(57)【要約】【課題】衝撃受環境下において精度よく生体電気信号を取得できるウエアラブル電極、循環血流量の推定装置、循環血流量の推定方法、心拍出量の推定装置、及び心拍出量の推定方法を提供する。【解決手段】パイロット５０が身につけるイヤーパッド１２及びスパッツ部２１と、イヤーパッド１２及びスパッツ部２１に取り付けられ、パイロット５０に接触してパイロット５０が発する生体信号を取得する電極部１３，２２と、を備える。電極部１３，２２は、ヘルメット６０、椅子７０とパイロット５０との間に配置されたイヤーパッド１２及びスパッツ部２１に取り付けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体が身につける布帛と、
前記布帛に取り付けられ、前記生体に接触して前記生体が発する生体信号を取得する電極部と、を備え、
前記電極部は、衝撃受環境下で使用される衝撃吸収保護具と前記生体との間に配置された布帛に取り付けられていることを特徴とするウエアラブル電極。
【請求項２】
前記衝撃吸収保護具は、移動体へ搭乗した前記生体が使用する物品である請求項１に記載のウエアラブル電極。
【請求項３】
前記衝撃吸収保護具は、前記生体が装着する頭部保護部材と前記生体が着座する着座部材とのうちの少なくとも一方である請求項２に記載のウエアラブル電極。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のウエアラブル電極と、
前記ウエアラブル電極によって取得された生体信号に基づいて、前記生体の循環血流量を推定する循環血流量推定部と、
を備える循環血流量の推定装置。
【請求項５】
請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のウエアラブル電極と、
前記ウエアラブル電極によって取得された生体信号に基づいて、前記生体の心拍出量を推定する心拍出量推定部と、
を備える心拍出量の推定装置。
【請求項６】
請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のウエアラブル電極によって前記生体の生体信号を取得し、
前記ウエアラブル電極が取得した前記生体信号に基づいて、前記生体の循環血流量を推定する循環血流量の推定方法。
【請求項７】
請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のウエアラブル電極によって前記生体の生体信号を取得し、
前記ウエアラブル電極が取得した前記生体信号に基づいて、前記生体の心拍出量を推定する心拍出量の推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエアラブル電極、循環血流量の推定装置、循環血流量の推定方法、心拍出量の推定装置、及び心拍出量の推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二輪車や四輪車の運転者や航空機のパイロット等のように一定時間座って業務を行う者の健康管理や安全管理は、循環血流量を一定時間連続的にモニタすることによって有効的に行うことができる。循環血流量の検出は、例えば血流計を用いて行われる。血流計としては、レーザーを使用したものがある（例えば、非特許文献１参照）。他の血流計としては、超音波を用いたものがある（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】オメガウェーブ株式会社ホームページ、光ファイバー式レーザー血流計(測定原理)［online］［平成２９年７月１２日検索］、インターネット〈URL：http://www.omegawave.co.jp/products/flo/principle.shtml〉
【非特許文献２】日本光電株式会社ホームページ、［online］［平成２９年７月１２日検索］、インターネット〈URL：http://www.nihonkohden.co.jp/iryo/clinical/department09/subcat57.html
【非特許文献３】五十嵐ら、「心臓血液駆出に伴う胸部インピーダンス変化検出による電気的インピーダンス心拍出量計測用至適スポット電極配置」、生体医工学Ｖｏｌ．４６（２００８）Ｎｏ．６、Ｐ５８７−５９４、２００９年５月２２日、日本生体医工学会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の血流計は、使用者が安定した状態にあることを前提として心拍出量の検出を行う。上述した運転者やパイロットのように、振動や高重力（Gravity、以下「Ｇ」という。）などによる衝撃に曝されることが多い環境（以下「衝撃受環境」という。）で業務を行う者は、安定した状態にあることが少ない。また、運動を行う者の測定も衝撃受環境下の不安定な状態で行われることが多い。このため、従来の血流計では、衝撃受環境下において一定の動作を行う使用者について生体信号を精度よく取得することが困難であった。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、ウエアラブル電極、循環血流量の推定装置、循環血流量の推定方法、心拍出量の推定装置、及び心拍出量の推定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、生体が身につける布帛と、前記布帛に取り付けられ、前記生体に接触して前記生体が発する生体信号を取得する電極部と、を備え、前記電極部は、衝撃受環境下で使用される衝撃吸収保護具と前記生体との間に配置された布帛に取り付けられているウエアラブル電極である。
