JPH1128195A - 健康管理モニタ方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 直接人体にセンサなどの検出部を取り付け
ることなく心拍数、呼吸数、寝がいり時間と睡眠の深
さ、いびき回数と時間、の検出が可能で、かつ安価に製
作することが出来る測定装置である。信号検出用の圧力
と音声を振動センサで検出し、その検出信号の周波数特
性をとらえ、かつ信号処理を行いノイズ低減をし、 心
拍数、呼吸数、寝がいり時間と睡眠の深さ、いびき回数
と時間等の測定精度を向上させる健康管理モニタ方式と
測定装置を提供する。 【解決手段】 横臥姿勢もしくは着座姿勢の被験者の身
体の下に圧力及び音声を検出する振動センサを敷き、こ
れに伝わる心拍数、呼吸数、寝がいり時間、びきの回数
の振動をセンサユニットに取り付けた振動センサである
高性能の低周波用コンデンサマイクロホンによって検出
する。心拍数、呼吸数、寝がいり時間と睡眠の深さ、い
びき回数等の信号は各々特有の周波数特性があり、周波
数解析機で分離した信号と理想周波数との相関度をとる
ことによりノイズ低減された計測を連続に検出する健康
管理モニタ方法及び装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明に属する技術分野】人体に直接センサを取り付け
ることなく、かつ人体に不快感を与えずに心拍数、呼吸
数、寝返りの時間による睡眠の深さ、及び鼾の回数を測
定を行う事が出来る健康管理モニタ方式及びモニタ装
置。

【０００２】

【従来の技術】医療における検査もしくは診断において
患者に直接センサを取付けて測定する方法が通常行われ
ている。しかし直接センサを取り付ける方法では、患者
に心理的な圧迫感を与えるため測定結果が変動したり、
被験者にとって苦痛となるという問題点がある。また睡
眠中の被験者の生理情報を入手するために、被験者の身
体にセンサを取付けることは、睡眠の妨げとなるという
不具合がある。

【０００３】上記の点を改良するものとして、センサ部
を身体に取付けるが、身体にかかる負荷を少なくして身
体的活動の制限を最小限にする患者モニタ装置が特開平
９−７２３１０号公報で提案されている。この出願にお
ける検出手段は、小型軽量にしたセンサ部をバンドを用
いて手首、足首、指、腕等の身体に装着し、無線で信号
を伝達することで配線を不要にし、身体にかかる負荷を
軽減するものである。また、光を身体に照射し、その反
射光もしくは透過光を検出することによって心拍数を測
定する方法が特開平７−８８０９２号公報において提案
されており、この方法によれば完全に身体に無接触で行
うことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
９−７５３１０号公報で提案されている方法では、小型
ではあっても身体に検出手段を取付けており、余分なも
のを装着していることによる不快感が解消されることは
なく、特に就寝中では睡眠の妨げとなるという不具合が
あり、一方、特開平５−１９２３１５号公報で提案され
ている方法は、身体に検出手段を装着する必要はなく、
身体に与える苦痛もしくは不快感は解消されるが、寝が
いりを圧力の強弱の回数で寝返りの回数としている。

【０００５】本発明は以上の問題点に鑑み、直接人体に
センサなどの検出部を取付けることなく心拍数、呼吸
数、寝返りの時間による睡眠の深さ、及鼾の回数の検出
することが可能で、かつ安価に製作することができる検
出用の音声帯域から低周期帯域まで検出可能なコンデン
サマイクロホンを装着したセンサユニットと信号処理機
能及び周波数解析装置よりなる心拍数、呼吸数、寝返り
の時間から寝返りしない時間、及鼾の回数を測定する方
法および測定装置を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の心拍数、呼吸
数、寝返りの時間による睡眠の深さ、及び鼾の回数の測
定装置は、横臥姿勢で被験者の身体の下にセンサユニッ
トを装着し、これに伝わる振動をセンサユニットに取付
けた高性能の低周波用コンデンサマイクロフォンで心拍
や呼吸に起因する低周波振動や鼾音を検出して、各測定
項の周波数特性を利用した、周波数解析を行い、連続的
に解析・推定することで就寝中の被験者の心拍数、呼吸
数、寝返りの時間による睡眠の深さ、及鼾の回数を連続
的に測定する健康管理モニタ方式及び装置

