WO2016152714A1 - 静電容量型脈波計測装置 - Google Patents

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WO2016152714A1
WO2016152714A1 PCT/JP2016/058489 JP2016058489W WO2016152714A1 WO 2016152714 A1 WO2016152714 A1 WO 2016152714A1 JP 2016058489 W JP2016058489 W JP 2016058489W WO 2016152714 A1 WO2016152714 A1 WO 2016152714A1
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WO
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layer side
side electrode
surface layer
state
human body
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/058489
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
哲好 柴田
勝 村山
裕和 山本
Original Assignee
住友理工株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to JP2017508287A priority Critical patent/JPWO2016152714A1/ja
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive pulse wave measuring device.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-168608 describes a biosignal measuring device attached to the lower portion of the seat cushion.
  • the biological signal measuring device detects vibration transmitted to the seat cushion by a pulse wave or the like when a person is positioned on the seat cushion.
  • a constant current is supplied to a constant current electrode using a pair of constant current electrodes and a pair of voltage electrodes, and a voltage waveform representing a change in bioimpedance at the voltage electrode is pulsed. It is described that it is acquired as a wave.
  • the present invention makes use of the fact that the capacitance changes with the pulse wave, and applies a method different from the conventional one, and can measure the pulse wave with high accuracy and easily.
  • An object is to provide an apparatus.
  • a first capacitive pulse wave measuring device includes a surface layer side electrode that is electrically connected to the human body with an insulating contact member sandwiched between the surface of the human body and the surface layer side electrode.
  • a deep layer electrode disposed away from the contacted member, a dielectric layer interposed between the surface layer electrode and the deep layer electrode, and a surface direction of the contacted member from the surface layer electrode
  • a ground electrode that is electrically connected to the human body with the contacted member interposed between the surface of the human body and the surface of the human body, and is connected to a ground potential;
  • the measuring instrument includes the capacitance of the human body and the capacitance of the surface layer side electrode and the deep layer side electrode (hereinafter referred to as “interelectrode capacitance”).
  • electrode capacitance the capacitance of the human body and the capacitance of the surface layer side electrode and the deep layer side electrode.
  • the intermediate potential is a potential affected by the capacitance of the human body, the capacitance between the electrodes, each coupling capacitance, and the capacitance of the bridge capacitor.
  • the electrostatic capacitance of a human body or each coupling capacitance includes a change due to a pulse wave.
  • the capacitance of the human body is considered to include a change due to the pulse wave in addition to the basic capacitance of the human body.
  • each coupling capacitance includes a change associated with the pulse wave due to a change in the distance between the surface of the human body and the surface layer side electrode accompanying the pulse wave.
  • the capacitance between the surface layer side electrode and the ground electrode is surely affected by the pulse wave because the circulation direction of the artery of the human body is the arrangement direction of the surface layer side electrode and the ground electrode. Therefore, the pulse wave of the human body can be reliably acquired by the arithmetic unit extracting the influence of the electrostatic capacity of the human artery from the intermediate potential.
  • the bridge capacitor is connected in parallel to the capacitance of the human body, when the human body is not electrically connected to the surface layer side electrode, the deep layer side electrode and the surface layer side are between the power source and the ground potential. A circuit is formed through the electrode and the bridge capacitor. That is, a stable circuit is formed regardless of whether the human body is electrically connected to the surface layer side electrode. Therefore, the measuring instrument can reliably measure the intermediate potential.
  • the surface layer side electrode and the ground electrode are electrically connected to the surface of the human body with an insulating contact member interposed therebetween. If the surface layer side electrode or the ground electrode is in direct contact with the surface of the human body (for example, the skin of the human body), the measuring instrument is affected by various electrical noises. Therefore, when the contacted member is sandwiched, the potential measured by the measuring instrument is less affected by electrical noise.
  • the second capacitive pulse wave measuring device of the present invention comprises a surface layer side electrode that is electrically connected to the human body with an insulating contact member sandwiched between the surface of the human body and the surface layer side electrode.
  • a second surface layer side electrode disposed apart in the surface direction of the contacted member and electrically connected to the human body with the contacted member sandwiched between the surface of the human body, the surface layer side electrode and the ground potential
  • a bridge capacitor connected between the power supply, a power source capable of applying an input voltage to the second surface layer side electrode, and an artery of the human body facing an arrangement direction of the surface layer side electrode and the second surface layer side electrode.
  • the measurement target capacitance including the capacitance between the surface layer side electrode and the second surface layer side electrode
  • a measuring instrument for measuring the potential of the surface side electrode according to
  • a calculation unit for calculating a pulse wave of the human body based on the measurement signal from the measuring instrument.
  • the potential measured by the measuring instrument depends on the capacitance to be measured including the capacitance of the human body. Potential. Therefore, the arithmetic device can reliably calculate the pulse wave of the human body based on the potential measured by the measuring instrument in a state where the human body is electrically connected.
  • FIG. 2 is an equivalent circuit of the pulse wave measurement device of FIG. 1 and shows a state in which a human body is electrically connected.
  • FIG. 2 is an equivalent circuit of the pulse wave measuring device of FIG. 1, showing a state where a human body is not electrically connected.
  • 3 is a timing chart of operations of switching elements SW10 and SW11, a deep-side electrode potential Vin1 and a surface-layer side electrode potential (output voltage) Vo in the equivalent circuit of FIG. It is a figure which shows the change of the output voltage Vo when it transfers to the electrical connection state of the human body shown in FIG. 3 from the electrical non-connection state of the human body shown in FIG.
  • 12 is a timing chart of operations of the switching elements SW10, SW11, SW12, the potential Vin1 of the deep layer side electrode, the potential Vin2 on one end side of the parallel capacitor, and the potential Vo of the surface layer side electrode in the second embodiment.
  • An equivalent circuit of the pulse wave measurement device when SW10 is in a closed state (ON) and SW11 and SW12 are connected to the ground potential in a state where the human body is not electrically connected is shown.
  • An equivalent circuit of the pulse wave measurement device when SW10 is in an open state (OFF), SW11 is connected to the ground potential, and SW12 is connected to the power supply in a state where the human body is not electrically connected is shown.
  • An equivalent circuit of the pulse wave measurement device when SW10 is in an open state (OFF) and SW11 and SW12 are connected to a power source in a state where the human body is not electrically connected is shown.
  • An equivalent circuit of the pulse wave measurement device when SW10 is in an open state (OFF), SW11 is connected to a power source, and SW12 is connected to a ground potential in a state where the human body is not electrically connected is shown.
  • An equivalent circuit of the pulse wave measurement device when SW10 is in a closed state (ON) and SW11 and SW12 are connected to the ground potential in a state where the human body is electrically connected is shown.
  • An equivalent circuit of the pulse wave measurement device when SW10 is in an open state (OFF), SW11 is connected to the ground potential, and SW12 is connected to the power supply in a state where the human body is electrically connected is shown.
  • An equivalent circuit of the pulse wave measurement device when SW10 is in an open state (OFF) and SW11 and SW12 are connected to a power supply in a state where the human body is electrically connected is shown.
  • FIG. 7 An equivalent circuit of the pulse wave measuring device when SW10 is in an open state (OFF), SW11 is connected to a power source, and SW12 is connected to a ground potential in a state where the human body is electrically connected is shown.
  • FIG. 7 it is a figure which shows the change of the output voltage Vo of each state when it transfers to a connection state from the electrical non-connection state of a human body.
  • 12 is a timing chart of operations of the switching elements SW10, SW11, SW12, the potential Vin1 of the deep layer side electrode, the potential Vin2 on one end side of the parallel capacitor, and the potential Vo of the surface layer side electrode in the third embodiment.
  • It is an apparatus figure which comprises the surface layer side electrode, deep layer side electrode, and dielectric layer in 4th embodiment.
  • FIG. 25 is an equivalent circuit of the pulse wave measurement device of FIG. 24 and shows a state in which a human body is electrically connected.
  • FIG. 25 is an equivalent circuit of the pulse wave measurement device of FIG. 24 and shows a state in which the human body is not electrically connected.
  • FIG. 28 is an equivalent circuit of the pulse wave measuring device of FIG. 27, showing a state where the human body is electrically connected.
  • a capacitive pulse wave measuring apparatus 100 measures the pulse wave of the human body 1.
  • a space between two different surfaces 2 and 3 in the human body 1 is represented as a circuit in which a basic capacitance Ch and a capacitance ⁇ Ch associated with an artery are connected in parallel. Since blood has a very high electrical conductivity compared to other living tissues, the capacitance changes according to the flow rate of blood in a portion where there is no other organ. That is, the capacitance changes according to the pulse wave of the artery. Therefore, the pulse wave measuring apparatus 100 measures the pulse wave of the human body 1 by detecting the capacitance that changes according to the pulse wave of the artery.
  • the pulse wave measuring device 100 is applied to, for example, a seat surface for a vehicle, a seat armrest console, a wrist band of a human body 1, a toilet seat, and the like.
  • the pulse wave measuring device 100 is applied to the seat surface and the toilet seat, the pulse wave of the femoral artery of the human body 1 is measured.
  • the pulse wave measuring device 100 is applied to an armrest console or a wrist band, the pulse wave of the radial artery or the ulnar artery of the human body 1 is measured.
  • the pulse wave measuring device 100 is disposed near various arteries of the human body 1.
  • the pulse wave measuring apparatus 100 includes a measurement unit 10, a power source 21, a first input switching element SW11, a bridge capacitor 22, a charge / discharge switching element SW10, a controller 31, A measuring instrument 32 and an arithmetic device 33 are provided.
  • the pulse wave measuring apparatus 100 in a state where the human body 1 is electrically connected becomes an equivalent circuit shown in FIG.
  • the pulse wave measuring device 100 in a state where the human body 1 is not electrically connected becomes an equivalent circuit shown in FIG.
  • the measurement unit 10 is arranged near the artery of the human body that is the measurement target. For example, when the pulse wave measuring device 100 is applied to a seat surface of a vehicle seat, the measurement unit 10 is embedded on the surface side of the seat surface.
  • the measurement unit 10 includes a surface layer side electrode 11, a deep layer side electrode 12, a dielectric layer 13, and a ground electrode 14.
  • the surface layer side electrode 11 is electrically connected to the human body with an insulating contacted member 4 sandwiched between the surface 2 of the human body 1.
  • the contacted member 4 is a skin of the seat and clothing worn by the human body 1.
  • the contacted member 4 may be only the skin of the sheet or only the clothing worn by the human body 1. That is, various contacted members 4 may be interposed so that the surface layer side electrode 11 and the surface 2 (skin) of the human body 1 are not in direct contact.
  • the surface layer side electrode 11 is arrange
  • the surface layer side electrode 11 is formed, for example, in a band shape, and is arranged to extend in the left-right direction of the seating surface of the seat.
  • the deep layer side electrode 12 is arranged away from the surface layer side electrode 11 on the side opposite to the contacted member 4. That is, the deep layer side electrode 12 faces the surface layer side electrode 11 at a distance.
  • the dielectric layer 13 is interposed between the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12. In the present embodiment, the thickness of the dielectric layer 13 is fixed. Accordingly, the capacitance Cn (hereinafter referred to as “interelectrode capacitance Cn”) between the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12 is set to a fixed value.
  • the ground electrode 14 is arranged away from the surface layer side electrode 11 in the surface direction of the contacted member 4.
  • the ground electrode 14 is electrically connected to the human body 1 with the contacted member 4 sandwiched between the surface 3 of the human body 1 and connected to the ground potential.
