JP2008113932A

JP2008113932A - 体動検知センサー及び体動モニタリングシステム

Info

Publication number: JP2008113932A
Application number: JP2006301272A
Authority: JP
Inventors: Yukinori Misaki; 幸典三崎; Toshitaka Honda; 年孝本田
Original assignee: SHINKO DENSO CO Ltd; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: SHINKO DENSO CO Ltd; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-05-22
Anticipated expiration: 2026-11-07
Also published as: JP4895017B2

Abstract

【課題】体動検知センサーを直接的に被検体に装着しない場合であっても精度良く体動を検出でき、装置構成が簡便である体動検知センサーを提供することである。
【解決手段】圧電フィルム１２はブリッジ状に撓ませて形成され、圧電フィルム１２より短く形成された伸縮部材１３で圧電フィルム１２の両端を連結する。また、伸縮部材１３と被検体との間に摩擦係数の小さい滑り部材１４を設け、被検体に滑り部材１４を介して伸縮部材１３を当接させ、被検体の体動による伸縮部材１３の伸縮動に追従して圧電フィルム１２の撓みを変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体の体動を検知する体動検知センサー及び体動モニタリングシステムに関する。

被検体の体動を検知する体動検知センサーとしては、大別するとセンサーに電流を流し被検体の電気抵抗の変化を測定するものと、被検体の体動により圧電体に生じる電圧の変化を測定するものとがある。

被検体の電気抵抗の変化を測定するものは、被検体例えば身体にストレインゲージ(カーボン粒子等の導電物質が注入された細いチューブ)を巻き付けた状態で電流を流してその電圧変化を測定する手法や、細い導線をバンドに縫いつけたコイルセンサーのインダクタンスの変化を測定するものがある。この被検体の電気抵抗の変化を測定するものは、身体の周囲に電流を流すことに伴う安全性の問題や、他の機器へのノイズの影響の問題が指摘されている。そこで、バンド長の変化を検知することで呼吸を監視するセンサーが提言されている(特許文献１)。

一方、圧電体に生じる電圧の変化を測定するものは、圧電体に撓みが生じる必要があるため、圧電体には弾性のあるフィルム形状のものが利用される。圧電フイルムとしてはPVDF(Polyvinylidene fluoride：ポリフッ化ビリニデン)やチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などからなる圧電セラミックまたは圧電セラミック薄膜が用いられる。PVDFを用いて筋肉活動を監視することで、分晩のタイミングを検知する方法及び装置が提言されている(特許文献２)。
特開２００１−１７４０９号公報特表昭６３−５０１１９６号公報

しかし、特許文献１のものでは、バンド長の物理的な伸縮そのものを計測することになるので精度面に問題がある。一方、特許文献２の考えを取り入れた圧電フィルムを用いたバンド型呼吸センサーがある。図６は、従来型の圧電フィルムを用いた体動検知センサー１０の使用態様の説明図である。図６では体動検知センサー１０としてバンド型呼吸センサーを示している。体動検知センサー１０はバンド１１と圧電フィルム１２とから構成され、バンド１１の中央部に圧電フィルム１２が設けられており、当該部分の撓み量の変化により生じる出力電圧を計測することで呼吸が正確に行われているかを検知する。

図７は体動検知センサー１０の断面図であり、胸部・腹部にバンド１１をきつく巻き付けることにより、センサー部分である圧電フィルム１２を体に密着させ、圧電フィルム１２が吸息時には引っ張られ、吐息時には緩むことで電圧が生じるというものである。

このため、被検体の胸部または腹部にバンド１１を巻き付けて使用する場合においては、圧電フィルム１２に撓みを生じさせるためにバンド１１をきつく巻き付ける必要があり、患者の不快感が高くバンド１１のずれも生じやすい。しかも、圧電フィルム１２に撓みを生じさせるため、バンド１１には伸縮しない素材が用いられており、このことがさらに装着感を悪くしていた。

また、腹部や胸部の一部の動きのみが圧電フィルム１２に撓みを生じさせるという構造上、生じる電圧の変化も少なく、出力される電気信号が小さい(カタログ値７００μV)ため、体位の変化に伴うノイズや心臓の鼓動によるノイズにより安定した記録が得られない。

さらには、胸部及び腹部に２本のバンドを巻き付けて使用することにより検知精度は高くなるが、１本のバンドと比べ更に装着感が悪くなり、しかも視覚的にも身体を縛られているという痛々しい感じがするため、患者の心理的な負担は大きかった。また、両面テープなどで直接体へ圧電フィルムを貼り付ける方法もあるが、装着感が悪く患者の不快感は高かった。また、生じる撓みが少ないため、出力される電気信号が小さいという問題があった。

