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技術 脈拍計

出願人 ルネサスエレクトロニクス株式会社
発明者 廣島茜清水裕司
出願日 2015年5月15日 (6年1ヶ月経過) 出願番号 2015-099748
公開日 2016年12月22日 (4年5ヶ月経過) 公開番号 2016-214336
状態 特許登録済
技術分野 脈拍・心拍・血圧・血流の測定
主要キーワード 折り返し周波数 セットリングタイム 目標評価値 基準未満 DCオフセット信号 変換周期 調整タイミング 赤外色
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年12月22日)のものです。
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図面 (16)

課題

脈拍計消費電力を低減すること。

解決手段

脈拍計2は、発光器10と、光検出器12と、サンプルホールド回路20と、AD変換器14と、時間計測部22とを有する。発光器10は、測定対象の血管に対して、所定時間の発光周期的に繰り返す。光検出器12は、血管を介した発光器10からの光を検出する。サンプルホールド回路20は、光検出器12の出力電圧を取り込んで保持する。AD変換器14は、サンプルホールド回路20の出力電圧をアナログデジタル変換する。時間計測部22は、サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間を計測する。発光器の発光時間は、時間計測部22が計測した時間により設定される。

概要

背景

LED(light emitting diode)などの発光器と、フォトトランジスタフォトダイオードなどの光検出器とを用いた脈拍計が知られている。一般的に、脈拍計は電池により駆動するよう構成されており、消費電力を抑制することが求められている。

脈拍計の消費電力の抑制のために、LEDにおける消費電力を抑制する技術が知られている。例えば、特許文献1では、低消費電力化のため、発光素子断続的に発光させる技術が記載されている。また、特許文献1では、発光素子の点灯タイミングに対し、サンプルホールド回路サンプリングタイミングを遅らせることにより、受光素子(フォトトランジスタ)の特性による脈拍信号のS/N比劣化を防止することが記載されている。

概要

脈拍計の消費電力を低減すること。脈拍計2は、発光器10と、光検出器12と、サンプルホールド回路20と、AD変換器14と、時間計測部22とを有する。発光器10は、測定対象の血管に対して、所定時間の発光を周期的に繰り返す。光検出器12は、血管を介した発光器10からの光を検出する。サンプルホールド回路20は、光検出器12の出力電圧を取り込んで保持する。AD変換器14は、サンプルホールド回路20の出力電圧をアナログデジタル変換する。時間計測部22は、サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間を計測する。発光器の発光時間は、時間計測部22が計測した時間により設定される。

目的

1つ目の目的は、発光器10が発光する光量が不十分であるために光検出器12で取得した生体信号脈拍情報が含まれない場合又は脈拍情報が含まれなくなりそうな場合に、光量を増加させて脈拍情報を適切に取得することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

測定対象の血管に対して、所定時間の発光周期的に繰り返す発光器と、前記血管を介した前記発光器からの光を検出する光検出器と、前記光検出器の出力電圧を取り込んで保持するサンプルホールド回路と、前記サンプルホールド回路の出力電圧をアナログデジタル変換する第1のアナログデジタル変換器と、前記サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間を計測する時間計測部とを有し、前記発光器の発光時間は、前記時間計測部が計測した時間により設定される脈拍計

請求項2

前記時間計測部はタイマーを有し、前記発光器の発光後、前記第1のアナログデジタル変換器による出力結果が一定となるまでの時間を前記タイマーにより計測し、当該計測結果を前記サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間とする請求項1に記載の脈拍計。

請求項3

前記時間計測部はタイマーと、前記サンプルホールド回路の出力電圧が入力され、前記第1のアナログデジタル変換器よりも変換精度の低い第2のアナログデジタル変換器とを有し、前記発光器の発光後、前記第2のアナログデジタル変換器による出力電圧が一定となるまでの時間を前記タイマーにより計測し、当該計測結果を前記サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間とする請求項1に記載の脈拍計。

請求項4

前記サンプルホールド回路の出力信号増幅して前記第1のアナログデジタル変換器に出力する増幅回路と、前記発光器の光量を制御するための第1の信号又は前記増幅回路のバイアス電圧を制御するための第2の信号をデジタルアナログ変換するデジタルアナログ変換器の出力が入力されるオペアンプと、前記発光器を前記第1の信号に基づいて駆動するための定電流駆動回路として前記オペアンプを用いる第1の状態と、前記第2の信号に基づくバイアス電圧を前記増幅回路に供給するためのバッファ回路として前記オペアンプを用いる第2の状態とを切り替えるスイッチとを有する請求項1に記載の脈拍計。

請求項5

前記光検出器は、前記血管に反射した前記発光器からの光を検出する請求項1に記載の脈拍計。

請求項6

前記第1のアナログデジタル変換器により変換されたデータを周波数解析する周波数解析部をさらに有する請求項1に記載の脈拍計。

請求項7

前記周波数解析部は、高速フーリエ変換により周波数解析を行う請求項6に記載の脈拍計。

請求項8

前記サンプルホールド回路はスイッチと容量素子とで構成され、前記スイッチは前記発光器の発光周期に合わせて制御される請求項1乃至7のいずれか1項に記載の脈拍計。

技術分野

0001

本発明は脈拍計に関し、例えば血管に対して発光する脈拍計に関する。

背景技術

0002

LED(light emitting diode)などの発光器と、フォトトランジスタフォトダイオードなどの光検出器とを用いた脈拍計が知られている。一般的に、脈拍計は電池により駆動するよう構成されており、消費電力を抑制することが求められている。

0003

脈拍計の消費電力の抑制のために、LEDにおける消費電力を抑制する技術が知られている。例えば、特許文献1では、低消費電力化のため、発光素子断続的に発光させる技術が記載されている。また、特許文献1では、発光素子の点灯タイミングに対し、サンプルホールド回路サンプリングタイミングを遅らせることにより、受光素子(フォトトランジスタ)の特性による脈拍信号のS/N比劣化を防止することが記載されている。

先行技術

0004

特開平3−126437号公報

発明が解決しようとする課題

0005

脈拍計の更なる低消費電力化を図るためには、発光素子の発光時間を如何に設定するかが重要となるが、特許文献1では、発光素子を断続的に発光させることに伴うS/N比劣化を防止することについて開示するに留まり、発光時間としては固定値(0.48ms)が採用されている。つまり、特許文献1では、発光素子の発光時間をどのように決定するかについては開示されていない。脈拍計の省電力化では、発光時間を抑制することが求められている。

0006

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

課題を解決するための手段

0007

一実施の形態によれば、脈拍計は、サンプルホールド回路の出力が一定となるまでの時間を計測する時間計測部を有し、発光器の発光時間は、前記時間計測部が計測した時間により設定される。

