JP5962761B2 - 生体センサ - Google Patents
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Description
本発明は、生体情報を検出する生体センサに関する。
従来から、血中のヘモグロビンが可視光〜赤外光を吸収する特性を利用して、指等の生体を透過、又は生体に反射した光の強度変化を光電脈波信号として取得する光電脈波計やパルスオキシメータが知られている(例えば、特許文献1参照)。
ここで、特許文献1のパルスオキシメータは、発振回路から出力されるパルス信号によって交互に駆動され、生体組織に赤色光と赤外光を照射する第1及び第2の発光ダイオードと、生体組織によって吸光されたあとの光出力を検出するフォトダイオードとを備えている。フォトダイオードの受光出力は、増幅器で増幅されたあとにマルチプレクサによって発振回路の出力に同期して分配されて演算器に入力される。演算器では、フォトダイオードの受光出力から得られる各波長の直流成分と脈動成分から、動脈血流による吸光度の脈動成分の比Φが算出され、該吸光度の比Φから動脈血の酸素飽和度が算出される。
ところで、フォトダイオード(受光素子)には、発光ダイオード(発光素子)以外からの外来光(例えば太陽や蛍光灯の光など)が入ることがある。そのため、本来検出したい光、すなわち生体を透過した光、又は生体によって反射された光に外来光が重畳し、検出信号のS/N比が低下するおそれがある。
ここで、特許文献1のパルスオキシメータでは、受光素子に外来光が重畳して入射された場合、該外来光成分(ノイズ成分)が過大になると、増幅器の出力が飽和してしまい、精度よく脈動成分(シグナル成分)を抽出することができなくなる。一方、出力の飽和を防止するために、増幅器の増幅率を小さくすると、脈動成分の振幅も小さくなり、酸素飽和度の検出精度が低下するおそれがある。また、外来ノイズ成分も含めて符号化する場合、A/Dコンバータなどの分解能を脈動成分に対して十分にとる必要があるため、コストアップの要因となる。そのため、受光素子によって受光され増幅器により増幅される検出信号のS/N比を改善することのできる技術が望まれていた。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、受光素子によって受光され増幅器により増幅される検出信号のS/N比を改善することが可能な生体センサを提供することを目的とする。
本発明に係る生体センサは、駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、駆動信号生成手段により生成された駆動信号に応じて発光する発光素子と、受光した光の強さに応じた検出信号を出力する受光素子と、受光素子から出力される検出信号を増幅する増幅器を含む増幅手段と、直流成分として検出信号に重畳するノイズ成分の大きさに応じて、検出信号を増幅する際の増幅器の基準電位をオフセットさせるオフセット電圧であって、直流成分として検出信号に重畳するノイズ成分をカットするオフセット電圧を生成して増幅器に印加するオフセット手段と、増幅手段により増幅された検出信号を処理して生体情報を取得する演算手段とを備えることを特徴とする。
本発明に係る生体センサによれば、検出信号を増幅する際の増幅器の基準電位がオフセットされる。ここで、外来光等のノイズ成分は、直流成分として検出信号に重畳するため、増幅器の基準電位をオフセットさせることにより、当該ノイズ成分をカットすることができる。よって、受光素子によって受光され増幅器(増幅手段)により増幅される検出信号のS/N比を改善することが可能となる。
本発明に係る生体センサでは、駆動信号生成手段が、パルス状の駆動信号を生成し、オフセット手段が、駆動信号生成手段により生成されるパルス状の駆動信号と同期させたパルス状のオフセット電圧を生成して印加することが好ましい。
この場合、パルス状の駆動信号により発光素子が点滅駆動されるため、常時点灯させる場合と比較して消費電力を低減することができる。また、パルス状の駆動信号と同期されたパルス状のオフセット電圧が演算増幅器に印加されるため、発光素子が点灯しているときに受光素子によって取得される検出信号からノイズ成分をカットすることが可能となる。
本発明に係る生体センサでは、オフセット手段が、オフセット信号を生成するオフセット信号生成手段と、複数の抵抗器を含み、オフセット信号生成手段により生成されたオフセット信号を分圧してオフセット電圧を生成する分圧手段とを有することが好ましい。
この場合、オフセット信号生成手段と分圧手段とを組み合わせて用いることにより、増幅器に印加されるオフセット電圧の精度を向上することができる。よって、ノイズ成分を精度よくカットすることが可能となる。
