JP2014204824A - 携帯型生体信号送信装置、生体信号伝送方法およびデジタルフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】複数チャンネルの生体信号をリアルタイムに無線通信によって伝送する。【解決手段】生体信号を入力する複数のアナログセンサ部と、前記生体信号をデジタル生体信号に変換する複数のADコンバータと、前記デジタル生体信号の所定の帯域成分を除去するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタから出力されるデジタル生体信号を移動平均する移動平均フィルタと、前記移動平均フィルタから出力される前記デジタル生体信号の周波数を変換する周波数変換部と、前記周波数変換部から出力される前記デジタル生体信号を無線送信する通信部と、を備える携帯型生体信号送信装置。【選択図】図２

Description

本発明は携帯型生体信号送信装置、生体信号伝送方法およびデジタルフィルタに関する。

従来、生体信号を計測し、無線伝送する技術が知られている。この技術は、生体に携帯される送信装置と、送信装置から無線送信される信号を受信して処理する計測装置を少なくとも含むシステムとして実現されている。生体信号は微弱であるため、無線によって信号を伝送する場合には、信号伝送経路上で起こるノイズの混入によるＳ／Ｎの低下が大きな問題となる。そこで一般には、特許文献１に記載されているように、無線送信前に計測装置においてＡＤ変換が実施される。

特開２００２−１１２９６９号公報

ところで、車両運転者や工場作業者や独居高齢者の身体状態を生体信号だけで判定するためには、脳波、心電信号、筋電信号、眼電位信号等の複数種類の生体信号の表示や解析が必要になる。その一方で、複数種類の生体信号をリアルタイムに無線通信によって伝送しようとする場合には、伝送可能な生体信号の種類数が無線通信の帯域幅によって制限されるという問題が発生する。そこで、複数種類の生体信号を解析した結果として得られる身体状態を示す情報を無線伝送するために、計測装置にマイクロプロセッサを内蔵して複数種類の生体信号を解析した結果を無線伝送することが考えられる。しかし、人や動物の身体に計測装置を携帯させるためには、計測装置の小型化が極めて重要であるため、大規模なアナログ信号処理や、マイクロプロセッサを必要とする解析処理は送信装置側で実施しないことが好ましい。

本発明は、このような問題を解決するために創作されたものであって、複数チャンネルの生体信号をリアルタイムに無線通信によって伝送するための携帯型生体信号送信装置、生体信号伝送方法およびデジタルフィルタを提供することを目的の１つとする。

（１）上記目的を達成するための携帯型生体信号送信装置は、生体信号を入力する複数のアナログセンサ部と、前記生体信号をデジタル生体信号に変換する複数のADコンバータと、前記デジタル生体信号の所定の帯域成分を除去するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタから出力されるデジタル生体信号を移動平均する移動平均フィルタと、前記移動平均フィルタから出力される前記デジタル生体信号の周波数を変換する周波数変換部と、前記周波数変換部から出力される前記デジタル生体信号を無線送信する通信部と、を備える。

本発明によると、無線送信前にデジタル生体信号の周波数を変換し、デジタル生体信号を高品質に帯域圧縮することができる。したがって、帯域幅に制限のある無線伝送路を用いてもリアルタイムに伝送する生体信号のチャンネル数を増やすことができ、身体状態を把握可能な品質で生体信号を伝送することができる。その結果、複数チャンネルの生体信号を無線送信前に解析処理するための大規模な回路が不要になる。そしてまた、ＡＤ変換後のデジタル生体信号をバンドパスフィルタに入力するため、アナログ回路を簡素化して回路全体を小型化することができる。すなわち、本発明によると携帯型生体信号送信装置を小型化することができる。

（３）上記目的を達成するためのデジタルフィルタは、デジタル信号の所定の帯域成分を除去するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタから出力される前記デジタル信号を移動平均する移動平均フィルタと、前記移動平均フィルタから出力される前記デジタル信号の周波数を変換する周波数変換部と、を備える装置である。

本発明によると、デジタル信号を移動平均して周波数を変換するため、デジタル信号を高品質に帯域圧縮することができる。したがって、帯域幅に制限のある伝送路を用いてリアルタイムに伝送する信号のチャンネル数を増やすことができ、身体状態を把握可能な品質で生体信号を伝送することができる。そしてまた、ＡＤ変換後のデジタル信号をバンドパスフィルタに入力するため、回路全体を小型化することができる。すなわち、本発明によると信号伝送装置を小型化することができる。

本発明の実施形態にかかる模式図。 本発明の実施形態にかかるブロック図。 本発明の実施形態にかかるフローチャート。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

