(57)【要約】【課題】  体の動きによる影響を少なくすると共に、心拍の脈波を高精度に検出する。【解決手段】  生体に対して第１波長の第１照射光を照射する第１発光器１１と、生体に対して第２波長の第２照射光を照射する第２発光器１２と、第１照射光が生体によって反射された第１反射光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光器１３と、第２照射光が生体によって反射された第２反射光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光器１４と、第１受光信号の強度と第２受光信号の強度に基づいて、脈波の周波数を検出する制御部２０と、を備え、第１波長の第１照射光および第２波長の第２照射光は近赤外光である脈波検出装置１００を提供する。【選択図】  図４
2017140202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体に対して第１波長の第１照射光を照射する第１発光器と、
生体に対して第２波長の第２照射光を照射する第２発光器と、
前記第１照射光が前記生体によって反射された第１反射光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光器と、
前記第２照射光が前記生体によって反射された第２反射光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光器と、
前記第１受光信号の強度と前記第２受光信号の強度に基づいて脈波の周波数を検出する制御部と、
を備え、
前記第１波長の前記第１照射光および前記第２波長の前記第２照射光は近赤外光である、
脈波検出装置。
【請求項２】
前記第１波長は８３５〜９１０ｎｍであり、前記第２波長は７４０〜８３０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の脈波検出装置。
【請求項３】
前記第１発光器と前記第２発光器は交互に前記第１照射光と前記第２照射光を照射し、
前記第１受光器と前記第２受光器は１つの受光素子からなることを特徴とする請求項１または２に記載の脈波検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、心拍の脈波を検出する装置に関し、特に、生体に向けて光を照射し、生体からの反射光に基づいて脈波を検出する光学式の脈波検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、生体の皮膚に光を照射し、その反射光の光量の増減を検出することにより、心拍の脈波を検出する装置が知られている。例えば、特許文献１は、大掛かりな遮光構造がなくても使用可能な光学式の脈波計測装置を開示する。この脈波計測装置は、指に装着された状態で、青色ＬＥＤから指に向けて光を照射し、血管に届いて反射した光をフォトトランジスタによって受光する。その受光量は、血液の脈波によって生じる血量変化に対応する。ここで、青色ＬＥＤの発光波長は、３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域であり、その発光波長ピークは、４５０ｎｍである。この波長領域の光は、赤外光に比べて血液中のヘモグロビンに吸光されやすいという特性が有り、血量の量、すなわちヘモグロビンの量に応じて、反射されてくる光の強度の変化が大きくなり、信号のＳＮ比が向上するという利点がある。
【０００３】
また、特許文献２は、太陽光の影響を除去して精度良く脈波を検出する脈波検出装置を開示する。この脈波検出装置は、人体の腕等に固定して利用するものであり、発光素子としての赤外ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤと、受光素子としてのフォトダイオードとを備える。赤外ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤが、それぞれ赤外光および緑色光を人体に向かって交互に照射し、この光の反射光をフォトダイオードが受光する。
フォトダイオードが出力した受光信号には、毛細動脈に当たって反射した脈波を示す信号（脈波成分）と、皮膚表面又は毛細動脈以外で反射した反射波の成分（反射波成分）との両成分が含まれている。人体に照射された赤外光の反射光は、体動成分と比較して脈拍成分が非常に小さく、緑色光の反射光は、脈拍成分と体動成分とがいずれも抽出できるので、各波長の反射光を比較することによって、脈波成分のみを抽出できる。
【０００４】
また、特許文献３は、体動等の影響を受けることなく高精度に血圧を測定することができる血液測定装置を開示する。この血液測定装置は、近赤外光（例えば波長６４０ｎｍ）を皮膚へ照射し、皮膚深部にある橈骨動脈に至り、そこからの反射光を受光する光電センサによって、血管の容量変動に伴う吸光度の変化を血流量の相対変化（光電脈波）として検出する。体動センサとして青外光（例えば波長４２０ｎｍ）を皮膚へ照射し、皮膚表面での反射光の受光する体動センサによって、反射光の変動を体動の変化をして検出する。光電センサの出力波形から体動センサの出力波形を除去することによって、測定精度を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１２５１０６号公報
