JP5292018B2 - 車両用心電計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の乗員の心電図波形を計測する車両用心電計測装置に関する。

従来、身体電位を測定する電極を用いて心臓の電気的な活動を検出し、グラフの形に記録した心電図が、医療の現場で広く利用されている。

係る心電図を車両において計測する技術について研究が進められている。特に運転者の心臓の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が可能となるからである。

心電図を車両において計測する装置の一例として、ステアリングホイールの左右両側に一対の電極を形成して運転者の左右の手の電位を検出し、これらの電位差から心電図波形を得る装置についての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、人体に電気的絶縁状態で対向配備される一対の計測用絶縁電極（容量結合型電極）を備え、当該電極間の電位差から心電図波形を得る装置についての発明が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この装置では、計測用絶縁電極をシートベルトに組み込むものとしている。
国際公開第２００４／０８９２０９号パンフレット 特開２００７−８２９３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、運転者がステアリングホイールを両手で保持していなければ心電図波形を得ることができず、片手でステアリングホイールを操作する場面が存在することを考慮すると、継続的な監視を行なうことが困難であると考えられる。

また、特許文献２に記載の装置では、車両の走行に伴う振動等に起因して電極と運転者の皮膚との間隔が変動し、これが複合されてノイズ要因となるため、正確な心電図波形の把握が困難である。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、車両の乗員の心電図波形を、より継続的に且つ正確に把握することが可能な車両用心電計測装置を提供することを、主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
車両の乗員の皮膚に接触して前記乗員の身体電位を検出する直接電極と、
前記車両のシートに取り付けられ、前記乗員の皮膚に接触せずに前記乗員の身体電位を検出する容量結合型電極と、
前記直接電極における電位と前記容量結合型電極における電位とに基づき前記乗員の心電図波形を特定する心電図波形特定手段と、
を備え、
前記容量結合型電極は、基板において該容量結合型電極の検出電位を増幅する増幅手段が実装される側と反対の側に取り付けられ、該基板に設けられたスルーホールによって前記増幅手段と接続される、
車両用心電計測装置である。

この本発明の一態様によれば、車両の乗員の心電図波形を、より継続的に且つ正確に把握することができる。

本発明の一態様において、
前記心電図波形特定手段は、例えば、前記直接電極における電位と前記容量結合型電極における電位との電位差に基づき前記乗員の心電図波形を特定する手段である。

また、本発明の他の態様において、
車両の乗員の皮膚に接触して前記乗員の身体電位を検出する直接電極と、
前記車両のシートに取り付けられ、前記乗員の皮膚に接触せずに前記乗員の身体電位を検出する容量結合型電極と、
前記直接電極における電位と前記容量結合型電極における電位とに基づき前記乗員の心電図波形を特定する心電図波形特定手段と、
を備え、
前記直接電極はグランド接続されており、
前記容量結合型電極は複数の電極を含み、
前記心電図波形特定手段は、前記直接電極における電位を基準電位として用い、前記容量結合型電極に含まれる複数の電極間の電位差に基づき前記乗員の心電図波形を特定する手段である、
車両用心電計測装置である。

また、本発明の一態様又は他の態様において、
前記直接電極は、少なくともステアリングホイールに取り付けられるものとすれば好適である。

また、本発明の他の態様において、
前記容量結合型電極は、基板において該容量結合型電極の検出電位を増幅する増幅手段が実装される側と反対の側に取り付けられ、該基板に設けられたスルーホールによって前記増幅手段と接続されるものとしてもよい。

本発明によれば、車両の乗員の心電図波形を、より継続的に且つ正確に把握することが可能な車両用心電計測装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

＜第１実施例＞
以下、本発明の第１実施例に係る車両用心電計測装置１について説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る車両用心電計測装置１の構成例である。車両用心電計測装置１は、主要な構成として、直接電極１０と、容量結合型電極２０と、記録制御装置３０と、を備える。なお、以下の説明において、車両用心電計測装置１は車両の運転者の心電図波形を得る装置として説明するが、本発明は運転者以外の他の乗員にも適用可能である（後述の第２実施例、第３実施例においても同様である）。

