JP5132297B2

JP5132297B2 - 基準容量結合心拍計測装置

Info

Publication number: JP5132297B2
Application number: JP2007325323A
Authority: JP
Inventors: 泰彦中野; 健佐々木; 英樹冨森; 佳央石田; 聡佐野
Original assignee: Fujitsu Ltd; University of Tokyo NUC
Current assignee: Fujitsu Ltd; University of Tokyo NUC
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-12-17
Also published as: JP2009142576A

Description

本発明は、装置を操作中の操作者の心拍を連続して計測するための心拍信号の計測技術に関する。また、心電信号の変動から覚醒度など生体の状態を推定し、他のセンサ情報と総合的に判断するシステム技術及び、推定した覚醒度に応じたアクションを提示しそのアクションの効果的なフィードバックを可能にする計測システムに関する。

覚醒度変化をとらえるためには、心電計測が有効であることが知られている。そのなかで心拍揺らぎは、覚醒度の低下の兆しを含んでいることが知られている。そのため、装置を運転（操作）している運転者（操作者）の状態(眠気等)を計測する目的で、心拍を計測することが検討されている。

例えば、装置が車両である場合、車両のハンドルに電極を設け、該電極を介して両手間の心筋活動電位を計測することにより、心拍を検出することができる。
下記特許文献１では、車両のハンドル上に設けた電極で、運転操作を行う運転手の両手の電位を計測することで心拍を計測する技術が開示されている。

また、下記特許文献２では、容量結合型の電極を有するシートベルドやハンドルが提案されている。この構成では、同相ノイズを相殺しつつ、心臓左右の心電電位を測定することができる構成として開示されている。
特開２００２−１０２１８８号公報特開２００７−８２９３８号公報

しかし、特許文献１に記載の従来技術では、片手のみでハンドル操作をしている場合には、心拍を計測することができない。ハンドルに片手しか接していない状態で心拍を計測するためには、体の他の部分での電位を計測する必要が生じる。

一方、特許文献２に記載の従来技術のように、空間的に分離された２つの容量結合を用いて差動検知する場合、体内の静電容量は、体動や外部要因によって大きく変化してしまい、同相の信号が入ってくることは期待できないため、場合によってはノイズ強度が増加し心拍を正確に検出することが難しいという問題点を有していた。

また、片手運転に対応可能とするために、上記従来技術の組合せとして、一方の電極をハンドル電極とし、他方の電極を、衣服を介した非接触方の容量結合電極とした場合、体の動きによる結合容量の変化や周囲環境との電荷バランスの変化により信号が大きく変動し、安静状態以外では心拍中のＲ波の検出が困難であるという問題点を有していた。

本発明の課題は、容量結合電極を用いた心拍計測において、体の運動に起因する信号の変動を除去し、片手によるハンドル操作時等であっても継続して心拍の検出を可能にすることにある。

本発明の態様は、車両等の装置の操作時の人体の心拍を計測する装置を前提とする。
第１の電極（例えば図１の１０３）は、装置の座席部以外の人体が接触する運転操作部位、例えばステアリングハンドル部分に設けられ、人体との間で発生する第１の誘電電位
を検出する。

第２の電極（例えば図１の１０１）は、座席部に設置され人体の圧着により発生する第２の誘電電位を検出する。
第３の電極（例えば図１の１０２）は、座席部に第２の電極の下部に重畳して設置されて第１の電極と第２の電極の基準電位として用いられ、回路側のグラウンドに接続される。第２の電極と第３の電極では、体動の影響が電位変動として同位相で検出される。

第１の増幅回路（例えば図１の１０４）は、第１の電極の第１の出力電位を検出する。
第２の増幅回路（例えば図１の１０５）は、第２の電極の第２の出力電位を検出する。
差動増幅回路（例えば図１の１０６）は、第１の出力電位と第２の出力電位の差動増幅を行い、心拍の電位を検出する。

上記本発明の態様の構成において、第２の電極と第３の電極間に、面積可変に調整可能な絶縁シートを更に有するように構成することができる。

アクセルやブレーキの操作等の体動によって心拍信号が変動する主たる要因は、靴（足）の裏を介したフロアとの結合容量の変化や、フロアやペダルとの摩擦によって発生する静電気である。また，座面電極の外側（人体と反対側）は周囲の環境との間の浮遊容量による結合があり、やはり体動による外乱要因となる。

本発明によれば、同相の体動信号を同相化し、差分によりキャンセル可能となる。
また、本発明によれば、着衣の性質による帯電気を消失することで体動の影響を緩和させることが可能となる。

