DE112010001899T5

DE112010001899T5 - Bioinformationserfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112010001899T5
Application number: DE112010001899T
Authority: DE
Inventors: Tetsu Nemoto
Original assignee: MEDICAL TRUST CO; MEDICAL TRUST CO Ltd
Current assignee: MEDICAL TRUST CO; MEDICAL TRUST CO Ltd
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2012-06-14
Also published as: GB201119947D0; WO2010123029A1; KR20120023008A; CN102458247A; US20120089033A1; JP4480785B1; JP2010252934A; GB2482815A

Abstract

Eine Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 umfasst eine drucksensitive Platte 10, ein Substrat 30, einen Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50, der zwischen der drucksensitiven Platte 10 und dem Substrat 30 angeordnet ist, und eine Signalkombinierungseinheit 200. Der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 umfasst ein erstes piezoelektrisches Element 60, ein Übertragungselement 70 und ein zweites piezoelektrisches Element 80, in dieser Reihenfolge. Wenn sich eine Schließkraft als Reaktion auf eine Vibration, die auf eine drucksensitive Oberfläche wirkt, ändert, überträgt das Übertragungselement die Schwankung an sowohl das erste als auch das zweite piezoelektrische Element 60 und 80, so dass das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 Signale erzeugen. Die Signalkombinierungseinheit 200 kombiniert das erste und zweite erfasste Signal, um die Bioinformationen zu erfassen. Dies erlaubt eine Reduzierung einer Messbelastung, die auf einen Organismus aufgebracht wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bioinformationserfassungsvorrichtung zum Erfassen von Bioinformationen bzw. biologischen Informationen, wie etwa eine Herzfrequenz, eine Körperbewegung und eine Körperhaltung.
Stand der Technik
Patentliteratur 1 ( japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2007-54606 ) schlägt eine herkömmliche Bioinformationserfassungsvorrichtung vor zum Erfassen von Bioinformationen, wie etwa dem Atmen oder der Körperbewegung eines Organismus, basierend auf einer Vibration, die durch das Atmen oder die Körperbewegung des Organismus erzeugt wird. Die in der Patentliteratur 1 offenbarte Erfindung umfasst eine Basis, die mit einem Organismushalteteil, einem flexiblen Druckübertragungsteil und einem Sensorteil zum Erfassen von Druckänderungen bereitgestellt ist. Weiterhin ist zwischen dem Organismushalteteil und der Basis oder zwischen dem Druckübertragungsteil und der Basis ein Zwischenraum ausgebildet.
Patentliteratur 2 (Veröffentlichung der internationalen Anmeldung Nr. WO 2007/029326 ) schlägt eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Herzfrequenz, des Atmens oder Ähnlichem eines kleinen Tieres vor. Die in Patentliteratur 2 offenbarte Erfindung umfasst ebenso eine Basis, die mit einer Vibrationsübertragungsplatte von großer Flexibilität bereitgestellt ist. Weiterhin ist ein piezoelektrischer Wandler, der dazu in der Lage ist, eine Beschleunigung und Ähnliches zu erfassen, an der Vibrationsübertragungsplatte befestigt, wodurch direkt die Vibration der Vibrationsübertragungsplatte erfasst wird. Um die sehr kleinen Vibrationen eines kleinen Tieres zu erfassen, sollte die Dicke der Vibrationsübertragungsplatte reduziert werden, um eine Sensibilität zu erhöhen. Dies wiederum verringert die Stärke der Vibrationsübertragungsplatte. Angesichts dessen offenbart Patentliteratur 2 ebenso eine Technik des Verbesserns einer Lastlagerung ohne eine Vibrationsdämpfung durch Bereitstellen eines Abstandshalters von hoher Elastizität in der Mitte der Vibrationsübertragungsplatte.
Kurzfassung der Erfindung
Probleme, die durch die Erfindung zu lösen sind
Die in Patentliteratur 1 offenbarte Erfindung erfasst eine Druckänderung, die durch das Atmen und Ähnliches eines Organismus erzeugt wird, basierend auf der Verformung des flexiblen Druckübertragungsteils. Dementsprechend sollte ein Zwischenraum zwischen dem Organismushalteteil und der Basis oder zwischen dem Druckübertragungsteil und der Basis, auf der der Druckübertragungsteil bereitgestellt ist, ausgebildet werden. Dies wirf Beschränkungen bezüglich der Reduzierung der Dicke der Vorrichtung auf, wobei eine hohe Messbelastung auf ein zu messendes Objekt auferlegt wird.
Die Erfindung von Patentliteratur 2 offenbart eine Technik des direkten Erfassens der Vibration der Vibrationsübertragungsplatte mit einem Sensor.
Diese Technik erfordert jedoch ein Verdünnen der Vibrationsübertragungsplatte, damit diese einfach vibriert, um eine Sensibilität zu erhöhen. Dementsprechend sollte eine Lastlagerung durch Verwendung eines Abstandshalters, der aus einem elastischen Element in der Form einer Spindel besteht, verbessert werden. Dies ergibt das Problem, dass die Technik von Patentliteratur 2 nicht auf relativ schwere Organismen, wie etwa Menschen, Hunde und Katzen angewendet werden kann.
Angesichts der vorstehend erwähnten momentanen Bedingungen ist die vorliegende Erfindung gedacht, um eine Bioinformationserfassungsvorrichtung bereitzustellen, die dazu in der Lage ist, eine Messbelastung, die auf ein zu messendes Objekt aufzubringen ist, zu reduzieren.
