JP2016510231A - 心拍信号の検出及び処理のための装置、システム、及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な発生源によって引き起こされた妨害が存在する場合でも心拍の満足な検出を保証することができるシステムを提供する。【解決手段】心拍検出装置は、人の皮膚の上に配置すべき少なくとも１つの光学反射センサ（１０又は１０ａ及び１０ｂ）を含む。センサユニットには、発光器（１１）と、皮膚によって反射された光を電気信号に変換する対応受光器（１２）と、が設けられ、動作時に所望の光波長を選択するために発光器、受光器、又はその両方に接続される電気的に調節可能な光学フィルタ（１６、１７）を含み、心拍信号を補強するためにこのように得られた信号の処理を実行する。この装置を有するシステム及び検出方法についても記載されている。【選択図】図１

Description

本発明は、心拍を検出するための革新的な装置、システム、及び方法に関する。

光学的に機能する心拍検出システム（ｈｅａｒｔ ｂｅａｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）（ＢＶＰ（血液量パルス（Ｂｌｏｏｄ Ｖｏｌｕｍｅ Ｐｕｌｓｅ））検出システムとも呼ばれる）が知られている。このようなシステムは、通常、放射光線が身体のあるゾーンに当たるか又はそれを通過した後に、反射又は透過により適切な受光器（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）を照射する発光器（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｅｒ）を使用する。

基本的に、このような心拍数モニターは、身体の特定のゾーン内で血液量が経時的に変化する様子を測定することができる検出システムである。

一般に、反射装置は、そのゾーンにおける表在血流次第で反射される光の量が変動する手首などの身体のあるゾーンに配置される。その代わり、透過装置は、光がそれを通過できるように身体の比較的薄い部分（指又は耳たぶなど）の付近に適用され、前記部分における血流により通過する光の変動を検出する。

しかし、どちらのシステムも、例えば、周囲の光の条件及び測定を受ける人の動きの両方により、有用信号の妨害（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）を受けやすい。

例えば、センサは、その内部を血液が流れる変形可能な媒体、即ち、皮膚との接触により機能する。この媒体は、測定を損ない、不要な信号、即ち、雑音を加える機械的変形を受けやすい。

反射装置は、長期使用のためにより実用的なものであるが、心拍に続く血流の変動によって発生する反射光線の変動は非常に小さく、その上、一般に、大量の雑音によって左右される。

例えば、手首はパルスを検出するための反射センサを装着するために最も便利な位置の１つであるが、例えば、手足、手首、又は指の動きに続くセンサの下の組織の動きによって創出される信号上の雑音は、このゾーンにおけるパルスの光学検出にとって重大な障害の１つである。また、移動又は歩行という行為はセンサ及び組織の相対運動を発生し、それにより重要な特質の更なる妨害を発生する。

当技術分野では、有用信号の上に重畳された様々な妨害をフィルタリングしようと試みて、反射検出中の信号雑音比を改善しようとするために、様々な解決策が提案されている。

例えば、運動センサが適用される身体の比較的大きい振幅の動きを検出するために、光センサとともに配置された運動センサを使用することが提案されている。しかし、この検出装置は、センサと下にある組織との相対変位に関するデータを提供せず、通常、人の一部分の過剰な動きの場合に光センサの読み取りを防止するために使用されるものであり、このような過剰な動きは、効果的にフィルタリングできない大量の妨害を発生する可能性があることが先験的に想定されている。しかし、長期の身体活動の場合、心拍の検出が最も関心の高いものである時に、センサは、長期間の間、正確に非活動状態のままになる。

また、適切な異なる波長を有する２つの光源を使用することも提案されている。

第１の波長はオキシヘモグロビンによって吸収されない波長から選択され（例えば、赤）、第２の波長はオキシヘモグロビンによってより良好に吸収される波長から選択される（例えば、緑）。この結果、組織の動きにより良好に関連する第１の信号と、血流により良好に関連する第２の信号と、が得られる。次に、組織とセンサとの相対運動の影響を緩和するために、第２の信号から第１の信号を適切に除去することにより、雑音のフィルタリングが実行される。このようなシステムは、例えば、欧州特許第２４６２８６６号に記載されている。

このタイプのフィルタリング・システムは、雑音が低減された出力信号を提供する。しかし、最も頻繁に、信号雑音比は依然として非常に好ましくない。その上、選択された特定の波長に対する応答は、時間の経過及び／又は測定を受ける人の変化に関して常に一定のままであるわけではない。

また、混合した方法も、完全に満足ではない結果を提供する。例えば、走行時及びコンピュータでの作業時（指の動き）のどちらでも雑音は非常に大きい。第１のケースでは雑音を除去するために加速度計が最も有用であり、第２のケースでは２つの波長を有するシステムを使用することが好ましい。しかし、従来技術で提案されている両方の方法の同時使用（例えば、米国特許出願第２０１２／１５００５２号に記載されているもの）は、いくつかの雑音源のみを補償するが、依然として、特別な適用例の場合又は人が自由に日常活動を実行できる場合に満足な信号雑音比を提供するものではない。その上、２つのシステムは互いに干渉し、検出を更に妨げる可能性がある。

