JP2005160641A - Pulse wave detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光素子と受光素子を用いて生体の脈波を検出する脈波検出装置に関する。 The present invention relates to a pulse wave detection device that detects a pulse wave of a living body using a light emitting element and a light receiving element.
近年、生活習慣病などの予防を目的として、歩数計や消費カロリー計など定期的な運動を支援する携帯型の装置が利用されている。この運動量をより正確に判断するには脈拍数を計測することが有効であり、このために、血液成分による吸光特性を利用した光学式脈波センサが利用されることが多い。この光学式脈波センサは、発光素子と受光素子を備え、発光素子から人体に向けて光を照射し、反射してきた光を受光素子で受光するように構成されており、この受光量の変化により脈波を検出する。そして、この光学式脈波センサとしては、例えば、発光素子と受光素子とから構成された脈波センサが、センサ固定用バンドによって人間の人差し指の根元から第2指関節までの間に固定されるものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
しかし、光学式脈波センサを屋外で利用する場合には、太陽光ノイズが大きな問題となる。つまり、屋外では太陽光が脈波センサに入射することで、本来検出すべき脈波成分が太陽光ノイズに埋もれてしまい脈波を精度良く検出できなくなるという問題があった。 However, when the optical pulse wave sensor is used outdoors, sunlight noise becomes a big problem. That is, when sunlight is incident on the pulse wave sensor outdoors, there is a problem that the pulse wave component that should be detected is buried in the sunlight noise and the pulse wave cannot be detected with high accuracy.
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、太陽光の影響を除去して精度良く脈波を検出する脈波検出装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a problem, and it aims at providing the pulse wave detection apparatus which removes the influence of sunlight and detects a pulse wave accurately.
係る目的を達成するためになされた請求項1に記載の脈波検出装置は、生体の皮膚に接触させて固定されており、発光手段は生体に対して光を照射するとともに、受光手段は、発光手段から照射された光の反射光を、透光板を介して受光することにより生体の脈波を検出する。そして、当該脈波検出装置は、透光板の端面を覆い光を遮光する遮光板を備えており、この遮光板は、当該脈波検出装置の外部から照射された光が生体の皮膚を介して受光手段に受光されるのを阻止する。
The pulse wave detection device according to
このため、外部から照射された光の影響を除去して精度良く脈波を検出することができる。
ところで、当該脈波検出装置の外部から照射された光(以降、外部光とも称す)が生体の皮膚を介して受光手段に受光される経路としては、図6(a)に示すように、皮膚表面と皮膚内部の伝播が挙げられる。このうち、皮膚表面の伝播は、遮光板と生体の皮膚との間に形成された隙間から外部光が入射し、遮光板と生体の皮膚との間で反射を繰り返しながら受光手段に到達するものである。
For this reason, the influence of the light irradiated from the outside can be removed and a pulse wave can be detected accurately.
By the way, as shown in FIG. 6 (a), the light received from the outside of the pulse wave detecting device (hereinafter also referred to as external light) is received by the light receiving means through the skin of the living body. Examples include propagation on the surface and inside the skin. Among these, the propagation on the skin surface is such that external light enters through a gap formed between the light shielding plate and the living body skin, and reaches the light receiving means while repeatedly reflecting between the light shielding plate and the living body skin. It is.
この皮膚表面の伝播を抑制するためには、請求項1に記載の脈波検出装置において、請求項2〜請求項5何れかに記載のようにするとよい。
即ち、請求項1に記載の脈波検出装置において、請求項2に記載のように、前記遮光板の材質は、光を吸収する特性を有するようにするとよい。
In order to suppress the propagation of the skin surface, the pulse wave detection device according to
That is, in the pulse wave detection device according to
このように構成された脈波検出装置によれば、遮光板と生体の皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板に当たると、外部光は遮光板に吸収されるため、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。 According to the pulse wave detection device configured in this way, when external light incident from the gap formed between the light shielding plate and the skin of the living body hits the light shielding plate, the external light is absorbed by the light shielding plate, It is possible to suppress external light from being received by the light receiving means.
また、請求項1または請求項2に記載の脈波検出装置において、請求項3に記載のように、前記遮光板の前記外側表面は光を吸収する色で塗装されているようにするとよい。
このように構成された脈波検出装置によれば、遮光板と生体の皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板に当たると、外部光は塗装された部分に吸収されるため、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。
Further, in the pulse wave detection device according to
According to the pulse wave detection device configured as described above, when external light incident from a gap formed between the light shielding plate and the skin of the living body hits the light shielding plate, the external light is absorbed by the painted portion. Therefore, external light can be suppressed from being received by the light receiving means.
また、請求項1〜請求項3何れかに記載の脈波検出装置において、請求項4に記載のように、前記遮光板の材質は、当該脈波検出装置を前記生体の皮膚に固定した際に、前記遮光板の前記外側表面が前記生体の皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有するようにするとよい。
Further, in the pulse wave detection device according to any one of
このように構成された脈波検出装置によれば、外部光が入射する原因となる隙間が形成されないため、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。
また、請求項1〜請求項4何れかに記載の脈波検出装置において、請求項5に記載のように、前記遮光板の前記外側表面上には、該外側表面が鏡面でないと見做すことができる程度の凹凸が形成されているようにするとよい。
According to the pulse wave detection device configured as described above, a gap that causes external light to enter is not formed, and therefore it is possible to suppress external light from being received by the light receiving means.
Further, in the pulse wave detection device according to any one of
このように構成された脈波検出装置によれば、遮光板と生体の皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板に当たると、外部光は四方に散乱するために、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。 According to the pulse wave detection device configured in this way, when external light incident from a gap formed between the light shielding plate and the skin of the living body hits the light shielding plate, the external light is scattered in all directions. It can suppress that light is received by the light receiving means.
