JP2022152028A - 生体情報取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生体情報を高感度で取得可能な方法を提供する。【解決手段】生体情報を取得する方法であって、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサにより、そのＭＥＭＳ圧力センサに接続された中空部材を生体の表面に当接して体動に応じた中空部材の振動および伸縮の少なくとも一方による中空部分の圧力変動を検出するステップ（Ｓ１００）と、取得手段により、上記ＭＥＭＳ圧力センサからの上記中空部分の圧力変動に応じた出力信号の周波数成分に基づいて複数の生体情報を並行して取得するステップ（Ｓ１１０）と、を含み、上記ＭＥＭＳ圧力センサは、上記中空部材と連通する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、その弾性要素は上記圧力変動に応じて湾曲し、その弾性要素にその湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、上記方法が提供される。【選択図】図９

Description

本発明は、生体情報を取得可能な方法に関する。

腹部周りに装着されるベルトのバックルに感圧チューブを対象者の体動が作用するように装着し、感圧チューブの内圧を圧力センサが検出して出力された信号に基づいて対象者の生体情報を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

感圧チューブをベッド台とマットレスとの間に配置して、寝具にいる患者の体動に伴う圧力が感圧チューブに作用して、感圧チューブ内の空気圧振動を圧力センサで心拍情報、呼吸情報、体動情報等を取得する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１７－２０２２５２号公報 特開２０１４－１４７５９４号公報

しかしながら、特許文献１では、感圧チューブの先端に内部が大気と連通する連通孔が設けられている。感圧チューブに連通孔があると、内圧変化に伴い連通孔から流入・流出する空気量があるため、連通孔の大きさに応じて感度や感度の周波数特性が変化し、体動による機械的な信号の取得が困難になるという問題がある。さらに、圧力センサの感度が高くなるほど機械的な信号の精確な取得が困難になるという問題がある。

特許文献２では、患者がベッドに横臥している場合しか計測できず、患者の生体と感圧チューブとの間にマットレス等の寝具が配置されるため、患者の微小な体動を検出するには困難であるという問題がある。

本発明の目的は、生体情報を高感度で取得可能な方法を提供することである。また、本発明の他の目的は、生体に接触させる感圧部分を微小に形成することが可能な装置を用いて、複数の生体情報を並行して取得可能な方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、生体情報を取得する方法であって、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサにより、そのＭＥＭＳ圧力センサに接続された中空部材を生体の表面に当接して体動に応じた中空部材の振動および伸縮の少なくとも一方による中空部分の圧力変動を検出するステップと、取得手段により、上記ＭＥＭＳ圧力センサからの上記中空部分の圧力変動に応じた出力信号の周波数成分に基づいて複数の生体情報を並行して取得するステップと、を含み、上記ＭＥＭＳ圧力センサは、上記中空部材と連通する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、その弾性要素は上記圧力変動に応じて湾曲し、その弾性要素にその湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、上記方法が提供される。

上記態様によれば、中空部材を生体の表面に接触させてその生体の振動を受け、ＭＥＭＳ圧力センサの弾性要素が中空部材内の圧力に応じて湾曲して歪み検出層に湾曲に応じた歪が発生し、歪による出力信号が発生する。その出力信号に基づいて取得手段により生体情報を取得する。ＭＥＭＳ圧力センサは圧力変化に対して高い感度を有しているので、生体の表面に接触した中空部材に作用する微小な振動を検出可能であり、中空部材の生体に接触する部分を微小化可能な装置を提供できる。また、上記態様によれば、ＭＥＭＳ圧力センサが体動に応じた中空部材の振動および伸縮の少なくとも一方による中空部分の圧力変動を検出し、中空部分の圧力変動に応じた出力信号を周波数成分に基づいて生体情報を取得することで、複数の生体情報を並行して取得できる。

一実施形態に係る生体情報取得装置の構成を示すブロック図である。 一実施形態に係る生体情報取得装置の圧力検出部の概略構成を示す断面図である。 一実施形態に係る生体情報取得装置の圧力検出部の写真である。 ＭＥＭＳ圧力センサの斜視図である。 ＭＥＭＳ圧力センサの断面図である。 ＭＥＭＳ圧力センサの他の例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る生体情報取得装置の信号処理部の回路構成を示す図である。 生体情報取得部のハードウェアの構成を示すブロック図である。 一実施形態に係る生体情報取得方法を示すフローチャートである。 生体情報取得方法の一実施例として、マスクを着けた被験者の呼吸および脈波を並行して取得する方法を示すフローチャートである。 生体情報取得装置を被験者が装着した図である。 被験者が圧力検出部を図１１に示した態様で装着した際の出力信号を示す図である。 生体情報取得方法の他の実施例として、被験者の心音および呼吸に応じた体動に関する情報を並行して取得する方法を示すフローチャートである。 圧力検出部を被験者の胸部に装着した例を示す図である。 図１４に示した態様で装着した際の出力信号を示す図である。 ＭＥＭＳ圧力センサのその他の例を示す平面図である。 ＭＥＭＳ圧力センサのその他の例を示す断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、複数の図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。

