JPWO2006057313A1 - 生体信号検出装置 - Google Patents

Abstract

圧電フィルムセンサから検出される圧力変動の電気信号データ自体に含まれるノイズ信号を低減し、生体状態の判定精度をより高める。シートクッション１１０側及びシートバック１２０側のいずれか少なくとも一方に、体表面に近接した位置と離間した位置とに互いに間隔をおいて配設される一対の圧電フィルムセンサ１０，１１を備え、この一対の圧電フィルムセンサ１０，１１の各出力値の差分を出力する構成である。このため、各圧電フィルムセンサ１０，１１には路面から伝達される外部振動ノイズが検出されるが、脈波、拍動、呼吸などに伴う体表面の振動は、主として体表面に近接して配置された第１の圧電フィルムセンサ１０で検出される。従って、両者の差分をとることにより、脈波、拍動、呼吸等の生体信号伴う圧力変動をより正確に検出することができる。

Description

本発明は、自動車、列車、航空機などの輸送機器に用いられる乗物用シート、事務用のシート、病院等において検査や診断等の際に人が着席するシートなどの各種のシートに支持されている人の生体信号、例えば、臀部・大腿部の脈波、拍動、呼吸などを検出する生体信号検出装置に関し、中でも、乗物用シートに支持されている人の生体信号を検出するのに適する生体信号検出装置に関する。

人の生体の状態、例えば、活性状態（覚醒状態）であるか、睡眠状態であるかを検出するには、従来、脳波を測定し、その脳波パターンを解析することにより行われている。しかしながら、脳波を測定するには、被検者の頭部に脳波電極や眼電位電極を取り付ける必要があるなど、人の通常動作を制約する環境下で行わなければならず、例えば、自動車、電車などの各種輸送機器の運転時における生体状態を運転者に負担をかけずに評価することは困難である。

一方、運転中の運転者の生体状態（心身状態）を監視することは、近年、事故予防策として注目されており、例えば、特許文献１、特許文献２には、心拍又は脈拍を用い、これをカオス解析して生体状態を監視する技術が提案されている。特許文献１及び２に開示の技術によれば、脳波測定用の大がかりな装置の頭部への装着が不要で、簡易に運転者の生体状態を評価できる。特許文献１及び２に開示された装置は、いずれも、心臓の拍動に伴う体表面の振動を、シートクッションを構成するクッション材の座面に装着した薄膜状の圧電素子（圧電フィルムセンサ）によりセンシングするものである。
特開平９−３０８６１４号公報 特開平１０−１４６３２１号公報

特許文献１及び２に開示された技術では、走行中に路面から入力される外部振動がノイズとなり、圧電フィルムセンサから得られる圧力変動信号にはこれらのノイズが多く含まれている。従って、脈波等の生体信号に伴う体表面の振動に起因する圧力変動信号のみを得ることはきわめて困難である。このため、本出願人は、これまでに、圧電フィルムセンサに代表される圧力変動検知センサを用いて生体信号を検出する構成とする一方で、得られる圧力変動データ中のノイズ信号によるものをできる限り低減する演算手段を開発し、着座している人の種々の生体状態（入眠予兆や疲労度など）をより正確かつ簡易に判定できる技術を提案してきている（例えば、特願２００３−１８０２９４号、特願２００３−１８０２９６号、特願２００３−１８０２９７号、特願２００３−３６３９０２号、特願２００４−８９２６３号など）。