  • the ground electrode 14 is formed, for example, in the same band shape as the surface layer side electrode 11 and is disposed so as to extend in the left-right direction of the seat surface of the seat, and is disposed away from the surface layer side electrode 11 in the front-rear direction of the seat surface. The That is, when the human body 1 is seated on the seating surface of the seat, the femoral artery of the human body 1 circulates in the arrangement direction of the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14.
  • the power source 21 is a power source that applies an input voltage Vin that is a constant voltage.
  • the power source 21 can apply the input voltage Vin to the deep layer side electrode 12.
  • the first input switching element SW11 switches between a state in which the deep layer side electrode 12 is connected to the power source 21 and a state in which the deep layer side electrode 12 is connected to the ground potential.
  • the bridge capacitor 22 is connected between the surface layer side electrode 11 and the ground potential.
  • the capacitance of the bridge capacitor 22 is Cb.
  • the bridge capacitor 22 is connected in series to the interelectrode capacitance Cn. That is, the bridge capacitor 22 forms a bridge circuit with respect to the interelectrode capacitance Cn.
  • the charging / discharging switching element SW10 is disposed between the surface layer side electrode 11 and the ground potential, and switches between a state in which the surface layer side electrode 11 is connected to the ground potential and a state in which the surface layer side electrode 11 is blocked from the ground potential.
  • the controller 31 controls the first input switching element SW11 and the charge / discharge switching element SW10 as shown in FIG.
  • the controller 31 alternately executes the following discharging process and charging process. That is, the controller 31 discharges the electric charge of the surface layer side electrode 11 to the ground potential by connecting the first input switching element SW11 to the ground potential side and closing the charge / discharge switching element SW10. (Discharge process).
  • the state in which the first input switching element SW11 is connected to the ground potential side corresponds to a state in which the input voltage Vin is not applied to the deep layer side electrode 12.
  • Calibration can be performed by setting the electric charge of the interelectrode capacitance Cn to the ground potential as a reference state by the discharging step.
  • the controller 31 connects the first input switching element SW11 to the power supply 21 side, and opens the charging / discharging switching element SW10 so that the interelectrode capacitance is increased.
  • Charging Cn (charging process).
  • the state in which the first input switching element SW11 is connected to the power source 21 corresponds to a state in which the input voltage Vin is applied to the interelectrode capacitance Cn.
  • the measuring instrument 32 measures the intermediate potential Vo between the interelectrode capacitance Cn and the capacitance Cb of the bridge capacitor 22 when the controller 31 executes the charging process (t3 to t4 in FIG. 4). That is, the measuring instrument 32 measures the output voltage Vo that is the potential of the surface layer side electrode 11 when the input voltage Vin is applied to the deep layer side electrode by the power source 21.
  • the output voltage Vo is expressed by equation (1).
  • the output voltage Vo differs depending on whether the human body 1 is not electrically connected to the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14 or not.
  • the capacitance Cy between the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14 is expressed by Expression (2).
  • the coupling capacitance between the surface 2 of the human body 1 and the surface layer side electrode 11 is C1
  • the coupling capacitance between the surface 3 of the human body 1 and the ground electrode 14 is C2.
  • the output voltage Vo is an electrostatic capacity Cy between the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14, an electrostatic capacity Cn between the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12, and , And a potential corresponding to the capacitance to be measured including the capacitance Cb of the bridge capacitor 22.
  • the capacitance Cy between the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14 is the capacitance obtained by connecting the basic capacitance Ch of the human body 1 and the capacitance ⁇ Ch associated with the artery in parallel, and the human body 1 and the surface layer side. This is a capacitance in which a coupling capacitance C1 between the electrode 11 and a coupling capacitance C2 between the human body 1 and the ground electrode 14 are connected in series.
  • the output voltage Vo ⁇ b> 1 is between the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14. It becomes the electric potential according to the measurement object electrostatic capacity which does not include the electrostatic capacity Cy in between.
  • the output voltage Vo changes.
  • the human body 1 changes from a state where it is not electrically connected to the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14 to a state where it is electrically connected
  • the output voltage Vo changes.
  • the human body 1 is electrically connected to the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14.
  • the output voltage Vo2 in a state where the human body 1 is electrically connected is smaller than the output voltage Vo1 in a state where the human body 1 is not electrically connected.
  • the output voltage Vo ⁇ b> 2 becomes a minute vibration waveform due to the influence of the artery of the human body 1.
  • the capacitance Cb of the bridge capacitor 22 and the capacitance Cy of the human body 1 and the like are connected in series to the interelectrode capacitance Cn, and the measuring instrument 32 is connected to the potential of the deep layer side electrode 12, that is, the interelectrode capacitance.
  • a potential (intermediate potential) between the capacitance Cn and the capacitances Cb and Cy is acquired.
  • the intermediate potential of two capacitors connected in series is indefinite.
  • the charge of the surface layer side electrode 11 is once discharged by closing the charge / discharge switching element SW10. That is, the intermediate potential becomes the ground potential.
  • This state is set as a reference state. That is, the intermediate potential in the reference state is equal to the ground potential. In other words, the intermediate potential can be calibrated by closing the charge / discharge switching element SW10.
  • the measuring instrument 32 measures the potential of the surface layer side electrode 11 when the charging / discharging switching element SW10 is opened and the input voltage Vin is applied after being discharged. That is, the potential measured by the measuring instrument 32 is a potential corresponding to the capacitance to be measured including the capacitance Cy of the human body 1 and the like.
  • the measuring instrument 32 uses an intermediate potential of capacitances connected in series, for example, compared to the case of current measurement, it is less affected by electrical noise and can measure capacitance with high accuracy. Become. Furthermore, since the measuring instrument 32 is a measurement using an intermediate potential, high-speed measurement is possible. The calibration for closing the charge / discharge switching element SW10 can be performed in a short time. This also enables high-speed capacitance measurement.
  • the computing device 33 calculates a pulse wave by extracting a signal of a predetermined frequency band (for example, 1 Hz to 3 Hz) from the measurement signal by using, for example, a bandpass filter from the measurement signal amplified by the measuring instrument 32.
  • a predetermined frequency band for example, 1 Hz to 3 Hz
  • the reason why the calculation device 33 processes the amplified measurement signal is that the amplitude of the signal due to the influence of the pulse wave is very small, and therefore, when extracting a signal of a predetermined frequency band, a desired signal is appropriately selected. This is because extraction may not be possible. Further, the computing device 33 extracts a signal in a predetermined frequency band, so that the component of the basic capacitance Ch of the human body 1, the coupling capacitance C ⁇ b> 1 between the surface 2 of the human body 1 and the surface layer side electrode 11, and the human body 1. Most of the coupling capacitance C2 between the surface 3 and the ground electrode 14 is removed, and only the influence of the pulse wave is extracted.
  • the signal waveform obtained by extracting a signal in a predetermined frequency band from the measurement signal amplified by the arithmetic unit 33 is a pulse wave as shown in FIG. And the arithmetic device 33 can obtain the pulse rate by counting the number of peaks of the pulse wave.
  • the pulse wave measuring apparatus 200 further includes a parallel capacitor 23 and a second input switching element SW12 with respect to the pulse wave measuring apparatus 100 of the above embodiment.
  • One end of the parallel capacitor 23 can be connected to the power source 21, and the other end is connected to the surface layer side electrode 11. That is, in a state where one end side of the parallel capacitor 23 and the deep layer side electrode 12 are connected to the power source 21, the parallel capacitor 23 is connected in parallel to the capacitance Cn of the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12. It becomes a relationship.
  • the capacitance of the parallel capacitor 23 is Ca.
  • the second input switching element SW12 switches between a state in which one end of the parallel capacitor 23 is connected to the power source 21 and a state in which the parallel capacitor 23 is connected to the ground potential.
  • the controller 31 controls the first input switching element SW11, the second input switching element SW12, and the charge / discharge switching element SW10.
  • equivalent circuits for the state in which the human body 1 is not electrically connected and the state in which the human body 1 is connected are as shown in FIGS.
  • the human body 1 when the human body 1 changes from a state where it is not electrically connected to the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14 to a state where it is electrically connected, the output voltage Vo changes. To do. In FIG. 17, the human body 1 is electrically connected to the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14 at time T1.
  • the computing device 33 calculates a pulse wave based on the output voltage Vo142 in the fourth state when the human body 1 is electrically connected. Specifically, the arithmetic unit 33 extracts a signal in a predetermined frequency band from the amplified output signal Vo142, and calculates a pulse wave. Here, since the arithmetic unit 33 processes the output voltage Vo142 in the fourth state, the resolution is increased and the pulse wave is reliably calculated.
  • the pulse wave measuring device 300 of the third embodiment differs from the pulse wave measuring device 200 of the second embodiment in the calibration timing of the measuring device 32.
  • the measuring device 32 calibrated in the first state (t1 to t2 in FIG. 8). That is, the output voltage Vo acquired by the measuring instrument 32 is a value in which the output voltage Vo11 (Vo111, Vo112) in the first state is zero (reference).
  • the measuring instrument 32 performs calibration in the second state (t2 to t3 in FIG. 18). That is, the output voltage Vo acquired by the measuring instrument 32 is set to a value in which the output voltage Vo22 (Vo221, Vo222) in the second state is zero (reference).
  • the output voltage Vo21 (Vo211, Vo212) in the first state from t1 to t2 in FIG. 18 is as shown in Expression (7).
  • the output voltage Vo22 (Vo221, Vo222) in the second state from t2 to t3 in FIG. 18 is as shown in Expression (8).
  • the output voltage Vo23 (Vo231, Vo232) in the third state from t3 to t4 in FIG. 18 is as shown in equation (9).
  • the output voltage Vo24 (Vo241, Vo242) in the fourth state from t4 to t5 in FIG. 18 is as shown in Expression (10).
  • the measuring instrument 32 acquires the output voltage Vo24 in the fourth state. Then, the computing device 33 extracts a signal in a predetermined frequency band based on the output voltage Vo242 in the fourth state acquired by the measuring instrument 32 in a state in which the human body 1 is electrically connected, so that the pulse wave Is calculated.
  • the dielectric layer 13 constituting the measurement unit 10 is formed of a material that can be compressed and deformed. That is, the interelectrode capacitance Cn between the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12 is variable.
  • the dielectric layer 13 may be compressible.
  • the dielectric layer 13 may be compressed and deformed depending on the weight of the human body 1. In this case, the interelectrode capacitance Cn increases.
  • the output voltage Vo changes when the human body 1 changes from a state where it is not electrically connected to the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14 to a state where it is electrically connected.
  • time T1 is a time when the human body 1 is electrically connected to the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14
  • T2 is a time when the dielectric layer 13 starts to compress
  • T3 is a time when the dielectric layer 13 is started. This is a point in time when the compression deformation becomes stable.
  • the measuring instrument 32 acquires the potential of the deep layer electrode 12 that changes according to the pulse wave of the artery. Then, the calculation device 33 calculates a pulse wave based on the measurement signal.
  • the pulse wave measuring apparatus 500 includes a plurality of parallel capacitors 23a and 23b which are provided so as to be connectable in parallel and have different capacitances.
  • the capacitance of the first parallel capacitor 23a is Ca1
  • the capacitance of the second parallel capacitor 23b is Ca2. In the description, for example, it is assumed that the capacitance Ca1 is smaller than the capacitance Ca2.
  • the pulse wave measuring device 500 includes selection switches SW51 and SW52.
  • One selection switch SW51 connects one selected from the plurality of parallel capacitors 23a and 23b and the second input switching element SW12.
  • the other selection switch SW52 connects one selected from the plurality of parallel capacitors 23a and 23b and the surface layer side electrode 11.
  • the remainder of the plurality of parallel capacitors 23a and 23b may be connected to the ground potential at both ends.
  • the human body 1 is electrically connected from the state where it is not electrically connected to the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14.
