JP6328955B2

JP6328955B2 - 生体検出システム

Info

Publication number: JP6328955B2
Application number: JP2014034606A
Authority: JP
Inventors: 賞純岡林
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: JP2015157048A

Description

本発明は、生体が載っているか否かを検出することができる生体検出システムに関する。

病院や老人ホームなどでは患者又は入居者（以下「被介護人」という）がベッド上から転落しないように十分な監視を行う必要があり、被介護人がベッド上で就寝しているか又は離床しているかを介護人が定期的に見回りを行っている。

被介護人を絶え間なく見回ることは介護人にとって大変な労力を要することから、遠隔地からでも被介護人を監視することができる装置が提案されており、具体的には、特許文献１に、ベッド床面に載置される感圧部材を備え、該感圧部材から出力される圧力信号に基づいて該ベッド上の患者の存在を検知する患者検知装置であって、前記感圧部材が前記ベッドの幅方向に複数備えられ、該複数の感圧部材から出力される圧力信号に基づいて、前記ベッドの幅方向における前記患者の位置を検出する位置検出手段を含む患者検出装置が提案されている。

特開２００３−５５３号公報

しかしながら、上記患者検出装置は、被介護人の正確な検出が不十分であり、被介護人がベッド上に居るにもかかわらず、被介護人がベッド上から離れたという誤報や、ベッド上に、寝具や治療器具などのような重量物が載置されると、被介護人がベッドから離れた場合にあってもその状態を検出できないという失報を招くという問題点を有する。

本発明は、上述の誤報や失報を防止しながら、被介護人などの生体が生体信号センサ上に載っているか否かを正確に検出することができる生体検出システムを提供する。

本発明の生体検出システムは、圧電シートの一面に第一電極が積層一体化され且つ上記圧電シートの他面に第二電極が積層一体化されていると共に、上記第二電極上に、エレクトレットシート、圧力によって弾性復元可能に変形する変形層及び第三電極がこの順序で積層一体化されている生体信号センサと、上記第二電極と上記第三電極との間の電位を測定する第一測定部と、上記圧電シートで発生する電位を測定する第二測定部と、上記第一測定部で測定された電位が予め定められた閾値以上又は上記第一測定部で測定された電位の変化量が予め定められた閾値以上である場合には上記第二測定部での上記圧電シートの電位の測定を開始し、上記第二測定部にて周期的な生体信号を検出した場合には上記生体信号センサ上に生体が載っていることを出力部に出力し、上記第二測定部にて周期的な生体信号を検出しない場合には上記生体信号センサ上に生体が載っていないことを出力部に出力する制御部とを有することを特徴とする。

本発明の生体信号センサシステムは、生体信号センサに荷重が加わると、この荷重によって変形層が変形して第二電極と第三電極との間の距離が変化し、第二電極と第三電極との間の電位が変化する。この電位の変化を検出することによって生体信号センサ上に何らかの物体が載置されていることを確認する。

第一測定部において測定された電位を電気信号として制御部が受信し、制御部が予め定められた閾値と、第一測定部において測定された電位とを比較し、第一測定部で測定された電位が予め定められた閾値以上である場合、又は、第一測定部で測定された電位の変化量が閾値以上である場合には、第二測定部にて、生体信号センサの圧電シートで発生する電位の測定を開始し、この測定された電位に基づき呼吸信号などの周期的な生体信号が含まれているか否かを制御部が判断する。一方、電位が予め定められた閾値以上である場合、又は、電位の変化量が閾値以上である場合の何れにも該当しないときは、制御部は、第二測定部において、生体信号センサの圧電シートで発生する電位の測定をしない。

制御部が第二測定部で測定された信号に脈波信号や呼吸信号などの周期的な生体信号が含まれていると判断した場合には、制御部は、生体信号センサ上に生体が存在していると判断し、生体信号センサ上に生体が載っていることを出力部に出力する。その後も、第二測定部にて生体信号センサの圧電シートにおいて発生する電位の測定を継続して行う。

