JP2018187129A - 計測装置、計測方法、および計測プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】生体の心拍数を従来よりも正確に計測することができる計測装置を提供する。【解決手段】計測装置１００は、生体Ｐにマイクロ波を照射し、当該マイクロ波の反射波を受信するとともに、当該マイクロ波と当該反射波との間の周波数差または位相差を表わすドップラ信号を出力するドップラセンサー４０と、設定されたカットオフ帯域の低周波成分をドップラ信号から除去するＨＰＦ６４と、生体Ｐの心拍数を含み得る基準心拍レンジを取得するとともに、生体Ｐの呼吸に起因して生じる信号成分を含む周波数帯域を生体Ｐの心拍レンジごとに対応付けている心拍情報１２２を取得し、心拍情報１２２において基準心拍レンジに対応付けられている周波数帯域をカットオフ帯域として設定する設定部６７と、設定されたカットオフ帯域の低周波成分をドップラ信号から除去して得られた心拍信号の周波数成分に基づいて、生体Ｐの心拍数を決定する心拍抽出部６８とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、生体の心拍数を非接触に計測するための技術に関する。

生体の心拍数を非接触に計測するための技術が知られている。心拍数とは、一定時間（たとえば、１分）内において心臓が拍動する回数のことをいう。心拍数が非接触に計測されることで、生体の負担が軽減される。

非接触での心拍数の計測技術に関し、特開２０１０−１２０４９３号公報（特許文献１）は、運転手の心拍数や呼吸数を非接触に検知するための生体信号検知装置を開示している。当該生体信号検知装置は、ドップラセンサを用いて運転手の心拍数や呼吸などを計測している。

より具体的には、ドップラセンサは、運転手にマイクロ波を照射し、当該マイクロ波の反射波を受信する。生体がドップラセンサに近付くと当該反射波の周波数は高くなり、生体がドップラセンサから遠ざかると当該反射波の周波数は低くなる。すなわち、生体とドップラセンサとの間隔が動くと、照射したマイクロ波とその反射波との間で周波数差または位相差（所謂ドップラシフト）が生じる。ドップラセンサは、当該位相差に相関する信号（以下、「ドップラ信号」ともいう。）を出力する。特許文献１に開示される生体信号検知装置は、検知されたドップラ信号の周波数成分に基づいて、運転手の心拍数や呼吸などを計測する。

特開２０１０−１２０４９３号公報

生体には、心拍数や呼吸など様々な動きが生じる。そのため、ドップラセンサによって検知されたドップラ信号には、生体の心拍に起因する信号成分（以下、「心拍信号」ともいう。）だけでなく、生体の呼吸に起因する信号成分（以下、「呼吸信号」ともいう。）も含まれる。そのため、ドップラ信号から心拍数を計測するためには、ドップラ信号から呼吸信号の成分を除去する必要がある。

呼吸信号の波形は三角波に近いため、呼吸信号の周波数成分には、呼吸数に相当する周波数成分だけでなく、呼吸数の整数倍（典型的には、３倍以上の奇数倍）に相当する周波数成分が含まれる。すなわち、呼吸信号をフーリエ変換した場合には、呼吸周期において振幅が大きくなるだけでなく、当該呼吸周期の整数倍においても振幅が大きくなる。以下では、当該呼吸周期の整数倍（典型的には、３倍以上の奇数倍）における周波数成分を「高次周波数成分」ともいう。

特許文献１に開示される生体信号検知装置は、ドップラ信号の信号成分から呼吸の高次周波数成分を除去していないため、心拍数を正確に検知することができない。したがって、生体の心拍数を従来よりも正確に計測するための技術が望まれている。

本開示は上述のような問題点を解決するためになされたものであって、ある局面における目的は、生体の心拍数を従来よりも正確に計測することが可能な計測装置を提供することである。他の局面における目的は、生体の心拍数を従来よりも正確に計測することが可能な計測方法を提供することである。さらに他の局面における目的は、生体の心拍数を従来よりも正確に計測することが可能な計測プログラムを提供することである。

ある局面に従うと、生体の心拍数を計測するための計測装置は、上記生体にマイクロ波を照射し、当該マイクロ波の反射波を受信するとともに、当該マイクロ波と当該反射波との間の周波数差または位相差を表わすドップラ信号を出力するためのドップラセンサーと、設定されたカットオフ帯域の低周波成分を上記ドップラ信号から除去するためのハイパスフィルタと、上記生体の心拍数を含み得る基準心拍レンジを取得するとともに、周波数帯域を生体の心拍レンジごとに対応付けている心拍情報を取得し、当該心拍情報において上記基準心拍レンジに対応付けられている周波数帯域を上記カットオフ帯域として設定するための設定部と、上記設定されたカットオフ帯域の低周波成分を上記ドップラ信号から除去して得られた心拍信号の周波数成分に基づいて、上記生体の心拍数を決定するための心拍抽出部とを備える。

好ましくは、上記設定部は、上記基準心拍レンジが変更されたことに基づいて、変更後の基準心拍レンジに対応する周波数帯域を上記心拍情報から新たに特定し、当該周波数帯域を上記ハイパスフィルタのカットオフ帯域として再設定する。

好ましくは、上記計測装置は、上記カットオフ帯域よりも高周域の高周波成分を上記ドップラ信号から除去するためのローパスフィルタと、上記ドップラ信号から上記高周波成分を除去して得られた呼吸信号の周波数成分に基づいて、上記生体の呼吸数を決定するための呼吸抽出部とを備える。上記心拍抽出部は、上記呼吸数の整数倍に相当する周期の信号成分を上記心拍信号から除去し、当該除去後の心拍信号に基づいて、上記生体の心拍数を決定する。

好ましくは、上記設定部は、上記心拍抽出部が予め定められた条件を満たした場合に、上記ハイパスフィルタに設定されているカットオフ帯域を所定パーセント低域側にシフトする。

好ましくは、上記設定部は、上記生体の心拍数が予め定められた条件を満たした場合に、上記心拍情報に規定されている心拍レンジの内から上記基準心拍レンジの次に狭い心拍レンジを特定し、当該心拍レンジを新たな基準心拍レンジとして取得する。

好ましくは、上記心拍抽出部によって決定された心拍数が、上記心拍情報に規定されている心拍レンジであって上記基準心拍レンジよりも高周域の心拍レンジに属する場合、または、上記心拍抽出部が上記生体の心拍数を抽出できなかった場合に、上記予め定められた条件は満たされる。

他の局面に従うと、生体の心拍数を計測するための計測方法は、上記生体にマイクロ波を照射し、当該マイクロ波の反射波を受信するとともに、当該マイクロ波と当該反射波との間の周波数差または位相差を表わすドップラ信号を出力するステップと、設定されたカットオフ帯域の低周波成分を上記ドップラ信号から除去するステップと、上記生体の心拍数を含み得る基準心拍レンジを取得するとともに、周波数帯域を生体の心拍レンジごとに対応付けている心拍情報を取得し、当該心拍情報において上記基準心拍レンジに対応付けられている周波数帯域を上記カットオフ帯域として設定するステップと、上記設定されたカットオフ帯域の低周波成分を上記ドップラ信号から除去して得られた心拍信号の周波数成分に基づいて、上記生体の心拍数を計測するステップとを備える。

他の局面に従うと、生体の心拍数を計測するための計測プログラムは、計測装置に、上記生体にマイクロ波を照射し、当該マイクロ波の反射波を受信するとともに、当該マイクロ波と当該反射波との間の周波数差または位相差を表わすドップラ信号を出力するステップと、設定されたカットオフ帯域の低周波成分を上記ドップラ信号から除去するステップと、上記生体の心拍数を含み得る基準心拍レンジを取得するとともに、周波数帯域を生体の心拍レンジごとに対応付けている心拍情報を取得し、当該心拍情報において上記基準心拍レンジに対応付けられている周波数帯域を上記カットオフ帯域として設定するステップと、上記設定されたカットオフ帯域の低周波成分を上記ドップラ信号から除去して得られた心拍信号の周波数成分に基づいて、上記生体の心拍数を計測するステップとを実行させる。

ある局面において、生体の心拍数を従来よりも正確に計測することができる。
本発明の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連して理解される本発明に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。

第１の実施の形態に従う計測装置の主な構成を示す図である。 ＨＰＦのカットオフ帯域を決定する原理を説明するための図である。 心拍情報のデータ構造の一例を示す図である。 第１の実施の形態に従う計測システムの全体構成を示す図である。 第１の実施の形態に従う制御回路の詳細な構成を説明するためのブロック図である。 第１の実施の形態に従うアナログ信号処理回路の詳細な構成を説明するためのブロック図である。 第１の実施の形態における心拍数の計測処理を表わすフローチャートである。 第１の実施の形態における呼吸数の計測処理を表わすフローチャートである。 第１の実施の形態における体動検出処理を表わすフローチャートである。 第２の実施の形態における心拍数の計測処理を表わすフローチャートである。 第３の実施の形態における心拍数の計測処理を表わすフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらについての詳細な説明は繰り返さない。なお、以下で説明される各変形例は、適宜選択的に組み合わされてもよい。

