JP2022029919A

JP2022029919A - 生体情報取得装置

Info

Publication number: JP2022029919A
Application number: JP2020133527A
Authority: JP
Inventors: 浩士中村; Hiroshi Nakamura; 旭平野; Akira Hirano
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan; National Hospital Organization
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan; National Hospital Organization
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-08-06
Also published as: JP7414201B2; JP2024015365A

Abstract

【課題】簡易な手法により的確に生体情報を取得することができる生体情報取得装置を提供する。【解決手段】小型センサヘッド100と、端末に接続可能なケーブル200と、を有する。小型センサヘッド100は、被検者の身体に取付可能な取付部110と、体導音を検知し音響信号を取得する体導音センサ120と、体導音センサ120により取得された音響信号を計測する体導音振動信号計測手段130と、音響信号から生体情報を算出する生体情報算出手段140と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、生体情報取得装置に関する。

従来、呼吸器や循環器系疾患の早期発見を目的として、体導音(例えば、血流音、心音、呼吸音等)や加速度信号に基づく診断システムの研究・開発が進められている。そして、血流音は手首の近く、心音は胸部又は腹部の近く、呼吸音は頬の近くで採取すれば明瞭な信号を取得し易い。しかし、３箇所にマイクロホンを装着し、それぞれの体導音を採取することは、時間、コスト、手間がかかり、被検者の負担も大きい。

そこで、特許文献１に記載されるように、１箇所で採取された混合音響信号から特定の成分を高精度に分離することのできる音響信号分離装置が提案されている。また、特許文献２に記載されるように、１つの加速度センサで被検者の生体情報を得て、呼吸数や心拍数を検出する睡眠診断装置も提案されている。

しかし、特許文献１の音響信号分離装置においては、音響センサ１１が頸動脈上皮部に装着されているため、装着に手間がかかり、体導音以外の音を拾いやすいという欠点があった。また、特許文献２の睡眠診断装置においては、寝姿変化、呼吸数及び心拍数以外の情報は導出できないという問題があった。

また、特許文献３の加速度心拍計や特許文献４の心拍動計測装置では、加速度センサを使って、そこから得られた加速度信号に信号処理を施して心拍数を計測することができる。しかし、特許文献３の加速度心拍計や特許文献４の心拍動計測装置では拍動によって発生した振動加速度を直接測定しているため、振動加速度と重力加速度が混在してしまい、うまく拍動の情報を取り出せないという問題がある。

特開２０１５－３１８８９号公報特許第３８０９８４７号公報特許第２８４９７１１号公報特許第３６８２２５４号公報

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、簡易な手法により的確に生体情報を取得することができる生体情報取得装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる生体情報取得装置は、小型センサヘッドと、端末に接続可能なケーブルと、を有する生体情報取得装置であって、前記小型センサヘッドは、
被検者の身体に取付可能な取付部と、体導音を検知し音響信号を取得する体導音センサと、前記体導音センサにより取得された音響信号を計測する体導音振動信号計測手段と、前記音響信号から生体情報を算出する生体情報算出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な手法により的確に生体情報を取得できる。

本発明にかかる生体情報取得装置の外観を説明する図である。取付部及び体導音センサを説明する図である。被験者に取り付けられた生体情報取得装置を説明する図である。体導音振動信号計測手段及び外部機器を説明する図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明するが、当該実施形態は本発明の原理の理解を容易にするためのものであり、本発明の範囲は、下記の実施形態に限られるものではなく、当業者が以下の実施形態の構成を適宜置換した他の実施形態も、本発明の範囲に含まれる。

本発明にかかる生体情報取得装置900は、図１に示されるように、小型センサヘッド100と、端末に接続可能なケーブル200とを有する。

小型センサヘッド100は、被検者の身体に取付可能な取付部110と、体導音を検知し音響信号を取得する体導音センサ120と、体導音センサ120により取得された音響信号を計測する体導音振動信号計測手段130と、音響信号から生体情報を算出する生体情報算出手段140と、を備える。

