JP5679541B2 - 生体信号検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、呼吸、心拍、心房や大動脈の揺動等の人の生体信号を検出する生体信号検出装置に関する。

心拍、呼吸、体動等の人の生体信号を検出する装置として、例えば、特許文献１〜８に開示されたものがある。これらはいずれも密閉の空気袋を用い、この空気袋内の空気圧変動を測定し、得られた空気圧変動データから上記した人の生体信号を検出するものである。

特開平２−２６９６３号公報 特開平１１−１９０５６号公報 特開２００１−２８６４４８号公報 特許第３２４２６３１号公報 特許第３４１９７３２号公報 特許第３４１９７３３号公報 特許第３４９５９８２号公報 特許第３５１３４９７号公報 特開２００７−９００３２号公報

特許文献１〜８に開示された装置は、いずれも空気袋内の空気圧変動をマイクロフォンセンサや圧力センサにより測定するものである。しかしながら、人の生体信号である呼吸や心拍に伴う体表面の振動は振幅が極めて小さい。このため、このような小さな体表面の振幅に伴って生じる空気袋内の空気圧の変化も極めて小さく、外乱に紛れ込んでしまう。外乱いわゆる外部振動の影響のない環境下であれば、このような小さな空気圧変動を捉えることは可能であるが、外部振動の影響下では外部振動を大きく捉えてしまう。従って、例えば、乗物用シートにセットした場合、走行時に車体を介して入力される外部振動や体動が人の生体信号の検出の妨げになる。このため、特許文献１〜８で示された技術を乗物用シートに適用して心拍や呼吸などの振幅の小さな振動を捉えることは極めて困難であり、特許文献８において唯一、運転者の体動という、振幅が大きく、大きな空気圧変動をもたらす変化に限って検出可能であることが示されているに過ぎない。

一方、本出願人は、特許文献９として、圧力変動を検出する空気袋として体積の小さなものを用いると共に、その内部に、人の筋肉の荷重特性に近似した荷重特性を有する三次元立体編物を配置した生体信号検出装置を開示している。そして、乗物に搭載するシートとして、外部振動を効果的に除振できる構造のものを採用すると共に、検出信号を処理する特殊なアルゴリズムを用いて、空気袋内の空気圧変動から、心拍や呼吸などの振幅の小さな生体信号を検出できるようにしている。

特許文献９に開示された技術によれば、上記のように、体積の小さな空気袋と特殊なアルゴリズムを用いることで、心拍や呼吸等の生体信号を検出できるが、さらに、より感度良く心拍、呼吸、心房や大動脈の揺動等に伴う微振動を検出できることが望ましい。また、特許文献９の技術は、２枚のプラスチックフィルムにより三次元立体編物を挟み、該２枚のプラスチックフィルムの周縁を振動溶着等の手段を用いて溶着する必要があり、製造コストが比較的高いという課題もあった。特に、内部に三次元立体編物を挿入した状態で、所定以上の気密性を保つ加工を施すには、マイクロフォンセンサ等のリード線の取り出しの問題もあり、熟練を要する作業が必要であった。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、心拍、呼吸、心房や大動脈の揺動等の振幅の小さな生体信号を従来よりも感度良く検出でき、しかも、構成が簡易であると共に加工が容易で、低コストで製造可能な生体信号検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の生体信号検出装置は、人の生体信号に伴う振動伝播により弦振動を生じる三次元立体編物と、前記三次元立体編物の表側及び裏側の少なくとも一方に積層され、人の生体信号に伴う振動伝播により膜振動を生じる板状発泡体とを有し、前記人の生体信号に伴う振動を、前記弦振動と膜振動の重畳作用による、増幅された固体振動とする機械的増幅デバイスと、前記機械的増幅デバイスに取り付けられ、前記増幅された固体振動を検出する振動センサとを有することを特徴とする。

本発明の生体信号検出装置は、さらに、前記機械的増幅デバイスが、前記三次元立体編物と前記板状発泡体との間に積層されたフィルムを有し、前記フィルムの膜振動がさらに重畳される構成であることが好ましい。

前記機械的増幅デバイスは、前記三次元立体編物を配置するための配置用貫通孔が形成された三次元立体編物支持部材をさらに備え、前記配置用貫通孔に前記三次元立体編物を配置した状態で、前記フィルムが、前記三次元立体編物の表側及び裏側の少なくとも一方に積層されると共に、周縁部が前記三次元立体編物支持部材に固定され、前記フィルムを介して前記板状発泡体が積層されている構成であることが好ましい。

前記板状発泡体は、ビーズ発泡体であることが好ましい。また、前記三次元立体編物支持部材が、板状に形成されたビーズ発泡体であることが好ましい。前記ビーズ発泡体は、ポリスチレン、ポリプロピレン及びポリエチレンのいずれか少なくとも一つを含む樹脂のビーズ法による発泡成形体であることことが好ましい。前記ビーズ発泡体は、厚さがビーズの平均直径以下に形成されていることが好ましい。

前記三次元立体編物は、厚さが、前記三次元立体編物支持部材を構成するビーズ発泡体よりも厚いことが好ましい。前記三次元立体編物は、荷重−たわみ特性が、直径３０ｍｍ又は直径９８ｍｍの加圧板で加圧した際に、荷重１００Ｎまでの範囲で、人の筋肉の荷重−たわみ特性から得られるバネ定数と近似したバネ定数を有することが好ましい。

