JP2016174766A - 非接触生体情報センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 脈波などの生体情報を非接触で検出可能とする。
【解決手段】 ＬＥＤ等で構成される発光部１１から照射される近赤外線を皮膚に照射し、照射光の体内での散乱光を受光部１３で検出することにより、非接触で脈波などの生体情報を検出する。発光部１１には、光の拡散を抑制するための光源側コリメータ１２を取り付ける。また、受光部１３には、受光する光の波長範囲を制限するフィルタ１４と、受光部１３に受光側コリメータ１５とを取り付ける。こうすることにより、受光部１３への反射光の入射を抑制でき、散乱光の検出精度を向上させ、非接触で生体情報を検出することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非接触で生体情報を検出するための非接触生体情報センサに関する。

生体内に照射光を照射し、生体内で散乱してくる散乱光に基づいて、生体内の動脈などの動きを脈波として検出する脈波センサが知られている。例えば、特許文献１は、発光ダイオードからセンサ部に押し当てた指内に発光された光を受光部で受光することで脈波を検出する接触型の脈波センサを開示する。特許文献２は、発光部から赤色光を照射し、体内で反射される光を用いて脈波を検出する接触型のセンサにおいて、反射光が受光部に入る部分にスリットを設けた脈波センサを開示する。

特開平８−２８０６４３号公報 特開２０１３−１５３８４５号公報

従来の脈波センサは、いずれも接触型であり、発光部および受光部を有するセンサ部分に生体の計測部位をしっかりと接触させる必要があった。
しかし、接触型では、計測部位を接触させる際の押しつけ具合によって計測結果に影響が現れることがあり、計測結果が不安定となることがあった。また、接触型であるため、計測中は身体の自由が制限されるという課題もあった。一方、光を利用した従来のセンサでは、計測部位の皮膚表面からわずかでも離した状態では、計測することができなかった。
かかる課題は、脈波の検出に限られるものではなく、接触型のセンサによって生体情報を検出する際に共通の課題であった。本発明は、かかる課題に鑑み、非接触で生体情報を検出可能とするセンサを提供することを目的とする。

本発明は、皮膚の外部から照射した照射光に対する体内での散乱光によって非接触で生体情報を検出する非接触生体情報センサであって、
前記照射光を照射するための発光部と、
前記体内での散乱光を受光し、電気信号として出力する受光部と、
前記受光部に至る光の経路を制限することによって、前記皮膚の表面からの反射光が前記受光部に入射することを抑制する制限機構とを備える非接触生体情報センサとして構成することができる。

上述の反射光には、発光部からの照射光が皮膚の表面で反射するものと、発光部以外を光源とする環境光が皮膚の表面で反射するものの双方が含まれる。これらの反射光は、皮膚表面で斜め方向に反射してくる経路をとることが多いのに対し、生体情報の検出には照射光が体内で散乱した散乱光が使用され、この散乱光が放出される方向は、主として皮膚の法線方向である。このように反射光と散乱光とは光の経路が異なるため、反射光の光の経路を制限する制限機構を設けることによって、生体情報を検出する上で有害な反射光を抑制し、有用な散乱光を精度良く検出することが可能となる。この結果、本発明によれば、非接触で生体情報の検出を可能とすることができる。

制限機構は、種々の構造を適用することができる。例えば、受光部の前方（受光部に光が入射する側を前方と定義する）に、コリメータその他の管状の光の経路を有する部材を設けた機構としてもよい。受光部の前方に所定の間隔で２枚またはそれ以上の壁状の部材を設けたスリット等の機構としてもよい。受光部の前方に孔を有する板材を配置した機構としてもよい。さらに、光ファイバなどの導光管によって受光部に入射する光を制限する機構としてもよい。これらの機構は、受光部に接触させて設けてもよいし、受光部の前方に間隔をあけて設けてもよい。また、これらの機構を単独で用いてもよいし、複数の機構を組み合わせて用いてもよい。それぞれの機構の形状等は、任意に設計可能である。
コリメータは、平行光線を得るための視準器とも呼ばれる装置を意味することもあるが、本明細書では、金属等に所定径の貫通孔を設けた管状の部材を意味する用語として用いる。ただし、本発明において、視準器を制限機構として排除する趣旨ではなく、視準器のようにレンズ等を組み込んだ光学機器を制限機構として用いることも可能である。

本発明の非接触生体情報センサにおいて、
前記発光部は、前記照射光の拡散を抑制するための拡散抑制機構を備えるものとしてもよい。
このように発光部からの光の拡散を抑制することにより、照射光が皮膚の表面で反射して受光部に至ることを抑制できるため、さらに検出精度を向上させることができる。
皮膚の表面での反射光を抑制するためには、他に照射光の強さ自体を弱める方法も考えられるが、かかる方法では、体内から散乱される散乱光も弱くなってしまうという弊害がある。これに対し、上述のように拡散抑制機構を設けた態様では、皮膚の表面にほぼ垂直に照射される光は弱めることなく、斜め方向に皮膚に照射される照射光のみを抑制することができる利点がある。
本発明の発光部は、レーザ光源、ＬＥＤなど種々の光源を用いることができるが、上記態様は、ＬＥＤのように拡散光を照射する光源を用いる場合に特に有用である。一般にレーザ光源よりも、ＬＥＤ等の方が安価であるため、上記態様によれば、発光部のコストも抑制できる利点もある。
拡散抑制機構としては、先に説明した受光部の制限機構と同様の機構を適用可能である。拡散抑制機構も、発光部に接触して設けてもよいし、離して設けてもよい。また、いずれかの機構を単独で用いてもよいし、複数の機構を組み合わせて用いてもよい。それぞれの機構の形状等は、任意に設計可能である。

