JP6502718B2 - Biometric information sensor - Google Patents
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Description
本発明は生体情報センサに関し、特にウェアラブルな生体情報センサに関する。 The present invention relates to a biometric information sensor, and more particularly to a wearable biometric information sensor.
従来からウェアラブルな生体情報センサが知られている。例えば、特開2012−143316(特許文献1)には、ウェアラブルな生体情報センサが開示されている。当該生体情報センサは、第1および第2の光センサと演算回路とを備える。第1の光センサは、第1の発光強度の光を生体に出射する第1の発光部と、第1の発光部の出射光が生体内で反射した光を受けて第1の受光信号を生成する第1の受光部とを含む。第2の光センサは、第1の発光強度よりも弱い第2の発光強度の光を生体に出射する第2の発光部と、第2の発光部の出射光が生体内で反射した光を受けて第2の受光信号を生成する第2の受光部とを含む。演算回路は、第1の受光信号から第2の受光信号を差し引いて脈波データを取得する。 2. Description of the Related Art Wearable living body information sensors are conventionally known. For example, a wearable biological information sensor is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-143316 (Patent Document 1). The biological information sensor includes first and second light sensors and an arithmetic circuit. The first light sensor receives a first light receiving portion that emits light of a first light emission intensity to a living body, and light emitted from the first light emitting portion is reflected by the inside of the living body to receive a first light reception signal. And a first light receiving unit to generate. The second light sensor includes a second light emitting unit that emits light of a second light emission intensity that is weaker than the first light emission intensity to the living body, and light emitted from the second light emitting unit that is reflected in the living body And a second light receiving unit that receives and generates a second light reception signal. The arithmetic circuit subtracts the second light reception signal from the first light reception signal to acquire pulse wave data.
生体情報センサを身体に装着し、屋外等で運動しながら脈拍、あるいは血中酸素飽和濃度のような生体情報を測定する場合、赤外光を含む太陽光が当該生体情報センサに入射することにより測定誤差が生じ得る。 When a biological information sensor is attached to the body and biological information such as blood pulse saturation or blood oxygen saturation concentration is measured while exercising outdoors, etc., sunlight containing infrared light is incident on the biological information sensor Measurement errors can occur.
それゆえに、本発明の主たる目的は、測定精度を上げることができる生体情報センサを提供することである。 Therefore, the main object of the present invention is to provide a biological information sensor capable of enhancing the measurement accuracy.
本発明に係る生体情報センサは、受光部を備え、受光部からの信号に基づいて生体に関する情報を生成する。受光部は、第1の光を第1の信号に変換する第1の光センサを含む。第1の光センサは、第1の光電変換素子と、第1のカラーフィルタとを有する。第1の光電変換素子は、第1の光を第1の信号に変換する。第1のカラーフィルタは、第1の光電変換素子への光路上に形成され、第1の光を透過させる。生体情報センサは、第1の光電変換素子への光路上に形成された赤外光除去層をさらに備える。 A biological information sensor according to the present invention includes a light receiving unit, and generates information on a living body based on a signal from the light receiving unit. The light receiving unit includes a first light sensor that converts the first light into a first signal. The first light sensor has a first photoelectric conversion element and a first color filter. The first photoelectric conversion element converts the first light into a first signal. The first color filter is formed on the light path to the first photoelectric conversion element, and transmits the first light. The biological information sensor further includes an infrared light removal layer formed on the light path to the first photoelectric conversion element.
カラーフィルタは、赤、緑、青などの顔料を含んだカラーレジスト膜である。カラーレジストにはレジスト成分に加えて色材として顔料を微分散させた顔料分散レジストが使用される。 The color filter is a color resist film containing pigments such as red, green and blue. For the color resist, a pigment dispersed resist in which a pigment is finely dispersed as a coloring material in addition to the resist component is used.
このような構成により、赤外光除去層によって赤外光が除去された光が第1の光センサに入射する。第1のカラーフィルタは、赤外光除去層を透過した光に含まれる第1の光を透過させるため、第1の光電変換素子が受ける光のほとんどは第1の光となる。その結果、生体情報センサは赤外光の影響をほとんど受けずに生体に関する情報を生成することができる。すなわち、本発明に係る生体情報センサによれば、測定精度を上げることができる。 With such a configuration, light from which infrared light has been removed by the infrared light removal layer is incident on the first light sensor. Since the first color filter transmits the first light contained in the light transmitted through the infrared light removal layer, most of the light received by the first photoelectric conversion element is the first light. As a result, the biological information sensor can generate information on the living body with little influence of infrared light. That is, according to the biological information sensor of the present invention, the measurement accuracy can be increased.
好ましくは、生体情報センサは、演算制御部をさらに備える。演算制御部は、受光部からの信号に基づいて生体に関する情報を生成する。受光部は、第2の光センサをさらに含む。第2の光センサは、第2の光を第2の信号に変換する。第2の光センサは、第2の光電変換素子と、第2のカラーフィルタとを有する。第2の光電変換素子は、第2の光を第2の信号に変換する。第2のカラーフィルタは、第2の光電変換素子への光路上に形成され、第2の光を透過させる。赤外光除去層は、第2の光電変換素子への光路上にも形成されている。演算制御部は、受光部から第1の信号および第2の信号を受け、第1の信号と第2の信号に基づいて生体に関する情報を生成する。 Preferably, the biological information sensor further includes an arithmetic control unit. The arithmetic control unit generates information on the living body based on the signal from the light receiving unit. The light receiving unit further includes a second light sensor. The second light sensor converts the second light into a second signal. The second light sensor has a second photoelectric conversion element and a second color filter. The second photoelectric conversion element converts the second light into a second signal. The second color filter is formed on the light path to the second photoelectric conversion element and transmits the second light. The infrared light removal layer is also formed on the light path to the second photoelectric conversion element. The arithmetic control unit receives the first signal and the second signal from the light receiving unit, and generates information on the living body based on the first signal and the second signal.
