JPS5867234A - 脈拍検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、心臓の拍動によって膨張と収縮を繰り返して
いる指先の毛細血管の脈動を、光電変換素子によって検
出する光電検出方式の脈拍計における脈拍検出回路の改
良に関するものである。

本発明の目的は、指先毛細血管の脈動を可能なかぎり低
消費電力で検出すると共に、高感度でかつ安定な動作を
行う脈拍検出回路を提供することである。

従来、指先の毛細血管の膨張・収縮を検出する方式の脈
拍計が多数提案されているが、実用化されているものの
殆んどが、発光ダイオードとホトトランジスタとからな
るホトカプラーを使用する方式であった。この方式の脈
拍計における脈拍検出回路は、第１図に示す回路図のよ
うな回路構成を有しており、発光ダイオード１から放射
される赤色光又は赤外光を指先の組織内に入射し、その
散乱光をホトトランジスタ２で受光するものである。第
１図の回路図について概略を説明すると、発光ダイオー
ド１は電流制限抵抗６と直列に接続され、直流電源５か
ら電力供給を受けて発光する。

一方ホトトランジスタ２は負荷抵抗４と直列に接続され
、直流電源５によりバイアスされている。

発光ダイオード１とホトトランジスタ２は第２図に示す
ように概略１０ｍｍ隔てて配置されており、この」二に
指先を軽く乗せることにより発光グイオ−ド１から発っ
せられる光線が、指先の組織内の毛細血管等で散乱され
てホトトランジスタ２に入射する。故に、毛細血管が心
臓から送られる血液によって膨張すると入射光が変化し
、ホトトランジスタ２を流れる光電流も変化する。

この電流の変化は負荷抵抗４によって電圧の変化に変換
され、信号処理回路６に伝達される。信号処理回路６は
脈拍信号を弁別する低周波のフィルターと増巾器と波形
成形回路とからなり、脈拍パルス信号Ｓを出力する。こ
の信号Ｓは図示されていない計数回路によって周期又は
周波数を測定され、脈拍数に換算された」二、表示手段
によって表示されるのである。このようなホトカプラー
による脈拍検出回路は応力検出型の検出回路や心電気検
出型の検出回路に較べ、非常に安価でありかつ小型であ
ると言う利点から携帯用の脈拍計に多用されている。し
かしこの検出方式は次のような欠点を持っている。

第一に外光の影響を大きく受けるので、第２図に示すよ
うにホトカプラーを含む指先部をスノポリと光遮断物１
０で包み込む必要があった。更に、そのような遮光をし
てもなお漏れ光があるので、ホ））ランジスタ２の動作
点は周囲の明るさに大きな影響を受け、負荷抵抗４の値
によっては簡単に飽和領域に入ってしまうことが予想さ
れる。

故に負荷抵抗４の値は一定値より大きくできないのであ
り、その結果毛細血管の脈動による光の変化を検出する
だめの感度が小さくなってしまうという第二の欠点があ
った。この欠点を補うために、利得が犬きく、自己発生
ノイズの小さな高級な信号処理回路６を必要としていた
のである。

第三の重大な欠点として、発光ダイオード１の消費する
電力が大変に大きいことがあげられる。

発光ダイオード１の発する光の強さは、そのまま検出感
度に比例するので、十分な電力供給を必要とする。

しかし−ヒ述した通り、ホトカプラーにょる光電検出方
式の脈拍計は携帯用である場合が多く、そのため直流電
源５を電池に依存しなくてはならない。

又、携帯用であるため特に軽量であることが要求され、
電池そのものの形状も小さく、保有エネルギーも小さい
ので、発光ダイオード１の電力消費により短時間の使用
で電池交換を余儀なくされていた。

以上に従来一般に行われていたホトカプラーによる光電
検出方式の脈拍計の概略と、その欠点について述べたが
、本発明によればこれ等の欠点を除去した充電検出方式
の脈拍検出回路が実現できるのである。以下に図面に従
って本発明の構成、原理について詳細な説明を行う。

第３図は本発明の光電検出型脈拍計の検出回路の実施例
を示す回路図である。図面上１は赤色光又は赤外光を発
つする発光ダイオードであり、電流制限抵抗３と直列に
接続された上、直流電源５に接続されて電力供給を受け
ている。

該発光ダイオード１から発つする光は指先の組織に入射
して散乱され、光電変換素子であるホトトランジスタ２
に到達する。該ホトトランジスタ２のコレクタは直流電
源５のプラス極に接続されてオリ、エミッタはＮチャン
ネルエンハンスメント型モストランジスタ７のドレイン
に接続されている。該トランジスタ７のソースとサブス
トレートは直流電源５のマイナス極に接続されており、
更に、トランジスタ７のゲートに対しては、抵抗８とコ
ンデンサ９とからなる低域通過フィルターＦを介してド
レイン電圧が印加されるように構成されている。ホトト
ランジスタ２を流れる光電流はトランジスタ７のドレイ
ノーソース間の抵抗によって電圧に変換され、信号処理
回路乙に伝達される。