一方、皮膚内部の伝播は、図6(a)に示すように、外部光が皮膚の内部を通過して受光手段に到達するものである。
この皮膚内部の伝播を抑制するためには、請求項1〜請求項5何れかに記載の脈波検出装置において、請求項6に記載のように、当該脈波検出装置を前記生体の皮膚に固定した際に該皮膚に窪みを生じさせる遮光凸部を前記遮光板の前記外側表面上に備えるようにするとよい。
On the other hand, propagation within the skin is such that external light passes through the inside of the skin and reaches the light receiving means, as shown in FIG.
In order to suppress propagation within the skin, the pulse wave detection device according to any one of
このように構成された脈波検出装置によれば、皮膚に窪みを生じさせる程度に遮光凸部が皮膚を押圧することにより、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に遮光凸部が立ちはだかるために、遮光凸部に当たった外部光は四方に散乱し、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。 According to the pulse wave detection device configured in this way, the light-shielding convex portion stands on the path of the external light propagating inside the skin when the light-shielding convex portion presses the skin to such an extent that a dent is formed in the skin. In addition, the external light hitting the light-shielding convex portion is scattered in all directions, and the external light can be prevented from being received by the light receiving means.
また、請求項6に記載の脈波検出装置において、更に、請求項7に記載のように、前記遮光凸部の材質は、当該脈波検出装置を前記生体の皮膚に固定した際に、前記遮光凸部が前記生体の皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有するようにするとよい。 Further, in the pulse wave detection device according to claim 6, further, as described in claim 7, the material of the light-shielding convex portion is obtained when the pulse wave detection device is fixed to the skin of the living body. It is preferable that the light-shielding convex portion has such a flexible characteristic as to contact with the living body skin without any gap.
このように構成された脈波検出装置によれば、遮光凸部と生体の皮膚との間に、外部光が入射する原因となる隙間が形成されないため、外部光が受光手段に受光されることを更に抑制できる。 According to the pulse wave detection device configured as described above, a gap that causes external light to enter is not formed between the light shielding convex portion and the skin of the living body, so that the external light is received by the light receiving means. Can be further suppressed.
また、請求項6または請求項7に記載の脈波検出装置において、更に、請求項8に記載のように、前記遮光凸部は、前記透光板を取り巻くように配置されるようにするとよい。
このように構成された脈波検出装置によれば、皮膚内部を伝播する外部光が受光手段に到達するまでの経路上に確実に遮光凸部が配置されるので、外部光が受光手段に受光されることを更に抑制できる。
Further, in the pulse wave detection device according to claim 6 or 7, as described in claim 8, the light-shielding convex portion may be arranged so as to surround the light transmitting plate. .
According to the pulse wave detection device configured as described above, the light-shielding convex portion is reliably arranged on the path until the external light propagating inside the skin reaches the light-receiving means, so that the external light is received by the light-receiving means. This can be further suppressed.
また、請求項8に記載の脈波検出装置において、更に、請求項9に記載のように、前記遮光凸部が複数配置されているようにするとよい。
このように構成された脈波検出装置によれば、皮膚内部を伝播する外部光が受光手段に到達するまでの経路上に多くの遮光凸部が配置されることになり、外部光が受光手段に受光されることを更に抑制できる。
Further, in the pulse wave detection device according to an eighth aspect of the present invention, it is preferable that a plurality of the light shielding convex portions are arranged as in the ninth aspect of the present invention.
According to the pulse wave detecting device configured in this way, many light-shielding convex portions are arranged on the path until the external light propagating inside the skin reaches the light receiving means, and the external light is received by the light receiving means. Can be further suppressed from being received.
ところで、遮光凸部間の配置間隔が、外部光の周波数の整数倍に一致している場合には、その外部光の経路上に遮光凸部が配置されていても、皮膚内部を伝播する外部光が遮光凸部に当たることなく通過することがある。 By the way, in the case where the arrangement interval between the light-shielding protrusions matches an integer multiple of the frequency of the external light, even if the light-shielding protrusions are arranged on the path of the external light, the outside that propagates inside the skin The light may pass without hitting the light-shielding convex portion.
このため、請求項9に記載の脈波検出装置において、更に、請求項10に記載のように、前記複数の遮光凸部は、互いの配置間隔がランダムになるように配置されているようにするとよい。 For this reason, in the pulse wave detection device according to claim 9, as described in claim 10, the plurality of light-shielding convex portions are arranged so that the arrangement interval between them is random. Good.
このように構成された脈波検出装置によれば、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に、配置間隔が外部光の周波数の整数倍に一致していない遮光凸部が、確実に配置されるので、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。 According to the pulse wave detection device configured as described above, the light-shielding convex portion whose arrangement interval does not match the integral multiple of the frequency of the external light is reliably arranged on the path of the external light propagating through the skin. Therefore, it can suppress that external light is received by the light-receiving means.
また、請求項8〜請求項10何れかに記載の脈波検出装置において、更に、請求項11に記載のように、前記遮光凸部は、始端部と終端部とを有する突条で構成されるようにするとよい。
Further, in the pulse wave detection device according to any one of claims 8 to 10, further, as described in
このように構成された脈波検出装置によれば、突条の端部間に形成される空隙を介して、脈波検出装置と生体の皮膚との間の隙間にある空気と、脈波検出装置の外部の空気とが、突条の端部間に形成される空隙を介して循環することができる。 According to the pulse wave detection device configured as described above, the air in the gap between the pulse wave detection device and the skin of the living body and the pulse wave detection via the gap formed between the ends of the protrusions. Air outside the device can circulate through a gap formed between the ends of the ridges.
つまり、当該脈波検出装置と皮膚とが密着している部分で起こりやすくなる蒸れを抑制できる。
また、請求項11に記載の脈波検出装置において、更に、請求項12に記載のように、前記複数の遮光凸部の内で前記透光板から最も離れた位置に配置された遮光凸部を構成する突条の端部間に形成された空隙と、前記透光板とを結ぶ直線上に、少なくとも1つの遮光凸部が配置されているようにするとよい。
That is, it is possible to suppress the stuffiness that tends to occur at the portion where the pulse wave detection device and the skin are in close contact.
