(57)【要約】  周期的揺動を測定するための加速度計（１０８）と、不規則揺動を検出するための圧電センサ（１０６）とを含んでいる脈拍数センサ（１０１）が、これらの種類の揺動を考慮することによって、いっそう正確に脈拍数を決定することができる。本発明による脈拍数センサによれば、不規則揺動に起因する脈拍数信号の劣化は、信号増幅、波形純化および信号ノイズ抑制を制御するアルゴリズムの組み合わせによって、低減する。
2008516691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を身体組織の中へ透過させるための発光体、
前記身体組織から反射光を受けるためと、その反射光の目安である光検出器出力信号を作成するための光検出器、
個体の規則的揺動を測定するためと、その規則的揺動の目安である加速度計出力信号を作成するための加速度計、
ユーザーの不規則揺動を測定するためと、その不規則揺動の目安である接触型揺動センサ出力信号を作成するための接触型揺動センサ、および
前記光検出器出力信号、前記加速度計出力信号、および前記接触型揺動センサ出力信号を受けるためと、個体の脈拍数を決定するためのマイクロプロセッサ、
を備えてなり、
前記脈拍数は、前記光検出器出力信号を調整することによって、かつ、個体の規則的揺動と不規則揺動とによって引き起こされた調整ずみ光検出器出力信号の一部を除去することによって決定される、
個体の生理的パラメータを測定するための脈拍数センサ。
【請求項２】
前記透過された光源は、近赤外線領域の中に存在している、請求項１に記載の脈拍数センサ。
【請求項３】
前記発光体は、複数の発光ダイオードからなる、請求項１に記載の脈拍数センサ。
【請求項４】
前記光検出器は、反射型赤外線センサである、請求項１に記載の脈拍数センサ。
【請求項５】
前記加速度計は、２次元加速度計である、請求項１に記載の脈拍数センサ。
【請求項６】
前記センサは、手首式検出のための腕時計モジュールの中にカプセル封入されている、請求項１に記載の脈拍数センサ。
【請求項７】
前記腕時計モジュールは、データを自動的にアップロードするためのユニバーサルシリアスバスポート、前記腕時計モジュールを独自に識別する無線周波数識別タグを含み、前記腕時計モジュールは、更新されるファームウェアをさらに受け入れることができる、請求項６に記載の脈拍数センサ。
【請求項８】
前記接触型揺動センサは、圧電センサからなり、かつ、前記接触型揺動センサ出力信号は、圧電センサ出力信号からなり、請求項１に記載の脈拍数センサ。
【請求項９】
身体運動あるいは身体活動の間におけるユーザーの脈拍数を測定する方法であって、
光源を身体組織の中へ透過させること、
前記身体組織から、ユーザーの全体的血管活動の目安である反射光を受けること、
ユーザーの規則的揺動を測定すること、
ユーザーの不規則揺動を測定すること、および
受けた反射光に基づいて、前記ユーザーの測定された規則的揺動および前記ユーザーの測定された不規則揺動により引き起こされた部分を除去することによって、前記ユーザーの脈拍数を算出すること、
を含む方法。
【請求項１０】
前記透過された光は発光装置によって発生され、前記反射光は脈拍信号を作成するために光検出器によって測定され、前記規則的揺動は加速度計によって測定され、前記不規則揺動は圧電センサによって測定され、さらに、マイクロプロセッサが、信号調整および脈拍数の算出を可能にするために、前記光検出器、加速度計および圧電センサからの信号を受ける、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
身体運動あるいは身体活動の間におけるユーザーの脈拍数を測定する方法であって、前記信号調整は、
フィルターリングずみ信号を作成するために前記脈拍信号をサンプリングするとともにフィルターリングすること、
前記フィルターリングずみ信号へ直流補償を適用すること、
前記直流補償信号に基づいて揺動を識別すること、および
揺動が検出されないときには、前記脈拍数を算出するためにピーク検出アルゴリズムを適用し、そうでないときには、前記脈拍数を算出するために周波数解析アルゴリズムを適用すること、
を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
身体運動あるいは身体活動の間におけるユーザーの脈拍数を測定する方法であって、前記ピーク検出アルゴリズムは、
前記フィルターリングずみ信号にわたって一次導関数を引き継ぐこと、
前記一次導関数から二次導関数を演算すること、
前記一次導関数および二次導関数を利用して前記フィルターリングずみ信号の内部におけるピークを求めること、および
前記フィルターリングずみ信号におけるピークどうしの差として、瞬間脈拍数を算出すること、
