脈波計測装置およびプログラム
【課題】光電変換による脈波測定を行う場合において、発光素子の駆動電力を大きくすることなくその検出信号における外光の影響によるＳ／Ｎの低下を回避する。
【解決手段】脈波センサー３０の発光素子３２ａは測定部位に向けた光の点灯と消灯を周期的に繰り返す。サンプルホールド回路１１１７ａは、発光素子３２ａが点灯している時間内における受光素子３２ｂの出力信号をサンプルホールドする。サンプルホールド回路１１１７ａは、発光素子３２ａが消灯している時間内における受光素子３２ｂの出力信号をサンプルホールドする。減算回路１１１８は、回路１１１７ａ，１１１７ｂの出力信号の差分信号を出力し、演算処理回路１２０は、この信号から脈波の計測を行う。
【解決手段】脈波センサー３０の発光素子３２ａは測定部位に向けた光の点灯と消灯を周期的に繰り返す。サンプルホールド回路１１１７ａは、発光素子３２ａが点灯している時間内における受光素子３２ｂの出力信号をサンプルホールドする。サンプルホールド回路１１１７ａは、発光素子３２ａが消灯している時間内における受光素子３２ｂの出力信号をサンプルホールドする。減算回路１１１８は、回路１１１７ａ，１１１７ｂの出力信号の差分信号を出力し、演算処理回路１２０は、この信号から脈波の計測を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈波を光学的に計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換を利用した脈波計測に関わる技術が各種提案されている。この脈波計測では、身体における手指や耳朶などの部位を測定部位とし、この測定部位に発光素子と受光素子とを併有する光センサーを装着する。そして、血液に吸収されやすい波長を持った光を発光素子から測定部位に向けて照射し、測定部位における生体組織を透過した透過光やその生体組織における散乱等を経て反射される反射光を受光素子により受光する。その上で、受光素子が受光した光を光電変換することにより電気信号である脈波信号を生成する。
【０００３】
光電変換を利用した脈波計測では、測定部位における脈波を検出する手段として光センサーを用いるため、その発光素子から測定部位に向けて照射される照射光の強度よりも発光素子以外の発光源から測定部位に照射される外光の強度が大きい場合、外光の影響により受光素子から得られる脈波信号の基線がゆらぎ、脈波信号のＳ／Ｎが低下し、脈波の計測を正確に行えなくなる、という問題がある。
【０００４】
特許文献１には、このような問題の解決を意図して案出された技術の開示がある。同文献に開示された光電脈波計測装置は、光センサーと、光センサーを駆動させる駆動制御部と、光センサーの出力信号を用いて脈波の解析を行う波形信号解析部とを有する。この光電脈波計測装置の駆動制御部は、外乱光や照明光などの外光の状態を監視する。そして、駆動制御部は、外光の監視結果に基づいて当該光電脈波計測装置の使用場所が野外であるか屋内であるかを判定し、野外である場合には発光素子の発光量を大きくし、屋内である場合には発光素子の発光量を小さくする、というように、外光の状態に応じて発光素子の発光量を調整する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−４９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、外光の影響が大きい環境の下で装置が使用されている場合、発光素子の発光量を大きくする分だけ消費電力が大きくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、光電変換による脈波測定を行う場合において、発光素子の駆動電力を大きくすることなく、その検出信号における外光の影響によるＳ／Ｎの低下を回避する技術的手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、被験者の身体の測定部位に向けた光の点灯と消灯とを繰り返す発光手段と、前記測定部位にて反射された光または前記測定部位を透過した光を受光して、受光した光の受光強度を示す受光信号を出力する受光手段と、前記発光手段による光の点灯期間内の前記受光信号と前記発光手段による光の消灯期間内の前記受光信号との差分を脈波信号として出力する脈波信号発生手段とを具備する脈波計測装置を提供する。
【０００９】
この発明において、脈波信号発生手段の出力信号である脈波信号は、発光手段の点灯期間内における受光手段の受光強度の成分から、発光手段の消灯期間内における受光手段の受光強度の成分である外光の成分を除去したものとなる。よって、本発明によると、発光手段の駆動電流を増やしてその光の強度を強くする、といった操作を要することなく、受光手段の受光強度を示す出力信号から外光の影響によるノイズを除去することができ、Ｓ／Ｎの低下を回避することができる。なお、この発明において、受光手段が受光する光である「測定部位を透過した光」には、外光が含まれている。
【００１０】
この発明において、前記脈波信号発生手段は、前記発光手段による光の点灯期間内に前記受光信号をサンプルホールドすることにより第１の信号を出力する第１のサンプホールド手段と、前記発光手段による光の消灯期間内に前記受光信号をサンプルホールドすることにより第２の信号を出力する第２のサンプルホールド手段とを具備し、前記第１の信号と前記第２の信号との差分を前記脈波信号として出力するようにしてもよい。これによると、発光手段の点灯期間内における受光手段の受光強度を示すサンプル信号と発光手段の消灯期間内における受光手段の受光強度を示すサンプル信号とを確実に得ることができる。
【００１１】
また、この発明において、 前記発光手段による光の点灯のタイミングと同期して当該光の点灯時間以下の時間だけアクティブになる第１のタイミング信号と、前記発光手段による光の消灯のタイミングと同期して当該光の消灯時間より短い時間だけアクティブになる第２のタイミング信号とを発生する制御手段を具備し、前記第１のサンプルホールド手段は、前記第１のタイミング信号がアクティブになる期間で前記受光信号をサンプリングし、前記第２のサンプルホールド手段は、前記第２のタイミング信号がアクティブになる期間で前記受光信号をサンプリングすることが好ましい。この発明によれば、点灯期間以下の時間で受光信号をサンプリングするので、確実に脈波成分を有する信号をサンプルホールドすることができる。特に、点灯期間とサンプリング期間とが等しい場合には、それだけ点灯期間を短くできるので、消費電力を削減することができる。
【００１２】
また、前記脈波信号発生手段は、前記受光信号を前記点灯期間および前記消灯期間に１回ずつＡ／Ｄ変換して受光データを出力するＡ／Ｄ変換手段を具備し、前記受光データのうち前記点灯期間のサンプルを第１のデータ、前記受光データのうち前記消灯期間のサンプルを第２のデータとしたとき、前記第１のデータと前記第２のデータとの差分を求め、この差分を前記脈波信号として出力するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第1実施形態である脈波計測装置の外観を示す図である。
【図２】同計測装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】同計測装置の脈波センサーを測定部位の側方から見た図である。
【図４】同測定装置のアナログ制御回路が発生するタイミング信号の波形を示す図である。
