JP5044230B2 - 生体信号分析装置、シート及び生体信号分析方法 - Google Patents
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Description
前記各エアクッションの長さが150〜300mmであることが好ましい。
前記シートで用いられる前記各エアクッションの長さが150〜300mmであることが好ましい。
また、前記エアクッションは、前記シートを構成するシートバックの中心から左右それぞれに20〜80mmの範囲と、シートクッションとシートバックとの境界からそれぞれシートバックに沿って上方に10〜80mmの範囲に、前記各エアクッションの内側部下端が位置するように配設されていることが好ましい。
また、前記各エアクッションの内側部上端の位置が、シートバックの中心から左右それぞれに40〜100mmの範囲であって、前記内側部下端よりもシートバックの中心から離れた位置となるように配設されていることが好ましい。
また、前記シートには、人の生体信号によって生じる前記各エアクッションの空気圧変動から人の生体状態を分析する前記分析手段が、シートクッション及びシートバックのいずれかの部位に付設されていることが好ましい。
また、本発明は、シートのシートバックにおける腰部付近を支持する部位に組み込まれるエアクッションを用いた生体信号分析方法であって、
前記エアクッションとして、空気の吸排気口を除いて密閉して形成された空気袋と、荷重により押圧されることによって前記吸排気口から空気が排出されると、前記空気袋に対して膨張方向への復元力を付与し、荷重の低下に伴って前記吸排気口から前記空気袋内に空気を取り込ませる、前記空気袋の内部に収容され、空気袋に対して内側から復元力を付与する三次元立体編物からなる復元力付与部材とを備え、かつ、2つの空気袋を備えており、2つの空気袋が重なるようにして配設されるものを用い、
前記エアクッションを、人の左右の腰腸肋筋に対応する位置のそれぞれに、該各腰腸肋筋に沿って略縦長状態で、それぞれの上端が、少なくとも人の横隔膜の下面に相当する高さにセットし、
呼吸、心拍又は音声によって生じる前記左右それぞれに配置した各エアクッションにおける前記2つの空気袋の各空気圧変動の値の和を用いて分析を実行することを特徴とする生体信号分析方法を提供する。
なお、人の筋肉に近似した特性を備える三次元立体編物としては、例えば、次のようなものを使用できる。
材質:
表側のグランド編地・・・300デシテックス/288fのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸と700デシテックス/192fのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸との撚り糸
裏側のグランド編地・・・450デシテックス/108fのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸と350デシテックス/1fのポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメントとの組み合わせ
連結糸・・・・・・・・・350デシテックス/1fのポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメント
材質:
表側のグランド編地・・・450デシテックス/108fのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸の2本の撚り糸
裏側のグランド編地・・・450デシテックス/108fのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸の2本の撚り糸
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材質:
表側のグランド編地・・・450デシテックス/144fのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸の2本の撚り糸
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連結糸・・・・・・・・・350デシテックス/1fのポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメント
図2に示したように、生体信号分析装置1を備えた自動車用のシート100に被験者を着座させ、空気圧変動により被験者の生体信号を検出する試験を行った。試験に使用したエアクッション材10は、図3に示したように、空気袋11内に復元力付与部材12を装填したもので、復元力付与部材12としては、旭化成せんい(株)製の製品番号:T24053AY5−1Sの立体編物からなり、厚さ10mm、幅40mm、長さ220mmのものを2枚重ね合わせ、周縁部を振動溶着したものを用いた。復元力付与部材12を内部に装填した空気袋11の寸法は、幅50mm、長さ230mmであった。
