JP6876464B2 - Biological signal measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、生体信号計測装置に関し、さらに詳しく言えば、絆創膏のように生体(人体)に貼り付けて使用する生体信号計測器(ウェアラブル生体センサ)およびその内蔵電池を充電する給電器を含む生体信号計測装置に関するものである。 The present invention relates to a biological signal measuring device, and more specifically, a biological signal measuring device (wearable biological sensor) used by being attached to a living body (human body) like a plaster and a power feeding device for charging the built-in battery thereof. It relates to a signal measuring device.
ウェアラブル型の生体信号計測器には、例えば心電信号、筋電信号や脳波信号等を計測して処理する生体信号計測処理部のほかに、生体信号計測処理部に電源を供給する内部電源としての電池が内蔵されている。 The wearable type biological signal measuring device includes, for example, a biological signal measurement processing unit that measures and processes an electrocardiographic signal, a myoelectric signal, an electroencephalogram signal, etc., as well as an internal power source that supplies power to the biological signal measurement processing unit. The battery is built-in.
通常、電池にはリチウムイオン電池等の二次電池が用いられるため、二次電池を充電するためのSD端子や専用の充電端子を備え、二次電池を充電する際には、給電器の給電端子を充電端子に接続して充電するようにしている(例えば、特許文献1参照)。 Normally, a secondary battery such as a lithium-ion battery is used as the battery, so an SD terminal for charging the secondary battery and a dedicated charging terminal are provided, and when charging the secondary battery, the power supply of the power supply is supplied. The terminal is connected to the charging terminal for charging (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、ウェアラブル用に作製された小型の回路基板に耐久性のある充電端子を設けるためには、回路基板の強度を上げる必要があり、これが小型化、軽量化、薄型化あるいはフレキシブル性の妨げとなっている。 However, in order to provide a durable charging terminal on a small circuit board made for wearables, it is necessary to increase the strength of the circuit board, which hinders miniaturization, weight reduction, thinning, or flexibility. It has become.
また、生体信号計測処理部等に二次電池より動作電源(駆動電源)が供給されるが、二次電池の消耗をできるだけ抑えるうえで、生体信号計測器が実際に人体に装着されているときにだけ、生体信号計測処理部等に動作電源を供給することが好ましい。 In addition, the operating power supply (driving power supply) is supplied from the secondary battery to the biological signal measurement processing unit, etc., but when the biological signal measuring instrument is actually attached to the human body in order to reduce the consumption of the secondary battery as much as possible. It is preferable to supply an operating power source to the biological signal measurement processing unit or the like.
そこで、本発明の課題は、生体信号計測器(ウェアラブル生体センサ)に内蔵されている電池の消耗を可及的に少なくすることにある。また、本発明は、機構的な電源スイッチをなくして防水性を高めることを課題としている。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the consumption of the battery built in the biological signal measuring instrument (wearable biological sensor) as much as possible. Another object of the present invention is to eliminate a mechanical power switch to improve waterproofness.
上記課題を解決するため、本発明は、生体に装着して使用される生体信号計測器を含み、
上記生体信号計測器は、内部電源としての電池およびその充電回路と、生体信号計測時には生体の皮膚面と接触し、上記電池の充電時には所定の給電器に接続される一対の電極と、上記電池より電源が供給され上記電極にて検出される生体信号を所定に処理する生体信号処理回路と、生体信号・給電電力振り分け手段とを備え、上記電極に対して上記生体信号処理回路と上記充電回路とが上記生体信号・給電電力振り分け手段を介して切り換え可能に接続されている生体信号計測装置において、
上記電池より上記生体信号処理回路に供給される電源をオンオフする電源起動スイッチと、上記電源起動スイッチを制御する制御部と、上記一対の電極間に存在するインピーダンスを検出するAC信号発生器と信号検出器とからなるインピーダンス検出器とを有し、
上記制御部は、上記インピーダンス検出器により検出される電極間インピーダンスを監視し、上記電極間インピーダンスが所定の閾値を超える値のときには上記電源起動スイッチをオフとし、上記電極間インピーダンスが上記閾値以下のときには上記電源起動スイッチをオンにして上記電池より上記生体信号処理回路に電源を供給することを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention includes a biological signal measuring instrument that is used by being attached to a living body.
The biological signal measuring instrument includes a battery as an internal power source and a charging circuit thereof, a pair of electrodes that come into contact with the skin surface of the living body when measuring the biological signal, and are connected to a predetermined power supply device when charging the battery, and the above. It is provided with a biological signal processing circuit that is supplied with power from a battery and processes a biological signal detected by the electrode in a predetermined manner, and a biological signal / power feeding power distribution means. The biological signal processing circuit and the charging of the electrode are provided. In the biological signal measuring device in which the circuit is switchably connected via the biological signal / power supply power distribution means.
A power start switch that turns on and off the power supplied from the battery to the biometric signal processing circuit, a control unit that controls the power start switch, and an AC signal generator and a signal that detect impedance existing between the pair of electrodes. It has an impedance detector consisting of a detector,
The control unit monitors the inter-electrode impedance which is detected by the impedance detector, when the value which the inter-electrode impedance exceeds a predetermined threshold value is set to off the power activation switch, the inter-electrode impedance is below the threshold value Occasionally, the power start switch is turned on to supply power to the biometric signal processing circuit from the battery.
本発明によれば、生体信号計測器(ウェアラブル生体センサ)が人体に装着されているときにだけ、電源起動スイッチがオンで電池より生体信号処理回路に電源が供給され、それ以外のときには電源起動スイッチがオフであるから、電池の消耗を可及的に少なくすることができる。また、電源スイッチはコンパレータと抵抗素子よりなり、機構的な電源スイッチがないため、防水性を高めることができる。 According to the present invention, the power activation switch is turned on and power is supplied from the battery to the biological signal processing circuit only when the biological signal measuring device (wearable biological sensor) is attached to the human body, and the power is activated at other times. Since the switch is off, battery consumption can be reduced as much as possible. Further, since the power switch is composed of a comparator and a resistance element and does not have a mechanical power switch, waterproofness can be improved.
