JP2023001475A - Pneumatic vibration generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させる空気圧振動発生装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a pneumatic vibration generator that generates pneumatic vibration with a set frequency and amplitude.
睡眠は健康のバロメータであるといわれ、快適な睡眠をして気分のよい目覚めができれば、目覚めた際に颯爽とした気分となり健康を実感することは、日常において多く経験する。一方、不眠症や不眠傾向にある場合や、深夜労働などのために昼夜の生活が逆転した睡眠を強いられる場合などにおいては、その目覚めの後の気分は芳しくないことが多い。すなわち、意識的であるか無意識的であるかにかかわらず、睡眠の状態がその後の覚醒時の気分や行動に影響を及ぼし、ひいては覚醒後の昼間の活動の質を定めることになる。このように、睡眠は、人間の身体活動及び心的活動に重要な影響を及ぼす要素であり、良好な睡眠をとることができれば身体的及び心的に健康的な日常活動が保証されるといってよい。 Sleep is said to be a barometer of health, and we often experience in our daily life that if we can sleep comfortably and wake up in a good mood, we will wake up feeling refreshed and feeling healthy. On the other hand, in the case of insomnia or tendency to insomnia, or in the case of forced sleep in which the day and night life is reversed due to late-night work, etc., the feeling after waking up is often not good. That is, whether consciously or unconsciously, the state of sleep influences mood and behavior during subsequent wakefulness, which in turn determines the quality of post-awakening daytime activity. Thus, sleep is an important factor affecting human physical and mental activities, and good sleep guarantees healthy physical and mental health in daily activities. you can
本特許出願人は、睡眠に関する研究を重ね、例えば特許文献1乃至特許文献3をはじめとする様々な特許出願を行っている。これらの特許出願において採用している手法は、被験者が横臥する寝台上に薄い硬質シートを敷設し、硬質シート上に設けられた圧力検出チューブにより、心拍や呼吸などの生体信号にともなって発生する空気圧振動を検出し、この振動信号を電気的に処理するものである。
The applicant of the present patent has repeatedly studied sleep and has filed various patent applications including
ところで、上述した空気圧振動を検出するタイプのシステムにおいて、模擬的に任意の周波数及び振幅の空気圧振動を発生することができないと、センサ全般を含めて校正を行うことができない。現状、そのような空気圧振動を発生させる装置は存在していない。したがって、新たなシステムを生産した場合、適切な基準を構築することができないために適正な校正を行うことができないという問題があった。 By the way, in the above-described system for detecting pneumatic vibrations, unless pneumatic vibrations of arbitrary frequency and amplitude can be simulated, it is impossible to calibrate the sensor as a whole. At present, there is no device that generates such pneumatic vibrations. Therefore, when a new system is produced, there is a problem that proper calibration cannot be performed because a proper standard cannot be established.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、簡便且つ低コストの構成のもとに、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させることができる空気圧振動発生装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a pneumatic vibration generator capable of generating pneumatic vibration of a set frequency and amplitude with a simple and low-cost configuration. With the goal.
上述した目的を達成する本発明にかかる空気圧振動発生装置は、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させる空気圧振動発生装置であって、音放出面を密閉したスピーカと、このスピーカに与えるパラメータとして周波数及び振幅を設定するパラメータ設定手段と、このパラメータ設定手段によって設定された周波数及び振幅に基づいてスピーカを制御し、スピーカから設定された周波数及び振幅の空気圧振動を発生させるスピーカ制御手段と、スピーカから発生された空気圧振動を伝達する伝達チューブと、この伝達チューブを介して伝達された空気圧振動を検出して電気信号に変換するセンサ/信号変換手段とを備え、センサ/信号変換手段によって変換された電気信号を生体信号の模擬信号として利用することにより、生体信号検出装置の校正装置として使用されることを特徴としている。 A pneumatic vibration generator according to the present invention for achieving the above object is a pneumatic vibration generator for generating pneumatic vibration with a set frequency and amplitude, comprising a speaker whose sound emitting surface is sealed, and parameters given to the speaker. parameter setting means for setting frequency and amplitude; speaker control means for controlling a speaker based on the frequency and amplitude set by the parameter setting means to generate pneumatic vibration of the set frequency and amplitude from the speaker; and speaker and a sensor/signal converting means for detecting the pneumatic vibration transmitted through the transmitting tube and converting it into an electric signal, which is converted by the sensor/signal converting means. It is characterized in that it can be used as a calibrating device for a biosignal detection device by using the electrical signal as a simulated biosignal.