直接電極１０は、車両の運転者（前述の如く他の乗員であってもよい；以下同）の皮膚に接触して運転者の身体電位を検出するための電極であり、例えばクロムメッキ樹脂により形成される。直接電極１０は、例えばステアリングホイールの外周面に取り付けられる。図２は、直接電極１０をステアリングホイールに取り付ける様子を示す図である。また、これに限らず、シフトレバー等、運転者が頻繁に直接触れる他の箇所に取り付けられてもよい。直接電極１０は、グランド端子６０に接続されている。

なお、本装置が運転者以外の乗員の心電図波形を計測する場合、直接電極１０は、例えばセンターコンソール上部やドアの内側に設けられた操作部等に取り付けられる。

容量結合型電極２０は、運転者の皮膚に接触せずに、静電容量結合によって運転者の身体電位を検出するための電極であり、車両のシートに取り付けられる。図１において、容量結合型電極２０は、運転者の臀部及び腰部に対向する電気的に接続された２個の電極からなるものとして示したが、これに限らず、単独の電極を用いてもよいし、より多くの電気的に接続された電極を含んでもよい。容量結合型電極２０には、信号線２０Ａが接続されており、運転者の身体電位の変動に応じて変動する容量結合型電極２０の電位を記録制御装置３０に伝達している。

図３は、車両のシートに容量結合型電極２０を取り付ける態様を例示した図である。容量結合型電極２０は、例えば、図３（Ａ）に示す如く、シート表皮とクッションの間に挿入された板状電極であってもよいし、図３（Ｂ）に示す如く、シート表皮に編み込まれた金属ファイバー等の網状電極であってもよい。

図４は、記録制御装置３０の具体例を直接電極１０及び容量結合型電極２０と共に示した図である。図示する如く、信号線２０Ａには、抵抗５０を介してグランド端子６０が接続されている。係る構成によって、運転者の身体電位を入力とした仮想的な回路（ハイパスフィルター又はバンドパスフィルターとして機能する）が形成される。

記録制御装置３０は、例えば、ボルテージフォロワ３２と、コンデンサ３４と、増幅回路３６と、マイクロコンピュータ３８と、記憶装置４０と、を有する。なお、これらの構成は、オペアンプ等による置換が可能である。

ボルテージフォロワ３２の入力端子（＋側）３２Ａには、信号線２０Ａが接続されており、容量結合型電極２０の電位が電圧信号として入力される。また、ボルテージフォロワ３２の入力端子（−側）３２Ｂは、ボルテージフォロワ３２の出力端子３２Ｃからのフィードバックが入力される。ボルテージフォロワ３２は、係る構成によって、電流の入力を抑制しつつ、容量結合型電極２０からの電圧信号を出力端子３２Ｃに伝達することができる。

コンデンサ３４は、抵抗５２と共に、ハイパスフィルター又はバンドパスフィルターの機能を実現する。増幅回路３６は、コンデンサ３４及び抵抗５２によって低周波成分がカットされた電圧信号を増幅して、マイクロコンピュータ３８に出力する。

マイクロコンピュータ３８は、増幅回路３６から入力された電圧信号を所定周期でサンプリングし、時系列データとして記憶装置４０に記憶させる。記憶装置４０は、例えばフラッシュメモリである。記憶装置４０に記憶された時系列データを表示、印刷等したものが心電図波形となる。

係る構成によって、運転者の心電図波形を継続的に把握することができる。運転者が直接電極１０に全く触れていない状態は極めて稀であり、運転者が運転席に着座している以上、車両のシートに取り付けられた容量結合型電極２０によって運転者の身体電位を継続的に検出可能だからである。従って、前述の特許文献１に記載の装置の如くステアリングホイールの左右両側に一対の電極を形成して運転者の左右の手の電位を検出するもの（片手ハンドルの状態では心電図波形が途切れてしまう）に比して、運転者の心電図波形をより継続的に把握することができる。

