JP2019076178A - Biological signal detector - Google Patents
Biological signal detector Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019076178A JP2019076178A JP2017203359A JP2017203359A JP2019076178A JP 2019076178 A JP2019076178 A JP 2019076178A JP 2017203359 A JP2017203359 A JP 2017203359A JP 2017203359 A JP2017203359 A JP 2017203359A JP 2019076178 A JP2019076178 A JP 2019076178A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- receiving unit
- biological signal
- light receiving
- subject
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
Description
本開示は、被検者の生体信号を検出する生体信号検出装置に関する。 The present disclosure relates to a biological signal detection apparatus that detects a biological signal of a subject.
近年、例えば脈拍等のような生体信号を検出する生体信号検出装置を、車両に搭載することについての検討が進められている。生体信号検出装置を搭載した車両では、生体信号に基づいて運転者の覚醒状態を取得し、必要に応じて音や振動などにより運転者を覚醒させることが可能となる。また、生体信号に基づいて、運転者の健康状態やストレスの有無等を確認することも可能となる。 2. Description of the Related Art In recent years, studies on mounting a biological signal detection apparatus for detecting a biological signal such as a pulse on a vehicle have been advanced. In a vehicle equipped with a biomedical signal detection device, it is possible to acquire the awakening state of the driver based on the biomedical signal and to cause the driver to wake up by sound, vibration or the like as needed. In addition, it is also possible to confirm the driver's health condition, the presence or absence of stress, etc. based on the biological signal.
下記特許文献1に記載の装置では、被検者の顔に赤外線を照射し、被検者の皮膚表面で反射された赤外線の輝度変化に基づいて生体信号を検出している。また、当該装置では、被検者の向きが変化することによる輝度変化への影響を除外することにより、生体信号を精度よく検出することが可能となっている。 In the device described in Patent Document 1 below, the face of the subject is irradiated with infrared light, and the biological signal is detected based on the change in the intensity of the infrared light reflected by the skin surface of the subject. Moreover, in the said apparatus, it is possible to detect a biosignal with sufficient accuracy by excluding the influence on the brightness | luminance change by the direction of a subject changing.
本発明者らは、被検者の皮膚表面で反射された近赤外線の輝度変化に基づくのではなく、被検者の皮膚内部の血液まで到達した後に反射または散乱された近赤外線(換言すれば、被検者の皮膚内部の血液によって吸収されなかった近赤外線)の輝度変化に基づいて、生体信号を検出することについて検討を行ってきた。このような方法によれば、血流量の変化、すなわち心拍による血管の脈動を、皮膚表面の動きを介することなく直接検出することができる。このため、位相遅れを伴うことなく正確な生体信号を検出することが可能となる。 The present inventors are not based on the brightness change of the near-infrared light reflected on the skin surface of the subject, but the near-infrared light reflected or scattered after reaching the blood inside the skin of the subject (in other words, Based on the change in brightness of near infrared rays not absorbed by the blood inside the skin of a subject, investigations have been made on detection of biosignals. According to such a method, it is possible to directly detect a change in blood flow, that is, a pulsation of a blood vessel due to a heartbeat, without the movement of the skin surface. For this reason, it becomes possible to detect a precise biosignal without causing phase delay.
しかしながら、近赤外線は皮膚表面および血管分布の無い表皮で反射または散乱され、血管が分布している皮膚の内側まで到達する光量が小さくなる傾向がある。更に、血液に対する近赤外線の吸光度は、血液に対する可視光の吸光度に比べて低い。その結果、血液によって反射または散乱された近赤外線の輝度変化(すなわち生体信号を示す輝度変化)は、皮膚表面で反射された近赤外線の輝度変化に比べて著しく小さくなるため、当該輝度変化に基づいて生体信号を精度よく検出することは困難であった。 However, near infrared rays are reflected or scattered by the skin surface and the epidermis without blood vessel distribution, and the amount of light reaching the inside of the skin where blood vessels are distributed tends to be small. Furthermore, the absorbance of near-infrared light to blood is lower than the absorbance of visible light to blood. As a result, the change in brightness of near infrared rays reflected or scattered by blood (i.e., the change in brightness indicative of a biological signal) is significantly smaller than the change in brightness of near infrared rays reflected by the skin surface. Therefore, it has been difficult to accurately detect a biological signal.
更に、被検者である乗員には、光源から照射された近赤外線だけでなく、窓ガラスを通じて車外から進入した赤外線も入射する。このような近赤外線が被検者の皮膚表面で反射し、外乱となってしまうことにより、血液によって反射または散乱された近赤外線の輝度変化に基づいて生体信号を検出することは更に困難なものとなっていた。 Furthermore, not only the near infrared rays emitted from the light source but also the infrared rays entering from outside the vehicle through the window glass are incident on the occupant who is the subject. Such near infrared rays are reflected on the skin surface of the subject and become disturbances, making it even more difficult to detect a biosignal based on the change in brightness of the near infrared rays reflected or scattered by blood. It had become.
本開示は、被検者の生体信号を精度よく検出することのできる生体信号検出装置、を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a biological signal detection apparatus capable of accurately detecting a biological signal of a subject.
本開示に係る生体信号検出装置(10)は、被検者(M)の皮膚表面に向けて、近赤外線からなる第1偏光を照射する光源(100)と、光源から照射された後に被検者の皮膚で反射または散乱された光を受光する受光部(211)と、第1偏光の偏波面とは異なる偏波面を有する第2偏光のみを、受光部に到達させるように、被検者と受光部との間となる位置に配置された偏光フィルタ(221)と、受光部によって受光された第2偏光の輝度の変化を、生体信号として検出する信号検出部(330)と、を備える。 A biological signal detection apparatus (10) according to the present disclosure includes a light source (100) for emitting first polarized light composed of near-infrared light toward the skin surface of a subject (M), and a test object after being irradiated from the light source A subject to receive only the second light having the light receiving part (211) for receiving the light reflected or scattered by the skin of the person and the second polarized light having a polarization plane different from the polarization plane of the first polarized light, And a light receiving unit, and a signal detection unit (330) detecting a change in the brightness of the second polarized light received by the light receiving unit as a biological signal. .
