特許第6457319号(P6457319)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6457319
(24)【登録日】2018年12月28日
(45)【発行日】2019年1月23日
(54)【発明の名称】生体信号検知装置
(51)【国際特許分類】
   A61B 5/11 20060101AFI20190110BHJP
   A61B 5/113 20060101ALI20190110BHJP
【FI】
   A61B5/11 100
   A61B5/113
【請求項の数】3
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2015-80995(P2015-80995)
(22)【出願日】2015年4月10日
(65)【公開番号】特開2016-198308(P2016-198308A)
(43)【公開日】2016年12月1日
【審査請求日】2017年12月26日
(73)【特許権者】
【識別番号】304020177
【氏名又は名称】国立大学法人山口大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001601
【氏名又は名称】特許業務法人英和特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】江 鐘偉
【審査官】 磯野 光司
(56)【参考文献】
【文献】 特開2010−252934(JP,A)
【文献】 国際公開第2013/111785(WO,A1)
【文献】 特開平07−244168(JP,A)
【文献】 尾林 知輝、江 鐘偉、森田 実,睡眠時生体情報モニタリング用の圧電型センサーの開発,日本機械学会中国四国支部総会・講演会講演論文集,2015年 2月27日,Vol.53,論文No.604
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
A61B 5/00
A61B 5/06−5/22
JSTPlus/JMEDPlus/JST7580(JDreamIII)
Scopus
医中誌WEB
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被験者の近傍に設置され、被験者が横になっている時の鼓動、呼吸又は体動に伴う振動を検出する生体振動検知装置であって、
主振動板と、
該主振動板の下方に配置される副振動板と、
前記主振動板と前記副振動板との間に配置され、前記主振動板の下面と前記副振動板の上面に固定される支持部材と、
前記主振動板と前記副振動板との間に配置され、前記主振動板の下面及び前記副振動板の上面の少なくとも一方に固定される1又は複数の振動伝達部材と、
該振動伝達部材の中間部又は端部に固定される振動センサと、
前記主振動板の下面周辺部に固定される第1調整部材と、
前記副振動板の下面に固定される第2調整部材を備える
ことを特徴とする生体振動検知装置。
【請求項2】
前記支持部材、前記振動伝達部材、前記第1調整部材、前記第2調整部材のうち、少なくともいずれかひとつは着脱可能となっている
ことを特徴とする請求項1に記載の生体振動検知装置。
【請求項3】
前記振動伝達部材は複数配置されているとともに、それぞれに圧力センサを備える
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の生体振動検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、被験者の近くに設置され、被験者が横になっている時の鼓動、呼吸又は体動に伴う振動を検出する生体振動検知装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、生体振動検知装置を使用する寝具の上又は下に設置し、被験者が横になっている時に被験者の胴部や頭部の下に位置するようにして、鼓動、呼吸又は体動に伴う振動を検出するものが提案されている。
【0003】
例えば、特許文献1(特許第4480785号公報)には、感圧板(10)と基板(30)と支持部材(40)と挟持力変動検出機構(50)を備え、寝台(500)の上に生体(1)が寝た状態において生体(1)の下に配設され、生体(1)の呼吸状態、心拍動、体動等の生体情報を検出する検出モジュール(100)が記載されている(特に図1、2及び段落0019〜0021を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第4480785号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、従来の生体振動検知装置は、2枚の振動板(特許文献1では感圧板(10)と基板(30)が相当)の間に支持部材と振動センサ(特許文献1では支持部材(40)と挟持力変動検出機構(50)が相当)を配置する単純な構造であったため、1つの生体振動検知装置で精度良く検知できる振動周波数帯が限られていた。
