JP2021035469A

JP2021035469A - 生体情報計測システム

Info

Publication number: JP2021035469A
Application number: JP2019158120A
Authority: JP
Inventors: 早坂　淳一; Junichi Hayasaka; 淳一早坂; 和幸菅原; Kazuyuki Sugawara; 宏明植竹; Hiroaki Uetake; 荒井　賢一; Kenichi Arai; 賢一荒井; 弘恭金高; Hiroyasu Kanetaka
Original assignee: Tohoku University NUC; Research Institute for Electromagnetic Materials
Current assignee: Tohoku University NUC; Research Institute for Electromagnetic Materials
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: JP7298824B2

Abstract

【課題】磁気的計測手段を用いて生体情報の計測精度の向上を図りうるシステムを提供する。【解決手段】複数の磁気センサ１が配列されることにより磁気センサアレイが構成されている。磁気センサは、誘電体基板１００と、誘電体基板の一方の主面に積層された信号線路層１１０と、誘電体基板の一対の主面のうちいずれか一方の主面、あるいは一対の主面に積層された接地導体層１２１、１２２、１２４を有する伝送線路１２０と、伝送線路の一端部に電気的に接続される単一の入出力端子１６０と、伝送線路の他端部の一部に積層された軟磁性薄膜１４０と、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、磁気的計測手段を用いて生体情報を計測するためのシステムに関する。

脳卒中による片麻痺や脊髄損傷による四肢麻痺のために自発運動が困難になった筋肉あるいは関節を、本人の意思と努力によってわずかでも動かし、その際に生じる動きの、部位、方向および強さに対応する信号をセンサで検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、手の指などの人体の特定箇所に取り付けられた複数の反射器の位置が、複数のＣＣＤカメラを用いた光学的センサにより測定される。センサ信号のレベルに応じて、強度および繰り返し回数が異なるパルス磁場を発生させ、磁気刺激によって筋収縮を生じさせる。この過程が繰り返されて、脳の可塑性が積極的に利用されることにより新たな神経ネットワークの構築が図られることにより、効果的なリハビリテーションが実施される。

特許第５８９３３６７号公報

しかし、本人の意思に応じた神経活動があるにもかかわらず手の指などの動きがごくわずかあるいは皆無である場合、そこに取り付けられた反射器の位置の変化が光学的センサによって測定することは困難であり、リハビリテーションの進行が停滞する可能性がある。

そこで、本発明は、磁気的計測手段を用いて生体情報の計測精度の向上を図りうるシステムを提供することを目的とする。

本発明の生体情報計測システムは、生体情報を計測するためのシステムであって、生体に与えられる刺激信号を発生する刺激信号発生器と、複数の磁気センサが配列されることにより構成されている磁気センサアレイと、解析処理装置と、画像表示装置と、を備え、前記複数の磁気センサのそれぞれが、一対の主面を有する板状の誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の主面に積層された信号線路層と、前記誘電体基板の一対の主面のうちいずれか一方の主面、あるいは一対の主面に積層された接地導体層を有する伝送線路と、前記伝送線路の一端部に電気的に接続された単一の入出力端子と、前記伝送線路の他端部の一部に積層された軟磁性薄膜と、を備え、前記解析処理装置が、前記伝送線路の前記入出力端子に入射信号を送信する機能と、前記伝送線路の当該入出力端子から反射信号を受信する機能と、前記反射信号を解析することにより前記複数の磁気センサのそれぞれの配置態様に応じた外部磁場の分布態様を検知する機能と、を有し、前記画像表示装置が、前記刺激信号発生器により発生された刺激信号が付与された生体を対象として前記解析処理装置により検知された外部磁場の分布態様を表示することを特徴とする。

本発明の生体情報計測システムによれば、以下に説明するように磁気センサアレイを構成する複数の磁気センサのそれぞれの小型化および高密度化が可能であり、微小な検知対象部に近接することが可能であるため、外部磁場の検知精度の向上および空間分解能の向上が図られている。すなわち、この磁気センサは、外部磁場が印加されると、伝送線路の他方の端部の一部に積層された軟磁性薄膜の透磁率が変化し、伝送線路の端部（終端）のインピーダンスが変化するとともに、（解析処理装置から送信される）入射信号に対する（伝送線路からの）反射信号の割合（反射係数）が変化する機構を有し、よって、反射係数が解析されることにより、外部磁場が検知されうる。このような形態の磁気センサであれば、軟磁性薄膜と伝送線路とを有する磁気センサであっても、伝送線路の高周波電流を通電するための２つの端子を必要とせず、単一の同軸ケーブルまたは線路のみで磁気信号が得られる。このため、磁気センサの小型化および高密度化が可能であり、微小な検知対象部に近接することが可能な磁気センサが実現できる。

よって、対象とする生体の特定箇所が外観上は動いていないまたはほとんど動いていなくても、刺激信号が付与された当該生体の神経、あるいは筋肉の活動により生じる微小な磁場の変化が、当該磁場の分布態様として検知され、かつ、可視化される。これにより、例えば、リハビリテーション中の患者に対して、意思に応じて身体は動いてないものの神経が活動をしており、リハビリテーションが進展していることを実感させ、さらなるリハビリテーションの推進に取り組むモチベーションを与えることができる。

