JP2019154523A - 生体情報測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の発光素子の非発光期間に、複数種類の制御信号を連続して出力する場合と比較して、特定の発光素子を高い周波数で発光させることができる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１０Ａは、第１の波長の光を照射する発光素子ＬＤ１と、発光期間と非発光期間とを繰り返すよう発光素子ＬＤ１の発光を制御するための制御信号を出力すると共に、非発光期間において互いに異なる期間に出力される複数種類の制御信号が、互いの期間が連続せず、かつ、発光期間を間に挟んで出力されるよう複数種類の制御信号の出力期間を制御する制御部１２と、発光素子ＬＤ１から生体に照射され生体を透過又は反射した光と、複数種類の制御信号とを用いて生体の生体情報を測定する測定部２０と、を備える。【選択図】図１１

Description

本発明は、生体情報測定装置に関する。

例えば、特許文献１には、生体の血流情報や酸素飽和度等の生体情報を測定する生体情報測定装置が記載されている。この生体情報測定装置は、シングルモードレーザ光を出力する第１発光手段と、マルチモード光又はＬＥＤ光を出力する第２発光手段と、第１発光手段及び第２発光手段から生体に照射された光の反射光又は透過光を各々受光する受光素子と、第１発光手段及び第２発光手段の発光期間を制御する制御手段と、受光素子で順次受光した反射光又は透過光の各々から生体の複数種類の生体情報を測定する測定手段と、を備えている。

特開２０１７−１７６２６７号公報

ところで、少なくとも第１発光素子を備える生体情報測定装置において、発光期間と非発光期間を繰り返すよう第１発光素子を制御するとともに、非発光期間に、第１発光素子を制御する制御信号以外の複数種類の制御信号を出力する場合がある。

例えば、第１発光素子だけでなく、第２発光素子及び第３発光素子を更に備える構成においては、第２発光素子を制御する制御信号及び第３発光素子を制御する制御信号の各々を第１発光素子の非発光期間に出力する必要がある。また、第１発光素子及び第２発光素子を備える構成において、受光素子の出力を補正したい場合は、第２発光素子を制御する制御信号と補正用の制御信号とを第１発光素子の非発光期間に出力する必要がある。

ここで、生体を測定するために必要な発光素子の発光周波数は、測定対象とする生体情報によって異なるため、特定の発光素子（例えば、第１発光素子）を、他の複数種類の制御信号よりも高い周波数で発光させたい場合がある。

本発明は、特定の発光素子の非発光期間に、複数種類の制御信号を連続して出力する場合と比較して、特定の発光素子を高い周波数で発光させることができる生体情報測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の生体情報測定装置は、第１の波長の光を照射する第１発光素子と、発光期間と非発光期間とを繰り返すよう前記第１発光素子の発光を制御するための制御信号を出力すると共に、前記非発光期間において互いに異なる期間に出力される複数種類の制御信号が、互いの期間が連続せず、かつ、前記発光期間を間に挟んで出力されるよう前記複数種類の制御信号の出力期間を制御する制御部と、前記第１発光素子から生体に照射され前記生体を透過又は反射した光と、前記複数種類の制御信号とを用いて前記生体の生体情報を測定する測定部と、を備えている。

また、請求項２に記載の生体情報測定装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１発光素子が照射する光が、レーザ光とされ、前記生体の生体情報が、前記第１発光素子のレーザ光を用いて測定される前記生体の血流情報とされている。

また、請求項３に記載の生体情報測定装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１の波長と同一の第２の波長の光を照射する第２発光素子と、前記第２の波長よりも短い第３の波長の光を照射する第３発光素子と、を更に備え、前記複数種類の制御信号が、前記第２発光素子の発光を制御するための制御信号と、前記第３発光素子の発光を制御するための制御信号と、を含んでいる。

また、請求項４に記載の生体情報測定装置は、請求項３に記載の発明において、前記第２発光素子及び前記第３発光素子の各々が照射する光が、ＬＥＤ光とされ、前記生体の生体情報が、前記第２発光素子及び前記第３発光素子の各々のＬＥＤ光を用いて測定される前記生体の酸素飽和度とされている。

また、請求項５に記載の生体情報測定装置は、請求項３又は４に記載の発明において、前記第１の波長及び前記第２の波長の各々が、赤外領域の波長とされ、前記第３の波長が、赤色領域の波長とされている。

また、請求項６に記載の生体情報測定装置は、請求項３〜５のいずれか１項に記載の発明において、前記第１発光素子、前記第２発光素子、及び前記第３発光素子の各々から前記生体に照射され前記生体を透過又は反射した光を受光する受光素子を更に備え、前記複数種類の制御信号が、前記第１発光素子、前記第２発光素子、及び前記第３発光素子の各々を非発光状態にした場合に前記受光素子から出力される信号である補正用信号の出力期間を制御するための制御信号を更に含んでいる。

また、請求項７に記載の生体情報測定装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１の波長よりも短い第２の波長の光を照射する第２発光素子と、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の各々から前記生体に照射され前記生体を透過又は反射した光を受光する受光素子と、を更に備え、前記複数種類の制御信号が、前記第２発光素子の発光を制御するための制御信号と、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の各々を非発光状態にした場合に前記受光素子から出力される信号である補正用信号の出力期間を制御するための制御信号と、を含んでいる。

また、請求項８に記載の生体情報測定装置は、請求項７に記載の発明において、前記第２発光素子が照射する光が、ＬＥＤ光とされ、前記生体の生体情報が、前記第２発光素子のＬＥＤ光を用いて測定される前記生体の脈波とされている。

