圧電フィルムを用いた無拘束型の心拍・呼吸センサの開発

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心拍数・呼吸数などの生体情報のモニタリングは、医療・スポーツ科学分野ではきわめて重要である。現在のところ、その測定・モニタリングの方法としては電極やバンドなどを体の所定部位に取り付ける方法が用いられている.しかし,このような装着型の場合では患者を拘束してしまうため違和感を与えたり,皮膚の弱い患者では肌のかぶれ等の症状を起こす事もある.これらの問題を回避するために,被験者の体を直接拘束することなく、無拘束でモニタリングするためのセンサの開発を試みた.センサの構造は,比較的感度の高い圧電フィルム(PVDF:ポリフッ化ビニリデン)を用いて圧力・張力の時間変化により電荷を発生する構造とした。引張りに対する電圧(電荷)出力特性に注目し,湾曲したプラ板(展開時サイズ,100mm×140mm×0.7mm、半径約93.0mm)の両端にその弧長よりも短い長さの同一幅を持つ圧電フィルム(100mm×137mm×52μm)を用いて,その両端を固定する。また,無負荷時高さは約26mmで400gfつ押付力で高さ約3mmに圧縮される.上から押されると,圧電フィルムは弦のように張られ張力が発生する。この時プラ板は,垂直方向の圧縮力を水平方向の引張力に増幅して変換する力増幅機構の働きをする。実際のモニタリングは,マットの上にこのセンサを置き,被験者はその上に胸郭部がくるように普段着のまま仰向けに寝てもらう.被験者の動きが落ち着き電圧信号も安定したところで,計測を開始した.この場合,プラ板の柔軟性により,被験者にはほとんど違和感を生じさせない.測定のサンプリング周波数は,1kHzとし,呼吸信号と心拍信号を分離計測するために,呼吸信号用に1.5kHzのローパスフィルタ,心拍信号用に5Hzのハイパスフィルタを使用して計測を行った.計測結果の検証は,圧電フィルムを単体(ノーマルセンサ)で敷いた状態で測定した場合と比較・検討した.呼吸信号に関しては,アーチ型センサがノーマルセンサに比べて約2倍程度に,心拍信号は約3倍程度に増幅される事が確認できた.このことから,無拘束により,心拍数・呼吸数のモニタリングが可能である事がわかった.