JP6558343B2 - 生体センサ - Google Patents

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Description

本発明は、生体センサに関し、特に生体表面に電磁波を照射し、その反射波に基づき生体情報を検出する生体センサに関する。
従来から、車両に搭載され、人体表面に電磁波を照射し、その反射波を受信して、乗員の存否等を判定すると共に、その反射波に含まれる生体情報を検出する技術が知られている。例えば、特許文献１は、簡単かつコンパクトな構成で、乗員の存否及び着座状態を判定可能な乗員検知システムを開示する。この乗員検知システムは、送信アンテナと、複数の受信アンテナとを備え、これらはシートバック内に配置されている。乗員検知システムでは、送信アンテナから電波を送信し各受信アンテナで受信する。処理回路部では、受信電波の振幅が検出される。判定コンピュータでは、各受信電波振幅と各基準振幅との比較により受信アンテナと乗員との距離に対応するデータが得られ、これら複数の距離データ及び受信アンテナ設置位置データに基づいて助手席上の乗員の存否及び着座状態が判定される。
また、特許文献２は、レイアウトおよびコストの点で有利な乗員検出装置を開示する。この乗員検出装置は、乗員が着座するシートクッション内に、送信素子と受信素子とを備えたセンサ部材を設け、このセンサ部材の受信素子が送信素子からの送信信号を受信し、この受信した受信信号の出力値に基づいて、乗員の重量を判定する。センサ部材は、マイクロ波ドップラーセンサで構成され、このマイクロドップラー波センサの出力信号のピーク数をカウントすることによって、乗員着座面までの距離を計測する。
また、特許文献３は、ノイズの影響を受けることなく脈波周期代表値の算出を行う脈拍数の算出方法を開示する。この脈拍数の算出方法は、脈波を検出する脈拍センサの出力から脈波周期を求めて脈拍数を算出するに際して、一時的に脈波とみなせる信号がないと判断された期間の脈拍数を、それ以前に求めておいた脈波周期から算出した脈波周期代表値を利用して推定する。予め定めた期間の脈波信号の自己相関関数を算出し、その一番目のプラス方向のピーク値が予め定めた閾値より大きい場合に、上記期間内の脈波周期をもって脈波周期代表値とする。自己相関関数を利用して脈波周期代表値を算出することで、ノイズの影響を防ぐことができる。
また、特許文献４は、車両において座席占有状態を識別するためのシステムを開示する。このシステムは、マイクロ波送信器と、マイクロ波受信器と、反射器とを備える。これらの装置の間に人が存在する場合、マイクロ波は減衰される。反射器としてバックスキャッタ装置が使用され、該マイクロ波受信器によって受信された放射は反射器に一義的に対応づけられる。付加的または択一的に、マイクロ波放射の伝搬時間測定が行われ、該伝搬時間測定は着座ポジションの評価とともに後続処理されるように構成されている。また、物周辺へのマイクロ波放射の回折特性を利用して、着座ポジションに関する別の情報が得られるように構成されている。座席が占有されているか否かの識別と、どのように座席が占有されているかの識別は、エアバッグの遮断ないしは有効化のために使用される。
また、特許文献５は、非接触で生体の生体信号を取得し、生体信号に対して周波数解析などの複雑な処理をせずに、生体状態に関する情報を取得することのできる生体状態取得装置等を開示する。この生体状態取得装置は、生体の体表面に電磁波を送信し、その反射波をＩＱ検波して、Ｉ信号とＱ信号を出力するＩＱ検波器から出力されたＩ信号とＱ信号とを時系列に順次取得するＩＱ信号取得手段と、ＩＱ信号取得手段で取得した取得信号のＩＱ平面上の軌跡に基づいて、生体の状態を取得する生体状態取得手段とを有する。生体状態取得手段は、呼吸検出手段または心拍検出手段を含む。呼吸検出手段は、ＩＱ平面上の軌跡から各取得信号間の速度ベクトルのノルムの時系列データを求め、該時系列データから１呼吸に対応する呼吸信号を検出して一定期間内の呼吸数を呼吸情報として算出する呼吸検出手段を有する。心拍検出手段は、ＩＱ平面上の取得信号の位置ベクトルのノルムを算出し、そのベクトルノルムの時系列データをローパスフィルタ処理して心拍信号を抽出する。
特開２００１−２８９９４０号公報 特開２００６−２０８２３６号公報 特開２００１−３３３８９０号公報 特開２００６−５０６６３０号公報 特開２０１１−０１５８８７号公報
本発明は、被測定者が生体センサに対して適切な位置に存在し、精度が高くて有意な生体情報を検出できる場合に、生体情報を出力する生体センサを提供する。
上記課題を解決するために、生体の体表面に電磁波を照射する電磁波照射部と、電磁波照射部が照射した電磁波が体表面で反射した反射波を受信する反射波受信部と、反射波受信部が取得した信号の微分信号を算出する微分算出部と、反射波受信部が取得した信号と微分算出部が算出した微分信号に基づいて、信号の角速度を算出する角速度算出部と、反射波受信部が取得した信号に基づいて、反射波の受信強度を算出する受信強度算出部と、角速度算出部で算出された角速度に基づいて生体情報を抽出する生体情報抽出部と、生体情報抽出部が抽出した生体情報を出力する外部出力部と、外部出力部が生体情報を出力するか否かを判定する出力判定部と、を備え、出力判定部は、受信強度算出部が算出した受信強度の大きさが第１閾値より大きく、かつ、角速度算出部が算出した所定時間内の時系列情報における角速度のピーク値が第２閾値より大きい場合に、生体情報を出力することを判定する生体センサが提供される。
これによれば、受信強度の大きさが所定値より大きく、所定時間内の時系列情報における角速度のピーク値が所定値より大きい場合に生体情報を出力することで、被測定者が生体センサに対して適切な位置に存在し、有意な生体情報を検出できる場合に生体情報を出力する生体センサを提供することができる。
さらに、出力判定部は、受信強度算出部が算出した受信強度の大きさが第１閾値より大きく、かつ、角速度算出部が算出した所定時間内における角速度の第２閾値以上のピーク値の数が第３閾値より大きい場合、生体情報抽出部が抽出した生体情報を出力することを判定することを特徴としてもよい。
これによれば、所定値以上のピーク値の数が所定の値より大きい場合に生体情報を出力することで、より精度の高い生体情報を出力することができる。
さらに、受信強度算出部は、反射波のノルムを算出するノルム算出部であることを特徴としてもよい。
これによれば、反射波のノルムで受信強度を算出することで、より精度の高い生体情報を出力することができる。
本発明によれば、被測定者が生体センサに対して適切な位置に存在し、精度が高くて有意な生体情報を検出できる場合に、生体情報を出力する生体センサを提供することができる。
