JP2012005598A

JP2012005598A - 生体情報計測装置及び生体情報計測方法

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Publication number: JP2012005598A
Application number: JP2010143090A
Authority: JP
Inventors: Takanori Seiso; 孝規清倉; Yuichi Okabe; 勇一岡部; Kazuhiko Shindo; 一彦新藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: JP5392919B2

Abstract

【課題】背景光や振動の影響を受け難く、測定精度及び経済性の高い生体情報計測装置及び生体情報計測方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る生体情報測定装置３０１は、被検体に照射された光が前記被検体で散乱した散乱光を受光して前記散乱光の光強度を電気信号として出力するセンサ部４と、センサ部４が出力する電気信号をサンプリングし、前記散乱光に含まれるビート信号のパワースペクトルのうち特定のドップラーシフト周波数について、前記特定のドップラーシフト周波数のパワーと前記特定のドップラーシフト周波数との積を演算する演算部１０と、演算部１０が演算した前記積の時間変動から前記被検体の脈拍数を算出する脈拍数変換部１１と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、生体からの散乱光を利用して生体の情報をモニタする装置に関するものである。

高齢化社会を迎え、自らの体力を保持して健康を増進したいという人々が増えている。特に、運動を行った場合に脈拍数が増加するが、あまり増加しすぎると心臓に負担がかかり、危険な場合もあるため運動中の脈拍数を知りたいという需要が多い。脈拍数測定ではＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた光電脈波計測による脈拍数計が手軽であるということもありよく使用される。また、専門的な医療技術者が用いる血流量を測定する装置としてレーザ血流計が注目されている（例えば、非特許文献１および非特許文献２を参照。）。

特開２００２−３３０９３６号公報特開２００８−２７８９９３号公報

Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｉｓｓｕｅｂｌｏｏｄｆｌｏｗｂｙｌａｓｅｒ−Ｄｏｐｐｌｅｒｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＭＩＣＨＡＥＬＤ．ＳＴＥＲＮＥＴＡＬ「常時携帯可能な超小型レーザ血流計」ＮＴＴ技術ジャーナル２００５年１１月号清倉ほか

ＬＥＤなどのインコヒーレント光源を用いた従来の光電脈波計測装置は、次のような課題を有している。

まず、従来の光電脈波計測装置は背景光の影響を受けやすい。例えば、太陽光などの強度が強い背景光が存在すると、光源の光による光電脈波の波形が背景光の信号に埋もれ、光電脈波の波形を正確に取得することが難しくなる。また、屋内でも５０Ｈｚの商用電源周波数による照明光が存在すれば、光源の光による光電脈波の波形に照明光の変動が重畳するため、光電脈波の波形を正確に取得することが難しくなる。

次に、従来の光電脈波計測装置は振動の影響を受けやすい。例えば、被検体が歩行等の運動をしていると、その振動による加速度１Ｈｚ程度の波形が光源の光による光電脈波の波形に重畳するため、光電脈波の波形を正確に取得することが難しくなる。

このように従来の光電脈波計測装置は、背景光や振動の影響を受けやすく、光電脈波の波形から得られる情報、例えば脈拍数などの精度に課題があった。

さらに、従来のレーザ血流計は、上記課題の他に、計算量が多い高速フーリエ変換と積分ができる高機能な高価なＬＳＩを必要としており経済性にも課題があった。

そこで、上記課題を解決するために、本発明は、背景光や振動の影響を受け難く、測定精度及び経済性の高い生体情報計測装置及び生体情報計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る生体情報計測装置及び生体情報計測方法は、生体に向けて出射した出射光によって発生した、血流量を反映して強度が時間変動する散乱光を受光し、散乱光の受光強度をサンプリングし、離散フーリエ変換の数式を用いて、サンプリングした受光強度から特定の周波数のみにおけるパワー値を算出し、算出されたパワー値の時間変動に基づき脈波形または脈拍数を求めることとした。

具体的には、本発明に係る生体情報計測装置は、被検体に照射された光が前記被検体で散乱した散乱光を受光して前記散乱光の光強度を電気信号として出力するセンサ部と、前記センサ部が出力する電気信号をサンプリングし、前記散乱光に含まれるビート信号のパワースペクトルのうち特定のドップラーシフト周波数について、前記特定のドップラーシフト周波数のパワーと前記特定のドップラーシフト周波数との積を演算する演算部と、前記演算部が演算した前記積の時間変動から前記被検体の脈拍数を算出する脈拍数変換部と、を備える。

