JP2023089194A - Biological sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体センサに関し、特に、光技術を用いて生体の状態を測定する生体センサの技術分野に関する。 The present invention relates to biosensors, and more particularly to the technical field of biosensors that measure the state of a living body using optical technology.
この種の装置として、例えば、酸素飽和度と発揮筋力との相関関係を示す相関テーブルから、推定された被験者の筋肉の血中の酸素飽和度の最小値に対応する発揮筋力を発揮する装置が提案されている(特許文献1参照)。 As this type of device, for example, there is a device that exerts exerted muscle strength corresponding to the minimum value of blood oxygen saturation in the muscles of the subject estimated from a correlation table showing the correlation between oxygen saturation and exerted muscle strength. proposed (see Patent Document 1).
或いは、装着バンドにより被験者の腕に固定される装置であって、筋肉の収縮状態に応じて変化する押し部材を有し、該押し部材の移動変位に対応した検出信号を出力する装置が提案されている(特許文献2参照)。 Alternatively, there has been proposed a device that is fixed to the subject's arm by a wearing band, has a pressing member that changes according to the contraction state of the muscles, and outputs a detection signal corresponding to the movement displacement of the pressing member. (see Patent Document 2).
特許文献1に記載の技術では、一定期間の筋収縮により低下する(即ち、変化が現れる)酸素飽和度をモニタリングしているため、瞬間的な筋肉の収縮を検出することができないという技術的問題点がある。特許文献2に記載の技術では、装着バンドが被験者の腕に巻きつけられるので、例えば主動筋の動きと拮抗筋の動きとが合わさった収縮が検出され、個々の筋肉の収縮を検出することができないという技術的問題点がある。 The technique described in Patent Document 1 monitors the oxygen saturation that decreases (that is, changes appear) due to muscle contraction for a certain period of time, so there is a technical problem that instantaneous muscle contraction cannot be detected. there is a point In the technique described in Patent Document 2, since the wearing band is wrapped around the subject's arm, for example, the contraction that combines the movement of the agonist muscle and the movement of the antagonist muscle is detected, and the contraction of each muscle can be detected. There is a technical problem that it is not possible.
また、体表面の電位を計測する筋電計は、センサの取り付けに手間と注意が必要であり、加えて、微弱電位を検出するための高精度な検出回路が必要であるという技術的問題点がある。 In addition, electromyography, which measures the potential of the body surface, requires time and care to install the sensor, and in addition, there are technical problems in that a highly accurate detection circuit is required to detect the weak potential. There is
本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、個々の筋肉の動作を検出でき、取り付けや構成が簡便な生体センサを提供することを課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a biosensor that can detect movements of individual muscles and that is easy to attach and configure.
本発明の生体センサは、上記課題を解決するために、被検体としての生体に装着される生体センサであって、前記生体に対して光を照射する発光部と、少なくとも前記生体の一の部位の筋肉からの戻り光を受光する受光部と、前記受光された戻り光に応じた前記受光部からの検出信号に基づいて、前記一の部位の筋肉の変形に関する情報を出力する出力部と、を備える。 In order to solve the above problems, the biosensor of the present invention is a biosensor worn on a living body as a subject, comprising: a light-receiving unit for receiving return light from the muscles of the body, an output unit for outputting information on deformation of the muscle at the one part based on a detection signal from the light-receiving unit corresponding to the received return light; Prepare.
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。 The operation and other advantages of the present invention will become apparent from the detailed description that follows.
本発明の生体センサに係る実施形態を説明する。 An embodiment of the biosensor of the present invention will be described.
実施形態に係る生体センサは、被検体としての生体に装着される生体センサであって、該生体に対して光を照射する発光部と、少なくとも生体の一の部位の筋肉からの戻り光を受光する受光部と、該受光された戻り光に応じた前記受光部からの検出信号に基づいて、一の部位の筋肉の変形に関する情報を出力する出力部と、を備える。 A biosensor according to an embodiment is a biosensor that is attached to a living body as a subject, and includes a light emitting unit that irradiates light to the living body and receives light that is returned from at least one part of the muscle of the living body. and an output unit for outputting information on deformation of a muscle in one region based on a detection signal from the light receiving unit corresponding to the received return light.
当該生体センサは、その使用時に生体に装着される。ここで、生体センサは、例えばバンド等の専用の装着部材によって生体に装着されてもよいし、例えば医療用の紙テープ等によって生体に装着されてもよい。 The biosensor is attached to a living body when used. Here, the biosensor may be attached to the living body by a dedicated attaching member such as a band, or may be attached to the living body by a medical paper tape or the like.
