JP7526578B2 - 生体情報モニタ装置及び磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、生体情報モニタ装置及び磁気共鳴イメージング装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置を用いた撮像では、心臓の拍動（心拍）や呼吸などによる人体の動きによって収集するデータが変動する。そこで、例えば、心拍に関しては、人体に心電計の電極を貼り付け、心電計から出力される信号を用いて撮像タイミングを調整したり、収集したデータを心電計の信号に基づいて補正したりする手法が用いられている。
しかしながら、人体に電極を貼り付けることは患者にとって負担であり、また、撮像技師にとっても作業効率の低下の要因となる。

また、診断画像を生成するためのデータの収集とは別に、呼吸による体動をモニタするためのデータ（ナビゲーションデータと呼ばれる）を収集し、ナビゲーションデータを用いて、呼吸に起因する体動の影響を補正する技術も知られている。しかしながら、この手法では、ナビゲーションデータの収集に余分な時間がかかるため、撮像時間が長くなってしまう。このような観点から、患者に負担をかけることのない、非接触型の体動モニタ装置が要望されている。

非接触型の体動モニタ装置は、磁気共鳴イメージング装置を用いた撮像の場面のみならず、広くヘルスケアの分野でも要望されている。例えば、睡眠中や、車両の運転中における心拍数や呼吸の監視を、人体に負担をかけることなく非接触で行うことができるような体動モニタ装置も要望されている。

一方、従来から、電波を用いて被検体の動きを検出し、心拍数や呼吸数を検出する装置も提案されている。アンテナから被検体に向けて電波を送信し、被検体からの反射波の変動を検出して被検体の動きを検出しようというものである。

しかしながら、従来の電波を用いた検出装置では、被検体からの反射波だけではなく、被検体の周囲の種々の構造物からの反射波も同時に受信されるためにフェージングが発生し、被検体の心拍や呼吸を高い信頼性で安定に検出するのは難しい。

特開２００９－５５９９７号公報

本明細書及び図面に開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、被検体に負担をかけることなく、被検体の心拍や呼吸などの生体情報を、高い信頼性で安定に検出できるようにすることである。

ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を、他の課題として位置づけることもできる。

一実施形態の生体情報モニタ装置は、被検体に近接して配設される少なくとも１つのアンテナからなるアンテナ装置と、高周波信号を生成する信号生成部と、前記高周波信号を用いて、前記被検体の物理的変位を検出する変位検出部と、を備え、前記アンテナは、前記高周波信号が給電される主アンテナと、前記高周波信号が給電されない寄生素子とを有して構成される。

第１の実施形態に係る生体情報モニタ装置の全体構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係る生体情報モニタ装置の動作概念を説明する図。 （ａ）はアンテナからの反射信号の実測値の一例を示すグラフ、（ｂ）は反射信号から抽出された呼吸の波形を示すグラフ、（ｃ）は反射信号から抽出された心拍の波形を示すグラフ。 生体情報モニタ装置で使用するアンテナとして、ループアンテナとダイポールアンテナを比較した図。 第１の実施形態で使用されるアンテナの配置例を示す図。 第２の実施形態に係る生体情報モニタ装置の全体構成を示すブロック図。 第２の実施形態に係る生体情報モニタ装置の動作概念を説明する図。 （ａ）は送信アンテナから受信アンテナへの透過信号の実測値の一例を示すグラフ、（ｂ）は透過信号から抽出された呼吸の波形を示すグラフ、（ｃ）は透過信号から抽出された心拍の波形を示すグラフ。 第２の実施形態で使用される送信アンテナと受信アンテナの配置例を示す図。 第３の実施形態に係る生体情報モニタ装置の全体構成を示すブロック図。 ダイバーシティ処理を行うための４つのアンテナの配置例を示す図。 生体情報モニタ装置を備える磁気共鳴イメージング装置の構成例を示す図。 （ａ）は、磁気共鳴イメージング装置で使用される生体情報モニタ装置の構成例を示す図、（ｂ）は、生体モニタ用の高周波信号の送受信期間の一例を示す図。 アンテナの位置を示す局所コイルや天板のマーキングの一例を示す図。 寄生素子付きアンテナの第１実施形態のアンテナの外観例および構造例を示す図。 従来型アンテナと本実施形態のアンテナの等価回路を示す図。 Ｓ１１パラメータの周波数特性をスミスチャート上に軌跡としてプロットした図。 Ｓ１１パラメータの周波数特性の測定結果の一例を模式的に示した図。 最大吸気位と最大呼気位とで測定したＳ１１パラメータの周波数特の測定結果を模式的に示した図。 Ｓ１１パラメータの周波数特性の周波数シフトを、スミスチャート上の軌跡と関連付けて測定した結果を模式的に示した図。 Ｓ１１パラメータの時間変化を測定した結果の一例を示す図。 第２実施形態のメアンダ型のアンテナの外観例及び構造例を示す図。 寄生素子の大きさを変えることによってアンテナの周波数特性が調整可能であることを示す図。 寄生素子を長手方向に分割することにより、アンテナの周波数特性が調整可能であることを例示する図。 寄生素子を短手方向に分割することにより、アンテナの周波数特性が調整可能であることを例示する図。 寄生素子とメアンダ形状との間の制約条件を説明する図。 第３実施形態のアンテナの外観例及び構造例を示す図。 主アンテナと寄生素子の夫々の形状が、給電点を含む直線に対して線対称である実施形態のいくつかの例を示す図。 主アンテナと寄生素子の夫々の形状が、給電点に対して点対称である実施形態のいくつかの例を示す図。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、第１の実施形態に係る生体情報モニタ装置１の全体構成を示すブロック図である。生体情報モニタ装置１は、アンテナ１０と生体情報モニタ装置本体２０（以下、単に本体２０と呼ぶ）とを備える。アンテナ１０はアンテナ装置（図示せず）の構成である。第１の実施形態では、生体情報モニタ装置本体２０は基本的には１つのアンテナを有する構成であるため、アンテナ装置は１つのアンテナから構成されることになる。一方、後述する他の実施形態では生体情報モニタ装置本体２０が複数のアンテナを有することがあり、その場合は、アンテナ装置は複数のアンテナから構成されることになる。

アンテナ１０は人体である被検体に近接して配設される。アンテナ１０は心電計の電極のように、被検体の肌に直接密着させて貼り付ける必要はなく、例えば、被検体の衣服の上に配置してもよい。また、図１では、寝台の天板５１０の上に横臥する被検体の胸部にアンテナ１０を配設している例を示しているが、アンテナ１０を配設する際の被検体の姿勢や、アンテナ１０を配設する被検体の部位は、図１の例示に限定されない。例えば、アンテナ１０を立位の被検体の胸部や背部に配設してもよいし、車両運転中の座位の被検体の胸部や背部に配設してもよい。
本体２０は、ＲＦ信号発生器３０、送信回路４０、結合量検出回路５０、及び、変位検出回路６０を備えている。

ＲＦ信号発生器３０は、連続波の高周波信号を生成する。高周波信号の周波数は特に限定するものではないが、アンテナの寸法等から、例えば、ＶＨＦ帯やＵＨＦ帯の周波数が選択される。

送信回路４０は、高周波信号をバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４１を通過させた後、電力増幅器（ＰＡ）４２によって所定の電力まで増幅し、方向性結合器（ＤＣ）４３を介してアンテナ１０に出力する。

結合量検出回路５０は、被検体とアンテナ１０との間の電界による近傍界結合の結合量を検出する機能を有しており、例えば、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５１、自動利得調整機能付きの低雑音増幅器（ＬＮＡ／ＡＧＣ）５２、及び、検波回路５３を備えて構成されている。
ＲＦ信号発生器３０、送信回路４０、及び、結合量検出回路５０は、例えば、１つのケーシングに収納される印刷基板の上に実装することができる。

送信回路４０の方向性結合器４３から出力された高周波信号はアンテナ１０に入力されるが、この高周波信号の一部は被検体に向かわず、アンテナ１０の入力端で跳ね返されて（反射して）方向性結合器４３に戻り、結合量検出回路５０に分岐入力される。

結合量検出回路５０は、方向性結合器４３の分岐端から出力される信号を、検波回路５３で検波することにより、アンテナ１０からの反射信号の大きさを測定する。そして、反射信号の大きさに基づいて近傍界結合の結合量を検出している。

送信回路４０からアンテナ１０に出力される電力が一定値であることを考慮すると、結合量検出回路５０は、アンテナ１０の反射損失（即ち、リターンロス）を示すＳ１１パラメータを等価的に検出していることになる。

図２は、第１の実施形態に係る生体情報モニタ装置１の動作概念を説明する図である。図２（ａ）は被検体とアンテナ１０との距離Ｄが小さい場合における動作、図２（ｂ）は被検体とアンテナ１０との距離Ｄが大きい場合における動作を模式的に説明する図である。被検体（人体）は、導電率を有する物体であるため、アンテナ１０が被検体に近づくと、アンテナ１０からのエネルギを吸収し易くなる。