このような本発明にかかる空気圧振動発生装置は、設定された周波数及び振幅の空気圧振動をスピーカの内部の密閉空間において発生させ、これを電気信号に変換して生体信号の模擬信号として利用する。 Such a pneumatic vibration generator according to the present invention generates pneumatic vibration with a set frequency and amplitude in the closed space inside the speaker, converts it into an electric signal, and uses it as a simulated biological signal.
本発明においては、簡便且つ低コストの構成のもとに、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させることができ、発生した空気圧振動を電気信号に変換して生体信号の模擬信号として利用することにより、生体信号検出装置の校正装置として利用されることができる。 In the present invention, it is possible to generate pneumatic vibration with a set frequency and amplitude based on a simple and low-cost configuration, convert the generated pneumatic vibration into an electrical signal, and use it as a simulated biological signal. Therefore, it can be used as a calibration device for a biosignal detection device.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
この実施の形態は、利用者の生体信号に基づいて、睡眠状態を改善するための利用者個人に合った生活改善による睡眠改善案を提供する睡眠改善装置である。 This embodiment is a sleep improvement device that provides a sleep improvement plan based on a user's individual lifestyle improvement for improving the sleep state based on the user's biosignals.
図1に、本発明の実施の形態として示す空気圧振動発生装置の処理をブロックとして表した構成を示している。すなわち、空気圧振動発生装置は、スピーカ10と、スピーカ10に与えるパラメータを設定するパラメータ設定部20と、スピーカ10を制御するスピーカ制御部30と、スピーカ10から発生された空気圧振動を伝達する伝達チューブ40と、伝達チューブ40を介して伝達された空気圧振動を検出して電気信号に変換するセンサ/信号変換部50と、このセンサ/信号変換部50から出力された電気信号を増幅してデジタル信号に変換するアンプ/ADC60と、このアンプ/ADC60から出力されたデジタル信号に基づく表示を行う表示部70とを備える。
FIG. 1 shows a configuration in which processing of a pneumatic vibration generator shown as an embodiment of the present invention is expressed as blocks. That is, the pneumatic vibration generator includes a
なお、これら各部のうち、少なくとも、パラメータ設定部20、スピーカ制御部30及び表示部70は、例えば、信号処理を行うコンピュータにおけるCPU(Central Processing Unit)やメモリなどのハードウェアを用いて実行可能なプログラムとして実装したり、コンピュータに装着可能な拡張ボードに搭載されたDSP(Digital Processing Unit)などの専用プロセッサを用いて実装したりすることができる。
Among these units, at least the
スピーカ10は、内部の空間に振動板10aなどを有する通常のスピーカである。スピーカ10は、市販されている任意のスピーカを用いて構成されることができる。スピーカ10の音放出面となる前面側には、アクリル樹脂板10bが設けられている。すなわち、スピーカ10は、このアクリル樹脂板10bによって内部の空間が密閉された構成とされる。スピーカ10は、スピーカ30の制御のもとに、設定された周波数及び振幅の空気圧振動を発生させる。
