JPH0331048B2

JPH0331048B2 -

Info

Publication number: JPH0331048B2
Application number: JP61195838A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ikeyama
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Shinsangyo Kaihatsu KK
Current assignee: Shinsangyo Kaihatsu KK; Aisin Corp
Priority date: 1986-08-21
Filing date: 1986-08-21
Publication date: 1991-05-02
Also published as: JPS6351835A

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、人の指，掌，腕等に光を照射して、
その反射または透過光量により心拍数を測定する
心拍測定装置に関する。

（従来の技術）例えば、車輌操縦においては、ドライバの健康
状態は安全走行に密接に関係している。つまり、
ドライバの健康状態を把握することにより、車輌
のより安全な走行を確保することが可能になる。
このドライバの健康状態を知る１つの方法に、心
拍数の監視がある。

人の心拍は、例えば、指，掌，腕等の人体の一
部に光を照射し、血液流量の脈動を、血管での光
反射率の変化として検出し、それに基づいて測定
できることが知られている。

実開昭60−149603号公報には、AGC回路を備
える心拍計が開示されている。この心拍計は、１
対の、人体の腕が接触する電極を備えるので、例
えば車両のドライバの心拍検出では、測定のため
には電極を腕に装着する作業が必要であるので、
車両運転中に常時又は任意に測定するには適さな
い。

特開昭61−56630号公報の心拍測定装置は、ス
テアリングホイールに複数個の心拍検出端を分散
配置して、ドライバの手が触れている心拍検出端
の検出信号に基づいて心拍検出を行なう。

実開昭59−53008号公報には、母体腹部上に複
数個の胎児心拍検出用の電極を装着し、最高の信
号強度を検索しその結果見出された電極を使用し
て心拍数を測定しようという提案が記載されてい
る。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、上記特開昭61−56630号公報の心拍測
定装置では、複数組の心拍検出器間の特性のばら
つきによつて心拍検出器を選択する動作が正しく
行われないおそれがある。実開昭59−53008号公
報の提案は、複数組の心拍検出電極とそれに接続
される電気回路の構成の提示はなく、心拍検出器
の別途の設計が必要であり、胎児心拍検出用の電
極のうちの最高の信号強度のものを正しく判別す
るための技術は未提示であり、今後の開発を要す
る。

本発明は、例えば車両ドライバの心拍を、彼が
車両を運転している間にも常時又は任意に格別な
作業なしに測定し、かつ、複数組の心拍検出器の
内の、ドライバの手が触れているものを正確に選
択してそれに基づいて心拍を測定して、ドライバ
の心拍検出を正確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）本発明の心拍測定装置は、少なくとも１つの発
光手段（LED），受光光量を電気信号に変換す
る、少なくとも１つの受光手段（Tr１〜Tr４）、
および、受光手段（Tr１〜Tr４）の出力信号の
レベルが大きくなると、それに応じた小さい増幅
率で該出力信号を増幅する、レベル調整手段
（AGC）、を備える複数組の心拍検出手段（SE１
〜SE１４）；少なくとも１組の心拍検出手段のレ
ベル調整手段で増幅した信号を選択的に出力する
ためのスイツチ手段（AS１）；複数組の心拍検出
手段（SE１〜SE１４）のレベル調整手段
（AGC）で増幅した信号のそれぞれの時系列高低
差を検出し、それが大きい心拍検出手段の信号の
選択をスイツチ手段（AS１）に指示する選択指
示手段（CPU）；スイツチ手段（AS１）が出力
する電気信号の所定時間当りの変動回数もしく
は、変動周期に応じた値を演算する信号処理手段
（CPU）；および前記値を表示する表示手段３；
を備える。

