(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器（２１）と、カットオフ周波数及び位相余裕を可変することができ、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ループフィルタ（２２）と、可変ループフィルタ（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）、及び位相周波数比較器（２１）の出力から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、ＳＮ比、位相差・周波数差に基づいて、可変ループフィルタ（２２）の定数を変更するパラメータ制御部（４０）とを備える。
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【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、
カットオフ周波数及び／又は位相余裕を可変することができ、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可変ループフィルタ部と、
前記可変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、
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、前記可変ループフィルタ部の定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、前記可変ループフィルタ部の定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、前記可変ループフィルタ部の微分要素のフェイズレンジを調節することにより、当該可変ループフィルタ部の位相余裕を調節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解析手段で推定された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、カットオフ周波数と位相余裕とが異なる複数のモードを切り替え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６】
前記パラメータ制御手段は、前記複数のモードを切り替える際に、前記可変ループフィルタ部の微分要素のフェイズレンジを調節することにより、当該可変ループフィルタ部の位相余裕を制御することを特徴とする請求項５に記載の生体情報計測装置。
【請求項７】
前記パラメータ制御手段は、前記複数のモードを切り替える際に、ヒステリシスを持たせることを特徴とする請求項５又は６に記載の生体情報計測装置。
【請求項８】
前記複数のモードは、ノイズモード、追従モード、及び、通常モードを含み、
前記ノイズモードは、前記追従モードよりも、カットオフ周波数が低く位相余裕が大きくなるように設定され、
前記追従モードは、前記ノイズモードよりもカットオフ周波数が高く位相余裕が小さくなるように設定され、
前記通常モードは、カットオフ周波数及び位相余裕が、前記ノイズモードと追従モードとの間になるように設定され、
前記パラメータ制御手段は、ＳＮ比が所定値よりも低いときには前記ノイズモードを選択し、ＳＮ比が前記所定値よりも高くかつ位相差・周波数差が所定のしきい値よりも大きいときには前記追従モードを選択し、ＳＮ比が前記所定値よりも高くかつ位相差・周波数差が前記所定のしきい値よりも小さいときには前記通常モードを選択することを特徴とする請求項５〜７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】
ところで、位相同期回路では、入力信号に含まれるジッタやノイズ等を考慮して、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定めることが好ましい。ここで、特許文献２には、入力信号のジッタに応じて、ループフィルタのカットオフ周波数を適切に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適切に変更する。
【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、アーチファクトに対してのロバスト性とロックアップタイムの短縮とを高次元で両立す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、カットオフ周波数及び／又は位相余裕を可変することができ、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可変ループフィルタ部と、可変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、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、可変ループフィルタ部の定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ループフィルタ部の定数が変更される。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ＰＬＬを適切に同期させることができる。その結果、生体信号にアーチファクトが重畳している場合にはアーチファクトの影響を受けにくい出力信号を得ることができ、かつ、アーチファクトが重畳していない場合にはＰＬＬのロックアップタイムを短縮することができる。よって、位相同期回路を有する生体情報計測装置において、アーチファクトに対してのロバスト性とロックアップタイムの短縮とを高次元で両立す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、可変ループフィルタ部の定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）に応じて可変ループフィルタ部の定数が変更される。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より適切にＰＬＬを同期させることができる。その結果、生体信号に体動等に起因したアーチファクトが重畳している場合にはアーチファクトの影響を受けにくい出力信号を得ることができ、かつ、アーチファクトが重畳していない場合にはＰＬＬのロックアップタイムを短縮することができる。よって、アーチファクトに対してのロバスト性とロックアップタイムの短縮とをより高次元で両立す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、可変ループフィルタ部の微分要素のフェイズレンジを調節することにより、当該可変ループフィルタ部の位相余裕を調節することが好ましい。【００１５】
