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JP7841599B2 - 生体信号計測システム - Google Patents
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JP7841599B2 - 生体信号計測システム - Google Patents

生体信号計測システム

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Description

本発明は、生体信号計測システムに関する。
生体電位計測の1つである心電図の計測では、人体の左右両側に配置した電極間の電位差を計測する。例えば、図6に示すように、胴体中央部にデバイス301を装着し、コンプレッションウェア302に配線303を這わせて左右腰部に接触する電極304を設けた計測システムが提案されている(非特許文献1)。
河西 奈保子 他、「着るだけで生体情報計測を可能とする機能素材hitoeの開発および実用化」、電子情報通信学会、通信ソサイエティマガジン、11巻、1号、17-23頁、2017年。
しかしながら、胴体への装着は、圧迫感による不快感や装着の手間が大きく忌避感を生じさせる。胴体以外として、例えば、四肢への装着が考えられる。しかしながらこの場合、左右の電極間を繋ぐ配線が手錠のようなループを形成するため、体の動きを制約してしまう強い拘束性が存在する。左右電極間の配線を切断して2つのデバイスに分割できればこれらの課題は解決されるが、分割によって電位計測の基準が定まらなくなり、生体電位計測が困難となる。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、2つの電極間の配線を切断して2つのデバイスに分割しても、生体電位が容易に計測できるようにすることを目的とする。
本発明に係る生体信号計測システムは、2つの電極デバイス、および生体信号生成装置を備え、2つの電極デバイスの各々は、対象となる人体における生体電位を計測する電極と、計測された生体電位を非反転増幅端子に入力して増幅して出力端子から出力する非反転増幅回路と、非反転増幅回路の出力端子から出力された増幅信号をデジタルデータに変換して生体電位情報を生成する量子化回路と、生体電位情報を生体信号生成装置に送信する無線送信器と、非反転増幅回路の出力端子から出力された電圧信号をFM信号に変換して他方の電極デバイスへ送信するFM送信器と、他電極デバイスから自電極デバイスに送信されたFM信号を受信して電圧信号に変換して出力するFM受信器と、FM受信器から出力された電圧信号を設定されている条件で調整した調整信号として非反転増幅回路の反転入力端子に出力する調整回路と、非反転増幅回路、量子化回路、無線送信器、FM送信器、FM受信器、および調整回路に電力を供給する電源とを備え、2つの電極デバイスの一方から他方へ送信されるFM信号と、他方から一方へ送信されるFM信号とは、各々周波数が異なり、生体信号生成装置は、2つの電極デバイスの各々から送信された生体電位情報を受信する無線受信器と、無線受信器が受信した生体電位情報を用いて生体信号波形を生成する演算回路とを有する。
以上説明したように、本発明によれば、2つの電極デバイスと生体信号生成装置との間を無線通信により接続し、2つの電極デバイスの間は、FM通信により接続するので、2つの電極間の配線を切断して2つのデバイスに分割しても、生体電位が容易に計測できる。
図1Aは、本発明の実施の形態1に係る生体信号計測システムの構成を示す構成図である。 図1Bは、本発明の実施の形態1に係る生体信号計測システムの一部構成を示す構成図である。 図2は、本発明の実施の形態1に係る生体信号計測システムの概念を示す説明図である。 図3は、本発明の実施の形態2に係る生体信号計測システムの構成を示す構成図である。 図4は、本発明の実施の形態3に係る生体信号計測システムの構成を示す構成図である。 図5は、本発明の実施の形態4に係る生体信号計測システムの構成を示す構成図である。 図6は、従来の生体信号計測システムの構成を示す構成図である。
以下、本発明の実施の形態に係る生体信号計測システムについて説明する。
