JP5597703B2 - 容量センシングシステム、容量センシング方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

容量センシングシステム、容量センシング方法及びコンピュータプログラム Download PDF

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Description

本発明は容量センシングシステム、容量センシング方法及びコンピュータプログラムに関連する。
特許文献1は人体の電界を検出する容量センサを開示しており、その容量センサは、電極と、シールドと、電極及びシールドを分離する絶縁分離材料と、関連する電子回路を含むハウジングとを含み、絶縁分離材料又はハウジングに使用される材料の摩擦電気特性(tribo-electric property)は人体の皮膚の特性に合致しているので、容量センサにおける定常的な電荷の発生を抑制することができる。容量センサは、例えば心電図や筋電図のように、人体からの電気生理学的な信号の測定中に動きが存在する用途に使用されている。
国際公開第2008/152588号パンフレット
容量センサにおける定常的な電荷の発生を減少させたとしても、容量センサのセンシング信号(検出信号)は、人体における定常的な電荷が存在することによって依然として劣化してしまうおそれがあり、通常その電荷は時間と共に変化する。更に、検知される対象と容量センサとの間の距離が変化することに起因するモーションアーチファクト(motion artifact)によって、センシング信号は劣化してしまうおそれがある。このため、センシング信号は微弱な低品質の信号になってしまう。
本発明の課題は、容量センシングシステムによって生成されるセンシング信号の品質を改善する容量センシングシステム及び容量センシング方法を提供することである。
一実施例による対象を検出する容量センシングシステムは、
前記対象の検出場所に永続的な電荷を提供する電荷供給部と、
前記対象の前記検出場所における前記対象を容量によって検出することで、センシング信号を生成するセンシング電極を有する容量センサと
を有する容量センシングシステムである。
対象を検出する容量センシングシステムを概略的及び例示的に示す図。 対象を検出する別の容量センシングシステムを概略的及び例示的に示す図。 容量センシングシステムの詳細な回路を概略的及び例示的に示す図。 容量センシングシステムによって生成されるセンシング信号を概略的及び例示的に示す図。 対象を検出するための容量センシング方法を例示的に示すフローチャート。
本発明の一実施形態による対象を検出する容量センシングシステムは、
前記対象の検出場所(センシングサイト)に永続的な電荷を提供する電荷供給部と、
前記対象の前記検出場所における前記対象を容量によって検出することで(capacitively sensing)センシング信号を生成するセンシング電極を有する容量センサと
を有する容量センシングシステムである。
容量センシングシステムは対象のセンシングサイトに永続的な電荷を供給する電荷供給部を備えているので、電荷(特に、静電荷)の揺らぎが軽減又は解消され、そのような揺らぎによるセンシング信号の歪を軽減又は抑制することができ、容量センシングシステムにより生成されるセンシング信号の品質を改善することができる。更に、対象のセンシングサイトに永続的な電荷を供給することで、容量センサのセンシング電極と対象との間のバイアスが意図的に好ましく大きくなり、無意識的な運動又は活動(mechanical motions)に対する感度を向上させることができる。対象及びセンシング電極間の無意識的な動きにより実質的に引き起こされた結果のセンシング信号は、ECG又はEMGのような電気生理学的な分野で通常使用されている信号よりも大幅に大きい。従って、より大きな信号対雑音比を有する大きな信号(すなわち、改善された品質を有する大きな信号)が容量センシングシステムにより生成される。
電荷供給部は、対象のセンシングサイトに永続的な電荷を供給するように形成された如何なる装置でもよい。電荷供給部の好ましい形態は以下において詳細に説明されている。
