(57)【要約】【課題】脈波の周波数の低い成分を減衰させずに忠実に波形を増幅するアナログ処理回路を有する脈波増幅装置を提供する。【解決手段】パルス駆動され、脈波データを検知・出力する脈波検知センサと、脈拍パルスを生成する脈拍パルス生成回路と、前記センサによって出力された脈波データを、脈波信号を含むアナログ信号に変換する変換回路と、前記変換回路によって変換されたアナログ信号に含まれる脈波信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路から出力される脈波信号のDCレベルを、前記脈拍パルス生成回路によって生成された脈拍パルスに同期して、所定のレベルにクランプするクランプ回路とから成る脈波増幅装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス駆動され、脈波データを検知・出力する脈波検知センサと、
脈拍パルスを生成する脈拍パルス生成手段と、
前記センサによって出力された脈波データを、脈波信号を含むアナログ信号に変換する変換手段と、
前記変換手段によって変換されたアナログ信号に含まれる脈波信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力される脈波信号のDCレベルを、前記脈拍パルス生成手段によって生成された脈拍パルスに同期して、所定のレベルにクランプするクランプ手段とから成る、脈波増幅装置。
【請求項２】
前記変換手段は、前記脈波検知センサから出力された脈波データを電圧信号に変換する電流―電圧変換回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の脈波増幅装置。
【請求項３】
前記変換手段は、更に、電流―電圧変換回路によって変換された電圧信号を、前記駆動パルスに同期して、脈波信号を含む連続したアナログ信号に変換するチョッパ回路を含むことを特徴とする請求項２に記載の脈波増幅装置。
【請求項４】
前記増幅手段は、前記変換手段によって変換されたアナログ信号を、前記脈拍パルスと同じタイミングでサンプルホールドするとともに、そのサンプルホールドされた値を基準にして、前記アナログ信号に含まれる脈波信号を増幅することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の脈波増幅装置。
【請求項５】
前記クランプ手段は、DCリストア回路であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の脈波増幅装置。
【請求項６】
前記脈拍パルス生成手段は、脈拍パルスを、脈波信号の後半部分に相当する期間内で発生させることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の脈波増幅装置。
【請求項７】
更に、前記脈拍パルスと前記ｃ駆動パルスとを選択的に前記増幅手段に供給するサンプリングパルス選択手段を含むことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の脈波増幅装置。
【請求項８】
前記サンプリングパルス選択手段は、電源投入時に又は長時間脈波が検出されないときに駆動パルスを選択し供給することを特徴とする請求項７に記載の脈波増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脈波の検出・測定に使用する脈波増幅装置に関するものであり、特に、脈波の周波数の低い成分を減衰させずに忠実に波形を増幅するアナログ処理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
脈波とは、心臓から血液が押し出される時に血管が振動して発生する波動のことで、この波動が末梢に伝達されると、心拍動、血行動態などの生理的条件によって波形のゆがみが生ずる。この個々のゆがみを評価して、例えば、末梢血液循環動態や自律神経機能を検査することができる。脈波の測定は、この他に、例えば、脈拍数を測定する際のレベル調整や嘘発見器（人間の皮膚電位を検出する）における出力制御のために使用される等、その用途は広い。