本発明に係る第一実施例の電波式生体センサを車両の車室内に設置した場合の概略図。 本発明に係る第一実施例の電波式生体センサのブロック図。 本発明に係る第一実施例の電波式生体センサにおけるドップラーセンサのブロック図。 Ｉ−Ｑ座標平面において角速度等を説明するための説明図。 本発明に係る第一実施例の電波式生体センサにおける判定の方法を説明する説明図。 本発明に係る第一実施例の電波式生体センサにおける制御を示すフローチャート。 本発明に係る第一実施例の電波式生体センサの脈波判定処理の制御を示すフローチャート。 本発明に係る第二実施例の光学式生体センサを車両の車室内に設置した場合の側方からみた場合の説明図。 本発明に係る第二実施例の光学式生体センサの概略ブロック図。 本発明に係る第二実施例の光学式生体センサのブロック図。 本発明に係る第二実施例の光学式生体センサにおける信号処理部と角速度算出部のブロック図。 本発明に係る第二実施例の光学式生体センサにおけるフォトダイオード、ローパスフィルタおよびバンドパスフィルタ、マイクロコンピュータの関係を示す概略図。 Ｒ２−Ｒ１座標平面において色相変化角速度等を説明するための説明図。 本発明に係る第二実施例の光学式生体センサにおける制御を示すフローチャート。 本発明に係る第二実施例の光学式生体センサにおけるサンプリングのタイムチャート。 本発明に係る第二実施例の光学式生体センサにおける制御を示すフローチャート。 本発明に係る第二実施例の光学式生体センサの脈波判定処理の制御を示すフローチャート。
以下では、図面を参照しながら、本発明に係る実施例について説明する。本発明に係る生体センサは、人体表面に電波や光などの電磁波ＥＭＷを照射し、その反射波に含まれる微細な動きを伴う生体情報をＩ信号／Ｑ信号の角速度により取得する場合、角速度と受信強度に基づいて精度の高い生体情報を取得可能な場合を判定し、生体情報を出力する。すなわち、生体情報を含むＩ信号／Ｑ信号の脈動信号と受信強度の強弱を評価し、これらが弱い場合、たとえば座席に適切に着座していないなど正しい生体情報を取得可能でない場合にはこれらの生体情報を出力しない。これにより、弱い脈動信号から生体情報を評価し、ノイズ成分を誤って検出して生体情報の検出精度が低下するのを回避することを可能とするものである。なお、電磁波ＥＭＷとは、空間の電場と磁場の変化によって形成される波（波動）のことであり、いわゆる光（赤外線、可視光線、紫外線）や電波を含む。
＜第一実施例＞
図１乃至図３を参照し、本実施例における電波式生体センサ１００を説明する。電波式生体センサ１００は、人間の身体の一部が直接的または間接的に接する面を有する機器に設置され、その機器の使用者の生体情報を検知する。ここで、人間の身体の一部が接する面を有する機器（器具・器械・機械の総称）とは、具体的には、たとえば、人が座る椅子やソファ、人が横たわるベッド、病院内に設置される身体検査機器、車両や航空機内に設置され人が座る座席などを言う。
人間の身体の一部が接する面とは、椅子等では座面や背もたれ面、ベッドではマットレス上面等をいう。当該面は、人間の身体の一部が直接的・間接的のいずれかで接すればよく、人が衣服を着用して間接的に接触することでもよい。身体の一部とは、椅子等の座面では臀部や太腿であり、椅子等の背もたれやベッド等では背中が一般的である。身体検査機器では、人の肢体のいずれであってもよい。
使用者の生体情報とは、本明細書においては、心拍数（脈拍数）や脈波の大きさ、呼吸数や呼吸の大きさをいい、これらに由来しない皮膚や筋肉の動きを生じさせる咳やくしゃみなどは含まない。心拍や呼吸は、生体の体表面において微細な動きを生じさせており、電波式生体センサ１００は、かかる微細な動きを伴う生体情報を検出するものである。
本実施例では、図１に示すように車両の室内に設置される場合について説明する。電波式生体センサ１００は、運転者等が座る座席ＳＴの背もたれ部に設置されている。電波式生体センサ１００は、心拍や呼吸に伴う皮膚表面の微細な動きを検知することを目的とし、比較的大きな動きが少ない運転者の背中が接する面となる背もたれ部に設置され、運転者ＤＲに向けて電波ＥＭＷを照射する。
図２に示すように、電波式生体センサ１００は、生体の体表面に電磁波である電波を照射する電波照射部１０と、電波照射部１０が照射した電磁波が体表面で反射した反射波を受信すると共に検波や増幅等を行ったうえで、照射した電磁波の信号と受信した反射信号を乗算したＩ信号とそのＩ信号を所定の位相だけ遅らせたＱ信号を取得する反射波受信部２０と、電波照射部１０を制御する制御部６０とを備える。なお、電波照射部１０および反射波受信部２０は、ドップラーセンサＤＳを構成する。
図３は、ドップラーセンサＤＳの詳細を示すブロック図である。ドップラーセンサＤＳの発振器１３は、制御部６０の制御により所定の周波数で発振する。なお、周波数は通常マイクロ波帯が用いられ、特に限定されないが、生体情報取得用途の場合通常２４ＧＨｚが用いられることが多い。発振器１３が発振した電磁波は、分配器１２により分配され、その一方は、送信アンテナ１１から周波数ｆ０（例えば、２４ＧＨｚ）の電磁波として測定対象ＴＧに照射される。
周波数ｆ０の電磁波は、動きのある測定対象ＴＧに当たって反射し、周波数がｆｒに変化し、受信アンテナ２１は、その周波数ｆｒとなった反射波を受信する。なお、測定対象ＴＧは、送信アンテナ１１および受信アンテナ２１の方向に対して交差角αを有する方向へ相対速度ｖで動いているものとする。そうすると、反射波周波数ｆｒは、式（１）で求められる。
ｆｒ＝ｆ０±ｆｄ ・・・（１）
なお、送信波周波数：ｆ０
ドップラ周波数ｆｄ＝（２ｆ０｜ｖ｜／ｃ０）・ｃｏｓα
光速：ｃ０
測定対象の相対移動速度：ｖ
送信波に対する測定対象の移動方向の交差角：α
受信アンテナ２１で受信した周波数ｆｒの反射波は、分配器１２で分配された他方の電磁波（周波数ｆ０）とミキサ２２において乗算演算され、ＤＣ領域に近いベースバンド成分と変調成分を含むＩ信号として、反射波受信部２０の一部であるＩ信号出力ポートＩＰから出力される。また、受信アンテナ２１で受信した周波数ｆｒの反射波であってπ／２だけ位相をずらした反射波は、同様に分配器１２で分配された他方の電磁波（周波数ｆ０）とミキサ２２において乗算演算され、ＤＣ領域に近いベースバンド成分と変調成分を含むＱ信号として、反射波受信部２０の一部であるＱ信号出力ポートＱＰから出力される。
電波式生体センサ１００は、さらに、反射波受信部２０がＩ信号出力ポートＩＰから出力するＩ信号およびＱ信号出力ポートＱＰから出力するＱ信号が入力される信号取得部３０を備える。信号取得部３０は、たとえば、マイクロコンピュータに実装されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータを含むＡＤポートである。ＡＤポートでは、適宜Ｉ信号およびＱ信号から高周波成分を除去して受け入れる。また、信号取得部３０は、受け入れたＩ信号とＱ信号に基づいて、単位時間当たりの変化量であるΔＩとΔＱを算出する。なお、このマイクロコンピュータは、制御部６０や、後述する角速度算出部４０等の構成要素を実装されてもよい。
電波式生体センサ１００は、さらに、信号取得部３０が取得したＩ信号とＱ信号、および、これらの変化量のΔＩとΔＱに基づいてＩ信号とＱ信号の角速度を算出する角速度算出部４０と、Ｉ信号およびＱ信号に基づいてＩＱノルムを算出するノルム算出部９０とを備える。角速度算出部４０は、以下のように、Ｉ信号、Ｑ信号、ΔＩ、およびΔＱに基づいて、Ｉ信号とＱ信号の角速度ωを求める。
