JP4588686B2 - 挿耳型生体信号測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、挿耳型生体信号測定装置及び方法に関する。具体的に、一つの装置で便利に体温、呼吸、脈拍、酸素飽和度のような多数の生体信号を測定でき、耳穴に挿入することによって被測定者の動きによって現れる動雑音を最小化しうる構造を有する挿耳型生体信号測定装置及び方法に関する。

人体に異常が発生すれば、血圧増加、脈拍増加、体温上昇及び心電図の変化のような色々な変化が現れる。そのうち、体温上昇は、最も代表的な人体異常の徴候であるので、病院や一般医療機関では、患者の診断のために必須的に測定しなければならない項目のうち一つである。一般的な体温測定方法では、水銀体温計による方法があり、最近では、人体内部の体温を代表しつつも体外部温度に影響をあまり受けない挿耳型体温計が多く開発されて使用されている。このような挿耳型体温計は、体内温度と同じ鼓膜から放射される赤外線の量を検出してこれを体温に換算するものであって測定時間が短く、測定部位が耳穴であるので、他部位に比べて測定に便利である利点を有している。

また、脈拍は、指で触知できる動脈の律動的拡張運動であって、動脈の律動的拡張は、心臓の収縮と関連して発生するので、脈拍を通じて心臓の拍動回数（収縮回数）を推定できる。したがって、患者の身体に異常が発生すれば、安定した状態でも脈拍数やリズム、強度が変わるため、これを測定することによって健康状態を点検できる。

一方、酸素飽和度は、酸素が飽和した動脈血の量（ＳｐＯ_２）をいう。これは、肺機能の評価や家庭で酸素治療時に血液中の酸素濃度の評価、または、喘息及び肺気腫の評価のために測定される。呼吸は、人体から廃気、すなわち炭酸ガスを排出する機能と酸素を供給する役割とを行っている。人間の肺は、外部から入る空気を広い面積に込めていて、炭酸ガスは、排出し、酸素だけ吸収する。肺動脈は、気圧の差を利用して全身で運搬してきた炭酸ガスを肺胞を通じて呼気と共に排出する。一方、肺静脈の血は、吸入された空気から酸素を吸収して清潔な血になって心臓に入る。したがって、呼吸が不安定であれば、人体の酸素供給が基本的に遮断され、これは、各器官の機能低下をもたらす。特に、酸素飽和度は、各機関に供給される酸素量と直接的に関連し、新陳代謝にとても有用な情報を提供する。

図１は、前述したような生体情報のうち、体温を測定するための従来技術である特許文献１の放射形体温計の一例を示す図面である。図１に示された放射形体温計は、赤外線が通過するプローブ１１０、最小一人の鼓膜及び鼓膜の周辺領域のうち少なくとも１箇所から放射される赤外線を前記プローブ１１０を通じて受光する受光部１２０、受光部１２０の出力から温度を計算する信号処理手段１３０、及び温度を出力する表示部／音響部１４０を備えたハウジング１５０で構成される。
受光部１２０は、前記プローブ１１０を通過した赤外線を集光する集光素子と、前記集光素子で集光された赤外線を受けて鼓膜及び前記鼓膜の周辺領域のうち少なくとも１箇所から放射される赤外線を受光するように配置された赤外線受光素子を備える。

しかし、図１に示された従来の挿耳型体温計は、別途の体温計装置であるので、体温を測定するためには、常に体温計を携帯しなければならない面倒さがある。また、正確な体温測定のために外耳道と体温計のプローブ１１０のチップとが密着しなければならないので、他人によって測定される場合、着用感を本人が直接調節できなくなる。一方、本人が直接測定する場合に、着用感は、自ら調節できるが、測定が正確になされたか、あるいは、測定値がいくらであるかを確認するために、測定が終了した後に体温計を外耳道から分離して表示部を確認しなければならないので、自家診断用としては、適しない。したがって、このような放射形体温計は、現在他人や医療陣による測定に主に使われている。また、このような放射形体温計を現在開発している遠隔診療に活用するためには、別途の伝送装置を通じて測定結果値を伝送しなければならないので、機器間のインターフェース部分が必要になる。したがって、長時間あるいは頻繁に測定された結果をモニタリングするには困難が多い。

一方、図２は、従来技術である特許文献２に開示された生体信号測定機能を備えたモバイル機器の一例を示す図面である。図２に示された生体信号測定機能を備えたモバイル機器は、生体情報測定器の携帯の不便さを解決するためのものであって、ユーザの身体から検出された心拍数と体脂肪率とに基づいて心臓の機能を診断するか、または肥満度をチェックできる携帯通信端末機である。ここで、携帯通信端末機の本体の一側面には、ユーザの生体情報を測定するための電極２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが付着している。

図３は、図２に示された従来技術の生体情報測定機能を有するモバイル機器の構成を示すブロック図である。携帯通信端末機３００は、音声を通じて情報を交換する機能を行えるだけでなく、生体情報を測定するために大きく通信端末モジュール３２０と生体情報測定モジュール３１０とで構成される。通信端末モジュール３２０は、ユーザインターフェースであって送／受話部３２６を含み、文字情報を交換できるＬＣＤのような画面表示部３２１、キーパッドのような入力部３２２を含む。入力部３２２は、ユーザが携帯通信端末機を操作／制御することにも利用される。携帯通信端末機の情報交換は、無線通信部３２３を通じた無線データの送受信よりなりうる。メモリ部３２４は、携帯通信ユーザの情報を保存するか、または中央制御部３２５の制御動作に必要なデータを保存する。

一方、生体情報測定モジュール３１０は、体脂肪測定部３１１と心拍数測定部３１２とを含み、インターフェース３１３は、携帯通信端末機及び外部電子機器、例えば、着脱式生体情報測定モジュールとデータ交換を制御する。