【０００７】
本発明の一態様は、前記衝撃吸収保護具は、移動体へ搭乗した前記生体が使用する物品であるウエアラブル電極である。
【０００８】
本発明の一態様は、前記衝撃吸収保護具は、前記生体が装着する頭部保護部材と前記生体とが着座する着座部材のうちの少なくとも一方であるウエアラブル電極である。
【０００９】
本発明の一態様は、上記のウエアラブル電極と、前記ウエアラブル電極によって取得された生体信号に基づいて、前記生体の心拍出量を推定する心拍出量推定部と、を備える心拍出量の推定装置である。
【００１０】
本発明の一態様は、上記のウエアラブル電極と、前記ウエアラブル電極によって取得された生体信号に基づいて、前記生体の循環血流量を推定する循環血流量推定部と、を備える循環血流量の推定装置である。
【００１１】
本発明の一態様は、上記のウエアラブル電極によって前記生体の生体信号を取得し、前記ウエアラブル電極が取得した前記生体信号に基づいて、前記生体の心拍出量を推定する心拍出量の推定方法である。
【００１２】
本発明の一態様は、上記のウエアラブル電極によって前記生体の生体信号を取得し、前記ウエアラブル電極が取得した前記生体信号に基づいて、前記生体の循環血流量を推定する循環血流量の推定方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、衝撃受環境下において精度よく生体信号を取得できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態の循環血流量及び心拍出量の推定装置の構成図である。
【図２】ヘッドキャップ型ウエアラブル電極の電極部の配置を説明する図である。
【図３】スパッツ型ウエアラブル電極の電極部の配置を説明する図である。
【図４】パイロットの循環血流量及び心拍出量の推定手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明に係る循環血流量及び心拍出量の推定装置及び推定方法の一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。なお、以下の図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の厚さや寸法の比率を調整している。図１に示すように、一実施形態の循環血流量及び心拍出量推定装置１００は、ウエアラブル電極１及び制御部２を備えている。ウエアラブル電極１は、どのような者に装着されてもよい。ウエアラブル電極１は、例えば移動体である航空機のパイロット５０が装備して使用される。
【００１６】
ウエアラブル電極１は、ヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０と、スパッツ型ウエアラブル電極２０と、を備えている。ヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０は、キャップ部１１を備えている。キャップ部１１は、布帛によって形成されている。キャップ部１１の形状は、いわゆる頭巾状である。キャップ部１１は、パイロット５０が頭部に被るように身に着けて使用される。
【００１７】
キャップ部１１の内側部の左右位置には、それぞれイヤーパッド１２が取り付けられている。図１では、右側のイヤーパッド１２を示しているが、左側の位置にも同様のイヤーパッド１２が取り付けられている。イヤーパッド１２は、図２に示すように、パイロット５０の外耳５１を覆うことができるように、人間の外耳として想定される大きさよりも大きくなっている。イヤーパッド１２は、パイロット５０がヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０を装着したときにパイロット５０の外耳５１を覆う位置に配置されている。
【００１８】
右側のイヤーパッド１２の内側には、２つの電極部１３が取り付けられている。電極部１３は、電極と布を備えている。電極部１３の電極は、パイロット５０に接する表面に導電層を有している。電極部１３は、イヤーパッド１２をカバーする布の上に取り付けられていてもよいし、イヤーパッド１２の表面に直接設置されていてもよい。また、電極部１３の裏面に防水層によって裏打ちがされていてもよい。電極部１３は、パイロット５０がヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０を装着すると、パイロット５０の外耳５１に接触する。パイロット５０の外耳５１に接触する電極部１３は、パイロット５０の電気的な生体信号を取得する。このとき、電極部１３は、イヤーパッド１２とパイロット５０の右耳の外耳５１（又は頭部）に挟み込まれている。ヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０は、電極部１３を使用者であるパイロット５０の素肌に密着させて使用する。電極部１３は、外耳もしくはその周囲の頭部の素肌に密着して使用するが、特に外耳の前方の側頭部に密着させることが望ましく、側頭部における浅側頭動脈が走行する領域に密着させることがより望ましい。また、２つの電極部１３は、体軸の上下に間隔をあけて配置されることが望ましい。