本発明の一般的な目的は、様々な発生源によって引き起こされた妨害が存在する場合でも心拍の満足な検出を保証することができるシステムを提供することにある。他の目的は、心拍信号を処理するための革新的なシステムを提供することにある。

これらの目的を考慮して、本発明により考案した着想は、人の皮膚の上に配置すべき少なくとも１つの光学反射センサユニット（ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｕｎｉｔ）を含み、そのセンサユニットには、発光器と、皮膚によって反射された光を電気信号に変換する対応受光器（ｌｉｇｈｔ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）と、が設けられ、動作時に光の所望の波長を選択するために発光器、受光器、又はその両方に接続される電気的に調節可能な光学フィルタを含むことを特徴とする、心拍検出装置（ｈｅａｒｔ ｂｅａｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）を提供することである。

また、この着想は、無線インターフェース（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）により、装置からデータを受信してそれを処理するデータ処理伝送ユニット（ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｎｉｔ）に接続される、先行する請求項のいずれか１項記載の少なくとも１つの装置を含み、生理学的データを検出し処理するためのシステムを提供するために考案した。

また、この着想は、心拍を表す電気信号を得るために、電気的に調節可能な光学フィルタにより少なくとも２つの光波長の影響を区別することと、少なくとも１つの光学反射ユニットから受け取った対応信号を処理することと、を含み、少なくとも１つの光学反射センサユニットにより光学的に心拍を検出するために電気信号の信号雑音比を増加するための方法を提供するために考案した。

説明及び図面から明瞭になるように、本発明により心拍数を検出又はモニターするための装置は、皮膚と接触し、中央処理システムと通信するセンサシステムを含むことができる。この遠隔システムは、吸収（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）及び蛍光発光（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）という物理的原理を使用して血液量の変動を測定するための１つ以上の光学検出システムを含むことができる。この光学システムは、
−１つ以上の広帯域発光器（例えば、ＬＥＤ）と、
−１つ以上の広帯域受光器（例えば、フォトダイオード又はフォトトランジスタ）と、
−特定の波長を選択するために、発光器、受光器、又はその両方に接続できる１つ以上の調整可能なモノクロメータと、
を含むことができる。

また、この心拍数モニターは、
−血液の伝搬時間を推定するために、血流の方向に沿って一定の距離に位置する１つ以上の光学検出システムと、
−皮膚の電気反応を測定するために皮膚と接触している２つ以上の電極を含む電気的検出システムと、
−システムの３次元加速度及び向きを測定するための機械的検出システムと、
のうちの１つ以上を含むことができる。

また、この心拍数モニターは、１つ以上のモノクロメータによって光学検出システムが２つ以上の波長で吸収モード及び蛍光発光モードの両方で機能できることを予見することもできる。

更に本発明により、血液量信号の信号雑音比を最大化するための方法は、
−光学検出システムの信号に対する吸収モード及び蛍光発光モードでの２つ（又はそれ以上の）波長の影響を区別するステップと、
−光学検出システムの信号レベルを最大化するために、２つ（又はそれ以上の）波長を動的に調整するステップと、
を含むことができる。

その上、この方法は、
−光学検出システムの信号に対する吸収モード及び蛍光発光モードの影響を結合するステップと、
−光学検出システムからの信号と電気的検出システムの信号とを結合するステップと、
−血液伝搬時間に対する媒体の変形の影響を除去するステップと、
−機械的検出システムによって供給される信号に含まれるその他の機械的影響の結果得られる媒体の変形の影響を除去するステップと、
のうちの１つ以上を含むことができる。

また、心拍数モニターは、ユーザの皮膚と接触し、中央処理システムと通信する遠隔システムも含むことができる。

また、この遠隔システムは、
−遠隔プロセッサと、
−遠隔プロセッサに接続された検出システムと、
−遠隔プロセッサに接続された遠隔メモリと、
−遠隔プロセッサに接続されたクロック信号発振器と、
−遠隔プロセッサに接続された遠隔ユーザ・インターフェースと、
−遠隔プロセッサに接続された遠隔トランシーバと、
−遠隔トランシーバに接続された遠隔アンテナと、
−遠隔プロセッサ、検出システム、遠隔メモリ、クロック信号発振器、及び遠隔トランシーバに接続された遠隔バッテリと、
のうちの１つ以上も含むことができる。

中央処理システムは、
−中央プロセッサと、
−中央プロセッサに接続された中央メモリと、
−中央プロセッサに接続された中央トランシーバと、
−中央トランシーバに接続された中央アンテナと、
を含むことができる。

