JP2011024902A - 車両用心電計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転者の心電電位ベクトルの傾きに拘わらず、正確に心電図波形を得ることが可能な車両用心電計測装置を提供すること。
【解決手段】車両のステアリングホイールに取り付けられ、運転者の身体電位を検出する第１、第２、及び第３の直接電極と、前記車両のシートに取り付けられ、非接触により前記運転者の身体電位を検出する静電容量結合型電極と、前記第１及び第２の直接電極間の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、前記第３の直接電極及び前記静電容量結合型電極の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、を備え、前記第１の電圧測定手段の測定結果と前記第２の電圧測定手段の測定結果の、双方又はいずれか一方に基づき運転者の心電図波形を計測する、車両用心電計測装置。
【選択図】図７

Description

本発明は、車両の運転者の心電図波形を計測する車両用心電計測装置に関する。

従来、身体電位を測定する電極を用いて心臓の電気的な活動を検出し、グラフの形に記録した心電図が、医療の現場で広く利用されている。

係る心電図を車両において計測する技術について研究が進められている。特に運転者の心臓の活動を監視することにより、運転中における運転者の心臓の異常に起因する種々の不都合を未然に抑制することが可能となるからである。

心電図を車両において計測する装置の一例として、ステアリングホイールの左右両側に一対の電極を形成して運転者の左右の手の電位を検出し、これらの電位差から心電図波形を得る装置についての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１５１２３０号公報

上記特許文献１に記載の装置の如く、身体における水平方向（＝左右の手を結ぶ方向）の電位差に基づき心電図波形を計測する手法は、第Ｉ誘導と称されている。一方、身体における垂直方向の電位差に基づき心電図波形を計測する手法は、ａＶＦ誘導と称されている。

平均的な人の心電電位ベクトルは、右肩と左腰を結ぶ斜め方向を向いているため、左右の手の電位差を測定することによって心電図波形を計測することができる。図１は、平均的な人の心電電位ベクトルの傾きと、第Ｉ誘導及びａＶＦ誘導により測定される身体の電位差の方向を示す図である。このように、平均的な人の場合、第Ｉ誘導とａＶＦ誘導のいずれによっても比較的正確に心電図波形を得ることができる。

しかしながら、測定対象となる人によっては、心電電位ベクトルが垂直方向に偏る場合がある（右軸偏位）。右軸偏位を示す人は、若い人や、やせている人に多いことが判っている。図２は、右軸偏位を示す人の心電電位ベクトルの傾きと、第Ｉ誘導及びａＶＦ誘導により測定される身体の電位差の方向を示す図である。右軸偏位を示す人の場合、ａＶＦ誘導では比較的正確に心電図波形を得ることができるが、第Ｉ誘導では正確に心電図波形を得ることができない場合がある。

また、測定対象となる人によっては、心電電位ベクトルが水平方向に偏る場合がある（左軸偏位）。左軸偏位を示す人は、太った人や、スポーツ心臓の人に多いことが判っている。図３は、左軸偏位を示す人の心電電位ベクトルの傾きと、第Ｉ誘導及びａＶＦ誘導により測定される身体の電位差の方向を示す図である。左軸偏位を示す人の場合、第Ｉ誘導では比較的正確に心電図波形を得ることができるが、ａＶＦ誘導では正確に心電図波形を得ることができない場合がある。

上記特許文献１に記載の装置では、第Ｉ誘導により心電図波形を得ているため、運転者が左軸偏位を示す人、又は平均的な人である場合には、比較的正確に心電図波形を得ることが可能であるが、運転者が右軸偏位を示す人である場合に、正確に心電図波形を得ることができない場合がある。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、運転者の心電電位ベクトルの傾きに拘わらず、正確に心電図波形を得ることが可能な車両用心電計測装置を提供することを、主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、
車両のステアリングホイールに取り付けられ、運転者の身体電位を検出する第１、第２、及び第３の直接電極と、
前記車両のシートに取り付けられ、非接触により前記運転者の身体電位を検出する静電容量結合型電極と、
前記第１及び第２の直接電極間の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、
前記第３の直接電極及び前記静電容量結合型電極の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、を備え、
前記第１の電圧測定手段の測定結果と前記第２の電圧測定手段の測定結果の、双方又はいずれか一方に基づき運転者の心電図波形を計測する、
車両用心電計測装置である。

