JP6498004B2 - Biological signal sensor - Google Patents
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Description
本発明は、電波を用いる生体信号センサに関する。 The present invention relates to a biological signal sensor using radio waves.
従来、人体の脈拍を検出するには、光電生体信号センサや心電計等のように、人体にセンサを接触させた状態でセンシングを行う必要があった。
これに対して、非接触で人体の脈拍を検出できると、健康維持や健康管理のグッズや、独居老人の見守りセンシング等への応用が期待できる。
Conventionally, in order to detect the pulse of the human body, it has been necessary to perform sensing in a state where the sensor is in contact with the human body, such as a photoelectric biosignal sensor or an electrocardiograph.
On the other hand, if the pulse of the human body can be detected in a non-contact manner, it can be expected to be applied to health maintenance and health management goods, watching and sensing of the elderly living alone, and the like.
人体の活動状況を非接触にて検出する手法として、電波を用いる技術がある。特許文献１には、電波を用いた非接触式心肺機能監視装置のセンサが開示されている。
特許文献１に開示されるセンサは、ドップラーセンサと呼ばれるものであり、その名称の通り、ドップラー効果を利用して対象物の存在等を検出するセンサである。
As a method for detecting the activity state of a human body without contact, there is a technique using radio waves. Patent Document 1 discloses a sensor of a non-contact cardiopulmonary function monitoring apparatus using radio waves.
The sensor disclosed in Patent Document 1 is called a Doppler sensor, and as the name suggests, is a sensor that detects the presence of an object using the Doppler effect.
特許文献１に開示されるドップラーセンサは、高速フーリエ変換と計算機による演算処理を用いるため、装置の規模が大きくなり、高価なものであった。したがって、非接触の生体信号センサを安価なグッズに適用させるためには、更なる簡略化、低価格化が望まれていた。
また、同種の電波を用いるセンサを複数個、近接して運用すると、電波の干渉に起因する動作不良を引き起こす虞がある。
更に、従来のドップラーセンサは極超短波を使用しているが、電波の周波数をＶＨＦ帯まで下げたセンサを構築すると、指向性が緩慢になり、被測定者を特定しにくくなる。
The Doppler sensor disclosed in Patent Document 1 uses a fast Fourier transform and a calculation process by a computer, so that the scale of the apparatus is large and expensive. Therefore, in order to apply the non-contact biological signal sensor to inexpensive goods, further simplification and lower cost have been desired.
Further, if a plurality of sensors using the same type of radio waves are operated in close proximity, there is a risk of causing malfunction due to radio wave interference.
Furthermore, although the conventional Doppler sensor uses an ultra high frequency wave, if a sensor in which the frequency of the radio wave is lowered to the VHF band is constructed, the directivity becomes slow, and it becomes difficult to specify the person to be measured.
本発明は係る状況に鑑みてなされたものであり、極めて簡易且つ安価な回路構成で、検出対象である人体の脈拍を非接触にて検出できる生体信号センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide a biological signal sensor that can detect a pulse of a human body as a detection target in a non-contact manner with a very simple and inexpensive circuit configuration.
上記課題を解決するために、本発明の生体信号センサは、電波として利用可能な周波数成分を含む信号を生成する信号生成部と、所定の帯域幅を備え、信号生成部が生成した信号から、帯域幅に含まれる周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタを通過した信号を電波として放射する第一アンテナと、第一アンテナと分離されており、第一アンテナから放射された電波を受信する第二アンテナとを具備する。更に、バンドパスフィルタを通過した信号からＡＭ検波を行う第一ＡＭ検波回路と、第二アンテナが受信した信号からＡＭ検波を行う第二ＡＭ検波回路と、第一ＡＭ検波回路の出力信号と、第二ＡＭ検波回路の出力信号とを乗算するミキサと、ミキサの出力信号から信号生成部の周波数より低い周波数の信号を通過させるローパスフィルタとを具備する。
信号生成部は、擬似ランダムパターンを生成する擬似ランダムパルス生成部と、擬似ランダムパターンに基づく高調波を生成する高調波生成部とよりなる。
In order to solve the above-described problem, the biological signal sensor of the present invention includes a signal generation unit that generates a signal including a frequency component that can be used as radio waves, a predetermined bandwidth, and a signal generated by the signal generation unit. A bandpass filter that passes a signal of a frequency included in the bandwidth, a first antenna that radiates a signal that has passed through the bandpass filter as a radio wave, and a radio wave that is separated from the first antenna and radiated from the first antenna And a second antenna for receiving the signal. A first AM detection circuit that performs AM detection from the signal that has passed through the bandpass filter; a second AM detection circuit that performs AM detection from the signal received by the second antenna; and an output signal of the first AM detection circuit; A mixer that multiplies the output signal of the second AM detection circuit, and a low-pass filter that passes a signal having a frequency lower than the frequency of the signal generation unit from the output signal of the mixer.
The signal generation unit includes a pseudo random pulse generation unit that generates a pseudo random pattern and a harmonic generation unit that generates a harmonic based on the pseudo random pattern.
