(57)【要約】      （修正有）【課題】電極による生体情報計測を行うと同時に、人の動きによって発生する接触状態または電極と人との距離変化などを計測できる装置を提供する。【解決手段】人と絶縁物を介して、または人の皮膚に直接設置される、一対の差動電極である、第１の電極０２、第２の電極０３及び、中間電位を誘起する電極である第３の電極０４からなる３つの生体信号測定用電極０１と、人の生体を介した通信手段として生体に信号を送信する送信電極と、中間電極の誘起電位を基準として、一対の差動電極間の電位を心電信号として検知する計測手段と第１の電極と第２の電極から生体を介して受信した送信電極の信号を検知する手段と、送信電極に誘起させる送信信号を発生する送信波発生手段とを備えることを特徴とする生体情報計測装置。【選択図】図１
2016087061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人と絶縁物を介して、または前記人の皮膚に直接設置される、一対の差動電極である、第１の電極、第２の電極及び、中間電位を誘起する電極である第３の電極からなる３つの生体信号測定用電極と、
前記人の生体を介した通信手段として生体に信号を送信する送信電極と、
前記中間電極の誘起電位を基準として、前記一対の差動電極間の電位を心電信号として検知する計測手段と
前記第１の電極と第２の電極から生体を介して受信した前記送信電極の信号を検知する手段と、
前記送信電極に誘起させる送信信号を発生する送信波発生手段と
を備えることを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項２】
前記第３の電極に中間電位と送信信号の加算信号電圧を誘起させる手段
を備えることを特徴とする請求項２記載の生体情報計測装置。
【請求項３】
人と静電容量結合する近接センサー電極と、
人と絶縁物を介して、または前記人の皮膚に直接設置される、一対の差動電極である、第１の電極、第２の電極及び、中間電位を誘起する電極である第３の電極からなる３つの生体信号測定用電極と、
前記近接センサー電極に形成される静電容量を電圧信号として計測できる近接センサー回路と、
前記中間電極の誘起電位を基準として、前記一対の差動電極間の電位を心電信号として検知する計測手段と、
を備えることを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項４】
前記近接センサー回路は、
近接センサー電極に形成される静電容量を振幅変調信号として検出できる近接センサー回路であることを特徴とする請求項３記載の生体情報計測装置。
【請求項５】
前記生体信号測定用電極は、
それぞれ周囲に近接センサー電極が設置されていることを特徴とする電極を備えることを特徴とする請求項３または４記載の生体情報計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人に対向して設置した電極により、生体情報計測と位置計測を同時に行うことで生体情報をより詳しく計測する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電極を人に接触または、近傍に設置することで生体情報である人の活動電位を計測することができるが、例えば心電電位による心拍計測は人の状態（眠気や異常発生等）という生体情報の計測として有効であることが知られている。
【０００３】
例えば車両のハンドル（ステアリングホイール）などに計測電極を設置し、活動電位を計測することで運転操作を行う運転手の心拍を計測する技術が開示されている。 (例えば特許文献1参照) 。
【０００４】
特許文献１では、車両のステアリングホイールに取り付けた電極と車両シートに取り付けた電極より車両運転者の心電電位を計測し、運転者の心臓活動を監視することにより、運転中における運転者の心臓の異常に起因する種々の不都合を未然に抑制することを可能としている。しかし、心電電位を計測できるのは、運転者がシートに着座しステアリングホイールを握った状態を維持している場合であり、運転者に不都合が発生しステアリングを握れない状態が発生し、電極と身体の接触が不十分となった場合、シートに着座しステアリングホイールを握っているが、運転動作や外部環境が要因となって引き起こされるノイズが心電電位に混入した場合は不都合を判断できる心電電位の情報が取得できなくなり、心電波形が計測できない状態になると、設置した電極のみでは人の状態をさらに詳しく計測することができないといった課題があった。
