JPH0228968B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は車上においてドライバ等の心拍を測定
する車上心拍計に関し、特に、人の心拍に応じた
電気信号を出力するセンサをステアリングホイー
ルに備える車上心拍計に関する。

［従来技術］ 心拍検出に関する従来技術としては、例えば、
特開昭54−83474号公報、米国特許第4163447号、
米国特許第4572207号、米国特許第4063551号、及
び米国特許第4545387号が知られている。

車輌を運転する場合、ドライバの健康状態が好
ましくないと、事故をひきおこす可能性が高い。
たとえば、長時間休みなく運転を続ける場合に
は、疲労が蓄積して健康状態が悪化し、集中力の
低下等が生ずる。

人の健康状態を知りうる１つのバロメータとし
て心拍数がある。心拍数を測定する装置として
は、最近では携帯用の小型の心拍計が売られてい
る。この種の心拍計はどこでも持ち運べる反面、
測定精度が低い。又、たとえば、車を運転するド
ライバが自分の健康状態を知ろうとして、そのよ
うな心拍計を仮に車輛に持ち込んだとしても、心
拍の測定は車輛を停止させた状態で行なわざるを
得ない。

すなわち、この種の一般の心拍計では、発光ダ
イオードとフオトダイオード等を基板上に突出さ
せて反射型フオトセンサを構成し、このセンサを
人の指の腹の部分に当て、更に外来光の影響をな
くするために、センサと指を黒色のスポンジ等で
覆うようになつているため、これを指に装着した
状態ではドライバが運転できない。しかも、この
種のセンサを用いたものでは、測定中に指を動か
すとセンサと指との位置がずれて測定ができなく
なるため、被測定者は安静を要求される。

そこで、本出願人はステアリングホイールに心
拍検出用センサを備えることにより、車輌の運転
をしながらでも心拍を測定できるようにした車上
心拍計（特願昭57−132847号）を提案した。ステ
アリングホイールに心拍センサが備わつていれ
ば、運転中であつても心拍検出を行ないうる。と
ころで、実際に運転しながらの心拍測定を可能に
するためには、ステアリングホイールのどの位置
を握つても心拍検出ができるように、ステアリン
グホイールの握り部分に沿つて多数の心拍センサ
を設ける必要がある。ところが、多数の心拍セン
サを並列に接続して心拍信号を得ようとすると、
実際に心拍信号が得られるセンサの数は少ないた
め、外来光の影響によるノイズのレベルが高くな
り、Ｓ／Ｎ（信号／雑音）比が低下して検出不可
能になる場合がある。

［目的］ 本発明は、ドライバがステアリングホイール上
のどの位置を握つた場合でも心拍が測定できる車
上心拍計を提供することを第１の目的とし、外来
光の影響を受けにくい車上心拍計を提供すること
を第２の目的とする。

［構成］ センサ出力に得られるＳ／Ｎ比を高くするに
は、実際に手を当てる心拍センサのみを選択し、
手を当てない心拍センサを切り離せばよい。しか
し、特定のセンサを選択するために所定位置に配
置したスイツチをドライバが操作するのでは心拍
測定が煩わしくなるし、心拍センサの近傍に選択
用スイツチを配置してスイツチの押されたセンサ
のみを選択する場合には、手の握りが弱い場合
に、心拍信号が得られていてもスイツチが非作動
になり検出ができなくなる恐れがある。

そこで、本発明においては、各々のセンサの出
力レベルを順次に監視し、出力信号レベルの大き
い一部のセンサを実際に心拍信号が得られるセン
サとして検出し、検出された一部のセンサのみを
選択的に測定部に接続して心拍の測定を行なう。
これによれば、センサの選択が自動的に行なわれ
るので操作が簡単であるし、実際にセンサの出力
をみて使用するセンサを選択するので、選択ミス
が生じない。

