JP2014042756A - 生体情報検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運動の開始や終了、方向転換等の大きな体動に加えて、正中線Ｏを中心軸とした体幹の回動体動を検出できる生体情報検出装置１を提供する。
【解決手段】ユーザーＵの体幹に装着される装置本体２と、装置本体２に設けられ、ユーザーＵの加速度を検出する３軸加速度センサ３２と、を備えた生体情報検出装置１であって、ユーザーＵをＺ方向から見たとき、装置本体２は、ユーザーＵの正中線Ｏと重なるようにユーザーＵに装着可能とされているとともに、３軸加速度センサ３２は、ユーザーＵの正中線Ｏの＋Ｘ側に配置されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

この発明は、生体に装着して、生体の体動を検出する生体情報検出装置に関するものである。

生体に装着され、運動する生体の体動等の情報を検出する生体情報検出装置が種々提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
例えば、特許文献１には、水泳を行うユーザーの手首に装着される装置本体と、装置本体に内蔵された加速度センサと、を備えた生体情報検出装置が記載されている。また、特許文献２には、加速度センサを備えた水泳用のゴーグルが記載されている。
特許文献１および特許文献２に記載の生体情報検出装置は、加速度センサにより検出される加速度の変化から、ユーザーの水泳の開始や終了、ターン（方向転換）等の体動を検出している。また、生体情報検出装置により検出された体動は、ユーザーの運動状況の観察等に使用される。

ところで、水泳の場合において、水泳の開始や終了、方向転換等の大きな体動に加えて、例えば平泳ぎとクロールとの違い等、泳法の違いによる体動を検出し、ユーザーの運動状況についてさらに詳細な観察を行いたいという要望がある。
ここで、平泳ぎは、ユーザーの身体の正中線に対して左右の手足を対称的に動かして水をかき泳ぐ泳法である。したがって、ユーザーの体幹（身体のうち頭部、首および四肢を除いた部分）には、正中線を中心軸とした回動運動の体動（以下、「体幹の回動体動」という。）が発生しにくい。
これに対して、クロールは、ユーザーの両手を回転させて交互に水をかくとともに、両足を交互に上下に動かして水をかき泳ぐ泳法である。したがって、ユーザーの体幹には、正中線を中心軸とした回動体動が発生しやすい。
したがって、平泳ぎとクロールとの泳法の違いを検出するためには、ユーザーの体動のうち、正中線を中心軸とした体幹の回動体動を検出することが必要とされる。

特開２００８−２５３４７０号公報 特開平８−２８５９６７号公報

しかし、生体情報検出装置の配置のいかんによっては、正中線を中心軸とした体幹の回動体動を検出できないおそれがある。具体的には、従来技術のように、手首や頭部等に生体情報検出装置が装着されている場合、生体情報検出装置の加速度センサは、体幹の回動体動に対応して正中線周りに回動できない。また、体幹の回動体動の中心軸となる正中線上に生体情報検出装置の加速度センサが配置された場合においても、生体情報検出装置の加速度センサは、体幹の回動体動に対応して正中線周りに回動できない。これにより、生体情報検出装置の加速度センサは、ユーザーの体幹の回動体動に起因する加速度を検出できないため、詳細なユーザーの運動状況の観察が正しく行われないおそれがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、運動の開始や終了、方向転換等の大きな体動に加えて、正中線を中心軸とした体幹の回動体動を検出できる生体情報検出装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る生体情報検出装置は、生体の体幹に装着される装置本体と、前記装置本体に設けられ、前記生体の加速度を検出する３軸加速度センサと、を備えた生体情報検出装置であって、前記生体を正面から見たとき、前記装置本体は、前記生体の正中線と重なるように前記生体に装着可能とされているとともに、前記３軸加速度センサは、前記生体の正中線の少なくとも一方側に配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、３軸加速度センサは、生体の正中線の少なくとも一方側に配置されているので、体幹が正中線を中心軸として回動体動したときに、正中線を中心軸として３軸加速度センサも回動できる。したがって、正中線を中心軸とした体幹の回動体動（例えば、上半身をひねる体動）を精度よく検出できる。

