(57)【要約】【課題】音声を提供しながら生体情報を検出することができる生体情報検出装置を提供する。【解決手段】外耳道３０１の開口部に挿入されるイヤホン１０１と、イヤホン１０１によって検出された少なくとも生体信号及び音声信号を含む検出信号から生体情報を取得する生体信号処理回路１０２と、を備える生体情報検出装置１００であって、生体信号処理回路１０２は、音声信号から第１の遮断周波数より低い周波数成分を除去してイヤホン１０１に対して出力するＨＰＦ１０３と、イヤホン１０１によって検出された検出信号から第２の遮断周波数より高い周波数成分を除去するＬＰＦ１０４と、ＬＰＦ１０４から出力された信号を増幅する増幅器１０５と、増幅器１０５から出力された信号から生体情報を取得するデジタル信号処理部１０７と、を備える。【選択図】図１
2020099520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外耳道の開口部に挿入されるイヤホンと、前記イヤホンによって検出された少なくとも生体信号及び音声信号を含む検出信号から生体情報を取得する生体信号処理回路と、を備える生体情報検出装置であって、
前記生体信号処理回路は、
音声信号から第１の遮断周波数より低い周波数成分を除去して前記イヤホンに対して出力する第１のフィルタと、
前記イヤホンによって検出された前記検出信号から第２の遮断周波数より高い周波数成分を除去する第２のフィルタと、
前記第２のフィルタから出力された信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器から出力された信号から生体情報を取得する信号処理部と、
を備える、生体情報検出装置。
【請求項２】
前記第１のフィルタの前記第１の遮断周波数は、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下である、請求項１に記載の生体情報検出装置。
【請求項３】
前記第２のフィルタの前記第２の遮断周波数は、０．１Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下である、請求項１又は２に記載の生体情報検出装置。
【請求項４】
前記第２のフィルタは、前記第２の遮断周波数のゲインと、前記第１の遮断周波数以上の周波数のゲインとの差が、５０ｄＢ以上であるフィルタ特性を有する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の生体情報検出装置。
【請求項５】
前記第２のフィルタ及び前記増幅器は、
スイッチドキャパシタと、キャパシタと、オペアンプとを用いて構成されるフィルタ回路によって構成される、請求項１乃至４の何れか一項に記載の生体情報検出装置。
【請求項６】
前記第２のフィルタの前記第２の遮断周波数及び前記第２のフィルタのフィルタ特性は、所望する生体情報に応じて変更可能である、請求項１又は２に記載の生体情報検出装置。
【請求項７】
前記第２のフィルタ及び前記増幅器は、
第１のクロック周波数によって制御される第１のスイッチドキャパシタと、第２のクロック周波数によって制御される第２のスイッチドキャパシタと、キャパシタと、オペアンプと、を備え、前記第２のスイッチドキャパシタと、前記キャパシタと、前記オペアンプとは並列接続されており、前記第１のスイッチドキャパシタと、前記第２のスイッチドキャパシタ及び前記キャパシタ及び前記オペアンプとは直列接続された回路によって構成され、
前記第１のスイッチドキャパシタ及び前記第２のスイッチドキャパシタは、可変容量を有する、請求項６に記載の生体情報検出装置。
【請求項８】
前記第１のスイッチドキャパシタ及び前記第２のスイッチドキャパシタの少なくとも一方は、
Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の第３のスイッチドキャパシタが並列接続されてなり、
Ｍ番目（Ｍは１以上Ｎ以下の整数）の第３のスイッチドキャパシタの容量は、Ｃ０・２Ｍ−１である、請求項７に記載の生体情報検出装置。
【請求項９】
前記生体信号処理回路は、前記イヤホンと同一の筐体内に内蔵される、請求項１乃至８の何れか一項に記載の生体情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体情報検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、非侵襲的に生体情報を検出する装置の開発が行われている。例えば、特許文献１には、外耳道を介して脈波を検出する生体情報検出装置が記載されている。
【０００３】
具体的には、特許文献１に記載の生体情報検出装置では、検体の外耳道の開口部にイヤホン形状の筐体部を挿入することにより外耳道をほぼ閉鎖された空洞とし、外耳道の血管の脈波によって当該空洞内を伝播する圧力情報を電気信号として検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６０１８０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、脈波の周波数は数Ｈｚ程度であるため、声や楽曲等の音声に含まれる低周波成分との分離が困難である。そのため、特許文献１に記載された生体情報検出装置では、声や楽曲等の音声を提供しながら、脈波等の生体情報を検出することはできない。