JP2003240716A

JP2003240716A - 光学式計測装置

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Publication number: JP2003240716A
Application number: JP2002038434A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Nakajima; 哲也仲島; Kyoji Inobe; 射延　　恭二; Seiji Nagakusa; 誠治永草; Sadasuke Kimura; 禎祐木村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2003-08-27
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: JP3826812B2; US20030158486A1; US6922577B2

Abstract

(57)【要約】【課題】検出精度を確保しつつ低消費電力化を図ること
ができる光学式計測装置を提供する。【解決手段】センサ１０は、所定の周期にて所定時間だ
け二次電池５０から電力の供給を受けて発光素子１１か
ら被検出対象に向けて光を発するとともに被検出対象か
らの反射光を受光素子１２にて受ける。減算器２１は受
光素子１２からの受光信号ＳＧ１に対し直流成分ＳＧ３
を減算して変動成分を抽出する。減算器２１の出力信号
は増幅器２２にて増幅され、その信号はＡ／Ｄ変換器３
６にてＡ／Ｄ変換される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学式計測装置に
係り、例えば、人の体の一部に装着して血液の流れ等を
電気信号にして取り出して計測する装置に適用できるも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、生体信号を検出する装置として、
携帯タイプの光学式計測装置が知られている。この装置
は被験者の腕などに装着して使用され、生体信号を検出
するセンサと、このセンサが検出した生体信号を監視装
置へ伝送する送信回路と、前記センサ及び前記送信回路
を作動させるための電力を蓄えた電池とを備えている。

【０００３】ところが、被験者の健康状態を正確に監視
しようとすると、生体信号を高頻度で検出することが必
要であり、消費電力の増大を招く。生体信号検出装置
は、被験者の腕などに装着して使用されるので、容量の
大きい大型の電池を用いることは困難である。このた
め、頻繁に電池を交換する必要があり、手間がかかると
ともに運用上のコスト上昇を招いていた。

【０００４】また、検出できる生体信号としては、脈拍
数、脈拍間隔といった時間軸情報が主であり、生体異常
予知に必要とされる情報、例えば、脈拍振幅の絶対値
（受光信号の絶対値）とその経時変化などの振幅の微細
変化情報の検出が困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような背
景の下になされたものであり、その目的は、検出精度を
確保しつつ低消費電力化を図ることができる光学式計測
装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】今、図６に示すように、
発光素子２０１に対応して受光素子２０２が用意され、
受光素子２０２と増幅器２０４をコンデンサ２０３にて
カップリング（ＡＣカップリング）し、増幅器２０４の
出力信号をＡ／Ｄ変換器２０５を通して取り出す場合を
考える。図７に示すように、受光素子２０２の出力信号
（Ｖ１）に対し増幅器２０４の入力側信号（Ｖ２）はゼ
ロレベルを中心に変動することになり、この信号（Ｖ
２）が増幅器２０４にて増幅されて増幅信号（Ｖ３）が
得られる。

【０００７】ここで、発光素子２０１において発光動作
させるための消費電力を少なくすべく発光素子２０１を
デューティ駆動することを考える。具体的には、図８に
示すように、発光素子３０１に流す電流をオン／オフ制
御することとし、受光素子３０２の出力は増幅器３０３
を介してＡ／Ｄ変換する。ところが、図９に示すよう
に、増幅器３０３のフルスケールが０ボルトから受光信
号の変動成分を含む幅（範囲）となり、フルスケールに
対する受光信号での変動成分の振幅としては小さいもの
しか得られずＡ／Ｄ変換後において精度が悪いものとな
ってしまう。換言すると、検出信号が微弱で多くの直流
成分を持っているため、そのまま増幅すると容易にフル
スケールを超えてしまう。

【０００８】そこで、本発明者らは、図１０に示すよう
に、受光信号（Ｖ１）を減算器４０３に送り、ここで、
当該受光信号（Ｖ１）に対し直流成分を減算させ、その
信号を増幅器４０４にて増幅することを考えた。これに
より、図１１に示すように、受光信号（Ｖ１）に対し直
流成分を差し引いた信号（Ｖ２）を得て、この信号（Ｖ
２）を増幅器４０４で増幅する。ここで、フルスケール
に対する振幅としては大きいものが得られ、Ａ／Ｄ変換
後においては精度のよいものとなる。

