CN102458247A - 生物体信息检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于检测心率、体动、姿势等生物体信息的生物体信息检测装置，其能够减轻被测定者的测定负担。本发明的生物体信息检测装置(2)具有压敏板(10)、底板(30)、配置在压敏板(10)和底板(30)之间的夹持力变动检测机构(50)、信号合成装置(200)。夹持力变动检测机构(50)顺序排列配置有第一压电元件(60)、传递构件(70)、第二压电元件(80)。在因作用于压敏面的振动而夹持力发生变动时，通过传递构件(70)传递至第一以及第二压电元件(60、80)来产生信号。通过信号合成装置(200)将该第一以及第二检测信号合成，来检测生物体信息。结果，能够减轻生物体的测定负担。本发明能够用于对呼吸等生物体信息进行检测、分析的领域、健康诊断、预防医疗领域等。
Description
技术领域
本发明涉及对心率(heart rate)、体动(body movement)、姿势(bodyposture)等生物体信息进行检测的生物体信息检测装置。
背景技术
以往，专利文献1即“日本特开2007-54606号公报”提出了基于生物体的呼吸、体动所产生的振动来对生物体的呼吸、体动等生物体信息进行检测的生物体信息检测装置。该专利文献1公开的发明在检测台上设置有生物体保持部、具有挠性的压力传递部、用于检测压力变化的传感器部，在生物体保持部或压力传递部与检测台之间设有间隙。
另外，专利文献2即“WO2007/029326号公报”提出了小动物用的用于检测心率、呼吸等的检测装置。该专利文献2公开的发明也同样在检测台设置有具有高柔软性的振动传递板，通过在该振动传递板上粘贴能够检测加速度等的压电转换器等，来直接检测振动传递板的振动。公开了如下的技术，为了检测小动物的微小振动，需要使振动传递板变薄来提高灵敏度，但是因为振动传递板的强度降低，而在振动传递板的中央配置弹性高的间隔物，从而能够在不使振动衰减的情况下提高承载能力。
发明内容
发明要解决的问题
但是，专利文献1公开的发明存在如下问题：根据具有挠性的压力传递部的弯曲情况，检测因生物体的呼吸等所产生的压力的变化，所以必须在生物体保持部或压力传递部与用于配设这些部件的检测台之间设有间隙，因此装置的薄型化会受到限制，从而使被测定者的测定负担变大。
另外，专利文献2公开的发明公开了通过传感器直接检测振动传递板的振动的技术，但是，如上所述，为了提高灵敏度，需要使振动传递板变薄而易于振动。因此，需要利用作为弹性构件的纺锤体形状的间隔物来提高承载能力，所以存在不适合用于人、狗、猫等比较重的生物体的问题。
本发明是鉴于这样的情况而提出的，其提供一种能够减轻被测定者的测定负担的生物体信息检测装置。
用于解决问题的手段
实现上述目的的本发明的生物体信息检测装置，基于生物体的呼吸运动所产生的振动，检测所述生物体的呼吸状态、心搏、体动等生物体信息，其特征在于，具有：压敏板，其具有用于检测所述振动的压敏面，底板，其与所述压敏板相向配置，夹持力变动检测机构，其配置在所述压敏板和所述底板之间，用于检测基于作用在所述压敏面上的所述振动来施加在所述压敏板和所述底板之间的夹持力的变动，信号合成装置，其对从所述夹持力变动检测机构输出的多个检测信号进行合成；所述夹持力变动检测机构具有：第一压电元件，其配置在所述压敏板的与压敏面一侧相反的一侧，用于将作用于该第一压电元件自身的所述夹持力的变动转换为第一检测信号，传递构件，其配置在所述第一压电元件的与所述压敏板一侧相反的一侧，用于传递所述夹持力的变动，第二压电元件，其配置在所述传递构件和所述底板之间，用于将作用于该第二压电元件自身的所述夹持力的变动转换为第二检测信号；基于作用于所述压敏面的所述振动所产生的所述夹持力的变动，通过所述传递构件传递至所述第一压电元件和所述第二压电元件，并被转换为所述第一检测信号以及所述第二检测信号，所述信号合成装置对该第一检测信号以及该第二检测信号进行合成，由此检测所述生物体信息。
