前記第２の電子スイッチの制御入力端に接続されており、前記第１の信号振幅計算部の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されており、前記第１の信号振幅計算部の出力端は前記第２の比較器の第１の入力端に接続されており、前記第２の信号振幅計算部の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されており、前記第２の信号振幅計算部の出力端は前記第２の比較器の第２の入力端に接続されており、前記第２の比較器の出力端は前記第３の電子スイッチの制御入力端に接続されており、前記第３の電子スイッチの第１の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されており、前記第３の電子スイッチの第２の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されており、前記第３の電子スイッチの出力端は前記呼吸周期計算部の入力端に接続されており、前記第２の電子スイッチの出力端は前記心拍周期計算部の入力端に接続されていることを特徴とするパルス型超広帯域センサ。
【請求項２】
第１の入力端が心拍周期計算部の出力端に接続され、第２の入力端が呼吸周期計算部の出力端に接続されているデータ表示部を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項３】
前記第１の基準信号生成部の入力端が前記第１の加算器の出力端に接続されており、前記第２の基準信号生成部の入力端が前記第２の加算器の出力端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項４】
前記複数の基準信号生成部が一定波形の基準信号を生成するためのものであることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項５】
前記探知信号生成経路はバッファ増幅器と、バンドパスフィルタとを備えており、前記バッファ増幅器および前記バンドパスフィルタは前記同調パルス正弦波発生器に直列接続されており、そして前記バンドパスフィルタの出力端は前記第１の電子スイッチの入力端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項６】
各信号混波器の出力端が、直列接続されているバンドパスフィルタ、低周波増幅器、低周波フィルタを介して前記心拍および呼吸周期計算経路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項７】
前記反射信号受信経路が、前記受信アンテナに直列接続されているバンドパスフィルタと信号増幅器とを備えており、前記信号増幅器の出力端は反射信号を処理するための前記複数のチャネルに切換えられることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項８】
前記探知信号送信経路が、前記送信アンテナに直列接続されているバンドパスフィルタと信号増幅器とを備えており、前記信号増幅器の入力端は前記第１の電子スイッチの第１の出力端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項９】
前記制御手段が駆動生成器と、前記駆動生成器に平行して接続されている送信器同期経路および受信器同期経路と、ＯＲゲート回路とを備えており、前記送信器同期経路は第１のショートパルス生成手段を備えており、前記受信器同期経路は制御可能なディジタル遅延線と、第２のショートパルス生成手段とを備えており、前記第２のショートパルス生成手段の出力端は前記制御手段の第１の出力端となり、前記制御手段の第１の出力端は前記第１の電子スイッチの制御入力端に接続され、前記ＯＲゲート回路の入力端は前記送信器同期経路の出力端および前記受信器同期経路の出力端に接続され、前記ＯＲゲート回路の出力端は前記制御手段の第２の出力端となり、前記制御手段の第２の出力端は前記同調パルス正弦波発生器の入力端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１０】
処理回路を備えたパルス型超広帯域センサであって、前記処理回路が、
同相信号を受信するための第１のフィルタと、
直交信号を受信するための第２のフィルタと、
前記第１のフィルタの出力信号の振幅を計算するための第１の信号振幅計算手段と、
前記第２のフィルタの出力信号の振幅を計算するための第２の信号振幅計算手段と、
前記第１の信号振幅計算手段および前記第２の信号振幅計算手段の計算結果に基づいて、前記第１のフィルタまたは前記第２のフィルタの出力信号を出力するための第１の電子スイッチと、
前記第１のフィルタの出力信号と入力信号との減算演算を行うための第１の加算器と、
前記第２のフィルタの出力信号と入力信号との減算演算を行うための第２の加算器と、
前記第１の加算器の出力信号と第１の基準信号との相関積分を計算するための第１の信号積分手段と、
前記第２の加算器の出力信号と第２の基準信号との相関積分を計算するための第２の信号積分手段と、
前記第１の信号積分手段の入力信号のエネルギーを計算するための第１の信号エネルギー計算手段と、