【図５】同測定装置における脈波センサーの出力信号、サンプルホールド回路の出力信号、及び減算回路の出力信号の波形の一例を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態である脈波計測装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図７】同計測装置のＣＰＵが発生するＡ／Ｄ変換クロックφ０及び発光素子駆動クロックφ１の波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜１．第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態である脈波計測装置１の外観を示す図である。図２は、脈波計測装置１の電気的構成例を示すブロック図である。図１に示すように、脈波計測装置１は、脈波センサー３０と、装置本体１０と、これらを接続するケーブル２０とを有する。脈波センサー３０は、被験者の左手人差し指の根元から第２指関節までの間の部位（以下、測定部位）における血液の流れを光学的に検出する役割を果たすセンサーである。脈波センサー３０は、測定部位の幅よりも小さな寸法を持った扁平な板状をなしている。脈波センサー３０は、発光素子３２ａと受光素子３２ｂを併有している。発光素子３２ａは、血液に吸収され易い波長の発光色（例えば、青色とする）を持ったＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。受光素子３２ｂは、フォドダイオードである。脈波センサー３０には、センサー固定用バンド３４が取り付けられている。
【００１５】
図３に示すように、脈波センサー３０は、測定部位に発光素子３２ａ及び受光素子３２ｂを向けるようにして測定部位の周りにセンサー固定用バンド３４を巻きつけることにより、被験者の身体に装着される。この装着状態において、脈波センサー３０の発光素子３２ａは、装置本体１０からケーブル２０を介して当該発光素子３２ａに供給される電流に応じた強度の光ＬＭＳＲを測定部位に向けて照射する。発光素子３２ａから照射された光ＬＭＳＲは、当該発光素子３２ａ以外の発光源からの外光（例えば、太陽光や室内照明光：以下、外光ＬＯＵＴという）とともに測定部位の表皮を透過してその奥の真皮の毛細血管に到達する。血管に到達した光の一部は血管内を流れる血液により吸収される。また、血管に到達した光のうち血管内の血液により吸収されなかった光は、一部は測定部位を透過し、残りは生体組織における散乱等を経た後に反射光ＬＲＥＦとして受光素子３２ｂに到達する。受光素子３２ｂは、この反射光ＬＲＥＦの受光強度に応じて当該受光素子３２ｂに流れる電流を、受光強度を示す受光信号ＲＡとして出力する。ここで、測定部位における血管は、心拍と同じ周期で膨張と収縮を繰り返している。そして、血管の膨張と収縮の周期と同じ周期で光の吸収量が増減し、これに合わせて反射光ＬＲＥＦの強度も変化する。このため、受光信号ＲＡは、測定部位における血管の容積変化を示す成分をもったものとなる。
【００１６】
装置本体１０は、脈波センサー３０の発光素子３２ａを点滅させつつ同センサー３０の受光信号ＲＡを取得し、この信号ＲＡから外光ＬＯＵＴの影響によるノイズの成分を除去し、ノイズの成分を除去した信号から測定部位における血管の容積変化を示す波形である脈波を計測する。
【００１７】
装置本体１０は、腕時計を模した形状を有している。装置本体１０の表面には、長方形状の表示面を持った表示部１４が設けられている。表示部１４には、当該脈波計測装置１による計測結果である脈間隔や脈拍数が表示される。装置本体１０の筐体の外周部にはボタンスイッチ１６が設けられている。ボタンスイッチ１６は、脈波の計測開始や計測終了、計測結果のリセットなどの各種指示の入力に用いられる。図１では詳細な図示は省略したが、表示部１４およびボタンスイッチ１６は演算処理回路１２０に接続されている。また、図１に示す構成要素の他にも、脈波計測装置１は、演算処理回路１２０に接続され装置本体１０に収納される音声出力部も有している。また、装置本体１０の外周部における表示部１４を挟んで対向する部分にはリストバンド１２の一端と他端が取り付けられている。装置本体１０は、リストバンド１２を被験者の手首（図１に示す例では、左手首）に巻きつけることにより、被験者の身体に装着される。
【００１８】
図２に示すように、装置本体１０には、アナログ回路部１１０、アナログ制御回路１４０、演算処理回路１２０、及びデータ記憶回路１３０が内蔵されている。アナログ回路部１１０は、駆動回路１１２０、ＩＶ変換回路１１１２、アンプ１１１６、サンプルホールド回路１１１７ａ，１１１７ｂ、及び減算回路１１１８を有する。駆動回路１１２０は、アナログ制御回路１４０による制御の下、発光素子３２ａを駆動させる。より具体的に説明すると、アナログ制御回路１４０は、点灯及び消灯の切り換えのタイミングを案内する周期的なタイミング信号ＴＳ１を駆動回路１１２０に与える。駆動回路１１２０は、この信号ＴＳ１がハイレベルとなっている間は発光素子３２ａに電流を供給して発光素子３２ａを点灯させ、信号ＴＳ１がローレベルとなっている間は発光素子３２ａへの電流の供給を止めて発光素子３２ａを消灯させる。
【００１９】
ＩＶ変換回路１１１２は、受光素子３２ｂに流れる電流ＲＡ（受光信号）に応じた電圧ＲＡ’をアンプ１１１６へ出力する。アンプ１１１６は、ＩＶ変換回路１１１２の出力電圧ＲＡ’を増幅し、増幅した信号ＲＡ”をサンプルホールド回路１１１７ａ及び１１１７ｂへ出力する。サンプルホールド回路１１１７ａは、アナログ制御回路１４０による制御の下、発光素子３２ａの点灯期間内のアンプ１１１６の出力信号ＲＡ”をサンプルホールドし、サンプルホールドの時点における信号ＲＡ”の振幅を信号ＲＡａとして出力する。また、サンプルホールド回路１１１７ｂは、アナログ制御回路１４０による制御の下、発光素子３２ａの消灯期間内のアンプ１１１６の出力信号ＲＡ”をサンプルホールドし、サンプルホールドの時点における信号ＲＡ”の振幅を信号ＲＡｂとして出力する。
【００２０】
より具体的に説明すると、アナログ制御回路１４０は、サンプルホールド回路１１１７ａに対し、発光素子３２ａにおける点灯のタイミングと同期したタイミング信号ＴＳ２を与える。また、アナログ制御回路１４０は、サンプルホールド回路１１１７ｂに対し、発光素子３２ａにおける消灯のタイミングと同期したタイミング信号ＴＳ３を与える。サンプルホールド回路１１１７ａは、タイミング信号ＴＳ２がハイレベルである期間、出力信号ＲＡａを信号ＲＡ”に追従させ、タイミング信号ＴＳ２がハイレベルからローレベルになったとき、その時点における出力信号ＲＡａを保持する動作を繰り返す。サンプルホールド回路１１１７ｂは、タイミング信号ＴＳ３がハイレベルである期間、出力信号ＲＡｂを信号ＲＡ”に追従させ、タイミング信号ＴＳ３がハイレベルからローレベルになったとき、その時点における出力信号ＲＡｂを保持する動作を繰り返す。
【００２１】
減算回路１１１８は、サンプルホールド回路１１１７ａの出力信号ＲＡａとサンプルホールド回路１１１７ｂの出力信号ＲＡｂとの差分ＲＡａ−ＲＡｂを求め、この差分ＲＡａ−ＲＡｂを脈波信号ＲＤＡとして出力する。この減算回路１１１８と、サンプルホールド回路１１１７ａおよび１１１７ｂとが、発光手段（発光素子３２ａ）による光の点灯期間内の受光信号ＲＡ”と発光手段（発光素子３２ａ）による光の消灯期間内の受光信号ＲＡ”との差分を脈波信号として出力する脈波信号発生手段として機能する。
【００２２】
演算処理回路１２０は、Ａ／Ｄ変換回路１２１１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２１５、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性メモリー１２１６、およびＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリー１２１７を含んでいる。
【００２３】
