CN1937954A - 生物信息监控设备 - Google Patents

Abstract

一种生物信息监控设备高度精确地观察采取任何期望姿势的穿着衣服的对象。该设备通过产生高频电磁波以将它照射到空气中，检测由生物体表面散射的电磁波，从所述电磁波的传播状态中计算地确定生物体表面的位移随时间的变化，以及从随时间的变化中计算地确定生物体振动的特征量例如脉搏或呼吸作为生物信息，来获取关于生物体表面位移的信息。

Description

生物信息监控设备

技术领域

本发明涉及一种生物信息监控设备，用于获取包括生物体或对象的呼吸状况、脉搏波、脉搏率等的生物信息，判断对象的身心状况，并取出判断作为输出信号，以便掌握身体和情绪状况，并支持对象的日常生活。

背景技术

用于监控生物体或对象的呼吸状况、脉搏率等的已知装置包括包含放置在对象身体上的一个或多于一个传感器的那些装置，或适合于当对象静止躺在床上时观察对象的那些装置。日本专利申请公开2002-576公开一种装置，包括放置在一些指尖上和/或任意一个或两个耳垂上和/或照射一束光到对象身体上的一个或多于一个接触型电极以便检测必要信息。公开的装置具有优点，包括它抵抗外部噪声并且放置在对象上的装置组件重量轻且小型。

另一方面，日本专利申请公开H10-229973公开一种装置，为了监控对象的生物信息，其包括布置在床中或椅子中以便检测由躺在床上或坐在椅子上的对象血液循环而引起的对象身体细微振动的一个或多于一个振动检测装置，只要任何一个适合的话。附随附图的图9示意地说明公开的装置。作为非接触型传感器的超声波传感器或红外传感器111可以用作图9中所示检测对象112的位移M的振动检测装置。压电传感器可以用来当对象躺在床109上时监控身体的振动。身体的检测振动可以显示在如图9中所示埋入头部墙壁110中的显示器113上。

虽然具有放置在对象身体上的组件的类型的监控装置可以容易处理且重量轻，当在日常生活中使用时既不方便也不舒服。另一方面，包括布置在床中或椅子中的组件的监控装置也不方便，因为为了监控对象被强迫在床中或椅子上安静地保持预先确定的姿势。当超声波或红外线用于非接触型传感器时，对象可以随意地采取他或她舒服的姿势，因为生物信息可以远程地获得。但是，对象的穿着和头发影响和吸收超声波和红外线从而成为障碍，使得如果对象穿着衣服，仅有限位置可以由这种装置观察。另外，由空气流动和振动而引起的穿着的运动和头发的运动可能作为噪声进入监控系统。

发明内容

考虑到上面说明的情况，因此，本发明的目的在于提供一种生物信息监控装置，其可以高度精确地观察采取任何期望姿势的穿着衣服的对象，以便使得它可方便地利用并且支持对象的生活。

根据本发明的生物信息监控装置使用包括太赫兹波段的高频电磁波(特别地300GHz～30THz)以远程地检测对象皮肤表面的位置波动以便容易且方便地获取生物信息。当使用这种电磁波时，通过检测经由穿着传输并且由对象皮肤表面散射和反射的电磁波分量来获取位置波动的时间位移或振动分量是可能的。

如果使用脉冲宽度为3psec的短脉冲电磁波，如在实例描述中更详细讨论的，通过测量电磁波的延迟时间来检测具有100μm数量级的精确度的振幅是可能的。因此，能够监控由对象的脉搏和/或呼吸而产生的细微振动状态。这种短脉冲可以例如借助于适合于通过将电压施加到由低温生长而形成在GaAs衬底上的电极并且照射短脉冲激光束而将照射到它上面的短脉冲激光束转换成电磁波的光电导元件产生。反射的电磁波也可以通过这种元件检测。使用太赫兹范围内的电磁波的远程传感装置可以通过混合集成而实现为小模块。这种装置的细节将从实例描述中变得明白。