【００１９】
パイロット５０は、航空機を操縦する際には、頭部にヘルメット６０を装着して使用する。ヘルメット６０は、航空機に搭乗したパイロット５０が、衝撃受環境下で使用する衝撃吸収保護具である。ヘルメット６０は、パイロット５０が装着する頭部保護部材でもある。電極部１３は、パイロット５０がヘルメット６０を装着することにより、イヤーパッド１２を介してパイロット５０の耳により強く押し付けられる。このため、電極部１３は、パイロット５０の外耳５１（又は頭部）により確実に接触する。
【００２０】
図１及び図３に示すように、スパッツ型ウエアラブル電極２０は、スパッツ部２１を備えている。スパッツ部２１は、布帛によって形成されている。スパッツ部２１は、パイロット５０が両脚部をそれぞれ通すことで、身に着けて使用される。スパッツ部２１は、着用したパイロット５０の臀部を覆う部分と大腿部を覆う部分とを備えている。
【００２１】
スパッツ部２１は、表地及び裏地を有している。裏地の表側とは反対側には、２つの電極部２２が取り付けられている。電極部２２は、電極部１３と同様に、パイロット５０に接する表面の導電層を有している。電極部２２は、パイロット５０がスパッツ型ウエアラブル電極２０を装着すると、パイロット５０の臀部及び大腿部の少なくとも一方に接触する。パイロット５０の臀部及び大腿部の少なくとも一方に接触する電極部２２は、パイロット５０の電気的な生体信号を取得する。
【００２２】
電極部２２は、スパッツ部２１における臀部を覆う部分と大腿部を覆う部分との境目付近に配置されている。２つの電極部２２は、パイロット５０の臀部の片側もしくは大腿部に間隔をあけて上下に配置することが望ましい。パイロット５０は、航空機に搭乗した際、椅子７０に着座して椅子７０を使用する。椅子７０は、航空機に搭乗したパイロット５０が、衝撃受環境下で使用する衝撃吸収保護具である。椅子７０は、パイロット５０が着座する着座部材でもある。パイロット５０が航空機の椅子７０に着座すると、椅子７０の上には、パイロット５０の大腿部と臀部の境目の近傍位置が配置される。パイロット５０が椅子７０に着座したとき、電極部２２は、パイロット５０の大腿部及び臀部の少なくとも一方と椅子７０とに挟み込まれている。スパッツ型ウエアラブル電極２０は、電極部２２を使用者であるパイロット５０の素肌に密着させて使用する。
【００２３】
ヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０及びスパッツ型ウエアラブル電極２０にそれぞれ取り付けられた電極部１３，２２には、いずれも配線３０が接続されている。電極部１３，２２は、配線３０を介して制御部２に接続されている。ウエアラブル電極１は、ヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０及びスパッツ型ウエアラブル電極２０にそれぞれ取り付けられた電極部１３，２２によってパイロット５０の電気的な生体信号を取得する。ヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０及びスパッツ型ウエアラブル電極２０は、取得したパイロット５０の電気的な生体信号を制御部２に送信する。
【００２４】
制御部２は、推定部を備えている。推定部は、循環血流量及び心拍出量を推定する。制御部２は、循環血流量及び心拍出量のいずれか一方を推定するものでもよい。制御部２は、ヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０及びスパッツ型ウエアラブル電極２０から送信された電気的な生体信号に基づいて、パイロット５０の心拍出力を推定する。また、推定部は、頭部血流量、頭部血流量の増減を推定できるものでもよい。制御部２は、推定した循環血流量や心拍出量から、パイロット５０の血圧を算出する。制御部２は、算出した血圧を例えば図示しない記憶部に記憶したり、図示しない表示部に表示したりする。算出されたパイロット５０の血圧は、パイロット５０の健康管理や安全管理に役立てることができる。
【００２５】
次に、制御部２において行われるパイロット５０の心拍出量の推定処理について説明する。図４に示すように、パイロット５０の心拍出量を推定する際、制御部２は、電極部１３，２２から送信される生体信号を受信したか否かを判断する（ステップＳ１０）。その結果、生体信号を受信していない場合（ステップＳ１０；ＮＯ）、制御部２は、生体信号を受信するまでステップＳ１０の処理を繰り返す。
【００２６】
