JP2005125106A - 生体情報計測装置および脈波計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大掛かりな遮光構造がなくても使用条件に対する制約を緩和可能な光学式の人体情報検出装置および脈波計測装置を提供すること。
【解決手段】 脈波計測装置１では、装置本体１０をリストバンド１２で腕に装着する一方、検出装置３０をセンサ固定用バンド４０によって指に装着する。この状態で、ＬＥＤ３１から指に向けて光を照射すると、この光が血管に届いて反射する。反射してきた光は、フォトトランジスタ３２によって受光され、その受光量は、血液の脈波によって生じる血量変化に対応する。ここで、ＬＥＤ３１は、青色ＬＥＤを用いてあり、その発光波長ピークは、４５０ｎｍである。フォトトランジタ３２の受光波長領域は、３００ｎｍから６００ｎｍまでの波長領域にある。
【選択図】 図３

Description

本発明は、脈波計測装置などの生体情報計測装置に関し、更に詳しくは、生体に向けて光を照射し、生体からの反射光を検出して脈波などの生体情報を計測する装置に関するものである。

脈波などの生体情報を計測する装置には、血液の量の変化を光学的に検出し、その検出結果に基づいて生体情報を表示する電子機器がある。かかる光学式の脈波計測装置（生体情報計測装置）では、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光素子から指先などに光を照射し、生体（血管）からの反射光をフォトトランジスタなどの受光素子で受光することにより、血液の脈波によって生じる血量変化を受光量の変化として検出し、これにより得られる脈波信号に基づいて脈拍数や脈波の変化を表示するようになっており、発光素子から照射される光としては、従来、赤外光が用いられている。ここで、受光素子に外光（太陽光）が射し込むと、外光の入射量の変動に伴い、受光量が変動してしまうため、従来の脈波計測装置では、指先などの検出部分を遮光カバーで覆うことによって外光の影響を抑えている。

しかしながら、従来の脈波計測装置では、外光に対する遮光カバーをいくら大掛かりにしても、屋外といった外光があたる場所で使用すると、外光の一部が指自身を通って受光素子に届いてしまい、外光の照度が変動することに起因して脈波の誤検出が発生しやすいという欠点がある。従って、従来の脈波計測装置には、外光があたらない場所、または外光の照度が一定した場所でしか使用できないという制約があり、かかる制約を緩和するには、さらに大掛かりな遮光構造が必要になって、脈波計測装置を小型化できない。かかる問題点を解消するために、実開昭５７−７４００９号公報には、脈波の検出装置に加えて外光を検出する外光検出素子を設け、外光検出素子による外光の検出結果に基づいて、その影響を補償する脈波センサが開示されている。しかし、脈波センサに外光検出素子および補償回路を設けることは、その小型化や低価格化を妨げてしまうなど、これまで案出されてきた外光への対策は、いずれも実用性に乏しい。

このような問題点に鑑みて、本願発明者は、外光の照度が変動することに起因して脈波の誤検出が発生する理由を種々検討した結果、従来の脈波計測装置においてその検出系に用いている赤外光は、生体における透過率が大きすぎるため、遮光カバーを付けても外光が生体自身を透過して受光素子に届きやすいからであり、かかる問題点を解消すれば、実用的な外光対策が可能であるという結論に到達した。

そこで、本発明の課題は、外光の影響を受けにくい光学系を用いることによって、大掛かりな遮光構造がなくても使用条件に対する制約を緩和可能な生体情報検出装置および脈波計測装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明では、生体の一部に向けて光を照射する発光部、およびこの発光部が発した光を生体を介して受光する受光部、すなわち、生体からの反射光を受光する受光部を備える検出手段と、この検出手段の検出結果に基づいて生体情報を表示する生体情報表示手段とを有する生体情報計測装置において、生体情報を、検出手段の約３００ｎｍから約７００ｎｍまでの波長領域における検出結果に基づいて表示することに特徴を有する。

