JP2016198308A

JP2016198308A - 生体信号検知装置

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Publication number: JP2016198308A
Application number: JP2015080995A
Authority: JP
Inventors: 江　鐘偉; Shiyoui Ko; 鐘偉江
Original assignee: Institute Of Bio-Medical & Welfare Engineering; Yamaguchi University NUC
Current assignee: Institute Of Bio-Medical & Welfare Engineering; Yamaguchi University NUC
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: JP6457319B2

Abstract

【課題】異なる周波数帯の振動を１台の生体振動検知装置で精度良く検知できるようにし、生体振動検知装置の設置や検知信号の処理を容易に行えるようにする。【解決手段】設置面の上方に配置される主振動板１と、主振動板１の下方に配置される副振動板４と、主振動板１と副振動板４の間に配置され主振動板１の下面と副振動板４の上面に固定される複数の支持部材５及び振動伝達部材６、７と、振動伝達部材６、７の中間部に固定される振動センサ８と、２つの下端面３に固定される第１調整部材９と、副振動板４の下面に固定される第２調整部材１０を備える生体振動検知装置。【選択図】図１

Description

この発明は、被験者の近くに設置され、被験者が横になっている時の鼓動、呼吸又は体動に伴う振動を検出する生体振動検知装置に関するものである。

従来、生体振動検知装置を使用する寝具の上又は下に設置し、被験者が横になっている時に被験者の胴部や頭部の下に位置するようにして、鼓動、呼吸又は体動に伴う振動を検出するものが提案されている。

例えば、特許文献１（特許第４４８０７８５号公報）には、感圧板(10)と基板(30)と支持部材(40)と挟持力変動検出機構(50)を備え、寝台(500)の上に生体(1)が寝た状態において生体(1)の下に配設され、生体(1)の呼吸状態、心拍動、体動等の生体情報を検出する検出モジュール(100)が記載されている（特に図１、２及び段落００１９〜００２１を参照）。

特許第４４８０７８５号公報

しかし、従来の生体振動検知装置は、２枚の振動板（特許文献１では感圧板(10)と基板(30)が相当）の間に支持部材と振動センサ（特許文献１では支持部材(40)と挟持力変動検出機構(50)が相当）を配置する単純な構造であったため、１つの生体振動検知装置で精度良く検知できる振動周波数帯が限られていた。
そのため、異なる周波数帯の振動を精度良く検知するためには、検知したい周波数帯毎に異なる生体振動検知装置を用意し、それらを被験者の近くに設置しておく必要があり、生体振動検知装置の設置や検知信号の処理が面倒という問題があった。
この発明は、異なる周波数帯の振動を１台の生体振動検知装置で精度良く検知できるようにすることによって、従来の生体振動検知装置における上記問題点の解消を目的としてなされたものである。

請求項１に係る発明の生体振動検知装置は、被験者の近傍に設置され、被験者が横になっている時の鼓動、呼吸又は体動に伴う振動を検出する生体振動検知装置であって、主振動板と、該主振動板の下方に配置される副振動板と、前記主振動板と前記副振動板との間に配置され、前記主振動板の下面と前記副振動板の上面に固定される支持部材と、前記主振動板と前記副振動板との間に配置され、前記主振動板の下面及び前記副振動板の上面の少なくとも一方に固定される１又は複数の振動伝達部材と、該振動伝達部材の中間部又は端部に固定される振動センサと、前記主振動板の下面周辺部に固定される第１調整部材と、前記副振動板の下面に固定される第２調整部材を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の生体振動検知装置において、前記支持部材、前記振動伝達部材、前記第１調整部材、前記第２調整部材のうち、少なくともいずれかひとつは着脱可能となっていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の生体振動検知装置において、前記振動伝達部材は複数配置されているとともに、それぞれに圧力センサを備えることを特徴とする。