好ましくは、受光部は、第1の光センサおよび第2の光センサが形成された第1の基板をさらに含む。赤外光除去層は、第1の基板の表面に形成されている。 Preferably, the light receiving unit further includes a first substrate on which the first light sensor and the second light sensor are formed. The infrared light removal layer is formed on the surface of the first substrate.
信号のレベルとしては、例えば電気信号の電圧値または電流値を挙げることができる。
好ましくは、赤外光除去層は、赤外カットフィルタを含む。赤外カットフィルタは、第1のカラーフィルタおよび第2のカラーフィルタを覆っている。
The level of the signal may include, for example, the voltage value or current value of the electrical signal.
Preferably, the infrared light removal layer includes an infrared cut filter. The infrared cut filter covers the first color filter and the second color filter.
赤外カットフィルタは、屈折率の異なる複数の薄膜を積層し、赤外光よりも短波長側の光を透過させる多層膜である。屈折率の異なる複数の薄膜としては、TiO2膜とSiO2膜とをスパッタ法により周期的に積層したものを挙げることができる。
The infrared cut filter is a multilayer film in which a plurality of thin films having different refractive indexes are stacked and light having a shorter wavelength than infrared light is transmitted. As a plurality of thin films having different refractive indexes, one obtained by periodically laminating a
好ましくは、赤外光除去層は、赤外カット樹脂を含む。赤外カット樹脂は、第1の基板を覆っている。 Preferably, the infrared light removal layer contains an infrared cut resin. The infrared cut resin covers the first substrate.
赤外カット樹脂は、赤外光(例えば波長が750nm以上の光)を吸収する素材を含む樹脂である。 The infrared cut resin is a resin containing a material that absorbs infrared light (for example, light having a wavelength of 750 nm or more).
好ましくは、赤外光除去層は、赤外カットフィルタおよび赤外カット樹脂を含む。赤外カットフィルタは、第1のカラーフィルタおよび第2のカラーフィルタを覆っている。赤外カット樹脂は、赤外カットフィルタの上に積層され、第1の基板を覆っている。 Preferably, the infrared light removal layer includes an infrared cut filter and an infrared cut resin. The infrared cut filter covers the first color filter and the second color filter. The infrared cut resin is laminated on the infrared cut filter to cover the first substrate.
好ましくは、生体情報センサは、発光部と、第2の基板と、第1の遮光壁と、第2の遮光壁とをさらに備える。発光部は、第1の光および第2の光を含む光を出射する。第2の基板は、発光部、受光部、および演算制御部が形成されている。第1の遮光壁は、第2の基板の外周に沿って、発光部および受光部を囲むように形成されている。第2の遮光壁は、第2の基板と第1の遮光壁とによって形成された空間を、発光部がある側の空間と受光部がある側の空間とに仕切っている。生体情報センサが生体に装着された場合、発光部が出射する光のうち生体の内部で反射した光は、受光部へ入射する。 Preferably, the biological information sensor further includes a light emitting unit, a second substrate, a first light shielding wall, and a second light shielding wall. The light emitting unit emits light including the first light and the second light. The second substrate is provided with a light emitting unit, a light receiving unit, and an arithmetic control unit. The first light shielding wall is formed along the outer periphery of the second substrate so as to surround the light emitting unit and the light receiving unit. The second light shielding wall divides the space formed by the second substrate and the first light shielding wall into a space on the light emitting portion side and a space on the light receiving portion side. When the biological information sensor is attached to the living body, light reflected by the inside of the living body among the light emitted from the light emitting unit is incident on the light receiving unit.
好ましくは、発光部は、白色光を出射する発光ダイオードである。
好ましくは、第1の光は、緑色光である。第2の光は、赤色光である。
Preferably, the light emitting unit is a light emitting diode that emits white light.
Preferably, the first light is green light. The second light is red light.
好ましくは、演算制御部は、第1の信号のレベルと第2の信号のレベルとの差に基づいて生体に関する情報を生成する。 Preferably, the operation control unit generates information on the living body based on the difference between the level of the first signal and the level of the second signal.
好ましくは、生体に関する情報は、心拍数である。
演算制御部は、第1の信号のレベルと第2の信号のレベルとの比に基づいて生体に関する情報を生成する。
Preferably, the information on the living body is a heart rate.
The arithmetic control unit generates information on the living body based on a ratio of the level of the first signal to the level of the second signal.
好ましくは、生体に関する情報は、血中酸素飽和濃度である。 Preferably, the information on the living body is blood oxygen saturation level.
本発明に係る生体情報センサによれば、生体情報センサに入射した光に含まれる赤外光を赤外光除去層によって除去することにより、測定精度を上げることができる。 According to the biological information sensor according to the present invention, it is possible to increase the measurement accuracy by removing the infrared light contained in the light incident on the biological information sensor by the infrared light removal layer.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding portions are denoted by the same reference characters and description thereof will not be repeated.