ここで、フェイズレンジの幅を小さくすると位相余裕が大きくなり、フェイズレンジの幅を大きくすると位相余裕が小さくなる。すなわち、フェイズレンジ幅を調節することにより位相余裕、すなわち収束性を調節することができる。この場合、可変ループフィルタ部の微分（Ｄ）要素のフェイズレンジを変更して位相余裕を調節することにより、可変ループフィルタ部の収束性を調節することができる。【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、カットオフ周波数と位相余裕とが異なる複数のモードを切り替えることが好ましい。【００１７】
この場合、複数のモードを切り替えることにより、カットオフ周波数と位相余裕とを変更することができる。そのため、生体信号にアーチファクトが重畳している場合にはアーチファクトの影響を受けにくい出力信号を得ることができ、かつ、アーチファクトが重畳していない場合にはＰＬＬのロックアップタイムを短縮することができる。よって、アーチファクトに対してのロバスト性とロックアップタイムの短縮とを高次元で両立することができる。【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、複数のモードを切り替える際に、可変ループフィルタ部の微分要素のフェイズレンジを調節することにより、当該可変ループフィルタ部の位相余裕を制御することが好ましい。【００１９】
この場合、複数のモードが切り替えられる際に、可変ループフィルタ部の微分（Ｄ）要素のフェイズレンジが調整される。そのため、モードを切り替えることにより、可変ループフィルタ部の位相余裕の大きさを調節して、該可変ループフィルタ部の収束性を変更することができる。【００２０】
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、複数のモードを切り替える際にヒステリシスを持たせることが好ましい。このようにすれば、モード切替時の誤動作（ハンチング）を防止することが可能となる。【００２１】
本発明に係る生体情報計測装置では、上記複数のモードが、ノイズモード、追従モード、及び、通常モードを含み、ノイズモードは、追従モードよりもカットオフ周波数が低く位相余裕が大きくなるように設定され、追従モードは、ノイズモードよりもカットオフ周波数が高く位相余裕が小さくなるように設定され、通常モードは、カットオフ周波数及び位相余裕が、ノイズモードと追従モードとの間になるように設定され、パラメータ制御手段が、ＳＮ比が所定値よりも低いときにはノイズモードを選択し、ＳＮ比が所定値よりも高くかつ位相差・周波数差が所定のしきい値よりも大きいときには追従モードを選択し、ＳＮ比が所定値よりも高くかつ位相差・周波数差が所定のしきい値よりも小さいときには通常モードを選択することが好ましい。【００２２】
この場合、ＳＮ比が低いと判定された場合には、生体信号に体動等に起因するアーチファクトが重畳していると判断され、可変ループフィルタ部の定数が、カットオフ周波数が低く位相余裕が大きいノイズモードに切り替えられる。一方、ＳＮ比が高くアーチファクトが重畳していないと判断されたにも関わらず、位相差・周波数差が大きいと判断された場合には、アーチファクトが重畳していない生体信号に対してＰＬＬが同期していない状態であると判断され、可変ループフィルタ部の定数が、カットオフ周波数が高く位相余裕が小さい追従モードに切り替えられる。また、ＳＮ比が高くアーチファクトが重畳していないと判断され、かつ位相差・周波数差が小さいと判断された場合には、アーチファクトが重畳していない生体信号に対してＰＬＬが略同期している状態であると判断され、可変ループフィルタ部の定数が、追従モードとノイズモードとの間に位置する通常モードに切り替えられる。よって、上記３つのモードを切り替えることにより、カットオフ周波数と位相余裕とを変更することができる。その結果、アーチファクトに対してのロバスト性とロックアップタイムの短縮とを高次元で両立することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
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、アーチファクトに対してのロバスト性とロックアップタイムの短縮とを高次元で両立することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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アナログフィルタ（可変ループフィルタ）の一例を示す回路図である。
【図３】図２で示されたアナログフィルタを変換して得られたディジタルフィルタ（可変ループフィルタ）の一例を示す図である。
【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５】第１実施形態に係る生体情報計測装置でのモード切り替えによるロックアップタイムの低減結果を示す図である。
【図６】第１実施形態に係る生体情報計測装置でのアーチファクトに対するロバスト性の改善結果を示す図である。
【図７】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】
【００２５】
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。
【００２６】
（第１実施形態）
まず、図１〜図３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を構成するアナログフィルタ（可変ループフィルタ２２）の一例を示す回路図であり、図３は、図２で示されたアナログフィルタを変換して得られたディジタルフィルタ（可変ループフィルタ２２）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。
【００２７】
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位相同期した発振信号を生成する。そして、生体情報計測装置１は、生成した発振信号に基づいて、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、光電脈波信号に位相同期した発振信号を生成し、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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位相同期した発振信号を生成して、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と、生体信号解析部３０と、パラメータ制御部４０と、生体情報取得部５０とを有している。また、ＰＬＬ部２０は、位相周波数比較部（ＰＦＣ）２１、可変ループフィルタ２２、及び、電圧制御発振部（ＶＣＯ）２３を有している。
