WO2018051975A1 - 生体情報測定装置 - Google Patents

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Abstract

異なる波長の光を放射するN個(Nは3以上の整数)の発光素子21と、前記発光素子21から放射された生体組織10を介して反射された光を受光し、異なる波長の光に応じた信号を出力するN-1個の受光素子22とを備えるセンサモジュール20と、前記受光素子22の出力に基づく信号処理を実行する信号処理部とを含み、前記センサモジュール20の前記受光素子22を中心とする同一半径の円周上に、少なくとも2つの前記発光素子21が配設されている。

Description

生体情報測定装置
 本発明は、生体情報測定装置に関する。特に、複数の生体情報を測定する光学式の生体情報測定装置に関する。
 従来から、光学式の生体情報測定装置として、脈拍計やパルスオキシメータ等が知られている。パルスオキシメータは、生体の血液中酸素飽和度を非観血的に測定するものである。その原理は、所定の波長を有する光の酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンに対する吸光度の違いを利用し、発光素子により波長の異なる光を生体に放射して各光の吸光度を検出することにより、生体の血液中酸素飽和度を測定するものである(例えば、特許文献1を参照)。
特開第3116255号公報
 ところで、特許文献1に示すようなパルスオキシメータは、2つの発光素子及び1つの受光素子を備えるが、例えば血中酸素飽和度と血中グルコース濃度とを測定するというような、複数の血液成分を含む生体情報を取得することが困難であった。複数の生体情報を所得するためには、それぞれ別個の発光素子と受光素子が必要になる。
 そこで、図10に示すような、2つのセンサモジュールを有するパルスオキシメータが想定されるが、4つの発光素子を備える必要があり、装置の小型化および省電力化を図れない、という問題があった。
 本発明は、簡易な構成により小型化および省電力化を実現した、複数の生体情報を取得可能な生体情報測定装置を提供することを目的とする。
 上記目的を達成するため、本発明の1態様の生体情報測定装置は、
 異なる波長の光を放射するN個(Nは3以上の整数)の発光素子と、上記発光素子から放射された生体を介して反射された光を受光し、異なる波長の光に応じた信号を出力するN-1個の受光素子とを備えるセンサモジュールと、
 上記受光素子の出力に基づく信号処理を実行する信号処理部と、
を含み、
 上記センサモジュールの上記受光素子を中心とする同一半径の円周上に、少なくとも2つの上記発光素子が配設されていることを特徴とする。
 また、上記目的を達成するため、本発明の1態様の生体情報測定装置は、
 第1波長の光を放射する第1発光素子と、
 第2波長の光を放射する第2発光素子と、
 第3波長の光を放射する第3発光素子と、
 上記第1発光素子および上記第2発光素子から放射された生体を介して反射された光を受光し、異なる波長の光に応じた信号を出力する第1受光素子と、
 上記第2発光素子および上記第3発光素子から放射された生体を介して反射された光を受光し、異なる波長の光に応じた信号を出力する第2受光素子と、
を備えるセンサモジュールと、
 上記受光素子の出力に基づく信号処理を実行する信号処理部と、
を含み、
 上記センサモジュールの上記第1受光素子を中心とする同一半径の円周上に、上記第1発光素子および上記第2発光素子が配設され、上記第2受光素子を中心とする同一半径の円周上に、上記第2発光素子および上記第3発光素子が配設されていることを特徴とする。
 本発明によれば、簡易な構成により小型化および省電力化を実現した、複数の生体情報を取得可能な生体情報測定装置を提供することができる。
