WO2021090955A1 - Biosignal detection device, heart rate signal detection server, vehicle, biosignal detection program, and heart rate signal detection program - Google Patents

Biosignal detection device, heart rate signal detection server, vehicle, biosignal detection program, and heart rate signal detection program Download PDF

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heartbeat
capacitor
biological
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PCT/JP2020/041780
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佐藤 敦
小林 宏一郎
守生 岩井
尚樹 本間
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株式会社エクォス・リサーチ
国立大学法人岩手大学
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    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02Detecting, 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
    • A61B5/024Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate
    • A61B5/0245Detecting, measuring or recording pulse rate or heart rate by using sensing means generating electric signals, i.e. ECG signals
    • AHUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/103Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb

Definitions

  • the biological signals of the organs reaching the heart region of the seated subject and the biological signals of the organs reaching the lung region can be acquired by the first capacitor and the second capacitor.
  • the resonance circuit 1a (FIG. 1 (a)) transmits a heartbeat / breathing signal that combines heartbeat and breathing due to the voltage of the coil 5a caused by the change in resonance frequency.
  • the resonant circuit 1b (not shown) detects the breathing signal due to breathing by the voltage of the coil 5b.
  • the signal processing device 16 (FIG. 2) removes the respiratory component contained in the heartbeat / breathing signal by subtracting the breathing signal from the heartbeat / breathing signal, thereby outputting the heartbeat signal which is the difference between the two.
  • the heartbeat signal detection device 11 can be mounted on the vehicle to monitor the physical condition of the driver. In this case, if the capacitors 3a and 3b are built in the driver's seat or seat belt, these can be carried out without burdening the driver. Can be attached.
  • the capacitor 3a can be attached while the subject 10 is wearing clothes.
  • the clothing functions as a dielectric material that separates the electrode 31a from the human body.
  • the change in the capacitance of the capacitor 3a can be detected from the change in the resonance frequency as in the prior art of Patent Document 1, but the heartbeat signal detection device 11 detects this by the time change of the voltage Vf generated in the coil 5a. To detect. Since one terminal of the coil 5a is grounded, Vf is also the potential of the other terminal.
  • FIG. 1B shows the frequency characteristics of the resonant circuit 1a.
  • the vertical axis represents the voltage amplitude in [V]
  • the horizontal axis represents the frequency in [Hz].
  • the curve representing the frequency characteristic of the resonance circuit 1a will be referred to as a resonance curve.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the heartbeat signal detection device 11.
  • the heartbeat signal detection device 11 is a device that detects a heartbeat signal due to a pulse wave, and detects a resonance circuit 1a for detecting a heartbeat / breathing signal, a half-wave rectifying unit 12a, an HPF13a, an LPF14a, an amplifier circuit 15a, and a breathing signal. It is composed of a resonance circuit 1b, a half-wave rectifying unit 12b, an HPF13b, an LPF14b, an amplifier circuit 15b, and a signal processing device 16 that detects a heartbeat signal by differentially processing the heartbeat / breathing signal and the breathing signal.
  • the half-wave rectifier unit 12 half-wave rectifies the output of the resonance circuit 1.
  • HPF13 and LPF14 are a high-pass filter and a low-pass filter, respectively.
  • the amplifier circuit 15a is an amplifier circuit that amplifies a signal.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a hardware configuration of the signal processing device 16.
  • a CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • an interface 44 an input device 45, an output device 46, a storage device 47, and the like are connected by a bus line. It is composed of.
  • the CPU 41 operates according to the heartbeat signal detection program stored in the storage device 47, controls the resonance circuits 1 to the amplifier circuit 15, calculates the pulse signal from the detected heartbeat / breathing signal and the breathing signal, and the like.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the difference in the measurement region depending on the size of the electrode area of the capacitor 3. According to the experiment of the inventor of the present application, it was found that the larger the area of the electrode, the deeper the body can be used as the measurement region.
  • FIG. 5A shows a measurement area of the capacitor 3a.
  • the capacitor 3a is set to a size that covers the heart from outside the body, and as shown schematically by diagonal lines, the capacitor 3a extends to the deep part of the body to the heart as a measurement area of the heart and the surrounding lungs. Detect movement.
  • the R wave is a pulse-shaped wave (for example, R wave 55) that rises sharply in the electrocardiogram, and a name is given to a characteristic portion of the electrocardiographic waveform such as the S wave.
  • the measurement of the interval between adjacent R waves, that is, the RR interval is the most important.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining an example of mounting the heartbeat signal detection device 11 on a vehicle.
  • the capacitor 3b is arranged on the seat belt, and the capacitor 3a is arranged (built-in) on the backrest of the seat.
  • the capacitor 3b is placed near the seatbelt in contact with the chest of the subject 10 when the seatbelt is fastened, and the capacitor 3a is placed at the heart when the subject 10 sits on the seat.

Abstract

The purpose is to acquire a biosignal for a subject seated in a vehicle or the like. A heart rate signal detection device 11 is provided with a resonance circuit 1a that detects a cardiorespiratory signal based on heart rate and respiration and a resonance circuit 1b that detects a respiratory signal based on respiration. The resonance circuit 1a is provided with a flat capacitor 3a that is mounted at the position of the heart of a subject 10, and the resonance circuit 1b is provided with a flat capacitor 3b that is mounted at the position of the lungs. A signal processing device 16, by subtracting the respiratory signal from the cardiorespiratory signal, removes the respiratory component included in the cardiorespiratory signal and outputs a heart rate signal that is the difference between the two signals. The heart rate signal detection device 11 can be installed in a vehicle to monitor the physical condition of a driver, and, in this case, if the capacitors 3a, 3b are built into a driver's seat or a seatbelt, the capacitors can be mounted without imposing a burden on the driver.

Description

生体信号検出装置、心拍信号検出サーバ、車両、生体信号検出プログラム、及び、心拍信号検出プログラムBiological signal detection device, heartbeat signal detection server, vehicle, biological signal detection program, and heartbeat signal detection program
 本発明は、生体信号検出装置、心拍信号検出サーバ、車両、生体信号検出プログラム、及び、心拍信号検出プログラムに関し、例えば、容量を用いて生体信号を計測するものに関する。 The present invention relates to a biological signal detection device, a heartbeat signal detection server, a vehicle, a biological signal detection program, and a heartbeat signal detection program, for example, a device that measures a biological signal using a capacitance.
 例えば車両の運転中では、運転者の緊張が高まる場合があるため、運転者の体調が良好であるか否かを監視することが求められてきている。
 運転者の健康状態を把握するには、脈波の確認が重要であり、病気の予兆、特に循環器系の異常を発見する手段として極めて有効である。
 運転は日常的な動作であり、如何に運転者に負担をかけずに脈拍等の生体信号を計測するために、非接触での脈拍計測方法が求められている。
For example, while driving a vehicle, the driver's tension may increase, so it is required to monitor whether or not the driver is in good physical condition.
Confirmation of pulse waves is important for grasping the health condition of the driver, and it is extremely effective as a means for detecting signs of illness, especially abnormalities in the circulatory system.
Driving is a daily operation, and a non-contact pulse measurement method is required in order to measure biological signals such as a pulse without imposing a burden on the driver.
 このような脈波測定技術として、特許文献1の「測定システム及び測定方法」がある。
 この技術は、コンデンサやコイルなどを用いて共振回路を構成し、当該コンデンサと並列に接続したセンシング素子を人体の心臓付近に近づけるものである。
 センシング素子と心臓領域の人体部分が静電容量的に結合するため、心臓の脈拍を共振周波数の変化として検出することができる。
 センシング素子は、人体に非接触で衣服の上から装着することができるため、車両への搭載に適している。
As such a pulse wave measurement technique, there is "Measurement system and measurement method" of Patent Document 1.
In this technology, a resonance circuit is constructed by using a capacitor, a coil, or the like, and a sensing element connected in parallel with the capacitor is brought closer to the vicinity of the heart of the human body.
Since the sensing element and the human body portion of the heart region are capacitively coupled, the pulse of the heart can be detected as a change in the resonance frequency.
Since the sensing element can be worn on clothes without contacting the human body, it is suitable for mounting on a vehicle.
特開2018-186890号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-186890
 しかし、従来技術では、心拍に加えて体動や呼吸の影響も検出してしまい、これらから心拍成分等の生体信号を取り出すことが困難であるという問題があった。 However, with the conventional technology, there is a problem that it is difficult to extract biological signals such as heartbeat components from these because the effects of body movement and respiration are detected in addition to the heartbeat.
 本発明は、車両内等で着座した対象者の生体信号を取得することを目的とする。 An object of the present invention is to acquire a biological signal of a subject seated in a vehicle or the like.