また、請求項９に記載の生体情報測定装置は、請求項７又は８に記載の発明において、前記第１の波長が、赤外領域の波長とされ、前記第２の波長が、緑色領域の波長とされている。

また、請求項１０に記載の生体情報測定装置は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の発明において、前記制御部が、予め定められた単位時間当たりの前記発光期間の数が２^ｎ個（ｎは１以上の整数）になるように、前記第１発光素子の制御信号を出力する。

請求項１に係る発明によれば、第１発光素子の非発光期間に、複数種類の制御信号を連続して出力する場合と比較して、第１発光素子を高い周波数で発光させることができる。

請求項２に係る発明によれば、レーザ光を用いない場合と比較して、生体の血流情報を精度良く測定することができる。

請求項３に係る発明によれば、第２発光素子及び第３発光素子の各々を発光させる場合においても、第１発光素子を高い周波数で発光させることができる。

請求項４に係る発明によれば、ＬＥＤ光を用いない場合と比較して、生体の酸素飽和度を精度良く測定することができる。

請求項５に係る発明によれば、赤外領域の波長及び赤色領域の波長を適用しない場合と比較して、生体の血流情報及び酸素飽和度を精度良く測定することができる。

請求項６に係る発明によれば、補正用信号を出力させる場合においても、第１発光素子を高い周波数で発光させることができる。

請求項７に係る発明によれば、第２発光素子を発光させ、かつ、補正用信号を出力させる場合においても、第１発光素子を高い周波数で発光させることができる。

請求項８に係る発明によれば、ＬＥＤ光を用いない場合と比較して、生体の脈波を精度良く測定することができる。

請求項９に係る発明によれば、赤外領域の波長及び緑色領域の波長を適用しない場合と比較して、生体の血流情報及び脈波を精度良く測定することができる。

請求項１０に係る発明によれば、単位時間当たりの発光期間の数が２^ｎ個ではない場合と比較して、生体の血流情報を効率的に測定することができる。

実施形態に係る血流情報及び血中の酸素飽和度の測定例を示す模式図である。 実施形態に係る生体からの反射光による受光量の変化の一例を示すグラフである。 実施形態に係る血管にレーザ光を照射した場合に生じるドップラーシフトの説明に供する模式図である。 実施形態に係る血管にレーザ光を照射した場合に生じるスペックルの説明に供する模式図である。 実施形態に係る単位時間における周波数毎のスペクトル分布の一例を示すグラフである。 実施形態に係る単位時間当たりの血流量の変化の一例を示すグラフである。 実施形態に係る生体に吸収される光の吸光量の変化の一例を示すグラフである。 実施形態に係るヘモグロビンによる吸光度特性の一例を示すグラフである。 実施形態に係るＬＦＣＴの測定原理の説明に供する模式図である。 実施形態に係るＬＦＣＴの測定方法の一例を説明するためのグラフである。 第１の実施形態に係る生体情報測定装置の電気的な構成の一例を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る発光素子の配置の一例を示す図である。 実施形態に係る受光素子におけるデータのサンプリングタイミングの一例を示すグラフである。 発光素子の発光パターン及び補正用信号の出力パターンの比較例を示す図である。 発光素子の発光パターンの別の比較例を示す図である。 発光素子の発光パターン及び補正用信号の出力パターンの別の比較例を示す図である。 第１の実施形態に係る発光素子の発光パターン及び補正用信号の出力パターンの一例を示す図である。 第１の実施形態に係る発光素子の発光パターン及び補正用信号の出力パターンの別の例を示す図である。 第２の実施形態に係る生体情報測定装置の電気的な構成の一例を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る発光素子の発光パターン及び補正用信号の出力パターンの一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。

［第１の実施形態］
まず、図１を参照して、生体情報のうち、特に血液に関する生体情報の一例である血流情報及び血中の酸素飽和度の測定方法について説明する。

図１は、本実施形態に係る血流情報及び血中の酸素飽和度の測定例を示す模式図である。
図１に示すように、血流情報及び血中の酸素飽和度とは、被験者の体（生体８）に向けて発光素子１から光を照射し、受光素子３で受光した、生体８の体内に張り巡らされている動脈４、静脈５、及び毛細血管６等の反射又は透過した光の強さ、すなわち、反射光又は透過光の受光量を用いて測定される。

（血流情報の測定）
図２は、本実施形態に係る生体８からの反射光による受光量の変化の一例を示すグラフである。
なお、図２において、グラフ８０の横軸は時間の経過を表し、縦軸は受光素子３の受光量を表す。

図２に示すように、受光素子３の受光量は時間の経過に伴って変化するが、これは血管を含む生体８への光の照射に対して現われる３つの光学現象の影響を受けるためであると考えられる。

１つ目の光学現象として、脈動によって、測定している血管内に存在する血液量が変化することによる光の吸収の変化が考えられる。血液には、例えば赤血球等の血球細胞が含まれ、毛細血管６等の血管内を移動するため、血液量が変化することによって血管内を移動する血球細胞の数も変化し、受光素子３での受光量に影響を与えることがある。

