(57)【要約】  生体情報計測装置（１）は、生体信号と発振信号との位相差に応じた偏差信号を出力する位相周波数比較部（２１）と、ループフィルタ（２２）と、ループフィルタ（２２）を通過した偏差信号に応じて発振信号を生成・出力する電圧制御発振器（２３）と、生体信号のＳＮ比を推定するＳＮ解析部（３１）、及び生体信号と発振信号との位相差・周波数差を解析するＰＦ解析部（３２）を有する生体信号解析部（３０）と、ループフィルタ（２２）を通過した偏差信号に含まれる所定の周波数帯域の信号を選択的に遮断する可変ローパスフィルタ（６０）と、ＳＮ比、位相差・周波数差に基づいて、可変ローパスフィルタ（６０）のカットオフ周波数を変更するパラメータ制御部（４０）とを備える。
2015045939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体信号を検出する生体信号検出手段と、
前記生体信号検出手段により検出された生体信号と発振信号との位相差・周波数差に応じた偏差信号を出力する位相周波数比較器と、
前記位相周波数比較器により出力された偏差信号に含まれる所定の周波数帯域の信号を選択的に遮断するループフィルタ部と、
前記ループフィルタ部を通過した偏差信号に応じて前記発振信号を生成・出力する電圧制御発振器と、
前記生体信号の位相、周波数、及びＳＮ比に関する解析を行う生体信号解析手段と、
カットオフ周波数を可変することができ、前記ループフィルタ部を通過した偏差信号に含まれる所定の周波数帯域の信号を選択的に遮断する可変ローパスフィルタ部と、
前記生体信号解析手段により取得された解析結果に基づいて、前記可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数を変更するパラメータ制御手段と、を備えることを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項２】
前記生体信号解析手段は、前記生体信号に対して直交変換を施すことにより、前記生体信号の位相、周波数、及びＳＮ比を解析することを特徴とする請求項１に記載の生体情報計測装置。
【請求項３】
前記生体信号解析手段は、
前記生体信号の自己相関解析を行うことで前記生体信号のＳＮ比を推定するＳＮ解析手段と、
前記位相周波数比較器の出力に基づいて、前記生体信号と発振信号との位相差・周波数差を解析する位相・周波数解析手段と、を有し、
前記パラメータ制御手段は、前記ＳＮ解析手段により推定されたＳＮ比、及び、前記位相・周波数解析手段により解析された位相差・周波数差に基づいて、前記可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数を変更することを特徴とする請求項１に記載の生体情報計測装置。
【請求項４】
前記パラメータ制御手段は、前記ＳＮ比が所定値よりも低い場合には、前記ＳＮ比が前記所定値以上の場合よりも、前記可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数を低くすることを特徴とする請求項３に記載の生体情報計測装置。
【請求項５】
前記パラメータ制御手段は、前記ＳＮ比が低くなるほど、前記可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数をより低くすることを特徴とする請求項４に記載の生体情報計測装置。
【請求項６】
前記パラメータ制御手段は、前記ＳＮ比が前記所定値以上であり、かつ、前記位相差・周波数差が前記所定のしきい値以上の場合には、前記ＳＮ比が前記所定値よりも低い場合、及び／又は、前記位相差・周波数差が前記所定のしきい値よりも低い場合よりも、前記可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数を高くすることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の生体情報計測装置。
【請求項７】
前記ループフィルタ部と前記可変ローパスフィルタ部との間に介装され、前記ＳＮ解析手段及び前記位相・周波数解析手段で要する解析時間に応じて、前記ループフィルタ部を通過した偏差信号を遅延させて前記可変ローパスフィルタ部に出力する遅延手段をさらに備えることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の生体情報計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体情報計測装置に関し、特に、位相同期回路を有する生体情報計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、入力信号に位相同期した発振信号を出力する位相同期回路（以下「ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ」ともいう）は、通信装置等における入力信号のジッタ抑圧や、クロック周波数の乗り換え等の用途に広く用いられている。また、位相同期回路は、例えば心拍数や脈拍数等の生体情報を計測する装置にも適用されている（例えば特許文献１参照）。ここで、特許文献１に記載の受光装置は、受光素子により検出された光信号に含まれる脈波信号をヒステリシスコンパレータによりディジタル信号に変換し、該ディジタル信号のパルス間隔を、位相同期回路を用いたタイマーにより計測して脈拍間隔を測定している。【０００３】