(1)請求項1に記載の発明では、生体信号検出の対象者が着座する着座部材と、前記着座部材において、前記対象者の心臓部位に設置された、前記対象者の心臓領域に至る臓器と静電容量結合する第1のコンデンサと、前記着座部材において、前記対象者の肺臓部位に設置された、前記対象者の肺臓領域に至る臓器と静電容量結合する第2のコンデンサと、前記静電容量結合した第1のコンデンサの容量の時間的な変化に基づく第1の生体信号と、前記静電容量結合した第2のコンデンサの容量の時間的な変化に基づく第2の生体信号と、を取得する生体信号取得手段と、前記取得した第1の生体信号と第2の生体信号とを出力する生体信号出力手段と、を具備したことを特徴とする生体信号検出装置を提供する。
(2)請求項2に記載の発明では、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサのうち、少なくとも一方は、前記着座部材の背もたれ部分に設置されており、他方は、シートベルト部分に設置されていることを特徴とする請求項1に記載の生体信号検出装置を提供する。
(3)請求項3に記載の発明では、前記出力した第1の生体信号と第2の生体信号を取得し、当該取得した第1の生体信号と、当該第1の生体信号と同期する第2の生体信号の差分を用いて心拍信号を取得する心拍信号取得手段と、前記取得した心拍信号を出力する心拍信号出力手段と、を具備したことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の生体信号検出装置を提供する。
(4)請求項4に記載の発明では、前記出力した第1の生体信号と第2の生体信号を所定のサーバ装置に送信する送信手段と、を具備したことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の生体信号検出装置を提供する。
(5)請求項5に記載の発明では、請求項4に記載の生体信号検出装置から前記第1の生体信号と第2の生体信号を受信する生体信号受信手段と、前記受信した第1の生体信号と、当該第1の生体信号と同期する第2の生体信号の差分を用いて心拍信号を取得する心拍信号取得手段と、前記取得した心拍信号を出力する心拍信号出力手段と、を具備したことを特徴とする心拍信号検出サーバを提供する。
(6)請求項6に記載の発明では、請求項1から請求項4までのうちの何れか1の請求項に記載の生体信号検出装置を具備し、前記着座部材を運転席に備えたことを特徴とする車両を提供する。
(7)請求項7に記載の発明では、生体信号検出の対象者の心臓部位に設置された、前記対象者の心臓領域に至る臓器と静電容量結合する第1のコンデンサの容量の時間的な変化に基づく第1の生体信号と、前記対象者の肺臓部位に設置された、前記対象者の肺臓領域に至る臓器と静電容量結合する第2のコンデンサの容量の時間的な変化に基づく第2の生体信号と、を取得する生体信号取得機能と、前記取得した第1の生体信号と第2の生体信号とを出力する生体信号出力機能と、コンピュータで実現する生体信号検出プログラムを提供する。
(8)請求項8に記載の発明では、請求項4に記載の生体信号検出装置から前記第1の生体信号と第2の生体信号を受信する生体信号受信機能と、前記受信した第1の生体信号と、当該第1の生体信号と同期する第2の生体信号の差分を用いて心拍信号を取得する心拍信号取得機能と、前記取得した心拍信号を出力する心拍信号出力機能と、をコンピュータで実現する心拍信号検出プログラムを提供する。
(1) In the invention according to claim 1, a seating member on which a subject for biological signal detection is seated and an organ in the seating member that is installed at the heart region of the subject and reaches the heart region of the subject. A first capacitor that is capacitively coupled to the subject, a second capacitor that is installed at the lung site of the subject in the seating member, and is capacitively coupled to an organ that reaches the lung region of the subject, and the above. A first biological signal based on a temporal change in the capacitance of the first capacitor coupled with capacitance, and a second biological signal based on a temporal change in the capacitance of the second capacitor coupled with capacitance. The present invention provides a biological signal detecting device including a biological signal acquiring means for acquiring the above, and a biological signal output means for outputting the acquired first biological signal and a second biological signal.
(2) In the invention according to claim 2, at least one of the first capacitor and the second capacitor is installed on the backrest portion of the seating member, and the other is installed on the seat belt portion. The biological signal detection device according to claim 1, wherein the biological signal detection device is provided.
(3) In the invention according to claim 3, the output first biological signal and the second biological signal are acquired, and the acquired first biological signal is synchronized with the first biological signal. Claim 1 or claim 2 is characterized by comprising a heartbeat signal acquisition means for acquiring a heartbeat signal using the difference between the biological signals of 2 and a heartbeat signal output means for outputting the acquired heartbeat signal. The biological signal detection device according to the above is provided.
(4) The invention according to claim 4, wherein the first biological signal and the second biological signal that have been output are transmitted to a predetermined server device. Alternatively, the biological signal detection device according to claim 2 is provided.
(5) In the invention according to claim 5, the biological signal receiving means for receiving the first biological signal and the second biological signal from the biological signal detecting device according to claim 4, and the first received biological signal. It is provided with a heartbeat signal acquisition means for acquiring a heartbeat signal using a difference between a biological signal and a second biological signal synchronized with the first biological signal, and a heartbeat signal output means for outputting the acquired heartbeat signal. Provided is a heartbeat signal detection server characterized by the above.
(6) In the invention according to claim 6, the biological signal detection device according to any one of claims 1 to 4 is provided, and the seating member is provided in the driver's seat. Provide a vehicle characterized by.
(7) In the invention according to claim 7, the temporal time of the capacity of the first capacitor that electrostatically couples with the organ reaching the heart region of the subject, which is installed in the heart region of the subject for biological signal detection. Based on the temporal change in the capacity of the first biological signal based on the change and the capacity of the second capacitor that is electrostatically coupled to the organ reaching the lung region of the subject, which is installed in the lung region of the subject. Provided are a biological signal acquisition function for acquiring a second biological signal, a biological signal output function for outputting the acquired first biological signal and a second biological signal, and a biological signal detection program realized by a computer. To do.
(8) In the invention according to claim 8, the biological signal receiving function for receiving the first biological signal and the second biological signal from the biological signal detecting device according to claim 4, and the received first biological signal. A computer performs a heartbeat signal acquisition function that acquires a heartbeat signal using a difference between a biological signal and a second biological signal that synchronizes with the first biological signal, and a heartbeat signal output function that outputs the acquired heartbeat signal. To provide a heartbeat signal detection program realized in.
 本発明によれば、第1のコンデンサと第2のコンデンサにより、着座した対象者の心臓領域に至る臓器の生体信号と、肺臓領域に至る臓器の生体信号を取得することができる。 According to the present invention, the biological signals of the organs reaching the heart region of the seated subject and the biological signals of the organs reaching the lung region can be acquired by the first capacitor and the second capacitor.
共振回路の動作原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation principle of a resonance circuit. 心拍信号検出装置の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the heartbeat signal detection apparatus. 信号処理装置のハードウェア的な構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the hardware configuration of a signal processing apparatus. コンデンサの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of a capacitor. コンデンサの電極面積の大きさによる測定領域の違いを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the difference of the measurement area by the size of the electrode area of a capacitor. コンデンサの装着例を示した図である。It is a figure which showed the mounting example of a capacitor. 実験結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the experimental result. 心拍検出処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the heartbeat detection process. コンデンサの変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification of a capacitor. 心拍信号検出装置の車両搭載例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the vehicle-mounted example of the heart rate signal detection device.
(1)実施形態の概要
 心拍信号検出装置11(図2)は、心拍と呼吸による心拍呼吸信号を検出する共振回路1aと、呼吸による呼吸信号を検出する共振回路1bを備えている。
 共振回路1aは、対象者10の心臓の位置に装着する平板型のコンデンサ3a(図6)を備え、共振回路1bは、肺臓の位置に装着する平板型のコンデンサ3bを備えている。
(1) Outline of Embodiment The heartbeat signal detection device 11 (FIG. 2) includes a resonance circuit 1a for detecting a heartbeat and respiration signal due to heartbeat and respiration, and a resonance circuit 1b for detecting a respiration signal due to respiration.
The resonance circuit 1a includes a flat plate type capacitor 3a (FIG. 6) to be mounted at the position of the heart of the subject 10, and the resonance circuit 1b includes a flat plate type capacitor 3b to be mounted at the position of the lungs.
 コンデンサ3aは、コンデンサ3bよりも電極が大きく形成されており、コンデンサ3bよりも、より体内奥部を測定領域(図5(a)(b)の斜線部)としている。
 これにより、コンデンサ3aは、心臓の心拍による拍動、及びその周囲の肺臓の呼吸による動きを静電容量の変化として検知し、コンデンサ3bは、肺臓の呼吸による動きを静電容量の変化として検知する。
The capacitor 3a has an electrode formed larger than that of the capacitor 3b, and the inner part of the body is defined as a measurement region (hatched portion in FIGS. 5A and 5B) than the capacitor 3b.
As a result, the capacitor 3a detects the beat due to the heartbeat and the movement due to the respiration of the lungs around it as a change in capacitance, and the capacitor 3b detects the movement due to the respiration of the lung as a change in capacitance. To do.