前記第２の信号積分手段の入力信号のエネルギーを計算するための第２の信号エネルギー計算手段と、
前記第１の信号エネルギー計算手段および前記第２の信号エネルギー計算手段の計算結果に基づいて、前記第１の信号積分手段または前記第２の信号積分手段の出力信号を出力する第２の電子スイッチと、を備えたことを特徴とするパルス型超広帯域センサ。
【請求項１１】
前記第１の基準信号が一定波形であることを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１２】
前記第１の基準信号が前記第１の加算器の入力信号に基づいて生成されるものであることを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１３】
前記第２の基準信号が一定波形であることを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１４】
前記第２の基準信号が前記第２の加算器の入力信号に基づいて生成されるものであることを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１５】
前記第１の信号積分手段が、
前記第１の加算器の出力信号と前記第１の基準信号との乗積を計算するための第１の信号乗算部と、
前記第１の信号乗算部の出力信号の積分値を計算するための第１の積分器と、を備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１６】
前記第２の信号積分手段が、
前記第２の加算器の出力信号と前記第２の基準信号との乗積を計算するための第２の信号乗算部と、
前記第２の信号乗算部の出力信号の積分値を計算するための第２の積分器と、を備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１７】
前記処理回路が、前記第１の信号振幅計算手段と前記第２の信号振幅計算手段との計算結果を比較することにより、前記第１の電子スイッチを制御するための第１の比較器を更に備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１８】
前記処理回路が、前記第１の信号エネルギー計算手段と第２の信号エネルギー計算手段との計算結果を比較することにより、前記第２の電子スイッチを制御するための第２の比較器を更に備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１９】
前記処理回路が、前記第１の基準信号を生成するための第１の基準信号生成部を更に備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項２０】
前記処理回路が、前記第２の基準信号を生成するための第２の基準信号生成部を更に備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項２１】
生理パラメータの測定方法であって、
第１の生理パラメータと第２の生理パラメータとを有する第１の情報信号および第２の情報信号をフィルタリングして、前記第１の生理パラメータのみを有する第１のフィルタ済み信号および第２のフィルタ済み信号を生成するステップと、
前記第１の情報信号に前記第１のフィルタ済み信号を加えて前記第２の生理パラメータのみを有する第１の合算信号を生成するステップと、
前記第２の情報信号に前記第２のフィルタ済み信号を加えて前記第２の生理パラメータのみを有する第２の合算信号を生成するステップと、
前記第１の合算信号と第１の基準信号との相関計算を行って第１の相関信号を生成するステップと、
前記第２の合算信号と第２の基準信号との相関計算を行って第２の相関信号を生成するステップと、
前記第１のフィルタ済み信号および前記第２のフィルタ済み信号の振幅に基づいて、前記第１のフィルタ済み信号および前記第２のフィルタ済み信号中から第１の生理パラメータ信号を抽出するステップと、
前記第１の相関信号および前記第２の相関信号のエネルギーに基づいて、前記第１の相関信号および前記第２の相関信号中から第２の生理パラメータ信号を抽出するステップと、を含むことを特徴とする生理パラメータの測定方法。
【請求項２２】
前記第１の情報信号は前記第２の情報信号と９０度の位相差を有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の合算信号と前記第１の基準信号の相関計算が、前記第１の合算信号と前記第１の基準信号との乗積を積分することにより実現されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の合算信号と前記第２の基準信号の相関計算が、前記第２の合算信号と前記第２の基準信号との乗積を積分することにより実現されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の生理パラメータ信号の局所最大値に基づいて前記第１の生理パラメータを確定することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の生理パラメータ信号の局所最大値に基づいて前記第２の生理パラメータを確定することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の生理パラメータが呼吸周期であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２の生理パラメータが心拍周期であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項１】