図４は、図３の心拍数測定部３１２の構成を示す詳細ブロック図である。心拍数測定部３１２は、電圧生成部４０１、電極４０２、増幅器４０３、パルス整形器４０４、パルスカウンタ４０５及びインターフェース４０６で構成される。このような心拍数測定部３１２の動作を説明すれば、携帯通信端末機の本体に付着された電圧生成部４０１の電極４０２を被検体の身体の一部分、例えば、右手及び左手に密着させれば、被検体の心臓拍動による電圧変動を感知できる。この電圧変動は、増幅器４０３、例えば、差動増幅器によって増幅される。増幅された電圧変動信号は、パルス整形器４０４によってパルス信号に変換する。パルス信号は、パルスカウンタ４０５でカウントされて心臓拍動数が求められる。パルスカウンタ４０５の出力信号は、デジタル信号であってインターフェース４０６に入力される。中央制御部３２５は、計算された心拍数をディスプレイ３２１に表示し、無線通信部３２３を通じて伝送する。従来技術で使われた電極４０２は、体脂肪測定部３１１で使われる電圧測定電極のうち一部分を使用する。

しかし、生体情報測定携帯通信端末機は、生体情報測定のために電極を使用するので、電極を押す力によって発生しうる動雑音に影響を受け、皮膚と直接接触して測定するので、接触電極及び被検部の汚染の有無に敏感であり、特に電極が外部に露出される場合、損傷及び汚染されやすいので、携帯用通信端末機のような応用には、適さない。

また、酸素飽和度のような生体情報を得るためには、血中に含まれている成分を検出しなければならないので、酸化及び還元ヘモグロビンの濃度によって他の特性を有する入力信号を各々印加して、これによる差を使用して生体情報を得る方法が一般的であるが、従来の方法では、一つの電極で色々な種類の入力信号を印加できる構造ではないので、脈拍外のその他の項目測定のためには、不適合である。

韓国特許第０３５３３８０号公報 韓国特許公開第２００２−１１７３０号公報

本発明が解決しようとする技術的課題は、前記従来技術の問題を解決するために、体温測定のために携帯が簡便で自家診断が可能になるように着用感を自ら調節でき、他の伝送機器と接続せずにかつ測定された生体情報を伝送できて長時間のモニタリングが可能であり、２つ以上の相異なる波長を有する光を印加して現れる吸収度の変化を利用して酸素飽和度を測定すると同時に、脈拍及び呼吸情報に関する測定が可能な生体信号測定装置及び方法を提供することである。

前記課題を達成するための本発明の生体信号測定装置は、外面が耳穴の皮膚に密着されるように耳穴に挿し込まれ、外面を通じて耳穴の皮膚に相異なる波長を有する複数の光を照射し、耳穴の皮膚から反射された光を検出して生体情報が含まれているＰＰＧ（photo plethysmography）信号を出力するＰＰＧ測定モジュールを含む生体信号測定部と、ＰＰＧ測定モジュールで測定されたＰＰＧ信号を利用して所定の生体情報を生成するＰＰＧ信号処理部を含む制御部と、制御部で生成された生体情報をユーザに表示する出力部と、を含む。

一方、前記課題を達成するための本発明の他の生体信号測定装置は、外面が耳穴の皮膚に密着されるように耳穴に挿し込まれ、外面を通じて耳穴の皮膚に相異なる波長を有する複数の光を照射し、耳穴の皮膚から反射された光を検出して生体情報が含まれているＰＰＧ信号を出力するＰＰＧ測定モジュールを含み、ＰＰＧ信号を出力するための複数の電極を含む生体信号測定部と、音声を出力するためのスピーカを備え、複数の電極と接合される複数の電極を外部に備えて生体信号測定部の出力信号を受信するイヤホンと、イヤホンに備わった電極を通じてＰＰＧモジュールで測定されたＰＰＧ信号を受信し、ＰＰＧ信号を利用して所定の生体情報を生成するＰＰＧ信号処理部と、イヤホンで音声信号を出力する音響処理部を含む制御部と、制御部で計算された生体情報をユーザに表示する出力部と、を含む。

また、前記生体信号測定装置のＰＰＧ測定モジュールは、耳穴の皮膚に光を照射する光源部と、光源部によって照射されて前記耳穴の皮膚から反射された光を検出する光検出部とを含むことが望ましい。
また、前記生体信号測定装置のＰＰＧ信号処理部は、ＰＰＧ信号のピークを検出するためのピーク検出部と、ピーク値を利用して所定の生体情報を生成する信号処理部とを含むことが望ましい。

また、ＰＰＧ信号処理部に含まれた信号処理部は、前記ピークの時間間隔を計算して脈拍を測定する脈拍検出部を含むことが望ましい。
また、ＰＰＧ信号処理部に含まれた信号処理部は、ピーク値が検出されたＰＰＧ信号を帯域フィルタリングしてユーザの呼吸を測定する呼吸検出部を含むことが望ましい。
また、ＰＰＧ信号処理部に含まれた信号処理部は、検出された相異なる波長のＰＰＧ信号のＡＣ成分及びＤＣ成分を検出して反射係数を測定する反射係数検出部と、相異なる波長の反射係数の比によって血液内の酸素飽和度を検出する酸素飽和度検出部とを含むことが望ましい。

また、前記生体信号測定装置の生体信号測定部は、体内から放射された赤外線を感知し、感知された赤外線に対応する電気的信号を出力する体温測定モジュールをさらに含み、前記生体信号測定装置の制御部は、前記体温測定モジュールから出力された電気的信号を利用してユーザの体温を計算する体温処理部をさらに含むことが望ましい。
また、前記生体信号測定装置の出力部は、移動通信端末機に含まれた液晶ディスプレイ装置であることが望ましく、制御部で生成されたユーザの生体情報は、前記移動通信端末機を通じて所定の診療機関に無線伝送されることがより望ましい。

一方、耳穴に挿し込まれてユーザの生体信号を測定する生体信号測定部、測定された生体信号を利用してユーザの生体情報を生成する制御部、及びユーザに生体情報を出力する出力部を備える挿耳型生体信号測定装置で生体信号を測定する方法は、（ａ）生体信号測定部でユーザの鼓膜周辺から放射される赤外線を受光してユーザの体温を測定する段階と、（ｂ）生体信号測定部に密着された耳穴の皮膚に、相異なる波長を有する所定数の光を照射して生体情報が含まれているＰＰＧ信号を測定し、ＰＰＧ信号を利用してユーザの酸素飽和度、脈拍、及び呼吸数のうち少なくとも一つを測定する段階と、（ｃ）（ａ）段階及び（ｂ）段階で測定された生体信号のうち少なくとも一つをユーザに出力する段階と、を含み、（ａ）段階及び（ｂ）段階は、同時に行われることが望ましい。