【０００７】即ち、人体の心拍数、呼吸数、寝返りの時
間及鼾の回数信号を検出するために、可撓体からなるフ
レームと圧力及び音声検出手段である低周波用コンデン
サマイクロフォンから構成されるセンサユニットを用い
ている。

【０００８】圧力信号からを心拍数、呼吸数、を検出す
るには、その信号の特徴を有する理想信号波形を生成
し、これと測定信号波形との相関度を演算することによ
って心拍数、呼吸数、を検出する方法を用いる。

【０００９】圧力信号から寝がいりの時間を検出するに
は、圧力が所定値以上の測定値の時間を寝がいりの時間
とし計測する。

【００１０】圧力信号から鼾の回数、時間を検出するに
は、呼吸数との相関度を演算することによって検出する
方法を用いる。

【００１１】なお、センサユニットから得られた信号波
形から適応化平滑法によるノイズ除去手段を用いて心拍
信号に重畳するノイズを除去した心拍、呼吸、鼾信号波
形を得て、該信号波形と理想心拍波形との間の相関度を
演算することで測定精度の向上が実現される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１から図５を参照しながら、本
発明にかかる実施について説明する。なお、ここで説明
するのは本発明の一つの例を示すものであり、これに限
るものではない。

【００１３】本発明に係わる心拍、呼吸、及び寝返りに
よる振動と鼾音を検出するマイクロホン３の構成による
センサユニット１を、図１に示す。センサユニット１
は、可撓性を有し内部が中空なフレーム２と、圧力感知
部をフレーム２内部に向けて固定したコンデンサマイク
３から構成され、さらにフレーム２に空気が流通するた
めのエアー通入穴４を設けてある。

【００１４】フレーム２は機密が保たれ、かつ被験者の
心拍、呼吸及び寝がいりの鼾の振動に応じてたわむ柔軟
性を有する材料を使用する。フレーム２内部の振動によ
る変化を検出する手段には、小型、軽量で設置が容易か
つ安価な低周波用コンデンサマイクロフオン３を採用し
ている。

【００１５】本実施でセンサユニットとして用いらる圧
力及び音声検出用振動センサは低周波用コンデンサマイ
クロフォンを、図２に示す。一端に開口２１を有し、他
端が密閉された円筒、角筒等の略筒伏に形成されたケー
シング２０と、ケーシング２０内において開口２１から
遠ざかる方向即ち奥への方向に順に配設された受圧面で
あるスクリーン２２と、スクリーン２２に対向して設け
られ、スクリーン２２に平行な対向電極２３と、ＦＥＴ
トランジスタ等を有し、一方のリード端子が対向電極２
３に接統されている増幅回路２４とを備え、ケーシング
２０の後端即ち開口２１と反対側の閉塞されているケー
シング２０端に、通孔２６を有する区画壁２５により形
成された後方チャンバー２７を備えている。また、ケー
シング２０外において、開口２１に対向してカーテン２
８が設けられている。

【００１６】低周波用コンデンサマイクロフォンの動作
について説明すると、低周波用コンデンサマイクロフォ
ンは、外気に振動が発生した場合、その振動が開口２１
からケーシング２０内に伝達されてスクリーン（受圧
面）２２が撓み変形し、スクリーン２２と対向電極２３
との間の距離が微小に変動し、その静電容量が変化す
る。この静電容量の変化を増幅回路２４で検出し、増幅
して検出信号を出力することによって、空気の動きを検
出する。後方チャンバー２７を設けているから、後方チ
ャンバー２７の大きさを適宜設定することにより、入力
された低周波領域における振動を後方チャンバー２７で
反射させ、共振させて振幅を大きくして、検出を容易且
つ明確にすることができるものである。なお、カーテン
２８は、外部の風等による影響を仰制するために設けら
れている。

