(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
仰臥位、側臥位若しくは伏臥位の人体の下に敷いて設置されて人体によって圧迫されるべきセンサー(２)と、該センサー(２)の出力から心拍及び／又は呼吸を計測する計測回路とから構成され、センサー(２)は、前記圧迫による押圧力を受けて弾性復帰可能に変形するコイル部材を具え、該コイル部材は、弾性部材の周囲に巻線を施して構成され、前記計測回路は、前記コイル部材のインダクタンス成分及びキャパシタンス成分をそれぞれ発振用のコイルＬ及びコンデンサＣとするＬＣ発振回路(３)と、該ＬＣ発振回路(３)の発振周波数の変化を検出し、該変化に含まれる心拍及び／又は呼吸の周波数成分に基づいて心拍及び／又は呼吸に応じた生理量データを算出する演算処理回路(４)とを具えている心拍／呼吸計測装置。
【請求項２】
前記センサー(２)は、前記押圧力がコイル部材の巻き軸と直交する方向に作用することとなる姿勢に設置される請求項１に記載の心拍／呼吸計測装置。
【請求項３】
前記センサー(２)は、前記押圧力がコイル部材の巻き軸方向に作用することとなる姿勢に設置される請求項１に記載の心拍／呼吸計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体の心拍及び／又は呼吸を計測する心拍／呼吸計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の高齢化に伴って、寝たきりの老人が増加しており、この様な寝たきりの老人の体調を監視する方法として、心電計によって心拍数を計測し、心拍数の変化に基づいて診断を行なう方法が注目されている。
又、健康管理の意識が高まる現在において、一般の家庭においても簡便に就床中の心拍数を計測したいというニーズが高まっている。
【０００３】
しかしながら、従来の心電計を用いた心拍数の計測においては、複数の電極を直接肌に貼り付ける必要があり、各電極から計測器本体へ伸びるコードによって長時間の拘束状態を強いられるという欠点があった。
又、呼吸数の計測においても同じ事情によって、家庭で簡便に計測を行なうことが困難であった。
【０００４】
そこで、容量型センサーを用いて患者の動態を計測するシステムが知られている(非特許文献１、２参照)。
【０００５】
【非特許文献１】
大久保友寛、米沢義道著「容量型センサーによる患者動態の計測システム」医用電子と生体工学，32-2，132/135，1994年
【非特許文献２】
南浦武史、藤原義久、阪井英隆、松浦英文、安田昌司「ポータブル型無拘束睡眠センサの開発」，2002年電子情報通信学会総合大会予稿集，D-7-25
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
容量型センサーによれば、患者の心拍数や呼吸数を無拘束で計測することが可能であるが、測定感度の点で改善の余地が残されていた。
そこで本発明の目的は、人体の心拍や呼吸を無拘束で、然も高い感度で計測することが出来る心拍／呼吸計測装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る心拍／呼吸計測装置は、仰臥位、側臥位若しくは伏臥位の人体の下に敷いて設置されて人体によって圧迫されるべきセンサー(２)と、該センサー(２)の出力に基づいて心拍及び／又は呼吸を計測する計測回路とから構成される。
センサー(２)は、前記圧迫による押圧力を受けて弾性復帰可能に変形するコイル部材を具え、該コイル部材は弾性部材の周囲に巻線を施して構成されている。計測回路は、前記コイル部材のインダクタンス成分及びキャパシタンス成分をそれぞれ発振用のコイルＬ及びコンデンサＣとするＬＣ発振回路(３)と、該ＬＣ発振回路(３)の発振周波数の変化を検出し、該変化に含まれる心拍及び／又は呼吸の周波数成分に基づいて心拍及び／又は呼吸に応じた生理量データを算出する演算処理回路(４)とを具えている。
【０００８】
上記本発明の心拍／呼吸計測装置において、センサー(２)は、例えば寝た状態の人体、即ち仰臥位、側臥位若しくは伏臥位の人体の下に敷いて設置される。従って、人体の心拍動や呼吸動に伴ってセンサー(２)が圧迫され、押圧力を受けることになる。この結果、センサー(２)は弾性変形する。
【０００９】
尚、センサー(２)は、前記押圧力がコイル部材の巻き軸と直交する方向に作用することとなる姿勢に設置することが可能である。この場合、センサー(２)は、前記押圧力を受けて、コイル部材の巻き軸と直交する方向に圧縮され、断面積が変化することになる。
又、センサー(２)は、前記押圧力がコイル部材の巻き軸方向に作用することとなる姿勢に設置することが可能である。この場合、センサー(２)は、前記押圧力を受けて、コイル部材の巻き軸方向に圧縮され、長さが変化することになる。
【００１０】
ところで、センサー(２)を構成する渦巻き状のコイル部材は、インダクタンス成分とキャパシタンス成分を有しており、上述の如く断面積や長さが変化することによってインダクタンスが変化すると共に、センサー(２)の弾性変形、コイルの線間距離の変化、及びコイルと人体との距離の変化によってキャパシタンスが変化し、このインダクタンス及びキャパシタンスの変化には、心拍及び呼吸の周波数成分が含まれている。