また、特許文献２には、入力信号に含まれるジッタ等を考慮して、発振信号の出力が安定するように、ループフィルタのカットオフ周波数を変更する位相同期回路が開示されている。より具体的には、この位相同期回路は、第１の位相比較器、第１のループフィルタ、及び第１の発振回路からなる第１の位相同期回路に加えて、入力信号に位相同期し、該入力信号に比べて位相雑音の少ない基準信号を生成するＰＬＬ回路と、入力信号と基準信号との位相差を検出する第２の位相比較器と、その出力を積分するローパスフィルタと、その出力を周波数解析して得られた周波数成分に基づき、第１のループフィルタのカットオフ周波数を制御するフィルタ制御部とをさらに備えており、入力信号のジッタに応じて、第１のループフィルタのカットオフ周波数を変更する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０５１３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２５１５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えば心電波や光電脈波等の生体信号は、拍数が時々刻々と変化するため、通信装置等における入力信号のジッタに比べて周波数の変動幅が広く、かつ、体動等に起因したアーチファクト（ノイズ）が重畳し易いという特徴を有する。【０００６】
ここで、特許文献２に記載されている位相同期回路を生体情報を計測する装置に適用した場合、位相雑音の少ないＰＬＬ回路の出力と入力信号（生体信号）とを位相比較することでジッタ成分のみを抽出し、ジッタの大きさに応じてループフィルタのカットオフ周波数を制御することで、ジッタの影響を受けにくい出力信号を得ることができる。しかしながら、この位相同期回路では、生体信号の基本周波数の変動による位相比較器の出力変動と、ジッタ等のアーチファクトの変動による位相比較器の出力変動とを区別することができないため、生体信号にジッタが含まれていない場合であっても、生体信号の基本周波数が急激に変動したようなときには、ジッタが重畳した場合と同じようにループフィルタのカットオフ周波数が制御され、ＰＬＬのロックアップタイムが大きく悪化するおそれがある。【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、位相同期回路を有する生体情報計測装置において、生体信号の基本周波数の変動に対応でき、かつ、アーチファクトを抑制した出力信号（周波数同期信号）を得ることが可能な生体情報計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る生体情報計測装置は、生体信号を検出する生体信号検出手段と、生体信号検出手段により検出された生体信号と発振信号との位相差・周波数差に応じた偏差信号を出力する位相周波数比較器と、位相周波数比較器により出力された偏差信号に含まれる所定の周波数帯域の信号を選択的に遮断するループフィルタ部と、ループフィルタ部を通過した偏差信号に応じて発振信号を生成・出力する電圧制御発振器と、生体信号の位相、周波数、及びＳＮ比に関する解析を行う生体信号解析手段と、カットオフ周波数を可変することができ、ループフィルタ部を通過した偏差信号に含まれる所定の周波数帯域の信号を選択的に遮断する可変ローパスフィルタ部と、生体信号解析手段により取得された解析結果に基づいて、可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数を変更するパラメータ制御手段とを備えることを特徴とする。【０００９】
本発明に係る生体情報計測装置によれば、生体信号の位相、周波数、ＳＮ比に関する解析が行われ、その解析結果に応じて可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数が変更される。そのため、入力される生体信号の周波数の変動やアーチファクトの状態に応じて可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数を動的に調節することができる。よって、位相周波数比較器、ループフィルタ部、及び電圧制御発振器からなる位相同期回路を有する生体情報計測装置において、生体信号の基本周波数の変動に対応でき、かつ、アーチファクトを抑制した出力信号（周波数同期信号）を得ることが可能となる。【００１０】
本発明に係る生体情報計測装置では、生体信号解析手段が、生体信号に対して直交変換を施すことにより、生体信号の位相、周波数、及びＳＮ比を解析することが好ましい。【００１１】
このようにすれば、拍数が時々刻々と変化し、かつ、体動等に起因したアーチファクトが重畳し易い生体信号の位相、周波数、及びＳＮ比を適切に解析することが可能となる。【００１２】
本発明に係る生体情報計測装置では、生体信号解析手段が、生体信号の自己相関解析を行うことで生体信号のＳＮ比を推定するＳＮ解析手段と、位相周波数比較器の出力に基づいて、生体信号と発振信号との位相差・周波数差を解析する位相・周波数解析手段とを有し、パラメータ制御手段が、ＳＮ解析手段により推定されたＳＮ比、及び、位相・周波数解析手段により解析された位相差・周波数差に基づいて、可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数を変更することが好ましい。【００１３】
