JP2010148729A - 運動中の脈拍情報の検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外光による外乱ノイズを軽減することができる運動中の脈拍情報の検出装置を提供すること。
【解決手段】光学センサーを用いて運動中の脈拍情報を検出する検出装置であって、耳の一部を挟持するクリップを備え、光学センサーは、クリップにおける内側の部材に配置されて光を発する発光素子と、クリップにおける外側の部材に配置されて発光素子からの光を受光する受光素子と、で構成され、発光素子と受光素子とは、互いに対向して配置されており、外側の部材は、受光素子に対して外部から入射される光を遮断する光遮断壁を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学センサーである光電センサーを使って脈拍を検出する際に外光が直接あるいは間接的に光電センサーに影響を与えにくくする物理的形の発明と運動中の振動によって光電センサーに発生する外乱ノイズを抑制するための物理的センサー保持方法に関する発明、心拍数測定と測定結果出力を簡便にするためのセンサーモジュール構造の発明、光電センサーが受けた信号を脈拍情報に変換するための脈拍算出方式の発明及び脈拍と運動強度の関係を運動支援機能として出力するための方式に関する。

今日屋外における運動中に脈拍を計測するには、電極を胸バンドに付けた胸バンド型心拍計と発光素子と光電センサーを手首や指先に付けた光電センサーを使った反射型脈拍計と耳たぶを発光素子と光電センサーで挟む光電センサーを使った透過型脈拍計が代表的である。

胸バンド型心拍計は、胸への圧迫感、装着性、携帯性に問題に問題を持っている。特に脈拍計を使用者が心地よく使うことを目的とした場合、胸バンド型心拍計は圧迫感があったり装着場所が限られる問題がある。

光電センサー方式の脈拍計の場合、反射型と透過型があるが、光電センサーを使った反射型脈拍計は運動による血流の乱れ、光電センサーへの外来光ノイズの混入、脈波信号検出結果（S/N比）が非常に悪いなどの問題を抱えている。また、センサー装着位置が手首や指先が主であることから運動時における血流の乱れが大きくそれを補正するための複雑な処理が必要であることと、本開発の特徴でもある音声を使った効果的な運動指導をするための物理的なシステム作りが困難であるなどの問題がある。一方、透過型脈拍計は装着性に優れているものの運動時の振動と外光から影響による外乱ノイズが高い問題があり屋内における比較的振動の少ない運動における脈拍計に限られている。

特開２００５−１９２５８１号公報 特開２００７−７５４８２号公報

脈拍数情報を使って心肺機能を向上させる運動方法は今日広く知られている。特に有酸素運動を効果的に実施するためには運動中の脈拍情報をリアルタイムに被検者に提供することでさらに効果を上げることができる。しかしながら屋外において脈拍数を使った効果的な有酸素運動を広めるためには光電センサーを使った透過型脈拍計の欠点である外光と振動による外乱ノイズを抑制する技術を開発し、抽出した脈拍数情報を分かりやすい音声で効果的な運動のための運動指導情報と共にリアルタイムに提供する機能が求められている。

心拍数は１拍ごとに変化し、一定ではない。その１拍毎の出力時間差異（心拍変動）が約１００ｍｓにも及ぶことから脈拍数を出力するときの算出はある一定の時間内で発生した脈拍数を平均化計算し、それを１分間の脈拍出力に換算する必要がある。そのため安静時における脈拍計測法では、従来３０秒程度の脈拍をあらかじめ採取し、その平均値を算出し、１分間の脈拍に換算して出力していた。しかしこの方法を使った場合においても脈拍変動が大きい場合、１拍毎の脈拍を抽出してその平均を求める脈拍数算出方法では脈拍数演算結果の精度性が低下してしまう問題があり、光や振動による外乱ノイズに加えて人の脈拍変動を考慮した脈拍数算出方式が求められている。

更に、人の脈拍は運動した瞬間に脈拍が反応するのではなく、常に時間的な差を持ちながら脈拍数に影響を与えている。したがって心拍数を測定した結果だけで運動指導をすると常に与えた運動強度とその結果発生した心拍数にタイムラグが生まれて心地よい運動指導機能に欠ける問題がある。

本発明は、以上のような問題点に着目してなされたもので、特に光学センサーを用いて運動中の脈拍情報を検出する検出装置において、外光による外乱ノイズを軽減する装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の運動中の脈拍情報の検出装置は、
光学センサーを用いて運動中の脈拍情報を検出する検出装置であって、耳の一部を挟持するクリップを備え、前記光学センサーは、前記クリップにおける内側の部材に配置されて光を発する発光素子と、前記クリップにおける外側の部材に配置されて前記発光素子からの光を受光する受光素子と、で構成され、前記発光素子と前記受光素子とは、互いに対向して配置されており、前記外側の部材は、前記受光素子に対して外部から入射される光を遮断する光遮断壁を有することを特徴としている。
この特徴によれば、発光素子と受光素子で挟んだ生体部位以外の耳に太陽光が当たり、生体の組織自体を通って受光素子に到達することを防止し、外光による外乱ノイズを軽減することができる。尚、本発明の耳の一部とは、外耳における耳介や耳たぶや耳珠などを含む。

