JP2016174784A - 呼吸に伴う人間の体表面の変位を検出するセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】呼吸による被検者の体表面の変位による圧力変化をより効率的に圧電振動子へ伝達できるようにすること。【解決手段】被検者の体表面に装着されて被検者の呼吸に伴う体表面の変位を検出するセンサ装置１０は、センサ装置１０が体表面に装着される際に体表面に接触する接触面１４を有する接触子１２と、接触子１２に連結され体表面の変位を電気信号に変換する変位−信号変換手段１６と、電気信号を外部装置へ出力する出力手段１１とを含み、センサ装置１０が被検者の体表面と被検者の着衣したボトムズの上縁部分との間に挟持される装置であり、変位−信号変換手段１６と出力手段１１とを収容するハウジングの一方の面に接触子１２が配置され、ハウジングの他方の面にボトムズの上縁部分に取り付け可能な留め部材１８が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、人間の呼吸に伴う体表面の変位を検出する装置に係り、より詳細には、呼吸に伴う体表面の変位を抑制する方向に加圧した状態で体表面に取り付けられ、その体表面の変位による圧力変化を電気的な信号に変換して検出するセンサ装置に係る。

人（又は動物）の脳や神経の活動により生じる種々の感情や意識に関わる心理的な又は生理的な状態（生体状態）、例えば、集中、ストレス、緊張、安静、覚醒、眠気、睡眠などの状態は、呼吸や心拍の状態に反映される。そこで、近年、上記の如き人の生体状態の検出又は推定の技術の分野に於いて、呼吸や心拍の状態を計測して、上記の如き生体状態を推定する試みが為されている。特に、呼吸や心拍の状態の計測の一つとしては、上記の如く、呼吸又は心拍に伴う体表面の変位を抑制する方向に加圧した状態でセンサ装置が体表面に取り付けられ、その体表面の変位による圧力変化を電気的な信号に変換して検出するといった手法が取られている。例えば、本願出願人の一部による特許文献１、２に於いては、動物の体表面に加圧下に接触させた状態にてその固有共振周波数の交流電圧の印加によって振動する圧電振動子のインピーダンスが、呼吸又は心拍による動物の体表面の変位による圧力変化によって変化する現象を利用して、呼吸又は心拍による動物の体表面の変位による圧力変化を時系列に計測する装置及び方法が提案されている。また、意願２０１４−８９７０には、かかる動物の体表面に加圧下にて取り付けられるセンサ装置の意匠が開示されている。

国際公開第２０１３／１１１７８５ 特開２０１５−２００３３

上記の特許文献１、２に記載の如き呼吸又は心拍による被検者の体表面の変位による圧力変化を計測する装置の、被検者の体表面に装着されるセンサ装置（ウェアラブルなセンサ装置）に於いては、その出力である圧電振動子のインピーダンス（出力インピーダンス）が体表面の変位による圧力変化に対して実質的に比例すると伴に、体表面の変位による圧力変化をできるだけ大きな値にて計測できることが好ましい。この点に関し、特許文献２に於いては、圧電振動子と被検者の体表面との間に比較的柔軟なゴム弾性材料から成り、圧電振動子が被検者の体表面に押し付けられると圧縮変形する接触子を介在させて、これにより、入力である体表面の変位による圧力変化に対して出力インピーダンスを略リニアに単調増加させることが実現可能となっている。しかしながら、例えば、人間の呼吸による横隔膜の変動に対応して腰部又は腹部の体表面にて計測される圧力は、０．１Ｎ／ｃｍ^２程度の微小圧であり、姿勢、体格、着衣の状態によっては、更に低くなる一方、呼吸センサ装置の要件として、医療器として認可されている呼吸バンドの波形との正規化相関値が０．９以上となることを担保するためには、０．０１５（Ｎ／ｄｉｇｉｔ）の分解能が要求されるので、体表面の変位による圧力変化を、更に効率的に圧電振動子へ伝達して大きな出力インピーダンスの変化が得られるようにすることが望ましい。

かくして、本発明の一つの課題は、上記の如き呼吸による被検者（人間）の体表面の変位による圧力変化を圧電振動子の出力インピーダンスの変化により検出するセンサ装置に於いて、体表面の変位による圧力変化をより効率的に圧電振動子へ伝達できるようにすることである。

上記の課題に関して、本発明の発明者等は、体表面の運動によって圧電振動子に与えられる圧力変化（入力圧変化）を高めるべく、圧電振動子と体表面の被検査部位との間に配置される接触子の形状と、センサ装置に対する接触子の配置について検討を行った。かかる検討に於いては、より具体的には、図２（Ｂ）に模式的に描かれている如く、（１）接触子のかさ幅、（２）接触子の接触面の形状、（３）ヘッド高さ、（４）センサ装置全高及び（５）接触子とセンサ装置を被検者の体表面に装着するための固定手段（留め部材又はクリップ）との間の配置構成について、体表面の変位による圧力変化に対する圧電振動子への入力圧変化の増大のための適合に於ける条件又は構成を検討した。本発明に於いては、そのうち、特に、（５）接触子とセンサ装置を被検者の体表面に装着するための固定手段との間の配置構成について、圧電振動子への入力圧変化の増大のために有利な構成を見出し、実験計画法による実証実験により構成の有効性を確認した。