本発明の生体情報計測システムを構成する磁気センサアレイ、ひいてはこれを構成する各磁気センサは、軟磁性薄膜の容易軸と直交する方向に、所定の磁気バイアスを印加する機構を有する。磁気バイアスの強さは、軟磁性薄膜の異方性磁界の大きさと同等であることが望ましい。なお、異方性磁界は、軟磁性薄膜の困難軸方向の磁化曲線で磁場が飽和に達する磁界の強さである。異方性磁界の大きさ程度の磁気バイアスを印加することで、軟磁性薄膜の磁化回転に伴う比較的大きな透磁率を得ることができ、磁気センサの感度の向上が図られる。

本発明の生体情報計測システムを構成する磁気センサアレイ、ひいてはこれを構成する各磁気センサは、伝送線路の他方の端部（終端）を電気的に短絡させていることが好ましい。終端部を短絡させることで、外来雑音の影響を受け受け難くなり、動作が安定する。また、反射係数の磁性薄膜の透磁率変化に対する変化量が増加し、感度の向上が図られる。終端部の短絡の方法としては、信号線路層と接地導体層を電気的に接続する方法と、信号線路層と接地導体層を（金属的な）軟磁性薄膜を介して電気的に接続する方法がある。

本発明の生体情報計測システムを構成する磁気センサアレイ、ひいてはこれを構成する各磁気センサは、伝送線路の終端から送信信号の波長λの１／４の長さ（＝λ／４）を有する同軸ケーブルまたは線路を介して解析処理装置に接続してもよい。

抵損失の同軸ケーブル（あるいは単に「線路」）のλ／４周期の共鳴を利用することによって、より効果的に外部磁場に応じた反射係数の変化が捉えられる。また、同軸ケーブルの長さが調節されることで、最適条件の周波数が調整されうる。これは、複数個の磁気センサを集積化させるアレイ状の構造を形成する場合には、一つ一つの磁気センサの特性を合わせる必要があり、有効な手段となり得る。

本発明の一実施形態の生体情報計測システムの構成に関する説明図。複数の磁気センサが並べられて構成されている磁気センサアレイの構成に関する説明図。磁気センサアレイを構成する磁気センサの構成に関する説明図。磁気センサの構成に関する他の説明図。信号線路層の近傍に発生する磁界分布に関する説明図。比較例の磁気センサの斜視図。比較例の磁気センサの概念的側面図。第１変形実施形態としての磁気センサの構成に関する説明図。第２変形実施形態としての磁気センサの構成に関する説明図。第３変形実施形態としての磁気センサの構成に関する説明図。軟磁性薄膜、信号線路層および接地導体層の配置例に関する説明図。磁気センサモジュールを構成する解析処理装置のブロック図。軟磁性薄膜の印加磁気バイアスと磁化容易軸との関係に関する説明図。磁気センサの伝送線路の終端部の拡大図。伝送線路の終端部のインピーダンスと反射率との関係に関する説明図。磁気バイアスの印加機構を有する磁気センサの部分拡大図。磁気バイアスの他の印加機構を有する磁気センサの部分拡大図。同軸ケーブル（線路）を有する磁気センサの構成に関する説明図。神経の興奮を表わす磁気信号の検出結果に関する説明図。複数回の刺激に対する神経の興奮による磁気信号波形に関する説明図。神経の興奮の信号振幅の累積分布関数に関する説明図。生体情報計測システムの磁気センサアレイの配置例に関する説明図。電気刺激に対する磁気信号波形に関する説明図。微小磁界発生源からの磁気信号の評価結果（高周波信号の直交成分における磁気信号の振幅）に関する説明図。微小磁界発生源からの磁気信号の評価結果（高周波信号の同相成分における磁気信号の振幅）に関する説明図。高周波信号の直交成分における磁気信号の周波数依存性に関する説明図。高周波信号の同相成分における磁気信号の周波数依存性に関する説明図。磁気センサの高周波信号の同相成分および直交成分のそれぞれの出力特性に関する説明図。

（生体情報計測システムの構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としての生体情報計測システムは、刺激信号発生器２０、電極２０２、磁気センサアレイ２２、信号増幅器２４、混合器２６、濾過器２７、解析画像生成装置２８および画像表示装置２９を備えている。刺激信号発生器２０、信号増幅器２４、混合器２６および濾過器２７は、後述する解析処理装置２００を構成する（図１２参照）。

刺激信号発生器２０は、動物の身体の指定箇所、例えば、人間の上肢において尺骨神経Ｎｖが通っている第１指定箇所に配置された電極２０２を通じて電気刺激または磁気刺激を付与する。尺骨神経Ｎｖが興奮（刺激によって神経細胞の膜電位が活動電位に達すること）し、その活動電位が軸索上を伝導したときに、尺骨神経Ｎｖの近傍に磁界が生じる。神経損傷などによって興奮しない場合または活動電位が伝導しない場合には磁界が生じない。また、この磁界の強度は、神経から離れるにつれて急激に減衰する。よって、磁界の分布様態は神経の解剖学的構造、配置および機能状態によって異なる。

磁気センサアレイ２２は、尺骨神経Ｎｖが通っている第２指定箇所の近傍に配置され、磁界信号を検出する。信号増幅部２４は、磁界信号を増幅する。混合器２６は、刺激信号発生器２０の刺激信号と、磁気センサアレイ２２により検出された磁界信号とを乗算する。濾過器２７は、混合器２４の出力信号から高周波帯の信号成分を除去する。解析画像生成装置２８は、神経または筋肉の解剖学的構造、配置および機能状態を表わす画像を生成する。画像表示装置２９は、当該画像を表示する。

