JP2006204534A - 体圧変動検出装置、生体情報管理装置、生体情報管理システム、生体情報管理プログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】 生体の任意の場所に取り付けることができ、自由に行動する生体を捕捉せずに、脈拍および脈波に関する電圧信号を測定して外部へ送信することができる体圧変動検出装置を実現する。
【解決手段】 センサ／回路部１は、マウスの尻尾７の脈拍および脈波に関する電圧信号を取得するセンサ／回路部１であって、シート状の圧電体１４・１５とシート状の外部電極１２・１３、内部電極１６とが互いに交互に積層されて成る圧電センサ１０により、電圧信号をマウスの尻尾７の体表の圧力変動から検出するとともに、圧電体１４・１５と外部電極１２・１３、内部電極１６とをマウスの尻尾７に押し当てて固定する固定部材１１と、電圧信号を外部へ送信する第１の送受信回路部とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生体の脈拍および脈波を、非観血式の測定方法によって測定する、体圧変動検出装置、生体情報管理装置、生体情報管理システム、生体情報管理プログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体に関するものである。

実験動物に限らず、人体などの生体の脈拍および脈波は、心臓や血管の状態を反映する現象の一つである。それゆえ、脈拍および脈波は、生体の健康状態を推定するために用いられるパラメータである。脈拍および脈波の測定方法は、大きく観血式の測定方法と、非観血式の測定方法との二つの測定方法に分類される。

観血式の測定方法は、血管に針などを穿刺し、血管内部の圧力変動を直接的に計測する測定方法である。そのため、観血式の測定方法は、出血を伴うなど、生体への負担が大きく、常時測定には向かない。一方、非観血式の測定方法は、生体の皮膚の上から間接的に血管内部の圧力変動を計測する測定方法であり、圧力による測定方法と、光学的な測定方法とがある。

非観血式の圧力による測定方法の代表例として、特許文献１に記載のカフ式血圧・脈拍計を用いた測定方法がある。この測定方法は、環状のカフを腕などの動脈を有する部分に装着し、空気圧によってそれを圧迫した後に、カフ内空気の緩慢な開放時に発生するカフ内圧の脈動によって脈拍や脈拍を計測する測定方法である。

本発明者らが発明した特許文献２に記載の薄型圧力センサ（圧電式センサ）は、図８に示すように、圧電体層１００・１０１、外部電極１０２・１０３、および内部電極１０４を備えている。外部電極１０２の一方の面には、圧電体層１００が設けられており、外部電極１０３の一方の面には、圧電体層１０１が設けられている。そして、外部電極１０２と、外部電極１０３とを対向させた状態で、圧電体層１００と圧電体層１０１とで、内部電極１０４を挟持している。すなわち、薄型圧力センサは、外部電極１０３、圧電体層１０１、内部電極１０４、圧電体層１００、および外部電極１０２が、この順で積層された構造となっている。なお、外部電極１００には、内部電極１０４のために導通用窓１０５が設けられている。

この薄型圧力センサは、外部電極１０２・１０３によって内部電極１０４を完全に包囲し、内部電極１０４を外界から完全に遮断して、外部電極１０２・１０３を電気的に接地することによって、内部電極１０４から接触対象物への電荷のリークを完全に遮断して、接触圧センサとしての機能を実現させることができる。

また、この薄型圧力センサは、柔軟性を有している。それゆえ、着衣に組み込んだり、直接人体に接触させたり、柔軟性を有するサポータに貼り付けたりして、人体表面に発生する圧力変動を計測することができ、活動状態においても、人体の脈拍や呼吸状態を検出することができる。
特許公開平５−３１７２７４（平成５年１２月３日 公開） 特許公開２００２−３３３３７３（平成１４年１１月２２日 公開） 特許公表２００３−５３２４７５（平成１５年１１月５日 公開） 特許公開平８−８８５８６（平成８年４月２日 公開）

非観血式の測定方法のすぐれた点は、生体への負担がほとんどないことにあるが、それゆえに、種々の制約が発生する。

特許文献１に記載のカフ式血圧・脈拍計は、環状のカフを生体に装着する必要があり、環状であるがゆえに、生体の任意の箇所に装着することがきない。

また、カフには、気圧を供給する必要があり、生体に常時装着する場合は、エアーポンプに接続された空気供給チューブによって、生体の行動の自由を制限することとなる。すなわち、自由に動き回る、例えば遺伝子改変マウスなどに対しての利用は困難である、という問題があった。

特許文献２に記載の圧電式センサは、主に人体に取り付けることを目的として発明されたセンサであるため、多くの数の脈拍および脈波を測定する必要がある遺伝子改変マウスなどに対して用いる場合には、１匹、１匹捕まえて測定する必要があり、多大な労力を有するという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、生体の任意の場所に取り付けることができ、自由に行動する生体を捕捉せずに、脈拍および脈波の体圧変動から脈拍および脈波に関する情報を検出することができる体圧変動検出装置、および脈拍および脈波を測定することができる生体情報管理システムを提供することにある。

