生体情報測定システム
【課題】被験体に照射したマイクロ波の被験体表面での反射波に基づく信号のレベルを適切に調整しつつ位相差を求めて、被験体の測定対象外の動きに伴うノイズの影響を避け、被験体に係る所望の情報を適切に把握可能とする生体情報測定システムを提供する。
【解決手段】マイクロ波送受信部１１によって得られたノイズ成分も含む反射波信号について、調整部１２で反射波信号のレベルを一定にする調整を実行し、クオドラチャ検出部１３で求められる同相成分信号と直交成分信号における振幅成分の変化を抑え、振幅成分変化が演算部１４における位相差の算出に与える影響を排除することから、測定対象の微動に適切に対応する位相差信号を効率よく求められ、この位相差信号を用いて、体表の微動としてあらわれる例えば心拍や呼吸等の状態を正しく測定でき、被験体の状態を正確に評価できる。
【解決手段】マイクロ波送受信部１１によって得られたノイズ成分も含む反射波信号について、調整部１２で反射波信号のレベルを一定にする調整を実行し、クオドラチャ検出部１３で求められる同相成分信号と直交成分信号における振幅成分の変化を抑え、振幅成分変化が演算部１４における位相差の算出に与える影響を排除することから、測定対象の微動に適切に対応する位相差信号を効率よく求められ、この位相差信号を用いて、体表の微動としてあらわれる例えば心拍や呼吸等の状態を正しく測定でき、被験体の状態を正確に評価できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験体にマイクロ波を照射して得られる反射波に基づいて、被験体の状態を解析可能な信号を得る生体情報測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を測定対象物に照射し、測定対象物で反射する電磁波のドップラーシフトを利用して測定対象物の振動状態や変位を求める手法は従来から広く知られているが、マイクロ波−ミリ波帯の電磁波は、誘電体等の媒質を透過する性質も有しており、これらを利用して、人体において振動として現れる心臓の拍動や呼吸の動態を人へのマイクロ波照射で検出しようとする試みが近年提案されている。マイクロ波を用いることで、人体に対し非接触で且つ衣服を着たままでの測定が可能となり、被測定者にかかる負担を最小限に抑えられる効果が得られる。
【０００３】
このマイクロ波を用いる測定システムは、単なる心拍数や呼吸数の測定といった人の日常生活における健康状態のモニタの役割にとどまらず、睡眠時無呼吸症候群や車両等運転時の居眠り検知などの人体における異常の発見、また、心拍測定に基づくストレス評価への応用も考えられる。この他、非接触で且つ遠隔位置から人の動きを計測できる特性により、侵入者監視等のセキュリティ対策への適用も期待できる。
【０００４】
こうしたマイクロ波を用いる測定システムの一例としては、特開２００２−５８６５９号公報や特開２００９−５５９９７号公報に開示されるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−５８６５９号公報
【特許文献２】特開２００９−５５９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のマイクロ波を用いた測定システムは前記各特許文献に示されるものとなっており、それぞれマイクロ波を用いて被験者の微小な動きを検出して心拍等の情報を得る仕組みである。詳しくは、照射波に対する反射波の位相変化（位相差）を検出することで、被験者の心拍等測定対象の振動に基づく体表の微動を検出しようとするものであり、こうした位相変化を効率よく検出するために、前記特許文献２に示されるようなクオドラチャ検出（Ｉ−Ｑ検出）が用いられる。クオドラチャ検出では、理論上、反射波の振幅成分と位相変化成分を分離できることで位相変化を効率よく算出することができるが、生体のように通常の特に拘束等されていない状態では、静止状態とはなりにくく、常に何らかの動きを伴うものが被験体となる場合、こうした測定対象外の動きがノイズとなって、反射波における振幅成分が大きく変化し、この振幅成分の大きな変化が位相変化の検出に影響を与えて、位相成分を生体の測定対象の動き（微動）に正しく対応したものとして算出できなくなり、得られた位相変化を心拍や呼吸等の測定対象の動きを示すものとして有効に使用できないという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、前記課題を解消するためになされたもので、被験体に照射したマイクロ波の被験体表面での反射波に基づく信号のレベルを適切に調整しつつ位相差を求めて、被験体の測定対象外の動きに伴うノイズの影響を避け、被験体に係る所望の情報を適切に把握可能とする生体情報測定システ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】
本発明に係る生体情報測定システムは、非静止状態の被験体に対しマイクロ波を照射すると共に、当該照射波の被験体表面での反射波を受信し、反射波信号及びクオドラチャ検出用の参照波信号を出力するマイクロ波送受信部と、当該マイクロ波送受信部から出力される反射波信号について、信号出力レベルを調整して所定出力レベルの反射波信号を得る調整部と、当該調整部で調整された反射波信号及び前記参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、反射波と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るクオドラチャ検出部と、当該クオドラチャ検出部から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号を算出する演算部とを備えるものである。
【０００９】
このように本発明によれば、マイクロ波送受信部によって得られた測定対象の動きの成分以外の被験体の動きに伴うノイズ成分も含む反射波信号について、調整部で被験体の測定対象外の動きの影響を受けて大きく変化している反射波信号のレベルを一定にする調整を実行してから、クオドラチャ検出部で同相成分信号と直交成分信号を求め、これら同相成分信号と直交成分信号における振幅成分の変化を抑え、振幅成分変化が演算部における位相差の算出に与える影響を排除することにより、マイクロ波送受信部で得られる反射波信号がノイズ成分を含んで、クオドラチャ検出処理で得られる各信号の振幅成分を大きく変化させ、そのままでは位相差の算出が正常に行えないような場合でも、ノイズの影響なく位相差を算出して測定対象の微動に適切に対応する位相差信号を効率よく求められ、この位相差信号を用いて、体表の微動としてあらわれる例えば心拍や呼吸等の状態を正しく測定でき、被験体の状態を正確に評価できる。
【００１０】
また、本発明に係る生体情報測定システムは必要に応じて、前記マイクロ波送受信部が、被験体にマイクロ波を照射する照射用アンテナと、当該照射用アンテナから照射されるマイクロ波を発生させる第一マイクロ波発振器と、前記マイクロ波と所定周波数差となる他のマイクロ波を発生させる第二マイクロ波発振器と、前記各マイクロ波発振器で発生した二つのマイクロ波から差周波数の前記参照波信号を得る参照波用ミキサ部と、反射波を受信する受信用アンテナと、当該受信用アンテナで受信した反射波と前記第二マイクロ発振器からのマイクロ波とから差周波数の前記反射波信号を得る反射波用ミキサ部とを有してなるものである。
【００１１】
このように本発明によれば、マイクロ波送受信部を、照射用のマイクロ波の発振器とは別に、これと所定周波数差の他の発振器を参照波信号発生用に用いるヘテロダイン方式の送受信機構とすることにより、二つのマイクロ波発振器を利用して反射波信号や参照波信号を中間周波数の信号とすることができ、各信号の周波数帯域を抑えて測定精度を向上させられると共に、信号レベル調整を行う場合の調整部分で直流成分の増幅を考慮せずに済み、システムの構成を簡略化できる。
【００１２】
また、本発明に係る生体情報測定システムは必要に応じて、前記クオドラチャ検出部から出力される前記同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を行うオフセット調整手段を備えるものである。
【００１３】
このように本発明によれば、クオドラチャ検出で得られた同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を行うことにより、マイクロ波送受信部で得られる反射波信号が生体の動きに伴うノイズを多く含んで直流成分を多く含み、直流成分が振幅成分より大きくなって計算に影響を与える状況でも、直流成分による影響を回避して計算等処理を正確に実行して、生体の測定対象となる動きに対応した位相差信号を取得でき、測定対象の動きを正しく評価できる。
【００１４】
また、本発明に係る生体情報測定システムは必要に応じて、前記演算部が、クオドラチャ検出部から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を行った上で、同相成分信号及び直交成分信号から前記位相差信号を取得するものである。
【００１５】
このように本発明によれば、クオドラチャ検出で得られた同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を演算部で行うことにより、マイクロ波送受信部で得られる反射波信号が生体の動きに伴うノイズを多く含んで直流成分を多く含み、直流成分が振幅成分より大きくなって計算に影響を与える状況でも、直流成分による影響を回避して計算等処理を正確に実行して、生体の測定対象となる動きに対応した位相差信号を取得でき、測定対象の動きを正しく評価できる。
【００１６】
また、本発明に係る生体情報測定システムは必要に応じて、少なくとも前記マイクロ波送受信部と、前記調整部と、前記クオドラチャ検出部とが二系統配設され、二つのマイクロ波送受信部における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した箇所でそれぞれ行われ、各系統ごとの前記同相成分信号及び直交成分信号からそれぞれ算出した二つの位相差信号を加算し、当該加算した信号をシステム全体の位相差信号とするものである。
【００１７】
このように本発明によれば、マイクロ波送受信部と調整部、並びにクオドラチャ検出部とが二系統配設され、被験体に対してマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した二箇所でそれぞれ行われ、各系統ごとに算出された二つの位相差信号を加算して全体の位相差信号とし、被験体の動きに伴って各位置で得られた反射波信号にそれぞれ逆位相で重畳するノイズ成分をキャンセルすることにより、各マイクロ波送受信部で得られる反射波信号が被験体の測定対象外の動きに伴うノイズを多く含んで、単独のシステムでの処理の場合にノイズの影響を受けて位相差信号を測定対象の動きに適切に対応させられない場合でも、二系統で位相差信号を求めて合成することで、信号へのノイズ重畳分を相殺し、確実にノイズ低減を図れ、位相差信号を確実に生体の測定対象となる動きに対応させられ、測定対象の動きとしてあらわれる被験体の状態を正しく評価できる。
【００１８】
また、本発明に係る生体情報測定システムは必要に応じて、少なくとも前記マイクロ波送受信部と、前記調整部と、前記クオドラチャ検出部とが二系統配設され、二つのマイクロ波送受信部における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、異なる二箇所でそれぞれ行われ、各系統ごとの前記同相成分信号及び直交成分信号からそれぞれ算出した二つの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数の信号を取得し、当該相互相関関数の信号をシステム全体の位相差信号とするものである。
【００１９】
このように本発明によれば、マイクロ波送受信部と調整部、並びにクオドラチャ検出部とが二系統配設され、被験体に対するマイクロ波照射及び反射波の受信を異なる二箇所で実行し、各系統ごとに算出された二つの位相差信号が測定対象の動きに対応した波形成分を共通して含むことを利用して、二つの位相差信号の相互相関をとり、得られた相互相関関数を新たな全体の位相差信号とすることから、二つの位相差信号の相関の高さを示す相互相関関数は、測定対象の動きに対応する波形成分に合致する時間関数となり、各マイクロ波送受信部で得られる反射波信号がノイズを含んで、単独のシステムでの処理の場合にノイズの影響を受けて位相差信号を測定対象の動きに適切に対応させられない場合でも、相互相関関数を測定対象の動きに対応する位相差信号として適切に使用でき、位相差信号からノイズの影響を排除して確実に生体の測定対象となる動きに対応させられ、測定対象の動きとしてあらわれる被験体の状態を正しく評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る生体情報測定システムのブロック構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る生体情報測定システムのリサジュー図形に基づくオフセット調整原理と信号出力レベル調整原理の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る生体情報測定システムの他のブロック構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る生体情報測定システムのブロック構成図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る生体情報測定システムのブロック構成図である。
【図６】本発明の生体情報測定システムの実施例１におけるクオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号及び直交成分信号のグラフ、及び位相差信号を示すグラフである。
【図７】本発明の生体情報測定システムの実施例１における同相成分信号及び直交成分信号に基づくリサジュー曲線のグラフである。
【図８】本発明の生体情報測定システムの実施例１におけるＡＧＣ有りの場合での位相差信号のWavelet変換結果説明図、及びWavelet変換に基づく心拍数変化と心電計に基づく心拍数変化のグラフである。
【図９】本発明の生体情報測定システムの実施例１におけるＡＧＣ無しの場合での位相差信号のWavelet変換結果説明図、及びWavelet変換に基づく心拍数変化と心電計に基づく心拍数変化のグラフである。
【図１０】本発明の生体情報測定システムの実施例２におけるシステム１の位相差信号を示すグラフ、及びシステム２の位相差信号を示すグラフである。
【図１１】本発明の生体情報測定システムの実施例２におけるシステム全体の位相差信号を示すグラフである。
【図１２】本発明の生体情報測定システムの実施例２におけるシステム１の同相成分信号及び直交成分信号に基づくリサジュー曲線のグラフ、及びシステム２の同相成分信号及び直交成分信号に基づくリサジュー曲線のグラフである。
【図１３】本発明の生体情報測定システムの実施例２におけるシステム１の位相差信号のパワースペクトル図、及びシステム２の位相差信号のパワースペクトル図である。
【図１４】本発明の生体情報測定システムの実施例２におけるシステム全体の位相差信号及び心電計で得た心拍信号の各パワースペクトル図である。
【図１５】本発明の生体情報測定システムの実施例３におけるシステム１のクオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号及び直交成分信号のグラフ、及び位相差信号を示すグラフである。
【図１６】本発明の生体情報測定システムの実施例３におけるシステム２のクオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号及び直交成分信号のグラフ、及び位相差信号を示すグラフである。
【図１７】本発明の生体情報測定システムの実施例３におけるシステム１の同相成分信号及び直交成分信号に基づくリサジュー曲線のグラフ、及びシステム２の同相成分信号及び直交成分信号に基づくリサジュー曲線のグラフである。
【図１８】本発明の生体情報測定システムの実施例３における各システムの位相差信号同士の相互相関関数を示すグラフ及びこれを時間軸方向に拡大したグラフである。
【図１９】本発明の生体情報測定システムの実施例３におけるシステム１の位相差信号及び心電計で得た心拍信号の各パワースペクトル図、並びに、システム２の位相差信号及び心電計で得た心拍信号の各パワースペクトル図である。
【図２０】本発明の生体情報測定システムの実施例３におけるシステム全体の位相差信号及び心電計で得た心拍信号の各パワースペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る生体情報測定システムを前記図１及び図２に基づいて説明する。本実施形態においては、心拍の振動を非接触且つ非拘束状態で測定して心拍を検出するための測定システムの例について説明する。
【００２２】
前記各図において本実施形態に係る生体情報測定システム１は、非静止状態の被験体５０に対しマイクロ波を照射すると共に、被験体５０表面での反射波を受信し、反射波信号及びクオドラチャ検出用の参照波信号を出力するマイクロ波送受信部１１と、このマイクロ波送受信部１１から出力される反射波信号について、信号出力レベルを調整する調整部１２と、調整部１２で調整された反射波信号及び前記参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、反射波と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るクオドラチャ検出部１３と、クオドラチャ検出部１３から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号を算出する演算部１４とを備える構成である。
【００２３】
前記マイクロ波送受信部１１は、被験体５０としての人体に対し、連続するマイクロ波を所定の測定時間にわたって照射する一方、この照射波の被験体５０表面での反射波を受信し、人体における測定対象の動き、例えば、心臓の拍動や呼吸等に基づく体表の微動に対応した位相差信号を求めるための反射波信号及び参照波信号をそれぞれ出力するものである。
【００２４】