センサの出力には、心拍信号と外来光による信
号レベルを加算したレベルが得られるが、外来光
の強さは、ステアリングホイールの位置に応じて
大きく異なる。したがつて、信号レベルを所定の
しきい値と比較して判定する場合、しきい値の設
定が好ましくない場合には、誤検出が生ずる。そ
こで、本発明の１つの好ましい態様においては、
互いに隣り合うセンサ同志でレベルを比較し、そ
のレベルの差を見ることにより、使用すべきセン
サの始まりと終りを見つけ、その範囲のセンサを
選択する。隣り合うセンサ同志であれば、外来光
の影響は同一に作用すると考えられるから、この
ようにすれば、外来光の影響は相殺される。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

第１図に、一実施例の車上心拍計を備える車輛
の運転席近傍を示す。第１図を参照すると、ステ
アリングホイール４の中央部に、心拍測定の開始
を指示するスタートスイツチSW１および測定の
キヤンセルを指示するキヤンセルスイツチSW２
が備わつている。ステアリングホイール４の左方
に、２つのブラウン管表示装置CRT１および
CRT２が備わつている。

ステアリングホイール４の詳細を、第２ａ図、
第２ｂ図および第２ｃ図に示す。これらの図面を
参照すると、ステアリングホイール４の上面に
は、反射型の光学センサSE１，SE２，……SEn
が、互いに所定間隔（少なくとも手の幅よりも小
さい間隔）で分散して配置されている。各々の光
学センサは、発光ダイオードLESとその近傍に配
置したフオトトランジスタPTSでなつている。
各光学センサに備わつている発光ダイオードは、
赤外領域の光を発する赤外発光ダイオードであ
る。各光学センサの発光ダイオードLESとフオト
トランジスタPTSは、光軸を一方向（ステアリ
ングホイール４の上方）に向けてある。ステアリ
ングホイール４は鉄心４ｂとそれを覆う樹脂4a
でなつており、各光学センサは、発光部および受
光部を残して樹脂４ａの部分に埋め込んで固定し
てある。各光学センサから引き出された電線は、
樹脂４ａの内部を通つて、ステアリングホイール
４中央部のパネル内の電子回路に接続されてい
る。

第３ａ図、第３ｂ図および第３ｃ図に、車上心
拍計の電子回路の構成を示す。回路全体を制御す
るのがマイクロコンピユータCPUである。この
例では、マイクロコンピユータCPUに、音色合
成装置VGU、ブザーBZ、ビデオラムRAM１，
RAM２、アナログ／デジタル変換器ADC等を接
続してある。音成合成装置VGUの出力端子には
スピーカSPを接続し、ビデオラムRAM１および
RAM２の出力端にはそれぞれブラウン管表示装
置CRT１およびCRT２を接続してある。マイク
ロコンピユータCPUの割込入力端子INTに接続
された発振回路OSC２は、比較的短い周期で
CPUに定期的に割込要求を発する。スタートス
イツチSW１およびキヤンセルスイツチSW２は、
それぞれインバータ等を介してCPUの入力ポー
トに接続してある。

第３ｂ図を参照すると、光学センサSE１〜
SEnに備わつた発光ダイオードLESは互いに直列
に接続されて、その一端が発振回路OSC１に接
続され、もう一端が接地されている。発振回路
OSC１は、この例では1KHzの周波数で発振し、
方形波状の電圧を発生する。但し、電圧の低レベ
ルは零ではない。従つて、各々の光学センサの発
光ダイオードLESが放射する光の強度は、１ｍ
secの周期で２値的に変化する。光学センサSE１
〜SEnのいずれかが人の血管に対向して位置決め
されていると、その部分の光反射率が血液流量の
大小すなわち心拍に応じて変動する。したがつ
て、光学センサのフオトトランジスタの出力端子
には、心拍信号に応じて振幅変調された1KHzの
交流信号が得られる。

各光学センサSE１〜SEnの出力端子に差動増
幅器DF１〜DFnが接続されている。各々の差動
増幅器は、それぞれ互いに隣り合う光学センサ間
の電位差を増幅するように接続されている。すな
わち、差動増幅器DF１の一方の入力端子には光
学センサSE１の出力ラインSG１が接続され、差
動増幅器DF１のもう一方の入力端子には時計ま
わり方向に隣り合う光学センサSE２の出力ライ
ンSG２が接続され、他の差動増幅器DF２〜DFn
も同様になつている。