この本発明の一態様によれば、第１の電圧測定手段により第Ｉ誘導が得られ、第２の電圧測定手段によりａＶＦ誘導が得られ、これらの双方又はいずれか一方に基づき運転者の心電図波形を計測するため、運転者の心電電位ベクトルの傾きに拘わらず、正確に心電図波形を得ることができる。

本発明の第１の態様において、
前記第１及び第２の直接電極は、前記ステアリングホイールが中立位置である状態で略左右対称となるように、それぞれ前記ステアリングホイールに取り付けられるものとしてよい。

この場合、前記第３の直接電極は、前記第１及び第２の直接電極よりも前記ステアリングホイールにおける内周面側に取り付けられるものとしてよい。

また、本発明の第１の態様において、
前記第３の直接電極は、グランド端子に接続され、
前記第２の電圧測定手段は、グランド電位を基準とした前記静電容量結合型電極の電位に基づく出力を行なうボルテージフォロワであるものとしてよい。

また、本発明の第１の態様において、
前記第１の電圧測定手段の測定結果と、前記第２の電圧測定手段の測定結果のうち、振幅の大きい方に基づき運転者の心電図波形を計測するものとしてよい。

また、本発明の第１の態様において、
前記第１の電圧測定手段の測定結果と、前記第２の電圧測定手段の測定結果のうち、Ｓ／Ｎ比の良好な方に基づき運転者の心電図波形を計測するものとしてよい。

本発明の第２の態様は、
運転者の身体における水平方向の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、
運転者の身体における垂直方向の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、を備え、
前記第１の電圧測定手段の測定結果と前記第２の電圧測定手段の測定結果の、双方又はいずれか一方に基づき運転者の心電図波形を計測する、
車両用心電計測装置である。

本発明の第２の態様によれば、第１の電圧測定手段により第Ｉ誘導が得られ、第２の電圧測定手段によりａＶＦ誘導が得られ、これらの双方又はいずれか一方に基づき運転者の心電図波形を計測するため、運転者の心電電位ベクトルの傾きに拘わらず、正確に心電図波形を得ることができる。

本発明によれば、運転者の心電電位ベクトルの傾きに拘わらず、正確に心電図波形を得ることが可能な車両用心電計測装置を提供することができる。

平均的な人の心電電位ベクトルの傾きと、第Ｉ誘導及びａＶＦ誘導により測定される身体の電位差の方向を示す図である。 右軸偏位を示す人の心電電位ベクトルの傾きと、第Ｉ誘導及びａＶＦ誘導により測定される身体の電位差の方向を示す図である。 左軸偏位を示す人の心電電位ベクトルの傾きと、第Ｉ誘導及びａＶＦ誘導により測定される身体の電位差の方向を示す図である。 本発明の一実施例に係る車両用心電計測装置１のシステム構成例である。 直接電極１０、１２、１４をステアリングホイールに取り付ける様子を示す図である。 車両のシートに容量結合型電極２０を取り付ける態様を例示した図である。 第１の生体アンプ３０、及び第２の生体アンプ４０の内部構成例を各電極、及び被験者である運転者と共に示した図である。 第Ｉ誘導、ａＶＦ誘導、及び本実施例が、これらの異なるタイプの人について正確に心電図波形を計測できるかどうかを示す表である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

以下、図面を参照し、本発明の一実施例に係る車両用心電計測装置１について説明する。車両用心電計測装置１は、車両に搭載され、運転者の心電図波形を計測するための装置である。

図４は、本発明の一実施例に係る車両用心電計測装置１のシステム構成例である。車両用心電計測装置１は、主要な構成として、直接電極１０、１２、１４と、容量結合型電極２０と、第１の生体アンプ３０と、第２の生体アンプ４０と、心電図波形解析装置５０と、を備える。

直接電極１０、１２、１４は、車両の運転者の皮膚に接触して運転者の身体電位を検出するための電極であり、例えばクロムメッキ樹脂により形成される。図５は、直接電極１０、１２、１４をステアリングホイールに取り付ける様子を示す図である。

直接電極１０（左手用電極）、及び直接電極１２（右手用電極）は、ステアリングホイールが中立位置である状態で略左右対称となるように、それぞれステアリングホイールに取り付けられる。そして、直接電極１４は、直接電極１０、１２よりもステアリングホイールにおける内周面側に取り付けられる。