如果这种模块集成到盥洗池、椅子或人类日常生活中使用、每天某个时间段保持在那里或其附近的某种其他物体中，获取包括关于对象脉搏和呼吸信息的生物信息而对象部分没有意识是可能的。另外，脉搏率、脉搏波、脉搏传播时间、血压、心电波和动脉硬化程度可以通过基于获取的振动相关信息而执行的波形分析计算来确定。这种数据可以连续地存储在存储部分中。另外，与存储在数据库中的这种生物信息相关的一般图案也可以存储在存储部分中。然后，通过图案匹配判断对象的身体和情绪状况是可能的。关于这种判断的信息也可以存储在存储部分中以便在显示部分显示和/或作为有声信息通知用户。它也可以通过通信网络在终端显示和/或通过移动电话传送到终端。

关于这种判断的信息可以作为维持对象健康的行为建议和/或作为为了平滑控制OA装备、导航系统、机器人和属于对象的其他机器和/或电子设备的人机接口的辅助而输出。

根据本发明的生物信息监控装置可以高度精确地观察采取任何期望姿势的穿着衣服的对象。因此，它可以非常方便地使用以支持对象的日常生活。例如，通过获取关于脉搏、呼吸以及可以引起通过身体传输的身体振动的其他身体活动的信息并且计算脉搏波、脉搏率、血压等，来判断对象的身体和情绪状况并给出对象行为的建议是可能的。另外，能够平滑地处理对象操作的机器和电子设备的接口。

附图说明

图1是根据本发明的生物信息监控装置第一实施方案的示意说明；

图2A和2B是根据本发明的远程传感装置的示意说明；

图3是根据本发明的远程传感装置监控波形的示意说明；

图4是根据本发明的生物信息分析系统的示意框图；

图5是可以用于根据本发明的远程传感装置的集成模块的示意说明，该图显示其结构；

图6是根据本发明的生物信息监控装置第二实施方案的示意说明；

图7是血压监控方法的示意说明；

图8是根据本发明的生物信息监控装置第三实施方案的示意说明；以及

图9是已知生物信息监控装置的示意说明。

具体实施方式

实施方案1

根据本发明的生物信息监控装置的第一实施方案适合于在家庭成员一天使用几次的盥洗池处监控生物信息以便累积并提供对维持健康和支持家庭成员日常生活有效的信息，而不给他们任何不方便的感觉。

图1示出了人3站在提供有镜子2的盥洗池1前面并做一些事情的情形。适合于使用电磁波的远程传感部分4埋入盥洗池中以便远程获取关于站在盥洗池前面的人、典型地来自于人腹部的信息。照射波长长于红外线波长的电磁波并且分析反射波以便从获取的位置波动中分析人身体的振动的技术可以为了远程传感而适当地使用。远程传感的良好距离典型地不长于1m。为了打开和关闭监控装置的开关，适合于检测接近的人的热传感器20可以布置在盥洗池等中。代替热传感器20，照相机可以被布置以检查人是否站在盥洗池前面并且识别站在盥洗池前面的人以及由生物监控器传感的身体位置。

现在，将参考图2A和2B来描述使用电磁波的远程传感操作。首先参考说明适合于使用电磁波的生物信息监控装置传感部分的示意框图的图2A，数字5总体表示传感部分。从天线7发射的电磁波14通过空气朝向人传播并且通过穿着16到达人腹部的皮肤表面17。电磁波14当它达到皮肤表面时散射并且轻微地渗透到皮肤内部，并且散射电磁波的一部分15通过穿着16传输并作为接收信号到达天线9。反射型反射片可以优选地应用于人身体的待观察位置17，以便提高观察灵敏度。

