JP6832218B2 - 生体内情報伝達システムおよび送信装置 - Google Patents

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本発明は、生体内を介して情報を伝達する技術に関する。
近年、スマートフォンに代表される携帯電話が広く普及し、小型化・ウェアラブル化した情報機器との連携による様々なＩＣＴサービスが存在する。小型化した機器は、人体の周囲、人体、人体内まで様々な場所に分散して存在している。機器間通信では、人体の表面を伝搬する近傍界通信や電波や光を用いた無線通信を用いる方法がとられる。通信の秘匿性が要求される場合、例えば、人体に装着した送信器の導電部材から体表に電気信号を励起させて体表を伝搬させ、受信電極で電気信号を受信し、ドアのロックを解錠する例がある。また、体内にインプラントした端末と通信する場合、体内腔に配置した送信器から体内に微弱な電磁波を発生させて体内を伝搬させ、受信電極で微弱な電波を受信し、体内腔の画像を送受信する例がある。
特開２０００−６４６７９号公報 特開２００４−３６４００９号公報 特開２００６−１３０３２２号公報
しかしながら、電磁波の伝搬において、体表の伝搬に関しては、近傍の人体や構造物の影響により、静電結合が生じて、ＳＮ比の低下や秘匿性の低下が生ずる課題があった。個人生体情報などのデータ伝送には、秘匿性の高い通信技術が望まれている。また、体内伝搬に関しても、衣類や金属製の装身具による放射や体内の電波反射・減衰を受けやすく、受信信号の振幅・位相に変動をもたらすため、所望の信号品質を安定して得られないという課題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、環境変動による不安定性を低減し、生体内情報伝送を安定的かつ高品質に行うことを目的とする。
第１の本発明に係る生体内情報伝達システムは、送信装置と受信装置を備え、生体内を伝搬する音波によって情報を伝達する生体内情報伝達システムであって、前記送信装置は、送信すべき通信データに基づいて変調された電気信号を生成する信号生成手段と、前記電気信号に基づく電磁波を同軸プローブにより前記生体に照射して前記生体内に音波を励起する音波励起手段と、を有し、前記受信装置は、前記音波を受信する音響センサと、受信した前記音波から前記通信データを復調する信号処理手段と、を有することを特徴とする生体内情報伝達システム。
第２の本発明に係る送信装置は、生体内を伝搬する音波によって情報を伝達する生体内情報伝達システムの送信装置であって、送信すべき通信データに基づいて変調された電気信号を生成する信号生成手段と、前記電気信号に基づく電磁波を同軸プローブにより前記生体に照射して前記生体内に音波を励起する音波励起手段と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、環境変動による不安定性を低減し、生体内情報伝送を安定的かつ高品質に行うことができる。
本実施の形態における生体内情報伝達システムの構成を示す機能ブロック図である。 本実施の形態における第１の音波励起部の構成を示す図である。 本実施の形態における第２の音波励起部の構成を示す図である。 本実施の形態の送信器の信号生成部の構成を示す機能ブロック図である。 本実施の形態の受信器の信号処理部の構成を示す機能ブロック図である。 本実施の形態の生体内情報伝達システムをセキュリティドアの認証システムに用いた実施例を示す図である。 本実施の形態の生体内情報伝達システムをウェアラブルセンサと携帯端末間の情報伝送に用いた実施例を示す図である。 音波励起部が出力する連続波の光強度と人体に発生する音圧の時間波形を模式的に示した図である。 音波励起部が出力するパルス光の光強度と人体に発生する音圧の時間波形を模式的に示した図である。 通信データに基づき連続波を周波数変調した信号波によって発生する音圧波形を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は、本実施の形態における生体内情報伝達システムの構成を示す機能ブロック図である。図１に示す生体内情報伝達システムは、生体内を伝搬する音波によって情報を伝達する生体内情報伝達システムであって、人体１００に音波を励起する送信器１０と人体１００から音波を受信する受信器２０を有する。
送信器１０は、信号生成部１１と音波励起部１２を備える。信号生成部１１は、送信すべき通信データに基づき搬送波を変調した信号波を生成する。音波励起部１２は、信号生成部１１の生成した信号波に基づいて人体１００に対して音波を励起する。
