Title:
Elektrowellen-Biosensor
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Ein Elektrowellen-Biosensor umfasst: eine Einheit zur Bestrahlung mit elektromagnetischen Welle; und eine Einheit zum Empfangen einer reflektierten Welle, die eine reflektierte Welle empfängt und ein I-Signal, das durch Multiplizieren des eingestrahlten Signals und des empfangenen reflektierten Signals gewonnen wird, sowie ein Q-Signal, das durch Verzögern des I-Signals um nur eine vorbestimmte Phase gewonnen wird, gewinnt. Der Elektrowellen-Biosensor umfasst ferner: eine Differentialberechnungseinheit, die das I-Signal und das Q-Signal differenziert und einen I-Signal-Differenzwert und einen Q-Signal-Differenzwert berechnet; und eine Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit, die eine Winkelgeschwindigkeit des I-Signals und des Q-Signals auf der Basis des I-Signals und Q-Signals sowie des I-Signal-Differenzwerts und des Q-Signal-Differenzwerts berechnet.





Inventors:
Mitani, Shigetomo (Aichi, Komaki-shi, JP)
Application Number:
DE102017210342A
Publication Date:
12/21/2017
Filing Date:
06/21/2017
Assignee:
Omron Automotive Electronics Co., Ltd. (Aichi, Komaki-shi, JP)
International Classes:
A61B5/0245; A61B5/11; G01S13/88
Foreign References:
JP2006005504A2006-01-05
JP2010120493A2010-06-03
JP2011015887A2011-01-27
Attorney, Agent or Firm:
Kilian Kilian & Partner mbB Patentanwälte, 81379, München, DE
Claims:
1. Elektrowellen-Biosensor, umfassend:
eine Einheit zur Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen, die eine Körperoberfläche eines lebenden Körpers mit einer elektromagnetischen Welle bestrahlt;
eine Einheit zum Empfangen einer reflektierten Welle, die eine reflektierte Welle empfängt, die als die durch die Einheit zur Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen eingestrahlte und dann von der Körperoberfläche reflektierte elektromagnetische Welle gewonnen wird, und ein I-Signal, das durch Multiplizieren des eingestrahlten Signals der elektromagnetischen Welle und des empfangenen reflektierten Signals gewonnen wird, sowie ein Q-Signal, das durch Verzögern des I-Signals um nur eine vorbestimmte Phase gewonnen wird, gewinnt;
eine Differentialberechnungseinheit, die das I-Signal und das Q-Signal, die durch die Einheit zum Empfangen einer reflektierten Welle gewonnen werden, differenziert und einen I-Signal-Differenzwert und einen Q-Signal-Differenzwert berechnet; und
eine Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit, die eine Winkelgeschwindigkeit des I-Signals und des Q-Signals auf der Basis des durch die Einheit zum Empfangen einer reflektierten Welle gewonnen I-Signals und Q-Signals sowie des I-Signal-Differenzwerts und des Q-Signal-Differenzwerts, die durch die Differentialberechnungseinheit auf der Basis des I-Signals und des Q-Signals berechnet sind, berechnet.

2. Elektrowellen-Biosensor nach Anspruch 1, ferner umfassend:
eine Bio-Informationsextraktionseinheit, die Bio-Information des lebenden Körpers auf der Basis der durch die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit berechneten Winkelgeschwindigkeit extrahiert.

Description:
TECHNISCHER BEREICH

Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen Elektrowellen-Biosensor, der einen Doppler-Sensor verwendet.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Aus dem Stand der Technik ist eine Technologie bekannt, die unter Verwendung eines Doppler-Sensors eine menschliche Körperoberfläche mit einer elektromagnetischen Welle bestrahlt und in einer reflektierten Welle enthaltene Bio-Information auf der Basis einer Koordinatenebene gewinnt, die aus einem I-Signal und einem Q-Signal der reflektierten Welle gebildet ist. JP-A-2006-055504 offenbart beispielsweise ein Herzfrequenzmessgerät, das unter Verwendung eines Elektrowellen-Doppler-Sensors ein Ausgangssignal erfasst, welches eine Amplitudenkomponente und eine Phasenkomponente einer von einer menschlichen Körperoberfläche reflektierten Welle enthält, und nur eine Herzfrequenzkomponente extrahiert, indem es die durch die Körperbewegung eines menschlichen Körpers erzeugte Amplitudenkomponente abtrennt. Das Herzfrequenzmessgerät gibt ein Amplitudenkomponentensignal und ein Phasenkomponentensignal an einen Herzfrequenzextraktor aus, indem es unter Verwendung eines Amplituden- und Phasenkonverters eine Polarkoordinatenumwandlung bezüglich eines Ausgangssignals (ein I-Signal und ein Q-Signal) ausführt, welches Information der Amplitudenkomponente und der Phasenkomponente der durch den Elektrowellen-Doppler-Sensor ausgegebenen reflektierten Welle enthält. Der Herzfrequenzextraktor extrahiert nur eine exakte Herzfrequenz, indem er die durch die Körperbewegung erzeugte Amplitudenkomponente, die in der aus dem Amplitudenkomponentensignal und dem Phasenkomponentensignal ausgegebenen Amplitudenkomponente enthalten ist, unter Verwendung eines Verfahrens der unabhängigen Komponentenanalyse separiert.