ドップラーセンサＤＳの送信アンテナ１１が送信する、時間ｔに伴う周波数ｆ０の送信波ｘｓ（ｔ）は、式（２）で表される。
ｘｓ（ｔ）＝Ａｓｃｏｓ（ωｓｔ） ・・・（２）
なお、送信波振幅：Ａｓ
送信波角速度：ωｓ＝２πｆ０
また、ドップラーセンサＤＳの受信アンテナ２１が受信する、時間ｔに伴う周波数ｆｒの反射波ｘｒ（ｔ）は、式（３）で表される。
ｘｒ（ｔ）＝Ａｒｃｏｓ（［ωｓ±ωｄ］ｔ＋φ） ・・・（３）
なお、受信波振幅：Ａｒ
ドップラ角速度：ωｄ＝２πｆｄ
測定対象との距離に依存する位相：φ
そして、送信波と反射波をミキサ２２に入力して乗算演算された信号は、式（４）で表される。
ｘｓ（ｔ）ｘｒ（ｔ）＝ＡｓＡｒｃｏｓ（ωｓｔ）ｃｏｓ（［ωｓ＋ωｄ］ｔ＋φ）
＝（ＡｓＡｒ／２）｛ｃｏｓ（ωｄｔ＋φ）＋ｃｏｓ（［２ωｓ＋ωｄ］ｔ＋φ）｝
・・・（４）
高周波成分を除去すると、式（４）における第２項の変調成分が分離されるから、ドップラ周波数成分を抽出した後のＩ信号であるＩ（ｔ）は、式（５）で表される。
Ｉ（ｔ）＝（ＡｓＡｒ／２）ｃｏｓ（ωｄｔ＋φ） ・・・（５）
また、Ｉ信号からπ／２だけ位相を遅らせたＱ信号であるＱ（ｔ）は、式（６）で表される。
Ｑ（ｔ）＝（ＡｓＡｒ／２）ｃｏｓ（ωｄｔ＋φ−π／２） ・・・（６）
式（５）で示されるＩ信号および式（６）で示されるＱ信号が、信号取得部３０から角速度算出部４０に入力される。
また、Ｉ信号の単位時間当たりの変化量ΔＩとＱ信号の単位時間当たりの変化量ΔＱは、単位時間当たりの変化量に代えて、以下の式により求めてもよい。
ΔＩ≒ｄＩ／ｄｔ
ΔＱ≒ｄＱ／ｄｔ
したがって、式（５）と式（６）をそれぞれ時間ｔで微分すると、Ｉ信号微分値ΔＩとＱ信号微分値ΔＱが算出できる。
なお、図４に示すようなＩ−Ｑ座標平面（複素平面）における角速度ωは、
ω＝ｄθ／ｄｔ
なお、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｉ−Ｉｏｆｆｓｅｔ）／（Ｑ−Ｑｏｆｆｓｅｔ）
Ｉｏｆｆｓｅｔ：電波式生体センサの設置条件により定まる定数
Ｑｏｆｆｓｅｔ：電波式生体センサの設置条件により定まる定数
と表すことができるので、角速度ωは、（数１）で表すことができる。
ノルム算出部９０は、ＩＱノルムＮＲＭを、式（７）で算出する。
ＮＲＭ＝√（（Ｉ−Ｉｏｆｆｓｅｔ）２＋（Ｑ−Ｑｏｆｆｓｅｔ）２） ・・・（７）
なお、ノルム算出部９０は、上式によらず、Ｉ信号とＱ信号自体の受信強度を出力してもよい。この場合、ノルム算出部９０は、受信強度算出部ということができ、反射波受信部２０は、Ｉ信号とＱ信号のそれぞれ信号の強度を検出し、信号取得部３０に出力する。図４における円の大きさは、反射波の受信アンテナ２１における受信強度の大きさを示し、測定対象ＴＧである生体表面の状態（距離、反射面の傾き、反射率など）によって変動する。ドップラーセンサＤＳと生体表面の距離がｄである場合、その距離ｄの変位量Δｄは、式（８）で表される。
Δｄ＝λ・Δθ／４π ・・・（８）
なお、λ：送信波の波長（たとえば、周波数が２４ＧＨｚの場合１２．５ｍｍ）
また、電波式生体センサ１００は、さらに、角速度算出部４０が算出した角速度ωに基づいて、生体の生体情報を抽出する生体情報抽出部５０を備える。生体情報抽出部５０は、抽出する生体情報の特徴に基づき抽出する。たとえば、生体情報抽出部５０は、信号取得部３０が心拍成分と呼吸の両方の周波数成分を出力している場合、角速度算出部４０が出力した角速度ωは、呼吸の周期成分と心拍の周期成分の２つが合成されたものを含んでいる。
このように、呼吸の周期成分と心拍の周期成分の２つが合成された角速度ωが、生体情報抽出部５０に入力された場合、生体情報抽出部５０は、一般的な呼吸や心拍の周期に照らし合わせて、心拍や呼吸の回数や、それぞれのピークの高さからそれらの強さを抽出することができる。このように、人体表面に電磁波を照射し、その反射波のＩ信号とＱ信号の座標平面における角速度に基づいて複数の生体情報を取得し、一般的な心拍数や呼吸数などの周波数成分に基づいて特定の生体情報を抽出することにより、様々な生体情報を一度に取得できる。
また、電波式生体センサ１００は、さらに、ノルム算出部９０が算出したＩＱノルムＮＲＭの大きさと角速度算出部４０が算出した所定時間内の時系列情報における角速度ωのピーク値に基づいて、生体情報抽出部５０が抽出した生体情報を出力するか否かを判定する出力判定部８０と、出力判定部８０の判定に基づいて、生体情報抽出部５０が抽出した生体情報を使用する外部機構に出力するための外部出力部７０を備える。
出力判定部８０は、ノルム算出部９０が算出したＩＱノルムＮＲＭの大きさが所定の閾値より大きく、かつ、所定時間内の時系列情報における角速度ωのピーク値が所定値より大きい場合、生体情報抽出部５０が抽出した生体情報の出力を行うと判定する。逆に、出力判定部８０は、ＩＱノルムＮＲＭの大きさが所定の閾値以下、または、所定時間内の時系列情報における角速度ωのピーク値が所定値以下である場合は、生体情報抽出部５０が抽出した生体情報の出力を行わないと判定する。
たとえば、図５（Ａ）は、座席ＳＴに運転者ＤＲが着座している場合としていない場合のＩＱノルムＮＲＭを示している。この例では、最初の点線枠（最も左の点線枠）の領域では、運転者ＤＲは座席ＳＴに着座しているので、反射波受信部２０が受信する反射波の受信強度は高く約６００というＩＱノルムＮＲＭの値を示している。そして、運転者ＤＲが離席すると急速にＩＱノルムＮＲＭの値は低下し、未着座の状態の２番目の点線枠（真ん中の点線枠）の領域では受信強度が低くなり２００以下になる。
そして、また運転者ＤＲが着座すると急速にＩＱノルムＮＲＭの値は増加し、着座の状態の３番目の点線枠（最も右の点線枠）の領域では、受信強度は高くなりＩＱノルムＮＲＭの値は約６００という値を示す。このように、着座と未着座の状態の違いでＩＱノルムＮＲＭにより表される受信強度は変化する。このような場合に、たとえばＩＱノルムが４００という値を第１閾値として着座／未着座を判定することが可能となる。このように、第１閾値は、電波式生体センサ１００の設置された環境や状況に応じて適宜定められる。なお、通常、着座している状態での反射波の方が、着座していない状態での反射波に比べて精度の高い生体情報が取得できる。
図５（Ｂ）と（Ｃ）は、脈波を示す角速度ωの振幅を示すが、本図（Ｂ）は、脈波を示す角速度ωの振幅が全体的に小さい場合を示し、振幅のピーク値は所定の閾値である第２閾値を超えることはない。一方、本図（Ｃ）は、脈波を示す角速度ωの振幅が全体的に大きな場合を示し、振幅のピーク値は第２閾値を超えるもの（丸印）多い場合を示す。両者を比べると、本図（Ｂ）に示すような脈波の場合にはノイズ成分に影響を受け易いが、本図（Ｃ）に示すような脈波が示されている方は、ノイズ成分を含んでいたとしても精度の高い脈波を検出できる。なお、第２閾値は、電波式生体センサ１００の設置された環境や状況に応じて適宜定められる。