前記中央メモリは、中央プロセッサ上で実行できる１組の命令を更に含むことができ、その命令は、
−遠隔システムから受け取った血液量信号の信号雑音比を最大化するためのアルゴリズムと、
−ピーク値の検出に基づいて脈動信号を決定するために最適化された血液量信号を処理するためのアルゴリズムと、
を含む。

本発明の革新的な原理と、従来技術と比較した場合のその利点をより明瞭に示すために、添付図面の助けを借りて、これらの原理を適用する実施形態の例について以下に説明する。

本発明の原理により提供される第１の反射検出装置のブロック図を示している。 本発明による装置によって検出された信号のグラフを示している。 本発明の原理により提供される第２の反射検出装置のブロック図を示している。 本発明による装置によって検出された信号を示す他のグラフを示している。 本発明によるセンサによって検出されたデータの遠隔処理のための可能なシステムのブロック図を示している。 ブレスレット検出システム及び検出された信号の処理（又は初期処理）のためのインテリジェントポータブル端末の概略図を示している。

図面に関して説明すると、図１は、心拍を検出するための本発明による第１の反射検出器を示している。

一般に１０によって示されているこのような検出器は、発光器１１（例えば、ＬＥＤダイオードエミッタ）と、心拍検出を受けている人の皮膚１３上での反射後に発光器（ｅｍｉｔｔｅｒ）１１の光を受け取る対応受光器１２（例えば、フォトダイオード又はフォトトランジスタ）と、を含む。有利なことに、以下に明らかにするように、検出器又は装置１０は、例えば、腕時計のように手首の裏側部分に位置決めすることができる。

受光器１２は受け入れた光を電子的処理ブロック１４に送られる電気信号に変換し、その電子的処理ブロック１４は人の心拍に依存する対応信号１５（ＢＶＰ（即ち、血液量パルス）信号とも呼ばれる）を送出する。ブロック１４は、ここに提供する説明に鑑みて当業者によって容易に想像できるように、アナログ増幅回路と、信号を処理するためのプログラマブル・マイクロプロセッサ・デバイスと、の組み合わせにすることができる。

有利なことに、発光器１１は広いスペクトルの光（例えば、白色光）を放射し、装置１０は、それぞれ送信器１１及び受光器１２の前に配置される調節可能な光学フィルタ１６及び／又は調節可能な光学フィルタ１７を含む。これらの光学フィルタは、送られたか及び／又は反射された光をフィルタリングするために所望の波長に調整されるように処理ブロック１４によって制御することができる。

有利なことに、これらの光学フィルタは、いわゆる「モノクロメータ」を含み、広スペクトル光から特定の波長の動的選択を可能にする。特に、本質的に既知のものであって容易に小型化できる調整可能なファブリ・ペロ・モノクロメータを使用することは有利であることが分かっている。

同じく有利なことに、この装置は、発光器１１の発光光度を所望の値に調整するように処理ブロック１４によって制御される、発光器１１に電力供給するための回路１８を含むことができる。

以下で明瞭になる理由により、装置１０は、処理ブロック１４に運動信号を送る既知の加速度計１９も含むことができる。有利なことに、加速度計は、システムの３次元加速度及び向きを測定するために選択される。

既知の通り、血液中に存在するオキシヘモグロビンは所与の波長を吸収する。この効果は「吸収」という。

その上、オキシヘモグロビンは、吸収されたものとは異なる波長の光の形で、吸収されたエネルギーの一部を再放出する。この効果は「蛍光発光」という。

調節可能なフィルタの使用により、始めに一方の効果を使用し、次にもう一方の効果を使用するためにシステムを構成することは可能である。第１のモードでは、吸収を最大化する波長が提供され、同じ波長が受光器１２により「観測」される。第２のモードでは、蛍光発光を最大化する波長が提供され、オキシヘモグロビンに特有な蛍光発光波長（エネルギー均衡のために常に入射波長より大きい波長）が受光器１１により観測される。

２つの異なるモード、即ち、「吸収」モードと「蛍光発光」モードで受光器によって読み取られた信号を結合することにより、信号雑音比を改善することは可能である。

その上、フィルタが調節可能であることにより、その心拍が検出されている人の皮膚の特徴（例えば、年齢、日焼けの程度、皮膚の色つや、脂肪の存在、体毛の存在）に蛍光発光及び／又は吸収波長を適合させることが可能である。

実際に、検出器とオキシヘモグロビンとの間に位置する皮膚は、発光及び／又は受光された光を変質させる可能性のある光学干渉を発生する。従って、おそらく装置がオンになっている場合は常に、蛍光発光モードと吸収モードのどちらでも、皮膚の特徴次第でＢＶＰ信号の振幅を最大化する波長を見つけようと試みることは有用であることが分かっている。

例えば、極めて色白の皮膚は、光の浸透に好都合であり、従って、吸収モードではＵＶ帯域に近い波長を効果的に使用することができる。これに反して、日焼けした皮膚又は色黒の皮膚では、その強度がバッテリ寿命に悪影響を及ぼすようなものである場合を除き、小さい波長は受光器に到達することができない。

