JP6653787B2 - 光学的バイタルサインセンサ - Google Patents

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Description

本発明は、ユーザのバイタルサインを監視する光学的バイタルサインセンサに関する。
光心拍数センサのような心拍数センサは、ユーザの心拍数のようなバイタルサインを監視又は検出することでよく知られる。斯かる心拍数センサは、フォトプレチスモグラフ(PPG)センサに基づかれることができ、ボリュメトリック器官測定を得るために用いられることができる。パルスオキシメータを用いて、ヒトの皮膚の光吸収における変化が検出され、これらの測定値に基づきユーザの心拍数又は他のバイタルサインが決定されることができる。PPGセンサは、ユーザの皮膚に光を放出している発光ダイオード(LED)といった光源を有する。放出された光は、皮膚において散乱され、血液により少なくとも部分的に吸収される。光の一部は皮膚から出て、光検出器によりキャプチャされることができる。光検出器によりキャプチャされる光量は、ユーザの皮膚内部の血液量の指標となり得る。従って、PPGセンサは、特定の波長での吸収測定を通じて、皮膚の真皮及び皮下組織における血液の灌流を監視することができる。血液量が脈動する心臓が原因で変化される場合、ユーザの皮膚から戻る散乱光も変化している。従って、光検出器により検出された光信号を監視することにより、ユーザの皮膚における脈拍、及び従って心拍数が決定されることができる。更に、例えば酸素化又は脱酸素化ヘモグロビン及び酸素飽和といった血液の化合物が決定されることができる。
PPGセンサは例えば、スマートウォッチにおいて実現されることができ、ユーザの皮膚と直接接触するよう配置されることができる。しかしながら、PPGセンサがもはやユーザの皮膚と直接接触していない場合、例えば皮膚接触の喪失が生じた場合、ユーザのバイタルサインを検出するのに、光検出器の出力が使用されることはできない。
ユーザのバイタルサインは、ユーザの心拍数、呼吸数、深部体温及び血圧であり得る。
US2016/029898号は、ユーザの活動における変化に対して信号周波数/サンプリングレートを変えるプロセッサを持つ光学的バイタルサインセンサを開示する。
US2013/0172767号は、PPGセンサと、前処理ユニットと、処理ユニットと、センサ制御ユニットとを持つ光学的バイタルサインセンサを開示する。
US2004/0181133A1号は、PPGセンサ、前処理ユニット、処理ユニット、及びセンサ制御ユニットを持つ光学的バイタルサインセンサを開示する。
US2014/0135612A1号は、PPGセンサ、前処理ユニット、処理ユニット、及びセンサ制御ユニットを持つ光学的バイタルサインセンサを開示する。
本発明の目的は、ユーザのバイタルサインの改善された検出又は推定を可能にする光学的バイタルサインセンサを提供することである。
この目的は、ユーザのバイタルサインを測定及び決定するよう構成された光学的バイタルサインセンサにより解決される。光学的バイタルサインセンサは、ユーザの皮膚に向けられる光を生成するための光源と光を検出するよう構成された光検出器ユニットとを持つPPGセンサを含む。光は、ユーザの皮膚内又は皮膚から放出された光の反射を示す。光源の光は、サンプリング周波数、振幅、サンプル当たりのパルス数、及びデューティサイクルを持つ。光学的バイタルサインセンサは、センサの出力に結合された前処理ユニットを有する。前処理ユニットは、第1のサンプリング周波数及びサンプル当たりの第1のパルス数を持つPPGセンサからの出力信号を、第2のサンプル周波数及びサンプル当たりの第2のパルス数のパルスを持つ出力信号へと変換し、サンプル周波数又はサンプルあたりのパルス数における変化を中和又は均等化する。光学的バイタルサインセンサはまた、前処理ユニットの出力信号に基づき少なくとも1つの処理アルゴリズムを処理するために前処理ユニットに結合された処理ユニットを有する。光学的バイタルサインセンサはまた、サンプリングレート、サンプリング周波数、1サンプルあたりのパルス数及び/又はデューティサイクルを適合させることによりPPGセンサの動作を制御するよう構成されたセンサ制御ユニットを有する。