  • the output voltage Vo34 in the fourth state changes as shown in FIG.
  • FIG. 22 displays the output voltage Vo32 in the second state as zero (reference).
  • the fourth state output voltage Vo442 when the second parallel capacitor 23b is selected is smaller than the fourth state output voltage Vo342 when the first parallel capacitor 23a is selected.
  • the arithmetic unit 33 can more reliably calculate the pulse wave by extracting a signal in a predetermined frequency band from the measurement signal amplified by the measuring instrument 32 when the second parallel capacitor 23b is selected. As described above, the arithmetic device 33 appropriately selects one of the parallel capacitors 23a and 23b suitable for calculating the pulse wave.
  • only one of the first parallel capacitor 23a and the second parallel capacitor 23b is selected by the selection switches SW51 and SW52, but the first parallel capacitor 23a and the second parallel capacitor 23b are selected.
  • a selection switch that can individually select each of the two parallel capacitors 23b may be provided to select both the first parallel capacitor 23a and the second parallel capacitor 23b.
  • the pulse wave measuring apparatus 600 of the sixth embodiment eliminates the deep layer side electrode 12 from the pulse wave measuring apparatus of the first embodiment, while replacing the ground electrode 14 with the second surface layer side electrode 15. Deploy.
  • the first input switching element SW11 is configured to switch between a state in which the second surface layer side electrode 15 is connected to the power source 21 and a state in which the second surface layer side electrode 15 is connected to the ground potential.
  • the controller 31 controls the first input switching element SW11 and the charge / discharge switching element SW10.
  • the controller 31 alternately executes the following discharging process and charging process. That is, the controller 31 discharges the electric charge of the surface layer side electrode 11 to the ground potential by connecting the first input switching element SW11 to the ground potential side and closing the charge / discharge switching element SW10. (Discharge process).
  • the state in which the first input switching element SW11 is connected to the ground potential side corresponds to a state in which the input voltage Vin is not applied to the second surface layer side electrode 15.
  • Calibration can be performed by setting the electric charge of the capacitance Cz (Cz1 or Cz2) between the surface layer side electrode 11 and the second surface layer side electrode 15 to the ground potential as a reference state by the discharging step. .
  • the controller 31 connects the first input switching element SW11 to the power supply 21 side, and opens the charging / discharging switching element SW10 so that the interelectrode capacitance is increased. Charge to Cz (charging process).
  • the state in which the first input switching element SW11 is connected to the power source 21 corresponds to a state in which the input voltage Vin is applied to the interelectrode capacitance Cz.
  • the measuring instrument 32 measures the intermediate potential Vo6 between the interelectrode capacitance Cz and the capacitance Cb of the bridge capacitor 22 when the controller 31 executes the charging process. That is, the measuring instrument 32 measures the output voltage Vo6 that is the potential of the surface layer side electrode 11 when the input voltage Vin is applied to the second surface layer side electrode 15 by the power source 21.
  • the pulse wave measuring device 600 in a state where the human body 1 is electrically connected is an equivalent circuit shown in FIG.
  • the pulse wave measuring apparatus 600 in a state where the human body 1 is not electrically connected has an equivalent circuit shown in FIG.
  • the interelectrode capacitance Cz is the capacitance Ch of the human body 1 as shown in FIG. 25. , ⁇ Ch including the capacitance Cz1.
  • the interelectrode capacitance Cz is the electrostatic capacitance of the human body 1 as shown in FIG. 26.
  • the capacitance Cz2 is irrelevant to the capacitances Ch and ⁇ Ch.
  • the output voltage Vo6 is expressed by the equation (13). However, the output voltage Vo6 differs depending on whether the human body 1 is not electrically connected to the surface layer side electrode 11 and the second surface layer side electrode 15 or connected.
  • the measuring instrument 32 measures the potential of the surface layer side electrode 11 when the charging / discharging switching element SW10 is opened and the input voltage Vin is applied after being discharged. That is, in a state where the human body 1 is electrically connected to the surface layer side electrode 11 and the second surface layer side electrode 15, the potential measured by the measuring instrument 32 includes the capacitances Ch, ⁇ Ch, and the like of the human body 1. The potential is in accordance with the capacitance to be measured. Therefore, the computing device 33 calculates a pulse wave based on the output voltage Vo61 in a state where the human body 1 is electrically connected.
  • a basic capacitance Ch, a capacitance ⁇ Ch associated with an artery, and a resistor R are connected in parallel between two different surfaces 2 and 3 in the human body 1. It can also be expressed as a circuit that has been In this case, the voltage change between the surfaces 2 and 3 is hardly affected by the capacitance ⁇ Ch associated with the artery due to the presence of the resistance R.
  • the contacted member 4 existing between the surface 2 of the human body 1 and the surface layer side electrode 11 is slightly compressed and deformed with the vibration of the artery. Therefore, the coupling capacitance C1 between the surface 2 of the human body 1 and the surface layer side electrode 11 changes.
  • the contacted member 4 existing between the surface 3 of the human body 1 and the ground electrode 14 is slightly compressed and deformed with the vibration of the artery. Therefore, the coupling capacitance C2 between the surface 3 of the human body 1 and the ground electrode 14 changes.
  • the electrostatic capacitance Cy between the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14 was represented by Formula (2), in this embodiment, it is represented by Formula (14).
  • the coupling capacitances C1 and C2 are values that change with the pulse wave. Further, the arrangement direction of the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14 is substantially matched with the flow direction of the femoral artery of the human body 1. For this reason, the coupling capacitances C1 and C2 are considered to change in substantially the same manner.
  • the output voltage Vo2 shown in FIG. 5 is affected by the coupling capacitances C1 and C2, that is, the artery of the human body 1, and becomes a minute vibration waveform. Therefore, similarly to the above embodiment, the arithmetic device 33 can obtain the pulse wave of the human body 1.
  • a circuit including a resistance R is provided between two different surfaces 2 and 3 of the human body 1 and the contacted member 4 is slightly compressed and deformed due to the vibration of the artery. It was.
  • This can be similarly applied to the configuration of the pulse wave measuring apparatus 600 of the sixth embodiment. That is, in FIG. 24, between two different surfaces 2 and 3 in the human body 1 is represented as a circuit in which the basic capacitance Ch, the capacitance ⁇ Ch associated with the artery, and the resistance R are connected in parallel. Furthermore, the coupling capacitance C1 between the surface 2 of the human body 1 and the surface layer side electrode 11 changes, and the coupling capacitance C2 between the surface 3 of the human body 1 and the second surface layer side electrode 15 changes. In this case as well, the computing device 33 can obtain the pulse wave of the human body 1 in the same manner.
  • the pulse wave measuring devices 100, 200, 300, 400, and 500 of the first to fifth embodiments and the seventh embodiment sandwich the insulating contacted member 4 between the human body 1 and the human body 1.
  • the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12 electrically connected to the surface layer 1, the deep layer side electrode 12 disposed away from the surface layer side electrode 11 on the opposite side of the contacted member 4,
  • a ground electrode 14 connected to the ground potential.
  • the pulse wave measuring devices 100, 200, 300, 400, and 500 include a bridge capacitor 22 connected between the surface layer side electrode 11 and the ground potential, and a power source 21 that can apply an input voltage to the deep layer side electrode 12.
  • a bridge capacitor 22 connected between the surface layer side electrode 11 and the ground potential
  • a power source 21 that can apply an input voltage to the deep layer side electrode 12.
  • Vin When the input voltage Vin is applied to the deep layer electrode 12 by the power source 21 in a state where the artery of the human body 1 circulates in the arrangement direction of the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14, the surface layer side electrode 11 and the ground
  • a measuring device 32 that measures the potential Vo of the surface layer side electrode 11 according to the capacitance to be measured including the capacitance Cy between the electrode 14 and the pulse wave of the human body 1 based on the measurement signal from the measuring device 32.
  • an arithmetic device 33 for calculation.
  • the measuring instrument 32 includes capacitances Ch and ⁇ Ch of the human body 1, an interelectrode capacitance Cn between the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12, and a coupling capacitance C1 between the human body 1 and the surface layer side electrode 11.
  • the coupling capacitance C2 between the human body 1 and the ground electrode 14 is connected in series, the intermediate potential between the electrostatic capacitances Ch and ⁇ Ch of the human body 1 and the interelectrode capacitance Cn is measured.
  • a bridge capacitor 22 is connected between the surface layer side electrode 11 and the ground potential. That is, the bridge capacitor 22 is connected in parallel to the electrostatic capacitances Ch and ⁇ Ch of the human body 1.
  • the intermediate potential is a potential affected by the electrostatic capacitances Ch and ⁇ Ch of the human body 1, the interelectrode capacitance Cn, the coupling capacitances C 1 and C 2, and the electrostatic capacitance Cb of the bridge capacitor 22.
  • the electrostatic capacitance of a human body or each coupling capacitance includes a change due to a pulse wave.
  • the electrostatic capacitances Ch and ⁇ Ch of the human body 1 are considered to include a change ⁇ Ch associated with the pulse wave in addition to the basic electrostatic capacitance Ch of the human body 1.
  • each coupling capacitance includes a change associated with the pulse wave due to a change in the distance between the surface of the human body and the surface layer side electrode accompanying the pulse wave.
  • the computing device 33 can reliably acquire the pulse wave of the human body 1 by extracting the influence of the electrostatic capacitance ⁇ Ch of the artery of the human body 1 from the intermediate potential.
  • the bridging capacitor 22 is connected in parallel to the capacitances Ch and ⁇ Ch of the human body 1, when the human body 1 is not electrically connected to the surface layer side electrode 11, it is between the power supply 21 and the ground potential.
  • a circuit is formed through the deep layer side electrode 12, the surface layer side electrode 11, and the bridge capacitor 22. That is, a stable circuit is formed regardless of whether the human body 1 is electrically connected to the surface layer side electrode 11 or not. Therefore, the measuring instrument 32 can reliably measure the intermediate potential.
  • the surface layer side electrode 11 and the ground electrode 14 are electrically connected to the surface of the human body 1 with the insulating contacted member 4 interposed therebetween. If the surface layer side electrode 11 or the ground electrode 14 is in direct contact with the surface of the human body 1 (for example, the skin of the human body), the measuring instrument 32 is affected by various electrical noises. Therefore, when the contacted member 4 is sandwiched, the potential measured by the measuring instrument 32 is less affected by electrical noise.
  • the computing device 33 extracts a signal in a predetermined frequency band from the measurement signal amplified by the measuring device 32 and calculates a pulse wave. Since the amplitude of the vibration due to the influence of the pulse wave is very small, a desired signal may not be properly extracted when extracting a signal in a predetermined frequency band. Therefore, by using the measurement signal amplified by the measuring instrument 32, a pulse wave can be obtained with certainty.
  • the computing device 33 extracts a signal in a predetermined frequency band, so that the component of the basic capacitance Ch of the human body 1, the coupling capacitance C ⁇ b> 1 between the surface of the human body 1 and the surface layer side electrode 11, and the surface of the human body 1. Most of the coupling capacitance C2 between the ground electrode 14 and the ground electrode 14 is removed, and only the influence of the pulse wave is extracted.
  • the capacitive pulse wave measuring device 100 of the first embodiment and the seventh embodiment is a first input switching element that switches between a state in which the deep layer side electrode 12 is connected to the power source 21 and a state in which the deep layer side electrode 12 is connected to the ground potential.
