(57)【要約】【課題】複数の生体情報を精度よく測定する。【解決手段】互いに波長の異なる光を照射する発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２と、受光素子３と、を備える生体情報測定装置１０は、発光素子ＬＤ１の発光期間より発光素子ＬＤ２の発光期間を短くすると共に、望ましくは発光素子ＬＤ２が発光を停止している期間に発光素子ＬＤ１が連続して発光するように、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光期間を制御し、発光素子ＬＤ１の発光期間毎に受光素子３で複数回受光した、発光素子ＬＤ１による光の受光量と、発光素子ＬＤ１による光の受光量及び発光素子ＬＤ２による光の受光量とから、複数の生体情報を測定する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに波長の異なる光を照射する第１発光素子及び第２発光素子と、
前記第１発光素子及び前記第２発光素子から照射される各々の光を受光する受光素子と、
前記第１発光素子の連続発光期間より前記第２発光素子の連続発光期間が短くなるように、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間を制御する制御手段と、
前記受光素子で受光した光の各々から、複数の生体情報を測定する測定手段と、
備えた生体情報測定装置。
【請求項２】
前記測定手段は、前記第１発光素子の発光期間毎に前記受光素子で複数回受光した前記第１発光素子による光の受光量と、前記第１発光素子の発光期間と隣接する前記第２発光素子の発光期間における光の受光量と、を用いて複数の生体情報を測定する
請求項１に記載の生体情報測定装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間が重複しないように、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間を制御する
請求項１又は請求項２に記載の生体情報測定装置。
【請求項４】
前記測定手段は、前記受光素子で受光した前記第１発光素子による光の受光量に対する周波数スペクトル、並びに、前記受光素子で受光した前記第１発光素子による光の受光量及び前記第２発光素子による光の受光量から、前記複数の生体情報を測定する
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の生体情報測定装置。
【請求項５】
前記測定手段は、前記第１発光素子の発光期間及び前記第２発光素子の発光期間の少なくとも一方の発光期間において、前記受光素子から受光量を複数回取得し、取得した各々の受光量の平均値を、複数回に亘って前記受光素子から受光量を取得した発光期間における光の受光量とする
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の生体情報測定装置。
【請求項６】
前記測定手段は、血流量、血流速度、及び血液量の少なくとも１つと、血中の酸素飽和度と、を含む生体情報を前記複数の生体情報として測定する
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の生体情報測定装置。
【請求項７】
コンピュータを、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の制御手段及び測定手段として機能させるための生体情報測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体情報測定装置、及び生体情報測定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、基板と、前記基板上に配置されており、波長の相異なる複数の光を、被検体に対し少なくとも部分的に相互に重なるように照射する照射部と、前記基板上に配置されており、前記照射された複数の光に起因する前記被検体からの光を、前記波長別に検出する受光部とを備えることを特徴とする自発光型センサ装置が開示されている。
【０００３】