次に、図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
図1に示すように、この実施形態(第1実施形態)に係る生体信号計測装置には、ウェアラブル生体センサ(センサチップ)としての生体信号計測器1と、生体信号計測器1に内蔵されている二次電池210に充電電力を給電する給電器(充電器)2とが含まれる。
As shown in FIG. 1, the biological signal measuring device according to this embodiment (first embodiment) is built in the biological signal measuring
生体信号計測器1は、基本的な構成として、一対の電極10a,10bと、生体信号処理回路100と、内部電源としての二次電池210と、二次電池210を充電するための充電回路200と、生体信号・給電電力振り分け手段300とを備えている。電極10a,10bに対して、生体信号処理回路100と充電回路200とが生体信号・給電電力振り分け手段300を介して切り換え可能に接続されている。
The biological
電極10a,10bは、生体信号計測時には生体(人体)Hに接触し、充電時には給電器2の給電端子20a,20bと接触する。すなわち、本発明において、電極10a,10bは、生体信号検出用端子と充電用端子とに兼用され、特に充電専用の端子は持たない。
The
なお、電極10a,10bを区別する必要がない場合には、総称として電極10と言う。同様に、給電端子20a,20bを区別する必要がない場合には、総称として給電端子20と言う。電極10は3電極以上でもよい。
When it is not necessary to distinguish the
生体信号処理回路100は、電極10にて検出された生体データとしての心電位、筋電位、脳波、皮膚抵抗等の電位や電流を処理する。生体信号処理回路100として、差動アンプ、A/D変換器、MCUやメモリ等を用いることができる。なお、皮膚抵抗を測る目的で、電極10を通じて生体Hに電流を流す電圧生成器もしくは電流生成器が用いられてもよい。
The biological
充電回路200は、生体信号計測器1に搭載されているリチウムイオン電池等の二次電池210(単に「電池」ということがある)を充電する。電池210は、生体信号計測器1の各部に電力を供給する。
The
生体信号・給電電力振り分け手段300は、生体信号計測時には生体信号を生体信号処理回路100に導き、充電時には給電器2からの給電電力を充電回路200に導く。生体信号・給電電力振り分け手段300には、いくつかの構成例がある。
The biological signal / power supply power distribution means 300 guides the biological signal to the biological
まず、図2に示す第1実施例おいて、生体信号・給電電力振り分け手段300には、信号伝達回路310と電力伝達回路320とが用いられている。
First, in the first embodiment shown in FIG. 2, a
信号伝達回路310は、電極10と生体信号処理回路100との間に接続され、生体信号計測時には生体信号を生体信号処理回路100に導くとともに、電池の充電時には給電電力の生体信号処理回路への流れ込みを阻止する。
The
電力伝達回路320は、電極10と充電回路200との間に接続され、電池の充電時には給電電力を充電回路200に導くとともに、生体信号計測時には生体信号の充電回路200への流れ込みを阻止する。
The
生体信号・給電電力振り分け手段300の第2実施例として、DC給電の場合には、図3に示すように、信号伝達回路310にDCカットフィルタ311が用いられる。DCカットフィルタ311は、生体信号(交流)を通過させ、DC電力の通過を阻止する。DCカットフィルタ311はキャパシタであってよい。
As a second embodiment of the biological signal / power supply power distribution means 300, in the case of DC power supply, a
また、DC給電の場合には、図3に示すように、電力伝達回路320に、非線形回路321が好ましく採用される。非線形回路321は、給電電圧が高電圧のとき低インピーダンスとなり、生体電圧のように低い電圧では高インピーダンスとなり、電力伝達回路320として機能する。
Further, in the case of DC power supply, as shown in FIG. 3, a
非線形回路321には、図4(a)に示す4つのダイオードD1〜D4のブリッジ接続とキャパシタCとを有する非線形回路322と、図4(b)に示す4つの半導体スイッチとしてのトランジスタ(この例ではFET)Tr1〜Tr4のブリッジ接続とキャパシタCとを有する非線形回路323とを例示することができる。
The
非線形回路322,323は、2つの非線形素子により構成されてもよいが、4つの非線形素子でブリッジを組んで全波整流回路とすることにより、例えば給電端子20aが+極,給電端子20bが−極であるとして、電極10aに+給電端子20aが接続され、電極10bに−給電端子20bが接続され、これとは逆に、電極10aに−給電端子20bが接続され、電極10bに+給電端子20aが接続されても正常に動作する。
The
図4(a)に示すようにダイオードDが用いられる場合、ダイオードDの立ち上がり電圧は0.5〜0.7Vであることから、通常の生体信号ではダイオードDはオンにならない。したがって、生体信号が充電回路200に流れ込むことはない。
When the diode D is used as shown in FIG. 4A, since the rising voltage of the diode D is 0.5 to 0.7V, the diode D is not turned on by a normal biological signal. Therefore, the biological signal does not flow into the charging
また、図4(b)に示すようにトランジスタ(FET)Trが用いられる場合には、トランジスタTrはしきい値によってさらにオンする電圧を高めたり、リーク電流を減らすことができる。 Further, when a transistor (FET) Tr is used as shown in FIG. 4B, the transistor Tr can further increase the voltage to be turned on or reduce the leakage current depending on the threshold value.