  • SW11 a charge / discharge switching element SW10 that is disposed between the surface layer side electrode 11 and the ground potential, and switches between a state in which the surface layer side electrode 11 is connected to the ground potential and a state in which the surface layer side electrode 11 is cut off, and a first input switching element SW11
  • the controller 31 discharges the electric charge of the surface layer side electrode 11 by connecting the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12 to the ground potential. After the discharge, the charge / discharge switching element SW10 is opened and the deep layer side electrode is discharged. When the input voltage Vin is applied to 12, charging is performed between the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12. And the measuring device 32 measures the electric potential of the surface layer side electrode 11 according to a measurement object electrostatic capacitance in the charged state. The potential of the surface layer side electrode 11 can be calibrated by closing the charging / discharging switching element SW10. Therefore, the potential measured by the measuring device 32 after charging is a potential corresponding to the capacitance to be measured including the capacitance Cy of the human body 1 and the like.
  • the interelectrode capacitance Cn between the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12 is set to a fixed value. That is, even if the human body 1 applies a load to the measurement unit 10, the interelectrode capacitance Cn does not change, so that the reference can be obtained stably.
  • the reference can be, for example, the ground potential from t1 to t2 in FIG.
  • the pulse wave measuring devices 200, 300, 400, and 500 according to the second to fifth embodiments can be connected to the power source 21 at one end side and are parallel capacitors connected to the surface layer side electrode 11 at the other end side.
  • the second input switching element SW12 that switches between the state connected to the ground potential and the state connected to the ground potential is disposed between the surface layer side electrode 11 and the ground potential, and the state where the surface layer side electrode 11 is connected to the ground potential is cut off.
  • the controller 31 is in the first state in which the surface layer side electrode 11 is discharged by connecting the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12 to the ground potential. After the first state, the controller 31 opens the charge / discharge switching element SW10 and applies the input voltage Vin only to one end side of the parallel capacitors 23, 23a, 23b. A second state in which the potential on the other end side of 23b is measured. The controller 31 measures the potential of the surface layer side electrode 11 by setting the input voltage Vin to be applied to one end side of the deep layer side electrode 12 and the parallel capacitors 23, 23a, 23b after the second state. State.
  • the controller 31 is in a fourth state in which the potential of the surface layer side electrode 11 is measured by setting the input voltage Vin to only one end side of the deep layer side electrode 12 after the third state. And the arithmetic unit 33 calculates a pulse wave based on the measurement signal by the measuring device 32 in a 4th state.
  • the controller 31 When the controller 31 performs the above operation, the measuring instrument 32 can reliably acquire the output voltages Vo14 and Vo24 in the fourth state. Therefore, the arithmetic unit 33 can calculate the pulse wave with high accuracy.
  • the interelectrode capacitance Cn between the surface layer side electrode 11 and the deep layer side electrode 12 is variable.
  • the parallel capacitors in the pulse wave measuring device 500 are a plurality of parallel capacitors 23a and 23b having different electrostatic capacities. At least one of the plurality of parallel capacitors 23 a and 23 b is connected to the power supply 21 at one end side and connected to the surface layer side electrode 11 at the other end side.
  • the computing device 33 calculates the pulse wave based on the measurement signal from the measuring instrument 32 in the fourth state when at least one of the plurality of parallel capacitors 23a and 23b is selected as the power supply 21.
  • the computing device 33 appropriately selects at least one of the parallel capacitors 23a and 23b suitable for calculating the pulse wave. For example, one of the plurality of parallel capacitors 23a and 23b is selected so that the output voltage Vo332 and 432 in the third state is reduced. By doing so, the resolution is increased and the calculation of the pulse wave is ensured.
  • the pulse wave measuring device 600 of the sixth embodiment includes a surface layer side electrode 11 that is electrically connected to the human body 1 with an insulating contacted member 4 sandwiched between the surface of the human body 1 and the surface layer side electrode 11.
  • a second surface layer side electrode 15 that is disposed away from the surface of the contacted member 4 and is electrically connected to the human body 1 with the contacted member 4 sandwiched between the surface of the human body 1 and the surface layer side electrode 11.
  • a bridging capacitor 22 connected between the ground potential.
  • the pulse wave measuring apparatus 600 is directed to the power source 21 that can apply the input voltage Vin to the second surface layer side electrode 15, and the artery of the human body 1 toward the arrangement direction of the surface layer side electrode 11 and the second surface layer side electrode 15.
  • the measurement target capacitance including the capacitance Cz between the surface layer side electrode 11 and the second surface layer side electrode 15
  • the measuring device 32 that measures the potential Vo6 of the surface layer side electrode 11 according to the above and the arithmetic device 33 that calculates the pulse wave of the human body 1 based on the measurement signal from the measuring device 32 are provided.