発光部と受光部とは必ずしも軸線を平行に配置する必要はない。照射光が受光部の軸線から遠ざかって斜めに進むよう、発光部の受光部に対して斜めに取り付けてもよい。こうすることによって照射光が拡散していても、発光部からの照射光が皮膚の表面で反射して受光部に至るのを抑制することができる利点がある。また上述の拡散抑制機構を備えた上で、発光部を斜めに取付けるようにしてもよい。

本発明の非接触生体情報センサにおいて、
前記受光部は、受光する光の波長を、前記照射光を含む所定範囲に制限するフィルタを有するものとしてもよい。
生体情報の検出には、近赤外線など所定の波長範囲の光が用いられる。一方、環境光には、種々の波長の光が含まれる。従って、光の波長を制限するフィルタを設けることにより、環境光の影響を抑制することができ、検出精度を向上することができる。
フィルタは、透過する波長範囲の上限および下限の双方を制限するものに限らず、上限のみまたは下限のみを制限するものであってもよい。フィルタは、受光部に接触して設けてもよいし、離して設けてもよい。また、複数のフィルタを組み合わせて用いるようにしてもよい。

本発明の非接触生体情報センサにおいて、
前記発光部と前記受光部との間隔は、該発光部から前記皮膚までの光の経路のうち最も該受光部よりの経路と、前記皮膚から受光部に入射可能な光の経路のうち最も該発光部よりの経路とが、交差しない範囲となっているものとしてもよい。
発光部と受光部との間隔を、上述の条件を満たすように離すことにより、幾何光学的には照射光が皮膚の表面で反射して受光部に入射することを回避することができ、検出精度を向上させることができる。
本発明は、受光部への反射光の経路を制限機構によって制限することによって検出精度を向上させるものであるが、この反射光の経路は、発光部および受光部から皮膚までの間隔、即ち非接触計測距離によっても変化する。従って、非接触で検出可能とするためには、この非接触計測距離に応じて発光部、受光部の配置や制限機構の形状などの多様なパラメータまたはパラメータを設計することが要求される。かかる状況において、上述の条件を満たす非接触生体情報センサは、検出精度を確保するための発光部と受光部との間隔を満たすため、非接触生体情報センサを設計する際の負荷を軽減することができる利点がある。

本発明の非接触生体情報センサは、照射光の選択により種々の生体情報を検出可能であるが、
例えば、前記照射光は、ヘモグロビンに吸収され得る波長の光とすれば、
前記電気信号に基づいて前記生体情報として脈波を検出することができる。
かかる場合には、検出された電気信号を時間とともに記録しておく記録部を設けてもよい。こうすることにより、脈波の波形などを検出し、記録することも可能となる。この記録部は、非接触生体情報センサに一体的に備えるものとしてもよいし、外部の記録装置として構成してもよい。外部の記録装置として構成する場合、電気信号は有線、無線などの方法で記録装置に送信すればよい。

脈波を検出する場合、
さらに、前記電気信号を解析して加速度脈波を出力する解析部を備えるものとしてもよい。
加速度脈波は、脈波を時間で２階微分したものである。加速度脈波を検出することにより、血管年齢や交感神経及び副交感神経のバランスなど種々の解析に用いることができる。
本発明では、脈波を精度よく検出することができるため、このように加速度脈波の検出にも利用可能となるのである。

本発明は、上述した種々の特徴を全て備えている必要はなく、適宜、その一部を省略したり、組み合わせたりして構成してもよい。
本発明は、非接触生体情報センサとしての態様だけでなく、その製造方法など種々の態様で構成することができる。
本発明は、さらに非接触生体情報センサの設計方法として構成することもできる。
例えば、皮膚の外部から照射した照射光に対する体内での散乱光によって非接触で生体情報を検出する非接触生体情報センサを設計する設計方法であって、
（ａ） 前記照射光を照射するための発光部から前記皮膚に至る照射光の経路を幾何光学的に解析する工程と、
（ｂ） 前記体内での散乱光を受光し電気信号として出力する受光部に対し、前記皮膚の表面からの反射光が入射し得る経路を幾何光学的に解析する工程と、
（ｃ） 前記工程（ａ）および工程（ｂ）における解析結果に基づき、前記発光部と前記受光部の配置、および前記受光部に至る光の経路を制限することによって、前記皮膚の表面からの反射光が前記受光部に入射することを抑制する制限機構の形状とを求める工程とを備える非接触生体情報センサの設計方法である。
本発明では、受光部に制限機構を設けることにより生体情報の検出精度を向上させることが可能であるが、発光部および受光部の配置や、受光部に設ける制限機構の形状など、多様なパラメータまたはパラメータを設計する必要がある。上述の設計方法によれば、それぞれ照射光の経路や反射光の経路を幾何光学的に解析することにより、設計負荷を軽減することが可能となる。
上記工程（ｃ）は種々の方法をとることができる。例えば、照射光の経路や反射光の経路に基づいて、発光部と受光部の配置や制限機構の形状を与えるための条件を、計算式やチャート等の形式で用意しておくものとしてもよい。また、逆に、発光部と受光部の配置や制限機構の形状を入力すると、照射光の経路や反射光の経路の解析結果に基づいて、反射光が受光部に入射するか否かを判断し、許容される形状か否かを出力するようにしてもよい。
本発明は、設計方法としての態様だけでなく、かかる設計方法をコンピュータによって実現する設計支援システム、その機能を実現するためのコンピュータプログラム、さらには当該コンピュータプログラムを記録したＣＤ−Ｒ、ＤＶＤその他のコンピュータが読み取り可能な記録媒体として構成してもよい。