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、音声を提供しながら生体情報を検出することができる生体情報検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様に係る生体情報検出装置は、外耳道の開口部に挿入されるイヤホンと、前記イヤホンによって検出された少なくとも生体信号及び音声信号を含む検出信号から生体情報を取得する生体信号処理回路と、を備える生体情報検出装置である。また、前記生体信号処理回路は、音声信号から第１の遮断周波数より低い周波数成分を除去して前記イヤホンに対して出力する第１のフィルタと、前記イヤホンによって検出された前記検出信号から第２の遮断周波数より高い周波数成分を除去する第２のフィルタと、前記第２のフィルタから出力された信号を増幅する増幅器と、前記増幅器から出力された信号から生体情報を取得する信号処理部と、を備える。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る生体情報検出装置によれば、第１のフィルタによって、オーディオ機器等の音声再生機から出力された音声信号から、当該音声信号の雑音部分である第１の遮断周波数より低い周波数成分が除去される。そのため、第１の遮断周波数より低い周波数を有する生体信号の検出に当該音声信号の雑音部分が邪魔にならずに済む。さらに、第２のフィルタによって、イヤホンから出力された検出信号から、当該検出信号に含まれる音声信号の成分である第２の遮断周波数より高い周波数成分が除去される。そのため、第２の遮断周波数付近の周波数を有する生体信号の検出に当該検出信号に含まれる音声信号成分が邪魔にならずに済む。さらに、増幅器によって音声信号成分が除去された検出信号が増幅されるため、微弱な生体信号の強度を増幅することができ、より精度良く生体情報を取得することができる。よって、本発明の第１の態様に係る生体情報検出装置は、音声を提供しながら生体情報を検出することができる。なお、第２の遮断周波数は、第２のフィルタのゲインがピーク周波数のゲインから３ｄＢ減衰した、ピーク周波数より高域側の周波数である。
【０００９】
また、前記第１のフィルタの前記第１の遮断周波数は、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下であることが好ましい。
【００１０】
第１のフィルタの第１の遮断周波数が、人が聴ける周波数帯域の下限側の周波数帯域である、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下であることにより、音声再生機から出力された音声信号から、通常、人が聴くことができない雑音部分が除去されることとなる。そのため、イヤホンの声や楽曲等の音声を聴くという機能を制約せずに、生体情報を検出することができる。
【００１１】
また、前記第２のフィルタの前記第２の遮断周波数は、０．１Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下であることが好ましい。
【００１２】
第２のフィルタの第２の遮断周波数が、脈波等の生体情報の周波数である、０．１Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下であることにより、検出信号から音声信号等の生体信号以外の信号を除去することができる。
【００１３】
また、前記第２のフィルタは、前記第２の遮断周波数のゲインと、前記第１の遮断周波数以上の周波数のゲインとの差が、５０ｄＢ以上であるフィルタ特性を有することが好ましい。
【００１４】
第２のフィルタが、第２の遮断周波数のゲインと、第１の遮断周波数以上の周波数のゲインとの差が、５０ｄＢ以上であるフィルタ特性を有することにより、検出信号から、生体信号に比べて非常に強大な音声信号をより確実に除去することができる。
【００１５】
また、前記第２のフィルタ及び前記増幅器は、スイッチドキャパシタと、キャパシタと、オペアンプとを用いて構成されるフィルタ回路によって構成されることが好ましい。
【００１６】
第２のフィルタ及び増幅器を、スイッチドキャパシタと、キャパシタと、オペアンプとを用いて構成されるフィルタ回路によって構成することにより、第２のフィルタのフィルタ特性を、第２の遮断周波数のゲインと第１の遮断周波数以上の周波数のゲインとの差が、５０ｄＢ以上であるような急峻なフィルタ特性としても、生体信号処理回路全体に占める第２のフィルタ及び増幅器の割合を小さくすることができ、生体信号処理回路をイヤホンと同じ筐体内に内蔵することができる。これにより、イヤホン型及びワイヤレスイヤホン型の生体情報検出装置を実現することが可能になる。また、第２のフィルタ及び増幅器を、スイッチドキャパシタと、キャパシタと、オペアンプとを用いて構成されるフィルタ回路によって構成することにより、増幅器としてのオペアンプの低電力化を図ることができる。
【００１７】
また、前記第２のフィルタの前記第２の遮断周波数及び前記第２のフィルタのフィルタ特性は、所望する生体情報に応じて変更可能であってもよい。
【００１８】
第２のフィルタの第２の遮断周波数及び第２のフィルタのフィルタ特性を所望する生体情報に応じて変更することにより、検出信号から、検出したい生体情報に相当する生体信号以外の信号を除去することができる。
【００１９】
