JPS61187836A - 脈拍計 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、被験者の脈拍を光電変換方式によって計測
しようとする分野で利用される。より詳しく言えば、こ
の発明は、光電変換方式による計測方法が採用された脈
拍計の改良に関するものである。

［従来の技１１ｉｉ］ 血管内の血流量は、心臓の拍動に伴って周期的な変動を
繰返す。したがって、血流量の変動を検出することによ
り、被験者の脈拍を計測することが可能である。

かかる血流量の周期的な変動は、たとえばホトセンサを
用いた充電変換方式によって、外部から、人体を傷つけ
ることなく検出可能である。というのは、人体の細かい
毛細血管に流れるＩｉｈ梳最に応じて、人体の光透過率
が変化するからである。したがって、この光電変換方式
に基づ（脈拍計が、従来から種々提案されている。

このような脈拍計の最も一般的な従来例は、被験者の耳
朶または指先を被検出部位に選んでいる。

というのは、このような厚みの薄い検出部位においては
、光が透過し易く、かつ、光透過率は、血流量の変動に
応じて変化し、それを検出することにより血流量の変化
を知り得るからである。また、このような人体の端部は
、筋肉の動きによる影響が少なく、厚みの変動がなく、
測定誤差が生じ難いからである。そこで、従来の脈拍計
は、発光部と受光部とからなるホトセンサで被検出部位
を挾み、該部位の血流量変動に伴った透過光量の変化を
検出するように構成されている。

しかるに、このような脈拍計では、受光部に対して、発
光部からの光のみならず、周囲環境に存する自然光や照
明光までもが、直接的に、あるいは被検出部位を透過し
て入射する。ホトセンサ受光部へのこれらの外来光の入
射光量が常に一定であるならば、外来光は脈拍の正確な
計測を特に阻害するものではない。しかしながら、ホト
センサ受光部への外来光の入射光量は、ホトセンサを装
着した被験者が移動し、または姿勢を変えることによっ
て、かなり変化するのが実情である。そして、このよう
な外来光の量的変化は、受光部で検出される発光部から
の光の変化に影響を与え、脈拍による光量変化の検出の
正確性を欠く原因となる。

よって、従来の光電変換方式が採用された脈拍計は、外
来光の影響を受けて不安定であり、特に、周囲環境が明
るく、被験者が動く状態では、不正確になることを免れ
難い。

そこで、このような外来光の影響を排除する技術が、種
々提案されている。

実開昭５７−１０７５０４号公報および同５７−１１６
２０９号公報には、外来光がホトセンサ受光部へ入射し
難いような遮蔽構造の脈拍計が開示されている。

特開昭５８−６７２３４号公報には、外来光を遮断しな
いで、その影響だけを排除しようとする試みが提案され
ている。

さらに、米国特許第４３０１８０８号公報には、赤外−
ｆａ域で動作するホトセンサを採用した脈拍計が開示さ
れている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記既提案のいずれの技術においても、
外来光の影響を十分に除去し得てはおらず、自然光や照
明光による明るい周囲環境の下では、正確な脈拍計測を
行なうことができないという問題点があった。

そこで、この発明は、光電変換方式で脈拍を計測する脈
拍計において、外来光を遮断することなく外来光による
影！を排除でき、正確な脈拍計測が行なえるように改良
された脈拍計を提供するものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、光信号を出力する発光部と、光信号を電気
信号に変換する変換素子であって、光信号一電気信号の
変換特性が直線的な特性を有する受光部とを含み、該発
光部と受光とは近接して配置されていて、かつ、それぞ
れ、人体の被測定部位に当接され使用されるように構成
されたセンサと、 前記発光部に対して駆動信号を与え、該発光部を所定の
周波数以上の周波数で点滅させる発光部駆動手段と、 前記受光部に結合され、該受光部で電気信号に・変換さ
れて出力される信号から、直流成分および低周波成分を
除去して、所望の信号成分を検出する検出手段とを含む
構成である。

し作用］ 脈拍検出時において、発光部は発光部駆動手段によって
、所定の周波数以上の周波数、たとえば１　　ｋＨｚ程
度の、脈拍よりも十分に高い周波数で高速点滅させられ
る。高速点滅する光信号は、被測定部位を介して受光部
で受光される。たとえば、発光部と受光部とが耳朶等の
被測定部位で隔てられて対向されている場合には、発光
部から出力される高速点滅の光信号は、被測定部位を成
る割合で透過して受光部に到達する。また、発光部と受
光部とが、被測定部位の表面に並べて配置されてる場合
には、発光部から出力される高速点滅の光信号は、被測
定部位の内部で成る割合で反射されて、受光部で受光さ
れる。

受光一部は、受光した光量に応じた電流を出力する。こ
のとき、発光部から与えられる光信号は高速点滅するパ
ルス状の断続光信号であり、それに応じて出力される電
流もパルス状の断ｖｔＮ流となる。