Ａ／Ｄ変換回路１２１１は、減算回路１１１８の出力信号ＲＤＡをデジタル形式に変換し、変換した信号ＲＤＤを出力する。このＡ／Ｄ変換回路１２１１によるＡ／Ｄ変換は、例えばタイミング信号ＴＳ１またはＴＳ２の一方または両方に同期させて行わせてもよく、タイミング信号ＴＳ１およびＴＳ２の両方がローレベルである期間内にアクティブレベルとなる別のタイミング信号を発生し、このタイミング信号に同期させて行わせてもよい。ＣＰＵ１２１５は、揮発性メモリー１２１６をワークエリアとして利用しつつ、不揮発性メモリー１２１７に記憶された脈波解析プログラムを実行する。この脈波解析プログラムは、Ａ／Ｄ変換回路１２１１の出力信号ＲＤＤから脈拍間隔および脈拍数を計測し、この計測結果をデータ記憶回路１３０に記憶させる処理をＣＰＵ１２１５に実行させるプログラムである
【００２４】
次に、本実施形態の脈波計測装置１の動作について説明する。脈波計測装置１の電源をオンにすると、演算処理回路１２０のＣＰＵ１２１５は、アナログ制御回路１４０にタイミング信号ＴＳ１、ＴＳ２およびＴＳ３の発生を開始させる。図４（Ａ）はタイミング信号ＴＳ１の波形を、図４（Ｂ）はタイミング信号ＴＳ２の波形を、図４（Ｃ）はタイミング信号ＴＳ３の波形を各々示している。図４（Ａ）に示すように、タイミング信号ＴＳ１は、時間長Ｔ１毎にハイレベル及びローレベルを交互に繰り返す矩形波である。駆動回路１１２０は、タイミング信号ＴＳ１がハイレベルである期間、発光素子３２ａへ電流を供給し、タイミング信号ＴＳ１がローレベルである期間、発光素子３２ａへの電流の供給を止める、という動作を繰り返す。これにより、発光素子３２ａは、時間長Ｔ１毎に点灯と消灯を繰り返す。ここで、この時間長Ｔ１は、発光素子３２ａにおける点灯及び消灯の周波数ｆが１６Ｈｚ〜６４Ｈｚ程度になるような長さとすることが望ましい。
【００２５】
また、図４（Ｂ）に示すように、タイミング信号ＴＳ２は、タイミング信号ＴＳ１の立ち上がりから時間長Ｔ２（Ｔ２＝Ｔ１／２）が経過したタイミングにおいてアクティブ（ハイレベル）になり、そのタイミングから時間長Ｔ３（Ｔ３＜Ｔ２）が経過したタイミングにおいて非アクティブ（ローレベル）になる矩形波である。サンプルホールド回路１１１７ａは、タイミング信号ＴＳ２がアクティブとなる期間において、アンプ１１１６の出力信号ＲＡ”の振幅値をサンプリングし、その後ホールドすることにより信号ＲＡａを出力する。なお、この例では、タイミング信号ＴＳ１のハイレベル期間Ｔ１（点灯期間）は、タイミング信号ＴＳ２のアクティブ期間Ｔ３より短いが、タイミング信号ＴＳ１のハイレベル期間Ｔ１を短くして、タイミング信号ＴＳ２のアクティブ期間Ｔ３と一致させてもよい。この場合には、点灯期間が短くなるので消費電力を削減することができる。
【００２６】
また、図４（Ｃ）に示すように、タイミング信号ＴＳ３は、タイミング信号ＴＳ１の立ち下がりから時間長Ｔ２（Ｔ２＝Ｔ１／２）が経過したタイミングにおいてアクティブ（ハイレベル）になり、そのタイミングから時間長Ｔ３（Ｔ３＜Ｔ２）が経過したタイミングにおいて非アクティブ（ローレベル）になる矩形波である。サンプルホールド回路１１１７ｂは、タイミング信号ＴＳ３がアクティブとなる期間において、アンプ１１１６の出力信号ＲＡ”の振幅値をサンプリングし、その後ホールドすることにより信号ＲＡｂを出力する。
【００２７】
ここで、サンプルホールド回路１１１７ａの出力信号ＲＡａは、発光素子３２ａが点灯している時間内に受光素子３２ｂに到達した光の受光強度を表すものとなり、サンプルホールド回路１１１７ｂの出力信号ＲＡｂは、発光素子３２ａが消灯している時間内に受光素子３２ｂに到達した光の受光強度を表すものとなる。このため、受光素子３２ｂから本来の計測対象である血管の容積変化を表す成分と外光ＬＯＵＴの影響によるノイズの成分とを含む信号ＲＡが出力されている場合、図５に示すように、信号ＲＡと全く同じ成分を有する信号ＲＡａと信号ＲＡにおけるノイズの成分のみを有する信号ＲＡｂとが減算回路１１１８に入力される。そして、減算回路１１１８における減算を経ることにより、このノイズの成分が除去された信号ＲＤＡ（すなわち、血管の容積変化を表す成分のみを有する信号）が、Ａ／Ｄ変換回路１２１１に入力される。
【００２８】
脈波解析処理では、ＣＰＵ１２１５は、Ａ／Ｄ変換回路１２１１の出力信号ＲＤＤから脈拍間隔および脈拍数を計測し、この計測結果をデータ記憶回路１３０に記憶させる。より具体的には、ＣＰＵ１２１５は、信号ＲＤＤにピークが現れる度に、その最新のピークと１つ前のピークとの間の時間差を求め、この時間差を脈拍間隔としてデータ記憶回路１３０に記憶させる。また、ＣＰＵ１２１５は、信号ＲＤＤにおける所定時間（例えば、１分間）毎のピークの出現数をカウントし、カウントした数を脈拍数としてデータ記憶回路１３０に記憶させる。データ記憶回路１３０に記憶された脈拍間隔および脈拍数は、ボタンスイッチ１６の操作に従ってデータ記憶回路１３０から読み出され、計測結果として表示部１４に表示される。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態では、減算回路１１１８の出力信号ＲＤＡは、脈波センサー３０の発光素子３２ａが点灯している間の受光素子３２ｂの受光強度の成分から、発光素子３２ａが消灯している間の受光素子３２ｂの受光強度の成分である外光ＬＯＵＴの成分を除去したものとなる。よって、本実施形態によると、発光素子３２ａの駆動電流を増やしてその光ＬＭＳＲの強度を強くする、といった操作を要することなく、受光素子３２ｂの出力信号ＲＡから外光ＬＯＵＴの影響によるノイズを除去することができ、Ｓ／Ｎの低下を回避することができる。特に、本実施形態は、腕時計型のような長時間の脈波のモニタリングを行う脈拍計への適用において際立った効果を奏することが可能である。
【００３０】
＜２．第２実施形態＞
図６はこの発明の第２実施形態である脈波計測装置１Ａの構成を示すブロック図である。本実施形態では、上記第1実施形態におけるアナログ回路部１１０が駆動回路１１２０、ＩＶ変換回路１１１２およびアンプ１１１６のみからなるアナログ回路部１１０ａに置き換えられている。なお、駆動回路１１２０、ＩＶ変換回路１１１２およびアンプ１１１６の機能は上記第1実施形態と同様である。
【００３１】
上記第１実施形態では、脈波信号発生手段としてサンプルホールド回路１１１７ａおよび１１１７ｂと減算回路１１１８がアナログ回路部１１０内に設けられた。これに対し、本実施形態では、ＣＰＵ１２１５が不揮発性メモリー１２１７に記憶された制御プログラムを実行することにより、この脈波信号発生手段としての機能および第１実施形態におけるアナログ制御回路１４０としての機能を果たす。本実施形態において、ＣＰＵ１２１５は、制御プログラムに従って、Ａ／Ｄ変換クロックφ０をＡ／Ｄ変換回路１２１１に供給するとともに、このＡ／Ｄ変換クロックφ０の１／２の周波数の発光素子駆動クロックφ１を駆動回路１１２０に供給する。図７は、Ａ／Ｄ変換クロックφ０および発光素子駆動クロックφ１の各波形を示すものである。図７に示すように、Ａ／Ｄ変換クロックφ０は、発光素子駆動クロックφ１がローレベルである期間内のほぼ中央のタイミングと、発光素子駆動クロックφ１がハイレベルである期間内のほぼ中央のタイミングにおいてアクティブレベルであるハイレベルに立ち上がるクロックである。
【００３２】
Ａ／Ｄ変換回路１２１１は、Ａ／Ｄ変換クロックφ０がハイレベルになる毎に、アンプ１１１６の出力信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル形式のサンプル値を出力する。駆動回路１１２０は、発光素子駆動クロックφ１がハイレベルである期間、発光素子３２ａに電流を流して発光素子３２ａを点灯させ、発光素子駆動クロックφ１がローレベルである期間、発光素子３２ａに対する電流の供給を停止して発光素子３２ａを消灯させる。
【００３３】
