(57)【要約】【課題】小型の脈波センサおよび半導体モジュールを提供する。【解決手段】この脈波センサは、白色光を人体に出射する白色ＬＥＤ１と、白色ＬＥＤ１から出射されて人体内で反射した光のうちの緑色光を第１の電気信号Ｓ２に変換するＧセンサ２と、白色ＬＥＤ２から出射されて人体内で反射した光のうちの赤色光を第２の電気信号Ｓ３に変換するＲセンサ３と、第１および第２の電気信号Ｓ２，Ｓ３のレベル差に基づいて心拍数を示す信号Ｓ４を生成する演算制御部４とを備える。したがって、Ｇセンサ２とＲセンサ３の間隔を大きくする必要がないので、装置を小型化できる。【選択図】図４
2016083030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
緑色光および赤色光を含む光を生体に出射する発光部と、
前記発光部から出射されて前記生体内で反射した光のうちの緑色光を第１の電気信号に変換する第１の受光部と、
前記発光部から出射されて前記生体内で反射した光のうちの赤色光を第２の電気信号に変換する第２の受光部と、
前記第１および第２の電気信号のレベル差に基づいて前記生体の脈波に関連する情報を検出する演算制御部とを備える、脈波センサ。
【請求項２】
前記第１の電気信号は、前記生体の脈波に応じて変化する脈波成分と、前記生体の体動に応じて変化する体動成分を含み、
前記第２の電気信号は前記体動成分を含む、請求項１に記載の脈波センサ。
【請求項３】
前記演算制御部は、前記第２の電気信号に基づき、前記第１の電気信号から前記体動成分を除去して前記脈波成分を含む第３の電気信号を生成し、前記第３の電気信号に基づいて前記生体の脈波に関連する情報を検出する、請求項２に記載の脈波センサ。
【請求項４】
前記演算制御部は、前記第１の電気信号の前記体動成分のレベルと前記第２の電気信号の前記体動成分のレベルとが同じになるように前記第１および第２の電気信号のうちの少なくともいずれか一方を増幅または減衰させた後に、前記第１および第２の電気信号のレベル差を求めて前記第３の電気信号を生成する、請求項３に記載の脈波センサ。
【請求項５】
前記演算制御部は、
前記第１および第２の電気信号のレベル差を示す第３の電気信号を生成する減算器と、  前記第１の電気信号の周波数スペクトルを求める第１の周波数成分解析部と、
前記第３の電気信号の周波数スペクトルを求める第２の周波数成分解析部とを含み、
前記第１の電気信号の周波数スペクトルと前記第３の電気信号の周波数スペクトルとを比較し、比較結果に基づいて前記生体の脈波に関連する情報を求める、請求項１または請求項２に記載の脈波センサ。
【請求項６】
前記第１の周波数解析部は、前記第１の電気信号に高速フーリエ変換を施して前記第１の電気信号の周波数スペクトルを求め、
前記第２の周波数解析部は、前記第３の電気信号に高速フーリエ変換を施して前記第３の電気信号の周波数スペクトルを求める、請求項５に記載の脈波センサ。
【請求項７】
前記第１の周波数解析部は、前記第１の電気信号に離散フーリエ変換を施して前記第１の電気信号の周波数スペクトルを求め、
前記第２の周波数解析部は、前記第３の電気信号に離散フーリエ変換を施して前記第３の電気信号の周波数スペクトルを求める、請求項５に記載の脈波センサ。
【請求項８】
前記第１の周波数解析部は、最大エントロピー法を用いて前記第１の電気信号の周波数スペクトルを求め、
前記第２の周波数解析部は、最大エントロピー法を用いて前記第３の電気信号の周波数スペクトルを求める、請求項５に記載の脈波センサ。
【請求項９】
前記第１の電気信号は、外部から前記第１の受光部に漏れ込んだ光に起因する第１のノイズ成分を含み、
前記第２の電気信号は、外部から前記第２の受光部に漏れ込んだ光に起因する第２のノイズ成分を含み、
前記演算制御部は、
前記発光部を予め定められた周期で点灯および消灯させ、
前記発光部の消灯時に前記第１の受光部から出力される信号に基づいて前記発光部の点灯時に前記第１の受光部から出力される前記第１の電気信号から前記第１のノイズ成分を除去し、
前記発光部の消灯時に前記第２の受光部から出力される信号に基づいて前記発光部の点灯時に前記第２の受光部から出力される前記第２の電気信号から前記第２のノイズ成分を除去し、
