JP2016214336A - 脈拍計 - Google Patents

Abstract

【課題】脈拍計の消費電力を低減すること。
【解決手段】脈拍計２は、発光器１０と、光検出器１２と、サンプルホールド回路２０と、ＡＤ変換器１４と、時間計測部２２とを有する。発光器１０は、測定対象の血管に対して、所定時間の発光を周期的に繰り返す。光検出器１２は、血管を介した発光器１０からの光を検出する。サンプルホールド回路２０は、光検出器１２の出力電圧を取り込んで保持する。ＡＤ変換器１４は、サンプルホールド回路２０の出力電圧をアナログデジタル変換する。時間計測部２２は、サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間を計測する。発光器の発光時間は、時間計測部２２が計測した時間により設定される。
【選択図】図１１

Description

本発明は脈拍計に関し、例えば血管に対して発光する脈拍計に関する。

ＬＥＤ（light emitting diode）などの発光器と、フォトトランジスタ、フォトダイオードなどの光検出器とを用いた脈拍計が知られている。一般的に、脈拍計は電池により駆動するよう構成されており、消費電力を抑制することが求められている。

脈拍計の消費電力の抑制のために、ＬＥＤにおける消費電力を抑制する技術が知られている。例えば、特許文献１では、低消費電力化のため、発光素子を断続的に発光させる技術が記載されている。また、特許文献１では、発光素子の点灯タイミングに対し、サンプルホールド回路のサンプリングタイミングを遅らせることにより、受光素子（フォトトランジスタ）の特性による脈拍信号のＳ／Ｎ比劣化を防止することが記載されている。

特開平３−１２６４３７号公報

脈拍計の更なる低消費電力化を図るためには、発光素子の発光時間を如何に設定するかが重要となるが、特許文献１では、発光素子を断続的に発光させることに伴うＳ／Ｎ比劣化を防止することについて開示するに留まり、発光時間としては固定値（0.48ms）が採用されている。つまり、特許文献１では、発光素子の発光時間をどのように決定するかについては開示されていない。脈拍計の省電力化では、発光時間を抑制することが求められている。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態によれば、脈拍計は、サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間を計測する時間計測部を有し、発光器の発光時間は、前記時間計測部が計測した時間により設定される。

前記一実施の形態によれば、脈拍計の消費電力を低減することができる。

実施の形態１にかかる脈拍計の構成を示すブロック図である。 発光器及び光検出器により脈拍信号を取得する様子を示す模式図である。 周波数解析部による周波数解析結果の例を示すグラフであり、（Ａ）は脈拍信号の周波数スペクトルの大きさが所定の基準よりも小さい場合の例を示し、（Ｂ）は脈拍信号の周波数スペクトルの大きさが所定の基準よりも大きい場合の例を示している。 比較例にかかる脈拍計における受光信号の振幅の例を示すグラフであり、（Ａ）は受光信号にノイズがない場合の振幅の例を示し、（Ｂ）は受光信号に体動などに起因するノイズが含まれる場合の振幅の例を示している。 比較例にかかる光量の調整の様子の一例を示すグラフであり、上段のグラフは発光される光量の時間推移を示し、中段のグラフは検出される受光信号の時間推移を示し、下段のグラフは受光信号の振幅の時間推移を示している。 調整幅の演算について説明する図であり、発光器の光量と脈拍信号についてのＳ／Ｎ比の関係を示すグラフを示している。 実施の形態２にかかる脈拍計における光量の調整の様子の一例を示すグラフであり、上段のグラフは発光される光量の時間推移を示し、中段のグラフは検出される受光信号の時間推移を示し、下段のグラフは取得した脈拍信号のＳ／Ｎ比の時間推移を示している。 実施の形態３にかかる脈拍計における光量の調整の様子の一例を示すグラフであり、上段のグラフは発光される光量の時間推移を示し、中段のグラフは検出される受光信号の時間推移を示し、下段のグラフは取得した脈拍信号のＳ／Ｎ比の時間推移を示している。 実施の形態４にかかる脈拍計における調整動作の一例を示すフローチャートである。 実施の形態４にかかる脈拍計の発光器の光量及び脈拍信号のＳ／Ｎ比の時間推移の一例を示すグラフである。 実施の形態５にかかる脈拍計の構成を示すブロック図である。 実施の形態５にかかる発光器の発光時間の設定について説明する図であり、上段のグラフは発光器の発光状態の時間推移を示し、下段のグラフは発光器を発光させた際のＡＤ変換器の出力値の時間推移を示す。 実施の形態５にかかる脈拍計の回路構成の一例を示す回路図である。 実施の形態５にかかる脈拍計において発光制御状態とバイアス電圧生成状態とを切替えるタイミングの一例について示すタイムチャートである。 実施の形態５にかかる脈拍計の他の構成を示すブロック図である。

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェアとしては、ＣＰＵ、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェアとしては、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態にかかる脈拍計１の構成を示すブロック図である。脈拍計１は、発光器１０と、駆動回路１１と、光検出器１２と、増幅回路１３と、ＡＤ変換器１４（アナログデジタル変換器）と、周波数解析部１５と、脈拍数演算部１６と、調整部１７とを有する。

発光器１０は、例えばＬＥＤであり、駆動回路１１により駆動されて発光する。脈拍の測定の際、発光器１０は、測定対象者の血管に対して発光する。発光器１０は、ＬＥＤを複数備えていてもよいし、単数であってもよい。発光器１０により発する光としては、例えば緑色、赤色、赤外色など任意の色を用いることができる。なお、本実施の形態では、発光器１０は、緑色に発光するＬＥＤ２個から構成されている。

駆動回路１１は、発光器１０が発光する際の光量及び発光タイミングを制御する。本実施の形態では、駆動回路１１は、緑色に発光するＬＥＤ２個を、同時に、点灯又は消灯させる。駆動回路１１は、点灯と消灯が一定周期で交互に繰り返すよう制御する。ここで、肌の色や皮膚の厚さ等の違いにより、人体により反射される反射光の強度が異なる。このため、脈拍の測定にあたっては、測定対象者に応じて、光量を調整する必要がある。駆動回路１１は、後述する調整部１７による指示に従って、発光器１０の発光を制御する。駆動回路１１は、例えば調整部１７からのデジタル制御信号をＤＡ変換器（デジタルアナログ変換器）によりアナログ信号に変換し、発光器１０の光量を調整することが可能である。

光検出器１２は、例えば、フォトトランジスタ又はフォトダイオードを用いて構成されており、脈拍の測定の際、測定対象者の血管を介した発光器１０からの光を検出する。本実施の形態では、図２に示されるように、発光器１０と光検出器１２は、測定対象者の人体（図２に示した例では、指５０）に対して同じ向きとなるよう配置されている。このため、光検出器１２は、発光器１０が発した光が測定対象者の人体により反射された反射光を検出する。つまり、脈拍の測定に際し、光検出器１２は、測定対象者の血管に反射した、発光器１０からの光を検出する。なお、発光器１０による光が照射される人体は、指に限定されない。例えば腕などであってもよい。このように反射型のセンサを用いる場合、発光器と光検出器とを人体を挟んで対向して配置する必要がないため、装置を小型化することができる。また、本実施の形態のように、提示された人体に光を照射することにより脈拍を測定する構成であるため、測定対象者に対する負担が低減される。

