JP6539907B2 - 生体通信装置、生体通信システム - Google Patents

Description

本発明は、一対（２枚）の電極を、生体信号検出と人体通信による送信に共用させ、心電図などの生体信号を検出し、リアルタイムで人体を経由して伝送する生体通信装置、生体通信システムに関するものである。

生体通信システムは、生体信号検出センサと人体を通信路とする人体通信技術を組み合わせて、心電図や筋電位や血圧などの生体信号を検出し、人体を通して伝送するという手法であり、ヘルスケアのための生体信号リアルタイムモニターリング技術として期待される。人体通信技術による生体信号の伝送は、人体自身を経由して行うため、利便性が高い上に、外部への電磁放射が極めて低く、高秘匿性を有し、電磁環境にも優しい。

従来の生体通信システム１０２の構成を図１１に示す。生体通信システム１０２は、生体通信システム１０４と人体通信受信部１４０からなる。生体通信システム１０４は、生体信号検出部１２０と人体通信送信部１３０からなる。生体信号検出部１２０には、人体に貼付する検出用電極（一対、検出電極Ａの１１２、検出電極Ｂの１１４）および検出用グラウンド電極１１６から検出された生体信号が入力される。生体信号検出部１２０から人体通信送信部１３０に生体信号が送られ、人体通信送信部１３０から人体に貼付してある人体通信受信部１４０へ、人体通信技術即ち人体Ｈを通して生体信号が通信される（以下、人体通信）。この際、生体信号検出用電極（一対１１２、１１４の２枚）および検出用グラウンド電極１１６に加え、人体通信をするために、送信電極Ａ（送信部信号用）１１８， 送信電極Ｂ（送信部グラウンド用）１１９の２枚の電極が必要である。また、通信方式としては、一般に狭帯域の変調方式を使用している。
よって、従来の生体通信システム１０２には、検出用電極３枚と、通信用電極２枚、合計５枚の電極が必要である。

送信電極Ａは生体信号検出用電極Ａ、送信電極Ｂはグラウンド電極と共用し，生体信号検出用電極Ｂを含め、計３枚の電極とすることもできる（特許文献１）。検出用電極と通信用電極が共用されるため、生体信号検出部と人体通信送信部を切り替える必要が生じる。この切り替えは、検出部・通信部のそれぞれの間に、電気的スイッチ回路を設けるか、互いに通過帯域の異なるフィルタを導入するかで、対応しなければならない。これは信号が干渉するからである。

特開２０１１−２２４０８５公報

本発明は、生体通信システムの人体に貼付する５枚または３枚の電極を削減し、人体の複数の生体信号を計測する場合などの、電極の貼付の作業性を改善することと、生体信号検出部と人体通信送信部の切り替えを、電気的スイッチ回路やフィルタを用いないで改善し、小型簡易化することある。併せて、小型化することで、被験者の負担を減らし、コストダウンを図ることが第１の課題である。
また、広帯域インパルスラジオ（ＩＲ）変調方式を用いて、人体を通して生体信号を伝送することで、信号が外部への干渉が小さく、外部からの干渉やノイズに強いすることが第２の課題である。

以上の課題を解決するために、発明１は、人体に貼付する一対の電極と、生体通信装置と、人体通信受信部と、を有する生体通信システムにおいて、生体通信装置は、電極からの生体信号を検出する生体信号検出部と、生体信号を信号化して人体通信を行うＡＤ変換部及び人体通信受信部とを有し、生体信号検出時と人体通信時に時分割方式にて動作し、一方の電極は、生体信号検出時に信号電極、人体通信時に信号電極として動作、他方の電極は、生体信号検出時に信号電極、人体通信時にグラウンド電極として動作を行う人体通信送信部を有することを特徴とする生体通信システムである。
発明２は、人体通信はインパルスラジオ方式であることを特徴とする発明1に記載する生体通信システムである。
発明３は、生体信号検出部の入力側と人体通信送信部の送信側の間に、コンデンサを有し容量結合することを特徴とする発明１または発明２に記載する生体通信装置である。
発明４は、時分割方式は、生体信号をＡＤ変換する間に人体通信を行う人体通信送信部を有することを特徴とする発明１乃至発明３の何れかに記載する生体通信装置である。