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
身体運動あるいは身体活動の間におけるユーザーの脈拍数を測定する方法であって、前記直流補償信号および前記加速度計信号は、揺動周波数を決定するために前記周波数解析を受ける、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
身体運動あるいは身体活動の間におけるユーザーの脈拍数を測定する方法であって、前記周波数解析アルゴリズムは、高速フーリエ変換アルゴリズムである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
身体運動あるいは身体活動の間におけるユーザーの脈拍数を測定する方法であって、前記揺動周波数は、前記脈拍数の識別を可能にするために、前記脈拍信号から除去される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
身体運動あるいは身体活動の間におけるユーザーの脈拍数を測定する方法であって、前記透過された光源は、近赤外線領域の中に存在している、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
身体運動あるいは身体活動の間におけるユーザーの脈拍数を測定する方法であって、前記発光体は、複数の発光ダイオードからなっている、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
身体運動あるいは身体活動の間におけるユーザーの脈拍数を測定する方法であって、前記光検出器は、反射型赤外線センサである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記マイクロプロセッサは、個体の規則的揺動と不規則揺動とによって引き起こされた調整ずみ光検出器出力信号の一部を、光検出器出力信号、加速度計出力信号、および圧電センサ出力信号を周波数ドメインへ変換するとともに、望ましくない周波数成分を除去することによって、除去する、請求項１に記載の脈拍数センサ。
【請求項２０】
前記脈拍数は、前記調整ずみ光検出器出力信号の中におけるピークを検出することによって決定される、請求項１に記載の脈拍数検出器。
【請求項２１】
光源を身体組織の中へ透過させるための発光体であって、この発光体光源の強度が強度制御信号に依存している発光体、
前記身体組織から反射光を受けるためと、その反射光の目安である光検出器出力信号を作成するための光検出器、
個体の規則的揺動を測定するためと、その規則的揺動の目安である加速度計出力信号を作成するための加速度計、
ユーザーの不規則揺動を測定するためと、その不規則揺動の目安である接触型揺動センサ出力信号を作成するための接触型揺動センサ、
前記光検出器出力信号および参照入力信号を受ける第１増幅器であって、調節ずみ第１増幅信号を提供する第１増幅出力部を有している第１増幅器、
前記調節ずみ第１増幅信号、直流調節信号、および可変ゲイン調節信号を受ける第２増幅器であって、前記直流調節信号に基づいて直流調節されているとともに前記可変ゲイン調節信号に基づいて増幅されている第２増幅器出力信号を作成する第２増幅器、および
前記光検出器出力信号、前記加速度計出力信号、前記圧電センサ出力信号、前記調節ずみ第１増幅器信号および第２増幅器出力信号を受けるためのマイクロプロセッサであって、適切な発光体強度を提供するために強度制御信号を作成し、前記第２増幅器の適切な調節を提供するために前記直流調節信号を作成し、前記第２増幅器のための適切なゲインを提供するために前記可変ゲイン信号を作成し、そして、個体の前記脈拍数を決定するマイクロプロセッサ、
を備えてなり、
前記脈拍数は、前記光検出器出力信号、前記第１増幅器出力信号、および前記第２増幅器出力信号をモニターすることによって、かつ、個体の規則的揺動と不規則揺動とによって引き起こされこれらの信号の一部を除去することによって決定される、
個体の生理的パラメータを測定するための脈拍数センサ。
【請求項２２】
前記脈拍は、個体の規則的揺動と不規則揺動とによって引き起こされたこれらの信号の一部が除去された後に、前記第２増幅器出力信号の中におけるピークを検出することによって、決定される、請求項２１に記載の脈拍数センサ。
【請求項２３】
