JP2009528116A - 身体パラメータ検出 - Google Patents

Abstract

衣服１０と、衣服１０内における相互に移動可能な相対位置に位置される、身体信号を検出するための複数の検出器１２、２０とを有する身体パラメータ検出装置である。複数の検出器１２、２０に結合される処理回路２６は、有効な身体信号を伝える検出器１２、２０のうちの選択された検出器を識別するように構成される。検出器１２、２０からの信号の間の類似の程度に応じて検出器１２、２０をクラスタリングすることによる識別がなされる。検出器１２、２０のクラスタは、最小のクラスタ直径内の最大数の検出器１２、２０で決定される。類似の程度によって規定されるクラスタ直径又は検出器からの信号の間の距離が使用される。クラスタは、クラスタの帰属関係に基づいて有効な身体信号を伝える検出器１２、２０のうちの選択された検出器を識別するように検出器１２、２０を選択するために使用される。

Description

本発明は、身体（ボディ）パラメータ検出（センシング）（body parameter sensing）装置及びボディパラメータを検出（検知）するための方法に関する。

身体に対する固定接続物なしで、衣服内にＥＣＧ（心電図）信号のような事物のための検出器（センサ）を含めることが提案されている。身体信号が測定される人は、検出を可能にするためにただ衣服を着用することが必要とされるだけである。このことにより、身体に対する検出器の取り付け部によって人を妨害することなく、通常の活動（すなわち、とりわけ身体信号を測定することに向けられることのない活動）の間、人の身体信号をモニタリング（監視）することが可能になる。

柔軟な衣服に取り付けられる検出器のこのような装置において、検出器は互いに対して移動することができる。不都合なことに、衣服内に検出器を備えるこのような装置は、例えば身体移動が一時的に検出器と身体との間に距離をもたらすとき、いくつかの検出器は関連信号を一時的に供給し損なうことが分かった。それ故に、遅れずに所与の時間に有効な信号を供給することのない検出器を除去する方法を提供することと、除去された検出器のセットを時間の関数として適用することとは所望され得る。

米国特許出願第2002/0120202号公報は、鼓動検出器（heartbeat sensor）を開示している。この検出器は、手首に対して押圧される圧力検出器のリニアアレイ（直線配列部）を有する。圧力検出器は、（少なくとも鼓動検出器が着用されるとき）全て手首と常時接触して、アレイにおいて互いに対して固定位置に位置されるので、いくつかは動脈に押し付けられ、その他は動脈に隣接して手首に押し付けられる。検出器の固定アレイは、突出した鼓動圧を伴う信号及び突出した鼓動圧を伴わない信号をもたらすために使用される。後者は、突出した鼓動圧を伴う信号から引かれる。このことは、ランニングのような身体移動等、筋肉の収縮による圧力変化の影響を除去する。

米国特許出願第2002/0120202号公報は、鼓動信号をもたらす検出器の動的選択（ダイナミックセレクション）を提供する。選択は、隣接する検出器からの信号の相互相関（cross correlating）を含む。詳細については記載されないが、本文献は、背景技術セクションにおいて、米国特許第5,243,993号公報が、鼓動信号を受けるために相関関数を使用していることに言及している。

米国特許第5,243,993号公報は、現在の（推定された）鼓動と先行する鼓動との間の相関係数の計算を開示している。推定鼓動は、相関係数が所定の範囲内にある場合、真の鼓動として受け入れられる。

これらの文献が、互いに対して機械的に固定された位置に位置される、圧力検出器のリニアアレイの使用を仮定していることは注意されるべきである。この構成は、信号処理問題を規定する。すなわち、アレイに沿って、連続的に最初のいくつかの検出器は動脈から直接圧力を検出せず、それからいくつかの検出器が直接圧力を検出し、最終的にいくつかの検出器は直接圧力を検出しないことが保証され、全ての検出器からの信号は同じコモンモードバックグラウンド信号を有することが保証される。更に鼓動は、鼓動が存在する全ての信号において同時に存在することが保証される。信号の処理は、アレイにおける異なる検出器からの信号の間のこれらの関係を使用するように設計される。