かくして、本発明のより詳細な課題は、上記の如き呼吸による被検者の体表面の運動波形を圧電振動子の出力インピーダンスの変化により検出する装置に於いて、体表面の変位による入力圧変化を増大するために有利な接触子とセンサ装置を被検者の体表面に装着するための固定手段との間の配置構成を提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、被検者の体表面に装着されて被検者の呼吸に伴う体表面の変位を検出するセンサ装置であって、センサ装置が体表面に装着される際に体表面に接触する接触面を有する接触子と、接触子に連結され体表面の変位による圧力変化を電気信号に変換する変位−信号変換手段と、その電気信号を外部装置へ出力する出力手段とを含み、センサ装置が被検者の体表面と被検者の着衣したボトムズの上縁部分との間に挟持される装置であり、変位−信号変換手段と出力手段とを収容するハウジングの一方の面に接触子が配置され、ハウジングの他方の面にボトムズの上縁部分に取り付け可能な留め部材が設けられているセンサ装置によって達成される。かかる構成に於いて、変位−信号変換手段とは、典型的には、上記の如く、被検者の体表面に加圧下にて接触させた状態にて固有共振周波数の交流電圧が印加された場合にインピーダンスが呼吸による被検者の体表面の変位による圧力変化によって変化する圧電振動子であってよいが、これに限定されず、被検者の体表面の変位による圧力変化を電気信号に変換する任意の手段であってよい。また、上記の構成に於いて、典型的には、変位−信号変換手段と出力手段とは、筐体又はハウジングに収容され、接触子は、変位−信号変換手段の作動面、例えば、圧電振動子の場合には、一方の電極の背面に固定的に配置される。更に、「ボトムズ」とは、ズボン、スカート、袴などの被検者の下半身の衣服であって、腰の周囲に沿って上縁が延在する衣服である。また、留め部材は、ハウジングの他方の面と協働してそれらの間にてボトムズの上縁部分を挟持するクリップ部材であってよい。留め部材又はクリップ部材は、ボトムズの上縁に巻き付けられるベルト又は帯に吊下げるように装着されてよい。

上記の構成によれば、被検者の体幹の周囲に亘って巻き付けられる専用の固定用のバンド等を用いることなく、単に、センサ装置を単に被検者の体表面とボトムズの上縁との間に挿入するだけで、被検者の体表面へのセンサ装置の装着が可能となる点で有利である。また、センサ装置は、被検者の体表面とボトムズの上縁との間に挟持されるので、体表面への接触子の接触面の押し付けも達成され、特に、ボトムズの上縁に留め部材又はクリップ部材を掛け留めする構成に於いては、被検者の姿勢が変化した場合にボトムズの上縁と体表面との間の距離が大きくなっても、センサ装置がボトムズの上縁から脱落することが回避され、また更に、ベルト又は帯の締め付けを調節するだけで、適当の圧力にて接触子の接触面を体表面へ押し付けることも可能となる。

更に、上記の本発明の構成に於いては、接触子の接触面が周縁から中心へ向かう方向に突出した曲面状であってよい。

上記の如く、接触子の接触面が周縁から中心へ向かう方向に突出した曲面状である場合、接触子が被検者の体表面に押し付けられると、体表面には柔軟性があるので、接触面の曲面状に突出した中心領域に対して沿うように被検者の体表面が窪み変形することとなる。そうすると、接触面と体表面との密着性が高くなり、体表面の変位による圧力変化が、安定的に（即ち、姿勢、体格、着衣状態の影響が少ない状態にて）、接触子に伝達されることとなるので、体表面の変位による圧力変化に対する変位−信号変換手段の入力の増大が期待されることとなる。また、被検者の姿勢、体格、着衣の状態の変化などによって、体表面に対する接触面の角度が変化しても、接触面が曲面状であることによって、接触面積の大幅な変化が生じず、これにより、体表面の変位による圧力変化の接触子への安定的な伝達が維持されることが期待される。なお、後述の実施形態の欄に於いて詳細に説明される如く、好適には、接触子の接触面の曲率半径が７ｍｍから５０ｍｍの間であってよいことが見出された。また、体表面の変位による圧力変化に対する入力の変化を大きくするために、好適には、接触子は、体表面の変位による圧力変化に対して実質的に変形しない材料にて形成されてよい。