【特許文献２】特開２００５−１６０６４１号公報
【特許文献３】特開２００２−３６９８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、生体の皮膚に光を照射し、その反射光の増減により心拍の脈波を検出する際、反射光の光量は、他の体の動きによっても増減するために、かかる体の動きによる影響を低減させる必要がある。本願発明者らは、反射光の光量を計測する際の体の動きによる影響を少なくすると共に心拍の脈波を高精度に検出ことを目的として鋭意検討した結果、照射する波長におけるヘモグロビンと水の吸光率の差に着目し、多くの実験を重ねることで、上記目的を達成しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、所定の波長の異なる２つの光を用いて、体の動きによる影響を少なくすると共に、心拍の脈波を高精度に検出する光学式の脈波検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、生体に対して第１波長の第１照射光を照射する第１発光器と、生体に対して第２波長の第２照射光を照射する第２発光器と、第１照射光が生体によって反射された第１反射光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光器と、第２照射光が生体によって反射された第２反射光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光器と、第１受光信号の強度と第２受光信号の強度に基づいて脈波の周波数を検出する制御部と、を備え、第１波長の第１照射光および第２波長の第２照射光は近赤外光である、脈波検出装置が提供される。
これによれば、ヘモグロビンと水に対する吸光率が互いに異なる２つの波長の近赤外光を照射し、その反射光を分析することで、体の動きによる影響が少なくなり、精度良く脈波を検出する光学式の脈波検出装置を提供できる。
【０００８】
さらに、第１波長は８３５〜９１０ｎｍであり、前記第２波長は７４０〜８３０ｎｍであることを特徴としてもよい。
これによれば、実験により確認された波長に限定することで、より精度良く脈波を検出することができる。
【０００９】
さらに、第１発光器と第２発光器は交互に第１照射光と第２照射光を照射し、第１受光器と第２受光器は１つの受光素子からなることを特徴としてもよい。
これによれば、受光器の数を削減することで脈波検出装置のコストを安くすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、所定の波長の異なる２つの光を用いて体の動きによる影響を少なくして、検出精度の高い光学式の脈波検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】９５０ｎｍと８７０ｎｍの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。
【図１Ｂ】９５０ｎｍと８００ｎｍの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。
【図１Ｃ】９５０ｎｍと７５０ｎｍの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。
【図１Ｄ】９５０ｎｍと７００ｎｍの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。
【図１Ｅ】８７０ｎｍと８００ｎｍの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。
【図１Ｆ】８７０ｎｍと７５０ｎｍの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。
【図１Ｇ】８７０ｎｍと７００ｎｍの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。
【図１Ｈ】８００ｎｍと７５０ｎｍの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。
【図１Ｉ】８００ｎｍと７００ｎｍの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。
【図１Ｊ】７５０ｎｍと７００ｎｍの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。
【図２】表１のＳ／Ｎ比の値に基づく等高線グラフ。
【図３】本発明に係る脈波検出装置の使用形態を示す説明図。（Ａ）指に接触させて使用する場合、（Ｂ）指から離して使用する場合。
