JP3564878B2 - Biological signal detection device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は体重、心拍数、呼吸数、体動などの生体信号を無侵襲・無拘束に検出または表示・記録・報知する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種の生体信号検出装置は、例えば特開昭62−164435号公報に記載されているものが一般的であった。この装置は図19に示されているように、ベッド1上にFET2を用いて構成したピアス型発振回路3のホットライン側に電極4が接続され、またアースライン側に電極4と直交した電極5が接続されるもので、水晶振動子6を用いた発振回路における付加的な容量による発振周波数の変化を検出する構成となっている。さらに生体の変移に基づく周波数の変化の包絡線を検出・検波器7で抽出した後、フィルタ8でノイズ等の不要な周波数信号を除去し、記録装置9に記録したり、生体の動きが停止した時に警報を発生するものであった。
【0003】
他の従来例としては、特開昭63−238502号公報に記載されているようなものがある。この装置は図20に示されているように感圧導電ゴム10の両面に電極11、12を配設し、電極11、電極12を静電容量測定装置13および抵抗測定装置14に接続するものであった。つまりこれは感圧導電ゴム10が可変コンデンサと可変抵抗からなる素子であるとみなしたものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の生体信号検出装置では、生体に近接する電極構成や検出方式にまつわる様々な課題を有していた。
【0005】
電極間に生じた静電容量の変化しか検出してないので、直流ないし直流に近い低周波信号が生体の動きに基づくものかどうか判別しにくい。
【0006】
また出力信号が温湿度環境に非常に左右されやすい。
【0007】
また電極3、4がリード線の形状なので、寝具上で簡単に位置ずれを起こしてしまい、静電容量の変化から生体の動きを再現性よく検出できない。
【0008】
また寝具の折り目や電極の交差点で、断線しやすく、商用電源を用いている場合、万一生体と接触すると感電する危険性がある。
【0009】
また電極3、4の機械的強度を持たせようとすれば、リード線径を相当太くしなければいけないが、そうするとベッド上の就寝者(生体)の寝心地感を損なうばかりか、電極交差点に集中して体圧がかかり、床ずれを起こす危険性がある。
【0010】
また現在ベッド上に生体が存在しているのかいないのかがはっきりしない。特にベッド上から生体が離れた場合とベッド上で生体が死亡した場合との見分けがつかない。
【0011】
また体重を検出することができない。
【0012】
また電極の配置構成が複雑なので、量産化時に性能ばらつきが生じやすい。
【0013】
電極は等間隔で離散的にしか配置されてないので、寝姿勢により信号検出性能に差が生じる。
【0014】
出力信号の基線が動揺しやすく使用前に必ず信号レベルの初期化を必要とするという課題を有していた。
【0015】
あるいは電極がリード線の場合、アンテナとなって外来電磁波ノイズを非常に受けやすいという課題を有していた。位置ずれも起こしやすく、生体以外の外来振動ノイズの影響を受けやすいという課題も有していた。
【0016】
生体信号を検出するセンサ構成のうち、一般に静電容量型センサは温度特性が悪く、直流に近い低周波域で信号が変動する。また感圧特性を持つ導電ゴムやカーボンの感圧型センサは、クリープ特性などを有し、応答速度が遅い。つまり絶対圧の測定精度が悪く、動的な高周波信号を捉えることが出来ない。感圧型センサとしてひずみ抵抗素子を用いる方法もあるが、設置条件や温度などの環境によって出力信号が大きく左右される。結果的にこれまで生体信号センサは、使用者自らが測定開始の都度ゼロ点調節やゲイン調節をするか、センサの設置環境を安定させるための保護装置を別途設けるか、オンオフスイッチとしてのみ使うなどの制約を受けるという課題を有していた。
【0017】
体圧によって再現性よく安定した抵抗値を出力させようと思うと低インピーダンスな導電体を用いなければならない。抵抗要素とコンデンサ要素の並列接続を考えた場合、その合成インピーダンスは抵抗値が小さい場合はほとんど抵抗値そのものになってしまうので、同じ素子で静電容量素子を併用しても、体動の測定は精度よく測定できないことになる。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、第1の電極と生体間に形成される第1の静電容量と、第2の電極と前記生体間に形成される第2の静電容量との直列接続静電容量に基づき生体の振動信号を測定する体動測定手段と、第1または第2の電極と第3の電極により生体の自重に伴う体圧信号を測定する体圧測定手段とを備え、さらに体動測定手段および体圧測定手段の出力によって生体の体重、心拍数、呼吸数、活動量、生命状態などの特徴量を算出する算出手段を備えたものである。
【0019】
上記発明によれば、共用化した電極を用いた一体型センサによって、生体振動に基づく動的信号を静電容量や発生電荷の変化で捉え、同時に生体の自重つまり体圧に基づく静的信号を抵抗値や電圧値のレベルとして捉えることになる。共用化した第1または第2の電極は信号の基準電圧点(または面)であり、回路構成の簡素化が図れるとともに外来電磁波・振動ノイズを受けにくくなる。この生体信号検出装置では、生体の体動と体圧を同時に測定しているので、不在時に生体信号を算出するといった誤判定をなくすことができる。体圧測定手段と体動測定手段の片方からだけでは精度よく得られなかった体重、心拍、呼吸、活動量、生命状態等各種の生体信号を高精度に得ることができる。また寝具やカーペット、浴槽、便座など生体が接する生活用品に組み込むことで生体自身に何ら違和感を与えることなく健康状態の判定を行える。設置環境に対する制約が少ないので、新築住宅のみならず既築住宅の設備に後から簡単に取り付けることも可能である。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明は、第1の電極と生体間に形成される第1の静電容量と、第2の電極と生体間に形成される第2の静電容量との直列接続静電容量に基づき生体の振動信号を測定する体動測定手段と、第1または第2の電極と第3の電極間の間に感圧素子より生体の自重に伴う体圧信号を測定する体圧測定手段とを備え、さらに体動測定手段および体圧測定手段の出力によって生体の体重、心拍数、呼吸数、活動量、生命状態などの特徴量を算出する算出手段を備えたものである。
【0021】
そして同一の電極を用いて、生体の体動および体圧を測定しているので、構成の簡素化が図れるとともに外来電磁波ノイズを受けにくくなる。また不在時に生体信号を算出するといった誤判定をなくすことができる。体圧測定手段と体動測定手段の両者の出力から生体の健康状態を判定するので、片方からだけでは精度よく得られなかった体重、心拍、呼吸、活動量、生命状態等各種の特徴量を高精度に得ることができる。
【0022】
また第1の電極と第2の電極の間に圧電体を形成し、生体の振動によって発生した電荷を測定する体動測定手段と、第1または第2の電極と第3の電極の間の感圧素子により生体の自重に伴う体圧信号を測定する体圧測定手段とを備え、さらに体動測定手段および体圧測定手段の出力によって生体の体重、心拍数、呼吸数、活動量、生命状態などの特徴量を算出する算出手段を備えたものである。
【0023】
そして圧電体に加えられたひずみに対応した電荷を測定することで生体が発生する振動レベルを定量的に検出できる。圧電体は高インピーダンス材料であり、生体への悪影響は一切ない。万一圧電体が生体に触れても、感電等の恐れはない。当然、生体にとって無拘束、無意識的な測定が可能である。
【0024】
また第1、第2、第3の電極は少なくとも3層の導電層と各導電層に接続され、第1の導電層と第2の導電層間または第2の導電層と第3の導電層間に生体の体動または体圧を測定するための第1または第2検知媒体層を形成したものである。