[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施の形態に従う生体情報センサ1の構成を示す断面図である。以下では、生体情報センサ1によって生体に関する情報として心拍数を測定する場合について説明する。
First Embodiment
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a
図1を参照して、生体情報センサは、白色LEDである発光部10と、集積回路である受光部11と、遮光壁13,14と、レンズ15,16と、透明板17と、基板18と、演算制御部200とを備える。
Referring to FIG. 1, the biological information sensor includes a
基板18の表面には発光部10と受光部11と演算制御部200とが形成されている。受光部11は、シリコン基板12と、シリコン基板12に形成されたGセンサ111およびRセンサ112とを含む。演算制御部200は、シリコン基板12に形成されていても構わない。
A
基板18の表面の縁には、発光部10および受光部11を囲むようにして、外部光が受光部11に入射するのを防止するための遮光壁14が形成されている。基板18の表面の中央には、発光部10から出射された白色光が受光部11に直接入射するのを防止するための遮光壁13が形成されている。つまり、遮光壁14によって形成された空間が遮光壁13によって発光部10がある側の空間と受光部11がある側の空間とに仕切られている。
At the edge of the surface of the
発光部10の出射方向にレンズ15が設けられ、受光部11の受光方向にレンズ16が設けられている。遮光壁13,14の下端の開口部は透明板17によって閉じられている。心拍数を検出する場合は、透明板17の表面が人体50の表面に密着される。
A
発光部10から出射された白色光は、レンズ15および透明板17を介して人体50に照射される。当該白色光のうち体内で反射した光αは、透明板17およびレンズ15を介して受光部11に入射する。光αのうちの緑色光の強度がGセンサ111によって信号に変換される。光αのうちの赤色光の強度がRセンサ112によって信号に変換される。演算制御部200は、Gセンサ111からの信号とRセンサ112からの信号とに基づいて心拍数を示す信号を生成する。
The white light emitted from the
使用者が生体情報センサ1を人体50に装着して屋外等で心拍数を測定する場合、太陽光のうち人体50の内部を透過あるいは反射した光βが受光部11に入射するときがある。太陽光に由来する光βには赤外光が含まる。Gセンサ111とRセンサ112とはそれぞれ緑色光と赤色光とに最も強い感度を示すが、赤外光に対する感度も0ではない。そのため、光βは、生体情報センサ1が心拍数を測定するにあたってノイズとなり、測定した心拍数に誤差を生じさせ得る。
When the user wears the
そこで、第1の実施の形態においては、赤外カットフィルタを含む赤外光除去層によって当該赤外光を除去する。 Therefore, in the first embodiment, the infrared light is removed by the infrared light removal layer including the infrared cut filter.
図2は、第1の実施の形態に従う生体情報センサ1が備える受光部11の構成を示す断面図である。図2を参照して、受光部11は、シリコン基板12と、G(緑色光)センサ111と、R(赤色光)センサ112と、赤外カットフィルタ101とを含む。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the
Gセンサ111はフォトダイオード111AとGフィルタ111Bとを有し、Rセンサ112はフォトダイオード112AとRフィルタ112Bとを有する。Gフィルタ111Bは緑色光を透過させる。フォトダイオード111AはGフィルタ111Bを透過した緑色光を信号S1に変換する。Rフィルタ112Bは赤色光を透過させる。フォトダイオード112AはRフィルタ112Bを透過した赤色光を信号S2に変換する。
The
シリコン基板12は上層12Aと下層12Bとに分かれている。上層12Aの表面にはGフィルタ111BとRフィルタ112Bとが形成されている。上層12Aと下層12Bとの境界においては、下層12Bの側にフォトダイオード111A,112Aが設けられている。Gフィルタ111B,Rフィルタ112Bは、それぞれフォトダイオード111A,112Aと対向している。そのため、フォトダイオード111Aに入射する光はGフィルタ111Bを透過し、フォトダイオード112Aに入射する光はRフィルタ112Bを透過する。すなわち、Gフィルタ111Bはフォトダイオード111Aへの光路上に形成され、Rフィルタ112Bはフォトダイオード112Aへの光路上に形成されている。
The
赤外カットフィルタ101は上層12Aの表面に形成され、Gフィルタ111BとRフィルタ112Bとを覆っている。そのため、フォトダイオード111Aおよびフォトダイオード112Aへ入射する光は赤外カットフィルタを透過する。すなわち、赤外カットフィルタ101はフォトダイオード111Aへの光路上に形成されているとともに、フォトダイオード112Aへの光路上にも形成されている。
The
このような構成により、フォトダイオード111Aに入力される光のほとんどは緑色光となり、フォトダイオード112Aに入力される光のほとんどは赤色光となる。このような結果となるのは、赤外カットフィルタ101、Gフィルタ111B、およびRフィルタ112Bの分光特性の違いによる。そこで以下では、それぞれの分光特性に着目し、フォトダイオード111A,フォトダイオード112Aに入力される光のほとんどがそれぞれ緑色光と赤色光となることを説明する。
With such a configuration, most of the light input to the
図3は、赤外カットフィルタ101、Gフィルタ111B、Rフィルタ112B、およびフォトダイオード111A(112A)の分光特性を示す図である。図3において、Cirは赤外カットフィルタ101の分光特性を表し、CgはGフィルタ111Bの分光特性を表し、CrはRフィルタ112Bの分光特性を表し、C0はフォトダイオード111A(112A)の分光特性を示す。
FIG. 3 is a diagram showing spectral characteristics of the
光が受光部11に入射する場合、まず当該光は赤外カットフィルタ101を透過する。図3を参照して、赤外カットフィルタ101の近赤外領域の感度はほぼ0であるから、当該光に含まれる赤外光は赤外カットフィルタ101を透過できない。赤外カットフィルタ101を透過した光は、Gフィルタ111B、またはRフィルタ112Bを透過する。Gフィルタ111Bは、緑色領域において最も大きな感度を示すため、緑色光を透過させる。Rフィルタ112Bは、赤色領域において最も大きな感度を示すため、赤色光を透過させる。その結果、フォトダイオード111Aに入力される光のほとんどは緑色光となり、フォトダイオード112Aに入力される光のほとんどは赤色光となる。
When light enters the
次に、演算制御部200による心拍数の算出について説明する。図4は、生体情報センサ1の機能構成図である。演算制御部200は、使用者からの測定開始指示に応じて発光部10に制御信号である信号S0を出力する。発光部10は、信号S0に応答して発光し、白色光を人体に出射する。発光部10から出射された白色光は、人体内で反射されてGセンサ111およびRセンサ112に入射する。このとき白色光は皮膚、血液などに吸収され、反射光の強度は人体の脈波および体動に応じて変動する。具体的には、反射光に含まれる緑色光の強度は、人体の脈波および体動に応じて変動する。反射光に含まれる赤色光の強度は、人体の体動に応じて変動するが人体の脈動に応じてはほとんど変動しない。
