JP3811995B2

JP3811995B2 - 生体モニタリング装置とそれを備えた携帯用保護具

Info

Publication number: JP3811995B2
Application number: JP17325396A
Authority: JP
Inventors: 雅彦松中; 栄一田中; 圭子中西
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1996-07-03
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2016-07-03
Also published as: JPH1014894A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として野外で使用する手袋などの保護具にセンサ及び表示手段を一体化させ、野外での活動を安全に快適に行うことを支援する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冬のジョギングやスキー・スケートなどを楽しむ場合、手袋などの保護具は身体を保護するための必需品である。手袋を装着することによって、寒さや怪我をある程度防ぐことができる。この手袋の特徴を巧みに利用した技術がこれまでにいくつか考案されている。
【０００３】
例えば実公昭６０−４１２１１号公報では、脈波センサーを保温性のある測定用手袋に内蔵し、被測定者がこの測定用手袋を装着することによって指先を保温し、周囲温度の影響を受けることなく正確な脈波測定が行える技術が開示されている。図６において、手袋１内部の指先部分には脈波センサ２が配設され、リード線３を介して測定装置４と接続されている。測定装置４にはディスプレイ５が設けられている。
【０００４】
上記構成において、指尖部より検出された脈波信号はリード線３により測定装置４に送られ波形や単位時間当たりの脈拍数などがディスプレイ５に表示される。手袋を装着することにより周囲温度による影響の除去や、光学的なセンシングにおいては外乱光の除去が可能になる。
【０００５】
実開平４−７０００３号公報でも同様の技術が開示されている。複数の生理反応センサーを手袋に内蔵し測定器とを結ぶ導線を配設したものである。手袋を着用することにより、皮膚温の測定時にも外気温の影響を受けないという利点がある。
【０００６】
一方、手袋などにセンサを内蔵しないで例えば腕時計などからリード線をのばし指尖部に装着するためのセンサ部を設けた構成の技術については非常に多くのものが考案されている。現在の指尖脈波計の市場においてはこの構成の商品が一般的である。利用者は、腕時計を装着しリード線でつながったセンサ部を指に固定する。腕時計のディスプレイ部には単位時間当たりの脈拍数が表示される仕組みである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
現在市販されている腕時計型脈波センサは、通常の腕時計としても利用可能であり用途の広い技術であるといえる。しかしながら、冬期の屋外スポーツにおいて手袋などを着用しようとしたときに指尖部のセンサのために装着が困難であるという課題を有していた。
【０００８】
また、通常の着脱の際にも腕時計とセンサ部の両方を順に着脱しなければならず、利用者にとって手間がかかるという課題があった。
【０００９】
また仮に大きめの手袋によって装着ができても、例えばスキー用の手袋のように手首までが覆われる型のものでは腕時計の表示部はほぼ完全に隠れてしまい、表示部を確認しようとするたびに手首の保護部分を捲らねばならず大変使いづらいという課題を有していた。
【００１０】
そして、手袋を利用してセンサを装着するものについてはリード線を介して外部にある測定器に接続をしなければならないため、スポーツなど屋外での形態利用には不向きであるという課題を有していた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、生体信号を検出する生体信号検出手段と、前記生体信号検出手段が検出した生体信号をカオス処理しカオス指標を算出する演算手段と、前記演算手段の演算結果に基づいて利用者の心身への負荷量を判定する判定手段と、前記判定手段による判定結果を表示する表示手段とを備え、前記判定手段はカオス指標としてリアプノフ指数の単位時間あたりの平均変化率をもとに判定することを特徴としたものである。
【００１２】