同様の状況は蛍光発光モードでも存在し、紫青帯域での刺激及び橙帯域での検出を実行することによりオキシヘモグロビンの最大応答が得られる。

換言すれば、動作中に、処理ブロック１４は、「吸収」法を使用して心拍を検出するのに適していると見なされる波長（例えば、色黒の皮膚の場合は５３０〜５８０ｎｍ、極めて色白の皮膚の場合は４１０〜４５０ｎｍの範囲内）にフィルタを調整し、受光器１２によって反射され捕捉された対応信号を取得することができる。また、処理ブロック１４は、「蛍光発光」法を使用して心拍を検出するのに適していると見なされる波長（例えば、発光フィルタの場合は４１０〜４５０ｎｍ、受光フィルタの場合は５９０〜６３０ｎｍの範囲内）にフィルタを調整し、受光器１２によって捕捉された対応蛍光発光信号を取得することもできる。（２つの測定間の時間的遅延を適切に補償して）受け取った２つの信号を重畳することにより、暗騒音より大きい振幅を有するＢＶＰ信号を得ることが可能である。

その上、２つの測定中に（又は、有利なことに、皮膚への貼付後に装置をオンにした時に行われる可能性のある較正ステップ中に、又は、動作中に周期的に）、装置は２つのモードで受け取った信号のピークを最大化しようと試みて、蛍光発光及び吸収について定義された基礎波長の領域内でフィルタの波長を変更することができる。より大きい信号が得られる波長を定義した後、装置は、その後の較正動作が実行されるまで、その後の測定にこれらの波長を使用することができる。

装置の動作中に定期的に較正を繰り返すことにより、測定に影響を及ぼす可能性のある皮膚の可変条件（例えば、日焼けの程度の変動、発汗、又は温度変化）を補償することも可能である。

他の利点として、例えば、人の動き又はセンサが配置されている身体のゾーンの筋肉及び腱の動き（例えば、指の動き）によって引き起こされる皮膚と装置の相対運動による信号の妨害を補償することも可能である。実際に、発光器１１によって放射された光が、血液の流れに対してあまり敏感ではないが、皮膚の上又は皮膚の下の動きに対してより敏感な波長（例えば、波長６５０〜７５０ｎｍ）によって特徴付けられるように、フィルタ（又は、両方のフィルタを備えた装置の場合は複数のフィルタ）を調整することが可能である。検出器１２によって捕捉された対応信号は、重要な雑音成分を除去するために、適応数値フィルタを介してＢＶＰ信号の検出によって得られる電気信号から除去すべき雑音信号として、処理ブロック１４によって使用することができる。

また、フィルタリングは、実質的に従来技術の使用のための緑色光又は赤色光を選択するため、或いは赤外範囲又はその他の範囲において（適切な発光器を使用して）フィルタリングするためにも行うことができる。

有利なことに、検出器１０は、（例えば、人によって実行された身体活動の結果として）装置の重大な動きによる妨害を補償するために、加速度計１９によって供給される信号を使用することもできる。加速度計信号は、（例えば、走行時に）突然の加速の場合に介在する適応数値フィルタを提供するために、ブロック１４に供給することができる。

加速度計１９の信号は、光学システムによって検出されたＢＶＰ上の雑音の効果的な補償のためには大きすぎる運動雑音発生源に対応するものとして前もって決定されたしきい値より検出された加速度の方が大きい場合に、装置によるＢＶＰ信号の放出を防止するために使用することもできる。

出力信号上の雑音を低減するために、装置１０は、センサ１１によって放出される光の光度に有利に作用することもできる。しかし、バッテリ式装置の場合、より大きい光の強度はバッテリ充電の持続時間に否定的影響を及ぼす可能性がある。

図２は、発光器によって放射された光Ｅ（軸Ｘ）と受け取った信号の振幅Ｒ（軸Ｙ）との関係を概略的に示すグラフを示している。

グラフから分かるように、放射された光と受光器によって測定された反射光線との間には本質的に線形の関係が存在する。従って、センサによって捕捉された周辺光も含む可能性がある雑音信号又はＢＲ（背景反射）信号と、ＢＰＲ（血液パルス反射）信号は、どちらも発光光度Ｅの増加につれて増大する。グラフ内の２つの直線の傾きは、光反射曲線を定義するものであり、人によって変化する可能性がある。

上記のものはいずれも、特定の放射光線Ｅの場合、第１の人が特定のｄＲ（即ち、血液脈動情報を伝達する反射光線の周期変化の特定の振幅ｄＲ）を有する可能性があることを意味する。第２の人は、同じ値Ｅについて、第１の人の値ｄＲより小さいか又は大きい値ｄＲを有する可能性がある。