２つ目の光学現象として、ドップラーシフトによる影響が考えられる。

図３は、本実施形態に係る血管にレーザ光を照射した場合に生じるドップラーシフトの説明に供する模式図である。

図３に示すように、例えばレーザ光のような周波数ω₀のコヒーレント光４０を発光素子１から血管の一例である毛細血管６を含む領域に照射した場合、毛細血管６を移動する血球細胞で散乱した散乱光４２は、血球細胞の移動速度により決まる差周波Δω₀を有するドップラーシフトを生じることになる。一方、血球細胞等の移動体を含まない皮膚等の組織（静止組織）で散乱した散乱光４２の周波数は、照射したレーザ光の周波数と同じ周波数ω₀を維持する。したがって、毛細血管６等の血管で散乱したレーザ光の周波数ω₀＋Δω₀と、静止組織で散乱したレーザ光の周波数ω₀とが互いに干渉し、差周波Δω₀を有するビート信号が受光素子３で観測され、受光素子３の受光量が時間の経過に伴って変化する。なお、受光素子３で観測されるビート信号の差周波Δω₀は血球細胞の移動速度に依存するが、約数十ｋＨｚを上限とした範囲に含まれる。

また、３つ目の光学現象として、スペックルによる影響が考えられる。

図４は、本実施形態に係る血管にレーザ光を照射した場合に生じるスペックルの説明に供する模式図である。

図４に示すように、レーザ光のようなコヒーレント光４０を、発光素子１から血管中を矢印４４の方向に移動する赤血球等の血球細胞７に照射した場合、血球細胞７にぶつかったレーザ光は様々な方向に散乱する。散乱光は位相が異なるためにランダムに干渉し合う。これによりランダムな斑点模様の光強度分布を生じる。このようにして形成される光強度の分布パターンは「スペックルパターン」と呼ばれる。

既に説明したように、血球細胞７は血管中を移動するため、血球細胞７における光の散乱状態が変化し、スペックルパターンが時間の経過と共に変動する。したがって、受光素子３の受光量が時間の経過に伴って変化する。

次に、血流情報の求め方の一例について説明する。図２に示す時間経過に伴う受光素子３の受光量が得られた場合、予め定めた単位時間Ｔ₀の範囲に含まれるデータを切り出し、当該データに対して、例えば高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform: FFT）を実行することで、周波数ω毎のスペクトル分布が得られる。

図５は、本実施形態に係る単位時間Ｔ₀における周波数ω毎のスペクトル分布の一例を示すグラフである。
なお、図５において、グラフ８２の横軸は周波数ωを表し、縦軸はスペクトル強度を表す。

ここで、血液量はグラフ８２の横軸と縦軸とで囲まれた斜線領域８４で表されるパワースペクトルの面積を全光量で規格化した値に比例する。また、血流速度はグラフ８２で表されるパワースペクトルの周波数平均値に比例するため、周波数ωと周波数ωにおけるパワースペクトルの積を周波数ωについて積分した値を斜線領域８４の面積で除算した値に比例する。

なお、血流量は血液量と血流速度の積で表わされるため、上記血液量と血流速度の算出式より求めることが可能である。血流量、血流速度、血液量は血流情報の一例であり、血流情報はこれに限定されない。

図６は、本実施形態に係る単位時間Ｔ₀当たりの血流量の変化の一例を示すグラフである。
なお、図６において、グラフ８６の横軸は時間を表し、縦軸は血流量を表す。

図６に示すように、血流量は時間と共に変動するが、その変動の傾向は２つの種類に分類される。例えば図６の区間Ｔ_１における血流量の変動幅８８に比べて、区間Ｔ_２における血流量の変動幅９０は大きい。これは、区間Ｔ_１における血流量の変化が、主に脈の動きに伴う血流量の変化であるのに対して、区間Ｔ_２における血流量の変化は、例えばうっ血等の原因に伴う血流量の変化を示しているためであると考えられる。

（酸素飽和度の測定）
次に、血中の酸素飽和度の測定について説明する。血中の酸素飽和度とは、血中酸素濃度の一例であり、血液中のヘモグロビンがどの程度酸素と結合しているかを示す指標であり、血中の酸素飽和度が低下するにつれ、貧血等の症状が発生しやすくなる。

図７は、本実施形態に係る生体８に吸収される光の吸光量の変化の一例を示すグラフである。
なお、図７において、グラフ９２の横軸は時間を表し、縦軸は吸光量を表す。

図７に示すように、生体８における吸光量は、時間の経過と共に変動する傾向が見られる。

更に、生体８における吸光の変動に関する内訳について見てみると、主に動脈４によって吸光量が変動し、静脈５及び静止組織を含むその他の組織では、動脈４に比べて吸光量が変動しないとみなせる程度の変動量であることが知られている。これは、心臓から拍出された動脈血は脈波を伴って血管内を移動するため、動脈４が動脈４の断面方向に沿って経時的に伸縮し、動脈４の厚みが変化するためである。なお、図７において、矢印９４で示される範囲が、動脈４の厚みの変化に対応した吸光量の変動量を示す。

図７において、時刻ｔ_aにおける受光量をＩ_a、時刻ｔ_bにおける受光量をＩ_bとすれば、動脈４の厚みの変化による光の吸光量の変化量ΔＡは、（１）式で表される。

（数１）
ΔＡ＝ｌｎ(Ｉ_b／Ｉ_a)・・・（１）

図８は、本実施形態に係るヘモグロビンによる吸光度特性の一例を示すグラフである。
なお、図８において、縦軸は吸光度を表し、横軸は波長を表す。

図８に示すように、動脈４を流れる酸素と結合したヘモグロビン（酸化ヘモグロビン）は、特に約８８０ｎｍ近辺の波長を有する赤外線（infrared: IR）領域の光を吸収しやすく、酸素と結合していないヘモグロビン（還元ヘモグロビン）は、特に約６６５ｎｍ近辺の波長を有する赤色領域の光を吸収しやすいことが知られている。更に、酸素飽和度は、異なる波長における吸光量の変化量ΔＡの比率と比例関係があることが知られている。