発明１によれば、人体の１個所に２枚の電極を貼付し、生体信号検出時と人体通信時に時分割方式への人体通信をおこなうことで、電極を共用する。よって、よって、使用していた電極の枚数を、従来の３〜５枚から、第１実施形態の２枚へと削減できるので、電極部を簡素化し小型化できる。小型化により、被験者の負担を減らすことができると共に、計測者の人体への電極の貼付作業が簡素化できる。また、生体通信システムの簡素化によりコストダウンもできる。
発明２によれば、人体通信に広帯域のインパルスラジオ方式高速通信を用いるので、人体通信を高速に行うことができる生体通信システムにできる。インパルスラジオ広帯域高速通信方式を導入することで、生体信号検出電極と人体通信送信電極を電気的スイッチやフィルタなしで時分割での共用が可能となり、システム構成の簡易化に寄与する。また、広帯域通信の特徴となる耐干渉性と高秘匿性を生かすこともでき、ノイズに強く、通信品質が向上できる。
発明３によれば、生体信号検出部の入力側と人体通信送信部の送信側の間に、コンデンサを有し容量結合するので、生体信号検出時と人体通信時の電極共用の課題を解決することができる。よって、電気的スイッチ回路やフィルタを用いる必要がなくなる。
つまり、人体通信が動作するときの２枚の電極は、人体通信時の信号線とグラウンドにそれぞれ接続される。一方、生体信号検出時には、共に検出回路の信号線に接続する。この信号とグラウンド線との電位が異なる問題を、コンデンサを入れることで解消する
発明４によれば、時分割方式は、生体信号をＡＤ変換部でＡＤ変換する間に人体通信を行う。ＡＤ変換する間人体通信を行うことで、電気的スイッチやフィルタによる信号分離の必要がなくなり、共用電極での人体通信をより確実に行うことができる。

本発明の第1実施形態の生体通信システム２を人体Ｈに取り付けた状態を示す。 第１実施形態の生体通信システム２の構成を示す。 人体Ｈと第１実施形態の一対の電極１０と生体通信装置４との関係を示す。 生体信号検出部２０の構成を示す。 人体通信送信部３０の構成を示す。 人体通信受信部４０の構成を示す。 信号検出電極と人体通信電極の共用を可能とする、生体信号検出と人体通信を時分割で行うための概念図である。 発明により取得した人体心電図信号と市販心電図計より取得した心電図の心拍間隔RRIの相関特性である。 本発明により取得した人体心電図信号と市販心電図計より取得した心電図の心拍間隔RRIのパワースペクトルの比較である。 本発明の第２実施形態の概略を示す図である 従来の生体通信システムの構成を示す。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第1実施形態の生体通信システム２を人体に取り付けた状態を示す。一対の電極１０は、人体の診断をしたい部位の表面に貼付される。人体の部位は、頭部に貼付されて脳波、眼球に貼付されて眼球電図、心臓部に貼付されて心電図、腕等に貼付されて血糖や血圧などの生体信号が測定され診断に用いられる。
生体通信装置４に一対の電極１０の測定値が集められる。生体通信装置４から人体通信受信部４０へ人体通信信号として送信される。生体通信装置４および人体通信受信部４０は、主に人体に取り付けられる。
人体に取り付けられた一対の電極１０（生体センサ）で日常の生体信号を検出し、生体通信装置４へ集約され、人体を通して、身体に取り付けられた人体通信受信部４０に送られる。この人体通信受信部４０は、スマートフォンやタブレットに装着されるものとし、人体通信受信部４０で受信された生体信号は、そのままスマートフォンやタブレットで表示・解析され、日常のヘルスケアに用いられる。また、必要に応じて、スマートフォンやタブレットの無線機能により、自宅ＰＣや病院に送られる。

図２に、第１実施形態の生体通信システム２の構成を示す。生体通信システム２は、一対の電極１０、生体通信装置４、および人体通信受信部４０を有する。一対の電極１０は、第１電極１２と第２電極１４から成る。生体通信装置４は、生体信号検出部２０、人体通信送信部３０を有する。生体信号は、人体通信送信部３０から人体通信受信部４０へ送信される。

図３に、人体Ｈと第１実施形態の一対の電極１０と生体通信装置４との関係を示す。
人体Ｈの表面に第１電極１２と第２電極１４が貼付される。第１電極１２と第２電極１４で検出された生体信号（電圧などのアナログ信号）は、生体通信装置４の生体信号検出部２０へ送られる。生体信号検出部２０では、２つのアナログ信号は１つにまとめ、１つの生体信号（アナログ）を、アナログ・ディジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器）５０でディジタル信号に変換され人体通信送信部３０へ送られる。