Mittel zum Lösen der Probleme
Die vorliegende Erfindung, um die vorstehend erwähnte Aufgabe zu erreichen, ist für eine Bioinformationserfassungsvorrichtung gedacht, zum Erfassen von Bioinformationen bzw. biologischen Informationen, wie etwa dem Atmungszustand, dem Herzschlag, und der Körperbewegung eines Organismus, basierend auf einer Vibration, die durch die Atmungsbewegung des Organismus erzeugt wird. Die Bioinformationserfassungsvorrichtung umfasst: eine drucksensitive Platte mit einer drucksensitiven Oberfläche zum Erfassen der Vibration; ein Substrat, das so angeordnet ist, dass es der drucksensitiven Platte gegenüber liegt; ein Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus, der zwischen der drucksensitiven Platte und dem Substrat angeordnet ist, wobei der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus eine Schwankung einer Schließkraft, die zwischen der drucksensitiven Platte und dem Substrat aufgebracht wird, basierend auf der Vibration, die auf die drucksensitive Oberfläche wirkt, erfasst; und eine Signalkombinierungseinheit zum Kombinieren einer Vielzahl von erfassten Signalen, die von dem Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus ausgegeben werden. Der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus umfasst: ein erstes piezoelektrisches Element, das auf der drucksensitiven Platte auf der gegenüberliegenden Seite der drucksensitiven Oberfläche angeordnet ist, wobei das erste piezoelektrische Element die Schwankung einer Schließkraft, die auf das erste piezoelektrische Element selbst wirkt, in ein erstes erfasstes Signal umwandelt; ein Übertragungselement, das auf dem ersten piezoelektrischen Element auf der gegenüberliegenden Seite der drucksensitiven Platte angeordnet ist, wobei das Übertragungselement die Schwankung einer Schließkraft überträgt; und ein zweites piezoelektrisches Element, das zwischen dem Übertragungselement und dem Substrat angeordnet ist, wobei das zweite piezoelektrische Element die Schwankung einer Schließkraft, die auf das zweite piezoelektrische Element selbst wirkt, in ein zweites erfasstes Signal umwandelt. Die Schwankung der Schließkraft, die basierend auf der Vibration, die auf die drucksensitive Oberfläche erzeugt wird, wird durch das Übertragungselement an sowohl das erste als auch das zweite piezoelektrische Element übertragen, und wird in das erste und zweite erfasste Signal umgewandelt. Das erste und zweite erfasste Signal werden durch die Signalkombinierungseinheit kombiniert, wodurch die Bioinformationen erfasst werden.
Bei der Bioinformationserfassungsvorrichtung ist die vorliegende Erfindung, um die vorstehend erwähnte Aufgabe zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stützelement zum Beibehalten einer konstanten Entfernung zwischen der drucksensitiven Platte und dem Substrat zwischen der drucksensitiven Platte und dem Substrat in einem Bereich, der den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus umgibt, angeordnet ist.
Bei der Bioinformationserfassungsvorrichtung ist die vorliegende Erfindung, um die vorstehend erwähnte Aufgabe zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorbelastung auf den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus in einem stationären Zustand aufgebracht wird, dadurch, dass eine Entfernung zwischen der drucksensitiven Platte und dem Substrat, die durch das Stützelement beibehalten wird, kleiner eingestellt wird, als eine Größe des Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus, in die Richtung der Schwankung einer Schließkraft, die bestimmt wird, während keine Last auf den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus aufgebracht wird.
Bei der Bioinformationserfassungsvorrichtung ist die vorliegende Erfindung, um die vorstehend erwähnte Aufgabe zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Signalextrahierungseinheit zum Extrahieren einer Herzschlagkomponente durch Filtern eines Ausgangssignals von der Signalkombinierungseinheit umfasst.
Bei der Bioinformationserfassungsvorrichtung ist die vorliegende Erfindung, um die vorstehend erwähnte Aufgabe zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass Stützelement zumindest in einer der vier Ecken der drucksensitiven Platte bereitgestellt ist, und dass der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus an einer Position angeordnet ist, die im Wesentlichen die Mitte der drucksensitiven Platte ist.
Vorzugsweise umfasst die vorliegende Erfindung weiterhin eine Analyseeinheit zum Analysieren eines Ausgangssignals von der Signalkombinierungseinheit und eines Ausgangssignals von der Signalextrahierungseinheit. Vorzugsweise glättet die Analyseeinheit die Signale weiter und erfasst entsprechende Spitzenwerte der Wellenformen durch Trennen von zumindest dem Atmungszustand, dem Herzschlag, und einer Körperbewegung eines menschlichen Körpers gleichzeitig oder unabhängig. Die Analyseeinheit erlaubt ebenso eine Bestimmung der Haltung eines menschlichen Körpers inklusive einem Überrollen bzw. Umdrehen während eines Schlafs. Weiterhin umfasst die Analyseeinheit vorzugsweise eine Frequenztrennungseinrichtung zum Trennen einer Schwankung einer erfassten Spannung um Bioinformationen zu erfassen.
Vorzugsweise besitzt das Übertragungselement der vorliegenden Erfindung eine Übertragungsfläche, die einen kleineren Bereich aufweist, als die druckempfangenden Oberflächen des ersten und zweiten piezoelektrischen Elements.
Vorzugsweise umfasst die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Erfassungsmodulen, die jeweils eine drucksensitive Platte, ein Substrat, einen Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus und Weiteres umfassen, und diese Umfassungsmodule nehmen gleichzeitig Messungen an einer Vielzahl von Stellen für Messungen eines Organismus vor, um den Atmungszustand, den Herzschlag und die Körperbewegung des Organismus zu erfassen. Die Stellen zur Messung des Organismus umfassen vorzugsweise einen Kopfbereich und einen abdominalen Bereich, und umfassen vorzugsweise ebenso einen Fußbereich.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die vorliegende Erfindung erreicht einen hervorragenden Effekt, da die Erfindung in der Lage ist, Bioinformationen, wie etwa Atmen, Körperbewegung und Körperhaltung präzise zu erfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das die Gesamtstruktur einer Bioinformationserfassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
2(a) ist eine Draufsicht eines Erfassungsmoduls der Bioinformationserfassungsvorrichtung und 2(b) ist eine Frontansicht des Erfassungsmoduls.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Schaltungsstruktur der Bioinformationserfassungsvorrichtung zeigt.
