(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するステップと、
前記少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得するステップと、
適応フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するステップと
を含む光電式脈拍信号測定方法において、
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得し、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得する前記のステップは、
ウェアラブル測定機器に１つの光電発光器と２つ以上の光電受光器とを設けて、そのうち、１つの光電受光器をメイン受光器とし、残りの光電受光器をサブ受光器とすることと、
使用者が前記ウェアラブル測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、メイン受光器及び前記光電発光器を皮膚の所定の位置に配置し、前記メイン受光器と前記光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過するようにするとともに、各サブ受光器を外部環境に向けて設け、前記各サブ受光器と前記光電発光器との距離を距離閾値よりも大きくすることで、前記光電発光器からの光の反射光が各サブ受光器に入射しないようにすることと、
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る光信号を前記メイン受光器によって受光するとともに、環境光信号を各サブ受光器によって受信することと
を含み、
前記少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去する前に、さらに、
メイン光信号及び各サブ光信号における直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去することと、
直流成分と高周波成分がフィルタリングで除去されたメイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ、脈拍信号に関する周波数エネルギー等化を行うことと
を含むことを特徴とする光電式脈拍信号測定方法。
【請求項２】
前記少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去する前記のステップは、
各サブ光信号における環境光とメイン光信号における環境光との光強度関係によって、各サブ光信号の伝送経路フィルタを得ることと、
１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応する伝送経路フィルタを通過した出力信号を計算することと、
メイン光信号から各サブ光信号の出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得ることと、
今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号との相関関数に基づいて、各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数の更新量を計算することと、
前記更新量を各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号の伝送経路フィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号の伝送経路フィルタを得ることとを含み、
並びに、各サブ光信号の伝送経路フィルタに対する更新を行った後、該方法は、さらに、
更新後の伝送経路フィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断して、満たす場合は、更新後の伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号の伝送経路フィルタとし、満たさない場合は、更新後の伝送経路フィルタに対して正規化処理を行い、正規化された伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号の伝送経路フィルタとすることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ウェアラブル測定機器には、３つ以上の光電受光器が設けられ、そのうち、１つの光電受光器がメイン受光器とされ、残りの光電受光器がサブ受光器とされ、前記サブ受光器には、前記光電発光器との間に動脈の通過がないサブ受光器も含まれ、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻るサブ光信号が該サブ受光器によって受信され、
前記方法は、さらに、
同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得することと、
取得された全てのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉及び運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得することと
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記の、取得された全てのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉及び運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得することは、
環境光信号を収集したサブ光信号に対して、第１前処理を行い、直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去することと、
第１前処理後の該サブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングして、第１段の適応フィルタリング出力信号を取得することと、
皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻るサブ光信号及び第１段の適応フィルタリング出力信号に対して、それぞれ、第２前処理を行い、直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去することと、
第２前処理後の該サブ光信号に基づいて、第２前処理後の第１段の適応フィルタリング出力信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、第２段の適応フィルタリング出力信号を取得し、適応フィルタリング結果とすることと
を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
光電式脈拍信号測定装置を含む測定機器であって、
前記光電式脈拍信号測定装置は、
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得する光電受光器であるメイン受光器と、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するための光電受光器であるサブ受光器とを含む光信号取得手段と、
前記少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去して、適応型フィルタリング結果を取得するための適応フィルタリング手段と、
適応型フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するための脈拍信号抽出手段とを含み、
或いは、前記光電式脈拍信号測定装置は、
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得する光電受光器であるメイン受光器と、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するための光電受光器であるサブ受光器とを含む光信号取得手段と、
前記少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応型フィルタリング結果を取得するための適応フィルタリング手段と、
適応型フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するための脈拍信号抽出手段と
を含み、
前記測定機器は、人体の腕と合致する環状機器であって、前記光信号取得手段が環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、前記光電発光器及びメイン受光器は、環状機器の腕部皮膚と貼り合わせる内側に位置し、前記各サブ受光器は、環状機器の腕部皮膚と貼り合わせない外側に位置するようになり、前記光信号取得手段が同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、前記光電発光器、各光電受光器は、いずれも、環状機器の腕部皮膚と貼り合わせる内側に位置するようになり、
前記光電式脈拍信号測定装置は、前処理手段をさらに含み、
前記光信号取得手段が環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、前記前処理手段は、メイン光信号及び各サブ光信号における直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去するとともに、直流成分と高周波成分がフィルタリングで除去されたメイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ、脈拍信号に関わる周波数エネルギー等化を行うために用いられることを特徴とする測定機器。
【請求項６】
使用者が前記測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、
前記光信号取得手段が環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、メイン受光器及び前記光電発光器を皮膚の所定の位置に配置し、前記メイン受光器と前記光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過するようにし、各サブ受光器を外部環境に向けて設け、前記各サブ受光器と前記光電発光器との距離を距離閾値よりも大きくすることで、光電発光器からの光の反射光が各サブ受光器に入射しないようにしていることを特徴とする請求項５に記載の測定機器。
【請求項７】
前記光信号取得手段が環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、前記適応フィルタリング手段は、
各サブ光信号における環境光とメイン光信号における環境光との光強度関係によって、各サブ光信号の伝送経路フィルタを得て、１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応する伝送経路フィルタを通過した出力信号を計算して、前記メイン光信号から各サブ光信号の前記出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得るための伝送経路フィルタと、
今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号との相関関数に基づいて、各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数の更新量を計算し、前記更新量を各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号の伝送経路フィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号の伝送経路フィルタを得るためのフィルタコントローラと、
更新後の伝送経路フィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断して、満たす場合は、更新後の伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における対応するサブ光信号の伝送経路フィルタとし、満たさない場合は、更新後の伝送経路フィルタに対して正規化処理を行い、正規化された伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号の伝送経路フィルタとするための正規化モジュールとを含み、
前記光信号取得手段が同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、前記適応フィルタリング手段は、
各サブ光信号における反射光の光強度とメイン光信号における反射光との光強度関係によって、各サブ光信号のフィッティングフィルタを得て、１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応するフィッティングフィルタを通過した出力信号を計算して、メイン光信号から各サブ光信号の出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得るためのフィッティングフィルタと、
