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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Mobilgeräte zum Messen
von biologischen Signalen und betrifft insbesondere ein solches
Mobilgerät
mit einer Elektrode für
eine Körpererdung
oder Systemreferenz, die an einer Außenseite eines Gerätekörpers platziert
ist.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Wenn
zum Beispiel eine behinderte Person wie beispielsweise eine Person
ohne Laryngopharynx oder den oralen Teil des Rachens nach einer Kehlkopfentfernung
erfolglos versucht, zu sprechen, kann das, was die Person versucht
zu sprechen, durch Erfassen von perioralen Muskelaktivitäten bestimmt
werden. Dann wird ein Sprachsynthesizer betrieben, um anstelle der
menschlichen Sprache eine künstliche
Sprache zu erzeugen.
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Ein
gutes Beispiel solcher Forschungsarbeiten ist in Noboru Sugie et
al., „A
Speech Prosthesis Employing a Speech Synthesizer – Vowel
Discrimination from Perioral Muscle Activities and Vowel Production", IEEE transactions
an Biomedical Engineering, Vol. 32, Nr. 7, Seiten 485–490, veröffentlicht,
auf dessen gesamte Inhalte hierdurch Bezug genommen wird.
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Gemäß der Forschungsarbeit
werden die Bewegungen des Mundes über drei Elektromyographiekanäle mit Ag-AgCl-Oberflächenelektroden
aufgenommen. Nach einer Bandpassfilterung der Elektromyographie
wird eine Schwellenwertfunktion angewendet, um die Rauschkomponenten
zu reduzieren. Dann wird die Anzahl von Übergängen des Schwellenniveaus für jeden
Kanal gezählt.
Abhängig von
dem Zählwert
in jedem Zeitintervall wird jedem Muskel eine 1 oder 0 zugewiesen,
um einen aktiven bzw. inaktiven Zustand zu bestimmen. Dann wird eine
Folge von 3-Bit-Zahlen an einen endlichen Automaten zur Vokalunterscheidung
aus allen fünf
japanischen Basisvokalen /a/, /e/, /i/, /o/ und u geleitet. Das Ausgangssignal
des Automaten wird benutzt, um einen Sprachsynthesizer zur Vokalerzeugung
anzutreiben.
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Ein
Beispiel zum Erfassen von Elektromyographiesignalen, um zwischen
japanischen Vokalen zu unterscheiden, ist in der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 7-181888 gezeigt, auf deren gesamten Inhalt hierdurch
Bezug genommen wird.
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In
diesem Beispiel enthält
ein Sprachsynthesizer 50, wie in 5 dargestellt,
eine Elektromyographie (EMG) – Signalerfassungseinheit 15 zum
Erfassen von EMG-Signalen,
die durch Muskelbewegungen aufgrund von Sprachaktivitäten verursacht werden,
eine Silbenidentifizierungseinheit 11 zum Erzeugen von
Identifizierungssignalen entsprechend gewünschten Silben, eine Lerneinheit 13 zum
Lernen basierend auf Messsignalen von der EMG-Signalerfassungseinheit 15 und
den Identifizierungssignalen von der Silbenidentifizierungseinheit 11,
eine Unterscheidungseinheit 17 zum Empfangen von Eingabemustern
von der EMG-Signalerfassungseinheit 15 und zum Unterscheiden
und Ausgeben von Tonsilbensignalen entsprechend den Eingabemustern, eine
Tonsynthetisierungseinheit 18 zum Synthetisieren von Tonsignalen
entsprechend den Tonsilbensignalen von der Unterscheidungseinheit 17 und
Umwandeln der Tonsignale in Töne,
eine Tonausgabeeinheit 19 zum Ausgeben der durch die Tonsynthetisierungseinheit 18 umgewandelten
Töne.