永続的な電荷は、永続的な静電荷であることが好ましい。好ましくは、電荷が時間的に一定である場合、電荷は永続的であると判断される。少なくとも1分間の間、より好ましくは少なくとも1時間の間、更に好ましくは少なくとも1日の間、更に好ましくは少なくとも1ヶ月の間、更に好ましくは少なくとも1年の間にわたって、電荷の変動が10％未満であった場合、より好ましくは5％未満であった場合、更に好ましくは3％未満であった場合、電荷は時間的に一定であると判断されることが好ましい。
容量センシングシステムは、人間又は動物の体を検知又はセンシングする(特に、その体の生理学的信号を生成する)ことが好ましい。容量センシングシステムは、例えば、人間又は同武具が椅子やベッドに位置している場合に、布や衣服を通して体を検知する。これは、例えば、人が眠っている間に健康に関するパラメータを監視できるようにする。容量センサは、人間又は動物の無意識的な動き(活動)について非接触方式の測定を実行することが好ましい。
電荷供給部は前記電荷を供給するために前記対象に取り付けられたエレクトレットを有することが好ましい。エレクトレットはエレクトレットホイル(electret foil)であることが好ましい。エレクトレットを備える電荷供給部は、センシングサイトに時間的に一定の静電荷を信頼性高く提供することを保証する電荷供給部の一例である。
好ましくはエレクトレットホイルであるエレクトレットは、人間又は動物の体に取り付けられる又は布、椅子、ベッド等のようなから体に無意識的に結合されている他の対象に取り付けられることが好ましい。
エレクトレットは永久的に帯電した材料であり、外部のバイアスを一切必要とせず、電荷は時間がたっても消失しないことを意味する。
エレクトレットは、検出されることを要する対象(好ましくは、体)の一部の上に置くことができる。エレクトレットのサイズ(特に、エレクトレットホイルのサイズ)は、検出されるように意図されている領域のサイズに合わせることが可能であり、例えば小さな筋肉群が検出される必要があった場合、エレクトレットは小さなサイズを有することが可能であり、例えば呼吸を検査するために上胸部が検出される必要があった場合、エレクトレットのサイズは更に大きい。エレクトレット(特に、エレクトレットホイル)は使い捨て型のホイル(消耗品)として使用されてもよい。
電荷供給部は、前記対象に取り付けられた電圧源及び導電性要素を有し、前記電圧源は前記永続的な電荷を提供する前記導電性要素に接続されていてもよい。
電源は例えば数ボルトのバッテリ(例えば、10ボルト未満のバッテリ)でもよい。
導電性要素は導電性ホイルであることが好ましい。導電性ホイルは、検出されるように意図されている領域のサイズに合わせられていてもよい。導電性ホイルは使い捨てのホイル(消耗品)として使用されてもよい。
導電性ホイルは生体適合性のある(biocompatible)材料でできていることが好ましい。導電性ホイルは、長期間にわたって(例えば、数分間ないし数日間)身につけるのに適していることが好ましい。導電性ホイルはできるだけ目立たないように薄いことが好ましい(例えば、1mm未満の厚さを有することが好ましい)。導電性ホイルは導電性の布地(テキスタイル)から形成されていてもよい。
永続的な量の静電荷がセンシングサイトに与えられている。従って、センシング電極に対するセンシングサイトの動き(すなわち、センシング電極に対する永続的な量の静電荷の動き)は、センシング電極及び対象により形成されるキャパシタの容量の変化を引き起こし、従って、対象の静電荷の揺らぎによってではなく、主にこの相対的な運動に起因するセンシング信号の変化を引き起こす。従って、センシング信号の変化を検出することで、対象とセンシング電極との間の距離変動を特定することができる。
当該容量センシングシステムが、生成された前記センシング信号から前記対象の特徴を判定する特徴判定部を更に有することが好ましい。