本発明の請求項２に記載の運動中の脈拍情報の検出装置は、請求項１に記載の運動中の脈拍情報の検出装置であって、
前記外側の部材と前記内側の部材とが異なる形状となっており、前記外側の部材は、前記内側の部材よりも大きな形状となっていることを特徴としている。
この特徴によれば、使用者が耳に検出装置を装着する際に、クリップの方向が自動的に確定し、光学センサーの受光素子は、常に内側を向くことになり、外光の影響を軽減することができる。

本発明の請求項３に記載の運動中の脈拍情報の検出装置は、請求項１または２に記載の運動中の脈拍情報の検出装置であって、
前記クリップの筐体には、前記発光素子が発する光の波長以外の波長の光を反射するようになっていることを特徴としている。
この特徴によれば、受光素子が、発光素子以外からの光を受光してしまうことを防止でき、外光による外乱ノイズを軽減することができる。

本発明の請求項４に記載の運動中の脈拍情報の検出装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の運動中の脈拍情報の検出装置であって、
前記クリップによる固定箇所以外の箇所で、前記耳に固定される耳ハンガーを有し、該耳ハンガーは、変形可能な線状部材となっていることを特徴としている。
この特徴によれば、耳に固定するための複数点の固定位置を持つことで、運動中でも検出装置がしっかりと固定されるようになり、かつ様々な耳の形状に応じて耳ハンガーを変形させて、検出装置を取り付けることができる。

本発明の請求項５に記載の運動中の脈拍情報の検出装置は、請求項１ないし４のいずれかに記載の運動中の脈拍情報の検出装置であって、
前記検出装置に加わる加速度情報を検出する加速度センサーを備え、前記脈拍情報は、前記加速度情報により調整されることを特徴としている。
この特徴によれば、使用者の運動によって検出装置に衝撃等が加わって、光学センサーが脈拍情報を誤検出しても、その誤検出が加速度センサーによる加速度情報に基づいて調整されるようになり、正確な脈拍情報を検出することができる。

本発明の請求項６に記載の運動中の脈拍情報の検出装置は、請求項１ないし５のいずれかに記載の運動中の脈拍情報の検出装置であって、
前記脈拍情報に基づいて適切な運動を指導する音声情報を発するスピーカーを備えることを特徴としている。
この特徴によれば、脈拍情報に基づいてリアルタイムで適切な運動の指導を使用者に与えることができ、かつ運動を指導する音声情報を発するスピーカー装置と脈拍情報を検出する検出装置とが一体的な装置となり、利便性を向上させることができる。

本発明に係る運動中の脈拍情報の検出装置を実施するための最良の形態を以下に説明する。

センサー構造は光電センサーである受光素子と発光素子を備える耳たぶクリップ型を用いる。このクリップ型センサーは光電センサーに外乱ノイズを発生させる要因の一つである太陽光の影響を軽減させる機能をもつ光遮断壁を持つ左右非対称のクリップ形状を特徴とする。尚、耳たぶクリップの内側形状（内側の部材）は小さく、外側形状（外側の部材）は大きくなっている。耳たぶクリップ方式は頭上からの太陽光の侵入を受けやすいことから、本発明は、耳たぶクリップ外側に耳の縦方向に長い光遮断壁を備える。

これにより発光素子と受光素子で挟んだ生体部位以外の耳たぶに太陽光が当たり、生体の組織自体を通って受光素子に到達する問題を緩和する機能を持つ。加えて発光素子の照度を制御することでさらに外光による外乱ノイズを軽減する機能を備える。

太陽光が光電センサーに与える影響を軽減させる目的から光電センサーは光遮断壁を持つクリップの外側に備え、耳たぶをはさむための構造の内側に光発光素子を備える。発光素子を組み込んだ構造体と光電センサーを組み込んだ構造体は形状が異なり、耳たぶに装着するクリップの方向が本発明の形態によって自動的に確定する特徴を持つ。これにより、光電センサー面は常に内側を向くことになり、太陽光の影響を軽減する特徴を持つ。

外光による外乱ノイズ反射処理に関して、光電センサーは発光素子からに発光する特定の波長に反応し電圧を生成する性格を持つことから、発光素子以外からの特定の波長をもつ光を受けても電圧を生成する。この問題を軽減させるために発光素子以外からの特定の波長を（400μｍ−1000μｍ）を反射する塗料をクリップ型筺体の内側に施す。

他の外光による外乱ノイズ反射処理に関して、特定の波長を持つ成分を反射するシートを筺体と光電センサーの間に備えることでも外光からの外乱ノイズ軽減に寄与する。

他の外光による外乱ノイズ反射処理に関して、光電センサーを実装する筺体の材料に特定の波長を反射するプラスチック材料を用いる。

本発明では、透過型の光電センサー構造により光と体動ノイズを軽減させる発明を行った。光による外乱ノイズは前述している通り太陽光を物理的な処理により遮蔽することによって光による外乱ノイズを軽減させた。