しかしながら、演算手段の改良のみでノイズ信号の影響を低減するにも限界がある。

そこで、本発明は、圧電フィルムセンサなどの圧力変動検知センサから検出される圧力変動の電気信号データ自体に含まれるノイズ信号を低減し、生体状態や疲労度等の判定精度をより高めることができる生体信号検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の生体信号検出装置は、シートクッション側及びシートバック側のいずれか少なくとも一方に、体表面に近接した位置と離間した位置とに互いに間隔をおいて配設される一対の圧力変動検知センサと、
前記一対の圧力変動検知センサの各出力値の差分を出力する差分出力手段と
を具備することを特徴とする。
前記一対の圧力変動検知センサは、一方を、体表面に近接して配置された上層側のクッション材に支持し、他方を、前記上層側のクッション材よりも下層に配置された下層側のクッション材に支持して設けることができる。
また、前記一対の圧力変動検知センサは、任意のクッション材の表面側と裏面側とにそれぞれ配置することができる。
また、前記圧力変動検知センサとしては、圧電フィルムセンサを用いることが好ましい。
また、前記上層側のクッション材及び下層側のクッション材は、立体編物から形成されているものが好ましい。
また、前記任意のクッション材も、立体編物から形成されていることが好ましい。

本発明によれば、シートクッション側及びシートバック側のいずれか少なくとも一方に、体表面に近接した位置と離間した位置とに互いに間隔をおいて配設される一対の圧力変動検知センサを備え、この一対の圧力変動検知センサの各出力値の差分を出力する構成である。このため、各圧力変動検知センサには路面から伝達される外部振動ノイズが検出されるが、脈波、拍動、呼吸などに伴う体表面の振動は、主として体表面に近接して配置された圧力変動検知センサで検出される。従って、両者の差分をとることにより、脈波、拍動、呼吸等の生体信号に伴う圧力変動をより正確に検出することができる。本発明の生体信号検出装置は、事務用のシート、病院等において検査や診断等の際に人が着席するシートなどのように外部振動が付加されることがほとんどない環境でももちろん使用可能であるが、外部振動によるノイズを効果的に低減できるため、自動車などの乗物用シートに設け、乗員の生体状態（入眠予兆や疲労度など）を判定するために用いる装置として特に適している。

図１は、本発明の一の実施形態にかかる生体信号検出装置を取り付けたシートの概略構成を示す図である。 図２は、自動車の走行試験により入眠予兆信号の現れ方を検証した試験結果を示す図であり、（ａ）は指尖容積脈波の分析結果であり、（ｂ）は第１の圧電フィルムセンサのみのデータを用いた分析結果であり、（ｃ）は第１及び第２の圧電フィルムセンサの差分を用いた分析結果である。 図３は、図２（ａ）に対応するもので、入眠予兆信号検出前の指尖容積脈波測定器から得られた指尖容積脈波の原波形時系列データである。 図４は、図２（ｂ）に対応するもので、入眠予兆信号検出前の第１の圧電フィルムセンサの原波形時系列データである。 図５は、図２（ｃ）に対応するもので、入眠予兆信号検出前の第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１（差分センサ）の差分の原波形時系列データである。 図６は、図２（ａ）に対応するもので、入眠予兆信号検出時の指尖容積脈波測定器から得られた指尖容積脈波の原波形時系列データである。 図７は、図２（ｂ）に対応するもので、入眠予兆信号検出時の第１の圧電フィルムセンサの原波形時系列データである。 図８は、図２（ｃ）に対応するもので、入眠予兆信号検出時の第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１（差分センサ）の差分の原波形時系列データである。 図９は、図２（ａ）に対応するもので、入眠予兆信号検出後の指尖容積脈波測定器から得られた指尖容積脈波の原波形時系列データである。 図１０は、図２（ｂ）に対応するもので、入眠予兆信号検出後の第１の圧電フィルムセンサの原波形時系列データである。 図１１は、図２（ｃ）に対応するもので、入眠予兆信号検出後の第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１（差分センサ）の差分の原波形時系列データである。

符号の説明

１ 生体信号検出装置
１０ 第１の圧電フィルムセンサ
２０ 第２の圧電フィルムセンサ
１００ シート
１１０ シートクッション
１１１ 上層側のクッション材
１１２ 下層側のクッション材
１２０ シートバック