この場合、ＳＮ解析手段による解析結果（ＳＮ比）と、位相・周波数解析手段の解析結果（位相差・周波数差）に応じて可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数が動的に変更される。そのため、入力される生体信号の周波数の変動やアーチファクトの状態に応じてより適切にカットオフ周波数を調節することができる。よって、生体信号の基本周波数の変動に対応でき、かつ、アーチファクトを抑制した出力信号（周波数同期信号）を得ることが可能となる。【００１４】
本発明に係る生体情報計測装置では、パラメータ制御手段が、ＳＮ比が所定値よりも低い場合には、ＳＮ比が所定値以上のときよりも、可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数を低くすることが好ましい。【００１５】
このようにすれば、生体信号のＳＮ比が所定値よりも低い場合、すなわち、生体信号にアーチファクトが重畳している場合には、可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数がより低くなるように変更される。そのため、アーチファクトの影響を適切に抑制した周波数同期信号を得ることができる。【００１６】
本発明に係る生体情報計測装置では、パラメータ制御手段が、ＳＮ比が低くなるほど、可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数をより低くすることが好ましい。【００１７】
このようにすれば、ＳＮ比が低くなるほど、すなわち重畳しているアーチファクトが大きくなるに従って、可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数が低くなるように変更される。そのため、アーチファクトの程度に応じて、より適切にカットオフ周波数を調節することができる。【００１８】
本発明に係る生体情報計測装置では、パラメータ制御手段が、ＳＮ比が所定値以上であり、かつ、位相差・周波数差が所定のしきい値以上の場合には、ＳＮ比が所定値よりも低い場合、及び／又は、位相差・周波数差が所定のしきい値よりも低い場合よりも、可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数を高くすることが好ましい。【００１９】
このようにすれば、ＳＮ比が所定値以上であり、かつ、位相差・周波数差が所定のしきい値以上の場合、すなわち、アーチファクトは重畳していないが、ＰＬＬの同期が取れていない場合には、可変ローパスフィルタ部のカットオフ周波数がより高くなるように変更される。そのため、基本周波数の変動に対する追従性を向上させることが可能となる。【００２０】
本発明に係る生体情報計測装置では、ループフィルタ部と可変ローパスフィルタ部との間に介装され、ＳＮ解析手段及び前記位相・周波数解析手段で要する解析時間に応じて、ループフィルタ部を通過した偏差信号を遅延させて可変ローパスフィルタ部に出力する遅延手段をさらに備えることが好ましい。【００２１】
このようにすれば、ＳＮ解析手段及び位相・周波数解析手段での解析に要する時間（すなわち遅延時間）を適切に補償することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、位相同期回路を有する生体情報計測装置において、生体信号の基本周波数の変動に対応でき、かつ、アーチファクトを抑制した出力信号（周波数同期信号）を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係る生体情報計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態に係る生体情報計測装置を構成する可変ローパスフィルタの一例を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る生体情報計測装置による生体情報計測処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態に係る生体情報計測装置による体動ノイズの低減結果を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る生体情報計測装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。また、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２５】
（第１実施形態）
まず、図１、図２を併せて用いて、第１実施形態に係る生体情報計測装置１の構成について説明する。図１は、生体情報計測装置１の構成を示すブロック図である。図２は、生体情報計測装置１を構成する可変ローパスフィルタ６０の一例を示す図である。ここで、本実施形態では、生体信号としての光電脈波信号から脈拍数等の生体情報を計測する場合を例にして説明する。なお、生体信号は光電脈波信号に限られることなく、例えば心電信号等であってもよい。
【００２６】