本発明の第1実施形態に係る生体情報測定装置におけるセンサモジュールの構成例を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る生体情報測定装置におけるセンサモジュールの発光素子と受光素子の配置を示す概略平面図である。 本発明の第1実施形態に係る生体情報測定装置におけるセンサモジュールの発光素子と受光素子の配置を示す概略平面図である。 本発明の第2実施形態に係る生体情報測定装置の機能的構成を示すブロック図である。 本発明の第3実施形態に係る生体情報測定装置の機能的構成を示すブロック図である。 本発明の第3実施形態に係る生体情報測定装置の1例としての外観構成を示す図である。 本発明の第4実施形態に係る生体情報測定装置の1例としての外観構成を示す図である。 本発明の第5実施形態に係る生体情報測定装置の1例としての外観構成を示す図である。 本発明の第4実施形態に係る生体情報検出装置を、外部装置に取り付けた模式図である。 本発明の生体情報測定装置を生体組織に装着固定するためのバンド部を示す模式図である。 従来の生体情報測定装置におけるセンサモジュールの構成例を示す図である。
 以下に、本発明に係る生体情報測定装置の各種の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
 図1は、本発明の第1実施形態に係る生体情報測定装置におけるセンサモジュールの構成例を示す図である。本発明のセンサモジュール20は、3つの発光素子21及び2つの受光素子22を備える。本発明のセンサモジュール20は、上述した図10に示すものと比較し、1つ発光素子21が少ないことを特徴としている。
 図1に示すセンサモジュール20を備える生体情報測定装置100は、3つの発光素子21からそれぞれ異なる波長の光を生体組織10に放射し、その反射光を共通の2つの受光素子22により受光し、波長の光に応じた信号を出力する。これにより、パルスオキシメータの特徴である被測定者の体動に伴う信号の変動の吸収及び血中酸素飽和度の取得を実現しつつ、血中グルコース濃度も測定するように、複数の血液成分を含む生体情報を取得することができる。また、生体の同一成分を測定しその平均値を算出することが可能であり、さらに、一方の受光素子に異常が生じても他方の受光素子が正常であれば、求める生体情報を取得することも可能であるため、測定値の信頼性向上が実現される。さらに、従来の装置と比較し1つ発光素子21が少ない簡易な構成により、従来の発光素子21に必要な実装スペースや、駆動回路による電圧ロス等が解消され、装置の小型化および省電力化が実現される。
 図2Aおよび図2Bは、本発明の生体情報測定装置におけるセンサモジュールの発光素子と受光素子の配置を示す概略平面図である。センサモジュール20は、N個の発光素子21とN-1個の受光素子22を備える。図2Aは、Nが3の場合の配置の1例、図2Bは、Nが5の場合の配置の1例を示す。
 第1発光素子21と第2発光素子21が、第1受光素子22を中心とした1点鎖線に示す半径rの円周上に配設され、第2発光素子21と第3発光素子21が、第2受光素子22を中心とした1点鎖線に示す半径rの円周上に配設されている。上記半径rは、2つの発光素子21と共通の受光素子22との中心間隔を示すものである。センサモジュール20の小型化を実現するため、半径rは1mm以内が好ましい。なお、図2Aのように、第1発光素子、第2発光素子、第3発光素子、第1受光素子及び第2受光素子は、同一直線上に配設されてもよい。
 また、図2Bでは、発光素子21と受光素子22の配設形状が2列となるように配設されているが、必ずしもその必要はなく、例えば1列や3列に配設形状されていてもよい。要するに、発光素子21は共通の受光素子22との間の距離が同一となるようにその受光素子の周りに設けられていればよい。
 図3は、本発明の第2実施形態に係る生体情報測定装置の機能的構成を示すブロック図である。本実施形態に係る生体情報測定装置100は、センサモジュール20及び信号処理部30を備える。発光素子21は、赤色領域の波長を放射する赤色LED71、赤外領域の波長を放射する赤外LED72及び近赤外領域の波長を放射する近赤外LED73を備える。受光素子は、赤色領域から赤外領域の波長の光を受光するフォトダイオード74及び赤外領域から近赤外領域の波長の光を受光するフォトダイオード75を備える。信号処理部30は、スイッチ回路31、アンプ回路32、ローパスフィルタ33、ハイパスフィルタ34、AD変換回路35及びマイクロコントローラ36を備える。なお、フォトダイオード74の受光する波長の領域は、600~1000nmが好ましい。フォトダイオード75の受光する波長の領域は、900~1600nmが好ましい。