差動増幅器DF１〜DFnの各々の出力ラインは、
それぞれアナログスイツチAS１〜ASnを介して
互いに共通に接続され、この信号ラインSGXが
アナログ／デジタル変換器ADCの１つの入力端
子CH２に接続されている。アナログスイツチAS
１〜ASnの各制御入力端子は、それぞれマイクロ
コンピユータCPUの異なる出力ポートに接続さ
れている。

各光学センサSE１〜SEnの出力ラインSG１〜
SGnは、それぞれアナログスイツチBS１〜BSn
を介して、互いに共通に接続され、この信号ライ
ンが復調器DEMの入力端子に接続されている。
アナログスイツチBS１〜BSnの各制御入力端子
は、それぞれマイクロコンピユータCPUの異な
る出力ポートに接続されている。

復調回路DEMは、増幅器AM１、ローパスフ
イルタLP１、増幅器AM２、ローパスフイルタ
LP２、増幅器AM３等でなつており、振幅変調
された1KHz信号から、元の心拍信号を復調する。
復調器DEMの出力端子は、アナログ／デジタル
変換器ADCの１つの入力端子CH１に接続されて
いる。アナログ／デジタル変換器ADCの他の入
力端子CH３およびCH４には、それぞれ心拍周
期の分散（ばらつき）の上限値および下限値を設
定するための可変抵抗器VR１およびVR２が接
続されている。

第４図に、第３ａ図のビデオラムVRAM１の
構成を示す。なおビデオラムVRAM２もVRAM
１と同様の構成になつている。第４図を参照して
説明する。メモリRAMには、ブラウン管上に表
示する各々の画素に対応する、明／暗データが格
納される。メモリRAMのアドレスラインは、マ
ルチプレクサMXに接続しており、MXの入力
Ａ、Ｂに印加されるアドレスカウンタCOのカウ
ント値、CPUの出力アドレスのいずれかに応じ
たメモリアドレスが選択される。

この選択は、マイクロコンピユータCPUが行
ない、メモリRAMにデータを書き込む場合ある
いはRAMからデータを読み出す場合には、MX
の入力Ｂを指定して、CPUがアドレスを指定す
る。それ以外のときには、メモリRAMのアドレ
スは、アドレスカウンタCOのカウント値で指定
される。アドレスカウンタCOは、発振器OSC３
からの、画素数に対応するパルス信号により、常
時カウントを行なつている。また、アドレスカウ
ンタCOの出力端には同期信号発生回路１００が
接続されており、この回路がCOのカウント値に
応じて、所定タイミングで垂直同期信号および水
平同期信号を発生する。

メモリRAMの複数ビツトでなるデータライン
には、シフトレジスタSRが接続されており、SR
のシリアル出力端は信号合成回路１１０に接続さ
れている。またこのデータラインには、双方向バ
ツフアBF２を介してCPUのデータラインが接続
されている。

ブラウン管上の所定画素を明るく表示する場
合、その画素に対するRAMアドレスに、所定ビ
ツトを“１”にしたデータをCPUから書き込む。
この場合、マルチプレクサMXのＢ入力を指定
し、双方向バツフアBF２のCPU側を入力に、
RAM側を出力に指定し、CPUのアドレスライン
およびデータラインに所定のデータをセツトし
て、メモリRAMに書み込み指定信号を印加す
る。これが終了した後、次の書き込みを行なうま
では、MXを入力Ａに指定し、双方向バツフア
BF２のRAM側はハイインピーダンスに設定す
る。

この状態で、所定タイミング毎に同期信号が生
成されるとともに、それに合わせてRAMのアド
レスが順次選択される。表示データを書き込んで
ある所定アドレスが指定されると、シフトレジス
タSRに画素データを含む複数ビツトのデータが
セツトされ、画素位置に対応する所定クロツク分
だけ遅れて、所定画素の「明」を示すデータが信
号合成回路１１０に印加される。このようにし
て、表示画面上の全画素のデータに対応するシリ
アルデータが連続的に出力され、この像データと
同期信号とが１１０で合成されてコンポジツト信
号となり、これがブラウン管表示装置（モニタテ
レビ）に印加される。