更に、本発明によれば、挿入した絶縁シートによるインピーダンスと、面積を調整した容量電極により、心拍信号を有効に抽出することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態の構成図である。この例では、本発明を車両の運転手の心拍計測に適用した場合を示している。

座面電極１０１は、車両の運転席に内蔵された基準容量結合電極であり、入力インピーダンスが高いオペアンプ等によって構成される増幅回路１０５に接続される。
ハンドル電極１０３は、車両のハンドル部に設置され、入力インピーダンスが高いオペアンプ等によって構成される増幅回路１０４に接続される。

増幅回路１０４と１０５は、それぞれ心電図電位（心拍）を検出し、それぞれの出力は差動増幅器１０６に入力される。
差動増幅器１０６は、増幅回路１０４と１０５の各出力を差動増幅することにより、同相ノイズを相殺し、心電図電位成分のみを出力する。

回路側グラウンドSignal GNDに接続される座面電極１０２は、本発明に特に関連する特徴的な構成であり、運転席に内蔵された座面電極１０１の下部に絶縁シートを介して重畳される。

以上図１に示されるように、本発明の実施形態の構成は、２枚の座面電極１０１及び１０２とハンドル電極１０３を用いた３電極構造による心拍計測方式により、外乱を抑制す
る効果を有するものである。この効果について、以下に説明する。

図１中の外側の座面電極１０２を用いずに座面電極１０１を１枚だけ用いた場合の従来技術の等価回路は図２のようになる。
Ｖ_Hは心電図電位、Ｖ_Pはペダル操作による外乱、Ｖ_Eはその他の体動による外乱である。Ｃ_Aは人体と座面電極１０１（図１）間の容量である。Ｚ_Hはハンドル電極１０３のインピーダンス、Ｚは人体内のインピーダンスである。Ｒ₁は増幅回路１０４の入力抵抗、Ｒ₂は増幅回路１０５の入力抵抗である。また、Ｖ₁は増幅回路１０４の出力電圧、Ｖ₂は増幅回路１０５の出力電圧である。

この場合、回路側のグラウンド（Signal GND）は信号源（心臓）側のグラウンドに対して浮いており、図１の差動増幅器１０６にて出力電圧Ｖ₁とＶ₂の差を取っても、ペダル操作や体動による外乱は相殺されない。

回路側のグラウンドを信号源側のグラウンドに接続すれば一般的な差動回路となるように思えるが、信号源側のグラウンドは自動車（車両）内環境の導体と絶縁体全ての電荷のバランスを含んだ総合的なものであり、車体フレームの金属部、いわゆるボデーアースと電気的に等価ではない。従って、回路側のグラウンドを自動車のボデーアースに接続しても期待されるような差動効果は得られない。

次に、図１に示されるように、座面電極１０１の下にもう１枚の座面電極１０２を設置し、座面電極を１０１と１０２の２枚用いた３電極構造の等価回路を、図３に示す。
新たにもうけた座面電極１０２により、等価回路中の容量Ｃ_Bが現れる。この容量の存在により、増幅回路１０４の出力電圧Ｖ₁と増幅回路１０５の出力電圧Ｖ₂に対して、ペダル操作の外乱とその他の体動による外乱は同相的な成分となり、差動増幅器１０６からの出力Ｖ₁−Ｖ₂は、差動的な成分となり、心拍電位V_Hに良く追従する。

増幅回路１０４と１０５の入力は、インピーダンスの不一致により完全な同相・差動にはならないが、同回路１０４、１０５にて２信号間のゲインを調整することにより、外乱を抑制し心拍信号を相対的に強調して抽出することが可能となる。

図４は、図１の構成において、心拍信号を観測した結果を示す図である。
図３に示される等価回路だけを見ると、座面電極１０１及び１０２間の等価容量Ｃ_Bは個別部品のコンデンサで代用可能に思えるが、外側の座面電極１０２は周囲の環境に対して内側の座面電極１０１を静電遮蔽する重要な効果を有している。従って、等価容量Ｃ_Bを個別部品で置き換えても、図２に示される座面電極が１枚の場合の等価回路の入力抵抗Ｒ₂に並列にコンデンサを付加しただけとなり、心拍と外乱の信号間の同相・差動成分の寄与率を変える効果が得られない。このように、本発明による外側の座面電極１０２の付加により、大きな外乱抑制効果が得られ、図４の中でＶ₁-Ｖ₂を示すグラフのように、心拍信号を検出できることがわかる。

