(57)【要約】【課題】多軸圧力センサーで脈波波形を取得する際に、脈波波形取得用のセンサーとは別に体動ノイズ取得用センサーも併用してキャンセルする手法があるが、完全にキャンセルするには至っておらず精度を向上させる余地があった。【解決手段】多軸圧力センサーで脈波波形を取得する際に脈波波形取得用のセンサーと体動ノイズ取得用センサーとの対を構成してキャンセルするが、キャンセル精度を上げるため、例えば左右の手首のような略同じ環境となる別の場所に別のセンサー対を装着し、そこで得られた脈波波形に基づいて補正係数を算出し適用する。【選択図】図７
2019141300.tif 000002
【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する信号検出手段と、
前記信号検出手段が検出した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、
前記複数の多軸圧力センサーのうちの２つは、生体情報取得を行う点近傍に取り付ける多軸圧力センサーＡと、該多軸圧力センサーＡから所定の距離だけ離れた位置に取り付ける多軸圧力センサーＢと、で多軸圧力センサー対を構成し、
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対に入力され、
前記演算装置は、前記多軸圧力センサー対の多軸圧力センサーＡおよびＢが検出した各軸成分の信号に基づいて演算を行い、該演算結果に基づいて多軸圧力センサーＡが取得する生体情報に混入する体動ノイズを低減し、
前記多軸圧力センサー対は、２つがそれぞれ心臓からの血管インピーダンスが等しくなり且つ相互に体動の影響が生じないように被測定者に取り付けられ、
該２つの多軸圧力センサー対は対Ｑと対Ｒであり、生体情報を主に取得する側が対Ｑ、そうでない側が対Ｒであって、
前記演算装置は、対Ｑ側で体動が生じ且つ対Ｒ側で体動が生じない状況で生体情報を取得し、対ＱのセンサーＡと対ＲのセンサーＡに基づいて対ＱセンサーＡの体動成分を抽出し、該対ＱセンサーＡ体動成分と対ＱセンサーＢの検出した信号との関係から補正係数を算出し、対ＱセンサーＡと対ＱセンサーＢとに基づく体動キャンセルの演算に該補正係数を適用して体動キャンセル演算の精度を向上する
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脈波などの生体情報を高頻度に取得しようとする試みがなされてきた。この目的ではトノメトリ法が既に知られている。しかしながら、トノメトリ法での測定を行う場合には被測定者へのセンサー装着に一定以上の技量を必要とし、かつ測定中は測定部位を静止させる必要があるため、一般の利用者が日常生活を送りながら簡便に高頻度な生体情報測定を行うには改善の余地が大いにある状況である。
別の方向性として、例えば特開２０１６−２０２９０８や特開２０１７−００６６７２などに開示されている技術のような、３軸方向に感度を有する圧力センサーを用いて生体情報を取得する方法が存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２０２９０８公報
【特許文献２】特開２０１７−００６６７２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
（体動キャンセル精度問題）
しかしながら、トノメトリ法であっても３軸圧力センサー方式であっても、被測定者の体動によって生体情報の取得が阻害される問題があり、スポーツはおろか日常生活での常時連続した取得を困難としており、有用な測定を行うためには体動キャンセルのための改善を必要としている。
【０００５】
前述の先行技術では、３軸の圧力センサーを２つ使用して生体情報から体動成分をキャンセルする技術が開示されているが、それでも未だ十分では無く、精度よく生体情報としての脈波波形を得るためには更なる改良が求められている。
【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】
本発明の作動装置は、