従来、体動による外乱ノイズはセンサーを装着する生体の部位が体動によって変形する問題と生体の筋肉質部分の細胞密度および配列が変化し、その変化により発光素子から発射した特定の波長を持つ光あるいは電磁派が生体を通過し、受光素子に届く量が変動する。これにより受光素子が受け取った特定の波長を持つ光の変化から心拍数情報を得ることが難しくなる。

これを解決するための従来の方法は外乱ノイズを起こす原因となる体動のタイミングと強さを加速度センサーに検知し、その情報を使って受光素子が受けた情報をフーリエ演算によって周波数解析を行い、外乱ノイズを取り除き、脈拍情報だけを抽出する方法があるが、この方法は高速演算処理が必要、測定前にキャリブイレーションが必要であるなどの測定条件がある。本発明はフーリエ変換などの高度な演算処理を使用しなくても、物理的に体動による外乱ノイズを軽減し、目的の脈拍計機能を持つ。

物理的な体動ノイズ軽減のために、本発明では、物理的に耳の部位に固定するための複数点の固定位置を持つ機能を備える。一つ目の固定位置は発光素子と受光素子で生体（耳たぶ部位）に、ばねを持つクリップ状の構造体で挟む。２つ目の固定位置は耳の上部に固定するためのハンガーによって固定する。

このハンガーは、ハンガーの付け根部分とハンガー全体、あるいはハンガーの付け根部分とハンガーの末端を使って耳にセンサーの構造体を固定する機能を特徴とする。固定強度を高め、耳形状の個体差を吸収するためにハンガー部はエラストマー素材の中に軟鉄またはアルミニュウムなどのやわらかい線材をもつ構造とした。

もともと人の耳たぶ運動によって変形する筋肉が少ないので運動中の脈拍を測定する生体の部位としては有効であるが、骨を持たない耳たぶにクリップ方式で装着した脈拍を検出するためのセンサーが人の運動によって耳たぶが振動,して発生する外乱ノイズと人の運動によって生体とセンサーが揺れ、クリップ型のセンサーに内蔵した発光素子と受光素子の距離が変化し、受光素子に脈拍情報以外の電圧変化が生じる問題が起きる。

本発明によるセンサー構造体を耳に固定する方法を用いればのこの両方の問題を解決し、発光素子からの情報を受光素子が受け、脈拍数算出用演算方式と組み合わせることで胸バンド型脈拍計と同等な脈拍数情報を得る機能を備える。

図５（ａ）は、運動時に発生する外乱ノイズによって影響を受けた脈拍信号を示す。図５（ｂ）は、固定方法を使って脈拍を計測した結果を示す（振動が与える脈拍の信号の影響が軽減していることがわかる）。

人により脈拍変動（１拍ごとの発生時間の差）が大きく、１拍ごとの脈拍発生時間を用いて１分間の脈拍数換算を実施すると計算結果に大きな差が生まれる。この問題を解決するための簡易脈拍計算法として脈拍を複数回測定し、その平均を割り出し１分間に何拍脈拍が発生しているかを推測する計算方法が知られている。しかしこの方法は複数回脈拍を計測している間に多くの外乱ノイズを取り込んでしまう恐れがあり、被検者から脈拍情報だけを正確に抽出し、１分間に換算した脈拍数を検出することは困難である。

本発明では、次の脈拍算出方式を発明した。この方式は脈拍信号の中に外乱ノイズが存在していたとしても、計算によりノイズであるか否かを判定し、外乱ノイズが存在していた箇所に脈拍補完情報を提供する。これにより、外乱ノイズを計算によって外乱ノイズの影響を軽減する処理を備えていることを特徴とする。脈拍数演算方式を次に示す。

「データの平均化（計測誤差ノイズ除去処理）」
アナログ計測方式
ステップ１：光電センサーが生成する電圧の変化情報を予め定めた時間分（A時間）をメモリーに蓄える。
ステップ２：Ａ時間分の電圧変化情報の合計をメモリーに蓄える際の分解能数で割る。この方式を波形形成フィルターとする。

図６（ａ）は、波形形成フィルター使用前の脈拍信号である。図６（ｂ）は、波形形成フィルター使用後の脈拍信号である。
ステップ３：ステップ１とステップ２の処理を１分解能の入力タイミング毎に繰り返す。

「電圧変化のピーク抽出（適正ピーク判断の閾値）」
ステップ４：分解能ごとに受け取る一番新しい情報をXn+1とし、一つ前の情報をXnとし、２つ前の情報をXn-1として説明する。ステップ３の演算によって算出した解像度ごとの整数情報を用いる。Xn−（Xn-1）＞０ ＆ （Xn+1）−Xn＜１ の場合、Xnをピークと見なす。（Xnから一つ前のXn-1を減算し、その結果が正の数の場合は電圧が上昇し、負の数の場合は電圧が下降しているとみなす。