Next, the calculation of the heart rate by the
Gセンサ111は、発光部10から出射され、人体内で反射した光を受け、そのうちの緑色光を信号S1に変換する。信号S1のレベル(たとえば電圧)は、入射した緑色光の光強度に応じて増大する。上述したように、信号S1のレベルは、人体の脈動および体動に応じて変化する。
The
Rセンサ112は、発光部10から出射され、人体内で反射した光を受け、そのうちの赤色光を信号S2に変換する。信号S2のレベル(たとえば電圧)は、入射した赤色光の光強度に応じて増大する。上述したように、信号S2は、人体の体動に応じて変化するが、人体の脈動に応じてほとんど変化しない。
The
演算制御部200は、信号S1,S2のうちの同じ周期で変動する体動成分の振幅が略同じになるように信号S1,S2のうちの少なくともいずれか一方の信号を増幅してもよい。演算制御部200は、信号S1と、信号S2を増幅した信号とのレベルの差を示す信号を求め、当該レベル差を示す信号に基づいて人体の脈波を得る。
The
図5(a)(b)は、生体情報センサ1の動作を例示するタイムチャートである。図5(a)は信号S1,S2の波形を例示し、図5(b)は信号S1と信号S2とのレベルの差を示す信号S12の波形を例示している。図5(a)(b)において、信号S1は比較的大きな周期および振幅で変動する体動成分と、比較的小さな周期および振幅で変動する脈波成分とを含み、信号S2は信号S1と略同じ体動成分を含む。信号S12は脈波成分のみを含む。
FIGS. 5A and 5B are time charts illustrating the operation of the
再び図4を参照して、演算制御部200は、信号S12から1分間あたりのパルス数をカウントすることにより心拍数を求め、当該心拍数を示す信号S4を、例えばウェアラブル機器のモニタである表示部400に出力する。表示部400は、演算制御部200からの信号S4に従って心拍数を示す文字、画像などを画面に表示する。表示部400との通信は有線で行なってもよいし、無線で行なってもよい。
Referring back to FIG. 4,
以上のように、第1の実施の形態に従う生体情報センサ1によれば、受光部11に入射する光に含まれる赤外光が、赤外カットフィルタ101を含む赤外光除去層によって除去されるため、心拍数測定の測定精度を上げることができる。
As described above, according to the
[第2の実施の形態]
第1の実施の形態では赤外光除去層が赤外カットフィルタを含む場合について説明した。赤外光除去層は赤外カットフィルタを含む場合に限られない。第2の実施の形態では、赤外光除去層が赤外カット樹脂を含む場合について説明する。
Second Embodiment
In the first embodiment, the case where the infrared light removal layer includes the infrared cut filter has been described. The infrared light removal layer is not limited to the case including the infrared cut filter. In the second embodiment, the case where the infrared light removal layer includes an infrared cut resin will be described.
第2の実施の形態において、第1の実施の形態と異なるのは、赤外光除去層が赤外カットフィルタに換えて赤外カット樹脂を含む点のみである。それ以外は第1の実施の形態と同様であるため、同様の構成についての説明は繰り返さない。 The second embodiment is different from the first embodiment only in that the infrared light removal layer includes an infrared cut resin instead of the infrared cut filter. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and therefore the description of the same configuration will not be repeated.
図6は、第2の実施の形態に従う生体情報センサ2が備える受光部11の構成を示す断面図である。図6を参照して、シリコン基板12は、赤外カット樹脂102によって全体が覆われている。赤外カット樹脂102の分光特性は、赤外カットフィルタとほぼ同じである。したがって、第1の実施の形態と同様に、受光部11に入射した光に含まれる赤外光は赤外カット樹脂を透過できず、フォトダイオード111Aに入力される光のほとんどは緑色光となり、フォトダイオード112Aに入力される光のほとんどは赤色光となる。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the
以上のように、第2の実施の形態に従う生体情報センサ2によれば、受光部11に入射する光に含まれる赤外光が、赤外カット樹脂102を含む赤外光除去層によって除去されるため、心拍数測定の測定精度を上げることができる。
As described above, according to the
[第3の実施の形態]
第1の実施の形態では赤外光除去層が赤外カットフィルタを含む場合について説明し、第2の実施の形態では赤外光除去層が赤外カット樹脂を含む場合について説明した。すなわち、第1の実施の形態および第2の実施の形態においては赤外光除去層が1層である場合について説明した。赤外光除去層は1層である場合に限られない。第3の実施の形態においては、赤外光除去層が赤外カットフィルタおよび赤外カット樹脂を含み、2層となる場合について説明する。
Third Embodiment
In the first embodiment, the case where the infrared light removal layer includes the infrared cut filter has been described, and in the second embodiment, the case where the infrared light removal layer includes the infrared cut resin has been described. That is, in the first and second embodiments, the case where the infrared light removal layer is one layer has been described. The infrared light removal layer is not limited to a single layer. In the third embodiment, a case will be described in which the infrared light removal layer includes an infrared cut filter and an infrared cut resin and has two layers.