【０００５】
また、装置の操作者の状態を、電極を使用した生体情報計測より検知する技術はこれまで報告されているが、操作行動に伴う身体の動きにより、検出電極と身体との距離や接触状態が変化し、検出信号の減少やＳ／Ｎの劣化の発生や計測自体ができなくなるなど、装置より出力される計測結果の信頼性に大きく影響をあたえる。より計測結果の信頼性を向上させるために電極による生体情報計測に圧力センサーを組み合わせた計測技術が開示されている。(特許文献２参照) 。
【０００６】
特許文献２では、静電容量結合型の心電波形計測において圧力センサーを併用することで電極と被験者との静電容量を推定し、人の動きによって変動する心電信号のレベルを推定した静電容量値を基に補正することで計測結果の信頼性を向上させている。
【０００７】
しかし、圧力センサーの検出結果から心電計測結果が補正できるのは、電極に一定の圧力が加わった条件となるため、圧力が加わっていない状態である、電極に触れている状態では補正が機能しない。また、静電容量結合型の心電計測では、電極と身体が接触していなくても静電結合していれば心電を計測できるが、この場合も圧力センサーが機能しない問題があった。また、圧力センサーを使用した間接間的な静電容量の推定のため、被験者の衣類の種類の影響などにより補正精度が劣化する恐れがあり、電極と被験者との接触状態を検知するには不十分であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−２４９０２号公報
【特許文献２】特開２００９−２１９５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は電極による生体情報計測を行うと同時に、人の動きによって発生する接触状態または電極と人との距離変化などを計測できる装置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】
【００１０】
本発明の課題は、下記の構成で解決される。
すなわち、本発明は、人と絶縁物を介して、または前記人の皮膚に直接設置される、一対の差動電極である、第１の電極、第２の電極及び、中間電位を誘起する電極である第３の電極からなる３つの生体信号測定用電極と、
前記人の生体を介した通信手段として生体に信号を送信する送信電極と、
前記中間電極の誘起電位を基準として、前記一対の差動電極間の電位を心電信号として検知する計測手段と
前記第１の電極と第２の電極から生体を介して受信した前記送信電極の信号を検知する手段と、
前記送信電極に誘起させる送信信号を発生する送信波発生手段と
を備えることを特徴とする生体情報計測装置に関する。
【００１１】
また、本発明は、前記第３の電極に中間電位と送信信号の加算信号電圧を誘起させる手段を備えることを特徴とする上記生体情報計測装置に関する。
【００１２】
また、本発明は、人と静電容量結合する近接センサー電極と、
人と絶縁物を介して、または前記人の皮膚に直接設置される、一対の差動電極である、第１の電極、第２の電極及び、中間電位を誘起する電極である第３の電極からなる３つの生体信号測定用電極と、
前記近接センサー電極に形成される静電容量を電圧信号として計測できる近接センサー回路と、
前記中間電極の誘起電位を基準として、前記一対の差動電極間の電位を心電信号として検知する計測手段と、
を備えることを特徴とする生体情報計測装置に関する。
【００１３】
また、本発明は、前記近接センサー回路は、
近接センサー電極に形成される静電容量を振幅変調信号として検出できる近接センサー回路であることを特徴とする上記生体情報計測装置に関する。
【００１４】
また、本発明は、前記生体信号測定用電極は、
それぞれ周囲に近接センサー電極が設置されていることを特徴とする電極を備えることを特徴とする上記生体情報計測装置に関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、第３の電極より送信される正弦波の周波数を生体情報の周波数帯域外に設定することで、新たに電極を追加することなく、２つの機能を同時に実行できる生体情報計測装置を提供することができた。
【００１６】
