JP4480785B1

JP4480785B1 - 生体情報検出装置

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Publication number: JP4480785B1
Application number: JP2009104599A
Authority: JP
Inventors: 鉄根本
Original assignee: MEDICAL TRUST CO., LTD.
Current assignee: MEDICAL TRUST CO., LTD.
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: DE112010001899T5; JP2010252934A; US20120089033A1; GB201119947D0; WO2010123029A1; GB2482815A; KR20120023008A; CN102458247A

Abstract

【課題】生体の測定負担を軽減すことができる生体情報検出装置を提供する。
【解決手段】生体情報検出装置２は、感圧板１０、基板３０、感圧板１０と基板３０の間に配置され挟持力変動検出機構５０、信号合成装置２００を備えるようにする。挟持力変動検出機構５０は、第１圧電素子６０、伝達部材７０、第２圧電素子８０をこの順に備える。感圧面に作用する振動に基づいて挟持力変動が生じると、伝達部材によって第１及び第２圧電素子６０、８０の双方に伝達されて信号を発する。この第１及び第２検出信号を信号合成装置２００で合成することで、生体情報を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、心拍、体動、体位等の生体情報を検出する生体情報検出装置に関する。

従来、生体の呼吸や体動による振動に基づいて、生体の呼吸や体動等の生体情報を検出する生体情報検出装置が開発されている（特許文献１参照）。この特許文献１に開示されている発明は、基台に生体保持部と、可撓性を有する圧力伝達部と、圧力変化を検出するセンサ部が設けられ、生体保持部又は圧力伝達部と基台との間に隙間を設けて配設されるものである。

また、小動物用の心拍・呼吸等を検出する為の検出装置も開発されている（特許文献２参照）。この特許文献２に開示されている発明も同様に、基台に柔軟性の高い振動伝達板を設け、この振動伝達板に、加速度等を検出可能な圧電トランデューサ等を貼り付けることで、振動伝達板の振動を直接検出するものである。小動物の微小振動を検出する為には、振動伝達板を薄肉化して感度を上げる必要があるが、振動伝達板の強度が低下するので、振動伝達板の中央に、弾力性の高いスペーサを配置して、振動を減衰することなく、耐荷重性を高める技術も開示されている。

特開２００７−５４６０６号公報ＷＯ２００７／０２９３２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている発明は、生体の呼吸等による圧力変化を可撓性の圧力伝達部の撓みにより検出するため、生体保持部又は圧力伝達部とそれを配設する基台との間に、隙間を設けなければならず、装置の薄型化に限界があり、被測定者の測定負担が大きいという問題があった。

また、特許文献２に開示されている発明は、振動伝達板の振動をセンサによって直接検出する技術が開示されているが、既に述べたように、感度を上げるためには振動伝達板を薄肉化して振動しやすい状態にしなければならない。従って、弾性部材となる錘体形状のスペーサを用いて、耐荷重性を高める必要があり、人間や犬、猫等の比較的重い生体には適用できないという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、被測定者の測定負担を軽減すことができる生体情報検出装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成する本発明は、生体の呼吸運動による振動に基づいて、前記生体の呼吸状態、心拍動、体動等の生体情報を検出する生体情報検出装置において、前記振動を感知する感圧面を有する感圧板と、前記感圧板と対向配置される基板と、前記感圧板と前記基板の間に配置されて、前記感圧面に作用する前記振動に基づいて前記感圧板と前記基板の間に印加させる挟持力変動を検出する挟持力変動検出機構と、前記挟持力変動検出機構から出力される複数の検出信号を合成する信号合成装置と、を備え、前記挟持力変動検出機構は、前記感圧板における感圧面の反対側に配置され、自身に作用する前記挟持力変動を第１検出信号に変換する第１圧電素子と、前記第１圧電素子における前記感圧板の反対側に配置されて、前記挟持力変動を伝達する伝達部材と、前記伝達部材と前記基板の間に配置され、自身に作用する前記挟持力変動を第２検出信号に変換する第２圧電素子と、を備え、前記感圧面に作用する前記振動に基づいた前記挟持力変動が、前記伝達部材によって前記第１圧電素子と前記第２圧電素子の双方に伝達されて前記第１及び第２検出信号に変換され、前記信号合成装置が該第１及び第２検出信号を合成することで、前記生体情報を検出することを特徴とする生体情報検出装置である。