生体情報計測装置１は、光電脈波信号を検出し、検出した光電脈波信号と周波数同期した信号を生成する。そして、生体情報計測装置１は、生成した信号に基づいて、脈拍数（光電脈波信号の基本周波数）などの生体情報を計測する。そのため、生体情報計測装置１は、光電脈波信号を生成する光電脈波センサ１０と、光電脈波信号に周波数同期した信号を生成し、脈拍数等の生体情報を計測する信号処理ユニット５を備えている。以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００２７】
光電脈波センサ１０は、血中ヘモグロビンの吸光特性を利用して、光電脈波信号を光学的に検出するセンサである。すなわち、光電脈波センサ１０は、請求の範囲に記載の生体信号検出手段として機能する。光電脈波センサ１０は、発光素子１１、受光素子１２、増幅部１３、及び駆動部１４を有して構成されている。
【００２８】
発光素子１１は、駆動部１４により生成されて出力されるパルス状の駆動信号に応じて発光する。発光素子１１としては、例えば、ＬＥＤ、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ＬＡＳＥＲ）、又は共振器型ＬＥＤ等を用いることができる。
【００２９】
受光素子１２は、発光素子１１から照射され、例えば指先などの人体を透過し、又は人体に反射して入射される光の強さに応じた検出信号を出力する。受光素子１２としては、例えば、フォトダイオードやフォトトランジスタ等が好適に用いられる。なお、本実施形態では、受光素子１２として、フォトダイオードを用いた。受光素子１２は、増幅部１３に接続されており、受光素子１２で得られた検出信号（光電脈波信号）は増幅部１３に出力される。
【００３０】
増幅部１３は、例えばオペアンプ等を用いた増幅器により構成され、受光素子１２で検出された光電脈波信号を増幅する。光電脈波センサ１０は信号処理ユニット５に接続されており、検出された光電脈波信号は、該信号処理ユニット５に出力される。
【００３１】
信号処理ユニット５は、光電脈波センサ１０によって検出された光電脈波信号に周波数同期した信号を生成して、脈拍数（生体信号の基本周波数）等の生体情報を計測する。そのため、信号処理ユニット５は、ＰＬＬ部２０、生体信号解析部３０、パラメータ制御部４０、遅延器５０、可変ローパスフィルタ６０、及び生体情報取得部７０を有している。また、ＰＬＬ部２０は、位相周波数比較部（ＰＦＣ）２１、ループフィルタ２２、及び、電圧制御発振部（ＶＣＯ）２３を有している。
【００３２】
ここで、上述した各部の内、生体信号解析部３０（ＳＮ解析部３１、ＰＦ解析部３２）、パラメータ制御部４０、ループフィルタ２２（ただし、ディジタルフィルタで構成した場合）、遅延器５０、可変ローパスフィルタ６０、及び生体情報取得部７０は、演算処理を行うＣＰＵ（又はＭＣＵ）、該ＣＰＵに各処理を実行させるためのプログラムやデータを記憶するＲＯＭ、及び演算結果などの各種データを一時的に記憶するＲＡＭ等により構成されている。すなわち、ＲＯＭに記憶されているプログラムがＣＰＵによって実行されることにより、上記各部の機能が実現される。
【００３３】
ＰＬＬ部２０では、光電脈波信号（入力信号）と、電圧制御発振部２３の発振信号（出力信号）を位相周波数比較部２１で比較し、位相差及び周波数差の大きさに応じた信号（偏差信号）が出力される。そして、その偏差信号がループフィルタ部２２で積分されて電圧制御発振部２３に入力されることにより、電圧制御発振部２３の発振信号と光電脈波信号との位相差及び周波数差がなくなるように発振信号が生成（発振）される。この一連の動作により、ＰＬＬ部２０は光電脈波信号に同期した信号を出力する。
【００３４】
位相周波数比較部２１は、上述したように、読み込まれた光電脈波信号と、電圧制御発振部２３により生成され出力された発振信号（フィードバック信号）との位相差及び周波数差に応じた偏差信号を出力する。すなわち、位相周波数比較部２１は、請求の範囲に記載の位相周波数比較器として機能する。より詳細には、位相周波数比較部２１は、光電脈波信号と発振信号との差が１周期以内の場合には、位相比較を行い、位相差に比例したデューティ比のプラス又はマイナス電圧の矩形波を偏差信号として出力する。また、位相周波数比較部２１は、光電脈波信号と発振信号との差が１周期を超える場合に、周波数比較器として働き、周波数差に比例したデューティ比のプラス又はマイナス電圧の矩形波を偏差信号として出力する。
【００３５】
なお、位相周波数比較部２１としては、例えば、ディジタル型位相周波数比較器や、チャージポンプ回路を含む電圧出力型位相周波数比較器等を用いることができる。位相周波数比較部２１は、ループフィルタ２２、及び、生体信号解析部３０（ＰＦ解析部３１）に接続されており、光電脈波信号と発振信号との位相差及び周波数差を示す偏差信号は、ループフィルタ２２、及び生体信号解析部３０（ＰＦ解析部３１）に出力される。
【００３６】
ループフィルタ２２（請求の範囲に記載のループフィルタ部に相当）は、位相周波数比較部２１により出力された偏差信号に含まれる所定の周波数帯域の信号のみを選択的に遮断するローパスフィルタである。ループフィルタ２２は、不要な短周期の変動を遮断することにより、フィードバックを含む回路において短周期の信号変動が増幅されることで生じることがある無用な発振を抑制する。
【００３７】
