JP2017169868A - 心肺機能測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微弱な呼吸、心拍の信号を強調し、呼吸数や心拍数を正しく測定することができるようにする。【解決手段】ドップラーセンサ１から出力されたＩ，Ｑ信号のそれぞれを第１のフィルタ５ａ，５ｂに通した後、ヒルベルトフィルタ６ａ，６ｂと、このヒルベルトフィルタと同じ遅延特性を持つ遅延回路７ａ，７ｂに通し、ヒルベルトフィルタ６ａ，６ｂを通したＩ信号をＩｈ、Ｑ信号をＱｈとし、遅延回路７ａ，７ｂを通したＩ信号をＩｄ、Ｑ信号をＱｄとしたとき、Ａ＝（−１）×Ｉｄ×Ｑｈ、Ｂ＝Ｉｈ×Ｑｄ、Ｃ＝Ａ＋Ｂの強調信号を演算し、これらＡ〜Ｃの信号に基づき、呼吸数又は心拍数を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は心肺機能測定装置、特にマイクロ波を利用したドップラーセンサを用いて、心拍数、呼吸数を測定する心肺機能測定装置に関する。

図３に、従来のマイクロ波ドップラーセンサを使って心肺機能を測定する装置の１例が示されており、図３において、符号の１はＩ，Ｑ信号を出力するドップラーセンサ、２はＩ，Ｑ信号のいずれかを選択するセレクタ、３はＬＰＦ（ローパスフィルタ）、４はＡＤ（アナログ／デジタル）コンバータ、５は呼吸と心拍の周波数範囲を通過帯域とするＬＰＦ／ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）、２１は呼吸数や心拍数を測定する測定部である。

この心肺機能測定装置では、図３のように、ドップラーセンサ１の出力のうち、セレクタ２で選択されたＩ，Ｑ信号を一方の出力をＡＤ変換し、このＡＤ変換後の信号を、呼吸を測定する場合には呼吸の周波数範囲を通過するＬＰＦ／ＢＰＦ（ＬＰＦ、ＢＰＦのいずれでもよい）５を通し、心拍を測定する場合には心拍の周波数範囲を通過するＬＰＦ／ＢＰＦ（この場合はＢＰＦ）５を通し、その後、測定部２１にて周波数変換（フーリエ変換）すること、又はパルスをカウントすることにより呼吸数又は心拍数が測定される。

特許５７７６８１７号公報 特許５４３２２５４号公報 特許５３３３４２７号公報

しかしながら、従来の心肺機能測定装置では、呼吸や心拍によるドップラーセンサからの出力信号の変動レベルは微弱なものであるため、呼吸数又は心拍数を正しく測定することが困難であった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、微弱な呼吸、心拍の信号を強調し、呼吸数や心拍数を正確に測定することができる心肺機能測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、位相差のある２つのＩ，Ｑ信号を出力するドップラーセンサにより心肺機能を測定する心肺機能測定装置において、上記Ｉ，Ｑ信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器から出力されたＩ，Ｑ信号を入力し、心拍測定においては心拍の周波数範囲を通すバンドパスフィルタ、呼吸測定においては呼吸の周波数範囲を通すローパスフィルタ又はバンドパスフィルタからなる第１のフィルタと、この第１のフィルタから出力されたＩ，Ｑ信号を通すヒルベルトフィルタと、上記第１のフィルタから出力されたＩ，Ｑ信号を通し、上記のヒルベルトフィルタと同じ遅延を持つ遅延回路と、上記ヒルベルトフィルタを通したＩ信号をＩｈ、Ｑ信号をＱｈとし、上記遅延回路を通したＩ信号をＩｄ、Ｑ信号をＱｄとしたとき、
Ａ＝（−１）×Ｉｄ×Ｑｈ
Ｂ＝Ｉｈ×Ｑｄ
Ｃ＝Ａ＋Ｂ
の式で得られるＡ，Ｂ，Ｃの少なくとも１つの信号を演算する演算回路と、この演算回路で得られたＡ，Ｂ，Ｃの少なくとも１つの信号に基づき、周波数解析又はパルスカウントすることにより呼吸数又は心拍数を測定する測定部と、を設けたことを特徴とする。

上記において、ヒルベルトフィルタは、位相（正の周波数領域）が９０度遅れる特性を持つヒルベルト変換フィルタであり、ヒルベルトフィルタと同じ遅延とは、ヒルベルトフィルタをＦＩＲ（Finite Impulse Response）のデジタルフィルタで実現した場合、ヒルベルトフィルタの次数の半分の次数の遅延（時間）を意味する。
請求項２の発明は、上記演算回路では、Ａ，Ｂ，Ｃの全ての信号を演算し、上記測定部では、上記Ａ，Ｂ，Ｃの信号のうち、正、負のピークレベルの大きいものを選択して、周波数解析又はパルスカウントすることを特徴とする

