JP6137321B2 - 生体センサ - Google Patents

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。

特許第３１１６２５２号公報

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（ＤＣ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ＤＣ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電流検出信号を出力する受光素子と、電流検出信号を電圧検出信号に変換し、電圧検出信号の交流成分を増幅して増幅検出信号を出力する増幅手段と、電圧検出信号の直流成分をオフセットするオフセット手段と、増幅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、検出された電流信号を電圧検出信号に変換して増幅する際の電圧検出信号がオフセットされる。これにより、外来光等のＤＣノイズによる直流成分を低減することにより、交流信号成分の比率を増大することができる。従って、従来では直流成分ノイズによる飽和を防止するために小さくしていた増幅率を大きく設定することができる。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増幅手段に印加されるため、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ＤＣ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、増幅手段が、電流検出信号を電圧検出信号に変換する第１演算増幅器と、電圧検出信号を増幅検出信号に増幅する第２演算増幅器と、第１演算増幅器の出力端子と第２演算増幅器の入力端子の間に接続されたコンデンサと、を有し、オフセット手段が、第１演算増幅器の出力端子と第２演算増幅器の入力端子の間の経路上にオフセット電圧を印加することを特徴とする。

この場合、２段構成の演算増幅器からなる一般的な増幅手段の構成を用いてオフセット電圧の印加を行うことができるので、増幅手段を安価に構成できる。またさらに、第１演算増幅器の出力端子とコンデンサの間の経路上にオフセット電圧を印加する構成とすれば、第１演算増幅器のレンジ設定要件を緩和することができ、設計の自由度を高め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、ＤＣ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、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、ＤＣ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は、増幅検出信号の直流成分を抽出する直流成分抽出手段と、直流成分抽出手段によって抽出された直流成分と目標値との偏差が減少するように、オフセット手段が出力するオフセット電圧を決定するオフセット電圧決定手段とをさらに備えることを特徴とする。

この場合、オフセット電圧が動的に決定されるので、被測定物（被験者）における皮膚状態、厚み、径等の個人差、皮膚状態の季節変動、測定部位の差等のばらつき、又は体動による信号レベルに変動があっても適切にＤＣノイズ成分をカットして測定ロバストネスを確保することができる。また、オフセット電圧レンジを閉ループ回路にて常時稼働させておくことができるため、上記のばらつき又は体動を考慮した利得マージンを設定しておく必要がなく、常に最大の利得設定で脈拍及び酸素飽和度測定を行うことが可能となる。

本発明に係る生体センサでは、オフセット電圧決定手段によるオフセット電圧の決定によっても偏差が所定値以下とならない場合に、駆動信号生成手段及び演算手段の少なくとも一方の動作を停止するようにすることが好ましい。

この場合、外来光等の影響により測定が正しく行われなかった場合に測定が終了するので、被験者等のユーザは測定の適否を容易に認識することができ、生体センサによる正しい測定が促進される。

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。

第１実施形態に係る生体センサの構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る生体センサを構成する入力部の回路図である。 第１実施形態に係るオフセット電圧を説明する図である。 第１実施形態に係る生体センサの増幅部から出力される出力電圧等のシミュレーション結果を示す図である。 従来技術（比較例）に係る生体センサの構成を示すブロック図である。 従来技術（比較例）に係る生体センサの増幅部から出力される出力電圧等のシミュレーション結果を示す図である。 第２実施形態に係る生体センサの構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係る生体センサの構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係る生体センサの動作を示すフローチャートである。

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。

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。なお、増幅部３０は請求の範囲の増幅手段に相当する。

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（以下、「検出電流信号」又は「光電脈波信号」ともいう）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（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、第１演算増幅器３１の出力端子には、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、一端が第１演算増幅器３１の出力端子及びコンデンサ３５の一端に接続され、他端がグランドに接続された第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、第１演算増幅器３１の出力端子及びコンデンサ３５の一端）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（以下、「オフセット電圧」又は「補正電圧」ともいう）が現われる。そのため、フォトダイオード２０からの電流検出信号を電圧検出信号に変換して増幅する際の第１演算増幅器３１の出力電位が当該オフセット電圧だけオフセットされる。

