JPH0228969B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ ［産業上の利用分野］ 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、特に複数の心拍検出手
段を備える車上心拍計に関する。

［従来の技術］ 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にでも持ち運べる反
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、心拍の測定は車輌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
状態ではドライバは運転ができない。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、本出願人な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。

［発明が解決しようとする問題点］ 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。

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とともに、外来光やノイズの
影響を受けにくくして正確な心拍測定を可能にす
ることを目的とする。

［発明の構成］ ［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明においては、
ステアリングホイールもしくはそれを支持する部
材に配置された、各々発光手段と受光手段を備え
る複数の心拍検出手段；前記心拍検出手段の一部
を選択する、選択手段；表示および音出力の少な
くとも一方を行なう報知手段；および前記選択手
段を制御して心拍検出手段の各々を順次に選択す
るとともに、選択された心拍検出手段の発光手段
を付勢および消勢し、それを付勢した時の受光手
段の出力レベルとそれを消勢した時の受光手段の
出力レベルとの差に応じて、複数の心拍検出手段
の中から差が大きい一部分の心拍検出手段を抽出
する抽出手段、及び該抽出手段が抽出した一部分
の心拍検出手段が出力する信号の変動周期に応じ
た情報およびそのばらつきの情報の少なくとも一
方を測定する測定手段、を含み、該測定手段の測
定結果に応じて前記報知手段を付勢する、電子制
御手段；を設ける。

［作用］ この種の心拍検出手段においては、発光手段か
ら出た光が受光手段に受光されるのは、それに指
が触れている場合のみである。つまり、選択した
心拍検出手段に指が触れていれば、発光手段を付
勢している時には、発光手段から出て指の中の血
液や骨によつて反射された反射光と外来光とが受
光手段に受光され、発光手段を消勢している時に
は外来光のみが受光されるから、発光手段の付勢
と消勢の変化によつて、受光手段の出力レベルが
変化する。ところが、選択した心拍検出手段に指
が触れていないと、受光手段に受光される光のレ
ベルは、外来光のみであるから、発光手段の付勢
と消勢の変化とは無関係になる。従つて、発光手
段を付勢した時と発光手段を消勢した時の受光手
段の出力レベルを比較した時に、その差が大きけ
れば選択中の心拍検出手段に指が触れていること
になり、差が小さければ選択中の心拍検出手段に
指が触れていないことになる。つまり、差が大き
ければ心拍測定ができ、差が小さければ心拍測定
はできない。そこで、各々の心拍検出手段を順次
に選択して、この判定を行ない、その結果心拍信
号が得られるとみなされた一部の心拍検出手段の
みを選択的に使用して実際の心拍検出を行なえ
ば、外来光の影響が小さくなり、正確な心拍測定
が可能になる。

ところで、車上心拍計においては、測定値を予
め定めた値、すなわち正常値と比較し、その結果
が異常である場合にそれをドライバ等に報知して
運転を中止させるのが好ましい。ところが、正常
値は各人毎に異なるし、同一の人でもその日の体
調の変化等に応じて変化する。そこで、本発明の
好ましい実施例においては、参照値設定モードを
設けて、そのモードにおいて実際に測定した結果
を、その後で参照する正常値として登録する。こ
れによれば、より好ましい正常値を設定すること
ができる。

［実施例］ 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搭載した自
動車のステアリングホイール１を示す。第１図を
参照すると、この例ではステアリングホイール１
の円周上に、互いに間隔をおいて、10個の心拍検
出器SE１〜SE１０が配置してある。ステアリン
グホイール１の中央部のパネルには、心拍数表示
用の数字表示器DSP、識別コード等の入力用の
テンキーKSW、心拍タイミング表示用の発光ダ
イオードLE１および参照値未設定表示用の発光
ダイオードLE２が備わつている。テンキーKSW
には、正常値設定モード指定用のキースイツチ
「Ｍ」も備わつている。

各々の心拍検出器は、その中央に配置された１
つの赤外発光ダイオードLEDとそれを囲むよう
に配置された４つの赤外用フオトトランジスタ
PTでなつており、これらは全て同一の方向、す
ねわちステアリングホイール１の上方に光軸を向
けてある。第２ａ図および第２ｂ図に示すよう
に、ステアリングホイール１は鉄心１ｂとそれを
覆う樹脂材１ａでなつており、各心拍検出器はそ
れらの発光面および受光面を残して樹脂材１ｂの
中に埋め込んである。各心拍検出器からの配線
は、樹脂材１ｂの中を通つて、ステアリングホイ
ール１の中央部のパツドまで達している。