【００１７】本実施で使用した低周波コンデンサマイク
ロフォンは、一般の音響用マイクロフォンが低周波領域
に対して配慮されていないのに引き替え、受圧面の後方
にチャンバーを設けることによって低周波領域の特性を
大幅に向上させたものであり、心拍、呼吸、寝返り及び
鼾信号を検出するのに好適なものである。また、微小差
圧を計測するのに優れており、０．２Ｐａの分解能を有
し、通常使用されるセラミックを利用した微気圧センサ
と比較して数倍の性能を持つものであり、心拍及び呼吸
が体表面に通してセンサユニット１に加えた微小な圧力
をを検出するのに好適なものである。

【００１８】図３に示すように、圧力及び音声検出は低
周波コンデンサマイクフォン３で検出された心拍、呼吸
及び寝返りと鼾の信号は、バンドパスフィルタ回路６、
増幅器７、周波数解析機８を経由して心拍数解析ユニッ
ト９，呼吸解析ユニット１２、寝返り解析ユニット１
７、鼾解析ユニット１４に送られる。その後それぞれ心
拍数検出回路１０、呼吸検出回路１３、寝返り検出回路
１６及び鼾検出回路１５で目的の検出を行う。

【００１９】信号解析ユニット９、１２、１４の内部は
図４のように構成される。ここで適応化平滑化回路３０
は適応化平滑化法を用いて心拍数及び呼吸数と似通った
周期をもつノイズをも除去するための回路であり、分割
サンプリング回路３１は心拍数、呼吸数及び鼾を解析す
るための所定の長さの信号波形を取り出す回路であり、
理想心拍波形生成回路３３は前記の分割サンプリングし
た心拍、呼吸、及び鼾信号波形と比較し相関をとる基準
信号を生成する回路であり、相関演算回路３２は心拍及
び呼吸信号波形と理想心拍波形との相関度を演算する回
路である。

【００２０】次に本実施の心拍、呼吸数及び寝返り時間
測定方法およびその測定装置の動作について説明する。
センサユニット１のセンサは、就寝中の被験者であれ
ば、寝具の下に敷いて、被験者の心拍脈、拍数及び寝返
りの測定を行う。センサユニット１はいわばエアーマッ
トに類するものであり、寝具もしくは着座部に敷いても
何らの違和感をあたえるものではなく、したがって被験
者には測定されていることを意識させずに測定を実施す
ることが可能となる。

【００２１】センサユニット１の上に人が寝ると、体表
面を伝わる心拍数、呼吸数及び寝がいり、鼾信号よりセ
ンサユニット１内部に圧力及び音声振動が発生し、この
振動を低周波用コンデンサマイクロフォン３でとらえる
構造となっている。

【００２２】センサユニット１には、体表面から伝わる
心拍、呼吸、寝がいり及び鼾による振動だけではなく、
その他の身体活動の振動や、その他の様々な振動による
圧力が加わり、これらがノイズとして心拍及び呼吸及び
鼾の信号に重なって検出される。心拍、呼吸及び鼾は周
期的な信号になるはずであるので、センサユニットの圧
力及び音声による振動信号のうち周期的なものを検出す
ることが必要となり、このための手段として後述の心拍
数解析ユニット９及び呼吸解析ユニット１２、鼾解析ユ
ニット１６が用いられる。

【００２３】本発明のセンサユニット１のフレーム２に
は空気の通入口であるエアー通入穴４を設けてあり、こ
のエアー通入穴４は人体重量の圧力でコンデンサマイク
ロフオン３の飽和を防ぎ、なおかつ心拍及び呼吸信号を
検出する構造にするため空気の通入口を設けたもので、
このエアー通入穴４のはたらきによりセンサユニット
は、超低域にカットオフ周波数をもつハイパスフィルタ
特性により周期的直流ノイズをカットする事を機械的に
実現している。超低域にカットオフ周波数を有するハイ
パスフィルタ特性を電気回路或いはその他の方法で実現
するのは、困難である。

