JP6087645B2

JP6087645B2 - 生体信号センサ

Info

Publication number: JP6087645B2
Application number: JP2013018641A
Authority: JP
Inventors: 賞純岡林; 八田　文吾; 文吾八田; 村岡　仁美; 仁美村岡; 俊一小林
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: JP2014147571A

Description

本発明は、被験者を拘束することなく被験者からの微弱な生体信号を検出することができる生体信号センサに関する。

近年、高齢化や健康意識の高まりに伴って日常生活において、脈波、呼吸などの生体信号を生体信号センサによって測定し、健康状態を把握することが行われるようになってきている。

脈波を測定するための生体信号センサとして光電脈波計が挙げられるが、この光電脈波計は被験者に光を遮らないように装着する必要があり、使用環境が限定されることから、被験者に装着することなく生体信号を検出することができる生体信号センサが望まれている。

又、日常生活において被験者の生体信号を測定するにあたって、被験者の健康状態をより正確に測定するには外出先においても測定できることが好ましく、生体信号センサが持ち運び可能であることは勿論のこと、測定も容易に行えることが求められる。

生体信号センサとして、特許文献１には、臥位における被験者の生体情報を検出可能な、圧電センサを用いた生体情報検出装置が開示されている。

しかしながら、上記生体情報検出装置は、持ち運びをすることができず、外出先において被験者の生体信号を測定することができない。又、上記生体情報検出装置で用いられている生体信号センサは、可撓性を有していることから、使用環境によっては生体信号センサが屈曲してしまい、被験者の生体信号の検出ができないという問題点を有する。

又、上記生体信号センサによって測定しようとする脈波などのような微弱な生体信号は、呼吸信号、体動により発生する生体信号や、外部から伝達する振動による信号に比較して極めて小さく、脈波を生体信号として検出しようとすると精度が低くなるという問題点を有する。更に、生体信号を測定しやすいよう、人体に密着するように生体信号センサを配置すると、センサやセンサに接続されたケーブルが被験者に異物感を与え、生体信号センサの使用時の快適性に欠けるという問題点を有する。

特開２０１０−５１５８８号公報

本発明は、脈波などの微弱な生体信号を精度良く測定することができると共に、持ち運びをすることができ、測定場所を選ばず外出先などにおいても容易に微弱な生体信号を測定することができる生体信号センサを提供する。

本発明の生体信号センサは、被験者の生体信号を検出するための生体信号センサであって、圧電センサと、上記圧電センサの一面に積層一体化された発泡シートと、上記圧電センサの他面に積層一体化された保形板とを有しており、上記発泡シートは、応力−歪み曲線において、圧縮過程の圧縮率０−１０％における応力の変化量の絶対値が、圧縮率２０−３０％の応力の変化量の絶対値の１０倍以上であり且つ圧縮率２０％での応力が１〜２０ｋＰａであることを特徴とする。

上記生体信号センサにおいて、圧電センサが発泡シートであることを特徴とする。上記生体信号センサにおいて、保形板のヤング率が０．１ＧＰａ以上であることを特徴とする。

本発明の生体信号センサは、上述の如き構成を有しているので、呼吸信号や体動などの大きな生体信号や、外部から伝達する振動によるノイズを発泡シートによって吸収、緩和する一方、脈波などの微弱な動きを圧電センサに精度良く伝達することができ、脈波などの微弱な生体信号を正確に測定することができる。

本発明の生体信号センサは、圧電センサの他面に保形板を有しており、生体信号センサを軟らかい場所に載置した場合にあっても、圧電センサが折れ曲がったりするようなことはなく正しい状態にて生体信号センサに加えられた生体信号を正確に測定することができる。

本発明の生体信号センサは、その圧電センサに接続されているケーブルを発泡シートが変形することによって吸収しており、生体信号センサの使用時にケーブルに起因した違和感を被験者が感じることなく快適に使用することができる。

