(57)【要約】【課題】静電容量の変化を利用して人体等の生体内の測定対象物の動きを他の動きと識別して測定することが可能な測定システム及び測定方法を提供する。【解決手段】コンデンサ２２を含む共振回路２１を有する発振回路２０と、生体の近傍に配置されコンデンサ２２に並列接続された導体を含むセンシング素子１０と、発振回路２０の出力周波数の変化から、生体内の測定対象物Ｘの動きに対応する周波数帯の周波数変化を抽出する処理を行う処理装置５０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサを含む共振回路を有する発振回路と、
生体の近傍に配置され前記コンデンサに並列接続された導体を含むセンシング素子と、
前記発振回路の出力周波数の変化から、生体内の測定対象物の動きに対応する周波数帯の周波数変化を抽出する処理を行う処理装置と、を備えている、測定システム。
【請求項２】
前記処理装置は、周波数の解析処理によって測定対象物の周波数変化を抽出する、請求項１に記載の測定システム。
【請求項３】
前記発振回路と前記センシング素子とを複数組を備えている、請求項１又は２に記載の測定システム。
【請求項４】
前記処理装置は、複数の前記発振回路の出力周波数の変化から抽出した測定対象物の動きによる周波数変化を互いに同期させて出力する、請求項３に記載の測定システム。
【請求項５】
前記処理装置は、前記発振回路の出力周波数の変化から、生体の心拍による周波数の変化を抽出する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定システム。
【請求項６】
前記処理装置は、前記発振回路の出力周波数の変化から、生体の呼吸による周波数の変化を抽出する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定システム。
【請求項７】
前記処理装置は、前記発振回路の出力周波数の変化から、複数の測定対象物の動きによる周波数の変化をそれぞれ抽出する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の測定システム。
【請求項８】
前記センシング素子と直列に、所定の周波数以下の信号を遮断するコンデンサが接続されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の測定システム。
【請求項９】
コンデンサを含む共振回路を有する発振回路と、前記コンデンサに並列接続された導体を含むセンシング素子とを有するセンサユニットを用いた測定方法であって、
前記センシング素子を生体の近傍に配置する工程、
前記センシング素子の静電容量の変化による前記発振回路の周波数変化を検出する工程、及び、
前記発振回路の出力周波数の変化から、生体内の測定対象物の動きに対応する周波数帯の周波数変化を抽出する処理を行う工程、を含む測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量の変化を利用して測定対象物の動きを測定する測定システム及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に医療現場では、心臓の活動を調べる検査機器として、聴診器、心電図、脈波センサ等が使用されている。これらのセンサは、音や電気信号等によって心臓の活動を１次元的又は２次元的に捉えるものであるため、心臓の詳細な情報、例えば心臓の３次元的な情報を取得するのには適していない。また、その他の検査機器として、ＣＴスキャン、ＭＲＩ、心臓エコー等も使用されている。これらは、Ｘ線、磁場、超音波等を利用して３次元的に心臓の活動を捉えることが可能であるが、非常に高価であるとともにベッドに寝た状態でしか測定することができないため検査環境が限定される。
【０００３】
一方、本願の発明者は、人体に限らず生物の動きを検出することが可能な測定システムを従前に提案している（特許文献１参照）。この測定システムは、例えば木材の内部等に存在するシロアリなどの害虫の存在を静電容量の変化に基づいて検出するものであり、害虫の存在に起因する微小な静電容量の変化であっても特定の処理を行うことによって検出することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１３８７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
人体における心臓の活動も微小な動きを伴うものであるため、本願の発明者は、特許文献１に記載された測定システムを心臓の活動にも適用することを検討した。しかしながら、人体内には心臓だけでなく様々な臓器等が存在し、心臓と同時に活動している。特許文献１に記載された測定システムでは、心臓の動きをそれ以外の臓器等の動きと区別することができない。