前記三次元立体編物は、互いに離間して配置された一対のグランド編地と、該一対のグランド編地間を往復して両者を結合する多数の連結糸とを有して構成され、前記連結糸がモノフィラメントであることが好ましい。前記三次元立体編物は、互いに離間して配置された一対のグランド編地と、該一対のグランド編地間を往復して両者を結合する多数の連結糸とを有して構成され、前記連結糸がマルチフィラメントであるものであってもよい。

前記振動センサの感知部が、前記三次元立体編物、前記板状発泡体又は前記フィルムに固定されていることが好ましい。前記振動センサが、マイクロフォンセンサであることが好ましい。

本発明の生体信号検出装置は、寝具又は座席構造において、人の背部に対応する範囲に取り付けられて使用されることが好ましい。

本発明は、三次元立体編物と三次元立体編物の周辺に積層される板状発泡体とを備えた機械的増幅デバイス、好ましくは、三次元立体編物と板状発泡体との間にフィルムが配設された機械的増幅デバイスを有し、この機械的増幅デバイスに振動センサが取り付けられた構成である。心拍、呼吸、心房や大動脈の揺動などの人の生体信号による体表面の微小振動は、板状発泡体、フィルム及び三次元立体編物に伝播されるが、板状発泡体及びフィルムでは膜振動を生じ、三次元立体編物には糸の弦振動を生じさせる。さらに言えば、三次元立体編物は、一対のグランド編地間に連結糸が配設されてなるが、人の筋肉の荷重−たわみ特性に近似した荷重−たわみ特性を備えている。従って、三次元立体編物を含んだ機械的増幅デバイスの荷重−たわみ特性を筋肉のそれに近似させたものにして、それを筋肉に隣接して配置されることで、筋肉及び三次元立体編物間の内外圧差が等しくなり、心拍、呼吸、心房や大動脈の揺動などの生体信号を正確に伝えることができ、これにより、三次元立体編物を構成する糸（特に、連結糸）に弦振動を生じさせることができる。また、三次元立体編物に積層された板状発泡体、好ましくはビーズ発泡体は、ビーズの有する柔らかな弾性と小さな密度により各ビーズに膜振動が生じやすい。フィルムは、周縁部を固定し、人の筋肉の荷重−たわみ特性に近似する三次元立体編物で弾性支持することにより、所定の張力が生じるため、膜振動が生じやすい。すなわち、本発明によれば、心拍、呼吸、心房や大動脈の揺動などの生体信号により、筋肉の荷重−たわみ特性に近似する荷重−たわみ特性をもつ機械的増幅デバイス内の板状発泡体やフィルムに膜振動が生じると共に、人の筋肉の荷重−たわみ特性に近似した荷重−たわみ特性を有する三次元立体編物に弦振動が生じる。そして、三次元立体編物の弦振動は再びフィルム等の膜振動に影響を与え、これらの振動が重畳して作用する。その結果、生体信号に伴って体表面から入力される振動は、弦振動と膜振動との重畳によって増幅された固体振動として直接振動センサにより検出されることになる。

従来のように密閉袋内の空気圧変動を検出する場合、体積と圧力が反比例関係にあるため、密閉袋の体積を小さくしないと圧力変動を検出しにくい。これに対し、本発明によれば、空気圧変動ではなく、上記のように、機械的増幅デバイス（三次元立体編物、板状発泡体、フィルム）に伝播される増幅された固体振動を検出するものであるため、その容積（体積）が検出感度の観点から制限されることはほとんどなく、心拍、呼吸、心房や大動脈の揺動等に伴う振幅の小さな振動を感度良く検出できる。このため、多様な体格を有する人に対応できる。以上のことから、本発明は、乗物用シートのように、多様な体格を有する人が利用し、さらに多様な外部振動が入力される環境下における生体信号検出装置として適している。また、密閉構造を作る必要がないため、製造工程が簡素化され、製造コストも下げることができ、量産に適している。

図１は、本発明の一の実施形態に係る生体信号検出装置の構成を示した分解斜視図である。 図２は、図１の生体信号検出装置において、他の態様に係るフィルムを用いた場合の分解斜視図である。 図３は、図１の生体信号検出装置を自動車用シートに配置する工程を示した図である。 図４は、生体信号検出装置の荷重−たわみ特性を示した図である。 図５は、生体信号検出装置により生体信号を測定した際の出力原波形を示した図である。 図６（ａ）は、実施形態の生体信号測定装置における振動センサ３０から出力された原波形と、原波形から体動成分等のノイズをフィルタリングして除去した波形（フィルタ波形）の周波数分析結果を示した図であり、図６（ｂ）は、従来の空気袋型の生体信号検出装置におけるセンサから出力された原波形と、原波形から体動成分等のノイズをフィルタリングして除去した波形（フィルタ波形）の周波数分析結果を示した図である。 図７（ａ）は、試験例４において、振動センサであるマイクロフォンセンサから出力された原波形を示し、図７（ｂ）は、原波形から体動成分等のノイズをフィルタリングして除去した波形（フィルタ波形）を示した図である。 図８は、図７（ａ），（ｂ）に示した「フィルム両側」タイプの生体信号検出装置の原波形及びフィルタ波形の周波数分析結果を示した図である。 図９は、図７（ａ），（ｂ）に示した他のフィルムを用いたタイプの生体信号検出装置の原波形及びフィルタ波形の周波数分析結果を示した図である。 図１０は、図７（ａ），（ｂ）に示したさらに他のフィルムを用いたタイプの生体信号検出装置の原波形及びフィルタ波形の周波数分析結果を示した図である。 図１１（ａ）〜（ｄ）は、「フィルム両側」タイプの生体信号検出装置を取り付けて行った実車走行試験における被験者の状態の判定結果を示した図である。 図１２（ａ）〜（ｄ）は、他のフィルムを用いたタイプの生体信号検出装置を取り付けて行った実車走行試験における被験者の状態の判定結果を示した図である。 図１３（ａ）〜（ｄ）は、さらに他のフィルムを用いたタイプの生体信号検出装置を取り付けて行った実車走行試験における被験者の状態の判定結果を示した図である。

