JP2009172194A - 体動検知センサーおよび体動検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検知精度が高くしかも小型化可能な構造を有する、圧電フィルムを用いた体動検知センサーおよび体動検知方法の提供。
【解決手段】圧電フィルムの伸縮により生じる出力電圧により体動を検知する体動検知センサーにおいて、圧電フィルムを収納するカバー部材と、カバー部材に接続されるバンド部材と、巻回部材（４）と、係回部材（５）と、巻回部材および係回部材に係回される環状弾性部材とを有し、圧電フィルムの第一の端部を巻回部材に巻回し、圧電フィルムの第二の端部をバンド部材の端部に接続して構成される体動検知センサーおよびそれを用いた体動検知方法。
【選択図】図８

Description

本発明は、圧電フィルムを用いた体動検知センサーおよび体動検知方法に関し、例えば、カーブを有する形状に屈曲させた圧電フィルムをバンド部材に接続し、被検体の呼吸を検知する体動検知センサーおよび体動検知方法に関する。

従来の体動検知手段を大別すると、（ア）センサーに電流を流し電気抵抗の変化を測定するものと、（イ）体動により圧電体に生じる電圧の変化を測定するものがある。

（ア）前者は、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というものである。
しかしながら、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た。かかる問題を解決するために、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）。
しかしながら、特許文献１に開示されるセンサーでは、バンド長の物理的な伸縮そのものを計測するものであり、精度面に問題があった。

（イ）後者は、圧電体にたわ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。圧電フィルムとしてはＰＶＤＦ（Polyvinylidene fluoride film：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および装置が提言されている（特許文献２）。
また、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１は、従来型の圧電フィルムを用いたバンド型呼吸センサーの使用態様である。バンド１の中央部に圧電フィルム２が設けられており、当該部分のたわ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仕組みである。

しかしながら、胸部または腹部にバンド巻き付けて使用する場合においては、圧電フィルムにたわみを生じさせるためにバンドをきつく巻き付ける必要があり、患者の不快感が高く、バンドのずれも生じやすく、しかも、圧電フィルムにたわみを生じさせるため、バンド１には伸縮しない素材が用いられており、このことが更に装着感を悪くしていた。
また、腹部・胸部の一部の動きのみが圧電フィルムにたわ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という問題があった。
さらに、胸部および腹部に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。

そこで、本発明者は、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およびそれを用いた体動モニタリングシステムを提言した（特許文献３）。
特開２００１−１７４０９号公報 特公昭６３−５０１１９６号公報 特許第４０４５３４４号公報

特許文献３に開示される体動検知センサーは、小型化の観点から改良の余地があった。図１は、特許文献３に開示される体動検知センサーの試作品の写真および特徴を説明するための図面である。特許文献３に開示される体動検知センサーは、その構造上、圧電フィルムを撓ませるための厚み（高さ）が必要である。ストロークを大きくするためには撓みを大きくする必要があるが、それに伴い体動検知センサーの大型化も避けられない。
また、センサー部に回路部を積層すると、全体の厚みが更に大きくなるため、センサー部と回路部とを別筐体とするなど、配置設計上の制限があった。

上記課題を解決するべく、本発明は、検知精度が高くしかも小型化可能な構造を有する、圧電フィルムを用いた体動検知センサーおよび体動検知方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、圧電フィルムの伸縮により生じる出力電圧により体動を検知する体動検知センサーにおいて、圧電フィルムを収納するカバー部材と、カバー部材に接続されるバンド部材と、巻回部材（４）と、係回部材（５）と、巻回部材および係回部材に係回される環状弾性部材とを有し、圧電フィルムの第一の端部を巻回部材に巻回し、圧電フィルムの第二の端部をバンド部材の端部に接続して構成される体動検知センサーである。
第２の発明は、第１の発明において、圧電フィルムの第一の端部と回路部が積層配置されることを特徴とする。
第３の発明は、略Ｕ字形状に撓ませた圧電フィルムの伸縮により生じる出力電圧により体動を検知する体動検知センサーにおいて、圧電フィルムを収納するカバー部材と、カバー部材に接続されるバンド部材と、カバー部材の第一の内面に固定される弾性部材とを有し、圧電フィルムの第一の端部をカバー部材の第二の内面に固定し、圧電フィルムの第二の端部に、Ｕ字の開口方向に力を作用させるようバンド部材の端部を接続し、且つ、Ｕ字の開口方向と逆方向に力を作用させるよう弾性部材の端部を接続して構成される体動検知センサーである。