第３ａ図および第３ｂ図に、第１図のステアリ
ングホイール１の中央パツド内に大部分が備わつ
た車上心拍計の電気回路を示す。第３ｂ図を参照
すると、心拍検出器SE１〜SE１０の発光ダイオ
ードは、互いに並列に接続されて、発振回路
OSC１の出力端子に接続されている。発振回路
OSC１は、この例では1KHzの定周期の方形波信
号を出力する。つまり、心拍検出器の各発光ダイ
オードLEDは、1KHzの周期で、点灯と消灯を繰
り返す。デユーテイは50％である。

各々の心拍検出器のフオトトランジスタPTは、
互いに並列に接続され、一端は電源に接続され、
他端がアナログスイツチAS１およびAS２の入力
端子に接続されている。アナログスイツチAS１
およびAS２は、10個のアナログスイツチ素子で
構成され、出力端子は互いに共通に接続されてい
る。各々の入力端子に、各心拍検出器の出力端子
が接続されている。アナログスイツチAS１およ
びAS２の導通制御端子（各々10本）には、それ
ぞれ、マイクロコンピユータCPUから出力され
る制御信号SG１およびSG２が印加される。アナ
ログスイツチAS１の出力端子SG３は復調器
DEMを介してアナログスイツチAS３の入力端子
に接続され、アナログスイツチAS２の出力端子
SG４はアナログスイツチAS４の入力端子に接続
されている。アナログスイツチAS３の出力端子
とアナログスイツチAS４の出力端子は、共通に
接続され、アナログ／デジタル変換器ADCのア
ナログ入力端子に接続されている。アナログ／デ
ジタル変換器ADCは、マイクロコンピユータ
CPUと接続されている。

ここで、心拍検出の原理を簡単に説明する。例
えば人の指がいずれかの心拍検出器に対向した状
態で位置決めされていると、その部分（指）の光
反射率は血液流量の大小すなわち心拍に応じて変
動する。従つて、その部分に所定強度の光を当て
てそこからの反射光を受光し、その受光レベルを
判定すれば、心拍信号が得られる。この例では、
発光ダイオードLEDが1KHzの周期で点灯と消灯
を繰り返すので、心拍検出器の出力端子には、心
拍信号によつて振幅変調された1KHzの電気信号
が得られる。

第３ａ図に示す復調器DEMは、その変調され
た信号から、元の心拍信号を復調する。復調器
DEMは、この例では増幅器AM１，AM２およ
びAM３と、ローパスフイルタLP１およびLP２
でなつている。復調器DEMの出力端子には、バ
ツフアBF１を介して発光ダイオードLE１が接続
されている。従つて、発光ダイオードLE１は、
心拍信号に応じて点滅する。

従つて、アナログスイツチAS３をオンしてAS
４をオフする場合には、アナログ／デジタル変換
器ADCに心拍信号が印加され、アナログスイツ
チAS３をオフしてAS４をオンする場合には、
ADCに変調信号が印加される。

マイクロコンピユータCPUの外部割込要求端
子INTには、発振器CSC２が接続されている。
発振器OSC２は、500Hzの方形波信号を出力す
る。このためマイクロコンピユータCPUは、後
述するように２ｍsec毎に外部割込み処理を実行
する。

マイクロコンピユータCPUの電源ラインには、
逆流防止用のダイオードを介して、バツテリー
BTが接続されている。このバツテリーBTは、
マイクロコンピユータCPUの主電源がオフした
場合に、CPU内のメモリの内容を保持しうる程
度の電力を供給する。従つて、マイクロコンピユ
ータCPUの内部メモリ（RAM）は不揮発性メモ
リとして動作する。

マイクロコンピユータCPUの他のポートには、
テンキーKSW、音声合成装置VSU、バツフア
BF２、ラツチLA１，LA２およびLA３が接続さ
れている。音声合成装置VSUの出力にはスピー
カSPが接続され、バツフアBF２の出力には発光
ダイオードLE２が接続され、ラツチLA１，LA
２およびLA３の出力端子にはそれぞれデコーダ
DE１，DE２およびDE３が接続されている。デ
コーダDE１，DE２およびDE３は、具体的にい
うと７セグメント表示器用のデコーダドライバで
あり、これらの出力端子に数字表示器DSPが接
続されている。