【０００３】
脈波測定は、例えば、血管の波動による血管の容積変化を表す容積脈波を測定する。図１上段は、容積脈波の例を示す。この容積脈波の低周波数のゆらぎは、精神状態や体調の指標となり、その減少は精神的にリラックスした状態を示し、増加は適応力や緊張が高い状態を示すとされる。
【０００４】
近年は、容積脈波の解析を補助する目的で、容積脈波を微分した波形、例えば、一次微分波形、二次微分波形（加速度脈波）を評価することが行われている。図１下段は同図上段の容積脈の二次微分波形である加速度脈波を示す。一次微分波形、二次微分波形は、肺機能障害、高血圧、動脈硬化性心臓病などの各種疾患の推定に利用されている。特に、加速度脈波は、原波形の変曲点が鋭角であればあるほど、二次微分波形の変曲点の振幅も大きくなるため、変曲点による波形のパターンの認識や測定が容易となり、生理機能との関連や血行動態の研究に適している。
【０００５】
ところで、容積脈波の測定としては、手の指を所定の検出部に接触させて計測する指尖光電管容積脈波測定がよく知られており、広く利用されている。
【０００６】
指尖光電管容積脈波測定で使用される検出部は、赤外線などの光を人体に照射し、その反射光から脈波を検出する。しかしながら、その検出部の出力は、以下のような理由で変動する。
（１）対象となる人間の個人差によって、赤外線の反射量や、反射の変化量が異なる。
（２）指と検出部との相互位置や検出部に対する指圧により結果が異なる。
（３）測定対象である生体の動き、光学的、磁気的、電気的な外乱の影響を受けやすい。
【０００７】
（１）については、検出信号を増幅する際にゲインを調整することで対処可能であり、また（２）については、多くは、検出センサ側の問題である。しかし、（３）については、その外乱が検出信号のDCもしくはDC近傍のオフセットとして現われ、これが、脈波成分に重畳し、増幅器のダイナミックレンジ又はA/D変換器の変換レンジを越え、脈波の測定が不能となり、あるいは検出信号を歪ませる。また、容積脈波を微分して得られる一次微分波形、二次微分波形も歪んで正しい評価ができなくなる。
【０００８】
そこで、従来の容積脈波測定装置は、こうした問題を解決するために種々の手段を講じてきた。
【０００９】
例えば、特許文献１に記載する光電容積脈波計は、検出された脈波信号から外光に起因する成分を抽出し、その抽出した成分を基準電圧と比較し、その比較結果（差分）を、検出した脈波信号から減算するようにしたものである。
【００１０】
また、特許文献２に記載する脈波測定装置は、光学的、磁気的、電気的な外乱によるDCオフセットを、相応するオフセット信号を発生させて相殺するとともに、オフセット除去前後の検出信号の不連続を補正するようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１３９８６２
【特許文献２】特開２００４−１７４１４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかるに、検出された脈波信号から外光に起因する成分を抽出するものは、高域遮断フィルタによって検出信号の低周波成分を抽出するから、フィルタの時定数が大きく、外光に起因する成分を除去した後の基線変動が落ち着くまでに時間がかかる。また、外光に起因する成分を除去できたとしても、外光に別の外乱要因が加わると、増幅器、変換器の動作レンジを越えてしまい、その場合は、外乱の除去は不能となる。
【００１３】
また、光学的、磁気的、電気的な外乱によるDCオフセットを、相応するオフセット信号を発生させて相殺するものは、DCオフセットの除去の前後で検出信号の不連続が生じるので、その不連続を補正する必要がある。また、DCオフセットを除去しかつ脈波信号の連続性を保持できるとしても、計測された信号波形から分かるように、DCレベルは変動し、DCオフセットの除去は不十分である。