これによって、ステアリングホイールが中立位置である状態で運転者がステアリングホイールを把持すると、左手の親指付け根付近が直接電極１０に当接し、右手の親指付け根付近が直接電極１２に当接し、両手の指先（親指であってもよいし、他の指であってもよい）が直接電極１４に当接することになる。

直接電極１４は、第２の生体アンプ４０内のグランド端子に接続される。図４では、第１の生体アンプ３０が用いるグランド電位も、第２の生体アンプ４０内のグランド端子を利用しているものとした。なお、グランド端子の位置に特段の制限はなく、第２の生体アンプ４０内でなくともよい。

容量結合型電極２０は、運転者の皮膚に接触せずに、静電容量結合によって運転者の身体電位を検出するための電極であり、車両のシートに取り付けられる。図４において、容量結合型電極２０は、運転者の臀部及び腰部に対向する電気的に接続された２個の電極からなるものとして示したが、これに限らず、単独の電極を用いてもよいし、より多くの電気的に接続された電極を含んでもよい。容量結合型電極２０は、第２の生体アンプ４０に接続されており、運転者の身体電位の変動に応じて変動する容量結合型電極２０の電位を第２の生体アンプ４０に伝達している。

図６は、車両のシートに容量結合型電極２０を取り付ける態様を例示した図である。容量結合型電極２０は、例えば、図６（Ａ）に示す如く、シート表皮とクッションの間に挿入された板状電極であってもよいし、図６（Ｂ）に示す如く、シート表皮に編み込まれた金属ファイバー等の網状電極であってもよい。

図７は、第１の生体アンプ３０、及び第２の生体アンプ４０の内部構成例を各電極、及び被験者である運転者と共に示した図である。

第１の生体アンプ３０は、差動増幅回路３２と、コンデンサ３４と、抵抗３６と、を有する。なお、これらの構成は、オペアンプ等による置換が可能である。

差動増幅回路３２の入力端子（＋側）３２Ａには、直接電極１２が接続されており、差動増幅回路３２の入力端子（−側）３２Ｂには、直接電極１０が接続されている。差動増幅回路３２の出力端子はコンデンサ３４を介して増幅器等に接続されている。また、コンデンサ３４と増幅器等の間には抵抗３６を介してグランド端子が接続される。

係る構成により、運転者の両手間の電位差（両肩を結ぶ方向の電位差ベクトルにほぼ合致し、これによって前述した第Ｉ誘導を得ることができる）が第１の生体アンプ３０に伝達され、これが増幅されると共に、コンデンサ３４及び抵抗３６により低周波成分が除去された信号が、第１の生体アンプ３０から出力される。従って、第１の生体アンプ３０の出力からは、前述した第Ｉ誘導の心電図波形を得ることができる。

第２の生体アンプ４０は、抵抗４２と、ボルテージフォロワ４４と、コンデンサ４６と、抵抗４８と、を有する。なお、これらの構成は、オペアンプ等による置換が可能である。

ボルテージフォロワ４４の入力端子（＋側）４４Ａには、容量結合型電極２０が接続されている。容量結合型電極２０と入力端子（＋側）４４Ａの間には、抵抗値の大きい（例えば、１［ＧΩ］程度）抵抗４２を介してグランド端子が接続され、容量結合型電極２０と運転者の身体で形成する仮想コンデンサが飽和状態となるのを防止している。また、ボルテージフォロワ４４の入力端子（−側）４４Ｂは、ボルテージフォロワ４４の出力端子からのフィードバックが入力される。ボルテージフォロワ４４は、電流の入力を抑制しつつ、容量結合型電極２０からの電圧信号をコンデンサ４６に伝達する。コンデンサ４６と増幅器等の間には抵抗４８を介してグランド端子が接続される。

係る構成により、運転者の両手と腰又は尻部との電位差（身体における垂直方向の電位差ベクトルにほぼ合致し、これによって前述したａＶＦ誘導を得ることができる）が第２の生体アンプ４０に伝達され、これが増幅されると共に、コンデンサ４６及び抵抗４８により低周波成分が除去された信号が、第２の生体アンプ４０から出力される。従って、第２の生体アンプ４０の出力からは、前述したａＶＦ誘導の心電図波形を得ることができる。