かかる波長領域での検出を行なうにあたって、たとえば、発光部の発光波長領域を少なくとも約３００ｎｍから約７００ｎｍまでの範囲とし、受光部の受光波長領域をλｎｍとしたときに、受光波長領域を以下の式
０ ＜ λ ≦ ７００
で表される範囲のみとする。

このような生体情報計測装置は、たとえば、検出手段の検出結果に基づいて生体情報としての脈波情報を表示する脈波計測装置を構成できる。

（作用）
本発明に係る脈波計測装置（生体情報計測装置）において、ＬＥＤなどの発光部から指や手首などに光を照射し、血管からの反射光をフォトトランジスタなどの受光部で検知することにより、血液の脈波によって生じる血量変化を受光量の変化として検出し、これにより得られる脈波信号に基づいて脈拍数や脈波の変化を表示する。本発明では、生体情報は、検出手段の３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域における検出結果に基づいて表示する。かかる波長領域での検出を行なうにあたって、たとえば、発光部の波長領域が少なくとも３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲とし、受光波長領域を７００ｎｍ以下とすれば、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を導光体として受光部にまで到達しない一方、３００ｎｍより低波長領域の光は、皮膚表面でほとんど吸収される。従って、検出結果は、外光の影響を受けることなく、発光部の光のみに基づく３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域の検出結果から生体情報を計測することができる。それ故、検出部分に外光が直接射し込まない限り、外光に起因する脈波の誤検出が発生しないので、大掛かりな遮光構造を設けなくても使用条件に対する制約を緩和できる。

また、血液中のヘモグロビンは、波長領域が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にある光に対する吸光係数が赤外光に対する吸光係数よりも著しく大きい。

かかるヘモグロビンの吸光特性に合わせて、波長領域が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にある光を生体に向けて照射すると、生体（血管）から反射してくる光の強度は、血量変化に追従して大きく変化する。それ故、脈波信号のＳ／Ｎ比が向上する。
（実施例）

図面に基づいて、本発明の一実施例を説明する。

（全体構成）
図１は、実施例に係る脈波計測装置の使用状態を示す説明図、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、脈波計測装置の検出装置を装着した指と光学素子との位置関係を模式的に示す断面図、図３は、指に装着された検出装置の動作を示す説明図である。

図１において、本例の脈波計測装置１（生体情報計測装置）では、腕時計構造を有する装置本体１０と、この装置本体１０から引き出されたケーブル２０と、このケーブル２０の先端側に設けられた検出装置３０と、この検出装置３０を指や手首などに装着するためのゴム製などのセンサ固定用バンド４０とから大略構成されている。

装置本体１０は、計時機能が内蔵された時計ケース１１、およびこの時計ケース１１を腕に装着するためのリストバンド１２から構成されている。時計ケース１１の表面側には、現在時刻や日付に加えて、検出装置３０での検出結果に基づく脈波情報（生体情報）なども表示する液晶表示装置１３が構成されている。また、時計ケース１１の内部には、検出装置３０による検出結果に基づいて脈拍数の変化などを表示するために、検出信号に対する信号処理などを行なうデータ処理回路５０も内蔵され、このデータ処理回路５０および液晶表示装置１３によって、生体情報表示手段６０が構成されている。なお、時計ケース１１の外側面には、時刻合わせや表示モードの切り換えなどを行なうためのボタンスイッチ１１１、１１２が設けられている。

脈波計測装置１の電源は、時計ケース１１に内蔵されている電池であり、ケーブル２０は、電池から検出装置３０に電力を供給するとともに、検出装置３０の検出結果を時計ケース１１内のデータ処理回路５０に入力可能である。

本例では、センサ固定用バンド４０には、マジックテープ（Ｒ）が張られており、図１に実線で示すように、センサ固定用バンド４０は、検出装置３０を指の根元に密着した状態で取り付け可能である。また、図１に点線で示すように、検出装置３０を指先に密着した状態とすることも可能である。