实现上述目的的本发明的特征在于，在上述生物体信息检测装置中，在位于所述夹持力变动检测机构的周围的所述压敏板和所述底板之间，配置有用于将所述压敏板和所述底板之间的距离维持为恒定的支撑构件。
实现上述目的的本发明的特征在于，在上述生物体信息检测装置中，通过所述支撑构件来维持的所述压敏板和所述底板之间的距离，设定得小于无负荷状态下的所述夹持力变动检测机构在所述夹持力的变动方向上的距离，由此始终对所述夹持力变动检测机构施加预压。
实现上述目的的本发明的特征在于，在上述生物体信息检测装置中，还具有信号提取装置，该信号提取装置对来自所述信号合成装置的输出信号进行滤波，提取心搏成分。
实现上述目的的本发明的特征在于，在上述生物体信息检测装置中，所述支撑构件至少配设在所述压敏板的四个角上，并且，所述夹持力变动检测机构配置在所述压敏板的大致中心位置。
此外，本发明优选还具有分析装置，该分析装置对来自信号合成装置的输出信号、来自信号提取装置的输出信号进行分析。分析装置优选至少将人体的呼吸状态、心搏、体动同时或分别分离，进而对信号进行滤波，检测各波形的峰值。通过该分析装置，能够判定就寝中的翻身等的人体的朝向。另外，优选分析装置具有频率分离装置，通过频率分离装置对检测电压的变动进行分离，来检测生物体信息。
另外，优选本发明的传递构件的传递面的面积小于所述第一压电元件以及第二压电元件的受压面的面积。
另外，在本发明中，优选具有多个带有压敏板、底板、夹持力变动检测机构等的检测组件，通过该多个检测组件同时测量生物体的多个测定部位，来检测生物体的呼吸状态、心搏、体动。尤其，优选生物体的多个测定部位至少包括头部、腹部，还包括脚部。
发明的效果
根据本发明，得到能够正确检测出呼吸、体动、姿势等生物体信息的优良效果。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的生物体信息检测装置的整体结构的图。
图2中的(a)是图1中的生物体信息检测装置的检测组件的俯视图，图2中的(b)是(a)中的检测组件的主视图。
图3是表示图1中的生物体信息检测装置的电路结构的框图。
图4是表示通过图1中的生物体信息检测装置基于头部下方的信号检测呼吸成分时的实施例(图4中的(A))以及比较例(图4中的(B))的波形的曲线图。
图5是表示通过图1中的生物体信息检测装置基于腹部下方的信号检测呼吸成分时的实施例(图5中的(A))以及比较例(图5中的(B))的波形的曲线图。
图6是表示通过图1中的生物体信息检测装置基于头部下方的信号检测心搏成分时的实施例(图6中的(A))以及比较例(图6中的(B))的波形的曲线图。
图7是表示通过图1中的生物体信息检测装置基于腹部下方的信号检测呼吸成分时的实施例(图7中的(A))以及比较例(图7中的(B))的波形的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
图1示出了本发明的实施方式的生物体信息检测装置2的整体结构。生物体信息检测装置2具有检测组件100、信号合成装置200、信号提取装置300、信号分析装置400。检测组件100基于因生物体1的呼吸运动所产生的振动，检测所述生物体的呼吸状态、心搏、体动等生物体信息。信号合成装置200将从检测组件100输出的多个检测信号合成。信号提取装置300对来自信号合成装置200的输出信号进行滤波，来提取心搏成分。信号分析装置400利用信号合成装置200的信号和信号提取装置300的信号，在除去输出信号的噪声等之后，根据其结果分析生物体1的呼吸、心搏、体动、姿势的状态。
