JP2013215342A - 水分量検出装置、バイタルサイン検出装置、および環境制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】非接触にて、生体に由来する水分量を検出する。
【解決手段】生体水分量検出ユニット１は、検出対象としての布部２３１に電磁波を照射する光源１１と、布部２３１によって反射された上記電磁波の戻り量を検出する少なくとも１つのセンサ１４１と、上記センサ１４１により検出された戻り量を演算し、水分量に変換する演算部１５とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、生体における生理情報、すなわちバイタルサイン検出方法にかかるものであり、その中でも特に、被検出生体(以下「生体」とする)に生理的影響を与えることなく、生体水分量の検出を行う技術に関する。

バイタルサインとは、狭義には医療用語として生命兆候を意味し、呼吸、脈拍、瞳孔収縮、血圧、体温等の生死を確認するための情報を指す。また、広義には生体情報として生体の生理状態を反映する情報全般を意味する。本発明においてバイタルサインとは、広義のバイタルサインの意味で用いている。

バイタルサインの中でも特に、汗や血、尿といった、生体の発する、または含んでいる水分（以下、単に「生体水分」とする）の量は、生体の感じている興奮度、緊張度、快不快感、または生体の健康状態などの測定に応用することができる。

例えば下掲の[特許文献１]には、遊戯者の興奮度を検知してゲーム進行の条件とするゲーム装置に関し、例えばゲーム装置の左右のハンドルに電極を取付け、両ハンドル間の電気抵抗を計ることによって、遊戯者の発汗状態を調べる技術が開示されている。

また、[特許文献２]には、生体情報に応じて効果的なマッサージを施すことのできるマッサージ機に関し、指を挿入する指レスト部に電極を設け、皮膚の電気抵抗を測定することによって発汗量の情報を取得する技術が開示されている。

特開平１１−２７６７１５号公報（１９９９年１０月１２日公開） 特開２００２−２３３５０６号公報（２００２年８月２０日公開）

しかしながら、電極を用いた従来のバイタルサイン検出手法では、被験者が電極に接触するために緊張感を覚えたり、あるいは電極の存在そのものによって、被験者が緊張感を覚えるなどの影響を受けることを免れないため、自然な状態での計測が不可能であるという問題があった。以下、具体的に述べる。

上記特許文献１に開示された構成では、発汗状態を検出するためには、ハンドルを握るという行為が必要となり、これによりユーザの姿勢が束縛されてしまう。こういった束縛はユーザに不自然さを感じさせ、この不自然さがユーザを緊張させてしまう。

また、上記特許文献２に開示された構成では、予め形状の固定された機器に指を正しく配するという作業が必要となるので、計測されているという意識をユーザが強く持つこととなる。

さらに、ユーザの皮膚に接触する電極はその性質上金属であることが求められるため、熱伝導率の高さに起因する冷たさ、硬さに起因する握りにくさ、あるいは触り心地の悪さをユーザが感じることは避けられなかった。

これらのユーザの心理状態に対する影響により、交感神経が活発になり、発汗が促される。すなわち、電極に人体を配すること自体が計測の精度を悪化させてしまう。また、視覚情報、すなわち計測機器の存在を目にするだけで上記の緊張を覚えるという被験者もいる。この場合には、そもそも計測機器または計測用の電極の存在自体が計測精度を下げるというジレンマがあった。

このように、従来技術では、ユーザが計測機器の存在を意識していない自然な状態で、生体水分量を検出することは不可能であった。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、その主たる目的は、ユーザにできるだけ不自然さを感じさせることのないように、少なくとも非接触にて生体水分量を検出する装置を提供し、更にこれを利用したバイタルサイン検出装置および環境制御機器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る水分量検出装置は、
（１）生体の水分量を検出する対象としての含水部に電磁波を照射する電磁波源と、
（２）上記含水部において反射された電磁波の戻り量を検出するセンサと、
（３）上記センサが検出した上記戻り量と上記含水部に含まれる水分量との対応関係を格納した記憶部と、
（４）上記センサにより検出された戻り量を、上記対応関係を用いて演算し、水分量に変換する演算部とを備えていることを特徴としている。

上記構成において、含水部には、生体の細胞組織自体、あるいは生体が接触したことにより、生体から水分が付着または浸透した生体外の物体の一部が含まれる。

上記の構成によれば、含水部に電磁波を照射し、含水部で反射された電磁波の戻り量に基づいて、生体の水分量を求めることができる。

したがって、含水部が生体の細胞組織自体であったとしても、生体に対し、非接触で水分量を検出することができる。これにより、例えば、生体が被験者としての人間である場合、被験者は、水分量検出装置と接触することに伴う緊張を回避できる。

また、含水部が生体から水分が付着または浸透した生体外の物体の一部である場合、その物体によって、水分量検出装置が隠れる構成を採用しやすくなる。したがって、例えば、生体が被験者としての人間である場合、水分量検出装置と接触することに伴う緊張を回避できる上に、被験者が水分量検出装置を視認することに伴う緊張をも回避しやすくなる。

含水部が生体から水分が付着または浸透した生体外の物体の一部である場合、さらに、本発明に係る水分量検出装置の電磁波源とセンサとは、生体から水分が付着または浸透した含水部に上記電磁波を照射し、上記含水部に反射された電磁波の戻り量を検出することができればよく、生体の姿勢や動作については何ら条件を必要としない。

従って、本発明に係る水分量検出装置は、生体の水分量を、非接触にて、上記生体に意識されることなく、上記生体に特別な姿勢や動作を強いることなく、検出することができる。

本発明に係る水分量検出装置は、上記電磁波源およびセンサが、０．１ＴＨｚ以上１２０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を放出および受光することを特徴としている。

上記範囲の周波数の電磁波（いわゆるテラヘルツ光）を用いることによって、生体に対し安全で、かつ水分量検出精度の高い検出装置が可能となる。

上記範囲の周波数の電磁波は、直進性が高く、かつ水の吸収係数が高い。例えば、０．１ＴＨｚの周波数の電磁波は、水の吸収係数が１０^２ｃｍ^−１以上であり、ノイズが発生しても水分量を検出することが可能である。

ここで吸収係数とは、電磁波がある媒質に入射したとき、その媒質がどれくらいの電磁波を吸収するのかを示す定数である。例えば、吸収係数が１０^２ｃｍ^−１であるということは、電磁波は水中を１／１０^２ｃｍ（＝０．１ｍｍ）進む間に、その電磁波の強度は１０分の１に減少するということである。

また一般に電磁波は、周波数が高くなるにつれ、水の吸収係数が高くなる。

従って、上記範囲の周波数の電磁波は、上記範囲よりも小さな周波数の電磁波に比べ、水によって吸収される割合が大きく、つまり水分量検出精度が高い。例えば、０．１ＴＨｚの未満の周波数の電磁波は、水の吸収係数が１０^２ｃｍ^−１より減少し、水分量検出精度が低下する虞がある。

他方で、上記範囲よりも大きな周波数の電磁波は吸収係数が１０^２ｃｍ^−１より小さく、水分量検出精度は高い。しかし、周波数が１２０ＴＨｚを超える電磁波、特に短波長の紫外線である１．６ＰＨｚを超える領域の電磁波は、生体への影響が大きくなる可能性が高い。このため、生体の水分量検出には、周波数が１２０ＴＨｚ以下の電磁波が適している。

本発明に係る水分量検出装置は、上記電磁波源およびセンサが、０．１ＴＨｚ以上２．５ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を放出および受光することを特徴としている。

上記範囲の周波数の電磁波は熱輻射の影響を受けにくいため、車中など高温下に置かれることが想定される用途に適した水分量検出装置を提供することが可能となる。

一般的に、熱輻射により放射される電磁波の強度は特定の波長でピークとなり、その特定の波長以外では、特定の波長から遠ざかるに従い単調に減少する。この特定の波長をピーク波長と呼ぶことにすると、熱輻射のピーク波長は温度により変化する。例えば室温程度におけるピーク波長が約１０μｍであり、８０℃におけるピーク波長が約８μｍである。

従って、熱輻射が多い波長の電磁波を用いて水分量検出を行うと、電磁波の検出時に熱輻射がノイズとして現れる虞がある。

しかしながら、室温程度の場合、波長１２０μｍ以上、つまり周波数２．５ＴＨｚ以下では、熱輻射量が、室温程度における熱輻射量のピーク値と比較して、千分の一程度以下になる。室温程度における熱輻射量のピーク値とは、言い換えると、上記１０μｍのピーク波長の電磁波が放射される熱輻射の量のことである。

さらに、温度が上昇するにつれて熱輻射量がピーク値の千分の一程度以下になる周波数は低くなる。

したがって、上記範囲の周波数の電磁波を用いていることによって、室温以上では熱輻射量がピーク値の千分の一程度よりも小さくなり、熱輻射の影響が十分少なくなる。

本発明に係る水分量検出装置は、上記電磁波源の波長をλとし、上記電磁波源が照射する電磁波の上記含水部に対する入射角をθ１とし、上記波長における上記含水部の屈折率をｎ（λ）とし、上記含水部の厚さをＴとする時、ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθ１／ｎ（λ）なるθ２を用いて、Ｔ＜λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２と表される関係を有することを特徴とする。