  • the potential measured by the measuring device 32 is the capacitance Ch, ⁇ Ch, etc. of the human body 1. It becomes the electric potential according to the measurement object electrostatic capacitance. Therefore, the computing device 33 can reliably calculate the pulse wave of the human body 1 based on the potential measured by the measuring device 32 in a state where the human body 1 is electrically connected.

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Abstract

　脈波に伴って静電容量が変化することを利用し、且つ、従来とは異なる方法を適用して、高精度に且つ容易に脈波を計測できる静電容量型脈波計測装置を提供する。脈波計測装置（１００）は、表層側電極（１１）、深層側電極（１２）、誘電層（１３）及びグランド電極（１４）を備える。人体（１）の動脈が表層側電極（１１）とグランド電極（１４）との配置方向に向かって流通する状態において、電源（２１）により入力電圧（Ｖｉｎ）を深層側電極（１２）に印加する場合に、計測器（３２）が、表層側電極（１１）とグランド電極（１４）との間の静電容量（Ｃｙ）を含む計測対象静電容量に応じた表層側電極（１１）の電位（Ｖｏ）を計測する。計測器（３２）による計測信号に基づいて、演算装置（３３）が、人体（１）の脈波を算出する。

Description

静電容量型脈波計測装置
　本発明は、静電容量型脈波計測装置に関するものである。
　特開２００５－１６８６０８号公報には、シートクッションの臀部下に付設される生体信号測定器が記載されている。生体信号測定器は、人がシートクッション上に位置するときに、脈波等によってシートクッションに伝達される振動を検出する。
　また、特許第４１４９８２９号公報には、一対の定電流電極と一対の電圧電極とを用いて、定電流電極に定電流を供給して、電圧電極にて生体インピーダンスの変化を表す電圧波形を脈波として取得することが記載されている。
　本発明は、脈波に伴って静電容量が変化することを利用し、且つ、従来とは異なる方法を適用して、高精度に且つ容易に脈波を計測できる静電容量型脈波計測装置を提供することを目的とする。
　本発明の第一の静電容量型脈波計測装置は、人体の表面との間に絶縁性の被接触部材を挟んで前記人体に電気的に接続する表層側電極と、前記表層側電極から前記被接触部材とは反対側に離れて配置される深層側電極と、前記表層側電極と前記深層側電極との間に介在する誘電層と、前記表層側電極から前記被接触部材の面方向に離れて配置され、前記人体の表面との間に前記被接触部材を挟んで前記人体に電気的に接続し、且つ、グランド電位に接続されるグランド電極と、前記表層側電極とグランド電位との間に接続されるブリッジ用キャパシタと、前記深層側電極に入力電圧を印加可能な電源と、前記人体の動脈が前記表層側電極と前記グランド電極との配置方向に向かって流通する状態において、前記電源により前記入力電圧を前記深層側電極に印加する場合に、前記表層側電極と前記グランド電極との間の静電容量を含む計測対象静電容量に応じた前記表層側電極の電位を計測する計測器と、前記計測器による計測信号に基づいて前記人体の脈波を算出する演算装置とを備える。
　上記の静電容量型脈波計測装置によれば、計測器は、人体の静電容量と、表層側電極と深層側電極との静電容量（以下、「電極間静電容量」と称する）と、人体と表層側電極との間の結合容量と、人体とグランド電極との間の結合容量とが直列接続された状態において、人体の静電容量と電極間静電容量との中間電位を測定する。ただし、表層側電極とグランド電位との間には、ブリッジ用キャパシタが接続される。つまり、ブリッジ用キャパシタは、人体の静電容量に並列接続されることになる。
　そして、当該中間電位は、人体の静電容量、電極間静電容量、各結合容量、及び、ブリッジ用キャパシタの静電容量の影響を受ける電位となる。また、人体の静電容量、又は、各結合容量が、脈波に伴う変化分を含むと考えられる。例えば、人体の静電容量は、人体の基本静電容量に加えて、脈波に伴う変化分を含むと考えられる。もしくは、脈波に伴って人体の表面と表層側電極との距離が変動することにより、各結合容量が、脈波に伴う変化分を含むとも考えられる。
　特に、人体の動脈の流通方向が、表層側電極とグランド電極の配置方向となることで、表層側電極とグランド電極との間の静電容量は、脈波の影響を確実に受ける。従って、演算装置が、当該中間電位から人体の動脈の静電容量の影響分を抽出することで、人体の脈波を確実に取得できる。
　また、ブリッジ用キャパシタが人体の静電容量に並列接続されるため、人体が表層側電極に電気的に接続していない場合において、電源とグランド電位との間には、深層側電極、表層側電極及びブリッジ用キャパシタを介する回路が形成される。つまり、人体が表層側電極に電気的に接続しているか接続していないかに関わらず、安定した回路が形成される。従って、計測器が、確実に当該中間電位を計測できる。
　さらに、表層側電極及びグランド電極は、絶縁性の被接触部材を挟んで人体の表面に電気的に接続する。仮に、表層側電極又はグランド電極が、人体の表面（例えば人体の皮膚）に直接接触すると、計測器は、種々の電気的ノイズの影響を受ける。そこで、被接触部材が挟まれることで、計測器が計測する電位は、電気的ノイズの影響が小さくなる。
　本発明の第二の静電容量型脈波計測装置は、人体の表面との間に絶縁性の被接触部材を挟んで前記人体に電気的に接続する表層側電極と、前記表層側電極から前記被接触部材の面方向に離れて配置され、前記人体の表面との間に前記被接触部材を挟んで前記人体に電気的に接続する第二表層側電極と、前記表層側電極とグランド電位との間に接続されるブリッジ用キャパシタと、前記第二表層側電極に入力電圧を印加可能な電源と、前記人体の動脈が前記表層側電極と前記第二表層側電極との配置方向に向かって流通する状態において、前記電源により前記入力電圧を前記第二表層側電極に印加する場合に、前記表層側電極と前記第二表層側電極との間の静電容量を含む計測対象静電容量に応じた前記表層側電極の電位を計測する計測器と、前記計測器による計測信号に基づいて前記人体の脈波を算出する演算装置とを備える。
　この場合、人体が表層側電極及び第二表層側電極に対して電気的に接続している状態において、計測器が計測する電位は、人体の静電容量などを含む計測対象静電容量に応じた電位となる。そこで、演算装置は、人体が電気的に接続している状態において、計測器が計測する電位に基づいて、確実に人体の脈波を算出することができる。
第一実施形態の静電容量型脈波計測装置の構成を示す図である。 図１の脈波計測装置の等価回路であって、人体が電気的に接続している状態を示す図である。 図１の脈波計測装置の等価回路であって、人体が電気的に接続していない状態を示す図である。 図２の等価回路において、スイッチング素子ＳＷ１０、ＳＷ１１、深層側電極の電位Ｖｉｎ１及び表層側電極の電位（出力電圧）Ｖｏの動作のタイミングチャートである。 図２に示す人体の電気的な非接続状態から図３に示す人体の電気的な接続状態へ移行するときの出力電圧Ｖｏの変化を示す図である。 図１の演算装置により得られる脈波の波形である。 第二実施形態の脈波計測装置の等価回路であって、人体が電気的に接続している状態を示す図である。 第二実施形態において、スイッチング素子ＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ１２、深層側電極の電位Ｖｉｎ１、並列キャパシタの一端側の電位Ｖｉｎ２及び表層側電極の電位Ｖｏの動作のタイミングチャートである。 人体が電気的に接続していない状態において、ＳＷ１０を閉状態（ＯＮ）とし、ＳＷ１１、ＳＷ１２をグランド電位に接続した場合の脈波計測装置の等価回路を示す。 人体が電気的に接続していない状態において、ＳＷ１０を開状態（ＯＦＦ）とし、ＳＷ１１をグランド電位、ＳＷ１２を電源に接続した場合の脈波計測装置の等価回路を示す。 人体が電気的に接続していない状態において、ＳＷ１０を開状態（ＯＦＦ）とし、ＳＷ１１、ＳＷ１２を電源に接続した場合の脈波計測装置の等価回路を示す。 人体が電気的に接続していない状態において、ＳＷ１０を開状態（ＯＦＦ）とし、ＳＷ１１を電源に、ＳＷ１２をグランド電位に接続した場合の脈波計測装置の等価回路を示す。 人体が電気的に接続している状態において、ＳＷ１０を閉状態（ＯＮ）とし、ＳＷ１１、ＳＷ１２をグランド電位に接続した場合の脈波計測装置の等価回路を示す。 人体が電気的に接続している状態において、ＳＷ１０を開状態（ＯＦＦ）とし、ＳＷ１１をグランド電位、ＳＷ１２を電源に接続した場合の脈波計測装置の等価回路を示す。 人体が電気的に接続している状態において、ＳＷ１０を開状態（ＯＦＦ）とし、ＳＷ１１、ＳＷ１２を電源に接続した場合の脈波計測装置の等価回路を示す。 人体が電気的に接続している状態において、ＳＷ１０を開状態（ＯＦＦ）とし、ＳＷ１１を電源に、ＳＷ１２をグランド電位に接続した場合の脈波計測装置の等価回路を示す。 図７に示す等価回路において、人体の電気的な非接続状態から接続状態へ移行するときの各状態の出力電圧Ｖｏの変化を示す図である。 第三実施形態において、スイッチング素子ＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ１２、深層側電極の電位Ｖｉｎ１、並列キャパシタの一端側の電位Ｖｉｎ２及び表層側電極の電位Ｖｏの動作のタイミングチャートである。 第四実施形態における表層側電極、深層側電極及び誘電層を構成する装置図である。 第四実施形態において、図７の脈波計測装置の等価回路を適用した場合に、人体の電気的な非接続状態から接続状態へ移行するときの各状態の出力電圧Ｖｏの変化を示す図である。 第五実施形態の脈波計測装置の等価回路であって、人体が電気的に接続している状態を示す図である。 図２１の第一の並列キャパシタが接続される状態において、人体の電気的な非接続状態から接続状態へ移行するときの各状態の出力電圧Ｖｏの変化を示す図である。 図２１の第二の並列キャパシタが接続される状態において、人体の電気的な非接続状態から接続状態へ移行するときの各状態の出力電圧Ｖｏの変化を示す図である。 第六実施形態の静電容量型脈波計測装置の構成を示す図である。 図２４の脈波計測装置の等価回路であって、人体が電気的に接続している状態を示す図である。 図２４の脈波計測装置の等価回路であって、人体が電気的に接続していない状態を示す図である。 第七実施形態の静電容量型脈波計測装置の構成を示す図である。 図２７の脈波計測装置の等価回路であって、人体が電気的に接続している状態を示す図である。
　＜第一実施形態＞
　第一実施形態の静電容量型脈波計測装置１００について図１～図６を参照して説明する。脈波計測装置１００は、人体１の脈波を計測する。ここで、人体１における異なる２か所の表面２，３間は、基本静電容量Ｃｈと動脈に伴う静電容量ΔＣｈとを並列接続された回路と表されるものとする。血液は、他の生体組織に比べて導電率が極めて高いため、他の臓器が無い部分では、血液の流量に応じて静電容量が変化する。つまり、動脈の脈波に応じて、静電容量が変化する。そこで、脈波計測装置１００は、動脈の脈波に応じて変化する静電容量を検出することで、人体１の脈波を計測する。
　脈波計測装置１００は、例えば、車両用などのシートの座面、シートの肘掛けコンソール、人体１の手首バンド、便座などに適用される。脈波計測装置１００が座面及び便座に適用される場合には、人体１の大腿動脈の脈波が計測される。脈波計測装置１００が肘掛けコンソール又は手首バンドに適用される場合には、人体１の橈骨動脈又は尺骨動脈の脈波が計測される。上記の他、脈波計測装置１００は、人体１の各種動脈付近に配置される。
　脈波計測装置１００は、図１に示すように、計測ユニット１０と、電源２１と、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１と、ブリッジ用キャパシタ２２と、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０と、コントローラ３１と、計測器３２と、演算装置３３を備える。ここで、人体１が電気的に接続している状態の脈波計測装置１００は、図２に示す等価回路となる。一方、人体１が電気的に接続していない状態の脈波計測装置１００は、図３に示す等価回路となる。
　計測ユニット１０は、計測対象である人体の動脈付近に配置される。例えば、脈波計測装置１００が車両シートの座面に適用される場合には、計測ユニット１０は座面の表面側に埋設される。計測ユニット１０は、表層側電極１１と、深層側電極１２と、誘電層１３と、グランド電極１４とを備える。
　表層側電極１１は、人体１の表面２との間に絶縁性の被接触部材４を挟んで人体に電気的に接続する。計測ユニット１０が車両シートの座面に埋設される場合、被接触部材４は、シートの表皮及び人体１が装着する衣類などである。被接触部材４は、シートの表皮のみでもよく、人体１が装着する衣類のみでもよい。つまり、表層側電極１１と人体１の表面２（皮膚）が直接接触することがないように、種々の被接触部材４が介在すればよい。表層側電極１１は、例えば、シートの座面の表面側に配置される。表層側電極１１は、例えば、帯状に形成され、シートの座面の左右方向に延びるように配置される。
　深層側電極１２は、表層側電極１１から被接触部材４とは反対側に離れて配置される。つまり、深層側電極１２は、表層側電極１１に対して距離を隔てて対向する。誘電層１３は、表層側電極１１と深層側電極１２との間に介在する。本実施形態においては、誘電層１３の厚みは固定される。従って、表層側電極１１と深層側電極１２との静電容量Ｃｎ（以下、「電極間静電容量Ｃｎ」と称する。）は、固定値に設定される。
　グランド電極１４は、表層側電極１１から被接触部材４の面方向に離れて配置される。グランド電極１４は、人体１の表面３との間に被接触部材４を挟んで人体１に電気的に接続し、且つ、グランド電位に接続される。グランド電極１４は、例えば、表層側電極１１と同様の帯状に形成され、シートの座面の左右方向に延びるように配置され、表層側電極１１に対して座面の前後方向に離れて配置される。つまり、シートの座面に人体１が着座した状態において、人体１の大腿動脈は、表層側電極１１とグランド電極１４との配置方向に向かって流通する。
