CN106551681A - 生物体计测装置以及生物体计测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够高精度地计测生物体信息的生物体计测装置。根据实施方式，生物体计测装置具备驱动部、电气信号取得部、电压信号生成部和放大部。驱动部对发光元件进行驱动，使得从1个以上的发光元件发出光强度周期性变化的光信号。电气信号取得部取得与光信号在生物体内反射而得到的反射光信号的光量或光信号透射过生物体而得到的透射光信号的光量相对应的电气信号。电压信号生成部输出将取得的电气信号中包含的规定频率以下的成分去除而得到的电压信号。放大部将电压信号放大而输出放大信号。

Description

生物体计测装置以及生物体计测系统

关于本申请的交叉引用

本申请基于2015年9月30日提出的日本专利申请第2015-194441号并主张其优先权，在此引用其全部内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及生物体计测装置以及生物体计测系统。

背景技术

作为生物体计测装置的一例，公知有脉搏波计测装置。脉搏波计测装置例如使用朝向血管照射光的LED(Light Emitting Diode：发光二极管)和用于接收透射过血管或反射的光的光电二极管对脉搏波进行计测。该光电二极管的输出信号中含有脉搏波作为生物体信息。例如通过将输出信号放大来检测该脉搏波。

但是，在上述输出信号中，不仅是脉搏波成分，还含有环境光成分等低频噪声成分。并且，由于输出信号中含有的脉搏波成分的信号电平非常小，所以当将输出信号放大时，有可能脉搏波成分被埋没在低频噪声成分中而无法计测。

本实施方式要解决的课题在于，提供一种能够高精度地计测生物体信息的生物体计测装置以及生物体计测系统。

发明内容

实施方式要解决的课题涉及能够高精度地计测生物体信息的生物体计测装置以及生物体计测系统。

实施方式提供一种生物体计测装置，具备：驱动部，驱动发光元件，使得从1个以上的上述发光元件发出光强度周期性变化的光信号；电气信号取得部，取得与上述光信号在生物体内反射而得到的反射光信号的光量或上述光信号透射过生物体而得到的透射光信号的光量相对应的电气信号；电压信号生成部，输出将取得的上述电气信号中包含的规定频率以下的成分去除而得到的电压信号；以及放大部，将上述电压信号放大而输出放大信号。

此外，实施方式提供一种生物体计测系统，具备：1个以上的发光元件，向生物体照射光强度周期性变化的光信号；受光元件，接收上述光信号在上述生物体内反射而得到的反射光信号或上述光信号透射过生物体而得到的透射光信号，并输出电流信号；驱动部，驱动上述发光元件；电流电压变换部，输出将上述电流信号中包含的规定频率以下的频率成分去除而得到的电压信号；以及放大部，将上述电压信号进行放大而输出放大信号。

附图说明

图1是表示第一实施方式的生物体计测系统的概略结构的框图。

图2A是表示没有电容器时的电压信号的电平和放大信号的电平的图。

图2B是表示有电容器时的电压信号的电平和放大信号的电平的图。

图3是表示第一实施方式的变形例的生物体计测装置的结构的框图。

图4是表示第二实施方式的生物体计测系统的概略结构的框图。

图5是用于说明图4所示的解调部的解调处理的信号波形图。

图6是表示第二实施方式的变形例的生物体计测装置的结构的框图。

具体实施方式

下面参照附图对实施方式进行说明。本发明不限于下述实施方式。

(第一实施方式)

图1是表示第一实施方式的生物体计测系统的概略结构的框图。如图1所示，本实施方式的生物体计测系统1具备发光元件2、受光元件3和生物体计测装置4。

发光元件2朝向生物体内(本实施方式中是血管)照射光信号S1。光信号S1的光强度如图1所示那样周期性变化。光信号S1的频率是以脉搏波信号为代表的生物体信号的频率或环境光变化的频率，具体而言是与几～几十Hz相比足够高的频率，例如是几kHz左右。

本实施方式中，发光元件2例如由发出绿色光的LED构成。但是，发光元件2也可以是LED以外的其他种类的发光元件。此外，发光元件2的发光色(光的波长)也可以是红色、红外等其他色(波长)。

