JP6622149B2 - ウェアラブルデバイス - Google Patents

Description

本発明は、心電波形などの生体信号を測定して無線により伝送するウェアラブルデバイスに係り、特に生体信号測定用のセンサ電極をアンテナとして使用するウェアラブルデバイスに関するものである。

図６（Ａ）は、心電波形などの生体信号を測定する従来のセンシングシステムの構成を示すブロック図である。センシングシステムは、ユーザが身に付けるウェアラブルデバイス１と、ウェアラブルデバイス１で測定されたデータを受信するスマートフォンなどの外部機器２とから構成される（非特許文献１参照）。ウェアラブルデバイス１は、基材となる衣類３と、衣類３に着脱自在に取り付けられるセンサ端末４と、ユーザの身体と接触する衣類３の面に設けられたセンサ電極５とから構成される。非特許文献１では、繊維素材を導電性高分子でコーティングした“ｈｉｔｏｅ”と呼ばれる素材を衣類３の一部に設けることでセンサ電極５を実現している。

図６（Ｂ）は、センサ端末４の構成を示すブロック図である。センサ端末４は、センサ電極５を介して生体信号を測定するセンサ回路４０と、センサ回路４０が測定した生体信号をアンテナ４２を介して外部機器２へ無線送信する無線回路４１とから構成される。非特許文献１の例では、測定した心電波形のデータをＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標商標）によって無線送信している。

高河原 和彦他，"業界の垣根を越えて結実したウェアラブルセンサ ｈｉｔｏｅ技術"，ＮＴＴ技術ジャーナル，ｐ．４２−４４，２０１４．５

従来のセンシングシステムでは、生体信号測定用のセンサ電極５と無線送信用のアンテナ４２とを別々に設けている。無線通信の分野では、一般に、電波の波長λに対しλ／２やλ／４の長さのアンテナが用いられ、この長さを下回るアンテナの場合にはアンテナの利得が下がり、無線伝送の効率（Ｓ／Ｎ比）が落ちることが知られている。このため、無線伝送の効率を維持しつつアンテナ４２を小型化することが難しく、センサ端末４のサイズはアンテナ４２のサイズにより制約を受ける。

しかしながら、センサ端末４は衣類３に取り付けて使用されるため、センシングシステムの利便性を考えると、センサ端末４が極めて小さい方が装飾的にも着心地的にも好まれる場合が多い。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、センサ端末の小型化と無線伝送の効率の向上とを両立させることができるウェアラブルデバイスを提供することを目的とする。

本発明のウェアラブルデバイスは、使用者が身に付ける基材に、使用者の体表面と接触するように配置されたセンサ電極と、前記センサ電極を介して使用者の生体信号を測定し、この測定した生体信号を、前記センサ電極を第１のアンテナとして無線送信するセンサ端末とを備え、前記センサ端末は、前記センサ電極を介して使用者の生体信号を測定するセンサ回路と、前記センサ電極を第１のアンテナとして前記生体信号を無線送信する第１の無線回路と、前記センサ回路または前記第１の無線回路と前記センサ電極とを選択的に接続するスイッチと、生体信号測定期間においては前記スイッチを介して前記センサ電極と前記センサ回路とを接続し、無線通信期間においては前記スイッチを介して前記センサ電極と前記第１の無線回路とを接続するスイッチ制御手段と、第２のアンテナと、前記生体信号を前記第２のアンテナを介して無線送信する第２の無線回路と、前記第１の無線回路による無線通信と前記第２の無線回路による無線通信とを選択的に実施させる無線通信制御手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明のウェアラブルデバイスは、使用者が身に付ける基材に、使用者の体表面と接触するように配置されたセンサ電極と、前記センサ電極を介して使用者の生体信号を測定し、この測定した生体信号を、前記センサ電極を第１のアンテナとして無線送信するセンサ端末とを備え、前記センサ端末は、前記センサ電極を介して使用者の生体信号を測定するセンサ回路と、前記センサ電極を第１のアンテナとして前記生体信号を無線送信する第１の無線回路と、前記センサ電極と前記センサ回路との間に設けられ、前記生体信号の周波数帯域の信号のみを通過させる第１のフィルタと、前記センサ電極と前記第１の無線回路との間に設けられ、無線信号の周波数帯域の信号のみを通過させる第２のフィルタと、第２のアンテナと、前記生体信号を前記第２のアンテナを介して無線送信する第２の無線回路と、前記第１の無線回路による無線通信と前記第２の無線回路による無線通信とを選択的に実施させる無線通信制御手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明のウェアラブルデバイスは、使用者が身に付ける基材に、使用者の体表面と接触するように配置されたセンサ電極と、前記センサ電極を介して使用者の生体信号を測定し、この測定した生体信号を、前記センサ電極をアンテナとして無線送信するセンサ端末とを備え、前記センサ端末は、前記センサ端末の動作に必要な電力を蓄積する蓄電素子と、前記センサ電極をアンテナとして利用し、受信した電波を電力に変換して前記蓄電素子を充電する電波電力回収回路とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、生体信号の測定に用いるセンサ電極を、外部の機器との無線通信用のアンテナとしても利用することで、センサ端末にアンテナを設ける必要がなくなり、センサ端末の小型化を実現することができる。また、本発明では、アンテナの大面積化による無線伝送の効率向上（Ｓ／Ｎ比向上）が可能となる。