また、前記第２のフィルタ及び前記増幅器は、第１のクロック周波数によって制御される第１のスイッチドキャパシタと、第２のクロック周波数によって制御される第２のスイッチドキャパシタと、キャパシタと、オペアンプと、を備え、前記第２のスイッチドキャパシタと、前記キャパシタと、前記オペアンプとは並列接続されており、前記第１のスイッチドキャパシタと、前記第２のスイッチドキャパシタ及び前記キャパシタ及び前記オペアンプとは直列接続された回路によって構成され、前記第１のスイッチドキャパシタ及び前記第２のスイッチドキャパシタは、可変容量を有していてもよい。
【００２０】
第２のフィルタ及び増幅器を、第１のスイッチドキャパシタ及び第２のスイッチドキャパシタを用いた回路によって構成することにより、第２のフィルタのフィルタ特性を、第１の遮断周波数以上の周波数のゲインとの差が、５０ｄＢ以上であるような急峻なフィルタ特性としても、生体信号処理回路全体に占める第２のフィルタ及び増幅器の割合を小さくすることができ、生体信号処理回路をイヤホンと同じ筐体内に内蔵することができる。これにより、イヤホン型及びワイヤレスイヤホン型の生体情報検出装置を実現することが可能になる。
また、第１のスイッチドキャパシタ及び第２のスイッチドキャパシタが可変容量を有することにより、検出したい生体情報に応じて、第２のフィルタの第２の遮断周波数及び第２のフィルタのフィルタ特性を変更することができる。
【００２１】
また、前記第１のスイッチドキャパシタ及び前記第２のスイッチドキャパシタの少なくとも一方は、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の第３のスイッチドキャパシタが並列接続されてなり、Ｍ番目（Ｍは１以上Ｎ以下の整数）の第３のスイッチドキャパシタの容量は、Ｃ０・２Ｍ−１であってもよい。
【００２２】
第１のスイッチドキャパシタ及び第２のスイッチドキャパシタの少なくとも一方を、容量がＣ０・２Ｍ−１であるＮ個の第３のスイッチドキャパシタを並列接続させて構成することにより、第１のスイッチドキャパシタ及び第２のスイッチドキャパシタの少なくとも一方の容量をより容易に変化させることができる。
【００２３】
また、前記生体信号処理回路は、イヤホンと同一の筐体内に内蔵されることが好ましい。
【００２４】
生体信号処理回路をイヤホンと同一の筐体内に内蔵することにより、イヤホンで検出された検出信号を無線で送信することが不要になり、無線の伝送データ量を増加させずに、ワイヤレスイヤホン型の生体情報検出装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、音声を提供しながら生体情報を検出することができる生体情報検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施の形態１に係る生体情報検出装置の一例を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１に係る音声信号をオシロスコープで観察した際の波形の一例を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る第１のフィルタ（ＨＰＦ）のフィルタ特性の一例を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る第２のフィルタ（ＬＰＦ）のフィルタ特性の一例を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る増幅器の出力信号をオシロスコープで観察した際の波形の一例を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る第２のフィルタ及び増幅器を構成する回路の一例を示す図である。
【図７】従来のフィルタ及び増幅器を構成する回路の一例を示す図である。
【図８】実施の形態２に係る生体信号処理回路の一例を示すブロック図である。
【図９】実施の形態２に係るＬＰＦ／増幅器のフィルタ特性の一例を示す図（Ａ）及び実施の形態２に係るＬＰＦ／増幅器の出力信号をオシロスコープで観察した際の波形の一例を示す図（Ｂ）である。
【図１０】実施の形態２に係るＬＰＦ／増幅器のフィルタ特性の他の例を示す図（Ａ）及び実施の形態２に係るＬＰＦ／増幅器の出力信号をオシロスコープで観察した際の波形の他の例を示す図（Ｂ）である。
【図１１】実施の形態２に係るＬＰＦ／増幅器を構成する回路の一例を示す図である。
【図１２】実施の形態２に係る第１のスイッチドキャパシタ又は第２のスイッチドキャパシタを構成する回路の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る生体情報検出装置１００の一例を示すブロック図である。本実施の形態１に係る生体情報検出装置１００は、図１に示すように、被検者の耳３００の外耳道３０１の開口部に挿入されるイヤホン１０１と、イヤホン１０１によって検出された少なくとも生体信号及び音声信号を含む検出信号から生体情報を取得する生体信号処理回路１０２と、を備える。イヤホン１０１が外耳道３０１に挿入されることにより、イヤホン１０１、外耳道３０１及び鼓膜３０２とにより、ほぼ閉鎖された空間が形成される。そして、イヤホン１０１は、外耳道３０１の血管の脈波によって当該空間内を伝播する圧力情報を、電気信号として検出する。また、本実施の形態１に係る生体情報検出装置１００は、音声再生機としてのオーディオ機器２００から出力された音声信号を被検者に提供しながら、被検者の生体情報を検出する。
【００２８】