＜第１の実施の形態＞
［心拍数の計測処理の概要］
図１〜図３を参照して、計測装置１００による生体の心拍数の計測方法について説明する。図１は、生体の心拍数を計測するための計測装置１００の主な構成を示す図である。

図１に示されるように、計測装置１００は、ドップラセンサ４０と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）６４と、基本波検出部６６と、設定部６７と、心拍抽出部６８とを含む。

ドップラセンサ４０は、計測対象の生体Ｐにマイクロ波を照射し、生体Ｐからマイクロ波の反射波を受信する。生体Ｐは、たとえば、人物などの動物である。生体Ｐがドップラセンサ４０に近付くと反射波の周波数は高くなり、生体Ｐがドップラセンサから遠ざかると反射波の周波数は低くなる。すなわち、生体Ｐの呼吸や心拍によりドップラ信号の位相が変化する。そのため、照射したマイクロ波とその反射波との間で位相差（所謂ドップラシフト）が生じる。ドップラセンサ４０は、当該位相差に相関するドップラ信号を出力する。ドップラ信号は、ＨＰＦ６４に出力される。

ＨＰＦ６４は、設定されたカットオフ帯域の低周波成分をドップラ信号から除去する。ＨＰＦ６４のカットオフ帯域は、設定部６７によって設定される。一例として、カットオフ帯域の上限値が設定部６７によって設定され、当該上限値以下の周波数帯域の信号成分がドップラ信号から除去される。

図２は、ＨＰＦ６４のカットオフ帯域を決定する原理を説明するための図である。図２を参照して、その原理について説明する。

図２には、グラフＧ１〜Ｇ３が示されている。グラフＧ１〜Ｇ３は、ドップラ信号のスペクトルを示す。すなわち、グラフＧ１〜Ｇ３は、各周波数帯域についてのドップラ信号の信号強度を示す。

より具体的には、グラフＧ１〜Ｇ３の横軸は、周波数を表わす。当該横軸の単位は、Ｈｚで表わされる。周波数に「６０」を掛けると１分間辺りの生体の振動数となり、当該振動数は、生体の心拍数や呼吸数を表わす。心拍数や呼吸数の単位は、「ｂｐｍ（Beats Per Minute）」で表わされるため、グラフＧ１〜Ｇ３の横軸は、「ｂｐｍ」で表わされもよい。グラフＧ１〜Ｇ３の縦軸は、信号強度を示す。

グラフＧ１〜Ｇ３に示されるように、ドップラ信号は、生体の心拍に起因して生じる心拍成分Ａ１〜Ａ３と、生体の呼吸に起因して生じる呼吸成分Ｂ１〜Ｂ３，Ｂ５とを含み得る。呼吸信号の波形は三角波に近く、三角波のスペクトルには、当該三角波の周波数に相当する信号成分だけでなく、当該三角波の周期の奇数倍に相当する高次周波数成分が含まれる。そのため、ドップラ信号の周波数成分には、実際の生体の呼吸数に相当する呼吸成分Ｂ１だけでなく、呼吸数の整数倍に相当する周波数成分も含まれ得る。特に、呼吸数の３倍に相当する呼吸成分Ｂ３の信号強度が強くなる。呼吸信号の振幅は、心拍信号の振幅の約１０倍以上であるため、呼吸成分Ｂ３は、心拍数を抽出する上で大きなノイズとなる。そこで、本実施の形態に従う計測装置１００は、呼吸成分Ｂ１だけでなく、高次周波数成分の呼吸成分Ｂ３を除去した上で生体の心拍数を抽出する。

一例として、設定部６７は、予め準備されているカットオフ帯域ＨＲ１〜ＨＲ３のいずれかを選択し、当該選択したカットオフ帯域をＨＰＦ６４に設定する。

カットオフ帯域ＨＲ１がＨＰＦ６４に設定された場合には、０．８Ｈｚ以下（４８ｂｐｍ以下）の信号成分がドップラ信号から除去される。この場合、呼吸成分Ｂ１，Ｂ２はドップラ信号から除去されるが、呼吸成分Ｂ３はドップラ信号から除去されない。

カットオフ帯域ＨＲ２がＨＰＦ６４に設定された場合には、１．１Ｈｚ以下（６６ｂｐｍ以下）の信号成分がドップラ信号から除去される。この場合、呼吸成分Ｂ１〜Ｂ３はドップラ信号から除去される。

カットオフ帯域ＨＲ３がＨＰＦ６４に設定された場合には、１．４Ｈｚ以下（８４ｂｐｍ以下）の信号成分がドップラ信号から除去される。この場合、呼吸成分Ｂ１〜Ｂ３が除去されるだけでなく、心拍成分Ａ１が除去される。

このような好適なカットオフ帯域は、生体の心拍数によって決定することができる。そのため、生体の心拍数とＨＰＦ６４のカットオフ帯域との対応関係は、実験などによって心拍情報１２２として予め規定され得る。設定部６７は、心拍情報１２２に基づいて、ＨＰＦ６４のカットオフ帯域を決定する。

図３は、心拍情報１２２のデータ構造の一例を示す図である。図３に示されるように、心拍情報１２２において、心拍数の範囲を表わす心拍レンジごとにＨＰＦ６４のカットオフ帯域が規定される。好ましくは、さらに、後述のローパスフィルタのカットオフ帯域が心拍情報１２２に規定される。ローパスフィルタのカットオフ帯域については後述する。

ユーザは、心拍情報１２２に規定されている心拍レンジの中から、自身の心拍数を含む心拍レンジを選択し、当該心拍レンジを基準心拍レンジとして計測装置１００に予め設定しておく。設定部６７は、心拍数の計測指示を受け付けると、心拍情報１２２に規定されているカットオフ帯域の中から、基準心拍レンジに対応付けられているカットオフ帯域を特定し、当該カットオフ帯域をＨＰＦ６４に設定する。ＨＰＦ６４は、設定されたカットオフ帯域の低周波成分を除去し、その除去後の心拍信号を基本波検出部６６に出力する。

心拍抽出部６８は、ＨＰＦ６４から得られた心拍信号の周波数成分に基づいて、生体の心拍数を抽出する。より具体的には、基本波検出部６６は、心拍信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）を実行し、周波数帯域ごとの信号強度を表わす周波数分布データ（すなわち、スペクトルデータ）を作成する。基本波検出部６６は、その周波数分布データの中から最も信号強度（ピーク）の高い周波数成分を基本波データとして検出する。なお、基本波検出部６６は、自己相関関数やウェーブレット変換を用いて基本波データを検出してもよい。心拍抽出部６８は、基本波データを６０倍することで、生体の心拍数を算出する。

このように、計測装置１００は、ＨＰＦ６４において呼吸成分Ｂ１だけでなく、高次周波数成分である呼吸成分Ｂ３をドップラ信号から除去し、当該除去後の心拍信号に基づいて生体の心拍数を抽出する。高次周波数成分である呼吸成分Ｂ３が除去されることで、生体の心拍数がよりも正確に計測される。

このような非接触での心拍数の計測装置１００は、様々なシチュエーションにおいて利用される。一例として、計測装置１００は、車の運転時における運転者の心拍数を計測するために利用される。あるいは、計測装置１００は、介護施設または医療施設における患者の心拍数を計測するために利用される。

好ましくは、設定部６７は、基準心拍レンジが変更されたことに基づいて、変更後の基準心拍レンジに対応する周波数帯域を心拍情報１２２から新たに特定し、当該周波数帯域をＨＰＦ６４のカットオフ帯域として再設定する。すなわち、ＨＰＦ６４に設定されるカットオフ帯域は、基準心拍レンジ１２４の設定に連動して切り替えられる。

なお、上述では、基準心拍レンジがユーザによって予め設定されている例について説明を行ったが、基準心拍レンジは、「第３の実施の形態」で説明するように自動で設定されてもよい。

また、図３の心拍情報１２２では、心拍レンジが３つに分けられて規定されている例について説明を行ったが、心拍レンジは、２つに分けられて規定されていてもよいし、４つ以上に分けられて規定されていてもよい。

［計測システム１０００］
図４は、第１の実施の形態に従う計測システム１０００の全体構成を示す図である。図４を参照して、計測システム１０００は、被検者を監視するための計測装置１００と、端末装置２００とを含む。端末装置２００は、計測装置１００による計測結果を受信するための端末であり、たとえば、スマートフォンである。ただし、端末装置２００は、折り畳み式携帯電話、タブレット端末装置、ＰＣ（personal computer）などのような他の機器であってもよい。

計測装置１００と、端末装置２００とを互いに接続するためのネットワーク５５は、インターネットなどの各種ネットワークを含む。ネットワーク５５は、これに限られず、有線通信方式を採用してもよいし、無線ＬＡＮ（local area network）などのその他の無線通信方式を採用してもよい。

