JP2009291389A - 脈拍測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】脈波成分が多く含まれる検出信号と、体動による振動成分が多く含まれる検出信号との両方を取得するとともに、黒色肌の人でも同様に脈拍測定が可能な脈拍測定装置を提供する。
【解決手段】生体の検出部位に装着して脈拍の測定を行う脈拍測定装置である。皮膚との接触状態が異なる検出窓７の中央部位７ａと縁部分にある凹部７ｂとからの反射光をそれぞれ第１受光素子３５と第２受光素子３６とで受光する。中央部位７ａに対向する第１受光素子３６により、脈動成分の多く含まれる検出信号を得る。窪ませた凹部７ｂに対向する第２受光素子３６から、毛細血管８１や細静脈８５の血液をうまく滞留させて、第２受光素子３６により体動成分の多く含まれる検出信号を得る。
【選択図】図７

Description

この発明は、腕などに装着して脈拍の検出を行う脈拍測定装置に関する。

従来、腕に装着して光学的に脈拍の検出を行う脈拍測定装置が知られている。このような脈拍測定装置では、検出部に発光素子と受光素子とを設け、発光素子により皮膚下に光を出射するとともに、血液により反射された反射光を受光素子で受けて、この受光量の変化により脈拍を検出するように構成されている。

このような脈拍測定装置においては、体動による血液の振動が受光量の変化として表れることがあるため、受光素子の検出信号から体動ノイズの作用を排除して、安定した脈拍測定を行う技術が開発されている。例えば、特許文献１には、反射光に脈動の信号成分が多く含まれる波長６００ｎｍ未満の光と、反射光に体動の信号が多く反映される波長６００ｎｍ以上の光を皮膚に照射して、各々の波長の反射光に対して周波数解析を行って体動の信号を除去する補正を行うことで、正確な脈拍数を決定する技術が開示されている。
特許第３９６９４１２号公報

しかしながら、上記の２波長の光を用いて脈拍測定を行う構成では、波長６００ｎｍ未満の光として使用される緑色光（波長５２０〜５４０ｎｍ）がメラニン色素における吸光係数が大きいため、黒色肌の人ではメラニン色素により光が多く吸収されてしまい脈拍測定が不能になるという問題があった。

また、発光素子に発光ダイオードを使用する場合でも、波長６００ｎｍ未満の高輝度光を得るには、順方向電圧Ｖｆの高い発光ダイオードを用いる必要があり、これだと駆動電圧がコイン型リチウム電池の電池電圧を上回ってしまうという問題があった。
すなわち、腕時計型の脈拍測定装置の場合、駆動源としてコイン型のリチウム電池を採用するのが一般的であるため、上記の発光ダイオードを駆動するために昇圧回路が必要となって、内部回路の回路面積が増大したり、また、低電力化を図るのが難しくなるという課題があった。

この発明の目的は、脈波成分が多く含まれる検出信号と、体動による振動成分が多く含まれる検出信号との両方を取得して、それらにより体動の成分を除去する補正を行って正確な脈拍数を検出するにあたり、特定黒色の肌の人でも同様に脈拍測定が可能であり、且つ、コイン型のリチウム電池の電池電圧を昇圧せずに用いて脈拍測定が可能な脈拍測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、
生体の検出部位に装着して脈拍の測定を行う脈拍測定装置において、
第１の部位と、この第１の部位とは前記検出部位への接触状態が異なる第２の部位とを有し、前記検出部位に当たる側に設けられて該検出部位に接触する検出窓と、
前記検出窓の内側に設けられて赤色又は赤外の光を出射する発光手段と、
前記発光手段の光が前記検出部位で反射された光を、前記検出窓の前記第１の部位を介して受光するように配置された第１受光手段と、
前記発光手段の光が前記検出部位で反射された光を、前記検出窓の前記第２の部位を介して受光するように配置された第２受光手段と、
を備えたことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の脈拍測定装置において、
前記検出窓は、前記第１受光手段への反射光と、前記第２受光手段への反射光との間を仕切る仕切手段を備えていることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の脈拍測定装置において、
前記第２の部位は、前記第１の部位に比べて窪んだ形態に形成されていることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の脈拍測定装置において、
前記第１の部位は前記検出窓の中央の部位であり、
前記第２の部位は前記検出窓の縁の部位であることを特徴としている。