4 umfasst Graphen (A) und (B), die sich entsprechend auf ein Beispiel und ein vergleichendes Beispiel beziehen, die Wellenformen zeigen, die gebildet werden, wenn eine Atmungskomponente in einem Signal erfasst wird, das unter einem Kopfbereich durch die Bioinformationserfassungsvorrichtung erhalten wird.
5 umfasst Graphen (A) und (B), die sich entsprechend auf ein Beispiel und ein vergleichendes Beispiel beziehen, die Wellenformen zeigen, die gebildet werden, wenn eine Atmungskomponente in einem Signal erfasst wird, das unter einem abdominalen Bereich durch die Bioinformationserfassungsvorrichtung erhalten wird.
6 umfasst Graphen (A) und (B), die sich entsprechend auf ein Beispiel und ein vergleichendes Beispiel beziehen, die Wellenformen zeigen, die gebildet werden, wenn eine Herzschlagkomponente in einem Signal erfasst wird, das unter einem Kopfbereich durch die Bioinformationserfassungsvorrichtung erhalten wird.
7 umfasst Graphen (A) und (B), die sich entsprechend auf ein Beispiel und ein vergleichendes Beispiel beziehen, die Wellenformen zeigen, die gebildet werden, wenn eine Herzschlagkomponente in einem Signal erfasst wird, das unter einem abdominalen Bereich durch die Bioinformationserfassungsvorrichtung erhalten wird.
Ausführungsbeispiel(e) zum Durchführen der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als Nächstes mit Bezug auf die anhängigen Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt die Gesamtstruktur einer Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 umfasst ein Erfassungsmodul 100, eine Signalkombinierungseinheit 200, eine Signalextrahierungseinheit 300 und eine Signalanalyseeinheit 400. Das Erfassungsmodul 100 erfasst die Bioinformationen eines Organismus 1, wie etwa einen Atmungszustand, einen Herzschlag und eine Körperbewegung basierend auf einer Vibration, die durch die Atmungsbewegung des Organismus 1 erzeugt wird. Die Signalkombinierungseinheit 200 kombiniert eine Vielzahl von erfassten Signalen, die von dem Erfassungsmodul 100 ausgegeben werden. Die Signalextrahierungseinheit 300 filtert ein Ausgangssignal von der Signalkombinierungseinheit 200, um eine Herzschlagkomponente zu extrahieren. Die Signalanalyseeinheit 400 verwendet sowohl die Signale von der Signalkombinierungseinheit 200 als auch der Signalextrahierungseinheit 300, um eine Rauschentfernung und Ähnliches bezüglich der Ausgangssignale durchzuführen, und analysiert das Atmen, den Herzschlag, die Körperbewegung und Körperhaltung des Organismus 1 basierend auf einem Ergebnis der Rauschentfernung.
Das Erfassungsmodul 100 ist jeweils unter dem abdominalen Bereich und dem Kopfbereich des Organismus 1 platziert, wenn der Organismus 1 auf einem Bett 500 liegt. Um eine Messbelastung, die auf den Organismus aufzubringen ist, zu reduzieren, wird das Erfassungsmodul 100 vorzugsweise unter einem Kissen (z. B. für eine Messung eines Kopfbereichs) und unter einer Matratze (z. B. für eine Messung eines abdominalen Bereichs oder eines Fußbereichs) platziert. Das Erfassungsmodul 100 ist mit einem Ausgangskabel 24 bereitgestellt, durch das erfasste Signale zu der Einheit übertragen werden.
2 zeigt das Erfassungsmodul 100 auf eine vergrößerte Weise. 2(a) und 2(b) sind entsprechend ein Grundriss bzw. eine Draufsicht und eine Frontansicht der Bioinformationserfassungsvorrichtung 2. Das Erfassungsmodul 100 umfasst eine drucksensitive Platte 10, ein Substrat 30, Stützelemente 40 und einen Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50.
Die drucksensitive Platte 10 ist ein dünnes Plattenelement (in der Form einer Platte), die aus einem flexiblen Harz oder einem flexiblen Metall hergestellt ist. Die drucksensitive Platte 10 besitzt eine drucksensitive Oberfläche 12, die eine Vibration, die von einem Organismus übertragen wird, erfasst. Das Material der drucksensitiven Platte 10 ist nicht auf Harz oder Metall beschränkt. Die drucksensitive Platte 10 kann aus einem unterschiedlichen Material, wie etwa Keramik, das vorzugsweise eine hohe Steifheit bzw. Stabilität aufweist, das keine Verzögerungen bei der Signalübertragung erzeugt, hergestellt werden. Die drucksensitive Platte 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein rechteckiges dünnes Plattenelement (in der Form einer Platte). Die Form der drucksensitiven Platte 10 ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern die drucksensitive Platte 10 kann ebenso ein quadratisches oder kreisförmiges dünnes Plattenelement sein (dies gilt ebenso für das Substrat 30, das nachstehend beschrieben wird). Der Bereich der drucksensitiven Oberfläche 12 ist so eingestellt, dass er größer als der der druckempfangenden Oberfläche des Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 ist, der nachstehend beschrieben wird. Die drucksensitive Platte 10 besitzt eine Steifheit und mechanische Stärke, die es ermöglicht, dass die drucksensitive Platte 10 das Gewicht eines Organismus aushält. Dementsprechend, auch wenn die ducksensitive Platte 10 ein Gewicht (Belastung) von einem relativ schweren Organismus, wie etwa einem Menschen, einem Hund und einer Katze empfängt, deformiert sich die drucksensitive Platte 10 um einen Betrag, der einen Betrag, der nicht durch den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 erfasst werden kann, nicht übersteigt. Das vorliegende Ausführungsbeispiel verwendet eine Plastikplatte mit einer Dicke von 5 mm als die drucksensitive Platte 10. Die Größe der drucksensitiven Platte 10 ist z. B. 60 cm × 20 cm.