 センサモジュール20の赤色LED71、赤外LED72及び近赤外LED73は、スイッチ回路31により選択的に発光され、生体組織10に異なる波長の光を照射する。生体組織10を介して反射された光は、センサモジュール20のフォトダイオード74及び75により受光され、波長に応じた信号を出力する。スイッチ回路31は、フォトダイオード74及び75から出力された信号を、アンプ回路32にそれぞれ振り分け、出力する。ここで、それぞれのアンプ回路32は、スイッチ回路31による開放時のアンプ回路32の出力電圧の低下を防ぐため開放時にそれまでの電圧を保持するためのホールド回路を備える。ローパスフィルタ33は、アンプ回路32から出力された信号を、所定のカットオフ周波数で低域濾過し、出力する。ハイパスフィルタ34は、ローパスフィルタ33から出力された信号を、所定のカットオフ周波数で高域濾過し、出力する。AD変換回路35は、ハイパスフィルタ34から出力された信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して出力する。マイクロコントローラ36は、AD変換回路35から出力されたデジタル信号に基づいて、波形整形などの信号処理を実行し、測定結果としての生体情報を出力する。取得する生体情報は、脈拍、血中酸素濃度または血中グルコース濃度のうちの1つ以上を含む。
 なお、上記に記載した各種の処理は、記載に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。
 図4は、本発明の第3実施形態に係る生体情報測定装置の機能的構成を示すブロック図である。第3実施形態に係る生体情報測定装置100は、上述した第2実施形態に係る生体情報測定装置100に加えて、温度センサ80、加速度センサ82、ジャイロセンサ84、GSRセンサ86、制御部88、警告部90、通信部92及び電源部94をさらに含む。
 温度センサ80は、被測定者の生体温度や外部温度を検出する機能を備える。温度センサ80は、制御部88に接続され、検出した信号を制御部88に出力する。
 加速度センサ82及びジャイロセンサ84は、被測定者の体動を検出する機能を備える。加速度センサ82及びジャイロセンサ84は、制御部88に接続され、検出した信号を制御部88に出力する。本実施形態のように、加速度センサ82及びジャイロセンサ84の両方を有して構成し、両方のセンサの検出結果を併用してもよいし、いずれか単独でもよい。
 GSRセンサ86は、被測定者のGSR(galvanic skin response 皮膚電気反射)値を検出する機能を備える。GSRセンサ86は、制御部88に接続され、検出した信号を制御部88に出力する。
 制御部88は、上述した各種センサに接続されている。制御部88は、マイクロコントローラ36を含み、生体情報測定装置100の動作全般を制御する制御装置及び信号処理装置である。制御部88は、実行される制御プログラム、処理結果及び各種データなどを記憶する機能も備える。制御部88は、各種センサを制御し、生体情報の測定データの取得、解析及び出力動作を行う。これらの測定データは、各種センサで検出する信号を取得する度に通信部92を介して外部装置400に送信するようにしてもよいし、制御部88に一旦格納しておいて定期的に送信するようにしてもよい。また、取得した測定データを外部装置400に送信する場合、上述した測定データのデータ解析は、外部装置400で行ってもよい。
 なお、上記各種センサから制御部88に出力される信号は、アナログ信号であるので、制御部88は、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換機能を備える。ただし、入力されるアナログ信号を直接、外部装置400に送信する場合には、AD変換機能を備えなくてよい。
 得られる生体情報としては、例えば、発汗、心拍、脈波、皮膚温度、皮膚電気反射、皮膚抵抗値、血中酸素飽和度、血中グルコース濃度等があり、生体情報測定装置100の利用目的に応じて適宜採択すればよい。
 警告部90は、所定の光を出力する光出力部または所定の音声を出力する音声出力部を備える。取得した生体情報が、所定の閾値以下であることの検出に基づいて、被測定者などに所定の光または音声を発する機能を備える。また、被測定者によって、生体情報の測定が停止された後に、一定時間測定が開始されない場合に、警告部90が測定の再開を促すよう、光や音声を発してもよい。