受信器２０は、音響センサ２１と信号処理部２２を備える。音響センサ２１は、人体１００から音波を受信する。信号処理部２２は、人体１００から受信した音波から通信データを復調する。
人体１００内を媒体として音波が伝搬することにより、送信器１０から受信器２０へ情報を伝達できる。
なお、送信器１０と受信器２０のそれぞれは、送信と受信の両方の機能を備えたトランシーバーであってもよい。
次に、音波励起部の構成例について説明する。
図２は、本実施の形態における第１の音波励起部１２の構成を示す図である。同図に示す音波励起部１２は、光信号発生部１２１と光信号出射部１２２を備える。
光信号発生部１２１は発光ダイオード（ＬＥＤ）等を備え、信号生成部１１において通信データに基づいて変調された電気信号に基づき、パルス変調や強度変調された光信号を光信号出射部１２２へ空間又はファイバで伝送する。
光信号出射部１２２は光の強度分布とビーム径を調整するためにレンズ等の空間光学素子を備え、人体１００に対して、光信号発生部１２１が発生した光信号を照射する。
人体１００内では、光熱変換により初期音源分布１１０が発生した後に等方的に音波が放射される。
人体１００内を伝搬する音波は、体表に配置された音響センサ２１まで到達する。音響センサ２１で観測された音波は、電気信号に変換され、信号処理部２２で処理されて通信データが得られる。人体と空気の間には非常に大きい音響インピーダンスの差があるため、音波はほぼ１００％反射し、人体１００内のみを伝搬する。したがって、音響センサ２１と人体１００との間には中間の音響インピーダンスを有する音響整合層を設けてもよい。
図３は、本実施の形態における第２の音波励起部１２の構成を示す図である。同図に示す音波励起部１２は、高周波信号発生部１２３と同軸プローブ１２４を備える。
高周波信号発生部１２３は、信号生成部１１において通信データに基づいて変調された電気信号に基づき、パルス変調や強度変調された電磁波を同軸プローブ１２４により人体１００へ照射する。同軸プローブ１２４の代わりに平面アンテナを用いてもよい。
人体１００内では、光熱変換により初期音源分布１１０が発生した後に等方的に音波が放射され、体表に配置された音響センサ２１まで到達する。
次に、信号生成部と信号処理部の構成例について説明する。
図４は、本実施の形態の送信器１０の信号生成部１１の構成を示す機能ブロック図である。同図に示す信号生成部１１は、通信データ生成部１１１、デジタル・アナログ変換部１１２、変調部１１３、発振器１１４、及び電力増幅部１１５を備える。
通信データ生成部１１１は送信すべき通信データを生成し、デジタル・アナログ変換部１１２は通信データをアナログ信号に変換する。変調部１１３は、発振器１１４からの搬送波を通信データに基づいて変調する。電力増幅部１１５は、人体の安全性を考慮した信号パワーとなるように、変調された搬送波の電力を増幅する。
図５は、本実施の形態の受信器２０の信号処理部２２の構成を示す機能ブロック図である。同図に示す信号処理部２２は、電力増幅部２２１、復調部２２２、アナログ・デジタル変換部２２３、及び通信データ処理部２２４を備える。
電力増幅部２２１で音響センサ２１で受信した信号を増幅し、復調部２２２で音響センサ２１で受信した信号を復調し、アナログ・デジタル変換部２２３で復調した信号をデジタル信号に変換して通信データを得て、通信データ処理部２２４が通信データを処理する。
次に、本実施の形態の生体内情報伝達システムの適用例について説明する。
図６は、本実施の形態の生体内情報伝達システムをセキュリティドアの認証システムに用いた実施例を示す図である。
ユーザは、認証情報を送信する送信器１０を携行する。ドアノブに音響センサ２１が設置される。音響センサ２１には信号処理部２２と認証処理部２３が接続される。
ユーザがドアノブに触れると、送信器１０から人体１００に対して出力された認証情報が音波として人体１００内を伝搬し、音響センサ２１で受信される。金属製のドアノブと人体の間の音響インピーダンスに差があるため、ドアノブの表面に音響整合層を設けてもよい。信号処理部２２は、音響センサ２１で受信された信号から認証情報を取得する。認証処理部２３は、取得した認証情報を用いて認証処理を行い、認証結果に基づいてドアを解錠する。
図７は、本実施の形態の生体内情報伝達システムをウェアラブルセンサと携帯端末間の情報伝送に用いた実施例を示す図である。