Das Substrat 30 ist derart angeordnet, dass es der drucksensitiven Platte 10 gegenüber liegt, und besteht aus einem Plattenelement (in der Form einer Platte), das aus Harz oder einem Metall mit einer hohen Steifheit besteht. Das Material des Substrates 30 ist nicht auf solch ein Harz oder Metall beschränkt. Das Substrat 30 kann aus einem unterschiedlichen Metall wie etwa Keramik, vorzugsweise mit einer hohen Steifheit, das keine Verzögerung bei einer Signalübertragung erzeugt, bestehen. Das Substrat 30 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein rechteckiges Plattenelement. Die Form des Substrates 30 ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern das Substrat 30 kann ebenso ein quadratisches oder kreisförmiges Plattenelement (in Form einer Platte) sein. Das Substrat 30 wird auf einer Bodenoberfläche oder Ähnlichem platziert, so dass die Steifigkeit des Substrates 30 durch die Integration des Substrates 30 mit der Bodenoberfläche beibehalten werden kann. Dies erlaubt es, dass das Substrat 30 dünner wird, als die drucksensitive Platte 10, die ihre Steifheit nur durch die drucksensitive Platte 10 selbst beibehält, wodurch eine Reduzierung der Dicke des gesamten Erfassungsmoduls 100 realisiert wird. Das vorliegende Ausführungsbeispiel verwendet eine Plastikplatte mit einer Dicke von 3 mm.
Die Stützelemente 40 sind metallische säulenförmige Elemente mit hoher Steifheit. Vier Stützelemente 40 sind in den entsprechenden vier Ecken zwischen der drucksensitiven Platte 10 und dem Substrat 30 platziert. Die Stützelemente 40 besitzen obere und untere Oberflächen, die mit der drucksensitiven Platte 10 und dem Substrat 30 befestigt sind, um eine konstante Entfernung zwischen der drucksensitiven Platte 10 und dem Substrat 30 beizubehalten. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Entfernung zwischen der drucksensitiven Platte 10 und dem Substrat 30 (eine Länge der Stützelemente 40) auf 5 mm eingestellt. Das Material der Stützelemente 40 ist nicht auf ein Metall mit hoher Steifheit beschränkt. Die Stützelemente 40 können aus einem unterschiedlichen Material wie etwa einen hochstabilen Harz und Keramik, die vorzugsweise eine hohe Steifheit aufweisen, das keine Verzögerung bei einer Signalübertragung erzeugt, bestehen. Weiterhin weisen die Stützelemente 40 nicht notwendigerweise eine säulenförmige Form auf, sondern können ebenso eine Form aufweisen, die vorzugsweise eine Vierkantstange oder eine Dreikantstange ist.
Der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 ist zwischen der drucksensitiven Platte 10 und dem Substrat 30 angeordnet. Basierend auf einer Vibration, die auf die drucksensitive Oberfläche 12 wirkt, erfasst der Schließkraftschwankungsmechanismus 50 eine Schwankung einer Schließkraft, die zwischen der drucksensitiven Platte 10 und dem Substrat 30 aufgebracht wird. Der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 umfasst ein erstes piezoelektrisches Element 60, ein Übertragungselement 70 und ein zweites piezoelektrisches Element 80, die in dieser Reihenfolge in einer Richtung von der drucksensitiven Platte 10 zu dem Substrat 30 angeordnet sind. Die gegenüberliegenden Enden der Stützelemente 40 sind mit der drucksensitiven Platte 10 und dem Substrat 30 entsprechend in einem Bereich, der den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 umgibt, befestigt, wodurch eine konstante Entfernung zwischen der drucksensitiven Platte 10 und dem Substrat 30, wie vorstehend beschrieben, beibehalten wird.
Das erste piezoelektrische Element 60 ist auf der drucksensitiven Platte 10 auf der gegenüberliegenden Seite der drucksensitiven Oberfläche 12 angeordnet. Das erste piezoelektrische Element 60 wandelt eine Schwankung einer Schließkraft, die auf das erste piezoelektrische Element 60 selbst wirkt, in ein erstes erfasstes Signal um. Das erste piezoelektrische Element 60 besitzt eine Form einer runden Platte. Als Reaktion auf eine Schwankung einer Schließkraft, die auf das erste piezoelektrische Element 60 aufgebracht wird, erzeugt das erste piezoelektrische Element 60 Spannungen an seinem gegenüberliegenden Ende als Reaktion auf den aufgebrachten Druck (eine negative Spannung an einem Ende und eine positiven Spannung an dem gegenüberliegenden Ende). Dieses erste piezoelektrische Element 60 weist nicht notwendigerweise die Form einer runden Platte auf, sondern kann ebenso eine unterschiedliche Form, die z. B. vorzugsweise ein Rechteck oder ein Quadrat ist, aufweisen. Das erste piezoelektrische Element 60 ist mit einem haftenden Mittel, das aus Silikonharz besteht, an der drucksensitiven Platte 10 befestigt. Das haftende Mittel, das aus Silikonharz besteht, weist eine hervorragende elektrische Isolierung, Wasserfestigkeit und Wärmebeständigkeit auf.