一方、制御部が第二測定部で測定された信号に周期的な生体信号（脈波信号、呼吸信号など）が含まれていないと判断した場合には、制御部は、生体信号センサ上に存在しているものは生体でない、又は、生体信号センサ上に存在していた生体がいなくなったと判断し、第二測定部において行われている、生体信号センサの圧電シートにて発生する電位の測定を停止すると共に、生体信号センサ上に生体が存在していないことを出力部に出力すし、第一測定部において、第二電極と第三電極との間の電位の測定を開始する。第一測定部において、第二電極と第三電極との間の電位の測定を開始した後は、上述と同様の要領で測定が継続して行われる。

このように、本発明の生体信号センサを用いた生体信号センサシステムは、生体信号センサ上に生体が存在しているか否かを正確に検知し、出力部に出力することができる。

又、生体信号センサは、生体信号センサ上に生体が存在しているか否かを検出するための変形層と、生体信号を測定するための圧電シートとがそれらの厚み方向に積層一体化されているので、生体が存在しているか否かを検出する場所と、生体信号を検出する場所とを合致させることができるので、生体が存在しているか否かを精度良く検出することができる。

本発明の生体信号センサを示した断面図である。本発明の生体信号センサシステムの機能構成を示した図である。本発明の生体信号センサシステムのハードウエア構成を示した図である。本発明の生体信号センサシステムの動作を示したフローチャートである。

本発明の生体信号センサシステムに用いられる生体信号センサの一例を図面を参照しながら説明する。生体信号センサシステムＢで用いられている生体信号センサＡは、図１に示したように、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第一電極12と、上記圧電シート11の他面に積層一体化された第二電極13と、第二電極13上に積層一体化されたエレクトレットシート19と、エレクトレットシート19上に積層一体化された変形層14と、変形層14上に積層一体化された第三電極15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表面に電荷を発生させることができるシート（圧電現象を有するシート）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無機系シートに分極を付与した圧電シート、無機系圧電材料を含む無機系シートに分極を付与した圧電シートが挙げられ、脈波信号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が好ましく、合成樹脂発泡シートに分極を付与した圧電シートがより好ましい。

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の一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16が積層一体化されている。圧電シート11の他面には固定剤層（図示せず）を介して電気絶縁シート17が積層一体化されている。電気絶縁シート17上には固定剤層（図示せず）を介してエレクトレットシート19が積層一体化されていると共に、エレクトレットシート19上には変形層14及び電気絶縁シート18が積層一体化されている。エレクトレットシート19と変形層14、及び、変形層14と電気絶縁シート18との間にはそれぞれ固定剤層（図示せず）が介在している。なお、電気絶縁シート16〜18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、ポリ塩化ビニルシートなどが挙げられる。エレクトレットシート19は、圧電現象を有していてもよいが、必ずしも圧電現象を有している必要はなく、合成樹脂シート又は無機系シートが帯電されてシート内部に電界を形成しておればよい。合成樹脂シート及び無機系シートは、圧電シートで用いられるシートと同様のシートが用いられる。合成樹脂シート又は無機系シートを帯電する方法としては、上述した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を用いることができる。エレクトレットシートは、圧電シートと異なり、圧電現象を必ずしも有している必要はないので、合成樹脂シート又は無機系シートへの分極の付与度合いは、圧電シートの製造時と同様であってもよいが低くてもよい。

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16における圧電シート11側の面16aの全面には第一電極12が一体的に形成され、電気絶縁シート17における圧電シート11側の面17aの全面には第二電極13が一体的に形成されて、電気絶縁シート18における圧電シート11側の面18aには第三電極15が一体的に形成されている。従って、圧電シート11の一面に固定剤層を介して第一電極12が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二電極13が積層一体化されており、第二電極13上にはエレクトレットシート19及び変形層14を介して第三電極15が積層一体化されている。

電気絶縁シート上に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。

上記変形層14は、生体信号センサＡ上に加わった荷重によって弾性的に復元可能に変形する材料から形成されている。このような材料としては、発泡シート、不織布、織布、編布などが挙げられるが、弾性復元力に優れ、荷重によって容易に変形し且つ荷重が除かれた時には円滑に元の状態に弾性的に復元することから、発泡シートが好ましい。