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1に係る生体信号計測システムについて図1A、図1Bを参照して説明する。このシステムは、2つの第1電極デバイス100a、第2電極デバイス100b、および生体信号生成装置130を備える。
第1電極デバイス100aは、まず、対象となる人体における生体電位を計測する電極101aと、計測された生体電位を非反転増幅端子に入力して増幅して出力端子から出力する非反転増幅回路102aと、非反転増幅回路102aの出力端子から出力された増幅信号をデジタルデータに変換して生体電位情報を生成する量子化回路103aと、生体電位情報を生体信号生成装置130に送信する無線送信器104aとを備える。
また、第1電極デバイス100aは、FM送信器105a、FM受信器106a、調整回路107aを備える。FM送信器105aは、非反転増幅回路102aの出力端子から出力された電圧信号をFM信号に変換し、変換したFM信号を送信アンテナ109aにより第2電極デバイス100bへ送信する。FM受信器106aは、第2電極デバイス100bから第1電極デバイス100aに送信されて受信アンテナ110aで受信したFM信号を電圧信号に変換して出力する。調整回路107aは、FM受信器106aから出力された電圧信号を設定されている条件で調整した調整信号として非反転増幅回路102aの反転入力端子に出力する。
反転入力端子には、非反転増幅回路102aの出力も入力される。例えば、図1Bに示すように、非反転増幅回路102aのオペアンプの-端子入力Vin-で、調整回路107aから非反転増幅回路102aの反転入力端子に入力される信号をVdev2とし、非反転増幅回路102aの出力をVout1とすると、「Vin-=(R+RG)/(2R+RG)Vout+(R)/(2R+RG)Vdev2の比率で混合され、非反転増幅回路102aの反転入力端子に入力される。後述する非反転増幅回路102bも同様である。
また、第1電極デバイス100aは、非反転増幅回路102a、量子化回路103a、無線送信器104a、FM送信器105a、FM受信器106a、および調整回路107aに電力を供給する電源108aを備える。
第2電極デバイス100bは、まず、対象となる人体における生体電位を計測する電極101bと、計測された生体電位を非反転増幅端子に入力して増幅して出力端子から出力する非反転増幅回路102bと、非反転増幅回路102bの出力端子から出力された増幅信号をデジタルデータに変換して生体電位情報を生成する量子化回路103bと、生体電位情報を生体信号生成装置130に送信する無線送信器104bとを備える。
また、第2電極デバイス100bは、FM送信器105b、FM受信器106b、調整回路107bを備える。FM送信器105bは、非反転増幅回路102bの出力端子から出力された電圧信号をFM信号に変換し、変換したFM信号を送信アンテナ109bにより第1電極デバイス100aへ送信する。FM受信器106bは、第1電極デバイス100aから第2電極デバイス100bに送信されて受信アンテナ110bで受信したFM信号を電圧信号に変換して出力する。調整回路107bは、FM受信器106bから出力された電圧信号を設定されている条件で調整した調整信号として非反転増幅回路102bの反転入力端子に出力する。
また、第2電極デバイス100bは、非反転増幅回路102b、量子化回路103b、無線送信器104b、FM送信器105b、FM受信器106b、および調整回路107bに電力を供給する電源108bを備える。
ここで、第1電極デバイス100aから第2電極デバイス100bへ送信されるFM信号と、第2電極デバイス100bから第1電極デバイス100aへ送信されるFM信号とは、各々周波数が異なる。
生体信号生成装置130は、第1電極デバイス100b、第2電極デバイス100bの各々から送信された生体電位情報を受信する無線受信器131と、無線受信器131が受信した生体電位情報を用いて生体信号波形を生成する演算回路132とを有する。演算回路132は、例えば、人体の四肢のいずれか2ヶ所に装着された第1電極デバイス100b、第2電極デバイス100bの各々から送信された2つの生体電位情報を用いて心電信号波形を生成することができる。また生体信号生成装置130は、演算回路132で生成された生体信号波形を記憶するメモリ133を備える。
