JP2015070917A - 生体情報収集装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インナー型生体情報収集装置において、被計測者が活動している状態での生体信号の計測を可能とし、日常生活で生じる体のひねり、上下運動、左右運動や寝返り等の運動時も安定して血流、心拍、心電、血圧、体脂肪、体温等の生体信号の計測を可能とする。【解決手段】本発明の生体情報収集装置では、測定対象となる生体情報に応じて定められた衣服の所定の位置に配置され、その衣服を身に付けた生体に接触したときにその生体の生体信号を検出する複数の検出手段と、前記衣服に備えられ、前記検出手段で検出された生体信号を伝送するための配線と、前記生体に接触し、基準電位を供給するアース電極と、前記アース電極の基準電位を基準として、前記配線を通じて受信した前記生体信号を処理する生体信号処理手段とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、多種多様な人体の生体情報の一括収集を可能とするウェアラブル生体情報収集装置に関するものである。

人体に身に着けたウェアラブルセンサによって計測した生体情報（血圧、心拍数、体温など）から自律神経の状態を推定しストレスレベルを判定したり、レム睡眠とノンレム睡眠の周期から睡眠の質を評価したり、多くの生体情報をモニタすることによって、高品質な人体の健康維持、管理をすることが行われている（例えば、非特許文献１、２参照）。

図９は、従来の生体情報収集装置の構成例を示す図であり、運動時の心拍数をモニタリングするためのシステムである。図９では、生体電極１１を胸部のバンドと身体の間に取り付け、生体電極１１間の電位差を増幅し、所定の処理を行った後、無線信号として送出する。そして、送出された無線信号を腕時計型モニタ１８で受信し、心拍数をカウントしディスプレイ２０に表示する。

また、得られたデータをメモリ１９に蓄積し、運動の終了後にＰＣ（ Personal Computer）へデータを転送し分析することにより運動量を管理することができる。このようなシステムでは、生体電極として、人体の皮膚に親和性のある樹脂や銀電極および銀塩化銀電極が多く用いられている。

"A Wireless Sensor Network Compatible Wearable U-healthcareMonitoring System Using Integrated ECG, Accelerometer and SpO2",Wan-Young Chung,Young-Dong Lee and Sang-Joong Jung, 30th Annual International IEEE EMBS Conference, Vancouver, British Columbia, Canada, August 20-24, 2008 "Wearable ECG module for long-term recordings using a smartphone processor",Mankodiya K, Ali Hassan Y, Vogt S, Gehring H, Hofmann UG, Proceedings of the 5th international workshop on ubiquitous health and wellness, UbiComp 2010, Copenhagen, Denmark

しかし、図９の構成では、生体電極１１を人体１０に密着させる必要があるためベルトを強く締めなければならない。医療用の心電計では、生体電極を身体に密着させるために粘着シールで貼り付けるので、人によっては身体にかぶれを生じることがあり、長時間の生体信号のセンシングが難しいという問題がある。また、図９の生体情報収集装置はジョギングやサイクリングなどの運動時の使用に限られ、常時生体情報を測定する場合には適さない。このため、人体への影響が小さい、いわゆる低侵襲の電極によるセンサインターフェースの実現が期待されている。また、信頼性の高い健康管理を実現するためには、心拍数だけでなく、体温、血圧、皮膚の湿度、心電波形、呼吸など多種多様な生体情報をモニタリングする必要がある。

また、非特許文献１、２に記載されているベルト型や体に巻きつけるタイプのウェアラブルな生体信号取得技術では、いずれも振幅の小さい生体信号をＧＮＤ（GROUND）無しで取得する構造であることや、生体信号を取得する生体電極が人体の特定箇所に固定されていることから、身体の上下左右運動やひねりによって、生体電極が身体から外れることが無いようにベルト等を強く締め付けなければならず、長時間の生体信号の取得が難しいという課題を解決することはできない。

