JPH09262213A - 生体情報検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被験者等の生体を拘束することなく、安定し
て生体の心拍等の生体情報を検出する。 【解決手段】 被験者の遠隔に設置されたＬＥＤ１２
からの近赤外線が被験者２２へ向けて射出され、顔面２
２Ａで反射され、反射された近赤外線はレンズ１４Ａで
収束され、バンドパスフィルタ１６により所定波長域の
近赤外線の強度が検出装置１８で検出され、検出装置１
８は近赤外線の強度に応じた信号をマイクロコンピュー
タ２０へ出力する。コンピュータ２０では検出装置１８
で検出された近赤外線の顔面２２Ａにおける反射強度か
ら強度分布を求め、その周期から心拍、強度値から血圧
を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生体情報検出装置
にかかり、特に、生体に対して非接触で該生体の心拍等
の生体情報を検出する生体情報検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、人間の健康状態を判断するた
めの生体情報を得る基礎的な諸量としては主に心拍、及
び血圧が用いられており、これら心拍及び血圧は何れも
接触型の測定器により測定していた。この心拍を測定す
るための測定器は心電計が知られており、心電計は複数
の電極を皮膚に張りつけて微弱電流の変動を測定する。
また、血圧を測定するための測定器は血圧計が知られて
おり、この血圧計は周知のように腕に巻きつけて血圧を
測定する。

【０００３】しかしながら、従来の測定器は接触型であ
るため、被験者等の生体を拘束する必要があり、拘束が
困難な例えば寝たきりの病人等であっても体を拘束しな
ければならず、容易に心拍及び血圧を測定することがで
きなかった。特に長時間、連続測定するときには被験者
は煩わしく被験者の不快感を招いていた。また、測定者
は被験者を脱衣させることやセンサを接着することの時
間及び作業が必要であった。また、従来の測定器は測定
器の操作や測定値の解釈をするために特殊な訓練を必要
とする。

【０００４】このため、人間の健康状態を判断するため
の基礎的な諸量であるこれら心拍及び血圧等を生体情報
として簡単に測定する試みがなされている。その生体情
報のうち簡易的に心拍を計測するものとして、簡易心拍
モニタが提案されている（九州大学工学集報、第６６巻
第１号２３〜２８頁参照）。この簡易心拍モニタでは、
光源として麦球（タングステン電球）を用いており、こ
の麦球により生体に照射された光の反射光を検出器であ
るＣｄＳにより検出し、その反射光量から血管の容積変
動を計測することによって、心臓の拍動から生じる血流
の変化である脈波を計測して心拍を求めている。

【０００５】しかしながら、この簡易心拍モニタでは、
反射光をＣｄＳで検出しているので、検出値を安定させ
るために、光源から生体及び検出器から生体までを至近
距離に維持する必要がある。すなわち、ノイズ等の影響
を考慮すると、検出器を生体（被験者）から離す試みで
はＳＮ比が悪化するので、数ｍｍの至近距離が限界であ
り、無拘束は不完全である。このため、光源及び検出器
を生体の至近距離に設置しなければならず、無拘束な状
態を得ることは困難であった。

【０００６】また、生体情報のうち簡易的に血圧を測定
するものとして、光電式脈波計測の応用が提案されてい
る（日本ＭＥ学会雑誌Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．４（１９９
０），ｐ２４〜ｐ３２参照）。この方法では心拍動に伴
う血液量の増減により光の吸収が変化することを利用
し、手指に接触させた光源（ＬＥＤ）の反射光又は透過
光を光センサで検出し、その反射光量または透過光量か
ら血管内容積変化を計測することによって血圧を測定し
ている。