値ｄＲｍｉｎ（即ち、受け取った最小有用信号値）が確立された場合、発光器は、いずれの場合でも信号ｄＲを値ｄＲｍｉｎより上に保持することができる放射Ｅを有するようにブロック１４によって有利に制御される。この条件が常に存在することを保証する特定の値（例えば、１０００ｍｃｄ）で絶えず光を放射することは可能であるが、このような解決策の結果、バッテリ電力の不必要な早期摩耗が発生する可能性がある。

有利なことに、代わりに、信号ｄＲが常に値ｄＲｍｉｎよりほんのわずか高くなければならないことは好ましいことである。従って、Ｅｏｐｔ（即ち、Ｅ最適）と呼ぶことができるＥの値が得られ、この値はこの条件を満足し、人次第で又はその人の異なる条件次第で可変である。これはいずれも例として図２に示されている（Ｅｏｐｔ１及びＥｏｐｔ２は２人のサンプルについて同じｄＲ_１＝ｄＲ_２＝ｄＲｍｉｎをもたらすものである）。

従って、ブロック１４は、有用信号の振幅を最適化し、同時に、バッテリ寿命を最大化するために、（任意選択で小さい安全マージンで）信号ｄＲをｄＲｍｉｎよりわずかに高く保持するように、前述の通り、電力供給要素１８により放射Ｅを有利に変化させることができる。

従って、必要な場合に必要な時間の間のみ、より高い光の放射を使用して、バッテリ・システム内で高光度発光器（ＬＥＤ）を使用することも可能である。

バッテリ消費を低減するため並びに駆動回路の一部又は全部を発光器間で共有するための両方について、パルス式で及び／又は発光器間で交互に発生源の電力供給を提供することもできる。

図３は、本発明による検出器の第２の実施形態を示している。全体が１１０で示されているこの第２の実施形態では、上記のように１０ａ及び１０ｂで示されている２つの検出器又は装置１０が使用され、そのＢＶＰ信号出力１５ａ及び１５ｂは処理比較ブロック１２０によって更に処理される。

２つの検出器１０ａ及び１０ｂは、一般に装置１１０が位置決めされる身体の一部において血液の流れの主な方向に沿って配置された対応する光学ユニット（発光器１１、受光器１２、及び任意の光学フィルタ１６及び／又は１７によって形成されたもの）とともに配置される。例えば、手足に位置決めする場合、その方向は手足自体の軸に沿ったものになる。特に、手首に位置決めする場合、その方向は有利なことに肘から手の方向にすることができる。

光学ユニット間の距離は、検出器の感度及び身体上で選択された位置次第で、数センチメートル又はそれ未満にすることができる。

２つの装置１０ａ及び１０ｂを使用することにより、図４に概略的に示されているように、（相互距離次第で）互いに関してわずかに位相変位している２つの信号１５ａ及び１５ｂが得られる。

ブロック１２０によって実行された２つの信号の時間変動に関する相関関係の計算により、２つの光学ユニット間の血液の通過に関する時間「デルタｔ」を計算することが可能である。

この時間の変動（又は２つの光学ユニット間の血液の変位の見掛け速度）を検出することにより、２つの光学ユニットの下及びそれらの間の組織の動きに関する情報を得ることが可能であることが分かっている。換言すれば、これらの動きが血管の長さを変化させ、従って、検出された速度値又は、むしろ、（互いに一定の距離にある）２つの光学ユニット間の通過時間を変更する可能性があることが分かっている。

従って、筋肉の動きによって発生し、ＢＶＰ信号から除去することができる雑音に関する他の情報を入手して、処理ブロック１２０の出力１２１で改善されたＢＶＰ信号を得ることが可能である。

有利なことに、装置１１０は、好ましくは、顕著な皮膚電気活動を有する手首の腹側ゾーンにおいて皮膚の導電率を測定するためのシステムも含む。

導電率（又は皮膚の電気的効果）を測定するためのシステムは、有利なことに、選択されたゾーン内の皮膚と接触し、２つの電極間の電気抵抗を検出する測定ブロック１２４に接続される２つの金属電極１２２、１２３を含む。

抵抗の測定は、低いか又は非常に低い電流が皮膚を横切って流れるようにすることによって、単純に実行することができる。また、その人に関する基準線を平衡させて、それをゼロ線とするように、皮膚を通って流れる電流を制御するために、補償アルゴリズムを使用することもできる。分極及び／又は電気分解現象を回避するために、電極上の電力供給を定期的に反転することができる。その上、皮膚に対して起こり得る損傷及び電極の劣化を防止するために、電極は銀で裏打ちすることができる。

極性の反転は、皮膚の外層上にＡｇ＋イオンが沈着するリスクを激減させる。皮膚上に沈着した可能性のあるイオンは、極性が反転するたびに電極の表面ともう一度結合される。

検出器によって測定された抵抗値はブロック１２４の出力１２５上に存在し、出力１２５における導電率の変動を使用して、それに関連する雑音を更に低減するためにＢＶＰ信号１２１の更なる処理を実行する他の処理ブロック１２６に送られる。