本発明は、以上のような問題を解消するためになされたものであり、インナー型生体情報収集装置において、被計測者が活動している状態での生体信号の計測を可能とし、日常生活で生じる体のひねり、上下運動、左右運動や寝返り等の運動時も安定して血流、心拍、心電、血圧、体脂肪、体温等の生体信号の計測を可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するため，本発明の生体情報収集装置では、測定対象となる生体情報に応じて定められた衣服の所定の位置に配置され、その衣服を身に付けた生体に接触したときにその生体の生体信号を検出する複数の検出手段と、前記衣服に備えられ、前記検出手段で検出された生体信号を伝送するための配線と、前記生体に接触し、基準電位を供給するアース電極と、前記アース電極の基準電位を基準として、前記配線を通じて受信した前記生体信号を処理する生体信号処理手段と
を備える。

前記生体が前記衣服を身に付けている状態において、前記アース電極の少なくとも一部が、前記生体信号を検出している間は前記生体と常時接触していてもよい。

前記アース電極は、前記生体の周囲の全部または一部を取り囲む位置あるいは、前記生体の背面に設置されていてもよい。

前記検出手段の少なくとも一部は、導電性のある突起を備えた突起付き電極であってもよい。

前記検出手段の少なくとも一部は、前記衣服の所定の位置に配置された帯状電極であってもよい。

前記生体信号処理手段は、前記生体信号の振幅を所定の値にするための利得制御手段を備えるようにしてもよい。

前記検出手段の少なくとも一部は、導電性物質または金属を被覆または蒸着した繊維から構成されていてもよい。

前記配線は、導電性物質または金属を被覆または蒸着した繊維が前記衣服に編み込まれ、または貼り付けられている配線であるか、もしくは導電性物質または金属が塗布された配線であってもよい。

本発明によれば、被計測者が装着する衣服に設けられた生体電極により生体信号を測定するインナー型の生体情報収集装置において、測定対象となる生体情報に応じて複数の生体電極を設置することにより、被計測者が活動している状態での生体信号の測定を可能とし、日常生活で生じる体のひねり、上下運動、左右運動や寝返り等の運動時も安定して血流、心拍、心電、血圧、体脂肪、体温等の生体信号の計測が可能となる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る生体情報収集装置の構成例を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る生体情報間の相関を示すグラフである。 図３は、本発明の第２の実施の形態に係る生体情報収集装置の構成例を示す図である。 図４は、本発明の第３の実施の形態に係る生体情報収集装置の構成例を示す図である。 図５は、本発明の第４の実施の形態に係る生体信号の安定化を図るためのフィードバック制御回路の構成例を示す図である。 図６は、本発明の第５の実施の形態に係る突起付き生体電極の構成例を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る突起付き生体電極を用いた場合の心拍数の測定結果の一例である。 図８は、本発明の第６の実施の形態に係る帯状生体電極の構成例を示す図である。 図９は、従来の生体情報収集装置の構成例を示す図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る生体情報収集装置の構成例を示す図である。
本生体情報収集装置３１は、インナーシャツ４０の複数の位置に分散して設置され、心電、血圧、体温、呼吸、脂肪、加速度、超音波及び音声を測定するための生体電極あるいはセンサ（３０、５１〜５９）と、それらの生体電極等からの信号を伝送するためのインナーシャツに設置された配線と、各生体電極等から配線を通じて受信した生体信号を処理する生体信号処理回路３９から構成されている。

生体電極あるいはセンサ（３０、５１〜５９）のインナーシャツ４０における設置場所は、身体の腋下線の前後、鎖骨、胸部、健康骨の部位など測定対象となる生体情報に応じて適宜選択される。ここで、生体情報に応じて生体電極やセンサを複数の場所に設置することが本実施の形態の特徴である。

通常ＧＮＤ電極と１つの生体電極等で測定する生体情報の場合には、さらに一つ以上の生体電極等を設置することにより、日常生活で生じる体のひねり、上下運動、左右運動や寝返り等の運動時により、一部の電極が人体に接触できない場合においても、その他の生体電極が身体に接触することができるので、被計測者が活動している状態での生体信号の測定が可能となる。尚、実施形態の説明の都合上、生体電極、センサやＧＮＤ電極はインナーシャツの表側に設置されているように記載するが、実際には生体と接触するインナーシャツの裏側に設置されている。以下の実施の形態においても同様である。

