JP2014075670A

JP2014075670A - 情報伝達システム

Info

Publication number: JP2014075670A
Application number: JP2012221468A
Authority: JP
Inventors: Mitsumasa Yoda; 光正依田
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2012-10-03
Filing date: 2012-10-03
Publication date: 2014-04-24

Abstract

【課題】生体に装着される送信側の装置が小型化された情報伝達システムを提供すること。
【解決手段】生体（２）を介して伝送される搬送波により送信機（１１）と受信機（１２）との間で情報伝達を行う情報伝達システム（１）であって、送信機は、生体の表面に対向して配置され搬送波を送信する送信用電極（１１１）を備え、受信機は、生体を介して伝送される搬送波を受信する受信用電極（１２１）と、伝送の過程で生体から受けた搬送波の振幅変化を検出する検出部（１２４）と、を備える構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体などの生体を介して情報伝達を行う情報伝達システムに関し、特に、心拍数などの生体情報を伝送可能な情報伝達システムに関する。

心拍数などの生体情報をセンサで検出し、生体を介して外部のデータ処理装置に伝送させるシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムは、センサに接続された送信機と、送信機からの信号を受信する受信機とを含んでいる。送信機は、センサからの生体情報に基づき搬送波を変調し、対応する電界（電磁界）を生体に印加する。受信機は、生体を介して伝送される搬送波を受信し、搬送波中の生体情報を復調する。復調された生体情報は、受信機の後段に設けられたデータ処理装置で処理される。このシステムでは、送信機と受信機との間は有線接続されないので、被装着者の動きが接続配線により制限されずに済む。

特開２００６−２７１７９８号公報

ところで、上述のシステムにおいては、センサで検出された生体情報に基づいて搬送波を変調させるため、送信側の装置に、生体情報を検出するためのセンサと、搬送波を変調するための変調回路とが必要になる。しかしながら、送信側の装置にセンサ及び変調回路を設けると、生体に装着される送信側の装置が大きくなって、被装着者の負担は増大してしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、生体に装着される送信側の装置が小型化された情報伝達システムを提供することを目的とする。

本発明の情報伝達システムは、生体を介して伝送される搬送波により送信機と受信機との間で情報伝達を行う情報伝達システムであって、前記送信機は、前記生体の表面に対向して配置され前記搬送波を送信する送信用電極を備え、前記受信機は、前記生体を介して伝送される前記搬送波を受信する受信用電極と、伝送の過程で前記生体から受けた前記搬送波の振幅変化を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、伝送の過程で生体から受ける搬送波の振幅変化を利用して生体情報を検出できるので、生体情報を検出するためのセンサと、搬送波を変調するための変調回路とを送信機側に設ける必要がない。これにより、生体に装着される送信側の装置が小型化された情報伝達システムを提供できる。

本発明の情報伝達システムにおいて、前記検出部は、前記搬送波の振幅変化から前記生体の生体情報を取得することが好ましい。

本発明の情報伝達システムにおいて、前記送信用電極は、前記生体の胸部に近接して配置され、前記検出部は、前記搬送波の振幅変化から前記生体の心拍情報を取得しても良い。この構成によれば、心拍の影響を受け易い部分に送信用電極が配置されるので、搬送波は心拍に応じて振幅変化される。その結果、検出部において心拍数などの心拍情報を取得できる。

本発明の情報伝達システムにおいて、前記送信機は、識別情報の記憶される記憶部を備え、前記搬送波によって前記識別情報が伝達されても良い。この構成によれば、検出部において得られる心拍情報を、識別情報に対応させて管理することが可能になる。

本発明の情報伝達システムにおいて、前記受信機は、前記識別情報を抽出するためのバンドパスフィルタと、前記心拍情報を抽出するためのローパスフィルタと、を備えても良い。この構成によれば、搬送波から識別情報と心拍情報とを適切に抽出できる。

本発明の情報伝達システムにおいて、前記送信用電極は、前記心拍情報を検出可能な静電容量の得られる面積を有しても良い。この構成によれば、生体の心拍情報を適切に取得できる。