第５ａ図および第５ｂ図に、第３ａ図に示すマ
イクロコンピユータCPUの概略動作を示す。第
５ａ図および第５ｂ図を参照して説明する。スタ
ートスイツチSW１がオンすると、まずアナロ
グ／デジタル変換器ADCを介して可変抵抗器VR
１およびVR２の設定値を読み、これを分散上限
値MHおよび分散下限値MLとし、次いでセンサ
選択サブルーチンを実行する。

センサ選択サブルーチンでは、まずアナログ／
デジタル変換器ADCの入力チヤンネルとしてCH
２を選択する。次いで、アナログスイツチAS１
〜ASnおよびBS１〜BSnをオフにセツトした後、
カウンタ（レジスタ）Ｃに初期値１をセツトす
る。カウンタＣ内容で定まる特定のアナログスイ
ツチASCをオンし、アナログ／デジタル変換器
ADCの出力を読取る。つまり、この場合には信
号ラインSGXの信号レベルを読むことになるの
で、もしカウンタＣが１なら、光学センサSE１
とSE２の出力レベルの差を読むことになる。

例えば、ドライバが光学センサSE６，SE７お
よびSE８の部分を握つているとすると、各々の
センサの出力レベルは第７ａ図に示すようにな
る。つまり、光学センサSE１〜SE５およびSE９
〜SEnの出力レベルに対して、手が存在する部分
の光学センサSE６〜SE８の出力レベルは高くな
る。従つて、互いに隣り合う光学センサの出力レ
ベルの差を、第７ｂ図に示すように２つのスレシ
ホールドレベルTH１およびTH２で比較して、
両者のレベルが等しい場合、一方のレベルに対し
て他方のレベルが所定以上高い場合、および一方
のレベルに対して他方のレベルが所定以上低い場
合、の３つの状態を判別すれば、カウンタＣの値
が５の場合に差動増幅器DF５の出力レベルがプ
ラス所定レベル（TH１より大）になり、カウン
タＣの値が８の場合に差動増幅器DF８の出力レ
ベルがマイナス所定レベル（TH２より小）にな
り、その他の場合には全てTH１とTH２の間の
レベルになる。

従つて、心拍信号が得られる光学センサはSE
６〜SE８であるから、プラス所定レベルの場合
を始端検出レベルと定義し、マイナス所定レベル
の場合を終端検出レベルと定義すれば、始端検出
レベルが得られた時のカウンタＣの内容＋１から
終端検出レベルが得られた時のカウンタＣの内容
までで示される全ての光学センサ（この場合には
SE６〜SE８）の出力を選択すれば、Ｓ／Ｎ比の
高い心拍信号が得られる。

この例ではカウンタＣの内容を１からCmaxす
なわちｎまで変化させ、差動増幅器DF１〜DFn
の出力レベルを走査して、始端検出レベルが得ら
れたらそのときのカウンタＣの内容を始端レジス
タRSに格納し、終端検出レベルが得られたらそ
の時のカウンタＣの内容を終端検出レジスタRE
に格納し、走査終了後にレジスタRSおよびREの
内容を見て、その間の光学センサを選択するよう
にアナログスイツチBSをセツトする。つまり、
この例ではアナログスイツチBS６，BS７および
BS８をオンにセツトする。

このため、復調器DEMの入力端子には、実際
に心拍信号が得られている光学センサのみが出力
する信号が加算されて入力される。センサ選択サ
ブルーチンが終了すると、アナログ／デジタル変
換器ADCの入力チヤンネルをCH１にセツトし、
割込みを許可する。

割込みが許可されると、それ以降、発振回路
OSC２が出力する信号の各周期に１回の割合い
でマイクロコンピユータCPUに割込み要求がか
かり、CPUは割込処理を実行する。割込み処理
では、タイマとして使用するレジスタＴの内容を
＋１し、アナログ／デジタル変換器の入力レベル
をＡ／Ｄ変換して読取り、その信号レベルを判定
してＲ波を検出したかどうか、およびＲ波のピー
クを検出したかどうかを判定し、Ｒ波を検出した
場合には所定のフラグをセツトし、Ｒ波のピーク
を検出した場合には、所定の心拍レジスタにレジ
スタＴの内容を格納し、フラグおよびレジスタＴ
をクリアする。