図１は、一実施形態に係る生体情報取得装置の構成を示すブロック図である。図２は、生体情報取得装置の圧力検出部の概略構成を示す断面図であり、図３は圧力検出部の写真である。図１～図３を参照するに、生体情報取得装置１０は、圧力検出部１１と、信号処理・送信モジュール１２と、生体情報取得部１３とを有する。圧力検出部１１は、中空部材１４を生体の表面に接触させて、生体の呼吸、脈波、心音等に起因する振動または体動を中空部分の圧力変動として受けることができる。また、ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、容器２２の開口部２２ｃを介して外気と連通しており、ＭＥＭＳ圧力センサ１５が外気の圧力変動を検出する。ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、圧力変動を電気抵抗値の変動として出力する。ＭＥＭＳ圧力センサ１５の出力部２５が電気配線２６により信号処理・送信モジュール１２の信号処理部１６の入力部に接続される。

信号処理・送信モジュール１２の信号処理部１６は、ＭＥＭＳ圧力センサ１５からの圧力（圧力変動）に応じた電気抵抗値を出力信号（電圧信号）に変換して増幅し、出力信号の周波数成分に応じた処理、例えば濾波処理（フィルタ処理）を行い、無線送信部１７に出力する。無線送信部１７は、入力された出力信号を、サンプリング周波数を例えば１ｋＨｚとしてアナログ－デジタル（ＡＤ）変換を行って送信回路（不図示）によって無線送信する。生体情報取得部１３は、受信部１８で無線送信部１７からの出力信号を受信する。解析部１９は、信号処理・送信モジュール１２からの周波数成分に応じて処理された出力信号を解析部１９により解析して生体情報を取得し、出力部２０により生体情報を出力する。なお、無線送信部１７は、この代わりにケーブル（有線）により受信部１８に接続する有線送信部を設けてもよい。

なお、信号処理部１６の濾波処理の代わりに、解析部１９がデジタルフィルタソフトウェアにより濾波処理を行ってもよい。解析部１９は、デジタルフィルタソフトウェアにより、出力電圧をローパスフィルタおよびハイパスフィルタの少なくとも一つで濾波することが好ましい。解析部１９は、例えば、受信部１８からの出力信号をローパスフィルタで濾波し、出力信号とローパスフィルタで濾波した信号の差分を差分信号として求める処理を行ってもよい。解析部１９は、ローパスフィルタの代わりにハイパスフィルタを用いて同様の処理を行ってもよい。解析部１９は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザを用いて出力信号の周波数成分を取得してもよい。これらのいずれかの濾波処理により、生体の呼吸や脈波等の体動に関する情報が取得できる。

圧力検出部１１は、中空部材１４としてチューブ２１を用いている。チューブ２１は、図２および図３に示すようにその一端２１ａが封止され、他端２１ｂがＭＥＭＳ圧力センサ１５を収容する容器２２に接続される。チューブ２１の内部には気体、例えば空気が充填される。チューブ２１は、弾力性を有しているので、生体に当接させることで生体の振動に応じてチューブ２１内の気体の圧力が変化する。すなわち、生体からチューブ２１に作用する応力が増加すると気体の圧力が上昇し、生体からチューブ２１に作用する応力が減少すると気体の圧力が低下する。また、チューブ２１は、伸縮性、特に長手方向の伸縮性を有している。チューブ２１を生体に当接して接着することで、体動、例えば、呼吸による胸部の拡張・収縮に伴う皮膚の伸縮運動に応じてチューブ２１が長手方向に伸縮し、これに伴ってチューブ２１内部の気体の圧力変動が生じる。この圧力変動をＭＥＭＳ圧力センサ１５が検出する。

チューブ２１は、内部の空間が狭くなる程生体の振動に対する感度が高くなり、この観点から、チューブ２１の生体に接触する部分を微小化することができる。また、この観点からチューブ２１の内径は、１００μｍ～５００μｍの範囲であることが好ましい。チューブ２１は、シリコーン、樹脂等の弾性材料であることが外力に対してチューブが変形し易くなる点で好ましい。

中空部材１４は、チューブ２１に加え、弾性材料によって区画されるとともにその内部に空間を形成し、外部から作用する応力に応じて内部の圧力が変化する構成を有するもの、例えば、チューブの先端に連通する、中空の、ゴムで形成されたパッド、エアキャップ等を用いることができる。中空部材１４は、チューブ２１の中空部分に液体、例えば、粘性流体、混相流体、ゾル、ゲル等を充填して用いてもよく、中空部分にスポンジ、例えばポリウレタンフォームやポリエステル等の発泡体を用いてもよい。

