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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04094/
• 关键词: ミリ波ドップラーレーダ; 心拍検出; 高次統計量; 信号処理; 適応ノッチフィルタ

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。

这项研究旨在开发一种使用高阶统计量使用毫米波多普勒雷达进行非接触性心跳检测的干扰成分的方法，该方法主要针对小动物，例如狗和猫。使用毫米波多普勒雷达的非接触性心率检测是一种捕获体面出现的心脏循环运动的技术。但是，接收的信号包括呼吸组件，由呼吸与心跳之间的相互作用引起的组成部分以及由周围存在的人和动物的波浪引起的干扰成分。这会导致一个问题，即心率检测性能显着降低。因此，正在开发非接触性心率检测系统来抑制这些干扰。在2022财年，根据上一年获得的实验结果，使用双光谱进行了非接触性心跳检测的原理。结果，我们发现了心跳，呼吸和其他干扰成分之间的关​​系，两个光谱中每一个的频率和相位，并发现了为什么提出的方法提高了心跳估计的准确性。该方法的有效性也从针对人类的实验中得到了证实。还发现从理论上解释说，双光谱是一种非接触性心跳检测技术，对交流产物组件的鲁棒性。交换产物分量的频率由对应于呼吸速率的频率和对应于心率的频率，以及每个整数倍数的总和和差异，但是由于呼吸和心脏运动之间没有相关性，因此可以使用双光线抑制互化产物分量。此外，我们研究了一种使用自适应缺口过滤器作为一种对呼吸谐波和噪声具有抗性的方法的方法，并从实验数据中证实，在几项代表性的先前研究中，性能得到了改善。

项目成果

ドップラーレーダを用いた非接触心拍数推定におけるLSTMの導入

LSTM在多普勒雷达非接触心率估计中的介绍

• 发表时间: 2022
• 作者: 中山翔太;兼清泰正;石井洋己;吉田裕;藤田夏清，笹岡直人，モッシュミ タゼン，岡本芳晴
• 通讯作者: 藤田夏清，笹岡直人，モッシュミ タゼン，岡本芳晴

Non-Contact Heart Rate Measurement based on Bispectrum

基于双谱的非接触式心率测量

• 发表时间: 2022
• 作者: Moushumi Tazen;Naoto Sasaoka;Kasumi Fujita;Yoshiharu Okamoto
• 通讯作者: Yoshiharu Okamoto