JP2017169870A - Cardiopulmonary function measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a cardiopulmonary function measuring device, and more particularly to a cardiopulmonary function measuring device that measures a heart rate and a respiratory rate using a Doppler sensor using a microwave.
図5乃至図7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各例が示されており、図5において、符号の1はドップラーセンサ、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は心拍の周波数範囲を通過帯域とするBPF(バンドパスフィルタ)、21はFFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)演算部を有し心拍数を測定する心拍測定部、22は虚部データとして0を設定するゼロ設定部である。
5 to 7 show examples of devices for measuring cardiopulmonary function using a conventional microwave Doppler sensor. In FIG. 5,
図5の装置では、ドップラーセンサ1の出力をAD変換し、このAD変換後の信号を、図3のような心拍の周波数範囲Hrだけを通過させる周波数特性31を持つBPF5に通し、その後、心拍測定部21にてFFT演算(周波数変換)をすることにより、心拍数が測定される。即ち、心拍測定部21では、BPF5の出力を実部データとする一方、ゼロ設定部22からの0出力を虚部データとしてFFT演算が実施され、この結果からパワー計算が行われ、そのピーク値から心拍数が求められる。
In the apparatus of FIG. 5, the output of the
図6,図7は、I,Q2つの出力信号を持つドップラーセンサを利用した心肺機能測定装置の例であり、図6において、ドップラーセンサ1から出力されたI,Q信号のいずれかを選択するセレクタ2が設けられる。この例では、セレクタ2でI,Qのいずれかの信号が選択され、選択された信号に基づいて心拍数が測定される。
6 and 7 are examples of a cardiopulmonary function measuring apparatus using a Doppler sensor having two output signals I and Q. In FIG. 6, one of the I and Q signals output from the
図7の例では、I信号とQ信号のそれぞれを処理する2系統の構成が配置されており、LPF3a,3b、ADコンバータ4a,4b、BPF5a,5b、心拍測定部21a,21b、ゼロ設定部22a,22bが設けられ、最後に心拍測定部21a,21bのいずれかの出力を選択するセレクタ2が配置される。この例によれば、I,Qの両方の信号がFFT演算され、その2つの結果のいずれか一方の信号が心拍数として出力される。
なお、心肺機能測定装置では、呼吸数の測定も行われている。
In the example of FIG. 7, two systems for processing each of the I signal and the Q signal are arranged, and
In the cardiopulmonary function measuring apparatus, the respiratory rate is also measured.
しかしながら、図5のように、1(単一)出力のドップラーセンサ1を使った測定では、このセンサの出力信号が不安定になることがあり、I,Qの2つの信号を出力するドップラーセンサを使った図6のような構成の測定では、FFT演算の前にI,Qのいずれかの安定した信号を選ぶためのアルゴリズムが必要となり、煩雑となっていた。図7のような構成では、I,Qのそれぞれの信号に対応して2つの測定部(FFT演算部)21a,21bが必要となり、製品コストが2倍になると共に、2つのFFT演算の結果から、正しい値を導くアルゴリズムが必要となり、煩雑であるという問題があった。
However, as shown in FIG. 5, in the measurement using the 1 (single)
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、I,Q2つの出力信号を持つドップラーセンサを用いる場合でも、1回のFFT演算の処理とすることにより製品コストを抑えることができると共に、I,Qのいずれか一方の信号を選択するアルゴリズムや2つのFFT演算結果から正しい値を導くアルゴリズムを使用する煩雑さをなくし、安定的に心拍数や呼吸数を測定することが可能となる心肺機能測定装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to reduce the product cost by performing one FFT operation even when a Doppler sensor having two output signals I and Q is used. It is possible to stably measure the heart rate and the respiratory rate without using the algorithm for selecting one of the signals I and Q and the algorithm for deriving the correct value from the two FFT calculation results. An object of the present invention is to provide a cardiopulmonary function measuring apparatus that can be used.
