JP2015139516A - 生体情報測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外光の影響を鑑みて、精度の高い測定が可能な生体情報測定装置を提供する。【解決手段】生体情報測定装置は、光を照射する光発光部と、光を受光する光受光部と、生体情報の測定時に生体表面に対して光発光部からの光を照射して、光受光部により受光した受光量に応じた生体信号データを生成する生体信号生成部と、生体情報の測定前後に光発光部からの光を照射せずに、光受光部により受光した受光量に応じた外光信号データを生成する外光信号生成部と、外光信号生成部で生成した外光信号データに基づいて、生体信号生成部により生成した生体信号データを有効／無効に設定する有効／無効設定部と、生体信号生成部により生成された有効な生体信号データに基づいて生体情報を演算する生体情報演算部とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、光電センサを有する生体情報測定装置に関する。

近年の健康管理への関心の高まりにより、簡易に脈拍数等の種々の生体情報を測定することが可能な生体情報測定装置が提案されている。例えば、特開２００５−２７０５４５号公報（特許文献１）には、腕時計型の生体情報測定装置の構成が示されている。当該構成においては、生体表面とハウジングの下面とを密着させ、生体センサの周辺に散乱光を極力、外縁部方向へ反射させるための反射面を設けることにより外光の影響を低下させて測定を行う方式が提案されている。

特開２００５−２７０５４５号公報

一方で、通常、腕などの生体面は、例えば腕の太さも様々で、その形状においても丸み、凹凸などを帯びた平面とは異なる形状であるため、生体センサが腕の生体面と接触していることが確認できたとしても、その周辺部分に至って全体的にハウジングの下面と腕とを密着させることが困難な状況が発生する。また、反射面による外光の低減効果の程度が明確ではなく精度の高い測定が可能か否かが不明であるという問題がある。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、外光の影響を鑑みて、精度の高い測定が可能な生体情報測定装置を提供することを目的とする。

本発明のある局面に従う生体情報測定装置は、光を照射する光発光部と、光を受光する光受光部と、生体情報の測定時に生体表面に対して光発光部からの光を照射して、光受光部により受光した受光量に応じた生体信号データを生成する生体信号生成部と、生体情報の測定前後に光発光部からの光を照射せずに、光受光部により受光した受光量に応じた外光信号データを生成する外光信号生成部と、外光信号生成部で生成した外光信号データに基づいて、生体信号生成部により生成した生体信号データを有効／無効に設定する有効／無効設定部と、生体信号生成部により生成された有効な生体信号データに基づいて生体情報を演算する生体情報演算部とを備える。

外光の影響を鑑みて、精度の高い測定が可能である。

本実施形態に基づくスマートフォン１の外観を説明する図である。 本実施形態に基づくスマートフォン１のハードウェアの構成を説明する図である。 信号強度Ａと、正常値に対する差分の絶対値の割合とを説明する図である。 本実施形態に基づく生体情報の測定処理の概要を説明する図である。 本実施形態に基づく生体情報の測定処理を説明するフロー図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜外観構成＞
図１は、本実施形態に基づくスマートフォン１の外観を説明する図である。

図１を参照して、スマートフォン１は、本例における生体情報測定装置の一例である。なお、本例においては、生体情報測定装置の一例としてスマートフォン１について説明するが、光電センサ等を備えるものであれば特にスマートフォンに限られず、他の情報機器であっても良く、例えば、腕時計型の情報処理装置等であっても良い。

本例においては、図１（Ａ）において、スマートフォン１に設けられた表示部４が表面側に設けられ、当該表示部４に各種情報を表示可能である。また、当該表示部４にタッチパネル等を設けて情報を入力することを可能としても良い。図１（Ｂ）は、スマートフォン１の裏面側が示されており、光電センサ１０が設けられている場合が示されている。

本例においては、当該光電センサ１０に指や腕などを接触させることにより生体情報を取得することが可能である。

なお、本例においては、生体情報の一例として脈波を測定する場合について説明する。なお、「脈波」とは、心臓の収縮により大動脈に押し出された血液の伝搬に伴う波動を波形としてとらえたものである。例えば、一例として血管内の圧力変化を捕らえたものを圧脈波、血管の容量変化を捕らえたものを容量脈波とされる。