また、前記装置本体は、前記生体の胸郭に装着可能とされていることを特徴としている。

本発明によれば、装置本体は、体幹のうち胸郭に装着可能とされているので、ユーザーが体幹のうち背部に装置本体を装着する場合よりも容易に装着できる。

また、前記３軸加速度センサを２個備え、前記生体を正面から見たとき、前記２個の３軸加速度センサは、前記生体の正中線を挟んで両側にそれぞれ配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、生体の正中線を挟んで両側に２個の３軸加速度センサをそれぞれ配置することで、体幹が回動体動したときに２個の３軸加速度センサから異なる出力信号を得ることができる。したがって、２個の３軸加速度センサの出力を比較することで、体幹の回動体動の発生を容易に把握できる。これにより、生体情報検出装置は、わずかな体幹の回動体動であっても精度よく検出できる。

また、前記装置本体には、前記生体の表面に接触する電極を有する生体信号検出部が設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、装置本体に生体信号検出部を設けることで、電極から心臓の鼓動に伴って発生する心電信号を検出し、生体の心拍数を計測できる。したがって、生体情報検出装置は、ユーザーの体動の情報に加えて、ユーザーの心拍数の情報を検出できるので、ユーザーの運動状況をさらに詳細に観察できる。

本発明によれば、３軸加速度センサは、生体の正中線の少なくとも一方側に配置されているので、体幹が正中線を中心軸として回動体動したときに、正中線を中心軸として３軸加速度センサも回動できる。したがって、正中線を中心軸とした体幹の回動体動（例えば、上半身をひねる体動）を精度よく検出できる。

生体情報検出装置をユーザーが装着した状態を示す説明図である。 生体情報検出装置の斜視図である。 生体情報検出装置の分解斜視図である。 検出回路基板の平面図である。 生体情報検出装置のブロック図である。 ユーザーが平泳ぎで泳いでいるときの説明図である。 ユーザーがクロールで泳いでいるときの説明図である。 ユーザーが泳いでいるときに検出されたＸ軸の加速度データのグラフである。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る生体情報検出装置１をユーザーＵが装着した状態を示す説明図である。なお、以下の説明では、ユーザーＵの左右方向をＸ方向とし、ユーザーＵから見て右手側（図１における紙面左方）を＋Ｘ側とし、ユーザーＵから見て左手側（図１における紙面右方）を−Ｘ側とする。また、ユーザーＵの正中線Ｏに沿う方向をＹ方向とし、ユーザーＵの頭部側（図１における紙面上方）を＋Ｙ側とし、図１における脚部側（図１における紙面下方）を−Ｙ側とする。また、Ｘ方向およびＹ方向と直交する方向をＺ方向とし、ユーザーＵの腹部側（図１における紙面表側）を＋Ｚ側とし、ユーザーＵの背部側（図１における紙面裏側）を−Ｚ側として説明する。また、ユーザーＵが行う運動のうち、水泳を例に説明する。

図１に示すように、生体情報検出装置１は、運動するユーザーＵの身体のうち、頭部、首および四肢を除いた部分である体幹に装着されるものであり、ユーザーＵの体幹のうち胸郭（胸部）の表面に装着される。生体情報検出装置１は、水泳するユーザーＵの生体情報を取得する。取得される生体情報は、ユーザーＵの水泳の開始や終了、方向転換、平泳ぎやクロール等の各泳法の違いによる体動の情報、およびユーザーＵの心臓の鼓動に伴って発生する心拍又は心拍の状態を表す心拍情報を含んでいる。

（生体情報検出装置）
図２は、生体情報検出装置１の斜視図である。
図３は、生体情報検出装置１の分解斜視図である。
生体情報検出装置１は、図２に示すように、装置本体２と、図３に示すように、装置本体２と一体的に形成されている生体信号検出部３と、装置本体２の内部の検出回路基板３０上に設けられた３軸加速度センサ３２と、装置本体２および生体信号検出部３をユーザーＵ（図１参照）の胸郭に装着するための固定バンド４とを備えている。