また、本発明に係る生体情報計測方法は、被検体に照射された光が前記被検体で散乱した散乱光を受光して前記散乱光の光強度を電気信号として出力し、前記電気信号をサンプリングし、前記散乱光に含まれるビート信号のパワースペクトルのうち特定のドップラーシフト周波数について、前記特定のドップラーシフト周波数のパワーと前記特定のドップラーシフト周波数との積を演算し、前記積の時間変動から前記被検体の脈拍数を算出する。

本発明は、特定の周波数を、背景光や振動の影響を受けない周波数とすることで、これらの影響を排除でき、生体情報の測定精度を向上させることができる。また、本発明は、特定の周波数のデータのみ計算すればよいため、高機能なＬＳＩを不要とすることができる。

従って、本発明は、背景光や振動の影響を受け難く、測定精度及び経済性の高い生体情報計測装置及び生体情報計測方法を提供することができる。

本発明に係る生体情報計測装置及び生体情報計測方法は、前記被検体を照射する光がコヒーレント光であることを特徴とする。

本発明は、計算量を省略することができるため、低価格のレーザ血流計を提供することができる。レーザ光の干渉成分を検出するため、太陽光などのインコヒーレント光源の影響を避けることができる。

本発明に係る生体情報計測装置及び生体情報計測方法は、前記特定のドップラーシフト周波数が、５ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下であること特徴とする。

特定の周波数が５ｋＨｚ以上であれば、背景光や振動の影響を低減できる。また、血流によるドップラーシフト周波数は１０ｋＨｚ程度までである。

本発明に係る生体情報計測装置及び生体情報計測方法は、前記特定のドップラーシフト周波数の４倍のサンプリング周波数で前記電気信号をサンプリングすることを特徴とする。

離散フーリエ変換の式より、サンプリング周波数の４分の１の周波数の項は足し算と引き算と掛け算だけであり、より簡単に生体情報を求めることができる。

本発明に係る生体情報計測装置及び生体情報計測方法は、過去にサンプリングした前記電気信号のデータも用いて前記積を演算することを特徴とする。

移動平均化もあわせておこなうことができるので、より変動の少ない脈波形を得ることができる。

本発明は、背景光や振動の影響を受け難く、測定精度及び経済性の高い生体情報計測装置及び生体情報計測方法を提供することができる。

本発明に係る生体情報測定装置を説明する図である。本発明に係る生体情報測定装置を説明する図である。血流信号のパワースペクトルと周波数の積のグラフである。センサチップを説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。また、各実施形態に係る生体情報測定装置の構成を示す図において、電源、あるいは全体の動作を制御する制御部などの通常の技術により実現できる部分は図示していない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１は、本実施形態の生体情報測定装置３０１を説明する図である。生体情報測定装置３０１は、生体１に向けて出射光を出射する発光素子３と、発光素子３からの出射光によって生体１（被検体）で発生する散乱光を受光して光電流を出力する受光素子７と、受光素子７からドップラーシフト周波数帯にある光電流の強度の時間変動を抽出して信号に変換する駆動測定回路８と、駆動測定回路８からの信号を受けて脈拍数を表示する脈拍数表示手段１５とを備える。生体１は、例えば、人又は動物である。発光素子３としては、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ光源や面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）がある。受光素子７としては、例えば、フォトダイオードやフォトトランジスタがある。

生体情報測定装置３０１の駆動測定回路８は、専用ＬＳＩであることが好ましい。生体情報測定装置３０１は、利用者に脈拍数情報を提供することができる。生体情報測定装置３０１の詳細について、具体例を図示して以下説明する。

図２は、生体情報測定装置３０１をより詳細に説明する図である。生体情報測定装置３０１は、被検体に照射された光が前記被検体で散乱した散乱光を受光して前記散乱光の光強度を電気信号として出力するセンサ部４と、センサ部４が出力する電気信号をサンプリングし、前記散乱光に含まれるビート信号のパワースペクトルのうち特定のドップラーシフト周波数について、前記特定のドップラーシフト周波数のパワーと前記特定のドップラーシフト周波数との積を演算する演算部１０と、演算部１０が演算した前記積の時間変動から前記被検体の脈拍数を算出する脈拍数変換部１１と、を備える。

生体情報測定装置３０１は、センサ部４、駆動測定回路８及び脈拍数表示手段１５を備える。センサ部４は、センサチップ５及び増幅器６を有する。また、駆動測定回路８は、信号調整部９、演算部１０、脈拍数変換部１１、ＬＤドライバ１２、記録用信号出力端子１３及び表示用信号出力端子１４を有する。