そのためDCオフセット電圧がA/Dコンバータの入力ダイナミックレンジから逸脱する危険があり、その場合はDCオフセットの除去は不可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そこで、上述した問題点を解決するために、パルス駆動され、脈波データを検知・出力する脈波検知センサと、脈拍パルスを生成する脈拍パルス生成手段と、前記脈波検知センサによって出力された脈波データをアナログ信号に変換する変換手段と、前記変換手段によって変換されたアナログ信号に含まれる脈波信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段から出力される脈波信号のDCレベルを、前記脈拍パルス生成手段によって生成された脈拍パルスに同期して、所定のレベルにクランプするクランプ手段とから成る脈波増幅装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る脈波増幅装置では、検出された脈波信号を増幅した後、所定のDCレベルにクランプするから、DCオフセット電圧を設定した基準電圧に強制的に変換することとなって、増幅器、変換器等の動作レンジから逸脱することを確実に回避し、脈波信号を忠実に増幅することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明で扱う脈波信号の例を示す説明図である。
【図２】本発明に従う一実施形態に係る脈波増幅装置のブロック図である。
【図３】図２の脈波増幅装置の動作の概要を示す説明図である。
【図４】図２の脈波増幅装置で使用するパルス駆動回路の一例を示す構成図である。
【図５】図２の脈波増幅装置で使用する電流-電圧変換回路の一例を示す構成図である。
【図６】図２の脈波増幅装置で使用するチョッパ回路の一例を示す構成図である。
【図７】図２の脈波増幅装置で使用する脈拍パルス生成回路の一例を示す構成図である。
【図８】図７の脈拍パルス生成回路において脈拍パルスを生成しうるための原理を説明する説明図である。
【図９】図７の脈拍パルス生成回路の要部の電圧波形を示す説明図である。
【図１０】図７の脈拍パルス生成回路の要部の電圧波形を示す説明図である。
【図１１】図７の脈拍パルス生成回路の要部の電圧波形を示す説明図である。
【図１２】図７の脈拍パルス生成回路の要部の電圧波形を示す説明図である。
【図１３】図２の脈波増幅装置で使用するサンプル&ホールド回路の一例を示す構成図である。
【図１４】図２の脈波増幅装置で使用するDCリストア回路と可変ゲインAMP回路の一例を示す構成図である。
【図１５】図２の脈波増幅装置の脈波出力と脈拍パルスを示す説明図である。
【図１６】図２の脈波増幅装置で使用する信号レベル判定回路（ゲイン切り替え信号発生回路）の一例を示す構成図である。
【図１７】図２の脈波増幅装置で使用するサンプリングパルス選択回路の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態に係る脈波増幅装置の概略を示すブロック図である。
【００１８】
図示の脈波増幅装置は、その出力信号(電圧信号)が、不図示の、マイコンを中心として構成されたデジタル部に送ることを想定しているが、本発明の増幅装置は、これに限定されない。装置の一部として組み込むこともできるし、あるいは他の装置と接続して使用してもかまわない。
【００１９】
図示の脈波増幅装置は、パルス駆動部とアナログ信号処理部に大別することができる。パルス駆動回路２１から成るパルス駆動部は脈波検出用センサをパルス駆動し、アナログ処理部が、センサから得た脈波データを処理して、脈波信号を例えば、0V〜+5Vの範囲の電圧信号として出力する。
【００２０】
アナログ処理部は、脈拍パルス生成手段（脈拍パルス生成回路）１１と、脈波データをアナログ信号に変換する変換手段（電流―電圧変換回路３及びチョッパ回路５）と、変換されたアナログ信号に含まれる脈波信号を増幅する増幅手段（サンプル&ホールド回路）９と、増幅手段の出力のDCレベルを所定のレベルにクランプするクランプ手段（DCリストア回路）１３とを含む。
【００２１】
図示のアナログ処理部は、さらに、可変ゲインAMP回路１５、回路（信号レベル判定回路）１９、サンプリングパルス選択回路１７等を含む。各回路の動作の詳細は後述する。
【００２２】
なお、図示実施形態では、手の指の所定箇所にセンサとしてフォトインタラプタを設けて脈波を検出する例を示すが、本発明は、これに限定されず、他に、例えば耳朶にセンサを設けてもよい。また、センサの種類、取り付け手段も特に限定しない。