ＬＣ発振回路(３)は、センサー(２)のインダクタンス及びキャパシタンスの変化に伴って、発振周波数が変化する。演算処理回路(４)は、この発振周波数の変化を検知し、該変化に含まれる心拍及び／又は呼吸の周波数成分から心拍及び／又は呼吸に応じた生理量データ(例えば心拍数、呼吸数、心拍周期、呼吸周期)を算出する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る心拍／呼吸計測装置によれば、センサーは例えばベッドやマットに設置すればよいので、人体の心拍や呼吸を無拘束で計測することが出来る。又、心拍や呼吸に伴ってセンサーのインダクタンスとキャパシタンスの両方が変化するので、高い精度で心拍や呼吸を計測することが出来る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る心拍／呼吸計測装置は、図１及び図２に示す如くマット(１)の表面に、人体の上半身に対応させて、センサー(２)を配備しており、該センサー(２)は、人体の上半身による圧迫によって押圧力を受けることになる。
【００１３】
センサー(２)は、図３に示す如く、円弧状に湾曲した樹脂板からなる弾性部材(21)と、該弾性部材(21)の周囲に装着されたコイル(22)とから構成される。該弾性部材(21)は、平面形状が長方形、断面形状が横長の半楕円形を呈し、巻き軸方向の長さＬが２５０ｍｍ、巻き軸と直交する方向の幅Ｗが１５０ｍｍ、高さＨが９ｍｍに形成されており、該弾性部材(21)の周囲に、線径０.２ｍｍの軟銅線が約４５０回巻き付けられて、コイル(22)が形成されている。
この様に、センサー(２)のコイル(22)の内部空間に弾性部材(21)を挿入することによって、コイル(22)の巻線の崩れを防止すると共に、コイル(22)の弾性復帰力を補っている。
尚、コイル(22)の内部空間には、樹脂製の弾性部材(21)に代えて、スポンジ、エアーバッグ、バネ等を挿入することが可能である。又、コイル(22)の外部空間に、樹脂製の弾性部材、スポンジ、エアーバッグ、バネ等を配置した構成によっても、測定精度の向上を図ることが出来る。
【００１４】
センサー(２)は、図１及び図２に示す如く、仰臥位、側臥位、若しくは伏臥位の人体の上半身によって圧迫され、人体の心拍動や呼吸動に伴う押圧力Ｆを受ける。この押圧力Ｆの作用によって、センサー(２)は図４中に実線で示す無負荷状態から鎖線で示す様に弾性変形し、押圧力の変化に伴って断面積が変化すると共に、コイル(22)の線間距離、及びコイル(22)と人体との距離が変化することになる。
【００１５】
センサー(２)のインダクタンスをＬ、真空の透磁率をμ０、断面積をＡ、巻数をＮ、長さをＬ、長岡係数をＫで表わすと、下記数１が成立する。
【数１】
Ｌ＝Ｋ(μ０ＡＮ２／Ｌ)
【００１６】
従って、センサー(２)の断面積Ａが変化することによって、センサー(２)のインダクタンスＬが変化することになる。該インダクタンスの変化には、心拍及び呼吸の周波数成分が含まれている。
又、センサー(２)を構成するコイル部材は、インダクタンス成分のみならず、キャパシタンス成分をも有しているため、人体から受ける押圧力によるセンサー(２)の弾性変形、コイル(22)の線間距離の変化、及びコイル(22)と人体との距離の変化によって、キャパシタンスＣも変化することになり、該キャパシタンスの変化には、心拍及び呼吸の周波数成分が含まれている。
【００１７】
センサー(２)には、図１に示す如く、該センサー(２)を発振用のコイル及びコンデンサとするＬＣ発振回路(３)が接続され、更に該ＬＣ発振回路(３)には、マイクロコンピュータ等から構成される演算処理回路(４)が接続されている。
【００１８】
センサー(２)は、図５に示す如く、コイルＬとコンデンサＣを並列接続してなる等価回路で表わすことが出来、ＬＣ発振回路(３)は、該センサー(２)を含むＬＣ発振回路部(31)と、ＬＣ発振回路部(31)の動作を妨げずに発振信号を出力段へ供給するためのバッファ回路部(32)と、バッファ回路部(32)から得られる正弦波の発振信号を矩形波の発振信号に変換する整形回路部(33)とから構成されており、整形回路部(33)が出力端子(34)に繋がっている。
【００１９】
尚、上記ＬＣ発振回路(３)において、発振周波数ｆoは下記数２によって表わされる。
【数２】
ｆo＝１／(２π・√(ＬＣ))
【００２０】
図７は、上記ＬＣ発振回路(３)における各ポイントの電圧波形を表わしている。波形Ａは、センサー(２)の出力端ａの電圧波形であり、波形Ｂは、バッファ回路部(32)の入力端ｂの電圧波形であり、波形Ｃは、整形回路部(33)の入力端ｃの電圧波形であり、波形Ｄは、整形回路部(33)の出力端ｄの電圧波形である。
【００２１】