なお、カツコ内の記号は、図面に示し後述する
実施例の対応要素を示す。

（作用）複数組の心拍検出手段（SE１〜SE１４）のそ
れぞれが、信号のレベルが大きくなると、それに
応じた小さい増幅率で信号を増幅するレベル調整
手段（AGC）を備えるので、複数組の心拍検出
手段（SE１〜SE１４）の間の、心拍検出手段の
特性のばらつきや手の押圧力のばらつきによる、
心拍対応のレベル変動幅のばらつきが小さく、均
一化する。したがつて、複数組の心拍検出手段
（SE１〜SE１４）のレベル調整手段（AGC）で
増幅した信号のそれぞれの時系列高低差を検出
し、それが大きい心拍検出手段の信号の選択をス
イツチ手段（AS１）に指示する選択指示手段
（CPU）の、該信号の選択が、心拍測定に最も適
した状態にある心拍検出手段（手が触れている心
拍検出端）の信号の選択となる。

すなわち手の位置に対応して、それに対応し
た、測定を最も正確に行ない得る心拍検出手段が
選択される。

しかして、このように選択された心拍検出手段
の信号をスイツチ手段（AS１）が出力し、信号
処理手段（CPU）が、スイツチ手段（AS１）が
出力する電気信号の所定時間当りの変動回数もし
くは、変動周期に応じた値を演算し、それを表示
手段３が表示するので、適切に選択された心拍検
出手段による、前記レベル調整手段（AGC）で
適切にレベル調整された心拍検出信号に基づいた
正確な心拍検出表示が実現する。

本発明の他の目的および特徴は、以下の図面を
参照した実施例説明より明らかになろう。

（実施例）第１図は一実施例の車上心拍計の外観を示す。
第１図を参照すると、ステアリングホイール１に
は、左右に分かれて、それぞれ互に所定の間隔を
置いた心拍センサSE１〜SE７およびSE８〜SE
１４が配置されており、パツド２の表面には、心
拍数表示用の数字表示器３、心拍タイミング表示
用の発光ダイオード４および、心拍異常表示用の
発光ダイオード５が備わつている。

心拍センサSE１〜SE１４はすべて同一構成で
ある。第２ａ図に心拍センサSE１の正面図を、
第２ｂ図に第２ａ図を下側から見た平面図を、そ
れぞれ示す。

第２ａ図を参照すると、この心拍センサSE１
には、４つのフオトトランジスタTr１，Tr２，
Tr３およびTr４が正方形をなして配設され、中
心に配置された発光ダイオードLEDを囲んでい
る。

これらの表面は可視光線をカツトするフイルタ
を構成する黒色の樹脂製カバーにより覆われてお
り、また、各フオトトランジスタと発光ダイオー
ドLEDとは隔壁により遮光されている。

センサSE１にはレベル調整回路AGCが内蔵さ
れており、１パツケージ化されて、外部接続用の
４つのピンVcc、OUT、INおよびGNDが備わつ
ている。

第３図に心拍センサSE１の詳細な構成を示す。
第３図を参照すると、心拍センサSE１は、フオ
トセンス回路SNSおよびレベル調整回路AGCよ
りなる。

フオトセンス回路SNSは、発光ダイオード
LED、フオトトランジスタTr１，Tr２，Tr３お
よびTr４でなる。発光ダイオードLEDのアノー
ド側はピンVccに、カソード側はピンINに、そ
れぞれ接続されている。各フオトトランジスタ
Tr１，Tr２，Tr３およびTr４は並列接続され、
コレクタ側がピンＶc.c.に、エミツタ側がAGCの
演算増幅器OPの＋端子に接続されている。

レベル調整回路AGCは、演算増幅器OPを中心
とする可変利得増幅回路である。これにおいて
FETはVCR（Voltage Control Resistor）として
機能し、増幅率を調整する。FETのゲートには
コンデンサｃおよび抵抗器ｒでなる積分回路が接
続されており、該積分回路は、温度補償ダイオー
ドＤおよびツエナーダイオードＺを介して与えら
れるOP出力を積分する。つまり、OP出力がツエ
ナーダイオードのツエナ電位を下まわると、
FETのゲート電位が徐々に下り、FETのドレイ
ン・ソース間抵抗が大きくなり、増幅率が徐々に
低くなる。積分回路の時定数は比較的大きい（心
拍周期程度）ので、これにより、心拍センサSE
１出力信号の平均的なレベルの変動が抑えられ
る。したがつて、例えば、人の指が心拍センサ
SE１を強く押えたことにより、反射率（指）が
変化し、フオトトランジスタTr１〜４の出力が
高い値にシフトしても、それに応じた小さい増幅
率で増幅されるので、SE１の出力レベルは変動
しない。また、各心拍センサSE１〜SE１４では
上記ツエナ電位を基準としてレベル調整が行なわ
れるので、各心拍センサごとの出力レベルはほぼ
一定となり、バラツキは少ない。OPの出力端子
はピンOUTに接続されている。