なお、非線形素子のダイオードDやトランジスタTrのオン抵抗や流す電流によって異なるが、DC給電として使用する電圧が例えば6〜8Vであるとすると、非線形回路322,323の出力電圧は例えば4.5〜6.5V程度となる。
Although it depends on the on-resistance of the diode D of the nonlinear element and the on-resistance of the transistor Tr and the current flowing through it, if the voltage used for DC feeding is, for example, 6 to 8 V, the output voltage of the
次に、生体信号・給電電力振り分け手段300の第3実施例として、AC給電の場合には、図5に示すように、信号伝達回路310にローパスフィルタ312が用いられ、電力伝達回路320にハイパスフィルタ324と整流回路325が用いられる。
Next, as a third embodiment of the biometric signal / power supply power distribution means 300, in the case of AC power supply, as shown in FIG. 5, a low-
ローパスフィルタ312は、生体信号を通過させるが、交流の給電電力はその通過を阻止する。これに対して、ハイパスフィルタ324は、交流の給電電力を通過させるが生体信号はその通過を阻止する。
The low-
AC給電として差動構成(バランス駆動)を採用することが好ましい。その理由は、高インピーダンスである2つの電極10a,10bに対してシングルエンド構成(アンバランス駆動)を使うと、生体信号計測器1のGND(グランド)電位が不安定になり、GNDに触れると整流回路325の出力電圧が変化することがあるからである。
It is preferable to adopt a differential configuration (balanced drive) as AC power supply. The reason is that when a single-ended configuration (unbalanced drive) is used for two
生体信号の周波数成分は、0.01Hz〜数kHzあたりに存在する。AC給電に使用する周波数を例えば13.56MHz(Industry−Science−Medicalバンド)とすることにより、生体信号から4桁程度離すことができ、ローパスフィルタ312を有効に使用することができる。
The frequency component of the biological signal exists around 0.01 Hz to several kHz. By setting the frequency used for AC power supply to, for example, 13.56 MHz (Industry-Science-Medical band), it is possible to separate from the biological signal by about 4 digits, and the low-
また、ローパスフィルタ312のカットオフ周波数を数kHz〜数10kHzとすることにより、1次のフィルタにおいても−40dB程度給電電力を減衰させることができるため、給電電力の十分な阻止性能が得られる。
Further, by setting the cutoff frequency of the low-
なお、整流回路325には、図4(a),(b)に示した非線形回路322,323が用いられてよい。
The
生体信号・給電電力振り分け手段300の第4実施例として、図6に示すように、電力伝達回路320に切替回路326を用いることもできる。ここでの切替回路326は、切替制御手段327によってオンオフ駆動されるスイッチ回路で、これには、図7(a)〜(c)に示すスイッチを例示することができる。
As a fourth embodiment of the biological signal / power supply power distribution means 300, as shown in FIG. 6, a
図7(a)のスイッチは、リードスイッチ326aである。この場合には、給電器2側に切替制御手段327として永久磁石327aが設けられ、給電時(充電時)には永久磁石327aによりリードスイッチ326aがオンとなり、給電器2から充電回路200に充電電力が供給され、生体信号計測時には永久磁石327aが距離的に離されることにより、リードスイッチ326aはオフとなる。
The switch of FIG. 7A is a
図7(b)のスイッチは、半導体スイッチとしてのトランジスタ(この例ではFET)326bよりなり、電極10a,10b間の電圧に応じてオンオフする。切替制御手段327には、電極10a,10b間の電圧を検出するA/D変換器(コンパレータ)327bが用いられる。
The switch of FIG. 7B is composed of a transistor (FET in this example) 326b as a semiconductor switch, and is turned on and off according to the voltage between the
これによれば、充電のため電極10a,10bに給電器2が接続され、例えば電極10a,10b間の電圧が5V以上でトランジスタ326bがオンになる。生体計測時にはオフである。
According to this, the
図7(c)のスイッチも、図7(b)のスイッチと同じく、半導体スイッチとしてのトランジスタ(FET)326cよりなるが、この場合には、電極10a,10b間のインピーダンスに応じてオンオフする。
The switch of FIG. 7 (c) is also composed of a transistor (FET) 326c as a semiconductor switch like the switch of FIG. 7 (b), but in this case, it is turned on and off according to the impedance between the
切替制御手段327には、電極10a,10b間に所定周波数の測定信号を供給する信号発生器327cと、測定信号印加時の電極10a,10b間のインピーダンスを検出するA/D変換器(コンパレータ)327dが用いられる。
The switching control means 327 includes a
これによれば、充電のため給電器2が接続され、電極10a,10b間のインピーダンスが例えば100Ω以下になったときにトランジスタ326cがオンになる。ちなみに、生体信号計測時、電極10a,10b間のインピーダンスは例えば10kΩ以上の値を示す。
According to this, the
また、図8に示すように、生体信号・給電電力振り分け手段300の第5実施例として、切替回路330が用いられてもよい。この切替回路330によれば、電極10が生体信号処理回路100と充電回路200のいずれかに選択的に接続される。図9(a)〜(c)にその3例を示す。
Further, as shown in FIG. 8, the
図9(a)の例では、2つのリードスイッチ330a,330bが用いられる。いずれもコモン端子cにリード片を介して選択的に接続される第1接点aと第2接点bとを備えている2接点切替型である。
In the example of FIG. 9A, two
リードスイッチ330a,330bは、それらコモン端子cが電極10a,10b側に接続され、第1接点aは生体信号処理回路100に接続され、第2接点bは充電回路200に接続される。切替制御手段327には、先の図7(a)で説明したのと同じく給電器2側に設けられる永久磁石327aが用いられる。
In the
これによれば、給電時(充電時)には、永久磁石327aによりリードスイッチ330a,330bがともに第2接点b側に切り替えられて給電器2から充電回路200に充電電力が供給される。
According to this, at the time of power supply (during charging), the
これに対して、生体信号計測時には、永久磁石327aが距離的に離されることにより、リードスイッチ330a,330bがともに第1接点a側に切り替えられ、電極10a,10bが生体信号処理回路100に接続される。
On the other hand, at the time of measuring the biological signal, the
図9(b)の例では、半導体スイッチとして4つのトランジスタ(この例ではFET)Tr1〜Tr4が用いられる。 In the example of FIG. 9B, four transistors (FETs in this example) Tr1 to Tr4 are used as the semiconductor switch.