(1)取付部
図２に示されるように、小型センサヘッド100は、被検者の身体に取付可能な取付部110を有する。取付部110は、生体皮膚粘着保護シート111と、生体皮膚粘着ゲル材112と、軟性支持体113と、硬性支持体114とを有する。生体皮膚粘着保護シート111は生体皮膚粘着ゲル材112の粘着面を保護する剥離可能なシート部材である。生体皮膚粘着ゲル材112はシリコンゲル等の人体に無害な粘着性ゲルにて形成される。軟性支持体113は軟性を有するポリウレタン等の軟性高分子基材で形成され、小型センサヘッド100を被験者に取り付けた際に被験者への装着感を向上させる。硬性支持体114はポリスチレン等の硬性高分子基材で形成される。

(2)体導音センサ120
小型センサヘッド100は、体導音を検知し音響信号を取得する体導音センサ120を有する。体導音センサ120は、MEMSセンサ121と、充填材122と、被覆材123とを有する。

MEMSセンサ121は、シリコンウエハを反応性イオンエッチングにて深掘りする3D-MEMS(3次元MEMS)技術により形成される。MEMSセンサ121は、センサーボードを搭載しており、センサーボードは特に限定されるものではないが例えばGY-521である。GY-521はMPU-6050を利用するためのブレイクアウト・ボードである。

体導音センサ120は、被検者の体動の加速度を検知し加速度信号を取得する加速度センサを有する。加速度センサは、複数の異なる検出軸を有し、例えば３軸加速度センサである。

例えば、小型センサヘッド100が被験者の胸部に取り付けられた場合、被験者が呼吸をする毎に胸部が振動し、これにより体導音センサ120内の加速度センサの傾斜角が呼吸周期に合わせて変化する。また、被験者の心拍に合わせて加速度センサ傾斜角が変化する。加速度センサの傾斜角を演算して計数処理を施すことで、被験者の心拍数や呼吸数のデータが得られる。

３軸分の加速度データからの傾斜角の演算処理は、特に限定されるものではないが、例えば、加速度センサの検出軸を定義し、Ｘ軸の水平面に対する傾斜角をφと定義すると、φは以下の式で計算可能である。

Ｙ軸の水平面に対する傾斜角をρと定義すると、ρは以下の式で計算可能である。

なおａ_ｘ，ａ_ｙ，ａ_ｚは、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の加速度データである。

加速度センサが検出した加速度からＸ軸とＹ軸の水平面に対する傾斜角φ，ρの少なくとも一方の変化を捉えることで、例えば呼吸のようなゆっくりとした動きを捉えることができる。これにより、心拍数や呼吸数を安定して計測することができる。

また体導音センサ120は、被検者の体動の角速度を検知し角速度信号を取得する角速度センサを有することも可能である。角速度センサは、複数の異なる検出軸を有し、例えば３軸角速度センサである。角速度センサからは、角速度センサの検出軸回りの角速度又は角度の時間変化の情報が取得される。角速度センサが検出する角速度の時間変化や角速度の積分処理により得られる角度の時間変化は、それ自体が姿勢変化を表す。従って、被験者の所定部位の動きを角速度又は角度の変化で捉えることで、例えば呼吸のようなゆっくりとした動きも捉えることができる。

例えば、小型センサヘッド100が被験者の胸部に取り付けられた場合、被験者が呼吸をする毎に胸部が振動し、これにより体導音センサ120内の角速度センサからの角速度データが呼吸周期に合わせて変化する。同様に、被験者の心拍に合わせて角速度センサからの角速度データが変化する。角速度センサからの角速度データに対して計数処理を施すことで、被験者の心拍数や呼吸数のデータが得られる。具体的には得られた角速度データに対してフィルタリング処理を行い、フィルタリング処理された波形に対して閾値処理を行い、波数のカウントまたは波の周期の計測を行い、心拍数または呼吸数として出力する。

体導音センサ120は、被検者の体動の加速度を検知し加速度信号を取得する加速度センサ、及び、被検者の体動の角速度を検知し角速度信号を取得する角速度センサを有することが可能である。