詳細には、マイクロ波送受信部１１は、被験体５０にマイクロ波を照射する照射用アンテナ１１ａと、この照射用アンテナ１１ａから照射されるマイクロ波を発生させる第一マイクロ波発振器１１ｂと、反射波を受信する受信用アンテナ１１ｃと、第一マイクロ波発振器１１ｂで発生したマイクロ波を被験体への照射波と参照波成分に分離する方向性結合器１１ｄと、前記マイクロ波と所定周波数差となる他のマイクロ波を発生させる第二マイクロ波発振器１１ｅと、第二マイクロ波発振器１１ｅで発生した他のマイクロ波を反射波信号生成用成分と参照波信号生成用成分とに分離する方向性結合器１１ｆと、各方向性結合器１１ｄ、１１ｆで分離された二つの参照用のマイクロ波から差周波数（中間周波数）の参照波信号を得る参照波用ミキサ部１１ｇと、受信用アンテナ１１ｃで受信した反射波と方向性結合器１１ｆを経た他のマイクロ波とから差周波数（中間周波数）の反射波信号を得る反射波用ミキサ部１１ｈとを備える構成である。
【００２５】
このマイクロ波送受信部１１では、第一マイクロ波発振器１１ｂと第二マイクロ波発振器１１ｅの二つの発振器を用い、被験体５０表面での反射波と第二マイクロ波発振器１１ｅから出力されたマイクロ波とをミキサ部で周波数混合して中間周波数に変換された反射波信号を得、この反射波信号を、第一マイクロ波発振器１１ｂと第二マイクロ波発振器１１ｅの各マイクロ波出力をミキサ部で周波数混合して得られた中間周波数の参照波信号と共に出力するヘテロダイン方式を採用している。二つのマイクロ波発振器を用い、反射波信号と参照波信号をそれぞれ中間周波数としていることで、各信号線路中に挿入されて不要成分を減衰させる帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）等のフィルタのバンド幅を狭帯域化することができ、これにより各信号における高調波などの不要成分の影響を除去して測定精度を向上させられる。
【００２６】
また、マイクロ波送受信部１１がヘテロダイン方式で反射波信号と参照波信号をそれぞれ中間周波数に変換した形で出力することで、後段の調整部１２は直流成分の増幅を考慮する必要が無く、いわゆるＤＣアンプ構成としなくて済み、温度変化などのドリフトの影響もなくシステムの安定度を維持しやすい、時間的に安定な装置構成とすることができる。
【００２７】
前記調整部１２は、マイクロ波送受信部１１から出力される反射波信号の信号出力レベルを調整して所定出力範囲の反射波信号を得るものであり、詳細には、ゲイン可変アンプと検出制御部を備え、ゲイン可変アンプからの出力を検出制御部で検出、監視して、あらかじめ設定した一定の出力となるようにゲイン可変アンプのゲインを制御する、いわゆるＡＧＣ（自動利得調整）を実行する構成となっている。
【００２８】
この調整部１２で所定の出力レベルに調整された反射波信号は、参照波用ミキサ部１１ｇからの参照波信号と共にクオドラチャ検出器１３に入力され、クオドラチャ検出処理が行われることとなる。なお、調整部１２は、ゲイン可変アンプからの出力に基づく調整の他、演算部１４に入力される同相成分信号と直交成分信号の各振幅成分が適切な範囲となるように、演算部１４から調整部１２に制御指示を送信し、信号出力レベルの調整を行うようにすることもできる。
【００２９】
この調整部１２で反射波信号の出力レベルを一定に調整することで、後段のクオドラチャ検出部１３で得られる同相成分信号と直交成分信号における振幅成分が大きく変化することはなくなり、演算部での位相変化の算出が、振幅成分の変化の影響を受けず、適切な値を得られることとなる。
【００３０】
なお、この調整部１２で反射波信号の出力レベルを一定にする目標値の設定は、後段側の演算部１４等の機器の入力特性に応じて、例えば入力を飽和させないよう設定されるが、クオドラチャ検出部１３から出力され演算部１４で取扱われる同相成分信号と直交成分信号の各振幅成分の大きさを参照しつつ測定条件の変化に対応して動的に変化させるようにしてもよい。
【００３１】
また、参照波信号についても、クオドラチャ検出部１３での処理が容易となるように、調整部１２からの反射波信号の出力レベルに合せて出力レベルを調整するようにしてもよい。
【００３２】
前記クオドラチャ検出部１３は、調整部１２で調整された反射波信号と、マイクロ波送受信部１１から出力された参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、一般的なマイクロ波受信回路で得られる反射波信号と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るものである。
【００３３】
クオドラチャ検出器１３では、クオドラチャ検出処理として、参照波信号（Ａｃｏｓωｔ）と反射波信号（Ｂｃｏｓ（ωｔ＋Δφ））とを組合わせて復調することで、位相変化の同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）を得ることができ、これら二つの信号を得ることで、演算部１４では容易な演算処理で振幅成分Ｅrと位相差成分Δφを分離して位相差信号を取得できる。なお、振幅成分Ｅrは、参照波信号の振幅Ａと反射波信号の振幅Ｂの積である。
【００３４】
また、クオドラチャ検出部１３は、前記オフセット調整手段としての機能も備えており、反射波信号のクオドラチャ検出処理に際し、同相成分信号や直交成分信号と共に出力される直流成分を０とする調整を行える仕組みである。このオフセット調整は、検出回路上の差動増幅器やダブルバランスドミキサ（ＤＢＭ）等を用いて簡易に実行することができる。
【００３５】
前記演算部１４は、クオドラチャ検出部１３から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号（位相変化に直接比例する成分）を取得（算出）する構成である。詳細には、クオドラチャ検出器１３で得られた位相変化Δφの同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）を用いて、
Δφ＝ｔａｎ-1（ＥrｓｉｎΔφ／ＥrｃｏｓΔφ）
の関係から、Δφに直接比例する成分を算出でき、位相差信号を取得できる。
【００３６】
この演算部１４は、そのハードウェア構成として、ＣＰＵやメモリ、入出力インターフェース等を備えるコンピュータとなっており、メモリ等に格納されるプログラムにより、コンピュータを演算部１４として動作させる仕組みである。この演算部１４をなすコンピュータは、ＣＰＵやメモリ、ＲＯＭ等を一体的に形成されたマイクロコンピュータとしてもかまわない。
【００３７】
演算部１４では、前記同相成分信号及び直交成分信号についてその直流成分を０とするオフセット調整の処理も行うことができ、そのオフセット調整の具体的な手法としては、例として、同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）について、ｘ＝ＥrｃｏｓΔφ、ｙ＝ＥrｓｉｎΔφとして、ｘｙ平面上に各値の変化をプロットし、得られた曲線（リサジュー図形）を円の一部とみなしてその円中心を定義し、この円中心をｘｙ平面の原点に一致させる調整処理を行うことができる（図２（Ａ）参照）。調整後の同相成分信号及び直交成分信号を用いることで、位相差信号の算出がより適切に行えることとなる。
【００３８】
なお、調整部１２で、演算部１４に入力される同相成分信号と直交成分信号の各振幅成分の大きさに基づいて信号出力レベルの調整を行う場合においても、同様に演算部１４で同相成分信号と直交成分信号の値の変化をｘｙ平面上にプロットし、得られた曲線（リサジュー図形）が、ｘｙ平面の第１ないし第４の各象限のうちの複数の象限、望ましくは三つ以上の象限にまたがったものとなるような同相成分信号と直交成分信号の振幅成分を与える程度に、信号出力レベル調整を調整部で行うこともでき（図２（Ｂ）参照）、前記オフセット調整の場合と同様、調整後の同相成分信号及び直交成分信号を用いて位相差信号の算出がより適切に行えることとなる。
【００３９】
次に、本実施形態に係る生体情報測定システムの使用状態について説明する。前提として、被験体５０となる人（被験者）は照射用アンテナ１１ａと受信用アンテナ１１ｃの近くに位置しており、また、被験体５０は拘束されておらず動きが生じる状況（非静止状態）となっているものとする。
【００４０】
まず、被験体５０としての人体に対し、あらかじめ設定された測定時間（例えば、３０秒）の間、マイクロ波送受信部１１が、第一マイクロ波発振器１１ｂで発生させた連続のマイクロ波を照射用アンテナ１１ａから被験体５０に対し照射すると共に、被験体５０の体表面での反射波を受信用アンテナ１１ｃで受信する。
【００４１】
マイクロ波送受信部１１は、受信用アンテナ１１ｃで受信した反射波と、第二マイクロ波発振器１１ｅで発生し方向性結合器１１ｆを経た他のマイクロ波とから、反射波用ミキサ部１１ｈで中間周波数の反射波信号を得る。また、第一マイクロ波発振器１１ｂで発生し方向性結合器１１ｄを経た、照射波と同じマイクロ波と、第二マイクロ波発振器１１ｅで発生し方向性結合器１１ｆを経た他のマイクロ波とから、参照波用ミキサ部１１ｇで中間周波数の参照波信号を得る。得られた各信号のうち、反射波信号は調整部１２に入力され、参照波信号はクオドラチャ検出部１３に入力される。
【００４２】
マイクロ波送受信部１１から出力された反射波信号は、調整部１２でＡＧＣにより所定の出力レベルに調整された後、クオドラチャ検出部１３に入力される。クオドラチャ検出部１３は、クオドラチャ検出処理として、参照波信号（Ａｃｏｓωｔ）と反射波信号（Ｂｃｏｓ（ωｔ＋Δφ））とを混合して復調し、反射波の同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）を得る。これら同相成分信号と直交成分信号が演算部１４に入力され、演算部１４ではこれら同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号（位相変化に直接比例する成分）が算出される。
【００４３】
この演算部１４での位相差Δφの算出にあたり、あらかじめ調整部１２で反射波信号の出力レベルを一定に調整していることで、クオドラチャ検出部１３で得られる同相成分信号と直交成分信号における振幅成分が大きく変化することはなくなり、演算部１４での位相差の算出が、振幅成分の変化の影響を受けず、被験体５０における測定対象の動きに対応した適切な値を得られることとなる。
【００４４】
照射波と反射波との位相差信号は心拍に基づく体表の動きを現すものとなっており、位相差信号における各ピークを測定対象の心拍に対応するピークと見なすことができ、心拍間隔測定等の利用に供することが可能となる。そして、心拍間隔に対応する位相差信号のピーク間隔の変動を求めれば、例えばストレス評価を行なうこともできる。すなわち、心電計のＲ波とＲ波のピーク間隔から読取った心拍間隔の時間変化を周波数解析し、低周波成分のピーク値ＬＦと、高周波成分のピーク値ＨＦを用い、ストレス評価値としてのＬＦ／ＨＦの値を求める従来のストレス評価手法と同様に、位相差信号のピーク間隔を用いて心拍間隔変動に基づくストレス評価が行え、特に本実施形態のシステムの場合、直接被験者の身体に接触せずに測定を行えることで、被験者へ緊張等与えることなく心拍の間隔を確実に捉えられることとなり、ストレス評価を適切に行え、評価精度を向上させられる。
【００４５】
このように、本実施形態に係る生体情報測定システムは、マイクロ波送受信部１１によって得られた測定対象の振動成分以外の被験体の動きに伴うノイズ成分も含む反射波信号について、調整部１２で被験体の測定対象外の動きの影響を受けて大きく変化している反射波信号のレベルを一定にする調整を実行してから、クオドラチャ検出部１３で同相成分信号と直交成分信号を求め、これら同相成分信号と直交成分信号における振幅成分の変化を抑え、振幅成分変化が演算部１４における位相差の算出に与える影響を排除することから、マイクロ波送受信部１１で得られる反射波信号がノイズ成分を含んで、クオドラチャ検出処理で得られる各信号の振幅成分を大きく変化させ、そのままでは位相差の算出が正常に行えないような場合でも、ノイズの影響なく位相差を算出して測定対象の微動に適切に対応する位相差信号を効率よく求められ、この位相差信号を用いて、体表の微動としてあらわれる例えば心拍や呼吸等の状態を正しく測定でき、被験体の状態を正確に評価できる。
【００４６】
なお、前記実施形態に係る生体情報測定システムにおいては、マイクロ波送受信部を、マイクロ波発振器を二つ設けるヘテロダイン方式とする構成としているが、これに限らず、図３に示すように、マイクロ波発振器１５を一つのみ使用し、高周波発振器１６、パワーデバイダ１７、及びアップコンバータ１８を併用して照射波や参照波を発生させるヘテロダイン方式を用いる構成とすることもでき、二つのマイクロ波発振器を使用する際の安定度は両者の揺らぎが重畳されたものとなるのに対し、このアップコンバータ１８を用いた場合には、安定度は高周波発振器１６のみの揺らぎで決定することから、揺らぎ成分を極めて小さくでき、位相測定精度を向上させることができる。さらに、このヘテロダイン方式の他、同一のマイクロ波発振器出力に基づいた反射波と参照波を生じさせて、位相差検出に用いるホモダイン方式を採用することもでき、マイクロ波発振器が一つで済むと共に、発振器周波数の安定性の問題を回避できる。
【００４７】
また、前記実施形態に係る生体情報測定システムにおいては、測定対象を心拍とし、体表での反射波から心拍に基づく体表の微動に対応する位相差信号を取得して、心拍の間隔を位相差信号のピーク間隔の形で求められる構成としているが、これに限らず、心拍の他に呼吸のタイミングを測定対象とする構成とすることもでき、呼吸の間隔を位相差信号のピーク間隔として求められることで、例えば、呼吸からのストレス評価を行うことができる。すなわち、呼吸にはストレス時には浅く速くなり、リラックス時には深くゆっくりしたものとなる傾向が見られ、位相差信号には、呼吸に基づいて、ストレス時に振幅が小さく且つ周波数が高くなり、またリラックス時に振幅が大きく且つ周波数が低くなっている振動波形成分が含まれることから、測定した呼吸から適切なストレス評価が行える。また、心拍と呼吸の同時測定も可能であり、この場合、心拍・呼吸変化の両面からストレス評価を行うことができ、心拍と同様にストレスと密接に関係している呼吸を解析・比較し、心拍測定によるストレス評価と並行してストレス評価を行うことで、評価の精度と信頼性が向上する。また、これら心拍変動と呼吸変動のストレス評価に係る関連性も明らかにできる。
【００４８】
（本発明の第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を前記図４に基づいて説明する。本実施形態においても、心拍の振動を非接触且つ非拘束状態で測定して心拍を検出するための測定システムの例について説明する。
【００４９】
前記図４において本実施形態に係る測定評価システム２は、前記第１の実施形態同様のマイクロ波送受信部２１、２５、調整部２２、２６、及びクオドラチャ検出部２３、２７を二系統備え、各系統のクオドラチャ検出部２３、２７から出力された同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号をそれぞれの系統ごとに算出し、得られた二つの位相差信号を加算してシステム全体の位相差信号とする処理を実行する演算部２４とを備える構成である。
【００５０】
前記マイクロ波送受信部２１、２５は、それぞれ前記第１の実施形態同様のヘテロダイン方式の送受信構成で中間周波数の反射波信号と参照波信号を出力するものであり、詳細な説明を省略する。ただし、一方のマイクロ波送受信部２１のうち、少なくとも照射用アンテナ２１ａと受信用アンテナ２１ｃとが被験体の背面側に配設され、また、他方のマイクロ波送受信部２５のうち、少なくとも照射用アンテナ２５ａと受信用アンテナ２５ｃとが被験体の正面側に配設されて、二つのマイクロ波送受信部２１、２５における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した箇所でそれぞれ行われる仕組みである。これらマイクロ波送受信部２１、２５で取扱うマイクロ波の周波数は、マイクロ波送受信部ごとに異ならせており、一方の照射用アンテナ２１ａからの照射波の反射波のみが受信用アンテナ２１ｃで受信され、且つ他方の照射用アンテナ２５ａからの照射波の反射波のみが受信用アンテナ２５ｃで受信される。
【００５１】
前記調整部２２、２６は、それぞれ前記第１の実施形態同様、ＡＧＣとして反射波信号を一定の信号出力レベルに調整するものであり、調整部２２は一方のマイクロ波送受信部２１から出力される反射波信号の信号出力レベルを調整し、また、調整部２６は他方のマイクロ波送受信部２５から出力される反射波信号の信号出力レベルを調整する。
【００５２】
前記クオドラチャ検出部２３、２７は、それぞれ前記第１の実施形態同様、反射波信号と参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、反射波と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るものである。このうち、一方のクオドラチャ検出部２３は、調整部２２で調整された反射波信号と、マイクロ波送受信部２１から出力された参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、また、他方のクオドラチャ検出部２７は、調整部２６で調整された反射波信号と、マイクロ波送受信部２５から出力された参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行う。
【００５３】
前記演算部２４は、一方のクオドラチャ検出部２３から出力された同相成分信号及び直交成分信号から前記第１の実施形態同様に位相差信号を算出し、また、他方のクオドラチャ検出部２７から出力された同相成分信号及び直交成分信号から前記第１の実施形態同様に位相差信号を算出してから、得られた二つの各系統ごとの位相差信号を加算し、この加算した信号をシステム全体の位相差信号とするものである。
【００５４】
この演算部２４は、前記第１の実施形態同様、ハードウェアとしてのコンピュータをプログラムにより演算部２４として動作させる仕組みである。なお、演算部も、マイクロ波送受信部等と同様にそれぞれの系統ごとに異なる演算部が位相差信号を算出するように二つ配設すると共に、算出された各位相差信号を加算してシステム全体の位相差信号を求める別の演算部を新たに設けるようにしてもよい。
【００５５】
次に、本実施形態に係る生体情報測定システムの使用状態について説明する。前提として、被験体５０となる人（被験者）は一方の照射用アンテナ２１ａと受信用アンテナ２１ｃの群と、他方の照射用アンテナ２５ａと受信用アンテナ２５ｃの群との間に位置しており、また、被験体５０は拘束されておらず動きが生じる状況（非静止状態）にあり、さらに正面側のアンテナ２５ａ、２５ｃに少しずつ近付く向きへ移動しているものとする。
【００５６】