センサ固定用バンド４０の内面には、検出装置３０が箱型の光学ユニット３００として固定されており、それには、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に模式的に示すように、ＬＥＤ３１およびフォトトランジスタ３２が指に向けられている。ここで、図２（ａ）には、指の根元に検出装置３０を密着した状態で取り付けたときに、指の長さ方向にＬＥＤ３１およびフォトトランジスタ３２が並んだ状態を示してある。図２（ｂ）には、指先に検出装置３０を密着した状態で取り付けたときに、指の長さ方向にＬＥＤ３１およびフォトトランジスタ３２が並んだ状態を示してある。図２（ｃ）には、指に検出装置３０を密着した状態で取り付けたときに、指の周り方向にＬＥＤ３１およびフォトトランジスタ３２が並んだ構造を示してある。

本例では、図３に示すように、ＬＥＤ３１から指に向けて光を照射し、生体（血管）から反射してきた光をフォトトランジスタ３２で受光して生体（血管）から脈波を検出するようになっている。

かかる脈波の検出にあたって、本例では、赤外光ではなく、３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域における検出結果に基づいて生体情報を表示するようになっている。すなわち、検出装置３０では、発光波長領域が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にあるＬＥＤ３１と、受光波長領域が７００ｎｍ以下のフォトトランジスタ３２とを用いてあり、その重なり領域である３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域における検出結果に基づいて生体情報を表示する。かかる検出装置３０を用いれば、後述するとおり、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を導光体としてフォトトランジスタ３２（受光部）にまで到達しない一方、３００ｎｍ以下の光は、皮膚表面でほとんど吸収される。

従って、検出結果は、外光の影響を受けることなく、発光部の光のみに基づく３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域の検出結果から生体情報を計測することができるからである。

ここで、ＬＥＤ３１から発せられた光は、その一部が矢印Ｃで示すように指を通って血管にまで到達し、血液中のヘモグロビンからの反射光が矢印Ｄで示すようにフォトトランジスタ３２に届く。この経路で受光された光量が生体反射量である。また、ＬＥＤ３１から発せられた光は、その一部が矢印Ｅで示すように指表面で反射してフォトトランジスタ３２に届く。この経路で受光された光量が皮膚反射量である。さらに、ＬＥＤ３１から発せられた光、および血管から反射した光の一部は、矢印Ｆ、Ｇで示すように、指内で吸収、または分散して、フォトトランジスタ３２に届かない。

かかるＬＥＤ３１として、本例では、ＩｎＧａＮ系（インジウム−ガリウム−窒素系）の青色ＬＥＤを用いてあり、その発光スペクトルは、図４に示すように、４５０ｎｍに発光ピークを有し、その発光波長領域は、３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にある。かかる発光特性を有するＬＥＤ３１に対応させて、本例では、フォトトランジスタ３２として、ＧａＡｓＰ系（ガリウム−砒素−リン系）のフォトトランジスタを用いてあり、その素子自身の受光波長領域は、図５に示すように、主要感度領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にあって、３００ｎｍ以下にも感度領域がある。ここで、フォトトランジスタ３２として、素子にフィルタを付加したセンサユニットを用いることもあり、このようなセンサユニットの受光波長領域の一例は、図６に示すように、主要感度領域が４００ｎｍから５５０ｎｍまでの範囲にある。これらのＬＥＤ３１およびフォトトランジスタ３２は、消費電力が比較的小さいので、本例の脈波計測装置１のように、計時機能と脈波計測機能を１つの小型電池で駆動する場合でも、連続稼働時間が長い。

（検出装置の構成）
図７〜図１０を参照して、光学ユニットの構成を詳述する。図７は、光学ユニットの平面図、図８は、図７のＡ−Ａ′線における断面図、図９は、図７のＢ−Ｂ′線における断面図、図１０は、図７のＣ−Ｃ′線における断面図である。