「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する信号検出手段と、信号検出手段が検出した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被測定者に取り付けられ、複数の多軸圧力センサーのうちの２つは、生体情報取得を行う点近傍に取り付ける多軸圧力センサーＡと、多軸圧力センサーＡから所定の距離だけ離れた位置に取り付ける多軸圧力センサーＢと、で多軸圧力センサー対を構成し、
被測定者の生体情報は圧力として多軸圧力センサー対に入力され、
演算装置は、多軸圧力センサー対の多軸圧力センサーＡおよびＢが検出した各軸成分の信号に基づいて演算を行い、演算結果に基づいて多軸圧力センサーＡが取得する生体情報に混入する体動ノイズを低減し、
多軸圧力センサー対は、２つがそれぞれ心臓からの血管インピーダンスが等しくなり且つ相互に体動の影響が生じないよう被測定者に取り付けられ、２つの多軸圧力センサー対は対Ｑと対Ｒであり、生体情報を主に取得する側が対Ｑ、そうでない側が対Ｒであって、
演算装置は、対Ｑ側で体動が生じ且つ対Ｒ側で体動が生じない状況で生体情報を取得し、対ＱのセンサーＡと対ＲのセンサーＡに基づいて対ＱセンサーＡの体動成分を抽出し、対ＱセンサーＡ体動成分と対ＱセンサーＢの検出した信号との関係から補正係数を算出し、対ＱセンサーＡと対ＱセンサーＢとに基づく体動キャンセルの演算に補正係数を適用して体動キャンセル演算の精度を向上する」
ことを特徴としている。
【０００９】
この特徴により、多軸圧力センサー対が１つだけで生体情報を取得するよりも高精度な体動キャンセルが可能となる。
【００１０】
結果として、高精度に生体情報が取得できる上に、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、前述の体動キャンセル精度問題が解決できる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の手法であるトノメトリ法を説明する図である。
【図２】センサーに対する体動の影響を示す図である。
【図３】脈波波形に対する体動の影響を示す図である。
【図４】体動キャンセルの概念を示す波形図である。
【図５】体動キャンセルの概念を示す波形図である。
【図６】本発明装置の概要を示す図（代用写真）である。
【図７】本発明装置の実験状況を示す図（代用写真）である。
【図８】本発明装置の実験状況を示す図（代用写真）である。
【図９】本発明装置の実験について脈波波形を示すグラフである。
【図１０】本発明装置の実験結果である左右手首の相関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補正係数と波形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ノイズ除去後の波形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補正の効果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表１。
【図１５】本発明装置の実験結果である表２。
【００１４】
まず、従来の技術としてのトノメトリ法について、図１を参照しながら説明する。
トノメリ法とは、手首の血管直上皮膚に圧力センサーを押し当てることで血圧計測を行う方法ある。図１に示すように計測の際は、血管上部が平坦になるよう押し当てことで血管壁に働く張力の垂直方向成分がゼロとなるため、圧力センサーを押し付けた圧力と血圧が等しくなり、血圧を計測することができする。しかし、トノメリ法による血圧計測は手首の関節の動きや腕を振った際の慣性力や心臓からの高さ変化といった体動による影響を除去しなければ、正しく計測が行えないという問題ある。
【００１５】
そこで発明者らは、これらの影響を低減することを目的とした研究を進めてきた。図２に示すように、血圧脈波センサーにより計測される波形に含まれるノイズと同じ大きさのノイズを体動センサーにより計測し、２つの波形データの減算を行うことで体動の影響を除去していた。
しかし、血圧脈波に含まれるノイズと体動によるノイズの大きさが必ずしも一致しないため、２つの波形データの減算を単純に行っても体動による影響を十分に除去することができていなかった。