実施の形態1に係る生体信号計測システムの概念を図2に示す。例えば、生体信号として心電を測定して心電図を生成する場合には、心臓を挟むような位置関係上に複数の電極を配置する必要がある。このため、人体140にとって使用感の良い計測部位としては、例えば、手足などの四肢の少なくとも2ヶ所に、第1電極デバイス100a、第2電極デバイス100bを装着することが考えられる。このような第1電極デバイス100a、第2電極デバイス100bの装着形態を採用することによって、ウェアの着用などによる圧迫感や不快感を大幅に軽減させることができる。なお、この生体信号計測システムの計測対象は、心電に限らず、筋電や脳波などの計測においても応用可能であり、適用することで配線の不快感がなくなるとともに電極配置の自由度が上がり、実装するデバイスの幅が広がる効果も期待される。
ところで、この例では、第1電極デバイス100aの非反転増幅回路102aと、第2電極デバイス100bの非反転増幅回路102bとを、相互に結合させている。このような構成は、発振回路の構成と同様となるため、相互に結合させる信号の遅延などによって生じる位相回転と増幅度について、位相回転180度かつ増幅度が1以上になると発振が生じてしまう。
例として、生体信号で代表的なDC~1kHzを帯域幅とする非反転増幅回路を構築する場合に0.1msの遅延が発生した場合、1kHz信号では36度の位相回転が生じる。つまり、0.5msの遅延で180度の位相回転が生じてしまうため、発振の可能性を否定できない。このため、上述した非反転増幅回路102aと非反転増幅回路102bとの相互の結合では、電圧信号をカップリングさせる部分の遅延を最小化することが必要である。
次に、電極101a、電極101bについて説明する。これら電極には様々なものが使用可能であり、医療用途でも用いられているAg/AgCl電極をはじめとして、導電性を有した布電極、金属製の電極など、任意のものが利用可能である。特に、人体に接着しなくてもよい布や金属製の電極を用いて衣服の上からセンサデバイスを装着する非接触電極構成にすることによって、さらにユーザビリティを高めることも可能である。特に非接触電極構成については、容量結合によるものが高周波通信を通過しやすい分だけ好適である。
次に、調整回路107a、調整回路107bについて説明する。これらは、受したFM信号もとに定数倍の調整を行う部分であるため、オペアンプで構成することができる。オペアンプを多段接続して構成することも可能であるが、多段で接続するごとにより遅延が蓄積するため、不安定になりやすい。このため、調整回路107a、調整回路107bの各々は、最小である1段のオペアンプから構成することが好適である。
次に、非反転増幅回路102a、非反転増幅回路102bについて説明する。生体電位は非常に微弱な信号であるため、フィルタ回路やオペアンプによる増幅回路によって構成される非反転増幅回路102a、非反転増幅回路102bによる信号増幅が必要となる。特に非反転型の増幅回路とすることによって、システムとしてコモンモード抑制能力の高い計装アンプと同等の構成を実現することが可能である。
また、非反転増幅回路102a、非反転増幅回路102bの増幅段では、生体電位の損失を減らすため高い入力インピーダンスが必要となるが、非反転増幅回路102a、非反転増幅回路102bは、高入力インピーダンス構成にしてもノイズが増加しにくい。一方で、反転増幅回路は、入力インピーダンスを決定する抵抗がゲイン設定にも影響し、さらにそのまま熱雑音として寄与してしまうためSN比を低下させてしまう。このため、非反転増幅回路は有効である。
生体電位計測では2つの電極間の電位差検出を行うため、非反転増幅回路102a、非反転増幅回路102bにおいて同一の基準電位が要求される。したがって、調整回路107a、調整回路107bによって生成される電位を用いることによって、2つの第1電極デバイス100aと第2電極デバイス100bとの間でバランスされた信号増幅が可能になり、良好な生体信号情報が最終的に得られる。
