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JP6901753B2 - Measurement system and measurement method - Google Patents
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Description

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。 The present invention relates to a measuring system and a measuring method for measuring the movement of a measurement object by utilizing a change in capacitance.

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。 Generally, in the medical field, a stethoscope, an electrocardiogram, a pulse wave sensor and the like are used as an inspection device for examining the activity of the heart. Since these sensors capture the activity of the heart one-dimensionally or two-dimensionally by sound, electric signal, etc., they are suitable for acquiring detailed information on the heart, for example, three-dimensional information on the heart. Not. Further, as other inspection equipment, CT scan, MRI, cardiac echo and the like are also used. These can capture the activity of the heart three-dimensionally using X-rays, magnetic fields, ultrasonic waves, etc., but they are very expensive and can only be measured while lying in bed. The inspection environment is limited.

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。 On the other hand, the inventor of the present application has previously proposed a measurement system capable of detecting the movement of an organism, not limited to the human body (see Patent Document 1). This measurement system detects the presence of pests such as termites existing inside wood based on the change in capacitance, and is a minute change in capacitance due to the presence of the pest. Can also be detected by performing a specific process.

特開2016−138793号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-138793

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。 Since the activity of the heart in the human body also involves minute movements, the inventor of the present application has examined applying the measurement system described in Patent Document 1 to the activity of the heart. However, not only the heart but also various organs exist in the human body and are active at the same time as the heart. In the measurement system described in Patent Document 1, the movement of the heart cannot be distinguished from the movement of other organs and the like.

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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to measure the movement of a measurement object in a living body such as a human body by distinguishing it from other movements by utilizing a change in capacitance. It is an object of the present invention to provide a possible measurement system and measurement method.

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。
The measurement system of the present invention
An oscillator circuit that has a resonance circuit that includes a capacitor,
A sensing element that includes a conductor placed near the living body and connected in parallel to the capacitor,
It is provided with a processing device that performs a process of extracting a frequency change in a frequency band corresponding to the movement of a measurement object in a living body from a change in the output frequency of the oscillation circuit.

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。
According to the above measurement system, when the capacitance of the sensing element changes due to the movement of an organ or the like in the living body, the output frequency of the oscillation circuit changes accordingly. Then, the processing device performs a process of extracting the change in frequency in the frequency band corresponding to the movement of the object to be measured in the living body from the change in the output frequency of the oscillation circuit. Therefore, even if a plurality of organs or the like are active in the living body at the same time and the capacitance of the sensing element and the output frequency of the oscillation circuit are changed by these movements, the measurement target is selected from among the plurality of organs or the like. It is possible to identify and extract the change in frequency due to the movement of an organ or the like, and measure the movement of the object to be measured.
In the above, "extraction" includes not only a process of extracting a signal of a specific frequency band from a signal on which a plurality of frequencies are superimposed, but also a process of removing a signal other than the specific frequency band.

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。 It is preferable that the processing device extracts the frequency change of the measurement target by the frequency analysis processing. However, the processing device may be one that extracts the frequency change of the object to be measured by a bandpass filter or the like.

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。
The measurement system preferably includes a plurality of sets of the oscillation circuit and the sensing element.
In this case, it is possible to measure the movement of the object to be measured in the living body at a plurality of places.
Further, it is preferable that the processing device outputs the frequency changes due to the movement of the measurement object extracted from the changes in the output frequencies of the plurality of oscillation circuits in synchronization with each other.
With such a configuration, it is possible to grasp the movements occurring at a plurality of locations of the measurement object at the same time, and for example, it can be useful for three-dimensionally capturing the movements of the measurement object.

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。
The processing device preferably extracts the change in frequency due to the heartbeat of the living body from the change in the output frequency of the oscillation circuit.
With such a configuration, it becomes possible to measure the movement of the heart and use it for diagnosis of heart disease and the like.