本発明に従うと、発光手段からの光を、皮膚との接触状態が異なる検出窓の第１の部位と第２の部位とを介した反射光を、第１受光手段と第２受光手段とでそれぞれ受光するので、一方からは脈動成分を多く含む検出信号が得られ、他方からは体動成分を多く含む検出信号が得られる。そして、これらによって体動成分の信号を除去する補正を行って正確な脈拍数の算出を行うことができる。さらに、２波長の光を用いず、赤色又は赤外の光を用いて上記のような２種類の信号を得ているので、特定色（たとえば、黒色）の肌の人でも十分な反射光が得られて同様の脈拍測定が可能となり、また、ボタン型リチウム電池の電池電圧を昇圧せずに用いて光出力できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態の脈拍測定装置の内部機構を示す断面図である。図２は、脈拍測定装置の内部構成を示したブロック図である。

この実施の形態の脈拍測定装置１は、手首に装着して脈拍測定を行う腕時計型の測定装置であり、図１に示すように、脈拍測定に関する種々の表示を行う表示部１１と、その上部を覆う透明な風防ガラス２と、内部機構を覆うケーシング３と、裏蓋５と、この裏蓋５の中央に設けられた検出窓７と、腕に装着するためのバンド４とを備えている。また、ケーシング３の内部には、制御部２０、電池４０、第１受光素子３５、第２受光素子３６、検出回路１８，１９等を備えている。

また、図２に示すように、この脈拍測定装置１には、上記表示部１１を駆動するドライバ１２と、報知音の出力を行う報音部１３と、電池４０の電圧を監視する電池電圧モニタ回路１４と、制御部２０のＣＰＵが実行する制御プログラムや制御データを格納されるＲＯＭ２１と、制御部２０のＣＰＵに作業用のメモリ空間を提供するＲＡＭ（Random Access Memory）２２と、所定の周波数信号を供給する水晶振動子などの発振器１５と、複数の操作ボタンを有するキー入力部１６と、検出窓７の内側から光を出射する発光手段としての赤外ＬＥＤ（発光ダイオード）３１，３２と、これら赤外ＬＥＤ３１，３２を駆動するＬＥＤ駆動回路１７と、検出窓７の内側の異なる位置でそれぞれ反射光を受光する第１受光素子３５および第２受光素子３６と、これらの受光素子３５，３６の出力をそれぞれ電圧変換して取り込む弟１検出回路１８および弟２検出回路１９等が設けられている。
また、上記の各構成に動作電圧を供給する構成として、例えばボタン型の電池４０と、電池電圧からセンサ系の動作電圧を生成するアナログ系電源回路４１と、電池電圧から制御系の動作電圧を生成するロジック系電源回路４２と、赤外ＬＥＤ３１，３２の駆動電圧を生成するＬＥＤ用電源回路４３とを備えている。

ＬＥＤ用電源回路４３は、例えば、電他電圧が高い期間等に、電池電圧を一定電圧（例えば３．０Ｖ）まで降圧して出力するものである。電池４０は、例えばボタン型のリチウム電池であり使用開始時には高い電圧（例えば３．６Ｖ）であり、放電が進んでくると電圧が低下してくる。従って、電圧が高いときに一定電圧まで降圧して、赤外ＬＥＤ３１，３２を駆動する際、常に同一の駆動電流により一定の光量が得られるようにしている。

制御部２０は、内部にＣＰＵ（中央演算処理装置）、アナログ信号を入力するＡＤコンバータ、制御信号の入出力を行うＩ／Ｏ、計時動作を行うカウンタなどを備えたマイクロコンピュータである。制御部２０は、発振器１５の信号から生成された一定周波数の動作クロックに従って動作し、また、発振器１５の信号を分周した信号を上記カウンタで計数することで現在時刻の計時等が行われるようになっている。

ＲＯＭ２１には、キー入力部１６からの信号入力に応じて各種の制御処理を開始するゼネラルフローの処理プログラムに加えて、赤外ＬＥＤ３１，３２の駆動と第１受光素子３５と第２受光素子３６の受光等により脈拍数を測定する脈拍数測定プログラム２１ａなどが格納されている。

図３には、図２のＲＡＭに展開されるデータ格納部を表わしたメモリ構成図を示す。

ＲＡＭ２２には、脈拍測定処理の際に脈波成分が多く含まれる信号波形のサンプリングデータを、ＦＩＦＯ（ファストインファストアウト）の形式で格納する脈波波形記憶領域２２ａと、体動成分が多く含まれる信号波形のサンプリングデータをＦＩＦＯの形式で格納する体動波形記憶領域２２ｂと、演算結果の脈拍数を格納する脈拍数記憶部２２ｃ等が設けられるようになっている。

図４〜図６には、検出窓と脈拍検出部の構成を表わした図を示す。図４は、検出窓の部位を下側から眺めた図、図５は、図４の矢印Ａ−Ａ線断面図、図６は、図４の矢印Ｂ−Ｂ線断面図である。