請求項１に係る発明の生体振動検知装置によれば、主振動板と、主振動板の下方に配置される副振動板と、主振動板と副振動板との間に配置され、主振動板の下面と副振動板の上面に固定される支持部材と、主振動板と副振動板との間に配置され、主振動板の下面及び副振動板の上面の少なくとも一方に固定される１又は複数の振動伝達部材と、振動伝達部材の中間部又は端部に固定される振動センサと、主振動板の下面周辺部に固定される第１調整部材と、副振動板の下面に固定される第２調整部材を備えているので、支持部材、振動伝達部材、第１調整部材、第２調整部材を構成する材料のばね定数及び粘性係数を調整することにより、複数の周波数帯の振動を１台の生体振動検知装置で精度良く検知できる。
そのため、横になっている被験者から異なる周波数帯の振動を検知するに際して、生体振動検知装置の設置や検知信号の処理を容易に行うことができる。

請求項２に係る発明の生体振動検知装置によれば、請求項１に係る発明の効果に加え、支持部材、振動伝達部材、第１調整部材、第２調整部材のうち、少なくともいずれかひとつは着脱可能となっているので、検知したい振動周波数が変化した場合や感度を微調整したい場合に、いずれかの部材を構成する材料のばね定数及び粘性係数が調整し易く容易に対応することができる。

請求項３に係る発明の生体振動検知装置によれば、請求項１又は２に係る発明の効果に加え、振動伝達部材は複数配置されているとともに、それぞれに圧力センサを備えているので、それら複数の圧力センサからの信号に基づいて被験者の姿勢又は位置を的確に検出することができる。

実施例１に係る生体振動検知装置の断面図。振動センサからの信号を処理する回路の概念図。実施例１に係る生体振動検知装置の３自由度振動系モデルを示す図。試作した生体振動検知装置で得られた呼吸成分、心拍成分及びいびき成分の信号のグラフ。実施例２に係る生体振動検知装置の断面図。実施例２に係る生体振動検知装置の出力信号と被験者の姿勢との関係を示すグラフ。

以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。

図１は実施例１に係る生体振動検知装置の断面図である。
主振動板１は、長方形の上面（以下「上面板２」という。）を有するとともに、上面板２の短辺側の端部は下方にくの字状に曲がっているとともに、下端部が上面板と平行な平面（以下「下端面３」という。）になっている。
主振動板１は樹脂又は金属等の硬質材料でなっており、成型又は折り曲げ等、適宜の方法によって上記の形状となるように加工される。
副振動板４は、上面板２の短辺とほぼ同じ長さの短辺と、主振動板１の両下端の間隔とほぼ同じ長さの長辺を有する長方形の板であり、主振動板１と同様の硬質材料よりなる。

主振動板１と副振動板４との間には、上面板２及び副振動板４の短辺に沿って１つずつ支持部材５が配置され、それぞれ上面板２の下面と副振動板４の上面に固定されて、荷重のかからない状態において上面板２と副振動板４がほぼ平行となるように構成される。
また、上面板２と副振動板４との間の中央付近には、１対又は複数対（図１では２対）の振動伝達部材６、７が配置され、上側の振動伝達部材６は上面板２の下面に、下側の振動伝達部材７は副振動板４の上面にそれぞれ固定される。
そして、圧電素子で構成されている振動センサ８が上下の振動伝達部材６、７の間に挟まれて固定される。
支持部材５には弾力性のある樹脂等の材料やバネ部材を用い、振動伝達部材６、７には弾力性のある樹脂等の材料を用いる。

２つの下端面３のほぼ全面には第１調整部材９が固定され、副振動板４の下面のほぼ全面には第２調整部材１０が固定される。
そして、２つの第１調整部材９の下面と第２調整部材１０の下面は、荷重のかからない状態又は被験者の荷重がかかった状態においてほぼ面一になるようになっている。
第１調整部材９と第２調整部材１０には、弾力性のある樹脂等の材料やバネ部材を用いる。