これらの図において、光学ユニット３００では、そのケース体としてのセンサ枠３０１に裏蓋３０２が被されてその内部が部品収納空間になっている。センサ枠３０１に対する裏蓋３０２の固定は、３本の裏蓋止めねじ３０３で行なわれている。また、裏蓋止めねじ３０３は、裏蓋３０２の下面にセンサ固定用バンド４０を固定し、センサ固定用バンド４０は、光学ユニット３００から両側に延びている。かかるセンサ固定用バンド４０に対して直角をなす方向に向けて、センサ枠３０１の内部からはケーブル２０が引き出されている。センサ枠３０１の上面部分には、ガラス板３０４（フィルタ）で光透過窓が形成され、このガラス板３０４に対向するように回路基板３０５がセンサ枠３０１の内部に固定されている。回路基板３０５には、ＬＥＤ３１、フォトトランジスタ３２（フィルタ付きのセンサユニット）、およびトランジスタ３０９が実装されており、ＬＥＤ３１およびフォトトランジスタ３２は、それぞれ発光面および受光面をガラス板３０４の方に向けている。なお、回路基板３０５は、センサ枠３０１の上面から嵌め込まれた２本のピン３０６に基板止めねじ３０７が止められてセンサ枠３０１に固定されている。また、ピン３０６によってアース板３０８も固定されている。

（データ処理回路の構成）
図１１を参照して、時計ケース１１の内部に構成されたデータ処理回路５０の構成を説明する。図１１は、データ処理回路５０の構成を示すブロック図である。

データ処理回路５０において、脈波信号変換部５１は、検出装置３０からケーブル２０を介して入力された信号をデジタル信号に変換して脈波信号記憶部５２に出力するようになっている。脈波信号記憶部５２は、デジタル信号に変換された脈波データを記憶しておくＲＡＭである。脈波信号演算部５３は、脈波信号記憶部５２に記憶されている信号を読み出してそれに周波数分析を行ない、その結果を脈波成分抽出部５４に入力するようになっている。脈波成分抽出部５４は、脈波信号演算部５３からの入力信号から脈波成分を抽出して脈拍数演算部５５に出力し、この脈拍数演算部５５は、入力された脈波の周波数成分により脈拍数を演算し、その結果を液晶表示装置１３に出力するようになっている。

（動作）
このように構成した脈波計測装置１の動作を、図１、図３および１１を参照して簡単に説明する。まず、図１に示すように、装置本体１０をリストバンド１２で腕に装着する一方、検出装置３０（光学ユニット３００のガラス板３０４）をセンサ固定用バンド４０によって指に密着させる。この状態で、図３に模式的に示すように、ＬＥＤ３１から指に向けて光を照射すると、この光が血管に届いて血液中のヘモグロビンによって一部が吸収され、一部が反射する。生体（血管）から反射してきた光は、フォトトランジスタ３２によって受光され、その受光量変化は、血液の脈波によって生じる血量変化に対応する。すなわち、血量が多いときには、反射光が弱くなる一方、血量が少なくなると、反射光が強くなるので、反射光強度の変化をフォトトランジスタ３２で監視すれば、脈拍などを検出できる。かかる検出を行なうために、図１１に示すデータ処理回路５０では、フォトトランジスタ３２（検出装置３０）から入力された信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号に周波数分析などを行なって脈拍数を演算する。そして、演算により求めた脈拍数を液晶表示装置１３に表示させる。すなわち、脈波計測装置１は、脈拍計として機能する。

（実施例の効果）
本例では、ＬＥＤ３１の発光波長領域は、３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にあり、フォトトランジスタ３２の受光波長領域は、主要感度領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にある。また、フォトトランジスタ３２として、素子とフィルタとを組み合わせたユニットを用いたときの受光波長領域は、４００ｎｍから５５０ｎｍまでの範囲にある。従って、図１に示す簡単な遮光状態で脈波を計測しても、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を導光体としてフォトトランジスタ３２（受光部）にまで到達せず、検出には影響を与えない波長領域の光だけが、指を導光体として通ってくることから、本例では、指の露出部分に外光があたっても、脈波の検出結果には外光の影響が及ばない。また、本例では、血量変化に基づく脈波信号のＳ／Ｎ比が高い。かかる理由を以下に説明する。