以下、図面に示した実施形態に基づき本発明をさらに詳細に説明する。図１は、自動車などの乗物用のシート１００に、本発明の一の実施形態に係る生体信号検出装置１を付設した状態の概略構成図である。生体信号検出装置１は、圧力変動検知センサとして、一対（第１及び第２）の圧電フィルムセンサ１０，１１を備えて構成され、各圧電フィルムセンサ１０，１１により検出された信号データが演算部２０に送信され、所定のデータ加工処理がなされる。圧電フィルムセンサ１０，１１以外の任意の圧力変動検知センサを用いることもできるが、シートクッション１１０等に装着しても違和感が少なく、シートクッション１１０等による振動吸収特性等を損なうことがないこと等の理由から、薄いフィルム状に形成されている圧電フィルムセンサを用いることが好ましい。

第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１としては、例えば、（株）東京センサ、製品名：ＰＩＥＺＯ ＦＩＬＭ ＬＤＴシリーズ、型番：ＬＤＴ４−０２８Ｋ／Ｌを用いることができる。第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１は、上記のように、シートクッション１１０側又はシートバック１２０側（ヘッドレストも含む）のいずれに設けてもよく、また、両方に設けることもできる。但し、シートクッション１１０は、着座時において人体と常時接触しているため、少なくともシートクッション１１０側に設け、臀部脈波、呼吸、骨盤の動きあるいは体動など、臀部筋肉を介して伝播する生体変位信号（ゆらぎ）を検知する構成とすることが好ましい。また、シートクッション１１０側に装着する場合、例えば、座骨結節下付近のみに配設する構成としてもよいが、長時間の着座によって臀部を前方にずらした姿勢（仙骨姿勢）をとったりすることによりセンサの検知範囲から外れる可能性もあるので、座骨結節下付近に配置するセンサのほかに、その前や後等にずれた位置に、さらに１枚若しくは複数枚のセンサを配置することも可能である。この点は、シートバック１２０側に装着する場合も同様であり、複数箇所に配置することができる。

第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１は、体表面に近接した位置と離間した位置とに互いに間隔をおいて設けられる。このため、生体信号に伴う体表面の振動による圧力変動は、主として第１の圧電フィルムセンサ１０により検出される。図１では、第１の圧電フィルムセンサ１０を、シートクッション１１０の上層側のクッション材１１１の表面付近に固定している。上層側のクッション材１１１の表面に露出させて貼着することもできるが、検知面の保護のため、表面に近い位置において該クッション材１１１に内蔵させることが好ましい。一方、第２の圧電フィルムセンサ１１は該上層側のクッション材１１１の下層に位置する下層側のクッション材１１２の裏側に配置し、シートクッション１１０の座面に固定している。第２の圧電フィルムセンサ１１は、上層側のクッション材１１１の裏面に固定することもできるが、第２の圧電フィルムセンサ１１において、第１の圧電フィルムセンサ１０と同様の生体信号検出データとならないよう、上記のように下層側のクッション材１１２を介して設けることが好ましい。従って、「体表面に近接した位置と離間した位置とに互いに間隔をおいて」とは、クッション材１１１，１１２といったクッション機能を果たす部分の少なくとも一部を、第１及び第２の圧電フィルムセンサの間に位置させて両者の間隔を空けることを意味するものである。

また、上層側のクッション材１１１と下層側のクッション材１１２は、図１では、いずれも、シートクッション１１０の座面上に配置している。すなわち、上層側のクッション材１１１と下層側のクッション材１１２は、必要に応じてシートクッション１１０の座面上に配置できる独立したクッションとなっている。この場合、上層側のクッション材１１１と下層側のクッション材１１２は、一体化したものであってもよいし、それぞれ別々に構成してもよい。また、例えば、下層側のクッション材１１２は、シートクッション１１０に組み込まれるクッション材としてもよいし、上層側のクッション材１１１と下層側のクッション材１１２のいずれもシートクッション１１０に組み込まれるクッション材としてもよい。この点は、シートバック１２０側に圧電フィルムセンサ１０，１１を配設する場合も同様である。なお、請求項で定義する「下層側のクッション材」とは、体表面に近接した上層側のクッション材１１１よりも下層に位置するクッション材の全てを含む意味であり、「下層側のクッション材に支持される」とは、そのいずれのクッション材に固定されていてもよい。図１では、シートクッション１１０自体のクッション材の表面（座面）に第２の圧電フィルムセンサ１１を固定し、その上に上記下層側のクッション材１１２を積層しているが、例えば、下層側のクッション材１１２の裏面に固着してもよい。