したがって、他の波長の組み合わせに比べて、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとで吸光量の差が現われやすい赤外光(ＩＲ光)と赤色光を用いて、ＩＲ光を生体８に照射した場合の吸光量の変化量ΔＡ_ＩＲと、赤色光を生体８に照射した場合の吸光量の変化量ΔＡ_Ｒｅｄとの比率をそれぞれ算出することで、（２）式によって酸素飽和度Ｓが算出される。なお、（２）式においてｋは比例定数である。

（数２）
Ｓ＝ｋ(ΔＡ_Ｒｅｄ／ΔＡ_ＩＲ)・・・（２）

すなわち、血中の酸素飽和度を算出する場合、それぞれ異なる波長の光を照射する複数の発光素子１、具体的には、例えば、ＩＲ光を照射する発光素子１と赤色光を照射する発光素子１とを発光期間が重複しないように発光させる。そして、各々の発光素子１による反射光又は透過光を受光素子３で受光して、各受光時点における受光量から（１）式及び（２）式、又は、これらの式を変形して得られる公知の式を算出することで、酸素飽和度が測定される。

上記（１）式を変形して得られる公知の式として、例えば（１）式を展開して、光の吸光量の変化量ΔＡを（３）式のように表してもよい。

（数３）
ΔＡ＝ｌｎＩ_b−ｌｎＩ_a・・・（３）

また、（１）式は（４）式のように変形することができる。

（数４）
ΔＡ＝ｌｎ(Ｉ_b／Ｉ_a)＝ｌｎ(１＋(Ｉ_b-Ｉ_a)／Ｉ_a) ・・・（４）

通常、（Ｉ_b-Ｉ_a）≪Ｉ_aであることから、ｌｎ(Ｉ_b／Ｉ_a)≒(Ｉ_b-Ｉ_a)／Ｉ_aが成り立つため、（１）式の代わりに、光の吸光量の変化量ΔＡとして（５）式を用いてもよい。

（数５）
ΔＡ≒(Ｉ_b-Ｉ_a)／Ｉ_a ・・・（５）

以下、本実施形態では、第１の波長のレーザ光を照射する発光素子１を「発光素子ＬＤ１」と称し、第２の波長のＬＥＤ（Light-Emitting Diode）光を照射する発光素子１を「発光素子ＬＤ２」と称し、第３の波長のＬＥＤ光を照射する発光素子１を「発光素子ＬＤ３」と称する。発光素子ＬＤ１は、第１発光素子の一例であり、発光素子ＬＤ２は、第２発光素子の一例であり、発光素子ＬＤ３は、第３発光素子の一例である。また、本実施形態において、第１の波長は、例えば、赤外領域の波長である。第２の波長は、第１の波長と同一であり、例えば、赤外領域の波長である。第３の波長は、第２の波長よりも短く、例えば、赤色領域の波長である。なお、本実施の形態における赤外領域の波長は、７５０ｎｍ以上でかつ１０００ｎｍ未満であり、赤色領域の波長は、６２０ｎｍ以上でかつ７５０ｎｍ未満である。

すなわち、本実施形態では、生体８の血流情報が、発光素子ＬＤ１のレーザ光を用いて測定され、生体８の酸素飽和度が、発光素子ＬＤ２及び発光素子ＬＤ３の各々のＬＥＤ光を用いて測定される場合について説明する。

次に、図９を参照して、心臓からの血液の拍出量と相関がある指標の一例であるＬＦＣＴ（Lung to Finger Circulation Time）を測定する原理について説明する。ここでいう拍出量には、心拍出量、１回拍出量、及び心係数等が含まれる。なお、心拍出量とは、心臓の単位時間（例えば１分）当たりの収縮によって動脈へ拍出される血液量と定義される。１回拍出量とは、心臓の１回の収縮によって動脈へ拍出される血液量と定義される。心係数とは、心拍出量を被験者の体表面積で除して得られる係数と定義される。また、ＬＦＣＴとは、呼吸で取り込まれた酸素が肺及び心臓を通り指先に到達するまでの時間と定義される。すなわち、ＬＦＣＴは、生体８に取り込まれた酸素が末梢部位に到達するまでの時間を表す酸素循環時間の一例である。ここでいう末梢部位の一例としては、手の指先や、足の指先、耳朶等が挙げられる。なお、末梢部位には、肘よりも先の部位や、膝よりも先の部位等も含まれる。

図９は、本実施形態に係るＬＦＣＴの測定原理の説明に供する模式図である。
図９に示すように、上記拍出量とＬＦＣＴとは相関がある。例えば、拍出量の一例である心拍出量ＣＯは、ＬＦＣＴを測定することで算出できる。

図１０は、本実施形態に係るＬＦＣＴの測定方法の一例を説明するためのグラフである。
なお、図１０において、縦軸は酸素飽和度の逆数を表し、横軸は時間を表す。

図１０に示すように、本実施形態に係るＬＦＣＴは、上述した血中の酸素飽和度から測定される。すなわち、ＬＦＣＴは、一定期間呼吸を停止した後に呼吸を再開した時点から、酸素飽和度が回復したことを示す変曲点までの時間を測定することで得られる。