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Die
EMG-Signalerfassungseinheit 15 hat mehrere Hautoberflächenelektroden 14 zum
Erfassen von EMG-Signalen entsprechend Muskelbewegungen, Verstärker 16 zum
Verstärken
der durch die Hautoberflächenelektroden 14 erfassten
EMG-Signale, Filter (nicht dargestellt) zum Herausfiltern von Nieder-
und Hochfrequenzkomponenten aus den verstärkten Signalen und Umsetzer
(nicht dargestellt) zum Umsetzen der gefilterten Signale in Leistungsspektren.
Ferner können
die bandgetrennten Komponenten nach der Umsetzung in die Frequenzspektren parallel
verarbeitet werden, und deshalb wird eine Konsonantenunterscheidung
möglich.
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Zusätzlich zu
einer solchen medizinischen Verwendung gab es zuletzt einen erhöhten Bedarf
an Mensch-Maschine-Schnittstellenanwendungen, um menschliche biologische Signale,
wie beispielsweise Elektromyographiesignale und Elektroenzephalogramm
(Hirnwellen) – Signale
einfach zu erhalten und zu verarbeiten.
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Beim
Erhalten biologischer Signale wie beispielsweise von EMG-Signalen
oder Elektroenzephalogrammsignalen werden normalerweise zum Reduzieren
der externen Rauschkomponente Operationsverstärker verwendet. Mehrere Elektroden müssen an
einem menschlichen Körper
angebracht werden, um die EMG-Signale unter Verwendung der Operationsverstärker zu
erhalten. Um zum Beispiel eine Art von EMG-Signal zu erhalten, sollten wenigstens
drei Elektroden an einem menschlichen Körper angebracht werden. D.h.
es werden zwei Elektroden für
den Operationsverstärker
und eine Elektrode für die
Körpererdung
oder Systemreferenz benötigt.
Einige Messvorrichtungen erfordern eine Elektrode speziell für die Körpererdung
und eine weitere Elektrode speziell für die Systemreferenz. In diesem
Fall sind vier Elektroden zum Erlangen einer Art von EMG-Signal
notwendig.
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Von
diesen Elektroden sollten zwei Elektroden für die Operationsverstärker an
einer menschlichen Haut in der Gleitrichtung des Muskels und an
einer zu messenden Stelle angebracht oder eingesetzt werden. Andererseits
ist die Stelle, wo die Elektrode für die Körpererdung oder die Systemreferenz
angebracht wird, nicht speziell eingeschränkt, weil die Elektrode zum
Zweck des Erlangens eines Bezugspotentials für den Operationsverstärker oder zum
Ausgleichen des Operationsverstärkermassepotenzials
mit dem menschlichen Körper
angebracht wird.
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Um
solche Elektroden anzubringen, sollte ein Operator eine Paste auf
die Elektroden aufbringen und dann die Elektroden auf der menschlichen Haut
anbringen und sie am menschlichen Körper mittels Klebeband fixieren.
Diese Vorgänge
benötigen viel
Zeit und sind lästig.
Bezüglich
der Körpererdungselektrode
oder der Systemreferenzelektrode kann eine Bandelektrode um eine
obere Gliedmaße oder
einen Arm oder eine untere Gliedmaße oder ein Bein gewickelt
werden oder eine Klammerelektrode kann durch Anstecken an ein Ohrläppchen benutzt werden.
Selbst wenn diese einfachen Elektroden benutzt werden, ist der Elektrodenanbringungsvorgang nach
wie vor notwendig und lästig.
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Herkömmlicherweise
wurde die Messung von EMG-Signalen und Elektroenzephalogrammsignalen
hauptsächlich
bei medizinischen Untersuchungen in der Klinik oder einer Therapie
angewendet, und deshalb wurde angenommen, dass die Elektroden des
Standes der Technik nur in Untersuchungsräumen oder Operationsräumen benutzt
werden. Deshalb ist es notwendig, wenn die biologischen Signale
wie beispielsweise EMG-Signal oder Elektroenzephalogramm als Mensch-Maschine-Schnittstelleneinrichtung
benutzt werden, den Elektrodenanbringungsvorgang so weit wie möglich einfacher
zu machen, um die Arbeitsbelastung des Benutzers zu verringern.