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変換器の出力信号を入力し、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のフィルタを通したI,Q信号のいずれか一方を実部、他方を虚部とし、この実部及び虚部を用いたフーリエ変換演算を行うことにより振幅を求めるフーリエ変換演算部を含み、このフーリエ変換演算部からの出力振幅のピーク値の周波数から心拍数又は呼吸数を測定する測定部と、を設けたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
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、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(バンドパスフィルタ)、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からなる第1のフィルタに通された後、I,Q信号のいずれか一方を実部データ、他方を虚部データとして測定部に入力される。
この測定部では、実部、虚部を用いた複素関数に基づく高速フーリエ変換を行うことで、信号の振幅(パワー)が求められ、この振幅のピーク値の周波数から心拍数又は呼吸数が測定される。
According to the above configuration, I and Q signals having different phases (with a phase difference of 90 degrees) are output from the Doppler sensor, and when these I and Q signals are AD converted and a heart rate is measured, When measuring a BPF (band pass filter) having a frequency range as a pass band and respiration, the filter is passed through a first filter made of LPF (low pass filter) having a frequency band of respiration as a pass band or a BPF, and then I , Q signals are input to the measurement unit as real part data and the other as imaginary part data.
In this measurement unit, the signal amplitude (power) is obtained by performing fast Fourier transform based on a complex function using the real part and imaginary part, and the heart rate or respiration rate is measured from the frequency of the peak value of this amplitude. Is done.
本発明の構成によれば、I,Q2つの出力信号を持つドップラーセンサを用いる場合でも、I,Q信号の一方を実部、他方を虚部とする1回のFFT演算の処理で測定が行われるので、製品コストを抑えることができる。また、従来のように、I,Qのいずれか一方の信号を選択するアルゴリズムや2つのFFT演算結果から正しい値を導くアルゴリズムを使用する煩雑さもなく、安定的に心拍数や呼吸数を測定することが可能になるという効果がある。
更に、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。
According to the configuration of the present invention, even when a Doppler sensor having two output signals, I and Q, is used, measurement is performed by one FFT calculation process in which one of the I and Q signals is a real part and the other is an imaginary part. Product costs can be reduced. Further, unlike the conventional method, the heart rate and the respiratory rate are stably measured without the complexity of using an algorithm for selecting one of the signals I and Q and an algorithm for deriving a correct value from two FFT calculation results. There is an effect that it becomes possible.
Furthermore, the present invention can be used as a device for measuring heart rate and respiration rate without contact.
図1に、実施例の心肺機能測定装置で、心拍数を測定する場合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)からなる第1のフィルタ、6は第1のフィルタ5aのI信号出力を実部(実数部)データとし、第1のフィルタ5bのQ信号出力を虚部(虚数部)データとして入力し、FFT(高速フーリエ変換)演算を行うことにより心拍数を計数する測定部である。
図3には、上記第1のフィルタ5a,5bのBPFの特性が示されており、このBPFは、心拍の周波数範囲Hrを通過帯域とするフィルタ特性31を持つ。
FIG. 1 shows a configuration for measuring a heart rate in the cardiopulmonary function measuring apparatus according to the embodiment. In this embodiment,
FIG. 3 shows the characteristics of the BPF of the
以上の構成からなる心肺機能測定装置によれば、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、心拍の周波数範囲Hrを通過帯域とする第1のフィルタ(BPF)5a,5bを通される。
そして、この第1のフィルタ5aから出力されるI信号は、複素関数の実部データとして、第1のフィルタ5bから出力されるQ信号は、複素関数の虚部データとして心拍測定部6へ入力される。この心拍測定部6では、FFT演算を行うことで、信号の振幅(パワー)が計算され、そのピーク値の周波数から心拍数が求められる。
According to the cardiopulmonary function measuring apparatus having the above configuration, the two I and Q signals output from the