【００２４】次にセンサユニットのセンサでとられた信
号波形から、心拍、呼吸及び鼾を検出する方法について
実際に被験者に適用した場合に即して説明する。

【００２５】センサユニット１を就寝中の被験者の下に
なるようにもしくは着座の下になるようにセンサユニッ
ト１を配置する。センサユニット１の設置形式として
は、センサユニット１の上に被験者が直接寝る方式、セ
ンサユニット１を寝具の下に挿入する方式、あるいはセ
ンサユニット１を組み込んだ寝具を用いる方式等が考え
られる。センサユニット１の大きさは被験者が寝返りを
打って移動することおよび測定の感度とを併せて考慮し
て適当な面積を確保する必要がある。

【００２６】センサユニット１に取付けられたセンサの
低周波用コンデンサマイクロフォン３が採った心拍、呼
吸、寝がいり信号及び鼾は２０ｋＨｚのバンドパスフィ
ルタ６を通った後増幅器７で増幅され、周波数解析装置
入る。ここで周波数の特性に応じた信号に分類される。
その周波数の特性は心拍は約１Ｈｚ、呼吸数は約０．３
Ｈｚ、寝がいりは周期性が無い、鼾は呼吸と同一周波数
の特徴を利用し、それぞれの信号はその解析ユニット
９，１２，１６に送られる。ここで２０ｋＨｚのバンド
パスフィルタ６を用いるのは、明らかに心拍、呼吸、寝
がいり及びいびき信号と異なるノイズを除去するためで
ある。

【００２７】図４は心拍数、呼吸、いびき解析ユニット
９，１２，１４の構造を示すものである。適応化平滑化
回路３０を用いてノイズの除去を行うもので各信号に重
畳しているノイズの特性を考慮したノイズ除去回路とな
っている。すなわち、測定波形においてノイズと各信号
の周波数は近いところにあり、周波数帯域フィルタでは
ノイズのみを除去することは難しいため、適応化平滑化
法を用いてノイズを低減する方法を採用している。

【００２８】適応化平滑化法とは、信号波形の場所によ
る性質の違いを利用して観測波形の強度変化に適応して
平滑の程度を変化させるものである。一般に各観測点ご
とに近傍で局所的分散値を求め、この値の大きい部分
（変化の大きい部分）では平滑の程度を抑え、小さい部
分では大きく平滑化するものである。

【００２９】適応化平滑化されてノイズが除去された信
号波形から心拍数、呼吸数、鼾数を検出するために、比
較基準として心拍と呼吸数の理想信号波形を生成し、こ
れと測定信号波形とを比較して心拍数と呼吸数、いびき
数を推定する。すなわち、心拍及び呼吸、いびき数信号
の周期は、各々特定範囲内にありその信号波形は一様と
考えられので、平滑化後のデータを適当な区間に分割し
その区間ごとに特定範囲内で可変の周期を持づ理想信号
波形をつくり、分割された心拍、呼吸及び鼾信号データ
に理想信号波形をタイムシフトしながら畳み込みを求め
て、相関度を算出する。相関度の高い理想信号波形の周
期を分割区間での心拍、呼吸及び鼾信号波形の周期とす
ることにより心拍数、呼吸数、鼾数が求められるので、
この作業を全データに対して行うことで測定時間におけ
る心拍数、呼吸数、鼾数の変化を知ることができる。

【００３０】寝返り解析ユニットの寝返り時間は図５寝
返りによる圧力値の一定レベル以上の時間とする。

【００３１】睡眠の深さは、睡眠時間から本方式測定出
来る寝がいり時間を引いた寝がいりのない時間の長さ
が、全睡眠時間の中にどのように分布しているかで決め
られる。またいびき回数、時間と寝返り時間と睡眠の深
さをその個人に応じた定量的判断が出来るような測定方
法を提供出来るようになる。