以下、図面に示した本発明の実施形態に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る生体信号検出装置１を示した構成図である。生体信号検出装置１は、三次元立体編物１０、三次元立体編物支持部材１５、フィルム１６、板状発泡体２１，２２、振動センサ３０を有して構成される。

三次元立体編物１０は、例えば、特開２００２−３３１６０３号公報に開示されているように、互いに離間して配置された一対のグランド編地と、該一対のグランド編地間を往復して両者を結合する多数の連結糸とを有する立体的な三次元構造となった編地である。

一方のグランド編地は、例えば、単繊維を撚った糸から、ウェール方向及びコース方向のいずれの方向にも連続したフラットな編地組織（細目）によって形成され、他方のグランド編地は、例えば、短繊維を撚った糸から、ハニカム状（六角形）のメッシュを有する編み目構造に形成されている。もちろん、この編地組織は任意であり、細目組織やハニカム状以外の編地組織を採用することもできるし、両者とも細目組織を採用するなど、その組み合わせも任意である。連結糸は、一方のグランド編地と他方のグランド編地とが所定の間隔を保持するように、２つのグランド編地間に編み込んだものである。本実施形態では、三次元立体編物の固体振動、特に、連結糸の弦振動を検出するものであるため、連結糸はモノフィラメントから構成することが好ましいが、採取する生体信号の種類に応じて共振周波数を調整するため、連結糸もマルチフィラメントから構成することもできる。

また、三次元立体編物１０は、厚み方向の荷重−たわみ特性が、測定板上に載置して直径３０ｍｍ又は直径９８ｍｍの加圧板で加圧した際に、荷重１００Ｎまでの範囲で、人の臀部の筋肉の荷重−たわみ特性に近似したバネ定数を備えることが好ましい。具体的には直径３０ｍｍの加圧板で加圧した際の当該バネ定数が０．１〜５Ｎ／ｍｍの範囲、又は、直径９８ｍｍの加圧板で加圧した際の当該バネ定数が１〜１０Ｎ／ｍｍであるものを用いることが好ましい。人の臀部の筋肉の荷重−たわみ特性に近似していることにより、三次元立体編物と筋肉とが釣り合い、心拍、呼吸、心房や大動脈の揺動などの生体信号が伝播されると、三次元立体編物が人の筋肉と同様の振動を生じることになり、生体信号を大きく減衰させることなく伝播できる。

このような三次元立体編物としては、例えば、以下のようなものを用いることができる。なお、各三次元立体編物は、必要に応じて複数枚積層して用いることもできる。

（１）製品番号：４９０７６Ｄ（住江織物（株）製）
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

（２）製品番号：４９０１１Ｄ（住江織物（株）製）
材質：
グランド編地（縦糸）・・・６００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
グランド編地（横糸）・・・３００デシテックス／７２ｆのポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸
連結糸・・・・・・・・・８００デシテックス／１ｆのポリエチレンテレフタレートモノフィラメント

（３）製品番号：４９０１３Ｄ（住江織物（株）製）
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
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

（４）製品番号：６９０３０Ｄ（住江織物（株）製）
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
裏側のグランド編地・・・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

（５）旭化成せんい（株）製の製品番号：Ｔ２４０５３ＡＹ５−１Ｓ

板状発泡体２１，２２は、ビーズ発泡体により構成することが好ましい。ビーズ発泡体としては、例えば、ポリスチレン、ポリプロピレン及びポリエチレンのいずれか少なくとも一つを含む樹脂のビーズ法による発泡成形体が用いることができる。ビーズ発泡体からなる板状発泡体２１，２２は、個々の微細なビーズを構成している発泡により形成された球状の樹脂膜の特性により、微小な振幅を伴う生体信号を膜振動として伝播する。この膜振動が三次元立体編物に弦振動として伝わり、これらの膜振動と弦振動が重畳され、生体信号は、膜振動と弦振動が重畳されることによって増幅された機械振動として、後述する振動センサ３０により検出される。従って、生体信号の検出が容易になる。

板状発泡体２１，２２をビーズ発泡体から構成する場合、発泡倍率は２５〜５０倍の範囲で、厚さがビーズの平均直径以下に形成されていることが好ましい。例えば、３０倍発泡のビーズの平均直径が４〜６ｍｍ程度の場合では、板状発泡体２１，２２の厚さは３〜５ｍｍ程度にスライスカットする。これにより、板状発泡体２１，２２に柔らかな弾性が付与され、振幅の小さな振動に共振した固体振動を生じやすくなる。