此外，本实施方式中，从1个发光元件发出光信号S1，但也可以使用多个发光元件生成光信号S1。更具体而言，也可以通过使光强度较高的第一发光元件和光强度比第一发光元件低的第二发光元件交替地发光而生成光信号S1。

受光元件3接收从发光元件2照射的光信号S1在生物体内反射而得到的反射光信号。但是，在发光元件2的光为红色的情况下，受光元件3接收透射过生物体的透射光信号。这样，从发光元件2照射的光信号S1通过被生物体反射或透射过生物体而被振幅调制，该被振幅调制后的光信号被受光元件3接收。此外，受光元件3输出与接收到的反射光信号的光量或透射光信号的光量对应的电流信号。该电流信号包含由光信号S1振幅调制后的脉搏波成分和环境光等的低频噪声成分(DC成分)。本实施方式中，受光元件3由光电二极管构成。但是，受光元件3也可以是光电二极管以外的其他种类的受光元件。

生物体计测装置4具有驱动部41、电流电压变换部42、放大部43、A/D变换部44、解调部45和定时控制部46。以下，对各部进行说明。

驱动部41生成发光元件2的驱动信号使得从发光元件2发出光信号S1。

电流电压变换部42具有运算放大器OA1、OA2、电阻元件Rf以及电容器Cf。运算放大器OA1的同相输入端子和运算放大器OA2的同相输入端子与恒压源连接。另外，本实施方式中，电流电压变换部42具有2个单端型运算放大器OA1、OA2，但也可以取而代之而具有具备一对输出端子的1个完全差动型运算放大器。

运算放大器OA1的反相输入端子经由电容器C1而与受光元件3的阳极连接。另一方面，运算放大器OA2的反相输入端子经由电容器C2而与受光元件3的阴极连接。电阻元件Rf在运算放大器OA1、OA2的各自中设在反相输入端子与输出端子之间。电容器Cf是使信号平滑化并且用于运算放大器OA1、OA2的稳定动作的电子部件，与电阻元件Rf并联连接。

在如上述那样构成的电流电压变换部42中，从受光元件3经由电容器C1、C2输入电流信号。该电流信号被变换为电压信号并从OA1、OA2的输出端子输出。此时，通过利用电容器C1、C2和电阻元件Rf构成的第1滤波器5，电流信号中包含的规定频率以下的成分被去除。

本实施方式中，第1滤波器5作为从电流信号中将比光信号S1的频率低的成分、换言之环境光等低频噪声成分去除的高通滤波器发挥功能。另外，构成第1滤波器5的电容器C1、C2虽然设在生物体计测装置4的外部，但也可以设在生物体计测装置4的内部。

放大部43将从电流电压变换部42输出的电压信号放大而输出放大信号。本实施方式中，放大部43由PGA(Programmable Gain Amplifier：可编程增益放大器)构成，但也可以由其他种类的放大器构成。

这里，参照图2，对输入到放大部43的电压信号和从放大部43输出的放大信号进行说明。图2(a)是表示没有电容器C1、C2时的电压信号的电平和放大信号的电平的图。图2(b)是表示有电容器C1、C2时的电压信号的电平和放大信号的电平的图。图2(a)以及图2(b)中，斜线部分表示低频噪声成分的电平。

在没有设置电容器C1、C2的情况下，电流电压变换部42将从受光元件3输出的电流信号直接变换为电压信号。因此，如图2(a)所示，电压信号中包含的低频噪声成分的电平较大。结果，当放大部43的增益较大时，信号电平超过电源电压VDD，发生信号修剪(clip)。由此，不能忠实地检测电压信号中包含的高频的脉搏波成分。

另一方面，在如本实施方式那样设有电容器C1、C2的情况下，当电流电压变换部42将电流信号向电压信号变换时，通过电容器C1、C2和电阻元件Rf将低频噪声成分大致去除。因此，如图2(b)所示那样，电压信号中包含的低频噪声成分的电平变得非常小。因此，放大部43能够在不发生信号修剪的范围内将电压信号放大，能够以较大的增益将电压信号中包含的高频的脉搏波成分放大并检测。

