JP6085725B2 - ユーザの心拍を測定する光学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの心拍を測定する光学デバイスに関する。

光学心拍測定の原理は、ユーザの皮膚に光を放出する光源の使用に基づかれる。斯かる測定は、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）と呼ばれる。放出された光は、皮膚において散乱され、そこで、それは、血液により部分的に吸収される。反射された光は、皮膚を出て、センサによりキャプチャされる。センサにおける信号の量は、血液量のインジケーションである。血流が脈動するとき、皮膚における血液量は変化する。結果として、センサにおける信号が脈動に基づき直接変化する。こうして、センサは、皮膚におけるユーザのパルスを直接測定し、所与の瞬間でのユーザの実際の心拍を決定することができる。

ユーザが動いているとき、心拍の測定はより複雑になる。斯かる運動は、わずかであっても、運動アーチファクトを生成する。これはパルス信号の上のノイズ信号として規定されることができる。従って、非常に信頼性が高い心拍測定を得るため、運動アーチファクトは、測定されたパルス信号から除去されなければならない。

欧州特許出願ＥＰ１３５４５５３号は、フォトプレチスモグラフィを用いて心拍を検出する装置を開示する。これは、ユーザの運動中でさえ、心拍を検出することができる。斯かる装置は、ＰＰＧセンサユニットにより検出されるＰＰＧ信号における特定の周波数帯域における信号だけを選択的に通過させるフィルタリングユニットを有する。斯かるソリューションは、かなり複雑で、常に信頼性が高いわけではない。

本発明の目的は、従来技術より良好なパフォーマンスを持つ、ユーザの心拍を測定する光学デバイスを提案することである。本発明は、独立請求項により規定される。従属項は、有利な実施形態を定める。

本発明によれば、ユーザの心拍を測定する光学デバイスを提案される。このデバイスは、
ユーザの皮膚に光を放出する２つの光源と、
ユーザの心拍を決定するため、２つの光源の各々により放出され、ユーザの皮膚を通り反射される光からの光信号を受信するセンサとを有する。

２つの光源は、センサから異なる距離に配置される。その結果、２つの光源の各々から受信される光信号が、皮膚への異なる浸透深さを持つ。

斯かる構成において、２つの光源の各々により放出される光信号は、異なる深さで血管と干渉する。従って、斯かる光学デバイスは、異なる血管と干渉する２つの光信号を作成するため２つの光源を使用し、２つの光源から受信される光信号を組み合わせることを可能にする。その結果、運動アーチファクトが実質的に除去され、心拍が信頼性高く評価されることができる。

本発明の第１の実施形態によれば、光学デバイスは、環境温度を測定する温度センサと、測定された環境温度に基づき光源の１つを選択する制御ユニットとを有する。これは、関連する基準に基づき、１つの光源を選択することを可能にする。

本発明の別の実施形態によれば、２つの光源により放出される光信号は、同一又は類似する波長を持つことができる。本発明の別の実施形態によれば、２つの光源により放出される光信号は、異なる波長を持つこともできる。

本発明の更に別の実施形態によれば、１つの光源は、ユーザの皮膚の表面に対して持ち上げられる。

本発明の第１の実施形態による光学デバイスの動作を示す図である。 第１の実施形態の光源の構成によるセンサにより受信される光信号を得るために、パルス要素及び運動アーチファクト要素がどのように組み合わせられるかを示す図である。 本発明の第２の実施形態による光学デバイスの動作を示す図である。

本発明のこれら及び他の側面が、以下に説明される実施形態から明らかとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

本発明が、以下、添付の図面を参照して、例を用いて、より詳細に説明される。

本発明は、ユーザの心拍を測定する光学デバイスに関する。上記デバイスは、上記ユーザの皮膚に光を放出する２つの光源と、上記ユーザの心拍を決定するため、上記２つの光源の各々により放出され、上記ユーザの皮膚を通り反射される光からの光信号を受信するセンサとを有する。この光学デバイスは、センサ信号を受信し、センサ信号に基づき、ユーザのパルス及び／又は心拍を決定する処理ユニットを有する。本発明によれば、上記２つの光源は、上記センサから異なる距離に配置される。その結果、上記２つの光源の各々から受信される光信号が、皮膚への異なる浸透深さを持つ。上記光信号の波形は、振幅及び／又は位相に関して異なるようにされることができる。本発明のこれ及び他の側面は、以下の実施形態においてより詳細に説明される。異なる実施形態において、２つの光源は、例えば、２つの光放出デバイスＬＥＤである。代替的に、光源は、レーザーとすることもできる。以下において、センサは好ましくは、光検出ダイオードである。それは、フォトトランジスタでもよい。光学デバイスは、腕時計の形とすることができる。これはユーザの手首又は腕に着用される。