また、運転者の心電図波形をより正確に把握することができる。前述の特許文献２に記載の装置の如く、一対の容量結合型電極間の電位差から心電図波形を得るものにおいては、車両の走行に伴う振動等に起因して運転者身体と容量結合型電極との距離が変動し、これが複合されて大きなノイズ要因となるため正確な心電図波形の把握が困難である。これに対し、本実施例では、電位差を算出する基準となる一方の電位を直接電極１０における電位としているため、運転者身体と容量結合型電極との距離変動による影響を軽減することができる。また、シートベルト等の大きく動く部材ではなくシートに容量結合型電極２０を取り付けているため、運転者身体と容量結合型電極との距離変動自体も抑制される。これらによって、運転者の心電図波形をより正確に把握することができる。

以上説明した本実施例の車両用心電計測装置１によれば、車両の乗員の心電図波形を、より継続的に且つ正確に把握することができる。

＜第２実施例＞
以下、本発明の第２実施例に係る車両用心電計測装置について説明する。本実施例の車両用心電計測装置は、容量結合型電極と増幅装置が一体形成されたアクティブ電極７０を有する。その他の構成、すなわち直接電極１０、マイクロコンピュータ３８、記憶装置４０については第１実施例と同様であってよい。

図５は、アクティブ電極７０の構成を示す断面図である。アクティブ電極７０は、プリアンプ７２をガラス基板７４上に実装し、ガラス基板７４におけるプリアンプ７２と反対の側に容量結合型電極７６を、プリアンプ７２と同じ側に、プリアンプ７２への電界の影響を排除すると共に物理的強度を維持するためのシールド用電極７８を、それぞれ取り付けている。そして、容量結合型電極７６とプリアンプ７２との接続は、スルーホール８０に挿入されたリーディングワイヤ８２によってなされている。

図６は、係る構成によって形成される仮想的な回路構成を示す図である。図中、Ｖｓは、乗員身体における電位差（手と、臀部又は腰部との電位差）である。ＣＥは、乗員身体と容量結合型電極５６とで形成される仮想的なコンデンサの容量である。Ｒｇは、乗員身体の移動に起因して生じる静電気を放出するための抵抗である。Ｃｇは、容量結合型電極５６とシールド用電極５８とで形成される仮想的なコンデンサの容量である。Ｒｏｐ、Ｃｏｐは、それぞれプリアンプ５２の入力抵抗、入力容量である。

係る仮想的な回路構成のゲインＧ（Ｓ）は、次式（１）で与えられる。本式が示す通り、この回路構成はハイパスフィルターとして機能し、そのカットオフ周波数は、４つのパラメータＣＥ、Ｃｇ、Ｃｏｐ、Ｒｇによって決定される。

なお、以上の考察は第１実施例にもあてはまるものである。

本実施例の車両用心電計測装置によれば、第１実施例と同様、車両の乗員の心電図波形を、より継続的に且つ正確に把握することができる。加えて、プリアンプ５２と容量結合型電極５６を同じ基板に取り付けるため、よりコンパクトなハードウエアを実現することができる。

また、図７に示す如く、シールド用電極５８を有さない構成としてもよい。

＜第３実施例＞
以下、本発明の第３実施例に係る車両用心電計測装置３について説明する。図８は、本発明の第３実施例に係る車両用心電計測装置３の構成例である。車両用心電計測装置３は、主要な構成として、直接電極１０と、容量結合型電極２０と、記録制御装置３０と、を備える。

直接電極１０については第１実施例と同様であるため、説明を省略する。

容量結合型電極２０は、複数の電極２２、２４を含み、これらの電位はそれぞれ記録制御装置３０に出力される。

図９は、本実施例に係る記録制御装置３０の構成例である。本実施例に係る記録制御装置３０は、電極２２、２４のそれぞれに接続された２つのボルテージフォロワと、これらの出力の差分を出力する作動増幅回路とを有する。２つのボルテージフォロワは、それぞれがグランド電位、すなわち直接電極１０の電位を基準電位としている。