このような構成の生体信号検出装置では、近赤外線からなる第1偏光が、光源から被検者の皮膚表面に照射される。皮膚表面に照射された光は、その一部が皮膚表面で反射されるのであるが、その一部は皮膚内部に進入した後、血液によって反射または散乱される。 In the biological signal detection apparatus having such a configuration, the first polarized light composed of near-infrared light is irradiated from the light source onto the skin surface of the subject. A part of the light irradiated to the skin surface is reflected on the skin surface, but a part of the light is reflected or scattered by the blood after entering the inside of the skin.
皮膚表面で反射された光は、その殆どが、第1偏光の偏波面と同一の(つまり平行な)偏波面を有する光となっている。一方、皮膚の内側に進入した後に反射または散乱された光においては、第1偏光の偏波面とは異なる偏波面を有する光の割合が比較的高くなっている。当該割合は、反射または散乱される位置が深くなるほど高くなる傾向がある。 Most of the light reflected by the skin surface is light having the same (that is, parallel) polarization plane as the polarization plane of the first polarized light. On the other hand, in the light reflected or scattered after entering the inside of the skin, the proportion of light having a polarization plane different from the polarization plane of the first polarization is relatively high. The ratio tends to be higher as the position to be reflected or scattered becomes deeper.
そこで、上記の生体信号検出装置では、被検者の皮膚表面及び内部で反射または散乱された光の全てを受光部に到達させるのではなく、第1偏光の偏波面とは異なる偏波面を有する第2偏光のみを受光部に到達させるよう、被検者と受光部との間となる位置に偏光フィルタを配置している。このため、受光部は、皮膚の表面で反射された光の影響を殆ど受けることなく、皮膚の内側にある血液分布層から反射または散乱された光を受光することができる。受光部で受光される光の輝度の振幅(すなわち生体信号の振幅)を、受光部のダイナミックレンジに対して大きくすることができるので、生体信号を精度よく検出することが可能となる。 Therefore, in the above-described biological signal detection apparatus, all the light reflected or scattered on the skin surface and the inside of the subject does not reach the light receiving unit, but has a polarization plane different from the polarization plane of the first polarization. A polarization filter is disposed at a position between the subject and the light receiving unit so that only the second polarized light reaches the light receiving unit. Therefore, the light receiving portion can receive the light reflected or scattered from the blood distribution layer inside the skin, with little influence of the light reflected by the surface of the skin. Since the amplitude of the luminance of the light received by the light receiving unit (that is, the amplitude of the biological signal) can be made larger than the dynamic range of the light receiving unit, the biological signal can be detected with high accuracy.
本開示によれば、被検者の生体信号を精度よく検出することのできる生体信号検出装置、が提供される。 According to the present disclosure, a biological signal detection device capable of accurately detecting a biological signal of a subject is provided.
以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the attached drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same constituent elements in the drawings are denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.
図1を参照しながら、本実施形態に係る生体信号検出装置10の構成について説明する。生体信号検出装置10は、車両(全体は不図示)に搭載される装置であって、当該車両の乗員である被検者Mの生体信号を検出するための装置として構成されている。尚、本実施形態では、生体信号として被検者Mの心拍が検出される。このような態様に換えて、心拍以外の生体信号(例えば呼吸数など)が検出されるような態様であってもよい。また、検出された心拍に基づいて、他の生体信号が算出されるような態様であってもよい。
The configuration of the biological
生体信号検出装置10によって検出された被検者Mの生体信号は、被検者Mの覚醒状態や健康状態を判定するために用いられる。これにより、必要に応じて被検者Mを覚醒させたり、被検者Mの健康状態を外部に送信したりするなどの処理を行うことが可能となる。尚、以下の説明においては、生体信号検出装置10によって生体信号を検出するために行われる処理についてのみ説明し、検出された生体信号を用いて行われる処理については説明を省略する。
The biological signal of the subject M detected by the biological
図1では、車両の運転席に着座している被検者Mの顔の部分と、その前方にある窓ガラスG1(フロントガラス)とが、側面視で模式的に図示されている。同図に示されるように、生体信号検出装置10は、光源100と、カメラ200と、制御装置300と、を備えている。
In FIG. 1, the face portion of the subject M seated in the driver's seat of the vehicle and the window glass G1 (front glass) located in front thereof are schematically illustrated in a side view. As shown in the figure, the biological
光源100は、被検者Mの皮膚表面に向けて近赤外線を照射する装置である。光源100は、車室内のうち被検者Mの前方側となる位置(例えば天井)に設置されており、前方側から被検者Mの顔に近赤外線を照射する。本実施形態の光源100から発せられる近赤外線は、単一波長の光であって、電場の変動する方向が単一の偏波面に沿った光(つまり偏光)となっている。光源100から被検者Mに向けて発せられる近赤外線のことを、以下では「第1偏光」とも称する。
The
カメラ200は、光源100から照射された後に被検者Mの皮膚で反射または散乱された光を受光するための装置である。カメラ200は、車室内のうち被検者Mの前方側となる位置であって、光源100の近傍となる位置に設置されている。カメラ200は、後に説明するようにイメージセンサ210(図3を参照)を有しており、受光した近赤外線の輝度分布を画像として出力することができる。生体信号検出装置10は、カメラ200で受光された近赤外線の輝度の変化(脈動)に基づいて、被検者Mの脈拍を検出する。
The