血管における拍動に応じて光検出器１２により検出される光の強度が変動する。脈拍計１は、この変動をとらえることにより後述するように脈拍数を演算している。

増幅回路１３は、光検出器１２の出力信号を増幅する。増幅回路１３は、プログラマブル計装アンプを備え、ゲインの変更が可能となっている。また、増幅回路１３は、差動増幅回路を備え、後述するＤＣオフセット信号をキャンセルした上で、脈拍信号を増幅する。具体的には、差動増幅回路には、入力信号として、光検出器１２を介して取得される生体信号を示す電圧と、ＤＣオフセット信号をキャンセルするためのバイアス電圧とが入力される。増幅回路１３により増幅された信号は、ＡＤ変換器１４に入力される。

ＡＤ変換器１４は、光検出器１２の出力信号をアナログデジタル変換する。より具体的には、ＡＤ変換器１４は、増幅回路１３により増幅された信号を一定周期でアナログデジタル変換する。これにより、増幅回路１３から出力されたアナログ信号は、脈拍数算出用のサンプリングデータであるデジタルデータに変換される。測定が開始されると発光器１０による発光が繰り返されるため、ＡＤ変換器１４は順次サンプリングデータを出力することとなる。

周波数解析部１５は、ＡＤ変換器１４により変換されたデータを周波数解析する。周波数解析部１５は、ＡＤ変換器１４からサンプリングデータが所定数入力されるごとに、この所定数のサンプリングデータからなるデータ系列に対し、周波数解析を行う。具体的には、周波数解析部１５は、予め定められた周期で、サンプリングデータのデータ系列に対し高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）処理を実施する。周波数解析部１５は、解析結果を脈拍数演算部１６及び調整部１７に出力する。

脈拍数演算部１６は、周波数解析部１５による解析結果から脈拍数を演算する。具体的には、脈拍数演算部１６は、例えば、周波数解析部１５により解析された、脈拍に相当する周波数帯（例えば、０．５Ｈｚ〜２Ｈｚ）の周波数成分うち、スペクトル値が一番大きいものを脈拍に対応する周波数として抽出し、抽出した周波数から脈拍数を演算する。なお、脈拍数は、抽出した周波数を、１分あたりの振動数に換算することで算出される。

調整部１７は、周波数解析部１５による解析結果に基づいて、発光器１０の光量と、増幅回路１３のゲインとを調整する。また、調整部１７は、周波数解析部１５による解析結果に基づいて、増幅回路１３に入力されるバイアス電圧をＤＣオフセット信号の信号強度に応じたバイアス電圧となるよう調整する。

ここで、発光器１０の光量の調整と、増幅回路１３のゲインの調整について説明する。脈拍計１において、脈拍を適切に測定するためには、検出される脈拍信号の大きさによって、発光器１０の光量又は増幅回路１３のゲインが調整される必要がある。しかし、光検出器１２を介して取得される生体信号には、脈拍情報を示す生体信号（脈拍信号）以外に、脈以外の部位（例えば、皮膚や骨など）における光の反射で得られる生体信号が含まれている。この脈以外の部位における光の反射で得られる生体信号は、脈拍信号よりも大きな値となる。特に、図２に示されるような反射型のセンサを使用する場合は、脈以外の部位における光の反射で得られる生体信号が顕著にあらわれる。ここでは、脈以外の部位における光の反射で得られる生体信号をＤＣオフセット信号と定義する。

このＤＣオフセット信号が常に一定であれば生体信号から脈拍信号のみを抽出することは容易に可能である。しかし、ＤＣオフセット信号は、測定対象者ごとに大きさが異なる上に、測定中の測定対象者の姿勢、光検出器１２と測定対象との距離、周囲の明るさ等といった測定時の状態により変動する。ＤＣオフセット信号の変動は低周波信号として表れ、脈拍信号に近い帯域となる。このため、生体信号からＤＣオフセット信号の変動のみを除き、脈拍信号を抽出することをフィルタ処理により実現する場合、高次なフィルタ処理が必要となる。しかし、そのようなフィルタを実現する場合、フィルタの出力が安定するまでに時間が掛かる、演算による負荷が大きくなる、などといった問題が生じる。

そこで、本実施の形態では、フィルタ処理により脈拍信号を抽出する代わりに、周波数解析部１５による解析結果に基づいて、脈拍信号を抽出し、脈拍信号の信号レベルを判断する。図３は、周波数解析部１５による周波数解析結果の例を示すグラフであり、図３（Ａ）は脈拍信号の周波数スペクトルの大きさが所定の基準よりも小さい場合の例を示し、図３（Ｂ）は脈拍信号の周波数スペクトルの大きさが所定の基準よりも大きい場合の例を示している。なお、上述の通り、脈拍数演算部１６は、周波数解析部１５による解析結果から脈拍信号を特定し、脈拍数を演算する。したがって、例えば、脈拍数演算部１６は、周波数解析部１５により解析された、脈拍に相当する周波数帯の周波数成分うち、スペクトル値が一番大きい周波数成分６０（図３参照）を抽出する。

周波数解析部１５による周波数解析によれば、図３に示されるように、各周波数成分の信号強度（周波数スペクトル）を求めることができる。すなわち、周波数解析部１５による解析結果から脈拍信号の信号強度を得ることは容易に可能である。調整部１７は、周波数解析部１５による解析結果から脈拍信号の信号強度を取得し、脈拍信号の信号強度が所定の基準未満である場合、発光器１０の光量を現在の光量よりも増加させる調整又は増幅回路１３のゲインを現在のゲインよりも高くする調整を行う。また、調整部１７は、周波数解析部１５による解析結果から脈拍信号の信号強度を取得し、脈拍信号の信号強度が所定の基準以上である場合、発光器１０の光量を現在の光量よりも減少させる調整又は増幅回路１３のゲインを現在のゲインよりも低くする調整を行う。

本実施の形態では、調整部１７は、より具体的には、次のように動作する。調整部１７は、周波数解析部１５による解析結果から脈拍信号のノイズレベル、すなわちＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を算出し、Ｓ／Ｎ比を予め定められた閾値と比較し、比較結果に応じて調整を行う。ここで、脈拍信号の周波数以外の周波数成分をノイズと定義する。調整部１７は、周波数解析部１５の解析結果から脈拍信号についてＳ／Ｎ比を算出し、算出されたＳ／Ｎ比が予め定められた閾値以上である場合、ノイズが小さいことを示すため、発光器１０の光量又は増幅回路１３のゲインを下げる。また、調整部１７は、周波数解析部１５の解析結果から脈拍信号についてＳ／Ｎ比を算出し、算出されたＳ／Ｎ比が予め定められた閾値未満である場合、ノイズが大きいことを示すため、発光器１０の光量又は増幅回路１３のゲインを上げる。調整部１７は、周波数解析部１５が周波数解析結果を出力する毎に、光量又はゲインを調整する設定値を決定し、調整を実施する。なお、本実施の形態では、例えば、調整部１７は、光量又はゲインを上げる必要があると判定した場合、予め定められた固定の調整幅だけ光量の設定値又はゲインの設定値を上げ、光量又はゲインを下げる必要があると判定した場合、この固定の調整幅だけ光量の設定値又はゲインの設定値を下げる。
以上説明したように調整部１７が調整を行うことにより、脈拍の測定を維持しつつ、消費電力の抑制を可能とすることができる。