Und selbst wenn die biologischen Signale wie beispielsweise die
EMG-Signale oder
Elektroenzephalogrammsignale zum Zweck einer Untersuchung oder Therapie
verwendet werden, ist es viel besser, den Elektrodenanbringungsvorgang
einfacher und leichter zu machen.
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Wie
oben erwähnt,
ist es notwendig, um biologische Signale wie beispielsweise EMG-Signale oder Elektroenzephalogrammsignale
zu erhalten, zwei Arten von Elektroden anzubringen: Differentialelektroden
und eine Körpererdungs-
oder Systemreferenzelektrode. Die Stelle, wo die Differentialelektroden
angebracht werden sollten, ist auf zu messende Bereiche begrenzt.
Die Stelle, wo die Körpererdungs- oder
Systemreferenzelektrode angebracht werden sollte, ist nicht speziell
eingeschränkt.
Deshalb haben die Differentialelektroden begrenzte Stellen zur Anbringung
und sollten deshalb an dem geeignetsten Abschnitt unter Verwendung
des besten Anbringungsverfahrens angebracht werden. Die Differentialelektrode
wird deshalb üblicherweise
nicht unbedingt in einer einfachen Weise angebracht.
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Andererseits
kann die Körpererdungs-
oder Systemreferenzelektrode ohne Einschränkung der Anbringungsorte überall in
einem vorbestimmten gewissen Bereich angebracht werden. Falls ein
Weg zum Anbringen der Körpererdungs-
oder Systemreferenzelektrode an einem bestimmten Bereich eines menschlichen
Körpers
in einer einfachen Weise existieren würde, dann wäre es deshalb möglich, Probleme
beim Anbringen der Elektrode zu vermeiden. Spezielle Beispiele zum
einfachen Anbringen sind die oben genannte Bandelektrode oder Klammerelektrode.
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Wenn
die biologischen Signale wie beispielsweise EMG-Signale oder Elektroenzephalogrammsignale
zum Zweck einer Mensch-Maschine-Schnittstellennutzung gemessen werden,
wäre die
Brauchbarkeit der biologischen Signalmessung deutlich erhöht, falls
eine solche Messung ohne irgendeine Einschränkung der Messstelle durchgeführt werden könnte, und
die gemessenen Ergebnisse könnten identifiziert
und über
eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation an einen entfernten
Bereich übertragen
werden.
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Um
die obige Verbesserung zu realisieren, ist es erwünscht, ein
Mobilgerät
wie beispielsweise ein Mobiltelefon oder einen persönlichen
digitalen Assistenten (PDA) zum Erhalten biologischer Signale wie
beispielsweise von EMG-Signalen oder Elektroenzephalogrammsignalen
zu benutzen. Beim Verwenden eines Mobilgeräts wie beispielsweise eines Mobiltelefons
oder eines PDA zum Messen biologischer Signale wie beispielsweise
von EMG-Signalen oder Elektroenzephalogrammsignalen ist es besonders
wichtig, dass es leicht und einfach ist, eine Elektrode zur Körpererdung
oder Systemreferenz an einem menschlichen Körper anzubringen.
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Ein
bekanntes Mobilgerät,
das zum Messen eines biologischen Signals verwendet werden kann, ist
in der
DE 196 02 347
A offenbart. Diese offenbart ein Mobilgerät zum Messen
eines EKG- oder EEG-Signals, das einen Körper mit einer Elektrode an
seiner Außenseite
zum Bereitstellen einer Körpererdung
und ein Paar von Differentialelektroden, die mit dem Gerätekörper durch
Drähte
verbunden sind, aufweist, wobei alle drei Elektroden die Haut eines Benutzerkörpers kontaktieren
sollen, um das EKG- oder
EEG-Signal zu erzeugen.