再回到图1，A/D变换部44将从放大部43输出的放大信号进行数字变换后输出数字信号。本实施方式中，A/D变换部44的采样频率是光信号S1的频率的2倍以上。

解调部45通过对从A/D变换部44输出的数字信号进行数字处理，检测该数字信号中包含的脉搏波成分。如上所述，由受光元件3接收的光信号是将来自发光元件2的光信号S1进行振幅调制而得到的信号。在将由受光元件3接收到的光信号用电流电压变换部42变换为电压信号、进而用A/D变换部44进行了数字变换后，解调部45进行解调而检测作为生物体信息的脉搏波成分。定时控制部46对A/D变换部44的动作定时进行控制，以使A/D变换部44与光信号S1同步地进行数字变换。

以下，对上述本实施方式的生物体计测系统1的动作进行说明。

首先，驱动部41驱动发光元件2。由此，发光元件2向生物体内发出光信号S1。光信号S1在生物体内被振幅调制，作为在生物体内反射后的反射光信号或透射过生物体的透射光信号而被受光元件3接收。受光元件3输出与反射光信号的光量或透射光信号的光量对应的电流信号。

上述电流信号经由电容器C1、C2输入到电流电压变换部42，电流电压变换部42将该电流信号变换为电压信号。此时，如上述那样，通过由电容器C1、C2和电阻元件Rf构成的第1滤波器5，将低频噪声成分去除。

从电流电压变换部42输出的电压信号被放大部43以预先设定的增益放大。放大部43向A/D变换部44输出将电压信号放大而得到的放大信号。

A/D变换部44向解调部45输出将放大信号进行数字变换而得到的数字信号。最后，解调部45从数字信号中提取与脉搏波成分对应的数字值，从而检测出脉搏波。

根据以上说明的本实施方式的生物体计测系统1，通过电容器C1、C2和电流电压变换部42，放大部43能够放大低频噪声成分被去除后的电压信号。因此，能够确保较大的增益，从而能够高精度地计测脉搏波。

此外，本实施方式中，由于发光元件2发出高频的光信号S1，所以能够将脉搏波进行振幅调制。结果，被振幅调制后的脉搏波的频带为几kHz。另一方面，低频噪声成分的频带为几Hz。因此，脉搏波的频带与低频噪声成分的频带之差非常大。由此，不使用高精度的滤波器也能容易地去除低频噪声成分。即，这意味着能够不受环境光等低频噪声成分的影响地光学检测脉搏波成分。

另外，也可以是，在本实施方式的生物体计测装置4中，至少驱动部41、电流电压变换部42和放大部43作为半导体装置的构成要素设在芯片内。

此外，本实施方式中，电流电压变换部42包含取得与受光元件3所接收到的信号(反射光信号、透射光信号)的光量对应的电气信号的电气信号取得部、以及输出将所取得的电气信号中包含的规定频率成分以下的成分去除而得到的电压信号的电压信号生成部。具体而言，运算放大器OA1、OA2的反相输入端子构成电气信号取得部，运算放大器OA1、OA2的输出端子以及电阻元件Rf构成电压信号生成部。

但是，电气信号取得部以及电压信号生成部不限于作为电流电压变换部42而成为一体的结构，也可以是分体的结构。进而，由电气信号取得部取得的电气信号不仅是从受光元件3输出的电流信号，也可以是将该电流信号进行电压变换而得到的电压信号。即，将由受光元件3接收到的光信号变换为电压的处理也可以在生物体计测装置4的外部进行。该情况下，向生物体计测装置4输入与由受光元件3接收到的光信号对应的电压信号。生物体计测装置4由于具有取得所输入的电压信号作为上述电气信号的电气信号取得部、和输出将所取得的电气信号中包含的规定频率成分以下的成分去除而得到的电压信号的电压信号生成部，所以能够通过与图1同样的处理动作来检测脉搏波成分。

(变形例1)