今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号との相関関数に基づいて、各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数の更新量を計算し、前記更新量を各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号のフィッティングフィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号のフィッティングフィルタを得るためのフィルタコントローラと、
更新後のフィッティングフィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断して、満たす場合は、該更新後のフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとし、満たさない場合は、該更新後のフィッティングフィルタに対して正規化処理を行い、正規化されたフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとするための正規化モジュールと
を含むことを特徴とする請求項５に記載の測定機器。
【請求項８】
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するステップと、
前記少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得するステップと、
前記適応フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するステップと
を含み、
前記少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去する前に、さらに、
前記メイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ、対数演算処理を行うことと、
対数演算処理後のメイン光信号及び各サブ光信号における直流成分と高周波成分をそれぞれフィルタリングで除去することと、を含み、
前述の、適応フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するステップは、
適応フィルタリング結果に対して、指数演算処理を行うことと、
指数演算処理後の結果から脈拍信号を抽出することと
を含むことを特徴とする光電式脈拍信号測定方法。
【請求項９】
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得する前記のステップは、
ウェアラブル測定機器に１つの光電発光器と２つ以上の光電受光器とを設けて、そのうち、１つの光電受光器をメイン受光器とし、残りの光電受光器をサブ受光器とすることと、
使用者が前記測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、メイン受光器及び前記光電発光器を皮膚の所定の位置に配置し、前記メイン受光器と前記光電発光器の間に少なくとも１本の動脈が通過するようにし、各サブ受光器と前記光電発光器との間に動脈の通過がないようにすることと、
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る光信号を前記メイン受光器によって受信し、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る光信号を前記各サブ受光器によって受信することと
を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記の、前記少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去することは、
各サブ光信号における反射光とメイン光信号における反射光との光強度関係によって、各サブ光信号のフィッティングフィルタを得ることと、
１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応するフィッティングフィルタを通過した出力信号を計算することと、
メイン光信号から各サブ光信号の出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得ることと、
今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号との相関関数に基づいて、各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数の更新量を計算することと、
前記更新量を各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号のフィッティングフィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期にお
ける各サブ光信号のフィッティングフィルタを得ることとを含み、
並びに、各サブ光信号のフィッティングフィルタに対する更新を行った後、前記方法は、さらに、
更新後のフィッティングフィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断して、満たす場合は、更新後のフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとし、満たさない場合は、更新後のフィッティングフィルタに対して正規化処理を行い、正規化されたフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとすることを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記ウェアラブル測定機器には、３つ以上の光電受光器が設けられ、そのうち、１つの光電受光器がメイン受光器とされ、残りの光電受光器がサブ受光器とされ、使用者が前記ウェアラブル測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、メイン受光器及び前記光電発光器を皮膚の所定の位置に配置し、前記メイン受光器と前記光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過するようにするとともに、各サブ受光器を外部環境に向けて設け、前記各サブ受光器と前記光電発光器との距離を距離閾値よりも大きくすることで、前記光電発光器からの光の反射光が各サブ受光器に入射しないようにし、
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る光信号を前記メイン受光器によって受光するとともに、環境光信号を各サブ受光器によって受信し、
取得された全てのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉及び運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記の、取得された全てのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉及び運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得することは、
環境光信号を収集したサブ光信号に対して、第１前処理を行い、直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去することと、
第１前処理後の該サブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングして、第１段の適応フィルタリング出力信号を取得することと、
皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻るサブ光信号及び第１段の適応フィルタリング出力信号に対して、それぞれ、第２前処理を行い、直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去することと、
第２前処理後の該サブ光信号に基づいて、第２前処理後の第１段の適応フィルタリング出力信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、第２段の適応フィルタリング出力信号を取得し、適応フィルタリング結果とすることと
を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
光電式脈拍信号測定装置を含む測定機器であって、
前記光電式脈拍信号測定装置は、
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得する光電受光器であるメイン受光器と、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するための光電受光器であるサブ受光器とを含む光信号取得手段と、
前記少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去して、適応型フィルタリング結果を取得するための適応フィルタリング手段と、
適応型フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するための脈拍信号抽出手段とを含み、
或いは、前記光電式脈拍信号測定装置は、
光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得する光電受光器であるメイン受光器と、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するための光電受光器であるサブ受光器とを含む光信号取得手段と、
前記少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、前記メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応型フィルタリング結果を取得するための適応フィルタリング手段と、
適応型フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するための脈拍信号抽出手段と
を含み、
前記測定機器は、イヤホンであって、前記光信号取得手段が環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、前記光電発光器及びメイン受光器は、耳栓の耳皮膚と貼り合わせる箇所に位置し、前記各サブ受光器は、耳栓の耳皮膚と貼り合わせない箇所に位置するようになり、前記光信号取得手段が同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、前記光電発光器及び各光電受光器は、いずれも、耳栓の耳皮膚と貼り合わせる箇所に位置するようになり、前記光電式脈拍信号測定装置は、前処理手段をさらに含み、前記光信号取得手段が同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、前記前処理手段は、メイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ対数演算処理を行うとともに、対数演算処理後のメイン光信号及び各サブ光信号における直流成分と高周波成分をそれぞれフィルタリングで除去するために用いられることを特徴とする測定機器。
【請求項１４】
使用者が前記測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、
前記光信号取得手段が同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、メイン受光器及び前記光電発光器を皮膚の所定の位置に配置し、前記メイン受光器と前記光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過するようにし、各サブ受光器と前記光電発光器との間に動脈の通過がないようにしていることを特徴とする請求項１３に記載の測定機器。
【請求項１５】
前記光信号取得手段が環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、前記適応フィルタリング手段は、
各サブ光信号における環境光とメイン光信号における環境光との光強度関係によって、各サブ光信号の伝送経路フィルタを得て、１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応する伝送経路フィルタを通過した出力信号を計算して、前記メイン光信号から各サブ光信号の前記出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得るための伝送経路フィルタと、
今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号との相関関数に基づいて、各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数の更新量を計算し、前記更新量を各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号の伝送経路フィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号の伝送経路フィルタを得るためのフィルタコントローラと、