また、電極による生体情報計測と近接センサーによる人と電極との距離計測を行うことで、生体情報計測時の人の姿勢などの追加情報を同時に計測できる生体情報計測装置を提供することができた。
また、
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の第一の形態に係わる生体情報計測装置の構成図。
【図２】本発明の実施の第一の形態に係わる生体情報計測回路部の構成図
【図３】本発明の実施の第一の形態に係わる電極の接触状態を検知する原理図。
【図４】本発明の実施の第一の形態に係わる心電波形と送信正弦波の周波数特性の関係図。
【図５】本発明の実施の第二の形態に係わる生体情報測定装置の構成図。
【図６】本発明の実施の第二の形態に係わる静電容量検出回路の構成図。
【図７】本発明の実施の第二の形態に係わる心電波形と近接データの周波数特性の関係図。
【図８】発明の実施の第二の形態に係わるＣＰＵ００内で行われる検波処理ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、本発明を実施するための第一の形態について、図面を参照しつつ説明する。
この構成によれば、操作者の生体に接触又は容量結合するように配置された第１及び第２の検出電極と身体に基準電位を誘起させる接触または非接触の第３の電極により生体情報である心電電位を計測し操作者の状態を検出できる。また、第３の電極には生体情報検出時の基準電位出力に正弦波信号を重畳し、第１及び第２の検出電極で読み取った信号から正弦波を検出することで検出電極と人との接触状態を検知することができる。例えば第１及び第２の検出電極より検出している生体情報にノイズが混入し有効なデータを取得できない場合でも、第３の電極より送信される正弦波を検出し電極の接触が確認できていれば、電極は接触されていると装置は判断することができる。なお、第３の電極から送信される正弦波は人工的に誘起させている信号強度があるので、微弱な生体電位と比較し、ノイズ耐性は強いため電極接触信号は検出できる。
【００１９】
第１および第２の各検出電極は生体情報の検出と電極接触状態の検出の二つの機能を有しているため、電極の接触状態を検知するためのセンサーをあらたに追加する必要がなくより簡単な構成の装置とすることができた。
【００２０】
上記、人の状態検出装置において生体情報計測と電極接触状態計測の正弦波は全て電極に発生する電位を検知することから動作信号が互いに干渉する場合や、生体情報の周波数帯域に混入し検出精度を劣化させる問題が発生するが、２つの機能を同時に互いに影響なく動作させるために電極接触状態計測において第３の電極より送信される正弦波の周波数を生体情報の周波数帯域外に設定することで２つの機能を同時に実行することが可能となった。
【００２１】
図１に本発明の好ましい形態の一つである生体情報計測装置の構成図を示す。当該装置は人に対向して設置される電極部０１と検知信号を処理する信号処理回路部０５を備えている。
【００２２】
電極部０１は心電電位を検知する一対の差動電極、第１の電極、第２の電極と中間電位を与える第３の電極とを備えている。
【００２３】
信号処理回路部０５は第１の電極０２と第２の電極０３の差動電位から心電電位を計測する生体情報計測回路部０６と第３の電極０４に中間電位をあたえるフィードバック回路部１１と、電極と人との接触状態を検知するために第３の電極０４に誘起する正弦波を発生させる送信波発生回路部１３とフィードバック回路部１１と送信波発生回路部１３からの信号を加算する加算回路１２と電極との接触状態を検知する受信回路部０７と、心電波形と電極接触状態の信号を加算する加算回路０８とアンチエイリアシングフィルタとして機能するローパスフィルタ０９とアナログ／デジタル変換回路１０と、電極接触状態と心電波形より人の状態分析を行うCPU１４とを備えている。
【００２４】
図２に生体情報計測回路部０６の好ましい形態の一部を示す。生体情報計測回路部０６は第１の電極０２と第２の電極０３で発生する電荷移動をそれぞれ、電圧に変換する抵抗素子１５とその電圧をバッファ処理するバッファ回路１６とバッファ回路１６の出力から電極の接触状態を検知する受信回路部０７とフィードバック回路１１への入力電圧を決定する抵抗素子１７と差動電圧をシングルエンドに変換する差動増幅回路１８とを備えている。
【００２５】