【０００９】つまり、請求項１に記載の光学式計測装置
は、所定の周期にて所定時間だけ電池から電力の供給を
受けて発光素子から被検出対象に向けて光を発するとと
もに被検出対象からの反射光を受光素子にて受けるセン
サと、受光素子からの受光信号に対し直流成分を減算し
て変動成分を抽出するための減算器と、減算器の出力信
号を増幅する増幅器と、増幅器の出力信号をＡ／Ｄ変換
するＡ／Ｄ変換器と、を備えたことを特徴としている。

【００１０】よって、センサの発光素子がデューティ駆
動され（所定のサンプリング周期において所定のデュー
ティ比で駆動され）、この際、電池の電力が使われる。
減算器において、受光素子からの受光信号に対し直流成
分が減算されて変動成分が抽出される。そして、減算器
の出力信号が増幅器およびＡ／Ｄ変換器によって増幅お
よびＡ／Ｄ変換される。その結果、図８に示した方式に
比較して振幅としては大きなものが得られる。また、こ
のようにして充分大きな振幅が得られることにより、デ
ューティ駆動でのサンプリング周期における発光素子の
発光時間を短くすることができる。これにより、検出精
度を確保しつつ低消費電力化を図ることができる。

【００１１】また、請求項２に記載のように、Ａ／Ｄ変
換器によるＡ／Ｄ変換値を用いて直流成分のレベルを補
正する直流成分補正手段を備えたものとし、請求項３に
記載のように、直流成分補正手段は、Ａ／Ｄ変換器によ
るＡ／Ｄ変換値の時間的な変化をモニターしてその変化
に基づいて直流成分のレベルを補正するもの、詳しく
は、請求項４に記載のように、Ａ／Ｄ変換値の時間的な
変化として増加傾向にあるときには、直流成分のレベル
を大きくする補正を行い、減少傾向にあるときには、直
流成分のレベルを小さくする補正を行うものとすると、
より確実に測定することが可能となる。

【００１２】また、請求項５に記載のように、受光素子
からの受光信号を直接Ａ／Ｄ変換した値を用いて直流成
分のレベルを補正する直流成分補正手段を備えたものと
し、請求項６に記載のように、直流成分補正手段は、受
光素子からの受光信号を直接Ａ／Ｄ変換した値が予め定
めた上限値よりも大きくなった場合には直流成分のレベ
ルを大きくする補正を行い、受光素子からの受光信号を
直接Ａ／Ｄ変換した値が予め定めた下限値よりも小さく
なった場合には直流成分のレベルを小さくする補正を行
うものとすると、受光信号が急峻に変化した場合の対応
が可能となる。

【００１３】また、請求項７に記載のように、Ａ／Ｄ変
換器によるＡ／Ｄ変換データに加えて直流成分データを
後段に送るようにすると、両データの総和が受光信号の
絶対値となり、振幅の微細変化情報を得ることが可能と
なる。

【００１４】また、請求項８に記載のように、少なくと
もＡ／Ｄ変換器によるＡ／Ｄ変換値に基づいて発光素子
の発光強度を調整するようにし、請求項９に記載のよう
に、Ａ／Ｄ変換器によるＡ／Ｄ変換値が所定の範囲から
外れる状況が継続すると、発光素子の発光強度を弱くし
たり、請求項１０に記載のように、Ａ／Ｄ変換器による
Ａ／Ｄ変換値の時間的変化において当該Ａ／Ｄ変換値が
所定の範囲内に入っているときは、発光素子の発光強度
を強くするようにすると、感度を自動調節することがで
きる。

【００１５】また、光学式計測装置は、請求項１１に記
載のように、人体の一部に装着して使用され、発光素子
は被検出対象としての血管に向かって光を発するものに
適用するとよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した一実
施の形態を図面に従って説明する。図１には、本実施形
態における光学式計測装置の全体構成を示す。

【００１７】本実施形態における光学式計測装置は生体
信号を検出するための装置であって、人体の一部、具体
的には被験者の上腕部等に装着して使用される。また、
図１に示す装置はアンテナ４１を通して監視装置（図示
略）にデータを伝送することができるようになってい
る。また、この監視装置は受信装置として機能するだけ
でなく充電器としても機能し、図１に示す装置を監視装
置に取り付けることにより二次電池５０を充電すること
ができるようになっている。

【００１８】以下、詳しく説明していく。同装置は、セ
ンサ１０とアナログ信号処理回路２０とマイコン３０と
送信回路４０とアンテナ４１と二次電池５０と使用検知
素子５１を備えている。