上記構成によれば、単一の電磁波を含水部に照射して水分量を求めようとする場合において、本装置による水分量検出が可能な含水部の厚さと、上記含水部に照射する電磁波の入射角との関係を、容易に定義することが可能となる。また、１つの電磁波源と、１つのセンサと、１つの演算部とだけによって、含水部の水分量検出が可能となる。その理由を以下に補足する。

まず、電磁波を光にたとえて説明するものとし、光線の通る経路を「行路」、その物理的な長さを「行路長」、また行路長に屈折率を乗じた光学的距離を「光路長」とする。つまり、本発明の「光路長」は、上記電磁波の通る経路の物理的な長さに、上記経路における上記電磁波の屈折率を乗じたものを指す。

従って、本発明で用いる「光路長」は、「光」という語を含んではいるが、光の光学的距離に限定されるものではなく、光を含む電磁波の光学的距離を指すものである。

ここで、上記含水部の屈折率が水の屈折率と空気の屈折率の中間であるならば、一般的に、垂直入射光の光路長が当該入射光の波長の半分の時に、入射光と戻り光との干渉によって、戻り量は概ね最小となる。従って、入射角がθ１の入射光の場合、ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθ１／ｎ（λ）なるθ２を用いて、２×｛Ｔ×ｎ（λ）｝＝１／２×｛λ×ｃｏｓθ２｝の時、つまりＴ＝Ｔ0＝λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２の時、戻り量は最小となる。

ここで、上記含水部は、乾燥している層(以後、「乾燥層」とする)と、水分を含む層(以後、「湿潤層」とする)とから成るとする。そして上記乾燥層の厚さをｄとし、含水部に全く水分がない状態をｄ＝Ｔとし、含水部が十分に水を含む状態をｄ＝０とする。

上述のように、Ｔ＜λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２が成立する範囲では、Ｔの増加に伴い、戻り量は単調減少する。従って、Ｔが一定であれば、Ｔ＜λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２が成立する範囲では、ｄがＴに近づくにつれて、つまりｄが大きくなるにつれて、戻り量は単調減少する。

従って、Ｔ＜λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２が成立する範囲では、戻り量から乾燥層の厚さｄを一意に定めることが可能である。

一方、Ｔ＞λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２が成立する範囲では、ｄがＴに近づくにつれて、つまりｄが大きくなるにつれて、戻り量は単調増加する。この場合には、計測された戻り量に対し、乾燥層の厚さｄは、上記Ｔ0より小さいｄと、上記Ｔ0より大きいｄとの２つの値を取り得るため、単一光路長のみにおいて得られる戻り量のみの情報からは、乾燥層の厚さｄを一意に定めることが困難である。

なお、含水部の厚さＴから乾燥層の厚さｄを減算することにより、含水部における水分を含む層(以後、「湿潤層」とする)の厚さが算出される。含水部の厚さに占める湿潤層の厚さの割合は、含水部の水分状況、つまり含水部の水分量を示している。

本発明に係る水分量検出装置は、上記演算部が、水に対する上記戻り量をＲＷとし、上記含水部に対して計測された上記戻り量をＲとし、ＡＲＣＣＯＳをＣＯＳの逆関数とする時、ＡＲＣＣＯＳ（２×Ｒ／ＲＷ−１）×λ／（４×ｎ（λ）×π）と含水部の厚さとの比を、水分量を表す値とすることを特徴とする。

上述したＴ＜λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２が成立する範囲において、本発明に係る水分量検出装置は、上記電磁波源とセンサとを一つ備え、上記電磁波源から照射され、上記センサが受光する波長が単一である構成によって、上記戻り量から上記水分量を検出することができる。

本発明に係る水分量検出装置は、上記のセンサが、互いに光路長の異なる複数の電磁波の上記戻り量を検出することを特徴とする。

上記構成によれば、互いに光路長の異なる複数の電磁波の戻り量を用いることで、光路長が単一である電磁波の戻り量を検出する単一光路長方式に比べ、より厚い含水部を計測対象とすることが可能になる。これにより、複数光路長方式では、含水部における水分吸収量がより大きい含水部を使用できるため、水分量計測範囲をより拡大することが可能になる。

なぜならば、上記の干渉が発生することに起因して、戻り量が最小値を持つ状況であっても、互いに光路長の異なる複数の電磁波の検出によって、異なる電磁波の異なる戻り量を用いて水分量を検出することが可能となるからである。

本発明に係る水分量検出装置は、上記電磁波源の波長をλとし、上記電磁波源が照射する電磁波の上記含水部に対する入射角をθ１とし、最小の入射角θ１について、光路長が互いに整数倍関係にない複数の光路長の数をｍとし、それぞれの光路長における波長λの電磁波に対する上記含水部の屈折率をｎ（λ）とし、上記含水部の厚さをＴとする時、ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθ１／ｎ（λ）なるθ２を用いて、ｍ×Ｔ＜λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２なる関係を満たすことを特徴とする。

上記構成によれば、整数倍関係にないｍ個の光路長を用いれば、原理的に、ｍ個の光路長のそれぞれが有する上記含水部の厚みの候補の中から最も妥当性の高い１つの厚みを特定することができるため、水分量の値が一意に定まる。すなわち、上記関係を満たせばより大きい含水部厚さＴに対しても水分量検出が可能になる。

なお、複数光路長において、上記含水部の厚みを一意に定める方法については後に詳細を説明する。

本発明に係る水分量検出装置は、上記複数の電磁波の各波長が、互いに異なっていることを特徴とする。

上記構成によれば、上記複数の電磁波の各波長が、互いに異なっているため、同一の行路を用いても、光路長を異ならせることができる。この結果、複数の電磁波によって、単一の行路を用いた水分量検出が可能になるため、上記装置の小型化が可能となる。

また、光路長の差を設定するのに長い行路を設定する必用がないため、行路中での吸収を最小に抑えることが可能であり、従って最大限の戻り量を確保することが可能である。

本発明に係る水分量検出装置は、上記複数の電磁波に対し、互いに異なる行路が設定されており、上記含水部への照射角度、または上記含水部からの反射角度のいずれか、あるいは両方が、上記複数の電磁波同士で互いに異なることを特徴とする。

上記構成によれば、単一波長の電磁波源を用いて、簡便に複数光路長方式での水分量検出が可能になる。

本発明に係る水分量検出装置は、上記電磁波源として、上記含水部への行路が互いに異なる複数の電磁波源を備えていることを特徴とする。

上記構成によれば、電磁波源のコスト増のみで、上記複数光路長方式での水分量検出が実現する。

本発明に係る水分量検出装置は、上記のセンサが、上記含水部からの行路が互いに異なる複数の受光素子を備えていることを特徴とする。

上記構成によれば、受光素子のコスト増のみで、上記複数光路長方式での水分量検出が実現する。

本発明に係る水分量検出装置は、上記電磁波源、または上記センサのいずれか、あるいは両方が、設置位置を移動することができることを特徴とする。

上記構成によれば、電磁波源またはセンサの数が単一であっても複数であっても、電磁波源またはセンサのいずれか、あるいは両方の移動により、上記光路長が互いに整数倍関係にない複数の光路長の数を制限なく大きくすることができる。従って、より厚い含水部について水分量検出を行うことができる。

本発明に係る水分量検出装置は、
上記記憶部が、
上記複数光路長の各光路長ごとに、上記水分量と、少なくとも上記戻り量との関係に関する、数式、または数値の配列、またはこれらから補間される数値のいずれか、あるいは任意の組合せを、関係モデルとして格納しており、
上記演算部が、
（１）上記各光路長の戻り量に対応する水分量の候補が各光路長ごとに複数ある場合、上記水分量の候補と、上記光路長ごとの上記関係モデルとから、上記水分量の候補ごとの戻り量の候補を各光路長について算出し、
（２）上記各光路長ごとの戻り量候補と、各光路長で実際に計測された戻り量との乖離の大きさ表す正の値を、乖離幅として求め、
（３）上記各光路長ごとの乖離幅の、全光路長分の和が最小となる上記水分量の候補を、上記含水部の水分量とすることを特徴とする。

上記構成によれば、演算により、互いに光路長の異なる複数の電磁波の戻り量を用いた水分量検出が可能になる。

すなわち、例えば、或る一つの光路長について、本発明に係る装置が計測した上記戻り量から算出される乾燥層の厚さの候補が複数である場合にも、他の光路長に対応する乾燥層の厚さの候補と組み合わせることにより、乾燥層の厚さを一つに絞ることが可能となる。