本発明に係る生体センサは、増幅手段により増幅された検出信号の交流成分の振幅に基づいて、増幅手段の増幅率を可変する可変手段をさらに備えることが好ましい。
このようにすれば、検出信号の交流成分、すなわちシグナル成分の振幅に基づいて、増幅手段の増幅率を可変(調節)することができる。よって、ノイズ成分がカットされた分(S/N比が改善された分)、増幅手段(増幅器)の増幅率を上げることができる。そのため、シグナル成分の振幅を拡大することが可能となる。
本発明に係る生体センサは、上記発光素子と異なる波長の光を出力する発光素子をさらに備え、駆動信号生成手段が、複数の発光素子それぞれに対して、互いに異なるタイミングで、パルス状の駆動信号を生成し、オフセット手段が、互いに独立したパルス状のオフセット電圧を、互いに異なるタイミングで出力されるパルス状の駆動信号それぞれと同期させて生成し、印加することが好ましい。
このようにすれば、複数の発光素子から出力されたパルス光を単一の受光素子で受光することができる。また、複数の発光素子それぞれから出力された互いに波長が異なる光毎に、ノイズ成分をカットすることができる。よって、複数の発光素子から出力されたパルス光毎にS/N比を改善することが可能となる。
本発明に係る生体センサでは、増幅手段が、多段接続された複数の増幅器を含み、オフセット手段が、オフセット電圧を、第2段目以降の増幅器に印加することが好ましい。
この場合、第2段目以降の増幅器には、前段で増幅された検出信号が入力されるため、ノイズ成分をカットするために当該増幅器に印加されるオフセット電圧が大きくなる。よって、オフセット手段として、例えば、より分解能の低いD/Aコンバータや精度の低い抵抗器等を用いることができ、コストを低減することが可能となる。
また、本発明に係る生体センサでは、オフセット信号生成手段が、増幅手段により増幅された検出信号の直流成分の電圧値に基づいて、オフセット信号を可変することが好ましい。
この場合、検出信号の直流成分に基づいて、オフセット信号が可変される。すなわち、ノイズ成分の大きさに応じて、該ノイズ成分をカットするオフセット電圧を可変(調節)することができる。よって、効果的にノイズ成分をカットして、S/N比をより改善することが可能となる。
本発明によれば、受光素子によって受光され増幅器により増幅される検出信号のS/N比を改善することが可能となる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。また、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
まず、図1、図2を併せて参照して、第1実施形態に係る生体センサ1の構成について説明する。ここで、図1は、生体センサ1の構成を示すブロック図である。また、図2は、生体センサ1を構成する入力部の回路図である。
まず、図1、図2を併せて参照して、第1実施形態に係る生体センサ1の構成について説明する。ここで、図1は、生体センサ1の構成を示すブロック図である。また、図2は、生体センサ1を構成する入力部の回路図である。
生体センサ1は、血中ヘモグロビンの吸光特性を利用して、光電脈波信号を光学的に検出し、例えば脈拍などの生体情報を計測するセンサである。そのため、生体センサ1は、主として発光素子10、受光素子20、増幅部30、及びマイクロコントローラ50等を備えて構成されている。
発光素子10は、マイクロコントローラ50の出力ポート54から出力されるパルス状の駆動信号に応じて発光する。発光素子10としては、例えば、LED、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER)、又は共振器型LED等を用いることができる。なお、本実施形態では、駆動信号として、600Hzのパルス信号を用いた。
受光素子20は、発光素子10から照射され、例えば指先などの人体100を透過して、又は人体100に反射して入射される光の強さに応じた検出信号を出力する。受光素子20としては、例えば、フォトダイオードやフォトトランジスタ等が好適に用いられる。本実施形態では、受光素子20として、フォトダイオードを用いた。受光素子(フォトダイオード)20は、増幅部30に接続されており、受光素子(フォトダイオード)20で得られた検出信号(光電脈波信号)は増幅部30に出力される。
増幅部30は、多段接続(本実施形態では2段)された2個の演算増幅器(オペアンプ)31,40を有しており、受光素子(フォトダイオード)20から出力された検出信号(光電脈波信号)を増幅する。