そして、ＣＰＵ１２１５は、制御プログラムに従って、発光素子駆動クロックφ１がハイレベルである期間内のＡ／Ｄ変換クロックφ０に同期してＡ／Ｄ変換回路１２１１から出力されるサンプル値を第１のデータとし、発光素子駆動クロックφ１がローレベルである期間内のＡ／Ｄ変換クロックφ０に同期してＡ／Ｄ変換回路１２１１から出力されるサンプル値を第２のデータとしたとき、第１のデータと第２のデータの差分を求め、この差分を脈波信号のサンプル値とする。
【００３４】
ここで、発光素子駆動クロックφ１がハイレベルである期間内のＡ／Ｄ変換クロックφ０に同期してＡ／Ｄ変換回路１２１１から出力されるサンプル値は、発光素子３２ａの点灯期間内におけるアンプ１１１６の出力信号ＲＡ”の振幅を示すサンプル値である。また、発光素子駆動クロックφ１がローレベルである期間内のＡ／Ｄ変換クロックφ０に同期してＡ／Ｄ変換回路１２１１から出力されるサンプル値は、発光素子３２ａの点灯期間内におけるアンプ１１１６の出力信号ＲＡ”の振幅を示すサンプル値、すなわち、外光ＬＯＵＴの受光強度を示すサンプル値である。従って、前者のサンプル値（第１のデータ）から後者のサンプル値（第２のデータ）を差し引くことにより脈波信号ＲＤＤのサンプル値が得られる。本実施形態においても上記第１実施形態と同様な効果が得られる。
【００３５】
＜３．変形例＞
以上、本発明の第１および第２実施形態について説明したが、これらの実施形態に以下に述べる変形を加えても勿論良い。
（１）上記実施形態では、脈波センサー３０の発光素子３２ａの発光色は青であったが、この発光色を緑やその他の色にしてもよい。
【００３６】
（２）上記実施形態では、サンプルホールド回路１１１７ａは、発光素子３２ａの点灯及び消灯の周期Ｔ１の半分の時間長Ｔ２（Ｔ２＝Ｔ１／２）だけ発光素子３２ａの点灯から遅れたタイミングにおいて信号ＲＡ”をサンプルホールドした。しかし、発光素子３２ａが点灯している時間内における別のタイミングで信号ＲＡ”をサンプルホールドしてもよい。
【００３７】
（３）上記実施形態では、サンプルホールド回路１１１７ｂは、発光素子３２ａの点灯及び消灯の周期Ｔ１の半分の時間長Ｔ２（Ｔ２＝Ｔ１／２）だけ発光素子３２ａの消灯から遅れたタイミングにおいて信号ＲＡ”をサンプルホールドした。しかし、発光素子３２ａが消灯している時間内における別のタイミングで信号ＲＡ”をサンプルホールドしてもよい。
【００３８】
（４）上記実施形態では、脈波センサー３０の受光素子３２ｂは、同センサー３０の発光素子３２ａが測定部位に向けて照射した光ＬＭＳＲの反射光ＬＲＥＦを受光し、この反射光ＬＲＥＦの受光強度を示す信号を検出信号ＲＡとして出力した。しかし、脈波センサー３０の受光素子３２ｂは、同センサー３０の発光素子３２ａが測定部位に向けて照射した光ＬＭＳＲの透過光（より具体的には、光ＬＭＳＲ及び光ＬＯＵＴの透過光）を受光し、この透過光の受光強度を示す信号を検出信号ＲＡとして出力してもよい。
【００３９】
（５）上記実施形態では、アナログ制御回路１４０が発生するタイミング信号ＴＳ１のデューティー比（ハイレベル期間／ローレベル期間）が５０パーセントであった。しかし、このデューティー比を５０パーセントより小さくしてもよい。タイミング信号ＴＳ１のデューティー比を５０パーセント以下にすることにより、単位時間当たりの発光素子３２ａの点灯時間が短くなる。これにより、発光素子３２ａを駆動させるための電力の消費量を小さくすることができる。
【００４０】
（６）また、上述した実施形態では、脈波検出部３０はセンサー固定用バンド３４により被験者の人指し指の根元から第２指関節までの間の部分に巻きつけられているが、脈波検出部３０をカフ（腕帯）により被験者の上腕部または前腕部に巻き付ける構造にしても良い。
さらに、上述した実施形態では、脈波計測装置１は、手首に装着される装置本体１０と、人指し指の根元から第２指関節までの間の部分に装着される脈波検出部３０とを備え、これらはケーブル２０を介して接続される構造を有しているが、脈波検出部３０と装置本体１０とが一体として構成され、共にリストバンド１２により被験者の手首に装着する構造にしても良い。この場合、ケーブル２０が不要となり、装置本体１０と脈波検出部３０とが一体となった腕時計構造を有するため、脈波計測装置１の使い勝手の向上が可能となる。
また、上述した実施形態では、装置本体１０を腕時計構造とし、リストバンド１２により被験者の手首に巻き付ける構造を有しているが、装置本体１０を携帯電話等の外部の機器上に設け、装置本体１０が設けられた携帯電話等と脈波検出部３０との間で無線通信を実行してもよい。この場合、脈波検出部３０は、手首、上腕部あるいは前腕部に巻きつけるカフ（腕帯）としてもよい。あるいは、耳朶に装着する構成としてもよい。装置本体１０は、携帯電話の有する表示機能、入力機能、及びＣＰＵを利用できるため、脈波計測装置１の低コスト化が可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１…脈波計測装置、１０…装置本体、１２…リストバンド、１４…表示部、１６…ボタンスイッチ、２０…ケーブル、３０…脈波センサー、３２ａ…発光素子、３２ｂ…受光素子、３４…センサー固定用バンド、１１０…アナログ回路部、１１１２…ＩＶ変換回路、１１１６…アンプ、１１１７ａ，１１１７ｂ…サンプルホールド回路、１１１８…減算回路、１１２０…駆動回路、１２０…演算処理回路、１２１１…Ａ／Ｄ変換回路、１２１５…ＣＰＵ、１２１６…揮発性メモリー、１２１７…不揮発性メモリー、１３０…データ記憶回路、１４０…アナログ制御回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈波を光学的に計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換を利用した脈波計測に関わる技術が各種提案されている。この脈波計測では、身体における手指や耳朶などの部位を測定部位とし、この測定部位に発光素子と受光素子とを併有する光センサーを装着する。そして、血液に吸収されやすい波長を持った光を発光素子から測定部位に向けて照射し、測定部位における生体組織を透過した透過光やその生体組織における散乱等を経て反射される反射光を受光素子により受光する。その上で、受光素子が受光した光を光電変換することにより電気信号である脈波信号を生成する。
【０００３】
光電変換を利用した脈波計測では、測定部位における脈波を検出する手段として光センサーを用いるため、その発光素子から測定部位に向けて照射される照射光の強度よりも発光素子以外の発光源から測定部位に照射される外光の強度が大きい場合、外光の影響により受光素子から得られる脈波信号の基線がゆらぎ、脈波信号のＳ／Ｎが低下し、脈波の計測を正確に行えなくなる、という問題がある。
【０００４】
特許文献１には、このような問題の解決を意図して案出された技術の開示がある。同文献に開示された光電脈波計測装置は、光センサーと、光センサーを駆動させる駆動制御部と、光センサーの出力信号を用いて脈波の解析を行う波形信号解析部とを有する。この光電脈波計測装置の駆動制御部は、外乱光や照明光などの外光の状態を監視する。そして、駆動制御部は、外光の監視結果に基づいて当該光電脈波計測装置の使用場所が野外であるか屋内であるかを判定し、野外である場合には発光素子の発光量を大きくし、屋内である場合には発光素子の発光量を小さくする、というように、外光の状態に応じて発光素子の発光量を調整する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−４９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、外光の影響が大きい環境の下で装置が使用されている場合、発光素子の発光量を大きくする分だけ消費電力が大きくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、光電変換による脈波測定を行う場合において、発光素子の駆動電力を大きくすることなく、その検出信号における外光の影響によるＳ／Ｎの低下を回避する技術的手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、被験者の身体の測定部位に向けた光の点灯と消灯とを繰り返す発光手段と、前記測定部位にて反射された光または前記測定部位を透過した光を受光して、受光した光の受光強度を示す受光信号を出力する受光手段と、前記発光手段による光の点灯期間内の前記受光信号と前記発光手段による光の消灯期間内の前記受光信号との差分を脈波信号として出力する脈波信号発生手段とを具備する脈波計測装置を提供する。
