(57)【要約】【課題】  １軸方向成分のみ検出可能な圧力センサーをマトリクス状に複数配置したセンサーによるトノメトリ法では測定精度の低下要因となるセンサー位置や押し付け量の影響をキャンセルすることが困難である。【解決手段】  所定の角度で交わる２以上の軸方向の圧力を検出可能な複数の多軸圧力センサーを所定の条件で被測定者に取り付け、複数の多軸圧力センサーの各軸の信号に基づいて演算を行い、センサー位置のずれや押し付け量の多寡が測定精度に影響しないようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定者の生体情報を圧力センサーで測定する生体情報取得装置であって、
所定の角度で交わる２以上の軸方向の圧力を検出する複数の多軸圧力センサーと、
前記多軸圧力センサーの各軸の成分の信号を検出して前記多軸圧力センサーの各軸の信号を演算する演算装置と、
を備え、
前記複数の多軸圧力センサーは前記被測定者に取り付けられ、
前記被測定者の生体情報は圧力として前記多軸圧力センサーに入力され、
前記演算装置は、前記多軸圧力センサーが検出した各軸成分の信号に基づいて取り付け位置のずれおよび押し付け量を求めて前記多軸圧力センサーの取り付け位置のずれおよび押し付け量に起因する精度悪化を低減させる、
ことを特徴とする生体情報取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサーを用いて生体情報を取得する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以前より圧力センサーを用いて生体情報を取得しようとする試みがなされてきた。
例えば、特開２００４−３２１４７３に開示されている技術のような、１軸方向成分のみに感度を有する圧力センサーをマトリクス状に複数配置したセンサーを用いて血圧を測定するトノメトリ法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３２１４７３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
（装着熟練問題）
しかしながら、トノメトリ法での血圧測定を行うために被測定者の腕部へ圧力センサーを装着する際には、訓練を受けた医療従事者が行う必要がある。よって被測定者が自身の腕部へ圧力センサーを装着するのは困難であるという問題がある。
【０００５】
（測定条件問題）
また、トノメトリ法での血圧測定を連続して行う場合、被測定者は安静にしている必要がある。よって日常生活の様々な体動のある条件においては、事実上トノメトリ法は使用できないという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、２以上の軸方向成分の圧力を検出可能な多軸圧力センサーを複数用いて装着のずれや押し付け量等を演算することにより、被測定者自身が装着可能であり且つ日常生活においても連続して使用可能な生体情報取得装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の問題を解決すべく本発明が成された。
【０００８】
本発明の生体情報取得装置は、被測定者の生体情報を圧力センサーで測定する生体情報取得装置であって、所定の角度で交わる２以上の軸方向の圧力を検出する複数の多軸圧力センサーと、多軸圧力センサーの各軸の成分の信号を検出して多軸圧力センサーの各軸の信号を演算する演算装置と、を備え、複数の多軸圧力センサーは前記被測定者に取り付けられ、被測定者の生体情報は圧力として多軸圧力センサーに入力され、演算装置は、多軸圧力センサーが検出した各軸成分の信号に基づいて取り付け位置のずれおよび押し付け量を求めて多軸圧力センサーの取り付け位置のずれおよび押し付け量に起因する精度悪化を低減させることを特徴としている。
【０００９】
この特徴により、センサー位置のバラツキや押し付け量の多寡が測定精度に影響しないようにすることができる。
【００１０】
結果として、測定者自身による装着や、日常生活における連続した生体情報取得が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により高精度且つ連続した生体情報取得が実現可能となり、前述の装着熟練問題や測定条件問題が解決できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明装置の概要を示す図である。