本例においては、光電センサ１０により生体情報（脈波）を測定する。この点で、光電センサにより測定された脈波のことを光電式脈波という。光電式脈波には透過式と反射式とがあり、本例においては、一例として反射式の場合について説明する。

血液に含まれるヘモグロビンは、光を吸収する特性(吸光特性)があるため、光を照射した時の生体の反射光は、血流容量に伴い変化するヘモグロビン量に応じて変化するため、反射光を電気信号に変えることにより脈波を測定することが可能である。

光電センサ１０における光の照射にはＬＥＤ等が用いられ、反射光の受光にはフォトダイオードやフォトトランジスタ等が用いられる。フォトダイオードやフォトトランジスタは、受光した光に応じて電流が流れる素子で、この電流を電圧に変換し、ＡＤコンバータで電圧値をサンプリングして脈波波形を測定する。

一般的に、光は生体を透過、伝搬するが、屋外の太陽光など、強い外光のもとで生体情報の測定を行う場合、外光が生体を透過、伝搬することになる。したがって、反射光から得られる生体情報にとってはノイズ成分となるため、外光の影響を受けないように測定することが重要となる。

＜ハードウェア構成＞
図２は、本実施形態に基づくスマートフォン１のハードウェアの構成を説明する図である。

図２を参照して、スマートフォン１は、主体構成として、制御部２と、表示部４と、メモリ６と、光電センサ１０と、内部バス５とを含む。内部バス５は、各部と接続され、各部におけるデータの授受が可能なように設けられている。

制御部２は、生体信号生成部８と、外光信号生成部１６と、有効／無効設定部１８と、演算部１９とを含む。メモリ６は、生体信号データ格納部２０と、外光信号データ格納部２２とを含む。

制御部２は、主にＣＰＵ（Central Processing Unit）で実現され、メモリ６等に記憶されたプログラムを読み出して実行することで、スマートフォン１の各部の動作を制御する。より詳細には、制御部２は、当該プログラムを実行することによって、後述するスマートフォン１の処理（ステップ）の各々を実現する。

表示部４は、液晶、有機ＥＬ等で構成される。表示内容は制御部２により制御され、外光の状況、測定状況に伴うユーザへの通知、生体情報の測定結果等を表示することが可能である。なお、表示部４とは別に音声出力機能を有するスピーカあるいは振動機能を有するバイブレータを設けるようにしても良い。

メモリ６は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、フラッシュメモリなどによって実現される。メモリ６は、制御部２によって実行されるプログラムを記憶するとともに、制御部２のワーク領域としても設けられる。

また、メモリ６には、生体情報を取得する際に測定精度に影響を与えるかどうかを判断するための後述する外光閾値や、有効な生体信号データが格納される。

生体信号データ格納部２０は、生体信号生成部８により生成された生体信号データを一時的に格納する領域として設けられる。

外光信号データ格納部２２は、外光信号生成部１６により生成された外光信号データを一時的に格納する領域として設けられる。

光電センサ１０は、発光部１２と受光部１４とを含み、発光部１２は、ＬＥＤ等による発光素子で構成され、受光部１４は、フォトダイオードやフォトトランジスタなどによる受光素子で構成される。発光部１２により発光された光は生体において透過/吸収/反射等される。そして、受光部１４により生体から反射した光を受けて測定することにより脈波などの生体情報を検出することが可能である。

生体信号生成部８は、生体情報の測定時に光電センサ１０で発光部１２から光を照射させて、受光部１４において受光した光量に応じた生体信号データを生成して、生体信号データ格納部２０に格納する。

外光信号生成部１６は、生体情報の測定前後に光電センサ１０で発光部１２から光を照射させずに、受光部１４において受光した光量に応じた外光信号データを生成して、外光信号データ格納部２２に格納する。