　電源２１は、定電圧である入力電圧Ｖｉｎを印加する電源である。電源２１は、深層側電極１２に入力電圧Ｖｉｎを印加可能である。第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１は、深層側電極１２を電源２１に接続する状態と、深層側電極１２をグランド電位に接続する状態とを切り替える。
　ブリッジ用キャパシタ２２は、表層側電極１１とグランド電位との間に接続される。ブリッジ用キャパシタ２２の静電容量は、Ｃｂである。深層側電極１２が電源２１に接続される場合には、ブリッジ用キャパシタ２２は、電極間静電容量Ｃｎに直列接続される。つまり、ブリッジ用キャパシタ２２は、電極間静電容量Ｃｎに対してブリッジ回路を構成する。充放電用スイッチング素子ＳＷ１０は、表層側電極１１とグランド電位との間に配置され、表層側電極１１をグランド電位に接続する状態と、表層側電極１１をグランド電位から遮断する状態とを切り替える。
　コントローラ３１は、図４に示すように、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１及び充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を制御する。コントローラ３１は、以下に示す放電工程と充電工程とを交互に実行する。すなわち、コントローラ３１は、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１をグランド電位側に接続した状態にし、且つ、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を閉状態にすることで、表層側電極１１の電荷をグランド電位に放電する（放電工程）。ここで、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１をグランド電位側に接続した状態とは、深層側電極１２に対して入力電圧Ｖｉｎを印加していない状態に相当する。上記放電工程により、電極間静電容量Ｃｎの電荷を基準状態としてのグランド電位に設定することで、キャリブレーションを行うことができる。
　また、コントローラ３１は、上記放電工程の後に、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１を電源２１側に接続した状態にし、且つ、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を開状態にすることで、電極間静電容量Ｃｎに充電する（充電工程）。ここで、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１を電源２１側に接続した状態とは、電極間静電容量Ｃｎに対して入力電圧Ｖｉｎを印加する状態に相当する。
　計測器３２は、コントローラ３１が充電工程を実行する場合（図４のｔ３～ｔ４）において、電極間静電容量Ｃｎとブリッジ用キャパシタ２２の静電容量Ｃｂとの中間電位Ｖｏを計測する。つまり、計測器３２は、電源２１により入力電圧Ｖｉｎを深層側電極に印加する場合に、表層側電極１１の電位である出力電圧Ｖｏを計測する。
　ここで、出力電圧Ｖｏは、式（１）により表される。ただし、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に対して電気的に接続していない状態と接続している状態とに応じて、出力電圧Ｖｏは異なる。式（１）において、表層側電極１１とグランド電極１４との間の静電容量Ｃｙは、式（２）により表される。人体１の表面２と表層側電極１１との間の結合容量はＣ１であり、人体１の表面３とグランド電極１４との間の結合容量はＣ２である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（１）（２）より、出力電圧Ｖｏは、表層側電極１１とグランド電極１４との間の静電容量Ｃｙ、表層側電極１１と深層側電極１２との間の静電容量Ｃｎ、及び、ブリッジ用キャパシタ２２の静電容量Ｃｂを含む計測対象静電容量に応じた電位となる。ここで、表層側電極１１とグランド電極１４との間の静電容量Ｃｙは、人体１の基本静電容量Ｃｈと動脈に伴う静電容量ΔＣｈとを並列接続した容量と、人体１と表層側電極１１との間の結合容量Ｃ１と、人体１とグランド電極１４との間の結合容量Ｃ２とを直列接続した容量である。また、式（１）より明らかなように、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に電気的に接続していない状態においては、出力電圧Ｖｏ１は、表層側電極１１とグランド電極１４との間の静電容量Ｃｙを含まない計測対象静電容量に応じた電位となる。
　図５に示すように、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に対して電気的に接続していない状態から、電気的に接続している状態へ変化した場合において、出力電圧Ｖｏは変化する。図５において、時刻Ｔ１において、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に電気的に接続する。図５及び式（１）（２）より明らかなように、人体１が電気的に接続している状態の出力電圧Ｖｏ２は、電気的に接続していない状態の出力電圧Ｖｏ１より小さい。さらに、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に電気的に接続している状態において、出力電圧Ｖｏ２は、人体１の動脈の影響を受けて、微小な振動波形となる。
　ブリッジ用キャパシタ２２の静電容量Ｃｂ及び人体１等の静電容量Ｃｙが電極間静電容量Ｃｎに対して直列接続されており、計測器３２が、深層側電極１２の電位、すなわち電極間静電容量Ｃｎと静電容量Ｃｂ，Ｃｙとの間の電位（中間電位）を取得している。ここで、一般に、直列接続された２つのキャパシタの中間電位は不定である。
　しかし、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を閉状態にすることで、表層側電極１１の電荷が一旦放電される。すなわち、上記中間電位がグランド電位になる。この状態が基準状態とされる。つまり、基準状態における中間電位は、グランド電位に等しい。換言すると、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を閉状態にすることによって、中間電位のキャリブレーションを行うことができる。
　そして、計測器３２は、放電された後に、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を開状態にし且つ入力電圧Ｖｉｎを印加した状態にされた時に、表層側電極１１の電位を計測する。つまり、計測器３２が計測する電位は、人体１の静電容量Ｃｙなどを含む計測対象静電容量に応じた電位となる。
　さらに、計測器３２は直列接続された静電容量の中間電位を用いるため、例えば電流計測の場合に比べて、電気的ノイズの影響を受けにくくなり、高精度な静電容量の計測が可能となる。さらに、計測器３２は、中間電位を用いた計測であるため、高速な計測を可能とする。また、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を閉状態にするキャリブレーションは、短時間で行うことができる。このことからも、高速な静電容量の計測が可能となる。
　演算装置３３は、計測器３２により増幅された計測信号を、例えばバンドパスフィルタなどによって、計測信号から所定の周波数帯域（例えば、１Ｈｚ～３Ｈｚ）の信号を抽出して、脈波を算出する。
　ここで、演算装置３３が増幅された計測信号を処理する理由は、脈波の影響による信号の振幅は非常に小さいため、所定の周波数帯域の信号を抽出する際に、適切に所望の信号を抽出できないことがあるためである。また、演算装置３３が所定の周波数帯域の信号を抽出することで、人体１の基本静電容量Ｃｈの成分、人体１の表面２と表層側電極１１との間の結合容量Ｃ１及び人体１の表面３とグランド電極１４との間の結合容量Ｃ２は、大部分が除去され、脈波の影響分のみが抽出される。
　演算装置３３が増幅された計測信号から所定の周波数帯域の信号を抽出した信号波形は、図６に示すような脈波となる。そして、演算装置３３が当該脈波のピーク数をカウントすることで、脈拍数を得ることができる。
　＜第二実施形態＞
　第二実施形態の脈波計測装置２００について、図７～図１７を参照して説明する。図７に示すように、脈波計測装置２００は、上記実施形態の脈波計測装置１００に対して、並列キャパシタ２３及び第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２をさらに備える。
　並列キャパシタ２３は、一端側が電源２１に接続可能であり、他端側を表層側電極１１に接続される。つまり、並列キャパシタ２３の一端側及び深層側電極１２が電源２１に接続されている状態において、並列キャパシタ２３は、表層側電極１１と深層側電極１２との静電容量Ｃｎに対して並列接続される関係となる。並列キャパシタ２３の静電容量は、Ｃａである。第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２は、並列キャパシタ２３の一端側を電源２１に接続する状態とグランド電位に接続する状態とを切り替える。
　コントローラ３１は、図８に示すように、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２及び充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を制御する。各状態において、人体１が電気的に接続していない状態と接続している状態とについての等価回路は、図９～図１６に示すとおりである。
　図８のｔ１～ｔ２の第一状態において、人体１が電気的に接続していない場合には、図９に示す等価回路となる。図８のｔ１～ｔ２の第一状態において、人体１が電気的に接続している場合には、図１３に示す等価回路となる。このとき、出力電圧Ｖｏ１１（Ｖｏ１１１，Ｖｏ１１２）は、式（３）に示すとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図８のｔ２～ｔ３の第二状態において、人体１が電気的に接続していない場合には、図１０に示す等価回路となる。図８のｔ２～ｔ３の第二状態において、人体１が電気的に接続している場合には、図１４に示す等価回路となる。このとき、出力電圧Ｖｏ１２（Ｖｏ１２１，Ｖｏ１２２）は、式（４）に示すとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　図８のｔ３～ｔ４の第三状態において、人体１が電気的に接続していない場合には、図１１に示す等価回路となる。図８のｔ３～ｔ４の第三状態において、人体１が電気的に接続している場合には、図１５に示す等価回路となる。このとき、出力電圧Ｖｏ１３（Ｖｏ１３１，Ｖｏ１３２）は、式（５）に示すとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図８のｔ４～ｔ５の第四状態において、人体１が電気的に接続していない場合には、図１２に示す等価回路となる。図８のｔ４～ｔ５の第四状態において、人体１が電気的に接続している場合には、図１６に示す等価回路となる。このとき、出力電圧Ｖｏ１４（Ｖｏ１４１，Ｖｏ１４２）は、式（６）に示すとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　図１７に示すように、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に対して電気的に接続していない状態から、電気的に接続している状態へ変化した場合において、出力電圧Ｖｏは変化する。図１７において、時刻Ｔ１において、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に電気的に接続する。
　演算装置３３は、人体１が電気的に接続している状態において、第四状態の出力電圧Ｖｏ１４２に基づいて、脈波を算出する。詳細には、演算装置３３は、増幅された出力信号Ｖｏ１４２から所定の周波数帯域の信号を抽出して、脈波を算出する。ここで、演算装置３３は、第四状態の出力電圧Ｖｏ１４２を処理しているため、分解能が大きくなり、脈波の算出が確実となる。
　＜第三実施形態＞
　第三実施形態の脈波計測装置３００は、第二実施形態の脈波計測装置２００に対して、計測器３２のキャリブレーションのタイミングが異なる。上記の脈波計測装置２００においては、計測器３２は、第一状態（図８のｔ１～ｔ２）においてキャリブレーションを行った。すなわち、計測器３２が取得する出力電圧Ｖｏは、第一状態における出力電圧Ｖｏ１１（Ｖｏ１１１，Ｖｏ１１２）をゼロ（基準）とする値であった。
　本実施形態の脈波計測装置３００においては、図１８に示すように、計測器３２は、第二状態（図１８のｔ２～ｔ３）においてキャリブレーションを行う。すなわち、計測器３２が取得する出力電圧Ｖｏは、第二状態における出力電圧Ｖｏ２２（Ｖｏ２２１，Ｖｏ２２２）をゼロ（基準）とする値とする。
　図１８のｔ１～ｔ２の第一状態における出力電圧Ｖｏ２１（Ｖｏ２１１，Ｖｏ２１２）は、式（７）に示すとおりである。図１８のｔ２～ｔ３の第二状態における出力電圧Ｖｏ２２（Ｖｏ２２１，Ｖｏ２２２）は、式（８）に示すとおりである。図１８のｔ３～ｔ４の第三状態における出力電圧Ｖｏ２３（Ｖｏ２３１，Ｖｏ２３２）は、式（９）に示すとおりである。図１８のｔ４～ｔ５の第四状態における出力電圧Ｖｏ２４（Ｖｏ２４１，Ｖｏ２４２）は、式（１０）に示すとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　計測器３２は、第四状態の出力電圧Ｖｏ２４を取得する。そして、演算装置３３は、人体１が電気的に接続している状態において計測器３２が取得した第四状態の出力電圧Ｖｏ２４２に基づいて、所定の周波数帯域の信号を抽出することで、脈波を算出する。
　＜第四実施形態＞
　第四実施形態の脈波計測装置４００において、図１９に示すように、計測ユニット１０を構成する誘電層１３が圧縮変形可能な材料により形成される。つまり、表層側電極１１と深層側電極１２との間の電極間静電容量Ｃｎは可変となる。例えば、計測ユニット１０の柔軟性を確保するために、誘電層１３が圧縮変形可能とすることがある。計測ユニット１０がシートの座面に配置される場合において、人体１の体重によって誘電層１３が圧縮変形することがある。この場合、電極間静電容量Ｃｎは、大きくなる。