発明の効果

0008

前記一実施の形態によれば、脈拍計の消費電力を低減することができる。

図面の簡単な説明

0009

実施の形態1にかかる脈拍計の構成を示すブロック図である。
発光器及び光検出器により脈拍信号を取得する様子を示す模式図である。
周波数解析部による周波数解析結果の例を示すグラフであり、(A)は脈拍信号の周波数スペクトルの大きさが所定の基準よりも小さい場合の例を示し、(B)は脈拍信号の周波数スペクトルの大きさが所定の基準よりも大きい場合の例を示している。
比較例にかかる脈拍計における受光信号振幅の例を示すグラフであり、(A)は受光信号にノイズがない場合の振幅の例を示し、(B)は受光信号に体動などに起因するノイズが含まれる場合の振幅の例を示している。
比較例にかかる光量の調整の様子の一例を示すグラフであり、上段のグラフは発光される光量の時間推移を示し、中段のグラフは検出される受光信号の時間推移を示し、下段のグラフは受光信号の振幅の時間推移を示している。
調整幅演算について説明する図であり、発光器の光量と脈拍信号についてのS/N比の関係を示すグラフを示している。
実施の形態2にかかる脈拍計における光量の調整の様子の一例を示すグラフであり、上段のグラフは発光される光量の時間推移を示し、中段のグラフは検出される受光信号の時間推移を示し、下段のグラフは取得した脈拍信号のS/N比の時間推移を示している。
実施の形態3にかかる脈拍計における光量の調整の様子の一例を示すグラフであり、上段のグラフは発光される光量の時間推移を示し、中段のグラフは検出される受光信号の時間推移を示し、下段のグラフは取得した脈拍信号のS/N比の時間推移を示している。
実施の形態4にかかる脈拍計における調整動作の一例を示すフローチャートである。
実施の形態4にかかる脈拍計の発光器の光量及び脈拍信号のS/N比の時間推移の一例を示すグラフである。
実施の形態5にかかる脈拍計の構成を示すブロック図である。
実施の形態5にかかる発光器の発光時間の設定について説明する図であり、上段のグラフは発光器の発光状態の時間推移を示し、下段のグラフは発光器を発光させた際のAD変換器出力値の時間推移を示す。
実施の形態5にかかる脈拍計の回路構成の一例を示す回路図である。
実施の形態5にかかる脈拍計において発光制御状態バイアス電圧生成状態とを切替えるタイミングの一例について示すタイムチャートである。
実施の形態5にかかる脈拍計の他の構成を示すブロック図である。

実施例

0010

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェアとしては、CPU、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェアとしては、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

0011

また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non−transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク磁気テープハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROMPROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(Random Access Memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

0012

<実施の形態1>
図1は、本実施の形態にかかる脈拍計1の構成を示すブロック図である。脈拍計1は、発光器10と、駆動回路11と、光検出器12と、増幅回路13と、AD変換器14(アナログデジタル変換器)と、周波数解析部15と、脈拍数演算部16と、調整部17とを有する。

0013

発光器10は、例えばLEDであり、駆動回路11により駆動されて発光する。脈拍の測定の際、発光器10は、測定対象者の血管に対して発光する。発光器10は、LEDを複数備えていてもよいし、単数であってもよい。発光器10により発する光としては、例えば緑色、赤色、赤外色など任意の色を用いることができる。なお、本実施の形態では、発光器10は、緑色に発光するLED2個から構成されている。

0014

駆動回路11は、発光器10が発光する際の光量及び発光タイミングを制御する。本実施の形態では、駆動回路11は、緑色に発光するLED2個を、同時に、点灯又は消灯させる。駆動回路11は、点灯と消灯が一定周期で交互に繰り返すよう制御する。ここで、肌の色や皮膚の厚さ等の違いにより、人体により反射される反射光の強度が異なる。このため、脈拍の測定にあたっては、測定対象者に応じて、光量を調整する必要がある。駆動回路11は、後述する調整部17による指示に従って、発光器10の発光を制御する。駆動回路11は、例えば調整部17からのデジタル制御信号DA変換器デジタルアナログ変換器)によりアナログ信号に変換し、発光器10の光量を調整することが可能である。

0015

光検出器12は、例えば、フォトトランジスタ又はフォトダイオードを用いて構成されており、脈拍の測定の際、測定対象者の血管を介した発光器10からの光を検出する。本実施の形態では、図2に示されるように、発光器10と光検出器12は、測定対象者の人体(図2に示した例では、指50)に対して同じ向きとなるよう配置されている。このため、光検出器12は、発光器10が発した光が測定対象者の人体により反射された反射光を検出する。つまり、脈拍の測定に際し、光検出器12は、測定対象者の血管に反射した、発光器10からの光を検出する。なお、発光器10による光が照射される人体は、指に限定されない。例えば腕などであってもよい。このように反射型センサを用いる場合、発光器と光検出器とを人体を挟んで対向して配置する必要がないため、装置を小型化することができる。また、本実施の形態のように、提示された人体に光を照射することにより脈拍を測定する構成であるため、測定対象者に対する負担が低減される。

0016

血管における拍動に応じて光検出器12により検出される光の強度が変動する。脈拍計1は、この変動をとらえることにより後述するように脈拍数を演算している。

0017

増幅回路13は、光検出器12の出力信号増幅する。増幅回路13は、プログラマブル計装アンプを備え、ゲインの変更が可能となっている。また、増幅回路13は、差動増幅回路を備え、後述するDCオフセット信号キャンセルした上で、脈拍信号を増幅する。具体的には、差動増幅回路には、入力信号として、光検出器12を介して取得される生体信号を示す電圧と、DCオフセット信号をキャンセルするためのバイアス電圧とが入力される。増幅回路13により増幅された信号は、AD変換器14に入力される。

0018

AD変換器14は、光検出器12の出力信号をアナログデジタル変換する。より具体的には、AD変換器14は、増幅回路13により増幅された信号を一定周期でアナログデジタル変換する。これにより、増幅回路13から出力されたアナログ信号は、脈拍数算出用のサンプリングデータであるデジタルデータに変換される。測定が開始されると発光器10による発光が繰り返されるため、AD変換器14は順次サンプリングデータを出力することとなる。

0019

周波数解析部15は、AD変換器14により変換されたデータを周波数解析する。周波数解析部15は、AD変換器14からサンプリングデータが所定数入力されるごとに、この所定数のサンプリングデータからなるデータ系列に対し、周波数解析を行う。具体的には、周波数解析部15は、予め定められた周期で、サンプリングデータのデータ系列に対し高速フーリエ変換FFT:Fast Fourier Transform)処理を実施する。周波数解析部15は、解析結果を脈拍数演算部16及び調整部17に出力する。

0020

脈拍数演算部16は、周波数解析部15による解析結果から脈拍数を演算する。具体的には、脈拍数演算部16は、例えば、周波数解析部15により解析された、脈拍に相当する周波数帯(例えば、0.5Hz〜2Hz)の周波数成分うち、スペクトル値が一番大きいものを脈拍に対応する周波数として抽出し、抽出した周波数から脈拍数を演算する。なお、脈拍数は、抽出した周波数を、1分あたりの振動数換算することで算出される。

0021

調整部17は、周波数解析部15による解析結果に基づいて、発光器10の光量と、増幅回路13のゲインとを調整する。また、調整部17は、周波数解析部15による解析結果に基づいて、増幅回路13に入力されるバイアス電圧をDCオフセット信号の信号強度に応じたバイアス電圧となるよう調整する。