また、図３に示されるように、周波数解析部１５による解析結果から、ＤＣオフセット信号は、予め定められた周波数帯の周波数成分、具体的には周波数が０Ｈｚ付近の周波数成分６１として得られる。したがって、周波数解析部１５による解析結果から、光検出器１２を介して取得された生体信号に含まれるＤＣオフセット信号の強度を取得することが可能となる。このため、調整部１７は、周波数解析部１５による解析結果に基づいて、ＤＣオフセット信号の信号強度を取得する。そして、調整部１７は、増幅回路１３に入力されるバイアス電圧をＤＣオフセット信号の信号強度に応じたバイアス電圧となるよう調整する。これにより、増幅回路１３において、光検出器１２から出力された信号のうちＤＣオフセット信号をキャンセルし、残りの信号成分を増幅することが可能となる。このため、脈拍の測定精度を向上することができる。

以上、本実施の形態にかかる調整部１７による調整について説明したが、ここで、比較例における光量の調整について説明する。比較例にかかる脈拍計は、光検出器１２により受光した信号（以下、受光信号という）の振幅のみに基づいて発光器１０の光量の調整するものとする。なお、この受光信号は、上述の生体信号に相当する。この場合、比較例にかかる脈拍計は、次のような問題点を有する。

図４は、比較例にかかる脈拍計における受光信号の振幅の例を示すグラフである。なお、図４（Ａ）は、受光信号にノイズがない場合の振幅の例を示し、図４（Ｂ）は、受光信号に体動などに起因するノイズが含まれる場合の振幅の例を示している。図４（Ａ）に示されるような受光信号にノイズがない場合は、脈拍信号の振幅が比較的小さいときでも脈拍の測定を行うことが可能である。しかし、比較例にかかる脈拍計では、振幅のみで発光器１０の光量を調整するため、振幅が小さいときは、Ｓ／Ｎ比が脈拍を測定する上で十分高いとしても、光量を上げる調整が行われてしまう。このため、消費電流が不必要に増加してしまうという問題がある。また、図４（Ｂ）に示されるように受光信号に体動等のノイズが含まれている場合、ノイズの影響により脈拍信号の振幅が誤検出されてしまうおそれがある。例えば、体動によるノイズ成分の振幅は、脈拍信号の振幅に比べて大きいことが多いため、誤って体動による振幅が脈拍信号の振幅と判断された場合、本来であれば光量が不十分であっても、光量を上げる調整が行われないことがある。このような場合には、光量が不十分であり脈拍信号が測定できないという問題がある。

これに対し、本実施の形態にかかる調整では、周波数解析部１５による解析結果に基づいて、脈拍信号の信号強度に基づいて調整が行われるので、ノイズ成分に起因する誤った調整を低減することができる。このため、脈拍の測定精度の劣化を抑制しつつ脈拍計の消費電力を適切に低減することができる。また、周波数解析部１５による周波数解析結果から発光器１０の光量又は増幅回路１３のゲインを設定するため、受光信号から脈拍信号のみを抽出ためのフィルタを不要にすることができ、演算負荷を抑制することができる。ここで、周波数解析部１５による周波数解析は脈拍数演算部１６により脈拍数を算出するために必要な処理であるため、光量の調整やゲイン調整のために追加で新たな負荷がかかる訳ではない。

なお、本実施の形態では、調整部１７は、算出されたＳ／Ｎ比が予め定められた閾値以上である場合、算出されたＳ／Ｎ比が予め定められた閾値未満である場合、いずれの場合においても発光器１０の光量又は増幅回路１３のゲインを増加又は減少する変更を行うが、調整部１７による変更がいずれか一方の場合にのみに行われてもよい。また、調整部１７は、発光器１０の光量のみを調整してもよいし、増幅回路１３のゲインのみを調整してもよい。

周波数解析部１５、脈拍数演算部１６及び調整部１７は、例えば、ＭＣＵ（Micro Control Unit）で実現される。より具体的には、ＭＣＵはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、不揮発性メモリ等で構成され、不揮発性メモリに周波数解析部１５、脈拍数演算部１６、調整部１７に相当するプログラムが格納され、ＣＰＵが該当するプログラムを実行することでそれぞれの処理が行われる。なお、周波数解析部１５、脈拍数演算部１６及び調整部１７は、メインＣＰＵとサブＣＰＵに分散されて実現されてもよい。また、増幅回路１３及びＡＤ変換器１４は、ＭＣＵに対する外付け回路であってもよいし、ＭＣＵに内蔵されていてもよい。

＜実施の形態２＞
次に実施の形態２について説明する。なお、既に説明された構成要素については説明を省略する。本実施の形態では、発光器１０の光量を調整する際の調整幅が算出される点で、実施の形態１と異なる。これにより、本実施の形態では、例えば、光量の増加が必要であると調整部１７が判定した場合、調整部１７は測定環境によらない固定幅分だけ光量を増加させるのではなく、算出された調整幅分だけ光量を増加させる。

発光器１０を発光させ、指又は腕などを介して光検出器１２で受光する場合、個々人により光の吸収量が異なるため、受光する光量は異なる。発光器１０が発光する光量と光検出器１２で受光する光量には相関関係にあるが、必ずしも線形性を持つわけではなく個々人の皮膚の厚さ及び性質などの条件により異なる。そのため、予め関係式を理論的に推測することが困難である。また、発光器１０から一定の光量を照射していたとしても、光検出器１２と測定対象との距離などといった測定環境に応じて光検出器１２の受光量が異なるため、自動的に、随時、発光器１０の光量を調整する必要がある。これに対し、実施の形態１では、上述の通り、調整部１７が、受光状態を監視することにより発光器１０の光量を適切に調整した。

ここで、光量の設定値の調整幅が固定である場合について検討する。図５は、比較例にかかる光量の調整の様子の一例を示すグラフである。なお、図５の上段のグラフは発光される光量の時間推移を示し、図５の中段のグラフは検出される受光信号の時間推移を示し、図５の下段のグラフは受光信号の振幅の時間推移を示している。図５に示される比較例では、受光信号の振幅と閾値との比較結果に基づいて発光する光量を固定の調整幅で調整する。すなわち、比較例にかかる脈拍計は、予め定められた周期で行われる調整の調整幅が、固定幅となっている。言い換えると、予め定められた周期で行われる各調整において、１回の調整における調整幅が固定幅となっている。このとき、図５に示されるように、比較例にかかる脈拍計では、調整ごとに、発光する光量の設定値を固定幅Ｗで変更する。このため、比較例にかかる脈拍計は、受光信号の振幅が閾値以下であれば、受光信号の振幅が閾値に達するまで固定幅Ｗで光量を上げる。また、比較例にかかる脈拍計は、受光信号の振幅が閾値を超えると、固定幅Ｗで光量を下げる。固定幅Ｗが小さければ小さいほど、光量を変化させる際の応答性が悪くなる。このため、測定初期において光量が不十分である場合、正常に測定が開始されるまでに時間を要することとなる。逆に、固定幅Ｗが大き過ぎる場合は、光量を増加させた際に、光量が増大し過ぎて、受光信号のＡＤ変換値が飽和状態になる恐れがある。この場合、脈拍情報が得られない。