より具体的には、フォトダイオード20のカソード電極は、前段(第1段目)の演算増幅器(以下「第1演算増幅器」という)31の反転入力(−)端子に接続されている。一方、フォトダイオード20のアノード端子は、第1演算増幅器31の非反転入力(+)端子に接続されている。また、フォトダイオード20のアノード端子には、マイクロコントローラ50のD/Aコンバータ53から出力されるアナログ信号を分圧して演算増幅器31の非反転入力(+)端子に印加する分圧抵抗群(請求の範囲の分圧手段に相当)32が接続されている。
より詳細には、分圧抵抗群32は、一端が、フォトダイオード20のアノード端子、及び第1演算増幅器31の非反転入力(+)端子に接続され、他端がグランドに接続される第1抵抗器33と、一端が、第1抵抗器33の一端と接続され、他端が、D/Aコンバータ53の出力端子と接続された第2抵抗器34とを有している。よって、第1抵抗器33と第2抵抗器34との接続点(すなわち、フォトダイオード20のアノード端子及び第1演算増幅器31の非反転入力(+)端子)には、D/Aコンバータ53から出力されるアナログ信号を、第1抵抗器33の抵抗値と第2抵抗器34の抵抗値との比率に応じて分圧した電圧(オフセット電圧)が現われる。そのため、検出信号を増幅する際の第1演算増幅器31の基準電位(動作点)が、当該オフセット電圧だけオフセットされる。
ここで、オフセット電圧(補正電圧)の設定方法について説明する。例えば、増幅部30の出力端で見て、直流成分(ノイズ成分)を1V分補正(カット)する場合には、増幅部30の増幅率(すなわち演算増幅器31の増幅率と演算増幅器40の増幅率の乗算値)を仮に100倍とすると、1/100(V)=0.01(V)のオフセット電圧を与えればよい。すなわち、この場合には、オフセット電圧が0.01(V)になるように、第1抵抗器33並びに第2抵抗器34それぞれの抵抗値、及び、D/Aコンバータ53の出力電圧が設定/調節される。
第1演算増幅器31の出力端子は、コンデンサ35を介して、第2演算増幅器40の入力端子(非反転入力(+)端子)と接続されている(すなわち交流結合されている)。第1演算増幅器31により増幅された検出信号は、コンデンサ35によって直流成分が除去された後、後段(第2段目)の演算増幅器(以下「第2演算増幅器」という)40によって再度増幅される。第2演算増幅器40の出力端は、マイクロコントローラ50に接続されており、増幅された検出信号(光電脈波信号)は、マイクロコントローラ50に出力される。
マイクロコントローラ50は、フォトダイオード20により検出され、増幅部30により増幅された検出信号(光電脈波信号)を処理してユーザの脈拍などの生体情報を取得する。また、マイクロコントローラ50は、発光素子10に対して駆動信号を出力するとともに、分圧抵抗群32に対してオフセット信号を出力する。そのため、マイクロコントローラ50は、入力インターフェースとしてのマルチプレクサ51並びにA/Dコンバータ52、及び、A/Dコンバータ52を介して入力される検出信号に対して演算処理を行うCPU55、該CPUに各処理を実行させるためのプログラムやデータを記憶するROM、演算結果などの各種データを一時的に記憶するRAM、オフセット信号(アナログ信号)を出力するD/Aコンバータ53、及び、駆動信号を出力する出力ポート54等を有して構成されている。
また、マイクロコントローラ50では、ROMに記憶されているプログラムが、CPU55によって実行されることにより、演算部56、駆動信号生成部57、オフセット信号生成部58の機能が実現される。なお、A/Dコンバータ52や、D/Aコンバータ54、CPU55、ROM、RAMなどはそれぞれ独立したチップから構成されていてもよい。
マルチプレクサ51は、A/D変換を行う入力ポートを選択して切替えるものである。マルチプレクサ51は、CPUからの制御信号に基づいて、入力ポートを切替える。マルチプレクサ51により選択された入力ポートからの検出信号(光電脈波信号)は、A/Dコンバータ52に送られる。
A/Dコンバータ52は、マルチプレクサ51により選択された入力ポートからの検出信号(光電脈波信号)を所定のサンプリング周期でディジタルデータに変換する。ディジタル変換された検出信号は、演算部56に出力される。
演算部56は、読み込まれた検出信号(光電脈波信号)を処理して、例えば、脈拍等の生体情報を取得する。すなわち、演算部56は、請求の範囲に記載の演算手段として機能する。なお、取得された脈拍等の生体情報は、外部に出力されたり、或いは、上述したRAMなどに記憶される。
駆動信号生成部57は、発光素子10を駆動するパルス状の駆動信号を生成し、出力ポート54を介して出力する。すなわち、駆動信号生成部57は、請求の範囲に記載の駆動信号生成手段として機能する。本実施形態では、駆動信号生成部57は、駆動信号として、周波数が600Hzのパルス波を生成するように設定した。