制御装置300は、生体信号検出装置10の全体の動作を制御するための装置である。制御装置300は、CPU、ROM、RAM等を有するコンピュータシステムとして構成されている。制御装置300は、機能的な制御ブロックとして、出力調整部310と、露光調整部320と、信号検出部330と、補正部340と、を有している。
The
出力調整部310は、光源100の出力を調整する部分である。後に説明するように、出力調整部310は、光源100の出力を調整することにより、カメラ200によって受光される光の強度を概ね一定に保つ。尚、ここでいう「強度」とは、生体信号等に伴って変化する輝度の平均レベルのことを示している。以下の説明においても同様である。光源100の出力の調整は、例えば、光源100に向けて出力される制御信号のデューティを変化させることにより行われる。
The
露光調整部320は、カメラ200の露光時間を調整する部分である。後に説明するように、露光調整部320は、カメラ200の露光時間を調整することにより、カメラ200によって受光される光の強度を概ね一定に保つ。
The
信号検出部330は、カメラ200によって受光された光の輝度の変化を、生体信号として検出する処理を行う部分である。被検者Mの皮膚の内部では、心臓の鼓動に基づいて、血流が増加している状態と、血流が減少している状態とが交互に繰り返される。血流が増加している状態においては、血液で吸収される近赤外線の割合が増加することにより、皮膚内部で反射または散乱されカメラ200に向かう近赤外線の輝度は小さくなる。また、血流が減少している状態においては、血液で吸収される近赤外線の割合が減少することにより、皮膚内部で反射または散乱されカメラ200に向かう近赤外線の輝度は大きくなる。つまり、カメラ200によって受光される近赤外線の輝度は、心臓の鼓動に同期して変化することとなる。このため、信号検出部330は、カメラ200によって受光される近赤外線の輝度の変化を、被検者Mの心拍として検出することができる。
The
補正部340は、カメラ200によって受光された光の輝度を補正する処理を行う部分である。後に説明するように、補正部340は上記補正を行うことにより、カメラ200によって受光される第1偏光の強度の変動を抑制する。
The
図2を参照しながら、被検者Mの皮膚における近赤外線の反射、散乱について説明する。図2に示される点線DL1は、被検者Mの皮膚の表面を示す線となっている。点線DL1よりも下方側の部分が、皮膚の角質層及び表皮層(以下では、これらを纏めて「表皮層SK1」とも表記する)となっている。また、図2に示される点線DL2は、皮膚の表皮層SK1と真皮層との境界を示す線となっている。点線DL2よりも下方側の部分のことを、以下では「真皮層SK2」とも表記する。表皮層SK1は、皮膚のうち血管が分布していない部分であり、真皮層SK2は、皮膚のうち血管が分布している部分である。 The reflection and scattering of near-infrared light in the skin of the subject M will be described with reference to FIG. The dotted line DL1 shown in FIG. 2 is a line indicating the surface of the skin of the subject M. The portion below the dotted line DL1 is the stratum corneum and the epidermal layer of the skin (hereinafter, these are collectively referred to as "epidermal layer SK1"). The dotted line DL2 shown in FIG. 2 is a line indicating the boundary between the epidermal layer SK1 of the skin and the dermal layer. The portion below the dotted line DL2 is also referred to as "dermal layer SK2" below. The epidermal layer SK1 is a portion of the skin where no blood vessels are distributed, and the dermal layer SK2 is a portion of the skin where blood vessels are distributed.
図2において符号P01が付されている矢印は、光源100から被検者Mに向けて発せられる第1偏光である。以下では、この第1偏光のことを「第1偏光P01」と表記する。本実施形態では、第1偏光P01の偏波面(具体的には電場の振動面)が、第1偏光P01の入射面に対して平行となっている。つまり、本実施形態における第1偏光P01は所謂「P偏光」となっている。
The arrow labeled P01 in FIG. 2 is a first polarized light emitted from the
表皮層SK1に入射した第1偏光P01は、その一部が表皮層SK1の表面で反射される。図2において符号P02が付されている矢印は、このように反射される近赤外線を示している。以下では、当該近赤外線のことを「表面反射光P02」と表記する。表面反射光P02は、第1偏光P01と同一の偏波面を有する偏光(つまりP偏光)となっている。 A part of the first polarized light P01 incident on the skin layer SK1 is reflected by the surface of the skin layer SK1. The arrow labeled P02 in FIG. 2 indicates the near infrared rays reflected in this manner. Below, the thing of the said near-infrared is described as "surface reflected light P02." The surface reflected light P02 is polarized light (that is, P polarized light) having the same polarization plane as the first polarized light P01.
表皮層SK1に入射した第1偏光P01の一部は、表皮層SK1の内部に進入する。図2において符号P11が付されている矢印は、このように表皮層SK1に進入する近赤外線を示している。以下では、当該近赤外線のことを「進入光P11」と表記する。 A part of the first polarized light P01 incident on the skin layer SK1 enters the inside of the skin layer SK1. The arrow labeled P11 in FIG. 2 indicates the near infrared rays entering the skin layer SK1 in this manner. Below, the said near-infrared thing is described with "the approach light P11."
表皮層SK1に進入した進入光P11の一部は、更に真皮層SK2の内部に進入し、真皮層SK2にある血管中の血液によって吸収される。図2において符号P21が付されている矢印は、このように吸収される近赤外線を示している。表皮層SK1に進入した進入光P11のうち、上記のように血液によって吸収されなかったものは、反射または散乱され、その一部が皮膚の表面側に向かって進むこととなる。このように反射または散乱された近赤外線には、様々な偏波面を有する偏光が含まれている。 A part of the entering light P11 that has entered the epidermal layer SK1 further enters the interior of the dermal layer SK2 and is absorbed by the blood in the blood vessels in the dermal layer SK2. The arrow labeled P21 in FIG. 2 indicates the near infrared rays absorbed in this manner. Of the entering light P11 that has entered the epidermal layer SK1, one that has not been absorbed by the blood as described above is reflected or scattered, and a part thereof travels toward the surface side of the skin. The near infrared rays thus reflected or scattered include polarized lights having various polarization planes.