Further, in the pulse wave detection device according to
このように構成された脈波検出装置によれば、透光板から最も離れた位置に配置された遮光凸部を構成する突条において、その端部間に形成された空隙から入射した外部光の経路上に遮光凸部が配置されるので、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。 According to the pulse wave detecting device configured as described above, the external light incident from the gap formed between the end portions of the protrusions constituting the light-shielding convex portions arranged at the positions farthest from the light transmitting plate. Since the light-shielding convex portion is arranged on the path, it is possible to suppress external light from being received by the light receiving means.
ところで、請求項1〜請求項12に記載の脈波検出装置は、外部光が受光手段に受光されることを抑制することによって、精度良く脈波を検出するものであるが、請求項14に記載のように、当該脈波検出装置の外部から照射されて前記受光手段に受光される外部光を検出して、前記外部光の受光量に応じた外部受光信号を出力する外部光検出手段と、前記外部受光信号と、前記発光手段が光を照射した時の前記受光信号とに基づいて、前記生体の脈波を検出する脈波検出手段とを備えるようにしてもよい。
By the way, the pulse wave detection device according to
このように構成された脈波検出装置によれば、外部光検出手段は、受光手段に受光される外部光を検出して外部光の受光量に応じた外部受光信号を出力し、脈波検出手段は、外部受光信号と、発光手段が光を照射した時の受光信号とに基づいて、生体の脈波を検出する。 According to the pulse wave detection device configured as described above, the external light detection means detects the external light received by the light receiving means and outputs an external light reception signal corresponding to the amount of received external light to detect the pulse wave. The means detects the pulse wave of the living body based on the external light reception signal and the light reception signal when the light emitting means emits light.
即ち、発光手段が光を照射した時の受光信号の内で、外部光に起因する部分を考慮して生体の脈波を検出できるため、外部から照射された光の影響を除去して、精度良く脈波を検出することができる。 That is, since the pulse wave of the living body can be detected in consideration of the part caused by the external light in the light reception signal when the light emitting means irradiates the light, the influence of the light irradiated from the outside is removed and the accuracy is improved. The pulse wave can be detected well.
尚、請求項13に記載のように、請求項14に記載の外部光検出手段及び脈波検出手段は、請求項1〜請求項12に記載の脈波検出装置が備えるようにしてもよい。
また、請求項13または請求項14に記載の脈波検出装置において、請求項15に記載のように、前記脈波検出手段は、前記受光信号から前記外部受光信号を差分した差分信号に基づいて前記脈波を検出するようにしてもよい。
In addition, as described in
Moreover, in the pulse wave detection device according to claim 13 or 14, as described in claim 15, the pulse wave detection means is based on a difference signal obtained by subtracting the external light reception signal from the light reception signal. The pulse wave may be detected.
このように構成された脈波検出装置によれば、受光信号から外部受光信号を差分するという簡便な演算により、外部光の影響が除去された信号を得ることができる。
また、請求項13〜請求項15何れかに記載の脈波検出装置において、発光手段が光を照射していない時に受光手段が受光する光は、通常、外部光であるので、請求項15に記載のように、前記外部光検出手段は、前記発光手段が発光を停止している時に前記外部光を検出するようにするとよい。
According to the pulse wave detection device configured as described above, a signal from which the influence of external light is removed can be obtained by a simple calculation of subtracting the external light reception signal from the light reception signal.
Further, in the pulse wave detection device according to any one of
このように構成された脈波検出装置によれば、発光手段から照射される光の影響を受けることなく外部光を検出することができる。
また、請求項16に記載の脈波検出装置において、請求項17に記載のように、前記発光手段は間欠的に発光し、前記外部光検出手段は、前記発光手段が発光を停止する毎に、前記外部光を検出するようにするとよい。
According to the pulse wave detection device configured in this way, it is possible to detect external light without being affected by the light emitted from the light emitting means.
Further, in the pulse wave detection device according to claim 16, as described in claim 17, the light-emitting means emits light intermittently, and the external light detection means is turned on each time the light-emitting means stops emitting light. The external light may be detected.
このように構成された脈波検出装置によれば、発光手段が前回発光してから今回発光するまでに、受光手段に入射した外部光を検出するので、発光手段が今回発光した時に受光手段に入射した外部光の影響を精度良く除去することができる。 According to the pulse wave detection device configured as described above, the external light incident on the light receiving unit is detected from the previous light emission to the current light emission until the light emission unit emits the current light. The influence of incident external light can be accurately removed.