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（以下、「電圧検出信号」又は「光電脈波信号」ともいう）は、コンデンサ３５によって直流成分が除去された後、後段（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（以下、「増幅検出信号」又は「光電脈波信号」ともいう）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、及び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５３、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、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は分圧抵抗群３２におけ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、３．０（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２／３とすると、Ｄ／Ａコンバータ５３から４．５（Ｖ）が出力されるようにオフセット信号（アナログデータ）が生成される。なお、分圧抵抗群３２を省略してＤ／Ａコンバータ５３の出力を直接第１演算増幅器３１の出力端子に接続する構成としてもよい。

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により電流信号（電流検出信号）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、第１演算増幅器３１の出力に印加される。

図３を用いて、第１演算増幅器３１の出力にオフセット電圧を印加する場合の作用について説明する。図３の上段に、オフセット電圧が印加されない場合の第１演算増幅器３１によるＩ−Ｖ変換後の出力電圧（電圧検出信号）を示す。同図に示すように、第１演算増幅器３１からは、発光素子１０の駆動パルスに同期して、ダイナミックレンジに対して適度な割合の振幅を有する矩形波の電圧検出信号が出力される。図３の中段に、オフセット電圧信号を示す。本実施形態では、電圧検出信号にオフセット電圧信号が加算されるものとする。オフセット電圧は電圧検出信号を反転して波高値を一定とした波形であり、電圧検出信号の頂点を結んだ包絡線（上段グラフの破線）の直流成分（ベースライン）程度を振幅とする。図３の下段に、上段の出力電圧と中段のオフセット電圧が加算された、オフセット済みの第１演算増幅器３１の出力電圧を示す。下段に示す出力電圧の直流成分がコンデンサ３５によってカットされ、第２演算増幅器４０に入力される。このように第１演算増幅器３１で増幅され、オフセットされた電圧検出信号は、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。

ここで、Ｓを信号成分の電圧、ＮをＤＣノイズ成分の電圧、Ｇ１を第１演算増幅器３１によるＩ−Ｖ変換における変換利得、Ｇ２を第２演算増幅器４０における電圧利得、Ｖｏをオフセット電圧とした場合、増幅部３０からの出力信号波形は（（Ｓ＋Ｎ）×Ｇ１−Ｖｏ）×Ｇ２で定義される。従って、本実施形態によると、オフセットを行わない場合よりも（Ｓ＋Ｎ）×Ｇ１×Ｇ２を（特にＧ２を）、−Ｖｏ×Ｇ２の分だけ大きくすることができ、これにより増幅部３０の出力信号におけるＳ／Ｎ比を向上することができる。

マイクロコントローラ５０に入力された増幅検出信号は、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の出力電位がオフセットされる。そのため、検出された電流信号を電圧信号に変換する際の増幅器の出力電位がオフセットされる。これにより、外来光等のノイズによる直流成分を低減することにより、交流信号成分の比率を増大することができる。従って、従来では直流成分ノイズによる飽和を防止するために小さくしていた増幅率を大きく設定することができる。よって、受光素子２０によって受光され増幅部３０（第２演算増幅器４０）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、２段構成の演算増幅器３１及び４０からなる一般的な増幅構成を用いてオフセット電圧の印加を行うことができるので、増幅部３０を安価に構成できる。またさらに、Ａ／Ｄコンバータ５２の分解能を下げることができ、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に対して印加されるため、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ＤＣ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、ＤＣ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の出力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の出力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で求めた。そこで、図４〜図６を参照しつつ、第１演算増幅器３１の出力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４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５は、比較例として用いた、従来技術に係る生体センサ１’の構成を示すブロック図である。また、図６は、図５に示した従来技術（比較例）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を示す図である。

まず、図４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４では、グラフ（ｂ）は受光素子２０の出力電流、グラフ（ａ）はグラフ（ｂ）の受光素子２０の出力電流を時間拡大して示した波形、グラフ（ｄ）はオフセット電圧、グラフ（ｃ）はグラフ（ｄ）のオフセット電圧を時間拡大して示した波形、グラフ（ｅ）は増幅部３０（第２演算増幅器４０）のアナログ出力電圧を示す。なお、図４の横軸は時間である。