前記脈拍は、前記第２増幅器出力信号、前記加速度計出力信号および前記接触型揺動センサ出力信号を変換するとともに、変換された前記第２増幅器出力信号から、変換された前記加速度計出力信号、変換された前記接触型揺動センサ出力信号の中に認められたそれらの周波数を差し引くことによって、決定され、前記脈拍は、存在している残りの周波数に等しいように決定される、請求項２１に記載の脈拍数センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に信号処理の分野に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、身体運動あるいは他の活動の間におけるユーザーの脈拍数の正確な測定および表示を提供することができる脈拍数モニターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
活動中の人間の手首における脈拍数の正確な測定は、人間がランニング中であるときあるいは身体活動中あるいは運動中であるときのような身体揺動によって生じた人為現象（アーティファクト）のために、困難である。このため、現在、市場にある脈拍数モニターでは、心臓の近くに装着されて運動によって生じた揺動の影響を最小限にする胸バンドが利用されている。身体揺動によって生じた人為現象は、測定される心拍脈拍信号を遮蔽する「ノイズ」として、脈拍数センサによって検出される。これらの人為現象の影響を緩和するためには、必要な脈拍信号を確保しておく間に脈拍数周波数帯域に生じるノイズ信号を、できるだけ多くフィルター除去するとともに排除することが必要である。
【０００３】
問題の信号は、近赤外線領域における光源を組織の中へ透過させることによって生じ、また、戻ってきた信号の強度を測定することによって生じる。一般的には、最適な光学ウィンドウ処理を確立するために、強度の変化する２つあるいは４つの発光ダイオード（ＬＥＤ）が採用されている。戻り信号の強度は、組織の中における毛細血管の血流によって変化し、また、被験者の生理的脈拍とともに変化するであろう。このことは、何年もの間、脈拍監視用具へ適用されてきた、よく理解されているとともに確立されている原理である。心臓に近い所ではない他の位置で行われた脈拍数検知は、比較的低い信号強度と比較的高い「ノイズ」含有率とのために、功を奏するものではなかった。低い信号強度は、皮膚および毛髪密度の変数、血管新生および光学的配列の変数が含まれるいくつかの要因に帰することがある。さらに、受信された信号には、脈拍数を検知することを試みるときに一般的に「ノイズ」として分類されるいくつかの成分が含まれている。これらの高い「ノイズ」レベルは、ほとんどすべての電気システムの内部に存在する古典的なノイズ源に加わったものであり、また、光源を妨げる固有の光学ノイズ源と揺動による人為現象とを本質的に含んでいる。
【０００４】
例えば、図１Ａは問題の信号を表示している。図１Ｂは、揺動による人為現象によって引き起こされて光源を妨げるノイズ、ランダムノイズなどを表示している。図１Ｃは、問題の信号が低い信号強度によるノイズによってどのように遮蔽されるかを一例として表示している。
【０００５】
従来の信号処理技術によれば、「帯域外」ノイズ、すなわち問題の周波数の内部に認められないノイズを減少させることができるが、それらは、問題の信号によく似ているとともに非ランダムであるノイズ、最も一般的には揺動であるノイズに対処するには、困難を伴うものである。
【０００６】
当業界では、さまざまな脈拍数検出システムが知られている。Ｂａｒｌｏｗ，  Ｊｒ．らへ付与された米国特許第４，３３８，９５０号には、脈拍数を検出するための圧電変換器と身体活動中の身体揺動を検出するための加速度計とからなる手首取付型ユニットを備えてなる用具が開示されている。この用具には、信号から身体の動きを差し引くことで真正心拍信号をもたらすためのプロセッサーがさらに含まれている。
【０００７】
Ｍａｔｈｅｗｓへ付与された米国特許第５，４３１，１７０号には、身体活動中の手首あるいは手に装着することのできる装置が開示されている。この装置は、脈拍を測定するための光センサと、動きを測定するための光センサあるいは加速度計とからなる。Ｍａｔｈｅｗｓ  は、ノイズ排除回路がこれらのセンサから数値を取得して、歩数計的な振動あるいはノイズがない真正脈拍信号を付与することについて開示している。
【０００８】
Ｂｒｙａｒｓらへ付与された米国特許第５，８０７，２６７号には、身体運動中のユーザーの心拍数を表示するための腕時計と１つのユニットに組み合わせることのできる器具が開示されている。一次圧電センサがユーザーの心拍数を検出し、また、バックグラウンド圧電センサが局部的な身体揺動に由来するノイズを検出する。このバックグラウンドセンサからの信号は、一次脈拍センサからディジタル方式で差し引かれ、それによって、ランダムな身体ノイズの影響が減少する、ことになっている。
【０００９】
Ａｏｓｈｉｍａらへ付与された米国特許第６，０９９，４７８号には、ＬＥＤ、フォトトランジスター、あるいは圧電マイクロホンからなる脈波検出手段が開示されている。身体揺動検出手段は、加速度センサを使用して身体揺動を検出する。Ａｏｓｈｉｍａらは、脈波差引手段が２つのセンサの出力値を差し引いて正確な脈拍数を付与することについて開示している。譲受人が関連している米国特許第５，７７６，０７０号には、類似した開示が提供されている。