該信号処理回路６は直流電源５から電力供給され、入力
電圧から様々な雑音を除去して脈拍信号を弁別するフィ
ルターと増巾器と波形整形回路とがらなり、直流矩形波
の脈拍信号Ｓを出力する。

該脈拍信号Ｓは図示されていない計数回路によって周期
又は周波数を測定され、−分間の脈拍数（又は心拍数）
に変換されて、やはり図示されていない表示装置によっ
て表示される。

このような回路構成を有する脈拍検出回路は、その検出
部を遮光物で包み込む必要がないのであるが、以下にそ
の理由と動作を説明する。

外光が遮蔽されていない場合、ホトカプラーのホトトラ
ンジスタ２に入射する光は、発光ダイオ−。

ド１から発っせられ指先の組織内で散乱されて入射する
光と、指先の組織を貫通したり、或いは指先の周辺から
廻り込んだりして入射する外光との合計である。したが
って外光が強い時にはホトトランジスタ２に入射する光
量が多くなり、光電流も大きくなる。外光の強さは脈拍
計を使用する環境によって極端に変化するため、光電流
に与える影響が非常に大きく、前述したようにホトトラ
ンジスタ２の負荷が単なる抵抗である場合には動作点の
移動が極めて大きい。

しかし負荷が外光の強さによって変化するようにできれ
ばこの問題は解決されるのであり、第３図の実施例にお
けるモストランジスタ７は正にこの目的にあった可変抵
抗素子なのである。

一般に良く知られているように、エンノＳ／スメント型
モストランジスタ７のドレイン電圧をゲートに帰還する
と、ドレイン−ソース間電圧特性はそのトランジスタの
スレッショルド電圧にほぼ等しい定電圧特性を示す。

第３図の回路図においては、トランジスタ７のドレイン
電圧を抵抗８とコンデンサ９とからなる低域通過フィル
ターを介してゲートに帰還しているので、そのフィルタ
ーの遮断周波数以下の周波数の光電流に対してのみ定電
圧特性が示され、ホトトランジスタ２の動作点の電圧を
一定に保つことができる。一方、遮断周波数以上の周波
数を有する光電流の変化については定電圧特性が周波数
の増大と共に衰下するのであるが、遮断周波数を通常の
人間の脈拍の周波数である４　Ｈｚ乃至０．５　Ｈｚよ
り十分低い周波数領域に設定することにより、毛細１（
１１−Ｒの動きによる光電流の脈動をトランジスタ７の
ドレイン電圧の脈動に変換することができる。

このドレイン電圧の脈動は脈拍検出信号として信号処理
回路６に伝達され、波形整形された上、脈拍信号Ｓとし
て出力されるのである。

以上に第３図の脈拍検出回路が外光の入射に対し安定な
動作点電圧を維持する理由について説明したが、以下に
同実施例における直管脈動検出感度について述べる。

第４図は第３図の回路図中に示したモストランジスタ７
の動作点を説明するトランジスタ特性グラフであり、縦
軸はドレイン電流ＩＤＳ、横軸はドレイン−ソース間電
圧ＶＤＳとゲート−ソース間電圧Ｖ。８とをそれぞれ示
している。

特性曲線ａはゲート−ソース間電圧Ｖ。８とドレイン電
流ＩＤＥの関係を示し、特性曲線す及びＣはそれぞれゲ
ート−ソース間電圧ＶＧＳがｖｌ及び■２の時のドレイ
ン−ソース間電圧ＶＤＳとドレイン電流ＩＤ８の関係を
示している。今、ホトトランジスタ２に入射する外光が
少なく、入射光の直流分が小さい時、ドレイン電流ＩＤ
Ｓは光電流の直流分工、である。この時ゲートーソース
間電圧Ｖ。８とドＶインーソース間電圧ＶＤＳは共にＶ
ｌであり、曲線ａと曲線すの交点が動作点Ｐ１　となる
。この動作点Ｐ、の周辺において、光電流すなわちドレ
イン電流（よりｓ）の交流的変化分が△Ｉであった時、
ドレイン電圧（ｖＤ８）の変化は△ｖ１　となり、極め
て大きな電圧感度が得られるのである。

一方ホトトランジスタ２に入射する外光が多くなり、ド
レイン電流（ＩＤ８）が大きな値（■２　）となった時
、ゲート−ソース間電圧（■ｏ８）及びドレイン−ソー
ス間電圧ＶＤＳは共にｖ２であり曲線ａと曲線Ｃの交点
が動作点Ｐ２となる。