図４のグラフ（ｃ）及び（ｄ）におけるオフセット電圧の振幅（０−ｐ）を３Ｖとした。そして、グラフ（ｅ）の点線部で示すアナログ出力電圧において、ＤＣノイズ（Ｎ）に相当する振幅（ｐ−ｐ）は０．５Ｖであり、信号（Ｓ）に相当する振幅（脈拍振幅）が０．３４Ｖであった。よって、Ｓ／Ｎ比は、０．３４／０．５＝約６８％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４のグラフ（ｅ）には、増幅部３０の増幅率を３１２５０００倍にした場合の波形を実線部で示した。この場合、グラフ（ｅ）に実線部で示されるように、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１２５０００００倍にできることが確認された。

次に、図５及び図６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５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１’の構成を示すブロック図である。図５に示されるように、この生体センサ１’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、出力電圧をオフセットさせるオフセット電圧が印加されない。

図５に示した従来回路（比較例）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を図６に示す。図６では、グラフ（ｂ）は受光素子２０の出力電流、グラフ（ａ）はグラフ（ｂ）の受光素子２０の出力電流を時間拡大して示した波形、グラフ（ｃ）は増幅部３０’（第２演算増幅器４０）のアナログ出力電圧を示す。なお、図６の横軸は時間である。

図６のグラフ（ａ）に示される受光電流をＩ−Ｖ変換して増幅する際にオフセット電圧が印加されなかった場合、グラフ（ｃ）に示すアナログ出力電圧において、ＤＣノイズ（Ｎ）に相当する振幅（ｐ−ｐ）が２．５Ｖであり、信号（Ｓ）に相当する振幅（脈拍振幅）が０．３４Ｖであった。よって、Ｓ／Ｎ比は、０．３４／２．５＝約１３．６％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比を従来回路に係る生体センサ１’の約１３．６％から約６８％に改善できることが確認された。

（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。

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の出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、電流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、増幅部３０を構成する第１演算増幅器３１の出力端子に印加される。

受光素子２０により光電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の出力電位が、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ＤＣ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Ｉ−Ｖ変換及び増幅された電圧検出信号は、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に入力された増幅検出信号は、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５６Ａ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、ＤＣ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。なお、ディジタル側で吸光度比を算出する際に、信号の直流成分と交流成分が必要となるが、直流成分に関してはマイコンでＤＡＣにより帰還して動的にカットしてしまうので、そのＤＡＣの帰還量から元のアナログの直流成分換算値を算出し吸光度を計算する。例えば、ＤＣノイズ除去用に印加したオフセット電圧が８０ｍＶであった場合、０．０８＊Ｇ（Ｖ）を出力信号の直流出力電圧に加算して処理すれば、センサに入力した直流成分を特定し正確な吸光度比を算出することができる。

（第３実施形態）
次に、図８を用いて、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。

生体センサ３のマイクロコントローラ５０Ｂは、マルチプレクサ５１、Ａ／Ｄコンバータ５２、Ｄ／Ａコンバータ５３、出力ポート５４及びＣＰＵ５５Ｂを有し、ＣＰＵ５５Ｂは演算部５６、駆動信号生成部５７、オフセット信号生成部５８、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５９及びオフセット電圧決定部６０を有する。すなわち、マイクロコントローラ５０ＢはＣＰＵ５５ＢがＬＰＦ５９及びオフセット電圧決定部６０を備える点で第１実施形態のマイクロコントローラ５０のＣＰＵ５５と異なる。

本実施形態では、ＬＰＦ５９が、増幅部３０によって増幅された検出信号の直流成分を抽出し、オフセット電圧制御部６０が、ＬＰＦ５９によって抽出された直流成分と予め設定された目標値とが一致するようにオフセット電圧を動的に決定する。ＬＰＦ５９は請求の範囲に記載の直流成分抽出手段として機能し、オフセット電圧決定部６０は請求の範囲に記載のオフセット電圧決定手段に相当する。本実施形態のように、オフセット電圧が第１演算増幅器３１の出力電圧に加算される構成である場合、上述した図３の中段のグラフにおけるオフセット電圧信号の波高値が動的に制御される。