そこで、特願２００５−１６７７５３号において、これらの問題を解決した体動検知センサー及び体動モニタリングシステムが提案されている。すなわち、ブリッジ状に撓ませた圧電フィルムと、圧電フィルムの両端を結ぶ圧電フィルムより短い伸縮可能な部材とから構成され、被検体に当接する伸縮可能な部材の伸縮動に追従して圧電フィルムの撓みが変化する体動検知センサーが提案されている。これにより、装着感がよい体動検知センサーを提供している。

また、そのような装着感がよい体動検知センサーを用いて、その体動検知センサーにより誘起された電荷を電圧信号に変換し、アナログ信号に変換する信号変換手段（チャージアンプユニット）と、アナログ信号に基づき体動の有無を判定する体動判定手段とを有する体動モニタリングシステムが提案され、これにより、検知精度が高い体動モニタリングシステムを提供している。

特願２００５−１６７７５３号のものは、検知精度が高くしかも装着感がよいという優れたものであるが、この体動検知センサーを衣服の上から装着した場合には、伸縮可能な部材と衣服が擦れ合い、その振動も圧電フィルムによって検出され、その振動が余分な信号として検出されることになる。また、体動検知センサーの電荷を信号変換手段としてチャージアンプを用いて、ローノイズでアナログ電圧に変換するようにしているが、その場合、信号変換手段の構成が複雑になり装置も高価となる。

本発明の目的は、体動検知センサーを直接的に被検体に装着しない場合であっても精度良く体動を検出でき、装置構成が簡便である体動検知センサー及び体動モニタリングシステムを提供することである。

請求項１の発明に係わる体動検知センサーは、ブリッジ状に撓ませた圧電フィルムと、前記圧電フィルムより短く形成され前記圧電フィルムの両端を連結する伸縮部材と、前記伸縮部材と被検体との間に設けられた摩擦係数の小さい滑り部材とを有し、被検体に前記滑り部材を介して当接する前記伸縮部材の伸縮動に追従して前記圧電フィルムの撓みが変化することを特徴とする。

請求項２の発明に係わる体動モニタリングシステムは、請求項１に記載の体動検知センサと、前記体動検知センサーにより誘起された電荷を電圧信号に変換する差動増幅器と、前記差動増幅器で得られた電圧信号に基づいて前記被検体の体動の有無を判定する体動判定装置とを備えたことを特徴とする。

請求項３の発明に係わる体動モニタリングシステムは、請求項１または２の発明において、前記体動判定装置は、前記差動増幅器で得られた電圧信号をデジタル信号に変換してメモリに記憶することを特徴とする。

本発明によれば、被検体に伸縮部材を滑り部材を介して当接し圧電フィルムの撓みにより体動を検出するので、装着感を損なわず高い検知精度を得ることができる。例えば、衣服の上から装着した場合に伸縮部材と衣服とが擦れ合っても、摩擦係数が小さい滑り部材により余分な信号を発生することがないので、高い検知精度を得ることができる。

また、体動検知センサーで検出した信号を差動増幅器で増幅するので、体動検知センサーの電荷をローノイズでアナログ電圧に変換できる。すなわち、圧電フィルムに誘導される外来ノイズのほとんどは、コモンモードノイズであることから、差動増幅器で信号の差分成分のみ増幅することにより外来ノイズのほとんどを除去することができる。このため、体動モニタリングシステムを安価に構成でき、小型・携帯化に適している。

さらに、差動増幅器で得られた電圧信号をデジタル信号に変換してメモリに記憶するので、メモリに記憶したデータを取り出した後に体動の有無の解析をすることができる。例えば、睡眠時無呼吸症の一次検査等に利用することが可能となる。

図１は本発明の実施の形態に係わる体動検知センサー１０の構成図である。体動検知センサー１０の圧電フィルム１２は、圧力を加えたときその圧力に比例して誘電分極により電荷が生じるピエゾ効果を示す材料で形成される。例えば、前述のPZT等の圧電セラミックや、軽量で柔軟性に富み加工性がよいPVDFが用いられる。圧電フィルム１２は予めブリッジ状に撓ませて形成されている。