The I signal output from the
図2に、実施例の心肺機能測定装置で、呼吸数を測定する場合の構成が示されており、この例では、図1と同様に、ドップラーセンサ1、アンチエイシングフィルタであるLPF3a,3b、ADコンバータ4a,4bが設けられると共に、呼吸の周波数範囲を通すLPF又はBPFからなる第1のフィルタ7a,7bと、この第1のフィルタ7aのI信号出力を実部データとし、第1のフィルタ7bのQ信号出力を虚部データとして入力し、FFT演算を行うことにより呼吸数を計数する呼吸測定部8が設けられる。
図4には、上記第1のフィルタ7a,7bのLPF又はBPFの特性が示されており、このLPFは呼吸の周波数範囲Brまでを通過帯域とするフィルタ特性32を持ち、上記BPFは呼吸の周波数範囲Brを通過帯域とするフィルタ特性33を持つ。
FIG. 2 shows a configuration for measuring the respiratory rate in the cardiopulmonary function measuring apparatus of the embodiment. In this example, as in FIG. 1, the Doppler
FIG. 4 shows the LPF or BPF characteristics of the
以上の構成からなる心肺機能測定装置によれば、ADコンバータ4a,4bから出力されたI,Q信号は、呼吸の周波数範囲Brを通過帯域とする第1のフィルタ(LPF/BPF)7a,7bを通され、この第1のフィルタ7aからのI信号が実部データとして、第1のフィルタ5bからのQ信号が虚部データとして呼吸測定部8へ入力される。この呼吸測定部8では、FFT演算(周波数変換)を行うことで、信号の振幅(パワー)が計算され、そのピーク値の周波数から呼吸数が求められる。
According to the cardiopulmonary function measuring apparatus having the above configuration, the I and Q signals output from the
上記実施例では、I信号を実部データ、Q信号を虚部データとしたが、その逆とし、Q信号を実部データI、信号を虚部データとしてもよい。
また、心拍と呼吸を別々に測定する構成として説明したが、実際には、ドップラーセンサ1からLPF3a,3b、ADコンバータ4a,4b等の共通の構成は、1系統でよいことになる。
In the above embodiment, the I signal is real part data and the Q signal is imaginary part data, but the reverse is also possible, and the Q signal may be real part data I and the signal may be imaginary part data.
Moreover, although it demonstrated as a structure which measures a heart rate and respiration separately, in fact, the common structure, such as
1…ドップラーセンサ、 2…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…心拍用第1のフィルタ(BPF)、
6,21,21a,21b…心拍測定部、
7a,7b…呼吸用第1のフィルタ(LPF/BPF)、
8…呼吸測定部。
1 ... Doppler sensor, 2 ... selector,
3, 3a, 3b ... LPF (anti-aliasing filter),
4, 4a, 4b ... AD converter,
5, 5a, 5b ... heartbeat first filter (BPF),
6, 21, 21a, 21b ... heart rate measuring unit,
7a, 7b ... 1st filter for breathing (LPF / BPF),
8: Respiratory measurement unit.
Claims (1)
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変換器の出力信号を入力し、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のフィルタを通したI,Q信号のいずれか一方を実部、他方を虚部とし、この実部及び虚部を用いたフーリエ変換演算を行うことにより振幅を求めるフーリエ変換演算部を含み、このフーリエ変換演算部からの出力振幅のピーク値の周波数から心拍数又は呼吸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。
In a cardiopulmonary function measuring apparatus that measures cardiopulmonary function by a Doppler sensor that outputs two I and Q signals having a phase difference,
An A / D converter for analog-digital conversion of the I and Q signals;
A first filter comprising a band-pass filter that inputs an output signal of the A / D converter and passes a heart rate frequency range in heart rate measurement; a low-pass filter or a band-pass filter that passes a breath frequency range in breath measurement; ,
One of the I and Q signals passed through the first filter is a real part, the other is an imaginary part, and a Fourier transform operation part for obtaining an amplitude by performing a Fourier transform operation using the real part and the imaginary part is provided. A cardiopulmonary function measuring apparatus comprising: a measuring unit that measures a heart rate or a respiratory rate from a frequency of a peak value of an output amplitude from the Fourier transform calculating unit.
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