上記の構成によれば、ドップラーセンサから位相の異なる（９０度位相差のある）Ｉ，Ｑ信号が出力されており、これらＩ，Ｑ信号がＡＤ変換され、呼吸を測定する場合は、呼吸の周波数範囲を通過帯域とするＬＰＦ（ローパスフィルタ）又はＢＰＦ（バンドパスフィルタ）に通され、心拍を測定する場合は、心拍の周波数範囲を通過帯域とするＢＰＦに通された後、Ｉ，Ｑ信号のそれぞれがヒルベルトフィルタと遅延回路とに通される。そして、演算回路では、上記演算式によって、Ａ，Ｂ，Ｃの信号（値）が演算され、これらの信号の周波数解析又はパルスカウントを測定部で行うことで、呼吸数又は心拍数が測定される。即ち、Ａ，Ｂ信号の場合はその半分の値をとることにより、Ｃ信号の場合は、そのままの値をとることにより、呼吸数、心拍数が測定される。

上記のＡ信号とＢ信号は、ドップラーセンサ出力の位相が約１８０度（又は０度）ずれている場合に強調され、Ｃの信号は、約９０度（又は２７０度）ずれている場合に強調されることとなり、これらの強調されたＡ，Ｂ，Ｃの信号を用いることで、正確な測定が可能となる。

本発明の構成によれば、ヒルベルトフィルタと遅延回路を用いた演算により、呼吸、心拍の微弱なドップラーセンサの出力信号を強調した信号を作ることができ、呼吸数や心拍数を正確に測定することが可能となる。
また、本発明は、非接触で心拍数、呼吸数を測定する装置として利用することができる。

本発明に係る実施例の心肺機能測定装置の構成を示す回路ブロック図である。 実施例のドップラーセンサのＩ，Ｑ信号の位相関係及び演算結果の位相関係を示す図である。 従来の心肺機能測定装置の構成を示す回路ブロック図である。

図１に、実施例の心肺機能測定装置の構成が示されており、この実施例において、符号の１はＩ，Ｑの２つの信号を出力するドップラーセンサ、３ａ，３ｂはアンチエイシングフィルタであるＬＰＦ（ローパスフィルタ）、４ａ，４ｂはＡＤ（アナログ／デジタル）コンバータ、５ａ，５ｂは第１のフィルタであり、この第１のフィルタ５ａ，５ｂは、心拍測定では心拍の周波数範囲を通すＢＰＦ（バンドパスフィルタ）が適用され、呼吸測定では呼吸の周波数範囲を通すＬＰＦ又はＢＰＦが適用される。

６ａ，６ｂは、信号の位相が９０度遅れる特性を持つヒルベルトフィルタ、７ａ，７ｂは、信号をヒルベルトフィルタ６ａ，６ｂの遅延と同じ時間だけ遅らせる遅延回路（ヒルベルトフィルタ次数の半分の次数の遅延を持つ遅延素子）、８はＩｈ（ヒルベルトＩ出力）×Ｑｄ（遅延回路Ｑ出力）を計算する乗算回路、９はヒルベルトフィルタ６ｂの出力に−１を乗算する乗算回路、１０は−Ｑｈ（乗算回路の−Ｑ出力）×Ｉｄ（遅延回路Ｉ出力）を計算する乗算回路、１１は乗算回路８と９の出力の加算器、１２はセレクタ、１３は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の周波数変換を行うこと、又は単にパルス（波形）をカウントすることにより呼吸数と心拍数を計数する測定部である。

実施例は以上の構成からなり、ドップラーセンサ１から出力されたＩ，Ｑ２つの信号は、それぞれのＬＰＦ（アンチエイリアシングフィルタ）３ａ，３ｂを通った後、ＡＤコンバータ４ａ，４ｂでＡＤ変換され、このＡＤ変換された信号は第１のフィルタ５ａ，５ｂに入力される。この第１のフィルタ５ａ，５ｂでは、呼吸測定の場合は、呼吸の周波数範囲を通すＬＰＦ又はＢＰＦを通され、心拍測定の場合は、心拍の周波数範囲を通すＢＰＦを通される。この第１のフィルタ５ａ，５ｂの出力は、２系統に分かれ、一方（Ｉ信号系統）はヒルベルトフィルタ６ａと遅延回路７ａに入力され、他方（Ｑ信号系統）はヒルベルトフィルタ６ｂと遅延回路７ｂに入力される。即ち、ヒルベルトフィルタ６ａ，６ｂでは、信号の位相が９０度遅れ、遅延回路７ａ，７ｂでは、信号がフィルベルトフィルタ６ａ，６ｂと同じ遅延（ヒルベルトフィルタの次数の半分の次数の遅延）分だけ遅れる。

そして、次段の演算回路（８〜１１）にて次の演算が行われる。
上記ヒルベルトフィルタ６ａ，６ｂを通ったＩ，Ｑ信号をそれぞれＩｈ，Ｑｈ、遅延回路７ａ，７ｂを通ったＩ，Ｑ信号をそれぞれＩｄ，Ｑｄとすると、乗算回路８でＩｈ×Ｑｄ（＝Ｂ）、乗算回路９と１０で−１×Ｑ×Ｉｄ（＝Ａ）、加算器１１で（Ｉｈ・Ｑｄ）＋（−１・Ｑ・Ｉｄ）［＝Ａ＋Ｂ＝Ｃ］が計算される。