まず、外光の影響を受けにくい理由を、図１２（ａ）を参照して説明する。図１２（ａ）には、光の波長と、皮膚の光透過度との関係を示してある。ここで、折れ線ａは、波長が２００ｎｍの光における透過特性、折れ線ｂは、波長が３００ｎｍの光における透過特性、折れ線ｃは、波長が５００ｎｍの光における透過特性、折れ線ｄは、波長が７００ｎｍの光における透過特性、折れ線ｅは、波長が１μｍの光における透過特性を示す。この図から明らかなように、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を透過しにくい傾向にあるため、外光がセンサ固定用バンド４０で覆われていない指の部分に照射されても、図３に点線Ｘで示すように、指を通ってフォトトランジスタ３２まで届かない。それ故、本例のように、７００ｎｍ以下の光を検出光として用いれば、指を大掛かりに覆わなくても必要最小限の範囲を覆うだけで、外光の影響を抑えることができるので、本例の脈波計測装置１は、屋外での使用が可能である。なお、３００ｎｍより低波長領域の光は、皮膚表面でほとんど吸収されるので、受光波長領域を７００ｎｍ以下としても、実質的な受光波長領域は、３００ｎｍ〜７００ｎｍとなる。

これに対し、従来のように、８８０ｎｍ付近に発光ピークを有するＬＥＤを用い、シリコン系のフォトトランジスタを用いると、その受光波長範囲は、図１３に示すように、３５０ｎｍから１２００ｎｍまでの範囲に及ぶ。従って、従来の光学系（検出装置）では、外光のうち、図３に矢印Ｙで示すように、指を導光体として受光部にまで容易に届いてしまう１μｍの波長の光、すなわち、図１２（ａ）の折れ線ｅで示す光による検出結果に基づいて脈波を検出しているので、外光の変動に起因する誤検出が起こりやすい。

次に、本例の脈波計測装置１では、脈波信号のＳ／Ｎ比が高い理由を、図１２（ｂ）を参照して説明する。図１２（ｂ）は、光の波長と各種のヘモグロビンの吸光特性との関係を示す説明図である。

図１２（ｂ）には、酸素と未結合のヘモグロビンの吸光特性を曲線Ｈｂで示してあり、酸素と結合しているヘモグロビンの吸光特性を曲線ＨｂＯ2 で示してある。これらの曲線が示すように、血液中のヘモグロビンは、波長が３００ｎｍから７００ｎｍまでの光に対する吸光係数が大きく、従来の検出光である波長が８８０ｎｍの光に対する吸光係数に比して数倍〜約１００倍以上大きい。従って、本例のように、ヘモグロビンの吸光特性に合わせて、吸光係数が大きい波長領域（３００ｎｍから７００ｎｍ）の光を検出光として用いると、その検出値は、血量変化に感度よく変化するので、血量変化に基づく脈波の検出率（Ｓ／Ｎ比）が高い。

（各遮光条件における外光の侵入量）
本例の脈波計測装置１を評価するにあたり、図１４（ａ）〜（ｅ）で示すように、指に対する遮光範囲を条件１から条件５まで変えながら外光の侵入量のみを従来の脈波計測装置（比較例）と比較して計測した。ここで、本例の脈波計測装置１としては、受光感度が４００ｎｍから６００ｎｍのフォトトランジスタ３２を用いた試料１と、受光感度が３００ｎｍから７００ｎｍのフォトトランジスタ３２を用いた試料２とを評価に供した。一方、比較例としては、受光感度が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲からずれた試料３、４、５を評価に供した。なお、条件１は、図１４（ａ）に示すように、人差し指の根元を遮光カバーで１０ｍｍの幅で覆った状態、条件２は、図１４（ｂ）に示すように、人差し指の根元を遮光カバーで２０ｍｍの幅で覆った状態、条件３は、図１４（ｃ）に示すように、人差し指の根元を遮光カバーで４０ｍｍの幅で覆った状態、条件４は、図１４（ｄ）に示すように、人差し指の根元を遮光カバーで７０ｍｍの幅で覆った状態、条件５は、図１４（ｅ）に示すように、人差し指の全体、親指の根元、中指の根元、および各指の付け根付近を遮光カバーで覆った状態である。