第４の発明は、圧電フィルムの伸縮により生じる出力電圧により体動を検知する体動検知方法であって、圧電フィルムを収納するカバー部材と、カバー部材に接続されるバンド部材と、巻回部材（４）と、係回部材（５）と、巻回部材および係回部材に係回される環状弾性部材とを有し、圧電フィルムの第一の端部を巻回部材に巻回し、圧電フィルムの第二の端部をバンド部材の端部に接続して構成される体動検知センサーを、バンド部材により被検体に取り付け、体動を検知することを特徴とする体動検知方法である。
第５の発明は、略Ｕ字形状に撓ませた圧電フィルムの伸縮により生じる出力電圧により体動を検知する体動検知方法であって、圧電フィルムを収納するカバー部材と、カバー部材に接続されるバンド部材と、カバー部材の第一の内面に固定される弾性部材とを設け、
圧電フィルムの第一の端部をカバー部材の第二の内面に固定し、圧電フィルムの第二の端部に、Ｕ字の開口方向に力を作用させるようバンド部材の端部を接続し、且つ、Ｕ字の開口方向と逆方向に力を作用させるよう弾性部材の端部を接続して構成される体動検知センサーを、バンド部材により被検体に取り付け、体動を検知することを特徴とする体動検知方法である。
第６の発明は、前記体動検知センサーを被検体の胸部に取り付け、呼吸を検知することを特徴とする。

本発明によれば、圧電フィルムをカバー部材内にコンパクトに収納することができるため、小型の体動検知センサーおよびそれを用いた体動検知方法を実現することが可能である。
また、圧電フィルムが直接体に触れないため、体位の変化により生じるノイズ、心臓の鼓動によるノイズを抑えることができる。

本発明に係る体動検知センサーは、曲折された圧電フィルムが被検体の体動に伴い生じる電圧の変化を測定するものである。
本発明に係る体動検知センサーは、センサー部を構成するカバー部材内に圧電フィルムをコンパクトに収納することができるため、回路部とセンサー部を重ねて配置することも可能である。

圧電フィルムは、撓ませた状態でカバー部材内に収納される。圧電フィルムの一端は、カバー部材内に挿入されたバンド部材と接続され、被検体の体動に伴い伸縮される。例えば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・復囲が小さくなると、バンド部材に引っ張られた圧電フィルムが縮み、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・復囲が大きくなると、圧電フィルムは引っ張られて伸びることとなる。
最良の形態の体動検知センサーにおいては、圧電フィルムは、略Ｕ字形状に、或いは、柱状部材に巻回された状態でカバー部材内に収納されているため、カバー部材を薄く構成することができる。いずれの態様でも十分なストロークを確保することが可能であり、高出力を得ることができるが、前者の態様は逆方向の電圧により順方向の電圧がキャンセルされる場合があるため、後者の態様の方がより好ましい。
圧電フィルムはカバー部材内に収納されるため、胸部にセンサー部を取り付けても、フィルムが直接体に密接されないため、心臓の鼓動によるノイズも抑えることができる。

圧電フィルムの材料としては、ピエゾ効果を示すものであればその種別を問わないが、装着感を高めるためには軽量で柔軟性に富むものが好ましい。ピエゾ材料としては、ＰＺＴ等の圧電セラミックが有名であるが、軽量で柔軟性に富み、加工性がよいＰＶＤＦが好ましい材としてあげられる。ＰＶＤＦは応答帯域がきわめて広く、固有の共振周波数を持ちにくいという特徴も有する。なお、ＰＶＤＦは高温度環境下での利用に適していないため、そのような環境下で利用する場合には圧電セラミックを使用した薄膜、厚膜を用いることとなる。