第3の実施の形態において、第1の実施の形態と異なるのは、赤外光除去層が赤外カットフィルタに加えて赤外カット樹脂を含む点のみである。それ以外は第1の実施の形態と同様であるため、同様の構成についての説明は繰り返さない。 The third embodiment differs from the first embodiment only in that the infrared light removing layer includes an infrared cut resin in addition to the infrared cut filter. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and therefore the description of the same configuration will not be repeated.
図7は、第3の実施の形態に従う生体情報センサ3が備える受光部11の構成を示す断面図である。図7を参照して、第3の実施の形態においても第1の実施の形態と同様に、赤外カットフィルタ101はシリコン基板12の上層12Aの表面に形成され、Gフィルタ111BとRフィルタ112Bとを覆っている。さらに、第3の実施の形態においては、赤外カットフィルタ101の上に赤外カット樹脂102が積層されている。赤外カット樹脂102はシリコン基板12の全体を覆っている。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the
このような構成により、受光部11に入射した光に含まれる赤外光は赤外カット樹脂および赤外カットフィルタを透過できず、フォトダイオード111Aに入力される光のほとんどは緑色光となり、フォトダイオード112Aに入力される光のほとんどは赤色光となる。
With such a configuration, the infrared light contained in the light incident on the
以上のように、第3の実施の形態に従う生体情報センサ3によれば、受光部11に入射する光に含まれる赤外光が、赤外カットフィルタ101および赤外カット樹脂102を含む赤外光除去層によって除去されるため、心拍数測定の測定精度を上げることができる。
As described above, according to the
また、赤外光除去層が2層であるため、第1の実施の形態および第2の実施の形態と比べてより多くの赤外光を除去することができる。その結果、心拍数測定の測定精度をさらに上げることができる。 Further, since the infrared light removal layer is two layers, more infrared light can be removed as compared with the first embodiment and the second embodiment. As a result, it is possible to further improve the measurement accuracy of heart rate measurement.
[第4の実施の形態]
第1の実施の形態ないし第3の実施の形態においては、赤外光除去層を用いることにより心拍数の測定精度を上げる場合について説明した。従来、血中酸素飽和濃度(SpO2)は赤色光と赤外光とを用いて測定していたため、赤外光が赤外光除去層によって除去されてしまう第1の実施の形態ないし第3の実施の形態においては従来の方法では血中酸素飽和濃度生体(SpO2)を測定することは困難である。そこで以下では、緑色光を用いることにより赤外光除去層を備えながらも血中酸素飽和濃度(SpO2)を測定することができる第4の実施の形態について説明する。
Fourth Embodiment
In the first to third embodiments, the case of improving the measurement accuracy of the heart rate by using the infrared light removal layer has been described. Conventionally, since the blood oxygen saturation concentration (SpO2) has been measured using red light and infrared light, the infrared light is removed by the infrared light removing layer according to the first to third embodiments. In the embodiment, it is difficult to measure the blood oxygen saturation concentration living body (SpO2) by the conventional method. So, below, 4th Embodiment which can measure blood oxygen saturation concentration (SpO2) is provided, using an infrared-light removal layer by using green light.
第4の実施の形態においては、第1の実施の形態と同様に赤外光除去層は赤外カットフィルタを含む。また、第1の実施の形態における演算制御部200が演算制御部300に置き換わる。それ以外の構成は第1の実施の形態と同様であるため、同様の構成についての説明は繰り返さない。
In the fourth embodiment, as in the first embodiment, the infrared light removal layer includes an infrared cut filter. In addition, the
図8は、第4の実施の形態に従う生体情報センサ4の機能構成図である。図8を参照して、演算制御部300は、制御部310と、アンプ311,321と、AD(Analog-to-Digital)コンバータ312,322と、高域通過フィルタ(HPF:High-Pass Filter)313,323と、低域通過フィルタ(LPF:Low-Pass Filter)314,324と、演算部30とを含む。
FIG. 8 is a functional block diagram of the
制御部310は、使用者からの測定開始指示に応じて発光部10および演算部30に制御信号として信号S0を出力する。演算部30は、信号S0に応答して血中酸素飽和濃度の算出に必要な演算を行なう。
アンプ311は、Gセンサ111から出力された信号S1を増幅する。ADコンバータ312は、アンプ311の出力信号をデジタル信号に変換する。高域通過フィルタ313は、ADコンバータ312の出力信号のうちの直流成分を除去する。低域通過フィルタ314は、高域通過フィルタ313を透過した信号のノイズ成分を除去する。低域通過フィルタ314を透過した信号は、デジタル信号D1として演算部30に出力される。
The
アンプ321は、Rセンサ112から出力された信号S2を増幅する。ADコンバータ322は、アンプ321の出力信号をデジタル信号に変換する。高域通過フィルタ323は、ADコンバータ322の出力信号のうちの直流成分を除去する。低域通過フィルタ324は、高域通過フィルタ323を透過した信号のノイズ成分を除去する。低域通過フィルタ324を透過した信号は、デジタル信号D2として演算部30に出力される。
The
以下では、血中酸素飽和濃度を算出する演算部30の説明を行うが、当該説明に先立って血中酸素飽和濃度の算出方法について概略的に説明する。
Below, although
図9は、光の波長[nm]と、ヘモグロビンのモル吸収係数[cm−1/M]と、Gフィルタ111Bの分光感度およびRフィルタ112Bの分光感度との関係を示す図である。図9においてH1は酸化ヘモグロビンのモル吸収係数を示し、H2は還元ヘモグロビンのモル吸収係数を示す。また、CgはGフィルタ111Bの分光特性を表し、CrはRフィルタ112Bの分光特性を示す。酸化ヘモグロビンは動脈中の血液に含まれ、還元ヘモグロビンは静脈中の血液に含まれている。
FIG. 9 is a view showing the relationship between the wavelength [nm] of light, the molar absorption coefficient of hemoglobin [cm-1 / M], and the spectral sensitivity of the