また、上記の本発明のセンサ装置の構成に於いて、接触子の高さ及びセンサ装置の全高は、それぞれ、センサ装置が被検者の体表面と着衣との間に挟持されて体表面に装着された際に、接触子が体表面に対して加圧された状態にて押し付けられて体表面が接触面に沿って窪み変形する高さ及び全高を有していることが好ましい。センサ装置が被検者の体表面に装着され、そこに於いて、体表面の変位を検出する場合、被検者の姿勢、体格、着衣の状態の変化によって、接触子と体表面との接触面積が変化すると、体表面の変位による圧力変化の接触子への伝達量が変動する可能性がある。そこで、本発明では、上記の如く、センサ装置を被検者の体表面と着衣との間に挟持されるように構成し、更に、接触子とセンサ装置とは、接触子の高さ及びセンサ装置の全高が、それぞれ、接触子が体表面に対して加圧された状態にて押し付けられて体表面が接触面に沿って窪み変形する高さ及び全高となるように構成される。かかる構成によれば、被検者の姿勢、体格、着衣の状態が或る程度変化しても、窪み変形した体表面と着衣との間にセンサ装置が保持され、体表面に対する接触面の位置がずれ難くなるので、接触子と体表面との接触面積の変化ができるだけ小さく抑えられて、体表面の変位による圧力変化を安定的に捕らえられるようになることが期待される。なお、接触子の体表面に対する押し付けが強すぎると、被検者が不快感を覚える可能性が生ずるので、接触子の高さ及びセンサ装置の全高が、被検者に不快感を覚えさせない程度であることが好ましい。この点に関して、後述の実施形態の欄に於いて詳細に説明される如く、センサ装置全高が１６ｍｍから２３ｍｍの範囲であることが好適であり、接触子の高さが３ｍｍから５ｍｍの範囲であることが更に好適であることが見出された。

総じて、本発明の構成によれば、センサ装置の接触子の接触面と被検者の体表面との密着性が改善され、被検者の姿勢、体格、着衣の状態の変化に伴ってセンサ装置の向きに変化があっても、センサ装置の変位（位置のずれ）及び／又は接触子の接触面と体表面との接触面積の大幅の変動が抑制され、これにより、呼吸による体表面の変位による圧力変化の安定的な検出が可能となることが期待される。なお、上記に説明された本発明の特徴的な構成の有効性は、以下に説明される実験により実証される。また、本発明は、呼吸による被検者の体表面の変位による圧力変化を圧電振動子の出力インピーダンスの変化により検出する装置について説明されているが、既に触れた如く、被検者の体表面の変位による圧力変化を電気信号に変換する任意の手段を用いたセンサ装置に於いても有効であると期待され、そのような場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）は、本発明のセンサ装置が適用される人間の呼吸に伴う体表面の変位による圧力変化を計測する装置のシステムの概要を説明する図である。図１（Ｂ）は、本発明のセンサ装置を被検者のズボン（ボトムズ）の上縁に取り付ける様子を示した図である。図１（Ｃ）は、被検者の腰部の体表面に本発明のセンサ装置を接触させる様子を模式的に示した図であり、図１（Ｄ）は、本発明のセンサ装置の接触子が被検者腰部体表面に対して加圧された状態で接触させられる様子を模式的に示している。 図２（Ａ）は、本発明のセンサ装置の模式的な斜視図であり、図２（Ｂ）は、矢印（Ｂ）の方向から見たセンサ装置の側面図であり、体表面の変位による入力圧変化の増大のために検討される接触子及びセンサ装置の形状に於けるパラメータを説明している。図２（Ｃ）、（Ｄ）は、矢印（Ｃ）の方向から見た本発明のセンサ装置のセンサ装置の断面図である。図２（Ｃ）は、接触子とクリップの力点との間にオフセットがある場合であり、図２（Ｄ）は、接触子とクリップの力点との間にオフセットがない場合である。 図３（Ａ）は、本発明のセンサ装置に利用可能な接触子の接触面の形状を模式的に示した図である。図３（Ｂ）は、被検者の体表面とズボンの上縁との間に挟持された本発明のセンサ装置の状態を説明する図である。図３（Ｃ）は、本発明のセンサ装置の装着に際して、接触子とクリップの力点との間にオフセットがない場合（左）とオフセットがある場合（右）とに於ける接触子の装着位置を説明する図である。 図４（Ａ）、（Ｂ）は、センサ装置の接触子の接触面の形状の条件を検証する実験に使用した押し子の模式図と写真である。図４（Ｃ）、（Ｄ）は、接触子の接触面の形状の条件を検証する実験に於いて、押し子を接触させたセンサ装置の模式的な上面図と側面図である。図４（Ｅ）は、センサ装置の接触子に押し子を押し付ける状態を示す接触子及び押し子の側面図である。 図５（Ａ）は、図４（Ｃ）、（Ｄ）の接触子上のＰ１の位置にて押し子を押し付けた場合の荷重に対するセンサ装置の出力値（圧電振動子のインピーダンスのＡＤ変換値）の変化を示すグラフ図であり、図５（Ｂ）は、図４（Ｃ）、（Ｄ）の接触子上のＰ３の位置にて押し子を押し付けた場合の荷重に対するセンサ装置の出力値（圧電振動子のインピーダンスのＡＤ変換値）の変化を示すグラフ図である。図５（Ｃ）は、インクが塗布された平坦な接触面を有する接触子を被検者の種々の部位に押し付けた場合に、被検者の部位に於けるインクに付いた領域、即ち、接触面が実際に接触した領域を示している。 図６（Ａ）は、本発明による接触子及びセンサ装置の形状についての条件の有効性を確認する実証実験に用いた種々の形状の接触子の寸法を示した側面図を示している。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の接触子に荷重を、その値を変化させながら、与えた場合のセンサ装置の出力値の変化を模式的に示した図である。図６（Ｃ）は、図６（Ａ）の種々の形状の接触子を用いて図６（Ｂ）の計測を行った場合の、接触子に荷重に対するセンサ装置の出力値の傾きを示したグラフ図である。 図７（Ａ）は、被検者の腰部に装着された本発明によるセンサ装置と被検者の胸部に装着された胸バンド式の呼吸センサ（対照用）とを用いて、被検者の呼吸に伴う体表面の変位による圧力変化を計測するシステムの概要図を示している。図７（Ｂ）は、本発明によるセンサ装置の出力値（圧電振動子のインピーダンスのＡＤ変換値）の時間変化を示している。図７（Ｃ）は、本発明によるセンサ装置の出力値の時間変化（本発明）と胸バンド式呼吸センサの出力値の時間変化（対照）を示している（図示のデータは、ノイズ除去処理の後、比較のため振幅が調整されている。）。なお、本発明によるセンサ装置の接触子は、全高２０ｍｍ、ヘッド高さ４ｍｍのものを用いた。 図８（Ａ）、（Ｂ）は、図７（Ａ）と同様の計測に於ける本発明によるセンサ装置と胸バンド式呼吸センサの出力値の時間変化を示している。図８（Ａ）は、本発明によるセンサ装置の接触子として、全高１８ｍｍ、ヘッド高さ４ｍｍのものを用いた場合の結果であり、上段は、力単位に換算した本発明によるセンサ装置の出力値のそのままの波形であり、下段は、ノイズを除去した後の、本発明によるセンサ装置（本発明）と胸バンド式呼吸センサ（対照）の出力値の時間変化の波形である。図８（Ｂ）は、本発明によるセンサ装置の接触子として、全高２３ｍｍ、ヘッド高さ４ｍｍのものを用いた場合の結果であり、上段は、力単位に換算した本発明によるセンサ装置の出力値のそのままの波形であり、下段は、ノイズを除去した後の、本発明によるセンサ装置（本発明）と胸バンド式呼吸センサ（対照）の出力値の時間変化の波形である。 図９は、図７（Ａ）と同様の計測に於いて、本発明によるセンサ装置の接触子のヘッド高さを変化させた場合のセンサ装置の出力値の波形の振幅を示している。 図１０（Ａ）、（Ｂ）は、図７（Ａ）と同様の計測に於ける本発明によるセンサ装置と胸バンド式呼吸センサの出力値の時間変化を示している。図１０（Ａ）は、本発明によるセンサ装置の、接触子とクリップの力点との間のオフセットが０ｃｍとした場合（図３（Ｃ）左）の結果であり、上段は、力単位に換算した本発明によるセンサ装置の出力値のそのままの波形であり、下段は、ノイズを除去した後の、本発明によるセンサ装置と胸バンド式呼吸センサの出力値の時間変化の波形である。図１０（Ｂ）は、本発明によるセンサ装置の、接触子とクリップの力点との間のオフセットが４ｃｍとした場合（図３（Ｃ）右）の結果であり、上段は、力単位に換算した本発明によるセンサ装置の出力値のそのままの波形であり、下段は、ノイズを除去した後の、本発明によるセンサ装置と胸バンド式呼吸センサの出力値の時間変化の波形である。なお、本発明によるセンサ装置の接触子として、全高２０ｍｍ、ヘッド高さ４ｍｍのものを用いた。