また、本発明では、センサ端末に第１、第２のフィルタを設けることにより、生体信号の測定と無線通信を同時に行うことが可能となる。

また、本発明では、センサ端末に第２のアンテナと第２の無線回路と無線通信制御手段とを設けることにより、外部の機器との無線通信が困難になる可能性を低減することができる。

また、本発明では、センサ端末に電波電力回収回路を設けることにより、蓄電素子を非接触で充電することが可能となる。

本発明の第１の参考例に係るセンシングシステムおよびセンサ端末の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の参考例におけるセンサ電極とセンサ端末との電気的な接続を説明する図である。 本発明の第２の参考例に係るセンシングシステムのセンサ端末の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るセンシングシステムのセンサ端末の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るセンシングシステムのセンサ端末の構成を示すブロック図である。 従来のセンシングシステムおよびセンサ端末の構成を示すブロック図である。

［第１の参考例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の第１の参考例に係るセンシングシステムの構成を示すブロック図である。本実施例のセンシングシステムは、使用者が身に付けるウェアラブルデバイス１ａと、ウェアラブルデバイス１ａで測定されたデータを受信するスマートフォンなどの外部機器２とから構成される。図１（Ａ）では、ウェアラブルデバイス１ａとして衣類型のウェアラブルデバイス、具体的にはシャツ型のウェアラブルデバイスを例示している。

ウェアラブルデバイス１ａは、基材となる衣類３と、衣類３に取り付けられたセンサ端末４ａと、使用者の身体と接触する衣類３の面に設けられたセンサ電極５と、衣類３に取り付けられ、センサ電極５とセンサ端末４ａとを電気的に接続する配線６とから構成される。センサ電極５の材料は、特に限定されないが、例えば金属を細線に加工して柔軟性を付与し、布帛として構成したものや、金属を繊維素材にメッキしたもの、カーボンファイバーを繊維素材に含浸させたもの、あるいは非特許文献１に開示されているように導電性高分子を繊維素材に含浸させたものなどを用いることができる。

図１（Ｂ）は本実施例のセンサ端末４ａの構成を示すブロック図、図２はセンサ電極５とセンサ端末４ａとの電気的な接続を説明する図である。センサ端末４ａは、使用者の生体信号を、センサ電極５を介して測定するセンサ回路４０と、センサ電極５をアンテナとして生体信号を無線送信する無線回路４１と、センサ回路４０または無線回路４１とセンサ電極５とを選択的に接続するスイッチ４３と、センサ端末全体を制御する信号処理回路４４とから構成される。信号処理回路４４は、スイッチ制御手段を構成している。

以下、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図２を参照して本実施例の動作を説明する。まず、生体信号を測定する場合、センサ端末４ａの信号処理回路４４は、スイッチ４３をセンサ回路４０側に切り替え、センサ電極５とセンサ回路４０の入力端子とを接続する。センサ回路４０は、センサ電極５を介して生体信号（例えば心電波形）を測定して増幅する。