【図２】本発明装置の多軸圧力センサーが生体組織に装着された状態を模式的に示す図である。
【図３】本発明装置の演算要素を機械要素で表現した図である。
【図４】図３の機械要素の部分を詳細にした図である。
【図５】本発明装置の実験で用いた３軸圧力センサーを示す図である。
【図６】本発明装置の実験で用いた模擬手首の断面を示す図である。
【図７】本発明装置の実験結果である△ＺとＦ２Ｚとの関係を複数の△Ｘについて示すグラフである。
【図８】本発明装置の実験結果である△Ｘとαおよびβの関係について示すグラフである。
【図９】本発明装置の実験結果であるＦ２Ｚと（Ｆ１Ｘ／Ｆ１Ｚ）との関係を複数の△Ｘについて示すグラフである。
【図１０】本発明装置の実験結果であるＦ１ＺとＦ１Ｘとの関係を複数の△Ｘについて示すグラフである。
【図１１】本発明装置の実験結果である内圧ＰとＦ１Ｚとの関係を複数の△Ｚについて示すグラフである。
【図１２】本発明装置の実験結果である△Ｚに対する傾きａの関係を複数の△Ｘについて示すグラフである。
【図１３】本発明装置の実験結果である△Ｚに対する切片ｂの関係を複数の△Ｘについて示すグラフである。
【図１４】本発明装置の実験結果である△Ｘに対するａ１およびａ２の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。
【００１４】
まず、本発明装置の計測の原理について、図１〜図４を参照しながら説明する。
図１は、本発明装置の構成の概要を示している。
本発明の生体情報取得装置の一実施の形態は、被測定者の人体の一部、例えば手首の生体組織１０に装着してその血管１１の血圧を測定する血圧測定装置である。２つの多軸圧力センサー１４、１５を手首の生体組織１０に取り付け、多軸圧力センサー１４、１５から得られた各軸の成分の信号を演算する演算装置を含む信号処理部２２、記憶部２３、操作部２４、表示部２５を備えている。信号処理部２２、記憶部２３、操作部２４、表示部２５は、全体として情報処理装置を構成しており、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）でも実現できる。信号処理部２２では、多軸圧力センサー１４、１５が検出した、各軸の成分を検出し、各軸の信号を用いて演算を行い、血管からのずれ、多軸圧力センサー１４、１５の押し付けによって生ずる精度の悪化を低減する。結果は、表示部２５に表示する。記憶部２３は、装置の制御、取得したデータ、演算結果等を記憶する。操作部２４は、操作入力を行う。
【００１５】
図２は、多軸圧力センサー１４、１５が被測定者の生体組織に装着された状態を模式的に表したものである。
この図２において、上下方向がＺ軸であり、左右方向がＸ軸であり、前後方向がＹ軸である。多軸圧力センサー１４および多軸圧力センサー１５は基板に配置されており、生体組織１０に対してＺ軸方向の押圧力をもって装着されている。そのため、△Ｚだけ生体組織の表面が窪んでいる。
血管１１は人体の生体組織内に存在し、血管中心と生体組織表面のＺ軸での距離がｄである。多軸圧力センサー１４、１５は血管１１の直上に必ずしも取り付けることができないので、Ｘ軸方向のズレ量を△Ｘとする。
【００１６】
多軸圧力センサーは２以上の異なる方向の軸について感度を有するものであるとするが、この図に於いてはＺ軸方向とＸ軸方向について最低限感度を有することとする。
多軸圧力センサー１４が測定するＸ軸方向の圧力をＦ１Ｘ、Ｚ軸方向の圧力をＦ１Ｚとする。同じく、多軸圧力センサー１５が測定するＸ軸方向の圧力をＦ２Ｘ、Ｚ軸方向の圧力をＦ２Ｚとする。
多軸圧力センサー１４には「血管からの圧力」と「△Ｚを生じる元となる装着の押圧力」の双方の成分が混合して入力され、多軸圧力センサー１５には「△Ｚを生じる元となる装着の押圧力」が入力されることになる。
【００１７】
図３は、図２に示したもののうち、生体組織に関するものを機械要素に置換えて表現したものである。
図４は、図３のθについて詳細にしたものである。
血管からの圧力は多軸圧力センサー１４へＸ軸Ｚ軸それぞれについてＦ１ＸおよびＦ１Ｚとして入力されるが、これをモデル化してバネ１と考え、このバネ定数をｋ１とする。
また、血管中心から多軸圧力センサーまでの直線距離をｌ、ｌとＺ軸がなす角をθとする。
θは、△Ｘ／ｌ＝ｃｏｓθ、（ｄ―△Ｚ）／ｌ＝ｓｉｎθ、と定義できる。