【図４】本発明に係る第一実施例の脈波検出装置の構成を示す説明図。
【図５】本発明に係る第一実施例の脈波検出装置の制御部のブロック図。
【図６】本発明に係る第一実施例の脈波検出装置の信号処理回路のブロック図。
【図７】本発明に係る第一実施例の脈波検出装置における動作を示すフローチャート。
【図８】本発明に係る第一実施例の脈波検出装置におけるサンプリングを説明する説明図。
【図９】本発明に係る第二実施例の脈波検出装置の構成を示す説明図。
【図１０】本発明に係る第二実施例の脈波検出装置の制御部のブロック図。
【図１１】本発明に係る第二実施例の脈波検出装置の信号処理回路のブロック図。
【図１２】本発明に係る第二実施例の脈波検出装置における動作を示すフローチャート。
【図１３】本発明に係る第二実施例の脈波検出装置におけるサンプリングを説明する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜照射する光の波長について＞
波長２００ｎｍから１０μｍでの光に対して、生体内に存在する主な光吸収物質は、水と血液中のヘモグロビンであり、それらの吸収スペクトルは波長に強く依存することが知られている。ヘモグロビンは、波長が７００ｎｍ以下の光に対して強い吸収を持ち、水は、２μｍよりも波長が長い中赤外光および遠赤外光に対して強い吸収を持つ。一方、波長がおよそ７００ｎｍから２μｍまでの近赤外光に対してはヘモグロビンと水の吸収が弱いため、近赤外光は、生体組織に深く浸透する。
【００１３】
心拍の脈波を光学的に検出するためには、光が動脈に届くことが必要である。そのためには、水による吸光率がより低い光である９００ｎｍ以下の光を使うことが必要である。また、静脈の中のヘモグロビンによる吸光率が大きすぎても深い位置にある動脈に届く前に減衰してしまうので、光の波長が７００ｎｍ以下であると水による吸光率はより小さいが、ヘモグロビンによる吸光率が高くなり適切ではない。したがって、波長が７００ｎｍ〜９００ｎｍ程度の光であれば、水およびヘモグロビン両方による吸光率が小さい。よって、動脈内に存するヘモグロビンの変動を検出するためには、７００ｎｍ〜９００ｎｍの波長の近赤外光を使用することが好ましい。この動脈内に存するヘモグロビンの変動を検出するための光の波長を、本明細書では第１波長という。
【００１４】
本発明では、第１波長と、第１波長とは異なる波長（以下、第２波長と言う）の光も使用して、体の動きを相殺する。第１波長との差分を検出するための第２波長は、心拍によるヘモグロビンの変動による反射光の変動においては第１波長の反射光の変動との差が大きくなる波長であり、かつ、体の動きに伴う変動による反射光の変動においては第１波長の反射光の変動との差が小さくなる波長である。したがって、第２波長は、水の吸光率において第１波長と同程度の吸光率を有する波長が適している。そうすると、第２波長も、７００ｎｍ〜９００ｎｍの波長の近赤外光を使用することが好ましい。
【００１５】
しかし、第２波長は、第１波長の吸光率を同程度とするためには、第１波長に近ければ近いほどよいことになるが、第１波長の吸光率と差を大きくするためには、第１波長から離れれば離れるほどよいこととなり、第２波長は、一義的に定まらない。そこで、発明者らは、様々な実験を行った。
【００１６】
図１Ａ〜図１Ｊは、各波長の光を出力する発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用し、実験を行った結果である。使用したＬＥＤの中心波長は、９５０ｎｍ、８７０ｎｍ、８００ｎｍ、７５０ｎｍ、７００ｎｍである。図１Ａが、第１波長に９５０ｎｍ、第２波長に８７０ｎｍを使用した場合の結果であり、以下同様に、図１Ｂが、第１波長に９５０ｎｍ、第２波長に８００ｎｍを、図１Ｃが、第１波長に９５０ｎｍ、第２波長に７５０ｎｍを、図１Ｄが、第１波長に９５０ｎｍ、第２波長に７００ｎｍを、図１Ｅが、第１波長に８７０ｎｍ、第２波長に８００ｎｍを、図１Ｆが、第１波長に８７０ｎｍ、第２波長に７５０ｎｍを、図１Ｇが、第１波長に８７０ｎｍ、第２波長に７００ｎｍを、図１Ｈが、第１波長に８００ｎｍ、第２波長に７５０ｎｍを、図１Ｉが、第１波長に８００ｎｍ、第２波長に７００ｎｍを、図１Ｊが、第１波長に７５０ｎｍ、第２波長に７００ｎｍを使用した場合の結果である。
【００１７】
これらの図を描くために、実験では、第１波長と第２波長の光を生体に照射し、受光素子によりその反射光の受光値を取得した。そして、その２つの受光値の比率（Ｒａｔｉｏ）に対して、直流成分のノイズを取り除くために平滑化微分処理を行った後、周波数成分を抽出するために高速フーリエ変換処理を行った。
【００１８】
図１Ａでは、実線矢印が示す心拍の脈波（脈拍）の周期に対応する１Ｈｚ辺りでは多少のピークは示すものの大きなピークを示すとは言えず、２Ｈｚ辺りで最も大きなピークを示す。２Ｈｚは、１Ｈｚの高周波成分とも推測できるが、精度良く脈波のみを検出することを目的としているので、２Ｈｚのピークは無視するものとする。なお、本図では、破線矢印が示す呼吸の周期に対応する０．３〜０．４Ｈｚ辺りでもピークは示していない。そうすると、第１波長に９５０ｎｍ、第２波長に８７０ｎｍを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光はあまり含まれていないこととなり、精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。