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Ein
weiteres bekanntes Mobilgerät
ist in der
US-A-5,172,698 offenbart.
Diese offenbart ein Gerät mit
vier Außenelektroden,
die die Haut eines Fingers eines Benutzers kontaktieren sollen.
Zwei der Elektroden funktionieren als ein Paar Referenzelektroden,
das eine Körpererdung
bereitstellt, und zwei funktionieren als ein Paar Differentialelektroden,
um die Erzeugung eines EKG-Signals zu ermöglichen. Dieses Mobilgerät enthält einen
Lautsprecher und ein Mikrofon, sodass das EKG-Signal als ein Audiosignal
durch ein Telefon an einen entfernten Operator gesendet werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mobiltelefongerät vorzusehen, das
ein biologisches Signal messen kann, mit einer Elektrode zur Körpererdung
oder Systemreferenz ohne Einschränkung
des Anbringungsortes.
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Eine
weitere und speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
ein Mobilgerät
zum Messen eines biologischen Signals vorzusehen, mit einem Gerätekörper; einer
Elektrode zur Körpererdung
oder Systemreferenz, die an einer Außenseite des Gerätekörpers so
angeordnet ist, dass sie mit der Haut eines Benutzers des Mobiltelefongeräts in Kontakt
bringbar ist; und Differentialelektroden, wobei das Mobilgerät ein Mobiltelefongerät ist und
die Differentialelektroden als Operationsverstärker dienen und an einer Vorderseite
des Mobiltelefongeräts
so angeordnet sind, dass sie mit dem Gesicht eines einen Anruf mit
dem Mobiltelefongerät
machenden Benutzers in Kontakt bringbar sind; und wobei die Elektrode
zur Körpererdung
oder Systemreferenz so platziert ist, dass sie mit der Haut der
Hand eines Benutzers in Kontakt bringbar ist.
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Das
biologische Signal enthält
ein Elektromyographie (EMG) – Signal
und ein Elektroenzephalogrammsignal oder eine Hirnstromwelle in
einem nicht-einschränkenden
Sinn. Das Mobilgerät
kann eine Funktion zum Analysieren oder Übertragen des biologischen
Signals enthalten. Beim Halten eines Mobilgeräts mit einer Hand können biologische
Signale wie beispielsweise ein EMG-Signal und ein Hirnstromwellensignal
gemessen und gespeichert oder über
eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation übertragen
werden. Es ist hierbei wichtig, dass das Mobilgerät notwendigerweise
die menschliche Haut kontaktiert und das Mobiltelefon die Hand kontaktiert.
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Auf
diese Weise ist es beim Messen eines EMG-Signals oder eines Elektroenzephalogrammsignals
mit einem Mobilgerät
gemäß der vorliegenden Erfindung,
bei dem eine Elektrode zur Körpererdung oder
Systemreferenz an einer Außenseite
des Gerätekörpers platziert
ist, möglich,
ein Körpererdungs- oder
Systemreferenzpotential ohne spezielles Anbringen einer Elektrode
am menschlichen Körper
einfach zu erhalten.
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1 zeigt
ein Grundkonzept. Ein Mobilgerät
mit Elektroden ist ein Mobiltelefon, und ein Rechteck 10 in 1 stellt
ein solches Gerät
dar. Das Mobilgerät 10 ist
mit einer Elektrode 12 versehen, wie in 1 dargestellt.
Die Elektrode 12 ist an einer Außenseite des Mobilgeräts 10 an
einer Stelle angeordnet, die menschliche Haut kontaktieren kann.
Das Mobilgerät 10 ist
ferner mit mehreren Elektroden 14 für Operationsverstärker versehen.