更新後の伝送経路フィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断して、満たす場合は、更新後の伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における対応するサブ光信号の伝送経路フィルタとし、満たさない場合は、更新後の伝送経路フィルタに対して正規化処理を行い、正規化された伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号の伝送経路フィルタとするための正規化モジュールとを含み、
前記光信号取得手段が同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる際、前記適応フィルタリング手段は、
各サブ光信号における反射光の光強度とメイン光信号における反射光との光強度関係によって、各サブ光信号のフィッティングフィルタを得て、１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応するフィッティングフィルタを通過した出力信号を計算して、メイン光信号から各サブ光信号の出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得るためのフィッティングフィルタと、
今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号との相関関数に基づいて、各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数の更新量を計算し、前記更新量を各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号のフィッティングフィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号のフィッティングフィルタを得るためのフィルタコントローラと、
更新後のフィッティングフィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断して、満たす場合は、該更新後のフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとし、満たさない場合は、該更新後のフィッティングフィルタに対して正規化処理を行い、正規化されたフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとするための正規化モジュールと
を含むことを特徴とする請求項１３に記載の測定機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号の検出技術分野に関し、特に、ノイズ干渉を抑制し、脈拍検出信号の強度を向上可能な光電式脈拍信号測定方法及び測定機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電式脈拍信号検出は、その使い勝手の良さ、小さい体積、低消費電力の特徴があるため、医療と消費電子分野において幅広く応用されており、特に、ウェアラブル機器において注目されている。
【０００３】
光電式脈拍信号検出の原理としては、概略以下の通りである。光は、皮膚に照射されると、一部が吸収され、一部が反射されるが、心臓が鼓動すると、血管における動脈血流の流速は、心拍周期と同様な周期運動を呈し、反射光強度の周期変化を引き起こす。光束は、光電発光器から皮膚に照射され、皮膚で反射されて、光電受光器により受光されるので、反射光強度の変化の傾向から、心拍の周期及び周波数を得ることができるということである。
【０００４】
実際の応用において、光電式脈拍検出は、環境光に干渉されることが多い。光電センサ以外の自然光及び人工光が光電受光器に入射すると、環境光干渉が形成される。実際の応用において、光電式脈拍検出は、使用者の動作による干渉も受けやすく、例えば、スマートウォッチ及びスマートリストバンドに応用される場合、手の運動に干渉されやすくなり、スマートイヤホンに応用される場合、頭部の運動と呼吸に干渉されやすくなる。光電脈拍測定器と皮膚との間の相対運動は、光電発光器と光電センサとの間の光伝送通路を変化させ、光強度の変化を引き起こして、運動干渉を形成する。形成された環境光干渉や運動干渉は、反射光の信号エネルギーの統計に影響し、更に、心拍周期検出の精度に影響する。
【０００５】
従来の技術において、環境光干渉を解消・低減するための一つの慣用的な方法としては、構造を改良して、光センサと外部環境との間の隙間をできるだけ小さくすることで環境光を遮断する方法がある。もう一つの慣用的な方法としては、光源の出射強度を増強する方法がある。しかし、これらの方法を、携帯機器及びウェアラブル機器においては適用することは困難な場合がある。すなわち、このような機器においては、使用上の利便性と快適性を図るために、センサと皮膚とは装着時にあまり密着しておらず、隙間が生じやすく、且つ隙間の大きさが相対運動に伴って変化するので、環境光を有効に遮断するのは難しい。また、ウェアラブル機器は、機器の長時間の稼動が必要であるが、光源の強度を増大すると、消費電力が大きくなり、使用時間が短縮されてしまうので、好適ではない。
【０００６】
従来の技術において、運動干渉を解消・低減するための一つの慣用的な方法としては、光電センサと皮膚との挟持又は密着を強化することによって運動干渉を解消する方法があるが、ウェアラブル機器の場合、センサが皮膚に密着するように貼り合わせることはできず、また身体の運動も頻繁なので、この方法は実用的でなない。もう一つの常用の方法としては、加速度計を用いて動作を検知して、光電センサ信号における動作干渉を解消する方法である。但し、加速度計と光電センサとは、異なるタイプのセンサであるため、異なる信号採取システムを配置する必要があり、信号採取システムの間のサンプリング周期の一致性が厳しく求められ、加速度計と光信号との間の対応関係が比較的に複雑であるため、ハードウェアとソフトウェアの複雑性が高まってしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これに鑑みて、本発明の主な目的は、脈拍信号測定時の環境光干渉又は運動干渉を簡単且つ有効に解消できる光電式脈拍信号測定方法及び測定機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的に達するために、本発明の実施例の技術的解決手段は、次のように実現される。
【０００９】
一つの局面において、本発明の実施例は、光電式脈拍信号測定方法を提供しており、該方法は、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するステップと、少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得するステップと、適応フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するステップとを含む。
【００１０】
一つの実施例として、ウェアラブル測定機器に３つ以上の光電受光器を設けて、そのうち、１つの光電受光器をメイン受光器とし、残りの光電受光器をサブ受光器とし、前記サブ受光器には、光電発光器との間に動脈の通過がないサブ受光器も含まれ、該サブ受光器により、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻るサブ光信号を受信し、該方法は、さらに、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するステップと、全てのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における環境光干渉と運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応型フィルタリング結果を取得するステップとを含む。
【００１１】
もう一つの局面において、本発明の実施例は、もう１種の光電式脈拍信号測定方法を提供しており、該方法は、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するステップと、該少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応型フィルタリング結果を取得するステップと、前記適応型フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するステップとを含む。
【００１２】
更なる一つの局面において、本発明の実施例は、光電式脈拍信号測定装置を含む測定機器を提供する。
【００１３】
該測定機器には、１つの光電発光器及び２つ以上の光電受光器が設けられ、そのうち、１つの光電受光器がメイン受光器とされ、残りの光電受光器がサブ受光器とされており、
該光電式脈拍信号測定装置は、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するための光信号取得手段と、該少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去して、適応型フィルタリング結果を取得するための適応フィルタリング手段と、適応型フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するための脈拍信号抽出手段とを含み、
使用者が測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、メイン受光器及び前記光電発光器を皮膚の所定の位置に配置して、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過するようにし、各サブ受光器を外部環境に向けて設け、各サブ受光器と光電発光器との距離を距離閾値よりも大きくすることで、光電発光器からの光の反射光が各サブ受光器に入射しないようにし、
或いは、該光電式脈拍信号測定装置は、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するための光信号取得手段と、該少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応型フィルタリング結果を取得するための適応フィルタリング手段と、適応型フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するための脈拍信号抽出手段とを含み、
使用者が該測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、メイン受光器及び光電発光器を皮膚の所定の位置に配置して、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過するようにし、各サブ受光器と光電発光器との間に動脈の通過がないようにする。
【００１４】
従来の技術に比べて、本発明の有益な効果としては、以下の通りである。
【００１５】
本発明の実施例の技術的解決手段は、光伝送モデル及び光強度信号の物理的特徴に基づいて、光電センサアレイ技術を活用して、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得し、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得してから、サブ光信号に基づいて、メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去することにより、光電式脈拍信号測定時の環境光干渉を解消又は低減して、脈拍信号の測定精度を向上させる。或いは、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得し、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得してから、サブ光信号に基づいて、メイン光信号における運動干渉信号を適応フィルタリングで除去することにより、光電式脈拍信号測定時の運動干渉を解消又は低減して、脈拍信号の測定精度を向上させる。本技術解決手段は、光電信号における環境光干渉又は運動干渉を光電アレイによって適応的に除去しているため、機器と皮膚との貼り合わせの具合を厳しく限定する必要がなく、簡単且つ有効に光電式脈拍信号測定時の環境光干渉又は運動干渉を解消することができる。並びに、本解決手段は、高強度の光源が必要ないので、測定機器の消費電力を低減して、使用時間を延長することもできる。また、本解決手段において、処理が必要な入力は、同じタイプの光電信号であり、同じ種類の信号サンプリングシステムとサンプリング周期を採用すれば実現できるので、測定システムの複雑度を低減し、データの演算量を大幅に低減した。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
図面は、本発明をさらに理解するためのものであり、且つ明細書の一部を構成し、本発明の実施例とともに本発明の解釈に用いられるが、本発明を限定するものではない。
【図１】本発明の実施例に係る光電式脈拍信号測定方法のフローチャートである。
【図２】本発明の実施例に係るスマートリストバンドの模式図である。
【図３】本発明の実施例に係るスマートイヤホンの模式図である。