 通信部92は、制御部88により信号処理された測定データを、外部装置400へ無線または有線で送信する機能を備える。また、取得した生体情報が所定の閾値以下であることの検出に基づいて、異常を知らせる信号を外部装置400に送信する機能を備える。本実施形態では、例えば赤外線通信やBluetooth(登録商標)等の方式で、無線送受信機402を備える外部装置400へ送信する。
 また、通信部92は、ケーブル98により外部の情報装置に送信してもよい。この場合、給電はこのケーブル98の電源ラインを利用して行うので、ケーブル98を介した外部装置400との接続時には同時に給電することになる。ケーブル98は、USBケーブルでもよい。
 電源部94は、着脱可能な外付けのバッテリー96または電源供給可能な外部装置400と接続するための接続端子、電源回路及び充電回路を備える。この接続端子は、USB端子でもよい。
 外部装置400は、無線送受信部402を備える。例えば携帯端末やタブレット端末などが挙げられる。外部装置400は、通信部92から受信した測定データなどを表示できる、表示部を備えるものがよい。これにより、生体情報測定装置100の被測定者は、自身の現在または過去の生体情報を数値で確認することができる。
 なお、生体情報測定装置100および外部装置400は、本実施形態の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したりするなどの種々の変形実施が可能である。
 図5は、本発明の第3実施形態に係る生体情報測定装置の1例としての外観構成を示す図である。本実施形態に係る生体情報測定装置100の外観には、筐体97、2つのフォトダイオード74及び75、GSRセンサ86、所定の光や音を出力する警告部90及び着脱可能な外付けのバッテリー96を示している。本実施形態では、筐体97は、略直方体の箱状の部材であり、光透過窓を備える。光透過窓は、光を透過する部材で形成され、光透過窓を透過した光は、センサモジュールの受光素子により受光される。筐体97の内部は各種センサなどの配置空間となる。本実施形態では、有線のケーブルを有さず、ウェアラブル型の装置となる。なお、筐体97の厚みは薄いほうが適しており、3mm以下であるとよい。
 図6は、本発明の第4実施形態に係る生体情報測定装置の1例としての外観構成を示す図である。本実施形態に係る生体情報測定装置100の外観には、筐体97、2つのフォトダイオード74及び75、GSRセンサ86、所定の光や音を出力する警告部90、ケーブル98を示している。本実施形態に係る生体情報測定装置100は、ケーブル98を介して、外部装置400から給電する。また、ケーブル98を介して外部の情報装置400にデータを送信することができる。ケーブル98はUSBケーブルでもよい。本実施形態では、ポータブル型の装置となる。
 図7は、本発明の第5実施形態に係る生体情報測定装置の1例としての外観構成を示す図である。本実施形態に係る生体情報測定装置100の外観には、筐体97、2つのフォトダイオード74及び75、GSRセンサ86、所定の光や音を出力する警告部90、接続端子99を示している。接続端子99は、バッテリー96および外部装置400いずれにも接続可能である。接続端子99はUSB接続端子でもよい。
 本実施形態では、第3実施形態に示したウェアラブル型、第4実施形態に示したポータブル型、いずれの装置にもなる。本実施形態によれば、ウェアラブル型、ポータブル型の装置をそれぞれ別個に製造する必要がなく、工数と製造コストを削減することができる。
 図8は、本発明の第4実施形態に係る生体情報検出装置を、外部装置に取り付けた模式図である。生体情報測定装置100は、ケーブル98を介して、外部装置400と接続され、外部装置400から電力が供給されたり、外部装置400との間でデータ通信が実行されたりする。表示部を備える外部装置400であれば、生体情報測定装置100により得られた測定データが外部装置400に表示される構成をとる。本発明の光センセモジュール20は、小型化が実現されているため、厚みが薄く、相対的に本実施形態に係る生体情報測定装置100の筐体97も小型で薄くなる。このため、図8に示すように、本実施形態に係る生体情報測定装置100は、外部装置400の上面に備えることができ、被測定者の行動を制限せず、携帯性に優れる。