第４ａ図、第４ｂ図、第４ｃ図、第４ｄ図およ
び第４ｅ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。以下、各図を参照
してマイクロコンピユータCPUの動作を説明す
る。

電源オン、すなわちイグニツシヨンキースイツ
チがオンすると、まず識別No.の入力待ちになる。
この例では３桁の任意の数値コードを入力する。
参照値記憶用のメモリは、この例では５人分備わ
つており、それらの各々に数値コードが割当てら
れる。数値コードが入力されると、それが割当て
られているメモリを検索する。もし見つからなけ
れば数値コードが割り当てられていないメモリが
あるかどうか調べ、もしあればそのメモリに入力
された数値コードを割り当て、なければ再度入力
待ちになる。キー「Ｃ」が押された場合には、所
定の１人分のメモリをクリアする。

入力された数値コードが割り当てられたメモリ
が見つかつたら、そのメモリに正常値が記憶済か
どうかチエツクする。記憶済であれば発光ダイオ
ードLE２を消灯し、未記憶であればLE２を点灯
する。記憶済の場合、短時間の時間待ちをした
後、正常値の再設定指示があるかどうかをチエツ
クする。つまり、数値コードに続いてテンキー
KSWのキー「Ｍ」が押された場合には、正常値
再設定指示あり、と見なす。

メモリに正常値が未記憶である場合、および正
常値再設定指示があつた場合には、「正常値設定」
サブルーチンを実行する。

「正常値設定」サブルーチンでは、まずレジス
タＮに16をセツトし、制御信号SG１でアナログ
スイツチAS１がセンサSE１の出力を選択するよ
うに設定する。更にアナログスイツチAS４をオ
フし、AS３をオンする。これらが完了すると、
センサSE１の出力に得られる心拍信号（復調器
の出力）がアナログ／デジタル変換器ADCに印
加される。

次いで、「データ入力」サブルーチンを実行す
る。「データ入力」サブルーチンでは、概略でい
うと、心拍信号のピークが検出される毎に、心拍
データレジスタに格納されている、心拍信号の各
ピーク間の周期（Ｒ−Ｒ間隔と呼ばれる）データ
をＮの内容に応じたメモリに格納し、レジスタＮ
の内容を−１して、その値が０になるまでその動
作を繰り返す。

心拍信号のピークが検出されたかどうかは、後
述する外部割込みによつて設定されるピーク検出
フラグによつて知ることができる。また、データ
測定中に手が心拍検出器SE１から離れると正し
いデータが得られないので、カウンタCNによつ
て、ピーク検出フラグが０の間の時間を測定し、
それが所定値CNH以上になると、処理を中断し
て、後述する「心拍センサオン」サブルーチンを
実行する。

この場合、レジスタＮに予め16がセツトされる
ので、「データ入力」サブルーチンの処理終了後
には、16個のメモリに、16拍分の周期データが格
納されている。これらの周期データを用いて、心
拍周期の平均値および分散値を求める。分散値す
なわちばらつきは、所定サンプルの周期データを
Ｓとすると次の計算式より求められる。

分散＝S²の平均値−（Ｓの平均値）² また周期の平均値の逆数、すなわち心拍数を求
め、それを数字表示器DSPに表示する。得られ
た分散値Ｍは、３桁の数値コードに応じて選択し
た参照値用メモリMidに格納する。これで、その
時に数値コードを入力した人の参照値、すなわち
正常値の設定が完了する。後は、その数値コード
を入力することにより、いつでもその参照値を設
定しうる。

第４ａ図に戻つて説明を続ける。その人の正常
値が格納されているメモリMidの内容を参照値レ
ジスタMcに転送し、「心拍センサオン」サブルー
チンを実行する。

「心拍センサオン」サブルーチンでは、概略で
いうと、10個の心拍検出器の中から実際に心拍信
号を取り出すことのできるものを見つけ、その信
号を選択的にアナログ／デジタル変換器ADCの
入力端子に印加する。

まず、アナログスイツチAS３をオフし、AS４
をオンする。これにより、アナログスイツチAS
２の出力、すなわち変調された心拍信号SG４が
ADCに入力される。次にレジスタＣに１をセツ
トし、心拍検出器の発光タイミングになるのを待
つ。このタイミングは、ポートＰ１に入力される
発振回路OSC１からの信号SG５のレベルを見る
ことで判定できる。