また、非反転増幅回路102aと非反転増幅回路102bとを相互にカップリングさせる際に使用するFM通信周波数は異なる周波数を持つ必要がある。なぜならば、同一の周波数を使用すると相互に混信してしまい、所望のカップリングが得られないためである。これは通信において帯域を分割することに相当しており、使用する周波数を増やすことで、本発明は電極デバイスをペアとする構成だけでなく、より多くの電極デバイス間で使用することが可能となる。
次に、無線送信器104a、無線送信器104bについて説明する。例えば、無線送信器104aは、1つの通信モジュールで構成することができ、量子化回路103aから出力される計測電位を受け取って、生体信号生成装置130に送信することができるような接続を取ることができればよい。
無線送信器104a、無線送信器104bと、無線受信器131との間の無線通信網150の規格は、キャリア通信、Wi-Fi(登録商標)、Bluetooth(登録商標)など任意のものが適用可能である(図2)。通信規格に合わせた送信器、受信器の選択が必要となる。Bluetoothなどの近距離通信規格では、測定対象の人体であるユーザに近い端末であるスマートフォンなどを生体信号生成装置130とすることができる。また、Wi-Fiなどを利用するのであれば、サーバなどを生体信号生成装置130とすることができる。
また、生体信号生成装置130で求められる機能は、複数の電極デバイスの信号を受け取り、目的の生体電位を演算により求めることである。これらの機能は、生体信号生成装置130を利用せず、いずれかの電極デバイスに実装(内蔵)することができる(図3)。この場合、図3に例示するように、第2電極デバイス100bは、無線受信器104b’を備え、演算回路132とメモリ133を備える生体信号生成装置130aが追加される形となる。
第2電極デバイス100bの無線受信器104b’は、第1電極デバイス100aから送信された生体電位情報を受信し、第2電極デバイス100bの生体電位情報と合わせ演算することにより生体電位を求める。求めた生体電位は第2電極デバイス100bのメモリ133に保存することで前述同様の機能、効果を果たすことが可能となる。加えて、この構成では、別途に生体信号生成装置130を備える必要がないので、スマートフォンなどの持ち運びがいらず、よりユーザに制限のない計測が実現可能である。
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2に係る生体信号計測システムについて図4を参照して説明する。このシステムは、2つの第1電極デバイス100a’、第2電極デバイス100b’、および生体信号生成装置130を備える。
第1電極デバイス100a’は、電極101a、非反転増幅回路102a、量子化回路103a、無線送信器104a、FM送信器105a、FM受信器106a、調整回路107a、および電源108aを備える。また、第2電極デバイス100bは、電極101b、非反転増幅回路102b、量子化回路103b、無線送信器104b、FM送信器105b、FM受信器106b、調整回路107b、および電源108bを備える。また、生体信号生成装置130は、無線受信器131、演算回路132、メモリ133を備える。これらの構成は、前述した実施の形態1と同様である。
実施の形態2では、人体を通信チャネルとしてFM通信を行う。FM送信器105aは、非反転増幅回路102aの出力端子から出力された電圧信号をFM信号に変換し、変換したFM信号を送信電極109a’により、人体をチャネルとして第2電極デバイス100bへ送信する。FM受信器106aは、第2電極デバイス100bから第1電極デバイス100aに人体をチャネルとして送信されて受信電極110a’で受信したFM信号を電圧信号に変換して出力する。
また、FM送信器105bは、非反転増幅回路102bの出力端子から出力された電圧信号をFM信号に変換し、変換したFM信号を送信電極109b’により、人体をチャネルとして第1電極デバイス100aへ送信する。FM受信器106bは、第1電極デバイス100aから第2電極デバイス100bに人体をチャネルとして送信されて受信電極110b’で受信したFM信号を電圧信号に変換して出力する。