The
パラメータ設定部20は、例えばユーザが操作するパーソナルコンピュータなどを用いて構成され、ユーザの操作のもとに、スピーカ10から発生させる空気圧振動のパラメータ、具体的には任意の周波数及び振幅を設定する装置である。なお、人間の呼吸信号は、一般に、0.2~0.5Hzであり、心拍信号は、5±3Hzである。したがって、パラメータ設定部20は、周波数として、この範囲の信号を設定可能であればよい。このパラメータ設定部20によって設定された周波数及び振幅情報は、スピーカ制御部30に供給される。
The
スピーカ制御部30は、パラメータ設定部20から供給された周波数及び振幅情報に基づいて、スピーカ10を制御し、スピーカ10から設定された周波数及び振幅の空気圧振動を発生させる。
The
伝達チューブ40は、スピーカ10から発生された空気圧振動を伝達する媒体であり、空気圧振動の圧力変動範囲に対応して内部の圧力が変動するように適度な弾力を有するものを使用する。また、伝達チューブ40としては、圧力変化を適切な応答速度で後段に伝達するために、チューブの中空部の容積を適切に選択する必要がある。伝達チューブ40が適度な弾性と中空部容積とを同時に満足できない場合には、伝達チューブ40の中空部に適切な太さの芯線をチューブ長さ全体にわたって装填し、中空部の容積を適切にとることができる。
The
センサ/信号変換部50は、伝達チューブ40を介して伝達された空気圧振動の微小な圧力の変動を検出するセンサと、空気圧振動を電気信号に変換する信号変換部とを有する。本実施の形態においては、センサ/信号変換部50のセンサとして、低周波用のコンデンサマイクロフォンタイプのものを使用するが、これに限定されるものではなく、適切な分解能とダイナミックレンジとを有するものであればよい。本実施の形態において使用した低周波用のコンデンサマイクロフォンは、一般の音響用マイクロフォンが低周波領域に対して配慮されていないのに引き替え、受圧面の後方にチャンバーを設けることによって低周波領域の特性を大幅に向上させたものであり、伝達チューブ40内の微小圧力変動を検出するのに好適なものである。また、このコンデンサマイクロフォンは、微小な差圧を計測するのに優れており、0.2Paの分解能と約50Paのダイナミックレンジとを有し、通常使用されるセラミックを利用した微差圧センサと比較して数倍の性能を持つものであり、空気圧振動の微小な圧力を検出するのに好適なものであり、微小な振動を高感度に検出することができる。
The sensor/
アンプ/ADC60は、後の処理工程で処理できるように空気圧振動に基づく電気信号を増幅し、さらに、明らかに異常なレベルの信号を除去するなどして適切な信号整形処理を行う。また、アンプ/ADC60は、増幅したアナログ電気信号をデジタル信号に変換するアナログ-デジタル変換器(ADC)も有する。このアンプ/ADC60によって生成されたデジタル信号は、図示しない所定のフィルタ部に供給される。このフィルタ部は、デジタル信号から不要な信号をバンドパスフィルタなどによって除去することにより、人間の心拍信号や呼吸信号に相当する信号を抽出する。このようなアンプ/ADC60から出力されたデジタル信号は、表示部70に供給される。
The amplifier/
表示部70は、例えばユーザが操作するパーソナルコンピュータなどを用いて構成され、ユーザの操作のもとに、アンプ/ADC60から出力されたデジタル信号に基づく表示を行う。例えば、表示部70は、人間の心拍信号や呼吸信号に相当する信号の時系列波形や、その周波数及び振幅値などを表示する。なお、この表示部70に表示される情報は、例えばハードディスクなどの図示しない記録装置に記録されることができる。
The
このような空気圧振動発生装置は、ユーザによって設定された周波数及び振幅の空気圧振動をスピーカ10の内部の密閉空間において発生させ、これを電気信号に変換して生体信号の模擬信号として記録することにより、例えば特許文献1乃至特許文献3に記載されているような人間の生体信号を検出して睡眠に関する情報を取得する生体信号検出装置の校正装置として利用される。
Such a pneumatic vibration generator generates pneumatic vibration with a frequency and amplitude set by the user in a closed space inside the
ここで、校正の対象となる生体信号検出装置の例について説明する。 Here, an example of a biological signal detection device to be calibrated will be described.