そこで、本実施の形態では、測定の開始時に、発光する光量と受光する光量の関係を測定により推測し、その推測結果から発光器１０の光量の調整幅を決定する。すなわち、調整部１７は、第１の光量で発光した際の脈拍信号の強度についての第１の評価値と、第２の光量で発光した際の脈拍信号の強度についての第２の評価値と、脈拍信号の強度についての予め定められた目標評価値とから、目標評価値を実現するための光量を算出する。そして、調整部１７は、この算出結果に基づいて発光器１０の光量を調整する。なお、目標評価値は、例えば、安定して測定できる、脈拍信号についてのＳ／Ｎ比であり、予め実験により求められる。

本実施の形態では、調整部１７は、具体的には、以下のように発光器１０の光量の調整幅を算出する。なお、図６は本実施の形態にかかる調整幅の演算について説明する図であり、発光器１０の光量と脈拍信号についてのＳ／Ｎ比の関係を示すグラフを示している。また、図６において、ＬＥＤ_Ａは上記第１の光量に相当し、ＬＥＤ_Ｂは、上記第２の光量に相当し、ＳＮ_Ａは上記第１の評価値に相当し、ＳＮ_Ｂは上記第２の評価値に相当し、ＳＮ_Ｘは上記目標評価値に相当する。

まず、調整部１７は、任意の光量で発光器１０を発光させ、その際の光量（図６におけるＬＥＤ_Ａ）と脈拍信号についてのＳ／Ｎ比（図６におけるＳＮ_Ａ）とを記録する。次に、調整部１７は、予め定められた固定幅で光量を変更して発光器１０を発光させ、その際の光量（図６におけるＬＥＤ_Ｂ）と脈拍信号についてのＳ／Ｎ比（図６におけるＳＮ_Ｂ）とを記録する。次に、調整部１７は、これら記録された結果から、発光器１０の光量と脈拍信号についてのＳ／Ｎ比との関係を近似する。すなわち、傾きｋ：（ＳＮ_Ｂ−ＳＮ_Ａ）／（ＬＥＤ_Ｂ−ＬＥＤ_Ａ）、切片ｉ：ＳＮ_Ａ−ＬＥＤ_Ａ×（ＳＮ_Ｂ−ＳＮ_Ａ）／（ＬＥＤ_Ｂ−ＬＥＤ_Ａ）の直線で近似する。そして、調整部１７は、目標のＳ／Ｎ比（図６におけるＳＮ_Ｘ）を実現するための発光器１０の光量（図６におけるＬＥＤ_Ｘ）を算出する。具体的には、ＬＥＤ_Ｘ＝（ＳＮ_Ｘ−切片ｉ）／傾きｋ、により算出される。調整部１７は、算出した光量を発光器１０が発光するよう調整する。

このように、本実施の形態では、調整幅を測定環境ごとに算出しているので、測定環境に適した調整幅を得ることができる。図７は、本実施の形態にかかる脈拍計１における光量の調整の様子の一例を示すグラフである。なお、図７の上段のグラフは発光される光量の時間推移を示し、図７の中段のグラフは検出される受光信号の時間推移を示し、図７の下段のグラフは取得した脈拍信号のＳ／Ｎ比の時間推移を示している。本実施の形態では、図７に示されるように、算出された光量ＬＥＤ_Ｘへと発光器１０の光量が調整されるため、受光信号のＡＤ変換値が飽和状態となることを抑制しつつ、応答性を向上することができる。このため、本構成を有しない場合に比較して、正常な測定が開始されるまでの時間を短縮することができる。

＜実施の形態３＞
次に実施の形態３について説明する。なお、既に説明された構成要素については説明を省略する。本実施の形態では、発光器１０の光量を調整する際の調整幅が、光量を増加させる調整の場合と光量を減少させる調整の場合とで異なる値に設定される。より具体的には、本実施の形態にかかる脈拍計１では、予め定められた周期で行われる調整部１７による調整の調整幅は、発光器１０の光量を減少させる調整の場合よりも、発光器１０の光量を増加させる調整の場合のほうが大きい。言い換えると、予め定められた周期で行われる各調整において、光量を増加させる場合の１回の調整における調整幅は、光量を減少させる場合の１回の調整における調整幅よりも大きく設定される。

発光器１０による光量を変更する目的は２つある。１つ目の目的は、発光器１０が発光する光量が不十分であるために光検出器１２で取得した生体信号に脈拍情報が含まれない場合又は脈拍情報が含まれなくなりそうな場合に、光量を増加させて脈拍情報を適切に取得することである。そして２つ目の目的は、脈拍の測定が十分にできている場合に、発光器１０の光量を抑制して低消費電流化を図ることである。

１つ目の目的の場合、測定不能な状態又は測定不能になりつつある状態であるため、光量を増加させる際の応答性が要求される。一方、２つ目の目的の場合、既に十分測定できている状態であるため、応答性よりも適切に測定されている状態の維持の方が重要である。調整部１７による調整が行われると、調整に起因して脈拍信号波形の歪みが生じうる。この歪みは調整幅が大きいほど大きい。したがって、２つ目の目的の場合、調整幅はなるべく小さい方が好ましい。これらのことを鑑み、本実施の形態では、調整部１７は、光量を増加させる調整の場合と光量を減少させる調整の場合とで調整幅を変更する。すなわち、図８に示されるように、調整部１７は、光量を増加させる際は調整幅Ｗ_ｕｐで調整し、光量を減少させる際は調整幅Ｗ_ｄｏｗｎで調整する。ここで、調整幅Ｗ_ｕｐは、調整幅Ｗ_ｄｏｗｎよりも大きい。調整幅Ｗ_ｕｐは、例えば、予め定められた調整幅であってもよいし、上記実施の形態２で説明したように、算出された光量へと調整するための調整幅であってもよい。また、調整幅Ｗ_ｄｏｗｎは、調整幅Ｗ_ｕｐよりも小さい調整幅であればよいが、信号波形の歪みを低減するため、例えば設定可能な最小調整幅とすることが好ましい。なお、測定が正常に行われていない場合に光量を増加させる際の信号波形に歪みは、そもそも測定が正常でないため、発生しても問題ない。すなわち、そのような歪みの含まれる信号波形のデータは、脈拍数の算出に用いられないデータであるため全て捨てられればよい。

本実施の形態にかかる脈拍計１によれば、測定に要求される応答性と、適切に測定されている状態の維持とを両立することができる。

＜実施の形態４＞
次に実施の形態４について説明する。なお、既に説明された構成要素については説明を省略する。発光器１０の光量の調整及びＤＣオフセット信号をキャンセルするための調整を、その調整幅に関わらず一度に設定した場合、脈拍信号に歪が生じてしまう恐れがある。なお、調整タイミングを脈拍信号と関係のない周期とすれば、周波数解析を行った際に調整による周波数を取り除くことが可能であるが、折り返し周波数等の影響が発生することを考慮すると調整タイミングの決定は難しい。そこで、本実施の形態では、調整による脈拍信号の歪みを抑制することができる調整の実施タイミングについて提案する。

本実施の形態では、調整部１７は、調整の実施タイミングを分散して調整を行う。具体的には、本実施の形態にかかる調整部１７は、予め定められた周期で調整のための設定値を決定し、この予め定められた周期内で複数回に分散して決定した設定値の調整を実施する。すなわち、調整部１７は、発光器１０が発光する光量の調整、及びＤＣオフセット信号をキャンセルするためのバイアス電圧の調整を行うため、タイミングを分散して設定値を設定する。