したがって、出力判定部８０は、ノルム算出部９０（受信強度算出部９０）が算出したＩＱノルムＮＲＭの大きさが第１閾値より大きく、かつ、角速度算出部４０が算出した所定時間内における角速度ωのピーク値が第２閾値より大きい場合に、生体情報抽出部５０が抽出した生体情報を出力することを判定する。角速度ωの振幅のピーク値は、所定の時間幅を有する計測区間内における時系列情報であり、所定時間内における角速度ωのピーク値とは、所定時間内の時系列情報における角速度のピーク値である。
外部出力部７０は、出力判定部８０が生体情報の出力を行うと判定した場合は、生体情報を使用する外部機構に出力し、出力判定部８０が生体情報の出力を行わないと判定した場合は、生体情報を使用する外部機構に出力しない。このように、受信強度であるＩＱノルムの大きさが所定値より大きく、所定時間内の時系列情報における角速度ωのピーク値が所定値より大きい場合に生体情報を出力することで、被測定者が生体センサに対して適切な位置に存在し、有意な生体情報を検出できる場合に生体情報を出力する電波式生体センサ１００を提供することができる。
また、出力判定部８０は、ノルム算出部９０が算出したＩＱノルムの大きさが第１閾値より大きく、かつ、角速度算出部４０が算出した所定時間内における角速度の第２閾値以上のピーク値の数が第３閾値より大きい場合、生体情報抽出部５０が抽出した生体情報を出力することを判定してもよい。
図６および図７を参照して、かかる電波式生体センサ１００の制御方法を、脈波（心拍）を例に説明する。なお、フローチャートにおけるＳはステップを意味する。ノルム算出部９０は、Ｓ１００において、信号取得部３０が取得したＩ信号およびＱ信号に基づいてＩＱノルムＮＲＭを算出する。出力判定部８０は、Ｓ１０２において、ＩＱノルムＮＲＭが第１閾値ＴＨ１を超えているかいるか否か、すなわち着座状態にあるか否かを検査する。着座状態ではないと判定された場合は、電波式生体センサ１００は、Ｓ１１６において、測定不能と判定し処理を終了し、精度が高くないと考えられる生体情報を出力しない。
ＩＱノルムＮＲＭが第１閾値ＴＨ１を超えており着座状態であると判定した場合、角速度算出部４０は、Ｓ１０４において、角速度ωの振幅で表される脈波信号を取得する。脈波信号を取得すると、出力判定部８０は、Ｓ１０６において、脈動判定処理を行う。脈動判定処理の詳細は、図７に示される。出力判定部８０は、Ｓ２００において、脈波信号のピーク値を検出する。出力判定部８０は、Ｓ２０２において、検出したピーク値が所定の値である第２閾値ＴＨ２を超えているか否かを検査し、超えている場合には、Ｓ２０４においてカウンタを更新し、第２閾値ＴＨ２を超えているピーク値の数を数える。
出力判定部８０は、Ｓ２０６において、脈波の計測区間の所定の時間を経過するか否かを検査し、その所定時間を経過するまで、Ｓ２００〜Ｓ２０４を繰り返す。そして、出力判定部８０は、その所定時間を経過したら、Ｓ２０８において、その所定時間の計測区間における脈波のピーク値の中で第２閾値ＴＨ２を超えたピーク値の数を取得する。なお、第２閾値ＴＨ２は、電波式生体センサ１００の設置された環境や状況に応じて適宜定められる。
出力判定部８０は、Ｓ１０８において、第２閾値ＴＨ２を超えたピーク値の数が第３閾値ＴＨ３を超えているか否かを検査する。ピーク値の数が第３閾値ＴＨ３を超えていない場合、出力判定部８０は、Ｓ１１４において、脈動が弱いと判定し、Ｓ１１６において、測定不能と判定する。一方、ピーク値の数が第３閾値ＴＨ３を超えている場合、出力判定部８０は、Ｓ１１０において、脈動が強いと判定する。ピーク値は、本図に示されるようにばらつくものなので、第２閾値ＴＨ２を超える角速度ωのピーク値の数が第３閾値ＴＨ３より大きいということは、安定して角速度ωのピーク値を検出できる状態であるということができる。そこで、出力判定部８０がＩＱノルムＮＲＭの大きさが大きく、脈動も強いと判定した場合、外部出力部７０は、生体情報抽出部５０で抽出した生体情報を出力する。
すなわち、出力判定部８０は、ノルム算出部９０が算出したＩＱノルムＮＲＭの大きさが第１閾値ＴＨ１より大きく、かつ、角速度算出部４０が算出した所定時間内における角速度ωの第２閾値ＴＨ２を超えるピーク値の数が第３閾値ＴＨ３より大きい場合、生体情報抽出部５０が抽出した生体情報を出力することを判定する。これによれば、被測定者が生体センサに対して適切な位置に存在し、より有意な生体情報を検出できる場合に、生体情報を出力する電波式生体センサ１００を提供することができる。
＜第二実施例＞
図８乃至図１５を参照し、本実施例における光学式生体センサ１００’を説明する。まず、図８を参照し、光学式生体センサ１００’を概説する。なお、光学式生体センサ１００’は、上述した電波式生体センサ１００に比し、ノイズが少なくコストが安い。光学式生体センサ１００’は、血液中のヘモグロビンに対して吸光率が異なる波長の２つの光を生体に照射し、その反射光から脈拍や血圧、血流などの生体情報を検知するものである。光学式生体センサ１００’は、座席ＳＴに座る運転者ＤＲの方へ後述するセンサユニットＳＵ’を向けて、ハンドルＷＬの奥のたとえばハンドル軸部や、インパネ部分やバックミラーなどに設置され、運転者ＤＲが運転中の顔等の生体に光ＥＭＷを照射し、その反射光を受光する。
図９を参照し、光学式生体センサ１００’を説明する。光学式生体センサ１００’は、光を投光かつ受光するセンサユニットＳＵ’とそれを制御する制御ユニットＣＵ’を備える。センサユニットＳＵ’は、２つの異なる波長（第１波長と第２波長）の光を顔等の生体に投光する投光部１０’と、投光部１０’が投光した光が生体に反射した反射光等を受光する受光部２０’とを備える。
投光部１０’は、２つの異なる波長を発光するために２つの発光器である第１波長用の第１発光器１１’と第２波長用の第２発光器１２’と、これらの発光器が発光する光をセンサユニットＳＵ’から外部へ投光するための投光窓１３’と、発光器の発光を駆動制御するための投光回路部品１４’とを備える。発光器は、電気信号を光信号に変換する発光素子であり、所定の波長の光を発光できるものであれば特に限定されることはないが、通常コスト面で有利な発光ダイオード（ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や大きな出力が可能な半導体レーザが使用される。
受光部２０’は、投光部１０’が投光した光が生体に反射した反射光と他の背景光などの外乱光を受光する受光器２１’と、外部の光を受け入れ受光器２１’に導く受光窓２２’と、受光器２１’が復調した電気信号を受け、制御ユニットＣＵ’に渡す受光回路部品２３’とを備える。受光器２１’は、受信した光信号を電気信号に復調する受光素子であり、たとえば、フォトダイオードである。
第１発光器１１’および第２発光器１２’は、制御ユニットＣＵ’と信号線で接続された投光回路部品１４’により実際に駆動されて、所定の波長で発光する。第１発光器１１’と第２発光器１２’が発光した光は、投光窓１３’を通って生体に照射される。受光器２１’は、照射された光が生体に反射して受光窓２２’を通って戻ってきた反射光を受光し、受光した反射光を復調した電気信号を受光回路部品２３’に渡す。受光回路部品２３’は信号線により制御ユニットＣＵ’と接続されており、受光器２１’が復調した電気信号は、制御ユニットＣＵ’に渡される。