血中酸素飽和濃度とは、還元ヘモグロビンの濃度と酸化ヘモグロビンの濃度と和に対する酸化ヘモグロビンの濃度の割合である。赤外光は還元ヘモグロビンよりも酸化ヘモグロビンの方を吸収し易い。これは赤外光に対する酸化ヘモグロビンのモル吸収係数が赤外光に対する還元ヘモグロビンのモル吸収係数よりも大きいことを意味する。赤色光は酸化ヘモグロビンよりも還元ヘモグロビンの方を吸収し易い。これは赤色光に対する還元ヘモグロビンのモル吸収係数が赤色光に対する酸化ヘモグロビンのモル吸収係数よりも大きいことを意味する。従来、赤外光と赤色光との当該性質の違いを利用して血中酸素飽和濃度を求めていた。図9を参照して、波長が800[nm]付近の赤外光に対する酸化ヘモグロビンのモル吸収係数と還元ヘモグロビンのモル吸収係数とはほぼ等しいが、当該波長の赤外光を用いても従来の算出方法で血中酸素飽和濃度を求めることができる。すなわち、酸化ヘモグロビンのモル吸収係数と還元ヘモグロビンのモル吸収係数とが等しくなるような波長の光であれば従来の算出方法で血中酸素飽和濃度を求めることができる。 The blood oxygen saturation concentration is the ratio of the concentration of oxygenated hemoglobin to the concentration of oxygenated hemoglobin and the concentration and sum of oxygenated hemoglobin. Infrared light absorbs oxygenated hemoglobin more easily than reduced hemoglobin. This means that the molar absorption coefficient of oxygenated hemoglobin to infrared light is larger than the molar absorption coefficient of reduced hemoglobin to infrared light. Red light is more likely to absorb reduced hemoglobin than oxygenated hemoglobin. This means that the molar absorption coefficient of reduced hemoglobin to red light is larger than the molar absorption coefficient of oxyhemoglobin to red light. Conventionally, the blood oxygen saturation concentration has been determined using the difference between the properties of infrared light and red light. Referring to FIG. 9, although the molar absorption coefficient of oxyhemoglobin for infrared light having a wavelength of about 800 [nm] and the molar absorption coefficient of reduced hemoglobin are almost equal, the infrared light of the wavelength concerned is The blood oxygen saturation concentration can be determined by the calculation method. That is, if the light has a wavelength such that the molar absorption coefficient of oxyhemoglobin and the molar absorption coefficient of reduced hemoglobin are equal, the blood oxygen saturation concentration can be determined by the conventional calculation method.
第4の実施の形態においては赤外カットフィルタを含む赤外光除去層により赤外光を除去するため赤外光を使用することができない。しかし、540[nm]付近の波長λ1の緑色光に対する酸化ヘモグロビンのモル吸収係数と還元ヘモグロビンのモル吸収係数とがほぼ等しい。そこで、第4の実施の形態においては、赤外光に替えて緑色光を用いることにより血中酸素飽和濃度を算出する。 In the fourth embodiment, infrared light can not be used because infrared light is removed by the infrared light removing layer including the infrared cut filter. However, the molar absorption coefficient of oxyhemoglobin for green light of wavelength λ1 near 540 [nm] and the molar absorption coefficient of reduced hemoglobin are approximately equal. Therefore, in the fourth embodiment, the blood oxygen saturation concentration is calculated by using green light instead of infrared light.
次に、図10を用いて演算部30の機能構成を説明する。図10を参照して、演算部30は、振幅抽出部31,32と、信号比算出部33と、SpO2算出部34とを有する。
Next, the functional configuration of the
振幅抽出部31は、Gセンサ111からのデジタル信号D1から、緑色光の強度の振幅値を抽出し、デジタル信号D1Lとして信号比算出部33へ出力する。振幅抽出部32は、Rセンサ112からのデジタル信号D2から、赤色光の強度の振幅値を抽出し、デジタル信号D2Lとして信号比算出部33へ出力する。振幅抽出部31,32においてデジタル信号から光の強度の振幅値を抽出するときに、所定の割合で振幅値を増幅しても構わない。信号比算出部33は、デジタル信号D1Lの電圧値V1とデジタル信号D2Lの電圧値V2との比R(=V1/V2)を算出し、SpO2算出部34へ出力する。デジタル信号D1Lの電圧値V1とデジタル信号D2Lの電圧値V2との比が小さいほど血中酸素飽和濃度は大きいことを意味する。
The
SpO2算出部34は、予め準備された、比Rと血中酸素飽和濃度との対応表に基づき血中酸素飽和濃度を求めて表示部400へ出力する。当該対応表は実機実験やシミュレーションによって予め求めておくことができる。
The
以上のように、第4の実施の形態に従う生体情報センサ4によれば、赤外光除去層を備えながらも血中酸素飽和濃度を測定することができる。すなわち、生体情報センサ4によれば、心拍数を測定するにあたってノイズとなる赤外光を赤外光除去層により除去して心拍数測定の測定精度を上げながら、血中酸素飽和濃度を測定することもできる。
As described above, according to the
第4の実施の形態では、赤外光除去層に赤外カットフィルタが含まれる場合について説明した。血中酸素飽和濃度を測定する場合の赤外光除去層は赤外カットフィルタを含む場合に限られない。血中酸素飽和濃度を測定する場合の赤外光除去層は、例えば、第2の実施の形態と同様に赤外カット樹脂を含むことができ、あるいは第3の実施の形態と同様に赤外カットフィルタおよび赤外カット樹脂を含むことができる。 In the fourth embodiment, the case where the infrared cut filter is included in the infrared light removal layer has been described. The infrared light removal layer in the case of measuring the blood oxygen saturation concentration is not limited to the case where the infrared cut filter is included. The infrared light removal layer in the case of measuring the blood oxygen saturation concentration can include, for example, an infrared cut resin as in the second embodiment, or an infrared light as in the third embodiment. A cut filter and an infrared cut resin can be included.