容器２２は、その内部に、ＭＥＭＳ圧力センサ１５が配置され、ＭＥＭＳ圧力センサ１５の図２における上下にそれぞれ空洞２２ａ、２２ｂを有する。容器２２は、チューブ２１の他端２１ｂが装着される。空洞２２ａは、チューブ２１の中空部分２１ｃと連通し、チューブ２１の内部の気体の圧力が空洞２２ａの気体の圧力と等しくなる。他方の空洞２２ｂは、開口部２２ｃにより、外気と連通しており、外部の気圧（外気の圧力）を検出する。すなわち、ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、空洞２２ａ内の気圧と空洞２２ｂの気圧との相対的な圧力変動に応じて、図４および図５に示すカンチレバー３２が湾曲し、その湾曲によるピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄの抵抗値が変動する。

ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、基板２４、例えば電子基板に配置される。ＭＥＭＳ圧力センサ１５の出力信号は、基板２４に形成された配線パターン（不図示）を介して出力部２５から出力される。出力部２５には、配線ケーブル等が接続される。

圧力検出部１１は、サージカルテープ等の伸縮性を有する接着テープ２３により、生体表面にチューブ２１および容器２２を当接および接着できる。

図４は、ＭＥＭＳ圧力センサの斜視図であり、図５は、ＭＥＭＳ圧力センサの図４におけるＡＡ断面図である。図４および図５を参照するに、ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、枠状のシリコン基板２７と、その上に酸化シリコン層２８と、シリコン層２９とがこの順に積層されている。ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、開口部２７ａに、弾性要素としてカンチレバー３２が設けられる。カンチレバー３２は、基部３２ａが枠状のシリコン基板２７および酸化シリコン層２８の積層体に支持され、先端部３２ｂが自由端である。カンチレバー３２は、いわゆる片持ち梁状であり、例えば長さが１００μｍ、幅８０μｍである。カンチレバー３２は、弾性を有する材料であれば特に限定されない。カンチレバー３２の両側および先端部には、開口部２７ｓが設けられている。開口部２７ｓの幅は１μｍ以下であることが圧力に対する感度が向上する点で好ましい。

カンチレバー３２は、シリコン層２９の一部であり、その表面から深さ方向に、歪み検出層としてピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄが形成され、シリコン層２９およびピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄの一部の上に導電層３５および電極３６が形成される。ピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄは、それぞれ、カンチレバー３２の基部側の２つの脚部３２ｃ、３２ｄに形成される。枠状のシリコン基板２７および酸化シリコン層２８の積層体の表面には、電極３６、３８が形成されている。カンチレバー３２の表面には、導電層３５が形成されている。なお、脚部３２ｃと脚部３２ｄとの間の切り欠き部３７は、圧力に対するカンチレバー３２のたわみを調整して圧力に対する感度を調整するもので、その幅は適宜選択される。

電極３６は、脚部３２ｃの基部側において、ピエゾ抵抗層３３ｃの一端に接触して形成されており、ピエゾ抵抗層３３ｃに電気的に接続される。電極３８は、脚部３２ｄの基部側において、ピエゾ抵抗層３３ｄの一端に接触して形成されており、ピエゾ抵抗層３３ｄに電気的に接続される。導電層３５は、脚部３２ｃの先端部において、ピエゾ抵抗層３３ｃの他端に接触して形成されており、ピエゾ抵抗層３３ｃに電気的に接続される。導電層３５は、さらに、脚部３２ｄの先端部において、ピエゾ抵抗層３３ｄの他端に接触して形成されておりピエゾ抵抗層３３ｄに電気的に接続される。これにより、電極３６、ピエゾ抵抗層３３ｃ、導電層３５、ピエゾ抵抗層３３ｄおよび電極３８の直列回路が形成される。

ピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄは、例えば、シリコン層２９に不純物イオン、例えば、リンイオンをドープした領域であり、ピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄに応力が作用すると、歪みが生じ、歪みに応じて電気抵抗値が変化する。カンチレバー３２は、図２に示した容器２２の空洞２２ａと空洞２２ｂの圧力差に応じて、比較的圧力が低い方に脚部３２ｃ、３２ｄが湾曲し、圧力差の変動に応じて振動する。脚部３２ｃ、３２ｄが湾曲すると、ピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄに応力が作用し、歪が発生して、電気抵抗値が変化してピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄの両端間の電気抵抗値Ｒが変化する。電気抵抗値の変化率ΔＲ／Ｒを、後述するホイートストンブリッジ回路により出力信号に変換する。ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、分解能が０．１Ｐａ以下を有しており、従来のダイヤフラム型の圧力センサよりも分解能が１／１０以下であり、高感度である。

ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、カンチレバー３２の代替例として、その脚部が１つでもよく、３つ以上でもよい。これにより圧力差によりカンチレバーの脚部の湾曲の度合いを調整でき、目的とする圧力範囲に応じてＭＥＭＳ圧力センサの選択が可能となる。

図６は、ＭＥＭＳ圧力センサの他の例を示す平面図であり、（ａ）はカンチレバーの脚部が１つの場合、（ｂ）は３つの場合、（ｃ）は４つの場合を示す。（ａ）～（ｃ）は、紙面の左側がカンチレバーの基部で、右側が先端部である。