本実施形態では、３軸加速度センサや３軸角速度センサを使う形態を示したが、１軸又は２軸の加速度センサや１軸又は２軸の角速度センサを使用することも可能である。なお、加速度センサや角速度センサの検出軸の方向が重力方向と平行になると変化が小さくなるため捉えにくくなるが、複数の検出軸を有する場合は、被験者がどのように動いても、重力方向と平行にならない検出軸が存在するので、３軸加速度センサや３軸角速度センサを使用することが好ましい。

(3)体導音振動信号計測手段
小型センサヘッド100は、体導音センサ120により取得された音響信号を計測する体導音振動信号計測手段130を有する。

図３に示されるように、体導音振動信号計測手段130は、音響心拍数を計測する振動心拍数計測部131と、音響呼吸数を計測する振動呼吸数計測部132と、を有する。

図４に示されるように、体導音振動信号計測手段130は、体導音センサ120からの音響信号を受けると、所定時間における音響信号を送受信部133から記録部134を介し、制御部135にてフーリエ変換した音響変換信号を、振動心拍数計測部131及び振動呼吸数計測部132に送信する。制御部135は、体導音振動信号計測手段130の動作を制御するように構成されており、メモリとプロセッサを備えている。メモリは、コンピュータ可読命令(プログラム)を記憶するように構成されている。例えば、メモリは、各種プログラム等が格納されたROMやプロセッサにより実行される各種プログラム等が格納される複数ワークエリアを有するRAM等から構成されてもよい。また、メモリは、フラッシュメモリ等によって構成されてもよい。プロセッサは、例えばCPU、MPU及び／又はGPUである。CPUは、複数のCPUコアによって構成されてもよい。GPUは、複数のGPUコアによって構成されてもよい。記録部134は、例えば、HDD、SSD、フラッシュメモリ等のストレージであって、プログラムや各種データを格納するように構成されている。

振動心拍数計測部131においては、ハイパスフィルタによって受信した音響変換信号から所定周波数未満の信号を除去し、低周波除去信号がピークとなる周波数を判定して音響心拍数を演算する。また、振動呼吸数計測部132においては、ローパスフィルタによって受信した音響変換信号から所定周波数以上の信号を除去し、高周波除去信号がピークとなる周波数を判定して音響呼吸数を演算する。

なお本実地形態においては、体導音振動信号計測手段130は、音響心拍数を計測する振動心拍数計測部131と、音響呼吸数を計測する振動呼吸数計測部132と、を有するものであるが、本発明にかかる生体情報取得装置は心拍数及び呼吸数を計測するものに限定されず、例えば腸の蠕動運動情報等を計測することも可能である。

(4)生体情報算出手段
図３に示されるように、小型センサヘッド100は、音響信号から生体情報を算出する生体情報算出手段140を有する。

生体情報は、特に限定されるものではないが、例えばストレス指数、疲労度、腸の蠕動度、血圧等が挙げられ、好ましくはストレス指数である。

自律神経系は、血液循環・呼吸・体温調節等、意識の介在なしに制御するシステムで、交感神経系と副交感神経系がある。交感神経系は身体の活動レベルや運動能力を高める方向に働き、副交感神経系は心身の鎮静化・エネルギーの消費抑制と蓄えの方向に働く。心拍変動(HRV)は交感神経と副交感神経の両方に影響を与える。即ちストレス指数は下記式にて考えられる。

心電図を周波数解析してパワースペクトルにしたときに、LF(Low Frequency)とHF(High Frequency)の２つの領域に分けられる。LF成分は交感神経または副交感神経が活性化しているときに増加し、HF成分は副交感神経が活性化している場合に増加する。そのためLF/HFを指標とすることにより、数値が高いときはストレスがあり低いときはリラックスしていると判定することができる。

また、呼吸変動に対応する高周波変動成分(HF成分)と血圧変動であるメイヤー波(Mayer wave)に対応する低周波成分(LF成分)を抽出し、両者の大きさを比較することによりストレス指数を評価することも可能である。即ち、生体情報算出手段140は、振動呼吸数計測部132により計測された呼吸変動に対応する高周波変動成分(HF成分)と、振動心拍数計測部131により計測された血圧変動であるメイヤー波(Mayer wave)に対応する低周波成分(LF成分)との比であるLF/HFをストレス指数として生体情報を算出可能である。例えばパワースペクトルのLF成分の領域(0.05Hzから0.15Hzまで)、及びHF成分の領域(0.15Hzから0.40Hzまで)の強度を合計した値(積分値)を用いてLF/HFを評価することができる。

