JP6415901B2

JP6415901B2 - 電子機器および制御方法

Info

Publication number: JP6415901B2
Application number: JP2014172409A
Authority: JP
Inventors: 孝也松野; 隆須藤; 康裕鹿仁島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: US20160058374A1; JP2016047073A; US9808197B2

Description

本発明の実施形態は、電子機器および制御方法に関する。

近年、タブレットやスマートフォンなど、バッテリ駆動可能で携行容易な電子機器が広く普及している。また、最近では、ウェアラブル端末などと称される、腕時計や眼鏡のように人体に装着するタイプの電子機器も登場し始めている。このようなウェアラブル端末の中には、脈拍や経皮的動脈血酸素飽和度（ＳpＯ₂）など、そのウェアラブル端末を装着するユーザの生体情報を取得できるものも少なくない。

特開２０１０−１９３９４９号公報

脈拍やＳpＯ₂などの生体情報を取得する手法として、人体に向けて光を照射し、人体により反射または人体を透過する光を分析する手法が知られている。この手法は、血液中の酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの特定の波長の光（典型的には赤色光および赤外光）に対する吸光率の違いを利用するものである。

この手法で生体情報を取得するデバイスは、人体の動き（以下、体動と称することがある）に弱く、体動が大きい状態において取得される生体情報は、その精度が低下する。この体動に対する方策として、体動が大きい状況下においても精度よく生体情報を取得できるように、より多くの波長の光を人体に向けて照射するといったことが考えられる。

その一方で、ウェアラブル端末は、人体に装着するという特性上、小型軽量化が求められ、動作用の電力を供給するためのバッテリも容量が限られる。このため、ウェアラブル端末は、低消費電力化が強く要求される。

本発明が解決しようとする課題は、消費電力の増加を抑止しつつ、体動が大きい場合であっても精度よく生体情報を取得することを実現する電子機器および制御方法を提供することである。

実施形態によれば、電子機器は、人体に装着された状態で使用される。電子機器は、複数の発光デバイスと、受光デバイスと、センサと、ＣＰＵとを具備する。

複数の発光デバイスは、赤色光を発光する第１ＬＥＤと、赤外光を発光する第２ＬＥＤと、前記第１ＬＥＤおよび前記第２ＬＥＤが発光する光と波長が異なり、かつ、互いに異なる波長の光を発光する第３ＬＥＤおよび第４ＬＥＤとを含む。受光デバイスは、前記複数の発光デバイスにより発光され、前記電子機器を装着する人体により反射される反射光または前記人体を透過する透過光を受光する。センサは、前記電子機器を装着する人体の動きを検出する。ＣＰＵは、生体情報取得プログラムを含む各種プログラムを実行する。前記ＣＰＵは、前記センサにより検出される前記動きの大きさが閾値未満の場合、赤色光を発光する前記第１ＬＥＤと赤外光を発光する前記第２ＬＥＤとの２つの発光デバイスを発光させ、その反射光または透過光を受光する前記受光デバイスからの出力信号に基づき前記人体の生体情報を取得し、前記センサにより検出される前記動きの大きさが前記閾値以上の場合、赤色光を発光する前記第１ＬＥＤと、赤外光を発光する前記第２ＬＥＤと、前記第１ＬＥＤおよび前記第２ＬＥＤが発光する光と波長が異なり、かつ、互いに異なる波長の光を発光する前記第３ＬＥＤおよび前記第４ＬＥＤとの４つの発光デバイスを発光させ、その反射光または透過光を受光する前記受光デバイスからの出力信号に基づき前記人体の生体情報を取得する。

実施形態の電子機器の外観を示す斜視図。実施形態の電子機器のシステム構成を示す図。実施形態の電子機器上で動作する生体情報取得プログラムによる生体情報の取得原理を説明するための図。実施形態の電子機器の生体情報の取得に関する機能ブロックを示す図。実施形態の電子機器に搭載される生体情報取得センサ１０７Ａの通常時における一作動形態例を示す図。実施形態の電子機器に搭載される生体情報取得センサ１０７Ａの体動が閾値以上の場合における一作動形態例を示す図。実施形態の電子機器に搭載される生体情報取得センサ１０７Ａ内における複数のＬＥＤの一配置例を示す図。実施形態の電子機器の生体情報の取得時における処理手順を示すフローチャート。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の電子機器は、人体に装着するタイプのいわゆるウェアラブル端末として実現される。ここでは、本電子機器が、腕時計型のウェアラブル端末として実現され、ユーザの腕部（手首）に装着される場合を想定する。