ブリッジ状に撓ませて形成された圧電フィルム１２の両端には、圧電フィルム１２の長さより短く形成された伸縮部材１３が橋絡して設けられ、これにより圧電フィルム１２の両端を連結している。また、伸縮部材１３の非圧電フィルム側には、摩擦係数の小さい滑り部材１４が伸縮部材１３を覆うように設けられている。

そして、伸縮部材１３の一方端及び滑り部材１４の一方端にはそれぞれバンド１１が取り付けられている。図１では下方が被検体に当接することになる。バンド１１は被検体の周囲を巻き付けて、滑り部材１４が被検査体側に向くように、伸縮部材１３が取り付けられた圧電フィルム１２を被検査体に装着する。

従って、被検体には滑り部材１４が直接的に当接し、伸縮部材１３は滑り部材１４を介して間接的に被検体に当接することになる。なお、被検体が人体である場合には衣服を纏っている場合があるが、その場合には滑り部材１４は衣服に当接することになる。被検体の伸縮動に追従して伸縮部材１３が伸縮し、伸縮部材１３の伸縮により圧電フィルム１２の撓みが変化する。

図２は本発明の実施の形態に係わる体動検知センサー１０の圧電フィルム１２が伸張した状態を示している。例えば、体動検知センサー１０を人体の胸部または腹部に取り付けた場合、吐息時には肺内の空気が吐き出されることにより、胸囲・腹囲が小さくなるため、伸縮部材１３の伸び率は小さく、図１に示すように圧電フィルム１２は高いブリッジ形状となる。逆に、吸息時には肺内に空気が吸い込まれることにより胸囲・腹囲が大きくなるため、伸縮部材１３の伸び率は大きくなり、図２に示すように圧電フィルム１２は低いブリッジ形状となる。

本発明の実施の形態に係わる体動検知センサー１０では、圧電フィルム１２に変化が加わった時だけ出力が生じ、この出力は圧電フィルムの両端に電荷を誘起したことにより発生する。体動検知センサー１０は圧電フィルム１２の両側に電極をつけたコンデンサとなっているため、両端の電極から電荷を放電しなければ理想的には電圧が出力されたままの状態となる。例えば、PVDFの場合はその電圧が大きく数ボルト以上になる。放電の際には、抵抗を経由して放電電流を電圧に変換することで微分特性を取得することができる。なお、抵抗はなるべく高い電圧の出力が得られ、かつ必要な周波数の信号を取ることができるように、使用するPVDFの大きさや厚さなどに応じて調整する。

このように、体動検知センサー１０は、圧電フィルム１２に生じる撓みの変化が大きくなるため、生じる電圧の変化も大きいものとなり、精度の高い呼吸信号等の体動の検知が可能となる。しかも、圧電フィルム１２が被検査体に直接密接されないため、心臓の鼓動によるノイズも抑えることができる。さらには、滑り部材１４を設けているので、被検査体である人体に衣服を纏っている場合であっても、擦れによるノイズが少なく体動を精度良く検出できる。

図３は、本発明の実施の形態に係わる体動モニタリングシステムのブロック構成図である。体動検知センサー１０により誘起された電荷は電圧信号として差動増幅器１５に入力される。体動検知センサー１０の圧電フィルム１２により誘起された電荷は、圧電フィルム１２の両側に電極をつけたコンデンサに印加され、このコンデンサの両端の電圧を差動増幅器１５に入力する。

差動増幅器１５は、図４に示すように演算増幅器１６を用いて構成され、入力端子間の電位差に対する応答においてのみ出力（差動モード信号）を発生し、その入力端でのコモンモード干渉電圧によって生じる出力が抑えられる特性を有する。体動検知センサー１０の圧電フィルム１２に誘導される外来ノイズのほとんどは、コモンモードノイズである。従って、差動増幅器１５で信号の差分成分のみ増幅することにより、外来ノイズのほとんどを除去することができる。

差動増幅器で得られた電圧信号はＡ／Ｄ変換器１７でデジタル信号に変換され体動判定装置１８に入力される。体動判定装置１８としては、例えばMPU(MicroProcessing Unit)が用いられ、測定信号を所定の閾値と比較して体動の有無を判定するとともに、入力した測定信号をメモリ１９に時系列的に記憶する。また、体動判定装置１８の判定結果や測定値は出力装置２０に出力される。例えば、体動が所定時間以上継続しないときは出力装置２０に警報を出力する。

また、メモリ１９に蓄積された測定データはインターフェース回路２１を介して外部演算装置２２により読み出され、外部演算装置２２により測定データを解析し、体動の詳細を解析する。これにより、例えば睡眠時無呼吸症の一次検査等に利用する。

