(57)【要約】【課題】ノイズを抑制し脈波の検出を容易とした光学的リングセンサを提供する。【解決手段】フォトダイオードと、増幅部、外乱除去部、ＡＤ変換部を備えた信号処理部とを備えた光学的リングセンサであって、前記フォトダイオードと信号処理部とを半導体基板に一体的集積して設けた。これによりフォトダイオードと信号処理部の間を光電流が伝送される途中で受けるノイズを抑制した。【選択図】図１
2007236855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体情報を計測する検出部と、前記検出部の出力信号が与えられる増幅部、外乱除去部、ＡＤ変換部を備えた信号処理部と、前記信号処理部の生体情報出力によって搬送波を変調する送信部とを備えた生体センサであって、少なくとも前記検出部と前記信号処理部とを単一半導体基板に一体的に形成したことを特徴とする生体センサ。
【請求項２】
前記送信部と、前記検出部と、信号処理部とを単一半導体基板に一体的に形成したことを特徴とする、請求項１に記載の生体センサ。
【請求項３】
前記検出部が受光素子を備え、生体情報を光電式に計測することを特徴とする、請求項１または２に記載の光電式生体センサ。
【請求項４】
前記生体情報が脈波または酸素飽和濃度であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の生体センサ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の生体センサが、指径状のリング面に搭載されてなるリングセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非侵襲で生体情報を計測するセンサの構造に関し、更には生体情報を光学的に検出する光電式生体センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
健康管理や医療機関の効率的な利用等に関する意識の高まりにより、被験者の生体情報を入手して行なう健康管理や、医療情報とするシステムの開発が進められている。この種の生体情報を入手する手段として、光電式生体センサが開発されている。
従来技術による、光電式生体センサの構造と動作原理をリング型のものを用いて説明する。
【０００３】
図２（ａ），（ｂ）は、一般的なリングセンサ２の断面図および、このリングセンサ２を指１に装着した時の外観図である。
【０００４】
金属又は樹脂等を指に装着可能な寸法に成型されたリングセンサ２の内周面に、発光部３と受光部７とを備えた当接部８が配置されており、発光部３から出射された光が装着された指１の血管に当たって、血管を流れる血液中のヘモグロビンに吸収され、残りの光が反射して受光部７に達し、電気信号に変換される構造となっている。
【０００５】
一方、リングセンサ２の外周面には、前記発光部３及び受光部７の電気信号を処理する信号処理部を備えた回路部４を収納する収納部５が設けられている。また、無線でデータを送信または受信するためにアンテナ１９が収納部５に設けられている。
【０００６】
前記当接部８と回路部４は、表面又は薄膜層間に配線を有するフレキシブル基板６によって、リングセンサ２の形状に沿って配線され接続されている。
【０００７】
リングセンサ２の装着時、発光部３と受光部７とを備えたセンサの当接部８に指を押し当て、予め血管に所定の圧力を与えておけば、脈拍による血管拡張期には受光部７が受ける光量が減少し、収縮期には増加する。
【０００８】
このように、光が血管を通過する時、脈拍によって光量が周期的に変調を受けるので、受光部７が出力する信号の振幅変化の周期を測定することにより脈拍数を知る事ができる。
【０００９】
また、血液中のヘモグロビンの内、酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンが光の波長により光の吸収、透過特性が異なることが知られている。例えば、赤色光においては酸化ヘモグロビンより還元ヘモグロビンの吸収特性が大きく、赤外光においては還元ヘモグロビンより酸化ヘモグロビンの方が大きい。したがって、血液中の酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの比によって赤色光と赤外光の比が変化するため、それぞれの信号強度の比を解析することにより、血中酸素飽和濃度も測定する事ができる。このように脈波波形を解析することにより様々な身体状態を捉えることができる。