なお、図１（Ｂ）、図２ではセンサ電極５を１つとしているが、ウェアラブルデバイス１ａは、通常、衣類３上に互いに離間して配置され、その各々が使用者の身体と接触するように衣類３に取り付けられた２つ以上のセンサ電極５を有する。したがって、センサ電極毎に設けられた配線６およびスイッチ４３を通じて、２つ以上のセンサ電極５とセンサ回路４０とが接続されることになる。そして、センサ回路４０は、この２つ以上のセンサ電極５を介して生体信号を測定する。

信号処理回路４４は、センサ回路４０から出力されたアナログの生体信号をデジタルデータに変換する。また、信号処理回路４４は、生体信号のデータから生体特徴量を抽出してもよい。例えば、心電波形は、心房や心室の活動を反映したＰ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波等の成分からなっている。信号処理回路４４は、心電波形のデータから生体特徴量として心拍（Ｒ波）を抽出する。Ｒ波を抽出する方法としては、例えば特開２０１５−２１７０６０号公報に開示された技術がある。あるいは、信号処理回路４４は、心電波形のデータから、Ｒ波と１つ前のＲ波の間隔であるＲ−Ｒ間隔を生体特徴量として抽出してもよい。

次に、無線回路４１が無線通信を行う場合、信号処理回路４４は、スイッチ４３を無線回路４１側に切り替えて、センサ電極５と無線回路４１の出力端子とを接続する。無線回路４１は、信号処理回路４４がデジタルデータに変換した生体信号データおよび信号処理回路４４が生体信号データから抽出した生体特徴量データのうち少なくとも一方を外部機器２へ無線送信する。無線回路４１と外部機器２との間で行われる無線通信の規格としては、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈがある。

このとき、無線回路４１は、センサ回路４０の場合と同様に、センサ電極毎に設けられた配線６およびスイッチ４３を通じて、２つ以上のセンサ電極５と接続されている。例えば、無線回路４１は、２つのセンサ電極５に給電することで、この２つのセンサ電極５をダイポールアンテナとして機能させる。近距離に存在するスマートフォンなどの外部機器２にデータを送信すればよいので、必要な送信電力は例えば数ｍＷ程度で、センサ電極５に印加される電圧も低いので、センサ電極５をアンテナとして使用する場合でも、人体に強い電気刺激が与えられることはない。

以上のように、本実施例では、生体信号の測定に用いるセンサ電極５を、外部機器２との無線通信用のアンテナとしても利用することで、センサ端末４ａにアンテナを設ける必要がなくなり、センサ端末４ａの小型化を実現することができる。また、本実施例では、アンテナの大面積化による無線伝送の効率向上（Ｓ／Ｎ比向上）が可能となる。

なお、人体と接触しているセンサ電極５をアンテナとして使用する場合、アンテナ特性が人体の影響を受けるが、このような影響も考慮してセンサ電極５のサイズ等を決定すればよい。
また、信号処理回路４４は、内部のメモリ（不図示）に予め格納されたプログラムに従って、生体信号を測定する生体信号測定期間と無線通信を行う無線通信期間を交互に切り替えるようにすればよい。

［第２の参考例］
次に、本発明の第２の参考例について説明する。本実施例においても、センシングシステムの構成は第１の参考例と同様であるので、図１（Ａ）の符号を用いて説明する。図３は本実施例のセンサ端末４ａの構成を示すブロック図であり、図１（Ｂ）、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例のセンサ端末４ａは、センサ回路４０と、無線回路４１と、信号処理回路４４ａと、バンドパスフィルタ４５，４６とから構成される。

本実施例では、センサ電極５とセンサ回路４０の入力端子との間に、生体信号の周波数帯域の信号のみを通過させるバンドパスフィルタ４５を設け、センサ電極５と無線回路４１の出力端子との間に、無線（ＲＦ：Radio Frequency）信号の周波数帯域の信号のみを通過させるバンドパスフィルタ４６を設けている。