実際に、光学ユニットの領域内の皮膚上で測定された導電率の変動は、発汗の低速進行に加えられたＢＶＰと同様の進行を有することが分かっている。ＢＶＰと同様に観測された導電率の変動は、特に、表在血管に沿って移動し、心拍と同じ周波数で少量の液体を放出する汗腺を収縮させる傾向がある血液の波によるものである。

この信号は、一般に、非常に小さいものであり、心拍の示度を得るために容易に単独使用することはできないが、上記のように光学的に検出された信号と組み合わせた場合、本発明による装置によって出力されるＢＶＰ信号の信号雑音比を更に改善することができる。

図１には示されていないが、導電率を測定するためのこのシステムは、当業者によって容易に想像できるように、（ブロック１２０の信号１２１の代わりに）ブロック１４の信号１５がその入力に送られる処理ブロック１２５を使用して、図１による装置１０において雑音を低減するために同じように使用することができる。

図３の破線１２７により例として示されているように、その人に関する他の生理学的情報を提供するために使用するために、皮膚の導電率の低速変動を装置１１０（又はこのような導電率検出器を使用する装置１０）の外部に送ることもできる。

また、装置１１０は、図１の装置について記載されているように加速度計１９を使用することもできる。加速度計は、この場合、装置のＢＶＰ信号出力１２８の前に位置決めされた最後の処理ブロック１２６に有利に接続される。装置１０及び１１０のいずれでも、図１及び図３の破線２０及び１２９によって例として示されているように、その人に関する他の情報の提供に使用するために、３次元加速度信号を外部に送ることもできる。

図５は、人の生理学的データを検出して処理するための一般に２００で示されている有利で完全なシステムを概略的に示している。

システム２００は、本明細書に記載されている検出器１０又は１１０と同じタイプの検出器を含む遠隔装置２０１を含み、その検出器のＢＶＰ信号（１５又は１２８）及び任意の導電率信号１２７はデータ処理伝送ユニット２０２に送られる。

このユニット２０２は、適切にプログラミングされたマイクロプロセッサ・ユニットとして有利に形成され、従って、装置１０、１１０から信号を受け取るプロセッサ２０３と、プロセッサ２０３に接続されたプログラム・メモリ２０４と、データ・メモリ２０５と、伝送ユニット２０６と、を有利に含む。

ユニット２０２は、遠隔装置２０１に組み込むか或いは全体的に又は部分的に個別装置として設計することができ、コマンドを導入するため並びにデータ及び情報を表示するための既知のシステム（例えば、タッチスクリーン式ディスプレイによる）を含むこともできる。

ユニット２０２は、１つ以上の端末２０９と通信状態にある可能性がある遠隔サーバ２０８と（有利なことにインターネットへの接続のために無線又は携帯電話接続を介して）通信するように設計することができる。

このようにして、装置２０１によって処理又は前処理された生理学的データは、（同じくサーバ２０８による更なる処理後に）遠隔表示制御端末２０９に送ることができる。従って、装置２０１を装着している人の遠隔検査が可能である。サーバによって（又はオペレータによる操作時に遠隔端末２０９によって）処理されたデータは、例えば、測定が実行されている人により、局所表示のためにユニット２０２に送ることができる。

信号１５、１２８、及び１２７は、ユニット２０２に直接送るか又は本質的に既知のものである（有線又は有利なことに無線タイプの）通信インターフェース２０７を介してやり取りすることができる。

無線接続の場合、検出器１０、１１０は、適切な通信インターフェース２０７とともに、ポケットに保持されるか又は手持ち式の処理通信ユニット２０２と無線方式で通信する（例えば、腕時計の形の）小さいポータブル装置に組み込むことができる。

図６は、図５による装置２０１の有利な一実施形態を示している。この実施形態では、検出器１０、１１０は、手首に装着すべき装置２１０の形に設計されており、光センサは装置がストラップ２１１により手首に固定された時に皮膚と接触して配置されることが意図されている側に配置されている。好ましくは、ストラップ自体に電気的センサが配置される。有利なことに、シールリング２１２は、光センサの周りに設けることができ、皮膚に押し付けられ、センサによってモニターされるエリア内に周辺光及び／又は外部の湿気が入るのを防止する。

装置２１０は、容易に想像できる適切なプログラミングにより、処理通信ユニット２０２の機能を実行するインテリジェント端末（有利なことに、スマートフォン又はタブレットなど）と無線方式で（例えば、有利なことに低エネルギーのＢｌｕｅｔｏｏｔｈタイプのインターフェース２０７を介して）通信する。この端末は、データの遠隔処理又は表示が必要な場合に、前述のように無線方式でインターネット又は携帯電話ネットワークと通信することができる。