【００１０】
Ｏｄａｇｉｒｉらへ付与された米国特許第６，１２９，６７６号には、腕時計バンドの中へ組み込むことができるとともにランニングのような活動の間に使用することができる脈拍数モニターが開示されている。腕時計バンドには、活動ノイズを検出するための加速度センサと脈波を検出するための圧電マイクロホンとが含まれている。ランニングのような恒常的な揺動が検出されると、活動ノイズスペクトルは、図６Ａ〜Ｃに表示された脈波スペクトルから差し引かれる。ランニングの速度および距離もまた、取得することができる。米国特許第５，６９７，３７４号および第６，０２３，６６２号には、類似した開示が提供されている。
【００１１】
Ａｍａｎｏらへ付与された米国特許第６，３６１，５０１Ｂ１号には、腕時計構造・脈波検出センサユニットを有している装置本体から形成された脈波診断装置が開示されている。身体揺動成分除去装置は、修正された脈波データから修正された身体揺動データを差し引く。身体揺動波が加速度センサによって検出される。この装置は歩数計の中へ組み入れられてもよい。
【００１２】
Ｇｏｌｄｒｅｉｃｈによる米国特許出願の公開公報２００５／０１１６８２０  Ａ１号には、脈拍数を検出する手首取付型装置が開示されている。振動センサは、手首の動きを測定する圧電性セラミックセンサであり、また、加速度計を含んでいてもよい。生理的センサが、血圧および脈拍数を検出するが、これはまた、光ファイバーであってもよい。また、環境センサが存在していてもよい。
【００１３】
言及した上記の諸文献の正確な長所、特徴、および利点がどうであれ、それらのいずれによっても、本発明の目的は達成されることがなく、あるいは満たされることがない。これらの理由のため、身体運動および他の活動の間に脈拍数を正確に測定するための装置および方法を提供することは望ましいであろう。
【特許文献１】米国特許第５，４３１，１７０号
【特許文献２】米国特許第５，８０７，２６７号
【特許文献３】米国特許第６，０９９，４７８号
【特許文献４】米国特許第５，７７６，０７０号
【特許文献５】米国特許第６，１２９，６７６号
【特許文献６】米国特許第５，６９７，３７４号
【特許文献７】米国特許第６，０２３，６６２号
【特許文献８】米国特許第６，３６１，５０１号
【特許文献９】米国特許出願公開第２００５／０１１６８２０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、本発明の１つの目的は、脈拍数を正確に監視するとともに検出するための装置および方法を提供することである。
【００１５】
さらに詳しくは、本発明の１つの目的は、とりわけ激しい身体活動の下での光信号の中における、環境光源および揺動による人為現象を妨げる固有の光学ノイズ源の適切な除去ができる解決法を提供することである。
【００１６】
本発明の別の目的は、図１Ｃに図示されたように、脈拍とノイズによる人為現象との合成物を表示する信号から、ノイズによる人為現象と個々の真正脈拍とを識別することのできる脈拍数モニターを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
これらの目的および他の目的は、光源を身体組織の中へ透過させることのできる１つ以上の発光体、前記身体組織から反射光を受けるためと、その反射光の目安である光検出器出力信号を作成するための光検出器、個体の規則的揺動を測定するためと、その規則的揺動の目安である加速度計出力信号を作成するための加速度計、個体の不規則揺動を測定するためと、その不規則揺動の目安である圧電センサ出力信号を作成するための接触型揺動センサ、および、前記光検出器出力信号、前記加速度計出力信号、および前記接触型揺動センサ出力信号を受けるためと、個体の脈拍数を決定するためのマイクロプロセッサを有してなり、前記脈拍数は、前記光検出器出力信号を調整することによって、かつ、個体の規則的揺動と不規則揺動とによって引き起こされた調整ずみ光検出器出力信号の一部を除去することによって決定される脈拍数センサを含んでいる、身体運動あるいは身体活動の間におけるユーザーの脈拍数を測定するためのシステムおよび方法である本発明によって達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は好ましい実施形態において図示されかつ説明されているが、この装置は、相異なる多くの構造、形状および材料で製作することができる。本発明の好ましい実施形態は、図面に表示されているとともに、以下に詳しく説明されるが、この開示は、本発明の原理とその構成についての関連する機能的仕様との例示として考慮すべきものであり、また、図示された実施形態に本発明を限定することを意図するものではない。当業者は、本発明の範囲内で、他の多くの可能な変形例を思い描くであろう。