本発明の体圧変動検出装置は、上記課題を解決するために、生体の脈拍および脈波に関する電圧信号を取得する体圧変動検出装置であって、シート状の圧電体とシート状の電極とが交互に積層されて成る積層シートにより、電圧信号を生体の体表の圧力変動から検出するとともに、上記積層シートを生体に押し当てて固定する固定部材と、上記電圧信号を外部へ送信する第１の通信手段とを備えていることを特徴としている。

本発明は、生体の体表の圧力変動から、脈拍および脈波を求める、いわゆる観血式の測定装置である。

体表の圧力変動が固定部材によって体表に押し当てられたシート状の圧電体に伝わると、圧電効果によって、圧力が電荷に変換される。この変換された電荷は、電極により取り出される。取り出された電荷は、電圧信号（脈拍および脈波に関する情報）として第１の通信手段によって外部に送信される。

それゆえ、最初に圧電体と電極とから成る積層シートを生体に固定さえしておけば、従来のように、生体を捕捉することなく、自由に行動する複数の生体の脈拍および脈波に関する電圧信号を取得できる。さらに、単に、シート状の圧電体および電極を生体の体表に押し当てているだけであるので、生体の任意の場所に取り付けることができる。また、第１の通信手段によって、複数の生体の電圧信号を計測して外部へ送信することができる。従って、自由に行動する生体を捕捉せずに、脈拍および脈波の体圧変動から電圧信号を検出することができる。

また、本発明の体圧変動検出装置では、上記電圧信号を増幅する増幅手段を備えていることが好ましい。上記構成によれば、電圧信号を増幅することができるので、温度変化などによる電荷の静電容量の変動を回避することができる。すなわち、正確な電圧信号を外部へ送信することができる。

また、本発明の体圧変動検出装置では、上記生体が複数の場合に、各生体の個体を識別する識別手段を備えていることが好ましい。上記構成によれば、生体の個体を識別することができ、どの生体の脈拍および脈波に関するデータなのかを分類することができる。それゆえ、生体の管理を容易に行うことができる。

また、本発明の体圧変動検出装置では、上記第１の通信手段は、上記外部と、上記電圧信号を含む生体に関するデータ、および／または、上記圧力変動の検出を制御するためのコマンドの送受信を行うことが好ましい。ここで、コマンドとは、例えば装置のオン・オフの命令などである。上記構成によれば、電圧信号を含む生体に関するデータ、および／または、上記圧力変動の検出を制御するためのコマンドの送受信を行うことができるため、体圧変動検出装置の動作のバリエーションを増やすことができる。

また、本発明の体圧変動検出装置では、上記送受信は、無線にて行われることが好ましい。上記構成によれば、無線にてデータおよび／またはコマンドの送受信を行うため、生体を捕捉する必要がない。また、無線通信の場合には、光学的通信手段のような、周辺環境の照明の条件によって測定データに予期しない外乱が混入するということがない。

また、本発明の体圧変動検出装置では、上記送受信は、赤外線にて行われることが好ましい。上記構成によれば、データおよび／またはコマンドの送受信を赤外線にて行っているので、各種医療機器への影響が少ない。

また、本発明の体圧変動検出装置では、上記送受信は、可視光線にて行われることが好ましい。上記構成によれば、データおよび／またはコマンドの送受信を可視光線にて行うので、デバイスの入手が容易であり、装置を安価に作ることができる。

また、本発明の体圧変動検出装置では、上記送受信は、レーザーを用いて行われることが好ましい。上記構成によれば、データおよび／またはコマンドの送受信をレーザーを用いて行っているので、外乱光の影響を受けにくい。

また、本発明の体圧変動検出装置では、上記積層シートは、折り返されていることが好ましい。上記構成によれば、単に、積層させた積層シートよりも、同一の生体の体表面積における圧電体の量（長さ）を増やすことができる。従って、体表から求める圧力変動の検出感度を上げることができる。

また、本発明の体圧変動検出装置では、上記積層シートは、上記生体の体表に、らせん状に巻きつけられていることが好ましい。

上述したように、固定部材によって、積層シートは、生体の体表に押し当てられる。一方、積層シートと体表との接地面積が大きい程、体表から求める圧力変動の検出感度を上げることができる。

しかしながら、一部分に偏って積層シートを設けたのでは、その部分に積層シートが押し当てられ、体表が圧迫されるため、正確な検出ができないという問題がある。これに対して、上記構成によれば、積層シートを生体の体表にらせん状に巻きつけている。従って、一部分の体表を圧迫することなく、積層シートとの接地面積を上げることができる。

また、本発明の体圧変動検出装置では、上記積層シートは、上記固定部材によって覆われていることが好ましい。

固定部材は、積層シートのいずれかの箇所を覆って体表に押し当てられていればよいが、積層シートに固定部材によって覆われていない箇所があると、以下のような不具合が生じる。すなわち、たとえば不規則に動き回る動物に積層シートを取り付けた場合、固定部材によって覆われていない箇所（固定されていない箇所）があると、その箇所も不規則に動いてしまう。それゆえ、体表から検出したデータに大きなノイズがのってしまうという問題が生じる。これに対して、上記構成によれば、積層シートは、固定部材によって覆われているので、固定部材によって固定されていない箇所がなく、体表から検出したデータに生じるノイズを減らすことができる。