検出窓７は、少なくとも赤外光を透過する部材（例えばアクリルなど）からなるもので、特に制限されるものではないが、図４に示すような平面が楕円形状にされている。また検出窓７は裏蓋５より少し突出した状態に取り付けられている。

また、検出窓７の縁側の一部分には、検出窓７の中央部位７ａよりも窪んだ形態にされた凹部７ｂが形成されている。凹部７ｂは、例えば、裏蓋５と同じ高さ、又は、裏蓋５より高く検出窓７の中央よりも低く形成され、それにより、脈拍測定装置１を腕に装着した際に、腕の皮膚が検出窓の中央と凹部７ｂとに接触し、且つ、凹部７ｂに接触する部分は、中央で接触している部分と比較して圧力が低くなるようになっている。凹部７ｂは、例えば、楕円形状の検出窓７の短軸方向の一方の側に設けられている。

第１受光素子３５と第２受光素子３６とは、例えばフォトダイオードなどから構成されている。第１受光素子３５は検出窓７の内面側の中央位置に配置され、第２受光素子３６は検出窓の内面側の凹部７ｂのある側に配置されている。

赤外ＬＥＤ３１，３２は、例えば波長が７００ｎｍやそれ以上の赤外波長の光を出力する発光ダイオードであり、その順方向電圧Ｖｆは２．５Ｖなどボタン型のリチウム電池の公称電圧３Ｖよりも小さいものである。赤外ＬＥＤ３１，３２は、特に制限されるものでないが、２個設けられ、検出窓７の内面側で、且つ、検出窓７の長軸に沿って中央の受光素子３５を挟んだ２箇所にそれぞれ配置されている。また、赤外ＬＥＤ３１，３２は、土台３ａの傾斜面に取り付けられ、出射光が中央側に進行するような向きで固定されている。

さらに、検出窓７の一部には、光を透過させない仕切り９が設けられている。仕切り９は、検出窓７の中央部位７ａと凹部７ｂとの間を仕切るような配置で、検出窓７の上面側から下面側まで通して形成されている。これにより、仕切り９は、検出窓７の外面中央近傍で反射した光が縁側の第２受光素子３６に入射するのを防止し、検出窓７の凹部７ｂ近傍で反射した光が中央の受光素子３５に入射するのを防止するようになっている。仕切り９は、検出窓７と一体形成するようにしても良いし、検出窓７に後から挿入して設けるようにしても良い。

次に、上記構成の脈拍測定装置１による脈拍測定の動作について説明する。

図７は、第１と第２の受光素子２個の受光手段により行われる脈波検出と体動検出の原理を説明する図である。同図（ａ）は非脈動時のもの、（ｂ）は脈動時のものである。

手首の皮膚下Ｈには、表層部に主として毛細血管８１が分布する組織Ｆ１があり、皮膚の深部になるに従ってより血管の太い細動脈８６や細静脈８５が分布する組織Ｆ２となる。毛細血管８１の血液は、血流速度が遅く血圧や脈動がほぼ消失しているのに対して、細動脈８６の血液は血圧が消失しておらず、脈動時に血管の容積変化も比較的大きい。

図７（ａ），（ｂ）に示すように、検出窓７が皮膚に陥入している中央部位７ａでは、毛細血管８１の組織Ｆ１がその中央部位７ａにより押されてその部位に血液に流入しにくくなる。また、細動脈８６や細静脈８５の組織Ｆ２でも、検出窓７の皮膚への陥入により血液がその部位に流入しにくくなるが、脈動時には細動脈８６の血液が流れ込むことで、その血管容積を増そうとする作用が働く。そのため、検出窓７の中央部位７ａでは、毛細血管８１の血液が押しのけられて細動脈８６や細静脈８５の組織Ｆ２まで光が良く届くとともに、脈動に伴う細動脈８６の容積変化が比較的大きく生じ、これが反射光Ｒ１の変化となって第１受光素子３５の検出信号によく表われる。また、毛細血管８１や細静脈８５に滞留している血液が少ないため、体の動きに伴う振動に由来するノイズが少なくなる。

一方、検出窓７の皮膚への陥入量が小さい凹部７ｂの周辺では、赤外ＬＥＤ３１，３２の反射光Ｒ２は毛細血管８１の血液で反射されて、細動脈８６や細静脈８５の組織Ｆ２まで届きにくい。そのため、第２受光素子３６の信号からは、脈動成分の信号が少なくなり、体動に伴う毛細血管８１の血液の振動や細動脈８５の容量変化が検出信号によく表われる。