多軸圧力センサー１５についてはＺ軸方向のみを参酌することとし、Ｚ軸方向に作用する圧力Ｆ２Ｚをモデル化してバネと考え、同様にこのバネ定数をｋ２とする。
【００１８】
既知の論文「”トノメトリ法を応用した新しい血圧計の開発”中村翔太・藤本哲男（芝浦工業大学）福祉工学シンポジウム２００８」より、図３および図４に示したものを以下のように展開できる。
（１）  −Ｆ１Ｘ＝ｋ１（α△ｌ２＋β△ｌ）ｃｏｓθ
（２）  −Ｆ１Ｚ＝ｋ１（α△ｌ２＋β△ｌ）ｓｉｎθ
（３）  −Ｆ２Ｘ＝０
（４）  −Ｆ２Ｚ＝ｋ２△Ｚ
ｋ１は血管のバネ定数であり血圧Ｐの一次関数である。
（５）  −ｋ１≒ｋ（１＋Ｐ／Ｐ０）
【００１９】
前述の（２）と（５）より、
−Ｆ１Ｚ＝ａＰ＋ｂ
＋ａ＝ａ１△Ｚ２＋ａ２△Ｚ
＋ａ＝（ａ１１△Ｘ２＋ａ１２△Ｘ＋ａ１３）△Ｚ２＋（ａ２１△Ｘ２＋ａ２２△Ｘ＋ａ２３）△Ｘ
となる。
また＋ｂについても同様となる。
血圧ＰはＦ１Ｚの一次関数であり、この関数の傾きａと切片ｂは△Ｘと△Ｚの関数である。
【００２０】
上述の（４）より
＋Ｆ２Ｚ＝ｋ２△Ｚ
なので、ｋ２が定数であるためＦ２Ｚから△Ｚが算出可能となる。
更に、上述の（１）（２）（４）より、
＋Ｆ１Ｘ＝Ｆ１Ｚ／ｔａｎθ
＋△Ｘ／（ｄ−△Ｚ）＝Ｆ１Ｚ／Ｆ１Ｘ
＋（Ｆ１Ｚ／Ｆ１Ｘ）＝−αＦ１Ｚ＋β
となり、
−α＝ｋ１／△Ｘ
β＝ｄ／△Ｘ
となる。
Ｆ１Ｚ／Ｆ１ＸはＦ１Ｚの一次関数であり、その傾きと切片は△Ｘに反比例する特徴より、△Ｘが算出可能となる。
結果、△Ｘおよび△Ｚは算出可能であるため、血圧Ｐを表すＦ１Ｚの一次関数の傾きα、切片ｂを算出でき、傾きａおよび切片ｂを算出する際の精度を高めることができ、多軸圧力センサーの取り付け位置のずれ、および押し付け量による精度の悪化を軽減できる。
【００２１】
ここまでに説明した通り、本発明装置によれば血圧Ｐを精度高く求められることが理論上導かれたことになる。
これ以降では、上述の理論について実験による実証を行った結果について、図面を参酌しながら説明していく。
【実施例１】
【００２２】
図５は、実験に使用した多軸圧力センサーの表面側の大きさを示す。実験に使用した多軸圧力センサーは、タッチエンス社製の３軸圧力センサーである２Ｖ−３６であって、３軸圧力センサーの径は、２．３ｍｍ、２つの３軸圧力センサーの中心間距離は３．４ｍｍ（センサー縁の間隔は１．１ｍｍ）である。この３軸圧力センサーはＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術によって実現されているが、本発明の圧力センサーとしてはＭＥＭＳ技術に限定する必要は無く、他の方式（例えば静電容量式）のものを用いても良い。
【００２３】
図６は、実験に使用した模擬手首の断面を示している。模擬手首は、升状の容器であり、４つある壁面のうち正対する２つのほぼ中央をシリコンチューブが貫通している。そして、容器内はゲル状物質が充填されている。このゲル状物質は人間の生体組織とほぼ同じ物理特性となるように選択した。
シリコンチューブは血管を模したもので、物理素性は同じになるものとし、特に手首の橈骨動脈を想定した外径および内径を選択した。更に容器内におけるシリコンチューブの深さは、図６に示すように実際の人間の手首と同程度となるようにした。
シリコンチューブ内には制御性の良さの観点より空気が封入されている。しかしながら空気に限定する必要は無く空気以外の他の気体（窒素ガスやヘリウムガス）であっても良く、更には液体（例えば血液と同程度の比重・粘度を持ったもの）を選択しても良い。シリコンチューブの一端は、図示していないシリンジに接続され、もう一端は閉じられる。
【００２４】
実験では、シリコンチューブの一端のシリンジの押圧をＰＣにより制御することによって、シリコンチューブの内圧を制御し、模擬手首に取り付けられている３軸圧力センサーの各軸の圧力を計測して、その結果をオシロスコープにより波形を観測し、３軸圧力センサーの測定値をＰＣに取り込んだ。
まず、ＰＣによってモータを制御してシリンジへの押圧力を変化させる。
シリンジは前述のシリコンチューブに接続されており、シリコンチューブのもう一端は閉じられているので、シリンジへの押圧により、シリコンチューブの内圧も高まる。逆にシリンジへの押圧を止めるとシリコンチューブの内圧も下がる。
シリコンチューブの閉じられている側の一端にはシリコンチューブの内圧を検出する圧力センサーが取り付けられており、シリコンチューブの内圧を直接的に計測することが可能である。この内圧計測情報はＰＣへ集積される。