Ｒ波というのは、心拍信号に含まれる大きな山
の部分に対応する波形成分であり、この例では、
微分値すなわち各サンプリング毎のレベル変化が
所定値よりも大きいかどうかをチエツクし、大き
いことが所定回数連続する場合にＲ波であると判
別している。またこの例では、Ｒ波を検出してか
らサンプリングした信号レベルの変化が０又はそ
れ以下であることが２回連続する場合にピークで
あると判別している。

Ｒ波のピークを検出する毎に、レジスタＴの内
容がクリアされるので、ピークを検出した直後の
レジスタＴの内容は、前回のＲ波のピークと今回
のＲ波のピークとの間に経過した時間すなわちＲ
波の周期（Ｒ−Ｒ間隔）に対応する。

メインルーチンでは、割込み処理によつて、ま
ず32拍分の心拍データが格納されるまで待つて、
次の分散演算／判別サブルーチンに進む。分散演
算／判別サブルーチンでは、１拍分の心拍データ
が格納されるのを待つて、その新しい心拍データ
とそれ以前の31拍分（最も古いデータは捨てる）
のデータを次のように処理する。まず32拍分のデ
ータの平均値を求めて、心拍周期の平均を求め
る。次にその逆数すなわち心拍数を求める。更
に、心拍周期のばらつきすなわち分散を求める。
この場合の分散値Ｍは、各々の心拍周期をＳとす
ると次式により求めることができる。

分散Ｍ＝S²の平均値−（Ｓの平均値）² 次いで、得られた分散値Ｍを分散上限値MHお
よび分散低限値MLと比較する。Ｍ＜MLなら、
レジスタＳをクリアしてレジスタＮの内容を＋１
し、Ｍ＞MHならレジスタＮをクリアしてレジス
タＳの内容を＋１し、MH＞Ｍ＞MLならレジス
タＳおよびＮの内容をクリアする。レジスタＮ又
はＳの内容が20に達したら、分散異常を示すフラ
グをセツトする。

つまり、20拍連続して分散値が大きすぎるか又
は小さすぎる場合には、分散異常と判定する。キ
ヤンセルスイツチSW２が押されるか又は分散異
常になるまで、各心拍データがサンプリングされ
る毎に分散演算／判別サブルーチンを実行する。
ブラウン管表示装置CRT１には心拍波形を表示
し、CRT２には心拍数を表示する。

もし分散異常を示すフラグがセツトされると、
メインルーチンでこれを検出して、ブザーBZを
１秒間付勢するとともに、「休憩しなさい」と音
色で警告する。

上記実施例のように互いに隣り合うセンサ間の
出力レベル差を判定すれば、外来光すなわちノイ
ズが強い場合であつても、それの影響は両者に同
様に作用するので、どの光学センサからどの光学
センサまでを心拍検出に利用すればよいか確実に
判別できる。なお、実施例では差動増幅器DF１
〜DFnを用いたが、Ａ／Ｄ変換器の変換時間およ
びマイクロコンピユータCPUの処理時間が十分
短かければ、差動増幅器を省略して全てのセンサ
の出力レベルを読み取つて、各々隣り合うセンサ
間のレベル差をCPUが演算により求める構成に
してもよいし、逆に、差動増幅器DF１〜DFnの
出力端子にアナログ比較器を接続してそのレベル
を判別し、その結果でアナログスイツチBSを制
御してもよい。

実施例では、外来光の影響をうち消すために、
センサ選択時に、互いに隣り合うセンサの出力レ
ベルの差を判別しているが、全てのセンサの出力
レベルを平均化したレベルを得て、それに対する
差を判別する構成にしても外来光の影響をなくす
ることができる。その場合、平均値は演算により
求めてもよいし、平均的なレベルが得られる位置
例えばステアリングホイールの中央部に１つの光
学センサを設けてその出力レベルを平均値として
もよい。