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。
It is preferable that the processing device extracts the change in frequency due to the respiration of the living body from the change in the output frequency of the oscillation circuit.
With such a configuration, it is possible to measure the movement of the lungs and the like and use it for diagnosis of respiratory diseases and the like. In addition, by measuring a plurality of movements between the heart and lungs, it is possible to grasp the relationship between the diseases of both.

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。
It is preferable that the processing device extracts the frequency change due to the movement of a plurality of measurement objects from the output frequency change of the oscillation circuit.
With such a configuration, it becomes possible to grasp the relevance of diseases in a plurality of measurement objects.

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。
It is preferable that a capacitor that blocks signals of a predetermined frequency or lower is connected in series with the sensing element.
With such a configuration, it is possible to block an input other than a change in the capacitance of the sensing element with respect to the oscillation circuit, for example, an input of an electric signal from the heart, and it is possible to suppress disturbance of the output of the oscillation circuit.

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。
The measuring method of the present invention
A measurement method using an oscillation circuit having a resonance circuit including a capacitor and a sensor unit having a sensing element including a conductor connected in parallel to the capacitor.
The step of arranging the sensing element in the vicinity of the living body,
A step of detecting a frequency change of the oscillation circuit due to a change of the capacitance of the sensing element, and a process of detecting the frequency change of the oscillation circuit.
The process includes a process of extracting the frequency change of the frequency band corresponding to the movement of the object to be measured in the living body from the change of the output frequency of the oscillation circuit.

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。 According to the present invention, the movement of a measurement object in a living body can be discriminated from other movements and measured by utilizing the change in capacitance.

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。It is a block diagram which shows an example of the capacitance measurement system which concerns on one Embodiment. 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。It is a figure which shows an example of the schematic model of a heart and a sensing element. 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。It is a graph which shows the relationship between the amount of change of capacitance and the amount of frequency change in an LC resonance circuit. 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。It is a figure which compares and shows the graph which shows the frequency change of the heartbeat detected by the frequency detector, and the waveform of the heart sound by a stethoscope. (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。(A) is a graph showing the frequency change detected by the frequency detector, (b) is a graph showing the frequency change due to the heartbeat extracted from the frequency change of (a), and (c) is the frequency change of (a). It is a graph which shows the frequency change by respiration extracted from. 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。It is explanatory drawing which shows the appearance that a plurality of sensing elements were arranged corresponding to the object of measurement in a living body. 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。It is a graph which shows the frequency change detected in a plurality of places of a living body.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a measurement system.
As shown in FIG. 1, the measurement system 1 includes a sensor unit 2 and a processing device 50. The sensor unit 2 includes an oscillation circuit 20 having an LC resonance circuit 21, a sensing element 10, a frequency converter 30, a frequency detector 40, and a transmitter 70. The processing device 50 includes a receiver 52.

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。 The sensing element 10 has a plate-shaped electrode that is a conductor, and is connected to the LC resonance circuit 21. In the measurement system 1 of the present embodiment, the space around the sensing element 10 is set as the measurement target space. The sensing element 10 is used in a state of being brought close to the human body so that the human body (living body) enters the measurement target space. The sensing element 10 has a capacitance between the ground and the ground on the human body side. The capacitance of the sensing element 10 changes according to the movement of the measurement object X in the human body, for example, the movement of an organ. Then, the change in the capacitance of the sensing element 10 accompanying the movement of the measurement object X in the human body is reflected in the frequency of the signal output by the oscillation circuit 20.

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(C,C0’)が変化する様子を示している。C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。 FIG. 1 shows how the distance between the sensing element 10 and the heart changes due to the expansion and contraction of the heart as the measurement object X, and the capacitance (C 0 , C 0' ) of the sensing element 10 changes accordingly. Shown. C 0 is a capacitance when the heart is extended, C 0 'is the capacitance of when the heart contracts.

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。 The oscillation circuit 20 includes an LC resonance circuit 21 having a capacitor 22 and a coil 23, and an LC oscillator 24 connected to the LC resonance circuit 21. The sensing element 10 described above is connected in parallel with the capacitor 22. Therefore, the LC oscillator 24 oscillates at a resonance frequency corresponding to the capacitance of the sensing element 10. Therefore, when the capacitance of the sensing element 10 changes, the resonance frequency output from the LC oscillator 24 also changes according to the change.