本発明の生体信号センサを示した断面図である。圧電センサを示した断面図である。

本発明の生体信号センサの一例を図面を参照しながら説明する。図１に示したように、生体信号センサＡを構成している圧電センサ１は、圧電シート11と、この圧電シート11の一面に積層一体化されたシグナル電極12と、上記圧電シート11の他面に積層一体化された第一グランド電極13と、上記シグナル電極12上に電気絶縁シート２を介して積層一体化された第二グランド電極14とを有している。

圧電シート11としては、外力が加えられることによって電荷を発生させることができるシートであれば、特に限定されず、例えば、合成樹脂シート（合成樹脂発泡シート又は合成樹脂非発泡シート）に分極を付与した圧電シート、無機系圧電材料を樹脂に分散させたシートに分極を付与した圧電シート、シート状の無機系圧電材料からなる圧電シートが挙げられ、脈波などの微弱な生体信号を精度良く検出でき、感度が高く、厚み方向の変形で電荷を発生しやすいことから、合成樹脂発泡シートに分極を付与した圧電シートが好ましい。

合成樹脂シートを構成する合成樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸、液晶樹脂などが挙げられる。無機系シートを構成する無機材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、リチウムテトラボレート、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₅，Ｐｂ₂ＫＮｂ₅Ｏ₁₅などが挙げられる。

合成樹脂シート又は無機系シートに分極を付与する方法としては、特に限定されず、例えば、（１）合成樹脂シート又は無機系シートを一対の平板電極で挟持し、帯電させたい表面に接触させている平板電極を高圧直流電源に接続すると共に他方の平板電極をアースし、合成樹脂シート又は無機系シートに直流又はパルス状の高電圧を印加して合成樹脂又は無機材料に電荷を注入して合成樹脂シート又は無機系シートに分極を付与する方法、（２）電子線、Ｘ線などの電離性放射線や紫外線を合成樹脂シート又は無機系シートの表面に照射して、合成樹脂シート又は無機系シートの近傍部の空気分子をイオン化することによって合成樹脂又は無機系シートに分極を付与する方法、（３）合成樹脂シート又は無機系シートの一面に、アースされた平板電極を密着状態に重ね合わせ、合成樹脂シート又は無機系シートの他面側に所定間隔を存して直流の高圧電源に電気的に接続された針状電極又はワイヤー電極を配設し、針状電極の先端又はワイヤー電極の表面近傍への電界集中によりコロナ放電を発生させ、空気分子をイオン化させて、針状電極又はワイヤー電極の極性により発生した空気イオンを反発させて合成樹脂又は無機系シートに分極を付与する方法などが挙げられる。

圧電シート11の両面にはその全面を被覆するように固定剤層（図示せず）を介して電気絶縁シート２、３が積層一体化されており、電気絶縁シート２上には更に固定剤層（図示せず）を介して電気絶縁シート４が積層一体化されている。なお、電気絶縁シート２〜４は、電気絶縁性を有しておれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンテレフタレートシート、ポリエチレンナフタレートシートなどが挙げられる。

固定剤層を構成している固定剤は、反応系・溶剤系・水系・ホットメルト系の接着剤又は粘着剤から構成されており、圧電シート11の感度を維持する観点から、誘電率の低い固定剤が好ましい。

電気絶縁シート２における圧電シート11に対向する面21の全面にはシグナル電極12が一体的に形成され、電気絶縁シート３における圧電シート11に対向する面31の全面には第一グランド電極13が一体的に形成され、電気絶縁シート４における圧電シート11に対向する面41の全面には第二グランド電極14が一体的に形成されている。従って、圧電シート11の一面にシグナル電極12が固定剤層を介して積層一体化されていると共に、圧電シート11の他面に固定剤層を介して第一グランド電極13が積層一体化されており、更に、シグナル電極12上に、電気絶縁シート２及び固定剤層を介して第二グランド電極14が積層一体化されている。なお、第二グランド電極14は、シグナル電極12が外部の電磁波の影響を受けることを防止するために設けられている。