（磁気センサアレイの構成）
図２には、複数の磁気センサ１が並べられて構成されている磁気センサアレイ２２が示されている。磁気センサアレイ２２は、検知曲面Ｃの法線方向に感軸方向が一致するように配された複数の磁気センサ１と、複数のコネクタ１６０と、複数のコネクタ１６０のそれぞれを介して複数の磁気センサ１のそれぞれに接続された複数の同軸ケーブル１６２と、を有している。当該構成の磁気センサアレイにより、検知曲面Ｃの詳細な二次元の磁気情報が得られる。

（磁気センサの構成）
図３および図４に示されている磁気センサ１は、誘電体基板１００と、誘電体基板１００の上面１０１に前後に延在する略矩形状に積層された信号線路層１１０と、誘電体基板１００の上面１０１において信号線路層１１０から左右それぞれに離間して前後に延在する一対の略矩形状の接地導体層１２１および１２２と、誘電体基板１００の下面１０２に形成された接地導体層１２４と、接地導体層１２４、１２１および１２２により構成される伝送線路１２０の一端部に電気的に接続される入出力端子１６０と、当該伝送線路１２０の他端部に部分的に積層された軟磁性薄膜１４０と、を備えている。接地導体層１２４は省略されてもよい。

誘電体基板１００としては、例えば、半導体系の単結晶シリコン、ゲルマニウム、化合物半導体系のＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯ、ＩｎＰ、ＳｉＧｅや、水晶、サファイヤ、ガラスの他、セラミックス系のアルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、炭化珪素、チタニア、イットリア、またはそれらの複合材料からなる基板が用いられてもよい。

信号線路層１１０、伝送線路１２０、接地導体層１２１−１２４としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔｉ、あるいは、それらの積層薄膜が用いられてもよい。

軟磁性薄膜１４０としては、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ、Ｃｏ−Ｎｂ−Ｚｒ系のアモルファス薄膜、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｚｒ−Ｎ系の微結晶薄膜、あるいは、それらの薄膜の間にＳｉＯなどの薄い絶縁層を挟んで積層した多層薄膜、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の結晶性薄膜、さらには、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金、センダスト合金のバルク材料、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｚｒ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｚｒ、Ｃｏ−Ｚｒ系のアモルファス合金薄帯、軟磁性フェライトからなる薄膜が用いられてもよい。

薄膜磁石１５０としては、Ｐｔ−Ｆｅ系、ＳｍＣｏ系、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｎ系のスパッタ薄膜、あるいは、Ｍｎ−Ａｌ−Ｃｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｎｉなどの金属系バルク磁石、酸化物系のフェライト磁石、希土類系のＳｍＣｏ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石が用いられてもよい。

軟磁性薄膜１４０は、信号線路層１１０の近傍に配置されていることが望ましい。図５には、信号線路層１１０の近傍に発生する磁界分布が示されている。信号線路層１１０に高周波電流（角周波数ω）が流れると、図３に示されているように信号線路層１１０の周囲に磁界Ｂ（ω）が生じる。磁界Ｂ（ω）の強さは、信号線路層１１０から離れるにしたがって急減する。また、電界Ｅ（ω）は、信号線路層１１０と接地導体層１２１、１２２との間に強く分布する。伝送線路１２０の特性インピーダンスは、電界Ｅ（ω）および磁界Ｂ（ω）の比によって定義され、電界Ｅ（ω）および磁界Ｂ（ω）が分布する信号線路層１１０の近傍媒体の誘電率εおよび透磁率μに強く依存する。よって、信号線路層１１０の近傍に高透磁率の軟磁性薄膜１４０が配置されることにより、外部磁場に敏感な特性インピーダンスの変化が得られる。この特性インピーダンスの変化を、後述する解析処理装置２００を用いて解析することで、高感度な磁気センサが実現される。

図６および図７に示されているように、第１軟磁性薄膜１４１が信号線路層１１０の一端部に積層され、第２軟磁性薄膜１４２が第１軟磁性層薄膜１４１に連続し、かつ、信号線路層１１０の延在方向に沿ってそのほぼ全域にわたって積層される場合、第２軟磁性膜１４２の反射損により、磁気感度が低下する。つまり、第２軟磁性膜１４２の領域は、被検知対象物２３との間の距離が大きく、外部磁界の影響が及ばず、単に、第２軟磁性薄膜１４２の存在によるインピーダンスの不整合のために、外部磁場の検出に寄与しない反射２１が生じる。第１軟磁性薄膜１４１の領域は、外部磁場の大きさに応じて第１軟磁性薄膜１４１の透磁率が効果的に変化しインピーダンスが変わることで、外部磁場の検出に寄与する反射２２が生じる。

したがって、図８に示されているように、軟磁性薄膜１４０は信号線路層１１０の一端部の上側に配置されていることが好ましい。あるいは、図９に示されているように、軟磁性薄膜１４０は信号線路層１１０の一端部の下側に配置されていることが好ましい。あるいは、図１０に示されているように、軟磁性薄膜１４０は信号線路層１１０の一端部の左右両側に配置されていることが好ましい。軟磁性薄膜１４０の当該配置態様により、外部磁場に敏感な特性インピーダンスの変化が得られる。この特性インピーダンスの変化が、後述する解析処理装置２００を用いて解析されることにより、高感度な磁気センサが実現される。