発泡シートとしては、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る。

生体信号センサＡ上に荷重が加わると、変形層14が圧縮されて変形し、第二電極13と第三電極15との間の距離が変化する。エレクトレットシート19は帯電されており、エレクトレットシート19が保持する静電気によって第二電極13と第三電極15との間には電位が発生している。第二電極13と第三電極15との間の距離が変化すると、第二電極13と第三電極15との間の電位が変化する。第二電極13と第三電極15との間の距離が小さくなればなるほど、第二電極13と第三電極15との間の電位が大きくなる。第二電極13と第三電極15との間の電位は、圧電シート11で発生する電位を第二測定部３において測定している時以外は、常時、後述する第一測定部で測定されており、第一測定部で測定された測定値に基づいて後述する制御部が生体信号センサＡ上に何らかの物体が存在していることを検知する。なお、第二電極13と第三電極15との間の電位は、公知の方法で測定され、例えば、表面電位計を用いて測定される。

上記生体信号センサＡを用いて生体信号センサシステムＢが構成されている。生体信号センサシステムＢは、機能的には、図２に示したように、生体信号センサＡと、生体信号センサＡの第二電極13と第三電極15との間の電位を測定する第一測定部２と、圧電シート11で発生する電位を測定する第二測定部３と、制御部４と、出力部５とを有している。又、生体信号センサシステムＢは、物理的には、図３に示したように、生体信号センサＡと、ＣＰＵ(Central Processing Unit)61と、ＲＯＭ(Read Only Memory)62と、ＲＡＭ(Random Access Memory)63と、ＳＳＤ（Solid State Drive）やＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの補助記憶装置64と、測定モジュール65と、ディスプレイやプリンタなどの出力モジュール66とを有している。

図２において説明した生体信号センサシステムＢの各機能は、図３に示したＣＰＵ61やＲＡＭ63上に所定のプログラムを読み込ませることにより、ＣＰＵ61の制御のもとで測定モジュール65及び出力モジュール66を作動させると共に、ＲＡＭ63や補助記憶装置64におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

生体信号センサシステムＢの制御部４は、ＣＰＵ61を備えたものであってＲＯＭ62などに記憶されているプログラムを実行することで生体信号センサシステムＢが具備する各種機能を制御する。

生体信号センサＡの第二電極13及び第三電極15は、第二電極13と第三電極15との間の電位を測定するために、一対として測定モジュール65に導電線を介して電気的に接続されていると共に、生体信号センサＡの第一電極12及び第二電極13は、圧電シート11で発生した電位を測定するために、一対として測定モジュール65に導電線を介して電気的に接続されている。生体信号センサＡの第二電極13と第三電極15との間の電位を測定するために電気的に接続されている測定モジュールと、生体信号センサＡの圧電シートで発生する電位を測定するために第一電極12及び第二電極13に接続されている測定モジュールとは、同一であってもよいし相違していてもよい。従って、第二電極13は、第二電極13と第三電極15との間の電位を測定する測定モジュールと、圧電シート11で発生した電位を測定する測定モジュールとの双方に電気的に接続されている場合と、第二電極13と第三電極15との間の電位及び圧電シート11で発生した電位の双方を測定する一の測定モジュールに電気的に接続されている場合とがある。

第二電極13と測定モジュール65とを接続している導電線を途中で二つに分岐させて、一方の分岐線を測定モジュール65に、他方の分岐線においてアースをとることによって、第二電極13を基準電位として、圧電シート11で発生した電位を第一電極12を通じて測定し、更に、第二電極13と第三電極15との間の電位は、アースをとった第二電極13を基準電極として第三電極15を通じて測定されていることが好ましい。