次に、本実施形態に係る生体情報測定装置の構成について説明する。なお、本実施形態では、上述したように、発光素子ＬＤ１を用いて血流情報を測定し、発光素子ＬＤ２及び発光素子ＬＤ３を用いて酸素飽和度を測定する場合の装置構成が適用される。

図１１は、第１の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａの電気的な構成の一例を示すブロック図である。

図１１に示すように、本実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａは、制御部１２、駆動回路１４、増幅回路１６、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換回路１８、測定部２０、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３、及び受光素子３を備えている。なお、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３、受光素子３、及び増幅回路１６は、センサ部を構成している。また、制御部１２、駆動回路１４、増幅回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１８、及び測定部２０は、本体部を構成している。本実施形態では、これらのセンサ部と本体部とは別体で構成され、有線又は無線を介して通信可能とされている。なお、センサ部と本体部とが一体的に構成されていてもよい。また、センサ部は、外部光が入力しないように生体８に密着するように取り付けられる。本実施形態に係るセンサ部は、一例として、生体８の指先に取り付けられるが、耳朶等の他の末梢部位にも取り付け可能とされている。

制御部１２は、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の各々に駆動電力を供給する電力供給回路を含む駆動回路１４に、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の各々の発光周期及び発光期間を制御する制御信号を出力する。

駆動回路１４は、制御部１２からの制御信号を受け付けると、制御信号で指示された発光周期及び発光期間に従って、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の各々に駆動電力を供給し、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の各々を駆動する。

受光素子３は、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の各々から受光した波長の光に対応する受光信号を出力する。

増幅回路１６は、受光素子３で受光した光の強さに応じた電圧を、Ａ／Ｄ変換回路１８の入力電圧範囲として規定される電圧レベルまで増幅する。なお、ここでは一例として、受光素子３は受光した光の強さに応じた電圧を出力する素子とするが、受光素子３は受光した光の強さに応じた電流を出力してもよく、この場合、増幅回路１６は、Ａ／Ｄ変換回路１８の入力電流範囲として規定される電流レベルまで、受光素子３が出力する電流を増幅する。

Ａ／Ｄ変換回路１８は、増幅回路１６で増幅した電圧を入力として、当該電圧の大きさで表される受光素子３の受光量を数値化して出力する。

測定部２０は、Ａ／Ｄ変換回路１８で数値化された受光量を入力として、発光素子ＬＤ１によって照射された光の受光量に対してＦＦＴ処理を行って周波数ω毎のスペクトル分布を算出し、当該スペクトル分布及び周波数ωから血流情報を測定する。

また、測定部２０は、Ａ／Ｄ変換回路１８で数値化された受光量を入力として、発光素子ＬＤ２及び発光素子ＬＤ３の各々によって照射された光の受光量を、それぞれ時系列順に管理する。そして、測定部２０は、発光素子ＬＤ２の吸光量の変化量ΔＡ_ＩＲ、及び発光素子ＬＤ３の吸光量の変化量ΔＡ_Ｒｅｄを（１）式に従って算出し、吸光量の変化量ΔＡ_ＩＲに対する吸光量の変化量ΔＡ_Ｒｅｄの割合を（２）式に従って算出することで、酸素飽和度を測定する。

図１２は、第１の実施形態に係る発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の配置の一例を示す図である。
図１２に示すように、本実施形態に係る発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３は、同一の半導体基板２２の上に形成されている。これにより、装置の小型化が実現される。なお、本実施形態に係る発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３は、一例として面発光レーザ素子であるものとして説明するが、これに限らず、端面発光レーザ素子であってもよい。

なお、測定部２０において血流情報を測定する場合、既に説明したように、ビート信号による受光量のスペクトル分布を利用するため、発光素子ＬＤ１には他の光に比べてビート信号が発生し易いレーザ素子を用いることが好ましい。

一方、酸素飽和度の測定に必要な光は、吸光量の変化量ΔＡ_ＩＲ、ΔＡ_Ｒｅｄが算出されればよいため、レーザ光でなくてもよい。このため、本実施形態においては、発光素子ＬＤ２及び発光素子ＬＤ３には、ＬＥＤ光を出力する発光ダイオード又は有機発光ダイオードが用いられる。

図１３は、本実施形態に係る受光素子３におけるデータのサンプリングタイミングの一例を示すグラフである。
なお、図１３において、縦軸は受光素子３の出力電圧を表し、横軸は時間を表す。