図３に電極の接触状態を検知する原理を示す。第３の電極０４に正弦波の電圧を誘起させることで人の近界に電界の振動を発生させる。この電界の変化を第１の電極０２で検知することで、電極と人との接触状態を知ることができる。この原理は第３の電極０４を送信電極、第１の電極０２を受信電極とし、人を媒体として正弦波を送信している。人と電極が離れていれば正弦波が受信できないので人と電極が接触していないことになる。また、第２の電極０３においても第１の電極０２と受信は同じに機能させることができる。
【００２６】
図４に送信波発生回路部１３より出力される正弦波の周波数と心電波形の周波数帯域の関係を示す。一般的に心電波形の周波数帯域は約0.05〜２００Ｈｚ付近からなる。これより送信波発生回路部１３より出力される正弦波の周波数を高く設定することで二つの信号の周波数帯域の重なりをなくし、第１の電極０２、と第２の電極０３において心電波形の検出と送信信号の受信を同時に行い、生体情報計測回路部０６と受信回路部０７にて周波数分離することが可能となった。
【００２７】
また、上記の周波数分離によって、第３の電極０４においても、中間電位を決めるフィードバック電圧の周波数帯域と送信波発生回路部１３から送信される正弦波の周波数帯域が異なるため、二つの電圧を加算回路１２で加算処理し、一つの電極で中間電位の電圧と送信正弦波の電圧の同時誘起が可能となった。
【００２８】
また、受信回路部０７と生体情報計測回路部０６で心電波形と送信正弦波信号は周波数帯域が異なっているので、二つの信号を加算し一つの信号とすることで、アンチエリアシングフィルタのローパスフィルタ０９とアナログ／デジタル変換回路１０をそれぞれ一つ設置すればよく、回路規模の縮小が可能となった。
【００２９】
次に、本発明を実施するための第二の形態について、図面を参照しつつ説明する。本発明の第二の形態である生体情報計測装置では、一対の差動電極と中間電位を与える電極からなる３つの測定電極を備え、中間電位を基準として差動電極から心電電位を計測できることと、このとき、差動電極の周囲に設置された近接センサー電極を備え、人と電極間で形成される静電容量を検出でき、電極から人との距離が計測できることを特徴とする。
【００３０】
この構成によれば、電極が絶縁物を介して人に設置される静電容量結合型の心電計測の場合、人と電極により形成される静電容量が変化すると検出信号の振幅が変化するが、この時の静電容量の変化は主に電極と人との距離が変化することによって発生する。この距離変化を静電容量型の近接センサーで検知し、検知した値をもとに、生体情報をゲイン補正することで安定した検出が可能となる。
【００３１】
また、電極と人との距離が一定以上離れるとＳ／Ｎの劣化おこり心電波形が計測できなくなる。心電計測のみの装置だとその状況を判断することができずに、有効な情報がふくまれていない信号を処理して誤認識する可能せいが発生するが、本発明は近接センサー値より計測可能な範囲に人がいないことを認識でき、心電データが含まれていない情報を装置が解析し誤認識する可能性を低くすることができる。
【００３２】
電極を直接皮膚に接触させる方式の心電計測においても、近接センサーの情報より接触非接触が認識できるので、取得心電波形の有効、無効を認識して心電波形からの分析時の誤認識を少なくできる。
【００３３】
図５に本発明の好ましい形態の一つである人の状態検出装置の構成図を示す。当該装置は人に対向して設置される電極部２０１と検知信号を処理する信号処理回路部２０６を備えている。
【００３４】
電極部２０１は近接センサー電極部２０２と心電電位を検知する一対の差動電極、第１の電極２０３、第２の電極２０４と中間電位を与える第３の電極２０５とを備えている。
【００３５】
信号処理回路部２０６は近接センサー電極部２０２に形成される静電容量を電圧値に変換する近接センサー信号処理回路部２０７と、第１の電極２０３と第２の電極２０４の差動電位から心電電位を計測する生体情報計測回路部２０８と第３の電極２０５に中間電位をあたえるフィードバック回路２０９と、近接センサーの検出信号である、近接センサー信号処理回路部２０７の出力電圧と心電電位である生体情報計測回路部２０８の出力電圧の二つの信号を加算処理する加算回路２１０と、アンチエイリアシングフィルタとして機能するローパスフィルタ２１１とアナログ／デジタル変換回路２１２と、近接データと心電波形より、心電波形のゲイン補正や人の状態分析などデジタル処理を行うCPU２１３を備えている。
【００３６】
