JP2008110032A

JP2008110032A - 生体信号強度分布測定装置及び生体信号強度分布測定方法

Info

Publication number: JP2008110032A
Application number: JP2006294548A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Ando; 充宏安藤; Shunsuke Kogure; 俊介小暮; Eiji Fujioka; 英二藤岡
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15
Also published as: US7650803B2; DE102007000583A1; US20080103702A1

Abstract

【課題】生体信号を検出するために被検出対象エリア内に２次元的に分散して配置される検出部の最適な配置を定めることのできる生体信号強度分布測定装置を提供する。
【解決手段】人の体を支持する支持体の被検出対象エリア内に２次元的に分散して配置され、圧力変動を検出する検出部１と、各検出部１の出力から所定の周波数帯域の生体信号を通過させるフィルタ４と、検出部１ごとの生体信号の強度値を演算する強度演算部５と、各検出部１の配置と強度値とが対応付けられた強度分布を生成する強度分布生成部６と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、人の体を支持する支持体に２次元的に配置された検出部を利用して生体信号強度を測定する生体信号強度分布測定装置及び方法に関する。

ベッドやマット、シート等の支持体に支持される生体の心拍や呼吸等の微小振動（生体信号）を検出する検出装置が知られている。下記に出典を示す特許文献１には、微小振動を検出するセンサ素子（検出部）を支持体に複数配設した検出装置が記載されている。複数のセンサ素子は順次走査され、配設されたエリア内において微小振動が計測される。これによれば、微小振動を検出したいエリアに多数のセンサ素子が配置できるので、分解能の高い計測を実現することができる。

特開２００６−２５８６９３号公報（第２６〜３０段落、図８等参照）

特許文献１に記載された検出装置は、所定のエリア内において微小振動を計測可能であり、支持体上の生体の姿勢に大きく依存されることなく生体信号を検出することができる。しかし、必ずしもこのエリアの全てが生体信号の検出に必要とは限らない。つまり、エリア内に配設されたセンサ素子には不必要なものも含まれる。生体信号の検出に必要ではないセンサ素子も含めて支持体に配設することは、コスト面からも好ましくない。しかし、配設される位置によるセンサ素子の要否は支持体によっても異なるため、センサ素子の配置を定めることは容易ではない。

本発明はこのような課題に鑑みて創案されたもので、生体信号を検出するために被検出対象エリア内に２次元的に分散して配置される検出部の最適な配置を定めることのできる生体信号強度分布測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る生体信号強度分布測定装置は、
人の体を支持する支持体の被検出対象エリア内に２次元的に分散して配置され、圧力変動を検出する検出部と、
前記各検出部の出力から所定の周波数帯域の生体信号を抽出するフィルタと、
前記検出部ごとの前記生体信号の強度値を演算する強度演算部と、
前記各検出部の配置と前記強度値とが対応付けられた強度分布を生成する強度分布生成部と、を備えることを特徴とする。

この特徴構成によれば、被検出対象エリア内に２次元的に分散して配置された検出部の配置と前記強度値とが対応付けられた強度分布が生成される。この強度分布に基づけば、支持体に配設される位置によるセンサ素子の要否を定めることができる。従って、上記構成によれば、検出部の最適な配置を定めることのできる生体信号強度分布測定装置を提供することができる。

また、本発明に係る生体信号強度分布測定装置は、前記フィルタが、ウェーブレット解析又はフーリエ解析により設定された周波数帯域に対するバンドパスフィルタであることを特徴とする。

ウェーブレット解析やフーリエ解析により、所望の生体信号に関する周波数帯域が正確に設定される。従って、必要な周波数帯域に対するバンドパスフィルタが構成されるので、正確な強度分布を得ることができる。

また、本発明に係る生体信号強度分布測定装置は、前記強度分布生成部が、各検出部の前記強度値に基づいて、隣接する前記検出部の間の擬似強度値を補完することを特徴とする。

この構成によれば、実際の測定の際に支持体に配置された検出部の強度に限らず、隣接する検出部の間の擬似強度値が補完される。従って、測定の際に支持体に配置された位置に限定されることなく、支持体の構造に応じて最適な配置を定めることができる。