Außerdem offenbart JP-A-2010-120493 ein Biosignal-Erfassungsgerät, das die Beeinträchtigung der Genauigkeit eines Biosignals eines Insassen verhindert. Das Biosignal-Erfassungsgerät umfasst: eine Sensoreinheit, welche eine Bewegung eines Insassen durch einen Elektrowellen-Nichtmodulations-Doppler-Sensor erfasst; eine Biosignal-Extraktionseinheit, die ein Biosignal des Insassen auf der Basis einer Phasenänderung einer Ausgabe der Sensoreinheit extrahiert; eine Entfernungsberechnungseinheit, die eine geschätzte Entfernung zwischen der Sensoreinheit und dem Insassen auf der Basis eines integrierten Werts einer Größe einer Phasenänderung der Ausgabe der Sensoreinheit berechnet; und eine Biosignal-Ausgabebestimmungseinheit, welche die Zuverlässigkeit des Biosignals auf der Basis der geschätzten Entfernung bestimmt und die Ausgabe des Biosignals in einem Fall stoppt, in dem die Zuverlässigkeit niedrig ist.

Die Sensoreinheit umfasst einen lokalen Oszillator, eine Sendeantenne, eine Empfangsantenne sowie einen Verteiler oder einen Mischer, und ein Sendesignal wird zu einem Fahrer gestrahlt. Ein lokales Signal T(t) mit einer Frequenz fHz, die beispielsweise durch T(t) = cos(2πft) ausgedrückt ist, wird von dem lokalen Oszillator emittiert, und ein Teil der emittierten elektrischen Welle wird reflektiert und von der Empfangsantenne als ein Empfangssignal R(t) empfangen, das durch R(t) = cos(2πft – 4πd(t)/λ – 4πx(t)/λ) approximiert ist (wobei d(x) eine Entfernungsverschiebung zwischen der Sensoreinheit und dem Fahrer ist, x(t) eine feine Entfernungsverschiebung einer eine Herzfrequenz oder Atmung des Fahrers aufweisenden Körperoberfläche ist, und λ eine Wellenlänge des lokalen Signals T(t) ist).

Das Empfangssignal R(t) wird durch den Verteiler zweigeteilt und in zwei Mischer eingegeben. Außerdem wird ein oder mehrere durch den Verteiler verteilte lokale Signale T(t) in einem Zustand zweigeteilt, in dem nur eine Phase durch den Verteiler um π/4 Radian verschoben wird, und wird in jeden von zwei Mischern eingegeben, und das lokale Signal T(t) und das Empfangssignal R(t) werden miteinander gemischt. Eine Basisbandkomponente, die einem Gleichanteil (DC-Anteil) nahe ist, und eine Modulationskomponente werden durch eine Multiplikationsoperation in die zwei Mischer ausgegeben, aber da jedes der Ausgangssignale ein Tiefpassfilter durchläuft, werden ein Realteil Bi(t) und ein Imaginärteil Bq(t), die wie folgt in dem Basisbandempfangssignal mit nur der Basisbandkomponente ausgedrückt werden, gewonnen. Bi(t) = 1/2cos(4πd(t)/λ + 4πx(t)/λ)Bq(t) = 1/2cos(π/4 + 4πd(t)/λ + 4πx(t)/λ)

Diese Teile werden durch einen AD-Konverter aus einem Analogsignal in ein Digitalsignal konvertiert und in eine Biosignal-Extraktionseinheit als ein erfasstes Signal eingegeben, das durch die Sensoreinheit ausgegeben wird.

Ferner offenbart JP-A-2011-015887 ein Gerät zur Gewinnung eines biologischen Zustands oder dergleichen, das ein Biosignal eines lebenden Körpers in kontaktloser Weise gewinnen kann, und das Informationen bezüglich eines biologischen Zustands gewinnen kann, ohne eine komplizierte Verarbeitung auszuführen, wie beispielsweise eine Frequenzanalyse bezüglich eines Biosignals. Das Gerät zur Gewinnung eines biologischen Zustands umfasst: eine IQ-Signalgewinnungseinheit, die eine elektromagnetische Welle zu einer Körperoberfläche des lebenden Körpers sendet, eine hiervon reflektierte Welle als IQ-Welle erfasst, und nachfolgend ein I-Signal und ein Q-Signal gewinnt, die aus einem IQ-Wellen-Detektor ausgegeben werden, der das I-Signal und das Q-Signal in einer Zeitreihe ausgibt; und eine Einheit zur Gewinnung eines biologischen Zustands, die einen Zustand des lebenden Körpers auf der Basis einer Trajektorie auf einer IQ-Ebene eines gewonnenen Signals gewinnt, das durch die IQ-Signalgewinnungseinheit gewonnen wird.

ZUSAMMENFASSUNG

Bei dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ändern sich jedoch der Abstand, die Neigung und das Reflexionsvermögen der Körperoberfläche des lebenden Körpers, wenn sich der menschliche Körper bewegt, und somit ändert sich die Stärke der elektrischen Welle bei der reflektierten Welle. Daher ist es schwierig, die durch die Herzfrequenz oder die Atmung verursachte feine Bewegung der Körperoberfläche exakt zu erfassen. Außerdem besteht, um die durch die Herzfrequenz oder die Atmung verursachte feine Bewegung der Körperoberfläche zu erfassen, selbst dann, wenn das durch eine AD-Umwandlung des I-Signals/Q-Signals gewonnene Signal verwendet wird, ein Problem, dass das Auflösungsvermögen der AD-Umwandlung nicht ausreicht.

Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung schaffen einen Elektrowellen-Biosensor unter Verwendung eines Doppler-Sensors, der Bio-Information wie beispielsweise Herzfrequenz exakt abtastet bzw. erfasst, die mit der feinen Bewegung einhergeht.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung wird ein Elektrowellen-Biosensor geschaffen, umfassend: eine Einheit zur Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen, die eine Körperoberfläche eines lebenden Körpers mit einer elektromagnetischen Welle bestrahlt; eine Einheit zum Empfangen einer reflektierten Welle, die eine reflektierte Welle empfängt, die als die durch die Einheit zur Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen eingestrahlte und dann von der Körperoberfläche reflektierte elektromagnetische Welle gewonnen wird, und ein I-Signal, das durch Multiplizieren des eingestrahlten Signals der elektromagnetischen Welle und des empfangenen reflektierten Signals gewonnen wird, sowie ein Q-Signal, das durch Verzögern des I-Signals nur um eine vorbestimmte Phase gewonnen wird, gewinnt; eine Differentialberechnungseinheit, die das I-Signal und das Q-Signal, die durch die Einheit zum Empfangen einer reflektierten Welle gewonnen werden, differenziert und einen I-Signal-Differenzwert und einen Q-Signal-Differenzwert berechnet; und eine Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit, die eine Winkelgeschwindigkeit des I-Signals und des Q-Signals auf der Basis des durch die Einheit zum Empfangen einer reflektierten Welle gewonnen I-Signals und Q-Signals sowie des I-Signal-Differenzwerts und des Q-Signal-Differenzwerts, die durch die Differentialberechnungseinheit auf der Basis des I-Signals und des Q-Signals berechnet sind, berechnet.

Demgemäß ist es möglich, einen Elektrowellen-Biosensor zu schaffen, der die Bio-Information wie beispielsweise die Herzfrequenz exakt abtastet bzw. erfasst, die mit der feinen Bewegung einhergeht.

Bei dem Elektrowellen-Biosensor kann ferner eine Bio-Informationsextraktionseinheit, die Bio-Information des lebenden Körpers auf der Basis der durch die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit berechneten Winkelgeschwindigkeit extrahiert, vorgesehen sein.

Demgemäß ist es möglich, verschiedene Bestandteile von Bio-Information zu erfassen.

Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, einen Elektrowellen-Biosensor zu schaffen, der Bio-Information wie beispielsweise Herzfrequenz, die mit einer feinen Bewegung einhergeht, in dem Elektrowellen-Biosensor unter Verwendung eines Doppler-Sensors exakt zu erfassen bzw. abzutasten.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

1 ist eine schematische Darstellung, bei der ein Elektrowellen-Biosensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einen Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs eingebaut ist;

2 ist ein Blockschaltbild des Elektrowellen-Biosensors der Ausführungsform der Erfindung;

3 ist ein Blockschaltbild eines Doppler-Sensors in dem Elektrowellen-Biosensor der Ausführungsform der Erfindung;

4 ist eine schematische Ansicht, die eine Beziehung des Doppler-Sensors, eines Tiefpassfilters und eines Bandpassfilters sowie eines Mikrocomputers in dem Elektrowellen-Biosensor der Ausführungsform der Erfindung darstellt;

5A ist ein Graph, der ein I-Signal und ein Q-Signal darstellt, die durch eine Signalgewinnungseinheit gewonnen werden, 5B ist ein Graph, der einen I-Signal-Differenzwert ΔI und einen Q-Signal-Differenzwert ΔQ darstellt, die durch den Signalgewinnungsabschnitt gewonnen werden, und 5C ist ein Graph, der eine auf eine Herzfrequenz bezogene Winkelgeschwindigkeit darstellt, die durch eine Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit in dem Elektrowellen-Biosensor der Ausführungsform der Erfindung berechnet wird;

6 ist ein Graph, der die Bio-Information darstellt, die durch den Elektrowellen-Biosensor der Ausführungsform der Erfindung extrahiert wird;

7 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung in dem Elektrowellen-Biosensor der Ausführungsform der Erfindung darstellt; und

8 ist eine Ansicht zum beschreiben einer Winkelgeschwindigkeit oder dergleichen in bzw. auf einer I-Q-Koordinatenebene.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

In Ausführungsformen der Erfindung sind zahlreiche spezielle Details angegeben, um ein gründliches Verständnis der Erfindung zu schaffen. Fachleuten ist jedoch klar, dass die Erfindung ohne diese speziellen Details ausgeführt werden kann. In anderen Beispielen sind wohlbekannte Merkmale nicht beschrieben worden, um eine Verschleierung der Erfindung zu vermeiden.

Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Ein Elektrowellen-Biosensor gemäß der Ausführungsform der Erfindung bestrahlt eine menschliche Körperoberfläche mit einer elektromagnetischen Welle unter Verwendung eines Doppler-Sensors, gewinnt einen Differenzwert eines I-Signals und eines Q-Signals einer entsprechenden reflektierten Welle, und gewinnt entsprechend die Bio-Information, die mit einer in der reflektierten Welle enthaltenen feinen Bewegung einhergeht.

Ein Elektrowellen-Biosensor 100 in der Ausführungsform wird unter Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben. Der Elektrowellen-Biosensor 100 ist in einer Einrichtung mit einer Oberfläche installiert, die sich direkt oder indirekt in Kontakt mit einem Teil des menschlichen Körpers befindet, und erfasst die Bio-Information eines Benutzers der Einrichtung. Hier wird als Einrichtung (allgemeine Bezeichnung von Werkzeug, Mechanismus und Maschine) mit einer Oberfläche, die sich in Kontakt mit einem Teil des menschlichen Körpers befindet, insbesondere als Beispiel auf einen Stuhl oder ein Sofa, auf dem ein Mensch sitzt, auf ein Bett, auf dem ein Mensch liegt, auf eine in einem Krankenhaus installierte Körperuntersuchungseinrichtung und auf einen Sitz, der in einem Fahrzeug oder einem Flugzeug eingebaut ist und auf dem ein Mensch sitzt, Bezug genommen.