コマンドの入力及び情報の表示は、端末２０２のタッチスクリーン２１３によりその場所で容易に実行することができる。

図５及び／又は図６に示されているシステムの興味深い適用例は、装置２１０を装着している人及び／又は端末２０９を介する遠隔オペレータに対して、ストレス状態、身体活動及び身体条件のレベル、睡眠の質、興奮レベルなどの様々な生理学的パラメータを示すという適用例である可能性がある。これらのパラメータは、装置２１０によって検出された信号を基礎として決定することができる。また、オペレータは、複数の人が装着している複数の遠隔検出器からデータを受け取ることもできる。

この時点で、予め定義された目的がどのように達成されたかは明瞭である。本発明による方法及び装置を使用すると、妨害が存在する多くの条件において精密かつ信頼できる信号を得ることが可能である。例えば、吸収モードと蛍光発光モードを切り替えながら、外部条件並びに皮膚の状態及びタイプ次第で光の色を選択し、システムの動作モードを変更することが可能である。

本発明による心拍数モニターは、皮膚と接触し、中央処理システムと通信するセンサシステムを有利に含むことができる。その上、このセンサシステムは、吸収及び／又は蛍光発光という物理的原理を使用して血液量の変動を測定するための１つ以上の光学検出システムを含むことができる。この光学システムは、１つ以上の広帯域発光器（ＬＥＤ）及び１つ以上の広帯域受光器と、特定の波長を選択するために発光器、受光器、又はその両方に接続される１つ以上の調整可能なモノクロメータ・フィルタと、を有利に含む。

本発明の原理により、必要であれば、血液伝搬時間に対する組織の変形の影響を除去することが可能である。伝搬速度は、脈拍自体によって部分的に変更されるが、組織を伸ばすことによって更に変更される。記載されているシステムにより得られる信号を適切に使用することにより、他の雑音成分を除去することが可能である。その上、必要であれば、加速度計によって測定された「肉眼的」動きの影響を除去することが可能である。また、高光度発光器を効果的に使用することも可能である。

明らかに、本発明の革新的な原理を適用する諸実施形態について上記で提供した説明は、これらの革新的な原理の例として提供されており、従って、本明細書で請求している権利の範囲を限定するものと見なしてはならない。

例えば、個別のものとして上記で記載されている様々な処理ブロックは、当業者によって容易に想像できるように、互いに組み合わせて単一処理ブロック（例えば、適切にプログラミングされたマイクロコントローラ・ユニット）にすることもできる。例えば、検出器１０のブロック１４又は２つの検出器１０ａ及び１０ｂは単一処理ブロックとして設計することもでき、そのブロックはブロック１２０並びにおそらくブロック１２４及び１２６も含むことができる。有利なことに、様々なブロックは、吸収モード中に光学検出システムを制御し光学検出システムから信号を受け取るためのアルゴリズム、蛍光発光モード中に光学検出システムを制御し光学検出システムから信号を受け取るためのアルゴリズム、皮膚の導電率の検出のためのシステムを制御し皮膚の導電率を検出するためのシステムから信号を受け取るためのアルゴリズム、加速度（又は機械的運動）を検出するためのシステムを制御し加速度検出システムから信号を受け取るためのアルゴリズム、のうちの少なくとも１つを含む複数アルゴリズムにより実現することができる。

これらのアルゴリズムは、この説明を基礎として当業者によって想像できるように、本発明による装置に含まれるプロセッサによって実行できる適切なプログラムにより実現することができる。有利なことに、フィルタはいずれも適応数値フィルタにすることができる。

遠隔伝送の場合、装置のトランシーバを介して外部の処理ユニットへのその伝送のために１つ以上の検出装置から受け取った信号をコード化するためのアルゴリズム、並びにトランシーバを介して外部の処理ユニットから受け取った信号をデコードするためのアルゴリズムを予見することも可能である。他のプログラム部分は、装置のユーザ・インターフェース上で状況発光器（例えば、ＬＥＤ）を制御するための状況コマンドを管理することができる。

光の波長について選択可能なフィルタを使用するシステムにより、検出動作の特定の態様を最適化するために、３つ以上の波長（例えば、青、緑、赤外）で得られる信号を使用し、比較し、処理することも可能である。

上記の実施形態の例に同時に取り入れられるものとして記載されている本発明による様々な革新的な解決策は、本発明による装置及びシステムにおいて個別に使用することもでき、或いは異なる組み合わせにすることもできる。

本発明による装置（例えば、その装置構成２１０のもの）は、システム状況を示すためにプロセッサに接続された３色状況発光器（ＬＥＤ）及び検出装置と会話するために遠隔プロセッサに接続されたプッシュボタンなど、実際の動作に有用な他の要素も含むことができる。状況インジケータによって示される状況は、バッテリ電力低下、バッテリ充電中、データ取得モードのうちの少なくとも１つにすることができる。また、装置は、内部バッテリを充電するためのポートも含むことができる。

Claims (18)