ＬＰＦ５９は、本実施形態では仕様上の測定可能最低脈拍数である０．７５Ｈｚよりも小さい遮断周波数（例えば、０．５Ｈｚ程度）を有するローパスフィルタからなる。増幅部３０からの検出信号にＬＰＦ５９が適用されることにより、検出信号を構成する各パルスのピーク値を結んだ包絡線の直流成分（ベースライン）の電圧が抽出される。

オフセット電圧決定部６０は、ＬＰＦ５９で抽出された直流成分に基づいて、オフセット信号のオフセット電圧を決定する。従って、オフセット電圧制御部６０は、増幅部３０からの検出信号の変化に応じてオフセット信号のオフセット電圧を動的に決定する。具体的には、オフセット電圧決定部６０は、ＬＰＦ５９によって抽出される直流成分と目標値との偏差を算出し、当該偏差を減少させ、乃至はゼロとするようにオフセット電圧を制御する。ここで、オフセット電圧の制御は、上記偏差がなくなるように逐次帰還制御を行うフィードバック制御であってもよいし、上記偏差に基づいて所定のオフセット電圧を一回的に（例えば測定開始時に）決定するようなフィードフォワード制御であってもよい。

オフセット信号生成部５８は、オフセット電圧決定部６０によって決定されたオフセット電圧に基づく振幅で、かつ駆動信号生成部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。第１実施形態と同様に、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、その分圧値が第１演算増幅器３１の出力端子に印加される。

第１演算増幅器３１で増幅され、オフセットされた検出電圧信号は、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５０Ｂに入力される。マイクロコントローラ５０Ｂ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。

また、オフセット電圧決定部６０は、オフセット電圧の制御が制御限界範囲内であるか否かを判定し、制御限界範囲内でない場合には、測定を終了させる。ここで、制御限界とは、抽出された直流成分と目標値の偏差がオフセット電圧の制御によっては所定値以下とならない状態をいう。例えば、受光素子２０において太陽光、高輝度の照明等の強い光が受光された場合等にオフセット電圧の制御は制御限界範囲外となる場合がある。オフセット電圧の制御が制御限界範囲外となった場合には、オフセット電圧決定部６０は駆動信号生成部５７に駆動信号の出力を停止させ、又は演算部５６の処理を停止させ、測定を終了させる。

また、オフセット電圧の制御が制御限界範囲外となった場合に、報知出力部６１はオフセット電圧決定部６０からの指令により、測定の終了と併せて又は測定の終了とは別に、測定終了、測定失敗、測定不能等を示すエラー情報をユーザに報知するようにしてもよい。報知出力部６１は、ＬＥＤ等の発光体によるインジケータ、液晶表示、生体センサ１のコントロールパネル等により視覚的にエラー情報を表示してもよいし、スピーカ等により音声によりエラー情報を出力してもよいし、これらの組合せにより報知を行ってもよい。

図９は、本実施形態に係る生体センサ３の、特にマイクロコントローラ５０Ｂの動作を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、Ａ／Ｄコンバータ５２によって増幅部３０からの検出信号が取得される。ステップＳ１０２では、検出信号にＬＰＦ５９が適用されて検出信号の直流成分が抽出される。

ステップＳ１０４では、オフセット電圧決定部６０が、検出信号の直流成分と目標値との偏差を算出する。ステップＳ１０６では、オフセット電圧決定部６０が、当該偏差が減少するようにオフセット電圧を制御する。

ステップＳ１０８では、オフセット電圧決定部６０が、オフセット電圧の制御が制御限界範囲内であるか否かを判定する。オフセット電圧の制御が制御限界範囲外である場合（ステップＳ１０８、Ｎｏ）、ステップＳ１１０において、オフセット電圧決定部６０が報知出力部６１にエラー情報を出力させ、処理はステップＳ１１４に進む。オフセット電圧の制御が制御限界範囲内である場合（ステップＳ１０８、Ｙｅｓ）、測定は継続され、処理はステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１１２では、測定が終了したか否かが判断される。測定終了でない場合（ステップＳ１１２、Ｎｏ）、処理はステップＳ１００に戻る。一方、測定終了の場合（ステップＳ１１２、Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１１４に進む。ステップＳ１１４において、オフセット電圧決定部６０は、駆動信号生成部５７及び演算部５６の一方又は両方の動作を終了させる等して測定を終了させる。