圧電フィルムは、導電布テープによりシールドすることでノイズ対策を施すのが好ましい。導電布テープは電子機器の電磁波や静電気のシールド、信号ケーブルやコネクタのシールドに使用される一般的なものでよく、粘着面にも導電性があり、貼り合わせても導通があるため、確実にシールド効果を得ることができる。

本発明の体動センサーでは、圧電フィルムがコンデンサとなっているため、放電が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を用いた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。ここで、抵抗は、なるべく高い電圧の出力が得ることができ、且つ、必要な周波数の信号を取ることができるように、使用する圧電フィルムの種類や形状（大きさや厚さ）などに応じて最適なものを選択する。

本発明に係る体動検知センサーは、チャージアンプやＦＥＴ（電界降下トランジスタ）などの測定回路に接続され、そこで圧電フィルムに誘起された電荷量を電圧信号に変換する。測定回路を通すことにより、圧電フィルム電荷が誘起された時だけ出力することができるため、体位の変化により生じるノイズ、心臓の鼓動によるノイズの影響を受けにくくすることができ、体動の有無を瞬時に判断することができる。
測定回路のアナログ電圧信号はデジタル信号に変換され（Ａ／Ｄ変換）、画面上に出力されるとともに、コンピュータの専用プログラムに送信され、そこで体動の有無が判定される。電圧信号が基準値以下の場合には、体動がないものとしてカウントし、体動がない状態が一定時間以上継続した場合には、警報を発して異常を知らせるように構成することができる。携帯型のモニターシステムを実現するためには、上記測定回路として小型のチャージアンプを用いるのが好ましい。

以下では、本発明の詳細を実施例で説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されることはない。

小型の体動検知センサーを実現すべく、比較例１と実施例１の体動検知センサーを試作し、これらのセンサーを用いて、人の呼吸のモニタリングを行った。

（比較例１）
比較例１のセンサーは、図２に示す如く、ＰＶＤＦフィルムからなる圧電フィルム２を、シリコン製のスパイラルチューブ７に貼着して構成した。入力インピーダンスは１０ＫΩであり、測定用外部回路には電源ノイズ除去、高周波ノイズ除去回路を使用した。ここでは、電源ノイズフィルター（５０Ｈｚと６０Ｈｚのノッチフィルター）と高周波カットフィルターを使用している。
圧電フィルム２の厚さは２８μｍであり、サイズは１６ｍｍ×７３ｍｍである。また、電極サイズは１２ｍｍ×６２ｍｍである。
比較例１のセンサーによる呼吸の測定結果（女性Ａ）は図３に示すとおりである。比較例１では、大きな出力を得ることができなかったため、信号の増幅が必要である。比較例１の構成では、圧電フィルム２の伸縮する方向が上下で逆になるため、上下で逆方向の電圧が発生し、順方向の電圧がキャンセルされることが原因であると推測される。

（実施例１）
実施例１のセンサーは、図４に示す如く、ＰＶＤＦフィルムからなる圧電フィルム２を、略Ｕ字形状に撓ませ、その一端を固定部材２３によりカバー部材の内面１１に固定し、その他端を固定部材２４を介してバンド部材３２および弾性部材３に接続して構成される。弾性部材３は、カバー部材内の内面１２に固定部材２５により固定されている。入力インピーダンスは１０KΩであり、測定用外部回路には電源ノイズ除去、高周波ノイズ除去回路を使用した。
圧電フィルム２の厚さは２８μｍであり、サイズは１６ｍｍ×７３ｍｍである。また、電極サイズは１２ｍｍ×６２ｍｍである。
カバー部材は０．５ｍｍ厚のアクリル板により作製した。