【００１９】
図２Ａは、本発明による脈拍数センサ１０１を表示している。発光体１０２（例えばＬＥＤ、すなわち発光ダイオード）は、近赤外線（ＩＲ）領域における光源を、身体組織と、この組織からの反射光を受ける反射型赤外線センサ１０４のような光検出器との中へ透過させる。脈拍数センサ１０１は、心拍数を示す脈拍数データを検出し、記憶するために、赤外線光学的プロセスを利用して身体の体積の変位を解析する。脈拍数センサ１０１には、ユーザーの周期的あるいは恒常的な揺動を検出する加速度計１０８、好ましくは２次元加速度計、場合によっては３次元加速度計、および、ユーザーの矛盾したあるいは不規則な揺動と光学的脈拍に影響を及ぼす光源に関連した他の運動とを測定する接触型揺動センサ１０６もまた、備わっている。この接触型揺動センサは、振動のような不規則揺動を測定することのできる圧電センサあるいは他の型のセンサであってもよい。加速度計あるいは光センサの出力値は、ステップカウンターあるいは歩数計１１４のための入力値として利用することもできる。マイクロプロセッサ１１０は、光検出器１０４から受けた脈拍信号に信号処理機能を遂行し、また、加速度計１０８および圧電センサ１０６からの信号をサンプリングするとともにフィルターリングする。脈拍数検出器１１２が、マイクロプロセッサ１１０によって受けられた調整ずみ光学的脈拍信号、加速度計１０８および圧電センサ１０６からのフィルターリングずみ信号を利用することで、ユーザーの脈拍数を算出する。脈拍数検出器１１２はマイクロプロセッサ１１０の一部であるように示されているが、これらはまた、別々の構成要素であってもよい、ということは理解されるであろう。
【００２０】
脈拍数センサ１０１は、図２Ｂに示されたように、腕時計モジュール１２０の中に、本発明の１つの実施形態では自由選択の充電式電池とともにカプセル封入することができる。しかしながら、ペンダント、宝石、ブレスレット、パッチ、音楽プレーヤーなどとともに使用することのできる、時間／日付およびストップウォッチ／タイマーが含まれる標準的な腕時計機能も含まれていてもよい、他の担持体／モジュールが思い描かれる。これらの他の担持体は、個体の腕のどこにでも、あるいは個体の首の周りにおけるペンダントのケースの中のどこにでも、配置することができる。本発明による脈拍数センサにはさらに、ソフトウェアブートローダーの実施によって更新されるファームウェアについての特性が含まれていてもよい。他の付加物には、データをウェブポータルへ自動的にアップロードするためのユニバーサルシリアスバス（ＵＳＢ）ポートあるいはＲＦ受信機／送信機のような通信モジュールが含まれていてもよい。加えて、この脈拍数センサには、ウェブポータルへ販売されたそれぞれの腕時計を独自に識別する無線周波数識別装置（ＲＦＩＤ）が含まれていてもよい。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態による脈拍数センサは、１つ以上の発光ダイオード、受光装置、能動信号調整装置、加速度計並びに圧電センサ、およびマイクロプロセッサが含まれている発光装置から構成されている。マイクロプロセッサは、発光ダイオードの出力を自動的に調節して最適な信号強度を維持し、受信信号の増幅を制御し、受信信号の直流バイアスを自動的に除去することによって、光センサへ取り付けられた能動信号調整装置を制御する。調整された光センサ出力値と加速度計および圧電センサの出力値とは、２つの相異なる脈拍数の算出への入力値としてサンプリングされ、それらの一方は、揺動が存在しないときに利用され、他方は揺動が存在するときに利用される。この圧電センサは不規則揺動を検出するために使用され、この加速度計は周期的揺動を検出するために使用される。
【００２２】
以下でさらに説明されるように、腕の揺動および皮膚の震えに起因する脈拍数信号の劣化は、信号増幅、波形純化および信号ノイズ抑制を制御するアルゴリズムの組み合わせによって低減する。
【００２３】