発光タイミングが来たら、アナログスイツチ
AS２の制御信号SG２を、レジスタＣの値に応じ
て設定し、所定の心拍検出器出力（Ｃが１なら
SE１の出力）を選択してそれをＡ／Ｄ変換し、
そのデータをレジスタＣの値に応じたレジスタ
Dcに格納する。レジスタDcは10個備わつてい
る。そしてレジスタＣの値を＋１し、その値が10
を越えるまで上記動作を繰り返す。

これが終了すると、10個のレジスタDcに、そ
れぞれ心拍検出器SE１〜SE１０の発光時の出力
レベルが格納されている。次に、レジスタＣに再
度１をセツトし、心拍検出器の消灯タイミングに
なるのを待つ。このタイミングも、ポートＰ１の
レベルによつて判定できる。

消灯タイミングになつたら、アナログスイツチ
AS２の制御信号SG２を、レジスタＣの値に応じ
て設定し、所定の心拍検出器出力（Ｃが１なら
SE１の出力）を選択してそれをＡ／Ｄ変換し、
その測定データを、レジスタＣの値に応じたレジ
スタEcに格納する。

今回のレジスタＣの値で選択される２つのレジ
スタDcとEcの内容の差を所定のしきい値と比較
する。もし選択中の心拍検出器に手が触れていれ
ば、心拍検出器の点灯タイミングと消灯タイミン
グとでは信号レベルに大きな差が生じるが、心拍
検出器が開放状態なら、点灯タイミングと消灯タ
イミングとで信号レベルにあまり差は生じない。
従つて、レジスタDcとEcの差が所定以上なら、
それに対応する心拍検出器には手等が触れている
ことになり、それから信号を取り出すことができ
る。

そこで、Dc−Ecがしきい値以上なら、その時
のセンサをオンするように制御信号SG１を設定
し、しきい値以下ならオフ状態に設定する。そし
てレジスタＣの内容を＋１し、その結果が10を越
えるまで、上記動作を繰り返す。全ての心拍検出
器SE１〜SE１０に対して上記処理を行なつた
ら、アナログスイツチAS４をオフし、AS３をオ
ンに設定する。

この状態では、上記処理によつて選択された使
用可能な全ての心拍検出器の出力信号が、復調器
DEMおよびアナログスイツチAS３を介して、ア
ナログ／デジタル変換器ADCのアナログ入力端
子に印加される。

「心拍センサオン」サブルーチンを終了した
ら、レジスタＮに16をセツトし、前述の「データ
入力」サブルーチンを実行し、平均値の計算を行
なう。つまり、16拍分の心拍データを測定してそ
の平均値を求める。

次にループ状処理に入る。このループ状処理で
は、「心拍センサオン」サブルーチンを実行し、
レジスタＮに１をセツトし、「データ入力」サブ
ルーチンを実行し、平均計算および分散計算を行
ない、得られた分散値Ｍを参照値Mcの値と比較
する。つまり、ループ状処理を１回行なう毎に、
１拍分の周期データを入力し、そのつど心拍周期
の平均値および分散値を求め、その結果を判定す
る。分散値Ｍが比較的小さい場合（Mc以下）に
はレジスタＬの内容をクリアして処理を続行する
が、分散値Ｍが所定値Mcを越えると、レジスタ
Ｌの値を＋１する。もしレジスタＬ値が所定値
LHを越えると、すなわち分散値が正常時の値よ
りも大きい状態が比較的長い所定時間継続する
と、異常であると判定し、異常表示（発光ダイオ
ードLE２を付勢）し、音声合成装置VSUによつ
て、「休憩しなさい」と音声出力し、レジスタＬ
の内容をクリアして処理を続ける。

「外部割込み」処理を説明する。この例では、
発振器OSC２からの信号によつて、２ｍsec毎に
定期的にこの処理を実行する。この処理では、ま
ず周期データを測定するためのレジスタＴの内容
を＋１する。次に、心拍信号のレベルをアナロ
グ／デジタル変換器ADCから読み取り、その結
果から、心拍信号のピークを検出したかどうかを
判定する。つまり、前の「外部割込み」時に得ら
れたデータとの比較を行なつて、今回のデータが
前回のデータと等しいか又は小さいと、ピークを
検出した、と判定する。

ピークを検出しない場合には、直ちに処理を終
了するが、ピークを検出すると、まずピーク検出
フラグに１セツトする。そしてレジスタＴの内容
が所定範囲内にあるかどうかをチエツクし、所定
範囲内であれば、その値を心拍データレジスタに
格納する。そしてレジスタＴの値を０にクリアす
る。