これにより、本実施例では、生体信号の測定中に無線通信を行う場合でも、センサ回路４０で測定される生体信号に無線信号が混入することはなく、また無線回路４１から出力される無線信号がセンサ回路４０側に漏れて減衰することを防ぐことができ、生体信号の測定と無線通信を同時に行うことが可能となる。生体信号の周波数は最高でｋＨｚのオーダーであり、一方、無線信号の周波数はＧＨｚのオーダーなので、生体信号と無線信号をフィルタ４５，４６で分離することが可能である。

信号処理回路４４ａの動作は、スイッチ４３の制御が不要になる点以外は、第１の参考例の信号処理回路４４の動作と同じである。

［第１の実施の形態］
次に、本発明の第１の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、センシングシステムの構成は第１の参考例と同様であるので、図１（Ａ）の符号を用いて説明する。図４は本実施の形態のセンサ端末４ａの構成を示すブロック図であり、図１（Ｂ）、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態のセンサ端末４ａは、センサ回路４０と、無線回路４１と、信号処理回路４４ｂと、バンドパスフィルタ４５，４６と、無線回路４７と、アンテナ４８とから構成される。信号処理回路４４ｂは、無線通信制御手段を構成している。

本実施の形態のセンサ端末４ａは、第２の参考例の構成に無線回路４７とアンテナ４８とを追加したものである。信号処理回路４４ｂは、通常、第１、第２の参考例で説明したようにセンサ電極５をアンテナとして利用するが、何らかの理由により外部機器２と通信できない場合、無線回路４７およびアンテナ４８を介して外部機器２との通信を試みる。この場合、無線回路４７は、信号処理回路４４ｂがデジタルデータに変換した生体信号データおよび信号処理回路４４ｂが生体信号データから抽出した生体特徴量データのうち少なくとも一方をアンテナ４８を介して外部機器２へ無線送信する。

第１の参考例で説明したとおり、センサ電極５をアンテナとして利用することにより、アンテナのサイズを大きくすることができるが、一方で、センサ端末４ａを小型化することが必要なため、アンテナ４８のサイズを大きくすることはできない。しかしながら、周知のとおり、アンテナには指向性があるので、使用者の体の向きや外部機器２との距離によってはセンサ電極５をアンテナとして利用しているときに外部機器２との通信ができない場合が起こり得る。このような場合に、無線回路４７およびアンテナ４８を介して外部機器２との通信を試みることにより、通信できる可能性を高めることができる。

信号処理回路４４ｂの動作は、無線回路４７およびアンテナ４８を利用した通信を行う点以外は、第２の参考例の信号処理回路４４ａの動作と同じである。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、センシングシステムの構成は第１の参考例と同様であるので、図１（Ａ）の符号を用いて説明する。図５は本実施の形態のセンサ端末４ａの構成を示すブロック図であり、図１（Ｂ）、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態のセンサ端末４ａは、センサ回路４０と、無線回路４１と、スイッチ４３と、信号処理回路４４と、電波電力回収回路４９と、蓄電素子５０とから構成される。

第１、第２の参考例および第１の実施の形態では、センサ端末４ａの電源として二次電池を使用することを想定しているが、センサ端末４ａに二次電池の充電用のコネクタを設ける必要がある。
これに対して、本実施の形態の電波電力回収回路４９は、センサ電極５をアンテナとして利用し、アンテナで受信した電波を整流して電力に変換し、この電力で蓄電素子５０（二次電池）を充電する。この蓄電素子５０に蓄積された電力の供給を受けることにより、センサ端末４ａが動作する。こうして、本実施の形態では、蓄電素子５０を非接触で充電することが可能となる。

なお、図５の例では、電波電力回収回路４９と蓄電素子５０とを第１の参考例に適用する場合で説明しているが、これに限るものではなく、第２の参考例、第１の実施の形態に適用してもよいことは言うまでもない。

また、電波電力回収回路４９と蓄電素子５０とを第１の参考例に適用する場合、蓄電素子５０の充電中は電波電力回収回路４９のみがセンサ電極５に接続されるようにすることが好ましい。具体的には、例えばスイッチ４３を３接点にして、センサ回路４０と無線回路４１と電波電力回収回路４９のうちいずれか１つがセンサ電極５と選択的に接続されるようにし、蓄電素子５０の充電が必要な場合（例えば使用者から充電の指示があった場合、あるいは蓄電素子５０の出力電圧が低下した場合）には、例えば信号処理回路４４によるスイッチ制御により、センサ電極５と電波電力回収回路４９とを接続すればよい。