なお、本発明の装置においても図２に示すような２つの多軸圧力センサーの組みを使用する。特許請求の範囲に記載している「多軸圧力センサーＡ」は脈波取得用のセンサーであり、「多軸圧力センサーＢ」は体動によるノイズを取得するセンサーであり、「多軸圧力センサー対」はこの２つのセンサーの組みのことを意味する。
【００１６】
２つの３軸圧力センサーを用いた体動ノイズの除去の原理を図２に示す。
血圧脈波の計測時は、血圧脈波を計測するためのセンサーと体動によるノイズを計測するためのセンサーの２つを使用して行う。
血圧脈波センサーには拍動によって血管に生じる力に加え、体動によるノイズが計測される。これに対して、体動センサーには拍動によって血管に生じる力は計測されず、体動によるノイズのみが計測される。これら２つのセンサーによる計測を同時に開始し、血圧脈波センサーで計測された波形から体動センサーで計測されるノイズを減算することで体動による影響を低減した血圧脈波が取得できる。しかし、この方法では血圧脈波センサー計測される波形に含まれるノイズの大きさを確認することができないため、単純な減算だけでは体動による影響を十分に除去することができなかった。そのため、体動中の血圧脈波に含まれるノイズを抽出し、体動センサーにより計測されたノイズが抽出したノイズの大きさに一致するような補正係数を算出することとした。補正係数により体動センサーで計測されたノイズの補正を行ったのち、先に述べた原理を用いる。
【００１７】
体動中の血圧脈波データから体動によるノイズのみを抽出するために両手を用いて計測を行う。左手は計測の途中に体動の動作を行うことに対して、右手は常に安静状態で計測をする。すると、図３に示すように、左手の血圧脈波センサーからは血圧脈波と体動によるノイズが計測されるのに対して、右手の血圧脈波センサーからは血圧脈波のみが計測される。そのため、左手の血圧脈波センサーから右手の血圧脈波センサーの出力を減算することで体動によるノイズのみの抽出ができる。この手法により血圧脈波センサーで計測された波形に含まれるノイズの大きさや波形を確認することができる。
なお、特許請求の範囲で記載した「多軸圧力センサー対Ｑ」は本実施例における左手首に装着したセンサー対を意味し、「多軸圧力センサー対Ｒ」は本実施例における右手首に装着したセンサー対を意味する。
【００１８】
抽出したノイズと体動センサーで計測したノイズを比較し、その大きさの比率を補正係数として算出する。抽出したノイズと体動センサーで計測されたノイズの波形を図４に示す。
補正係数の算出方法は、まず２つのノイズ波形に対して振幅ごとに最大のピークと最小のピークとの差を求める。次に抽出したノイズの振幅の体動センサーで計測したノイズの振幅に対する割合をそれぞれの山ごとに算出する。その後、算出した割合の平均値を補正係数として算出する。
図５に示すように、補正係数により体動センサーで計測した波形を補正したのち、前述したように血圧脈波センサーで計測された波形から補正を施した波形を減算することで、体動によるノイズを除去することができる。
【００１９】
本発明の装置では、最終的には片手のみで体動によるノイズの除去を行うことを意図している。本明細書で開示する手法では、体動ごとにノイズを除去するための最適な補正係数を求めることができるが、片手のみでは、それを求めることができない。しかし一方では、補正係数が一定となれば、その補正係数を適用させるだけで、片手のみでのノイズの除去が可能になる。そのため、補正係数がほぼ一定の値となるような体動の範囲、また、その範囲における補正係数の値を体動の範囲を変えて実験を行い、確認した。体動センサーの出力に対して、一定となった補正係数を適用することで、求められた体動の範囲においては片手のみでも体動によるノイズが除去できるようになる。
【００２０】
本発明の過程で試作した本発明装置の概要を図６に示す。
本発明装置は中央大学とシナノケンシ株式会社とで共同開発した手首に装着できるバンド型の装置となっており、大きさは９２ｘ７６ｘ２４ｍｍとなっている。また、装置はＭＥＭＳ３軸圧力センサー、押し当て調節機構、固定用バンドで構成されている。押し当て調節機構は３軸の調節が可能な機構となっており、その機構は血管の走行方向に対して垂直方向に位置の調整が可能で、さらにねじ止め機構によって押し当ての角度を調整できる。また、ねじ送り機構によって血管に対して押し当て変位を調節することで、押し付け力を調節することが可能となっている。