生体信号センサシステムＢの動作について図４のフローチャートを参照しつつ説明する。生体信号センサシステムＢの生体信号センサＡは、例えば、被介護人の横臥面や着座面上に配設される。先ず、生体信号センサＡ上に物体が存在しているか否かを検出する〔ステップ１（Ｓ１）〕。具体的には、第一測定部２において生体信号センサＡの第二電極13と第三電極15との間の電位を測定する。生体信号センサＡ上に物体が存在していると、生体信号センサＡの変形層14が物体の荷重によって弾性復元可能に圧縮変形し、その結果、第二電極13と第三電極15との間の距離が狭くなり、第二電極13と第三電極15との間の電位が大きくなる。

第一測定部２によって測定された電位の測定結果は電気信号として制御部４に送られ、制御部４において、予め定められた閾値と、第一測定部２にて測定された電位の測定結果とを比較し、第一測定部２にて測定された電位の測定結果が閾値以上であった場合、又は、第一測定部２にて測定された電位の変化量が閾値以上であった場合には、生体信号センサＡ上に物体が存在していると判断する。一方、第一測定部２にて測定された測定結果が、電位の測定結果が閾値以上であった場合、又は、第一測定部２にて測定された電位の変化量が閾値以上であった場合の何れでもない場合、即ち、閾値未満であり且つ第一測定部２にて測定された電位の変化量が閾値未満である場合には、生体信号センサＡ上に物体は存在していないと制御部４において判断する〔ステップ２（Ｓ２）〕。なお、第一測定部２は、圧電シート11で発生する電位を第二測定部３において測定している時以外は、常時又は所定の時間間隔毎に、第二電極13と第三電極15との間の電位を測定している。

制御部４において予め定められている閾値は、生体信号センサシステムＢを用いて測定しようとする生体の想定される重量に基づいて設定される。例えば、生体信号センサシステムＢを用いて生体信号を測定しようとする生体が大人を想定している場合は、子供であると想定している場合に比べて閾値は大きく設定される。従って、生体信号を測定しようとする生体が大人を想定している場合、子供が生体信号センサＡ上にのったとしても、制御部４は、子供が生体信号センサＡ上にのっていないものと判断することから閾値の設定は、想定している生体の重量範囲を考慮した上で設定する必要がある。

制御部４が生体信号センサＡ上に物体は存在していないと判断した場合は、制御部４の指示により、第一測定部２において、第二電極13と第三電極15との間の電位を引き続き測定し、制御部４において、第一測定部２で測定された測定値と、予め定められた閾値との大小を継続して比較し続ける。

一方、制御部４が生体信号センサＡ上に物体が存在していると判断した場合は、第二電極13と第三電極15との間の電位の第一測定部２による測定を中止すると共に、第二測定部３において、圧電シート11にて発生する電位の測定を開始する〔ステップ３（Ｓ３）〕。制御部４は、第二測定部３において検出された信号に基づいて生体信号センサＡ上にある物体が生体であるか否かを判断する〔ステップ４（Ｓ４）〕。

生体は呼吸信号や脈波信号などの周期的な生体信号を発することから、制御部４には、生体信号センサシステムＢが対象とする生体が発する周期的な生体信号の情報が記憶されており、この記憶された周期的な生体信号の情報に基づいて、制御部４は、第二測定部３から受信した信号が周期的な生体信号を含むか否かを判断する。周期的な生体信号の情報としては、呼吸信号や脈波信号が挙げられるが、生体であれば必ず発生する脈波信号が好ましい。

制御部４が第二測定部３から受信した信号が周期的な生体信号を含んでいないと判断した場合、制御部４は、生体信号センサＡ上にのっている物体は生体ではないと判断し、第二測定部３による生体信号センサＡでの測定を中止して生体信号センサＡ上には生体が存在していないことを出力部５に出力する。例えば、被介護人の横臥面又は着座面に被介護人が横臥又は着座しておらず、荷物などの別の物体が生体信号センサＡ上に載置されている場合にあっても、上記生体検出システムによれば、被介護人が存在していると判断する失報が生じるのを防止することができる。制御部４は、更に、第二電極13と第三電極15との間の電位の第一測定部２による測定を開始する。〔ステップ５（Ｓ５）〕。