まず、被験体５０としての人体に対し、あらかじめ設定された測定時間（例えば、３０秒）の間、マイクロ波送受信部２１が、第一マイクロ波発振器２１ｂで発生させた連続のマイクロ波を被験体背面側の照射用アンテナ２１ａから被験体５０に対し照射すると共に、被験体５０の体表面での反射波を同じく被験体背面側の受信用アンテナ２１ｃで受信する。また、他方のマイクロ波送受信部２５が、第一マイクロ波発振器２５ｂで発生させた連続のマイクロ波を被験体正面側の照射用アンテナ２５ａから被験体５０に対し照射すると共に、被験体５０の体表面での反射波を同じく被験体正面側の受信用アンテナ２５ｃで受信する。
【００５７】
マイクロ波送受信部２１は、受信用アンテナ２１ｃで受信した被験体背面側における反射波と、第二マイクロ波発振器２１ｅで発生し方向性結合器２１ｆを経た他のマイクロ波とから、反射波用ミキサ部２１ｈで中間周波数の反射波信号を得る。また、第一マイクロ波発振器２１ｂで発生し方向性結合器２１ｄを経た、照射波と同じマイクロ波と、第二マイクロ波発振器２１ｅで発生し方向性結合器２１ｆを経た他のマイクロ波とから、参照波用ミキサ部２１ｇで中間周波数の参照波信号を得る。得られた各信号のうち、反射波信号は調整部２２に入力され、参照波信号はクオドラチャ検出部２３に入力される。
【００５８】
同様に、マイクロ波送受信部２５は、受信用アンテナ２５ｃで受信した被験体正面側における反射波と、第二マイクロ波発振器２５ｅで発生し方向性結合器２５ｆを経た他のマイクロ波とから、反射波用ミキサ部２５ｈで中間周波数の反射波信号を得る。また、第一マイクロ波発振器２５ｂで発生し方向性結合器２５ｄを経た、照射波と同じマイクロ波と、第二マイクロ波発振器２５ｅで発生し方向性結合器２５ｆを経た他のマイクロ波とから、参照波用ミキサ部２５ｇで中間周波数の参照波信号を得る。得られた各信号のうち、反射波信号は調整部２６に入力され、参照波信号はクオドラチャ検出部２７に入力される。
【００５９】
各マイクロ波送受信部２１、２５から出力された反射波信号は、それぞれ調整部２２、２６でＡＧＣにより所定の出力レベルに調整された後、クオドラチャ検出部２３、２７に入力される。クオドラチャ検出部２３は、クオドラチャ検出処理として、マイクロ波送受信部２１からの参照波信号と調整部２２からの反射波信号とを組合わせて復調し、被験体背面側における反射波の同相成分信号と直交成分信号を得る。これら同相成分信号と直交成分信号が演算部２４に入力され、演算部２４はこれら同相成分信号及び直交成分信号から、被験体背面側における照射波と反射波との位相差信号を算出する。
【００６０】
一方、クオドラチャ検出部２７は、クオドラチャ検出処理として、マイクロ波送受信部２５からの参照波信号と調整部２６からの反射波信号とを組合わせて復調し、被験体正面側における反射波の同相成分信号と直交成分信号を得る。これら同相成分信号と直交成分信号も演算部２４に入力され、演算部２４はこれら同相成分信号及び直交成分信号から、被験体正面側における照射波と反射波との位相差信号を算出する。
【００６１】
さらに、演算部２４は、それぞれ算出した被験体正面側における位相差信号と、被験体背面側における位相差信号との加算処理を行う。各系統ごとに算出された位相差信号には、被験体の動きに伴うノイズ成分が重畳しているが、被験体に対してマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した二箇所でそれぞれ行われることで、前記二つの反射波信号におけるノイズ成分は互いに逆位相をなす関係となっている。これら二つの反射波信号を加算することにより、信号にそれぞれ逆位相で重畳するノイズ成分をキャンセルでき、加算により得られた信号を新たにシステム全体の位相差信号とすれば、測定対象となる体表の微動に対応する位相差の成分が強調される一方、被験体の測定対象外の動きに伴うノイズを抑えた位相差信号が得られたこととなる。
【００６２】
このように、本実施形態に係る生体情報測定システムは、マイクロ波送受信部２１、２５と調整部２２、２６、並びにクオドラチャ検出部２３、２７とが二系統配設され、被験体に対してマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した二箇所でそれぞれ行われ、各系統ごとに算出された二つの位相差信号を加算して全体の位相差信号とし、被験体の動きに伴って各位置で得られた反射波信号にそれぞれ逆位相で重畳するノイズ成分をキャンセルすることから、各マイクロ波送受信部２１、２５で得られる反射波信号が被験体の測定対象外の動きに伴うノイズを多く含んで、単独のシステムでの処理の場合にノイズの影響を受けて位相差信号を測定対象の動きに適切に対応させられない場合でも、二系統で位相差信号を求めて合成することで、信号へのノイズ重畳分を相殺し、確実にノイズ低減を図れ、位相差信号を確実に生体の測定対象となる動きに対応させられ、測定対象の動きとしてあらわれる被験体の状態を正しく評価できる。
【００６３】
前記実施形態に係る生体情報測定システムの応用として、建物等の出入り口ないし部屋の動線上の離れた二箇所に、マイクロ波送受信部を向い合わせとなる配置で二系統配設し、人を挟んだ状態での各系統における人からの反射波信号に基づく各位相差信号を合成処理することにより、心拍変化を正しく評価し、緊張状態（例えば不審行動時）の人物検知に利用することができる。また、心拍数およびその変化の確定が不要な場合にも、人の存在による反射波の位相変化が、マイクロ波発振器の揺らぎや周辺環境の微動により生じる位相変化よりも大きいことを利用して、マイクロ波照射範囲における侵入者の存在を検知できるため、非接触で且つ遠隔位置から侵入者の監視を要求されるセキュリティ対策に適用することができる。
【００６４】
（本発明の第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態を前記図５に基づいて説明する。本実施形態においても、心拍の振動を非接触且つ非拘束状態で測定して心拍を検出するための測定システムの例について説明する。
【００６５】
前記図５において本実施形態に係る測定評価システム３は、前記第２の実施形態同様、マイクロ波送受信部３１、３５、調整部３２、３６、及びクオドラチャ検出部３３、３７を二系統備え、演算部３４が各系統のクオドラチャ検出部３３、３７から出力された同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号をそれぞれの系統ごとに算出する構成を備える一方、異なる点として、演算部３４が、各系統ごとの同相成分信号及び直交成分信号からそれぞれ算出した二つの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数の信号をシステム全体の位相差信号として得る構成を有するものである。
【００６６】
前記マイクロ波送受信部３１、３５は、それぞれ前記第１の実施形態同様のヘテロダイン方式の送受信構成で中間周波数の反射波信号と参照波信号を出力するものであり、詳細な説明を省略する。ただし、一方のマイクロ波送受信部３１のうち、少なくとも照射用アンテナ３１ａと受信用アンテナ３１ｃとが被験体に所定の第一の方向から面する所定の第一の箇所に配設され、また、他方のマイクロ波送受信部３５のうち、少なくとも照射用アンテナ３５ａと受信用アンテナ３５ｃとが前記第一の箇所とは異なる第二の箇所に配設されて被験体に所定の第二の方向から面し、二つのマイクロ波送受信部３１、３５における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、異なる二箇所で被験体に異なる方向から面してそれぞれ行われる仕組みである。これらマイクロ波送受信部３１、３５で取扱うマイクロ波の周波数は、マイクロ波送受信部ごとに異ならせており、一方の照射用アンテナ３１ａからの照射波の反射波のみが受信用アンテナ３１ｃで受信され、且つ他方の照射用アンテナ３５ａからの照射波の反射波のみが受信用アンテナ３５ｃで受信される。
【００６７】
前記調整部３２、３６は、それぞれ前記第１の実施形態同様、ＡＧＣとして反射波信号を一定の信号出力レベルに調整するものであり、調整部３２は一方のマイクロ波送受信部３１から出力される反射波信号の信号出力レベルを調整し、また、調整部３６は他方のマイクロ波送受信部３５から出力される反射波信号の信号出力レベルを調整する。
【００６８】
前記クオドラチャ検出部３３、３７は、それぞれ前記第１の実施形態同様、反射波信号と参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、反射波と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るものである。このうち、一方のクオドラチャ検出部３３は、調整部３２で調整された反射波信号と、マイクロ波送受信部３１から出力された参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、また、他方のクオドラチャ検出部３７は、調整部３６で調整された反射波信号と、マイクロ波送受信部３５から出力された参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行う。
【００６９】
前記演算部３４は、一方のクオドラチャ検出部３３から出力された同相成分信号及び直交成分信号から前記第１の実施形態同様に位相差信号を算出し、また、他方のクオドラチャ検出部３７から出力された同相成分信号及び直交成分信号から前記第１の実施形態同様に位相差信号を算出してから、得られた二つの各系統ごとの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数をシステム全体の位相差信号とするものである。
【００７０】
相互相関関数を求める仕組みを説明すると、各位相差信号は、測定対象の周期的微動に対応した波形成分を含むことから、各信号同士で相関の強い箇所が前記波形成分に存在し、相互相関関数には前記波形成分に近い周期変化が現れると予想される。一方、各位相信号に含まれるノイズ成分は時間的にランダムであるため、相関は得られない。よって、相互相関関数はノイズの影響を排除しつつ測定対象の周期的微動に対応した波形成分を有するものとなり、システム全体の新たな位相差信号として用いることができる。
【００７１】
ここで、算出された一方の位相差信号をＡ（ｔ）、他方の位相差信号をＢ（ｔ）とすれば、相互相関関数Ｃ（τ）は次式で定義される。
【００７２】
【数１】
ここで、右辺のＡ（ｔ）はある時間ｔにおける一方の位相差信号、Ｂ（ｔ＋τ）は時間ｔから所定時間τだけ経過した時における他方の位相差信号をそれぞれ表わす。
【００７３】
この演算部３４は、前記第１の実施形態同様、ハードウェアとしてのコンピュータをプログラムにより演算部３４として動作させる仕組みである。なお、演算部も、マイクロ波送受信部等と同様にそれぞれの系統ごとに異なる演算部が位相差信号を算出するように二つ配設すると共に、算出された各位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数の信号を得る別の演算部を新たに設けるようにしてもよい。
【００７４】
次に、本実施形態に係る生体情報測定システムの使用状態について説明する。前提として、被験体５０となる人（被験者）は一方の照射用アンテナ３１ａと受信用アンテナ３１ｃの群と、他方の照射用アンテナ３５ａと受信用アンテナ３５ｃの群との両方に面する位置にあって、また、被験体５０は拘束されておらず動きが生じる状況（非静止状態）にあるものとする。
【００７５】
まず、被験体５０としての人体に対し、あらかじめ設定された測定時間（例えば、３０秒）の間、一方のマイクロ波送受信部３１が、第一マイクロ波発振器３１ｂで発生させた連続のマイクロ波を照射用アンテナ３１ａから被験体５０に対し照射すると共に、被験体５０の体表面での反射波を受信用アンテナ３１ｃで受信する。また、他方のマイクロ波送受信部３５が、第一マイクロ波発振器３５ｂで発生させた連続のマイクロ波を照射用アンテナ３５ａから被験体５０に対し照射すると共に、被験体５０の体表面での反射波を受信用アンテナ３５ｃで受信する。
【００７６】
一方のマイクロ波送受信部３１は、受信用アンテナ３１ｃで受信した被験体表面からの反射波と、第二マイクロ波発振器３１ｅで発生し方向性結合器３１ｆを経た他のマイクロ波とから、反射波用ミキサ部３１ｈで中間周波数の反射波信号を得る。また、第一マイクロ波発振器３１ｂで発生し方向性結合器３１ｄを経た、照射波と同じマイクロ波と、第二マイクロ波発振器３１ｅで発生し方向性結合器３１ｆを経た他のマイクロ波とから、参照波用ミキサ部３１ｇで中間周波数の参照波信号を得る。得られた各信号のうち、反射波信号は調整部３２に入力され、参照波信号はクオドラチャ検出部３３に入力される。
【００７７】
同様に、他方のマイクロ波送受信部３５は、受信用アンテナ３５ｃで受信した被験体表面からの反射波と、第二マイクロ波発振器３５ｅで発生し方向性結合器３５ｆを経た他のマイクロ波とから、反射波用ミキサ部３５ｈで中間周波数の反射波信号を得る。また、第一マイクロ波発振器３５ｂで発生し方向性結合器３５ｄを経た、照射波と同じマイクロ波と、第二マイクロ波発振器３５ｅで発生し方向性結合器３５ｆを経た他のマイクロ波とから、参照波用ミキサ部３５ｇで中間周波数の参照波信号を得る。得られた各信号のうち、反射波信号は調整部３６に入力され、参照波信号はクオドラチャ検出部３７に入力される。
【００７８】
各マイクロ波送受信部３１、３５から出力された反射波信号は、それぞれ調整部３２、３６でＡＧＣにより所定の出力レベルに調整された後、クオドラチャ検出部３３、３７に入力される。クオドラチャ検出部３３は、クオドラチャ検出処理として、マイクロ波送受信部３１からの参照波信号と調整部３２からの反射波信号とを組合わせて復調し、被験体の第一の方向における反射波の同相成分信号と直交成分信号を得る。これら同相成分信号と直交成分信号が演算部３４に入力され、演算部３４はこれら同相成分信号及び直交成分信号から、被験体の第一の方向における照射波と反射波との位相差信号を算出する。
【００７９】
一方、クオドラチャ検出部３７は、クオドラチャ検出処理として、マイクロ波送受信部３５からの参照波信号と調整部３６からの反射波信号とを組合わせて復調し、被験体の第二の方向における反射波の同相成分信号と直交成分信号を得る。これら同相成分信号と直交成分信号も演算部３４に入力され、演算部３４はこれら同相成分信号及び直交成分信号から、被験体の第二の方向における照射波と反射波との位相差信号を算出する。
【００８０】
続いて、演算部３４は、それぞれ算出した被験体の第一の方向における位相差信号と、被験体の第二の方向における位相差信号との相互相関を求め、測定時間全体にわたる相互相関関数を得る。各系統ごとに算出された位相差信号には、被験体の動きに伴うノイズ成分が重畳しているが、測定対象の微動に対応した波形成分を共に含む位相差信号同士の相関をとり、相互相関関数を取得することにより、測定対象の微動に対応した信号波形成分は抽出されるが、位相差信号同士で相関のないノイズ成分はキャンセルできる。得られた相互相関関数を新たにシステム全体の位相差信号とすれば、測定対象となる体表の微動に対応する位相差の成分が明確化される一方、被験体の測定対象外の動きに伴うノイズを抑えた位相差信号が得られたこととなる。
【００８１】
こうして、各マイクロ波送受信部３１、３５で得られる反射波信号がそれぞれノイズを多く含んでいる場合でも、相互相関関数を取得して位相差信号とすることで、測定対象の微動、すなわち心拍に対応した位相差信号を確実に得られる。
【００８２】
このように、本実施形態に係る生体情報測定システムは、マイクロ波送受信部３１、３５と調整部３２、３６、並びにクオドラチャ検出部３３、３７とが二系統配設され、被験体に対するマイクロ波照射及び反射波の受信を異なる二箇所で実行し、各系統ごとに算出された二つの位相差信号が測定対象の動きに対応した波形成分を共通して含むことを利用して、二つの位相差信号の相互相関をとり、得られた相互相関関数の信号を新たな全体の位相差信号とすることから、二つの位相差信号の相関の高さを示す相互相関関数は、測定対象の動きに対応する波形成分に合致する時間的変化を生じることとなり、各マイクロ波送受信部３１、３５で得られる反射波信号がノイズを含んで、単独のシステムでの処理の場合にノイズの影響を受けて位相差信号を測定対象の動きに適切に対応させられない場合でも、相互相関関数の信号を、測定対象の動きに対応する位相差信号として適切に使用でき、位相差信号からノイズの影響を排除して確実に生体の測定対象となる動きに対応させられ、測定対象の動きとしてあらわれる被験体の状態を正しく評価できる。
【実施例】
【００８３】
本発明の生体情報測定システムで、被験者の心拍に基づく体表の微動を測定対象として複数の条件下でそれぞれ測定して得られた各位相差信号について、比較例としての心電計による心拍測定結果と比較して、本システムによる心拍の検出可能性を評価した。
（実施例１）
実施例１として、前記第１の実施形態に係る生体情報測定システムを用いて、自動車の座席に着座した非静止状態の被験者の背中上部にマイクロ波を照射し、心臓の動きに対応する背中側体表の微動を測定した。測定は、被験者の高速道路の運転時に調整部によるＡＧＣ有りと無しの両方の場合について行った。測定にあたって、マイクロ波送受信部の照射用アンテナ及び受信用アンテナは、ホーンアンテナ又は平面アンテナを用い、それぞれを座席後側に並べて配置した。
【００８４】
マイクロ波発振器で生成されるマイクロ波は、周波数が１０ＧＨｚ、照射強度が１５０μＷである。このマイクロ波が、方向性結合器を経て照射用アンテナから照射される。一方、生体の測定では、非静止状態における身体の動きに伴って、クオドラチャ検出処理後の各信号の振幅成分Ｅrの値が大きく変化し、位相差の検出が困難となる。調整部ではこうした振幅成分Ｅrの変化を制御するため、制御範囲の大きい（例えば、５６ｄＢ）ＡＧＣを使用する。
【００８５】
被験者の背中での反射波は、受信用アンテナで受信され、反射波信号がＡＧＣ有りの場合は調整部に入力され、一定出力レベルに調整された後、クオドラチャ検出部に入る。反射波信号がＡＧＣ無しの場合は、そのままクオドラチャ検出部に入力される。
【００８６】
クオドラチャ検出部で反射波の同相成分信号と直交成分信号を得、さらにこれを演算部で処理して、心拍に相当する体表面の微動に対応すると推測される位相差信号が出力される。なお、クオドラチャ検出部において、クオドラチャ検出処理で測定環境に応じて変化してあらわれる同相成分信号や直交成分信号の直流成分をあらかじめ０とするオフセット調整がなされ、測定環境そのものの影響は無視できる。
【００８７】