従って、上記のような条件で第１受光素子３５と第２受光素子３６からの検出信号を取得することで、脈動成分が多く含まれる信号と、体動成分が多く含まれる信号とが得られ、両者を比較することで体動成分の信号と脈動成分の信号を分離抽出して、この脈動成分の信号により正確な脈拍数を算出することが可能となる。

図８には、制御部２０のＣＰＵにより実行される脈拍数測定処理のフローチャートを示す。

この実施の形態の脈拍測定装置１においては、例えば、ユーザが操作キーを操作してキー入力部１６から制御部２０に特定の信号を入力すると、脈拍数を測定しながら現在の脈拍数を表示部１１に表示していく脈拍測定モードに移行される。

脈拍測定モードに移行すると、制御部２０のＣＰＵにより、図８の脈拍数測定処理を所定のサンプリング周期（例えば５ｍｓｅｃや１０ｍｓｅｃなど）ごとに繰り返し実行される。この脈拍数測定処理が開始されると、先ず、赤外ＬＥＤ３１，３２を点灯させて第１と第２の受光素子３５，３６からの検出信号を１回サンプリングする脈波・体動波形サンプリング処理（ステップＳ１）を実行する。

次いで、制御部２０の計時カンウタの値から脈拍数の表示更新タイミング（例えば３０秒や１分ごとなど）になったか否かを判別し（ステップＳ２）、表示更新タイミングでなければ１回の脈拍数測定処理を終了して、次のサンプリング周期まで待機する。そして、再び、脈拍数測定処理を繰り返し実行する。

一方、表示更新タイミングになっていれば、ＲＡＭ２２の脈波波形記憶領域２２ａと体動波形記憶領域２２ｂに記憶されている第１の受光素子３５と第２の受光素子３６の検出信号のサンプリングデータに基づき脈波成分の信号を分離抽出し、現在の脈拍数を算出する（ステップＳ３）。そして、表示部１１の表示データをステップＳ３で算出した脈拍数のものに切り換えて（ステップＳ４）、１回の脈拍数測定処理を終了する。このステップＳ３，Ｓ４の処理により、所定時間ごとに現在の脈拍数が算出されて表示部１１に表示出力されていく。

図９には、図８のステップＳ１で実行される脈波・体動波形サンプリング処理の詳細なフローチャートを示す。また、図１０には、この脈波・体動波形サンプリング処理の動作を説明するタイムチャートを示す。

脈波・体動波形サンプリング処理に移行すると、先ず、ＬＥＤ駆動回路１７の制御信号をハイレベルにして赤外ＬＥＤ３１，３２を点灯させ（ステップＳ１１）、次に、期間Ｔ１のカウントにより第１受光素子３５の検出信号のサンプリングタイミングＭ１まで待機する（ステップＳ１２）。そして、サンプリングタイミングＭ１になったら第１受光素子３５および第１検出回路１８の出力をＡＤコンバータにより取り込み（ステップＳ１３、図１０（ａ），（ｂ）を参照）、このＡＤ変換値をＲＡＭ２２の脈波波形記憶領域２２ａに書き込む（ステップＳ１４）。脈波波形記憶領域２２ａがサンプリングデータでいっぱいになった場合には、ＦＩＦＯ方式により古いデータから削除されて新しいデータが書き込まれるようにされる。

次に、期間Ｔ２のカウントを待って第２受光素子３６の検出信号のサンプリングタイミングＭ２まで待機し（ステップＳ１５）、このサンプリングタイミングＭ２になったら第２受光素子３６および第２検出回路１９の出力をＡＤコンバータにより取り込む（ステップＳ１６、図１０（ｃ）を参照）。そして、このＡＤ変換値をＲＡＭ２２の体動波形記憶領域２２ｂに書き込む（ステップＳ１７）。体動波形記憶領域２２ｂにもＦＩＦＯ方式により、サンプリングデータでいっぱいになった場合には、古いデータから削除されて新しいデータが書き込まれるようにされる。

次いで、期間Ｔ３のカウントを待って赤外ＬＥＤ３１，３２を消灯させるタイミングまで待機し（ステップＳ１８）、このタイミングでＬＥＤ駆動回路１７の制御信号をローレベルにして赤外ＬＥＤ３１，３２を消灯させる（ステップＳ１９、図１０（ａ）を参照）。そして、１回の脈派・体動波形サンプリング処理を終了する