また、前記生体信号を測定する方法の（ｂ）段階は、（ｂ１）一面が耳穴の皮膚に密着されるように生体信号測定部に含まれたＰＰＧ測定モジュールで、耳穴の皮膚に相異なる波長を有する所定数の光を照射し、皮膚から反射された光を受光して前記ＰＰＧ信号を出力する段階と、（ｂ２）ＰＰＧ信号波形のピークを検出する段階と、（ｂ３）ピークが検出されたＰＰＧ信号波形を利用して生体情報を生成する段階と、を含むことが望ましい。

また、前記（ｂ３）段階は、検出された相異なる波長のＰＰＧ信号のＡＣ成分及びＤＣ成分を検出して反射係数を測定する段階と、相異なる波長の反射係数の比によって血液内の酸素飽和度を計算する段階とを含むことが望ましい。
また、前記（ｂ３）段階は、ピークが検出されたＰＰＧ信号を帯域フィルタリングしてユーザの呼吸数を検出する段階を含むことが望ましい。

また、前記（ｂ３）段階は、ピークが検出されたＰＰＧ信号のピーク間の時間間隔によってユーザの脈拍を測定する段階を含むことが望ましい。
また、前記生体信号測定方法が行われる生体信号測定装置の出力部は、移動通信端末機に備わった液晶ディスプレイであり、（ｃ）段階は、（ａ）段階及び（ｂ）段階で測定された生体信号を移動通信端末機を通じて所定の診療機関に無線伝送する段階を含むことが望ましい。

本発明の生体情報測定装置は、色々な項目の生体情報を測定できるモジュールを含みつつも耳穴に挿入できるように構成され、単一の生体情報測定装置で色々な項目の生体情報を同時に測定でき、耳穴に挿入して生体情報を測定するので、動きによって現れる動雑音の影響を最小化でき、電極による測定装置に比べてセンサーが汚染または破損されて現れうる誤差を減らすことができる。

また、本発明の生体情報測定装置は、イヤホンのように携帯用機器に連結して使用できるので、携帯が簡便で携帯機器に表示される測定値を観察しつつ着用感によって本人が直接携帯機器の装着を調節できる。すなわち、ユーザが自ら測定できるので、自家診断が可能である。
また、本発明の生体信号測定装置が移動通信端末機と結合される場合に、測定された生体信号は、移動通信端末機に備わったディスプレイ装置を通じてユーザに出力され、移動通信端末機を通じて測定された結果を遠隔の診療機関に容易に伝送できるので、遠隔診療を可能にする。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態の生体信号測定装置及び方法を説明する。
図５Ａは、本発明の望ましい第１実施形態による生体信号測定装置の構成を示すブロック図であり、図５Ｂは、本発明による生体信号測定装置をモバイル機器を利用して構成した一実施形態を示す図面である。

図５Ａを参照すれば、本発明の生体情報測定装置は、耳穴に挿し込まれて生体信号を測定する生体信号測定部５００、生体信号測定部５００で測定された生体信号を利用して生体情報を計算する制御部５５０、及び前記制御部５５０で計算された生体情報をユーザに画面に出力するディスプレイ部５９０を含む。また、生体信号測定部５００は、耳穴から放射される赤外線を利用して体温を測定する体温測定モジュール５１０、及び耳穴の皮膚に密着されるように挿し込まれた生体信号測定部５００の外面に設置されてＰＰＧ信号を測定するＰＰＧ測定モジュール５２０を含む。

本発明の生体情報測定装置を具現した一例を図５Ｂに示した。図５Ａ及び図５Ｂを参照して本発明の生体情報測定装置の構造を説明すれば、生体信号測定部５００は、耳穴に挿入可能に構成され、耳穴の皮膚と密着される外面にＰＰＧ測定モジュール５２０が設置され、挿入された生体信号測定部５００のうち鼓膜に近い部分に体温測定モジュール５１０が設置される。したがって、本発明の生体信号測定部５００は、図５Ｂで共に示されたイヤホン５３０のような形態で構成できる。但し、生体信号測定部５００に含まれる体温測定モジュール５１０は、鼓膜部位から放射される赤外線をさらに効果的に感知できるように鼓膜周囲に配置されることが望ましいので、生体信号測定部５００は、円錘形で構成され、体温測定モジュール５１０は、円錘形の生体信号測定部５００の頂点部位に配置されることが望ましく、鼓膜周辺の赤外線を誘導する導波管５１１及び導波管を通じて入力された赤外線を感知するように赤外線センサーに具現される受光部５１３で構成される。

一方、本発明のディスプレイ部５９０は、別途のディスプレイ装置を利用でき、従来のディスプレイ装置を備えた機器のディスプレイ装置を利用することもある。図５Ｂは、本発明のディスプレイ装置としてモバイル機器を利用した一例を示した。したがって、本発明のディスプレイ部５９０は、移動通信端末機の液晶ディスプレイ、ＰＤＡの液晶ディスプレイ、及びＣＤプレーヤの液晶ディスプレイ装置を利用して具現でき、移動通信端末機器を利用する場合には、ディスプレイされた生体情報を所定の医療機関に伝送して遠隔診療を行うことが可能になる。以下では、ディスプレイ部５９０としてモバイル機器を利用した場合を例として説明する。

一方、本発明の制御部５５０は、生体信号測定部５００と分離されて構成され、生体信号測定部５００から入力された信号を利用して生体情報を計算し、計算された情報をディスプレイ部５９０に出力する役割を行う。また、本発明の制御部５５０は、本発明のディスプレイ部５９０がモバイル機器に具現される場合に、モバイル機器の内部に設置されることが可能であるだけでなく、モバイル機器の外部に分離されて設置された場合には、図５Ｂに示されたようにイヤホン５３０を接続できるジャックを備えてモバイル機器から出力される音響信号を制御してイヤホンに出力できる。