また、比較例として、マイクロ波による測定と同時に、心電計による心拍測定も行った。心電計の電極は一般的な心電図測定同様に被験者の身体複数箇所に直接当接させて測定を実施した。
【００８８】
実施例と比較例のいずれも、非静止環境として被験者及び測定システムが自動車内でエンジン振動や路面走行に伴う振動等を加えられる状況下で測定され、その測定時間は３０秒となっている。実施例における反射波信号に基づいてクオドラチャ検出部から出力される同相成分信号及び直交成分信号を図６（Ａ）に示す。また、演算部で算出した位相差信号波形を、図６（Ｂ）に示す。
【００８９】
また、ＡＧＣ有りの場合で、クオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）について、ｘ＝ＥrｃｏｓΔφ、ｙ＝ＥrｓｉｎΔφとしてｘｙ平面上に各値の変化をプロットし、得られたリサジュー曲線を図７に示す。図７から、図中の曲線を円の一部と見なしたときのその円中心はｘｙ平面の原点にほぼ一致する状態であることがわかり、調整部でのＡＧＣにより位相差が適切に演算部で算出できる状態が見て取れる。
【００９０】
ここで、調整部でのＡＧＣ有りと無しの各位相差信号について、心拍の検出可能性を評価するため、信号のWavelet変換を行う。このWavelet変換結果をＡＧＣ有りの場合を図８（Ａ）に、ＡＧＣ無しの場合を図９（Ａ）に示す。Wavelet変換の結果、位相差信号の時間・周波数スペクトルが表示されることとなる。図８（Ａ）の縦軸が周波数の値、横軸が時間で、濃淡が強さを示す。図８（Ａ）では、時間６０〜８６（ｓ）の間、周波数約１．１Ｈｚにピークが見られ、このピークが少しずつ変化していることがわかる。こうしてあらわれたピークの時間的変化、すなわち瞬時心拍数の時間的変化の波形を抽出し、この波形を心電計から得られた心拍数の時間的変化の波形と比較する。この心拍数の時間的変化の波形を、位相差信号のWavelet変換結果に基づくものと、比較例の心電計から得られたものを並記したグラフを、ＡＧＣ有りは図８（Ｂ）に、ＡＧＣ無しは図９（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００９１】
図９（Ｂ）に示すように、ＡＧＣ無しの場合では、Wavelet変換結果に基づく心拍数の時間変化と、心電計から得られた心拍数の時間変化とは、大きく異なっており、マイクロ波による測定で心拍を適切に捉えているとは言えないのに対し、図８（Ｂ）に示すＡＧＣ有りの場合では、Wavelet変換結果に基づく心拍数の時間変化と、心電計から得られた心拍数の時間変化とは、３％程度の誤差で良く一致しており、マイクロ波でも精度良く心拍測定ができていることがわかる。ＡＧＣ有りの場合は、ＡＧＣ無しの場合と比較して、測定確度の大きな改善が得られていることは明らかである。
【００９２】
（実施例２）
次に、実施例２として、前記第２の実施形態に係る生体情報測定システムを用いて、非静止状態の被験者の正面及び背面にマイクロ波を照射し、心臓の動きに対応する体表の微動を測定した。測定は、立って前後に動きのある状態の被験者に対し行った。
【００９３】
測定にあたって、マイクロ波送受信部、調整部、及びクオドラチャ検出部は二系統配置し、各系統のクオドラチャ検出部から出力された同相成分信号及び直交成分信号から、演算部で、照射波と反射波との位相差信号をそれぞれの系統ごとに算出し、得られた二つの位相差信号を加算してシステム全体の位相差信号とする処理を実行する。各マイクロ波送受信部の照射用アンテナ及び受信用アンテナは、ホーンアンテナを用い、一方のマイクロ波送受信部における照射用アンテナと受信用アンテナを被験体の背面側に配設し、また、他方のマイクロ波送受信部における照射用アンテナと受信用アンテナを被験体の正面側に配設して、被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した箇所で行えるようにした。なお、便宜上、被験体背面側に配設した照射用アンテナと受信用アンテナの系統をシステム１、被験体正面側に配設した照射用アンテナと受信用アンテナの系統をシステム２と呼称する。
【００９４】
また、これらマイクロ波送受信部で使用するマイクロ波の周波数は、被験体の正面側では９．７ＧＨｚ、背面側では１０ＧＨｚである。また、照射強度は、被験体の正面側では４１９μＷ、背面側では３６６μＷとしている。一方、各調整部におけるＡＧＣ特性や、クオドラチャ検出部における同相成分信号と直交成分信号の出力、演算部における各系統の位相差信号の算出は、いずれも同じ条件で実施例１と同様である。
【００９５】
演算部で各系統ごとに位相差信号を算出したら、さらに演算部は二つの位相差信号を加算することで、心拍に相当する体表面の微動に対応すると推測される、システム全体としての位相差信号が出力される。
【００９６】
一方、比較例として、マイクロ波による測定と同時に、心電計による心拍測定も行った。心電計の電極は一般的な心電図測定同様に被験者の身体複数箇所に直接当接させて測定を実施した。
【００９７】
実施例と比較例のいずれも、被験者が非静止状態にある中で測定され、その測定時間は３０秒となっている。本実施例における各マイクロ波送受信部で得た反射波信号に基づいて演算部で算出した位相差信号波形を、システム１のものを図１０（Ａ）に、システム２のものを図１０（Ｂ）にそれぞれ示す。また、演算部で二つの位相差信号を加算した位相差信号波形を、図１１に示す。ただし、前記各図の位相差信号波形は、ハイパスフィルタで位相差信号の不要な周波数成分（０．７Ｈｚ以下）を除去した後のものであり、直流分を含んだ低周波成分が無くなったことで時間波形の振幅が０を中心に分布している。
【００９８】
また、クオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）について、ｘ＝ＥrｃｏｓΔφ、ｙ＝ＥrｓｉｎΔφとしてｘｙ平面上に各値の変化をプロットし、得られたリサジュー曲線を、システム１の場合を図１２（Ａ）に、システム２の場合を図１２（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００９９】
そして、実施例の各系統ごとに得られた位相差信号と、これらを加算したシステム全体としての位相差信号について、心拍の検出可能性を評価するため、高速フーリエ変換による周波数解析を行い、各周波数帯域ごとのパワースペクトルを求めて、心電計の測定結果から同様に得られたパワースペクトルと比較した。被験体背面側（システム１）で得られた位相差信号、被験体正面側（システム２）で得られた位相差信号の各パワースペクトルを図１３（Ａ）、（Ｂ）に、加算されたシステム全体としての位相差信号のパワースペクトルを、比較例の心電計から得られたものと共に示した図を、図１４に示す。
【０１００】
図１３に示すように、各系統ごとに得られた位相差信号のパワースペクトルは、心電計での測定から得られたパワースペクトル（図１４参照）とは、いずれも大きく異なっているものの、図１４に示すように、加算により得られたシステム全体の位相差信号のパワースペクトルは、心電計からのものと良く一致しており、位相差信号の加算により心拍の検出が心電計による測定同様に精度良く行えることがわかる。
【０１０１】
（実施例３）
続いて、実施例３として、前記第３の実施形態に係る生体情報測定システムを用いて、自動車の座席に着座した非静止状態の被験者の背中に、異なる二箇所からマイクロ波を照射し、心臓の動きに対応する背中側体表の微動を測定した。測定は、自動車が停止してアイドリング状態にある場合の被験者に対し行った。
【０１０２】
測定にあたって、マイクロ波送受信部、調整部、及びクオドラチャ検出部は二系統配置し、各系統のクオドラチャ検出部から出力された同相成分信号及び直交成分信号から、演算部で、照射波と反射波との位相差信号をそれぞれの系統ごとに算出し、得られた二つの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数の信号をシステム全体の位相差信号とする処理を実行する。各マイクロ波送受信部の照射用アンテナ及び受信用アンテナは、ボウタイアンテナを用い、一方のマイクロ波送受信部における照射用アンテナと受信用アンテナを座席背面部のほぼ中間の高さ位置に並べて配設し、また、他方のマイクロ波送受信部における照射用アンテナと受信用アンテナを座席背面部の上部に並べて配設し、被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体に対し異なる二箇所で行えるようにした。なお、便宜上、座席背面部のほぼ中間の高さ位置に配設した照射用アンテナと受信用アンテナの系統をシステム１、座席背面部の上部に配設した照射用アンテナと受信用アンテナの系統をシステム２と呼称する。
【０１０３】
また、これらマイクロ波送受信部で使用するマイクロ波の周波数は、システム１では１０ＧＨｚ、システム２では９．７ＧＨｚである。また、照射強度は、システム１では３６６μＷ、システム２では４１９μＷとしている。一方、各調整部におけるＡＧＣ特性や、クオドラチャ検出部における同相成分信号と直交成分信号の出力、演算部における各系統の位相差信号の算出は、いずれも同じ条件で前記実施例１、２と同様である。
【０１０４】
演算部で各系統ごとに位相差信号を算出したら、さらに演算部は二つの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数を取得して、これを、心拍に相当する体表面の微動に対応すると推測される、システム全体の位相差信号として出力する。
【０１０５】
一方、比較例として、マイクロ波による測定と同時に、心電計による心拍測定も行った。心電計の電極は一般的な心電図測定同様に被験者の身体複数箇所に直接当接させて測定を実施した。
【０１０６】
実施例と比較例のいずれも、被験者が非静止状態にある中で測定され、その測定時間は３０秒となっている。本実施例におけるシステム１の反射波信号に基づいてクオドラチャ検出部から出力される同相成分信号及び直交成分信号を図１５（Ａ）に示す。また、演算部で算出したシステム１の位相差信号波形を、図１５（Ｂ）に示す。一方、システム２の反射波信号に基づいてクオドラチャ検出部から出力される同相成分信号及び直交成分信号を図１６（Ａ）に示す。そして、演算部で算出したシステム２の位相差信号波形を、図１６（Ｂ）に示す。
【０１０７】
また、クオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）について、ｘ＝ＥrｃｏｓΔφ、ｙ＝ＥrｓｉｎΔφとしてｘｙ平面上に各値の変化をプロットし、得られたリサジュー曲線を、システム１は図１７（Ａ）に、システム２は図１７（Ｂ）にそれぞれ示す。図１７（Ａ）、（Ｂ）から、図中の曲線の変化が小さい上、この曲線を円の一部と見なしたときのその円中心はｘｙ平面の原点にほぼ一致する状態であることがわかり、調整部でのＡＧＣにより位相差が適切に演算部で算出できる状態が見て取れる。
【０１０８】
さらに、演算部で、各系統ごとの位相差信号同士の相互相関を求め、システム全体の新たな位相差信号として取得した相互相関関数の波形を、横軸を時間、縦軸を相関の大きさ（振幅）としてプロットしたグラフを図１８（Ａ）に示し、さらにこれを時間軸方向に拡大表示したものを図１８（Ｂ）に示す。ただし、各位相差信号は、あらかじめハイパスフィルタで不要な周波数成分（０．８Ｈｚ以下）を除去した後、相互相関を求めている。
【０１０９】
そして、実施例の各系統ごとに得られた位相差信号について、心拍の検出可能性を評価するため、ハイパスフィルタで不要な周波数成分（０．８Ｈｚ以下）を除去した後、高速フーリエ変換による周波数解析を行い、各周波数帯域ごとのパワースペクトルを求めて、心電計の測定結果から同様に得られたパワースペクトルと比較した。同様に、位相差信号同士の相互相関を求めて得たシステム全体としての位相差信号について、心拍の検出可能性を評価するため、高速フーリエ変換による周波数解析を行い、各周波数帯域ごとのパワースペクトルを求めて、心電計の測定結果から同様に得られたパワースペクトルと比較した。システム１で得られた位相差信号、システム２で得られた位相差信号、及び相互相関による新たな位相差信号の各パワースペクトルを、それぞれ比較例の心電計から得られたものと共に示した各図を、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）、図２０にそれぞれ示す。
【０１１０】
図１９に示すように、各系統ごとに得られた位相差信号のパワースペクトルは、心電計での測定から得られたパワースペクトルと、それぞれ一致するピークを有しており、アイドリング時等の被験者の動きが小さい状況では、ＡＧＣによる効果で一系統の位相差信号でも心拍検出の可能性のあることがわかる。しかしながら、図２０に示すように、相互相関を求めて得られたシステム全体の位相差信号のパワースペクトルは、心電計からのものとさらに良く一致しており、位相差信号同士の相互相関を求めることにより心拍の検出が心電計による測定同様に精度良く行え、自動車の走行時などさらにノイズの増大する状況でも適切な心拍検出が期待できる。また、システム全体の位相差信号のスペクトル形状は心電計由来のものに近いシンプルなものとなっており、コンピュータによる自動ピーク検出等を行う際にも、誤りが生じにくく、より確実な検出、評価が行える。
【０１１１】
以上から、反射波信号のＡＧＣによる信号レベル調整や、二つの位相差信号の加算、位相差信号同士の相互相関計算といった処理を経て、最終的な位相差信号を算出することで、パワースペクトルも心電計由来のものに近い波形が得られ、心拍の検出可能性が示されており、非静止環境下での被験者と非接触状態における測定でも、得られた信号に対し上記各処理を適用することで、心電計による測定同様の精度で心拍を測定できることが確認できた。
【符号の説明】
【０１１２】
１、２、３ 生体情報測定システム
１１、２１、２５、３１、３５ マイクロ波送受信部
１１ａ、２１ａ、２５ａ、３１ａ、３５ａ 照射用アンテナ
１１ｂ、２１ｂ、２５ｂ、３１ｂ、３５ｂ 第一マイクロ波発振器
１１ｃ、２１ｃ、２５ｃ、３１ｃ、３５ｃ 受信用アンテナ
１１ｄ、２１ｄ、２５ｄ、３１ｄ、３５ｄ 方向性結合器
１１ｅ、２１ｅ、２５ｅ、３１ｅ、３５ｅ 第二マイクロ波発振器
１１ｆ、２１ｆ、２５ｆ、３１ｆ、３５ｆ 方向性結合器
１１ｇ、２１ｇ、２５ｇ、３１ｇ、３５ｇ 参照波用ミキサ部
１１ｈ、２１ｈ、２５ｈ、３１ｈ、３５ｈ 反射波用ミキサ部
１２、２２、２６、３２、３６ 調整部
１３、２３、２７、３３、３７ クオドラチャ検出部
１４、２４、３４ 演算部
１５ マイクロ波発振器
１６ 高周波発振器
１７ パワーデバイダ
１８ アップコンバータ
５０ 被験体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験体にマイクロ波を照射して得られる反射波に基づいて、被験体の状態を解析可能な信号を得る生体情報測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を測定対象物に照射し、測定対象物で反射する電磁波のドップラーシフトを利用して測定対象物の振動状態や変位を求める手法は従来から広く知られているが、マイクロ波−ミリ波帯の電磁波は、誘電体等の媒質を透過する性質も有しており、これらを利用して、人体において振動として現れる心臓の拍動や呼吸の動態を人へのマイクロ波照射で検出しようとする試みが近年提案されている。マイクロ波を用いることで、人体に対し非接触で且つ衣服を着たままでの測定が可能となり、被測定者にかかる負担を最小限に抑えられる効果が得られる。
【０００３】
このマイクロ波を用いる測定システムは、単なる心拍数や呼吸数の測定といった人の日常生活における健康状態のモニタの役割にとどまらず、睡眠時無呼吸症候群や車両等運転時の居眠り検知などの人体における異常の発見、また、心拍測定に基づくストレス評価への応用も考えられる。この他、非接触で且つ遠隔位置から人の動きを計測できる特性により、侵入者監視等のセキュリティ対策への適用も期待できる。
【０００４】
こうしたマイクロ波を用いる測定システムの一例としては、特開２００２−５８６５９号公報や特開２００９−５５９９７号公報に開示されるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−５８６５９号公報
【特許文献２】特開２００９−５５９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のマイクロ波を用いた測定システムは前記各特許文献に示されるものとなっており、それぞれマイクロ波を用いて被験者の微小な動きを検出して心拍等の情報を得る仕組みである。詳しくは、照射波に対する反射波の位相変化（位相差）を検出することで、被験者の心拍等測定対象の振動に基づく体表の微動を検出しようとするものであり、こうした位相変化を効率よく検出するために、前記特許文献２に示されるようなクオドラチャ検出（Ｉ−Ｑ検出）が用いられる。クオドラチャ検出では、理論上、反射波の振幅成分と位相変化成分を分離できることで位相変化を効率よく算出することができるが、生体のように通常の特に拘束等されていない状態では、静止状態とはなりにくく、常に何らかの動きを伴うものが被験体となる場合、こうした測定対象外の動きがノイズとなって、反射波における振幅成分が大きく変化し、この振幅成分の大きな変化が位相変化の検出に影響を与えて、位相成分を生体の測定対象の動き（微動）に正しく対応したものとして算出できなくなり、得られた位相変化を心拍や呼吸等の測定対象の動きを示すものとして有効に使用できないという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、前記課題を解消するためになされたもので、被験体に照射したマイクロ波の被験体表面での反射波に基づく信号のレベルを適切に調整しつつ位相差を求めて、被験体の測定対象外の動きに伴うノイズの影響を避け、被験体に係る所望の情報を適切に把握可能とする生体情報測定システ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】
本発明に係る生体情報測定システムは、非静止状態の被験体に対しマイクロ波を照射すると共に、当該照射波の被験体表面での反射波を受信し、反射波信号及びクオドラチャ検出用の参照波信号を出力するマイクロ波送受信部と、当該マイクロ波送受信部から出力される反射波信号について、信号出力レベルを調整して所定出力レベルの反射波信号を得る調整部と、当該調整部で調整された反射波信号及び前記参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、反射波と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るクオドラチャ検出部と、当該クオドラチャ検出部から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号を算出する演算部とを備えるものである。