図１１に示されているように、略矩形状の軟磁性薄膜１４０の感軸方向（信号線路層１１０の長手方向）のサイズａおよび不感軸方向（信号線路層１１０の幅方向）のサイズｂの比率である、当該軟磁性薄膜１４０のアスペクト比ａ／ｂは、１以上でありかつ２以下であること（１≦ａ／ｂ≦２であること）が好ましい。軟磁性薄膜１４０のアスペクト比ａ／ｂが１未満である場合、感軸方向の反磁界の影響により磁気感度が低下するためであり、アスペクト比ａ／ｂが２を超える場合、被検知対象物との間の距離が大きくなる領域の拡大に伴って反射損が増加し、磁気感度が低下するためである。

また、軟磁性薄膜１４０の不感軸方向のサイズｂは、信号線路層１１０の幅ｂ₁と、信号線路層１１０と接地導体層１２１、１２２との間隙ｂ₂の２倍との和ｂ₃（ｂ₁＋２ｂ₂）以下であり、かつ、信号線路層１１０の幅ｂ₁以上であること（ｂ₁≦ｂ≦ｂ₁＋２ｂ₂であること）が好ましい。軟磁性薄膜１４０の不感軸方向のサイズｂがｂ₁未満である場合、信号線路層に流れる高周波電流によって生じる磁界Ｂに影響を及ぼす軟磁性薄膜のサイズが小さく、磁気感度が低下するためであり、軟磁性薄膜１４０の不感軸方向のサイズｂがｂ₁＋２ｂ₂を超える場合、信号線路層に流れる高周波電流によって生じる磁界Ｂの及ばない（ｂ₁＋２ｂ₂より大きな）領域にまで軟磁性薄膜があることと、軟磁性薄膜の感軸方向のサイズａが一定としたときに、アスペクト比ａ／ｂが小さくなり、感軸方向の反磁界の影響により磁気感度が低下するためである。

外部磁界が及ぶ範囲は、当該磁界を発生する検知対象物からの距離の３乗に反比例して急減する。ゆえに、基本的には、軟磁性薄膜１４０のサイズは可能な限り小さくし、当該磁界が及ぶ範囲に全体が含まれるように配置されることが望ましい。

軟磁性薄膜１４０の長さａが長くなるにつれて、軟磁性薄膜１４０の磁気抵抗が増加するため、漏れ磁束が増加する。したがって、軟磁性薄膜１４０の長さａが一定以上に長いことは、磁界に対する軟磁性薄膜１４０のインピーダンスの変化に寄与しない。

また、磁界が及ぶ範囲を超えた領域にある軟磁性薄膜１４０は、伝送線路１２０の反射損の原因となり、同様に軟磁性薄膜１４０のインピーダンスの変化に寄与しない。

さらには、信号線路層１１０に流れる電流によって生成される磁界（疑似ＴＥＭモード）は、信号線路層の近傍（両端の接地導体層までの範囲）に集中するため、軟磁性薄膜１４０の不感軸方向の長さｂをｂ₁＋２ｂ₂より大きくすることは無用である（先述のアスペクトの要件より、軟磁性薄膜の長さａが長くなる）。

図１２には、本発明の一実施形態としての磁気センサモジュールを構成する解析処理装置２００のブロック図が示されている。解析処理装置２００は、高周波信号発生器２１０、増幅器２１２、２１４、２１６、２１８、２４１、２４２、サーキュレータ２２０、分配器２２２、２２４、２２６、２５１、２５２、混合器２３１、２３２、２６１、２６２、２６３、２６４、参照信号を生成する参照信号発生器２０、および、低域通過フィルタ２７１、２７２、２７３、２７４を備えている。低域通過フィルタ２７１、２７２、２７３、２７４のそれぞれを通じて、高周波信号の第１同相成分（Ｉ）および第１直交成分（Ｑ）と、磁界信号の第２同相成分および第２直交成分の組合せからなる４通りの出力が得られる。

参照信号発生器２０は、図１の刺激信号発生器２０により構成され、電極２０２を介して人体に付与される刺激信号と同等の参照信号を生成するように構成されている。第５増幅器２４１および第６増幅器２４２は、図１の増幅器２４を構成する。第３混合器２６１、第４混合器２６２、第５混合器２６３および第６混合器２６４は、図１の混合器２６を構成する。第１低域通過フィルタ２７１、第２低域通過フィルタ２７２、第３低域通過フィルタ２７３および第４低域通過フィルタ２７４は、図１の濾過器２７を構成する。

高周波信号発生器２１０により発生された高周波信号は、第１増幅器２１２により増幅され、第１分配器２２２を介してサーキュレータ２２０ならびに第１混合器２３１および第２混合器２３２の二方向に同位相で分配される。サーキュレータ２２０に供給される高周波信号は、第２増幅器２１４により増幅され、サーキュレータ２２０のポート１からポート２を経由して磁気センサアレイ２２を構成する磁気センサ１の入出力端子に供給される。磁気センサ１によって、高周波信号が（検知対象物が発する）磁気信号で変調された高周波変調信号は、サーキュレータ２２０のポート２からポート３を経由し、第３増幅器２１６により増幅され、第２分配器２２４を介して第１混合器２３１および第２混合器２３２の二方向に同位相で分配される。

一方、第１分配器２２２から第１混合器２３１および第２混合器２３２に供給される高周波信号は、第４増幅器２１８により増幅され、第３分配器２２６を介して第１混合器２３１および第２混合器２３２の二方向に同相かつ直交で分配される。第１混合器２３１の出力信号は、第５増幅器２４１により増幅され、第４分配器２５１を介して、第３混合器２６１および第４混合器２６２の方向に直交成分および同相成分のそれぞれが分配される。第２混合器２３２の出力信号は、第６増幅器２４２により増幅され、第５分配器２５２を介して、第５混合器２６３および第６混合器２６４の方向に直交成分および同相成分のそれぞれが分配される。