【００１９】
図１Ｂでは、脈拍の周期に対応する実線矢印の１Ｈｚ辺りと、呼吸の周期に対応する破線矢印の０．３〜０．４Ｈｚ辺りとでピークを示す。そうすると、第１波長に９５０ｎｍ、第２波長に８００ｎｍを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光と呼吸の周期の反射光が同程度に含まれていることとなり、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。
【００２０】
図１Ｃでは、脈拍の周期に対応する実線矢印の１Ｈｚ辺りのピークは、呼吸の周期に対応する破線矢印の０．３〜０．４Ｈｚ辺りのピークよりも高く、上記の波長の組合せに比べれば比較的良い組合せとも評価できるが、精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。図１Ｄでは、同様に、脈拍の周期に対応する実線矢印の１Ｈｚ辺りのピークは、呼吸の周期に対応する破線矢印の０．３〜０．４Ｈｚ辺りのピークよりも高いと言えるが、精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。そうすると、図１Ａ〜図１Ｄに示す、第１波長に９５０ｎｍを使い、第２波長に８７０〜７００ｎｍを使用した場合は、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。
【００２１】
図１Ｅでは、脈拍の周期に対応する実線矢印の１Ｈｚ辺りに非常に高いピークを示し、他の周期においてはピークを示していない。そうすると、第１波長に８７０ｎｍ、第２波長に８００ｎｍを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光が非常に多く含まれ、他の周期の反射光はほとんど含まれていないことになる。したがって、第１波長を８７０ｎｍとして、第２波長を８００ｎｍとした波長の組合せは、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとして適切であると言える。
【００２２】
図１Ｆでは、脈拍の周期に対応する実線矢印の１Ｈｚ辺りに非常に高いピークを示し、他の周期においてはピークを示していない。図１Ｇにおいても、脈拍の周期に対応する実線矢印の１Ｈｚ辺りに非常に高いピークを示し、他の周期においてはピークを示していない。そうすると、図１Ｅ〜図１Ｇに示す、第１波長に８７０ｎｍ、第２波長に８００〜７００ｎｍを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光が非常に多く含まれ、他の周期の反射光はほとんど含まれていないこととなり、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとして適切であると言える。
【００２３】
図１Ｈでは、脈拍の周期に対応する実線矢印の１Ｈｚ辺りに高いピークを示し、呼吸の周期に対応する破線矢印の０．３〜０．４Ｈｚ辺りに多少多く含まれることを示しているものの、１Ｈｚ辺りのピークに比べればかなり低い。そうすると、第１波長に８００ｎｍ、第２波長に７５０ｎｍを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光が非常に多く含まれ、他の周期の反射光はほとんど含まれていないことになる。したがって、第１波長を８００ｎｍとして、第２波長を７５０ｎｍとした波長の組合せは、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとして適切であると言える。
【００２４】
図１Ｉでは、呼吸の周期に対応する破線矢印の０．３〜０．４Ｈｚ辺りと脈拍の周期に対応する実線矢印の１Ｈｚ辺りに同程度のピークを示す。そうすると、第１波長に８００ｎｍ、第２波長に７００ｎｍを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光と呼吸の周期の反射光が同程度に含まれていることとなり、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。
【００２５】
図１Ｊでは、呼吸の周期に対応する破線矢印の０．３〜０．４Ｈｚ辺りに多少ピークを示し、脈拍の周期に対応する実線矢印の１Ｈｚ辺りにピークはほとんどない。そうすると、第１波長に７５０ｎｍ、第２波長に７００ｎｍを使用した場合、脈波をほとんど検出できないので、波長の組合せとして適切でないと言える。
【００２６】