Das Übertragungselement 70 ist ein säulenförmiges Element, das aus einem hochsteifen Metall besteht. Das Übertragungselement 70 ist auf dem ersten piezoelektrischen Element 60 auf der gegenüberliegenden Seite der drucksensitiven Platte 10 angeordnet und überträgt eine Schwankung einer Schließkraft. Das erste piezoelektrische Element 60 und das Übertragungselement 70 sind mit einem elastischen haftenden Element, das aus Epoxydharz besteht, befestigt. Das Material des Übertragungselementes 70 ist nicht auf ein hochsteifes Metall beschränkt. Das Übertragungselement 70 kann aus einem unterschiedlichen Material, wie etwa einem hochsteifen Harz und Keramik hergestellt werde, das vorzugsweise eine hohe Steifigkeit aufweist, das keine Verzögerung bei einer Signalübertragung erzeugt.
Das zweite piezoelektrische Element 80 besitzt die gleiche Struktur wie das erste piezoelektrische Element 60. Das zweite piezoelektrische Element 80 ist auf dem Übertragungselement 70 auf der gegenüberliegenden Seite des ersten piezoelektrischen Elements 60 angeordnet, und zwar ist es zwischen dem Übertragungselement 70 und dem Substart 30 angeordnet. Das zweite piezoelektrische Element 80 wandelt eine Schwankung einer Schließkraft, die auf das zweite piezoelektrische Element 80 selbst wirkt, in ein zweites erfasstes Signal um. Das zweite piezoelektrische Element 80 und das Übertragungselement 70 sind mit einem elastischen haftenden Mittel, das aus Epoxydharz besteht, befestigt (fest verbunden). Das zweite piezoelektrische Element 80 und das Substrat 30 sind mit einem haftenden Mittel, das aus Silikonharz besteht, befestigt (fest verbunden). Um genau zu sein, ist das zweite piezoelektrische Element 80 zwischen dem Übertragungselement 70 und dem Substrat 30 einstückig mit dem Übertragungselement 70 und dem Substrat 30 bereitgestellt (so dass im Wesentlichen kein Raum zwischen dem zweiten piezoelektrischen Element 80 und dem Übertragungselement 70 und zwischen dem zweiten piezoelektrischen Element 80 und dem Substrat 30 gelassen wird). Somit ist das zweite piezoelektrische Element 80 dazu in der Lage, einen Druck (Schwankung einer Schließkraft), die von dem Übertragungselement 70 empfangen wird, ohne Verlust in eine Spannung (zweites erfasstes Signal) umzuwandeln.
Das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 sind Elemente, die Spannungen durch die Funktionsweise des piezoelektrischen Effektes (piezoelektrischen Phänomens) als Reaktion auf einen Druck (Schließkraft), der in eine Dickenrichtung bzw. Richtung einer Dicke aufgebracht wird, erzeugt. Das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 sind sogenannte Piezo-Elemente. Um genau zu sein werden das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 des vorliegenden Ausführungsbeispiels nur in einen Betrieb gebracht, nachdem diese von entgegengesetzten Seiten gedrückt werden, und erfassen keine Beschleunigung und Ähnliches nur durch das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 selbst. Zum Beispiel ist ein Element, wie etwa ein piezoelektrischer Wandler, von großer Bequemlichkeit, da er dazu in der Lage ist, ein elektrisches Signal als Reaktion auf z. B. eine Änderung einer Beschleunigung auszugeben, wenn der piezoelektrische Wandler selbst vibriert. Die Empfindlichkeit einer Erfassung hängt jedoch von dem Leistungsvermögen des piezoelektrischen Wandlers ab, und deshalb gibt es Beschränkungen bezüglich der Sensibilität.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzen das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 eine Dicke von ungefähr 0,6 mm und das Übertragungselement 70 besitzt die gleiche Länge (Dicke) von 5 mm, wie die Stützelemente 40. Dementsprechend ist der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 um eine Länge von 1,2 mm größer als die Stützelemente 40. Die Stützelemente 40 behalten eine konstante Entfernung von 5 mm zwischen dem Substrat 30 und der drucksensitiven Platte 10 bei, wie vorstehend beschrieben, so dass eine Vorlast (Schließkraft) auf den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 in einem stationären Zustand aufgebracht wird. Durch Aufbringen solch einer Vorlast können das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 eine Schwankung einer Schließkraft, die auf den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 wirkt, in analogen Wellenformen in der gleichen Phase mit einem hohen Grad an Sensibilität erfassen.
Ausgangsleistungen des ersten und zweiten piezoelektrischen Elements 60 und 80 sind 0 V, wenn es keine Schwankung einer Schließkraft gibt. Dementsprechend wird das Erfassungsmodul 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels nicht durch unterschiedliche Gewichte eines Organismus, der zu messen ist beeinflusst. Wenn eine Schließkraft, die zwischen dem Substrat 30 und der drucksensitiven Platte 10 aufgebracht wird, als Reaktion auf eine sehr kleine Vibration, die durch die ausgeatmete Luft, einen Puls, und Ähnliches des Organismus 1 erzeugt wird, variiert, erfasst der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 präzise diese Schwankung. Genauer verursacht der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50, dass das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 die gleiche Schwankung einer Schließkraft zur gleichen Zeit durch das Übertragungselement 70 erfassen. Dies führt dazu, dass das erste und zweite erfasste Signal im Wesentlichen analoge Signale mit einer Wellenform der gleichen Phase sind. Piezoelektrische Eigenschaften führen dazu, dass das erste und zweite erfasste Signal Wellenformen aufweisen, die Spannungen entsprechen, die als Antwort auf eine Verformungsbelastung, die auf das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 aufgebracht wird, auszugeben sind. Um genau zu sein, wird eine Schwankung einer Schließkraft, die basierend auf einer Vibration, die auf die drucksensitive Oberfläche 12 wirkt, erzeugt wird, durch das Übertragungselement 70 an sowohl das erste als auch zweite piezoelektrische Element 60 und 80 zur gleichen Zeit übertragen, und wird in die im Wesentlichen analogen ersten und zweiten erfassten Signale mit Wellenformen in der gleichen Phase umgewandelt. Dann kombiniert die Signalkombinierungseinheit 200, die später beschrieben wird, das erste und zweite erfasste Signal.