電気絶縁シート上に電極（グランド電極及びシグナル電極）を形成する方法としては、例えば、（１）電気絶縁シート上に、バインダー中に導電性微粒子を含有させてなる導電ペーストを塗布、乾燥させる方法、（２）電気絶縁シート上に蒸着によって電極を形成する方法、（３）電気絶縁シート上に、銅シートなどの金属シートを積層一体化する方法などが挙げられる。

圧電センサ１における後述する発泡シートを積層一体化する面の面積は、小さいと、生体信号センサの感度にばらつきが発生しやすくなることがあり、大きいと、圧電センサを構成している圧電シートの静電容量が大きくなって、生体信号による発生電圧が低下して、微弱な生体信号の検出が困難となることがあるので、１〜３０００ｃｍ²が好ましく、４〜１０００ｃｍ²がより好ましい。

上記圧電センサ１の一面には発泡シート５が積層一体化されている。なお、圧電センサ１の一面に発泡シート５を積層一体化させる方法としては、特に限定されず、例えば、圧電センサ１の一面に接着剤を用いて発泡シート５を積層一体化させる方法が挙げられる。

発泡シート５としては、例えば、ポリウレタン系樹脂発泡シート、ポリエチレン系樹脂発泡シート、ポリプロピレン系樹脂発泡シート、ポリスチレン系樹脂発泡シート、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）発泡シート、エチレン−酢酸ビニル共重合体発泡シート、フェノール系樹脂発泡シートなどが挙げられ、耐熱性が高く、圧電性を長期間に亘って保持することができることから、ポリウレタン系樹脂発泡シートが好ましい。

発泡シート５は、応力−歪み曲線において、圧縮過程の圧縮率０−１０％における応力の変化量の絶対値が、圧縮過程の圧縮率２０−３０％における応力の変化量の絶対値の１０倍以上に限定され、呼吸信号や体動のような所定以上の大きさの生体信号や、外部から伝達する振動によるノイズを十分に吸収できることから、１０〜１００倍が好ましく、３０〜１００倍がより好ましい。

発泡シート５の応力−歪み曲線において、圧縮過程の圧縮率０−１０％における応力の変化量の絶対値を、圧縮過程の圧縮率２０−３０％における応力の変化量の絶対値の１０倍以上とすることによって、発泡シートは、小さな応力では変形しない一方、所定以上の大きさの応力では容易に変形する。

従って、発泡シートは、脈波のような微弱な生体信号では殆ど変形せず、その形状を保持するため、微弱な生体信号は発泡シートに吸収されずに圧電センサ１に伝達され、圧電センサ１によって精度良く検出される。一方、発泡シートは、例えば、呼吸信号や体動のような所定以上の大きさの生体信号や外部から伝達する振動によるノイズに対しては円滑に変形し、その生体信号を吸収、緩和する。よって、脈波などの微弱な生体信号が、呼吸信号や体動などの大きな生体信号や、外部から伝達する振動によるノイズに埋没することなく確実に且つ正確に圧電センサ１に伝達されて検出される。

発泡シートの応力−歪み曲線において、圧縮過程の圧縮率０−１０％における応力の変化量の絶対値、及び、圧縮率２０−３０％における応力の変化量の絶対値は、例えば、発泡シートの見掛け密度、発泡シートを構成している樹脂材料、発泡シートの形状を調整することによって制御することができる。

発泡シートの応力−歪み曲線において、圧縮過程の圧縮率０−１０％における応力の変化量の絶対値、及び、圧縮率２０−３０％における応力の変化量の絶対値は下記の要領で算出された値をいう。

先ず、圧縮試験機を用いφ５５ｍｍの円盤状の金属平板が発泡シートに接触したところから１ｍｍ/分で圧縮することによって発泡シートの応力−歪み曲線を得る。次に、得られた応力−歪み曲線から、圧縮率０％（圧縮していない状態）の時の発泡シートの歪み応力Ｐ₀と、圧縮率１０％の時の発泡シートの歪み応力Ｐ₁₀と、圧縮率２０％の時の発泡シートの歪み応力Ｐ₂₀と、圧縮率３０％の時の発泡シートの歪み応力Ｐ₃₀を読み取る。