図１は、ウェアラブル端末１の斜視図である。ウェアラブル端末１は、本体１１を備えている。本体１１内には、様々な電子部品が設けられている。本体１１の上面には、ＬＣＤ（Liquid crystal display）のようなディスプレイ１２が配置されている。ディスプレイ１２はその表示画面上への指などの接触を検知可能なタッチスクリーンディスプレイであってもよい。また、本体１１の側面には、操作ボタン１３が配置されている。

ウェアラブル端末１は、本体１１を人体（腕部）に装着するためのベルト（バンド）２１Ａ、２１Ｂを備える。ベルト２１Ａ、２１Ｂの各々は、可撓性を有する部材によって実現されている。

図２は、ウェアラブル端末１のシステム構成を示す図である。

ウェアラブル端末１の本体１１には、図１で示したディスプレイ１２、操作ボタン１３のほか、図２に示されるように、ＣＰＵ１０１、システムコントローラ１０２、ＲＡＭ１０３、ＲＯＭ１０４、グラフィクスコントローラ１０５、無線通信モジュール１０６、複数のセンサ１０７Ａ，１０７Ｂ，…、ＥＣ（Embedded controller）１０８等が配置されている。

ＣＰＵ１０１は、ウェアラブル端末１内の各種コンポーネントの動作を制御するプロセッサである。ＣＰＵ１０１は、ＲＡＭ１０３を作業領域として利用しながら、ＲＯＭ１０４に格納される各種プログラムを実行する。各種プログラムの１つとして、後述する生体情報取得プログラム２００が存在する。

システムコントローラ１０２は、ＣＰＵ１０１のローカルバスと各種コンポーネントとの間を接続するデバイスである。システムコントローラ１０２には、ＲＡＭ１０３やＲＯＭ１０４のアクセス制御を司るメモリコントローラ等、各種コンポーネントを駆動制御するための種々のコントローラが内蔵されている。

グラフィクスコントローラ１０５は、ディスプレイ１２を制御する表示コントローラである。ディスプレイ１２は、グラフィクスコントローラ１０５によって生成される表示信号に基づいて画面イメージを表示する。

無線通信モジュール１０６は、例えばIEEE 802.11規格に準拠した無線通信を実行するモジュールである。複数のセンサ１０７Ａ，１０７Ｂ，…は、例えば、生体情報取得センサ、加速度センサ、照度センサ、温度センサ、湿度センサ、地磁気センサ等である。ここでは、センサ１０７Ａが生体情報取得センサであり、センサ１０７Ｂが３軸加速度センサであるものと想定する。各センサの検出値は、システムコントローラ１０２内のレジスタを経由して、生体情報取得プログラム２００を含む様々なプログラムで利用される。

ＥＣ１０８は、ウェアラブル端末１内の各種コンポーネントに対する動作用電力の供給制御を司るＰＳＣ（Power supply controller）１０８Ａを含むワンチップマイクロコンピュータである。ＥＣ１０８は、操作ボタン１３の操作によるユーザからの指示を受け付ける機能を有している。

生体情報取得プログラム２００は、生体情報取得センサ１０７Ａを用いて、ウェアラブル端末１を装着するユーザの脈拍やＳpＯ₂などの生体情報を取得するプログラムである。生体情報取得センサ１０７Ａは、例えば反射式の光電センサであり、人体（腕部）に向けて特定の波長の光を照射すると共に、その（人体（腕部）による）反射光を受光する。生体情報取得プログラム２００は、血液中のヘモグロビンにより光が吸収される事象を利用して、生体情報取得センサ１０７Ａにより受光される反射光を解析することにより、ユーザの脈拍やＳpＯ₂などを算出する。なお、透過式の光電センサである場合には、生体情報取得センサ１０７Ａは、人体（腕部）を透過する光を受光する。