また、本発明の生体情報管理装置は、上記いずれかに記載の体圧変動検出装置からの電圧信号を受信する第２の通信手段と、この電圧信号を脈拍および脈波信号へ変換する処理手段とを備えていることが好ましい。上記構成によれば、体圧変動検出装置から送信されてきた、電圧信号を第２の通信手段にて受信して、脈拍および脈波を処理手段にて測定することができる。

また、本発明の生体情報管理装置では、上記第２の通信手段は、上記体圧変動検出装置へ電力の送信を行うことが好ましい。上記構成によれば、体圧変動検出装置に非接触で、この体圧変動検出装置へ電力を供給することができるため、体圧変動検出装置に電源を搭載する必要がなく、装置の小型化が可能であり、かつ、生体の行動への干渉を少なくすることができる。

また、本発明の生体情報管理システムは、シート状の圧電体とシート状の電極とが互いに交互に積層されて成る積層シートにより、電圧信号を生体の体表の圧力変動から検出するとともに、上記積層シートを生体に押し当てて固定する固定部材と、上記電圧信号を外部へ送信する第１の通信手段とを有する、生体の脈拍および脈波に関する電圧信号を取得する体圧変動検出装置、および上記体圧変動検出装置からの電圧信号を受信する第２の通信手段と、この電圧信号を脈拍および脈波信号へ変換する処理手段とを有する生体情報管理装置を備えていることを特徴としている。

上記構成によれば、体表の圧力変動が固定部材によって体表に押し当てられたシート状の圧電体に伝わると、圧電効果によって、圧力が電荷に変換される。この変換された電荷は、電極により取り出される。取り出された電荷は、電圧信号として第１の通信手段によって外部に送信される。そして、外部に配設された、第２の通信手段によって、上記電圧信号を受け取って、処理手段によって、脈拍および脈波へ変換される。従って、生体の任意の場所に取り付けることができ、自由に行動する生体を捕捉せずに、脈拍および脈波を測定できるシステムを実現することができる。

また、本発明の生体情報管理プログラムは、管理装置を動作させるための管理プログラムであって、コンピュータを上記第２の通信手段および上記処理手段として機能させることが好ましい。上記構成によれば、本発明の生体情報管理装置の各手段（第２の通信手段、処理手段）をコンピュータにおいて実現可能とすることができる。

また、本発明の記録媒体は、上記の管理プログラムをコンピュータ読み取り可能であることが好ましい。上記構成によれば、本発明の生体情報管理プログラムを容易にコンピュータに供給することができる。

本発明の体圧変動検出装置は、以上のように、生体の脈拍および脈波に関する電圧信号を取得する体圧変動検出装置であって、シート状の圧電体とシート状の電極とが互いに交互に積層されて成る積層シートにより、電圧信号を生体の体表の圧力変動から検出するとともに、上記積層シートを生体に押し当てて固定する固定部材と、上記電圧信号を外部へ送信する第１の通信手段とを備えている。

また、本発明の管理システムは、シート状の圧電体とシート状の電極とが互いに交互に積層されて成る積層シートにより、電圧信号を生体の体表の圧力変動から検出するとともに、上記積層シートを生体に押し当てて固定する固定部材と、上記電圧信号を外部へ送信する第１の通信手段とを有する、生体の脈拍および脈波に関する電圧信号を取得する体圧変動検出装置、および上記体圧変動検出装置からの電圧信号を受信する第２の通信手段と、この電圧信号を脈拍および脈波信号へ変換する処理手段とを有する生体情報管理装置
を備えている。

従って、生体の任意の場所に取り付けることができ、自由に行動する生体を捕捉せずに、脈拍および脈波に関する情報を検出すること、および脈拍および脈波を測定することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１ないし図７に基づいて説明すると、以下の通りである。

本実施の形態の生体管理システム（生体情報管理システム）は、大略的には、図２に示すように、センサ／回路部（体圧変動検出装置）１と、第１のアンテナ部２と、第２のアンテナ部４と、管理部（生体情報管理装置）５とを備えている。

センサ／回路部１は、生体としての実験用の遺伝子改変マウス（以下、単に「マウス」と称する）６の尻尾７に取り付けられている。このセンサ／回路部１には、第１のアンテナ部２が取り付けられており、この第１のアンテナ部２は、出来るだけマウス６の拘束を少なくするために、尻尾７に巻きつけられている。なお、第１のアンテナ部２は、マウス６の胴体（腹部）など他の部分に巻きつけてもよい。また、センサ／回路部１の取り付け位置は、尻尾７に限定されず、マウス６の足、手、または耳など、脈拍および脈波が測定できれば、特に限定されない。また、センサ／回路部１を取り付ける対象をマウス６としたが、生体であればよく、マウス６に限定されない。また、便宜上、マウス６は１匹しか図示していないが、複数であってもよい。