本発明によれば、極めて簡易且つ安価な回路構成で、検出対象である人体の脈拍を非接触にて検出できる生体信号センサを提供できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the biosignal sensor which can detect the pulse of the human body which is a detection object non-contacting by a very simple and cheap circuit structure can be provided.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
これより説明する、本発明の第一実施形態及び第二実施形態に係る生体信号センサは、本願の発明者が「脈拍センサ」として出願済（特願２０１３−２１７０９３号）の技術内容の改良であり、何れもドップラーセンサの一種である。すなわち、被測定者に電波を照射し、反射又は通過した電波の周波数の変化を検出する。
しかし、対象物である人体がアンテナに近い場合、人体の位置や動作で、アンテナの共振周波数は容易に変動する。
本発明の実施形態に係る生体信号センサは、この変動する共振周波数の変動範囲を包含するバンドパスフィルタ（以下「ＢＰＦ」と略）を用いて、複数の周波数の電波を抽出して利用している。
The biological signal sensor according to the first embodiment and the second embodiment of the present invention to be described below is an improvement of the technical content of the inventor of the present application filed as “pulse sensor” (Japanese Patent Application No. 2013-217093). Yes, both are types of Doppler sensors. That is, the measurement subject is irradiated with radio waves, and a change in the frequency of the reflected or passed radio waves is detected.
However, when the target human body is close to the antenna, the resonance frequency of the antenna easily varies depending on the position and operation of the human body.
The biological signal sensor according to the embodiment of the present invention extracts and uses radio waves of a plurality of frequencies by using a bandpass filter (hereinafter abbreviated as “BPF”) that includes the fluctuation range of the fluctuating resonance frequency. Yes.
ある一つの測定対象に電波を用いるセンサを複数運用すると、電波の干渉による誤動作を引き起こす虞がある。第一実施形態では、この電波干渉を、擬似乱数を用いた擬似ランダムパルスを採用することで、解消する。
低い周波数帯の電波を用いたセンサは、指向性が殆どない。このため、特定の対象に絞って信号を検出することが困難である。第二実施形態では、検出対象の絞り込みを、送信と受信とでアンテナを分離することで実現する。
If a plurality of sensors that use radio waves are used for a single measurement object, there is a risk of causing malfunction due to radio wave interference. In the first embodiment, this radio wave interference is eliminated by adopting a pseudo random pulse using a pseudo random number.
Sensors using radio waves in a low frequency band have little directivity. For this reason, it is difficult to detect a signal focused on a specific target. In the second embodiment, the detection target is narrowed down by separating the antennas for transmission and reception.
［第一実施形態：生体信号センサ２０１の全体構成］
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第一実施形態に係る、生体信号センサの動作状態を説明する概略図である。
検出対象である被測定者１０１に対し、電波を用いるセンサを複数個適用する場合を考える。
図１Ａは、第一センサ１０２と第二センサ１０３が互いに離れている場合における、センサの動作状態を説明する概略図である。第一センサ１０２の測定可能範囲Ａ１０４と、第二センサ１０３の測定可能範囲Ａ１０５は、互いに相手のセンサに被らないように十分な距離をもって配置されているため、第一センサ１０２も第二センサ１０３も互いに本来の性能を発揮した測定結果を出力できる。
図１Ｂは、第一センサ１０２と第二センサ１０３が互いに近接している場合における、センサの動作状態を説明する概略図である。第二センサ１０３の測定可能範囲Ａ１０５の中に、第一センサ１０２が存在している。このため、第一センサ１０２の測定結果は、第二センサ１０３が発する電波によって擾乱されるので、本来の性能を発揮した測定結果を出力できない。
しかし、第一センサ１０２と第二センサ１０３が各々、自身が出した電波のみ受信できるように構成されていれば、第一センサ１０２と第二センサ１０３が図１Ｂのような配置関係であっても、それぞれ本来の性能を発揮した測定結果を出力できることが期待できる。
[First Embodiment: Overall Configuration of Biological Signal Sensor 201]
FIG. 1A and FIG. 1B are schematic diagrams for explaining the operating state of the biological signal sensor according to the first embodiment of the present invention.
Consider a case in which a plurality of sensors using radio waves are applied to the person under
FIG. 1A is a schematic diagram illustrating an operation state of a sensor when the
FIG. 1B is a schematic diagram illustrating the operation state of the sensor when the
However, if each of the
図２は、本発明の第一実施形態に係る、生体信号センサのブロック図である。
生体信号センサ２０１は、以下に記す、二つの要素に分けられる。
第一の要素は、対象物に進行波である電波を送信し、対象物から反射される反射波を受信して抽出する要素である。この第一の要素には、クロック生成部２０２、擬似ランダムパルス生成部２０３、高調波生成部２０４、ＢＰＦ２０５、第一ＲＦ増幅器２０６、方向性結合器２０７及びヘリカルアンテナ２０８が含まれる。
第二の要素は、進行波と反射波から周波数差信号を生成し、更に生体信号を抽出する要素である。この第二の要素としては、第二ＲＦ増幅器２１０、第三ＲＦ増幅器２１１、第一ＡＭ検波回路２１２、第二ＡＭ検波回路２１３、ミキサ２１４、ローパスフィルタ（以下「ＬＰＦ」と略）２１５が含まれる。
FIG. 2 is a block diagram of the biological signal sensor according to the first embodiment of the present invention.