一方、受光部には、発光部のみならず、周囲環境からの
外来光も与えられるので、受光部は、その外来光の光量
に応じた電流も出力する。ところが、外来光は、光量が
あまり変化しないか、変化してもその変化の度合が緩慢
であるから、受光部で変換される外来光に基づ（電流は
、直流成分または低周波成分で構成される連続電流とな
る。よって、受光部から出力される電流は、パルス状の
断続電流と、直流成分および低周波成分からなる連続電
流とが重畳された電流となる。

検出手段は、受光部から出力される電気信号から、外来
光によって得られた直流成分および低周波成分を除去し
、発光部からの光信号に基づいて得られたパルス状の断
続電流を検出する。

そして、このパルス状検出出力のエンベロープの変化に
基づいて、脈拍が計測される。

［実施例］ 以下には、図面を参照して、この発明の好ましい実施例
について説明をする。

第２図は、この発明の一実施例の概略構成を示すブロッ
ク図である。第２図を参照して、ホトセンサ１は、発光
素子２と受光素子３とを含む。この実施例では、発光素
子２には発光ダイオードが用いられ、受光素子３にはホ
トダイオードが用いられている。発光素子２と受光素子
３とは、所定の近接した位置に配置されている。たとえ
ば、この脈拍計が被検出部位に耳朶を利用する場合には
、発光素子２と受光素子３とは、はぼ耳朶の厚み程度離
され、発光面と受光面とが互いに対向して配置される。

より好ましくは、発光素子２と受光素子３とは、被測定
部によって被検出部位すなわら耳゛朶の厚みが変化した
場合にも、耳朶の表裏両面に密接するように、機械的に
可動調節できるようにされている。

発光素子２は、発振源が内蔵された発光部駆動回路４に
よって、脈拍よりもはるかに高い周波数、たとえば１ｋ
）ｌｚ程度の周波数で、高速度に点滅されるようにされ
ている。

発光素子２から出力される光信号を受光する受光素子３
の出力端には、直流成分および低周波成分をカットする
ためのフィルタ回路５が接続されている。フィルタ回路
５でカットされる低周波成分は、たとえば人体が動かさ
れることによって作られるリズムの周波数や脈拍の振動
周波数程度の周波数に設定されている。すなわち、発光
素子２が発光部駆動回路４によって高速度に点滅ｔされ
たとき、それに基づいて受光素子３から出力される１ｋ
ｌ−１ｚ程度の高速パルス状信号が取出され、不要な直
流成分や低周波成分がカットされるように構成されてい
る。

そして、フィルタ回路５の出力は、前置増幅・検波回路
６で増幅検波され、パルス信号の振幅エンベロープの信
号変化が取出される。そして、その出力は交流増幅回路
７で増幅され、その出力に基づいて脈拍周期が脈拍層Ｗ
Ａ８！！！定回路８で測定され、脈拍数演算回路９で脈
拍数が算出されて、表示器１０に表示される構成になっ
ている。

次に、第６図に示されるこの実施例の構成のうち、この
実施例の特徴である発光部駆動回路４゜ホトセント１．
フィルタ回路５および前置・増幅検波回路６の具体的な
構成の一例について説明をする。

第１図は、この実施例の特徴部分の具体的な構成の一例
を示す回路図であり、第３図は、第１図の回路の動作を
説明するための波形図である。第１図および第３図を参
照して、発光部駆動回路４は、集積回路１１を中心に、
抵抗、コンデンサ。

トランジスタ等で回路が組まれている。詳しくいうと、
発光部駆動回路４は、集積回路１１のビン（１）、（２
）間および（３）、（４）闇と、抵抗Ｒ＋　、Ｒ２およ
びコンデンサＣ４とで構成された発振源を内蔵するとと
もに、この発振源に応動するスイッチングトランジスタ
Ｔを備えている。

スイッチングトランジスタＴのコレクタには、発光素子
としての発光ダイオード２が接続されている。

今、発光部駆動回路４の上記発振源を１ｋ）ｌｚまたは
それ以上の周波数で発振させると、発光部駆動回路４の
＜ａ　＞点には、第３図（ａ）に示されるような波形の
出力電圧が現われる。この出力電圧は、コンデンサＣ２
および抵抗Ｒ３からなる微分回路で立上がり微分され、
かつ集積回路１１のビン（５）、（６）間およびビン（
１３）。

（１２）間で変換されて、第３図（ｂ）に示される波形
の電圧出力とされ、スイッチングトランジスタＴのベー
スに印加される。トランジスタＴはこの出力電圧（ｂ）
の印加に応答してオンとオフに切換えられ、トランジス
タＴのコレクタ端子の電圧は、第３図（Ｃ）に示される
ように変化する。