（装置本体）
装置本体２は、外形状が略円板状に形成されているケース７を備えている。ケース７には、ユーザーＵに接触する面とは反対側の面に嵌合凸部５が形成されている。この嵌合凸部５は、固定バンド４に装置本体２を取り付けるためのものである。なお、ケース７の外形状は、略円板状に限られるものではなく、さまざまな外形状を採用することができる。例えば、ケース７の外形状を矩形板状にすることも可能である。ケース７の内部には、後述する検出回路基板３０が収納されている。
図１に示すように、装置本体２は、生体情報検出装置１をユーザーＵの体幹に装着したとき、Ｚ方向から見て、装置本体２のＹ方向に沿う中心線が正中線Ｏと一致するように装着される。これにより、装置本体２は、Ｚ方向から見たとき、ユーザーＵの正中線Ｏと重なるように装着される。

（生体信号検出部）
図３に示すように、生体信号検出部３は、一対の電極６ａ，６ｂにより構成されている。電極６ａ，６ｂは、例えば帯状の導電エラストマーにより形成されており、長手方向一端が装置本体２を挟んで両側に連結されている。そして、電極６ａ，６ｂと装置本体２に収納された検出回路基板３０とが電気的に接続されている。なお、導電エラストマーとしては、例えば、カーボンブラックを配合した導電シリコーンゴムやカーボンブラックを配合した導電ゴム、カーボンブラックを配合した導電ポリウレタンゴム等を用いることができる。

図４は、検出回路基板３０の平面図である。なお、図４において、装置本体２を二点鎖線で図示している。
図４に示すように、検出回路基板３０は、Ｚ方向から見て略矩形状に形成されており、ケース７に収納可能な大きさとなっている。また、検出回路基板３０は、装置本体２をユーザーＵに装着したとき、Ｚ方向から見てユーザーＵの正中線Ｏに対して略対称形状に形成されている。
検出回路基板３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３１と、メモリ３３と、心拍検出手段３４と、通信手段３５と、制御手段３６と、報知手段３７と、３軸加速度センサ３２と、を備えている。

図５は、生体情報検出装置１のブロック図である。
図５に示すように、ＣＰＵ３１は、メモリ３３、心拍検出手段３４、通信手段３５、制御手段３６、報知手段３７および３軸加速度センサ３２と電気的に接続されており、各手段により検出された生体情報の演算等を行っている。
メモリ３３は、例えば不図示のＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等により構成されており、ＣＰＵ３１によるプログラムの読み出しや書き込み等に用いられる。

心拍検出手段３４は、生体信号検出部３の電極６ａ，６ｂ（図３参照）によって検出された心電信号に基づいて、心拍信号を検出している。
通信手段３５は、心拍検出手段３４により検出された心拍信号を、不図示の生体情報処理装置に無線で送信するものである。なお、生体情報処理装置は、例えばパーソナルコンピュータである。生体情報処理装置は、取得した生体情報を視認できるように表示している。
制御手段３６は、各手段を制御するための制御信号をＣＰＵ３１に対して送信している。
報知手段３７は、ユーザーＵ（図１参照）の水泳の開始や終了、方向転換、平泳ぎやクロール等の各泳法の違いによる体動の情報、およびユーザーＵの心臓の鼓動に伴って発生する心拍又は心拍の状態を、例えば音声出力等によりユーザーＵに報知するものである。

