JP2021100457A

JP2021100457A - 脈拍センサ

Info

Publication number: JP2021100457A
Application number: JP2019232467A
Authority: JP
Inventors: 真一郎坂田; Shinichiro Sakata
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: JP7379144B2

Abstract

【課題】ユーザの体の所定の部位への装着が不充分であることを高精度で判定することができる脈拍センサを提供する。【解決手段】実施形態の脈拍センサは、ユーザの体の所定の部位に装着される装着機構と、前記部位に向けて光を放射する発光部と、前記放射された光の反射光を検出し、脈波信号を出力する受光部と、前記脈波信号をＡＣ成分とＤＣ成分に分離し、前記ＡＣ成分の周期ごとの最大値である最大ＡＣ成分を検出し、前記ＡＣ成分における前記最大ＡＣ成分と１つ前の最大ＡＣ成分の間において増加率の最大値をとる点である増加率最大ＡＣ成分を検出し、前記増加率最大ＡＣ成分を用いて第１の指標値を算出し、前記第１の指標値が第１の閾値範囲に含まれるか否かを判定する第１の判定を行う制御部と、前記制御部による前記第１の判定の結果が否の場合に、装着不充分であることを示す情報を出力する出力部と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、脈拍センサに関する。
に関する。

従来から、例えば、ユーザの体の所定の部位（例えば手首）に装着機構（例えばバンド）で装着して脈拍を計測する脈拍センサがある。このような脈拍センサでは、例えば、発光部から手首に向けて放射した光の反射光を受光部で検出して脈波信号を取得し、その脈波信号を用いて脈拍を計測する。

上述のような脈拍センサでは、例えば手首に装着したバンドが緩い等、装着不充分であると、受光部が正規の反射光以外の外乱光を受光すること等により、脈拍の計測結果が不正確となってしまう場合がある。

そこで、例えば、発光部がオフのときとオンのときのそれぞれに受光部で得られる脈波信号を比較することで、装着不充分を検知する手法がある。

特開２０１８−１３９７６１号公報特許第６４０７９７９号公報

しかしながら、脈拍センサを装着した部位の構造（脂肪の付き具合や血管の位置等）や肌の色や毛深さ等によって脈波信号は異なるので、上述の手法では精度的に改善の余地がある。

そこで、本発明の実施形態の課題は、ユーザの体の所定の部位への装着が不充分であることを高精度で判定することができる脈拍センサを提供することである。

実施形態の脈拍センサは、ユーザの体の所定の部位に装着される装着機構と、前記部位に向けて光を放射する発光部と、前記放射された光の反射光を検出し、脈波信号を出力する受光部と、前記脈波信号をＡＣ成分とＤＣ成分に分離し、前記ＡＣ成分の周期ごとの最大値である最大ＡＣ成分を検出し、前記ＡＣ成分における前記最大ＡＣ成分と１つ前の最大ＡＣ成分の間において増加率の最大値をとる点である増加率最大ＡＣ成分を検出し、前記増加率最大ＡＣ成分を用いて第１の指標値を算出し、前記第１の指標値が第１の閾値範囲に含まれるか否かを判定する第１の判定を行う制御部と、前記制御部による前記第１の判定の結果が否の場合に、装着不充分であることを示す情報を出力する出力部と、を備える。

図１は、実施形態の脈拍センサの外観を模式的に示す構成図である。図２は、実施形態の脈拍センサの機能構成を示すブロック図である。図３は、実施形態の脈拍センサによる発光と受光の様子を模式的に示す図である。図４は、実施形態において得られる脈波信号を模式的に示すグラフである。図５は、実施形態において用いる各値を説明するためのグラフである。図６は、実施形態の脈拍センサにおける処理の概要を示すフローチャートである。

以下、添付の図面を用いて、実施形態の脈拍センサについて説明する。図１は、実施形態の脈拍センサ１の外観を模式的に示す構成図である。図２は、実施形態の脈拍センサ１の機能構成を示すブロック図である。

図１に示すように、脈拍センサ１は、ユーザの体の所定の部位（例えば手首）に装着される装着機構であるバンド２と、収容部３と、を有する。収容部３には、制御部４と、記憶部５と、発光部６と、受光部７と、報知部８と、が収容されている（図２）。

記憶部５は、制御部４が動作するための各種プログラムや、所定の閾値範囲等の各種データや、制御部４による各種計算結果等を記憶する。

発光部６は、脈拍センサ１が装着されたユーザの手首に向けて光を放射する。発光部６は、例えば、緑色の光を発光するＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。