計測装置１００は、主な構成要素として、ドップラセンサ４０と、制御回路１５２と、メモリ１５４と、スピーカ１５６と、通信インターフェイス１５８とを含む。なお、計測装置１００は、各種情報を表示するためのディスプレイと、ユーザからの各種入力を受け付けるボタンなどの入力装置とを含んでいてもよい。

制御回路１５２は、典型的には、ＣＰＵなどを含むマイクロプロセッサと、ドップラセンサ４０からのアナログ信号を処理するアナログ信号処理回路と、ＡＤ（Analog to Digital）コンバータとを含む。制御回路１５２の詳細な構成については後述する。マイクロプロセッサは、メモリ１５４に記憶されたプログラムを読み出して実行することで、計測装置１００の各部の動作を制御する制御部として機能する。たとえば、マイクロプロセッサは、当該プログラムを実行することによって、後述する制御回路１５２の処理を実現する。

メモリ１５４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）などによって実現される。メモリ１５４は、マイクロプロセッサによって実行されるプログラム、またはマイクロプロセッサによって用いられるデータなどを記憶する。

スピーカ１５６は、マイクロプロセッサから与えられる音声信号を音声に変換して計測装置１００の外部へ出力する。通信インターフェイス１５８は、マイクロプロセッサからの通信データを符号化し通信信号に変換し、通信信号を端末装置２００へ送信する。また、端末装置２００から受信信号を復号化して通信データに変換しマイクロプロセッサに出力する。通信方式は、無線ＬＡＮなどによる無線通信方式であってもよいし、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などを利用した有線通信方式であってもよい。

ドップラセンサ４０は、生体Ｐにマイクロ波を照射し、反射してきたマイクロ波から、生体Ｐの身体の動きなどを反映する信号を制御回路１５２に出力する。また、ドップラセンサ４０は、入力された反射信号から、互いに直交するＩチャネル信号およびＱチャネル信号を生成する。

具体的には、ドップラセンサ４０は、発振回路２１と、増幅器２２Ａ，２２Ｂと、送信アンテナ２５と、受信アンテナ３０と、ミキサ３２Ｉ，３２Ｑと、ＬＰＦ３３Ｉ，３３Ｑと、９０度移相器３８とを含む。送信アンテナ２５および受信アンテナ３０は、平面アンテナで構成されている。なお、送信アンテナ２５および受信アンテナ３０は、導波管アンテナ、あるいは、誘電体アンテナで構成されていてもよい。

発振回路２１から出力されたマイクロ波正弦波信号は、増幅器２２Ａによって増幅され、送信アンテナ２５から照射される。空間に照射されたマイクロ波Ｍｔは、対象物である生体Ｐの体表（たとえば、胸部）で反射される。照射されたマイクロ波の反射波Ｍｒには、生体Ｐの身体の動き（体動）と、呼吸動作および心拍動作とに対応したドップラシフトが生じている。そのため、受信アンテナ３０に入力される反射波Ｍｒの信号（反射信号）は、生体Ｐの体動、呼吸動作および心拍動作に対応した信号となる。

受信アンテナ３０により受信された反射信号は、増幅器２２Ｂによって増幅される。当該増幅後の信号Ｄｒは、Ｉチャネル側のミキサ３２ＩおよびＱチャネル側のミキサ３２Ｑに入力される。ここでは、Ｉチャネル側に入力される信号Ｄｒを便宜上「Ｄｒｉ」と称し、Ｑチャネル側に入力される信号Ｄｒを便宜上「Ｄｒｑ」と称する。

増幅器２２Ａによって増幅された信号Ｄｔは、Ｉチャネル側のミキサ３２Ｉと、９０度移相器３８を介してミキサ３２Ｑとに入力される。ここでは、Ｉチャネル側に入力される信号Ｄｔを便宜上「Ｄｔｉ」と称し、Ｑチャネル側に入力される信号Ｄｔを便宜上「Ｄｔｑ」と称する。なお、本実施の形態では、９０度移相器３８を用いることにより、信号Ｄｔｉに対する信号Ｄｔｑの位相を９０度ずらす構成について説明するが、当該構成に限られない。たとえば、９０度移相器３８を用いることにより、信号Ｄｒｉに対する信号Ｄｒｑの位相を９０度ずらす構成であってもよい。

ミキサ３２Ｉにより周波数変換（ダウンコンバージョン）された信号は、ＬＰＦ３３Ｉに入力される。ＬＰＦ３３Ｉは、当該信号から比較的高い周波数成分を除去した信号を、Ｉチャネル側のベースバンド信号Ｄｂｉとしてアナログ信号処理回路４１に出力する。また、ミキサ３２Ｑにより周波数変換された信号は、ＬＰＦ３３Ｑに入力される。ＬＰＦ３３Ｑは、当該信号から比較的高い周波数成分を除去した信号を、Ｑチャネル側のベースバンド信号Ｄｂｑとして制御回路１５２に出力する。当該ベースバンド信号Ｄｂｉ，Ｄｂｑは、それぞれ、生体Ｐの体動によって、ドップラシフトを受けたドップラ信号として出力される。

受信アンテナ３０に入力される反射信号の速度および振幅は、時間とともに変化する。そのため、Ｉチャネル側の信号およびＱチャネル側の信号は、瞬時的には９０度位相が異なっているものの、信号の速度および方向に応じて、ベースバンド信号Ｄｂｉに対するベースバンド信号Ｄｂｑの位相の進み方は、一定でなく常に時間変動することになる。

［制御回路１５２］
図５は、第１の実施の形態に従う制御回路１５２の詳細な構成を説明するためのブロック図である。図５を参照して、制御回路１５２は、アナログ信号処理回路４１と、ＡＤコンバータ４３と、マイクロプロセッサ４５とを含む。典型的には、マイクロプロセッサ４５は、デジタル信号処理に特化したデジタルシグナルプロセッサ（digital signal processor：ＤＳＰ）である。

アナログ信号処理回路４１は、ドップラセンサ４０から入力された信号のうちの不要な周波数帯域の成分を除去して、ＡＤコンバータ４３に出力する。具体的には、アナログ信号処理回路４１は、心拍成分の帯域（０．７Ｈｚ〜２０Ｈｚ）のＩチャネルのアナログ信号ＳｈｉおよびＱチャネルのアナログ信号Ｓｈｑを出力し、体動成分の帯域（０．１Ｈｚ〜４０Ｈｚ）のＩチャネルのアナログ信号ＳｔｉおよびＱチャネルのアナログ信号Ｓｔｑを出力する。なお、体動成分の帯域には、呼吸成分の帯域も含まれる。

ＡＤコンバータ４３は、入力された信号を１６ビット（または、１２ビット）ＡＤ変換する。具体的には、ＡＤコンバータ４３は、アナログ信号Ｓｈｉ，Ｓｈｑ，Ｓｔｉ，Ｓｔｑの入力を受け付け、所定のサンプリングレート（たとえば、１０ｍｓｅｃ）にて、アナログ信号Ｓｈｉ，Ｓｈｑ，Ｓｔｉ，Ｓｔｑをデジタル信号に変換してマイクロプロセッサ４５に出力する。なお、各デジタル信号Ｓｈｉ，Ｓｈｑ，Ｓｔｉ，Ｓｔｑは、電圧振幅に応じた±の信号として、適宜オフセット調整される。

マイクロプロセッサ４５は、各デジタル信号Ｓｈｉ，Ｓｈｑ，Ｓｔｉ，Ｓｔｑを用いて各種の処理を実行する。具体的には、マイクロプロセッサ４５は、主な機能構成として、体動検出部５０と、出力制御部５２と、心拍演算部６０と、呼吸演算部７０とを含む。

心拍演算部６０は、各デジタル信号Ｓｈｉ，Ｓｈｑの入力を受け付けて、各種処理を実行する。具体的には、心拍演算部６０は、Ｉチャネル側のハイパスフィルタ（ＨＰＦ）６４Ｉと、Ｑチャネル側のＨＰＦ６４Ｑと、Ｉチャネル側のＬＰＦ６５Ｉと、Ｑチャネル側のＬＰＦ６５Ｑと、Ｉチャネル側の基本波検出部６６Ｉと、Ｑチャネル側の基本波検出部６６Ｑと、設定部６７と、心拍抽出部６８とを含む。

ＨＰＦ６４Ｉ，６４Ｑは、それぞれデジタル信号Ｓｈｉ，Ｓｈｑの低周波成分（特に、呼吸成分の帯域）を除去することにより、デジタル信号Ｈａｉ，Ｈａｑを生成する。以下では、ＨＰＦ６４Ｉ，６４Ｑの少なくとも一方をＨＰＦ６４とも称する。

ＨＰＦ６４のカットオフ帯域は、上述したように、設定部６７によって設定される。より具体的には、設定部６７は、心拍情報１２２に規定されている心拍レンジの中から、計測対象者の心拍数が属する基準心拍レンジ１２４に一致または略一致するものを特定し、当該特定された心拍レンジに対応付けられている周波数帯域をＨＰＦ６４のカットオフ帯域として設定する。基準心拍レンジ１２４は、ユーザによって予め設定されていてもよいし、自動で設定されてもよい。