【図４】本発明の実施例に係る光電センサアレイ信号処理の構造模式図である。
【図５】本発明の実施例に係る典型的な前処理器周波数応答曲線である。
【図６】本発明の実施例に係るもう１種の光電センサアレイ信号処理の構造模式図である。
【図７】本発明の実施例に係る光電式脈拍信号測定装置の構造模式図である。
【図８】本発明の実施例に係るもう１種の光電式脈拍信号測定装置の構造模式図である。
【図９】本発明の実施例に係るもう１種の光電式脈拍信号測定方法のフローチャートである。
【図１０】本発明の実施例に係るもう１種のスマートリストバンドの模式図である。
【図１１】本発明の実施例に係るもう１種のスマートイヤホンの模式図である。
【図１２】本発明の実施例に係るさらなる１種の光電センサアレイ信号処理の構造模式図である。
【図１３】本発明の実施例に係る運動のないときの光伝送経路の模式図である。
【図１４】本発明の実施例に係る運動のあるときの光伝送経路の模式図である。
【図１５】本発明の実施例に係る光電式脈拍信号測定装置の構造模式図である。
【図１６】本発明の実施例に係るもう１種の光電式脈拍信号測定装置の構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の目的、技術解決手段及び利点をより分かりやすくするように、以下、図面を参照して、本発明の具体的な実施形態に対して更なる説明を行う。
【００１８】
本発明の主な技術考案は、光電センサアレイ技術を活用して、光伝送モデル及び光強度信号の物理的特徴に基づいて、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得して、サブ光信号に基づいて、メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去することにより、光電式脈拍信号測定時の環境光干渉を解消又は低減する。或いは、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻るサブ光信号に基づいて、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻るメイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去することにより、光電式脈拍信号測定時の運動干渉を解消又は低減する、ということである。
【００１９】
図１は、本発明の実施例に係る光電式脈拍信号測定方法のフローチャートであり、図１に示すように、本発明の実施例における光電式脈拍信号測定方法は、ステップＳ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０を含む。
【００２０】
ステップＳ１１０では、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得する。
【００２１】
１つの具体的な実施例において、下記の方式でメイン光信号とサブ光信号を取得することが可能である。
【００２２】
ウェアラブル測定機器に１つの光電発光器と２つ以上の光電受光器を設け、そのうち、１つの光電受光器をメイン受光器とし、残りの光電受光器をサブ受光器として、使用者が該測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、メイン受光器及び光電発光器を皮膚の所定の位置に配置する。該所定の位置の配置とは、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過するようにするとともに、各サブ受光器を外部環境に向けて設け、各サブ受光器と光電発光器との距離を距離閾値よりも大きくして、光電発光器からの光の反射光が各サブ受光器に入射しないようにする配置である。光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る光信号は、メイン受光器によって受光され、環境光信号は、各サブ受光器によって受光される。
【００２３】
該ウェアラブル測定機器は、具体的には、本解決手段を応用したスマートリストバンド、スマートイヤホンなどの光電脈拍測定器を内蔵した測定機器でも良いが、これに限らず、本解決手段は、脈拍測定を必要とするその他のウェアラブル電子製品に応用することも可能である。
【００２４】
図２は、本発明の実施例に係るスマートリストバンドの模式図である。図２に示すように、スマートリストバンドには、１つの光電発光器と３つの光電受光器（１つのメイン受光器、２つのサブ受光器）が設けられており、使用者がリストバンドを装着して脈拍を測定するとき、メイン受光器及び光電発光器は、リストバンドのうち腕部の皮膚と貼り合わせる内側に位置し、少なくとも１本の動脈がメイン受光器と光電発光器との間に位置する。２つのサブ受光器は、光電発光器から遠く離れた位置に外部環境に向けて設けられ、リストバンドの腕部皮膚と貼り合わせない外側に位置し、具体的には、スマートリストバンドの側縁に設置されても良く、２つのサブ受光器と光電発光器との間に動脈が通過しない。
【００２５】
図３は、本発明の実施例に係るスマートイヤホンの模式図である。図３に示すように、スマートイヤホンには、１つの光電発光器と３つの光電受光器（１つのメイン受光器、２つのサブ受光器）が設置されており、使用者がイヤホンを装着して脈拍を測定するとき、光電発光器及びメイン受光器は、耳栓の耳皮膚と貼り合わせる箇所に位置し、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過する。２つのサブ受光器は、耳栓の耳皮膚と貼り合わせない箇所に位置し、具体的には、スマートイヤホンの耳栓の外縁に設けられても良く、光電発光器から遠く離れた位置に、外部環境に向けて設けられ、２つのサブ受光器と光電発光器との間に動脈が通過しない。
【００２６】
ステップＳ１２０では、該少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得する。
【００２７】
具体的には、該ステップＳ１２０における適応フィルタリング操作は、複数の適応フィルタリング周期を含んでも良く、各適応フィルタリング周期における操作は、各サブ光信号における環境光とメイン光信号における環境光との光強度関係から、各サブ光信号の伝送経路フィルタを得ることと、１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応する伝送経路フィルタを通過した出力信号を計算することと、メイン光信号から各サブ光信号の出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得ることと、を含む。
【００２８】
今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得た後、該ステップＳ１２０は、さらに、
今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号との相関関数に基づいて、各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数の更新量を計算することと、更新量を各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号の伝送経路フィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号の伝送経路フィルタを得ることと、を含んでもよい。
【００２９】
各適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の伝送経路フィルタに対する更新を行った後、該ステップＳ１２０は、さらに、
更新後の伝送経路フィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断して、満たす場合は、更新後の伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号の伝送経路フィルタとし、満たさない場合は、更新後の伝送経路フィルタに対して正規化処理を行い、正規化された伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号の伝送経路フィルタとすることと、
算出された１つのサブ光信号の伝送経路フィルタ係数の更新量が更新閾値よりも小さくなると、該サブ受光器が正確に環境光を追跡できていると確認することと、を含んでもよい。
【００３０】
ステップＳ１３０では、適応フィルタリング結果から脈拍信号を抽出する。
【００３１】
上述したステップＳ１２０による処理の後、メイン光信号から環境光干渉を適応フィルタリングで除去して得られた適応フィルタリング結果において、その多くは脈拍信号と関係する信号であり、その中から脈拍信号を抽出して心電分析を行うことができる。
【００３２】
本発明の実施例に係る光電式脈拍測定方法は、光電センサアレイ技術を活用して、メイン光信号から環境光干渉を適応フィルタリングで除去しており、機器と皮膚との貼り合わせの具合を厳しく限定せずに、簡単且つ有効に光電式脈拍信号測定時の環境光干渉を解消することができる。本発明の実施例の方法はウェアラブル製品に適用される。
【００３３】
ある好ましい実施例において、各サブ光信号に基づいて、メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去する前に、各サブ光信号及びメイン光信号に対して前処理を行う。実際、これは、前処理器によって実行可能である。前処理の内容としては、
メイン光信号及び各サブ光信号における直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去することと、直流成分と高周波成分がフィルタリングで除去されたメイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ、脈拍信号に関する周波数エネルギー等化を行うことと、を含む。
【００３４】
上記の前処理を経たメイン光信号及び各サブ受光器信号が適応フィルタに入り、環境光干渉が適応フィルタリングで除去された適応フィルタリング結果をより正確に得ることができる。
【００３５】
以下、図４に合わせて、本発明の実施例の光電式脈拍信号測定方法の原理について説明する。図４は、本発明の実施例に係る光電センサアレイ信号処理の構造模式図である。
【００３６】
図４に示すように、光電センサアレイは、複数の光電受光器と１つの光電発光器とにより構成され、そのうち、光電受光器は、１つのメイン受光器と複数のサブ受光器とにより構成されている。光電発光器から出射された光束は、皮膚に照射され、メイン受光器は、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る光信号を受信するために用いられ、信号の成分には脈拍信号及び環境光干渉があり、Ｍ個のサブ受光器は、環境光信号を受信するために用いられ、その信号にはほぼ環境光干渉成分しかない。光電式脈拍信号測定機器に応用する場合、使用者が測定機器を装着できたとき、メイン受光器及び光電発光器は、機器の比較的に皮膚に近い所定の位置に位置し、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過する。各サブ受光器は外部環境に向けて、光電発光器から遠く離れて設けられ、光電発光器との間に動脈の通過がない。
【００３７】
光電受光器アレイの信号は、ソフトアルゴリズムによって処理され、メイン受光器の信号及び各サブ受光器の信号は、いずれも前処理を経ておき、その後、メイン光電受光器の前処理後の信号における環境光干渉が解消されるように、各サブ受光器の前処理後の信号が適応フィルタを通過する。メイン受光器信号の環境光干渉が解消された出力信号は、脈拍信号の分析抽出に用いられることが可能である。
【００３８】
メイン光信号から環境光干渉を適応フィルタリングで除去することを実現するために、本発明による解決手段は、幾つかの基本部分、即ち、前処理器と適応フィルタに分けられ、各サブ受光器の適応フィルタが、伝送経路フィルタ及びフィルタコントローラを含む。光電受光器により受信されるのは光強度信号であり、メイン及びサブ受光器の信号y, x1, x2, …, xMは、それぞれ、対応する前処理器に入力して処理される。前処理器により出力されるメイン及びサブ受光器信号は、y’, x1’, x2’, …, xM’である。サブ受光器に対応する前処理器の出力x1’, x2’, …, xM’は、それぞれ、各サブ受光器の適応フィルタに入力される。サブ受光器からの信号x1’, x2’, …, xM’の適応フィルタリングされた結果を用いて、前処理されたメイン受光器信号y’における環境光干渉を解消する。適応フィルタリングされた出力信号zにおいて、環境光干渉の大部分が解消され、フィルタリング後に出力される信号は、主に脈拍信号となる。
【００３９】
光伝送モデル及び光強度信号の物理的特徴に基づいて、メイン受光器の信号yは、二つの部分に分けられており、一つの部分は、脈拍信号を担持している光強度信号yPである（光線が光発射器から発射されて皮膚の表面にて反射され、メイン受光器に受信される光信号）。もう一つの部分は、環境光干渉yJである。各サブ受光器の信号には環境光干渉成分しかなく、皮膚により反射された反射光は、各サブ受光器から遠く離れ、且つデバイス構造によって限られており、各サブ受光器まで到達できないか、或いは、極少量しか各サブ受光器まで到達できないので、無視し得るものである。即ち、