図６は、本発明の制御部５５０の構成を示すブロック図である。制御部５５０は、体温測定モジュール５１０の赤外線センサーによって検出された信号を体温値に変換するための体温処理部５７０、及びＰＰＧ測定モジュール５２０によって検出されたＰＰＧ信号を利用して脈拍、呼吸、酸素飽和度の測定値を生成するためのＰＰＧ信号処理部５８０、ディスプレイ部５９０が具現されたモバイル機器の選択信号によって体温処理部５７０及びＰＰＧ信号処理部５８０の信号をモバイル機器に選択的に伝送するための伝送部５６５で構成される。また、制御部５５０に携帯機器の音響信号を出力できるイヤホン５３０が連結された場合には、マイク５３５を利用して音声信号を入力されるか、またはスピーカ５３７を通じて携帯機器の音声信号を出力し、出力される音声信号の音量を調節する音響処理部５６０をさらに含む。但し、体温処理部５７０、ＰＰＧ信号処理部５８０、及び音響処理部５６０の出力を直接モバイル機器に入力し、ディスプレイ部５９０を含むモバイル機器に含まれた制御部（図示せず）から選択的に出力できるということは、当業者なら分かる。

以下で、まず制御部５５０の各構成について説明した後、各構成で行われる処理過程を説明する。
図７は、図６に示された体温処理部５７０の構成を示す詳細ブロック図である。前記体温処理部５７０は、体温測定モジュール５１０から出力された信号を増幅するための増幅部５７１、増幅された信号からノイズ成分を除去するためのフィルタ部５７２、及びフィルタリングされた信号をデジタル信号値に変換して伝送部５６５に伝達するためのＡ／Ｄ変換部５７３で構成される。

図８は、図６に示されたＰＰＧ測定モジュール５２０及びＰＰＧ信号処理部５８０の構成を示す詳細ブロック図である。本発明のＰＰＧ測定モジュール５２０は、生体信号を測定する部位である、生体信号測定部５００に密着された耳穴部位に光源を照射するための第１光源、第１光源と相異なる波長を有して測定部位に光源を照射するための第２光源、及び第１及び第２光源によって照射されて生体測定部位を経て生体情報を含みつつ反射された光を検出するための光検出器を含む。また、ＰＰＧ信号処理部５８０は、光検出器から検出された信号を増幅するための増幅器５８１、増幅器５８１の出力信号からノイズ成分を除去するためのフィルタ部５８３、ノイズが除去された出力から波形のピークを検出するためのピーク検出部５８５、及び第１光源による検出信号と第２光源による検出信号とのピーク値を利用して生体情報を計算して前記ディスプレイ部５９０に出力する信号処理部５８７を含む。

図９は、図８に示された信号処理部５８７の構成を示す詳細ブロック図である。信号処理部５８７は、ユーザの脈拍を測定するためにピーク検出部５８５から検出されたピークの時間間隔を計算し、時間間隔によって脈拍を測定する脈拍検出部９１０を含む。
また、信号処理部５８７は、ユーザの酸素飽和度を測定するために、動脈の脈動成分による反射光の強度変化量を検出するためにピーク検出部５８５から出力された波形の最大値と最低値間の変化成分を検出するＡＣ検出部９２０、非脈動成分による反射光の強度を検出するためにピーク検出部５８５から出力された波形の最低値を検出するＤＣ検出部９２２、脈波のＤＣ及びＡＣ成分を利用して反射係数を計算する反射係数検出部９２４、及び反射係数によってユーザの酸素飽和度を計算する酸素飽和度検出部９２６を含む。
また、信号処理部５８７は、ユーザの呼吸を検出するために、ピーク検出部５８５から入力された脈波信号を帯域フィルタリングするＢＰＦ（Ｂａｎｄ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）９３０及び帯域フィルタリングされた脈波信号を利用してユーザの呼吸を検出する呼吸検出部９３５を含む。

これまで、本発明の生体信号測定部５００、制御部５５０及びディスプレイ部５９０の構成について説明した。以下では、図１０ないし図１５Ａ，図１５Ｂをさらに参照してそれぞれの生体信号を測定する方法を説明する。
まず、本発明による生体信号測定部５００で体温を測定する方法について説明する。人体皮膚組織の温度は、各部位によって偏差があり、また外部温度によっても変化が激しいので、体温測定部位をよく選択しなければならない。通常、接触式体温計の場合、体温測定部位は、こわきや肛門を利用しており、非接触式体温計の場合には、外耳道の内部の鼓膜を利用する。鼓膜の温度は、人体内部の温度に非常に近いと医学的に知られており、また外部温度の影響をほとんど受けない。このような体内温度と輻射電磁波あるいは赤外線エネルギーとの関係は、次の通りである。

黒体から輻射されて放出される電磁波エネルギーの総量は、次の式（１）のステファン−ボルツマン法則によって黒体温度の４乗に比例する。

ここで、Ｑは、輻射されて放出される電磁波エネルギーの総量、Ｔは、黒体の温度、及びσは、ステファン−ボルツマンの定数である。一方、人体のように完全黒体ではない物体から輻射されて放出される電磁波のエネルギー量は、その物体の輻射物によって影響を受ける。このような物体を一般的に灰色体といい、この物体の輻射率をωという時、式（１）は、次の式（２）のように変形される。

ここで、ωは、輻射率であって０から１間の値を有し、人体の場合、遠赤外線帯域での輻射率は、ほぼ１に完全黒体に近い特性を表す。したがって、人体内部から放射される赤外線のエネルギー総量を検出すれば、体内の絶対温度を計算できる。また、このエネルギーの変化は、体温の変化の４乗に比例する。

図１０は、このような黒体の各温度で波長に対する輻射エネルギーを示すグラフである。一定の温度で黒体から輻射されるエネルギーは、波長が長くなるにつれて次第に増加してピークに到達した後、波長がさらに長くなれば、輻射エネルギーは、再び減少する。このような特性曲線のピークは、温度の変化によって変わり、各温度でピークが発生する波長も変わる。図１０に示されたように、温度が１１００Ｋである時、ピークを表す波長は、約２.５μｍであるが、温度が８００Ｋに低下すれば、約３.８μｍでピークを表し、輻射エネルギーの強度も弱くなる。したがって、特定温度Ｔで最大輻射エネルギーを出す波長λは、式（３）によって定義される。

一般的に、非接触式赤外線体温計の対象となる物体の温度は、約３０〜４０℃であるので、最高エネルギーを輻射する波長が約８〜１２μｍ帯域に集中している遠赤外線を発生する。したがって、これを検出するための光検出器の応答特性は、この帯域で良好でなければならない。