0022

ここで、発光器10の光量の調整と、増幅回路13のゲインの調整について説明する。脈拍計1において、脈拍を適切に測定するためには、検出される脈拍信号の大きさによって、発光器10の光量又は増幅回路13のゲインが調整される必要がある。しかし、光検出器12を介して取得される生体信号には、脈拍情報を示す生体信号(脈拍信号)以外に、脈以外の部位(例えば、皮膚や骨など)における光の反射で得られる生体信号が含まれている。この脈以外の部位における光の反射で得られる生体信号は、脈拍信号よりも大きな値となる。特に、図2に示されるような反射型のセンサを使用する場合は、脈以外の部位における光の反射で得られる生体信号が顕著にあらわれる。ここでは、脈以外の部位における光の反射で得られる生体信号をDCオフセット信号と定義する。

0023

このDCオフセット信号が常に一定であれば生体信号から脈拍信号のみを抽出することは容易に可能である。しかし、DCオフセット信号は、測定対象者ごとに大きさが異なる上に、測定中の測定対象者の姿勢、光検出器12と測定対象との距離、周囲の明るさ等といった測定時の状態により変動する。DCオフセット信号の変動は低周波信号として表れ、脈拍信号に近い帯域となる。このため、生体信号からDCオフセット信号の変動のみを除き、脈拍信号を抽出することをフィルタ処理により実現する場合、高次なフィルタ処理が必要となる。しかし、そのようなフィルタを実現する場合、フィルタの出力が安定するまでに時間が掛かる、演算による負荷が大きくなる、などといった問題が生じる。

0024

そこで、本実施の形態では、フィルタ処理により脈拍信号を抽出する代わりに、周波数解析部15による解析結果に基づいて、脈拍信号を抽出し、脈拍信号の信号レベルを判断する。図3は、周波数解析部15による周波数解析結果の例を示すグラフであり、図3(A)は脈拍信号の周波数スペクトルの大きさが所定の基準よりも小さい場合の例を示し、図3(B)は脈拍信号の周波数スペクトルの大きさが所定の基準よりも大きい場合の例を示している。なお、上述の通り、脈拍数演算部16は、周波数解析部15による解析結果から脈拍信号を特定し、脈拍数を演算する。したがって、例えば、脈拍数演算部16は、周波数解析部15により解析された、脈拍に相当する周波数帯の周波数成分うち、スペクトル値が一番大きい周波数成分60(図3参照)を抽出する。

0025

周波数解析部15による周波数解析によれば、図3に示されるように、各周波数成分の信号強度(周波数スペクトル)を求めることができる。すなわち、周波数解析部15による解析結果から脈拍信号の信号強度を得ることは容易に可能である。調整部17は、周波数解析部15による解析結果から脈拍信号の信号強度を取得し、脈拍信号の信号強度が所定の基準未満である場合、発光器10の光量を現在の光量よりも増加させる調整又は増幅回路13のゲインを現在のゲインよりも高くする調整を行う。また、調整部17は、周波数解析部15による解析結果から脈拍信号の信号強度を取得し、脈拍信号の信号強度が所定の基準以上である場合、発光器10の光量を現在の光量よりも減少させる調整又は増幅回路13のゲインを現在のゲインよりも低くする調整を行う。

0026

本実施の形態では、調整部17は、より具体的には、次のように動作する。調整部17は、周波数解析部15による解析結果から脈拍信号のノイズレベル、すなわちS/N比(信号対雑音比)を算出し、S/N比を予め定められた閾値と比較し、比較結果に応じて調整を行う。ここで、脈拍信号の周波数以外の周波数成分をノイズと定義する。調整部17は、周波数解析部15の解析結果から脈拍信号についてS/N比を算出し、算出されたS/N比が予め定められた閾値以上である場合、ノイズが小さいことを示すため、発光器10の光量又は増幅回路13のゲインを下げる。また、調整部17は、周波数解析部15の解析結果から脈拍信号についてS/N比を算出し、算出されたS/N比が予め定められた閾値未満である場合、ノイズが大きいことを示すため、発光器10の光量又は増幅回路13のゲインを上げる。調整部17は、周波数解析部15が周波数解析結果を出力する毎に、光量又はゲインを調整する設定値を決定し、調整を実施する。なお、本実施の形態では、例えば、調整部17は、光量又はゲインを上げる必要があると判定した場合、予め定められた固定の調整幅だけ光量の設定値又はゲインの設定値を上げ、光量又はゲインを下げる必要があると判定した場合、この固定の調整幅だけ光量の設定値又はゲインの設定値を下げる。
以上説明したように調整部17が調整を行うことにより、脈拍の測定を維持しつつ、消費電力の抑制を可能とすることができる。

0027

また、図3に示されるように、周波数解析部15による解析結果から、DCオフセット信号は、予め定められた周波数帯の周波数成分、具体的には周波数が0Hz付近の周波数成分61として得られる。したがって、周波数解析部15による解析結果から、光検出器12を介して取得された生体信号に含まれるDCオフセット信号の強度を取得することが可能となる。このため、調整部17は、周波数解析部15による解析結果に基づいて、DCオフセット信号の信号強度を取得する。そして、調整部17は、増幅回路13に入力されるバイアス電圧をDCオフセット信号の信号強度に応じたバイアス電圧となるよう調整する。これにより、増幅回路13において、光検出器12から出力された信号のうちDCオフセット信号をキャンセルし、残りの信号成分を増幅することが可能となる。このため、脈拍の測定精度を向上することができる。

0028

以上、本実施の形態にかかる調整部17による調整について説明したが、ここで、比較例における光量の調整について説明する。比較例にかかる脈拍計は、光検出器12により受光した信号(以下、受光信号という)の振幅のみに基づいて発光器10の光量の調整するものとする。なお、この受光信号は、上述の生体信号に相当する。この場合、比較例にかかる脈拍計は、次のような問題点を有する。

0029

図4は、比較例にかかる脈拍計における受光信号の振幅の例を示すグラフである。なお、図4(A)は、受光信号にノイズがない場合の振幅の例を示し、図4(B)は、受光信号に体動などに起因するノイズが含まれる場合の振幅の例を示している。図4(A)に示されるような受光信号にノイズがない場合は、脈拍信号の振幅が比較的小さいときでも脈拍の測定を行うことが可能である。しかし、比較例にかかる脈拍計では、振幅のみで発光器10の光量を調整するため、振幅が小さいときは、S/N比が脈拍を測定する上で十分高いとしても、光量を上げる調整が行われてしまう。このため、消費電流が不必要に増加してしまうという問題がある。また、図4(B)に示されるように受光信号に体動等のノイズが含まれている場合、ノイズの影響により脈拍信号の振幅が誤検出されてしまうおそれがある。例えば、体動によるノイズ成分の振幅は、脈拍信号の振幅に比べて大きいことが多いため、誤って体動による振幅が脈拍信号の振幅と判断された場合、本来であれば光量が不十分であっても、光量を上げる調整が行われないことがある。このような場合には、光量が不十分であり脈拍信号が測定できないという問題がある。