Als Oberfläche, die sich in Kontakt mit einem Teil des menschlichen Körpers befindet, wird auf eine Sitzfläche oder eine Rückenlehne in einem Stuhl oder dergleichen, und auf die Oberseite einer Matratze in einem Bett Bezug genommen. Die jeweilige Fläche kann sich direkt oder indirekt in Kontakt mit einem Teil des menschlichen Körpers befinden oder kann indirekt in Kontakt mit dem menschlichen Körper gelangen, wenn ein Mensch Kleidung trägt. Ein Teil des Körpers ist ein Gesäß oder ein Schenkel auf einer Sitzfläche eines Stuhls oder dergleichen und wird im allgemeinen als der Rücken an der Rückenlehne eines Stuhls oder dergleichen oder in einem Bett oder dergleichen bezeichnet. Bei der Körperuntersuchungseinrichtung kann ein Teil des Körpers beispielsweise ein Arm oder ein Bein eines Menschen sein.

In der Beschreibung wird als Bio-Information des Benutzers auf die Größe der Herzfrequenz (Pulsfrequenz) oder einer Pulswelle sowie auf die Atemfrequenz oder die Stärke der Atmung Bezug genommen, und sie enthält kein Husten oder Niesen, was eine Bewegung der Haut oder des Muskels erzeugt, die nicht von der Herzfrequenz oder der Atmung stammt. Die Herzfrequenz oder die Atmung erzeugt eine feine Bewegung auf der Körperoberfläche des lebenden Körpers, und der Elektrowellen-Biosensor 100 erfasst die Bio-Information, die mit der feinen Bewegung einhergeht.

In der Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem der Elektrowellen-Biosensor 100 im Inneren eines Fahrzeugs eingebaut ist, wie es in 1 dargestellt ist. Der Elektrowellen-Biosensor 100 ist in einem Rückenlehnenabschnitt eines Sitzes ST eingebaut, auf dem beispielsweise der Fahrer sitzt. Da der Zweck des Elektrowellen-Biosensors 100 darin besteht, die feine Bewegung der Hautoberfläche zu erfassen, die mit der Herzfrequenz oder der Atmung verknüpft ist, ist ein Fall, bei dem der Elektrowellen-Biosensor 100 in dem Rückenlehnenabschnitt eingebaut ist, der eine Fläche ist, die sich in Kontakt mit dem Rücken des Fahrers befindet, der keine relativ große Bewegung aufweist, stärker bevorzugt als ein Fall, bei dem der Elektrowellen-Biosensor 100 die Bewegung durch Bestrahlen eines Gesichts oder dergleichen des Fahrers mit einer elektrischen Welle erfasst, das eine große Bewegung nach vorn in Richtung zu einem Steuerrad WL hin aufweist.

Wie in 2 dargestellt, umfasst der Elektrowellen-Biosensor 100 eine Einheit 10 zur Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen, der die Körperoberfläche des lebenden Körpers mit der elektromagnetischen Welle bestrahlt; eine Einheit 20 zum Empfangen einer reflektierten Welle, die ein durch Multiplizieren des Signals der eingestrahlten elektromagnetischen Welle und des empfangenen reflektierten Signals gewonnenes I-Signal und ein durch Verzögern des I-Signals um eine vorbestimmte Phase gewonnenes Q-Signal gewinnt, nachdem die reflektierte Welle empfangen wurde, die als die elektromagnetische Welle gewonnen wurde, die durch die Einheit 10 zur Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen eingestrahlt wurde, auf der Körperoberfläche reflektiert wurde, und eine Wellenerfassung oder -verstärkung ausgeführt wurde; und eine Steuereinheit 60, die die Einheit 10 zur Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen steuert. Außerdem bilden die Einheit 10 zur Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen und die Einheit 20 zum Empfangen einer reflektierten Welle einen Doppler-Sensor DS.

3 ist ein Blockschaltbild, das speziell den Doppler-Sensor DS darstellt. Ein Oszillator 13 des Doppler-Sensors DS oszilliert mit einer vorbestimmten Frequenz unter der Steuerung der Steuereinheit 60. Außerdem wird generell ein Mikrowellenband der Frequenz verwendet, und es gibt viele Fälle, bei denen die Frequenz nicht besonders beschränkt ist, aber 24 GHz werden im Allgemeinen in einem Fall einer Verwendung zur Gewinnung der Bio-Information verwendet. Die durch den Oszillator 13 oszillierte elektromagnetische Welle wird von einem Verteiler 12 verteilt, und ein Messziel TG wird mit einer der elektromagnetischen Wellen als einer elektromagnetischen Welle mit einer Frequenz f0 (beispielsweise 24 GHz) aus einer Sendeantenne 11 bestrahlt.