また、本実施の形態１において、生体信号処理回路１０２は、イヤホン１０１と同一の筐体内に内蔵されていてもよい。すなわち、生体情報検出装置１００は、イヤホン型又はワイヤレスイヤホン型の生体情報検出装置であってもよい。
【００２９】
生体信号処理回路１０２は、図１に示すように、第１のフィルタとしてのＨＰＦ（Ｈｉｇｈ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）１０３と、第２のフィルタとしてのＬＰＦ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）１０４と、増幅器１０５、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１０６と、信号処理部としてのデジタル信号処理部１０７等を備える。
【００３０】
ＨＰＦ１０３は、オーディオ機器２００から出力された音声信号から第１の遮断周波数より低い周波数成分を除去する。また、ＨＰＦ１０３は、第１の遮断周波数より低い周波数成分が除去された音声信号をイヤホン１０１に対して出力する。ここで、第１の遮断周波数は、人が聴ける周波数帯域の下限側の周波数帯域の周波数であることが好ましい。具体的には、第１の遮断周波数は、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下であることが好ましい。また、第１の遮断周波数は、２０Ｈｚ以上３０Ｈｚ以下であることがさらに好ましい。なお、第１の遮断周波数は、検出対象となる生体情報に応じて、決定されればよく、本実施の形態に記載した数値に限定されるものではない。
【００３１】
図２に、市販のスマートフォンのイヤホン用のオーディオ端子からある音楽（音声信号）を最大音量で出力し、オーディオ端子の出力をハイパーインピーダンスプローブを用いてオシロスコープに入力して観察した際の当該音声信号の波形を示す。図２に示すように、当該音声信号の電圧振幅値は約１Ｖｐｐであり、外耳道３０１から得られる脈波等の生体信号の電圧振幅値の１μＶに比べてかなり大きい。そのため、音声信号を被検者に提供しながら、被検者の生体情報を検出することは難しい。
【００３２】
また、通常、人が聴ける周波数帯域は２０Ｈｚ〜２００００Ｈｚと言われており、オーディオ機器２００から出力される音声信号のうち、人が聴ける周波数帯域の下限側の周波数帯域の成分は、一般的に、雑音に相当する。一方で、脈波等の生体信号の周波数は、当該下限側の周波数帯域内か、当該下限側の周波数帯域より低い周波数である場合が多い。そこで、本実施の形態１では、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の第１の遮断周波数を有するＨＰＦ１０３によって、音声信号に含まれる１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の成分を除去することにより、音声信号を被検者に提供しながら、被検者の生体情報を検出する。
【００３３】
図３に、ＨＰＦ１０３のフィルタ特性の一例を示す。図３に示すＨＰＦ１０３では、第１の遮断周波数としての３ｄＢカットオフ周波数が約２０Ｈｚであり、生体信号の周波数ｆ１（図３に示す例では、約１Ｈｚ）のゲインは、音声信号の一般的な周波数ｆ２（図３に示す例では、約１００Ｈｚ）のゲインより約１００ｄＢ減衰している。図３に示すような急峻なフィルタ特性を有するＨＰＦ１０３を用いることにより、音声信号を被検者に提供している最中であっても、被検者の生体情報を精度良く検出することができる。
【００３４】
ＬＰＦ１０４は、イヤホンによって検出された検出信号から第２の遮断周波数より高い周波数成分を除去する。なお、第２の遮断周波数は、ＬＰＦ１０４のゲインがピーク周波数のゲインから３ｄＢ減衰した、ピーク周波数より高域側の周波数である。また、ＬＰＦ１０４は、第２の遮断周波数より高い周波数成分が除去された検出信号を増幅器１０５に対して出力する。ここで、第２の遮断周波数は、脈波等の生体情報の周波数付近であることが好ましい。具体的には、第２の遮断周波数は、０．１Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下であることが好ましい。これにより、検出信号から音声信号等の生体信号以外の信号を除去することができる。また、第２の遮断周波数は、１Ｈｚ以上３Ｈｚ以下であることがさらに好ましい。なお、第２の遮断周波数は、検出対象となる生体情報に応じて、決定されればよく、本実施の形態に記載した数値に限定されるものではない。
【００３５】
また、ＬＰＦ１０４は、第２の遮断周波数のゲインと、第１の遮断周波数以上の周波数のゲインとの差が、５０ｄＢ以上であるフィルタ特性を有することが好ましい。図４に、ＬＰＦ１０４のフィルタ特性の一例を示す。図４に示すＬＰＦ１０４では、第２の遮断周波数としての３ｄＢカットオフ周波数が約１Ｈｚであり、音声信号の一般的な周波数ｆ２（図４に示す例では、約１００Ｈｚ）のゲインは、生体信号の周波数ｆ１（図４に示す例では、約１Ｈｚ）のゲインより約１２０ｄＢ減衰している。図４に示すような急峻なフィルタ特性を有するＬＰＦ１０４を用いることにより、音声信号を被検者に提供している最中であっても、被検者の生体情報を精度良く検出することができる。換言すれば、ＬＰＦ１０４が、第２の遮断周波数のゲインと、第１の遮断周波数以上の周波数のゲインとの差が、５０ｄＢ以上であるフィルタ特性を有することにより、検出信号から、生体信号に比べて非常に強大な音声信号をより確実に除去することができる。
【００３６】