制御手段と、探知信号生成経路と、送信アンテナと、受信アンテナと、探知信号送信経路と、反射信号受信経路と、位相シフト回路とを備えており、前記制御手段は遅延した同期パルス波を生成するものであり、前記探知信号生成経路は前記制御手段に接続されている同調パルス正弦波発生器を備えており、前記探知信号送信経路の出力端は前記送信アンテナに接続されており、前記反射信号受信経路は反射信号を処理するための第１および第２の二つのチャネルを備えており、各々のチャネルはいずれも信号混波器を備えており、混波器の第１の入力端は前記受信アンテナに接続されており、前記位相シフト回路の入力端は前記探知信号生成経路の出力端に接続されており、前記位相シフト回路の出力端は反射信号を処理するために前記第２のチャネルの信号混波器の第２の入力端に接続されている、心拍および呼吸周期を測定するためのパルス型超広帯域センサであって、
第１の電子スイッチと、
二つのフィルタと、二つの加算器と、二つの信号振幅計算部と、二つの信号エネルギー計算部と、二つの積分器と、二つの比較器と、二つの信号乗算部と、二つの基準信号生成部と、第２の電子スイッチと、第３の電子スイッチと、呼吸周期計算部と、心拍周期計算部とを備えた心拍および呼吸周期計算経路と、を更に備えており、
前記第１の電子スイッチの入力端は前記探知信号生成経路の出力端に接続されており、前記第１の電子スイッチの第１の出力端は前記探知信号送信経路の入力端に接続されており、前記第１の電子スイッチの第２の出力端は前記第１のチャネルの前記信号混波器の第２の入力端および前記位相シフト回路の入力端に接続されており、前記第１の電子スイッチの制御入力端は前記制御手段に接続されており、前記第１および第２のフィルタの入力端は、反射信号を処理を処理するために前記第１および第２のチャネルの出力端にそれぞれ接続されており、前記第１の加算器の第１の入力端は反射信号を処理するために前記第１のチャネルの出力端に接続されており、反射信号を処理をするために前記第１の加算器の第２の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されて、しかも第２の加算器の第１の入力端は前記第２のチャネルの出力端に接続されており、前記第２の加算器の第２の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されており、前記第１の信号乗算部の第１の入力端は前記第１の加算器の出力端に接続されており、前記第１の信号乗算部の第２の入力端は前記第１の基準信号生成部の出力端に接続されており、前記第２の信号乗算部の第１の入力端は前記第２の加算器の出力端に接続されており、前記第２の信号乗算部の第２の入力端は前記第２の基準信号生成部の出力端に接続されており、前記第１の積分器の入力端は前記第１の信号乗算部の出力端に接続されており、前記第１の積分器の出力端は前記第２の電子スイッチの第１の入力端および前記第１の信号エネルギー計算部の入力端に接続されており、前記第２の積分器の入力端は前記第２の信号乗算部の出力端に接続されており、前記第２の積分器の出力端は前記第２の電子スイッチの第２の入力端および前記第２の信号エネルギー計算部の入力端に接続されており、前記第１の信号エネルギー計算部の出力端は前記第１の比較器の第１の入力端に接続されており、前記第２の信号エネルギー計算部の出力端は前記第１の比較器の第２の入力端に接続されており、前記第１の比較器の出力端は前記第２の電子スイッチの制御入力端に接続されており、前記第１の信号振幅計算部の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されており、前記第１の信号振幅計算部の出力端は前記第２の比較器の第１の入力端に接続されており、前記第２の信号振幅計算部の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されており、前記第２の信号振幅計算部の出力端は前記第２の比較器の第２の入力端に接続されており、前記第２の比較器の出力端は前記第３の電子スイッチの制御入力端に接続されており、前記第３の電子スイッチの第１の入力端は前記第１のフィルタの出力端に接続されており、前記第３の電子スイッチの第２の入力端は前記第２のフィルタの出力端に接続されており、前記第３の電子スイッチの出力端は前記呼吸周期計算部の入力端に接続されており、前記第２の電子スイッチの出力端は前記心拍周期計算部の入力端に接続されていることを特徴とするパルス型超広帯域センサ。
【請求項２】
第１の入力端が心拍周期計算部の出力端に接続され、第２の入力端が呼吸周期計算部の出力端に接続されているデータ表示部を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項３】
前記第１の基準信号生成部の入力端が前記第１の加算器の出力端に接続されており、前記第２の基準信号生成部の入力端が前記第２の加算器の出力端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項４】