ここで、三次元立体編物１０は、幅４０〜１００ｍｍ、長さ１００〜３００ｍｍの範囲の短冊状のものが用いられる。本実施形態では、人が背部が当接した際の違和感軽減のため、脊柱に対応する部位を挟んで対象に２枚配設するようにしている。三次元立体編物１０を簡単に所定位置に配置するようにするため、図１に示したように、三次元立体編物１０は三次元立体編物支持部材１５に支持させた構成とすることが好ましい。三次元立体編物支持部材１５は、板状に成形され、脊柱に対応する部位を挟んで対称位置に、縦長の配置用貫通孔１５ａ，１５ａが２つ形成されている。三次元立体編物支持部材１５は、上記板状発泡体２１，２２と同様に、板状に形成されたビーズ発泡体から構成することが好ましい。三次元立体編物支持部材１５をビーズ発泡体から構成する場合の好ましい発泡倍率、厚さの範囲は上記板状発泡体２１，２２と同様である。但し、生体信号により膜振動をより顕著に起こさせるためには、三次元立体編物１０，１０の上下に積層される板状発泡体２１，２２の厚さが、三次元立体編物支持部材１５の厚さよりも薄いことが好ましい。

三次元立体編物支持部材１５に形成した配置用貫通孔１５ａ，１５ａに、２つの三次元立体編物１０，１０を挿入配置した状態で、三次元立体編物１０，１０の表側及び裏側にフィルム１６，１６を積層する。本実施形態では、配置用貫通孔１５ａ，１５ａの周縁部にフィルム１６，１６の周縁部を貼着して積層する。なお、配置用貫通孔１５ａ，１５ａの形成位置（すなわち、三次元立体編物１０，１０の配設位置）は、心房と大動脈（特に、「下行大動脈」）の拍出に伴う動きによって生じる揺れ及び大動脈弁の動きを検知可能な領域に相当する位置とすることが好ましい。この結果、三次元立体編物１０，１０は、上下面が板状発泡体２１，２２によりサンドイッチされ、周縁部が三次元立体編物支持部材１５によって取り囲まれており、板状発泡体２１，２２及び三次元立体編物支持部材１５が共振箱（共鳴箱）の機能を果たす。

また、三次元立体編物支持部材１５よりも、三次元立体編物１０，１０の方が厚いものを用いることが好ましい。つまり、三次元立体編物１０，１０を配置用貫通孔１５ａ，１５ａに配置した場合には、三次元立体編物１０，１０の表面及び裏面が、該配置用貫通孔１５ａ，１５ａよりも突出するような厚さ関係とする。これにより、フィルム１６，１６の周縁部を配置用貫通孔１５ａ，１５ａの周縁部に貼着すると、三次元立体編物１０，１０は厚み方向に押圧されるため、フィルム１６，１６の反力による張力が発生し、該フィルム１６，１６に固体振動（膜振動）が生じやすくなる。一方、三次元立体編物１０，１０にも予備圧縮が生じ、三次元立体編物の厚さ形態を保持する連結糸にも反力による張力が生じて弦振動が生じやすくなる。なお、フィルム１６，１６は、三次元立体編物１０，１０の表側及び裏側の両側に設けることが好ましいが、いずれか少なくとも一方に設けた構成とすることも可能である。

三次元立体編物１０，１０の連結糸は、一対のグランド編地間に掛け渡されるため、いわばコイル状に巻かれた長い弦となり、上下の節点に共振箱（共鳴箱）の機能を果たすフィルム１６，１６及び板状発泡体２１，２２が配設されている。心拍変動に代表される生体信号は、低周波であるため、このような長い弦と多数の節点を備えた共振システムにより増幅される。つまり、連結糸の弦振動が多数の節点を介してフィルム１６，１６の膜振動及び板状発泡体２１，２２のビーズの膜振動を起こさせ、これらが重畳して作用し、増幅される。なお、三次元立体編物の連結糸の節点間の間隔、すなわち、連結糸の配置密度は高いほど好ましい。

また、フィルム１６，１６を板状発泡体２１，２２側に予め貼着して一体化しておき、板状発泡体２１，２２を三次元立体編物支持部材１５に積層するだけで、フィルム１６，１６を三次元立体編物１０，１０の表側及び裏側に配置できる構成とすることも可能である。但し、三次元立体編物１０，１０に予備圧縮を付与するためには、上記のように、フィルム１６，１６を三次元立体編物支持部材１５の表面に固着することが好ましい。また、図１のように、三次元立体編物１０毎に対応してフィルムを配設するのではなく、図２に示したように、２つの三次元立体編物１０，１０を両方とも覆うことのできる大きさのフィルム１６を用いるようにしてもよい。

フィルム１６，１６としては、例えば、心拍変動を捉えるには、ポリウレタンエラストマーからなるプラスチックフィルム(例えば、シーダム株式会社製、品番「ＤＵＳ６０５−ＣＤＲ」）を用いることが好ましい。但し、フィルム１６，１６は固有振動数が合致すれば共振による膜振動を生じるため、これに限るものではなく、採取する対象（心拍、呼吸、心房や大動脈の揺動等）に応じた固有振動数を有するものを使用することが好ましい。例えば、後述の試験例で示したように、伸縮性の小さい素材、例えば、熱可塑性ポリエステルからなる不織布(例えば、帝人（株）製のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）繊維（１１００ｄｔｅｘ）から形成した２軸織物（縦：２０本／ｉｎｃｈ、横：２０本／ｉｎｃｈ））を用いることも可能である。また、例えば、伸度２ ０ ０ ％ 以上、１ ０ ０ ％ 伸長時の回復率が８ ０ ％ 以上である弾性繊維不織布（ 例えば、Ｋ Ｂ セーレン（ 株） 製、商品名「エスパンシオーネ」） を用いることも可能である。