前記第１および第２のノイズ成分を除去した後の前記第１および第２の電気信号のレベル差に基づいて前記生体の脈波に関連する情報を検出する、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の脈波センサ。
【請求項１０】
前記演算制御部は、前記生体の体動のレベルが予め定められたしきい値よりも小さい場合は前記生体の脈波に関連する情報を第１の周期で求め、前記生体の体動のレベルが前記予め定められたしきい値よりも大きい場合は前記生体の脈波に関連する情報を前記第１の周期よりも長い第２の周期で求める、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の脈波センサ。
【請求項１１】
前記発光部は、白色光を出射する発光ダイオードである、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の脈波センサ。
【請求項１２】
さらに、前記発光部、前記第１の受光部、前記第２の受光部、および前記演算制御部を搭載した基板を備える、請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の脈波センサ。
【請求項１３】
さらに、前記第１および第２の受光部への外部光の入射を防止する遮光部材を備える、請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の脈波センサ。
【請求項１４】
前記生体の脈波に関連する情報は前記生体の心拍数である、請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の脈波センサ。
【請求項１５】
請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の脈波センサを備える、半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は脈波センサおよび半導体モジュールに関し、特に、生体の脈波に関連する情報を検出する脈波センサおよび半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、第１および第２の光センサと演算回路とを備えた脈波センサが開示されている。第１の光センサは、第１の発光強度の光を生体に出射する第１の発光部と、第１の発光部の出射光が生体内で反射した光を受けて第１の受光信号を生成する第１の受光部とを含む。第２の光センサは、第１の発光強度よりも弱い第の２発光強度の光を生体に出射する第２の発光部と、第２の発光部の出射光が生体内で反射した光を受けて第２の受光信号を生成する第２の受光部とを含む。演算回路は、第１の受光信号から第２の受光信号を差し引いて脈波データを取得する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１４３３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１では、第１の発光部の出射光が生体内で反射して第２の受光部に入射するのを防止する必要があるので、第１および第２の受光部の間隔を大きくする必要があり、装置の大型化を招くという問題があった。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、小型の脈波センサおよび半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る脈波センサおよび半導体モジュールは、緑色光および赤色光を含む光を生体に出射する発光部と、前記発光部から出射されて前記生体内で反射した光のうちの緑色光を第１の電気信号に変換する第１の受光部と、前記発光部から出射されて前記生体内で反射した光のうちの赤色光を第２の電気信号に変換する第２の受光部と、前記第１および第２の電気信号のレベル差に基づいて前記生体の脈波に関連する情報を検出する演算制御部とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る脈波センサおよび半導体モジュールでは、発光部から生体に光を出射し、反射光のうちの緑色光を第１の受光部によって第１の電気信号に変換し、反射光のうちの赤色光を第２の受光部によって第２の電気信号に変換し、第１および第２の電気信号のレベル差に基づいて生体の脈波に関連する情報を検出する。したがって、第１および第２の受光部の間隔を大きくする必要がないので、装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】Ｒセンサ、Ｇセンサ、およびＢセンサの分光感度を示す図である。