図２に、上記演算でのＩ，Ｑ信号の位相関係が示されており、Ｉ，Ｑの信号は、図２（ａ）のように９０度の位相差があり、このＩ信号がヒルベルトフィルタ６ａを通ると、図２（ｂ）のＩｈのように位相が９０°遅れ、Ｑ信号もヒルベルトフィルタ６ｂを通ると、図２（ｃ）のＱｈように位相が９０°遅れる。一方、遅延回路７ａ，７ｂでは、位相の遅れはなく、図２（ｄ）のように、遅延回路７ａの出力ＩｄとＱｈが１８０°ずれることになるので、乗算回路１０においては、−ＱｈとＩｄとを掛けることによりＡ信号が得られ、図２（ｅ）のように、遅延回路７ｂの出力ＱｄとＩｈは位相のずれがない（０°）ので、乗算回路８においては、ＩｈとＱｄとを掛けることで、Ｂ信号が得られる。また、加算器１１からはＡ＋ＢのＣ信号が得られる。

このようなＡ〜Ｃの信号において、ドップラーセンサの出力信号の位相が約１８０度（又は０度）ずれている場合にはＡ信号とＢ信号が強調され、約９０度（又は２７０度）ずれている場合にはＣ信号が強調されることになり、これらの強調されたＡ，Ｂ，Ｃの信号を用いることで、正確な測定が可能となる。

上記のＡ，Ｂ，Ｃの３つの信号は、セレクタ１２へ出力されており、このセレクタ１２ではＡ〜Ｃの信号のうち、パワーレベルの大きいものが選択される。そして、選択されたＡ〜Ｃのいずれかの信号が測定部１３へ入力されることにより、周波数解析又はパルスカウントが行われ、周波数解析をする場合は解析結果のパワー（振幅）を計算し、そのピーク値の周波数から呼吸数又は心拍数が求められ、パルスをカウントする場合はそのカウント値から呼吸数又は心拍数が求められる。ここで、Ａ信号が選択されたときには、上記の求められたそのままの値を、Ａ，Ｂ信号が選択されたときには、求められた値の半分の値を呼吸数又は心拍数とする。

上記実施例では、Ａ〜Ｃの信号のうち、選ばれたいずれかの信号から呼吸数、心拍数を測定するように構成したが、Ａ〜Ｃの全ての信号を測定部１３にて周波数解析又はパルスカウントし、その結果を選択するようにしてもよい。
また、実施例は、Ａ〜Ｃの信号の全てを求めたが、Ａ，Ｂ，Ｃのうちの１つの信号を求める演算回路を設ける回路構成とすることもできる。

１…ドップラーセンサ、 ２，１２…セレクタ、
３，３ａ，３ｂ…ＬＰＦ（アンチエイリアシングフィルタ）、
４，４ａ，４ｂ…ＡＤコンバータ、
５，５ａ，５ｂ…第１のフィルタ（ＬＰＦ／ＢＰＦ）、
６ａ，６ｂ…ヒルベルトフィルタ、
７ａ，７ｂ…遅延回路、 ８，９，１０…乗算回路、
１１…加算回路、 １３，２１…測定部。

Claims (2)

1. 位相差のある２つのＩ，Ｑ信号を出力するドップラーセンサにより心肺機能を測定する心肺機能測定装置において、
   上記Ｉ，Ｑ信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、
   このＡ／Ｄ変換器から出力されたＩ，Ｑ信号を入力し、心拍測定においては心拍の周波数範囲を通すバンドパスフィルタ、呼吸測定においては呼吸の周波数範囲を通すローパスフィルタ又はバンドパスフィルタからなる第１のフィルタと、
   この第１のフィルタから出力されたＩ，Ｑ信号を通すヒルベルトフィルタと、
   上記第１のフィルタから出力されたＩ，Ｑ信号を通し、上記のヒルベルトフィルタと同じ遅延を持つ遅延回路と、
   上記ヒルベルトフィルタを通したＩ信号をＩｈ、Ｑ信号をＱｈとし、上記遅延回路を通したＩ信号をＩｄ、Ｑ信号をＱｄとしたとき、
   Ａ＝（−１）×Ｉｄ×Ｑｈ
   Ｂ＝Ｉｈ×Ｑｄ
   Ｃ＝Ａ＋Ｂ
   の式で得られるＡ，Ｂ，Ｃの少なくとも１つの信号を演算する演算回路と、
   この演算回路で得られたＡ，Ｂ，Ｃの少なくとも１つの信号に基づき、周波数解析又はパルスカウントすることにより呼吸数又は心拍数を測定する測定部と、を設けたことを特徴とする心肺機能測定装置。
2. 上記演算回路では、Ａ，Ｂ，Ｃの全ての信号を演算し、
   上記測定部では、上記Ａ，Ｂ，Ｃの信号のうち、正、負のピークレベルの大きいものを選択して、周波数解析又はパルスカウントすることを特徴とする請求項１記載の心肺機能測定装置。
   

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