在生物体1躺在检测台500上时，分别在生物体1的腹部以及头部的下方配设检测组件100。此外，为了减轻生物体1的测定负担，优选将检测组件100配设在枕头的下方(例如，在测定头部时)或褥子的下方(例如，在测定腹部或下肢部时)。检测组件100设置有用于向外部输出检测信号的输出电缆24。
图2放大示出了检测组件100。此外，图2的(a)为生物体信息检测装置2的俯视图，图2的(b)为主视图。该检测组件100具有压敏板10、底板30、支撑构件40、夹持力变动检测机构50。
压敏板10为具有挠性的树脂或者金属制的薄板状(板状)构件，具有用于对来自生物体的振动进行检测的压敏面12。此外，压敏板10的材质不限于树脂或金属制的构件。例如，还优选如陶瓷等不使信号传递产生迟延的刚性大的材质。另外，在本实施方式中，压敏板10使用长方形的薄板(板状)构件，但是该压敏板10的形状不限于此，还优选正方形或圆形等薄板构件(后述的底板30也相同)。此外，该压敏面12的面积设定为大于后述的夹持力变动检测机构50的受压面。另外，该压敏板10具有能够承受生物体的重量的刚性以及机械强度，所以即使在被施加了人、狗、猫等比较重的生物体的重量(负荷)的情况下，也处于夹持力变动检测机构50能够检测的变形量范围内。在本实施方式中，压敏板10使用5mm厚的塑料板。压敏板10的大小例如为60cm×20cm。
底板30与压敏板10相向配置，由刚性大的树脂或金属制的板状构件构成。此外，底板30的材质不限于树脂或金属制的材质。例如，还优选如陶瓷等不会使信号传递产生迟延的刚性大的材质。另外，在本实施方式中，底板30使用长方形的板状构件，但是该底板30的形状不限于此，还优选正方形或圆形等板状构件。此外，底板30配置在地板面等上，与地板面一体化，从而能够确保刚性。因此，厚度薄于通过自身确保刚性的压敏板10，从而能够使整个检测组件100变薄。在本实施方式中，底板30使用3mm厚的塑料板。
支撑构件40为刚性大的金属制的圆柱状构件，配设在压敏板10与底板30之间的四个角的位置，共计设置4个。该支撑构件40的上下表面固定在压敏板10和底板30上，通过该支撑构件40将压敏板10与底板30之间的距离维持为恒定。在本实施方式中，压敏板10与底板30之间的距离(支撑构件40的长度)设定为5mm。此外，支撑构件40的材质不限于刚性大的金属。例如，还优选高刚性树脂、陶瓷等不会使信号传递产生延迟的刚性大的材质。另外，支撑构件40不限于圆柱形状，还优选四棱柱或三棱柱等。
夹持力变动检测机构50配置在压敏板10与底板30之间，检测根据作用在压敏面12上的振动而在压敏板10和底板30之间所施加的夹持力的变动，从压敏板10侧向底板30侧，依次具有第一压电元件60、传递构件70、第二压电元件80。上述的支撑构件40的两端紧固在该夹持力变动检测机构50的周围的压敏板10与底板30上，如上所述，将压敏板10与底板30之间的距离保持为恒定。
第一压电元件60配置在压敏板10的与压敏面12一侧相反的一侧，将作用在其上的夹持力的变动转换为第一检测信号。第一压电元件60为圆板形状，在夹持力变动时，从两端侧产生与其所受到的压力相对应的电压(一端为负电压，另一端为正电压)。此外，该压电元件的形状不限于圆板形状，例如，还优选为长方形或正方形等。第一压电元件60通过硅酮树脂制的粘接剂固定在压敏板10上。该硅酮树脂制的粘接剂的电绝缘性、耐水性、耐热性优良。