ここで、図３を参照して、生体情報取得センサ１０７Ａの検出値から生体情報取得プログラム２００が生体情報を取得する原理について簡単に説明する。

血液中には、酸素を運ぶヘモグロビンが存在する。ヘモグロビンは、酸素と結合していないときと酸素と結合しているときとで、吸光率に違いを生じさせるといった性質をもっている。酸素と結合していないヘモグロビンは、還元ヘモグロビン［Ｈｂ］、酸素と結合しているヘモグロビンは、酸化ヘモグロビン［ＨｂＯ₂］などと称されている。

例えば、還元ヘモグロビン［Ｈｂ］は、赤色光（例えば波長６６０ｎｍ）を酸化ヘモグロビン［ＨｂＯ₂］よりも多く吸収し、逆に、赤外光（例えば波長９４０ｎｍ）については酸化ヘモグロビン［ＨｂＯ₂］よりも吸収が少ない。そこで、例えば、生体情報取得センサ１０７Ａに、赤色光および赤外光の発光と、それらの反射光の受光とを行わせ、それらの反射光量に基づき、生体情報取得プログラム２００は、脈拍やＳpＯ₂などを算出する。なお、ここでは、波長６６０ｎｍと波長９４０ｎｍとを例示したが、それ以外の波長の光についても、還元ヘモグロビン［Ｈｂ］と酸化ヘモグロビン［ＨｂＯ₂］との間では、図３に示すように、その光に対する吸光率に違いが生じる。

ところで、生体情報取得センサ１０７Ａの検出値から生体情報取得プログラム２００が取得する生体情報の精度は、ウェアラブル端末１を装着するユーザの動き、つまり体動が大きい場合、少なからず低下する。生体情報取得センサ１０７Ａと人体（腕部）との間の距離が変動するためである。体動が大きい状況下においても、取得される生体情報の精度を高めるために、例えば２つの波長の光で生体情報を算出していたものを、さらにそれ以外の波長の光も使って、３つ以上の波長の光で生体情報を算出するといったことも考えられる。

しかしながら、光を発光する生体情報取得センサ１０７Ａの消費電力量は、ウェアラブル端末１の総消費電力量に占める割合が小さくない。従って、発光する光の数を単純に増加させることは好ましくない。そこで、本実施形態のウェアラブル端末１は、消費電力の増加を抑止しつつ、体動が大きい場合であっても精度よく生体情報を取得できるようにしたものであり、以下、この点について詳述する。

図４は、ウェアラブル端末１の生体情報の取得に関する機能ブロックを示す図である。

図４に示すように、生体情報取得プログラム２００は、体動監視部２０１、センサ駆動制御部２０２および生体情報演算部２０３を有する。

体動監視部２０１は、加速度センサ１０７Ｂの検出値に基づき、ウェアラブル端末１を装着するユーザの動き（体動）が閾値以上となっていないかを監視する。体動が閾値以上である場合、体動監視部２０１は、その旨をセンサ駆動制御部２０２に通知する。

なお、ここでは、加速度センサで体動を監視する例を示すが、例えば、体動でウェアラブル端末１とユーザの腕部との間に隙間が生じることを前提として、照度センサで体動を監視するようにしてもよい。その他、体動の監視には、種々のセンサを利用することが可能であり、また、複数のセンサを利用してもよい。

センサ駆動制御部２０２は、生体情報取得センサ１０７Ａの駆動制御を司る。図４に示すように、生体情報取得センサ１０７Ａは、ＬＥＤ（Light emitting diode）駆動部３０１、複数のＬＥＤ３０２、ＰＤ（Photo diode）３０３および信号処理部３０４を有する。ここでは、複数のＬＥＤ３０２として、赤色光（例えば波長６６０ｎｍ）を発光するＬＥＤ［１］および赤外光（例えば波長９４０ｎｍ）を発光するＬＥＤ［２］と、この２つとは異なり、かつ、互いに異なる波長の光を発光する２つのＬＥＤ［３，４］との合計４つのＬＥＤが存在するものと想定する。後者の２つのＬＥＤ［３，４］は、一方は、還元ヘモグロビン［Ｈｂ］の方が酸化ヘモグロビン［ＨｂＯ₂］よりも多く吸収される波長の光を発光し、他方は、酸化ヘモグロビン［ＨｂＯ₂］の方が還元ヘモグロビン［Ｈｂ］よりも多く吸収される波長の光を発光するものであることが好ましい。これら複数のＬＥＤ３０２とＰＤ３０３とは、ウェアラブル端末１を装着するユーザの腕部の皮膚に近接する本体１１の裏面に配置される。