実施例としての脈波センサの構造および機能を示す説明図である。 光源側コリメータの効果を示す説明図である。 受光側コリメータの効果を示す説明図である。 非接触計測距離による影響を示す説明図である。 脈波センサのパラメータを示す説明図である。 設計支援処理のフローチャートである。 脈波センサによる計測結果を示すグラフである。 制限機構の変形例を示す説明図である。

本発明の非接触生体情報センサに関し、人体の脈波を検出する脈波センサとしての実施例を以下に示す。以下で示すのは一例に過ぎず、本発明は脈波以外の生体情報を検出するためのセンサとして実施することもできるし、脈波センサの構造も種々の態様を採りうる。

Ａ．装置構成：
図１は、実施例としての脈波センサ１０の構造および機能を示す説明図である。図の下段に脈波センサ１０の構造を模式的に示した。中段には脈波センサ１０で検出された電気信号を解析するための解析装置２０およびその機能構成を示した。上段には解析装置２０によって得られる解析例を示してある。

脈派センサ１０は、生体に照射光を照射し、この照射光が体内でヘモグロビンによって吸収される程度を検出することで脈派を計測するものである。その構造は次の通りである。
発光部１１は、検出用の照射光を照射するための発光ダイオード（ＬＥＤ）である。脈派の検出原理上、照射光はヘモグロビンに吸収され得る波長を含む光とすることが必要であり、例えば、近赤外光とすることができる。本実施例では、かかる観点から、８５０ナノメートルの波長を含む近赤外光を射出するＬＥＤを用いた。ＬＥＤの径は任意に設定可能であるが、本実施例では６ミリメートルとした。
発光部１１の前方（光が照射される方向であり図１中の右方向）には光源側コリメータ１２が取り付けられている。光源側コリメータ１２は、直方体の金属製のブロックの中央に照射光が通過する貫通孔を設けたものである。貫通孔の径、長さは種々の設定が可能であるが、本実施例では、貫通孔の径は３ミリメートル、長さは１５ミリメートルとした。

発光部１１の側方には受光部１３が設けられている。受光部１３は、光センサであり、本実施例ではフォトダイオードを用いた。受光部１３は、照射光と同等の波長範囲の検出感度が良好のものを用いることが好ましい。
受光部１３の前方にはフィルタ１４が取り付けられている。フィルタ１４は、主として照射光の波長範囲の光を透過させるためのものである。本実施例では、照射光として近赤外線を用いるため、フィルタとして、７００ナノメートル以下の波長の光を除去する可視光除去フィルタを用いた。こうすることによって、脈波の計測時に、照射光以外の環境光に含まれる可視光成分による影響を抑制することができる。
受光部１３の前方には、発光部１１と同様、受光側コリメータ１５が取り付けられている。受光側コリメータ１５も、直方体の金属製のブロックの中央に照射光が通過する貫通孔を設けたものである。貫通孔の径、長さは種々の設定が可能であるが、本実施例では、貫通孔の径は３ミリメートル、長さは２５ミリメートルとした。
受光部１３には、増幅回路１６が電気的に接続されている。増幅回路１６は、受光部１３から出力される電気信号を増幅し外部に出力する機能を奏する。増幅回路１３は、周知の回路構成で実現可能であるため、詳細な説明は省略する。本実施例では、受光部１３と増幅回路１６との組み合わせとして、ＡＰＤ（アバランシェ・フォトダイオード）と呼ばれる、逆バイアスを印加することによって光電流を増幅し、高速・高感度の検出を可能とするフォトダイオードを用いた。

ここで、脈波センサ１０によって脈波を検出する方法について説明する。発光部１１から照射された照射光は、図中の矢印に示すように計測部位である手に照射される。ＬＥＤからの光は拡散するため、照射光は、図示する拡散領域に広がりながら照射され、その一部は手の表面で反射する。また、一部は手の皮膚を透過し、ヘモグロビンに一部吸収された上、体内で散乱して散乱光として放射される。受光部１３は、手から放射された散乱光を検出し、電気信号として出力する。
ヘモグロビンの量は、血流、即ち脈波によって変動するため、散乱光の強さを計測すれば、脈波を計測することができることになる。一般に、照射光は、計測部位の表面からの深さＤＰの約２倍だけ離れた位置から放射されることが知られている。従って、発光部１１と受光部１３との中心の間隔ＲＧは、計測すべき目標深さＤＰの２倍程度に設定しておくことが好ましい。本実施例では、手を計測部位として脈波を計測することを考え、目標深さＤＰ＝６ミリメートル、間隔ＲＧ＝１２ミリメートルと設定した。もちろん、これらの値は、任意に設定可能である。