第1トランジスタTr1と第2トランジスタTr2は、例えばそれらのソースがともに一方の電極10a側に接続され、第1トランジスタTr1のドレインは生体信号処理回路100に接続され、これに対して、第2トランジスタTr2のドレインは充電回路200に接続される。
In the first transistor Tr1 and the second transistor Tr2, for example, their sources are both connected to one
第3トランジスタTr3と第4トランジスタTr4は、例えばそれらのソースがともに他方の電極10b側に接続され、第3トランジスタTr3のドレインは生体信号処理回路100に接続され、これに対して、第4トランジスタTr4のドレインは充電回路200に接続される。
In the third transistor Tr3 and the fourth transistor Tr4, for example, their sources are both connected to the
切替制御手段327には、先の図7(b)で説明したのと同じく、電極10a,10b間の電圧を検出するA/D変換器(コンパレータ)327bが用いられてよい。
As the switching control means 327, an A / D converter (comparator) 327b that detects the voltage between the
これによれば、充電のため給電器2が接続され、例えば電極10a,10b間の電圧が5V以上になると、A/D変換器327bより第2トランジスタTr2と第4トランジスタTr4のゲートに所定の制御電圧が印加され、これにより第2トランジスタTr2と第4トランジスタTr4が導通となり(このとき第1トランジスタTr2と第3トランジスタTr4はともに非導通)、電極10に対して充電回路200が接続される。
According to this, when the
これに対して、生体信号計測時には、電極10a,10b間の電圧が5V未満になるので、A/D変換器327bより第1トランジスタTr2と第3トランジスタTr4のゲートに所定の制御電圧が印加され、これにより第1トランジスタTr1と第3トランジスタTr3が導通となり(このとき第2トランジスタTr2と第4トランジスタTr4はともに非導通)、電極10に対して生体信号処理回路100が接続される。
On the other hand, at the time of biometric signal measurement, the voltage between the
図9(c)の例では、図9(b)の例と同じく、半導体スイッチとして4つのトランジスタ(FET)Tr1〜Tr4が用いられる。また、切替制御手段327には、先の図7(c)の切替制御手段と同じく、電極10a,10b間に所定周波数の測定信号を供給する信号発生器327cと、電極10a,10b間のインピーダンスを検出するA/D変換器(コンパレータ)327dが用いられる。
In the example of FIG. 9C, four transistors (FETs) Tr1 to Tr4 are used as the semiconductor switch, as in the example of FIG. 9B. Further, the switching control means 327 has the same impedance between the
これによれば、充電のため給電器2が接続され、電極10a,10b間のインピーダンスが例えば100Ω以下になると、A/D変換器327dより第2トランジスタTr2と第4トランジスタTr4のゲートに所定の制御電圧が印加され、これにより第2トランジスタTr2と第4トランジスタTr4が導通となり(このとき第1トランジスタTr1と第3トランジスタTr3はともに非導通)、電極10に対して充電回路200が接続される。
According to this, when the
これに対して、生体信号計測時には、電極10a,10b間のインピーダンスは例えば10kΩ以上になるため、A/D変換器327dより第1トランジスタTr1と第3トランジスタTr3のゲートに所定の制御電圧が印加され、これにより第1トランジスタTr1と第3トランジスタTr3が導通となり(このとき第2トランジスタTr2と第4トランジスタTr4はともに非導通)、電極10に対して生体信号処理回路100が接続されることになる。
On the other hand, at the time of measuring the biological signal, the impedance between the
次に、図10を参照して、給電器2について説明する。給電器2は、電圧変換器21と、充電終了判定回路22と、過電流保護回路23のほかに、通信手段24、制御部としてのMPU(マイクロプロセッサユニット)25およびメモリ26をを備えている。
Next, the
電圧変換器21は、DC−DCコンバータもしくはDC−ACコンバータであってよく、例えばUSBのDC電圧(5V)をDCもしくはAC電圧に変換する。AC給電の場合には、例えば13.56MHz、片側7〜10Vp−p程度の差動電圧を出力する。DC給電の場合には、例えば6〜8Vの電圧を出力する。
The
充電終了判定回路22は、給電端子20a,20bにおける給電電力の減衰状態から充電終了を判定する。給電端子20a,20bに流れる電流から充電終了判定を行うことにより、判定電流が小さくなっても対応できる。
The charge
生体信号計測器1に搭載する二次電池210として、例えば10mAhの容量を用いた場合、充電終了前の充電電流は1mA程度になる。充電終了判定に用いる電流値はこれより小さい電流値となるが、抵抗やカレントトランスを用いることにより検出することができる。
When, for example, a capacity of 10 mAh is used as the
過電流保護回路23は、例えば給電端子20a,20b間が何らかの原因で短絡された場合に動作し、電圧変換器21内の図示しない給電スイッチをオフにする。
The
また、通信手段24は、後述するように、生体信号計測器1に蓄積された生体データ等を外部機器(例えば、クラウドサーバー等)に送信する機能と、外部機器からのコマンド等を生体信号計測器1に伝達する機能とを備えている。
Further, as will be described later, the communication means 24 has a function of transmitting the biological data and the like stored in the biological
MPU25は、電源上の制約がある生体信号計測器1内のMCU121(図14参照)で行えないような高度な処理を行う。例えば、個人情報保護の観点から個人が特定できないような暗号化処理や匿名化処理を行う。メモリ26には、過去のデータの蓄積やクラウド上の症例データ等を一時的に保存する。
The
次に、図11により、生体信号計測装置の第2実施形態について説明する。この第2実施形態において、生体信号計測器1は、生体信号処理回路100内に生体を検知して自動的に電源をオンにする(立ち上げる)自動電源スイッチ110を備えている。
Next, a second embodiment of the biological signal measuring device will be described with reference to FIG. In the second embodiment, the biological
自動電源スイッチ110は、2入力型のコンパレータ111を有し、コンパレータ111の一方の入力端子In1には、抵抗R1と抵抗R2の各一端が並列として接続されている。抵抗R1の他端は装置内電源V0に接続され、抵抗R2の他端はグランドに接続されている。
The
コンパレータ111の他方の入力端子In2は、電極10bの信号線Lbと接続されており、他方の入力端子In2とグランドとの間には抵抗R4が接続されている。電極10aの信号線Laと装置内電源V0との間には抵抗R3が接続されている。
The other input terminal In2 of the
電極10a,10b間の抵抗をR5、一方の入力端子In1に印加される電圧をV1、他方の入力端子In2に印加される電圧をV2として、V1とV2は、
V1=V0×R2/(R1+R2)
V2=V0×R4/(R3+R4+R5)
で表される。
The resistance between the
V1 = V0 x R2 / (R1 + R2)
V2 = V0 x R4 / (R3 + R4 + R5)
It is represented by.