ＬＰＦ６５Ｉ，６５Ｑは、それぞれデジタル信号Ｈａｉ，Ｈａｑの高周波成分を除去することにより、デジタル信号Ｈｂｉ，Ｈｂｑを生成する。以下では、ＬＰＦ６５Ｉ，６５Ｑの少なくとも一方をＬＰＦ６５とも称する。ＬＰＦ６５のカットオフ帯域は、設定部６７によって設定される。より具体的には、設定部６７は、心拍情報１２２に規定されている心拍レンジの中から、基準心拍レンジ１２４に一致または略一致するものを特定し、当該特定された心拍レンジに対応付けられている周波数帯域をＬＰＦ６５のカットオフ帯域として設定する。ＬＰＦ６５Ｉは、デジタル信号Ｈｂｉを基本波検出部６６Ｉに出力し、ＬＰＦ６５Ｑは、デジタル信号Ｈｂｑを基本波検出部６６Ｑに出力する。

基本波検出部６６Ｉ，６６Ｑは、それぞれデジタル信号Ｈｂｉ，Ｈｂｑを用いて心拍数を演算する。具体的には、基本波検出部６６Ｉは、所定時間（たとえば、３０秒）蓄積されたデジタル信号Ｈｂｉを高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）し、個々の信号成分に分解した後、各成分を周波数スペクトラム上に表わす処理を行ない、周波数分布データを作成する。基本波検出部６６Ｉは、周波数分布データのうち、最も強度（ピーク）の高い周波数成分を基本波データとして検出する。なお、基本波検出部６６Ｉ，６６Ｑは、自己相関関数やウェーブレット変換を用いて基本波データを検出してもよい。

基本波検出部６６Ｉは、基本波データを６０倍することで、単位時間（すなわち、１分間）当りの心拍の数である心拍数Ｈｉを算出する。同様に、基本波検出部６６Ｑは、デジタル信号Ｈｂｑを用いて心拍数Ｈｑを算出する。

心拍抽出部６８は、心拍数Ｈｉおよび心拍数Ｈｑを平均化して心拍数Ｈｎを算出する。なお、心拍抽出部６８は、デジタル信号Ｈｂｉ，Ｈｂｑを統合して、適宜閾値を設けることにより、ノイズレベルの強度の小さい信号や周期性の乏しい信号を除去してもよい。

呼吸演算部７０は、各デジタル信号Ｓｔｉ，Ｓｔｑの入力を受け付けて、各種処理を実行する。具体的には、呼吸演算部７０は、Ｉチャネル側のＬＰＦ７１Ｉと、Ｑチャネル側のＬＰＦ７１Ｑと、Ｉチャネル側の基本波検出部７２Ｉと、Ｑチャネル側の基本波検出部７２Ｑと、呼吸抽出部７３とを含む。

ＬＰＦ７１Ｉ，７１Ｑは、それぞれデジタル信号Ｓｔｉ，Ｓｔｑの高周波成分を除去することにより、デジタル信号Ｂａｉ，Ｂａｑを生成する。ＬＰＦ７１Ｉは、デジタル信号Ｂａｉを基本波検出部７２Ｉに出力し、ＬＰＦ７１Ｑは、デジタル信号Ｂａｑを基本波検出部７２Ｑに出力する。典型的には、ＬＰＦ７１Ｉ，７１Ｑは、０．７５Ｈｚ以上（すなわち、４５ｂｐｍに相当）の周波数成分を除去する。

基本波検出部７２Ｉ，７２Ｑは、それぞれデジタル信号Ｂａｉ，Ｂａｑを用いて呼吸数を演算する。基本波検出部７２Ｉは、基本波検出部６６Ｉによる演算方式と同様の演算方式により呼吸数を算出する。具体的には、基本波検出部７２Ｉは、所定時間蓄積されたデジタル信号Ｂａｉを高速フーリエ変換することにより、周波数分布データを作成する。基本波検出部７２Ｉは、周波数分布データのうち、最も強度の高い周波数成分を基本波データとして検出する。基本波検出部７２Ｉは、基本波データを６０倍することで、単位時間（すなわち、１分間）当りの呼吸の数である呼吸数Ｂｉを算出する。同様に、基本波検出部７２Ｑは、デジタル信号Ｂａｑを用いて呼吸数Ｂｑを算出する。

呼吸抽出部７３は、呼吸数Ｂｉおよび呼吸数Ｂｑを平均化して呼吸数Ｂｎを算出する。なお、呼吸抽出部７３は、デジタル信号Ｂａｉ，Ｂａｑを統合して、適宜閾値を設けることにより、ノイズレベルの強度の小さい信号や周期性の乏しい信号を除去してもよい。

体動検出部５０は、所定の閾値と、反射信号（具体的には、各デジタル信号Ｓｔｉ，Ｓｔｑ）とに基づいて、生体Ｐの体動を検出する。閾値は、アナログ信号Ｓｔｉ，Ｓｔｑの振幅値（電圧０Ｖ〜３．３Ｖ）をＡＤ変換した場合のデジタル値である。

具体的には、体動検出部５０は、デジタル信号Ｓｔｉ，Ｓｔｑの各々について、当該信号の振幅の大きさ（絶対値）を一定時間（たとえば、０．２秒）ごとに算出する。たとえば、サンプリング周波数が１００Ｈｚの場合には、体動検出部５０は、デジタル信号Ｓｔｉ，Ｓｔｑの各々について、当該デジタル信号を１０ミリ秒ごとにサンプリングし、２０個分のサンプリングデータの絶対値の平均値（平均絶対値）を算出する。体動検出部５０は、算出された平均絶対値を一定時間ごとに算出し、算出結果を時間と関連付けて順次記憶する。

体動検出部５０は、たとえば、生体の起き上がりなどの体動を検出する。より具体的には、体動検出部５０は、デジタル信号Ｓｔｉについての平均絶対値と、デジタル信号Ｓｔｑについての平均絶対値との両方が所定閾値以上になった場合に、生体Ｐが寝具から起き上がったと判定する。また、体動検出部５０は、デジタル信号ＳｔｉおよびＳｔｑのうちの少なくとも一方についての平均絶対値が所定閾値以上になった場合に、生体Ｐが寝具から起き上がったと判定してもよい。あるいは、体動検出部５０は、デジタル信号ＳｔｉおよびＳｔｑの合成信号を算出し、当該合成成分についての平均絶対値が所定閾値以上になった場合に、生体Ｐが寝具から起き上がったと判定してもよい。

出力制御部５２は、体動検出部５０による体動検出結果、心拍演算部６０による心拍数の計測結果、および、呼吸演算部７０による呼吸数の計測結果などを出力する。これらの計測結果の出力態様は、任意である。ある局面において、出力制御部５２は、体動異常、心拍異常または呼吸異常との判定結果を受けた場合に、警告情報を出力する。出力制御部５２は、スピーカ１５６を介して、警告情報を音声出力してもよいし、ディスプレイに警告情報を表示してもよい。また、出力制御部５２は、通信インターフェイス１５８を介して、端末装置２００に警告情報を送信してもよい。他の局面において、これらの計測結果は、たとえば、予め定められたフォーマットに合わせてデータ化された上で通信インターフェイス１５８（図４参照）を介して端末装置２００に送信される。端末装置２００は、計測装置１００から受信した計測結果を表示する。

［アナログ信号処理回路４１］
図６は、第１の実施の形態に従うアナログ信号処理回路４１の詳細な構成を説明するためのブロック図である。

図６を参照して、アナログ信号処理回路４１は、ドップラセンサ４０から出力されるＩチャネル側のベースバンド信号Ｄｂｉと、ドップラセンサ４０から出力されるＱチャネル側のベースバンド信号Ｄｂｑとを入力として受ける。ベースバンド信号Ｄｂｉは、アナログ信号Ｄｂｉａ，Ｄｂｉｂに分配される。ベースバンド信号Ｄｂｑは、アナログ信号Ｄｂｑａ，Ｄｂｑｂに分配される。

アナログ信号処理回路４１は、信号処理回路１４９Ａ〜１４９Ｄを含む。アナログ信号Ｄｂｉａは、心拍計測用の信号処理回路１４９Ａに出力される。信号処理回路１４９Ａは、ＨＰＦ１４３Ａと、ＬＦＰ１４４Ａと、増幅器１４５Ａとを含む。

ＨＰＦ１４３Ａは、アナログ信号Ｄｂｉａの低周波成分を除去する。一例として、ＨＰＦ１４３Ａは、０．８Ｈｚ以下の信号成分を除去する。除去後の信号は、ＬＦＰ１４４Ａに出力される。