ループフィルタ２２としては、例えば、演算増幅器（オペアンプ）を用いたアナログフィルタを用いることができる。また、ループフィルタ２２としては、例えば、２次のＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ  ｉｎｐｕｌｓｅ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタ（ディジタルフィルタ）等を用いてもよい。ループフィルタ２２は、電圧制御発振部２３及び遅延器５０に接続されており、ループフィルタ２２の出力信号（出力電圧）は、電圧制御発振部２３及び遅延器５０に出力される。
【００３８】
電圧制御発振部２３は、ループフィルタ２２からの出力電圧（すなわちフィルタリング後の偏差信号）に応じた周波数の発振信号を生成して出力する。すなわち、電圧制御発振部２３は、請求の範囲に記載の電圧制御発振器として機能する。なお、電圧制御発振部２３としては、例えば、コルピッツ型ＶＣＯ(Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ)等の電圧制御発振器や、電圧制御水晶発振器等を用いることができる。なお、上述した電圧制御発振部２３は、ディジタル信号処理で実現してもよい。また、電圧制御発振部２３は、分周器と組み合わせて用いる構成としてもよい。なお、電圧制御発振部２３は、位相周波数比較部２１に接続されており、電圧制御発振部２３により生成された発振信号は、位相周波数比較部２１に出力される。
【００３９】
一方、上述したように、ループフィルタ２２の出力信号（出力電圧）は、ループフィルタ２２と可変ローパスフィルタ６０との間に介装された遅延器５０にも出力される。遅延器５０は、後述するＳＮ解析部３１及び位相・周波数解析部３２で要する解析時間（すなわち遅延時間）に応じて、ループフィルタ２２を通過した偏差信号を遅延させて可変ローパスフィルタ６０に出力する。すなわち、遅延器５０は、請求の範囲に記載の遅延手段として機能する。
【００４０】
可変ローパスフィルタ６０（請求の範囲に記載の可変ローパスフィルタ部に相当）は、信号の通過を選択的に阻止するカットオフ周波数を変更することができ、ループフィルタ２２を通過した偏差信号に含まれる所定の周波数帯域の信号のみを選択的に遮断する。なお、可変ローパスフィルタ６０は、後述するパラメータ制御部４０によりカットオフ周波数（定数）が変更できるように構成されている。
【００４１】
可変ローパスフィルタ６０としては、例えば、図２に示されるような、１個の加算器、１個の遅延素子、及び２個の乗算器からなる１次のＩＩＲフィルタ等を用いることができる。この場合、乗算器のパラメータ（フィルタ係数）を変更することにより、カットオフ周波数が変更される。なお、詳細は後述する。可変ローパスフィルタ６０は、生体情報取得部７０に接続されており、可変ローパスフィルタ６０の出力信号（出力電圧）は、生体情報取得部７０に出力される。
【００４２】
生体信号解析部３０は、光電脈波センサ１０から入力される光電脈波信号、及び位相周波数比較部２１の出力に基づいて、光電脈波信号のおよその周波数、位相、及びＳＮ比を解析する。そのため、生体信号解析部３０は、光電脈波信号の自己相関解析を行うことで光電脈波信号のＳＮ比を推定するＳＮ解析部３１と、位相周波数比較部２１の出力に基づいて、光電脈波信号と発振信号との位相差・周波数差を解析する位相・周波数解析部（以下「ＰＦ解析部」ともいう）３２とを有している。ここで、生体信号解析部３０は、請求の範囲に記載の生体信号解析手段として機能する。また、ＳＮ解析部３１は、請求の範囲に記載のＳＮ解析手段として機能し、ＰＦ解析部３２は、位相・周波数解析手段として機能する。
【００４３】
ＳＮ解析部３１では、入力された光電脈波信号の自己相関解析を行うことで、光電脈波信号のＳＮ比を推定する。より具体的には、光電脈波信号は、通常、一定の間隔で同じパターンが繰り返される周期的な信号であるため、ＳＮ解析部３１では、次式（１）に示す自己相関関数により得られた係数ｒｋをｒ０で正規化し、その積分値を演算することにより、光電脈波信号の周期性やアーチファクトの有無を解析する。なお、次式（１）中のμは光電脈波信号ｘの平均値であり、Ｎは自己相関解析を行いたい範囲のデータ数である。
【数１】
2015045939.tif 000003
【００４４】
ＰＦ解析部３２は、定数が固定の基準ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を含み、その基準ＬＰＦの出力値（振幅値）、及びその変化（微分値）を観察することで解析を行う。ここで、ＰＬＬ部２０が光電脈波信号に対して同期している場合には、位相周波数比較部２１の出力信号は０（Ｖ）付近で落ち着くため基準ＬＰＦの振幅値の絶対値は小さくなる。また反対に、ＰＬＬ部２０が光電脈波信号に対して同期していない場合には、位相周波数比較部２１の出力はＰＬＬ部２０が同期する方向に作用するため、基準ＬＰＦの振幅の絶対値が大きくなる。そこで、ＰＦ解析部３２は、基準ＬＰＦの出力値（振幅値）、及び該出力値の変化が所定のしきい値よりも小さい場合には、ＰＬＬ部２０が入力信号（光電脈波信号）に同期している状態であると判断する。なお、生体信号解析部３０（ＳＮ解析部３１、ＰＦ解析部３２）による解析結果に応じた信号は、パラメータ制御部４０に出力される。
【００４５】