上記目的を達成する本発明は、上記生体情報検出装置において、前記挟持力変動検出機構の周囲における前記感圧板と前記基板の間に、前記感圧板と前記基板の距離を一定に維持する支持部材が配置されることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明は、上記生体情報検出装置において、無負荷状態における前記挟持力変動検出機構の前記挟持力変動方向の距離と比較して、前記支持部材によって維持される前記感圧板と前記基板の距離が小さく設定されることで、定常時に前記挟持力変動検出機構に予圧が印加されることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明は、上記生体情報検出装置において、前記信号合成装置からの出力信号をフィルタリングして、心拍動成分を抽出する信号抽出装置を更に備えることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明は、上記生体情報検出装置において、前記支持部材は、少なくとも前記感圧板の四隅に配設されると共に、前記挟持力変動検出機構は、前記感圧板の略中心位置に配置されていることを特徴とする。

なお本発明は、信号合成装置からの出力信号や、信号抽出装置からの出力信号を分析する分析装置をさらに備えることが好ましい。分析装置は、少なくとも人体の呼吸状態、心拍動、体動を同時又は各々分離して、更に信号のスムージングや、各波形のピーク値に検出することが好ましい。この分析装置により、就寝中の寝返り等を含めて、人体の向きを判定することも可能になる。また分析装置は、周波数分離手段を備えるようにし、周波数分離手段によって検出電圧の変動を分離して、生体情報を検出することも好ましい。

また、本発明の伝達部材の伝達面は、前記第１圧電素子及び第２圧電素子の受圧面の面積よりも小さくしておくことも好ましい。

また本発明では、感圧板、基板、挟持力変動検出機構等を有する検出モジュールを複数有し、この複数の検出モジュールによって生体の複数の測定部位を同時に計測して生体の呼吸状態、心拍動、体動を検出することも好ましい。特に生体の複数の測定部位として、少なくとも頭部、腹部を含み、さらには脚部を含むことが好ましい。

本発明のによれば、呼吸、体動、体位等の生体情報を正確に検出できるという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施の形態に係る生体情報検出装置の全体構成を示す図である。（ａ）は、同生体情報検出装置の検出モジュールの平面図であり、（ｂ）は同検出モジュールの正面図である。同生体情報検出装置における回路構成を示すブロック図である。同生体情報検出装置で頭部下の信号から呼吸成分を検出する際の実施例（Ａ）及び比較例（Ｂ）の波形を示すグラフである。同生体情報検出装置で腹部下の信号から呼吸成分を検出する際の実施例（Ａ）及び比較例（Ｂ）の波形を示すグラフである。同生体情報検出装置で頭部下の信号から心拍動成分を検出する際の実施例（Ａ）及び比較例（Ｂ）の波形を示すグラフである。同生体情報検出装置で腹部下の信号から呼吸成分を検出する際の実施例（Ａ）及び比較例（Ｂ）の波形を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１には、本発発明の実施形態に係る生体情報検出装置２の全体構成が示されている。生体情報検出装置２は、検出モジュール１００、信号合成装置２００、信号抽出装置３００、信号分析装置４００を備える。検出モジュール１００は、生体１の呼吸運動による振動に基づいて、前記生体の呼吸状態、心拍動、体動等の生体情報を検出する。信号合成装置２００は、検出モジュール１００から出力される複数の検出信号を合成する。信号抽出装置３００は、信号合成装置２００からの出力信号をフィルタリングして、心拍動成分を抽出するものである。信号分析装置４００は、信号合成装置２００の信号と、信号抽出装置３００の双方の信号を利用して、出力信号のノイズ除去等を行い、その結果から生体１の呼吸、心拍動、体動、体位の状態を分析する。

検出モジュール１００は、寝台５００の上に生体１が寝た場合に、生体１の腹部及び頭部の下にそれぞれ配設される。なお、検出モジュール１００は、生体１に対する測定負担を軽減するために、枕の下（例えば、頭部を測定する場合）や敷き布団の下（例えば、腹部や足部を測定する場合）に配設することが好ましい。検出モジュール１００は、検出信号を部に取り出すための出力ケーブル２４が設けられている。