ここで、上層側のクッション材１１１と下層側のクッション材１１２としては、立体編物を用いることが好ましい。立体編物とは、例えば、特開２００２−３３１６０３号公報に開示されているように、互いに離間して配置された一対のグランド編地と、該一対のグランド編地間を往復して両者を結合する多数の連結糸とを有する立体的な三次元構造となった編地である。かかる立体編物は、適度な弾力性を持ち、１点集中荷重では柔らかなバネ特性を発揮するが、所定の大きさの面接触では面剛性が高く硬いバネ特性を発揮するという、人体の筋肉を直径３０ｍｍや直径９８ｍｍで加圧した際に得られる荷重−たわみ特性（バネ特性）に近いバネ特性を有する。このため、人の呼吸、心拍（脈波）、体動などによって生じる筋肉の僅かな圧力変動を伝達するのに適する。

第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１から得られる各出力値は、演算部２０に送られ、該演算部２０に組み込まれた差分出力手段によって両者の差分がとられ、その信号データを用いて所定のデータ処理がなされる。なお、差分出力手段は、具体的には、任意のサンプリング周期毎に、第１の圧電フィルムセンサ１０の出力値と第２の圧電フィルムセンサ１１の出力値との差を求めている。

演算部２０によって行われるデータ処理としては、例えば、本出願人が提案した特願２００３−１８０２９４号や特願２００４−８９２６３号に開示した入眠予兆などの生体状態を判定するデータ処理手段、あるいは、特願２００３−３６３９０２号に開示した疲労度を定量化するデータ処理手段などを適用することができる。

具体的には、前者は、上記した差分出力手段から得られた信号データの原波形の各周期のピーク値を検出し、各ピーク値から、所定時間範囲ごとに上限側のピーク値と下限側のピーク値との差を算出し、この差をパワー値として設定し、さらに、パワー値の所定時間範囲における時間軸に対する傾きを、所定のスライドラップ率で所定回数スライド計算してパワー値傾きを求めると共に、前記信号データをカオス解析して最大リアプノフ指数を算出し、最大リアプノフ指数の時系列変化波形の各周期のピーク値を検出し、最大リアプノフ指数の各ピーク値の所定時間範囲における時間軸に対する傾きを、所定のスライドラップ率で所定回数スライド計算して求める最大リアプノフ指数傾きを算出し、パワー値傾きの急低下を生じる時点を、好ましくは、パワー値傾き及び最大リアプノフ指数傾きが、時系列信号の中で略１８０度の位相差を安定して示す時点を入眠予兆信号として判定する手段である。後者は、上記のようにしてパワー値傾きを求めたならば、その時系列信号を絶対値処理して、積分値を算出し、得られた積分値を疲労度として求める手段である。

本実施形態の生体信号検出装置から得られる信号データは、第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１の各出力値の差分であるため、外部振動ノイズが低減され、生体信号をより顕著にとらえた信号データとなっており、上記したデータ処理手段で用いると、より正確に入眠予兆のタイミングや疲労度などを求めることができる。

（試験例）
図１に示したものと同様のシート１００を自動車の助手席に設置し、高速道路を走行し、パワー値傾き及び最大リアプノフ指数傾きの時系列変動を求め、入眠予兆信号の現れ方を検証した。シート１００は、シートクッション１１０及びシートバック１２０として、フレームに立体編物を伸び率５％以下の低い張力で張設して構成される株式会社デルタツーリング製のネットシートを用い、シートクッション１１０の座面に第２の圧電フィルムセンサ１１を固着し、その上に、下層側のクッション材１１２を積層し、さらに、表面に近い位置に第１の圧電フィルムセンサ１０を組み込んだ上層側のクッション材１１１を積層した。