0030

これに対し、本実施の形態にかかる調整では、周波数解析部15による解析結果に基づいて、脈拍信号の信号強度に基づいて調整が行われるので、ノイズ成分に起因する誤った調整を低減することができる。このため、脈拍の測定精度の劣化を抑制しつつ脈拍計の消費電力を適切に低減することができる。また、周波数解析部15による周波数解析結果から発光器10の光量又は増幅回路13のゲインを設定するため、受光信号から脈拍信号のみを抽出ためのフィルタを不要にすることができ、演算負荷を抑制することができる。ここで、周波数解析部15による周波数解析は脈拍数演算部16により脈拍数を算出するために必要な処理であるため、光量の調整やゲイン調整のために追加で新たな負荷がかかる訳ではない。

0031

なお、本実施の形態では、調整部17は、算出されたS/N比が予め定められた閾値以上である場合、算出されたS/N比が予め定められた閾値未満である場合、いずれの場合においても発光器10の光量又は増幅回路13のゲインを増加又は減少する変更を行うが、調整部17による変更がいずれか一方の場合にのみに行われてもよい。また、調整部17は、発光器10の光量のみを調整してもよいし、増幅回路13のゲインのみを調整してもよい。

0032

周波数解析部15、脈拍数演算部16及び調整部17は、例えば、MCU(Micro Control Unit)で実現される。より具体的には、MCUはCPU(Central Processing Unit)、不揮発性メモリ等で構成され、不揮発性メモリに周波数解析部15、脈拍数演算部16、調整部17に相当するプログラムが格納され、CPUが該当するプログラムを実行することでそれぞれの処理が行われる。なお、周波数解析部15、脈拍数演算部16及び調整部17は、メインCPUとサブCPUに分散されて実現されてもよい。また、増幅回路13及びAD変換器14は、MCUに対する外付け回路であってもよいし、MCUに内蔵されていてもよい。

0033

<実施の形態2>
次に実施の形態2について説明する。なお、既に説明された構成要素については説明を省略する。本実施の形態では、発光器10の光量を調整する際の調整幅が算出される点で、実施の形態1と異なる。これにより、本実施の形態では、例えば、光量の増加が必要であると調整部17が判定した場合、調整部17は測定環境によらない固定幅分だけ光量を増加させるのではなく、算出された調整幅分だけ光量を増加させる。

0034

発光器10を発光させ、指又は腕などを介して光検出器12で受光する場合、個々人により光の吸収量が異なるため、受光する光量は異なる。発光器10が発光する光量と光検出器12で受光する光量には相関関係にあるが、必ずしも線形性を持つわけではなく個々人の皮膚の厚さ及び性質などの条件により異なる。そのため、予め関係式理論的に推測することが困難である。また、発光器10から一定の光量を照射していたとしても、光検出器12と測定対象との距離などといった測定環境に応じて光検出器12の受光量が異なるため、自動的に、随時、発光器10の光量を調整する必要がある。これに対し、実施の形態1では、上述の通り、調整部17が、受光状態監視することにより発光器10の光量を適切に調整した。

0035

ここで、光量の設定値の調整幅が固定である場合について検討する。図5は、比較例にかかる光量の調整の様子の一例を示すグラフである。なお、図5の上段のグラフは発光される光量の時間推移を示し、図5の中段のグラフは検出される受光信号の時間推移を示し、図5の下段のグラフは受光信号の振幅の時間推移を示している。図5に示される比較例では、受光信号の振幅と閾値との比較結果に基づいて発光する光量を固定の調整幅で調整する。すなわち、比較例にかかる脈拍計は、予め定められた周期で行われる調整の調整幅が、固定幅となっている。言い換えると、予め定められた周期で行われる各調整において、1回の調整における調整幅が固定幅となっている。このとき、図5に示されるように、比較例にかかる脈拍計では、調整ごとに、発光する光量の設定値を固定幅Wで変更する。このため、比較例にかかる脈拍計は、受光信号の振幅が閾値以下であれば、受光信号の振幅が閾値に達するまで固定幅Wで光量を上げる。また、比較例にかかる脈拍計は、受光信号の振幅が閾値を超えると、固定幅Wで光量を下げる。固定幅Wが小さければ小さいほど、光量を変化させる際の応答性が悪くなる。このため、測定初期において光量が不十分である場合、正常に測定が開始されるまでに時間を要することとなる。逆に、固定幅Wが大き過ぎる場合は、光量を増加させた際に、光量が増大し過ぎて、受光信号のAD変換値飽和状態になる恐れがある。この場合、脈拍情報が得られない。

0036

そこで、本実施の形態では、測定の開始時に、発光する光量と受光する光量の関係を測定により推測し、その推測結果から発光器10の光量の調整幅を決定する。すなわち、調整部17は、第1の光量で発光した際の脈拍信号の強度についての第1の評価値と、第2の光量で発光した際の脈拍信号の強度についての第2の評価値と、脈拍信号の強度についての予め定められた目標評価値とから、目標評価値を実現するための光量を算出する。そして、調整部17は、この算出結果に基づいて発光器10の光量を調整する。なお、目標評価値は、例えば、安定して測定できる、脈拍信号についてのS/N比であり、予め実験により求められる。

0037

本実施の形態では、調整部17は、具体的には、以下のように発光器10の光量の調整幅を算出する。なお、図6は本実施の形態にかかる調整幅の演算について説明する図であり、発光器10の光量と脈拍信号についてのS/N比の関係を示すグラフを示している。また、図6において、LEDAは上記第1の光量に相当し、LEDBは、上記第2の光量に相当し、SNAは上記第1の評価値に相当し、SNBは上記第2の評価値に相当し、SNXは上記目標評価値に相当する。

0038

まず、調整部17は、任意の光量で発光器10を発光させ、その際の光量(図6におけるLEDA)と脈拍信号についてのS/N比(図6におけるSNA)とを記録する。次に、調整部17は、予め定められた固定幅で光量を変更して発光器10を発光させ、その際の光量(図6におけるLEDB)と脈拍信号についてのS/N比(図6におけるSNB)とを記録する。次に、調整部17は、これら記録された結果から、発光器10の光量と脈拍信号についてのS/N比との関係を近似する。すなわち、傾きk:(SNB−SNA)/(LEDB−LEDA)、切片i:SNA−LEDA×(SNB−SNA)/(LEDB−LEDA)の直線で近似する。そして、調整部17は、目標のS/N比(図6におけるSNX)を実現するための発光器10の光量(図6におけるLEDX)を算出する。具体的には、LEDX=(SNX−切片i)/傾きk、により算出される。調整部17は、算出した光量を発光器10が発光するよう調整する。

0039

このように、本実施の形態では、調整幅を測定環境ごとに算出しているので、測定環境に適した調整幅を得ることができる。図7は、本実施の形態にかかる脈拍計1における光量の調整の様子の一例を示すグラフである。なお、図7の上段のグラフは発光される光量の時間推移を示し、図7の中段のグラフは検出される受光信号の時間推移を示し、図7の下段のグラフは取得した脈拍信号のS/N比の時間推移を示している。本実施の形態では、図7に示されるように、算出された光量LEDXへと発光器10の光量が調整されるため、受光信号のAD変換値が飽和状態となることを抑制しつつ、応答性を向上することができる。このため、本構成を有しない場合に比較して、正常な測定が開始されるまでの時間を短縮することができる。