本発明の更なる態様によれば、前処理ユニットは、センサ制御ユニットからサンプル当たりのパルス数を受信し、PPGセンサの出力信号に、サンプルにおけるパルス数に反比例する係数を乗じるよう構成されたスケーラを有する。前処理ユニットはまた、PPGセンサの出力信号のサンプリングレートを、センサ制御ユニットから受け取る所望のサンプリングレートに適合させるダウンサンプラを有する。本発明の更なる態様によれば、センサ制御ユニットは、処理ユニットから少なくとも1つの信号対雑音比の要求を受信し、要求される信号対雑音比を達成するため、サンプリングレート及び/又はサンプルあたりのパルス数を決定するよう構成される。
本発明の一態様によれば、ユーザのバイタルサインを測定又は決定するよう構成された光学的バイタルサインセンサを用いてユーザのバイタルサインを測定又は決定する方法が提供される。光学的バイタルサインセンサは、接触面と、ユーザの皮膚に向けられる光を生成する少なくとも1つの光源と、ユーザの皮膚内又は皮膚から放出された光の反射を示す光を検出するよう構成された少なくとも1つの光検出器ユニットとを持つPPGセンサである。PPGセンサの出力信号は、サンプリングレート、振幅、1サンプル当たりのパルス数、及びデューティサイクルを持つ。少なくとも1つの光源からの光は、ユーザの皮膚に向かって放射され、反射光は光検出器により検出される。第1のサンプリング周波数及び第1のパルス数を持つPPGセンサからの出力信号は、サンプル周波数又はサンプル数における変化を中和又は等化するため、第2のサンプリング周波数及びサンプル当たり第2のパルス数を持つ出力信号へと変換される。
本発明の一態様によれば、光学的バイタルサインセンサに上述のようなユーザのバイタルサインを測定又は決定するステップを実行させるためのコンピュータプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムが提供される。
本発明の一態様によれば、バイタルサインセンサはLEDベースのPPGセンサを有する。LED光は、ユーザの皮膚を透過し、反射され、その一部は光検出器に到達することができる。血液体積分率ならびに酸素化及び脱酸素化ヘモグロビンのような血液化合物を監視するのに、光検出器の出力が使用されることができる。特に、心拍数及び血液体積分率又は血液化合物を決定するのに、LED光源からの光の吸収量又は反射量が用いられることができる。心拍数は、血液体積分率に関係する。更に、本発明によるPPGセンサは、従って、ユーザのバイタルサインの非侵襲的測定を可能にする光学センサである。
本発明の好ましい実施形態は、従属項、上記実施形態又は側面と個別の独立請求項との組み合わせとすることもできる点を理解されたい。
本発明のこれらの及び他の態様が、以下に説明される実施形態より明らとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。
本発明による光学的バイタルサインセンサの概略表現を示す図である。 本発明の一態様による光学的バイタルサインセンサの概略ブロックダイアグラムを示す図である。 図2のPPGセンサの概略ブロックダイアグラムを示す図である。 PPGセンサ102の出力信号を表すグラフである図である。 前処理ユニット130のブロックダイアグラムを示す図である。 センサの出力信号の時間的感覚を表すグラフを示す図である。
図1は、光学的バイタルサインセンサの動作原理の基本図を示す。図1では、光学的バイタルサインセンサ、例えば、接触面101を備える心拍数センサ100が、例えばユーザの腕に構成又は配置される。接触面101は、ユーザの皮膚1000上に(直接)配置されることができる。心拍数センサ100は、少なくとも1つの光源110と少なくとも1つの光検出器120とを含むPPGセンサ102を有する。光源110は、接触面101を介してユーザの皮膚1000の上又は中に光を放射する。一部の光は反射され、反射光は光検出器120により検出されることができる。一部の光は、ユーザの組織を透過して、光検出器120により検出されることができる。反射光に基づき、心拍数のようなユーザのバイタルサインが決定されることができる。