前記複数の基準信号生成部が一定波形の基準信号を生成するためのものであることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項５】
前記探知信号生成経路はバッファ増幅器と、バンドパスフィルタとを備えており、前記バッファ増幅器および前記バンドパスフィルタは前記同調パルス正弦波発生器に直列接続されており、そして前記バンドパスフィルタの出力端は前記第１の電子スイッチの入力端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項６】
各信号混波器の出力端が、直列接続されているバンドパスフィルタ、低周波増幅器、低周波フィルタを介して前記心拍および呼吸周期計算経路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項７】
前記反射信号受信経路が、前記受信アンテナに直列接続されているバンドパスフィルタと信号増幅器とを備えており、前記信号増幅器の出力端は反射信号を処理するための前記複数のチャネルに切換えられることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項８】
前記探知信号送信経路が、前記送信アンテナに直列接続されているバンドパスフィルタと信号増幅器とを備えており、前記信号増幅器の入力端は前記第１の電子スイッチの第１の出力端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項９】
前記制御手段が駆動生成器と、前記駆動生成器に平行して接続されている送信器同期経路および受信器同期経路と、ＯＲゲート回路とを備えており、前記送信器同期経路は第１のショートパルス生成手段を備えており、前記受信器同期経路は制御可能なディジタル遅延線と、第２のショートパルス生成手段とを備えており、前記第２のショートパルス生成手段の出力端は前記制御手段の第１の出力端となり、前記制御手段の第１の出力端は前記第１の電子スイッチの制御入力端に接続され、前記ＯＲゲート回路の入力端は前記送信器同期経路の出力端および前記受信器同期経路の出力端に接続され、前記ＯＲゲート回路の出力端は前記制御手段の第２の出力端となり、前記制御手段の第２の出力端は前記同調パルス正弦波発生器の入力端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１０】
処理回路を備えたパルス型超広帯域センサであって、前記処理回路が、
同相信号を受信するための第１のフィルタと、
直交信号を受信するための第２のフィルタと、
前記第１のフィルタの出力信号の振幅を計算するための第１の信号振幅計算手段と、
前記第２のフィルタの出力信号の振幅を計算するための第２の信号振幅計算手段と、
前記第１の信号振幅計算手段および前記第２の信号振幅計算手段の計算結果に基づいて、前記第１のフィルタまたは前記第２のフィルタの出力信号を出力するための第１の電子スイッチと、
前記第１のフィルタの出力信号と入力信号との減算演算を行うための第１の加算器と、
前記第２のフィルタの出力信号と入力信号との減算演算を行うための第２の加算器と、
前記第１の加算器の出力信号と第１の基準信号との相関積分を計算するための第１の信号積分手段と、
前記第２の加算器の出力信号と第２の基準信号との相関積分を計算するための第２の信号積分手段と、
前記第１の信号積分手段の入力信号のエネルギーを計算するための第１の信号エネルギー計算手段と、
前記第２の信号積分手段の入力信号のエネルギーを計算するための第２の信号エネルギー計算手段と、
前記第１の信号エネルギー計算手段および前記第２の信号エネルギー計算手段の計算結果に基づいて、前記第１の信号積分手段または前記第２の信号積分手段の出力信号を出力する第２の電子スイッチと、を備えたことを特徴とするパルス型超広帯域センサ。
【請求項１１】
前記第１の基準信号が一定波形であることを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１２】
前記第１の基準信号が前記第１の加算器の入力信号に基づいて生成されるものであることを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１３】
前記第２の基準信号が一定波形であることを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１４】
前記第２の基準信号が前記第２の加算器の入力信号に基づいて生成されるものであることを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１５】
前記第１の信号積分手段が、
前記第１の加算器の出力信号と前記第１の基準信号との乗積を計算するための第１の信号乗算部と、
前記第１の信号乗算部の出力信号の積分値を計算するための第１の積分器と、を備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１６】
前記第２の信号積分手段が、
前記第２の加算器の出力信号と前記第２の基準信号との乗積を計算するための第２の信号乗算部と、
