JP2017064115A - 生体計測装置および生体計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】生体情報を高精度に計測することが可能な生体計測装置を提供する。【解決手段】生体計測装置４は、駆動部４１と、電気信号取得部と、電圧信号生成部と、増幅部４３と、を備える。駆動部は、１以上の発光素子から光強度が周期的に変化する光信号を発光させるべく、発光素子を駆動する。電気信号取得部は、光信号が生体物内で反射された反射光信号の光量、または光信号が生体物を透過した透過光信号の光量に応じた電気信号を取得する。電圧信号生成部は、取得した電気信号に含まれる所定周波数以下の成分を除去した電圧信号を出力する。増幅部は、電圧信号を増幅して増幅信号を出力する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、生体計測装置および生体計測システムに関する。

生体計測装置の一例として、脈波計測装置が知られている。脈波計測装置は、例えば、血管に向かって光を照射するＬＥＤ（Light Emitting Diode）と、血管を透過または反射した光を受光するためのフォトダイオードと、を用いて脈波を計測する。このフォトダイオードの出力信号には、脈波が生体情報として含まれている。この脈波は、例えば、出力信号を増幅することにより検出される。

しかし、上記出力信号には、脈波成分だけでなく環境光成分などの低周波ノイズ成分も含まれている。しかも、出力信号に含まれる脈波成分の信号レベルは非常に小さいため、出力信号を増幅すると、脈波成分が低周波ノイズ成分に埋もれて計測できなくなるおそれがある。

特開平３−５７４２９号公報

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、生体情報を高精度に計測することが可能な生体計測装置、および生体計測システムを提供することである。

実施形態によれば、生体計測装置は、駆動部と、電気信号取得部と、電圧信号生成部と、増幅部と、を備える。前記駆動部は、１以上の発光素子から光強度が周期的に変化する光信号を発光させるべく、前記発光素子を駆動する。前記電気信号取得部は、前記光信号が生体物内で反射された反射光信号の光量、または前記光信号が生体物を透過した透過光信号の光量に応じた電気信号を取得する。電圧信号生成部は、取得した前記電気信号に含まれる所定周波数以下の成分を除去した電圧信号を出力する。増幅部は、前記電圧信号を増幅して増幅信号を出力する。

第１の実施形態に係る生体計測システムの概略的な構成を示すブロック図である。 （ａ）は、キャパシタがないときの電圧信号のレベルと増幅信号のレベルを示す図であり、（ｂ）は、キャパシタがあるときの電圧信号のレベルと増幅信号のレベルを示す図である。 第１の実施形態の変形例に係る生体計測装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る生体計測システムの概略的な構成を示すブロック図である。 図４に示す復調部の復調処理を説明するための信号波形図である。 第２の実施形態の変形例に係る生体計測装置の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る生体計測システムの概略的な構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る生体計測システム１は、発光素子２と、受光素子３と、生体計測装置４と、を備える。

発光素子２は、生体物内(本実施形態では血管)に向かって、光信号Ｓ１を照射する。光信号Ｓ１の光強度は、図１に示すように、周期的に変化している。光信号Ｓ１の周波数は、脈波信号に代表されるような生体信号の周波数や環境光変化の周波数、具体的には数〜数十Ｈｚよりも十分高い周波数、例えば数ｋＨｚ程度である。

本実施形態では、発光素子２は、例えば緑色光を発光するＬＥＤで構成されている。しかし、発光素子２は、ＬＥＤ以外の他の種類の発光素子であってもよい。また、発光素子２の発光色(光の波長)も、赤色、赤外等の他の色（波長）であってもよい。

また、本実施形態では、１つの発光素子から光信号Ｓ１が発光されているが、複数の発光素子を用いて光信号Ｓ１を生成してもよい。より具体的には、光強度が高い第１の発光素子と、光強度が第１の発光素子よりも低い第２の発光素子とを交互に発光させることによって、光信号Ｓ１を生成してもよい。