このような各条件下における外光の侵入量の計測結果を表１に示す。なお、外光の侵入量は、フォトトランジスタの出力電流（単位μＡ）で表してある。

表１に示すように、本例の脈波計測装置１（試料１、２）によれば、３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域にある光を受光しているので、今回行なったいずれの条件でも、外光の影響を無視できる。外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を導光体としてフォトトランジスタ３２（受光部）にまで到達しないからである。従って、本例の脈波計測装置１によれば、検出装置３０自身、またはセンサ固定用バンド４０（遮光カバー）で指を１０ｍｍの幅で覆えば充分である。これに対して、比較例の脈波計測装置（試料３、４、５）では、人差し指の全体、親指の根元、中指の根元、および各指の付け根付近まで広い範囲にわたって覆った状態（条件５）でのみ外光の影響を無視でき、大掛かりな遮光構造が必要である。

（各環境下における外光の影響）
また、発光波長ピークが４５０ｎｍのＬＥＤ３１（青色光源）を用い、受光波長領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでのＧａＡｓＰ系のフォトトランジスタ３２を用いた本例の脈波計測装置１と、発光波長ピークが８８０ｎｍのＬＥＤを用い、受光波長領域が３５０ｎｍから１２００ｎｍまでのフォトトランジスタを用いた脈波計測装置（比較例）とに関して、外光の影響の度合いを比較、検討した結果を図１５、図１６に示す。なお、図に示すデータは、脈波の検出結果に周波数解析を行なった結果を示し、多数のピークのうち、矢印を付したピークが脈波の周波数に相当する。

図１５（ａ）には、本例の脈波計測装置を腕に装着したまま、暗室環境下を走行したときの脈波の計測結果を示してある。図１５（ｂ）には、本例の脈波計測装置を腕に装着したまま、太陽光に向かって一方向に走行したときの脈波の計測結果を示してある。図１５（ｃ）には、本例の脈波計測装置を腕に装着したまま、太陽光の相対的な向きが変動するように回りながら走行したときの脈波の計測結果を示してある。これらの図に示すいずれの条件においても、矢印を付した脈波のピークは、他のピークに比して明確であり、本例の脈波計測装置１は、外光の影響を受けにくいことがわかる。

図１６（ａ）には、従来の脈波計測装置を腕に装着したまま、暗室環境下を走行したときの脈波の計測結果を示してある。図１６（ｂ）には、本例の脈波計測装置を腕に装着したまま、太陽光に向かって一方向に走行したときの脈波の計測結果を示してある。図１６（ｃ）には、本例の脈波計測装置を腕に装着したまま、太陽光の相対的な向きが変動するように回りながら走行したときの脈波の計測結果を示してある。これらの図に示すように、従来の脈波計測装置は、暗室環境下でのみ脈波の計測が可能であって、外光があたる条件下では、計測不可能であることがわかる。

（脈波信号の相対感度）
次に、本例の脈波計測装置１、および従来の脈波計測装置（比較例）において、脈波を計測したときの脈波信号レベル（μＡ）、反射光の全体レベル（μＡ）、反射光に含まれる脈波信号の比を比較、検討した結果を表２に示す。ここで、本例の脈波計測装置１としては、発光波長領域が４２０ｎｍから４８０ｎｍのＬＥＤ３１（発光色が青色）を用いた試料６に加えて、発光波長領域が５４０ｎｍから５７０ｎｍのＬＥＤ３１（発光色が緑色）を用いた試料７も評価に供した。