本発明によれば、生体に装着される送信側の装置が小型化された情報伝達システムを提供できる。

本実施の形態に係る情報伝達システムの構成例を示す模式図である。送信機の具体的な構成例を示す模式図である。ＡＭ検波回路の具体的な構成例を示す回路図である。情報伝達システムにおいて受信機から出力される信号を示すグラフである。静電容量と電極面積との関係を示す模式図である。電極面積と心拍情報の検出状況との関係を示すテーブルである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態に係る情報伝達システムの構成について説明する。なお、以下においては、心拍数などの心拍情報を取得可能な情報伝達システムについて説明するが、本発明の情報伝達システムは、心拍情報以外の生体情報を取得するために用いることもできる。また、本実施の形態では、説明の便宜上、簡略化された情報伝達システムについて説明するが、情報伝達システムに必要な構成は不足なく備えるものとする。

図１は、本実施の形態に係る情報伝達システムの構成例を示す模式図である。情報伝達システム１は、搬送波としての高周波信号を発生する送信機１１と、人体等の生体２を介して送信機１１から伝送された搬送波を受信する受信機１２とを備えている。送信機１１から送信された搬送波は、生体２を介して受信機１２で受信される。受信機１２は、生体２を介して伝送される搬送波から生体情報を取得し、後段のデータ処理装置１３に送る。

送信機１１は、生体２の胸部近傍に装着可能に構成されている。図２は、送信機の具体的な構成例を示す模式図である。図２に示すように、送信機１１は、生体２の表面に対向される生体側電極（送信用電極）１１１と、生体側電極１１１に対して離間されたグランド電極１１２とを備える。また、送信機１１は、送信機１１に固有の識別情報が記憶される記憶回路（記憶部）１１３を備えている。

生体側電極１１１は平板状に形成されており、生体２と適切に容量結合されるように所定の面積を有している。この生体側電極１１１により、搬送波に相当する高周波電界が生体２に印加される。生体側電極１１１は、搬送波が心臓の動きの影響を受け易くなるように、生体２の胸部に近接して配置されている。この配置では、心臓の動きに応じて伝送路の状態が変化されるので、搬送波は、生体２を通じた伝送の過程で心臓の動きに応じて振幅変化される。すなわち、搬送波の振幅変化は、生体２の心臓の動きを示す心拍情報に対応する。なお、生体側電極１１１は、生体２と容量結合可能であれば良く、生体２に接している必要はない。例えば、生体側電極１１１と生体２とは、衣類などを介して容量結合されても良い。

グランド電極１１２は、生体側電極１１１と同様の平板状に形成されており、地面などの定電位源と容量結合される。このグランド電極１１２により、搬送波の送信に用いられるグランド電位が生成される。なお、略一定のグランド電位を生成できるのであれば、グランド電極１１２の容量結合の対象は地面でなくとも良い。グランド電極１１２は、例えば、建物や車両などと容量結合されても良い。

記憶回路１１３には、送信機１１（又は、被装着者）に固有の識別情報が記憶されている。搬送波は、識別情報に基づいて変調され、生体２を介して受信機１２に伝送される。この識別情報により、生体２を伝送する過程で振幅変化として得られる心拍情報を、識別情報に対応させて管理することが可能である。

受信機１２は、生体２に生じる電界に対応した信号を受信する受信用電極１２１と、受信用電極１２１で受信された受信信号中の所定周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタ１２２と、バンドパスフィルタ１２２を通過された信号を増幅させるアンプ１２３と、信号の振幅変化を検出するＡＭ検波回路（検出部）１２４と、ＡＭ検波回路１２４で検波された信号中の低周波数帯域を通過させるローパスフィルタ１２５と、ローパスフィルタ１２５を通過された信号から所定の周波数帯域を除去するバンドストップフィルタ１２６と、を備えている。

受信用電極１２１は、生体２と接触されることで、生体２に生じる電界に対応した信号を受信する。生体２には、生体側電極１１１から搬送波に相当する高周波電界が印加されるので、受信用電極１２１は、送信機１１から送信される搬送波を含む信号を受信できる。受信用電極１２１で受信された受信信号は、後段のバンドパスフィルタ１２２に入力される。

