Development of robust non-contact heart rate detection system using high order statistics to interference

利用高阶统计干扰开发稳健的非接触式心率检测系统

基本信息

批准号：
21K04094
负责人：
笹岡直人
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tottori University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、主に犬や猫などの小動物を対象として、ミリ波ドップラーレーダを用いる非接触心拍検出について高次統計量を利用した干渉成分に頑強な手法の開発を目的とする。ミリ波ドップラーレーダを用いる非接触心拍検出は、体表面に現れる心臓の周期的な動きを捉える手法である。しかしながら、受信信号には、呼吸成分、呼吸と心拍との相互作用による成分、周囲に存在する人や動物からの反射波による干渉成分が含まれている。そのため、心拍検出性能が著しく劣化する問題を抱えている。そこで、これらの干渉を抑えるための非接触心拍検出システムの開発を行う。２０２２年度は、バイスペクトルを用いる非接触心拍検出について、前年度に得られた実験結果より原理の検証を実施した。その結果、心拍、呼吸、その他の干渉成分、それぞれの周波数及び位相とバイスペクトルの関係を突き止め、提案法により心拍推定精度が改善する理由が判明した。人間を対象とする実験からも本手法の有効性を確認した。また、バイスペクトルが相互変調積成分に頑強な非接触心拍検出手法であることも理論的に説明できることが判明した。相互変調積成分の周波数は、呼吸数に対応する周波数と心拍数に対応する周波数、それぞれの整数倍の和と差により与えられるが、もともと呼吸と心臓の動きに相関が無いため，バイスペクトルを利用することにより、相互変調積成分を抑えることが可能となる。さらに呼吸高調波や雑音に強い手法として、適応ノッチフィルタを用いる手法について検討を行い、実験データより、代表的な複数の先行研究より性能が改善することを確認した。

本研究的目的是开发一种使用高阶统计量对干扰分量具有鲁棒性的方法，用于使用毫米波多普勒雷达进行非接触式心跳检测，主要针对狗和猫等小动物。使用毫米波多普勒雷达的非接触式心跳检测是一种捕捉体表出现的心脏周期性运动的方法。然而，接收到的信号包括呼吸成分、由于呼吸和心跳之间的相互作用而产生的成分、以及由于来自周围区域的人和动物的反射波而产生的干扰成分。因此，存在心跳检测性能显着降低的问题。因此，我们将开发一种非接触式心率检测系统来抑制这些干扰。 2022年，我们在前一年获得的实验结果的基础上，验证了利用双谱进行非接触式心跳检测的原理。结果，我们发现了心跳、呼吸和其他干扰分量、它们各自的频率和相位与双谱之间的关系，并找出了为什么该方法提高了心跳估计精度。这种方法的有效性也通过人体实验得到了证实。研究还发现，双谱方法在理论上可以解释为一种对互调产物成分具有鲁棒性的非接触式心跳检测方法。互调产物分量的频率由呼吸频率对应的频率与心率对应的频率的整数倍之和与差给出，但由于呼吸和心脏运动之间本来不存在相关性，因此双谱由利用这一点，可以抑制互调产物分量。此外，我们研究了一种使用自适应陷波滤波器作为抵抗呼吸谐波和噪声的方法，并从实验数据证实其性能比之前的几项代表性研究有所提高。