図２には、検出モジュール１００が拡大して示されている。なお、同図（ａ）は、生体情報検出装置２の平面図であり、同図（ｂ）は正面図である。この検出モジュール１００は、感圧板１０と、基板３０と、支持部材４０と、挟持力変動検出機構５０を備えている。

感圧板１０は、可撓性を有する樹脂または金属製の薄板状部材であり、生体からの振動を感知するための感圧面１２を備えている。なお、感圧板１０は、本実施形態では長方形の薄板部材を用いているが、この感圧板１０の形状はこれに限定されず、正方形または円形等の薄板部材としても好ましい（後述する、基板３０も同様である）。なお、この感圧面１２の面積は、後述する挟持力変動検出機構５０の受圧面よりも大きく設定されている。また、この感圧板１０は、生体の自重に耐え得る程度の剛性及び機械的強度を有するようになっており、人間や犬、猫等の比較的重量のある生体から自重（荷重）が加わった場合であっても、挟持力変動検出機構５０が検出可能な変形量内に収まるようにしている。本実施形態では、感圧板１０として５ｍｍ厚のプラスチック板を用いている。感圧板１０の大きさは、例えば６０ｃｍ×２０ｃｍとする。

基板３０は、感圧板１０に対向配置されており、剛性の高い樹脂又は金属製の板状部材で構成される。基板３０は、本実施形態では長方形の板状部材を用いているが、この基板３０の形状はこれに限定されず、正方形または円形等の板状部材としても好ましい。なお、基板３０は、床面等に配置されるため、床面と一体化することで剛性を確保することができる。従って、自身のみで剛性を確保する感圧板１０よりも薄肉に構成することで、検出モジュール１００全体を薄肉化できる。本実施形態では、３ｍｍ厚のプラスチック板を用いている。

支持部材４０は、剛性の高い金属製の円柱状部材であり、感圧板１０と基板３０の間の四隅位置に合計４本配設される。この支持部材４０の上下面は、感圧板１０と基板３０に固定されており、この支持部材４０によって、感圧板１０と基板３０の距離を一定に維持する。本実施形態では、感圧板１０と基板３０の距離（支持部材４０の長さ）が５ｍｍに設定されている。なお、支持部材４０は、円柱形状に限定されるものではなく、四角柱または三角柱等でも好ましい。

挟持力変動検出機構５０は、感圧板１０と基板３０の間に配置されて、感圧面１２に作用する振動に基づいて感圧板１０と基板３０の間に印加させる挟持力変動を検出するものであり、感圧板１０側から基板３０側に向かって、第１圧電素子６０、伝達部材７０、第２圧電素子８０をこの順に備えている。

第１圧電素子６０は、感圧板１０における感圧面１２の反対側に配置され、自身に作用する挟持力変動を第１検出信号に変換する。第１圧電素子６０は、円板形状であり、挟持力変動を受けると、両端側からその圧力に応じた電圧（一端はマイナス電圧、他端はプラス電圧）を発生する。なお、この圧電素子の形状は円板形状に限定されず、例えば、長方形または正方形等の形状でも好ましい。第１圧電素子６０は、感圧板１０に対してシリコン樹脂製の接着剤で固定されている。このシリコン樹脂製の接着剤は、電気絶縁性、耐水性、耐熱性に優れている。

伝達部材７０は、剛性の高い金属製の円柱部材であり、第１圧電素子６０における感圧板１０の反対側に配置されて、挟持力変動を伝達するものである。第１圧電素子６０と伝達部材７０は、エポキシ樹脂性の弾性接着剤によって固定されている。

第２圧電素子８０は、第１圧電素子６０ど同じ構造であり、伝達部材７０における第１圧電素子６０の反対側、即ち伝達部材７０と基板３０の間に配置され、自身に作用する挟持力変動を第２検出信号に変換する。第２圧電素子８０と伝達部材７０は、エポキシ樹脂性の弾性接着剤によって固定されており、第２圧電素子８０と基板３０は、シリコン樹脂製の接着剤で固定されている。