したがって、図２（ａ）に示すように、被検体とアンテナ１０との距離Ｄが小さい場合は、被検体に吸収されるエネルギが大きくなる。このことは、被検体とアンテナ１０との近傍界結合の結合量が大きいことを意味している。アンテナ１０に入力される電力Ｓinは、主に、被検体に吸収される電力Ｓbと、アンテナ１０のアンテナ端１０ａから反射される電力Ｓrに分けられるが、距離Ｄが小さい場合は、被検体に吸収される電力Ｓbが大きくなり、その分だけ、アンテナ端１０ａから反射される電力Ｓrが小さくなる。例えば、アンテナ１０に入力される電力Ｓinを１００とした場合、被検体に吸収される電力Ｓbは７０で、アンテナ端１０ａから反射される電力Ｓrは３０となる。

このことは、被検体とアンテナ１０との距離Ｄが小さい場合は、アンテナ端１０ａからの反射信号が低下し、アンテナ１０の反射損失（リターンロス）も小さくなることを意味している。言い換えると、アンテナ１０の不整合の程度の指標である、Ｓ１１パラメータが小さな値を示すことになる。Ｓ１１パラメータは、アンテナ１０への入力電力に対する反射電力の比の平方根で表される指標である。

これに対して、図２（ｂ）に示すように、被検体とアンテナ１０との距離Ｄが大きい場合は、被検体に吸収されるエネルギが小さくなる。このことは、被検体とアンテナ１０との近傍界結合の結合量が小さいことを意味している。この結果、距離Ｄが大きい場合は、被検体に吸収される電力Ｓbは小さくなり、その分だけ、アンテナ端１０ａから反射される電力Ｓrが大きくなる。例えば、アンテナ１０に入力される電力Ｓinを１００とした場合、被検体に吸収される電力Ｓbは３０で、アンテナ端１０ａから反射される電力Ｓrは７０となる。

このことは、被検体とアンテナ１０との距離Ｄが大きい場合は、アンテナ端１０ａからの反射信号が増加し、アンテナ１０の反射損失（リターンロス）が大きくなることを意味している。言い換えると、アンテナ１０の不整合の程度の指標である、Ｓ１１パラメータが大きな値を示すことになる。

このように、アンテナ１０への入力電力を一定としたときのアンテナ端１０ａからの反射信号は、被検体とアンテナ１０との距離Ｄに依存して変化する。言い換えれば、アンテナ１０の不整合の程度、或いは、Ｓ１１パラメータの値も、被検体とアンテナ１０との距離Ｄに依存して変化する。そして、被検体とアンテナ１０との距離Ｄは、心拍や呼吸等の体動によって変化するため、アンテナ端１０ａからの反射信号の大きさ、或いは、Ｓ１１パラメータの値は、心拍や呼吸等の体動の変化に応じて変化することになる。

第１の実施形態の生体情報モニタ装置１は、このような特性を利用するものであり、被検体の近傍に配設したアンテナ１０からの反射信号の大きさ、或いは、Ｓ１１パラメータの値を検出することにより、心拍や呼吸等の体動を検出する。

図３（ａ）は、アンテナ１０からの反射信号の実測値の一例を示すグラフである。グラフの横軸は時間を、縦軸は反射信号の振幅である。図３（ａ）に示すように、アンテナ１０からの反射信号は、比較的長い周期の振動波形（呼吸の動きに相当する波形）の上に、短い周期の振動波形（心拍に相当する波形）が重畳された波形となっている。アンテナ１０からの反射信号は、結合量検出回路５０の検波回路５３で検出され、変位検出回路６０に出力される。

変位検出回路６０は、例えば、プロセッサを備えた専用の印刷基板として構成してもよいし、ディスプレイを備えたパーソナルコンピュータやタブレット端末装置などの情報処理装置として構成してもよい。

変位検出回路６０は、呼吸の動きに相当する周波数成分と、心拍に相当する周波数成分を夫々抽出するフィルタリング処理を、検波回路５３で検出された反射信号に対して施すことにより、図３（ｂ）に示す呼吸の波形や、図３（ｃ）に示す心拍の波形を生成する。或いは、変位検出回路６０は、アンテナ１０からの反射信号をフーリエ変換した後、呼吸の動きに相当する周波数成分と、心拍に相当する周波数成分とを周波数上で抽出し、抽出した夫々の周波数成分を逆フーリエ変換して、図３（ｂ）に示す呼吸の波形や、図３（ｃ）に示す心拍の波形を生成してもよい。

変位検出回路６０は、生成した呼吸波形や心拍波形を、適宜のディスプレイに表示させてもよいし、生成した呼吸波形や心拍波形を解析してもよい。例えば、変位検出回路６０は、呼吸波形や心拍波形を解析して、呼吸数や呼吸周期、或いは、心拍数や心拍周期等を求めてもよいし、呼吸数や心拍数等から、呼吸や心拍の異常の有無を検出してもよい。
図４は、生体情報モニタ装置１で使用するアンテナ１０として、ループアンテナとダイポールアンテナを比較した図である。

図４（ａ）は、ループ長が共振長のループアンテナ、即ち、１波長ループアンテナを示している。１波長ループアンテナは、対向する辺の電流分布が逆位相となるため、電界は打ち消されない。このため、近傍界は電界成分が磁界成分より大きくなる。使用する周波数にもよるが、アンテナ形状としては、比較的大型となる。

図４（ｂ）は、ループ長が共振長より短いループアンテナを示している。このタイプのループアンテナは対応する辺の電流分布が逆位相にならないため、電界の打消しが発生する。このため、近傍界では磁界成分が電界成分より大きくなる。したがって、近傍界における人体との結合は磁界結合となる。磁界結合は、体の内部を通り易い傾向を示す。
図４（ｃ）は、半波長ダイポールアンテナを示している。半波長ダイポールアンテナは、電界の打消しがないため、近傍界では電界成分が大きい。

図４（ｄ）は、素子長が共振長よりも短いダイポールアンテナを示している。素子長が共振長（即ち、半波長）よりも短くても、電流分布形状は変化しない。したがって、半波長ダイポールアンテナと同様に、近傍界では電界成分が大きい。また、当然、半波長ダイポールアンテナよりも小型化が可能である。近傍界では電界成分が大きくなるため、近傍界における人体との結合は電界結合となる。電界結合は、体の表面を伝搬し易い傾向を示す。

小型化の観点からは、ループ長が共振長より短いループアンテナ（図４（ｂ））や、半波長より短いダイポールアンテナ（図４（ｄ））が好ましく、生体情報モニタ装置１は、どちらのタイプのアンテナも使用することができる。ただし、ループアンテナと対比した場合、ダイポールアンテナの方が、より細かな心電波形を抽出することができる傾向が認められる。

通信などの用いられる通常のアンテナは、アンテナからの反射信号をできるだけ少なくし、空間に出ていく電力をできるだけ多くすることが求められる。このため、アンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ）はできるだけ１．０に近い値が良いとされている。これに対して、第１の実施形態の生体情報モニタ装置１では、アンテナ１０からの反射信号を検出することにより、心拍や呼吸の動きを検出している。このため、アンテナ１０からの反射信号がある程度有った方がむしろ好ましい。そこで、第１の実施形態の生体情報モニタ装置１で使用されるアンテナ１０の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）は、例えば、２．０から５．０に設定するのが好ましい。

図５は、第１の実施形態の生体情報モニタ装置１で使用されるアンテナ１０の配置例を示す図である。第１の実施形態で使用するアンテナ１０の数は、原則、１つであるが、その配置や、アンテナ１０の向きに関しては、種々のバリエーションが考えられる。基本的な考え方としては、体動の動きがなるべく顕著に現れる部位に配設するのが好ましく、心拍を検出する場合には、なるべく心臓に近い場所に配設するのが好ましい。

図５はアンテナ１０の種類としては、いずれもダイポールアンテナを例示している。心臓は、被検体の左右方向よりも頭足方向の方が動きの幅が大きいと言われている。そこで、図５（a）では、ダイポールアンテナの長手方向が被検体の頭足方向となるように、かつ、被検体の背腹方向については腹側において、心臓の近傍にアンテナ１０を配置している。一方、図５（ｂ）では、被検体の背側の心臓の近傍にアンテナ１０を配置している（ダイポールアンテナの長手方向が被検体の頭足方向）。

アンテナ１０の配置に関しては、何らかの物理的な制約を受ける場合が考えられる。例えは、磁気共鳴イメージング装置での被検体の撮像時に、生体情報モニタ装置１を用いて心拍を測定する場合には、磁気共鳴イメージング装置１００の局所コイル２００が被検体の上に載置される。局所コイル２００が胸部コイルである場合、例えば、図５（ｃ）に示すように、胸部コイルを避けた位置で、かつ、なるべく心臓に近い位置にアンテナ１０が配置される。また、例えば、アンテナ１０を背側に配置する場合であって、局所コイル２００がスパインコイルである場合、例えば、図５（ｄ）に示すように、スパインコイルを避けた位置で、かつ、なるべく心臓に近い位置にアンテナ１０が配置される。