特許文献２には、第１の波長の光を発生する第１の発光素子と、第２の波長の光を発生する第２の発光素子と、前記第１および第２の発光素子をそれぞれ異なる時期に発光させる駆動回路と、前記第１および第２の発光素子の光が照射される位置に生体組織を配置されたときに前記第１の発光素子からの光であって前記生体組織を透過または散乱した光を受光するように配置された第１の受光素子と、前記第１および第２の発光素子からの光であって前記生体組織を透過または散乱した光を受光するように前記第１の受光素子から所定距離離れた位置に配置された第２の受光素子と、前記第１および第２の発光素子からの光による前記第２の受光素子の出力に基づいて前記生体組織の血液中の酸素飽和度を計算する酸素飽和度計算手段と、前記第１の発光素子からの光による前記第１および第２の受光素子の出力の相互相関関数に基づいて前記生体組織の血液の流速を計算する血流計算手段とを具備する酸素飽和度および血流測定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４４７５６０１号公報
【特許文献２】特開平７−２６５２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
血中の酸素飽和度及び血流情報といった複数の生体情報を測定する場合、異なる波長の光を照射する複数の発光素子を生体に向けて交互に発光させ、生体で透過又は反射した光の受光量の変化から生体情報を測定する手法が用いられることがある。
【０００６】
この場合に、生体情報の変動に含まれる高周波成分を測定するためには、例えば交互に発光を繰り返す各発光素子の単位時間あたりの点滅回数を増加し、生体で反射した光の受光量のサンプリング周期を短くすることが好ましい。
【０００７】
しかしながら、各発光素子の点滅回数を増加するに従って、各発光素子に対するオンオフ指示に発光素子のオンオフ動作が追従しなくなっていく状況が発生しやすくなる。また、受光素子においても、生体で透過又は反射した光の受光量のサンプリング周期を短くするに従って、受光素子に対する受光量の取得動作が追従しなくなる状況が発生しやすくなる。
【０００８】
すなわち、発光素子及び受光素子等の応答性能によって、単位時間あたりの発光素子における点滅回数、及び単位時間あたりの受光素子における受光量取得回数の上限が制限され、生体情報の変動に含まれる高周波成分の測定が困難になる場合が発生する。
【０００９】
本発明は、異なる波長の光を照射する複数の発光素子を交互に発光させて生体情報を測定する場合と比較して、複数の生体情報を精度よく測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１記載の生体情報測定装置は、互いに波長の異なる光を照射する第１発光素子及び第２発光素子と、前記第１発光素子及び前記第２発光素子から照射される各々の光を受光する受光素子と、前記第１発光素子の連続発光期間より前記第２発光素子の連続発光期間が短くなるように、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間を制御する制御手段と、前記受光素子で受光した光の各々から、複数の生体情報を測定する測定手段と、を備える。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記測定手段は、前記第１発光素子の発光期間毎に前記受光素子で複数回受光した前記第１発光素子による光の受光量と、前記第１発光素子の発光期間と隣接する前記第２発光素子の発光期間における光の受光量と、を用いて複数の生体情報を測定する。
【００１２】
請求項３記載の発明は、前記制御手段は、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間が重複しないように、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間を制御する。
【００１３】
請求項４記載の発明は、前記測定手段は、前記受光素子で受光した前記第１発光素子による光の受光量に対する周波数スペクトル、並びに、前記受光素子で受光した前記第１発光素子による光の受光量及び前記第２発光素子による光の受光量から、前記複数の生体情報を測定する。
【００１４】
請求項５記載の発明は、前記測定手段は、前記第１発光素子の発光期間及び前記第２発光素子の発光期間の少なくとも一方の発光期間において、前記受光素子から受光量を複数回取得し、取得した各々の受光量の平均値を、複数回に亘って前記受光素子から受光量を取得した発光期間における光の受光量とする。
【００１５】