図2は、本発明の側面による光学的バイタルサインセンサの概略的なブロック図を示す。光学的バイタルサインセンサ100は、PPGセンサ102と、前処理ユニット130と、処理ユニット140と、センサ制御ユニット150とを有する。PPGセンサ102は、信号対雑音比、出力電力、増幅器利得、サンプリング周波数、及びサンプルを構成する光パルスの数(代替的に光のデューティサイクル)を含む信号を生成する。PPGセンサ102の動作は、センサ制御ユニット150により制御される。言い換えると、センサ制御ユニット150は、PPGセンサ102の光のパワー、増幅器利得、サンプリング周波数、及び/又はデューティサイクルを設定する。前処理ユニット130は、サンプリング周波数又はサンプル当たりの光パルス数における変化を中和又は等化する働きをする。前処理ユニット130は、受信データを処理することができる処理ユニット140に結合される。特に、いくつかの処理アルゴリズムが、処理ユニット140により実行され得る。前処理ユニット130は、第1のサンプル周波数及びサンプル当たり第1のパルス数を持つセンサ102からの出力信号を、第2のサンプル周波数及びサンプル当たり第2のパルス数を持つ出力信号に変換するように働く。特に、前処理ユニット130は、LEDパルスの数に関係なくサンプル当たり1つの値を出力することができ、サンプル周波数及び/又は光パルスの数における変化を除去して処理ユニットが任意の変化から切り離されるように働き得る。従って、処理ユニット140は、センサ102の出力信号におけるサンプル周波数、デューティサイクル及びパルス数のいかなる変化にも気付かないであろう。
センサ制御ユニット150は、処理ユニット140で処理される処理アルゴリズムにより要求されるように、信号対雑音比を処理ユニット140から受信する。センサ制御ユニット150は、これに基づきセンサのサンプル周波数及びサンプル当たりのパルス数を適合させる。センサ制御ユニット150はまた、これに基づきサンプル周波数、サンプルレート、パルス数及び/又はデューティサイクルの適合を制御し、これを前処理ユニット130に転送する。従って、前処理ユニット130は、処理ユニット140に対する変換器として働く。その結果、センサ102の出力において、サンプリング周波数、パルス数、デューティサイクルなどにおけるいかなる変化も、処理ユニットの処理を妨害しない。処理ユニット140は、要求された信号対雑音比をセンサ制御ユニット150に送る。センサ制御ユニット150は、要求された信号対雑音比が満たされるようにセンサを構成する。これは、4つのパラメータ、即ちLEDサンプリング周波数、サンプル当たりのLEDパルス数、LED振幅及び/又は受信機利得を調整することにより実行されることができる。アルゴリズム処理の1つにより別の要求がなされる場合、センサ制御ユニットは、前処理ユニット130から処理ユニット140への出力信号が乱れないことを確実にするため、LEDサンプリング周波数及び/又はLEDパルスの数を適合させることにより、要求される信号対雑音比を満たすことを選択することができる。
本発明の一態様によれば、センサ制御ユニットは、LEDサンプリング周波数、サンプル当たりのLEDパルス数(即ち、デューティサイクル)、LED振幅(又はLEDパワー)、及び受信機利得を制御することができる。LEDの振幅と受信機利得との適合は、信号の乱れをもたらす可能性がある点に留意されたい。しかしながら、本発明の態様によれば、処理ユニットの出力信号を乱すことなく、LEDサンプリング周波数及びパルス数が適合されることができる。これを実現するため、制御ユニットは、異なる処理ユニットからの要求を組み合わせる。最初の要求が到着する場合、コントロールは、4つのパラメータすべてを使用することで、すべての自由度を使用してセンサを設定する。この場合、信号の中断はない。なぜなら、他の処理アルゴリズムのいずれも信号を使用していないからである。しかしながら、第2の要求が到着する場合、信号におけるいかなる混乱も回避するため、センサ制御ユニットが、サンプリング周波数とパルス数とを選択及び適応させることが選択されなければならない。
本発明によれば、センサのサンプルは、複数のパルスからなることができる。サンプルのサンプル値は、個々のパルスの値の合計に対応する。サンプルは、サンプリングレートを持つ。