以下に本発明の実施形態について図面をもとに説明する。
まず、本発明の脈波検出装置を適用した脈波検出装置1を、図1に基づいて説明する。
本実施形態の脈波検出装置1は、人体の脈拍数を検出する装置であり、図1に示すように、発光素子として赤外LED21と緑色LED23を備えるとともに、受光素子としてフォトダイオード(PD)25を備えた脈波センサ3と、赤外LED21と緑色LED23とに対して、それぞれ異なるタイミングで光を照射させるための駆動信号を出力することにより脈波センサ3を駆動する駆動回路5と、脈波センサ3からの信号を処理するとともに駆動回路5を制御するデータ処理装置7とから構成されている。尚、駆動回路5とデータ処理装置7とは、脈波検出装置本体9の筐体内に収容されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, a pulse
The pulse
まず、脈波センサ3の構成を図2に基づいて説明する。図2(a)は脈波センサ3の構成を示す断面図、図2(b)は脈波センサ3の皮膚と接触する側から見た平面図である。尚、図2(a)は図2(b)のA−A断面部を示している。
First, the configuration of the
脈波センサ3は、人体の腕等に固定して利用するものであり、図2(a)に示すように、約940nmの波長の赤外光を照射する赤外LED21と、約520nmの緑色光を照射する緑色LED23と、光を受光して受光量に応じた信号(受光信号)を出力するPD25とを備える光学式反射型センサである。
The
この赤外LED21,緑色LED23,PD25は、それぞれ脈波センサ3の筐体20の底部27に、PD25を挟んで左右に赤外LED21と緑色LED23とが位置するように並列して配置され、透明な透光板29を介して、赤外光又は緑色光を人体に対して照射できるようにされている。さらに、光を遮光する遮光板31が透光板29の端面を覆うように配置されている。尚、遮光板31は、脈波センサ3を人体の腕等に固定した際に、遮光板31が皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有する材質のものが用いられ、例えばシリコン材が好適である。また、遮光板31の皮膚と接触する側の表面は光を吸収する色(例えば黒色)で塗装されている。なお、図では遮光板31と筐体20が別体のものを示すが、筐体20を加工することで遮光板31と同じ機能を有する構成としてもよい。
The
また、遮光板31上には、凸部33が透光板29を3重に取り巻くように配置されている。ここでは3重としたが、1重,2重または4重以上でもよい。また、凸部33の高さは、脈波センサ3を人体の腕等に固定した際に、皮膚に窪みを生じさせる程度の高さであればよく、例えば0.3mm程度にするとよい。この凸部33は、後に詳述するように、外部からの光がPD25に受光されるのを阻止するためのものである。さらに、凸部33は始端部と終端部を有する複数の突条で構成されており、突条の端部間には、蒸れ防止のための空隙35が形成されている。また、3重に配置された凸部33の互いの配置間隔(例えば、図2(b)の間隔S1,S2参照)は、均等ではなくランダムになっている。尚、凸部33は、脈波センサ3を人体の腕等に固定した際に、凸部33が皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有する材質のものが用いられ、例えばシリコン材が好適である。なお、図では凸部33および遮光板31と筐体20が別体のものを示すが、筐体20を加工することで凸部33および遮光板31と同じ機能を有する構成としてもよい。
On the
さらに、透光板29から最も離れた位置に配置された凸部33において形成された空隙(例えば空隙35a)と、透光板29とを結ぶ線分(例えば線分B−B)上に、少なくとも1つの凸部33が配置されるように構成されている。
Furthermore, on the line segment (for example, line segment BB) connecting the gap (for example, the
このように構成された脈波センサ3において、まず、図1に示すように、透光板29と遮光板31を例えば人体の腕の皮膚上に接触させて脈波センサ3を固定する。その後、赤外LED21および緑色LED23が、それぞれ赤外光および緑色光を人体に向かって交互に照射し、この光の反射光をPD25が受光する。そして、PD25は、その受光量の変化を受光信号(例えば電圧信号)としてデータ処理装置7に出力する。
In the
尚、赤外LED21および緑色LED23から人体に照射された光は、その一部が人体の内部を通る小・細動脈(毛細動脈)にあたって、毛細動脈を流れる血液中のヘモグロビンに吸収され、残りの光が毛細動脈で反射して散乱する。この時、血液の脈動により毛細動脈にあるヘモグロビンの量が波動的に変化するので、ヘモグロビンに吸収される光も波動的に変化する。即ち、血液の脈動に応じて、毛細動脈で反射してPD25で検出される受光量が変化する。
In addition, the light irradiated to the human body from the
従って、PD25が出力した(赤外LED21又は緑色LED23から照射された光の反射光に対応した)受光信号から、脈波に関する情報が得られる。
以下に、脈波を検出するために赤外LED21と緑色LED23を用いる理由について説明する。
Therefore, information on the pulse wave is obtained from the light reception signal output by the PD 25 (corresponding to the reflected light of the light emitted from the
The reason why the
図5に示すように、PD25が出力した受光信号には、毛細動脈に当たって反射した脈波を示す信号(脈波成分)と、皮膚表面又は毛細動脈以外で反射した反射波の成分(反射波成分)との両成分が含まれている。この受光信号を周波数解析すると、主に、心拍に同期する脈拍成分と、体動に同期する体動成分と、(体動成分を除いた反射波成分である)概ね直流成分とに分離される。
As shown in FIG. 5, the received light signal output from the
このうち、直流成分は、血管の拡張収縮による血流変化のともなう光量変化(以下、ノイズAと称す)、脈波センサ3のずれに伴う皮膚表面散乱光量変化(以下、ノイズBと称す)、脈波センサ3の外部から入射する光(太陽光など)の光量変化などに起因するものであり、検出回路11において後述する方法によってカットされる。
Among these, the direct current component is a light amount change (hereinafter referred to as noise A) accompanying a blood flow change due to expansion and contraction of a blood vessel, a skin surface scattered light amount change (hereinafter referred to as noise B) due to a shift of the
そして、脈拍成分と体動成分については、赤外光と緑色光とで吸光特性が異なっており、緑色LED23を発光させた時にPD25が出力する受光信号では、脈拍成分と体動成分とがいずれも抽出可能な信号レベルで得られるのに対して、赤外LED21を発光させた時にPD25が出力する受光信号では、体動成分と比較して脈拍成分が非常に小さく、体動成分のみが抽出可能な信号レベルで得られる。
As for the pulse component and the body motion component, the light absorption characteristics of infrared light and green light are different. In the light reception signal output from the
つまり、緑色LED23を発光させた時にPD25が出力する受光信号(脈拍成分と体動成分を含む)と、赤外LED21を発光させた時にPD25が出力する受光信号(体動成分のみを含む)とを比較することにより、脈拍成分のみを抽出できるようにされている。
That is, a light reception signal (including a pulse component and a body motion component) output by the
ところで、太陽光などの脈波センサ3の外部からの光(以下、外部光とも称す)は、皮膚表面や皮膚内部を伝播してPD25に入射する。
このうち、皮膚表面を伝播する外部光は、光を吸収する色で塗装された遮光板31の表面にて、図6(b)に示すように、その一部が吸収される。
Incidentally, light from the outside of the
Among these, a part of the external light propagating on the skin surface is absorbed by the surface of the
また、遮光板31は(皮膚に密着して)、外部光入射の原因となる隙間が形成されることを防止する。
さらに、皮膚内部を伝播する外部光については、遮光板31の表面上に形成された凸部33が皮膚を押圧することにより、図6(c)に示すように、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に凸部33が立ちはだかるために、凸部33に当たった外部光は散乱する。
Further, the light shielding plate 31 (in close contact with the skin) prevents the formation of a gap that causes external light incidence.