【００３３】
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、可変ループフィルタ２２（ただし、ディジタルフィルタで構成した場合）、及び生体情報取得部５０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。
【００３４】
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）を位相周波数比較器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、その偏差信号が可変ループフィルタ部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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、可変ループフィルタ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、可変ループフィルタ２２、及び生体信号解析部３０（ＰＦ解析部３１）に出力される。
【００３７】
可変ループフィルタ２２（請求の範囲に記載の可変ループフィルタ部に相当）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、位相周波数比較器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。可変ループフィルタ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。なお、可変ループフィルタ２２は、後述するパラメータ制御部４０により定数（カットオフ周波数及び位相余裕）が変更できるように構成されている。
【００３８】
可変ループフィルタ２２としては、図２に示されるような、演算増幅器（オペアンプ）を用いた、微分要素を変更可能なアナログフィルタを用いることができる。また、可変ループフィルタ２２としては、図３に示されるような、４個の加算器、２個の遅延素子、及び５個の乗算器からなる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。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、各素子の定数変更が行なわれる。なお、詳細は後述する。可変ループフィルタ２２は、電圧制御発振部２３に接続されており、可変ループフィルタ２２の出力信号（出力電圧）は、電圧制御発振部２３に出力される。
【００３９】
電圧制御発振部２３は、可変ループフィルタ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、及び生体情報取得部５０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、及び生体情報取得部５０に出力される。
【００４０】
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器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、位相周波数比較器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。
【００４１】
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（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】
2015045938.tif 000003
【００４２】
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、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。
【００４３】
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、可変ループフィルタ２２のカットオフ周波数と位相余裕とが異なる複数のモードを切り替えることにより、可変ループフィルタ２２の定数を変更する。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。
【００４４】
より詳細には、本実施形態では、上記複数のモードとして、ノイズモード、追従モード、及び、通常モードを含み、これらの３つのモードで可変ループフィルタ２２の定数を切り替える構成とした。パラメータ制御部４０は、ＳＮ解析部３１により解析されたＳＮ比が所定のしきい値よりも低いと判定された場合には、光電脈波信号に体動等に起因するアーチファクトが重畳していると判断し、可変ループフィルタ２２の定数を、追従モードよりもカットオフ周波数が低く、位相余裕が大きいノイズモードに切り替える。一方、パラメータ制御部４０は、ＳＮ解析部３１で算出されたＳＮ比が上記しきい値よりも高く、生体アーチファクトが重畳していないと判断されたにも関わらず、ＰＦ解析部３２の解析結果で位相差・周波数差が所定値よりも大きいと判断された場合には、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、可変ループフィルタ２２の定数を、カットオフ周波数が高く、位相余裕が小さい追従モードに切り替える。
【００４５】
また、パラメータ制御部４０は、ＳＮ解析部３１で算出されたＳＮ比が高く、生体アーチファクトが重畳していないと判断され、さらに、ＰＦ解析部３２の解析結果で位相差・周波数差が小さいと判断された場合には、アーチファクトが重畳していない光電脈波信号に対してＰＬＬが同期している状態であると判断し、可変ループフィルタ２２の定数を、追従モードとノイズモードとの中間に位置する通常モードに切り替える。
【００４６】
また、パラメータ制御部４０は、上記３つのモードを切り替える際に、可変ループフィルタ２２の微分（Ｄ）要素のフェイズレンジを動的に調節することにより、当該可変ループフィルタ２２の位相余裕を制御する。すなわち、パラメータ制御部４０は、次式（２）で表されるような可変ループフィルタ２２の伝達関数の時定数Ｔ１とＴ２（（１／Ｔ１）＜（１／Ｔ２））の幅を動的に調節することによって位相余裕の大きさを決定する。
【数２】
2015045938.tif 000004
【００４７】