（３軸加速度センサ）
３軸加速度センサ３２は、相互に直交する直交座標系の３本の感度軸（不図示）を有する加速度センサであり、例えば、ピエゾ抵抗型の加速度センサである。ここで、感度軸とは、加速度を検知可能な方向に沿う軸のことをいう。３軸加速度センサ３２の３本の感度軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）のうち、Ｘ軸はユーザーＵ（図１参照）の左右方向（すなわちＸ方向）に向いており、Ｙ軸はユーザーＵの正中線Ｏ（図１参照）に沿う方向（すなわちＹ方向）に向いており、Ｚ軸はユーザーＵの前後方向に沿う方向（すなわちＺ方向）に向いている。これにより、３軸加速度センサ３２は、ユーザーＵのＸＹＺ方向の加速度を検出できる（図１参照）。
図１に示すように、Ｚ方向から見て、ユーザーＵの正中線Ｏと重なるように生体情報検出装置１をユーザーＵの体幹に装着したとき、３軸加速度センサ３２は、正中線Ｏの＋Ｘ側に配置される。したがって、後述するように、ユーザーＵがクロールにより水泳し、ユーザーＵの体幹が正中線Ｏを中心軸として回動体動したとき、３軸加速度センサ３２は、正中線Ｏを中心軸として正中線Ｏ周りに回動する。したがって、正中線Ｏを中心軸としたユーザーＵの体幹の回動体動を精度よく検出できる。

（固定バンド）
固定バンド４は、ユーザーＵの胸郭の全周にわたって装着可能なように、略環状に形成されている。
図３に示すように、固定バンド４は、略帯状に形成され伸縮性を有する伸縮ストラップ８と、帯状に形成され非伸縮性のベルト９とを有し、伸縮ストラップ８の長手方向両端に跨るようにベルト９が連結されている。
伸縮ストラップ８の長手方向略中央には、伸縮ストラップ８の長さを調整するための長さ調整具１０が設けられている。
伸縮ストラップ８の長手方向の一端側には、伸縮ストラップ８とベルト９とを着脱可能とするため、フック部１２ａを備えたストラップ着脱具１２が設けられている。
伸縮ストラップ８の長手方向の他端側には、伸縮ストラップ８とベルト９とを連結するためのストラップ連結具１３が設けられている。

ベルト９は、例えば繊維素材により、装置本体２および生体信号検出部３を外側から覆うように略帯状に形成されたものである。ベルト９は、ホルダ部２０と、ホルダ部２０を挟んで両側からそれぞれ伸縮ストラップ８の両端に向かって延出する一対のバンド部１６ａ，１６ｂとが一体成形されている。
ホルダ部２０には、中央の大部分に嵌合孔１７が形成されている。この嵌合孔１７の内径は、装置本体２の嵌合凸部５の直径よりもやや小さく設定されている。このため、嵌合孔１７に装置本体２の嵌合凸部５を押し込むと、嵌合孔１７に嵌合凸部５が内嵌固定され装置本体２とベルト９とが連結される。
一方のバンド部１６ａの先端には、ストラップ係合具１９が設けられている。ストラップ係合具１９は、略環状に形成されており、伸縮ストラップ８に設けられたストラップ着脱具１２のフック部１２ａと係脱可能に構成されている。また、他方のバンド部１６ｂの先端は、ストラップ連結具１３を介して伸縮ストラップ８と連結されている。

図１に示すように、装置本体２および生体信号検出部３は、固定バンド４によってユーザーＵの胸郭に装着される。具体的には、ストラップ着脱具１２とストラップ係合具１９との係合を解除した状態（図２参照）で、固定バンド４をユーザーＵの胸部に巻き付ける。この際、Ｚ方向から見たとき、ユーザーＵの胸郭であって正中線Ｏと重なるように、装置本体２を配置する。この後、ストラップ着脱具１２のフック部１２ａとストラップ係合具１９とを係合する。以上により、装置本体２は、Ｚ方向から見たとき、正中線Ｏと重なるようにユーザーＵの体幹に装着されるとともに、ユーザーＵの正中線Ｏの＋Ｘ側に、３軸加速度センサ３２が配置される。
なお、生体情報検出装置１は、装置本体２がユーザーＵの体幹のうち上半身（腰部よりも＋Ｙ側）に装着されるのが望ましく、胸郭に装着されるのが特に好ましい。ユーザーＵの胸郭に生体情報検出装置１の装置本体２を装着することで、体幹のうち背部に装着する場合よりも容易に装着できる。