【００１９】生体信号を検出するためのセンサ１０は、
発光素子１１と受光素子１２を備えている。本実施形態
では、発光素子１１として発光ダイオード（ＬＥＤ）を
用い、受光素子１２としてフォトダイオード（ＰＤ）を
用いている。そして、発光素子（ＬＥＤ）１１から被検
出対象である血管（皮膚）に向けて光を発するとともに
被検出対象からの反射光を受光素子（ＰＤ）１２にて受
けるようになっている。発光素子１１はデューティ駆動
され、所定の周期（＝５０ｍｓ）にて所定時間(＝８０
μｓ)だけ駆動され、それに伴ない受光素子１２から受
光信号ＳＧ１が得られる。

【００２０】アナログ信号処理回路２０は、センサ１０
の受光素子（ＰＤ）１２からの信号ＳＧ１を入力してア
ナログ信号処理を行うものであり、減算器２１と増幅器
２２を備えている。減算器２１は、受光素子１２からの
受光信号ＳＧ１に対し直流成分ＳＧ３を減算して出力す
る。増幅器２２は減算器２１の出力信号を増幅して出力
する。

【００２１】マイコン３０は、信号処理回路３１とＣＰ
Ｕ（中央処理装置）３２とメモリ３３とパルス発生回路
３４とＡ／Ｄ変換器３５，３６とＤ／Ａ変換器３７を備
えている。ＣＰＵ３２は、マイコン全体の動きを制御す
るためのものであり、センサ１０の発光素子１１を前述
したように所定のサンプリング周期（＝５０ｍｓ）にて
所定時間(＝８０μｓ)だけ駆動する。Ａ／Ｄ変換器３６
は、増幅器２２の出力信号ＳＧ２をＡ／Ｄ変換して信号
処理回路３１に送る。Ａ／Ｄ変換器３５は、受光素子１
２からの受光信号ＳＧ１を直接、Ａ／Ｄ変換して信号処
理回路３１に送る。Ｄ／Ａ変換器３７は信号処理回路３
１からのデータをＤ／Ａ変換して減算器２１への信号Ｓ
Ｇ３、即ち、所定の直流成分レベルを生成する。信号処
理回路３１にはＣＰＵ３２が接続されている。そして、
Ａ／Ｄ変換器３５，３６からのＡ／Ｄ変換値は信号処理
回路３１を通してＣＰＵ３２に送られるとともに、ＣＰ
Ｕ３２は信号処理回路３１を通してＤ／Ａ変換器３７に
Ｄ／Ａ変換する値を指令する。ＣＰＵ３２はメモリ３３
およびパルス発生回路３４と接続されている。

【００２２】信号処理回路３１には送信回路４０が接続
され、この送信回路４０にはアンテナ４１が接続されて
いる。送信回路４０とアンテナ４１により、デジタル処
理されたデータを監視装置（図示略）へワイヤレスで伝
送することができるようになっている。

【００２３】二次電池５０には、全ての機器を作動させ
る電力が蓄えられ、二次電池５０の電力はセンサ１０
（発光素子１１）とアナログ信号処理回路２０とマイコ
ン３０と送信回路４０に供給されるようになっている。
この電力の供給にてセンサ１０等の各機器を作動させる
ことができるようになる。つまり、発光素子１１におい
ては、所定のサンプリング周期（＝５０ｍｓ）にて所定
時間（＝８０μｓ）だけ二次電池５０から電力の供給を
受けて被検出対象である血管（皮膚）に向けて光を発す
る。また、二次電池５０は使用感知素子５１からの信号
を入力する。つまり、充電を終えた計測装置（生体信号
検出装置）を使用するために監視装置（図示略）から取
り外すと、使用感知素子５１は、二次電池５０から各機
器に対し電力の供給を許可する信号を出力する。

【００２４】また、ＣＰＵ３２は二次電池５０の電圧
（充電電圧）をモニターしている。次に、本測定装置の
作用について説明する。図２には、各種の波形を示す。
この図２において、受光素子（ＰＤ）１２の出力信号
（受光信号）ＳＧ１と、増幅器２２の出力信号ＳＧ２
と、減算器２１への直流成分信号ＳＧ３を示す。

【００２５】また、図３，４は、ＣＰＵ３２における処
理内容を示すフローチャートである。まず、図１，２を
用いて説明する。

【００２６】図１のパルス発生回路３４にて正確なサン
プリングタイミングが発生し、ＣＰＵ３２はサンプリン
グ時間になるとセンサ１０の発光素子（ＬＥＤ）１１に
電力を供給し、センシングが開始される。発光素子１１
が発光すると、光が人体の皮膚を通して内部に入り毛細
血管に到達して一部が吸収されるとともに、反射散乱さ
れて皮膚内部から戻り、その戻る光が受光素子（ＰＤ）
１２にて受光される。