また、本発明に係る生体信号強度分布測定装置は、前記各生体信号の相対位相を演算する位相演算部を備えることを特徴とする。

検出部は２次元的に配置されるので、伝播してくる生体信号が検出部に達する時刻が検出部によって異なる。つまり、同じ生体信号を検出する場合でも、検出部によって生体信号を検出する時刻が異なる。上記特徴構成によれば、複数の検出部の間における生体信号の相対位相を得ることができる。そして、この相対位相を用いれば、実製品に搭載されたある検出部における生体信号の検出時刻と、別の検出部における生体信号の検出時刻との差が適正であるか否かを判定することができる。適正でない場合には、ノイズ等の影響により、別の信号を検出した可能性があることが判る。従って、生体信号の検出精度を向上させることができる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る生体信号強度分布測定方法は、
人の体を支持する支持体の被検出対象エリア内に、圧力変動を検出する検出部を２次元的に分散して配置する配置工程と、
前記各検出部の出力から所定の周波数帯域のフィルタを介して、生体信号を取り出す生体信号抽出工程と、
前記検出部ごとの前記生体信号の強度値を演算する強度演算工程と、
前記各検出部の配置と前記強度値とが対応付けられた強度分布を生成する強度分布生成工程と、
前記強度分布に基づいて、前記支持体への前記検出部の配置パターンを生成する配置パターン生成工程と、を有することを特徴とする。

この生体信号強度分布測定方法によれば、生体信号を検出するために被検出対象エリア内に２次元的に分散して配置される検出部の最適な配置を定めることができる。尚、本発明に係る生体信号強度分布測定方法は、上述した生体信号強度分布測定装置の追加的特徴及びその効果を備えることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すようにシート２０（支持体）に着座する人３０の生体信号を検出するために、センサ１（検出部）がシート２０の座部２０ａや背もたれ部２０ｂに配設される。図１では、双方に配設される例を示したが、もちろん座部２０ａあるいは背もたれ部２０ｂの何れか一方でもよい。また、センサ１が配設される支持体は、勿論シート１に限らず、ベッド等でもよい。

人３０の体型や姿勢を考慮すると、生体信号を確実に検出するためには、２次元的に広い範囲にセンサ１が配設されることが好ましい。しかし、配設されたセンサ１の全てが生体信号の検出に必要であるとは限らない。そこで、本発明に係る生体信号強度分布測定装置を用いて、生体信号の検出に必要なセンサ１を特定する。

図２は、本発明の生体信号強度分布測定装置の構成例を模式的に示すブロック図である。図に示すように、本実施形態では、座部２０ａの上面内側に２次元的にセンサ１を配設される（配置工程）。
センサ１は、例えば圧電センサである。圧電センサは、外部からの荷重や振動、加速度などによって撓み変形した場合に圧電効果により電荷を生じる。そして、これが、荷重や振動、加速度に対する検出信号となる。尚、センサ１は圧電センサに限定されることはなく、歪みセンサなど他のセンサであってもよい。

図２に示すように、座部２０ａに配設されたセンサ１は、配線によって演算部１０に接続されている。演算部１０は、ＱＶ変換部２、Ａ／Ｄ変換部３、フィルタ４、強度演算部５、強度分布生成部６とを有して構成されている。
センサ１で生じた電荷は、ＱＶ変換部２において電圧信号に変換される。本例においては、以降、マイクロコンピュータ等を利用して信号処理を行うため、変換後の信号がＡ／Ｄ変換部３においてデジタル信号に変換される。

図３は、ＱＶ変換部２において電圧変換された電圧信号Ｗ１を示す波形図である。この信号には、ノイズ性の振動や、生体の脈拍（心拍）、呼吸など、種々の振動が重畳されている。
図４は、電圧信号Ｗ１に対して、ウェーブレット解析を施した結果の一例を模式的に示す波形図である。帯域Ｂ１（約１０Ｈｚ以上の帯域）は、生体信号以外のノイズ性の振動に基づく信号を示している。帯域Ｂ２（約４〜７Ｈｚ）は、脈拍（生体信号）に基づく信号を示している。帯域Ｂ３（約０．１〜１Ｈｚ）は、呼吸（生体信号）に基づく信号を示している。