図９は、本実施の形態にかかる脈拍計１における調整動作の一例を示すフローチャートである。本実施の形態では、調整部１７は、ＡＤ変換器１４による変換周期、又は周波数解析部１５による周波数解析の実施周期により調整を行う。調整部１７は、調整量が予め定められた閾値以上である場合、すなわち算出した設定値と現在の設定値との差が予め定められた閾値以上である場合、ＡＤ変換器１４による変換周期で実施することで、調整を分散して実施する。また、調整部１７は、調整量が予め定められた閾値未満である場合、すなわち算出した設定値と現在の設定値との差が予め定められた閾値未満である場合、調整を分散せず、周波数解析部１５の解析周期で実施する。なお、図９に示した例では、ＡＤ変換器１４がＮ個の変換値を出力する度に、周波数解析部１５がＦＦＴを行うものとする。

以下、図９に示したフローチャートについて説明する。なお、以下の説明において、発光器１０の光量を調整するために設定する設定値、及びＤＣオフセット信号のキャンセル用のバイアス電圧を調整するための設定値について、パラメータ値という。

ステップ１００（Ｓ１００）で、ＡＤ変換器１４が変換値を１つ出力する。
ステップ１０１（Ｓ１０１）で、現在、最適な調整がされているか否かが判定される。すなわち、調整部１７による調整が必要であるか否かが判定される。調整が必要な場合（Ｓ１０１でＮｏ）、ステップ１０２へ処理は移行する。また、調整が不要な場合（Ｓ１０１でＹｅｓ）、処理はステップ１０３へ移行する。

ステップ１０２（Ｓ１０２）で、調整部１７は、分割されたパラメータ値を設定する。これにより、調整部１７はＡＤ変換器１４による変換周期で調整を分散して実施する。なお、分割されたパラメータ値がない場合、すなわち調整を分散して実施しない場合には、ステップ１０２において調整部１７は調整を行わない。パラメータ値の分割に関しては、後述する。

ステップ１０３（Ｓ１０３）において、周波数解析部１５による解析対象となるＡＤ変換結果がＮ個に達したか否かが判定される。ＡＤ変換器１４による変換値の出力がＮ個以上ある場合、処理はステップ１０４へ移行する。これに対し、ＡＤ変換器１４による変換値の出力がＮ個未満である場合、周波数解析部１５による周波数解析のためのデータ数が不足しているため、ステップ１００に処理は戻る。

ステップ１０４（Ｓ１０４）において、周波数解析部１５はＡＤ変換器１４による変換結果に対しＦＦＴ演算を行う。

ステップ１０５（Ｓ１０５）において、調整部１７は周波数解析部１５による解析結果に基づいて、パラメータ値を算出する。すなわち、調整部１７は、周波数解析部１５による解析結果に基づいて、発光器１０の光量の設定値を決定する。また、調整部１７は、周波数解析部１５による解析結果に基づいて、ＤＣオフセット信号をキャンセルするためのバイアス電圧の設定値を決定する。

次に、ステップ１０６（Ｓ１０６）において、調整部１７は、ステップ１０５で算出されたパラメータ値を分割して設定すべきであるか否かを判定する。具体的には、調整部１７は、ステップ１０５で算出されたパラメータ値と現在設定されているパラメータ値との差が予め定められた閾値以上であるか否かを判定する。分割して設定すべきであると判定された場合（ステップ１０６でＹｅｓ）、処理はステップ１０７へ移行し、分割して設定すべきであると判定されなかった場合（ステップ１０６でＮｏ）、処理はステップ１０８へ移行する。

ステップ１０７（Ｓ１０７）において、調整部１７は、ステップ１０５で算出されたパラメータ値を分割し、１回に設定する値を決定する。例えば、調整部１７は、ステップ１０５で算出されたパラメータ値による調整量を複数回に分散して調整するよう、各回の調整量を決定する。そして、ステップ１０７の後、処理はステップ１００に戻る。これにより、ステップ１０２において、分散して調整が実施される。

これに対し、ステップ１０８（Ｓ１０８）では、調整部１７は、ステップ１０５で算出されたパラメータ値を設定し、調整を実施する。これにより、分散せずに調整が実施される。ステップ１０８の後、処理はステップ１００に戻る。

このように、本実施の形態かかる脈拍計１では、分散して調整が行われるので、調整による信号波形の歪みを抑制することができる。したがって、調整による疑似信号の発生が抑制され、測定精度の劣化が抑制される。なお、上記の説明では、調整量が予め定められた閾値以上である場合に、分散して設定する構成としているが、調整量の大小にかかわらず分散して設定する構成としてもよい。

ここで、本実施の形態にかかる脈拍計１の動作の一例を、発光器１０の光量及び脈拍信号のＳ／Ｎ比の時間推移により示す。図１０は、本実施の形態にかかる脈拍計１の発光器１０の光量及び脈拍信号のＳ／Ｎ比の時間推移の一例を示すグラフである。図１０に示した例では、時刻ｔ１〜ｔ２において、脈拍信号のＳ／Ｎ比が第１の閾値Ｔｒ１以上あり、発光器１０の光量が測定に際して十分に高い状態にある。この場合、調整部１７は、消費電流を低減させるため、発光器１０の発光する光量を減少させる調整を行う（図１０の時刻ｔ２〜ｔ３）。ここで、調整部１７は、１回あたりの光量の減少幅が信号波形に歪を与えない範囲となるように調整を行う。すなわち、上記ステップ１０５で算出されるパラメータ値による減少幅が、予め定められた閾値よりも大きい場合、調整部１７は、当該減少幅の調整をＡＤ変換器１４の変換周期（すなわち、サンプリング周期）で分散して行う。例えば、信号に歪が発生しない範囲を調整の制御に用いるＤＡ変換器の１０ＬＳＢと仮定し、現在の設定値を２０ＬＳＢ、設定したい値を５０ＬＳＢと仮定する。この場合、一度に３０ＬＳＢの設定を行うと信号波形に歪が生じるため、調整部１７は設定を３回に分割して設定する。設定を分割する場合、期待の設定になるまでに時間を要するが、時刻ｔ１のように測定が正常にできている場合は調整による信号波形の歪が発生しないことが重要となるため、問題ない。

調整部１７は、Ｓ／Ｎ比が第１の閾値Ｔｒ１に達した場合は、発光器１０の発光する光量が適切と判断し、発光器１０の光量の増加減は行わず、一定に保つ（図１０の時刻ｔ３〜ｔ４、時刻ｔ６〜ｔ７）。また、調整部１７は、Ｓ／Ｎ比が第１の閾値Ｔｒ１を下回ると、Ｓ／Ｎ比が第１の閾値Ｔｒ１となるよう信号に悪影響を与えない範囲で調整を行う（図１０の時刻ｔ４〜ｔ５、ｔ５〜ｔ６）。この時の調整も、必要に応じて分散して行われる。なお、このようなＳ／Ｎ比の悪化は光検出器１２と測定対象の距離がずれた場合等に起こりうる。さらに、Ｓ／Ｎ比が大幅に悪化し、Ｓ／Ｎ比が第２の閾値Ｔｒ２に達した場合は、測定された信号は無意味のため、調整部１７は発光器１０の光量を大幅に増加させ再度測定を行う（図１０の時刻ｔ８）。なお、この場合の調整は例えば、実施の形態２において説明したように、算出された調整幅分だけ光量を増加させてもよい。Ｓ／Ｎ比が第２の閾値Ｔｒ２に未満であるデータには脈拍情報が含まれていないためデータはすべて破棄される。