有効／無効設定部１８は、生体信号データ格納部２０に格納されている生体信号データを有効／無効に設定する。具体的には、メモリ６に格納してある外光閾値と、外光信号データ格納部２２に格納されている外光信号データとの信号強度とを比較して、比較結果に基づいて処理する。本例においては、外光信号データの信号強度（信号レベル）が外光閾値よりも大きい場合は、生体情報の測定は不可であると判断し、取得している生体信号データを無効に設定する。一方、外光信号データの信号強度（信号レベル）が外光閾値以下である場合には、生体情報の測定は可能であると判断し、取得している生体信号データを有効に設定する。

演算部１９は、有効な生体信号データに基づいて生体情報、例えば脈波を演算する。
＜外光閾値の設定＞
本例における外光閾値は、一例として予め実験等により測定された値であり、生体情報の測定において、測定精度の低下を伴わない上限の信号強度を示すものとする。

ここで、外光閾値の設定方法について説明する。ここでは、脈波のピーク値の間隔[秒](６０秒をこの間隔で割ると脈拍数に相当)を精度の判定材料とする。そして、様々な光源環境（太陽光や蛍光灯、電球などの各種光源）と、暗所での生体情報の測定値の差に応じて決定する。ここでの信号強度は、例えば、一例としてフォトダイオードやフォトトランジスタで、受光した光に応じて変換されたデジタル電圧値とする。

様々な光源環境下において、発光部１２をオフ、受光部１４をオンにして、所定時間(例えば３０秒間)測定した時の生体情報の測定時の信号強度の平均値をＡとする。

また、同様の光源環境下で発光部１２をオン、受光部１４をオンにして、所定時間の間、生体情報を測定した時の信号強度のピーク値間隔の平均値を算出する（Ｔａとする）。

また、同様に暗所にて、発光部１２をオン、受光部１４をオンして信号強度のピーク値間隔の平均値を算出（Ｔｂとする）し、これを正常値として処理する。

正常値に対する差分の絶対値の割合（｜Ｔｂ−Ｔａ｜／Ｔｂ×１００）が、所定範囲（一例として３％等）以内であれば、その時の外光の信号強度の平均値Ａは精度への影響が無いと判断する。なお、この時の所定範囲は一律に固定的に設定するものではなく、生体情報をどのように利用するかに依存して変更することが可能である。例えば、当業者であるならば医療用途であれば、正確性が要求されるため範囲を狭くしたり、あるいは、日常の体調の目安として利用するのであれば、ある程度の余裕を持たせた広い範囲に変更することが可能である。

正常値に対する差分の絶対値の割合と平均値Ａについて、様々な光環境下と複数の被験者で測定すると、平均値Ａは外光の信号強度に比例して変化し、正常値に対する差分の割合も環境や被験者等によるばらつきはあるものの、外光の信号強度に比例すると考えられる。

図３は、信号強度Ａと、正常値に対する差分の絶対値の割合とを説明する図である。
図３を参照して、当該図に示されるように、ばらつきを含めてその大半を含むように楕円を作成し、所定範囲を例えば３％以内と決めた場合、３％での線と楕円との交点のうち、低い値Ａｘを選択する。これは、複数の被験者と種々の光環境下において、３％の差で測定することが可能な信号強度の下限となるため、外光閾値として利用することが可能である。

＜測定処理の概要＞
図４は、本実施形態に基づく生体情報の測定処理の概要を説明する図である。

図４を参照して、ここでは、発光部１２および受光部１４のオン／オフのタイミングが示されている。

本例においては、被験者（ユーザ）は、図１で説明したスマートフォン１の裏面側に設けられた光電センサ１０に指を接触させて測定を開始する。

（１）ここで、受光部１４をオン、発光部１２をオフの測定期間は、外光レベルを測定する事を目的とした期間である。例えば５００ｍｓ期間を１０ｍｓ毎にサンプリングして、５０個の外光信号データを取得する。これらの平均値を取ることで外光の信号強度の平均値を取得する。