図１３に示すように、受光素子３が発光素子ＬＤ２から受光した光に対応する出力電圧を、ＩＲ_１、ＩＲ_２、・・・、ＩＲ_ｎとした場合に、時系列データとしてＩＲ（ｔ）＝ＩＲ_１、ＩＲ_２、・・・、ＩＲ_ｎが得られる。同様に、受光素子３が発光素子ＬＤ３から受光した光に対応する出力電圧を、Ｒｅｄ_１、Ｒｅｄ_２、・・・、Ｒｅｄ_ｎとした場合に、時系列データとしてＲｅｄ（ｔ）＝Ｒｅｄ_１、Ｒｅｄ_２、・・・、Ｒｅｄ_ｎが得られる。また、図１３では図示を省略しているが、受光素子３が発光素子ＬＤ１から受光した光に対応する出力電圧を、ＢＦ_１、ＢＦ_２、・・・、ＢＦ_ｎとした場合に、時系列データとしてＢＦ（ｔ）＝ＢＦ_１、ＢＦ_２、・・・、ＢＦ_ｎが得られる。このとき、全ての発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３に対して、発光しない期間を設け、暗状態での出力Ｄａｒｋ_１、Ｄａｒｋ_２、・・・、Ｄａｒｋ_ｎを補正用信号（以下、補正用信号Ｄａｒｋという。）として得るようにしてもよい。この場合、補正用信号Ｄａｒｋを用いて、ＩＲ（ｔ）は、ＩＲ_１−Ｄａｒｋ_１、ＩＲ_２−Ｄａｒｋ_２、・・・、ＩＲ_ｎ−Ｄａｒｋ_ｎと補正される。同様に、Ｒｅｄ（ｔ）は、Ｒｅｄ_１−Ｄａｒｋ_１、Ｒｅｄ_２−Ｄａｒｋ_２、・・・、Ｒｅｄ_ｎ−Ｄａｒｋ_ｎと補正される。また、ＢＦ（ｔ）は、ＢＦ_１−Ｄａｒｋ_１、ＢＦ_２−Ｄａｒｋ_２、・・・、ＢＦ_ｎ−Ｄａｒｋ_ｎと補正される。この補正により、外光の影響等が補正される。これらのデータのサンプリングは、発光期間の終了近くで出力が安定している状態で行うことが望ましい。

ところで、本実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａは、複数種類の制御信号を連続して出力する場合と比較して、発光素子ＬＤ１を高い周波数で発光させる構成とされている。

本実施形態に係る制御部１２は、発光期間と非発光期間とを繰り返すよう発光素子ＬＤ１の発光を制御するための制御信号を出力すると共に、非発光期間において互いに異なる期間に出力される複数種類の制御信号が、互いに期間が連続せず、かつ、発光期間を間に挟んで出力されるよう複数種類の制御信号の出力期間を制御する。なお、本実施の形態における「非発光期間」とは、実質的に非発光状態である期間も含まれる。例えば、測定に影響を及ぼさない程度に微小に発光している期間も含まれる。

上記複数種類の制御信号には、発光素子ＬＤ２の発光を制御するための制御信号と、発光素子ＬＤ３の発光を制御するための制御信号と、補正用信号Ｄａｒｋの出力期間を制御するための制御信号と、が含まれる。

まず、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の発光パターン及び補正用信号Ｄａｒｋの出力パターンの比較例について説明する。

図１４は、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の発光パターン及び補正用信号Ｄａｒｋの出力パターンの比較例を示す図である。
図１４に示すパターンでは、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３を順次発光させ、発光素子ＬＤ３の発光の後に補正用信号Ｄａｒｋを出力させる。なお、図１４に示すパターンでは、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の１回当たりの発光期間は例えば同一であり、補正用信号Ｄａｒｋの１回当たりの出力期間は発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の各々の１回当たりの発光期間と例えば同一である。

図１５は、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の発光パターンの別の比較例を示す図である。
図１５に示すパターンでは、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３を順次発光させるが、補正用信号Ｄａｒｋは出力させない。この場合、図１４に示すパターンと比較して、発光素子ＬＤ１を高い周波数で発光させることができる一方で、補正用信号Ｄａｒｋを用いないため、測定精度は低下する。

ここで、血流情報の測定では、受光素子３で観測されるビート信号の差周波Δω₀は約数十ｋＨｚの範囲に含まれることから、少なくとも差周波Δω₀の２倍以上の発光タイミングの周波数で発光素子ＬＤ１を発光させる必要がある。一方、血中の酸素飽和度を測定する場合、受光量の測定周波数は約３０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度で十分であることが知られているため、発光素子ＬＤ２及び発光素子ＬＤ３の各々の発光タイミングの周波数は約３０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度で十分である。すなわち、発光素子ＬＤ１の発光タイミングの周波数に合わせて発光素子ＬＤ２及び発光素子ＬＤ３の各々を発光させる必要はなく、発光素子ＬＤ２及び発光素子ＬＤ３の各々の発光タイミングの周波数を、発光素子ＬＤ１の発光タイミングの周波数より低くしてもよい。

図１６は、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の発光パターン及び補正用信号Ｄａｒｋの出力パターンの別の比較例を示す図である。
図１６に示すパターンでは、発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３を順次発光させ、発光素子ＬＤ３の発光の後に補正用信号Ｄａｒｋを連続して出力させた後に、発光素子ＬＤ１を発光させる。つまり、発光素子ＬＤ１の発光と補正用信号Ｄａｒｋの出力とが交互になる。この場合、図１４に示すパターンと比較して、発光素子ＬＤ１を高い周波数で発光させつつ、補正用信号Ｄａｒｋを用いているため、測定精度が低下することもない。

しかしながら、上述の各比較例では、少なくとも発光素子ＬＤ２の制御信号及び発光素子ＬＤ３の制御信号が連続して出力される。このため、発光素子ＬＤ１の発光タイミングの周波数を、図１５及び図１６に示す発光素子ＬＤ１の発光タイミングの周波数よりも高くすることは難しい。

これに対して、本実施形態によれば、一例として図１７に示すパターンを適用することにより、発光素子ＬＤ１の発光タイミングの周波数を、図１５及び図１６に示す発光素子ＬＤ１の発光タイミングの周波数よりも高くすることができる。