The biological signal sensor 201 is divided into the following two elements.
The first element is an element that transmits a radio wave that is a traveling wave to an object and receives and extracts a reflected wave reflected from the object. The first element includes a
The second element is an element that generates a frequency difference signal from the traveling wave and the reflected wave, and further extracts a biological signal. The second element includes a
クロック生成部２０２は、比較的低い周波数のパルスを生成する。このクロック生成部２０２で生成されるパルスの周波数は、例えば１００ｋＨｚである。擬似ランダムパルス生成部２０３は図示しないＲＯＭ等から構成され、クロック生成部２０２から生じるクロックを受けて、例えば周知のＭ系列擬似ランダムパターンを出力する。高調波生成部２０４は、入力される信号に歪を生じさせて、高調波成分を付加する。このような回路には、例えば周知のダイオードクリッパあるいはダイオードリミッタ等と呼ばれる、２本のダイオードを逆極性に並列接続した回路が利用可能である。
ＢＰＦ２０５は、高調波生成部２０４から出力される信号から高調波成分を取り出す。ＢＰＦ２０５の中心周波数と帯域幅は、例えば１００ＭＨｚ±３ＭＨｚである。ＢＰＦ２０５は例えばＬＣ共振回路を多段接続した回路構成が利用可能である。
第一ＲＦ増幅器２０６は、ＢＰＦ２０５を通過した高調波成分の信号を増幅する。
The
The
The first RF amplifier 206 amplifies the harmonic component signal that has passed through the
第一ＲＦ増幅器２０６によって増幅された高調波成分の信号は、方向性結合器２０７の入力端子（図１中「ＩＮ」）に入力される。そして、この高調波成分の信号は方向性結合器２０７の出力端子（図１中「ＯＵＴ」）に接続されたヘリカルアンテナ２０８に供給される。
方向性結合器２０７は、コイル、コンデンサ及び抵抗で形成され、ＶＳＷＲ計（電圧定在波比：Voltage Standing Wave Ratio）等に用いられる、周知の回路素子である。方向性結合器２０７は、第一の伝送路に含まれる進行波と反射波に基づいて、進行波に比例した出力信号と、反射波に比例した出力信号とをそれぞれ出力することができる。
The harmonic component signal amplified by the first RF amplifier 206 is input to the input terminal (“IN” in FIG. 1) of the directional coupler 207. The harmonic component signal is supplied to the helical antenna 208 connected to the output terminal (“OUT” in FIG. 1) of the directional coupler 207.
The directional coupler 207 is a well-known circuit element formed of a coil, a capacitor, and a resistor, and used for a VSWR meter (Voltage Standing Wave Ratio) or the like. The directional coupler 207 can output an output signal proportional to the traveling wave and an output signal proportional to the reflected wave based on the traveling wave and the reflected wave included in the first transmission path.
ヘリカルアンテナ２０８は、第一ＲＦ増幅器２０６から出力される高調波成分の信号に基づく、複数の周波数の電波を発する。そして、人体等の対象物によって反射された電波は、ヘリカルアンテナ２０８によって受信され、方向性結合器２０７の内部で定在波を生じる。
方向性結合器２０７の分離端子（図１中「Ｉｓｏｌａｔｅｄ」）には、ヘリカルアンテナ２０８を通じて出力端子から入力される電波の信号（反射波）に比例した信号が出力される。
方向性結合器２０７の結合端子（図１中「Ｃｏｕｐｌｅｄ」）には、入力端子に入力される高調波成分の信号（進行波）に比例した信号が出力される。
結合端子は、抵抗Ｒ２０９を介して接地ノードに接続されている。抵抗Ｒ２０９としては方向性結合器２０７及びヘリカルアンテナ２０８のインピーダンスに等しい抵抗値が設定される。多くの場合、５０Ωか７５Ωである。
The helical antenna 208 emits radio waves having a plurality of frequencies based on the harmonic component signal output from the first RF amplifier 206. The radio wave reflected by the object such as a human body is received by the helical antenna 208, and a standing wave is generated inside the directional coupler 207.
A signal proportional to a radio wave signal (reflected wave) input from the output terminal through the helical antenna 208 is output to the separation terminal (“Isolated” in FIG. 1) of the directional coupler 207.
A signal proportional to the harmonic component signal (traveling wave) input to the input terminal is output to the coupling terminal (“Coupled” in FIG. 1) of the directional coupler 207.
The coupling terminal is connected to the ground node via the resistor R209. A resistance value equal to the impedance of the directional coupler 207 and the helical antenna 208 is set as the resistor R209. In many cases, it is 50Ω or 75Ω.