上述したように、第１の実施形態に係る生体情報モニタ装置１では、心拍や呼吸等の体動を、アンテナ１０と人体との間の近傍界結合の結合量の変化として検出している。そして、この近傍界結合の結合量の変化を、アンテナ１０の入力端から反射される反射信号の変化、或いは、アンテナ１０の反射損失であるＳ１１パラメータの値の変化として測定している。このため、第１の実施形態に係る生体情報モニタ装置１は、電波を用いた非接触な検出方法でありながら、被検体の周囲の構造物、例えば、磁気共鳴イメージング装置のガントリ構造物や検査室内の種々の装置からの反射波によるフェージングの影響を受けにくく、心拍や呼吸の動きを高い信頼性で検出することができる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る生体情報モニタ装置１の全体構成を示すブロック図である。第１の実施形態の生体情報モニタ装置１は原則１つのアンテナ１０を具備する形態であるのに対して、第２の実施形態の生体情報モニタ装置１は、送信アンテナ１０（第１のアンテナ）と、受信アンテナ１１（第２のアンテナ）の少なくとも２つのアンテナを有している。

生体情報モニタ装置本体２０に関しては第１の実施形態とほぼ同様の構成であり、ＲＦ信号発生器３０、送信回路４０、結合量検出回路５０、及び、変位検出回路６０を備えている。

本体２０における第１の実施形態との相違点は、第２の実施形態の送信回路４０が方向性結合器（ＤＣ）４３を有していない点である。送信回路４０の電力増幅器（ＰＡ）４２と送信アンテナ１０とは、方向性結合器（ＤＣ）４３を介することなく直接接続され、結合量検出回路５０のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５１と受信アンテナ１１も、方向性結合器（ＤＣ）４３を介することなく直接接続されている。

第２の実施形態の結合量検出回路５０は、ＲＦ信号発生器３０から出力された高周波信号が、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１に透過する透過信号を、検波回路５３で検波することにより、透過信号の大きさに基づいて近傍界結合の結合量を検出している。

送信回路４０から送信アンテナ１０に出力される電力が一定値であることを考慮すると、結合量検出回路５０は、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１までの挿入損失（即ち、インサーションロス）を示すＳ２１パラメータを等価的に検出していることになる。

図７は、第２の実施形態に係る生体情報モニタ装置１の動作概念を説明する図である。図７（ａ）は被検体とアンテナ１０との距離Ｄが小さい場合における動作、図７（ｂ）は被検体とアンテナ１０との距離Ｄが大きい場合における動作を模式的に説明する図である。前述したように、被検体（人体）は、導電率を有する物体であるため、送信アンテナ１０と被検体との距離が小さいと、送信アンテナ１０からのエネルギを吸収し易くなる。このため、送信アンテナ１０から被検体に吸収されるエネルギは大きくなる。このことは、被検体と送信アンテナ１０との近傍界結合の結合量が大きいことを意味している。

また、同様に、受信アンテナ１１が被検体に近づくと、被検体から受信アンテナ１１へ入力されるエネルギも大きくなり、このことは、被検体と受信アンテナ１１との近傍界結合の結合量が大きいことを意味している。アンテナ１０に入力された電力Ｓinは、電力Ｓb１として被検体に吸収され、被検体の内部及び表面を伝搬し、電力Ｓb２として受信アンテナ１１に透過する。距離Ｄが小さい場合は、送信アンテナ１０から被検体に吸収される電力Ｓb１が大きくなり、その分だけ、被検体から受信アンテナ１１へ透過する電力Ｓb２も大きくなる。例えば、送信アンテナ１０に入力される電力Ｓinを１００とした場合、送信アンテナ１０から被検体に吸収される電力Ｓbは７０、被検体から受信アンテナ１１に放出される電力Ｓb２は６０、したがって、受信アンテナ１１から出てゆく電力Ｓtも６０となる。

このことは、被検体と送信アンテナ１０、受信アンテナ１１との距離Ｄが小さい場合は、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１への透過信号が増加し、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１への挿入損失が小さくなることを意味している。言い換えると、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１への挿入損失の指標である、Ｓ２１パラメータ（真数値）が大きな値を示すことになる。

これに対して、図７（ｂ）に示すように、送信アンテナ１０と被検体との距離Ｄが大きくなると、送信アンテナ１０からのエネルギを被検体が吸収しにくくなる。このため、送信アンテナ１０から被検体に吸収されるエネルギは小さくなる。このことは、被検体と受信アンテナ１１との近傍界結合の結合量が小さくなることを意味している。また、同様に、受信アンテナ１１と被検体との距離Ｄが大きくなると、被検体から受信アンテナ１１へ入力されるエネルギも小さくなる。このことは、被検体と受信アンテナ１１との近傍界結合の結合量も小さくなることを意味している。例えば、送信アンテナ１０に入力される電力Ｓinを１００とした場合、送信アンテナ１０から被検体に吸収される電力Ｓbは３０、被検体から受信アンテナ１１に放出される電力Ｓb２は２０、したがって、受信アンテナ１１から出てゆく電力Ｓtも２０となる。

このことは、被検体と送信アンテナ１０との距離Ｄ、或いは、被検体と受信アンテナ１１との距離Ｄが大きい場合は、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１への透過信号が減少し、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１への挿入損失が大きくなることを意味している。言い換えると、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１への挿入損失の指標である、Ｓ２１パラメータ（真数値）が小さな値を示すことになる。

図８（ａ）は、送信アンテナ１０から受信アンテナ１１への透過信号の実測値の一例を示すグラフである。グラフの横軸は時間を、縦軸は透過信号の振幅である。第２の実施形態における透過信号は、第１の実施形態における反射信号（図３（ａ））に類似しており、比較的長い周期の振動波形（呼吸の動きに相当する波形）の上に、短い周期の振動波形（心拍に相当する波形）が重畳された波形となっている。この透過信号も、結合量検出回路５０の検波回路５３で検出され、変位検出回路６０に出力される。

変位検出回路６０は、第１の実施形態と同様に、呼吸の動きに相当する周波数成分と、心拍に相当する周波数成分を夫々抽出するフィルタリング処理やフーリエ変換処理を、検波回路５３で検出された反射信号に対して施すことにより、図８（ｂ）に示す呼吸の波形や、図８（ｃ）に示す心拍の波形を生成する。

図９は、第２の実施形態の生体情報モニタ装置１で使用される送信アンテナ１０と受信アンテナ１１の配置例を示す図である。第２の実施形態で使用する送信アンテナ１０と受信アンテナ１１の配置や、向きに関しては、種々のバリエーションが考えられる。基本的な考え方としては、体動の動きがなるべく顕著に現れる部位を挟むように送信アンテナ１０と受信アンテナ１１を夫々配設するのが好ましい。例えば、心拍を検出する場合には、心臓を、被検体の背腹方向、左右方向、或いは、頭足方向のいずれかの方向に挟むように配設するのが好ましい。

図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）はアンテナの種類としてダイポールアンテナを例示し、図９（ｄ）はモノポールアンテナを例示している。図９（ａ）は、送信アンテナ１０と受信アンテナ１１によって、心臓を被検体の背腹方向から挟む配置例を示している。

図９（ｂ）は、送信アンテナ１０と受信アンテナ１１によって、心臓を被検体の左右方向から挟む配置例を示している。図９（ｃ）は、送信アンテナ１０と受信アンテナ１１によって、心臓を被検体の頭足方向から挟む配置例を示している。図９（ｄ）は、ものポールアンテナである送信アンテナ１０と受信アンテナ１１によって、心臓を被検体の頭足方向から挟む配置例を示している。

なお、送信アンテナ１０と受信アンテナ１１とを特に区別する必要はなく、図９（a）～図９（ｄ）のいずれの例においても、送信アンテナ１０と受信アンテナ１１とを入れ替えた配置とすることができる。

第２の実施形態の生体情報モニタ装置１で使用される送信アンテナ１０の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）も、第１の実施形態のアンテナ１０と同様に、例えば、２．０から５．０に設定するのが好ましい。但し、受信アンテナ１１に関しては、例えば、２．０以下のＶＳＷＲが好ましい。

（第３の実施形態）
図１０は、第３の実施形態に係る生体情報モニタ装置１の全体構成を示すブロック図である。第３の実施形態の生体情報モニタ装置１は、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせた実施形態である。具体的には、第１の実施形態に対応する第１モードと、第２の実施形態に対応する第２モードとを選択可能に構成した実施形態である。

第１モードでは、アンテナ１１に高周波信号を入力し、アンテナ１１からの反射信号（或いは、アンテナ１１のＳ１１パラメータ）に基づいて被検体の心拍や呼吸の動き等を測定する。一方、第２モードでは、アンテナ１０に高周波信号を入力し、アンテナ１０からアンテナ１１への透過信号（或いは、アンテナ１０からアンテナ１１へのＳ２１パラメータ）に基づいて被検体の心拍や呼吸の動き等を測定する。

ＲＦ信号発生器３０と第１送信回路４０は、第１モードにおける高周波信号の発生機能に対応する構成である。ＲＦ信号発生器３０ａと第２送信回路４０ａは、第２モードにおける高周波信号の発生機能に対応する構成である。結合量検出回路５０は第１モードと第２モードの双方に共通に用いられる構成である。