オフセット信号生成部58は、第1抵抗器33並びに第2抵抗器34それぞれの抵抗値により定められる分圧比を考慮して、駆動信号生成部57により出力されるパルス状の駆動信号と同期させたパルス状のオフセット信号(ディジタルデータ)を生成する。ここで、例えば、0.01(V)のオフセット電圧を第1演算増幅器31に印加しようとした場合には、分圧抵抗群32の分圧比を例えば1/5とすると、D/Aコンバータ53から0.05(V)が出力されるようにオフセット信号(ディジタルデータ)が生成される。
オフセット信号生成部58で生成されたオフセット信号(ディジタルデータ)は、D/Aコンバータ53でアナログ信号に変換された後、分圧抵抗群32に出力される。すなわち、オフセット信号生成部58、D/Aコンバータ53、及び分圧抵抗群32は、請求の範囲に記載のオフセット手段として機能する。
上述した構成を有することにより、本実施形態に係る生体センサ1では、まず、マイクロコントローラ50の駆動信号生成部57により、例えば周波数が600Hzのパルス信号が生成され、出力ポート54から出力される。パルス信号が印加された発光素子10は、該パルス信号に応じて所定波長のパルス光を照射する。発光素子10から照射され、例えば指先などの人体100を透過、又は人体100に反射されたパルス光は、受光素子20に入射し、該受光素子20により電気信号(検出信号)に変換される。
一方、マイクロコントローラ50のオフセット信号生成部58では、上記パルス信号(駆動信号)と同期されたパルス状のオフセット信号(ディジタルデータ)が生成される。該オフセット信号は、D/Aコンバータ53によってアナログ電圧に変換されて、分圧抵抗群32に印加される。よって、分圧抵抗群32を構成する第1抵抗器33の抵抗値と第2抵抗器34の抵抗値との比率に応じて分圧された電圧(オフセット電圧)が、受光素子(フォトダイオード)20のアノード端子と増幅部30を構成する第1演算増幅器31の非反転入力端子との接続点に印加される。
受光素子20により変換された検出信号は、増幅部30で増幅される。その際に、第1演算増幅器31の基準電位(動作点)が、上記オフセット電圧によってオフセットされる。そのため、直流成分として検出信号に重畳している外来光等のノイズ成分がカットされる。その結果、検出信号のS/N比が改善される。
第1演算増幅器31で増幅された検出信号は、次段の第2演算増幅器40でさらに増幅された後、マイクロコントローラ50に入力される。マイクロコントローラ50に入力された検出信号は、マルチプレクサ51、A/Dコンバータ52を介して、演算部56に読み込まれる。そして、演算部56において、検出信号が処理されて、例えば、脈拍等の生体情報が取得される。
以上、本実施形態によれば、検出信号を増幅する際の第1演算増幅器31の基準電位(動作点)がオフセットされる。そのため、直流成分として検出信号に重畳する外来光等のノイズ成分をカットすることができる。よって、受光素子10によって受光され増幅部30(第1演算増幅器31)により増幅される検出信号のS/N比を改善することが可能となる。その結果、例えば、被験者の個人差による脈拍不検出範囲を小さくすることができる。すなわち、検出率を改善することができる。また、増幅部30の低ノイズ要件を緩くすることができるため、増幅部30を構成する回路部品の低コスト化を図ることができる。さらに、A/Dコンバータ52の分解能の下げることができ、より低コスト化を図ることができる。
また、本実施形態によれば、パルス状の駆動信号により発光素子10が点滅駆動されるため、常時点灯させる場合と比較して消費電力を低減することができる。また、パルス状の駆動信号と同期されたパルス状のオフセット電圧が第1演算増幅器31に対して与えられるため、発光素子10が点灯しているときに受光素子20によって取得される検出信号からノイズ成分をカットすることが可能となる。
また、本実施形態によれば、例えばD/Aコンバータ53のみでは分解能が不足するような場合であっても、D/Aコンバータ53と分圧抵抗群32とを組み合わせて用いることにより、オフセット電圧を精度よく生成して印加することができる。よって、ノイズ成分を精度よくカットすることが可能となる。
ここで、第1演算増幅器31にオフセット電圧を印加することによるS/N比の改善効果を確認するために、第1演算増幅器31にオフセット電圧を印加した場合(本実施形態)と、オフセット電圧を印加しない場合(従来回路:比較例)それぞれについて、増幅部30から出力されるアナログ出力電圧をシミュレーション及び実測で求めた。そこで、図3〜6を参照しつつ、第1演算増幅器31にオフセット電圧を印加することによるS/N比の改善効果について説明する。