图3是表示第一实施方式的变形例的生物体计测装置的结构的框图。

如图3所示，本变形例的生物体计测装置4a中，电容器C1、C2与运算放大器OA1、OA2的输出端子分别串联连接。此外，在电容器C1与放大部43的连接路径上，连接有电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地。并且，在电容器C2与放大部43的连接路径上，连接有电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地。

本变形例中，从受光元件3输出的电流信号被直接输入到电流电压变换部42。电流电压变换部42将电流信号变换为电压信号而输出。在该时刻，电压信号包含低频噪声成分。但是，低频噪声成分在向放大部43输入之前，被电容器C1、C2和电阻R1、R2去除。即，本变形例中，电流电压变换部42作为上述电气信号取得部发挥功能，电容器C1、C2以及电阻R1、R2作为上述电压信号生成部发挥功能。

在以上说明的本变形例中，通过电容器C1、C2和电阻R1、R2，放大部43也能够放大将低频噪声成分去除后的电压信号。因此，能够确保较大的增益，从而能够高精度地计测脉搏波成分。

(第二实施方式)

对第二实施方式的生物体计测系统进行说明。这里，对于与上述第一实施方式的生物体计测系统1同样的构成要素，附加相同符号而省略详细说明。

图4是表示第二实施方式的生物体计测系统的概略结构的框图。如图4所示，本实施方式的生物体计测系统10与第一实施方式的生物体计测系统1的不同点在于，取代解调部45而具备解调部55。

解调部55设在放大部43与A/D变换部44之间。解调部55进行从被放大部43放大后的放大信号中检测脉搏波的解调处理。以下，参照图5，对解调部55的解调处理进行说明。图5是用于说明解调部55的解调处理的信号波形图。

图5所示的放大信号S2是将脉搏波信号以高频的光信号S1进行振幅调制而得到的模拟信号。解调部55例如具有峰值保持电路。该峰值保持电路作为从放大信号S2中提取峰值成分即放大信号S2的包络线信息并输出频率比放大信号S2低的低频信号S3的低频变换部发挥功能。

低频信号S3是相当于脉搏波信号的信号。即，解调部55进行从放大信号S2中检测脉搏波信号的动作。并且，该脉搏波信号在A/D变换部44中被变换为数字信号。

在以上说明的本实施方式的生物体计测系统10中，与第一实施方式同样，放大部43能够放大将低频噪声成分去除后的电压信号。因此，能够确保较大的增益，所以能够高精度地计测脉搏波。

特别是，本实施方式中，解调部55在模拟信号(放大信号S2)的阶段检测脉搏波信号，使输入到A/D变换部44的信号频率变低。因此，能够使A/D变换部44的采样频率变低。由此，即使A/D变换部44的采样频率比光信号S1的频率的2倍小，A/D变换部44也能够对脉搏波信号进行数字处理。即，即使A/D变换部44不为高功能，也能够对脉搏波信号进行数字处理。

(变形例2)

图6是表示第二实施方式的变形例的生物体计测装置的结构的框图。如图6所示，本变形例的生物体计测装置4b具备解调部65。解调部65具有混频器65a和第2滤波器65b。

混频器65a将从放大部43输出的放大信号S2、与频率和光信号S1的频率相同的信号S4合成。并且，混频器65a输出第1信号和第2信号。第1信号是将放大信号S2的频率和信号S4的频率(光信号S1的频率)合计而得到的频率的信号。另一方面，第2信号是放大信号S2的频率与信号S4的频率(光信号S1的频率)之间的差分频率的信号。

第2滤波器65b将第1信号去除而检测出第2信号。第2信号是从放大信号S2的频率减去与光信号S1的频率相同的频率而生成的信号。放大信号S2中含有光信号S1的高频成分和脉搏波信号的低频成分。因此，利用放大信号S2的频率与光信号S1的频率的差分，在第2信号中，留下了上述低频成分。这样生成的低频的第2信号相当于图5所示的低频信号S3。即，第2信号是相当于脉搏波信号的信号。

在本变形例中，解调部65也在模拟信号(放大信号S2)的阶段检测出脉搏波信号。因此，即使A/D变换部44的采样频率不高、换言之即使A/D变换部44的采样频率比光信号S1的频率的2倍小，也能够对脉搏波信号进行数字处理。