図４に示す様に生体信号検出部２０は、低域通過フィルタ２２、高域通過フィルタ２４、帯域遮断フィルタ２６、差動増幅回路２８により構成される。低域通過フィルタ２２は、人体通信信号の侵入や数百Ｈｚ 以下に集中する生体信号の抽出に用いられ、高域通過フィルタ２４は、ドリフトノイズの侵入を防ぐものである。また、帯域遮断フィルタ２６は、５０/６０Ｈｚ のコモンモードノイズとして重畳される商用電源周波数を遮断するものである。生体信号は、差動増幅回路２８により、Ａ／Ｄ変換器５０の入力範囲まで増幅される。

差動増幅回路２８により増幅された生体信号は、生体通信装置４のＡ／Ｄ変換器５０に入力され、ｆｓ＝５００Ｈｚ以上のサンプリング周波数（Ｔ＝２ｍｓ以下のサンプリング周期）、ｎ＝１０bit以上の量子化で、ディジタル信号に変換され，シリアルデータとして人体通信送信部３０に入力される。

人体通信送信部の構成図を図５に示す。人体通信送信部３０は、ディジタル生体データ３２、ＯＯＫ／ＰＰＭ ＩＲ変調機３４、スペクトル成形帯域通過フィルタ３６、パルス発生器３８からなる。人体通信送信部３０においては、パルス発生器３８から中心周波数f₀ ［ＭＨｚ]、帯域Ｂ［ＭＨｚ]のパルス信号を発生させる。このパルス信号を用いて、Ａ／Ｄ変換器５０で生成された、２値のディジタル生体信号データに対し、ＯＯＫ／ＰＰＭ ＩＲ変調器３４において、ＯＯＫ(On-Off Keying) またＰＰＭ(Pulse Position Modulation)のインパルスラジオ変調を行う。つぎに、スペクトル整形帯域通過フィルタ３６で、所要帯域に応じてパルス信号に整形された後、インパルスラジオ信号として送信電極から送信される。このとき、中心周波数f₀は人体通信に適する１ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの範囲内のものとする。また、帯域Ｂは１Ｍｂｐｓ以上の高速伝送を達成させることと、一定の信号エネルギーを広い帯域に拡散し、各周波数での信号レベルを小さく、ライセンス不要の微弱電波法を満たすように、できるだけ広く(10ＭＨｚ以上)確保する。

図６に、人体通信受信部４０の構成を示す。人体通信受信部４０は、帯域通過フィルタ４２、自動利得制御増幅器４４、およびＩＲ復調器４６からなる。
これは受信電極とともに身体に取り付けられたスマートフォンやタブレット等に装着される。受信電極で受信された生体信号は、帯域通過フィルタ４２で抽出され、自動利得制御増幅器４４で適正レベルまで増幅された後、ＩＲ復調器４６において包絡線検波またエネルギー検波等で復調される。復調された生体信号は、スマートフォンやタブレット等のUSB端子から入力され、そこで表示・解析されたり、またスマートフォンやタブレットの無線機能を用いて自宅ＰＣや病院等に送られたり、健康状態のモニターリングや健康管理に用いられる。

（生体信号検出電極と人体通信の送信電極の共用）
図７に、信号検出電極と人体通信電極の共用を可能とする、生体信号検出と人体通信を時分割で行うための概念図を示す。
本来、生体信号検出電極と人体通信の送信電極は、それぞれ別のものを用いるが、生体信号検出電極と人体通信の送信電極を共用化して、生体通信システム１の小型化することで人体への貼付作業の低減や電極を貼付された人の負荷の低減を図る。
これを実現させるために、図３に示すように、一対（２枚）の電極を生体信号検出時には両枚ともに信号電極として動作させ、人体通信時にはそれぞれ信号電極とグラウンド電極として動作させる。その切り替えは時分割で行う。
生体信号の変動周波数が一般に数百Ｈｚ以下であることを考慮し、例えば、生体信号ｆｓを、５００Ｈｚ以上とすれば、このサンプリング周波数（サンプリング周期Ｔ＝２ｍｓ以下のサンプリング間隔）で検出する。図７では、上図は、横軸を時間、縦軸を生体信号（電圧：アナログ信号）で生体信号を示す。サンプリング周期Ｔ（２ｍｓ）ごとに、生体信号を黒丸６０の点（時間）で計測する。
それをアナログ・ディジタル（ＡＤ）変換し、ディジタル信号（n=１０ビット以上）を、Ｔ＝２ｍｓ以下のサンプリング時間間隔の間に伝送する。これを図７の下図に模式的に示す。生体信号を黒丸６０の点（時間）で計測後、ＡＤ変換所用時間ＴＡＤの間にＡＤ変換する。変換されたディジタル信号は、人体通信所用時間ＴＨＢＣをかけて、人体通信送信部３０から人体通信受信部へ人体通信される。即ち、サンプリング周期Ｔ(２ｍｓ以下)の間に、nビットのディジタル生体信号データを送信する時分割方式を用いる。一つのアナログサンプルデータをnビットのディジタルデータにＡＤ変換するための所要時間をＴＡＤとすると、人体通信所用時間ＴＨＢＣは、Ｔ−ＴＡＤの間に、nビットのデータを伝送できるように高速な伝送速度ｆｂを設定する必要がある。
ここで、高速な伝送速度ｆｂは、インパルスラジオ方式で実現する。なお、生体信号の変動周波数が一般に数百Ｈｚ以下であることを考えると、高速な伝送速度ｆｂは、１Ｍｂ／ｓ（以下、Ｍｂｐｓ）以上あれば十分である。
また、インパルスラジオ方式を採用することで、伝送信号が数十ＭＨｚの広帯域に拡散されて伝送される。このとき、ある特定の周波数に外部からの干渉を受けても、その他の周波数がまだ通信できるため、外部からの干渉には強い。
よって、使用していた電極の枚数を、従来の３〜５枚から、第１実施形態の２枚へと削減できるので、電極部を簡素化し小型化できる。小型化により、被験者の負担を減らすことができると共に、計測者の人体への電極の貼付作業が簡素化できる。また、生体通信システムの簡素化によりコストダウンもできる。