対象が人間又は動物の体であった場合、センシング信号の変化は、心臓の鼓動、呼吸、筋肉の無意識的な活動及び対象から生じるその他の無意識的な振動(震え)に起因する運動に関連している。対象(特に、身体)の他の如何なる種類の動きも、生成されたセンシング信号から判定可能である。従って特徴判定部は生成されたセンシング信号から例えば心拍速度又は呼吸を判定することが好ましい。しかしながら対象の動きに関連する他の特徴が生成されたセンシング信号から判定されてもよい。
様々なセンシング信号が鼓動及び呼吸のような様々な影響に起因する無意識的な振動に関連している場合、これらの影響は、各々の影響に対応するセンシング信号の部分を選別する周波数フィルタリング技術を利用することで分離することができる。
本発明の更に別の形態による対象を検出する容量センシング方法は、
電荷供給部を用いて、前記対象のセンシングサイトに永続的な電荷を供給し、
容量センサのセンシング電極を用いて、前記対象の前記センシングサイトにおいて前記対象を容量により検出することで、センシング信号を生成するステップ
を有する容量センサのセンシング方法である。
本発明の更に別の形態によれば、対象を検出する容量センシング方法を、請求項4に記載の容量センシングシステムに実行させるコンピュータプログラムが提供され、前記容量センシング方法は、
容量センサのセンシング電極を用いて、前記対象の前記センシングサイトにおいて前記対象を容量により検出することで、センシング信号を生成するステップであって、該センシングサイトには電荷供給部により永続的な電荷が供給されている、ステップと、
特徴判定部を用いて、生成された前記センシング信号から前記対象の特徴を判定するステップと
を有し、当該コンピュータプログラムは前記容量センシングシステムを制御するコンピュータおいて動作する。
出願時の請求項1に記載の容量センシングシステム、出願時の請求項5に記載の容量センシング方法及び出願時の請求項6に記載のコンピュータプログラムは、従属請求項に規定されているのと同一及び/又は類似する実施形態を有することに留意を要する。
本発明の好適実施例は出願時の独立請求項と従属請求項との組み合わせに関連することに留意を要する。
本発明に関するこれら及びその他の形態は以下の詳細な説明を参照することで更に明らかになる。
図1は、対象、被検体又はオブジェクトを検出する容量センシングシステムを概略的及び例示的に示す。容量センシングシステム1は容量センサ2及び電荷供給部4を有する。容量センサ2はセンシング電極5を含み、センシング電極は、対象3のセンシングサイト6における対象3を容量によって検出することでセンシング信号を生成する。電荷供給部4は対象3のセンシングサイト6において永久的な電荷を供給する。
容量センシングシステム1は、人間又は動物の体を検出し、体又はボディ3の生理学的な特徴を検出する。例えば人間又は動物が椅子やベッドの位置にいた場合に、容量センシングシステム1は布又は衣服を通じてその体又は身体3を検出する。これは例えば人が眠っている間に健康に関するパラメータを監視できるようにする。
図1に示す例の場合、電荷供給部4はエレクトレットホイル(electret foil)である。エレクトレットホイル4は、人間、動物その他の対象の体に取り付けられ、衣服、椅子、ベッド等のように体に結合されることが好ましい。センシングサイト6におけるエレクトレットホイル4は、センシングサイト6における電荷が定常的に信頼性高く時間変化によらず一定であることを保証する。
エレクトレットホイルは、身体3又はその他の対象に取り付けるための取り付け手段を有し、上述したように好ましくは体に機械的に取り付けられる。取り付け手段は、例えば、接着剤、縛るための紐等であり、或いは上記の他の対象又は体にエレクトレットホイルを取り付ける他の如何なる手段でもよい(体に取り付けられることが好ましい)。
エレクトレットホイル4は永久的に帯電した材料であり、これは外部からのバイアスを必要とせず且つその電荷は時間経過と共に消失しないことを意味する。
エレクトレットホイル4のサイズ又は寸法は検出されるように意図されている領域のサイズに合わせられ、例えば小さな筋肉群が検出される場合、エレクトレットホイル4は小さなサイズを有するが、例えば呼吸を検査するために上胸部が検出される必要がある場合、エレクトレットホイル4のサイズはより大きなものである。