ここで、図3は、本実施形態に係る生体センサ1の増幅部30から出力される検出信号のシミュレーション結果を示す図である。図4は、比較例として用いた、従来技術に係る生体センサの構成を示すブロック図である。また、図5は、図4に示した従来技術(比較例)に係る生体センサの増幅部30’から出力される出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。図6は、本実施形態に係る生体センサ1の増幅部30、及び、従来技術(比較例)に係る生体センサの増幅部30’それぞれから出力される出力電圧の実測例を示す図である。
まず、図3を参照しつつ、本実施形態に係る生体センサ1の増幅部30から出力される出力電圧のシミュレーション結果について説明する。図3では、上段から順に、受光素子10の受光電流を時間拡大して示した波形(nA)、オフセット電圧を時間拡大して示した波形(V)、オフセット電圧(V)、及び、増幅部30のアナログ出力電圧(V)を示す。なお、図3の横軸は時間(ms)である。
第1段目に示される受光電流をI−V変換して増幅する際に、第2,3段目に示されるように、約0.06V(反転させているため、3Vを基準にして−0.06V)のパルス状のオフセット電圧を第1演算増幅器31に印加した場合、第4段目の実線に示されるように、アナログ出力電圧の振幅(p−p)は、約0.8Vとなった。このときに、検出信号(脈波信号)の振幅は、約0.5Vとなった。よって、S/N比は、0.5/0.8=約72.5%となり、後述する従来回路に対してS/N比を改善できることが確認された。
また、図3の4段目には、増幅部30の増幅率を2倍にした場合の波形を破線で示した。この場合、4段目に破線で示されるように、脈波信号(検出信号)を劣化させることなく、かつ、脈波信号を飽和することなく、脈波信号の振幅を2倍にできることが確認された。
次に、図4及び図5を併せて参照しつつ、従来回路(比較例)に係る生体センサの増幅部30’から出力される出力電圧(脈波信号)のシミュレーション結果について説明する。上述したように、図4は、比較例として用いた、従来回路が用いられた生体センサの構成を示すブロック図である。図4に示されるように、この生体センサは、オフセット信号生成部58、D/Aコンバータ53、分圧抵抗群32を備えていない。よって、増幅部30’を構成する第1演算増幅器31には、動作点をオフセットさせるオフセット電圧が印加されない。
図4に示した従来回路(比較例)に係る生体センサの増幅部30’から出力される出力電圧のシミュレーション結果を図5に示す。図5では、上段から順に、受光素子10の受光電流を時間拡大して示した波形(nA)、オフセット電圧を時間拡大して示した波形(V)、オフセット電圧(V)、及び、増幅部30’のアナログ出力電圧(V)を示す。なお、図4の横軸は時間(ms)である。
第1段目に示される受光電流をI−V変換して増幅する際に、第2,3段目に示されるように、オフセット電圧がゼロ(反転させているため、3V)、すなわちオフセット電圧が印加されなかった場合、第4段目に示されるように、アナログ出力電圧の振幅(p−p)は、約1.8Vとなった。このときに、検出信号(脈拍脈波)の振幅は、約0.5Vとなった。よって、S/N比は、0.5/1.8=約28%であった。
以上の結果から、本実施形態に係る生体センサ1によれば、S/N比を約28%から約72.5%に改善できることが確認された。
続いて、図6を参照しつつ、本実施形態に係る生体センサ1によるS/N比の改善効果の確認結果について実測例を示して説明する。ここで、図6では、本実施形態に係る生体センサ1の増幅部30、及び、図4に示した従来回路(比較例)に係る生体センサの増幅部30’それぞれから出力される出力電圧(アナログ出力)の実測例を示す。なお、図6の横軸は時間(sec)であり、縦軸は、増幅部30(又は増幅部30’)のアナログ出力電圧(V)である。また、図6では、本実施形態の測定結果を実線で、従来回路(図4参照)の測定結果を破線でそれぞれ示した。
図6に示されるように、従来回路を用いた場合と比較して、本実施形態によれば、増幅部30からのアナログ出力が、振幅が変化することなく、全体的に約1.1V程度オフセット(低下)されることが確認された。すなわち、脈拍振幅を劣化させることなく受光電圧レンジを約半減(S/N比を改善)できることが確認できた。
(第2実施形態)
次に、図7を用いて、第2実施形態に係る生体センサ2の構成について説明する。ここでは、上述した第1実施形態に係る生体センサ1と同一・同様な構成については説明を簡略化又は省略し、異なる点を主に説明する。図7は、第2実施形態に係る生体センサ2の構成を示すブロック図である。なお、図7において第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