Genauer, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, da der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 in der Mitte der drucksensitiven Platte 10 angeordnet ist, können das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 eine Schwankung eines Drucks, der auf die drucksensitive Platte aufgebracht wird, unabhängig von der Position des Aufbringens des Drucks gleichzeitig erfassen. Weiterhin ist der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 konfiguriert, um eine Schwankung einer Schließkraft, die zwischen der drucksensitiven Platten 10 und dem Substrat 30 aufgebracht wird, zu erfassen. Dementsprechend, auch wenn sich eine Schließkraft langsam mit einer Beschleunigung von fast Null als Reaktion auf zum Beispiel eine Körperbewegung oder ein Atmen ändert, ist der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 dazu in der Lage, diese Schwankung zuverlässig zu erfassen. Eine herkömmliche Struktur des direkten Erfassens der Vibration der drucksensitiven Platte 10 kann diese Schwankung nicht erfassen, solange die drucksensitive Platte 10 selbst nicht ausreichend vibriert, oder solange die drucksensitive Platte 10 selbst nicht signifikant deformiert wird.
3 zeigt eine Schaltungsstruktur für die Signalkombinierungseinheit 200 und die Signalextrahierungseinheit 300. Die Signalkombinierungseinheit 200 umfasst Pufferverstärker 210, die für entsprechende Ausgangskabel des ersten und zweite piezoelektrischen Elements 60 und 80 bereitgestellt sind, und eine Addiererschaltung (Addiererverstärker) 220 zum Kombinieren des ersten und zweiten erfassten Signals, das durch die Pufferverstärker 210 übertragen wird. Ein Ausgangssignal von der Signalkombinierungseinheit 200 enthält Informationen sowohl über ein Atmen als auch über einen Herzschlag. Allgemein besitzt ein Atmen eine niedrige Frequenz und besitzt ein Herzschlag eine hohe Frequenz. Dementsprechend verwendet die Signalextrahierungseinheit 300 das Ausgangssignal von der Signalkombinierungseinheit 200, um eine Hochfrequenzkomponente durch Entfernen der Frequenz des Atmens mit einem Hochpass- und einem Tiefpassfilter 310. Genauer entfernt der Hochpassfilter eine Niedrigfrequenzkomponente, die durch das Atmen selbst, eine Körperbewegung und Ähnliches erzeugt wird. Unterdessen entfernt der Tiefpassfilter Rauschen, um eine deutliche Hochfrequenzkomponente zu bilden. Als ein Ergebnis werden eine Atmungskomponente und Rauschen entfernt, um nur eine Herzschlagkomponente zu extrahieren.
Wie vorstehend beschrieben, werden bei der Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Komponenten einer Schwankung einer Schließkraft, die gleichzeitig durch das erste und zweite piezoelektrische Element 60 und 80 erfasst werden, durch die Signalkombinierungseinheit 200 kombiniert. Dies erlaubt eine signifikante Erhöhung einer Erfassungssensibilität. Zum Beispiel wird eine Atmungsfrequenz durch Erfassen von Spitzen in der geglätteten Wellenform eines Ausgangssignals von der Signalkombinierungseinheit 200 bestimmt. In manchen Fällen macht es eine Erfassung mit einem piezoelektrischen Element unmöglich, Spitzen aufgrund des Einflusses von Rauschen und Ähnlichem zu erfassen. Im Gegensatz dazu können Spitzenwerte in einer geglätteten Wellenform in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel klar gemacht werden, was es möglich macht, eine Erfassungsgenauigkeit zu verbessern. Als ein weiteres Beispiel, zur Erfassung eines Herzschlags, wird ein Ausgangssignal von der Signalextrahierungseinheit 300 einer Wellenformverarbeitung, wie etwa einer Differentiation erster Ordnung unterzogen, und dann werden negative Spitzen in der Wellenform erfasst. Wenn die negativen Spitzen mit einem piezoelektrischen Element erfasst werden, weisen die negativen Spitzen einen breiten Bereich von Schwankungen auf, was es schwierig macht, zwischen einer unterschiedlichen Rauschkomponente und den negativen Spitzen zu unterscheiden. Im Gegensatz dazu formt das vorliegende Ausführungsbeispiel homogene negative Spitzenlevel und erhöht eine Differenz zwischen einer unterschiedlichen Rauschkomponente und Spitzenwerten.
Dies macht es möglich, eine Bestimmung einer Richtigkeit vorzunehmen, um eine Erfassungsgenauigkeit zu erhöhen.