米国特許第5,243,993号公報及び米国特許出願第2002/0120202号公報は、本構成における検出器の間の独立した相対移動を可能にする衣服内の検出器構成とは無関係である。これらの文献は、電気的身体ポテンシャル（電位）の容量性検出器とも関係していない。

とりわけ本発明は、互いに対して、及び身体に対して移動し得る複数の検出器を備え、不十分な情報を一時的にもたらす検出器からの信号が除去され得る身体パラメータ検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、請求項１に記載の身体パラメータ検出装置を提供する。当該装置は、衣服内における相互に移動可能な相対位置に位置される、身体信号を検出するための複数の検出器及び衣服を有する。検出器は、例えば心電図（ＥＣＧ）データに対応して身体ポテンシャルを容量的にピックアップする（得る）ための容量性電極であってもよい。

処理回路は、検出器からの信号の間の類似の程度に応じて検出器を集めることによって有効な身体信号を伝える検出器の選択された一つを識別する。類似度は、例えば検出器信号の間の差異、又は信号の間の相関を減らすことによって測定される。フェージング信号（fading signal）を伴う検出器は、関心の身体信号に相関しないかなりの雑音形の特性を有するであろう。その結果として、有効な身体信号を伝える検出器からの信号との乏しい類似度しかもたらされないであろう。

検出器クラスタが、最小のクラスタ（群）直径（cluster diameter）を備える最大数の検出器で選択される。クラスタ直径は、クラスタにおける検出器の何れかの対に対する信号の間の距離測定値の最大値、又は例えばクラスタにおける検出器の何れかの対に対する信号の間の相関の最小値の何れかの減少関数の最大値によって規定される。一つ又はそれよりも多くの検出器が、選択されたクラスタのメンバに基づいて有効な身体信号を伝える検出器として選択される。一つの例において、閾値よりも小さな直径及び最大数の検出器を備えるクラスタが、有効な身体信号を伝える検出器を選択するために使用される。このように、身体から確実な信号を受信しない検出器は除去される。

実施例において、類似度又は距離は、異なる検出器が信号を得る、身体上の位置への移動時間の差の原因となる相互の時間オフセットを備える信号から計算される。一つの実施例において、異なる位置を考慮する所定の時間オフセットが使用されてもよい。他の実施例において、衣服の移動による検出位置の変化が考慮され得るように時間オフセットは適応される。

これら及び他の目的並びに有利な態様は、以下に記載された実施例から明らかであり、図を使用して説明される。

図１は、容量性検出器の検出器位置１２を伴う衣服１０を示す。一つの実施例において、検出器は、衣服に接着されるか、若しくは縫い合わされるか、又は衣服内のポケットに含まれる容量性電極プレート（板）を有する。図２は、衣服からの電極プレート２０を有する回路を示す。回路は、電極プレートの各々一つのための差動増幅器２２、Ａ／Ｄ（アナログ・ディジタル）変換回路２４、ディジタル信号処理回路２６、及びメモリ２９を有する。各々の差動増幅器２２は、参照（基準）電極プレート２８及び電極プレート２０の各々一つに結合される入力部と、Ａ／Ｄ変換回路２４の各々一つの入力部に結合される出力部とを有する。各々のＡ／Ｄ変換回路は、ディジタル信号処理回路２６に結合される出力部を有する。メモリ２９は、ディジタル信号処理回路２６に結合される。

回路が、検出器装置のための一つの代表的な回路にすぎないことは評価されるべきである。多くの変形例が可能であり、例えばディジタル信号処理回路２６に対する別個の入力部を使用する代わりに、ディジタル信号処理回路２６とＡ／Ｄコンバータ２４とを相互接続するためにいくつかの小さなネットワークが使用されてもよい。同様に、参照（レファレンス）電極２８がグランド（アース）に結合されるとき、参照電極２８に対する増幅器２２の接続が暗になされてもよい。更に、単一の参照電極２８の代わりに、異なる参照電極が増幅器２２の各々一つの参照入力部に結合されてもよい。