なお、乖離を表す正の値として、各光路長ごとの戻り量候補と、各光路長で実際に計測された戻り量との差の２乗を求めてもよいし、各光路長ごとの戻り量候補と、各光路長で実際に計測された戻り量との差の絶対値を求めてもよい。

本発明に係る水分量検出装置は、上記演算部が、上記電磁波源における放射量と、上記センサにより検出した戻り量との比を戻り量比として算出することを特徴とする。

上記構成によれば、周囲温度変化に伴う電磁波源の出力変化に寄らず、安定した水分量検出が可能になる。

本発明に係る水分量検出装置は、上記演算部が、上記センサにより検出した戻り量の上記比を計測開始時に算出した初期比で除算した正規化戻り量比を用いて、上記戻り量比の算出を行うことを特徴とする。

上記構成によれば、計測開始時に含水部が水分を含んでいないことを前提とする計測において、温度変化などにより電磁波源の放射量またはセンサの感度が変化した場合にも適切な水分量の検出が行える。

本発明に係る水分量検出装置は、
上記生体が検出位置に存在するかを判定する判定部をさらに備え、
上記記憶部は、上記判定部が生体不在と判定した時点で上記センサが検出した戻り量に対応する上記演算部での演算結果を記憶し、
上記演算部が、上記記憶部が記憶した上記演算結果を用いて、含水部が検出位置に存在する状態での上記戻り量、または上記戻り量比、または上記正規化戻り量比のいずれか、あるいは任意の組合せを補正することを特徴とする。

上記構成によれば、検出対象生体が不在の状態で検出した戻り量を基準として、戻り量、戻り量比、または正規化戻り量比のいずれか、あるいは任意の組合せを補正することができる。これにより、温度変化などにより電磁波源の放射量またはセンサの感度が変化した場合にも適切な水分量の検出を容易に行うことができる。

本発明に係るバイタルサイン検出装置は、上記水分量検出装置を備えたバイタルサイン検出装置であって、上記生体の水分量を、上記生体のバイタルサインの１つとして、検出することを特徴とする。

上記構成によれば、バイタルサインの一つとして生体水分量を、被検出生体に接触せずに、検出することが可能となる。上記生体水分量は、発汗量、または血液量、または尿量、または吐しゃ物量のいずれか、あるいは任意の組合せを含む。

なお、上記バイタルサイン検出装置は、生体水分量以外のバイタルサインとして、脈拍、皮膚温度、呼吸数等を、生体に対して非接触で測定可能であってもよい。

例えば、脈拍の測定に関しては、赤外線を用いて、照射量と指などに当たって戻ってきた戻り量との差から血流の変動を求め、脈拍の情報を得ることができる。上記赤外線の照射および戻り光の受光には、上記生体水分量の検出に用いるのと同じ電磁波源およびセンサを用いてもよい。

上記技術を用いた脈拍、皮膚温度、呼吸数等の測定と、本発明に係る水分量検出装置により検出した生体水分量とを組み合わせることにより、被検出者のバイタルサインを、自然な状態で、正確に検出することが可能となる。

本発明に係るバイタルサイン検出装置は、上記水分量検出装置を備えたバイタルサイン検出装置であって、上記電磁波源が、生体の一部に上記電磁波を直接照射し、上記センサが、上記生体の一部によって反射された電磁波の戻り量を検出することを特徴とする。

上記構成によれば、バイタルサインの一つとして、生体の一部（例えば、皮膚の角質層）の水分量を、当該生体の一部と接触せずに、直接検出することが可能となる。

本発明に係るバイタルサイン検出装置は、上記水分量検出装置を備えたバイタルサイン検出装置であって、上記電磁波源が、生体に接する可視光遮蔽物に上記電磁波を照射し、上記センサが、上記可視光遮蔽物で反射された電磁波の戻り量を検出し、上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方が、上記可視光遮蔽物によって上記生体から不可視となっていることを特徴とする。

上記構成によれば、上記生体が上記検出装置を意識することなく、バイタルサインの一つとして、上記生体の生体水分量を、検出することが可能となる。

本発明に係る環境制御システムは、
（１）上記バイタルサイン検出装置と、
（２）上記生体の環境を制御する環境制御装置と、
（３）上記バイタルサイン検出装置から検出結果を受け取り、その検出結果を基に、上記環境制御装置を制御する制御部とを備えていることを特徴としている。

上記構成によれば、生体がバイタルサイン検出装置から受ける心理的影響を回避しつつ検出した生体水分量を基に、環境制御を行うことが可能となる。

本発明に係る環境制御システムは、上記生体が着座する座席シートをさらに備え、上記電磁波源が、座席シートに上記電磁波を照射し、上記センサが、上記座席シートで反射された電磁波の戻り量を検出し、上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方が、上記座席シートによって上記生体から不可視となっており、上記環境制御装置が空調機器であることを特徴とする。

上記構成によれば、検査対象である生体（例えば、人間、動物など）が、座席シートに着座することによって、その生体に意識されることなく検出した、上記生体の発する水分量を基に、環境制御を行うことが可能となる。すなわち、例えば発汗という生体の発する情報を直接利用する空調機器の制御が可能であり、例えば空気の温度を計測して空調機器を制御する場合に比べ、生体の感じている快適性をより直接的に反映した制御が可能となる。

本発明に係る環境制御システムは、上記座席シートの周囲の空間を閉空間とするハウジングと、上記ハウジングに装着されたドアとをさらに備え、上記センサが、上記ドアのロック解除直後の時点での上記戻り量を、上記生体が上記座席シートに着座していない状態での戻り量として検出することを特徴とする。

上記構成により、ドアのロックが解除されたことをトリガとして、座席シートに生体が着座していない状態での水分量の検出が可能である。

例えば、上記ハウジングは、自動車のボディであり、上記空調機器がカーエアコンであるとした場合、自動車のユーザがドアロックを解除し、運転席の座席シートに着座する直前に、座席シートの水分量を初期値として検出することができる。

これによって、例えば運転席に着座したユーザの発汗量を、より正確に検出し、より快適な空調を行うことができる。

本発明に係る環境制御システムは、上記環境制御装置の出力を操作するリモートコントローラをさらに備え、上記電磁波源が、上記リモートコントローラのボタンに上記電磁波を照射し、上記センサが、上記ボタンで反射された電磁波の戻り量を検出し、上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方が、上記ボタンによって隠されており、上記制御部が、上記リモートコントローラと連動して上記環境制御装置の制御を行うことを特徴とする。

上記構成によれば、リモートコントローラのボタンを上記生体が操作することによって、ボタンに付着する水分を、バイタルサインの１つとして検出することができる。上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方は、上記ボタンによって隠されているので、リモートコントローラを操作する生体にバイタルサイン検出装置を意識させることなく、上記水分量を得ることが可能である。

また、座席シートに浸潤した水分量と、リモートコントローラのボタンに付着した水分量とに基づいて、例えば、自動車の運転席の足元の空調と、リモートコントローラが装着されたカーナビゲーションシステムの周囲の空調とを異ならせるなどのように、より多彩な環境制御を行えるように環境制御システムを構成することも可能になる。

本発明は、生体の水分量を検出する対象としての含水部に電磁波を照射し、含水部において反射された電磁波の戻り量を検出するとともに、その戻り量と上記含水部に含まれる水分量との対応関係に基づいて、水分量を求めることを特徴としている。

それゆえ、生体の水分量を、非接触にて、上記生体に意識されることなく、上記生体に特別な姿勢や動作を強いることなく、検出することができる。

また、生体の自然な状態で検出した水分量を用いて、生体の適切な運動制御もしくは快適な環境制御などを行うシステムを提供することができる。

本発明の環境制御システムの一実施形態に係る、車載用空調システムの概要を示す図である。 本発明の水分量検出装置の一実施形態に係る、生体水分量検出ユニットの構成を示す図である。 汗が布部に浸透した状態を説明する図である。 センサ部出力の布部の乾燥度合いに対する関係を表すグラフである。 乾燥時のセンサ出力により正規化したセンサ部出力と、布部の乾燥度合いとの関係を表すグラフである。 図１の車載用空調システムの構成を示すブロック図である。 本発明のバイタルサイン検出装置の一実施形態に係る、フィットネス機器の概要を示す図である。 上記フィットネス機器の要部の構成を示す図である。 本発明の水分量検出装置の他の実施形態に係る、リモートコントローラを示す図である。 波長の異なる２つの電磁波を検出対象に照射した場合の、それぞれの戻り量ＲａおよびＲｂと、乾燥層の厚さｄとの関係をそれぞれ示すグラフである。 図１０の戻り量ＲａとＲｂとについて、Ｒａ／Ｒｂをプロットしたグラフである。 含水部に照射する電磁波の含水部への入射角と、上記電磁波の波長における上記含水部の屈折率と、上記含水部の厚さとの間の関係を示す図である。 含水部に照射する電磁波の含水部への入射角と、上記電磁波の波長における上記含水部の屈折率と、上記含水部の厚さと、乾燥層の厚さとの間の関係を示す図である。 本発明のバイタルサイン検出装置の他の実施形態に係る、健康状態通知システムの概要を示す模式図である。