容量センサ2は電極5及び電子回路7を有し、これについては図3を参照しながら後述する。
永続的な量の静的な電荷がセンシングサイト6におけるエレクトレットホイル4により与えられるので、センシング電極5に対するセンシングサイト6の運動、すなわちセンシング電極5に対する永続的な量の静電荷の運動は、エレクトレット4を伴う対象3及びセンシング電極5によって形成されるキャパシタの容量の変化をもたらし、従って、主に相対的な運動に起因するセンシング信号の変化をもたらす。
容量センシングシステム1は、生成されたセンシング信号から、特に生成されたセンシング信号の変化から、対象3の特徴を判定する特徴判定部12を更に有する。
この例の場合、エレクトレットホイル4は人体の胸部において身体3に結合されている。身体3の胸部の運動は実質的には呼吸及び鼓動(心拍)によって引き起こされる。特徴判定部12は、周波数フィルタリング法を用いることで、鼓動に起因するセンシング信号の変化と呼吸に起因するセンシング信号の変化とを分離又は区別することが好ましい。例えば、心臓の動きに起因するセンシング信号の変化を抽出する場合、1Hzないし30Hzの範囲内の周波数をフィルタリング(選別)する周波数フィルタを使用することが可能であり、呼吸に起因するセンシング信号の変化を抽出する場合、0.1Hzないし1Hzの範囲内の周波数を選別する周波数フィルタリング法を使用することができる。
一実施例において、特徴判定部12は、鼓動の時間的なタイミングを判定し、それらの時間的なタイミングから心拍(数)を判定する。代替的又は追加的に、特徴判定部は、好ましくはフィルタリングされる生成されたセンシング信号の変化から、呼吸数又は呼吸速度を判定する。鼓動の時間的なタイミングは、例えば、センシング信号の大きな変化を示す第2領域24の時間的な位置を検出することで判定でき、この点については図4に例示されており後述される。呼吸速度は、例えば、センシング信号の基礎的な振動の周波数として判定できる。
他の実施例において、追加的又は代替的に、特徴判定部はセンシング信号の変化から対象の別の特徴を検出してもよい。例えば、特徴判定部は、筋肉の無意識的な活動や対象から生じる他の無意識的な振動等を判定することができる。特徴判定部は他の種類の対象の動きを判定することも可能であり、特に、対象全体(体全体)、腕、足又は頭部の運動がセンシング信号の変化から判定されてもよい。
図2は、対象を検出する別の容量センシングシステムを概略的及び例示的に示す。図2に示す容量センシングシステム11も容量センサ2及び電荷供給部を有する。容量センサ2はセンシング電極5を有し、センシング電極は、対象のセンシングサイト6における対象3を容量によって検出するセンシング信号を生成する。電荷供給部は対象3に取り付けられている導電性要素9と電圧源8とを有し、電圧源8は、永続的な量の静電荷を提供するために導電性要素9に接続されている。この例の場合、導電性要素9は導電性のホイル又は箔(foil)である。導電性のホイル9は、検出される対象の領域の寸法に合わせられている。一実施例において、電圧源8は高電圧生成部である。代替実施例において、容量センサ(すなわち、検査回路)には、好ましくは接地電位である対象の電位よりも高い電位が与えられる。このようにして対象のセンシングサイト(検出場所)に永続的な電荷が供給され、センシング電極及び対象の間の動きを表す増幅されたセンシング信号を生成するように、大きな永続的なバイアスがかけられる。
図3は、容量センシングシステムの具体例を概略的及び例示的に示し、可能な電子回路が詳細に示されている。
図3は左側に身体3を概略的及び例示的に示し、身体3は例えばECG信号である生体電気信号Vbioのソース(信号源)を含む。例えば身体3の胸部であるリファレンスサイト(基準サイト)6において、永続的な電荷がエレクトレットホイル4により供給される。身体3は、容量Cbpにより電力グリッド13に結合され、かつ容量Cbeによりアース16に結合されている。