そのため、異なる周波数帯の振動を精度良く検知するためには、検知したい周波数帯毎に異なる生体振動検知装置を用意し、それらを被験者の近くに設置しておく必要があり、生体振動検知装置の設置や検知信号の処理が面倒という問題があった。
この発明は、異なる周波数帯の振動を1台の生体振動検知装置で精度良く検知できるようにすることによって、従来の生体振動検知装置における上記問題点の解消を目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項1に係る発明の生体振動検知装置は、被験者の近傍に設置され、被験者が横になっている時の鼓動、呼吸又は体動に伴う振動を検出する生体振動検知装置であって、主振動板と、該主振動板の下方に配置される副振動板と、前記主振動板と前記副振動板との間に配置され、前記主振動板の下面と前記副振動板の上面に固定される支持部材と、前記主振動板と前記副振動板との間に配置され、前記主振動板の下面及び前記副振動板の上面の少なくとも一方に固定される1又は複数の振動伝達部材と、該振動伝達部材の中間部又は端部に固定される振動センサと、前記主振動板の下面周辺部に固定される第1調整部材と、前記副振動板の下面に固定される第2調整部材を備えることを特徴とする。
【0007】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の生体振動検知装置において、前記支持部材、前記振動伝達部材、前記第1調整部材、前記第2調整部材のうち、少なくともいずれかひとつは着脱可能となっていることを特徴とする。
【0008】
請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載の生体振動検知装置において、前記振動伝達部材は複数配置されているとともに、それぞれに圧力センサを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
請求項1に係る発明の生体振動検知装置によれば、主振動板と、主振動板の下方に配置される副振動板と、主振動板と副振動板との間に配置され、主振動板の下面と副振動板の上面に固定される支持部材と、主振動板と副振動板との間に配置され、主振動板の下面及び副振動板の上面の少なくとも一方に固定される1又は複数の振動伝達部材と、振動伝達部材の中間部又は端部に固定される振動センサと、主振動板の下面周辺部に固定される第1調整部材と、副振動板の下面に固定される第2調整部材を備えているので、支持部材、振動伝達部材、第1調整部材、第2調整部材を構成する材料のばね定数及び粘性係数を調整することにより、複数の周波数帯の振動を1台の生体振動検知装置で精度良く検知できる。
そのため、横になっている被験者から異なる周波数帯の振動を検知するに際して、生体振動検知装置の設置や検知信号の処理を容易に行うことができる。
【0010】
請求項2に係る発明の生体振動検知装置によれば、請求項1に係る発明の効果に加え、支持部材、振動伝達部材、第1調整部材、第2調整部材のうち、少なくともいずれかひとつは着脱可能となっているので、検知したい振動周波数が変化した場合や感度を微調整したい場合に、いずれかの部材を構成する材料のばね定数及び粘性係数が調整し易く容易に対応することができる。
【0011】
請求項3に係る発明の生体振動検知装置によれば、請求項1又は2に係る発明の効果に加え、振動伝達部材は複数配置されているとともに、それぞれに圧力センサを備えているので、それら複数の圧力センサからの信号に基づいて被験者の姿勢又は位置を的確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】実施例1に係る生体振動検知装置の断面図。
図2】振動センサからの信号を処理する回路の概念図。
図3】実施例1に係る生体振動検知装置の3自由度振動系モデルを示す図。
図4】試作した生体振動検知装置で得られた呼吸成分、心拍成分及びいびき成分の信号のグラフ。
図5】実施例2に係る生体振動検知装置の断面図。
図6】実施例2に係る生体振動検知装置の出力信号と被験者の姿勢との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。
【実施例1】
【0014】
図1は実施例1に係る生体振動検知装置の断面図である。
主振動板1は、長方形の上面(以下「上面板2」という。)を有するとともに、上面板2の短辺側の端部は下方にくの字状に曲がっているとともに、下端部が上面板と平行な平面(以下「下端面3」という。)になっている。
主振動板1は樹脂又は金属等の硬質材料でなっており、成型又は折り曲げ等、適宜の方法によって上記の形状となるように加工される。