上記発明によれば、生体信号検知手段が検知した情報よりカオス指標であるリアプノフ指数を演算し、単位時間あたりの平均変化率をもとに生体の負荷などをモニターできることにより過労による事故の発生を低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、生体信号を検出する生体信号検出手段と、前記生体信号検出手段が検出した生体信号をカオス処理しカオス指標を算出する演算手段と、前記演算手段の演算結果に基づいて利用者の心身への負荷量を判定する判定手段と、前記判定手段による判定結果を表示する表示手段と、前記判定手段による判定結果を表示する表示手段とを備え、前記判定手段はカオス指標としてリアプノフ指数の単位時間あたりの平均変化率をもとに判定することを特徴としたものである。
【００１４】
そして、生体信号検知手段が検知した情報よりカオス指標であるリアプノフ指数を演算し、変化率をもとに判定した結果をもとに生体の負荷などをモニターできることにより過労による事故の発生を低減することができる。また、カオス指標を用いることにより生体の状態をより高い精度でモニタリングすることができる。
【００１５】
さらに、演算手段による演算結果を記憶する記憶手段を備え、判定手段は前記記憶手段に記憶された演算結果の時間的な変化に基づいて利用者の心身への負荷量を判定することを特徴とするものである。
【００１６】
そして、記憶手段が逐次演算手段の演算結果を記憶することにより生体信号の時系列データが得られ、その変化から利用者に加えられている負荷量が判定でき、利用者に表示することができる。すなわち、記憶手段と判断手段を設け演算結果を逐次記憶手段に格納し判断手段が過去の演算結果の変化率と最新の演算結果の変化率を比較することにより、ストレス負荷による変化をとらえることができるという効果がある。
【００１７】
さらに、計時手段を備え、判定手段が利用者の心身への負荷量を判定する際に前記計時手段からの時刻情報に応じて判定基準を変化させるものである。そして、計時手段が出力する時刻情報に応じて判定手段が判定を行う際に用いる判定基準を変えることにより、ヒトが本来有する生物リズムによりベースラインの変化に対応した判定ができる。すなわち時刻情報に応じて判定手段における判定条件を変更するため、生体リズムを考慮した判定ができるという効果がある。
【００１８】
さらに、計時手段を備え、判定手段が利用者の心身への負荷量を判定する際に前記計時手段からの経過時間情報に応じて判定基準を変化させるものである。
【００１９】
そして、判定手段は計時手段によって単位時間当たりの変化量に関する情報を得ることができるため、心身への負荷のかかり方の急激度を知ることができる。すなわち判定手段は計時手段により単位時間当たりのカオス指標の変化量を知ることができるため、心身への負荷の急激度を明らかにすることができるという効果がある。
【００２０】
さらに、身体の一部を覆う保護手段と、生体信号検出手段を前記保護手段に配設し、前記保護手段の被覆部から生体信号を検出するようにしたものである。
【００２１】
そして、保護手段を例えば手の部分に装着することによって生体信号検出手段より利用者の生体信号が検出され、演算手段が生体情報を指標化し、その結果を保護手段と一体化して設けられた表示手段で表示することにより、手袋などの保護手段を装着するだけで生体信号のモニタリングができる。
【００２２】
または、保護手段が手の甲の部分を保護する場所の表面に表示手段を設けた場合は、腕時計型の表示手段に比べてより広い表示面積を確保することができる。
【００２３】
さらに、身体の一部を覆う保護手段と、前記保護手段に配設され環境情報を検知する環境情報検知手段と、前記保護手段に配設され前記環境情報検知手段によって検知された環境情報を表示する表示手段とを有するものである。
【００２４】
そして、環境情報検知手段が例えば気温や湿度を測定する際、保護手段を介しているために体温等の影響を受けず正確な環境情報を検知することができる。または、環境情報検知手段を保護手段が保護する部分の表面に設けた場合、指で雪面に触れるだけで雪面温度がわかり、スキーなどでのワックスがけといったメンテナンス作業に必要な情報を容易に得ることができる。また、環境情報検出手段が外気や雪温などの情報を検出することにより、保護手段を装着した状態で容易に環境情報を確認できるという効果がある。
【００２５】
さらに、保護手段の身体への装着を検知する装着検知手段を備え、前記装着検知手段が保護手段の身体への装着を検知している間のみ表示手段が作動するものである。そして、利用者が保護手段を装着したことを装着検知手段が検知して通電されるため消費電力を節約することができる。