0040

<実施の形態3>
次に実施の形態3について説明する。なお、既に説明された構成要素については説明を省略する。本実施の形態では、発光器10の光量を調整する際の調整幅が、光量を増加させる調整の場合と光量を減少させる調整の場合とで異なる値に設定される。より具体的には、本実施の形態にかかる脈拍計1では、予め定められた周期で行われる調整部17による調整の調整幅は、発光器10の光量を減少させる調整の場合よりも、発光器10の光量を増加させる調整の場合のほうが大きい。言い換えると、予め定められた周期で行われる各調整において、光量を増加させる場合の1回の調整における調整幅は、光量を減少させる場合の1回の調整における調整幅よりも大きく設定される。

0041

発光器10による光量を変更する目的は2つある。1つ目の目的は、発光器10が発光する光量が不十分であるために光検出器12で取得した生体信号に脈拍情報が含まれない場合又は脈拍情報が含まれなくなりそうな場合に、光量を増加させて脈拍情報を適切に取得することである。そして2つ目の目的は、脈拍の測定が十分にできている場合に、発光器10の光量を抑制して低消費電流化を図ることである。

0042

1つ目の目的の場合、測定不能な状態又は測定不能になりつつある状態であるため、光量を増加させる際の応答性が要求される。一方、2つ目の目的の場合、既に十分測定できている状態であるため、応答性よりも適切に測定されている状態の維持の方が重要である。調整部17による調整が行われると、調整に起因して脈拍信号波形の歪みが生じうる。この歪みは調整幅が大きいほど大きい。したがって、2つ目の目的の場合、調整幅はなるべく小さい方が好ましい。これらのことを鑑み、本実施の形態では、調整部17は、光量を増加させる調整の場合と光量を減少させる調整の場合とで調整幅を変更する。すなわち、図8に示されるように、調整部17は、光量を増加させる際は調整幅W_upで調整し、光量を減少させる際は調整幅W_downで調整する。ここで、調整幅W_upは、調整幅W_downよりも大きい。調整幅W_upは、例えば、予め定められた調整幅であってもよいし、上記実施の形態2で説明したように、算出された光量へと調整するための調整幅であってもよい。また、調整幅W_downは、調整幅W_upよりも小さい調整幅であればよいが、信号波形の歪みを低減するため、例えば設定可能な最小調整幅とすることが好ましい。なお、測定が正常に行われていない場合に光量を増加させる際の信号波形に歪みは、そもそも測定が正常でないため、発生しても問題ない。すなわち、そのような歪みの含まれる信号波形のデータは、脈拍数の算出に用いられないデータであるため全て捨てられればよい。

0043

本実施の形態にかかる脈拍計1によれば、測定に要求される応答性と、適切に測定されている状態の維持とを両立することができる。

0044

<実施の形態4>
次に実施の形態4について説明する。なお、既に説明された構成要素については説明を省略する。発光器10の光量の調整及びDCオフセット信号をキャンセルするための調整を、その調整幅に関わらず一度に設定した場合、脈拍信号に歪が生じてしまう恐れがある。なお、調整タイミングを脈拍信号と関係のない周期とすれば、周波数解析を行った際に調整による周波数を取り除くことが可能であるが、折り返し周波数等の影響が発生することを考慮すると調整タイミングの決定は難しい。そこで、本実施の形態では、調整による脈拍信号の歪みを抑制することができる調整の実施タイミングについて提案する。

0045

本実施の形態では、調整部17は、調整の実施タイミングを分散して調整を行う。具体的には、本実施の形態にかかる調整部17は、予め定められた周期で調整のための設定値を決定し、この予め定められた周期内で複数回に分散して決定した設定値の調整を実施する。すなわち、調整部17は、発光器10が発光する光量の調整、及びDCオフセット信号をキャンセルするためのバイアス電圧の調整を行うため、タイミングを分散して設定値を設定する。

0046

図9は、本実施の形態にかかる脈拍計1における調整動作の一例を示すフローチャートである。本実施の形態では、調整部17は、AD変換器14による変換周期、又は周波数解析部15による周波数解析の実施周期により調整を行う。調整部17は、調整量が予め定められた閾値以上である場合、すなわち算出した設定値と現在の設定値との差が予め定められた閾値以上である場合、AD変換器14による変換周期で実施することで、調整を分散して実施する。また、調整部17は、調整量が予め定められた閾値未満である場合、すなわち算出した設定値と現在の設定値との差が予め定められた閾値未満である場合、調整を分散せず、周波数解析部15の解析周期で実施する。なお、図9に示した例では、AD変換器14がN個の変換値を出力する度に、周波数解析部15がFFTを行うものとする。

0047

以下、図9に示したフローチャートについて説明する。なお、以下の説明において、発光器10の光量を調整するために設定する設定値、及びDCオフセット信号のキャンセル用のバイアス電圧を調整するための設定値について、パラメータ値という。

0048

テップ100(S100)で、AD変換器14が変換値を1つ出力する。
ステップ101(S101)で、現在、最適な調整がされているか否かが判定される。すなわち、調整部17による調整が必要であるか否かが判定される。調整が必要な場合(S101でNo)、ステップ102へ処理は移行する。また、調整が不要な場合(S101でYes)、処理はステップ103へ移行する。

0049

ステップ102(S102)で、調整部17は、分割されたパラメータ値を設定する。これにより、調整部17はAD変換器14による変換周期で調整を分散して実施する。なお、分割されたパラメータ値がない場合、すなわち調整を分散して実施しない場合には、ステップ102において調整部17は調整を行わない。パラメータ値の分割に関しては、後述する。

0050

ステップ103(S103)において、周波数解析部15による解析対象となるAD変換結果がN個に達したか否かが判定される。AD変換器14による変換値の出力がN個以上ある場合、処理はステップ104へ移行する。これに対し、AD変換器14による変換値の出力がN個未満である場合、周波数解析部15による周波数解析のためのデータ数不足しているため、ステップ100に処理は戻る。

0051

ステップ104(S104)において、周波数解析部15はAD変換器14による変換結果に対しFFT演算を行う。

0052

ステップ105(S105)において、調整部17は周波数解析部15による解析結果に基づいて、パラメータ値を算出する。すなわち、調整部17は、周波数解析部15による解析結果に基づいて、発光器10の光量の設定値を決定する。また、調整部17は、周波数解析部15による解析結果に基づいて、DCオフセット信号をキャンセルするためのバイアス電圧の設定値を決定する。

0053

次に、ステップ106(S106)において、調整部17は、ステップ105で算出されたパラメータ値を分割して設定すべきであるか否かを判定する。具体的には、調整部17は、ステップ105で算出されたパラメータ値と現在設定されているパラメータ値との差が予め定められた閾値以上であるか否かを判定する。分割して設定すべきであると判定された場合(ステップ106でYes)、処理はステップ107へ移行し、分割して設定すべきであると判定されなかった場合(ステップ106でNo)、処理はステップ108へ移行する。