パラメータ制御部４０は、生体信号解析部３０による解析結果、すなわちＳＮ解析部３１により推定されたＳＮ比、及び、ＰＦ解析部３２により解析された光電脈波信号と発振信号との位相差・周波数差に基づいて、可変ローパスフィルタ６０のフィルタ係数ａ（図２参照）を変更することにより、カットオフ周波数を調節する。すなわち、パラメータ制御部４０は、請求の範囲に記載のパラメータ制御手段として機能する。
【００４６】
具体的には、パラメータ制御部４０は、ＳＮ比が所定値よりも低い場合には、光電脈波信号にアーチファクトが重畳していると判断し、ＳＮ比が所定値以上のときよりも、可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数が低く（例えば０．０３３Ｈｚ）なるようにフィルタ係数ａ（例えば０．００３４）を設定する。
【００４７】
その際に、パラメータ制御部４０は、ＳＮ比が低くなるほど、可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数が低くなるようにフィルタ係数ａを設定する。より詳細には、本実施形態では、上述した１次のＩＩＲフィルタ（図２参照）を採用し、フィルタ係数ａの値を次式（２）に従って決定することによりカットオフ周波数を動的に制御する構成とした。なお、式（２）のｗはＳＮ解析部３１から出力される、値が０．０から１．０に正規化された係数で、ＳＮ比が高いほど大きな値となる。また式（２）中の関数ｆＮＬは、係数ｗを引数とした非線形の関数で、例えば、次式（３）のような指数関数で表わされ、ｗの値を強調するために用いられる（なお、本実施形態ではｃ＝２０．０程度とした）。また、係数ｂは、図２に示した１次ＩＩＲフィルタのカットオフ周波数を決定する係数である。
【数２】
2015045939.tif 000004
【数３】
2015045939.tif 000005
【００４８】
このような可変ＩＩＲフィルタを構築することにより、光電脈波信号のＳＮ比が低いほどカットオフ周波数が低くなり、入力される光電脈波信号のアーチファクトの状況に応じてカットオフ周波数を制御することができる。
【００４９】
一方、パラメータ制御部４０は、ＳＮ比が上記所定値以上であり、アーチファクトが重畳していないと判断されるにも関わらず、位相差・周波数差が上記所定のしきい値以上の場合には、アーチファクトの重畳していない光電脈波信号に対してＰＬＬが同期していない状態であると判断し、ＳＮ比が所定値よりも低いとき、及び／又は、位相差・周波数差が所定のしきい値よりも低いときよりも、可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数が高く（例えば０．３３３Ｈｚ）なるように（追従性が向上するように）フィルタ係数ａ（例えば０．０３４２）を設定する。
【００５０】
なお、フィルタ係数ａの切り替えに利用される上記所定値、及び上記しきい値には、適当なヒステリシス性を持たせることにより、切り替え時の誤動作（ハンチング）を防止することが好ましい。
【００５１】
上述したように、可変ローパスフィルタ６０によってフィルタリングされた信号は、生体情報取得部７０に入力される。生体情報取得部７０は、可変ローパスフィルタ６０の出力信号に基づいて、例えば、脈拍数や脈拍間隔等の生体情報を取得する。なお、取得された脈拍数等の生体情報は、外部に出力されたり、又は、上述したＲＡＭなどに記憶される。
【００５２】
次に、図３を参照しつつ、生体情報計測装置１の動作について説明する。図３は、生体情報計測装置１による生体情報計測処理の処理手順を示すフローチャートである。図３に示される処理は、主として信号処理ユニット５によって、所定のタイミング（サンプリング周期）で繰り返して実行される。
【００５３】
ステップＳ１００では、生体信号（光電脈波信号）のサンプリングが行われる。次に、ステップＳ１０２では、ステップＳ１００においてサンプリングされた光電脈波信号がＳＮ解析部３１及びＰＦ解析部３２により解析される。なお、ＳＮ解析部３１及びＰＦ解析部３２での解析内容（ＳＮ比、位相・周波数差）については上述した通りであるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００５４】
続いて、ステップＳ１０４では、ＳＮ解析部３１での解析結果（ＳＮ比）が所定値未満であるか否かについての判断が行われる。ここで、ＳＮ比が上記所定値未満の場合（アーチファクトが多い場合）には、ステップＳ１０６に処理が移行する。一方、ＳＮ比が上記所定値以上のとき（アーチファクトが少ないとき）には、ステップＳ１０８に処理が移行する。
【００５５】
ステップＳ１０６では、可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数が上記（２）式に従って、ＳＮ比に応じて低くなるように調節される。その後、本処理から一旦抜ける。
【００５６】
一方、アーチファクトが重畳していないと判断されたときには、ステップＳ１０８において、ＰＦ解析部３２の解析結果から、光電脈波信号と電圧制御発振部２３の発信信号との位相差・周波数差が所定のしきい値以上であるか否かについての判断が行われる。ここで、位相差・周波数差が所定のしきい値以上である場合には、ステップＳ１１０に処理が移行する。一方、位相差・周波数差が所定のしきい値未満であるときには、上述したステップＳ１０６に処理が移行する。なお、ステップＳ１０６での処理内容は上述した通りであるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００５７】