ステップ５：ステップ４による計算結果において正の数が負の数に変化する位置Xn（移動推移例：（Xn-1）→（Xn）→（Xn＋１ｂ））を電圧のピーク値とみなす。または（移動推移例：（Xn-1）→（Xn）→（Xn＋１a））の場合もXnをピークとする（図７参照）。

ステップ６：脈拍数算出にはピークからピークまでの経過時間情報を用いるが、ピーク間が（B時間）以内の場合人の脈拍数としては異常な状態を示す数字とし、この場合の２番目のピーク情報は採用しない。

ステップ７：採用しなかった2番目のピークの次に抽出した3番目のピークが（B時間）以内の場合3番目のピークも採用しない（2番目と3番目のピーク間が（B時間）以上の場合は3番目のピークを採用し、1番目の3番目のピーク間の時間情報を脈拍計算のための情報とする。

ステップ８：ステップ５、ステップ７の処理で各ピーク間の時間情報を用いて１分間換算の脈拍を算出する。算出した脈拍数が（C拍）以下と（D拍）以上の場合はその数値を脈拍数出力計算時に適用しない（脈拍数出力計算とは表示体あるいは音声を使って脈拍数を使用者に伝えるときに使用する計算のこと）。

しかし適用しないピーク位置の情報は記憶しておく。例として図８では、ピーク間A,B,D,Eの計算結果が（C拍）以上、（D拍）以内の場合A,B,D,E間の経過時間情報を脈拍数計算のための情報として用い、Cが（C拍）以下の場合Cの情報を脈拍数計算には使わないがその位置は記憶していることを示している。

ステップ９：ステップ４、ステップ５、ステップ６、ステップ７、ステップ８の工程を繰り返し、採用ピークを抽出し各ピーク間の脈拍数を定めると同時にステップ８の工程において適用しなかった時間情報のピーク位置を記憶する。

「仮脈拍数の決定」
ステップ１０：ステップ９の処理で（E個）のピークを抽出する。
ステップ１１：ステップ１０の演算は１個目のピークから（E個）目のピークを生成するために使った経過時間の合計を（E個−１）で割り、その時点の仮脈拍数を決定する。

ステップ１２：２個目のピークから（E個＋１）のピークを生成するために使った経過時間を（E個−１）で割り、その時点の仮の脈拍を決定する。（次の処理は３個目から（E個＋２）目・・これを順番に繰り返す）
ステップ１３：ステップ１１、ステップ１２の処理を繰り返して新しいピークを抽出するごとにその時点の仮脈拍数を決定する。

「（E個）間で採用しないピークが存在した場合の処理」
ステップ１４：（E個）のピークを抽出する前に採用しないピークが存在する場合（図８のCのような状態が存在する場合）、その時点までのピークに要した時間を採用ピーク数−１の数で割り、その時点の仮脈拍を算出する（仮脈拍数とは脈拍数出力計算の前に実行する計算処理の結果を示す）。

ステップ１５：ステップ１４の工程が終了したら、不採用のピーク位置ステップ１４の計算結果を適用する。不採用ピーク位置の次のピーク位置も不採用ピーク位置としてステップ１４の計算結果を適用する。採用ピークを抽出した時点でそのピークを最初のピークとしてステップ１４、またはステップ１１の処理を実行する。図９ではCに不採用値がある場合はDも不採用とし、CとDにBの値を流用する。

「脈拍出力計算（脈拍数出力調整処理）」
ステップ１５：脈拍数の変化は被検者に提供する運動強度によって変動するが、精神的な生理現象、脈拍変動、呼吸数、運動のリズムによっても心拍数が変化する。そのため脈拍数の１拍ごとの変化は１００ｍｓにもおよび、１拍ごとに約３０拍/分相当の違いが現れることがある。一般的に脈拍数として把握するには１拍毎の脈拍時間を１分間に換算して表示するより複数の脈拍を（約３０秒間）脈拍を測定し、それを１分に換算する方法であれば突発的に変化した脈拍表示に比べて安定した脈拍数を得ることができるのでこの方法が多く用いられている。

しかし、この方法では１分間に換算した脈拍数は算出できが、１０秒や２０秒間で起きた脈拍の変化を知ることが難しい。またセンサーへの外乱ノイズの影響も把握しにくくなる。特に脈拍数情報を使って効果的な有酸素運動を得るためには詳細な脈拍情報を身体から得る必要がある。本発明では脈拍数として認識しやすい１秒単位で０拍から３拍までの心拍変動実現させるためにステップ７，ステップ８の不採用ピークとピーク間に設定した仮脈拍が（F拍）以上の場合の処理を施した。

ステップ１６：ステップ８で脈拍数出力計算に適用しないピークが（E個）連続した場合は適正な脈拍数検出が出来ないと判断し、エラー音を被検者に知らせる。
ステップ１７：ステップ１1、ステップ13の処理でピークを検出するごとに仮の脈拍数を設定する。
ステップ１８：実際の脈拍数出力は大きな脈拍変動による不安定な脈拍数表示を軽減させる目的から仮の脈拍数から最新の脈拍数出力を減算し、その差に√2乗処理の結果を最新の脈拍出力結果に加減算し、脈拍出力情報を更新する。