赤外線体温計に利用される一般的なセンサーのフィルタ特性は、図１１に示したような周波数応答を有さなければならない。すなわち、約６〜１６μｍで応答が大きく現れ、人体特性帯域である約８〜１２μｍでは、ほぼ一定の透過度を表すことが望ましい。黒体から輻射されて放出される電磁波の総量は、温度の４乗に比例するが、測定範囲が体温計のように狭すぎる場合（３０〜４０℃）、その範囲内で線形的であると考えても大きな誤差はない。図１２は、前記図１１に使われたセンサーの温度別出力電圧を示している。前述したように、温度範囲３０〜４０℃間では、線形的な特性を表している。

したがって、前述した赤外線センサーの応答に基づいて、本発明のための体温測定モジュール５１０の動作原理を図５Ｂ及び図７を参照して説明する。本発明の体温測定モジュール５１０は、前述したように集光用導波管５１１及び受光部５１３の赤外線センサーで構成され、集光用導波管５１１は、放射赤外線を集光するために鼓膜に近く配置される。導波管５１１の内部には、赤外線を反射できる材質を利用して集光された赤外線を受光部の赤外線センサー５１３に誘導する。誘導された赤外線は、生体信号測定部５００の内部に装着された赤外線受光部（赤外線センサー）から検出され、受光部５１３は、赤外線量による電気信号を発生させる。

このように発生した電気信号は、伝送またはデジタル化されるには微弱な信号であるので、これを増幅するための増幅部５７１に入力される。増幅部５７１で増幅された検出信号は、多数のノイズ成分を含んでおり、本発明で体温測定に要求される信号成分は、経時的に変化する交流成分よりはピーク波長で現れる直流成分であるので、増幅部５７１から入力された信号成分は、フィルター部５７２でフィルタリングされてノイズ及び交流成分が除去された後、ディスプレイ部５９０に表示されるためにＡ／Ｄ変換部５７３でデジタル値に変換され、変換されたデジタル値は、ユーザに表示されうるように体温値に変換される。

但し、本発明のディスプレイ部５９０が図５Ｂに示されたように、移動通信端末機のようなモバイル機器の液晶ディスプレイ装置である場合には、本発明のＡ／Ｄ変換部５７３は、単純に入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号は、モバイル機器に事前に備わった演算部で体温に換算されてディスプレイ部５９０を通じてユーザに出力されうる。また、本発明の体温処理部５７０を含む制御部５５０が、ディスプレイ部５９０を含むモバイル機器の内部に含まれて、体温測定モジュール５１０がモバイル機器に直接連結されることもあるということは当業者なら分かる。

このような耳穴挿入型生体信号測定部５００に備わった体温計を利用して体温を測定するために、ユーザは、生体信号測定部５００を耳穴に挿入し、携帯機器のディスプレイ部５９０を確認しつつユーザが自ら測定を始め、測定結果を確認でき、もし挿入が不適合であって再測定を要求する場合にも、これを自ら調整できる。

以下、図８、図９及び図１３を参照して、本発明の酸素飽和度を測定する方法について説明する。酸素飽和度とは、総ヘモグロビン濃度に対する酸素と結合した酸化ヘモグロビン濃度の比率を百分率で表したものであって、体内細胞の機能が正常に維持されるための酸素が血液中に飽和されている量を定量的に表す方法である。最小２つ以上の波長を有する光源を利用した酸素飽和度の検出方法に関する研究は多くなされてきた。そのうちの代表的な一方法は、酸素飽和度を測定するために生体組織に赤色光と赤外光とを透過させて動脈血の脈動成分に対する波長別吸光度を求め、その値の比率を利用して酸素飽和度を計算する。人体に照射された光の吸収は、一定の透過経路を有する骨、生体組織の非脈動成分によってほとんどなされ、人体に照射された光の１〜２％程度の量が動脈血の脈動成分によって吸収される。透過光の強度から各波長別の前記脈動成分で吸収された入射光の量と、非脈動成分で吸収された入射光の量とを求めることができるが、赤色光及び赤外光の二波長で非脈動成分によって吸収された入射光の量と脈動成分によって吸収された入射光の量との比は、動脈血中に存在するヘモグロビンに対する光の吸収を表す。結局、相異なる波長でヘモグロビンによって吸収された量の割合から酸素飽和度を決定できる。図１３で、ＩｐとＩｖとは、脈動成分で最大吸収点と最小吸収点とを各々表す。

ＰＰＧ測定モジュール５２０及びＰＰＧ信号処理部５８０の構成を示す図８を参照すれば、第１光源から照射される入射光は、生体で反射され、経路ａを経る間に動脈血管に当たり、脈動によるモジュレーションの影響を受け、経路ｂを経る間には、脈動による影響を受けない。もし、動脈血管の半径をｒ_ａとし、生体の半径をｒ_ｂとする時、光検出器で測定される光の総時不変成分ＤＣは、図１３に示されたように、次の式（４）のように経路ａを通じて反射された光の時不変成分ＤＣ_ａと経路ｂを通じて反射された光の時不変成分ＤＣ_ｂとよりなる。

ここで、ＤＣａは、次の式（５）のように表現できる。

ここで、ｆ（ｒ_ａ,ｒ_ｂ,λ）は、血管を含む生体の構造によって変わる因子であって定数であり、λは、入射光の波長を表す。この時、動脈血管の脈動による血液量の変化によって生体で反射される光の強度は、光減衰度ＯＤ_ｔｏｔの変化量ΔＯＤ_ｔｏｔだけモジュレーションされる。ここで、ΔＯＤ_ｔｏｔは、経路ａを過ぎる光に関するものであり、次の式（６）のように表現できる。

ここで、ｆ（ｒ_ａ,ｒ_ｂ,λ）を正確に測定することは、非常に難しいので、二つの波長λ１及びλ２に対する反射係数Ｒ_１及びＲ_２を測定した後、その変化量の比率（Ｒ_１２＝Ｒ_１／Ｒ_２）を次の式（７）のように得ることによって、ｆ（ｒ_ａ,ｒ_ｂ,λ）を正確に測定せずにも酸素飽和度を計算できる。