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C、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f、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。 Specifically, the capacitance of the sensing element 10 when the heart is expanded is C 0 , the capacitance of the sensing element 10 when the heart is contracted is C 0', and the capacitance of the capacitor 22 in the LC resonance circuit 21 is set to C 0'. the C, and inductance of the coil 23 is L, the output frequency of the LC oscillator 24 at the time of cardiac extend (resonance frequency) f r, the output frequency of the LC oscillator 24 at the time of cardiac contraction (the resonant frequency) and f r ' Then, the change Δf of the output frequency of the LC oscillator 24 due to the expansion and contraction of the heart is expressed by the following equation.

Figure 0006901753
Figure 0006901753

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。 Therefore, by detecting the amount of change in the output frequency of the LC oscillator 24, the amount of change ΔC in the capacitance of the sensing element 10 and the magnitude of the movement of the heart (amount of expansion and contraction) are measured based on the amount of change. Can be done.

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C,C、心臓内の血液C、脂肪C、及び皮膚C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C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。 FIG. 2 is a diagram showing an example of a schematic model of a heart and a sensing element. In the present embodiment, the electrodes of the sensing element 10 are a rectangular plate of 45 mm × 30 mm having a size smaller than that of the heart, set at a position separated from the surface of the human body by a predetermined distance (20 mm), and placed on the ground on the opposite side of the heart. It is assumed that there is a virtual electrode connected. The thicknesses of the heart walls C 1 , C 3 , the blood C 2 , the fat C 4 , and the skin C 5 in the heart when the heart is dilated and contracted are set as shown in FIG. Further, the dielectric constant ε of these elements and the dielectric constant ε of the air C 6 are also set as shown in FIG. Under such a numerical setting, the change ΔC of the capacitance of the sensing element 10 due to the expansion and contraction of the heart is calculated to be about 40 fF.

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。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amount of change in capacitance and the amount of change in frequency in the LC resonance circuit. When the capacitance C and the inductance L of the capacitor and the coil of the LC resonance circuit are C = 1.8 pF and L = 1.5 nH, respectively, the change ΔC (about 40 fF) of the capacitance of the sensing element 10 obtained by calculation. ) And the change Δf of the resonance frequency in the LC resonance circuit are as shown in FIG. That is, when the capacitance of the sensing element 10 changes by about 40 fF, the change in the resonance frequency of the LC oscillation circuit becomes about 100 kHz.

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。
The resonance frequency of the LC oscillator 24 is down-converted by the frequency converter 30, passed through the amplifier 34, and then detected by the frequency detector 40.
The frequency converter 30 converts the frequency by the superheterodyne method adopted in a general FM receiver. The frequency converter 30 includes a crystal oscillator 33, a local oscillator 32 connected to the crystal oscillator 33, and a mixer 31. The resonance frequency signal output from the LC oscillator 24 is input to the mixer 31 together with the specific frequency signal output from the local oscillator 32 connected to the crystal oscillator 33, and the frequency is converted. As a result, the resonance frequency (output frequency) of the LC oscillator 24 is down-converted.

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f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Δf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。 In the measuring system 1, for example, the output frequency f r in the steady state of the LC oscillator 24 (that does not consider the capacitance of the sensing element 10) is 98 MHz, the amount of change in the output frequency of the LC oscillator 24 caused by the expansion and contraction of the heart If Delta] f r is 100Hz, as described above, the output frequency of the LC oscillator 24, the rate of change of the output frequency of the LC oscillator 24 by the 98 MHz ± 100kHz, and the heart expands and contracts is approximately 0.1%. On the other hand, when the output frequency of the LC oscillator 24 is down-converted by the frequency converter 30 in which the output frequency of the local oscillator 32 is 100 MHz, the output frequency of the frequency converter 30 becomes 2 MHz ± 100 kHz, which is the frequency due to the expansion and contraction of the heart. The rate of change of the output frequency of the converter 30 is about 5%. In this case, the rate of change of the output frequency is amplified about 50 times. Therefore, the frequency detector 40 that detects the output frequency of the frequency converter 30 can detect the change in the output frequency with high sensitivity and accuracy.