Weiterhin, bei der Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, bringt das Vorhandensein des Substrats 30, der drucksensitiven Platte 10 und der Stützelemente 40 eine Vorlast (Schließkraft) auf den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus 50 in einem Zustand keiner Belastung auf, um immer eine bevorzugte Erfassungssensibilität beizubehalten. Dies ermöglicht es, dass die erfassten Signale des ersten und zweiten piezoelektrischen Elements 60 und 80 die gleiche Phase aufweisen. Dementsprechend können notwendige Informationen ausdrücklich einfach ausgegeben werden, durch Kombinieren dieser erfassten Signale, wie vorstehend bereits beschrieben ist. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass Rauschkomponenten, die in Abhängigkeit der entsprechenden Umstände des ersten und zweiten piezoelektrischen Elements 60 und 80 erzeugt werden, zur gleichen Zeit erscheinen und die gleiche Phase aufweisen. Somit verhindert eine Addition des ersten und zweiten erfassten Signals weiterhin, dass eine Rauschkomponente ausdrücklich auftritt, wodurch es möglich wird, ein S/N-Verhältnis zu verbessern.
Beispiel und vergleichendes Beispiel
Wellenformcharakteristika, die tatsächlich durch die Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfasst werden, werden als nächstes beschrieben. Wellenformcharakteristika, die durch eine Bioinformationserfassungsvorrichtung erhalten werden, die nicht öffentlich bekannt ist, werden ebenso als ein vergleichendes Beispiel beschrieben. Diese Bioinformationserfassungsvorrichtung besitzt im Wesentlichen die gleiche Struktur wie die Vorrichtung 2, aber umfasst nur ein piezoelektrisches Element in einem Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus. Bezüglich der Testumgebung wurde eine kommerziell erhältliche Bettauflage (mit einer Dicke von 19 cm) als ein Bett verwendet, und die gleiche Person wurde in dem Beispiel und dem vergleichenden Beispiel auf die Bettauflage gelegt, um Bioinformationen unter einem Kopfbereich und einem abdominalen Bereich zu erfassen. In den Wellenformdiagrammen, auf die nachstehend Bezug genommen wird, gibt eine vertikale Achse eine Spannung an und gibt eine horizontale Achse die Zeit an.
4(A) zeigt ein Ergebnis, das durch Glätten einer Wellenform (kombinierte Wellenform von Atmen und Herzschlag), die von der Ausgabe der Signalkombinierungseinheit 200 erhalten wird, wenn die Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 des Beispiels unter dem Kopfbereich platziert wurde, um eine Niedrigfrequenzkomponente ersichtlich zu machen, und danach Bestimmen der Spitzenwerte der Niedrigfrequenzkomponente erhalten wird. 4(B) zeigt ein Ergebnis, das in einem vergleichenden Beispiel unter den gleichen Bedingungen erhalten wird. Diese Spitzenwerte geben einen Zeitpunkt eines Atmens an. Wie aus der Figur klar ersichtlich ist, ist eine Differenz zwischen dem höchsten und niedrigsten Spitzenwerten in der Wellenform (A) des Beispiels derart, dass der niedrigste Spitzenwert einen Wert, der ungefähr die Hälfte des höchsten Spitzenwerts ist, nicht überschreitet. Im Gegensatz dazu ist eine Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Spitzenwerten in der Wellenform (B) des vergleichenden Beispiels groß, was es schwierig macht, in manchen Fällen zwischen einer Atmungskomponente und einer Rauschkomponente zu unterscheiden. Genauer erfährt das vergleichende Beispiel eine große Amplitudeschwankung, wohingegen das Beispiel relativ geringe Änderungen einer Amplitude selbst erfährt.
5(A) zeigt ein Ergebnis, dass durch Glätten einer Wellenform (eine kombinierte Wellenform des Atmens und des Herzschlages), die von der Ausgabe der Signalkombinierungseinheit 200 erhalten wird, wenn die Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 des Beispiels unter dem abdominalen Bereich platziert wurde, um eine Niedrigfrequenzkomponente ersichtlich zu machen, und danach Bestimmen der Spitzenwerte der Niedrigfrequenzkomponente erhalten wird. 5(B) zeigt ein Ergebnis, dass in einem vergleichenden Beispiel unter den gleichen Bedingungen erhalten wird. Wie in 4, zeigt die Wellenform (A) des Beispiels deutlich, dass eine Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Spitzenwerten in einen sehr kleinen Bereich fällt. Im Gegensatz dazu ist eine Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Spitzenwerten in der Wellenform (B) des vergleichenden Beispiels groß, was es schwierig macht, in manchen Fällen zwischen einer Atmungskomponente und einer Rauschkomponente zu unterscheiden. Genauer erfährt das vergleichende Beispiel eine große Amplitudenschwankung, wohingegen das Beispiel eine relativ kleine Änderung einer Amplitude selbst erfährt.
6(A) zeigt ein Ergebnis, dass durch Nutzen einer Wellenform (Wellenform eines Herzschlags), das von der Ausgabe der Signalextrahierungseinheit 300 erhalten wird, wenn die Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 des Beispiels unter dem Kopfbereich platziert wurde, um die Spitzenwerte der Wellenform zu bestimmen, erhalten wird. 6(B) zeigt ein Ergebnis, das in dem vergleichenden Beispiel unter den gleichen Bedingungen erhalten wird. Diese Spitzenwerte geben den Zeitpunkt eines Herzschlags an. 6 zeigt deutlich, dass eine Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Spitzenwerten in der Wellenform (A) des Beispiels derart ist, dass der niedrigste Spitzenwert einen Wert, der ungefähr die Hälfte des höchsten Spitzenwerts ist, nicht überschreitet, und das Rauschen reduziert wird. Im Gegensatz dazu, zeigt die Wellenform (B) des vergleichenden Beispiels, dass eine Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Spitzenwerten groß ist und eine Rauschkomponente relativ groß ist, was es schwierig macht, in manchen Fällen zwischen einer Herzschlagkomponente und einer Rauschkomponente zu unterscheiden.