【0025】
そして体動を測定するための電極と体圧を測定するための第1または第2の電極が面状体の導電層に接続されているので外来電磁波ノイズの影響を受けにくくなる。各導電層上のどの位置も等電圧なので生体が導電層上のどこにいても検出性能は同じである。検知媒体層は面状なので生体の動きによる位置ずれは起きにくく、断線や故障の危険性も少ない。生体に違和感を与えることもない。さらに電極の配置構成が単純なので、量産化時に性能ばらつきが生じにくい。
【0026】
また第1の検知媒体層は生体の体動を測定し、第2の検知媒体層は生体の体圧を測定し、第1、第2の検知媒体層を密着させ、第1の検知媒体層の両側面に接続された電極の一方と第2の検知媒体層の両側面に接続された電極の一方を共通化したものである。
【0027】
そして構造がより簡単になり、同じ位置の生体の体動と体圧を同時に検出することができる。
【0028】
また第1、第2導電層および検知媒体層はそれぞれ可撓性を有し、一体成形した面状体のセンサシートを構成してなるものである。
【0029】
そしてこのセンサシートは可撓性を有しているので、寝具やカーペット、浴槽、便座など生体が接する生活用品に容易に組み込むことが可能である。そして生体自身に何ら違和感を与えることなく無意識のうちに健康状態の判定を行える。加工もしやすく、設置環境に対する制約が少ないので、新築住宅のみならず既築住宅の設備に後から簡単に取り付けることができる。特に測定対象となる生体が、寝たきり高齢者、痴呆高齢者、身体障害者あるいは乳幼児やペット動物などの場合にも、その生体の自然な生活動作を何ら邪魔することなく長期間の生体信号検出が連続的に実施できる。
【0030】
またセンサシートは、複数の通気孔を有することを特徴とするものである。
【0031】
そして通気孔を有することで、センサシートを寝具などに埋設した場合でも生体の発汗・呼吸などの代謝を妨げることはない。
【0032】
また通気孔の内側に防水膜を密着させたことを特徴とするものである。
【0033】
そして防水膜を構成することによって、通気孔からセンサシート内部に水分が浸透し、体動や体圧の検出感度が経時劣化しにくくなり、高寿命化を図ることができる。
【0034】
また複数の体圧測定手段の出力に応じて当該体動測定手段の出力を合成する合成手段を備えたものである。
【0035】
これによりセンサシート上に生体が乗っているエリアの出力信号だけを生体の体動信号として抽出し、合成するので不要な振動信号が除去される。つまりS/N比が飛躍的に向上する。
【0036】
また第1の導電層と第2の導電層間には圧力によって厚みが変化する弾性絶縁層を備えたものである。
【0037】
そして生体が第1および第2の導電層上に乗ると、安静状態でも発生する生体振動によって弾性絶縁層の厚みが時間変化する。第1および第2の導電層の面積や弾性絶縁層の比誘電率は一定なので、第1の導電層と第2の導電層間で測定できる静電容量は生体の体動に対応した値となる。
【0038】
また第2の導電層と第3の導電層間は圧力によって電気的に接続する多孔つき弾性絶縁層を備えたものである。
【0039】
そして生体が第2および第3の導電層上に乗ると、第2の導電層と第3の導電層間の抵抗値は低インピーダンス(導通)となる。逆に生体が第2および第3の導電層上から離れると、第2の導電層と第3の導電層間の抵抗値は高インピーダンス(断線)となる。これにより生体の自重に見合う圧力がかかっているかどうかで体圧の有無を判定できる。
【0040】
また第2の導電層と第3の導電層間は導電ゴム、導電カーボンなど圧力によって抵抗値が変化する感圧抵抗層を備えたものである。
【0041】
そして感圧抵抗層により生体の体圧は2値化されたオンオフ信号ではなく、体重に対応した連続値として得ることができる。
【0042】
また体圧測定手段の出力信号または出力変化速度が所定値以下の場合、体動測定手段の出力を初期化する体動信号校正手段を備えたものである。
【0043】
そして体動信号校正手段により、生体が不在の場合でも経時変化や温湿度環境によって変動する体動測定手段の出力が安定し、より精度よく生体の体動信号を測定できる。
【0044】
また体圧測定手段の出力信号が所定値以下の継続時間を計時するタイマー手段と、タイマー手段により継続時間が所定時間以上経過した場合、体圧測定手段の出力を初期化する体圧信号校正手段を備えたものである。
【0045】
そして体圧信号校正手段により、あらかじめ生体が不在の場合にも存在する残差圧力分を自動的に差し引いておくことで生体の真の体圧信号を測定できる。
【0046】
また体動測定手段および体圧測定手段の出力信号を周波数領域で合成する信号合成手段と、信号合成手段の出力から体重、心拍数、呼吸数、活動量などの生体信号を算出する算出手段を備えたものである。
【0047】
そこで所定周波数以上で高精度な出力特性を持つ体動測定手段の出力と、直流または直流に近い低周波域で高精度な出力特性を持つ体圧測定手段の出力を周波数領域で合成することによって生体信号の算出誤差を低減することができる。
【0048】
また信号合成手段は、所定周波数における体圧測定手段のパワー値に基づき体動測定手段の出力信号のパワースペクトルを補正あるいは所定周波数における体動測定手段のパワー値に基づき体圧測定手段のパワースペクトルを補正するものである。
【0049】
そこで生体の活動や心拍動、呼吸運動など生体振動の加速度(または変位、速度)レベルが各周波数ごとのパワー値として精度よく検出できる。
【0050】
以下本発明の第1の実施例について図面を用いて説明する。
【0051】
(実施例1)
図1は本発明の実施例1の生体信号検出装置のブロック図である。また図2は同装置の外観図である。図3は同装置の要部断面図である。図4は同装置のセンサ入力回路図である。
【0052】
図1において15は生体であり、16は生体15が接するセンサシート、17は信号処理装置である。センサシート16には第1の電極18、第2の電極19、第3の電極20が取りつけられている。生体15がこのセンサシート16の上に乗った場合、生体15と第1の電極18との間に静電容量C00が形成されまた生体15と第2の電極との間に静電容量C01が形成される。つまり第1の電極18と第2の電極19との間には生体15の存在に伴う合成静電容量C0が発生する。さらに生体15が存在しなくても第1の電極18と第2の電極19との間に静電容量C02が形成されている場合、合成静電容量C0は、
【0053】
【数1】
【0054】
となる。
【0055】
また第2の電極19と第3の電極20との間に感圧スイッチSW0を埋設し、生体15がこのセンサシート16上に乗ればON、離れればOFFするように構成してある。信号処理装置17は、体動測定手段21、体圧測定手段22および算出手段23からなる。センサシート16に接続された第1の電極18および第2の電極19は体動測定手段21に接続され、第2の電極19と第3の電極20は体圧測定手段22に接続されている。体動測定手段21は静電容量C0の時間変化から生体15の振動信号を測定し、体圧測定手段22は生体15の体圧有無を判定する。体動測定手段21および体圧測定手段22は、算出手段23に接続されている。算出手段23は、体圧測定手段22の出力からセンサシート16上に体圧があると判定した場合、体動測定手段21の出力に基づく振動加速度の実効値を生体15の活動量として算出するものである。
【0056】