被検者が呼吸をすると、バンド部材３２が矢印方向に引っ張られ、Ｌ１のストロークが得られる。実施例１のセンサーによる呼吸の測定結果（女性Ａ）は図５に示すとおり、比較例１と比べると得られる出力が大きい。
また、実施例１のセンサーは、特許文献３に係るセンサーに比べ、ストロークが長く取れるため、被験者への負担はより少なく、またーに比べノイズが少なくなっている。ノイズが少なくなるのは、呼吸信号は非常に長周期（低周波）であり、呼吸信号より短周期（高周波）の信号は振動などによるノイズと言え、この短周期（高周波）を構造上うち消すようになっているためであると考えられる。

また、実施例１のセンサーを被検者に装着し、乗用車に搭乗した状態で測定した結果が、図６（女性Ａ）および図７（男性Ｂ）である。本実施例のセンサーを装着することにより、走行中の乗用車においても実用的な出力を得られることが確認できた。このことから、本実施例のセンサーによれば、運転者の呼吸状態を監視可能であると言うことができる。

実施例２のセンサーは、図８に示す如く、ＰＶＤＦフィルムからなる圧電フィルム２を柱状の巻回部材４に巻回して構成される。巻回部材４は、柱状の係回部材５と環状弾性部材６により係回されており、バンド部材３２による引っ張り作用（図８の右方向）および緩み作用（図８の左方向）により、前後に回動する。そして、巻回部材４が回動することにより、圧電フィルム２が伸縮して電圧が生じることとなる。

本実施例のセンサーにおいて、巻回部材４を２種類用意して呼吸の測定を行った。入力インピーダンスは１０KΩであり、測定用外部回路には電源ノイズ除去、高周波ノイズ除去回路を使用した。巻回部材４の半径が４ｍｍのものをｃｈ１とし、半径が１０ｍｍのものをｃｈ２とした測定結果を示したものが図９である。
圧電フィルム２の厚さは２８μｍであり、サイズは１６ｍｍ×７３ｍｍである。また、電極サイズは１２ｍｍ×６２ｍｍである。
図９の測定結果から、巻回部材の半径が小さい方が、大きい出力を得られることが確認できた。これは、ストロークＬ２に対する半径が小さい方が、圧電フィルム２が巻回される回数が大きくなるためである。
なお、本実施例の構成では、圧電フィルムをＵ字形状に構成する場合と比べ、Ｕ字の谷部を挟んで逆方向に電圧が生じることが無いため、より高出力を得ることができる。
また、実施例１のセンサーは、特許文献３に係るセンサーに比べると概ね２倍以上の出力を得ることができる。

《圧電フィルムの全長と巻回数》
圧電フィルムの全長は、測定対象が必要なストロークに基づき定められる。たとえば人間の呼吸を測定するに際し、胸部で５０ｍｍの変化がある場合には、圧電フィルムの全長は５０ｍｍ以上にする必要がある。
また、これまでの実験結果から、ストロークに対する巻回部材の周長（半径の大きさ）については、測定物のストロークに対して巻回部材の周長が２〜４倍になるように構成するのが好ましいことが分かった。
巻回部材の周長が短くなる（半径が小さくなる）に伴い、圧電フィルムの変化は大きくなるので、巻回部材を小径に構成し、巻回数を多くすることが好ましく、少なくとも圧電フィルムが縮んだ際に巻回部材に１周以上巻回されるように構成する。ただし、圧電フィルムを巻くための最低半径が存在し（光ファイバーをカタログ値以下の半径にすると劣化するのと同様である）、それは圧電フィルムの仕様毎に異なるため、当業者が適宜調整する設計事項である。これまでの実験結果から、本実施例の構成においては、３〜４ｍｍが最低半径であることが分かった。この値は、圧電フィルムの厚さや圧電フィルムを絶縁・保護するための材料の材質・厚さに関係すると思われる。

本実施例のセンサー部１は、その構造上、薄型に構成することが可能である。そして、図１０に示す如く、回路部を重ねることにより、体動検知センサーの全体の大きさをコンパクトに構成することが可能である。すなわち、柱状部材４，５が設置されていない部分を肉薄とした略Ｌ字形状のセンサー部１を構成し、肉薄の部分に回路部４０を配置することで、体動検知センサーの全体の大きさをコンパクトに構成することを可能としている。