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。
FIG. 4 is a diagram showing a comparison between a graph showing the frequency change of the heartbeat detected by the frequency detector 40 and the waveform of the heart sound by the stethoscope. However, the frequency change of the heartbeat and the heart sound are detected in a state where the breathing is stopped in order to eliminate the influence of the breathing.
From FIG. 4, it can be seen that the frequency change of the heartbeat detected by the frequency detector 40 obtains a waveform substantially synchronized with the heart sound detected by the stethoscope. Further, it can be seen that the frequency change of the heartbeat detected by the frequency detector 40 has a clear waveform as compared with the waveform of the heart sound by the stethoscope.

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。 The transmitter 70 transmits information about the frequency change detected by the frequency detector 40. The receiver 52 is wirelessly connected to the transmitter 70 and receives the information transmitted from the transmitter 70. The processing device 50 is connected to the receiver 52, and performs predetermined processing on the information received by the receiver 52.

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。
The processing device 50 performs a process of extracting the frequency change due to the movement of the heart from the frequency change detected by the frequency detector 40. Further, the processing device 50 performs a process of extracting not only the movement of the heart but also the movement of other organs and the like, for example, the change in frequency due to the movement of the lungs and the like accompanying respiration.
The processing device 50 is composed of, for example, a personal computer in which software for executing the above processing is installed. Then, the processing device 50 obtains the magnitude of the change for each frequency band by performing an analysis process of the frequency detected by the frequency detector 40, specifically, a fast Fourier transform (FFT) of the change of the frequency, and obtains the magnitude of the change for each frequency band. Extract frequency changes in the frequency band corresponding to other organs.

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。 FIG. 5A is a graph showing the frequency change detected by the frequency detector 40. The processing device 50 performs FFT processing with the frequency change shown in FIG. 5 (a) as an input, and extracts the frequency change shown in FIGS. 5 (b) and 5 (c). 5 (b) is a graph showing the frequency change due to the heartbeat extracted from the frequency change of FIG. 5 (a), and FIG. 5 (c) is the frequency due to respiration extracted from the frequency change of FIG. 5 (a). It is a graph which shows the change. Heartbeat is in the frequency band around 1.0 Hz, and respiration is in the frequency band around 0.2 Hz.

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。 By extracting the change in frequency of a specific object to be measured in the human body in this way, it is possible to measure the change in capacitance of the object to be measured, and by extension, the magnitude (deformation) of the movement of the object to be measured. Amount) can be measured. Therefore, even when various organs are active at the same time such as the human body, it is possible to suitably measure the movement of a specific measurement object.

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。 In order to measure the change in capacitance and the amount of deformation of the object to be measured from the change in the frequency of the object to be measured, for example, the amount of change in frequency detected by the frequency detector 40, the capacitance and the object to be measured are measured. A table associated with the amount of deformation of is stored in advance in the storage unit of the processing device 50, and the amount of change in capacitance and measurement are performed by collating the detected frequency change of the measurement object with the table. The amount of deformation of the object can be obtained.

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。 Since the processing device 50 can extract frequency changes for the movements of a plurality of measurement objects in the human body, it is possible to evaluate the relevance of the movements of the plurality of measurement objects. For example, it is possible to evaluate the relationship between heart disease and respiratory disease by sequentially extracting the changes in frequency due to heartbeat and respiration as described above.

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。 As shown in FIG. 1, the oscillation circuit 20 includes a capacitor 25 as a high-pass filter between the sensing element 10 and the LC resonance circuit 21. The capacitor 25 is arranged in series with the sensing element 10. The capacitor 25 has a function of blocking the frequency of an electric signal (electrocardiogram) emitted from the heart, for example, a frequency of 100 kHz or less. The LC resonance circuit 21 preferably outputs a signal only under the influence of a change in the capacitance of the sensing element 10, and the electric signal input from the sensing element 10 becomes noise with respect to the output of the LC resonance circuit 21. Therefore, by blocking the electric signal from the heart by the capacitor 25, it is possible to suppress the disturbance of the output of the oscillation circuit 20 due to the electric signal.