実施例のように、光学センサの発光素子（発光
ダイオードLES）の付勢量を周期的に変化させる
場合、受光素子に得られるその周期的変化の振幅
は外来光の影響を受けない。したがつて、発振回
路OSC１の出力する信号の周期数成分のみを狭
帯域フイルタで抽出し、そのレベルを判定しても
よい。またＡ／Ｄ変換器ADCの変換時間がOSC
１の周期よりも十分短い場合には、短時間に同一
のセンサの出力レベルを多数回サンプリングし、
その結果を互いに比較して振幅を求めてもよい。

なお、実施例では心拍周期の分散に応じて警告
をしているが、分散と心拍数の両者に応じて警告
を行なうかどうかを判別してもよい。

［効果］ 以上のとおり、本発明によれば多数の光学セン
サをステアリングホイール上に設けるので、ドラ
イバがステアリングホイールのどの位置を手で握
る場合であつても心拍測定ができ、しかも出力信
号レベルの大きい一部の光学センサのみを選択し
て実際の心拍測定をするので信号のＳ／Ｎ比が高
く、外来光やセンサ自身の発するノイズの影響を
受けにくいので正確な心拍測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の車上心拍計を搭載した自動
車の運転席近傍を示す正面図である。第２ａ図は
第１図のステアリングホイール４を示す拡大正面
図、第２ｂ図および第２ｃ図は、それぞれ第２ａ
図のｂ−ｂ線およびｃ−ｃ線から見た断
面図である。第３ａ図、第３ｂ図および第３ｃ図
は、第１図の自動車に搭載した車上心拍計の電子
回路の構成を示すブロツク図である。第４図は、
第３ａ図のビデオラムVRAM１の構成を示すブ
ロツク図である。第５ａ図および第５ｂ図は、第
３ａ図に示すマイクロコンピユータCPUの概略
動作を示すフローチヤートである。第６図は、表
示装置CRT１上の画面の表示を示す平面図であ
る。第７ａ図は一部の光学センサの出力レベルの
例を示すグラフ、第７ｂ図は光学センサの出力信
号レベルおよび差動増幅器の出力レベルの波形を
示すタイミングチヤートである。 ４：ステアリングホイール、LES：発光ダイオ
ード（発光手段）、PHS：フオトトランジスタ
（受光手段）、SE１〜SEn：光学センサ（心拍検
出手段）、CPU：マイクロコンピユータ（電子制
御手段）、OSC１：発振回路（発光付勢手段）、
AS１〜ASn，BS１〜BSn：アナログスイツチ
（切換手段）、DF１〜DFn：差動増幅器、ADC：
アナログ／デジタル変換器、DEM：復調器、
VGU：音声合成装置（報知手段）、CRT１，
CRT２：ブラウン管表示装置、SW１：スタート
スイツチ、SW２：キヤンセルスイツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発光手段、および該発光手段の近傍に配置し
   た受光手段で構成される検出器をステアリングホ
   イール上に分散して複数配置してなる心拍検出手
   段； 心拍検出手段に含まれる複数の受光手段の各々
   の選択状態を制御し、一部分の受光手段を選択す
   る切換手段； 前記発光手段を付勢する発光付勢手段； 表示および音出力の少なくとも一方を行なう報
   知手段；および 切換手段を制御して各々の受光手段を順次に選
   択し、選択した受光手段のうち出力信号レベルが
   大きい一部分のものを抽出する抽出手段、及び該
   抽出手段の抽出した一部分の受光手段の出力信号
   レベルを監視し、その信号レベルの所定時間あた
   りの変動回数もしくは変動周期に応じた値を演算
   する演算手段、を含み、該演算手段の演算結果に
   応じて前記報知手段を付勢する、電子制御手段； を備える車上心拍計。 ２ 電子制御手段の抽出手段は、受光手段を順次
   選択し、互いに隣接して配置された受光手段の出
   力信号レベルの差の大小をそれぞれ判別した結果
   により一部分の受光手段を抽出する、前記特許請
   求の範囲第１項記載の車上心拍計。 ３ 発光付勢手段は、大きな付勢状態と小さな付
   勢状態とを周期的に繰り返す、前記特許請求の範
   囲第１項記載の車上心拍計。 ４ 電子制御手段は、受光手段が出力する信号の
   周期のばらつきに応じて報知手段を付勢する、前
   記特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項記載
   の車上心拍計。