Die elektromagnetische Welle der Frequenz f0 wird beim Auftreffen auf das eine Bewegung ausführende Messziel TG reflektiert, die Frequenz ändert sich zu fr, und eine Empfangsantenne 21 empfängt die reflektierte Welle, welche die Frequenz fr angenommen hat. Außerdem bewegt sich das Messziel TG mit einer Relativgeschwindigkeit v in einer Richtung, die einen Schnittwinkel α bezüglich Richtungen der Sendeantenne 11 und der Empfangsantenne 21 aufweist. Die Frequenz fr der reflektierten Welle ist dann durch die Gleichung (1) gegeben. fr = f0 ± fd(1)

Die Frequenz der gesendeten Welle ist f0, die Dopplerfrequenz ist fd = (2f0|v|/c0)·cosα, die Lichtgeschwindigkeit ist c0, die Relativgeschwindigkeit des Messziels ist v, und der Schnittwinkel in der Bewegungsrichtung des Messziels bezüglich der gesendeten Welle ist α.

Die von der Empfangsantenne 21 empfangene reflektierte Welle der Frequenz fr wird in einem Mischer 22 so einer Berechnung unterzogen, dass sie mit der durch den Verteiler 12 verteilten anderen elektromagnetischen Welle (Frequenz f0) multipliziert wird und dann aus einem I-Signal-Ausgangsport IP, der ein Teil der Einheit 20 zum Empfangen einer reflektierten Welle ist, als das I-Signal ausgegeben wird, welches eine Basisbandkomporiente, die einem Gleichanteil (DC-Anteil) nahe ist, und eine Modulationskomponente umfasst. Außerdem wird die reflektierte Welle, die eine von der Empfangsantenne 21 empfangene reflektierte Welle der Frequenz fr ist und deren Phase um π/2 verschoben ist, in ähnlicher Weise in einem Mischer 22 einer Berechnung so unterzogen, dass sie mit der von dem Verteiler 12 verteilten anderen elektromagnetischen Welle (Frequenz f0) multipliziert wird und dann aus einem Q-Signal-Ausgangsport QP, der ein Teil der Einheit 20 zum Empfangen einer reflektierten Welle ist, als das Q-Signal ausgegeben wird, welches die Basisbandkomponente, die dem Gleichanteil nahe ist, und die Modulationskomponente umfasst.

Der Elektrowellen-Biosensor 100 umfasst ferner ein Tiefpassfilter 80 und ein Bandpassfilter 90, in die das aus dem I-Signal-Ausgangsport IP ausgegebene I-Signal und das aus dem Q-Signal-Ausgangsport QP ausgegebene Q-Signal, die aus der Einheit 20 für das Empfangen einer reflektierten Welle ausgegeben wurden, eingegeben werden; und eine Signalgewinnungseinheit 30, die aus dem Tiefpassfilter 80 und dem Bandpassfilter 90 jeweils ein später beschriebenes Signal gewinnt. Das Tiefpassfilter 80 ist ein beliebiges Filter, das Rauschen einer Hochfrequenzkomponente entfernt und nur der Basisbandkomponente den Durchgang durch den I-Signal-Ausgangsport IP und den Q-Signal-Ausgangsport QP in den I-Signal- bzw. Q-Signal-Ausgang erlaubt und Signale (I und Q) ausgibt, die das geglättete I-Signal und Q-Signal sind. Da der Zweck des Elektrowellen-Biosensors 100 darin besteht, die Bio-Information wie beispielsweise die Herzfrequenz oder die Atmung zu gewinnen, ist das Tiefpassfilter 80 außerdem ein Filter, das den Durchgang einer Herzfrequenz von ungefähr 1 Hz oder der Atmung von ungefähr 0,3 Hz erlaubt, und ist beispielsweise ein Filter, das die Herzfrequenz oder die Atmung entfernt, die größer oder gleich 10 Hz ist.

Das Bandpassfilter 90 ist eine Ausführungsform einer Differentialberechnungseinheit zum Gewinnen von Differenzwerten (ΔI und ΔQ) der einzelnen Signale durch Entfernen einer DC-Komponente (Gleichanteil) aus dem I-Signal und dem Q-Signal, die aus dem I-Signal-Ausgangsport IP und dem Q-Signal-Ausgangsport QP ausgegeben werden. Ferner sind die durch das Bandpassfilter 90 gewonnenen Differenzwerte (ΔI und ΔQ) lineare Näherungswerte, und die Differentialberechnungseinheit ist nicht auf das Bandpassfilter 90 beschränkt, sondern kann eine Einheit sein, die das I-Signal und das Q-Signal differenziert und einen I-Signal-Differenzwert ΔI und einen Q-Signal-Differenzwert ΔQ berechnet.

Die Signalgewinnungseinheit 30 empfängt das I-Signal und das Q-Signal, deren Hochfrequenzkomponente durch das Tiefpassfilter 80 entfernt wurde, und den I-Signal-Differenzwert ΔI, der ein Differenzwert des I-Signals aus dem Bandpassfilter 90 ist, sowie den Q-Signal-Differenzwert Q, der ein Differenzwert des Q-Signals ist. Ferner wird, aus der Sichtweise einer physikalischen Konfiguration, wie in 4 dargestellt, das aus dem I-Signal-Ausgangsport IP des Doppler-Sensors DS ausgegebene I-Signal in das Tiefpassfilter 80 eingegeben, und das I-Signal, dessen Hochfrequenzkomponente durch das Tiefpassfilter 80 entfernt wurde, wird in einen I-Port eines AD-Ports eines Mikrocomputers MC eingegeben, der die Signalgewinnungseinheit 30 ist. Ferner wird das aus dem I-Signal-Ausgangsport IP ausgegebene I-Signal in das Bandpassfilter 90 eingegeben, und das I-Signal, dessen DC-Komponente bzw. Gleichanteil durch das Bandpassfilter 90 entfernt wurde, wird in einen ΔI-Port des AD-Ports des Mikrocomputers MC, der die Signalgewinnungseinheit 30 ist, als der I-Signal-Differenzwert ΔI eingegeben.