【０００７】しかしながら、上記の脈波計測では、光源
及び光センサを手指に接触させることを前提としてお
り、無拘束な状態で測定することは困難である。

【０００８】また、生体情報として医療における基礎的
な値である血中酸素濃度を光電的に計測する方法が提案
されている（日本ＭＥ学会雑誌Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．４
（１９９０），ｐ４４〜ｐ５２参照）。この技術では、
光源にＬＥＤを用いると共に透過光量の測定器に光ダイ
オード（ＰＤ）を用い、血液の透過光量から酸素飽和度
を求めるパルスオキシメータによって、血中酸素濃度を
計測している。最近ではこのパルスオキシメータ等のセ
ンサを生体から離して計測すべく試みがなされている
が、今後の課題として検討段階に留まっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事実を
考慮してなされたものであり、被験者等の生体を拘束す
ることなく、安定して生体の心拍等の生体情報を検出す
ることができる生体情報検出装置を得ることが目的であ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に記載の発明の生体情報検出装置は、生体か
ら離れた位置から生体へ向けて近赤外線を射出する射出
源と、前記生体から離れた位置で生体の皮膚で反射され
た前記近赤外線の強度を検出する検出器と、検出された
近赤外線の強度から所定時間の間の強度分布を求め、求
めた強度分布に基づいて生体の心拍及び血圧の少なくと
も一方を演算する演算手段と、を備えている。

【００１１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の生体情報検出装置において、前記近赤外線の波長は略
８００ｎｍ以上略１０００ｎｍ以下であることを特徴と
している。

【００１２】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の生体情報検出装置において、前記光源は生体へ向かう
近赤外線を収束する収束手段を備えたことを特徴として
いる。

【００１３】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
の生体情報検出装置において、前記検出器は、前記近赤
外線の強度に応じた信号を出力する強度信号出力器と、
生体の皮膚で反射された前記近赤外線を強度信号出力器
に案内する案内手段とから構成されたことを特徴として
いる。

【００１４】請求項５に記載の発明は、請求項１に記載
の生体情報検出装置において、前記射出源と前記検出器
との間に、略８００ｎｍ以上略１０００ｎｍ以下の波長
域の少なくとも一部を含む所定波長域の近赤外線を透過
するバンドパスフィルタをさらに設けたことを特徴とし
ている。

【００１５】ここで、電磁波のうち可視光線の波長近傍
の近赤外線については、図１に示すように人の皮膚の透
過率が高くかつ、図２に示すように血液の吸収率が安定
する。本発明者等は、心拍や血圧に応じて血流が変化す
るので、生体表面における近赤外線の反射量が変化す
る、という点に着目し、生体表面で反射された近赤外線
は心拍や血圧の生体情報を含んでいる、という知見を得
た。

【００１６】請求項１に記載の生体情報検出装置では、
検出した近赤外線の強度から所定時間の間の強度分布を
求める。この強度分布は心拍や血圧に応じて推移する。
生体では、その血流の変化に応じて近赤外線に対する被
験者の皮膚等の生体表面の反射率が変化する。すなわ
ち、心臓の鼓動に応じて被験者の皮膚表面等の生体表面
近傍の毛細血管中の血液量が変化し、これが生体表面の
反射率の変化として現れる。従って、血流の変化に応じ
た生体表面の反射率変化、すなわち求めた強度分布に
は、心拍や血圧の生体情報を含んでいる。この強度分布
の形状（波形形状）、すなわち周期は心拍に対応し、強
度値は血圧に対応する。このため、求めた強度分布か
ら、心拍や血圧を求めることができる。このように、生
体から離れた位置から被験者の皮膚等の生体表面に近赤
外線を射出し、その反射された近赤外線の強度を測定す
ることにより、心拍及び血圧の少なくとも一方を測定で
きる。この近赤外線は生体表面である皮膚の透過率が高
く、血液の吸収率が、安定しているので、ノイズの影響
を受け難く、光源及び受光器を生体に接触させることな
く、遠隔より無拘束で心拍及び血圧の少なくとも一方を
測定することができる。

【００１７】この近赤外線として、波長が１０００ｎｍ
を越える近赤外線を用いると、生体表面（皮膚）の透過
率は高いが、その近赤外線を検出する検出器は波長が長
くなるにしたがって検出が困難になると共にコスト高に
なるという問題を生じる。また、可視光線の波長域を含
む波長８００ｎｍ未満の電磁波を用いると、ヘモグロビ
ンの吸収は大きいが、皮膚の透過率が低くなると共に、
可視光線が目視され被験者の不快感を増加させることが
あるという問題を生じる。そこで、請求項２に記載した
ように、略８００ｎｍ以上であり略１０００ｎｍ以下の
波長域の近赤外線を用いることによって、透過率が高い
生体表面（皮膚）について、目視されない近赤外線によ
って無拘束で遠隔より心拍及び血圧の少なくとも一方を
測定することができる。