ステップ１９：ステップ８で脈拍数出力計算に適用しないピークの脈拍出力は脈拍数を脈拍数出力計算に適用しないピーク時の直前にステップ１８で算出した脈拍数を連続に適用する。
ステップ２０：脈拍情報の出力は1秒ごとに更新する。最後に算出した脈拍出力情報を1秒毎の更新脈拍出力情報として適用する。
図１０は、脈拍数算出までの算出フローと関係機能を示す。

本発明では脈拍計と加速度計（加速度センサー）を備え、運動の物理的強度を加速度計で運動の強さと方向を検出し、脈拍計はその結果生理現象として現れた脈拍数を検出する機能を持つ。検出情報を用いて運動した瞬間とその結果発生した脈拍数の関係を解析し、図１０で示す出力制御機能にて決定した出力制御命令似て目的の運動効果を実現させるための運動指導に効果的なサウンド出力およびＭＩＤＩ出力を実行する機能を備えていることを特徴とする。

加速度センサーは被検者が運動しているか否か、運動ステップ数、運動ステップ速度を感知し、その加速度センサー情報と脈拍計の情報を用いて被検者が求める心拍数に誘導する運動指導プログラムと運動効果判定および運動状態告知を音楽、音声、表示で知らせる機能を特徴とする。

応用商品として心拍数制御運動指導は個々人の心肺機能の状態に合わせて有酸素運動に適正な運動強度を誘導する運動指導を音声で提供する装置がある。

この装置によれば運動強度と運動結果の脈拍数を関連づける機能を持つ。例えば屋外のジョギング中、目標心拍数に到達していない場合スピーカーからもっと強い運動強度が必要である旨の音声が出力されるが、何らかの理由（信号が赤でジョギングを継続できない場合や同じジョギングをしていても上り坂などで急にジョギング速度が落ちてしまった場合など・・・）で運動指導のナレーションが実際の運動状態と異なった場合、加速度センサーはその時点の運動実施状態の有無と運動強度（ステップ数・ステップ速度）を検知し、音声出力のナレーション選択を調整する機能を持つことが可能になる。

目標心拍数を得るために被検者に提供される運動指導音声と音楽リズム出力は運動生理現象による心拍数変動情報と運動による物理的変動によっておきる変化を加速度センサーで捉え、その2つの情報を用いて調整する機能を備える。これは人の心拍数は運動を始めてもすぐに上昇しない現象と運動を止めてもすぐには脈拍数が下降しない現象があることから脈拍センサーから得た情報だけで現在の運動状態を決定することは難しい。本発明は加速度センサーを脈拍センサーを組み合わせることによって現在の運動状態をリアルタイムに検知し、運動という具体的な行動とその結果発生する心拍数の制御を違和感なく提供しようとしている。

本発明は目的の運動効果を実現するために脈拍センサーと加速度センサーから検出した脈拍と歩数計情報の両方を用いて効果的な音声と音楽を提供するシステムを備える。これにより運動を開始したタイミングにあわせて関連するナレーションを音声で提供したり、運動を止めたタイミングや運動を強めたタイミングや運動を早めたタイミング等に合わせて適応するナレーションの提供を可能とする。

図１１は、加速度センサーと脈拍センサーのそれぞれが持つ機能と組み合わせることで可能になる機能を示す。

加速度センサーは目的の運動効果得るために提供する音楽のリズム出力タイミング制御に用いる。脈拍数の制御は運動強度と運動のリズムによる制御手段を用いる。これはマラソンやジョギングにおいて走行ステップのリズムと心拍のリズムが同期する生理的現象を利用するものである。本発明は運動中のリズムを加速度センサーによって検知し、そのリズム数と脈拍センサーによって検知した脈拍数を比較し、目標心拍数領域に達するように走行リズムを調整するナレーションを被検者に提供する機能を備える。

本発明によれば、従来脈拍情報を使った屋外の運動を実施する場合、脈拍情報を得るための手段として電極を胸に当てて電位差を計測する方法を用いていた。しかしこの方法は胸にベルトを装着しなければならず、常に胸に圧迫感を与えてしまう問題があった。そのほうかの方法として光電脈拍センサーを耳たぶに装着する方法が知られている。 この方式は胸ベルと方式に比べて装着による圧迫感が少ない利点があるが、光電センサーは光と振動によるノイズを受けやすい問題があり、屋外の運動時の脈拍計測には不向きといわれていた。

これは太陽光と影の変化が激しい場所での運動は光電センサー内で光と影によって発生する電圧に大きな変化が生まれ、本来測定すべき血液内のヘモグロビンの移動によって生じる光の吸収量の変化で脈拍を測定するための電圧差を検地できない状態にしてしまうと同時に、運動時における披検者の筋肉および脂肪の振動と変形、並びに運動による振動から生じるセンサーと皮膚との摩擦によるノイズによっても光電式脈拍センサーは屋外における運動時の脈拍計測は難しいとされてきた。