また、人体通信が動作するときの２枚の電極は、人体通信送信部３０の信号線とグラウンドにそれぞれ接続される。一方、生体信号検出時には、共に生体信号検出部２０の信号線に接続する。しかし、人体通信送信部のグラウンドと生体信号検出部の信号線とは電位が異なるため、両者を直接に接続できない。
この生体信号検出時と人体通信時の電極共用の課題、即ち、生体信号検出時には、検出部の信号線、また人体通信時はグラウンド線との電位が異なる問題を解消するために、図３に示すようにコンデンサ５２による容量結合での接続方式を採用する。コンデンサ５２の導入により、両者は直流上で分離されるため、電位の異なる問題がなくなる。

（検証）
図８は、第１実施形態で検出・伝送された心電図信号から求めた心拍間隔（ＲＲＩ）と従来品の市販の無線型心電図計を用いて、同時に心拍間隔を計測した相関関係を示す。横軸が第１実施形態、縦軸が従来の例によるものである。この計測結果は原点を通る１次関数で係数は１と見なせる。よって、同じデータを計測でき、第１実施形態は、電極を２枚として小型化したにもかかわらず、従来品と同じ性能を有する。

図９は、心拍間隔の時系列データをフーリエ変換して求めたパワースペクトル特性の比較結果である。第１実施形態による計測結果は、周波数に対してピークを含め従来品の計測結果と良い一致をしている。
図８および図９から、第１実施形態により取得した心電図情報は、良好な信頼性を有し、ヘルスケアに十分に利用可能であるといえる。

（第２実施形態）
図１０に本発明の第２実施形態の概略図を示す。自動車運転時の生体信号を、運転者の身体に取り付けられた一対の電極（生体センサ）１０で検出し、運転者の身体を通して、例えばハンドル部に埋め込まれた自動車の人体通信受信部（制御部）４０に送り、運転者の健康状態をリアルタイムでモニターリングする。このとき、生体通信装置４（生体信号検出部２０、ＡＤ変換部５０、人体通信送信部３０）は、第１実施形態と同じである。人体通信受信部４０は、ハンドル部に埋め込まれた受信電極により生体信号を受信し、第１実施形態と同じ受信部で復調した後、そのまま自動車制御部で解析され、運転者の健康状態の変化に応じて、警告や自動運転制御を行う。