如图2B中所示，待观察位置17的位置波动可以通过检查电磁波的发送脉冲和接收脉冲之间的传播延迟时间τ随着时间的变化而确定。生物信息监控装置的传感部分5包括电磁脉冲发生器6，用于将生成的电磁脉冲14发射到空间中的天线7，用于接收来自反射部分17的反射脉冲15的天线9和检测器8，用于延迟从脉冲发生器6的脉冲产生时间的延迟电路10，用于混合延迟的发送脉冲和接收脉冲的混合器11以及用于从延迟时间τ中确定反射部分17和传感部分5之间距离的功能单元12。如果必要的话，传感部分5可以另外包括存储收集数据的存储部分13。虽然上面列出的组件可以合并在外壳中或者整体制备，不一定将它们全部包含在外壳内。当延迟的发送脉冲的时间和接收脉冲的时间彼此一致时，混合器11的输出显示最大输出功率，使得能够通过借助于功能单元12扫描和控制延迟电路10的延迟时间，检测电磁波的传播延迟时间并且确定反射部分17和传感部分5之间的距离。电磁脉冲从脉冲发生器6中的输出可以做成以1kHz数量级的低频波动，并且已知的同步检测技术可以用来取出混合器11的输出作为通过使用低频信号而获得的混合输出。电磁脉冲的产生周期和脉冲位置(相位)也可以由功能单元12控制。如果必要的话，去除多路效果以提高接收信号的S/N比。更具体地说，虽然如果周期固定，分离因除反射部分17的反射之外的反射而引起的噪声和当脉冲由墙壁反射时产生的脉冲回声是困难的，它们可以通过根据预先确定的图案改变周期并且作为周期改变的函数控制延迟电路10来分离。预先确定的图案存储在存储部分13中并且必要时为了计算距离而访问。如果电磁波以光速c通过空气传播，距离d可以由下面的公式(1)来确定。

d＝τc/2    …(1)

现在，将讨论用于位置波动分析的远程传感部分的空间分辨率和响应速度。首先，随着人移动而慢慢发生的大的位置波动通过不断地重设延迟时间而控制，使得作为人活动结果而发生的微小波动可以被隔离。同时，穿着引起的电磁延迟的影响也被校准。使用同步检测的非常小的振幅来调制延迟时间的已知摆动技术可以用作为了重设延迟时间而锁定对象身体运动的技术。

待由远程传感的脉搏和呼吸而引起的振动与腹部表面振动一起反映到人的总体运动。脉搏的振动频率大约是3Hz，而呼吸的振动频率至多是大约0.5Hz，没必要检测不大于1mm的振幅。信号分离是可能的，因为另外地，当使用盥洗池时人运动的速度较低或不是周期性的，但是运动的振幅大。

实际上，期望传感部分对波段敏感是对待检测振动频率的十倍宽，使得它被设计以30Hz或大约30msec的采样率操作。如果待检测振动的振幅是1mm，与距离差相对应的延迟时间是大约6.7psec，如通过使用公式(1)确定的。因此，能够每30msec扫描13psec的延迟，其是延迟时间的大约两倍长，可以是足够的。当然，同步检测的周期和电磁脉冲的发送周期必须高于它且需要是大约1kHz。这里，1kHz用于同步检测的周期，且76MHz用于电磁脉冲的频率。振幅的分辨率主要由电磁脉冲的脉冲宽度确定。从公式(1)中，虽然6.7psec的延迟时间的精确度水平是针对1mm的精确度所需，如果脉冲半宽度的大约1/5的信号分离是可能的，具有大约33psec半宽度的脉冲的使用将是令人满意的。换种说法，对于大约3psec的脉冲，位置波动分析可以成功地执行到大约100μm的振幅。

使用典型地具有HEMT结构的高速电子设备的振荡电路用来产生这种短脉冲。代替该实施方案的产生短脉冲的电路，用于产生并检测连续高频正弦波例如毫米波或太赫兹波的电路可以作为选择使用。电磁波生成部分优选地以高度定向天线的形式实现或者提供有透镜，以便有效地将射束照射到待观察位置并且准确地控制传播方向。