【００２７】受光素子１２にて受光する光は、このよう
な毛細血管などに当たって人体内部から戻る光と、皮膚
での表面反射による光とがある。よって、図２での受光
素子１２の出力信号ＳＧ１の波形として、表面反射によ
る直流成分に脈動成分（変動成分）が重畳したものが得
られる。

【００２８】検出された信号ＳＧ１は、アナログ信号処
理回路２０に入り、減算器２１において受光素子１２か
らの受光信号ＳＧ１に対して直流成分ＳＧ３が減算さ
れ、脈動成分（変動成分）が抽出される。この脈動成分
の抽出において、ＣＰＵ３２により、減算器２１への直
流成分のレベルを補正しつつ（過去の直流成分の変化か
ら予測された直流成分データをＤ／Ａ変換器３７へフィ
ードバックしつつ）今回のサンプリング時の脈動成分を
取り出す方法を採っている。換言すれば、ＣＰＵ（中央
処理装置）３２で直流成分を計算し、アナログ信号処理
回路２０にフィードバックしている。

【００２９】具体的には、（ｉ）直流成分がゆっくり変
化した場合の予測処理、および、（ｉｉ）体動やセンサ
ずれによる直流成分が急峻に変化したときに、最新の直
流成分値をただちにフィードバックしてデータの欠落を
最小限にする処理を行う。この（ｉ），（ｉｉ）の具体
的処理については後ほど図３，４を用いて説明する。

【００３０】受光素子１２からの信号ＳＧ１中の脈動成
分の値は非常に微弱であるため、減算器２１の出力はア
ナログ信号処理回路２０内の増幅器２２にて増幅され、
Ａ／Ｄ変換器３６に取り込まれ、Ａ／Ｄ変換される。一
方、受光素子１２の出力信号ＳＧ１は直接、Ａ／Ｄ変換
器３５にてＡ／Ｄ変換される。これらＡ／Ｄ変換器３
５，３６にてデジタル化されたデータは信号処理回路３
１を介してＣＰＵ３２に取り込まれる。

【００３１】Ａ／Ｄ変換器３６を通して取り込まれたデ
ータ（脈動成分データ及び直流成分データ）およびＡ／
Ｄ変換器３５を通して取り込まれたデータは、メモリ３
３に保存される。ＣＰＵ３２は、データの保存を終える
と、センサ１０の発光素子（ＬＥＤ）１１への電力供給
を停止する。その後、データの伝送処理が行われる。

【００３２】このような一連の処理は具体的には次のよ
うに行われる。ＣＰＵ３２は、図３のステップ１００で
初期設定を行う。具体的には、変数のクリア、基準サン
プリング時間データセット（２０Ｈｚ）、通信ボーレー
ト設定、通信フォーマットセット等を行う。そして、Ｃ
ＰＵ３２は、ステップ１０１において発光タイミングで
あるか判定し、発光タイミングであると、ステップ１０
２で二次電池５０の電圧値を読み込み、ステップ１０３
において電圧低下が発生していないか判定する。電圧低
下が発生していると、ステップ１０４で発光素子（ＬＥ
Ｄ）１１の通電電流値を高く設定して必要な発光強度
（輝度）を維持する。

【００３３】引き続き、ＣＰＵ３２は、ステップ１０５
において発光素子（ＬＥＤ）１１を通電して点灯させ
る。そして、ＣＰＵ３２はステップ１０６で受光素子
（ＰＤ）１２から減算器２１と増幅器２２を通過した信
号ＳＧ２のＡ／Ｄ変換値、および直接の受光信号ＳＧ１
のＡ／Ｄ変換値に対しデータサンプリングを行った後、
ステップ１０７で発光素子（ＬＥＤ）１１での通電を終
了して消灯させる。