受光部７は、発光部６によって放射された光の反射光を検出し、脈波信号を出力する。受光部７は、例えば、発光部６によって放射された光の反射光を受光して反射光の光量に対応する脈波信号を出力するフォトダイオードである。なお、受光部７が出力する脈波信号に対して増幅処理やＢＰＦ（Band Pass Filter）処理等を行う回路等を設けてもよい。

ここで、図３は、実施形態の脈拍センサ１による発光と受光の様子を模式的に示す図である。図３に示すように、発光部６から放射された光は、脈拍センサ１が装着されたユーザの手首Ｈの皮膚Ｓや血管Ｂで反射する。受光部７は、その反射光を検出し、脈波信号を出力する。

ここで、図４は、実施形態において得られる脈波信号を模式的に示すグラフである。図４のグラフにおいて、縦軸は信号の強度で、横軸は時間である。ユーザの手首の血管の容積が脈動で周期的に変化することで光の吸収率や反射率が変わるため、図４に示すように、脈波信号は周期的に増減を繰り返す。ただし、この脈波信号には、外乱光等のノイズが重畳されている場合がある。例えば、脈拍センサ１の装着が不充分で腕を激しく振った場合や、脈拍センサ１の装着が不充分で脈拍センサ１と皮膚との間に大きな隙間ができている場合は、そうでない場合に比べて脈波信号の形が変わる。

図１、図２に戻って、制御部４は、受光部７から脈波信号を取得する。サンプリング周期は、例えば、４ｍｓ（ミリ秒）である。以下、図５も参照して説明する。図５は、実施形態において用いる各値を説明するためのグラフである。

制御部４は、図４に示す脈波信号を、図５に示すようなＡＣ成分とＤＣ成分に分離する。具体的には、例えば、制御部４は、一定時間（例えば１分）の脈波信号について、平均したものをＤＣ成分とし、脈波信号からＤＣ成分を減算したものをＡＣ成分とする。

また、制御部４は、ＡＣ成分の周期ごとの最大値である最大ＡＣ成分を検出する。例えば、点Ｐ２に対応する最大ＡＣ成分ＭＡＣは、点Ｐ２のＡＣ成分からＤＣ成分を減算した値である。最大ＡＣ成分を検出するためには、具体的には、例えば、ＡＣ成分を取得するたびに今回値と前回値を比較し、大きいほうだけ残す、という処理を周期内で繰り返せばよい。

また、制御部４は、ＡＣ成分における最大ＡＣ成分と１つ前の最大ＡＣ成分の間において増加率の最大値をとる点である増加率最大ＡＣ成分を検出する。例えば、点Ｐ１に対応する増加率最大ＡＣ成分ＡＤは、点Ｐ１のＡＣ成分からＤＣ成分を減算した値である。増加率最大ＡＣ成分を検出するためには、具体的には、例えば、ＡＣ成分を取得するたびに今回値と前回値の差を算出し、その差の今回値と前回値を比較し、大きいほうだけ残す、という処理を周期内で繰り返せばよい。また、その場合、その差の値だけでなく、そのときのＡＣ成分も残しておく必要がある。

また、制御部４は、増加率最大ＡＣ成分を用いて第１の指標値を算出する。例えば、制御部４は、第１の指標値として、最大ＡＣ成分を増加率最大ＡＣ成分で除算した値（ＭＡＣ／ＡＤ）を算出する。

また、制御部４は、第１の指標値が第１の閾値範囲（第１の下限値以上、第１の上限値以下）に含まれるか否かを判定する第１の判定を行う。また、制御部４は、第２の指標値として、最大ＡＣ成分をＤＣ成分で除算した値（ＭＡＣ／ＤＤ）を算出する。また、制御部４は、第２の指標値が第２の閾値範囲（第２の下限値以上、第２の上限値以下）に含まれるか否かを判定する第２の判定を行う。

また、制御部４は、最大ＡＣ成分（ＭＡＣ）が第３の閾値範囲（第３の下限値以上、第３の上限値以下）に含まれるか否かを判定する第３の判定を行う。また、制御部４は、ＤＣ成分が第４の閾値範囲（第４の下限値以上、第４の上限値以下）に含まれるか否かを判定する第４の判定を行う。