第３混合器２６１において、参照信号発生器２０が生成する参照信号と混合された第４分配器２５１の出力信号は、第１低域通過フィルタ２７１を介して不要なノイズが除去された後、高周波信号に同相であり、かつ、参照信号の直交成分を有する信号（第１信号）として出力される。第４混合器２６２において、参照信号発生器２０が生成する参照信号と混合された第４分配器２５１の出力信号は、第２低域通過フィルタ２７２を介し、高周波信号に同相であり、かつ、参照信号の同相成分を有する信号（第２信号）として出力される。第５混合器２６３において、参照信号発生器２０が生成する参照信号と混合された第５分配器２５２の出力信号は、第３低域通過フィルタ２７３を介し、高周波信号に直交であり、かつ、磁気信号の同相成分を有する信号（第３信号）として出力される。第６混合器２６４において、参照信号発生器２０が生成する参照信号と混合された第５分配器２５２の出力信号は、第４低域通過フィルタ２７４を介し、高周波信号に直交で、かつ磁気信号の直交成分を有する信号（第４信号）として出力される。

磁気センサ１の高周波信号の位相は、第１信号と第４信号との比率、あるいは第２信号と第４信号との比率から求められる。このため、高周波信号の位相調整器は不要であり、一定の感度が保持されうる。また、磁気センサ１の磁気信号の位相は、第２信号と第１信号との比率、あるいは、第３信号と第４信号との比率から求められる。このため、磁気センサ１と検知対象物の位相関係を考慮して煩雑な調整作業を行う必要がなく、簡便に高精度な計測を行うことが可能である。

（軟磁性膜の一軸異方性、磁気バイアス）
図１３には、磁気センサ１における伝送線路１２０における軟磁性薄膜１４０の拡大図が示されている。軟磁性薄膜１４０に対して、信号線路層１１０の長手方向（Ｘ軸）に磁気バイアスＢ_biasが印加されている。あらかじめ一軸異方性が付与された軟磁性薄膜１４０の磁化容易軸Ａ_EMは、信号線路層１１０の長手方向に対し略直交する方向に延在している。軟磁性薄膜１４０の磁化困難軸は、信号線路層１１０の長手方向に対して平行な方向に延在している。したがって、磁気バイアス４２が信号線路層１１０の長手方向に与えられ、その強さが軟磁性薄膜１４０の異方性磁界と同等に調節されることで、軟磁性薄膜１４０の磁化回転により高い透磁率が得られ、高い磁気感度が実現される。

また、軟磁性薄膜１４０に対して、信号線路層１１０の幅方向（Ｙ軸）に磁気バイアスＢ_biasが印加されてもよい。この場合、軟磁性薄膜１４０の磁化容易軸Ａ_EMは、信号線路層１１０の長手方向に延在している。よって、軟磁性薄膜１４０の磁化困難軸は、信号線路層１１０の幅方向に延在している。したがって、磁気バイアスＢ_biasが信号線路層１１０の幅方向に与えられ、その強さが軟磁性薄膜１４０の異方性磁界と同等に調節されることで、軟磁性薄膜１４０の磁化回転により高い透磁率が得られ、信号線路層１１０の長手方向に直交するＹ軸方向の高い磁気感度が実現される。

（伝送線路１２０の終端短絡）
図１４に示されているように、信号線路層１１０と接地導体層１２１、１２２とが、電気的導体層１２１０および１２２０を介して短絡されることにより、磁気センサ１の伝送線路１２０の終端部が短絡されている。接地導体層接地導体層１２１、１２２は電気的導体層１２１０および１２２０が形成された後に積層され、軟磁性薄膜１４０は信号線路層１１０が形成された後に領域Ｓに積層される。

伝送線路１２０の反射率Γは、関係式（１）により表わされる。

Γ＝（Ｚ−Ｚ₀）／（Ｚ＋Ｚ₀） ‥（１）。

ここで、Ｚ₀は伝送線路１２０の特性インピーダンス、Ｚは伝送線路１２０の終端部のインピーダンスである。図１５には、伝送線路１２０の終端部のインピーダンスと反射率との関係が示されている。伝送線路１２０の特性インピーダンスＺ₀が５０Ωで、終端部のインピーダンスZが同じ５０Ωの場合、反射率Γは「０」となる。終端部に送信された電圧（あるいは電流）は、全て吸収され、反射電圧（あるいは電流）は「０」となる。

また、伝送線路１２０の終端部が開放されている場合、あるいはその特性インピーダンスＺ₀に比べて極めて大きなインピーダンスを有する場合、反射率Γは「＋１」となり、終端部に送信された電圧（あるいは電流）は全反射される。その一方、伝送線路１２０の終端部が短絡されている場合、あるいは特性インピーダンスＺ₀に比べて極めて小さなインピーダンスを有する場合、反射率Γは「−１」となり、終端部に送信された電圧あるいは電流は全反射（但し、逆相）される。