係る構成によって、基準電位が変動しないため、電極２２、２４の電位差をより正確に計測することができる。また、第１実施例と同様に、運転者の心電図波形を継続的に把握することができる。

本実施例の車両用心電計測装置３によれば、車両の乗員の心電図波形を、より継続的に且つ正確に把握することができる。

［利用例］
このように生成された心電図波形は、表示、印刷等されたものを運転者本人が確認することができる他、マイクロコンピュータ３８等によって波形に異常がないか否かを監視し、異常があると判断した場合に車両を徐々に停止させる等の運転支援制御を行なうことができる。また、無線通信によって車外設備に心電図波形に係るデータを送信し、車外設備において波形に異常がないか否かを監視することもできる。

以下、マイクロコンピュータ３８等による心電図波形の監視手法の具体例について説明する。マイクロコンピュータ３８は、記憶装置４０に記憶された時系列データに基づいて、運転者の不整脈の有無を判定する。

この際に、車速センサー等の出力が入力されるように通信線を構成し、その出力値に基づき車両が走行中であると判定した場合には、心電図波形のうちＲ波ピーク（Ｒ波の波高）の間隔等に基づいて運転者の心臓状態を大局的に判定し、車両が停車中であると判定された場合には、心電図波形のうちＲ波ピークを含む心電図波形全体に基づいて運転者の心臓状態をより厳密に判定するものとしてよい。

ここで、心電図波形は、主に、心房の電気的興奮を反映するＰ波と、心室の電気的興奮を反映するＱ、ＲおよびＳ波（以下、「ＱＲＳ群」という。）と、興奮した心室の心筋細胞が再分極する過程を反映するＴ波とから構成され、Ｒ波の波高（電位差）が最も大きく、筋電位等のノイズに対して最も頑健であるといえる。次に波高が大きいのがＴ波であり、Ｐ波が最も小さい波高を有する。

従って、車両走行中においては、心電図波形のうち波高が最も大きい部分であるＲ波ピークの間隔等に基づき運転者の心臓状態を大局的に判定する。一方、車両停車中においては運転者が安静状態になり易く筋電位等のノイズを少なくすることができるので、Ｒ波よりも波高の小さいＴ波およびＰ波を含めた心電図波形全体に基づき運転者の心臓状態をより厳密に判定する。

マイクロコンピュータ３８では、上記の如く車両の状態に応じた手法により、運転者における不整脈の有無を判定する。

車両の走行中においては、心電図波形からＲ波ピークのみを検出し、その周期から一分間当たりの心拍数を算出する。そして、ＲＲ間隔（ＲＲＩ；Ｒ−Ｒ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）から心拍数のゆらぎを監視し、この心拍数のゆらぎを周波数解析し低周波成分（ＬＦ）および高周波成分（ＨＦ）を算出する。そして、算出した心拍数およびＬＦ／ＨＦ比に基づいて不整脈の有無を判定する。具体的には、心拍数が先行する５分間の平均心拍数より２５％以上上昇するか、心拍数が１００拍／分以上若しくは４０拍／分以下となるか、または、ＬＦ／ＨＦ比が先行する３０分間乃至４０分間のＬＦ／ＨＦ比に比べ５０％以上上昇するかの何れかの条件が満たされた場合に、不整脈のおそれがあると判定する。不整脈のおそれがあると判定した場合は、車両の駆動装置やブレーキ装置に干渉制御して車両を徐々に停止させたり、表示装置に警告画面を表示させたりする制御を行なう。