ダイバーシティ判定回路７０は、第１モードで検出される反射信号と、第２モードで検出される透過信号をモニタし、第１モードと第２モードのどちらかを選択する。第１モードで反射信号をモニタするときには、ダイバーシティ判定回路７０は、図１０に示している状態、即ち、第１送信回路４０のスイッチ４４と、結合量検出回路５０のスイッチ５４をどちらも方向性結合器４３側に切り替える。第２モードで透過信号をモニタするときには、スイッチ４４とスイッチ５４とを、図１０に示している状態の反対側に切り替える。

ダイバーシティ判定回路７０は、反射信号の変動幅と透過信号の変動幅とを比較し、変化幅の大きい方のモードを選択する。例えば、反射信号の変動幅の方が透過信号の変動幅よりも大きいと判定された場合は、ダイバーシティ判定回路７０は第１モードを選択する。また、例えば、ダイバーシティ判定回路７０は、反射信号と透過信号を夫々フーリエ変換し、心拍に対応する周波数成分が大きい方のモードを選択してもよいし、呼吸に対応する周波数成分が大きい方のモードを選択してもよい。

ダイバーシティ判定回路７０は、第１モードと第２モードのずれかを選択した後は、選択したモードに対応する状態にスイッチ４４、スイッチ５４を設定し、選択したモードを用いて、反射信号或いは透過信号を測定し、心拍や呼吸動等の体動信号を検出する。

（第３の実施形態の変形例）
第３の実施形態の変形例の生体情報モニタ装置１は、２つ以上のアンテナ１０、１１を用いて、ダイバーシティ処理を行う。このダイバーシティ処理では、最も良好に体動信号を検出することができる１つのアンテナを選択する、或いは、最も良好に体動信号を検出することができる２以上のアンテナの組み合わせを選択する。

図１１は、ダイバーシティ処理を行うための４つのアンテナの配置例を示す図である。この場合、例えば、図１１（ａ）に示すように、４つのダイポールアンテナ１０、１１を、心臓を囲むように配置してもよい。また、図１１（ｂ）に示すように、ダイポールアンテナを中央で略直角に折り曲げたタイプのアンテナ１０、１１を、を用いて心臓を囲むように配置してもよい。

第１の実施形態の生体情報モニタ装置１でダイバーシティ処理を行う場合や、第３の実施形態の第１モードでダイバーシティ処理を行う場合には、最も良好に体動信号を検出することができる１つのアンテナを、４つのアンテナの中から選択する。

また、第２の実施形態の生体情報モニタ装置１でダイバーシティ処理を行う場合や、第３の実施形態の第２モードでダイバーシティ処理を行う場合には、例えば、１つの送信アンテナ１０を選択し、残りの３つの受信アンテナ１１の中から、最も良好に体動信号を検出することができる１つのアンテナを選択する、或いは、残りの３つの受信アンテナ１１を任意の組み合わせで合成処理を行う。

第３の実施形態の変形例では、例えば、図１０に示したダイバーシティ判定回路７０と類似の機能を有する回路を設ければよい。そして、この回路が、上述したアンテナの選択処理やアンテナの合成処理を行う。

（磁気共鳴イメージング装置）
図１２は、上述した各実施形態に係る生体情報モニタ装置１を具備する磁気共鳴イメージング装置１００の構成例を示す図である。

磁気共鳴イメージング装置１００は、静磁場磁石１１８、傾斜磁場コイル１１９、ＷＢ（Whole Body）コイル１２０等を有しており、これらの構成品は円筒状の筐体に収納されている。また、磁気共鳴イメージング装置１００は、寝台本体５２０と天板５１０とを具備する寝台５００、及び、被検体に近接して配設される局所コイル２００を有している。

さらに、磁気共鳴イメージング装置１００は、傾斜磁場電源３１０、ＲＦ受信器３２０、ＲＦ送信器３３０、及びシーケンスコントローラ３４０を備えている。また、磁気共鳴イメージング装置１００は、処理回路４００、記憶回路４１０、ディスプレイ４２０、及び入力デバイス４３０を有するコンピュータ、即ち、コンソールを有している。

生体情報モニタ装置１は、図１、図６、図１０に示す本体２０に加えて、アンテナ１０、１１を有している。アンテナ１０、１１は、被検体に近接して配設されるが、被検体の肌に直接貼付する必要はない。アンテナ１０、１１は、それぞれ単独に被検体の近傍に配設してもよいが、図１２に示すように、局所コイル２００の中に内蔵させることもできるし、天板５１０の中に内蔵させてもよい。

図１３（ａ）は、磁気共鳴イメージング装置１００で使用される生体情報モニタ装置１の構成例を示す図である。磁気共鳴イメージング装置１００は、上述した各実施形態のいずれでも使用可能であるが、図１３は、一例として、第２の実施形態の生体情報モニタ装置１を図示している。磁気共鳴イメージング装置１００では、ＲＦ送信器３３０から非常に大きな電力のＭＲ用ＲＦパルスが出力され、このＲＦパルスがＷＢコイル１２０から被検体にむけて放射される。このため、非常に大きなＲＦ電力がアンテナ１０、１１を介して、生体情報モニタ装置１の本体２０に入力される。

そこで、磁気共鳴イメージング装置１００で使用される生体情報モニタ装置１は、保護用のスイッチ４５とスイッチ５５が、送信回路４０の出力端と、結合量検出回路５０の入力端に夫々設けられている。保護用のスイッチ４５とスイッチ５５は、磁気共鳴イメージング装置１００の本体側から送られてくる制御信号を用いて、オンオフされる。

図１３（ｂ）は、生体モニタ用の高周波信号の送受信期間の一例を示す図である。図１３（ｂ）に示すように、生体モニタ用の高周波信号は、磁気共鳴イメージング装置１００と生体情報モニタ装置１の互いの干渉を回避するため、ＭＲ用ＲＦパルスの送信期間と、ＭＲ信号の受信期間を避けた期間に送受信される。

生体モニタ用の高周波信号の送受信期間の繰り返し周期Ｔは、心拍の周期と呼吸の周期から規定することができる。心拍の周波数は概ね２Ｈｚ又はそれ以下と想定でき、また、呼吸の周波数は概ね０．５Ｈｚ又はそれ以下と想定することができる。サンプリング定理から、高い方の周波数の２倍、即ち、４Ｈｚ以上の周波数でサンプリングすれば、心拍の波形と呼吸の波形を測定することができる。したがって、繰り返し周期Ｔを２５０ｍｓ（＝１／４Ｈｚ）以下に設定すればよい。

生体モニタ用の高周波信号の周波数は、磁気共鳴イメージング装置１００で使用するラーモア周波数より高い周波数が好ましい。生体モニタ用の高周波信号の周波数をラーモア周波数よりも高く設定することにより、生体モニタ用の高周波信号自体のみならずその高調波が、磁気共鳴イメージング装置１００のＭＲ信号の受信帯域に入りこむことを避けることができる。

図１４は、アンテナ１０、１１の位置を示す局所コイル２００や天板５１０のマーキングの一例を示す図である。前述したように、生体情報モニタ装置１のアンテナ１０、１１は局所コイル２００や寝台５００の天板５１０に埋め込んで実装することができる。心拍を測定する場合、アンテナ１０、１１は、被検体の心臓の近傍に配設するのが好ましい。そこで、ユーザが、局所コイル２００や天板５１０に埋め込まれたアンテナ１０、１１を容易に視認できるようにマーキングを付し、このマーキングが被検体の心臓の近傍となるように、被検体の位置や局所コイル２００の位置を調整すればよい。

（寄生素子付きアンテナの実施形態）
ここまでは、図５、図９、図１１に示したように、生体情報モニタ装置１に使用するアンテナ１０（或いは、アンテナ１１）として、ダイポールアンテナ、特に、半波長ダイポールアンテナを例として説明してきた。

しかしながら、従来のダイポールアンテナは、後述するように、単共振であり、狭帯域な特性を示す。この結果、このようなアンテナを上述した生体情報モニタ装置１に使用した場合、呼吸による腹部等の動きの影響によりアンテナ特性が大きく変動し、検出しようとする心拍波形が乱れ、心拍波形の検出が困難となる、といった問題が発生する場合があることが判ってきた。

これに対して、生体情報モニタ装置１に使用するアンテナを、寄生素子付きアンテナとして構成することにより、アンテナを広帯域化することが可能であり、これによって、上記の問題を解決し得ることも判ってきた。

以下、図１５乃至図２８を参照しつつ、寄生素子付きアンテナの各種実施形態について説明する。なお、以下では、寄生素子付きアンテナを、Ｓ１１パラメータ検出用の送信アンテナ１０として説明するが、Ｓ２１パラメータ検出用の送信アンテナ１０及び受信アンテナ１１としても、使用可能である。

図１５は、寄生素子付きアンテナの第１実施形態のアンテナ１０の外観例および構造例を示す図である。図１５（ａ）はアンテナ１０を正面から見た図、図１５（ｂ）はアンテナ１０を背面から見た図、図１５（ｃ）はアンテナ１０を側面から見た図である。ここで、アンテナ１０の正面とは、アンテナ１０を被検体に載置したとき、被検体から遠い方の面であり、背面とは被検体に近い方の面（即ち、被検体に接する側の面）である。