一つの例の動作において、回路は、衣服を着用する人の心電図をメモリ２９に記録するように機能する。よく知られているように、心臓動作は、心電図が得られ得る身体表面上に時間可変電位をもたらす。従来、このことは、患者の身体に電極を固着すると共に電極からの信号を記録することによって行われてきた。代わりに、身体に対する固定取り付けなしに、衣服内の電極を使用することが提案されている。この実施例において、衣服を着用する人の移動は、何れかの時間において容量性電極の一つからの単一の信号のみで十分であるが、容量性電極が身体に密接触するのを一時的に妨げ得るため、一つの容量性電極且つ同じ容量性電極を常に使用するのに不十分である。それ故に、各々の関連する時点において代表的な信号をもたらす電極を識別するために容量性電極からの動的選択のための方法が必要とされる。

図３は、電極プレート２０からの信号を選択するための、信号処理回路２６の動作のフローチャートを示す。第一のステップ３１において、信号処理回路２６は、（i=1,2,3等によってラベリングされる）Ａ／Ｄコンバータ２４からの時間インタバル及び時点tに対する信号R(i,t)を受信する。所定の時間インタバルの間の時間サンプルtの時間シーケンスR(i,t)のセットはアルゴリズムの入力である。時間インタバルは、例えば鼓動期間の持続時間を有していてもよいが、鼓動以外の信号はモニタリングされることが必要とされるとき、いくつかの鼓動期間の長さになる持続時間、若しくはそれよりずっと長い持続時間、又はそれより短い持続時間を有していてもよい。他の実施例において、時間インタバルは可変であり、鼓動期間に適応される。第二のステップ３２において、信号処理回路２６は、i及びjによってラベリングされる異なる検出器に対する信号の積R(i,t)xR(j,t')の時間和（時間に渡る総和）（xは値R(i,t)とR(j,t')との掛け算を表す）に対応して、異なる電極に対するＡ／Ｄコンバータ２４の信号の間の相関係数C(i,j)を計算する。ここで、t'=t+dtであり、dtは、相関が計算されるオフセット値である。一つの実施例において、dtはゼロに等しくなるが、記載されるように、他の値が使用されてもよい。時間和の値は、上記の時間インタバルの長さによって決定される時間スパン（範囲）に渡って実行される。前記和は、自動相関R(i,t)x R(i,t)及びR(j,t)x R(j,t)に対する同様の和の平方根によって正規化される。

第三のステップ３３において、信号処理回路２６は、許容された（受け入れられた）電極（許容電極）のクラスタから信号を除去し始める。第三のステップ３３の最初の実行において、信号処理回路２６は、全ての電極を最初に含む、許容電極のクラスタから開始する。連続実行において、処理回路２６は、電極i及びjの連続対を選択する。

第四のステップ３４において、信号処理回路２６は、電極の対からの信号の間の相関係数が所定の閾値よりも低くなるかどうかをテスト（試験）する。低くなる場合、信号処理回路２６は、第五のステップ３５を実行し、電極i及びjをそれぞれ備える更なる閾値よりも高い（上の）相関を有する許容電極のクラスタにおける他の電極の数の電極i及びjの数を決定する。その後、信号処理回路２６は、第六のステップ３６を実行し、許容電極のクラスタから最低数を備える対からの電極i又はjを除去する。信号処理回路２６は、第七のステップ３７を実行し、許容されたクラスタのうちのクラスタにおける全ての対が巡回されたかどうかをテストする。全ての対が巡回されていない場合、信号処理回路２６は、第三のステップ３３に戻り、許容電極のクラスタから他の対を選択する。第四のステップ３４において、信号処理回路２６が、相関は十分に高くなることを決定するとき、信号処理回路２６は第七のステップ３７に直接進む。

第七のステップ３７において、全ての対が巡回されたことを決定するとき、信号処理回路２６は第八のステップ３８に進み、結果の記憶のための許容された信号（許容信号）の一つを選択する。代わりの実施例において、許容信号のクラスタからの信号は、考慮中の時間インタバルにおける時間値に対して平均化され、結果としてもたらされる平均値は記憶される。記憶された信号は、医者による後の診断検査のために利用可能になってもよく、又は例えば異常な信号形状を検出する計算を実行するための分析コンピュータによる使用のために利用可能になってもよい。