第１発光器１１’が発光する第１波長と第２発光器１２’が発光する第２波長は、以下のように定められる。本発明に係る光学式生体センサ１００’は、血液中のヘモグロビンに対して吸光率が異なる波長の２つの光を生体に照射し、その反射光から脈拍や血圧、血流などの生体情報を検知するものである。波長２００ｎｍから１０μｍでの光に対して、生体内に存在する主な光吸収物質は、水と血液中のヘモグロビンであり、それらの吸収スペクトルは波長に強く依存することが知られている。ヘモグロビンは、波長が７００ｎｍ以下の光に対して強い吸収を持ち、水は、２μｍよりも波長が長い中赤外光および遠赤外光に対して強い吸収を持つ。一方、波長がおよそ７００ｎｍから２μｍまでの近赤外光に対してはヘモグロビンと水の吸収が弱いため、近赤外光は、生体組織に深く浸透する。
心拍の脈波を光学的に検出するためには、光が動脈に届くことが必要である。そのためには、水による吸光率がより低い光である９００ｎｍ以下の光を使うことが必要である。また、静脈の中のヘモグロビンによる吸光率が大きすぎても深い位置にある動脈に届く前に減衰してしまうので、光の波長が７００ｎｍ以下であると水による吸光率はより小さいが、ヘモグロビンによる吸光率が高くなり適切ではない。したがって、波長が７００ｎｍ〜９００ｎｍ程度の光であれば、水およびヘモグロビン両方による吸光率が小さい。よって、動脈内に存するヘモグロビンの変動を検出するためには、７００ｎｍ〜９００ｎｍの波長の近赤外光を使用することが好ましく、また８００ｎｍ〜８７０ｎｍの波長の近赤外光を使用するとさらに好ましい。そして、第１波長と第２波長とは、体組織の内ヘモグロビンのみで顕著に吸光率が異なる波長が好ましく、なるべく差がある方が検知し易いから、たとえば、波長の範囲が７００ｎｍ〜９００ｎｍである場合、第１波長は７００ｎｍであり、第２波長は９００ｎｍであると定めることができる。
図１０乃至図１２を参照し、光学式生体センサ１００’の制御ユニットＣＵ’について説明する。制御ユニットＣＵ’は、第１発光器１１’および第２発光器１２’の発光タイミングや受光した光信号の処理のタイミングを制御する制御部６０’と、受光器２１’が受光し復調した電気信号をＡＤ変換などの処理する信号取得部３０’と、信号取得部３０’が処理した電気信号を積算し、色相変化速度等を算出する角速度算出部４０’と、角速度算出部４０’が行った算出結果に基づいて生体信号を抽出する生体情報抽出部５０’と、受光信号Ｒ１／Ｒ２に基づいてノルムＮＲＭを算出するノルム算出部９０’と、ノルムＮＲＭの大きさが所定の閾値（第１閾値）より大きいか、かつ、角速度算出部４０’が算出した所定時間内の時系列情報における角速度ωのピーク値が所定値（第２閾値）より大きいか否かに基づいて、生体情報抽出部５０’が抽出した生体情報を出力するか否かを判定する出力判定部８０’と、出力判定部８０’の判定に基づいて、生体情報抽出部５０’が抽出した生体情報を使用する外部機構に出力するための外部出力部７０’を備える
制御部６０’は、第１発光器１１’および第２発光器１２’のそれぞれをオンオフさせて、間欠発光させるためにそのタイミングを制御する。また、制御部６０’は、信号取得部３０’に対して、受光部２０’が出力した電気信号を信号取得部３０’が処理するタイミング（サンプリング）を制御する。詳細は後述する。信号取得部３０’は、受光器２１’が受光し復調したアナログの電気信号を入力され、信号を平滑化するローパスフィルタ３２’と、当該電気信号を入力され、平滑化すると共に微分処理を行うバンドパスフィルタ３１’（微分演算部）と、ローパスフィルタ３２’とバンドパスフィルタ３１’のアナログ電気信号をデジタル化するＡＤ変換回路３３’とを備える。
ローパスフィルタ３２’は、図１２に示すように、受光器２１’のフォトダイオードがＰＤポートから出力する受光信号から高周波成分のノイズを除去しベースバンド成分のみを通過させ、各波長に対応する受光信号を平滑化した信号（これらを受光信号Ｒ１と受光信号Ｒ２という。）を出力する。なお、光学式生体センサ１００’は、脈拍や血圧などの生体情報を取得することを目的としているので、ローパスフィルタ３２’は、約１Ｈｚの心拍を通過するフィルタであり、たとえば１０Ｈｚ以上は除去するフィルタである。なお、図中において、ローパスフィルタ３２’は、第１発光器１１’（図中ＬＥＤ１）が発光時の受光信号に対応するローパスフィルタをＬＰＦ１と、第２発光器１２’（図中ＬＥＤ２）が発光時の受光信号に対応するローパスフィルタをＬＰＦ２と表す。
バンドパスフィルタ３１’は、図１２に示すように、ローパスフィルタ３２’と同様に受光信号を平滑化すると共に、ＰＤポートが出力した受光信号からＤＣ成分を除去し、各波長に対応する信号の微分値（ΔＲ１とΔＲ２）を取得するための微分算出部の実施形態である。バンドパスフィルタ３１’である微分演算部は、受光部２０’が受光した光信号を電気信号に変換した受光信号を微分した微分信号（ΔＲ１とΔＲ２）を演算する。なお、バンドパスフィルタ３１’により得られる微分値（ΔＲ１とΔＲ２）は、線形近似値であり、微分算出部は、バンドパスフィルタ３１’に限定されることはなく、各波長に対応した受光信号を微分し、その微分値を算出するものであればよい。なお、図中において、バンドパスフィルタ３１’は、第１発光器１１’が発光時の受光信号に対応するバンドフィルタをＢＰＦ１と、第２発光器１２’が発光時の受光信号に対応するバンドフィルタをＢＰＦ２と表す。
なお、物理構成的には、図１２における受光器２１’のＰＤポートとローパスフィルタ３２’／バンドパスフィルタ３１’の間にあるホールド回路（Ｈｏｌｄ１〜Ｈｏｌｄ４）は、第１発光器１１’（図中ＬＥＤ１）と第２発光器１２’（図中ＬＥＤ２）の発光タイミングと受光信号を受け入れるタイミングを同期するためのスイッチング素子と共に、発光器を高周波で間欠発光させる際におけるフィルタの時定数を考慮してキャパシタを有する。また、本図に示されるマイクロコンピュータＭＣは、ローパスフィルタ３２’が出力する受光信号Ｒ１／Ｒ２およびバンドパスフィルタ３１’が出力する微分信号ΔＲ１／ΔＲ２が入力され、ＡＤ変換を行うＡＤポート（ＡＤ変換回路３３’）を備え、制御部６０’や角速度算出部４０’などの実装形態の例である。
また、マイクロコンピュータＭＣは、ＤＩＯポートＴｒ１／Ｔｒ２を備え、第１発光器１１’と第２発光器１２’の発光タイミングを出力する。そして、第１発光器１１’に関連するホールド回路Ｈｏｌｄ１とＨｏｌｄ２はＤＩＯポートＴｒ１からの入力を受け、第２発光器１２’に関連するホールド回路Ｈｏｌｄ３とＨｏｌｄ４はＤＩＯポートＴｒ２からの入力を受ける。このような構成をとることにより、第１発光器１１’の発光と第２発光器１２’の発光を交互に間欠的に発光すなわちパルス発光し続けるように、第１発光器１１’と第２発光器１２’の発光タイミングを制御し、また、それぞれの発光器に関連した受光信号をサンプリング抽出することができる。なお、マイクロコンピュータＭＣは、前述した制御部６０’や、角速度算出部４０’、生体情報抽出部５０’、外部出力部７０などを含んでいてもよい。また、各ＡＤポートは、ＡＤコンバータに接続され、アナログ信号をデジタル信号に変換するポートである。