【図２】光の波長と、ヘモグロビンのモル吸収係数と、Ｒセンサ、Ｇセンサ、およびＢセンサの感度との関係を示す図である。
【図３】人間の皮膚の分光反射率を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による脈波センサの構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示した脈波センサの動作を例示するタイムチャートである。
【図６】図４に示したセンサ本体の構成を示す断面図である。
【図７】図６に示したセンサ本体を人体に取り付ける方法を示す図である。
【図８】実施の形態１の変更例を示す図である。
【図９】実施の形態１の他の変更例を示す図である。
【図１０】この発明の実施の形態２による脈波センサの構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０に示した演算部の構成を示すブロック図である。
【図１２】図１０に示した心拍抽出処理部の動作を示す周波数スペクトラム図である。
【図１３】図１０に示した心拍抽出処理部の動作を示す他の周波数スペクトラム図である。
【図１４】図１０に示した心拍抽出処理部の動作を示すさらに他の周波数スペクトラム図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[実施の形態１]
実施の形態について説明する前に、まず本願発明の原理について説明する。図１は、Ｒ（赤色光）センサ、Ｇ（緑色光）センサ、およびＢ（青色光）センサの分光感度を示す図である。図１において、Ｒセンサは、波長λが約６００〜７００[ｎｍ]の赤色光に対して感度を有し、入射した白色光のうちの赤色光の光強度に応じたレベルの電気信号を出力する。Ｇセンサは、波長λが約５００〜６００[ｎｍ]の緑色光に対して感度を有し、入射した白色光のうちの緑色光の光強度に応じたレベルの電気信号を出力する。Ｂセンサは、波長λが約４００〜５００[ｎｍ]の青色光に対して感度を有し、入射した白色光のうちの青色光の光強度に応じたレベルの電気信号を出力する。
【００１０】
図２は、光の波長λ[ｎｍ]と、ヘモグロビンのモル吸収係数[ｃｍ−１／Ｍ]と、Ｒセンサ、Ｇセンサ、およびＢセンサの感度との関係を示す図である。図２の細い点線は酸化ヘモグロビンのモル吸収係数を示し、細い実線は還元ヘモグロビンのモル吸収係数を示している。酸化ヘモグロビンは動脈中の血液に含まれ、還元ヘモグロビンは静脈中の血液に含まれている。
【００１１】
図２において、波長λが６５０[ｎｍ]の赤色光に対する酸化ヘモグロビンのモル吸収係数は５０[ｃｍ−１／Ｍ]程度であるのに対し、波長λが５５０[ｎｍ]の緑色光に対する酸化ヘモグロビンのモル吸収係数は５０００[ｃｍ−１／Ｍ]程度である。したがって、緑色光に対する酸化ヘモグロビンのモル吸収係数は、赤色光に対する酸化ヘモグロビンのモル吸収係数の１００倍程度大きい。
【００１２】
人体の脈波は、動脈中の血流の変動であり、その変動に応じて酸化ヘモグロビンのモル吸収係数が変動する。したがって、人体に白色光を出射し、人体内で反射した光のうちの緑色光の光強度をＧセンサによって検出すれば、人体の脈波を検出することができる。これに対して人体に白色光を出射し、人体内で反射した光のうちの赤色光の光強度をＲセンサによって検出しても、人体の脈波をほとんど検出することはできない。Ｇセンサを使用すれば、Ｒセンサを使用した場合の１００倍程度の感度で脈波を検出することができる。ただし、人体の脈波を検出するとき、人体の体動がノイズとなる。
【００１３】
図３は、人間の皮膚の分光反射率[％]を示す図である。図３において、波長λが６５０[ｎｍ]の赤色光に対する人間の皮膚の分光反射率は約４５[％]であるのに対し、波長λが５５０[ｎｍ]の緑色光に対する人間の皮膚の分光反射率は約２０[％]程度である。したがって、緑色光に対する人間の皮膚の分光反射率は、赤色光に対する人間の皮膚の分光反射率の１／２倍程度である。
【００１４】