传递构件70为刚性大的金属制的圆柱构件，配置在第一压电元件60的与压敏板10一侧相反的一侧，用于传递夹持力的变动。通过环氧树脂性的弹性粘接剂固定第一压电元件60和传递构件70。此外，传递构件70的材质不限于高刚性的金属。例如，还优选高刚性树脂、陶瓷等不会使信号传递产生迟延的刚性大的材质。
第二压电元件80与第一压电元件60结构相同，配置在传递构件70的与第一压电元件60一侧相反的一侧，即配置在传递构件70与底板30之间，将作用其上的夹持力的变动转换为第二检测信号。通过环氧树脂制的弹性粘接剂固定(紧固)第二压电元件80和传递构件70，通过硅酮树脂制的粘接剂固定(紧固)第二压电元件80和底板30。即，第二压电元件80一体地设置在传递构件70和底板30之间(第二压电元件80与传递构件70之间几乎没有间隙，并且第二压电元件80与底板30之间几乎没有间隙)，由此能够无损失地将来自传递构件70的压力(夹持力的变动)转换为电压(第二检测信号)。
第一以及第二压电元件60、80是根据压电效应(压电现象)，在厚度方向上施加了压力(夹持力)时，产生与该被施加的压力(夹持力)对应的电压的元件，另外，其英文名称为“piezo element”。即，本实施方式的第一以及第二压电元件60、80通过从两侧被夹着而开始发挥功能，并不是自身检测加速度等的元件。例如，压电转换器等在其自身振动时，基于加速度的变化等能够输出电信号，因此非常利便，但是其检测灵敏度依赖于压电转换器的性能，受到限制。
本实施方式的第一以及第二压电元件60、80的厚度分别为大约0.6mm，传递构件70的长度(厚度)为与支撑构件40相同的5mm。因此，夹持力变动检测机构50比支撑构件40长1.2mm。如上所述，支撑构件40将底板30和压敏板10之间的距离固定为5mm，因此，在夹持力变动检测机构50上，在通常状态下，施加有预压(预先施加的压力)(夹持力)。通过这样施加预压，能够通过第一以及第二压电元件60、80，以相似且相位相同的波形，高灵敏度地检测作用于夹持力变动检测机构50的夹持力的变动。
第一以及第二压电元件60、80的输出电力在夹持力无变动的状态下为0V。因此，本实施方式的检测组件100不受作为测定对象的生物体的体重的差异影响。在由于生物体1的呼气、脉搏等所产生的微小振动，底板30与压敏板10之间的夹持力发生变动时，夹持力变动检测机构50能够正确地检测该变动。尤其，夹持力变动检测机构50，经由传递构件70通过第一压电元件60和第二压电元件80同时检测同一夹持力的变动，因此第一检测信号和第二检测信号成为状态几乎相似且相位相同的波形。此外，第一以及第二检测信号为根据压电特性针对施加在第一以及第二压电元件60、80上的应变压所输出的电压波形。即，基于作用于压敏面12的振动所产生的夹持力的变动，通过传递构件70同时传递至第一压电元件60和第二压电元件80，而被转换为状态大致相似且相位相同的波形的第一以及第二检测信号。另外，后述的信号合成装置200将第一以及第二检测信号合成。
尤其在本实施方式中，在压敏板10的中央配置夹持力变动检测机构50，因此，不管在压敏板10的哪个位置施加压力，都能够通过第一以及第二压电元件60、80同时检测压力的变动。另外，夹持力变动检测机构50构成为用于检测作用于压敏板10与底板30之间的夹持力的变动，因此，即使产生如体动、呼吸那样加速度几乎为零的缓慢的夹持力的变动，也能够可靠地检测出该变动。此外，在如以往那样直接检测压敏板10的振动的结构中，只要压敏板10自身没有充分振动或很大地弯曲，就不能够检测出这些变动。