【００３４】その後、ＣＰＵ３２は図４のステップ１０
８，１０９で、受光素子１２からの受光信号ＳＧ１を直
接Ａ／Ｄ変換した値が予め定めた上限値または下限値を
外れていないか判定し、外れていないとステップ１１０
で当該データをメモリ３３に格納する。一方、受光信号
ＳＧ１のＡ／Ｄ変換値が予め定めた上限値または下限値
を外れていると、ステップ１１１において直流成分のレ
ベルを補正する。詳しくは、直流成分補正手段としての
ＣＰＵ３２は、受光素子１２からの受光信号ＳＧ１を直
接Ａ／Ｄ変換した値が予め定めた上限値よりも大きくな
った場合には直流成分のレベルを大きくする補正を行
い、また、受光素子１２からの受光信号ＳＧ１を直接Ａ
／Ｄ変換した値が予め定めた下限値よりも小さくなった
場合には直流成分のレベルを小さくする補正を行う。

【００３５】このステップ１１１の処理や後記するステ
ップ１１３の処理を実行することにより、次回のサンプ
リングのために直流成分のレベルが補正されることにな
る（予測計算されることになる）。

【００３６】ステップ１１０の処理後において、ＣＰＵ
３２はステップ１１２で、Ａ／Ｄ変換器３６によるＡ／
Ｄ変換値が上昇傾向あるいは下降傾向にあるか判定し、
いずれかの傾向があるとステップ１１３において上昇率
・下降率に応じて直流成分のレベルを補正する。具体的
には、最新の３２個分のデータの平均値と、その前の３
２個分のデータの平均値との差を求め、この差分に係数
をかけるたものを現在の直流成分値に加算する。

【００３７】詳しくは、例えば、図５において期間Ｔ１
に示すごとくＡ／Ｄ変換値の時間的な変化として増加傾
向にあるときには、直流成分のレベルを大きくする補正
を行う。その結果、図５においてｔ１のタイミングにて
直流成分のレベルが大きくなることにより、減算器２１
の出力を増幅した後の波形としては、Δ１だけレベルが
下がることになる。一方、図５において期間Ｔ２に示す
ごとく減少傾向にあるときには、直流成分のレベルを小
さくする補正を行う。その結果、図５においてｔ２のタ
イミングにて直流成分のレベルが小さくなることによ
り、減算器２１の出力を増幅した後の波形としては、Δ
２だけレベルが上がることになる。

【００３８】このように、直流成分補正手段としてのＣ
ＰＵ３２は、Ａ／Ｄ変換器３６によるＡ／Ｄ変換値の時
間的な変化をモニターしてその変化に基づいて直流成分
のレベルを補正する。

【００３９】図４において前述のステップ１１１あるい
はステップ１１３を処理した後、ＣＰＵ３２はステップ
１１４においてデータカウンタを１インクリメントし、
さらに、ステップ１１５において送信回路４０を駆動し
て送信許可を与えるとともにスリープを解除する。そし
て、ＣＰＵ３２はステップ１１６で送信データをセット
する。これにより、所定のタイミングでデータが送信回
路４０およびアンテナ４１を通して監視装置に送られる
ことなる。その後、ＣＰＵ３２はステップ１１７で送信
禁止およびスリープ設定を行う。これが終わると、図３
のステップ１００に戻る。

【００４０】図４でのステップ１１４〜１１７の処理
（データ伝送処理）に関して、伝送するデータは、メモ
リ３３に保存された脈動成分データと直流成分データ及
びこのサンプリングが何回目なのかを表すデータカウン
ト値の３つであり、これらデータが通信のためのフォー
マット形式に変換される。伝送開始時には、送信回路４
０がそれまでの電力低減状態（スリープモード）から解
除される。また、送信回路４０が送信可能状態に設定さ
れると、データが送信回路４０を通して監視装置にワイ
ヤレスで伝送される。そして、伝送が終わると送信可能
モードが解除され、次のサンプリング時間まで送信回路
４０がスリープモードに設定される。

【００４１】このようにして、Ａ／Ｄ変換器３６による
Ａ／Ｄ変換データに加えて直流成分データが後段の監視
装置に無線にて送られる。一方、生体信号検出装置は、
未使用となった時に監視装置（充電器）に取り付ける
と、内蔵した充電回路より生体信号検出装置内の二次電
池５０に充電を始める。

【００４２】この際、充電回路は充電完了確認機能を有
しているため、過充電によって二次電池５０に不具合が
発生することを防止でき、生体信号検出装置を監視装置
（充電器）に取り付けたままでも二次電池５０に悪影響
を及ぼすことはない。

【００４３】再度使用する場合は、監視装置（充電器）
から取り外すことで生体信号検出装置は動作をはじめ、
被験者の体の部位に装着することで検出が可能となる。
このため、電池の交換の手間がかからないとともに、運
用コストも低減できる。