本発明の磁気センサ１は、外部磁場に対する伝送線路１２０のインピーダンス変化を利用している。このインピーダンス変化量は、伝送線路１２０の終端部における反射率の変化量に依存することから、磁気感度を最大化するためには、外部磁場に対する反射率の変化量を大きくすればよい。伝送線路１２０の終端部の反射率Γの変化量ΔΓに関して、終端部のインピーダンスが開放されている場合（ΔΓ_∞）、伝送線路１２０の特性インピーダンスＺ₀と等しい場合（５０Ω終端のとき、ΔΓ₅₀とする）、短絡されている場合（ΔΓ₀）の大小関係は、図１０により、関係式（２）としての不等式により表わされる。

ΔΓ_∞＜ΔΓ₅₀＜ΔΓ₀ ‥（２）。

つまり、伝送線路１２０の終端部のインピーダンス（駆動点インピーダンス）が短絡されている場合、反射率の変化量が最大となり、大きな磁気感度が得られる。

図１６には、磁気バイアスの印加機構を有する磁気センサ１の部分拡大図が示されている。当該磁気センサ１は、信号線路層１１０および接地導体層１２１、１２２を有する伝送線路１２０の終端部が短絡され、当該終端部に薄膜磁石１５０および軟磁性薄膜１４０が積層された構造を有している。薄膜磁石１５０は、あらかじめ軟磁性薄膜１４０の長手方向に着磁されており、薄膜磁石１５０の磁界は、高透磁率を有する軟磁性薄膜１４０に誘導される。すなわち、薄膜磁石１５０および軟磁性薄膜１４０は閉磁路構造をなしている。よって、磁気バイアスが軟磁性薄膜１４０に対して効率よく付与される。

この構造は、その他の磁気バイアスの機構、例えば、バルク磁石あるいはコイルに電流を流す方法に比べて小型化が可能である。コイルに電流を流す方法とは異なり消費電力が不要であるという利点がある。磁気バイアスの強さは、軟磁性薄膜１４０の異方性磁界の大きさと同等であることが望ましい。この異方性磁界の大きさは、軟磁性薄膜１４０の組成、成膜条件、熱処理条件等で調整することが可能である。また、薄膜磁石１５０の強さを示す残留磁化も、組成、成膜条件、熱処理条件等で調整することが可能である。

図１７には、磁気バイアスの他の印加機構を有する磁気センサ１の部分拡大図が示されている。この磁気センサ１は、支持基板１００に形成されたダイヤフラム１０４に、信号線路層１１０および接地導体層１２１、１２２を有する伝送線路１２０の終端部が金属導体層１２１０、１２２０によって短絡され、当該終端部の直下において、他の支持基板１００に薄膜磁石１５０および軟磁性薄膜１４０が積層された構造を有している。薄膜磁石１５０は、あらかじめ軟磁性薄膜１４０の長手方向に着磁されており、薄膜磁石１５０の磁界は、高透磁率を有する軟磁性薄膜１４０に誘導される。すなわち、薄膜磁石１５０と軟磁性薄膜１４０は、閉磁路構造をなしている。よって、効率よく磁気バイアスが軟磁性薄膜１４０に付与される。

この構造は、小型化が可能で、消費電力が不要であることに加え、線路の構造体と、薄膜磁石１５０および軟磁性薄膜１４０を有する構造体を別々の工程で製作されたうえで、最終工程で組み立て可能である。このため、製作条件、特に薄膜磁石１５０の熱処理温度などを他の制約条件によらずに設計、製造が可能である。また、線路の直下が空洞であるため、当該線路の誘電損が低減されるという利点がある。

図１８には、同軸ケーブルまたは線路を有する磁気センサ１が示されている。磁気センサ１に所望の長さの同軸ケーブル１６２が接続されている。同軸ケーブル１６２において、外部磁界を検知する磁気センサ１の終端部から高周波信号の波長λの１／４λの整数倍の位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４のそれぞれにおいて、並列および直列共鳴が生じる。同軸ケーブル１６２は、線路の形態および透磁率、誘電率の材料特性が一様で低損失であるため、極めて高い品質係数Ｑを示す。したがって、例えば、磁気センサ１の終端部から１／４λだけ離れている位置Ｘ１において、磁気信号が検出されれば解析処理装置２００（図１２参照）において大きな出力が得られる。同軸ケーブル１６２の長さが制御されることで、磁気感度が調整可能である。

（機能）
図１９には、刺激信号発生器２０により上肢の第１指定箇所に対して与えられた刺激信号に応じて、第２指定箇所において磁気センサアレイ２２により検出された、神経Ｎｖの興奮または筋活動を表わす磁気信号が示されている。刺激期間Ｔ１においては、数Ｈｚ〜３ｋＨｚの周波数の指定強度Ｂpの刺激信号２１１が第１指定箇所に与えられる。例えば、刺激信号２１１の強度は１〜２５ｍＡの範囲で調節される。また、刺激信号２１１の周波数ｆ₀が１ｋＨｚであり、刺激回数ｎが１００である場合、刺激期間Ｔ１は０．１秒となる。刺激信号２１１に対する神経Ｎｖの興奮または筋活動に伴う磁気信号２１２は、刺激信号２１１の付与開始から僅かに遅れた時点から徐々に増加し、一定の大きさＡpで飽和する。その後、刺激信号２１１の付与が停止されると刺激停止期間Ｔ２において磁気信号２１２は徐々に減少して略０となる。