人体の体動に伴って、人間の皮膚の分光反射率が変動する。したがって、人体に白色光を出射し、人体内で反射した光のうちの緑色光の光強度をＧセンサによって検出すれば、人体の体動を検出することができる。また、人体に白色光を出射し、人体内で反射した光のうちの赤色光の光強度をＲセンサによって検出しても、人体の体動を検出することができる。Ｇセンサを使用すれば、Ｒセンサを使用した場合の１／２倍程度の感度で体動を検出することができる。そこで、本願発明では、Ｇセンサを使用して脈波および体動を検出するとともに、Ｒセンサを使用して体動を検出し、ＧセンサおよびＲセンサの検出結果に基づいて脈波を検出する。
【００１５】
すなわち、本願発明では、人体に白色光を出射し、人体内で反射した光のうちの緑色光の光強度をＧセンサによって検出するとともに、人体内で反射した光のうちの赤色光の光強度をＲセンサによって検出する。Ｇセンサの出力信号は、人体の脈波に応じて変化する脈波成分と、人体の体動に応じて変化する体動成分とを含む。Ｒセンサの出力信号は体動成分を含む。Ｇセンサの出力信号の体動成分のレベルとＲセンサの出力信号の体動成分のレベルとが同じになるようにＧセンサおよびＲセンサの出力信号のうちの少なくともいずれか一方のセンサの出力信号を増幅または減衰させた後、ＧセンサおよびＲセンサの出力信号の一方から他方を減算してＧセンサの出力信号の脈波成分を抽出する。抽出した脈波成分から人体の脈波に関連する情報（たとえば心拍数）を求める。以下、図面を用いて本願発明について詳細に説明する。
【００１６】
図４は、この発明の実施の形態１による脈波センサの構成を示すブロック図である。図４において、脈波センサは、白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）１、Ｇセンサ２、Ｒセンサ３、および演算制御部４を含むセンサ本体５（半導体モジュール）と、表示部６とを備える。センサ本体５は、モジュール化されており、人体(図示せず)のたとえば指、手首、耳などに取り付けられる。表示部６は、被験者の衣服などに取り付けられる。センサ本体５と表示部６は、電線などによって互いに接続される。センサ本体５と表示部６は、一体に形成されていてもよい。
【００１７】
白色ＬＥＤ１は、演算制御部４からの制御信号Ｓ１に応答して発光し、白色光を人体に出射する。白色ＬＥＤ１から出射された白色光は、人体内で反射されてＧセンサ２およびＲセンサ３に入射する。このとき白色光は皮膚、血液などに吸収され、反射光の強度は人体の脈波および体動に応じて変動する。体動としては、たとえばジョギング、ウォーキングなどに伴う筋肉の収縮などがある。
【００１８】
Ｇセンサ２は、白色ＬＥＤ１から出射され、人体内で反射して入射した光のうちの緑色光を電気信号Ｓ２に変換する。電気信号Ｓ２のレベル（たとえば電圧）は、入射した緑色光の光強度に応じて増大する。上述したように、電気信号Ｓ２のレベルは、人体の脈動および体動に応じて変化する。
【００１９】
Ｒセンサ３は、白色ＬＥＤ１から出射され、人体内で反射して入射した光のうちの赤色光を電気信号Ｓ３に変換する。電気信号Ｓ３のレベル（たとえば電圧）は、入射した赤色光の光強度に応じて増大する。上述したように、電気信号Ｓ３は、人体の体動に応じて変化するが、人体の脈動に応じてほとんど変化しない。
【００２０】
演算制御部４は、電気信号Ｓ２，Ｓ３のうちの同じ周期で変動する体動成分の振幅が略同じになるように電気信号Ｓ２，Ｓ３のうちの少なくともいずれか一方の電気信号（たとえばＳ３）を増幅する。演算制御部４は、電気信号Ｓ２と、電気信号Ｓ３を増幅した電気信号Ｓ３Ａとのレベルの差を示す電気信号Ｓ２３を求め、その電気信号Ｓ２３に基づいて人体の脈波を得る。
【００２１】
図５（ａ）（ｂ）は、図４に示した脈波センサの動作を例示するタイムチャートである。図５（ａ）は電気信号Ｓ２，Ｓ３Ａの波形を例示し、図５（ｂ）は電気信号Ｓ２３の波形を例示している。図５（ａ）（ｂ）において、電気信号Ｓ２は比較的大きな周期および振幅で変動する体動成分を含み、比較的小さな周期および振幅で変動する脈波成分とを含み、電気信号Ｓ３Ａは電気信号Ｓ２と略同じ体動成分を含む。電気信号Ｓ２と電気信号Ｓ３Ａのレベルの差を示す電気信号Ｓ２３は脈波成分のみを含む。
【００２２】