＜実施の形態５＞
次に実施の形態５について説明する。なお、既に説明された構成要素については説明を省略する。本実施の形態では、サンプルホールド回路を有し、発光器１０の１回の発光時間が光検出器１２の立ち上がり時間及びサンプルホールド回路のチャージ時間に相当する時間の実測値にしたがって設定されている。

図１１は、本実施の形態にかかる脈拍計２の構成を示すブロック図である。脈拍計２は、発光器１０と、駆動回路１１と、光検出器１２と、サンプルホールド回路２０と、増幅回路１３と、ＡＤ変換器１４と、周波数解析部１５と、脈拍数演算部１６と、調整部１７と、タイマー２１と、時間計測部２２とを有する。

サンプルホールド回路２０は、発光器１０の予め定められた周期の発光に対する光検出器１２の出力電圧を、この予め定められた周期で取り込んで保持する。したがって、ＡＤ変換器１４は、サンプルホールド回路２０の出力電圧をアナログデジタル変換することとなる。なお、より具体的には、ＡＤ変換器１４は、サンプルホールド回路２０の出力を増幅回路１３により増幅したアナログ信号を変換する。サンプルホールド回路２０は、例えば、周波数解析部１５などを実現するＭＣＵと一体に構成されてもよいし、ＭＣＵに対する外付け回路として構成されてもよい。タイマー２１は、例えば、ＭＣＵに内蔵されたタイマーであり、時間をカウントする。時間計測部２２は、発光器１０の発光開始から、サンプルホールド回路２０の出力が一定となるまでの時間を計測する。本実施の形態では、具体的には、発光器１０の発光開始から発光後にＡＤ変換器１４による出力が一定となるまでの時間をタイマー２１により計測することにより、サンプルホールド回路２０の出力が一定となるまでの時間を計測する。時間計測部２２は、例えば、周波数解析部１５などと同様、ＭＣＵにより実現される。

サンプルホールド回路２０を用いる利点としては、発光器１０の発光時間を減少させることができる点にある。サンプルホールド回路２０を使用しない場合、発光器１０の発光時間は光検出器１２の立ち上がり時間とＡＤ変換器１４の変換時間に依存することとなる。特に、高精度な測定を行う際はＡＤ変換器１４としてデルタシグマＡＤ変換器が使用されることがあるが、この場合、他のＡＤ変換器１４を用いる場合に比べて変換時間が長くなる。そのため、発光器１０の発光時間をその分長くする必要があり、消費電流の増加に繋がる課題がある。これに対し、サンプルホールド回路２０を使用すると、発光器１０の発光時間を光検出器１２の立ち上がり時間とサンプルホールド回路２０のチャージ時間のみで抑えることができるため、消費電流の低減を図ることができる。

発光器１０の発光時間は、上述の通り、光検出器１２の立ち上がり時間とサンプルホールド回路２０のチャージ時間との和に設定することが省電力を図る上で好ましい。光検出器１２の立ち上がり時間とサンプルホールド回路２０のチャージ時間との和の時間は、一般的に、部品の仕様などに基づいて推測で算出される。しかしながら、実際には同じ仕様の光検出器１２であっても立ち上がり時間はばらつきが生じており、個体差がある。このため、部品の仕様などに基づいて発光時間を設定する場合、光検出器１２の立ち上がり時間とサンプルホールド回路２０のチャージ時間との和の実際の時間よりも長い時間発光させている。本実施の形態では、実際に使用する系で、光検出器１２の立ち上がり時間とサンプルホールド回路２０のチャージ時間に相当する時間を実測する。

具体的には、まず、駆動回路１１は、発光器１０を発光させる。時間計測部２２は、発光器１０の発光後、ＡＤ変換器１４の出力値を監視する。そして、時間計測部２２は、タイマー２１を用いて、発光器１０の発光開始時点から、ＡＤ変換器１４による出力が一定となる時点までの時間を計測する。なお、ＡＤ変換器１４による出力が一定となるまでの時間は、サンプルホールド回路２０の出力電圧が一定となるまでの時間に相当する。時間計測部２２により計測された時間は、光検出器１２の立ち上がり時間及びサンプルホールド回路２０のチャージ時間に相当する時間の実測値であるため、時間計測部２２は、計測された時間を発光器１０の１回の発光時間として設定する。これにより、発光器１０は、予め定められた周期、すなわちサンプリング周期で繰り返される発光における１回の発光時間が、時間計測部２２により計測された時間となるよう制御される。

図１２は、発光器１０の発光時間の設定について説明する図であり、上段のグラフは発光器１０の発光状態の時間推移を示し、下段のグラフは発光器１０を発光させた際のＡＤ変換器１４の出力値の時間推移を示す。なお、図１２では、発光器１０は、光検出器１２及びサンプルホールド回路２０の仕様などに基づいて算出した、光検出器１２の立ち上がり時間とサンプルホールド回路２０のチャージ時間との和の時間だけ発光している。図１２に示されるように、発光器１０は、発光開始からＡＤ変換器１４の出力が一定になるまでの時間だけ発光させればよいので、不要な発光時間の発光を行わずに済む。この結果、消費電力を抑制することができる。なお、本実施の形態では、脈拍計２がタイマー２１及び時間計測部２２を備えているが、発光器１０が、１回の発光時間が光検出器１２の立ち上がり時間及びサンプルホールド回路２０のチャージ時間に相当する時間の実測値にしたがって設定されていればよく、必ずしもタイマー２１及び時間計測部２２を備えていなくてもよい。また、本実施の形態では、時間計測部２２は、脈拍測定に用いられるＡＤ変換器１４の出力を監視しているが、サンプルホールド回路２０の出力電圧が入力される（例えば、増幅回路１３の出力が入力される）、ＡＤ変換器１４とは異なるＡＤ変換器の出力を監視してもよい。また、ＡＤ変換器１４とは異なるＡＤ変換器を使用する場合は高速のものであればより細かな時間測定をすることができる。このＡＤ変換器の精度はある一定の値を超えたか否かを判断するためであるため、ＡＤ変換器１４より低くてもよい。

次に、本実施の形態における回路構成について説明する。発光器１０の光量を制御する場合、光量を制御する制御信号をデジタルアナログ変換するＤＡ変換器が必要とされる。また、光検出器１２を介して取得される生体信号からＤＣオフセット信号をキャンセルする場合、増幅回路１３に入力するバイアス電圧を生成する制御信号をデジタルアナログ変換するＤＡ変換器が必要とされる。しかしながら、汎用的なＭＣＵでは、ＤＡ変換器を２素子以上搭載していることは少ない。そこで、１つのＤＡ変換器と１つのオペアンプを、光量制御用と、バイアス電圧制御用とで兼用で使用することを提案する。

図１３は、本実施の形態にかかる脈拍計２の回路構成の一例を示す回路図である。なお、図１３に示した例では、脈拍計２を構成する要素のうち、発光器１０、駆動回路１１、受光センサ回路１２０、サンプルホールド回路２０、増幅回路１３、及びＡＤ変換器１４について示している。

発光器１０は、ＬＥＤ１００、１０１により構成されている。ＬＥＤ１００、１０１は、電源電圧ＶＤＤのラインと接地電圧ＶＳＳのラインとの間に並列に接続されている。より具体的には、ＬＥＤ１００、１０１の一方の端子は、電源電圧ＶＤＤのラインに接続され、ＬＥＤ１００、１０１の他方の端子は、駆動回路１１を構成するＮチャネルＭＯＳトランジスタＮＭＯＳのドレインに接続されている。