本発明は、人間の体動の監視に利用することができ、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。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。
また、車両運転者の呼吸状態を監視する居眠り検知システムで利用することもできる。
なお、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想定される。

特許文献３に開示される体動検知センサーの試作品の写真および特徴を説明するための図面である。 比較例１の体動検知センサーの試作品の写真である。 比較例１の体動検知センサーによる呼吸測定結果（女性Ａ）を示す図面である。 実施例１の体動検知センサーの概要構成図である。 実施例１の体動検知センサーによる呼吸測定結果（女性Ａ）を示す図面である。 実施例１の体動検知センサーによる車内での呼吸測定結果（女性Ａ）を示す図面である。 実施例１の体動検知センサーによる車内での呼吸測定結果（男性Ｂ）を示す図面である。 実施例２の体動検知センサーの概要構成図である。 実施例２の体動検知センサーによる呼吸測定結果を示す図面である。 実施例２の体動検知センサーと回路部の配置関係の説明図である。

符号の説明

１ センサー部（カバー部材）
２ 圧電フィルム
３ 弾性部材
４ 巻回部材
５ 係回部材
６ 環状弾性部材
７ スパイラルチューブ
１１ カバー部材の内面（第一の内面）
１２ カバー部材の内面（第二の内面）
２１ 圧電フィルムの第一の端部
２２ 圧電フィルムの第二の端部
２３〜２６ 固定部材
３１，３２ バンド部材
４０ 回路部

Claims (6)

1. 圧電フィルムの伸縮により生じる出力電圧により体動を検知する体動検知センサーにおいて、
   圧電フィルムを収納するカバー部材と、カバー部材に接続されるバンド部材と、巻回部材（４）と、係回部材（５）と、巻回部材および係回部材に係回される環状弾性部材とを有し、
   圧電フィルムの第一の端部を巻回部材に巻回し、圧電フィルムの第二の端部をバンド部材の端部に接続して構成される体動検知センサー。
2. 圧電フィルムの第一の端部と回路部が積層配置されることを特徴とする請求項１記載の体動検知センサー。
3. 略Ｕ字形状に撓ませた圧電フィルムの伸縮により生じる出力電圧により体動を検知する体動検知センサーにおいて、
   圧電フィルムを収納するカバー部材と、カバー部材に接続されるバンド部材と、カバー部材の第一の内面に固定される弾性部材とを有し、
   圧電フィルムの第一の端部をカバー部材の第二の内面に固定し、
   圧電フィルムの第二の端部に、Ｕ字の開口方向に力を作用させるようバンド部材の端部を接続し、且つ、Ｕ字の開口方向と逆方向に力を作用させるよう弾性部材の端部を接続して構成される体動検知センサー。
4. 圧電フィルムの伸縮により生じる出力電圧により体動を検知する体動検知方法であって、
   圧電フィルムを収納するカバー部材と、カバー部材に接続されるバンド部材と、巻回部材（４）と、係回部材（５）と、巻回部材および係回部材に係回される環状弾性部材とを有し、圧電フィルムの第一の端部を巻回部材に巻回し、圧電フィルムの第二の端部をバンド部材の端部に接続して構成される体動検知センサーを、バンド部材により被検体に取り付け、体動を検知することを特徴とする体動検知方法。
5. 略Ｕ字形状に撓ませた圧電フィルムの伸縮により生じる出力電圧により体動を検知する体動検知方法であって、
   圧電フィルムを収納するカバー部材と、カバー部材に接続されるバンド部材と、カバー部材の第一の内面に固定される弾性部材とを設け、
   圧電フィルムの第一の端部をカバー部材の第二の内面に固定し、
   圧電フィルムの第二の端部に、Ｕ字の開口方向に力を作用させるようバンド部材の端部を接続し、且つ、Ｕ字の開口方向と逆方向に力を作用させるよう弾性部材の端部を接続して構成される体動検知センサーを、バンド部材により被検体に取り付け、体動を検知することを特徴とする体動検知方法。
6. 前記体動検知センサーを被検体の胸部に取り付け、呼吸を検知することを特徴とする請求項４または５記載の体動検知方法。