試料７では、発光色が緑色のＬＥＤ３１としてＧａＰ系のものを用いてあり、このＧａＰ系のＬＥＤ３１は、その発光スペクトル分布を図１７に示すように、５４０ｎｍから５７０ｎｍまでの範囲に主要発光領域を有し、発光領域は、５２０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にまで及ぶ。かかるＧａＰ系のＬＥＤ３１を用いた試料７では、その発光特性に対応させて、ＧａＰ系のフォトトランジスタ３２を用いてあり、このＧａＰ系のフォトトランジスタ３２は、その受光感度特性を図１８に示すように、２００ｎｍから７００ｎｍ近くまでの範囲に感度領域を有する。

なお、比較例としては、発光波長領域が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲からずれた試料８、９、１０を評価に供した。

表２には、この評価結果を示してある。

表２に示すように、本例の脈波計測装置１（試料６、７）によれば、血液中のヘモグロビンの吸光係数が大きい波長領域に合わせて、発光波長領域が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲内のある光を用いているので、反射光に含まれる脈波信号の比が０．０１９、０．０１３と大きく、感度が高い。これに対して、比較例の脈波計測装置（試料８、９、１０）では、反射光に含まれる脈波信号の比が０．００２以下と非常に小さく、感度が低い。すなわち、本例の脈波計測装置１の感度は、従来のものに比して脈波信号のＳ／Ｎ比で約１０倍近く飛躍的に向上する。

（肌の色の影響）
次に、本例の脈波計測装置１の感度が高いという利点は、肌の色に影響されないことを検討した結果を表３に示す。この評価では、皮膚の表面で反射しにくい４５０ｎｍの発光波長ピークを有するＬＥＤ（青色光源）を用いた本例の脈波計測装置１（試料１１）と、皮膚の表面で反射しやすい８８０ｎｍの発光波長ピークを有するＬＥＤを用いた従来の脈波計測装置（比較例、試料１２）とに関して、黄色人種、白人、および黒人の脈波を計測し、そのときに検出される皮膚反射量、生体反射量（血管からの反射量）、脈波成分をそれぞれ算出した。

その結果、表３に示すように、黄色人種、白人、および黒人のいずれの人種を対象にしても、全受光量に占める脈波成分の比率が高いこと、すなわち、生体情報に対する計測感度が高いことが実証された。

（その他の実施例）
なお、血液中のヘモグロビンの吸光特性は、図１２（ｂ）に示したように、酸素と未結合のヘモグロビンと、酸素と結合しているヘモグロビンとの間で異なるので、３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長をもつ光、たとえば約４７０ｎｍの波長をもつ光を検出光として用いれば、その強度から、各種のヘモグロビンの量、およびヘモグロビンの総量などを生体情報として計測することができる。また、皮膚と水分の吸光特性の差から、たとえば、皮膚に含まれる水分を生体情報として計測することもできる。

以上説明したとおり、本発明に係る脈波計測装置（生体情報計測装置）においては、ＬＥＤなどの発光部から指先などに光を照射し、血液などからの反射光をフォトトランジスタなどの受光部で検知するとともに、かかる検出手段の３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域における検出結果に基づいて生体情報を計測することに特徴を有する。かかる波長領域での検出を行なうにあたって、たとえば、発光部の波長領域が少なくとも３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲とし、受光波長領域を７００ｎｍ以下とすれば、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を導光体として受光部にまで到達しない一方、３００ｎｍより低波長領域の光は、皮膚表面でほとんど吸収される。従って、検出結果は、外光の影響を受けることなく、発光部の光のみに基づく３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域の検出結果から生体情報を計測することができる。それ故、検出部分に外光が直接射し込まない限り、外光に起因する脈波の誤検出が発生しないので、大掛かりな遮光構造を設けなくても使用条件に対する制約を緩和できる。

また、血液中のヘモグロビンは、波長領域が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にある光に対する吸光係数が赤外光に対する吸光係数よりも著しく大きい。