振動センサ３０は、上記したフィルム１６，１６を積層する前に、いずれか一方の三次元立体編物１０に固着して配設される。三次元立体編物１０は一対のグランド編地と連結糸とから構成されるが、各連結糸の弦振動がグランド編地との節点を介してフィルム１６，１６及び板状発泡体２１，２２に伝達されるため、振動センサ３０は感知部３０ａを三次元立体編物１０の表面（グランド編地の表面）に固着することが好ましい。振動センサ３０としては、マイクロフォンセンサ、中でも、コンデンサ型マイクロフォンセンサを用いることが好ましい。本実施形態では、マイクロフォンセンサを配置した部位（すなわち、三次元立体編物１０を配置した配置用貫通孔１５ａ）の密閉性を考慮する必要がないため、マイクロフォンセンサのリード線の配線は容易に行うことができる。本実施形態では、上記したように、生体信号に伴う人の筋肉を介した体表面の振動は、三次元立体編物１０だけでなく、板状発泡体２１，２２、フィルム１６にも伝播され、それらが振動（弦振動、膜振動）して重畳されて増幅する。よって、振動センサ３０は、三次元立体編物１０に限らず、振動伝達経路を構成する板状発泡体２１，２２及びフィルム１６に、その感知部３０ａを固定することもできる。なお、本実施形態では、三次元立体編物１０、三次元立体編物支持部材１５、板状発泡体２１，２２、フィルム１６が生体信号を機械的に増幅させるため、これらが機械的増幅デバイスを構成する。

上記した生体信号検出装置１は、例えば、図３に示したように、自動車用シート１００のシートバックフレーム１１０に被覆される表皮１２０の内側に配置される。なお、配置作業を容易にするため、生体信号検出装置１を構成する三次元立体編物１０、三次元立体編物支持部材１５、フィルム１６、板状発泡体２１，２２、振動センサ３０等は予めユニット化しておくことが好ましい。

（試験例１）
[生体信号検出装置１の荷重−たわみ特性]
上記実施形態の生体信号検出装置１を測定板上に載置し、直径３０ｍｍの加圧板により、三次元立体編物１０を配置した箇所を加圧し、荷重−たわみ特性を調べた。板状発泡体２１，２２及び三次元立体編物支持部材１５は、ビーズの平均直径が約５ｍｍで、厚さ３ｍｍにスライスカットしたビーズ発泡体を用いた。三次元立体編物１０は、住江織物（株）製、製品番号：４９０１１Ｄで、厚さ１０ｍｍのものであった。フィルム１６は、シーダム株式会社製、品番「ＤＵＳ６０５−ＣＤＲ」を用いた（フィルム仕様）。また、実施形態の生体信号検出装置１を、外部振動の除振効果に優れた三次元立体編物から形成されたドライブクッションである（株）デルタツーリング製、商品名「ツインランバー」の裏側に積層し、その状態で測定板上に載置し、同様に荷重−たわみ特性を測定した。

また、フィルム１６として、帝人（株）製のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）繊維を用い、図２に示したように、２つの三次元立体編物１０，１０の両方を被覆するように配設して製作した生体信号測定装置１（ＰＥＮ仕様）、及び、ＫＢセーレン（株）製、商品名「エスパンシオーネ」をフィルム１６として用い、図２に示したように、２つの三次元立体編物１０，１０の両方を被覆するように配設して製作した生体信号測定装置１（エスパンシオーネ仕様）についても、上記と同様に荷重−たわみ特性を測定した。その結果を図４に示す。

図４に示したように、実施形態の生体信号検出装置１は、荷重３０Ｎまでの範囲でバネ定数が６〜１０Ｎ／ｍｍであり、背部筋肉の荷重−たわみ特性の４０〜６０Ｎの荷重範囲におけるバネ定数とほぼ同じであった。また、商品名「ツインランバー」に積層した状態では、バネ定数はさらに低くなり、人の背部筋肉の荷重−たわみ特性の１０Ｎ前後の荷重範囲における荷重−たわみ特性に極めて近くなった。従って、本実施形態の生体信号測定装置１を用いると共に、三次元立体編物から形成された商品名「ツインランバー」のように三次元立体編物からなるドライブクッションや三次元立体編物からなる表皮で被覆すると、人の背部筋肉の振動によって生じる圧力（内圧）と三次元立体編物の圧縮及び復元に伴う圧力（外圧）との差がなくなり、心拍、呼吸、心房や大動脈の揺動などを固体振動として伝播しやすくなることがわかる。

