JP2010167089A

JP2010167089A - 心拍センサ

Info

Publication number: JP2010167089A
Application number: JP2009012272A
Authority: JP
Inventors: Hikari Suzuki; 光鈴木; Yutaka Yokoyama; 豊横山
Original assignee: Astem Corp
Current assignee: Astem Corp
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】発光部と受光部の配置を適正化することにより、正確に心拍数を計測することができる心拍センサを提供する。
【解決手段】被測定者の皮膚に接触される発光手段（ＬＥＤ）１２とこのＬＥＤから所定の間隔を設けて配置された被測定者の皮膚に接触される２個の受光手段（ＰＴ）１３−１、１３−２を有する心拍センサであって、ＬＥＤ１２とＰＴ１３−１、１３−２は、ＬＥＤ１２を頂点として直角または正三角形に配置され、ＬＥＤ１２とＰＴ１３の間隔は７ｍｍ以上１２ｍｍ以下の範囲に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、身体に接触して脈拍を検知する脈拍センサに関する。本発明は、特に、近赤外線を使用して皮膚表面下の血管の脈拍を簡易に測定することができる脈拍センサに関する。

出願人らは、運被測定者の筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を演算するのに必要な前記筋組織を透過した光強度データを計測するヘモグロビン計測手段と、被測定者の心拍数を演算するのに必要なデータを取得する心拍数計測手段と、被測定者の体重と年齢の入力手段を備え、前記光強度データから酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を演算しこの酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度と心拍数と体重と年齢から運動時の負荷量あるいは代謝優位度あるいは脂質代謝速度あるいは脂質代謝量を演算する主装置とを備え、前記ヘモグロビン計測手段は、２つの波長の近赤外光を出力する発光部と、被測定者の脂肪組織および筋組織を介して透過した前記近赤外光の強度を検出する前記発光部からの距離が異なる２つの受光部とを有し、前記主装置は、前記ヘモグロビン計測手段と前記筋組織の間の脂肪層厚の入力手段を有し、ヘモグロビン計測手段で計測したヘモグロビン濃度データと脂肪層厚に基づいて、酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を得て、この酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度と心拍数および被測定者の体重と年齢から脂質代謝速度を演算する手段である運動負荷量測定装置を提案している（特許文献１参照）。ここで用いる心拍数計測手段は、血液中を透過する波長の近赤外光を発光する発光部と血液中を透過した前記近赤外光を受光する受光部とを有して構成されている。

この心拍数計測手段は、動脈によく吸収される波長の光を発光する例えばＬＥＤからなる発光部とそれに対向して配置される例えばＰＤからなる受光部とから構成され、例えば洗濯はさみのような形状のクリップの先端部に発光部と受光部を対向して配置する。耳たぶを挟んで受光部が検出する光量は血流の脈動によって変化する。さらに、特許文献１には、非常に軽度な運動状態の場合、前記ヘモグロビン計測手段の発光部と受光部が心拍数計測手段の発光部と受光部としての機能を有することができること、心拍数検出手段として、近赤外線を使用する、前腕部の動脈を常時監視する腕時計タイプの心拍数検出手段、腕時計タイプだが指先を測定部に当てただけで測定するタイプなどの使用がなされることが示されている。

特許第４０７７０２４号公報

特許文献１に示される心拍数計測手段は、機能的な記述があるだけで、具体的な構成はクリップタイプの手段が示されているに過ぎない。しかしながら、心拍数検出手段としては、正確に心拍数を計測することが要求される。

本発明は、このような要求に対処するもので、発光部と受光部の配置を適正化することにより、正確に心拍数を計測することができる心拍センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の脈拍センサは、身体に接するように構成した基材に、近赤外線を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）１個と身体中の血管を透過して到達する前記ＬＥＤからの近赤外線を受光するフォトトランジスタ（ＰＴ）２個を設けた脈拍センサであって、前記ＬＥＤ中心とＰＴの中心との間隔を８〜１２ｍｍの範囲に配置した。さらに、本発明では、１個のＬＥＤを三角形の頂点に配置し２個のＰＴを他の頂点に配置した。このとき三角形は２等辺三角形とし、ＬＥＤが配置された頂点の内角を９０度または６０度とした。

ＰＴで受光する近赤外線は、血管の脈動によって、その強度が変化する。このことにより、ＬＥＤから皮膚に放出され皮膚の下方にある血管を透過して拡散した近赤外線を、少なくともいずれかのＰＴで検出することにより、心拍を正確に検出することができる。