【００３２】

【発明の効果】本発明のセンサユニットでは、心拍数、
呼吸数、寝がいりよる睡眠の深さ、鼾数（時間）を検出
するためのセンサを被験者の身体に直接取り付ける必要
がないため、被験者に苦痛もしくは不快感を与えること
がなく、安定した信号を測定することができる健康管理
モニタ及び装置である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態にかかるセンサユニットの外観図
である。

【図２】本実施の形態にかかるセンサユニットに使用す
る圧力及び音声検出センサとして使用する低周波用コン
デンサマイクロフォンの構造を示す説明図である。

【図３】本実施の信号処理の経路を示す説明図である。

【図４】本実施の信号処理に用いる心拍、呼吸解析ユニ
ットの構造を示す説明図である。

【図５】心拍、呼吸、寝がいりのモデル波形の説明であ
る。

【符号の説明】

１ センサユニット ２ フレーム ３ 低周波用コンデンサマイクロフォン ４ エアー通入穴 ６ バンドパスフィルタ ７ 増幅器 ８ 周波数解析機 ９ 心拍数解析ユニット １０ 心拍数検出回路 １１ 睡眠時間計算 １２ 呼吸解析ユニット １３ 呼吸検出回路 １４ いびき解析ユニット １５ いびき検出回路 １６ 寝がいり解析ユニット １７ 寝がいり検出回路 ２０ ケーシング ２１ 開口 ２２ スクリーン ２３ 対向電極 ２４ 増幅回路 ２５ 区画壁 ２６ 通孔 ２７ 後方チャンバー ２８ カーテン ３０ 適応化平滑化回路 ３１ 分割サンプリング回路 ３２ 理想波形生成回路 ３３ 相関度演算回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 横臥姿勢の人体の下に、可撓体で形成さ
   れた中空のフレームに振動検出手段を設けたセンサユニ
   ットを敷き、該センサユニットによって人体に起因する
   振動データを検出し、該振動データから心拍数、呼吸
   数、寝返りの時間及び鼾の回数のいずれかもしくは複数
   の組み合わせから成る人体データを推定することによっ
   て、人体の健康を監視する健康管理モニタ方法。
2. 【請求項２】 前記センサユニットが検出した振動デー
   タに対して周波数解析を用いることによって、心拍数、
   呼吸数、寝返りの頻度及び鼾の回数のいずれかもしくは
   複数の組み合わせから成る人体データを計測することを
   特徴とする請求項１に記載の健康管理モニタ方法。
3. 【請求項３】 前記センサユニットが検出した振動デー
   タに適応化平滑化法を用いることによって、前記振動デ
   ータに重畳するノイズ成分を軽減することを特徴とする
   請求項１または２に記載の健康管理モニタ方法。
4. 【請求項４】 呼吸、寝返りの時間、寝返りの頻度、鼾
   の頻度、鼾の継続する時間のいずれかもしくは複数の組
   み合わせから睡眠の深さを推定することを特徴とする請
   求項１、２または３に記載の健康管理モニタ方法。
5. 【請求項５】 横臥姿勢の人体の下に、可撓体で形成さ
   れた中空のフレームに振動検出手段を備えたセンサユニ
   ットと、該センサユニットによって検出した人体に起因
   する振動データを解析する信号波形解析装置と、該信号
   波形解析装置によって得られた人体データから睡眠の深
   さを検出する判定装置（？）とから成る健康管理モニタ
   装置。
6. 【請求項６】 前記センサユニットの振動検出手段とし
   て、低周波振動を検出可能なコンデンサマイクロフォン
   を用いたことを特徴とする請求項５記載の健康管理モニ
   タ装置。
7. 【請求項７】 前記センサユニットに空気の通入口を設
   け、該空気通入口の働きによるハイパス特性によって周
   期的な超低周波ノイズをカットすることを特徴とする請
   求項５または６に記載の健康管理モニタ装置。