図3の右側には容量センサ2の回路7が概略的及び例示的に示されている。容量センサ2は、距離dを経て身体3に容量結合している電極5と、バイアス抵抗器Riと、入力キャパシタンスCiのバッファ増幅器22とを有する。WO2005/018041(A2)に記載されているような中立化法を用いて、入力キャパシタンスCiを省略することが好ましい。容量センサ2は、容量センサ2が生成したセンシング信号である出力信号OUTを提供する。回路リファレンス(基準電位部)ComはキャパシタンスCceと共にアース20に容量結合され、身体3がCbe及びCceを介して回路リファレンスに容量結合されるようにする。
容量センサ2により生成されるセンシング信号は図4に概略的及び例示的に示されている。図4は秒Sを単位とする時間に依存する電圧Vの振幅Aを示す。第1領域23におけるセンシング信号の変化はECG信号を示す。後続の第2領域24は、電極5に対するエレクトレットホイル4の運動によって生じたより大きなセンシング信号変化を示す。すなわち、エレクトレットホイル4はセンシング信号の強い振幅をもたらす。第2領域24におけるセンシング信号のこれらの変化に基づいて、特徴判定部12は身体3の特徴を判定することができる。
永続的な電荷を提供する電荷供給部(すなわち、例えば、導電性要素9に接続されているエレクトレットホイル4又は電圧源8)は、身体3及び電極5の間にDCバイアスを与え、身体の無意識的な運動(動き)を表す(すなわち、身体及び電極間の距離の変化を表す)センシング信号を増幅する。
図4において、この人物は自信の息を止めている(すなわち、図4において呼吸運動は無視されている)ことが仮定されていることに留意を要する。しかしながら、他の実施例において、センシング信号の変化は呼吸や他の影響により生じてもよい。特徴判定部は、生成したセンシング信号及び/又は判定した距離の変化の中から、所望の作用(影響)を選別するように周波数フィルタを利用することが好ましい。
容量センシングシステムは、心拍や呼吸等のような生命維持に関わる兆し(兆候、しるし、合図)を遠隔的に検出するのに使用可能である。容量センシングシステムは、特に衣服を介して目立たずに心拍及び/又は呼吸を検査できることが好ましい。従って、容量センシングシステムの少なくとも一部(すなわち、容量センサ)は、ベッド又は車両に一体化されている(組み込まれている又は内蔵されている)ことが好ましい。睡眠は日常生活の一部分であるので、ベッドは、健康に関するパラメータを監視する際の理想的な場所である。更に、ベッドは、非常に安定した環境及び生理学的状態と共に、人々が1日平均8時間休息する場所であるので、動きの影響がほとんどない信号を生成することができる。
図5は、対象3を検出するための容量センシング方法を例示的に示すフローチャートである。
ステップ101において、電荷供給部によって(例えば、電圧源8に電気的に接続されているエレクトレット4又は導電性要素9を身体3に取り付けることによって)、永続的な電荷が身体3のセンシングサイト6に供給される。
ステップ102において、容量センサ2のセンシング電極5を用いて、センシングサイト6における対象3を容量の観点から検出することで、センシング信号が生成される。
ステップ103において、特徴判定部12は、生成されたセンシング信号から対象3の特徴を判定する。
別の実施例において、ステップ103は省略されてもよい。その場合、その容量センシング方法は、対象と電極との間の距離変化(すなわち、対象の動き)を示すセンシング信号を生成する。
身体3に永続的な静電荷を提供するために電圧源8が導電性ホイル9と共に使用される場合、電圧源は或る最大電圧を超えないように設定されていることが好ましく、その最大電圧は、導電性ホイルが取り付けられている人体が不都合に影響を受けないように選択されている。
上記の実施例において、エレクトレットホイル及び導電性ホイルと組み合わせた電圧源が電荷供給部として説明されてきたが、他の実施例では、永続的な電荷を供給する他の手段が使用されてもよい。
上記の実施例において、永続的な静電荷が人体に与えられ、人体の胸部の動きを示すセンシング信号を生成していたが、他の実施例では、人体の他の部分又は全身の動きが判定されてもよい。更に、動物の体の一部又は全身の動きが判定されてもよい。また、技術的な目標物のような他の対象物の動きが容量センシングシステムによって判定されてもよい。