図２０は、複数回の刺激に対する神経の興奮、あるいは筋活動による磁気信号波形を示している。評価時間Ｔ₃における複数回の刺激に対する磁気信号波形Ｍ｛ｍ₁、ｍ₂、ｍ₃、‥、ｍ_p-1、ｍ_p｝の信号振幅Ａ｛Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、‥、Ａ_p-1、Ａ_p｝が得られ、平均、標準偏差などの統計量を求めることができる。また、あらかじめ閾値Ａ_ｓを設定し、単一の刺激ｍ_pに対する磁気信号振幅Ａ_pの大きさから、神経の興奮、あるいは筋活動の有無を判定することもできる。評価期間Ｔ₃における磁気信号波形Ｍの平均値の大きさから、神経の興奮、あるいは筋活動の有無を判定してもよい。評価時間Ｔ₃は、例えば、刺激期間Ｔ₁（＝０．１秒（刺激周波数ｆ₀＝１ｋＨｚ、刺激回数ｎ＝１００））、刺激停止期間Ｔ₂（＝１秒）の周期１．１秒を、１０回繰り返す場合は１１秒となる。

図２１は、本発明の生体情報計測システムによる神経の興奮、あるいは筋活動の信号振幅Ａの累積分布関数である。同図中の累積分布関数４１について考える。例えば、閾値Ａ_ｓに設定すると、評価期間Ｔ₃における複数回の刺激に対する磁気信号波形Ｍ｛ｍ₁、ｍ₂、ｍ₃、‥、ｍ_p-1、ｍ_p｝の信号振幅Ａ｛Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、‥、Ａ_p-1、Ａ_p｝の検出率はＲ_sとなる。閾値が同じＡ_ｓであっても、累積分布４２の場合の検出率は略零となり、累積分布４３の場合の検出率は略１となる。閾値の設定値によって、検出率は変動する。
累積分布関数４２の振幅信号Ａが雑音によるものであり、閾値をＡ_sより低いＡ^” _sとした場合でも、検出率Ｒは同様の指示値Ｒ_sを示し、誤った事象を検出することになる。つまり、誤認率は高くなる。また、閾値をＡ_sより高いＡ^’ _sとすると、検出率Ｒの指示値は低い値（略零）を示し、有効な事象を検出することができず、不検出率は高くなる。よって、検出率が高く、かつ雑音のような誤った事象を検出することがないように閾値を設定することが、誤検出率、不検出率を低く、信頼性の高い評価を行うためには重要であり、閾値はＡ_sおよびＡ^’ _sの間に設定することが望ましい。

図２２には、生体情報計測システムを構成する複数の磁気センサアレイ２２の配置例が示されている。掌上に等間隔で３×３の磁気センサアレイ２２が配置されることで、各磁気センサアレイ２２の配置態様に応じた掌全体の外部磁場の分布態様が同時刻に検知され、画像表示装置２９に表示することができる。なお、磁気センサアレイ２２が単一の磁気センサ１により構成されていてもよい。

図２３には、本発明の生体情報計測システムによる電気刺激に対する磁気信号波形が示されている。被験者の左前腕部の尺骨神経に電気刺激（周波数１ｋＨｚ、時間１００ｍｓ）を与え、左手掌（薬指と小指の付根付近）から発する磁気信号波形を計測できることを確認した。

（実施例）
誘電体基板１１０としては、例えば表面に熱酸化膜（厚み１μｍ）が形成されたシリコン基板（厚み５００μｍ）が用いられる。誘電体基板１１０としてのシリコン基板の上に、信号線路層１１０および接地導体層１２１、１２２、１２４（Ａｕ／Ｃｕ／Ｔｉ積層膜、厚み３μｍ）からなるコプレーナ構造が、公知のスパッタリング法などの薄膜形成技術およびフォトリソグラフィー技術によって形成される。

２ＧＨｚ帯の高周波信号を伝送するために、信号線路層１１０の幅は３００μｍに設計され、信号線路層１１０と接地導体層１２１、１２２との間隙は１５０μｍに設計される。軟磁性薄膜１４０は、例えば、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス膜（１μｍ）であって、同様にスパッタリング法によって形成される。そのサイズは、例えば信号線路層１１０の幅と同等の幅３００μｍに設計され、長さはアスペクト比が２となるように６００μｍに設計される。また、軟磁性薄膜１４０に対して、磁場中熱処理（回転磁場中熱処理：２９０℃、１０ｒｐｍ、８０ｋＡ／ｍ、２時間、静磁場中熱処理：２９０℃、８０ｋＡ／ｍ、１時間）が施され、信号線路層１１０の幅方向と平行になる方向に磁化容易軸が付与される。なお、その異方性磁界Ｈｋは約１ｋＡ／ｍであり、この値と同等の磁気バイアスを、軟磁性薄膜の磁化容易軸と直交する方向、つまり磁化困難軸方向に印加することで、磁気感度を最大化することができる。

図１７に示されているように、コプレーナ伝送線路構造体、軟磁性薄膜１４０および薄膜磁石１５０を有する検知構造体が別々の工程で製作され、最終工程で組み立てられてもよい。異方性エッチング法などによって、空洞９８が形成されたシリコン基板１００のダイヤフラム１０４の上に、信号線路１１０および接地導体層１２１、１２２が形成される。他のシリコン基板１０６の上に薄膜磁石１５０および軟磁性薄膜１４０が積層され、所望のパターンが形成される。そして、伝送線路１２０の端部の直下に軟磁性薄膜１４０のパターンが配置されるように、２つの構造体が種々の接合技術により接合される。