 図9は、本発明の生体情報測定装置を生体組織に装着固定するためのバンド部を示す模式図である。バンド部は、第1バンド部500及び第2バンド部502を備える。第1バンド部500は、生体情報測定装置100を着脱自在に保持するとともに、生体組織10に接触するように内部表面を備える。本図では、例えば、第1バンド部500の図に示す点線部分に生体情報測定装置100を格納できる穴部を備える。第2バンド部502は、第1バンド部500の上に装着され、生体組織10に接する面または直接漏れ込む光を遮蔽する伸縮性の遮光部材を備える。
 なお、本図では、生体の手首に巻いて装着するバンド型の生体情報測定装置100を例に挙げて説明したが、本発明を適用可能な生体情報処理装置100はこれに限られない。例えば、指先に装着して生体情報を測定する指装着型や、眼鏡のフレームに測定装置を格納した眼鏡型の生体情報測定装置100に適用することも可能である。
 上記の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
 さらに、上記に記載した各実施形態、動作の構成は、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施可能であることはもちろんである。
 本出願は、2016年9月14日に出願された日本出願特願2016-179380号に基づく優先権を主張し、この日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
 10  生体組織
 11  血液
 20  センサモジュール
 21  発光素子
 22  受光素子
 30  信号処理部
 71  赤色LED
 72  赤外LED
 73  近赤外LED
 74  フォトダイオード
 75  フォトダイオード
 80  温度センサ
 82  加速度センサ
 84  ジャイロセンサ
 86  GSRセンサ
 88  制御部
 90  警告部
 92  通信部
 94  電源部
 96  バッテリー
 98  ケーブル
 99  接続端子
 100 生体情報測定装置
 400 外部装置
 402 無線送受信部
 500 第1バンド部
 502 第2バンド部

Claims (17)

  1.  生体情報を測定するための装置であって、
     異なる波長の光を放射するN個(Nは3以上の整数)の発光素子と、前記発光素子から放射された生体を介して反射された光を受光し、異なる波長の光に応じた信号を出力するN-1個の受光素子と、を備えるセンサモジュールと、
     前記受光素子の出力に基づく信号処理を実行する信号処理部と、
    を含み、
     前記センサモジュールの前記受光素子を中心とする同一半径の円周上に、少なくとも2つの前記発光素子が配設されていることを特徴とする、生体情報測定装置。
  2.  前記センサモジュールの前記発光素子は、赤色LED、赤外LEDまたは近赤外LEDを含む、請求項1に記載の生体情報測定装置。
  3.  前記センサモジュールの前記受光素子は、赤色領域から赤外線領域または赤外線領域から近赤外線領域の波長の光を受光するフォトダイオードを含む、請求項1または2に記載の生体情報測定装置。
  4.  生体情報を測定するための装置であって、
     第1波長の光を放射する第1発光素子と、
     第2波長の光を放射する第2発光素子と、
     第3波長の光を放射する第3発光素子と、
     前記第1発光素子および前記第2発光素子から放射された生体を介して反射された光を受光し、異なる波長の光に応じた信号を出力する第1受光素子と、
     前記第2発光素子および前記第3発光素子から放射された生体を介して反射された光を受光し、異なる波長の光に応じた信号を出力する第2受光素子と、
    を備えるセンサモジュールと、
     前記受光素子の出力に基づく信号処理を実行する信号処理部と、
    を含み、
     前記センサモジュールの前記第1受光素子を中心とする同一半径の円周上に、前記第1発光素子および前記第2発光素子が配設され、前記第2受光素子を中心とする同一半径の円周上に、前記第2発光素子および前記第3発光素子が配設されていることを特徴とする、生体情報測定装置。
  5.  前記第1発光素子、前記第2発光素子、前記第3発光素子、前記第1受光素子及び前記第2受光素子が、同一直線上に配設されていることを特徴とする、請求項4に記載の生体情報測定装置。
  6.  前記第2波長は、赤外領域の波長であり、
     前記第2発光素子は、赤外LEDである、請求項4または5に記載の生体情報測定装置。