副振動板4は、上面板2の短辺とほぼ同じ長さの短辺と、主振動板1の両下端の間隔とほぼ同じ長さの長辺を有する長方形の板であり、主振動板1と同様の硬質材料よりなる。
【0015】
主振動板1と副振動板4との間には、上面板2及び副振動板4の短辺に沿って1つずつ支持部材5が配置され、それぞれ上面板2の下面と副振動板4の上面に固定されて、荷重のかからない状態において上面板2と副振動板4がほぼ平行となるように構成される。
また、上面板2と副振動板4との間の中央付近には、1対又は複数対(図1では2対)の振動伝達部材6、7が配置され、上側の振動伝達部材6は上面板2の下面に、下側の振動伝達部材7は副振動板4の上面にそれぞれ固定される。
そして、圧電素子で構成されている振動センサ8が上下の振動伝達部材6、7の間に挟まれて固定される。
支持部材5には弾力性のある樹脂等の材料やバネ部材を用い、振動伝達部材6、7には弾力性のある樹脂等の材料を用いる。
【0016】
2つの下端面3のほぼ全面には第1調整部材9が固定され、副振動板4の下面のほぼ全面には第2調整部材10が固定される。
そして、2つの第1調整部材9の下面と第2調整部材10の下面は、荷重のかからない状態又は被験者の荷重がかかった状態においてほぼ面一になるようになっている。
第1調整部材9と第2調整部材10には、弾力性のある樹脂等の材料やバネ部材を用いる。
【0017】
図2は振動センサからの信号を処理する回路の概念図である。
なお、本回路は、呼吸信号、心拍信号、いびき信号を抽出するための一例である。
プリアンプ11は、振動センサ8からの信号を受けて増幅する増幅器であり、第1フィルター12、第2フィルター13及び第3フィルター14は、その増幅された信号のうち、それぞれ0.01〜2Hz、5〜20Hz及び30〜300Hzの信号のみを通過させるバンドパスフィルターである。
そして、第1フィルター12、第2フィルター13及び第3フィルター14を通過した信号は、それぞれ第1アンプ15、第2アンプ16及び第3アンプ17で増幅され、増幅された信号は処理装置18に入力される。
【0018】
処理装置18は、増幅された信号を処理して処理結果を表示したり、通信装置19を介して各種の情報を情報端末20に送信したりするものであるが、入力された信号に関する情報を送信する機能のみに絞れば小型化することができる。
通信装置19としては、各種の有線通信装置や無線通信装置のいずれを用いても良く、情報端末20としては、パーソナルコンピュータや携帯端末(スマートフォン又はタブレット端末等)のいずれを用いても良いが、ブルートゥース(登録商標)を用いて携帯端末に送信するようにすれば、システム全体が小型軽量となり手軽に持ち運べるようになるので、睡眠時における各種データの計測、蓄積及び送信が旅先や出張先でも可能となる。
【0019】
図3は実施例1に係る生体振動検知装置の3自由度振動系モデルを示す図である。
まず、各記号について説明すると、mは主振動板1の質量、mは振動センサ8の質量、mは副振動板4の質量、K及びCは第1調整部材9のばね定数及び粘性係数、K及びCは支持部材5のばね定数及び粘性係数、K及びCは上側の振動伝達部材6のばね定数及び粘性係数、K及びCは下側の振動伝達部材7のばね定数及び粘性係数、K及びCは第2調整部材10のばね定数及び粘性係数、xは主振動板1の変位量、xは振動センサ8の変位量、xは副振動板4の変位量を示す。
【0020】
ここで、主振動板1の上面に力Fが加わり第2調整部材10の下面に変位uが伝わった場合の運動方程式は次の数式で表される。
【数1】
【0021】
上記のとおり、実施例1に係る生体振動検知装置は、その特有の構造により3自由度振動系となるため、支持部材5、上側の振動伝達部材6、下側の振動伝達部材7、第1調整部材9並びに第2調整部材10のばね定数及び粘性係数を調整することによって、異なる3つの周波数帯の振動を精度良く検知することが可能となる。
実際に支持部材5、上側の振動伝達部材6、下側の振動伝達部材7、第1調整部材9並びに第2調整部材10のばね定数及び粘性係数を調整するに際しては、数1の運動方程式を用いてコンピュータシミュレーションを行い、設計周波数の組み合わせに対して最適な設計パラメータ、すなわち各部材のばね定数(K)及び粘性係数(C)を決定することとなる。
設計プロセスとしては、まず各部材のばね定数(K)を中心設計周波数f〜fが得られるように決定する。次に呼吸周期や心拍周期は生理状態によって変化するので、その周波数の変化も感度よくカバーするため、各部材の粘性係数(C)を調整する。
例えば、中心設計周波数(f)におけるゲインの極大値(g)の1/√2(71%)以上となる周波数範囲を求め、その周波数範囲が設計仕様の周波数変化範囲に収まるように、粘性係数(C)を決定する。
【0022】
そして、様々な設計周波数の組み合わせについて上記のシミュレーションを行って各部材のばね定数(K)及び粘性係数(C)を決定するとともに、その決定値に基づいて生体振動検知装置を試作し、実際に呼吸信号、心拍信号及びいびき信号の計測を行って解析を行った結果、以下の事象を見出すに至った。