【００２１】
血圧測定用センサーとしては、中央大学、タッチエンス株式会社、シナノケンシ株式会社とで共同開発した血圧計測用ＭＥＭＳ３軸圧力センサーアレイを使用した。圧力センサーは受圧面の直径が２．３ｍｍ、高さが１．０ｍｍの円錐台の形状となっており、５素子の圧力センサーが十字型に配列されている。各センサー間の距離は３．４ｍｍである。また、ＭＥＭＳ３軸圧力センサーは信号処理基板に接続されており、この基板によりセンサーからの出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換、演算処理、通信を可能としている。信号処理基板は本発明装置と同様に腕にバンドを用いて固定できる。本発明の実施例では両手首を用いるため、本発明装置を２つ使用する。左手に装着する装置では５素子のうち２つを使用し、１つは血圧脈波を計測し、もう１つは体動によるノイズを計測する。一方、右手に装着する装置では、５素子のセンサーのうちの１つで血圧脈波を計測する。
【００２２】
体動時の血圧脈波計測を行うためのセットアップを図７に示す。
ＭＥＭＳ３軸圧力センサーにより計測された出力は基板を介してパソコンへ伝送されており、計測されたデータは中央大学とシナノケンシ株式会社とで共同開発したソフトウェアによって記録する。また、両手を用いて計測を行うため、本発明装置を両手首に装着する。
図８に示すように橈骨動脈上に印を付け、計測位置が変動しないようにし、本発明装置の調節機構を調整し、また計測位置の高さが変わらないようにした。
体動は手首を曲げていない時を０°とし、分度器で角度を確認しながら前に０°〜１０°、０°〜２０°、０°〜３０°、０°から４０°、後ろに０°〜−１０°、０°〜−２０°、０°〜−３０°、の範囲で７種類とした。両手首の計測を同時に開始し、１０秒後に左手を約１Ｈｚで１０秒間にわたり体動させた。右手は左手の計測位置と同じ高さで常に安静状態を保ち、血圧脈波の計測を行った。
【００２３】
０°〜−３０°の体動の範囲での左手と同時に計測を行った右手との計測結果を図９に示す。この図９より、左手で計測された波形は計測開始１０秒後から１０秒間にわたり、血圧脈波の波形に乱れが発生していることが確認できる。
まず、２つの脈波の振幅を比較するために、２つの波形に対して、体動前の安静状態時における血圧脈波の相関を算出する。縦軸に右手の血圧脈波、横軸に左手の血圧脈波、とした時のグラフを図１０に示す。この図において回帰直線を算出したところ、
ｙ  ＝  ０．９９８ｘ  ＋  ０．００５５
となった。
体動前の２つの波形は高い相関を示したので、右手で計測した波形に対して算出された式の傾きの逆数を掛け、２つの脈波振幅に合わせた。この状態から前述の方法により体動によるノイズの抽出を行った。抽出したノイズは図９に示す通りである。
【００２４】
次に、補正係数の算出を行う。
前述の方法で抽出したノイズと、同時に計測を行った体動センサーの出力を図１１に示す。
この波形に対して、前述の方法で補正係数を算出する。抽出したノイズの体動センサーで計測したノイズに対する割合は、０°〜−３０°の範囲では０．４９９となった。つまり、この値が体動センサーで計測したノイズを抽出したノイズと一致させる補正係数となる。
つづけて、体動によるノイズの較正を行う。体動センサーで計測した波形に対して算出した補正係数を用いて補正を行ったのち、前述した較正手法を用いて体動によるノイズの除去を行った。
【００２５】
ノイズの除去後の波形を図１２に示す。図１２において除去後の波形は体動による血圧脈波の乱れが低減できていることが確認できる。
ノイズの低減効果を評価するため、ノイズの除去前後の波形と安静状態で同時に計測を行った右手との波形の相関係数をそれぞれ算出した。横軸に右手の血圧脈波、縦軸にノイズ除去後の波形としたモノを図１３（ａ）に、除去前の波形としたモノを図１３（ｂ）に、それぞれ示す。
この図１３において、ノイズの除去後と右手との波形の相関係数は０．８９となり、除去前と右手との波形の相関係数は０．６０となった。ノイズの除去後の方が除去前よりも高い相関となったため、ノイズの除去後の波形は本実施例で開示の方法で体動によるノイズを低減することができた。
【００２６】
