JP4473271B2 - 体の動きをモニターするための光学測定システム - Google Patents
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Description
胸部のベルトは密着させるのが難しく、使用する前にセンサーの電極を湿らせるためにしばしばゼリー状物質が要求される。心臓をモニターする窮屈な胸部ベルトは、長時間装着するとき、心地良くない。指や耳に留める機械的なセンサーも心地良くない。
サルトロン(Salutron Inc.)により販売されるクイックタッチ(QuickTouch)(登録商標)心臓モニターは、運動のすべての面において、心拍数を測定するために、胸部ストラップ、指もしくは耳クリップを除去する。しかしながら、扱いにくいワイヤとストラップを除くけれども、動作において2点のボディコンタクトが要求される。このようにこの装置は、心拍数を読み取るために時計バンドに2本の指、トレッドミルに2本の手、自転車のハンドルバーに2本の手を加えることが要求される。結果として、この装置は、総合的に、その対象をモニターのプロセスから解放する。
モニターされた対象を胸部ベルトあるいは指や耳へのクリップ装置の不快と、モニター機械へ縛られる不便さを取り除くシステムが開示されている。
米国特許第6,360,615号(スメラ)に、ポリピロールで処理された織物を用いてストレインゲージを通して、着用者の体における動きを検知する衣服を用いたモニターシステムが開示されている。
米国特許第6,341,504号(イストゥック)に、カーブしたパターンに形成された伝導性ワイヤを持ち、弾性材料の細長い1つもしくは複数のバンドを含む生理的にモニターするための衣服が開示されている。その衣服が人によって着られるとき、人の骨格の幾何学的な変化によって引き起こされるその織物の伸長と弛緩は、その衣服の伝導性ワイヤにおける電気的な特性の変化を引き起こす。そのようなシステムはその織物構造へ複雑さの付加的な構成要素を加え、それは伝統的な衣服デザインと構造にあまり適さない。
米国特許第4,909,260号(サレム)に、生理学的なモニターのための大きな腰ベルトシステムが開示されている。
米国特許第5,577,510号(チタム)に、生理学的なモニターのための大きな胸部および腰ベルトが開示されている。
イギリスのヘルスケア テクノロジー リミッテドの国際公開第9714357号に、音声の心臓鼓動メッセージを生成することができるモニターが開示されている。
生理学上の活動によって引き起こされる人の体における幾何学的な変化を引き起こす動きのような動きに応じて、織物が伸びたり、回復するとき、織物によって反射される光の総計に対する織物を通して透過される光の総計は変化する。
好ましい例において、各反射糸は、その上に電気的に伝導性で、鏡のように反射する材料の被覆を有し、各伸びる糸は、被覆された弾性糸および固い糸の組合せとして形成される。
織物は、衣服または織物のマントルにおけるモニターするパッチとして使用することができる。
その上もしくはその中に配置されたモニターする織物のパッチを有する衣服または織物マントルは、生理学上の活動による対象の体における幾何学的な変化によって引き起こされた動きのような動きをモニターするためのシステムの中に組み入れることができる。そのシステムはさらに、約400〜約2200ナノメーターの範囲、特に約400〜約800ナノメーターおよび約700〜約2200ナノメーターの範囲の波長の放射線を供給する光源を少なくとも含む。そのシステムはさらにまた、同じ波長およびサブ波長において入射放射線に反応する検知器を少なくとも有する。その光源と検知器は好ましくは、検知器による入射放射線の受け入れが、放射線の光源と放射線の検知器の配置によるその織物を通して透過され、またはその織物によって反射されたいずれかの放射線の総計における変化によって直接的に作用するように、あらかじめ決められた位置に織物に取り付けられている。そのような変化は、衣服を着用している対象Sにおける、あるいはその上にマントルを有する体の部分における幾何学的な変化による動きに応じてその織物が伸びるとき、生じる。信号処理器は、検知器から受けた信号を、衣服またはマントルを着用している対象の少なくとも1つのあらかじめ決められた生理学上のパラメーターの代表の信号に変換する。
あるいはまた、そのシステムは、単一以上の光源および各光源のための単一以上の放射線検知器を含むことができる。そのような代わりの実施形態において、信号処理装置は、単一以上の光源および単一以上の放射線検知器からの信号に反応し、その衣服を着用している対象に関連する1つまたはそれ以上のあらかじめ決められた生理学上のパラメーターを代表する信号に変換する。