（泳法の違いによる作用）
続いて、ユーザーＵが平泳ぎおよびクロールにより水泳したときの泳法の違いによる作用について説明をする。
図６は、ユーザーＵが平泳ぎで泳いでいるときの説明図であり、図７は、ユーザーＵがクロールで泳いでいるときの説明図である。なお、図６および図７において、ユーザーＵは、＋Ｚ側の腹部を鉛直下方に向け、−Ｚ側の背部を鉛直上方に向けた状態で、プールＰ内の水を＋Ｙ側（図６および図７における紙面表側）に向かって進行している状態を図視している。
また、図８は、ユーザーＵが泳いでいるときに検出されたＸ軸の加速度データのグラフであり、図８（ａ）はユーザーＵが平泳ぎで泳いでいるときのＸ軸の加速度データのグラフであり、図８（ｂ）はユーザーＵがクロールで泳いでいるときのＸ軸の加速度データのグラフである。

図６に示すように、平泳ぎの場合、ユーザーＵは、身体の正中線Ｏに対して左右の手足を対称的に動かして水をかき泳ぐ。このため、ユーザーＵは、正中線Ｏを中心軸とした体幹の回動体動がほぼ発生することなく、＋Ｙ側に向かって進行する。したがって、図８（ａ）に示すように、平泳ぎで泳いでいるときに３軸加速度センサ３２（図６参照）により検出されるＸ方向の加速度の変動は比較的小さい。
これに対して、図７に示すように、クロールの場合、ユーザーＵは、両手を回転させて交互に水をかくとともに、両足を交互に上下に動かして水をかき泳ぐ。このため、ユーザーＵは、正中線Ｏを中心軸とした体幹の回動体動をしながら、＋Ｙ側に向かって進行する。これにより、３軸加速度センサ３２は、正中線Ｏを中心軸とした体幹の回動体動に連動して、正中線Ｏを中心軸として正中線Ｏ周りを回動する。したがって、図８（ｂ）に示すように、クロールで泳いでいるときに３軸加速度センサ３２（図７参照）により検出されるＸ方向の加速度の変動は、図８（ａ）に示す平泳ぎで泳いでいるときのＸ方向の加速度の変動よりも大きくなる。

（効果）
本実施形態によれば、３軸加速度センサ３２は、ユーザーＵの正中線ＯよりもユーザーＵの＋Ｘ側に配置されているので、ユーザーＵの体幹が正中線Ｏを中心軸として回動体動したときに、正中線Ｏを中心軸として３軸加速度センサ３２も回動できる。したがって、３軸加速度センサ３２は、正中線Ｏを中心軸としたユーザーＵの体幹の回動体動を精度よく検出できる。これにより、生体情報検出装置１は、正中線Ｏを中心軸とした回動体動が発生しにくい平泳ぎ（図６参照）と、正中線Ｏを中心軸とした回動体動が発生しやすいクロール（図７参照）との泳法の違いを精度よく検出できるので、ユーザーＵの運動状況の観察を正しく行うことができる。

なお、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

実施形態では、生体情報検出装置１の装置本体２は、ユーザーＵの体幹のうち胸郭に装着されていたが、装置本体２の装着部位は、実施形態に限定されることはない。例えば、ユーザーＵの腹部に装置本体２を装着してもよいし、ユーザーＵの背部に装置本体２を装着してもよい。ただし、装置本体２を胸郭に装着することで、装置本体２を腹部に装着した場合と比較してズレが発生しにくい点、および装置本体２を背部に装着した場合と比較して装着が容易である点で、実施形態に優位性がある。