【００１０】
図３は図２に示した従来技術によるリングセンサの回路ブロック図である。
【００１１】
従来技術によるリングセンサ２の回路は、発光部３、受光部７、回路部４を備え、それぞれがフレキシブル基板６で相互に接続されている。また、アンテナ１９と回路部４とは同一の基板上に実装され、接続されている。
【００１２】
発光部３は、装着された指1の血管に脈波検出のための光を照射する。発光部３に接続された発光素子駆動部２１は発光部３を駆動するための発光素子駆動電流を発生する。この発光素子駆動電流は外乱除去のため、ある駆動周波数によってパルス状に変調されている。
【００１３】
受光部７はフォトダイオード９を備え、入射光を光電流に変換する。
【００１４】
回路部４は、前記発光部３にパルス状の駆動電流を供給するための発光素子駆動部２０のみならず、受光部７で検出したフォトダイオード９の信号を、生体情報として出力するための信号処理部１１、及び信号処理部１１の出力信号を生体管理システム、医療機関等へ送信する送信部１２、更に回路部４の前記各部に電力を供給する電源部２０、発光素子駆動部２１を備え、前記光電流の信号処理などを行う。
【００１５】
アンテナ１９は前記送信部１２によって発生した高周波電流を電磁波に変換し空間に放射する。この電磁波は生体管理システム等に備えられた脈波波形解析装置（ここでは図示しない）によって受信される。
【００１６】
次に回路部４の構成を詳細に説明する。
【００１７】
フォトダイオード９から出力された信号は、フレキシブル基板６ｄを介して上流側から下流側の方向に、信号処理部１１、送信部１２の順に接続され、送信部１２の下流側にアンテナ１９が接続されている。
【００１８】
信号処理部１１は増幅部１３、外乱除去部１４、ＡＤ変換部１５を備える。
【００１９】
フォトダイオード９で発生した光電流は増幅部１３で電流電圧変換、増幅され、続いて外乱除去部１４でノイズが除去される。
【００２０】
外乱除去部１４は、前記発光素子３の駆動電流の駆動周波数を中心とした帯域のみを通過するバンドパスフィルタを備える。これにより、発光部３が出射する光の周波数成分を選択的に透過させることができ、ノイズが除去される。
【００２１】
外乱除去部１４のフィルタでノイズ除去された信号はアナログの脈波信号で、この脈波信号は続いてＡＤ変換部１５でデジタル信号に変換され、送信部１２へ伝達される。
【００２２】
送信部１２は搬送波発生部１６、変調部１７、電力増幅部１８を備え、搬送波発生部１６は高周波電流である搬送波を生成し、変調部１７は前記デジタル信号によって前記搬送波を変調する。続いて前記搬送波は電力増幅部１８へ伝達され増幅される。
【００２３】
受光部７で検出された生体情報は、変調された前記搬送波としてアンテナ１９へ伝達され、無線出力される。
【００２４】
なお電源部２０は、回路部４内の各部へ電力を供給する。
【００２５】
このように、脈波を検出する当接部８とフレキシブル基板６を介して接続された回路部４とアンテナ１９とを備えた構造のリングセンサが提案されている。
【００２６】
このリングセンサ２においては、フォトダイオード９と回路部４とを接続する信号線がフレキシブル基板６に形成されており、前記信号線にノイズの侵入を抑制するためのシールドが施されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−０７０２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
しかしながら従来技術によると、アナログ信号である光電流が、そのままフレキシブル基板６ｄ上の信号線によって回路部４に伝達される。
【００２８】
このアナログ信号の光電流は、大部分が筋肉等の周辺組織からの反射による信号で、生体情報としての動脈血の脈動成分は全光電流の数％程度と、かなり微弱な信号である。
【００２９】
またフォトダイオード９からの前記信号線は、フレキシブル基板６ｄ上に密集して、他の配線と一体的に並設されているから、特にノイズの影響を受けやすい。
【００３０】