ここで、式（２）で表された伝達関数をアナログのアクティブフィルタで構成した例を図２に示す。ただし、可変ループフィルタ２２の伝達関数は上記式（２）に限定されることなく、次式（３）のように、伝達関数の分子と分母に一部がそれぞれ（ｓＴ１＋１）と（ｓＴ２＋１）で構成され、（１／Ｔ１）＜（１／Ｔ２）の条件を満たせばよい。なお、式（３）中のＸ（ｓ）は、ＰＬＬ部２０の特性を実現できれば、どのような伝達関数であってもよい。
【数３】
2015045938.tif 000005
【００４８】
なお、モードの切り替えに利用されるしきい値には、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。
【００４９】
なお、可変ループフィルタ部２２の実現方法は、上述したアナログ回路（フィルタ）に限られることなく、ディジタル信号処理で実現してもよい。その場合、上記式（３）で決定されたアナログフィルタの伝達関数をｓ−ｚ変換によりディジタルフィルタの伝達関数に変換し、図３に示されるＩＩＲフィルタで可変ループフィルタ２２を構成する。この場合、生体信号解析部３０による解析結果により可変ループフィルタ２２で切り替えられるモード（定数）は、図３に示されたＩＩＲフィルタのタップ係数をソフト的に切り替えることにより行われる。ただし、単純にタップ係数の切り替えを行っただけではＩＩＲフィルタの出力信号にノイズが発生するため、切り替え時にＩＩＲフィルタの遅延器の値を操作することが好ましい。
【００５０】
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により可変ループフィルタ２２の定数が動的に制御される。
【００５１】
生体情報取得部５０は、電圧制御発振部２３の出力信号（発振信号）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。また、生体情報取得部５０は、可変ループフィルタ２２の出力信号に基づいて瞬時脈拍数に換算し、生体情報として取得してもよい。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４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４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４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、アーチファクトが重畳していると判断され、可変ループフィルタ２２の定数がノイズモード（すなわち、アーチファクトが入ってきても電圧制御発振部２３の出力が変わらないような、カットオフ周波数が低く位相余裕が大きいモード）に設定される。その後、ステップＳ１１４に処理が移行する。
【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、ステップＳ１１２に処理が移行する。
【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、可変ループフィルタ２２の定数が追従モード（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高く位相余裕が小さいモード）に設定される。その後、ステップＳ１１４に処理が移行する。
【００５８】
一方、ステップＳ１１２では、十分に同期が取れている状態であると判断され、可変ループフィルタ２２の定数が通常モード（すなわち、ノイズモードと追従モードとの間の値を取るモード）に設定される。その後、ステップＳ１１４に処理が移行する。
【００５９】
ステップＳ１１４では、ステップＳ１０６、ステップＳ１１０、又は、ステップＳ１１２において設定されたモードに応じてＰＬＬ同期処理が実行される。その後、本処理から一旦抜ける。以上のようにして、３つのモードを切り替えることにより、可変ループフィルタ２２のカットオフ周波数と位相余裕とが変更される。その結果、アーチファクトに対してのロバスト性とロックアップタイムの短縮とが高次元で両立される。
【００６０】
続いて、図５，６を併せて用いて、生体情報計測装置１のモード切り替えによるロックアップタイムの低減結果、及び、アーチファクトに対するロバスト性の改善結果について、シミュレーション結果を示して説明する。
【００６１】
まず、図５を参照しつつ、生体情報計測装置１のモード切り替えによるロックアップタイムの低減結果について説明する。ここで、図５は、生体情報計測装置１のモード切り替えによるロックアップタイムの低減結果を示す図である。図５では、ＰＬＬ部２０に１２０（ｂｐｍ）相当の正弦波が入力された際の可変ループフィルタ２２の出力信号を示した。また、説明のために出力信号はｂｐｍ換算値とした。なお、図５の横軸は時刻（ｓｅｃ）であり、縦軸は可変ループフィルタ２２の出力（ｂｐｍ）である。また、図５では、通常モード時の可変ループフィルタ２２の出力（ｂｐｍ換算値）を破線で、追従モードから通常モードに切り替えた場合の可変ループフィルタ２２の出力（ｂｐｍ換算値）を実線でそれぞれ示した。
【００６２】
上述したように、ＰＬＬ部２０に１２０（ｂｐｍ）相当の正弦波を入力した場合、図５に示されるように、通常モードのみでのＰＬＬ同期の動作（破線）に比べて、追従モードから通常モードに動的に切り替えた場合（実線）の方が、ロックアップタイムを短縮できることが確認された。なお、図５の例では、追従モードから通常モードへの切り替えが、約２（ｓｅｃ）の時点で行われている。
【００６３】
次に、図６を参照しつつ、生体情報計測装置１のアーチファクトに対するロバスト性の改善結果について説明する。ここで、図６は、生体情報計測装置１での通常モードとノイズモードでのアーチファクトの影響の違い、すなわちアーチファクトに対するロバスト性の改善結果を示す図である。図６では、生体信号にアーチファクトが重畳し、位相周波数比較部２１への入力にノイズが重畳した場合の、通常モード及びノイズモードそれぞれでの可変ループフィルタ２２の出力信号を示した。また、図５と同様に、説明のために出力信号はｂｐｍ換算値とした。なお、図６の横軸は時刻（ｓｅｃ）であり、縦軸は可変ループフィルタ２２の出力（ｂｐｍ）である。また、図６では、通常モード時の可変ループフィルタ２２の出力（ｂｐｍ換算値）を破線で、ノイズモード時の出力（ｂｐｍ換算値）を実線でそれぞれ示した。
【００６４】
図６に示されるように、生体信号にアーチファクトが重畳している場合には、通常モード（破線）と比較して、ノイズモード（実線）の方が、アーチファクトに対して可変ループフィルタ２２出力変動が小さくなることが確認された。また、以上（図５及び図６）の結果から、生体情報計測装置１において、モード（すなわち可変ループフィルタ２２の定数）を適切に切り替えることによって、ロックアップタイムの短縮とアーチファクトに対してのロバスト性とのトレードオフが解消できることが確認された。