なお、第１の閾値範囲、第２の閾値範囲、第３の閾値範囲、第４の閾値範囲については、実験により、複数のユーザについて、脈拍センサ１の装着が充分な場合と不充分な場合のデータを蓄積し、分析することで、予め決定しておくことができる。つまり、ユーザが脈拍センサ１を手首に充分に装着していればそのユーザの装着した手首の構造（脂肪の付き具合や血管の位置等）や肌の色や毛深さ等の個人差に関係なく上述の４つの判定の結果が否とはならないようにするとともに、装着不充分であれば少なくとも１つ以上の判定の結果が否になるように、４つの閾値範囲を決定することができる。

また、制御部４は、脈波信号を用いて、ＦＦＴ(Fast Fourier Transform)等による処理を行うことで、脈拍を算出する。

また、制御部４は、第１の判定、第２の判定、第３の判定、第４の判定のうちの１つ以上の判定の結果が否かどうかを判定する。つまり、１つでも否の判定結果があれば、脈波信号に外乱光等によるノイズが大きく重畳されている可能性が高く、つまり、装着不充分である可能性が高い。

また、当該判定の精度をさらに上げるために、制御部４は、その判定の結果の否がＮ（Ｎ：２以上）回以上連続したときに、装着不充分であると判定するようにしてもよい。もし、ユーザの脈拍センサ１の装着が不充分な場合、その判定の結果の否が何度も連続すると考えられるからである。ただし、これは必須ではない。

また、鋭意検討した結果、上述の４つの判定のうち、手首への脈拍センサ１の装着が不充分であることを判定するにあたって、特に第１の判定が、脈拍センサ１を装着した手首の構造（脂肪の付き具合や血管の位置等）や肌の色や毛深さ等による影響を受けにくいことがわかっている。したがって、第１の判定だけでも装着不充分に関して高精度の判定を行うことができる。そして、残りの３つの判定も追加することで、さらに判定の精度を上げることができる。

報知部８は、制御部４からの指示により、装着不充分であることをユーザに報知する。報知の方法は、例えば、音声や表示や振動やそれらの組合せである。例えば、音声や振動により報知すれば、ユーザは表示を見なくてもその報知を認識することができ、より便利である。報知部８は、装着不充分であることを示す情報を出力する出力部の一例である。

次に、図６を参照して、実施形態の脈拍センサ１における処理の概要について説明する。図６は、実施形態の脈拍センサ１における処理の概要を示すフローチャートである。この処理は、例えば、一定時間（例えば１分）ごとに行う。

まず、ステップＳ１において、制御部４は、受光部７から脈波信号を取得する。ここでは、一定時間（例えば１分）分の脈波信号を取得したものとする。

次に、ステップＳ２において、制御部４は、脈波信号（図４）をＡＣ成分とＤＣ成分に分離する（図５）。

次に、ステップＳ３において、制御部４は、ＡＣ成分の周期ごとの最大値である最大ＡＣ成分（図５の最大ＡＣ成分ＭＡＣ）を検出する。

次に、ステップＳ４において、制御部４は、ＡＣ成分における最大ＡＣ成分と１つ前の最大ＡＣ成分の間において増加率の最大値をとる点である増加率最大ＡＣ成分（図５の増加率最大ＡＣ成分ＡＤ）を検出する。

次に、ステップＳ５において、制御部４は、第１の指標値として、最大ＡＣ成分ＭＡＣを増加率最大ＡＣ成分ＡＤで除算した値（ＭＡＣ／ＡＤ）を算出する。

次に、ステップＳ６において、制御部４は、第２の指標値として、最大ＡＣ成分ＭＡＣをＤＣ成分で除算した値（ＭＡＣ／ＤＣ）を算出する。

次に、ステップＳ７〜Ｓ１０において、制御部４は、上述の第１の判定、第２の判定、第３の判定、第４の判定を行う。

次に、ステップＳ１１において、制御部４は、ステップＳ７〜Ｓ１０で行った４つの判定のうち、１つ以上の判定の結果が否であるかどうかを判定し、Ｙｅｓの場合はステップＳ１２に進み、Ｎｏの場合は処理を終了する。

ステップＳ１２において、制御部４は、否（ステップＳ１１でＹｅｓ）がＮ回以上連続したかどうかを判定し、Ｙｅｓの場合はステップＳ１３に進み、Ｎｏの場合は処理を終了する。

ステップＳ１３において、報知部８は、装着不充分であることをユーザに報知する。

このようにして、本実施形態の脈拍センサ１によれば、増加率最大ＡＣ成分を用いて算出した第１の指標値が第１の閾値範囲に含まれるか否かを判定する第１の判定を行うことで、手首への脈拍センサ１の装着が不充分であることを高精度で判定することができる。つまり、第１の判定は、装着した手首の構造（脂肪の付き具合や血管の位置等）や肌の色や毛深さ等による影響を受けにくいことが実験によりわかっている。