駆動回路１１は、ＤＡ変換器ＤＡＣと、オペアンプＡＭＰ１と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３と、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＮＭＯＳとを含む。駆動回路１１は、発光器１０を駆動する回路としての機能に加え、増幅回路１３に供給するバイアス電圧を生成する回路としての機能を備えている。これら機能は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を切替えることにより切替えられる。

ＤＡ変換器ＤＡＣは、例えば１２ビットのＤＡ変換器である。ＤＡ変換器ＤＡＣには、光量を制御するデジタル制御信号、又はバイアス電圧をデジタル制御するデジタル制御信号が入力され、入力されたデジタル制御信号をアナログ信号に変換してオペアンプＡＭＰ１の非反転入力端子へと出力する。オペアンプＡＭＰ１の反転入力端子は、ノードＮ１に接続されている。オペアンプＡＭＰ１の出力端子は、スイッチＳＷ１に接続されている。スイッチＳＷ１は、抵抗素子Ｒ１を介してＮチャネルＭＯＳトランジスタＮＭＯＳのゲートに接続されている。また、抵抗素子Ｒ１とＮチャネルＭＯＳトランジスタＮＭＯＳとの間に設けられたノードＮ２は、抵抗素子Ｒ２を介して接地電圧ＶＳＳのラインに接続されている。ＮチャネルＭＯＳトランジスタＮＭＯＳのソースは、抵抗素子Ｒ３を介して接地電圧ＶＳＳのラインと接続されている。

また、スイッチＳＷ２は、一方の端子がノードＮ１に接続されており、他方の端子がオペアンプＡＭＰ１とスイッチＳＷ１との間に設けられたノードＮ３に接続されている。すなわち、スイッチＳＷ２は、一方の端子がノードＮ１を介してオペアンプＡＭＰ１の反転入力端子と接続し、他方の端子がノードＮ３を介してオペアンプＡＭＰ１の出力端子と接続している。このため、スイッチＳＷ２がオンの場合、オペアンプＡＭＰ１の負帰還ループを形成する。ノードＮ３は、さらに、増幅回路１３に接続している。

スイッチＳＷ３は、一方の端子がノードＮ１に接続されており、他方の端子がＮチャネルＭＯＳトランジスタＮＭＯＳのソースと抵抗素子Ｒ３との間に設けられたノードＮ４に接続されている。

ＤＡ変換器ＤＡＣに発光器１０の光量を調整する制御信号が入力される際は、スイッチＳＷ１がオン、スイッチＳＷ３がオン、スイッチＳＷ２がオフとなり、オペアンプＡＭＰ１、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮＭＯＳは、定電流駆動回路を形成する。

また、ＤＡ変換器ＤＡＣに増幅回路１３に供給するバイアス電圧を制御する制御信号が入力される際は、スイッチＳＷ１がオフ、スイッチＳＷ３がオフ、スイッチＳＷ２がオンとなり、オペアンプＡＭＰ１、スイッチＳＷ２は、制御信号にしたがって生成したバイアス電圧を増幅回路１３に供給するためのバッファ回路を形成する。

このように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は、光量を制御するための信号に基づいて発光器１０を駆動するための定電流駆動回路としてオペアンプＡＭＰ１を用いる状態である発光制御状態（第１の状態）と、バイアス電圧を制御するための信号に基づいて生成されるバイアス電圧を増幅回路１３に供給するためのバッファ回路としてオペアンプＡＭＰ１を用いる状態であるバイアス電圧生成状態（第２の状態）とを切り替える。これにより、１つのオペアンプＡＭＰ１と、１つのＤＡ変換器ＤＡＣとを、光量制御用と、バイアス電圧制御用とで兼用で使用することができる。したがって、部品数を抑制することができる。また、バイアス電圧を増幅回路１３に供給する際は、オペアンプＡＭＰ１をバッファアンプとして使用するため、ＤＡ変換器ＤＡＣの出力が低インピーダンス状態となるため、ＤＡ変換器ＤＡＣの抵抗値が増幅回路１３のゲインに与える影響を抑えるメリットもある。

受光センサ回路１２０は、光検出器１２としてのフォトトランジスタＰＴと、抵抗素子Ｒ４とを含み、フォトトランジスタＰＴと抵抗素子Ｒ４が電源電圧ＶＤＤのラインと接地電圧ＶＳＳのラインとの間に直列に接続されている。フォトトランジスタＰＴと抵抗素子Ｒ４との間にはノードＮ５が設けられており、ノードＮ５はサンプルホールド回路２０に接続されている。受光センサ回路１２０は、受光信号を、ノードＮ５を介してサンプルホールド回路２０に出力する。

サンプルホールド回路２０は、スイッチＳＷ４と、オペアンプＡＭＰ２と、容量素子であるコンデンサＣとを含む。スイッチＳＷ４の一方の端子は受光センサ回路１２０のノードＮ５と接続されており、スイッチＳＷ４の他方の端子はオペアンプＡＭＰ２の非反転入力端子に接続されている。また、スイッチＳＷ４とオペアンプＡＭＰ２の非反転入力端子との間には、ノードＮ６が設けられている。コンデンサＣは、ノードＮ６と接地電圧ＶＳＳのラインとの間に設けられている。これにより、受光センサ回路１２０が受光信号を出力し、かつ、スイッチＳＷ４がオンである間、コンデンサＣは、受光センサ回路１２０の出力電圧に充電される。そして、コンデンサＣは、スイッチＳＷ４がオフとなっても、オペアンプＡＭＰ２に、充電時の受光センサ回路１２０の出力電圧を供給する。オペアンプＡＭＰ２は、負帰還ループが形成されているとともに、出力端子が増幅回路１３の抵抗素子Ｒ５に接続されている。このような構成を有するサンプルホールド回路２０において、スイッチＳＷ４は発光器１０の発光周期に合わせて制御される。

増幅回路１３は、オペアンプＡＭＰ３と、プログラマブル計装アンプＰＧＡと、抵抗素子Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０とを含む。オペアンプＡＭＰ３の反転入力端子は、抵抗素子Ｒ６を介して駆動回路１１のノードＮ３と接続している。また、オペアンプＡＭＰ３の反転入力端子と抵抗素子Ｒ６との間に設けられたノードＮ７には、オペアンプＡＭＰ３の出力端子が抵抗素子Ｒ７を介して接続されており、負帰還ループが形成されている。オペアンプＡＭＰ３の非反転入力端子は、抵抗素子Ｒ５を介して、サンプルホールド回路２０の出力端子と接続されている。オペアンプＡＭＰ３の非反転入力端子と抵抗素子Ｒ５との間にはノードＮ８が設けられており、オペアンプＡＭＰ３の非反転入力端子は、ノードＮ８を介して抵抗素子Ｒ８と接続している。抵抗素子Ｒ８は、一方の端子がノードＮ８と接続し、他方の端子が抵抗素子Ｒ９と抵抗素子Ｒ１０との間に設けられたノードＮ９と接続している。抵抗素子Ｒ９、Ｒ１０は、電源電圧ＶＤＤのラインと接地電圧ＶＳＳのラインとの間に、直列に接続されており分圧回路を構成する。このような構成により、オペアンプＡＭＰ３は差動増幅回路を形成し、ノードＮ３を介して入力されるバイアス電圧に基づいて、サンプルホールド回路２０から出力された信号に含まれるＤＣオフセット信号をキャンセルする。なお、上記の通り、脈拍計２がバイアス電圧生成状態へと切り替えられている際は、バッファ回路が形成されているため、差動増幅回路のゲインの誤差を低減することができる。オペアンプＡＭＰ３の出力端子は、プログラマブル計装アンプＰＧＡの入力端子に接続されている。プログラマブル計装アンプＰＧＡは、上述の調整部１７によりゲインを変更可能なアンプである。プログラマブル計装アンプＰＧＡの出力は、ＡＤ変換器１４に入力される。ＡＤ変換器１４は、例えばデルタシグマＡＤ変換器であり、プログラマブル計装アンプＰＧＡから出力された信号をアナログデジタル変換する。