【００４４】ここで、光学式計測装置（生体信号検出装
置）においては、発光素子（ＬＥＤ）１１での発光に多
くの電力が必要となる。電池交換の手間を無くすため二
次電池を採用するが、一次電池に比較してエネルギー密
度が低いため消費電力を減らす必要があり、発光素子
（ＬＥＤ）を点灯させるために全消費電力のうちの多く
がこれに充てられる。今、図１２に示す構成とした場合
をついて考える。つまり、発光素子５０１と受光素子５
０２とコンデンサ５０３を備え、コンデンサカップリン
グ（コンデンサ５０３）によりＤＣ成分をカットして微
小変化量のみが通過する構成とした場合を考える。消費
電力を下げるためにはスイッチ５０４のオン時間（ＬＥ
Ｄ５０１の発光時間）を短くしていくことになる。とこ
ろが、図１３に示すように、図１２でのコンデンサ５０
３の時定数の関係による不具合、即ち、放電時間割合が
長いと信号の電位を保持しきれないため信号精度が犠牲
になり、そのため、精度の許容値から発光時間（デュー
ティ比）を短縮できなかった。即ち、検出する生体信号
がアナログの連続値のため、発光素子（ＬＥＤ）５０１
をある程度の時間点灯させる必要があった。また、コン
デンサ５０３で脈波信号（Ｖ１：図１３では説明上、直
線としている）から擬似脈波波形（Ｖ２）を整形してい
るため、信号精度も落ちている。このように、図１２に
示す構成とした場合には、消費電力と信号精度の間がト
レードオフの関係になっている。よって、精度の許容値
から、デューティ比は２０％程度となってしまう。

【００４５】これに対し、図１に示す本実施形態におい
ては、センシングした脈波信号をそのままデータ処理で
きるため、デューティ比をセンシングに必要な時間のみ
（アナログ部品の伝播特性＋マイコンでのＡ／Ｄの変換
時間＝８０［μｓ］）に短縮することができる。つま
り、ＬＥＤ発光デューティ比は８０［μｓ］／５０［ｍ
ｓ］（サンプリング周期）＝０．１６％となり、センサ
での消費電力を図１２の構成とした場合の２０％から
０．１６％へ１／１００以下に低減することができる。

【００４６】生体信号データをメモリ３３に保存した後
は、次のサンプリング時間までセンサの発光素子（ＬＥ
Ｄ）１１を消灯することで、サンプリング間隔の９９．
８％の時間を消灯（ＬＥＤをオフ）させることができ、
消費電力を減らすことができる。その結果、信号の精度
とは無関係に低消費電力化を実現することができる。

【００４７】また、図１２の構成においては、コンデン
サカップリング（コンデンサ５０３）によりＤＣ成分を
カットしていること（微小変化量のみが通過）により、
生体異常予知指標等が含まれている極低周波（脈波基線
の揺らぎ）や信号の絶対値のデータが失われてしまう。

【００４８】これに対し、本実施形態においては、間接
的に、脈波に含まれるＤＣ成分（ＳＧ３）をＡ／Ｄ変換
器３６で取り込み、マイコン３０内で処理し、直流成分
データとして減算器２１にフィードバックすることで、
脈波信号データ及びＤＣ値データの収集を実現してい
る。詳しくは、脈波信号データとＤＣ値（直流成分）デ
ータの加算により生データが得られることから、信号の
絶対値収集が可能である。つまり、アナログ信号処理回
路２０の減算器２１にて減算した後の微弱信号のみを増
幅し、生体信号データとしてメモリ３３に保存する。こ
の時、アナログ信号処理回路２０にフィードバックした
直流成分データもメモリ３３に保存することで、その総
和が生体信号の絶対値となり、振幅の微細変化情報の検
出が可能となる。このことにより、図２に示すごとく、
脈波の基線の揺らぎ（挙動）を計測することが可能とな
る。

【００４９】さらに、図１２の構成では、脈波データの
分解能を上げるべく増幅器５０５において信号の増幅を
行った後、コンデンサ５０３により生成した擬似波形を
脈波波形形状に近づけるためにローパスフィルタ５０６
を通過させ（階段状の波形を滑らかに鈍らせ）、Ａ／Ｄ
変換器５０７にてデータとして収集する。このため、急
峻なデータ変化において信号精度が低下する。

【００５０】これに対し、本実施形態においては、生の
脈波データを扱っているため、増幅後に直接、マイコン
３０に取り込むことが可能であり、高精度のデータ収集
を実現することができる。