【０００９】
この発明において、脈波信号発生手段の出力信号である脈波信号は、発光手段の点灯期間内における受光手段の受光強度の成分から、発光手段の消灯期間内における受光手段の受光強度の成分である外光の成分を除去したものとなる。よって、本発明によると、発光手段の駆動電流を増やしてその光の強度を強くする、といった操作を要することなく、受光手段の受光強度を示す出力信号から外光の影響によるノイズを除去することができ、Ｓ／Ｎの低下を回避することができる。なお、この発明において、受光手段が受光する光である「測定部位を透過した光」には、外光が含まれている。
【００１０】
この発明において、前記脈波信号発生手段は、前記発光手段による光の点灯期間内に前記受光信号をサンプルホールドすることにより第１の信号を出力する第１のサンプホールド手段と、前記発光手段による光の消灯期間内に前記受光信号をサンプルホールドすることにより第２の信号を出力する第２のサンプルホールド手段とを具備し、前記第１の信号と前記第２の信号との差分を前記脈波信号として出力するようにしてもよい。これによると、発光手段の点灯期間内における受光手段の受光強度を示すサンプル信号と発光手段の消灯期間内における受光手段の受光強度を示すサンプル信号とを確実に得ることができる。
【００１１】
また、この発明において、 前記発光手段による光の点灯のタイミングと同期して当該光の点灯時間以下の時間だけアクティブになる第１のタイミング信号と、前記発光手段による光の消灯のタイミングと同期して当該光の消灯時間より短い時間だけアクティブになる第２のタイミング信号とを発生する制御手段を具備し、前記第１のサンプルホールド手段は、前記第１のタイミング信号がアクティブになる期間で前記受光信号をサンプリングし、前記第２のサンプルホールド手段は、前記第２のタイミング信号がアクティブになる期間で前記受光信号をサンプリングすることが好ましい。この発明によれば、点灯期間以下の時間で受光信号をサンプリングするので、確実に脈波成分を有する信号をサンプルホールドすることができる。特に、点灯期間とサンプリング期間とが等しい場合には、それだけ点灯期間を短くできるので、消費電力を削減することができる。
【００１２】
また、前記脈波信号発生手段は、前記受光信号を前記点灯期間および前記消灯期間に１回ずつＡ／Ｄ変換して受光データを出力するＡ／Ｄ変換手段を具備し、前記受光データのうち前記点灯期間のサンプルを第１のデータ、前記受光データのうち前記消灯期間のサンプルを第２のデータとしたとき、前記第１のデータと前記第２のデータとの差分を求め、この差分を前記脈波信号として出力するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第1実施形態である脈波計測装置の外観を示す図である。
【図２】同計測装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】同計測装置の脈波センサーを測定部位の側方から見た図である。
【図４】同測定装置のアナログ制御回路が発生するタイミング信号の波形を示す図である。
【図５】同測定装置における脈波センサーの出力信号、サンプルホールド回路の出力信号、及び減算回路の出力信号の波形の一例を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態である脈波計測装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図７】同計測装置のＣＰＵが発生するＡ／Ｄ変換クロックφ０及び発光素子駆動クロックφ１の波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜１．第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態である脈波計測装置１の外観を示す図である。図２は、脈波計測装置１の電気的構成例を示すブロック図である。図１に示すように、脈波計測装置１は、脈波センサー３０と、装置本体１０と、これらを接続するケーブル２０とを有する。脈波センサー３０は、被験者の左手人差し指の根元から第２指関節までの間の部位（以下、測定部位）における血液の流れを光学的に検出する役割を果たすセンサーである。脈波センサー３０は、測定部位の幅よりも小さな寸法を持った扁平な板状をなしている。脈波センサー３０は、発光素子３２ａと受光素子３２ｂを併有している。発光素子３２ａは、血液に吸収され易い波長の発光色（例えば、青色とする）を持ったＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。受光素子３２ｂは、フォドダイオードである。脈波センサー３０には、センサー固定用バンド３４が取り付けられている。
【００１５】
図３に示すように、脈波センサー３０は、測定部位に発光素子３２ａ及び受光素子３２ｂを向けるようにして測定部位の周りにセンサー固定用バンド３４を巻きつけることにより、被験者の身体に装着される。この装着状態において、脈波センサー３０の発光素子３２ａは、装置本体１０からケーブル２０を介して当該発光素子３２ａに供給される電流に応じた強度の光ＬＭＳＲを測定部位に向けて照射する。発光素子３２ａから照射された光ＬＭＳＲは、当該発光素子３２ａ以外の発光源からの外光（例えば、太陽光や室内照明光：以下、外光ＬＯＵＴという）とともに測定部位の表皮を透過してその奥の真皮の毛細血管に到達する。血管に到達した光の一部は血管内を流れる血液により吸収される。また、血管に到達した光のうち血管内の血液により吸収されなかった光は、一部は測定部位を透過し、残りは生体組織における散乱等を経た後に反射光ＬＲＥＦとして受光素子３２ｂに到達する。受光素子３２ｂは、この反射光ＬＲＥＦの受光強度に応じて当該受光素子３２ｂに流れる電流を、受光強度を示す受光信号ＲＡとして出力する。ここで、測定部位における血管は、心拍と同じ周期で膨張と収縮を繰り返している。そして、血管の膨張と収縮の周期と同じ周期で光の吸収量が増減し、これに合わせて反射光ＬＲＥＦの強度も変化する。このため、受光信号ＲＡは、測定部位における血管の容積変化を示す成分をもったものとなる。
【００１６】
装置本体１０は、脈波センサー３０の発光素子３２ａを点滅させつつ同センサー３０の受光信号ＲＡを取得し、この信号ＲＡから外光ＬＯＵＴの影響によるノイズの成分を除去し、ノイズの成分を除去した信号から測定部位における血管の容積変化を示す波形である脈波を計測する。
【００１７】
装置本体１０は、腕時計を模した形状を有している。装置本体１０の表面には、長方形状の表示面を持った表示部１４が設けられている。表示部１４には、当該脈波計測装置１による計測結果である脈間隔や脈拍数が表示される。装置本体１０の筐体の外周部にはボタンスイッチ１６が設けられている。ボタンスイッチ１６は、脈波の計測開始や計測終了、計測結果のリセットなどの各種指示の入力に用いられる。図１では詳細な図示は省略したが、表示部１４およびボタンスイッチ１６は演算処理回路１２０に接続されている。また、図１に示す構成要素の他にも、脈波計測装置１は、演算処理回路１２０に接続され装置本体１０に収納される音声出力部も有している。また、装置本体１０の外周部における表示部１４を挟んで対向する部分にはリストバンド１２の一端と他端が取り付けられている。装置本体１０は、リストバンド１２を被験者の手首（図１に示す例では、左手首）に巻きつけることにより、被験者の身体に装着される。