１．概要
図１は、本発明にかかる携帯型生体信号送信装置の一実施例としての生体アンプ１と計測装置２からなる生体信号計測システムの全体構成を示す模式図である。

生体アンプ１は、無線通信機能を持つ本体１０と本体１０から延伸している複数の電極１１〜１７を備え、人、動物等の身体Ｂに携帯される。生体アンプ１は、電極１１〜１７のそれぞれから脳波、心電信号、筋電信号等の複数の生体信号を入力し、生体信号毎にデジタル信号に変換し、デジタル生体信号を圧縮して計測装置２に無線伝送する。生体アンプ１と計測装置２間は無線で通信するため、生体アンプ１を携帯していても、計測対象の人や動物は自由に運動することが可能である。

計測装置２は、無線通信機能を備えるパーソナルコンピューター等の情報処理装置である。計測装置２は、生体アンプ１から受信したデジタル生体信号に基づいて脳波図、心電図、筋電図等を画面表示することにより身体の状態変化をリアルタイムに表示したり、複数チャンネルのデジタル生体信号を解析しながら身体の状態を遠隔監視する。

２．携帯型生体信号送信装置の構成
図２は、生体アンプ１の構成を示すブロック図である。
生体アンプ１は、皮膚に接触する複数の電極１１〜１７、アナログＬＰＦ（Low Pass Filter）２０、ＡＤ変換部３０、デジタルフィルタ４１及び無線通信制御部４２を含むＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）４０、無線通信部５０、ならびに、給電部６０を備えている。アナログＬＰＦ（Low Pass Filter）２０、Ａ／Ｄ変換部３０、ＦＰＧＡ４０および無線通信部５０は、縦横各３０ｍｍ程度、厚さ５ｍｍ程度の基板に形成された状態で本体１０に内蔵される。給電部６０は、本体１０に内蔵してもよいし、本体１０とは別に設けてもよい。本体１０は、衣服のポケットに入れたり、クリップ等で衣服に取り付けたり、動物の身体にバンドで取り付けることが可能である。

アナログＬＰＦ２０は、抵抗器とキャパシタンスを含む周知のアナログ回路であって、電極１１〜１７から入力される生体信号の高周波成分をチャンネル毎に除去する。アナログＬＰＦ２０で除去される帯域は例えば１５０ＫＨｚ以上である。ＬＰＦをＡＤ変換後に実施すると、サンプリング周波数以下にエイリアシングノイズと呼ばれる折り返し現象が発生し、高周波成分が低周波として現れてしまうことがある。一方、エイリアシングノイズを含んだデータをデジタル処理することも可能であるが、ＦＰＧＡの処理能力を圧迫するほどの複雑なアルゴリズムが必要となることを踏まえると、ＬＰＦはＡＤ変換前のアナログ生体信号に対して実施することが望ましい。生体信号をアナログＬＰＦ２０に通すことによってエイリアシングノイズを除去することができる。

ＡＤ変換部３０は、差動アンプ３１１〜３１８とＡＤＣ（Analog Digital Converter）３２１〜３２８を備え、生体信号をチャンネル毎にデジタル信号に変換する差動アンプである。差動アンプ３１１〜３１８では、インピーダンスによる分圧を低減するため、電極クリーム等を用いて電極１１〜１７と皮膚間のインピーダンスを低減することが好ましい。また電極１１〜１７毎に異なるインピーダンスのアンバランスによってＣＭＲＲ（Common Mode Rejection Ratio）が低下するため、入力インピーダンスは１０ＭΩ以上にすることが好ましい。ＡＤＣ３２１〜３２８のサンプリング周波数は例えば４ＫＨｚとする。

デジタルフィルタ４１は、バンドパスフィルタ４１１、移動平均フィルタ４１２および周波数変換部４１３を備え、ＡＤ変換部３０から出力されるデジタル生体信号を圧縮するデジタル回路である。ＡＤ変換部３０から出力される生体信号はデジタル信号であるため、信号から不要な情報を取り除き、必要な情報を高品質に圧縮するために必要な回路の規模を小さくすることができる。

バンドパスフィルタ４１１は、高周波成分を除去するＬＰＦ（Low Pass Filter）と低周波成分を除去するＨＰＦ（High Pass Filter）とを含み、例えば０．１〜５００Ｈｚの帯域のデジタル生体信号を通過させる。バンドパスフィルタ４１１を通すことによって、生体信号と異なる周波数成分を除去することができる。なお、デジタル信号のバンドパスフィルタを実現するにあたっては、カットオフ周波数より数倍高いサンプリング数を入力することが好ましい。また、移動平均と周波数変換処理を行った後でデジタルバンドパスフィルタ処理を行うと、発散を防ぐための非常に複雑な演算を要する。このため、ＡＤ変換後の最初の段階でバンドパスフィルタ処理を行う。