【０００６】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたものであり、静電容量の変化を利用して人体等の生体内の測定対象物の動きを他の動きと識別して測定することが可能な測定システム及び測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の測定システムは、
コンデンサを含む共振回路を有する発振回路と、
生体の近傍に配置され前記コンデンサに並列接続された導体を含むセンシング素子と、
前記発振回路の出力周波数の変化から、生体内の測定対象物の動きに対応する周波数帯の周波数変化を抽出する処理を行う処理装置と、を備えている。
【０００８】
上記測定システムによれば、生体内の臓器等の動きによってセンシング素子の静電容量が変化すると、これに伴って発振回路の出力周波数が変化する。そして、処理装置は、発振回路の出力周波数の変化のなかから生体内の測定対象物の動きに対応した周波数帯における周波数の変化を抽出する処理を行う。そのため、生体内で複数の臓器等が同時に活動し、これらの動きによってセンシング素子の静電容量及び発振回路の出力周波数が変化していたとしても、複数の臓器等のなかから測定対象物となる臓器等の動きによる周波数の変化を識別して抽出し、測定対象物の動きを測定することができる。
なお、上記において「抽出」とは、複数の周波数が重畳された信号から特定の周波数帯の信号を取り出す処理だけでなく、特定の周波数帯以外の信号を取り除く処理も含む。
【０００９】
前記処理装置は、周波数の解析処理によって測定対象物の周波数変化を抽出することが好ましい。ただし、処理装置は、バンドパスフィルター等によって測定対象物の周波数変化を抽出するものであってもよい。
【００１０】
測定システムは、前記発振回路と前記センシング素子とを複数組を備えていることが好ましい。
この場合、生体内の測定対象物の動きを複数個所において測定することが可能となる。
また、前記処理装置は、複数の前記発振回路の出力周波数の変化から抽出した測定対象物の動きによる周波数変化を互いに同期させて出力することが好ましい。
このような構成によって、測定対象物の複数箇所で同時に生じている動きを把握することができ、例えば、測定対象物の動きを３次元的に捉えるために役立てることができる。
【００１１】
前記処理装置は、前記発振回路の出力周波数の変化から、生体の心拍による周波数の変化を抽出することが好ましい。
このような構成により、心臓の動きを測定して心疾患の診断等に役立てることが可能となる。
【００１２】
前記処理装置は、前記発振回路の出力周波数の変化から、生体の呼吸による周波数の変化を抽出することが好ましい。
このような構成により、肺等の動きを測定して呼吸器疾患の診断等に役立てることが可能となる。また、心臓と肺等との複数の動きを測定すれば、両者の疾患の関連性についても把握することが可能となる。
【００１３】
前記処理装置は、前記発振回路の出力周波数の変化から、複数の測定対象物の動きによる周波数の変化をそれぞれ抽出することが好ましい。
このような構成により、複数の測定対象物における疾患の関連性等を把握することが可能となる。
【００１４】
前記センシング素子と直列に、所定の周波数以下の信号を遮断するコンデンサが接続されていることが好ましい。
このような構成によって、発振回路に対するセンシング素子の静電容量の変化以外の入力、例えば心臓からの電気信号の入力を遮断することができ、発振回路の出力の乱れ等を抑制することができる。
【００１５】
本発明の測定方法は、
コンデンサを含む共振回路を有する発振回路と、前記コンデンサに並列接続された導体を含むセンシング素子とを有するセンサユニットを用いた測定方法であって、
前記センシング素子を生体の近傍に配置する工程、
前記センシング素子の静電容量の変化による前記発振回路の周波数変化を検出する工程、及び、
前記発振回路の出力周波数の変化から、生体内の測定対象物の動きに対応する周波数帯の周波数変化を抽出する処理を行う工程、を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、静電容量の変化を利用して生体内の測定対象物の動きを他の動きと識別して測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一実施形態に係る静電容量測定システムの一例を示す構成概略図である。
【図２】心臓とセンシング素子との概略的なモデルの一例を示す図である。
【図３】ＬＣ共振回路における静電容量の変化量と周波数変化量との関係を示すグラフである。
【図４】周波数検出器により検出された心拍の周波数変化を示すグラフと、聴診器による心音の波形とを比較して示す図である。
【図５】（ａ）は周波数検出器によって検出された周波数変化を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の周波数の変化から抽出した心拍による周波数変化を示すグラフ、（ｃ）は（ａ）の周波数の変化から抽出した呼吸による周波数変化を示すグラフである。