図2、図3を用いてセンサシート16の構成を説明する。第1の電極18、第2の電極19、第3の電極20はそれぞれ第1の導電層24、第2の導電層26、第3の導電層28に接続されている。第1の導電層24と第2の導電層26の間には誘電性を有するゴム、ウレタンなどの弾性絶縁層25が挿入されている。また第2の導電層26と第3の導電層28の間には絶縁スペーサー27がドット状に配置されている。絶縁スペーサー27が配置されてない箇所は空隙部を形成している。第2の導電層26と第3の導電層28の間は、例えば1000[N/m2]以上といった所定圧力がかかっていないときは電気的に絶縁されているが、所定圧力がかかっているときは電気的に導通する感圧スイッチ構成である。センサシート16中の第1の導電層24、弾性絶縁層25、第2の導電層26、絶縁スペーサー27、第3の導電層28は一体に形成され可撓性を有している。また厚みは2mm程度であり、寝具等の下にこのセンサシート16を敷いておくだけで、生体15に何ら悪影響を与えることなく無意識のまま生体信号を検出することができる。また既存のいろいろなタイプのベッドに後から取りつけることも可能である。
【0057】
次に図4を用いて信号処理装置17の中にあるセンサシート16の入力回路構成を説明する。体動測定手段21と体圧測定手段22の共通電極である第2の電極19には基準電圧としてE0を供給している。体動測定手段21にはオペアンプOP1、固定抵抗器R1、コンデンサC1が設けられている。生体15の体動により合成静電容量C0(t)が変化すると、第1の電極18と第2の電極19間に発生する電荷Q(t)は、
【0058】
【数2】
【0059】
という時間関数となるので流れる電流I(t)は、
【0060】
【数3】
【0061】
ここでV1(t)はオペアンプOP1の出力電圧である。ゆえに、
【0062】
【数4】
【0063】
であるが、R1が非常に大きければ、左辺第2項は無視できるので、
【0064】
【数5】
【0065】
のように変形できる。つまり静電容量C0(t)に比例した電圧出力V1(t)を得ることになる。このオペアンプOP1には、増幅部21a、A/D変換部21bが接続されており、電圧出力V1(t)の信号を増幅部21aでアナログ増幅後、A/D変換部21bでデジタル値に変換される。一方体圧測定手段22において、第2の電極19と第3の電極20間には体圧の有無によってオンオフする感圧スイッチはSW0が、固定抵抗器R2と直列接続されている。つまり第2の電極19は常時E0[V]であるのに対し第3の電極20は感圧スイッチSW0オンでほぼE0[V]に、感圧スイッチSW1オフでほぼ0[V]になる。これを固定抵抗器R3とR4で分割された比較電圧E0・R4/(R3+R4)と比較して第3の電極20における電圧の方が高ければロー、低ければハイとなるようにコンパレーターOP2が接続されている。コンパレーターOP2の出力は計数部22a、体圧有無判定部22cに接続され、所定時間分のハイまたはローの総数で体圧の有無を判定する。クロック22bは計数部22aおよびA/D変換部21bに接続され、例えば10msごとに発生するパルスによって体圧信号の計数および体動信号のA/D変換を同時に行う基準クロックを生成している。
【0066】
尚、ここでは説明簡単化のため基準電圧E0や入力信号に重畳するノイズを除去したり、インピーダンス変換や閾値変換により入力信号を安定化する回路構成は図示しなかった。静電容量C0(t)を測定するには従来例のように発振回路を構成して測定しても構わない。生体15の存在する時の静電容量C0(t)の変化を測定するために体圧のない時のC0の値を保持しておき、体圧がある時の静電容量C0(t)との偏差だけを差動増幅する構成を備えてもよい。また基準電圧E0を交流電圧源としてもよい。直流に近い低周波信号を検出しないよう、ハイパスフィルターを構成したり、直流分をカットして交流信号だけを増幅する構成を備えてもよい。さらに第1の導電層24、弾性絶縁層25、第2の導電層26、絶縁スペーサー27、第3の導電層28をフィルム状シートとして説明したが、例えばこれを可撓性の同軸ケーブル状に一体成形し、検出したい領域に配置しても構わない。
【0067】
(実施例2)
図5は、本発明の実施例2の生体信号検出装置の要部断面図である。図6は同装置のセンサ入力回路図である。実施例1と同じ機能を有する構成要素は同一番号を付与し、説明を省略する。図5において実施例1と異なる点は、第2の導電層26と第3の導電層28の間に絶縁スペーサー27ではなく導電性ゴムなどの均一の厚みを持った感圧抵抗層29が挿入されている点にある。図6において感圧抵抗層29は体圧によって抵抗値が連続的に変化する可変抵抗R0で表せる。第3の電極20には、
【0068】
【数6】
【0069】
なる体圧に応じた電圧V2が生じている。22dは第2のA/D変換部であり、クロック22bで与えられる10msごとのパルスによってアナログ電圧信号をデジタル化する。
【0070】
尚、生体15の体圧を測定するのに、感圧抵抗層29の代わりに可撓性を持った空気袋を設けこの空気の圧力をダイヤフラム式の圧力センサで測定してもよい。
【0071】
(実施例3)
図7は、本発明の実施例3の生体信号検出装置の要部断面図である。図7において実施例2と異なる点は、センサシート16上面をPETフィルム等の防水材30でコーティングしていることと、第2の電極26や第3の電極28をセンサシート16全体に敷き詰めるのではなく両端部に配置したことにある。
【0072】
これによりセンサシート16の腐食等による性能劣化がなくなるとともに構成の簡素化が図れる。
【0073】
(実施例4)
図8は、本発明の実施例4の生体信号検出装置の要部断面図である。図8において実施例3と異なる点は、センサシート16全体をPETフィルム等の防水材30でコーティングしていることと、多数の通気孔31を設けたことにある。これによりセンサシート16両側面の通気が図れるとともに各導電層の腐食がなくなる。センサシート16を寝具などに埋設した場合でも生体15の発汗・呼吸などの代謝を妨げることはない。
【0074】
(実施例5)
図9は、本発明の実施例5の生体信号検出装置の要部構造図である。図10は同装置のブロック図である。図9において実施例4と異なる点は、センサシート16中に2次元アレイ状に独立配置した18枚のエリア別センサシート(16a、16b、16c、・・・)を設けたことにある。ここで第2の電極19(19a、19b、19c)は全て等しい基準電圧E0に接続してある。各エリア別センサシートの感圧抵抗層29の出力は等価的に可変抵抗R0(R01、R02、R03、・・・)で表せるがこの出力に応じ各体圧スイッチ32(32a、32b、32c、・・・)で所定圧力以上が検出できれば、体動を測定するための合成静電容量C0(C01、C02、C03、・・・)の出力信号を取り出す第1の電極18(18a、18b、18c、・・・)を接続し、そうでなければ接続しない構成である。各体圧スイッチ32(32a、32b、32c、・・・)の出力は体重測定手段33で加算され、生体15の体重に相当するデジタル値として算出手段23に伝えられる。一方、第1の電極18(18a、18b、18c、・・・)のうち体圧スイッチ32によって接続されたもののみ体動測定手段21に並列接続されて入力される。つまり体動測定手段21に接続される静電容量C0actは、
【0075】
【数7】
【0076】
【数8】
【0077】
で表せる。生体15がセンサシート16に乗っても寝姿勢や寝位置により、個々のエリア別センサシート(16a、16b、16c、・・・)全て均等に体圧や体動が加わる訳ではない。また生体15の形状自体にも凹凸があり、一般に体圧がかかっているエリアから体動が有効に検出できる。なぜなら体圧がかかっていないエリアは生体15とセンサシート16の距離が離れているので、体動による静電容量の変化もわずかである。体動測定手段21で生体15の体動をするのに全ての第1の電極を接続してしまうと、元々の合成静電容量C0が大きいために同じ体動でもC0の変化の比率が相対的に小さくなる。これに対し、体圧がかかっているエリアのみの合成静電容量Cactの変化を体動として検出すれば体動信号の分解能ひいてはS/N比を向上させることができる。
【0078】
尚、ここでは縦6行横3列としたが、空間分解能はこれに限るものではない。また1次元配列にしても構わない。
【0079】
(実施例6)