なお、図5〜図7に示した構造はあくまで一例であるが、図6及び図7に示したシート300にエアクッション10を配置した場合に、生体信号による空気圧変動を敏感に検出できるため、生体信号検出のためには、かかる構造が好ましい。この点を検証するため、シート300を加振機のプラットフォームに取り付けると共に、シートクッション部の座骨結節下に相当する付近に加速度センサを取り付け、体重68kgの日本人男性を各乗物用シートに着座させ、ランダム波で加振する加振実験を行った。なお、比較のため、平行リンク機構を備えていない、クッションパン上にウレタン材を配置した従来構造のシートについても同様の実験を行った。図8は、ランダム波で加振した場合の加速度伝達率(G/G)を示し、図9は、ランダム加振を行った際の平行リンク機構を備えたシート300のシートバック部の体圧分布を4Hz〜10Hzまでの周波数について示した図である。図10は、クッションパン上にウレタン材を支持させて成る従来構造のシートに着座して同様の試験を行った際のシートバック部における体圧分布を、同じく4Hz〜10Hzまでの周波数について示した図である。
図8から明らかなように、上記シート300は、従来構造のシートよりも共振点が低くなっており、8Hz以上の高周波帯の振動吸収特性が大きく改善されていることがわかる。また、本来、バネ定数が柔らかくなると共振点が低周波に移行するが、ゲインは上昇する。しかし、シート300は、上記の平行リンク機構及びシートバック部350のクッション材の上下動機構により、振動入力に伴う人の動きへの追従性が高くなっている構造である。このため、平行リンク機構による人のシートバック部350の表面に沿った動きは、シートバック部350を構成するクッション材が三次元立体編物の場合には、摩擦、粘性、弾性により、三次元立体編物と人との相対変位が小さくなって、いなすような感じのスカイフック効果が生じる。また、人の骨盤部から腰部付近においては、図7に示した骨盤支持用クッション材352の押圧支持力による摩擦力も高まる。これにより、共振点においては、上下方向に振動入力に対して逆位相が生じてゲインが下がる共振点通過現象が生じ、人体とクッション材との一体的な動きにより、振動吸収特性が改善される。また、平行リンク機構を採用したシート300のシートバック部350に、三次元立体編物ではなく、ウレタン材やその他のバネ構造体を採用した場合には、衝突振動を利用した、いわば力づくでのスカイフック効果が生じ、共振点回りの振動特性が改善されることになる。
また、外部振動入力は、従来構造のシートの場合、呼吸運動を妨げるように作用するが、本実施形態では、腰椎部への支持圧を高め、腹式呼吸を行いやすくしている。すなわち、静的な状態では、腰椎支持は強くないが、走行することによって振動が入力されると、平行リンク機構の動きにより、シートバック部350方向に押し付けられる。腰椎部には、図7に示した骨盤支持用クッション材352が配設されているため、平行リンク機構によりシートバック部350に押し付けられると、入力振動に応じた縦断面の連続感で抜けていた部位の支持圧が増加して面圧の突出したところをなくし、かつ胸椎部の動きが小さく、腰部でゆらぎが生じ、呼吸運動を助けることになる。この点に関し、図9と図10を比較すると、図9に示したシート300では、入力される外部振動の周波数がいずれの場合でも、骨盤上縁の圧力が上昇し、骨盤上縁支持になっており、上記した縦断面の連続感で抜けていた部位の圧力が上昇していることがわかる。特に、7Hzから10Hzのデータを見ると、胸部の圧力が小さく、骨盤に圧力変動が集中しており、骨盤の動きが妨げられておらず、呼吸運動を助長しやすい動きになっている。これに対し、図10の従来構造のシートでは、骨盤上縁付近の圧力が低く、骨盤上縁支持になっていない。そして、入力振動に応じて腰椎の支持圧が増加しているということは、腰椎部に対応する位置に配設される図6に示したようにエアクッション10を配設した場合には、該エアクッション10と人体との密着性が高くなり、かつ胸部の圧力変動が小さくなるため、生体信号検出感度が向上する。
以下の試験例では、図6及び図7に示したシート300を小型自動車の運転席に取り付けて試験を行った。
健康な20〜30歳代の日本人男性17名、日本人女性3名を被験者として、車両静止の状態で、それぞれ、上記シート300に、安静状態で5分間着座させ、その際の生体状態を調べた。試験例1では、分析手段30により、空気圧測定器20から得られるエアクッション10の空気圧変動による出力を、アナログ信号処理回路にてフィルタリング処理して呼吸成分と心拍成分とに分離し、心拍成分、呼吸成分の各スペクトル波形を得た。なお、フィルタリング処理工程では、0.1Hz〜0.5Hzと0.5Hz〜2.0Hzの帯域に、4次のフィルタを施すことにより呼吸成分と心拍成分に分離している。サンプリング周波数は200Hzで分解能は12bitである。