 これら静電容量の変化は、共振周波数の変化として現れ、共振回路1a(図1(a))は、心拍と呼吸を合わせた心拍呼吸信号を、共振周波数の変化に起因するコイル5aの電圧により検出し、共振回路1b(図示せず)は、呼吸による呼吸信号をコイル5bの電圧により検出する。
 信号処理装置16(図2)は、心拍呼吸信号から呼吸信号を減算することにより、心拍呼吸信号に含まれる呼吸成分を取り除き、これによって両者の差分であるところの心拍信号を出力する。
These changes in capacitance appear as changes in the resonance frequency, and the resonance circuit 1a (FIG. 1 (a)) transmits a heartbeat / breathing signal that combines heartbeat and breathing due to the voltage of the coil 5a caused by the change in resonance frequency. Upon detection, the resonant circuit 1b (not shown) detects the breathing signal due to breathing by the voltage of the coil 5b.
The signal processing device 16 (FIG. 2) removes the respiratory component contained in the heartbeat / breathing signal by subtracting the breathing signal from the heartbeat / breathing signal, thereby outputting the heartbeat signal which is the difference between the two.
 心拍信号検出装置11は、車両に搭載して運転者の体調をモニタリングすることができ、この場合、コンデンサ3a、3bを運転席やシートベルトに内蔵させると、運転者に負担をかけずにこれらを装着させることができる。 The heartbeat signal detection device 11 can be mounted on the vehicle to monitor the physical condition of the driver. In this case, if the capacitors 3a and 3b are built in the driver's seat or seat belt, these can be carried out without burdening the driver. Can be attached.
(2)実施形態の詳細
 図1は、本実施の形態に係る共振回路1aの動作原理を説明するための図である。
 心拍信号検出装置11(図2)は、対象者10の心臓の心拍による動きと肺臓の呼吸による動きが重なった信号(以下、心拍呼吸信号と呼ぶ)を検出する共振回路1aと、対象者10の肺臓の呼吸による動きから得られる信号(以下、呼吸信号)を検出する共振回路1bを備えており、図1は、これらのうちの共振回路1aの構成を示している。
(2) Details of the Embodiment FIG. 1 is a diagram for explaining the operating principle of the resonant circuit 1a according to the present embodiment.
The heartbeat signal detection device 11 (FIG. 2) includes a resonance circuit 1a for detecting a signal (hereinafter referred to as a heartbeat / respiration signal) in which the movement of the subject 10 due to the heartbeat and the movement of the lungs due to the respiration overlap. A resonance circuit 1b for detecting a signal (hereinafter referred to as a respiratory signal) obtained from the movement of the lungs due to respiration is provided, and FIG. 1 shows the configuration of the resonance circuit 1a among these.
 以下、心拍呼吸信号用の構成要素にはコンデンサ3aなどとaを付し、呼吸信号用の構成要素にはコンデンサ3bなどとbを付して表すことにし、両者を特に区別しない場合は、単にコンデンサ3など添え字を付さずに表すことにする。 Hereinafter, the components for the heartbeat / respiration signal will be represented by the capacitors 3a and the like, and the components for the respiration signal will be represented by the capacitors 3b and the like and b. It will be expressed without subscripts such as capacitor 3.
 共振回路1aは、発信器6a、抵抗2a、コンデンサ3a、コイル5aを直列に接続したRLC直列回路を用いて構成されている。
 コンデンサ3aは、平板型コンデンサであって、誘電体板33aの両面に電極31a、32aを配置して形成されている。電極34aについては後ほど図4を用いて説明する。
 電極31aは、対象者10の体表面と対面する側に形成されており、電極32aは、これと対向する側に形成されている。
The resonance circuit 1a is configured by using an RLC series circuit in which a transmitter 6a, a resistor 2a, a capacitor 3a, and a coil 5a are connected in series.
The capacitor 3a is a flat plate type capacitor, and is formed by arranging electrodes 31a and 32a on both sides of the dielectric plate 33a. The electrode 34a will be described later with reference to FIG.
The electrode 31a is formed on the side facing the body surface of the subject 10, and the electrode 32a is formed on the side facing the body surface.
 発信器6aは、共振回路1aに電力を供給する交流電源であり、一方の電源端子は、抵抗2aの一方の端子に接続し、他方の電源端子は接地すると共に、コイル5aの一方の端子に接続している。
 抵抗2aの他方の端子は、コンデンサ3aの電極31aに接続しており、コイル5aの他方の端子は電極32aと接続している。
The transmitter 6a is an AC power supply that supplies power to the resonance circuit 1a, one power supply terminal is connected to one terminal of the resistor 2a, the other power supply terminal is grounded, and one terminal of the coil 5a is connected. You are connected.
The other terminal of the resistor 2a is connected to the electrode 31a of the capacitor 3a, and the other terminal of the coil 5a is connected to the electrode 32a.
 ここで、コンデンサ3aの静電容量をR、コイル5aのインダクタンスをLとすると、共振回路1aの共振周波数frは、式(1)に示したように、1をLCの平方根と2πで除した値で表され、本実施の形態では、共振周波数frが100[KHz]程度になるように設定されている。
 心拍や呼吸による信号は微弱であるが、共振現象を利用することにより、これらを拡大して検出することができる。
Here, assuming that the capacitance of the capacitor 3a is R and the inductance of the coil 5a is L, the resonance frequency fr of the resonance circuit 1a is 1 divided by the square root of LC and 2π as shown in the equation (1). It is represented by a value, and in the present embodiment, the resonance frequency fr is set to be about 100 [KHz].
Although the signals from the heartbeat and respiration are weak, they can be magnified and detected by using the resonance phenomenon.
 このように構成した共振回路1aのコンデンサ3aを対象者10の胸部に装着し、発信器6aを始動すると、コンデンサ3aが交流電流により駆動させる。
 すると、コンデンサ3aは、体内の臓器(心臓、肺臓、動脈を流れる血流など)と静電容量的に結合(カップリング)し、(結合している誘電体の形状が変化するため)静電容量がこれら臓器の動きに合わせて変化する。
 これによって共振回路1aの共振周波数が変動するため、これら臓器の動きを共振周波数の変化によって検出することができる。
When the capacitor 3a of the resonance circuit 1a configured in this way is attached to the chest of the subject 10 and the transmitter 6a is started, the capacitor 3a is driven by an alternating current.
Then, the capacitor 3a is capacitively coupled (coupling) with the internal organs (blood flow through the heart, lungs, arteries, etc.) and electrostatically (because the shape of the coupled dielectric changes). The capacity changes according to the movement of these organs.
As a result, the resonance frequency of the resonance circuit 1a fluctuates, so that the movement of these organs can be detected by the change in the resonance frequency.
 特許文献1の従来技術では、コンデンサと並列接続した電極板を胸部に配置するのに対し、心拍信号検出装置11では、上記のように平板型コンデンサを胸部に配置する。
 平板型コンデンサを体外に設置して体内の動きを検出できる現象は、本願発明者らが今回新たに発見した現象であり、カップリングが生じる詳しい原理や人体を含めた等価回路は現在鋭意解明しているところである。
In the prior art of Patent Document 1, the electrode plate connected in parallel with the capacitor is arranged on the chest, whereas in the heartbeat signal detection device 11, the flat plate type capacitor is arranged on the chest as described above.
The phenomenon that the flat plate type capacitor can be installed outside the body to detect the movement inside the body is a phenomenon newly discovered by the inventors of the present application, and the detailed principle of coupling and the equivalent circuit including the human body are currently being enthusiastically elucidated. I'm in the middle of it.
 なお、交流は服や間隙を介しても導通するため、対象者10が服を着衣した状態でコンデンサ3aを装着することができる。
 この場合、実験に用いたコンデンサ3aでは、電極31aがむき出し状態となっているため、衣類が電極31aと人体を隔てる誘電体として機能している。
Since the alternating current is conducted through clothes and gaps, the capacitor 3a can be attached while the subject 10 is wearing clothes.
In this case, in the capacitor 3a used in the experiment, since the electrode 31a is exposed, the clothing functions as a dielectric material that separates the electrode 31a from the human body.
 一般に使用されている心拍・呼吸検出システムは、電極などを肌に直接貼り付けなければならず、対象者10に与える負担が大きいが、コンデンサ3aは、着衣したままその上からあてがえばよく、対象者10に与える精神的・肉体的な負担を大幅に軽減することができる。 In a commonly used heartbeat / respiration detection system, electrodes and the like must be attached directly to the skin, which imposes a heavy burden on the subject 10, but the capacitor 3a may be applied from above while wearing clothes. The mental and physical burden on the subject 10 can be significantly reduced.