第二ＲＦ増幅器２１０は、ＢＰＦ２０５を通過した高調波成分の信号（進行波）を増幅する。
第三ＲＦ増幅器２１１は、方向性結合器２０７の分離端子から出力される、ヘリカルアンテナ２０８を通じて出力端子から入力される電波の信号（反射波）を増幅する。なお、第三ＲＦ増幅器２１１のゲインは、第二ＲＦ増幅器２１０より大きく設計される。
第二ＲＦ増幅器２１０の出力信号は、第一ＡＭ検波回路２１２に供給され、ＡＭ検波が行われる。同様に、第三ＲＦ増幅器２１１の出力信号は、第二ＡＭ検波回路２１３に供給され、ＡＭ検波が行われる。この結果、第一ＡＭ検波回路２１２と第二ＡＭ検波回路２１３からは、擬似ランダムパルス生成部２０３による擬似ランダムパルスが復調される。但し、第二ＡＭ検波回路２１３の出力信号には、ヘリカルアンテナ２０８から受信した反射波に含まれている、被測定者１０１に起因する低周波の周波数変動を含む。
The
The
The output signal of the
ミキサ２１４は第一ＡＭ検波回路２１２の出力信号と第二ＡＭ検波回路２１３の出力信号を乗算する。ここで、ミキサ２１４としては、例えばデュアルゲートＦＥＴ等が利用可能である。
ＬＰＦ２１５のカットオフ周波数は、擬似ランダムパルス生成部２０３から出力される信号よりも低く設定されており、例えば１ｋＨｚである。すなわち、クロック生成部２０２が出力する１００ｋＨｚよりも低いカットオフ周波数である。したがって、ＬＰＦ２１５はミキサ２１４の出力信号から第一ＡＭ検波回路２１２の出力信号と第二ＡＭ検波回路２１３の出力信号との周波数差信号のみ出力する。すなわち、ヘリカルアンテナ２０８から受信した反射波に含まれている、被測定者１０１に起因する低周波の周波数変動成分だけが、ＬＰＦ２１５から出力される。
The
The cutoff frequency of the
もし、図２に開示する生体信号センサが二つ、図１Ｂに示すように近接した配置関係で設置されていたとしても、ミキサ２１４から出力される周波数差信号は、擬似ランダムパルス生成部２０３が生成する擬似ランダムパルスに起因する信号しかない。他の装置の擬似ランダムパルスとは信号の位相やパターンが全く合わないので、ミキサ２１４から有意な信号としては出力されない。
このように、擬似ランダムパルスを高調波の生成に用いることで、センサの混信を効果的に排除できる。
Even if two biological signal sensors disclosed in FIG. 2 are installed in close proximity as shown in FIG. 1B, the
Thus, the interference of the sensor can be effectively eliminated by using the pseudo random pulse for generating the harmonic.
［生体信号センサ２０１の動作］
これより、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、生体信号センサ２０１の動作を説明する。
図３Ａは、高調波生成部２０４が出力するパルスの波形図である。横軸は時間であり、縦軸は電圧又は信号レベルである。図３Ａに示すように、デューティ比が小さく、インパルスに近い波形が、高調波を多く含むので望ましい。
図３Ｂは、高調波生成部２０４が出力する、図３Ａに示すパルスをフーリエ変換した、周波数領域におけるスペクトル図である。横軸は周波数であり、縦軸は電圧又は信号レベルである。図３Ｂに示すように、パルスには、基本波に対し、整数倍の周波数の高調波が複数含まれる。
図３Ｃは、ＢＰＦ２０５の周波数特性図である。図３Ｃのスケールは図３Ｂに合わせてあるので、横軸は周波数であり、縦軸は電圧又は信号レベルである。図３Ｃに示すように、ＢＰＦ２０５は、パルスに含まれる高調波成分のうち、特定の周波数の成分を通過させる。
すると、図３Ｄに示すように、ＢＰＦ２０５を通過した高調波成分は、パルスから基本波を含むカットオフ周波数以下の成分等が除去される。
[Operation of the biological signal sensor 201]
The operation of the biological signal sensor 201 will now be described with reference to FIGS. 3A, 3B, 3C, 3D, 4A, and 4B.