一方、制御部４が第二測定部３から受信した信号が生体信号を含むと判断した場合は、制御部４は、生体信号センサＡ上に生体が存在していることを出力部５に出力する。更に、制御部４は、第二測定部３において圧電シートにて発生する電位の測定を継続して行う〔ステップ６（Ｓ６）〕。なお、第二測定部３にて測定された、生体信号センサＡからの生体信号を、必要に応じて、ディスプレイ、プリンタ、又は、補助記憶装置74などの出力部５に出力し、必要があれば、補助記憶装置64に記憶してもよい。生体信号センサシステムＢの第二測定部３にて測定される生体信号には、呼吸信号、脈波信号、体動などが含まれる。

制御部４は、第二測定部３において圧電シートにて発生する電位の測定を継続して行っており、制御部４は、第二測定部３から受信した信号が周期的な生体信号を含むか否かを判断する〔ステップ７（Ｓ７）〕。

制御部４が第二測定部３から受信した信号が周期的な生体信号を含んでいないと判断した場合には、生体信号センサＡ上に今までのっていた生体が生体信号センサＡから離れたと判断し、生体が生体信号センサＡから離れたことを出力部５に出力する〔ステップ８（Ｓ８）〕。例えば、被介護人の横臥面又は着座面に被介護人が横臥又は着座していたが、被介護人が横臥面又は着座面から離れた場合が該当し、制御部４は、被介護人が横臥面又は着座面から離れたことを出力部５に出力する。そして、制御部４は、第二測定部３による生体信号センサＡでの測定を中止する。

一方、制御部４が第二測定部３から受信した信号が周期的な生体信号を含んでいると判断した場合には、制御部４は、生体信号センサＡ上に生体が継続して存在していると判断し、第二測定部３において圧電シートにて発生する電位の測定を継続して行い〔ステップ９（Ｓ９）〕、その後は、制御部４は、第二測定部３において圧電シートにて発生する電位の測定結果に基づいて上記と同様の手順に従って処理を行う。

以上の如く、上記生体信号センサシステムＢは、第一測定部から得られる第二電極13と第三電極15との間の電位の値に基づいて生体信号センサＡ上に物体がのっているか否かを判断し、更に、圧電シート11にて発生する電位を電気信号として制御部が受信して制御部にて生体信号センサＡ上の物体が生体であるか否かを判断しており、生体信号センサＡ上にのっている物体が生体であるか否か及び生体が存在しているか否かを精度良く検出することができる。

２第一測定部
３第二測定部
４制御部
５出力部
11 圧電シート
12 第一電極
13 第二電極
14 変形層
15 第三電極
19 エレクトレットシート
Ａ生体信号センサ
Ｂ生体信号センサシステム

Claims

圧電シートの一面に第一電極が積層一体化され且つ上記圧電シートの他面に第二電極が積層一体化されていると共に、上記第二電極上に、エレクトレットシート、圧力によって弾性復元可能に変形する変形層及び第三電極がこの順序で積層一体化されている生体信号センサと、上記第二電極と上記第三電極との間の電位を測定する第一測定部と、上記圧電シートで発生する電位を測定する第二測定部と、上記第一測定部で測定された電位が予め定められた閾値以上又は上記第一測定部で測定された電位の変化量が予め定められた閾値以上である場合には上記第二測定部での上記圧電シートの電位の測定を開始し、上記第二測定部にて周期的な生体信号を検出した場合には上記生体信号センサ上に生体が載っていることを出力部に出力し、上記第二測定部にて周期的な生体信号を検出しない場合には上記生体信号センサ上に生体が載っていないことを出力部に出力する制御部とを有することを特徴とする生体検出システム。
制御部は、第二測定部での圧電シートの電位の測定において、周期的な生体信号を検出した後、周期的な生体信号が検出されなくなった場合には、生体信号センサ上の生体が上記生体信号センサから離れたことを出力部に出力することを特徴とする請求項１に記載の生体検出システム。
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に記載の生体検出システム。
変形層が、発泡シートであることを特徴とする請求項１に記載の生体検出システム。