下記式に基づいて圧縮過程の圧縮率０−１０％における応力の変化量の絶対値、及び、圧縮率２０−３０％における応力の変化量の絶対値を算出する。
圧縮過程の圧縮率０−１０％における応力の変化量の絶対値（Ｐ_0-10）
＝│Ｐ₁₀−Ｐ₀│／１０
圧縮率２０−３０％における応力の変化量の絶対値（Ｐ_20-30）
＝│Ｐ₃₀−Ｐ₂₀│／１０

更に、発泡シートは、その応力−歪み曲線において圧縮過程の圧縮率２０％での応力Ｐ₂₀）が１〜２０ｋＰａに限定され、３〜２０ｋＰａが好ましい。発泡シートにおける圧縮過程の圧縮率２０％での応力が小さいと、脈波などの微弱な生体信号によって発泡シートが変形し、微弱な生体信号を圧電センサが検出できなくなり、大きいと、呼吸信号や体動などの大きな生体信号や、外部から伝達する振動によるノイズによっても発泡シートが変形せず、大きな生体信号やノイズが緩和されることなく圧電センサに伝達されてしまい、微弱な生体信号を圧電センサが検出できなくなる。

発泡シートの応力−歪み曲線において圧縮過程の圧縮率２０％での応力は、例えば、発泡シートの見掛け密度、発泡シートを構成している樹脂材料、発泡シートの形状を制御することによって調整することができる。

以上のように、発泡シート５は、被験者の脈波などの微弱な生体信号を圧電センサ１に精度良く伝達する一方、被験者の呼吸信号や体動などの大きな生体信号や、外部から伝達する振動によるノイズを吸収、緩和し、大きな生体信号を小さくした上で圧電センサ１に伝達しており、本発明の生体信号センサＡは、脈波などの微弱な生体信号を精度良く検出することができる。

更に、圧電センサ１には、圧電センサ１で検出された電気信号を取り出すためのケーブル６が電気的に接続されているが、このケーブル６は発泡シート５が変形することによって圧電センサ１と発泡シート５との間に体裁良く収められている。

生体信号センサを用いて被験者の生体信号を検出するにあたっては、発泡シート５上に被験者が座り、横臥し、又は、被験者の腕や足などの部位を位置させることになるが、この状態において、発泡シート５が緩衝材の役割を果たし、発泡シート５上に位置した被験者は、ケーブル６による違和感を感じることは殆どなく、生体信号センサを快適に使用することができる。

圧電センサ１の他面には保形板７が積層一体化されている。保形板７は、生体信号センサＡがその使用中に折れ曲がるなどして過度に変形するのを防止して、生体信号センサＡが被験者の生体信号を正確に検出するために設けられている。なお、圧電センサ１の他面に保形板７を積層一体化させる方法としては、特に限定されず、例えば、圧電センサ１の他面に接着剤を用いて保形板７を積層一体化させる方法が挙げられる。

保形板７としては、特に限定されず、例えば、金属板、合成樹脂板、木材板などが挙げられる。保形板７のヤング率は、低いと、生体信号センサの使用中の変形を防止することができないことがあるので、０．５ＧＰａ以上が好ましく、１ＧＰａ以上がより好ましく、１０ＧＰａ以上が特に好ましく、１０〜１００ＧＰａが最も好ましい。なお、保形板のヤング率は、材料の引張試験により得られる応力ひずみ線図における弾性域の傾きを意味する。保形板７のヤング率は、保形板が合成樹脂から形成されている場合はＪＩＳＫ７１６１に準拠し、保形板が金属から形成されている場合はＪＩＳＺ２１０１に準拠し、保形板が木材から形成されている場合は、ＪＩＳＺ２１０１に準拠して測定された値をいう。