請求項６記載の発明は、前記測定手段は、血流量、血流速度、及び血液量の少なくとも１つと、血中の酸素飽和度と、を含む生体情報を前記複数の生体情報として測定する。
【００１６】
請求項５記載の生体情報測定プログラムは、コンピュータを、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の制御手段及び測定手段として機能させる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１、請求項４、及び請求項７記載の発明によれば、異なる波長の光を照射する複数の発光素子を交互に発光させて生体情報を測定する場合と比較して、複数の生体情報を精度よく測定することができる。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、隣接していない発光期間における受光量を用いる場合と比較して、生体情報を精度よく測定することができる。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、第１発光素子及び第２発光素子の発光期間を重複させる場合と比較して、生体情報を精度よく測定することができる。
【００２０】
請求項５記載の発明によれば、発光期間に受光量を１回取得する場合と比較して、生体情報を精度よく測定することができる。
【００２１】
請求項６記載の発明によれば、複数の生体情報を個別に測定する場合と比較して、測定時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】血流情報及び血中の酸素飽和度の測定例を示す模式図である。
【図２】生体からの反射光による受光量の変化の一例を示すグラフである。
【図３】血管にレーザ光を照射した場合に生じるドップラーシフトの説明に供する模式図である。
【図４】血管にレーザ光を照射した場合に生じるスペックルの説明に供する模式図である。
【図５】受光量の変化に対するスペクトル分布の一例を示すグラフである。
【図６】血流量の変化の一例を示すグラフである。
【図７】生体に吸収される光の吸光量の変化の一例を示すグラフである。
【図８】発光素子の印加電圧の波形の一例を示す図である。
【図９】生体情報測定装置の構成例を示す図である。
【図１０】発光素子及び受光素子の配置例を示す図である。
【図１１】発光素子及び受光素子の配置例を示す図である。
【図１２】生体情報測定装置の電気系統の要部構成例を示す図である。
【図１３】生体情報測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１４】ＩＲ光を照射する発光素子及び赤色光を照射する発光素子の発光タイミング及び受光素子による受光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図１５】ＩＲ光を照射する発光素子及び赤色光を照射する発光素子を交互に点滅させる場合の受光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図１６】ＩＲ光を照射する発光素子及び赤色光を照射する発光素子の発光タイミング及び受光素子による受光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【図１７】ＩＲ光を照射する発光素子及び赤色光を照射する発光素子の発光タイミング及び受光素子による受光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態例を詳細に説明する。なお、作用又は機能が同じ働きを担う構成要素には、全図面を通して同じ符合を付与し、重複する説明を省略する。
【００２４】
まず、図１を参照して、生体情報のうち、特に血液に関する生体情報の一例である血流情報及び血中の酸素飽和度の測定方法について説明する。
【００２５】
図１に示すように、血流情報及び血中の酸素飽和度は、患者の体(生体８)に向けて発光素子１から光を照射し、受光素子３で受光した、患者の体内に張り巡らされている動脈４、静脈５、及び毛細血管６等で反射又は透過した光の強さ、すなわち反射光又は透過光の受光量を用いて測定される。
【００２６】
（血流情報の測定）
図２は、受光素子３で受光した反射光の受光量を示すグラフ８０の一例である。なお、図２のグラフ８０の横軸は時間の経過を表し、縦軸は受光素子３の出力、すなわち受光素子３の受光量を表している。