图3示意地说明检测的振动波形。检测与由身体脉搏产生的振动相对应的波形是可能的。由呼吸引起的振动将作为以较慢周期发生的包络(没有显示)的波动而检测。图4显示可以用于该实施方案的信号分析系统的示意框图。通过参考图2A和2B如上所述借助于电磁波传输的远程传感器41的功能单元的输出通过多个滤波电路42至44经历信号分离然后在操作部分(处理部分)45经历振动分析，并且作为生物监控器信号而提取。存储部分46存储由操作部分45用于图案匹配的累积生物信号图案作为数据库。该数据库可以包括从普通人体功能获得的数据以及由该实施方案的装置累积的特定个体的数据。操作部分45的输出可以在任何必要时作为关于任何不同时区的特定个体的每个的信息而取出。因此，今天特定时区中的人行为的建议可以在考虑人的身体和情绪状况的数据之后输出。建议可以通过埋入盥洗池中的扬声器和/或显示器可听地和/或可见地直接输出，和/或通过数据传输传送到个人计算机和/或移动电话。操作部分、数据输出装置和用于将数据发送到网络的数据发送装置可以包含在盥洗池中。镜子2可以提供有显示特征。

虽然在图4中布置有三个滤波器，滤波器的数目并不局限于三个。在图4中，低通滤波器(LPF)42被设计以提取作为对象运动结果而产生的、与生物信息无关的波动。当提取生物信息时，来自低通滤波器的信号用作校正信号。带通滤波器1(BPF1)被设计以取出对象脉搏的信号。它可以是提供有反馈操作部分的操作结果以便依赖于环境选择最佳波段的反馈控制特征的可变带通滤波器。带通滤波器2(BPF2)被设计以取出对象呼吸的信号。类似地，它可以是适合于依赖于环境而选择最佳波段的可变带通滤波器。因为对象的脉搏和呼吸是相关的，滤波器的反馈控制操作是这样的，使得波段选择继续增强相关性。使用FFT的技术、使用外差检测的本机振荡器的技术或其组合可以用于波形分析。

使用上述方法，通过单个远程传感装置获取多条生物信息是可能的。对于脉搏，各种条目的信息可以通过不仅分析脉搏率而且分析脉搏波的波形而关于对象获得和判断。这种条目的信息包括关于心电波、血压和动脉硬化程度的信息。通过基于获取的关于脉搏波、血压、呼吸等的信息来分析交感神经的状态和副交感神经的状态来估计对象的情绪状况(高兴和生气)，从而由操作部分输出情绪状况是可能的。通过考虑情绪状况来确定人行为的上述建议是可能的。

因此，当盥洗池装备有用于远程获取关于人皮肤表面振动的信息的传感器以及操作部分时，生物信息监控装置可以支持人的行为。作为监控结果而获取的信息在操作部分中累积。建议等可以现场输出，或者系统可以构建以通过网络提供建议。代替盥洗池，根据本发明的生物信息监控装置可以安装在人停留一段时间的厨房、卫生间、电视机或工作台中。

实施方案2

本发明的第二实施方案是如上对第一实施方案描述的远程传感装置的小模块。大量这种模块可以布置在不同位置以便同时获取来自人的生物信息。该方案对于准确获取并校正关于人身体中振动和振动传播状态的信息是有效的。

图5示意地说明根据本发明的集成模块。半导体锁模激光器60安装在衬底50上并且适合于产生大约0.3psec的脉冲，其连接到光学波导61。由光学波导61分支的传播激光束的一个照射到太赫兹波发生器65上并且转换成具有大约0.5psec脉冲宽度的电磁波66，其然后传播通过传输路径57a，57b。其他激光束通过光学延迟电路62和光学路径64传播并且照射到光检测器63上。