電気信号Ｓ２３は、人体の脈波に関連する情報を含む。心臓および自律神経の支配を受けている脈波は、常に一定の挙動を示すものではなく、被験者の状態によって様々な変化（揺らぎ）を生じる。このため、脈波の変化（揺らぎ）を解析することにより、被験者の様々な身体情報を得ることができる。脈波に関連する情報としては、心拍数、心拍変動、加速度脈波などがある。
【００２３】
心拍数は、１分間当たりの脈拍の回数を示すものである。心拍数からは、被験者の運動能力や緊張度などを知ることができる。心拍変動は、心拍数の時間変動を示すものである。心拍変動からは、被験者の疲労度、快眠度、ストレスの大きさなどを知ることができる。加速度脈波は、脈波を時間軸で２回微分することにより得られる。加速度脈波からは、被験者の血管年齢や動脈硬化度などを知ることができる。
【００２４】
演算制御部４は、電気信号Ｓ２３に基づいて、たとえば心拍数を求め、求めた心拍数を示す信号Ｓ４を表示部６に出力する。表示部６は、演算制御部４からの信号Ｓ４に従って心拍数を示す文字、画像などを画面に表示する。
【００２５】
図６は、センサ本体５の構成を示す断面図である。図６において、センサ本体５は、モジュール化されており、基板１０と、その表面に搭載された白色ＬＥＤ１および受光ＩＣ(Integrated Circuit：集積回路)１１とを備える。受光ＩＣ１１は、基板１１ａと、基板１１ａの表面に形成されたＧフィルタ１１ｂおよびＲフィルタ１１ｃとを含む。Ｇフィルタ１１ｂは、入射した白色光のうちの緑色光のみを透過させる。Ｒフィルタ１１ｃは、入射した白色光のうちの赤色光のみを透過させる。
【００２６】
基板１１ａの表面には、Ｇフィルタ１１ｂを透過した緑色光を電気信号Ｓ２に変換する第１の光電変換回路と、Ｒフィルタ１１ｃを透過した赤色光を電気信号Ｓ３に変換する第２の光電変換回路とが搭載されている。Ｇフィルタ１１ｂおよび第１の光電変換回路はＧセンサ２を構成し、Ｒフィルタ１１ｃおよび第２の光電変換回路はＲセンサ３を構成する。演算制御部４は、基板１０ａまたは１０の表面に形成されており、電気信号Ｓ２，Ｓ３に基づいて電気信号Ｓ４を生成する。
【００２７】
基板１０の表面の縁には、白色ＬＥＤ１および受光ＩＣ１０を囲むようにして、外部光が受光ＩＣ１１に入射するのを防止するための環状の遮光壁１２が形成されている。基板１０の表面の中央には、白色ＬＥＤ１から出射された白色光が受光ＩＣ１０に直接入射するのを防止するための遮光壁１３が形成されている。つまり、遮光壁１２によって形成された直方体状の空間が遮光壁１３によって仕切られて２つの空間が形成されている。
【００２８】
遮光壁１２，１３によって囲まれた２つの空間のうちの一方の空間において白色ＬＥＤ１の上にレンズ１４が設けられ、他方の空間において受光ＩＣ１１の上にレンズ１５が設けられている。遮光壁１２，１３の上端の開口部は透明板１６によって閉じられている。脈波を検出する場合は、透明板１６の表面が人体１７の表面に当接される。
【００２９】
白色ＬＥＤ１から出射された白色光αは、レンズ１４および透明板１６を介して人体１７に照射され、体内を透過しながら反射し、透明板１６およびレンズ１５を介して受光ＩＣ１１に入射する。受光ＩＣ１１に入射した白色光αのうちの緑色光がＧフィルタ１１ｂを透過して基板１１に入射し、入射した緑色光が第１の光電変換回路によって電気信号Ｓ２に変換される。また、受光ＩＣ１１に入射した白色光αのうちの赤色光がＲフィルタ１１ｃを透過して基板１１に入射し、入射した赤色光が第２の光電変換回路によって電気信号Ｓ３に変換される。演算制御部４は、電気信号Ｓ２，Ｓ３に基づいて電気信号Ｓ４を生成する。
【００３０】
図７は、図６に示したセンサ本体５を人体１７に取り付ける方法を示す図である。図７において、脈波センサは、指袋型の筐体２０を備える。センサ本体５は、指袋型の筐体２０が人体１７の指の先端に装着されたときに白色ＬＥＤ１と受光ＩＣ１１が指の腹側（手の平側）に向くように、筐体２０の内側に設けられている。このように、肉厚でフィット感に優れた指の腹側（手の平側）に白色ＬＥＤ１と受光ＩＣ１１を配置することにより、脈波を安定に測定することができ、脈波の測定精度を高めることができる。また、指袋型の筐体２０は、センサ本体５を被覆する遮光部材としても機能する。このような構成とすることにより、外光の影響を受けることなく、脈波を安定に測定することができる。
【００３１】