【００１８】
図２に示すように、装置本体１０には、アナログ回路部１１０、アナログ制御回路１４０、演算処理回路１２０、及びデータ記憶回路１３０が内蔵されている。アナログ回路部１１０は、駆動回路１１２０、ＩＶ変換回路１１１２、アンプ１１１６、サンプルホールド回路１１１７ａ，１１１７ｂ、及び減算回路１１１８を有する。駆動回路１１２０は、アナログ制御回路１４０による制御の下、発光素子３２ａを駆動させる。より具体的に説明すると、アナログ制御回路１４０は、点灯及び消灯の切り換えのタイミングを案内する周期的なタイミング信号ＴＳ１を駆動回路１１２０に与える。駆動回路１１２０は、この信号ＴＳ１がハイレベルとなっている間は発光素子３２ａに電流を供給して発光素子３２ａを点灯させ、信号ＴＳ１がローレベルとなっている間は発光素子３２ａへの電流の供給を止めて発光素子３２ａを消灯させる。
【００１９】
ＩＶ変換回路１１１２は、受光素子３２ｂに流れる電流ＲＡ（受光信号）に応じた電圧ＲＡ’をアンプ１１１６へ出力する。アンプ１１１６は、ＩＶ変換回路１１１２の出力電圧ＲＡ’を増幅し、増幅した信号ＲＡ”をサンプルホールド回路１１１７ａ及び１１１７ｂへ出力する。サンプルホールド回路１１１７ａは、アナログ制御回路１４０による制御の下、発光素子３２ａの点灯期間内のアンプ１１１６の出力信号ＲＡ”をサンプルホールドし、サンプルホールドの時点における信号ＲＡ”の振幅を信号ＲＡａとして出力する。また、サンプルホールド回路１１１７ｂは、アナログ制御回路１４０による制御の下、発光素子３２ａの消灯期間内のアンプ１１１６の出力信号ＲＡ”をサンプルホールドし、サンプルホールドの時点における信号ＲＡ”の振幅を信号ＲＡｂとして出力する。
【００２０】
より具体的に説明すると、アナログ制御回路１４０は、サンプルホールド回路１１１７ａに対し、発光素子３２ａにおける点灯のタイミングと同期したタイミング信号ＴＳ２を与える。また、アナログ制御回路１４０は、サンプルホールド回路１１１７ｂに対し、発光素子３２ａにおける消灯のタイミングと同期したタイミング信号ＴＳ３を与える。サンプルホールド回路１１１７ａは、タイミング信号ＴＳ２がハイレベルである期間、出力信号ＲＡａを信号ＲＡ”に追従させ、タイミング信号ＴＳ２がハイレベルからローレベルになったとき、その時点における出力信号ＲＡａを保持する動作を繰り返す。サンプルホールド回路１１１７ｂは、タイミング信号ＴＳ３がハイレベルである期間、出力信号ＲＡｂを信号ＲＡ”に追従させ、タイミング信号ＴＳ３がハイレベルからローレベルになったとき、その時点における出力信号ＲＡｂを保持する動作を繰り返す。
【００２１】
減算回路１１１８は、サンプルホールド回路１１１７ａの出力信号ＲＡａとサンプルホールド回路１１１７ｂの出力信号ＲＡｂとの差分ＲＡａ−ＲＡｂを求め、この差分ＲＡａ−ＲＡｂを脈波信号ＲＤＡとして出力する。この減算回路１１１８と、サンプルホールド回路１１１７ａおよび１１１７ｂとが、発光手段（発光素子３２ａ）による光の点灯期間内の受光信号ＲＡ”と発光手段（発光素子３２ａ）による光の消灯期間内の受光信号ＲＡ”との差分を脈波信号として出力する脈波信号発生手段として機能する。
【００２２】
演算処理回路１２０は、Ａ／Ｄ変換回路１２１１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２１５、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性メモリー１２１６、およびＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリー１２１７を含んでいる。
【００２３】
Ａ／Ｄ変換回路１２１１は、減算回路１１１８の出力信号ＲＤＡをデジタル形式に変換し、変換した信号ＲＤＤを出力する。このＡ／Ｄ変換回路１２１１によるＡ／Ｄ変換は、例えばタイミング信号ＴＳ１またはＴＳ２の一方または両方に同期させて行わせてもよく、タイミング信号ＴＳ１およびＴＳ２の両方がローレベルである期間内にアクティブレベルとなる別のタイミング信号を発生し、このタイミング信号に同期させて行わせてもよい。ＣＰＵ１２１５は、揮発性メモリー１２１６をワークエリアとして利用しつつ、不揮発性メモリー１２１７に記憶された脈波解析プログラムを実行する。この脈波解析プログラムは、Ａ／Ｄ変換回路１２１１の出力信号ＲＤＤから脈拍間隔および脈拍数を計測し、この計測結果をデータ記憶回路１３０に記憶させる処理をＣＰＵ１２１５に実行させるプログラムである
【００２４】
次に、本実施形態の脈波計測装置１の動作について説明する。脈波計測装置１の電源をオンにすると、演算処理回路１２０のＣＰＵ１２１５は、アナログ制御回路１４０にタイミング信号ＴＳ１、ＴＳ２およびＴＳ３の発生を開始させる。図４（Ａ）はタイミング信号ＴＳ１の波形を、図４（Ｂ）はタイミング信号ＴＳ２の波形を、図４（Ｃ）はタイミング信号ＴＳ３の波形を各々示している。図４（Ａ）に示すように、タイミング信号ＴＳ１は、時間長Ｔ１毎にハイレベル及びローレベルを交互に繰り返す矩形波である。駆動回路１１２０は、タイミング信号ＴＳ１がハイレベルである期間、発光素子３２ａへ電流を供給し、タイミング信号ＴＳ１がローレベルである期間、発光素子３２ａへの電流の供給を止める、という動作を繰り返す。これにより、発光素子３２ａは、時間長Ｔ１毎に点灯と消灯を繰り返す。ここで、この時間長Ｔ１は、発光素子３２ａにおける点灯及び消灯の周波数ｆが１６Ｈｚ〜６４Ｈｚ程度になるような長さとすることが望ましい。
【００２５】
また、図４（Ｂ）に示すように、タイミング信号ＴＳ２は、タイミング信号ＴＳ１の立ち上がりから時間長Ｔ２（Ｔ２＝Ｔ１／２）が経過したタイミングにおいてアクティブ（ハイレベル）になり、そのタイミングから時間長Ｔ３（Ｔ３＜Ｔ２）が経過したタイミングにおいて非アクティブ（ローレベル）になる矩形波である。サンプルホールド回路１１１７ａは、タイミング信号ＴＳ２がアクティブとなる期間において、アンプ１１１６の出力信号ＲＡ”の振幅値をサンプリングし、その後ホールドすることにより信号ＲＡａを出力する。なお、この例では、タイミング信号ＴＳ１のハイレベル期間Ｔ１（点灯期間）は、タイミング信号ＴＳ２のアクティブ期間Ｔ３より短いが、タイミング信号ＴＳ１のハイレベル期間Ｔ１を短くして、タイミング信号ＴＳ２のアクティブ期間Ｔ３と一致させてもよい。この場合には、点灯期間が短くなるので消費電力を削減することができる。
【００２６】
また、図４（Ｃ）に示すように、タイミング信号ＴＳ３は、タイミング信号ＴＳ１の立ち下がりから時間長Ｔ２（Ｔ２＝Ｔ１／２）が経過したタイミングにおいてアクティブ（ハイレベル）になり、そのタイミングから時間長Ｔ３（Ｔ３＜Ｔ２）が経過したタイミングにおいて非アクティブ（ローレベル）になる矩形波である。サンプルホールド回路１１１７ｂは、タイミング信号ＴＳ３がアクティブとなる期間において、アンプ１１１６の出力信号ＲＡ”の振幅値をサンプリングし、その後ホールドすることにより信号ＲＡｂを出力する。
【００２７】
ここで、サンプルホールド回路１１１７ａの出力信号ＲＡａは、発光素子３２ａが点灯している時間内に受光素子３２ｂに到達した光の受光強度を表すものとなり、サンプルホールド回路１１１７ｂの出力信号ＲＡｂは、発光素子３２ａが消灯している時間内に受光素子３２ｂに到達した光の受光強度を表すものとなる。このため、受光素子３２ｂから本来の計測対象である血管の容積変化を表す成分と外光ＬＯＵＴの影響によるノイズの成分とを含む信号ＲＡが出力されている場合、図５に示すように、信号ＲＡと全く同じ成分を有する信号ＲＡａと信号ＲＡにおけるノイズの成分のみを有する信号ＲＡｂとが減算回路１１１８に入力される。そして、減算回路１１１８における減算を経ることにより、このノイズの成分が除去された信号ＲＤＡ（すなわち、血管の容積変化を表す成分のみを有する信号）が、Ａ／Ｄ変換回路１２１１に入力される。