(1)呼吸信号:基本的に第1調整部材9のばね定数(K)と支持部材5のばね定数(K)を調整することによって精度良く検知できる周波数が決まるが、体重を加えることで、周波数が下がることから、設計周波数を2〜10倍ほど高めに設定した方が良い。
(2)心拍信号:基本的に第2調整部材10のばね定数(K)と振動伝達部材6のばね定数(K)又は振動伝達部材7のばね定数(K)を調整することによって精度良く検知できる周波数が決まる。
そして、心拍信号はパルス的な信号であるため、設計周波数は実際の心拍信号の周波数より6〜20倍ほど高めに設定した方が良い。
(3)いびき信号:基本的に振動伝達部材6のばね定数(K)又は振動伝達部材7のばね定数(K)を調整することによって精度良く検知できる周波数が決まり、実際のいびき信号の周波数(20〜200Hz)とほぼ同じ設計周波数とすれば良い。
【0023】
上記の知見を得て中心設計周波数が、それぞれf=0.5〜3Hz、f=5〜20Hz、f=50〜200Hzの範囲内になるようにm〜m及びK〜Kを決定した。
一例として、m=1(kg)、m=m/100=10(g)及びm=100(g)とし、K=50、K=100、K=5000、K=25、K=25(単位は全てN/m)とした時、f=1.68Hz、f=8.28Hz、f=113.38Hzの中心設計周波数が得られた。
そして、それぞれのK〜Kの値及びC〜Cの決定値から試作した生体振動検知装置を用いて測定した結果、精度良く呼吸信号、心拍信号及びいびき信号を計測できることを確認した。
【0024】
図4は試作したセンサによって得られたセンサ出力とそのセンサ出力をプリアンプ11、第1フィルター12、第2フィルター13、第3フィルター14、第1アンプ15、第2アンプ16、第3アンプ17及び処理装置18を用いて処理して得られた呼吸成分、心拍成分及びいびき成分の信号のグラフであり、呼吸、心拍及びいびきによる振動が1台の生体振動検知装置で精度良く検知できていることが分かる。
【実施例2】
【0025】
図5は実施例2に係る生体振動検知装置の断面図である。
なお、実施例1と共通する構成が多いので、振動センサ8A〜8Cを除いて図1の番号と同じ番号を付してある。
そして、主振動板1、副振動板4、第1調整部材9及び第2調整部材10は、実施例1に係る生体振動検知装置と同じ構成なので説明は省略する。
また、支持部材5、振動伝達部材6、7及び振動センサ8A〜8Cについても、各部材を構成する材料等は全て実施例1と同じである。
【0026】
実施例2が実施例1と相違している点は、支持部材5、上下の振動伝達部材6、7及び圧電素子で構成されている振動センサ8の数である。
支持部材5は、上面板2及び副振動板4の短辺に沿った箇所に1つずつ配置されるとともに、中央付近に配置されている振動伝達部材6、7及び振動センサ8Bの両側近傍に上面板2及び副振動板4の短辺と平行に1つずつ配置され、それぞれ上面板2の下面と副振動板4の上面に固定されており、実施例1と同様、荷重のかからない状態において上面板2と副振動板4がほぼ平行となるように構成されている。
また、振動伝達部材6、7及び振動センサ8A〜8Cは、上面板2及び副振動板4の間の中央付近と、その両短辺側に1つずつ配置されている。
そして、上側の振動伝達部材6は上面板2の下面に、下側の振動伝達部材7は副振動板4の上面にそれぞれ固定され、振動センサ8A〜8Cは上下の振動伝達部材6、7の間に挟まれて固定されている。
【0027】
実施例2に係る生体振動検知装置の場合、3自由度振動系モデルは実施例1より複雑になるが、同様のシミュレーションによって各部材のばね定数(K)及び粘性係数(C)を決定することで、3つの周波数帯の振動を精度良く検知できる生体振動検知装置を製作することが可能である。
そして、実施例1と同様の信号処理回路を用いて睡眠時における各種データの計測、蓄積及び送信等が可能であり、3つの振動センサを備えていることから、被験者の姿勢や位置が変わっても、出力の大きい振動センサからの信号を利用することで、実施例1の生体振動検知装置より精度良く呼吸、心拍及びいびきによる振動を検知することができる。
【0028】
さらに、実施例2に係る生体振動検知装置の場合、3つの振動センサ8A〜8Cがある程度の間隔をもって並設されているので、3つの振動センサ8A〜8Cの並んでいる方向が被験者の左右方向になるように、胴部や頭部の下に生体振動検知装置を位置させれば、被験者の姿勢や左右方向の位置を検知することも可能となる。
図6は、実施例2に係る生体振動検知装置の出力信号と被験者の姿勢との関係を示すグラフであり、振動センサ8A〜8Cから得られたセンサ出力のグラフを上から順に並べてある。
この例では、計測開始当初において、振動センサ8Aは仰向けに横になっている被験者の右側、振動センサ8Bは同被験者の中央付近、振動センサ8Cは同被験者の左側に位置させた。