第１及び第２圧電素子６０、８０は、圧電効果（圧電現象）により、厚さ方向に圧力（挟持力）を加えた場合に、その加えた圧力（挟持力）に応じた電圧が発生する素子であり、別名ピエゾ素子と言われるものである。即ち、本実施形態の第１及び第２圧電素子６０、８０は、両側から挟み込まれることによって始めて機能するものであり、それ自身で加速度等を検出するものではない。例えば、圧電トランデューサ等は、それ自身が振動すると、加速度変化等によって電気信号を出力できるので利便性が高いが、その検出感度は、圧電トランデューサの性能に依存してしまうので、限界が生じてしまう。

本実施形態の第１及び第２圧電素子６０、８０の厚さは、それぞれ約０．６ｍｍであり、伝達部材７０の長さ（厚さ）は、支持部材４０と同様の５ｍｍとなっている。従って、挟持力変動検出機構５０は、支持部材４０よりも１．２ｍｍ長い構造となっている。既に述べたように、支持部材４０は、基板３０と感圧板１０の距離を５ｍｍに固定しているので、挟持力変動検出機構５０には、定常状態において予圧（挟持力）が印加されるようになっている。このように予圧を付与しておくことで、挟持力変動検出機構５０に作用する挟持力変動を、第１及び第２圧電素子６０、８０で、相似且つ同位相の波形で感度良く検出することが可能になる。

第１及び第２圧電素子６０、８０の出力電力は、挟持力変動のない状態で０Ｖとなる。したがって、本実施形態の検出モジュール１００は、測定対象となる生体の体重の差異に影響されない。生体１の呼気や脈拍等による微小震動に基づいて、基板３０と感圧板１０の間の挟持力が変動すると、この変動を挟持力変動検出機構５０が正確に検出する。特に、挟持力変動検出機構５０は、伝達部材７０を介して第１圧電素子６０と第２圧電素子８０の双方で、同一の挟持力変動を同時に検出する為、第１検出信号と第２検出信号は、殆ど相似状態で、且つ同位相の波形となる。なお、第１及び第２検出信号は、圧電特性により、第１及び第２圧電素子６０、８０に加わった歪み圧に対して出力される電圧波形となる。

特に本実施形態では、感圧板１０の中央に挟持力変動検出機構５０が配置されているため、感圧板１０のどの位置に圧力が加わっても、第１及び第２圧電素子６０、８０で同時にその変動を検出することができる。また、挟持力変動検出機構５０が、感圧板１０と基板３０の間に作用する挟持力変動を検出する構造であるため、体動や呼吸のように、加速度が殆ど零に近いようなゆっくりとした挟持力変動が生じた場合であっても、それを確実に検出することができる。なお、従来のような、感圧板１０の振動を直接検出する構造では、感圧板１０自体が十分に振動したり、大きく撓んだりしない限り、これらの変動を検出することができない。

図３には信号合成装置２００及び信号抽出装置３００の回路構成が示されている。信号合成装置２００は、第１圧電素子６０と第２圧電素子８０の出力ケーブルにそれぞれ配置されるバッファアンプ２１０と、このバッファアンプ２１０を介して伝達される第１検出信号と第２検出信号を合成する加算回路（アダーアンプ）２２０を備えている。この信号合成装置２００からの出力信号には、呼吸と心拍動の双方に関する情報が含まれている。一般的に、呼吸の周波数は低く、心拍動の周波数は高い。そこで信号抽出装置３００は、信号合成装置２００の出力信号を利用して、ハイパスフィルター及びローパスフィルタ−３１０によって、呼吸の周波数を除去した高周波成分を抽出する。具体的にハイパスフィルター側では、呼吸そのものや体動等による低周波成分を除去し、ローパスフィルター側では、極めて高い周波数成分となるノイズを除去するようにする。この結果、呼吸成分やノイズが除去され、心拍動成分のみを抽出することができる。