Further, with respect to the external light propagating through the skin, the
これらにより、外部光がPD25に到達することを抑制する。
次に、データ処理装置7は、脈波センサ3から得られた受光信号を増幅する検出回路11と、検出回路11からの信号を処理して脈波の検出等の各種の演算処理を行うマイクロコンピュータ(以下、マイコンと称す)13とを備えている。
These suppress external light from reaching the
Next, the data processing device 7 amplifies the received light signal obtained from the
そして、検出回路11は、図3に示すように、脈波センサ3から得られた受光信号を増幅する増幅部41と、上記直流成分に相当する直流成分信号を増幅部41に出力する補正部43とから構成されている。
As shown in FIG. 3, the
このうち、増幅部41は、オペアンプOP1を中心に構成されている。オペアンプOP1の非反転入力端子(+)は、抵抗R2を介して脈波センサ3からの受光信号が入力されるとともに、抵抗R1を介して接地されている。また、オペアンプOP1の反転入力端子(−)は、抵抗R4を介して補正部43からの直流成分信号が入力されるとともに、抵抗R3を介してオペアンプOP1の出力端子に接続されている。また、オペアンプOP1の出力端子は、後述する10ビットA/D変換器13dのA/DポートPAD1に接続されている。さらに、脈波センサ3からの受光信号は、後述するA/D変換器13dのA/DポートPAD2にも入力される。尚、抵抗R1の抵抗値は抵抗R3と等しく、抵抗R2の抵抗値は抵抗R4と等しくなるように設定されている。また、オペアンプOP1の増幅度が、例えば{(R1の抵抗値)/(R2の抵抗値)}=1000となるように抵抗R1〜R4の抵抗値が設定されている。
Among these, the amplification unit 41 is configured around the operational amplifier OP1. The non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier OP1 receives a light reception signal from the
このように構成された増幅部41では、受光信号の電圧値から直流成分信号の電圧値分をカットした信号を増幅して出力する。
即ち、赤外LED21及び緑色LED23から照射された光の内、ヘモグロビンに吸収される光は僅かであり、これにより受光信号に現れる脈拍成分の変化を、マイコン13が備えるA/D変換器13dにおいて検出可能とするために増幅が必要となる。本実施形態では1000倍程度の増幅が必要である。
The amplifier 41 configured as described above amplifies and outputs a signal obtained by cutting the voltage value of the DC component signal from the voltage value of the received light signal.
That is, among the light emitted from the
また、直流成分の変化は、脈拍成分の変化よりも数倍から数百倍大きいため、受光信号から直流成分を差分することなしに増幅すると、増幅した信号はA/D変換器13dの入力可能電圧の上限を超えてしまう。このため、受光信号から直流成分を差分した後に増幅を行っている。
Further, since the change in the DC component is several to several hundred times larger than the change in the pulse component, if the DC component is amplified without subtracting the DC component from the received light signal, the amplified signal can be input to the A /
次に、補正部43はオペアンプOP2と分圧抵抗R9,R10とを中心に構成されている。後述する10ビットD/A変換器13eのD/AポートPDA2は、分圧抵抗R9,R10を介して接地されている。また、オペアンプOP2の非反転入力端子(+)は、抵抗R6を介して、後述するD/A変換器13eのD/AポートPDA1からの信号が入力されるとともに、抵抗R5を介して接地されている。また、オペアンプOP2の反転入力端子(−)は、抵抗R8を介して、分圧抵抗R9とR10との接続点に接続されるとともに、抵抗R7を介してオペアンプOP2の出力端子に接続されている。尚、抵抗R5の抵抗値は抵抗R7と等しく、抵抗R6の抵抗値は抵抗R8と等しくなるように設定されている。また、オペアンプOP2の増幅度が、例えば{(R5の抵抗値)/(R6の抵抗値)}=1となるように抵抗R5〜R8の抵抗値が設定されている。さらに、分圧抵抗R9,R10の抵抗値は、例えば、「(抵抗R9の抵抗値)/(抵抗R10の抵抗値)=1024」となるように設定されている。
Next, the
このように構成された補正部43では、D/AポートPDA2から出力されたアナログ信号の電圧値(V2)を(1/1024)倍した信号がオペアンプOP2の反転入力端子(−)に入力されるとともに、D/AポートPDA1から出力されたアナログ信号に等しい電圧値(V1)をもつ信号がオペアンプOP2の非反転入力端子(+)に入力されることにより、オペアンプOP2の出力端子から(V1−V2/1024)の電圧値をもつアナログ信号が出力される。
In the
即ち、オペアンプOP2の出力端子から出力されるアナログ信号の電圧値の分解能は、D/AポートPDA2から出力されるアナログ信号の電圧値の分解能の1024倍となる。 That is, the resolution of the voltage value of the analog signal output from the output terminal of the operational amplifier OP2 is 1024 times the resolution of the voltage value of the analog signal output from the D / A port PDA2.
つまり、10ビットのD/Aポートを2つ使用することにより、20ビット分の分解能をもつアナログ信号を出力させている。そして、上記の(V1−V2/1024)の値が、上記直流成分信号の電圧値に一致するように、D/AポートPDA1から電圧値V1のアナログ信号、D/AポートPDA2から電圧値V2のアナログ信号が出力される。 That is, by using two 10-bit D / A ports, an analog signal having a resolution of 20 bits is output. Then, an analog signal of voltage value V1 from D / A port PDA1 and a voltage value V2 from D / A port PDA2 so that the value of (V1-V2 / 1024) matches the voltage value of the DC component signal. The analog signal is output.