ＬＥＤ駆動部３０１は、ＬＥＤ３０２を駆動する。ＬＥＤ駆動部３０１は、（生体情報取得プログラム２００の）センサ駆動制御部２０２からの指示に応じて、発光するＬＥＤ３０２の数を変動させることができる。また、ＬＥＤ駆動部３０１は、ＬＥＤ３０２の発光タイミングを示す同期信号を信号処理部３０４に供給する。

ＰＤ３０３は、ＬＥＤ３０２から発光された光の反射光を受光し、受光量を示す信号を出力する。信号処理部３０４は、ＰＤ３０３から出力される信号に対し、例えば増幅やフィルタリングといった処理を施すモジュールであって、ＬＥＤ駆動部３０１からの同期信号に基づき、ＬＥＤ３０２の発光タイミングと対応するＰＤ３０３の受光タイミングでＰＤ３０３から出力される信号に対して当該処理を施すことにより生成される検出値を（生体情報取得プログラム２００の）生体情報演算部２０３に出力する。

センサ駆動制御部２０２は、通常時、（生体情報取得センサ１０７Ａの）ＬＥＤ駆動部３０１に対して、４つのＬＥＤ３０２の内、赤色光（例えば波長６６０ｎｍ）を発光するＬＥＤ［１］と赤外光（例えば波長９４０ｎｍ）を発光するＬＥＤ［２］とを発光させるように指示する。これにより、生体情報取得センサ１０７Ａは、図５に示すように、２つのＬＥＤ３０２で２つの波長の光をユーザの腕部に向けて照射し、その反射光をＰＤ３０３で受光して、その受光量を示す検出値を出力する。

また、前述したように、体動監視部２０１は、体動が閾値以上である場合、その旨をセンサ駆動制御部２０２に通知する。そこで、この通知を受けた場合、センサ駆動制御部２０２は、（生体情報取得センサ１０７Ａの）ＬＥＤ駆動部３０１に対して、４つのＬＥＤ３０２のすべてを発光させるように指示する。これにより、生体情報取得センサ１０７Ａは、図６に示すように、４つのＬＥＤ３０２で４つの波長の光をユーザの腕部に向けて照射し、その反射光をＰＤ３０３で受光して、その受光量を示す検出値を出力する。

このように、本ウェアラブル端末１は、体動の状況により、利用する波長を適応的に切り替えることで生体情報の高精度化を実現する。また、本ウェアラブル端末１は、常に多波長を利用するのではなく、必要な時だけ多波長を利用することで消費電力の増加を抑制することができる。

なお、複数のＬＥＤ３０２は、ＰＤ３０３に到達するまでの各々が発光する光の経路が略等距離となるように配置されることが好ましい。より具体的には、例えば図７に示すように、複数のＬＥＤ３０２は、ＰＤ３０３を中心とする円の円周上に配置されることが好ましい。

図８は、本ウェアラブル端末１の生体情報の取得時における処理手順を示すフローチャートである。

生体情報の取得時、ウェアラブル端末１は、体動を検出する（ブロックＡ１）。検出した体動が閾値未満である場合（ブロックＡ２のＮＯ）、ウェアラブル端末１は、発光させるＬＥＤの数を通常の数に設定する（ブロックＡ３）。一方、検出した体動が閾値以上である場合（ブロックＡ２のＹＥＳ）、ウェアラブル端末１は、発光させるＬＥＤの数を通常よりも多い数に設定する（ブロックＡ３）。

以上のように、本実施形態のウェアラブル端末１は、消費電力の増加を抑止しつつ、体動が大きい場合であっても精度よく生体情報を取得することを実現する。

なお、以上の説明では、体動が閾値未満の場合と体動が閾値以上の場合とで、生体情報を取得するために利用する光の波長数を２段階に切り換える例を示したが、さらに、体動の大きさに応じて、利用する光の波長数を３段階以上の多段階に切り換えるようにしてもよい。