心電図波形解析装置５０は、第１の生体アンプ３０及び第２の生体アンプ４０の出力の、双方又はいずれか一方に基づき運転者の心電図波形を計測する。具体的には、例えば、両者のうち振幅の大きい方（或いはＳ／Ｎ比が良好な方）を自動的に選択して運転者の心電図波形を計測する。これに限らず、第１の生体アンプ３０及び第２の生体アンプ４０の双方の出力が良好である（例えば、振幅又はＳ／Ｎ比が所定値以上である）場合には、両者の平均値を求める等して運転者の心電図波形を計測してもよい。

係る構成によって、平均的な人、右軸偏位を示す人、左軸偏位を示す人のいずれに対しても、正確に心電図波形を計測することができる。図８は、第Ｉ誘導、ａＶＦ誘導、及び本実施例が、これらの異なるタイプの人について正確に心電図波形を計測できるかどうかを示す表である。

なお、第１の生体アンプ３０及び第２の生体アンプ４０の出力の選択については、上記に限らず、例えばシートに圧力センサを取り付け、センサ出力値が所定値以上である人に対しては第１の生体アンプ３０の出力を採用し、センサ出力値が所定値未満である人に対しては第２の生体アンプ４０の出力を採用する等してもよい。前述のように、太った人は左軸偏位を示す場合が多いからである。

また、運転者自らが自己の心電電位ベクトルの傾向を知得している場合のために、運転者の操作によって第１の生体アンプ３０及び第２の生体アンプ４０の出力のいずれを採用するかを決定できるようにしてもよい。

以上説明した本実施例の車両用心電計測装置１によれば、運転者の心電電位ベクトルの傾きに拘わらず、正確に心電図波形を得ることができる。

［利用例］
このように生成された心電図波形は、表示、印刷等されたものを運転者本人が確認することができる他、心電図波形解析装置５０等によって波形に異常がないか否かを監視し、異常があると判断した場合に警報を発したり、車両を徐々に停止させたりする等の運転支援制御を行なうことができる。また、無線通信によって車外設備に心電図波形に係るデータを送信し、車外設備において波形に異常がないか否かを監視することもできる。

この際に、車速センサ等の出力が入力されるように通信線を構成し、その出力値に基づき車両が走行中であると判定した場合には、心電図波形のうちＲ波ピーク（Ｒ波の波高）の間隔等に基づいて運転者の心臓状態を大局的に判定し、車両が停車中であると判定された場合には、心電図波形のうちＲ波ピークを含む心電図波形全体に基づいて運転者の心臓状態をより厳密に判定するものとしてよい。

ここで、心電図波形は、主に、心房の電気的興奮を反映するＰ波と、心室の電気的興奮を反映するＱ、ＲおよびＳ波（以下、「ＱＲＳ群」という。）と、興奮した心室の心筋細胞が再分極する過程を反映するＴ波とから構成され、Ｒ波の波高（電位差）が最も大きく、筋電位等のノイズに対して最も頑健であるといえる。次に波高が大きいのがＴ波であり、Ｐ波が最も小さい波高を有する。

従って、車両走行中においては、心電図波形のうち波高が最も大きい部分であるＲ波ピークの間隔等に基づき運転者の心臓状態を大局的に判定する。一方、車両停車中においては運転者が安静状態になり易く筋電位等のノイズを少なくすることができるので、Ｒ波よりも波高の小さいＴ波およびＰ波を含めた心電図波形全体に基づき運転者の心臓状態をより厳密に判定する。

車両の走行中においては、心電図波形からＲ波ピークのみを検出し、その周期から一分間当たりの心拍数を算出する。そして、ＲＲ間隔（ＲＲＩ；Ｒ−Ｒ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）から心拍数のゆらぎを監視し、この心拍数のゆらぎを周波数解析し低周波成分（ＬＦ）および高周波成分（ＨＦ）を算出する。そして、算出した心拍数およびＬＦ／ＨＦ比に基づいて不整脈の有無を判定する。具体的には、心拍数が先行する５分間の平均心拍数より２５％以上上昇するか、心拍数が１００拍／分以上若しくは４０拍／分以下となるか、又はＬＦ／ＨＦ比が先行する３０分間ないし４０分間のＬＦ／ＨＦ比に比べ５０％以上上昇するかの何れかの条件が満たされた場合に、不整脈のおそれがあると判定する。不整脈のおそれがあると判定した場合は、車両の駆動装置やブレーキ装置に干渉制御して車両を徐々に停止させたり、表示装置に警告画面を表示させたりする制御を行なう。