【００２７】
図２に示すように、受光素子３の受光量は時間の経過に伴って変化するが、これは血管を含む生体８への光の照射に対して現われる３つの光学現象の影響を受けるためであると考えられる。
【００２８】
１つ目の光学現象として、脈動によって、測定している血管内に存在する血液量が変化することによる光の吸収の変化が考えられる。血液には、例えば赤血球等の血球細胞が含まれ、毛細血管６等の血管内を移動するため、血液量が変化することによって血管内を移動する血球細胞の数も変化し、受光素子３での受光量に影響を与えることがある。
【００２９】
２つ目の光学現象として、ドップラーシフトによる影響が考えられる。
【００３０】
図３に示すように、例えばレーザ光のような周波数ω0のコヒーレント光４０を発光素子１から血管の一例である毛細血管６を含む領域に照射した場合、毛細血管６を移動する血球細胞で散乱した散乱光４２は、血球細胞の移動速度により決まる差周波Δω0を有するドップラーシフトを生じることになる。一方、血球細胞等の移動体を含まない皮膚等の組織（静止組織）で散乱した散乱光４２の周波数は、照射したレーザ光の周波数と同じ周波数ω0を維持する。したがって、毛細血管６等の血管で散乱したレーザ光の周波数ω0＋Δω0と、静止組織で散乱したレーザ光の周波数ω0とが互いに干渉し、差周波Δω0を有するビート信号が受光素子３で観測され、受光素子３の受光量が時間の経過に伴って変化する。なお、受光素子３で観測されるビート信号の差周波Δω0は血球細胞の移動速度に依存するが、約数十ｋＨｚを上限とした範囲に含まれる。
【００３１】
また、３つ目の光学現象として、スペックルによる影響が考えられる。
【００３２】
図４に示すように、レーザ光のようなコヒーレント光４０を、発光素子１から血管中を矢印４４の方向に移動する赤血球等の血球細胞７に照射した場合、血球細胞７にぶつかったレーザ光は様々な方向に散乱する。散乱光は位相が異なるためにランダムに干渉し合う。これによりランダムな斑点模様の光強度分布を生じる。このようにして形成される光強度の分布パターンは「スペックルパターン」と呼ばれる。
【００３３】
既に説明したように、血球細胞７は血管中を移動するため、血球細胞７における光の散乱状態が変化し、スペックルパターンが時間の経過と共に変動する。したがって、受光素子３の受光量が時間の経過に伴って変化する。
【００３４】
次に、血流情報の求め方の一例について説明する。図２に示す時間経過に伴う受光素子３の受光量が得られた場合、予め定めた単位時間Ｔ0の範囲に含まれるデータを切り出し、当該データに対して、例えば高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform:FFT)を実行することで、周波数ω毎のスペクトル分布が得られる。図５に、単位時間Ｔ0における周波数ω毎のスペクトル分布を示すグラフ８２の一例を示す。なお、図５のグラフ８２の横軸は周波数ωを表し、縦軸はスペクトル強度を表す。
【００３５】
ここで、血液量はグラフ８２の横軸と縦軸とで囲まれた斜線領域８４で表されるパワースペクトルの面積を全光量で規格化した値に比例する。また、血流速度はグラフ８２で表されるパワースペクトルの周波数平均値に比例するため、周波数ωと周波数ωにおけるパワースペクトルの積を周波数ωについて積分した値を斜線領域８４の面積で除算した値に比例する。
【００３６】
なお、血流量は血液量と血流速度の積で表わされるため、上記血液量と血流速度の算出式より求める事が可能である。血流量、血流速度、血液量は血流情報の一例であり、血流情報はこれに限定されない。
【００３７】
図６は、算出した単位時間Ｔ0あたりの血流量の変化を示すグラフ８６の一例である。なお、図６のグラフ８６の横軸は時間を表し、縦軸は血流量を表す。
【００３８】
図６に示すように、血流量は時間と共に変動するが、その変動の傾向は２つの種類に分類される。例えば図６の区間Ｔ１における血流量の変動幅８８に比べて、区間Ｔ２における血流量の変動幅９０は大きい。これは、区間Ｔ１における血流量の変化が、主に脈の動きに伴う血流量の変化であるのに対して、区間Ｔ２における血流量の変化は、例えばうっ血等の原因に伴う血流量の変化を示しているためであると考えられる。
【００３９】
（酸素飽和度の測定）
次に、血中の酸素飽和度の測定について説明する。血中の酸素飽和度とは、血液中のヘモグロビンがどの程度酸素と結合しているかを示す指標であり、血中の酸素飽和度が低下するにつれ、貧血等の症状が発生しやすくなる。