図11は、本発明の実施例6の生体信号検出装置のブロック図である。図12は圧電体の出力周波数特性図である。図11において実施例5と異なる点は、第1の導電層24と第2の導電層26の間に誘電性を有するゴム、ウレタンなどの弾性絶縁層25が挿入されているのではなく、ポリフッ化ビニリデンなどのフィルム状の圧電体層が挿入されている点にある。圧電体層は加えられた歪みに応じ電気的分極(電荷)を発生する素子で、機械振動といった動的運動を測定するために用いられる。図11が図10と異なるのは第1の電極18(18a、18b、18c、・・・)と第2の電極19(19a、19b、19c、・・・)の間にコンデンサではなく圧電体層を等価的に示した振動発振子X01、X02、X03、・・・を備えた点と、体圧のかかっているエリアの圧電体層の出力を合成後、信号増幅する増幅手段34を備えた点にある。増幅手段34は出力インピーダンスが高い圧電体の信号を有効に取り出すためFETでインピーダンス変換し、また増幅後の出力電圧が飽和しないように自動増幅率制御(AGC)機構を備え、常に最適なダイナミックレンジが得られるようになっている。圧電体は一定温度以下では安定した出力特性を持つが、図12に示すように材質、形状、検出回路の入力インピーダンスなどの影響で直流に近い低周波成分の出力ゲインが低下する微分型の特性を持った素子である。尚、増幅手段34には微小振動検出に有利なチャージアンプを用いてもよい。
【0080】
上記構成により体圧のかかってないエリアに生じた外来の振動ノイズ(例えば自動車、電車あるいは無感地震、風など)を除外することができるので体動信号のS/N比を向上させることができる。
【0081】
(実施例7)
図13は、本発明の実施例7の生体信号検出装置のブロック図である。図14は感圧抵抗層29の抵抗値と体圧、増幅率を示すグラフである。図13において実施例6と異なる点は、各エリアごとに体圧の大きさを測定する体圧測定手段35a、35b、35c、・・・を設け、各エリアごとの体圧の大きさに応じ連続的に増幅率を変える増幅手段36a、36b、36c、・・・を設けている点である。感圧抵抗層29の抵抗値R0i[Ω](i=1〜18)は素子の特性に応じ、図14(a)のように体圧Pi[N/m2]に変換され、さらに図14(b)のように増幅率Giに非線形変換される。さらに各増幅手段36a、36b、36c、・・・には絶対値化手段37a、37b、37c、・・・が接続される。体動測定手段には絶対値化された信号が加算される。
【0082】
上記構成により全てのエリアの圧電体層からの信号は、実施例5のように所定体圧以上なら接続、未満なら断線というのではなく、体圧に応じたなめらかで連続的な体圧の関数としてエリアごとに重みづけされているので、生体15がほんの少し移動しただけで出力信号が不連続に大きく変化してしまう不都合がなくなる。
【0083】
また各エリアごとの体動信号を一旦絶対値化してから合成しているので、信号を大きくすることができる。生体15が安静にしている場合、心拍動、血流などによる周期的な生体振動が生体表面から生じているが、生体部位別に時間差つまり位相ずれがあり、単純に合成すると信号同士が打ち消しあう場合があるがこのような絶対値化手段37a、37b、37c、・・・を設けることで得られる信号のS/N比を大きく保つことができる。
【0084】
(実施例8)
図15は、本発明の実施例8の生体信号検出装置のブロック図である。図15が実施例1と異なる点は、体圧測定手段22の出力が体動信号校正手段38とタイマー手段39に接続され、さらにタイマー手段39が体圧信号校正手段40を介して体圧測定手段22にあるいは体動信号校正38が体動測定手段21に接続されている点である。体動信号校正手段38は、例えば体圧測定手段22からの出力が1000[N/m2]以下であれば生体15が存在しないと見なし、体動測定手段21からの出力が最も小さくなるようにバイアスをかけてゼロ点調整する。同様にタイマー手段39では、例えば体圧測定手段22からの出力が1000[N/m2]以下であれば生体15が存在しないと見なし、同一体圧の継続時間を計時する。この状態が例えば10分間継続すれば、体圧信号校正手段40によって体圧測定手段22の出力が0.0[N/m2]になるようにバイアスをかけてゼロ点調節する。タイマー手段39は、10分間以内に体圧の値が変動すれば、計時をクリアするし、体圧が1000[N/m2]以上では計時自体を禁止する構成である。体圧測定手段22のセンサ感度にも依存するが、生体15は生命活動をしている限り完全に静止しているとは考えられない。よって体圧測定手段22の出力をゼロ点調整する体圧信号校正手段40を設けることで、はじめからセンサシート16上に乗っていた敷き布団、枕などの不要物の重量をキャンセルすることができる。感圧抵抗素子のクリープ特性などにより同一重量でも出力抵抗値が異なっている場合でも、体圧信号を不在状態から在状態に変化した時の差として確実に捉えることができる。これは生体15の体重などを精度よく測定するのに好都合である。また体動測定手段21の出力をゼロ点調整する体動信号校正手段38を設けることで、生体15が存在しないのに継続的に発生している暗振動や温湿度環境の変化等によって生じる基線の同様を自動的に打ち消すことができる。これにより生体15が不在から在に変わった瞬間から生体15の体動信号だけを有効に検出してくることが可能になる。
【0085】
(実施例9)
図16は、本発明の実施例9の生体信号検出装置のブロック図である。図17は生体15がセンサシート16上に安静仰臥位でいる場合に得られるパワースペクトル、図18は体動測定手段21と体圧測定手段22の合成比を示した図である。図16が実施例1と異なる点は、体動測定手段21の出力が第1の周波数変換手段41で周波数軸上のパワースペクトルとして、また体圧測定手段22の出力が第2の周波数変換手段42で周波数軸上のパワースペクトルとして表現され、両者がパワースペクトル合成手段43で1つのパワースペクトルとして合成される点である。パワースペクトル合成手段43は心拍数算出手段44、呼吸数算出手段45、活動量算出手段46に接続され、さらに体圧測定手段22に接続された体重測定手段33とともに表示手段47に接続されている。表示手段47では現在の生体15の心拍数、呼吸数、活動量、体重を表示・蓄積する。第1の周波数変換手段41や第2の周波数変換手段42からは図17に示すようなパワースペクトルのグラフを得ることができるが、直流または低周波で高精度な信号を得られる第1の周波数変換手段41のパワースペクトルと所定周波数より高周波域で高精度な信号を得られる第2の周波数変換手段42のパワースペクトルは図18に示すような合成比で1つのパワースペクトルにまとめる構成である。図17において0.2Hz近傍のピークfrespは呼吸周波数、1Hz近傍のピークfhrは心拍周波数を示している。また活動量は0.1Hzから10Hzにおけるパワー積算値(面積)で定義するものとする。心拍数算出手段44や呼吸数算出手段45で心拍数や呼吸数を算出するには、それぞれ所定周波数帯(例えば心拍数は0.5Hz〜2.0Hz、呼吸数は0.05Hz〜0.4Hz)におけるピーク点を発見することで心拍数や呼吸数に換算する。さらに表示手段47には異常報知手段48が接続されている。生体15の体圧がある状態で、生命活動が停止または活動量が所定レベル以下になった場合や、心拍数や呼吸数が所定範囲を逸脱した場合に警報音を発して緊急事態を報知する構成である。異常報知手段48はタイマーと組み合わせ長期的なトレンド変化から体調や健康状態の異変を判定し、警告を発するようにしてもよい。心拍数や呼吸数の値だけでなく、心拍動や呼吸運動の強さを当該ピーク周波数点におけるパワー値として蓄積・表示してもよい。また心拍数、呼吸数の算出に関して、心拍動や呼吸運動に伴う波形は理想的な正弦波ではないため基本周波数の高調波が立つことが多い。誤算出を防ぐためにさらにケプストラム変換して、基本波だけを抽出してもよいしピーク点の候補の中から2倍周波数点を削除する方法を用いてもよい。ここで第1の周波数変換手段41ないし第2の周波数変換手段42は、例えばサンプリング周波数200Hzでサンプリングされた1分間分の時系列信号を5秒毎に順次ずらしながら周波数変換するものである。安静状態の時は、心拍数や呼吸数が2倍以上や1/2以下に急変することは考えにくいので心拍数や呼吸数の算出周波数帯(可動範囲)を前回の算出結果に基づいて、適応的に規定してもよい。比較的急峻なパルス状のR波成分を含む心拍動と呼吸運動を分離するためにはあらかじめフィルターをかけておいてもよい。周波数軸状で合成した後に時間軸状に戻してから心拍数や呼吸数、活動量などを算出してもよい。