アンテナ１０は、主アンテナ１０１と寄生素子１０２とを備えて構成される。主アンテナ１０１は、例えば、面状ダイポールアンテナである。そして、寄生素子１０２は、主アンテナ１０１の給電点近傍に載置される導体である。

主アンテナ１０１は、図１５（ｃ）に示すように、基板１１０の背面側に、給電点を挟んで、一方の側（例えば、右側）に長方形の面状導体１１１が形成され、他方の側（例えば、左側）に同じく長方形の面状導体１１２が形成されている。基板１１０は、例えば、絶縁性の樹脂基板であり、面状導体１１１、１１２は、例えば、樹脂基板上に形成された銅箔である。主アンテナ１０１の中央に設けられる給電点には、ＲＦ信号発生器３０で生成される高周波信号が供給される。

主アンテナ１０１の面状導体１１１、１１２と反対側の面、例えば、正面側には、基板１１０を挟んで、寄生素子１０２が載置される。寄生素子１０２も長方形の面状の導体であり、例えば、銅板、或いは、銅箔等から形成される。

寄生素子１０２が、主アンテナ１０１と容量結合することにより、主アンテナ１０１に対して、並列にキャパシタとインダクタが接続された構成と等価となる。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に、寄生素子１０２の無い従来型アンテナと、その等価回路を示す。従来型アンテナの等価回路は、インダクタＬｍ、キャパシタＣｍ、および放射抵抗Ｚｒが直列に接続された直列共振回路となる。このため、従来型アンテナの周波数特性は、インダクタＬｍとキャパシタＣｍとで規定される単共振特性を示す。

これに対して、図１６（ｃ）及び図１６（ｄ）は、本実施形態の寄生素子１０２付きのアンテナ１０と、その等価回路を示すものである。アンテナ１０の主アンテナ１０１は、図１６（ａ）に示す従来型アンテナと実質的に同じである。したがって、その等価回路は、インダクタＬｍ、キャパシタＣｍ、および放射抵抗Ｚｒが直列に接続された直列共振回路となる。一方、前述したように、寄生素子１０２は、主アンテナ１０１と容量結合することにより、キャパシタＣｐとインダクタＬｐの直列回路が、主アンテナ１０１に対して、並列に接続された等価回路となる。キャパシタＣｐの容量は、主に、寄生素子１０２と主アンテナ１０１とのギャップの大きさと、寄生素子１０２と主アンテナ１０１との重なる面積とによって規定される。一方、インダクタＬｐのインダクタンスは、主に、寄生素子１０２の長さによって規定される。

本実施形態のアンテナ１０は、上記のように、寄生素子１０２を付加することにより、主アンテナ１０１によるインダクタＬｍとキャパシタＣｍによる直列共振回路に加えて、寄生素子１０２によるキャパシタＣｐとインダクタＬｐによる直列共振回路が形成され、さらにこれら２つの直列共振回路が並列接続されることによって並列共振が生じることになる。この結果、本実施形態のアンテナ１０は、多重共振特性を実現することが可能となり、従来型アンテナに比べて広帯域化が可能となる。

図１７は、本実施形態のアンテナ１０の複素反射係数（或いは、Ｓ１１パラメータ）の周波数特性をスミスチャート上の軌跡としてプロットしたものである。スミスチャート上では、軌跡が実数軸（円の中心を通る水平軸）を横切るときの周波数が共振周波数となる。実数軸を横切ることは、リアクタンス成分がゼロとなることを意味しているからである。図１７（ｂ）に示す従来型アンテナのスミスチャートでは、軌跡が比較的大きな円上を移動する特性を示し、軌跡が円の中心近傍の一点で実数軸を一回だけ横切っている。このことは、従来型アンテナは、共振周波数が１つであり、単共振特性であることを意味している。

一方、図１７（ｄ）に示す実施形態のアンテナ１０の軌跡は、スミスチャートの中心を取り囲むループ状となっており、軌跡が複数回、実数軸を横切っている。特に、スミスチャートの中心の近傍で、２回実数軸を横切っている。このことは、実施形態のアンテナ１０が、複数の（少なくとも２つの）異なる共振周波数をもち、多重共振特性であることを意味している。
このように、スミスチャート上の軌跡からも、実施形態のアンテナ１０の方が、従来型のアンテナよりも広帯域な特性となることが理解できる。

図１８は、従来型アンテナと、実施形態のアンテナ１０の周波数特性、より具体的には、Ｓ１１パラメータ（デシベル値）の周波数特性の測定結果の一例を模式的に示した図である。同一のＳ１１パラメータの値（例えば、－１５ｄＢ）で比較した帯域幅ＢＷ１とＢＷ２の大小関係（ＢＷ２＞ＢＷ１）から明らかなように、実施形態のアンテナ１０の方が、従来型のアンテナよりも広帯域な特性となっている。つまり、実施形態のアンテナ１０の方が、より広い周波数範囲に亘って、所定の値よりも小さなＳ１１パラメータを得ることができる。

一方、上記のような広帯域特性をもつアンテナ１０を、生体情報モニタ装置１に使用すると、人体の呼吸動に因るＳ１１パラメータの特性の周波数シフトが、従来型アンテナよりも低減されることとなる。このことは、呼吸下におけるＳ１１パラメータの周波数特性の測定結果によっても裏付けられている。

図１９は、最大吸気位と最大呼気位とで測定したＳ１１パラメータの周波数特の測定結果を模式的に示した図である。図１９（ｂ）は、従来型アンテナの測定結果であり、最大吸気位と最大呼気位とで、Ｓ１１パラメータの特性にかなりの周波数シフトが発生している。

一方、図１９（ｄ）は、実施形態のアンテナ１０の測定結果である。最大吸気位と最大呼気位とで、Ｓ１１パラメータの周波数特性は、縦軸方向、即ち、Ｓ１１パラメータの大きさ方向のシフトはあるものの、周波数方向のシフトはほとんど見られない。寄生素子１０２の付加によって並列共振が生じ、この結果として得られた広帯域化により、Ｓ１１パラメータの周波数特性の周波数シフトが低減したと考えることができる。
図２０は、Ｓ１１パラメータの周波数特性の周波数シフトを、スミスチャート上の軌跡と関連付けて測定した結果を模式的に示した図である。

前述したように、寄生素子１０２の無い従来型アンテナは、スミスチャート上で軌跡が比較的大きな円上を移動する特性を示し、軌跡が円の中心近傍の一点で実数軸を一回だけ横切る。そして、呼吸下で測定した場合、図２０（ａ）に示すように、スミスチャート上における、例えば、周波数ｆ１からｆ２、ｆ２からｆ３へ至る軌跡は、最大呼気位と最大吸気位とで、かなり乖離した円弧の上を移動するようなふるまいを示す結果が得られた。Ｓ１１パラメータの絶対値は、スミスチャートの中心位置からの距離として表され、Ｓ１１パラメータの絶対値が最小となる周波数は、スミスチャートの中心位置からの距離が最も小さくなる時の周波数である。図２０（ａ）の例では、最大呼気位では、ｆ２とｆ３の中間の周波数が中心位置に最も近く、したがって、Ｓ１１パラメータはｆ２とｆ３の中間の周波数で最小となる。一方、最大吸気位では、ｆ１とｆ２の中間の周波数が中心位置に最も近く、Ｓ１１パラメータはｆ１とｆ２の中間の周波数で最小となる。つまり、最大呼気位と最大吸気位とでは、Ｓ１１パラメータが最小となる周波数が異なっており、スミスチャート上の軌跡からも、呼吸による体動によって、Ｓ１１パラメータ特性の周波数シフトが生じていることが理解できる。

一方、図２０（ｃ）は、実施形態のアンテナ１０を用いて、最大呼気位と最大吸気位とで測定したスミスチャート上の軌跡を示す図である。前述したように、実施形態のアンテナ１０の軌跡は、スミスチャートの中心を取り囲むループ状となっている。そして、最大呼気位と最大吸気位とで、ループの大きさは変化するものの、スミスチャートの中心位置に最も近い周波数、即ち、Ｓ１１パラメータが最小となる周波数は、最大呼気位と最大吸気位とでほぼ同じとなっている。図２０（ｃ）に示す例では、最大呼気位と最大吸気位とで、どちらも周波数ｆ２が、スミスチャートの中心位置に最も近い周波数であり、Ｓ１１パラメータが最小となる周波数である。このように、実施形態のアンテナ１０では、スミスチャート上の軌跡からも、呼吸による体動によるＳ１１パラメータ特性の周波数シフトがほとんど発生していないことが理解できる。

図２１は、Ｓ１１パラメータの時間変化を測定した結果の一例を示す図である。図２１（ａ）は、実施形態のアンテナ１０を用いた生体情報モニタ装置１によってＳ１１パラメータの時間変化を測定した結果であり、図２１（ｂ）は、従来型アンテナを用いた生体情報モニタ装置１によってＳ１１パラメータの時間変化を測定した結果である。図２１（ａ）のグラフにおける短い周期の変動が、心拍によるＳ１１パラメータの変動であり、長い周期の変動が、呼吸によるＳ１１パラメータの変動である。呼吸動の緩やかな変動に重なって、心拍による短周期の変動が明瞭に現れており、図２１（ａ）のグラフから、呼吸動による変動と共に、心拍による変動も容易に検出することが可能である。このように、寄生素子１０２付きの実施形態のアンテナ１０では、周波数シフトがほとんどないため、呼吸動があっても心拍を検出することが可能となっている。