このため、D/AポートPDA2において、出力するアナログ信号の電圧値を最小分解能の1ビット分変化させた場合に、A/DポートPAD1の入力電圧幅を超える信号がA/DポートPAD1に入力されるということを防ぐことができる。即ち、例えば、10ビットのA/DポートPAD1の入力電圧幅が3V、10ビットのD/AポートPDA1の出力電圧幅が3Vで、D/AポートPDA1のみを用いて、上記直流成分信号に対応するアナログ信号を出力する場合を想定すると、D/AポートPDA1から出力されるアナログ信号の最小電圧変化は3mVであり、オペアンプOP1の増幅率が上記と同様に1000倍とすると、直流成分信号の3mVの電圧変化によるオペアンプOP1の出力変化は3Vとなる。つまり、D/AポートPDA1から出力される直流成分信号の数ビット分の電圧変化によって、オペアンプOP1の出力電圧がA/DポートPAD1の入力電圧幅を超えることになる。 Therefore, in the D / A port PDA2, when the voltage value of the analog signal to be output is changed by 1 bit of the minimum resolution, a signal exceeding the input voltage width of the A / D port PAD1 is input to the A / D port PAD1. Can be prevented. That is, for example, the input voltage width of the 10-bit A / D port PAD1 is 3V, the output voltage width of the 10-bit D / A port PDA1 is 3V, and only the D / A port PDA1 is used for the DC component signal. Assuming that the corresponding analog signal is output, if the minimum voltage change of the analog signal output from the D / A port PDA1 is 3 mV and the amplification factor of the operational amplifier OP1 is 1000 times as described above, the DC component signal The output change of the operational amplifier OP1 due to the 3 mV voltage change is 3V. That is, the output voltage of the operational amplifier OP1 exceeds the input voltage width of the A / D port PAD1 due to the voltage change of several bits of the DC component signal output from the D / A port PDA1.
これに対して、本実施形態においては、20ビット分の分解能をもつアナログ信号を直流成分信号として出力させているので、出力電圧幅が3Vとすると最小電圧変化は約3μVであり、最小電圧変化によるオペアンプOP1の出力変化は約3mVとなる。つまり、D/AポートPDA1,PDA2から出力される直流成分信号の数ビット分の電圧変化では、オペアンプOP1の出力電圧がA/DポートPAD1の入力電圧幅を超えることはない。 In contrast, in this embodiment, an analog signal having a resolution of 20 bits is output as a DC component signal. Therefore, when the output voltage width is 3 V, the minimum voltage change is about 3 μV, and the minimum voltage change The output change of the operational amplifier OP1 due to is about 3 mV. That is, the output voltage of the operational amplifier OP1 does not exceed the input voltage width of the A / D port PAD1 when the voltage changes for several bits of the DC component signals output from the D / A ports PDA1 and PDA2.
このように構成された検出回路11では、D/A変換器13eからのアナログ信号に応じて、直流成分信号の電圧値を調整しながら、直流成分信号の電圧値をオフセットとした受光信号を増幅して、A/D変換器13dへ出力する。
The
次に、マイコン13は、図1に示すように、所定の処理プログラムに基づいて処理を実行するCPU13aと、種々の制御プログラムが格納されたROM13bと、種々のデータを格納する各種メモリが設けられたRAM13cと、アナログ信号の電圧値を10ビットのデジタル値に変換するA/D変換器13dと、CPU13aが生成した10ビットのデジタルデータを、アナログ信号に変換するD/A変換器13eと、各種デジタル信号が入力される複数の入力ポートと、各種デジタル信号が出力される複数の出力ポートとを有する入出力ポート13fとを備えている。
Next, as shown in FIG. 1, the
尚、図1に示すように、A/D変換器13dは、アナログ信号が入力されるA/DポートPAD1,PAD2を備え、D/A変換器13eは、アナログ信号を出力するD/AポートPDA1,PDA2を備えている。また、入出力ポート13fは、図1に示すように、出力ポートPO1を備えており、出力ポートPO1には駆動回路7が接続されている。
As shown in FIG. 1, the A /
このように構成されたマイコン13において、CPU13aは、上記直流成分信号の内、上記ノイズA及び上記ノイズBに対応する成分の信号を出力する処理と、外部光に対応する成分の信号を出力する処理とを、それぞれ個別に行う。
In the
まず、上記ノイズA及び上記ノイズBに対応する成分の信号を出力する処理を説明する。
上記ノイズA及び上記ノイズBに起因する受光信号の電圧変動の周波数は脈拍成分に比べて十分低く、これらのノイズに起因する電圧変動は短時間では小さい。このため、CPU13aは、所定時間範囲(例えば10秒間)毎に、その所定時間内における受光信号の電圧変動を解析することにより、上記ノイズA及び上記ノイズBに起因する電圧変動分を、現時点のD/AポートPDA1,PDA2の出力値に対して調整する。これにより、上記ノイズA及び上記ノイズBに対応した分の直流成分信号が、補正部43から出力される。つまり、上記所定時間ごとに直流成分信号の電圧値を調整する。
First, a process for outputting a signal of a component corresponding to the noise A and the noise B will be described.