本発明は耳部に光電脈波センサーを装着する手軽さと装着感の良さを持ちながら光と振動の問題をセンサーを囲むケース形状と耳部への固定方法およびセンサーから取得した信号を脈拍数として表すための独自の計算方式によって克服している。これにより、胸ベルト方式のように脈拍センサーを装着するときに上半身の衣服を脱ぐ必要がなくなり、脈拍センサーをいつでもどこでも装着できるようになる。

特に女性において胸ベルト方式はセンサーを装着するために必要なプライベートな空間が本発明により不用になることで脈拍数を使った運動をさらに手軽に利用できるようになる利便性は高い。本発明による光電センサーを使った脈拍計は加速度センサー機能と音声出力機能を備え、物理的な運動状態を検知しながら効果的な運動方法を音声で知らせることが出来る。

これにより、運動によって変化する脈拍数と実際に運動している物理的な運動加速度情報を解析し、被検者に効果的な運動指導用音声を提供することができる。従来被検者の脈拍と運動強度を計測しながらリアルタイムで効果的な運動指導を受けるには脈拍を計測するための装置である電極を直接肌に装着し、運動強度やタイミングを計測するための装置である加速度センサーの両方を体に装着し、専用のスポーツインストラクターから運動指導してもらう必要があったが、本発明のシステムを用いることで被検者の心肺機能や運動リズムに合わせて目的の運動効果を持つ運動の個人指導を音声と音楽によって効果的に受けることが出来るようになる。

この機能はスポーツをする人たちのためだけではなく、中高齢者で心肺機能が衰えてきた人が効果的に有酸素運動を行うための支援装置として使うことが出来るばかりでなく、今日のメタボリック問題を改善するために効果的に脂肪を燃焼させ、体重を効率的に減らす運動をするときにも効果的である。加えて、中高齢者は感覚的な運動強度と実の運動強度の差が大きく運動事故につながりやすい問題があるが本システムを使うことで実の運動強度を知ることが出来るので運動事故を未然に防ぐための適正な運動強度を個々人の体力に合わせて音声指導を受けることが出来るようになる。

本発明の実施例１を図面に基づいて説明すると、まず図１２は、実施例１における運動中の脈拍情報提供システムの正面図である。図１３は、脈拍情報提供システムのブロック図である。図１４は、イヤーピース部の正面と裏面図と側面である。図１５は、イヤーピース部の断面と、本システムを耳に固定するためのハンガー部を示す。図１６は、センサー部分の電気的ブロック図である。図１７は、操作部を運動者の衣服などに固定する方法を示す。

実施例１は本発明を運動者に提供するためのシステムで、耳に装着するセンサーとスピーカー機能と光電センサーからの信号を増幅するアンプ部を持つイヤーピース部とイヤーピース部からの情報を受けて脈拍数の算出とアプリケーション演算を行いその結果をディスプレイに表示する機能と音声および音楽を情報をイヤーピース部に提供する機能を持つ操作部から成る。

このシステムは光学脈波センサーと加速度センサーからの電圧変化を増幅機能部が受け、増幅した電圧変化を脈拍数計算と運動強度計算する機能を持つ演算機能にそれを渡し、演算機能部は脈拍計算と運動強度を確定し、運動者の年齢情報と一定の運動強度を与えたときの脈拍変化情報を用い、目的の運動効果が期待できる運動強度と運動リズムを決定し、運動者に音声とリズムでそれを伝える。図１２は、ハードウェアー構成を示し、図１３は、その機能ブロック図を示す

本発明による機構構造は片耳の耳たぶに脈拍センサーを挟み、耳にイヤーピース部を固定するための耳ハンガーを備えている。これは運動中にイヤーピース部が耳から外れる事を防ぎ、運動の振動と外光の変化によるによる外乱ノイズを軽減し精度の高い脈拍計測を実現させる。又この構造には光学センサーと耳ハンガーの間にスピーカーを備え、本イヤーピース部を耳に装着することでスピーカーからの音が聞こえやすい位置に配置される。

本システムのイヤーピース部は太陽光がセンサーに影響を及ぼす率を軽減するように三日月型とした。特に運動中は頭上からの太陽光を受けることが多いので縦方向に長い形状を考案した。

実施例１に用いるイヤーピース部の断面は、図３に準じ、受光素子がクリップ型のイヤーピース部の外側の構造に配置してあることを示している。これにより太陽光が斜めから影響を与える状態になったとしてもその光が直接センサーに入りにくい構造にした。クリップ型イヤーピース部の内側の筐体には発光素子を備えている。

図４（ｂ）では、耳にシステムを固定するためのハンガー部分の拡大図である。耳の形とサイズは一人一人異なっていることから本システムのハンガーは自由に曲げることが出来るエラストマー素材を用いている。又、イヤーピース部を耳に固定させるためにエラストマー素材の中に軟鉄（またはアルミニュウム）のワイヤーを入れた。