0054

ステップ107(S107)において、調整部17は、ステップ105で算出されたパラメータ値を分割し、1回に設定する値を決定する。例えば、調整部17は、ステップ105で算出されたパラメータ値による調整量を複数回に分散して調整するよう、各回の調整量を決定する。そして、ステップ107の後、処理はステップ100に戻る。これにより、ステップ102において、分散して調整が実施される。

0055

これに対し、ステップ108(S108)では、調整部17は、ステップ105で算出されたパラメータ値を設定し、調整を実施する。これにより、分散せずに調整が実施される。ステップ108の後、処理はステップ100に戻る。

0056

このように、本実施の形態かかる脈拍計1では、分散して調整が行われるので、調整による信号波形の歪みを抑制することができる。したがって、調整による疑似信号の発生が抑制され、測定精度の劣化が抑制される。なお、上記の説明では、調整量が予め定められた閾値以上である場合に、分散して設定する構成としているが、調整量の大小にかかわらず分散して設定する構成としてもよい。

0057

ここで、本実施の形態にかかる脈拍計1の動作の一例を、発光器10の光量及び脈拍信号のS/N比の時間推移により示す。図10は、本実施の形態にかかる脈拍計1の発光器10の光量及び脈拍信号のS/N比の時間推移の一例を示すグラフである。図10に示した例では、時刻t1〜t2において、脈拍信号のS/N比が第1の閾値Tr1以上あり、発光器10の光量が測定に際して十分に高い状態にある。この場合、調整部17は、消費電流を低減させるため、発光器10の発光する光量を減少させる調整を行う(図10の時刻t2〜t3)。ここで、調整部17は、1回あたりの光量の減少幅が信号波形に歪を与えない範囲となるように調整を行う。すなわち、上記ステップ105で算出されるパラメータ値による減少幅が、予め定められた閾値よりも大きい場合、調整部17は、当該減少幅の調整をAD変換器14の変換周期(すなわち、サンプリング周期)で分散して行う。例えば、信号に歪が発生しない範囲を調整の制御に用いるDA変換器の10LSBと仮定し、現在の設定値を20LSB、設定したい値を50LSBと仮定する。この場合、一度に30LSBの設定を行うと信号波形に歪が生じるため、調整部17は設定を3回に分割して設定する。設定を分割する場合、期待の設定になるまでに時間を要するが、時刻t1のように測定が正常にできている場合は調整による信号波形の歪が発生しないことが重要となるため、問題ない。

0058

調整部17は、S/N比が第1の閾値Tr1に達した場合は、発光器10の発光する光量が適切と判断し、発光器10の光量の増加減は行わず、一定に保つ(図10の時刻t3〜t4、時刻t6〜t7)。また、調整部17は、S/N比が第1の閾値Tr1を下回ると、S/N比が第1の閾値Tr1となるよう信号に悪影響を与えない範囲で調整を行う(図10の時刻t4〜t5、t5〜t6)。この時の調整も、必要に応じて分散して行われる。なお、このようなS/N比の悪化は光検出器12と測定対象の距離がずれた場合等に起こりうる。さらに、S/N比が大幅に悪化し、S/N比が第2の閾値Tr2に達した場合は、測定された信号は無意味のため、調整部17は発光器10の光量を大幅に増加させ再度測定を行う(図10の時刻t8)。なお、この場合の調整は例えば、実施の形態2において説明したように、算出された調整幅分だけ光量を増加させてもよい。S/N比が第2の閾値Tr2に未満であるデータには脈拍情報が含まれていないためデータはすべて破棄される。

0059

<実施の形態5>
次に実施の形態5について説明する。なお、既に説明された構成要素については説明を省略する。本実施の形態では、サンプルホールド回路を有し、発光器10の1回の発光時間が光検出器12の立ち上がり時間及びサンプルホールド回路のチャージ時間に相当する時間の実測値にしたがって設定されている。

0060

図11は、本実施の形態にかかる脈拍計2の構成を示すブロック図である。脈拍計2は、発光器10と、駆動回路11と、光検出器12と、サンプルホールド回路20と、増幅回路13と、AD変換器14と、周波数解析部15と、脈拍数演算部16と、調整部17と、タイマー21と、時間計測部22とを有する。

0061

サンプルホールド回路20は、発光器10の予め定められた周期の発光に対する光検出器12の出力電圧を、この予め定められた周期で取り込んで保持する。したがって、AD変換器14は、サンプルホールド回路20の出力電圧をアナログデジタル変換することとなる。なお、より具体的には、AD変換器14は、サンプルホールド回路20の出力を増幅回路13により増幅したアナログ信号を変換する。サンプルホールド回路20は、例えば、周波数解析部15などを実現するMCUと一体に構成されてもよいし、MCUに対する外付け回路として構成されてもよい。タイマー21は、例えば、MCUに内蔵されたタイマーであり、時間をカウントする。時間計測部22は、発光器10の発光開始から、サンプルホールド回路20の出力が一定となるまでの時間を計測する。本実施の形態では、具体的には、発光器10の発光開始から発光後にAD変換器14による出力が一定となるまでの時間をタイマー21により計測することにより、サンプルホールド回路20の出力が一定となるまでの時間を計測する。時間計測部22は、例えば、周波数解析部15などと同様、MCUにより実現される。

0062

サンプルホールド回路20を用いる利点としては、発光器10の発光時間を減少させることができる点にある。サンプルホールド回路20を使用しない場合、発光器10の発光時間は光検出器12の立ち上がり時間とAD変換器14の変換時間に依存することとなる。特に、高精度な測定を行う際はAD変換器14としてデルタシグマAD変換器が使用されることがあるが、この場合、他のAD変換器14を用いる場合に比べて変換時間が長くなる。そのため、発光器10の発光時間をその分長くする必要があり、消費電流の増加に繋がる課題がある。これに対し、サンプルホールド回路20を使用すると、発光器10の発光時間を光検出器12の立ち上がり時間とサンプルホールド回路20のチャージ時間のみで抑えることができるため、消費電流の低減を図ることができる。

0063

発光器10の発光時間は、上述の通り、光検出器12の立ち上がり時間とサンプルホールド回路20のチャージ時間との和に設定することが省電力を図る上で好ましい。光検出器12の立ち上がり時間とサンプルホールド回路20のチャージ時間との和の時間は、一般的に、部品仕様などに基づいて推測で算出される。しかしながら、実際には同じ仕様の光検出器12であっても立ち上がり時間はばらつきが生じており、個体差がある。このため、部品の仕様などに基づいて発光時間を設定する場合、光検出器12の立ち上がり時間とサンプルホールド回路20のチャージ時間との和の実際の時間よりも長い時間発光させている。本実施の形態では、実際に使用する系で、光検出器12の立ち上がり時間とサンプルホールド回路20のチャージ時間に相当する時間を実測する。

0064

具体的には、まず、駆動回路11は、発光器10を発光させる。時間計測部22は、発光器10の発光後、AD変換器14の出力値を監視する。そして、時間計測部22は、タイマー21を用いて、発光器10の発光開始時点から、AD変換器14による出力が一定となる時点までの時間を計測する。なお、AD変換器14による出力が一定となるまでの時間は、サンプルホールド回路20の出力電圧が一定となるまでの時間に相当する。時間計測部22により計測された時間は、光検出器12の立ち上がり時間及びサンプルホールド回路20のチャージ時間に相当する時間の実測値であるため、時間計測部22は、計測された時間を発光器10の1回の発光時間として設定する。これにより、発光器10は、予め定められた周期、すなわちサンプリング周期で繰り返される発光における1回の発光時間が、時間計測部22により計測された時間となるよう制御される。