FIG. 3A is a waveform diagram of pulses output from the
FIG. 3B is a spectrum diagram in the frequency domain obtained by Fourier transforming the pulses shown in FIG. 3A output from the
FIG. 3C is a frequency characteristic diagram of the
Then, as shown in FIG. 3D, the harmonic component that has passed through the
図４Ａは、図３Ｄの周波数軸（横軸）を拡大して示したものであり、ＢＰＦ２０５を通過した高調波成分を示すスペクトル図である。
図４Ｂは、方向性結合器２０７から出力される反射波を示すスペクトル図である。
今、図４Ａに示すように、ＢＰＦ２０５を通過した高調波成分が、１００ＭＨｚを中心とした五つの信号であるものとする。五つの信号は周波数が低い順から、ｆ１＝９８ＭＨｚ、ｆ２＝９９ＭＨｚ、ｆ３＝１００ＭＨｚ、ｆ４＝１０１ＭＨｚ、ｆ５＝１０２ＭＨｚである。これら五つの信号は、第一ＲＦ増幅器２０６によって増幅され、方向性結合器２０７を介してヘリカルアンテナ２０８から電波として発される。
但し、ヘリカルアンテナ２０８の周波数特性（帯域幅）は狭いので、ｆ１〜ｆ５の信号のうち、どれか一つ或は二つ程度がヘリカルアンテナ２０８から電波として発射される。
そして、ヘリカルアンテナ２０８から発された電波は、対象物に反射して、ヘリカルアンテナ２０８を通じて方向性結合器２０７に入力される。これら反射波の信号が、例えば図４Ｂに示すように、周波数が低い順から、ｆ１’＝９８．１ＭＨｚ、ｆ２’＝９９．１ＭＨｚ、ｆ３’＝１００．１ＭＨｚ、ｆ４’＝１０１．１ＭＨｚ、ｆ５’＝１０２．１ＭＨｚの何れかである。この例では、ドップラー効果によって反射波の周波数が進行波から１００ｋＨｚシフトしたものとする。
4A is an enlarged view of the frequency axis (horizontal axis) of FIG. 3D and is a spectrum diagram showing a harmonic component that has passed through the
FIG. 4B is a spectrum diagram showing a reflected wave output from the directional coupler 207.
Now, as shown in FIG. 4A, it is assumed that the harmonic components that have passed through the
However, since the frequency characteristic (bandwidth) of the helical antenna 208 is narrow, one or about two of the signals f1 to f5 are emitted from the helical antenna 208 as radio waves.
The radio wave emitted from the helical antenna 208 is reflected by the object and input to the directional coupler 207 through the helical antenna 208. For example, as shown in FIG. 4B, these reflected wave signals are f1 ′ = 98.1 MHz, f2 ′ = 99.1 MHz, f3 ′ = 100.1 MHz, f4 ′ = 101.1 MHz, and f5 from the lowest frequency. '= Any of 102.1 MHz. In this example, it is assumed that the frequency of the reflected wave is shifted by 100 kHz from the traveling wave due to the Doppler effect.
第二ＲＦ増幅器２１０は、ヘリカルアンテナ２０８から電波として発射されたｆ１〜ｆ５の信号を出力する。第一ＡＭ検波回路２１２は、ｆ１〜ｆ５の信号に包絡線検波を行い、擬似ランダムパターンの信号を復調する。
第三ＲＦ増幅器２１１は、ヘリカルアンテナ２０８から電波として発射されたｆ１〜ｆ５の信号のうちのどれか一つ或は二つ程度の周波数成分に起因する反射波、ｆ１’〜ｆ５’の何れかの周波数成分を出力する。第二ＡＭ検波回路２１３は、ｆ１’〜ｆ５’のうちのどれか一つ或は二つの信号に包絡線検波を行い、擬似ランダムパターンの信号を復調する。
The
The
アンテナに対象物である人体が近い場合、人体の位置や動作で、アンテナの共振周波数は容易に変動する。すると、単一の周波数の信号でアンテナから電波を発しても、その信号がアンテナの共振周波数とミスマッチを生じてしまい、正しく反射波を受信できない。
そこで、本発明の実施形態に係る生体信号センサは、この共振周波数の変動を包含するＢＰＦを用いて、複数の周波数の電波を利用する。こうすることで、アンテナの共振周波数が変動しても、複数の周波数の信号のうちどれか一つ或は二つ程度はアンテナの帯域幅に合致し、反射波を受信できる。
反射波を受信できれば、ドップラー効果によって生じた反射波と進行波の周波数差を、第一ＡＭ検波回路２１２、第二ＡＭ検波回路２１３及びミキサ２１４を用いて取り出すことで、対象物の存在及び／又は変動状態を検出できる。
When the target human body is close to the antenna, the resonance frequency of the antenna easily varies depending on the position and operation of the human body. Then, even if a signal having a single frequency is emitted from the antenna, the signal causes a mismatch with the resonance frequency of the antenna, and the reflected wave cannot be received correctly.
Therefore, the biological signal sensor according to the embodiment of the present invention uses radio waves having a plurality of frequencies by using a BPF including the fluctuation of the resonance frequency. By doing so, even if the resonance frequency of the antenna fluctuates, one or about two of the signals of a plurality of frequencies match the bandwidth of the antenna, and a reflected wave can be received.
If the reflected wave can be received, the frequency difference between the reflected wave and the traveling wave generated by the Doppler effect is extracted by using the first
本発明の第一実施形態に係る生体信号センサ２０１は、ＶＨＦ帯の高調波に対してＡＭ検波を用いることで、人体の脈拍によって微弱な変動が乗じている電波から、高速フーリエ変換等の高価な装置を用いることなく、脈拍を検出できる。
更に、ミキサ２１４から出力される周波数差信号は、擬似ランダムパルス生成部２０３が生成する擬似ランダムパルスに起因する信号しかない。他の装置の信号とは信号の位相やパターンが全く合わないので、ミキサ２１４から有意な信号としては出力されない。
このように、擬似ランダムパルスを高調波の生成に用いることで、センサの混信を効果的に排除できる。
The biological signal sensor 201 according to the first embodiment of the present invention uses AM detection with respect to harmonics in the VHF band, so that radio waves multiplied by weak fluctuations due to the pulse of the human body are expensive, such as fast Fourier transform. The pulse can be detected without using a simple device.