【００２８】
脈波解析処理では、ＣＰＵ１２１５は、Ａ／Ｄ変換回路１２１１の出力信号ＲＤＤから脈拍間隔および脈拍数を計測し、この計測結果をデータ記憶回路１３０に記憶させる。より具体的には、ＣＰＵ１２１５は、信号ＲＤＤにピークが現れる度に、その最新のピークと１つ前のピークとの間の時間差を求め、この時間差を脈拍間隔としてデータ記憶回路１３０に記憶させる。また、ＣＰＵ１２１５は、信号ＲＤＤにおける所定時間（例えば、１分間）毎のピークの出現数をカウントし、カウントした数を脈拍数としてデータ記憶回路１３０に記憶させる。データ記憶回路１３０に記憶された脈拍間隔および脈拍数は、ボタンスイッチ１６の操作に従ってデータ記憶回路１３０から読み出され、計測結果として表示部１４に表示される。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態では、減算回路１１１８の出力信号ＲＤＡは、脈波センサー３０の発光素子３２ａが点灯している間の受光素子３２ｂの受光強度の成分から、発光素子３２ａが消灯している間の受光素子３２ｂの受光強度の成分である外光ＬＯＵＴの成分を除去したものとなる。よって、本実施形態によると、発光素子３２ａの駆動電流を増やしてその光ＬＭＳＲの強度を強くする、といった操作を要することなく、受光素子３２ｂの出力信号ＲＡから外光ＬＯＵＴの影響によるノイズを除去することができ、Ｓ／Ｎの低下を回避することができる。特に、本実施形態は、腕時計型のような長時間の脈波のモニタリングを行う脈拍計への適用において際立った効果を奏することが可能である。
【００３０】
＜２．第２実施形態＞
図６はこの発明の第２実施形態である脈波計測装置１Ａの構成を示すブロック図である。本実施形態では、上記第1実施形態におけるアナログ回路部１１０が駆動回路１１２０、ＩＶ変換回路１１１２およびアンプ１１１６のみからなるアナログ回路部１１０ａに置き換えられている。なお、駆動回路１１２０、ＩＶ変換回路１１１２およびアンプ１１１６の機能は上記第1実施形態と同様である。
【００３１】
上記第１実施形態では、脈波信号発生手段としてサンプルホールド回路１１１７ａおよび１１１７ｂと減算回路１１１８がアナログ回路部１１０内に設けられた。これに対し、本実施形態では、ＣＰＵ１２１５が不揮発性メモリー１２１７に記憶された制御プログラムを実行することにより、この脈波信号発生手段としての機能および第１実施形態におけるアナログ制御回路１４０としての機能を果たす。本実施形態において、ＣＰＵ１２１５は、制御プログラムに従って、Ａ／Ｄ変換クロックφ０をＡ／Ｄ変換回路１２１１に供給するとともに、このＡ／Ｄ変換クロックφ０の１／２の周波数の発光素子駆動クロックφ１を駆動回路１１２０に供給する。図７は、Ａ／Ｄ変換クロックφ０および発光素子駆動クロックφ１の各波形を示すものである。図７に示すように、Ａ／Ｄ変換クロックφ０は、発光素子駆動クロックφ１がローレベルである期間内のほぼ中央のタイミングと、発光素子駆動クロックφ１がハイレベルである期間内のほぼ中央のタイミングにおいてアクティブレベルであるハイレベルに立ち上がるクロックである。
【００３２】
Ａ／Ｄ変換回路１２１１は、Ａ／Ｄ変換クロックφ０がハイレベルになる毎に、アンプ１１１６の出力信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル形式のサンプル値を出力する。駆動回路１１２０は、発光素子駆動クロックφ１がハイレベルである期間、発光素子３２ａに電流を流して発光素子３２ａを点灯させ、発光素子駆動クロックφ１がローレベルである期間、発光素子３２ａに対する電流の供給を停止して発光素子３２ａを消灯させる。
【００３３】
そして、ＣＰＵ１２１５は、制御プログラムに従って、発光素子駆動クロックφ１がハイレベルである期間内のＡ／Ｄ変換クロックφ０に同期してＡ／Ｄ変換回路１２１１から出力されるサンプル値を第１のデータとし、発光素子駆動クロックφ１がローレベルである期間内のＡ／Ｄ変換クロックφ０に同期してＡ／Ｄ変換回路１２１１から出力されるサンプル値を第２のデータとしたとき、第１のデータと第２のデータの差分を求め、この差分を脈波信号のサンプル値とする。
【００３４】
ここで、発光素子駆動クロックφ１がハイレベルである期間内のＡ／Ｄ変換クロックφ０に同期してＡ／Ｄ変換回路１２１１から出力されるサンプル値は、発光素子３２ａの点灯期間内におけるアンプ１１１６の出力信号ＲＡ”の振幅を示すサンプル値である。また、発光素子駆動クロックφ１がローレベルである期間内のＡ／Ｄ変換クロックφ０に同期してＡ／Ｄ変換回路１２１１から出力されるサンプル値は、発光素子３２ａの点灯期間内におけるアンプ１１１６の出力信号ＲＡ”の振幅を示すサンプル値、すなわち、外光ＬＯＵＴの受光強度を示すサンプル値である。従って、前者のサンプル値（第１のデータ）から後者のサンプル値（第２のデータ）を差し引くことにより脈波信号ＲＤＤのサンプル値が得られる。本実施形態においても上記第１実施形態と同様な効果が得られる。
【００３５】
＜３．変形例＞
以上、本発明の第１および第２実施形態について説明したが、これらの実施形態に以下に述べる変形を加えても勿論良い。
（１）上記実施形態では、脈波センサー３０の発光素子３２ａの発光色は青であったが、この発光色を緑やその他の色にしてもよい。
【００３６】
（２）上記実施形態では、サンプルホールド回路１１１７ａは、発光素子３２ａの点灯及び消灯の周期Ｔ１の半分の時間長Ｔ２（Ｔ２＝Ｔ１／２）だけ発光素子３２ａの点灯から遅れたタイミングにおいて信号ＲＡ”をサンプルホールドした。しかし、発光素子３２ａが点灯している時間内における別のタイミングで信号ＲＡ”をサンプルホールドしてもよい。
【００３７】
（３）上記実施形態では、サンプルホールド回路１１１７ｂは、発光素子３２ａの点灯及び消灯の周期Ｔ１の半分の時間長Ｔ２（Ｔ２＝Ｔ１／２）だけ発光素子３２ａの消灯から遅れたタイミングにおいて信号ＲＡ”をサンプルホールドした。しかし、発光素子３２ａが消灯している時間内における別のタイミングで信号ＲＡ”をサンプルホールドしてもよい。
【００３８】
（４）上記実施形態では、脈波センサー３０の受光素子３２ｂは、同センサー３０の発光素子３２ａが測定部位に向けて照射した光ＬＭＳＲの反射光ＬＲＥＦを受光し、この反射光ＬＲＥＦの受光強度を示す信号を検出信号ＲＡとして出力した。しかし、脈波センサー３０の受光素子３２ｂは、同センサー３０の発光素子３２ａが測定部位に向けて照射した光ＬＭＳＲの透過光（より具体的には、光ＬＭＳＲ及び光ＬＯＵＴの透過光）を受光し、この透過光の受光強度を示す信号を検出信号ＲＡとして出力してもよい。
【００３９】
（５）上記実施形態では、アナログ制御回路１４０が発生するタイミング信号ＴＳ１のデューティー比（ハイレベル期間／ローレベル期間）が５０パーセントであった。しかし、このデューティー比を５０パーセントより小さくしてもよい。タイミング信号ＴＳ１のデューティー比を５０パーセント以下にすることにより、単位時間当たりの発光素子３２ａの点灯時間が短くなる。これにより、発光素子３２ａを駆動させるための電力の消費量を小さくすることができる。
【００４０】
（６）また、上述した実施形態では、脈波検出部３０はセンサー固定用バンド３４により被験者の人指し指の根元から第２指関節までの間の部分に巻きつけられているが、脈波検出部３０をカフ（腕帯）により被験者の上腕部または前腕部に巻き付ける構造にしても良い。