0065

図12は、発光器10の発光時間の設定について説明する図であり、上段のグラフは発光器10の発光状態の時間推移を示し、下段のグラフは発光器10を発光させた際のAD変換器14の出力値の時間推移を示す。なお、図12では、発光器10は、光検出器12及びサンプルホールド回路20の仕様などに基づいて算出した、光検出器12の立ち上がり時間とサンプルホールド回路20のチャージ時間との和の時間だけ発光している。図12に示されるように、発光器10は、発光開始からAD変換器14の出力が一定になるまでの時間だけ発光させればよいので、不要な発光時間の発光を行わずに済む。この結果、消費電力を抑制することができる。なお、本実施の形態では、脈拍計2がタイマー21及び時間計測部22を備えているが、発光器10が、1回の発光時間が光検出器12の立ち上がり時間及びサンプルホールド回路20のチャージ時間に相当する時間の実測値にしたがって設定されていればよく、必ずしもタイマー21及び時間計測部22を備えていなくてもよい。また、本実施の形態では、時間計測部22は、脈拍測定に用いられるAD変換器14の出力を監視しているが、サンプルホールド回路20の出力電圧が入力される(例えば、増幅回路13の出力が入力される)、AD変換器14とは異なるAD変換器の出力を監視してもよい。また、AD変換器14とは異なるAD変換器を使用する場合は高速のものであればより細かな時間測定をすることができる。このAD変換器の精度はある一定の値を超えたか否かを判断するためであるため、AD変換器14より低くてもよい。

0066

次に、本実施の形態における回路構成について説明する。発光器10の光量を制御する場合、光量を制御する制御信号デジタルアナログ変換するDA変換器が必要とされる。また、光検出器12を介して取得される生体信号からDCオフセット信号をキャンセルする場合、増幅回路13に入力するバイアス電圧を生成する制御信号をデジタルアナログ変換するDA変換器が必要とされる。しかしながら、汎用的なMCUでは、DA変換器を2素子以上搭載していることは少ない。そこで、1つのDA変換器と1つのオペアンプを、光量制御用と、バイアス電圧制御用とで兼用で使用することを提案する。

0067

図13は、本実施の形態にかかる脈拍計2の回路構成の一例を示す回路図である。なお、図13に示した例では、脈拍計2を構成する要素のうち、発光器10、駆動回路11、受光センサ回路120、サンプルホールド回路20、増幅回路13、及びAD変換器14について示している。

0068

発光器10は、LED100、101により構成されている。LED100、101は、電源電圧DDライン接地電圧SSのラインとの間に並列に接続されている。より具体的には、LED100、101の一方の端子は、電源電圧VDDのラインに接続され、LED100、101の他方の端子は、駆動回路11を構成するNチャネルMOSトランジスタNMOSドレインに接続されている。

0069

駆動回路11は、DA変換器DACと、オペアンプAMP1と、スイッチSW1、SW2、SW3と、抵抗素子R1、R2、R3と、NチャネルMOSトランジスタNMOSとを含む。駆動回路11は、発光器10を駆動する回路としての機能に加え、増幅回路13に供給するバイアス電圧を生成する回路としての機能を備えている。これら機能は、スイッチSW1、SW2、SW3を切替えることにより切替えられる。

0070

DA変換器DACは、例えば12ビットのDA変換器である。DA変換器DACには、光量を制御するデジタル制御信号、又はバイアス電圧をデジタル制御するデジタル制御信号が入力され、入力されたデジタル制御信号をアナログ信号に変換してオペアンプAMP1の非反転入力端子へと出力する。オペアンプAMP1の反転入力端子は、ノードN1に接続されている。オペアンプAMP1の出力端子は、スイッチSW1に接続されている。スイッチSW1は、抵抗素子R1を介してNチャネルMOSトランジスタNMOSのゲートに接続されている。また、抵抗素子R1とNチャネルMOSトランジスタNMOSとの間に設けられたノードN2は、抵抗素子R2を介して接地電圧VSSのラインに接続されている。NチャネルMOSトランジスタNMOSのソースは、抵抗素子R3を介して接地電圧VSSのラインと接続されている。

0071

また、スイッチSW2は、一方の端子がノードN1に接続されており、他方の端子がオペアンプAMP1とスイッチSW1との間に設けられたノードN3に接続されている。すなわち、スイッチSW2は、一方の端子がノードN1を介してオペアンプAMP1の反転入力端子と接続し、他方の端子がノードN3を介してオペアンプAMP1の出力端子と接続している。このため、スイッチSW2がオンの場合、オペアンプAMP1の負帰還ループを形成する。ノードN3は、さらに、増幅回路13に接続している。

0072

スイッチSW3は、一方の端子がノードN1に接続されており、他方の端子がNチャネルMOSトランジスタNMOSのソースと抵抗素子R3との間に設けられたノードN4に接続されている。

0073

DA変換器DACに発光器10の光量を調整する制御信号が入力される際は、スイッチSW1がオン、スイッチSW3がオン、スイッチSW2がオフとなり、オペアンプAMP1、スイッチSW1、SW3、抵抗素子R1、R2、R3、及びNチャネルMOSトランジスタNMOSは、定電流駆動回路を形成する。

0074

また、DA変換器DACに増幅回路13に供給するバイアス電圧を制御する制御信号が入力される際は、スイッチSW1がオフ、スイッチSW3がオフ、スイッチSW2がオンとなり、オペアンプAMP1、スイッチSW2は、制御信号にしたがって生成したバイアス電圧を増幅回路13に供給するためのバッファ回路を形成する。

0075

このように、スイッチSW1、SW2、SW3は、光量を制御するための信号に基づいて発光器10を駆動するための定電流駆動回路としてオペアンプAMP1を用いる状態である発光制御状態(第1の状態)と、バイアス電圧を制御するための信号に基づいて生成されるバイアス電圧を増幅回路13に供給するためのバッファ回路としてオペアンプAMP1を用いる状態であるバイアス電圧生成状態(第2の状態)とを切り替える。これにより、1つのオペアンプAMP1と、1つのDA変換器DACとを、光量制御用と、バイアス電圧制御用とで兼用で使用することができる。したがって、部品数を抑制することができる。また、バイアス電圧を増幅回路13に供給する際は、オペアンプAMP1をバッファアンプとして使用するため、DA変換器DACの出力が低インピーダンス状態となるため、DA変換器DACの抵抗値が増幅回路13のゲインに与える影響を抑えるメリットもある。

0076

受光センサ回路120は、光検出器12としてのフォトトランジスタPTと、抵抗素子R4とを含み、フォトトランジスタPTと抵抗素子R4が電源電圧VDDのラインと接地電圧VSSのラインとの間に直列に接続されている。フォトトランジスタPTと抵抗素子R4との間にはノードN5が設けられており、ノードN5はサンプルホールド回路20に接続されている。受光センサ回路120は、受光信号を、ノードN5を介してサンプルホールド回路20に出力する。