（２）次に、受光部１４をオン、発光部１２をオンの測定期間は、生体信号を取得することを目的とした期間である。例えば５秒期間を、１０ｍｓ毎にサンプリングして５００個の生体信号データを取得する。取得された生体信号データの時間経過に伴う信号強度の変化において、ピーク値の算出、ピーク値とピーク値の時間、あるいは、ＦＦＴやウェーブレット変換などをして周波数解析、時間経過に伴う周波数情報の解析等の演算処理を実行することにより、脈拍数や、血圧の変動、血管年齢などの生体情報が測定される。

（３）次に、再び、受光部１４をオン、発光部１２をオフにして、外光の信号強度の平均値を取得する。これらを交互に繰り返すことにより、必要な情報を取得する。ここで、（２）の生体信号データが生体情報を演算する上で有効な利用可能なデータであるか否かは、生体信号データの測定のタイミングの測定前後で測定された（１）、（３）の外光の信号強度が外光閾値以下であることを必要とする。

それぞれの測定期間については、必ずしも外光信号の測定と生体信号の測定とが同じタイミングで交互に実施される必要は無く、例えば、（１）の段階で外光閾値を超えている場合には、（２）の生体信号の測定には移行せず、外光閾値よりも小さい値を得るまで（１）の外光信号の測定期間を延長する等しても良い。

＜処理手順＞
図５は、本実施形態に基づく生体情報の測定処理を説明するフロー図である。

図５を参照して、当該フロー図は、主に制御部２がメモリ６に格納されたプログラムを実行することにより、他のハードウェアと協働して実行されるものである。

まず、制御部２は、取得するデータ数「Ｎ」の設定を行う（ステップＳ２）。この設定値Ｎは、図４に示される生体信号の取得を目的とした発光部１２をオン、受光部１４をオンする１回あたりの取得期間で測定される生体信号データの一式を「１」として設定される値である。例えばＮ＝３に設定すると、図４に示されるように、発光部１２をオン、受光部１４をオンする期間が３回存在することになる。当該Ｎは、固定的に設定しても良いし、ユーザが例えばタッチパネル等を介して入力を指示して設定するようにしても良い。あるいは、生体情報を利用する環境に従って値を変更するようにしても良い。

次に、制御部２は、データをリセットする（ステップＳ４）。具体的には、メモリ６に格納されている生体信号データ格納部２０および外光信号データ格納部２２の値を初期化データに設定する。一例として、初期化データとして、「−１」に設定することが可能である。これは、取得される生体信号データは、受光部に流れる電流を電圧に変換し、これをＡＤコンバータにてデジタル値にしたデータとなるが、０以上のデータしか取得されないため、「−１」は生体信号データが格納されていないことを判定するために利用することが可能である。

次に、制御部２は、外光測定モードに移行させる（ステップＳ６）。具体的には、制御部２は、光電センサ１０に指示して、発光部１２をオフ、受光部１４をオンして、外光信号の測定状態に移行する。

次に、制御部２は、外光信号を測定する（ステップＳ８）。具体的には、光電センサ１０の受光部１４は、受信した受光量に基づくデータを外光信号生成部１６に出力する。

次に、制御部２は、外光信号データを生成して、格納する（ステップＳ１０）。外光信号生成部１６は、受光部１４から受け付けたデータに従って信号強度の平均値を算出して外光信号データを生成する。そして、外光信号生成部１６は、生成した外光信号データを外光信号データ格納部２２に格納する。

次に、制御部２は、外光信号データのレベルが外光閾値（Ａｘ）以下か否かを判断する（ステップＳ１２）。具体的には、有効／無効設定部１８は、外光信号データ格納部２２に格納された外光信号データと外光閾値（Ａｘ）とを比較して、外光信号データの信号強度が外光閾値以下か否かを判断する。

次に、制御部２は、ステップＳ１２において、外光信号データのレベルが外光閾値以下であると判断した場合（ステップＳ１２においてＹＥＳ）には、生体信号データ格納部２０に格納されているデータが初期値であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。具体的には、有効／無効設定部１８は、生体信号データ格納部２０に格納されているデータが初期値であるか否かを判断する。