また、第１の指標値として、具体的には、最大ＡＣ成分を増加率最大ＡＣ成分で除算した値（ＭＡＣ／ＡＤ）を用いることができる。

また、第１の判定〜第４の判定の４つの判定を行い、１つ以上の判定の結果が否の場合に、装着不充分と判定することで、さらに、当該判定の精度を向上させることができる。

そして、報知部８が装着不充分であることをユーザに報知した場合、ユーザは、脈拍センサ１の装着不充分を認識することができ、脈拍センサ１の装着状態を改善する。これにより、その後の脈拍センサ１による脈拍の計算精度が向上する。

例えば、脈波信号に１Ｈｚの外乱光による信号が大きく重畳されていると、ユーザの実際の脈拍に関係なく、脈拍数が６０回／分と算出されてしまう場合がある。本実施形態の脈拍センサ１によれば、そのような場合、装着不充分と判定し、ユーザに報知することで、早期に対応することができる。

一方、従来技術の脈拍センサでは、装着不充分により正しい脈拍データがとれていない場合でも、ユーザは気付かない場合がある。したがって、例えば、脈拍センサを装着した作業者が、一日の作業が終了した後にパソコンやスマートフォンに脈拍センサを接続して脈拍データを移した場合でも、その脈拍データを分析して確認するまで、データが正しく取れているかわからないという問題がある。

（変形例）
実施形態の脈拍センサ１は、以下のようにして実施することもできる。脈拍センサ１を装着するユーザの肌が白い場合は、皮膚表面での光の反射が大きいため、ＤＣ成分が大きくなる。また、脈拍センサ１を装着する手首の構造（脂肪の付き具合や血管の位置等）によって、最大ＡＣ成分、ＤＣ成分が異なる。そこで、例えば、最大ＡＣ成分とＤＣ成分が予め設定した範囲内に入るように発光部６の光量を調整することでＳＮ比を向上させることができる。そして、上述の４つの閾値範囲は、その光量の調整後に決定する。

このようにすることで、そのユーザの手首の構造（脂肪の付き具合や血管の位置等）や肌の色や毛深さ等の個人差をより吸収し、装着不充分の判定の精度をより向上させることができる。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

例えば、脈拍センサ１が装着される部位は手首に限定されず、前腕や上腕や指等、脈拍を計測することができる部位であれば手首以外でもよい。

１…脈拍センサ、２…バンド、３…収容部、４…制御部、５…記憶部、６…発光部、７…受光部、８…報知部。

Claims

ユーザの体の所定の部位に装着される装着機構と、
前記部位に向けて光を放射する発光部と、
前記放射された光の反射光を検出し、脈波信号を出力する受光部と、
前記脈波信号をＡＣ成分とＤＣ成分に分離し、前記ＡＣ成分の周期ごとの最大値である最大ＡＣ成分を検出し、前記ＡＣ成分における前記最大ＡＣ成分と１つ前の最大ＡＣ成分の間において増加率の最大値をとる点である増加率最大ＡＣ成分を検出し、前記増加率最大ＡＣ成分を用いて第１の指標値を算出し、前記第１の指標値が第１の閾値範囲に含まれるか否かを判定する第１の判定を行う制御部と、
前記制御部による前記第１の判定の結果が否の場合に、装着不充分であることを示す情報を出力する出力部と、
を備える脈拍センサ。
前記制御部は、前記第１の指標値として、前記最大ＡＣ成分を前記増加率最大ＡＣ成分で除算した値を算出する、請求項１に記載の脈拍センサ。
前記制御部は、
第２の指標値として、前記最大ＡＣ成分を前記ＤＣ成分で除算した値を算出し、前記第２の指標値が第２の閾値範囲に含まれるか否かを判定する第２の判定を行い、
前記最大ＡＣ成分が第３の閾値範囲に含まれるか否かを判定する第３の判定を行い、
前記ＤＣ成分が第４の閾値範囲に含まれるか否かを判定する第４の判定を行い、
前記出力部は、前記制御部による前記第１の判定、前記第２の判定、前記第３の判定、前記第４の判定のうちの１つ以上の判定の結果が否の場合に、装着不充分であることを示す情報を出力する、請求項２に記載の脈拍センサ。