図１５に示すように、イヤーピース部と操作部を接続するケーブルを経由して運動中の振動がイヤーピース部の光電センサーに伝わらないようにイヤーピース部に接続するケーブルはイヤーピース部のハンガーに組み込んだ構造とした。この構造によりケーブルを強く引っ張ってもイヤーピース部は耳から外れにくい機能も持つ。

図１２は、本システムの操作部を示す。操作部にはシステムの機能を制御するためのボタンを設けてある。ボタンは運動者が操作部を見なくても指の感触で操作が出来るように設定ボタンと運動中のボタンの形が異なる。そのほかに操作内容の表示と脈拍情報の表示、運動効果状態を知らせる表示機能を備える。

図１６は、イヤーピース部の機能を示すブロック図である。イヤーピース部は受光素子から得た電気信号を増幅し、演算部で波形整形し、脈拍数を決定する。同時に加速度センサーから受けた信号を増幅し、演算部で歩数をとステップ速度を決定し、アプリケーション出力する、アプリケーション出力には出力データベースの音声とＭＩＤＩ情報を用いる。この機能を一体化することにより独立したシステムが構築出来る。

この機能を使えば携帯電話、携帯型音楽再生器、医療用生態検査システムなどの脈拍、運動強度センサーユニットとして利用することが出来る。

図１３で示すとおり、イヤーピース部と操作部との２つの構造体で構成されている。イヤーピース部と操作部はケーブルで接続され、そのケーブルの途中にボタンを備えている。このボタンを使用すると、その時点の脈拍数、カロリー消費、走行距離などの運動結果情報をイヤーピース部に備えたスピーカーから音声で出力する。操作部は正面に操作ボタンを備えている。正面のボタンは運動中の運動強度を調節するボタン群と設定や操作の開始、停止を指示するためのボタン群を備えている。

操作部には、外部入力用のコネクターを備え、外部からのサウンドを入力し、生成した音声と合成してイヤーピース部に備えたスピーカーから入力したサウンドと本システムによって生成したサウンドを合成した音を出力することを特徴とする。

図１３は、センサー情報の遷移とその処理を示す。イヤーピース部に備えた発光素子からの光が、被検者の耳たぶを経由して受光素子に到達する。このとき耳たぶの中に存在する血管内の血液中にあるヘモグロビンは光を吸収する特徴を持ち、同じ場所に留まっている場合と、血液の移動に伴ってヘモグロビンが移動する場合とでは、発光素子から照射された光を受光素子が受光する量に変化が生じる。

この受光量の変化を受光素子が電圧変化として変換し、増幅回路に渡し、増幅した情報をアプリケーション演算部に渡す。アプリケーション演算部では脈拍数演算を行い、演算結果とあらかじめボタン群のボタンを使って設定した条件に従って出力機能部に備えた音声データベースから音声出力データを抽出する。このとき同時に出力機能部に備えたMIDI出力速度を決定する。決定した音声とMIDI音楽はイヤーピース部に備えてあるスピーカーから出力する。このときの音量は操作部によって調整する。

図１７は、操作部を運動者の衣服などに固定する方法を示す。運動用の衣服は通常の衣服に比べて物を収納しておくポケットが少ない。また普段の衣服に比べてスポーツ用の衣服は薄く物を収納しやすく出来ていない。運動中バッグなどを使用することも困難である。そのため従来類似するシステムは腕に巻きつけていたが、腕が圧迫され、心地よい運動の妨げになっていた。

本実施例１では本体の専用収納ケースに磁石で接合することのできる金属板を設け、磁石を内蔵した板と併用することで衣服を磁石の力ではさみ操作部を衣服に固定する機能を特徴としている。この使用方法は衣服への取り付けだけでは無く、かばん等にも応用可能である。

図１７は、操作部の裏面に装着できるマグネットに張り付く金属板を備えた部品と金属板に張り付くマグネット部品を示している。金属板を供えた部品とマグネットを備えた部品の間に衣服などを挟み、操作部を固定する。

本発明を応用した実施例２を図面に基づいて説明すると、まず図１８は、実施例２における運動中の脈拍情報提供システムの横断平面図である。図１９は、運動中の脈拍情報提供システムの正面図である。図１８は、本システムの構造を示し、図１９は、耳に装着した様子を示す。

実施例２は発光素子を耳の穴の中に入れ耳の一部から光を受け取る受光素子を配置し、人の脈拍を検知する。従来耳から脈拍を計測する場合、計測する場所が耳たぶに限られていたが本実施例のように耳穴を使った方法によると運動指導を音声で提供するためのスピーカーと発光素子が一体化出来、センサーユニット全体が小型化できる。

また、この方法は人によって異なる耳たぶのサイズは耳たぶクリップの装着を困難にする問題を解決すると同時に実施例２は耳たぶクリップ方式では出来ない新しい意匠が可能となる特徴を持つ。図１８では、耳の耳珠部に発光素子と受光素子をはさんで脈波を検出する構造を示す。図１９は、その正面からみた装着イメージを示す。