【０００９】
このように本発明によれば、マイクロ波送受信部によって得られた測定対象の動きの成分以外の被験体の動きに伴うノイズ成分も含む反射波信号について、調整部で被験体の測定対象外の動きの影響を受けて大きく変化している反射波信号のレベルを一定にする調整を実行してから、クオドラチャ検出部で同相成分信号と直交成分信号を求め、これら同相成分信号と直交成分信号における振幅成分の変化を抑え、振幅成分変化が演算部における位相差の算出に与える影響を排除することにより、マイクロ波送受信部で得られる反射波信号がノイズ成分を含んで、クオドラチャ検出処理で得られる各信号の振幅成分を大きく変化させ、そのままでは位相差の算出が正常に行えないような場合でも、ノイズの影響なく位相差を算出して測定対象の微動に適切に対応する位相差信号を効率よく求められ、この位相差信号を用いて、体表の微動としてあらわれる例えば心拍や呼吸等の状態を正しく測定でき、被験体の状態を正確に評価できる。
【００１０】
また、本発明に係る生体情報測定システムは必要に応じて、前記マイクロ波送受信部が、被験体にマイクロ波を照射する照射用アンテナと、当該照射用アンテナから照射されるマイクロ波を発生させる第一マイクロ波発振器と、前記マイクロ波と所定周波数差となる他のマイクロ波を発生させる第二マイクロ波発振器と、前記各マイクロ波発振器で発生した二つのマイクロ波から差周波数の前記参照波信号を得る参照波用ミキサ部と、反射波を受信する受信用アンテナと、当該受信用アンテナで受信した反射波と前記第二マイクロ発振器からのマイクロ波とから差周波数の前記反射波信号を得る反射波用ミキサ部とを有してなるものである。
【００１１】
このように本発明によれば、マイクロ波送受信部を、照射用のマイクロ波の発振器とは別に、これと所定周波数差の他の発振器を参照波信号発生用に用いるヘテロダイン方式の送受信機構とすることにより、二つのマイクロ波発振器を利用して反射波信号や参照波信号を中間周波数の信号とすることができ、各信号の周波数帯域を抑えて測定精度を向上させられると共に、信号レベル調整を行う場合の調整部分で直流成分の増幅を考慮せずに済み、システムの構成を簡略化できる。
【００１２】
また、本発明に係る生体情報測定システムは必要に応じて、前記クオドラチャ検出部から出力される前記同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を行うオフセット調整手段を備えるものである。
【００１３】
このように本発明によれば、クオドラチャ検出で得られた同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を行うことにより、マイクロ波送受信部で得られる反射波信号が生体の動きに伴うノイズを多く含んで直流成分を多く含み、直流成分が振幅成分より大きくなって計算に影響を与える状況でも、直流成分による影響を回避して計算等処理を正確に実行して、生体の測定対象となる動きに対応した位相差信号を取得でき、測定対象の動きを正しく評価できる。
【００１４】
また、本発明に係る生体情報測定システムは必要に応じて、前記演算部が、クオドラチャ検出部から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を行った上で、同相成分信号及び直交成分信号から前記位相差信号を取得するものである。
【００１５】
このように本発明によれば、クオドラチャ検出で得られた同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を演算部で行うことにより、マイクロ波送受信部で得られる反射波信号が生体の動きに伴うノイズを多く含んで直流成分を多く含み、直流成分が振幅成分より大きくなって計算に影響を与える状況でも、直流成分による影響を回避して計算等処理を正確に実行して、生体の測定対象となる動きに対応した位相差信号を取得でき、測定対象の動きを正しく評価できる。
【００１６】
また、本発明に係る生体情報測定システムは必要に応じて、少なくとも前記マイクロ波送受信部と、前記調整部と、前記クオドラチャ検出部とが二系統配設され、二つのマイクロ波送受信部における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した箇所でそれぞれ行われ、各系統ごとの前記同相成分信号及び直交成分信号からそれぞれ算出した二つの位相差信号を加算し、当該加算した信号をシステム全体の位相差信号とするものである。
【００１７】
このように本発明によれば、マイクロ波送受信部と調整部、並びにクオドラチャ検出部とが二系統配設され、被験体に対してマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した二箇所でそれぞれ行われ、各系統ごとに算出された二つの位相差信号を加算して全体の位相差信号とし、被験体の動きに伴って各位置で得られた反射波信号にそれぞれ逆位相で重畳するノイズ成分をキャンセルすることにより、各マイクロ波送受信部で得られる反射波信号が被験体の測定対象外の動きに伴うノイズを多く含んで、単独のシステムでの処理の場合にノイズの影響を受けて位相差信号を測定対象の動きに適切に対応させられない場合でも、二系統で位相差信号を求めて合成することで、信号へのノイズ重畳分を相殺し、確実にノイズ低減を図れ、位相差信号を確実に生体の測定対象となる動きに対応させられ、測定対象の動きとしてあらわれる被験体の状態を正しく評価できる。
【００１８】
また、本発明に係る生体情報測定システムは必要に応じて、少なくとも前記マイクロ波送受信部と、前記調整部と、前記クオドラチャ検出部とが二系統配設され、二つのマイクロ波送受信部における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、異なる二箇所でそれぞれ行われ、各系統ごとの前記同相成分信号及び直交成分信号からそれぞれ算出した二つの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数の信号を取得し、当該相互相関関数の信号をシステム全体の位相差信号とするものである。
【００１９】
このように本発明によれば、マイクロ波送受信部と調整部、並びにクオドラチャ検出部とが二系統配設され、被験体に対するマイクロ波照射及び反射波の受信を異なる二箇所で実行し、各系統ごとに算出された二つの位相差信号が測定対象の動きに対応した波形成分を共通して含むことを利用して、二つの位相差信号の相互相関をとり、得られた相互相関関数を新たな全体の位相差信号とすることから、二つの位相差信号の相関の高さを示す相互相関関数は、測定対象の動きに対応する波形成分に合致する時間関数となり、各マイクロ波送受信部で得られる反射波信号がノイズを含んで、単独のシステムでの処理の場合にノイズの影響を受けて位相差信号を測定対象の動きに適切に対応させられない場合でも、相互相関関数を測定対象の動きに対応する位相差信号として適切に使用でき、位相差信号からノイズの影響を排除して確実に生体の測定対象となる動きに対応させられ、測定対象の動きとしてあらわれる被験体の状態を正しく評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る生体情報測定システムのブロック構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る生体情報測定システムのリサジュー図形に基づくオフセット調整原理と信号出力レベル調整原理の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る生体情報測定システムの他のブロック構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る生体情報測定システムのブロック構成図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る生体情報測定システムのブロック構成図である。
【図６】本発明の生体情報測定システムの実施例１におけるクオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号及び直交成分信号のグラフ、及び位相差信号を示すグラフである。
【図７】本発明の生体情報測定システムの実施例１における同相成分信号及び直交成分信号に基づくリサジュー曲線のグラフである。
【図８】本発明の生体情報測定システムの実施例１におけるＡＧＣ有りの場合での位相差信号のWavelet変換結果説明図、及びWavelet変換に基づく心拍数変化と心電計に基づく心拍数変化のグラフである。
【図９】本発明の生体情報測定システムの実施例１におけるＡＧＣ無しの場合での位相差信号のWavelet変換結果説明図、及びWavelet変換に基づく心拍数変化と心電計に基づく心拍数変化のグラフである。
【図１０】本発明の生体情報測定システムの実施例２におけるシステム１の位相差信号を示すグラフ、及びシステム２の位相差信号を示すグラフである。
【図１１】本発明の生体情報測定システムの実施例２におけるシステム全体の位相差信号を示すグラフである。
【図１２】本発明の生体情報測定システムの実施例２におけるシステム１の同相成分信号及び直交成分信号に基づくリサジュー曲線のグラフ、及びシステム２の同相成分信号及び直交成分信号に基づくリサジュー曲線のグラフである。
【図１３】本発明の生体情報測定システムの実施例２におけるシステム１の位相差信号のパワースペクトル図、及びシステム２の位相差信号のパワースペクトル図である。
【図１４】本発明の生体情報測定システムの実施例２におけるシステム全体の位相差信号及び心電計で得た心拍信号の各パワースペクトル図である。
【図１５】本発明の生体情報測定システムの実施例３におけるシステム１のクオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号及び直交成分信号のグラフ、及び位相差信号を示すグラフである。
【図１６】本発明の生体情報測定システムの実施例３におけるシステム２のクオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号及び直交成分信号のグラフ、及び位相差信号を示すグラフである。
【図１７】本発明の生体情報測定システムの実施例３におけるシステム１の同相成分信号及び直交成分信号に基づくリサジュー曲線のグラフ、及びシステム２の同相成分信号及び直交成分信号に基づくリサジュー曲線のグラフである。
【図１８】本発明の生体情報測定システムの実施例３における各システムの位相差信号同士の相互相関関数を示すグラフ及びこれを時間軸方向に拡大したグラフである。
【図１９】本発明の生体情報測定システムの実施例３におけるシステム１の位相差信号及び心電計で得た心拍信号の各パワースペクトル図、並びに、システム２の位相差信号及び心電計で得た心拍信号の各パワースペクトル図である。
【図２０】本発明の生体情報測定システムの実施例３におけるシステム全体の位相差信号及び心電計で得た心拍信号の各パワースペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る生体情報測定システムを前記図１及び図２に基づいて説明する。本実施形態においては、心拍の振動を非接触且つ非拘束状態で測定して心拍を検出するための測定システムの例について説明する。
【００２２】
前記各図において本実施形態に係る生体情報測定システム１は、非静止状態の被験体５０に対しマイクロ波を照射すると共に、被験体５０表面での反射波を受信し、反射波信号及びクオドラチャ検出用の参照波信号を出力するマイクロ波送受信部１１と、このマイクロ波送受信部１１から出力される反射波信号について、信号出力レベルを調整する調整部１２と、調整部１２で調整された反射波信号及び前記参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、反射波と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るクオドラチャ検出部１３と、クオドラチャ検出部１３から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号を算出する演算部１４とを備える構成である。
【００２３】
前記マイクロ波送受信部１１は、被験体５０としての人体に対し、連続するマイクロ波を所定の測定時間にわたって照射する一方、この照射波の被験体５０表面での反射波を受信し、人体における測定対象の動き、例えば、心臓の拍動や呼吸等に基づく体表の微動に対応した位相差信号を求めるための反射波信号及び参照波信号をそれぞれ出力するものである。
【００２４】
詳細には、マイクロ波送受信部１１は、被験体５０にマイクロ波を照射する照射用アンテナ１１ａと、この照射用アンテナ１１ａから照射されるマイクロ波を発生させる第一マイクロ波発振器１１ｂと、反射波を受信する受信用アンテナ１１ｃと、第一マイクロ波発振器１１ｂで発生したマイクロ波を被験体への照射波と参照波成分に分離する方向性結合器１１ｄと、前記マイクロ波と所定周波数差となる他のマイクロ波を発生させる第二マイクロ波発振器１１ｅと、第二マイクロ波発振器１１ｅで発生した他のマイクロ波を反射波信号生成用成分と参照波信号生成用成分とに分離する方向性結合器１１ｆと、各方向性結合器１１ｄ、１１ｆで分離された二つの参照用のマイクロ波から差周波数（中間周波数）の参照波信号を得る参照波用ミキサ部１１ｇと、受信用アンテナ１１ｃで受信した反射波と方向性結合器１１ｆを経た他のマイクロ波とから差周波数（中間周波数）の反射波信号を得る反射波用ミキサ部１１ｈとを備える構成である。
【００２５】
このマイクロ波送受信部１１では、第一マイクロ波発振器１１ｂと第二マイクロ波発振器１１ｅの二つの発振器を用い、被験体５０表面での反射波と第二マイクロ波発振器１１ｅから出力されたマイクロ波とをミキサ部で周波数混合して中間周波数に変換された反射波信号を得、この反射波信号を、第一マイクロ波発振器１１ｂと第二マイクロ波発振器１１ｅの各マイクロ波出力をミキサ部で周波数混合して得られた中間周波数の参照波信号と共に出力するヘテロダイン方式を採用している。二つのマイクロ波発振器を用い、反射波信号と参照波信号をそれぞれ中間周波数としていることで、各信号線路中に挿入されて不要成分を減衰させる帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）等のフィルタのバンド幅を狭帯域化することができ、これにより各信号における高調波などの不要成分の影響を除去して測定精度を向上させられる。
【００２６】
また、マイクロ波送受信部１１がヘテロダイン方式で反射波信号と参照波信号をそれぞれ中間周波数に変換した形で出力することで、後段の調整部１２は直流成分の増幅を考慮する必要が無く、いわゆるＤＣアンプ構成としなくて済み、温度変化などのドリフトの影響もなくシステムの安定度を維持しやすい、時間的に安定な装置構成とすることができる。
【００２７】
前記調整部１２は、マイクロ波送受信部１１から出力される反射波信号の信号出力レベルを調整して所定出力範囲の反射波信号を得るものであり、詳細には、ゲイン可変アンプと検出制御部を備え、ゲイン可変アンプからの出力を検出制御部で検出、監視して、あらかじめ設定した一定の出力となるようにゲイン可変アンプのゲインを制御する、いわゆるＡＧＣ（自動利得調整）を実行する構成となっている。
【００２８】
この調整部１２で所定の出力レベルに調整された反射波信号は、参照波用ミキサ部１１ｇからの参照波信号と共にクオドラチャ検出器１３に入力され、クオドラチャ検出処理が行われることとなる。なお、調整部１２は、ゲイン可変アンプからの出力に基づく調整の他、演算部１４に入力される同相成分信号と直交成分信号の各振幅成分が適切な範囲となるように、演算部１４から調整部１２に制御指示を送信し、信号出力レベルの調整を行うようにすることもできる。
【００２９】
この調整部１２で反射波信号の出力レベルを一定に調整することで、後段のクオドラチャ検出部１３で得られる同相成分信号と直交成分信号における振幅成分が大きく変化することはなくなり、演算部での位相変化の算出が、振幅成分の変化の影響を受けず、適切な値を得られることとなる。
【００３０】
なお、この調整部１２で反射波信号の出力レベルを一定にする目標値の設定は、後段側の演算部１４等の機器の入力特性に応じて、例えば入力を飽和させないよう設定されるが、クオドラチャ検出部１３から出力され演算部１４で取扱われる同相成分信号と直交成分信号の各振幅成分の大きさを参照しつつ測定条件の変化に対応して動的に変化させるようにしてもよい。
【００３１】
また、参照波信号についても、クオドラチャ検出部１３での処理が容易となるように、調整部１２からの反射波信号の出力レベルに合せて出力レベルを調整するようにしてもよい。
【００３２】
前記クオドラチャ検出部１３は、調整部１２で調整された反射波信号と、マイクロ波送受信部１１から出力された参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、一般的なマイクロ波受信回路で得られる反射波信号と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るものである。
【００３３】
クオドラチャ検出器１３では、クオドラチャ検出処理として、参照波信号（Ａｃｏｓωｔ）と反射波信号（Ｂｃｏｓ（ωｔ＋Δφ））とを組合わせて復調することで、位相変化の同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）を得ることができ、これら二つの信号を得ることで、演算部１４では容易な演算処理で振幅成分Ｅrと位相差成分Δφを分離して位相差信号を取得できる。なお、振幅成分Ｅrは、参照波信号の振幅Ａと反射波信号の振幅Ｂの積である。
【００３４】
また、クオドラチャ検出部１３は、前記オフセット調整手段としての機能も備えており、反射波信号のクオドラチャ検出処理に際し、同相成分信号や直交成分信号と共に出力される直流成分を０とする調整を行える仕組みである。このオフセット調整は、検出回路上の差動増幅器やダブルバランスドミキサ（ＤＢＭ）等を用いて簡易に実行することができる。
【００３５】
前記演算部１４は、クオドラチャ検出部１３から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号（位相変化に直接比例する成分）を取得（算出）する構成である。詳細には、クオドラチャ検出器１３で得られた位相変化Δφの同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）を用いて、