【００２３】
まず、図２の脈波増幅装置の要部における信号波形を図３に示し、主要な回路の動作の概要を説明する。
【００２４】
本装置内又は外部に設けた駆動パルス供給手段(不図示)から駆動パルスを受け取り、パルス駆動回路２１を通してフォトインタラプタの発光素子(赤外線LED)７を定電流でパルス駆動する。
【００２５】
発光素子７により発せられた光は人体の皮膚を透過し、血管を流れるヘモグロビンで反射散乱される。このときの反射散乱の度合いは、血中成分の変化や圧力変化による血管径の変化によって変わるので、反射散乱光を脈波として検出することができる。
【００２６】
反射散乱光の一部は受光素子(フォトトランジスタ)１に入射し、入射した光の強弱に応じた電流出力を電流-電圧変換回路３で電圧信号に変換する。
【００２７】
チョッパ回路５は、電流―電圧変換回路３によって変換された電圧信号（パルス列の脈波信号）を、波高値がそのパルス列の包絡線に沿って連続的に変化するアナログ信号に変換する。このチョッパ回路５は、前記駆動パルスと同期して動作し、発光素子７が点灯している期間の電圧値をサンプルホールドして連続した脈波信号への変換を行っている。
【００２８】
この段階では脈波信号はまだ小さいために増幅を行う必要があるが、DCレベルが一定していないために0Vからの増幅を行うことはできない。このため、サンプル&ホールド回路９で、脈拍パルス生成回路１１で生成された脈拍パルスのタイミングで、チョッパ回路５から出力されたアナログ信号をサンプルホールドし、その保持された値を基準としてアナログ信号に含まれる脈波信号の増幅を行っている。
【００２９】
DCリストア回路１３は、サンプル&ホールド回路９の出力信号を所定のDCリストア電圧にクランプ（固定）している（DCレベルの回復）。
【００３０】
その後、図示の実施形態では、可変ゲインAMP回路１５により0V〜+5Vの範囲に増幅された脈波信号を出力する。また、図示の実施形態では信号レベル判定回路（ゲイン切り替え信号発生回路）１９を設けて、可変ゲインAMP回路１５のゲインを切り替えるための制御制御信号を出力する。
【００３１】
次に、パルス駆動部及びアナログ処理部の各回路の構成及び動作の詳細を述べる。
【００３２】
パルス駆動部
１．パルス信号
本願発明に係る脈波増幅装置では、低消費電力化のために発光素子７のパルス駆動を行っている。発光素子７を駆動するための駆動パルスは本装置内又は外部の駆動パルス供給手段（不図示）から供給する。この駆動パルスは、後述するチョッパ回路５、サンプリングパルス選択回路１７にも供給する。なお、図示実施形態では、当該パルスは、CMOSレベルで入力し、周波数とデューティは任意で駆動パルス供給側で変更可能とする。
【００３３】
２．パルス駆動回路
供給された駆動パルスでフォトインタラプタの発光素子７を定電流駆動する。図４にパルス駆動回路２１の一例を示す。入力された駆動パルスによりトランジスタQ1がスイッチングされ、駆動パルスがHのときトランジスタQ1はONする。トランジスタQ1がONのときトランジスタQ1のコレクタ側電圧V(d2)は0Vになり、このときLEDに流れる電流はトランジスタQ2のベースエミッタ間電圧Vbeと抵抗R4によって決まる。例えば、トランジスタQ2のVbeを0.75Vとし、抵抗R4を270オームとすると、LEDに流れる電流は次の式（１）で求められる。
【数１】
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【００３４】
このとき、トランジスタQ3のベースに流れる電流はエミッタ電流に比べて十分小さいのでエミッタ電流はコレクタ電流と等しいとした。
【００３５】
３．フォトインタラプタ
図示実施形態では、脈波の測定は指尖又は耳朶で行う。フォトインタラプタは赤外線LED（発光素子）７とフォトトランジスタ（受光素子）１が同一面に並んで配置されたデバイスで、赤外線LEDから発せられた光が物体で反射してフォトトランジスタ（受光素子）１に入射すると出力が変化する。赤外線LEDの出力を適切な値に調整し、反射されてフォトトランジスタ（受光素子）１に戻ってくる光量を適当になるようにすることで光量に応じた電流出力を得ることができる。