Ferner wird das aus dem Q-Signal-Ausgangsport QP des Doppler-Sensors DS ausgegebene Q-Signal in das Tiefpassfilter 80 eingegeben, und das Q-Signal, dessen Hochfrequenzkomponente durch das Tiefpassfilter 80 entfernt wurde, wird in einen Q-Port des AD-Ports des Mikrocomputers MC eingegeben, der die Signalgewinnungseinheit 30 ist. Außerdem wird das aus dem Q-Signal-Ausgangsport QP ausgegebene Q-Signal in das Bandpassfilter 90 eingegeben, und das Q-Signal, dessen DC-Komponente bzw. Gleichanteil durch das Bandpassfilter 90 entfernt wurde, wird in einen ΔQ-Port des AD-Ports des Mikrocomputers MC, der die Signalgewinnungseinheit 30 ist, als der Q-Signal-Differenzwert ΔQ eingegeben. Außerdem kann der Mikrocomputer MC die oben beschriebene Steuereinheit 60, eine später beschriebene Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit 40, eine Bio-Informationsextraktionseinheit 50 und eine Externausgabeeinheit 70 umfassen. Ferner ist jeder der AD-Ports mit einem AD-Umsetzer verbunden und ist ein Port, der ein analoges Signal in ein digitales Signal umwandelt.

Der Elektrowellen-Biosensor 100 umfasst des Weiteren die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit 40, die die Winkelgeschwindigkeit des I-Signals und des Q-Signals auf der Basis des I-Signals und des Q-Signals, die durch die Einheit 20 zum Empfangen einer reflektierten Welle gewonnen werden, sowie des I-Signal-Differenzwerts ΔI und des Q-Signal-Differenzwerts ΔQ, die durch die Differentialberechnungseinheit 90 auf der Basis des I-Signals und des Q-Signals berechnet werden, berechnet. Wie nachstehend beschrieben wird, ermittelt die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit 40 eine Winkelgeschwindigkeit ω des I-Signals und des Q-Signals auf der Basis des I-Signals, des Q-Signals, des I-Signal-Differenzwerts ΔI und des Q-Signal-Differenzwerts ΔQ.

Eine Sendewelle X(t) der Frequenz f0 in Abhängigkeit von der Zeit t, die von der Sendeantenne 11 des Doppler-Sensors DS gesendet wird, ist durch die Gleichung (2) ausgedruckt. X(t) = Ascos(ωst)(2)

Eine Amplitude der Sendewelle ist As, und eine Winkelgeschwindigkeit der Sendewelle ist ωs = 2πf0.

Außerdem ist eine reflektierte Welle xr(t) der Frequenz fr in Abhängigkeit von der Zeit t, die von der Empfangsantenne 21 des Doppler-Sensors DS empfangen wird, durch die Gleichung (3) ausgedrückt. xr(t) = Arcos([ωs ± ωd]t + Φ)(3)

Eine Amplitude der empfangenen Welle ist Ar, eine Doppler-Winkelgeschwindigkeit ist ωd = 2πfd, und eine Phase, die von einer Entfernung zum Messziel abhängt, ist Φ.

Außerdem ist ein Signal, das einer Berechnung so unterzogen wird, dass es durch Eingeben der Sendewelle und der reflektierten Welle in den Mischer 22 multipliziert wird, durch die Gleichung (4) ausgedrückt. xs(t)xr(t) = AsArcos(ωst)cos([ωs + ωd]t + Φ)
= (AsAr/2){cos(ωdt + Φ) + cos([2ωs + ωd]t + Φ)}(4)

In einem Fall, in dem die Hochfrequenzkomponente durch das Tiefpassfilter 80 entfernt wird, fällt die Modulationskomponente des zweiten Terms in der Gleichung (4) weg. Dann ist I(t), welches das I-Signal nach dem Entfernen der Doppler-Frequenzkomponente durch das Tiefpassfilter 80 ist, durch die Gleichung (5) ausgedrückt. I(t) = (AsAr/2)cos(ωdt + Φ)(5)

Außerdem ist Q(t), welches das durch Verzögern der Phase aus dem I-Signal um π/2 gewonnene Q-Signal ist, durch die Gleichung (6) ausgedrückt. Q(t) = (AsAr/2)cos(ωdt + Φ – π/2)(6)

Das durch die Gleichung (5) ausgedrückte I-Signal und das durch die Gleichung (6) ausgedrückte Q-Signal werden in die Signalgewinnungseinheit 30 eingegeben.

Außerdem können, da der I-Signal-Differenzwert ΔI ≈ dI/dt ist und der Q-Signal-Differenzwert ΔQ ≈ dQ/dt ist, wenn die Gleichung (5) und die Gleichung (6) jeweils nach der Zeit t differenziert werden, der I-Signal-Differenzwert ΔI und der Q-Signal-Differenzwert ΔQ berechnet werden.

Ferner beträgt gemäß Darstellung in 7 die Winkelgeschwindigkeit ω auf der I-Q-Koordinatenebene ω = dΘ/dt.