以上のように、この実施の形態１では、白色ＬＥＤ１から人体１７に白色光αを出射し、反射光のうちの緑色光をＧセンサ２によって第１の電気信号Ｓ２に変換するとともに反射光のうちの赤色光をＲセンサ３によって第２の電気信号Ｓ３に変換し、第１および第２の電気信号Ｓ２，Ｓ３のレベル差に基づいて脈波を検出する。したがって、Ｇセンサ２およびＲセンサ３の間隔を大きくする必要がないので、装置の小型化を図ることができる。
【００３２】
なお、この実施の形態１では、白色光αを出射する白色ＬＥＤ１を使用したが、白色光αのうちの緑色光および赤色光のみを使用するので、白色ＬＥＤ１の代わりに緑色光を出射する緑色ＬＥＤと赤色光を出射する赤色ＬＥＤとを設けてもよい。
【００３３】
また、１個の白色ＬＥＤ１と１個の受光ＩＣ１１を使用したが、複数の白色ＬＥＤ１と１個の受光ＩＣ１１を使用し、複数の白色ＬＥＤ１の中央に１個の受光ＩＣ１１を設けてもよい。また、人体に限らず、人間および動物のを含む生体の脈波を検出可能であることはいうまでもない。
【００３４】
図８は、実施の形態１の変更例を示す図であって、図７と対比される図である。この脈波センサが図７の脈波センサと異なる点は、指袋型の筐体２０が指輪型の筐体２１で置換されている点である。センサ本体５は、指輪型の筐体２１が人体１７の指の第３関節に装着されたときに白色ＬＥＤ１と受光ＩＣ１１が指の腹側（手の平側）に向くように筐体２１の内側に設けられている。このように、肉厚でフィット感に優れた指の腹側（手の平側）に白色ＬＥＤ１と受光ＩＣ１１を配置することにより、脈波を安定に測定することができ、脈波の測定精度を高めることができる。また、指輪型の筐体２１はセンサ本体５を被覆する遮光部材としても機能するので、外光の影響を受けることなく、脈波を安定に測定することができる。さらに、指輪型の筐体２１を使用するので、センサ本体５が指から脱落することを防止することができる。
【００３５】
図９は、実施の形態１の他の変更例を示す図であって、図７と対比される図である。この脈波センサが図７の脈波センサと異なる点は、指袋型の筐体２０が腕輪型の筐体２２で置換されている点である。センサ本体５は、腕輪型の筐体２２が人体１７の手首に装着されたときに白色ＬＥＤ１と受光ＩＣ１１が手首の背側（手の甲側）中央部となるように筐体２０の内側に設けられている。このように、肉厚でフィット感に優れた手首の背側（手の甲側）中央部に白色ＬＥＤ１と受光ＩＣ１１を配置することにより、脈波の測定を安定に行なうことができ、脈波の測定精度を高めることができる。また、腕輪型の筐体２２はセンサ本体５を被覆する遮光部材としても機能するので、外光の影響を受けることなく、脈波を安定に測定することができる。さらに、腕輪型の筐体２２を使用するので、センサ本体５が腕から脱落することを防止することができる。
【００３６】
[実施の形態２]
図１０は、この発明の実施の形態２による脈波センサの構成を示すブロック図であって、図４と対比される図である。図１０を参照して、この脈波センサが図４の脈波センサと異なる点は、演算制御部４が演算制御部３０で置換されている点である。
【００３７】
演算制御部３０は、アンプ３１，３２、ＡＤ（Analog-to-Digital）コンバータ３３，３４、高域通過フィルタ（ＨＰＦ：High-pass filter）３５，３６、演算部３７、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）部３８，３９、心拍抽出処理部４０、および制御部４１を含む。
【００３８】
制御部４１は、脈波の周波数よりも十分に高い周波数で制御信号Ｓ１を交互に「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにさせて白色ＬＥＤ１を点灯および消灯させるとともに、制御信号Ｓ１に同期して演算制御部３０全体を制御する。
【００３９】
Ｇセンサ２は、白色ＬＥＤ１から出射されて人体内で反射した白色光と、体動に応じて外部から漏れ込んだ光とを受け、受けた光のうちの緑色光の光強度に応じたレベルの電気信号Ｓ２を出力する。Ｒセンサ３は、白色ＬＥＤ１から出射されて人体内で反射した白色光と、体動に応じて外部から漏れ込んだ光とを受け、受けた光のうちの赤色光の光強度に応じたレベルの電気信号Ｓ３を出力する。
【００４０】