以上、本実施形態の生体情報検出装置２によれば、第１及び第２圧電素子６０、８０によって同時に検出された挟持力変動成分を、信号合成装置２００によって合成するため、検出感度を大幅に高めることが可能となっている。例えば、呼吸回数は、信号合成装置２００からの出力信号をスムージングした波形からピークを検出することによって行うが、単一の圧電素子で検出する場合は、ノイズ等の影響を受けて、ピークが検出できない場合があった。しかし、本実施形態では、スムージング後の波形のピーク値を鮮明にすることができるので、検出精度を高めることが可能となる。また例えば、心拍動を検出する場合、信号抽出装置３００からの出力信号に対して１階微分となる波形処理を行い、その負ピークを検出することで行うが、単一の圧電素子で検出する場合は、負ピークのそれぞれの値にばらつきが大きく、他のノイズ成分と負ピークの正誤判断が困難となる場合があった。しかし本実施形態では、負ピークのレベルが均質化されると共に、他のノイズ成分とのピーク値の差が大きくなるため、正誤判断が容易になり、検出精度を高めることが可能となる。

更に本実施形態の生体情報検出装置２によれば、基板３０、感圧板１０及び支持部材４０によって、無負荷時においても、挟持力変動検出機構５０に予圧（挟持力）を印加しており、常に検出感度が良好な状態を保持しているため、第１及び第２圧電素子６０、８０の検出信号の位相を一致させることが可能となっている。この結果、既に述べたように、両者の検出信号を合成させることで、必要な情報を強調して出力することが容易化される。また、第１及び第２圧電素子６０、８０の個々の事情によるノイズ成分は、同時に且つ同位相で発現することは希であるため、第１及び第２検出信号を加算しても、ノイズ成分が強調されることが抑制され、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

＜実施例と比較例＞

次に、本実施形態に係る生体情報検出装置２によって実際に検出された波形特性について説明する。なお、比較例として、未公知であるが、殆ど同じ構造であって挟持力変動検出機構における圧電素子を１個にした生体情報検出装置を用いた波形特性についても説明する。なお、試験環境として、寝台には市販のベットパット（厚さ１９ｃｍ）を用い、その上に、実施例と比較例で同じ人物を寝かせて、ベットパットの頭部下と腹部下で生体情報を検出するようにした。以下に示す波形図では、縦軸が電圧、横軸が時間を意味している。

図４（Ａ）には、実施例の生体情報検出装置２を頭部下に配置した際に、信号合成装置２００の出力から得られる波形（呼吸及び心拍動の合成波形）をスムージングして低周波成分を顕在化させた後、そのピーク値を判定した結果が示されている。また図４（Ｂ）には、同条件における比較例の結果が示されている。このピーク値は、呼吸のタイミングを意味していることになる。図４から明らかなように、実施例の波形（Ａ）では、ピーク値の中での最大値と最小値の差が、約２分の１以内に収まっていることが分かる。一方、比較例の波形（Ｂ）では、ピーク値の中での最大値と最小値の差が大きい。従って、呼吸成分とノイズ成分の判定が困難となる場合がある。特に、比較例では、振幅変動が大きくなるが、実施例では、振幅自体の変化は比較的小さいことが分かる。

図５（Ａ）には、実施例の生体情報検出装置２を腹部下に配置した際に、信号合成装置２００の出力から得られる波形（呼吸及び心拍動の合成波形）をスムージングして低周波成分を顕在化させた後、そのピーク値を判定した結果が示されている。また図５（Ｂ）には、同条件における比較例の結果が示されている。図４と同様に、実施例の波形（Ａ）では、ピーク値の中での最大値と最小値の差が、極めて小さい範囲内に収まっていることが分かる。一方、比較例の波形（Ｂ）では、ピーク値の中での最大値と最小値の差が大きい。従って、呼吸成分とノイズ成分の判定が困難となる場合がある。特に、比較例では振幅変動が大きくなるが、実施例では、振幅自体の変化は比較的小さいことが分かる。