例えば、心電図の計測では、一般に３端子で評価を行うが、さらに２つの電極を心電図の測定部位に設置することにより、日常生活で生じる体のひねり等の運動時により、一部の電極が人体に接触できない場合においても、その他の生体電極が身体に接触することができるので、心電波形データを継続して測定することができる。

他の生体情報についても同様であり、測定対象となる生体情報に応じて、生体電極やセンサの設置場所や設置数を設定することにより、日常生活で生じる運動時も安定して血流、心拍、心電、血圧、体脂肪、体温等の複数の生体信号の安定的な計測が可能となる。

また、本発明の実施の形態では胴回りの全部または一部に広く基準ＧＮＤ電極４１を設置することにより、日常生活で生じる体のひねり、上下運動、左右運動や寝返り等の運動により、基準ＧＮＤ電極４１と身体の接触面積が変わった場合でも、基準ＧＮＤ電極４１の少なくとも一部が常に身体に接触しているように構成できるので、微弱な電極信号やセンサからの信号を安定に得ることができる。

例えば、心電図を取得する際は、通常ＧＮＤ電極を含めた３端子を用いて測定を行うが、心電の信号は非常に微弱な信号であるため、基準ＧＮＤが安定していることが不可欠である。本実施形態のように、胴回りの全部または一部に広く基準ＧＮＤ電極４１を設置し、この基準ＧＮＤ電極の基準電位を基準として、心電の信号を受信するようにすれば、安定的に心電の信号を受信できるようになる。

尚、本実施の形態では、腹部の周囲を基準ＧＮＤ電極４１とする生体情報収集装置について述べたが、基準ＧＮＤ電極は腹部の周囲に拘る必要はない。胸部の周囲を利用してもよいし、背中全面を基準ＧＮＤ電極としても安定した生体情報を得ることができる。以下に述べる他の実施の形態においても同様である。

また、本実施の形態では、心電図波形を取得するための生体電極５１以外にも、多種多用の生体電極やセンサ（５２〜５９）を搭載することにより、様々な生体情報を収集できるシステムとなっている。例えば、圧力センサや赤外線センサ５２により血圧や脈拍の計測が可能になる。また、マイク５４を設ければ呼吸音により気管支系の状態・心音や心雑音、頸動脈雑音により心臓の状態をモニタできる。生体電極５５により電気伝導度を測定すれば、体脂肪を推定できる。加速度センサ５６を取り付ければ運動量をモニタできる。さらに、超音波診断回路５７を構成することにより、身体内の臓器の様子を監視でき、超音波振動子５８、マイク５９を多数、身体の周囲に配置すれば、臓器の様子を３次元的に観察することが可能となる。妊婦に適用した場合、胎児の状態を常時観測できる。

多種多様な生体情報を得ることのメリットは、例えば、図２のように心拍数と加速度との相関を測定した場合、加速度の増加とともに心拍数が増大しているのであれば、運動中と推定できる。加速度が変化していないのに心拍数が増大している場合は、ストレスが加わっている状態かも知れない。さらに、体温の情報を加え、発熱が何らかの病気の可能があり、注意を促すことが可能になる。

また、生体情報収集装置３１では、生体信号処理回路３９の近傍に設置した、安定した基準ＧＮＤ電極４１を用いることにより、収集した生体信号の情報を他の装置に安定に無線通信により送信することができる。本実施の形態では、無線通信は、例えば、多くの情報量を利用できる無線ＬＡＮを用いる構成とし、時計型端末やスマートフォンなどの携帯無線端末やパソコンとのワイヤレス接続を可能とする構成となっている。

さらに生体電極には、人体との親和性が高いＰＥＤＯＴ−ＰＳＳなどの導電性高分子材料や銀、塩化銀からなる導電性物質を被覆、蒸着した繊維、布地、織物、不織布（以下、布類）を用い、生体信号処理回路との配線には、導電性のある繊維による編込み、刺繍、導電性インクによる配線などを用いることにより、複数の生体電極やセンサを設置した場合でも、違和感のない装着感が得られる構成となっている。