マウス６は、自由に動き回れるようなゲージ内に、飼育されている。このゲージの底面（床）の全面には、同図に示すように、第２のアンテナ部４が渦巻き状に配設されている。この第２のアンテナ部４は、データ送受信用のアンテナと、電力送信用のアンテナとを有している。また、第２のアンテナ部４をゲージの底面のほぼ全面に配設することによって、マウス６の飼育ゲージ内の位置によらず、安定したデータなどの送受信を行うことができる。また、この第２のアンテナ部４は、管理部５に取り付けられている。なお、電力送付用のアンテナは、センサ／回路部１へ電力を供給する役割を有している。これにより、センサ／回路部１に電源を搭載する必要がなく、センサ／回路部１の小型化を図ることができる。さらに、マウス６の行動への干渉も少なくすることができる。しかしながら、センサ／回路部１へ電源を搭載することを排除するものではなく、電力送信用のアンテナは必ずしも設けられている必要はない。

また、上記の生体管理システムは、より詳細には、図３に示すように、センサ部２０と、増幅回路部（増幅手段）２１と、第１の送受信回路部（第１の通信手段）２２と、識別回路部（識別手段）２８とを有するセンサ／回路部１、第１のアンテナ部２、第２のアンテナ部４、および第２の送受信回路部（第２の通信手段）２３と、信号処理部（処理手段）２４と、記録部２５とを有する管理部５を備えている。

なお、増幅回路部２１、識別回路部２８、および記録部２５は、必ずしも設けられている必要はない。また、詳細は後述するが、第１のアンテナ部２および第２のアンテナ部４は、電圧信号などを無線により通信する目的で設けられており、通信手段は、無線に限定されないため、第１のアンテナ部２および第２のアンテナ部４は、必ずしも設けられている必要はない。

センサ／回路部１は、マウス６の脈拍および脈波を求めるために必要な情報（データ）をマウス６の体表から取得する役割などを有している。以下、具体的に、センサ／回路部１の構成について説明する。

センサ部２０は、図１に示すように、尻尾７を包み込む圧電センサ（積層シート）１０と、この圧電センサ１０を被覆して圧電センサ１０をマウス６の尻尾７に押し当てて固定する、固定部材１１と、を有している。なお、固定部材１１は、圧電センサ１０を被覆していることが好ましいが、必ずしも完全に被覆している必要はない。

圧電センサ１０は、可撓性（柔軟性）を有しており、図１に示すように、尻尾７を覆うように、尻尾７に沿って、曲げられている。また、圧電センサ１０は、尻尾７からの取り外しを容易にするため、一部に切り欠き部３１を有している。この圧電センサ１０は、マウスの脈拍および脈波に関する情報（電圧信号）を、尻尾７の体表の圧力変動から検出する役割を有している。ここで、脈拍とは、心臓の拍動とともに駆出された血液が血管内に生じさせる圧力の変動をいう一方、脈波とは、心臓の伸縮・拡張とともに発生する末梢動脈系の拍動現象で、動脈内の圧力変動の微細構造をいう。

また、圧電センサ１０は、図１に示すように、互いに対向している外部電極（電極）１２・１３と、これら外部電極１２・１３の間（内側）に、互いに対向して設けられた圧電体１４・１５と、これら圧電体１４・１５の間（内側）に設けられた内部電極（電極）１６と、を有している。なお、これら外部電極１２・１３、圧電体１４・１５、および内部電極１６は、いずれも薄型で可撓性（柔軟性）がある、シート状の部材である。

つまり、圧電センサ１０は、尻尾７側から外側に向かって、外部電極１２、圧電体１４、内部電極１６、圧電体１５、および外部電極１３が、この順で積層されている。換言すれば、圧電センサは、電極（外部電極１２・１３、内部電極１６）と、圧電体１４・１５とが互いに交互に積層されている。なお、このように積層されていれば積層方法は、特に問わず、各部材同士の接着性を高めるために、各々の部材を例えば接着剤によって貼り付けてもよい。また、積層されている圧電体と、電極とは、互いに交互に積層されていればよく、圧電体と電極との数は、単なる一例にすぎない。

このような、非観血性のセンサとして柔軟性をもつ箔状の圧電センサ１０を用いることにより、尻尾７の皮膚（体表）によくなじみ、直接接触して、その体表の圧力変動から脈拍や脈波を計測する情報（電圧信号）を取得することができる。なお、圧電センサ１０の平面寸法は、約１ｃｍ角ぐらいが好ましい。約１ｃｍ角することにより、小さなマウス６に取り付けが可能であるため、遺伝子改変マウスの場合にも、マウス６の成長段階を観察することができる。

また、圧電センサ１０は、柔軟性のあるシート状の部材を重ね合わせて形成しているので、適当な大きさ・形に裁断することにより、マウス６の任意の箇所に取り付けることができる。