上述したように、人体を介してFM通信を行うことで、遅延や電力の削減および人体が導波路としての機能を果たすため、電波の閉じ込めが可能となり外部からの干渉に強く、さらに外部へ干渉をもたらす危険性を低減できるという利点がある。人体を伝送する場合も、第1電極デバイス100aから第2電極デバイス100bへ送信されるFM信号と、第2電極デバイス100bから第1電極デバイス100aへ送信されるFM信号とは、各々周波数が異なるものとする。使用する周波数帯は、人体の電気的性質から数MHzから100MHz程度にすることで、損失を少なくすることができる。
また、この例では、例えば、第1電極デバイス100a’において、電極101a、送信電極109a’、受信電極110a’と3つの電極を用いるが、各々周波数が異なるため、バンドパスフィルタを設けることで1つの電極で構成することの可能であり、人体に接触させる部位が減るためユーザの快適性を向上させる効果がある。
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3に係る生体信号計測システムについて図5を参照して説明する。このシステムは、2つの第1電極デバイス100a”、第2電極デバイス100b”、および生体信号生成装置130を備える。
実施の形態3では、FM送信器を、電圧制御発振器(VCO105a’,VCO105b’)から構成し、FM受信器を、位相同期回路(PLL106a’,PLL106b’)から構成している。他の構成は、前述した実施の形態2と同様である。
実施の形態2に示したように、人体を通信チャネルとしてFM通信を実現する構成では、遅延に関するパラメータが大きく変動する可能性がある。このため、FM通信の中でも特に送受信時に遅延が少ないデバイスを用いることが必要であり、この一例として、まず、FM送信器を電圧制御発振器から構成して電圧によって直接出力周波数を変調する。また、FM受信器を位相同期回路から構成し、直接検波方式とする。
人体を通信チャネル(通信路)とする場合、電波の閉じ込め効果によって高いSNが期待できる。したがって、人体をチャネルとする場合、精度の高い復調よりも遅延が少ない構成とすることが効果的である。FM送信器を電圧制御発振器から構成し、FM受信器を位相同期回路から構成することで、遅延を効果的に削減できる。
ところで、FM送信器を電圧制御発振器から構成し、FM受信器を位相同期回路から構成することで。遅延が削減できるが、直接検波、直接変調を採用する場合には、FM送信器を構成する電圧制御発振器と、FM受信器を構成する位相同期回路に含まれる電圧制御発振器と間で、電圧→周波数変換特性が一致していることが誤差の少ない通信には不可欠である。しかし、電圧制御発振器は、一般的にバラクタと呼ばれる可変容量ダイオードによるLC共振、またはリングオシレータによる発振が使用されている。これら素子の製造ばらつきによって、FM送信器を構成する電圧制御発振器と、FM受信器を構成する位相同期回路に含まれる電圧制御発振器と間で、電圧→周波数変換特性が一致しない場合が発生する。
このように、電圧→周波数変換特性が一致しない例として、中心周波数が一致しない場合、他電極デバイスのFM送信器を構成する電圧制御発振器と、自電極デバイスの位相同期回路の電圧制御発振器との電圧-周波数特性を一致させるように、調整回路が有するオペアンプにオフセットを加えることで調整が可能である。例えば、オペアンプに対する入力電圧によって、オフセットを決定することができる。このようにすることで、FM通信を採用している場合に、遅延を増加させずに調整することが可能である。
また、電圧→周波数変換特性が一致しない例として、電圧-周波数特性の傾きが一致しない場合については、それぞれの発振周波数特性をモニタし、他電極デバイスのFM送信器を構成する電圧制御発振器と、自電極デバイスの位相同期回路の電圧制御発振器との電圧-周波数特性を一致させるように、調整回路が有するオペアンプの増幅条件を調整することで、遅延を増加させずに調整することが可能となる。例えば、オペアンプの抵抗値を可変とすることで、オペアンプの増幅条件を調整することができる。
上述したように、調整回路におけるオペアンプの条件を適宜に調整することで、電圧制御発振器と位相同期回路によるFM通信の弱点をカバーすることが可能となり、特に、人体を通信チャネルとして利用する場合には、上述した構成とすることが好適である。