また、インナーシャツについては、毛やポリウレタンに代表される素材そのものに収縮性のある素材を用いる、または繊維の織り方による収縮性によるものであってもよい。

以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、被計測者が装着する衣服に設けられた生体電極により生体信号を測定するインナー型の生体情報収集装置において、身体の腋下線の前後、鎖骨、胸部、健康骨の部位など測定対象となる生体情報に応じて複数の部位に生体電極を設置することにより、被計測者が活動している状態での生体信号の測定を可能とし、日常生活で生じる運動時も安定して血流、心拍等の複数の生体信号の安定的な計測が可能となる。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る生体情報収集装置の構成例を示す図である。本実施の形態は、図１の第１の実施の形態を、インナーパンツに適用した構成である。

図３の本生体情報収集装置３１では、インナーパンツ４２の複数の位置に分散して設置され、心電、血圧、体温、呼吸、脂肪、加速度、超音波及び音声を測定するための生体電極あるいはセンサ（３０、５１〜５９）と、それらの生体電極等からの信号を伝送するためのインナーパンツに設置された配線と、各生体電極等から配線を通じて受信した生体信号を処理する生体信号処理回路３９から構成されている。生体電極あるいはセンサの種類は図１と同じであるが、生体電極あるいはセンサの配置場所が異なる。

また、本実施の形態では、図１と同様に基準ＧＮＤ電極４１を人体の胴回りに広く設置し、この基準ＧＮＤ電極４１の電位を基準に、生体電極またはセンサ（３０、５１〜５９）からの信号を生体信号処理回路３９で安定的に受信するように構成している。以上のような構成により、人体１０の下半身における生体情報を収集することができる。

［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る生体情報収集装置３１の構成例を示す図である。本発明は、図１の第１の実施の形態と図３の第２実施の形態を組み合わせた構成であり、全身の生体情報を安定的に収集することができる。

［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る生体信号の安定化を図るためのフィードバック制御回路の構成例を示す図である。

インナーに複数設けた生体電極やセンサは、日常生活で生じる体のひねり、上下運動、左右運動や寝返り等の運動時により、すべての電極が常に体に接触しているとは限らない。このため、複数の生体電極等で拾える信号レベルは複数の電極毎に大きく変動する場合がある。図５では、フィードバック制御により生体信号の電気波形のピーク値を検出し、出力振幅が一定となるように増幅回路の利得を制御する構成としている。これにより、生体信号の信号レベルが大きく変動した場合でも、安定した生体信号の電気波形を得ることができる。

［第５の実施の形態］
図６は、本発明の第５の実施の形態に係る突起付き生体電極７３の構成例を示す図である。生体信号を計測する部分に突起性のある繊維を用いて、その突起物に導電性を持たせるため、導電性の繊維で数ミリメートルの突起物７２を導電性布７１上に形成する。このような構成にすることより、生体電極が皮膚７０に対して非接触状態になることを防止し、生体信号を安定的に測定できる効果が期待できる。

このような突起付き生体電極を形成する方法としては、例えば、ウレタン素材に代表される弾力のある素材にＰＥＤＯＴ−ＰＳＳを代表とする導電性高分子や銀、塩化銀からなる導電性物質を被覆、蒸着した突起形状の生体電極を生成する方法がある。

ＰＥＤＯＴ−ＰＳＳを塗布した布を突起付き生体電極として用いたときの心拍数を計測した結果を図７に示す。図７のグラフの横軸は時間、縦軸は心拍数である。突起付き生体電極によっても、安定に心拍数を測定できることがわかる。

［第６の実施の形態］
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る帯状生体電極の構成例を示す図である。帯状生体電極８０をインナーに広く配置することにより、日常生活で生じる体のひねり、上下運動、左右運動や寝返り等の運動時において、生体電極８０が身体に非接触状態になることを防止できる。この帯状生体電極は、導電性高分子をインナー上に印刷あるいは塗布することにより実現できる。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、生体情報を測定するための生体電極を複数個所に設けることにより、日常生活で生じる体のひねり、上下運動、左右運動や寝返り等の運動時も安定して、生体情報を得ることができる。