フレキシブル基板６ｄはシールドされているとはいえども、アナログ信号であるから、信号伝達時においてノイズの影響を受けることにより脈波波形が歪む。そのため脈波の検出が困難となったり、異常な信号となって伝達される問題があった。従来の装置においては、これらの異常な信号を除去する処理が回路にてなされていた。
【００３１】
例えば、脈波信号を演算処理して脈波波形が得られ、次に、得られた脈波波形の振幅値と、過去の振幅値とを比較する。前記振幅値が過去の振幅値に比べて、一定時間内に一定の範囲を超えて変動があった場合、一定時間計測を継続する。その後、継続的に前記一定の範囲内の振幅値が得られた場合は正常な脈波信号であると判断し、信号を受容する。そうでない場合は、脈波信号が一時的なノイズによって歪みを受けた、異常な信号であると判断し、この信号を除去するよう、演算処理されている。
【００３２】
しかしながら上記演算処理においては、信号が除去された期間は脈波信号の検出が停止される問題がある。
【００３３】
また、前記発光素子駆動電流はパルス状に変調され、また、計測のための前記光電流に対して相対的に電流値が大きい。このような発光素子駆動電流の流れる配線が、前記信号線と一体的に設けられた場合、電磁誘導によるカップリングに起因する前記ノイズの影響が顕著である。
【００３４】
また、リングセンサにアンテナ１９が付設されているから、前記信号線はアンテナ１９が放射する電磁波によっても、ノイズの影響を受けやすい。
【００３５】
以上の課題に鑑み本発明は、前記ノイズの影響を抑制することにより脈波の検出を容易にし、高い精度の生体情報を得ることができる光電式生体センサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
上記目的を達成する為に本発明は、生体情報を計測する検出部と、前記検出部の出力信号が与えられる増幅部、外乱除去部、ＡＤ変換部を備えた信号処理部と、前記信号処理部の生体情報出力によって搬送波を変調する送信部とを備えた生体センサであって、少なくとも前記検出部と前記信号処理部とを単一半導体基板に一体的に形成してなる生体センサである。
【００３７】
また、前記送信部と、前記検出部と、信号処理部とを単一半導体基板に一体的に形成して光電式生体センサを構成することが好ましい。
【００３８】
更に、前記検出部が受光素子を備え、生体情報を光電式に計測することを特徴とする光電式生体センサである。
【００３９】
検出部で計測する前記生体情報が脈波または酸素飽和濃度である光電式生体センサである。
【００４０】
更に、前記光電式生体センサが、指径状のリング面に搭載されてなるリングセンサである。
【発明の効果】
【００４１】
本発明の生体センサによれば、受光部から導出される出力に近い位置に信号処理部を集中して構成し、デジタル変換された比較的安定状態にある信号形態で下流側に位置する送信部に転送する形態に回路を構成する。また、信号処理部に増幅部、外乱除去部、ＡＤ変換部が備えられる。このような構成により、検出部から得られた信号が増幅、外乱除去、ＡＤ変換された後、信号線へ伝達されるから、信号伝達時におけるノイズの影響が抑制される。
【００４２】
よって、前記説明したような、ノイズの影響を受けやすいフレキシブル基板上に信号線が設けられた場合であっても、ノイズの影響を抑制する効果が高い。
【００４３】
またノイズが抑制されるから、リングセンサにアンテナが付設されても、アンテナが放射する電磁波による信号の劣化が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
（発明の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態をリングセンサを例に挙げて図に基づき説明する。従来技術と同一の構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。
【００４５】
図１は本実施の形態にかかるリングセンサの回路ブロック図である。
【００４６】
本実施形態の回路は、要素回路を集中的に位置させた、好ましくは単一半導体基板に回路要素を一体的に集積形成して構成された受光部１０７を備えてなる。この受光部１０７に加えて、回路部１０４、発光部１０３、アンテナ１１９を備え、特に発光部１０３は光電式生体センサであることから、前記受光部１０７の設置位置にとらわれず、生体情報の検出に適する位置に設置され、それぞれがフレキシブル基板１０６で相互に接続されている。