次に、生体信号センサＡの使用要領を説明する。生体信号センサＡを任意の場所に安定的に載置する。生体信号センサＡは、保形板７を有していることから、生体信号センサＡを軟らかい場所に載置して使用した場合にあっても、生体信号センサＡは折れ曲がるなどして過度に変形するようなことはなく、圧電センサ１の圧電性が損なわれることはない。

しかる後、生体信号センサＡの発泡シート５上に、被験者が起立、着座若しくは横臥するか、又は、被験者の腕や足などの特定部位を載置し、脈波などの生体信号を圧電センサ１によって検出する。

生体信号センサＡの発泡体は、応力−歪み曲線において、圧縮過程の圧縮率０−１０％における応力の変化量の絶対値が、圧縮率２０−３０％における応力の変化量の絶対値の１０倍以上であり且つ圧縮率２０％での応力が１〜２０ｋＰａであることから、被験者の呼吸信号や体動などの大きな生体信号や、外部から伝達する振動によるノイズは発泡シートが円滑に変形することによって吸収、緩和された上で圧電センサ１に伝達される一方、発泡シート５は、被験者の脈波などの微弱な生体信号によって変形せず、よって、微弱な生体信号は発泡シートによって吸収、緩和されることなく圧電センサ１に伝達され、圧電センサ１にて精度良く検出される。

上述のように、生体信号センサＡは、保形板７を有しており、使用時の圧電センサ１の折れ曲がりなどを効果的に防止し、圧電センサ１の圧電性が常に十分に発揮できるように構成されている。従って、生体信号センサＡは、この生体信号センサＡ上に被験者又はその一部の身体部位を安定的に位置させた状態に載置できる場所であれば、多少、軟らかい場所であっても容易に用いることができるので、外出先においても場所を選ぶことなく被験者の生体信号の測定を容易に行うことができる。

そして、生体信号センサＡは、呼吸信号や体動などの大きな生体信号や、外部から伝達する振動によるノイズは吸収、緩和された上で圧電センサ１に伝達されることから、大きな生体信号に脈波などの微弱な生体信号が埋没してしまうようなことはなく、微弱な生体信号を見逃すことなく精度良く検出することができる。

（実施例１〜６、比較例１〜３）
表１に示した合成樹脂発泡シート（平面：一辺１０ｃｍの正方形状）に電荷を注入して得られた厚みが１００μｍの圧電シート11を用意した。３枚のポリエチレンテレフタレートシートからなる電気絶縁シート２〜４を用意した。各電気絶縁シート２〜４の片面には蒸着によってアルミニウムからなる電極が形成されていた。

圧電シート11の一面に電気絶縁シート２をポリウレタン系接着剤を用いて積層一体化した。電気絶縁シート２の電極を圧電シート11に向けた状態で積層一体化し、この電極をシグナル電極12とした。

圧電シート11の他面に電気絶縁シート３をポリウレタン系接着剤を用いて積層一体化した。電気絶縁シート３の電極を圧電シート11に向けた状態で積層一体化し、この電極を第一グランド電極13とした。

圧電シート11の電気絶縁シート２上に電気絶縁シート４をポリウレタン系接着剤を用いて積層一体化して圧電センサ１を作製した。電気絶縁シート４の電極を圧電シート11に向けた状態で積層一体化し、この電極を第二グランド電極14とした。

圧電センサ１の第一、第二グランド電極13、14にケーブル61を電気的に接続し、このケーブル61を介して第一、第二グランド電極13、14を図示しない演算手段に電気的に接続した。なお、ケーブル61を途中で分岐させて接地させることによって、第一、第二グランド電極13、14に対してアースをとった。

圧電センサ１のシグナル電極12にケーブル62を電気的に接続し、このケーブル62を介してシグナル電極12を図示しない演算手段に電気的に接続した。

圧電センサ１のシグナル電極12の形成面上に、厚み２０ｍｍのポリウレタン発泡シート１（見掛け密度：０．０２１ｋｇ／ｍ³、ブリジストン社製商品名「エバーライトＥＣ２０」）、厚み１０ｍｍのポリウレタン発泡シート２（見掛け密度：０．０５０ｋｇ／ｍ³、ブリジストン社製商品名「エバーライトＧＭ」）又は厚み３０ｍｍのポリウレタン発泡シート３（見掛け密度：０．０３５ｋｇ／ｍ³、ブリジストン社製商品名「エバーライトＳＦＱＴ２０」）のうちの表１に示した発泡シートをポリウレタン系接着剤を用いて積層一体化した。なお、表１において、「−」は発泡シートを積層一体化しなかった場合を示している。