Δφ＝ｔａｎ-1（ＥrｓｉｎΔφ／ＥrｃｏｓΔφ）
の関係から、Δφに直接比例する成分を算出でき、位相差信号を取得できる。
【００３６】
この演算部１４は、そのハードウェア構成として、ＣＰＵやメモリ、入出力インターフェース等を備えるコンピュータとなっており、メモリ等に格納されるプログラムにより、コンピュータを演算部１４として動作させる仕組みである。この演算部１４をなすコンピュータは、ＣＰＵやメモリ、ＲＯＭ等を一体的に形成されたマイクロコンピュータとしてもかまわない。
【００３７】
演算部１４では、前記同相成分信号及び直交成分信号についてその直流成分を０とするオフセット調整の処理も行うことができ、そのオフセット調整の具体的な手法としては、例として、同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）について、ｘ＝ＥrｃｏｓΔφ、ｙ＝ＥrｓｉｎΔφとして、ｘｙ平面上に各値の変化をプロットし、得られた曲線（リサジュー図形）を円の一部とみなしてその円中心を定義し、この円中心をｘｙ平面の原点に一致させる調整処理を行うことができる（図２（Ａ）参照）。調整後の同相成分信号及び直交成分信号を用いることで、位相差信号の算出がより適切に行えることとなる。
【００３８】
なお、調整部１２で、演算部１４に入力される同相成分信号と直交成分信号の各振幅成分の大きさに基づいて信号出力レベルの調整を行う場合においても、同様に演算部１４で同相成分信号と直交成分信号の値の変化をｘｙ平面上にプロットし、得られた曲線（リサジュー図形）が、ｘｙ平面の第１ないし第４の各象限のうちの複数の象限、望ましくは三つ以上の象限にまたがったものとなるような同相成分信号と直交成分信号の振幅成分を与える程度に、信号出力レベル調整を調整部で行うこともでき（図２（Ｂ）参照）、前記オフセット調整の場合と同様、調整後の同相成分信号及び直交成分信号を用いて位相差信号の算出がより適切に行えることとなる。
【００３９】
次に、本実施形態に係る生体情報測定システムの使用状態について説明する。前提として、被験体５０となる人（被験者）は照射用アンテナ１１ａと受信用アンテナ１１ｃの近くに位置しており、また、被験体５０は拘束されておらず動きが生じる状況（非静止状態）となっているものとする。
【００４０】
まず、被験体５０としての人体に対し、あらかじめ設定された測定時間（例えば、３０秒）の間、マイクロ波送受信部１１が、第一マイクロ波発振器１１ｂで発生させた連続のマイクロ波を照射用アンテナ１１ａから被験体５０に対し照射すると共に、被験体５０の体表面での反射波を受信用アンテナ１１ｃで受信する。
【００４１】
マイクロ波送受信部１１は、受信用アンテナ１１ｃで受信した反射波と、第二マイクロ波発振器１１ｅで発生し方向性結合器１１ｆを経た他のマイクロ波とから、反射波用ミキサ部１１ｈで中間周波数の反射波信号を得る。また、第一マイクロ波発振器１１ｂで発生し方向性結合器１１ｄを経た、照射波と同じマイクロ波と、第二マイクロ波発振器１１ｅで発生し方向性結合器１１ｆを経た他のマイクロ波とから、参照波用ミキサ部１１ｇで中間周波数の参照波信号を得る。得られた各信号のうち、反射波信号は調整部１２に入力され、参照波信号はクオドラチャ検出部１３に入力される。
【００４２】
マイクロ波送受信部１１から出力された反射波信号は、調整部１２でＡＧＣにより所定の出力レベルに調整された後、クオドラチャ検出部１３に入力される。クオドラチャ検出部１３は、クオドラチャ検出処理として、参照波信号（Ａｃｏｓωｔ）と反射波信号（Ｂｃｏｓ（ωｔ＋Δφ））とを混合して復調し、反射波の同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）を得る。これら同相成分信号と直交成分信号が演算部１４に入力され、演算部１４ではこれら同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号（位相変化に直接比例する成分）が算出される。
【００４３】
この演算部１４での位相差Δφの算出にあたり、あらかじめ調整部１２で反射波信号の出力レベルを一定に調整していることで、クオドラチャ検出部１３で得られる同相成分信号と直交成分信号における振幅成分が大きく変化することはなくなり、演算部１４での位相差の算出が、振幅成分の変化の影響を受けず、被験体５０における測定対象の動きに対応した適切な値を得られることとなる。
【００４４】
照射波と反射波との位相差信号は心拍に基づく体表の動きを現すものとなっており、位相差信号における各ピークを測定対象の心拍に対応するピークと見なすことができ、心拍間隔測定等の利用に供することが可能となる。そして、心拍間隔に対応する位相差信号のピーク間隔の変動を求めれば、例えばストレス評価を行なうこともできる。すなわち、心電計のＲ波とＲ波のピーク間隔から読取った心拍間隔の時間変化を周波数解析し、低周波成分のピーク値ＬＦと、高周波成分のピーク値ＨＦを用い、ストレス評価値としてのＬＦ／ＨＦの値を求める従来のストレス評価手法と同様に、位相差信号のピーク間隔を用いて心拍間隔変動に基づくストレス評価が行え、特に本実施形態のシステムの場合、直接被験者の身体に接触せずに測定を行えることで、被験者へ緊張等与えることなく心拍の間隔を確実に捉えられることとなり、ストレス評価を適切に行え、評価精度を向上させられる。
【００４５】
このように、本実施形態に係る生体情報測定システムは、マイクロ波送受信部１１によって得られた測定対象の振動成分以外の被験体の動きに伴うノイズ成分も含む反射波信号について、調整部１２で被験体の測定対象外の動きの影響を受けて大きく変化している反射波信号のレベルを一定にする調整を実行してから、クオドラチャ検出部１３で同相成分信号と直交成分信号を求め、これら同相成分信号と直交成分信号における振幅成分の変化を抑え、振幅成分変化が演算部１４における位相差の算出に与える影響を排除することから、マイクロ波送受信部１１で得られる反射波信号がノイズ成分を含んで、クオドラチャ検出処理で得られる各信号の振幅成分を大きく変化させ、そのままでは位相差の算出が正常に行えないような場合でも、ノイズの影響なく位相差を算出して測定対象の微動に適切に対応する位相差信号を効率よく求められ、この位相差信号を用いて、体表の微動としてあらわれる例えば心拍や呼吸等の状態を正しく測定でき、被験体の状態を正確に評価できる。
【００４６】
なお、前記実施形態に係る生体情報測定システムにおいては、マイクロ波送受信部を、マイクロ波発振器を二つ設けるヘテロダイン方式とする構成としているが、これに限らず、図３に示すように、マイクロ波発振器１５を一つのみ使用し、高周波発振器１６、パワーデバイダ１７、及びアップコンバータ１８を併用して照射波や参照波を発生させるヘテロダイン方式を用いる構成とすることもでき、二つのマイクロ波発振器を使用する際の安定度は両者の揺らぎが重畳されたものとなるのに対し、このアップコンバータ１８を用いた場合には、安定度は高周波発振器１６のみの揺らぎで決定することから、揺らぎ成分を極めて小さくでき、位相測定精度を向上させることができる。さらに、このヘテロダイン方式の他、同一のマイクロ波発振器出力に基づいた反射波と参照波を生じさせて、位相差検出に用いるホモダイン方式を採用することもでき、マイクロ波発振器が一つで済むと共に、発振器周波数の安定性の問題を回避できる。
【００４７】
また、前記実施形態に係る生体情報測定システムにおいては、測定対象を心拍とし、体表での反射波から心拍に基づく体表の微動に対応する位相差信号を取得して、心拍の間隔を位相差信号のピーク間隔の形で求められる構成としているが、これに限らず、心拍の他に呼吸のタイミングを測定対象とする構成とすることもでき、呼吸の間隔を位相差信号のピーク間隔として求められることで、例えば、呼吸からのストレス評価を行うことができる。すなわち、呼吸にはストレス時には浅く速くなり、リラックス時には深くゆっくりしたものとなる傾向が見られ、位相差信号には、呼吸に基づいて、ストレス時に振幅が小さく且つ周波数が高くなり、またリラックス時に振幅が大きく且つ周波数が低くなっている振動波形成分が含まれることから、測定した呼吸から適切なストレス評価が行える。また、心拍と呼吸の同時測定も可能であり、この場合、心拍・呼吸変化の両面からストレス評価を行うことができ、心拍と同様にストレスと密接に関係している呼吸を解析・比較し、心拍測定によるストレス評価と並行してストレス評価を行うことで、評価の精度と信頼性が向上する。また、これら心拍変動と呼吸変動のストレス評価に係る関連性も明らかにできる。
【００４８】
（本発明の第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を前記図４に基づいて説明する。本実施形態においても、心拍の振動を非接触且つ非拘束状態で測定して心拍を検出するための測定システムの例について説明する。
【００４９】
前記図４において本実施形態に係る測定評価システム２は、前記第１の実施形態同様のマイクロ波送受信部２１、２５、調整部２２、２６、及びクオドラチャ検出部２３、２７を二系統備え、各系統のクオドラチャ検出部２３、２７から出力された同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号をそれぞれの系統ごとに算出し、得られた二つの位相差信号を加算してシステム全体の位相差信号とする処理を実行する演算部２４とを備える構成である。
【００５０】
前記マイクロ波送受信部２１、２５は、それぞれ前記第１の実施形態同様のヘテロダイン方式の送受信構成で中間周波数の反射波信号と参照波信号を出力するものであり、詳細な説明を省略する。ただし、一方のマイクロ波送受信部２１のうち、少なくとも照射用アンテナ２１ａと受信用アンテナ２１ｃとが被験体の背面側に配設され、また、他方のマイクロ波送受信部２５のうち、少なくとも照射用アンテナ２５ａと受信用アンテナ２５ｃとが被験体の正面側に配設されて、二つのマイクロ波送受信部２１、２５における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した箇所でそれぞれ行われる仕組みである。これらマイクロ波送受信部２１、２５で取扱うマイクロ波の周波数は、マイクロ波送受信部ごとに異ならせており、一方の照射用アンテナ２１ａからの照射波の反射波のみが受信用アンテナ２１ｃで受信され、且つ他方の照射用アンテナ２５ａからの照射波の反射波のみが受信用アンテナ２５ｃで受信される。
【００５１】
前記調整部２２、２６は、それぞれ前記第１の実施形態同様、ＡＧＣとして反射波信号を一定の信号出力レベルに調整するものであり、調整部２２は一方のマイクロ波送受信部２１から出力される反射波信号の信号出力レベルを調整し、また、調整部２６は他方のマイクロ波送受信部２５から出力される反射波信号の信号出力レベルを調整する。
【００５２】
前記クオドラチャ検出部２３、２７は、それぞれ前記第１の実施形態同様、反射波信号と参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、反射波と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るものである。このうち、一方のクオドラチャ検出部２３は、調整部２２で調整された反射波信号と、マイクロ波送受信部２１から出力された参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、また、他方のクオドラチャ検出部２７は、調整部２６で調整された反射波信号と、マイクロ波送受信部２５から出力された参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行う。
【００５３】
前記演算部２４は、一方のクオドラチャ検出部２３から出力された同相成分信号及び直交成分信号から前記第１の実施形態同様に位相差信号を算出し、また、他方のクオドラチャ検出部２７から出力された同相成分信号及び直交成分信号から前記第１の実施形態同様に位相差信号を算出してから、得られた二つの各系統ごとの位相差信号を加算し、この加算した信号をシステム全体の位相差信号とするものである。
【００５４】
この演算部２４は、前記第１の実施形態同様、ハードウェアとしてのコンピュータをプログラムにより演算部２４として動作させる仕組みである。なお、演算部も、マイクロ波送受信部等と同様にそれぞれの系統ごとに異なる演算部が位相差信号を算出するように二つ配設すると共に、算出された各位相差信号を加算してシステム全体の位相差信号を求める別の演算部を新たに設けるようにしてもよい。
【００５５】
次に、本実施形態に係る生体情報測定システムの使用状態について説明する。前提として、被験体５０となる人（被験者）は一方の照射用アンテナ２１ａと受信用アンテナ２１ｃの群と、他方の照射用アンテナ２５ａと受信用アンテナ２５ｃの群との間に位置しており、また、被験体５０は拘束されておらず動きが生じる状況（非静止状態）にあり、さらに正面側のアンテナ２５ａ、２５ｃに少しずつ近付く向きへ移動しているものとする。
【００５６】
まず、被験体５０としての人体に対し、あらかじめ設定された測定時間（例えば、３０秒）の間、マイクロ波送受信部２１が、第一マイクロ波発振器２１ｂで発生させた連続のマイクロ波を被験体背面側の照射用アンテナ２１ａから被験体５０に対し照射すると共に、被験体５０の体表面での反射波を同じく被験体背面側の受信用アンテナ２１ｃで受信する。また、他方のマイクロ波送受信部２５が、第一マイクロ波発振器２５ｂで発生させた連続のマイクロ波を被験体正面側の照射用アンテナ２５ａから被験体５０に対し照射すると共に、被験体５０の体表面での反射波を同じく被験体正面側の受信用アンテナ２５ｃで受信する。
【００５７】
マイクロ波送受信部２１は、受信用アンテナ２１ｃで受信した被験体背面側における反射波と、第二マイクロ波発振器２１ｅで発生し方向性結合器２１ｆを経た他のマイクロ波とから、反射波用ミキサ部２１ｈで中間周波数の反射波信号を得る。また、第一マイクロ波発振器２１ｂで発生し方向性結合器２１ｄを経た、照射波と同じマイクロ波と、第二マイクロ波発振器２１ｅで発生し方向性結合器２１ｆを経た他のマイクロ波とから、参照波用ミキサ部２１ｇで中間周波数の参照波信号を得る。得られた各信号のうち、反射波信号は調整部２２に入力され、参照波信号はクオドラチャ検出部２３に入力される。
【００５８】
同様に、マイクロ波送受信部２５は、受信用アンテナ２５ｃで受信した被験体正面側における反射波と、第二マイクロ波発振器２５ｅで発生し方向性結合器２５ｆを経た他のマイクロ波とから、反射波用ミキサ部２５ｈで中間周波数の反射波信号を得る。また、第一マイクロ波発振器２５ｂで発生し方向性結合器２５ｄを経た、照射波と同じマイクロ波と、第二マイクロ波発振器２５ｅで発生し方向性結合器２５ｆを経た他のマイクロ波とから、参照波用ミキサ部２５ｇで中間周波数の参照波信号を得る。得られた各信号のうち、反射波信号は調整部２６に入力され、参照波信号はクオドラチャ検出部２７に入力される。
【００５９】
各マイクロ波送受信部２１、２５から出力された反射波信号は、それぞれ調整部２２、２６でＡＧＣにより所定の出力レベルに調整された後、クオドラチャ検出部２３、２７に入力される。クオドラチャ検出部２３は、クオドラチャ検出処理として、マイクロ波送受信部２１からの参照波信号と調整部２２からの反射波信号とを組合わせて復調し、被験体背面側における反射波の同相成分信号と直交成分信号を得る。これら同相成分信号と直交成分信号が演算部２４に入力され、演算部２４はこれら同相成分信号及び直交成分信号から、被験体背面側における照射波と反射波との位相差信号を算出する。
【００６０】
一方、クオドラチャ検出部２７は、クオドラチャ検出処理として、マイクロ波送受信部２５からの参照波信号と調整部２６からの反射波信号とを組合わせて復調し、被験体正面側における反射波の同相成分信号と直交成分信号を得る。これら同相成分信号と直交成分信号も演算部２４に入力され、演算部２４はこれら同相成分信号及び直交成分信号から、被験体正面側における照射波と反射波との位相差信号を算出する。
【００６１】
さらに、演算部２４は、それぞれ算出した被験体正面側における位相差信号と、被験体背面側における位相差信号との加算処理を行う。各系統ごとに算出された位相差信号には、被験体の動きに伴うノイズ成分が重畳しているが、被験体に対してマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した二箇所でそれぞれ行われることで、前記二つの反射波信号におけるノイズ成分は互いに逆位相をなす関係となっている。これら二つの反射波信号を加算することにより、信号にそれぞれ逆位相で重畳するノイズ成分をキャンセルでき、加算により得られた信号を新たにシステム全体の位相差信号とすれば、測定対象となる体表の微動に対応する位相差の成分が強調される一方、被験体の測定対象外の動きに伴うノイズを抑えた位相差信号が得られたこととなる。
【００６２】
このように、本実施形態に係る生体情報測定システムは、マイクロ波送受信部２１、２５と調整部２２、２６、並びにクオドラチャ検出部２３、２７とが二系統配設され、被験体に対してマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した二箇所でそれぞれ行われ、各系統ごとに算出された二つの位相差信号を加算して全体の位相差信号とし、被験体の動きに伴って各位置で得られた反射波信号にそれぞれ逆位相で重畳するノイズ成分をキャンセルすることから、各マイクロ波送受信部２１、２５で得られる反射波信号が被験体の測定対象外の動きに伴うノイズを多く含んで、単独のシステムでの処理の場合にノイズの影響を受けて位相差信号を測定対象の動きに適切に対応させられない場合でも、二系統で位相差信号を求めて合成することで、信号へのノイズ重畳分を相殺し、確実にノイズ低減を図れ、位相差信号を確実に生体の測定対象となる動きに対応させられ、測定対象の動きとしてあらわれる被験体の状態を正しく評価できる。
【００６３】
前記実施形態に係る生体情報測定システムの応用として、建物等の出入り口ないし部屋の動線上の離れた二箇所に、マイクロ波送受信部を向い合わせとなる配置で二系統配設し、人を挟んだ状態での各系統における人からの反射波信号に基づく各位相差信号を合成処理することにより、心拍変化を正しく評価し、緊張状態（例えば不審行動時）の人物検知に利用することができる。また、心拍数およびその変化の確定が不要な場合にも、人の存在による反射波の位相変化が、マイクロ波発振器の揺らぎや周辺環境の微動により生じる位相変化よりも大きいことを利用して、マイクロ波照射範囲における侵入者の存在を検知できるため、非接触で且つ遠隔位置から侵入者の監視を要求されるセキュリティ対策に適用することができる。