上層側のクッション材１１１は、ダブルラッセル編機を用いて編成された住江織物（株）製の立体編物（製品番号：４９０１３Ｄ）であり、次のような特性を備える。
材質：
表側のグランド編地・・・ポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸
裏側のグランド編地・・・ポリエチレンテレフタレート繊維仮撚加工糸
連結糸・・・・・・・・・ポリトリメチレンテレフタレートモノフィラメント
目付：９８１ｇ／ｍ^２
厚さ：１０．６６ｍｍ
引張強さ：縦・・・１５３１Ｎ／５０ｍｍ、横・・・１３６７Ｎ／５０ｍｍ
伸び：縦・・・６８％、横・・・１０７％
定荷重伸率（８ｃｍ幅、１０ｋｇ、１０分）：
縦・・・１５．５％、横・・・３８．５％
残留歪み率（８ｃｍ幅、１０ｋｇ、１０分）：
縦・・・０．９％、横・・・１．１％
縫目強さ：縦・・・７２４Ｎ、横・・・８６９Ｎ
縫目疲労：縦・・・０．９ｍｍ、横・・・１．１ｍｍ

下層側のクッション材１１２は、セーレン（株）製の立体編物（製品名：「スペースファブリック」）であり、次のような特性を有する次のような構成を備える。
厚さ：２．５ｍｍ
編地密度：２５ウエール／インチ、４８コース／インチ
引張強さ：縦・・・６１ｋｇ／５０ｍｍ、横・・・１１８ｋｇ／５０ｍｍ
伸び：縦・・・６０％、横・・・６３％
定荷重伸率：縦・・・２５％、横・・・１５％
残留歪み率：縦・・・１％、横・・・１％
引裂き強さ：縦・・・３７ｋｇ、横・・・３７ｋｇ

使用した圧電フィルムセンサ１０，１１は、いずれも（株）東京センサ、製品名：ＰＩＥＺＯ ＦＩＬＭ ＬＤＴシリーズ、型番：ＬＤＴ４−０２８Ｋ／Ｌであった。

図２にその結果を示すが、被験者は３０代の健康な日本人男性であり、山陽自動車道の小谷ＳＡから三木ＳＡまで走行した際のデータである。なお、比較のため、外部振動の影響を受けない指尖容積脈波も同時に採取し、指尖容積脈波による分析結果と比較した。図２（ａ）は指尖容積脈波の分析結果であり、（ｂ）は第１の圧電フィルムセンサ１０のみのデータを用いた分析結果であり、（ｃ）は第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１の差分を用いた分析結果である。

図２（ａ）に示したように、指尖容積脈波の分析結果によれば、８００秒〜１３００秒の間でパワー値傾きと最大リアプノフ指数傾きとが略１８０度の位相差を示し、その後、パワー値傾きの変動幅が小さくなっていることから８００秒〜１３００秒の範囲を入眠予兆信号と判定できる。なお、後部座席の観察者による視察によっても、この時点から被験者がうとうとし始めたことが報告されている。そこで、この図２（ａ）による判定結果が正しい値として、図２（ｂ）の第１の圧電フィルムセンサ１０のみから得られたデータを処理した場合と比較してみる。図２（ｂ）では、パワー値傾きが７００秒過ぎから急低下し、さらに、１２００秒過ぎでも急低下し、その後、パワー値傾きの変動幅が小さくなっている。このことより、パワー値傾きの急低下が訪れた時点を入眠予兆と定義すれば、図２（ａ）の判定結果と大きな矛盾は生じないが、最大リアプノフ指数傾きとの略１８０度の位相差は明確には現れていない。従って、両者の略１８０度の位相差を指標としてより正確に判定しようとする場合には、第１の圧電フィルムセンサ１０のみのデータを用いただけでは不十分である。