受光素子３は、発光素子２から照射された光信号Ｓ１が生体物内で反射した反射光信号を受光する。ただし、発光素子２の光が、赤色の場合には、受光素子３は、生体物を透過した透過光信号を受光する。このように、発光素子２から照射された光信号Ｓ１は、生体物で反射または生体物を透過することにより振幅変調され、この振幅変調された光信号が受光素子３にて受光される。また、受光素子３は、受光した反射光信号の光量または透過光信号の光量に応じた電流信号を出力する。この電流信号は、光信号Ｓ１によって振幅変調された脈波成分と、環境光等の低周波ノイズ成分（ＤＣ成分）と、を含む。本実施形態では、受光素子３は、フォトダイオードで構成されている。しかし、受光素子３は、フォトダイオード以外の他の種類の受光素子であってもよい。

生体計測装置４は、駆動部４１と、電流電圧変換部４２と、増幅部４３と、Ａ／Ｄ変換部４４と、復調部４５と、タイミング制御部４６とを有する。以下、各部について説明する。

駆動部４１は、発光素子２から光信号Ｓ１が発光されるように発光素子２の駆動信号を生成する。

電流電圧変換部４２は、オペアンプＯＡ１、ＯＡ２と、抵抗素子Ｒｆと、キャパシタＣｆと、を有する。オペアンプＯＡ１の非反転入力端子と、オペアンプＯＡ２の非反転入力端子とは、定電圧源に接続されている。なお、本実施形態では、電流電圧変換部４２は、２つのシングルエンド型オペアンプＯＡ１、ＯＡ２を有しているが、これらの代わりに、一対の出力端子を備える１つの完全差動型オペアンプを有していてもよい。

オペアンプＯＡ１の反転入力端子は、キャパシタＣ１を介して受光素子３のアノードに接続されている。一方、オペアンプＯＡ２の反転入力端子は、キャパシタＣ２を介して受光素子３のカソードに接続されている。抵抗素子Ｒｆは、オペアンプＯＡ１、ＯＡ２の各々において、反転入力端子と出力端子との間に設けられている。キャパシタＣｆは、信号を平滑化するとともにオペアンプＯＡ１、ＯＡ２の安定動作のための電子部品であり、抵抗素子Ｒｆに並列に接続されている。

上記のように構成された電流電圧変換部４２には、受光素子３からキャパシタＣ１、Ｃ２を介して電流信号が入力される。この電流信号が、電圧信号に変換されてＯＡ１、ＯＡ２の出力端子から出力される。このとき、キャパシタＣ１、Ｃ２と、抵抗素子Ｒｆと、を用いて構成される第１フィルタ５にて、電流信号に含まれる所定周波数以下の成分が除去される。

本実施形態では、第１フィルタ５は、電流信号から光信号Ｓ１の周波数よりも低い成分、換言すると環境光等の低周波ノイズ成分を除去するハイパスフィルタとして機能する。なお、第１フィルタ５を構成するキャパシタＣ１、Ｃ２は、生体計測装置４の外部に設けられているが、生体計測装置４の内部に設けられていてもよい。

増幅部４３は、電流電圧変換部４２から出力された電圧信号を増幅して増幅信号を出力する。本実施形態では、増幅部４３はＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）で構成されているが、他の種類の増幅器で構成されていてもよい。

ここで、図２を参照しながら、増幅部４３に入力される電圧信号と、増幅部４３から出力される増幅信号について説明する。図２（ａ）は、キャパシタＣ１、Ｃ２がないときの電圧信号のレベルと増幅信号のレベルを示す図である。図２（ｂ）は、キャパシタＣ１、Ｃ２があるときの電圧信号のレベルと増幅信号のレベルを示す図である。図２（ａ）および図２（ｂ）において、斜線部分は、低周波ノイズ成分のレベルを示す。