【図６】生体内の測定対象物に対応して複数のセンシング素子を配置した様子を示す説明図である。
【図７】生体の複数箇所において検出した周波数変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、測定システムの一実施形態を示す構成概略図である。
測定システム１は、図１に示すように、センサユニット２と、処理装置５０とを備えている。センサユニット２は、ＬＣ共振回路２１を有する発振回路２０と、センシング素子１０と、周波数変換器３０と、周波数検出器４０と、送信機７０とを備えている。処理装置５０は、受信機５２を含む。
【００１９】
センシング素子１０は、導体である板状の電極を有しており、ＬＣ共振回路２１に接続されている。本実施形態の測定システム１は、センシング素子１０の周囲の空間を測定対象空間とする。センシング素子１０は、測定対象空間内に人体（生体）が入るように人体に近づけた状態で用いられる。センシング素子１０は、人体側をグランドとして、当該グランドとの間に静電容量を有する。センシング素子１０の静電容量は、人体内における測定対象物Ｘの動き、例えば臓器の動きに応じて変化する。そして、人体内の測定対象物Ｘの動きに伴うセンシング素子１０の静電容量の変化が、発振回路２０が出力する信号の周波数に反映される。
【００２０】
図１は、測定対象物Ｘとしての心臓の伸縮によってセンシング素子１０と心臓との間の距離が変化し、それによってセンシング素子１０の静電容量（Ｃ０，Ｃ０’）が変化する様子を示している。Ｃ０は、心臓が拡張したときの静電容量であり、Ｃ０’は心臓が収縮したときの静電容量である。
【００２１】
発振回路２０は、コンデンサ２２とコイル２３を有するＬＣ共振回路２１と、ＬＣ共振回路２１に接続されたＬＣ発振器２４とを有する。前述のセンシング素子１０は、コンデンサ２２と並列に接続されている。したがって、ＬＣ発振器２４は、センシング素子１０の静電容量に応じた共振周波数で発振する。そのため、センシング素子１０の静電容量が変化すると、その変化に応じてＬＣ発振器２４より出力される共振周波数も変化する。
【００２２】
具体的には、心臓の拡張時におけるセンシング素子１０の静電容量をＣ０、心臓の収縮時におけるセンシング素子１０の静電容量をＣ０’とし、ＬＣ共振回路２１におけるコンデンサ２２の静電容量をＣ、コイル２３のインダクタンスをＬとし、心臓の拡張時のＬＣ発振器２４の出力周波数（共振周波数）をｆｒ、心臓の収縮時のＬＣ発振器２４の出力周波数（共振周波数）をｆｒ’とすると、心臓の伸縮によるＬＣ発振器２４の出力周波数の変化Δｆは、次の式で表される。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
そのため、ＬＣ発振器２４の出力周波数の変化量を検出することにより、その変化量に基づいてセンシング素子１０の静電容量の変化量ΔＣ、ひいては心臓の動きの大きさ（伸縮量）を測定することができる。
【００２５】
図２は、心臓とセンシング素子との概略的なモデルの一例を示す図である。本実施形態では、センシング素子１０の電極を、心臓よりも小さいサイズの４５ｍｍ×３０ｍｍの長方形板とし、人体の表面から所定距離（２０ｍｍ）だけ離れた位置にセットし、心臓の反対側にグランドに接続された仮想の電極があると想定している。心臓が拡張したときと収縮したときとにおける心臓壁Ｃ１，Ｃ３、心臓内の血液Ｃ２、脂肪Ｃ４、及び皮膚Ｃ５の厚さは図２に示すように設定している。また、これらの要素の誘電率εと空気Ｃ６の誘電率εも図２に示すように設定している。このような数値設定のもとで心臓の伸縮によるセンシング素子１０の静電容量の変化ΔＣを計算により求めると、約４０ｆＦとなる。
【００２６】
図３は、ＬＣ共振回路における静電容量の変化量と周波数変化量との関係を示すグラフである。ＬＣ共振回路のコンデンサとコイルの静電容量Ｃ及びインダクタンスＬが、それぞれＣ＝１．８ｐＦ、Ｌ＝１．５ｎＨである場合、計算により求めたセンシング素子１０の静電容量の変化ΔＣ（約４０ｆＦ）と、ＬＣ共振回路における共振周波数の変化Δｆとは、図３に示すようになる。つまり、センシング素子１０の静電容量が約４０ｆＦ変化すると、ＬＣ発振回路の共振周波数の変化は、約１００ｋＨｚになる。
【００２７】
ＬＣ発振器２４の共振周波数は、周波数変換器３０でダウンコンバートされ、増幅器３４を通した後、周波数検出器４０で検出される。
周波数変換器３０は、一般的なＦＭ受信機で採用されているスーパーヘテロダイン方式により周波数を変換する。周波数変換器３０は、水晶振動子３３と、水晶振動子３３に接続された局部発振器３２と、ミキサ３１とを有する。ＬＣ発振器２４から出力された共振周波数の信号は、水晶振動子３３に接続された局部発振器３２から出力された特定周波数の信号とともにミキサ３１に入力され、周波数の変換が行われる。これにより、ＬＣ発振器２４の共振周波数（出力周波数）がダウンコンバートされる。