試験例1の20名の被験者のうちの8名により、実車アイドリング状態で試験例1と全く同様の試験を行った。その結果を図13及び図14に示す。図13(a)は、指尖容積脈波から得られた心拍成分のスペクトル波形とエアクッション10から得られた心拍成分のスペクトル波形を示したものであり、図13(b)は、両者の相関関数を示す図である。図14(a)は、歪式呼吸測定器から得られた呼吸成分のスペクトル波形とエアクッション10から得られた呼吸成分のスペクトル波形を示したものであり、図14(b)は、両者の相関関数を示す図である。
20〜30歳代の3人の健康な日本人男性被験者を着座させ、さらに、各被験者には、着座後閉眼させ、睡眠に入るように促し、30分間の安楽姿勢での睡眠実験を行った。上記実施形態の生体信号分析装置1のエアクッション10により採取された空気圧変動は、試験例1及び試験例2と同様に、分析手段30により、アナログ信号処理回路にてフィルタを施した後、呼吸と心拍の成分に分離した。そして、この心拍成分及び呼吸成分の時系列信号を用いて、それぞれパワー値の傾きの時系列波形と最大リアプノフ指数の傾きの時系列波形を作成し、入眠予兆現象を表す波形が出現するか否か検討した。以下で説明する図15〜図17は、いずれも3人の被験者のうちの1名の試験結果を示す。図15(a)はエアクッション10から得られた呼吸成分に関するパワー値及び最大リアプノフ指数の各傾きの時系列波形を示し、図15(b)はエアクッション10から得られた心拍成分に関するパワー値及び最大リアプノフ指数の各傾きの時系列波形を示す。また、図15(c)はエアクッション10から得られた心拍数、呼吸数の周波数の時系列波形を示す。
次に、エアクッション10の各空気袋11,11の空気圧変動の値を加算処理した場合と減算処理した場合とにおける生体信号採取の有効性について検証した。この試験では、被験者を、上記試験例1のシート300に、安静状態で所定時間着座させて調べた。結果を図18に示す。図18(a)は、各空気袋11,11(人体の近くに配置されているものをS1(検知センサ)、他方をS2(ダミーセンサ))の時系列の原波形と、各空気袋11,11から得られた空気圧変動の値を加算した場合の時系列の原波形(加算波形)と、減算した場合の時系列の原波形(減算波形)とを示したものである。図18(b)は、フィルタリング処理により分離した心拍成分についての各空気袋11,11(検知センサとダミーセンサ)の時系列波形であり、図18(c)は、図18(b)の検知センサとダミーセンサの心拍成分の時系列波形を加算処理した場合と減算処理した場合の時系列波形を示したものである。図18(d)は、フィルタリング処理により分離した呼吸成分についての各空気袋11,11(検知センサとダミーセンサ)の時系列波形であり、図18(e)は、図18(c)の検知センサとダミーセンサの呼吸成分の時系列波形を加算処理した場合と減算処理した場合の時系列波形を示したものである。
次に、エアクッション10から得られる音声信号の取得の可能性について試験を行った。この試験では、被験者を、上記試験例1のシート300に、安静状態で所定時間着座させて調べた。試験は、所定時間安静着座した後、60秒間、本を音読することを繰り返した。結果を図19に示す。図19(a)は、エアクッション10から得られた時系列原波形である。この図から、音読した場合、原波形においても、大きな振幅変動が見られている。図19(b)は、周波数解析したものであるが、音読していない状態では、0.3Hzにピークがあり、呼吸成分が検出できているのに対し、音読最中の周波数は、より高い周波数になっていた。この結果、エアクッション10によって、音声信号を採取できることがわかった。
次に、エアクッション10から得られる空気圧変動から呼吸成分を分離し、呼吸成分の時系列波形を利用して心拍成分の時系列波形を推定する方法について説明する。
TF=G2(F)/G1(F)=(A2+B2j)/(A1+B1j)
=[A1A2+B1B2+(A1B2−A2B1)j)]/(A1 2+B1 2)
=A3+B3j
[但し、A3=(A1A2+B1B2)/(A1 2+B1 2 )、B3=(A1B2−A2B1)/(A1 2+B1 2 )]で表される。
次に、20〜30歳代の3人の健康な日本人男性被験者(「asano」、「ochiai」、「maeda」)を着座させ、途中から、加振機によりランダム波形で加振し、その際の心拍成分と呼吸成分の時系列波形を比較した。図23〜図25がその結果であるが、いずれの図でも、最下方に示された図が加振機の動作タイミングと振動波形を示しており、それに対応する測定時間について、心拍成分と呼吸成分の時系列波形を示している。この時系列波形は、アナログ信号処理回路にてフィルタを施した後、呼吸と心拍の成分に分離した時系列信号であり、上記試験例3のようなこれらの傾きを算出する前のデータである。
10 エアクッション
11 空気袋
11a 吸排気口
12 復元力付与部材