キャパシタＣ１、Ｃ２が設けられていない場合、電流電圧変換部４２は、受光素子３から出力された電流信号をそのまま電圧信号に変換する。そのため、図２（ａ）に示すように、電圧信号に含まれる低周波ノイズ成分のレベルは大きい。その結果、増幅部４３のゲインが大きいと、信号レベルが電源電圧ＶＤＤを超えて、信号クリップが起こる。これにより、電圧信号に含まれる高周波の脈波成分を忠実に検出できなくなる。

一方、本実施形態のようにキャパシタＣ１、Ｃ２が設けられている場合、電流電圧変換部４２が電流信号を電圧信号に変換する際、キャパシタＣ１、Ｃ２と抵抗素子Ｒｆにより低周波ノイズ成分がほぼ除去される。そのため、図２（ｂ）に示すように、電圧信号に含まれる低周波ノイズ成分のレベルは、非常に小さくなる。そのため、増幅部４３は、信号クリップが起こらない範囲で電圧信号を増幅でき、電圧信号に含まれる高周波の脈波成分を大きなゲインで増幅して検出できる。

再び図１に戻って、Ａ／Ｄ変換部４４は、増幅部４３から出力された増幅信号をデジタル変換してデジタル信号を出力する。本実施形態では、Ａ／Ｄ変換部４４のサンプリング周波数は、光信号Ｓ１の周波数の２倍以上である。

復調部４５は、Ａ／Ｄ変換部４４から出力されたデジタル信号をデジタル処理することによって、当該デジタル信号に含まれた脈波成分を検出する。上述したように、受光素子３で受光される光信号は、発光素子２からの光信号Ｓ１を振幅変調した信号である。復調部４５は、受光素子３で受光された光信号を電流電圧変換部４２で電圧信号に変換し、さらにＡ／Ｄ変換部４４でデジタル変換した後に、復調して生体情報である脈波成分を検出する。タイミング制御部４６は、Ａ／Ｄ変換部４４が光信号Ｓ１に同期してデジタル変換するようにＡ／Ｄ変換部４４の動作タイミングを制御する。

以下、上述した本実施形態に係る生体計測システム１の動作について説明する。

まず、駆動部４１が発光素子２を駆動する。これにより、発光素子２が、生体物内に光信号Ｓ１を発光する。光信号Ｓ１は生体物内で振幅変調されて、生体物内で反射した反射光信号、または生体物を透過した透過光信号として受光素子３に受光される。受光素子３は、反射光信号の光量または透過光信号の光量に応じた電流信号を出力する。

上記電流信号は、キャパシタＣ１、Ｃ２を介して電流電圧変換部４２に入力され、電流電圧変換部４２は、この電流信号を電圧信号に変換する。このとき、上述したように、キャパシタＣ１、Ｃ２と、抵抗素子Ｒｆとで構成される第１フィルタ５にて、低周波ノイズ成分が除去される。

電流電圧変換部４２から出力された電圧信号は、増幅部４３にて、予め設定されたゲインで増幅される。増幅部４３は、電圧信号を増幅した増幅信号をＡ／Ｄ変換部４４へ出力する。

Ａ／Ｄ変換部４４は、増幅信号をデジタル変換したデジタル信号を復調部４５へ出力する。最後に、復調部４５が、デジタル信号から脈波成分に対応するデジタル値を抽出することによって、脈波が検出される。

以上説明した本実施形態に係る生体計測システム１によれば、キャパシタＣ１、Ｃ２と電流電圧変換部４２により、増幅部４３は、低周波ノイズ成分が除去された電圧信号を増幅できる。そのため、大きなゲインを確保できるので、脈波を高精度に計測することが可能となる。