  7.  前記第1波長は、赤色領域の波長であり、前記第2波長は、赤外領域の波長であり、前記第3波長は、近赤外領域の波長であり、
     前記第1発光素子は赤色LEDであり、前記第2発光素子は赤外LEDであり、前記第3発光素子は近赤外LEDであり、
     前記第1受光素子は赤色領域から赤外線領域の波長の光を受光するフォトダイオードであり、前記第2受光素子は赤外線領域から近赤外線領域の波長の光を受光するフォトダイオードである、請求項4または5に記載の生体情報測定装置。
  8.  前記第1受光素子の受光する波長の領域が、600~1000nmであり、
     前記第2受光素子の受光する波長の領域が、900~1600nmである、請求項7に記載の生体情報測定装置。
  9.  前記生体情報が、脈拍、血中酸素濃度または血中グルコース濃度のうちの1つ以上を含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の生体情報測定装置。
  10.  生体情報を取得するための装置であって、
     生体組織または外部の温度を検出する温度センサ、被測定者の動きを検出する加速度セン、ジャイロセンサまたは電気皮膚反応(GSR)を検出するGSRセンサのうちの1つ以上を含むセンサ部と、
     前記センサ部に接続された制御部と、
     所定の光を出力する光出力部および所定の音声を出力する音声出力部のうちの1つ以上を含む警告部と、
     前記制御部と外部装置の間で信号の送受信を行う通信部と、
     前記制御部に給電するための電源部と、
    をさらに含む、請求項1~9のいずれか1項に記載の生体情報測定装置。
  11.  前記生体情報が、所定の閾値以下であることの検出に基づいて、前記警告部が所定の光または音声を発するように構成されている、請求項10に記載の生体情報測定装置。
  12.  前記生体情報が、所定の閾値以下であることの検出に基づいて、前記通信部を介して異常を知らせる信号を前記外部装置に送信するよう構成されている、請求項10または11に記載の生体情報測定装置。
  13.  前記通信部における前記信号が無線信号である、請求項10~12のいずれか1項に記載の生体情報測定装置。
  14.  前記外部装置は、前記生体情報を表示可能な表示部を含み、
     前記外部装置の前記表示部に、当該生体情報測定装置の前記通信部を介して前記生体情報を表示させることを特徴とする、請求項10~13のいずれか1項に記載の生体情報測定装置。
  15.  前記電源部は給電用の接続端子を備え、前記接続端子は、バッテリーおよび当該生体情報測定装置に電源を供給可能な前記外部装置のいずれとも接続可能な端子である、請求項10~14のいずれか1項に記載の生体情報測定装置。
  16.  前記電源部の前記接続端子は、USB端子である、請求項15に記載の生体情報測定装置。
  17.  本体部と、前記本体部を生体の測定部位に装着固定するためのバンド部とを備える生体情報測定装置であって、
     前記本体部は、
     異なる波長の光を放射するN個(Nは3以上の整数)の発光素子と、前記発光素子から放射された生体を介して反射された光を受光し、異なる波長の光に応じた信号を出力するN-1個の受光素子と、を備えるセンサモジュールと、
     生体組織または外部の温度を検出する温度センサ、被測定者の動きを検出する加速度セン、ジャイロセンサまたは電気皮膚反応(GSR)を検出するGSRセンサのうちの1つ以上を含むセンサ部と、
     前記センサ部に接続された制御部と、
     所定の光を出力する光出力部および所定の音声を出力する音声出力部のうちの1つ以上を含む警告部と、
     前記制御部と外部装置の間で信号の送受信を行う通信部と、
     前記制御部に給電するための電源部と、
    から構成され、
     前記バンド部は、前記本体部を着脱自在に保持するとともに、前記本体部が生体に接触するように内部表面を有する第1バンド部と、
     前記第1バンド部の上に装着され、前記生体に接する面または直接漏れ込む光を遮蔽する伸縮性の遮光部材を備える第2バンド部と、
    から構成されることを特徴とする、生体情報測定装置。

     
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