本発明の第１の実施形態によれば、図１に示されるように、同一の波長を持つ２つのＬＥＤにより放出される光を使用することが提案される。２つのＬＥＤ１及び２は、ユーザの皮膚へと光を放出する。２つのＬＥＤ１及び２は例えば、２つの緑色発光ダイオードである。放出された光は皮膚において散乱させられる。ここで、放出された光が、例えば毛管ループＣ、細動脈Ａ及び小静脈Ｖといった血管とどれくらい深く干渉するかに基づき、放出された光は、血液により部分的に吸収される。反射された光は、皮膚を出て、光検出ダイオード３によりキャプチャされる。本実施形態において、２つのＬＥＤ１及び２が光検出ダイオード３から異なる距離に配置されることが、図１において見られることができる。２つのＬＥＤ１及び２及び光検出ダイオード３の各々の間の距離が異なるので、これは、光検出ダイオード３に達する光に関して異なる浸透深さを生み出す。２つのＬＥＤ１及び２は、異なる時間でパルス化され、光検出ダイオード３と同期化され、両方の深さからの信号が、同時に測定されることができる。図１において、信号ａ１＊ｐ（ｔ）は、ＬＥＤ１から受信される小さいパルス信号を表し、ａ２＊ｐ（ｔ）が、ＬＥＤ２から受信される大きいパルス信号を表す。両方のパルス信号は、心拍を決定するために用いられ、ａ１及びａ２は、血液吸収に依存する定数である。ＬＥＤ及び光検出ダイオードの斯かる構成の１つの利点は、パルス信号の振幅が、上記信号の浸透深さに依存する点にある。血管がより深いほど、パルス信号はより大きい。血管が浅くなるほど、信号はより低い。なぜなら、それらの血管がほとんど毛細管で、多くの心拍信号を露出するものではないからである。

上述したように、ユーザが動いているとき、心拍の測定はより複雑である。その場合、運動アーチファクト信号が、パルス信号に対して加算される。これは、図２に示される。そこでは、光検出ダイオードにより受信される結果として生じる光信号Ｉ（ｔ）が、パルス信号ｐ（ｔ）及び運動アーチファクト信号ｍ（ｔ）の合計であることが分かる。より詳細には、第１のＬＥＤから受信される第１の光信号Ｉ１（ｔ）は、小さいパルス信号ａ１＊ｐ（ｔ）及び第１の運動アーチファクト信号ｂ１＊ｍ（ｔ）の合計であり、第２のＬＥＤから受信される第２の光信号Ｉ２（ｔ）は、大きいパルス信号ａ２＊ｐ（ｔ）及び第２の運動アーチファクト信号ｂ２＊ｍ（ｔ）の合計である。運動アーチファクトが両方の光信号において存在するが、運動アーチファクト信号は、大きいパルス信号より、小さいパルス信号においてより多くの影響を持つことが図２から分かる。実際、２つの運動アーチファクト信号は、かなり類似する。これは、２つのＬＥＤの色が同じであり、光が、検出器の同じ側を移動するためである。従って、本発明は、両方とも反射率において測定される、光信号のパルス要素及び運動アーチファクト要素を異なる比率において混合することを可能にする。

図３に示される本発明の第２の実施形態によれば、ユーザの皮膚の表面に対してＬＥＤの１つを持ち上げることが提案される。図３において、光検出ダイオードに対して最も間近である第１のＬＥＤ１１が、持ち上げられた。

第１の実施形態のように、２つのＬＥＤ１１及び１２はユーザの皮膚に光を放出するが、第２の実施形態において、ＬＥＤ１１は、ユーザの皮膚の表面に対する距離ｄ分持ち上げられる。２つのＬＥＤ１１及び１２は、例えば２つの緑色発光ダイオードである。前述したように、放出された光は、皮膚において散乱され、例えば毛管ループＣ、細動脈Ａ及び小静脈Ｖといった血管と放出された光とがどれくらい深く干渉するかに基づき、放出された光は、血液により部分的に吸収される。反射された光は、皮膚を出て、光検出ダイオード１３によりキャプチャされる。この第２の実施形態によれば、第１のＬＥＤ１１から受信される第１の光信号は、皮膚を通り深くは浸透せず、従って、より吸収される。これは、第１の実施形態と比較するとパルス要素を大幅に減らし、従って第１の光信号において運動アーチファクト要素からの貢献を増やす。

本発明の別の実施形態によれば、２つのＬＥＤにより放出される光信号は、異なる波長を持つ。例えば、光検出ダイオードに対して最も間近であるＬＥＤは、青色ＬＥＤであり、他のＬＥＤは、緑色発光ダイオードである。実際、青い光は、緑の光より小さな浸透深さを持つ。波長が異なるので、運動アーチファクトは、緑色発光ダイオードから青色ＬＥＤまでより大きな程度で異なる。