(試験例２）
[フィルムの有無の比較]
厚さ３ｍｍのビーズ発泡体からなる板状発泡体２１，２２及び三次元立体編物支持部材１５に代えて、厚さ５ｍｍのビーズ発泡体からなるものを採用した生体信号測定装置１を製作し、これを樹脂製の背もたれにセットし、被験者を着座させて生体信号を測定した。なお、三次元立体編物１０が心房と大動脈（特に、「下行大動脈」）の拍出に伴う動きによって生じる揺れ及び大動脈弁の動きを検知可能な領域となるようにセットした。そのときの振動センサ３０の出力原波形を示したものが図５である。図５において、「発泡５ｍｍ＋フィルム（人側）＋ネット＋フィルム(シート側）＋発泡５ｍｍ」が、図１に示した生体信号検出装置１と全く同じ構造のものであり、「発泡５ｍｍ＋フィルム（人側）＋ネット＋発泡５ｍｍ」が、図１の構造から背もたれ側のフィルムを除いた構造のものであり、「発泡５ｍｍ＋ネット＋発泡５ｍｍ」が、図１の構造から人側と背もたれ側の両方のフィルムを除いた構造のものである。

いずれも、生体信号（拍出に伴う大動脈の揺れ）を捉えているが、フィルムを配置しない場合と比較して、人と接する側のみにフィルムを配設した場合の方が振幅が大きくなっており、さらには、三次元立体編物１０の両側にフィルムを配置すると、振幅がより大きくなっており、フィルム１６の膜振動との組み合わせによる増幅効果が高いことがわかる。

（試験例３）
[本実施形態の生体信号測定装置と従来の空気袋型の生体信号検出装置との比較]
試験例１で用いた生体信号検出装置１（フィルム１６として、シーダム株式会社製、品番「ＤＵＳ６０５−ＣＤＲ」を用いたタイプ）を、外部振動の除振効果に優れた三次元立体編物から形成されたドライブクッションである（株）デルタツーリング製、商品名「ツインランバー」の裏側に積層し、その状態で測定板上に載置し、同様に荷重−たわみ特性を測定した。

また、フィルム１６として、帝人（株）製のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）繊維を用い、図２に示したように、２つの三次元立体編物１０，１０の両方を被覆するように配設して製作した生体信号測定装置１、及び、ＫＢセーレン（株）製、商品名「エスパンシオーネ」をフィルム１６として用い、図２に示したように、２つの三次元立体編物１０，１０の両方を被覆するように配設して製作した生体信号測定装置１についを（株）デルタツーリング製、商品名「ツインランバー」の裏側に積層し、自動車の助手席シートに取り付け、実車走行試験を行った。なお、三次元立体編物１０が心房と大動脈（特に、「下行大動脈」）の拍出に伴う動きによって生じる揺れ及び大動脈弁の動きを検知可能な領域となるようにセットした。そのときの振動センサ３０から出力された原波形と、原波形から体動成分等のノイズをフィルタリングして除去した波形（フィルタ波形）の周波数分析結果を図６（ａ）に示した。なお、被験者は試験例２と同じであり、この被験者の活動代謝時における心拍数は、平均で１分間に約７０回、すなわち、約１．３Ｈｚである。図６（ａ）から、試験例１で用いた生体信号測定装置１は、原波形では、１．２〜１．４Ｈｚ付近に最も高いピークがあり、フィルタ波形では、０．５Ｈｚ、０．９Ｈｚ近傍のノイズが除去され、１．２〜１．４Ｈｚ付近に明確なピークが出現し、心拍成分を含んだ心房や大動脈の揺動を確実に検出できていた。

一方、シーダム株式会社製、品番「ＤＵＳ６０５−ＣＤＲ」の２枚のフィルムを用い、内部に三次元立体編物を位置させ、さらに、２枚のフィルム間にチューブを挟んで、周縁を振動溶着により密封して空気袋型の従来の生体信号検出装置を製作した。なお、チューブ内にコンデンサ型マイクロフォンセンサを配置して、密閉空気袋内の空気圧変動を測定した。この空気袋型の生体信号検出装置を（株）デルタツーリング製、商品名「ツインランバー」の裏側に積層し、上記と同様に自動車の運転席シートに取り付けて実車走行試験を行った。そのときのマイクロフォンセンサから出力された原波形と、原波形から体動成分等のノイズをフィルタリングして除去した波形（フィルタ波形）の周波数分析結果を図６（ｂ）に示した。その結果、原波形では、０．５Ｈｚ、０．８Ｈｚ、１．０Ｈｚのほか、 １．２Ｈｚ付近でもピークが生じており、フィルタ波形では０．８Ｈｚ、１．０Ｈｚ、１．２Ｈｚ付近にピークが生じており、このうち最も高いピークは１．０Ｈｚであった。すなわち、空気袋型の場合には、共振周波数が１．０Ｈｚでこの被験者の活動代謝時の心拍成分である１．２〜１．４Ｈｚとはずれがあり、本実施形態の生体信号検出装置１の方が、心臓の拍動を中心とした生体信号成分（心房や大動脈の揺動を含む）を検出する目的に合致しており、空気袋型の従来のものよりも感度が優れていた。

（試験例４）
[フィルムの種類の比較]
試験例１で製作した次の３つの生体信号測定装置１：
フィルム１６として、シーダム株式会社製、品番「ＤＵＳ６０５−ＣＤＲ」を、図１に示したように２つの三次元立体編物１０，１０のそれぞれの両側に配設して製作した生体信号測定装置１（図では、「フィルム両側」と表記）、
フィルム１６として、帝人（株）製のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）繊維を用い、図２に示したように、２つの三次元立体編物１０，１０の両方を被覆するように三次元立体編物の両側に配設して製作した生体信号測定装置１（図では、「ＰＥＮ両側」と表記、及び、
フィルム１６として、ＫＢセーレン（株）製、商品名「エスパンシオーネ」を用い、図２に示したように、２つの三次元立体編物１０，１０の両方を被覆するように三次元立体編物の両側に配設して製作した生体信号測定装置１（図では、「エスパンシオーネ両側」と表記）を、それぞれ、（株）デルタツーリング製、商品名「ツインランバー」の裏側に積層し、自動車の助手席シートに取り付け、実車走行し、各生体信号測定装置１の検出結果を調べた。