一方、図２１（ｂ）のグラフに示す従来型アンテナを用いた測定結果では、呼吸動による長い周期の変動は検出できているものの、心拍による短い周期の変動はほとんど現れていない。このように、従来型アンテナでは、周波数シフトがあるため呼吸動の影響を受けやすく、心拍の検出が困難になる場合がある。

上述したように、実施形態のアンテナ１０は、寄生素子１０２を設けたことによって、直列共振だけでなく並列共振を生じさせることが可能となり、広帯域化を実現することができる。さらに、実施形態のアンテナ１０は、Ｓ１１パラメータ特性の周波数シフトを低減させることができる。そして、実施形態のアンテナ１０による広帯域化と、周波数シフトの低減により、実施形態のアンテナ１０を用いた生体情報モニタ装置１では、呼吸による心拍検出性能の劣化を防止することが可能となり、心拍と呼吸動の双方を高品質で検出することが可能となる。

なお、上記のアンテナ１０は、心拍や呼吸の動きを検出する際には、被検体に近接して設置される。このとき、寄生素子１０２が、主アンテナ１０１（例えば、面状ダイポールアンテナ）の両面のうち、被検体から遠い方の面に載置されるよう、アンテナ１０を被検体に対して設置するのが好ましい。寄生素子１０２が被検体に近い方の面に載置されると、寄生素子１０２と主アンテナ１０１との間の容量結合度が人体によって影響を受けやすくなるため、寄生素子１０２の効果が弱くなるからである。

なお、広帯域化を実現するアンテナとしては、共振周波数の異なる複数のアンテナエレメントを組み合わせた構造のマルチエレメント型広帯域アンテナも考えられる。しかしながら、マルチエレメント型広帯域アンテナは、エレメント数の増加によってアンテナの物理的なサイズが大きくなる。これに対して、上述した、寄生素子１０２を付加した実施形態のアンテナ１０は、アンテナサイズを大きくすることなく、広帯域化特性を得ることができる。

（他の実施形態のアンテナ）
次に、上述した第１実施形態のアンテナ１０の他、いくつかの実施形態のアンテナ１０について説明する。

図２２は、第２実施形態のアンテナ１０として、メアンダ型のアンテナ１０の外観例及び構造例を示す図である。メアンダ型アンテナ１０は、第１実施形態のアンテナ１０と同様に、主アンテナ１０１と寄生素子１０２とを含んで構成されているが、主アンテナ１０１の導体パタンが第１実施形態とは異なっている。第１実施形態の主アンテナ１０１では、面状ダイポールアンテナの背面のほぼ全域がベタ面の面状導体１１１、及び、面状導体１１２で構成されている。これに対して、第２実施例では、給電点からダイポールアンテナ素子の両端に向かう所定位置までの領域は、面状ダイポールアンテナの両面の導体が、メアンダ形状に形成されており、所定位置から両端までの領域は、面状ダイポールアンテナの背面の導体が第１実施形態と同様にベタ面に形成されている。

ここで、メアンダ形状に形成された導体の領域とは、面状ダイポールアンテナの短手方向の導体の幅よりも十分細い幅の細導体が、複数回クランク状に折り曲げられたパタン、即ち、導体が所謂メアンダラインとして形成されたパタンの領域のことである。

面状ダイポールアンテナの長手方向の一部の領域をメアンダ形状の導体で形成することにより、長手方向の長さを短縮することが可能となり、アンテナ１０の小型化を実現できる。一方、面状ダイポールアンテナの導体全体をメアンダ形状の導体とするのではなく、メアンダ領域以外のアンテナ素子の外側の領域を導体のベタ面として形成することにより、アンテナ特性の広帯域化が可能となる。

図２３乃至図２５は、アンテナ１０の周波数特性、例えば、Ｓ１１パラメータの周波数軸上における減衰領域の帯域幅や減衰量の大きさなどの周波数特性を調整するための各種の実施形態のアンテナ１０を例示する図である。

なお、図２３乃至図２５に示す各種の実施形態のアンテナ１０は、図１５に示す第１実施形態のアンテナ１０にも、図２２に示す第２実施形態のメアンダ型のアンテナ１０にも適用可能である。

図２３は、寄生素子１０２の大きさを変えることによってアンテナ１０の周波数特性が調整可能であることを示す図である。主アンテナ１０１は、例えば、アンテナ中央部にメアンダ形状の導体を有する面状ダイポールアンテナとして構成され、寄生素子１０２の形状は、例えば、面状ダイポールアンテナの長手方向に所定の長さを有し、面状ダイポールアンテナの短手方向に所定の幅を有する方形形状の導体として構成成される。

このような構成のアンテナ１０では、図２３（ａ）乃至図２３（ｃ）に例示したように、寄生素子１０２の幅ＷをＷａやＷｂなどの異なる幅に調整することによって、或いは、寄生素子１０２の長さＬをＬａやＬｂなどの異なる長さに調整することによって、アンテナ１０の周波数特性を調整することができる。
図２４及び図２５は、寄生素子１０２を分割することによって、アンテナ１０の周波数特性が調整可能であることを例示する図である。

図２４は、寄生素子１０２を主アンテナ１０１の長手方向に平行な方向に複数の分割数で分割することにより、アンテナ１０の周波数特性が調整可能であることを例示する図である。寄生素子１０２を長手方向に分割することにより、キャパシタＣｐとインダクタＬｐの直列共振回路で規定される寄生素子１０２の等価回路１０２が、キャパシタＣｍ、インダクタＬｍ、放射抵抗Ｚｒで規定される主アンテナ１０１の等価回路１０１に並列に付加されることになる。例えば、図２４に例示するように、寄生素子１０２を長手方向に２分割した場合には、分割された２つの寄生素子１０２に対応する２つの等価回路１０２が、主アンテナ１０１の等価回路１０１に並列に付加されることになる。分割数に応じて付加される等価回路の数が増減し、分割数に応じて、自由度の高い周波数特性の調整が可能である。

図２５は、寄生素子１０２を主アンテナ１０１の短手方向に平行な方向に複数の分割数で分割することにより、アンテナ１０の周波数特性が調整可能であることを例示する図である。寄生素子１０２を短手方向に分割することにより、キャパシタＣｐとインダクタＬｐの直列共振回路で規定される寄生素子１０２の等価回路１０２が、分割数に応じた数だけ直列接続されることになる。そして、この直列接続された寄生素子１０２の等価回路が、キャパシタＣｍ、インダクタＬｍ、放射抵抗Ｚｒで規定される主アンテナ１０１の等価回路に並列に付加されることになる。例えば、図２５に例示するように、寄生素子１０２を短手方向に２分割した場合には、分割された２つの寄生素子１０２に対応する２つの等価回路が、キャパシタＣｐ’を介して直列接続され、この直列接続された寄生素子１０２の２つの等価回路が、主アンテナ１０１の等価回路に並列に付加されることになる。分割された寄生素子１０２は互いに容量結合されるが、キャパシタＣｐ’は、２つの寄生素子１０２の間の結合容量に対応する。このように、短手方向の分割によっても、分割数に応じて付加される等価回路の数が増減し、分割数に応じて、自由度の高い周波数特性の調整が可能である。

図２６は、主アンテナ１０１を、中央部がメアンダ形状の導体で形成された面状ダイポールアンテナとして構成した場合における、寄生素子１０２とメアンダ形状との間の制約条件を説明する図である。メアンダ形状の導体の領域では、前述したように、細導体が複数回クランク状に折り曲げられている。なお、図２６では、寄生素子１０２とメアンダ形状の導体との位置関係を示すために、主アンテナ１０１の基板１１０の背面側に設けられるメアンダ形状の導体を仮想的に透過させて表示している。

このような構成の場合、図２６（ｂ）に示すように、寄生素子１０２は、給電点からアンテナ素子の両端に向かう両領域のそれぞれにおいて、短手方向に並ぶ細導体の本数が偶数個（図２６（ｂ）の例では４個）となるようにメアンダ領域に重なるように形成されるのは好ましくなく、逆に、図２６（ａ）に示すように、短手方向に並ぶ細導体の本数が奇数個（図２６（ａ）の例では５個）となるようにメアンダ領域に重なるように形成されるのが好ましい。短手方向に並ぶ細導体の本数が偶数個である場合には、細導体による電界成分が打ち消されるため、キャパシタ成分が小さくなり、寄生素子１０２の効果が低減されるからである。短手方向に並ぶ細導体の本数を奇数個にすることにより、キャパシタ成分を大きくすることが可能となり、寄生素子１０２の効果を維持することができる。

また、図２６（ａ）に示すように、短手方向に平行するそれぞれの細導体の両エッジのうち、外側エッジ（即ち、主アンテナ１０１のアンテナ素子の端部側のエッジ）と、寄生素子１０２の外側のエッジ（即ち、前記アンテナ素子の端部側の端部側のエッジ）とが略一致するように、寄生素子１０２を形成するのが好ましい。