受光部１３および増幅回路１６から出力された電気信号は、解析装置２０に入力される。
本実施例では、解析装置２０は、図示する種々の機能を実現するためのコンピュータプログラムをインストールすることによってソフトウェア的に構成されている。これらの機能は、ハードウェア的に構成してもよい。また、解析装置２０の一部の機能は、脈波センサ１０に組み込むようにしてもよい。
解析装置２０は、主として脈波解析部３０と、設計支援部４０とを備えている。両者を別の装置として構成することもできる。

脈波解析部３０の構成について説明する。計測データ入力部３１は、脈波センサ１０からの電気信号、即ち計測データをケーブル１８経由で入力する。ケーブル１８に代えて、無線を利用してもよい。計測データ記憶部３２は、入力した計測データを記憶しておくメモリである。解析部３３は、計測データ記憶部３２に記憶された計測データを用いて種々の解析を行う。解析例については後で説明する。

設計支援部４０の構成について説明する。設計支援部４０は、幾何光学的解析に基づいて、脈波センサ１０の設計、即ち発光部１１、受光部１３の位置や光源側コリメータ１２、受光側コリメータ１５の形状等のパラメータを設計する支援をする機能を奏する。条件入力部４１は、使用者の操作に応じて設計のための条件を入力する。形状解析部４２は、入力された条件に従って幾何光学的な解析を行い、上述のパラメータについて、脈波センサ１０が満たすべき値を提示する。
設計支援部４０の機能は、脈波センサ１０を設計する際に利用する他、脈波センサ１０の使用時にも活用することができる。例えば、脈波センサ１０の発光部１１と受光部１３の間隔ＲＧを調整可能とし、また、光源側コリメータ１２および受光側コリメータ１５を取り替え可能な構成とすることで、多様な深さＤＰで生体情報を検出可能にしておき、使用者が設定した間隔ＲＧに応じて、設計支援部４０が、計測時の手と脈波センサ１０との間の距離を算出したり、脈波センサ１０に取り付ける光源側コリメータ１２や受光側コリメータ１５のサイズを指定するようにしてもよい。

図の上段に、計測データを用いた解析例を示した。脈波センサ１０は、図示するように脈波を計測することができる。解析部３３は、計測された脈波に基づいて、一分間あたりの脈拍数などを計測することが可能である。また、脈波を時間で２階微分することによって加速度脈波を求めることもできる。加速度脈波は、図の左上において丸囲みＢ１、Ｂ２で示したように、二つの谷を有する波形となる。そして、この谷Ｂ１、Ｂ２の値や形状に応じて、血管年齢を推定することができる。また、図の右上に示すように、加速度脈波のピーク間の時間ｔの時間変化を求めることにより、使用者の疲労度を推定することもできる。解析部３３には、このように脈波の計測データを用いた種々の解析機能を備えることができ、これによって脈波センサ１０の利便性を向上させることができる。

Ｂ．コリメータの効果：
図１に示した通り、脈波センサ１０は、光源側コリメータ１２と受光側コリメータ１５とを備えている。次に、これらのコリメータの効果について説明する。
図２は、光源側コリメータの効果を示す説明図である。ＬＥＤから照射される照射光は拡散するが、光源側コリメータを用いることにより、照射光の拡散を抑制することができる。図２中の上側の図には、光の拡散の抑制効果の計測結果を表すグラフを示し、下側の図には、計測方法を示した。

まず、下側の図に基づいて計測方法について説明する。実施例の発光部１１と同様、波長８５０ナノメートルの近赤外線を照射するＬＥＤを用意し、その前方にコリメータを取り付ける。コリメータの中央に設けられた貫通孔は直径３ミリメートル、長さ１５ミリメートルである。そして、このＬＥＤから照射光を照射し、ＬＥＤから２６０ミリメートル離れた位置に計測センサを配置し、光の強さを計測する。計測センサの位置を図中の矢印Ｍに示すように移動させながら、光の強さを計測することによって、照射光の拡散範囲を求めることができる。計測センサの位置は、ＬＥＤと計測センサとが対向している状態を基準とする角度ＡＬ（以下、これを照射角度と呼ぶ）で表す。

上側のグラフには、コリメータ有り／無しの結果を比較して示した。縦軸は、コリメータ有りの照射角度ＡＬが０°の状態で検出された光の強さを基準とする相対強さである。グラフに示す通り、コリメータ無しの場合（図中の破線）には、５０°以上の照射角度でも相対強さ０．２程度の光が検出されている。これに対し、コリメータ有りの場合（図中の実線）には、相対強さ０．２以上の光が検出されたのは、照射角度ＡＬが約１４°の範囲である。このように、コリメータを用いることにより、照射光の拡散が抑制されることが分かる。拡散が抑制されれば、照射光が皮膚の表面で反射して受光部に入射する可能性を抑制することができ、検出精度を向上させることができる。
光源側コリメータおよび貫通孔の径、長さ等は、照射光の拡散をどの程度抑制するかの要求を満たすように解析または実験に基づいて設定すればよい。