ＬＦＰ１４４Ａは、ＨＰＦ１４３Ａから出力されたアナログ信号Ｄｂｉａの高周波成分を除去する。一例として、ＬＦＰ１４４Ａは、２０Ｈｚ以上の信号成分を除去する。除去後の信号は、増幅器１４５Ａに出力される。

増幅器１４５Ａは、ＬＦＰ１４４Ａから出力されるアナログ信号Ｄｂｉａを所定倍（たとえば、４００倍）に増幅し、アナログ信号Ｓｈｉを生成する。アナログ信号Ｓｈｉは、上述のＡＤコンバータ４３（図５参照）に出力される。

アナログ信号Ｄｂｉｂは、呼吸計測用の信号処理回路１４９Ｂに出力される。信号処理回路１４９Ｂは、ＨＰＦ１４３Ｂと、ＬＦＰ１４４Ｂと、増幅器１４５Ｂとを含む。

ＨＰＦ１４３Ｂは、アナログ信号Ｄｂｉｂの低周波成分を除去する。一例として、ＨＰＦ１４３Ｂは、０．１Ｈｚ以下の信号成分を除去する。除去後の信号は、ＬＦＰ１４４Ｂに出力される。

ＬＦＰ１４４Ｂは、ＨＰＦ１４３Ｂから出力されたアナログ信号Ｄｂｉｂの高周波成分を除去する。一例として、ＬＦＰ１４４Ｂは、２０Ｈｚ以上の信号成分を除去する。除去後の信号は、増幅器１４５Ｂに出力される。

増幅器１４５Ｂは、ＬＦＰ１４４Ｂから出力されるアナログ信号Ｄｂｉｂを所定倍（たとえば、１００倍）に増幅し、アナログ信号Ｓｔｉを生成する。アナログ信号Ｓｔｉは、上述のＡＤコンバータ４３（図５参照）に出力される。

心拍信号の振幅は、呼吸信号の振幅と比較べて約１／１０以下であるので、心拍計測用の増幅器１４５Ａの増幅率が、呼吸計測用の増幅器１４５Ｂの増幅率よりも大きくなるように、増幅器１４５Ａ，１４５Ｂが設計される。一例として、増幅器１４５Ａの増幅率は４００倍であり、増幅器１４５Ｂの増幅率は１００倍である。

アナログ信号Ｄｂｑａは、心拍計測用の信号処理回路１４９Ｃに出力される。信号処理回路１４９Ｃは、ＨＰＦ１４３Ｃと、ＬＦＰ１４４Ｃと、増幅器１４５Ｃとを含む。

ＨＰＦ１４３Ｃは、アナログ信号Ｄｂｑａの低周波成分を除去する。一例として、ＨＰＦ１４３Ｃは、０．８Ｈｚ以下の信号成分を除去する。除去後の信号は、ＬＦＰ１４４Ｃに出力される。

ＬＦＰ１４４Ｃは、ＨＰＦ１４３Ｃから出力されたアナログ信号Ｄｂｑａの高周波成分を除去する。一例として、ＬＦＰ１４４Ｃは、２０Ｈｚ以上の信号成分を除去する。除去後の信号は、増幅器１４５Ｃに出力される。

増幅器１４５Ｃは、ＬＦＰ１４４Ｃから出力されるアナログ信号Ｄｂｑａを所定倍（たとえば、４００倍）に増幅し、アナログ信号Ｓｈｑを生成する。アナログ信号Ｓｈｑは、上述のＡＤコンバータ４３（図５参照）に出力される。

アナログ信号Ｄｂｑｂは、呼吸計測用の信号処理回路１４９Ｄに出力される。信号処理回路１４９Ｄは、ＨＰＦ１４３Ｄと、ＬＦＰ１４４Ｄと、増幅器１４５Ｄとを含む。

ＨＰＦ１４３Ｄは、アナログ信号Ｄｂｑｂの低周波成分を除去する。一例として、ＨＰＦ１４３Ｄは、０．１Ｈｚ以下の信号成分を除去する。除去後の信号は、ＬＦＰ１４４Ｄに出力される。

ＬＦＰ１４４Ｄは、ＨＰＦ１４３Ｄから出力されたアナログ信号Ｄｂｑｂの高周波成分を除去する。一例として、ＬＦＰ１４４Ｄは、２０Ｈｚ以上の信号成分を除去する。除去後の信号は、増幅器１４５Ｄに出力される。

増幅器１４５Ｄは、ＬＦＰ１４４Ｄから出力されるアナログ信号Ｄｂｑｂを所定倍（たとえば、１００倍）に増幅し、アナログ信号Ｓｔｑを生成する。アナログ信号Ｓｔｑは、上述のＡＤコンバータ４３（図５参照）に出力される。

心拍信号の振幅は、呼吸信号の振幅と比較べて約１／１０以下であるので、心拍計測用の増幅器１４５Ｃの増幅率が、呼吸計測用の増幅器１４５Ｄの増幅率よりも大きくなるように、増幅器１４５Ｃ，１４５Ｄが設計される。一例として、増幅器１４５Ｃの増幅率は４００倍であり、増幅器１４５Ｄの増幅率は１００倍である。

ＨＰＦ１４３Ａ〜１４３ＤおよびＬＦＰ１４４Ａ〜１４４Ｄは、たとえば、オペアンプを用いたアクティブフィルタである。あるいは、ＨＰＦ１４３Ａ〜１４３Ｄは、コイルＬ、コンデンサＣ、抵抗Ｒを用いた受動素子であってもよい。

以上のようにして、振幅計測用および呼吸計測用に独立して帯域制限および増幅を行うことにより、心拍域と呼吸域とでＳＮ（Signal Noise）比の高い良質なアナログ信号が抽出される。なお、ＬＦＰ１４４Ａ〜１４４Ｄは、上述のＡＤコンバータ４３のためのアンチエイリアスフィルタとしても機能している。

［計測装置１００の制御構造］
図７〜図９を参照して、計測装置１００の制御構造について説明する。図７は、心拍数の計測処理を表わすフローチャートである。図８は、呼吸数の計測処理を表わすフローチャートである。図９は、体動検出処理を表わすフローチャートである。図７〜図９の処理は、計測装置１００のマイクロプロセッサ４５がプログラムを実行することにより実現される。他の局面において、処理の一部または全部が、回路素子またはその他のハードウェアによって実行されてもよい。

以下では、心拍数の計測処理のフロー、呼吸数の計測処理のフロー、および体動検出処理のフローについて順に説明する。

（心拍数の計測処理）
まず、図７を参照して、心拍数の計測処理のフローについて説明する。

ステップＳ１１０において、マイクロプロセッサ４５は、ドップラセンサ４０を介して、マイクロ波を照射する。その後、マイクロプロセッサ４５は、照射したマイクロ波の反射波を受信して、反射波の信号からＩチャネル側のドップラ信号とＱチャネル側のドップラ信号とを生成する。

ステップＳ１２０において、マイクロプロセッサ４５は、計測対象の生体の周波数が含まれる周波数帯域（すなわち、基準心拍レンジ）を取得する。本実施の形態においては、基準心拍レンジは、予め設定されているものとする。ある局面において、ユーザによって下限値が設定され、当該下限値以上の範囲が基準心拍レンジとして設定される。他の局面において、ユーザによって下限値および上限値が設定され、当該下限値以上であって当該上限値未満の範囲が基準心拍レンジとして設定される。他の局面において、ユーザは、心拍情報１２２（図３参照）に規定されている心拍レンジのいずれかを基準心拍レンジとして設定する。

ステップＳ１３０において、マイクロプロセッサ４５は、心拍情報１２２を参照して、基準心拍レンジに対応付けられているＨＰＦ用のカットオフ帯域を取得し、当該カットオフ帯域をＨＰＦ６４Ｉ，６４Ｑ（図５参照）に設定する。同様に、マイクロプロセッサ４５は、心拍情報１２２を参照して、基準心拍レンジに対応付けられているＬＰＦ用のカットオフ帯域を取得し、当該カットオフ帯域をＬＰＦ６５Ｉ，６５Ｑ（図５参照）に設定する。

ステップＳ１４０において、マイクロプロセッサ４５は、ＨＰＦ６４Ｉに設定されたカットオフ帯域に含まれる信号成分をＩチャネル側のドップラ信号から除去する。一例として、図３に示される心拍レンジ「４５ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」が基準心拍レンジとして設定されている場合、ＨＰＦ６４Ｉは、「０．７〜０．８Ｈｚ以下」の信号成分を除去する。他の例として、図３に示される心拍レンジ「６３ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」が基準心拍レンジとして設定されている場合、ＨＰＦ６４Ｉは、「１．０〜１．１Ｈｚ以下」の信号成分を除去する。他の例として、図３に示される心拍レンジ「８１ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」が基準心拍レンジとして設定されている場合、ＨＰＦ６４Ｉは、「１．３〜１．４Ｈｚ以下」の信号成分を除去する。ＨＰＦ６４Ｉと同様に、マイクロプロセッサ４５は、ＨＰＦ６４Ｑに設定されたカットオフ帯域に含まれる信号成分をＱチャネル側のドップラ信号から除去する。