 コンデンサ3aの静電容量の変化は、特許文献1の従来技術のように共振周波数の変化から検出することもできるが、心拍信号検出装置11は、コイル5aに生じる電圧Vfの時間変化によりこれを検出する。コイル5aの一方の端子が接地されているため、Vfは、他方の端子の電位でもある。 The change in the capacitance of the capacitor 3a can be detected from the change in the resonance frequency as in the prior art of Patent Document 1, but the heartbeat signal detection device 11 detects this by the time change of the voltage Vf generated in the coil 5a. To detect. Since one terminal of the coil 5a is grounded, Vf is also the potential of the other terminal.
 図1(b)は、共振回路1aの周波数特性を表している。縦軸は電圧の振幅を[V]で表しており、横軸は周波数を[Hz]で表している。ここで、共振回路1aの周波数特性を表す曲線を共振曲線と呼ぶことにする。 FIG. 1B shows the frequency characteristics of the resonant circuit 1a. The vertical axis represents the voltage amplitude in [V], and the horizontal axis represents the frequency in [Hz]. Here, the curve representing the frequency characteristic of the resonance circuit 1a will be referred to as a resonance curve.
 共振曲線は、共振周波数を中心とする釣り鐘型をしており、コンデンサ3aの静電容量が変化しなければ一定である。
 共振回路1aの場合は、心臓・肺臓の心肺活動に伴い静電容量が変化するため、これに対応して、ある時点では、例えば曲線21のようになり、他の時点では、例えば曲線22のように刻々と変化する。
The resonance curve has a bell shape centered on the resonance frequency, and is constant unless the capacitance of the capacitor 3a changes.
In the case of the resonant circuit 1a, the capacitance changes with the cardiopulmonary activity of the heart and lungs. Therefore, at a certain time point, for example, the curve 21 is formed, and at another time point, for example, the curve 22 is formed. It changes from moment to moment.
 このように、共振曲線は、心肺活動により変化する、その時々の共振周波数を中心とした釣り鐘型の形状を成しており、共振周波数の変化(即ち、心肺活動に伴う静電容量の変化)に従って、共振点・幅・高さが動的に変化する。 In this way, the resonance curve has a bell-shaped shape centered on the resonance frequency at each time, which changes depending on the cardiopulmonary activity, and the change in the resonance frequency (that is, the change in capacitance accompanying the cardiopulmonary activity). The resonance point, width, and height change dynamically accordingly.
 このように時々刻々と変化する共振曲線に対し、心拍信号検出装置11は、共振回路1aの共振周波数近傍で発信器6aの駆動周波数と出力電圧の振幅を固定する。
 このように電圧と振幅を固定したいわば定点観測を行うと、心肺活動が共振振幅の電位差23として観測される。
With respect to the resonance curve that changes from moment to moment, the heartbeat signal detection device 11 fixes the drive frequency and the amplitude of the output voltage of the transmitter 6a in the vicinity of the resonance frequency of the resonance circuit 1a.
When so-called fixed point observation with fixed voltage and amplitude is performed in this way, cardiopulmonary activity is observed as a potential difference of resonance amplitude 23.
 例えば、発信器6aの駆動周波数を破線25の位置に固定した場合、曲線21で振幅は電圧27となり、曲線22では電圧28となる。この電位差23は、コンデンサ3aの静電容量の変化、即ち心臓と肺臓の動きに対応したものである。
 このように共振回路1aでは、電圧の振幅が心臓・肺臓の運動に従って変化するため、コイル5aに生じる電圧Vfを観測することにより、心肺活動を電気信号として検出することができる。
For example, when the drive frequency of the transmitter 6a is fixed at the position of the broken line 25, the amplitude becomes the voltage 27 on the curve 21 and the voltage 28 on the curve 22. The potential difference 23 corresponds to a change in the capacitance of the capacitor 3a, that is, a movement of the heart and lungs.
As described above, in the resonance circuit 1a, since the voltage amplitude changes according to the movement of the heart and lungs, the cardiopulmonary activity can be detected as an electric signal by observing the voltage Vf generated in the coil 5a.
 なお、共振回路1aは、100[KHz]程度で共振するように設計してあるが、駆動周波数をこの近傍で変化させ、心拍呼吸信号が最もよく現れる周波数を手動、又は自動でスキャンして選ぶように構成することもできる。共振回路1bについても同様である。 The resonance circuit 1a is designed to resonate at about 100 [KHz], but the drive frequency is changed in this vicinity, and the frequency at which the heartbeat / respiration signal appears most often is manually or automatically scanned and selected. It can also be configured as follows. The same applies to the resonant circuit 1b.
 このように、心拍信号検出装置11は、共振周波数の変化ではなく、コイル5aの電圧を測定するため、周波数の調節を精密に行う必要は無く、駆動周波数が共振周波数の付近であればよい。
 これによって、電気回路の構成が簡単になるうえ、個人ごとに駆動周波数を調節する必要も無く、体格に個人差のある複数の対象者10の測定に対してロバスト(頑強)となる。
As described above, since the heartbeat signal detection device 11 measures the voltage of the coil 5a instead of the change in the resonance frequency, it is not necessary to precisely adjust the frequency, and the drive frequency may be in the vicinity of the resonance frequency.
This simplifies the configuration of the electric circuit, does not require adjusting the drive frequency for each individual, and is robust (robust) for the measurement of a plurality of subjects 10 having individual differences in physique.
 更に、周波数を検出する場合は、FFT(高速フーリエ変換)などの複雑なデジタル信号処理を要し、装置が大がかりで高価になるうえ、処理時間による遅延も生じる。
 これに対し、心拍信号検出装置11は、コイル5aの電圧の変化を計測するので、電圧値を厳密に検出するためのキャリブレーションなども必要なく、後述の簡素なアナログ回路を用いて遅延無く検出処理を行うことができる。
Further, when detecting the frequency, complicated digital signal processing such as FFT (Fast Fourier Transform) is required, the apparatus becomes large and expensive, and a delay due to the processing time also occurs.
On the other hand, since the heartbeat signal detection device 11 measures the change in the voltage of the coil 5a, it does not require calibration for strictly detecting the voltage value, and detects it without delay using a simple analog circuit described later. Processing can be performed.
 加えて、デジタル信号処理では、パルス状の信号は積分処理などによって均されて検出されない場合があるが、心拍信号検出装置11では、アナログ回路と後述の簡単なデジタル処理により、これらも検出することができる。
 このように、心拍信号検出装置11は、対象者10の体格の個人差に対してロバストであるうえ、回路構成が簡単で製造コストが安いため、大量生産して車両に搭載するのに適している。
 以上、共振回路1aについて説明したが、共振回路1bの構成も同様である。
In addition, in digital signal processing, pulsed signals may not be leveled and detected by integration processing or the like, but the heart rate signal detection device 11 also detects these by an analog circuit and simple digital processing described later. Can be done.
As described above, the heartbeat signal detection device 11 is robust against individual differences in the physique of the subject 10, has a simple circuit configuration, and has a low manufacturing cost, and is therefore suitable for mass production and mounting on a vehicle. There is.
Although the resonance circuit 1a has been described above, the configuration of the resonance circuit 1b is also the same.
 図2は、心拍信号検出装置11の構成を説明するための図である。
 心拍信号検出装置11は、脈波による心拍信号を検出する装置であり、心拍呼吸信号を検出する共振回路1a、半波整流部12a、HPF13a、LPF14a、増幅回路15a、及び、呼吸信号を検出する共振回路1b、半波整流部12b、HPF13b、LPF14b、増幅回路15b、更に、心拍呼吸信号と呼吸信号を差分処理することにより心拍信号を検出する信号処理装置16から構成されている。
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the heartbeat signal detection device 11.
The heartbeat signal detection device 11 is a device that detects a heartbeat signal due to a pulse wave, and detects a resonance circuit 1a for detecting a heartbeat / breathing signal, a half-wave rectifying unit 12a, an HPF13a, an LPF14a, an amplifier circuit 15a, and a breathing signal. It is composed of a resonance circuit 1b, a half-wave rectifying unit 12b, an HPF13b, an LPF14b, an amplifier circuit 15b, and a signal processing device 16 that detects a heartbeat signal by differentially processing the heartbeat / breathing signal and the breathing signal.
 心拍信号をデジタル処理にてフィルタリングすると、積分計算を行う関係から、不整脈などの、瞬間的に発生するパルス状の信号が均されて消えてしまうため、これを防止するために、共振回路1~増幅回路15を、アナログ回路にて構成した。 When the heartbeat signal is filtered by digital processing, the pulsed signal generated momentarily such as arrhythmia is leveled and disappears due to the integration calculation. To prevent this, resonance circuits 1 to The amplifier circuit 15 was composed of an analog circuit.