図1は、対象Sの胴の上に着用されるように寸法を合わせて作られた衣服を含む対象Sの少なくとも1つの生理学上のパラメーターをモニターするシステムの様式化した図、
図2Aおよび図2Bは、光反射モードにおいて動作するときの本発明のモニターシステムの動作を説明する概略図、
図2Cは、織物が伸び、および回復するとき、織物によって反射された光の総計に対する織物を通して透過された光の総計における変化のグラフを用いた図、
図2Dは、織物が伸び、および回復する間、織物によって反射された光の総計に対する織物を通して透過された光の総計における変化を表わす信号、時間周期のグラフを用いた図、
図3Aおよび図3Bは、光透過モードにおいて動作するときの本発明のモニターシステムの動作を説明する概略図、
図3Cは、織物が伸びる(すなわち、伸び、回復する)とき、織物によって反射された光の総計に対する織物を通して透過された光の総計における変化のグラフを用いた図、
図3Dは、織物の伸びる(連続した伸びおよび回復)周期の間、織物によって反射された光の総計に対する織物を通して透過された光の総計における変化を表わす信号、時間周期のグラフを用いた図、
図4Aは、本発明の述べられた実施例によって発生した未処理の信号の波形の時間の図である。
図4Bは、図4Aの波形の周波数領域におけるスペクトル、
図4Cおよび図4Dは、図4Aの波形から引き出された対象の生理学的パラメーターを代表する波形、
図4Eは、織物の伸びの3つの別々の伸び段階のそれぞれにおける、織物によって反射された光の総計に対する、織物を通して透過された光の総計のグラフを用いた図である。
図1は、生理学上の活動に応じた対象Sの体の幾何学的な変化による動きをモニターする作業に適用されるような、本発明によるモニターシステム10の様式化した図である。対象Sの生理学上の活動を特徴付ける1つまたはそれ以上のパラメーターの出過ぎない測定は、そのような動きをモニターすることによって、引き出すことができる。
図1に示されるように、システム10は、モニターする織物16から形成された少なくとも1つの部分、またはパッチ14を有する衣服12を含む。モニターする織物16は、観察者に向けられた外のまたは外側の表面16Eと、対象Sの体に向けられた内側の表面16Iを有する。モニターする織物16のパッチ14は、図1では長方形で示されているが、都合のよいどの形状も取ることができる。例えば、パッチは、円形、楕円形状、あるいはどの正多角形状や不規則な形状でもよい。望まれるなら、衣服12の一部、あるいは全体さえも、モニターする織物16から作ることができる。
ここで用いられたように、「広範囲白色光」という用語は、約400ナノメーター〜約800ナノメーターの範囲の波長を有する光を意味する。
ここで用いられたように、「近赤外光」という用語は、約700ナノメーター〜約2200ナノメーターの範囲の波長を有する光を意味する。
805ナノメーターの波長または880ナノメーターの波長は、近赤外範囲において動作するシステムに用いることができる。805ナノメーターの波長が好ましい。
糸は、織られたまたは不織の構造を含むどのような従来の方法においても組み合わせることができる。
織られた構造のために、糸は、平織り、サテン織り、綾織り、または他のよく知られたどのような構造においても組み合わせることができる。織られた織物は、様々な織物伸縮性のために、緯糸伸縮性、経糸伸縮性、または双伸縮性の織られた織物も含むことができる。
編み構造のような不織構造のために、糸は、丸編み、経編み、または他の適したどのような編み構造によっても組み合わせることができる。丸編みにおいて、典型的な構造は、シングル・ジャージー(すなわち、前と後で異なる構造、例えば1×1編み)およびダブル・ジャージー(すなわち、前と後で同じ構造、例えば2×1編み)である。編み目のサイズと間隔は、編み織物の開口を決定する。経編みは、その強度が針/インチまたは編み目サイズによって決定される、トリコットまたはラシェル構造を含むことができる。
どのような適した衣料品デニールおよびそのような適した針の組み合わせまたは経糸/緯糸の強度は、モニターする織物を作るために用いることができる。各反射する糸は、その上に反射する材料の被覆を含むことができる。被覆はまた、電気的に伝導性とすることができる。さらに、反射する糸は、弾性とし、または弾性構成要素を含むことができる。各伸びる糸は、弾性糸構成要素と固い糸構成要素の組み合わせとして形成される。
その代わりに、モニターする織物16を形成する他の方法は、従来のどのような織られたまたは不織の方法において糸を構成した後に、電気的に伝導性のインクを用いてパターンをスクリーンプリントすることである。適した電気的に伝導性のインクは、限定はされないが、シルバーインク5021またはシルバーインク5096、および同様なものとして、NC 27709 リサーチ トライアングル パーク、デュポン マイクロサーキット マテリアルズによって販売されるものを含む。