図６（ａ）を参照するに、ＭＥＭＳ圧力センサ４０は、カンチレバー４１の脚部４１ｃが１つであり、ピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄは、シリコン層２９により離隔されている。これにより、電極３６、ピエゾ抵抗層３３ｃ、導電層３５、ピエゾ抵抗層３３ｄおよび電極３８の直列回路が形成される。なお、ピエゾ抵抗層は、カンチレバー４１の幅方向に３つ以上に分割して互いに離隔して配置し、それぞれを電極３６、導電層３５または電極３８に接続して、ピエゾ抵抗層の電気抵抗値の変化を検出できるように回路を形成してもよい。

図６（ｂ）を参照するに、ＭＥＭＳ圧力センサ４２は、カンチレバー４３の脚部４３ｃには、スリット状の開口部２７ｓ₁、２７ｓ₂が設けられている。開口部２７ｓ₁、２７ｓ₂は、図４に示したシリコン層２９を開口部２７ａに貫通するとともにカンチレバー４３の基部から先端部側に延在する。３つの脚部４３ｃのうち両側の脚部の表面にはそれぞれピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄが形成されている。ピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄは、シリコン層２９により離隔されている。これにより、電極３６、ピエゾ抵抗層３３ｃ、導電層３５、ピエゾ抵抗層３３ｄおよび電極３８の直列回路が形成される。

図６（ｃ）を参照するに、ＭＥＭＳ圧力センサ４４は、カンチレバー４５の脚部４５ｃには、図６（ｂ）と同様の開口部２７ｓ₁、２７ｓ₂、２７ｓ₃が設けられている。４つの脚部４５ｃのうち２つの脚部の表面にはそれぞれピエゾ抵抗層３３ｃ₁、３３ｃ₂が形成されている。他の２つの脚部の表面にはそれぞれピエゾ抵抗層３３ｄ₁、３３ｄ₂が形成されている。ピエゾ抵抗層３３ｃ₁、３３ｃ₂は、電極３６と導電層３５との間に並列に接続されている。ピエゾ抵抗層３３ｄ₁、３３ｄ₂は、導電層３５と電極３８との間に並列に接続されている。これにより、電極３６、並列接続のピエゾ抵抗層３３ｃ₁、３３ｃ₂、導電層３５、並列接続のピエゾ抵抗層３３ｄ₁、３３ｄ₂および電極３８の直列回路が形成される。

なお、ＭＥＭＳセンサ１５は、上記では、カンチレバー３２が片持ち梁状の場合の例を示したが、両持ち梁状でもよい。

図７は、一実施形態に係る生体情報取得装置の信号処理部の電気回路の一部を示す図であり、ＭＥＭＳ圧力センサのピエゾ抵抗層の電気抵抗も合わせて示している。

図７を参照するに、信号処理部１６は、ピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄの抵抗Ｒおよび３つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３（各符号は抵抗値も表す。）を含むホイートストンブリッジ回路４６と、差動増幅器４８と、フィルタ回路４９とを有する。

ホイートストンブリッジ回路４６は、ピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄの合成抵抗値Ｒ、歪みによる抵抗値の変化をΔＲとすると、ホイートストンブリッジ回路４６のＰＱ間の出力電圧Ｖ_P-Qは、下記式（１）で表される。
Ｖ_P-Q＝１／４×ΔＲ／Ｒ×Ｅ ・・・（１）
ただし、ホイートストンブリッジ回路４６の平衡をとるため、Ｒ×Ｒ２＝Ｒ１×Ｒ３になるように抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を設定する。直流電源はホイートストンブリッジ回路４６のＡＢ間に接続され、電圧Ｅ（Ｖ）である。例えば、Ｅ＝１Ｖ（ボルト）、ΔＲ／Ｒ＝０．００１であると、Ｖ_P-Q＝０．２５ｍＶ（ミリボルト）の出力が得られる。

出力電圧Ｖ_P-Qは、ホイートストンブリッジ回路４６のＰＱ間に接続された差動増幅器４８によって増幅され、フィルタ回路４９に供給される。フィルタ回路４９は、ローパスフィルタ４９ａとハイパスフィルタ４９ｂとを有する。圧力検出部１１が生体の様々な周波数の振動を検出可能なので、フィルタ回路４９には、種々の周波数成分の信号が入力される。フィルタ回路４９は所望の生体情報を取得するために生体情報の周波数成分に応じてローパスフィルタ４９ａおよび／またはハイパスフィルタ４９ｂのカットオフ周波数を設定する。さらに、ローパスフィルタ４９ａおよび／またはハイパスフィルタ４９ｂのカットオフ周波数を適宜設定することで、生体情報の周波数成分に応じて互いに異なる生体情報を並行して取得することができる。例えば、ローパスフィルタ４９ａにはカットオフ周波数ｆ1を設定し、ハイパスフィルタ４９ｂにカットオフ周波数ｆ2を設定し、カットオフ周波数ｆ1をカットオフ周波数ｆ2よりも低いか等しくすることが好ましい（ｆ1＜＝ｆ2）。このように設定することで、例えば、脈波に関する情報と呼吸に関する情報を並行して取得することができる。