The frequency of the voltage fluctuation of the received light signal caused by the noise A and the noise B is sufficiently lower than the pulse component, and the voltage fluctuation caused by these noises is small in a short time. For this reason, the
次に、外部光に対応する成分の信号(以下、外部受光信号と称す)を出力するための外部光調整処理を図4に基づいて説明する。図4は、外部光調整処理を表すフローチャートである。この外部光調整処理は、CPU13aが起動(電源ON)している間に、例えば赤外LED21及び緑色LED23が照射する毎に繰り返し実行される処理である。
Next, external light adjustment processing for outputting a component signal corresponding to external light (hereinafter referred to as an external light reception signal) will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing the external light adjustment process. This external light adjustment process is a process that is repeatedly executed, for example, every time the
この外部光調整処理においては、CPU13aは、まずS10にて、A/DポートPAD2に入力した信号の電圧値のデータを取得する。その後、S20にて、S10で取得した電圧値データが、前回にA/DポートPAD2から取得した電圧値データと同じ値であるか否かを判断する。ここで、同じ値であると判断すると(S20:YES)、S50に移行する。一方、同じ値でないと判断すると(S20:NO)、S30に移行する。
In this external light adjustment process, the
そして、S30に移行すると、S10で取得した電圧値データと前回に取得した電圧値との差分の電圧値に基づいて、D/AポートPDA1,PDA2から出力する電圧の変動分を計算する。さらに、S40にて、S30で計算された電圧変動分を、現時点のD/AポートPDA1,PDA2の出力値に対して調整する。その後、S50に移行する。 Then, when the process proceeds to S30, the fluctuation amount of the voltage output from the D / A ports PDA1 and PDA2 is calculated based on the voltage value of the difference between the voltage value data acquired in S10 and the voltage value acquired last time. In S40, the voltage fluctuation calculated in S30 is adjusted with respect to the current output values of the D / A ports PDA1 and PDA2. Thereafter, the process proceeds to S50.
そして、S50に移行すると、緑色LED23を発光させるとともにA/DポートPAD1に入力した信号の電圧値のデータを取得する。
さらに、S60にて、赤外LED21を発光させるとともにA/DポートPAD1に入力した信号の電圧値のデータを取得し、当該外部光調整処理を終了する。
In S50, the
Further, in S60, the
即ち、外部光調整処理では、赤外LED21及び緑色LED23が発光していない時のPD25からの受光信号を外部受光信号と見做し、この受光信号の電圧値に応じてD/AポートPDA1,PDA2から出力するアナログ信号の電圧値を調整する。
In other words, in the external light adjustment processing, the light reception signal from the
このように構成された本実施形態の脈波検出装置1では、緑色LED23が発光する直前に、PD25が受光した光を外部受光信号として検出し(S10)、外部受光信号を出力する(S20〜S40)。その後、緑色LED23→赤外LED21の順に発光させ、緑色LED23または赤外LED21が発光した時にPD25が出力する受光信号と、外部受光信号とを増幅部41において差分し、この差分した信号を取得する(S50〜S60)ことにより脈波を検出する。
In the pulse
このため、赤外LED21または緑色LED23が光を照射した時の受光信号の内で外部光に起因する部分を考慮して人体の脈波を検出できるため、外部光の影響を除去して精度良く脈波を検出することができる。
For this reason, since the pulse wave of the human body can be detected in consideration of the portion caused by the external light in the received light signal when the
また、受光信号から外部受光信号を差分するという簡便な演算により、外部光の影響が除去された信号を得ることができる。
また、赤外LED21及び緑色LED23が発光を停止している時に外部受光信号を検出するので、赤外LED21または緑色LED23から照射される光の影響を受けることなく外部光を検出することができる。
Further, a signal from which the influence of external light is removed can be obtained by a simple calculation of subtracting the external light reception signal from the light reception signal.
Further, since the external light reception signal is detected when the
また、緑色LED23が発光する直前に外部受光信号を検出するので、赤外LED21及び緑色LED23が発光した時にPD25に入射した外部光の影響を精度良く除去することができる。このとき、緑色LED23と赤外LED21の発光順序はどちらからでもよい。
Further, since the external light reception signal is detected immediately before the
また、本実施形態の脈波検出装置1は、脈波センサ3を人体の皮膚に固定された状態で使用され、遮光板31の皮膚と接触する側の表面は光を吸収する色で塗装されているために、遮光板31と皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板に当たると、外部光は遮光板31に吸収され、外部光がPD25に受光されることを抑制できる。
The pulse
また、遮光板31の、皮膚と接触する側の表面上には、複数の凸部33が透光板29を取り巻くように配置されているため、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に凸部33が立ちはだかり、凸部33に当たった外部光は四方に散乱し、外部光がPD25に受光されることを抑制できる。尚、凸部33の数が多いほど、皮膚内部を伝播する外部光がPD25に到達するまでの経路上に多くの凸部33が配置されることになり、外部光がPD25に受光されることを抑制できる。
In addition, since a plurality of
また、複数の凸部33は、互いの配置間隔がランダムになるように配置されているために、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に、外部光の周波数の整数倍に一致していない配置間隔をもつ凸部33が確実に配置されるので、外部光がPD25に受光されることを抑制できる。
In addition, since the plurality of
また、凸部33は、始端部と終端部とを有する突条で構成されているので、突条の端部間に形成される空隙35を介して、脈波センサ3と皮膚との間の隙間にある空気と、脈波センサ3の外部の空気とが循環することができる。つまり、脈波センサ3と皮膚とが密着している部分で起こりやすくなる蒸れを抑制できる。
Moreover, since the
また、透光板29から最も離れた位置に配置された凸部33において、その端部間で形成された空隙35aと、透光板29とを結ぶ線分(線分B−B)上に、少なくとも1つの凸部33が配置されるように構成されているため、外部光が空隙35aから入射した場合でも、この外部光がPD25に受光されることを抑制できる。
Moreover, in the
また、遮光板31と凸部33の材質には、脈波センサ3を人体の皮膚に固定した際に、遮光板31及び凸部33が皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有するシリコン材が用いられている。このため、外部光が入射する原因となる隙間が形成されず、外部光がPD25に受光されることを抑制できる。
In addition, the material of the
以上説明した実施形態において、赤外LED21,緑色LED23は本発明における発光手段、PD25は本発明における受光手段、凸部33は本発明における遮光凸部、図4におけるS10〜S40の処理と補正部43は本発明における外部光検出手段、図4におけるS50〜S60の処理と増幅部41は本発明における脈波検出手段である。
In the embodiment described above, the
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施形態においては、遮光板31の皮膚と接触する側の表面が、光を吸収する色で塗装されているものを示した。しかし、遮光板31の材質を、光を吸収する特性を有するもの(例えば、樹脂やゴム)にしてもよい。このようにすれば、遮光板31と皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板に当たると、外部光は遮光板31に吸収されるため、外部光がPD25に受光されることを抑制できる。
As mentioned above, although one Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, A various aspect can be taken.