制御部２は、ステップＳ１４において、生体信号データ格納部２０に格納されているデータが初期値であると判断した場合（ステップＳ１４においてＹＥＳ）には、生体測定モードに移行させる（ステップＳ１６）。具体的には、有効／無効設定部１８は、生体信号データ格納部２０に格納されているデータが初期値である場合には判定の対象となるデータが存在しないため、有効／無効の判定をスキップする。そして、制御部２は、光電センサ１０に指示して、発光部１２をオン、受光部１４をオンして、生体信号の測定状態に移行する。

次に、制御部２は、生体信号を測定する（ステップＳ１８）。具体的には、光電センサ１０の受光部１４は、受信した受光量に基づくデータを生体信号生成部８に出力する。

次に、制御部２は、生体信号データを生成して、格納する（ステップＳ２０）。生体信号生成部８は、受光部１４から受け付けたデータに従って生体信号データを生成する。そして、生体信号生成部８は、生成した生体信号データを生体信号データ格納部２０に格納する。なお、生体信号生成部８は、受光部１４から受け付けたデータに基づいて所定の演算処理を実行した生体信号データを生成するようにしても良い。

そして、再び、ステップＳ６に戻り、次に、外光測定モードに移行する（ステップＳ６）。具体的には、制御部２は、光電センサ１０に指示して発光部１２をオフ、受光部１４をオンして外光信号の測定状態に移行する。そして、上記処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１４において、制御部２は、生体信号データ格納部２０に格納されているデータが初期値で無いと判断した場合（ステップＳ１４においてＮＯ）には、生体信号データ格納部２０に格納されている生体信号データを有効に設定する（ステップＳ２２）。具体的には、有効／無効設定部１８は、生体信号データ格納部２０に格納されているデータが初期値で無いと判断した場合には、当該生体信号データを有効に設定する。この点で、生体信号データ格納部２０に格納されている生体信号データを後述する生体情報の演算に利用するためにメモリ６内の他の領域に保存するようにしても良い。あるいは、例えば、当該データに有効フラグを付して、データリセットの際にもデータが初期化されないようにしても良い。

そして、次に、制御部２は、データをリセットする（ステップＳ２４）。具体的には、メモリ６に格納されている生体信号データ格納部２０および外光信号データ格納部２２の値を初期化データに設定する。なお、有効フラグが付されている生体信号データについては初期化データに設定しないようにしてもよい。

次に、制御部２は、取得するデータ数ＮをＮ−１に設定する（ステップＳ２６）。例えば、Ｎ＝３に設定されている場合には、Ｎ＝２に設定される。

次に、制御部２は、取得するデータ数Ｎが０であるか否かを判断する（ステップＳ２８）。すなわち、設定した取得するデータ数分、生体信号の取得が完了したかどうかを判断する。

ステップＳ２８において、制御部２は、取得するデータ数Ｎが０であると判断した場合（ステップＳ２８においてＹＥＳ）には、処理を終了する（エンド）。

そして、当該生体情報の測定処理の後に、本例においては、演算部１９において、有効な生体信号データに基づいて生体情報の演算処理を実行する。

一方、ステップＳ２８において、制御部２は、取得するデータ数Ｎが０でないと判断した場合（ステップＳ２８においてＮＯ）には、生体測定モードに移行する（ステップＳ１６）。具体的には、制御部２は、光電センサ１０に指示して発光部１２をオン、受光部１４をオンして生体信号の測定状態に移行する。そして、上記処理を繰り返す。

また、ステップＳ１２において、制御部２は、外光信号データのレベルが外光閾値以下でないと判断した場合、すなわち、外光信号データのレベルが外光閾値（Ａｘ）を超えると判断した場合（ステップＳ１２においてＮＯ）には、警告を表示する（ステップＳ３０）。具体的には、有効／無効設定部１８は、外光信号データ格納部２２に格納された外光信号データと外光閾値とを比較して、外光信号データの信号強度が外光閾値を超えると判断した場合には、表示部４に所定の表示をするように指示する。例えば、表示部４に「外光が強い」等を表示してユーザに通知する。ユーザへは、この通知によって外光を弱めるための動作、例えば、光電センサ１０に接触させる指等の周りをもう片方の手で覆ったり、あるいは暗い場所に移動するなどの動作を促すことが可能である。なお、当該通知に限られず、音声でユーザに通知しても良いし、あるいは振動等の情報を用いて通知するようにしても良い。なお、単に「外光が強い」に限られず、外光信号データの信号強度に従って、外光の強さを示すレベルを表示するようにしても良い。これにより、外光の強さのレベルをユーザが把握して、当該レベルに応じた措置をユーザがとるように促すことが可能である。