上述したことをまとめると、実際に実験を行った２つの波長の組合せとしては、８７０ｎｍと８００ｎｍ、８７０ｎｍと７５０ｎｍ、８７０ｎｍと７００ｎｍ、８００ｎｍと７５０ｎｍ、８００ｎｍと７００ｎｍ、７５０ｎｍと７００ｎｍ、の組合せにおいて、受光した光の中には脈拍の周期の反射光が非常に多く含まれ、他の周期の反射光はほとんど含まれていないこととなり、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとして適切であると言える。
【００２７】
しかし、上記の波長は実験に使用されたＬＥＤのスペクトル分布におけるピーク波長であり、実際には、そのピーク波長をほぼ中央値として、半値幅３０ｎｍ〜４０ｎｍ程度を示すのが通常のＬＥＤのスペクトル分布の仕様である。そうすると、ある程度の波長幅を有して適切であると言うことが可能である。たとえば、最も際立った差を示した８７０ｎｍと８００ｎｍの組合せの場合、半値幅を考慮すれば、第１波長が８５０ｎｍ〜８９０ｎｍ程度であり、第２波長が７８０ｎｍ〜８２０ｎｍ程度であれば、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出することができると考えられる。同様に、８７０ｎｍと７５０ｎｍの組合せの場合、半値幅を考慮すれば、第１波長が８５０ｎｍ〜８９０ｎｍ程度であり、第２波長が７３０ｎｍ〜７７０ｎｍ程度であれば、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出することができると考えられる。
【００２８】
表１は、第１波長をＶＳ１、第２波長をＶＳ２として、上述したように、２つの受光値の比率（Ｒａｔｉｏ）に対して高速フーリエ変換処理を行った結果において、周波数が１以上１．５Ｈｚ未満におけるピーク値をＳ欄に、０以上１．０Ｈｚ未満におけるピーク値をＮ欄に記載して、Ｓ欄に記載されたピーク値をＮ欄に記載されたピーク値で除したものをＳ／Ｎ比として算出したものである。すなわち、このＳ／Ｎ比は、脈波に対応する周波数帯における信号の大きさをＳｉｇｎａｌとみなし、呼吸に対応する周波数帯における信号の大きさをＮｏｉｓｅとみなしたＳ／Ｎ比である。
【表１】
2017140202.tif 000003
【００２９】
図２は、表１のＳ／Ｎ比の値に基づいて、所謂等高線グラフを描いたものである。値の無い部分（一点鎖線より右下側）はＳ／Ｎ比をゼロとし、Ｓ／Ｎ比が０〜２は白、２〜４はグレー、４〜６は黒で描いた。Ｓ／Ｎ比の評価では、４以上であれば呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出することができるとした。したがって、黒く描かれた周波数の領域が精度良く脈波のみを検出することができる領域である。そうすると、８３５〜９１０ｎｍの第１波長（ＶＳ１）と７４０〜８３０ｎｍの第２波長（ＶＳ２）の組合せであれば、精度良く脈波のみを検出することができると言える。この組合せの領域（点線で囲まれた矩形の領域）には、一部にグレーの領域を含むが、黒の領域に近いので、グレーの領域であっても十分精度良く脈波のみを検出することができると評価できる。
【００３０】
以下では、図面を参照しながら、本発明に係る各実施例について説明する。
＜第一実施例＞
図３〜図８を参照し、本実施例における脈波検出装置１００を説明する。脈波検出装置１００は、発光器と受光器を有する検知部１０と、発光器が照射した光が生体（指）Ｂで反射し受光器が受光した反射光の強度に基づいて心拍による変動（脈波）を検出する制御部２０とを備える。脈波検出装置１００の検知部１０は、図３（Ａ）が示すように生体（指）Ｂに接触させて使用してもよいし、図３（Ｂ）が示すように生体（指）Ｂに接触させず離して使用してもよい。また、検知部１０が検知する生体の部位は、指に限られず、顔や胴体など他の部位であってもよい。
【００３１】
たとえば、脈波検出装置１００は、車両を運転する運転者の脈波を検出する場合は、ルームミラーやハンドルなどに設けられて、顔に照射された光の反射光に基づいて脈波を検出してもよい。また、脈波検出装置１００は、椅子やソファ、ベッドなどの胴体が接触する部分に設けられて、使用者の胴体に向けて衣服を通過する強い光を照射し、その反射光に基づいて脈波を検出してもよい。
【００３２】
図４に示すように、脈波検出装置１００の検知部１０は、生体（指）Ｂに対して第１波長の第１照射光を照射する第１発光器１１と、生体（指）Ｂに対して第２波長の第２照射光を照射する第２発光器１２と、第１照射光が生体（指）Ｂによって反射された第１反射光を受光し、第１受光信号を出力する第１受光器１３と、第２照射光が生体（指）Ｂによって反射された第２反射光を受光し、第２受光信号を出力する第２受光器１４と、を備える。第１発光器１１および第２発光器１２は、電気信号を光信号に変換する発光素子であり、たとえば、コスト面で有利な発光ダイオード（ＬＥＤ）や、大きな出力が可能な半導体レーザである。第１受光器１３および第２受光器１４は、受信した光信号を電気信号に復調する受光素子であり、たとえば、フォトダイオードである。
【００３３】