また、図４に示すＬＰＦ１０４では、３ｄＢカットオフ周波数（第２の遮断周波数）よりも低い周波数のゲインも生体信号の周波数ｆ１（約１Ｈｚ）のゲインより減衰している。すなわち、図４に示すＬＰＦ１０４はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ；Ｂａｎｄ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）のようなフィルタ特性を有している。そのため、図４に示すＬＰＦ１０４は、生体信号の周波数ｆ１（約１Ｈｚ）より低い周波数を有する雑音も除去することができる。
【００３７】
増幅器１０５は、ＬＰＦ１０４によって第２の遮断周波数より高い周波数成分が除去された検出信号を増幅する。また、増幅器１０５は、増幅した検出信号をＡＤＣ１０６に対して出力する。
【００３８】
ＡＤＣ１０６は、増幅器１０５によって増幅された検出信号をデジタル信号に変換する。また、ＡＤＣ１０６は、デジタル信号に変換した検出信号をデジタル信号処理部１０７に対して出力する。
【００３９】
デジタル信号処理部１０７は、デジタル信号に変換された検出信号に対して所定の演算処理を行って、生体情報を取得する。また、デジタル信号処理部１０７は、取得した生体情報を表示装置等の外部装置に対して出力してもよい。
【００４０】
図５に、実施の形態１に係る増幅器１０５の出力信号をオシロスコープで観察した際の波形の一例を示す。図５（Ａ）は、オーディオ機器２００からイヤホン１０１に音声信号が出力されてない際の増幅器１０５の出力信号の波形を示す。図５（Ｂ）は、オーディオ機器２００からイヤホン１０１に音声信号が出力されている際の増幅器１０５の出力信号の波形を示す。図５（Ａ）、図５（Ｂ）の双方において、脈波に由来する周波数１Ｈｚを中心とする正弦波に近い波形が観察されており、脈波に相当する周波数１Ｈｚの検出信号が増幅器１０５から出力されていることが分かる。すなわち、ＨＰＦ１０３及びＬＰＦ１０４によって、検出信号に与える音声信号の影響を十分に除去して、生体信号を検出することができていることが分かる。
【００４１】
図６に、実施の形態１に係るＬＰＦ１０４及び増幅器１０５を構成する回路の一例を示す。また、図７に、従来のフィルタ及び増幅器を構成する回路の一例を示す。図６に示すように、ＬＰＦ１０４及び増幅器１０５は、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１と、第２のスイッチドキャパシタＳＣ２と、キャパシタＣと、増幅器１０５としてのオペアンプＯＰと、を備える。また、第２のスイッチドキャパシタＳＣ２と、キャパシタＣと、オペアンプＯＰとは並列接続されており、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１と、第２のスイッチドキャパシタＳＣ２及びキャパシタＣ及びオペアンプＯＰとは直列接続されている。すなわち、図６に示すＬＰＦ１０４及び増幅器１０５を構成する回路は、図７に示す従来の１次のＬＰＦ回路（不完全積分回路）の抵抗Ｒ１，Ｒ２をスイッチドキャパシタＳＣ１，ＳＣ２に変えた１次のＬＰＦ回路（不完全積分回路）である。
【００４２】
図７に示す従来の１次のＬＰＦ回路（不完全積分回路）において、３ｄＢカットオフ周波数の要求仕様が３Ｈｚであり、直流電流（ＤＣ）の増幅率を０ｄＢとした場合、例えば、キャパシタＣの容量ＣＣ、抵抗Ｒ１の抵抗値ＲＲ１、抵抗Ｒ１の抵抗値ＲＲ２は、それぞれ、ＣＣ＝５ｎＦ、ＲＲ１＝ＲＲ２＝１０メガΩとなり、非常な大きな値となってしまう。このような大きな容量及び抵抗値を有する素子を集積回路に搭載するのは不可能である。また、このような大きな容量及び抵抗値を有する素子をディスクリート部品で実現しても、当該部品が大きいため、イヤホン１０１と同一の筐体内に内蔵可能なサイズに生体信号処理回路１０２を小型化することが難しくなる。
【００４３】
一方、図６に示すＬＰＦ１０４及び増幅器１０５を構成する１次のＬＰＦ回路（不完全積分回路）では、直流電流（ＤＣ）の増幅率を０ｄＢとした場合、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１の容量ＣＳＣ１＝第２のスイッチドキャパシタＳＣ２の容量ＣＳＣ２＝ＣＳＣと表され、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１のクロック周波数ｆＳＣ１＝第２のスイッチドキャパシタＳＣ２のクロック周波数ｆＳＣ２＝ｆＳＣと表すことができる。そして、周知のように、スイッチドキャパシタの実効的な抵抗Ｒｅｆｆは、Ｒｅｆｆ＝１／（ＣＳＣ・ｆＳＣ）であるため、図６に示す１次のＬＰＦ回路（不完全積分回路）の３ｄＢカットオフ周波数ｆ−３ｄＢは、ｆ−３ｄＢ＝ＣＳＣ・ｆＳＣ／（２π・ＣＣ）と表すことができる。すなわち、図６に示す１次のＬＰＦ回路（不完全積分回路）の３ｄＢカットオフ周波数ｆ−３ｄＢは、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２とスイッチドキャパシタＣとの容量比と、クロック周波数だけから決定される。そして、ＬＰＦ１０４の３ｄＢカットオフ周波数の要求仕様が３Ｈｚである場合、例えば、ＣＳＣ＝１０ｎＦ、ＣＣ＝０．１ｐＦ、ｆＳＣ＝１．９ｋＨｚとなり、これらの容量及びクロック周波数を実現する素子を集積回路に搭載することは十分可能である。さらに、集積回路上において、容量比は一般的に０．５％以下のばらつきに抑えることができるため、このような回路によって構成されるフィルタのフィルタ特性も十分にばらつきを抑えることができる。また、クロック周波数ｆＳＣが十分に低周波数であるため、オペアンプＯＰを十分に低消費電力化することができる。