図７（ａ）は、振動センサ３０であるマイクロフォンセンサから出力された原波形を示し、図７（ｂ）は、原波形から体動成分等のノイズをフィルタリングして除去した波形（フィルタ波形）を示した図である。

図８〜図１０は、図７（ａ），（ｂ）の原波形及びフィルタ波形の周波数分析結果を示した図であり、図８は、シーダム株式会社製、品番「ＤＵＳ６０５−ＣＤＲ」を用いた場合、図９は、帝人（株）製のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）繊維を用いた場合、図１０は、ＫＢセーレン（株）製、商品名「エスパンシオーネ」を用いた場合の周波数分析結果を示す。

図８から、フィルタ波形のピークは、１．２〜１．４Ｈｚの範囲であり、この被験者の心拍成分を検出できていることがわかった。一方、図９では、０．７〜０．８Ｈｚと１．０Ｈｚ付近にほぼ同じ高さのピークがあり、図１０では、０．８〜０．９Ｈｚの範囲に顕著なピークと１．３Ｈｚ付近に小さなピークがある。いずれも、最も高いピークは被験者の心拍成分とはずれがあった。このことから、この被験者の心拍成分を含んだ心房や大動脈の揺動を検出するには、フィルム１６として、シーダム株式会社製、品番「ＤＵＳ６０５−ＣＤＲ」を用いることが好ましいが、採取する対象の周波数が異なる場合、例えば呼吸数を測定する場合、あるいは、弛緩した状態の筋肉での睡眠中の心拍数を含んだ心房や大動脈の揺動（いずれも覚醒時より低下している）を検出するには、エスパンシオーネを用いたものが適する。また、これらのフィルムを、複数種類積層して設けることで、さらに異なる周波数の生体信号を捉えることも可能である。従って、フィルム１６は、その種類や配設枚数を変えることにより、生体信号測定装置１の共振周波数を調整する機能を有する。

（試験例５）
試験例４の「フィルム両側」タイプの生体信号検出装置１を（株）デルタツーリング製、商品名「ツインランバー」の裏側に積層し、自動車の助手席シートに取り付け、実車走行し、被験者の状態を判定した。その結果が図１１（ａ）〜（ｄ）であり、このうち（ｄ）は被験者の状態の総合判定結果を示す。これは、本出願人が先に提案した特願２００９−２３７８０２の技術に基づくものであり、検出された生体信号の時系列波形から周波数の時系列波形を求め、さらに、所定の時間幅の時間窓を設定し、最小二乗法によりの周波数の傾きを求め、その時系列波形を出力した際の周波数傾き時系列波形の正負、周波数傾き時系列波形の積分波形の正負、検出された生体信号の時系列波形において、正から負に切り替わる地点を用いて周波数の時系列波形を求める方法（以下、「ゼロクロス法」という）を用いた場合と時系列波形を平滑化微分して極大値（ピーク）を用いて時系列波形を求める方法（以下、「ピーク検出法」という）を用いた場合の双方で得られた周波数傾き時系列波形の絶対値の比較、周波数傾き時系列波形と周波数変動時系列波形とを重ねて出力した場合における逆位相の出現（逆位相の出現が入眠予兆を示す）等を組み合わせて人の状態を判定するものである。縦軸の上側がリラックス状態（元気状態）を示し、下側ほど疲労の度合い（疲労状態）が高くなることを示す。

図１０（ｄ）において、「少し眠気」、「ボーとしている」、「普通」等の文字は、試験中、被験者が感じた感覚を記述したものであるが、図１０（ｄ）の判定結果とほぼ一致していた。

図１１は、試験例４の「ＰＥＮ両側」タイプの生体信号検出装置１を用いて、図１０と同様の試験を行った結果である。

図１１（ｄ）に示したように、この場合も被験者の感覚に比較的近い判定結果が得られていたが、上記「フィルム両側」タイプの生体信号測定装置１による判定結果の方が、被験者の感覚により近かった。

図１２は、試験例４の「エスパンシオーネ両側」タイプの生体信号測定装置１用いて同様の試験を行った結果である。図１２（ｄ）を見ると、被験者の感覚と図９（ｄ）の判定結果との間に多少のずれがあった。このことからも、伸度、回復率が極めて高い弾性繊維不織布は、上記のように活動代謝時における心房と大動脈の揺動を捉える場合のフィルムとしてはあまり適していないと言える。但し、採取する対象が異なるものであったり、睡眠時における状態を判定したりする場合には、エスパンシオーネのような弾性繊維不織布を用いることが好ましいことは上記した通りである。

これらのことから、例えば、「フィルム両側」タイプの生体信号検出装置１を活動代謝時における生体信号の測定用として、「ＰＥＮ両側」タイプや「エスパンシオーネ両側」タイプの生体信号測定装置１を安静代謝時（リラックス時）や睡眠代謝時における生体信号の測定用として使い分けるようにすることも好ましい。もちろん、人によっては、「ＰＥＮ両側」タイプや「エスパンシオーネ両側」タイプの生体信号測定装置１の方が、心拍成分を含んだ心房や大動脈の揺動を検出するのに適している場合もある。