0006279098.tif 000002
となる。
そのうち、yPはメイン受光器よりに受信された脈拍信号の光強度信号であり、yJはメイン受光器により受信された環境光干渉成分であり、xJkはサブ受光器により受信された環境光干渉成分であり、yはメイン受光器の信号であり、xkはサブ受光器kの信号である。
【００４０】
サブ受光器が１つしかないという場合を考慮すると、環境光干渉源Jについて、メイン受光器及びサブ受光器kまで伝送されれば、メイン受光器まで伝送された環境光強度信号yJとサブ受光器kまで伝送された光強度信号xJkとには、以下の関係が存在する。
0006279098.tif 000003
hkは、環境光干渉Jがサブ受光器kからメイン受光器まで伝送されてきたエネルギーの変化を表わし、hkに基づいて伝送経路フィルタを設計する。即ち、各サブ光信号とメイン光信号における環境光の光強度の変化傾向に基づいて、各サブ光信号の伝送経路フィルタを得る。hkの次数Lは、伝送経路とサンプリング間隔によって定まる。例えば、５次、１０次が選ばれる可能性がある。すると、以下の関係式がある。
0006279098.tif 000004
サブ受光器がＭ個あるという場合に展開すると、
0006279098.tif 000005
となる。
【００４１】
もし複数個の伝送経路フィルタhkを推定できれば、信号モデル及びメイン受光器信号に基づいて、脈拍信号yPを得ることができる。
【００４２】
ウェアラブル機器において、装着方式が随時に変わる可能性があることにより、hkも変化してしまい、従って、合理的な方式としては、hkを環境に応じて適応変化させるのであり、そこで、適応フィルタリングの方式を用いている。
【００４３】
各演算周期内に、メイン及びサブ受光器の新たな信号が入り、前処理、フィルタリング、フィルタ更新の過程を経て、適応フィルタリング出力が脈拍信号となり、脈拍分析のために次段に出力される。
【００４４】
再び図４を参照すると、前処理器及び適応フィルタの二つの部分の具体的な実施形態は、以下となる。
【００４５】
１．前処理器
前処理器の役割は、光電受光器信号における直流成分及び高周波成分を除去するとともに、信号に対して適切な周波数成分調整を行い、具体的には、メイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ、脈拍信号に関わる周波数エネルギー等化を行うことである。前処理器の役割は、バンドパスフィルタと１つの等化器とのカスコード接続に相当する。
【００４６】
バンドパスフィルタのロアーカットオフ周波数は、一般的に、健康な成年者の心拍数よりもはるかに低く、例えば０．１Ｈｚを取り得る。一方、アッパーカットオフ周波数は、一般的に、健康な成年者の心拍数よりもはるかに高く、例えば５Ｈｚを取り得る。
【００４７】
等化器は、必要とされる周波数成分のエネルギーを高めるために用いられ、具体的に、差分フィルタにより実現することができる。例えば、ある応用において、脈拍信号の立ち上がりエッジ及び立下りエッジを検出する必要があり、低周波成分に対して高周波成分をブーストし、脈拍信号に関わる高周波成分に対し、差分フィルタリングを行う必要がある。
【００４８】
これは、高周波分量は、いっそう、検出信号の突変、例えば、信号の立ち上がりエッジ及び立下りエッジを表すことができるからである。従って、心拍周期の検出と心拍信号の分析の際、脈拍信号の立ち上がりエッジ及び立下りエッジの時点をより正確に推定する必要があり、そこで、脈拍信号に関わる高周波成分に対し、高周波ブーストを行う必要がある。
【００４９】
図５は、本発明の実施例に係る典型的な前処理器周波数応答曲線である。図５における横軸は、前処理器の周波数（単位は、Ｈｚ）であり、縦軸は、該前処理器の該当する周波数の周波数応答（単位は、ｄＢ）である。この前処理器は、周波数範囲が［０．１，５］Ｈｚである１つのバンドパスフィルタと１つの差分フィルタとをカスコード接続してなるものである。図５に示すように、低周波成分に対して、高周波成分は、周波数応答（ｄＢ）においてある程度ブーストされている。
【００５０】
２．適応フィルタ
適応フィルタは、メイン受光器信号における、環境光干渉と類似する信号成分を除去するために用いられ、伝送経路フィルタとフィルタコントローラに分けられる。
【００５１】
伝送経路フィルタは、環境光干渉の、サブ受光器の箇所から、メイン受光器の箇所までの光強度の変化傾向hを推定するために用いられる。即ち、各サブ光信号の伝送経路フィルタは、各サブ光信号における環境光とメイン光信号における環境光との光強度関係に基づいて得られるものである。
【００５２】
１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応する伝送経路フィルタを通過した出力信号を計算し、メイン光信号から各サブ光信号の出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果zを得る。
【００５３】
フィルタコントローラは、信号zと各サブ受光器の信号との相関関数を計算するために用いられ、即ち、今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号（各サブ光信号の前処理された信号x’k）との相関関数に基づいて、各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数の更新量を計算する。これにより、信号zにはどのぐらいの割合の環境光干渉があるのかを確定でき、これを元に、各サブ受光器の伝送経路フィルタ係数の更新量を調整する。或いは、上記相関関数は、今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と、各サブ光信号の伝送経路フィルタを通過した信号との相関関数であっても良い。
【００５４】
第k個のサブ受光器の伝送経路フィルタhkについては、仮にその次数をLとする場合、その更新量Δhkの１種の計算方式は、以下のようになる。
0006279098.tif 000006
【００５５】
更新量を各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号の伝送経路フィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号の伝送経路フィルタを得る。即ち、元のフィルタと更新量とを重畳して得られた新たなフィルタは、次の公式で示すことができる。
0006279098.tif 000007
【００５６】
以下、再び図４を参照して説明する。
前処理され伝送経路フィルタに通した各サブ受光器の信号を、前処理されたメイン受光器信号からそれぞれ減算して、１回の適応フィルタリング周期における適応フィルタリング出力信号zを得る。具体的には、
第k個のサブ受光器について、その伝送経路フィルタはhkとなり、nをデジタル信号のサンプリング番号とすると、出力zは次のように示される。
0006279098.tif 000008
【００５７】
適応フィルタリング出力信号zは本システムの出力であり、zは適応フィルタリング結果であり、zから脈拍信号を抽出して、脈拍信号分析のために次段に転送することが可能となる。
【００５８】
脈拍信号分析についての解決手段には、一定のフォールトトレランスがあることを考慮して、本実施例の１つの処理方式としては、後続の脈拍信号分析処理に便利なように、毎回の適応フィルタリング周期において得られた適応フィルタリング結果をリアルタイムに出力する。
【００５９】
各サブ光信号の伝送経路フィルタに対する更新を行った後、更に、更新後の伝送経路フィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断する必要があり、満たす場合は、更新後の伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号の伝送経路フィルタとし、満たさない場合は、更新後の伝送経路フィルタに対して正規化処理を行い、正規化された伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号の伝送経路フィルタとする。その理由は、以下の通りである。
【００６０】
各サブ受光器は、より環境光干渉を受けやすい位置にあり、環境光干渉の強度としては、メイン受光器よりもサブ受光器の方が強いので、
0006279098.tif 000009
となる。従って、本実施例は、伝送経路フィルタ係数の平方和が１よりも小さいということをフィルタの制限条件とし、求められた伝送経路フィルタに対してフィルタ制限を施すと、フィルタの係数平方和が１よりも大きくなる場合、フィルタに対して正規化処理を行う必要があり、正規化処理の公式は以下に示すようになる。
0006279098.tif 000010
【００６１】
この方法で、順次に各サブ受光器の伝送経路フィルタを更新する。
各サブ受光器の伝送経路フィルタの更新を完了すると、次の適応フィルタリング周期に入る。
【００６２】
算出された全てのサブ光信号の伝送経路フィルタ係数の更新量が更新閾値よりも小さくなると、適応フィルタリングが完了していると確認され、適応フィルタリング結果が得られる。このとき、適応フィルタリングは動的平衡状態に達しており、適応フィルタリング結果から抽出された脈拍信号は、比較的に安定しており、脈拍信号分析のために次段に転送されることが可能となる。
【００６３】
説明しておきたいのは、実際の応用において、光電式脈拍測定は、運動干渉も受けてしまう。動作干渉は、主に、体動のときに生じたセンサの発光部分と受光部分との間の光伝送通路の変化により引き起こされた干渉である。上記の問題に対して、本発明の上述した光電式脈拍信号測定時の環境光干渉を解消する場合と同様な発明概念に基づいて、本発明では、更に、光電センサアレイ技術を活用し、光伝送モデルと光強度信号の物理的特徴に基づいて、光電式脈拍信号測定時の運動干渉をより一層適応フィルタリングで除去することができる。
【００６４】
図６は、本発明の実施例に係るもう１種の光電センサアレイ信号処理の構造模式図である。図６に示すように、光電センサアレイは、３つの光電受光器と１つの光電発光器とにより構成され、光電発光器から発した光束が皮膚に照射され、光電受光器１（メイン受光器）は、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る光信号を受信するために用いられ、光電受光器２（サブ受光器）は、動脈がない領域の皮膚から反射して戻る光信号を受信するために用いられ、光電受光器３（サブ受光器）は、環境光信号を受信するために用いられる。光電受光器１が受信した信号は、脈拍信号、環境光干渉及び運動干渉の混合信号であり、光電受光器２が受信した信号の多くは、動作干渉であり、光電受光器３が受信した信号の多くは、環境光干渉である。運動干渉を除去する際に、対数器に起因してデータに誤差を生じる可能性があることを考慮して、環境光干渉と運動干渉を同時に除去する必要がある場面において、環境光干渉を先に除去してから運動干渉を除去する処理方式を優先的に採用する。環境光干渉を除去する操作によって得られた出力を運動干渉を除去する操作の入力とする。
【００６５】
図６に示す処理フローのように、３つの光電受光器の信号は、いずれも前処理を経ており、そのうち、光電受光器１及び光電受光器３は、第１前処理器を介して、直流成分の除去及び高周波成分のフィルタリングによる除去を行っており、光電受光器２は、第２前処理器を介して、対数演算処理、直流成分の除去及び高周波成分のフィルタリングによる除去を行っている。
【００６６】
第１段の適応フィルタリングにおいて、光電受光器３の信号を適応フィルタＡを通過させて減算処理に用いることにより、光電受光器１（メイン受光器）の信号における環境光干渉が解消されて第１段の適応フィルタリング出力信号が得られる。そして、該第１段の適応フィルタリング出力信号は、第２前処理器によって対数演算処理が行われてから第２段のフィルタリング処理に入力される。一方、前処理された光電受光器２の信号に対し、第２前処理器によって対数演算処理、直流成分の除去及び高周波成分のフィルタリングによる除去を行ってから適応フィルタＢを通過させて減算処理を行う。これにより、第１段の適応フィルタリング出力信号における動作干渉が解消され、その後、指数演算されて第２段の適応フィルタリング出力信号が得られる。該第２段の適応フィルタリング出力信号を、脈拍信号の分析抽出に用いることが可能である。
【００６７】
もう一つの局面において、本発明は、光電式脈拍信号測定装置をさらに提供する。図７は、本発明の実施例に係る光電式脈拍信号測定装置の構造模式図である。図７に示すように、本発明の実施例に係る光電式脈拍信号測定装置は、光信号取得手段７１、適応フィルタリング手段７２、及び、脈拍信号抽出手段７３を含む。
【００６８】
光信号取得手段７１は、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる。
【００６９】
適応フィルタリング手段７２は、少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得するために用いられる。
【００７０】
脈拍信号抽出手段７３は、適応フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するために用いられる。
【００７１】