圧電体１４．１５は、マウス６の心臓から動脈を介して尻尾７の体表に加わった圧力を、この圧力に比例した電荷に変換する機能（圧電効果）を有している。そして、体表の圧力変動と動脈内の圧力変動とは相関関係があるので、この圧力の変動（電荷量の変動）に基づいて管理部５の信号処理部２４において脈拍および脈波を求めることができる。

無菌状態で飼育するマウス６のような実験動物に使用する場合には、煮沸消毒する必要があるため、圧電体１４・１５には、１００℃以上の耐熱性が必要とされる。それゆえ、圧電体１４・１５は、例えばアルミ箔上に形成した窒化アルミニウムであることが望ましい。この窒化アルミニウムは、例えばスパッタリングなどで形成する。また、耐熱性があれば、合成ゴム系でもよい。但し、無菌消毒の必要がない場合には、耐熱性は必要とされないため、例えばポリフッ化ビリニデンを用いてもよい。

外部電極１２・１３、および内部電極１６は、圧電体１４・１５に発生した電荷を取り出し、この電荷量を電圧信号として、後段の増幅回路部２１へ出力する役割を有している。外部電極１２・１３は、互いに端部において電気的に接続されている。また、外部電極１２・１３と、内部電極１６とは互いに絶縁されている。ところが、圧電体１４・１５に何らかの欠陥があって、外部電極１２・１３と、内部電極１６との絶縁性が保てない場合には、内部電極１６と圧電体１４・１５との間に絶縁シートを挟みこんでもよい。また、作製が困難ではあるが、外部電極１２・１３と圧電体１４・１５との間に絶縁シートを挟みこんでもよい。

さらに、外部電極１２・１３は、圧電体１４・１５を包み込むように設計されていることが好ましい。このように設計することによって、外部からの誘導ノイズを抑制することができるとともに、Ｓ／Ｎ比（信号対ノイズ比）の高い脈拍および脈波の測定をすることができる。

固定部材１１は、図１に示すように、圧電センサ１０に密着して、圧電センサ１０をすっぽり覆うとともに、圧電センサ１０を尻尾７に押し当てて固定する、クリップとしての役割を有している。それゆえ、圧電センサ１０を尻尾７に安定して取り付けることができうる。

また、固定部材１１は、その内側が、圧電センサ１０の外側に密着するように、固定部材１１の内側と、圧電センサ１０の外側の形状が略等しくなっている。具体的には、この固定部材１１は、チューブ（筒、管）のように、断面が略円形で、内部が空洞になっている。また、固定部材１１は、圧電センサ１０と一体的に、すなわち、センサ／回路部１として尻尾７からの取り外しを容易にするため、圧電センサ１０の切り欠き部３１に対応する位置に切り欠き部３２を有している。

この固定部材１１は、マウス６が、動き回ったときにも、マウス６の尻尾７から圧電センサ１０が外れないようにする必要がある。しかし、マウス６への拘束力が強すぎると、正確な脈拍および脈波を図ることができないため、柔軟な弾性体を用いることが望ましい。この固定部材１１の材質は、ゴム状のものが柔軟性にすぐれており、シリコンゴム、または合成ゴムなど適時選択して使用することができる。

また、固定部材１１は、図１に示すように、圧電センサ１０の全面を覆っていることが望ましい。圧電センサ１０に、固定部材１１によって覆われていない部分があると、その部分が、マウス６の不規則な動きによって不規則に動くため、脈拍および脈波に関する電圧信号に大きなノイズがのってしまうという不都合が生じる。これに対して、固定部材１１によって圧電センサ１０を完全に覆う（包囲している）ことにより、圧電センサ１０は固定部材１１によって固定されていない箇所をなくすことができ、マウス６が不規則に動いた場合でも、マウス６の体表から検出した電圧信号に生じるノイズを減らすことができる。但し、固定部材１１によって圧電センサ１０が完全に覆われているという構成に限定されない。

なお、上記の圧電センサ１０の厚みは、約１００μｍ以下である一方、固定部材１１の厚みは、１ｍｍ程度である。圧電センサ１０の厚みを１００μｍ以下としたのは、１００μｍより厚くすると、硬くなるため、マウス６の尻尾７へのなじみが悪くなるからである。固定部材１１は、厚くすればするほど、圧電センサ１０を安定してマウス６の尻尾７に取り付けることができるが、あまり厚すぎると、質量が増加し、測定誤差が生じるので１ｍｍ程度が好ましい。

増幅回路部２１は、外部電極１２・１３、および内部電極１６から取り出した電荷の電荷量に基づく電圧信号を増幅する増幅手段としての役割を有している。この増幅回路部２１としては、温度変化などによる静電容量の変動を回避するために、チャージアンプを用いることが望ましいが、通常の電圧アンプでもよい。ただし、通常の電圧アンプを用いる場合には、入力インピーダンスを高く保持する必要があり、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの入力バッファを設けることが好ましい。