 半波整流部12は、共振回路1の出力を半波整流する。HPF13、LPF14は、それぞれ、ハイパスフィルタとローパスフィルタである。増幅回路15aは、信号を増幅する増幅回路である。 The half-wave rectifier unit 12 half-wave rectifies the output of the resonance circuit 1. HPF13 and LPF14 are a high-pass filter and a low-pass filter, respectively. The amplifier circuit 15a is an amplifier circuit that amplifies a signal.
 なお、このような測定では通常HPF13とLPF14を使用するが、心拍信号検出装置11の場合、これらが無くても測定できることが判明した。従って、本実施形態では、図2に点線で囲った通常HPF13とLPF14を省略している。これにより回路の簡素化・低コスト化を図ることができる。
 また、発信器6aと発信器6bの駆動周波数が同じ場合は、共振回路1aと共振回路1bで一台の発信器6を共用してもよい。
In such a measurement, HPF13 and LPF14 are usually used, but in the case of the heartbeat signal detection device 11, it has been found that the measurement can be performed without them. Therefore, in the present embodiment, the normal HPF13 and LPF14 surrounded by the dotted line in FIG. 2 are omitted. As a result, the circuit can be simplified and the cost can be reduced.
Further, when the drive frequencies of the transmitter 6a and the transmitter 6b are the same, one transmitter 6 may be shared by the resonance circuit 1a and the resonance circuit 1b.
 信号処理装置16は、共振回路1aが検出した心拍呼吸信号と共振回路1bが検出した呼吸信号との差分を計算することにより心拍信号をデジタル処理にて計算する。
 なお、呼吸信号は、心拍呼吸信号に比べて微弱であるため、信号処理装置16は、心拍呼吸信号から呼吸成分が消去されるように、呼吸信号を増幅してから減算処理を行う。
 この増幅は、実数nを乗じてn倍することによって行ったが(nは実験によって求めた)、ビットシフト演算にて行うとより高速に行うことができる。
The signal processing device 16 calculates the heartbeat signal by digital processing by calculating the difference between the heartbeat / breathing signal detected by the resonance circuit 1a and the breathing signal detected by the resonance circuit 1b.
Since the respiration signal is weaker than the heartbeat respiration signal, the signal processing device 16 amplifies the respiration signal and then performs a subtraction process so that the respiration component is erased from the heartbeat respiration signal.
This amplification was performed by multiplying the real number n by n (n was obtained by an experiment), but it can be performed at a higher speed by performing a bit shift operation.
 また、本実施の形態では、呼吸信号の信号レベルを調節したが、心拍呼吸信号、あるいは、心拍呼吸信号と呼吸信号の両方の信号レベルを調節してもよい。
 更に、呼吸信号の増幅を信号処理装置16でデジタル処理にて行うのではなく、増幅回路15bでアナログ的に増幅してもよい。これを行うとデジタル処理が減り、より高速に処理することができる。また、差分回路をアナログ回路にて構成することも可能である。
Further, in the present embodiment, the signal level of the respiration signal is adjusted, but the heartbeat respiration signal or both the heartbeat respiration signal and the respiration signal may be adjusted.
Further, the respiratory signal may be amplified in an analog manner by the amplifier circuit 15b instead of being digitally processed by the signal processing device 16. Doing this reduces digital processing and allows for faster processing. It is also possible to configure the difference circuit with an analog circuit.
 先に述べたように、デジタル処理では、積分によって信号が均されてしまう場合があるが、信号処理装置16の場合は、単に呼吸信号を増幅して心拍呼吸信号から減算するだけなので、積分を含む複雑なデジタル処理が必要なく、遅延無くリアルタイムでパルス状の信号を含む全ての心拍信号を出力することができる。 As mentioned earlier, in digital processing, the signal may be leveled by integration, but in the case of the signal processing device 16, the respiration signal is simply amplified and subtracted from the heartbeat respiration signal, so the integration is performed. All heartbeat signals including pulsed signals can be output in real time without delay without complicated digital processing including.
 図3は、信号処理装置16のハードウェア的な構成を説明するための図である。
 信号処理装置16は、CPU(Central Processing Unit)41、ROM(Read Only Memory)42、RAM(Random Access Memory)43、インターフェース44、入力装置45、出力装置46、記憶装置47などがバスラインで接続して構成されている。
FIG. 3 is a diagram for explaining a hardware configuration of the signal processing device 16.
In the signal processing device 16, a CPU (Central Processing Unit) 41, a ROM (Read Only Memory) 42, a RAM (Random Access Memory) 43, an interface 44, an input device 45, an output device 46, a storage device 47, and the like are connected by a bus line. It is composed of.
 CPU41は、例えば、記憶装置47が記憶する心拍信号検出プログラムに従って動作し、共振回路1~増幅回路15を制御したり、検出された心拍呼吸信号と呼吸信号から脈拍信号を演算したりなどする。 The CPU 41 operates according to the heartbeat signal detection program stored in the storage device 47, controls the resonance circuits 1 to the amplifier circuit 15, calculates the pulse signal from the detected heartbeat / breathing signal and the breathing signal, and the like.
 ROM42は、読み取り専用メモリであって、信号処理装置16が動作する際の基本的なプログラムやパラメータなどを記憶している。
 RAM43は、読み書きが可能なメモリであって、CPU41が、心拍呼吸信号や呼吸信号を処理して心拍信号を計算する際のワーキングメモリを提供する。
The ROM 42 is a read-only memory, and stores basic programs, parameters, and the like when the signal processing device 16 operates.
The RAM 43 is a readable and writable memory, and provides a working memory when the CPU 41 processes a heartbeat / respiration signal and a respiration signal to calculate a heartbeat signal.
 インターフェース44は、信号処理装置16と増幅回路15a、15bを接続するインターフェースである。
 入力装置45は、例えば、タッチパネルやキーボード、あるいはマウスといった入力装置を備えており、信号処理装置16を操作する際に使用される。
 出力装置46は、ディスプレイやスピーカなどを備えており、心拍信号を表示したり、操作音を出力したりする。
The interface 44 is an interface for connecting the signal processing device 16 and the amplifier circuits 15a and 15b.
The input device 45 includes, for example, an input device such as a touch panel, a keyboard, or a mouse, and is used when operating the signal processing device 16.
The output device 46 includes a display, a speaker, and the like, and displays a heartbeat signal and outputs an operation sound.
 記憶装置47は、半導体装置やハードディスクなどの大容量の記憶媒体を用いて構成されており、OS(Operating System)のほか、心拍信号検出プログラムや検出した脈拍データなどを記憶している。 The storage device 47 is configured by using a large-capacity storage medium such as a semiconductor device or a hard disk, and stores an OS (Operating System), a heartbeat signal detection program, detected pulse data, and the like.
 図4は、コンデンサ3の構成を説明するための図である。
 図4(a)~(c)は、コンデンサ3aを示した図であり、(a)は人体側の反対側の面(人体と対向しない側の面)を、(c)は人体側の面(人体と対向する側の面)を表しており、(b)は、断面を表している。
 図4(b)に示したように、コンデンサ3aは、一辺が10[cm]程度で厚さが1[mm]程度の正方形状のガラスエポキシ樹脂やベークライトなどでできた誘電体板33aを基板とし、人体側の反対側の面に銅薄膜による電極32aが形成され、人体の側の面に銅薄膜による電極31aと電極34aが形成されている。
FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the capacitor 3.
4 (a) to 4 (c) are views showing a capacitor 3a, (a) is a surface on the opposite side of the human body side (a surface on the side not facing the human body), and (c) is a surface on the human body side. It represents (the surface on the side facing the human body), and (b) represents the cross section.
As shown in FIG. 4B, the capacitor 3a is made of a dielectric plate 33a made of a square glass epoxy resin or bakelite having a side of about 10 [cm] and a thickness of about 1 [mm]. An electrode 32a made of a copper thin film is formed on the surface opposite to the human body side, and an electrode 31a and an electrode 34a made of a copper thin film are formed on the surface on the human body side.
 図4(a)に示したように、電極32aは、一辺が8[cm]程度の正方形状を有しており、誘電体板33aの中心に配置されている。電極32aの周囲の外側は、誘電体板33aが露出している。
 一方、電極31aは、電極32aと同じサイズ、形状を有しており、電極32aと対応する位置に形成されている。更に、電極31aの周囲には、幅1[cm]程度の電極34aが、誘電体板33aが露出した面を隔てて環状に形成されている。
As shown in FIG. 4A, the electrode 32a has a square shape with a side of about 8 [cm] and is arranged at the center of the dielectric plate 33a. A dielectric plate 33a is exposed on the outside of the periphery of the electrode 32a.
On the other hand, the electrode 31a has the same size and shape as the electrode 32a, and is formed at a position corresponding to the electrode 32a. Further, around the electrode 31a, an electrode 34a having a width of about 1 [cm] is formed in an annular shape across an exposed surface of the dielectric plate 33a.