図６に近接センサー信号処理回路部２０７の好ましい形態の一つを示す。近接センサー信号処理回路部２０７はフィルタ回路部２１４とＣＰＵ２１３からのデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル／アナログ変換回路２１５を備えている。
【００３７】
近接センサー電極部２０２は近接センサー信号処理回路部２０７に内蔵されたフィルタ回路部２１４に接続されており、人と近接センサー電極部２０２との間で形成される静電容量はフィルタ回路部２１４の構成素子の一部として機能する。
【００３８】
フィルタ回路部２１４にはデジタル／アナログ変換回路２１５より出力される正弦波が入力される。正弦波データはＣＰＵ２１３からデジタルデータとしてデジタル／アナログ変換回路２１５に出力されている。フィルタ処理された正弦波信号は加算回路２１０に出力される。
【００３９】
近接センサー電極部２０２と人との間に形成される静電容量が変化すると、フィルタ回路部２１４のカットオフ周波数が変化する。フィルタ回路部２１４に入力される正弦波はこのカットオフ周波数より高い値に設定することで、カットオフ周波数変化に伴い、フィルタ処理後の正弦波振幅には増減が発生する。これは、人と近接センサー電極の距離情報が、正弦波を基準周波数としてAM変調された情報として検出している。
【００４０】
本発明の構成ではＡＭ変調された近接データである近接センサー信号処理回路部２０７の出力と心電電位である生体情報計測回路部２０８の出力の二つのデータを加算回路２１０で加算処理しアナログ信号をデジタル信号に変換している。二つの信号を加算し一つの信号とすることで、アンチエリアシングフィルタのローパスフィルタ回路２１１とアナログ／デジタル変換回路２１２をそれぞれ一つ設置すればよく、回路規模の縮小が可能となった。
【００４１】
また、一般的に心電波形の周波数帯域は約０．０５〜２００Ｈｚ付近からなり、近接情報の周波数帯域も人の動作から考察すると直流成分である０Ｈｚからの低周波領域となる。二つの信号を単純に加算処理すると信号帯域が重なり、デジタルデータ変換後の信号の分離ができなくなる。しかし、本発明の構成では近接情報を任意に設定した基準周波数である正弦波にＡＭ変調しているため、基準周波数を心電波形の周波数帯域外に設定することで、アナログ信号状態で加算処理を行ったとしても、デジタル変換後に周波数帯域分離処理をおこなうことで心電波形と近接情報を取得できる。図７に周波数特性の関係図を示す。
【００４２】
図８に本実施の形態に係わるＣＰＵ２１３におけるＡＭ変調された近接センサー信号の検波方法について処理構成を示す。なお、この処理は全てデジタル信号処理を示す。ＡＭ変調信号は基準信号帯域を通過させるバンドパスフィルタブロック２１６で処理され、次に乗算処理ブロック２１７にて乗算処理される。検波回路ではデジタル／アナログ変換回路２１５へ出力される正弦波信号と乗算処理される。乗算処理された信号は最後に積分処理ブロック２１８で処理されることで復調された近接センサーデータを取得することができる。
【符号の説明】
【００４３】
０１・・・電極部
０２・・・第１の電極
０３・・・第２検出電極
０４・・・第３検出電極
０５・・・信号処理回路部
０６・・・生体情報計測回路部
０７・・・受信回路部
０８・・・加算回路
０９・・・ローパスフィルタ
１０・・・アナログ／デジタル変換回路部
１１・・・フィードバック回路部
１２・・・加算回路
１３・・・送信波発生回路部
１４・・・ＣＰＵ
１５・・・抵抗素子
１６・・・バッファ回路
１７・・・抵抗素子
１８・・・差動増幅回路
２０１・・・電極部
２０２・・・近接センサー電極部
２０３・・・第１の電極
２０４・・・第２の電極
２０５・・・第３の電極
２０６・・・信号処理回路部
２０７・・・近接センサー信号処理回路部
２０８・・・生体情報計測回路部
２０９・・・フィードバック回路部
２１０・・・加算回路
２１１・・・ローパスフィルタ回路
２１２・・・アナログ／デジタル変換回路
２１３・・・ＣＰＵ
２１４・・・フィルタ回路部
２１５・・・デジタル／アナログ変換回路
２１６・・・バンドパスフィルタブロック
２１７・・・乗算処理ブロック
２１８・・・積分処理ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
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