第１の送受信回路部２２は、増幅回路部２１から増幅されて送られてきた電圧信号を無線にて、管理部５（外部）へ送信する役割と、管理部５からのコマンドおよび電力を受信する役割とを有している。ここで、コマンドとは、例えば電源のオン・オフの命令などが考えられる。この第１の送受信回路部２２として、例えばＲＦタグ（Radio Frequency）を用いることができる。ＲＦタグは、入手が容易であり、かつ、安価であることから、第１の送受信回路部２２を安価に作製することができる。なお、このＲＦタグの平面寸法は、およそ５ｍｍ角ぐらいのものを用いるのが好ましい。

また、送受信回路は、上記の電圧信号だけでなく、生体に関するその他のデータを外部と送受信する役割も有している。

識別回路部２８は、マウス６が複数の場合に、各マウス６の個体を識別する識別手段としての役割を有している。すなわち、識別回路部２８には、マウス６の個体を識別するための識別データが格納されている。これにより、マウス６の個体管理を容易に行うことができる。また、上記の第１の送受信回路部２２とともに設けることによって、個々のマウス６をデータ毎に自動的に識別することができる。

この識別回路部２８として、例えばＲＦ（Radio Frequency）タグを用いることができ、上記第１の送受信回路部２２とワンパッケージとすることもできる。また、識別回路部２８は、管理部５へ個体情報を送信したり、管理部５から新たな個体情報を受信したりする役割も有している。なお、このＲＦタグの平面寸法は、およそ５ｍｍ角ぐらいのものを用いるのが好ましい。また、センサ／回路部１に、このセンサ／回路部１によって測定されたデータを保存するメモリとしての回路を設けてもよい。

また、上述したように、第１のアンテナ部２を設けることにより無線通信によって外部との通信を行うので、脈拍や脈波に関する情報（電圧信号）の計測によるマウス６への干渉を最小にすることができる。また、無線通信なので、指向性の問題が生じない。また、無線通信を利用することにより、マウスから脈拍および脈波に関する情報（電圧信号）を取得する際に、従来のように１匹、１匹マウスを捕捉する必要がなく、多数のマウスの脈拍および脈波に関する情報（電圧信号）をマウスに触れることなく、同時に取得することができる。

また、センサ／回路部１へ付加した回路の動作電力を非接触で送ることができるため、センサ／回路部１の小型化を図ることができると共に、マウス６の行動への干渉をより少なくすることができる。

次に、センサ／回路部１、第１のアンテナ部２、および第２のアンテナ部４とともに生体管理システムを構成する、管理部５について説明する。

管理部５は、図３に示すように、第２の送受信回路部２３、信号処理部２４、および記録部２５を備えている。そして、管理部５には、センサ／回路部１と相互に無線通信を行うために、第２のアンテナ部４が取り付けられている。

第２の送受信回路部２３は、無線にて、センサ／回路部１の第１の送受信回路部２２から電圧信号を受信する役割と、センサ／回路部１の第１の送受信回路部２２へコマンドおよび電力の送信をする役割を有する。

さらに、第２の送受信回路部２３は、センサ／回路部１の識別回路部２８から個体情報を受信したり、センサ／回路部１の識別回路部２８へ新たな個体情報を送信したりする役割も併せ持っている。

信号処理部２４は、第２の送受信回路部２３から送られてきた、電圧信号を圧力へ変換して、この圧力の値から、後述する実験データに基づいてマウスの脈拍および脈波を検出する役割を有する。なお、電圧信号から圧力への変換は、例えば図示しない復元回路によって行うことができる。

また、センサ／回路部１の電源のオン・オフのコマンドを第２の送受信回路部２３を介して、センサ／回路部１へ送信するコントロールタワーとしての役割も併せ持っている。

記録部２５は、上記の信号処理部２４によって求められたマウスの脈拍および脈波のデータを記憶しておく、メモリである。また、上記ように、センサ／回路部１に識別回路部２８を設ける場合には、上記の脈拍および脈波データを個々のマウス６に対応させて記憶させておくことができる。

また、上記したように、飼育ゲージの底面（床）のほぼ全面に、マウス６の脈拍および脈波に関する各種計測データを送受信する第２のアンテナ部４を単数、または複数設置することにより、マウス６の位置や姿勢によることなく、安定した計測データの送受信が可能である。さらに、計測データの送受信に個々のマウス６の位置を考慮する必要がないため、計測データを全個体ほぼ同時に取得することができる。

なお、上記のセンサ部２０の構成は、上記の図１に示す構成に限定されず、以下のような構成であってもよい。すなわち、センサ部４０は、図４に示すように、圧電センサ４１と、固定部材４２とを有している。なお、上記の固定部材１１と同様の構成および機能を有するため、その説明を省略するものは、適宜図１と同様の部材番号を付し、その説明を省略する。

圧電センサ４１は、上記の圧電センサ１０よりマウス６の尻尾７における周方向の長さが約２倍の圧電センサの内側（尻尾側）を重ねて折り畳み、この折り畳んだ状態で、尻尾７を包み込んでいる。つまり、圧電センサ４１は、尻尾７側から外側に向かって、外部電極１３、圧電体１５、内部電極１６、圧電体１４、外部電極１２、外部電極１２、圧電体１４、内部電極１６、圧電体１５、および外部電極１３が、この順で積層されている。