下面将描述模块的构造。光敏绝缘树脂52在半绝缘GaAs衬底50上形成，并且Y分支光学波导61通过光刻在树脂52的一部分中形成，以便显示高于周围区域的折射率。光敏聚硅烷[Glasia：商品名称，可从Nippon Paint Co.，Ltd.获得]可适当地用于该树脂。可以适当地用于光学波导/电绝缘层的其他树脂材料包括BCB，聚酰亚胺和光敏的其他光学树脂材料。太赫兹波发生器65是通过在借助于低温生长技术形成的无掺杂LT-GaAs的衬底上形成电极而制备的光电导开关元件。当电压施加在也用作传输路径的电极57a，57b之间并且激光脉冲束以大约800nm的波长照射到发生器65上时，电磁脉冲从发生器65中产生。

光检测器63也是与太赫兹波发生器具有类似结构的光电导开关元件。它适合于仅在激光脉冲束照射时产生光载体使得电流作为通过传输路径传播的电磁脉冲的电场大小的函数而流动。电流可以作为信号检测。因此，通过改变延迟电路62的延迟时间来观察太赫兹脉冲的电场强度随时间的变化是可能的。延迟电路62可以设计为适合于改变其折射率的延迟波导、光学开关或元件(没有显示)。该实施方案中用于检测太赫兹脉冲的技术可以由相对于光检测器上游布置EO晶体的技术代替，以便将太赫兹脉冲的强度随时间的变化转换成EO晶体的普克尔斯效应并且通过光检测器观察从脉冲激光分支的发送光束的强度。

然后，通过借助于天线51将电磁波53发射到空间中，观察由人散射的反射电磁波54并且检查反射身体的位置波动来检查人皮肤表面的振动而不接触皮肤是可能的，与第一实施方案的情况一样。产生电磁波的模块和检查反射电磁波的模块可以并排布置以观察反射电磁波。半球形透镜58可以布置在天线上以控制射束并且以低辐射角照射它。作为选择，可移动天线可以用来制造射束传播摆动的方向。

与第一实施方案一样，通过在盥洗池中埋入如此多传感模块例如传感模块21，22，并且扫描身体来从对象身体的多个位置同时获取生物信息是可能的。注意，在图6中，与图1中那些相同的组件分别由相同的附图标记表示。通过观察多个位置的脉搏波来掌握身体中脉搏波的传播是可能的。当脉搏波传播速度确定时，血压、动脉硬化程度、精神放松程度等的评估准确度可以提高。包括年龄、体重、身高等的个人信息可以输入到远程传感系统和/或提供有电极的秤可以埋入地板中以获取关于对象体重、体脂、排汗等的信息以便提高远程传感系统的判断准确度。

图7是说明脉搏波传播时间和血压之间关系的图。关于皮肤表面振动的信息从包括胸、腹部和脚的多个位置获取。当脉搏波传播时间确定时，通过参考舒张期的判断线和收缩期的判断线来依次确定最高血压P1和最低血压P2是可能的。判断线可以基于包括对象年龄、体重和身高的初始个人信息以及血压与脉搏波传播时间之间的存储关系而确定。当通过参考存储数据自动判断对象的身体和情绪状况时，优选地识别站在盥洗池前面的人。识别指纹、虹膜、面容等的任何已知技术可以为个人识别而使用。

因此，该实施方案适合于使用小模块通过远程传感而远程获取对象的振动相关信息，使得能够从如此多模块埋入其中的对象身体的多个位置同时获取生物信息，因此提高判断准确度。

实施方案3

本发明的第三实施方案适合于如图8中所示在椅子80中埋入上述类型的传感器81a至81d。注意，在图8中，与图1那些相同或类似的组件分别由相同的附图标记表示。

已知的振动传感器适合于布置在椅子表面上或附近，因此伴随有特别是椅子外观、设计和舒适度方面的问题。相反地，根据本发明的电磁型模块传感器可以包含在椅子中，以允许比得上普通椅子的高度设计自由，而不损坏椅子的舒适度。另外，不像已知的传感器，对象不需要保持背部与椅子的靠垫紧密接触并且安静坐着。这是因为用于观察的毫米至太赫兹范围的电磁波通过空气传播并且传输通过靠垫和椅子的织物以及对象的穿着。