 電極32aと電極31aは、それぞれ、コイル5aと抵抗2aに接続し、電極34aは、接地する。なお、電極32aに抵抗2aを接続し、電極31aにコイル5aを接続してもよい。
 このように、電極31aと電極32aを同じ形状に形成し、電極34aを接地すると良好な結果が得られるのは、本願発明者が試行錯誤して見いだしたものである。
The electrode 32a and the electrode 31a are connected to the coil 5a and the resistor 2a, respectively, and the electrode 34a is grounded. The resistor 2a may be connected to the electrode 32a, and the coil 5a may be connected to the electrode 31a.
As described above, when the electrode 31a and the electrode 32a are formed in the same shape and the electrode 34a is grounded, good results are obtained, which was found by the inventor of the present application by trial and error.
 図4(d)~(f)は、コンデンサ3bを示した図であり、(d)は人体側の反対側の面(人体と対向しない側の面)を、(f)は人体側の面を表しており、(e)は、断面を表している。
 コンデンサ3bは、コンデンサ3aと同じ部材を用いて構成されている。コンデンサ3bの各部材の厚さはコンデンサ3aと同じであるが、各部材の面積は、25%に縮小されており、一辺の長さは5[cm]程度である。
 以上、コンデンサ3の形状について説明したが、外形を円形状や心臓に合わせた楕円形状に構成することも可能である。更に、板面を湾曲させるなど立体的な形状を持たせることも可能である。
 例えば心臓の大きさQを基準にして、コンデンサ3aをQ以上の大きさに形成し、一方、コンデンサ3bをQよりも小さく形成する。
4 (d) to (f) are views showing a capacitor 3b, (d) is a surface on the opposite side of the human body side (a surface on the side not facing the human body), and (f) is a surface on the human body side. (E) represents a cross section.
The capacitor 3b is configured by using the same member as the capacitor 3a. The thickness of each member of the capacitor 3b is the same as that of the capacitor 3a, but the area of each member is reduced to 25%, and the length of one side is about 5 [cm].
Although the shape of the capacitor 3 has been described above, it is also possible to form the outer shape into a circular shape or an elliptical shape that matches the heart. Further, it is possible to give a three-dimensional shape such as bending the plate surface.
For example, based on the size Q of the heart, the capacitor 3a is formed to have a size equal to or larger than Q, while the capacitor 3b is formed to be smaller than Q.
 図5は、コンデンサ3の電極面積の大きさによる測定領域の違いを説明するための図である。
 本願発明者の実験によると、電極の面積が大きいほど体の奥部を測定領域とすることができることがわかった。
 図5(a)は、コンデンサ3aの測定領域を示している。
 コンデンサ3aは、体外から心臓を覆う程度の大きさに設定されており、斜線で模式的に示したように、体の深部の心臓に至る領域まで測定領域として、心臓と、その周囲の肺臓の動きを検知する。
FIG. 5 is a diagram for explaining the difference in the measurement region depending on the size of the electrode area of the capacitor 3.
According to the experiment of the inventor of the present application, it was found that the larger the area of the electrode, the deeper the body can be used as the measurement region.
FIG. 5A shows a measurement area of the capacitor 3a.
The capacitor 3a is set to a size that covers the heart from outside the body, and as shown schematically by diagonal lines, the capacitor 3a extends to the deep part of the body to the heart as a measurement area of the heart and the surrounding lungs. Detect movement.
 図5(b)は、コンデンサ3bの測定領域を示している。
 コンデンサ3bは、電極面積がコンデンサ3aよりも小さいため、斜線で模式的に示したように、体の浅い部分を測定領域とし、肺臓の動きを検知する。
FIG. 5B shows the measurement area of the capacitor 3b.
Since the electrode area of the capacitor 3b is smaller than that of the capacitor 3a, the movement of the lungs is detected by setting the shallow part of the body as the measurement area as schematically shown by the diagonal line.
 図6は、コンデンサ3の装着例を示した図である。
 今回行った実験では、図に示したように、対象者10の前側で衣服の上から、心臓の位置にコンデンサ3aを設置し、心臓からずらした肺臓の位置(例えば図6に示すように、対象者10の右側の肺の位置)にコンデンサ3bを設置した。
FIG. 6 is a diagram showing an example of mounting the capacitor 3.
In the experiment conducted this time, as shown in the figure, a capacitor 3a was placed at the position of the heart on the front side of the subject 10 from above the clothes, and the position of the lungs shifted from the heart (for example, as shown in FIG. 6). A capacitor 3b was installed at the position of the lung on the right side of the subject 10.
 図7は、実験結果を説明するための図である。
 図7(a)は、コンデンサ3aによる心拍呼吸信号51を示している。
 なお、対象者10は、通常の心電図モニターによる心電図の測定も比較のために同時に行っており、これによる心電図50も図示してある。
 横軸は時間軸を秒単位で表しており、心拍呼吸信号と心電図に対して共通である。左側の縦軸は、心拍呼吸信号を、右側の縦軸は心電図の値をそれぞれ[mV]単位で表している。図7(b)(c)も同様である。
FIG. 7 is a diagram for explaining the experimental results.
FIG. 7A shows a heartbeat / breathing signal 51 by the condenser 3a.
In addition, the subject 10 also measured the electrocardiogram with a normal electrocardiogram monitor at the same time for comparison, and the electrocardiogram 50 by this is also shown in the figure.
The horizontal axis represents the time axis in seconds, which is common to heartbeat / breathing signals and electrocardiograms. The vertical axis on the left side represents the heartbeat / respiration signal, and the vertical axis on the right side represents the value of the electrocardiogram in [mV] units. The same applies to FIGS. 7 (b) and 7 (c).
 図7(a)に示したように、心拍呼吸信号51では、心電図50のR波と対応するように見える部分と、R波と対応していない部分が混在している。
 ここで、R波とは、心電図で急峻に立ち上がっているパルス状の波(例えば、R波55)であり、この他S波など心電波形の特徴的な部分に名称が付与されている。
 心電図の解析では、隣接するR波の間隔、即ち、R-R間隔の測定が最も重要である。
As shown in FIG. 7A, in the heartbeat / respiration signal 51, a portion that seems to correspond to the R wave of the electrocardiogram 50 and a portion that does not correspond to the R wave are mixed.
Here, the R wave is a pulse-shaped wave (for example, R wave 55) that rises sharply in the electrocardiogram, and a name is given to a characteristic portion of the electrocardiographic waveform such as the S wave.
In the analysis of the electrocardiogram, the measurement of the interval between adjacent R waves, that is, the RR interval is the most important.
 図7(b)は、コンデンサ3bによる呼吸信号52を示している。
 心拍のような部分も若干見られるが、呼吸成分が優勢であるため、心拍呼吸信号よりも不明瞭となっている。
 図7(c)は、心拍呼吸信号と呼吸信号の差分により生成した心拍信号53を示している。
 図に示したように、心拍信号53では、きれいにR波55、55のピーク56、56、・・・が検出され、R-R間隔が正確に検出されている。
FIG. 7B shows the respiration signal 52 due to the capacitor 3b.
There are some heartbeat-like parts, but they are less clear than the heartbeat-breathing signal due to the predominance of respiratory components.
FIG. 7 (c) shows the heartbeat signal 53 generated by the difference between the heartbeat respiration signal and the respiration signal.
As shown in the figure, in the heartbeat signal 53, the peaks 56, 56, ... Of the R waves 55 and 55 are clearly detected, and the RR interval is accurately detected.
 図8は、信号処理装置16が行う心拍検出処理を説明するためのフローチャートである。
 以下の処理は、CPU41が記憶装置47に記憶した脈拍信号検出プログラムに従って行うものである。なお、対象者10は、コンデンサ3a、3bを装着しているものとする。
FIG. 8 is a flowchart for explaining the heartbeat detection process performed by the signal processing device 16.
The following processing is performed according to the pulse signal detection program stored in the storage device 47 by the CPU 41. It is assumed that the subject 10 is equipped with capacitors 3a and 3b.
 まず、CPU41は、インターフェース44を経由して共振回路1a、1bと通信し、発信器6a、6bを始動させて共振回路1a、1bを駆動する(ステップ5)。
 これにより、共振回路1aは心拍呼吸信号の検出を、共振回路1bは呼吸信号の検出を開始する。
 これらの信号は、それぞれ、半波整流部12a~増幅回路15a、半波整流部12b~増幅回路15bでアナログ処理された後、インターフェース44を介して信号処理装置16に入力される。
First, the CPU 41 communicates with the resonance circuits 1a and 1b via the interface 44, starts the transmitters 6a and 6b, and drives the resonance circuits 1a and 1b (step 5).
As a result, the resonance circuit 1a starts the detection of the heartbeat respiration signal, and the resonance circuit 1b starts the detection of the respiration signal.
These signals are analog-processed by the half-wave rectifier unit 12a to the amplifier circuit 15a and the half-wave rectifier unit 12b to the amplifier circuit 15b, respectively, and then input to the signal processing device 16 via the interface 44.