図１８は、耳珠部を発光素子と受光素子をはさんで脈波を検出する構造を断面図で示している。この図では耳の穴に入れる発光素子を備えた構造と耳の穴から光を照射し耳の穴の外に備えた受光素子が耳の部位を通過した光の変化を検知する。発光素子と受光素子の間に挟まれた耳珠部を光が通過するときに耳珠部内の血管中の血液の流れとともに移動するヘモグロビンによる光を吸収する現象によって受光素子に到達する光の量が変化する。受光素子が検出した光を電圧に変換し脈波を検出する。尚、外部から入射される光を遮断する光遮断壁も有している。

この場合発光素子と受光素子の距離が常に一定であることが測定条件となる。これは耳穴に備えた発光素子から照射した光が受光素子に到達する条件を一定にすることに寄与する。耳珠部部は運動中に形や大きさが変化することが少なくこの目的に適合する部位である。これは受光素子が光を受け取った後、脈拍数に変換するまでのプロセスにおけるノイズ処理の単純化に役立つと同時に脈拍数算出の精度を高める。

図２０は、実施例２のイヤーピース部の投影図である。このイヤーピース部にはセンサー機能とスピーカー機能部を耳に固定するためのハンガーを備えている。ハンガーを構成している素材は自由に曲げることができるエラストマー（シリコンゴムやポリ塩化ビニル等）素材を用い、自由に曲げた後、曲げた形を維持させるための機能を持つ軟鉄やアルミニュウムの線材をインサート成型してある。センサーとスピーカーを制御ユニットに接続するためのケーブルはハンガー部を使って引き回すことで外部の振動が直接センサーの脈拍検知能力への影響を軽減させる。

実施例２のシステムは実施例１と同じくイヤーピース部と操作部の２つによって構成されているが、その他の展開方法として、イヤーピース部に電池を使い、無線で操作部にセンサー情報を送信し、操作部から音声の情報を受け取り、イヤーピース部のスピーカーから音声出力する方法、または、イヤーピース部に電源と制御部とボタン部のすべての機能を備え、イヤーピース部だけで脈拍情報の取得と解析と音声を使った運動情報の提供及び設定機能を持つ展開方法がある。

本発明が適用された運動中の脈拍情報の検出装置を示す斜視図である。 （ａ）は、外乱ノイズを受けた脈拍情報のグラフである。（ｂ）は、正確な脈拍情報のグラフである。 実施例１に用いるイヤーピース部の断面図である。 検出装置を示す図である。 （ａ）は、運動時に発生する外乱ノイズによって影響を受けた脈拍信号を示す。（ｂ）は、固定方法を使って脈拍を計測した結果を示す。 （ａ）は、波形形成フィルター使用前の脈拍信号である。（ｂ）は、波形形成フィルター使用後の脈拍信号である。 移動推移例を示す図である。 ピーク間A,B,D,Eの計算結果を示す図である。 計算結果を示す図である。 脈拍数算出までの算出フローと関係機能を示す。 加速度センサーと脈拍センサーのそれぞれが持つ機能と組み合わせることで可能になる機能を示す。 実施例１における運動中の脈拍情報提供システムの正面図である。 脈拍情報提供システムのブロック図である。 イヤーピース部の正面と裏面図と側面である。 イヤーピース部の断面と、本システムを耳に固定するためのハンガー部を示す。 センサー部分の電気的ブロック図である。 操作部を運動者の衣服などに固定する方法を示す。 実施例２における運動中の脈拍情報提供システムの横断平面図である。 運動中の脈拍情報提供システムの正面図である。 実施例２のイヤーピース部の投影図である。

Claims (6)

1. 光学センサーを用いて運動中の脈拍情報を検出する検出装置であって、耳の一部を挟持するクリップを備え、前記光学センサーは、前記クリップにおける内側の部材に配置されて光を発する発光素子と、前記クリップにおける外側の部材に配置されて前記発光素子からの光を受光する受光素子と、で構成され、前記発光素子と前記受光素子とは、互いに対向して配置されており、前記外側の部材は、前記受光素子に対して外部から入射される光を遮断する光遮断壁を有することを特徴とする運動中の脈拍情報の検出装置。
2. 前記外側の部材と前記内側の部材とが異なる形状となっており、前記外側の部材は、前記内側の部材よりも大きな形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の運動中の脈拍情報の検出装置。
3. 前記クリップの筐体には、前記発光素子が発する光の波長以外の波長の光を反射するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の運動中の脈拍情報の検出装置。
4. 前記クリップによる固定箇所以外の箇所で、前記耳に固定される耳ハンガーを有し、該耳ハンガーは、変形可能な線状部材となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の運動中の脈拍情報の検出装置。
5. 前記検出装置に加わる加速度情報を検出する加速度センサーを備え、前記脈拍情報は、前記加速度情報により調整されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の運動中の脈拍情報の検出装置。
6. 前記脈拍情報に基づいて適切な運動を指導する音声情報を発するスピーカーを備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の運動中の脈拍情報の検出装置。