バンドパスフィルタ１２２は、入力された受信信号中の所定周波数帯域を通過させる。バンドパスフィルタ１２２の通過帯域は、送信機１１で生成される搬送波の周波数に対応して設定されている。このため、受信信号中の搬送波は通過され、他の周波数成分は除去される。このようにしてバンドパスフィルタ１２２を通過された搬送波を含む信号には、送信機から伝送される識別情報と、生体２を通じた伝送の過程で振幅変化として得られる心拍情報とが含まれている。バンドパスフィルタ１２２を通過された搬送波を含む信号は、アンプ１２３で増幅された後にＡＭ検波回路１２４に入力される。

ＡＭ検波回路１２４は、入力された搬送波を含む信号を包絡線検波して振幅変化を検出する。搬送波は、生体２を通じた伝送の過程で心臓の動きに応じて振幅変化されている。また、搬送波は、識別情報に応じた変調を受けている。このため、ＡＭ検波回路１２４により搬送波を含む信号の振幅変化を検出することで、生体２の心臓の動きを示す心拍情報及び識別情報を含む信号を得ることができる。

図３は、ＡＭ検波回路の具体的な構成例を示す回路図である。図３に示すＡＭ検波回路１２４は、２個のダイオードＤ１，Ｄ２、及び１個のキャパシタＣ１を含んでいる。ＡＭ検波回路１２４の入力側において、ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のカソードとが接続されている。一方、ＡＭ検波回路１２４の出力側において、ダイオードＤ１のカソードとキャパシタＣ１の一方の端子とが接続されている。ダイオードＤ２のアノード及びキャパシタＣ１の他方の端子は接地されている。なお、ＡＭ検波回路１２４は、図３に示す構成に限定されない。

ＡＭ検波回路１２４で検出された搬送波の振幅変化に相当する信号は、ローパスフィルタ１２５に入力される。ここで、ＡＭ検波回路１２４で検出される信号は、心拍情報の他にも比較的高い周波数成分の識別情報などを含んでいる。そこで、搬送波から心拍情報のみを抽出するために、ローパスフィルタ１２５で比較的高い周波数成分の信号を除去する。ローパスフィルタ１２５の遮断周波数は、心拍情報を適切に抽出可能な範囲で設定される。ローパスフィルタ１２５を通過された信号は、バンドストップフィルタ１２６に入力される。

バンドストップフィルタ１２６は、例えば、ノッチフィルタであり、入力される信号中の所定の周波数成分を減衰させる。ローパスフィルタ１２５を通過した信号には、電源に起因する周波数のノイズ（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのノイズ）が含まれていることがある。そこで、バンドストップフィルタ１２６により、この電源起因のノイズを除去する。バンドストップフィルタ１２６を通過された心拍情報に相当する信号は、データ処理装置１３に送られて各種処理が行われる。

次に、情報伝達システム１の動作の概略を説明する。送信機１１の記憶回路１１３に記憶される識別情報に基づいて変調された搬送波は、生体側電極１１１から高周波電界として生体２に印加される。生体２に印加された搬送波は、生体２を伝送する過程で心臓の動きの影響を受け、心臓の動きに応じて振幅変化される。

生体２に発生した高周波電界は、受信機１２の受信用電極１２１で受信される。受信用電極１２１で受信された搬送波を含む受信信号は、バンドパスフィルタ１２２を通過された後に、ＡＭ検波回路１２４に入力される。ＡＭ検波回路１２４は、入力された搬送波を含む信号を包絡線検波することで、生体２の心臓の動きを示す心拍情報及び識別情報を検出する。

ＡＭ検波回路１２４で検出された信号は、ローパスフィルタ１２５に入力され、心拍情報が抽出される。ローパスフィルタ１２５を通過した信号は、バンドストップフィルタ１２６を介してデータ処理装置１３に送られる。データ処理装置１３は、心拍情報及び識別情報に基づいて各種のデータ処理を行う。