次に、図7を用いて、第2実施形態に係る生体センサ2の構成について説明する。ここでは、上述した第1実施形態に係る生体センサ1と同一・同様な構成については説明を簡略化又は省略し、異なる点を主に説明する。図7は、第2実施形態に係る生体センサ2の構成を示すブロック図である。なお、図7において第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
生体センサ2は、2つの発光素子11,12を備えている点で、上述した生体センサ1と異なっている。2つの発光素子11,12それぞれは、血中酸素飽和度を示す酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの存在比を得るために、異なる波長の光を出射する。例えば、一方の発光素子11は、酸化ヘモグロビンの吸光係数が高い赤外光付近の光(例えば940nm)を出射する。他方の発光素子12は、還元ヘモグロビンの吸光係数が高い赤色光付近の光(例えば660nm)を出射する。
マイクロコントローラ50Aを構成する駆動信号生成部57Aは、2つの発光素子11,12に対して、周波数が同一(例えば600Hz)で、互いにタイミングが異なるパルス状の駆動信号(パルス信号)を生成する。生成された、互いにタイミングが異なるパルス信号は、それぞれ出力ポート54Aを介して、発光素子11及び発光素子12に対して出力される。
一方、オフセット信号生成部58Aは、電圧値が互いに独立して調節されるパルス状のオフセット信号(ディジタルデータ)を、上記駆動信号(パルス信号)と同期させて生成する。生成されたオフセット信号(ディジタルデータ)は、D/Aコンバータ53によりアナログ信号に変換され、分圧抵抗群32によって分圧されて、第1演算増幅器31の非反転入力端子に印加される。
演算部56Aは、各波長の検出信号から、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの存在比(吸光度比)を演算して、酸素飽和度を求める。その他の構成は、生体センサ1と同一または同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
本実施形態に係る生体センサ2では、駆動信号生成部57Aにより、互いにタイミングが異なるパルス状の駆動信号(パルス信号)が生成されて出力される。そして、2つの発光素子11,12それぞれから波長の異なるパルス光がタイミングを変えて出力される。発光素子11,12から照射され、例えば指先等の人体100を透過し、又は人体100で反射されたパルス光は、受光素子20で受光され、電気信号(検出信号)に変換される。
一方、オフセット信号生成部58Aでは、電圧値が互いに独立して調節されたパルス状のオフセット電圧(ディジタルデータ)が、双方の駆動信号(パルス信号)と同期させて生成されて出力される。該オフセット電圧は、D/Aコンバータ53によってアナログ電圧に変換されて、分圧抵抗群32に印加される。よって、分圧抵抗群32を構成する第1抵抗器33の抵抗値と第2抵抗器34の抵抗値との比率に応じて分圧された電圧(オフセット電圧)が、受光素子(フォトダイオード)20のアノード端子と増幅部30を構成する第1演算増幅器31の非反転入力端子との接続点に印加される。
受光素子20により変換された検出信号は、増幅部30で増幅される。その際に、第1演算増幅器31の基準電位(動作点)が、上記オフセット電圧によってオフセットされる。そのため、直流成分として検出信号に重畳する外来光等のノイズ成分がカットされる。その結果、2つの発光素子11,12から出力された波長が異なるパルス光毎に検出信号のS/N比が改善される。
第1演算増幅器31で増幅された検出信号は、次段の第2演算増幅器40でさらに増幅された後、マイクロコントローラ50Aに入力される。マイクロコントローラ50Aに入力された検出信号は、マルチプレクサ51、A/Dコンバータ52を介して、演算部56Aに読み込まれる。そして、演算部56において、各波長の検出信号が処理されて、例えば、各波長の吸光度比から酸素飽和度等の生体情報が取得される。
本実施形態によれば、2つの発光素子11,12から出力されたパルス光を単一の受光素子20で受光することができる。そして、2つの発光素子11,12から出力された互いに波長が異なるパルス光毎に、ノイズ成分をカットすることができる。よって、2つの発光素子11,12から出力されたパルス光毎にS/N比を改善することが可能となる。その結果、例えば、各波長に対する吸光度比をより正確に測定でき、酸素飽和度をより精度よく検出することができる。
(第3実施形態)