再次，对于该实施方案，多个传感器可以布置在如此多的位置以便同时获取如此多条生物信息。

作为椅子上的人的活动包括办公室中与OA装备相关的工作，参加会议，驾车，在家中看图片和听音乐。因此，除了掌握对象的身体和情绪状况并提供对象行为建议之外，根据本发明的装置可以用作这种活动的人机接口的辅助。

例如，对象的放松程度可以通过分析关于脉搏率波动的信号和关于对象呼吸的信号来评估。因此，当装置产生菜单以接收来自对象的命令时，通过判断对象的情绪状况选择匹配对象口味的菜单或者最佳地引导对象活动是可能的。换句话说，根据本发明的装置可以作为接口操作。另外，根据本发明的装置可以学习它应当引导的对象的方向以便提高其产生最佳匹配对象口味的菜单的能力。

在图片和音乐的情况下，根据本发明的装置可以适合于不是在大量类型中产生对象的广泛选择，而是选择最佳匹配对象个人状况的项目。在办公室工作的情况下，根据本发明的装置可以适合于重新排列文件、软件或负责PC表示的工作进程，并且提供OA装备使用，会议的主题以及重新定向会议等的建议。根据本发明的装置也可以在广泛的车辆导航系统领域中找到应用，其适合于考虑相关道路的交通堵塞以及道路的安全程度。

在任何一种情况下，根据本发明，提供一种辅助人类日常生活的系统是可能的，其可以从人自动获取生物信息而不会给人带来任何讨厌的感觉并且由人感知到。

虽然本发明主要根据包括适合于埋入并使用而不被人注意的传感器的系统而描述，这种传感器可以包含到机器人中，其需要与人合作以便用作远程传感和反馈装置，使得人可以由机器人基于由系统获取的人的生物信息而积极地辅助。

虽然本发明根据人类在上面描述，它可以在具有脉搏系统和呼吸系统的生物中找到应用。

本申请要求2004年3月26日提交的日本专利申请2004-092401的优先权，该申请以参考方式引入于此。

Claims (8)

1.一种生物信息监控设备，用于通过获取关于生物体表面的位移的信息来监控生物信息，其特征在于，所述设备包括：

产生300GHz～30THz频带的电磁波并且将它照射到空气中的装置；

检测由生物体表面散射的所述电磁波的装置；

从所述电磁波的传播状态中计算地确定生物体表面所述位移随时间变化的装置；以及

从随时间的所述变化中计算地确定所述生物体的特征量作为生物信息的装置。

2.根据权利要求1的设备，其特征在于

所述生物信息是脉搏率、脉搏波、呼吸、心电波、血压或通过分析它们中任何而获得的信息。

3.根据权利要求1的设备，其特征在于

所述电磁波是重复产生的短脉冲并且脉冲的半宽度不大于33psec。

4.根据权利要求1的设备，其特征在于

多个位置处生物体的位移随时间的变化由用于根据电磁波计算地确定生物体表面的所述位移随时间的变化的所述装置计算，并且可以检测从随时间的变化中计算的所述特征量的传播状态。

5.根据权利要求1的设备，其特征在于还包括：

存储装置；

生物体的身体和精神状况通过将从用于计算地确定生物信息的所述装置获得的输出信号与预先存储在所述存储装置中的特征量相比较而判断。

6.根据权利要求5的设备，其特征在于

所述身体和精神状况是与血压或动脉硬化程度相关的身体状况，并且判断结果由字符显示或者由声音输出。

7.根据权利要求6的设备，其特征在于

待判断的所述身体和精神状况是指放松程度、压力程度或高兴和生气的情绪状况，并且判断结果被反馈到机器或电子设备，并且用作操作所述机器或所述电子设备的接口的控制信号，任何一个适合的话。

8.根据权利要求1的设备，其特征在于

所述生物信息监控装置包含在人停留一段时间的物体例如盥洗池、卫生间、椅子等中，并且生物信息在所述物体处远程获得。

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