なお、以下では、各心拍センサSE１〜SE１４
の構成要素を第３図に示した記号を用いて示すも
のとする。

第４図および第５図は、心拍センサSE１〜SE
１４、数字表示器３、発光ダイオード４，５を含
む、車上心拍計の電気回路を示す。これらの図面
に示す電気回路の大部分は、パツド２内に収納さ
れている。

まず、第５図を参照すると、心拍センサSE１
〜SE１４の各Ｖc.c.端子には、定電圧Ｖc.c.が与え
られ、各IN端子は発振回路OSC１の出力端子に
共通に接続され、各GND端子は共通に接地され
ている。本実施例において、発振回路OSC１は、
1KHzのデユーテイ50％の矩形波を出力する。つ
まり、各センサSE１〜SE１４の発光ダイオード
LEDは1KHzの周期で点灯（オン）と消灯（オフ）
を繰り返す。また、OSC１の出力はマイクロプ
ロセツサCPU（第４図）のポートＰ１にも与えら
れる。

各心拍センサSE１〜SE１４のOUT端子は、そ
れぞれ、アナログスイツチAS１およびAS２の対
応する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、それぞれ14個のアナロ
グスイツチで構成されており、アナログスイツチ
の出力端子は各アナログスイツチAS１，AS２内
で共通に接続されている。アナログスイツチAS
１は、マイクロプロセツサCPUから与えられる
通電制御信号OS１により、アナログスイツチAS
２は、マイクロプロセツサCPUから与えられる
通電制御信号OS２により、それぞれ制御される。

第４図を参照すると、アナログスイツチAS１
出力は復調器DEMを介してアナログスイツチAS
３の第１入力端IN１に与えられ、アナログスイ
ツチAS２出力はアナログスイツチAS３の第２入
力端IN２に与えられる。アナログスイツチAS３
には２つのアナログスイツチが内蔵されており、
マイクロプロセツサCPUからの制御信号により
入力を選択する。アナログスイツチAS３の出力
端子はＡ／ＤコンバータADCのアナログ入力端
子に接続されており、Ａ／ＤコンバータADCは
マイクロプロセツサCPUと接続されている。

例えば、心拍センサSE１〜SE１４のいずれか
の検出面に入の指が係合していると（LED，Tr
１〜４に対向していると）、その部分（指）の光
反射率は血液流量の脈動、つまり心拍に応じて変
動する。各センサのLEDは1KHzの周期でオンオ
フするので、指と係合しているセンサは、心拍信
号により振幅変調された1KHzの信号を出力する。
第４図に示す復調器DEMは、振幅変調された信
号を復調する回路である。この復調器DEMは、
増幅器AM１，AM２およびAM３、ローパスフ
イルタLP１およびLP２でなる。復調器DEMの
出力端子には、アナログスイツチAS３とともに
ボルテージフオロワのバツフアBf２が接続され
ている。バツフアBf２は、復調した心拍信号に
応じて発光ダイオード４を点灯する。マイクロプ
ロセツサCPUの外部割込要求端子INTには500Hz
の発振器OSC２が接続されている。これにより、
マイクロプロセツサCPUは2msec毎に外部割込処
理を実行する。

マイクロプロセツサCPUの他ポートには、バ
ツフアｆ２およびラツチLA１，LA２，LA３が
接続されている。バツフアBf２は、マイクロプ
ロセツサCPUの指示により発光ダイオード５を
点灯付勢する。ラツチLA１，LA２およびLA３
の各データ入力端子はマイクロプロセツサCPU
に共通に接続されており、各出力端子はデコーダ
DE１，DE２およびDE３に接続されている。各
ラツチLA１〜LA３はマイクロプロセツサCPU
からのラツチ信号により制御される。各デコーダ
DE１〜DE３はBCD信号を７セグメント信号に
変換するデコーダおよびドライバを内蔵してい
る。各デコーダDE１〜DE３の７セグメント信号
は、表示器３の各桁のカソード端子に与えられ
る。表示器３はアノードコモンであり、定電圧Ｖ
c.c.が与えられている。