以下では、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

〔実施形態１〕
以下、本発明に係る環境制御システムの実施の一形態である、車載用空調システムについて説明する。なお、この車載用空調システムには、本発明に係るに水分量検出装置を応用したバイタルサイン検出装置を用いている。

（１）全体の構成
図1は、本発明の一実施形態に係る車載用空調システムの概要を示す図である。

車載用空調システムは、車両のボディ（ハウジング）に囲まれた車室（閉空間）内に、生体水分量検出ユニット１が装着された座席２と、空調ユニット４とを備えている。

生体水分量検出ユニット１は、座席２の着座部２３に充填されたクッション材２３２に埋め込まれ、外部から視認できないようになっている。着座部２３の表面は布部２３１（含水部、座席シート、可視光遮蔽物）で覆われている。

まず、生体水分量検出ユニット１は、人物３の臀部３３に接している布部２３１の水分量を検出する。なお、上記布部２３１の水分量は、人物３の発汗量と相関（例えば比例）しているとする。

次に、生体水分量検出ユニット１は、上記検出結果情報を、空調ユニット４の後述する空調ユニット制御部４１（図２参照）に出力する。

空調ユニット制御部４１は、生体水分量検出ユニット１から受け取った上記検出結果情報に基づき、空調ユニット４の出力を調整し、人物３の発汗量に応じた空調を行うことによって、車内環境の快適性を保つ。

（生体水分量検出ユニットの構成）
図２は、上記生体水分量検出ユニット１の構成を示す図である。

図２に示すように、生体水分量検出ユニット１は、光源１１（電磁波源）と、受光量を検出するセンサ１４１および１４２と、演算部１５と、記憶部１７とを備えている。

光源１１は、臀部３３に接している布部２３１（生体の水分量を検出する対象）に向けて、テラヘルツ光１２１と１２２とを照射する。なお、布部２３１への、テラヘルツ光１２１の入射角とテラヘルツ光１２２の入射角とは異なっている。

テラヘルツ光１２１が布部２３１により反射ないし散乱された戻り光１３１は、センサ１４１により検出される。一方、テラヘルツ光１２２の戻り光１３２は、センサ１４２により検出される。

センサ１４１と１４２とは、各テラヘルツ光１２１および１２２それぞれの戻り量に応じた信号を、演算部１５に出力する。

演算部１５は、上記戻り量に基づいて、布部２３１に含まれる生体水分量を演算によって求め、検出結果情報を上記空調ユニット制御部４１に出力する。

記憶部１７は、センサ１４１および１４２が検出した上記戻り量と、布部２３１に含まれる生体水分量との対応関係（関係モデル）として、例えば、後述する関数を格納している。

したがって、演算部１５は、記憶部１７に格納された上記対応関係を用いて、生体水分量を演算する。

（光源）
光源１１は、例えば約１．０テラヘルツ（ＴＨｚ）を出力中心波長とする量子カスケードレーザーを採用することができる。光源１１から照射される電磁波の詳細については後述する。

また、光源１１の出力は一定であり既知であるものとする。

ただし、出力不定の場合であっても、例えば光量モニタを使って出力強度を取得し出力を規格化することによって、出力が一定で既知である場合と同様に扱うことができる。

センサ出力の規格化の一例として、戻り量を出力光量で除算することによって正規化した戻り量比を採用することができる。また、センサ出力の規格化の他の例として、含水部に水分が含まれていない場合といった既知の状態での戻り量によって、検出した戻り量を除算することによって正規化した戻り量比を採用することもできる。センサ出力の規格化のさらに他の例として、計測開始時に算出した戻り量比の初期比で、計測した戻り量比を除算した戻り量比を採用することもできる。このように正規化することによって、光源の出力に関する上記問題は回避される。なお、戻り量の正規化について、詳細は後述する。

（センサ）
センサ１４１と１４２とには、ボロメータを採用することができる。

センサは、出力が戻り量に応じて変化する受光素子を備えていればよく、例えば、焦電効果を利用した素子、またはゴレーセル、またはショットキーバリヤーダイオードのいずれか、あるいは任意の組合せが含まれる。

なお、ここでは説明の簡便のため、センサ１４１および１４２は、センサが受光した光量に比例した電位を出力するものとする。

（電磁波の性質）
本実施例では、光源１１が照射し、センサ１４１と１４２とが受光する電磁波は、約１．０ＴＨｚの量子カスケードレーザー光である。しかし、０．１ＴＨｚ以上１２０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波であれば、上記レーザー光に代えて用いることができる。例えば０．３ＴＨｚのように、テラヘルツ帯でも比較的低めの発信周波数での使用に適した共鳴トンネルダイオード素子なども、光源１１に適用可能である。

既に述べたように、上記範囲の周波数の電磁波は、水における吸収係数が大きい。従って、布部２３１からの戻り量は、布部２３１に含まれる水分量に応じて、大きく変化する。

また、上記範囲の周波数の電磁波は、布などの軽分子の繊維に対して高い透過性を示すため、光源とセンサとがクッション材に埋め込まれた状態でも、水分量検出が可能である。

さらに、上記範囲の周波数の電磁波では、直進性が維持されているため、光の干渉が生じる状態での水分量検出を行う際に誤差が少ない。

特に、テラヘルツ帯のうち、０．１ＴＨｚ以上２．５ＴＨｚ以下の周波数の電磁波は、既に説明したように、室温以上では熱輻射量がピーク値の千分の一程度よりも小さくなり、熱輻射の影響を受けにくい。このため、上記周波数の電磁波を用いることによって、車中など高温下に置かれることが想定される用途に適した水分量検出装置を提供することが可能となる。

なお発振周波数の幅は、干渉に影響するため、狭い方が望ましい。

また電磁波の干渉の問題については、詳細は後述する。

（演算部）
演算部１５における水分量算出方法を、図３から図５を用いて説明する。

図３は、臀部３３と布部２３１との接触部位を拡大した図である。

布部２３１は、臀部３３から水分が浸透した湿潤層２３１１と、水分が含まれない、言い換えると水分が浸透するには至っていない乾燥層２３１２とから成り、乾燥層２３１２の厚さをｄとし、布部２３１の厚さは８０ミクロン（μｍ）であるとする。

図４は、下記条件での、センサ１４１および１４２の出力電圧を示している。

すなわち、図２に示したように、入射角１０度で布部２３１に照射されたテラヘルツ光１２１の、戻り光１３１をセンサ１４１が受光し、入射角４５度で布部２３１に照射されたテラヘルツ光１２２の、戻り光１３２をセンサ１４２が受光するとする。

また、センサ１４１と１４２とは、テラヘルツ光１２１と１２２とが、布部２３１で１００％反射された時の戻り光を受光した際に、それぞれ１．０Ｖを出力するものとする。なお、上記１．０Ｖという数値は、説明のための一例に過ぎない。

さらに、センサに入射するテラヘルツ光量とセンサ出力電圧は比例関係にあるものとする。

図４によれば、まず、布部２３１が水分を含まない場合、つまりｄ＝８０ミクロンの場合、センサ１４１と１４２の出力はそれぞれ、約０．５８Ｖと０．３１Ｖとである。

次に、人物３が着座し発汗することによって、布部２３１の５０％まで水分が浸透した場合、すなわちｄ＝４０ミクロンの場合、センサ１４１と１４２の出力はそれぞれ０．０７４Ｖと０．００３４Ｖとである。

さらに、布部２３１全体に汗が浸透すると、ｄ＝０となるので、図４に示されるように、センサ１４１と１４２の出力はそれぞれ０．８１Ｖと０．３９Ｖとになる。

図４に示されるように、戻り量は、ｄの値によって単調変化するのでなく、入射光と戻り光との干渉の影響によって増減を繰り返す。

従って、例えばセンサ１４１の出力のみでｄを判定しようとしても、出力０．４Ｖの際、ｄの候補としては約２５ミクロンと７０ミクロンの２つがあるため一意に定まらない。

しかし、センサ１４１の出力０．４Ｖに対応するセンサ１４２の出力が約０．１３Ｖであるか約０．２４Ｖであるかによって、ｄが約２５ミクロンと７０ミクロンのいずれであるかを判定することが可能となる。

つまり、ｄの値は、センサ１４１の出力ｘとセンサ１４２の出力ｙとの関数ｆとして、ｄ＝ｆ（ｘ、ｙ）の形で表される。上記関数ｆを予め前記記憶部１７に格納しておき、その関数を演算部１５が記憶部１７から読み出すことによって、ｄの値を算出することが可能となる。

より一般的には、予め記憶部１７が、関数ｆを２次元配列テーブルとして保持しておくことによって、容易にｄの値が得られる。この際、ｄのテーブルの粒度とセンサ１４１および１４２の出力ｘ、ｙの粒度とが不一致である場合についても、一般的な補間処理を用いることによって、ｄの値を一意に定めることが可能となる。