ＬＣ発振回路(３)から出力される矩形波状の電圧信号は、図１の如く演算処理回路(４)へ供給される。演算処理回路(４)においては、図６に示す如く、先ずステップＳ１にて、内蔵するカウンターにより矩形波状電圧信号の単位時間当たりのパルス数をカウントして発振周波数を計測する。該発振周波数の変動には、心拍の周波数成分と呼吸の周波数成分とが含まれていることになる。
次に、ステップＳ２にて、計測された発振周波数の変動に対してデジタルフィルタ等の演算処理を施して、心拍の周波数成分と呼吸の周波数成分を抽出する。
最後にステップＳ３では、抽出された心拍の周波数成分と呼吸の周波数成分から、心拍数と呼吸数を算出する。
【００２２】
図８は、演算処理回路(４)によって計測された発振周波数の変動Ｐと、心電計(図示省略)によって計測された心電図Ｑと、呼吸計測器(図示省略)によって計測された呼吸による電圧変動Ｒとを表わしたものである。図示の如く、発振周波数の変動Ｐには、心拍の周波数成分と呼吸の周波数成分とが含まれていることが明らかである。
【００２３】
又、図９は、図８に示す発振周波数の変動Ｐの一部を拡大表示したものであって、図示の如く発振周波数の変動Ｐに基づいて、心拍の１つの発生時点から次の発生時間までの時間と、呼吸の１つの発生時点から次の発生時間までの時間を計測することによって、それぞれ心拍周期と呼吸周期を検知することが出来る。図９においては、心拍周期はｔhi(秒)、呼吸周期はｔri(秒)となり、更にそれらの結果から、１分間当りの心拍数を(６０／ｔhi)、呼吸数を(６０／ｔri)と求めることが出来る。
従って、上述のフィルター処理等の演算処理によって、発振周波数の変動から心拍の周波数成分と呼吸の周波数成分を抽出し、心拍周期、心拍数、呼吸周期及び呼吸数を算出することが出来るのである。
【００２４】
上述の如く、本発明の心拍／呼吸計測装置によれば、センサー(２)はマット(１)に取り付けることが出来るので、人体を拘束することなく、寝た状態の人体の心拍数や呼吸数を計測することが出来る。
又、本発明に係る心拍／呼吸計測装置によれば、心拍や呼吸に伴ってセンサーのインダクタンスとキャパシタンスの両方が変化するので、高い精度で心拍数と呼吸数を計測することが出来る。
【００２５】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、センサー(２)を構成するコイル部材は、上述の寸法や巻数に限定されるものではない。
【００２６】
又、センサー(２)を構成するコイル部材は、上述の如く押圧力が巻き軸と直交する方向に作用することとなる姿勢に設置して、径方向に弾性変形させる構成に限らず、押圧力が巻き軸方向に作用することとなる姿勢に設置して、巻き軸方向に弾性変形させる構成を採用することも可能である。この場合、ベッドに内蔵されたスプリングをセンサー(２)のコイル部材として利用することも可能である。
【００２７】
更に、上記実施例では、ＬＣ発振回路(３)からの出力される矩形波状の電圧信号の単位時間当りのパルス数をカウントして発振周波数を計測し、該発振周波数から心拍の周波数成分と呼吸の周波数成分を抽出しているが、これに限らず、計測した発振周波数を電圧値に変換し、該電圧値に基づいて発振周波数の変化を検知することも可能である。
電圧値に基づいて発振周波数の変化を検知する方法としては、周知のＰＬＬを用いて発振周波数の変化を電圧で出力する方法を採用することが出来る。この場合、図５の出力端ｄから得られる矩形波状電圧信号をＰＬＬに基準周波数として与え、出力周波数と位相を比較して、位相が合う様にＶＣＯ回路への印加電圧を変化させる。このＶＣＯ回路への印加電圧を測定することによって、出力端ｄから得られる矩形波状電圧信号のパルス周波数の変化を電圧変化として測定することが出来るのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る心拍／呼吸計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】センサーの取付け位置を説明する図である。
【図３】センサーの構成を示す斜視図である。
【図４】センサーの弾性変形の様子を表わす図である。
【図５】ＬＣ発振回路の構成例を示す回路図である。
【図６】演算処理回路の動作を説明するフローチャートである。
【図７】ＬＣ発振回路の各ポイントの波形を示すグラフである。
【図８】本発明の心拍／呼吸計測装置によって計測された発振周波数の変動と、心電計によって計測された心電図と、呼吸計測器によって計測された呼吸による電圧変動とを表わすグラフである。
【図９】前記発振周波数の変動を拡大して示すグラフである。
【符号の説明】
(１)  マット
(２)  センサー
(３)  ＬＣ発振回路
(４)  演算処理回路
【図１】
0003691479.tif 000002
【図２】
0003691479.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003691479.tif 000008
【図８】
0003691479.tif 000009
【図９】
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