アンプ３１は、Ｇセンサ２から出力された電気信号Ｓ２を増幅する。ＡＤコンバータ３３は、アンプ３１の出力信号をデジタル信号に変換する。高域通過フィルタ３５は、ＡＤコンバータ３３の出力信号のうちの直流成分を除去する。高域通過フィルタ３５を通過した信号は、デジタル信号Ｄ１として演算部３７に与えられる。
【００４１】
アンプ３２は、Ｒセンサ２から出力された電気信号Ｓ３を増幅する。ＡＤコンバータ３４は、アンプ３２の出力信号をデジタル信号に変換する。高域通過フィルタ３６は、ＡＤコンバータ３４の出力信号のうちの直流成分を除去する。高域通過フィルタ３６を通過した信号は、デジタル信号Ｄ２として演算部３７に与えられる。
【００４２】
演算制御部３７は、図１１に示すように、メモリ５１，５２、減算器５３〜５５、およびアンプ５６を含む。メモリ５１は、制御信号Ｓ１が「Ｌ」レベルである期間（すなわち白色ＬＥＤ１が消灯している期間）におけるデジタル信号Ｄ１をデジタル信号Ｄ１Ｄとして一旦記憶し、制御信号Ｓ１が「Ｈ」レベルである期間（すなわち白色ＬＥＤ１が点灯している期間）におけるデジタル信号Ｄ１をデジタル信号Ｄ１Ｌとして一旦記憶した後、デジタル信号Ｄ１Ｄ，Ｄ１Ｌを同じタイミングで減算器５３に出力する。
【００４３】
デジタル信号Ｄ１Ｄは、白色ＬＥＤ１が消灯している期間に外部からＧセンサ２に漏れ込んだ光などに起因するノイズ成分を含む。このノイズ成分はデジタル信号Ｄ１Ｌにも含まれている。減算器５３は、デジタル信号Ｄ１Ｌからデジタル信号Ｄ１Ｄを減算してデジタル信号ＤＧを出力する。したがって、デジタル信号ＤＧは、デジタル信号Ｄ１Ｌからノイズ成分を除去した信号となる。
【００４４】
同様に、メモリ５２は、制御信号Ｓ１が「Ｌ」レベルである期間（すなわち白色ＬＥＤ１が消灯している期間）におけるデジタル信号Ｄ２をデジタル信号Ｄ２Ｄとして一旦記憶し、制御信号Ｓ１が「Ｈ」レベルである期間（すなわち白色ＬＥＤ１が点灯している期間）におけるデジタル信号Ｄ２をデジタル信号Ｄ２Ｌとして一旦記憶した後、デジタル信号Ｄ２Ｄ，Ｄ２Ｌを同じタイミングで減算器５４に出力する。
【００４５】
デジタル信号Ｄ２Ｄは、白色ＬＥＤ１が消灯している期間に外部からＲセンサ３に漏れ込んだ光などに起因するノイズ成分を含む。このノイズ成分はデジタル信号Ｄ２Ｌにも含まれている。減算器５６は、デジタル信号Ｄ２Ｌからデジタル信号Ｄ２Ｄを減算してデジタル信号ＤＲを出力する。したがって、デジタル信号ＤＲは、デジタル信号Ｄ２Ｌからノイズ成分を除去した信号となる。
【００４６】
デジタル信号ＤＧは体動成分と脈波成分を含み、デジタル信号ＤＲは体動成分を含む。アンプ５６は、デジタル信号ＤＧに含まれる体動成分のレベルとデジタル信号ＤＲに含まれる体動成分のレベルとが同程度になるようにデジタル信号ＤＲを増幅する。減算器５５は、減算器５３の出力デジタル信号ＤＧからアンプ５６の出力デジタル信号を減算してデジタル信号ＤＧＲを出力する。
【００４７】
なお、図１１に示した演算制御回路３７では、アンプ５６によってデジタル信号ＤＲを増幅したが、これに限るものではなく、デジタル信号ＤＧ，ＤＲに含まれる体動成分のレベルとが同程度になるようにデジタル信号ＤＧ，ＤＲのうちの少なくともいずれか一方を増幅または減衰させてもよい。
【００４８】
図１０に戻って、ＦＦＴ部３８は、デジタル信号ＤＧに高速フーリエ変換を施し、デジタル信号ＤＧの周波数スペクトル図を生成して心拍抽出処理部４０に与える。ＦＦＴ部３９は、デジタル信号ＤＧＲに高速フーリエ変換を施し、デジタル信号ＤＧＲの周波数スペクトル図を生成して心拍抽出処理部４０に与える。心拍抽出処理部４０は、ＦＦＴ部３８，３９から与えられた周波数スペクトル図に基づいて人体の心拍数を求め、求めた心拍数を示す信号Ｓ４を表示部６に出力する。
【００４９】
以下、心拍抽出処理部４０の動作について説明する。図１２（ａ）〜図１４（ａ）はＦＦＴ部３８で生成されたデジタル信号ＤＧの周波数スペクトル図であり、図１２（ｂ）〜図１４（ｂ）はＦＦＴ部３９で生成されたデジタル信号ＤＧＲの周波数スペクトル図である。スペクトル強度が予め定められたしきい値ＳＴＨ以上の範囲に存在するピークの周波数が脈波の周波数の候補となる。
【００５０】