図3は、図2のPPGセンサの概略ブロック図を示す。PPGセンサ102は、光源110、光検出器120、増幅器103、アナログ/デジタル変換器104、及び制御ユニット105を有する。光源101は、複数のLEDを含むことができる。例えば、光源は、2つの緑色LEDと1つの赤外線IR LEDとを含み得る。光検出器は、少なくとも1つのフォトダイオードを含み得る。光検出器120の出力は、増幅器103により増幅される。増幅器103の出力は、増幅器の出力を変換するアナログ/デジタル変換器104に直接的又は間接的に結合されることができる。制御ユニット105は、光源110の動作を制御するよう機能する。特に、制御ユニット105は、光源におけるLEDの出力パワー、利得、パルス数、サンプリング周波数、及び/又はデューティサイクルを適合させることができる。従って、センサ102は、必要な構成に基づき、制御ユニット105により制御されることができる。制御ユニット105を介して、センサの動作は、処理ユニットの要件を満たすよう調整されることができる。出力パワー、サンプル当たりのパルス数、増幅器利得、及びサンプリングレート又はサンプリング周波数は、センサの全体の信号対雑音比に影響を与える点に留意されたい。
図4は、センサ102の出力信号を示すグラフである。図3では、サンプリング周波数は64Hzである。図3に示されるように、光検出器の出力信号の各サンプルは、光源の複数のパルスに基づかれる。従って、1サンプルは、光源からのnパルスに対応する。パルスの振幅は、LEDの電流Iledに対応する。図4には、いくつかの光学サンプリング位置OSLが描かれている。従って、1サンプルは、nパルスに対応する。サンプル値は、個々のパルスの値の合計に対応する。サンプルは、サンプル周波数fSAMPLEを持つ。サンプル周波数は、32から1042Hzの範囲とすることができる。1つのサンプルを構成するパルスは、バースト的に放射されてもよい。パルス方向は、例えば3μsである。
図5は、前処理ユニット130のブロック図を示す。前処理ユニット130は、スケーラ131と、ダウンサンプラ132とを有する。スケーラ131は、センサ102からの出力と光源からの光のパルス数nとを受け取る。ダウンスケーラ132は、スケーラ131の出力131aとセンサ102のサンプリングレートSRとを受け取る。ダウンサンプラ132の出力132aは、処理ユニット140に転送される。
スケーラ131において、センサ102の出力信号は、サンプル中のパルスの数nに反比例する係数で乗算される。ダウンサンプラ132は、サンプリングレートを所望のサンプリングレートSR、例えば32Hzに適応させる。これは、サンプリングレートを2分の1に下げる一連の(a serious of)ダウンサンプラにより実行されることができる。従って、センサ102のサンプリングレートは好ましくは、32Hzに2の累乗を乗じたものである。従って、サンプリングレートは、32Hz、64Hz、128Hzなどであり得る。
本発明の一態様によれば、スケーラ131及びダウンサンプラ132は、信号の混乱を回避してオンザフライで作動されることができる。言い換えると、スケーラ及びダウンサンプラは、サンプリングレートにおける変化又は所望の変化に反応することができる。
図6は、センサの出力信号の時間的感覚を示すグラフである。図6には、センサ102の出力信号102aが描かれる。t=0からt=8秒までの期間において、LEDパルスの数は1である。t=8からt=12秒までの期間において、LEDパルスの数は2である。t=12からt=24秒までの期間において、LEDパルスの数は8である。図6から分かるように、出力信号の振幅は、パルス数と共に増加する。図6の中央には、スケーラ131の出力信号131aが示される。見て分かるように、サンプリングレートのみが、描かれた領域にわたって変化する。実際、サンプリングレートは、左から右に向かって増加する。
図6には、ダウンサンプラ132の出力信号132aも示される。この信号132aは、処理ユニット140の入力信号である。見て分かるように、信号対雑音比のみが変化し、サンプリングレートは変化しない。従って、この信号は、破壊的なものではない。
本発明の一態様によれば、処理ユニット140は、少なくとも2つの処理アルゴリズム141、142を処理することができてもよい。第1処理アルゴリズム141は、第2処理アルゴリズム142と異なってもよい。典型的には、各処理ユニット141、142は、信号対雑音比に関する要件を持つ。これらの要件は、センサ制御ユニット150に出力され、これは、要求に基づきセンサ102のサンプリングレートを適合させる。