図４は、情報伝達システムにおいて受信機から出力される信号を示すグラフである。図４Ａは、本実施の形態の受信機１２から出力される信号を示し、図４Ｂは、比較例の受信機から出力される信号を示す。本実施の形態と比較例との相違点は、生体側電極の面積である。具体的には、本実施の形態の生体側電極１１１は、心拍情報の検出に適した面積（３０ｍｍ×３０ｍｍ）を有しているが、比較例の生体側電極（１０ｍｍ×５ｍｍ）は心拍情報の検出に適した面積を有していない。

図４Ａに示すように、本実施の形態の生体側電極１１１は心拍情報の検出に適した面積を有しているので、受信機１２の出力として心臓の鼓動に応じた規則的なパルス信号が得られている。一方、図４Ｂに示すように、比較例の生体側電極は心拍情報の検出に適した面積を有していないので、受信機からは不規則なパルス信号が出力されている。なお、図４Ｂに示すような不規則なパルス信号の原因は、搬送波が生体２の心臓以外の部分の動きの影響を受けることにあると考えられる。

図５は、静電容量と電極面積との関係を示す模式図である。図５Ａは、生体側電極１１１及びグランド電極１１２の面積が比較的大きい場合を模式的に示し、図５Ｂは、生体側電極１１１及びグランド電極１１２の面積が比較的小さい場合を模式的に示している。図５Ａに示すように、例えば、生体側電極１１１とグランド電極１１２とで１００ｐＦの静電容量が形成されている場合、心臓２１に起因する静電容量（１〜２ｐＦ程度）の影響は全体の１〜２％程度である。一方、図５Ｂに示すように、例えば、生体側電極１１１とグランド電極１１２とで１０ｐＦの静電容量が形成されている場合には、心臓２１に起因する静電容量の影響は全体の１０〜２０％程度になる。

つまり、心臓２１の動きの搬送波への影響は、図５Ｂに示すように、生体側電極１１１及びグランド電極１１２の面積が小さくなるほど大きくなる。よって、心拍情報を十分に検出できるようにするためには、生体側電極１１１及びグランド電極１１２の面積は大き過ぎないことが好ましい。ただし、電極面積を小さくしていくと、図４Ｂに示す場合のように、生体２の他の部分の動きの影響が大きくなり、心拍情報のみを適切に検出できなくなることがある。このため、生体側電極１１１及びグランド電極１１２の面積は、ある程度の大きさを有していることが好ましい。

図６は、電極面積と心拍情報の検出状況との関係を示すテーブルである。テーブル中の生体側電極及びグランド電極は、それぞれ生体側電極及びグランド電極の面積（ｍｍ^２）を示しており、電極間隔は、生体側電極及びグランド電極との間隔（ｍｍ）を示している。また、容量変化は、生体側電極及びグランド電極間の静電容量の変化値(ｐＦ)を示しており、検波振幅は、検出された心拍情報における振幅電圧（Ｖ）を示している。さらに、検出状況のマル印は、バンドストップフィルタ１２６からの出力において心拍に伴う規則的なパルス波形が表れることを示し、三角印は、心拍に伴う規則的なパルス波形に心臓以外の部分の動きの影響と考えられる不規則なパルスが含まれることを示し、バツ印は、不規則なパルスにより心拍に伴うパルス波形が読み取れないことを示している。なお、搬送波の周波数は１０．７ＭＨｚとした。

図６に示すように、生体側電極及びグランド電極の面積がいずれも３０×３０（ｍｍ^２）の場合には、電極間隔に関わらず、心拍情報を適切に検出できる（図４Ａ参照）。これに対して、生体側電極及びグランド電極の面積が１０×５（ｍｍ^２）まで小さくなると、適切に心拍情報を検出できなくなる（図４Ｂ参照）。生体側電極及びグランド電極の面積が２０×５（ｍｍ^２）〜２０×２０（ｍｍ^２）の範囲では、ある程度の精度で心拍情報を検出できる。

なお、生体側電極及びグランド電極の面積が２０×５（ｍｍ^２）の場合と、１０×１０（ｍｍ^２）の場合とを比較すると、検出状況に大きな差は生じていない。このことから、検出状況は、主に、生体側電極及びグランド電極の面積に依存していることが分かる。生体側電極１１１及びグランド電極１１２は、心拍情報を適切に検出可能な静電容量の得られる面積に形成されるのが好ましい。