第1の実施の形態ないし第4の実施の形態では、白色光を出射する発光部10を使用したが、白色光のうち緑色光および赤色光のみを使用するので、発光部10に換えて緑色光を出射する緑色LEDと赤色光を出射する赤色LEDとを設けてもよい。
In the first to fourth embodiments, the
第1の実施の形態ないし第4の実施の形態においては、1個の発光部10と1個の受光部11とを使用したが、複数の発光部10と1個の受光部11とを使用し、複数の発光部10の中央に1個の受光部11を設けてもよい。
In the first to fourth embodiments, although one
第1の実施の形態ないし第4の実施の形態においては、赤外光除去層はシリコン基板12に接着していた。赤外光除去層は必ずしもシリコン基板12に接着している必要はなく、フォトダイオード111Aへの光路上に位置するとともにフォトダイオード112Aへの光路上に位置するのであればどこに形成されていても構わない。例えば、光センサであるGセンサ111,Rセンサ112の内部に形成されていてもよいし、シリコン基板12から離れた位置に形成されていても構わない。
In the first to fourth embodiments, the infrared light removal layer is bonded to the
赤外光除去層に含まれるのは赤外カットフィルタ、赤外カット樹脂に限られない。赤外光を除去することができるものであれば、赤外光除去層に含まれ得る。 What is contained in the infrared light removal layer is not limited to the infrared cut filter and the infrared cut resin. If infrared light can be removed, it can be included in the infrared light removal layer.
第1の実施の形態,第2の実施の形態および第4の実施の形態においては、赤外光除去層が1層である場合について説明し、第3の実施の形態においては赤外光除去層が2層である場合について説明した。赤外光除去層はこれらの場合に限定されず、3層以上としても構わない。 In the first embodiment, the second embodiment and the fourth embodiment, the case where the infrared light removing layer is one layer will be described, and in the third embodiment, the infrared light removing layer The case where the layer is two layers has been described. The infrared light removal layer is not limited to these cases, and may have three or more layers.
第1の実施の形態ないし第4の実施の形態においては、赤外光除去層によって受光部に入射する光から赤外光を除去していた。赤外光は、例えば赤外カットフィルタまたは赤外カット樹脂を含む赤外光除去層だけではなく、所定の波長の光を透過させるカラーフィルタによっても除去されているといえる。本発明における赤外光除去層は、カラーフィルタによっても行なえていた赤外光の除去をさらに強化するものといえる。 In the first to fourth embodiments, the infrared light removing layer removes infrared light from light incident on the light receiving portion. For example, it can be said that infrared light is removed not only by an infrared cut filter or an infrared light removal layer containing an infrared cut resin but also by a color filter that transmits light of a predetermined wavelength. It can be said that the infrared light removing layer in the present invention further enhances the removal of infrared light which has been performed by the color filter.
実施の形態に従う生体情報センサによれば、人体に限らず、人間および動物を含む生体の心拍数または血中酸素飽和濃度を検出可能であることはいうまでもない。 It goes without saying that according to the biological information sensor according to the embodiment, it is possible to detect the heart rate or the blood oxygen saturation concentration of a living body including humans and animals as well as the human body.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is indicated not by the above description but by the claims, and is intended to include all the modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.
1,2,3,4 生体情報センサ、10 発光部、11 受光部、12 シリコン基板、12A 上層、12B 下層、13,14 遮光壁、15,16 レンズ、17 透明板、18 基板、30 演算部、31,32 振幅抽出部、33 信号比算出部、34 SpO2算出部、50 人体、101 赤外カットフィルタ、102 赤外カット樹脂、111 Gセンサ、112 Rセンサ、111A,112A フォトダイオード、111B Gフィルタ、112B Rフィルタ、200,300 演算制御部、310 制御部、311,321 アンプ、312,322 ADコンバータ、313,323 高域通過フィルタ、314,324 低域通過フィルタ、400 表示部、D1,D1L,D2L,D2 デジタル信号、S0,S1,S2,S4,S12 信号、V1,V2 電圧値。
1, 2, 3, 4 biometric information sensor, 10 light emitting unit, 11 light receiving unit, 12 silicon substrate, 12A upper layer, 12B lower layer, 13, 14 light shielding wall, 15, 16 lens, 17 transparent plate, 18 substrate, 30
Claims (9)
前記受光部は、
第1の光を第1の信号に変換する第1の光センサと、
第2の光を第2の信号に変換する第2の光センサと、
前記第1の光センサおよび前記第2の光センサが形成された第1の基板とを含み、
前記第1の光センサは、
前記第1の光を前記第1の信号に変換する第1の光電変換素子と、
前記第1の光電変換素子への光路上に形成され、前記第1の光を透過させる第1のカラーフィルタとを有し、
前記第2の光センサは、
前記第2の光を前記第2の信号に変換する第2の光電変換素子と、
前記第2の光電変換素子への光路上に形成され、前記第2の光を透過させる第2のカラーフィルタとを有し、
前記生体情報センサは、
前記第1の光電変換素子への光路上に形成されているとともに、前記第2の光電変換素子への光路上に形成された赤外光除去層と、
前記受光部からの信号に基づいて前記生体に関する情報を生成する演算制御部とをさらに備え、
前記演算制御部は、前記受光部から前記第1の信号および前記第2の信号を受け、前記第1の信号と前記第2の信号とに基づいて前記生体に関する情報を生成し、
前記赤外光除去層は、前記第1の基板の表面に形成され、
前記赤外光除去層は、赤外カット樹脂を含み、
前記赤外カット樹脂は、前記第1の基板を覆っている、生体情報センサ。 A biological information sensor including a light receiving unit and generating information on a living body based on a signal from the light receiving unit,
The light receiving unit is
A first light sensor for converting a first light into a first signal ;
A second light sensor for converting the second light into a second signal;
A first substrate on which the first light sensor and the second light sensor are formed ;
The first light sensor is
A first photoelectric conversion element that converts the first light into the first signal;
And a first color filter formed on the light path to the first photoelectric conversion element and transmitting the first light.