コンパレータ111は、V1とV2を比較し、V2>V1のとき電源起動IC112に起動を指示する。例えば、R2,R3,R4を10MΩ、R1を11MΩとすれば、抵抗R5の抵抗値が1MΩ以下の場合にV2>V1となり、生体に接触しているとして電源起動IC112に起動を指示し、自動的に電源をオンにする。
The
自動電源スイッチ110は、電源起動後に電源から切り離すことが好ましいが、上記のようにR1〜R4を高抵抗とすれば、電源起動後に自動電源スイッチ110を電源から切り離さなくても、消費電力の消耗を最小限とすることができる。
It is preferable that the
この例では、上記のようにR1〜R4を高抵抗として、コンパレータ111や各抵抗R1〜R4に流れる消費電流を1μAにして常に電極間をモニタしている。一例として、10mAhの電池で1μAの電流による半減期間は約6ヵ月であるため、生体データを採る数日間の使用には影響しない。
In this example, as described above, R1 to R4 are set to high resistance, the current consumption flowing through the
なお、電源起動後は、この自動電源スイッチの機能は停止させることが好ましい。その理由は、電極10a,10bに流れるDC電流が生体信号検出にとってノイズになる場合があるためである。
After the power is started, it is preferable to stop the function of this automatic power switch. The reason is that the DC current flowing through the
次に、図12により、生体信号計測装置の第3実施形態について説明する。この第3実施形態において、生体信号計測器1は、装着状態チェック機能を備えている。
Next, a third embodiment of the biological signal measuring device will be described with reference to FIG. In the third embodiment, the biological
生体信号計測器1の生体信号処理回路100内には、先の図11で説明した自動電源スイッチ機能のほかに本来の計測・処理機能として、皮膚抵抗計測・処理部、心電信号計測・処理部、筋電信号計測・処理部、脳波信号計測・処理部、環境物理量計測・処理部等を備えており、これらの各種データから生体信号計測器1が正しく生体に装着されているかどうかの装着状態をチェックする。
In the biological
その判定方法(アルゴリズム)として、期待される信号レベルの範囲内にあるかの判定、心電波形等、期待される波形のテンプレートとの整合比較(マッチドフィルタ)、周波数解析を行って期待される周波数分布との量的比較、期待される信号対ノイズ比(S/N比)による判定等を使用できる。 As the judgment method (algorithm), it is expected to perform judgment as to whether or not it is within the range of the expected signal level, matching comparison (matched filter) with the template of the expected waveform such as the electrocardiographic waveform, and frequency analysis. Quantitative comparison with frequency distribution, judgment by expected signal-to-noise ratio (S / N ratio), etc. can be used.
その一例として、図13(a)(b)に心電波形の整合比較により装着状態を判定する手順を示す。 As an example, FIGS. 13 (a) and 13 (b) show a procedure for determining the wearing state by matching and comparing the electrocardiographic waveforms.
心電波形を例にして、まず、図13(b)の(b−1)に示すように、R波,P波,T波,Q波,S波に対してしきい値r1,r2,r3(r3<r2<r1)を設定し、R波についてはr1以上(r1≦R波)、P波,T波についてはr2以上r1未満(r2≦P波,T波<r1)、Q波,S波についてはr3未満(Q波,S波<r3)かどうかを判定する。 Taking an electrocardiographic waveform as an example, first, as shown in (b-1) of FIG. 13 (b), the threshold values r1, r2, for R wave, P wave, T wave, Q wave, and S wave. Set r3 (r3 <r2 <r1), r1 or more (r1 ≤ R wave) for R wave, r2 or more and less than r1 for P wave and T wave (r2 ≤ P wave, T wave <r1), Q wave. For the S wave, it is determined whether it is less than r3 (Q wave, S wave <r3).
図13(a)を参照して、このしきい値に対する論理判定を行うにあたって、バンドパスフィルタによって、生信号から不要な信号成分を取り除く。その際、必要に応じて微分信号を用いてもよい。論理判定は、コンパレータ(デシタル、アナログどちらでも可)によって行うことができる。図13(b)の(b−2)に、しきい値に対する論理判定の結果を示すが、最大のピーク(この例ではR波)で正規化してもよい。 In making a logical determination for this threshold with reference to FIG. 13 (a), an unnecessary signal component is removed from the raw signal by a bandpass filter. At that time, a differential signal may be used if necessary. The logic judgment can be made by a comparator (either digital or analog). FIG. 13B (b-2) shows the result of the logical determination for the threshold value, which may be normalized by the maximum peak (R wave in this example).
次に、あらかじめ用意された期待論理(判定基準となるテンプレートで、図13(b)の(b−3)参照)と、図13(b)の(b−2)に示したしきい値に対する論理判定との論理積をとる。その結果の一例を図13(b)の(b−4)に示す。 Next, with respect to the expected logic prepared in advance (see (b-3) in FIG. 13 (b) in the template as a judgment criterion) and the threshold value shown in (b-2) in FIG. 13 (b). Take the logical product with the logical judgment. An example of the result is shown in (b-4) of FIG. 13 (b).