１０…センサ装置
１１…通信器
１２…接触子
１３…電池
１４…接触子の接触面
１５…センサ装置筐体
１６…圧電振動子
１８…クリップ
２０…ズボン
２２…ズボン上縁
３０…被検者の体表面
３２…体表面の当接部位
５０…データ信号処理器

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

呼吸波形計測システムの概要
本発明による人間の呼吸に伴う体表面の変位を検出するセンサ装置は、図１（Ａ）に模式的に描かれている如き、人間の呼吸波形の計測システムの一部として用いられる。図示の如き呼吸波形の計測システムに於いては、端的に述べれば、人間の体の一部にセンサ装置１０を装着し、そのセンサ装置１０は、呼吸によって振動的に運動する体表面の変位又はその変位による圧力変化を時系列に計測して、その計測値を無線又は有線の通信によってデータ信号処理器５０へ送信して、図中の上段に描かれている如き呼吸運動の時系列波形データが生成される。かかる呼吸の運動波形データは、既に触れた如く、人（又は動物）の脳や神経の活動に関わる生体状態に関連があるので、その呼吸の運動波形データを用いて、生体状態の推定が行われることとなる。

上記の如き呼吸波形の計測システムに於ける人間の体の一部に装着されるセンサ装置１０としては、従前では、被検者の胸部等の全周に亘って巻き付けられる胸バンドを用いて、体表面の変位を計測する計測器を締め付ける方式のものが採用されていたが、センサ装置としては、やや大掛かりであり、装着に手間を要する。そこで、本発明に於いては、図示の如く、比較的小型であって被検者のズボン２０等の下半身の被服（ボトムズ）の上縁又はベルト若しくは帯体２２に装着できる形式のセンサ装置が採用される。