第１発光器１１および第２発光器１２は、制御部２０と信号線で接続され、プリント配線基板１９上に配置された投光回路部品１７により実際に駆動されて、所定の波長で発光する。発光された光は、投光窓１５を通って生体（指）Ｂに照射される。第１受光器１３および第２受光器１４は、照射された光が生体（指）Ｂに反射して受光窓１６を通って戻ってきた反射光を受光する。第１受光器１３および第２受光器１４は、受光した反射光を復調した電気信号をプリント配線基板１９上の受光回路部品１８に渡す。受光回路部品１８は信号線により制御部２０と接続されており、第１受光器１３および第２受光器１４が復調した電気信号は、制御部２０に渡される。
【００３４】
第１受光器１３は、第１発光器１１が照射した第１波長の第１照射光が生体（指）Ｂによって反射された第１反射光を受光し、第１受光信号を出力する。第２受光器１４は、第２発光器１２が照射した第２波長の第２照射光が生体（指）Ｂによって反射された第１反射光を受光し、第１受光信号を出力する。このように、本実施では、第１発光器１１と第１受光器１３、および第２発光器１２と第２受光器１４とがそれぞれ対応しており、第１受光器１３と第２受光器１４は、それぞれ第１波長と第２波長を選択的に透過するフィルタを用いる。
【００３５】
図５が示すように、制御部２０は、制御回路２１と、駆動回路２２と、受光回路２３と、信号処理回路２４と、外部出力回路２５と、を備える。制御回路２１は、検知部１０に電源を供給すると共に駆動回路２２を制御する。駆動回路２２は、第１発光器１１および第２発光器１２を駆動する第１駆動信号および第２駆動信号を生成し、検知部１０の各発光器を駆動する。受光回路２３は、検知部１０の第１受光器１３および第２受光器１４が出力した第１受光信号および第２受光信号を受け取る。信号処理回路２４は、受光回路２３が受け取ったそれぞれの受光信号を後述する方法で信号を処理する。外部出力回路２５は、信号処理回路２４で処理され検出された脈波の数値を、この脈波の数値を利用する外部の装置等に適合するように出力する。制御部２０は、全体として１つのマイコン（マイクロコンピュータ）に構成してもよいし、複数の専用の集積回路に構成してもよい。
【００３６】
図６が示すように、信号処理回路２４は、Ａ／Ｄ変換回路２４３と、演算回路２４２と、フィルタ回路２４１とを備える。Ａ／Ｄ変換回路２４３は、受光回路２３から第１受光信号と第２受光信号をそれぞれ受け取るため２つのＡ／Ｄ変換回路を有する。演算回路２４２は、Ａ／Ｄ変換回路２４３によりアナログ値からデジタル値に変換された第１受光信号と第２受光信号を入力されて、その２つの受光信号から比（強度比）を計算して求める。フィルタ回路２４１は、デジタルフィルタを有し、ノイズを除去した後に外部出力回路２５に渡す。信号処理回路２４が機能することで、心拍による脈動由来の振幅信号が得られる。
【００３７】
図７および図８を参照して、脈波検出装置１００の信号処理回路２４における信号の処理の方法を中心に説明する。なお、フローチャートにおけるＳはステップを意味する。制御部２０の制御回路２１は、Ｓ１００において、駆動回路２２を介して第１駆動信号および第２駆動信号を送り、第１発光器１１および第２発光器１２を発光させる。図８（Ａ）および（Ｂ）のグラフ示すように、第１発光器１１は、第１波長の出力光を発光し続け、第２発光器１２は、第２波長の出力光を発光し続ける。第１波長は、動脈内に存するヘモグロビンの変動である脈波を検出するために適した波長なので、第１受光器１３の受光信号は、図８（Ｃ）が示すように、心拍数の周波数成分が優勢な周波数を含む波形を有する。一方、第２波長は、第１波長とはわずかに異なる波長なので、図８（Ｅ）が示すように、心拍数の周波数成分も含むが他の体の動きの周波数成分が優勢な周波数（たとえば、脈波の周波数より小さい呼吸の周波数）を含む波形を有する。
【００３８】
信号処理回路２４は、Ｓ１０２において受光回路２３に入力された第１受光信号を、図８（Ｄ）が示すようにサンプリングし、Ｓ１０４において受光回路２３に入力された第２受光信号を、図８（Ｆ）が示すようにサンプリングする。そして、信号処理回路２４は、Ｓ１０６において、第１受光信号および第２受光信号のサンプリングされた値を基に、第１受光信号および第２受光信号の比（強度比）を算出する。信号処理回路２４は、Ｓ１０８において、Ｍ個の強度比が算出されたか否かを検査し、Ｍ個の強度比を算出するまでサンプリングを繰り返す。なお、Ｍ個とは、脈波を推定するために必要な数であり、推定方法により、また求められる精度や算出時間などにより適宜定められる。また、推定方法は、上述した高速フーリエ変換に限られるものではなく、四則演算のみで推定してもよい。Ｍ個の強度比が算出されたされた場合、信号処理回路２４は、Ｓ１１０において、Ｍ個の強度比が示す第１波長の周波数成分から第２波長の周波数成分を相殺して、心拍数（脈波）の周波数成分のみを検出する。信号処理回路２４は、Ｓ１１２において、検出された心拍数を外部へ出力する。
【００３９】