角速度算出部４０’は、ＡＤ変換回路３３’によりアナログ値からデジタル値に変換された受光信号Ｒ１／Ｒ２とその微分値である微分信号ΔＲ１／ΔＲ２を入力され、それぞれ積算する積算部４５’を備える。積算部４５’は、第１発光器１１’が発光し、そのタイミングで受光した受光信号Ｒ１とその微分信号ΔＲ１をＡＤ変換する毎にそれぞれ積算し、第２発光器１２’が発光し、そのタイミングで受光した受光信号Ｒ２とその微分信号ΔＲ２をＡＤ変換する毎にそれぞれ積算する。角速度算出部４０’は、積算部４５’の積算により取得する各受光信号とその微分信号が平均化されるので、積算部４５’を備えることが好ましい。
また、角速度算出部４０’は、第１演算部４１’と、第２演算部４２’と、第３演算部４３’とを備える。第１演算部４１’は、第１波長の照射光に対応する受光信号がローパスフィルタ３２’を通り平滑化され、積算部４５’により平均化された第１受光信号Ｒ１と、第２波長の照射光に対応する受光信号である第２受光信号Ｒ２を微分演算部が演算した第２微分信号ΔＲ２との積を演算する。第２演算部４２’は、第２波長の照射光に対応する受光信号がローパスフィルタ３２’を通り平滑化され、積算部４５’により平均化された第２受光信号Ｒ２と、第１波長の照射光に対応する受光信号である第１受光信号Ｒ１を微分演算部が演算した第１微分信号ΔＲ１との積を演算する。第３演算部４３’は、第１演算部４１’で演算された積と第２演算部４２’で演算された積の差を演算する。これにより、脈拍や血圧などの生体情報を正確に検知する光学式生体センサ１００’を提供することができる。
また、第１演算部４１’は、第１受光信号Ｒ１と第１発光器１１’が発光しない時に受光部２０’が受光したオフセット光信号Ｒ１ｏｆｆｓｅｔとの差を演算した後第２微分信号ΔＲ２との積を演算し、第２受光信号Ｒ２と第２発光器１２’が発光しない時に受光部２０’が受光したオフセット光信号Ｒ２ｏｆｆｓｅｔとの差を演算した後第１微分信号ΔＲ１との積を演算することが好ましい。投光部１０’が投光していない時の反射光以外の背景光などの外乱光との差分を得ることで、外乱光の影響を低減することができ、より正確な生体情報を得ることができる。
また、角速度算出部４０’は、さらに第４演算部４４’を備えることが好ましい。第４演算部４４’は、第１受光信号Ｒ１とそのオフセット光信号Ｒ１ｏｆｆｓｅｔの差を二乗し、第２受光信号Ｒ２とそのオフセット光信号Ｒ２ｏｆｆｓｅｔの差を二乗し、両者の和を演算し、（１１）式に示される角速度ωを算出する。
・・・（１１）
図１３を参照し、色相変化角速度ωについて説明する。本図に示すようなＲ２−Ｒ１座標平面（複素平面）における色相変化角速度ωは、
ω＝Δθ／Δｔ
なお、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｒ２−Ｒ２ｏｆｆｓｅｔ）／（Ｒ１−Ｒ１ｏｆｆｓｅｔ）
Ｒ２ｏｆｆｓｅｔ：光学式生体センサの非発光時の受光信号値
Ｒ１ｏｆｆｓｅｔ：光学式生体センサの非発光時の受光信号値
と表すことができる。なお、本発明の場合、Ｒ２ｏｆｆｓｅｔとＲ１ｏｆｆｓｅｔの値は一致する。
ノルム算出部９０’は、ノルムＮＲＭを、式（１２）で算出する。
ＮＲＭ＝√（（Ｒ１−Ｒ１ｏｆｆｓｅｔ）２＋（Ｒ２−Ｒ２ｏｆｆｓｅｔ）２）
・・・（１２）
なお、ノルム算出部９０’は、上式によらず、第１受光信号Ｒ１と第２受光信号Ｒ２自体の受光強度を出力してもよい。この場合、ノルム算出部９０’は、受光強度算出部ということができ、受光部２０’は、第１受光信号Ｒ１と第２受光信号Ｒ２のそれぞれ信号の強度を検出し、信号取得部３０’に出力する。本図における原点（Ｒ２ｏｆｆｓｅｔ、Ｒ１ｏｆｆｓｅｔ）との距離は、受光信号Ｒ１とＲ２の受光強度の大きさを示し、測定対象の生体の状態（光学式生体センサ１００’との距離、反射面の傾き、反射率など）によって変動する。吸光率が一定ならば、距離変動などによる受光強度の変化で、原点からの距離が変化する。
たとえば、第２波長の方が第１波長よりヘモグロビンに対して吸光率が高い波長である場合であって、測定対象の生体により多くのヘモグロビンが充填されている場合、第２受光信号Ｒ２は、第１受光信号Ｒ１より小さくなる。生体内の脈拍に応じて動脈に流れるヘモグロビンの量が変動するので、第１受光信号Ｒ１と第２受光信号Ｒ２の２軸のＲ２−Ｒ１座標平面にプロットされる点は、脈動に応じて変動する。この時の変動量を位相Δθで表すことができ、その角速度ωは、Δθ／Δｔとなる。この角速度ωは、２波長の変化速度を示すものであるから色合い（色相）の変化速度であると、すなわち色相変化角速度ωと言える。この色相変化角速度ωを評価することで、ヘモグロビン密度の変化による吸光率の変化を評価でき、距離変動などによる受光強度の影響を低減することが可能となる。また、非発光時のオフセット光信号を観測して差し引くことで、太陽光等の外乱光があっても評価が可能となる。このように、色相の変化により生体情報を検知することで、より正確な生体情報を出力することができる。
生体情報抽出部５０’は、角速度算出部４０’が行った色相変化角速度ω等の演算結果に基づいて、上述した生体情報抽出部５０と同様に、抽出する生体情報の特徴量に基づき生体情報を抽出する。また、光学式生体センサ１００’は、生体情報抽出部５０’が抽出した生体情報を使用する外部機構に出力するための外部出力部７０’を備える。
図１４乃至図１５を参照して、光学式生体センサ１００’の発光器を発光させて受光信号をサンプリングし、脈拍を抽出する方法を説明する。なお、フローチャートにおけるＳはステップを意味する。光学式生体センサ１００’の角速度算出部４０’は、Ｓ３００において、受光信号Ｒ１／Ｒ２、その微分信号ΔＲ１／ΔＲ２およびオフセット光信号の積算値をゼロにリセットとする。制御部６０’は、Ｓ３０２において、第１発光器１１’（図中ＬＥＤ１）を発光させる共に第２発光器１２’（図中ＬＥＤ２）は発光させない。
角速度算出部４０’は、Ｓ３０４において、第１発光器１１’に関連するホールド回路Ｈｏｌｄ１とＨｏｌｄ２を接続し、第２発光器１２’に関連するホールド回路Ｈｏｌｄ３とＨｏｌｄ４を切断することにより、受光信号Ｒ１およびその微分信号ΔＲ１をサンプリングする。すなわち、角速度算出部４０’は、第１発光器１１’が発光している時の受光器２１’（図中ＰＤ）の受光信号として、ローパスフィルタ３２’（図１１と同じＬＰＦ１）を通過した後にＡＤ変換回路３３’によりデジタル化した受光信号Ｒ１の１回分をＡＤ１［１］として前回の積算値（初回はゼロ）に積算する。また、角速度算出部４０’は、Ｓ３０６において、第１発光器１１’が発光している時の受光器２１’の受光信号の微分信号として、バンドパスフィルタ３１’（図５と同じＢＰＦ１）を通過した後にＡＤ変換回路３３’によりデジタル化した微分信号ΔＲ１の１回分をＡＤ２［１］として前回の積算値に積算する。
次に、制御部６０’は、Ｓ３０８において、第１発光器１１’を発光させるのを止める共に第２発光器１２’も発光させない。この時、ホールド回路Ｈｏｌｄ１〜Ｈｏｌｄ４をすべて切断し、サンプリングは行わない。そして、Ｓ３１０において、第２発光器１２’を発光させる共に第１発光器１１’は発光させない。