図３は、受光側コリメータの効果を示す説明図である。脈派センサを利用する際に受光部には、皮膚の表面からの反射光が種々の方向から入射するが、受光側コリメータを用いることにより、これらの反射光の入射を抑制することができる。図３中の上側の図には、反射光の入射の抑制効果の計測結果を表すグラフを示し、下側の図には、計測方法を示した。

まず、下側の図に基づいて計測方法について説明する。図２と同様、波長８５０ナノメートルの近赤外線を照射するＬＥＤを用意し、その前方にコリメータを取り付ける。コリメータの貫通孔のサイズも図２の例と同じである。そして、このＬＥＤから照射光を照射し、ＬＥＤから２６０ミリメートル離れた位置に計測センサを配置し、光の強さを計測する。計測センサには、コリメータを取り付ける。このコリメータの貫通孔は直径３ミリメートルであり、長さＬＣは２５ミリメートル、５０ミリメートルの２種類を用意した。かかる構成において、ＬＥＤの位置を図中の矢印ＭＬに示すように移動させながら、光の強さを計測することによって、どの範囲の入射光が検出可能であるかを求めることができる。ＬＥＤの位置は、ＬＥＤと計測センサとが対向している状態を基準とする角度ＡＬＥＤ（以下、これをＬＥＤ位置と呼ぶ）で表す。

上側のグラフには、計測センサに取り付けたコリメータの長さＬＣが２５ミリメートルの場合、および５０ミリメートルの場合の結果を比較して示した。縦軸は、ＬＥＤと計測センサとが対向した状態、即ちＬＥＤ位置ＡＬＥＤが０°の状態で検出された光の強さを基準とする相対強さである。グラフに示す通り、コリメータ長さＬＣが２５ミリメートルの場合（図中の実線）には、約１５°のＬＥＤ位置でも相対強さ０．２程度の光が検出されている。これに対し、コリメータ長さＬＣが５０ミリメートルの場合（図中の破線）には、相対強さ０．２以上の光が検出されたのは、ＬＥＤ位置が約８°の範囲である。また、いずれの場合でも、ＬＥＤ位置が０°から数度ずれるだけで、検出される光の強さが急激に低減することが分かる。このように、コリメータを用いることにより、計測センサで検出される光の入射方向が制限されることが分かり、コリメータの貫通孔が長いほどその効果が高いことが分かる。計測センサへの光の入射方向が制限されれば、反射光が受光部に悪影響を与える可能性を抑制することができ、検出精度を向上させることができる。
受光側コリメータおよび貫通孔の径、長さ等は、光の入射方向をどの程度制限するかの要求を満たすように解析または実験に基づいて設定すればよい。

図４は、非接触計測距離による影響を示す説明図である。図の下側に示すように脈波センサ１０から計測部位である手の表面までの距離Ｄを非接触距離と呼ぶものとする。脈派センサ１０は図１で説明した構造のものである。
図のグラフ中には、光源側コリメータおよび受光側コリメータの有無に応じてケースＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、ＣＤの４つに対して非接触計測距離による影響を示した。縦軸は、それぞれの条件で検出される光の強さを、非接触計測距離＝０、即ち脈波センサ１０に手を接触させた状態での検出光の強さを基準にして表した相対強さである。

ケースＣＡ、即ち光源側コリメータおよび受光側コリメータがともに有りの場合、非接触計測距離Ｄが約１３ミリメートル程度までは、相対強さが１よりも小さくなっている。これは、非接触計測距離が大きくなるにつれて手からの散乱光の強さが弱くなる一方、手の表面での反射光は悪影響を与えていないことを意味する。従って、この範囲では、非接触でも脈派は検出可能となる。非接触計測距離Ｄが約１３ミリメートルを超えると、相対強さが１よりも大きくなる。これは、手を脈派センサ１０に接触させて散乱光のみを理想的に検出した状態よりも強い光が検出されていることを意味し、反射光が受光部に検出されていることを表している。相対強さは、非接触計測距離Ｄが２５ミリメートル当たりでピークとなり、さらに大きくなると低下していく。これは非接触計測距離Ｄの増加とともに、反射光の強さも弱くなるからである。
ケースＣＢ、即ち光源側コリメータが無し、受光側コリメータが有りの場合、非接触計測距離Ｄが約２０ミリメートル以下の範囲で相対強さが１よりも大きく、それ以上の範囲で１よりも小さくなった。光源側コリメータが無いため、照射光の拡散が大きく、手の表面での反射光が悪影響を与えやすいことが原因と考えられる。
ケースＣＣ、即ち光源側コリメータが有り、受光側コリメータが無しの場合、非接触計測距離Ｄが約１３ミリメートル程度までは、相対強さが１よりも小さくなっており、この範囲では、非接触でも脈派は検出可能となる。光源側コリメータの効果によって照射光の拡散を十分に抑制することができ、手の表面での反射光による悪影響を抑制できたことによるものと考えられる。相対強さは、ケースＣＡと同様、非接触計測距離Ｄが２５ミリメートル当たりでピークとなり、さらに大きくなると低下していく。
ケースＣＤ、即ち光源側コリメータおよび受光側コリメータがともに無しの場合、計測した全ての範囲において、相対強さが１よりも大きくなる。