第八のステップ３８の後、信号処理回路２６は、他の時間インタバルに対して第一のステップ３１から繰り返す。実施例において、これは、フローチャートのステップが先行して実行される時間インタバルにすぐに後続する時間インタバルになる。他の実施例において、連続的にオーバラップする時間インタバルが使用されてもよい。代わりの実施例において、クラスタにおける信号の間の何れかの相関が閾値よりも下に降下するまで、又は所定の数の時間インタバルが処理されるまで、第八のステップ３８は、許容信号の同じクラスタを使用して複数の時間インタバルに対して実行される。これは、必要とされる処理の量を低減する。このことは、許容信号のクラスタが通常、各々の時間インタバルの後よりもずっと遅いレートのみで変化するため可能になる。

好ましくは、第二のステップ３２において、相関係数C(i,j)が、選択される時間値t, t'に渡って積R(i,t)xR(j,t')を合計することによって計算されるので、t-t'は電極i及びjの対に対する固定オフセット値dtになり、この値は、電極i及びjが信号を受信する身体上の各点に対するECG信号の移動時間の差に対応する。

一つの実施例において、信号処理回路２６（のプログラム）は、電極i及びjの対の各々一つに対するオフセット値の所定の値を規定し、これらのオフセット値dt(i,j)を相関の計算において使用する。ここで、対i及びjに対するオフセット値dt(i,j)は、ゼロと異なっていてもよい。所定のオフセット値dt(i,j)は、衣服上の対の電極の位置１２に対する移動時間の間の差に対応する。本実施例は、電極の位置の付随変化がある場合、衣服の移動は、身体を通じた電極の位置までの移動時間におけるかなりの変化を許容しないという仮定に基づいている。

代わりの実施例において、電極の異なる対に対するオフセット値dt(i,j)の動的に決定された値が使用される。このことは、例えば、対に対する名目値dt0の周りのオフセット値dtの範囲に対して各々の対に対する相関係数を計算することによって実現され、相関の最大値をもたらすオフセット値に対する相関の選択によっても実現される。この種の相互相関は、高速フーリエ変換を介して非常に効果的に計算され得る。この場合、対i及びjに対する名目値dt0(i,j)は、電極の対の位置１２に対する名目移動時間距離の間の差に対応する。他の実施例において、オフセット値dt(i,j)の動的に決定された値は、最大相関及びこれらのオフセット値dt(i,j)の後続する繰り返し使用をもたらすオフセット値dt(i,j)の反復検索（サーチ）によってフローチャートの複数の連続実行に対して選択される。

実施例において、所定の、又は動的に選択されたオフセット値dt(i,j)は、例えば、信号の参照値に対して自身のオフセット値dtによって各々遅延させられる信号を平均化することによって、許容信号を平均化するためにも使用される。

更なる実施例において、信号R(i,t+dt)が、時間の応答関数f(i,t)を有するフィルタによってフィルタリングされてもよく、このフィルタリング動作は、平均化の前に実行される。

許容信号のクラスタから信号を除去する記載の方法が、信頼性のない信号の除去のほんの一例にすぎないことは評価されるべきである。

アルゴリズムは、最も高い濃度（cardinality）を有する閾値よりも下の直径を備えるクラスタを見つける問題に対する適切な解決策になる。この場合、クラスタの"濃度"は、クラスタにおける検出器の数である。"直径"は、クラスタにおける検出器の何れかの対からの信号の間の最大距離である。信号の間の相関は距離を示しており、それ故に直径に対して、距離は、減少する相関で増大する。