【００４７】
前記受光部１０７はフォトダイオード１０９の出力信号から下流側の方向に、信号処理部１１１、送信部１１２の順に、単一半導体基板上に一体的に設けられている。信号処理部１１１及び送信部１１２は、単一半導体基板に構成している点を除いていずれも図３に示した従来回路と同じ回路に構成されている。
【００４８】
送信部１１２の下流側にフレキシブル基板１０６aを介してアンテナ１１９が接続されている。
【００４９】
回路部１０４は電源部１２０、発光素子駆動部１２１を備え、発光部１０３は生体情報の計測に最適な位置に設置する必要があるが、これら回路部１０４は前記信号処理部１０７と一体的に形成することもできる。
【００５０】
なお電源部１２０は、フレキシブル基板１０６ｂを介して受光部１０７にも電力を供給している。また発光素子駆動部１２１の出力側にフレキシブル基板１０６ｃを介してリングセンサの内周面指腹側に設置された発光部１０３に、発光素子駆動電流を供給している。
【００５１】
このような構成によると、フォトダイオード１０９と増幅部１１３の接続は、同一半導体基板内に設けられた微小な金属配線によってなされるから、光電流が受けるノイズの影響が抑制される。また前記光電流を同一半導体基板内で増幅、外乱除去、ＡＤ変換した後に送信部１１２に伝達するから、アナログ信号のまま伝達する場合と比較して、ノイズの影響が抑制される。
【００５２】
また、少なくともフォトダイオード１０９と、フォトダイオード１０９の出力信号を安定性に富んだデジタル信号に変換して出力する信号処理部１１１とを集積化することが必要である。従って送信部１１２は別の半導体基板に設け、両者をフレキシブル基板で接続しても良い。この構成によっても、前記フレキシブル基板にはデジタル化された脈波信号が伝送されるから、ノイズを抑制する効果が得られる。
【００５３】
送信部１１２とアンテナ１１９を接続しているフレキシブル基板１０６ａには高周波電流が流れる。
【００５４】
また発光素子駆動部１２１と発光部１０３とを接続しているフレキシブル基板１０６ｃにはパルス状の発光素子駆動電流が流れるからノイズを放射しやすい。
【００５５】
しかしながら本実施の形態によれば光電流が受けるノイズの影響が抑制されるから、脈波信号波形の乱れが抑制される。
【００５６】
特にリングセンサの場合、小型の筐体にアンテナ１１９が一体的に付設されるから、上記の構成が好適である。
【００５７】
また前記の構成によりノイズの影響が抑制されるから、フレキシブル基板１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを近設させて設けることができ、リングセンサの小型化が容易である。
【００５８】
また、信号処理部１１１の上流側には任意のセンサを設けることができる。
【００５９】
例えば加速度センサを備え、装着者の動きを検出しても良いし、圧力センサを備え、装着者の血圧を検出しても良い。
【００６０】
また、前記各センサは微細加工技術によって信号処理部１１１と同一半導体基板上に形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本実施の形態にかかるリングセンサの回路ブロック図である。
【図２】従来技術によるリングセンサの断面図および指に装着したときの外観図である。
【図３】従来技術によるリングセンサの回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００６２】
３、１０３  発光部
４、１０４  回路部
６、１０６  フレキシブル基板
７、１０７  受光部
９、１０９  フォトダイオード
１１、１１１  信号処理部
１２、１１２  送信部
１３、１１３  増幅部
１４、１１４  外乱除去部
１５、１１５  ＡＤ変換部
１６、１１６  搬送波発生部
１７、１１７  変調部
１８、１１８  電力増幅部
１９、１１９  アンテナ
２０、１２０  電源部
２１、１２１  発光素子駆動部
【図１】
2007236855.tif 000003
【図２】
2007236855.tif 000004
【図３】
2007236855.tif 000005