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。 The measurement system 1 can include a plurality of sensor units 2. Then, the sensing element 10 can be brought close to a plurality of points on the human body, and the movement of the object to be measured such as the heart can be measured at the plurality of points at the same time. In FIG. 6, the sensing elements 10 are arranged at four locations on the front, back, left, and right of the measurement object X in the human body, and the capacitances C 0a to C 0d , C 0'a accompanying the movement of the measurement object X are shown. An example of detecting a change of ~ C 0'd as a change of the output frequency of each sensor unit 2 is shown. Further, FIG. 7 shows a change in the output frequency in each sensor unit 2. From FIG. 7, it can be seen that the change in the output frequency is suitably detected in all the sensor units 2 in response to the movement of the object X to be measured.

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。 The processing device 50 converts the change in the output frequency detected by each sensor unit 2 into the change in the capacitance of the sensing element 10, and further converts the change in the capacitance of the sensing element 10 into the magnitude of the movement of the measurement object X in the direction facing the sensing element 10. It is converted into (the amount of deformation of the object X to be measured), and these are synchronized and output. By using the deformation amount of the measurement object X obtained in this way, for example, in order to deform the three-dimensional image of the measurement object X in real time or ex post facto and grasp the movement of the measurement object three-dimensionally. Can be useful. In the plurality of sensor units 2, the crystal oscillator 33 and the local oscillator 32 may be shared with each other, and at least a plurality of sets of the sensing element 10 and the oscillation circuit 20 may be provided.

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。 In the measurement system 1, the sensor unit 2 and the processing device 50 are wirelessly connected via the transmitter 70 and the receiver 52, but both may be connected by wire. However, it is more preferable that the sensor unit 2 and the processing device 50 are wirelessly connected because the presence of the wire may affect the change in the capacitance of the sensing element 10. Further, by wirelessly connecting the sensor unit 2 and the processing device 50, only the sensor unit 2 can be easily carried, the degree of freedom in selecting the measurement environment is increased, and the measurement environment can be easily changed.

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。 The sensing element 10 is used by arranging it in the vicinity of the human body. For example, the sensing element 10 is used in a state of being separated from the human body and its clothes (non-contact state). Therefore, the measurement system 1 of the present embodiment can measure the movement of the measurement object X, for example, the expansion / contraction of the heart, in a non-invasive manner. Further, since the movement of the measurement object X can be measured from above the clothes, the degree of freedom of the measurement environment can be further increased. For example, a sensing element is attached to the backrest or seat belt of a vehicle such as an automobile, the driver sits on the seat, and the sensing element is placed near the human body by wearing the seat belt. It is also possible to measure the movement of the heart and the like. In this case, the measurement result can be used to prevent the occurrence of an accident caused by, for example, poor physical condition of the driver.

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。
The present invention is not limited to the above embodiment, and the design can be appropriately changed within the scope of the invention described in the claims.
In the measurement system of the above embodiment, an LC resonance circuit is used as the resonance circuit including the capacitor, but the present invention is not limited to this, and for example, an RC resonance circuit can also be used.

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。
The capacitor 25 constituting the high-pass filter is not limited to between the sensing element 10 and the LC oscillator 24, and may be connected in series with the sensing element 10.
The processing device 50 has extracted the frequency change of a specific measurement object by frequency analysis such as FFT processing, but the frequency change of the specific measurement object may be extracted by using a bandpass filter.

本発明は、人体以外の生体にも適用することができる。 The present invention can be applied to living organisms other than the human body.