そして、計測の初期においては振動センサ8Aのセンサ出力が大きくなり、計測の中期においては振動センサ8Bのセンサ出力が大きくなり、計測の後期においては振動センサ8Cのセンサ出力が大きくなっている。
これらの結果から、この例では計測の初期において被験者は右を向いており、その後計測の中期において被験者は仰向けになっており、さらに計測の後期において被験者は左を向いているものと判断される。
なお、3つのセンサ出力の大きさの関係には様々なパターンが存在するが、それらのパターンと被験者の姿勢や位置との関係を解析していくことで、被験者の姿勢や位置を的確に判断できるようになり、さらにその判断結果を考慮することで呼吸、心拍及びいびきによる振動の検知精度を向上させることが可能となる。
【0029】
実施例1及び2の生体振動検知装置に関する変形例を列記する。
(1)実施例1及び2の主振動板1は図1のような断面としたが、端部をコの字状としても良く、端部をくの字状やコの字状とせずに上面板を長方形の板とし、上面板の短辺付近の下面に直接第1調整部材を設けても良い。
(2)実施例1及び2の副振動板2は長方形の板としたが、主振動板1の中央部の下方を含むように配置できれば円形の板や多角形の板でも良い。
また、実施例1の主振動板1と同様に端部をくの字状又はコの字状として、その下端面に第2調整部材を設けても良い。
さらに、実施例1では第2調整部材を副振動板2の下面のほぼ全面に設けたが、四隅付近のみ又は四隅付近と適宜の箇所のみに設けるようしても良い。
(3)実施例1においては、2つの支持部材5を上面板2及び副振動板4の短辺に沿って配置したが、支持部材5は四隅付近が含まれていればどのように配置しても良い。
例えば、四隅付近に4つの支持部材を配置、四隅付近と適宜の箇所に多数の支持部材を配置、長辺付近に2つの支持部材を配置、上面板2及び副振動板4の周辺付近にロの字状の支持部材を配置、上下の振動伝達部材6、7及び振動センサ8が配置されている箇所以外のほぼ全面に支持部材を配置等が考えられる。
実施例2においても、同様に4つの支持部材5を上面板2及び副振動板4の短辺に平行に配置するのに代えて、様々な配置の仕方が考えられる。
(4)実施例1及び2においては、1対又は複数対の振動伝達部材6、7を配置し、振動センサ8を上下の振動伝達部材6、7の間に挟んで固定したが、1つ又は複数の振動伝達部材6のみを上面板2の下面に固定又は1つ又は複数の振動伝達部材7のみを副振動板4の上面に固定し、振動センサ8を振動伝達部材6と副振動板4の間又は上面板2と振動伝達部材7の間に挟んで固定しても良い。
(5)実施例1においては、振動センサ8を圧電素子で構成したが、圧電素子に限らず振動を検知できるものであればどのような素子で構成しても良い。
また、実施例2においても、振動センサ8A〜8Cを圧電素子で構成したが、これらは実施例1と同様、振動を検知できるものであればどのような素子で構成しても良い。
ただし、実施例2において被験者の姿勢や左右方向の位置を精度良く検知するためには、それぞれのセンサにかかる圧力を検知できた方が好ましいので、振動センサ8A〜8Cは圧力を検知できる素子で構成した方が良く、圧力を検知できない素子で構成した場合、圧力が検出可能な素子を併設すると良い。
(6)実施例1及び2においては、支持部材5、振動伝達部材6、7、第1調整部材及び第2調整部材を固定したが、様々な周波数帯の振動に対応できるようにするために、それらのうち、少なくともいずれかひとつを着脱可能として、異なる弾力性のもの(異なるばね定数及び粘性係数を有するもの)に交換できるようにしても良い。
(7)実施例1及び2においては、3つの周波数帯の振動を精度良く検知できるようにするため、3自由度振動系を構成するように主振動板1と副振動板4との相対位置及び主振動板1及び副振動板4と載置面との相対位置も変化できるように、支持部材5、第1調整部材9及び第2調整部材10を弾力性のある材料で構成したが、検知したい振動の周波数帯が2つの場合には、第2調整部材10を除くか弾力性のない剛体とすることで主振動板1と副振動板4との相対位置だけが変化できる2自由度振動系を構成する生体振動検知装置(図3において副振動板4の変位量x3を0)としても良い。
ただし、検知したい振動の周波数帯が2つの場合であっても、3自由度振動系を構成する生体振動検知装置の方が、2つの周波数帯の振動を精度良く検知できるようにするための調整は容易である。
【符号の説明】
【0030】
1 主振動板 2 上面板 3 下端面
4 副振動板 5 支持部材 6 上側の振動伝達部材
7 下側の振動伝達部材 8 振動センサ
9 第1調整部材 10 第2調整部材
11 プリアンプ 12 第1フィルター
13 第2フィルター 14 第3フィルター
15 第1アンプ 16 第2アンプ 17 第3アンプ
18 処理装置 19 通信装置 20 情報端末
図1
図2
図3
図4
図5
図6