更に、模擬手首には上述の２つの３軸圧力センサーが取り付けられており、２つの３軸圧力センサーＸＹＺ各軸の圧力をそれぞれ独立して計測し、結果をＰＣへ転送する。
オシロスコープを用いて、圧力センサーおよび３軸圧力センサーの出力信号やモータの制御信号などの波形を観測した。
【００２５】
続いて、圧力センサーおよび３軸圧力センサーの測定値をＰＣへフィードバックさせながらモータを制御してシリンジへの押圧力を変化させ、オシロスコープなどで波形を確認しながら、各種条件における計測を行った結果について、説明する。
【００２６】
図７は、△ＺとＦ２Ｚとの関係を、複数の△Ｘについてプロットしたものである。
−△Ｘ＜０．０の領域において、△Ｚとは非線型の関係となる。この領域では血管が２つの３軸圧力センサーの間には入り込むため、本来意図した条件を満たしていない可能性が有り、想定通りの線形の関係にはならない。
しかしながら、−△Ｘ＞＝０．０の領域では△ＺとＦ２Ｚとの関係には線形性が認められる。
なお、このグラフの場合、
Ｆ２Ｚ＝０．００５△Ｚ
となる。
【００２７】
図８は、△Ｘとαおよびβの関係についてプロットしたものである。
理論上では反比例特性となるべきところ、αについては緩やかな変化に留まり、βについては一部が尖鋭な特性となった。これは、モデル化において模擬手首に使用されているゲル状物質の持つ弾性特性を考慮した結果であるが、ゲル状物質の粘性特性を更に考慮に入れることでより良い結果になる可能性がある。
【００２８】
図９は、Ｆ２Ｚと（Ｆ１Ｘ／Ｆ１Ｚ）との関係を、複数の△Ｘについてプロットしたものである。
各△Ｘについて、Ｆ２Ｚと（Ｆ１Ｘ／Ｆ１Ｚ）に線形の関係が見られる。
図１０は、Ｆ１ＺとＦ１Ｘとの関係を、複数の△Ｘについてプロットしたものである。
こちらも各△Ｘについて、はっきりとした傾向のある関係性が確認できる。
【００２９】
次に、内圧との関係性の実験結果について説明する。
図１１は、内圧ＰとＦ１Ｚとの関係を、複数の△Ｚについてプロットしたものである。
各△Ｚについて線形な関係が認められるので、この線形関係のパラメータ（傾きａおよび切片ｂ）に△Ｚが強く相関している。
例えば、△Ｚ＝２．６においては、
Ｆ１Ｚ＝０．００１６Ｐ＋１．４
となる。
【００３０】
図１２および図１３は、△Ｚに対する傾きａおよび切片ｂの関係を、複数の△Ｘについてプロットしたものである。
例えば、−△Ｘ＝０．０においては、
＋ａ＝０．０００６０△Ｚ２−０．０００９８△Ｚ
＋ｂ＝０．３０△Ｚ２−０．２６△Ｚ
となる。
このように、△Ｚが傾きａおよび切片ｂに対して明確に影響していることがわかる。
【００３１】
図１４は、△Ｘに対するａ１およびａ２の関係をプロットしたものである。
△Ｘに対しては相関があり、
−ａ１＝−０．０００５△Ｘ２＋０．０００９△Ｘ＋０．０００７
−ａ２＝０．０００４△Ｘ２＋０．００１９△Ｘ−０．００１１
となる。
なお、ｂ１およびｂ２についても同様に△Ｘの関数であるので、同様に相関がある。
【００３２】
以上までに、モデル化された血管等生体組織に基づいて導かれた理論に対する実験の結果を説明してきた。
説明の過程で明確に示された各数式およびパラメータが実際の生体の挙動と強く関連しているのは明白であり、本発明によって開示された技術を用いることで生体情報を精度高く計測できるようになるのは確実である。
【実施例２】
【００３３】
なお、上述の実施例１では、生体情報として血圧の絶対値を想定して説明してきた。しかしながら実際には、多軸圧力センサーの各軸の信号に基づいて脈波波形を高精細に取得し、この波形の特徴から血圧値を導いている。よって、脈波波形の特徴から血圧値以外の生体情報（脈拍・呼吸・自律神経失調）を導くようにしても良い。
【００３４】
以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
量産可能な圧力センサーを使用して生体情報取得を高精度で実現でき、高い経済性と実用性、広い応用可能性を得られるなどの効果を有している。
【符号の説明】
【００３６】
１０  生体組織（手首の）
１１  血管
１４、１５  多軸圧力センサー
２２  信号処理部
２３  記憶部
２４  操作部
２５  表示部
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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