在以上说明的各实施方式以及各变形例中，说明了从解调部45或A/D变换部44输出的信号是脉搏数的计测信号的例子。但是，上述生物体计测装置4、4a、4b不仅适用于脉搏数的计测，例如也可以适用于血液中的氧饱和度的计测。即，从各生物体计测装置输出的信号中还能包含脉搏波以外的生物体信息。

说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子提示的，并不意欲限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种形态实施，在不脱离发明主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求记载的发明及其等同范围中。

Claims (10)

1.一种生物体计测装置，其中，具备：

驱动部，驱动发光元件，使得从1个以上的上述发光元件发出光强度周期性变化的光信号；

电气信号取得部，取得与上述光信号在生物体内反射而得到的反射光信号的光量或上述光信号透射过生物体而得到的透射光信号的光量相对应的电气信号；

电压信号生成部，输出将取得的上述电气信号中包含的规定频率以下的成分去除而得到的电压信号；以及

放大部，将上述电压信号放大而输出放大信号。

2.如权利要求1所述的生物体计测装置，其中，

上述电气信号取得部所取得的上述电气信号是电流信号，

上述电压信号生成部具有电阻元件，

上述电压信号生成部通过第1滤波器，将上述电流信号中包含的上述规定频率以下的成分去除，并输出上述电压信号，上述第1滤波器是利用连接于上述电气信号取得部的电容器和上述电阻元件而构成的。

3.如权利要求1所述的生物体计测装置，其中，

还具备基于上述放大信号来检测上述生物体内的生物体信息的解调部。

4.如权利要求3所述的生物体计测装置，其中，

还具备将上述放大信号进行数字变换而输出数字信号的A/D变换部，

上述解调部从上述数字信号检测上述生物体信息。

5.如权利要求3所述的生物体计测装置，其中，

上述解调部具有低频变换部，上述低频变换部从上述放大信号中提取峰值成分，并输出频率比上述放大信号低的低频信号，

上述生物体计测装置还具有将上述低频信号变换为上述数字信号的A/D变换部。

6.如权利要求5所述的生物体计测装置，其中，

上述低频变换部具有：

混频器，将上述放大信号和频率与上述发光元件发出的上述光信号的频率相同的信号进行合成，输出将上述放大信号的频率与上述光信号的频率合计而得到的频率的第1信号、和上述放大信号的频率与上述光信号的频率之间的差分频率的第2信号；以及

第2滤波器，将上述第1信号去除而检测上述第2信号作为上述低频信号。

7.如权利要求1所述的生物体计测装置，其中，

上述电气信号取得部具有电流电压变换部，上述电流电压变换部取得电流信号作为上述电气信号，并将所取得的电流信号变换为包含上述规定频率以下的成分的电压信号，

上述电压信号生成部具有连接于上述电流电压变换部的输出侧的电容器和连接于上述电容器的电阻，上述电容器和上述电阻从被上述电流电压变换部进行变换而得到的电压信号中将上述规定频率以下的成分去除。

8.如权利要求5所述的生物体计测装置，其中，

上述A/D变换部的采样频率比上述光信号的频率的2倍小。

9.一种生物体计测系统，其中，具备：

1个以上的发光元件，向生物体照射光强度周期性变化的光信号；

受光元件，接收上述光信号在上述生物体内反射而得到的反射光信号或上述光信号透射过生物体而得到的透射光信号，并输出电流信号；

驱动部，驱动上述发光元件；

电流电压变换部，输出将上述电流信号中包含的规定频率以下的频率成分去除而得到的电压信号；以及

放大部，将上述电压信号进行放大而输出放大信号。

10.如权利要求9所述的生物体计测系统，其中，

具备：

半导体装置，具有上述驱动部、上述电流电压变换部和上述放大部；以及

电容器，连接于上述受光元件和上述半导体装置，

上述电流电压变换部具有连接于上述电容器的电阻元件，上述电阻元件和上述电容器构成将上述电流信号中包含的上述规定频率以下的频率成分去除的第1滤波器。