その代わりに、モニターする織物16のパッチ14は、例えば、通常のスパンデックス被覆プロセスを用いて、スイス、エショルツマット、ELEKTRO-FEINDRAHT AGから入手される、絶縁された銀−銅 金属で被覆されたLYCRA(登録商標) スパンデックス糸で作られた芯糸を含む、弾性および電気的伝導性複合糸から形成することができる。芯糸はさらに、どのようなナイロンの固い糸またはポリエステルの固い糸を用いても被覆することができる。
1つの好ましい実施形態では、被覆された弾性糸は、10デニール(11dtex)7フィラメント ナイロン糸で一重被覆された、20デニール(22dtex)LYCRA(登録商標)スパンデックス糸で作ることができる。LYCRA(登録商標)スパンデックス糸は、デラウェア19805、ウィルミントン、INVISTA ノース アメリカ S. ar. l.から利用可能である。その代わり、本発明の弾性糸構成要素は、デラウェア、ウィルミントンのINVISTA S. ar. l. ノース アメリカ会社からのELASTERELL-P(登録商標)として知られるような、弾性糸またはポリエステル2種系糸を含むことができる。スパンデックスとエラステインの用語は、この技術では取り替えて使用できる。本発明に用いるのに適したブランド品のスパンデックス糸の例は、LYCRA(登録商標)である。
ポリアミド2種系マルチフィラメント織物糸の好ましいクラスは、「自己織り」とも呼ばれる自己しぼ(self-crimping)であるナイロン2種系糸を含む。これらの2種系糸は、第1の相関的な粘性を有するナイロン66ポリマーまたはコポリアミドの構成要素、および第2の相関的な粘性を有するナイロン66ポリマーまたはコポリアミドの構成要素を含み、ポリマーまたはコポリアミドの両方の構成要素は、個々のフィラメントの断面に見られるようなサイドバイサイドの関係にある。登録商標TACTEL T-800の元で、デラウェア19805、ウィルミントン、INVISTA ノース アメリカ S. ar. l.によって販売される糸のような、自己しぼナイロン糸は、特に有用な2種系弾性糸である。
ポリエステル構成要素ポリマーのいくつかの例は、ポリエチレン
テレフタレート(PET)、ポリトリメチレン テレフタレート(PTT)およびポリテトラブチレン テレフタレートを含む。1つの好ましい例では、ポリエステル2種系フィラメントは、個々のフィラメントの断面に見られるようなサイドバイサイドの関係にある、PETポリマーの構成要素およびPTTポリマーの構成要素を含む。この構造を有する1つの例の糸は、登録商標T-400 次世代ファイバーの元で、デラウェア19805、ウィルミントン、INVISTA ノース アメリカ S. ar. l.によって販売される。
68フィラメントナイロン糸である。
モニターする織物16もまた、反射するまた伸びる構成要素が同じ糸に組み入れられる、複合糸から形成することができる。そのような複合糸は、1層または多層に弾性糸構成要素について被覆された、ぼんやりと反射する外側表面を有する被覆糸を含む。
その代わりに、衣服12は、モニターする織物16から全体を形成することができることも、本発明の意図の中に入っている。どのような適した針の組み合わせまたは経糸/緯糸の強度も衣服12のために用いることができる。
ジョージア アトランタ ハントクリフ トレース 9635)からモデルDT155(0-5電圧出力)として利用可能なものである。
伝導パス32を形成する他の方法は、電気伝導性インクを用いて、伝導パスのパターンをスクリーン印刷することである。例えば、シルバーインク5021またはシルバーインク5096として、NC27709、リサーチ トライアングル パークのデュポン マイクロサーキット マテリアルズにより販売される電気伝導性インクを含む、どのような伝導性インクも使用することが可能である。シルバーインク5021のインクは、曲げやすい基体上に低い電圧の循環を作り上げるのに有用であり、一方、シルバーインク5096は、極端なしわ状態に直面する状況における用途が示唆される。シルバーインク5021は高い伝導性を有するけれど、シルバーインク5096はより容易に広がり、衣服12の織物のファイバーの間に、より容易にブリッジを形成することができる。