第６図、第７図および第８図は、マイクロプロ
セツサCPUの動作概略を示すフローチヤートで
ある。以下、これらの図面を参照してマイクロプ
ロセツサCPUの動作概略を説明する。

電源が投入されると、つまり、Accスイツチ
（車輌に備わるアクセサリモードスイツチ）がオ
ンとなると、入出力ポート、内部メモリ等を初期
化する。このとき、アナログスイツチAS３には
IN２入力選択を指示する。

Ｎレジスタを１にセツトすると、CNレジスタ
を０にリセツトしてセンサセレクト処理を実行す
る。

第７図を参照してセンサセレクト処理を説明す
る。センサセレクト処理は、概略で14個の心拍セ
ンサSE１〜SW１４のうち、心拍信号を抽出する
ことができるものを探索し、それらを指定する通
電制御信号OS１をアナログスイツチAS１に与え
る。

まず、アナログスイツチAS３にIN２入力の選
択を指示する。これにより、Ａ／Ｄコンバータ
ADCには、アナログスイツチAS２の出力が入力
する。次に、Ｃレジスタに１をセツトした後、ポ
ートＰ１入力（OSC１出力）を監視して、LED
のオンタイミングになると、Ｃレジスタの値対応
の通電制御信号OS２を出力し、アナログスイツ
チAS２にＣレジスタの値に対応するセンサSE
（Ｃ）（Ｃ＝１〜14：つまりSE１〜SE１４に対
応）の選択を指示する。該センサSE（Ｃ）出力を
Ａ／Ｄ変換して読み取ると、その値をＣレジスタ
の値に応じたメモリMB（Ｃ）に格納し、Ｃレジ
スタを１インクリメントする（＋１）。以上の処
理ループを繰り返し、Ｃレジスタの値が14になる
とこのループを抜ける。

再びＣレジスタに１をセツトした後、ポートＰ
１入力（OSC１出力）を監視して、今度はLED
のオフタイミングになると、Ｃレジスタの値対応
の通電制御信号OS２を出力し、アナログスイツ
チAS２にＣレジスタの値に対応するセンサSE
（Ｃ）の選択を指示する。該センサSE（Ｃ）出力
をＡ／Ｄ変換して読み取ると、その値を、Ｃレジ
スタの値に応じたメモリMB（Ｃ）にすでに格納
している値〔LEDオンとしたときのSE（Ｃ）出
力〕から減じ、Ｄレジスタに格納する。Ｃレジス
タの値に応じた心拍センサSE（Ｃ）に指、掌等が
触れていれば、LEDオンのときと、LEDオフの
ときとでは出力信号のレベルに大きな差が生じる
が、心拍センサSE（Ｃ）になにも触れていなけれ
ば、LEDオンのときと、LEDオフのときとでは
出力信号のレベルにあまり差を生じない。したが
つて、Ｄレジスタの値が所定値TH２を越えると
きは、Ｃレジスタの値に応じたメモリMC（Ｃ）
にSE（Ｃ）の選択を示す１を格納し、Ｄレジスタ
の値が所定値TH２を以下のときは、Ｃレジスタ
の値に応じたメモリMC(C)にSE(C)の非選択を示す
０を格納する。この後、Ｃレジスタを１インクメ
ントする（＋１）。以上の処理ループを繰り返し、
Ｃレジスタの値が14になるとこのループを抜け
る。

これにより、メモリMC(1)〜MC（14）に、心拍
センサの番号に対応して選択(1)／非選択（０）が
セツトされるので、これに基づいて通電制御信号
OS１を設定し、アナログスイツチAS１に与え
る。