センサ装置の構成
上記のセンサ装置１０は、典型的には、図２（Ａ）に模式的に描かれている如き突出した接触子１２を有する数センチ程度の寸法の筐体１５の形態を有し、接触子１２の在る側と反対側に取り付けられたクリップ１８（掛け留め金具−図２（Ｃ）参照）によって、図１（Ｂ）に模式的に描かれている如く、被検者のボトムズ２０の上縁又はベルト若しくは帯体２２に掛け留めされ、更に、図１（Ｃ）の如く、センサ装置１０の筐体から突出した接触子１２が腹部〜腰部の体表面３０に対して加圧された状態にて押し付けられる。そして、被検者の呼吸による横隔膜の変動によって、図１（Ｄ）中の矢印の如く、その腹部〜腰部の体表面３０が変位すると、その変位により接触子１２が受ける圧力に変化が生ずるので、その圧力変化が電気信号に変換されて呼吸運動を表す指標値として計測され、データ信号処理器５０へ送信されることとなる。圧力変化から電気信号への変換については、種々の原理が採用されてよいところ、特に、本発明に於いては、既に触れた如く、接触子を介して体表面に加圧下に接触させた状態にてその固有共振周波数の交流電圧の印加によって振動する圧電振動子のインピーダンスが、その接触子を介して圧電振動子が受ける圧力変化によって変化する現象を利用したもの（特許文献１、２）が採用される。その場合、センサ装置１０の内部に於いては、より具体的には、図２（Ｃ）に於いて一部簡素化して示されている如く（図２（Ｄ）は、向きを反転させただけで、同一の構成である。）、筐体１５の内部にて、圧電振動子１６が支持枠１５ａに保持され、筐体１５から、被検者の体表面に当接する接触面１４が突出した接触子１２の他方の面が圧電振動子１６に対して当接した状態に配置される。そして、圧電振動子１６には、図示していない電気回路を介して電源１３から固有共振周波数の交流電圧が印加され、接触子１２の受ける圧力の変化による圧電振動子１６のインピーダンスの変化がデジタル化されて、通信器１１によって時々刻々にデータ信号処理器５０へ送信される。

上記の如きセンサ装置１０に関して、「発明の概要」の欄にて触れた如く、体表面の変位による圧力変化をより感度よく計測するためには、体表面の変位による圧力変化をできるだけ効率よく圧電振動子１６まで伝達させることが必要となる。上記の如く、人間の呼吸による横隔膜の変動に対応して腰部又は腹部の体表面にて計測される圧力は、０．１Ｎ／ｃｍ^２程度の微小圧であり、また、腰部又は腹部に装着されるセンサ装置の場合、被検者の姿勢、体格、着衣の状態によっては、体表面と接触子との接触面積及び押圧力が変化して、圧力変化の伝達性能が更に低くなる場合がある。従って、上記の如き腰部又は腹部に装着されるセンサ装置に於いては、体表面の変位による圧力変化の圧電振動子１６まで伝達がより良好となるように接触子の形状及び／又は配置を改良することが望ましい。

そこで、本発明の発明者等は、上記の如きセンサ装置１０に於いて、図２（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）に示されている５つの構成要件、（１）接触子１２のかさ幅、（２）かさ上部曲率、（３）ヘッド高さ、（４）センサ装置全高、及び、（５）接触子とセンサ装置を被検者の体表面に装着するためのクリップとの配置構成について、それぞれの構成要件の体表面の変位による圧力変化に対する圧電振動子への入力圧変化の増大、即ち、圧電振動子への圧力変化の伝達性能の向上を図るための条件及び構成を検討し、それらの条件の有効性を実験計画法による実証実験により検証した。

かくして、本発明に於いては、上記５つの構成要件についての下記の条件又は構成を満たすように、センサ装置１０及び接触子１２を構成することにより、体表面の変位による圧力変化に対する圧電振動子への入力圧変化の増大が図られることとなる。（実験計画法による実証実験の結果は、後述される。）

（１）接触子１２のかさ幅、即ち、接触子の上部のかさ状部分が下部の円柱状部分の外周から放射方向に突出する長さ（図２（Ｂ）の（１）参照）について、実証実験に於ける分散分析の結果（図示せず）によれば、有意な長さ（２〜３ｍｍ程度）にて突出した形状、即ち、かさ有り形状が、上部のかさ状部分の外周が下部の円柱状部分の外周に一致した形状（突出長さが０の形状−かさ無し形状）に比して有利であることが見出された。しかしながら、かさ有り形状とかさ無し形状との間で、圧力変化に対する圧電振動子への入力圧変化の傾きに於いては、有意な差は見出されなかった。従って、接触子の上部のかさ状部分は、下部の円柱状部分の外周から放射方向に突出していなくてもよいことが見出された。

（２）接触子１２の接触面１４の形状、即ち、接触子の上面の、被検者の体表面に接触する面（接触面）の形状（図２（Ｂ）の（２）参照）について、接触面が平坦である場合に比して、図３（Ａ）に模式的に描かれている如く、接触面が周縁から中心へ向かう方向に突出した曲面状である場合の方が、図１（Ｄ）に模式的に描かれている如く、接触子１２の接触面１４が体表面３０を押圧した際に体表面３０が窪み変形した際に接触面１４と体表面３０との接触面積が広くなり、また、体表面３０と接触面１４との向きが変化しても、接触面積が大きく変化し難いので、体表面３０から圧電振動子１６までの良好な圧力変化の伝達が達成できることとなる。接触子１２の突出方向から見た形状（平面図）は、真円であっても楕円であってもよい。なお、体表面の変位による圧力変化に対する入力の変化を大きくするために、即ち、体表面の変位による圧力変化が効率よく圧電振動子に伝達されるようにするためには、接触子は、体表面の変位による圧力変化に対して実質的に変形しない材料にて形成されることが好ましい。実証実験の結果によれば、接触面が曲面状である場合には、接触面が平坦である場合に比して、圧力変化に対する圧電振動子への入力圧変化の傾きが大きくなり、また、ダイナミックレンジも大きくなるので、有利であることが見出された。更に、接触面の曲率半径が７ｍｍから５０ｍｍの間である場合に、圧力変化に対する圧電振動子への入力圧変化が有利に検出できることが実証実験の結果により見出された。