Außerdem kann, da Θ = arctan(I – Ioffset)/(Q – Qoffset), wenn Ioffset durch eine Konstante ausgedrückt werden kann, die durch einen baulich bedingten Faktor des Elektrowellen-Biosensors definiert ist, und Qoffset durch eine Konstante ausgedrückt werden kann, die durch einen baulich bedingten Faktor des Elektrowellen-Biosensors definiert ist, die Winkelgeschwindigkeit ω durch Ausdruck 1 wie folgt ausgedrückt werden: (Ausdruck 1)

Ferner gibt die Größe des Kreises in 8 die Größe der Empfangsstärke in der Empfangsantenne 21 der reflektierten Welle an und fluktuiert gemäß einem Zustand (Abstand, Neigung der Reflexionsfläche, Reflexionsvermögen oder dergleichen) der Oberfläche des lebenden Körpers, der das Messziel TG ist. In einem Fall, in dem der Abstand zwischen dem Doppler-Sensor DS und der Oberfläche des lebenden Körpers d ist, ist die Größe Δd der Verschiebung des Abstands d durch die Gleichung (7) ausgedrückt. Δd = λ·ΔΘ/4π(7)

λ ist eine Wellenlänge (beispielsweise 12,5 mm in einem Fall, in dem die Frequenz 24 GHz beträgt) der Sendewelle.

Es besteht beispielsweise der Fall, dass die Größe Δd der Verschiebung zunimmt, wenn sich eine obere Hälfte des Körpers des Fahrers stark bewegt und die Phase von Θ unklar wird. Ferner sind außerdem sowohl die durch die Herzfrequenz oder die Atmung erzeugte Bewegung der Oberfläche des lebenden Körpers als auch die durch eine andere große Aktion des Menschen erzeugte Bewegung der Oberfläche des lebenden Körpers in der Bewegung der Oberfläche des lebenden Körpers enthalten, es ist aber schwierig, die feine Bewegung der Oberfläche des lebenden Körpers nur durch Verwendung des aus dem Doppler-Sensor DS ausgegebenen I-Signals/Q-Signals zu erfassen. Wenn sich beispielsweise die obere Hälfte des Körpers des Fahrers stark bewegt, fluktuiert die Stärke der reflektierten Welle so stark, dass sie größer ist als die feine Bewegung, wie beispielsweise die Herzfrequenz, und die feine Bewegung der Oberfläche des lebenden Körpers kann nicht erfasst werden.

Da hier bei der Ausführungsform der Erfindung die durch die große Aktion des Menschen verursachte Bewegung der Oberfläche des lebenden Körpers innerhalb einer extrem kurzen Zeitperiode im Wesentlichen null ist, ist es möglich, die durch die Herzfrequenz oder Atmung verursachte Bewegung der Oberfläche des lebenden Körpers durch Berücksichtigung des I-Signal-Differenzwerts ΔI und des Q-Signal-Differenzwerts ΔQ zu extrahieren. Außerdem ist es möglich, die Bio-Information, wie beispielsweise die Herzfrequenz oder die Atemfrequenz, die mit der feinen Bewegung auf der Körperoberfläche einhergeht, durch Berechnung der Winkelgeschwindigkeit ω auf einer I-Signal- und Q-Signal-Koordinatenebene, was eine Änderung einer Phase ist, auf der Basis des oben beschriebenen (Ausdruck 1) exakt zu erfassen, was nicht durch eine Änderung in einem Zustand der Oberfläche des lebenden Körpers zu stören ist, wie beispielsweise der Abstand oder die Neigung der Reflexionsfläche.

5A ist ein Graph, der das I-Signal und das Q-Signal darstellt, die durch die Signalgewinnungseinheit 30 gewonnen werden, und stellt eine Zeitreihen-Änderung der einzelnen Signale, deren Hochfrequenzkomponente durch Durchlaufen des Tiefpassfilters 80 entfernt ist, aus dem von der Oberfläche des lebenden Körpers gewonnenen Signal dar. Ferner ist 5B ein Graph, der den I-Signal-Differenzwert ΔI und den Q-Signal-Differenzwert ΔQ darstellt, die aus dem Bandpassfilter 90 (Differentialberechnungseinheit) ausgegeben werden, und stellt die Zeitreihen-Änderung der einzelnen Signale dar, von denen nur die Frequenz der Herzfrequenzkomponente das Bandpassfilter 90 durchlaufen hat dürfen. Außerdem fluktuiert die Amplitude des I-Signal-Differenzwerts ΔI und des Q-Signal-Differenzwerts ΔQ nach Maßgabe der Position von Θ, aber der Fall in der Zeichnung bezeichnet einen Fall, bei dem Θ nahe an einer I-Achse der I-Q-Koordinatenebene positioniert ist, in der der I-Signal-Differenzwert ΔI relativ stark fluktuiert.

Ferner stellt 5C die Zeitreihen-Änderung der auf die Herzfrequenz bezogenen Winkelgeschwindigkeit ω dar, die durch die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit 40 nach Maßgabe von (Ausdruck 1) auf der Basis des in 5A dargestellten I-Signals und Q-Signals und des in 5B dargestellten I-Signal-Differenzwerts ΔI und Q-Signal-Differenzwerts ΔQ berechnet wird. Wie in 5C dargestellt, ist nur die Herzfrequenz durch periodische Peaks des Graphen klar dargestellt. Auf diese Weise ist es möglich, den Elektrowellen-Biosensor 100 bereitzustellen, der die feine Bewegung durch Bestrahlen der Oberfläche des menschlichen Körpers mit einer elektromagnetischen Welle und durch Erfassen der mit der feinen Bewegung einhergehenden Bio-Information, wie beispielsweise der Herzfrequenz oder der Atemfrequenz, auf der Basis der Winkelgeschwindigkeit in der Koordinatenebene des I-Signals und des Q-Signals der reflektierten Welle exakt erfasst.