逆に、図２６（ｃ）に示すように、細導体の外側エッジと、寄生素子１０２の外側エッジの位置が不一致となるのは好ましくない。例えば、寄生素子１０２の外側エッジの位置が、図２６（ｃ）に示すように、細導体の外側のエッジと内側エッジの中間にあるような場合、寄生素子１０２の外側エッジと細導体の外側エッジの位置関係がわずかに変化しただけでも、電界成分の変化が大きくなるため、アンテナ１０の周波数特性が大きく変化する可能性が高くなる。この結果、寄生素子１０２や主アンテナ１０１の製造誤差等により、アンテナ１０の周波数特性の個体差が大きくなり、好ましくない。細導体の外側エッジと、寄生素子１０２の外側エッジの位置とを一致させることにより、このような不都合を避けることができ、アンテナ１０の周波数特性の個体間のバラツキを抑制することができる。

図２７は、第３実施形態のアンテナ１０の外観例、及び構造例を示す図である。第３実施形態のアンテナ１０における主アンテナ１０１は、図２７（ｃ）の側面図に示すように、基板１１０の背面側だけでなく正面側にも、給電点を挟んで、長方形の面状導体１１１、及び、面状導体１１２が形成されている。
一方、寄生素子１０２は、正面側の面状導体１１１、１１２の上に、絶縁層１２１を挟んで載置される。このような第３の実施形態のアンテナ１０によっても、上述した技術的効果が得られる。

ここまでは、主アンテナ１０１の形状と寄生素子１０２の形状が、どちらも長方形の実施形態について説明してきたが、主アンテナ１０１と寄生素子１０２の形状は、長方形に限定されない。

例えば、主アンテナ１０１が配置される面と、寄生素子１０２が配置される面とが、互いに平行になるように配設し、その上で、主アンテナ１０１の形状を、主アンテナ１０１が配置される面と、主アンテナ１０１が配置される面に対して垂直であり給電点を含む面との交線に対して線対称な形状とすることができる。また寄生素子１０２の形状を、寄生素子１０２が配置される面と、寄生素子１０２が配置される面に対して垂直であり給電点を含む面との交線に対して線対称な形状とすることができる。主アンテナ１０１と寄生素子１０２の夫々の形状が左右で非対称となった場合、アンテナの対称性がくずれてしまい、例えば、伝送線路の特性インピーダンス（典型的には５０オーム）と整合をとることが難しくなるからである。

図２８は、主アンテナ１０１と寄生素子１０２の夫々の形状が、上述したような線対称である実施形態のいくつかの例を示す図である。図２８では、メアンダ形状の導体パタンは省略されている。図２８（ａ）は、上述した第１実施形態及び第２実施形態に対応する形状である。

図２８（ｂ）は、主アンテナ１０１が、所謂、ボウタイアンテナとして構成された実施形態のアンテナ１０であり、寄生素子１０２の形状も主アンテナ１０１の形状と相似な形状となっている。一方、図２８（ｃ）は、主アンテナ１０１の形状を、ボウタイアンテナの形状を反転させ、二等辺三角形の底辺側を給電点にしたタイプのアンテナ１０である。

一方、主アンテナ１０１と寄生素子１０２の夫々の形状を、給電点に対して点対称な形状の面状アンテナとすることもできる。より具体的には、主アンテナ１０１が配置される面と、寄生素子１０２が配置される面とが、互いに平行になるように配設し、その上で、主アンテナ１０１の形状を、主アンテナ１０１が配置される面と、主アンテナ１０１が配置される面に対して垂直であり給電点を含む直線との交点に対して点対称な形状とすることができる。また寄生素子１０２の形状を、寄生素子１０２が配置される面と、寄生素子１０２が配置される面に対して垂直であり給電点を含む直線との交点に対して点対称な形状とすることができる。
図２９は、主アンテナ１０１と寄生素子１０２の夫々の形状が、給電点に対して点対称である実施形態のいくつかの例を示す図である。図２８でも、メアンダ形状の導体パタンは省略されている。図２９（ａ）は、長方形の面状ダイポールアンテナの左右のアンテナ素子を、階段状に配置したアンテナ１０であり、給電点に対して点対称な形状となっている。寄生素子１０２は、給電点を覆うように給電点の近傍に配設され、かつ、左右のアンテナ素子の給電点近傍の領域に重複するように配設される。図２９（ｂ）は、二等辺三角形の形状の左右のアンテナ素子を、階段状に配置したアンテナ１０であり、左右のアンテナ素子が給電点に対して点対称となるように配置されている。

以上説明してきた各実施形態のアンテナ１０は、主アンテナ１０１に寄生素子１０２を付加することにより、アンテナ特性の広帯域化とアンテナの小型化が可能となる。さらに、各実施形態のアンテナ１０を用いた生体情報モニタ装置１は、呼吸動によるアンテナ特性の周波数シフトを抑制することが可能となり、呼吸動の影響により心拍の検出が困難となる事象を防止することができる。

以上説明してきた各実施形態の生体情報モニタ装置１によれば、被検体に負担をかけることなく、被検体の心拍や呼吸などの生体情報を、高い信頼性で安定に検出できる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせ、を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

以上の実施形態に関し、発明の一側面及び選択的な特徴として以下の付記を開示する。
（付記１）
被検体に近接して配設される少なくとも１つのアンテナからなるアンテナ装置と、
高周波信号を生成する信号生成部と、
前記高周波信号を用いて、前記被検体の物理的変位を検出する変位検出部と、
を備え、
前記アンテナは、前記高周波信号が給電される主アンテナと、前記高周波信号が給電されない寄生素子とを有して構成される、
生体情報モニタ装置。
（付記２）
前記アンテナは、前記主アンテナと前記寄生素子との間で並列共振するように構成されてもよい。
（付記３）
前記アンテナは、前記並列共振によって、前記主アンテナのみの周波数特性に比べて広帯域化された周波数特性を有するように構成されもよい。
（付記４）
前記主アンテナ及び前記寄生素子の夫々の形状は、前記高周波信号が給電される給電点を含む直線に対して線対称であってもよい。
（付記５）
前記主アンテナ及び前記寄生素子の夫々の形状は、前記高周波信号が給電される給電点に対して点対称であってもよい。
（付記６）
前記主アンテナは面状ダイポールアンテナとして構成され、前記寄生素子は、前記面状ダイポールアンテナのいずれか一方の面に、前記面状ダイポールアンテナとは絶縁されて載置される面状導体であってもよい。
（付記７）
前記アンテナは前記被検体に近接して配設され、前記寄生素子は、前記面状ダイポールアンテナの両面のうち、前記被検体から遠い方の面に載置されてもよい。
（付記８）
前記主アンテナは面状ダイポールアンテナとして構成され、前記面状ダイポールアンテナの両面の導体は、前記高周波信号が給電される給電点からアンテナ素子の両端に向かう所定位置までの領域はメアンダ形状に形成され、前記処理位置から前記両端までの領域は、ベタ面に形成されてもよい。
（付記９）
前記並列共振による前記アンテナの周波数特性は、前記寄生素子の形状及び寸法によって調整可能であってもよい。
（付記１０）
前記主アンテナは面状ダイポールアンテナとして構成され、前記寄生素子は、前記面状ダイポールアンテナの長手方向に所定の長さを有し、前記面状ダイポールアンテナの短手方向に所定の幅を有する方形形状の導体として形成されてもよい。
（付記１１）
前記並列共振による前記アンテナの周波数特性は、前記寄生素子の前記長さ及び前記幅の少なくとも一方の値を変えることによって調整可能であってもよい。
（付記１２）
前記寄生素子は、前記長手方向に平行な方向に複数の分割数で分割可能であり、
前記並列共振による前記アンテナの周波数特性は前記分割数に応じて調整可能であってもよい。
（付記１３）
前記寄生素子は、前記短手方向に平行な方向に複数の分割数で分割可能であり、
前記並列共振による前記アンテナの周波数特性は前記分割数に応じて調整可能であってもよい。
（付記１４）
前記主アンテナは面状ダイポールアンテナとして構成され、前記面状ダイポールアンテナの給電点からアンテナ素子の両端に向かう所定位置までの領域は、細導体が複数回クランク状に折り曲げられたメアンダラインとして形成され、前記処理位置から前記両端までの領域は、導体がベタ面状に形成され、
前記寄生素子は、前記面状ダイポールアンテナの長手方向に長辺を有すると共に、前記面状ダイポールアの短手方向に短辺を有する方形形状の導体であって、前記短手方向において前記メアンダラインに重なり、前記長手方向において前記メアンダラインに部分的に重なる導体として形成され、
前記寄生素子は、前記給電点から前記アンテナ素子の両端に向かう両領域のそれぞれにおいて、前記短手方向に並ぶ細導体の本数が奇数個となるように形成されてもよい。
（付記１５）
前記主アンテナは面状ダイポールアンテナとして構成され、前記面状ダイポールアンテナの給電点からアンテナ素子の両端に向かう所定位置までの領域は、細導体が複数回クランク状に折り曲げられたメアンダラインとして形成され、前記処理位置から前記両端までの領域は、導体がベタ面状に形成され、
前記寄生素子は、前記面状ダイポールアンテナの長手方向に長辺を有すると共に、前記面状ダイポールアの短手方向に短辺を有する方形形状の導体であって、前記短手方向において前記メアンダラインに重なり、前記長手方向において前記メアンダラインに部分的に重なる導体として形成され、
前記寄生素子は、前記短手方向に平行する各細導体の両エッジのうち、前記アンテナ素子の端部側のエッジと、前記寄生素子の前記アンテナ素子の端部側のエッジとが略一致するように形成されてもよい。
（付記１６）
前記高周波信号を用いて、前記被検体と前記アンテナとの間の電界による近傍界結合の結合量を検出する結合量検出部と、
前記近傍界結合の結合量の変化に基づき、前記被検体の物理的変位を検出する変位検出部と、
をさらに備えてもよい。
（付記１７）
前記信号生成部で生成された前記高周波信号は前記アンテナの入力端に入力され、
前記結合量検出部は、前記アンテナの入力端に入力された前記高周波信号が前記入力端から反射されてくる反射信号を前記アンテナの反射損失を示すＳ１１パラメータとして検出し、前記反射信号に基づいて前記近傍界結合の結合量を検出するように構成されてもよい。
（付記１８）
前記アンテナ装置は、第１のアンテナと第２のアンテナを具備し、
前記信号生成部で生成された前記高周波信号は前記第１のアンテナに入力され、
前記結合量検出部は、前記第１のアンテナに入力された前記高周波信号が前記第２のアンテナに透過する透過信号を、前記第１のアンテナから前記第２のアンテナまでの挿入損失を示すＳ２１パラメータとして検出し、前記透過信号に基づいて前記近傍界結合の結合量を検出するように構成されてもよい。
（付記１９）
上述した（付記１）から（付記１８）のいずれかに記載された生体情報モニタ装置を具備する磁気共鳴イメージング装置。