【００５１】図３，４に示すフローチャート（フィード
バックデータ処理のアルゴリズム）において、体動・セ
ンサのズレなど脈波データが急峻に変化した場合や、図
２に示す脈波基線の揺らぎでアナログデータの入力範囲
を超えてしまった場合のデータ欠落を最小限にすること
ができる。即ち、図４のステップ１０８，１０９，１１
１の処理を実行することにより、急峻に変化した時の対
応が可能であり、ステップ１１２，１１３の処理を実行
することにより、上昇・下降傾向にある時の予測を行う
ことができる。その結果、より正確に測定することが可
能となる。

【００５２】また、図１２の構成では、脈波データ（変
化量）のみを収集しており、この収集データは処理を行
い、脈波の間隔情報（周波数）については得ることがで
きる。

【００５３】本実施形態においては、脈波データ（変化
量）に加え、ＤＣ成分データの収集が可能となり、これ
により、図２に示す脈波基線の揺らぎや振幅の絶対値
（受光信号の絶対値）といった新たな情報の収集を行う
ことが可能となる。

【００５４】以上説明してきたように、本実施形態にお
いては、生体信号に基づいて医師などが行う被験者の診
断の正確性を低下させることなく消費電力を減らすこと
ができ、かつ、生体信号中の振幅の微細変化情報の検出
が可能となる。また、図８に示す方式との比較において
は、振幅としては大きなものが得られ、また、このよう
にして充分大きな振幅が得られることにより、デューテ
ィ駆動でのサンプリング周期における発光素子１１の発
光時間を短くすることができる。これにより、検出精度
を確保しつつ低消費電力化を図ることができる。

【００５５】以下に応用例を説明する。図１４に示すよ
うに、発光素子１１のドライバ６０において複数の抵抗
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を配置し、この抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３
を選択することにより通電電流ｉを可変にし、少なくと
も図１のＡ／Ｄ変換器３６によるＡ／Ｄ変換値に基づい
て発光素子１１の発光強度を調整するようにしてもよ
い。

【００５６】詳しくは、図１５に示すように、Ａ／Ｄ変
換器３６によるＡ／Ｄ変換値に対する上限レベルと下限
レベルが決められており、受光信号レベル（ＳＧ２）が
上限レベルに達すると直流成分のレベルを強制的に所定
値だけ下げ（現象Ａ）、また、受光信号レベル（ＳＧ
２）が下限レベルに達すると直流成分のレベルを強制的
に所定値だけ上げる（現象Ｂ）ようにする。そして、所
定期間において、この直流成分のレベルの強制変更動作
が所定回以上続くか否か判定し（現象Ａと現象Ｂを繰り
返して所定回以上続くか否か判定し）、所定回以上続く
ならば、発光素子１１の通電電流ｉを小さくする（発光
強度を下げる）。これにより、脈波振幅が大きい場合に
感度を下げることができる（感度を自動調節することが
できる）。

【００５７】このように、Ａ／Ｄ変換器３６によるＡ／
Ｄ変換値が所定の範囲から外れる状況が継続すると、発
光素子１１の発光強度を弱くしてもよい。また、図１６
に示すように、所定測定期間における最大値と最小値と
の差（振幅）Ｖｐが所定以内となる場合が所定判定期間
において所定回数以上存在するならば、発光素子１１の
通電電流ｉを大きくする（発光強度を上げる）。これに
より、脈波振幅が小さい場合に感度を上げることができ
る（感度を自動調節することができる）。

【００５８】このように、Ａ／Ｄ変換器３６によるＡ／
Ｄ変換値の時間的変化において当該Ａ／Ｄ変換値が所定
の範囲内に入っているときは、発光素子１１の発光強度
を強くするようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態における光学式計測装置の全体構成
を示す図。

【図２】作用説明のための波形を示す図。

【図３】作用説明のためのフローャート。

【図４】作用説明のためのフローチャート。

【図５】作用説明のための波形を示す図。

【図６】本発明を説明するために用いた比較のための構
成図。

【図７】本発明を説明するために用いた比較のための波
形図。

【図８】本発明を説明するために用いた比較のための構
成図。

【図９】本発明を説明するために用いた比較のための波
形図。

【図１０】本発明を説明するために用いた構成図。

【図１１】本発明を説明するために用いた波形図。

【図１２】本発明を説明するために用いた比較のための
構成図。

【図１３】本発明を説明するために用いた比較のための
波形図。

【図１４】応用例を説明するための構成図。

【図１５】応用例を説明するための波形図。

【図１６】応用例を説明するための波形図。

【符号の説明】

１０…センサ、１１…発光素子、１２…受光素子、２０
…アナログ信号処理回路、２１…減算器、２２…増幅
器、３０…マイコン、３１…信号処理回路、３２…ＣＰ
Ｕ、３３…メモリ、３４…パルス発生回路、３５…Ａ／
Ｄ変換器、３６…Ａ／Ｄ変換器、３７…Ｄ／Ａ変換器、
４０…送信回路、４１…アンテナ、５０…二次電池、５
１…使用感知素子。