本実施例では、ウェアラブルセンサとして、信号生成部１１、音波励起部１２、及びセンサ１３を備えた送信器１０を用いる。受信器２０はデータ記憶部２４を備え、受信したセンサデータを保存する。
ユーザはウェアラブルセンサ（送信器１０）を身に着ける。あるいは、ウェアラブルセンサを体内腔に配置してもよい。音波励起部１２は必ずしも人体に接触していなくても良いため、消化器などの設置を制御できない体内腔にも配置できる。受信器２０の音響センサ２１は、ユーザの体表に配置する。
センサ１３が所定の間隔で測定したセンサデータは、音波励起部１２により音波として人体１００内に励振される。人体１００内を伝搬した音波は、音響センサ２１で受信される。信号処理部２２は、音響センサ２１で受信された信号からセンサデータを取得し、データ記憶部２４に保存する。データ記憶部２４に保存されたセンサデータは、適宜表示等の処理がされる。
次に、音波励起部１２が出力する光の強度と人体１００に発生する音圧との関係について説明する。
図８，９は、音波励起部１２が出力する連続波及びパルス光の光強度と人体１００に発生する音圧の時間波形を模式的に示した図である。図８，９に示すように、強度変調された連続波およびパルス変調されたパルス光のいずれかによっても音圧を発生することができる。
人体に発生する音圧ｐは、人体の吸収係数αと光強度Ｉに比例し、次式のように記述できる。
Figure 0006832218
ここで、ｖは音速、βは体積膨張率、Ｃpは定圧比熱である。
なお、光強度の変調周波数としては、例えば、数百ｋＨｚ〜数十ＭＨｚである。パルスの幅は、例えば、数百ナノ秒である。これらにより、人体内を低損失で伝送する超音波の発生が可能となる。
光強度は、例えば、人体の皮膚に対する安全性を考慮して、数ｍＷ程度である。人体内組織には水が８０％前後含まれているため、水の吸収する光波長、電波周波数を選択するとよく、例えば、光波長としては１．５５ミクロン、周波数としては２０ＧＨｚが挙げられる。
図１０は、通信データに基づき連続波を周波数変調した信号波によって発生する音圧波形を示す図である。受信器２０は、周波数変調された音波を受信して復調することで通信データを取得できる。変調方式としては、振幅変調、位相変調、周波数変調のいずれでも適用できる。パルス変調として、パルスの間隔や強度変調を行っても良い。振幅変調はマルチパスの影響を受けやすいため、位相変調、周波数変調、パルス変調が望ましい。
以上説明したように、本実施の形態によれば、信号生成部１１が送信すべき通信データに基づき搬送波を変調した信号波を生成し、音波励起部１２が信号生成部１１の生成した信号波に基づいて人体１００に対して音波を励起し、音響センサ２１が人体１００から音波を受信し、信号処理部２２が受信した音波から通信データを復調することにより、環境変動による不安定性を低減し、生体内情報伝送を安定的かつ高品質に行うことができる。
１０…送信器
１１…信号生成部
１１１…通信データ生成部
１１２…デジタル・アナログ変換部
１１３…変調部
１１４…発振器
１１５…電力増幅部
１２…音波励起部
１２１…光信号発生部
１２２…光信号出射部
１２３…高周波信号発生部
１２４…同軸プローブ
１３…センサ
２０…受信器
２１…音響センサ
２２…信号処理部
２２１…電力増幅部
２２２…復調部
２２３…アナログ・デジタル変換部
２２４…通信データ処理部
２３…認証処理部
２４…データ記憶部
１００…人体
１１０…初期音源分布

Claims (2)

  1. 送信装置と受信装置を備え、生体内を伝搬する音波によって情報を伝達する生体内情報伝達システムであって、
    前記送信装置は、
    送信すべき通信データに基づいて変調された電気信号を生成する信号生成手段と、
    前記電気信号に基づく電磁波を同軸プローブにより前記生体に照射して前記生体内に音波を励起する音波励起手段と、を有し、
    前記受信装置は、
    前記音波を受信する音響センサと、
    受信した前記音波から前記通信データを復調する信号処理手段と、を有すること
    を特徴とする生体内情報伝達システム。
  2. 生体内を伝搬する音波によって情報を伝達する生体内情報伝達システムの送信装置であって、
    送信すべき通信データに基づいて変調された電気信号を生成する信号生成手段と、
    前記電気信号に基づく電磁波を同軸プローブにより前記生体に照射して前記生体内に音波を励起する音波励起手段と、を有すること
    を特徴とする送信装置。
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