開示される実施例に対するその他の変形例は、明細書、図面及び特許請求の範囲から、本発明を実施する当業者に理解及び提供されることが可能である。
特許請求の範囲において、「有する」という言葉は他の要素又はステップを排除するわけではなく、「或る」又は「ある」という不定冠詞に相当するものは複数個存在することを排除するわけではない。
1つのユニット又は装置が特許請求の範囲に規定されている複数の機能を実現してもよい。ある複数の手段が互いに異なる従属請求項に規定されているからといって、それらの手段を組み合わせて有用に使用できないとは限らない。距離変動の判定や、距離変動によって生じる対象の特徴の判定等のような判定に関し、判定部及び特徴判定部は、多数の如何なるユニット又は装置によって(例えば、単独のユニット又は2以上のユニットによって)実行されてもよい。容量センシング方法に従った容量センシングシステムの制御及び/又は生成したセンシング信号による対象の特徴判定は、コンピュータプログラムのプログラムコード手段及び/又は個別的なハードウェアとして実現されてもよい。
コンピュータプログラムは、光ストレージ媒体やソリッドステート媒体のような適切な媒体(他のハードウェアと共に又は他のハードウェアの一部として提供される)に保存/分散されてもよいが、他の形態において、例えばインターネットやその他の有線又は無線通信システムを介して分散されていてもよい。
特許請求の範囲における如何なる参照符号(存在する場合)も本発明を限定するように解釈されてはならない。

Claims (6)

  1. 対象を検出する容量センシングシステムであって、
    前記対象の検出場所に永続的な電荷を提供する電荷供給部と、
    前記対象の前記検出場所において前記対象を容量によって検出することで、センシング信号を生成するセンシング電極を有する容量センサと
    を有し、前記容量センサは、前記対象の無意識的な動きを非接触方式で測定するように、前記電荷供給部、前記検出場所及び前記対象から隔たった場所にある、容量センシングシステム。
  2. 前記電荷供給部が、前記電荷を供給するために前記対象に取り付けられたエレクトレットを有する、請求項１記載の容量センシングシステム。
  3. 前記電荷供給部が、前記対象に取り付けられた電圧源及び導電性要素を有し、前記電圧源は前記永続的な電荷を提供する前記導電性要素に接続されている、請求項１記載の容量センシングシステム。
  4. 当該容量センシングシステムが、生成された前記センシング信号から前記対象の特徴を判定する特徴判定部を更に有する、請求項１記載の容量センシングシステム。
  5. 対象を検出する容量センシング方法であって、
    電荷供給部が、前記対象の検出場所に永続的な電荷を提供するステップと、
    容量センサが、センシング電極を用いて、前記対象の前記検出場所において前記対象を容量によって検出することで、センシング信号を生成するステップであって、前記容量センサは、前記対象の無意識的な動きを非接触方式で測定するように、前記電荷供給部、前記検出場所及び前記対象から隔たった場所にある、ステップと
    を有する、容量センシング方法。
  6. 対象を検出する容量センシング方法を容量センシングシステムに実行させるコンピュータプログラムであって、前記容量センシング方法は、
    電荷供給部が、前記対象の検出場所に永続的な電荷を提供するステップと、
    容量センサが、センシング電極を用いて、前記対象の前記検出場所において前記対象を容量によって検出することで、センシング信号を生成するステップであって、前記容量センサは、前記対象の無意識的な動きを非接触方式で測定するように、前記電荷供給部、前記検出場所及び前記対象から隔たった場所にある、ステップと
    特徴判定部が、生成された前記センシング信号から前記対象の特徴を判定するステップと
    を有する、コンピュータプログラム。
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