なお、上記の基本的な算出方法に加え、入射角ごとの戻り量の初期値で正規化した値を用いて判定することも可能である。これは、温度変化または経時変化などを原因として、光源の出力またはセンサの感度のいずれか或いは両方が変化する場合に、その変化の影響を無くす措置として有効である。

図５は、乾燥層の厚さが８０ミクロンである時の各センサの出力によってそれぞれの戻り量を正規化した戻り量比と、乾燥層の厚さとの関係を示す図である。入射角の違いによって、戻り量比のグラフ形状が異なるため、前述した干渉の影響があっても乾燥層の厚さｄの特定が可能である。

上記算出方法によって得たｄは、例えばＶ＝（ｄ０−ｄ）／ｄ０といった演算を経て、発汗の大小を最大１、最小０と対応づけられた生体水分量Ｖに変換され、後述する空調ユニット制御部４１に出力される。なお、乾燥している状態でのｄの値をｄ０とする。

なお、上記演算式は説明のための一例にすぎず、後述する空調ユニット制御部４１の入力仕様に合わせて、任意に設計することが可能である。

また、例えば工場での出荷の際、センサおよび光源の性能を検査し、性能のばらつきを補正するため、含水部での反射率が１００％である場合の出力を利用することができる。上記の布部２３１での反射率が１００％である場合の出力は、例えば臀部３３の位置すべき場所に、上記ＴＨｚ帯域での反射率がほぼ１００％に近い金属板などを置くことによって得ることができる。この補正方法によって得た出力値で実際の出力電圧を除した値を図４の縦軸に適用することも可能である。

（入射光量不定時の戻り量の補正）
さらに、例えばセンサの性能劣化、またはクッション材における減衰などを原因として、入射光量と出力との関係が既知でない場合であっても、下記の方法を利用することにより、上記と同様の生体水分量検出が可能である。

まず、生体水分量検出ユニット１の外部に、検出対象である人物３の存否を検出するセンサ５０を設ける。センサ５０として、例えば光、赤外線または超音波を利用した人感センサなどを採用できる。センサ５０の出力は、演算部１５に送られるようになっているので、演算部１５は、センサ５０の出力変化によって、人物３の存否を検出する。このようにして、センサ５０と演算部１５とで、検出対象が検出位置に存在するか否かを判定する判定部を構成する。

入射光量不定時の戻り量の補正処理として、まず演算部１５は、センサ５０の出力変化に基づき人物３が検出位置に存在するか否かを判定する。次に、記憶部１７は、演算部１５が人物不在と判定した時点で上記センサ１４１および１４２が検出した戻り量に対応する演算部１５での演算結果を記憶する。つまり、人物３が着座していない状態でのセンサ１４１と１４２の出力ｘ＿０とｙ＿０とを、記憶部１７に保存しておく。

なお、図４に示す通り、本実施例において、人物３が着座していない状態での、つまりｄが８０ミクロンである時の、センサ１４１における戻り量は「０．５８」であり、センサ１４２における戻り量は「０．３１」である。

次に、人物３が着座した状態での各センサ１４１，１４２の出力を取得する。

上記着座状態での各センサ１４１，１４２の出力結果を，それぞれのｘ＿０とｙ＿０とを用いて、補正することにより、入射光量と出力との関係が既知でない場合でも、水分量算出が可能となる。

例えば、上記の関数ｄ＝ｆ（ｘ、ｙ）のｘをｘ／０．５８、ｙをｙ／０．３１で置き換えることによって、上記の関数ｄ＝ｆ（ｘ、ｙ）をそのまま用いることが可能となる。

より一般化すれば、各センサの出力について、人物３が着座していない時点の出力ｘ＿０、ｙ＿０で、計測時点の出力ｘ、ｙを除した値の関数ｄ＝ｆ（ｘ／ｘ＿０、ｙ／ｙ＿０）を用いることによって、入射光量が不明の場合においても、水分量の検出が可能となる。

ところで、上記の着座判定には、障害物センサまたは重量センサを用いてもよい。また、例えば車内であれば、ドアロックの解除、またはドアの開放を判定に用いることもできる。さらに、室内の場合であれば、エアコン等の電源投入、または室内灯の点灯を基に、着座判定を行うこともできる。

（空調ユニットと空調ユニット制御部）
前記空調ユニット制御部４１は、上記生体水分量Ｖに応じて、空調ユニット４を制御する。

空調ユニット制御部４１による制御は、一般的な空調機器が室温を用いて出力をフィードバック制御する周知技術を応用してもよい。すなわち、室温に代えて上記生体水分量Ｖを用いて、例えば、Ｖが増えれば室温を下げ、Ｖが減少すれば室温を上げるように、出力を制御してもよい。

（ブロック図）
図６は、本発明に係るバイタルサイン検出装置を用いた車載用空調システムの概要を示すブロック図である。

光源１１から出力されたテラヘルツ光１２１と１２２とを、臀部３３に接した布部２３１に照射する。

センサ１４１と１４２とは、それぞれ、テラヘルツ光１２１と１２２の戻り光である１３１と１３２とを受光し、戻り光１３１と１３２の光量に応じた出力ｘとｙとを、演算部１５に出力する。

演算部１５は、出力ｘとｙとから、記憶部１７に記憶されたｄ＝ｆ（ｘ、ｙ）を用いて、布部２３１における乾燥層の厚さｄを算出する。さらに、演算部１５は、前記Ｖ＝Ｖａ＝（ｄ０−ｄ）／ｄ０（ｄ０は乾燥している状態でのｄの値）という演算式、またはＶ＝Ｖｂ＝ｄ／ｄ０によって、生体水分量Ｖに変換して空調ユニット制御部４１に出力する。

なお、上記Ｖａは、含水部の湿潤度合いを示し、上記Ｖｂは、含水部の乾燥度合いを示す。Ｖａ，Ｖｂのどちらも、生体水分量を求める指標として用いることができる。

空調ユニット制御部４１は、生体水分量Ｖに応じて、人物３の快適性をもたらす指示を空調ユニット４に与える。

また、自動車のドア６に取り付けられたドアセンサ６１は、ドアロック解除信号を上記センサ１４１と１４２とに送信し、ドアロック解除信号を受信した上記センサ１４１と１４２とは、ドアロック解除の時点での上記ｘとｙとの値を、演算部１５に送信する。

演算部１５は、上記ドアロック解除時点でのｘとｙとの値を、人物が着座していない状態での出力ｘ＿０とｙ＿０として、保持する。

上記構成により、人物３の発汗に相関する布部２３１の生体水分量が検出され、当該生体水分量に基づく空調ユニット４の制御が実現する。

上記の制御は、室温という間接的なパラメータでなく、人物３の発汗というより直接的なパラメータにより実現されるため、人物３の快不快という感覚により即した環境制御を実現することが可能となる。

（乾燥層厚さ算出方法の一般化）
乾燥層の厚さを算出するための、より一般的な方法を下記に述べる。

（単一光路長で検出を行う構成）
まず、図１３に示すように、波長λの電磁波（例えば、テラヘルツ光）に対する布部２３１の屈折率をｎ（λ）、布部２３１の厚さをＴとする。また、布部２３１に対するテラヘルツ光の入射角をθ１、布部２３１内に進行したテラヘルツ光の屈折角をθ２とする。

テラヘルツ光の一部は、乾燥層と湿潤層との界面で反射され、戻り光となり、テラヘルツ光の他の一部は、湿潤層によって吸収される。

なお、テラヘルツ光１２１および１２２の入射角を、説明の便宜上、それぞれ、θ１＿１２１、θ１＿１２２とする。また、テラヘルツ光１２１および１２２の屈折角についても、θ２＿１２１、θ２＿１２２とする。

また、θ１＿１２１、θ１＿１２２、θ２＿１２１およびθ２＿１２２は、それぞれ、
ｓｉｎθ２＿１２１＝ｓｉｎθ１＿１２１／ｎ（λ）
ｓｉｎθ２＿１２２＝ｓｉｎθ１＿１２２／ｎ（λ）
を満たすとする。

さらに、図１２は、図１３の特殊例、すなわち湿潤層の厚さが０の時を示す図である。

この時、Ｔ＜λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２が成立する範囲では、Ｔが一定であれば、乾燥層の厚さｄがＴに近づくにつれて、つまりｄが大きくなるにつれて、戻り光量は単調減少する。この理由は、以下のとおりである。

まず、光線の通る経路を「行路」、その物理的な長さを「行路長」、また行路長に屈折率を乗じた光学的距離を「光路長」とする。つまり、本発明の「光路長」は、上記電磁波の通る経路の物理的な長さに、上記経路における上記電磁波の屈折率を乗じたものを指す。