The second light sensor is
A second photoelectric conversion element that converts the second light into the second signal;
And a second color filter formed on the light path to the second photoelectric conversion element and transmitting the second light.
The biological information sensor is
An infrared light removal layer formed on the optical path to the first photoelectric conversion element and formed on the optical path to the second photoelectric conversion element ;
And a calculation control unit that generates information related to the living body based on a signal from the light receiving unit.
The arithmetic control unit receives the first signal and the second signal from the light receiving unit, and generates information on the living body based on the first signal and the second signal.
The infrared light removal layer is formed on the surface of the first substrate,
The infrared light removal layer contains an infrared cut resin,
The biological information sensor, wherein the infrared cut resin covers the first substrate.
前記受光部は、The light receiving unit is
第1の光を第1の信号に変換する第1の光センサと、A first light sensor for converting a first light into a first signal;
第2の光を第2の信号に変換する第2の光センサと、A second light sensor for converting the second light into a second signal;
前記第1の光センサおよび前記第2の光センサが形成された第1の基板とを含み、A first substrate on which the first light sensor and the second light sensor are formed;
前記第1の光センサは、The first light sensor is
前記第1の光を前記第1の信号に変換する第1の光電変換素子と、A first photoelectric conversion element that converts the first light into the first signal;
前記第1の光電変換素子への光路上に形成され、前記第1の光を透過させる第1のカラーフィルタとを有し、And a first color filter formed on the light path to the first photoelectric conversion element and transmitting the first light.
前記第2の光センサは、The second light sensor is
前記第2の光を前記第2の信号に変換する第2の光電変換素子と、A second photoelectric conversion element that converts the second light into the second signal;
前記第2の光電変換素子への光路上に形成され、前記第2の光を透過させる第2のカラーフィルタとを有し、And a second color filter formed on the light path to the second photoelectric conversion element and transmitting the second light.
前記生体情報センサは、The biological information sensor is
前記第1の光電変換素子への光路上に形成されているとともに、前記第2の光電変換素子への光路上に形成された赤外光除去層と、An infrared light removal layer formed on the optical path to the first photoelectric conversion element and formed on the optical path to the second photoelectric conversion element;
前記受光部からの信号に基づいて前記生体に関する情報を生成する演算制御部とをさらに備え、And a calculation control unit that generates information related to the living body based on a signal from the light receiving unit.
前記演算制御部は、前記受光部から前記第1の信号および前記第2の信号を受け、前記第1の信号と前記第2の信号とに基づいて前記生体に関する情報を生成し、The arithmetic control unit receives the first signal and the second signal from the light receiving unit, and generates information on the living body based on the first signal and the second signal.
前記赤外光除去層は、前記第1の基板の表面に形成され、The infrared light removal layer is formed on the surface of the first substrate,
前記赤外光除去層は、赤外カットフィルタおよび赤外カット樹脂を含み、The infrared light removal layer includes an infrared cut filter and an infrared cut resin,
前記赤外カットフィルタは、前記第1のカラーフィルタおよび前記第2のカラーフィルタを覆い、The infrared cut filter covers the first color filter and the second color filter.
前記赤外カット樹脂は、前記赤外カットフィルタの上に積層され、前記第1の基板を覆っている、生体情報センサ。The biological information sensor, wherein the infrared cut resin is laminated on the infrared cut filter and covers the first substrate.
前記発光部、前記受光部、および前記演算制御部が形成された第2の基板と、
前記第2の基板の外周に沿って、前記発光部および前記受光部を囲むように形成された第1の遮光壁と、
前記第2の基板と前記第1の遮光壁とによって形成された空間を、前記発光部がある側の空間と前記受光部がある側の空間とに仕切る第2の遮光壁とをさらに備え、
前記生体情報センサが生体に装着された場合、前記光のうち前記生体の内部で反射した光は、前記受光部へ入射する、請求項1または2に記載の生体情報センサ。 A light emitting unit that emits light including the first light and the second light;
A second substrate on which the light emitting unit, the light receiving unit, and the arithmetic control unit are formed;
A first light shielding wall formed to surround the light emitting unit and the light receiving unit along the outer periphery of the second substrate;
It further comprises a second light shielding wall that divides the space formed by the second substrate and the first light shielding wall into a space on the side where the light emitting portion is located and a space on the side where the light receiving portion is located;
The biological information sensor according to claim 1 or 2, wherein when the biological information sensor is attached to a living body, light reflected by the inside of the living body among the light enters the light receiving unit.
前記第2の光は、赤色光である、請求項1または2に記載の生体情報センサ。 The first light is green light,
It said second light is a red light, the biometric information sensor according to claim 1 or 2.
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