本実施形態によると、第１及び第２実施形態で得られた高いＳ／Ｎ比の実現とともに、被測定物（被験者）における皮膚状態、厚み、径等の個人差、皮膚状態の季節変動、測定部位の差等のばらつき、又は体動による信号レベルに変動があっても適切にＤＣノイズ成分をカットして測定ロバストネスを確保することができる。また、オフセット電圧レンジを閉ループ回路にて常時稼働させておくことができるため、上記のばらつき又は体動を考慮した利得マージンを設定しておく必要がなく、常に最大の利得設定で脈拍及び酸素飽和度測定を行うことが可能となる。

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、分圧抵抗群３２を第１演算増幅器３１の出力端子とコンデンサ３５の間の経路上に接続したが、コンデンサ３５と第２演算増幅器４０の入力端子の間の経路上に接続してもよい。但し、この場合には第１演算増幅器３１が飽和しないだけのレンジを有する必要がある。

また、上記実施形態では、増幅部３０を２段の演算増幅器３１，４０で構成したが、３段以上の演算増幅器で構成してもよい。この場合、分圧抵抗群３２は所与の演算増幅器の出力端子から次段の演算増幅器の正入力端子までの経路上に接続されていればよく、好ましくは、所与の演算増幅器の出力端子と、次段の演算増幅器の正入力端子に接続されたコンデンサとの間の経路上に接続される。

１，２，３ 生体センサ
１０，１１，１２ 発光素子
２０ 受光素子
３０ 増幅部
３１ 第１演算増幅器
４０ 第２演算増幅器
３２ 分圧抵抗群
３５ コンデンサ
５０，５０Ａ，５０Ｂ 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 ＣＰＵ
５６，５６Ａ 演算部
５７，５７Ａ 駆動信号生成部
５８，５８Ａ オフセット信号生成部
５９ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
６０ オフセット電圧決定部

Claims (8)

1. 駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
   前記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電流検出信号を出力する受光素子と、
   前記電流検出信号を電圧検出信号に変換し、該電圧検出信号の交流成分を増幅して増幅検出信号を出力する増幅手段と、
   前記電圧検出信号の直流成分をオフセットするオフセット手段と、
   前記増幅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、
   前記増幅手段は、
   前記電流検出信号を前記電圧検出信号に変換する第１演算増幅器と、
   前記電圧検出信号を前記増幅検出信号に増幅する第２演算増幅器と、
   前記第１演算増幅器の出力端子と前記第２演算増幅器の入力端子の間に接続されたコンデンサと、を有し、
   前記オフセット手段は、前記第１演算増幅器の出力端子と前記第２演算増幅器の入力端子の間の経路上にオフセット電圧を印加することを特徴とする生体センサ。
2. 前記オフセット手段は、前記第１演算増幅器の出力端子と前記コンデンサの間の経路上に前記オフセット電圧を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。
3. 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又は２に記載の生体センサ。
4. 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１〜３のいずれか１項に記載の生体センサ。
5. 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。
6. 前記増幅検出信号の直流成分を抽出する直流成分抽出手段と、
   前記直流成分抽出手段によって抽出された前記直流成分と目標値との偏差が減少するように、前記オフセット手段が出力するオフセット電圧を決定するオフセット電圧決定手段と、をさらに備え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。
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電流検出信号を出力する受光素子と、
   前記電流検出信号を電圧検出信号に変換し、該電圧検出信号の交流成分を増幅して増幅検出信号を出力する増幅手段と、
   前記電圧検出信号の直流成分をオフセットするオフセット手段と、
   前記増幅検出信号を処理して生体情報を取得する演算手段と、
   前記増幅検出信号の直流成分を抽出する直流成分抽出手段と、
   前記直流成分抽出手段によって抽出された前記直流成分と目標値との偏差が減少するように、前記オフセット手段が出力するオフセット電圧を決定するオフセット電圧決定手段と、を備えることを特徴とする生体センサ。
8. 前記オフセット電圧決定手段によるオフセット電圧の決定によっても前記偏差が所定値以下とならない場合に、前記駆動信号生成手段及び前記演算手段の少なくとも一方が動作を停止することを特徴とする請求項６又は７に記載の生体センサ。
   

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