従って、本発明で用いる「光路長」は、「光」という語を含んではいるが、光の光学的距離に限定されるものではなく、光を含む電磁波の光学的距離を指すものである。

ここで、上記布部２３１（含水部）の屈折率ｎ（λ）が、水の屈折率と空気の屈折率の中間であるならば、一般的に、垂直入射光の光路長が当該入射光の波長の半分の時に、入射光と戻り光との干渉によって、戻り光量は概ね最小となる。従って、入射角がθ１の入射光の場合、ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθ１／ｎ（λ）なるθ２を用いて、２×｛Ｔ×ｎ（λ）｝＝１／２×｛λ×ｃｏｓθ２｝の時、つまりＴ＝Ｔ0＝λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２の時、戻り光量は最小となる。

図１２は、波長λの電磁波に対して屈折率ｎ（λ）を示す、厚さＴの布部の最下辺で反射される上記電磁波の光路長は２×｛Ｔ×ｎ（λ）｝となることを示している。上記光路長が上記波長の半分である時、つまりＴ＝Ｔ0＝λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２の時、上記電磁波は、点Ｐにおいて入射光２と戻り光１との波長がちょうど半波長ずれ、戻り光１の戻り光量は最小となる。

従って、Ｔ＜λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２が成立する範囲では、Ｔが増加してＴ0に近づくのに伴い、戻り光量は単調減少する。

例えば図４のセンサ１４１、１４２の各出力を見ると、図３に示す乾燥層２３１２の厚さｄ（μｍ）が０から上記Ｔ0の近傍となる約４０μｍとなるまでの間、ｄの増加に従って、各戻り光量が単調減少している。

上記範囲の間であれば、例えばセンサ１４２を廃し、センサ１４１の出力ｘのみを用いて、ｄを算出することも可能である。

すなわち、乾燥層２３１２の厚さが０の時の戻り光量（戻り光量比としてもよい）をＲＷとし、Ｔ＿０＝λ／（４ｎ（λ））とすると、上記範囲において観測された戻り光量Ｒ（戻り光量比としてもよい）は、乾燥層の厚さｄを用いて、下記に補足説明するように、Ｒ＝ＲＷ／２×（１＋ＣＯＳ（π×（ｄ／Ｔ＿０）））（式１）と近似することができる。

従って、（式１）を変形してｄ＝Ｔ＿０／π×ＡＲＣＣＯＳ（２Ｒ／ＲＷ−１）（式２）として、乾燥層の厚さｄを求めることができる。なお、ＡＲＣＣＯＳはＣＯＳの逆関数である。

なお、（式２）に、「ｄ＝Ｔ＿０の時、Ｒ＝０」とした時の前提であるＴ＿０＝λ／４ｎ（λ）を用いて、ｄ＝λ／（４π×ｎ（λ））×ＡＲＣＣＯＳ（２×Ｒ／ＲＷ−１）（式３）と表すこともできる。

上記（式３）と生体水分量Ｖ＝Ｖｂ＝ｄ／ｄ０（ｄ０は乾燥している状態での乾燥層の厚さ、すなわち布部２３１の厚さ）とに基づき、上記（式３）で求めたｄと布部２３１の厚さとの比によって、生体水分量Ｖを表すことができる。

上記（式１）の導出について補足する。まず、上述したように、０≦ｄ≦Ｔ0となる範囲において、上記戻り光量Ｒは、以下の２点を通るコサインカーブで近似することができる。

すなわち、第１点として、布部２３１が十分に水を含み、布部２３１への照射と水に対する照射とを同じものと見なすことができる時、つまりｄ＝０の時、Ｒ＝ＲＷである。したがって、第１点は、（ｄ，Ｒ）＝（０，ＲＷ）である。

また、戻り光量は、乾燥層の厚さｄがＴ0に近づくにつれ単調減少し、ｄ＝Ｔ0のとき最小値とる。ここで、Ｔがλ／４ｎ（λ）に十分に近づいている場合、すなわちＴ＿０＝λ／４ｎ（λ）と近似できる場合、戻り光と入射光とは１／２波長ずれるため、戻り光量＝０と近似することができる。つまり、ｄ＝Ｔ＿０の時、Ｒ＝０である。この（ｄ，Ｒ）＝（Ｔ＿０，０）が第２点である。

従って、上記２つの点を通過するコサインカーブをＲ＝ＲＷ／２×（１＋ｃｏｓ（π×（ｄ／Ｔ）））と近似することができる。

なお、１次元配列テーブルｄ（ｘ）により算出することも可能である。

（複数光路長で検出を行う構成）
さらに、互いに整数倍関係にない、すなわち同じ干渉状態にならないｍ個の光路長を用いる場合、次の結果を得ることができる。すなわち、１つの戻り光量について、或る光路長でのｄの候補値が複数存在したとしても、実際のｄと、他の光路長において計測された戻り光量とを照合したとき、他の光路長の少なくとも１つについては、整合するものがある。逆にいえば、実際のｄと異なる候補値と、他の光路長において計測された戻り光量とを照合したとき、他の光路長の少なくとも１つについては、他の光路長において計測された戻り光量とは、値が異なる戻り光量となる。

なお、上記においては１つの戻り光量について、複数のｄの候補がある場合を想定しているが、１つの正規化戻り光量比について、複数のｄの候補がある場合についても全く同様のことが言える。

従って、すべての戻り光量、またはその正規化された値のいずれか、あるいは両方について、計測値と一致する、実際のｄの値と区別することが可能となる。

なお、各光路長におけるｄの候補の数は、ｍ個までであれば、実際のｄの値と区別することが可能である。

また、上記候補の数は、干渉の発生に起因する戻り光量の最大値の出現回数と、最小値の出現回数との合計になる。

例えば図４において、ｄ（μｍ）が約４０μｍよりも小さい範囲では、４５度入射の電磁波について、戻り光量の最大値に対応するセンサ出力０．４Ｖの出現回数は１回、戻り光量の最小値に対応するセンサ出力０Ｖの出現回数は０回である。従って、ｄ（μｍ）が約４０μｍよりも小さい範囲では、センサ出力に対するｄの候補は一つだけである。

一方、ｄ（μｍ）が０から約８０μｍとなるまでの値をとる間、センサ出力は、最小値を挟んで、単調減少および単調増加を示すので、１つのセンサ出力に対し、ｄは２つの値が対応する。このｄの候補数２は、ｄ（μｍ）が０から約８０μｍとなるまでの範囲で、最大値の出現回数１回と、最小値の出現回数１回との合計値に等しくなっている。このように、４５度入射の電磁波の戻り光を受光するセンサだけでは、ｄを一意に定めることができない。

ところで、上記最大値と最小値とは、乾燥層の厚さがλ／４ｎ（λ）の整数倍になるごとに交互に現れる。

従って、ｍ個の互いに整数倍の関係にない光路長を用いれば、少なくともｍ×λ＞４ｎ（λ）×Ｔなる含水部厚さＴについてまで、水分量検出を行うことが可能となる。

ここで、分散を算出する関数を用意し、ｄを逐次代入していき、その最小を与えるｄを採用することができる。

すなわち、ｍ個の光路長において、それぞれ戻り光量比Ｉｉ（ｉ＝１〜ｍ）が得られているとし、図５に示されている、戻り光量比と乾燥層厚さｄとの関係をＩｉ_＿Ｒ（ｄ）とする。

ここで、各光路長ごとの戻り量候補と、実際に計測された戻り量との乖離の大きさは、正の値をとるｄの関数として、つまり或るｄにおける分散量Ｓ（ｄ）として表すことができる。すなわち、Ｓ（ｄ）は、Ｓ（ｄ）＝Σ_{ｉ＝１〜ｍ}（Ｉｉ−Ｉｉ_{_Ｒ}（ｄ））^２、またはＳ（ｄ）＝Σ_{ｉ＝１〜ｍ}｜Ｉｉ−Ｉｉ_{_Ｒ}（ｄ）｜と表すことができる。（Ｉｉ−Ｉｉ_{_Ｒ}（ｄ））^２は、各光路長ごとの戻り量候補と、各光路長で実際に計測された戻り量との差の２乗である。また、｜Ｉｉ−Ｉｉ_{_Ｒ}（ｄ）｜は各光路長ごとの戻り量候補と、各光路長で実際に計測された戻り量との差の絶対値である。

Ｓ（ｄ）にｄの候補を逐次代入し、Ｓ（ｄ）の最小（理想的には０）を与えるｄの候補を、実際のｄの値として採用する。

なお、光源１１の波長を変えることによって、上記の入射角変更に相当する戻り光量の変化を起こしてもよい。

例えば図１０は、波長を変化させた場合の、乾燥層の厚さｄに対する戻り光量を示している。図１０では、波長２９０μｍ時の戻り光量をＲａ、波長３１０μｍ時の戻り光量をＲｂとしている。