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Die
an einer Stelle, die menschliche Haut kontaktieren kann, platzierte
Elektrode 12 kann als eine Körpererdungselektrode oder eine
Systemreferenzelektrode funktionieren. Demgemäß muss ein Benutzer nur das
Mobilgerät 10 halten
oder tragen, um ein Körpererdungs-
oder Systemreferenzpotential zu messen, ohne die Notwendigkeit,
eine weitere Körpererdungs-
oder Systemreferenzelektrode speziell anzubringen. Durch Anbringen
der übrigen
Differentialelektroden an gewünschten
Stellen wird es möglich,
biologische Signale oder biometrische Signale wie beispielsweise
ein EMG-Signal oder
ein Elektroenzephalogrammsignal einfach und schnell zu messen. Auf
diese Weise können
lästige
Vorgänge
zum Anbringen einer Elektrode zur Körpererdung oder Systemreferenz
beseitigt werden.
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Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung erläutert
und werden aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen
offensichtlich oder können durch
Praktizieren der Erfindung entsprechend den in der Beschreibung
vorgesehenen Lehren gelernt werden. Aufgaben sowie weitere Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch eine Vorrichtung
realisiert und erzielt, die in der Beschreibung derart vollständig, klar,
präzise
und exakt aufgezeigt ist, dass ein Fachmann die Erfindung in die
Praxis umsetzen kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein Grundkonzept;
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2 ist
eine schematische Darstellung des Mobiltelefons gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine schematische Darstellung eines PDA gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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4 ist
eine schematische Darstellung einer HMD oder Brille gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel;
und
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5 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines Sprachsynthesizers.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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2 zeigt
schematisch ein Mobiltelefon 20 als ein Mobilgerät und seine
Elektrodenkonfiguration gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das Mobiltelefon 20 besitzt
eine Elektrode 22 zur Körpererdung
oder Systemreferenz an einer Seitenfläche davon. Mehrere Elektroden 24 für Operationsverstärker sind
an einer Vorderseite des Mobiltelefons 20 platziert. Wenn
ein Benutzer das Mobiltelefon 20 hält, um einen Telefonanruf zu
machen, bleibt das Mobiltelefon 20 mit der Haut an einer
Hand und dem Gesicht eines Benutzers in Kontakt. Zum Beispiel kontaktiert
eine Seitenfläche
des Mobiltelefons 20 Finger, die Rückseite des Mobiltelefons 20 kontaktiert
eine Handfläche
oder die Vorderseite des Mobiltelefons 20 kontaktiert ein
Ohr oder eine Wange. Die Berührungsabschnitte
variieren und sind von der Form des Mobilgeräts 20 abhängig. Ein
schokoriegelförmiges
Mobiltelefon und ein venusmuschelförmiges Mobiltelefon haben unterschiedliche
Berührungsabschnitte.
Welche Form Mobiltelefon auch immer haben, die Mobiltelefon haben
Kontakt mit der menschlichen Haut. Deshalb kann eine Elektrode zur Körpererdung
oder Systemreferenz an einer geeigneten Stelle des Mobiltelefons
platziert werden.
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In
dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 24 für Operationsverstärker ebenfalls
am Mobiltelefon 20 angeordnet. Diese Differentialelektroden 24 müssen so
platziert sein, dass sie Kontakt mit einer gewünschten Stelle des zu messenden
menschlichen Körpers
haben. Wenn zum Beispiel das Mobiltelefon 20 mit einer Wange
in Kontakt ist und die Wange eine zu messende Stelle ist, ist die
Anordnung der Elektroden 24 geeignet, wie sie in 2 dargestellt
ist.
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Die
Elektroden 24 für
die Operationsverstärker
sind nicht notwendigerweise am Mobiltelefon selbst angeordnet; sie
können
dem Mobiltelefon 20 extern sein und mit dem Mobiltelefon 20 über Anschlussleitungen
(nicht dargestellt) fernverbunden sein.