移動平均フィルタ４１２と周波数変換部４１３は高品質のデシメーションフィルタを構成している。移動平均フィルタ４１２は、信号の移動平均を出力する公知のデジタル回路である。移動平均フィルタ４１２を通すことによって、生体信号の帯域を高品質に周波数変換部４１３で圧縮することができるようになる。周波数変換部４１３は、移動平均フィルタ４１２から出力される信号をダウンサンプリングする公知のデジタル回路であって、デジタル生体信号の帯域を圧縮する。移動平均とダウンサンプリングを受信装置側で実施することにより送信装置側の回路規模を小さくできるが、移動平均とダウンサンプリングを行わずに他チャンネルデータを無線伝送するには、現在の無線通信規格では帯域が足りない。本実施例では周波数変換部４１３によってデジタル生体信号の帯域を圧縮することにより、帯域幅に制限のある無線通信手段を用いても、複数チャンネルの生体信号をリアルタイムに無線伝送することが可能になる。

無線通信制御部４２は、パケットデータ生成部４２３、ＦＩＦＯ（First In First Out）メモリ４２２および制御部４２１を備えている。パケットデータ生成部４２３は、周波数変換部４１３から入力されるデジタル生体信号を図示しないバッファメモリで一時的に記憶しながら、所定個数のデジタル生体信号毎にパケットＩＤを付けたパケットを出力する。ＦＩＦＯメモリ４２２は、パケットデータ生成部４２３から出力されるパケットを無線送信可能になるまでパケットを一時的に記憶する。制御部４２１は、無線通信部５０に対して送信コマンドを出力したり、無線通信部５０のステータスに応じて、送信対象データをＦＩＦＯメモリ４２２から無線通信部５０に出力したり、無線通信部５０から受信データを取得するデジタル回路である。

ここまでに述べたバンドパスフィルタ４１１、移動平均フィルタ４１２、周波数変換部４１３、パケットデータ生成部４２３、ＦＩＦＯメモリ４２２、制御部４２１はＦＰＧＡ４０によって構成されている。したがって、これらの回路をＡＳＩＣで製造する場合に比べて開発期間を短縮して製造コストを低減することができる。そして、人や動物に携帯させる生体アンプ１で実用的なデジタル処理を実現するには、バンドパスフィルタ処理、移動平均、周波数変換、無線伝送の順に処理することが最適である。

無線通信部５０は、制御部４２１から出力される送信コマンドに応じて送信対象としてのデジタル生体信号のパケットを取得して物理層のプロトコル変換を行い、デジタル生体信号を無線送信する公知の回路である。無線通信部５０の通信プロトコルとしてはＷｉ−Ｆｉなどの汎用的な無線規格が好ましい。なお、無線通信部５０と計測装置２との無線通信範囲よりも遠い遠隔地に生体信号を伝送したい場合には、計測装置２を中継器として利用することも可能である。

３．生体信号伝送方法
以下、図３に示すフローチャートを参照しながら生体アンプ１を用いた生体信号伝送方法について説明する。
はじめに本体１０から伸びる複数の電極１１〜１７のそれぞれから生体信号を入力する（Ｓ１００）。

次に、アナログＬＰＦ２０によって生体信号のエイリアシングノイズを除去する（Ｓ１０１）。これによりＡＤ変換部３０でのエイリアシングノイズの発生が抑えられる。

次に、ＡＤ変換部３０によって生体信号を増幅してデジタル信号に変換する（Ｓ１０２）。

次に、デジタル生体信号の計測対象でない帯域成分をバンドパスフィルタ４１１によって除去する（Ｓ１０３）。この段階前に生体信号がデジタル化されているため、そうでない従来の場合に比べると、バンドパスフィルタ４１１に必要な回路規模ははるかに小さい。

次に、バンドパスフィルタ４１１から出力されるデジタル生体信号の移動平均を移動平均フィルタ４１２によって算出する（Ｓ１０４）。

次に移動平均フィルタ４１２から出力されるデジタル生体信号を周波数変換部４１３で間引くことによって圧縮する。前段に移動平均フィルタ４１２を用いることでノイズが少ない高品質の圧縮が可能になる（Ｓ１０５）。

次に、周波数変換部４１３から出力されるデジタル生体信号をパケットデータ生成部４２３によってパケット化し、無線送信可能になるまでＦＩＦＯメモリ４２２に一次記憶する（Ｓ１０６）。