また図１１は、図１０に示された戻り光量Ｒａ，Ｒｂについて、Ｒａ／Ｒｂをプロットした図である。

図１１に示されているように、ｄ＝４０μｍ近辺を除けば、ｄとＲａ／Ｒｂとは１対１対応している。

また、図１０に示すように、４０μｍ近辺では、Ｒａ，Ｒｂともにほぼ０になる。

従って、反射光量がほとんど検出不可能である場合はｄ＝４０μｍを生体水分量の算出基礎とし、それ以外の場合では、図１１のグラフから一意に求めたｄの値を生体水分量の算出基礎とすることで、上記と同様の生体水分量検出が可能である。

（光源またはセンサの他の構成）
なお、図２では単一の光源１１から異なる２つのテラヘルツ光を照射している。しかし、図２は、異なる光路長を設けるために、異なる入射角となる２つのテラヘルツ光を利用しただけであり、複数の光路長を得るための方法の一例に過ぎない。

例えば、角度的に広がりを持つテラヘルツ光束を照射し、その一部を上記テラヘルツ光１２１および１２２として用いることが可能である。

また複数の光源を設置してもよい。その場合、いずれの光源が発光しているかを上記演算部１５が把握していれば、受光を行うセンサが１つであっても、上記の演算が同様に可能である。

さらに、光源およびセンサはいずれも１つで、どちらかもしくは双方が移動する構成も可能である。これにより、上述の入射角を連続的に変えることが可能になる。

このように工夫することにより、光源またはセンサのいずれか、或いは両方の数を減らすことができるため、コストダウンを図ることが可能となる。

布部２３１の厚さが十分に大きい時、干渉の影響により、図４に示されるセンサ出力が周期的に複数のピークを取り、ｄを一意に定めることが困難となる場合がある。

しかし、上記のように入射角を連続的に変えることで、原理的に無限個の光路長を用いた検出が可能となる。

また、ここでは説明の簡便のため、上記テラヘルツ光１２１および１２２の照射位置は十分近接しており、臀部３３および布部２３１の含有水分量に違いはないものとしている。

しかし、より正確を期するのであれば、光源からの光束が同一照射位置となるよう、例えば、同一照射位置における光入射角が異なる複数の光源を設置してもよい。

（布部の他の構成）
本実施の形態では、布部２３１への水分の浸透を説明したが、上記光源が生体の一部に上記テラヘルツ光を直接照射し、センサは上記生体の一部からの戻り光量を検出することも可能である。上記生体の一部として、例えば、人体表面の角質層を挙げることができる。

また、水分を吸収するという布部２３１の性質は本発明の必須の要件ではなく、例えばレザーの様に水分吸収に時間が掛かるもの、または樹脂コーティングした布の水分量を検出することも可能である。

（ユニット設置箇所）
また本実施の形態では、生体水分量検出ユニット１は図１では着座部２３に設置したが、例えば、背もたれ部２２に設置し、人物３の背中の発汗量を検出してもよいし、フットレストに設置し足裏の発汗量を検出してもよい。足裏での発汗には緊張感などの精神的要素も反映されているので、人物３の心理状態に関わる生体水分量も検出することが可能である。

［実施形態２］
（概要）
以下、本発明におけるバイタルサイン検出装置を用いた環境制御システムの他の実施形態である、フィットネスシステムについて説明する。なお、前記実施形態と同じ構成要素については同一番号を付し、その説明を略するものとする。

（全体の構成）
図７は、本発明におけるフィットネスシステムの概要を示す図である。図８は、上記フィットネス機器７の概要を示すブロック図である。

図７および図８に示すように、フィットネス機器７は、座席２５、負荷制御部７１、負荷可変ホイール７２およびペダル７３を備えている。

生体水分量検出ユニット１は、座席２５（可視光遮蔽物）に、前記実施形態１と同様に埋め込まれ、外部から視認できないようになっている。

（負荷制御）
まず、生体水分量検出ユニット１は、人物３の臀部３３の生体水分量Ｖを検出する。

次に、生体水分量検出ユニット１は、上記検出結果情報を、負荷制御部７１に出力する。

負荷制御部７１は、生体水分量検出ユニット１から受け取った上記検出結果情報に基づき、負荷可変ホイール７２を介してペダル７３の回転にかかる負荷を調整する。

人物３は、負荷可変ホイール７２によって負荷を増減されたペダル７３を回転させる。

なお、負荷制御部７１による負荷可変ホイール７２の回転抵抗の制御には、フィットネス機器が利用者の疲労度を用いて負荷をフィードバック制御する周知技術を応用してもよい。すなわち、疲労度に代えて、発汗量に比例する値であるＶを用いて、例えば、Ｖが増えれば負荷を下げ、Ｖが減少すれば負荷を上げることによって、人物３の適切な運動を支援してもよい。

（ユニット設置箇所）
生体水分量検出ユニット１は、例えば、図示されていないハンドルに設置し、人物３の手のひらの発汗を検出してもよい。

一般に、負荷が大きいほどハンドルを強く握る傾向があり、手に汗をかく傾向がある。

従って、上記構成によれば、手に汗をかくような、高負荷を継続して与えるトレーニングシステムにおいて、適切な高負荷を継続して提供することが可能となる。

また、生体水分量検出ユニット１をペダル７３に設置し、足裏の発汗量を検出してもよい。足裏での発汗には緊張感などの精神的要素も反映されるので、人物３の心理状態に関わる生体水分量を検出することができる。

［実施形態３］
（概要）
以下、本発明におけるバイタルサイン検出装置を用いた環境制御システムのさらに他の実施形態である、空調用リモートコントローラについて説明する。なお、前記実施の形態と同じ構成要素については同一番号を付し、その説明を略するものとする。

（全体の構成）
図９は、本発明に係る空調用リモートコントローラの概要を示す図である。

図９に示すように、空調用リモートコントローラ８は、ボタン２６（可視光遮蔽物）、マイコン８１、送信機８２を備え、ボタン２６に生体水分量検出ユニット１が埋め込まれている。したがって、他の実施形態と同様に、生体水分量検出ユニット１を外部から視認できないようになっている。ボタン２６の材質は、プラスチックなどのＴＨｚ帯の電磁波の透過率が比較的高いものが望ましい。

生体である人物３の指３６がボタンを押す際、生体水分量検出ユニット１に正対する。

生体水分量検出ユニット１は，指３６の発汗状態を検出し、上記検出結果情報を、マイコン８１を介して、図示されない環境制御機器へと送信機８２によって送信する。

上記環境制御機器として、例えば空調機器を挙げることができる。

上記構成によれば、上記環境制御機器は、人物３の指先における発汗量を基に環境制御を行うことが可能である。気温といった間接的なパラメータでなく、人物３の感じている暑さ寒さに直接関連するパラメータによって制御を行うため、より快適性の高い空調を実現することができる。

［実施形態４］
（概要）
以下、本発明におけるバイタルサイン検出装置を用いた環境制御システムのさらに他の実施形態である、健康状態通知システムについて説明する。なお、前記実施の形態と同じ構成要素については同一番号を付し、その説明を略するものとする。

（全体の構成）
図１４は、本発明に係る健康状態通知システムの概要を示す模式図である。

生体水分量検出ユニット１は、ベッド９のクッション材２３２に埋め込まれ、外部から視認できないようになっている。ベッド９には布部２３１が敷かれ、人物３は布部２３１の上に横たわっている。

まず、生体水分量検出ユニット１は、人物３に接している布部２３１の水分量を検出する。なお、上記布部２３１の水分量は、人物３の汗、尿、血液、吐しゃ物の量に相関する。

さらに、ベッド９のクッション材２３２には、バイタルサイン検出ユニット９１が埋め込まれ、外部から視認できないようになっている。バイタルサイン検出ユニット９１中の光源９１１は、前述の電磁波とは波長の異なる赤外線を照射する。

同様に、バイタルサイン検出ユニット９１中のセンサ１９１は、上記赤外線を受光する。

バイタルサイン検出ユニット９１中の演算部９５は、光源９１１の上記赤外線照射量と、センサ１９１の上記赤外線戻り光量とから、人物３の血流の変化を検出し、脈拍の情報を取得する。

さらにベッド９は、人物３の頭上に位置する部分に、人物３の呼吸数を非接触で計測するための呼吸計測機１６２を備えている。

呼吸計測機１６２は、検出結果を演算部９５に送信する。

演算部９５は、上記脈拍および呼吸数の情報を通知内容制御部１０１に出力する。

すなわち、生体水分量検出ユニット１およびバイタルサイン検出ユニット９１は、人物３の上記生体水分量、脈拍、呼吸数というバイタルサインを検出し、上記検出結果を健康状態通知機器１０の通知内容制御部１０１に出力する。

通知内容制御部１０１は、生体水分量検出ユニット１およびバイタルサイン検出ユニット９１から受け取った上記バイタルサイン情報に基づき、通知部１０で通知する通知内容を制御する。