【００６４】
（本発明の第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態を前記図５に基づいて説明する。本実施形態においても、心拍の振動を非接触且つ非拘束状態で測定して心拍を検出するための測定システムの例について説明する。
【００６５】
前記図５において本実施形態に係る測定評価システム３は、前記第２の実施形態同様、マイクロ波送受信部３１、３５、調整部３２、３６、及びクオドラチャ検出部３３、３７を二系統備え、演算部３４が各系統のクオドラチャ検出部３３、３７から出力された同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号をそれぞれの系統ごとに算出する構成を備える一方、異なる点として、演算部３４が、各系統ごとの同相成分信号及び直交成分信号からそれぞれ算出した二つの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数の信号をシステム全体の位相差信号として得る構成を有するものである。
【００６６】
前記マイクロ波送受信部３１、３５は、それぞれ前記第１の実施形態同様のヘテロダイン方式の送受信構成で中間周波数の反射波信号と参照波信号を出力するものであり、詳細な説明を省略する。ただし、一方のマイクロ波送受信部３１のうち、少なくとも照射用アンテナ３１ａと受信用アンテナ３１ｃとが被験体に所定の第一の方向から面する所定の第一の箇所に配設され、また、他方のマイクロ波送受信部３５のうち、少なくとも照射用アンテナ３５ａと受信用アンテナ３５ｃとが前記第一の箇所とは異なる第二の箇所に配設されて被験体に所定の第二の方向から面し、二つのマイクロ波送受信部３１、３５における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、異なる二箇所で被験体に異なる方向から面してそれぞれ行われる仕組みである。これらマイクロ波送受信部３１、３５で取扱うマイクロ波の周波数は、マイクロ波送受信部ごとに異ならせており、一方の照射用アンテナ３１ａからの照射波の反射波のみが受信用アンテナ３１ｃで受信され、且つ他方の照射用アンテナ３５ａからの照射波の反射波のみが受信用アンテナ３５ｃで受信される。
【００６７】
前記調整部３２、３６は、それぞれ前記第１の実施形態同様、ＡＧＣとして反射波信号を一定の信号出力レベルに調整するものであり、調整部３２は一方のマイクロ波送受信部３１から出力される反射波信号の信号出力レベルを調整し、また、調整部３６は他方のマイクロ波送受信部３５から出力される反射波信号の信号出力レベルを調整する。
【００６８】
前記クオドラチャ検出部３３、３７は、それぞれ前記第１の実施形態同様、反射波信号と参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、反射波と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るものである。このうち、一方のクオドラチャ検出部３３は、調整部３２で調整された反射波信号と、マイクロ波送受信部３１から出力された参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、また、他方のクオドラチャ検出部３７は、調整部３６で調整された反射波信号と、マイクロ波送受信部３５から出力された参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行う。
【００６９】
前記演算部３４は、一方のクオドラチャ検出部３３から出力された同相成分信号及び直交成分信号から前記第１の実施形態同様に位相差信号を算出し、また、他方のクオドラチャ検出部３７から出力された同相成分信号及び直交成分信号から前記第１の実施形態同様に位相差信号を算出してから、得られた二つの各系統ごとの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数をシステム全体の位相差信号とするものである。
【００７０】
相互相関関数を求める仕組みを説明すると、各位相差信号は、測定対象の周期的微動に対応した波形成分を含むことから、各信号同士で相関の強い箇所が前記波形成分に存在し、相互相関関数には前記波形成分に近い周期変化が現れると予想される。一方、各位相信号に含まれるノイズ成分は時間的にランダムであるため、相関は得られない。よって、相互相関関数はノイズの影響を排除しつつ測定対象の周期的微動に対応した波形成分を有するものとなり、システム全体の新たな位相差信号として用いることができる。
【００７１】
ここで、算出された一方の位相差信号をＡ（ｔ）、他方の位相差信号をＢ（ｔ）とすれば、相互相関関数Ｃ（τ）は次式で定義される。
【００７２】
【数１】
ここで、右辺のＡ（ｔ）はある時間ｔにおける一方の位相差信号、Ｂ（ｔ＋τ）は時間ｔから所定時間τだけ経過した時における他方の位相差信号をそれぞれ表わす。
【００７３】
この演算部３４は、前記第１の実施形態同様、ハードウェアとしてのコンピュータをプログラムにより演算部３４として動作させる仕組みである。なお、演算部も、マイクロ波送受信部等と同様にそれぞれの系統ごとに異なる演算部が位相差信号を算出するように二つ配設すると共に、算出された各位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数の信号を得る別の演算部を新たに設けるようにしてもよい。
【００７４】
次に、本実施形態に係る生体情報測定システムの使用状態について説明する。前提として、被験体５０となる人（被験者）は一方の照射用アンテナ３１ａと受信用アンテナ３１ｃの群と、他方の照射用アンテナ３５ａと受信用アンテナ３５ｃの群との両方に面する位置にあって、また、被験体５０は拘束されておらず動きが生じる状況（非静止状態）にあるものとする。
【００７５】
まず、被験体５０としての人体に対し、あらかじめ設定された測定時間（例えば、３０秒）の間、一方のマイクロ波送受信部３１が、第一マイクロ波発振器３１ｂで発生させた連続のマイクロ波を照射用アンテナ３１ａから被験体５０に対し照射すると共に、被験体５０の体表面での反射波を受信用アンテナ３１ｃで受信する。また、他方のマイクロ波送受信部３５が、第一マイクロ波発振器３５ｂで発生させた連続のマイクロ波を照射用アンテナ３５ａから被験体５０に対し照射すると共に、被験体５０の体表面での反射波を受信用アンテナ３５ｃで受信する。
【００７６】
一方のマイクロ波送受信部３１は、受信用アンテナ３１ｃで受信した被験体表面からの反射波と、第二マイクロ波発振器３１ｅで発生し方向性結合器３１ｆを経た他のマイクロ波とから、反射波用ミキサ部３１ｈで中間周波数の反射波信号を得る。また、第一マイクロ波発振器３１ｂで発生し方向性結合器３１ｄを経た、照射波と同じマイクロ波と、第二マイクロ波発振器３１ｅで発生し方向性結合器３１ｆを経た他のマイクロ波とから、参照波用ミキサ部３１ｇで中間周波数の参照波信号を得る。得られた各信号のうち、反射波信号は調整部３２に入力され、参照波信号はクオドラチャ検出部３３に入力される。
【００７７】
同様に、他方のマイクロ波送受信部３５は、受信用アンテナ３５ｃで受信した被験体表面からの反射波と、第二マイクロ波発振器３５ｅで発生し方向性結合器３５ｆを経た他のマイクロ波とから、反射波用ミキサ部３５ｈで中間周波数の反射波信号を得る。また、第一マイクロ波発振器３５ｂで発生し方向性結合器３５ｄを経た、照射波と同じマイクロ波と、第二マイクロ波発振器３５ｅで発生し方向性結合器３５ｆを経た他のマイクロ波とから、参照波用ミキサ部３５ｇで中間周波数の参照波信号を得る。得られた各信号のうち、反射波信号は調整部３６に入力され、参照波信号はクオドラチャ検出部３７に入力される。
【００７８】
各マイクロ波送受信部３１、３５から出力された反射波信号は、それぞれ調整部３２、３６でＡＧＣにより所定の出力レベルに調整された後、クオドラチャ検出部３３、３７に入力される。クオドラチャ検出部３３は、クオドラチャ検出処理として、マイクロ波送受信部３１からの参照波信号と調整部３２からの反射波信号とを組合わせて復調し、被験体の第一の方向における反射波の同相成分信号と直交成分信号を得る。これら同相成分信号と直交成分信号が演算部３４に入力され、演算部３４はこれら同相成分信号及び直交成分信号から、被験体の第一の方向における照射波と反射波との位相差信号を算出する。
【００７９】
一方、クオドラチャ検出部３７は、クオドラチャ検出処理として、マイクロ波送受信部３５からの参照波信号と調整部３６からの反射波信号とを組合わせて復調し、被験体の第二の方向における反射波の同相成分信号と直交成分信号を得る。これら同相成分信号と直交成分信号も演算部３４に入力され、演算部３４はこれら同相成分信号及び直交成分信号から、被験体の第二の方向における照射波と反射波との位相差信号を算出する。
【００８０】
続いて、演算部３４は、それぞれ算出した被験体の第一の方向における位相差信号と、被験体の第二の方向における位相差信号との相互相関を求め、測定時間全体にわたる相互相関関数を得る。各系統ごとに算出された位相差信号には、被験体の動きに伴うノイズ成分が重畳しているが、測定対象の微動に対応した波形成分を共に含む位相差信号同士の相関をとり、相互相関関数を取得することにより、測定対象の微動に対応した信号波形成分は抽出されるが、位相差信号同士で相関のないノイズ成分はキャンセルできる。得られた相互相関関数を新たにシステム全体の位相差信号とすれば、測定対象となる体表の微動に対応する位相差の成分が明確化される一方、被験体の測定対象外の動きに伴うノイズを抑えた位相差信号が得られたこととなる。
【００８１】
こうして、各マイクロ波送受信部３１、３５で得られる反射波信号がそれぞれノイズを多く含んでいる場合でも、相互相関関数を取得して位相差信号とすることで、測定対象の微動、すなわち心拍に対応した位相差信号を確実に得られる。
【００８２】
このように、本実施形態に係る生体情報測定システムは、マイクロ波送受信部３１、３５と調整部３２、３６、並びにクオドラチャ検出部３３、３７とが二系統配設され、被験体に対するマイクロ波照射及び反射波の受信を異なる二箇所で実行し、各系統ごとに算出された二つの位相差信号が測定対象の動きに対応した波形成分を共通して含むことを利用して、二つの位相差信号の相互相関をとり、得られた相互相関関数の信号を新たな全体の位相差信号とすることから、二つの位相差信号の相関の高さを示す相互相関関数は、測定対象の動きに対応する波形成分に合致する時間的変化を生じることとなり、各マイクロ波送受信部３１、３５で得られる反射波信号がノイズを含んで、単独のシステムでの処理の場合にノイズの影響を受けて位相差信号を測定対象の動きに適切に対応させられない場合でも、相互相関関数の信号を、測定対象の動きに対応する位相差信号として適切に使用でき、位相差信号からノイズの影響を排除して確実に生体の測定対象となる動きに対応させられ、測定対象の動きとしてあらわれる被験体の状態を正しく評価できる。
【実施例】
【００８３】
本発明の生体情報測定システムで、被験者の心拍に基づく体表の微動を測定対象として複数の条件下でそれぞれ測定して得られた各位相差信号について、比較例としての心電計による心拍測定結果と比較して、本システムによる心拍の検出可能性を評価した。
（実施例１）
実施例１として、前記第１の実施形態に係る生体情報測定システムを用いて、自動車の座席に着座した非静止状態の被験者の背中上部にマイクロ波を照射し、心臓の動きに対応する背中側体表の微動を測定した。測定は、被験者の高速道路の運転時に調整部によるＡＧＣ有りと無しの両方の場合について行った。測定にあたって、マイクロ波送受信部の照射用アンテナ及び受信用アンテナは、ホーンアンテナ又は平面アンテナを用い、それぞれを座席後側に並べて配置した。
【００８４】
マイクロ波発振器で生成されるマイクロ波は、周波数が１０ＧＨｚ、照射強度が１５０μＷである。このマイクロ波が、方向性結合器を経て照射用アンテナから照射される。一方、生体の測定では、非静止状態における身体の動きに伴って、クオドラチャ検出処理後の各信号の振幅成分Ｅrの値が大きく変化し、位相差の検出が困難となる。調整部ではこうした振幅成分Ｅrの変化を制御するため、制御範囲の大きい（例えば、５６ｄＢ）ＡＧＣを使用する。
【００８５】
被験者の背中での反射波は、受信用アンテナで受信され、反射波信号がＡＧＣ有りの場合は調整部に入力され、一定出力レベルに調整された後、クオドラチャ検出部に入る。反射波信号がＡＧＣ無しの場合は、そのままクオドラチャ検出部に入力される。
【００８６】
クオドラチャ検出部で反射波の同相成分信号と直交成分信号を得、さらにこれを演算部で処理して、心拍に相当する体表面の微動に対応すると推測される位相差信号が出力される。なお、クオドラチャ検出部において、クオドラチャ検出処理で測定環境に応じて変化してあらわれる同相成分信号や直交成分信号の直流成分をあらかじめ０とするオフセット調整がなされ、測定環境そのものの影響は無視できる。
【００８７】
また、比較例として、マイクロ波による測定と同時に、心電計による心拍測定も行った。心電計の電極は一般的な心電図測定同様に被験者の身体複数箇所に直接当接させて測定を実施した。
【００８８】
実施例と比較例のいずれも、非静止環境として被験者及び測定システムが自動車内でエンジン振動や路面走行に伴う振動等を加えられる状況下で測定され、その測定時間は３０秒となっている。実施例における反射波信号に基づいてクオドラチャ検出部から出力される同相成分信号及び直交成分信号を図６（Ａ）に示す。また、演算部で算出した位相差信号波形を、図６（Ｂ）に示す。
【００８９】
また、ＡＧＣ有りの場合で、クオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）について、ｘ＝ＥrｃｏｓΔφ、ｙ＝ＥrｓｉｎΔφとしてｘｙ平面上に各値の変化をプロットし、得られたリサジュー曲線を図７に示す。図７から、図中の曲線を円の一部と見なしたときのその円中心はｘｙ平面の原点にほぼ一致する状態であることがわかり、調整部でのＡＧＣにより位相差が適切に演算部で算出できる状態が見て取れる。
【００９０】
ここで、調整部でのＡＧＣ有りと無しの各位相差信号について、心拍の検出可能性を評価するため、信号のWavelet変換を行う。このWavelet変換結果をＡＧＣ有りの場合を図８（Ａ）に、ＡＧＣ無しの場合を図９（Ａ）に示す。Wavelet変換の結果、位相差信号の時間・周波数スペクトルが表示されることとなる。図８（Ａ）の縦軸が周波数の値、横軸が時間で、濃淡が強さを示す。図８（Ａ）では、時間６０〜８６（ｓ）の間、周波数約１．１Ｈｚにピークが見られ、このピークが少しずつ変化していることがわかる。こうしてあらわれたピークの時間的変化、すなわち瞬時心拍数の時間的変化の波形を抽出し、この波形を心電計から得られた心拍数の時間的変化の波形と比較する。この心拍数の時間的変化の波形を、位相差信号のWavelet変換結果に基づくものと、比較例の心電計から得られたものを並記したグラフを、ＡＧＣ有りは図８（Ｂ）に、ＡＧＣ無しは図９（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００９１】
図９（Ｂ）に示すように、ＡＧＣ無しの場合では、Wavelet変換結果に基づく心拍数の時間変化と、心電計から得られた心拍数の時間変化とは、大きく異なっており、マイクロ波による測定で心拍を適切に捉えているとは言えないのに対し、図８（Ｂ）に示すＡＧＣ有りの場合では、Wavelet変換結果に基づく心拍数の時間変化と、心電計から得られた心拍数の時間変化とは、３％程度の誤差で良く一致しており、マイクロ波でも精度良く心拍測定ができていることがわかる。ＡＧＣ有りの場合は、ＡＧＣ無しの場合と比較して、測定確度の大きな改善が得られていることは明らかである。
【００９２】
（実施例２）
次に、実施例２として、前記第２の実施形態に係る生体情報測定システムを用いて、非静止状態の被験者の正面及び背面にマイクロ波を照射し、心臓の動きに対応する体表の微動を測定した。測定は、立って前後に動きのある状態の被験者に対し行った。
【００９３】
測定にあたって、マイクロ波送受信部、調整部、及びクオドラチャ検出部は二系統配置し、各系統のクオドラチャ検出部から出力された同相成分信号及び直交成分信号から、演算部で、照射波と反射波との位相差信号をそれぞれの系統ごとに算出し、得られた二つの位相差信号を加算してシステム全体の位相差信号とする処理を実行する。各マイクロ波送受信部の照射用アンテナ及び受信用アンテナは、ホーンアンテナを用い、一方のマイクロ波送受信部における照射用アンテナと受信用アンテナを被験体の背面側に配設し、また、他方のマイクロ波送受信部における照射用アンテナと受信用アンテナを被験体の正面側に配設して、被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した箇所で行えるようにした。なお、便宜上、被験体背面側に配設した照射用アンテナと受信用アンテナの系統をシステム１、被験体正面側に配設した照射用アンテナと受信用アンテナの系統をシステム２と呼称する。
【００９４】
また、これらマイクロ波送受信部で使用するマイクロ波の周波数は、被験体の正面側では９．７ＧＨｚ、背面側では１０ＧＨｚである。また、照射強度は、被験体の正面側では４１９μＷ、背面側では３６６μＷとしている。一方、各調整部におけるＡＧＣ特性や、クオドラチャ検出部における同相成分信号と直交成分信号の出力、演算部における各系統の位相差信号の算出は、いずれも同じ条件で実施例１と同様である。
【００９５】
演算部で各系統ごとに位相差信号を算出したら、さらに演算部は二つの位相差信号を加算することで、心拍に相当する体表面の微動に対応すると推測される、システム全体としての位相差信号が出力される。
【００９６】
一方、比較例として、マイクロ波による測定と同時に、心電計による心拍測定も行った。心電計の電極は一般的な心電図測定同様に被験者の身体複数箇所に直接当接させて測定を実施した。
【００９７】
実施例と比較例のいずれも、被験者が非静止状態にある中で測定され、その測定時間は３０秒となっている。本実施例における各マイクロ波送受信部で得た反射波信号に基づいて演算部で算出した位相差信号波形を、システム１のものを図１０（Ａ）に、システム２のものを図１０（Ｂ）にそれぞれ示す。また、演算部で二つの位相差信号を加算した位相差信号波形を、図１１に示す。ただし、前記各図の位相差信号波形は、ハイパスフィルタで位相差信号の不要な周波数成分（０．７Ｈｚ以下）を除去した後のものであり、直流分を含んだ低周波成分が無くなったことで時間波形の振幅が０を中心に分布している。