図１７は、第１の実施形態に係る発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の発光パターン及び補正用信号Ｄａｒｋの出力パターンの一例を示す図である。
図１７に示すように、発光素子ＬＤ２、発光素子ＬＤ３、及び補正用信号Ｄａｒｋは、発光素子ＬＤ１の非発光期間において互いに異なる期間に出力され、かつ、互いに期間が連続せず、かつ、発光素子ＬＤ１の発光期間を挟んで出力されるように制御される。

図１７に示すパターンでは、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ３、及び発光素子ＬＤ１の順番で発光させ、発光素子ＬＤ１の発光の後に補正用信号Ｄａｒｋを出力させる。そして、補正用信号Ｄａｒｋの出力の後に発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２の順番で発光させる。本実施形態の場合、図１５及び図１６に示す各パターンと比較して、発光素子ＬＤ１をより高い周波数で発光させつつ、補正用信号Ｄａｒｋを用いることで、測定精度が低下することもない。

なお、上述したように、発光素子ＬＤ１を用いて血流情報を測定する場合に、ＦＦＴ処理が行われる。このＦＦＴ処理では、処理の効率化の観点から、予め定められた単位時間（サンプリング期間）毎に、受光素子３で得られた受光量データの数を２^ｎ（ｎは１以上の整数）個を単位としてバッチ処理することが好ましい。従って、図１７に示すように、サンプリング期間当たりの発光素子ＬＤ１の発光期間の数が２^ｎ（ここではｎ＝２）個になるように、発光素子ＬＤ１の制御信号を出力する。これにより、受光量データが２^ｎ個ずつバッチ処理される。

図１８は、第１の実施形態に係る発光素子ＬＤ１〜ＬＤ３の発光パターン及び補正用信号Ｄａｒｋの出力パターンの別の例を示す図である。
図１８に示すように、発光素子ＬＤ２、発光素子ＬＤ３、及び補正用信号Ｄａｒｋは、図１７に示すパターンと同様に、発光素子ＬＤ１の非発光期間において互いに異なる期間に出力され、かつ、互いに期間が連続せず、かつ、発光素子ＬＤ１の発光期間を挟んで出力されるように制御される。

図１８に示すパターンでは、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び発光素子ＬＤ１の順番で発光させ、発光素子ＬＤ１の発光の後に補正用信号Ｄａｒｋを出力させる。そして、補正用信号Ｄａｒｋの出力の後に発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ３、及び発光素子ＬＤ１の順番で発光させ、発光素子ＬＤ１の発光の後に補正用信号Ｄａｒｋを出力させる。この場合も、図１５及び図１６に示す各パターンと比較して、発光素子ＬＤ１をより高い周波数で発光させつつ、補正用信号Ｄａｒｋを用いることで、測定精度が低下することもない。

なお、図１７及び図１８に示す各パターンは、一例であり、これら以外のパターンであってもよい。また、上記では、補正用信号Ｄａｒｋを含む場合について説明したが、補正用信号Ｄａｒｋを含まない構成としてもよい。この場合、補正用信号Ｄａｒｋを用いる場合と比較して、測定精度は低下するものの、発光素子ＬＤ１の発光タイミングの周波数を高くすることができる。

［第２の実施形態］
上記第１の実施形態では、発光素子ＬＤ１を用いて血流情報を測定し、発光素子ＬＤ２及び発光素子ＬＤ３を用いて酸素飽和度を測定する場合について説明した。本実施形態では、発光素子ＬＤ１を用いて血流情報を測定すると共に、酸素飽和度に代えて、発光素子ＬＤ２を用いて脈波を測定する場合について説明する。

図１９は、第２の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ｂの電気的な構成の一例を示すブロック図である。

図１９に示すように、本実施形態に係る生体情報測定装置１０Ｂは、制御部１２、駆動回路１４、増幅回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１８、測定部２０、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３を備えている。なお、第１の実施形態に係る生体情報測定装置１０Ａと同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、ここでの繰り返しの説明は省略する。

本実施形態に係る発光素子ＬＤ２は、第１の波長（赤外領域の波長）よりも短い第２の波長のＬＥＤ光を照射する。本実施形態に係る第２の波長には、一例として、緑色領域の波長が適用される。なお、脈波を測定する場合、ＩＲ光や赤色光よりも感度の良い緑色光を用いることが一般的であるが、ＩＲ光又は赤色光を用いてもよい。なお、本実施の形態における緑色領域の波長は、５００ｎｍ以上でかつ５６０ｎｍ未満である。

本実施形態に係る受光素子３は、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の各々から生体８に照射され生体８を透過又は反射した光を受光する。なお、発光素子ＬＤ１から照射される光は、第１の実施形態と同様に、赤外領域の波長のレーザ光である。

なお、脈波は、以下のようにして測定される。例えば、動脈の脈動に応じて受光素子３で受光される受光量が変化するため、発光素子ＬＤ２の発光により受光素子３で受光された受光量の変化から、脈波形や脈拍数を測定する。また、脈波形からは、例えば、波形を２回微分することで、脈波を求めることもできる。脈波は、血管年齢の推定又は動脈硬化の診断等に用いられる。