上記のように反射または散乱される偏光のうち、第1偏光P01と同一の偏波面を有する偏光のことを、以下では「第1内部反射光P12」とも表記する。また、第1偏光P01の偏波面に対して直交する偏波面を有する偏光のことを、以下では「第2内部反射光S12」とも表記する。第2内部反射光S12の偏波面(具体的には電場の振動面)は、第1偏光P01の入射面に対して垂直となっている。つまり、本実施形態における第2内部反射光S12は所謂「S偏光」となっている。図2では、第1内部反射光P12及び第2内部反射光S12のそれぞれが、点線DL2の位置から外側に向かう矢印として示されている。 Among the polarized light reflected or scattered as described above, the polarized light having the same polarization plane as the first polarized light P01 is hereinafter also referred to as "first internally reflected light P12". In addition, the polarized light having a polarization plane orthogonal to the polarization plane of the first polarized light P01 is hereinafter also referred to as "second internally reflected light S12". The polarization plane (specifically, the vibration plane of the electric field) of the second internally reflected light S12 is perpendicular to the incident plane of the first polarized light P01. That is, the second internally reflected light S12 in the present embodiment is so-called "S polarization". In FIG. 2, each of the first internally reflected light P12 and the second internally reflected light S12 is shown as an arrow directed outward from the position of the dotted line DL2.
以上のように、被検者Mの皮膚で反射または散乱される近赤外線には、表面反射光P02と、第1内部反射光P12と、第2内部反射光S12とが含まれる。図3に示されるように、これらの近赤外線はいずれもカメラ200に到達することとなる。
As described above, the near infrared rays reflected or scattered by the skin of the subject M include the surface reflected light P02, the first internally reflected light P12, and the second internally reflected light S12. As shown in FIG. 3, all of these near infrared rays reach the
図3を参照しながら、カメラ200の具体的な構成について説明する。図3に示されるカメラ200の断面は、第1偏光P01の入射面に対して平行な断面となっている。カメラ200は、図3における下半分の部分である主カメラ部201と、図3における上半分の部分である副カメラ部202と、を有している。
The specific configuration of the
主カメラ部201は、主レンズ231と、主受光部211と、主偏光フィルタ221と、を有している。
The
主レンズ231は、主カメラ部201に入射する近赤外線を、後述の主受光部211上に結像させるためのレンズである。主レンズ231は、イメージセンサ210の表面に設けられた支持壁252、253によって支持されている。
The
主受光部211は、CMOSであるイメージセンサ210のうち、上記の支持壁252と支持壁253との間の部分である。主受光部211は、その表面において結像した近赤外線の輝度分布を示す画像を、データとして後述の制御装置300へと送信する。
The main
主偏光フィルタ221は、被検者Mと主受光部211との間となる位置に配置された偏光フィルタである。本実施形態の主偏光フィルタ221は、主レンズ231と主受光部211との間となる位置において、支持壁252、253によって支持されている。主偏光フィルタ221は、第1偏光P01の偏波面とは異なる偏波面を有する偏光のみを、主受光部211に到達させるように配置されている。具体的には、主偏光フィルタ221は、第1偏光P01の偏波面に対して垂直な偏波面を有する偏光のみを通過させ、それ以外の偏光を遮断する。
The main
このため、カメラ200に向かう表面反射光P02、第1内部反射光P12、及び第2内部反射光S12のうち、主偏光フィルタ221を通過して主受光部211に到達するのは、第2内部反射光S12のみとなっている。主受光部211に到達しうる第2内部反射光S12は、本実施形態における「第2偏光」に該当する。先に説明した信号検出部330は、主受光部211によって受光された第2内部反射光S12(第2偏光)の輝度の変化を、生体信号として検出することとなる。
Therefore, among the surface reflected light P02, the first internally reflected light P12, and the second internally reflected light S12 directed to the
副カメラ部202は、副レンズ232と、副受光部212と、副偏光フィルタ222と、減光フィルタ242と、を有している。
The
副レンズ232は、副カメラ部202に入射する近赤外線を、後述の副受光部212上に結像させるためのレンズである。副レンズ232は、イメージセンサ210の表面に設けられた支持壁251、252によって支持されている。
The
図4の下段に示されるのは、主レンズ231によって主受光部211上に結像する画像IM1の例である。また、図4の上段に示されるのは、副レンズ232によって副受光部212上に結像する画像IM2の例である。画像IM1と画像IM2とは、ほぼ同一の領域を示す画像となっている。つまり、主レンズ231の視野と、副レンズ232の視野とは、互いに重なっている。このように、副レンズ232は、主カメラ部201の主レンズ231と共に、「視野重複レンズアレイ」を構成している。
Shown at the bottom of FIG. 4 is an example of an image IM1 formed on the main
図3に戻って説明を続ける。副受光部212は、CMOSであるイメージセンサ210のうち、上記の支持壁251と支持壁252との間の部分である。副受光部212は、その表面において結像した近赤外線の輝度分布を示す画像を、データとして後述の制御装置300へと送信する。
Returning to FIG. 3, the description will be continued. The sub
副偏光フィルタ222は、被検者Mと副受光部212との間となる位置に配置された偏光フィルタである。本実施形態の副偏光フィルタ222は、副レンズ232と副受光部212との間となる位置において、支持壁251、252によって支持されている。副偏光フィルタ222は、第1偏光P01の偏波面と同一の偏波面を有する偏光のみを、副受光部212に到達させるように配置されている。つまり、主偏光フィルタ221は、第1偏光P01の偏波面に対して直交する偏波面を有する偏光のみを通過させ、それ以外の偏光を遮断する。
The
このため、カメラ200に向かう表面反射光P02、第1内部反射光P12、及び第2内部反射光S12のうち、副偏光フィルタ222を通過して副受光部212に到達するのは、表面反射光P02及び第1内部反射光P12のみとなっている。副受光部212によって受光された近赤外線の輝度を示す信号は、制御装置300へと入力される。
Therefore, among the surface reflected light P02, the first internally reflected light P12, and the second internally reflected light S12 directed to the
減光フィルタ242は、副受光部212に向かう近赤外線の輝度を減衰させるためのフィルタである。減光フィルタ242は、副レンズ232よりも被検者M側となる位置において、支持壁251、252によって支持されている。
The