本発明の実施例に係る光電式脈拍信号測定装置は、光電センサアレイ技術を活用して、メイン光信号から環境光干渉を適応フィルタリングで除去しており、機器と皮膚との貼り合わせの具合を厳しく限定せずに、簡単且つ有効に光電式脈拍信号測定時の環境光干渉を解消することができる。
【００７２】
１つの好ましい実施例としては、各サブ光信号に基づいてメイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングする前に、メイン光信号及び各サブ光信号における直流成分と高周波成分がフィルタリングで除去されるように、各サブ光信号及びメイン光信号に対して前処理を行い、メイン光信号及び各サブ光信号における直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去してから、さらに、直流成分と高周波成分がフィルタリングで除去されたメイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ、脈拍信号に関わる周波数エネルギー等化を行う。そして、上述した前処理を経たメイン光信号及び各サブ光信号を適応フィルタリング手段に入力し、メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得する。
【００７３】
具体的には、図８に示す。図８は、本発明の実施例に係るもう１種の光電式脈拍信号測定装置の構造模式図であり、該光電式脈拍信号測定装置は、光信号取得手段８１、前処理手段８２、適応フィルタリング手段８３、及び、脈拍信号抽出手段８４を含む。
【００７４】
光信号取得手段８１は、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得し、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる。
【００７５】
前処理手段８２は、メイン光信号及び各サブ光信号における直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去するために用いられ、好ましくは、直流成分と高周波成分がフィルタリングで除去されたメイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ、脈拍信号に関わる周波数エネルギー等化を行うためにも用いられる。
【００７６】
適応フィルタリング手段８３は、少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における環境光干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得するために用いられる。
【００７７】
具体的には、適応フィルタリング手段８３は、
各サブ光信号とメイン光信号における環境光の光強度の変化傾向によって、各サブ光信号の伝送経路フィルタを得て、１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応する伝送経路フィルタを通過した出力信号を計算して、メイン光信号から各サブ光信号の出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得るための伝送経路フィルタ８３１と、
今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号との相関関数に基づいて、各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数の更新量を計算して、更新量を各サブ光信号の伝送経路フィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号の伝送経路フィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号の伝送経路フィルタを得るためのフィルタコントローラ８３２と、
更新後の伝送経路フィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断して、満たす場合は、更新後の伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号の伝送経路フィルタとし、満たさない場合は、更新後の伝送経路フィルタに対して正規化処理を行い、正規化された伝送経路フィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号の伝送経路フィルタとするための正規化モジュール８３３と、を含む。
【００７８】
脈拍信号抽出手段８４は、適応フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するために用いられる。
【００７９】
本実施例は、光電受光器の信号における直流成分と高周波成分を前処理手段によってフィルタリングで除去するとともに、直流成分と高周波成分がフィルタリングで除去されたメイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ、脈拍信号に関わる周波数エネルギー等化を行うことで、メイン光信号から環境光干渉が適応フィルタリングで除去された適応フィルタリング結果は、より正確になる。
【００８０】
さらなる一つの局面において、本発明は、上述した光電式脈拍信号測定装置を含む測定機器をさらに提供する。
【００８１】
該測定機器には、１つの光電発光器と２つ以上の光電受光器とが設置され、そのうち、１つの光電受光器がメイン受光器とされ、残りの光電受光器がサブ受光器とされている。
【００８２】
使用者が該測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、メイン受光器及び光電発光器が皮膚の所定の位置に置かれて、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過し、各サブ受光器は外部環境に向けて設けられ、各サブ受光器と光電発光器との距離は距離閾値よりも大きく、こうして、光電発光器からの光の反射光が各サブ受光器に入射しないようにする。
【００８３】
実際の使用では、該測定機器として、人体の腕と合致する環状機器が好ましく、そのうち、光電発光器、メイン光電受光器は、環状機器の腕と貼り合わせる内側に位置し、各サブ受光器は、環状機器の腕と貼り合わせない外側に位置し、具体的に、各サブ受光器は、外部環境に向くように環状機器の側縁に設置されてもよい。もちろん、該測定機器はイヤホンでも良く、その際、光電発光器、メイン光電受光器は、耳栓の耳皮膚と貼り合わせる箇所に位置し、各サブ受光器は、耳栓の耳皮膚と貼り合わせない箇所に位置し、具体的に、各サブ受光器は、外部環境に向くようにイヤホンの耳栓のケースに設置されても良い。本技術解決手段は、上述した２種の測定機器を例示的に提供しているが、説明しておきたいのは、本発明は、測定機器の設計構造に対して、如何なる限定もせず、光電センサアレイ技術を活用して光電発光器及び光電受光器の各信号に対して相応する適応フィルタリングを行うことで、光電式脈拍信号測定時の環境光干渉を解消し、脈拍信号検出の精度を向上させることさえできれば良い。
【００８４】
図９は、本発明の実施例に係るもう１種類の光電式脈拍信号測定方法のフローチャートであり、図９に示すように、本発明の実施例の光電式脈拍信号測定方法は、ステップＳ９１０、Ｓ９２０、Ｓ９３０を含む。
【００８５】
ステップＳ９１０では、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得する。
【００８６】
１つの具体的な実施例において、下記の方式でメイン光信号と各サブ光信号を取得することが可能である。
【００８７】
ウェアラブル測定機器に１つの光電発光器と２つ以上の光電受光器とを設置して、そのうち、１つの光電受光器をメイン受光器とし、残りの光電受光器をサブ受光器として、使用者が該測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、メイン受光器及び光電発光器を皮膚の所定の位置に配置する。該所定の位置は、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過し、各サブ受光器と光電発光器との間に動脈の通過がないようにする位置であり、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る光信号は、メイン受光器によって受信され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る光信号は、各サブ受光器によって受信される。
【００８８】
該ウェアラブル測定機器は、具体的には、本解決手段を応用したスマートリストバンド、スマートイヤホンなどの光電式脈拍測定器を内蔵した測定機器であっても良いが、これに限らず、本解決手段は、脈拍測定を必要とされるその他のウェアラブル電子製品に応用することも可能である。
【００８９】
図１０は、本発明の実施例に係るスマートリストバンドの模式図であり、図１０に示すように、スマートリストバンドには、１つの光電発光器と３つの光電受光器（１つのメイン受光器と２つのサブ受光器）とが設置されており、光電発光器と３つの光電受光器は、いずれもリストバンドの腕部皮膚と貼り合わせる内側に位置し、且つメイン受光器が光電発光器から遠く離れており、２つのサブ受光器は、光電発光器に比較的近く、使用者がリストバンドを装着して脈拍を測定する過程において、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈は通過するが、２つのサブ受光器と光電発光器との間に動脈は通過しない。
【００９０】
図１１は、本発明の実施例に係るスマートイヤホンの模式図であり、図１１に示すように、スマートイヤホンには、１つの光電発光器と２つの光電受光器（１つのメイン受光器と１つのサブ受光器）とが設置されており、光電発光器及び２つの光電受光器は、いずれも耳栓の耳皮膚と貼り合わせる箇所に位置し、且つメイン受光器が光電発光器から遠く離れており、サブ受光器は、光電発光器に比較的に近く、使用者がイヤホンを装着して脈拍を測定する過程において、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈はあるが、２つのサブ受光器と光電発光器との間に動脈は通過しない。
【００９１】
ステップＳ９２０では、少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応型フィルタリング結果を取得する、
【００９２】
具体的には、該ステップＳ９２０における適応フィルタリング操作は、複数の適応フィルタリング周期を含んでも良く、各適応フィルタリング周期における操作は、
各サブ光信号における反射光とメイン光信号における反射光との光強度関係によって、各サブ光信号のフィッティングフィルタを得ることと、１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応するフィッティングフィルタを通過した出力信号を計算することと、メイン光信号から各サブ光信号の出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得ることと、を含む。
【００９３】
今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得た後、該ステップＳ９２０は、さらに、
今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号との相関関数に基づいて、各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数の更新量を計算することと、更新量を各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号のフィッティングフィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号のフィッティングフィルタを得ることと、を含んでもよい。
【００９４】
各適応フィルタリング周期において、各サブ光信号のフィッティングフィルタに対する更新を行った後、該ステップＳ９２０は、さらに、
更新後のフィッティングフィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断して、満たす場合は、更新後のフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとし、満たさない場合は、更新後のフィッティングフィルタに対して正規化処理を行い、正規化されたフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとすることと、
算出された１つのサブ光信号のフィッティングフィルタ係数の更新量が更新閾値よりも小さくなると、該サブ受光器が使用者の運動に対して比較的正確に追跡できていると確認することと、を含んでもよい。
【００９５】
ステップＳ９３０では、適応型フィルタリング結果から脈拍信号を抽出する。
【００９６】
上述したステップＳ９２０による処理の後、メイン光信号から運動干渉信号を適応フィルタリングして得られた適応フィルタリング結果において、その多くは脈拍信号と関係する信号であり、その中から脈拍信号を抽出して心電分析を行うことができる。
【００９７】