発光部は、波長が、例えば660μm~940μmの光(赤色光~赤外光)等を出射する。尚、発光部から出射される光の波長は、上記の波長に限らず、例えば測定対象に応じて適宜設定されてよい。受光部は、少なくとも生体の一の部位の筋肉からの戻り光を受光する。 The light emitting unit emits light (red light to infrared light) having a wavelength of, for example, 660 μm to 940 μm. Incidentally, the wavelength of the light emitted from the light emitting unit is not limited to the wavelength described above, and may be appropriately set according to, for example, the object to be measured. The light-receiving unit receives return light from at least one part of the muscle of the living body.
例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる出力部は、受光部からの検出信号に基づいて、一の部位の筋肉の変形に関する情報を出力する。 For example, an output unit including a memory, a processor, etc. outputs information on deformation of a muscle in one region based on the detection signal from the light receiving unit.
具体的には、一の部位の筋肉が収縮すると、該筋肉が伸長している場合(弛緩時)に比べて、発光部及び受光部間の物理的な距離が縮まると共に、筋肉圧が増加する。この結果、一の部位の筋肉の収縮時には、該筋肉の伸長時に比べて受光部により受光される戻り光の量が増加する(つまり、検出信号の信号レベルが上がる)。 Specifically, when the muscle of one part contracts, the physical distance between the light emitting part and the light receiving part is shortened and the muscle pressure increases compared to when the muscle is stretched (at the time of relaxation). . As a result, the amount of return light received by the light-receiving unit increases (that is, the signal level of the detection signal increases) when the muscle of one region contracts compared to when the muscle expands.
従って、出力部は、例えば検出信号の信号レベルを示す情報を、一の部位の筋肉の変形に関する情報として出力する。 Therefore, the output unit outputs, for example, information indicating the signal level of the detection signal as information on deformation of the muscle of the one part.
本実施形態に係る生体センサによれば、一の部位の筋肉からの戻り光に基づいて、該筋肉の変形に関する情報が出力されるので、一の部位の筋肉の瞬間的な変化をも検出可能である。加えて、受光部は、当該生体センサに最も近い筋肉(ここでは、一の部位の筋肉)からの戻り光を最も多く受光するので、該受光部からの検出信号は、当該生体センサに最も近い筋肉の変形の影響が支配的である。つまり、当該生体センサによれば、一の部位の筋肉の変形のみを検出することができる。 According to the biosensor according to the present embodiment, information regarding the deformation of a muscle of one part is output based on the return light from the muscle of one part, so it is possible to detect an instantaneous change in the muscle of one part. is. In addition, since the light-receiving part receives most of the return light from the muscle closest to the biosensor (here, the muscle of one part), the detection signal from the light-receiving part is the closest to the biosensor. The effect of muscle deformation is dominant. That is, according to the biosensor, it is possible to detect only the deformation of the muscle at one site.
更に、当該生体センサは、筋肉の変形を光学的に検出するため、体表面の微弱電位を測定する筋電計に比べて、構成を簡便にすることができると共に、取り扱いを容易にすることができる。 Furthermore, since the biosensor optically detects the deformation of the muscle, compared to an electromyograph that measures the weak potential of the body surface, the biosensor can be simpler in configuration and easier to handle. can.
本実施形態に係る生体センサの一態様では、出力部は、検出信号の信号レベルの増加を、一の部位の筋肉の収縮と判定する。 In one aspect of the biosensor according to the present embodiment, the output unit determines that an increase in the signal level of the detection signal is contraction of the muscle of the one part.
この態様によれば、比較的容易にして、一の部位の筋肉の変形を検出することができ、実用上非常に有利である。 According to this aspect, it is possible to relatively easily detect the deformation of the muscle at one site, which is extremely advantageous in practice.
本実施形態に係る生体センサの他の態様では、発光部及び受光部は、柔軟性を有する部材上に配置されている。 In another aspect of the biosensor according to this embodiment, the light emitting section and the light receiving section are arranged on a flexible member.