そして、ノイズ等の影響を避けるため上記論理積を一定期間積分し、整合判定として、その積分結果のしきい値判定を行う。その結果、図13(b)の(b−5)に示すように、例えばt0時点の積分結果が総合判定しきい値を超えていれば、期待する心電波形を検出したと判定、すなわち生体信号計測器1が生体Hに正しく装着されていると判定する。そうでない場合には、LEDやバイブレータ、ブザー等のアラーム手段113を動作させて装着者に装着異常であることを報知する。
Then, in order to avoid the influence of noise and the like, the logical product is integrated for a certain period of time, and the threshold value of the integration result is determined as a matching determination. As a result, as shown in (b-5) of FIG. 13 (b), for example, if the integration result at t0 exceeds the comprehensive judgment threshold value, it is determined that the expected electrocardiographic waveform has been detected, that is, the living body. It is determined that the
次に、図14により、生体信号計測装置の第4実施形態について説明する。この第4実施形態において、生体信号計測器1は、給電器2との通信機能を備えている。
Next, a fourth embodiment of the biological signal measuring device will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, the biological
給電器2と通信を行うため、生体信号計測器1の生体信号処理回路100内には、MCU(マイクロコントローラユニット)121、メモリ122、I/Oインターフェイス123およびADC(アナログ−デジタル変換回路)124等が設けられている。
In order to communicate with the
MCU121は、生体信号を処理した結果をメモリ122に蓄積し、給電器2との通信を制御する。生体信号の処理の一例として、心電波形から心拍揺らぎを求める、加速度から移動距離や運動量を求めることが挙げられる。
The
メモリ122には、RAM(ランダムアクセスメモリ)とROM(リードオンリーメモリ)とが含まれ、RAMにはMCU121にて処理された生体信号データ等が保存され、ROMには処理プログラム等が書き込まれる。
The
I/Oインターフェイス123は、給電器2にデータを送るための信号を生成する。また、ADC124は、給電器2からデータや計測プログラム等を受信し、ファームウェアの入替等を行う。
The I /
給電器2との通信機能の他の実施形態(本発明の第5実施形態)として、図15に示すように、接続検知手段としてのウェークアップ(Wakeup)回路131、変調用のスイッチ(SW)132、ADC133、誤り訂正復号化回路134a,誤り訂正符号化回路134bおよび通信制御部135を備える態様も本発明に含まれる。
As another embodiment of the communication function with the power feeder 2 (fifth embodiment of the present invention), as shown in FIG. 15, a
Wakeup回路131は、給電電力(充電電力)を検知することにより、本器(生体信号計測器1)が給電器2にセットされたと判断し、通信機能を動作状態とする。
By detecting the power supply power (charging power), the
変調用のスイッチ132は、給電電力を変調させるために差動間のインピーダンスを変化させる。耐圧が高い外付けトランジスタを置くことができる。
The
ADC(コンパレータでも可)133は、給電電力の変調を2値または多値に変換する。必要に応じて保護抵抗や保護ダイオードを置くことができる。 The ADC (comparator is also possible) 133 converts the modulation of the feed power into binary or multi-value. Protection resistors and protection diodes can be placed as needed.
誤り訂正復号化回路134a,誤り訂正符号化回路134bは、リードソロモン、ビタビ、ターボ、LDPC等で伝送路の歪みの影響を低減する。通信制御部135は、送受信のタイミングを生成し、各部を制御する。
The error correction /
図16に生体信号計測器1と給電器2との間の通信回路で転送されるデータの一例を示し、これについて説明する。
FIG. 16 shows an example of data transferred by the communication circuit between the biological
MCU121のFloting Unitや専用のHW(ハードウェア)により、心電波形から心拍揺らぎを求め、可変帯域制限フィルタを通して心拍揺らぎを例えば16階調に周波数分解する。これには、IIR帯域制限フィルタ(BPF)の帯域を少しずつ変化させて分解するとよい。
The heartbeat fluctuation is obtained from the electrocardiographic waveform by the Flotting Unit of the
ある時間ごとに記録、例えば10秒に1回の割合で記録する。情報量は24時間(86400秒)で、16周波数×16階調(8bit)×8640=約8.6kBとなる。 Recording is performed every time, for example, once every 10 seconds. The amount of information is 24 hours (86400 seconds), and 16 frequencies × 16 gradations (8 bits) × 8640 = about 8.6 kB.
同様に、加速度を周波数分解した場合の24時間の情報量は約10kB、その加速度を積分した移動距離の24時間の情報量は約10kBとなる。 Similarly, when the acceleration is frequency-decomposed, the 24-hour information amount is about 10 kB, and the 24-hour information amount of the travel distance obtained by integrating the acceleration is about 10 kB.
本発明によれば、給電器2はドッキングステーションとも呼ばれ、生体信号計測器1を給電器2に接続し充電しながら、メモリ122に蓄積された情報(生体データ等)を給電器2を介して例えばクラウドサーバー等に送信することができる。
According to the present invention, the
次に、図17を参照して、生体信号計測器1の市場に提供される製品形態(センサチップ)の一例について説明する。
Next, an example of a product form (sensor chip) provided on the market of the biological
センサチップ1は、第1および第2の2枚の基板30,40と、これら基板30,40を接続する低曲げ剛性部50とを備える。
The
基板30,40には銅張り積層基板等の硬質基板が用いられ、低曲げ剛性部50にはフレキシブル配線板が好ましく採用される。以下、低曲げ剛性部50をフレキシブル配線板と言うことがある。
A hard substrate such as a copper-clad laminated substrate is used for the
図17(a)に示されている基板30,40の一方の面(正面)が部品実装面30a,40aで、この例では、第1基板30の部品実装面30aに生体信号処理回路100が実装され、第2基板40の部品実装面40aに充電回路200が実装され、また、電源としての二次電池210が搭載されている。二次電池210は他の部品に比べて重量があるため、連結部側に配置するのが好ましい。生体信号・給電電力振り分け手段300は第1基板30、第2基板40のいずれかに設けられてよい。
One surface (front surface) of the
図17(b)に示されている基板30,40の他方の面が背面30b,40bで、第1基板30の背面30bに一方の電極10aが設けられ、これに対して、第2基板40の背面40bに他方の電極10bが設けられている。先にも説明したように、電極10a,10bは生体信号・給電電力振り分け手段300を介して生体信号処理回路100と充電回路200に接続されている。