【００２６】
さらに、光発電手段を備え、前記光発電手段による電力を利用して動作するものである。そして、保護手段の表面上に光発電手段を配設した場合、腕時計などに比べて広い面積を確保できるためより大きな電力を発電でき、必要とされる電力の充分量を供給できる。
【００２７】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２８】
（実施例１）
図１において保護手段６は手袋の形状をしている。保護手段６には生体信号検出手段７、演算手段８、表示手段９が配設されている。このうち表示手段９は保護手段６の外部表面上に構成されている。生体信号検出手段７は、発光ダイオード１０、フォトトランジスタ１１、アンプ１２より構成されている。発光ダイオード１０とフォトトランジスタ１１は、保護手段６が人差し指を保護する部分の内部に向かい合って配設されている。
【００２９】
上記構成において、利用者が保護手段６に手を通すと発光ダイオード１０とフォトトランジスタ１１が人差し指の両側に接する。発光ダイオード１０からの赤色光が指を透過しフォトトランジスタ１１に到達する際、血管を流れる血液中のヘモグロビン量の変化により、その光量が脈拍に同期して変化する。フォトトランジスタ１１からの信号をアンプ１２が増幅することにより利用者の脈波信号を得ることができる。
【００３０】
演算手段８は、生体信号検出手段７が検出した脈波信号から一分当たりの脈拍数を求める。このために一分間、波の数を数えてもよいが、１０秒程度の時間窓を設定してその間の時系列データに対して自己相関関数を用いて基本周波数を求めそこから脈拍数を計算してもよい。脈拍数は表示手段９に表示され、利用者に伝えられる。また、計時手段１３は表示手段９と接続されている。計時手段１３は現在時刻を計時し、表示手段９によって利用者に報知される。
【００３１】
そして、保護手段６の小指を保護する部分の先には環境情報検知手段１４が配設され、表示手段９と接続している。環境情報検知手段１４には例えばサーミスタや熱伝対などの温度検知素子が利用されており、外気の温度を表示手段９上に表示することができる。また、競技スキーなどではスキー板のワックス掛けは勝敗を左右する非常に重要な作業であるが、これには雪温の情報が欠かせない。本発明によれば、指先で雪面に触れるだけで簡単に雪温を確認することもできる。
【００３２】
さらに、演算手段８が行う演算として、脈拍数のカウント以外にカオス指標を用いた演算を行ってもよい。ここでカオス指標とは得られた時系列データの非線形的な振る舞いを定量化する指標である。例えば、心電図や脈波のピーク間の間隔はカオス的な振る舞いをすることが知られている。これを表す指標としては、相関次元・最大リアプノフ指数・ＫＳエントロピーなどがある。
【００３３】
図２に、自動車の長時間運転時の脈拍数と最大リアプノフ指数の変化を示す。運転開始に伴う最大リアプノフ数の減少と休憩後の回復が顕著に認められる。カオス指標であるリアプノフ指数は心拍数に較べて、変化率という点で明確な違いがある。これは、リアプノフ指数が、身体負荷を表す際に解像力という点で優れていることを意味する。
【００３４】
演算手段８は、リアプノフ指数などのカオス指標を求めることによりより正確な判定を実現する。リアプノフ指数を求める手順を以下に示す。
【００３５】
リアプノフ指数とは、時間の経過に伴ってアトラクタ上の近接する点がどの程度離れるかを表す指標で、もととなるデータの将来の予測しにくさを表している。これはカオスの特徴の一つである初期値依存性と深く関わっている。アトラクタとは、ｎ次元空間における系の軌道を表すものもである。心拍間隔など一次元のデータ系列に対しては、
（式１）
Ｘ(t1), Ｘ(t2),・・・・, Ｘ(ti),・・・・
に対して、これをｎ次元相空間に対してＮポイントのデータを埋め込むために以下のようなデータセットを用意する。
（式２）
｛Ｘ(t1),Ｘ(t1+τ),・・・・,Ｘ(t1+(n-1)τ)｝
｛Ｘ(t2),Ｘ(t2+τ),・・・・,Ｘ(t2+(n-1)τ)｝
・・・・・
｛Ｘ(ti),Ｘ(ti+τ),・・・・,Ｘ(ti+(n-1)τ)｝
・・・・・
｛Ｘ(tN), Ｘ(tN+τ),・・・・,Ｘ(tN+(n-1)τ)｝
ここでｉ番目の点を
（式３）
Ｘin＝｛Ｘ(ti),Ｘ(ti+τ),・・・・,Ｘ(ti+(n-1)τ)｝
と表わすことができる。
【００３６】