また、本実施形態では、発光素子２が高周波の光信号Ｓ１を発光するので、脈波を振幅変調することができる。その結果、振幅変調された脈波の周波数帯域は、数ｋＨｚとなる。一方、低周波ノイズ成分の周波数帯域は、数Ｈｚである。そのため、脈波の周波数帯域と低周波ノイズ成分の周波数帯域との差が、非常に大きくなる。これにより、高精度なフィルタを用いなくても、容易に低周波ノイズ成分を除去することが可能となる。これはすなわち、環境光などの低周波ノイズ成分の影響を受けずに、脈波成分を光学的に検出できることを意味する。

なお、本実施形態に係る生体計測装置４の中で、少なくとも駆動部４１と、電流電圧変換部４２と、増幅部４３とは、半導体装置の構成要素としてチップ内に設けられていてもよい。

また、本実施形態では、電流電圧変換部４２は、受光素子３で受光された信号（反射光信号、透過光信号）の光量に応じた電気信号を取得する電気信号取得部と、取得した電気信号に含まれる所定周波数成分以下の成分を除去した電圧信号を出力する電圧信号生成部とを含んでいる。具体的には、オペアンプＯＡ１、ＯＡ２の反転入力端子が電気信号取得部を構成し、オペアンプＯＡ１、ＯＡ２の出力端子および抵抗素子Ｒｆが電圧信号生成部を構成している。

しかし、電気信号取得部および電圧信号生成部は、電流電圧変換部４２として一体になった構成に限定されず、別体となった構成であってもよい。さらに、電気信号取得部で取得される電気信号は、受光素子３から出力された電流信号だけでなく、この電流信号を電圧変換した電圧信号であってもよい。すなわち、受光素子３で受光された光信号を電圧に変換する処理は、生体計測装置４の外部で行ってもよい。この場合、生体計測装置４には、受光素子３で受光された光信号に応じた電圧信号が入力されることになる。生体計測装置４は、入力された電圧信号を上述した電気信号として取得する電気信号取得部と、取得した電気信号に含まれる所定周波数成分以下の成分を除去した電圧信号を出力する電圧信号生成部と、を有するため、図１と同様の処理動作により、脈波成分を検出可能となる。

(変形例１)
図３は、第１の実施形態の変形例に係る生体計測装置の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、本変形例に係る生体計測装置４ａでは、キャパシタＣ１、Ｃ２が、オペアンプＯＡ１、ＯＡ２の出力端子にそれぞれ直列に接続されている。また、キャパシタＣ１と増幅部４３との接続経路上には、抵抗Ｒ１の一端が接続され、その他端は接地されている。さらに、キャパシタＣ２と増幅部４３との接続経路上には、抵抗Ｒ２の一端が接続され、その他端は接地されている。

本変形例では、受光素子３から出力された電流信号は、電流電圧変換部４２に直接入力される。電流電圧変換部４２は、電流信号を電圧信号に変換して出力する。この時点で、電圧信号は、低周波ノイズ成分を含んでいる。しかし、低周波ノイズ成分は、増幅部４３に入力される前に、キャパシタＣ１、Ｃ２と抵抗Ｒ１、Ｒ２によって除去される。つまり、本変形例では、電流電圧変換部４２が、上記電気信号取得部として機能し、キャパシタＣ１、Ｃ２および抵抗Ｒ１、Ｒ２が、上記電圧信号生成部として機能している。

以上説明した本変形例においても、キャパシタＣ１、Ｃ２と抵抗Ｒ１、Ｒ２によって、増幅部４３は、低周波ノイズ成分が除去された電圧信号を増幅できる。そのため、大きなゲインを確保できるので、脈波成分を高精度に計測することが可能となる。

(第２の実施形態)
第２の実施形態に係る生体計測システムについて説明する。ここでは、上述した第１の実施形態に係る生体計測システム１と同様の構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図４は、第２の実施形態に係る生体計測システムの概略的な構成を示すブロック図である。図４に示すように、本実施形態に係る生体計測システム１０は、復調部４５の代わりに復調部５５を備える点で第１の実施形態に係る生体計装システム１と異なる。