【００３６】
指先や耳朶などの毛細血管が体表面に近いところに出ている箇所にフォトインタラプタを密着させると、赤外線LEDから発せられた光は皮膚、細胞、毛細血管を透過し、何割かの光は散乱され、散乱光の一部が再びフォトインタラプタに到達し、フォトトランジスタ（受光素子）１でその光量に応じた電流出力に変換される。定常状態において、皮膚や細胞で散乱される光量は一定と考えることができるが、毛細血管において散乱される光量は血管中に存在する赤血球の量により変化する。赤血球の密度は血圧の高い心臓収縮期に増加し、血圧の低い心臓拡張期に減少するため、脈拍に応じて毛細血管において散乱される光量は変化し、フォトトランジスタ（受光素子）１の出力も変化する。
【００３７】
アナログ信号処理部
１．電流-電圧変換回路
脈波センサの出力は、光の入射が多いほど多くの電流を流すことができる電流出力となっている。しかし、図示実施形態の脈波増幅装置は、例えばデジタル部に電圧信号として出力すること、信号処理の容易さ等を考慮し、まず電流信号を電圧信号に変換する。図５に電流-電圧変換回路３の一例を示す。フォトトランジスタ（受光素子）１に流れる電流をIsとすると、電流Isは全て抵抗Rsを流れるため、出力電圧V(d)は次の式（２）で求められる。
【数２】
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【００３８】
この電圧は、基準電圧V(c)に重畳した電圧として出力される。基準電圧V(c)は可変抵抗(VR)によって、約0.5Vから2.7Vの範囲で決定されバッファを通して出力される。オペアンプは、+側入力に加えられた電圧V(c)と-側入力に加えられた電圧V(b)が同じ電圧になるように動作するので、電圧V(c)はフォトトランジスタ（受光素子）１のバイアス電圧としても働く。出力電圧V(d)のDCレベルは脈波センサにおける指等の装着状況などによって大きく変化するが、脈波出力（脈波信号）のDCレベルはこの出力電圧V(d)とは関係なく、後述するDCリストア回路によって決定されるため、センサにおける装着状態がゆるくても、脈が得られれば脈波信号を出力することができる。例えば、基準電圧V(c)を0.5V〜2.5Vに変化させても、脈波信号は問題なく得られた。
【００３９】
２．チョッパ回路
本脈波増幅装置では低消費電力化のために発光素子７のパルス駆動を行っている。消費電力量(W)は、発光のデューティ(T)に比例するから、発光のデューティ(T)を10%とすれば常時発光に比べ消費電力量(W)は1/10になる。 
【００４０】
図６にチョッパ回路５の一例を示す。発光素子７はパルス駆動を行っているため、発光素子７の無発光期間ではフォトトランジスタ（受光素子）１の信号出力を得ることはできなくなる。このため、チョッパ回路５を用いて発光期間はセンサからの信号を回路に接続し、無発光期間はスイッチデバイスで切り離して発光期間の信号電圧をコンデンサ（図示の例では1μFのコンデンサ、なお回路素子の値は例示であってこれに限定されない、以下同様である）に充電して保持することにより連続した信号を得ている。
【００４１】
無発光期間においても保持コンデンサの電圧が一定でなければならないので、雑音除去のためのLPF（ローパスフィルタ）の後にバッファを通して次の回路に信号を出力している。無発光期間の保持コンデンサから見たインピーダンスは充分に高いために、入力側からも出力側からも影響を受けることなく電圧は一定に保たれる。
【００４２】
３．脈拍パルス生成回路
脈拍パルス生成回路１１は脈拍と同じ周期を持った脈拍パルスDRPを生成する。図７に脈拍パルス生成回路１１の一例を示す。
【００４３】
脈拍パルスは、後述するDCリストア回路１３で脈波信号のDCレベルをクランプ（固定）する時のタイミングパルスとして用いられる。このため、DCリストア回路１３の出力波形は、脈拍パルスと同じタイミングで上下方向にずれることが考えられる。このずれが大きいと、容積脈波の二次微分波形である加速度脈波ではスパイクとなって現われる。このため、DCリストア回路１３の動作タイミングが、重要な情報を持たない脈波の後半部分で行われるように、脈拍パルスの発生タイミングを、脈拍のそれに対してずらす必要がある。脈波の後半部分が重要な情報をもたないことは、図１上段の容積脈波の形状から容易に分かるであろう。