この様にして得られたアトラクタ上のある点Ｘ(0)を基準としたとき、その軌道上の次の点Ｘ(1)についてベクトルＸ(0)Ｘ(1)に直交し、単位距離だけ離れた点をＹ0（０）とする。Ｘ（０）、Ｙ0（０）についてτ時間経過したときの点を、Ｘ（τ）、Ｙ0（τ）とする。そしてＸ（０）とＹ0（０）の距離をｄ0（０）、Ｘ（τ）とＹ0（τ）の距離をｄ0（τ）とする。このときの２点間の距離のτ時間経過後の拡大（縮小）率は、ｄ0（τ）をｄ0（０）で割ることにより求められる。
【００３７】
次に、Ｘ（τ）とＹ0（τ）と同一方向で単位距離だけ離れた点をＹ1（０）とする。Ｘ（τ）、Ｙ1（０）についてτ時間経過したときの点を、Ｘ（２τ）、Ｙ1（τ）とする。そしてＸ（τ）とＹ1（０）の距離をｄ1（０）、Ｘ（２τ）とＹ1（τ）の距離をｄ1（τ）とする。このときの２点間の距離のτ時間経過後の拡大（縮小）率は、ｄ1（τ）をｄ1（０）で割ることにより求められる。
【００３８】
このステップを繰り返し、各ステップで求められる距離の拡大（縮小）率の平均がリアプノフ指数である。これを一般化すると次のように表すことができる。
【００３９】
【数１】

【００４０】
なお、埋め込み次元が例えば３次元であれば、各次元ごとに計三つのリアプノフ指数が得られるが、そのうち最大のものを特に最大リアプノフ指数という。表示手段９は、最大リアプノフ指数の変化をグラフにより視覚的に利用者に報知する。
【００４１】
なお、生体信号検出手段７や環境情報検出手段１４のセンサ部を配設する部分や保護手段６のいずれの場所であってもよいことは言うまでもない。
【００４２】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の構成を示すブロック図である。図１における保護手段６は図３においては図示を省略しているが、図３に示されるすべてのブロックは保護手段６に配設されているものとする。図３において、記憶手段１５は演算手段８から演算結果を受け取り逐次記録すると共に、判定手段１６から記録したデータを読みとれるように構成されている。また、演算手段８から判定手段１６に対しては最新の演算結果が伝えられるよう構成されている。
【００４３】
上記構成において、判定手段１６は記憶手段１５に記憶された時系列データから単位時間当たりの平均変化率を求める。これはデータ系列を微分してやることによって求めることができる。例えば利用者に急激なストレスが負荷されたときはリアプノフ指数は短時間の間に大きく減少することが予想される。判定手段１６が新しいデータを演算手段８から受け取った時点で、これまでの変化率と大きく異なる傾向を示した場合、このような急激なストレスがかかった可能性があると判断される。運動時などでの急な体調変化は、事故などの原因となりやすい。判定手段１６はこのような急激な変化をあらかじめ設定された閾値を用いて判定し、表示手段９上に警告として出力する。閾値としては、例えば過去の変化率に対して±２０％の差が生じた時を基準とすればよい。また、閾値を複数のレベルに設定して段階別の判定を行ってもよい。
【００４４】
さらに、図３において計時手段１３は判定手段１６に接続されている。これにより時刻情報が判定手段１６に送られる。
【００４５】
生体は、日内変動という生体リズムを有しており、時刻ごとに特徴のある変化を示す。図４は最大リアプノフ指数と心拍数の一日の変化を示したものである。横軸は時刻を表している。このときの被験者は午前７時２０分頃に起床しているが、その前後の時間帯はリアプノフ指数が大きく減少している。また脈拍数については午前中と午後に二つのが認められる。午後にみられる山については加齢によって消失することがあるといわれている。なお、ここでも心拍数はリアプノフ指数と負の相関を持っているがその変動幅の割合はリアプノフ指数と比較してかなり小さいことがわかるであろう。
【００４６】
このように一日の間で生体信号のベースラインが大きく変動することを考慮することにより、より正確な判定が出来るようになる。すなわち、起床直後の時間帯では、元々ベースラインが急激に下がる傾向にあるため休憩が必要であるという判断の基準（負の微分値が続く時間）をやや緩くしたり、夕方の比較的安定した時間帯では判断の基準を厳しくしたりする必要がある。記憶手段７には各時間帯に対応する基準が格納されている。
【００４７】
なお、夜間勤務の運転者など人によって生活リズムは様々に異なることが予想されるが、そのような場合には起床時刻を入力する入力手段を設けて計時手段を起床時からの経過時間に置き換えて情報を利用してもよい。
【００４８】