図６（Ａ）には、実施例の生体情報検出装置２を頭部下に配置した際に、信号抽出装置３００の出力から得られる波形（心拍動波形）を利用して、そのピーク値を判定した結果が示されている。また図６（Ｂ）には、同条件における比較例の結果が示されている。このピーク値は、心拍動のタイミングを意味していることになる。図６から明らかなように、実施例の波形（Ａ）では、ピーク値の中での最大値と最小値の差が、約２分の１以内に収まっており、更にノイズが小さくなっていることが分かる。一方、比較例の波形（Ｂ）では、ピーク値の中での最大値と最小値の差が大きく、またノイズ成分も比較的大きいことが分かる。従って、心拍動成分とノイズ成分の判定が困難となる場合がある。

図７（Ａ）には、実施例の生体情報検出装置２を腹部下に配置した際に、信号抽出装置３００の出力から得られる波形（心拍動波形）を利用して、そのピーク値を判定した結果が示されている。また図６（Ｂ）には、同条件における比較例の結果が示されている。図７においても図６と同様に、実施例の波形（Ａ）では、ピーク値の中での最大値と最小値の差が、約２分の１程度に収まっていることが分かる。一方、比較例の波形（Ｂ）では、ピーク値の中での最大値と最小値の差が大きく、またノイズ成分も比較的大きいことが分かる。従って、心拍動成分とノイズ成分の判定が困難となる場合がある。

以上、実施例及び比較例によれば、２個の圧電素子を有する挟持力変動検出機構を備えた生体情報検出装置２を用いることで、単なる増幅効果ではなく、ピーク値の安定化やノイズの低減によるＳ／Ｎ比の改善を実現することが可能となり、検出精度を高めることが可能になることが理解できる。

なお、本発明の生体情報検出装置１は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の圧電素子を用いた生体情報検出装置は、呼吸等の生体情報の検出や分析の分野、健康診断や予防医療の分野等で幅広く利用することができる。

１生体
２生体情報検出装置
１０感圧板
３０基板
４０支持部材
５０挟持力変動検出機構
６０第１圧電素子
７０伝達部材
８０第２圧電素子
１００検出モジュール
２００信号合成装置

Claims

生体の呼吸運動による振動に基づいて、前記生体の呼吸状態、心拍動、体動等の生体情報を検出する生体情報検出装置において、
樹脂又は金属のプレート材で構成され、前記振動を感知する感圧面を有する感圧板と、
樹脂又は金属のプレート材で構成され、前記感圧板と対向配置される基板と、
前記感圧板と前記基板の間に配置されて、前記感圧面に作用する前記振動に基づいて前記感圧板と前記基板の間に印加させる挟持力変動を検出する挟持力変動検出機構と、
前記挟持力変動検出機構の周囲における前記感圧板と前記基板の双方に両端が固着されて、前記感圧板と前記基板の距離を一定に維持する金属性となる柱状の支持部材と、
前記挟持力変動検出機構から出力される複数の検出信号を合成する信号合成装置と、
を備え、
前記挟持力変動検出機構は、
前記感圧板における感圧面の反対側に配置され、自身に作用する前記挟持力変動を第１検出信号に変換する第１圧電素子と、
前記第１圧電素子における前記感圧板の反対側に固着配置されて、前記挟持力変動を伝達する金属材料で形成された伝達部材と、
前記伝達部材と前記基板の間に固着配置され、自身に作用する前記挟持力変動を第２検出信号に変換する第２圧電素子と、
を備え、
無負荷状態における前記挟持力変動検出機構の前記挟持力変動方向の寸法距離と比較して、前記支持部材によって維持される前記感圧板と前記基板の距離が小さく設定されることで、定常時において前記挟持力変動検出機構に予圧が印加されるようになっており、
前記感圧面に作用する前記振動に基づいた前記挟持力変動が、前記伝達部材によって前記第１圧電素子と前記第２圧電素子の双方に同時に伝達されて、殆ど相似状態で、且つ同位相の波形となる前記第１及び第２検出信号に変換され、前記信号合成装置が該第１及び第２検出信号を合成することで、前記生体情報を検出することを特徴とする生体情報検出装置。
前記信号合成装置からの出力信号をフィルタリングして、心拍動成分を抽出する信号抽出装置を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の生体情報検出装置。
前記支持部材は、少なくとも前記感圧板の四隅に配設されると共に、
前記挟持力変動検出機構は、前記感圧板の略中心位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の生体情報検出装置。