【００４４】
図８は、図７の脈拍パルス生成回路１１の生成動作を説明するもので、図示において、信号V(g)はチョッパ回路５から出力された増幅されていない脈波信号である。V(g)のDCレベルは指等とセンサとの装着状況などによって変化するため、一定の値と比較してパルス化することはできない。そこで、V(g)をLPFに通した出力V(o)（V(g)の平均値といえる）を基準として、V(g)を反転増幅する。そして増幅されたV(g)と増幅されていないV(g)を比較することで矩形波を作り、その矩形波のエッジから脈波パルスを生成する。
【００４５】
より詳細に動作を説明すると次のようになる。V(o)を基準としてV(g)を反転増幅した出力電圧V(j)は、パルス駆動に起因する雑音が顕著であるため、LPFを通過させた後、ヒステリシスコンパレータを用いて雑音の影響を除いている。ヒステリシスコンパレータでは、増幅されたV(g)（LPF通過後の電圧V(p)）と増幅されていないV(g)を比較する。ヒステリシスコンパレータの出力V(q)は、V(p)がV(g)を上から下へ交差する点で立ち上がり、V(p)がV(g)を下から上へ交差する点で立ち下がる矩形波となる。
【００４６】
ここまでで、V(g)を２値化した矩形波V(q)を作ることができた。次に、V(q)の立ち上がりエッジから脈拍パルスを生成する。V(q)をLPFに通し立ち上がりを遅らせ、この信号（信号V(r)）とV(p)の比較を行う。この２つの信号を比較した結果、矩形波V(s)が得られる。図示の例では、V(s)はV(q)に対して約10ms遅れた波形となる。そして、V(s)を反転し、V(q)とANDをとることで脈拍パルスV(DRP)が生成される。なお、V(p)とV(s)を図９に、V(s)と反転したV(s)を図１０に、V(p)とV(DRP)を図１１に、V(q)とV(DRP)を図１２に示す。図１１に示すように、V(DRP)はV(p)の後半部分で生成され、図１２に示すように、V(DRP)はV(q)のエッジで生成される。
【００４７】
４．サンプル&ホールド回路
図１３にサンプル&ホールド回路９の一例を示す。図示のサンプル&ホールド回路９では、脈拍パルス生成回路１１で生成された脈拍と同じタイミングのサンプリングパルスSPでV(g)の値を100μFのコンデンサにサンプリングし、その値V(h)を基準として脈波信号V(g)を増幅している。
【００４８】
サンプリング時以外にはV(h)はV(g)から切り離され、オペアンプの入力インピーダンスも高いため、V(h)は脈拍の1周期の間一定に保たれ、V(g)は忠実に増幅される。また、DCレベルは増幅されないので、V(g)と出力電圧V(m)のDCレベルは変わらない。
【００４９】
サンプリングスイッチがOFF時にV(h)がリークによる電圧低下やV(g)によって変動すると、その変化が増幅されてそのまま脈拍信号に乗って出力波形が歪むことになる。そこで、サンプリングコンデンサには100μFを用いることでV(h)の変化が少なくなるようにし、さらにアナログスイッチを２つ直列にすることでOFF時の抵抗を高めて周辺回路からの影響を抑えている。サンプリングパルスSPは、後述するサンプリングパルス選択回路１７により、V(h)の充電が十分に行われていない電源投入時などでは駆動パルスを、定常状態では脈拍パルスDRPを使用する。
【００５０】
５．DCリストア回路
サンプル&ホールド回路９の出力V(m)のDCレベルは、前述した式（２）で決まる電流―電圧変換回路３の出力V(d)から、フィルタでの減衰はあるもののほとんど変化せず、脈波信号波形のみが増幅されている。しかし、V(m)のDCレベルはセンサの装着状況等によって変わるため、後続の増幅器、変換器の動作レンジを逸脱しないようにする必要がある。そこで、本発明の増幅装置は、脈波信号のDCレベルを、DCリストア回路１３で、所定の値にクランプ（固定）する（回復するともいえる）。
【００５１】