本実施形態の発光素子３は、前記被検体を照射する光がコヒーレント光となる半導体レーザとして説明する。生体情報測定装置３０１は、レーザ光の干渉成分を検出するため、太陽光などのインコヒーレント光源の影響を避けることができる。

センサチップ５は、図４のように半導体基板上に発光素子３及び受光素子７が集積化されたものであり（例えば、特許文献１を参照。）、光源及び受光素子としての機能を有する。増幅器６は、センサチップ５の受光素子７が受光した生体１からの散乱光を増幅する。生体情報測定装置３０１は、センサチップ５と増幅器６とを一体化してセンサ部４としており、小型化及び省電力化を図り、生体１に容易に装着できる形状とすることが可能である。

ＬＤドライバ１２は、センサ部４を駆動し、発光素子３に出射光を出射させる。信号調整部９は、センサ部４が受光した生体１からの散乱光量に依存しないように血流信号の大きさを規格化する。演算部１０は、センサ部４からの光電流の時間軸波形を測定して血流量を特徴づける値を求め、脈波形として出力する。その結果を脈拍数変換部１１、記録用信号出力端子１３及び表示用信号出力端子１４に出力する。ここで、演算部１０は、脈波形の微分等の信号に関する量を算出しても良い。脈拍数変換部１１は、演算部１０からの信号を脈拍数に変換する。また、脈拍数変換部１１で変換された脈拍数は、脈拍数表示手段１５から出力される。

記録用信号出力端子１３には、電磁的、磁気的または光学的な記録手段を接続し、脈波形を記録しても良い。また、表示用信号出力端子１４には、ディスプレイ等の出力手段を接続し、脈波形を表示しても良い。

次に、演算部１０が行う演算方法を説明する。図３は、生体１として人体を通過したレーザ光の強度変動のフーリエ変換から算出されたパワースペクトルである。ここでパワーとは強度変動をフーリエ変換した振幅の絶対値の二乗である。図３の横軸は、発光素子３からの光が生体１の静止した組織で散乱した光と血球で散乱した光とで生じるビート信号に含まれるドップラーシフト周波数を示している。図３の縦軸はドップラーシフト周波数とその周波数におけるパワーとの積である。ドップラーシフト周波数×パワーのプロットにおいて、ドップラーシフト周波数×パワーのカーブと横軸と成す面積は血流量に比例している（非特許参考文献２を参照。）。図３は、安静時（血流があるとき）と疎血時（血流を止めたとき）のドップラーシフト周波数×パワーのカーブを示している。安静時と疎血時とで血流量の差が大きく、このため、両者のドップラーシフト周波数×パワーのカーブの成す面積の差も大きい。

心臓の拍動によって血流量が変動するが、図３のグラフにおいてはカーブの面積変動となってあらわれる。血流によるドップラーシフト周波数は１０ｋＨｚ程度まで存在しているため、血流量の算出には、２５Ｈｚから１０ｋＨｚ程度まで周波数×パワーのカーブと横軸と成す面積の総和（上述した面積）を求める必要がある。しかし、拍動の時間変化を知るためだけであれば、このカーブの代表点（例えば５ｋＨｚ）の値の時間変動を知ればよい。通常の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを用いると、時系列データの点数と同じ数の成分データの値が求まるが、求める点数が特定のドップラーシフト周波数１点だけであれば、計算を大幅に省略することが可能である。以下にそれを示す。

時系列データをｘ_ｋとすると、離散フーリエ変換は以下の級数で表される。

ここで、ｋ（０〜Ｎ−１）：データ番号、Ｎ：データ総数である。

演算部１０は、特定のドップラーシフト周波数の４倍のサンプリング周波数で信号調整部９からの電気信号をサンプリングする。離散フーリエ変換の式より、サンプリング周波数の４分の１の周波数の項は足し算と引き算と掛け算だけで簡単に求めることができる。よって、例えば、特定のドップラーシフト周波数５ｋＨｚにおける値１個のみが求まればよい場合には、サンプリング周波数を２０ｋＨｚ（５０μｓ）とすればよい。

まず、２５６個の時系列データｘ_ｋを用いて毎秒４０回（２５ミリ秒毎）計算を行う場合を考える。５ｋＨｚにおける値１個のみが求まればよい場合は、ｊ＝６４（＝２５６×５ｋＨｚ／２０ｋＨｚ）の項のみになるので下記のように簡単になる。

パワーの値は、ｆ_６４の絶対値の二乗から求められる。

さらにｊ（＝６４）との積を求めることにより、５ｋＨｚにおける周波数×パワーは以下のように求められる。このように２５６個の値の足し算と引き算および掛け算のみで算出可能であり複素数は考慮しなくともよい。