人体の体動が小さい場合（たとえば被験者が静止している場合）は、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、デジタル信号ＤＧ，ＤＧＲの周波数スペクトルはともに１つのピークＰ１を持つ山型の曲線となる。この場合、心拍抽出処理部４０は、ピークＰ１の周波数ｆ１が脈波の周波数であると判別し、その周波数ｆ１に基づいて心拍数[回／分]を求め、その心拍数[回／分]を示す信号Ｓ４を出力する。このように体動が小さい場合、心拍抽出処理部４０は、比較的短い周期Ｔ１で心拍数[回／分]を求め、その心拍数[回／分]を示す信号Ｓ４を出力する。
【００５１】
人体の体動が大きい場合（たとえば被験者がジョギングしている場合）は、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、デジタル信号ＤＧ，ＤＧＲの周波数スペクトルはともに２つのピークＰ１，Ｐ２を持つ山型の曲線となる。この場合、心拍抽出処理部４０は、デジタル信号ＤＧの周波数スペクトルのピークＰ１，Ｐ２の高さと比較してデジタル信号のＤＧＲの周波数スペクトルのピークＰ１，Ｐ２の高さが減少した割合（減少率）を求める。そして心拍抽出処理部４０は、減少率が小さい方のピーク（この場合はＰ１）の周波数ｆ１が脈波の周波数であると判別し、その周波数ｆ１に基づいて心拍数[回／分]を求め、その心拍数[回／分]を示す信号Ｓ４を出力する。このように体動が大きい場合、心拍抽出処理部４０は、比較的長い周期Ｔ２で心拍数[回／分]を求め、その心拍数[回／分]を示す信号Ｓ４を出力する。Ｔ２＞Ｔ１である。
【００５２】
人体の体動が大きい場合（たとえば被験者がジョギングしている場合）は、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、デジタル信号ＤＧの周波数スペクトルは１つのピークＰ２を持つ山型の曲線となり、デジタル信号ＤＧＲの周波数スペクトルは２つのピークＰ１，Ｐ２を持つ山型の曲線となるときがある。この場合、心拍抽出処理部４０は、デジタル信号ＤＧＲの周波数スペクトルにおいてピークＰ２の高さが減少したことによって新たに現れたピークＰ１の周波数ｆ１が脈波の周波数であると判別し、その周波数ｆ１に基づいて心拍数[回／分]を求め、その心拍数[回／分]を示す信号Ｓ４を出力する。
【００５３】
この実施の形態２では、白色ＬＥＤ１を予め定められた周期で点灯および消灯させ、白色ＬＥＤ１の消灯時におけるセンサ２，３の出力信号Ｓ２，Ｓ３に基づいて、白色ＬＥＤ１の点灯時におけるセンサ２，３の出力信号Ｓ２，Ｓ３からノイズ成分を除去する。したがって、脈波を精度よく検出することができる。
【００５４】
また、デジタル信号ＤＧ，ＤＧＲの周波数スペクトラム図に基づいて心拍数を求めるので、心拍数を容易に求めることができる。
【００５５】
さらに、体動が小さい場合は比較的短い周期Ｔ１で心拍数を求め、体動が大きい場合は比較的長い周期Ｔ２で心拍数を求めるので、安静時における心拍数を迅速に求めることができる。
【００５６】
なお、この実施の形態２では、デジタル信号ＤＧ，ＤＧＲに高速フーリエ変換を施してデジタル信号ＤＧ，ＤＧＲの周波数スペクトル図を生成したが、高速フーリエ変換と異なる周波数解析方法を採用してもよい。たとえば、デジタル信号ＤＧ，ＤＧＲに離散フーリエ変換を施してデジタル信号ＤＧ，ＤＧＲの周波数スペクトル図を生成してもよい。また、最大エントロピー法を用いてデジタル信号ＤＧ，ＤＧＲの周波数スペクトル図を生成してもよい。
【００５７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５８】
１  白色ＬＥＤ、２  Ｇセンサ、３  Ｒセンサ、４，３０  演算制御部、５  センサ本体、６  表示部、１０，１１ａ  基板、１１  受光ＩＣ、１１ｂ  Ｇフィルタ、１１ｃ  Ｒフィルタ、１２，１３  遮光壁、１４，１５  レンズ、１６  透明板、１７  人体、α  白色光、２０〜２２  筐体、３１，３２，５６  アンプ、３３，３４  ＡＤコンバータ、３５，３６  高域通過フィルタ、３７  演算部、３８，３９  ＦＦＴ部、４０  心拍抽出処理部、４１  制御部、５１，５２  メモリ、５３〜５５  減算器。
【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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