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3 zeigt
schematisch einen persönlichen digitalen
Assistenten (PDA) 30 als ein Mobilgerät und seine Elektrodenkonfiguration
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
Das in 3 dargestellte PDA 30 besitzt eine Elektrode 32 zur
Körpererdung
oder Systemreferenz an einer Seitenfläche davon. Mehrere Elektroden 34 für Operationsverstärker sind
dem Mobilgerät 30 extern
angeordnet und mit dem Mobilgerät 30 über Anschlussleitungen
fernverbunden. Diese Elektroden 34 können AgAgCl-Oberflächen haben.
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Wenn
ein PDA-Benutzer das PDA 30 mit einer Hand hält, bleibt
das PDA 30 mit der Hand, den Fingern oder einem Arm des
Benutzers ähnlich
dem in 2 dargestellten Mobiltelefon 20 in Kontakt.
Die Berührungsabschnitte
variieren und hängen
von der Form des PDA 30 ab. Welche Form auch immer PDAs
haben, die PDAs haben ausnahmslos Kontakt mit der menschlichen Haut.
Deshalb kann eine Elektrode zur Körpererdung oder Systemreferenz
an einer geeigneten Stelle des PDA 30 angeordnet werden.
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Die
Differentialelektroden 34 können an geeigneten Stellen
der Haut eines Benutzers angebracht werden, um biologische Signale
zu messen.
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Alternativ
können
die Differentialelektroden 34 auch an der PDA-Oberfläche platziert
werden, falls ein Hautabschnitt, der Kontakt mit dem PDA hat, gemessen
werden soll.
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4 zeigt
schematisch eine HMD oder Brille 40 als ein Mobilgerät und ihre
Elektrodenkonfiguration gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel.
Bei der in 4 dargestellten HMD 40 können die
Elektroden 42 zur Körpererdung
oder Systemreferenz an Bügeln
der HMD 40 angeordnet sein und in Kontakt mit den Schläfen eines
Benutzers stehen.
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Elektroden 44 für Operationsverstärker können entfernt
angeordnet und mit der HMD 40 über Anschlussleitungen verbunden
sein. Alternativ können
die Elektroden 44 auch an der HMD 40 selbst platziert
sein, falls es gewünscht
ist, einen Hautabschnitt des Benutzers zu messen, der die HMD 40 kontaktiert.
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Falls
ein Headset (nicht dargestellt) als ein Mobilgerät benutzt wird, können sowohl
eine Körpererdungs-
oder Systemreferenzelektrode als auch die Differentialelektroden
an dem Headset angeordnet werden, um ein Elektroenzephalogramm oder
eine Hirnstromwelle eines Benutzers zu messen.
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Bei
einem Mobiltelefon gemäß den Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann eine Körpererdungs- oder Systemreferenzelektrode ohne
irgendein Problem an einer geeigneten Stelle einer Haut eines Benutzers
einfach platziert werden, und biologische Signale wie beispielsweise
ein EMG-Signal oder ein Hirnstromwellensignal können überall gemessen werden.
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Das
Mobiltelefon gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist für
eine behinderte Person nützlich,
die ein Sprechproblem hat, und bei einer Verwendung an einem Ort
nützlich, wo
die Vernehmbarkeit des Sprechens behindert ist, weil periorale Muskelaktivitäten identifiziert
werden können,
um zwischen den Tönen
zu unterscheiden, die der Benutzer zu sprechen wünscht.
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Falls
ein Mobilgerät
mit einer Kommunikationsfunktion benutzt wird, ist es möglich, gemessene biologische
Signale an externe Vorrichtungen zu übertragen und zusätzlich zur
medizinischen Nutzung und einer Mensch-Maschine-Schnittstellennutzung
weitere Anwendungen zu realisieren.
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Die
vorliegende Anmeldung basiert auf der am 19. Juni 2002 beim Japanischen
Patentamt eingereichten
japanischen
Prioritätsanmeldung
Nr. 2002-178900 .