復調部５５は、増幅部４３とＡ／Ｄ変換部４４との間に設けられている。復調部５５は、増幅部４３で増幅された増幅信号から脈波を検出する復調処理を行う。以下、図５を参照して、復調部５５の復調処理について説明する。図５は、復調部５５の復調処理を説明するための信号波形図である。

図５に示す増幅信号Ｓ２は、脈波信号を高周波の光信号Ｓ１で振幅変調したアナログ信号である。復調部５５は、例えば、ピークホールド回路を有する。このピークホールド回路は、増幅信号Ｓ２からピーク成分、すなわち増幅信号Ｓ２の包絡線情報を抽出して、増幅信号Ｓ２よりも周波数の低い低周波信号Ｓ３を出力する低周波変換部として機能する。

低周波信号Ｓ３は、脈波信号に相当する信号である。つまり、復調部５５は、増幅信号Ｓ２から脈波信号を検出する動作を行う。そして、この脈波信号は、Ａ／Ｄ変換部４４でデジタル信号に変換される。

以上説明した本実施形態に係る生体計測システム１０では、第１の実施形態と同様に、増幅部４３は、低周波ノイズ成分が除去された電圧信号を増幅できる。そのため、大きなゲインを確保できるので、脈波を高精度に計測することが可能となる。

特に、本実施形態では、復調部５５が、アナログ信号(増幅信号Ｓ２)の段階で脈波信号を検出し、Ａ／Ｄ変換部４４に入力される信号周波数を低くしている。そのため、Ａ／Ｄ変換部４４のサンプリング周波数を低くすることができる。これにより、Ａ／Ｄ変換部４４のサンプリング周波数が、光信号Ｓ１の周波数の２倍よりも小さくても、Ａ／Ｄ変換部４４は、脈波信号をデジタル処理できる。つまり、Ａ／Ｄ変換部４４が高機能でなくても、脈波信号をデジタル処理できるようになる。

(変形例２)
図６は、第２の実施形態の変形例に係る生体計測装置の構成を示すブロック図である。図６に示すように、本変形例に係る生体計測装置４ｂは、復調部６５を備える。復調部６５は、ミキサー６５ａと、第２フィルタ６５ｂと、を有する。

ミキサー６５ａは、増幅部４３から出力された増幅信号Ｓ２と、光信号Ｓ１の周波数と同じ周波数の信号Ｓ４とを合成する。そして、ミキサー６５ａは、第１信号と、第２信号を出力する。第１信号は、増幅信号Ｓ２の周波数と信号４の周波数（光信号Ｓ１の周波数）とを足し合わせた周波数の信号である。一方、第２信号は、増幅信号Ｓ２の周波数と信号４の周波数（光信号Ｓ１の周波数）との差分の周波数の信号である。

第２フィルタ６５ｂは、第１信号を除去して第２信号を検出する。第２信号は、増幅信号Ｓ２の周波数から光信号Ｓ１の周波数と同じ周波数を差し引くことにより生成された信号である。増幅信号Ｓ２には、光信号Ｓ１の高周波成分と、脈波信号の低周波成分が含まれている。そのため、増幅信号Ｓ２の周波数と光信号Ｓ１の周波数の差分により、第２信号には、上記低周波成分が残っている。このようにして生成された低周波の第２信号は、図５に示す低周波信号Ｓ３に相当する。つまり、第２信号は、脈波信号に相当する信号である。

本変形例においても、復調部６５が、アナログ信号(増幅信号Ｓ２)の段階で脈波信号を検出している。そのため、Ａ／Ｄ変換部４４のサンプリング周波数が高くなくても、換言すると、Ａ／Ｄ変換部４４のサンプリング周波数が光信号Ｓ１の周波数の２倍より小さくても、脈波信号をデジタル処理できるようになる。