図１は、本発明の実施例１にかかる心拍検出手段の構成の概要を説明する図である。図２は、本発明にかかる心拍センサを下碗に取り付けて使用する態様を説明する図である。図３は、本発明にかかる心拍センサにおける発光素子と受光素子の間隔に関する基礎データの取得結果である。図４は、本発明にかかる心拍センサの配置と間隔の測定データの取得結果である。

本発明にかかる心拍センサ（心臓の脈動を検出する手段）は、可撓性を有する絶縁性基材の上に、発光手段（以下、ＬＥＤという）を頂点とした二等辺三角形を構成するように１個のＬＥＤと２個の受光手段（以下、ＰＴという）を配置して構成される。前記基材は、心拍センサを身体に取り付ける際に、ＬＥＤの発光面とＰＴの受光面を、曲面を有している身体の表面（皮膚）に接触させるように可撓性を有している。この心拍センサは、少なくとも、１個のＬＥＤと２個のＰＴに電圧を供給する３本の電圧供給線と1本の接地線を有している。

以下、本発明の第1の実施例にかかる心拍センサの具体的な構成の例を、図１および図２を用いて説明する。この実施例は、１個のＬＥＤと２個のＰＴからなる心拍センサの例である。

心拍センサ１は、可撓性絶縁基材１１の上に、１個のＬＥＤ１２と、２個のＰＴ１３−１（第１のＰＴ）、１３−２（第２のＰＴ）と、配線１４、接続端子１５とを配置して構成される。可撓性絶縁基材１１は、略正方形もしくは矩形に形成され、表面に配線１４が例えば導電性物質を線状に印刷することによって設けられる。配線１４には、ＬＥＤ１２の一方の端子が接続されるＬＥＤ配線１４−１と、ＰＴ１３−１、１３−２の一方の端子が接続されるＰＴ配線１４−２、１４−３と、ＬＥＤ１２とＰＴ１３−１、１３−２の他方の端子が接続される接地配線１４−４がある。ＬＥＤ配線１４−１とＰＴ配線１４−２、１４−３と接地配線１４−４には、外部との接続端子１５Ａ−１〜１５Ａ−４とＬＥＤ１２、ＰＴ１３−１、１３−２の端子が接続される接続端子１５Ｂ−１、１５Ｂ−２、１５Ｂ−３と、これらの接地側端子が接続される接地端子１５Ｂ−４が設けられている。接続端子１５Ｂ−１〜１５Ｂ４には、それぞれＬＥＤ１２とＰＴ１３−１、１３−２が接続固定される。外部との接続端子１５Ａ−１〜１５Ａ−４は、心拍検出回路３が接続される。

心拍センサ１のＬＥＤ１２の中心と第１のＰＴ１３−１の中心との間隔Ｌ_１と、心拍センサ１のＬＥＤ１２の中心と第２のＰＴ１３−２の中心との間隔Ｌ_２は、それぞれ７ｍｍ〜１２ｍｍの範囲とすることが望ましい。この理由は、後述する。

心拍検出回路３は、接続端子３１Ａ−１〜３１Ａ−４、および接続端子３１Ｂ−１〜３１Ｂ−４と、第１の検出回路３２−１と、第２の検出回路３２−２とを有して構成される。検出回路３２−１、３２−２は、例えば、図示のような演算増幅器を用いた回路とすることができる。心拍センサ１と心拍検出回路３は破線で示すように接続される。

心拍検出回路３は、心拍センサ１からの出力を２つの所定の閾値と比較して、上の閾値を越えた信号と下の閾値を下回った信号の組み合わせによって、心拍（心臓の脈動）を検出する回路である。心拍センサ１のＰＴの出力にノイズが重畳されているときには、ＰＴ出力をノイズ除去フィルタを通した後処理することによって、正確な心拍を検出することができる。

このような構成を有する心拍センサ１を用いて、心拍を検出する例を、取付け状態を示す模式図である図２を用いて説明する。この例は心拍センサ１と心拍検出回路３を別に設けた例である。心拍センサ１と心拍検出回路３は接続コード２１により接続されている。心拍センサ１はバンド２に取り付けられており、このバンドを下腕の肘付近に巻きつけて心拍センサ１を下腕に押し付け取り付けている。ＬＥＤ１２とＰＴ１３−１、１３−２は、バンドを締めることによって腕に皮膚に密着し、ＬＥＤからの近赤外線は血管中を透過してＰＴで検出することが可能となる。