この圧電センサ４１によると、マウス６の尻尾７への受圧面積は、上記の圧電センサ１０と同じであるが、同一面積における圧電体１４・１５の量（長さ）を圧電センサ１０の約２倍にすることができる。従って、脈拍および脈波を求める正確性を高めることができる。つまり、圧電センサ４１の感度を圧電センサ１０よりも上げることができる。

また、圧電センサ４１は、上記のように、圧電センサ１０を１回折り返して作成しているが、折り返しの回数が１回に限らず、２回以上でもよい。これにより、さらに圧電センサの感度を上げることができる。

また、センサ部２０の構成は、図１・図４に示したものに限定されず、図５に示すように、尻尾７に、センサ部５０らせん状に巻き付けてもよい。これにより、センサ部５０と尻尾７との受圧面積を上げることができ、感度の精度を高めることができる。また、上記センサ部２０・４０のように、切り欠き部３１・３２を設けなくても取り付けが容易にできる。なお、図５では、説明の便宜上、センサ部５０にハッチングを付している。また、上記図４に示すように折り返したものをらせん状に巻きつけてもよい。

また、上記では、センサ／回路部１と、管理部５との通信手段を第１のアンテナ部２および第２のアンテナ部４を用いた無線通信としたが、これに限定されない。上記の通信手段として例えば、赤外線、可視光線、レーザーなどの光学的手段を用いてもよい。この場合には、図２・３から第１のアンテナ部２および第２のアンテナ部４の代わりに、センサ／回路部１および管理部５に赤外線装置、可視光線装置、レーザー装置を設けることが好ましい。

これらの光学的手段によると、各種医療機器への影響を低減することができる。さらに、マウス６に対して与える電磁波の影響も低減することができる。

また、可視光によれば、デバイスの入手であるため、安価に通信手段を実現することができる。レーザーは、可視光よりも外乱光の影響を受けにくい。

上記構成によれば、圧電センサ１０がマウス６の尻尾７に密着固定される。そのため、不規則に動き回るマウス６の脈拍および脈波を測定することができる。また、固定部材１１は、切り欠きを有しており、かつ、固定部材１１として、弾性体を用いているので、マウス６が成長して、尻尾７の大きさが変化しても、取り替える必要がない。

次に、本発明の実施例について図６を用いて説明する。厚さ１２μｍのアルミ箔上に１μｍの窒化アルミニウムの薄膜を形成したものを外部電極および圧電薄膜とし、同一の厚さのアルミ箔を内部電極としてシリコンゴムで接着して圧電センサを作成した。これをさらに外径５ｍｍ、内径３ｍｍのシリコンゴム製チューブの一部を切りクリップ状にしたものの内側に貼り付けて、脈拍／脈波センサ（センサ部２０）とした。この脈拍／脈波センサの信号（電圧信号）は、例えば、日本電気三栄製ローノイズケーブルを介してチャージアンプ（増幅回路２１）に入力し、増幅したものをデータレコーダによって記録した。

ダイアフラム式ポンプ（マウス６の心臓に相当）によって空気を実験動物（マウス６）の尾（尻尾７）に擬したエアチューブ（シリコンゴムチューブ）内に送出する。ダイアフラム式ポンプの構造上、圧力に脈動が発生するので、これを実験動物の心拍に擬する。エアチューブは、外径５ｍｍ、内径３ｍｍのシリコンゴム製チューブを使用した。エアチューブの一端をポンプに接続し、もう一端を内径１ｍｍのオリフィスを介して圧力計測用のエアチャンバ（管理部５）に接続した。エアチャンバにはもう一つ直径１ｍｍのオリフィスを設置して外部に排気する。

エアチャンバ内には直径５ｍｍの共和電業製のひずみ（歪）ゲージ式小型圧力センサPS-05KC（信号処理部２４）を取り付け、エアチャンバ内の圧力変動を計測した。エアチャンバ内の圧力変動は、エアチューブ内のそれと同一ではないが、一つの指標として用いることができる。

図７は、上記の実施例における、実験結果を示すグラフである。生体の脈波は、心臓からの圧力波が毛細血管からの反射波との干渉によって発生する。脈拍／脈波センサを用いたエアチャンバの圧力変動には、エアチャンバのオリフィスによって反射された圧力波が検出されており、人口的な脈波の検出に成功していることが分かる。

本実施形態の管理部５の各手段における処理手順は、ＣＰＵなどの演算手段が、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭなどの記憶手段に記憶されたプログラムを実行し、キーボードなどの入力手段、ディスプレイなどの出力手段、あるいは、インターフェース回路などの通信手段を制御することにより実現することができる。

したがって、これらの手段を有するコンピュータが、上記プログラムを記録した記録媒体を読み取り、当該プログラムを実行するだけで、本実施形態の管理部５の各種処理を実現することができる。また、上記プログラムをリムーバブルな記録媒体に記録することにより、任意のコンピュータ上で上記の各種機能および各種処理を実現することができる。