この態様によれば、部材上における発光部及び受光部間の距離を一定に保つことができるので、当該生体センサによる測定結果に再現性を持たせることができると共に、当該生体センサを生体に容易に取り付けることができる。 According to this aspect, since the distance between the light-emitting portion and the light-receiving portion on the member can be kept constant, the measurement results obtained by the biosensor can be reproducible, and the biosensor can be easily attached to the living body. can be attached to
本実施形態に係る生体センサの他の態様では、検出信号に含まれる所定周期より長い周期を有する信号成分を減衰させる減衰手段を更に備える。 In another aspect of the biosensor according to this embodiment, the biosensor further comprises attenuation means for attenuating a signal component having a period longer than a predetermined period and included in the detection signal.
検出信号には、例えば心拍出量の変化等の生理反応の影響が含まれることが、本願発明者の研究により判明している。検出信号に含まれる生理反応の影響(即ち、信号の生理反応に係る成分)は、筋肉の変化に起因する検出信号の変動周期に比べて長い。 Research by the inventors of the present application has revealed that the detection signal includes the influence of a physiological response such as a change in cardiac output. The influence of the physiological response contained in the detection signal (that is, the component related to the physiological response of the signal) is longer than the fluctuation period of the detection signal caused by muscle changes.
そこで本実施形態では、減衰手段により、検出信号に含まれる所定周期より長い周期を有する信号成分が減衰される。従って、この態様によれば、一の部位の筋肉の変形を好適に検出することができる。 Therefore, in this embodiment, the attenuation means attenuates the signal component that is included in the detection signal and has a period longer than a predetermined period. Therefore, according to this aspect, it is possible to suitably detect the deformation of the muscle at one site.
本発明の生体センサに係る実施例を、図面に基づいて説明する。尚、以下の実施例では、被検体が自転車のペダリングをしているものとする。 An embodiment of the biosensor of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following examples, it is assumed that the subject is pedaling a bicycle.
実施例に係る生体センサの構成について、図1を参照して説明する。図1は、実施例に係る生体センサの概要を示すブロック図である。 A configuration of a biosensor according to an embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing an overview of a biosensor according to an embodiment.
図1(a)において、生体センサ100は、発光部11、受光部12、演算部13及び表示部14を備えて構成されている。
In FIG. 1A, the
発光部11は、例えばLED(Light Emitting Diode)等の発光素子を有している。発光部11から出射される光の波長は、例えば測定対象に応じて適宜設定されてよい。
The
受光部12は、例えばPD(Photodioe)等の受光素子を有している。発光部12は、被検体としての生体の測定対象の筋肉からの戻り光を、少なくとも受光する。ここで、「戻り光」は、典型的には、生体により散乱又は反射された光を意味する。受光部12は、本発明に係る「受光された戻り光に応じた検出信号」としての、生体信号を出力する。
The
演算部13は、図1(b)に示すように、バンドパスフィルタ131及び正規化部132を備えて構成されている。演算部13の動作の詳細については後述する。
The
ここで、当該生体センサ100の計測原理について、図2を参照して説明する。図2は、実施例に係る生体センサの計測原理を説明するための図である。
Here, the measurement principle of the
図2において、先ず、生体センサ100の発光部11及び受光部12各々は、被検体の測定対象の筋肉を含む部位に装着されている。尚、発光部11及び受光部12各々は、被検体の皮膚に、直接又はジェルやクリームを介して、装着されなくてもよく、例えば肌に密着する服等、測定対象の筋肉の動きが現れるような服であれば着衣の上から装着されてよい。
In FIG. 2, first, each of the
発光部11及び受光部12各々は、図2(a)に示すように、フレキシブルな部材上に配置されていることが望ましい(尚、図2(b)では、説明の便宜上、フレキシブル部材を図示していない)。しかしながら、発光部11及び受光部12各々は、フレキシブル部材上に配置されていなくともよい。尚、実施例に係る「フレキシブル部材」は、本発明に係る「柔軟性を有する部材」の一例である。
Each of the
さて、筋肉は収縮するとき、ミオシンフィラメントがアクチンフィラメントを近接中央に引き込み、ミオシンフィラメント及びアクチンフィラメントが互いに深く重なるため、筋肉の弛緩状態と比較すると、筋繊維が密集し筋肉全体は丸みを帯びた形状へと変化する(図2(b)参照)。 Now, when a muscle contracts, the myosin filaments draw the actin filaments closer to the center, and the myosin filaments and the actin filaments overlap deeply with each other. shape (see FIG. 2(b)).