ローパスフィルタ４９ａおよびハイパスフィルタ４９ｂは、回路構成は特に限定されず、受動素子だけで構成してもよく、能動素子を用いて構成してもよい。フィルタ回路４９の出力は、無線送信部１７に供給される。なお、信号処理部１６は、解析部１９においてデジタルフィルタソフトウェアによる濾波処理を行う場合は、フィルタ回路４９を省略してもよい。

図８は、生体情報取得部のハードウェアの構成を示すブロック図である。図８を図１と合わせて参照するに、生体情報取得部１３の解析部１９は、入力インタフェース５１と、プロセッサ５２と、メモリ５３と、これらを接続するバス５４とを有する。入力インタフェース５１は、受信部１８からの出力信号が入力され、出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（不図示）を含みバス５４を介してプロセッサ５２またはメモリ５３に伝送する。プロセッサ５２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）等であり、メモリ５３またはプロセッサ５２に含まれるメモリに保存されたプログラムにより生体情報信号を解析し、脈数、呼吸数等の生体情報を出力する。プログラムは、濾波処理、高速フーリエ変換のプログラム、信号波形を表示するプログラム等を含んでもよい。なお、解析部１９は、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタを含んでもよい。

メモリ５３は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などであり、例えばフラッシュメモリである。メモリ５３は、生体情報信号、解析により得られた生体情報、プログラム等を保存する。

解析部１９は、入力される生体情報信号、解析により得られた生体情報等を表示する表示部５５を含んでもよく、プログラムの設定等を行うユーザインタフェース５６を含んでもよい。なお、解析部１９は、オシロスコープ、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザ等を含んでもよい。

出力部２０は、無線通信インタフェース５７を有してもよい。無線通信インタフェース５７は、解析部１９からバス５４あるいは配線により解析部１９により得られた生体情報が入力され、アンテナ５８を介して外部装置、例えばサーバや生体情報を収集する装置に出力する。出力部２０は、有線通信インタフェース５９を有してもよく、無線通信インタフェース５７と同様に生体情報を出力する。

図９は、一実施形態に係る生体情報取得方法を示すフローチャートである。図９を図１～図２および図４～図５と合わせて参照しつつ、本実施形態の生体情報取得方法を説明する。

最初に、圧力検出部１１のＭＥＭＳ圧力センサ１５により、ＭＥＭＳ圧力センサ１５に接続されたチューブ２１を生体の表面に当接して体動に応じたチューブ２１の振動および伸縮の少なくとも一方による中空部分２１ｃの圧力変動を検出する（Ｓ１００の（ａ））。また、これと並行して、ＭＥＭＳ圧力センサ１５により、ＭＥＭＳ圧力センサ１５の外部に開口する開口部２２ｃを介して外部の気圧の圧力変動を検出してもよい（Ｓ１００の（ｂ））。ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、チューブ２１と連通する空洞２２ａおよび空洞２２ｂを覆うカンチレバー３２を有する。カンチレバー３２はチューブ２１内およびこれと連通する空洞２２ａの圧力変動に応じて湾曲する。また、カンチレバー３２は、開口部２２ｃを介して外部の気圧（外気の圧力）の圧力変動に応じて湾曲する。ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、カンチレバー３２の湾曲およびその時間的な動きに応じた歪みをピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄが抵抗値の変化として圧力変動を検出する。

次いで、生体情報取得部１３により、ＭＥＭＳ圧力センサ１５からの圧力変動に応じた出力信号の周波数成分に基づいて複数の生体情報を並行して取得する（Ｓ１１０）。これにより、生体の呼吸、脈波、体動等の生体情報を取得することができる。

図１０は、生体情報取得方法の一実施例として、マスクを着けた被験者の呼吸および脈波を並行して取得する方法を示すフローチャートである。図１１は、生体情報取得装置を被験者が装着した図であり、（ａ）はマスクの内側に圧力検出部を装着したモデルの外観を示し、（ｂ）はマスクを下にずらして圧力検出部を接着した様子を示す。図１０を図１、図２、図１１（ａ）および（ｂ）と合わせて参照しつつ、本実施例の方法を説明する。

本実施例では、圧力検出部１１のチューブ２１が被験者の鼻部表面に当接して側面から鼻背を横断するようにして接着テープ２３により固定され、ＭＥＭＳ圧力センサ１５を覆うようにマスク７０が装着される。マスク７０の代わりにフェイスシールド（マウスシールドを含む。）を用いてもよい。