図１４に、DCリストア回路１３の一例とこれに接続する後述の可変ゲインAMP回路１５の一例を示す。
【００５２】
DCリストア回路１３では、DCレベルの回復は脈拍パルスDRPによって脈拍の1周期ごとに行われ、この実施形態では1.5Vに固定される。脈拍パルスによってDCリストアのスイッチが入ると図示のtとnとは接続され、0.047μFのコンデンサにV(m)とV(t)の差分が充電される。このとき脈波出力V(l)は1.5Vとなる。スイッチがOFFになってもコンデンサに充電された電圧は保持されるため、V(n)は常に次の式（３）に示すように1.5VとスイッチがON時のV(m)との差分が保存され、OFF時はこの保存されている値とリアルタイムに変化するV(m)の和がV(n)となる。そして、スイッチがOFF時には1.5Vを基準としてV(n)が増幅される。
【数３】
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【００５３】
図１５は、こうして得られた脈波出力V(l)と、このDCリストア回路１３の制御信号である脈拍パルスV(DRP)とを示す。
【００５４】
なお、このDCリストア回路１３は、コンデンサとアナログスイッチによって構成されるアナログ回路であって、DCオフセットをデジタル処理によって取り除くものに比べ構成は簡単となりで、かつ確実にDCオフセットを取り除くことができる。
【００５５】
６．可変ゲインAMP回路
測定される脈波の大きさには個人差があり、場合によって脈波の出力信号がオペアンプの最大出力以上になることがある。このようになると出力波形はピークがつぶれたように飽和してしまい、波形情報が失われることになる。そこで、出力信号の振幅がある値を超えたらゲインを落として振幅を小さくし、波形情報が失われないように可変ゲインAMP回路１５を設ける。
【００５６】
図１４で示された可変ゲインAMP回路１５には、常時接続された帰還抵抗（図示では3.3MΩ）と、スイッチが接続された帰還抵抗（図では5.1MΩ）が並列に接続されており、スイッチがOFFの時は3.2MΩの帰還抵抗だけなのでゲインは32倍、スイッチがONすると帰還抵抗に5.1MΩが並列に接続されるため合成抵抗は約2MΩとなりゲインは約60%に低下する。スイッチの切り替えは、後述する信号レベル判定回路（ゲイン切り替え信号発生回路）１９からの信号gcで行われる。通常、ゲイン切り替え信号gcはLでスイッチはOFFしており、ゲインは高い状態になっている。ある規定値よりも信号の振幅が大きくなるとゲイン切り替え信号gcはHになりスイッチがONして帰還抵抗値が下がってゲインは下がる。
【００５７】
７．信号レベル判定回路（ゲイン切り替え信号発生回路）
信号レベル判定回路（ゲイン切り替え信号発生回路）１９は、可変ゲインAMP回路１５の帰還抵抗の接続をコントロールするための信号gcを生成する。図１６は信号レベル判定回路（ゲイン切り替え信号発生回路）１９の一例を示す。図示の如く、この回路は、ウィンドウコンパレータと、遅延回路を前置したヒステリシスコンパレータとからなる。
【００５８】
サンプル&ホールド回路９によって作られた脈波信号V(m)はゲイン大のとき32倍に増幅されて出力されるが、増幅された信号の振幅がある値以上であるならばゲインを低下させる。脈波出力の最大振幅を4VとすればV(m)の振幅は125mV以下でなくてはならない。
【数４】
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【００５９】
信号レベル判定回路（ゲイン切り替え信号発生回路）１９でV(m)はまずGNDと5V側で分圧され、ウィンドウコンパレータに入力される。ウィンドウコンパレータは基準を2つ持っており、信号が2つの基準の間にあるときにHとなる。
【００６０】
上側のコンパレータは+入力にV(c1i)、-入力に、V(h)が入力され、V(c1i)>V(h)のときに出力V(c1)はHになる。下側のコンパレータは、+入力にV(h)、-入力にV(c2i)が入力され、V(h)>V(c2i)のときに出力V(c2)はHになる。V(h)が2.5VでちょうどV(m)の中心となる。ここで入力信号V(h)は、サンプル&ホールド回路９で、チョッパ回路５の出力信号V(g)を増幅して脈波信号V(m)とする際の基準とした電圧である。