なお、ＬＰＦ１０４及び増幅器１０５は、スイッチドキャパシタと、キャパシタと、オペアンプとを用いて構成されるフィルタ回路によって構成されればよく、図６に示す回路構成に限定されるものではない。
【００４４】
以上に説明した、本実施の形態１に係る生体情報検出装置１００では、ＨＰＦ１０３によって、オーディオ機器２００から出力された音声信号から、当該音声信号の雑音部分である第１の遮断周波数より低い周波数成分が除去される。そのため、第１の遮断周波数より低い周波数を有する生体信号の検出に当該音声信号の雑音部分が邪魔にならずに済む。さらに、ＬＰＦ１０４によって、イヤホン１０１から出力された検出信号から、当該検出信号に含まれる音声信号の成分である第２の遮断周波数より高い周波数成分が除去される。そのため、第２の遮断周波数付近の周波数を有する生体信号の検出に当該検出信号に含まれる音声信号成分が邪魔にならずに済む。さらに、増幅器１０５によって音声信号成分が除去された検出信号が増幅されるため、微弱な生体信号の強度を増幅することができ、より精度良く生体情報を取得することができる。よって、本発明の実施の形態１に係る生体情報検出装置１００は、音声を提供しながら生体情報を検出することができる。
【００４５】
また、ＨＰＦ１０３の第１の遮断周波数が、人が聴ける周波数帯域の下限側の周波数帯域である、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下であることにより、オーディオ機器２００から出力された音声信号から、通常、人が聴くことができない雑音部分が除去されることとなる。そのため、イヤホン１０１の声や楽曲等の音声を提供するという機能を制約せずに、生体情報を検出することができる。
【００４６】
また、ＬＰＦ１０４の第２の遮断周波数が、脈波等の生体情報の周波数である、０．１Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下であることにより、検出信号から音声信号等の生体信号以外の信号を除去することができる。
【００４７】
また、ＬＰＦ１０４が、第２の遮断周波数のゲインと、第１の遮断周波数以上の周波数のゲインとの差が、５０ｄＢ以上であるフィルタ特性を有することにより、検出信号から、生体信号に比べて非常に強大な音声信号をより確実に除去することができる。
【００４８】
また、オーディオ機器２００とイヤホンとが無線接続されたワイヤレスイヤホンを用いて生体情報を検出する場合、イヤホンで検出した検出信号を無線で生体信号処理回路に送って、当該生体信号処理回路において当該検出信号から生体情報を取得することになる。しかし、センサで検出した検出信号を無線で送ると伝送データ量が多くなり過ぎてしまう。そのため、生体信号処理回路をイヤホンに内蔵する必要がある。しかし、生体信号処理回路をイヤホンに内蔵するためには、生体信号処理回路の小型化、低電力化が強く求められる。
【００４９】
しかし、本実施の形態１では、ＬＰＦ１０４及び増幅器１０５を、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２を用いた回路によって構成することにより、ＬＰＦ１０４のフィルタ特性を、第２の遮断周波数のゲインと第１の遮断周波数以上の周波数のゲインとの差が、５０ｄＢ以上であるような急峻なフィルタ特性としても、生体信号処理回路１０２全体に占めるＬＰＦ１０４及び増幅器１０５の割合を小さくすることができ、生体信号処理回路１０２をイヤホン１０１と同じ筐体内に内蔵することができる。これにより、イヤホン型及びワイヤレスイヤホン型の生体情報検出装置１００を実現することが可能になる。また、ＬＰＦ１０４及び増幅器１０５を、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２を用いた回路によって構成することにより、増幅器としてのオペアンプＯＰの低電力化を図ることができる。
【００５０】
また、生体信号処理回路１０２をイヤホン１０１と同一の筐体内に内蔵することにより、イヤホン１０１で検出された検出信号を無線で送信することが不要になり、無線の伝送データ量を増加させずに、ワイヤレスイヤホン型の生体情報検出装置１００を実現することができる。
【００５１】
実施の形態２
次に、図８乃至図１２を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。図８は、実施の形態２に係る生体信号処理回路１０２Ａの一例を示すブロック図である。
実施の形態２に係る生体情報検出装置は、図８に示すように、ＬＰＦ（第２のフィルタ）と増幅器とが一体化したＬＰＦ／増幅器１０８を備える点が、実施の形態１に係る生体情報検出装置１００と異なる。以下、実施の形態２に係る生体情報検出装置において、実施の形態１に係る生体情報検出装置１００と同様の構成については、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。なお、図８において、ＨＰＦ１０３は省略されている。
【００５２】