筋肉が収縮すると、図2に示すように、発光部11及び受光部12が互いに近づくと共に、発光部11の発光面の法線と受光部12の受光面の法線とが互いに成す角が変化する(図2では、“θ1”から“θ2”へ変化する)。この結果、発光部11から受光部12までの光学的な距離が縮まる。従って、発光部11から出射され、測定対象の筋肉で散乱又は反射された光のうち、受光部12へ入射する光の量が増加する。
When the muscles contract, as shown in FIG. 2, the
加えて、筋肉の収縮時には筋内圧が上昇し活動筋への血流が制限されるので、筋肉の弛緩時に比べて血液に吸収される光量が低減する。このため、筋肉の収縮時には、測定対象の筋肉で散乱又は反射される光の量が増加する。 In addition, intramuscular pressure rises during muscle contraction, restricting blood flow to active muscles, so the amount of light absorbed by the blood is reduced compared to when the muscles are relaxed. Therefore, when the muscle contracts, the amount of light scattered or reflected by the muscle being measured increases.
つまり、受光部12により検出される光量(即ち、出力される生体信号の信号レベル)と、測定対象の筋肉の変化とは相関を持つこととなる。 In other words, there is a correlation between the amount of light detected by the light receiving unit 12 (that is, the signal level of the biological signal to be output) and the change in the muscle to be measured.
被検体が自転車のペダリングをしている場合、該被検体の脚の筋肉は、周期的に収縮と弛緩とを繰り返す。生体センサ100が、被検体の脚に装着されている場合、受光部12から出力される生体信号は、例えば図3に示すように、ペダリングに同期した周期を有することとなる。
When a subject is pedaling a bicycle, the subject's leg muscles contract and relax cyclically. When the
ところで、生体信号には、例えば心拍出量の変化等の生理反応の影響が含まれる。具体的には、図4(a)に示すように、生理反応に起因して、生体信号全体が比較的長い周期で上下に変動する。尚、図4に示した生体信号は、約10分間にわたる変動を示している。 By the way, biological signals include the influence of physiological reactions such as changes in cardiac output. Specifically, as shown in FIG. 4(a), the biosignal as a whole fluctuates up and down in a relatively long cycle due to physiological reactions. It should be noted that the biomedical signals shown in FIG. 4 show fluctuations over about 10 minutes.
そこで本実施例では、演算部13のバンドパスフィルタ131(図1(b)参照)により、生体信号に含まれる生理反応に起因する成分を減衰させている。この結果、バンドパスフィルタ131から出力される信号は、図4(b)のようになる。
Therefore, in this embodiment, the band-pass filter 131 (see FIG. 1(b)) of the
バンドパスフィルタ131から出力されたフィルタリング後の信号は、正規化部132(図1(b)参照)により正規化される。具体的には、正規化部132は、フィルタリング後の信号の信号振幅の最大値を筋肉の最大収縮状態、信号振幅の最小値を筋肉の非収縮状態として、フィルタリング後の信号を正規化する。
The filtered signal output from the
続いて、正規化部132は、例えば、正規化後の信号の最大値を筋肉の収縮率100%、該正規化後の信号の最小値を筋肉の収縮率0%として、筋肉の収縮率の時間変動を示す情報を出力する。尚、実施例に係る「筋肉の収縮率の時間変動を示す情報」は、本発明に係る「一の部位の筋肉の変形に関する情報」の一例である。
Subsequently, for example, the
本実施例では、被検体がペダリングしている自転車のクランク角が、クランク角センサ20(例えば、ペダリングモニタ)により検出される。当該生体センサ100の表示部14は、クランク角センサ20により検出されたクランク角を利用し、例えば、演算部13から出力された筋肉の収縮率の時間変動を示す情報と、クランク角とを対応付けて表示する(図5参照)。
In this embodiment, the crank angle of the bicycle on which the subject is pedaling is detected by a crank angle sensor 20 (for example, a pedaling monitor). The
このように表示すれば、ペダリング時の筋収縮率の推移を、被検体等が知ることができ、実用上非常に有利である。 Such a display allows the subject or the like to know the transition of the muscle contraction rate during pedaling, which is extremely advantageous in practice.