以上説明した各実施形態および各変形例では、復調部４５またはＡ／Ｄ変換部４４から出力される信号が、脈拍数の計測信号である例を説明した。しかし、上述した生体計測装置４、４ａ、４ｂは、脈拍数の計測だけでなく、例えば、血液中の酸素飽和度の計測にも適用可能である。つまり、各生体計測装置から出力される信号には、脈波以外の生体情報も含みうる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１０ 生体計測システム、２ 発光素子、３ 受光素子、４、４ａ、４ｂ 生体計測装置、５ 第１フィルタ、４１ 駆動部、４２ 電流電圧変換部、４３ 増幅部、４４ Ａ／Ｄ変換部、４５、５５、６５ 復調部、６５ａ ミキサー、６５ｂ 第２フィルタ、Ｒｆ 抵抗素子、Ｃ１、Ｃ２ キャパシタ

Claims (8)

1. １以上の発光素子から光強度が周期的に変化する光信号を発光させるべく、前記発光素子を駆動する駆動部と、
   前記光信号が生体物内で反射された反射光信号の光量、または前記光信号が生体物を透過した透過光信号の光量に応じた電気信号を取得する電気信号取得部と、
   取得した前記電気信号に含まれる所定周波数以下の成分を除去した電圧信号を出力する電圧信号生成部と、
   前記電圧信号を増幅して増幅信号を出力する増幅部と、
   を備える生体計測装置。
2. 前記電気信号取得部が取得する前記電気信号は、電流信号であり、
   前記電圧信号生成部は、抵抗素子を有し、
   前記電圧信号生成部は、前記電気信号取得部に接続されるキャパシタと、前記抵抗素子と、を用いて構成される第１フィルタにて、前記電流信号に含まれる前記所定周波数以下の成分を除去して、前記電圧信号を出力する、請求項１に記載の生体計測装置。
3. 前記増幅信号に基づいて、前記生体物内の生体情報を検出する復調部をさらに備える、請求項１または２に記載の生体計測装置。
4. 前記増幅信号をデジタル変換してデジタル信号を出力するＡ／Ｄ変換部をさらに備え、
   前記復調部は、前記デジタル信号から前記生体情報を検出する、請求項３に記載の生体計測装置。
5. 前記復調部は、前記増幅信号からピーク成分を抽出して、前記増幅信号よりも周波数の低い低周波信号を出力する低周波変換部を有し、
   前記低周波信号を前記デジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部をさらに備える、請求項３に記載の生体計測装置。
6. 前記低周波変換部は、
   前記増幅信号と、前記発光素子が発光する前記光信号の周波数と同じ周波数の信号とを合成して、前記増幅信号の周波数と前記光信号の周波数とを足し合わせた周波数の第１信号と、前記増幅信号の周波数と前記光信号の周波数との差分の周波数の第２信号と、を出力するミキサーと、
   前記第１信号を除去して前記第２信号を前記低周波信号として検出する第２フィルタと、を有する、請求項５に記載の生体計測装置。
7. 光強度が周期的に変化する光信号を生体物に照射する１以上の発光素子と、
   前記光信号が前記生体物内で反射された反射光信号、または前記光信号が生体物を透過した透過光信号を受光して電流信号を出力する受光素子と、
   前記発光素子を駆動する駆動部と、
   前記電流信号に含まれる所定周波数以下の周波数成分を除去した電圧信号を出力する電流電圧変換部と、
   前記電圧信号を増幅して増幅信号を出力する増幅部と、
   を備える生体計測システム。
8. 前記駆動部と、前記電流電圧変換部と、前記増幅部と、を有する半導体装置と、
   前記受光素子と、前記半導体装置と、に接続されるキャパシタと、を備え、
   前記電流電圧変換部は前記キャパシタに接続される抵抗素子を有し、前記抵抗素子と前記キャパシタは、前記電流信号に含まれる前記所定周波数以下の周波数成分を除去する第１フィルタを構成する請求項７に記載の生体計測システム。

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