【0086】
また2つのパワースペクトラムを合成するには特定周波数例えば1Hzにおけるパワー値の平均値を基準点とし、それ以上の周波数帯は第1の周波数変換手段41のパワースペクトル、それ未満の周波数帯は第2の周波数変換手段42のパワースペクトルを元にスライドあるいは線形変換によって合成してもよい。
【0087】
これにより同一のセンサシート16に内蔵された2種類のセンサの利点を活かしあった生体信号検出が可能になり、温湿度環境や暗振動、電磁波などの外来ノイズに対する影響を低減することができる。
【0088】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の生体信号検出装置によれば、次の効果が得られる。
【0089】
(1)体動測定と体圧測定のための電極を共用化しているので、構成の簡素化が図れるとともに外来電磁波・振動ノイズを受けにくくなる。また2種類のセンサ出力結果から生体信号を検出しているので不在時に生体信号を算出するといった誤判定をなくし、体重、心拍、呼吸、活動量、生命状態等各種の生体信号を高精度に得ることができる。
【0090】
(2)体動測定に圧電体を用いているので生体への悪影響は一切なく、無意識的な測定が可能である。万一圧電体が生体に触れても、感電等の恐れはない。当然、生体にとって無拘束、無意識的な測定が可能である。
【0091】
(3)各電極が面状体の導電層に接続されているので、生体が導電層上のどこにいても検出性能は同じである。生体の動きによる位置ずれは起きにくく、故障の危険性も少ない。電極の配置構成が単純なので、量産化時に性能ばらつきが生じにくい。
【0092】
(4)導電層なしで2種類の検知媒体層を密着させて検出しているので、構造がより簡単になり、同じ位置の生体の体動と体圧を同時に検出することができる。
【0093】
(5)可撓性のセンサシートを設けたので、寝具やカーペット、浴槽、便座など生体が接する生活用品に容易に組み込むことが可能である。加工もしやすく、設置環境に対する制約が少ないので、新築住宅のみならず既築住宅の設備に後から簡単に取り付けることができる。特に測定対象となる生体が、寝たきり高齢者、痴呆高齢者、身体障害者あるいは乳幼児やペット動物などの場合にも、その生体の自然な生活動作を何ら邪魔することなく長期間の生体信号検出が連続的に実施できる。
【0094】
(6)複数の通気孔を有するので、センサシートを寝具などに埋設した場合でも生体の発汗・呼吸などの代謝を妨げることはない。
【0095】
(7)防水膜を設けたので、検出感度が経時劣化しにくくなり、高寿命化を図ることができる。
【0096】
(8)複数のセンサシートを設け、生体が存在するエリアの有効な生体信号を選択的に取り出せるので、不要な振動信号が除去され、S/N比が飛躍的に向上する。
【0097】
(9)弾性絶縁体により、生体の体動に対応した静電容量を得ることができる。
【0098】
(10)多孔つき弾性絶縁体により、生体の自重に見合う体圧の有無を判定できる。
【0099】
(11)感圧抵抗層により、生体の体圧は体重に対応した連続値として得ることができる。
【0100】
(12)体動信号校正手段により、経時変化や温湿度環境に対しても精度よく測定できる。
【0101】
(13)体圧信号校正手段により、生体の真の体圧信号を測定できる。
【0102】
(14)体動測定手段の出力と体圧測定手段の出力を周波数領域で合成することにより、生体信号の算出誤差を低減することができる。
【0103】
(15)体動測定手段のパワースペクトルおよび体圧測定手段のパワースペクトルを補正することにより、生体の周期的振動が各周波数ごとのパワー値として精度よく検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の生体信号検出装置のブロック図
【図2】同実施例の生体信号検出装置の外観図
【図3】同実施例の生体信号検出装置の要部断面図
【図4】同実施例の生体信号検出装置のセンサ入力回路図
【図5】本発明の実施例2の生体信号検出装置の要部断面図
【図6】同実施例の生体信号検出装置のセンサ入力回路図
【図7】本発明の実施例3の生体信号検出装置の要部断面図
【図8】本発明の実施例4の生体信号検出装置の要部断面図
【図9】本発明の実施例5の生体信号検出装置の要部構造図
【図10】同実施例の生体信号検出装置のブロック図
【図11】本発明の実施例6の生体信号検出装置のブロック図
【図12】同実施例の圧電体の出力周波数特性図
【図13】本発明の実施例7の生体信号検出装置のブロック図
【図14】(a)同実施例において感圧抵抗層29の抵抗値と体圧を示すグラフ
(b)同実施例において感圧抵抗層29の増幅率と体圧を示すグラフ
【図15】本発明の実施例8の生体信号検出装置のブロック図
【図16】本発明の実施例9の生体信号検出装置のブロック図
【図17】同実施例の生体信号のパワースペクトルを示す図
【図18】体動測定手段21と体圧測定手段22の合成比を示した図
【図19】従来の静電容量型の生体信号検出装置を示す図
【図20】従来の静電容量型と感圧型を併用した他の生体信号検出装置を示す図
【符号の説明】
15 生体
16 センサシート
17 信号処理装置
18 第1の電極
19 第2の電極
20 第3の電極
21 体動測定手段
22 体圧測定手段
23 算出手段
24 第1の導電層
25 弾性絶縁層
26 第2の導電層
27 絶縁スペーサー
28 第3の導電層
29 感圧抵抗層
30 防水材
31 通気孔
32 体圧スイッチ
33 体重測定手段
35 体圧測定手段
38 体動信号校正手段
39 タイマー手段
40 体圧信号校正手段
41 第1の周波数変換手段
42 第2の周波数変換手段
43 パワースペクトル合成手段
44 心拍数算出手段
45 呼吸数算出手段
46 活動量算出手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for detecting, displaying, recording, and reporting biological signals such as weight, heart rate, respiratory rate, and body movement without invasion and without restriction.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A conventional biological signal detection device of this type is generally described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-164435. In this device, as shown in FIG. 19, an
[0003]
As another conventional example, there is one described in JP-A-63-238502. This device has
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional biological signal detection device has various problems related to an electrode configuration and a detection method close to a living body.