次に、図8を参照して、第3実施形態に係る生体センサ3の構成について説明する。ここでは、上述した第1実施形態に係る生体センサ1と同一・同様な構成については説明を簡略化又は省略し、異なる点を主に説明する。図8は、第3実施形態に係る生体センサ3の構成を示すブロック図である。なお、図8において第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
次に、図8を参照して、第3実施形態に係る生体センサ3の構成について説明する。ここでは、上述した第1実施形態に係る生体センサ1と同一・同様な構成については説明を簡略化又は省略し、異なる点を主に説明する。図8は、第3実施形態に係る生体センサ3の構成を示すブロック図である。なお、図8において第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
上述した生体センサ1では、第1演算増幅器31の非反転入力にオフセット電圧を印加したが、生体センサ2では第2演算増幅器40の反転入力端子にオフセット電圧を印加している点で生体センサ1と異なっている。この場合、第2演算増幅器40は、当該オフセット電圧をバイアス電圧とする差動増幅回路として動作する。なお、図8のオフセット印加回路41としては、例えば、上述した分圧抵抗群32と同一の回路を用いることができる。その他の構成は、生体センサ1と同一又は同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
本実施形態では、オフセット信号生成部58Bは、第2演算増幅器40の増幅率のみを考慮してオフセット信号を生成する。よって、オフセット印加回路41の分圧比が第1実施形態と同一であるとした場合には、第1実施形態で設定されたオフセット電圧に第1演算増幅器31の増幅率を乗算した電圧が第2演算増幅器40に印加される。
本実施形態によれば、後段の第2演算増幅器40には、前段(第1演算増幅器31)で増幅された検出信号が入力されるため、ノイズ成分をカットするために第2演算増幅器40に与えられるオフセット電圧(バイアス電圧)が大きくなる。よって、オフセット電圧を設定・調節するために、例えば、より分解能の低いD/Aコンバータや精度の低い抵抗器を用いることができる。そのため、センサのコストをより低減することができる。
なお、本実施形態において、オフセット信号生成部58Bが、増幅部30Bにより増幅された検出信号の直流成分の電圧値(ノイズの電位)に基づいて、第2演算増幅器40に印加するオフセット電圧を可変する構成としてもよい。この場合、ノイズ成分の大きさ(電位)に応じて、該ノイズ成分をカットするオフセット電圧を可変・調節することができるため、より効果的にノイズ成分をカットして、S/N比をより改善することが可能となる。
(第4実施形態)
次に、図9を参照して、第4実施形態に係る生体センサ4の構成について説明する。ここでは、上述した第1実施形態に係る生体センサ1と同一・同様な構成については説明を簡略化又は省略し、異なる点を主に説明する。図9は、第4実施形態に係る生体センサ4の構成を示すブロック図である。なお、図9において第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
次に、図9を参照して、第4実施形態に係る生体センサ4の構成について説明する。ここでは、上述した第1実施形態に係る生体センサ1と同一・同様な構成については説明を簡略化又は省略し、異なる点を主に説明する。図9は、第4実施形態に係る生体センサ4の構成を示すブロック図である。なお、図9において第1実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
生体センサ4は、増幅部30Cにより増幅された検出信号の交流成分の振幅(すなわち脈波成分の振幅)に基づいて、例えば、増幅部30Cを構成する第2演算増幅器40Cの増幅率を可変する増幅率可変部(請求の範囲に記載の可変手段に相当)59をさらに備えている点で、上述した生体センサ1と異なっている。その他の構成は、生体センサ1と同一または同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
この場合、例えば、増幅率可変部59により生成された可変信号がD/Aコンバータ(図示省略)によってアナログ信号に変換されて第2演算増幅器40Cに出力される。第2演算増幅器40Cは、該アナログ信号に基づいて増幅率を可変する。
本実施形態によれば、検出信号の交流成分、すなわちシグナル成分(脈波成分)の振幅に基づいて、増幅部30C(第2演算増幅器40C)の増幅率を可変・調節することができる。よって、ノイズ成分がカットされた分(S/N比が改善された分)、増幅器30Cの増幅率を上げることができる。そのため、シグナル成分(脈波成分)の振幅を拡大することが可能となる。また、被験者の個人差による脈拍不検出範囲をより小さくすることができる。すなわち、検出率をより改善することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、増幅部30(30B,30C)を2段の演算増幅器31,40で構成したが、1段又は3段以上の演算増幅器で構成してもよい。