このように、各種の振動に基づく振動は周波数帯域が異なるため、適切な周波数帯域に対応したフィルタを通すことによって所望の信号のみを取り出すことが可能である。本例では、生体信号として脈拍に関連する信号を取り出す。従って、フィルタ４は、例えば４〜７Ｈｚの帯域を通過させるバンドパスフィルタとして構成される。
図５（ａ）に示すように、種々の振動成分が重畳された電圧信号Ｗ１（図３参照）は、フィルタ４を通過することによって、脈拍成分のみの生体信号Ｗ２となる（生体信号抽出工程）。

尚、適切な周波数帯域は、上述したウェーブレット解析に限らず、フーリエ解析を用いて求めてもよい。フーリエ変換を実施すれば、電圧信号Ｗ１を正弦波関数の級数に展開することができる。従って、ウェーブレット解析と同様に、電圧信号Ｗ１に含まれる脈拍、呼吸、ノイズ性の信号帯域を適切に区別することができる。

フィルタ４を通過した生体信号Ｗ２は、強度演算部５においてその強度値が演算される。強度演算部５は、図５（ｂ）に示すように、生体信号Ｗ２を全波整流し、全波整流後の信号の包絡線を演算することによって強度値を算出する（強度演算工程）。

このようにして、全てのセンサ１に対して強度値が演算される。この強度値の演算は、各センサ１を時系列的に走査することによって行ってもよいし、全てのセンサ１に対して同時に並行して行ってもよい。時系列的に走査する場合には、ＱＶ変換部２の前あるいは後にセンサ１を選択するための選択部が備えられる。また、同時に並行して強度値を演算する場合には、ＱＶ変換部２、Ａ／Ｄ変換部３、フィルタ４、強度演算部５がセンサ１の数に応じて複数備えられる。

尚、本実施形態では、ＱＶ変換後の信号をＡ／Ｄ変換して、マイクロコンピュータ等を用いたデジタル信号処理によって、生体信号抽出工程、強度演算工程を実施する場合を例示した。しかし、これに限定されることはなく、強度演算工程までをアナログ信号処理によって実施し、得られた強度値をＡ／Ｄ変換するようにしてもよい。
尚、図２に示した各部は、機能としての分担を示すものであり、必ずしも物理的に独立したものを示すものではない。ハードウェア、及びハードウェア上で実行されるプログラムなどのソフトウェアによって各機能を分担するものであれば充分である。

このようにして各センサ１の強度値が求められると、各センサ１の２次元配置は既知であるので、強度分布生成部６において当該２次元配置における生体信号の強度分布が生成される（強度分布生成工程）。
以下、図６に示すような２次元配置で複数のセンサ１が座部２０ａに配設される場合を例として、強度分布生成部６によって生成される強度分布の例を説明する。

センサ１は、図６に示すように座部２０ａに左右に分かれて配設されている。ここでは、臀部及び左右の大腿部が座部２０ａと接触する位置にセンサ１が配設されている例を示している。図中のＬ１１、Ｒ１１などの符号は、各センサ１の識別符号を示している。図６の上方は座部２０ａの前方、下方は後方であり、Ｌ＊＊の識別符号を有するセンサ１は左側に配設されたセンサ群、Ｒ＊＊の識別符号を有するセンサ１は右側に配設されたセンサ群である。

図７には、このように配設されたセンサ１の生体信号強度の分布が示されている。図７の左側においては、模式的に生体信号の強度を４段階に色分けして表している。ここでは、濃い色に着色されているセンサ１ほど、生体信号の強度が強いことを示している。図７の右側は、大腿部による座部２０ａの荷重の強さを模式的に示している。
図７（ａ−１）に示す分布は、図７（ａ−２）に示すようにシート２０に通常姿勢で着座された場合の分布例を示すものである。
図７（ｂ−１）に示す分布は、図７（ｂ−２）に示すように右側に傾斜して着座された場合の分布例を示すものである。
図７（ｃ−１）に示す分布は、図７（ｃ−２）に示すように左側に傾斜して着座された場合の分布例を示すものである。
図７（ｄ−１）に示す分布は、図７（ｄ−２）に示すように前方に傾斜して着座された場合の分布例を示すものである。
図７に示すような分布は、例えば、生体信号強度分布測定装置が有するモニタ装置などに表示される。表示の際には、もちろん４段階に限らず、さらに多くの段数を設けてもよい。また、当然カラー表示を行ってもよい。