また、差動検知する容量結合電極である座面電極１０２を、絶縁シートを解して座面電極１０１に重畳することで、体動による変化の同相化を実現することが可能となる。
更に、本発明の実施形態において、人体−着衣−座面電極１０１−絶縁シート−座面電極１０２の構成において、両電極間の絶縁シートの面積を可変に調整できる機構を有することにより、人体との各電極のインピーダンスを整合するように調整可能な構成とし、体動振幅を一定化し、ゲイン変動を防ぐこともできる。

なお、上記実施例では、本発明を車両の運転手の心拍検出に適用した例を示したが、本発明はこの実施例に限るものではない。すなわち、操作者（運転手）が装置の操作部に直
接もしくは電気的に絶縁されていない状態で触れて操作を行うこと、および、操作者が座している場合には座席部にもしくは操作者が立っている場合には床部に、電気的に絶縁されていない状態で接していること、および、操作者が触れている操作部と座席部もしくは操作部と床部とが、電気的に一つの回路を形成できることの各条件を満たす状況であれば、適用可能である。

また、上記実施例では、座席部に設ける座面電極１０１および１０２を座面に設ける例を示したが、設置場所は座面に限るものではなく、背もたれ部など、体が接する部分であればどこに設けられても構わない。

また、上記実施例では、車両を例に示したので、ハンドルに電極を設ける例を示したが、電極の設置場所はハンドルに限るものではなく、装置の操作部として、例えば、装置の操作レバーや、キーボード、マウスなどの入力装置、などに設けられても構わない。

以上の本発明の実施形態に関して、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
装置の操作時の人体の心拍を計測する装置であって、
前記装置の座席部以外の前記人体が接触する運転操作部位に設けられ、該人体との間で発生する第１の誘電電位を検出する第１の電極と、
前記座席部に設置され前記人体の圧着により発生する第２の誘電電位を検出する第２の電極と、
前記座席部に前記第２の電極の下部に重畳して設置されて前記第１の電極と前記第２の電極の基準電位として用いられ、回路側のグラウンドに接続される第３の電極と、
前記第１の電極の第１の出力電位を検出する第１の増幅回路と、
前記第２の電極の第２の出力電位を検出する第２の増幅回路と、
前記第１の出力電位と前記第２の出力電位の差動増幅を行い、心拍の電位を検出する差動増幅回路と、
を含むことを特徴とする基準容量結合型心拍計測装置。
（付記２）
前記第１の電極は前記装置の運転席のステアリングハンドル部分に設けられる、
ことを特徴とする付記１に記載の基準容量結合型心拍計測装置。
（付記３）
前記第２の電極と前記第３の電極間に、面積可変に調整可能な絶縁シートを更に有する、
ことを特徴とする付記１又は２何れか１項に記載の基準容量結合型心拍計測装置。

本発明の実施形態の構成図である。座面電極が１枚の場合の従来技術に対応する等価回路である。座面電極を２枚用いて３電極構造とした場合の本発明の実施形態に対応する等価回路である。３電極構造による外乱抑制効果の例を示す心拍信号の測定図である。

符号の説明

１０１、１０２座面電極
１０３ハンドル電極
１０４、１０５増幅回路
１０６差動増幅器

Claims

装置の操作時の人体の心拍を計測する装置であって、
前記装置の座席部以外の前記人体が接触する運転操作部位に設けられ、該人体との間で発生する第１の誘電電位を検出する第１の電極と、
前記座席部に設置され前記人体の圧着により発生する第２の誘電電位を検出する第２の電極と、
前記座席部に前記第２の電極の下部に重畳して設置されて前記第１の電極と前記第２の電極の基準電位として用いられ、回路側のグラウンドに接続される第３の電極と、
前記第１の電極の第１の出力電位を検出する第１の増幅回路と、
前記第２の電極の第２の出力電位を検出する第２の増幅回路と、
前記第１の出力電位と前記第２の出力電位の差動増幅を行い、心拍の電位を検出する差動増幅回路と、
を含むことを特徴とする基準容量結合型心拍計測装置。
前記第１の電極は前記装置の運転席のステアリングハンドル部分に設けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の基準容量結合型心拍計測装置。
前記第２の電極と前記第３の電極間に、面積可変に調整可能な絶縁シートを更に有する、
ことを特徴とする請求項１又は２何れか１項に記載の基準容量結合型心拍計測装置。