【００１８】また、請求項３に記載したように、射出源
が生体へ向かう近赤外線を収束する収束手段を備えるこ
とによって、効率よく近赤外線を生体へ向けることがで
き、請求項４に記載したように、検出器が照射された近
赤外線の強度に応じた信号を出力する強度信号出力器
と、生体の皮膚で反射された前記近赤外線を強度信号出
力器に案内する案内手段とから構成することによって、
生体で反射された近赤外線を効率よく検出することがで
きる。

【００１９】近赤外線の波長域を特定して生体へ向ける
ことは比較的困難である。また、上記のように、略８０
０ｎｍ以上略１０００ｎｍ以下の波長域の近赤外線は生
体表面である皮膚の透過率が高く血液の吸収率が安定し
ている。これにより、請求項５に記載したように、射出
源と検出器との間に、略８００ｎｍ以上略１０００ｎｍ
以下の波長域の少なくとも一部を含む所定波長域の近赤
外線を透過するバンドパスフィルタをさらに設けること
によって、検出するに有効な所定波長域の近赤外線を選
択的に用いることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態は生体とし
て人である被験者を対象とし、人の顔面を生体表面とし
て非接触心拍・血圧測定装置に本発明を適用したもので
ある。

【００２１】図３に示すように、本実施の形態の非接触
心拍・血圧測定装置１０は、射出源として近赤外線を射
出するＬＥＤ１２、近赤外線を収束する収束装置１４、
所定波長域の近赤外線を透過するバンドパスフィルタ１
６、近赤外線の強度（量）を検出する検出装置１８、マ
イクロコンピュータ２０から構成されている。

【００２２】ＬＥＤ１２は被験者２２の顔面２２Ａより
所定距離（本実施の形態では約５０ｃｍ）離れた位置に
設置されている。本実施の形態では、ＬＥＤ１２は、中
心波長が９５０ｎｍの近赤外線を射出するＬＥＤを多数
配列させたものを用いている。また、ＬＥＤ１２は、前
面にレンズがモ−ルドされており、このレンズにより指
向角半値幅が±１３度と指向性の強い近赤外線を被験者
２２へ向けて射出する。

【００２３】このＬＥＤ１２から射出された近赤外線の
被験者２２の顔面２２Ａの反射側には収束装置１４、バ
ンドパスフィルタ１６、及び検出装置１８が順に配設さ
れている。収束装置１４は、所定性能（本実施の形態で
は焦点距離１６ｍｍ，Ｆナンバー１．４）のレンズ１４
Ａを備えている。レンズ１４Ａは被験者２２の顔面２２
Ａをフォトダイオ−ド上に結像させるためのものであ
る。すなわち、近赤外線の強度を検出するためのフォト
ダイオ−ド２４は、一般的に見込む角度（電磁波を検出
可能な角度範囲）が大きい。このため、本実施の形態で
は、フォトダイオ−ド２４の入射側にレンズ１４Ａを設
けている。

【００２４】レンズ１４Ａの近赤外線の射出側には所定
波長域（本実施の形態では８５０ｎｍ〜１０５０ｎｍの
波長域）の近赤外線を透過するバンドパスフィルタ１６
が設けられている。バンドパスフィルタ１６の射出側に
は検出装置１８が設けられている。検出装置１８はフォ
トダイオード２４を備えている（構成の詳細は後述、図
４参照）。本実施の形態では、フォトダイオ−ド２４と
して、所定の検出面積（１０×１０ｍｍ）を有すると共
に、ＬＥＤ１２の波長と略一致した波長の９６０ｎｍに
ピ−ク感度波長を有するものを用いている。検出装置１
８はマイクロコンピュータ２０に接続されている。

【００２５】なお、バンドパスフィルタ１６は、フォト
ダイオ−ド２４とレンズ１４Ａとの間に設けた場合を説
明したが、本実施の形態の非接触心拍・血圧測定装置１
０では心拍又は血圧測定に有効な所定波長域の近赤外線
を検出できればよく、フォトダイオ−ド２４とＬＥＤ１
２との間であれば何れの位置にバンドパスフィルタ１６
を設けてもよい。また、バンドパスフィルタを設けるこ
となく、ＬＥＤ１２に代えて上記所定波長域の近赤外線
を射出する電磁波源を用いてもよい。