以上のように、本実施の形態に係る情報伝達システム１は、伝送の過程で生体２から受ける搬送波の振幅変化を利用して心拍情報などの生体情報を検出できるので、生体情報を検出するためのセンサと、搬送波を変調するための変調回路とを送信機１１側に設ける必要がない。これにより、生体に装着される送信側の装置が小型化された情報伝達システム１を提供できる。

また、本実施の形態に係る情報伝達システム１は、搬送波が心拍の影響を受け易いように、生体側電極（送信用電極）１１１が生体２の胸部に近接して配置されるので、受信側のＡＭ検波回路（検出部）１２４において心拍数などの心拍情報を取得できる。また、送信機１１は識別情報の記憶される記憶回路（記憶部）１１３を備え、搬送波によって識別情報が伝達されるように構成されているので、ＡＭ検波回路１２４において得られる心拍情報を、識別情報に対応させて管理することが可能である。

また、受信機１２が、識別情報を抽出するためのバンドパスフィルタ１２２と、心拍情報を抽出するためのローパスフィルタ１２５と、を備えているので、搬送波から識別情報と心拍情報とを適切に抽出できる。また、送信用電極１１１は、生体２の心拍情報を検出可能な静電容量の得られる面積を有しているので、生体２の心拍情報を適切に取得できる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載に限定されず、その効果が発揮される態様で適宜変更して実施できる。例えば、上記実施の形態においては、心拍情報を取得可能な情報伝達システムについて示したが、他の生体情報を取得できるように情報伝達システムを構成しても良い。例えば、送信用電極の面積を適切に変更することで、呼吸状態を示す生体情報を取得可能な情報伝達システムなどを実現できる。

また、上記実施の形態においては、生体情報の検出対象として人体を想定して構成された情報伝達システムを示しているが、生体は人体であることに限られない。例えば、ペットや家畜などの生体情報を取得するために情報伝達システムを構成しても良い。また、情報伝達システムを構成する送信機及び受信機の構成は、適宜変更できる。例えば、動作に影響のない範囲内で、受信機の各種フィルタを変更又は省略することができる。

本発明の情報伝達システムは、心拍情報などの生体情報を取得する際に有用である。

１情報伝達システム
２生体
１１送信機
１２受信機
１３データ処理装置
２１心臓
１１１生体側電極（送信用電極）
１１２グランド電極
１１３記憶回路（記憶部）
１２１受信用電極
１２２バンドパスフィルタ
１２３アンプ
１２４ＡＭ検波回路（検出部）
１２５ローパスフィルタ
１２６バンドストップフィルタ
Ｄ１，Ｄ２ダイオード
Ｃ１キャパシタ

Claims

生体を介して伝送される搬送波により送信機と受信機との間で情報伝達を行う情報伝達システムであって、
前記送信機は、前記生体の表面に対向して配置され前記搬送波を送信する送信用電極を備え、
前記受信機は、前記生体を介して伝送される前記搬送波を受信する受信用電極と、伝送の過程で前記生体から受けた前記搬送波の振幅変化を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする情報伝達システム。
前記検出部は、前記搬送波の振幅変化から前記生体の生体情報を取得することを特徴とする請求項１記載の情報伝達システム。
前記送信用電極は、前記生体の胸部に近接して配置され、
前記検出部は、前記搬送波の振幅変化から前記生体の心拍情報を取得することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の情報伝達システム。
前記送信機は、識別情報の記憶される記憶部を備え、
前記搬送波によって前記識別情報が伝達されることを特徴とする請求項３記載の情報伝達システム。
前記受信機は、前記識別情報を抽出するためのバンドパスフィルタと、前記心拍情報を抽出するためのローパスフィルタと、を備えることを特徴とする請求項４記載の情報伝達システム。
前記送信用電極は、前記心拍情報を検出可能な静電容量の得られる面積を有することを特徴とする請求項５記載の情報伝達システム。