ステップＳ１０において、生体信号を受信したと判断した場合（ステップＳ１０；ＹＥＳ）、制御部２は、受信した生体信号に基づいて循環血流量及び心拍出量の推定値を算出する（ステップＳ２０）。制御部２は、心臓を挟んで電極１３と電極２２の間で計測された生体信号に基づいて心拍出量を推定する。制御部２は、電極１３と電極２２の間で計測された生体信号に基づいて電極近傍の血管の循環血流量並びに血液量を推定する。
【００２７】
制御部２は、下記（１）式を用いて心拍出量の推定値を算出する。なお、Ｚは、インピーダンスである。
ＣＯ＝−ρb・（Ｌ／Ｚ０｜mean）２・ｄＺ／ｄｔmin・Ｔs・ＨＲ  ・・・（１）
（１）式において、ＣＯ：心拍出量の推定値
ρb：血液比抵抗値（例えば１５０Ω・ｍ）
Ｌ：検出電極間距離
Ｚ０｜mean：一心拍分の差分Ｚ０平均値
ｄＺ／ｄｔmin：ΔＺ波から算出したｄＺ／ｄｔ波の負のピーク値
Ｔs：心室駆出時間（ｓ）
ＨＲ：瞬時心拍数（１／min）
【００２８】
こうして、制御部２は、心拍出量の推定値を算出した後、パイロット５０の心拍出量の推定処理を終了する。
【００２９】
以上説明したように、この発明の一実施形態に係る循環血流量及び心拍出量推定装置１００のウエアラブル電極１は、ヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０及びスパッツ型ウエアラブル電極２０にそれぞれ取り付けられた電極部１３，２２を備えている。心拍出量推定装置１００は、これらの電極部１３，２２によって取得されたパイロット５０の生体信号に基づいて、パイロット５０の心拍出量を推定する。
【００３０】
ウエアラブル電極１のヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０の電極部１３は、イヤーパッド１２に取り付けられている。イヤーパッド１２は、パイロット５０が装着するヘルメット６０によってパイロット５０の頭部に押さえつけられている。このため、ウエアラブル電極１は、航空機が強いＧを発生させたり、激しく振動したりしたときでも、電極部１３とパイロット５０の外耳５１との接触を確実に維持することができる。したがって、衝撃受環境下において、精度よく生体信号を取得できる。
【００３１】
また、ウエアラブル電極１のスパッツ型ウエアラブル電極２０の電極部２２は、パイロット５０の大腿部及び臀部の境目付近に配置されている。パイロット５０の大腿部及び臀部の境目付近は、パイロット５０が椅子７０に着座した際、パイロット５０の大腿部及び臀部の少なくとも一方と椅子７０とに挟み込まれる位置である。このため、電極部２２は、パイロット５０の体重により、椅子７０からの反作用を受けてパイロット５０の大腿部及び臀部に押さえつけられている。このため、ウエアラブル電極１は、航空機強いＧを発生させたり、激しく振動したりしたときでも、電極部２２とパイロット５０の大腿部及び臀部との接触を確実に維持することができる。したがって、衝撃受環境下において、精度よく生体信号を取得できる。
【００３２】
また、ウエアラブル電極１が衝撃受環境下においても精度よく生体信号を取得できるので、循環血流量及び心拍出量推定装置１００は、衝撃受環境下でも精度よくパイロット５０の心拍出量を推定できる。したがって、心拍出量推定装置１００は、精度のよいパイロット５０の健康管理及び安全管理を行うことができる。
【００３３】
また、ウエアラブル電極１の電極部１３，２２をパイロット５０の身体に押さえつける物品は、ヘルメット６０及び椅子７０といった衝撃吸収保護具である。これらの衝撃吸収保護具は、衝撃を受ける恐れのある環境や、振動を発する移動体において使用されるものである。したがって、ウエアラブル電極１は、電極部１３，２２をパイロット５０の身体に押さえつけるために、電極部１３，２２を押さえつけるための部材等を別途用意しなくて済ませることができる。なお、衝撃吸収保護具は、例えば緩衝材を具備する保護具であり、例えば、上記のヘルメット６０や椅子７０のほか、ヘッドギヤ、ヘッドキャップ、フェイスマスク、インナーキャップ、頸部カラー、イヤーマフ、耐衝撃ウエアなどを例示することができる。
【００３４】
以上、この発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、ウエアラブル電極１を装着する装着者（生体）は、航空機のパイロット５０以外のものでもよい。例えば、ウエアラブル電極１の装着者（以下「装着者」という。）は、移動体、特に高速で移動する移動体に搭乗する者であってもよい。この場合、例えば装着者は、二輪車（自動二輪車）を運転する運転者であってもよいし、自動車（自動四輪車）の運転者であってもよい。二輪車及び自動車は、移動の際に衝撃受環境下におかれることが多いが、装着者がウエアラブル電極１を装着することにより、ウエアラブル電極１は、衝撃受環境下において、精度よく生体信号を取得できる。
【００３５】