本発明の別の実施形態による光学デバイスは、２つのＬＥＤ及び光検出ダイオードを有する。２つのＬＥＤにより放出される光信号は、同一又は類似する波長を持ち、２つのＬＥＤは、光検出ダイオードから異なる距離に配置される。斯かる実施形態による光学デバイスは更に、環境温度を測定する温度センサと、測定された環境温度に基づき２つのＬＥＤの１つを選択する例えばコントローラといった制御ユニットとを有する。

斯かる実施形態は、以下の観察に基づき実現された。ＬＥＤ及び光検出ダイオードの間の距離が増加するとき、光検出ダイオードにより受信される光の量は大幅に減少し、パルス振幅が増加する。光検出ダイオードにより受信される光の量は、距離が短いほど重要であるので、光検出ダイオードに対して最も間近であるＬＥＤを使用することが、好ましいが、より低いパルス振幅を犠牲にする。この状況は、環境温度が減少するとき、異なるようになる。これは、特に皮膚の表面的な層において、皮膚へのより低い血液潅流をもたらす。結果は、光検出ダイオードに対して最も間近である第１のＬＥＤのパルス信号の振幅が急速に減少する点にある。これは光検出ダイオードからより大きい距離にある第２のＬＥＤには当てはまらない。実際、この第２のＬＥＤにより放出される光信号は、皮膚のより深い層に行く。そこでは、血管がより大きい。これは、環境温度の減少による影響を更に受けず、非常により大きいパルス信号を生じさせる。

上記に基づき、光検出器ダイオードから異なる距離に配置される２つのＬＥＤと、温度センサと、温度センサにより測定される温度に基づき２つのＬＥＤの１つを自動的に選択する制御ユニットとを持つ光学デバイスが提案される。パワーセーブモードにおいて、制御ユニットは、光検出ダイオードに対して最も間近である第１のＬＥＤに切り替えるよう構成される。外側で寒いとき、例えば温度センサにより測定される環境温度が例えば１０℃といった所定の閾値未満であるとき、制御ユニットは、より大きい距離に配置される第２のＬＥＤへと自動的に切り替えるよう構成される。

本願明細書及び請求項において、ある要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」という単語は、斯かる要素が複数存在することを除外するものではない。更に、「有する」という単語は、記載される要素又はステップ以外の他の要素又はステップの存在を除外するものではない。

請求項において括弧内の参照符号が含まれることは、理解を助けるためのものであり、限定することを目的とするものではない。

本開示を読めば、他の修正が当業者に対して明らかであろう。斯かる修正は、従来技術において既に知られており、本書に説明される特徴の代わりに、又はこれに加えて使用されることができる他の特徴を含むことができる。

Claims (11)

1. ユーザの心拍を測定する光学デバイスであって、：
   前記ユーザの皮膚に光を放出する２つの光源と、
   前記ユーザの前記心拍を決定するため、前記２つの光源の各々により放出され、前記ユーザの前記皮膚を通り反射される前記光からの光信号を受信するセンサとを有し、
   前記２つの光源の各々から受信される前記光信号が前記皮膚への異なる浸透深さを持つよう、前記２つの光源が、前記センサから異なる距離に配置され、
   前記光学デバイスが更に、環境温度を測定する温度センサと、前記温度センサにより測定される環境温度が所定の閾値未満であるとき、前記センサから最も遠い前記光源を選択するよう構成される制御ユニットとを有する、光学デバイス。
2. 前記制御ユニットが、パワーセーブモードにおいては、前記センサに対して最も間近である前記光源を選択するよう構成される、請求項１に記載の光学デバイス。
3. ２つの光源により放出される前記光信号が、同一又は類似する波長を持つ、請求項１又は２に記載の光学デバイス。
4. 前記２つの光源により放出される前記光の色が、緑である、請求項３に記載の光学デバイス。
5. ２つの光源により放出される前記光信号が、異なる波長を持つ、請求項１又は２に記載の光学デバイス。
6. １つの光源により放出される前記光の色が、緑であり、前記他の光源により放出される前記光の色は、青であり、前記緑色光源が、前記青色光源より前記センサから大きい距離に配置される、請求項５に記載の光学デバイス。
7. １つの光源が、前記ユーザの皮膚の表面に対して持ち上げられる、請求項１乃至６のいずれかに記載の光学デバイス。
8. 前記光源により放出される前記光信号が、異なる時間でパルス化され、前記センサと同期化される、請求項１乃至７のいずれかに記載の光学デバイス。
9. 前記光源が発光ダイオードである、請求項１乃至８のいずれかに記載の光学デバイス。
10. 前記センサが、光検出ダイオードである、請求項１乃至９のいずれかに記載の光学デバイス。
11. 手首に着用されるよう構成される、請求項１乃至１０のいずれかに記載の光学デバイス。

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