0077

サンプルホールド回路20は、スイッチSW4と、オペアンプAMP2と、容量素子であるコンデンサCとを含む。スイッチSW4の一方の端子は受光センサ回路120のノードN5と接続されており、スイッチSW4の他方の端子はオペアンプAMP2の非反転入力端子に接続されている。また、スイッチSW4とオペアンプAMP2の非反転入力端子との間には、ノードN6が設けられている。コンデンサCは、ノードN6と接地電圧VSSのラインとの間に設けられている。これにより、受光センサ回路120が受光信号を出力し、かつ、スイッチSW4がオンである間、コンデンサCは、受光センサ回路120の出力電圧に充電される。そして、コンデンサCは、スイッチSW4がオフとなっても、オペアンプAMP2に、充電時の受光センサ回路120の出力電圧を供給する。オペアンプAMP2は、負帰還ループが形成されているとともに、出力端子が増幅回路13の抵抗素子R5に接続されている。このような構成を有するサンプルホールド回路20において、スイッチSW4は発光器10の発光周期に合わせて制御される。

0078

増幅回路13は、オペアンプAMP3と、プログラマブル計装アンプPGAと、抵抗素子R5、R6、R7、R8、R9、R10とを含む。オペアンプAMP3の反転入力端子は、抵抗素子R6を介して駆動回路11のノードN3と接続している。また、オペアンプAMP3の反転入力端子と抵抗素子R6との間に設けられたノードN7には、オペアンプAMP3の出力端子が抵抗素子R7を介して接続されており、負帰還ループが形成されている。オペアンプAMP3の非反転入力端子は、抵抗素子R5を介して、サンプルホールド回路20の出力端子と接続されている。オペアンプAMP3の非反転入力端子と抵抗素子R5との間にはノードN8が設けられており、オペアンプAMP3の非反転入力端子は、ノードN8を介して抵抗素子R8と接続している。抵抗素子R8は、一方の端子がノードN8と接続し、他方の端子が抵抗素子R9と抵抗素子R10との間に設けられたノードN9と接続している。抵抗素子R9、R10は、電源電圧VDDのラインと接地電圧VSSのラインとの間に、直列に接続されており分圧回路を構成する。このような構成により、オペアンプAMP3は差動増幅回路を形成し、ノードN3を介して入力されるバイアス電圧に基づいて、サンプルホールド回路20から出力された信号に含まれるDCオフセット信号をキャンセルする。なお、上記の通り、脈拍計2がバイアス電圧生成状態へと切り替えられている際は、バッファ回路が形成されているため、差動増幅回路のゲインの誤差を低減することができる。オペアンプAMP3の出力端子は、プログラマブル計装アンプPGAの入力端子に接続されている。プログラマブル計装アンプPGAは、上述の調整部17によりゲインを変更可能なアンプである。プログラマブル計装アンプPGAの出力は、AD変換器14に入力される。AD変換器14は、例えばデルタシグマAD変換器であり、プログラマブル計装アンプPGAから出力された信号をアナログデジタル変換する。

0079

図14は、脈拍計2において上記発光制御状態とバイアス電圧生成状態とを切替えるタイミングの一例について示すタイムチャートである。なお、図14は、脈拍計2における1回のサンプリング動作のタイムチャートを示している。図14に示した例では、時刻T1から時刻T2までの間、発光器10が発光しているものとする。

0080

時刻T1において、発光器10が点灯する。この時、脈拍計2は、バイアス電圧生成状態から発光制御状態へと状態が切替わる。すなわち、時刻T1において、スイッチSW1及びスイッチSW3がオフからオンに切り替わり、スイッチSW2がオンからオフに切り替わる。続いて、時刻T2において発光器10が消灯する。この時、脈拍計2は、発光制御状態からバイアス電圧生成状態へと状態が切替わる。すなわち、時刻T2において、スイッチSW1及びスイッチSW3がオンからオフに切り替わり、スイッチSW2がオフからオンに切り替わる。さらに、時刻T2において、スイッチSW4がオンからオフへ切り替わる。時刻T1から時刻T2までの間はサンプルホールド回路20のサンプリング動作が行われる時間であり、コンデンサCは受光センサ回路120の出力により充電される。その後、時刻T3において、AD変換器14が変換を開始する。なお、時刻T2から時刻T3までの時間は、アナログフロントエンドセットリングタイムを待つための予め定められた待ち時間である。具体的には、例えば、発光制御状態からバイアス電圧生成状態へと切替えた際に生じる待ち時間である。時刻T4において、スイッチSW4がオンになるとともに、AD変換器14が変換を終了する。コンデンサCは、スイッチSW4が時刻T4においてオフになるまでの間、充電状態を維持している。つまり、時刻T2から時刻T4は、サンプルホールド回路20のホールド動作が行われる時間である。時刻T4においてスイッチSW4がオンになると、コンデンサCは放電を開始する。そして、時刻T5になると再び発光器10が発光し、脈拍計2において上記動作が繰り返される。

0081

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

0082

例えば、図1では、増幅回路13を備えた脈拍計1について図示し、調整部17が発光器10の光量及び増幅回路13のゲインを調整するものとして説明したが、調整部17がゲインの調整を行わない場合、脈拍計1に増幅回路13が設けられていなくてもよい。

0083

また、実施の形態5にかかる脈拍計2について、図11により構成を示したが、脈拍計2において調整部17が設けられていなくてもよい。すなわち、図15に示されるように、脈拍計2が構成されていてもよい。なお、サンプルホールド回路20からの出力が十分である場合には、増幅回路13は省略されてもよい。また、上述したとおり、脈拍計2は、発光器10の発光時間が実測値にしたがって設定されていればよく、必ずしもタイマー21及び時間計測部22を備えていなくてもよい。このように、実施の形態5にかかる脈拍計2は、調整部17が設けられていなくてもよいし、実施の形態1乃至4で説明した調整部17の構成が設けられていてもよい。

0084

また、上記実施の形態では、図2に示される反射型のセンサにより脈拍信号を取得する構成となっているが、指に対し発光し、指を透過した光を発光側とは逆側で受光して脈拍信号を取得する透過型のセンサが用いられてもよい。また、測定対象は人体に限らず動物でもよい。また、測定部位は指以外に腕や手のひら、足でもよい。また、パルスオキシメータにおける脈拍測定において適用されてもよい。

0085

1、2 :脈拍計
10 :発光器
11 :駆動回路
12 :光検出器
13 :増幅回路
14 :変換器
15 :周波数解析部
16 :脈拍数演算部
17 : 調整部
20 :サンプルホールド回路
21 :タイマー
22 :時間計測部
120 :受光センサ回路
AMP1、AMP2、AMP3 :オペアンプ
C :コンデンサ
DAC :DA変換器
NMOS:NチャネルMOSトランジスタ
N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9 :ノード
PGA:プログラマブル計装アンプ
PT :フォトトランジスタ
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10 :抵抗素子
SW1、SW2、SW3、SW4 : スイッチ

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