ステップＳ１５０において、マイクロプロセッサ４５は、ＬＰＦ６５Ｉに設定されたカットオフ帯域に含まれる信号成分をＩチャネル側のドップラ信号から除去する。一例として、図３に示される心拍レンジ「４５ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」が基準心拍レンジとして設定されている場合、ＬＰＦ６５Ｉは、「７Ｈｚ以上」の信号成分を除去する。他の例として、図３に示される心拍レンジ「６３ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」が基準心拍レンジとして設定されている場合、ＬＰＦ６５Ｉは、「１０Ｈｚ以上」の信号成分を除去する。他の例として、図３に示される心拍レンジ「８１ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」が基準心拍レンジとして設定されている場合、ＬＰＦ６５Ｉは、「２０Ｈｚ以上」の信号成分を除去する。ＬＰＦ６５Ｉと同様に、マイクロプロセッサ４５は、ＬＰＦ６５Ｑに設定されたカットオフ帯域に含まれる信号成分をＱチャネル側のドップラ信号から除去する。

ステップＳ１５１において、マイクロプロセッサ４５は、ＨＰＦ６４ＩおよびＬＰＦ６５Ｉを通過したＩチャネル側のドップラ信号の周期性を検出する。典型的には、マイクロプロセッサ４５は、ＨＰＦ６４ＩおよびＬＰＦ６５Ｉを通過したＩチャネル側のドップラ信号を高速フーリエ変換することで周波数分布データを生成し、当該周波数分布データから信号強度（ピーク）の高い周波数成分を基本波データとして検出する。同様に、ＨＰＦ６４ＱおよびＬＰＦ６５Ｑを通過したＱチャネル側のドップラ信号を高速フーリエ変換することで周波数分布データを生成し、当該周波数分布データから信号強度（ピーク）の高い周波数成分を基本波データとして検出する。なお、マイクロプロセッサ４５は、自己相関関数やウェーブレット変換を用いて基本波データを検出してもよい。

ステップＳ１６０において、マイクロプロセッサ４５は、Ｉチャネル側の基本波データを６０倍することで、単位時間（すなわち、１分間）当りの心拍数を算出する。同様に、マイクロプロセッサ４５は、Ｑチャネル側の基本波データを６０倍することで、単位時間（すなわち、１分間）当りの心拍数を算出する。マイクロプロセッサ４５は、Ｉチャネル側の心拍数とＱチャネル側の心拍数を平均化して計測結果としての心拍数を算出する。

なお、マイクロプロセッサ４５は、心拍数の算出過程において予め定められた条件が満たされ場合、心拍数の計測ができなかったものとして計測エラーを出力してもよい。一例として、心拍周期が所定閾値を下回った場合に、当該予め定められた条件が満たされる。の場合、図７に示される処理は終了してもよいし、再度実行されてもよい。

ステップＳ１７０において、マイクロプロセッサ４５は、ステップＳ１６０での心拍数の計測結果を出力する。計測結果の出力態様は、任意である。ある局面において、マイクロプロセッサ４５は、心拍数が所定下限値以下または所定上限値以上のときに心拍異常として判定し、警告情報を出力する。当該警告情報は、スピーカ１５６を介して音声出力されてもよいし、ディスプレイを介して出力されてもよい。また、マイクロプロセッサ４５は、通信インターフェイス１５８を介して、端末装置２００に警告情報を送信してもよい。

（呼吸数の計測処理）
次に、図８を参照して、呼吸数の計測処理のフローについて説明する。

ステップＳ２１０において、マイクロプロセッサ４５は、ドップラセンサ４０を介して、マイクロ波を照射する。その後、マイクロプロセッサ４５は、照射したマイクロ波の反射波を受信して、反射波の信号からＩチャネル側のドップラ信号とＱチャネル側のドップラ信号とを生成する。

ステップＳ２２０において、マイクロプロセッサ４５は、呼吸計測用のＬＰＦ７１Ｉ（図５参照）を用いて、Ｉチャネル側のドップラ信号から所定周波数の信号成分を除去する。同様に、マイクロプロセッサ４５は、呼吸計測用のＬＰＦ７１Ｑ（図５参照）を用いて、Ｑチャネル側のドップラ信号から所定周波数の信号成分を除去する。一例として、ＬＰＦ７１Ｉ，７１Ｑのカットオフ帯域は、０．７５Ｈｚ以上である。

ステップＳ２２１において、マイクロプロセッサ４５は、ＬＰＦ７１Ｉを通過したＩチャネル側のドップラ信号の周期性を検出する。典型的には、マイクロプロセッサ４５は、ＬＰＦ７１Ｉを通過したＩチャネル側のドップラ信号を高速フーリエ変換することで周波数分布データを生成し、当該周波数分布データから信号強度（ピーク）の高い周波数成分を基本波データとして検出する。同様に、マイクロプロセッサ４５は、ＬＰＦ７１Ｑを通過したＱチャネル側のドップラ信号を高速フーリエ変換することで周波数分布データを生成し、当該周波数分布データから信号強度（ピーク）の高い周波数成分を基本波データとして検出する。なお、マイクロプロセッサ４５は、自己相関関数やウェーブレット変換を用いて基本波データを検出してもよい。

ステップＳ２３０において、マイクロプロセッサ４５は、Ｉチャネル側の基本波データを６０倍することで、単位時間（すなわち、１分間）当りの呼吸数を算出する。同様に、マイクロプロセッサ４５は、Ｑチャネル側の基本波データを６０倍することで、単位時間（すなわち、１分間）当りの呼吸数を算出する。マイクロプロセッサ４５は、Ｉチャネル側の呼吸数とＱチャネル側の呼吸数を平均化して計測結果としての呼吸数を算出する。なお、マイクロプロセッサ４５は、適宜閾値を設けることにより、ノイズレベルの強度の小さい信号や周期性の乏しい信号を除去してもよい。

ステップＳ２４０において、マイクロプロセッサ４５は、ステップＳ２３０での呼吸数の計測結果を出力する。計測結果の出力態様は、任意である。ある局面において、マイクロプロセッサ４５は、呼吸数が所定下限値以下または所定上限値以上のときに呼吸以上として判定し、警告情報を出力する。当該警告情報は、スピーカ１５６を介して音声出力されてもよいし、ディスプレイを介して出力されてもよい。また、マイクロプロセッサ４５は、通信インターフェイス１５８を介して、端末装置２００に警告情報を送信してもよい。

（体動検出処理）
次に、図９を参照して、体動検出処理のフローについて説明する。

ステップＳ３１０において、マイクロプロセッサ４５は、ドップラセンサ４０を介して、マイクロ波を照射する。その後、マイクロプロセッサ４５は、照射したマイクロ波の反射波を受信して、反射波の信号からＩチャネル側のドップラ信号とＱチャネル側のドップラ信号とを生成する。

ステップＳ３２０において、マイクロプロセッサ４５は、Ｉチャネル側のドップラ信号とＱチャネル側のドップラ信号と所定閾値とに基づいて、生体Ｐの体動を検出する。一例として、マイクロプロセッサ４５は、生体の起き上がりなどを検出する。生体の起き上がりの検出方法は上述の通りであるので、その説明については繰り返さない。

ステップＳ３３０において、マイクロプロセッサ４５は、ステップＳ３２０での体動の検出結果を出力する。検出結果の出力態様は、任意である。ある局面において、計測装置１００が患者の監視装置として利用される場合には、マイクロプロセッサ４５は、患者の起き上がりを検出したことを出力する。このことは、スピーカ１５６を介して音声出力されてもよいし、ディスプレイを介して出力されてもよい。また、マイクロプロセッサ４５は、通信インターフェイス１５８を介して、端末装置２００に警告情報を送信してもよい。

［第１の実施の形態のまとめ］
以上のようにして、本実施の形態に従う計測装置１００は、計測対象の生体の心拍数を含み得る基準心拍レンジを取得するとともに、生体の呼吸に起因する信号成分を含む周波数帯域を生体の心拍レンジごとに対応付けている心拍情報１２２（図３参照）を取得する。計測装置１００は、心拍情報１２２において基準心拍レンジに対応付けられている周波数帯域をカットオフ帯域として心拍計測用のＨＰＦ６４に設定する。このように、ＨＰＦ６４のカットオフ帯域が基準心拍レンジに応じて適宜設定されることにより、生体の呼吸数に相当する周波数成分だけでなく、当該呼吸数の高次周波数成分も除去することができる。当該高次周波数成分が除去された上で心拍数が抽出されることにより、計測装置１００は、生体の心拍数をより正確に計測することができる。