　図２０に示すように、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に対して電気的に接続していない状態から、電気的に接続している状態へ変化した場合において、出力電圧Ｖｏは変化する。図２０において、時刻Ｔ１は、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に電気的に接続する時点であり、Ｔ２は、誘電層１３が圧縮変形開始する時点であり、Ｔ３は、誘電層１３の圧縮変形が安定した状態となった時点である。
　つまり、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に電気的に接続することによって、第四状態の出力電圧Ｖｏ１４は一旦低下し、誘電層１３の圧縮に伴って、第四状態の出力電圧Ｖｏ１４は上昇し始める。この場合、誘電層１３の圧縮変形が安定した後において、計測器３２は、動脈の脈波に応じて変化する深層側電極１２の電位を取得する。そして、演算装置３３が、計測信号に基づいて脈波を算出する。
　＜第五実施形態＞
　第五実施形態の脈波計測装置５００は、第四実施形態の脈波計測装置４００のように、誘電層１３が圧縮変形する構成が適用される。さらに、脈波計測装置５００は、図２１に示すように、それぞれ並列に接続可能に設けられ、静電容量の異なる複数の並列キャパシタ２３ａ，２３ｂを備える。第一の並列キャパシタ２３ａの静電容量は、Ｃａ１であり、第二の並列キャパシタ２３ｂの静電容量は、Ｃａ２とする。説明上、例えば、静電容量Ｃａ１が、静電容量Ｃａ２より小さいとする。
　さらに、脈波計測装置５００は、選択スイッチＳＷ５１，ＳＷ５２を備える。一方の選択スイッチＳＷ５１は、複数の並列キャパシタ２３ａ，２３ｂの中から選択された一つと第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２とを接続する。他方の選択スイッチＳＷ５２は、複数の並列キャパシタ２３ａ，２３ｂの中から選択された一つと表層側電極１１とを接続する。
　従って、複数の並列キャパシタ２３ａ，２３ｂの中から選択された一つのみが、一端側を電源２１又はグランド電位に接続され、他端側を表層側電極１１に接続される。複数の並列キャパシタ２３ａ，２３ｂの残りは、電源２１、グランド電位、表層側電極１１の何れにも接続されていない。ただし、図示しないが、複数の並列キャパシタ２３ａ，２３ｂの残りは、両端共に、グランド電位に接続するようにしてもよい。
　選択スイッチＳＷ５１，ＳＷ５２が第一の並列キャパシタ２３ａを選択している場合に、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に対して電気的に接続していない状態から、電気的に接続している状態へ変化すると、第四状態の出力電圧Ｖｏ３４は図２２に示すように変化する。ただし、図２２は、第二状態の出力電圧Ｖｏ３２がゼロ（基準）となるものとして表示する。
　一方、選択スイッチＳＷ５１，ＳＷ５２が第二の並列キャパシタ２３ｂを選択している場合に、人体１が表層側電極１１及びグランド電極１４に対して電気的に接続していない状態から、電気的に接続している状態へ変化すると、第四状態の出力電圧Ｖｏ４４は図２３に示すように変化する。ただし、図２３は、第二状態の出力電圧Ｖｏ４２がゼロ（基準）となるものとして表示する。
　ここで、選択スイッチＳＷ５１，ＳＷ５２が第一の並列キャパシタ２３ａを選択している場合に、第四状態の出力電圧Ｖｏ３４（Ｖｏ３４１，Ｖｏ３４２）は、式（１１）に示すとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　選択スイッチＳＷ５１，ＳＷ５２が第二の並列キャパシタ２３ｂを選択している場合に、第四状態の出力電圧Ｖｏ４４（Ｖｏ４４１，Ｖｏ４４２）は、式（１２）に示すとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　第二の並列キャパシタ２３ｂが選択される場合における第四状態の出力電圧Ｖｏ４４２は、第一の並列キャパシタ２３ａが選択される場合における第四状態の出力電圧Ｖｏ３４２より小さくなる。例えば、演算装置３３は、第二の並列キャパシタ２３ｂが選択される場合の計測器３２により増幅された計測信号から所定の周波数帯域の信号を抽出することで、より確実に脈波を算出できる。このように、演算装置３３は、適宜、脈波を算出するのに適した並列キャパシタ２３ａ，２３ｂの何れか一つを選択する。
　なお、第五実施形態では、選択スイッチＳＷ５１，ＳＷ５２により、第一の並列キャパシタ２３ａ、第二の並列キャパシタ２３ｂの何れか一つのみを選択する構成としたが、第一の並列キャパシタ２３ａ、第二の並列キャパシタ２３ｂのそれぞれを個別に選択できる選択スイッチを設け、第一の並列キャパシタ２３ａ、第二の並列キャパシタ２３ｂの両方を選択する構成としても良い。
　＜第六実施形態＞
　第六実施形態の脈波計測装置６００は、図２４に示すように、第一実施形態の脈波計測装置から深層側電極１２をなくす一方、グランド電極１４に代わりに第二表層側電極１５を配置する。また、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１は、第二表層側電極１５を電源２１に接続する状態と、第二表層側電極１５をグランド電位に接続する状態とを切り替える構成とする。
　コントローラ３１は、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１及び充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を制御する。コントローラ３１は、以下に示す放電工程と充電工程とを交互に実行する。すなわち、コントローラ３１は、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１をグランド電位側に接続した状態にし、且つ、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を閉状態にすることで、表層側電極１１の電荷をグランド電位に放電する（放電工程）。ここで、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１をグランド電位側に接続した状態とは、第二表層側電極１５に対して入力電圧Ｖｉｎを印加していない状態に相当する。上記放電工程により、表層側電極１１と第二表層側電極１５の間の静電容量Ｃｚ（Ｃｚ１又はＣｚ２）の電荷を基準状態としてのグランド電位に設定することで、キャリブレーションを行うことができる。
　また、コントローラ３１は、上記放電工程の後に、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１を電源２１側に接続した状態にし、且つ、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を開状態にすることで、電極間静電容量Ｃｚに充電する（充電工程）。ここで、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１を電源２１側に接続した状態とは、電極間静電容量Ｃｚに対して入力電圧Ｖｉｎを印加する状態に相当する。
　計測器３２は、コントローラ３１が充電工程を実行する場合において、電極間静電容量Ｃｚとブリッジ用キャパシタ２２の静電容量Ｃｂとの中間電位Ｖｏ６を計測する。つまり、計測器３２は、電源２１により入力電圧Ｖｉｎを第二表層側電極１５に印加する場合に、表層側電極１１の電位である出力電圧Ｖｏ６を計測する。
　ここで、人体１が電気的に接続している状態の脈波計測装置６００は、図２５に示す等価回路となる。一方、人体１が電気的に接続していない状態の脈波計測装置６００は、図２６に示す等価回路となる。人体１が表層側電極１１及び第二表層側電極１５に対して電気的に接続している状態においては、図２５に示すように、電極間静電容量Ｃｚは、人体１の静電容量Ｃｈ，ΔＣｈを含む静電容量Ｃｚ１となる。一方、人体１が表層側電極１１及び第二表層側電極１５に対して電気的に接続していない状態においては、図２６に示すように、電極間静電容量Ｃｚは、人体１の静電容量Ｃｈ，ΔＣｈとは無関係の静電容量Ｃｚ２となる。
　そして、出力電圧Ｖｏ６は、式（１３）により表される。ただし、人体１が表層側電極１１及び第二表層側電極１５に対して電気的に接続していない状態と接続している状態とに応じて、出力電圧Ｖｏ６は異なる。計測器３２は、放電された後に、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を開状態にし且つ入力電圧Ｖｉｎを印加した状態にされた時に、表層側電極１１の電位を計測する。つまり、人体１が表層側電極１１及び第二表層側電極１５に対して電気的に接続している状態において、計測器３２が計測する電位は、人体１の静電容量Ｃｈ，ΔＣｈなどを含む計測対象静電容量に応じた電位となる。そこで、演算装置３３は、人体１が電気的に接続している状態において、出力電圧Ｖｏ６１に基づいて、脈波を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　＜第七実施形態＞
　上記実施形態においては、図１及び図２に示すように、人体１における異なる２か所の表面２，３間は、基本静電容量Ｃｈと動脈に伴う静電容量ΔＣｈとを並列接続された回路として表されるものとした。
　この他に、人体１における異なる２か所の表面２，３間は、図２７及び図２８に示すように、基本静電容量Ｃｈ、動脈に伴う静電容量ΔＣｈ、及び、抵抗Ｒを並列接続された回路として表されるとも考えられる。この場合、表面２，３間の電圧変化は、抵抗Ｒの存在により、動脈に伴う静電容量ΔＣｈの影響をほとんど受けないことになる。
　ただし、動脈の振動に伴って、人体１の表面２と表層側電極１１との間に存在する被接触部材４が僅かに圧縮変形する。そのため、人体１の表面２と表層側電極１１との間の結合容量Ｃ１が変化する。同様に、動脈の振動に伴って、人体１の表面３とグランド電極１４との間に存在する被接触部材４が僅かに圧縮変形する。そのため、人体１の表面３とグランド電極１４との間の結合容量Ｃ２が変化する。
　そうすると、上記実施形態において、表層側電極１１とグランド電極１４との間の静電容量Ｃｙは、式（２）で表したが、本実施形態においては、式（１４）により表される。式（１４）において、結合容量Ｃ１，Ｃ２が、脈波に伴って変化する値となる。また、表層側電極１１とグランド電極１４との配置方向は、人体１の大腿動脈の流通方向にほぼ一致させている。そのため、結合容量Ｃ１，Ｃ２は、ほぼ同様に変化するものと考えられる。
　従って、図５に示す出力電圧Ｖｏ２は、結合容量Ｃ１，Ｃ２、すなわち人体１の動脈の影響を受けて、微小な振動波形となる。そのため、上記実施形態と同様に、演算装置３３は、人体１の脈波を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　なお、第七実施形態においては、人体１における異なる２か所の表面２，３間に、抵抗Ｒを含む回路とし、且つ、動脈の振動に伴って被接触部材４が僅かに圧縮変形するものとした。このことを、第六実施形態の脈波計測装置６００の構成に同様に適用することもできる。つまり、図２４において、人体１における異なる２か所の表面２，３間が、基本静電容量Ｃｈ、動脈に伴う静電容量ΔＣｈ、及び、抵抗Ｒを並列接続された回路として表される。さらに、人体１の表面２と表層側電極１１との間の結合容量Ｃ１が変化し、且つ、人体１の表面３と第二表層側電極１５との間の結合容量Ｃ２が変化する。この場合も、同様に、演算装置３３は、人体１の脈波を得ることができる。
　＜実施形態の効果＞
　第一実施形態～第五実施形態、及び第七実施形態の脈波計測装置１００，２００，３００，４００，５００は、人体１の表面との間に絶縁性の被接触部材４を挟んで人体１に電気的に接続する表層側電極１１と、表層側電極１１から被接触部材４とは反対側に離れて配置される深層側電極１２と、表層側電極１１と深層側電極１２との間に介在する誘電層１３と、表層側電極１１から被接触部材４の面方向に離れて配置され、人体１の表面との間に被接触部材４を挟んで人体１に電気的に接続し、且つ、グランド電位に接続されるグランド電極１４とを備える。
　さらに、脈波計測装置１００，２００，３００，４００，５００は、表層側電極１１とグランド電位との間に接続されるブリッジ用キャパシタ２２と、深層側電極１２に入力電圧を印加可能な電源２１と、人体１の動脈が表層側電極１１とグランド電極１４との配置方向に向かって流通する状態において、電源２１により入力電圧Ｖｉｎを深層側電極１２に印加する場合に、表層側電極１１とグランド電極１４との間の静電容量Ｃｙを含む計測対象静電容量に応じた表層側電極１１の電位Ｖｏを計測する計測器３２と、計測器３２による計測信号に基づいて人体１の脈波を算出する演算装置３３とを備える。
　計測器３２は、人体１の静電容量Ｃｈ，ΔＣｈと、表層側電極１１と深層側電極１２との電極間静電容量Ｃｎと、人体１と表層側電極１１との間の結合容量Ｃ１と、人体１とグランド電極１４との間の結合容量Ｃ２とが直列接続された状態において、人体１の静電容量Ｃｈ，ΔＣｈと電極間静電容量Ｃｎとの中間電位を測定する。ただし、表層側電極１１とグランド電位との間には、ブリッジ用キャパシタ２２が接続される。つまり、ブリッジ用キャパシタ２２は、人体１の静電容量Ｃｈ，ΔＣｈに並列接続されることになる。
　そして、当該中間電位は、人体１の静電容量Ｃｈ，ΔＣｈ、電極間静電容量Ｃｎ、各結合容量Ｃ１，Ｃ２、及び、ブリッジ用キャパシタ２２の静電容量Ｃｂの影響を受ける電位となる。また、人体の静電容量、又は、各結合容量が、脈波に伴う変化分を含むと考えられる。例えば、人体１の静電容量Ｃｈ，ΔＣｈは、人体１の基本静電容量Ｃｈに加えて、脈波に伴う変化分ΔＣｈを含むと考えられる。もしくは、脈波に伴って人体の表面と表層側電極との距離が変動することにより、各結合容量が、脈波に伴う変化分を含むとも考えられる。
　特に、人体１の動脈の流通方向が、表層側電極１１とグランド電極１４の配置方向となることで、表層側電極１１とグランド電極１４との間の静電容量Ｃｙは、脈波の影響を確実に受ける。従って、演算装置３３が、当該中間電位から人体１の動脈の静電容量ΔＣｈの影響分を抽出することで、人体１の脈波を確実に取得できる。