【００９８】
また、クオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）について、ｘ＝ＥrｃｏｓΔφ、ｙ＝ＥrｓｉｎΔφとしてｘｙ平面上に各値の変化をプロットし、得られたリサジュー曲線を、システム１の場合を図１２（Ａ）に、システム２の場合を図１２（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００９９】
そして、実施例の各系統ごとに得られた位相差信号と、これらを加算したシステム全体としての位相差信号について、心拍の検出可能性を評価するため、高速フーリエ変換による周波数解析を行い、各周波数帯域ごとのパワースペクトルを求めて、心電計の測定結果から同様に得られたパワースペクトルと比較した。被験体背面側（システム１）で得られた位相差信号、被験体正面側（システム２）で得られた位相差信号の各パワースペクトルを図１３（Ａ）、（Ｂ）に、加算されたシステム全体としての位相差信号のパワースペクトルを、比較例の心電計から得られたものと共に示した図を、図１４に示す。
【０１００】
図１３に示すように、各系統ごとに得られた位相差信号のパワースペクトルは、心電計での測定から得られたパワースペクトル（図１４参照）とは、いずれも大きく異なっているものの、図１４に示すように、加算により得られたシステム全体の位相差信号のパワースペクトルは、心電計からのものと良く一致しており、位相差信号の加算により心拍の検出が心電計による測定同様に精度良く行えることがわかる。
【０１０１】
（実施例３）
続いて、実施例３として、前記第３の実施形態に係る生体情報測定システムを用いて、自動車の座席に着座した非静止状態の被験者の背中に、異なる二箇所からマイクロ波を照射し、心臓の動きに対応する背中側体表の微動を測定した。測定は、自動車が停止してアイドリング状態にある場合の被験者に対し行った。
【０１０２】
測定にあたって、マイクロ波送受信部、調整部、及びクオドラチャ検出部は二系統配置し、各系統のクオドラチャ検出部から出力された同相成分信号及び直交成分信号から、演算部で、照射波と反射波との位相差信号をそれぞれの系統ごとに算出し、得られた二つの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数の信号をシステム全体の位相差信号とする処理を実行する。各マイクロ波送受信部の照射用アンテナ及び受信用アンテナは、ボウタイアンテナを用い、一方のマイクロ波送受信部における照射用アンテナと受信用アンテナを座席背面部のほぼ中間の高さ位置に並べて配設し、また、他方のマイクロ波送受信部における照射用アンテナと受信用アンテナを座席背面部の上部に並べて配設し、被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体に対し異なる二箇所で行えるようにした。なお、便宜上、座席背面部のほぼ中間の高さ位置に配設した照射用アンテナと受信用アンテナの系統をシステム１、座席背面部の上部に配設した照射用アンテナと受信用アンテナの系統をシステム２と呼称する。
【０１０３】
また、これらマイクロ波送受信部で使用するマイクロ波の周波数は、システム１では１０ＧＨｚ、システム２では９．７ＧＨｚである。また、照射強度は、システム１では３６６μＷ、システム２では４１９μＷとしている。一方、各調整部におけるＡＧＣ特性や、クオドラチャ検出部における同相成分信号と直交成分信号の出力、演算部における各系統の位相差信号の算出は、いずれも同じ条件で前記実施例１、２と同様である。
【０１０４】
演算部で各系統ごとに位相差信号を算出したら、さらに演算部は二つの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数を取得して、これを、心拍に相当する体表面の微動に対応すると推測される、システム全体の位相差信号として出力する。
【０１０５】
一方、比較例として、マイクロ波による測定と同時に、心電計による心拍測定も行った。心電計の電極は一般的な心電図測定同様に被験者の身体複数箇所に直接当接させて測定を実施した。
【０１０６】
実施例と比較例のいずれも、被験者が非静止状態にある中で測定され、その測定時間は３０秒となっている。本実施例におけるシステム１の反射波信号に基づいてクオドラチャ検出部から出力される同相成分信号及び直交成分信号を図１５（Ａ）に示す。また、演算部で算出したシステム１の位相差信号波形を、図１５（Ｂ）に示す。一方、システム２の反射波信号に基づいてクオドラチャ検出部から出力される同相成分信号及び直交成分信号を図１６（Ａ）に示す。そして、演算部で算出したシステム２の位相差信号波形を、図１６（Ｂ）に示す。
【０１０７】
また、クオドラチャ検出処理で得られた同相成分信号（ＥrｃｏｓΔφ）と直交成分信号（ＥrｓｉｎΔφ）について、ｘ＝ＥrｃｏｓΔφ、ｙ＝ＥrｓｉｎΔφとしてｘｙ平面上に各値の変化をプロットし、得られたリサジュー曲線を、システム１は図１７（Ａ）に、システム２は図１７（Ｂ）にそれぞれ示す。図１７（Ａ）、（Ｂ）から、図中の曲線の変化が小さい上、この曲線を円の一部と見なしたときのその円中心はｘｙ平面の原点にほぼ一致する状態であることがわかり、調整部でのＡＧＣにより位相差が適切に演算部で算出できる状態が見て取れる。
【０１０８】
さらに、演算部で、各系統ごとの位相差信号同士の相互相関を求め、システム全体の新たな位相差信号として取得した相互相関関数の波形を、横軸を時間、縦軸を相関の大きさ（振幅）としてプロットしたグラフを図１８（Ａ）に示し、さらにこれを時間軸方向に拡大表示したものを図１８（Ｂ）に示す。ただし、各位相差信号は、あらかじめハイパスフィルタで不要な周波数成分（０．８Ｈｚ以下）を除去した後、相互相関を求めている。
【０１０９】
そして、実施例の各系統ごとに得られた位相差信号について、心拍の検出可能性を評価するため、ハイパスフィルタで不要な周波数成分（０．８Ｈｚ以下）を除去した後、高速フーリエ変換による周波数解析を行い、各周波数帯域ごとのパワースペクトルを求めて、心電計の測定結果から同様に得られたパワースペクトルと比較した。同様に、位相差信号同士の相互相関を求めて得たシステム全体としての位相差信号について、心拍の検出可能性を評価するため、高速フーリエ変換による周波数解析を行い、各周波数帯域ごとのパワースペクトルを求めて、心電計の測定結果から同様に得られたパワースペクトルと比較した。システム１で得られた位相差信号、システム２で得られた位相差信号、及び相互相関による新たな位相差信号の各パワースペクトルを、それぞれ比較例の心電計から得られたものと共に示した各図を、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）、図２０にそれぞれ示す。
【０１１０】
図１９に示すように、各系統ごとに得られた位相差信号のパワースペクトルは、心電計での測定から得られたパワースペクトルと、それぞれ一致するピークを有しており、アイドリング時等の被験者の動きが小さい状況では、ＡＧＣによる効果で一系統の位相差信号でも心拍検出の可能性のあることがわかる。しかしながら、図２０に示すように、相互相関を求めて得られたシステム全体の位相差信号のパワースペクトルは、心電計からのものとさらに良く一致しており、位相差信号同士の相互相関を求めることにより心拍の検出が心電計による測定同様に精度良く行え、自動車の走行時などさらにノイズの増大する状況でも適切な心拍検出が期待できる。また、システム全体の位相差信号のスペクトル形状は心電計由来のものに近いシンプルなものとなっており、コンピュータによる自動ピーク検出等を行う際にも、誤りが生じにくく、より確実な検出、評価が行える。
【０１１１】
以上から、反射波信号のＡＧＣによる信号レベル調整や、二つの位相差信号の加算、位相差信号同士の相互相関計算といった処理を経て、最終的な位相差信号を算出することで、パワースペクトルも心電計由来のものに近い波形が得られ、心拍の検出可能性が示されており、非静止環境下での被験者と非接触状態における測定でも、得られた信号に対し上記各処理を適用することで、心電計による測定同様の精度で心拍を測定できることが確認できた。
【符号の説明】
【０１１２】
１、２、３ 生体情報測定システム
１１、２１、２５、３１、３５ マイクロ波送受信部
１１ａ、２１ａ、２５ａ、３１ａ、３５ａ 照射用アンテナ
１１ｂ、２１ｂ、２５ｂ、３１ｂ、３５ｂ 第一マイクロ波発振器
１１ｃ、２１ｃ、２５ｃ、３１ｃ、３５ｃ 受信用アンテナ
１１ｄ、２１ｄ、２５ｄ、３１ｄ、３５ｄ 方向性結合器
１１ｅ、２１ｅ、２５ｅ、３１ｅ、３５ｅ 第二マイクロ波発振器
１１ｆ、２１ｆ、２５ｆ、３１ｆ、３５ｆ 方向性結合器
１１ｇ、２１ｇ、２５ｇ、３１ｇ、３５ｇ 参照波用ミキサ部
１１ｈ、２１ｈ、２５ｈ、３１ｈ、３５ｈ 反射波用ミキサ部
１２、２２、２６、３２、３６ 調整部
１３、２３、２７、３３、３７ クオドラチャ検出部
１４、２４、３４ 演算部
１５ マイクロ波発振器
１６ 高周波発振器
１７ パワーデバイダ
１８ アップコンバータ
５０ 被験体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非静止状態の被験体に対しマイクロ波を照射すると共に、当該照射波の被験体表面での反射波を受信し、反射波信号及びクオドラチャ検出用の参照波信号を出力するマイクロ波送受信部と、
当該マイクロ波送受信部から出力される反射波信号について、信号出力レベルを調整して所定出力レベルの反射波信号を得る調整部と、
当該調整部で調整された反射波信号及び前記参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、反射波と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るクオドラチャ検出部と、
当該クオドラチャ検出部から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号を算出する演算部とを備えることを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項２】
前記請求項１に記載の生体情報測定システムにおいて、
前記マイクロ波送受信部が、
被験体にマイクロ波を照射する照射用アンテナと、
当該照射用アンテナから照射されるマイクロ波を発生させる第一マイクロ波発振器と、
前記マイクロ波と所定周波数差となる他のマイクロ波を発生させる第二マイクロ波発振器と、
前記各マイクロ波発振器で発生した二つのマイクロ波から差周波数の前記参照波信号を得る参照波用ミキサ部と、
反射波を受信する受信用アンテナと、
当該受信用アンテナで受信した反射波と前記第二マイクロ発振器からのマイクロ波とから差周波数の前記反射波信号を得る反射波用ミキサ部とを有してなることを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項３】
前記請求項１又は２に記載の生体情報測定システムにおいて、
前記クオドラチャ検出部から出力される前記同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を行うオフセット調整手段を備えることを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項４】
前記請求項１又は２に記載の生体情報測定システムにおいて、
前記演算部が、クオドラチャ検出部から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を行った上で、同相成分信号及び直交成分信号から前記位相差信号を取得することを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項５】
前記請求項１ないし４のいずれかに記載の生体情報測定システムにおいて、
少なくとも前記マイクロ波送受信部と、前記調整部と、前記クオドラチャ検出部とが二系統配設され、
二つのマイクロ波送受信部における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した箇所でそれぞれ行われ、
各系統ごとの前記同相成分信号及び直交成分信号からそれぞれ算出した二つの位相差信号を加算し、当該加算した信号をシステム全体の位相差信号とすることを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項６】
前記請求項１ないし４のいずれかに記載の生体情報測定システムにおいて、
少なくとも前記マイクロ波送受信部と、前記調整部と、前記クオドラチャ検出部とが二系統配設され、
二つのマイクロ波送受信部における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、異なる二箇所でそれぞれ行われ、
各系統ごとの前記同相成分信号及び直交成分信号からそれぞれ算出した二つの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数の信号を取得し、当該相互相関関数の信号をシステム全体の位相差信号とすることを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項１】
非静止状態の被験体に対しマイクロ波を照射すると共に、当該照射波の被験体表面での反射波を受信し、反射波信号及びクオドラチャ検出用の参照波信号を出力するマイクロ波送受信部と、
当該マイクロ波送受信部から出力される反射波信号について、信号出力レベルを調整して所定出力レベルの反射波信号を得る調整部と、
当該調整部で調整された反射波信号及び前記参照波信号を用いてクオドラチャ検出処理を行い、反射波と同相成分の信号及び直交成分の信号を得るクオドラチャ検出部と、
当該クオドラチャ検出部から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号から、照射波と反射波との位相差信号を算出する演算部とを備えることを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項２】
前記請求項１に記載の生体情報測定システムにおいて、
前記マイクロ波送受信部が、
被験体にマイクロ波を照射する照射用アンテナと、
当該照射用アンテナから照射されるマイクロ波を発生させる第一マイクロ波発振器と、
前記マイクロ波と所定周波数差となる他のマイクロ波を発生させる第二マイクロ波発振器と、
前記各マイクロ波発振器で発生した二つのマイクロ波から差周波数の前記参照波信号を得る参照波用ミキサ部と、
反射波を受信する受信用アンテナと、
当該受信用アンテナで受信した反射波と前記第二マイクロ発振器からのマイクロ波とから差周波数の前記反射波信号を得る反射波用ミキサ部とを有してなることを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項３】
前記請求項１又は２に記載の生体情報測定システムにおいて、
前記クオドラチャ検出部から出力される前記同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を行うオフセット調整手段を備えることを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項４】
前記請求項１又は２に記載の生体情報測定システムにおいて、
前記演算部が、クオドラチャ検出部から出力された前記同相成分信号及び直交成分信号における直流成分を０とする調整を行った上で、同相成分信号及び直交成分信号から前記位相差信号を取得することを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項５】
前記請求項１ないし４のいずれかに記載の生体情報測定システムにおいて、
少なくとも前記マイクロ波送受信部と、前記調整部と、前記クオドラチャ検出部とが二系統配設され、
二つのマイクロ波送受信部における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、被験体を挟んで対向した箇所でそれぞれ行われ、
各系統ごとの前記同相成分信号及び直交成分信号からそれぞれ算出した二つの位相差信号を加算し、当該加算した信号をシステム全体の位相差信号とすることを
特徴とする生体情報測定システム。
【請求項６】
前記請求項１ないし４のいずれかに記載の生体情報測定システムにおいて、
少なくとも前記マイクロ波送受信部と、前記調整部と、前記クオドラチャ検出部とが二系統配設され、
二つのマイクロ波送受信部における被験体へのマイクロ波照射及び反射波の受信が、異なる二箇所でそれぞれ行われ、
各系統ごとの前記同相成分信号及び直交成分信号からそれぞれ算出した二つの位相差信号同士の相互相関を求め、相互相関関数の信号を取得し、当該相互相関関数の信号をシステム全体の位相差信号とすることを
特徴とする生体情報測定システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−５０６０４（Ｐ２０１１−５０６０４Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０２９８１（Ｐ２００９−２０２９８１）
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年３月４日 社団法人電子情報通信学会発行の「ＥｉＣ 電子情報通信学会 ２００９年総合大会講演論文集」（ＤＶＤ−ＲＯＭ）に発表
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、イノベーション推進事業「大学発事業創出実用化研究開発事業（マイクロ波生体検知システムの開発と応用）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８００００００３５）株式会社産学連携機構九州 (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年３月４日 社団法人電子情報通信学会発行の「ＥｉＣ 電子情報通信学会 ２００９年総合大会講演論文集」（ＤＶＤ−ＲＯＭ）に発表
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、イノベーション推進事業「大学発事業創出実用化研究開発事業（マイクロ波生体検知システムの開発と応用）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（８００００００３５）株式会社産学連携機構九州 (34)
【Ｆターム（参考）】
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