図１４は、脈拍計２において上記発光制御状態とバイアス電圧生成状態とを切替えるタイミングの一例について示すタイムチャートである。なお、図１４は、脈拍計２における１回のサンプリング動作のタイムチャートを示している。図１４に示した例では、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間、発光器１０が発光しているものとする。

時刻Ｔ１において、発光器１０が点灯する。この時、脈拍計２は、バイアス電圧生成状態から発光制御状態へと状態が切替わる。すなわち、時刻Ｔ１において、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ３がオフからオンに切り替わり、スイッチＳＷ２がオンからオフに切り替わる。続いて、時刻Ｔ２において発光器１０が消灯する。この時、脈拍計２は、発光制御状態からバイアス電圧生成状態へと状態が切替わる。すなわち、時刻Ｔ２において、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ３がオンからオフに切り替わり、スイッチＳＷ２がオフからオンに切り替わる。さらに、時刻Ｔ２において、スイッチＳＷ４がオンからオフへ切り替わる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間はサンプルホールド回路２０のサンプリング動作が行われる時間であり、コンデンサＣは受光センサ回路１２０の出力により充電される。その後、時刻Ｔ３において、ＡＤ変換器１４が変換を開始する。なお、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの時間は、アナログフロントエンドのセットリングタイムを待つための予め定められた待ち時間である。具体的には、例えば、発光制御状態からバイアス電圧生成状態へと切替えた際に生じる待ち時間である。時刻Ｔ４において、スイッチＳＷ４がオンになるとともに、ＡＤ変換器１４が変換を終了する。コンデンサＣは、スイッチＳＷ４が時刻Ｔ４においてオフになるまでの間、充電状態を維持している。つまり、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４は、サンプルホールド回路２０のホールド動作が行われる時間である。時刻Ｔ４においてスイッチＳＷ４がオンになると、コンデンサＣは放電を開始する。そして、時刻Ｔ５になると再び発光器１０が発光し、脈拍計２において上記動作が繰り返される。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、図１では、増幅回路１３を備えた脈拍計１について図示し、調整部１７が発光器１０の光量及び増幅回路１３のゲインを調整するものとして説明したが、調整部１７がゲインの調整を行わない場合、脈拍計１に増幅回路１３が設けられていなくてもよい。

また、実施の形態５にかかる脈拍計２について、図１１により構成を示したが、脈拍計２において調整部１７が設けられていなくてもよい。すなわち、図１５に示されるように、脈拍計２が構成されていてもよい。なお、サンプルホールド回路２０からの出力が十分である場合には、増幅回路１３は省略されてもよい。また、上述したとおり、脈拍計２は、発光器１０の発光時間が実測値にしたがって設定されていればよく、必ずしもタイマー２１及び時間計測部２２を備えていなくてもよい。このように、実施の形態５にかかる脈拍計２は、調整部１７が設けられていなくてもよいし、実施の形態１乃至４で説明した調整部１７の構成が設けられていてもよい。

また、上記実施の形態では、図２に示される反射型のセンサにより脈拍信号を取得する構成となっているが、指に対し発光し、指を透過した光を発光側とは逆側で受光して脈拍信号を取得する透過型のセンサが用いられてもよい。また、測定対象は人体に限らず動物でもよい。また、測定部位は指以外に腕や手のひら、足でもよい。また、パルスオキシメータにおける脈拍測定において適用されてもよい。

１、２ ： 脈拍計
１０ ： 発光器
１１ ： 駆動回路
１２ ： 光検出器
１３ ： 増幅回路
１４ ： 変換器
１５ ： 周波数解析部
１６ ： 脈拍数演算部
１７ ： 調整部
２０ ： サンプルホールド回路
２１ ： タイマー
２２ ： 時間計測部
１２０ ： 受光センサ回路
ＡＭＰ１、ＡＭＰ２、ＡＭＰ３ ： オペアンプ
Ｃ ： コンデンサ
ＤＡＣ ： ＤＡ変換器
ＮＭＯＳ ： ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ５、Ｎ６、Ｎ７、Ｎ８、Ｎ９ ： ノード
ＰＧＡ ： プログラマブル計装アンプ
ＰＴ ： フォトトランジスタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０ ： 抵抗素子
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４ ： スイッチ

Claims (8)

1. 測定対象の血管に対して、所定時間の発光を周期的に繰り返す発光器と、
   前記血管を介した前記発光器からの光を検出する光検出器と、
   前記光検出器の出力電圧を取り込んで保持するサンプルホールド回路と、
   前記サンプルホールド回路の出力電圧をアナログデジタル変換する第１のアナログデジタル変換器と、
   前記サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間を計測する時間計測部と
   を有し、
   前記発光器の発光時間は、前記時間計測部が計測した時間により設定される
   脈拍計。
2. 前記時間計測部はタイマーを有し、前記発光器の発光後、前記第１のアナログデジタル変換器による出力結果が一定となるまでの時間を前記タイマーにより計測し、当該計測結果を前記サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間とする
   請求項１に記載の脈拍計。
3. 前記時間計測部はタイマーと、前記サンプルホールド回路の出力電圧が入力され、前記第１のアナログデジタル変換器よりも変換精度の低い第２のアナログデジタル変換器とを有し、前記発光器の発光後、前記第２のアナログデジタル変換器による出力電圧が一定となるまでの時間を前記タイマーにより計測し、当該計測結果を前記サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間とする
   請求項１に記載の脈拍計。
4. 前記サンプルホールド回路の出力信号を増幅して前記第１のアナログデジタル変換器に出力する増幅回路と、
   前記発光器の光量を制御するための第１の信号又は前記増幅回路のバイアス電圧を制御するための第２の信号をデジタルアナログ変換するデジタルアナログ変換器の出力が入力されるオペアンプと、
   前記発光器を前記第１の信号に基づいて駆動するための定電流駆動回路として前記オペアンプを用いる第１の状態と、前記第２の信号に基づくバイアス電圧を前記増幅回路に供給するためのバッファ回路として前記オペアンプを用いる第２の状態とを切り替えるスイッチと
   を有する請求項１に記載の脈拍計。
5. 前記光検出器は、前記血管に反射した前記発光器からの光を検出する
   請求項１に記載の脈拍計。
6. 前記第１のアナログデジタル変換器により変換されたデータを周波数解析する周波数解析部
   をさらに有する
   請求項１に記載の脈拍計。
7. 前記周波数解析部は、高速フーリエ変換により周波数解析を行う
   請求項６に記載の脈拍計。
8. 前記サンプルホールド回路はスイッチと容量素子とで構成され、前記スイッチは前記発光器の発光周期に合わせて制御される
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の脈拍計。

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