ステップＳ１１０では、ＰＬＬの同期が取れていない状態であると判断され、可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数が追従モード（すなわち、入力信号に対して素早く追従できるような、カットオフ周波数がより高いモード）に設定される。その後、本処理から一旦抜ける。
【００５８】
このようにして、生体信号解析部３０を構成するＳＮ解析部３１での解析結果（ＳＮ比）、及びＰＦ解析部３２の解析結果（位相差・周波数差）に基づいて、パラメータ制御部４０により可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数（定数）が動的に制御される。
【００５９】
続いて、図４を用いて、生体情報計測装置１によるアーチファクトの低減結果について、シミュレーション結果を示して説明する。ここで、図４は、ループフィルタ２２の出力波形と可変ローパスフィルタ６０それぞれの出力波形、すなわち可変ローパスフィルタ６０を通す前と通した後の出力波形の違いを示す図である。図４では、入力生体信号（光電脈波信号）の脈拍数を８０（ｂｐｍ）とし体動アーチファクトを重畳させたときの、ループフィルタ２２、及び可変ローパスフィルタ６０それぞれ出力波形を示した。なお、図４の横軸は時刻（ｓｅｃ）であり、縦軸はループフィルタ２２及び可変ローパスフィルタ６０それぞれの出力（脈拍数換算値）である。また、図４では、ループフィルタ２２の出力（脈拍数換算値）を破線で、可変ローパスフィルタ６０の出力（脈拍数換算値）を実線でそれぞれ示した。
【００６０】
図４に示されるように、可変ローパスフィルタ６０の出力波形（実線）は、可変ローパスフィルタ６０を通す前のループフィルタ２２の出力波形（破線）と比較して、アーチファクトの影響を低減できていることが確認された。すなわち、可変ローパスフィルタ６０を備えることによってアーチファクトの影響を低減できることが確認された。
【００６１】
以上、本実施形態によれば、ＳＮ解析部３１による解析結果（ＳＮ比）と、位相・周波数解析部３２の解析結果（位相差・周波数差）に応じて可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数が動的に変更される。そのため、入力される生体信号（光電脈波信号）の周波数の変動やアーチファクトの状態に応じてより適切にカットオフ周波数を調節することができる。よって、光電脈波信号の基本周波数の変動に対応でき、かつ、アーチファクトを抑制した出力信号（周波数同期信号）を得ることが可能となる。
【００６２】
本実施形態によれば、光電脈波信号のＳＮ比が所定値よりも低い場合、すなわち、光電脈波信号にアーチファクトが重畳している場合には、可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数がより低くなるように変更される。そのため、アーチファクトの影響を適切に抑制した出力信号を得ることができる。
【００６３】
また、本実施形態によれば、ＳＮ比が低くなるほど、すなわち重畳しているアーチファクトが大きくなるほど、可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数が低くなるように変更されるため、アーチファクトの程度に応じて、より適切にカットオフ周波数を調節することができる。
【００６４】
一方、本実施形態によれば、ＳＮ比が所定値以上であり、かつ、位相差・周波数差が所定のしきい値以上の場合、すなわち、アーチファクトは重畳していないが、ＰＬＬの同期が取れていない場合には、可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数がより高くなるように変更される。そのため、基本周波数の変動に対する追従性を向上させることが可能となる。
【００６５】
さらに、本実施形態によれば、ループフィルタ２２と可変ローパスフィルタ６０との間に介装され、ＳＮ解析部３１及び位相・周波数解析部３２で要する解析時間（すなわち遅延時間）に応じて、ループフィルタ２２を通過した偏差信号を遅延させて可変ローパスフィルタ６０に出力する遅延器５０を備える構成としたため、ＳＮ解析部３１及び位相・周波数解析部３２での解析に要する時間（遅延時間）を適切に補償することが可能となる。
【００６６】
（第２実施形態）
上述した第１実施形態に係る生体情報計測手段１では、生体信号解析部３０が、ＳＮ解析部３１と、ＰＦ解析部３２とを有し、光電脈波信号（生体信号）の自己相関解析を行うことで光電脈波信号のＳＮ比を推定するとともに、位相周波数比較部２１の出力に対して光電脈波信号と発振信号との位相差・周波数差を解析する構成としたが、光電脈波信号に対してＦＦＴ等の直交変換を施すことにより周波数解析を行い、光電脈波信号の状態、例えば、光電脈波信号のおよその周波数や、位相、ノイズレベル等を検出する構成としてもよい。
【００６７】