コプレーナ構造の伝送線路１２０は、誘電体基板上の同一面に信号線路と接地導体層が形成されるため製作工程が簡素であるという利点があるが、設計上、ストリップ線路構造など他の伝送線路１２０であってもよい。

感磁膜である軟磁性薄膜、例えば、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファス膜のサイズは、前述のとおり３００μｍ×６００μｍであり、検知対象物のサイズ（例えば、数ｍｍ）と比べても小さく、また、その検知対象物の近傍に配置することも可能である。そのため、微小な磁気源、検知対象物からの微弱な磁界を検出することができる。

（評価結果）
図２４Ａおよび図２４Ｂのそれぞれには、磁気センサの高周波信号発生器２１により周波数１〜３ＧＨｚ、電力−１０ｄＢｍの高周波信号が供給され、数ｍｍサイズの磁界発生源（検知対象物）からの磁気信号が評価された結果が示されている。図２４Ａには、高周波信号の直交成分における磁気信号の振幅が示されている。図２４Ｂには、高周波信号の同相成分における磁気信号の振幅が示されている。高周波信号の同相成分および直交成分のそれぞれにおいて、磁気バイアスＨは１．３ｍＴで最大値を示し、軟磁性薄膜の異方性磁界Ｈｋの値と一致していることがわかる。また、高周波信号の周波数において、線路長の１／４λ共鳴の効果により、１．５ＧＨｚおよび２．３ＧＨｚ付近に最大値がみられる。

より詳細な結果が図２５Ａおよび図２５Ｂに示されている。図２５Ａには、高周波信号の直交成分における磁気信号の周波数依存性が示されている。これは、磁気信号によって変調された高周波信号が第２混合器２２７において乗算され、さらに第５混合器２３６および第６混合器２３７において磁気信号の参照信号と乗算して得られた高周波信号の直交成分における磁気信号（振幅値）の高周波信号の周波数依存性である（図１２参照）。図２５Ｂには、高周波信号の同相成分における磁気信号の周波数依存性が示されている。これは、磁気信号によって変調された高周波信号が第１混合器２２６において乗算され、さらに第３混合器２３４および第４混合器２３５において磁気信号の参照信号と乗算して得られた高周波信号の同相成分における磁気信号（振幅値）の高周波信号の周波数依存性である（図１２参照）。

図２５Ａおよび図２５Ｂのいずれにおいても、高周波信号の２．３ＧＨｚ付近に高いＱ値（約３００以上）を示すピークがみられる。また、その前後にも線路内の多重反射によるピーク値がみられる（ただし、この部分は本質的ではない）。このように、高周波信号の１／４λの位置で、磁気信号が検出されることで、極めて大きな出力が得られる。同軸ケーブルの長さが調節されることで、磁気感度が調整可能である。

図２６には、磁気センサの高周波信号の同相成分および直交成分のそれぞれの出力特性が示されている。同相成分および直交成分の磁気感度は、各々９８ｍＶ／μＴ、９３ｍＶ／μＴである。線形誤差は、各々０．４％ＦＳ、０．３％ＦＳである。また、検出分解能は、ともに１ｎＴ以下である。本発明の磁気センサは、数ｍｍ以下の検知対象物からの極めて微弱な磁界を検出することが可能であり、電子回路基板、部品、電池等の異常欠陥の検査や、自動車、鉄道、航空機等の非破壊検査あるいは生体磁気を検出する手段として有望である。

１‥磁気センサ、２０‥刺激信号発生器（参照信号発生器）、２２‥磁気センサアレイ、２４‥増幅器、２６‥混合器、２７‥濾過器、２８‥解析画像生成装置、２９‥画像表示装置、１００‥誘電体基板、１１０‥信号線路層、１２０‥伝送線路、１２１、１２２、１２４‥接地導体層、１４０‥軟磁性薄膜、１４１‥第１軟磁性薄膜、１４２‥第２軟磁性薄膜、１６０‥入出力端子、１６２‥同軸ケーブル、２００‥解析処理装置。

Claims

生体情報を計測するためのシステムであって、
生体に与えられる刺激信号を発生する刺激信号発生器と、
複数の磁気センサが配列されることにより構成されている磁気センサアレイと、
解析処理装置と、
画像表示装置と、を備え、
前記複数の磁気センサのそれぞれが、
一対の主面を有する板状の誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方の主面に積層された信号線路層と、
前記誘電体基板の一対の主面のうちいずれか一方の主面、あるいは一対の主面に積層された接地導体層を有する伝送線路と、
前記伝送線路の一端部に電気的に接続された単一の入出力端子と、
前記伝送線路の他端部の一部に積層された軟磁性薄膜と、を備え、
前記解析処理装置が、
前記伝送線路の前記入出力端子に入射信号を送信する機能と、
前記伝送線路の当該入出力端子から反射信号を受信する機能と、
前記反射信号を解析することにより前記複数の磁気センサのそれぞれの配置態様に応じた外部磁場の分布態様を検知する機能と、を有し、
前記画像表示装置が、前記刺激信号発生器により発生された刺激信号が付与された生体を対象として前記解析処理装置により検知された外部磁場の分布態様を表示することを特徴とする生体情報計測システム。
請求項１記載の生体情報計測システムにおいて、
前記伝送線路の他端部が電気的に短絡されていることを特徴とする生体情報計測システム。
請求項１または２記載の生体情報計測システムにおいて、
前記伝送線路の終端部から送信信号の波長の４分の１の長さの同軸ケーブルまたは線路を介して前記解析処理装置に接続されていることを特徴とする生体情報計測システム。