また、胴回りなどの広い面積を基準ＧＮＤ電極とし、この基準ＧＮＤ電極の基準電位を基準として複数の生体電極やセンサによる生体信号の測定、外部への送信を行うことにより、複数の生体信号の安定的な測定と外部装置への安定的な送信が可能となる。

さらに生体電極に、人体との親和性が高いＰＥＤＯＴ−ＰＳＳなどの導電性高分子材料や銀、塩化銀からなる導電性物質を被覆、蒸着した繊維等を用い、生体信号処理回路との配線には、導電性のある繊維による編込み、導電性インクによる配線などを用いることにより、複数の生体電極やセンサを設置した場合でも、違和感のない装着感を得ることができる。

また、生体電極を、突起付き生体電極や帯状の生体電極とすることにより、生体電極が身体に非接触状態になることを防止し、日常生活で生じる体のひねり、上下運動、左右運動や寝返り等の運動時も安定して、生体信号を測定できる効果が期待できる。

本発明は、多種多様な人体の生体情報の一括収集を可能とするウェアラブル生体情報収集装置に利用することができる。

１０…人体、１１…生体電極、１２…無線送信器、１３…増幅回路、１４…送信用処理回路、１５…無線信号増幅回路、１６…無線送信回路部、１７…心電波形、１８…腕時計型モニタ、１９…メモリ、２０…ディスプレイ、２１…受信信号処理回路、２２…受信信号増幅回路、２３…インターフェース回路、３０…生体電極およびセンサ、３１…生体情報収集装置、３２…電源、３３−３８…電極およびセンサ用増幅回路、３９…生体信号処理回路、４０…インナーシャツ、４１…基準ＧＮＤ、４２…インナーパンツ、４３…パソコン、４４…無線通信回路、４５…無線信号増幅回路、４６…アンテナ、５１…心電用生体電極、５２…血圧センサ、５３…体温センサ、５４…呼吸センサ、５５…脂肪用生体電極、５６…加速度用電極、５７…超音波診断回路、５８…超音波振動子、５９…マイク、６０…不安定な波形、６１…安定した波形出力、６２…可変利得増幅回路、６３…フィルタ、６４…波形のピーク値検出回路、６５…比較回路、６６…基準電圧、６７…フィードバック制御回路、６８…出力、７０…皮膚、７１…導電性布、７２…導電性突起、７３…生体電極、８０…帯状生体電極。

Claims (8)

1. 測定対象となる生体情報に応じて定められた衣服の所定の位置に配置され、その衣服を身に付けた生体に接触したときにその生体の生体信号を検出する複数の検出手段と、
   前記衣服に備えられ、前記検出手段で検出された生体信号を伝送するための配線と、
   前記生体に接触し、基準電位を供給するアース電極と、
   前記アース電極の基準電位を基準として、前記配線を通じて受信した前記生体信号を処理する生体信号処理手段と
   を備えた生体情報収集装置。
2. 前記生体が前記衣服を身に付けている状態において、前記アース電極の少なくとも一部が、前記生体信号を検出している間は前記生体と常時接触していること
   を特徴とする請求項１記載の生体情報収集装置。
3. 前記アース電極は、前記生体の周囲の全部または一部を取り囲む位置あるいは、前記生体の背面に設置されていること
   を特徴とする請求項２記載の生体情報収集装置。
4. 前記検出手段の少なくとも一部は、導電性のある突起を備えた突起付き電極であること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の生体情報収集装置。
5. 前記検出手段の少なくとも一部は、前記衣服の所定の位置に配置された帯状電極であること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の生体情報収集装置。
6. 前記生体信号処理手段は、前記生体信号の振幅を所定の値にするための利得制御手段を備えること
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の生体情報収集装置。
7. 前記検出手段の少なくとも一部は、導電性物質または金属を被覆または蒸着した繊維から構成されていること
   を特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の生体情報収集装置。
8. 前記配線は、導電性物質または金属を被覆または蒸着した繊維が前記衣服に編み込まれ、または貼り付けられている配線であるか、もしくは導電性物質または金属が塗布された配線であること
   を特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の生体情報収集装置。

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