副受光部212に向かう近赤外線(表面反射光P02、第1内部反射光P12)の輝度は、主受光部211によって受光される近赤外線(第2内部反射光S12)の輝度に比べて大きい。本実施形態では、上記の減光フィルタ242を副受光部212側にのみ設けることにより、副受光部212によって受光される近赤外線の輝度を、主受光部211によって受光される近赤外線の輝度と同程度のレベルまで落としている。これにより、それぞれの近赤外線の輝度を、イメージセンサ210のダイナミックレンジ内に収めることが可能となっている。
The luminance of near infrared rays (surface reflected light P02, first internally reflected light P12) directed to the sub
生体信号検出装置10を以上のような構成としたことの効果について、図5を参照しながら説明する。図5(A)の線L1に示されるのは、皮膚で反射または散乱された近赤外線の全てがカメラ200によって受光された場合における、当該近赤外線の輝度の変化の例を示すグラフである。つまり、図5(A)には、主偏光フィルタ221が設けられていない場合において、主受光部211によって受光される近赤外線の輝度の変化の例が示されている。尚、図5に示される「DH」はカメラ200のダイナミックレンジの上限であり、「DL」はその下限である。
The effect of having the biological
このような場合には、表面反射光P02、第1内部反射光P12、及び第2内部反射光S12の全てが主受光部211によって受光される。このため、線L1で示される輝度変化には、血流量の変化に伴う第2内部反射光S12の輝度変化だけでなく、被検者Mの姿勢等の変化に伴う表面反射光P02の輝度変化も含まれている。血液に対する近赤外線の吸光度は小さく、更に近赤外線はその一部が皮膚表面で反射されやすい。その結果、線L1で示される輝度変化では、表面反射光P02の輝度変化が支配的となっており、第2内部反射光S12の輝度変化が占める割合は僅かとなっている。つまり、線L1においては、生体信号のS/N比が小さくなってしまっている。このため、線L1に示される輝度変化に基づいて、生体信号を精度よく検出することは困難である。
In such a case, all of the surface reflected light P02, the first internally reflected light P12, and the second internally reflected light S12 are received by the main
また、線L1に示される輝度変化の振幅は、ダイナミックレンジに比べると小さな振幅となっている。線L1に基づいて生体信号を検出するためには、例えば光源100の出力を大きくし、上記振幅を大きくすることも考えられる。
Further, the amplitude of the luminance change shown by the line L1 is smaller than the dynamic range. In order to detect a biological signal based on the line L1, for example, increasing the output of the
しかしながら、線L1で示される輝度は、表面反射光P02の輝度を含むことにより比較的大きくなっており、ダイナミックレンジの上限DHに近い値となっている。このため、上記のように光源100の出力を大きくした場合には、主受光部211によって受光される近赤外線の輝度がダイナミックレンジを超えてしまい、測定不可能となってしまう。
However, the luminance indicated by the line L1 is relatively large by including the luminance of the surface reflected light P02, and has a value close to the upper limit DH of the dynamic range. For this reason, when the output of the
図5(B)の線L2に示されるのは、本実施形態(つまり図3に示される構成)の主受光部211によって受光される近赤外線の輝度の変化の例である。本実施形態では、表面反射光P02及び第1内部反射光P12については主受光部211によって受光されず、第2内部反射光S12のみが主受光部211によって受光される。このため、線L2で示される輝度変化には、血流量の変化に伴う第2内部反射光S12の輝度変化のみが含まれている。従って、線L2に示される輝度変化に基づけば、生体信号を精度よく検出することが可能である。
What is indicated by a line L2 in FIG. 5B is an example of the change in the brightness of near-infrared light received by the main
尚、線L2に示される輝度変化の振幅は、ダイナミックレンジに比べるとやはり小さな振幅となっている。このため、生体信号を更に精度よく検出するためには、例えば光源100の出力を大きくし、上記振幅を大きくすることが好ましい。
The amplitude of the luminance change shown by the line L2 is also smaller than the dynamic range. For this reason, in order to detect a biosignal more accurately, for example, it is preferable to increase the output of the
線L2で示される輝度は、表面反射光P02の輝度を含んでいないので比較的小さくなっており、ダイナミックレンジの下限DLに近い値となっている。このため、上記のように光源100の出力を大きくした後においても、第2内部反射光S12の輝度変化をダイナミックレンジ内に収めることは可能である。図5(B)の線L3は、このように光源100の出力を大きくした場合における、第2内部反射光S12の輝度変化の例を示すグラフとなっている。この場合、生体信号のS/N比が大きくなるので、線L2に基づく場合に比べて、生体信号を更に精度よく検出することが可能となる。
The luminance indicated by the line L2 is relatively small because it does not include the luminance of the surface reflected light P02, and has a value close to the lower limit DL of the dynamic range. For this reason, even after the output of the
以上のように、本実施形態に係る生体信号検出装置10では、被検者Mと主受光部211との間となる位置に配置された主偏光フィルタ221を備えている。主偏光フィルタ221は、第1偏光P01の偏波面とは異なる偏波面を有する第2内部反射光S12(第2偏光)のみを、主受光部211に到達させるように配置されている。このため、信号検出部330は、主受光部211によって受光された第2内部反射光S12の輝度の変化を、生体信号として精度よく検出することが可能となっている。
As described above, the biological
尚、本実施形態においては、主偏光フィルタ221を通過する第2内部反射光S12(第2偏光)の偏波面が、第1偏光P01の偏波面に対して直交する偏波面となっている。それぞれの偏波面が互いになす角度は、本実施形態のように90度であってもよいのであるが、90度とは異なる角度であってもよい。本発明者らが実験等により検討したところによれば、上記角度を90度±30度の範囲内に収めれば、表面反射光P02の影響を除外することができ、生体信号を精度よく検出できるようになることが確認されている。
In the present embodiment, the polarization plane of the second internally reflected light S12 (second polarization) passing through the
ところで、本実施形態に係る生体信号検出装置10は車両に搭載されているので、被検者Mには、光源100からの近赤外線のみならず、窓ガラスG1を通じて外部から入射する近赤外線も到達することがある。このような近赤外線には、様々な偏波面を有する近赤外線が含まれている。このため、その一部が主偏光フィルタ221を通過して主受光部211に到達してしまい、生体信号のS/N比が低下してしまうことが懸念される。
By the way, since the biological