＜第２の実施の形態＞
［概要］
第１の実施の形態に従う計測装置１００は、呼吸の高次周波数成分を除去するようにＨＰＦ６４（図１参照）にカットオフ帯域を設定していた。これにより、計測装置１００は、ドップラ信号から呼吸の高次周波数成分（主に、三次高周波数成分）を除去していた。しかしながら、ＨＰＦ６４に設定されたカットオフ帯域が呼吸の三次周波数成分と近い場合には、当該三次周波数成分を完全には除去できない可能性がある。そこで、第２の実施の形態に従う計測装置１００は、ドップラ信号を周波数分解して得られた周波数分布データから呼吸の三次周波数成分を除去し、その上で周波数分布データに基づいて、生体の心拍数を抽出する。これにより、計測装置１００は、呼吸の三次周波数成分の影響を受けなくなり、生体の心拍数をさらに正確に計測することができる。

なお、第２の実施の形態に従う計測装置１００のハードウェア構成などその他の点については第１の実施の形態に従う計測装置１００と同じであるので、以下ではそれらの説明については繰り返さない。

［計測装置１００の制御構造］
図１０を参照して、計測装置１００の制御構造について説明する。図１０は、第２の実施の形態における心拍数の計測処理を表わすフローチャートである。図１０の処理は、計測装置１００のマイクロプロセッサ４５がプログラムを実行することにより実現される。他の局面において、処理の一部または全部が、回路素子またはその他のハードウェアによって実行されてもよい。

なお、ステップＳ１５２，Ｓ１６０Ａ以外の処理については、図７で説明した通りであるので、それらの説明については繰り返さない。

ステップＳ１５２において、マイクロプロセッサ４５は、計測対象の生体の呼吸数を取得する。呼吸数の計測方法については、図８で説明した通りであるので、その説明については繰り返さない。

ステップＳ１６０Ａにおいて、マイクロプロセッサ４５は、ＨＰＦ６４およびＬＰＦ６５を通過したＩチャネル側のドップラ信号を高速フーリエ変換する。マイクロプロセッサ４５は、個々の信号成分に分解した後、各成分を周波数スペクトラム上に表わす処理を行ない、周波数分布データを作成する。マイクロプロセッサ４５は、作成した周波数分布データに基づいて、生体の心拍数を計測する。このとき、マイクロプロセッサ４５は、設定されている基準心拍レンジに応じて心拍数の計測処理を変える。

一例として、図３に示される心拍レンジ「６３ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」が基準心拍レンジとして設定されているとする。この場合、マイクロプロセッサ４５は、呼吸数の整数倍に相当する周期の高次高周波成分を周波数分布データ（心拍信号）から除去し、当該除去後の周波数分布データに基づいて、生体の心拍数を抽出する。好ましくは、呼吸数の３倍に相当する周期の高次高周波成分が周波数分布データから除去される。その後、マイクロプロセッサ４５は、周波数分布データの中から最も信号強度（ピーク）の高い周波数成分を基本波データとして検出する。マイクロプロセッサ４５は、基本波データを６０倍することで、単位時間（すなわち、１分間）当りの心拍数を算出する。同様に、マイクロプロセッサ４５は、Ｑチャネル側のドップラ信号からも心拍数を算出する。マイクロプロセッサ４５は、Ｉチャネル側の心拍数とＱチャネル側の心拍数を平均化して計測結果としての心拍数を算出する。

他の例として、図３に示される心拍レンジ「８１ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」が基準心拍レンジとして設定されているとする。この場合、心拍レンジ「６３ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」が設定されている場合と同様の処理で生体の心拍数を抽出する。

他の例として、図３に示される心拍レンジ「４５ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」が基準心拍レンジとして設定されているとする。この場合、心拍数と呼吸の高周波周波数との区別が難しいため、マイクロプロセッサ４５は、呼吸数に基づいた三次高周波成分の除去処理を無効にする。

このように無効化された場合であっても、呼吸数が小さい場合には、呼吸の三次高周波成分は、ＨＰＦ６４によって除去される。しかしながら、呼吸数が大きい場合には、呼吸の三次高周波成分は、ＨＰＦ６４によって除去できない可能性がある。なぜならば、呼吸数が大きい場合には、呼吸の三次高周波成分の周波数が大きくなり、ＨＰＦ６４のカットオフ帯域から外れてしまうためである。そのため、呼吸数が小さいときの検出信号に基づいて心拍数が計測されることが好ましい。

一例として、呼吸数が１４ｂｐｍであるときには、呼吸の三次高周波成分は、４２ｂｐｍ（＝０．７Ｈｚ）となる。そのため、心拍レンジ「４５ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」に対応するカットオフ帯域「０．８Ｈｚ以下」がＨＰＦ６４に設定された場合には、４２ｂｐｍ（＝０．７Ｈｚ）の三次高周波成分がＨＰＦ６４によって除去される。このように、呼吸数が所定値よりも小さい場合や、呼吸の振幅が所定値よりも小さい場合などには、ＨＰＦ６４によって呼吸の三次高周波成分が除去されるため、このときの検出信号に基づいて心拍数の計測される。

マイクロプロセッサ４５は、呼吸数が小さいときの検出信号から生成された周波数分布データの中から最も信号強度（ピーク）の高い周波数成分を基本波データとして検出する。その後、マイクロプロセッサ４５は、基本波データを６０倍することで、単位時間（すなわち、１分間）当りの心拍数を算出する。同様に、マイクロプロセッサ４５は、Ｑチャネル側のドップラ信号からも心拍数を算出する。マイクロプロセッサ４５は、Ｉチャネル側の心拍数とＱチャネル側の心拍数を平均化して計測結果としての心拍数を算出する。

［第２の実施の形態のまとめ］
以上のようにして、本実施の形態に従う計測装置１００は、ドップラ信号を周波数分解して得られた信号成分から、呼吸数の整数倍（たとえば、３倍以上）に相当する周波数成分を除去した上で生体の心拍数を計測する。これにより、計測装置１００は、呼吸の三次周波数成分の影響を受けなくなり、生体の心拍数をさらに正確に抽出することができる。

＜第３の実施の形態＞
［概要］
第１，第２の実施の形態に従う計測装置１００は、基準心拍レンジがユーザによって予め設定されていた。これに対して、第３の実施の形態に従う計測装置１００は、基準心拍レンジが自動で設定される。これにより、心拍数を正確に計測できるだけでなく、計測装置１００の操作性が改善される。

なお、第３の実施の形態に従う計測装置１００のハードウェア構成などその他の点については第１，第２の実施の形態に従う計測装置１００と同じであるので、以下ではそれらの説明については繰り返さない。

［計測装置１００の制御構造］
図１１を参照して、計測装置１００の制御構造について説明する。図１１は、第３の実施の形態における心拍数の計測処理を表わすフローチャートである。図１１の処理は、計測装置１００のマイクロプロセッサ４５がプログラムを実行することにより実現される。他の局面において、処理の一部または全部が、回路素子またはその他のハードウェアによって実行されてもよい。

なお、ステップＳ１６２，Ｓ１６４以外の処理については、図７および図１０で説明した通りであるので、それらの説明については繰り返さない。

ステップＳ１６２において、マイクロプロセッサ４５は、心拍数が予め定められた条件を満たしたか否かを判断する。一例として、計測された心拍数が心拍情報１２２（図３参照）に規定されている心拍レンジであって基準心拍レンジよりも高周域の心拍レンジに属する場合に、当該予め定められた条件が満たされる。あるいは、計測された心拍数が心拍情報１２２に規定されている心拍レンジであって基準心拍レンジよりも低周域の心拍レンジに属する場合に、当該予め定められた条件が満たされる。あるいは、心拍数が所定下限値を下回った場合や、心拍数が所定上限値を上回った場合などに、心拍数が計測できなかったものとして、当該予め定められた条件が満たされる。

ステップＳ１６２において、マイクロプロセッサ４５は、心拍数が予め定められた条件を満たしたと判断した場合（ステップＳ１６２においてＹＥＳ）、制御をステップＳ１７０に切り替える。そうでない場合には（ステップＳ１６２においてＮＯ）、マイクロプロセッサ４５は、制御をステップＳ１６４に切り替える。

ステップＳ１６４において、マイクロプロセッサ４５は、予め設定されているルールに従って基準心拍レンジを変更する。新たな基準心拍レンジの決定方法は、任意である。以下では、新たな基準心拍レンジの決定方法について説明する。なお、以下では、説明の便宜のために、心拍情報１２２（図３参照）に規定されている心拍レンジ「４５ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」を第１基準心拍レンジとも称する。心拍情報１２２に規定されている心拍レンジ「６３ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」を第２基準心拍レンジとも称する。心拍情報１２２に規定されている心拍レンジ「８１ｂｐｍ〜２６０ｂｐｍ」を第３基準心拍レンジとも称する。

一例として、第１基準心拍レンジが現在の設定値として選択されているとする。この場合において、所定周期で計測された心拍数が所定回数（たとえば、３回）第２基準心拍レンジまたは第３基準心拍レンジに含まれるとき、マイクロプロセッサ４５は、第２基準心拍レンジまたは第３基準心拍レンジを新たな設定値として選択する。好ましくは、第２，第３基準心拍レンジの内、第２基準心拍レンジが新たな設定値として選択される。なぜならば、基準心拍レンジが第１基準心拍レンジから第３基準心拍レンジに大きく変更されると、ＨＰＦ６４のカットオフ帯域が大きく変化し、心拍数の一次高周波成分がＨＰＦ６４によって除去される可能性があるためである。