図４のグラフに示した結果は、図１で示した構造の脈派センサ１０を用いた結果であり、光源側コリメータ、受光側コリメータのサイズを変化させれば、異なる結果となることが予想される。従って、図４に示した結果において、相対強さが１よりも大きいからといって、直ちに脈派が検出できないということはできない。その一方、図４の結果によれば、光源側コリメータ、受光側コリメータがともに無いケースＣＤでは全範囲で相対強さが１よりも大きくなっているのに対し、他のケースＣＡ，ＣＢ、ＣＣでは相対強さが１よりも小さくなっている範囲が表れており、それぞれ光源側コリメータおよび受光側コリメータによる効果が得られていると言える。また、ケースＣＡによれば、非接触計測距離Ｄが約１３ミリメートル以下では、相対強さが１よりも小さくなっており、光源側コリメータおよび受光側コリメータの効果によって、図１に示した構造のままでも非接触での脈派の検出が可能であることが分かる。

Ｃ．設計方法：
既に説明した通り、実施例の脈派センサは、照射光の拡散、皮膚の表面からの反射光の受光部への入射によって検出精度が大きく影響を受ける。かかる影響の大きさは、発光部、受光部の配置、光源側コリメータ、受光側コリメータのサイズなどの多様なパラメータによって変化する。これらのパラメータを設計するためには、幾何光学的な解析が有用である。

図５は、脈波センサのパラメータを示す説明図である。発光部、発光側コリメータ、受光部、受光側コリメータをそれぞれ模式的に示した。また計測部位となる肌表面は図の右側に直線で示した。脈派センサから計測部位までの距離をＤとする。
発光部からの照射光が拡散しながら進む場合、最も受光部側の経路は図中の点Ｐ１に至る経路ＬＡである。また、肌表面で反射され受光部に至る光のうち、最も発光部側の経路は図中の点Ｐ２から反射される経路ＬＢである。肌表面で反射した反射光の影響を受けずに受光部が肌表面からの散乱光を検出するためには、経路ＬＡと経路ＬＢとが交差する関係にないことが条件となる。これは、発光部から肌表面におろした垂線の足をＱ１とすれば、距離Ｐ１Ｑ１＜距離Ｐ２Ｑ１という条件で表される。

距離Ｐ１Ｑ１は、次の通り算出される。
Ｐ１Ｑ１＝（Ｌ１＋Ｄ）×ｔａｎ（ＡＮＧ１）−ｄ１／２；
ここで、
Ｌ１：光源側コリメータの貫通孔の長さ；
ｄ１：光源側コリメータの貫通孔の直径；
Ｄ：脈派センサから計測部位までの距離（非接触計測距離）；
ＡＮＧ１：経路ＬＡの傾き角＝ｄ１／Ｌ１
である。

次に、受光部から肌表面への垂線の足をＰ２とすれば、距離Ｐ２Ｑ２は次の通り算出される。
Ｐ２Ｑ２＝（Ｌ２＋Ｄ＋ＯＳＴ）×ｔａｎ（ＡＮＧ２）−ｄ２／２；
ここで、
Ｌ２：受光側コリメータの貫通孔の長さ；
ｄ２：受光側コリメータの貫通孔の直径；
ＡＮＧ２：経路ＬＢの傾き角＝ｄ２／Ｌ２；
ＯＳＴ：肌表面の法線方向における発光部と受光部の開口端のずれ
である。

従って、距離Ｐ２Ｑ１は次の通り算出される。
Ｐ２Ｑ１＝Ｌ−Ｐ２Ｑ２；
ここで、
Ｌ：発光部と受光部との間の間隔
である。
以上の各算出式に基づき、「距離Ｐ１Ｑ１＜距離Ｐ２Ｑ１」なる条件を満たすように各パラメータを設計すればよい。
こうすることにより、例えば、発光側コリメータ、受光側コリメータの形状を決めれば両者のずれＯＳＴや間隔Ｌなどの配置を比較的容易に決定することができる。また、逆に非接触計測距離Ｄ、発光部と受光部との間隔Ｌなどを設定すれば、発光側コリメータ、受光側コリメータの形状を求める事も可能となる。

上述の解析は、必要に応じて手作業で行ってもよいが、コンピュータを利用して行うものとしてもよい。図１で説明した通り、本実施例では、解析装置２０にかかる解析を行う機能を実現するためのコンピュータプログラムを組み込むことにより、以下に示す通り、脈派センサの設計支援を実現している。

図６は、設計支援処理のフローチャートである。解析装置２０における設計支援部４０が実行する処理であり、ハードウェア的には解析装置２０を構成するコンピュータのＣＰＵが実行する処理である。

この処理を開始すると解析装置２０は、ユーザの操作に従って、設計のための条件を入力する（ステップＳ１０）。条件としては、図５で示した種々のパラメータであり、例えば、図６内に示すように、例えば、光源側コリメータの寸法、受光側コリメータの寸法、非接触計測距離Ｄ、オフセットＯＳＴなどとすることができる。