【００２８】
測定システム１において、例えば、ＬＣ発振器２４の定常状態（センシング素子１０の静電容量を考慮しない場合）における出力周波数ｆｒが９８ＭＨｚであり、心臓の伸縮に伴うＬＣ発振器２４の出力周波数の変化量Δｆｒが上記のように１００Ｈｚの場合、ＬＣ発振器２４の出力周波数は、９８ＭＨｚ±１００ｋＨｚとなり、心臓が伸縮したことによるＬＣ発振器２４の出力周波数の変化率は約０．１％となる。一方、局部発振器３２の出力周波数を１００ＭＨｚとする周波数変換器３０でＬＣ発振器２４の出力周波数をダウンコンバートした場合、周波数変換器３０の出力周波数は、２ＭＨｚ±１００ｋＨｚとなり、心臓が伸縮したことによる周波数変換器３０の出力周波数の変化率は約５％となる。この場合、出力周波数の変化率は、約５０倍に増幅されることとなる。従って、周波数変換器３０の出力周波数を検出する周波数検出器４０では、出力周波数の変化を高感度で精度良く検出することができる。
【００２９】
図４は、周波数検出器４０により検出された心拍の周波数変化を示すグラフと、聴診器による心音の波形とを比較して示す図である。ただし、心拍の周波数変化と心音とは、呼吸の影響を排除するために呼吸を止めた状態で検出したものである。
図４により、周波数検出器４０によって検出された心拍の周波数変化は、聴診器によって検出した心音とほぼ同期した波形が得られることが分かる。また、周波数検出器４０により検出された心拍の周波数変化は、聴診器による心音の波形に比べてクリアな波形が取得されていることが分かる。
【００３０】
送信機７０は、周波数検出器４０によって検出された周波数の変化についての情報を送信する。受信機５２は、送信機７０に無線接続されており、送信機７０から送信された情報を受信する。処理装置５０は、受信機５２に接続されており、受信機５２で受信した情報に対して所定の処理を行う。
【００３１】
処理装置５０は、周波数検出器４０によって検出された周波数の変化から、心臓の動きによる周波数の変化を抽出する処理を行う。また、処理装置５０は、心臓の動きだけでなくその他の臓器等の動き、例えば呼吸に伴う肺等の動きによる周波数の変化をも抽出する処理を行う。
処理装置５０は、例えば上記の処理を実行するためのソフトウエアがインストールされたパーソナルコンピュータにより構成される。そして処理装置５０は、周波数検出器４０によって検出される周波数の解析処理、具体的には当該周波数の変化を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）することによって周波数帯毎に変化の大きさを求め、心臓やその他の臓器に対応する周波数帯における周波数の変化を抽出する。
【００３２】
図５（ａ）は周波数検出器４０によって検出された周波数変化を示すグラフである。処理装置５０は、図５（ａ）に示す周波数変化を入力としてＦＦＴ処理を行い、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示す周波数変化を抽出する。図５（ｂ）は、図５（ａ）の周波数の変化から抽出した心拍による周波数変化を示すグラフであり、図５（ｃ）は図５（ａ）の周波数の変化から抽出した呼吸による周波数変化を示すグラフである。心拍は、１．０Ｈｚ前後の周波数帯であり、呼吸は、０．２Ｈｚ前後の周波数帯である。
【００３３】
このように人体内の特定の測定対象物についての周波数の変化を抽出することによって、測定対象物についての静電容量の変化を測定することができ、ひいては測定対象物の動きの大きさ（変形量）を測定することが可能となる。そのため、人体のように様々な臓器が同時に活動しているような場合であっても好適に特定の測定対象物の動きを測定することが可能となる。
【００３４】
なお、測定対象物の周波数の変化から静電容量の変化及び測定対象物の変形量を測定するには、例えば、周波数検出器４０によって検出された周波数の変化量と静電容量及び測定対象物の変形量との関係を対応づけたテーブルを処理装置５０の記憶部に予め記憶しておき、検出された測定対象物の周波数の変化をテーブルと照合することによって静電容量の変化量及び測定対象物の変形量を取得することができる。
【００３５】
処理装置５０は、人体内の複数の測定対象物の動きについての周波数の変化を抽出することができるので、複数の測定対象物の動きの関連性について評価することが可能となる。例えば、上記のように心拍と呼吸とによる周波数の変化をそれぞれ同期して抽出することによって、心疾患と呼吸器疾患との関連性を評価することが可能となる。
【００３６】