（３）ヘッド高さ、即ち、センサ装置１０の筐体１５の上面から突出した接触子１２の高さ（図２（Ｂ）の（３）参照）と、（４）センサ装置全高、即ち、センサ装置１０の筐体１５の底面からの接触子１２の高さ（図２（Ｂ）の（４）参照）について、上記の如く、センサ装置１０を被検者の体表面３０とボトムズ２０の上縁２２との間に挟持する構成に於いては、体表面の変位による圧力変化が圧電振動子１６まで効率よく伝達されるようにするためには、適度な圧力にて、接触子１２の接触面が体表面を押圧し、被検者の姿勢、体格、着衣の状態の変化があっても、接触子と体表面との接触面積の変化ができるだけ抑制されることが好ましい。そのためには、図３（Ｂ）に描かれている如く、接触子１２が体表面３０に対して加圧された状態にて押し付けられ、これに対して逆向きに、体表面が接触面を押圧しその接触面に沿って窪み変形するように、ヘッド高さｈ１及びセンサ装置１０の全高ｈ０が設計されていることが好ましい。しかしながら、ヘッド高さｈ１及び全高ｈ０が過大であり、体表面３０に対する接触子１２の押し付けが強すぎると、被検者が不快感を覚える可能性が生ずる。かくして、上記の要求を満たす（３）ヘッド高さ及び（４）センサ装置全高の条件として、実験によれば、センサ装置全高が１６ｍｍから２３ｍｍの範囲であることが好適であり、接触子の高さが３ｍｍから５ｍｍの範囲であることが更に好適であることが見出された。

（５）接触子とクリップとの配置構成に関して、本発明の構成に於いては、図２（Ｃ）に示されている如く、クリップ１８が被検者のボトムズ２０の上縁２２に掛け留めされて、センサ装置１０が体表面と上縁２２とに挟持され、かくして、上縁２２によって及ぼされる力Ｆ（例えば、ベルト又は帯の締め付けによって及ぼされる力）が接触子１２の接触面１４に作用することによって、接触面１４が体表面３０に押し付けられた状態でセンサ装置１０が被検者の体表面３０に装着される。この点に関し、図２（Ｄ）に示されている如く、力Ｆが作用する部位（力点）の延長線（一点鎖線）上に接触子１２の接触面１４が存在する場合には、図３（Ｃ）左の如く、接触子１２の体表面３０に対する押し付けによって、体表面３０が窪み変形して、接触子１２が体表面３０とボトムズ２０の上縁２２との間に良好に加圧状態で保持されることとなる。しかしながら、図２（Ｃ）に示されている如く、力点Ｆの延長線（一点鎖線）上からの接触子１２の接触面１４の位置にずれ（オフセット）がある場合、そのオフセットの長さによっては、図３（Ｃ）右の如く、接触子１２が体表面３０とボトムズ２０の上縁２２との間に良好に加圧状態で保持されにくい状態も起き得る。かくして、本発明に於いては、基本的には、上縁２２によって及ぼされる力点Ｆの延長線上に接触子１２の接触面１４が位置するようにクリップが配置され、それを達成するようにクリップがセンサ装置１０に取り付けられる。なお、実証実験によれば、クリップの力点Ｆと接触子１２の接触面１４との距離（クリップ・オフセット）は、必ずしも０ｍｍでなくてもよく、４０ｍｍ程度あってもよいことが見出された。その場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。

センサ装置及び接触子の構成についての条件の検証
上記の５つの構成要件についての条件について、それらの有効性を実験計画法による実証実験により確認した。

１．接触子の接触面を曲面状にする条件について
（実験１）
図４（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、図４（Ａ）、（Ｂ）に示されている形状の部材（thin、ラウンド）を、押し子として、図４（Ｃ）、（Ｄ）に模式的に描かれている、上面が平坦な接触子１２を有するセンサ装置１０に押し付けて、センサ装置１０の出力を計測した。部材は、それぞれ、図４（Ｃ）、（Ｄ）に示されている接触子１２上の位置Ｐ１（略中央）と位置Ｐ３（周縁近傍）とのそれぞれに於いて、図４（Ｅ）に示されている如く、押し子を、その先端を下向きにして、角度θ（０°〜３０°）にて配置し、上から荷重Ｆ（０〜１４Ｎ）を与えた。