１ 生体情報モニタ装置
１０ アンテナ、送信アンテナ
１１ 受信アンテナ
２０ 生体情報モニタ装置本体（本体）
３０、３０ａ ＲＦ信号発生器
４０ 送信回路、第１送信回路
４０ａ 第２送信回路
４３ 方向性結合器
５０ 結合量検出回路
５３ 検波回路
６０ 変位検出回路
７０ ダイバーシティ判定回路
１００ 磁気共鳴イメージング装置
１０１ 主アンテナ
１０２ 寄生素子
１１０ 基板
１１１、１１２ 面状導体

Claims (18)

1. 被検体に近接して配設される少なくとも１つのアンテナからなるアンテナ装置と、
   高周波信号を生成する信号生成部と、
   前記高周波信号を用いて、前記被検体の物理的変位を検出する変位検出部と、
   を備え、
   前記アンテナは、前記高周波信号が給電される主アンテナと、前記高周波信号が給電されず、前記主アンテナとの間で並列共振するように構成される寄生素子とを有して構成される、
   生体情報モニタ装置。
2. 前記アンテナは、前記並列共振によって、前記主アンテナのみの周波数特性に比べて広帯域化された周波数特性を有する、
   請求項１に記載の生体情報モニタ装置。
3. 前記主アンテナと前記寄生素子とは、前記主アンテナが配置される面と、前記寄生素子が配置される面とが、互いに平行になるように配設され、
   前記主アンテナの形状は、前記主アンテナが配置される面と、前記主アンテナが配置される面に対して垂直であり給電点を含む面との交線に対して線対称な形状に形成され、
   前記寄生素子の形状は、前記寄生素子が配置される面と、前記寄生素子が配置される面に対して垂直であり前記給電点を含む面との交線に対して線対称な形状に形成される、
   請求項１または２のいずれかに記載の生体情報モニタ装置。
4. 前記主アンテナと前記寄生素子とは、前記主アンテナが配置される面と、前記寄生素子が配置される面とが、互いに平行になるように配設され、
   前記主アンテナの形状は、前記主アンテナが配置される面と、前記主アンテナが配置される面に対して垂直であり給電点を含む直線との交点に対して点対称な形状に形成され、
   前記寄生素子の形状は、前記寄生素子が配置される面と、前記寄生素子が配置される面に対して垂直であり給電点を含む直線との交点に対して点対称な形状に形成される、
   請求項１または２のいずれかに記載の生体情報モニタ装置。
5. 前記主アンテナは面状ダイポールアンテナとして構成され、前記寄生素子は、前記面状ダイポールアンテナのいずれか一方の面に、前記面状ダイポールアンテナの導体とは絶縁されて載置される面状導体である、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の生体情報モニタ装置。
6. 前記アンテナは前記被検体に近接して配設され、前記寄生素子は、前記面状ダイポールアンテナの両面のうち、前記被検体から遠い方の面に載置される、
   請求項５に記載の生体情報モニタ装置。
7. 前記主アンテナは面状ダイポールアンテナとして構成され、前記面状ダイポールアンテナの導体は、前記高周波信号が給電される給電点からアンテナ素子の両端に向かう所定位置までの領域はメアンダ形状に形成され、前記所定位置から前記両端までの領域は、ベタ面に形成される、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の生体情報モニタ装置。
8. 前記アンテナの周波数特性は、前記寄生素子の形状及び寸法によって調整可能である、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の生体情報モニタ装置。
9. 前記主アンテナは面状ダイポールアンテナとして構成され、前記寄生素子は、前記面状ダイポールアンテナの長手方向に所定の長さを有し、前記面状ダイポールアンテナの短手方向に所定の幅を有する方形形状の導体として形成される、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の生体情報モニタ装置。
10. 前記アンテナの周波数特性は、前記寄生素子の前記長さ及び前記幅の少なくとも一方の値を変えることによって調整可能である、
    請求項９に記載の生体情報モニタ装置。
11. 前記寄生素子は、前記長手方向に平行な方向に複数の分割数で分割可能であり、
    前記アンテナの周波数特性は前記分割数に応じて調整可能である、
    請求項９に記載の生体情報モニタ装置。
12. 前記寄生素子は、前記短手方向に平行な方向に複数の分割数で分割可能であり、
    前記アンテナの周波数特性は前記分割数に応じて調整可能である、
    請求項９に記載の生体情報モニタ装置。
13. 前記主アンテナは面状ダイポールアンテナとして構成され、前記面状ダイポールアンテナの給電点からアンテナ素子の両端に向かう所定位置までの領域は、細導体が複数回クランク状に折り曲げられたメアンダラインとして形成され、前記所定位置から前記両端までの領域は、導体がベタ面状に形成され、
    前記寄生素子は、前記面状ダイポールアンテナの長手方向に長辺を有すると共に、前記面状ダイポールアンテナの短手方向に短辺を有する方形形状の導体であって、前記短手方向において前記メアンダラインに重なり、前記長手方向において前記メアンダラインに部分的に重なる導体として形成され、
    前記寄生素子は、前記給電点から前記アンテナ素子の両端に向かう両領域のそれぞれにおいて、前記短手方向に並ぶ細導体の本数が奇数個となるように形成される、
    請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の生体情報モニタ装置。
14. 前記主アンテナは面状ダイポールアンテナとして構成され、前記面状ダイポールアンテナの給電点からアンテナ素子の両端に向かう所定位置までの領域は、細導体が複数回クランク状に折り曲げられたメアンダラインとして形成され、前記所定位置から前記両端までの領域は、導体がベタ面状に形成され、
    前記寄生素子は、前記面状ダイポールアンテナの長手方向に長辺を有すると共に、前記面状ダイポールアンテナの短手方向に短辺を有する方形形状の導体であって、前記短手方向において前記メアンダラインに重なり、前記長手方向において前記メアンダラインに部分的に重なる導体として形成され、
    前記寄生素子は、前記短手方向に平行する各細導体の両エッジのうち、前記アンテナ素子の端部側のエッジと、前記寄生素子の前記アンテナ素子の端部側のエッジとが略一致するように形成される、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の生体情報モニタ装置。
15. 前記高周波信号を用いて、前記被検体と前記アンテナとの間の電界による近傍界結合の結合量を検出する結合量検出部と、
    前記近傍界結合の結合量の変化に基づき、前記被検体の物理的変位を検出する変位検出部と、
    をさらに備える、
    請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の生体情報モニタ装置。
16. 前記信号生成部で生成された前記高周波信号は前記アンテナの入力端に入力され、
    前記結合量検出部は、前記アンテナの入力端に入力された前記高周波信号が前記入力端から反射されてくる反射信号を前記アンテナの反射損失を示すＳ１１パラメータとして検出し、前記反射信号に基づいて前記近傍界結合の結合量を検出する、
    請求項１５に記載の生体情報モニタ装置。
17. 前記アンテナ装置は、第１のアンテナと第２のアンテナを具備し、
    前記信号生成部で生成された前記高周波信号は前記第１のアンテナに入力され、
    前記結合量検出部は、前記第１のアンテナに入力された前記高周波信号が前記第２のアンテナに透過する透過信号を、前記第１のアンテナから前記第２のアンテナまでの挿入損失を示すＳ２１パラメータとして検出し、前記透過信号に基づいて前記近傍界結合の結合量を検出する、
    請求項１５に記載の生体情報モニタ装置。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の生体情報モニタ装置を具備する、
    磁気共鳴イメージング装置。
    

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