なお、上記実施例においては心拍周期の分散値
のみを判定の対象にしているが、心拍数を判定の
対象にしてもよい。また、実施例では10個の心拍
検出器をステアリングホイール上に分散配置した
が、更に数を増やしてもよいし、自動車が停止し
た状態でのみ心拍測定するのであれば、１つでも
よい。また、実施例では参照値設定時に使用する
心拍検出器を通常使用する心拍検出器と共用して
いるが、特別なものを設けてもよい。また、実施
例ではテンキーを用いて数値コードを入力し参照
値用メモリを選択しているが、各々のメモリと１
対１に対応付けた複数のスイツチに置き換えても
よい。

［効果］ 以上のとおり本発明によれば、複数の心拍検出
手段をステアリングホイール上に分散して配置す
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も心拍測定ができ、しかも
実際に心拍信号が得られる一部の心拍検出手段の
みを選択して実際の測定に使用するので、信号の
Ｓ／Ｎ比が高く、外来光やノイズの影響を受けに
くく、正確な心拍測定ができる。

更に、心拍信号が得られるか否かを、発光手段
を付勢した時と消勢した時のレベル変化の大きさ
によつて識別するので、多数のセンサ間に検出特
性（感度等）のばらつきがある場合でも、正確な
識別ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、一実施例の車上心拍計を搭載した自
動車のステアリングホイールを示す正面図であ
る。第２ａ図および第２ｂ図は、それぞれ第１図
のａ−ａ線断面図およびｂ−ｂ線断面図
である。第３ａ図および第３ｂ図は、第１図のス
テアリングホイール内に装着された車上心拍計の
構成を示すブロツク図である。第４ａ図、第４ｂ
図、第４ｃ図、第４ｄ図および第４ｅ図は、第３
ａ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。 １：ステアリングホイール、SE１〜SE１０：
心拍検出器（心拍検出手段）、LED：発光ダイオ
ード（発光手段）、PT：フオトトランジスタ（受
光手段）、CPU：マイクロコンピユータ（電子制
御手段）、OSC１，OSC２：発振回路、AS１，
AS２，AS３，AS４：アナログスイツチ、
DEM：復調器、KSW：テンキー（スイツチ手
段）、DSP：数字表示器、LE１，LE２：発光ダ
イオード、ADC：アナログ／デジタル変換器、
VSU：音声合成装置（報知手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各々発光手段と受光手段を備え、ステアリン
   グホイールもしくはそれを支持する部材上に分散
   して配置された、複数の心拍検出手段； 前記複数の心拍検出手段の各々の選択状態を制
   御し、一部分の心拍検出手段を選択する、選択手
   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 前記選択手段を制御して心拍検出手段の各々を
   順次に選択するとともに、選択された心拍検出手
   段の発光手段を付勢および消勢し、それを付勢し
   た時の受光手段の出力レベルとそれを消勢した時
   の受光手段の出力レベルとの差に応じて、複数の
   心拍検出手段の中から差が大きい一部分の心拍検
   出手段を抽出する抽出手段、及び該抽出手段が抽
   出した一部分の心拍検出手段が出力する信号の変
   動周期に応じた情報およびそのばらつきの情報の
   少なくとも一方を測定する測定手段、を含み、該
   測定手段の測定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 電子制御手段は、参照値メモリ及びスイツチ
   手段を備え；該スイツチ手段が参照値設定指示を
   発した時に参照値設定モードで、少なくとも１つ
   の心拍検出手段を選択し、選択された心拍検出手
   段が出力する心拍信号の変動周期に応じた情報お
   よびそのばらつきの情報の少なくとも一方の測定
   結果に応じた値を前記参照値メモリに格納し；前
   記参照値設定モード以外では、少なくとも１つの
   心拍検出手段を選択し、選択された心拍検出手段
   が出力する心拍信号の変動周期に応じた情報およ
   びそのばらつきの情報の少なくとも一方の測定値
   と前記参照値メモリの値とを比較し、その結果に
   応じて前記報知手段を付勢する；前記特許請求の
   範囲第１項記載の車上心拍計。 ３ 前記参照値メモリは、電源オフ時にもその内
   容を保持する不揮発性メモリである、前記特許請
   求の範囲第２項記載の車上心拍計。