以上に説明したように、本発明によれば、2つの電極デバイスと生体信号生成装置との間を無線通信により接続し、2つの電極デバイスの間は、FM通信により接続するので、2つの電極間の配線を切断して2つのデバイスに分割しても、生体電位が容易に計測できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
100a…第1電極デバイス、100b…第2電極デバイス、101a,101b…電極、102a,102b…非反転増幅回路、103a,103b…量子化回路、104a,104b…無線送信器、105a,105b…FM送信器、106a,106b…FM受信器、107a,107b…調整回路、108a,108b…電源、109a,109b…送信アンテナ、110a,110b…受信アンテナ、130…生体信号生成装置、131…無線受信器、132…演算回路、133…メモリ。

Claims (6)

  1. 2つの電極デバイス、および生体信号生成装置を備え、
    前記2つの電極デバイスの各々は、
    対象となる人体における生体電位を計測する電極と、
    非反転入力端子、反転入力端子及び出力端子を備え、前記電極を介して前記非反転入力端子に入力された前記生体電位を増幅して、増幅信号を前記出力端子から出力する増幅回路と、
    前記増幅回路の前記出力端子から出力された前記増幅信号をデジタルデータに変換して生体電位情報を生成する量子化回路と、
    前記生体電位情報を前記生体信号生成装置に送信する無線送信器と、
    前記増幅回路の前記出力端子から出力された前記増幅信号をFM信号に変換して他方の電極デバイスへ送信するFM送信器と、
    前記他方の電極デバイスから送信された他方のFM信号を受信して、受信した前記他方のFM信号を電圧信号に変換して出力するFM受信器と、
    前記FM受信器から出力された前記電圧信号を設定されている条件で調整し、前記設定されている条件で調整した前記電圧信号を定数倍の調整を行うための調整信号として前記増幅回路の前記反転入力端子に出力する調整回路と、
    前記増幅回路、前記量子化回路、前記無線送信器、前記FM送信器、前記FM受信器、および前記調整回路に電力を供給する電源と
    を備え、
    前記2つの電極デバイスの一方から他方へ送信されるFM信号と、他方から一方へ送信されるFM信号とは、各々周波数が異なり、
    前記生体信号生成装置は、
    前記2つの電極デバイスの各々から送信された前記生体電位情報を受信する無線受信器と、
    前記無線受信器が受信した前記生体電位情報を用いて生体信号波形を生成する演算回路と
    を有することを特徴とする生体信号計測システム。
  2. 請求項1記載の生体信号計測システムにおいて、
    前記FM送信器と前記FM受信器との間のFM通信は、前記人体を通信チャネルとして行われることを特徴とする生体信号計測システム。
  3. 請求項1記載の生体信号計測システムにおいて、
    前記2つの電極デバイスの一方は、前記生体信号生成装置を内蔵する
    ことを特徴とする生体信号計測システム。
  4. 請求項1記載の生体信号計測システムにおいて、
    前記演算回路は、前記人体の四肢のいずれか2ヶ所に装着された前記2つの電極デバイスの各々から送信された2つの前記生体電位情報を用いて心電信号波形を生成する
    ことを特徴とする生体信号計測システム。
  5. 請求項1~4のいずれか1項に記載の生体信号計測システムにおいて、
    前記FM送信器は、電圧制御発振器から構成され、
    前記FM受信器は、位相同期回路から構成されている
    ことを特徴とする生体信号計測システム。
  6. 請求項5記載の生体信号計測システムにおいて、
    前記調整回路は、オペアンプを有し、前記他方の電極デバイスの前記電圧制御発振器の電圧-周波数特性と自電極デバイスの前記位相同期回路の電圧制御発振部の電圧-周波数特性とを互いに一致させるように、前記オペアンプの増幅条件の変更、及び前記オペアンプへのオフセットの付加の少なくとも一方を行う
    ことを特徴とする生体信号計測システム。
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