[0005]
Since only the change in the capacitance generated between the electrodes is detected, it is difficult to determine whether the direct current or a low frequency signal close to the direct current is based on the movement of the living body.
[0006]
Also, the output signal is very susceptible to temperature and humidity environments.
[0007]
Further, since the
[0008]
In addition, bedding folds and intersections of electrodes are apt to be broken, and there is a danger of electric shock if a commercial power supply is used in case of contact with a living body.
[0009]
Further, in order to provide the
[0010]
It is not clear whether a living body is present on the bed or not. In particular, it is difficult to distinguish between a case where the living body has left the bed and a case where the living body has died on the bed.
[0011]
Also, the weight cannot be detected.
[0012]
In addition, since the arrangement of the electrodes is complicated, performance variations are likely to occur during mass production.
[0013]
Since the electrodes are only discretely arranged at equal intervals, a difference occurs in signal detection performance depending on the sleeping posture.
[0014]
There has been a problem that the baseline of the output signal is likely to fluctuate and the signal level must be initialized before use.
[0015]
Alternatively, when the electrode is a lead wire, it has a problem that it becomes an antenna and is very susceptible to external electromagnetic noise. There is also a problem that the position is easily shifted, and is easily affected by external vibration noise other than the living body.
[0016]
Of the sensor configuration for detecting a biological signal, the capacitance type sensor generally has poor temperature characteristics, and the signal fluctuates in a low frequency range near DC. A pressure-sensitive sensor made of conductive rubber or carbon having pressure-sensitive characteristics has creep characteristics and the like, and has a low response speed. In other words, the measurement accuracy of the absolute pressure is poor, and a dynamic high-frequency signal cannot be captured. Although there is a method of using a strain resistance element as a pressure-sensitive sensor, an output signal largely depends on an environment such as an installation condition and a temperature. As a result, until now, the biosignal sensor has to be zero-adjusted or gain-adjusted every time the measurement is started by the user himself, a separate protective device is provided to stabilize the sensor installation environment, or only used as an on / off switch. Subject to the restrictions of
[0017]
In order to output a stable resistance value with good reproducibility depending on body pressure, a low-impedance conductor must be used. When considering the parallel connection of a resistor element and a capacitor element, the combined impedance is almost the same as the resistance value when the resistance value is small. Cannot be measured accurately.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention relates to a first capacitance formed between a first electrode and a living body, and a second capacitance formed between a second electrode and the living body. Body movement measuring means for measuring a vibration signal of the living body based on the series-connected capacitance; and body pressure measuring means for measuring a body pressure signal associated with the weight of the living body with the first or second electrode and the third electrode. And calculating means for calculating characteristic quantities such as body weight, heart rate, respiratory rate, activity amount, and life state of the living body based on outputs of the body movement measuring means and the body pressure measuring means.
[0019]
According to the above invention, a dynamic signal based on biological vibration is captured by a change in capacitance or generated charge by an integrated sensor using a shared electrode, and at the same time, a static signal based on the body's own weight, that is, body pressure is detected. It can be understood as the level of the resistance value or the voltage value. The shared first or second electrode is a signal reference voltage point (or plane), which simplifies the circuit configuration and makes it less susceptible to external electromagnetic waves and vibration noise. In this biological signal detection device, since the body movement and the body pressure of the living body are measured at the same time, it is possible to eliminate the erroneous determination that the biological signal is calculated in the absence. Various biological signals, such as weight, heart rate, respiration, activity, and life status, which could not be obtained with high accuracy from only one of the body pressure measurement unit and the body movement measurement unit, can be obtained with high accuracy. In addition, by incorporating it into daily necessities, such as bedding, carpets, bathtubs, and toilet seats, which are in contact with the living body, it is possible to determine the health state without giving the living body any uncomfortable feeling. Since there are few restrictions on the installation environment, it is possible to easily install the equipment not only in a new house but also in an existing house.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention relates to a living body based on a series connection capacitance of a first capacitance formed between a first electrode and a living body and a second capacitance formed between the second electrode and the living body. Body movement measuring means for measuring a vibration signal of the body, and body pressure measuring means for measuring a body pressure signal accompanying the weight of the living body from the pressure-sensitive element between the first or second electrode and the third electrode. And the output of the body movement measuring means and the body pressure measuring means Weight, heart rate, respiratory rate, activity, life status, etc. It is provided with a calculating means for calculating the characteristic amount.
[0021]
Since the body movement and the body pressure of the living body are measured using the same electrode, the structure can be simplified and external electromagnetic noise is less likely to be received. In addition, it is possible to eliminate erroneous determination such as calculating a biological signal when absent. Since the health status of the living body is determined from the outputs of both the body pressure measuring means and the body motion measuring means, various characteristic quantities such as weight, heart rate, respiration, activity, life status, etc. It can be obtained with high accuracy.
[0022]
A body movement measuring means for forming a piezoelectric body between the first electrode and the second electrode and measuring an electric charge generated by vibration of a living body; Body pressure measuring means for measuring a body pressure signal associated with the weight of the living body by the pressure-sensitive element, and further comprising a body movement measuring means and an output of the body pressure measuring means, Weight, heart rate, respiratory rate, activity, life status, etc. It is provided with a calculating means for calculating the characteristic amount.
[0023]
Then, by measuring the electric charge corresponding to the strain applied to the piezoelectric body, the vibration level generated by the living body can be quantitatively detected. The piezoelectric body is a high impedance material, and has no adverse effect on the living body. Even if the piezoelectric body touches the living body, there is no risk of electric shock or the like. Naturally, it is possible to perform unrestricted and unconscious measurement for the living body.
[0024]
The first, second, and third electrodes are connected to at least three conductive layers and each conductive layer, and are provided between the first conductive layer and the second conductive layer or between the second conductive layer and the third conductive layer. A first or second detection medium layer for measuring body movement or body pressure of a living body is formed.
[0025]
Further, since the electrode for measuring body movement and the first or second electrode for measuring body pressure are connected to the conductive layer of the planar body, they are less susceptible to external electromagnetic noise. Since any position on each conductive layer has the same voltage, the detection performance is the same regardless of where the living body is on the conductive layer. Since the detection medium layer is planar, displacement of the detection medium layer due to movement of the living body is unlikely to occur, and there is little risk of disconnection or failure. There is no discomfort to the living body. Furthermore, since the arrangement of the electrodes is simple, performance variations hardly occur during mass production.
[0026]
The first sensing medium layer measures body movement of the living body, the second sensing medium layer measures body pressure of the living body, and the first and second sensing medium layers are brought into close contact with each other. And one of the electrodes connected to both sides of the second sensing medium layer.
[0027]
Then, the structure becomes simpler, and the body movement and the body pressure of the living body at the same position can be simultaneously detected.
[0028]
Further, the first and second conductive layers and the detection medium layer each have flexibility and constitute a planar sensor sheet formed integrally.