帝人（株）製のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）繊維は、それ自体は塑性変形するものであり、減衰要素として機能するが、生体信号測定装置１に荷重がかかった場合には、内部に配置された三次元立体編物１０の弾性が作用する。また、ＫＢセーレン（株）製、商品名「エスパンシオーネ」を用いた場合には、三次元立体編物１０の弾性支持との組み合わせにより、バネ要素が直列に配置されることになるため、より柔らかなバネ特性が作られる。このようなことから、「ＰＥＮ両側」タイプや「エスパンシオーネ両側」タイプの生体信号測定装置１は、「フィルム両側」タイプの生体信号検出装置１とは共振周波数が異なるものとなっており、採取信号の種類により、子供と大人や性別等の区別により、これらを使い分けることが好ましい。また、帝人（株）製のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）繊維やＫＢセーレン（株）製、商品名「エスパンシオーネ」は、それ自体が通気性を有するため、蒸れを防止する点からも好ましい。

以上の結果から、上記実施形態の生体信号検出装置１は、人の生体信号を固体振動として確実に検出できることがわかった。また、密閉性を考慮する必要はなく、板状発泡体２１，２２、三次元立体編物１０，１０、フィルム１６，１６を順に積層していくだけでよいため、製造作業が容易で、低コストで製造することができ、量産に適している。

本発明の生体信号測定装置は、人体を支持する寝具（ベッド、ふとんなど）、座席構造（乗物用シート、事務用椅子、マッサージチェア、ソファなど）において、人の背部に対応する範囲に取り付けて生体信号を採取するのに用いることができる。

１ 生体信号検出装置
１０ 三次元立体編物
１５ 三次元立体編物支持部材
１５ａ 配置用貫通孔
１６ フィルム
２１，２２ 板状発泡体
３０ 振動センサ

Claims (13)

1. 人の生体信号に伴う振動伝播により弦振動を生じる三次元立体編物と、前記三次元立体編物の表側及び裏側の少なくとも一方に積層され、人の生体信号に伴う振動伝播により膜振動を生じる板状発泡体とを有し、前記人の生体信号に伴う振動を、前記弦振動と膜振動の重畳作用による、増幅された固体振動とする機械的増幅デバイスと、
   前記機械的増幅デバイスに取り付けられ、前記増幅された固体振動を検出する振動センサと
   を有することを特徴とする生体信号検出装置。
2. さらに、前記機械的増幅デバイスが、前記三次元立体編物と前記板状発泡体との間に積層されたフィルムを有し、前記フィルムの膜振動がさらに重畳される構成である請求項１記載の生体信号検出装置。
3. 前記機械的増幅デバイスは、前記三次元立体編物を配置するための配置用貫通孔が形成された三次元立体編物支持部材をさらに備え、
   前記配置用貫通孔に前記三次元立体編物を配置した状態で、前記フィルムが、前記三次元立体編物の表側及び裏側の少なくとも一方に積層されると共に、周縁部が前記三次元立体編物支持部材に固定され、
   前記フィルムを介して前記板状発泡体が積層されている請求項２記載の生体信号検出装置。
4. 前記板状発泡体が、ビーズ発泡体である請求項１〜３のいずれか１に記載の生体信号検出装置。
5. 前記三次元立体編物支持部材が、板状に形成されたビーズ発泡体である請求項３記載の生体信号検出装置。
6. 前記ビーズ発泡体は、ポリスチレン、ポリプロピレン及びポリエチレンのいずれか少なくとも一つを含む樹脂のビーズ法による発泡成形体であることを特徴とする請求項４又は５記載の生体信号検出装置。
7. 前記ビーズ発泡体は、厚さがビーズの平均直径以下に形成されている請求項４〜６のいずれか１に記載の生体信号検出装置。
8. 前記三次元立体編物は、厚さが、前記三次元立体編物支持部材を構成するビーズ発泡体よりも厚い請求項５記載の生体信号検出装置。
9. 前記三次元立体編物は、荷重−たわみ特性が、直径３０ｍｍ又は直径９８ｍｍの加圧板で加圧した際に、荷重１００Ｎまでの範囲で、人の筋肉の荷重−たわみ特性から得られるバネ定数と近似したバネ定数を有する請求項１〜８のいずれか１に記載の生体信号検出装置。
10. 前記三次元立体編物は、互いに離間して配置された一対のグランド編地と、該一対のグランド編地間を往復して両者を結合する多数の連結糸とを有して構成され、前記連結糸がモノフィラメントである請求項１〜９のいずれか１に記載の生体信号検出装置。
11. 前記三次元立体編物は、互いに離間して配置された一対のグランド編地と、該一対のグランド編地間を往復して両者を結合する多数の連結糸とを有して構成され、前記連結糸がマルチフィラメントである請求項１〜９のいずれか１に記載の生体信号検出装置。
12. 前記振動センサが、マイクロフォンセンサである請求項１〜１１のいずれか１に記載の生体信号検出装置。
13. 寝具又は座席構造において、人の背部に対応する範囲に取り付けられる請求項１〜１２のいずれか１に記載の生体信号検出装置。

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