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
1: Measurement system 10: Sensing element 20: Oscillation circuit 21: LC resonance circuit 22: Capacitor 25: Capacitor 50: Processing device X: Object to be measured

Claims (8)

少なくとも心臓を含む生体内の測定対象物の動きを、それ以外の臓器の動きと識別して測定する測定システムであって、
複数組の、前記生体の近傍に配置される、導体を含むセンシング素子、及び、前記センシング素子に並列接続されたコンデンサを含む共振回路を有する発振回路と、
複数の前記センシング素子を生体の近傍の複数個所に配置したときに、複数の前記発振回路それぞれの出力周波数の周波数変化から、前記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であって、前記複数のセンシング素子それぞれに対応する方向の動きに対応する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。
It is a measurement system that distinguishes and measures the movement of objects to be measured in the body, including the heart, from the movements of other organs.
An oscillator circuit having a plurality of sets of sensing elements including conductors arranged in the vicinity of the living body and resonance circuits including capacitors connected in parallel to the sensing elements.
When the plurality of sensing elements are arranged at a plurality of locations near the living body, the frequency change of the output frequency of each of the plurality of oscillation circuits is changed to the frequency change of the frequency band corresponding to the movement of the object to be measured in the living body. A measurement system including a processing device that performs a process of extracting a frequency change corresponding to a movement in a direction corresponding to each of the plurality of sensing elements.
前記複数の発振回路は、それぞれ、前記共振回路に接続されることによって前記センシング素子の静電容量に応じた共振周波数で発振する発振器を有し、
前記発振器からの出力周波数をダウンコンバートする周波数変換器と、
前記周波数変換器においてダウンコンバートされた前記出力周波数の、前記センシング素子と前記少なくとも心臓を含む測定対象物との間の距離の変化によって前記静電容量が変化することによる周波数変化を検知する周波数検出器と、をさらに備え、
前記処理装置では、前記周波数検出器によって検知された前記周波数変化から前記複数のセンシング素子それぞれに対応する方向の動きに対応する周波数変化を抽出する
請求項1に記載の測定システム。
Each of the plurality of oscillation circuits has an oscillator that oscillates at a resonance frequency corresponding to the capacitance of the sensing element by being connected to the resonance circuit.
A frequency converter that down-converts the output frequency from the oscillator,
Frequency detection that detects a frequency change of the output frequency down-converted in the frequency converter due to a change in the capacitance due to a change in the distance between the sensing element and the measurement object including at least the heart. With a vessel,
The measurement system according to claim 1, wherein the processing device extracts a frequency change corresponding to a movement in a direction corresponding to each of the plurality of sensing elements from the frequency change detected by the frequency detector.
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対応する周波数変化を互いに同期させて出力する、請求項1又は2に記載の測定システム。 The measurement system according to claim 1 or 2, wherein the processing device outputs frequency changes corresponding to movements of measurement objects extracted from changes in output frequencies of the plurality of oscillation circuits in synchronization with each other. 少なくとも心臓を含む生体内の測定対象物の動きを、それ以外の臓器の動きと識別して測定する測定システムであって、
前記生体の近傍に配置される、導体を含むセンシング素子と、
前記センシング素子に並列接続されたコンデンサを含む共振回路、及び、前記共振回路に接続されることによって前記センシング素子の静電容量に応じた共振周波数で発振する発振器を有する発振回路と、
前記発振器からの出力周波数をダウンコンバートする周波数変換器と、
前記周波数変換器においてダウンコンバートされた前記出力周波数の、前記センシング素子と前記少なくとも心臓を含む測定対象物との間の距離の変化によって前記静電容量が変化することによる周波数変化を検知する周波数検出器と、
前記周波数検出器によって検知された前記周波数変化から、前記少なくとも心臓を含む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。
It is a measurement system that distinguishes and measures the movement of objects to be measured in the body, including the heart, from the movements of other organs.
A sensing element containing a conductor, which is arranged in the vicinity of the living body,
A resonance circuit including a capacitor connected in parallel to the sensing element, and an oscillation circuit having an oscillator connected to the resonance circuit to oscillate at a resonance frequency corresponding to the capacitance of the sensing element.
A frequency converter that down-converts the output frequency from the oscillator,
Frequency detection that detects a frequency change of the output frequency down-converted in the frequency converter due to a change in the capacitance due to a change in the distance between the sensing element and the measurement object including at least the heart. With a vessel