曲線ａに示されるようにゲート−ソース間電圧（ｖ６８
）の変化に対し、ドレイン電流（ＩＤ８）は極めて大き
な変化を示すので、二つの動作点Ｐ１とＰ２の電圧（Ｖ
ｌ　）と（Ｖ２　）の違いはわずかである。このことは
前述したホトトランジスタ２の動作点、安定化効果を別
の観点から説明するものである。

動作点Ｐ　２の周辺においてドレイ／電流（ＩＤ８）の
交流的変化分が△工である時、ドレイン電圧（ＶＤ８）
の変化は△ｖ２となり、動作点Ｐ、と同じような大きな
電圧感度が得られるのである。

この結果発光ダイオード１の発光強度を弱めることが可
能となり、消費電力節約効果が派生する。

第５図は本発明の第二の実施例である光電検出型脈拍計
の脈拍検出回路を示す回路図である。

この回路においてはモストランジスタ７のゲートとドレ
イン間に接続された帰還回路が帯域除去フィルター１１
で構成されている。この帯域除去フィルター１１の中心
周波数は約１．５　Ｈｚであり、０、５　Ｈｚから４　
Ｈｚの範囲の信号を選択的に除去する。

したがって通常の人間の脈拍周波数に相当する範囲の信
号に対してのみ負帰還がかからないので脈拍信号のみを
電流電圧変換することが可能となり、外光の直流的な影
響と共に、商用電源の照明装置が発する５０Ｈｚ以上の
光のリップルによる影響等を排除し更に安定な脈拍検出
ができる。

第６図の回路図は第３図の実施回路例で示されるＮチャ
ンネルエンハンスメント型モストランジスタ７の代りに
Ｐチャンネルエンハンスメント型モストランジスタ１２
で実現した場合を示す本発明の第三の実施例である光電
検出型脈拍計における脈拍検出回路である。

又第７図は第３図の脈拍検出回路の変形例を示す回路図
である。第６図及び第７図の実施例においては、モスト
ランジスタ７及び１２がホトトランジスタ２のコレクタ
に接続されているが、動作原理は第３図の実施例と全く
同等である。

以上の各実施例回路により、外光を遮断しなくても動作
点電圧が安定化できる上に光電流の交流外を電圧変換す
る場合において全ての外光条件において変らない高い感
度を得ることができる本発明の脈拍検出回路を説明した
。本発明により光電検出型の脈拍計において、検出部分
を遮蔽する部材を排除することができると、単に構造が
簡単になったり、取扱い性が良くなったりするだけでな
く、次のような性能上の利点も派生する。

すなわち指先の組織を貫通してホトトランジスタ２に入
射する外光も又、心臓の拍動によって膨張と収縮を繰り
返す指先の毛細血管に影響されて変動する。このためホ
トトランジスタ２に入射する光信号が単に発光ダイオー
ド１からの光による場合よりも大きくなり、その分発光
ダイオードの電力消費を節約することができる。更に脈
拍測定を行う条件では必ず十分な外光が存在すると言う
前提を設ければ、発光ダイオードのような光源を脈拍計
に装備する必要すらなくなるのである。勿論この場合の
消費電力節約の効果は極めて大きく、携帯用脈拍計の電
池寿命は大巾に延長される。

尚本発明による光電検出型脈拍計は、検出部分の遮光を
するための構造を必要としないばかりか、低消費電力化
が達成されているので腕時計と組合せて脈拍計付腕時計
を容易に実現できる。この時モストランジスタや信号処
理回路は時計の回路の主要部を構成する集積回路上に搭
載することによってコストの低減がなされる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来の光電検出型の脈拍検出回路を
示す回路図並びにその検出部を示す構成図、第３図、第
５図、第６図及び第７図は本発明によりなる光電検出型
脈拍計の脈拍検出回路の具体的な各実施例を示す回路図
、第４図は、第３図の実施例に＾れるモストランジスタ
７の動作を説明するトランジスタ特性グラフである。 １・・・・・・発光ダイオード　２・・・・・・ホトト
ランジスタ５・・・・・・直流電源 ７・・・・・・Ｎチャンネルモストランジスタ１２・・
・・・・Ｐチャンネルモストランジスタ１１・・・・・
・帯域除去フィルター Ｆ・・・・・・低域通過フィルター 第５図 −１７９− 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 指先の毛細血管の脈動によって生ずる光の散乱状態の変
   化を検出して脈拍信月とする方式の脈拍計において光電
   変換素子と、エンハンスメント型のモストランジスタと
   、フィルターとを有し、前記モストランジスタのドレイ
   ／電圧を前記フィルターを介して該モストランジスタの
   ゲートに印加すると共に、該モストランジスタと前記光
   電変換素子を直列に接続し、該光電変換素子により供給
   される光電流の特定の周波数成分のみを電圧変換するこ
   とを特徴とする脈拍検出回路。