図３によれば、本発明による光検出器１０からの脈拍信号出力の信号調整を達成するためのプロセスが図示されている。反射型赤外線センサであってもよい光検出器１０からの脈拍信号出力は、低域通過フィルター１２によってフィルターリングされて、内部アナログ・ディジタル変換器１４を含むマイクロプロセッサ１１０の入力部１へもたらされる。当然のことながら、アナログ・ディジタル変換器１４はマイクロプロセッサ１１０とは別の構成要素であってもよい。この関係によって、マイクロプロセッサ１１０は、光検出器１０からの出力を監視することと、光信号を身体組織の中へ透過させる赤外線発光ダイオード１６についての適切な強度を決定することとが可能になる。赤外線発光ダイオード１６の強度は、マイクロプロセッサ１１０の内部におけるディジタル・アナログ変換器１８からの出力部８を利用してプログラムすることができる（この場合も先と同様に、ディジタル・アナログ変換器１８はマイクロプロセッサ１１０とは別の構成要素であってよい）。以下でさらに考察されるように、マイクロプロセッサ１１０の内部における内部閉ループ制御関数によれば、出力部８を制御するために入力部１での光検出器１０からのフィードバックを利用することで、赤外線発光ダイオード１６の適当な強度が維持される。この制御関数を利用することで、光検出器１０からの出力信号は、直流補償および他の関連関数についての適切な範囲に納まる。さらに、この強度制御によって、マイクロプロセッサ１１０が、システムを周期的に調節して、環境光源レベルを変化させること、長時間における血流の変動、およびユーザーからユーザーへの応答を変化させることが含まれる、相異なる環境条件および生理条件を考慮することができる。光検出器１０から透過された脈拍信号は、およそ１０Ｈｚの低域通過フィルター１２によりフィルターリングされて、固有ノイズが減少する。
【００２４】
光検出器１０からの脈拍信号には一般に、全血流を表示する大きい直流成分と真正脈拍を表示する小さい交流成分とが含まれている。真正脈拍を正確に測定することが望ましいので、交流成分の付加的増幅と直流成分の補償とが含まれる能動信号調整は必要である。直流成分の補償は２段階で起きる。第１段階は、一定の信号ゲインを達成するための増幅器２８を使用してなし遂げられる。この第１段階からの出力は、入力部２でマイクロプロセッサ１１０へもたらされる。第２段階は、３で示されたマイクロプロセッサ１１０への出力部がある第２増幅器３０を利用するプログラム可能なゲイン段階である。出力部７で示された一定の直流補償電圧は、フィルター１２からもたらされたフィルターリングずみ脈拍信号から差し引かれる。増幅器２８は、一定のゲインを有しており、２でマイクロプロセッサ１１０へ出力される。増幅器２８によってもたらされた増幅および直流調節によって、その出力の信号レベルが第２演算増幅器３０のミッドレンジへ移動し、増幅の第２段階が可能になる。第２増幅器３０に関連した増幅ゲイン３２は、変化する脈拍強度を処理するために必要な程度に調節できるようにプログラム可能である。ゲイン３２は、信号強度を維持するためにマイクロプロセッサ１１０によって周期的に調節される。出力部６からのプログラム可能な直流補償信号は、マイクロプロセッサ１１０によって第２増幅器３０へももたらされる。この第２段階の間に、センサ信号は著しく増幅される。出力部６でのプログラム可能な直流補償は、第１段階ゲイン信号のサンプルごとに、あるいはアナログ・ディジタル変換器の入力部２で、調節される。マイクロプロセッサは、光学的脈拍信号の直流値を算出し、その値を、出力部６の使用により増幅器段階３０の入力部で参照用に適用する。このことは、優れた調節であり、また、揺動の間および揺動の後における脈拍信号の迅速な回復を可能にする。第２増幅器３２での入力信号へ著しい増幅が適用されると、プログラム可能な直流補償はさらに、信号を増幅器入力部に集中させるのに役立つとともに、第２増幅器３２がユーザーによる揺動の間に飽和するのを防止する。このように、脈拍を揺動の間にいっそう正確に追跡記録することができる。
【００２５】
再び図４によれば、直流補償信号６および発光体供給信号８を制御するために利用されるステップが、以下に説明されている。
【００２６】
光センサ出力信号、第１増幅器出力信号、および第２増幅器出力信号は、ｉがｉ番目のサンプルを表示するサンプルｘ１（ｉ），ｘ２（ｉ），ｘ３（ｉ）を作成するために、図２に示されたように入力部１，２，３ですべてオーバーサンプリングされる。
【００２７】
これらの信号は、より低いサンプリング速度でいっそう平滑な信号を作成するために、すべてフィルターリングされる。より具体的に説明すると、オーバーサンプリングされた信号は、次のように処理される。
平滑ｘ１（ｊ）＝（１／Ｘ）＊Σj=1Xｘ１（ｉ）；Ｘ＝点の数
平滑ｘ２（ｊ）＝（１／Ｘ）＊Σj=1Xｘ２（ｉ）；Ｘ＝点の数
平滑ｘ３（ｊ）＝（１／Ｘ）＊Σj=1Xｘ３（ｉ）；Ｘ＝点の数
フィルターリングずみサンプル信号（平滑ｘ１（ｊ））は、信号８での自動発光体制御のために利用される。フィルターリングずみ第１増幅器出力信号（平滑ｘ２（ｊ））およびフィルターリングずみ第２増幅器出力信号（平滑ｘ３（ｊ））は、信号６での自動直流補償のためと脈拍検出のためとに、それぞれ利用される。
【００２８】
発光体１６の自動制御は、入力部１でのフィルターリングずみ第２増幅器出力信号に基づいており、また、周期的基準で次のように適用される。
【００２９】
ａ）平滑１（ｊ）＞予想値域であれば、信号８での出力を減少させる。