角速度算出部４０’は、Ｓ３１２において、第１発光器１１’に関連するホールド回路Ｈｏｌｄ１とＨｏｌｄ２を切断し、第２発光器１２’に関連するホールド回路Ｈｏｌｄ３とＨｏｌｄ４を接続することにより、受光信号Ｒ２およびその微分信号ΔＲ２をサンプリングする。すなわち、角速度算出部４０’は、第２発光器１２’が発光している時の受光器２１’の受光信号として、ローパスフィルタ３２’（図５と同じＬＰＦ２）を通過した後にＡＤ変換回路３３’によりデジタル化した受光信号Ｒ２の１回分をＡＤ３［１］として前回の積算値に積算する。また、角速度算出部４０’は、Ｓ３１４において、第２発光器１２’が発光している時の受光器２１’の受光信号の微分信号として、バンドパスフィルタ３１’（図１１と同じＢＰＦ２）を通過した後にＡＤ変換回路３３’によりデジタル化した微分信号ΔＲ２の１回分をＡＤ４［１］として前回の積算値に積算する。
そして、制御部６０’は、Ｓ３１６において、第２発光器１２’を発光させるのを止めると共に第１発光器１１’も発光させず、すなわち両方の発光器の発光を停止する。この時、ホールド回路Ｈｏｌｄ１〜Ｈｏｌｄ４をすべて切断し、サンプリングは行わない。制御部６０’は、Ｓ３１８において、Ｓ３０２〜Ｓ３１６のステップを所定回数のＮ回を積算したか否かを検査し、Ｎ回積算していなければ上記ステップを繰り返す。所定回数のＮ回を繰り返して積算するのは、図１４の下段に示すように、１回のサンプリング値（たとえば、ＡＤ１［１］）は１回毎の変動が大きいが、それを何回か積算することで徐々に平均化し、それぞれの信号の特徴が表れるからである。
受光信号Ｒ１／Ｒ２およびその微分信号ΔＲ１／ΔＲ２をＮ回積算したら、すなわち、ＡＤ１［１］〜ＡＤ１［Ｎ］、ＡＤ２［１］〜ＡＤ２［Ｎ］、ＡＤ３［１］〜ＡＤ３［Ｎ］、およびＡＤ４［１］〜ＡＤ４［Ｎ］を取得したら、制御部６０’は、Ｓ３２０において、両方の発光器の発光を停止する。この時、ホールド回路Ｈｏｌｄ１〜Ｈｏｌｄ４をすべて切断する。そして、角速度算出部４０’は、Ｓ３２２において、第１発光器１１’および第２発光器１２’の両方が発光していない時の受光器２１’の受光信号として、ローパスフィルタ３２’（図１１と同じＬＰＦ１）を通過した後にＡＤ変換回路３３’によりデジタル化したオフセット光信号Ｒ１ｏｆｆｓｅｔを同様に前回の積算値に積算する。また、角速度算出部４０’は、Ｓ３２４において、両方の発光器が発光していない時の受光器２１’の受光信号として、ローパスフィルタ３２’（図５と同じＬＰＦ２）を通過した後にＡＤ変換回路３３’によりデジタル化したオフセット光信号Ｒ２ｏｆｆｓｅｔを同様に前回の積算値に積算する。
そして、制御部６０’は、Ｓ３２６において、Ｓ３２２〜Ｓ３２４のステップを所定回数のＮ回を積算したか否かを検査し、Ｎ回積算していなければ上記ステップを繰り返す。オフセット光信号Ｒ１ｏｆｆｓｅｔおよびオフセット光信号Ｒ２ｏｆｆｓｅｔをＮ回積算したら、角速度算出部４０’は、Ｓ３２８において、積算した受光信号Ｒ１／Ｒ２、積算したその微分信号ΔＲ１／ΔＲ２および積算したオフセット光信号Ｒ１ｏｆｆｓｅｔ／Ｒ２ｏｆｆｓｅｔを用いて、（１１）式により演算し、色相変化角速度ωを算出する。そして、生体情報抽出部５０’は、Ｓ３３０において、算出した色相変化角速度ωに基づいて脈拍の特徴量により信号処理を行い、脈拍信号を抽出する。
出力判定部８０’は、角速度算出部４０’が算出した色相変化角速度ωとノルム算出部９０’が算出したノルムＮＲＭを、上記実施例で図５に関して述べたことと同様に、評価し判定する。すなわち、受光信号Ｒ１／Ｒ２の受光強度を示すノルムＮＲＭの大きさの大小により、座席ＳＴに運転者ＤＲが着座している状態なのか、着座していない状態なのかを判定することができる。また、色相変化角速度ωの振幅のピーク値の大小により、精度の高い状態で生体情報を抽出できるか否かを判定することができる。
したがって、出力判定部８０’は、ノルム算出部９０’（受光強度算出部９０’）が算出したノルムＮＲＭの大きさが第１閾値より大きく、かつ、角速度算出部４０’が算出した所定時間内における色相変化角速度ωのピーク値が第２閾値より大きい場合に、生体情報抽出部５０’が抽出した生体情報を出力することを判定する。
外部出力部７０’は、出力判定部８０’が生体情報の出力を行うと判定した場合は、生体情報を使用する外部機構に出力し、出力判定部８０’が生体情報の出力を行わないと判定した場合は、生体情報を使用する外部機構に出力しない。このように、受信強度であるノルムの大きさが所定値より大きく、所定時間内の時系列情報における色相変化角速度ωのピーク値が所定値より大きい場合に生体情報を出力することで、被測定者が生体センサに対して適切な位置に存在し、有意な生体情報を検出できる場合に生体情報を出力する光学式生体センサ１００’を提供することができる。
また、出力判定部８０’は、ノルム算出部９０’が算出したノルムの大きさが第１閾値より大きく、かつ、角速度算出部４０’が算出した所定時間内における色相変化角速度の第２閾値以上のピーク値の数が第３閾値より大きい場合、生体情報抽出部５０’が抽出した生体情報を出力することを判定してもよい。
図１６および図１７を参照して、かかる光学式生体センサ１００’の制御方法を、脈波を例に説明する。ノルム算出部９０’は、Ｓ４００において、信号取得部３０’が取得した受光信号Ｒ１／Ｒ２に基づいてノルムＮＲＭを算出する。出力判定部８０’は、Ｓ４０２において、ノルムＮＲＭが第１閾値ＴＨ１を超えているかいるか否か、すなわち着座状態にあるか否かを検査する。着座状態ではないと判定された場合は、光学式生体センサ１００’は、Ｓ４１６において、測定不能と判定し処理を終了し、精度が高くないと考えられる生体情報を出力しない。
ノルムＮＲＭが第１閾値ＴＨ１を超えており着座状態であると判定した場合、角速度算出部４０’は、Ｓ４０４において、色相変化角速度ωの振幅で表される脈波信号を取得する。脈波信号を取得すると、出力判定部８０’は、Ｓ４０６において、脈動判定処理を行う。脈動判定処理の詳細は、図１７に示される。出力判定部８０’は、Ｓ５００において、脈波信号のピーク値を検出する。出力判定部８０’は、Ｓ５０２において、検出したピーク値が所定の値である第２閾値ＴＨ２を超えているか否かを検査し、超えている場合には、Ｓ５０４においてカウンタを更新し、第２閾値ＴＨ２を超えているピーク値の数を数える。
出力判定部８０’は、Ｓ５０６において、脈波の計測区間の所定の時間を経過するか否かを検査し、その所定時間を経過するまで、Ｓ５００〜Ｓ５０４を繰り返す。そして、出力判定部８０’は、その所定時間を経過したら、Ｓ５０８において、その所定時間の計測区間における脈波のピーク値の中で第２閾値ＴＨ２を超えたピーク値の数を取得する。なお、第２閾値ＴＨ２は、光学式生体センサ１００’の設置された環境や状況に応じて適宜定められる。