20 空気圧測定器
30 分析手段
100 シート
110 シートバック
120 シートクッション
200 補助クッション(シート用クッション)
210 シートバック
220 シートクッション
Claims (8)
- 空気の吸排気口を除いて密閉して形成された空気袋と、荷重により押圧されることによって前記吸排気口から空気が排出されると、前記空気袋に対して膨張方向への復元力を付与し、荷重の低下に伴って前記吸排気口から前記空気袋内に空気を取り込ませる復元力付与部材とを備え、人体支持手段における、人の腰部付近を支持する部位に組み込まれるエアクッションと、
人の生体信号によって生じる前記エアクッションの空気圧変動から人の生体状態を分析する分析手段と
を具備する生体信号分析装置であって、
前記エアクッションは、前記人体支持手段としてのシートのシートバックにおいて、人の左右の腰腸肋筋に対応する位置のそれぞれに、該各腰腸肋筋に沿って略縦長状態で配設されると共に、それぞれの上端が、少なくとも人の横隔膜の下面に相当する高さにセット可能な長さを備え、かつ、前記各エアクッションは、2つの空気袋を備えており、2つの空気袋が重なるようにして用いられ、
前記復元力付与部材が、前記空気袋の内部に収容され、空気袋に対して内側から復元力を付与する三次元立体編物からなり、
前記分析手段は、前記左右それぞれに配置した各エアクッションにおける前記2つの空気袋の各空気圧変動の値の和を用いて分析を実行する構成であることを特徴とする生体信号分析装置。 - 前記各エアクッションの長さが150〜300mmであることを特徴とする請求項1記載の生体信号分析装置。
- シートバックにおける腰部付近を支持する部位に組み込まれるエアクッションを備えたシートであって、
前記エアクッションは、空気の吸排気口を除いて密閉して形成された空気袋と、荷重により押圧されることによって前記吸排気口から空気が排出されると、前記空気袋に対して膨張方向への復元力を付与し、荷重の低下に伴って前記吸排気口から前記空気袋内に空気を取り込ませる復元力付与部材とを備え、
前記復元力付与部材が、前記空気袋の内部に収容され、空気袋に対して内側から復元力を付与する三次元立体編物からなり、
人の左右の腰腸肋筋に対応する位置のそれぞれに、該各腰腸肋筋に沿って略縦長状態で配設されると共に、それぞれの上端が、少なくとも人の横隔膜の下面に相当する高さにセットされており、
かつ、前記各エアクッションは、2つの空気袋を備えており、2つの空気袋が重なるようにして配設され、
人の生体状態を分析する分析手段により、人の生体信号によって生じる前記左右それぞれに配置した各エアクッションにおける前記2つの空気袋の各空気圧変動の値の和を用いて分析を実行可能であることを特徴とするシート。 - 前記各エアクッションの長さが150〜300mmであることを特徴とする請求項3記載のシート。
- 前記シートを構成するシートバックの中心から左右それぞれに20〜80mmの範囲と、シートクッションとシートバックとの境界からそれぞれシートバックに沿って上方に10〜80mmの範囲に、前記各エアクッションの内側部下端が位置するように配設されていることを特徴とする請求項4載のシート。
- 前記各エアクッションの内側部上端の位置が、シートバックの中心から左右それぞれに40〜100mmの範囲であって、前記内側部下端よりもシートバックの中心から離れた位置となるように配設されていることを特徴とする請求項5記載のシート。
- 人の生体信号によって生じる前記各エアクッションの空気圧変動から人の生体状態を分析する前記分析手段が、シートクッション及びシートバックのいずれかの部位に付設されていることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1に記載のシート。
- シートのシートバックにおける腰部付近を支持する部位に組み込まれるエアクッションを用いた生体信号分析方法であって、
前記エアクッションとして、空気の吸排気口を除いて密閉して形成された空気袋と、荷重により押圧されることによって前記吸排気口から空気が排出されると、前記空気袋に対して膨張方向への復元力を付与し、荷重の低下に伴って前記吸排気口から前記空気袋内に空気を取り込ませる、前記空気袋の内部に収容され、空気袋に対して内側から復元力を付与する三次元立体編物からなる復元力付与部材とを備え、かつ、2つの空気袋を備えており、2つの空気袋が重なるようにして配設されるものを用い、
前記エアクッションを、人の左右の腰腸肋筋に対応する位置のそれぞれに、該各腰腸肋筋に沿って略縦長状態で、それぞれの上端が、少なくとも人の横隔膜の下面に相当する高さにセットし、
呼吸、心拍又は音声によって生じる前記左右それぞれに配置した各エアクッションにおける前記2つの空気袋の各空気圧変動の値の和を用いて分析を実行することを特徴とする生体信号分析方法。
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