かかるヘモグロビンの吸光特性に合わせて、波長領域が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にある光を生体に向けて照射すると、生体（血管）から反射してくる光の強度は、血量変化に追従して大きく変化する。それ故、脈波信号のＳ／Ｎ比が向上するので、本発明に係る脈波計測装置では、脈波の計測感度が高いという効果も奏する。

本発明の一実施例に係る脈波計測装置の使用状態を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１に示す脈波計測装置において、検出装置と指との位置関係を模式的に示す断面図である。 図１に示す脈波計測装置において、指に装着された検出装置の動作を示す説明図である。 図１に示す脈波計測装置に用いたＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤの発光スペクトルを示す説明図である。 図１に示す脈波計測装置に用いたＩｎＧａＰ系フォトトランジスタの受光特性を示す説明図である。 図１に示す脈波計測装置に用いたフィルタ付きのフォトトランジスタユニットの受光特性を示す説明図である。 図１に示す脈波計測装置の検出装置（光学ユニット）の構成を示す平面図である。 図７のＡ−Ａ′線における断面図である。 図７のＢ−Ｂ′線における断面図である。 図７のＣ−Ｃ′線における断面図である。 図１に示す脈波計測装置のデータ処理回路の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、光の波長と皮膚の光透過度との関係を示すグラフ図、（ｂ）は、光の波長と各種のヘモグロビンの吸光特性との関係を示す説明図である。 従来の脈波計測装置に用いたシリコン系のフォトトランジスタの受光特性を示す説明図である。 本例の脈波計測装置における外光の侵入度合いを評価するにあたり、指への遮光範囲を変えた各実験条件を示す説明図である。 本例の脈波計測装置における外光の影響を評価するにあたり、本例の脈波計測装置による脈波の検出結果に周波数解析を行なったデータを示す説明図である。 本例の脈波計測装置における外光の影響を評価するにあたり、その比較例に係る脈波計測装置による脈波の検出結果に周波数解析を行なったデータを示す説明図である。 図１に示す脈波計測装置に用いたＧａＰ系のＬＥＤの発光スペクトルを示す説明図である。 図１に示す脈波計測装置に用いたＧａＡｓＰ系フォトトランジスタの受光特性を示す説明図である。

符号の説明

１・・・脈波計測装置（生体情報計測装置）
１０・・・装置本体
１１・・・時計ケース
１２・・・リストバンド
１３・・・液晶表示装置
２０・・・ケーブル
３０・・・検出装置
３１・・・ＬＥＤ（発光部）
３２・・・フォトトランジスタ（受光部）
４０、４０Ａ・・・センサ固定用バンド
５０・・・データ処理回路
５１・・・脈波信号変換部
５２・・・脈波信号記憶部
５３・・・脈波信号演算部
５４・・・脈波成分抽出部
５５・・・脈拍数演算部
６０・・・生体情報表示手段
３００・・・光学ユニット
３０１・・・センサ枠
３０５・・・回路基板
３０４・・・ガラス板

Claims (3)

1. 生体の一部に向けて光を照射する発光部、およびこの発光部が発した光を生体を介して受光する受光部を備える検出手段と、この検出手段の検出結果に基づいて生体情報を表示する生体情報表示手段とを有する生体情報計測装置において、前記生体情報は、前記検出手段の約３００ｎｍから約７００ｎｍまでの波長領域における検出結果に基づいて表示されることを特徴とする生体情報計測装置。
2. 請求項１において、前記発光部の発光波長領域が少なくとも約３００ｎｍから約７００ｎｍまでの範囲にあり、前記受光部の受光波長領域をλｎｍとしたときに、
   受光波長領域は、以下の式
   ０ ＜ λ ≦ ７００
   を満たす範囲のみにあることを特徴する生体情報計測装置。
3. 請求項１または２に規定する生体情報計測装置からなる脈波計測装置であって、前記検出手段の検出結果に基づいて前記生体情報としての脈波情報を表示することを特徴とする脈波計測装置。
   

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