解析装置２０は、入力された条件に従って、形状解析を行う（ステップＳ１２）。例えば、発光部と受光部との間の間隔Ｌを算出することができる。算出方法は、図５で説明した通りである。形状解析では、未知のパラメータを一義的に求める必要はない。図５で示した経路ＬＡ、ＬＢが交差しないという条件を満たすために、これらの未知のパラメータ相互の関係式や数値範囲などを求めるものとしてもよい。

解析装置２０は、ユーザの操作に従って、条件を変更しながら（ステップＳ１４）、同様の形状解析を行い、最終的に得られた結果を出力する（ステップＳ１６）。
図中に結果の出力例を示した。ここでは、オフセットＯＳＴと間隔Ｌとの関係が、発光側コリメータ、受光側コリメータの寸法に応じて求められている。例えば、発光側コリメータの寸法が長さＬ１、直径ｄ１、受光側コリメータの寸法が長さＬ２、直径ｄ２のときは、発光部と受光部との間隔Ｌは、オフセットＯＳＴに応じて図中の境界線（Ｌ１，ｄ１，Ｌ２，ｄ２）以下の範囲で定めるべきであることが示されている。境界線は必ずしも直線とは限らない。
結果の出力は、オフセットＯＳＴと間隔Ｌの関係を表すチャートである必要はなく、例えば、発光側コリメータと受光側コリメータの長さの関係を表すチャートや、受光側コリメータの直径と長さの関係を表すチャートなど種々のものを出力可能である。また、チャートに限らず、パラメータの数値の組み合わせを出力するようにしてもよい。
脈派センサでは、多様なパラメータの設計が必要となるが、上述の設計支援処理を利用すれば、設計負荷を軽減することが可能となる。

Ｄ．効果：
図７は、脈波センサによる計測結果を示すグラフである。図７（ａ）には計測部位を脈派センサに接触させたときの結果を示した。非常に強い信号で脈派が検出されていることが分かる。図７（ｂ）は非接触計測距離を５ミリメートルとしたときの脈派の計測結果である。非接触時でも脈派の波形が適正に検出されていることが分かる。接触時と非接触時の脈拍数もほぼ一致した。非接触時の脈派（図７（ｂ））は、さらに加速度脈派の解析にも利用可能な精度であることが確かめられている。
このように本実施例の脈派センサによれば、従来、不可能であった非接触での脈派を精度良く検出することが可能である。図７の実験は、非接触計測距離を５ミリメートルとしたときの例であるが、光源側コリメータ、受光側コリメータおよび発光部と受光部の配置などを設計すれば、さらに大きな非接触計測距離においても検出が可能となる。

Ｅ．変形例：
実施例では、上述の種々の特徴を全て備えている必要は無く、適宜、一部を省略したり組み合わせたりしてもよい。例えば、本実施例の脈派センサは、光源側コリメータ、受光側コリメータの双方を備えているが、一方のみを備えるものとしてもよい。照射光の拡散を抑制するという観点から、光源側コリメータを省略する場合には、発光部としてＬＥＤに代えて、レーザを用いるようにしてもよい。

実施例において、受光側コリメータは、受光部への反射光の入射経路を制限する制限機構として機能している。制限機構としては、受光側コリメータ以外にも、図８に示すように種々の機構を利用することが可能である。
（１）図８（ａ）は、制限機構の変形例（１）を示す説明図である。左側に斜視図を示し、右側には平面図によってその効果を示した。
左側の図に示すように制限機構として、受光部１３の前方にスリット１５Ａを配置してもよい。スリット１５Ａは、２枚または３枚以上の薄板を所定の間隔ｄｓで配置したものである。右側に示すように、受光部１３に法線方向から入射する光Ｌａ０はスリット１５Ａに遮られないが、斜め方向から入射する光Ｌａ１はスリット１５Ａに遮られる。かかる効果により、スリット１５Ａによっても、受光側コリメータと同様、反射光が斜め方向から受光部１３に到達することを制限することができる。スリット１５Ａを構成する各薄板のサイズおよび間隔ｄは、任意に設計可能である。また、スリット１５Ａは、受光部１３の前方に離して配置してもよいし、受光部１３に密着させて配置してもよい。

（２）図８（ｂ）は、制限機構の変形例（２）を示す説明図である。左側に斜視図を示し、右側には平面図によってその効果を示した。
左側の図に示すように制限機構として、受光部１３の前方に開孔板１５Ｂを配置してもよい。開孔板１５Ｂは、板に貫通孔１５ＢＨを設けた部材である。右側に示すように、受光部１３に法線方向から入射する光Ｌｂ０は開孔板１５Ｂに遮られないが、斜め方向から入射する光Ｌｂ１は開孔板１５Ｂに遮られる。また、斜め方向から貫通孔１５ＢＨに入射した光Ｌｂ２は、貫通孔１５ＢＨを通過するものの、受光部１３に到達することはできない。これらの効果により、開孔板１５Ｂによっても、受光側コリメータと同様、反射光が斜め方向から受光部１３に到達することを制限することができる。開孔板１５Ｂを構成する板のサイズおよび貫通孔１５ＢＨの直径ｄｈｂは、任意に設計可能である。また、開孔板１５Ｂは、受光部１３の前方に離して配置してもよいし、受光部１３に密着させて配置してもよい。