 CPU41は、インターフェース44を介して入力される心拍呼吸信号と呼吸信号を所定のサンプリングレートにてサンプリングしてデジタルデータに変換し、RAM43に記憶する(ステップ10、ステップ15)。
 なお、この際に、CPU41は、デジタル化した心拍呼吸信号と呼吸信号に検出時刻を付与し、同時刻に検出された心拍呼吸信号と呼吸信号を時系列的に対応付けできるようにする。
The CPU 41 samples the heartbeat / respiration signal and the respiration signal input via the interface 44 at a predetermined sampling rate, converts them into digital data, and stores them in the RAM 43 (steps 10 and 15).
At this time, the CPU 41 assigns a detection time to the digitized heartbeat / respiration signal and the respiration signal so that the heartbeat / respiration signal detected at the same time can be associated with the respiration signal in chronological order.
 次に、CPU41は、RAM43に記憶した呼吸信号を増幅し、増幅後の呼吸信号をRAM43に記憶する(ステップ20)。
 次に、CPU41は、時系列で対応する心拍呼吸信号と、増幅後の呼吸信号をRAM43から読み出し、これらの差分を計算してRAM43に記憶する(ステップ25)。
 なお、心拍信号が正常に検出できる程度であるなら、検出時刻の対応付けが多少前後してもよい。
Next, the CPU 41 amplifies the respiratory signal stored in the RAM 43, and stores the amplified respiratory signal in the RAM 43 (step 20).
Next, the CPU 41 reads the corresponding heartbeat / respiration signal in time series and the respiration signal after amplification from the RAM 43, calculates the difference between them, and stores them in the RAM 43 (step 25).
As long as the heartbeat signal can be detected normally, the association of the detection times may be slightly different.
 次に、CPU41は、RAM43に記憶した差分を心拍信号として出力装置46に出力する(ステップ30)。
 CPU41は、測定を継続する場合は(ステップ35;Y)、ステップ10に戻り、測定を終了する場合は(ステップ35;N)、共振回路1a、1bを停止させた後、処理を終了する。
Next, the CPU 41 outputs the difference stored in the RAM 43 to the output device 46 as a heartbeat signal (step 30).
The CPU 41 returns to step 10 when continuing the measurement (step 35; Y), and ends the process after stopping the resonance circuits 1a and 1b when ending the measurement (step 35; N).
 図9は、コンデンサ3aの変形例を説明するための図である。
 本変形例に係るコンデンサ3aは、電極32aの外側に誘電体(図の場合は空間)を介して電極32aと同程度の大きさの電極35aを有しており、電極35aは、接地されている。他の構成は、実施形態のコンデンサ3aと同じである。コンデンサ3bも同様に図示しない電極35bを備えている。
 このように構成することにより、コンデンサ3に対する外部からの電磁ノイズの影響を低減することができる。
FIG. 9 is a diagram for explaining a modification of the capacitor 3a.
The capacitor 3a according to this modification has an electrode 35a having the same size as the electrode 32a via a dielectric (space in the case of the figure) on the outside of the electrode 32a, and the electrode 35a is grounded. There is. Other configurations are the same as those of the capacitor 3a of the embodiment. Similarly, the capacitor 3b also includes an electrode 35b (not shown).
With this configuration, the influence of external electromagnetic noise on the capacitor 3 can be reduced.
 図10は、心拍信号検出装置11の車両搭載例を説明するための図である。
 図10(a)の例では、シートベルトにコンデンサ3bを配設し、座席の背もたれにコンデンサ3aを配設(内蔵)する。
 コンデンサ3bの配設場所は、シートベルトを装着する際に、シートベルトが対象者10の胸部に当接する付近とし、コンデンサ3aの配設箇所は、対象者10がシートに着座した際に心臓部分が位置する付近の背もたれ部分とする。
FIG. 10 is a diagram for explaining an example of mounting the heartbeat signal detection device 11 on a vehicle.
In the example of FIG. 10A, the capacitor 3b is arranged on the seat belt, and the capacitor 3a is arranged (built-in) on the backrest of the seat.
The capacitor 3b is placed near the seatbelt in contact with the chest of the subject 10 when the seatbelt is fastened, and the capacitor 3a is placed at the heart when the subject 10 sits on the seat. The backrest part near where is located.
 心拍信号検出装置11を駆動すると、対象者10が着衣している衣服、シートベルトの素材、背もたれの部材などを介してコンデンサ3と対象者10の内蔵が静電容量結合し、心拍呼吸信号と呼吸信号を検出することができる。 When the heartbeat signal detection device 11 is driven, the capacitor 3 and the internal organs of the subject 10 are capacitively coupled to each other via the clothes worn by the subject 10, the material of the seatbelt, the member of the backrest, and the like, and the heartbeat / breathing signal Respiratory signals can be detected.
 このようにコンデンサ3a、3bを配備することにより、対象者10は、着座してシートベルトを着用するだけで、なんら意識せずともコンデンサ3a、3bを装着することができ、運転期間にわたって長期的な検出を行うことができる。
 コンデンサ3の電極や誘電体を導電性の樹脂などの柔軟な素材で構成すると、より快適に装着することができる。
By deploying the capacitors 3a and 3b in this way, the subject 10 can wear the capacitors 3a and 3b without any consciousness simply by sitting down and wearing the seatbelt, and can be worn for a long period of time over the operation period. Can be detected.
If the electrodes and dielectric of the capacitor 3 are made of a flexible material such as a conductive resin, it can be mounted more comfortably.
 図10(b)の例は、シートベルトにコンデンサ3aを内蔵し、座席の背もたれにコンデンサ3bを内蔵する例を表している。
 3点式のシートベルトは、ちょうど心臓あたりを覆うので、コンデンサ3aをシートベルトに収まる程度の大きさに小型化すると対象者10の心臓領域を良好にモニタリングすることができる。
 また、コンデンサ3bは、心臓からずれた肺臓の付近に設置すると効果的である。
 更に、図10(a)、(b)の場合において、ハンドルに接地用の電極を取り付け、ユーザがハンドルを握ることによりユーザの身体が接地するように構成すると、人体に外部から作用する電磁ノイズを除去でき、心拍信号の検出精度が向上する。
The example of FIG. 10B shows an example in which the capacitor 3a is built in the seat belt and the capacitor 3b is built in the backrest of the seat.
Since the three-point seat belt just covers the heart area, if the capacitor 3a is miniaturized to a size that fits in the seat belt, the heart region of the subject 10 can be monitored well.
Further, it is effective to install the capacitor 3b in the vicinity of the lungs displaced from the heart.
Further, in the cases of FIGS. 10A and 10B, if a grounding electrode is attached to the handle so that the user's body is grounded by grasping the handle, electromagnetic noise acting on the human body from the outside is generated. Can be removed, and the detection accuracy of the heartbeat signal is improved.
 信号処理装置16に関しては、車両に搭載してもよいし、あるいは、サーバ装置に設置することも可能である。
 信号処理装置16をサーバ装置で実現する場合、心拍信号検出装置11は、心拍信号検出装置11の代わりに、インターネットなどの通信ネットワークと接続する送受信装置を備え、共振回路1a~増幅回路15aによって検出した心拍呼吸信号と、共振回路1b~増幅回路15bによって検出した呼吸信号をサーバ装置に送信する。
The signal processing device 16 may be mounted on a vehicle or may be mounted on a server device.
When the signal processing device 16 is realized by a server device, the heartbeat signal detection device 11 includes a transmission / reception device connected to a communication network such as the Internet instead of the heartbeat signal detection device 11, and is detected by the resonance circuits 1a to the amplifier circuit 15a. The heartbeat / breathing signal and the breathing signal detected by the resonance circuits 1b to the amplifier circuit 15b are transmitted to the server device.
 サーバ装置は、説明した実施形態、変形例の心拍信号検出装置11と同様にして、これから心拍信号を算出する。
 このような構成は、例えば、タクシーや観光バスの事業所にモニタリング装置を設け、運転手の健康状態を監視するのに利用することができる。
 また、サーバ装置では、心拍信号のみならず、呼吸信号によって運転者の呼吸状態をも監視することができる。
 心拍や呼吸は簡易に健康状態を確認できる指標であるが、心拍信号と呼吸信号によって運転者の異常をいち早く検知することができる。
 更には、鉄道の運転手や航空機のパイロットなどの他の業種に展開することも可能である。
The server device calculates the heartbeat signal from the heartbeat signal detection device 11 of the embodiment and the modified example described above.
Such a configuration can be used, for example, to provide a monitoring device at a taxi or tour bus business establishment to monitor the health condition of the driver.
Further, in the server device, not only the heartbeat signal but also the respiratory state of the driver can be monitored by the respiratory signal.