1. 人の皮膚の上に配置すべき少なくとも１つの光学反射センサユニット（１０）を含み、前記センサユニットには、発光器（１１）と、前記皮膚によって反射された光を電気信号に変換する対応受光器（１２）と、が設けられた心拍検出装置であって、
   動作時に前記光の所望の波長を選択するために前記発光器、前記受光器、又はその両方に接続される電気的に調節可能な光学フィルタ（１６、１７）を含むことを特徴とする、心拍検出装置。
2. 前記電気的に調節可能なフィルタ（１６、１７）が、ファブリ・ペロ・モノクロメータを含むことを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記受光器から前記信号を受け取り吸収という物理的原理を使用して血液量の変動に依存する第１の信号を測定するためのモードと、蛍光発光という物理的原理を使用して血液量の前記変動に依存する第２の信号を測定するためのモードと、を交互に選択し、心拍数を表す信号（１５）を得るために前記第１及び第２の信号を処理するように前記フィルタ（１６、１７）を制御する処理ユニット（１４）を含むことを特徴とする、請求項１記載の装置。
4. 前記受光器から前記信号を受け取り前記受け取った有用信号の振幅を最適化することを目指して前記フィルタ（１６、１７）を制御する処理ブロック（１４）を含むことを特徴とする、請求項１記載の装置。
5. 互いにある距離をおいて配置され２つのユニット間の血液伝搬時間を推定するために信号処理ブロック（１２０）に接続される２つの光センサユニット（１０ａ、１０ｂ）を含み、前記処理ブロックが、前記推定時間の変動次第で前記少なくとも１つの光学ユニットによって検出された前記信号を変更することを特徴とする、請求項１記載の装置。
6. 前記皮膚の電気反応を測定するための電気的検出システム（１２２、１２３、１２４）と、この測定から前記心拍に依存する信号を求めこの信号と前記少なくとも１つの光学ユニットによって検出された前記信号とを結合する処理ブロック（１２６）と、を含むことを特徴とする、請求項１記載の装置。
7. 前記装置の加速度を測定するためのシステム（１９）と、この測定次第で前記少なくとも１つの光学ユニットによって検出された前記信号を変更する処理ブロック（１４、１２６）と、を含むことを特徴とする、請求項１記載の装置。
8. 予め定義された最小しきい値より上に前記受け取った有用信号を保持することを目指して前記発光器の光度を変更するために、前記受光器（１２）から受け取った前記信号を処理するためのブロック（１４）からコマンドを受け取る前記少なくとも１つの光学ユニットの前記発光器（１１）のための電力供給要素（１８）を含むことを特徴とする、請求項１記載の装置。
9. 無線インターフェース（２０７）により、装置からデータを受信してそれを処理するデータ処理伝送ユニット（２０２）に接続される、請求項１乃至８のいずれか１項記載の少なくとも１つの装置を含み、生理学的データを検出し処理するためのシステム。
10. 前記処理伝送ユニット（２０２）が、遠隔端末（２０９）と通信することを特徴とする、請求項９記載のシステム。
11. 前記処理伝送ユニット（２０２）が、インターネットを介して前記遠隔端末（２０９）と通信することを特徴とする、請求項１０記載のシステム。
12. 前記装置が、ストラップにより手首に固定すべき装置（２１０）の形であり、前記処理伝送ユニット（２０２）が、適切にプログラミングされたタブレット又はスマートフォンであることを特徴とする、請求項９記載のシステム。
13. 心拍を表す電気信号を得るために、電気的に調節可能な光学フィルタにより少なくとも２つの光波長の影響を適応数値フィルタにより区別することと、少なくとも１つの光学反射ユニットから受け取った対応信号を処理することと、を含み、前記少なくとも１つの光学反射センサユニットにより光学的に前記心拍を検出するために前記電気信号の信号雑音比を増加するための方法。
14. 前記検出ユニットの前記信号について吸収モードと蛍光発光モードとを有するように前記少なくとも２つの波長が選択され、前記光学ユニットの信号レベルを最大化するために前記２つ（又はそれ以上）の波長を動的に調整するように前記フィルタが調節される、請求項１３記載の方法。
15. 前記受け取った信号同士の時間差を検出し、それから前記２つのユニット間の血液伝搬時間を推定し、前記推定時間の変動次第で、前記少なくとも１つの光学ユニットによって検出された前記信号を変更するために、互いにある距離をおいて配置された２つの光学ユニットが使用される、請求項１３記載の方法。
16. ３次元加速度信号が得られ、この信号が適応数値フィルタにより前記少なくとも１つの光学ユニットによって検出された前記信号から除去される、請求項１３記載の方法。
17. 前記皮膚の前記電気反応が測定され、前記心拍に依存する信号がそれから得られ、この信号が前記少なくとも１つの光学ユニットによって検出された前記信号と結合される、請求項１３記載の方法。
18. ストレス状態、身体活動及び身体条件のレベル、睡眠の質、及び／又は興奮レベルなどの人の様々な生理学的パラメータを推定するために、前記心拍を表す前記電気信号が使用される、請求項１３記載の方法。

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