（３）図８（ｃ）は、制限機構の変形例（３）を示す説明図である。左側に斜視図を示し、右側には平面図によってその効果を示した。
左側の図に示すように制限機構として、受光部１３の前方に開孔板１５Ｃと光ファイバ１３Ｆとを組み合わせて配置してもよい。開孔板１５Ｃは、板に貫通孔１５ＣＨを設けた部材である。右側に示すように、受光部１３に法線方向から入射する光Ｌｃ０は開孔板１５Ｃに遮られずに光ファイバ１３Ｆに入射し、受光部１３に到達するが、斜め方向から入射する光Ｌｃ１は開孔板１５Ｃに遮られる。また、斜め方向から貫通孔１５ＣＨに入射した光Ｌｃ２は、貫通孔１５ＣＨを通過するものの、光ファイバ１３Ｆに入射せず、受光部１３にも到達することはできない。これらの効果により、開孔板１５Ｃによっても、受光側コリメータと同様、反射光が斜め方向から受光部１３に到達することを制限することができる。また、光ファイバ１３Ｆを用いることにより、受光部１３の配置の自由度を高めることができる。開孔板１５Ｃを構成する板のサイズおよび貫通孔１５ＣＨの直径ｄｈｃ、並びに光ファイバ１３Ｆの長さＬｆおよび直径ｄｆは、任意に設計可能である。また、開孔板１５Ｃは、光ファイバ１３Ｆの前方に離して配置してもよいし、光ファイバ１３Ｆに密着させて配置してもよい。

制限機構は、これまでに例示した種々の機構を組み合わせて適用してもよい。例えば、開孔板１５Ｂと受光側コリメータとを組み合わせて適用することもできる。
受光側コリメータの変形例として示した種々の制限機構は、光源側コリメータに代えて適用することも可能である。
その他、本発明は、種々の変形例を構成することができる。
例えば、本実施例で説明した脈派センサ１０をソファ等の椅子に取り付けることによって、利用者が着座した状態で脈派を計測可能な装置として構成してもよい。
また、実施例では発光部１１と受光部１３の軸線が平行となる例を示したが、前方が広がるように、いずれか一方または双方を斜めに取り付けてもよい。こうすることによっても反射光が受光部１３に入射することを抑制できる。

本発明は、非接触で生体情報を検出するために利用可能である。

１０…脈派センサ
１１…発光部
１２…光源側コリメータ
１３…受光部
１３Ｆ…光ファイバ
１４…フィルタ
１５…受光側コリメータ
１５Ａ…スリット
１５Ｂ、１５Ｃ…開孔板
１５ＢＨ、１５ＣＨ…貫通孔
１６…増幅回路
１８…ケーブル
２０…解析装置
３０…脈派解析部
３１…計測データ入力部
３２…計測データ記憶部
３３…解析部
４０…設計支援部
４１…条件入力部
４２…形状解析部

Claims (7)

1. 皮膚の外部から照射した照射光に対する体内での散乱光によって非接触で生体情報を検出する非接触生体情報センサであって、
   前記照射光を照射するための発光部と、
   前記体内での散乱光を受光し、電気信号として出力する受光部と、
   前記受光部に至る光の経路を制限することによって、前記皮膚の表面からの反射光が前記受光部に入射することを抑制する制限機構とを備える非接触生体情報センサ。
2. 請求項１記載の非接触生体情報センサであって、
   前記発光部は、前記照射光の拡散を抑制するための拡散抑制機構を備える
   非接触生体情報センサ。
3. 請求項１または２記載の非接触生体情報センサであって、
   前記受光部は、受光する光の波長を、前記照射光を含む所定範囲に制限するフィルタを有する非接触生体情報センサ。
4. 請求項１〜３いずれか記載の非接触生体情報センサであって、
   前記発光部と前記受光部との間隔は、該発光部から前記皮膚までの光の経路のうち最も該受光部よりの経路と、前記皮膚から受光部に入射可能な光の経路のうち最も該発光部よりの経路とが、交差しない範囲となっている非接触生体情報センサ。
5. 請求項１〜４いずれか記載の非接触生体情報センサであって、
   前記照射光は、ヘモグロビンに吸収され得る波長の光であり、
   前記電気信号に基づいて前記生体情報として脈波を検出する非接触生体情報センサ。
6. 請求項５記載の非接触生体情報センサであって、
   さらに、前記電気信号を解析して加速度脈波を出力する解析部を備える非接触生体情報センサ。
7. 皮膚の外部から照射した照射光に対する体内での散乱光によって非接触で生体情報を検出する非接触生体情報センサを設計する設計方法であって、
   （ａ） 前記照射光を照射するための発光部から前記皮膚に至る照射光の経路を幾何光学的に解析する工程と、
   （ｂ） 前記体内での散乱光を受光し電気信号として出力する受光部に対し、前記皮膚の表面からの反射光が入射し得る経路を幾何光学的に解析する工程と、
   （ｃ） 前記工程（ａ）および工程（ｂ）における解析結果に基づき、前記発光部と前記受光部の配置、および前記受光部に至る光の経路を制限することによって、前記皮膚の表面からの反射光が前記受光部に入射することを抑制する制限機構の形状とを求める工程とを備える非接触生体情報センサの設計方法。

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