【００６５】
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、ＰＦ解析部３２の解析結果（位相差・周波数差）に応じて可変ループフィルタ２２の定数が動的に変更される。そのため、入力される光電脈波信号の周波数（拍数）の変動やアーチファクトの状態に応じてより適切にＰＬＬを同期させることができる。その結果、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アーチファクトの影響を受けにくい出力信号が得ることができ、かつ、アーチファクトが重畳していない場合にはＰＬＬのロックアップタイムを短縮することができる。よって、アーチファクトに対してのロバスト性とロックアップタイムの短縮とをより高次元で両立することが可能となる。
【００６６】
本実施形態によれば、可変ループフィルタ２２の微分要素のフェイズレンジが動的に変更されることにより、当該可変ループフィルタ２２の位相余裕が調節される。よって、可変ループフィルタ２２の微分（Ｄ）要素のフェイズレンジを変更して、位相余裕を調節することにより、可変ループフィルタ２２の収束性を調節することができる。
【００６７】
特に、本実施形態によれば、ＳＮ解析部３１で推定されたＳＮ比、及び、ＰＦ解析部３２により解析された位相差・周波数差に基づいて、カットオフ周波数と位相余裕とが異なる３つのモード（ノイズモード、追従モード、通常モード）が切り替えられる。従って、３つのモードを切り替えることにより、カットオフ周波数と位相余裕とを変更することができる。そのため、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アーチファクトの影響を受けにくい出力信号を得ることができ、かつ、アーチファクトが重畳していない場合にはＰＬＬのロックアップタイムを短縮することができる。よって、アーチファクトに対してのロバスト性とロックアップタイムの短縮とを高次元で両立することができる。
【００６８】
また、本実施形態によれば、上記３つのモードが切り替えられる際に、可変ループフィルタ２２の微分（Ｄ）要素のフェイズレンジが調整される。そのため、モードを切り替えることにより、可変ループフィルタ２２の位相余裕の大きさを調節して、該可変ループフィルタ２２の収束性を変更することができる。
【００６９】
また、本実施形態によれば、上記３つのモードを切り替えるしきい値にヒステリシスが設けられているため、モード切替時の誤動作（ハンチング）を防止することが可能となる。
【００７０】
（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、位相周波数比較器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ノイズレベル等を検出する構成としてもよい。
【００７１】
そこで、次に、図７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７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７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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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、位相周波数比較器２１の出力信号、可変ループフィルタ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。
【００７５】
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、可変ループフィルタ２２の定数を動的に変更する。
【００７６】
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。
【００７７】
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ループフィルタ２２の定数が動的に変更される。そのため、入力される光電脈波信号の周波数（拍数）の変動やアーチファクトの状態に応じて適切に位相・周波数同期することができる。その結果、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アーチファクトの影響を受けにくい出力信号を得ることができ、かつ、アーチファクトが重畳していない場合にはＰＬＬのロックアップタイムを短縮することができる。よって、アーチファクトに対してのロバスト性とロックアップタイムの短縮とを高次元で両立することが可能となる。
【００７８】
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、光電脈波信号の周波数及びＳＮ比等が解析される。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とＳＮ比とを適切に解析することが可能となる。
【００７９】
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。
【００８０】
上記実施形態では、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の位相差・周波数差に基づいて、可変ループフィルタ２２のカットオフ周波数と位相余裕とが異なる３つのモード（ノイズモード、追従モード、通常モード）を切り替えることにより、可変ループフィルタ２２の定数を変更する構成としたが、モードの数は３つには限られない。また、モードの切り替えに代えて、連続的に当該定数を変更する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００８１】
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  可変ループフィルタ
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  生体情報取得部
【図１】
2015045938.tif 000006
【図２】
2015045938.tif 000007
【図３】
2015045938.tif 000008
【図４】
2015045938.tif 000009
【図５】
2015045938.tif 000010
【図６】
2015045938.tif 000011
【図７】
2015045938.tif 000012
【国際調査報告】
2015045938.tif 000013
2015045938.tif 000014