出力判定部８０’は、Ｓ４０８において、第２閾値ＴＨ２を超えたピーク値の数が第３閾値ＴＨ３を超えているか否かを検査する。ピーク値の数が第３閾値ＴＨ３を超えていない場合、出力判定部８０’は、Ｓ４１４において、脈動が弱いと判定し、Ｓ４１６において、測定不能と判定する。一方、ピーク値の数が第３閾値ＴＨ３を超えている場合、出力判定部８０’は、Ｓ４１０において、脈動が強いと判定する。ピーク値はばらつくものなので、第２閾値ＴＨ２を超える角速度ωのピーク値の数が第３閾値ＴＨ３より大きいということは、安定して角速度ωのピーク値を検出できる状態であるということができる。そこで、出力判定部８０’がノルムＮＲＭの大きさが大きく、脈動も強いと判定した場合、外部出力部７０’は、生体情報抽出部５０’で抽出した生体情報を出力する。
すなわち、出力判定部８０’は、ノルム算出部９０’が算出したノルムＮＲＭの大きさが第１閾値ＴＨ１より大きく、かつ、角速度算出部４０’が算出した所定時間内における色相変化角速度ωの第２閾値ＴＨ２を超えるピーク値の数が第３閾値ＴＨ３より大きい場合、生体情報抽出部５０’が抽出した生体情報を出力することを判定する。これによれば、被測定者が生体センサに対して適切な位置に存在し、より有意な生体情報を検出できる場合に、生体情報を出力する光学式生体センサ１００’を提供することができる。
なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
１００ 生体センサ
１０ 電波照射部／光照射部（電磁波照射部）
１１ 送信アンテナ
１２ 分配器
１３ 発振器
１１’ 第１発光器
１２’ 第２発光器
１３’ 投光窓
２０ 反射波受信部
２１ 受信アンテナ
２２ ミキサ
２１’ 受光器
２２’ 受光窓
２３’ 受光回路部品
３０ 信号取得部
３１’ バンドパスフィルタ（微分演算部）
３２’ ローパスフィルタ（平滑化フィルタ）
３３’ ＡＤ変換回路
４０ 角速度算出部
４１’ 第１演算部
４２’ 第２演算部
４３’ 第３演算部
４４’ 第４演算部
４５’ 積算部
５０ 生体情報抽出部
６０ 制御部
７０ 外部出力部
８０ 出力判定部
９０ ノルム算出部（受信強度算出部）
１０１ ローパスフィルタ
１０２ バンドパスフィルタ（微分算出部）
ＣＵ 制御ユニット
ＳＵ センサユニット
ＳＴ 座席
ＷＬ ハンドル
ＴＧ 測定対象物
ＤＲ 運転者
ＥＭＷ 電磁波
ＭＣ マイクロプロセッサ

Claims (7)

  1. 生体の体表面に電磁波を照射する電磁波照射部と、
    前記電磁波照射部が照射した電磁波が前記体表面で反射した反射波を受信する反射波受信部と、
    前記反射波受信部が取得した信号の微分信号を算出する微分算出部と、
    前記反射波受信部が取得した信号と前記微分算出部が算出した微分信号に基づいて、信号の角速度を算出する角速度算出部と、
    前記反射波受信部が取得した信号に基づいて、反射波の受信強度を算出する受信強度算出部と、
    前記角速度算出部で算出された角速度に基づいて生体情報を抽出する生体情報抽出部と、
    前記生体情報抽出部が抽出した生体情報を出力する外部出力部と、
    前記外部出力部が生体情報を出力するか否かを判定する出力判定部と、
    を備え、
    前記出力判定部は、前記受信強度算出部が算出した受信強度の大きさが第１閾値より大きく、かつ、前記角速度算出部が算出した所定時間内の時系列情報における角速度のピーク値が第２閾値より大きい場合に、生体情報を出力することを判定する、
    生体センサ。
  2. 生体の体表面に電波を照射する電波照射部と、
    前記電波照射部が照射した電波が前記体表面で反射した反射波を受信し、照射した電波信号と受信した反射信号を乗算したＩ信号と該Ｉ信号を所定の位相だけ遅らせたＱ信号を取得する反射波受信部と、
    前記反射波受信部が取得したＩ信号とＱ信号を微分し、Ｉ信号微分値とＱ信号微分値を算出する微分算出部と、
    前記反射波受信部が取得したＩ信号とＱ信号、および、Ｉ信号とＱ信号に基づいて前記微分算出部が算出したＩ信号微分値とＱ信号微分値に基づいて、Ｉ信号とＱ信号の角速度を算出する角速度算出部と、
    前記反射波受信部が取得したＩ信号とＱ信号に基づいて、反射波の受信強度を算出する受信強度算出部と、
    前記角速度算出部で算出された角速度に基づいて生体情報を抽出する生体情報抽出部と、
    前記生体情報抽出部が抽出した生体情報を出力する外部出力部と、
    前記外部出力部が生体情報を出力するか否かを判定する出力判定部と、
    を備え、
    前記出力判定部は、前記受信強度算出部が算出した受信強度の大きさが第１閾値より大きく、かつ、前記角速度算出部が算出した所定時間内の時系列情報における角速度のピーク値が第２閾値より大きい場合に、生体情報を出力することを判定する、
    生体センサ。
  3. 生体の体表面に第１波長と第２波長の光を投光する投光部と、
    前記投光部が投光した光が前記生体で反射した反射光を含む光を受光する受光部と、
    前記受光部が受光した受光信号の微分信号を演算する微分演算部と、
    前記受光部が受光した前記第１波長の光に対応する第１受光信号および前記第２波長の光に対応する第２受光信号と、第１受光信号および第２受光信号を前記微分演算部がそれぞれ演算した第１微分信号および第２微分信号とに基づいて、第１受光信号と第２受光信号の角速度を算出する角速度算出部と、
    前記受光部が受光した第１受光信号と第２受光信号に基づいて、反射光の受光強度を算出する受光強度算出部と、
    前記角速度算出部で算出された角速度に基づいて生体情報を抽出する生体情報抽出部と、
    前記生体情報抽出部が抽出した生体情報を出力する外部出力部と、
    前記外部出力部が生体情報を出力するか否かを判定する出力判定部と、
    を備え、
    前記出力判定部は、前記受光強度算出部が算出した受光強度の大きさが第１閾値より大きく、かつ、前記角速度算出部が算出した所定時間内の時系列情報における角速度のピーク値が第２閾値より大きい場合に、生体情報を出力することを判定する、
    生体センサ。
  4. 前記出力判定部は、前記受信強度算出部が算出した受信強度の大きさが第１閾値より大きく、かつ、前記角速度算出部が算出した所定時間内における角速度の第２閾値以上のピーク値の数が第３閾値より大きい場合、前記生体情報抽出部が抽出した生体情報を出力することを判定することを特徴とする請求項２に記載の生体センサ。
  5. 前記受信強度算出部は、反射波のノルムを算出するノルム算出部であることを特徴とする請求項２または４に記載の生体センサ。
  6. 前記出力判定部は、前記受光強度算出部が算出した受光強度の大きさが第１閾値より大きく、かつ、前記角速度算出部が算出した所定時間内における角速度の第２閾値以上のピーク値の数が第３閾値より大きい場合、前記生体情報抽出部が抽出した生体情報を出力することを判定することを特徴とする請求項３に記載の生体センサ。
  7. 前記受光強度算出部は、反射光のノルムを算出するノルム算出部であることを特徴とする請求項３または６に記載の生体センサ。
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