図５は、本発明の実施の形態に係わる体動モニタリングシステムの処理内容を示すフローチャートである。図５に示した処理は所定の周期で繰り返し行われる。まず、体動検知センサー１０で検出された電荷による体動検出信号入力し（Ｓ１）、入力した体動検出信号を差動増幅器１５で増幅し電圧信号に変換する（Ｓ２）。そして、電圧信号をＡ／Ｄ変換器１７でデジタル信号に変換し（Ｓ３）、体動判定装置１８に入力する。体動変換装置１８は入力したデジタル信号を出力装置２０に測定信号として表示するとともに（Ｓ４）、メモリ１９に測定データとして記憶する（Ｓ５）。そして、今回測定した測定信号の測定値が予め定めた体動判定値以上であるか否かを判定し（Ｓ６）、体動判定値以上であるときは体動は正常に行われているので処理を終了し次の周期まで待つ。

一方、ステップＳ６の判定で、今回測定した測定信号の測定値が体動判定値未満であるときは、インデックスcountに１を加算し（Ｓ７）、インデックスcountの値が予め定めた周期基準値以上であるか否かを判定する（Ｓ８）。インデックスcountの値が予め定めた周期基準値以上であるときは、周期基準値×１周期の時間以上に亘って体動がない状態であるので警報を出力する（Ｓ９）。一方、ステップＳ８の判定で、インデックスcountの値が予め定めた周期基準値未満であるときは、体動が停止したとまでは言えないと判断し次の周期まで待つ。

図５に示した処理を所定の周期で複数回行うことによって、メモリ１９に体動の測定データが時系列的に記憶される。このメモリ１９に記憶された測定データを、後に外部演算装置２２に読み出して体動を詳細に解析することが可能となる。

以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、体動検知センサー１０は滑り部材１４を有しているので、衣服を纏っていた場合であっても、被検体の体動を精度よく検出できる。また、体動検知センサー１０で検出した体動検出信号は差動増幅器１５で増幅するのでコモンモードノイズを除去できるので、体動検知センサー１０にノイズ除去用の導電布テープを貼らない場合であってもノイズの影響を抑制できる。また、測定信号をメモリ１９に蓄積するので、後の体動解析も容易に行うことができる。

例えば、人口呼吸器使用者の呼吸監視や突発的な発作のおそれがある患者の監視に利用できる。また、構成が簡易であり小型・携帯化に適しているため、例えば筋ジストロフィー患者の在宅人工呼吸療法における利用が期待される。さらには、人間のみならず動物の体動監視に利用してもよく、例えば、動物の分娩タイミングの監視への利用が可能である。

本発明の実施の形態に係わる体動検知センサーの構成図。本発明の実施の形態に係わる体動検知センサーの圧電フィルムが伸張した状態を示す構成図。本発明の実施の形態に係わる体動モニタリングシステムのブロック構成図。本発明の実施の形態における差動増幅器の一例を示す回路図。本発明の実施の形態に係わる体動モニタリングシステムの処理内容を示すフローチャート。従来型の圧電フィルムを用いた体動検知センサーの使用態様の説明図。図６に示した従来型の体動検知センサーの断面図。

符号の説明

１０…体動検知センサー、１１…バンド、１２…圧電フィルム、１３…伸縮部材、１４…滑り部材、１５…差動増幅器、１６…演算増幅器、１７…Ａ／Ｄ変換器、１８…体動判定装置、１９…メモリ、２０…出力装置、２１…インターフェース回路、２２…外部演算装置

Claims

ブリッジ状に撓ませた圧電フィルムと、前記圧電フィルムより短く形成され前記圧電フィルムの両端を連結する伸縮部材と、前記伸縮部材と被検体との間に設けられた摩擦係数の小さい滑り部材とを有し、被検体に前記滑り部材を介して当接する前記伸縮部材の伸縮動に追従して前記圧電フィルムの撓みが変化することを特徴とする体動検知センサー。
請求項１に記載の体動検知センサと、前記体動検知センサーにより誘起された電荷を電圧信号に変換する差動増幅器と、前記差動増幅器で得られた電圧信号に基づいて前記被検体の体動の有無を判定する体動判定装置とを備えたことを特徴とする体動モニタリングシステム。
前記体動判定装置は、前記差動増幅器で得られた電圧信号をデジタル信号に変換してメモリに記憶することを特徴とする請求項１または２に記載の体動モニタリングシステム。