この記録媒体としては、マイクロコンピュータで処理を行うために図示しないメモリ、例えばＲＯＭのようなものがプログラムメディアであっても良いし、また、図示していないが外部記憶装置としてプログラム読み取り装置が設けられ、そこに記録媒体を挿入することにより読み取り可能なプログラムメディアであっても良い。

また、何れの場合でも、格納されているプログラムは、マイクロプロセッサがアクセスして実行される構成であることが好ましい。さらに、プログラムを読み出し、読み出されたプログラムは、マイクロコンピュータのプログラム記憶エリアにダウンロードされて、そのプログラムが実行される方式であることが好ましい。なお、このダウンロード用のプログラムは予め本体装置に格納されているものとする。

また、上記プログラムメディアとしては、本体と分離可能に構成される記録媒体であり、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ等のディスクのディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、フラッシュＲＯＭ等による半導体メモリを含めた固定的にプログラムを担持する記録媒体等がある。

また、インターネットを含む通信ネットワークを接続可能なシステム構成であれば、通信ネットワークからプログラムをダウンロードするように流動的にプログラムを担持する記録媒体であることが好ましい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の体圧変動検出装置は、多数の実験動物などの脈拍および脈波を測定するのに特に好適に利用できる。

本発明の実施形態のセンサ部の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態の生体情報管理システムを示す斜視図である。 図２に示す生体管理システムの詳細な構成を示すブロック図である。 図１に示すセンサ部の変形例を示す断面図である。 図１に示すセンサ部のさらに他の変形例を示す平面図である。 本発明の実験例を説明するための装置図である。 図６による実験結果を示すグラフである。 従来の圧電式センサを示す分解斜視図である。

符号の説明

１ センサ／回路部（体圧変動検出装置）
５ 管理部（生体情報管理装置）
６ マウス（生体）
１１ 固定部材
１２ 外部電極（電極）
１３ 外部電極（電極）
１４ 圧電体
１５ 圧電体
１６ 内部電極（電極）
２１ 増幅回路部（増幅手段）
２２ 第１の送受信回路部（第１の通信手段）
２４ 信号処理部（処理手段）
２８ 識別回路部（識別手段）
２３ 第２の送受信回路部（第２の通信手段）

Claims (16)

1. 生体の脈拍および脈波に関する電圧信号を取得する体圧変動検出装置であって、
   シート状の圧電体とシート状の電極とが交互に積層されて成る積層シートにより、電圧信号を生体の体表の圧力変動から検出するとともに、
   上記積層シートを生体に押し当てて固定する固定部材と、
   上記電圧信号を外部へ送信する第１の通信手段とを備えていることを特徴とする体圧変動検出装置。
2. 上記電圧信号を増幅する増幅手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の体圧変動検出装置。
3. 上記生体が複数の場合に、各生体の個体を識別する識別手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の体圧変動検出装置。
4. 上記第１の通信手段は、上記外部と、上記電圧信号を含む生体に関するデータ、および／または、上記圧力変動の検出を制御するためのコマンドの送受信を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の体圧変動検出装置。
5. 上記送受信は、無線にて行われることを特徴とする請求項４に記載の体圧変動検出装置。
6. 上記送受信は、赤外線にて行われることを特徴とする請求項４に記載の体圧変動検出装置。
7. 上記送受信は、可視光線にて行われることを特徴とする請求項４に記載の体圧変動検出装置。
8. 上記送受信は、レーザーを用いて行われることを特徴とする請求項４に記載の体圧変動検出装置。
9. 上記積層シートは、折り返されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の体圧変動検出装置。
10. 上記積層シートは、上記生体の体表に、らせん状に巻きつけられていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の体圧変動検出装置。
11. 上記積層シートは、上記固定部材によって覆われていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の体圧変動検出装置。
12. 上記請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の体圧変動検出装置からの電圧信号を受信する第２の通信手段と、
    この電圧信号を脈拍および脈波信号へ変換する処理手段とを備えていることを特徴とする生体情報管理装置。
13. 上記第２の通信手段は、上記体圧変動検出装置へ電力の送信を行うことを特徴とする請求項１２に記載の生体情報管理装置。
14. シート状の圧電体とシート状の電極とが交互に積層されて成る積層シートにより、電圧信号を生体の体表の圧力変動から検出するとともに、
    上記積層シートを生体に押し当てて固定する固定部材と、
    上記電圧信号を外部へ送信する第１の通信手段とを有する、生体の脈拍および脈波に関する電圧信号を取得する体圧変動検出装置、および、
    上記体圧変動検出装置からの電圧信号を受信する第２の通信手段と、この電圧信号を脈拍および脈波信号へ変換する処理手段とを有する生体情報管理装置
    を備えていることを特徴とする生体情報管理システム。
15. 請求項１２に記載の管理装置を動作させるための生体情報管理プログラムであって、コンピュータを上記第２の通信手段および上記処理手段として機能させるための生体情報管理プログラム。
16. 請求項１５に記載の生体情報管理プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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