前処理ユニット130の出力信号132aは、一定のスケールと一定のサンプリングレートを持つ。本発明の一態様によれば、第1の処理アルゴリズム141は、心拍数を決定するために使用されてもよく、従って特に信号の拍動部分を処理する。第1処理アルゴリズム141は、拍動信号の振幅、即ち信号のAC成分を測定することができる。出力信号のこのAC成分の振幅は、時間とともに変化し得ることに留意されたい。その結果、振幅に基づき、リクエスト又は要求された信号対雑音比が増加又は減少し得る。
第2処理アルゴリズム142は、異なる処理を実行してもよい。斯かる処理は例えば、激しい動きの場合には信号を必要としないかもしれないインタービートインターバル処理アルゴリズムであり得る。斯かる場合、信号対雑音比はゼロに設定されてもよい。
本発明の更なる態様によれば、処理アルゴリズムは、平均心拍数を決定するために使用されてもよい。斯かる処理アルゴリズムは、特定の運動条件下で要求される信号対雑音比を増大させることがある。
本発明によれば、処理アルゴリズムが無効にされた場合、処理ユニットは、要求される信号対雑音比をゼロに設定してもよく、これは、信号が要求されていないことを示す。
センサ制御ユニット150は、処理ユニットから要求される信号対雑音比を受信する。従って、センサ制御ユニット150は、センサ102のパルス数及び/又はサンプリングレートを適合させる。好ましくは、これは動的に行われ得る。
本発明によれば、センサ制御ユニット151は、ルックアップテーブルを有することができる。表1は、斯かるルックアップテーブルの一例を開示する。
Figure 0006653787
このルックアップテーブルは、所望の信号対雑音比、パルス数及びサンプリングレートの間の関係を含む。この例では、特定のLEDパワー及び受信機利得について、信号対雑音比の依存性が示され、4つのパラメータの2つは可変であり、他の2つのパラメータは固定である。
一例として、要求される信号対雑音比が60dBである場合、センサ制御ユニット150は、信号対雑音比61に対応する第3行を選択することができる。ここで、パルス数は1であり、サンプリングレートが128である。結果として得られるパワーは0、384mWである。
本発明の一態様によれば、センサ制御ユニット150はまた、動的な不均一サンプリングを実現することができてもよい。言い換えると、センサ102のサンプリング方式は、均一サンプリングから不均一サンプリングへ動的に変更されることができる。不均一サンプリングでは、センサ102のサンプリングレートは経時的に変化し得る。より高いサンプリングレートは、信号対雑音比を局所的に増加させるであろう。一例として、斯かるより高いサンプリングレートは、心拍が予想される間隔に対して選択され得る。心拍動の間の他の間隔では、サンプリングレートは低下し得る。
バイタルサインセンサ100は、PPGセンサとして実現されることができ、又はPPGセンサを有することができる。PPGセンサの出力信号は、ユーザの血管における血液の動きに関するインジケーションを与える。PPGセンサの出力信号の品質は、血流速度、皮膚の形態及び皮膚の温度に依存する可能性がある。更に、PPGセンサにおける光損失もまた、PPGセンサの出力信号の品質に影響を及ぼし得る。PPGセンサの光学効率は、光が一方の媒体から他方の媒体へと透過するときの反射損失に依存し得る。更に、ユーザの皮膚の表面での光の散乱もまた、PPGセンサの光学効率に影響を及ぼす場合がある。本発明の一態様によるPPGセンサ又は光学的バイタルサインセンサは、(腕時計又はスマート腕時計のような)手首装着型デバイスなどの、ユーザの皮膚との接触を必要とするデバイスとして実現されることができる。
図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。
請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数性を除外するものではない。