図2に、生体信号検出装置の処理をブロックとして表した構成を示し、図3に、図2において矢視方向からみたときの一部断面図を示している。すなわち、生体信号検出装置は、寝台121上に横臥している利用者の生体信号を検出する生体信号検出部1と、この生体信号検出部1によって検出された生体信号を増幅する信号増幅部2と、この信号増幅部2によって増幅された生体信号に対してフィルタリング処理を施すフィルタ部3と、このフィルタ部3を通過した生体信号に基づいて各種処理を行う処理部4とを備える。
FIG. 2 shows a block diagram of the processing of the biological signal detection device, and FIG. 3 shows a partial cross-sectional view of FIG. 2 as seen from the arrow direction. That is, the biosignal detection apparatus includes a
生体信号検出部1は、利用者の微細な生体信号を検出する無侵襲且つ無拘束センサである。具体的には、生体信号検出部1は、圧力検出チューブ1aと、この圧力検出チューブ1aの内部に収容されている空気の微小な圧力変動を検出するセンサである微差圧センサ1bとから構成され、無侵襲且つ無拘束な生体信号の検出手段を構成している。
The
圧力検出チューブ1aとしては、生体信号の圧力変動範囲に対応して内部の圧力が変動するように適度な弾力を有するものを使用する。また、圧力検出チューブ1aとしては、圧力変化を適切な応答速度で微差圧センサ1bに伝達するために、チューブの中空部の容積を適切に選択する必要がある。圧力検出チューブ1aが適度な弾性と中空部容積とを同時に満足できない場合には、圧力検出チューブ1aの中空部に適切な太さの芯線をチューブ長さ全体にわたって装填し、中空部の容積を適切にとることができる。すなわち、この圧力検出チューブ1aは、伝達チューブ40に相当する。
As the
このような圧力検出チューブ1aは、寝台121上に敷設された硬質シート122上に配置される。生体信号検出装置においては、硬質シート122上に弾性を有するクッションシート123が敷設されており、圧力検出チューブ1aの上に利用者が横臥することになる。なお、圧力検出チューブ1aは、クッションシート123などに組み込んだ構成とすることにより、圧力検出チューブ1aの位置を安定させる構造としてもよい。
Such a
微差圧センサ1bは、微小な圧力の変動を検出するセンサである。本実施の形態においては、微差圧センサ1bとして、上述したセンサ/信号変換部50のセンサと同様に、低周波用のコンデンサマイクロフォンタイプのものを使用するが、これに限定されるものではなく、適切な分解能とダイナミックレンジとを有するものであればよい。
The
本実施の形態においては、一方が利用者の胸部の部位の生体信号を検出し、他方が利用者の臀部の部位を検出するように、2組の圧力検出チューブ1aが設けられており、利用者の就寝の姿勢にかかわらず生体信号を検出するように構成されている。なお、生体信号検出装置においては、胸部の部位又は臀部の部位の一方のみに圧力検出チューブ1aを配置する構成としてもよい。このような生体信号検出部1によって検出された生体信号は、信号増幅部2に供給される。生体信号検出装置は、このような無侵襲且つ無拘束で生体信号を検出する構成とすることにより、日常生活において容易に使用することができ、特に高齢者の使用に極めて好適である。
In this embodiment, two sets of
信号増幅部2は、後の処理工程で処理できるように生体信号検出部1によって検出された信号を増幅し、さらに、明らかに異常なレベルの信号を除去するなどして適切な信号整形処理を行う。この信号増幅部2によって増幅された生体信号は、フィルタ部3に供給される。
A
フィルタ部3は、信号増幅部2によって増幅された生体信号から不要な信号をバンドパスフィルタなどによって除去することにより、心拍信号を抽出する。すなわち、生体信号検出部1によって検出された生体信号は、人体から発する様々な振動が混ざり合った信号であり、その中に心拍信号の他、寝返りなどによる体動信号などの様々な信号が含まれている。このうち、心拍信号は、心臓のポンプ機能に基づく圧力の変化(すなわち血圧)が振動となって生体信号に含まれるものである。生体信号検出装置においては、これをフィルタ部3によって抽出することにより、心拍信号として認識する。このフィルタ部3を通過した心拍信号は、処理部4に供給される。なお、心拍信号のサンプル周期は、4ミリ秒としている。
The
処理部4は、生体信号検出装置の用途に応じた各種処理を行う。例えば、処理部4は、心拍信号に基づいて、いわゆる睡眠ポリソムノグラフ(PSG)による国際睡眠深度判定基準による睡眠段階(覚醒、レム睡眠、浅い睡眠、深い睡眠)を判定する。この処理部4は、例えば、CPUやメモリなどのハードウェアを用いて実行可能なプログラムとして実装したり、コンピュータに装着可能な拡張ボードに搭載されたDSPなどの専用プロセッサを用いて実装したりすることができる。
The
つぎに、上述した空気圧振動発生装置の検証結果について説明する。検証方法として、空気圧振動発生装置によって実際に空気圧振動を発生させたときに得られた信号波形と、校正対象である生体信号検出装置によって実際に人体測定を行って得られた信号波形との相互相関を求めた。生体信号検出装置としては、本特許出願人が製造販売するSP38-Mを用いた。 Next, verification results of the pneumatic vibration generator described above will be described. As a verification method, the correlation between the signal waveform obtained when actually generating pneumatic vibration with the pneumatic vibration generator and the signal waveform obtained by actually measuring the human body with the biosignal detection device to be calibrated was examined. A correlation was sought. SP38-M manufactured and sold by the applicant of the present patent was used as a biological signal detection device.