7(A) zeigt ein Ergebnis, das durch Nutzen einer Wellenform (Wellenform eines Herzschlags), dass von der Ausgabe der Signalextrahierungseinheit 300 erhalten wird, wenn die Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 des Beispiels unter dem abdominalen Bereich platziert wurde, um die Spitzenwerte der Wellenform zu bestimmen, erhalten wird. 7(B) zeigt ein Ergebnis, das in dem vergleichenden Beispiel unter den gleichen Bedingungen erhalten wird. Ähnlich wie in 6 zeigt 7 ebenso, dass eine Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Spitzenwerten in der Wellenform (A) des Beispiels derart ist, dass der niedrigste Spitzenwert einen Wert, der ungefähr die Hälfte des höchsten Spitzenwerts ist, nicht überschreitet. Im Gegensatz dazu, zeigt die Wellenform (B) des vergleichenden Beispiels, dass eine Differenz zwischen den höchsten und niedrigsten Spitzenwerten groß ist und eine Rauschkomponente relativ groß ist, was es schwierig macht, in manchen Fällen zwischen einer Herzschlagkomponente und einer Rauschkomponente zu unterscheiden.
Wie von dem Beispiel und dem vergleichenden Beispiel verstanden wird, erreicht eine Verwendung der Bioinformationserfassungsvorrichtung 2 mit einem Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus mit zwei piezoelektrischen Elementen nicht nur einen Verstärkungseffekt, sondern es erlaubt ebenso eine Verbesserung eines S/N-Verhältnisses durch Stabilisieren von Spitzenwerten und Reduzieren von Rauschen, was zu einem erhöhten Grad einer Erfassungsgenauigkeit führt.
Die Bioinformationserfassungsvorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern verschiedene Änderungen können natürlich zu der Bioinformationserfassungsvorrichtung 1 hinzugefügt werden, ohne sich vom Umfang der vorliegenden Erfindung zu entfernen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Bioinformationserfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen ist in einem Bereich inklusive einer Erfassung und einer Analyse von Bioinformationen, wie etwa Atmen, medizinische Untersuchungen, und präventive medizinische Vorsorge anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-54606 [0002]
WO 2007/029326 [0003]

Claims

Bioinformationserfassungsvorrichtung zum Erfassen von Bioinformationen, wie etwa einen Atmungszustand, einen Herzschlag und eine Körperbewegung eines Organismus basierend auf einer Vibration, die durch eine Atmungsbewegung des Organismus erzeugt wird, wobei die Bioinformationserfassungsvorrichtung aufweist: eine drucksensitive Platte mit einer drucksensitiven Oberfläche zum Erfassen der Vibration; ein Substrat, das angeordnet ist, so dass es der drucksensitiven Platte gegenüberliegt; einen Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus, der zwischen der drucksensitiven Platte und dem Substrat angeordnet ist, wobei der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus eine Schwankung einer Schließkraft, die zwischen der drucksensitiven Platte und dem Substrat aufgebracht wird, basierend auf der Vibration, die auf die drucksensitive Oberfläche wirkt, erfasst; und eine Signalkombinierungseinheit zum Kombinieren einer Vielzahl von erfassten Signalen, die von dem Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus ausgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus umfasst: ein erstes piezoelektrisches Element, das auf der drucksensitiven Platte auf einer gegenüberliegenden Seite der drucksensitiven Oberfläche angeordnet ist, wobei das erste piezoelektrische Element die Schwankung einer Schließkraft, die auf das erste piezoelektrische Element selbst wirkt, in ein erstes erfasstes Signal umwandelt; ein Übertragungselement, das auf dem ersten piezoelektrischen Element auf einer gegenüberliegenden Seite der drucksensitiven Platte angeordnet ist, wobei das Übertragungselement die Schwankung einer Schließkraft übertragt; und ein zweites piezoelektrisches Element, das zwischen dem Übertragungselement und dem Substrat angeordnet ist, wobei das zweite piezoelektrische Element die Schwankung einer Schließkraft, die auf das zweite piezoelektrische Element selbst wirkt, in ein zweites erfasstes Signal umwandelt; dass die Schwankung einer Schließkraft, die basierend auf der Vibration, die auf die drucksensitive Oberfläche wirkt, erzeugt wird, durch das Übertragungselement an sowohl das erste piezoelektrische Element als auch das zweite piezoelektrische Elemente übertragen wird, und in das erste und zweite erfasste Signal umgewandelt wird, und dass das erste und zweite erfasste Signal durch die Signalkombinierungseinheit kombiniert werden, wodurch die Bioinformationen erfasst werden.
Bioinformationserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stützelement zum Beibehalten einer konstanten Entfernung zwischen der drucksensitiven Platte und dem Substrat zwischen der drucksensitiven Platte und dem Substrat in einem Bereich um den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus herum angeordnet ist.
Bioinformationserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorlast auf den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus in einem stationären Zustand aufgebracht wird, dadurch, dass eine Entfernung zwischen der drucksensitiven Platte und dem Substrat, die durch das Stützelement beibehalten wird, kleiner eingestellt wird, als eine Größe des Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus in eine Richtung der Schwankung einer Schließkraft, die bestimmt wird, während keine Last auf den Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus aufgebracht wird.
Bioinformationserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese weiterhin eine Signalextrahierungseinheit zum Extrahieren einer Herzschlagkomponente durch Filtern eines Ausgangssignals von der Signalkombinierungseinheit umfasst.
Bioinformationserfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement zumindest in jeder der vier Ecken der drucksensitiven Platte bereitgestellt ist, und dass der Schließkraftschwankungserfassungsmechanismus an einer Position angeordnet ist, die im Wesentlichen die Mitte der drucksensitiven Platte ist.