また、図示は省略するが、チューブ２１をマスク７０の内側に装着してマスク７０を着けることでチューブ２１が被験者の鼻部表面に当接するようにしてもよい。

ＭＥＭＳ圧力センサ１５により呼吸および脈波による圧力変動を検出する（Ｓ２００）。具体的には、ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、被験者の呼吸によるマスク７０の内側の空気の圧力変動をＭＥＭＳ圧力センサ１５の開口部２２ｃを介して検出する。これと並行して、ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、鼻部の側部にある眼角動脈の脈波の振動によるチューブ２１内の気体の圧力変動を検出する。これにより、ＭＥＭＳ圧力センサ１５は脈波および呼吸に応じた圧力変動を電気抵抗値の変動として出力する。ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、マスク７０の内側の空気の圧力とチューブ２１内の気体の圧力との差を検出しているので、ＭＥＭＳ圧力センサ１５の電気抵抗値の変動には、両方の圧力の影響が含まれる。

次いで、生体情報取得部１３により、ＭＥＭＳ圧力センサ１５からの圧力変動に応じた出力信号の周波数成分に基づいて脈波および呼吸に関する生体情報を並行して取得する（Ｓ２１０）。具体的には、ＭＥＭＳ圧力センサ１５からの電気抵抗値の変動は、ＭＥＭＳ圧力センサ１５に電気配線２６を介して信号処理・送信モジュール１２に送られる。信号処理・送信モジュール１２は、図７に示した信号処理部１６を含み、電気抵抗値の変動を出力信号（電圧信号）に変換して出力する。生体情報取得部１３は、信号処理・送信モジュール１２からの出力信号を受信し、解析部１９により濾波して、それぞれ呼吸、脈波の信号を取り出し、脈波および呼吸に関する生体情報を並行して取得する。

図１２は、被験者が圧力検出部を図１１に示した態様で装着した際の出力信号を示す図であり、（ａ）は解析部が取得した出力信号を示し、（ｂ）は解析部で取得した信号をローパスフィルタで濾波した後の信号を示し、（ｃ）は解析部が取得した出力信号からローパスフィルタで濾波した後の信号を差し引く信号処理を行った後の信号を示す。図１２（ａ）～（ｃ）のいずれも縦軸はＭＥＭＳ圧力センサのピエゾ抵抗層の両端間の電気抵抗値Ｒの変化率ΔＲ／Ｒに換算した出力を示している。分母のＲは、図２に示した空洞２２ａと空洞２２ｂの圧力が平衡した時の電気抵抗値であり、分子のΔＲは、平衡時の電気抵抗値Ｒから差分を示す。解析部１９が取得した出力信号はサンプリング周波数を１ｋＨｚとした信号であり、ローパスフィルタのカットオフ周波数を０．３Ｈｚ、減衰傾度を－６ｄＢ／ｏｃｔ（オクターブ）とした。

図１２（ａ）を参照するに、２０秒間の出力信号は、約４．３周期分の低周波数の信号とそれよりも高周波数の信号が重畳されていることが分かる。図１２（ｂ）を参照するに、ローパスフィルタを通過した信号が５秒間分示されており、１周期が約４．４秒であることが分かる。この圧力変動は毎分１３回に相当し、呼吸に対応することが分かる。図１２（ｃ）を参照するに、解析部が取得した出力信号からローパスフィルタで濾波した後の信号を差し引く信号処理を行った後の信号を５秒間分示している。この信号は、図１２（ｂ）の信号よりも高周波数側の信号を示しており、約８周期分が含まれている。これは、毎分約９４回の心拍を示しており、脈波を検出していることが分かる。これらのことから、生体情報取得装置１０は、圧力検出部１１のチューブ２１を鼻の側部から鼻背に亘って装着し、マスク７０を圧力検出部１１を覆うように着けることで、呼吸と脈波を並行して計測することができる。生体情報取得装置１０は、口呼吸および鼻呼吸の少なくとも一方を計測することが可能である。口呼吸でも鼻呼吸でもマスク７０の内側の空気の圧力は変動するので、圧力検出部１１は口呼吸および鼻呼吸の少なくとも一方を検出可能である。なお、解析部１９は、ハイパスフィルタ（またはハイパスフィルタの機能を有するデジタルソフトウェア）を有してもよく、解析部１９で取得した信号を上記のローパスフィルタのカットオフ周波数と同じかそれよりも高いカットオフ周波数を有するハイパスフィルタで濾波することで、図１２（ｃ）に示した信号を得ることができる。

図１３は、生体情報取得方法の他の実施例として、被験者の心音および呼吸に応じた体動に関する情報を並行して取得する方法を示すフローチャートである。図１４は、圧力検出部を被験者の胸部に装着した例を模式的に示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図である。図１３を図１、図２、図１４（ａ）および図１４（ｂ）と合わせて参照しつつ、本実施例の方法を説明する。

本実施例では、圧力検出部１１を被験者の胸部の心臓に近い部分の表面に装着する。圧力検出部１１は、チューブ２１が乳首ＮＰの周辺、例えば下部の皮膚表面に横に延在するように接着テープ２３で固定される。

また、図示は省略するが、チューブ２１を被験者が着用する服、例えば、伸縮性の生地を用いた服で着用すると生体の表面に圧力がかかる服（いわゆる加圧服）の内側に配置して、服を着用することでチューブ２１が被験者の胸部表面に当接するようにしてもよい。