図4に、空気圧振動発生装置による信号波形を示す。この例では、心拍信号及び呼吸信号に相当する周波数及び振幅の設定値と実測値との相互相関係数r及びP値が、それぞれ、r>0.9、P値<0.01となり、高い相互相関を呈した。したがって、この空気圧振動発生装置の有効性が検証された。 FIG. 4 shows signal waveforms from the pneumatic vibration generator. In this example, the cross-correlation coefficients r and P values between the set values and the measured values of the frequency and amplitude corresponding to the heartbeat signal and the respiration signal are r>0.9 and P value<0.01, respectively, which are high. exhibited cross-correlation. Therefore, the effectiveness of this pneumatic vibration generator was verified.
このような空気圧振動発生装置は、既存のスピーカを利用した簡便且つ低コストの構成のもとに、設定した周波数及び振幅の空気圧振動を発生させることができ、この空気圧振動に基づく電気信号を生体信号の模擬信号として利用することにより、生体信号検出装置の校正装置として極めて有効に使用可能である。 Such a pneumatic vibration generator can generate pneumatic vibration with a set frequency and amplitude based on a simple and low-cost configuration using an existing speaker. By using it as a simulated signal, it can be used very effectively as a calibration device for a biological signal detection device.
なお、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。 Needless to say, the present invention can be modified as appropriate without departing from the gist thereof.
1 生体信号検出部
1a 圧力検出チューブ
1b 微差圧センサ
2 信号増幅部
3 フィルタ部
4 処理部
10 スピーカ
10a 振動板
10b アクリル樹脂板
20 パラメータ設定部
30 スピーカ制御部
40 伝達チューブ
50 センサ/信号変換部
60 アンプ/ADC
70 表示部
70 display
Claims (2)
音放出面を密閉したスピーカと、
前記スピーカに与えるパラメータとして周波数及び振幅を設定するパラメータ設定手段と、
前記パラメータ設定手段によって設定された周波数及び振幅に基づいて前記スピーカを制御し、前記スピーカから前記設定された周波数及び振幅の空気圧振動を発生させるスピーカ制御手段と、
前記スピーカから発生された空気圧振動を伝達する伝達チューブと、
前記伝達チューブを介して伝達された空気圧振動を検出して電気信号に変換するセンサ/信号変換手段とを備え、
前記センサ/信号変換手段によって変換された前記電気信号を生体信号の模擬信号として利用することにより、生体信号検出装置の校正装置として使用されること
を特徴とする空気圧振動発生装置。 A pneumatic vibration generator that generates pneumatic vibration with a set frequency and amplitude,
a speaker whose sound emitting surface is sealed;
parameter setting means for setting frequency and amplitude as parameters to be given to the speaker;
speaker control means for controlling the speaker based on the frequency and amplitude set by the parameter setting means to generate pneumatic vibration of the set frequency and amplitude from the speaker;
a transmission tube for transmitting pneumatic vibrations generated from the speaker;
a sensor/signal conversion means for detecting the pneumatic vibration transmitted through the transmission tube and converting it into an electric signal;
A pneumatic vibration generator, wherein the electrical signal converted by the sensor/signal conversion means is used as a simulated signal of a biosignal to calibrate a biosignal detector.
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