したがって、スイッチングトランジスタＴのコレクタに
接続された発光ダイオード２は、第３図（ｌの電圧レベ
ルが落ち込むタイミングごとに、すなわちスイッチング
トランジスタＴがオンして瞬間的に電流が流れるごとに
点灯され、その結果、高速で点滅が繰返される。

発光ダイオード２から発せられるパルス状の断続光は、
受光素子としてのホトダイオード３で受光される。今、
図示しない被験者の被検出部位を発光ダイオード２とホ
トダイオード３との間に挾み、上述のように発光ダイオ
ード２を高速で点滅させると、ホトダイオード３のカソ
ード側における（ｄ　）点には、第３図（ｄ）に示され
るような断続した電圧波形に従う電流が流れる。この第
３図（ｄ　）に示される電圧波形において、パルス状の
電圧変化は、発光ダイオード２から出力される光に応答
してホトダイオード３に流れる電流の変化を表わしてい
る。そして、このパルス波形の振幅が、一定の割合で変
化しているのは、被検出部位の光透過率が血流量の変動
により変化することに基づいている。

一方、電圧波形の最低値がＯ■よりも高くなっているの
は、外来光がホトダイオード３に与えられてしまい、外
来光によってホトダイオードにある程度の連続した光が
流れてしまうためである。

この図では、外来光の光量変化が、簡単のために直線的
にされている。すなわち、第３図（ｄ　）において、外
来光は徐々に減少する場合が示されている。

このように、ホトダイオード３の出力には、発光ダイオ
ード２から被検出部位を透過して入射する本来検出され
るべき断続的な光ｍと、周囲から入射する検出には不要
な連続的な光量との総和に基づく電流が流れる。

一方、ホトダイオード３の光信号一電気信号の変換特性
（光感度特性）は、第４図に示されるように、直線的な
特性である。たとえば、外来光ｍＬ、のときに流れる電
流は【、で、外来光量り。

のときに流れる電流は１．とじた場合、外来光量り、の
ときに発光ダイオード２から照射光Ｉｔ（Ｌ２Ｌ、）が
加えられたときに増加する電流（Ｉ２−１＋）と、外来
光ＭＬ、のときに発光ダイオード２からの照射光ｆｆｉ
　（Ｌ４−ｃｓ　）が加えられたときに増加する電流（
１４１−）とを比較する。すると、照射光量が、（Ｌ２
−１＋　）　−（Ｌ、−Ｌ、）とすれば、僧加する電流
も（Ｉ２　１．）−（１，−１，、）となる。すなわち
、ホトダイオード３の感度特性は、入射光量の総和が変
化しても一定である。したがって、この実施例の回路の
ように、受光素子としてホトダイオード３を採用したホ
トセンサ１とすれば、明るい周囲環境の下において外来
光量が変化しても、第３図（ｄ）における検出出力の直
流成分が変化するだけで、交流成分、すなわちパルス波
形の振幅までを変化させることはない。

上述の内容は、ホトトランジスタの光感度特性と比較す
ると、その特徴をより明確にすることができる。すなわ
ち、ホトトランジスタは、よく知られた一般的な特徴と
して、第５図に示されるように、入射光１１とそのとき
に流れる電流Ｉとで表わされる光感度特性が非直線的で
ある。たとえば、外来光ＩＩ　Ｌ　＋のときに発光部か
らの照射光量（Ｌ２−Ｌｌ　）が加えられたときの電流
の増加分（Ｉ２−−ＩＩ　＞と、外来光量り、のときに
発光部からの照射光１ｍ（Ｌ、−Ｌｏ）が加えられたと
きの電流の増加分（１４−ｒ−−）とは、（Ｌ２　　Ｌ
ｌ）−（Ｌ４−Ｌｓ　）であっても、（Ｉ２”−ＩＩ−
＞＜（Ｉ４−−Ｉ。−）となる。すなわち、ホトトラン
ジスタの感度は、入射光量の総和が増加するに伴って、
急激に上界する。したがって、ホトトランジスタのよう
に光感度特性が非直線的な素子を受光素子３に使用した
ホトセンサ１とすれば、明るい周囲環境の下において外
来光量が変化するとき、その変化が第３図（ｄ　）のパ
ルス波形の振幅にも影響を与えてしまい、パルス信号の
振幅変化を正確に検出する妨げとなってしまう。

したがって、第１図に示されるように、ホトダイオード
３を受光素子として利用したちことも、この実施例の特
徴の１つである。

第３図（ｄ　）で示されるようなホトダイオード３から
の検出出力は、バイパスフィルタ回路５に与えられる。

バイパスフィルタ回路５は、コンデンサＣ８および抵抗
Ｒ１で構成されており、この回路５によってホトダイオ
ード３の検出出力のうちの低域成分、すなわち直流成分
を含んだ部分が除去され、出力側（ｅ）には、第３図（
ｅ）で示される電圧波形に従う出力電流が現われる。こ
の出力電流は、そのエンベロープに脈拍の変化が交流成
分として乗せられたたとえばｉ　　ｋｌ−１ｚで変化す
る断続電流である。