フロントページの続き (72)発明者永草誠治愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者木村禎祐愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 2G059 AA05 BB13 CC16 EE02 FF06 GG02 GG07 KK01 MM01 MM09 MM10 MM17 4C017 AA11 AC28 BB12 BC01 BC07 BC11 FF19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の周期にて所定時間だけ電池（５
０）から電力の供給を受けて発光素子（１１）から被検
出対象に向けて光を発するとともに被検出対象からの反
射光を受光素子（１２）にて受けるセンサ（１０）と、前記受光素子（１２）からの受光信号（ＳＧ１）に対し
直流成分（ＳＧ３）を減算して変動成分を抽出するため
の減算器（２１）と、前記減算器（２１）の出力信号を増幅する増幅器（２
２）と、前記増幅器（２２）の出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ
変換器（３６）と、を備えたことを特徴とする光学式計
測装置。
【請求項２】前記Ａ／Ｄ変換器（３６）によるＡ／Ｄ
変換値を用いて前記直流成分のレベルを補正する直流成
分補正手段（３２）を備えたことを特徴とする請求項１
に記載の光学式計測装置。
【請求項３】前記直流成分補正手段（３２）は、前記
Ａ／Ｄ変換器（３６）によるＡ／Ｄ変換値の時間的な変
化をモニターしてその変化に基づいて前記直流成分のレ
ベルを補正するものであることを特徴とする請求項２に
記載の光学式計測装置。
【請求項４】前記直流成分補正手段（３２）は、前記
Ａ／Ｄ変換値の時間的な変化として増加傾向にあるとき
には、直流成分のレベルを大きくする補正を行い、減少
傾向にあるときには、直流成分のレベルを小さくする補
正を行うものであることを特徴とする請求項３に記載の
光学式計測装置。
【請求項５】前記受光素子（１２）からの受光信号
（ＳＧ１）を直接Ａ／Ｄ変換した値を用いて前記直流成
分のレベルを補正する直流成分補正手段（３２）を備え
たことを特徴とする請求項１に記載の光学式計測装置。
【請求項６】前記直流成分補正手段（３２）は、受光
素子（１２）からの受光信号（ＳＧ１）を直接Ａ／Ｄ変
換した値が予め定めた上限値よりも大きくなった場合に
は直流成分のレベルを大きくする補正を行い、受光素子
（１２）からの受光信号（ＳＧ１）を直接Ａ／Ｄ変換し
た値が予め定めた下限値よりも小さくなった場合には直
流成分のレベルを小さくする補正を行うものであること
を特徴とする請求項５に記載の光学式計測装置。
【請求項７】前記Ａ／Ｄ変換器（３６）によるＡ／Ｄ
変換データに加えて直流成分データを後段に送るように
したことを特徴とする請求項１に記載の光学式計測装
置。
【請求項８】少なくとも前記Ａ／Ｄ変換器（３６）に
よるＡ／Ｄ変換値に基づいて前記発光素子（１１）の発
光強度を調整するようにしたことを特徴とする請求項１
に記載の光学式計測装置。
【請求項９】前記Ａ／Ｄ変換器（３６）によるＡ／Ｄ
変換値が所定の範囲から外れる状況が継続すると、前記
発光素子（１１）の発光強度を弱くするようにしたこと
を特徴とする請求項８に記載の光学式計測装置。
【請求項１０】前記Ａ／Ｄ変換器（３６）によるＡ／
Ｄ変換値の時間的変化において当該Ａ／Ｄ変換値が所定
の範囲内に入っているときは、前記発光素子（１１）の
発光強度を強くするようにしたことを特徴とする請求項
８に記載の光学式計測装置。
【請求項１１】人体の一部に装着して使用され、発光
素子（１１）は被検出対象としての血管に向かって光を
発するものであることを特徴とする請求項１〜１０のい
ずれか１項に記載の光学式計測装置。