　また、ブリッジ用キャパシタ２２が人体１の静電容量Ｃｈ，ΔＣｈに並列接続されるため、人体１が表層側電極１１に電気的に接続していない場合において、電源２１とグランド電位との間には、深層側電極１２、表層側電極１１及びブリッジ用キャパシタ２２を介する回路が形成される。つまり、人体１が表層側電極１１に電気的に接続しているか接続していないかに関わらず、安定した回路が形成される。従って、計測器３２が、確実に当該中間電位を計測できる。
　さらに、表層側電極１１及びグランド電極１４は、絶縁性の被接触部材４を挟んで人体１の表面に電気的に接続する。仮に、表層側電極１１又はグランド電極１４が、人体１の表面（例えば人体の皮膚）に直接接触すると、計測器３２は、種々の電気的ノイズの影響を受ける。そこで、被接触部材４が挟まれることで、計測器３２が計測する電位は、電気的ノイズの影響が小さくなる。
　また、脈波計測装置１００，２００，３００，４００，５００において、演算装置３３は、計測器３２により増幅された計測信号から所定の周波数帯域の信号を抽出して、脈波を算出する。脈波の影響による振動の振幅は非常に小さいため、所定の周波数帯域の信号を抽出する際に、適切に所望の信号を抽出できないことがある。そこで、計測器３２が増幅した計測信号を用いることで、確実に脈波を得ることができる。また、演算装置３３が所定の周波数帯域の信号を抽出することで、人体１の基本静電容量Ｃｈの成分、人体１の表面と表層側電極１１との間の結合容量Ｃ１及び人体１の表面とグランド電極１４との間の結合容量Ｃ２は、大部分が除去され、脈波の影響分のみが抽出される。
　また、第一実施形態及び第七実施形態の静電容量型脈波計測装置１００は、深層側電極１２を電源２１に接続する状態とグランド電位に接続する状態とを切り替える第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１と、表層側電極１１とグランド電位との間に配置され、表層側電極１１をグランド電位に接続する状態と遮断する状態とを切り替える充放電用スイッチング素子ＳＷ１０と、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１及び充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を制御するコントローラ３１とを備える。
　コントローラ３１は、表層側電極１１及び深層側電極１２がグランド電位に接続されることで表層側電極１１の電荷を放電し、放電の後に、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を開状態にし且つ深層側電極１２に入力電圧Ｖｉｎが印加される状態にすることで、表層側電極１１と深層側電極１２との間に充電する。そして、計測器３２は、充電された状態で、計測対象静電容量に応じた表層側電極１１の電位を計測する。充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を閉状態にすることによって、表層側電極１１の電位のキャリブレーションを行うことができる。従って、充電後に計測器３２が計測する電位は、人体１の静電容量Ｃｙなどを含む計測対象静電容量に応じた電位となる。
　また、第一実施形態及び第七実施形態の脈波計測装置１００において、表層側電極１１と深層側電極１２との間の電極間静電容量Ｃｎは、固定値に設定される。つまり、人体１が計測ユニット１０に荷重を付加したとしても、電極間静電容量Ｃｎが変化しないため、基準を安定して得ることができる。なお、基準とは、例えば、図５のｔ１～ｔ２のグランド電位とすることができる。
　また、第二実施形態～第五実施形態の脈波計測装置２００，３００，４００，５００は、一端側を電源２１に接続可能であり、他端側を表層側電極１１に接続される並列キャパシタ２３，２３ａ，２３ｂと、深層側電極１２を電源２１に接続する状態とグランド電位に接続する状態とを切り替える第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１と、並列キャパシタ２３，２３ａ，２３ｂの一端側を電源２１に接続する状態とグランド電位に接続する状態とを切り替える第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２と、表層側電極１１とグランド電位との間に配置され、表層側電極１１をグランド電位に接続する状態と遮断する状態とを切り替える充放電用スイッチング素子ＳＷ１０と、第一入力用スイッチング素子ＳＷ１１、第二入力用スイッチング素子ＳＷ１２及び充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を制御するコントローラ３１とを備える。
　コントローラ３１は、表層側電極１１及び深層側電極１２がグランド電位に接続されることで表層側電極１１の電荷を放電する第一状態とする。コントローラ３１は、第一状態の後に、充放電用スイッチング素子ＳＷ１０を開状態にし且つ並列キャパシタ２３，２３ａ，２３ｂの一端側のみに入力電圧Ｖｉｎが印加される状態にして、並列キャパシタ２３，２３ａ，２３ｂの他端側の電位を計測する第二状態とする。コントローラ３１は、第二状態の後に、深層側電極１２及び並列キャパシタ２３，２３ａ，２３ｂの一端側に入力電圧Ｖｉｎが印加される状態にすることで、表層側電極１１の電位を計測する第三状態とする。コントローラ３１は、第三状態の後に、深層側電極１２の一端側のみに入力電圧Ｖｉｎが印加される状態にすることで、表層側電極１１の電位を計測する第四状態とする。そして、演算装置３３は、第四状態における計測器３２による計測信号に基づいて、脈波を算出する。
　コントローラ３１が上記動作を行うことにより、計測器３２は、第四状態の出力電圧Ｖｏ１４，Ｖｏ２４を、確実に取得できる。従って、演算装置３３は、高精度に脈波を算出できる。
　また、第五実施形態の脈波計測装置５００において、表層側電極１１と深層側電極１２との間の電極間静電容量Ｃｎは、可変する。また、脈波計測装置５００における並列キャパシタは、静電容量の異なる複数の並列キャパシタ２３ａ，２３ｂである。複数の並列キャパシタ２３ａ，２３ｂの少なくとも一つが、一端側を電源２１に接続され、他端側を表層側電極１１に接続される。
　演算装置３３は、電源２１を複数の並列キャパシタ２３ａ，２３ｂの中から少なくとも一つを選択した場合に、第四状態における計測器３２による計測信号に基づいて、脈波を算出する。
　演算装置３３は、適宜、脈波を算出するのに適した並列キャパシタ２３ａ，２３ｂの少なくとも一つを選択する。例えば、複数の並列キャパシタ２３ａ，２３ｂの中から、第三状態の出力電圧Ｖｏ３３２，４３２が小さくなるよう方を選択する。そうすることで、分解能が大きくなり、脈波の算出が確実となる。
　また、第六実施形態の脈波計測装置６００は、人体１の表面との間に絶縁性の被接触部材４を挟んで人体１に電気的に接続する表層側電極１１と、表層側電極１１から被接触部材４の面方向に離れて配置され、人体１の表面との間に被接触部材４を挟んで人体１に電気的に接続する第二表層側電極１５と、表層側電極１１とグランド電位との間に接続されるブリッジ用キャパシタ２２とを備える。
　さらに、脈波計測装置６００は、第二表層側電極１５に入力電圧Ｖｉｎを印加可能な電源２１と、人体１の動脈が表層側電極１１と第二表層側電極１５との配置方向に向かって流通する状態において、電源２１により入力電圧Ｖｉｎを第二表層側電極１５に印加する場合に、表層側電極１１と第二表層側電極１５との間の静電容量Ｃｚを含む計測対象静電容量に応じた表層側電極１１の電位Ｖｏ６を計測する計測器３２と、計測器３２による計測信号に基づいて人体１の脈波を算出する演算装置３３とを備える。
　この場合、人体１が表層側電極１１及び第二表層側電極１５に対して電気的に接続している状態において、計測器３２が計測する電位は、人体１の静電容量Ｃｈ，ΔＣｈなどを含む計測対象静電容量に応じた電位となる。そこで、演算装置３３は、人体１が電気的に接続している状態において、計測器３２が計測する電位に基づいて、確実に人体１の脈波を算出することができる。
１：人体、　２，３：人体の表面、　４：被接触部材、　１０：計測ユニット、　１１：表層側電極、　１２：深層側電極、　１３：誘電層、　１４：グランド電極、　２１：電源、　２２：ブリッジ用キャパシタ、　２３，２３ａ，２３ｂ：並列キャパシタ、　３１：コントローラ、　３２：計測器、　３３：演算装置、　１００，２００，３００，４００，５００：静電容量型脈波計測装置、　ＳＷ１０：充放電用スイッチング素子、　ＳＷ１１：第一入力用スイッチング素子、　ＳＷ１２：第二入力用スイッチング素子、　Ｖｉｎ：入力電圧、　Ｖｏ：出力電圧、　ΔＣｈ：動脈に伴う静電容量

Claims (7)

  1. 　人体の表面との間に絶縁性の被接触部材を挟んで前記人体に電気的に接続する表層側電極と、
    　前記表層側電極から前記被接触部材とは反対側に離れて配置される深層側電極と、
    　前記表層側電極と前記深層側電極との間に介在する誘電層と、
    　前記表層側電極から前記被接触部材の面方向に離れて配置され、前記人体の表面との間に前記被接触部材を挟んで前記人体に電気的に接続し、且つ、グランド電位に接続されるグランド電極と、
    　前記表層側電極とグランド電位との間に接続されるブリッジ用キャパシタと、
    　前記深層側電極に入力電圧を印加可能な電源と、
    　前記人体の動脈が前記表層側電極と前記グランド電極との配置方向に向かって流通する状態において、前記電源により前記入力電圧を前記深層側電極に印加する場合に、前記表層側電極と前記グランド電極との間の静電容量を含む計測対象静電容量に応じた前記表層側電極の電位を計測する計測器と、
    　前記計測器による計測信号に基づいて前記人体の脈波を算出する演算装置と、
    　を備える、静電容量型脈波計測装置。
  2. 　前記演算装置は、前記計測器により増幅された計測信号から所定の周波数帯域の信号を抽出して、前記脈波を算出する、請求項１に記載の静電容量型脈波計測装置。
  3. 　前記静電容量型脈波計測装置は、
    　前記深層側電極を前記電源に接続する状態とグランド電位に接続する状態とを切り替える第一入力用スイッチング素子と、
    　前記表層側電極とグランド電位との間に配置され、前記表層側電極をグランド電位に接続する状態と遮断する状態とを切り替える充放電用スイッチング素子と、
    　前記第一入力用スイッチング素子及び前記充放電用スイッチング素子を制御するコントローラと、
    　を備え、
    　前記コントローラは、
    　前記表層側電極及び深層側電極がグランド電位に接続されることで前記表層側電極の電荷を放電し、
    　放電の後に、前記充放電用スイッチング素子を開状態にし且つ前記深層側電極に前記入力電圧が印加される状態にすることで、前記表層側電極と前記深層側電極との間に充電し、
    　前記計測器は、充電された状態で、前記計測対象静電容量に応じた前記表層側電極の電位を計測する、請求項１又は２に記載の静電容量型脈波計測装置。
  4. 　前記表層側電極と前記深層側電極との間の静電容量は、固定値に設定される、請求項３に記載の静電容量型脈波計測装置。
  5. 　前記静電容量型脈波計測装置は、
    　一端側を前記電源に接続可能であり、他端側を前記表層側電極に接続される並列キャパシタと、
    　前記深層側電極を前記電源に接続する状態とグランド電位に接続する状態とを切り替える第一入力用スイッチング素子と、
    　前記並列キャパシタの一端側を前記電源に接続する状態とグランド電位に接続する状態とを切り替える第二入力用スイッチング素子と、
    　前記表層側電極とグランド電位との間に配置され、前記表層側電極をグランド電位に接続する状態と遮断する状態とを切り替える充放電用スイッチング素子と、
    　前記第一入力用スイッチング素子、前記第二入力用スイッチング素子及び前記充放電用スイッチング素子を制御するコントローラと、
    　を備え、
    　前記コントローラは、
    　前記表層側電極及び前記深層側電極がグランド電位に接続されることで前記表層側電極の電荷を放電する第一状態とし、
    　前記第一状態の後に、前記充放電用スイッチング素子を開状態にし且つ前記並列キャパシタの一端側のみに前記入力電圧が印加される状態にして、前記並列キャパシタの他端側の電位を計測する第二状態とし、
    　前記第二状態の後に、前記深層側電極及び前記並列キャパシタの一端側に前記入力電圧が印加される状態にすることで、前記表層側電極の電位を計測する第三状態とし、
    　前記第三状態の後に、前記深層側電極の一端側のみに前記入力電圧が印加される状態にすることで、前記表層側電極の電位を計測する第四状態とし、
    　前記演算装置は、前記第四状態における前記計測器による計測信号に基づいて、前記脈波を算出する、請求項１又は２に記載の静電容量型脈波計測装置。
  6. 　前記表層側電極と前記深層側電極との間の静電容量は、可変し、
    　前記並列キャパシタは、静電容量の異なる複数の並列キャパシタであり、
    　前記複数の並列キャパシタの少なくとも一つが、一端側を前記電源に接続され、他端側を前記表層側電極に接続され、
    　前記演算装置は、前記電源を前記複数の並列キャパシタの中から少なくとも一つを選択した場合に、前記第四状態における前記計測器による計測信号に基づいて、前記脈波を算出する、請求項５に記載の静電容量型脈波計測装置。
  7. 　人体の表面との間に絶縁性の被接触部材を挟んで前記人体に電気的に接続する表層側電極と、
    　前記表層側電極から前記被接触部材の面方向に離れて配置され、前記人体の表面との間に前記被接触部材を挟んで前記人体に電気的に接続する第二表層側電極と、
    　前記表層側電極とグランド電位との間に接続されるブリッジ用キャパシタと、
    　前記第二表層側電極に入力電圧を印加可能な電源と、
    　前記人体の動脈が前記表層側電極と前記第二表層側電極との配置方向に向かって流通する状態において、前記電源により前記入力電圧を前記第二表層側電極に印加する場合に、前記表層側電極と前記第二表層側電極との間の静電容量を含む計測対象静電容量に応じた前記表層側電極の電位を計測する計測器と、
    　前記計測器による計測信号に基づいて前記人体の脈波を算出する演算装置と、
    　を備える、静電容量型脈波計測装置。
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