このように５ｋＨｚの成分の時間変動を２５ミリ秒ごと（毎秒４０回）計算する事によって、血流量を計算せずに、時間軸波形データから脈波形を求めることができる。さらに脈波形から脈拍数や、加速度脈波等の情報を得ることができる。

演算部１０は、過去にサンプリングした電気信号のデータも用いて前記積を演算してもよい。つまり、演算部１０は、移動平均化もあわせて行うことができる。例えば、サンプリング周波数が２０ｋＨｚ（５０μｓ）の場合において、過去の４０９６個の時系列データを用いて毎秒４０回（２５ミリ秒毎）計算を行う場合を考える。５ｋＨｚにおける値１個のみが求まればよい場合は、ｊ＝１０２４（＝４０９６×５ｋＨｚ／２０ｋＨｚ）の項のみになるので下記のように簡単になる。

パワーの値はｆ_１０２４の絶対値の二乗から求められる。

さらにｊ（＝１０２４）との積を求めることにより、５ｋＨｚにおける周波数×パワーは以下のように求められる。このように４０９６個の値の足し算と引き算および掛け算のみで算出可能であり複素数は考慮しなくともよい。

このように５ｋＨｚの成分の時間変動を２５ミリ秒ごと（毎秒４０回）過去の４０９６点のデータを用いて計算する事によって、血流量を計算せずに、時間軸波形データから脈波形を求めることができる。さらに脈波形から脈拍数や、加速度脈波等の情報を得ることができる。この場合は、過去の４０９６点のデータを用いているので、０．２０４８秒間（＝４０９６／２０ｋＨｚ）で平均化されていることに相当する。よって、移動平均化もあわせておこなうことができるので、より変動の少ない脈波形を得ることができる。

演算部１０は、特定のドップラーシフト周波数を５ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下とする。太陽光などの自然の背景光や商用電源周波数による変動成分が５ｋＨｚにかかることはないため、背景光の変動に関わらず、脈波を測定することができる。

本発明に係る生体情報測定装置は、脈拍数計に利用することができ、特に、外光下運動時での脈拍数測定に適する。

１生体（被検体）
２生体情報測定装置
３発光素子
４センサ部
５センサチップ
６増幅器
７受光素子
８駆動測定回路
９信号調整部
１０演算部
１１脈拍数変換部
１２ＬＤドライバ
１３記録用信号出力端子
１４表示用信号出力端子
１５脈拍数表示手段
３０１生体情報測定装置

Claims

被検体に照射された光が前記被検体で散乱した散乱光を受光して前記散乱光の光強度を電気信号として出力するセンサ部と、
前記センサ部が出力する電気信号をサンプリングし、前記散乱光に含まれるビート信号のパワースペクトルのうち特定のドップラーシフト周波数について、前記特定のドップラーシフト周波数のパワーと前記特定のドップラーシフト周波数との積を演算する演算部と、
前記演算部が演算した前記積の時間変動から前記被検体の脈拍数を算出する脈拍数変換部と、
を備える生体情報計測装置。
前記被検体を照射する光がコヒーレント光であることを特徴とする請求項１に記載の生体情報計測装置。
前記特定のドップラーシフト周波数が、５ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下であること特徴とする請求項１又は２に記載の生体情報計測装置。
前記演算部は、前記特定のドップラーシフト周波数の４倍のサンプリング周波数で前記電気信号をサンプリングすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の生体情報計測装置。
前記演算部は、過去にサンプリングした前記電気信号のデータも用いて前記積を演算することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の生体情報計測装置。
被検体に照射された光が前記被検体で散乱した散乱光を受光して前記散乱光の光強度を電気信号として出力し、
前記電気信号をサンプリングし、前記散乱光に含まれるビート信号のパワースペクトルのうち特定のドップラーシフト周波数について、前記特定のドップラーシフト周波数のパワーと前記特定のドップラーシフト周波数との積を演算し、
前記積の時間変動から前記被検体の脈拍数を算出する生体情報計測方法。
前記被検体を照射する光がコヒーレント光であることを特徴とする請求項６に記載の生体情報計測方法。
前記特定のドップラーシフト周波数が、５ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下であること特徴とする請求項６又は７に記載の生体情報計測方法。
前記特定のドップラーシフト周波数の４倍のサンプリング周波数で前記電気信号をサンプリングすることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の生体情報計測方法。
過去にサンプリングした前記電気信号のデータも用いて前記積を演算することを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の生体情報計測方法。