【００２６】図４に示すように、検出装置１８はフォト
ダイオ−ド２４、増幅器２６、フィルタ２８及びＡ／Ｄ
変換器３０を備えており、フォトダイオ−ド２４は増幅
器２６、フィルタ２８及びＡ／Ｄ変換器３０を介してマ
イクロコンピュータ２０に接続されている。この増幅器
２６はフォトダイオ−ド２４の出力信号を増幅するため
のものであり、フィルタ２８は高周波のノイズ成分を除
去するためのものであり、Ａ／Ｄ変換器３０はフィルタ
２８からの出力信号をＡ／Ｄ変換するためのものであ
る。なお、Ａ／Ｄ変換器３０におけるＡ／Ｄ変換のサン
プリングの周波数は５０Ｈｚである。

【００２７】次に、本実施の形態の作用を説明する。本
実施の形態の非接触心拍・血圧測定装置１０では、ＬＥ
Ｄ１２から射出された近赤外線は被験者２２へ向けて射
出され、この近赤外線は被験者２２の顔面２２Ａで反射
される。反射された近赤外線はレンズ１４Ａで収束さ
れ、バンドパスフィルタ１６により所定波長域の近赤外
線のみが透過されて検出装置１８のフォトダイオード２
４に至る。

【００２８】フォトダイオード２４は収束された近赤外
線の強度に応じた信号を出力する。フォトダイオ−ド２
４の出力信号は増幅器２６で増幅され、フィルタ２８で
高周波のノイズ成分が除去され、所定のサンプリング周
波数によりＡ／Ｄ変換器３０でＡ／Ｄ変換され、マイク
ロコンピュータ２０へ出力される。

【００２９】ここで、本発明者等は、上記構成の非接触
心拍・血圧測定装置１０による被験者の顔面２２Ａで反
射された近赤外線の反射量と、心拍及び血圧との関係を
求めるための実験を行い、図５に示す結果を得た。これ
らの心拍及び血圧は、従来の接触型の心拍計及び血圧計
を用いて近赤外線の反射量を測定するのと同時に測定し
たものである。図中、実線４０は近赤外線の反射量の分
布波形（すなわち時々刻々と変化する、生体表面で反射
された近赤外線の強度分布）を示し、点線４２は心拍の
測定波形を示し、１点鎖線４４は血圧の測定波形を示し
ている。なお、図５では、各値の最大値を１に規格化し
た相対出力の値を縦軸に設定した。また、近赤外線の反
射量は心拍（脈拍）に伴う血流の増加により吸収が増加
するので、実際の波形は下に凸の波形となるが、血圧等
の波形と方向性を一致させるために、符号を反転（上下
を反転）させている。図５から理解されるように反射量
の分布波形は血圧の測定波形と近似した波形を示し、反
射量の分布波形の周期は心拍と一致している。

【００３０】また、図６は、近赤外線の反射量の分布波
形と血圧の測定波形とについて、１周期毎に各値（反射
量と血圧）の最小値を０にすると共に最大値を１に規格
化して各波形を整形することによって、反射量と血圧と
の相関を示したものであり、実線４６が反射量の分布波
形を示し、点線４８が血圧の波形を示している。図６か
ら理解されるように、反射量と血圧の波形は略一致して
おり相関係数は略１であった。

【００３１】従って、被験者の遠隔から近赤外線を射出
及び検出することにより、心拍及び血圧を測定できる。
すなわち、心拍は反射量の分布波形、すなわち反射され
た近赤外線の強度分布の波形の周波数から求めることが
でき、血圧は反射量、すなわち反射された近赤外線の強
度値（または強度分布の振幅値）から求めることができ
る。

【００３２】次に、近赤外線の反射量から心拍及び血圧
を求める過程についてフローチャートを参照してさらに
説明する。

【００３３】マイクロコンピュータ２０の電源が投入さ
れると、図７の演算ルーチンが実行され、ステップ１０
０において、図示を省略したメモリをクリアする等の初
期設定がなされる。次のステップ１０２ではフォトダイ
オード２４で検出された被験者２２の顔面２２Ａで反射
された近赤外線の反射量、すなわち検出装置から出力さ
れた近赤外線の強度値を読み取って、次のステップ１０
４でメモリに記憶する。次のステップ１０６では所定時
間を経過したか否かを判断することによって測定ための
近赤外線の強度値の記憶を終了するか否かを判断する。
次のステップ１０８では、所定時間の間にメモリに記憶
された多数の近赤外線の強度値を用いて強度分布を導出
する。