最後にアナログスイツチAS３にIN１入力の選
択を指示して第６図に示したメインルーチンにリ
ターンする。

ここで、OSC2による外部割込要求に応答し
て、すなわち、2msec周期で実行される外部割込
処理を第８図を参照して説明する。この処理で
は、まず、周期データを測定するためのＴレジス
タを１インクリメント（＋１）する。アナログス
イツチAAS１にセンサセレクト処理において心
拍信号が抽出可能な心拍センサの選択を指示し、
アナログスイツチAS３にIN１入力の選択を指示
しているので、Ａ／ＤコンバータADCには、心
拍信号が抽出可能な心拍センサの出力を復調器
DEMにおいて復調した信号、が入力し、それら
をＡ／Ｄ変換して読み取る。ここで、今回得たレ
ベルデータと１回前の外部割込処理におけるレベ
ルデータとを比較してピーク検出を行なう。つま
り、この比較において、今回のレベルデータの方
が大きいときには増加を記憶し、増加を記憶して
いるときに、今回得たレベルデータと１回前の外
部割込処理におけるレベルデータとが等しいか、
または今回のレベルデータの方が小さいとき、ピ
ーク値（つまり極大値）が存在したことになるの
で、その場合をピーク検出（上ピークを検出し
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
了してメインルーチンにリターンするが、ピーク
を検出すると、Ｔレジスタの値を吟味する。Ｔレ
ジスタは、ピーク検出からピーク検出までの割り
込み処理の回数をカウントするが、この外部割込
処理を2msec周期で実行するので、その値は時間
に対応している。したがつて、ノイズの擾乱があ
る場合や、選択した心拍センサ（SE１〜１４）
から指、掌等が離れた場合などではＴレジスタの
値が所定範囲から外れてしまう。

Ｔレジスタの値が所定範囲（T_L＜Ｔ＜T_H）に
あれば、F1レジスタにピーク検出ありを示す１
をセツトし、R0レジスタにＴレジスタの値を格
納し、Ｔレジスタをクリアして、メインルーチン
にリターンする。

再度第６図を参照する。F1レジスタに１がセ
ツトされていないときは、CNレジスタの値を１
インクリメントする。CNレジスタの値が所定値
CNH以下であれば、ピーク済出待ちループを構
成するが、CNHを超えると、CNレジスタをクリ
アして、もう一度センサセレクト処理を実行す
る。つまり、選択した心拍センサ（SE１〜１４）
から指、掌等が離れた場合などでは、CNレジス
タの値がCNHを超えてもピークが検出されない
ので、その場合は、再びセンサセレクト処理を実
行して適正な心拍センサを選択する。

外部割込処理でピークを検出し、F1レジスタ
に１をセツトすると、F1レジスタをリセツトし
て、R0レジスタの値を、Ｎレジスタの値に応じ
たメモリMA（Ｎ）に格納する。この後、Ｎレジ
スタの値を１インクリメント（＋１）して、Ｎレ
ジスタの値がＬになるまでループ処理を繰り返
す。

Ｎレジスタの値がＬになると、メモリMA(1)〜
MA（Ｌ）には、Ｌ個の心拍の周期を表わすデー
タが格納されるので、これらの平均値を演算す
る。平均値は、MA（Ｎ）／Ｌの総和を演算すれ
ば良い。つまり、Ｎレジスタの値を１〜Ｌまで逐
次更新してMA（Ｎ）／ＬをＡレジスタに加算す
る。

次に、Ｌ個の心拍の周期を表わすデータの分散
を演算する。これは、Ｎレジスタの値を１〜Ｌま
で逐次更新して〔MA（Ｎ）−Ａ〕²／ＬをＢレジス
タに加算して、〔MA（Ｎ）−Ａ〕²／Ｌの総和を演
算する。分散は、データのバラツキを示す値であ
り、この値が大きいときは、心拍が乱れているこ
とになる。そこで、Ｂレジスタの値と、所定値
TH１とを比較して、TH１を超えるときには発
光ダイオード５を点灯して異常を報知する。な
お、図示を省略したが、Ａレジスタの値に基づい
て、表示器３に心拍数を表示する。