実施形態では、３軸加速度センサ３２は、Ｚ方向から見て、ユーザーＵの正中線Ｏの＋Ｘ側に配置されていた。これに対して、３軸加速度センサを２個設け、Ｚ方向から見て、ユーザーＵの正中線Ｏを挟んで＋Ｘ側および−Ｘ側に配置されていてもよい。これにより、ユーザーUの体幹が回動体動したときに、２個の３軸加速度センサから異なる出力信号を得ることができる。ここで、２個の加速度センサ間の距離をｄとしたとき、一方の加速度センサのＸ軸出力Ａ１ｘと、他方の加速度センサのＸ軸出力Ａ２ｘの差分は以下の式で表される。
Ａ１ｘ−Ａ２ｘ＝ｄ（ωｙ^２＋ωｚ^２）・・・（１）
ここで、ωｙおよびωｚは、それぞれＹ軸まわりの回転角速度、Ｚ軸まわりの回転角速度を示している。このＸ軸加速度の差分は、ユーザーＵの回動体動による体幹の前傾・後傾によって生じるＸ軸まわりの回転、すなわちピッチ動作を含まない成分の遠心加速度を意味する。泳動作中のωｙとωｚとを比較すれば、クロール泳、背泳ぎにおいては、著しく、ωｙが大きく、これはユーザーのローリングによるため、加速度センサを用いて、ユーザーの回動体動を容易に把握できる。この方法をもってすれば、回動体動による体幹のＹ方向まわりの傾きによる重力加速度成分によらずして、回動体動を捉えることができるため、より高い精度でローリング動作を判定できる。したがって、２個の３軸加速度センサの出力から、体幹の回動体動を容易に把握できるので、生体情報検出装置１は、わずかな体幹の回動体動であっても精度よく検出できる。ただし、生体情報検出装置１を低コストに形成できる点で、実施形態に優位性がある。

実施形態では、装置本体２に設けられた生体信号検出部３は、心電信号を検出してユーザーＵの心拍数を計測していた。これに対して、生体信号検出部３により計測される生体信号は、ユーザーＵの心拍数に限定されることはなく、例えばユーザーＵの血圧や体温、筋電位等であってもよい。

実施形態では、ＸＹＺ各方向の加速度を測定可能な１個の３軸加速度センサ３２によって、ユーザーＵの体動を検出していた。これに対して、例えば、感度軸が相互に直交するＸＹＺの各方向に沿って配設された３個の１軸加速度センサによって、ＸＹＺ各方向の加速度を測定し、ユーザーＵの体動を検出してもよい。ただし、生体情報検出装置１を小型かつ低コストに形成できる点で、実施形態に優位性がある。

実施形態では、種々の運動のうち水泳を一例として説明をし、特に平泳ぎとクロールとの泳法の違いの検出を行ったが、本発明の適用は水泳に限定されることはない。正中線Ｏを中心軸とした体幹の回動体動が発生する運動であれば、水泳に限定されることはなく、種々の運動に本実施形態の生体情報検出装置１を適用できる。

１・・・生体情報検出装置 ２・・・装置本体 ３・・・生体信号検出部 ６ａ，６ｂ・・・電極 ３２・・・３軸加速度センサ Ｏ・・・正中線 Ｕ・・・ユーザー（生体）

Claims (4)

1. 生体の体幹に装着される装置本体と、
   前記装置本体に設けられ、前記生体の加速度を検出する３軸加速度センサと、
   を備えた生体情報検出装置であって、
   前記生体を正面から見たとき、前記装置本体は、前記生体の正中線と重なるように前記生体に装着可能とされているとともに、前記３軸加速度センサは、前記生体の正中線の少なくとも一方側に配置されていることを特徴とする生体情報検出装置。
2. 請求項１に記載の生体情報検出装置であって、
   前記装置本体は、前記生体の胸郭に装着可能とされていることを特徴とする生体情報検出装置。
3. 請求項１または２に記載の生体情報検出装置であって、
   前記３軸加速度センサを２個備え、
   前記生体を正面から見たとき、前記２個の３軸加速度センサは、前記生体の正中線を挟んで両側にそれぞれ配置されていることを特徴とする生体情報検出装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の生体情報検出装置であって、
   前記装置本体には、前記生体の表面に接触する電極を有する生体信号検出部が設けられていることを特徴とする生体情報検出装置。

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