ＬＰＦ／増幅器１０８は、フィルタ特性制御信号によって制御され、イヤホン１０１が検出した検出信号から所望する生体信号を抽出する。具体的には、ＬＰＦ／増幅器１０８の第２の遮断周波数及びフィルタ特性は、フィルタ特性制御信号によって変更可能となっている。換言すれば、ＬＰＦ／増幅器１０８の第２の遮断周波数及びフィルタ特性は、所望する生体情報に応じて変更可能となっている。イヤホン１０１によって検出された検出信号には、所望する生体信号、所望としない生体信号、音声信号が含まれている。そのため、ＬＰＦ／増幅器１０８の第２の遮断周波数及びフィルタ特性を変更することにより、ＬＰＦ／増幅器１０８は、検出信号から、所望としない生体信号及び音声信号を除去し、所望する生体信号を抽出する。
【００５３】
フィルタ特性制御信号は、ユーザによって生体信号処理回路１０２Ａに入力されてもよいし、外部装置から生体信号処理回路１０２Ａに入力されてもよい。フィルタ特性制御信号は、具体的には、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１を制御する第１のクロック周波数ｆＳＣ１、第２のスイッチドキャパシタＳＣ２を制御する第２のクロック周波数ｆＳＣ２である。
【００５４】
図９（Ａ）に、ＬＰＦ／増幅器１０８のフィルタ特性の一例を示し、図９（Ｂ）に、ＬＰＦ／増幅器１０８の出力信号をオシロスコープで観察した際の波形の一例を示す。図９（Ａ）に示すＬＰＦ／増幅器１０８では、第２の遮断周波数としての３ｄＢカットオフ周波数が約１Ｈｚであり、音声信号の一般的な周波数ｆ２（図９に示す例では、約１００Ｈｚ）のゲインは、生体信号の周波数ｆ１（図９に示す例では、約１Ｈｚ）のゲインより約１２０ｄＢ減衰している。図９（Ａ）に示すように、ＬＰＦ／増幅器１０８の３ｄＢカットオフ周波数を低く、フィルタ特性を急峻にした場合、図９（Ｂ）に示すように、脈波に由来する周波数１Ｈｚを中心とする正弦波に近い波形が観察されており、当該波形から心拍数を検出することができることが分かる。
【００５５】
図１０（Ａ）に、ＬＰＦ／増幅器１０８のフィルタ特性の他の例を示し、図１０（Ｂ）に、ＬＰＦ／増幅器１０８の出力信号をオシロスコープで観察した際の波形の他の例を示す。図１０（Ａ）に示すＬＰＦ／増幅器１０８では、第２の遮断周波数としての３ｄＢカットオフ周波数が約２０Ｈｚであり、音声信号の一般的な周波数ｆ２（図１０に示す例では、約１００Ｈｚ）のゲインは、生体信号の周波数ｆ１（図１０に示す例では、約１Ｈｚ）のゲインより約２５ｄＢ減衰している。図１０（Ａ）に示すように、ＬＰＦ／増幅器１０８の３ｄＢカットオフ周波数を高く、フィルタ特性を緩やかにした場合、図１０（Ｂ）に示すように、脈波に由来する波形がほぼ完全に観察されており、当該波形を詳細に解析することにより、被検者の体の診察を実施することができることが分かる。
【００５６】
図９及び図１０に示すように、ＬＰＦ／増幅器１０８の第２の遮断周波数及びフィルタ特性を変更することにより、ＬＰＦ／増幅器１０８は、検出信号から所望する生体信号を抽出する。
【００５７】
図１１に、実施の形態２に係るＬＰＦ／増幅器１０８を構成する回路の一例を示す。図１１に示す回路は、図６に示す１次のＬＰＦ回路（不完全積分回路）において、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２の容量を可変にしたものである。ここで、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１の可変容量をＣＳＣ１’及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２の可変容量をＣＳＣ２’とする。
なお、ＬＰＦ／増幅器１０８は、容量可変なスイッチドキャパシタと、キャパシタと、オペアンプとを用いて構成されるフィルタ回路によって構成されればよく、図１１に示す回路構成に限定されるものではない。
【００５８】
図１２に、実施の形態２に係る第１のスイッチドキャパシタＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２を構成する回路の一例を示す。図１２に示すように、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２の少なくとも一方は、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の第３のスイッチドキャパシタＳＣ３１，ＳＣ３２，・・・ＳＣ３Ｎ−１，ＳＣ３Ｎが並列接続されて構成されている。また、並列接続された第３のスイッチドキャパシタＳＣ３１，ＳＣ３２，・・・ＳＣ３Ｎ−１，ＳＣ３Ｎのうち、上からＭ番目（Ｍは１以上Ｎ以下の整数）の第３のスイッチドキャパシタＳＣ３Ｍの容量は、Ｃ０・２Ｍ−１である。例えば、上から２番目の第３のスイッチドキャパシタＳＣ３２の容量は、Ｃ０・２１である。また、一番下の（Ｎ番目の）第３のスイッチドキャパシタＳＣ３Ｎの容量は、Ｃ０・２Ｎ−１である。第１のスイッチドキャパシタＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２を図１２に示す回路によって構成することにより、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１の可変容量ＣＳＣ１’及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２の可変容量をＣＳＣ２’を、Ｃ０・２１以上Ｃ０・２Ｎ−１以下の範囲でステップ状に容量Ｃ０の２のべき乗毎に変化させることができる。
【００５９】