また、装着者は、衝撃受環境下におかれる可能性がある者であれば、移動体に搭乗する者以外の者でもよい。例えば、装着者は、工事現場及び森林などにおいて、ドリル及びチェーンソーなどの振動発生機器を用いて作業を行う作業者でもよいし、建築現場や土木現場で作業を行う作業者であってもよい。あるいは、装着者は、運動を行う者でもよい。また、衝撃受環境には、高Ｇや振動を受ける環境のみならず、例えば逆Ｇ（マイナスＧ）やゼロＧ（無重力）など、他の衝撃を受ける環境が含まれる。
【００３６】
また、ウエアラブル電極１は、４つの電極部１３，２２を備えるが、３つ又は２つなどでもよいし、５個以上でもよい。また、電極部１３，２２は、ヘッドキャップ型ウエアラブル電極１０のイヤーパッド１２のみに取り付けられていてもよいし、スパッツ型ウエアラブル電極２０のパイロット５０の臀部及び大腿部の少なくとも一方に接触する部分にのみに取り付けられていてもよい。また、電極部１３は、右側のイヤーパッド１２ではなく、左側のイヤーパッド１２に取り付けられていてもよい。また、イヤーパッド１２がパイロット５０の外耳５１と接触する代わりに、イヤーパッド１２とパイロット５０の間にキャップ部１１が挟み込まれるようにしてもよい。このときには、電極部１３は、キャップ部１１のパイロット５０の外耳５１と接触する位置に取り付けられていてもよい。また、電極部１３は、パイロット５０の外耳５１又は頭部に接触するもの、例えばイヤーカフの内部に取り付けられていてもよいし、フェイスマスクの内部に設けられていてもよい。
【００３７】
また、電極部１３，２２は、装着者の心臓を挟んで配置されていればよい。例えば、電極部１３がイヤーパッド１２に設けられているときには、電極部２２は、装着者の臀部や大腿部に代えて、体幹や下肢、上腕などに接触して設けられてもよい。この場合、装着者の心臓を挟んで電極部１３と電極部２２の間で生体信号が計測される。この生体信号からは心拍出量及び電極部近傍の血管の循環血流量及び血液量を推定することができる。また、電極部１３，２２は、装着者の心臓を挟まずに配置してもよい。この場合、電極部１３，２２の間で計測された生体信号からは、電極部近傍の血管と、電極部に挟まれた装着者の身体の循環血流量及び血液量を推定することができる。
【００３８】
このように、電極部１３，２２の配置によって、循環血流量及び血液量を測定できる身体の箇所を設定できる。例えば、電極部１３を腹部に接触させ、電極部２２を臀部に接触させた場合には、腹部から臀部の循環血流量及び血液量を推定することができる。電極部１３，２２の組み合わせは単独ではなく、さらに複数の身体の箇所に電極部を接触させ、生体信号を取得することにより、身体各所の主要な循環血流量、血液量、及び血液分布、さらに、電極部の配置位置によっては心拍出量を推定することができる。
【００３９】
また、装着者の性質に応じて、電極部の取付位置を決定するようにしてもよい。例えば、装着者が二輪車の運転者である場合には、電極部は、装着者の外耳に接触するヘルメットの内側部分に取り付けたり、スパッツ状の下着における股間部分に取り付けたりしてもよい。また、装着者が自動車の運転者である場合には、電極部の取付位置は、装着者がステアリングを握る指や掌に接触する手袋の裏側としてもよいし、パイロット５０が装着するスパッツ型ウエアラブル電極における電極部と同様の位置としてもよい。また、自動車の運転者やパイロットなど、シートベルトを装着して移動体に搭乗する装着者の場合、電極部は、衣服の前身頃におけるシートベルトに押し付けられる位置であってもよい。パイロット５０等がヘルメットを装着することなく、ヘッドホンを装着する場合には、ヘッドホンが衝撃吸収保護具であってもよい。
【００４０】
また、生体信号は、心拍、脳波、脈拍、呼吸、発汗などの生理的現象に由来して生じる電気的信号あるいは電気特性の変化であれば、どのような生体信号であってもよい。また、生体信号に基づいて推定又は算出する対象は心拍出量以外のものであってもよい。例えば、制御部２は、ウエアラブル電極１から送信された生体信号に基づいて、筋電図を計測できるようにしてもよいし、心電図を計測できるようにしてもよい。
【００４１】
また、一実施形態では、電極部１３，２２で取得した生体信号は、配線３０を介して制御部２に送信されるようにした。しかし、電極部１３，２２で取得した生体信号は、配線３０ではなく、無線通信等により制御部２に送信できるようにしもよい。また、制御部２で得られた心拍出量などの情報を外部の装置に優先又は無線で送信できるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１…ウエアラブル電極、２…制御部（心拍出量推定部、循環血流量推定部）、１０…ヘッドキャップ型ウエアラブル電極、１１…キャップ部、１２…イヤーパッド（布帛）、１３…電極部、２０…スパッツ型ウエアラブル電極、２１…スパッツ部（布帛）、２２…電極部、３０…配線、５０…パイロット（生体）、６０…ヘルメット（衝撃吸収保護具、頭部保護部材）、７０…椅子（衝撃吸収保護具、着座部材）、１００…循環血流量及び心拍出量推定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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