また、計時手段１３を利用して単位時間当たりのリアプノフ指数の変化量を知ることもできる。短時間の間に急激な変化が生じた場合はそれだけ、急激に負荷がかかったということでありゆっくりと負荷をかけた場合よりも疲労が激しく、突発的な事故などが起りやすくなることが予想される。判定手段１６はこのような時間当たりの変化を判定に反映させることもできる。
【００４９】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３の携帯用保護具の外観図である。保護手段６の開口部には装着検知手段１７が配設されている。装着検知手段１７は、接点１８ａと１８ｂを有している。また、保護手段６が手の甲を保護する部分には光発電手段１９が配設されている。
【００５０】
上記構成において、利用者が保護手段６を装着すると内部生地が手首によって押圧され接点１８ａと接点１８ｂが接触し通電することにより、装着が検知される。装着が検知されると、保護手段６上に構成された表示手段等の各手段（図示せず）に電力が供給される。
【００５１】
また、光発電手段１９は太陽電池による発電を行い、表示手段等の各手段への電源となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、演算手段により、生体信号のカオス指標であるリアプノフ指数の変化率を演算して表示手段により表示して、この値の変化状態より生体への負荷をモニタリングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の携帯用保護具の外観図
【図２】自動車運転時の生体信号の変化を示すグラフ
【図３】本発明の実施例２の携帯用保護具の構成を示すブロック図
【図４】生体信号の日内変化を示すグラフ
【図５】本発明の実施例３の携帯用保護具の外観図
【図６】従来の携帯用保護具技術の構成図
【符号の説明】
６保護手段
７生体信号検出手段
８演算手段
９表示手段
１３計時手段
１４環境情報検出手段
１５記憶手段
１６判定手段

Claims

生体信号を検出する生体信号検出手段と、前記生体信号検出手段が検出した生体信号をカオス処理しカオス指標を算出する演算手段と、前記演算手段の演算結果に基づいて利用者の心身への負荷量を判定する判定手段と、前記判定手段による判定結果を表示する表示手段とを備え、前記判定手段はカオス指標としてリアプノフ指数の単位時間あたりの平均変化率をもとに判定することを特徴とした生体信号モニタリング装置。
演算手段による演算結果を記憶する記憶手段を備え、判定手段は前記記憶手段に記憶された演算結果の時間的な変化に基づいて利用者の心身への負荷量を判定することを特徴とする請求項１記載の生体信号モニタリング装置。
計時手段を備え、判定手段が利用者の心身への負荷量を判定する際に前記計時手段からの時刻情報に応じて判定基準を変化させることを特徴とする請求項１または２記載の生体信号モニタリング装置。
計時手段を備え、判定手段が利用者の心身への負荷量を判定する際に前記計時手段からの経過時間情報に応じて判定基準を変化させることを特徴とする請求項１または２記載の生体信号モニタリング装置。
生体信号を検出する生体信号検出手段と、前記生体信号検出手段が検出した生体信号をカオス処理しカオス指標を算出する演算手段と、前記演算手段の演算結果に基づいて利用者の心身への負荷量を判定する判定手段と、前記判定手段による判定結果を表示する表示手段とを備え、前記判定手段はカオス指標としてリアプノフ指数の単位時間あたりの平均変化率をもとに判定することを特徴とした生体信号モニタリング装置と、前記生体モニタリング装置を備え、前記生体信号検出手段を身体の一部を覆う保護手段に配設し、前記保護手段の被覆部から生体信号を検出するようにした携帯用保護具。
保護手段に配設され環境情報を検知する環境情報検知手段を備え、表示手段は前記保護手段に配設され前記環境情報検知手段によって検知された環境情報を表示するようにした請求項５記載の生体信号モニタリング装置を備えた携帯用保護具。
保護手段の身体への装着を検知する装着検知手段を備え、前記装着検知手段が保護手段の身体への装着を検知している間のみ表示手段が作動することを特徴とする請求項５または６に記載の生体信号モニタリング装置を備えた携帯用保護具。
光発電手段を備え、前記光発電手段による電力を利用して動作することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項記載の生体信号モニタリング装置とそれを備えた携帯用保護具。