図２は振動センサからの信号を処理する回路の概念図である。
なお、本回路は、呼吸信号、心拍信号、いびき信号を抽出するための一例である。
プリアンプ１１は、振動センサ８からの信号を受けて増幅する増幅器であり、第１フィルター１２、第２フィルター１３及び第３フィルター１４は、その増幅された信号のうち、それぞれ０．０１〜２Ｈｚ、５〜２０Ｈｚ及び３０〜３００Ｈｚの信号のみを通過させるバンドパスフィルターである。
そして、第１フィルター１２、第２フィルター１３及び第３フィルター１４を通過した信号は、それぞれ第１アンプ１５、第２アンプ１６及び第３アンプ１７で増幅され、増幅された信号は処理装置１８に入力される。

処理装置１８は、増幅された信号を処理して処理結果を表示したり、通信装置１９を介して各種の情報を情報端末２０に送信したりするものであるが、入力された信号に関する情報を送信する機能のみに絞れば小型化することができる。
通信装置１９としては、各種の有線通信装置や無線通信装置のいずれを用いても良く、情報端末２０としては、パーソナルコンピュータや携帯端末（スマートフォン又はタブレット端末等）のいずれを用いても良いが、ブルートゥース（登録商標）を用いて携帯端末に送信するようにすれば、システム全体が小型軽量となり手軽に持ち運べるようになるので、睡眠時における各種データの計測、蓄積及び送信が旅先や出張先でも可能となる。

図３は実施例１に係る生体振動検知装置の３自由度振動系モデルを示す図である。
まず、各記号について説明すると、ｍ_１は主振動板１の質量、ｍ_２は振動センサ８の質量、ｍ_３は副振動板４の質量、Ｋ_１及びＣ_１は第１調整部材９のばね定数及び粘性係数、Ｋ_２及びＣ_２は支持部材５のばね定数及び粘性係数、Ｋ_３及びＣ_３は上側の振動伝達部材６のばね定数及び粘性係数、Ｋ_４及びＣ_４は下側の振動伝達部材７のばね定数及び粘性係数、Ｋ_５及びＣ_５は第２調整部材１０のばね定数及び粘性係数、ｘ_１は主振動板１の変位量、ｘ_２は振動センサ８の変位量、ｘ_３は副振動板４の変位量を示す。

ここで、主振動板１の上面に力Ｆが加わり第２調整部材１０の下面に変位ｕが伝わった場合の運動方程式は次の数式で表される。

上記のとおり、実施例１に係る生体振動検知装置は、その特有の構造により３自由度振動系となるため、支持部材５、上側の振動伝達部材６、下側の振動伝達部材７、第１調整部材９並びに第２調整部材１０のばね定数及び粘性係数を調整することによって、異なる３つの周波数帯の振動を精度良く検知することが可能となる。
実際に支持部材５、上側の振動伝達部材６、下側の振動伝達部材７、第１調整部材９並びに第２調整部材１０のばね定数及び粘性係数を調整するに際しては、数１の運動方程式を用いてコンピュータシミュレーションを行い、設計周波数の組み合わせに対して最適な設計パラメータ、すなわち各部材のばね定数（Ｋ_ｉ）及び粘性係数（Ｃ_ｉ）を決定することとなる。
設計プロセスとしては、まず各部材のばね定数（Ｋ_ｉ）を中心設計周波数ｆ_１〜ｆ_３が得られるように決定する。次に呼吸周期や心拍周期は生理状態によって変化するので、その周波数の変化も感度よくカバーするため、各部材の粘性係数（Ｃ_ｉ）を調整する。
例えば、中心設計周波数（ｆ_ｉ）におけるゲインの極大値（ｇ_ｉ）の１／√２（７１％）以上となる周波数範囲を求め、その周波数範囲が設計仕様の周波数変化範囲に収まるように、粘性係数（Ｃ_ｉ）を決定する。