Heartbeat and respiration are indicators that can easily confirm the health condition, but the driver's abnormality can be detected quickly by the heartbeat signal and respiration signal.
Furthermore, it can be expanded to other industries such as railway drivers and aircraft pilots.
 以上に説明した実施の形態により、次のような効果を得ることができる。
(1)平行平板型コンデンサを装着して対象者10の脈拍を測定することができる。
(2)衣服を介して脈拍を測定できるため、対象者10に精神的・肉体的な負担を与えずに、長期的な測定を行うことができる。
(3)コンデンサなどの容量性電極で検出できる信号は微弱であるものの、共振回路を用いて共振させることにより、微少な変化を増幅して検出することができる。
(4)呼吸成分と心拍成分が混在した心拍呼吸信号と、呼吸成分が支配的な呼吸信号の差分を取ることにより、心拍成分を効率よく取得することができる。
(5)車載して運転者の健康状態を監視することができる。
(6)車両構造を考慮してコンデンサをシートベルトやシートに組み込むことにより、センサ配置と形状を適切化することができる。
According to the embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) The pulse of the subject 10 can be measured by attaching a parallel plate type capacitor.
(2) Since the pulse can be measured through clothes, long-term measurement can be performed without imposing a mental or physical burden on the subject 10.
(3) Although the signal that can be detected by a capacitive electrode such as a capacitor is weak, it is possible to amplify and detect a minute change by resonating using a resonance circuit.
(4) The heartbeat component can be efficiently acquired by taking the difference between the heartbeat breathing signal in which the breathing component and the heartbeat component are mixed and the breathing signal in which the respiratory component is dominant.
(5) It is possible to monitor the health condition of the driver by mounting the vehicle on the vehicle.
(6) By incorporating a capacitor into the seat belt or seat in consideration of the vehicle structure, the sensor arrangement and shape can be optimized.
 1 共振回路
 2 抵抗
 3 コンデンサ
 5 コイル
 6 発信器
 10 対象者
 11 心拍信号検出装置
 12 半波整流部
 13 HPF
 14 LPF
 15 増幅回路
 16 信号処理装置
 21、22 曲線
 23 電位差
 27、28 電圧
 31、32、34、35 電極
 33 誘電体板33
 41 CPU
 42 ROM
 43 RAM
 44 インターフェース
 45 入力装置
 46 出力装置
 47 記憶装置
 50 心電図
 51 心拍呼吸信号
 52 呼吸信号
 53 心拍信号
 55 R波
 56 ピーク
1 Resonance circuit 2 Resistance 3 Capacitor 5 Coil 6 Transmitter 10 Target person 11 Heartbeat signal detector 12 Half-wave rectifier 13 HPF
14 LPF
15 Amplifier circuit 16 Signal processing device 21, 22 Curve 23 Potential difference 27, 28 Voltage 31, 32, 34, 35 Electrode 33 Dielectric plate 33
41 CPU
42 ROM
43 RAM
44 Interface 45 Input device 46 Output device 47 Storage device 50 Electrocardiogram 51 Heartbeat breathing signal 52 Breathing signal 53 Heartbeat signal 55 R wave 56 Peak

Claims (8)

  1.  生体信号検出の対象者が着座する着座部材と、
     前記着座部材において、前記対象者の心臓部位に設置された、前記対象者の心臓領域に至る臓器と静電容量結合する第1のコンデンサと、
     前記着座部材において、前記対象者の肺臓部位に設置された、前記対象者の肺臓領域に至る臓器と静電容量結合する第2のコンデンサと、
     前記静電容量結合した第1のコンデンサの容量の時間的な変化に基づく第1の生体信号と、前記静電容量結合した第2のコンデンサの容量の時間的な変化に基づく第2の生体信号と、を取得する生体信号取得手段と、
     前記取得した第1の生体信号と第2の生体信号とを出力する生体信号出力手段と、
     を具備したことを特徴とする生体信号検出装置。
    The seating member on which the subject of biological signal detection sits,
    In the seating member, a first capacitor that is installed in the heart region of the subject and is capacitively coupled to an organ reaching the heart region of the subject.
    In the seating member, a second capacitor installed at the lung site of the subject and capacitively coupling with an organ reaching the lung region of the subject,
    A first biological signal based on a temporal change in the capacitance of the first capacitor coupled with capacitance, and a second biological signal based on a temporal change in the capacitance of the second capacitor coupled with capacitance. And, the biological signal acquisition means to acquire,
    A biological signal output means for outputting the acquired first biological signal and the second biological signal,
    A biological signal detection device, characterized in that it is provided with.
  2.  前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサのうち、少なくとも一方は、前記着座部材の背もたれ部分に設置されており、他方は、シートベルト部分に設置されていることを特徴とする請求項1に記載の生体信号検出装置。 According to claim 1, at least one of the first capacitor and the second capacitor is installed on the backrest portion of the seating member, and the other is installed on the seat belt portion. The biological signal detection device according to the description.
  3.  前記出力した第1の生体信号と第2の生体信号を取得し、当該取得した第1の生体信号と、当該第1の生体信号と同期する第2の生体信号の差分を用いて心拍信号を取得する心拍信号取得手段と、
     前記取得した心拍信号を出力する心拍信号出力手段と、
     を具備したことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の生体信号検出装置。
    The output first biological signal and the second biological signal are acquired, and the heartbeat signal is obtained by using the difference between the acquired first biological signal and the second biological signal synchronized with the first biological signal. The means of acquiring the heartbeat signal to be acquired,
    A heartbeat signal output means for outputting the acquired heartbeat signal, and
    The biological signal detection device according to claim 1 or 2, wherein the biological signal detection device is provided.
  4.  前記出力した第1の生体信号と第2の生体信号を所定のサーバ装置に送信する送信手段と、
    を具備したことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の生体信号検出装置。
    A transmission means for transmitting the output first biological signal and the second biological signal to a predetermined server device, and
    The biological signal detection device according to claim 1 or 2, wherein the biological signal detection device is provided.
  5.  請求項4に記載の生体信号検出装置から前記第1の生体信号と第2の生体信号を受信する生体信号受信手段と、
     前記受信した第1の生体信号と、当該第1の生体信号と同期する第2の生体信号の差分を用いて心拍信号を取得する心拍信号取得手段と、
     前記取得した心拍信号を出力する心拍信号出力手段と、
     を具備したことを特徴とする心拍信号検出サーバ。
    A biological signal receiving means for receiving the first biological signal and the second biological signal from the biological signal detecting device according to claim 4.
    A heartbeat signal acquisition means for acquiring a heartbeat signal using the difference between the received first biological signal and the second biological signal synchronized with the first biological signal.
    A heartbeat signal output means for outputting the acquired heartbeat signal, and
    A heartbeat signal detection server characterized by being equipped with.
  6.  請求項1から請求項4までのうちの何れか1の請求項に記載の生体信号検出装置を具備し、前記着座部材を運転席に備えたことを特徴とする車両。 A vehicle comprising the biological signal detection device according to any one of claims 1 to 4, and having the seating member in the driver's seat.
  7.  生体信号検出の対象者の心臓部位に設置された、前記対象者の心臓領域に至る臓器と静電容量結合する第1のコンデンサの容量の時間的な変化に基づく第1の生体信号と、
     前記対象者の肺臓部位に設置された、前記対象者の肺臓領域に至る臓器と静電容量結合する第2のコンデンサの容量の時間的な変化に基づく第2の生体信号と、を取得する生体信号取得機能と、
     前記取得した第1の生体信号と第2の生体信号とを出力する生体信号出力機能と、
     コンピュータで実現する生体信号検出プログラム。
    A first biosignal based on a temporal change in the capacity of a first capacitor that is capacitively coupled to an organ reaching the heart region of the subject, which is installed in the heart region of the subject for biological signal detection.
    A living body that acquires a second biological signal based on a temporal change in the capacity of a second capacitor that is capacitively coupled to an organ reaching the lung region of the subject, which is installed at the lung site of the subject. Signal acquisition function and
    The biological signal output function that outputs the acquired first biological signal and the second biological signal, and
    A biological signal detection program realized by a computer.
  8.  請求項4に記載の生体信号検出装置から前記第1の生体信号と第2の生体信号を受信する生体信号受信機能と、
     前記受信した第1の生体信号と、当該第1の生体信号と同期する第2の生体信号の差分を用いて心拍信号を取得する心拍信号取得機能と、
     前記取得した心拍信号を出力する心拍信号出力機能と、
    をコンピュータで実現する心拍信号検出プログラム。
    A biological signal receiving function for receiving the first biological signal and the second biological signal from the biological signal detecting device according to claim 4.
    A heartbeat signal acquisition function that acquires a heartbeat signal using the difference between the received first biological signal and the second biological signal synchronized with the first biological signal.
    The heartbeat signal output function that outputs the acquired heartbeat signal and
    A heart rate signal detection program that realizes on a computer.
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