上記実施例においては、ステアリングホイール
１に心拍センサSE１〜SE１４を配設している
が、例えば、パツド２上あるいはステアリングホ
イール１とパツド２を結合するスポーク部に配設
しても良い。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、本発明によれば、複数組
の心拍検出手段（SE１〜SE１４）のそれぞれ
が、信号のレベルが大きくなるとそれに応じた小
さい増幅率で信号を増幅するレベル調整手段
（AGC）を備えるので、複数組の心拍検出手段
（SE１〜SE１４）の間の、心拍検出手段の特性
のばらつきや手の押圧力のばらつきによる、心拍
対応のレベル変動幅のばらつきが小さく、均一化
する。すなわち複数組の心拍検出手段（SE１〜
SE１４）のそれぞれの信号レベルが規格化され
る。

したがつて、複数組の心拍検出手段（SE１〜
SE１４）のレベル調整手段（AGC）で増幅した
信号のそれぞれの時系列高低差を検出し、それが
大きい心拍検出手段の信号の選択をスイツチ手段
（AS１）に指示する選択指示手段（CPU）の、
該信号の選択が、心拍測定に最も適した状態にあ
る心拍検出手段（手が触れている心拍検出端）の
信号の選択となる。

すなわち手の位置に対応して測定値が正確に得
られる。手が触れている心拍検出手段が選択され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の車上心拍計の外
観を示す平面図である。第２ａ図は、第１図に示
した装置の心拍センサSE１の外観を示す正面図
である。第２ｂ図は、第２ａ図に示す心拍センサ
SE１の低面図である。第３図は、第１図に示し
た装置の心拍センサSE１の電気回路図である。
第４図および第５図は、第１図に示す心拍測定装
置の電気回路構成を示すブロツク図である。第６
図、第７図および第８図は、第４図に示したマイ
クロプロセツサCPUの動作概要を示すフローチ
ヤートである。１：ステアリングホイール（ステアリングホイ
ール）、２：パツド（ステアリングホイールを支
持する部材）、３：表示器（表示手段）、４，５：
発光ダイオード、SE１〜１４：心拍センサ（心
拍検出手段）、LED：発光ダイオード（発光手
段）、Tr１〜Tr４：フオトトランジスタ（受光
手段）、AGC：レベル調整回路（レベル調整手
段）、CPU：マイクロプロセツサ（選択指示手
段、信号処理手段）、DEM：復調器、AM１〜
AM３：増幅器、LP１，LP２：ローパスフイル
タ、AS１〜AS３：アナログスイツチ（AS１：
スイツチ手段）、OSC１，OSC２：発振器、
ADC：Ａ／Ｄコンバータ、Bf１，Br２：バツフ
ア、LA１，LA２，LA３：ラツチ、DE１，DE
２，DE３：デコーダ。

Claims

【特許請求の範囲】１少なくとも１つの発光手段；受光光量を電気
信号に変換する、少なくとも１つの受光手段；お
よび、受光手段の出力信号のレベルが大きくなる
と、それに応じた小さい増幅率で該出力信号を増
幅する、レベル調整手段；を備える複数組の心拍
検出手段；少なくとも１組の心拍検出手段の前記レベル調
整手段で増幅した信号を選択的に出力するための
スイツチ手段；前記複数組の心拍検出手段のレベル調整手段で
増幅した信号のそれぞれの時系列の高低差を検出
し、それが大きい心拍検出手段の信号の選択を前
記スイツチ手段に指示する選択指示手段；前記スイツチ手段が出力する電気信号の所定時
間当りの変動回数もしくは、変動周期に応じた値
を演算する信号処理手段；および前記値を表示する表示手段；を備える心拍測定装置。２前記複数組の心拍検出手段は、ステアリング
ホイールもしくはそれを支持する部材に分散配置
した、前記特許請求の範囲第１項記載の心拍測定
装置。３心拍検出手段のレベル調整手段は、受光手段
の出力信号のレベルが設定レベルを超えると該レ
ベルに応じて前記増幅率を設定する前記特許請求
の範囲第１項または第２項記載の心拍測定装置。