図５（Ａ）は、接触子１２の位置Ｐ１に、部材thinと部材ラウンドを、それぞれ、配置し、荷重Ｆを与えた場合のセンサ装置１０の出力の変化を示している。図中、Ｒ０、Ｒ１０、Ｒ２０、Ｒ３０（いずれも点線）は、それぞれ、部材ラウンドを、角度θを０°、１０°、２０°、３０°に設定して配置した場合の結果であり、Ｔ０、Ｔ１０、Ｔ２０、Ｔ３０（いずれも実線）は、それぞれ、部材thinを、角度θを０°、１０°、２０°、３０°に設定して配置した場合の結果である。縦軸は、センサ装置の出力のＡＤ変換値である。同図を参照して、荷重を０〜４Ｎまで変化させた場合、出力の立ち上がりは、部材ラウンドを用いた方が大きく、有利であることを示している。図５（Ｂ）は、接触子１２の位置Ｐ３に於いて、同様の実験を行った場合の結果を示している。同図をして、位置Ｐ３の場合には、０〜４Ｎまで荷重を与えた場合には、部材thinと部材ラウンドの違い及び角度による違いは、殆ど見られなかったが（図示せず）、角度θが小さいとき（Ｒ０、Ｔ０、Ｒ１０、Ｔ１０）、部材ｔｈｉｎは、出力の飽和が早期に発生した。即ち、部材ラウンドのダイナミックレンジが部材ｔｈｉｎに比して広いことが示された。

（実験２）
接触面（上面）が平坦な接触子１２を有するセンサ装置１０に於いて、上面（接触面）にインクを塗布し、そのインクが塗布された接触面を被検者の腹部又は背部に装着して、体表面に写ったインクの跡を観察した。図５（Ｃ）は、被検者Ａ、Ｂに於いて、接触子を、腹部正面、右脇腹と腹部正面との間、及び、右脇腹に装着した際の、体表面に残ったインク跡を示している。複数回の装着（１〜３）に於いて、いずれの場合も、接触子上面の全域に対応する部位にインク跡が残った例は観察されなかった。インク跡の付いていない領域は、接触面が良好に接触していないことを示唆するので、平坦形状の接触面の場合には、体表面に良好に接触していない領域が存在し、その領域では、圧力変化の伝達が良好ではないことが推定される。

（実験３）
図６（Ａ）に示されている接触面が曲面状の接触子が装着されたセンサ装置を用いて、接触子の接触面に０〜１５Ｎまでの荷重を与えて出力を計測し、図６（Ｂ）に模式的に描かれている如く、荷重に対するセンサ装置の出力値の傾きを算出した。図示の接触子（１）〜（４）は、体表面に押し付けても変形しない程度の剛性を有する材料で形成されたものであり、接触面の曲率半径は、それぞれ、（１）７．２５ｍｍ、（２）１４．５ｍｍ、（３）２９ｍｍ、（４）１４．５ｍｍである。また、ゴム製の接触子（調整用ゴムヘッド）の接触面の曲率半径は、５０ｍｍである。接触子（１）、（２）、調整用ゴムヘッドは、かさ幅＝０である。図６（Ｃ）は、異なる４台のセンサ装置に、それぞれ、接触子（１）〜（４）及び調整用ゴムヘッドを装着して計測を行った場合の荷重に対する出力値の傾き（Δｙ／Δｘ）を示している。それぞれのプロット（■、◇、×、▲）は、互いに異なる装置による結果を表している。横軸の「ゴム」、（１）、（２）、（３）、（４）は、それぞれ、図６（Ａ）の接触子を使用した場合に対応する。同図を参照して、出力値の傾きは、装置による個体差はあるが、接触子による大きな差異は、なく、曲率半径が概ね７〜５０ｍｍの場合に、計測が可能であり、かさ幅の有無による差異は、認められなかった。また、全てのセンサ装置についてではないが、ゴム製の接触子に比して、剛性の有る接触子（１）〜（４）の方が傾きが大きくなる傾向があった。

かくして、上記の実験１〜３の結果を参照すると、センサの接触子の接触が曲面状である方が荷重に対する出力値の立ち上がり及び／又はダイナミックレンジが良好であること（実験１）、及び、平坦状の接触子の場合には、接触面が体表面に十分に接触できない領域が存在すること（実験２）から、接触子の接触面は曲面状である方が、良好な圧力変化の伝達が達成できることが示唆された。また、接触子の接触面は曲面状である場合に、その曲率半径が概ね７〜５０ｍｍの場合に圧力変化の検出が可能であること及びかさ幅の有無は結果に殆ど影響しないことが示唆された。

２．接触子のヘッド高さ及びセンサ装置の全高条件について
図７（Ａ）を参照して、接触子のヘッド高さ、センサ装置の全高の条件についての検証を行うべく、図示の如く、ベッドに仰向けに横たわった被検者の腹部に本発明によるセンサ装置１０を装着し、被検者の呼吸に伴うセンサ装置の出力を計測した。なお、対照比較のため、医学的に信頼性が確認されている胸バンド式のセンサ装置を用いた呼吸計測法による計測を同時に実施した。計測に於いては、本発明によるセンサ装置１０の出力と、胸バンド式センサ装置の出力を増幅器にて増幅した出力とをデータ記録器へ送信し、時系列の呼吸波形データを生成した。