本発明の実施例に係る光電式脈拍測定方法は、光電センサアレイ技術を活用して、メイン光信号から運動干渉信号を適応フィルタリングで除去しており、機器と皮膚との貼り合わせの具合を厳しく限定せずに、簡単且つ有効に光電式脈拍信号測定時の運動干渉を解消することができる。本発明の実施例の方法は、ウェアラブル製品に適用される。
【００９８】
１つの好ましい実施例として、各サブ光信号に基づいてメイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去する前に、各サブ光信号及びメイン光信号に対して前処理を行い、前処理の内容は、
メイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ対数演算処理を行うことと、対数演算処理後のメイン光信号及び各サブ光信号における直流成分と高周波成分をそれぞれフィルタリングで除去することと、を含む。
【００９９】
前処理の役割は、光電受光器の信号に対して、対数演算と直流カット演算を行うことであり、実際では、前処理器によって実行可能である。
【０１００】
上述した前処理を経て、メイン光信号及び各サブ光信号における心拍と関係しないその他の運動干渉、例えば、呼吸、微動などの脈拍信号測定に影響を与える運動干渉を除去できるため、運動干渉が解消された適応フィルタリング結果は、より正確に得られる。
【０１０１】
説明しておきたいのは、メイン光信号及び各サブ光信号に対して上述の前処理を行ってから、各サブ光信号を用いて、メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得する場合、ステップＳ９３０において、適応フィルタリング結果から脈拍信号を抽出することは、適応フィルタリング結果に対して指数演算処理を行うことと、指数演算処理後の結果から脈拍信号を抽出することと、を含むようになる。
【０１０２】
以下、図１２を参照して、本発明の実施例の光電式脈拍信号測定方法の原理について説明する。図１２は、本発明の実施例に係るさらなる１種の光電センサアレイ信号処理の構造模式図である。
【０１０３】
図１２に示すように、光電センサアレイは、複数の光電受光器と１つの光電発光器とにより構成され、そのうち、光電受光器は、１つのメイン受光器と複数のサブ受光器とにより構成されている。光電発光器から発した光束が皮膚に照射され、メイン受光器は、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る光信号を受信するために用いられ、信号の成分には脈拍信号及び運動干渉がある。Ｎ個のサブ受光器は、皮下に動脈がない（無動脈領域）皮膚の表面から反射して戻る光信号を受信するために用いられ、その信号にはほぼ運動干渉成分しかない。光電式脈拍信号測定機器に応用する場合、使用者が測定機器を装着できているとき、メイン受光器及び光電発光器が機器の比較的に皮膚に近い所定の位置に配置され、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過する。サブ受光器は光電発光器に比較的に近く、光電発光器との間に動脈の通過がない。
【０１０４】
メイン受光器の信号及びＮ個のサブ受光器の信号はいずれも前処理を経ておき、各サブ受光器の前処理後の信号を用いて適応フィルタを行うことにより、メイン受光器の前処理後の信号における運動干渉が解消される。メイン受光器の運動干渉が解消された出力信号は、脈拍信号の分析抽出に用いることが可能である。
【０１０５】
メイン光信号から運動干渉を適応フィルタリングで除去することを実現するために、本発明解決手段は、幾つかの基本部分、即ち、前処理器と適応フィルタに分けられ、そのうち、各サブ受光器の適応フィルタは、フィッティングフィルタ及びフィルタコントローラを含む。光電受光器により受信されるのは光強度信号であり、メイン及びサブ受光器の信号y, x1, x2, …, xNは、それぞれ、対応する前処理器に入力され処理される。前処理器により出力されるメイン及びサブ受光器信号は
0006279098.tif 000011
である。サブ受光器に対応する前処理器の出力
0006279098.tif 000012
は、それぞれ、各サブ受光器の適応フィルタに入力される。サブ受光器からの信号
0006279098.tif 000013
の適応フィルタリングされた結果を用いて、前処理されたメイン受光器信号
0006279098.tif 000014
における運動干渉を解消する。適応フィルタリングされた出力信号zにおいて、運動干渉の大部分が解消され、フィルタリング後に出力される信号は、主に脈拍信号となる。
【０１０６】
皮膚と光電脈拍測定器との間が相対的に静止している場合、光電発光器から出射した光信号は、皮膚の表面にて反射され、伝送を介して、メイン受光器により受信される。本実施例では、ランベルト・ベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）の法則により以下の公式を得る。
0006279098.tif 000015
ここで、Iは光電発光器の光源強度であり、εは皮膚及び皮下組織の光線に対する反射係数であり、d0は光伝送通路の長さであり、yはメイン受光器の信号である。皮下動脈の光エネルギーに対する吸収と反射はいずれも脈拍に伴って変化し、即ち反射率εは脈拍に伴って変化するため、反射光の光強度も脈拍に伴って変化する。
【０１０７】
図１３は、本発明の実施例に係る運動のないときの光伝送経路の模式図である。図１３に示すように、皮膚と本解決手段に係る測定機器との間が相対的に静止している場合、メイン受光器の信号yが担持しているのは、全て脈拍信号yPの光強度信号になると考えられるので、
0006279098.tif 000016
となる。
【０１０８】
実際の使用では、図１４に示すようになり、図１４は、本発明の実施例に係る運動しているときの光伝送経路の模式図である。皮膚と本解決手段に係る測定機器との間は相対的に運動があり、両者の相対位置が変わると、光伝送通路の長さも変わり、メイン受光器の信号yも変化が生じる。メイン受光器の信号yは、脈拍情報を担持している光強度信号yP（光線が光電発光器から出射されて皮膚表面にて反射され、メイン受光器よりに受信される光信号）と、伝送経路関数yAとに分けられる。
【０１０９】
光伝送通路の長さがdに変わると、メイン受光器の信号は下記のように変わる。
0006279098.tif 000017
光伝送通路の長さが変化すると、伝送経路関数は、以下のように示される。
0006279098.tif 000018
メイン受光機の信号yは、脈拍信号yPと伝送経路関数yAとの相乗であり、以下のように示され、
0006279098.tif 000019
ここで、
0006279098.tif 000020
である。
光電脈拍測定器と皮膚との間の距離が一定である場合、光伝送通路の長さは定数d0となり、相対運動がないときに、伝送経路関数yAは定数となる。
【０１１０】
サブ受光器の信号には、脈拍信号が含まれないか、或いは、極少ない脈拍信号しか含まれない。皮膚の反射光が受信器に近く、且つ周囲には動脈がないため、脈拍信号は受信器まで届かず、サブ受光器により受信される脈拍信号は、無視し得るものである。サブ受光器群のうち１つのサブ受光器kを考慮すると、サブ受光器により受信される光電信号xkは、以下のように示される。
0006279098.tif 000021
ここで、Iは光電発光器の光源強度であり、ε0は皮下に動脈のない皮膚の表面の光線に対する反射率であり、dkは光電発光器からサブ受光器までの光線の伝送経路の長さであり、相対運動がない場合、光電発光器からサブ受光器kまでの伝送経路の長さはdk0であり、xkは定数であり、xk0とする。
【０１１１】
相対運動があり、伝送経路が変化する場合、サブ受光器により受信される光電信号は、
0006279098.tif 000022
となる。
ここで、dk0は単位伝送距離あたりの光強度の伝送減衰因子であり、定数と近似しており、dkは光伝送経路の長さの変化量であり、サンプリング時間ｎの変数である。
【０１１２】
すると、
0006279098.tif 000023
が得られ、ここで、
0006279098.tif 000024
である。
【０１１３】
サブ受光器とメイン受光器との距離がそれほど大きくないとき、ウェアラブル機器の柔軟変形が小さく、機器の寸法はほとんど変化しないことを考慮して、本実施例は、各サブ受光器とメイン受光器の皮膚に対する経路変化量が線形の伝達関数関係を有すると仮定する。
0006279098.tif 000025
y及びxkの式から推定できるように、もしy及びxkに対して対数を求めると、
0006279098.tif 000026
となる。
xk0が定数であるため、その対数関数値ln xk0は、前処理の直流カット演算により除去することができる。また、ΔdとΔdkの関係によると、
0006279098.tif 000027
となる。
0006279098.tif 000028
及び
0006279098.tif 000029
はいずれも既知であり、ε0は固定値であり、もし-εΔdとΔdkとの関係を推定できれば、
0006279098.tif 000030
から-εΔdを除去すると、ln yPが得られ、さらに指数演算を行って、脈拍信号yPを得ることができる。
ΔdとΔdkとは線形関係があり、
0006279098.tif 000031
である。
【０１１４】
ウェアラブル機器において、装着方式が随時に変わる可能性があるため、hkも変化してしまい、そして、εも時変的なので、-εΔdとΔdkとには、時変的な線形関係が存在していると考えられる。
即ち、
0006279098.tif 000032
であり、
ここで、
0006279098.tif 000033
である。
【０１１５】
合理的な方式としては、
0006279098.tif 000034
を環境に応じて適応に変化させるように、適応フィルタリングの方式を採用して
0006279098.tif 000035
を推定する。フィルタの次数は、サンプリングの周波数に関わっており、サンプリングの周波数が上昇すると、次数も上昇する。一般的に、サンプリングの周波数が１００Ｈｚである場合、次数として、５次を取ってもよく、サンプリングの周波数が倍増して２００Ｈｚに変わると、次数も倍増して、１０次を取る。
【０１１６】
各演算周期内に、メイン及びサブ受光器の新たな信号が入り、前処理、フィルタリング、フィルタ更新の過程を経て、適応フィルタリング結果が脈拍信号となり、脈拍分析のために次段に出力される。
【０１１７】
再び図１２を参照すると、前処理器及び適応フィルタの二つの部分の具体的な実施形態は、以下のようになる。
【０１１８】
１．前処理器
前処理器の役割は、光電受光器信号に対して対数演算及び直流カット演算を行うことである。
対数演算は、光強度信号に対して自然対数を求めることであり、対数器を用いて処理することが可能である。
直流カット演算は、光強度信号における直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去することであり、直流カットフィルタを用いて処理することが可能である。
前処理器は、対数器と直流カットフィルタとのカスコード接続の組み合わせと見なされても良い。対数器は、光強度信号に対して自然対数を求めるものである。該直流カットフィルタは、１つのバンドパスフィルタであり、ロアーカットオフ周波数が、一般的に、健康成年者の心拍数よりもはるかに低く、例えば０．１Ｈｚを取り得る一方、アッパーカットオフ周波数は、一般的に、健康成年者の心拍数よりもはるかに高く、例えば５Ｈｚを取り得る。
【０１１９】
２．適応フィルタ
適応フィルタは、メイン受光器信号における運動干渉と類似する信号成分を除去するために用いられ、フィッティングフィルタとフィルタコントローラに分けられる。
フィッティングフィルタは、反射光のサブ受光器への光信号と、反射光のメイン受光器への光信号とのフィッティング関係
0006279098.tif 000036
を推定するために用いられ、即ち、各サブ光信号のフィッティングフィルタは、各サブ光信号と主路信号における反射光の光強度変化傾向に基づいて得られるものである。フィッティングフィルタは、各サブ光信号とメイン光信号とにおける反射光の光強度関係に基づいて、反射光の各サブ受光器への光信号と反射光のメイン受光器への光信号とのフィッティングフィルタを得る。
【０１２０】
１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応するフィッティングフィルタを通過した出力信号を計算して、メイン光信号から各サブ光信号の出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果
0006279098.tif 000037
を得る。
【０１２１】
フィルタコントローラは、信号
0006279098.tif 000038
と各サブ受光器からの信号
0006279098.tif 000039
との相関関数を計算するために用いられ、即ち、今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号（各サブ光信号の前処理された信号
0006279098.tif 000040
）との相関関数に基づいて、各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数の更新量を計算する。これにより、信号
0006279098.tif 000041