また、当該生体センサ100は、一対の発光部11及び受光部12に限らず、複数対の発光部及び受光部を備えていてよい。このように構成すれば、例えば自転車のペダリング動作に用いられる、大腿直筋(太もも前部)、大腿ニ頭筋(ハムストリングス外側)、大殿筋(尻部)、半腱様筋(ハムストリングス内側)、前脛骨筋(ふくらはぎ前部)、腓腹筋(ふくらはぎ後部)等の複数の筋肉各々の収縮率の推移を検出することができる(図6参照)。
Moreover, the
この結果、例えば、ペダリング時の筋肉の使い分けの評価、意図しないエキセントリックコントラクション(伸長性筋収縮)の検出、等を行うことができ、実用上非常に有利である。 As a result, for example, evaluation of proper use of muscles during pedaling, detection of unintended eccentric contraction (elongation muscle contraction), etc. can be performed, which is extremely advantageous in practice.
(本実施例の効果)
筋肉の動作状態を評価可能な技術のうち最も実用的なものとして筋電計が挙げられる。そこで、本実施例に係る生体センサ100の計測結果と、筋電計による計測結果とを、図7を参照して比較する。図7に示したグラフは、いずれも一周期分(即ち、クランク角360度分)の筋収縮率の変動を示している。
(Effect of this embodiment)
Electromyography is one of the most practical technologies that can assess the working state of muscles. Therefore, the measurement result of the
筋電計の原理についての説明は割愛するが、筋電計は、脳からの筋肉を収縮させる指令に起因する活動電位を検出している。これに対し、当該生体センサ100は、上述の如く、光学的に筋肉の変化を検出している。言い換えれば、当該生体センサ100は、筋肉が変化した結果を検出している。このように、筋電計と当該生体センサ100とは、その計測原理が互いに異なるが、図7に示すように、各筋肉についての計測結果は、類似性が非常に高い。
Although the explanation of the principle of the electromyography is omitted, the electromyography detects action potentials caused by commands from the brain to contract muscles. On the other hand, the
従って、当該生体センサ100による計測結果は妥当なものであると共に、筋電計と同程度の計測精度を有しているといえる。つまり、当該生体センサ100は、筋電計と同様に、瞬間的な筋肉の変化を、筋肉毎に、高精度に計測することができる。
Therefore, it can be said that the measurement result by the
但し、筋電計は筋肉の活動電位を測定するため、例えばアイソメトリック収縮のように筋肉の変形を伴わない筋収縮も計測可能である。他方、当該生体センサ100は、筋肉の変化に起因する受光量の変化から、筋収縮を計測しているため、筋肉の変形を伴わない筋収縮は計測できない。
However, since the electromyograph measures action potentials of muscles, it is possible to measure muscle contractions that do not involve muscle deformation, such as isometric contractions. On the other hand, the
ここで特に、当該生体センサ100は、発光部11及び受光部12を、測定対象の筋肉を含む部位に物理的に固定できれば、該筋肉の変化を測定可能であり、その取扱いが非常に容易である。加えて、当該生体センサ100は、被検体の動作する速度(例えば、10Hz以下)程度の信号を検出可能であればよいので、例えば回路構成等を簡素化し、小型化を図ることができる。このため、当該生体センサ100は、例えばスポーツ分野等、積極的に筋肉を動かす分野において、好適に筋肉の状態を計測することができる。
In particular, if the light-emitting
尚、本実施例では、自転車のペダリングを一例として挙げたが、例えばジョギングやランニング等、比較的単純な周期運動であれば、当該生体センサ100は、図5乃至図7に示したような測定結果を表示することができる。
In the present embodiment, pedaling of a bicycle is taken as an example, but in the case of relatively simple periodic exercise such as jogging or running, the
実施例に係る「演算部13」及び「バンドパスフィルタ131」は、夫々、本発明に係る「出力部」及び「減衰手段」の一例である。
The "
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う生体センサもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified as appropriate within a range that does not contradict the gist or idea of the invention that can be read from the scope of claims and the entire specification. It is included in the technical scope of the present invention.
11…発光部、12…受光部、13…演算部、14…表示部、20…クランク角センサ、100…生体センサ、131…バンドパスフィルタ、132…正規化部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記生体に対して光を照射する発光部と、
少なくとも前記生体の一の部位の筋肉からの戻り光を受光する受光部と、
前記受光された戻り光に応じた前記受光部からの検出信号に基づいて、前記一の部位の筋肉の変形に関する情報を出力する出力部と、
を備えることを特徴とする生体センサ。 A biosensor attached to a living body as a subject,
a light emitting unit that irradiates the living body with light;
a light-receiving unit that receives return light from muscles of at least one part of the living body;
an output unit that outputs information about deformation of the muscle of the one part based on a detection signal from the light receiving unit corresponding to the received return light;
A biosensor comprising:
Priority Applications (1)
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