The other surfaces of the
フレキシブル配線板50の長さLは、電極10a,10bが皮膚から剥がれようとする力を小さくするうえで、できるだけ長い方がよい。基板30,40の各辺は30mm以下、好ましくは20mm以下とする。
The length L of the
また、図17(c)を参照して、電極10、基板30,40、生体信号処理回路100と充電回路200および電池210、その他の部材を含めた厚さは10mm以下、好ましくは5mm以下とする。
Further, referring to FIG. 17C, the thickness including the
これは皮膚からの高さを低くして、剥がれようとする力(曲げモーメント)を小さくするためである。なお、基板30,40は必ずしも四角形である必要はなく、曲線部分があってもよい。
This is to lower the height from the skin and reduce the force (bending moment) to peel off. The
図18を参照して、基板30,40は、内層回路を含む多層のビルドアップ基板からなり、そのビルドアップ時に所定の内層間にフレキシブル配線板50が挟み込まれるが、強度を高めるうえで、基板30,40の接続側の対向する端部付近に貫通ビア51を形成することが好ましい。なお、貫通ビア51内にはメッキやレジスト等が充填されてよい。
With reference to FIG. 18, the
実装部品の配置について、図18(b)に示すように、一方の第1基板30側に生体信号処理回路100と電池210を配置し、他方の第2基板40側に充電回路200を配置してもよいが、好ましくは、図18(a)に示すように、一方の第1基板30側に生体信号処理回路100を配置し、他方の第2基板40側に充電回路200と電池210を配置するとよい。
Regarding the arrangement of the mounting components, as shown in FIG. 18B, the biometric
すなわち、図18(a)に示す配置によれば、第1基板30側は生体信号処理に関わる配線、第2基板40側は電源系の配線にまとめられるため、フレキシブル配線板50に形成する回路パターンは電源配線と制御配線の最小限でよく、フレキシブル配線板50をより柔軟にすることができる。
That is, according to the arrangement shown in FIG. 18A, the
また、通常では生体信号処理回路100の方が充電回路200よりも回路面積が大きいため、図18(a)に示す配置とすれば、第1基板30と第2基板40とを面積的にほぼ同じ大きさにできる。
Further, since the biological
これにより、フレキシブル配線板50がセンサチップ1の長さ方向(図18において左右方向)のほぼ中央部分に配置されるとともに、両基板30,40の長さを長くできることから、センサチップ1を生体の皮膚から剥がれにくくすることができる。
As a result, the
図19にセンサチップ1の防水カバー60を示す。同図(a)はセンサチップ1の部品実装面30a,40a側を覆う防水カバー60の正面図、同図(b)はセンサチップ1の背面30b,40b側を覆う防水カバー60の背面図、同図(c)は(b)のA−A線断面図である。
FIG. 19 shows the
防水カバー60は、低剛性材料、好ましくはシリコンゴムからなり、内部に図17に示されているセンサチップ1を収納する袋状に形成されている。図19(b)に示すように、背面側に電極10a,10bを露出させるための開口部61a,61bが設けられている。
The
防水カバー60の別の例として、図20に示すように、防水カバー60を第1基板30を覆う第1防水カバー60aと、第2基板40を覆う第2防水カバー60bの2部材として、第1基板30と第2基板40を個別的に防水する構成とする。
As another example of the
なお、図20(b)に示すように、第1防水カバー60aの背面側には、電極10aを露出させるための開口部61aが設けられ、第2防水カバー60bの背面側には、電極10bを露出させるための開口部61bが設けられる。
As shown in FIG. 20B, an
これによれば、フレキシブル配線基板50の部分は、防水カバーによって覆われないため、フレキシブル配線基板50本来の柔軟性が損なわれない。
According to this, since the portion of the
センサチップ1は直接生体の皮膚に取り付けられてもよいが、好ましくは図21(a)(b)に示す装着用粘着テープ70を用いる。なお、図21(c)はセンサチップ1の電極面側を示す模式図で、図21(d)は給電器2の給電端子側を示す模式図である。
The
装着用粘着テープ70は、図21(a)の皮膚貼着面側(のり面側)の左右2箇所に生体親和性を有するゲル等よりなる皮膚側電極71a,71bを備えている。図示しないが、不使用時、皮膚側電極71a,71bは剥離紙でカバーされている。
The
装着用粘着テープ70の図21(b)に示す表面側(おもて面側)には、皮膚側電極71a,71bに対応して接続電極72a,72bが設けられている。接続電極72a,72bは鉄等の磁性体からなり、センサチップ1の電極10a,10bと等間隔で配置されている。また、給電器2の給電端子20a,20bも鉄等の磁性体からなり、センサチップ1の電極10a,10bと等間隔で配置されている。
これに対して、センサチップ1の電極10a,10bは永久磁石材よりなり、その磁気吸着力により、センサチップ1は装着用粘着テープ70と給電器2とに選択的に保持される。図22に、センサチップ1の装着用粘着テープ70への取り付け状態を示す。
On the other hand, the
次に、図23(a)〜(f)により、センサチップ1の使用手順の一例について説明する。まず、(a)装着用粘着テープ70から剥離紙を剥がして皮膚側電極71a,71bを露出させ、(b)装着用粘着テープ70を生体(人体)の所定部位、例えば胸に貼り付ける。
Next, an example of the procedure for using the
次に、(c)充電済みのセンサチップ1を図22に示すように装着用粘着テープ70に取り付ける。このとき、センサチップ1は、電極10a,10bが接続電極72a,72bに磁気的に吸着することにより、装着用粘着テープ70に保持される。生体の複数箇所にセンサチップ1を装着してもよい。
Next, (c) the charged
(d)例えば、数時間〜数日間にわたって生体データを取得してメモリ122に蓄積したら、センサチップ1を装着用粘着テープ70から外して、(e)センサチップ1を給電器2にセットする。このときも、電極10a,10bが給電端子20a,20bに磁気的に吸着することにより、センサチップ1が給電器2に確実に保持される。
(D) For example, after acquiring biometric data for several hours to several days and accumulating it in the
給電器2にセンサチップ1がセットされると、センサチップ1の電池210に対して給電器2から充電が行われるが、これと並行して、生体信号処理回路100のメモリ122に蓄積されている生体データが給電器2のメモリ26に転送される。
When the
この生体データの転送は、給電器2のMPU25および/またはセンサチップ1のMCU121の指示によって行われる。なお、この実施形態において、給電器2は充電ランプ2aと通信ランプ2bとを有し、充電中は充電ランプ2aが点灯し、データ転送中は通信ランプ2bが点灯する。
This transfer of biometric data is performed according to the instructions of the
センサチップ1から給電器2への生体データ転送終了後、センサチップ1のメモリ122から生体データが削除される。このデータ削除は、センサチップ1のMCU121もしくは給電器2のMPU25のいすれかの指示によって行われる。(f)このようにして、生体データが削除され充電されたセンサチップ1は再び生体データの取得に回される。
After the biometric data transfer from the
給電器2は、図24に例示するように、好ましくは公衆回線への接続機能を持つ接続端末80に接続され、センサチップ1から取得した生体データを例えば公衆回線を介して外部機器としてのサーバー(クラウドサーバー)81等に転送する。
As illustrated in FIG. 24, the
なお、センサチップ1のメモリ122からの生体データの削除は、サーバー81へのデータ転送確認後に行われてもよい。また、接続端末80には、パソコン、携帯タブレット、マイコン搭載ボード等が用いられてよい。
The biometric data from the
給電器2から生体データが送信されたサーバー81側では、運動量や脈拍変化、心拍揺らぎ、呼吸数、血圧変化等から身体能力、ストレス状態、病気である可能性もしくは病気になる直前の状態等を判定する。
On the
また、必要に応じてユーザーに合った生体信号計測プログラム(例えば更年期障害、起立性調節障害、不整脈等に係る生体信号計測、特異なST波を詳細にモニタして保存する等のプログラム)を給電器2を介してセンサチップ1に書き込む。