他の種類の距離測定値が、直径を規定するために使用されてもよく、異なる実施例がもたらされることは評価されるべきである。信号の間の距離測定値は、それ自体知られている。例えば、差R(i,t)-R(j,t')の自乗の時間和tが使用されてもよい。異なる時点に対する信号値の自乗の和の代わりに、例えば、差の絶対値の和が使用されてもよく、このような絶対値の累乗が使用されてもよく、重み付けされた和が使用されてもよく、又はスペクトル差の和が使用されてもよい。更に、アルゴリズム独立の点における最も大きなクラスタの代わりに、アルゴリズムが見つけ得る最も大きなクラスタが、許容信号のクラスタを選択するために使用されてもよい。各々は許容可能な信号を識別するために使用され得る、わずかに異なるクラスタをもたらしてもよいこれらの測定値の何れか一つが使用されてもよい。

ディジタル信号処理回路２６は、Ａ／Ｄ変換回路２４からの信号を同様の信号のクラスタにクラスタリングするために様々な異なる他の知られているクラスタリング技術のうちの何れか一つを使用してもよく、最大のクラスタが、許容されたサンプルのクラスタとして使用される。一つの他のクラスタリング技術は例えば、電極の対からの信号の間の距離測定値を計算するステップを有していてもよく、各々の電極が最初のクラスタとして使用され、これらのクラスタにおける信号の間の最小距離測定値が閾値を下回る場合、クラスタは結合（マージ）させられる。

図３のアルゴリズムが、クラスタリングアルゴリズムの例を提供することは評価されるべきである。距離と相関との両方が類似の程度の例になる。R(i,t)-R(j,t+dt)の平方の和及び相関に基づく距離は、密に関係しており、増大する距離は、減少する相関に対応する。閾値を下回る相関を有する信号の対を選択するステップは、許容信号のクラスタの直径が閾値を上回るようにする対を識別するステップに対応する（クラスタの直径は、クラスタにおける要素の何れかの対の間の最大距離になる）。クラスタにおける最も少ない検出器に対して高い相関を備える検出器を除去するステップは、クラスタ内の最大接続度（コネクティビティ）を保持する一方で直径を低減させるためにクラスタを分割するステップに対応する。

アルゴリズムは、所定の直径及び最大濃度（検出器の数）しか備えていないクラスタを決定することによって許容可能な信号を識別するために記載されているが、代わりに、（直径の何れかの減少関数によって分割される濃度）最高密度又は少なくとも一つの所定の濃度を備える最小直径を備えるクラスタのようなクラスタを選択するための他の基準が使用されてもよいことは評価されるべきである。

（ディジタル信号処理回路が、例えば不揮発性メモリ２９を備えていてもよく、又はディスクドライブメモリ、バッテリバックアップメモリ等内にもたらされてもよい）選択された信号の記憶に対するアプリケーションの例が記載されているが、他のアプリケーションも可能であることは評価されるべきである。例えば、許容信号のクラスタにおける一つ又はそれより多くの信号は、衣服を着用する人の生理学的な状態を検出するために使用されてもよく、生理学的な状態に関する所定の条件が満たされるときに警告（アラーム）信号を発生させるために使用されてもよい。他の例として、ディジタル信号処理回路２６は、このような所定の条件が満たされる場合にのみ、Ａ／Ｄ変換器（コンバータ）２４からの信号から得られるデータを記憶するように構成されてもよい。更なる他の例として本装置は、このような所定の条件が満たされる場合に、（例えば人の皮膚に電気パルスを加えることによって）衣服を着用する人に処理をもたらすためのデバイスを備えていてもよい。

容量性電極は、身体からの信号を測定するための容量性検出器に使用され得る例が記載されているが、他の種類の検出器が可能であることは評価されるべきであろう。例えば電極の代わりに、体温検出器（body temperature sensor）、抵抗検出器、発汗検出器（perspiration sensor）、又はそれらの組み合わせが使用されてもよい。各々の場合において、身体からの検出器の一時的な除去は、身体からの信号をクラスタリングすると共に同じ信号のクラスタからの信号を受けることによって検出されてもよい。

記載のように、必要とされる信号処理動作は、ディジタル信号処理回路２６によって実行される。ディジタル信号処理回路２６は、例えばプログラマブル信号プロセッサに上記の動作を実行させる命令を備えるプログラムでプログラミングされるプログラマブル信号プロセッサを含んでいてもよい。代わりに、特にこれらの命令を実行するように設計される専用回路が使用されてもよく、若しくは動作の部分を実行するための専用回路と残りの部分を実行するためのプログラミングされた回路との組み合わせ、又はプログラマブルプロセッサの分散クラスタ等が使用されてもよい。