連続してみると、これらの出来事は伸びおよび回復の伸び周期を定義する。図2Cに示されるように、モニターシステムの検知器22で発生された信号は、最初の状態から中間の状態へ変化し、最初の状態に戻る。この図は、伸ばしサイクルの過程の間、織物の光バランス(図2Cの参照文字「LB」)が変化することをグラフを用いて説明する。最初と吸入状態(図2Cのそれぞれの参照数字「I」と「II」で示される)および吸入と吐き出し状態(図2Cのそれぞれの参照数字「II」と戻る「I」で示される)の比較は、モニターする織物16によって反射された光の総計は、織物が伸びるとき、周期的な形態で時間超過に変化することを明瞭に示す。図2Cにおいて、最初の状態(「I」)で、「LB」の下の底部分によって表わされる反射された光は、「LB」の上の上部部分によって表わされる透過された光よりも大きい。対照的に、吸入の状態(「II」)で、「LB」の下の底部分によって表わされる反射された光は、「LB」の上の上部部分によって表わされる透過された光よりも小さい。
光バランスにおける変化は、図3Cにグラフを用いて表わされる。さらに考察の簡単化のため、織物によって吸収される全体の光のひとまとめの部分は無視する。
この光バランスにおける周期的な変化は、図3Dにより、織物の伸びの引き伸ばしおよび回復に同期する「I」から「II」、「I」への時間変化信号として表わされ、引き伸ばしと回復を引き起こす力を供給する基本的で生理学上のプロセスの一時の測定を供給する。
この技術に熟練した人々はまた、これまで述べたような本発明の基本的な原理は、体の動きをモニターするのが望まれる、他の状況の多様性において適用可能であることも認識されるだろう。例えば、他の実施形態では、本発明の動きモニター システムは、多数の構成要素構造の構成要素の動きをモニターするのに用いることができる。そのような使用のための、動きモニター システムは、織物マント、モニターする織物から形成される少なくとも一部を含む。「織物マント」という用語は、構造の構成要素を覆う(全体または一部を)どのような織物構造も包含する。
織物マントは、その動きがモニターされる構成要素の上のどのような便利な方法においても配置される。同じようにこれまで述べてきたごとく、光源18と検知器22は、検知器22によって入射放射線の受け入れが、織物16が構成要素の動きに応じて伸び周期を経るとき、織物16によって反射される光の総計に対する、織物16を通して透過された光の総計における変化によって直接作用するように、相関する位置において織物マントに取り付けられる。
実施例1
図1に描かれたように、衣服12は実質的に本発明の原理を説明するために構成されている。モニターする織物16の必須のパッチ14を有する衣服12は、サントニ(Santoni) SM8-8TOPのような、8フィードの丸編み機を用いて構成される。パッチ14は、胸の左の乳首のちょうど下に配置された。パッチ14の部分を定義するモニターする織物16は、反射する伝導性糸の4つの端部と伸びる糸の4つの端部を用いて構成された。反射する伝導性糸の各端部は、前に述べたようなX-Static(登録商標)糸であった。伸びる糸の各端部は、柔軟な構成要素と固い構成要素との組み合わせとして形成された。柔軟な構成要素は、10デニール(11dtex)7フィラメント ナイロン糸で一重被覆された、20デニール(22dtex)LYCRA(登録商標)スパンデックス糸からなる。固い構成要素は、260デニール(286dtex)68フィラメント ナイロン糸からなる。衣服12の残りのものは、丸編み機の全8フィードへ供給された、被覆されたLYCRA(登録商標)スパンデックス糸とナイロン重ね糸で構成され、反射糸はその機械に供給されなかった。編み機の速度は、毎分49回転であり、衣服は、着用可能な形に直接製造された。
図4Aの合成周波数波形は、この技術に熟練した人々に周知の方法によって、図4Bに示された周波数領域範囲に分割できる。この例において、図4Aの未処理の信号は、コンピューターにダウンロードされ、フォーリア(Fourier)周波数デコンヴォリューション アルゴリズムを用いて処理された。
この場合、基本の頻度または期待される最も低い頻度は、毎分1として選ばれた。基本の頻度(nf;ここでnは整数)よりも大きいどのような頻度も、結果として解決できた。
2つの優位を占める頻度は、これらの方法を用いて見つけられた。これらの結果は、図4Cと4Dに示される。図4Cは、毎分78の心拍数であり、図4Dは、毎分18回の呼吸である。
この結果は、その上に戦略上重要に置かれたモニターする織物の部分を有する衣服が、その衣服がここでの開示によるシステムの一部として機能する、その衣服の着用者の呼吸率と心拍数を首尾よく報告することができることを説明する。
これらの結果は、図4Eによってグラフを用いて示されている。図4Eは、モニターする織物によって反射された光の総計に対する、モニターする織物を通して透過される光の総計(すなわち、光バランス)が、動きに応じて織物が伸びるとき、変化することを示している。