例えば、通知内容制御部１０１は、上記バイタルサインのいずれか１つ、あるいは任意の組合せに急激な変化が生じた場合、人物３の生体状況および人物３を取り巻く環境について、通知部１０を介して、注意を喚起する。

つまり、上記健康状態通知機器１０は、人物３の健康状態を管理する者をして、人物３の置かれている環境を制御せしめる。なお、上記管理者については図示していない。

上記の構成によれば、人物３の生体水分量と、脈拍と、呼吸数との測定とを、人物３にとって自然な状態で、正確に検出することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、生体のバイタルサインを検出する方法および装置に利用できるほか、検出したバイタルサインを制御因子とする健康器具、医療介護器具、遊戯器具または環境制御機器などに広く利用することができる。

１ 生体水分量検出ユニット（水分量検出装置、バイタルサイン検出装置）
１１ 光源（電磁波源）
１２１ テラヘルツ光（電磁波）
１２２ テラヘルツ光（電磁波）
１３１ 戻り光
１３２ 戻り光
１４１ センサ
１４２ センサ
１５ 演算部（判定部）
１７ 記憶部
２ 座席
２２ 背もたれ部
２３ 着座部
２３１ 布部（含水部、可視光遮蔽物、座席シート）
２３１１ 湿潤層
２３１２ 乾燥層
２３２ クッション材
２５ 座席（可視光遮蔽物）
２６ ボタン（可視光遮蔽物）
３ 人物（生体）
３３ 臀部
３６ 指
４ 空調ユニット（環境制御装置）
４１ 空調ユニット制御部
５０ センサ（判定部）
６ ドア
６１ ドアセンサ
７ フィットネス機器
７１ 負荷制御部
８ リモートコントローラ

Claims (23)

1. 生体の水分量を検出する対象としての含水部に電磁波を照射する電磁波源と、
   上記含水部において反射された電磁波の戻り量を検出するセンサと、
   上記センサが検出した上記戻り量と上記含水部に含まれる水分量との対応関係を格納した記憶部と、
   上記センサにより検出された戻り量を、上記対応関係を用いて演算し、水分量に変換する演算部とを備えていること
   を特徴とする水分量検出装置。
2. 上記電磁波源およびセンサは、０．１ＴＨｚ以上１２０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を放出および受光すること
   を特徴とする請求項１に記載の水分量検出装置。
3. 上記電磁波源およびセンサは、０．１ＴＨｚ以上２．５ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を放出および受光すること
   を特徴とする請求項１に記載の水分量検出装置。
4. 上記電磁波源の波長をλとし、上記電磁波源が照射する電磁波の上記含水部に対する入射角をθ１とし、上記波長における上記含水部の屈折率をｎ（λ）とし、上記含水部の厚さをＴとする時、ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθ１／ｎ（λ）なるθ２を用いて、Ｔ＜λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２と表される関係を有すること
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水分量検出装置。
5. 上記演算部は、水に対する上記戻り量をＲＷとし、上記含水部に対して計測された上記戻り量をＲとし、ＡＲＣＣＯＳをＣＯＳの逆関数とする時、ＡＲＣＣＯＳ（２×Ｒ／ＲＷ−１）×λ／（４×ｎ（λ）×π）と含水部の厚さとの比を、水分量を表す値とすること
   を特徴とする請求項４に記載の水分量検出装置。
6. 上記センサは、互いに光路長の異なる複数の電磁波の上記戻り量を検出すること
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水分量検出装置。
7. 上記電磁波源の波長をλとし、上記電磁波源が照射する電磁波の上記含水部に対する入射角をθ１とし、最小の入射角θ１について、光路長が互いに整数倍関係にない複数の光路長の数をｍとし、それぞれの光路長における波長λの電磁波に対する上記含水部の屈折率をｎ（λ）とし、上記含水部の厚さをＴとする時、ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθ１／ｎ（λ）なるθ２を用いて、ｍ×Ｔ＜λ／４ｎ（λ）×ｃｏｓθ２なる関係を満たすこと
   を特徴とする請求項６に記載の水分量検出装置。
8. 上記複数の電磁波の各波長は、互いに異なっていること
   を特徴とする請求項７に記載の水分量検出装置。
9. 上記複数の電磁波に対し、互いに異なる行路が設定されており、
   上記含水部への照射角度、または上記含水部からの反射角度のいずれか、あるいは両方が、上記複数の電磁波同士で互いに異なること
   を特徴とする請求項７に記載の水分量検出装置。
10. 上記電磁波源として、上記含水部への行路が互いに異なる複数の電磁波源を備えていること
    を特徴とする請求項７に記載の水分量検出装置。
11. 上記センサは、上記含水部からの行路が互いに異なる複数の受光素子を備えていること
    を特徴とする請求項７に記載の水分量検出装置。
12. 上記電磁波源、または上記センサのいずれか、あるいは両方は、設置位置が移動できること
    を特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載の水分量検出装置。
13. 上記記憶部は、
    上記複数の光路長の各光路長ごとに、上記水分量と、少なくとも上記戻り量との関係に関する、数式、または数値の配列、またはこれらから補間される数値のいずれか、あるいは任意の組合せを、関係モデルとして格納しており、
    上記演算部は、
    （１）上記各光路長の戻り量に対応する水分量の候補が各光路長ごとに複数ある場合、上記水分量の候補と、上記光路長ごとの上記関係モデルとから、上記水分量の候補ごとの戻り量の候補を各光路長について算出し、
    （２）上記各光路長ごとの戻り量候補と、各光路長で実際に計測された戻り量との乖離の大きさ表す正の値を、乖離幅として求め、
    （３）上記各光路長ごとの乖離幅の、全光路長分の和が最小となる上記水分量の候補を、上記含水部の水分量とすること
    を特徴とする請求項７に記載の水分量検出装置。
14. 上記演算部は、上記電磁波源における放射量と、上記センサにより検出した戻り量との比を戻り量比として算出すること
    を特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の水分量検出装置。
15. 上記演算部は、算出した上記比を計測開始時に算出した初期比で除算した正規化戻り量比を用いて、上記戻り量比の算出を行うこと
    を特徴とする請求項１４に記載の水分量検出装置。
16. 上記生体が検出位置に存在するかを判定する判定部をさらに備え、
    上記記憶部は、上記判定部が生体不在と判定した時点で上記センサが検出した戻り量に対応する上記演算部での演算結果を記憶し、
    上記演算部が、上記記憶部が記憶した上記演算結果を用いて、含水部が検出位置に存在する状態での上記戻り量、または上記戻り量比、または上記正規化戻り量比のいずれか、あるいは任意の組合せを補正すること
    を特徴とする請求項１５に記載の水分量検出装置。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の水分量検出装置を備えたバイタルサイン検出装置であって、
    上記生体の水分量を、上記生体のバイタルサインの１つとして、検出すること
    を特徴とするバイタルサイン検出装置。
18. 上記電磁波源は、生体の一部に上記電磁波を直接照射し、
    上記センサは、上記生体の一部によって反射された電磁波の戻り量を検出すること
    を特徴とする請求項１７に記載のバイタルサイン検出装置。
19. 上記電磁波源は、生体に接する可視光遮蔽物に上記電磁波を照射し、
    上記センサは、上記可視光遮蔽物で反射された電磁波の戻り量を検出し、
    上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方は、上記可視光遮蔽物によって上記生体から不可視となっていること
    を特徴とする請求項１７に記載のバイタルサイン検出装置。
20. 請求項１７から１９のいずれか１項に記載のバイタルサイン検出装置と、
    上記生体の環境を制御する環境制御装置と、
    上記バイタルサイン検出装置から検出結果を受け取り、その検出結果を基に、上記環境制御装置を制御する制御部と
    を備えていることを特徴とする環境制御システム。
21. 上記生体が着座する座席シートをさらに備え、
    上記電磁波源は、座席シートに上記電磁波を照射し、
    上記センサは、上記座席シートで反射された電磁波の戻り量を検出し、
    上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方は、上記座席シートによって上記生体から不可視となっており、
    上記環境制御装置は空調機器であること
    を特徴とする請求項２０に記載の環境制御システム。
22. 上記座席シートの周囲の空間を閉空間とするハウジングと、
    上記ハウジングに装着されたドアとをさらに備え、
    上記センサは、上記ドアのロック解除直後の時点での上記戻り量を、上記生体が上記座席シートに着座していない状態での戻り量として検出すること
    を特徴とする請求項２１に記載の環境制御システム。
23. 上記環境制御装置の出力を操作するリモートコントローラをさらに備え、
    上記電磁波源は、上記リモートコントローラのボタンに上記電磁波を照射し、
    上記センサは、上記ボタンで反射された電磁波の戻り量を検出し、
    上記電磁波源またはセンサの少なくとも一方は、上記ボタンによって隠されており、
    上記制御部は、上記リモートコントローラと連動して上記環境制御装置の制御を行うことを特徴とする請求項２０から２２のいずれか１項に記載の環境制御システム。

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