にはどの程度の割合の運動干渉があるのかを確定でき、これを元に、各サブ受光器のフィッティングフィルタ係数の更新量を調整する。或いは、上記相関関数は、今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号のフィッティングフィルタを通過した信号との相関関数であっても良い。
【０１２２】
第k個のサブ受光器のフィッティングフィルタhkについては、仮にその次数をLとする場合、その更新量Δhkの計算方式は例えば以下のようになる。
0006279098.tif 000042
【０１２３】
更新量を各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号のフィッティングフィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号のフィッティングフィルタを得る。即ち、元のフィルタと更新量とを重畳して得られた新たなフィルタは、次の公式で示すことができる。
0006279098.tif 000043
【０１２４】
以下、再度図１２を参照して説明する。
前処理されフィッティングフィルタに通した各サブ受光器の信号を、前処理されたメイン受光器信号からそれぞれ減算して、１回の適応フィルタリング周期における適応フィルタリング出力信号
0006279098.tif 000044
を得る。具体的には、
第k個のサブ受光器について、その
0006279098.tif 000045
フィルタはhkとなり、nをデジタル信号のサンプリング番号とすると、出力
0006279098.tif 000046
は次のように示される。
0006279098.tif 000047
0006279098.tif 000048
は適応フィルタリング結果である。
0006279098.tif 000049
に対して指数演算を行うと、信号zが復元される。
0006279098.tif 000050
信号zから脈拍信号を抽出して、脈拍信号分析のために次段に転送することが可能となる。
【０１２５】
脈拍信号分析の解決手段には一定のフォールトトレランスがあることを考慮して、本実施例の１つの処理方式としては、後続の脈拍信号分析処理に便利なように、毎回の適応フィルタリング周期において得られた適応フィルタリング結果をリアルタイムに出力する。
【０１２６】
各サブ光信号のフィッティングフィルタに対する更新を行った後、さらに、更新後のフィッティングフィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断する必要があり、満たす場合は、更新後のフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとし、満たさない場合は、更新後のフィッティングフィルタに対して正規化処理を行い、正規化されたフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとする。その理由は以下の通りである。
【０１２７】
各サブ受光器と光電発光器との間に皮膚の表面反射しかなく、動脈による吸収がないため、反射率ε0は、一般的に、εよりも明らかに大きく、ε/ε0は１よりも小さくなるため、
0006279098.tif 000051
となる。従って、本実施例は、フィッティングフィルタ係数の平方和が１よりも小さいことをフィルタの制限条件とし、求められたフィッティングフィルタに対してフィルタ制限を施すと、フィルタの係数平方和が１よりも大きくなる場合、フィルタに対して正規化処理を行う必要があり、正規化処理の公式は以下に示すようになる。
0006279098.tif 000052
この方法で順次に各サブ受光器のフィッティングフィルタを更新して、各サブ受光器のフィッティングフィルタの更新を完了してから、次の適応フィルタリング周期に入る。
【０１２８】
もう一つの局面において、本発明は一種の光電式脈拍信号測定装置をさらに提供する。図１５は、本発明の実施例に係る光電式脈拍信号測定装置の構造模式図である。図１５に示すように、該装置は、光信号取得手段１５１、適応フィルタリング手段１５２、及び、脈拍信号抽出手段１５３を含む。
【０１２９】
光信号取得手段１５１は、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる。
【０１３０】
適応フィルタリング手段１５２は、該少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得するために用いられる。
【０１３１】
脈拍信号抽出手段１５３は、適応フィルタリング結果から脈拍信号を抽出するために用いられる。
【０１３２】
本発明の実施例に係る光電式脈拍信号測定装置は、光電センサアレイ技術を活用して、メイン光信号から環境光干渉を適応フィルタリングで除去しており、機器と皮膚との貼り合わせの具合を厳しく限定せずに、簡単且つ有効に光電式脈拍信号測定時の運動干渉を解消することができる。
【０１３３】
１つの好ましい実施例としては、適応フィルタリング手段がメイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去する前に、各サブ光信号及びメイン光信号に対して前処理を行い、メイン光信号及び各サブ光信号における心拍と関係しないその他の運動干渉、例えば、呼吸、微動などの脈拍信号測定に影響を与える運動干渉を除去してから、上述した前処理を経たメイン光信号及び各サブ光信号を適応フィルタリング手段に入力し、メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、取得された適応フィルタリング結果に対して指数演算処理を行い、指数演算処理後の結果から脈拍信号を抽出する。
【０１３４】
具体的には、図１６に示す。図１６は、本発明の実施例に係るもう１種の光電式脈拍信号測定装置の構造模式図であり、該光電式脈拍信号測定装置は、光信号取得手段１６１、前処理手段１６２、適応フィルタリング手段１６３、及び、脈拍信号抽出手段１６４を含む。
【０１３５】
光信号取得手段１６１は、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚の表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得するとともに、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚の表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得するために用いられる。
【０１３６】
前処理手段１６２は、メイン光信号及び各サブ光信号に対して、それぞれ対数演算処理を行うとともに、対数演算処理後のメイン光信号及び各サブ光信号における直流成分と高周波成分をそれぞれフィルタリングで除去するために用いられる。
【０１３７】
適応フィルタリング手段１６３は、少なくとも一つのサブ光信号に基づいて、メイン光信号における運動干渉を適応フィルタリングで除去して、適応フィルタリング結果を取得するために用いられる。
【０１３８】
具体的には、適応フィルタリング手段１６３は、
各サブ光信号における反射光とメイン光信号における反射光との光強度関係によって、各サブ光信号のフィッティングフィルタを得て、１回の適応フィルタリング周期において、各サブ光信号の対応するフィッティングフィルタを通過した出力信号を計算して、メイン光信号から各サブ光信号の出力信号を減算して、今回の適応フィルタリング周期において出力したフィルタリング結果を得るためのフィッティングフィルタ６３１と、
今回の適応フィルタリング周期におけるフィルタリング結果と各サブ光信号との相関関数に基づいて、各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数の更新量を計算し、更新量を各サブ光信号のフィッティングフィルタ係数にそれぞれ重畳して、各サブ光信号のフィッティングフィルタに対する更新を行い、次の適応フィルタリング周期における各サブ光信号のフィッティングフィルタを得るためのフィルタコントローラ６３２と、
更新後のフィッティングフィルタがフィルタの制限条件を満たすかどうかを判断して、満たす場合は、更新後のフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとし、満たさない場合は、更新後のフィッティングフィルタに対して正規化処理を行い、正規化されたフィッティングフィルタを次の適応フィルタリング周期における該サブ光信号のフィッティングフィルタとするための正規化モジュール６３３と、を含む。
【０１３９】
脈拍信号抽出手段１６４は、適応フィルタリング結果に対して指数演算処理を行い、指数演算処理後の結果から脈拍信号を抽出するために用いられる。
【０１４０】
本実施例は、前処理手段によって光電受光器の信号に対して対数演算と直流カット演算を行い、メイン光信号及び各サブ光信号における心拍と関係しないその他の運動干渉を除去することで、メイン光信号から運動干渉が適応フィルタリングで除去された適応フィルタリング結果はより正確に得られる。
【０１４１】
さらなる一つの局面において、本発明の実施例は、上述した光電式脈拍信号測定装置を含む測定機器をさらに提供した。
【０１４２】
該測定機器には、１つの光電発光器と２つ以上の光電受光器とが設けられ、そのうち、１つの光電受光器がメイン受光器とされ、残りの光電受光器がサブ受光器とされている。
【０１４３】
使用者が該測定機器を装着して脈拍信号を測定するとき、メイン受光器及び光電発光器が皮膚の所定の位置に置かれ、メイン受光器と光電発光器との間に少なくとも１本の動脈が通過し、各サブ受光器と前記光電発光器との間には、動脈が通過しない。
【０１４４】
実際の使用では、該測定機器として、人体の腕と合致する環状機器が好ましく、そのうち、光電発光器、光電受光器が環状機器の腕と貼り合わせる内側に位置する。もちろん、該測定機器はイヤホンでも良く、その際、光電発光器、光電受光器が耳栓の耳皮膚と貼り合わせる箇所に位置する。本技術解決手段は、上述した２種の測定機器を例示的に提供しているが、説明しておきたいのは、本発明は、測定機器の設計構造に関して、如何なる限定もなく、光電センサアレイ技術を活用して光電発光器及び光電受光器の各信号に対して相応する適応フィルタリングを行うことで、光電式脈拍信号測定時の運動干渉を解消し、脈拍信号検出の精度を向上させることさえできれば良い。
【０１４５】
以上をまとめると、本発明の実施例は、光電式脈拍信号測定方法及び測定機器を提供しており、光伝送モデル及び光強度信号の物理的特徴に基づき、光電センサアレイ技術を活用して、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得し、環境光信号を収集した少なくとも一つのサブ光信号を取得してから、サブ光信号に基づいて、メイン光信号における環境光干渉信号を適応フィルタリングで除去することにより、光電式脈拍信号測定時の環境光干渉を解消又は低減して、脈拍信号測定の精度を向上させる。或いは、光電発光器から出射され、皮下に動脈がある皮膚表面から反射して戻る一つのメイン光信号を取得し、同一の光電発光器から出射され、皮下に動脈がない皮膚表面から反射して戻る少なくとも一つのサブ光信号を取得してから、サブ光信号に基づいて、メイン光信号における運動干渉信号を適応フィルタリングで除去することにより、光電式脈拍信号測定時の運動干渉を解消又は低減して、脈拍信号測定の精度を向上させる。本技術的解決手段は、光電アレイを活用して、光電信号における環境光干渉又は運動干渉を適応フィルタリングで除去しているため、機器と皮膚との貼り合わせの具合を厳しく限定する必要がなく、簡単且つ有効に光電式脈拍信号測定時の環境光干渉又は運動干渉を解消することができる。並びに、本解決手段は、高強度の光源が必要とされず、測定機器の消費電力を低減して、使用時間を延長することができる。また、本解決手段において、処理が必要な入力は同じタイプの光電信号であり、同じ種類の信号サンプリングシステム及びサンプリング周期を採用すれば実現できるので、測定システムの複雑度を低減し、データの演算量を大幅に低減した。そして、好ましい解決手段においては、メイン光信号及びサブ光信号に対してそれぞれ前処理を行うことにより、メイン光信号及びサブ光信号における直流成分と高周波成分をフィルタリングで除去し、これらの直流成分と高周波成分がフィルタリングで除去された各光信号に対して、脈拍信号に関わる周波数エネルギー等化などの前処理を行うことで、環境光干渉が解消された適応フィルタリング結果を、より正確に得ることができる。或いは、好ましい解決手段においては、さらに、メイン光信号及びサブ光信号に対してそれぞれ前処理を行い、光電受光器の信号に対して対数演算と直流カット演算を行い、メイン光信号及び各サブ光信号における心拍と関係しないその他の運動干渉を除去することで、運動干渉が解消された適応フィルタリング結果をより正確に得ることができる。
【０１４６】
上述したのは、あくまでも本発明の好ましい実施例であり、本発明の保護範囲を限定するためのものではない。本発明の精神及び原則内になされたすべての補正、均等的置換、改良等は、いずれも本発明の保護範囲に含まれるものとされる。
【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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