ＭＥＭＳ圧力センサ１５により心音および呼吸に応じた体動による圧力変動を検出する（Ｓ３００）。具体的には、ＭＥＭＳ圧力センサ１５は、心音による振動を受け、チューブ２１内に圧力変動が生じる。チューブ２１は、これと並行して、呼吸による胸部の拡縮によって長手方向に伸縮し、チューブ２１内に圧力変動が生じる。これにより、ＭＥＭＳ圧力センサ１５は心音および呼吸に応じた体動による圧力変動を電気抵抗値の変動として出力する。

次いで、生体情報取得部１３により、ＭＥＭＳ圧力センサ１５からの圧力変動に応じた出力信号の周波数成分に基づいて心音および呼吸に関する生体情報を並行して取得する（Ｓ３１０）。具体的には、ＭＥＭＳ圧力センサ１５からの電気抵抗値の変動は、ＭＥＭＳ圧力センサ１５に電気配線２６を介して信号処理・送信モジュール１２に送られる。信号処理・送信モジュール１２の信号処理部１６は、電気抵抗値の変動を出力信号（電圧信号）に変換して出力する。生体情報取得部１３は、信号処理・送信モジュール１２からの出力信号を受信し、解析部１９により濾波処理して、それぞれ心音、呼吸の信号を取り出し、心音および呼吸に関する生体情報を並行して取得する。

図１５は、図１４に示した態様で装着した際の出力信号を示す図であり、（ａ）は解析部が取得した出力信号を示し、（ｂ）は解析部で取得した信号をローパスフィルタで濾波した後の信号を示し、（ｃ）は解析部が取得した出力信号をハイパスフィルタで濾波した後の信号を示す。図１５（ａ）～（ｃ）のいずれも縦軸は、図１２と同様にΔＲ／Ｒに換算した出力を示している。解析部１９が取得した出力信号はサンプリング周波数を１ｋＨｚとした信号であり、ローパスフィルタのカットオフ周波数を０．３Ｈｚ、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を２０Ｈｚ、両方のフィルタの減衰傾度を－６ｄＢ／ｏｃｔ（オクターブ）とした。

図１５（ａ）を参照するに、５０秒間の出力信号は、低周波数の信号とそれよりも高周波数の信号が重畳されていることが分かる。図１５（ｂ）を参照するに、ローパスフィルタを通過した信号が５０秒間分示されており、１３周期分が含まれている。この圧力変動は毎分約１６回に相当し、呼吸に対応することが分かる。図１５（ｃ）を参照するに、ローパスフィルタを通過した信号が２秒間分示されており、約３周期分が含まれている。これは、毎分約９０回の心拍を示しており、心音を検出していることが分かる。これらのことから、生体情報取得装置１０は、圧力検出部１１のチューブ２１を胸部表面に装着することで、心音と呼吸に関する情報を計測できる。

本実施形態に係る生体情報取得方法によれば、チューブ２１を生体の表面に接触させて、その生体の振動を受け、チューブ２１内の圧力をＭＥＭＳ圧力センサ１５のカンチレバー３２の脚部３２ｃ、３２ｄが圧力に応じて湾曲してピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄに湾曲に応じた歪が発生し、その電気抵抗値が変化する。電気抵抗値の変化を信号処理部１６で出力信号に変換し、フィルタ回路４９により濾波して生体情報取得部１３の解析部１９でその周波数成分に応じて複数の生体情報を並行して取得する。ＭＥＭＳ圧力センサ１５は圧力変化に対して高い感度を有しているので、生体の表面に接触したチューブ２１に作用する微小な振動を検出可能であり、チューブ２１の生体に接触する部分を微小化可能である。また、生体情報取得装置１０によれば、高感度のＭＥＭＳ圧力センサ１５によって検出した生体の振動を解析部１９でその周波数成分に応じて生体情報を取得することにより、異なる生体情報を並行して取得可能である。

図１６は、ＭＥＭＳ圧力センサのその他の例を示す平面図、図１７は、ＭＥＭＳ圧力センサのその他の例を示す断面図である。図１６および図１７を図２と合わせて参照するに、ＭＥＭＳ圧力センサ８０は、図４～図６に示したＭＥＭＳ圧力センサ１５のピエゾ抵抗層３３ｃ、３３ｄの代わりに歪み検出層としてピエゾ圧電層８１を採用したものであり、それ以外はＭＥＭＳ圧力センサ１５とほぼ同様の構成を有する。ＭＥＭＳ圧力センサ８０は、シリコン層２９が延在し、開口部２７ａを覆うとともに開口部２７ｓを有するように、弾性要素としてカンチレバー８２が設けられる。カンチレバー８２は、その基部８２ａ側に、シリコン層２９上に酸化シリコン層８３と下部導電層８４と、ピエゾ圧電層８１と、上部導電層８５の積層体を有する。下部導電層８４および上部導電層８５は、枠状のシリコン基板２７上まで延在し、その表面には、それぞれ、電極８６、８８が形成される。