ここで、ＡＣ_λ１及びＡＣ_λ２は、第１及び第２波長λ１及びλ２に対する時変成分であり、ＤＣ_λ１及びＤＣ_λ２は、第１及び第２波長λ１及びλ２に対する時不変成分を各々表す。例えば、式（７）は、パルス酸素濃度計で利用する方式を通じて求められる。

結局、式（７）に記載されたように、反射係数検出部９２４は、ピーク検出部５８５を通じて光検出器から入力されてＡＣ検出部９２０から検出された時変成分ＡＣ_λ１または、ＡＣ_λ２をＤＣ検出部９２２から検出された時不変成分ＤＣ_λ１またはＤＣ_λ２で除算して波長別の光減衰度の変化量ΔＯＤ_{ｔｏｔ,λ１}またはΔＯＤ_{ｔｏｔ,λ２}を求め、第１光源の光減衰度の変化量ΔＯＤ_{ｔｏｔ,λ１}を第２光源の光減衰度の変化量ΔＯＤ_{ｔｏｔ,λ２}で除算して第２光源に対する第１光源の反射係数の比率を求めることが分かる。

一方、酸素飽和度検出部９２６は、反射係数検出部９２４から入力された少なくとも一つの比率Ｒ_１２を利用して血液に含まれたヘモグロビン濃度Ｃ_Ｈｂを計算する。本発明による一実施形態によれば、第１及び第２波長λ１及びλ２が選択されたとすると、求められた比率Ｒ_１２からヘモグロビン濃度Ｃ_Ｈｂは、次の式（８）のように計算される。

ここで、ε_１は、第１波長λ１に対する吸光係数を表し、ε_２は、第２波長λ２に対する吸光係数を各々表す。またｋ_１及びｋ_２は、所定身体部位で入射光を散乱させ、入射光を吸収させる特性及び第１及び第２波長λ１及びλ２によって決定される定数を表し、ａ_１及びａ_２は、散乱粒子のサイズ、ヘモグロビン屈折率、血清の屈折率及び波長によって決定される定数を表す。

酸素飽和度検出部９２６は、測定されたヘモグロビン濃度Ｃ_Ｈｂを利用して次の数式９のように酸素飽和度Ｓを計算し、計算された酸素飽和度Ｓをディスプレイ部５９０に出力する。
以下、酸素飽和度検出部９２６で行われる酸素飽和度の検出過程を説明する。まず、少なくとも二つの波長のうち一つλｘを選択し、ヘモグロビンの形態によって吸光係数の差が最も大きくなる波長λｏを選択する。

この時、λｘ及びλｏは、生体分光学理論で導出された波長であって、血液中に含まれたヘモグロビンと二酸化ヘモグロビンとの量によってよく変化する波長がある一方、あまり変化しない波長があるが、本発明のλｘ（基準値）は、ヘモグロビンと二酸化ヘモグロビンとの量によって、あまり変化しない波長であり、λｏは、変化し易い波長である。例えば、λｏは、ヘモグロビンＨｂと二酸化ヘモグロビンＨｂＯ_２との吸収係数差が最も大きくなる波長である６６０ｎｍになることができ、λｘは、近赤外線帯域（８００〜９５０ｎｍ）の８０５ｎｍに選択されうる。このような内容は、Ｊ.Ｇ.Ｗｅｂｓｔｅｒ著、“Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｕｌｓｅ Ｏｘｉｍｅｔｅｒｓ”の第４０ないし第５５頁に詳細に記述されており、当該技術分野の当業者なら分かるので、ここでその詳細な説明は、省略する。

酸素飽和度検出部９２６は、選択された波長λＯに対する光減衰度の変化量ΔＯＤ_{ｔｏｔ,λｏ}、及び波長λｘに対する光減衰度の変化量ΔＯＤ_{ｔｏｔ,λｘ}を各々求めた後、波長λｏに対する光減衰度の変化量ΔＯＤ_{ｔｏｔ,λｏ}と波長λｘに対する光減衰度の変化量ΔＯＤ_{ｔｏｔ,λｘ}間の比Ｒ_ＯＸを求める。
その後、酸素飽和度検出部９２６は、Ｒ_ＯＸと前記ヘモグロビン濃度Ｃ_Ｈｂとを利用して次の式（９）によって血液に含まれた酸素飽和度Ｓを計算する。

ここで、ε_{ＨｂＯ２,Ｏ}は、波長λＯに対する二酸化ヘモグロビンＨｂＯ_２の吸光係数を表し、ε_Ｈｂ,Ｏは、波長λｏに対するヘモグロビンＨｂの吸光係数を表し、ε_Ｈｂ,ｘは、波長λｘに対するヘモグロビンの吸光係数を表し、ｋ_ｘ及びｋ_ｏは、所定部位で入射光を散乱／吸収させる特性及び波長λｘ及びλｏによって決定される定数である。ａ_ｘ及びａ_ｏは、散乱粒子のサイズ、ヘモグロビン屈折率ｎＨｂ、血清の屈折率ｎｐｌａｓｍａ及び波長λｘ及びλｏによって決定される定数を表す。

図１４は、本発明による脈拍数の測定方法を説明するフローチャートである。図８及び図１４をさらに参照して本発明の脈拍測定方法を説明する。
本発明の酸素飽和度の測定に必要な脈波測定過程で動脈血管内の血流量の変化は、心臓拍動によって引き起こされ、心臓拍動を測定することが脈拍である。図８に示されたように、人体の所定部位で入射された後に反射された光は、光検出器で受光されて電気的な信号に変換される。変換された電気的信号は、増幅器５８１で増幅されて一定時間収集されて脈波波形データが形成され、脈波波形データは、帯域通過フィルタ５８３によって帯域通過フィルタリングされる（Ｓ１４１０）。ピーク検出部５８５は、帯域通過フィルタリングされた信号を微分し、傾斜が陽から陰に変化する変曲点を探す（Ｓ１４２０）。変曲点のサイズが初期に指定したしきい値と比較して大きい場合、図１５Ａのようにピークに検出する（Ｓ１４３０）。脈拍検出部９１０は、検出されたピーク間の平均時間差を計算し（Ｓ１４４０）、ピーク間の平均時間差で６０秒を割ることによって分当り脈拍数を計算する（Ｓ１４５０）。