[0029]
Since the sensor sheet has flexibility, the sensor sheet can be easily incorporated into daily necessities such as bedding, a carpet, a bathtub, a toilet seat, and the like, which come into contact with a living body. And it is possible to judge the health state unconsciously without giving any unnatural feeling to the living body itself. Since it is easy to process and there are few restrictions on the installation environment, it can be easily attached later to not only new housing but also existing housing equipment. Especially when the living body to be measured is a bedridden elderly person, a demented elderly person, a disabled person or an infant or a pet animal, a long-term biological signal detection can be performed without disturbing the natural living operation of the living body at all. Can be performed continuously.
[0030]
The sensor sheet has a plurality of ventilation holes.
[0031]
By having the ventilation holes, even when the sensor sheet is embedded in bedding or the like, metabolism such as sweating and respiration of the living body is not hindered.
[0032]
In addition, a waterproof film is adhered to the inside of the ventilation hole.
[0033]
By forming the waterproof film, moisture permeates into the inside of the sensor sheet from the ventilation holes, and the detection sensitivity of body movement and body pressure hardly deteriorates with time, and the life can be extended.
[0034]
The apparatus further includes a synthesizing means for synthesizing the outputs of the body movement measuring means in accordance with the outputs of the plurality of body pressure measuring means.
[0035]
Thereby, only the output signal of the area where the living body is on the sensor sheet is extracted as the body movement signal of the living body and synthesized, so that unnecessary vibration signals are removed. That is, the S / N ratio is dramatically improved.
[0036]
Further, an elastic insulating layer whose thickness changes by pressure is provided between the first conductive layer and the second conductive layer.
[0037]
Then, when the living body rides on the first and second conductive layers, the thickness of the elastic insulating layer changes with time due to the biological vibration generated even in a resting state. Since the area of the first and second conductive layers and the relative dielectric constant of the elastic insulating layer are constant, the capacitance that can be measured between the first and second conductive layers is a value corresponding to the body movement of the living body. .
[0038]
The second conductive layer and the third conductive layer are provided with a porous elastic insulating layer that is electrically connected by pressure.
[0039]
When the living body rides on the second and third conductive layers, the resistance between the second and third conductive layers becomes low impedance (conduction). Conversely, when the living body separates from the second and third conductive layers, the resistance between the second and third conductive layers becomes high impedance (disconnection). Thus, the presence or absence of body pressure can be determined based on whether or not a pressure corresponding to the weight of the living body is applied.
[0040]
Further, between the second conductive layer and the third conductive layer, there is provided a pressure-sensitive resistance layer such as conductive rubber or conductive carbon whose resistance value changes according to pressure.
[0041]
Then, the body pressure of the living body can be obtained as a continuous value corresponding to the weight instead of the binarized on / off signal by the pressure-sensitive resistance layer.
[0042]
In addition, when the output signal or the output change rate of the body pressure measuring means is equal to or less than a predetermined value, the apparatus is provided with a body movement signal calibrating means for initializing the output of the body movement measuring means.
[0043]
The body movement signal calibrating means stabilizes the output of the body movement measuring means which fluctuates due to a temporal change or a temperature and humidity environment even when the living body is absent, so that the body movement signal of the living body can be measured more accurately.
[0044]
A timer means for measuring the duration of the output signal of the body pressure measuring means which is equal to or less than a predetermined value; and a body pressure signal calibrating means for initializing the output of the body pressure measuring means when the duration time exceeds the predetermined time by the timer means. It is provided with.
[0045]
Then, the body pressure signal calibrating means can automatically measure the residual pressure existing even when the living body is absent, thereby measuring the true body pressure signal of the living body.
[0046]
A signal synthesizing unit that synthesizes output signals of the body motion measuring unit and the body pressure measuring unit in a frequency domain; It is provided.
[0047]
Therefore, by combining in a frequency domain the output of the body motion measuring means having a high-precision output characteristic at a predetermined frequency or more and the output of the body pressure measuring means having a high-precision output characteristic in a low-frequency region close to DC or DC. The calculation error of the biological signal can be reduced.
[0048]
The signal synthesizing means corrects the power spectrum of the output signal of the body motion measuring means based on the power value of the body pressure measuring means at a predetermined frequency or the power spectrum of the body pressure measuring means based on the power value of the body motion measuring means at the predetermined frequency. Is to be corrected.
[0049]
Therefore, the acceleration (or displacement, speed) level of the biological vibration such as the activity of the living body, the heartbeat, and the respiratory movement can be accurately detected as the power value for each frequency.
[0050]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0051]
(Example 1)
FIG. 1 is a block diagram of a biological signal detection device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an external view of the apparatus. FIG. 3 is a sectional view of a main part of the apparatus. FIG. 4 is a sensor input circuit diagram of the device.
[0052]
In FIG. 1,
[0053]
(Equation 1)
[0054]
It becomes.
[0055]
A pressure-sensitive switch SW0 is buried between the
[0056]
The configuration of the
[0057]
Next, the input circuit configuration of the
[0058]
(Equation 2)
[0059]
The current I (t) flowing since
[0060]
(Equation 3)
[0061]
Here, V1 (t) is the output voltage of the operational amplifier OP1. therefore,
[0062]
(Equation 4)
[0063]
However, if R1 is very large, the second term on the left side can be ignored.
[0064]
(Equation 5)
[0065]
Can be transformed as follows. That is, a voltage output V1 (t) proportional to the capacitance C0 (t) is obtained. An amplifier 21a and an A / D converter 21b are connected to the operational amplifier OP1. The signal of the voltage output V1 (t) is analog-amplified by the amplifier 21a and then converted to a digital value by the A / D converter 21b. Is done. On the other hand, in the body pressure measuring means 22, a pressure sensitive switch SW0 that is turned on and off depending on the presence or absence of body pressure is connected between the
[0066]
Here, for simplicity of explanation, a circuit configuration for removing noise superimposed on the reference voltage E0 or the input signal or stabilizing the input signal by impedance conversion or threshold value conversion is not shown. In order to measure the capacitance C0 (t), an oscillation circuit may be configured as in the conventional example to measure the capacitance C0 (t). In order to measure a change in the capacitance C0 (t) when the living
[0067]
(Example 2)
FIG. 5 is a sectional view of a main part of a biological signal detection device according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a sensor input circuit diagram of the device. Components having the same functions as those in the first embodiment are given the same reference numerals, and description thereof is omitted. 5 is different from the first embodiment in that a pressure-
[0068]
(Equation 6)
[0069]
A voltage V2 corresponding to the body pressure is generated. Reference numeral 22d denotes a second A / D converter, which digitizes the analog voltage signal by a pulse every 10 ms given by the clock 22b.
[0070]
In order to measure the body pressure of the living
[0071]
(Example 3)
FIG. 7 is a sectional view of a main part of a biological signal detection device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 7 is different from Example 2 in that the upper surface of the
[0072]
This eliminates performance degradation due to corrosion of the
[0073]
(Example 4)
FIG. 8 is a sectional view of a main part of a biological signal detecting device according to a fourth embodiment of the present invention. 8 differs from Example 3 in that the
[0074]
(Example 5)
FIG. 9 is a structural diagram of a main part of a biological signal detection device according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 10 is a block diagram of the same device. 9 differs from the fourth embodiment in that 18 sensor sheets (16a, 16b, 16c,...) Are provided in the
[0075]
(Equation 7)
[0076]
(Equation 8)
[0077]
Can be represented by Even when the living
[0078]
Here, the vertical resolution is 6 rows and 3 columns, but the spatial resolution is not limited to this. Also, it may be a one-dimensional array.