車両の停止中においては、心電図波形からＳＴ波波高を検出し、脈波波形から血圧を推定する。そして、検出したＳＴ波波高または推定した血圧に基づいて不整脈の有無を判定する。具体的には、ＳＴ波の波高が基準電位＋０．０２ｍＶ以上若しくは基準電位−０．０２ｍＶ以下となるか、または、血圧が２５％以上上昇若しくは２５％以上下降するかの条件が満たされた場合に、不整脈が発生したと判定する。不整脈のおそれがあると判定した場合は、通信装置を介して家族、掛かり付けの医師、ヘルプネット等の予め登録された連絡先に自動的に通報したり、或いは、車外に緊急事態を知らせるようホーンを鳴らしたり、ライトを点滅させたりする。

また、基準心電図波形を有するテンプレートを図示しないＲＡＭ（Random Access Memory）やＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置に記憶しておき、特定された心電図波形とテンプレートとの比較に基づき不整脈のおそれ等を判定してもよい。この場合、心房細動、洞不整脈、心房性期外収縮についてそれぞれ判定可能となる。テンプレートは、本装置によって特定された心電図波形に基づき、更新、新規登録、削除等の処理がなされてよい。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。

本発明の第１実施例に係る車両用心電計測装置１の構成例である。 直接電極１０をステアリングホイールに取り付ける様子を示す図である。 車両のシートに容量結合型電極２０を取り付ける態様を例示した図である。 記録制御装置３０の具体例を直接電極１０及び容量結合型電極２０と共に示した図である。 アクティブ電極７０の構成を示す断面図である。 第２実施例に係る構成によって形成される仮想的な回路構成を示す図である。 アクティブ電極７０の構成の他の例を示す断面図である。 本発明の第３実施例に係る車両用心電計測装置３の構成例である。 本発明の第３実施例に係る記録制御装置３０の構成例である。

符号の説明

１、３ 車両用心電計測装置
１０ 直接電極
２０、７６ 容量結合型電極
３０ 記録制御装置
３２ ボルテージフォロワ
３４ コンデンサ
３６ 増幅回路
３８ マイクロコンピュータ
４０ 記憶装置
５０、５２ 抵抗
６０ グランド端子
７０ アクティブ電極
７２ プリアンプ
７４ ガラス基板
７８ シールド用電極
８０ スルーホール
８２ リーディングワイヤ

Claims (5)

1. 車両の乗員の皮膚に接触して前記乗員の身体電位を検出する直接電極と、
   前記車両のシートに取り付けられ、前記乗員の皮膚に接触せずに前記乗員の身体電位を検出する容量結合型電極と、
   前記直接電極における電位と前記容量結合型電極における電位とに基づき前記乗員の心電図波形を特定する心電図波形特定手段と、
   を備え、
   前記容量結合型電極は、基板において該容量結合型電極の検出電位を増幅する増幅手段が実装される側と反対の側に取り付けられ、該基板に設けられたスルーホールによって前記増幅手段と接続される、
   車両用心電計測装置。
2. 前記心電図波形特定手段は、前記直接電極における電位と前記容量結合型電極における電位との電位差に基づき前記乗員の心電図波形を特定する手段である、
   請求項１に記載の車両用心電計測装置。
3. 車両の乗員の皮膚に接触して前記乗員の身体電位を検出する直接電極と、
   前記車両のシートに取り付けられ、前記乗員の皮膚に接触せずに前記乗員の身体電位を検出する容量結合型電極と、
   前記直接電極における電位と前記容量結合型電極における電位とに基づき前記乗員の心電図波形を特定する心電図波形特定手段と、
   を備え、
   前記直接電極はグランド接続されており、
   前記容量結合型電極は複数の電極を含み、
   前記心電図波形特定手段は、前記直接電極における電位を基準電位として用い、前記容量結合型電極に含まれる複数の電極間の電位差に基づき前記乗員の心電図波形を特定する手段である、
   車両用心電計測装置。
4. 前記容量結合型電極は、基板において該容量結合型電極の検出電位を増幅する増幅手段が実装される側と反対の側に取り付けられ、該基板に設けられたスルーホールによって前記増幅手段と接続される、
   請求項３に記載の車両用心電計測装置。
5. 前記直接電極は、少なくともステアリングホイールに取り付けられる、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の車両用心電計測装置。

Images