そして、様々な設計周波数の組み合わせについて上記のシミュレーションを行って各部材のばね定数（Ｋ_ｉ）及び粘性係数（Ｃ_ｉ）を決定するとともに、その決定値に基づいて生体振動検知装置を試作し、実際に呼吸信号、心拍信号及びいびき信号の計測を行って解析を行った結果、以下の事象を見出すに至った。
（１）呼吸信号：基本的に第１調整部材９のばね定数（Ｋ_１）と支持部材５のばね定数（Ｋ_２）を調整することによって精度良く検知できる周波数が決まるが、体重を加えることで、周波数が下がることから、設計周波数を２〜１０倍ほど高めに設定した方が良い。
（２）心拍信号：基本的に第２調整部材１０のばね定数（Ｋ_５）と振動伝達部材６のばね定数（Ｋ_３）又は振動伝達部材７のばね定数（Ｋ_４）を調整することによって精度良く検知できる周波数が決まる。
そして、心拍信号はパルス的な信号であるため、設計周波数は実際の心拍信号の周波数より６〜２０倍ほど高めに設定した方が良い。
（３）いびき信号：基本的に振動伝達部材６のばね定数（Ｋ_３）又は振動伝達部材７のばね定数（Ｋ_４）を調整することによって精度良く検知できる周波数が決まり、実際のいびき信号の周波数（２０〜２００Ｈｚ）とほぼ同じ設計周波数とすれば良い。

上記の知見を得て中心設計周波数が、それぞれｆ_１＝０．５〜３Ｈｚ、ｆ_２＝５〜２０Ｈｚ、ｆ_３＝５０〜２００Ｈｚの範囲内になるようにｍ_１〜ｍ_３及びＫ_１〜Ｋ_５を決定した。
一例として、ｍ_１＝１（ｋｇ）、ｍ_２＝ｍ_１／１００＝１０（ｇ）及びｍ_３＝１００（ｇ）とし、Ｋ_１＝５０、Ｋ_２＝１００、Ｋ_３＝５０００、Ｋ_４＝２５、Ｋ_５＝２５（単位は全てＮ／ｍ）とした時、ｆ_１＝１．６８Ｈｚ、ｆ_２＝８．２８Ｈｚ、ｆ_３＝１１３．３８Ｈｚの中心設計周波数が得られた。
そして、それぞれのＫ_１〜Ｋ_５の値及びＣ_１〜Ｃ_５の決定値から試作した生体振動検知装置を用いて測定した結果、精度良く呼吸信号、心拍信号及びいびき信号を計測できることを確認した。

図４は試作したセンサによって得られたセンサ出力とそのセンサ出力をプリアンプ１１、第１フィルター１２、第２フィルター１３、第３フィルター１４、第１アンプ１５、第２アンプ１６、第３アンプ１７及び処理装置１８を用いて処理して得られた呼吸成分、心拍成分及びいびき成分の信号のグラフであり、呼吸、心拍及びいびきによる振動が１台の生体振動検知装置で精度良く検知できていることが分かる。

図５は実施例２に係る生体振動検知装置の断面図である。
なお、実施例１と共通する構成が多いので、振動センサ８Ａ〜８Ｃを除いて図１の番号と同じ番号を付してある。
そして、主振動板１、副振動板４、第１調整部材９及び第２調整部材１０は、実施例１に係る生体振動検知装置と同じ構成なので説明は省略する。
また、支持部材５、振動伝達部材６、７及び振動センサ８Ａ〜８Ｃについても、各部材を構成する材料等は全て実施例１と同じである。

実施例２が実施例１と相違している点は、支持部材５、上下の振動伝達部材６、７及び圧電素子で構成されている振動センサ８の数である。
支持部材５は、上面板２及び副振動板４の短辺に沿った箇所に１つずつ配置されるとともに、中央付近に配置されている振動伝達部材６、７及び振動センサ８Ｂの両側近傍に上面板２及び副振動板４の短辺と平行に１つずつ配置され、それぞれ上面板２の下面と副振動板４の上面に固定されており、実施例１と同様、荷重のかからない状態において上面板２と副振動板４がほぼ平行となるように構成されている。
また、振動伝達部材６、７及び振動センサ８Ａ〜８Ｃは、上面板２及び副振動板４の間の中央付近と、その両短辺側に１つずつ配置されている。
そして、上側の振動伝達部材６は上面板２の下面に、下側の振動伝達部材７は副振動板４の上面にそれぞれ固定され、振動センサ８Ａ〜８Ｃは上下の振動伝達部材６、７の間に挟まれて固定されている。