図７（Ｂ）は、ヘッド高さ＝４ｍｍ、全高＝２０ｍｍの接触面が曲面状の接触子を用いて、クリップ・オフセット＝０ｍｍの状態で計測された本発明のセンサ装置１０の出力値の時系列データであり、図７（Ｃ）は、本発明のセンサ装置１０の出力値と胸バンド式センサ装置の出力値との時系列データの各々を、比較のために、振幅を調整して表示したグラフである。同図を参照して理解される如く、本発明のセンサ装置１０の出力値と胸バンド式センサ装置の出力値との時系列データは、実質的に互いに同期した振動波形を呈した。それぞれの波形の振幅を０〜１の範囲に正規化した後に算出した両者の相互相関係数は、０．９７であった。この値は、「発明が解決しようとする課題」にて述べた如き、医療器として認可されている呼吸バンドの波形と正規化相関値が０．９以上であるという要求を満たすものである。

図８（Ａ）、（Ｂ）は、全高＝１８ｍｍ又は２３ｍｍにしたセンサ装置を用いて上記と同様の計測結果を示している。相互相関係数は、それぞれ、０．５２、０．９６であった。図８（Ｂ）の場合は、医療器として認可されている呼吸バンドの波形と正規化相関値が０．９以上であるという要求を満たすものである。図８（Ａ）の場合は、前記の正規化相関値の要求を満たすものではないが、本発明のセンサ装置の出力波形は、胸バンド式センサ装置の出力波形と概ね同期した。

図９は、全高＝２３ｍｍのセンサ装置に於いて、ヘッド高さを、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍとした場合の上記と同様の計測により得られたセンサ装置１０の出力値の波形の振幅の平均値を示している（エラーバーは、標準偏差である。）。いずれの場合も有意な計測が可能であった。

かくして、センサ装置全高が１６ｍｍから２３ｍｍの範囲であり、接触子の高さが３ｍｍから５ｍｍの範囲である場合に有意な計測が可能であることが示された。

３．クリップ・オフセットの条件について
クリップ・オフセットが０ｍｍの場合と４０ｍｍの場合について、図７（Ａ）に於いて説明された計測実験と同様に本発明のセンサ装置１０を用いて被検者の呼吸波形の計測を行った。図１０（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、クリップ・オフセット＝０ｍｍ、＝４０ｍｍの場合の本発明のセンサ装置１０の出力値の時系列データ（上段）と、振幅を調整して表示された本発明のセンサ装置１０の出力値と胸バンド式センサ装置の出力値との時系列データを示している。相互相関係数は、それぞれ、０．９３、０．５５であった。図１０（Ａ）の場合は、医療器として認可されている呼吸バンドの波形と正規化相関値が０．９以上であるという要求を満たすものである。図１０（Ｂ）の場合は、前記の正規化相関値の要求を満たすものではないが、本発明のセンサ装置の出力波形は、胸バンド式センサ装置の出力波形と概ね同期した。かくして、クリップ・オフセットが０〜４０ｍｍの範囲に於いて有意な計測が可能であることが示された。

かくして、上記の如く、本発明のセンサ装置に於いて、上記の５つの構成要件についての条件にて被検者の呼吸波形の計測が可能であることが示された。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (8)

1. 被検者の体表面に装着されて前記被検者の呼吸に伴う前記体表面の変位を検出するセンサ装置であって、
   前記センサ装置が前記体表面に装着される際に前記体表面に接触する接触面を有する接触子と、
   前記接触子に連結され前記体表面の変位を電気信号に変換する変位−信号変換手段と、
   前記電気信号を外部装置へ出力する出力手段と
   を含み、
   該センサ装置が前記被検者の体表面と前記被検者の着衣したボトムズの上縁部分との間に挟持される装置であり、前記変位−信号変換手段と前記出力手段とを収容するハウジングの一方の面に前記接触子が配置され、前記ハウジングの他方の面に前記ボトムズの上縁部分に取り付け可能な留め部材が設けられているセンサ装置。
2. 請求項１のセンサ装置であって、前記留め部材が、前記ハウジングの他方の面と協働してそれらの間にて前記ボトムズの上縁部分を挟持するクリップ部材であるセンサ装置。
3. 請求項１のセンサ装置であって、前記接触子が前記体表面の変位に対して実質的に変形しない材料にて形成されているセンサ装置。
4. 請求項１のセンサ装置であって、前記接触子の高さ及び前記センサ装置の全高が、それぞれ、前記センサ装置が前記体表面と前記被検者の着衣との間に挟持されて前記体表面に装着された際に前記接触子が前記体表面に対して加圧された状態にて押し付けられて前記体表面が前記接触面に沿って窪み変形する高さ及び全高を有しているセンサ装置。
5. 請求項４のセンサ装置であって、前記全高が１６ｍｍから２３ｍｍの範囲であるセンサ装置。
6. 請求項５のセンサ装置であって、前記接触子の高さが３ｍｍから５ｍｍの範囲であるセンサ装置。
7. 請求項１のセンサ装置であって、前記接触子の前記接触面が周縁から中心へ向かう方向に突出した曲面状であるセンサ装置。
8. 請求項７のセンサ装置であって、前記接触子の前記接触面の曲率半径が７ｍｍから５０ｍｍの間であるセンサ装置。