图3示出了信号合成装置200以及信号提取装置300的电路结构。信号合成装置200具有：缓冲放大器210，分别配置在第一压电元件60和第二压电元件80的输出电缆上；加法电路(加法放大器)220，对经由该缓冲放大器210传递来的第一检测信号和第二检测信号进行合成。来自该信号合成装置200的输出信号包括与呼吸、心搏两方面相关的信息。通常，呼吸的频率低，心搏的频率高。因此，信号提取装置300利用信号合成装置200的输出信号，通过高通滤波器以及低通滤波器310，提取去除了呼吸频率的高频成分。具体地说，在高通滤波器一侧，去除呼吸本身、体动等所产生的低频成分，在低通滤波器一侧，去除成为极高的频率成分的噪声。结果，能够去除呼吸成分和噪声，仅提取心搏成分。
以上，根据本实施方式的生物体信息检测装置2，通过信号合成装置200合成第一以及第二压电元件60、80同时检测出的夹持力的变动成分，因此能够大幅度地提高检测灵敏度。例如，基于对来自信号合成装置200的输出信号进行滤波而形成的波形检测峰值，来得出呼吸次数，但是，在通过单一的压电元件进行检测时，由于受到噪声等的影响，有时不能够检测出峰值。但是，在本实施方式中，能够使滤波后的波形的峰值明显，从而能够提高检测精度。另外，例如在检测心搏时，对来自信号提取装置300的输出信号进行一阶微分的波形处理，通过检测其负峰值来检测心搏，但是，在通过单一的压电元件进行检测时，负峰值的各个值的离散度大，有时难于正确判断是其他噪声成分还是负峰值。但是，在本实施方式中，使负峰值的水平均一化，并且使其他的噪声成分与峰值的差异变大，因此易于进行正误判断，提高检测精度。
而且，根据本实施方式的生物体信息检测装置2，通过底板30、压敏板10以及支撑构件40，即使在无负荷时也对夹持力变动检测机构50施加预压(夹持力)，一直保持检测灵敏度良好的状态，因此能够使第一以及第二压电元件60、80的检测信号的相位一致。结果，如上所述，通过对两者的检测信号进行合成，能够容易地突出需要的信息并将其输出。另外，由于第一以及第二压电元件60、80各自引起的噪声成分，很少同时且同相位出现，所以即使将第一以及第二检测信号相叠加，也能够抑制使噪声成分突出的情况，并能够提高S/N比(信噪比)。
<实施例和比较例>
接着，说明通过本实施方式的生物体信息检测装置2实际检测出的波形的特性。此外，比较例虽然不是公知的，但是说明使用结构几乎相同但夹持力变动检测机构中的压电元件为一个的生物体信息检测装置所得出的波形的特性。此外，作为实验环境，卧台使用出售的床垫(厚度19cm)，在实施例和比较例中，在卧台上躺着相同的人，在床垫的头部下方和腹部下方检测生物体信息。在以下所示的波形图中，纵轴表示电压，横轴表示时间。
图4中的(A)表示在将实施例的生物体信息检测装置2配置在头部下方时，对根据信号合成装置200的输出得到的波形(呼吸以及心搏的合成波形)进行滤波使低频成分显著化后，判定其峰值的结果。另外，图4中的(B)表示同条件下的比较例的结果。该峰值表示呼吸的时刻。如图4可知，在实施例的波形(A)中，峰值中的最大值与最小值的差在大约二分之一以内。另一方面，在比较例的波形(B)中，峰值中的最大值与最小值的差大。因此，有时难于判定出呼吸成分和噪声成分。尤其，在比较例中，振幅变动变大，而在实施例中，振幅自身的变化比较小。
图5中的(A)表示在将实施例的生物体信息检测装置2配置在腹部下方时，对根据信号合成装置200的输出得到的波形(呼吸以及心搏的合成波形)进行滤波使低频成分显著化后，判定其峰值的结果。另外，图5中的(B)表示同条件下的比较例的结果。与图4相同，在实施例的波形(A)中，峰值中的最大值与最小值的差在极小的范围内。另一方面，在比较例的波形(B)中，峰值中的最大值与最小值的差大。因此，有时难于判定出呼吸成分和噪声成分。尤其，在比较例中，振幅变动变大，而在实施例中，振幅自身的变化比较小。