そこで、次に、図５を用いて、第２実施形態に係る生体情報計測装置２について説明する。ここでは、上述した第１実施形態に係る生体情報計測装置１と同一・同様な構成については説明を簡略化又は省略し、異なる点を主に説明する。図５は、生体情報計測装置２の構成を示すブロック図である。なお、図５において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
【００６８】
生体情報計測装置２は、ＳＮ解析部３１とＰＦ解析部３２とからなる生体信号解析部３０に代えて、生体信号解析部３０Ｂを備えている点で生体情報計測装置１と異なっている。その他の構成は、上述した生体情報計測装置１と同一又は同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００６９】
生体信号解析部３０Ｂは、入力された光電脈波信号を解析することにより、該光電脈波信号のおよその周波数、位相、及びＳＮ比（ノイズ状態）を取得する。より具体的には、生体信号解析部３０Ｂは、光電脈波信号に対して例えばＦＦＴなどの直交変換を施すことにより、光電脈波信号のおよその周波数を取得するとともに、周波数成分（例えば、光電脈波の周波数成分で０．６６６〜６．６６６Ｈｚ）とは異なる周波数成分をノイズと判断し、そのノイズのレベル等を求める。
【００７０】
なお、生体信号解析部３０Ｂでは、入力された光電脈波信号に代えて、又は加えて、位相周波数比較部２１の出力信号、ループフィルタ２２の出力信号、電圧制御発振器２３の出力信号のいずれか、或いはこれらの組み合わせに基づいて、光電脈波信号の状態を解析するようにしてもよい。
【００７１】
パラメータ制御部４０は、上述した第１実施形態の場合と同様に、生体信号解析部３０Ｂの解析結果、すなわち光電脈波信号のおよその周波数、位相、及びＳＮ比（ノイズ状態）に基づいて、可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数（定数）を動的に変更する。
【００７２】
なお、生体信号解析部３０Ｂでは、光電脈波信号に対して時系列解析を行うことにより、光電脈波信号の状態を判別するようにしてもよい。この場合、光電脈波信号に含まれる季節成分（脈拍成分）とアーチファクトによるノイズ成分とを検出する時系列解析を行い、光電脈波信号の状態を判別する。
【００７３】
本実施形態によれば、光電脈波信号のおよその周波数、位相、ＳＮ比が解析され、その解析結果に応じて可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数が動的に変更される。そのため、入力される生体信号（光電脈波信号）の周波数の変動やアーチファクトの状態に応じて可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数を動的に調節することができる。よって、光電脈波信号の基本周波数の変動に対応でき、かつ、アーチファクトを抑制した出力信号（周波数同期信号）を得ることが可能となる。
【００７４】
特に、本実施形態によれば、光電脈波信号に対して直交変換（ＦＦＴ）が施されることにより、光電脈波信号の位相、周波数及びＳＮ比が解析される。そのため、拍数が時々刻々と変化し、体動等に起因したアーチファクトが重畳し易い光電脈波信号の概略の周波数や、位相、ＳＮ比を適切に解析することが可能となる。
【００７５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、光電脈波センサ１０により光電脈波信号（生体信号）を検出して、脈拍数等の生体情報を計測する構成としたが、光電脈波センサ１０に代えて、又は加えて、例えば、心電センサにより心電信号（生体信号）を検出して、心拍数等の生体情報を計測する構成とすることもできる。
【００７６】
また、上記実施形態では、ループフィルタ２２に可変ローパスフィルタ６０を接続したが、電圧制御発振部２３に可変ローパスフィルタ６０を接続する構成としてもよい。この場合には、電圧制御発振部２３の出力を脈拍数に変換する処理を施した後に可変ローパスフィルタ６０に入力する。より具体的には、電圧制御発振部２３の出力からピーク検出又はゼロクロス検出によって脈拍数を求めるとともに、取得した脈拍数のサンプリング間隔を一定にする補間処理を行った後に可変ローパスフィルタ６０に入力する。
【００７７】
さらに、上記実施形態では、ＳＮ比が低くなるほど可変ローパスフィルタ６０のカットオフ周波数を低くする際に、１次のＩＩＲフィルタのフィルタ係数ａの値を上記（２）式に従って決定することによりカットオフ周波数を設定したが、カットオフ周波数の設定方法は上記実施形態には限られない。
【符号の説明】
【００７８】
１，２  生体情報計測装置
５，６  信号処理ユニット
１０  光電脈波センサ
２０  ＰＬＬ部
２１  位相周波数比較部
２２  ループフィルタ
２３  電圧制御発振部
３０，３０Ｂ  生体信号解析部
３１  ＳＮ解析部
３２  位相・周波数解析部
４０  パラメータ制御部
５０  遅延器
６０  可変ローパスフィルタ
７０  生体情報取得部
【図１】
2015045939.tif 000006
【図２】
2015045939.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015045939.tif 000010
【国際調査報告】
2015045939.tif 000011
2015045939.tif 000012