さらに、上述した実施形態では、脈波計測装置１は、手首に装着される装置本体１０と、人指し指の根元から第２指関節までの間の部分に装着される脈波検出部３０とを備え、これらはケーブル２０を介して接続される構造を有しているが、脈波検出部３０と装置本体１０とが一体として構成され、共にリストバンド１２により被験者の手首に装着する構造にしても良い。この場合、ケーブル２０が不要となり、装置本体１０と脈波検出部３０とが一体となった腕時計構造を有するため、脈波計測装置１の使い勝手の向上が可能となる。
また、上述した実施形態では、装置本体１０を腕時計構造とし、リストバンド１２により被験者の手首に巻き付ける構造を有しているが、装置本体１０を携帯電話等の外部の機器上に設け、装置本体１０が設けられた携帯電話等と脈波検出部３０との間で無線通信を実行してもよい。この場合、脈波検出部３０は、手首、上腕部あるいは前腕部に巻きつけるカフ（腕帯）としてもよい。あるいは、耳朶に装着する構成としてもよい。装置本体１０は、携帯電話の有する表示機能、入力機能、及びＣＰＵを利用できるため、脈波計測装置１の低コスト化が可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１…脈波計測装置、１０…装置本体、１２…リストバンド、１４…表示部、１６…ボタンスイッチ、２０…ケーブル、３０…脈波センサー、３２ａ…発光素子、３２ｂ…受光素子、３４…センサー固定用バンド、１１０…アナログ回路部、１１１２…ＩＶ変換回路、１１１６…アンプ、１１１７ａ，１１１７ｂ…サンプルホールド回路、１１１８…減算回路、１１２０…駆動回路、１２０…演算処理回路、１２１１…Ａ／Ｄ変換回路、１２１５…ＣＰＵ、１２１６…揮発性メモリー、１２１７…不揮発性メモリー、１３０…データ記憶回路、１４０…アナログ制御回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の身体の測定部位に向けた光の点灯と消灯とを繰り返す発光手段と、
前記測定部位にて反射された光または前記測定部位を透過した光を受光して、受光した光の受光強度を示す受光信号を出力する受光手段と、
前記発光手段による光の点灯期間内の前記受光信号と前記発光手段による光の消灯期間内の前記受光信号との差分を脈波信号として出力する脈波信号発生手段と
を具備することを特徴とする脈波計測装置。
【請求項２】
前記脈波信号発生手段は、
前記発光手段による光の点灯期間内に前記受光信号をサンプルホールドすることにより第１の信号を出力する第１のサンプホールド手段と、
前記発光手段による光の消灯期間内に前記受光信号をサンプルホールドすることにより第２の信号を出力する第２のサンプルホールド手段とを具備し、
前記第１の信号と前記第２の信号との差分を前記脈波信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の脈波計測装置。
【請求項３】
前記発光手段による光の点灯のタイミングと同期して当該光の点灯時間以下の時間だけアクティブになる第１のタイミング信号と、前記発光手段による光の消灯のタイミングと同期して当該光の消灯時間より短い時間だけアクティブになる第２のタイミング信号とを発生する制御手段を具備し、
前記第１のサンプルホールド手段は、前記第１のタイミング信号がアクティブになる期間で前記受光信号をサンプリングし、前記第２のサンプルホールド手段は、前記第２のタイミング信号がアクティブになる期間で前記受光信号をサンプリングする
ことを特徴とする請求項２に記載の脈波計測装置。
【請求項４】
前記脈波信号発生手段は、
前記受光信号を前記点灯期間および前記消灯期間に１回ずつＡ／Ｄ変換して受光データを出力するＡ／Ｄ変換手段を具備し、
前記受光データのうち前記点灯期間のサンプルを第１のデータ、前記受光データのうち前記消灯期間のサンプルを第２のデータとしたとき、前記第１のデータと前記第２のデータとの差分を求め、この差分を前記脈波信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の脈波計測装置。
【請求項５】
コンピュータに、
被験者の身体の測定部位に向けた光の点灯と消灯とを発光手段に繰り返させる処理と、
前記測定部位にて反射された光、または前記測定部位を透過した光を受光する受光手段の受光強度をサンプリング手段にサンプリングさせる処理と、
前記サンプリング手段によりサンプリングされた前記受光手段の受光強度のサンプル値のうち前記発光手段による光の点灯期間内における受光強度のサンプル値と、前記発光手段による光の消灯期間内における受光強度のサンプル値との差分を求め、この差分を脈波信号のサンプル値とする処理と
を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１】
被験者の身体の測定部位に向けた光の点灯と消灯とを繰り返す発光手段と、
前記測定部位にて反射された光または前記測定部位を透過した光を受光して、受光した光の受光強度を示す受光信号を出力する受光手段と、
前記発光手段による光の点灯期間内の前記受光信号と前記発光手段による光の消灯期間内の前記受光信号との差分を脈波信号として出力する脈波信号発生手段と
を具備することを特徴とする脈波計測装置。
【請求項２】
前記脈波信号発生手段は、
前記発光手段による光の点灯期間内に前記受光信号をサンプルホールドすることにより第１の信号を出力する第１のサンプホールド手段と、
前記発光手段による光の消灯期間内に前記受光信号をサンプルホールドすることにより第２の信号を出力する第２のサンプルホールド手段とを具備し、
前記第１の信号と前記第２の信号との差分を前記脈波信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の脈波計測装置。
【請求項３】
前記発光手段による光の点灯のタイミングと同期して当該光の点灯時間以下の時間だけアクティブになる第１のタイミング信号と、前記発光手段による光の消灯のタイミングと同期して当該光の消灯時間より短い時間だけアクティブになる第２のタイミング信号とを発生する制御手段を具備し、
前記第１のサンプルホールド手段は、前記第１のタイミング信号がアクティブになる期間で前記受光信号をサンプリングし、前記第２のサンプルホールド手段は、前記第２のタイミング信号がアクティブになる期間で前記受光信号をサンプリングする
ことを特徴とする請求項２に記載の脈波計測装置。
【請求項４】
前記脈波信号発生手段は、
前記受光信号を前記点灯期間および前記消灯期間に１回ずつＡ／Ｄ変換して受光データを出力するＡ／Ｄ変換手段を具備し、
前記受光データのうち前記点灯期間のサンプルを第１のデータ、前記受光データのうち前記消灯期間のサンプルを第２のデータとしたとき、前記第１のデータと前記第２のデータとの差分を求め、この差分を前記脈波信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の脈波計測装置。
【請求項５】
コンピュータに、
被験者の身体の測定部位に向けた光の点灯と消灯とを発光手段に繰り返させる処理と、
前記測定部位にて反射された光、または前記測定部位を透過した光を受光する受光手段の受光強度をサンプリング手段にサンプリングさせる処理と、
前記サンプリング手段によりサンプリングされた前記受光手段の受光強度のサンプル値のうち前記発光手段による光の点灯期間内における受光強度のサンプル値と、前記発光手段による光の消灯期間内における受光強度のサンプル値との差分を求め、この差分を脈波信号のサンプル値とする処理と
を実行させることを特徴とするプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１６５８５１（Ｐ２０１２−１６５８５１Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８２９４（Ｐ２０１１−２８２９４）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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