実施例２に係る生体振動検知装置の場合、３自由度振動系モデルは実施例１より複雑になるが、同様のシミュレーションによって各部材のばね定数（Ｋ_ｉ）及び粘性係数（Ｃ_ｉ）を決定することで、３つの周波数帯の振動を精度良く検知できる生体振動検知装置を製作することが可能である。
そして、実施例１と同様の信号処理回路を用いて睡眠時における各種データの計測、蓄積及び送信等が可能であり、３つの振動センサを備えていることから、被験者の姿勢や位置が変わっても、出力の大きい振動センサからの信号を利用することで、実施例１の生体振動検知装置より精度良く呼吸、心拍及びいびきによる振動を検知することができる。

さらに、実施例２に係る生体振動検知装置の場合、３つの振動センサ８Ａ〜８Ｃがある程度の間隔をもって並設されているので、３つの振動センサ８Ａ〜８Ｃの並んでいる方向が被験者の左右方向になるように、胴部や頭部の下に生体振動検知装置を位置させれば、被験者の姿勢や左右方向の位置を検知することも可能となる。
図６は、実施例２に係る生体振動検知装置の出力信号と被験者の姿勢との関係を示すグラフであり、振動センサ８Ａ〜８Ｃから得られたセンサ出力のグラフを上から順に並べてある。
この例では、計測開始当初において、振動センサ８Ａは仰向けに横になっている被験者の右側、振動センサ８Ｂは同被験者の中央付近、振動センサ８Ｃは同被験者の左側に位置させた。
そして、計測の初期においては振動センサ８Ａのセンサ出力が大きくなり、計測の中期においては振動センサ８Ｂのセンサ出力が大きくなり、計測の後期においては振動センサ８Ｃのセンサ出力が大きくなっている。
これらの結果から、この例では計測の初期において被験者は右を向いており、その後計測の中期において被験者は仰向けになっており、さらに計測の後期において被験者は左を向いているものと判断される。
なお、３つのセンサ出力の大きさの関係には様々なパターンが存在するが、それらのパターンと被験者の姿勢や位置との関係を解析していくことで、被験者の姿勢や位置を的確に判断できるようになり、さらにその判断結果を考慮することで呼吸、心拍及びいびきによる振動の検知精度を向上させることが可能となる。