車両の停止中においては、心電図波形からＳＴ波波高を検出し、脈波波形から血圧を推定する。そして、検出したＳＴ波波高または推定した血圧に基づいて不整脈の有無を判定する。具体的には、ＳＴ波の波高が基準電位＋０．０２ｍＶ以上若しくは基準電位−０．０２ｍＶ以下となるか、または、血圧が２５％以上上昇若しくは２５％以上下降するかの条件が満たされた場合に、不整脈が発生したと判定する。不整脈のおそれがあると判定した場合は、通信装置を介して家族、掛かり付けの医師、ヘルプネット等の予め登録された連絡先に自動的に通報したり、或いは、車外に緊急事態を知らせるようホーンを鳴らしたり、ライトを点滅させたりする。

また、基準心電図波形を有するテンプレートを図示しないＲＡＭ（Random Access Memory）やＨＤＤ（Hard DＩsk DrＩve）等の記憶装置に記憶しておき、特定された心電図波形とテンプレートとの比較に基づき不整脈のおそれ等を判定してもよい。この場合、心房細動、洞不整脈、心房性期外収縮についてそれぞれ判定可能となる。テンプレートは、本装置によって特定された心電図波形に基づき、更新、新規登録、削除等の処理がなされてよい。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、ａＶＦ誘導については、容量結合型電極同士で電圧を測定してもよい。この場合、ヘッドレストやシート上部にも容量結合型電極を備え、シート下部の容量結合型電極との間の電圧を第２の生体アンプ４０で測定する。

本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。

１ 車両用心電計測装置
１０、１２、１４ 直接電極
２０ 容量結合型電極
３０ 第１の生体アンプ
３２ 差動増幅回路
３４、４６ コンデンサ
３６、４２、４８ 抵抗
４０ 第２の生体アンプ
４４ ボルテージフォロワ
５０ 心電図波形解析装置

Claims (7)

1. 車両のステアリングホイールに取り付けられ、運転者の身体電位を検出する第１、第２、及び第３の直接電極と、
   前記車両のシートに取り付けられ、非接触により前記運転者の身体電位を検出する静電容量結合型電極と、
   前記第１及び第２の直接電極間の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、
   前記第３の直接電極及び前記静電容量結合型電極の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、を備え、
   前記第１の電圧測定手段の測定結果と前記第２の電圧測定手段の測定結果の、双方又はいずれか一方に基づき運転者の心電図波形を計測する、
   車両用心電計測装置。
2. 前記第１及び第２の直接電極は、前記ステアリングホイールが中立位置である状態で略左右対称となるように、それぞれ前記ステアリングホイールに取り付けられる、
   請求項１に記載の車両用心電計測装置。
3. 前記第３の直接電極は、前記第１及び第２の直接電極よりも前記ステアリングホイールにおける内周面側に取り付けられる、
   請求項２に記載の車両用心電計測装置。
4. 前記第３の直接電極は、グランド端子に接続され、
   前記第２の電圧測定手段は、グランド電位を基準とした前記静電容量結合型電極の電位に基づく出力を行なうボルテージフォロワである、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の車両用心電計測装置。
5. 前記第１の電圧測定手段の測定結果と、前記第２の電圧測定手段の測定結果のうち、振幅の大きい方に基づき運転者の心電図波形を計測する、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の車両用心電計測装置。
6. 前記第１の電圧測定手段の測定結果と、前記第２の電圧測定手段の測定結果のうち、Ｓ／Ｎ比の良好な方に基づき運転者の心電図波形を計測する、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の車両用心電計測装置。
7. 運転者の身体における水平方向の電圧を測定する第１の電圧測定手段と、
   運転者の身体における垂直方向の電圧を測定する第２の電圧測定手段と、を備え、
   前記第１の電圧測定手段の測定結果と前記第２の電圧測定手段の測定結果の、双方又はいずれか一方に基づき運転者の心電図波形を計測する、
   車両用心電計測装置。

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