前記第２の信号乗算部の出力信号の積分値を計算するための第２の積分器と、を備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１７】
前記処理回路が、前記第１の信号振幅計算手段と前記第２の信号振幅計算手段との計算結果を比較することにより、前記第１の電子スイッチを制御するための第１の比較器を更に備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１８】
前記処理回路が、前記第１の信号エネルギー計算手段と第２の信号エネルギー計算手段との計算結果を比較することにより、前記第２の電子スイッチを制御するための第２の比較器を更に備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項１９】
前記処理回路が、前記第１の基準信号を生成するための第１の基準信号生成部を更に備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項２０】
前記処理回路が、前記第２の基準信号を生成するための第２の基準信号生成部を更に備えたことを特徴とする請求項１０に記載のパルス型超広帯域センサ。
【請求項２１】
生理パラメータの測定方法であって、
第１の生理パラメータと第２の生理パラメータとを有する第１の情報信号および第２の情報信号をフィルタリングして、前記第１の生理パラメータのみを有する第１のフィルタ済み信号および第２のフィルタ済み信号を生成するステップと、
前記第１の情報信号に前記第１のフィルタ済み信号を加えて前記第２の生理パラメータのみを有する第１の合算信号を生成するステップと、
前記第２の情報信号に前記第２のフィルタ済み信号を加えて前記第２の生理パラメータのみを有する第２の合算信号を生成するステップと、
前記第１の合算信号と第１の基準信号との相関計算を行って第１の相関信号を生成するステップと、
前記第２の合算信号と第２の基準信号との相関計算を行って第２の相関信号を生成するステップと、
前記第１のフィルタ済み信号および前記第２のフィルタ済み信号の振幅に基づいて、前記第１のフィルタ済み信号および前記第２のフィルタ済み信号中から第１の生理パラメータ信号を抽出するステップと、
前記第１の相関信号および前記第２の相関信号のエネルギーに基づいて、前記第１の相関信号および前記第２の相関信号中から第２の生理パラメータ信号を抽出するステップと、を含むことを特徴とする生理パラメータの測定方法。
【請求項２２】
前記第１の情報信号は前記第２の情報信号と９０度の位相差を有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の合算信号と前記第１の基準信号の相関計算が、前記第１の合算信号と前記第１の基準信号との乗積を積分することにより実現されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の合算信号と前記第２の基準信号の相関計算が、前記第２の合算信号と前記第２の基準信号との乗積を積分することにより実現されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の生理パラメータ信号の局所最大値に基づいて前記第１の生理パラメータを確定することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の生理パラメータ信号の局所最大値に基づいて前記第２の生理パラメータを確定することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の生理パラメータが呼吸周期であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２の生理パラメータが心拍周期であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４−１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４−１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２００９−２１３８８１（Ｐ２００９−２１３８８１Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−３６３３２（Ｐ２００９−３６３３２）
【出願日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【出願人】（５０７０８４０７３）インダストリアル テクノロジー リサーチ インスティテュート (22)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３６３３２（Ｐ２００９−３６３３２）
【出願日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【出願人】（５０７０８４０７３）インダストリアル テクノロジー リサーチ インスティテュート (22)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ
【Ｆターム（参考）】
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