この例では、心拍センサ１を腕の下腕の肘付近に巻きつけたが、心拍センサ１は、使用態様や目的に合わせ、下腕の腕首付近、指の腹部、上腕部、下肢部に巻きつけることも可能である。さらに、心拍センサ１の可撓性絶縁機材１１の上に心拍検出回路３を搭載することもできる。

図３を用いて、ＬＥＤの中心とそれぞれのＰＴの中心の間隔とそれぞれのＰＴの出力の関係について、基礎的な条件を取得する実験結果を説明する。この実験は、心拍センサにおいて、一定の出力を有するＬＥＤと一定の感度を有するＰＴとの間の間隔（ｍｍ）を変化させた場合のＰＴの出力（相対値）を測定したものである。測定箇所は、測定番号１が左親指の腹部、測定番号２が左人差し指の腹部、測定番号３が右人差し指の腹部、測定番号４が手首の内側、測定番号５が手首の太い箇所、測定番号６が上腕内側である。各測定番号における測定値は各間隔で５回測定した結果の平均値である。測定番号１では、間隔５ｍｍでＰＴ出力０．１、間隔７．５ｍｍでＰＴ出力１．８、間隔９．８でＰＴ出力１．１、間隔１７ｍｍでＰＴ出力０．３である。この出力をたどる曲線を作成すると、測定番号１では、間隔６〜１２ｍｍの範囲で相対出力が１以上となる。同様に、測定番号２では、間隔５．４〜１２．８ｍｍの範囲で相対出力が１以上となる。測定番号３では、間隔が６．８〜１２．５ｍｍで相対出力が１以上となる。測定番号４では、間隔が６．３〜１２ｍｍで相対出力が３以上となる。測定番号５では、間隔が７．５〜１１ｍｍで相対出力が６以上となる。測定番号６は、間隔が７．２８〜１１ｍｍで相対出力が４以上となる。

この実験から、ＰＴが充分な出力を得ることができるＬＥＤとＰＴの間隔は、６．０〜１２．０ｍｍの範囲であることが言える。

次に、ＬＥＤと２個のＰＴを好適な間隔で配置するための条件を取得する実験結果について説明する。図４の実験結果は、ＬＥＤと２個のＰＴをＬＥＤを頂点として直角に配置した場合のＬＥＤとＰＴ１の間隔Ｌ１およびＬＥＤとＰＴ２の間隔Ｌ２、ＬＥＤと２個のＰＴを正三角形に配置した場合のＬＥＤとそれぞれのＰＴの間隔Ｌ３と、ＰＴの出力の評価結果を示している。腕を不安定にした場合にはＰＴ出力にノイズが載り重畳され、脈動を検出し難くなることがわかる。上記実験結果から充分なＰＴ出力を得ることができるＰＴの配置間隔は７．０ｍｍ以上であればよいことがわかる。

図３と図４の結果から、ＬＥＤとＰＴの間隔は、７ｍｍ以上１２ｍｍ以下の範囲であることがわかる。

１：心拍センサ
１１：可撓性絶縁基材
１２：ＬＥＤ（発光手段）
１３：ＰＴ（受光手段）
１４：配線（プリント配線）
１５：接続端子
２：バンド
２１：接続ケーブル
３：心拍検出回路
３１：端子部
３２：検出回路

Claims

被測定者の皮膚に接触される発光手段とこの発光手段から所定の間隔を設けて配置された被測定者の皮膚に接触される２個の受光手段を有する心拍センサであって、
前記発光手段と２個の受光手段は、前記発光手段を頂点として所定の角度を有して配置され、
前記発光手段と前記受光手段の間隔は、７ｍｍ以上１２ｍｍ以下の範囲に配置されることを特徴とする心拍センサ。
請求項１記載の心拍センサにおいて、
前記発光手段は発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、前記受光手段はフォトトランジスタ（ＰＴ）である
ことを特徴とする心拍センサ。
請求項１または請求項２記載の心拍センサにおいて、
前記発光手段と２個の受光手段は、発光手段を頂点として直角に配置されるかまたは２等辺三角形状に配置される
ことを特徴とする心拍センサ。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の心拍センサにおいて、
前記発光手段と前記受光手段は可撓性絶縁基材の上に配置される
ことを特徴とする心拍センサ。