图6中的(A)表示在将实施例的生物体信息检测装置2配置在头部下方时，利用根据信号提取装置300的输出得到的波形(心搏波形)判断其峰值的结果。另外，图6中的(B)表示同条件下的比较例的结果。该峰值表示心搏的时刻。根据图6可知，在实施例的波形(A)中，峰值中的最大值与最小值的差在大约二分之一以内，而且，噪声变小。另一方面，在比较例的波形(B)中，峰值中的最大值与最小值的差大，另外噪声成分也比较大。因此，有时难于判定心搏成分和噪声成分。
图7中的(A)表示在将实施例的生物体信息检测装置2配置在腹部下方时，利用根据信号提取装置300的输出得到的波形(心搏波形)判定其峰值的结果。另外，图6中的(B)表示同条件下的比较例的结果。在图7中也与图6相同，可知在实施例的波形(A)中，峰值中的最大值与最小值的差在大约二分之一以内。另一方面，在比较例的波形(B)中，峰值中的最大值与最小值的差大，另外噪声成分也比较大。因此，有时难于判定心搏成分和噪声成分。
以上，根据实施例以及比较例，通过使用具备带有2个压电元件的夹持力变动检测机构的生物体信息检测装置2，不是单纯地产生增幅效果，而是使峰值稳定，降低噪声，来改善S/N比，从而能够提高检测精度。
此外，本发明的生物体信息检测装置1不限于上述的实施方式，能够在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变更。
产业上的可利用性
利用本发明的压电元件的生物体信息检测装置能够广泛地在检测及分析呼吸等生物体信息的领域，以及健康诊断、预防医疗领域等利用。
Claims (5)
1.一种生物体信息检测装置，基于生物体的呼吸运动所产生的振动，检测所述生物体的呼吸状态、心搏、体动等生物体信息，其特征在于，
具有：
压敏板，其具有用于检测所述振动的压敏面，
底板，其与所述压敏板相向配置，
夹持力变动检测机构，其配置在所述压敏板和所述底板之间，用于检测基于作用在所述压敏面上的所述振动来施加在所述压敏板和所述底板之间的夹持力的变动，
信号合成装置，其对从所述夹持力变动检测机构输出的多个检测信号进行合成；
所述夹持力变动检测机构具有：
第一压电元件，其配置在所述压敏板的与压敏面一侧相反的一侧，用于将作用于该第一压电元件自身的所述夹持力的变动转换为第一检测信号，
传递构件，其配置在所述第一压电元件的与所述压敏板一侧相反的一侧，用于传递所述夹持力的变动，
第二压电元件，其配置在所述传递构件和所述底板之间，用于将作用于该第二压电元件自身的所述夹持力的变动转换为第二检测信号；
基于作用于所述压敏面的所述振动所产生的所述夹持力的变动，通过所述传递构件传递至所述第一压电元件和所述第二压电元件，并被转换为所述第一检测信号以及所述第二检测信号，所述信号合成装置对该第一检测信号以及该第二检测信号进行合成，由此检测所述生物体信息。
2.如权利要求1所述的生物体信息检测装置，其特征在于，在位于所述夹持力变动检测机构的周围的所述压敏板和所述底板之间，配置有用于将所述压敏板和所述底板之间的距离维持为恒定的支撑构件。
3.如权利要求2所述的生物体信息检测装置，其特征在于，通过所述支撑构件来维持的所述压敏板和所述底板之间的距离，设定得小于无负荷状态下的所述夹持力变动检测机构在所述夹持力的变动方向上的距离，由此始终对所述夹持力变动检测机构施加预压。
4.如权利要求1至3中任一项所述的生物体信息检测装置，其特征在于，还具有信号提取装置，该信号提取装置对来自所述信号合成装置的输出信号进行滤波，提取心搏成分。
5.如权利要求2所述的生物体信息检测装置，其特征在于，
所述支撑构件至少配设在所述压敏板的四个角上，
并且，所述夹持力变动检测机构配置在所述压敏板的大致中心位置。
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