また、電波電力回収回路４９と蓄電素子５０とを第２の参考例、第１の実施の形態に適用する場合、蓄電素子５０の充電中は信号処理回路４４ａ，４４ｂが無線回路４１，４７の動作を停止させることが好ましい。あるいは、充電用の周波数帯域の電波のみを通過させるバンドパスフィルタを、センサ電極５と電波電力回収回路４９との間に設けるようにしてもよい。生体信号の周波数帯域および無線信号の周波数帯域と、充電用の無線周波数帯域とを変えるようにすれば、生体信号の測定と無線通信と蓄電素子５０の充電とを同時に行うことが可能となる。

第１、第２の参考例および第１、第２の実施の形態で説明したセンサ端末４ａの信号処理回路４４，４４ａ，４４ｂは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムに従って第１、第２の参考例および第１、第２の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、生体信号をモニタリングするシステムに適用することができる。

１ａ…ウェアラブルデバイス、２…外部機器、３…衣類、４ａ…センサ端末、５…センサ電極、６…配線、４０…センサ回路、４１，４７…無線回路、４３…スイッチ、４４，４４ａ，４４ｂ…信号処理回路、４５，４６…フィルタ、４８…アンテナ、４９…電波電力回収回路、５０…蓄電素子。

Claims (3)

1. 使用者が身に付ける基材に、使用者の体表面と接触するように配置されたセンサ電極と、
   前記センサ電極を介して使用者の生体信号を測定し、この測定した生体信号を、前記センサ電極を第１のアンテナとして無線送信するセンサ端末とを備え、
   前記センサ端末は、
   前記センサ電極を介して使用者の生体信号を測定するセンサ回路と、
   前記センサ電極を第１のアンテナとして前記生体信号を無線送信する第１の無線回路と、
   前記センサ回路または前記第１の無線回路と前記センサ電極とを選択的に接続するスイッチと、
   生体信号測定期間においては前記スイッチを介して前記センサ電極と前記センサ回路とを接続し、無線通信期間においては前記スイッチを介して前記センサ電極と前記第１の無線回路とを接続するスイッチ制御手段と、
   第２のアンテナと、
   前記生体信号を前記第２のアンテナを介して無線送信する第２の無線回路と、
   前記第１の無線回路による無線通信と前記第２の無線回路による無線通信とを選択的に実施させる無線通信制御手段とを備えることを特徴とするウェアラブルデバイス。
2. 使用者が身に付ける基材に、使用者の体表面と接触するように配置されたセンサ電極と、
   前記センサ電極を介して使用者の生体信号を測定し、この測定した生体信号を、前記センサ電極を第１のアンテナとして無線送信するセンサ端末とを備え、
   前記センサ端末は、
   前記センサ電極を介して使用者の生体信号を測定するセンサ回路と、
   前記センサ電極を第１のアンテナとして前記生体信号を無線送信する第１の無線回路と、
   前記センサ電極と前記センサ回路との間に設けられ、前記生体信号の周波数帯域の信号のみを通過させる第１のフィルタと、
   前記センサ電極と前記第１の無線回路との間に設けられ、無線信号の周波数帯域の信号のみを通過させる第２のフィルタと、
   第２のアンテナと、
   前記生体信号を前記第２のアンテナを介して無線送信する第２の無線回路と、
   前記第１の無線回路による無線通信と前記第２の無線回路による無線通信とを選択的に実施させる無線通信制御手段とを備えることを特徴とするウェアラブルデバイス。
3. 使用者が身に付ける基材に、使用者の体表面と接触するように配置されたセンサ電極と、
   前記センサ電極を介して使用者の生体信号を測定し、この測定した生体信号を、前記センサ電極をアンテナとして無線送信するセンサ端末とを備え、
   前記センサ端末は、
   前記センサ端末の動作に必要な電力を蓄積する蓄電素子と、
   前記センサ電極をアンテナとして利用し、受信した電波を電力に変換して前記蓄電素子を充電する電波電力回収回路とを備えることを特徴とするウェアラブルデバイス。

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