図１５Ｂは、本発明によるユーザの呼吸を検出する方法を説明する図面である。
図９及び図１５Ｂを参照すれば、脈波波形（ＰＰＧ）のＡＣ成分は、心臓の拍動と同期するだけでなく、呼吸信号とも同期する。ＰＰＧ信号と呼吸との相関関係は、次の通りである。人体の恒常性維持特性による発生起電によって吸気時には、胸部内の圧力が低くなって心臓への血液の帰還量が増加し、心拍出量の増加によって血圧が高まり、減圧中枢が興奮されて末梢動脈が拡張される。呼気時には、反対の生理作用によって末梢動脈が収縮し、末梢動脈の拡張と収縮とによる光路長の変化でＰＰＧに反映される。このような呼吸信号及びＡＣ信号の同期は、呼吸によって血流量の変化が発生し、これがＰＰＧに反映されるために起こる。

本発明では、ＰＰＧ信号から呼吸信号を抽出するために、デジタルフィルタを利用して呼吸信号帯域の周波数成分を分類する方法を使用した。ピーク検出部５８５から出力された脈波波形信号は、一般的な呼吸信号の周波数帯域を含む約０.１３〜０.４８Ｈｚの遮断周波数を有する帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）９３０でフィルタリングされて出力され、呼吸検出部９３５は、フィルタリングされた信号から呼吸信号を検出して呼吸信号の平均周期で６０秒を割ってユーザの平均呼吸数を計算してディスプレイ部５９０に出力する。
図１６Ａ及び図１６Ｂは、本発明を検証するために測定したＰＰＧ信号と呼吸信号とを表したものであって、図１６Ａは、本発明によって測定されたＰＰＧ信号を、図１６Ｂは、呼吸信号を各々示す。また、図１７Ａは、図１６ＡのＰＰＧ信号を本発明によって帯域通過フィルタリングを行った後のＰＰＧ波形であり、図１７Ｂは、呼吸信号だけを表すために図１６Ｂの呼吸信号から低周波数成分を除去した波形である。帯域通過されたＰＰＧ信号と呼吸信号とは、深い相関関係があることを図１７Ａ及び図１７Ｂで確認できる。

これまで、本発明の望ましい第１実施形態による挿耳型生体信号測定装置及び方法について説明した。以下、本発明の第２実施形態による挿耳型生体信号測定装置を示す図１８を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態の挿耳型生体信号測定装置は、生体信号測定部１８００をキャップ状に具現し、従来の携帯機器から音声を再生するイヤホン１８３０にかぶせて生体信号を測定するという点で、第１実施形態と差がある。したがって、基本的な生体測定部１８００、制御部１８５０、及びディスプレイ部１８９０の構造は、前述した第１実施形態と実質的に同じであるので、以下では、第１実施形態と異なる構成についてだけ説明する。

第２実施形態の場合に、本発明に利用されるイヤホン１８３０は、体温測定モジュール１８１１,１８１３及びＰＰＧ測定モジュール１８２０に駆動電源を提供し、測定された信号を受信する多数の電極１８３５を外側に備える。また、キャップ状の生体信号測定部１８００は、イヤホン１８３０が挿入されうる溝を有し、溝の内部にイヤホン１８３０が溝に挿入される時、前記イヤホン電極１８３５と連結が可能であるように多数の電極１８１５,１８２５を配置する。また、キャップの内部には、前記第１実施形態で使われた赤外線集光のための導波管１８１１及び集光された赤外線を電気信号に変換するための赤外線受光素子である赤外線センサー１８１３を含む。

ユーザは、図１８に示されたようなキャップ構造の生体信号測定部１８００に備わった電極１８１５,１８２５がイヤホン１８３０の電極１８３５と連結されるように装着し、イヤホン１８３０と連結されたキャップ１８００をユーザが自ら耳穴に挿入して体温及びＰＰＧ信号を測定する。

本発明は、また、コンピュータで再生できる記録媒体にコンピュータ可読コードとして具現することが可能である。コンピュータ可読記録媒体は、コンピュータシステムによって再生されうるデータが保存される全ての種類の記録装置を含む。コンピュータ可読記録媒体の例としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フレキシブルディスク、光データ保存装置があり、またキャリヤウェーブ（例えば、インターネットを通じた伝送）状に具現されるものも含む。また、コンピュータ可読記録媒体は、ネットワークで連結されたコンピュータシステムに分散され、分散方式でコンピュータ可読コードが保存されかつ実行されうる。

今まで、本発明についてその望ましい実施形態を中心に説明した。当業者は、本発明が本発明の本質的な特性から外れない範囲で変形された形態に具現されうることが分かる。したがって、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮しなければならない。本発明の範囲は、前述した説明ではなく、特許請求の範囲に現れており、それと同等な範囲内にある全ての差異点は、本発明に含まれていると解釈されなければならない。

本発明は、動雑音の影響を受けずに体温、呼吸、脈拍、酸素飽和度のような多数の生体情報を同時に正確に測定でき、このような技術は、生体信号の測定による健康診断を目的とする多様な分野に適用可能である。

従来技術による挿耳型体温測定装置の一例を示すブロック図である。 従来技術による生体信号測定機能を備えたモバイル機器の一例を示す図面である。 図２に示された従来技術の生体情報測定機能を有するモバイル機器の構成を示すブロック図である。 図３の心拍数測定部の構成を示す詳細ブロック図である。 本発明の望ましい第１実施形態による生体信号測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明による生体信号測定装置をモバイル機器を利用して構成した一実施形態を示す図面である。 図５Ａに示された制御部の構成を示すブロック図である。 図６に示された体温処理部の構成を示す詳細ブロック図である。 図６に示されたＰＰＧ測定モジュール及びＰＰＧ信号処理部の構成を示す詳細ブロック図である。 図８に示された信号処理部の構成を示す詳細ブロック図である。 黒体の波長別輻射エネルギーを示すグラフである。 センサーフィルタの透過率特性を示す図面である。 センサーの温度特性を示す図面である。 測定されたＰＰＧ波形を示す概念図である。 本発明による脈拍数測定方法を説明するフローチャートである。 検出された脈拍信号を示す図面である。 本発明によるユーザの呼吸を検出する方法を説明する図面である。 同時に測定されたＰＰＧ信号及び呼吸信号を示す図面である。 同時に測定されたＰＰＧ信号及び呼吸信号を示す図面である。 本発明のＰＰＧ信号を利用して検出した呼吸信号及び図１６Ａ，図１６Ｂに示された呼吸信号を高域フィルタリングした呼吸信号を示す図面である。 本発明のＰＰＧ信号を利用して検出した呼吸信号及び図１６Ａ，図１６Ｂに示された呼吸信号を高域フィルタリングした呼吸信号を示す図面である。 本発明の望ましい第２実施形態による生体信号測定装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