これに対し、図２（ｃ）の第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１から得られたデータの差分を用いたものは、パワー値傾きと最大リアプノフ指数傾きとの略１８０度の位相差が図２（ａ）とほぼ同時期に生じている。また、図２（ｂ）と比較した場合、時系列変化の傾向を把握するために適宜に設定されるパワー値傾き（縦軸）の数値レンジが、図２（ｂ）の場合より、図２（ｃ）の方が１桁少なくなっている。すなわち、パワー値傾きのみを観察した場合には、図２（ｂ）によっても、上記のように生体信号の挙動を検出できるが、図２（ｃ）のように数値レンジを小さくしても同様のパワー値の傾きの時系列変化を見られるということは、路面から入力される高周波振動の基線変動が図２（ｃ）には含まれていないことを意味する。従って、第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１の差分を用いることにより、パワー値の傾き及び最大リアプノフ指数の傾きとも、走行時の外部振動によるノイズの影響を受けなくなり、入眠予兆などの生体状態の変化を示す信号をより正確に捉えることができることが裏付けられた。

また、上記した図２の各時系列変化を求めた際に使用した原波形時系列データを比較した。図３、図６及び図９は、図２（ａ）に対応するもので、指尖容積脈波測定器から得られた指尖容積脈波の原波形時系列データであり、図４、図７及び図１０は、図２（ｂ）に対応するもので、第１の圧電フィルムセンサ１０（検知センサ）の原波形時系列データであり、図５、図８及び図１１は、図２（ｃ）に対応するもので、第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１（差分センサ）の差分の原波形時系列データである。なお、図６〜図８は、入眠予兆信号がとらえられた９００秒から１１００秒までのデータを抜き出したもので、図３〜図５が該入眠予兆信号がとらえられる前のデータ、図９〜図１１が該入眠予兆信号がとらえられた後のデータである。

まず、入眠予兆信号が生じた範囲では、図７及び図８を比較すると、差分をとった図８のデータは、図７と比較して、大きくふれるノイズが低減していると共に、全体の振幅が小さくなっており、路面から入力される高周波振動が大幅に低減され、原波形時系列データで比較すると、より図６に示した指尖容積脈波の時系列波形に近づいている。特に、図８の９２０秒〜１０００秒付近の波形は、図６の指尖容積脈波の９００秒〜９８０秒付近の波形に近似した変化傾向を示しており、第１及び第２の圧電フィルムセンサ１０，１１の差分を利用することにより、より高い精度で生体信号を検出できることがわかった。図３〜図５の入眠予兆信号が検出される前のデータ及び図９〜図１１の入眠予兆信号が検出された後のデータでも同様のことが言え、図５は図４に比較して、図１１は図１０に比較して、いずれもノイズ信号が大きく低減し、図３及び図９の指尖容積脈波のデータに近づいていることがわかる。

Claims (6)

1. シートクッション側及びシートバック側のいずれか少なくとも一方に、体表面に近接した位置と離間した位置とに互いに間隔をおいて配設される一対の圧力変動検知センサと、
   前記一対の圧力変動検知センサの各出力値の差分を出力する差分出力手段と
   を具備することを特徴とする生体信号検出装置。
2. 前記一対の圧力変動検知センサは、一方が、体表面に近接して配置された上層側のクッション材に支持され、他方が、前記上層側のクッション材よりも下層に配置された下層側のクッション材に支持されていることを特徴とする請求項１記載の生体信号検出装置。
3. 前記一対の圧力変動検知センサが、任意のクッション材の表面側と裏面側とにそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１記載の生体信号検出装置。
4. 前記圧力変動検知センサが、圧電フィルムセンサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の生体信号検出装置。
5. 前記上層側のクッション材及び下層側のクッション材が、立体編物から形成されていることを特徴とする請求項２記載の生体信号検出装置。
6. 前記任意のクッション材が、立体編物から形成されていることを特徴とする請求項３記載の生体信号検出装置。

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