In addition, a biological signal measurement program suitable for the user (for example, a program for measuring biological signals related to menopause, orthostatic dysregulation, arrhythmia, etc., and monitoring and saving peculiar ST waves in detail) is provided as needed. Write to the
このときも、給電器2の通信ランプ2bが点灯するが、必ずしも充電中であることを要しない。すなわち、センサチップ1から給電器2への生体データの転送、給電器2からサーバー81への生体データの転送、サーバー81から給電器2を介してのセンサチップ1へのプログラム書き込みは、センサチップ1の充電前や充電後に行われてもよい。
At this time as well, the
以上説明したように、本発明によれば、本来生体信号を検出するための電極を充電用端子として使用することにより、SD端子等の専用充電端子を設ける必要がなく、生体信号計測器の構成が簡素化され、より一層の小型、軽量、薄型化がはかれるとともに、十分な防水対策を施すことができる。 As described above, according to the present invention, by using an electrode for detecting a biological signal as a charging terminal, it is not necessary to provide a dedicated charging terminal such as an SD terminal, and a configuration of a biological signal measuring instrument is provided. Is simplified, and it is possible to further reduce the size, weight, and thickness, and to take sufficient waterproof measures.
また、生体信号計測器(センサチップ)が人体に装着されているときにだけ、電源起動スイッチがオンで電池より生体信号処理回路に電源が供給され、それ以外のときには電源起動スイッチがオフであるから、電池の消耗を可及的に少なくすることができる。 In addition, the power start switch is turned on and power is supplied to the biological signal processing circuit from the battery only when the biological signal measuring instrument (sensor chip) is attached to the human body, and the power start switch is turned off at other times. Therefore, the consumption of the battery can be reduced as much as possible.
1 生体信号計測器(センサチップ)
2 給電器
10(10a,10b) 電極
20(20a,20b) 給電端子
30,40 基板
50 低曲げ剛性部(フレキシブル配線板)
60 防水カバー
70 装着用粘着テープ
70a,70b 皮膚側電極
71a,71b 接続電極
100 生体信号処理回路
200 充電回路
300 生体信号・給電電力振り分け手段
1 Biological signal measuring instrument (sensor chip)
2 Feeder 10 (10a, 10b) Electrode 20 (20a, 20b)
60
Claims (1)
上記生体信号計測器は、内部電源としての電池およびその充電回路と、生体信号計測時には生体の皮膚面と接触し、上記電池の充電時には所定の給電器に接続される一対の電極と、上記電池より電源が供給され上記電極にて検出される生体信号を所定に処理する生体信号処理回路と、生体信号・給電電力振り分け手段とを備え、上記電極に対して上記生体信号処理回路と上記充電回路とが上記生体信号・給電電力振り分け手段を介して切り換え可能に接続されている生体信号計測装置において、
上記電池より上記生体信号処理回路に供給される電源をオンオフする電源起動スイッチと、上記電源起動スイッチを制御する制御部と、上記一対の電極間に存在するインピーダンスを検出するAC信号発生器と信号検出器とからなるインピーダンス検出器とを有し、
上記制御部は、上記インピーダンス検出器により検出される電極間インピーダンスを監視し、上記電極間インピーダンスが所定の閾値を超える値のときには上記電源起動スイッチをオフとし、上記電極間インピーダンスが上記閾値以下のときには上記電源起動スイッチをオンにして上記電池より上記生体信号処理回路に電源を供給することを特徴とする生体信号計測装置。 Including biological signal measuring instruments used by attaching to the living body
The biological signal measuring instrument includes a battery as an internal power source and a charging circuit thereof, a pair of electrodes that come into contact with the skin surface of the living body when measuring the biological signal, and are connected to a predetermined power supply device when charging the battery, and the battery. A biological signal processing circuit that is supplied with more power and processes a biological signal detected by the electrode in a predetermined manner, and a biological signal / power supply power distribution means are provided, and the biological signal processing circuit and the charging circuit are provided for the electrode. In the biological signal measuring device, which is connected so as to be switchable via the above-mentioned biological signal / power supply power distribution means.
A power start switch that turns on and off the power supplied from the battery to the biometric signal processing circuit, a control unit that controls the power start switch, and an AC signal generator and a signal that detect impedance existing between the pair of electrodes. It has an impedance detector consisting of a detector,
The control unit monitors the inter-electrode impedance detected by the impedance detector, turns off the power supply start switch when the inter-electrode impedance exceeds a predetermined threshold value, and the inter-electrode impedance is equal to or lower than the above threshold value. A biological signal measuring device characterized in that the power starting switch is sometimes turned on to supply power to the biological signal processing circuit from the battery.
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