以上、第１実施形態および第２実施形態より、以下の発明と効果がある。
発明１は、人体に貼付する一対の電極１０と、生体通信装置４と、人体通信受信部４０と、を有する生体通信システム２において、生体通信装置４は、電極１０からの生体信号を検出する生体信号検出部２０と、生体信号を信号化して人体通信を行うＡＤ変換部５０及び人体通信受信部４０とを有し、生体信号検出時と人体通信時に時分割方式にて動作し、一方の電極１０は、生体信号検出時に信号電極、人体通信時に信号電極として動作、他方の電極１０は、生体信号検出時に信号電極、人体通信時にグラウンド電極として動作を行う人体通信送信部４０を有することを特徴とする生体通信システム２である。
発明１によれば、人体の１個所に２枚の電極を貼付し、生体信号検出時と人体通信時に時分割方式への人体通信をおこなうことで、電極を共用する。よって、使用していた電極の枚数を、従来の３〜５枚から、第１実施形態および第２実施形態の２枚へと削減できるので、電極部を簡素化し小型化できる。小型化により、被験者の負担を減らすことができると共に、計測者の人体への電極の貼付作業が簡素化できる。また、生体通信システムの簡素化によりコストダウンもできる。
発明２は、人体通信はインパルスラジオ方式であることを特徴とする発明1に記載する生体通信システム２である。
発明２によれば、人体通信に広帯域のインパルスラジオ方式高速通信を用いるので、人体通信を高速に行うことができる生体通信システムにできる。インパルスラジオ広帯域高速通信方式を導入することで、生体信号検出電極と人体通信送信電極を電気的スイッチやフィルタなしで時分割での共用が可能となり、システム構成の簡易化に寄与する。また、広帯域通信の特徴となる耐干渉性と高秘匿性を生かすこともでき、ノイズに強く、通信品質が向上できる。
発明３は、生体信号検出部２０の入力側と人体通信送信部３０の送信側の間に、コンデンサ５２を有することを特徴とする発明１または発明２に記載する生体通信装置である。
発明３によれば、生体信号検出部の入力側と人体通信送信部の送信側の間に、コンデンサを有し容量結合するので、生体信号検出時と人体通信時の電極共用の課題を解決することができる。よって、電気的スイッチ回路やフィルタを用いる必要がなくなる。
つまり、人体通信が動作するときの２枚の電極は、人体通信時の信号線とグラウンドにそれぞれ接続される。一方、生体信号検出時には、共に検出回路の信号線に接続する。この信号とグラウンド線との電位が異なる問題を、コンデンサを入れることで解消する
発明４は、時分割方式は、生体信号をＡＤ変換する間に人体通信を行う人体通信送信部を有することを特徴とする発明１乃至発明３の何れかに記載する生体通信装置である。
発明４によれば、時分割方式は、生体信号をＡＤ変換部でＡＤ変換する間に人体通信を行う。ＡＤ変換する間人体通信を行うことで、電気的スイッチやフィルタによる信号分離の必要がなくなり、共用電極での人体通信をより確実に行うことができる。

２ 生体通信システム
４ 生体通信装置
１０ 一対の電極
１２ 第１電極
１４ 第２電極
２０ 生体信号検出部
２２ 低域通過フィルタ
２４ 高域通過フィルタ
２６ 帯域遮断フィルタ
２８ 差動増幅回路
３０ 人体通信送信部
３２ ディジタル生体データ
３４ ＯＯＫ／ＰＰＭ ＩＲ変調器
３６ スペクトル整形帯域通過フィルタ
３８ パルス発生器
４０ 人体通信受信部
４２ 帯域通過フィルタ
４４ 自動利得制御増幅器
４６ ＩＲ復調器
５０ ＡＤ変換部
５２ コンデンサ
６０ 生体信号検出時間
Ｈ 人体
Ｔ サンプリング周期
ＴＡＤ ＡＤ変換所用時間
ＴＨＢＣ 人体通信所用時間

Claims (1)

1. 人体に貼付する一対の電極と、
   生体通信装置と、
   人体通信受信部と、を有する生体通信システムにおいて、
   前記生体通信装置は、
   前記電極からの生体信号を検出する生体信号検出部と、
   前記生体信号を信号化して人体通信を行うＡＤ変換部及び人体通信送信部と、を有し、
   生体信号検出時と人体通信時に時分割方式にて動作し、
   一方の前記電極は、生体信号検出時に信号電極、人体通信時に信号電極として動作、
   他方の前記電極は、生体信号検出時に信号電極、人体通信時にグラウンド電極として動作、
   を行う前記人体通信送信部と、を有し、
   さらに、前記生体信号検出部の入力側と前記人体通信送信部の送信側の間に、コンデンサを有し容量結合する生体通信システムであって、
   前記一対の電極である２枚の電極は、前記人体通信時に前記人体通信送信部の信号線とグラウンドにそれぞれ接続され、
   前記生体信号検出時には、共に前記生体信号検出部の信号線に接続し、
   前記時分割方式は、前記生体信号をＡＤ変換するためのサンプリング周期Ｔと次のサンプリング周期Ｔの間に前記人体通信を行い、
   前記人体通信はインパルスラジオ方式であることを特徴とする生体通信システム。