また、上記実施形態では、パルス状の駆動信号を生成して発光素子10(11,12)に入力するとともに、パルス状のオフセット電圧を第1演算増幅器31又は第2演算増幅器40に印加したが、第1演算増幅器31と後段の第2演算増幅器40とをDC結合し、一定の駆動信号を生成して発光素子10(11,12)に入力するとともに、一定のオフセット電圧を第1演算増幅器31又は第2演算増幅器40に印加する構成としてもよい。
1,2,3,4 生体センサ
10,11,12 発光素子
20 受光素子
30,30B,30C 増幅部
31 第1演算増幅器
40,40C 第2演算増幅器
32 分圧抵抗群
50,50A,50B,50C マイクロコントローラ
53 D/Aコンバータ
54,54A 出力ポート
55,55A,55B,55C CPU
56,56A 演算部
57,57A 駆動信号生成部
58,58A,58B,58C オフセット信号生成部
59 増幅率可変部
10,11,12 発光素子
20 受光素子
30,30B,30C 増幅部
31 第1演算増幅器
40,40C 第2演算増幅器
32 分圧抵抗群
50,50A,50B,50C マイクロコントローラ
53 D/Aコンバータ
54,54A 出力ポート
55,55A,55B,55C CPU
56,56A 演算部
57,57A 駆動信号生成部
58,58A,58B,58C オフセット信号生成部
59 増幅率可変部
Claims (7)
- 駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記駆動信号生成手段により生成された駆動信号に応じて発光する発光素子と、
受光した光の強さに応じた検出信号を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力される検出信号を増幅する増幅器を含む増幅手段と、
直流成分として検出信号に重畳するノイズ成分の大きさに応じて、前記検出信号を増幅する際の前記増幅器の基準電位をオフセットさせるオフセット電圧であって、前記直流成分として検出信号に重畳するノイズ成分をカットするオフセット電圧を生成して前記増幅器に印加するオフセット手段と、
前記増幅手段により増幅された検出信号を処理して生体情報を取得する演算手段と、を備えることを特徴とする生体センサ。 - 前記駆動信号生成手段は、パルス状の駆動信号を生成し、
前記オフセット手段は、前記駆動信号生成手段により生成されるパルス状の駆動信号と同期させたパルス状のオフセット電圧を生成して印加することを特徴とする請求項1に記載の生体センサ。 - 前記オフセット手段は、
オフセット信号を生成するオフセット信号生成手段と、
複数の抵抗器を含み、前記オフセット信号生成手段により生成されたオフセット信号を分圧して前記オフセット電圧を生成する分圧手段と、を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の生体センサ。 - 前記増幅手段により増幅された検出信号の交流成分の振幅に基づいて、前記増幅手段の増幅率を可変する可変手段をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の生体センサ。
- 前記発光素子と異なる波長の光を出力する発光素子をさらに備え、
前記駆動信号生成手段は、複数の発光素子それぞれに対して、互いに異なるタイミングで、パルス状の駆動信号を生成し、
前記オフセット手段は、互いに独立したパルス状のオフセット電圧を、互いに異なるタイミングで出力される前記パルス状の駆動信号それぞれと同期させて生成し、印加することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の生体センサ。 - 前記増幅手段は、多段接続された複数の増幅器を含み、
前記オフセット手段は、前記オフセット電圧を、第2段目以降の増幅器に印加することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の生体センサ。 - 前記オフセット信号生成手段は、前記増幅手段により増幅された検出信号の直流成分の電圧値に基づいて、前記オフセット信号を可変することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の生体センサ。
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