図７に示すように、着座姿勢に応じて生体信号の強度が強いセンサ１が異なっている。しかし、例えば、識別符号Ｌ３３、Ｌ２３、Ｌ２４、Ｒ３３、Ｒ２３などのセンサ１に対応する強度表示１ｖは、どの場合にも共通して比較的高い強度を示している。
従って、少なくともこれらのセンサ１がシート２０に配設されていれば、着座姿勢に拘らず、生体信号を良好に検出できることになる。

このようなセンサ１の選択は、図７に示したような分布をモニタ装置などを介して目視確認したオペレータが決定してもよいが、図８に示すように定量化した上で決定することもできる。つまり、強度分布生成部６は、強度分布をさらに定量化して示すこともできる。

図８（ａ）は、図７に示した４つの着座状態における生体信号の強度を積算したものである。ここでは、４段階の強度に対応して、弱い順に１〜４の強度値を与えて積算している。図８（ａ）に示すように、識別符号Ｌ３３、Ｌ２３、Ｌ２４、Ｒ３３、Ｒ２３に対応する定量化された値１ｕは何れも１０を超えている。
従って、少なくともこれらのセンサ１がシート２０に配設されていれば、着座姿勢に拘らず、生体信号を良好に検出できることになる。
この結果は、上述した強度表示１ｖに基づいた判定と同じである。しかし、定量化したことによって、オペレータによる判定誤差を抑制し、より正確な判定が可能となる。

尚、上記例では、単に強度値を積算したが、生体信号の強度に応じて重み付けを与えてもよい。つまり、強度の強い順に、８、４、２、１等の点数を与えてもよい。
また、着座状態の頻度に応じて重み付けを与えてもよい。例えば、通常着座の頻度を６、左右の傾斜着座を４、前傾着座を２とするなどの重み付けを与えてもよい。

また、このように定量化することによって、シート２０に対するセンサ１の適切な配置を自動的に決定することも可能となる。図９は、図２に示した演算部１０に、さらにセンサ１の配置を決定する配置パターン生成部７を備えた場合の演算部１０Ａの構成例を示している。

配置パターン生成部７は、定量化された値１ｕに対して設定されたしきい値に基づいて、各センサ１を判定する。例えば、図８（ａ）に示した値に対して、しきい値が１０と設定されていた場合には、識別符号Ｌ３３、Ｌ２３、Ｌ２４、Ｒ３３、Ｒ２３の５つのセンサ１が有効なセンサ１として判定される。ここでは、左側のセンサ１は３つ、右側のセンサ１は２つが有効と判定されている。左右のバランスを考慮しない場合には、このままこの５つのセンサ１が配置パターンとして決定される。

左右のバランスが考慮される場合には、図８（ｂ）に示すように左右で共通の位置に対応する別符号Ｌ３３、Ｌ２３、Ｒ３３、Ｒ２３の４つのセンサ１が配置パターンとして決定される。あるいは、識別符号Ｌ２４に対応する識別符号Ｒ２４の定量化された値１ｕを再評価してもよい。図８に示した例では、識別符号Ｒ２４のセンサ１の値１ｕは９であり、しきい値１０を僅かに下回るだけである。従って、識別符号Ｌ３３、Ｌ２３、Ｌ２４、Ｒ３３、Ｒ２３、Ｒ２４の６つのセンサ１を配置パターンとして決定してもよい。

また、このようにして決定されるセンサ１の上限や下限値を定めておいてもよい。上限値に満たない場合には、しきい値を下げてセンサ１の数を増やし、上限値を超える場合には、しきい値を上げてセンサ１の数を減じてもよい。
例えば、センサ１の上限が１０、下限が６であるとする。しきい値を１０とした場合には、図８（ｂ）の配置パターンでは下限の６を下回る。しきい値を８とした場合には、図８（ｄ）の配置パターンとなり、上限の１０を上回る。しきい値を９とすると、図９（ｃ）に示すように有効と判定されるセンサ１の数８となり、上限値と下限値との両方を満たす。