[0079]
(Example 6)
FIG. 11 is a block diagram of the biological signal detection device according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 12 is an output frequency characteristic diagram of the piezoelectric body. 11 is different from the fifth embodiment in that an elastic insulating
[0080]
With the above configuration, extraneous vibration noise (for example, automobile, train, insensitive earthquake, wind, etc.) generated in an area where body pressure is not applied can be excluded, so that the S / N ratio of a body motion signal can be improved. it can.
[0081]
(Example 7)
FIG. 13 is a block diagram of a biological signal detection device according to a seventh embodiment of the present invention. FIG. 14 is a graph showing the resistance value of the pressure-
[0082]
According to the above configuration, the signals from the piezoelectric layers in all areas are not connected if the predetermined body pressure is higher than the predetermined body pressure as in the fifth embodiment, and are not disconnected if the pressure is lower than the predetermined body pressure, and are functions of a smooth and continuous body pressure according to the body pressure. Since the weight is weighted for each area, the inconvenience that the output signal greatly changes discontinuously even if the living
[0083]
Further, since the body motion signal for each area is once converted into an absolute value and then synthesized, the signal can be increased. When the living
[0084]
(Example 8)
FIG. 15 is a block diagram of the biological signal detection device according to the eighth embodiment of the present invention. FIG. 15 differs from the first embodiment in that the output of the body pressure measuring means 22 is connected to a body movement signal calibrating means 38 and a timer means 39, and the timer means 39 is further connected to the body pressure signal calibrating means 40 to measure the body pressure. The point is that the
[0085]
(Example 9)
FIG. 16 is a block diagram of a biological signal detection device according to
[0086]
To combine the two power spectra, the average value of the power values at a specific frequency, for example, 1 Hz, is used as a reference point. The frequency band above that is the power spectrum of the first frequency conversion means 41, and the frequency band below it is the second. May be synthesized by sliding or linear conversion based on the power spectrum of the frequency conversion means 42.
[0087]
As a result, biological signal detection utilizing the advantages of the two types of sensors built in the
[0088]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the biological signal detection device of the present invention, the following effects can be obtained.
[0089]
(1) Since the electrodes for body movement measurement and body pressure measurement are shared, the structure can be simplified and external electromagnetic waves and vibration noise are less likely to be received. In addition, since the biological signal is detected from the two kinds of sensor output results, erroneous determination of calculating the biological signal when absent is eliminated, and various biological signals such as weight, heart rate, respiration, activity amount, and life status are obtained with high accuracy. be able to.
[0090]
(2) Since the piezoelectric body is used for body motion measurement, there is no adverse effect on the living body, and unconscious measurement is possible. Even if the piezoelectric body touches the living body, there is no risk of electric shock or the like. Naturally, it is possible to perform unrestricted and unconscious measurement for the living body.
[0091]
(3) Since each electrode is connected to the planar conductive layer, the detection performance is the same regardless of where the living body is on the conductive layer. Displacement due to movement of a living body is unlikely to occur, and there is little risk of breakdown. Since the arrangement of the electrodes is simple, there is little variation in performance during mass production.
[0092]
(4) Since the detection is performed by closely contacting the two types of detection medium layers without the conductive layer, the structure becomes simpler, and the body movement and the body pressure of the living body at the same position can be simultaneously detected.
[0093]
(5) Since the flexible sensor sheet is provided, it can be easily incorporated into daily necessities such as bedding, a carpet, a bathtub, a toilet seat and the like, which come into contact with a living body. Since it is easy to process and there are few restrictions on the installation environment, it can be easily attached later to not only new housing but also existing housing equipment. Especially when the living body to be measured is a bedridden elderly person, a demented elderly person, a disabled person or an infant or a pet animal, a long-term biological signal detection can be performed without disturbing the natural living operation of the living body at all. Can be performed continuously.
[0094]
(6) Since a plurality of ventilation holes are provided, even when the sensor sheet is embedded in bedding or the like, metabolism such as sweating and respiration of a living body is not hindered.
[0095]
(7) Since the waterproof film is provided, the detection sensitivity hardly deteriorates with time, and the life can be extended.
[0096]
(8) Since a plurality of sensor sheets are provided and an effective biological signal in an area where a living body exists can be selectively extracted, unnecessary vibration signals are removed, and the S / N ratio is dramatically improved.
[0097]
(9) Capacitance corresponding to body movement can be obtained by the elastic insulator.
[0098]
(10) It is possible to determine the presence or absence of a body pressure corresponding to the weight of the living body by using the elastic insulator with the porosity.
[0099]
(11) With the pressure-sensitive resistance layer, the body pressure of the living body can be obtained as a continuous value corresponding to the weight.
[0100]
(12) The body movement signal calibrating means can accurately measure even a change over time or a temperature and humidity environment.
[0101]
(13) The true body pressure signal of the living body can be measured by the body pressure signal calibrating means.
[0102]
(14) By combining the output of the body motion measuring means and the output of the body pressure measuring means in the frequency domain, it is possible to reduce the calculation error of the biological signal.
[0103]
(15) By correcting the power spectrum of the body movement measuring means and the power spectrum of the body pressure measuring means, the periodic vibration of the living body can be accurately detected as a power value for each frequency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a biological signal detection device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an external view of the biological signal detection device of the embodiment.
FIG. 3 is a sectional view of a main part of the biological signal detecting device of the embodiment.
FIG. 4 is a sensor input circuit diagram of the biological signal detection device of the embodiment.
FIG. 5 is a sectional view of a main part of a biological signal detection device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sensor input circuit diagram of the biological signal detection device of the embodiment.
FIG. 7 is a sectional view of a main part of a biological signal detection device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view of a main part of a biological signal detection device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a structural diagram of a main part of a biological signal detection device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram of the biological signal detection device of the embodiment.
FIG. 11 is a block diagram of a biological signal detection device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an output frequency characteristic diagram of the piezoelectric body of the embodiment.
FIG. 13 is a block diagram of a biological signal detection device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 14A is a graph showing the resistance value and the body pressure of the pressure-
(B) A graph showing the amplification factor and the body pressure of the pressure-
FIG. 15 is a block diagram of a biological signal detection device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a block diagram of a biological signal detection device according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a view showing a power spectrum of a biological signal of the embodiment.
FIG. 18 is a diagram showing a combined ratio of a body
FIG. 19 is a diagram showing a conventional capacitance-type biological signal detection device.
FIG. 20 is a diagram showing another conventional biological signal detection device using both a capacitance type and a pressure-sensitive type.
[Explanation of symbols]
15 living body
16 Sensor sheet
17 Signal processing device
18 First electrode
19 Second electrode
20 Third electrode
21 Body movement measuring means
22 Body pressure measuring means
23 Calculation means
24 First conductive layer
25 Elastic insulation layer
26 Second conductive layer
27 Insulation spacer
28 Third conductive layer
29 Pressure-sensitive resistance layer
30 Waterproof material
31 Vent
32 body pressure switch
33 Weight measurement means
35 Body pressure measuring means
38 Body motion signal calibration means
39 timer means
40 Body pressure signal calibration means
41 first frequency conversion means
42 Second frequency conversion means
43 Power spectrum synthesis means
44 Heart rate calculation means
45 Respiration rate calculation means
46 Activity amount calculation means
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