次に、他の６つの範囲の体動にも一連の処理を行い、ノイズの抽出から補正係数の算出、ノイズの除去前後における波形と右手との波形の相関係数を算出した。その結果を図１４（表１）に示す。表１の補正係数の結果より、補正係数は各範囲においてバラツキが見られるものの手首の前と後ろの２つの体動の動作で考えた場合、それぞれの補正係数が近い値を示している。従って、手首を前と後ろに動作させた時とでは、異なる傾向があることを示している。また、表１の相関係数の結果より、全ての範囲においてノイズ除去後の波形は除去前の波形よりも高い相関を示している。これらのことより、本実施例で開示の方法によって、体動の範囲に関らず、体動によるノイズを低減できることとなる。
【００２７】
前述したように、片手のみで体動によるノイズの除去を行うために、体動の範囲の変化による補正係数の変化を確認した。
まず、各範囲において５回ずつ測定を行い補正係数の算出を行った。各範囲において算出した補正係数の５回の平均値と標準偏差を図１５（表２）に示す。
表２に示される通り、０°〜３０°以内の範囲において補正係数の平均値が近しい値となった。０°〜４０°の範囲においては、他の範囲の体動と比較して平均値に差が生じ、バラツキも大きいことが示された。そのため、０°〜３０°以内の範囲における各補正係数の平均値を算出した。算出した補正係数は０．６９６となった。
【００２８】
また、０°から−３０°以内の範囲においても補正係数の平均値が近しい値となった。そのため、同様にして０°〜−３０°以内の範囲における各補正係数の平均値の算出を行った。算出した補正係数は０．５３４となった。
最後にそれぞれ算出した補正係数の平均値を用いて、全ての計測データに対してノイズ除去を行った。ノイズの低減効果の評価はノイズの除去前後における波形と右手との波形の相関係数を用いた。
【００２９】
結果は、手首の前の体動においてはノイズの除去前の相関係数の平均が０．８５であったのに対して、ノイズ除去後の相関係数の平均は０．９２となった。ノイズの除去後は除去前よりも相関係数が８．２％向上したこととなる。
また、手首の後ろの体動においては、ノイズの除去前の相関係数の平均が０．８１となり、ノイズの除去後の相関係数の平均値は０．９０となった。ノイズの除去後は除去前よりも相関係数が１１％向上したことになる。
これらのことより、算出した補正係数の平均値を用いることで片手のみでも体動によるノイズを除去できることとなる。
【００３０】
以上までに、本発明の体動ノイズ除去の原理とその根拠を示す実験の結果を説明してきた。
本発明によって開示された技術を用いることで、体動によるノイズを効果的に除去することが可能となって生体情報を精度高く計測できるようになる。
本発明の実施例では手首関節動作を一例として挙げたが、別の筋、腱、関節を動作させた場合の体動ノイズ影響を圧力センサー対により評価し、補正係数を求めることで更に精度高く計測できるようになる。
また、本発明の実施例において、多軸圧力センサー対ＱとＲは左右の両手首としたが、これに限定されない。心臓からの血管距離とインピーダンスが概ね等しく且つ取得できる脈波波形が時間軸上で同期している箇所であれば良い。さらに両手首のように左手首の体動が右手首に直接影響しないような相互に独立している箇所であればなお良い。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
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】
【００３２】
無し
【図１】
2019141300.tif 000003
【図２】
2019141300.tif 000004
【図３】
2019141300.tif 000005
【図４】
2019141300.tif 000006
【図５】
2019141300.tif 000007
【図６】
2019141300.tif 000008
【図７】
2019141300.tif 000009
【図８】
2019141300.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2019141300.tif 000012
【図１１】
2019141300.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2019141300.tif 000017