【００６１】
V(m)の振幅が大きくなり、V(c1i),V(c2i)の振幅がV(c1i),V(c2i)のDCレベルとV(h)との差以上になるとV(c1i),V(c2i)はV(h)と交差し大小関係が逆転するのでオペアンプの出力V(c1),V(c2)はH→Lへと変化する。
【００６２】
ウィンドウコンパレータへ入力される信号V(h)は、V(g)を増幅してV(m)とする際の基準とした電圧なので必ずV(m)と交差する範囲に存在する。
【００６３】
脈波出力の最大振幅を4VとすればV(m)の振幅は125mV以下でなくてはならない。V(m)のDCレベルを2.5V、V(h)のDCレベルも2.5Vであるとすると、V(c2i)の最大値とV(h)差が125mV/2であればよい。
【００６４】
V(c1),V(c2)のANDがV(w)であり、V(m)の振幅が小さければV(w)は常にHが出力される。V(w)は、R，Cとダイオードで構成される遅延回路を前置したヒステリシスコンパレータに加えられる。ヒステリシスコンパレータはV(gi)の電位によりゲインが短時間のうちに切り替わるのを防ぐために用いている。
【００６５】
V(w)がHのとき1MΩの抵抗を通して1μFのコンデンサが充電されてV(gi)が約3.6V以上になるとV(gc)はL(ゲイン大)になる。逆に、V(m)の振幅が大きいとV(w)がLになり1μFのコンデンサはダイオードと100Ωの抵抗を通してすばやく放電され、V(gi)が約2.09Vを下回るとV(gc)はH(ゲイン小)になる。このため、ゲインが大きくなるためにはV(m)の振幅が小さい状態が続く必要があるのに対してゲインが小さくなるには短い時間でもV(w)がLになればよいので、ゲインが小さい状態に重みのつけられた回路となっている。
【００６６】
８．サンプリングパルス選択回路
サンプリングパルス選択回路１７の一例を図１７に示す。図示の如く、この回路は、ヒステリシスコンパレータを前置したロジック回路で構成される。
【００６７】
サンプリングパルス選択回路１７は、サンプル&ホールド回路９へ供給するサンプリングパルスSPを、駆動パルスPLにするか、脈拍パルスDRPにするかの選択を行う。V(m)<V(c)のとき、V(u)はHになりPLがSPに出力され、V(m)>V(c)のとき、V(u)はLになりDRPがSPに出力される。
【００６８】
電源投入時や、長時間脈波が検出されず脈拍パルスが生成されていなかったとき、サンプル&ホールド回路９のサンプリングコンデンサは十分放電している。この状態から測定が開始されるとサンプリングコンデンサの電圧V(h)がV(g)まで上昇するのに長い時間を要するため、測定を開始して脈拍パルスが生成されても脈波が出力されるまでにも長い時間を必要とする。そこで、V(g)>V(h)のときはサンプリングパルスSPにPLを無条件に供給しV(h)の上昇を促す。V(m)は式(2)より必ずV(c)よりも大きな値になり、V(c)の立ち上がりはV(m)に比べてずっと早く、V(m)はV(h)に依存するので、V(h)が上昇しV(g)に近づきV(m)がV(c)に達するまでサンプリングパルスSPにPLを無条件に供給する。
【００６９】
V(c)とV(m)はヒステリシスコンパレータに加えられ、V(c)>V(m)のときV(u)はHでダイオードは逆バイアス状態になるためV(uth)はV(c)になり、V(c)<V(m)のときはV(u)はLであるのでV(uth)はダイオードの順電圧となる。
【符号の説明】
【００７０】
１     受光素子
３     電流―電圧変換回路
５     チョッパ回路
７     発光素子
９     サンプル&ホールド回路
１１   脈拍パルス生成回路
１３   DCリストア回路
１５   可変ゲインAMP回路
１７   サンプリングパルス選択回路
１９   信号レベル判定回路
２１   パルス駆動回路
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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