【００３４】次のステップ１１０では、求めた強度分布
の周期から、すなわち、強度分布の周波数より心拍を求
め、次のステップ１１２で強度分布の強度値より血圧を
求める。これら求めた心拍及び血圧を次のステップ１１
４で表示し、本ルーチンを終了する。

【００３５】なお、強度値（反射量）をメモリに記憶し
て強度分布を求めることなく、強度値を例えば、縦軸を
時間に設定すると共に横軸を心拍または血圧の値に設定
した座標系の図表として逐次出力するようにしてもよ
い。

【００３６】以上説明したように本実施の形態の非接触
心拍・血圧測定装置によれば、被験者を拘束せず、かつ
センサ等の検出装置を接触させることなく、心拍及び血
圧を測定することが可能となり、測定の自由度及び被測
定者の自由度を向上させることができるので、遠隔より
即ち非接触でかつ無拘束で心拍及び血圧の少なくとも一
方を測定することができる。

【００３７】また、本実施の形態の非接触心拍・血圧測
定装置では、被験者に向けて近赤外線が射出され、この
近赤外線は可視光線の波長範囲を越えているため、被験
者に光源として意識されることがない。このため、ドラ
イバ−の覚醒度や異常検出などの心拍モニタとして、あ
るいは神経過敏な患者の正しい心拍・血圧測定器として
利用可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
験者の皮膚等の生体表面に、生体表面の透過率が高くか
つ血液の吸収率が安定した近赤外線を照射し、生体表面
で反射され検出された近赤外線の強度から心拍等の生体
情報に応じた強度分布を求めているので、ノイズの影響
を受け難く、射出源及び検出器を生体に接触させること
なく、遠隔より無拘束で心拍及び血圧の少なくとも一方
を測定することができる、という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】人間の皮膚における電磁波の分光透過率分布を
示す線図である。

【図２】血液の主要な成分であるヘモグロビンに関する
電磁波の波長と吸光係数との関係を示す線図である。

【図３】本実施の形態の非接触心拍・血圧測定装置の概
略構成を示すブロック図である。

【図４】検出装置の概略構成を示すブロック図である。

【図５】近赤外線の反射量、心拍計による心拍、及び血
圧計による血圧の関係を示す波形図である。

【図６】近赤外線の反射量と血圧との相関関係を示す波
形図である。

【図７】心拍及び血圧を求める演算ルーチンを示すフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１０ 非接触心拍・血圧測定装置 １２ ＬＥＤ １４ 集光装置 １６ バンドパスフィルタ １８ 検出装置 ２０ マイクロコンピュ−タ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 博 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 前田 光俊 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 寺田 重雄 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 生体から離れた位置から生体へ向けて近
   赤外線を射出する射出源と、 前記生体から離れた位置で生体の皮膚で反射された前記
   近赤外線の強度を検出する検出器と、 検出された近赤外線の強度から所定時間の間の強度分布
   を求め、求めた強度分布に基づいて生体の心拍及び血圧
   の少なくとも一方を演算する演算手段と、 を備えた生体情報検出装置。
2. 【請求項２】 前記近赤外線の波長は略８００ｎｍ以上
   略１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に
   記載の生体情報検出装置。
3. 【請求項３】 前記光源は生体へ向かう近赤外線を収束
   する収束手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載
   の生体情報検出装置。
4. 【請求項４】 前記検出器は、前記近赤外線の強度に応
   じた信号を出力する強度信号出力器と、生体の皮膚で反
   射された前記近赤外線を強度信号出力器に案内する案内
   手段とから構成されたことを特徴とする請求項１に記載
   の生体情報検出装置。
5. 【請求項５】 前記射出源と前記検出器との間に、略８
   ００ｎｍ以上略１０００ｎｍ以下の波長域の少なくとも
   一部を含む所定波長域の近赤外線を透過するバンドパス
   フィルタをさらに設けたことを特徴とする請求項１に記
   載の生体情報検出装置。