これを防止するために、本実施形態に係る生体信号検出装置10では、窓ガラスG1を内側から覆うように設けられたフィルタF1を更に備えている(図1を参照)。フィルタF1は、車両の外から車室内に入射する近赤外線のうち、第1偏光P01の偏波面と同一の偏波面を有する光のみを被検者Mの皮膚に到達させるように、窓ガラスG1に設けられた偏光フィルタである。このようなフィルタF1が設けられていることにより、光源100から発せられた近赤外線とは異なる近赤外線が、主受光部211に到達し検知されてしまうような事態が防止されている。
In order to prevent this, the biological
尚、窓ガラスG1に設けられるフィルタF1は、上記のような偏光フィルタであってもよいのであるが、車両の外から車室内に入射する近赤外線を、被検者Mの皮膚に一切到達させないように遮断するものであってもよい。 The filter F1 provided on the window glass G1 may be a polarization filter as described above, but does not allow near infrared rays entering the vehicle interior from outside the vehicle to reach the skin of the subject M at all It may be shut off.
制御装置300によって行われる処理について、図6を参照しながら説明する。図6に示される一連の処理は、所定の制御周期が経過する毎に、制御装置300によって繰り返し実行されるものである。
The process performed by the
当該処理の最初のステップS01では、主受光部211で受光される近赤外線(つまり第2内部反射光S12)の強度が取得される。ステップS01に続くステップS02では、副受光部212で受光される近赤外線(つまり表面反射光P02や第1内部反射光P12)の強度が取得される。
In the first step S01 of the process, the intensity of the near-infrared light (that is, the second internally reflected light S12) received by the main
ステップS02に続くステップS03では、主受光部211で受光される近赤外線の強度を補正する処理が行われる。主受光部211で受光される近赤外線の強度(つまり補正前の強度)をIs0とし、副受光部212で受光される近赤外線の強度をIpとすると、補正後の強度Isは下記の式(1)のように表せられる。
Is=Is0×f(Ip)・・・・(1)
In step S03 following step S02, processing is performed to correct the intensity of the near-infrared light received by the main
Is = Is0 × f (Ip) (1)
式(1)における「f(Ip)」は、Ipが大きいときには1よりも大きな値を返し、Ipが小さいときには1よりも小さな値を返す関数である。このため、主受光部211で受光される近赤外線の強度は、副受光部212で受光される近赤外線の強度が大きいときには元の値よりも大きくなるように補正され、副受光部212で受光される近赤外線の強度が小さいときには元の値よりも小さくなるように補正される。つまり、補正部340は、副受光部212によって受光された光の輝度が大きい程、主受光部211によって受光された第2偏光の輝度を大きくするように補正する処理を行う。
“F (Ip)” in the equation (1) is a function that returns a value larger than 1 when Ip is large, and returns a value smaller than 1 when Ip is small. Therefore, the intensity of the near-infrared light received by the main
本実施形態の副受光部212は、光源100から照射された後に被検者Mの皮膚で反射または散乱された光を、主偏光フィルタ221を介することなく、副偏光フィルタ222を介して受光する部分となっている。このような副受光部212で受光される近赤外線の強度が大きくなったときには、皮膚表面で反射される近赤外線の光量が何らかの原因で大きくなっており、その分、皮膚内部に進入する近赤外線の光量が小さくなっているものと推測される。このような場合には、副受光部212で受光される近赤外線の強度が、元のIs0よりも大きくなるように補正されることとなる。
The secondary
一方、副受光部212で受光される近赤外線の強度が小さくなったときには、皮膚表面で反射される近赤外線の光量が何らかの原因で小さくなっており、その分、皮膚内部に進入する近赤外線の光量が大きくなっているものと推測される。このような場合には、副受光部212で受光される近赤外線の強度が、元のIs0よりも小さくなるように補正されることとなる。
On the other hand, when the intensity of the near-infrared light received by the sub light-receiving
その結果、補正後の強度Isは、皮膚の内部に進入する近赤外線の光量に寄ることなく、概ね一定のレベルが維持されることとなる。信号検出部330は、補正部340によって上記のように補正された後における第2内部反射光S12(第2偏光)の輝度の変化、すなわち補正により一定のレベルが維持されている強度Isを、生体信号として検出する。このため、Is0の強度変化の影響を受けることなく、生体信号を更に正確に且つ容易に検出することができる。
As a result, the corrected intensity Is is maintained at a substantially constant level without depending on the amount of near-infrared light entering the inside of the skin. The
本実施形態では、主カメラ部201とは別に副カメラ部202を設けることにより、第2偏光の強度を適切に補正することが可能となっている。尚、副カメラ部202を、主カメラ部201とは別体の装置として設けることも可能である。しかしながら、部品コストを抑制するという点に鑑みれば、本実施形態のように主カメラ部201及び副カメラ部202の全体を一体の装置として構成することが好ましい。
In the present embodiment, by providing the
制御装置300によって行われるもう一つの処理について、図7を参照しながら説明する。図7に示される一連の処理は、所定の制御周期が経過する毎に、制御装置300によって繰り返し実行されるものである。当該処理は、図6に示される一連の処理と並行して実行される。
Another process performed by the
最初のステップS05では、主受光部211で受光される近赤外線(つまり第2内部反射光S12)の強度が取得される。当該処理は、図6のステップS01で行われる処理と同じである。
In the first step S05, the intensity of the near-infrared light (that is, the second internally reflected light S12) received by the main
ステップS05に続くステップS06では、光源100の出力が出力調整部310によって調整される。ここでは、主受光部211で受光される近赤外線の強度が所定レベルに一致するように、光源100の出力が調整される。つまり、主受光部211で受光される近赤外線の輝度をフィードバックすることにより、光源100の出力を調整する処理が行われる。このように、本実施形態における出力調整部310は、主受光部211によって受光された第2内部反射光S12(第2偏光)の輝度に基づいて、光源100の出力を調整する。
In step S06 following step S05, the
ステップS06に続くステップS07では、カメラ200の露光時間が露光調整部320によって調整される。ここでは、主受光部211で受光される近赤外線の強度が所定レベルに一致するように、カメラ200の露光時間が調整される。つまり、主受光部211で受光される近赤外線の輝度をフィードバックすることにより、カメラ200の露光時間を調整する処理が行われる。このように、本実施形態における露光調整部320は、主受光部211によって受光された第2内部反射光S12(第2偏光)の輝度に基づいて、カメラ200の露光時間(つまり主受光部211の露光時間)を調整する。
In step S07 following step S06, the
尚、ステップS06及びステップS07の処理は、いずれか一方のみが実行されることとしてもよい。本実施形態では、以上のような処理が行われることにより、主受光部211で受光される近赤外線の強度が被検者Mの個人差等によってばらつく場合であっても、その強度を概ね一定のレベルとすることができる。これにより、生体信号を常に正確に検出することが可能となっている。