ピエゾ圧電層８１は、圧電効果を示す材料、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃（ＰＺＴ）、ＳｒＢｉＴａＯ₃（ＳＢＴ）等を用いることができる。下部導電層８４および上部導電層８５は、例えばＰｔ／Ｔｉ、Ｐｔ／ＩｒＯ₂等を用いることができる。電極８６、８８は、例えばＡｕを用いることができる。

カンチレバー８２の構成は、図４に示したように、２つの脚部を有してもよく、図６（ｂ）および（ｃ）に示したように、それぞれ３つ、４つの脚部を有してもよく、より多くの数の脚部を有してもよい。

カンチレバー８２は、図２において説明したように容器２２の空洞２２ａと空洞２２ｂとの圧力差に応じて、比較的圧力が低い方に基部８２ａ側が湾曲し、圧力差の変動に応じて振動する。基部８２ａ側が湾曲すると、ピエゾ圧電層８１に応力が作用し、分極が生じて、下部導電層８４と上部導電層８５との間に電位差Ｖが変化する。電位差Ｖを、図７に示した信号処理部１６の差動増幅器４８により増幅する。生体情報取得部１３の解析部１９での動作は、上記と同様であり、説明を省略する。

ＭＥＭＳ圧力センサ８０を用いることで、図７に示した信号処理部１６のホイートストンブリッジ回路４６を省くことができ、信号処理部１６をより簡易にかつサイズをコンパクトにすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。また、ＭＥＭＳセンサ１５は、カンチレバー型に限定されず、用途および要求される感度に応じてダイヤフラム型を用いることができる。

１０ 生体情報取得装置
１１ 圧力検出部
１２ 信号処理・送信モジュール
１３ 生体情報取得部
１４ 中空部材
１５，４０，４２，４４，８０ ＭＥＭＳ圧力センサ
１６ 信号処理部
１９ 解析部
２１ チューブ
２２ 容器

Claims (8)

1. 生体情報を取得する方法であって、
   微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサにより、該ＭＥＭＳ圧力センサに接続された中空部材を生体の表面に当接して体動に応じた該中空部材の振動および伸縮の少なくとも一方による中空部分の圧力変動を検出するステップと、
   取得手段により、前記ＭＥＭＳ圧力センサからの前記中空部分の圧力変動に応じた出力信号の周波数成分に基づいて複数の生体情報を並行して取得するステップと、を含み、
   前記ＭＥＭＳ圧力センサは、前記中空部材と連通する開口部の少なくとも一部を覆う弾性要素を有し、該弾性要素は前記圧力変動に応じて湾曲し、該弾性要素に該湾曲に応じた歪みを検出する歪み検出層が形成されてなる、前記方法。
2. 前記検出するステップにおいて、前記ＭＥＭＳ圧力センサにより、該ＭＥＭＳ圧力センサの外部に開口する他の開口部を介して外部の気圧の圧力変動をさらに検出し、
   前記取得するステップにおいて、前記取得手段により、前記外部の気圧の圧力変動を含む出力信号の周波数成分に基づいて、他の生体情報を取得する、請求項１記載の方法。
3. 前記検出するステップにおいて、前記ＭＥＭＳ圧力センサにより、前記中空部材を被験者の鼻部の皮膚表面に当接して該鼻部の動脈の脈波に応じた圧力変動を検出するとともに、マスクまたはフェイスシールドを前記ＭＥＭＳ圧力センサおよび該被験者の鼻および口を覆うように装着して呼吸に応じた該マスクまたはフェイスシールドの内側の圧力変動を検出し、
   前記取得するステップにおいて、前記脈波による圧力変動および前記呼吸による圧力変動を含む前記出力信号を濾波して、前記被験者の脈波および呼吸に関する情報を取得する、請求項２記載の方法。
4. 前記中空部材は、マスクの内側に配置され、マスクを装着することにより前記被験者の鼻部の皮膚表面に当接される、請求項３記載の方法。
5. 前記検出するステップにおいて、前記ＭＥＭＳ圧力センサにより、前記中空部材を被験者の胸部の表面に当接して心音および呼吸に応じた圧力変動を検出し、
   前記取得するステップにおいて、前記心音による圧力変動および前記呼吸により前記中空部材の長手方向の伸縮により生じた圧力変動を含む前記出力信号を濾波して、前記被験者の心音および呼吸に関する情報を取得する、請求項１記載の方法。
6. 前記中空部材は、前記被験者が着用する服の内側に配置され、該服を着用することにより前記被験者の胸部の表面に当接される、請求項５記載の方法。
7. 前記中空部材は、前記被験者が着用する服の内側に配置され、該服を着用することにより前記生体の表面に当接される、請求項５記載の方法。
8. 前記中空部材は、可撓性の接着テープにより前記生体の表面に当接される、請求項１～３および５のうちいずれか一項記載の方法。

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