Furthermore, the frequency difference signal output from the
Thus, the interference of the sensor can be effectively eliminated by using the pseudo random pulse for generating the harmonic.
上述の生体信号センサ２０１は、擬似ランダムパルスが１００ｋＨｚであることから、心拍に起因する血流の音を含む心音信号を検出できる。この擬似ランダムパルスの周波数を１０ｋＨｚ程度に下げ、ＢＰＦ２０５の通過中心周波数を、人体の血流に最もマッチングし易いと言われている６０ＭＨｚに設定すると、生体信号センサ２０１を心拍信号を検出する脈拍センサとして機能させることができる。
Since the above-described biological signal sensor 201 has a pseudo-random pulse of 100 kHz, it can detect a heart sound signal including a blood flow sound caused by a heartbeat. When the frequency of the pseudo-random pulse is lowered to about 10 kHz and the passing center frequency of the
［第二実施形態：生体信号センサ６０１の全体構成］
図５は、本発明の第二実施形態に係る、生体信号センサの動作原理を説明する概略図である。
第一実施形態にて開示した生体信号センサ２０１は、ＶＨＦ帯である１００ＭＨｚの電波を用いている。ＶＨＦ帯以下の周波数の電波は指向性が緩慢（broad：ブロード）であるため、検出対象を狭い範囲に特定することが困難である。例えば、自動車のドライバーシート等に生体信号センサ２０１を搭載する場合において、運転席に居るドライバーに対してのみ脈拍を検出したい、という場合に、隣の助手席に居る同乗者の脈拍を誤検出してしまう虞が生じる。また、自動車のような狭い空間に電波を用いるセンサを設置する場合、周知の八木アンテナ等のように、アンテナに鋭角な指向性を持たせることが困難である。
そこで、第一実施形態にて開示した生体信号センサ２０１に対し、電波の送信部５０１と受信部５０２を分離することで、被測定者１０１の測定可能範囲Ａ５０４を送信部５０１と受信部５０２を結ぶ線分上と受信部５０２の周囲に限定することが可能になる。
[Second Embodiment: Overall Configuration of Biosignal Sensor 601]
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the operation principle of the biological signal sensor according to the second embodiment of the present invention.
The biological signal sensor 201 disclosed in the first embodiment uses a radio wave of 100 MHz that is a VHF band. Since radio waves having a frequency equal to or lower than the VHF band have a low directivity (broad), it is difficult to specify a detection target in a narrow range. For example, when the biological signal sensor 201 is mounted on a driver seat of an automobile and the like, and it is desired to detect the pulse only for the driver in the driver's seat, the pulse of the passenger in the next passenger seat is erroneously detected. There is a risk that it will end up. In addition, when a sensor that uses radio waves is installed in a narrow space such as an automobile, it is difficult to give the antenna a sharp directivity, such as the well-known Yagi antenna.
Thus, by separating the radio
図６は、本発明の第二実施形態に係る、生体信号センサ６０１のブロック図である。
図２に示す生体信号センサ６０１の、図１に示す生体信号センサ２０１との相違点は、方向性結合器２０７及び抵抗Ｒ２０９が省略され、第一ＲＦ増幅器２０６に送信用の第一ヘリカルアンテナ６０２（第一アンテナ）が直接接続されている点と、受信用の第二ヘリカルアンテナ６０３（第二アンテナ）が第三ＲＦ増幅器１０８に接続されている点である。この点以外は第一実施形態の生体信号センサ６０１と同じであるので、生体信号センサ６０１と同じ機能ブロックには同じ符号を付して、詳細説明は省略する。
方向性結合器２０７を省略して、その代わりに第二ヘリカルアンテナ６０３を設けているため、方向性結合器２０７より第二ヘリカルアンテナ６０３の製造コストが安価であれば、本実施形態の生体信号センサ６０１の全体としてのコストは第一実施形態の生体信号センサ２０１より安価になることが期待できる。
FIG. 6 is a block diagram of the biological signal sensor 601 according to the second embodiment of the present invention.