このように種々の設定条件に基づいて、配置パターン生成部７が、配置パターンを生成することができる。

また、強度分布生成部６は、各センサ１の強度値に基づいて、隣接するセンサ１の間の擬似強度値を補完することができる。センサ１は、図２に示したように、互いに離間して配置される。支持体となるシート２０やベッドには、構造上の制約などもあり、必ずしも、強度分布の測定時に配置した位置にセンサ１を配置できるとは限らない。このような場合、再度強度分布の測定を実施すると、設計や生産に時間を要する。そこで、強度分布生成部６は、各センサ１の強度値に基づいて、隣接するセンサ１の間の擬似強度値を補完する。

この補完は、隣接する２つのセンサ１の強度値の平均でも良いし、隣接する４つのセンサ１の強度値の平均でもよい。ここで、隣接する４つのセンサ1の強度値とは、擬似強度値を算出される該当箇所の周囲に位置する４つのセンサ１の強度値である。このように、疑似強度値により補完すれば、センサ１は測定時に配置された場所のみに限定されることなく、支持体の構造に応じて、最適な配置を定めることが可能となる。

また、演算部１０（１０Ａ）は、各生体信号の相対位相を演算する位相演算部（不図示）を備えることができる。センサ１は、２次元的に配置されるので、センサ１によって生体信号が伝搬する時刻が異なる。つまり、同じ生体信号を検出する場合でも、センサ１によって生体信号を検出する時刻が異なる。位相演算部において相対位相を演算しておけば、実製品に搭載されたあるセンサ１における生体信号の検出時刻と、別のセンサ１における生体信号の検出時刻との差が適正であるか否かを判定することができる。適正でない場合には、ノイズ等の影響により、別の信号を検出した可能性があることが判る。従って、生体信号の検出精度を向上させることができる。

以上、本発明によって、生体信号を検出するために被検出対象エリア内に２次元的に分散して配置される検出部の最適な配置を定めることのできる生体信号強度分布測定装置を提供することができる。

支持体に着座する人の生体信号を検出する場合の支持体と支持体に配設される検出部の一例を示す説明図本発明の生体信号強度分布測定装置の構成例を模式的に示すブロック図ＱＶ変換後のセンサ出力波形の例を示す波形図図３のセンサ出力波形をウェーブレット解析した結果の一例を模式的に示す波形図生体信号の強度値を求める方法の一例を示す波形図支持体へ検出部を二次元配置する一例を示す説明図着座姿勢と強度分布との関係を示す説明図検出部の配置パターンの例を示す説明図本発明の生体信号強度分布測定装置の他の構成例を模式的に示すブロック図

符号の説明

１：センサ（検出部）
４：フィルタ
５：強度演算部
６：強度分布生成部
２０：シート（支持体）
２０ａ：座面
２０ｂ：背もたれ部
Ｗ１：センサ出力（検出部の出力）
Ｗ２：心拍成分（生体信号）の信号波形

Claims

人の体を支持する支持体の被検出対象エリア内に２次元的に分散して配置され、圧力変動を検出する検出部と、
前記各検出部の出力から所定の周波数帯域の生体信号を抽出するフィルタと、
前記検出部ごとの前記生体信号の強度値を演算する強度演算部と、
前記各検出部の配置と前記強度値とが対応付けられた強度分布を生成する強度分布生成部と、を備える生体信号強度分布測定装置。
前記フィルタは、ウェーブレット解析又はフーリエ解析により設定された周波数帯域に対するバンドパスフィルタである請求項１に記載の生体信号強度分布測定装置。
前記強度分布生成部は、各検出部の前記強度値に基づいて、隣接する前記検出部の間の擬似強度値を補完する請求項１又は２に記載の生体信号強度分布測定装置。
前記各生体信号の相対位相を演算する位相演算部を備える請求項１〜３の何れか一項に記載の生体信号強度分布測定装置。
人の体を支持する支持体の被検出対象エリア内に、圧力変動を検出する検出部を２次元的に分散して配置する配置工程と、
前記各検出部の出力から所定の周波数帯域のフィルタを介して、生体信号を取り出す生体信号抽出工程と、
前記検出部ごとの前記生体信号の強度値を演算する強度演算工程と、
前記各検出部の配置と前記強度値とが対応付けられた強度分布を生成する強度分布生成工程と、
前記強度分布に基づいて、前記支持体への前記検出部の配置パターンを生成する配置パターン生成工程と、を有する生体信号強度分布測定方法。