本実施形態では、生体８の血流情報が、発光素子ＬＤ１のレーザ光を用いて測定され、生体８の脈波が、発光素子ＬＤ２のＬＥＤ光を用いて測定される。

本実施形態に係る複数種類の制御信号には、発光素子ＬＤ２の発光を制御するための制御信号と、補正用信号Ｄａｒｋの出力期間を制御するための制御信号と、が含まれる。

本実施形態において血流情報及び脈波を測定する場合には、例えば、図２０に示すようなパターンが適用される。

図２０は、第２の実施形態に係る発光素子ＬＤ１、ＬＤ２の発光パターン及び補正用信号Ｄａｒｋの出力パターンの一例を示す図である。
図２０に示すように、発光素子ＬＤ２及び補正用信号Ｄａｒｋは、発光素子ＬＤ１の非発光期間において互いに異なる期間に出力され、かつ、互いに期間が連続せず、かつ、発光素子ＬＤ１の発光期間を挟んで出力されるように制御される。

図２０に示すパターンでは、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び発光素子ＬＤ１の順番で発光させ、発光素子ＬＤ１の発光の後に補正用信号Ｄａｒｋを出力させる。そして、補正用信号Ｄａｒｋの出力の後に発光素子ＬＤ１を発光させる。この場合も、図１７及び図１８に示す各パターンと同様に、発光素子ＬＤ１をより高い周波数で発光させつつ、補正用信号Ｄａｒｋを用いることで、測定精度が低下することもない。

以上のように、実施形態では、生体情報測定装置が生体情報として血流情報、酸素飽和度、及び脈波を測定する場合について説明したが、生体情報測定装置を、血液成分（血糖値等）、血圧等の測定に適用してもよい。また、実施形態における補正用信号Ｄａｒｋは補正用信号の一例であり、補正用信号Ｄａｒｋ以外の補正用信号であってもよい。

以上、実施の形態を用いて本発明について説明したが、本発明は実施の形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で実施の形態に多様な変更又は改良を加えることができ、当該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。例えば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で処理の順序を変更してもよい。

１ 発光素子
３ 受光素子
４ 動脈
５ 静脈
６ 毛細血管
７ 血球細胞
８ 生体
１０Ａ、１０Ｂ生体情報測定装置
１２ 制御部
１４ 駆動回路
１６ 増幅回路
１８ Ａ／Ｄ変換回路
２０ 測定部
２２ 半導体基板
４０ コヒーレント光
４２ 散乱光
４４ 矢印

Claims (10)

1. 第１の波長の光を照射する第１発光素子と、
   発光期間と非発光期間とを繰り返すよう前記第１発光素子の発光を制御するための制御信号を出力すると共に、前記非発光期間において互いに異なる期間に出力される複数種類の制御信号が、互いの期間が連続せず、かつ、前記発光期間を間に挟んで出力されるよう前記複数種類の制御信号の出力期間を制御する制御部と、
   前記第１発光素子から生体に照射され前記生体を透過又は反射した光と、前記複数種類の制御信号とを用いて前記生体の生体情報を測定する測定部と、
   を備えた生体情報測定装置。
2. 前記第１発光素子が照射する光は、レーザ光であり、
   前記生体の生体情報は、前記第１発光素子のレーザ光を用いて測定される前記生体の血流情報である請求項１に記載の生体情報測定装置。
3. 前記第１の波長と同一の第２の波長の光を照射する第２発光素子と、
   前記第２の波長よりも短い第３の波長の光を照射する第３発光素子と、
   を更に備え、
   前記複数種類の制御信号は、
   前記第２発光素子の発光を制御するための制御信号と、
   前記第３発光素子の発光を制御するための制御信号と、
   を含む請求項１又は２に記載の生体情報測定装置。
4. 前記第２発光素子及び前記第３発光素子の各々が照射する光は、ＬＥＤ光であり、
   前記生体の生体情報は、前記第２発光素子及び前記第３発光素子の各々のＬＥＤ光を用いて測定される前記生体の酸素飽和度である請求項３に記載の生体情報測定装置。
5. 前記第１の波長及び前記第２の波長の各々は、赤外領域の波長であり、
   前記第３の波長は、赤色領域の波長である請求項３又は４に記載の生体情報測定装置。
6. 前記第１発光素子、前記第２発光素子、及び前記第３発光素子の各々から前記生体に照射され前記生体を透過又は反射した光を受光する受光素子を更に備え、
   前記複数種類の制御信号は、前記第１発光素子、前記第２発光素子、及び前記第３発光素子の各々を非発光状態にした場合に前記受光素子から出力される信号である補正用信号の出力期間を制御するための制御信号を更に含む請求項３〜５のいずれか１項に記載の生体情報測定装置。
7. 前記第１の波長よりも短い第２の波長の光を照射する第２発光素子と、
   前記第１発光素子及び前記第２発光素子の各々から前記生体に照射され前記生体を透過又は反射した光を受光する受光素子と、
   を更に備え、
   前記複数種類の制御信号は、
   前記第２発光素子の発光を制御するための制御信号と、
   前記第１発光素子及び前記第２発光素子の各々を非発光状態にした場合に前記受光素子から出力される信号である補正用信号の出力期間を制御するための制御信号と、
   を含む請求項１又は２に記載の生体情報測定装置。
8. 前記第２発光素子が照射する光は、ＬＥＤ光であり、
   前記生体の生体情報は、前記第２発光素子のＬＥＤ光を用いて測定される前記生体の脈波である請求項７に記載の生体情報測定装置。
9. 前記第１の波長は、赤外領域の波長であり、
   前記第２の波長は、緑色領域の波長である請求項７又は８に記載の生体情報測定装置。
10. 前記制御部は、予め定められた単位時間当たりの前記発光期間の数が２^ｎ個（ｎは１以上の整数）になるように、前記第１発光素子の制御信号を出力する請求項１〜９のいずれか１項に記載の生体情報測定装置。