本実施形態の各種処理はコンピュータプログラムによって実現することができるので、このコンピュータプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を通じてこのコンピュータプログラムを通常のコンピュータにインストールして実行するだけで、本実施形態と同様の効果を容易に実現することができる。

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共に、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。

１…ウェアラブル端末、１０７Ａ…生体情報取得センサ、１０７Ｂ…加速度センサ、２００…生体情報取得プログラム、２０１…体動監視部、２０２…センサ駆動制御部、２０３…生体情報演算部、３０１…ＬＥＤ駆動部、３０２…ＬＥＤ、３０３…ＰＤ、３０４…信号処理部。

Claims

人体に装着された状態で使用される電子機器であって、
赤色光を発光する第１ＬＥＤと、赤外光を発光する第２ＬＥＤと、前記第１ＬＥＤおよび前記第２ＬＥＤが発光する光と波長が異なり、かつ、互いに異なる波長の光を発光する第３ＬＥＤおよび第４ＬＥＤとを含む複数の発光デバイスと、
前記複数の発光デバイスにより発光され、前記電子機器を装着する人体により反射される反射光または前記人体を透過する透過光を受光する受光デバイスと、
前記電子機器を装着する人体の動きを検出するセンサと、
生体情報取得プログラムを含む各種プログラムを実行するＣＰＵと、
を具備し、
前記ＣＰＵは、
前記センサにより検出される前記動きの大きさが閾値未満の場合、赤色光を発光する前記第１ＬＥＤと赤外光を発光する前記第２ＬＥＤとの２つの発光デバイスを発光させ、その反射光または透過光を受光する前記受光デバイスからの出力信号に基づき前記人体の生体情報を取得し、
前記センサにより検出される前記動きの大きさが前記閾値以上の場合、赤色光を発光する前記第１ＬＥＤと、赤外光を発光する前記第２ＬＥＤと、前記第１ＬＥＤおよび前記第２ＬＥＤが発光する光と波長が異なり、かつ、互いに異なる波長の光を発光する前記第３ＬＥＤおよび前記第４ＬＥＤとの４つの発光デバイスを発光させ、その反射光または透過光を受光する前記受光デバイスからの出力信号に基づき前記人体の生体情報を取得する、
電子機器。
前記第１ＬＥＤ、前記第２ＬＥＤ、前記第３ＬＥＤおよび前記第４ＬＥＤは、前記受光デバイスに到達するまでの各々が発光する光の経路が略等距離となるように配置される請求項１に記載の電子機器。
前記第１ＬＥＤ、前記第２ＬＥＤ、前記第３ＬＥＤおよび前記第４ＬＥＤは、前記受光デバイスを中心とする円の円周上に配置される請求項２に記載の電子機器。
前記第３ＬＥＤは、還元ヘモグロビン［Ｈｂ］の方が酸化ヘモグロビン［ＨｂＯ2］よりも多く吸収される波長の光を発光し、
前記第４ＬＥＤは、前記酸化ヘモグロビン［ＨｂＯ₂］の方が前記還元ヘモグロビン［Ｈｂ］よりも多く吸収される波長の光を発光する、
請求項１に記載の電子機器。
前記受光デバイスは、前記複数の発光デバイスの発光タイミングを示す同期信号に応じて前記生体情報を出力する請求項１に記載の電子機器。
電子機器の制御方法であって、
センサにより前記電子機器を装着する人体の動きを検出することと、
前記センサにより検出される前記動きの大きさが閾値未満の場合、赤色光を発光する第１ＬＥＤと赤外光を発光する第２ＬＥＤとの２つの発光デバイスを発光させ、その反射光または透過光を受光する受光デバイスからの出力信号に基づき前記人体の生体情報を取得することと、
前記センサにより検出される前記動きの大きさが前記閾値以上の場合、赤色光を発光する前記第１ＬＥＤと、赤外光を発光する前記第２ＬＥＤと、前記第１ＬＥＤおよび前記第２ＬＥＤが発光する光と波長が異なり、かつ、互いに異なる波長の光を発光する第３ＬＥＤおよび第４ＬＥＤとの４つの発光デバイスを発光させ、その反射光または透過光を受光する前記受光デバイスからの出力信号に基づき前記人体の生体情報を取得することと、
を具備する制御方法。