The biological signal sensor 601 shown in FIG. 2 differs from the biological signal sensor 201 shown in FIG. 1 in that the directional coupler 207 and the resistor R209 are omitted, and a first
Since the directional coupler 207 is omitted and the second
以上説明した実施形態には、以下に記す応用例が可能である。
（１）上述の実施形態では、ヘリカルアンテナ２０８を使用したが、アンテナの種類はこれに限られない。ダイポールアンテナ、グランドプレーンアンテナ、メアンダラインアンテナ等、開放端を有するアンテナであれば何でも良い。また、開放端を有さないループアンテナでも、ゲインは下がるが利用可能である。
（２）第二実施形態の生体信号センサは、混信の懸念がない環境下においては、擬似ランダムパルス生成部２０３を省略してクロック生成部２０２を高調波生成部２０４に直接接続したり、クロック生成部２０２、擬似ランダムパルス生成部２０３及び高調波生成部２０４を省略して、その代わりにＢＰＦ２０５にホワイトノイズを生成する回路を接続してもよい。
上述の実施形態にて説明したクロック生成部２０２、擬似ランダムパルス生成部２０３及び高調波生成部２０４による構成、そしてこれらに代えて利用可能なクロック生成部２０２を高調波生成部２０４に直結する構成、またホワイトノイズを生成する回路は、電波として利用可能な周波数成分を含む信号を生成する信号生成部として等しい機能を有する。
In the embodiment described above, the following application examples are possible.
(1) In the above-described embodiment, the helical antenna 208 is used, but the type of antenna is not limited to this. Any antenna having an open end, such as a dipole antenna, a ground plane antenna, or a meander line antenna, may be used. Even a loop antenna having no open end can be used although the gain is reduced.
(2) In the biological signal sensor of the second embodiment, in an environment where there is no fear of interference, the pseudo
Configuration of the
上述した第一実施形態では、複数の周波数の信号を用いてアンテナから電波（進行波）を発し、対象物である人体から反射された電波（反射波）を方向性結合器２０７で取り出し、進行波と反射波をそれぞれＡＭ復調した後、ミキサ２１４とＬＰＦ２１５で周波数差信号を取り出す、生体信号センサ２０１について説明した。
高調波生成部２０４に接続されているＢＰＦ２０５は、ヘリカルアンテナ２０８の共振周波数の変動幅を包含する帯域幅を有している。このため、ヘリカルアンテナ２０８に被測定者１０１が近接することによって、ヘリカルアンテナ２０８の共振周波数が変動しても、ＢＰＦ２０５を通過した複数の周波数の信号のうち、どれか一つ或は二つはヘリカルアンテナ２０８の帯域幅を通過できる。このようにして、低い周波数の電波を用いたドップラーセンサである生体信号センサを実現できる。
更に、信号源に擬似ランダムパルス生成部２０３が生成する擬似ランダムパルスを用いた。ＡＭ復調して得られる信号は擬似ランダムパルスであり、ミキサ２１４から出力される周波数差信号は、擬似ランダムパルス生成部２０３が生成する擬似ランダムパルスに起因する信号しかない。したがって、他の装置の信号とは信号の位相やパターンが全く合わないので、ミキサ２１４から有意な信号としては出力されず、混信の影響を大幅に除去できる。
In the first embodiment described above, a radio wave (traveling wave) is emitted from an antenna using signals of a plurality of frequencies, and a radio wave (reflected wave) reflected from a human body as an object is extracted by the directional coupler 207 and travels. The biological signal sensor 201 in which the frequency difference signal is extracted by the
The
Further, a pseudo random pulse generated by the pseudo random
上述した第二実施形態では、第一実施形態の生体信号センサ２０１を更に改良し、電波を送信するアンテナと受信するアンテナとを分離することで、低い周波数帯の電波を使用しても良好な指向性を実現できる。 In the second embodiment described above, the biological signal sensor 201 of the first embodiment is further improved, and the antenna that transmits radio waves and the antenna that receives radio waves are separated, so that even if radio waves in a low frequency band are used, it is good. Directivity can be realized.
本実施形態の生体信号センサは、従来のドップラーセンサに比べて、扱う信号の周波数が凡そ数十〜数百ＭＨｚ程度と低い。このため、回路素子の価格が安価である。また、周波数が低いので回路の実装が容易である。
更に、本実施形態の生体信号センサは、従来のドップラーセンサに比べて、回路規模が極めて小さい。
第一ＲＦ増幅器２０６、第二ＲＦ増幅器２１０及び第三ＲＦ増幅器２１１はそれぞれトランジスタ一個で済む。
ミキサ２１４もデュアルゲートＦＥＴ一個で済む。
クロック生成部２０２、擬似ランダムパルス生成部２０３は安価なワンチップマイコン一個で済む。
特許文献１に開示される技術とは異なり、フーリエ変換や複雑なデータ処理も不要である。
このように、能動素子である半導体素子が合計十個に満たない数で、実装できる。したがって、安価に製造できると共に、量産も容易である。
The biological signal sensor of the present embodiment has a signal frequency as low as about several tens to several hundreds of MHz compared to a conventional Doppler sensor. For this reason, the price of a circuit element is low. In addition, since the frequency is low, circuit mounting is easy.
Furthermore, the biological signal sensor of this embodiment has an extremely small circuit scale as compared with a conventional Doppler sensor.
The first RF amplifier 206, the
The
The
Unlike the technique disclosed in Patent Document 1, neither Fourier transform nor complicated data processing is required.