単一のユニット又はデバイスが、請求項に記載されたいくつかの項目の機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学的記憶媒体又は固体媒体といった適切な媒体において格納/配布されることができるが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介してといった他の形式で配布されることもできる。
請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (6)

  1. ユーザのバイタルサインを測定又は決定する光学的バイタルサインセンサであって、
    前記ユーザの皮膚に向けられる光を生成する光源と、光を検出する光検出器ユニットとを持つフォトプレチスモグラフィPPGセンサであって、前記光が、前記ユーザの皮膚内又は皮膚から放出された光の反射を示し、前記PPGセンサの出力信号は、サンプリングレート、振幅、1サンプル当たりのパルス数、及びデューティサイクルを持つ、フォトプレチスモグラフィPPGセンサと、
    前記PPGセンサの出力に結合され、第1のサンプル周波数及びサンプル当たりの第1のパルス数を持つ前記PPGセンサからの出力信号を、第2のサンプル周波数及びサンプル当たりの第2のパルス数を持つ出力信号へと変換し、サンプル周波数又はサンプルあたりのパルス数における変化を中和又は均等化する前処理ユニットと、
    前記前処理ユニットに結合され、前処理ユニットの出力信号に基づき、少なくとも1つの処理アルゴリズムを実行する処理ユニットと、
    前記サンプリングレート及び/又は前記サンプル当たりのパルス数を適合させることにより、前記PPGセンサの動作を制御するセンサ制御ユニットとを有する、光学的バイタルサインセンサ。
  2. 前記前処理ユニットが、
    サンプルあたりのパルス数を前記センサ制御ユニットから受信し、前記PPGセンサの出力信号をサンプルにおけるパルス数nに反比例する係数で乗算するスケーラと、
    前記PPGセンサの出力信号のサンプリングレートを、前記センサ制御ユニットから受け取る所望のサンプリングレートに適合させるダウンサンプラとを有する、請求項1に記載の光学的バイタルサインセンサ。
  3. 前記センサ制御ユニットが、前記処理ユニットから少なくとも1つの信号対雑音比の要求を受信し、前記要求される信号対雑音比を達成するため、サンプリングレート及び/又はサンプル当たりのパルス数を決定する、請求項1又は2に記載の光学的バイタルサインセンサ。
  4. 前記センサ制御ユニットが、前記光源の出力パワー及び/又は前記PPGセンサの受信機利得を適合させることにより前記PPGセンサの動作を制御する、請求項1に記載の光学的バイタルサインセンサ。
  5. ユーザのバイタルサインを測定又は決定する光学的バイタルサインセンサを用いて、ユーザのバイタルサインを測定又は決定する方法において、
    前記光学的バイタルサインセンサが、接触面と、ユーザの皮膚に向けられる光を生成する少なくとも1つの光源と、ユーザの皮膚内又は皮膚から放射される光の反射を示す光を検出する少なくとも1つの光検出器ユニットとを持つPPGセンサであって、前記PPGセンサの出力信号は、サンプリングレート、振幅、1サンプル当たりのパルス数、及びデューティサイクルを持つ、PPGセンサであり、
    前記少なくとも1つの光源から前記ユーザの皮膚に向かって光を放射し、前記少なくとも1つの光検出器により反射光を検出するステップと、
    前処理ユニットにより、第1のサンプル周波数及びサンプル当たりの第1のパルス数を持つ前記PPGセンサからの出力信号を、第2のサンプル周波数及びサンプル当たりの第2のパルス数を持つ出力信号に変換し、サンプル周波数又は前記パルス数における変化を中和又は等化するステップと、
    前処理ユニットの出力信号に基づき、少なくとも1つの処理アルゴリズムを処理するステップと、
    前記サンプリングレート及び/又は前記サンプル当たりのパルス数を適合させることにより、前記PPGセンサの動作を制御するステップとを有する、方法。
  6. 請求項1に記載の光学的バイタルサインセンサに請求項5に記載のユーザのバイタルサインを測定又は決定するステップを実行させるためのコンピュータプログラムコード手段を含むコンピュータプログラム。
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