図１１に示す、ＬＰＦ／増幅器１０８を構成する１次のＬＰＦ回路（不完全積分回路）では、図６に示す１次のＬＰＦ回路（不完全積分回路）と同様に、３ｄＢカットオフ周波数ｆ−３ｄＢは、ｆ−３ｄＢ＝ＣＳＣ’・ｆＳＣ／（２π・ＣＣ）と表すことができる。ここで、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１の容量ＣＳＣ１’＝第２のスイッチドキャパシタＳＣ２の容量ＣＳＣ２’＝ＣＳＣであり、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１のクロック周波数ｆＳＣ１＝第２のスイッチドキャパシタＳＣ２のクロック周波数ｆＳＣ２＝ｆＳＣである。したがって、ｆＳＣ、すなわち、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１のクロック周波数ｆＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２のクロック周波数ｆＳＣ２を変更することにより、ＬＰＦ／増幅器１０８の３ｄＢカットオフ周波数ｆ−３ｄＢ（第２の遮断周波数）を変更することができる。また、第２のスイッチドキャパシタＳＣ２のクロック周波数ｆＳＣ２を変更することが難しい場合には、第２のスイッチドキャパシタＳＣ２の容量ＣＳＣ２’を変更することにより、ＬＰＦ／増幅器１０８の３ｄＢカットオフ周波数ｆ−３ｄＢ（第２の遮断周波数）を変更することができる。また、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１の容量ＣＳＣ１’を変更することにより、ＬＰＦ／増幅器１０８の直流ゲインの値ｆＳＣ１・ＣＳＣ１’／（ｆＳＣ２・ＣＳＣ２’）を変更することができる。
【００６０】
以上に説明した、本実施の形態２に係る生体情報検出装置によれば、実施の形態１に係る生体情報検出装置１００と同様の効果が得られるのは勿論のこと、ＬＰＦ／増幅器１０８の第２の遮断周波数及びフィルタ特性を所望する生体情報に応じて変更することにより、検出信号から、検出したい生体情報に相当する生体信号以外の信号を除去することができる。
【００６１】
また、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２が可変容量を有することにより、検出したい生体情報に応じて、ＬＰＦ／増幅器１０８の第２の遮断周波数及びフィルタ特性を変更することができる。
【００６２】
第１のスイッチドキャパシタＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２の少なくとも一方を、容量がＣ０・２Ｍ−１であるＮ個の第３のスイッチドキャパシタＳＣ３１，ＳＣ３２，・・・ＳＣ３Ｎ−１，ＳＣ３Ｎを並列接続させて構成することにより、第１のスイッチドキャパシタＳＣ１及び第２のスイッチドキャパシタＳＣ２の少なくとも一方の容量をより容易に変化させることができる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、ＨＰＦ１０３を図６、図１１に示す回路によって構成してもよい。これにより、ＨＰＦ１０３の第１の遮断周波数（カットオフ周波数）が、例えば、１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下等、低い場合には、ＨＰＦ１０３を集積回路に搭載することができ、小型化、低電力化することができる。ＨＰＦ１０３にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）としてのフィルタ特性が求められる場合でも、ＨＰＦ１０３を図６、図１１に示す回路によって構成することによって、小型化、低電力化することができる。
【００６４】
また、ＨＰＦ１０３を図１１に示す回路によって構成する場合、クロック周波数を変更せずに、スイッチドキャパシタの容量を変更することによって、ＨＰＦ１０３の第１の遮断周波数（カットオフ周波数）やゲインを変更することも可能である。また、ＨＰＦ１０３にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）としてのフィルタ特性が求められる場合でも、図１１に示す回路において、スイッチドキャパシタの容量を変更することによって、ＨＰＦ１０３の中心周波数やバンド幅、ゲインを変更することができる。
【００６５】
また、デジタル信号処理部１０７に、デジタルフィルタを配置して当該デジタルフィルタの特性を変更することにより、生体信号処理回路１０２全体のフィルタ特性を相補的に変更することもできる。
【符号の説明】
【００６６】
１００  生体情報検出装置
１０１  イヤホン
１０２  生体信号処理回路
１０３  ＨＰＦ（第１のフィルタ）
１０４  ＬＰＦ（第２のフィルタ）
１０５  増幅器
１０６  ＡＤＣ
１０７  デジタル信号処理部
１０８  ＬＰＦ／増幅器（第２のフィルタ、増幅器）
２００  オーディオ機器（音声再生機）
３００  耳
３０１  外耳道
３０２  鼓膜
ＳＣ１  第１のスイッチドキャパシタ
ＳＣ２  第２のスイッチドキャパシタ
ＳＣ３１，ＳＣ３２，・・・ＳＣ３Ｎ−１，ＳＣ３Ｎ  第３のスイッチドキャパシタ
ＯＰ  オペアンプ（増幅器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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