リラックスしている状態、つまり副交感神経が活性化しているときには、呼吸変動を反映したHF成分と血圧変動を反映したLF成分も現れるが、ストレス状態にある場合、つまり交感神経が活性化しているときには、LF成分が現れる一方、HF成分が減少する。従って、リラックス状態にあると相対的にHF成分が大きくなるのでLF/HFの値は小さくなり、反対に、ストレス状態にあるとHFに対してLF成分が大きくなるのでLF/HFの値が大きくなる。

算出された生体情報は接続された外部機器へ送信される。外部機器は図４に示されるように電源部810、表示部820、報知部830を有する。送信された生体状は表示部820に表示され、報知部830により測定者に報知される。

生体情報の取得に利用できる。

100:小型センサヘッド
110:取付部
111:生体皮膚粘着保護シート
112:生体皮膚粘着ゲル材
113:軟性支持体
114:硬性支持体
120:体導音センサ
121:MEMSセンサ
122:充填材
123:被覆材
130:体導音振動信号計測手段
131:振動心拍数計測部
132:振動呼吸数計測部
133:送受信部
134:記録部
135:制御部
140:生体情報算出手段
200:ケーブル
810:電源部
820:表示部
830:報知部
900:生体情報取得装置

Claims

小型センサヘッドと、端末に接続可能なケーブルと、を有する生体情報取得装置であって、
前記小型センサヘッドは、
被検者の身体に取付可能な取付部と、
体導音を検知し音響信号を取得する体導音センサと、
前記体導音センサにより取得された音響信号を計測する体導音振動信号計測手段と、
前記音響信号から生体情報を算出する生体情報算出手段と、を備えることを特徴とする生体情報取得装置。
前記体導音センサは、被検者の体動の加速度を検知し加速度信号を取得する加速度センサを有することを特徴とする請求項１に記載の生体情報取得装置。
前記体導音センサは、被検者の体動の角速度を検知し角速度信号を取得する角速度センサを有することを特徴とする請求項１に記載の生体情報取得装置。
前記体導音センサは、被検者の体動の加速度を検知し加速度信号を取得する加速度センサ、及び、被検者の体動の角速度を検知し角速度信号を取得する角速度センサを有することを特徴とする請求項１に記載の生体情報取得装置。
前記体導音センサは、被検者の体動の加速度を検知し加速度信号を取得する３軸加速度センサ、及び、被検者の体動の角速度を検知し角速度信号を取得する３軸角速度センサを有することを特徴とする請求項４に記載の生体情報取得装置。
前記体導音センサは、MEMSセンサであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の生体情報取得装置。
前記体導音振動信号計測手段は、前記体導音センサにより取得された音響信号に基づいて音響心拍数を計測する振動心拍数計測部及び音響呼吸数を計測する振動呼吸数計測部を有する体導音信号処理手段を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の生体情報取得装置。
前記体導音振動信号計測手段は、前記体導音センサにより取得された音響信号をフーリエ変換する音響信号変換部を有し、
前記振動心拍数計測部は、前記音響信号変換部で得られた音響変換信号から低周波成分を除去する低周波除去部と、該低周波除去部で得られた低周波除去信号に基づいて音響心拍数を演算する音響心拍数演算部を有し、
前記振動呼吸数計測部は、前記音響信号変換部で得られた音響変換信号から高周波成分を除去する高周波除去部と、該高周波除去部で得られた高周波除去信号に基づいて音響呼吸数を演算する音響呼吸数演算部を有していることを特徴とする請求項７に記載の生体情報取得装置。
前記生体情報算出手段は、振動呼吸数計測部により計測された呼吸変動に対応する高周波変動成分(HF成分)と、振動心拍数計測部により計測された血圧変動であるメイヤー波(Mayer wave)に対応する低周波成分(LF成分)との比であるLF/HFをストレス指数として生体情報を算出することを特徴とする請求項７又は８に記載の生体情報取得装置。