実施例１及び２の生体振動検知装置に関する変形例を列記する。
（１）実施例１及び２の主振動板１は図１のような断面としたが、端部をコの字状としても良く、端部をくの字状やコの字状とせずに上面板を長方形の板とし、上面板の短辺付近の下面に直接第１調整部材を設けても良い。
（２）実施例１及び２の副振動板２は長方形の板としたが、主振動板１の中央部の下方を含むように配置できれば円形の板や多角形の板でも良い。
また、実施例１の主振動板１と同様に端部をくの字状又はコの字状として、その下端面に第２調整部材を設けても良い。
さらに、実施例１では第２調整部材を副振動板２の下面のほぼ全面に設けたが、四隅付近のみ又は四隅付近と適宜の箇所のみに設けるようしても良い。
（３）実施例１においては、２つの支持部材５を上面板２及び副振動板４の短辺に沿って配置したが、支持部材５は四隅付近が含まれていればどのように配置しても良い。
例えば、四隅付近に４つの支持部材を配置、四隅付近と適宜の箇所に多数の支持部材を配置、長辺付近に２つの支持部材を配置、上面板２及び副振動板４の周辺付近にロの字状の支持部材を配置、上下の振動伝達部材６、７及び振動センサ８が配置されている箇所以外のほぼ全面に支持部材を配置等が考えられる。
実施例２においても、同様に４つの支持部材５を上面板２及び副振動板４の短辺に平行に配置するのに代えて、様々な配置の仕方が考えられる。
（４）実施例１及び２においては、１対又は複数対の振動伝達部材６、７を配置し、振動センサ８を上下の振動伝達部材６、７の間に挟んで固定したが、１つ又は複数の振動伝達部材６のみを上面板２の下面に固定又は１つ又は複数の振動伝達部材７のみを副振動板４の上面に固定し、振動センサ８を振動伝達部材６と副振動板４の間又は上面板２と振動伝達部材７の間に挟んで固定しても良い。
（５）実施例１においては、振動センサ８を圧電素子で構成したが、圧電素子に限らず振動を検知できるものであればどのような素子で構成しても良い。
また、実施例２においても、振動センサ８Ａ〜８Ｃを圧電素子で構成したが、これらは実施例１と同様、振動を検知できるものであればどのような素子で構成しても良い。
ただし、実施例２において被験者の姿勢や左右方向の位置を精度良く検知するためには、それぞれのセンサにかかる圧力を検知できた方が好ましいので、振動センサ８Ａ〜８Ｃは圧力を検知できる素子で構成した方が良く、圧力を検知できない素子で構成した場合、圧力が検出可能な素子を併設すると良い。
（６）実施例１及び２においては、支持部材５、振動伝達部材６、７、第１調整部材及び第２調整部材を固定したが、様々な周波数帯の振動に対応できるようにするために、それらのうち、少なくともいずれかひとつを着脱可能として、異なる弾力性のもの（異なるばね定数及び粘性係数を有するもの）に交換できるようにしても良い。
（７）実施例１及び２においては、３つの周波数帯の振動を精度良く検知できるようにするため、３自由度振動系を構成するように主振動板１と副振動板４との相対位置及び主振動板１及び副振動板４と載置面との相対位置も変化できるように、支持部材５、第１調整部材９及び第２調整部材１０を弾力性のある材料で構成したが、検知したい振動の周波数帯が２つの場合には、第２調整部材１０を除くか弾力性のない剛体とすることで主振動板１と副振動板４との相対位置だけが変化できる２自由度振動系を構成する生体振動検知装置（図３において副振動板４の変位量ｘ３を０）としても良い。
ただし、検知したい振動の周波数帯が２つの場合であっても、３自由度振動系を構成する生体振動検知装置の方が、２つの周波数帯の振動を精度良く検知できるようにするための調整は容易である。

１主振動板２上面板３下端面
４副振動板５支持部材６上側の振動伝達部材
７下側の振動伝達部材８振動センサ
９第１調整部材１０第２調整部材
１１プリアンプ１２第１フィルター
１３第２フィルター１４第３フィルター
１５第１アンプ１６第２アンプ１７第３アンプ
１８処理装置１９通信装置２０情報端末

Claims

被験者の近傍に設置され、被験者が横になっている時の鼓動、呼吸又は体動に伴う振動を検出する生体振動検知装置であって、
主振動板と、
該主振動板の下方に配置される副振動板と、
前記主振動板と前記副振動板との間に配置され、前記主振動板の下面と前記副振動板の上面に固定される支持部材と、
前記主振動板と前記副振動板との間に配置され、前記主振動板の下面及び前記副振動板の上面の少なくとも一方に固定される１又は複数の振動伝達部材と、
該振動伝達部材の中間部又は端部に固定される振動センサと、
前記主振動板の下面周辺部に固定される第１調整部材と、
前記副振動板の下面に固定される第２調整部材を備える
ことを特徴とする生体振動検知装置。
前記支持部材、前記振動伝達部材、前記第１調整部材、前記第２調整部材のうち、少なくともいずれかひとつは着脱可能となっている
ことを特徴とする請求項１に記載の生体振動検知装置。
前記振動伝達部材は複数配置されているとともに、それぞれに圧力センサを備える
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の生体振動検知装置。