ポリウレタン発泡シート１〜３について、応力−歪み曲線において、圧縮過程の圧縮率０−１０％における応力の変化量の絶対値を、圧縮率２０−３０％における応力の変化量の絶対値で除した値は下記の通りであった。
ポリウレタン発泡シート１：３３
ポリウレタン発泡シート２：１７
ポリウレタン発泡シート３：７３

ポリウレタン発泡シート１〜３について、応力−歪み曲線において圧縮過程の圧縮率２０％での応力は下記の通りであった。
ポリウレタン発泡シート１：５．９ｋＰａ
ポリウレタン発泡シート２：１５．１ｋＰａ
ポリウレタン発泡シート３：３．３ｋＰａ

圧電センサ１の第一グランド電極13の形成面上に、アルミニウム板、ポリプロピレン板又は木板のうちの表１に示した厚さ２ｍｍの保形板をポリウレタン系接着剤を用いて積層一体化して生体信号センサＡを作製した。アルミニウム板、ポリプロピレン板又は木板のヤング率を下記に示した。なお、表１において、「−」は保形板を積層しなかった場合を示している。
アルミニウム板：６８．２ＧＰａ
ポリプロピレン板：８．９ＧＰａ
木板：１．６ＧＰａ

得られた生体信号センサについて、脈波及び体動、並びに、脈波感度及び異物感を下記の要領で測定し、その結果を表１に示した。

（脈波及び体動）
入力抵抗が１ＧΩである電圧アンプ（東京センサー社製商品名「研究開発アンプ」）を用意し、この電圧アンプに、生体信号センサＡのケーブル61、62を電気的に接続した。なお、ケーブル61は途中で二つに分岐させているが、接地させていない方のケーブル端部を電圧アンプに接続した。

生体信号センサＡを床面上に載置した。被験者（身長：１７０ｃｍ、体重：７０ｋｇ）が仰向け状態で横臥して被験者の右脚の太股部分を生体信号センサＡ上に載置した。被験者の右脚をかかとが床面に接地した状態から床面から２ｃｍだけ浮いた状態まで上げた後、かかとが床面に接地した状態となるまで動かした。この動作を一サイクルとして５０サイクルを行った時に得られる脈波及び体動の信号ピークの電圧の最高高さを測定した。

（脈波感度）
上記脈波及び体動で検出された電圧の最高高さから、下記式に基づいて、体動に対する脈波の感度（脈波感度）を算出した。
脈波感度（％）＝１００×（脈波の電圧の最高高さ）／（体動の電圧の最高高さ）

（異物感）
生体信号センサの発泡シートを手で押圧した時の異物感の有無を評価した。

１圧電センサ
11 圧電シート
12 シグナル電極
13 第一グランド電極
14 第二グランド電極
２電気絶縁シート
５発泡シート
６ケーブル
７保形板
Ａ生体信号センサ

Claims

被験者の生体信号を検出するための生体信号センサであって、圧電センサと、上記圧電センサの一面に積層一体化された発泡シートと、上記圧電センサの他面に積層一体化された保形板とを有しており、上記発泡シートは、応力−歪み曲線において、圧縮過程の圧縮率０−１０％における応力の変化量の絶対値が、圧縮率２０−３０％における応力の変化量の絶対値の１０倍以上であり且つ圧縮率２０％での応力が１〜２０ｋＰａであり、更に、上記保形板のヤング率が０．１ＧＰａ以上であることを特徴とする生体信号センサ。
圧電センサを構成している圧電シートが発泡シートであることを特徴とする請求項１に記載の生体信号センサ。