このような波形＜ｅ　＞で示される出力電流は、前置増
幅・検波回路６における集積回路１２のビン（３）、（
１）間で増幅されて、＜Ｘ点では第３図（ｆ’）に示さ
れる増幅された断続電流として出力される。そして、ダ
イオードＤ＋で出力電流＜ｒ＞のエンベロープだけが検
出され、（（＋　＞点では、第３図１　）に示されるよ
うな電圧波形に基づく電流となる。さらに、この電圧波
形（ｇ）に基づく電圧は、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ
３で平滑化され、その交流成分に相当した連続波形の交
流電流に変換され、集積回路１２のビン（５）、（７）
間を経た後、（ｈ）点から、第３図（ｈ）に示されるよ
うな電圧波形となって、次段の交流Ｉ！！Ｊ幅回ｆｆ１
７（第２図参照）へ出力される。

なお、この実施例における前置増幅・検波回路６では、
抵抗Ｒｓ、Ｒ２およびダイオードＤ２によって、非直線
性が付与され、個人差によるホトダイオード３からの信
号の強弱が上記（ｈ）点での出力に与える好ましくない
影響を制御するようにされている。

なお、第３図に示される各電圧波形では、図示する都合
上、断続する電圧変化の周期は、脈拍によって生じる交
流成分の周期に比較して、実際よりも約５００倍程度に
誇張されていることを付言しておく。

［発明の効果１ 以上のように、この発明によれば、光電変換方式で脈拍
を計測するには最も不都合な条件、すなわち周囲環境が
明るくかつセンサの受光部への外来光量が変化するよう
な条件の下でも、外来光による影響を受けずに、被験者
の脈拍をより正確に計測することのできる、外来光に対
して安定な脈拍計を提供することができる。

また、この発明では、センサ受光部への外来光の入射を
特に遮断する必要がない。したがって、周囲環境からの
光遮蔽構造を省略でき、構造が簡易な、ひいては被検出
部位への装着が容易な脈拍計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例の特徴部分の具体的回路
構成の一例を示す図である。第２図は、この発明の一実
施例の全体の概略構成を示すブロック図である。第３図
は、第１図の回路動作を説明するための電圧波形図であ
る。第４図は、この発明の一実施例で使用されたホトダ
イオードの光感度特性図である。第５図は、一般的なホ
トトランジスタの光感度特性図である。 図において、１はホトセンサ、２は発光ダイオード、３
はホトダイオード、４は発光部駆動回路、５はフィルタ
回路、６は前置増幅・検波回路を示す。 第２図 第４図　　　　　　　　　第５図 ＬＩ　　　Ｌ２Ｌ３　　Ｌ４　−今Ｌ　　　　　　　　
　　ＬＩ　　　Ｌ２ＬＪ　　　Ｌ４　　＋第３図 ＯＶ□

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）光信号を出力する発光部および光信号を電気信号
   に変換する変換素子であつて、光信号一電気信号の変換
   特性が直線的な特性を有する受光部を含み、該発光部と
   受光部とは近接して配置されていて、かつ、それぞれ、
   人体の被測定部位に当接されて使用されるように構成さ
   れたホトセンサと、 前記発光部に対して駆動信号を与え、該発光部を所定の
   周波数以上の周波数で点滅させる発光部駆動手段と、 前記受光部に結合され、該受光部で電気信号に変換され
   て出力される出力信号から、直流成分および低周波成分
   を除去して、所望する信号成分を検出する検出手段とを
   含む、脈拍計。
2. （２）前記受光部は、光信号を電気信号に変換する変換
   素子としてホトダイオードを含む、特許請求の範囲第１
   項記載の脈拍計。
3. （３）前記所定の周波数以上の周波数とは、人体が動か
   されることによつて作られるリズムの周波数よりも十分
   に高い周波数である、特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の脈拍計。
4. （４）前記所定の周波数以上の周波数とは、脈拍の振動
   周波数よりも十分に高い周波数である、特許請求の範囲
   第１項、第２項または第３項に記載の脈拍計。
5. （５）さらに、前記検出手段に結合され、前記検出手段
   から出力される検出出力を増幅する増幅手段と、 前記増幅手段によつて増幅された前記検出出力の周期を
   測定する周期測定手段と、 前記周期測定手段の出力に基づいて、脈拍数を演算しか
   つその結果を表示する演算・表示手段とを含む、特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の脈拍計。
6. （６）前記増幅手段は、自動ゲイン制御機能を備える、
   特許請求の範囲第５項記載の脈拍計。