そして、次に、制御部２は、データをリセットする（ステップＳ３２）。具体的には、メモリ６に格納されている生体信号データ格納部２０および外光信号データ格納部２２の値を初期化データに設定する。

そして、再び、ステップＳ８に戻り、外光信号を測定する。
すなわち、再び、外光信号を測定して、上記測定を繰り返すことにより、正常な外光の環境下であることを確認した上で、生体信号を測定することが可能であり、外光信号の影響が強く正常な測定が難しい環境下における生体信号データの取得を抑制して、ノイズの高い生体情報の演算を回避することが可能である。なお、ユーザが上記の通知に従わない場合が所定時間継続するような場合には、精度の高い測定が難しいため処理を終了するようにしても良い。

また、当該処理においては、生体測定モードに入る条件として、その前の外光測定モードにおいて、外光信号データが外光閾値以下であることを要求するとともに、生体測定モードで取得した生体信号データに関して、その後の外光測定モードにおいて、外光信号データが外光閾値以下であることを要求するものである。

すなわち、生体測定モードの測定前後において、外光信号データが外光閾値以下である場合にのみ生体信号データが有効に設定されるものである。

それゆえ、測定前後において複数回、外光が正常であることを確認した上で生体信号を測定するため精度の高い測定が可能である。また、当該測定に従う生体信号データに基づいて生体情報の演算が実行されるため精度の高い測定が可能となる。

［その他の実施の形態］
なお、コンピュータを機能させて、上述のフローチャートで説明したような制御を実行させるプログラムを提供することもできる。プログラムは、コンピュータのオペレーティングシステム（ＯＳ）の一部として提供されるプログラムモジュールのうち、必要なモジュールを所定の配列で所定のタイミングで呼出して処理を実行させるものでもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ スマートフォン、２ 制御部、４ 表示部、５ 内部バス、６ メモリ、８ 生体信号生成部、１０ 光電センサ、１２ 発光部、１４ 受光部、１６ 外光信号生成部、１８ 無効設定部、１９ 演算部、２０ 生体信号データ格納部、２２ 外光信号データ格納部。

Claims (5)

1. 光を照射する光発光部と、
   光を受光する光受光部と、
   生体情報の測定時に生体表面に対して前記光発光部からの光を照射して、前記光受光部により受光した受光量に応じた生体信号データを生成する生体信号生成部と、
   前記生体情報の測定前後に前記光発光部からの光を照射せずに、前記光受光部により受光した受光量に応じた外光信号データを生成する外光信号生成部と、
   前記外光信号生成部で生成した外光信号データに基づいて、前記生体信号生成部により生成した生体信号データを有効／無効に設定する有効／無効設定部と、
   前記生体信号生成部により生成された有効な生体信号データに基づいて生体情報を演算する生体情報演算部とを備える、生体情報測定装置。
2. 前記外光信号生成部で生成した前記外光信号データに基づいて、外光の状況を表示する表示部をさらに備える、請求項１記載の生体情報測定装置。
3. 前記表示部は、装置本体の表面側に設けられ、前記光発光部および前記光受光部は、前記装置本体の表面側と反対側の裏面側に設けられる、請求項２記載の生体情報測定装置。
4. 前記有効／無効設定部は、前記生体情報の測定前後の外光信号データとして、外光信号データのレベルが所定の閾値よりも大きい場合には、前記生体信号生成部により生成した生体信号データを無効に設定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の生体情報測定装置。
5. 前記生体信号生成部による前記生体信号データの生成と、前記外光信号生成部による前記外光信号データの生成とを交互に繰り返す、請求項１〜４のいずれか一項に記載の生体情報測定装置。

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