【００３０】
ｂ）平滑１（ｊ）＜予想値域であれば、信号８での出力を増大させる。
【００３１】
直流補償は、出力部６において、以下のような平滑化用フィルターの更新速度で、次のように適用される。
【００３２】
ａ）平滑３（ｊ）＞（平滑３（ｊ）の最大値−閾値）であれば、
直流補償（ｊ）＝  平滑２（ｊ）
ｂ）平滑３（ｊ）＜（平滑３（ｊ）の最小値＋閾値）であれば、
直流補償（ｊ）＝  平滑２（ｊ）
ｃ）そうでないときには、直流補償（ｊ）＝  直流補償（ｊ−１）
揺動の間に、マイクロプロセッサによる出力部６での直流補償のために適用された信号は、ユーザーの揺動へ相互関連づけされる。その結果、直流補償信号は、図５に示されたように、揺動の指標として利用することもできる。直流補償信号は、まずステップ４０４において解析され、また、この解析は、ステップ４０６において揺動を検出するために利用される。この直流補償が安定したものであるかあるいは変化の乏しいものであるときには、これは揺動がないことを表わし、その後、以下に説明されるピーク検出アルゴリズム４１０が利用されて、脈拍数の算出４１２が行われる。これによって、揺動の時間の後における脈拍数の速い回復が可能になる。直流補償が信号を補正するものであるときには、これは、揺動が存在することと、以下に説明されるアルゴリズム４０８に基づいた周波数が利用されて脈拍数の算出４１２がなされることとを表わしている。
【００３３】
直流補償（ｊ）信号は、ブロック４０６において揺動の識別のために利用されるとともに、例えば揺動のないときにはピーク検出アルゴリズムを利用することができるかどうか、あるいは、例えば揺動のあるときには周波数解析が必要であるかどうかを、決定する。代わりの言い方をすれば、直流補償（ｊ）信号は、ブロック４０８においてピーク検出アルゴリズムを適用するかどうか、あるいは、脈拍数を決定するためにブロック４１０において周波数解析を適用するかどうか、を決定するために利用される。より具体的に言えば、直流補償（ｊ）が、脈拍数の測定される直前の３×（１／脈拍数）秒の間に変化したときには、以下に説明されるピーク検出アルゴリズムが利用される。直流補償（ｊ）が、脈拍数の測定される直前の３×（１／脈拍数）秒の間に変化しなかったときには、以下に説明される周波数解析アルゴリズムが利用される。
【００３４】
ｄｉｆｆ１（ｉ）＝  平滑ｘ２（ｉ）−  平滑ｘ２（ｉ−１）として算出された一次導関数は、フィルターリングずみ信号が引き継がれている。
【００３５】
二次導関数、ｄｉｆｆ２（ｉ）＝  ｄｉｆｆ１（ｉ）−  ｄｉｆｆ１（ｉ−１）は、前記一次導関数から算出されあるいは演算される。
【００３６】
ピーク検出は前記一次導関数および前記二次導関数を利用して解析されて、フィルターリングずみ信号の内部におけるピークが見出される。
【００３７】
ｄｉｆｆ１（ｉ）＝  ０であり、ｄｉｆｆ２（ｉ）＜  ０であれば、
ピーク（ｉ）＝  ｉである。
【００３８】
ｄｉｆｆ１（ｉ）＝  ０でなく、ｄｉｆｆ２（ｉ）＞  ０であれば、
ピーク（ｉ）＝  ０である。
【００３９】
ここで、０でない値はフィルターリングずみ信号におけるピークを表示しており、０はピークがないことを表示している。
【００４０】
４）瞬間脈拍数は、ブロック４１２において、フィルターリングずみ信号におけるピークどうしの差として算出される。
【００４１】
瞬間脈拍数（ｉ）＝  サンプリング速度（ｈｚ）／時間（ピーク（ｉ）−  先の０でないピーク（ｉ））＊６０秒／分
図３に戻れば、この脈拍検出システムには、加速度計２０および圧電センサ２２もまた含まれている。加速度計２０からの信号および圧電センサ２２からの信号は、サンプリングされる前に、それぞれアナログ・ディジタル入力部５，４で低域通過フィルター２４，２６によってフィルターリングされる。加速度計２０は、揺動緩和用の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムに使用され、また、前記圧電センサは、図４に示されたように、不規則揺動の指標である。一般的に言えば、加速度計２０および圧電センサ２２は、ユーザーの揺動の間に存在する光センサ出力部からの揺動による人為現象を排除するために使用される。実質的に不規則なあるいは一時的な揺動が圧電センサ２２を使用して検出されると、その情報は、そのタイムドメインにおける光センサ出力値をフィルターリングするために利用されるので、信号は、不規則揺動５０４の間における脈拍数算出のために利用されることがない。付加的なフィルターリングは、いっそう安定した脈拍数出力をもたらすために、瞬間脈拍数へ適用することもできる。周期的揺動は、周波数ドメイン５０５において加速度計の出力信号を解析することによって検出され、また、この情報は、前記周波数ドメインにおける光センサ出力部へ適用された帯域拒絶フィルター５０６を作成するために、利用される。