Note that only one of the processes in step S06 and step S07 may be performed. In the present embodiment, even if the intensity of the near-infrared light received by the main
以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。 The present embodiment has been described above with reference to the specific example. However, the present disclosure is not limited to these specific examples. Those appropriately modified in design by those skilled in the art are also included in the scope of the present disclosure as long as the features of the present disclosure are included. The elements included in the above-described specific examples, and the arrangement, conditions, and shapes thereof are not limited to those illustrated, but can be appropriately modified. The elements included in the above-described specific examples can be appropriately changed in combination as long as no technical contradiction arises.
10:生体信号検出装置
100:光源
211:主受光部
221:主偏光フィルタ
330:信号検出部
M:被検者
10: biological signal detection apparatus 100: light source 211: main light receiving unit 221: main polarization filter 330: signal detection unit M: subject
Claims (10)
前記被検者の皮膚表面に向けて、近赤外線からなる第1偏光を照射する光源(100)と、
前記光源から照射された後に前記被検者の皮膚で反射または散乱された光を受光する受光部(211)と、
前記第1偏光の偏波面とは異なる偏波面を有する第2偏光のみを、前記受光部に到達させるように、前記被検者と前記受光部との間となる位置に配置された偏光フィルタ(221)と、
前記受光部によって受光された前記第2偏光の輝度の変化を、前記生体信号として検出する信号検出部(330)と、を備える生体信号検出装置。 A biological signal detection apparatus (10) for detecting a biological signal of a subject (M), comprising:
A light source (100) for irradiating a first polarized light composed of near infrared light toward the skin surface of the subject;
A light receiving unit (211) that receives light reflected or scattered by the skin of the subject after being irradiated from the light source;
A polarization filter (disposed at a position between the subject and the light receiving unit so that only the second polarized light having a polarization plane different from the polarization plane of the first polarized light reaches the light receiving unit 221),
A signal detection unit (330) that detects, as the biological signal, a change in luminance of the second polarized light received by the light receiving unit.
前記光源から照射された後に前記被検者の皮膚で反射または散乱された光を、前記偏光フィルタを介することなく受光する副受光部(212)を更に備える、請求項1又は2に記載の生体信号検出装置。 The light receiving unit is a main light receiving unit,
The living body according to claim 1 or 2, further comprising a secondary light receiving section (212) for receiving the light reflected or scattered by the skin of the subject after being irradiated from the light source, without passing through the polarizing filter. Signal detection device.
前記第1偏光の偏波面と同一の偏波面を有する光のみを、前記副受光部に到達させるように、前記被検者と前記副受光部との間となる位置に配置された副偏光フィルタ(222)、を更に備える、請求項3に記載の生体信号検出装置。 The polarizing filter is a main polarizing filter,
An auxiliary polarizing filter disposed at a position between the subject and the auxiliary light receiving unit so that only light having the same polarization plane as the polarization plane of the first polarization can reach the auxiliary light receiving unit. The biological signal detection apparatus according to claim 3, further comprising: (222).
前記信号検出部は、前記補正部によって補正された後における前記第2偏光の輝度の変化を、前記生体信号として検出する、請求項3又は4に記載の生体信号検出装置。 And a correction unit (340) for correcting the brightness of the second polarized light received by the main light receiving unit based on the brightness of the light received by the sub light receiving unit.
The biological signal detection apparatus according to claim 3, wherein the signal detection unit detects a change in luminance of the second polarized light after being corrected by the correction unit as the biological signal.
前記副受光部によって受光された光の輝度が大きい程、前記主受光部によって受光された前記第2偏光の輝度を大きくするように補正する、請求項5に記載の生体信号検出装置。 The correction unit is
The biological signal detection apparatus according to claim 5, wherein the luminance of the second polarized light received by the main light receiving unit is corrected to be higher as the brightness of the light received by the sub light receiving unit is larger.