デコンボルーションを行うために有用な、ヴィジュアル ベーシック ラングエッジで書かれたプログラムは、以下のようである。
次の変更以外は、実施例1を実質的に同じ方式で繰り返した。430〜700ナノメーターの波長範囲の照射を供給する、光源(広スペクル白色光LED。適切な光源は、米国、オハイオ 44136 ストロングスヴィル 8443 ドウ サークルのルミテックス(Lumitex(登録商標))会社から入手可能であるパート ナンバー 003387)は、この技術で一般に採用されるシリコン フォトトランジスタ検知器と適切な増幅回路との組み合わせで用いた。組み合わせた呼吸と心拍数が得られた。しかしながら、この実施例では、心拍数と呼吸数を分離して得るために、実施例1におけるようにさらに処理されなかった。
この実施例では、本発明の実施例1におけるように正確な動作の透過モードにおいて織物に取り付けられた、(0から5ボルトの範囲を有する)DT155光源/検知器 パッケージを用いて、違うタイプと構造の織物がモニターされた。検知器からの出力は、静的な織物状態とも呼ばれる、伸ばされない状態の織物といっしょに測定された。前のように、測定された検知器電圧は、織物による反射プラス吸収の全量であった。
Claims (10)
- 織物が回りに配置される体の一部の動きをモニターするための織物であって、
前記織物が放射線源によって照らされるとき、前記織物は、光透過特性と光反射特性の両方を示し、
前記織物が伸びるときと伸びから回復するとき、前記織物が回りに配置される体の一部の動きに応じて、前記織物によって反射された光の総計に対する、前記織物を通して透過された光の総計における変化をモニターすることによって、動きがモニターされる織物。 - 前記織物が、
第2の複数の伸びる糸といっしょに編まれ、または織られた第1の複数の反射糸を含み、
各前記反射糸は、その上に電気的伝導性材料の被覆を有し、
各前記伸びる糸は、被覆された弾性糸と固い糸の組み合わせとして形成されている請求項1記載の織物。 - 請求項1または2記載の前記織物を用い、着用者の少なくとも1つのあらかじめ決められた生理学上のパラメーターをモニターするための衣服。
- 請求項1または2記載の前記織物を用い、着用者の少なくとも1つのあらかじめ決められた生理学上のパラメーターをモニターするためのシステムであって、
400〜2200ナノメーター好ましくは400〜800ナノメーターの範囲の波長を有する少なくとも1つの放射線源と、
400〜2200ナノメーター好ましくは400〜800ナノメーターの範囲の波長を有する入射放射線に反応し、それを表わす信号を生じさせる少なくとも1つの放射線検知器とを含み、
前記放射線検知器による入射放射線の検知量が、前記織物によって反射された、または前記織物を通して透過された光の総計における変化によって直接的に影響されるように、前記放射線源および前記放射線検知器が相関的な位置において前記織物に関係付けられているシステム。 - 前記システムはさらに、
前記放射線検知器上に入射する400〜2200ナノメーター好ましくは400〜800ナノメーターの範囲の波長を有する放射線を表わす信号を、衣服の着用者の少なくとも1つのあらかじめ決められた生理学上のパラメーターを表わす信号に変換する信号処理装置を含む請求項4記載のモニター システム。 - 前記織物は、第1の側と第2の側を有し、前記放射線源と前記放射線検知器は、前記織物の相対する側上に取り付けられている請求項4または5記載のモニター システム。
- 前記織物は、第1の側と第2の側を有し、前記放射線源と前記放射線検知器は、前記織物の同じ側上に取り付けられている請求項4または5記載のモニター システム。
- 前記織物は、400〜800ナノメーターの範囲の波長を有する光で照らされたとき、光透過特性と光反射特性を示す請求項1または2記載の織物。
- 請求項1または2記載の前記織物の伸びおよび回復をモニターする方法であって、
前記織物における放射線エネルギーを含み、
前記織物が伸びるときと前記織物が伸びから回復するとき、特定の照らされた領域によって反射された、または該領域を通して透過された放射線の総計を測定する方法。 - 請求項4乃至7のいずれか記載のシステムを用い、前記織物の伸びおよび回復をモニターする方法であって、
前記織物における放射線エネルギーを含み、
前記織物が伸びるときと前記織物が伸びから回復するとき、特定の照らされた領域によって反射された、または該領域を通して透過された放射線の総計を測定する方法。
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