図１に示すように、発振回路２０は、センシング素子１０とＬＣ共振回路２１との間には、ハイパスフィルタとしてのコンデンサ２５を備えている。コンデンサ２５は、センシング素子１０と直列に配置されている。このコンデンサ２５は、心臓から発せられる電気信号（心電）の周波数、例えば１００ｋＨｚ以下の周波数を遮断する機能を有する。ＬＣ共振回路２１は、センシング素子１０の静電容量の変化の影響のみを受けて信号を出力ことが好ましく、センシング素子１０から入力される電気信号はＬＣ共振回路２１の出力に対するノイズとなる。そのため、コンデンサ２５によって心臓からの電気信号を遮断することによって、当該電気信号による発振回路２０の出力の乱れを抑制することができる。
【００３７】
測定システム１は、複数のセンサユニット２を備えることができる。そして、人体の複数箇所にセンシング素子１０を近づけ、心臓等の測定対象物の動きを複数個所で同時に測定することができる。図６は、人体内の測定対象物Ｘの前後左右の４か所に対応してセンシング素子１０を配置し、測定対象物Ｘの動きに伴う静電容量Ｃ０ａ〜Ｃ０ｄ，Ｃ０’ａ〜Ｃ０’ｄの変化を各センサユニット２の出力周波数の変化として検出する例を示している。また、図７は、各センサユニット２における出力周波数の変化を示す。図７から、測定対象物Ｘの動きに対応して全てのセンサユニット２で出力周波数の変化が好適に検出されていることが分かる。
【００３８】
処理装置５０は、各センサユニット２で検出された出力周波数の変化を、それぞれセンシング素子１０の静電容量の変化に換算し、さらにセンシング素子１０に対向する方向の測定対象物Ｘの動きの大きさ（測定対象物Ｘの変形量）に換算し、これらを同期させて出力する。このように求められた測定対象物Ｘの変形量を用いることによって、例えば、測定対象物Ｘの３次元画像をリアルタイム又は事後的に変形させ、測定対象物の動きを立体的に把握するために役立てることができる。なお、複数のセンサユニット２において、水晶振動子３３と局部発振器３２とは互いに共用されていてもよく、少なくともセンシング素子１０と発振回路２０とが複数組備わっていればよい。
【００３９】
測定システム１において、センサユニット２と処理装置５０とは送信機７０及び受信機５２を介して無線接続されているが、両者は有線で接続されていてもよい。ただし、有線の存在がセンシング素子１０の静電容量の変化に影響を与える可能性もあるため、センサユニット２と処理装置５０とは無線接続することがより好ましい。また、センサユニット２と処理装置５０とを無線接続することによって、センサユニット２のみを容易に持ち運ぶことができ、測定環境の選択の自由度が高め、測定環境の変更も容易となる。
【００４０】
センシング素子１０は、人体の近傍に配置して使用される。例えば、センシング素子１０は、人体やその着衣から離した状態（非接触の状態）で使用される。そのため、本実施形態の測定システム１は、非侵襲で測定対象物Ｘの動き、例えば心臓の拡張・収縮を測定することができる。また、衣服の上から測定対象物Ｘの動きを測定することが可能であるため、測定環境の自由度をより高めることができる。例えば、自動車等の乗り物のシートの背もたれやシートベルトにセンシング素子を取り付けておき、ドライバーがシートに着座し、シートベルトを装着することによってセンシング素子を人体の近傍に配置し、運転中におけるドライバーの心臓等の動きを測定することも可能となる。この場合、測定結果は、例えばドライバーの体調不良に起因する事故の発生を防止するために利用することができる。
【００４１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において適宜設計変更可能である。
上記実施形態の測定システムでは、コンデンサを含む共振回路として、ＬＣ共振回路を使用しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ＲＣ共振回路を使用することもできる。
【００４２】
ハイパスフィルタを構成するコンデンサ２５は、センシング素子１０とＬＣ発振器２４との間に限らず、センシング素子１０と直列に接続されていればよい。
処理装置５０は、ＦＦＴ処理のような周波数解析によって特定の測定対象物の周波数変化を抽出していたが、バンドパスフィルターを用いることによって特定の測定対象物の周波数変化を抽出してもよい。
【００４３】
本発明は、人体以外の生体にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１      ：測定システム
１０    ：センシング素子
２０    ：発振回路
２１    ：ＬＣ共振回路
２２    ：コンデンサ
２５    ：コンデンサ
５０    ：処理装置
Ｘ      ：測定対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2018186890.tif 000008
【図６】
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【図７】
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