５００…生体信号測定部
５１１…導波管
５１３…受光部
５２０…ＰＰＧ測定モジュール
５３０…イヤホン
５５０…制御部
５９０…ディスプレイ部

Claims (20)

1. 外面が耳穴の皮膚に密着されるように耳穴に挿し込まれ、前記外面を通じて前記耳穴の皮膚に相異なる波長を有する複数の光を照射し、前記耳穴の皮膚から伝えられた光を検出して生体情報が含まれているＰＰＧ信号を出力するＰＰＧ測定モジュールを含み、前記ＰＰＧ信号を出力するための複数の電極を含む生体信号測定部と、
   音声を出力するためのスピーカを備え、前記複数の電極と接合される複数の電極を外部に備えて前記生体信号測定部の出力信号を受信するイヤホンと、
   前記イヤホンに備わった電極を通じて前記ＰＰＧモジュールで測定されたＰＰＧ信号を受信し、前記ＰＰＧ信号を利用して所定の生体情報を生成するＰＰＧ信号処理部、及び前記イヤホンで音声信号を出力する音響処理部を含む制御部と、
   前記制御部で計算された生体情報を表示する出力部とを含み、
   前記生体信号測定部が、前記イヤホンの挿入される溝を有し、前記溝の内部に前記イヤホンが挿入される場合、前記イヤホンが前記生体信号測定部で測定された信号を受信するように、前記イヤホンに備えられた前記複数個の電極と前記生体信号測定部に備えられた前記複数個の電極とが電気的に接続される
   ことを特徴とする生体信号測定装置。
2. 前記ＰＰＧ測定モジュールは、
   前記耳穴の皮膚に光を照射する光源部と、
   前記光源部により照射されて前記耳穴の皮膚から反射された光を検出する光検出部と、を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の生体信号測定装置。
3. 前記光源部は、
   前記耳穴の皮膚に第１波長を有する光を照射する第１光源部と、
   前記耳穴の皮膚に第２波長を有する光を照射する第２光源部とを含み、
   前記第１及び第２波長は、相異なる波長である
   ことを特徴とする請求項２に記載の生体信号測定装置。
4. 前記ＰＰＧ信号処理部は、
   前記ＰＰＧ信号のピークを検出するためのピーク検出部と、
   前記ピーク値を利用して所定の生体情報を生成する信号処理部とを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の生体信号測定装置。
5. 前記信号処理部は、
   前記ピークの時間間隔を計算して脈拍を測定する脈拍検出部を含む
   ことを特徴とする請求項４に記載の生体信号測定装置。
6. 前記信号処理部は、
   前記ピーク値が検出されたＰＰＧ信号を帯域フィルタリングしてユーザの呼吸を測定する呼吸検出部を含む
   ことを特徴とする請求項４に記載の生体信号測定装置。
7. 前記信号処理部は、
   検出された相異なる波長のＰＰＧ信号のＡＣ成分及びＤＣ成分を検出して反射係数を測定する反射係数検出部と、
   前記相異なる波長の反射係数の比によって血液内の酸素飽和度を検出する酸素飽和度検出部とを含む
   ことを特徴とする請求項４に記載の生体信号測定装置。
8. 前記ＰＰＧ信号処理部は、
   前記ＰＰＧ信号を増幅する増幅部と、
   前記増幅部から出力された信号のノイズ成分を除去して前記ピーク検出部に出力するフィルタ部とをさらに含む
   ことを特徴とする請求項４に記載の生体信号測定装置。
9. 前記生体信号測定部は、体内から放射された赤外線を感知し、感知された赤外線に対応する電気的信号を出力する体温測定モジュールをさらに含み、前記制御部は、前記体温測定モジュールから出力された電気的信号を利用してユーザの体温を計算する体温処理部をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の生体信号測定装置。
10. 前記体温測定モジュールは、
    ユーザの鼓膜周辺に設置されて鼓膜から放射される赤外線を誘導する導波管と、
    前記導波管によって誘導された赤外線を感知して電気的信号に変換する受光部と
    を含む
    ことを特徴とする請求項９に記載の生体信号測定装置。
11. 前記導波管は、
    赤外線を反射できる材質で構成される
    ことを特徴とする請求項１０に記載の生体信号測定装置。
12. 前記体温処理部は、
    前記体温測定モジュールから入力された電気的信号を増幅する増幅部と、
    増幅された電気的信号のノイズを除去するフィルタ部と、
    前記電気的信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部とを含む
    ことを特徴とする請求項９に記載の生体信号測定装置。
13. 前記出力部は、
    液晶ディスプレイ装置である
    ことを特徴とする請求項９に記載の生体信号測定装置。
14. 前記出力部は
    移動通信端末機に含まれた液晶ディスプレイ装置である
    ことを特徴とする請求項９に記載の生体信号測定装置。
15. 前記制御部で生成されたユーザの生体情報は、前記移動通信端末機を通じて所定の診療機関に無線伝送される
    ことを特徴とする請求項１４に記載の生体信号測定装置。
16. 前記出力部は、
    ＣＤプレーヤに含まれた液晶ディスプレイ装置である
    ことを特徴とする請求項９に記載の生体信号測定装置。
17. 前記出力部は
    液晶ディスプレイ装置である
    ことを特徴とする請求項１に記載の生体信号測定装置。
18. 前記出力部は、
    移動通信端末機に含まれた液晶ディスプレイ装置である
    ことを特徴とする請求項１に記載の生体信号測定装置。
19. 前記制御部で生成されたユーザの生体情報は、前記移動通信端末機を通じて所定の診療機関に無線伝送される
    ことを特徴とする請求項１８に記載の生体信号測定装置。
20. 前記出力部は、
    ＣＤプレーヤに含まれた液晶ディスプレイ装置である
    ことを特徴とする請求項１に記載の生体信号測定装置。

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