A measurement system including a processing device that performs a process of extracting a frequency change in a frequency band corresponding to the movement of a measurement object including at least the heart from the frequency change detected by the frequency detector.
前記処理装置は、前記周波数変化から、複数の前記測定対象物の動きに対応する周波数変化をそれぞれ抽出する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の測定システム。 The measurement system according to any one of claims 1 to 4, wherein the processing device extracts frequency changes corresponding to the movements of a plurality of the measurement objects from the frequency changes. 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1〜5のいずれか1項に記載の測定システム。 The measurement system according to any one of claims 1 to 5, wherein a capacitor that cuts off a signal having a predetermined frequency or less is connected in series with the sensing element. 複数組の、導体を含むセンシング素子、及び、前記センシング素子に並列接続されたコンデンサを含む共振回路を有する発振回路を有するセンサユニットを用いて、少なくとも心臓を含む生体内の測定対象物の動きを、それ以外の臓器の動きと識別して測定する測定方法であって、
複数の前記センシング素子を生体の近傍の複数個所に配置する工程、
前記複数のセンシング素子それぞれ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、前記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であって、前記複数のセンシング素子それぞれに対応する方向の動きに対応する周波数変化を抽出する処理を行う工程、を含む測定方法。
Using a sensor unit having a plurality of sets of sensing elements including conductors and an oscillating circuit having a resonance circuit including a capacitor connected in parallel to the sensing elements, at least the movement of an object to be measured in a living body including the heart can be measured. , A measurement method that distinguishes and measures the movement of other organs.
A step of arranging a plurality of the sensing elements at a plurality of locations near the living body,
The step of detecting the frequency change of the oscillation circuit due to the change of the capacitance of each of the plurality of sensing elements, and
From the change in the output frequency of the oscillation circuit, the frequency change in the frequency band corresponding to the movement of the object to be measured in the living body and the frequency change corresponding to the movement in the direction corresponding to each of the plurality of sensing elements is extracted. A measuring method including a step of performing a process.
導体を含むセンシング素子と、前記センシング素子に並列接続されたコンデンサを含む共振回路、及び、前記共振回路に接続されることによって前記センシング素子の静電容量に応じた共振周波数で発振する発振器を有する発振回路と、前記発振器からの出力周波数をダウンコンバートする周波数変換器と、前記周波数変換器に接続された周波数検出器とを有するセンサユニットを用いて、少なくとも心臓を含む生体内の測定対象物の動きを、それ以外の臓器の動きと識別して測定する測定方法であって、
前記センシング素子を生体の近傍に配置する工程、
前記発振器からの出力周波数をダウンコンバートする工程、
前記周波数変換器においてダウンコンバートされた前記出力周波数の、前記センシング素子と前記少なくとも心臓を含む測定対象物との間の距離の変化によって前記静電容量が変化すること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、前記少なくとも心臓を含む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。
It has a sensing element including a conductor, a resonance circuit including a capacitor connected in parallel to the sensing element, and an oscillator that oscillates at a resonance frequency corresponding to the capacitance of the sensing element by being connected to the resonance circuit. Using a sensor unit having an oscillation circuit, a frequency converter that down-converts the output frequency from the oscillator, and a frequency detector connected to the frequency converter, an object to be measured in a living body including at least the heart is used. It is a measurement method that distinguishes movement from the movement of other organs and measures it.
The step of arranging the sensing element in the vicinity of the living body,
The process of down-converting the output frequency from the oscillator,
The frequency change of the oscillation circuit due to the change of the capacitance due to the change of the distance between the sensing element and the measurement object including at least the heart of the output frequency down-converted in the frequency converter. Detection process and
A measurement method including a step of extracting a frequency change in a frequency band corresponding to the movement of a measurement object including at least the heart from a change in the output frequency of the oscillation circuit.
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