For example, in the above embodiment, the surface of the
また、遮光板31の皮膚と接触する側の表面上に、この表面が鏡面でないと見做すことができる程度に粗い凹凸を形成するようにしてもよい。このようにすれば、遮光板31と皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板31に当たると、外部光は四方に散乱するために、外部光がPD25に受光されることを抑制できる。
Further, on the surface of the
また、上記実施形態においては、外部光として太陽光が入射した場合について示したが、脈波センサ3の外部から入射する光であれば、太陽光以外であっても適用可能である。例えば、蛍光灯から照射された光であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, although shown about the case where sunlight injects as external light, if it is the light which injects from the exterior of the
また、上記実施形態においては、遮光板31及び凸部33の材質として、シリコン材を用いた。しかし、脈波センサ3を人体の腕等に固定した際に、皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有していれば、シリコン材以外の材料でもよい。例えば、ゴム,布,ゲル状の固形物を用いてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the silicon material was used as a material of the light-shielding
また、上記実施形態においては、遮光板31及び凸部33とを筐体20と別体の構成として示したが、同様の効果をもたらすように同一部材で一体形成してもよい。
また、上記実施形態においては、凸部33に空隙35が形成されているものを示した。しかし、凸部33は、環状、つまり空隙35がない形状をしていてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the light-shielding
Moreover, in the said embodiment, what the space |
1…脈波検出装置、3…脈波センサ、5…駆動回路、7…データ処理装置、9…脈波検出装置本体、11…検出回路、13…マイコン、13a…CPU、13b…ROM、13c…RAM、13d…A/D変換器、13e…D/A変換器、13f…入出力ポート、20…筐体、21…赤外LED、23…緑色LED、25…PD、27…底部、29…透光板、31…遮光板、33…凸部、35…空隙、41…増幅部、43…補正部、OP1,OP2…オペアンプ、PAD1,PAD2…A/Dポート、PDA1,PDA2…D/Aポート、PO1…出力ポート、R1〜R10…抵抗。
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記発光手段から照射された光の反射光を少なくとも受光する受光手段と、
前記発光手段の光の照射側に配置され、光を透過する透光板と、
前記透光板の端面を覆い、光を遮光する遮光板と、
を備え、前記透光板及び前記遮光板における、前記発光手段及び前記受光手段が位置する側とは反対側となる外側表面を、前記生体の皮膚に接触させて当該装置を固定することにより、前記生体の脈波を検出する脈波検出装置であって、
前記遮光板は、当該脈波検出装置の外部から照射された光が前記生体の皮膚を介して前記受光手段に受光されるのを、阻止するように構成される、
ことを特徴とする脈波検出装置。 A light emitting means for irradiating the living body with light;
A light receiving means for receiving at least reflected light of the light emitted from the light emitting means;
A translucent plate disposed on the light irradiation side of the light emitting means and transmitting light;
A light-shielding plate that covers an end surface of the light-transmitting plate and shields light;
The outer surface of the light-transmitting plate and the light-shielding plate opposite to the side where the light-emitting means and the light-receiving means are located is brought into contact with the skin of the living body to fix the device, A pulse wave detection device for detecting a pulse wave of the living body,
The light shielding plate is configured to prevent light irradiated from the outside of the pulse wave detection device from being received by the light receiving means through the skin of the living body.
A pulse wave detection device characterized by that.
当該脈波検出装置の外部から照射されて前記受光手段に受光される外部光を検出して、前記外部光の受光量に応じた外部受光信号を出力する外部光検出手段と、
前記外部受光信号と、前記発光手段が光を照射した時の前記受光信号とに基づいて、前記生体の脈波を検出する脈波検出手段と、
を備える、
ことを特徴とする請求項1〜請求項12何れかに記載の脈波検出装置。 The light receiving means outputs a light reception signal corresponding to the amount of received light,
An external light detecting means for detecting external light irradiated from the outside of the pulse wave detecting device and received by the light receiving means, and outputting an external light receiving signal corresponding to the amount of received light of the external light;
Pulse wave detection means for detecting a pulse wave of the living body based on the external light reception signal and the light reception signal when the light emitting means emits light;
Comprising
The pulse wave detection device according to any one of claims 1 to 12, wherein the device is a pulse wave detection device.
前記発光手段から照射された光の反射光を少なくとも受光し、受光した光の受光量に応じた受光信号を出力する受光手段と、
当該脈波検出装置の外部から照射されて前記受光手段に受光される外部光を検出して、前記外部光の受光量に応じた外部受光信号を出力する外部光検出手段と、
前記外部受光信号と、前記発光手段が光を照射した時の前記受光信号とに基づいて、前記生体の脈波を検出する脈波検出手段と、
を備えることを特徴とする脈波検出装置。 A light emitting means for irradiating the living body with light;
A light receiving means for receiving at least reflected light of the light emitted from the light emitting means and outputting a light reception signal corresponding to the amount of received light;
An external light detecting means for detecting external light irradiated from the outside of the pulse wave detecting device and received by the light receiving means, and outputting an external light receiving signal corresponding to the amount of received light of the external light;
Pulse wave detection means for detecting a pulse wave of the living body based on the external light reception signal and the light reception signal when the light emitting means emits light;
A pulse wave detection device comprising:
ことを特徴とする請求項13または請求項14に記載の脈波検出装置。 The pulse wave detection means detects the pulse wave based on a difference signal obtained by subtracting the external light reception signal from the light reception signal;
The pulse wave detection device according to claim 13 or claim 14, characterized by the above.
前記外部光検出手段は、前記発光手段が発光を停止する毎に、前記外部光を検出する、
ことを特徴とする請求項16に記載の脈波検出装置。 The light emitting means emits light intermittently,
The external light detecting means detects the external light every time the light emitting means stops emitting light.
The pulse wave detection device according to claim 16.
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