次に、無線通信部５０のステータスが待機状態になると、ＦＩＦＯメモリ４２２から取り出したデジタル生体信号のパケットを無線通信部５０が計測装置２に無線送信する（Ｓ１０７）。

無線通信部５０と計測装置２の無線通信帯域幅には、通信プロトコル上の制限があるものの、以上説明した生体信号伝送方法によると、不要な帯域成分を除去して高品質に帯域圧縮した上で無線送信するため、複数チャンネルの生体信号をリアルタイムで計測装置２に伝送することができる。したがって、生体信号だけで、監視対象の人や動物の身体状態をリアルタイムに遠隔地から監視することが可能になる。上述の生体アンプ１を用いた場合には、例えば２４ビット幅のデジタル生体信号を３２チャンネルもリアルタイムで計測装置２に伝送することが可能である。そして、身体の状態を把握するのに必要な生体信号のチャンネル数を無線通信の帯域内で確保することができるため、複数の生体信号を、身体に携帯させる装置の側で解析するためのマイクロプロセッサが不要になる。さらにまた、以上説明した生体信号伝送方法によると、不要な帯域成分を除去するバンドパスフィルタ４１１をデジタル回路で構成することができるため、アナログ回路で構成する場合に比べてバンドパスフィルタの回路規模をはるかに小さくすることができる。このように、身体に携帯させる装置の側に実装される回路規模を非常に小さくすることができるため、身体の状態を遠隔監視できる実用的な携帯型生体信号送信装置として生体アンプ１を実現することができる。

もちろん、デジタル化された生体信号を無線送信することができるため、伝送ノイズの少ない生体信号を計測装置２が受信することができる。このことは、生体信号が極めて微弱であることからすると、非常に有利である。

４．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施例に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変更を加え得ることは勿論である。
例えば、無線伝送経路でのパケットロス対策として、複数のパケットをブロック化し、ブロックごとに二重に送信してもよい。パケットのロスが発生した場合には、各ブロックの識別子を用いて２つのブロックの受信パケットを相互補完的に並び替えればよい。

また例えば、生体アンプ１の無線通信範囲内にある無線ＬＡＮのアクセスポイントからインターネットにデジタル生体信号を送出すれば、インターネットを介して計測装置２に生体信号を送信することも可能である。
また、生体アンプ１の電極の数は、計測対象の生体信号の数に応じて決まるものであり、無線通信帯域幅や生体アンプ１に許容される回路規模の制限範囲であれば、いくつにしてもよいことはいうまでもない。また、ＦＰＧＡのかわりにＡＳＩＣを用いてもよい。

１…生体アンプ，１０…本体，１１-１７…電極，２０…アナログＬＰＦ，３０…ＡＤ変換部，３１１〜３１８…差動アンプ，３２１〜３２８…ＡＤＣ，４０…ＦＰＧＡ，４１…デジタルフィルタ，４１１…バンドパスフィルタ，４１２…移動平均フィルタ，４１３…周波数変換部，４２…無線通信制御部，４２１…制御部，４２２…ＦＩＦＯメモリ，４２３…パケットデータ生成部，５０…無線通信部，２…計測装置

Claims (3)

1. 生体信号を入力する複数のアナログセンサ部と、
   前記生体信号をデジタル生体信号に変換する複数のADコンバータと、
   前記デジタル生体信号の所定の帯域成分を除去するバンドパスフィルタと、
   前記バンドパスフィルタから出力されるデジタル生体信号を移動平均する移動平均フィルタと、
   前記移動平均フィルタから出力される前記デジタル生体信号の周波数を変換する周波数変換部と、
   前記周波数変換部から出力される前記デジタル生体信号を無線送信する通信部と、
   を備える携帯型生体信号送信装置。
2. 複数の生体信号を検出する検出ステップと、
   前記複数の生体信号をデジタル生体信号に変換するデジタル変換ステップと、
   前記デジタル生体信号の所定の帯域成分を除去する除去ステップと、
   前記所定の帯域成分が除去されたデジタル生体信号を移動平均する移動平均ステップと、
   移動平均された前記デジタル生体信号の周波数を変換する周波数変換ステップと、
   周波数が変換されたデジタル生体信号を無線送信する送信ステップと、
   を含む生体信号伝送方法。
3. デジタル信号の所定の帯域成分を除去するバンドパスフィルタと、
   前記バンドパスフィルタから出力される前記デジタル信号を移動平均する移動平均フィルタと、
   前記移動平均フィルタから出力される前記デジタル信号の周波数を変換する周波数変換部と、
   を備えるデジタルフィルタ。

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