【００４２】
揺動が存在していると決定されると、図４に示された周波数アルゴリズムが利用される。周波数解析を受ける信号は、ステップ５０１における平滑な第１増幅器出力信号（平滑ｘ２）および平滑な第２増幅器出力信号（平滑ｘ３）である。加速度計２０および直流補償部からの信号はステップ５０３においてもまたもたらされるので、さらに別の周波数解析を行うことができる。周波数解析には、前記信号のすべてあるいは一部が含まれてもよい。周波数ビン（frequency bins）は、揺動周波数が存在しているかどうかを決定するために解析されるであろう。再び、揺動周波数が、加速度計出力信号あるいは直流補償信号によって決定される。揺動周波数は次いで、センサ信号である平滑ｘ２および平滑ｘ３から排除されて、以下のように脈拍数の識別が可能になる。
【００４３】
ａ）１０秒のウィンドウ処理フィルターが、平滑ｘ２、平滑ｘ３、加速度計、および直流補償の信号へ適用される。
【００４４】
ｂ）ステップ５０４でのタイムドメインにおいて不規則揺動が検出されると、必要に応じてデータが排除される。
【００４５】
ｃ）ステップ５０５では、周波数変換が、ウィンドウ処理された平滑ｘ２、平滑ｘ３、加速度計、および直流補償の信号のすべてへあるいは一部へ適用される。
【００４６】
ｄ）ステップ５０６で、帯域通過フィルターが、０．５Ｈｚ〜４Ｈｚの範囲にあるすべての信号をフィルターリングする。
【００４７】
ｅ）平滑ｘ２、平滑ｘ３、加速度計、および直流補償の信号における周波数ピークを識別する。
【００４８】
ｆ）ステップ５０６で、直流補償部の加速度計からの周波数ピークを利用して周波数を決定し、帯域拒絶フィルターを使用して平滑ｘ２および平滑ｘ３からの周波数ピークを拒絶する。
【００４９】
ｇ）平滑ｘ２におけるピークと共通でない平滑ｘ３からのピークを除去する。すると、
ｈ）脈拍数は、平滑ｘ３における最小周波数ピークに等しい（ブロック５０７）。
【００５０】
ピークが残っていないときには、脈拍数は更新されていない。
【００５１】
本発明は歩数計として利用することもできる、ということは予想される。この脈拍数モニター腕時計を歩数計として使用するために、２軸型加速度計からのデータはフィルターリングされる。検出された揺動が「ステップ」、すなわち足の揺動であるときには、Ｙ軸型加速度計データへ適用されたフィルターは、Ｘ軸型加速度計データへ適用されたフィルターの２分の１であろう。ピーク検出、すなわちＸ軸型加速度計からの信号のピークとＹ軸型加速度計からの信号のピークとの間隔の検出は、揺動の基本周波数を決定するために利用される。ピークは、上記の一次および二次導関数法を利用して検出される。
【００５２】
脈拍数は、脈拍数の速度で移行するディジタル信号を利用して出力される。歩数計は、検出されたそれぞれのステップについて１回移行するディジタル信号を利用して出力される。
【００５３】
本発明による生理的脈拍測定のための光入力信号の揺動排除を効果的に実施するシステムおよび方法は、この明細書に説明されてきた。好ましいさまざまな実施形態が示されかつ説明されてきたが、本発明をそのような開示に限定することは意図されておらず、その代わりに、添付の特許請求の範囲に定義されたように、本発明をその精神および範囲の内部に属するすべての修正および代わりの構成を含むことが意図されていることは、わかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１Ａ】図１Ａは、測定される必要な光信号を図示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、揺動によって一般的に引き起こされたノイズを図示している。
【図１Ｃ】図１Ｃは、組み合わされた光信号およびノイズを図示している。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明による脈拍数センサを線図式に図示している。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明による腕時計モジュールの中にカプセル封入された脈拍数センサを図示している。
【図３】図３は、本発明による光信号についての信号処理プロセスを図示している。
【図４】図４は、本発明による揺動識別プロセスを表示するフローチャートを図示している。
【図５】図５は、本発明による脈拍数を算出するためのステップを表示するフローチャートを図示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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