Außerdem kann als eine Modifikation der Ausführungsform der Elektrowellen-Biosensor 100 ferner die Bio-Informationsextraktionseinheit 50 enthalten, welche die Bio-Information des lebenden Körpers auf der Basis der durch die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit 40 berechneten Winkelgeschwindigkeit ω extrahiert. Die Bio-Informationsextraktionseinheit 50 extrahiert die Bio-Information auf der Basis der Charakteristika der zu extrahierenden Bio-Information. 6 ist beispielsweise ein Graph der Bio-Information, die durch die Winkelgeschwindigkeit ω dargestellt ist, die aus der Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit 40 ausgegeben wird. Im Fall von 6 wird der Frequenzkomponente, welche das Bandpassfilter 90 in der vorhergehenden Stufe durchlaufen hat, auch ermöglicht, nicht nur die Frequenz der Herzfrequenzkomponente durchzulassen, sondern auch die Frequenzkomponente der Atmung. In dem Fall wird die durch die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit 40 ausgegebene Winkelgeschwindigkeit ω durch Synthetisieren von zwei der periodischen Komponente der Atmung und der periodischen Komponente der Herzfrequenz gewonnen.

Auf diese Weise kann in einem Fall, in dem die durch Synthetisieren von zwei der periodischen Komponente der Atmung und der periodischen Komponente der Herzfrequenz gewonnene Winkelgeschwindigkeit ω in die Bio-Informationsextraktionseinheit 50 eingegeben wird, die Bio-Informationsextraktionseinheit 50 die Herzfrequenz oder die Atemfrequenz oder die Stärken von den Höhen von jedem der Peaks durch Vergleichen der Periode der allgemeinen Atmung oder der Herzfrequenz extrahieren. Auf diese Weise ist es möglich, durch Bestrahlen der menschlichen Körperoberfläche mit der elektromagnetischen Welle, durch Gewinnen von mehreren Bestandteilen von Bio-Information auf der Basis der Winkelgeschwindigkeit in der Koordinatenebene des I-Signals und des Q-Signals der reflektierten Welle und durch Extrahieren einer spezifischen Bio-Information auf der Basis der Frequenzkomponente, wie beispielsweise einer allgemeinen Herzfrequenz oder einer Atemfrequenz, gleichzeitig verschiedene Bestandteile von Bio-Information zu gewinnen.

Ferner umfasst der Elektrowellen-Biosensors 100 außerdem die Externausgabeeinheit 70 zum Ausgeben der Bio-Information an den externen Mechanismus, der die Bio-Information verwendet, die durch die Winkelgeschwindigkeit ω dargestellt ist, die durch die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit 40 berechnet ist, oder der durch die Bio-Informationsextraktionseinheit 50 extrahierten Bio-Information.

7 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung in dem Elektrowellen-Biosensor 100 darstellt. S in dem Flussdiagramm bezeichnet Schritte. In S100 gewinnen die einzelnen AD-Ports, welche die Signalgewinnungseinheit 30 des Elektrowellen-Biosensors 100 sind, das I-Signal und das Q-Signal, die das Tiefpassfilter 80 durchlaufen haben, und den I-Signal-Differenzwert ΔI und den Q-Signal-Differenzwert ΔQ, die das Bandpassfilter Filter 90 durchlaufen haben. In S102 berechnet die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit 40 die Winkelgeschwindigkeit ω auf der Basis des oben beschriebenen (Ausdruck 1) aus dem I-Signal, dem Q-Signal, dem I-Signal-Differenzwert ΔI und dem Q-Signal-Differenzwert ΔQ, die durch die Signalgewinnungseinheit 30 gewonnen wurden, und der Offset-Werte, die durch den baulich bedingten Faktor des Elektrowellen-Biosensors 100 definiert sind.

In S104 extrahiert die Bio-Informationsextraktionseinheit 50 die zu extrahierende Bio-Information aus der durch die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit 40 berechneten Winkelgeschwindigkeit ω durch Signalverarbeitung. Außerdem gibt in S106 die Externausgabeeinheit 70 die extrahierte Bio-Information an den externen Mechanismus aus.

Schließlich ist die Erfindung nicht auf die als Beispiel angegebene Ausführungsform beschränkt und kann gemäß einer Konfiguration innerhalb eines Bereichs realisiert werden, der nicht über den Inhalt der einzelnen Ansprüche hinausgeht. In anderen Worten ist die Erfindung in den Zeichnungen hauptsächlich unter Berücksichtigung der speziellen Ausführungsform dargestellt und beschrieben, aber Fachleute können bezüglich der oben beschriebenen Ausführungsform verschiedene Änderungen in der Anzahl der Komponenten und andere spezifische Konfigurationen hinzufügen, ohne von der technischen Idee und dem Schutzbereich abzuweichen.

Während die Erfindung unter Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist Fachleuten in Kenntnis dieser Offenbarung klar, dass andere Ausführungsformen denkbar sind, die den Schutzbereich der hier dargelegten Erfindung nicht verlassen. Demzufolge sollte der Schutzbereich der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • JP 2006-05504 A [0002]
  • JP 2010-120493 A [0003]
  • JP 2011-015887 A [0007]