In this manner, the number of semiconductor elements that are active elements can be mounted with a total number of less than ten. Therefore, it can be manufactured at low cost and mass production is easy.
第一実施形態にて開示する擬似ランダムパルスを用いる生体信号センサ２０１と、第二実施形態にて開示する送受信を分離した生体信号センサ６０１の技術により、混信に強く、必要な指向性を確保できる車載用生体信号センサを低価格且つ容易に実現できる。 The technology of the biological signal sensor 201 using the pseudo-random pulse disclosed in the first embodiment and the biological signal sensor 601 disclosed in the second embodiment, which separates transmission and reception, can withstand interference and ensure the necessary directivity. A vehicle-mounted biological signal sensor can be easily realized at a low price.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細にかつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の揮発性あるいは不揮発性のストレージ、または、ＩＣカード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and other modifications and application examples are provided without departing from the gist of the present invention described in the claims. including.
For example, the above-described embodiment is a detailed and specific description of the configuration of the apparatus and the system in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one having all the described configurations. . Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Moreover, it is also possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
Each of the above-described configurations, functions, processing units, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit. Further, each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software for interpreting and executing a program that realizes each function by the processor. Information such as programs, tables, and files that realize each function must be held in a volatile or non-volatile storage such as a memory, hard disk, or SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card or an optical disk. Can do.
In addition, the control lines and information lines are those that are considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
１０１…被測定者、１０２…第一センサ、１０３…第二センサ、１０８…第三ＲＦ増幅器、２０１…生体信号センサ、２０２…クロック生成部、２０３…擬似ランダムパルス生成部、２０４…高調波生成部、２０５…ＢＰＦ、２０６…第一ＲＦ増幅器、２０７…方向性結合器、２０８…ヘリカルアンテナ、２１０…第二ＲＦ増幅器、２１１…第三ＲＦ増幅器、２１２…第一ＡＭ検波回路、２１３…第二ＡＭ検波回路、２１４…ミキサ、２１５…ＬＰＦ、５０１…送信部、５０２…受信部、６０１…生体信号センサ、６０２…第一ヘリカルアンテナ、６０３…第二ヘリカルアンテナ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
電波として利用可能な周波数成分を含む信号を生成する信号生成部と、
所定の帯域幅を備え、前記信号生成部が生成した信号から、前記帯域幅に含まれる周波数の信号を通過させるバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを通過した信号を電波として放射する第一アンテナと、
前記第一アンテナと分離されており、前記第一アンテナから放射された電波を受信する第二アンテナと、
前記バンドパスフィルタを通過した信号からＡＭ検波を行う第一ＡＭ検波回路と、
前記第二アンテナが受信した信号からＡＭ検波を行う第二ＡＭ検波回路と、
前記第一ＡＭ検波回路の出力信号と、前記第二ＡＭ検波回路の出力信号とを乗算するミキサと、
前記ミキサの出力信号から前記信号生成部の周波数より低い周波数の信号を通過させるローパスフィルタと
を具備し、
前記信号生成部は、
擬似ランダムパターンを生成する擬似ランダムパルス生成部と、
前記擬似ランダムパターンに基づく高調波を生成する高調波生成部と
よりなる、生体信号センサ。 A biological signal sensor for detecting a biological signal of the measurement subject;
A signal generator that generates a signal including frequency components that can be used as radio waves;
A band-pass filter having a predetermined bandwidth and passing a signal having a frequency included in the bandwidth from the signal generated by the signal generation unit;
A first antenna that radiates a signal that has passed through the bandpass filter as a radio wave;
A second antenna separated from the first antenna and receiving radio waves radiated from the first antenna;
A first AM detection circuit that performs AM detection from the signal that has passed through the bandpass filter;
A second AM detection circuit for performing AM detection from a signal received by the second antenna;
A mixer that multiplies the output signal of the first AM detector circuit by the output signal of the second AM detector circuit;
A low-pass filter that passes a signal having a frequency lower than the frequency of the signal generation unit from the output signal of the mixer ;
The signal generator is
A pseudo-random pulse generator for generating a pseudo-random pattern;
A harmonic generation unit for generating a harmonic based on the pseudo-random pattern;
A biological signal sensor.
請求項１に記載の生体信号センサ。 The bandwidth of the bandpass filter includes a resonance frequency fluctuation range of the first antenna.
The biological signal sensor according to claim 1.
前記バンドパスフィルタと前記第一アンテナとの間に介在する第一ＲＦ増幅器と、
前記バンドパスフィルタと前記第一ＡＭ検波回路との間に介在する第二ＲＦ増幅器と、
前記第二アンテナと前記第二ＡＭ検波回路との間に介在する第三ＲＦ増幅器と
を有する、請求項２に記載の生体信号センサ。 In addition,
A first RF amplifier interposed between the bandpass filter and the first antenna;
A second RF amplifier interposed between the bandpass filter and the first AM detector circuit;
The biological signal sensor according to claim 2, further comprising a third RF amplifier interposed between the second antenna and the second AM detection circuit.
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