そして、このような脈派・体動波形サンプリング処理が、サンプリング周期で繰り返し実行されることで、第１受光素子３５の検出信号のサンプリングデータがＲＡＭ２２中の脈波波形記憶領域２２ａに格納されていき、また、第２受光素子３６の検出信号のサンプリングデータがＲＡＭ２２中の体動波形記憶領域２２ｂに格納されていく。そして、上述したように図８の脈拍数測定処理のステップＳ３，Ｓ４によって、所定期間ごとに現在の脈拍数が表示部１１に表示出力されるようになっている。

以上のように、この実施形態の脈拍測定装置１によれば、皮膚との接触状態が異なる検出窓７の中央部位７ａと縁部分にある凹部７ｂとからの反射光をそれぞれ第１受光素子３５と第２受光素子３６とで受光するので、２波長の光を用いることなく、脈動成分の多く含まれる検出信号と、体動成分の多く含まれる検出信号とを得て、それにより体動成分の信号を除去した正確な脈拍数の測定が可能となる。

また、このような２成分の信号を得るのに赤外光のみを用いているので、黒色肌の人でも十分な反射光が得られて同様の脈拍測定が可能となり、また、ボタン型リチウム電池４０の電池電圧を昇圧せずに、光出力することができるという効果がある。

また、検出窓７に仕切り９を設けているので、検出窓７の中央部位７ａからの反射光と凹部７ｂ近辺からの反射光とを混合させることなく、第１受光素子３５と第２受光素子３６とにそれぞれ分けて受光させることができる。

また、第２受光素子３６の下側に検出窓７の縁部分を窪ませた凹部７ｂを形成したので、その部分に毛細血管８１や細静脈８５の血液をうまく滞留させて、第２受光素子３６により体動成分の多く含まれる検出信号が得られるようになっている。

なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、発光手段として赤外波長の光を出力する発光ダイオードを採用した例を示したが、例えば、赤色波長の発光ダイオードでも同様の効果が奏される。また、発光手段の数や配置や種類等は、検出部位から十分な反射光が得られれば、特に制限されるものではない。

また、上記実施の形態では、体動成分の多く含まれる検出信号を得るのに、検出窓７の縁部分を窪んだ形状にした例を示したが、例えば、検出窓７の上面の一部を波状の形態にして第２部位としたり、また、縁部分でなく、やや中央側の部分を凹状の形態にした第２部位とするなどしてもよい。その他、実施の形態で示した細部等は発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施の形態の脈拍測定装置の内部機構を示す断面図である。 図１の脈拍測定装置の内部構成を示すブロック図である。 図２のＲＡＭに展開されるデータ格納部を示すメモリ構成図である。 検出窓の部位を下側から眺めた図である。 図４の矢印Ａ−Ａ線断面図である。 図４の矢印Ｂ−Ｂ線断面図である。 ２個の受光手段により行われる脈波検出と体動検出の原理を説明する図である。 制御部により実行される脈拍数測定処理の処理手順を示すフローチャートである。 図８のステップＳ１で実行される脈波・体動波形サンプリング処理の詳細を示すフローチャートである。 脈波・体動波形サンプリング処理の動作を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１ 脈拍測定装置
７ 検出窓
７ａ 中央部位
７ｂ 凹部
９ 仕切り
１１ 表示部
２０ 制御部
２１ ＲＯＭ
２２ ＲＡＭ
２２ａ 脈波波形記憶領域
２２ｂ 体動波形記憶領域
３１，３２ 赤外ＬＥＤ（発光手段）
３５ 第１受光素子
３６ 第２受光素子
４０ 電池
４３ ＬＥＤ用電源回路

Claims (4)

1. 生体の検出部位に装着して脈拍の測定を行う脈拍測定装置において、
   第１の部位と、この第１の部位とは前記検出部位への接触状態が異なる第２の部位とを有し、前記検出部位に当たる側に設けられて該検出部位に接触する検出窓と、
   前記検出窓の内側に設けられて赤色又は赤外の光を出射する発光手段と、
   前記発光手段の光が前記検出部位で反射された光を、前記検出窓の前記第１の部位を介して受光するように配置された第１受光手段と、
   前記発光手段の光が前記検出部位で反射された光を、前記検出窓の前記第２の部位を介して受光するように配置された第２受光手段と、
   を備えたことを特徴とする脈拍測定装置。
2. 前記検出窓は、前記第１受光手段への反射光と、前記第２受光手段への反射光との間を仕切る仕切手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の脈拍測定装置。
3. 前記第２の部位は、前記第１の部位に比べて窪んだ形態に形成されていることを特徴とする請求項１記載の脈拍測定装置。
4. 前記第１の部位は前記検出窓の中央の部位であり、
   前記第２の部位は前記検出窓の縁の部位であることを特徴とする請求項３記載の脈拍測定装置。

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