実施例において、ディジタル信号処理回路２６は、衣服内に着用される。ワイヤレスリンクが、信号データを送信するために検出器とディジタル信号処理回路２６との間にもたらされてもよい。この場合、ディジタル信号処理回路２６が、衣服から離れて位置されてもよい。計算は、信号値が入力されるときのみリアルタイムに実行されてもよいが、代わりに、信号値がバッファメモリに一時的に記憶され、後に処理されてもよい。

衣服における検出器位置の例を示す。 衣服における検出器を有する回路を示す。 検出器からの信号の処理のフローチャートを示す。

Claims (11)

1. 衣服と、前記衣服内における相互に移動可能な相対位置に位置される、身体信号を検出するための複数の検出器と、前記複数の検出器に結合される処理回路とを有する身体パラメータ検出装置であって、前記処理回路は、前記検出器からの信号の間の類似の程度に応じて前記検出器をクラスタリングすることによって有効な前記身体信号を伝える前記検出器のうちの選択された検出器を識別すると共に、有効な前記身体信号を伝える前記検出器のうちの選択された検出器を識別するように前記検出器を選択するために、前記類似の程度によって規定される最小のクラスタ直径内で最大数の前記検出器を備える前記検出器のクラスタを使用するように構成される身体パラメータ検出装置。
2. 前記処理回路は、各々の検出器の対のための信号の間の各相互の時間オフセットを用いて、前記検出器の対のための信号の間の類似の程度の値を計算するように構成され、前記各相互の時間オフセットは、相互に異なる値に設定可能である請求項１に記載の身体パラメータ検出装置。
3. 前記処理回路は、前記信号の間の前記類似の程度を最大化する基準に応じて動的に前記時間オフセットを選択するように構成される請求項１に記載の身体パラメータ検出装置。
4. 前記処理回路は、前記検出器の対からの信号の間の相関を計算するように構成される請求項１に記載の身体パラメータ検出装置。
5. 前記処理回路は、前記対における前記信号が、閾値よりも低い相関を有する前記クラスタにおける前記検出器の対を探索すると共に、その度に前記クラスタからの前記対における前記検出器の一つを除去するように構成され、前記除去された検出器は、前記対における他の検出器よりも少ない前記検出器との、閾値よりも高い相関を有する請求項４に記載の身体パラメータ検出装置。
6. 前記処理回路は、前記クラスタのみからの検出器のための信号の平均値を計算するように構成される請求項１に記載の身体パラメータ検出装置。
7. 前記処理回路は、前記クラスタからの前記個々の信号の各々をフィルタリングすると共に、前記フィルタリングされた信号からの前記検出器のための信号の平均値を計算するように構成される請求項６に記載の身体パラメータ検出装置。
8. 不揮発性メモリを有し、前記処理回路は、前記不揮発性メモリに前記平均値を記憶するように構成される請求項６に記載の身体パラメータ検出装置。
9. 前記検出器は、前記身体の位置上におけるポテンシャル変化を得るように構成される容量性電極を有する請求項１に記載の身体パラメータ検出装置。
10. 前記処理回路は、各時間インタバルにおける有効な身体信号を伝える前記検出器の選択された一つを識別するように前記各時間インタバルに対して各クラスタを形成するために前記クラスタリングを繰り返し実行するように構成される請求項１に記載の身体パラメータ検出装置。
11. 衣服内における相互に移動可能な相対位置に位置される、身体信号を検出するための複数の検出器からの身体信号を処理する方法であって、前記方法は、前記検出器からの信号の間の類似の程度に応じて前記検出器をクラスタリングするステップと、有効な前記身体信号を伝える前記検出器のうちの選択された検出器を識別するように、前記検出器を選択するために前記類似の程度によって規定される最小のクラスタ直径内で最大数の前記検出器を備える前記検出器のクラスタを使用するステップとを有する方法。

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