前記被検者は前記車両の乗員であって、
前記車両の外から入射する近赤外線のうち、前記第1偏光の偏波面と同一の偏波面を有する光のみを前記被検者の皮膚に到達させるように、前記車両の窓ガラス(G1)に設けられたガラス用偏光フィルタ(F1)を更に備える、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の生体信号検出装置。 The biological signal detection device is configured to be mounted on a vehicle,
The subject is an occupant of the vehicle, and
Among the near infrared rays incident from the outside of the vehicle, only the light having the same polarization plane as the polarization plane of the first polarized light is allowed to reach the skin of the subject, to the window glass (G1) of the vehicle The biological signal detection apparatus according to any one of claims 1 to 8, further comprising a provided glass polarizing filter (F1).
前記被検者は前記車両の乗員であって、
前記車両の外から入射する近赤外線を前記被検者の皮膚に到達させないように、前記車両の窓ガラスに設けられた遮断フィルタ(F1)を更に備える、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の生体信号検出装置。 The biological signal detection device is configured to be mounted on a vehicle,
The subject is an occupant of the vehicle, and
The cutoff filter (F1) provided in the window glass of the said vehicle so that the near-infrared light which injects from the outside of the said vehicle may not reach the skin of the said subject, The any one of Claims 1-8 The biological signal detection apparatus according to claim 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017203359A JP2019076178A (en) | 2017-10-20 | 2017-10-20 | Biological signal detector |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017203359A JP2019076178A (en) | 2017-10-20 | 2017-10-20 | Biological signal detector |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019076178A true JP2019076178A (en) | 2019-05-23 |
Family
ID=66626199
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017203359A Pending JP2019076178A (en) | 2017-10-20 | 2017-10-20 | Biological signal detector |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2019076178A (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11128177A (en) * | 1997-10-29 | 1999-05-18 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Bio-information detection device |
JP2002224092A (en) * | 2001-01-30 | 2002-08-13 | Hitachi Ltd | Organism monitoring system and light measuring probe |
JP2006248363A (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-21 | Omron Corp | Driver lighting system, driver photographing device and driver monitoring device |
JP2014507208A (en) * | 2011-01-19 | 2014-03-27 | ドルフィン テクノロジーズ オサケ ユキチュア | Method and apparatus for visualization of cardiovascular pulse waves |
JP2015134157A (en) * | 2013-12-20 | 2015-07-27 | パナソニック インテレクチュアル プロパティ コーポレーション オブアメリカPanasonic Intellectual Property Corporation of America | Optical brain function measurement apparatus |
WO2016152843A1 (en) * | 2015-03-24 | 2016-09-29 | 日本化薬株式会社 | Optical laminate including infrared shielding layer and polarizing film |
-
2017
- 2017-10-20 JP JP2017203359A patent/JP2019076178A/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11128177A (en) * | 1997-10-29 | 1999-05-18 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Bio-information detection device |
JP2002224092A (en) * | 2001-01-30 | 2002-08-13 | Hitachi Ltd | Organism monitoring system and light measuring probe |
JP2006248363A (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-21 | Omron Corp | Driver lighting system, driver photographing device and driver monitoring device |
JP2014507208A (en) * | 2011-01-19 | 2014-03-27 | ドルフィン テクノロジーズ オサケ ユキチュア | Method and apparatus for visualization of cardiovascular pulse waves |
JP2015134157A (en) * | 2013-12-20 | 2015-07-27 | パナソニック インテレクチュアル プロパティ コーポレーション オブアメリカPanasonic Intellectual Property Corporation of America | Optical brain function measurement apparatus |
WO2016152843A1 (en) * | 2015-03-24 | 2016-09-29 | 日本化薬株式会社 | Optical laminate including infrared shielding layer and polarizing film |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20210030291A1 (en) | Biological information detection apparatus that includes a light source projecting a near-infrared pattern onto an object and an imaging system including first photodetector cells detecting near-infrared wavelength light and second photodetector cells detecting visible wavelength light | |
JP7246354B2 (en) | Measuring device and measuring method | |
US11806168B2 (en) | Physiological detection system with adjustable signal source | |
US20130245419A1 (en) | Subject information obtaining device, subject information obtaining method, and non-transitory computer-readable storage medium | |
Clemens et al. | Multisensory processing in spatial orientation: an inverse probabilistic approach | |
US9436873B2 (en) | Method and system for monitoring the skin color of a user | |
US9204843B2 (en) | Optical distance measurement system and operation method thereof | |
JP2007185348A (en) | Bio-information detector | |
US20130245418A1 (en) | Subject information obtaining device, subject information obtaining method, and non-transitory computer-readable storage medium | |
US20160345818A1 (en) | Eyeblink measurement method, eyeblink measurement apparatus, and non-transitory computer-readable medium | |
US20200315475A1 (en) | PPG Signal Collection Method and Apparatus | |
US20180279945A1 (en) | Vein visualization device | |
JP5673122B2 (en) | Biological information detection apparatus and biological information detection method | |
JP2020205551A (en) | Imaging control device | |
JP2018094056A5 (en) | ||
JP2016093253A (en) | Control method for pupil detection light source apparatus | |
US11096609B2 (en) | Brain function measurement device and brain function measurement method | |
JP2019076178A (en) | Biological signal detector | |
US20160345862A1 (en) | Optical respiration rate detection device and detection method thereof | |
US20170128018A1 (en) | Object information acquiring apparatus | |
US20160287199A1 (en) | X-ray diagnostic apparatus | |
JP6794219B2 (en) | Medical photometers and control methods for medical photometers | |
US20150000411A1 (en) | Object information acquiring apparatus and laser apparatus | |
JP2010269081A (en) | X-ray image diagnostic apparatus | |
WO2015178290A1 (en) | Object information acquiring apparatus and signal processing method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200914 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20210414 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210420 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20211116 |