他の例として、第２基準心拍レンジが現在の設定値として選択されているとする。この場合において、所定周期で計測された心拍数が所定回数（たとえば、３回）第３基準心拍レンジに含まれるとき、マイクロプロセッサ４５は、第２基準心拍レンジの次に狭い第３基準心拍レンジを新たな設定値として選択する。このように、マイクロプロセッサ４５は、心拍情報１２２に規定されている心拍レンジの内から現在設定されている基準心拍レンジの次に狭い心拍レンジを特定し、当該心拍レンジを新たな基準心拍レンジとして設定する。

他の例として、第２基準心拍レンジが現在の設定値として選択されているとする。この場合において、所定周期で計測された心拍数が所定回数（たとえば、３回）第１基準心拍レンジに含まれるとき、マイクロプロセッサ４５は、第２基準心拍レンジの次に広い第１基準心拍レンジを新たな設定値として選択する。

他の例として、第３基準心拍レンジが現在の設定値として選択されているとする。この場合において、所定周期で計測された心拍数が所定回数（たとえば、３回）第１基準心拍レンジまたは第２基準心拍レンジに含まれるとき、マイクロプロセッサ４５は、第１基準心拍レンジまたは第２基準心拍レンジを新たな設定値として選択する。ドップラセンサ４０では、生体の不要な動きを検出しやすく、これにより、計測結果としての心拍数が高くなってしまう可能性がある。このような場合であっても、基準心拍レンジを適宜狭くできる機能が実装されているので、心拍数が正確に計測され得る。

なお、上述では、ＨＰＦ６４に設定されるカットオフ帯域が心拍情報１２２（図３参照）に基づいて変更される例について説明を行ったが、ＨＰＦ６４のカットオフ帯域の変更方法は、これに限定されない。たとえば、マイクロプロセッサ４５は、ＨＰＦ６４に設定されているカットオフ帯域を所定パーセント低域側にシフトさせてもよい。当該所定パーセントは、たとえば、０％よりも大きく２０％以下の数値である。ＨＰＦ６４のカットオフ帯域を、低域側に少しずらすことにより、低域側と高域側とで心拍レンジが重なる範囲が大きくなり、心拍レンジの切り替えがよりスムーズとなる。

また、上述のＨＰＦ６４には、ＩＩＲ（Infinite Impulse Response）型フィルタおよびＦＩＲ（Finite Impulse Response）型のデジタルフィルタのいずれもが採用され得るが、好ましくは、ＩＩＲ型フィルタが採用される。これにより、サンプリング周期および演算速度が高速化され、ＨＰＦ６４のカットオフ帯域の切り替えがスムーズとなる。その結果、安定して心拍数が計測され、かつ、より速いサンプリングレートで心拍数が計測され得る。

また、ＨＰＦ６４について説明した上述の処理は、ＬＰＦ６５にも適用することができる。

［第３の実施の形態のまとめ］
以上のようにして、本実施の形態に従う計測装置１００は、ＨＰＦ６４のカットオフ帯域を自動で切り替える。これにより、心拍数を正確に計測できるだけでなく、計測装置１００の操作性が改善される。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

２１ 発振回路、２２Ａ，２２Ｂ，１４５Ａ，１４５Ｂ，１４５Ｃ，１４５Ｄ 増幅器、２５ 送信アンテナ、３０ 受信アンテナ、３２Ｉ，３２Ｑ ミキサ、３３Ｉ，３３Ｑ，６５，６５Ｉ，６５Ｑ，７１Ｉ，７１Ｑ ＬＰＦ、３８ ９０度移相器、４０ ドップラセンサ、４１ アナログ信号処理回路、４３ コンバータ、４５ マイクロプロセッサ、５０ 体動検出部、５２ 出力制御部、５５ ネットワーク、６０ 心拍演算部、６４，６４Ｉ，６４Ｑ，１４３Ａ，１４３Ｂ，１４３Ｃ，１４３Ｄ ＨＰＦ、６６Ｉ，６６Ｑ，７２Ｉ，７２Ｑ 基本波検出部、６７ 設定部、６８ 心拍抽出部、７０ 呼吸演算部、７３ 呼吸抽出部、１００ 計測装置、１２２ 心拍情報、１２４ 基準心拍レンジ、１４９Ａ，１４９Ｂ，１４９Ｃ，１４９Ｄ 信号処理回路、１５２ 制御回路、１５４ メモリ、１５６ スピーカ、１５８ 通信インターフェイス、２００ 端末装置、１０００ 計測システム。

Claims (8)

1. 生体の心拍数を計測するための計測装置であって、
   前記生体にマイクロ波を照射し、当該マイクロ波の反射波を受信するとともに、当該マイクロ波と当該反射波との間の周波数差または位相差を表わすドップラ信号を出力するためのドップラセンサーと、
   設定されたカットオフ帯域の低周波成分を前記ドップラ信号から除去するためのハイパスフィルタと、
   前記生体の心拍数を含み得る基準心拍レンジを取得するとともに、周波数帯域を生体の心拍レンジごとに対応付けている心拍情報を取得し、当該心拍情報において前記基準心拍レンジに対応付けられている周波数帯域を前記カットオフ帯域として設定するための設定部と、
   前記設定されたカットオフ帯域の低周波成分を前記ドップラ信号から除去して得られた心拍信号の周波数成分に基づいて、前記生体の心拍数を決定するための心拍抽出部とを備える、計測装置。
2. 前記設定部は、前記基準心拍レンジが変更されたことに基づいて、変更後の基準心拍レンジに対応する周波数帯域を前記心拍情報から新たに特定し、当該周波数帯域を前記ハイパスフィルタのカットオフ帯域として再設定する、請求項１に記載の計測装置。
3. 前記計測装置は、
   前記カットオフ帯域よりも高周域の高周波成分を前記ドップラ信号から除去するためのローパスフィルタと、
   前記ドップラ信号から前記高周波成分を除去して得られた呼吸信号の周波数成分に基づいて、前記生体の呼吸数を決定するための呼吸抽出部とを備え、
   前記心拍抽出部は、前記呼吸数の整数倍に相当する周期の信号成分を前記心拍信号から除去し、当該除去後の心拍信号に基づいて、前記生体の心拍数を決定する、請求項１または２に記載の計測装置。
4. 前記設定部は、前記心拍抽出部が予め定められた条件を満たした場合に、前記ハイパスフィルタに設定されているカットオフ帯域を所定パーセント低域側にシフトする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の計測装置。
5. 前記設定部は、前記生体の心拍数が予め定められた条件を満たした場合に、前記心拍情報に規定されている心拍レンジの内から前記基準心拍レンジの次に狭い心拍レンジを特定し、当該心拍レンジを新たな基準心拍レンジとして取得する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記心拍抽出部によって決定された心拍数が、前記心拍情報に規定されている心拍レンジであって前記基準心拍レンジよりも高周域の心拍レンジに属する場合、または、前記心拍抽出部が前記生体の心拍数を抽出できなかった場合に、前記予め定められた条件は満たされる、請求項４または５に記載の計測装置。
7. 生体の心拍数を計測するための計測方法であって、
   前記生体にマイクロ波を照射し、当該マイクロ波の反射波を受信するとともに、当該マイクロ波と当該反射波との間の周波数差または位相差を表わすドップラ信号を出力するステップと、
   設定されたカットオフ帯域の低周波成分を前記ドップラ信号から除去するステップと、
   前記生体の心拍数を含み得る基準心拍レンジを取得するとともに、周波数帯域を生体の心拍レンジごとに対応付けている心拍情報を取得し、当該心拍情報において前記基準心拍レンジに対応付けられている周波数帯域を前記カットオフ帯域として設定するステップと、
   前記設定されたカットオフ帯域の低周波成分を前記ドップラ信号から除去して得られた心拍信号の周波数成分に基づいて、前記生体の心拍数を計測するステップとを備える、計測方法。
8. 生体の心拍数を計測するための計測プログラムであって、
   前記計測プログラムは、計測装置に、
   前記生体にマイクロ波を照射し、当該マイクロ波の反射波を受信するとともに、当該マイクロ波と当該反射波との間の周波数差または位相差を表わすドップラ信号を出力するステップと、
   設定されたカットオフ帯域の低周波成分を前記ドップラ信号から除去するステップと、
   前記生体の心拍数を含み得る基準心拍レンジを取得するとともに、周波数帯域を生体の心拍レンジごとに対応付けている心拍情報を取得し、当該心拍情報において前記基準心拍レンジに対応付けられている周波数帯域を前記カットオフ帯域として設定するステップと、
   前記設定されたカットオフ帯域の低周波成分を前記ドップラ信号から除去して得られた心拍信号の周波数成分に基づいて、前記生体の心拍数を計測するステップとを実行させる、計測プログラム。

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