このように、脈波検出装置１００は、第１波長の第１照射光に由来する第１受光信号の強度と、第２波長の第２照射光に由来する第２受光信号の強度に基づき、両者を比較することによって、心拍による動きである脈波の周波数を検出する。なお、上述したように、第１波長の第１照射光および第２波長の第２照射光は近赤外光である。これによれば、ヘモグロビンと水に対する吸光率が互いに異なる２つの波長の近赤外光を照射し、その反射光を分析することで、体の動きによる影響が少なくなり、精度良く脈波を検出する光学式の脈波検出装置１００を提供できる。また、第１波長は、好ましくは８４０〜９００ｎｍであり、第２波長は、好ましくは７４０〜８３０ｎｍである。発明者らが行った実験結果により、近赤外光の中でもこれらの波長を使用することで、より精度良く脈波を検出することができる。
【００４０】
さらに、上述したように、実験において、最も際立った差を示しＳ／Ｎ比においても最も高い値を有した第１波長が８７０ｎｍで第２波長が８００ｎｍの組合せの場合、半値幅を考慮して、第１波長が８５０ｎｍ〜８９０ｎｍ程度であり、第２波長が７８０ｎｍ〜８２０ｎｍ程度であってもよい。さらに、Ｓ／Ｎ比においても２番目に高い値を有した第１波長が８７０ｎｍで第２波長が７５０ｎｍの組合せの場合、半値幅を考慮して、第１波長が８５０ｎｍ〜８９０ｎｍ程度であり、第２波長が７３０ｎｍ〜７７０ｎｍ程度であってもよい。そうすると、第１波長が８５０ｎｍ〜８９０ｎｍ程度であり、第２波長が７３０ｎｍ〜８２０ｎｍ程度であれば、体の動きによる影響が少なくなり、精度良く脈波を検出できると言える。
【００４１】
＜第二実施例＞
図９〜図１３を参照して、本実施例における脈波検出装置１００Ａを説明する。なお、重複記載を避けるために、上記実施例と同じ構成要素には同じ符号を付し、上記実施例とことなる部分を中心に説明する。
【００４２】
図９に示すように、脈波検出装置１００Ａの検知部１０Ａは、第１波長の第１照射光を照射する第１発光器１１と、第２波長の第２照射光を照射する第２発光器１２と、第１照射光および第２照射光が反射された第１反射光および第２反射光を受光し、受光信号を出力する受光器１３Ａ（または１４Ａ）と、を備える。
【００４３】
第１発光器１１および第２発光器１２は、制御部２０Ａと信号線で接続され、プリント配線基板１９上に配置された投光回路部品１７により実際に駆動されて、所定の波長で発光する。受光器１３Ａは、反射して受光窓１６を通って戻ってきた反射光を受光する。受光器１３Ａは、受光した反射光を復調した電気信号を受光回路部品１８に渡す。受光回路部品１８は信号線により制御部２０Ａと接続されており、受光器１３Ａが復調した電気信号は、制御部２０Ａに渡される。
【００４４】
受光器１３Ａは、第１発光器１１が照射した第１波長の第１照射光が反射された第１反射光を受光すると共に、第２発光器１２が照射した第２波長の第２照射光が反射された第１反射光を受光し、受光信号を出力する。このように、本実施では、第１発光器１１と第２発光器１２の２つの発光器に対して１つの受光器１３Ａを備えるため、受光器１３Ａは、第１波長の光と第２波長の光の両方を受光できる受光範囲を有するものである。
【００４５】
図１０に示すように、制御部２０Ａは、制御回路２１Ａと、駆動回路２２と、受光回路２３Ａと、信号処理回路２４Ａと、外部出力回路２５と、を備える。制御回路２１Ａは、後述する方法により駆動回路２２を駆動する。受光回路２３Ａは、受光器１３Ａが出力した受光信号を受け取る。信号処理回路２４Ａは、受光回路２３Ａが受け取った受光信号を後述する方法で信号を処理する。
【００４６】
図１１が示すように、信号処理回路２４Ａは、Ａ／Ｄ変換回路２４３Ａと、演算回路２４２Ａと、フィルタ回路２４１とを備える。Ａ／Ｄ変換回路２４３Ａは、受光回路２３Ａから受光信号を受け取る１つのＡ／Ｄ変換回路を有する。演算回路２４２Ａは、Ａ／Ｄ変換回路２４３Ａによりアナログ値からデジタル値に変換された受光信号を入力されて、第１波長の第１照射光が反射された第１反射光に由来する受光信号と、第２波長の第２照射光が反射された第２反射光に由来する受光信号とから比（強度比）を計算して求める。
【００４７】
図１２および図１３を参照して、脈波検出装置１００Ａにおける第１発光器１１および第２発光器１２の発光方法と信号処理回路２４Ａにおける信号の処理の方法を中心に説明する。制御回路２１Ａは、Ｓ２００において、駆動回路２２を介して第１駆動信号を送り、図１３（Ａ）のグラフが示すように、第１発光器１１を例えば０．２〜０．３ｍｓの間発光させた後オフにするように駆動する。第１発光器１１が発光すると、その間に受光器１３Ａは、図１３（Ｃ）に示すように第１反射光を受光する。信号処理回路２４Ａは、Ｓ２０２において受光回路２３Ａに入力された受光信号を第１受光信号として、図１３（Ｄ）が示すようにサンプリングする。
【００４８】
制御回路２１Ａは、第１発光器１１の発光をオフした後、Ｓ２０４において、第２発光器１２を同じ時間、図１３（Ｂ）のグラフが示すように発光させる。第２発光器１２が発光すると、その間に受光器１３Ａは、図１３（Ｅ）に示すように第２反射光を受光する。信号処理回路２４Ａは、Ｓ２０６において、受光回路２３Ａに入力された受光信号を第２受光信号として、図１３（Ｆ）が示すようにサンプリングする。信号処理回路２４Ａは、Ｓ２０８において、Ｎ個のサンプリング値が得られたか否かを検査し、Ｎ個のサンプリング値が得られるまでサンプリングを繰り返す。なお、Ｎ個は、第１受光信号および第２受光信号の値の積算値を得るためにサンプリングする回数である。たとえば、第１発光器１１および第２発光器１２を０．２５ｍｓの周期で交互に間欠的に発光させ、各発光器の発光１回につき、1回サンプリングを行う。Ｎ個が２００個の場合とすると、サンプリングされた２００回の受光信号を加算して積算値を算出する。つまり、５０ｍｓの周期で積算値が発光器ごとに得られることになる。
【００４９】
Ｎ個のサンプリング値が得られた場合、信号処理回路２４Ａは、Ｓ２１０において、サンプリングされたＮ個の第１受光信号の値を積算し、Ｓ２１２において、サンプリングされたＮ個の第２受光信号の値を積算する。そして、信号処理回路２４Ａは、Ｓ２１４において、両方の積算値を基に両者の比（強度比）を算出する。
【００５０】
信号処理回路２４Ａは、Ｓ２１６において、第１受光信号の値の積算値と第２受光信号の値の積算値の比（強度比）がＭ個算出されたか否かを検査し、Ｍ個の強度比が得られるまでサンプリングを繰り返す。なお、Ｍ個とは、脈波を推定するために必要な数である。Ｍ個の強度比が算出されたされた場合、信号処理回路２４Ａは、Ｓ２１８において、Ｍ個の強度比が示す第１波長の周波数成分から第２波長の周波数成分を相殺して、心拍数（脈波）の周波数成分のみを検出する。信号処理回路２４Ａは、Ｓ２２０において、検出された心拍数を外部へ出力する。
【００５１】
このように、本実施例における脈波検出装置１００Ａは、第１発光器１１と第２発光器１２は、交互に第１照射光と第２照射光を照射し、第１発光器１１が発光したタイミングで受光器１３Ａが受光した受光信号を第１受光信号とみなし、第２発光器１２が発光したタイミングで受光器１３Ａが受光した受光信号を第２受光信号とみなす。受光器１３Ａは、上記実施例と異なり、１つの受光素子から構成されている。これによれば、受光器の数を削減することで脈波検出装置１００Ａのコストを安くすることができる。
【００５２】
なお、本実施例の脈波検出装置１００Ａは、上記実施例の脈波検出装置１００に比べ、Ｍ個の強度比を取得するのに時間がかかるが、第１波長の第１照射光に由来する第１受光信号の強度と、第２波長の第２照射光に由来する第２受光信号の強度に基づき強度比が求められるので、同様に心拍による動きである脈波の周波数を検出することができる。
【００５３】
なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
【符号の説明】
【００５４】
１００    脈波検出装置
１０      検知部
１１      第１発光器
１２      第２発光器
１３      第１受光器
１４      第２受光器
１５      投光窓
１６      受光窓
１７      投光回路部品
１８      受光回路部品
１９      プリント配線基板
２０      制御部
２１      制御回路
２２      駆動回路
２３      受光回路
２４      信号処理回路
２４１    フィルタ回路
２４２    演算回路
２４３    Ａ／Ｄ変換回路
２５      外部出力回路
Ｂ        生体（指）
【図１Ａ】
2017140202.tif 000004
【図１Ｂ】
2017140202.tif 000005
【図１Ｃ】
2017140202.tif 000006
【図１Ｄ】
2017140202.tif 000007
【図１Ｅ】
2017140202.tif 000008
【図１Ｆ】
2017140202.tif 000009
【図１Ｇ】
2017140202.tif 000010
【図１Ｈ】
2017140202.tif 000011
【図１Ｉ】
2017140202.tif 000012
【図１Ｊ】
2017140202.tif 000013
【図２】
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【図３】
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【図４】
2017140202.tif 000016
【図５】
2017140202.tif 000017
【図６】
2017140202.tif 000018
【図７】
2017140202.tif 000019
【図８】
2017140202.tif 000020
【図９】
2017140202.tif 000021
【図１０】
2017140202.tif 000022
【図１１】
2017140202.tif 000023
【図１２】
2017140202.tif 000024
【図１３】
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