【００４０】
図７は、例えば生体８に吸収される光量の変化を示す概念図である。図７に示すように、生体８における吸光量は、時間の経過と共に変動する傾向が見られる。
【００４１】
更に、生体８における吸光の変動に関する内訳について見てみると、主に動脈４によって吸光量が変動し、静脈５及び静止組織を含むその他の組織では、動脈４に比べて吸光量が変動しないとみなせる程度の変動量であることが知られている。これは、心臓から拍出された動脈血は脈波を伴って血管内を移動するため、動脈４が動脈４の断面方向に沿って経時的に伸縮し、動脈４の厚みが変化するためである。なお、図７において、矢印９４で示される範囲が、動脈４の厚みの変化に対応した吸光量の変動量を示す。
【００４２】
図７において、時刻ｔaにおける受光量をＩa、時刻ｔbにおける受光量をＩbとすれば、動脈４の厚みの変化による光の吸光量の変化量ΔＡは、（１）式で表される。
【００４３】
（数１）
ΔＡ＝ｌｎ(Ｉb／Ｉa)・・・（１）
【００４４】
一方、動脈４を流れる酸素と結合したヘモグロビン（酸化ヘモグロビン）は、特に約８８０ｎｍ近辺の波長を有する赤外線(infrared:IR)領域の光を吸収しやすく、酸素と結合していないヘモグロビン（還元ヘモグロビン）は、特に約６６５ｎｍ近辺の波長を有する赤色領域の光を吸収しやすいことが知られている。更に、酸素飽和度は、異なる波長における吸光量の変化量ΔＡの比率と比例関係があることが知られている。
【００４５】
したがって、他の波長の組み合わせに比べて。酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとで吸光量の差が現われやすい赤外光(ＩＲ光)と赤色光を用いて、ＩＲ光を生体８に照射した場合の吸光量の変化量ΔＡIRと、赤色光を生体８に照射した場合の吸光量の変化量ΔＡRedとの比率をそれぞれ算出することで、（２）式によって酸素飽和度Ｓが算出される。なお、（２）においてｋは比例定数である。
【００４６】
（数２）
Ｓ＝ｋ(ΔＡRed／ΔＡIR)・・・（２）
【００４７】
すなわち、血中の酸素飽和度を算出する場合、それぞれ異なる波長の光を照射する複数の発光素子１、具体的には、ＩＲ光を照射する発光素子１と赤色光を照射する発光素子１とを一部の発光期間が重複しても良いが、望ましくは発光期間が重複しないよう発光させる。そして、各々の発光素子１による反射光又は透過光を受光素子３で受光して、各受光時点における受光量から（１）式及び（２）式、又は、これらの式を変形して得られる公知の式を算出することで、酸素飽和度が測定される。
【００４８】
上記（１）式を変形して得られる公知の式として、例えば（１）式を展開して、光の吸光量の変化量ΔＡを（３）式のように表してもよい。
【００４９】
（数３）
ΔＡ＝ｌｎＩb−ｌｎＩa・・・（３）
【００５０】
また、（１）式は（４）式のように変形することができる。
【００５１】
（数４）
ΔＡ＝ｌｎ(Ｉb／Ｉa)＝ｌｎ(１＋(Ｉb-Ｉa)／Ｉa)  ・・・（４）
【００５２】
通常、（Ｉb-Ｉa）≪Ｉaであることから、ｌｎ(Ｉb／Ｉa)≒(Ｉb-Ｉa)／Ｉaが成り立つため、（１）式の代わりに、光の吸光量の変化量ΔＡとして（５）式を用いてもよい。
【００５３】
（数５）
ΔＡ≒(Ｉb-Ｉa)／Ｉa  ・・・（５）
【００５４】
なお、ＩＲ光を照射する発光素子１と赤色光を照射する発光素子１とを区別して説明する必要がある場合、以降では、ＩＲ光を照射する発光素子１を「発光素子ＬＤ１」といい、赤色光を照射する発光素子１を「発光素子ＬＤ２」というようにする。また、一例として、発光素子ＬＤ１を血流量の算出で使用する発光素子１とし、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２を、血中の酸素飽和度の算出で利用する発光素子１とする。
【００５５】
既に説明したように、血流量の測定では、受光素子３で観測されるビート信号の差周波Δω0は約数十ｋＨｚを上限とした範囲に含まれることから、少なくとも差周波Δω0の２倍以上の周波数で発光素子ＬＤ１を点滅させ、発光素子ＬＤ１からＩＲ光が照射されている発光期間毎に、発光素子ＬＤ１による反射光を受光素子３で取得する手法が用いられる場合がある。
【００５６】
この際、図５に示した受光素子３の受光量の変化に対するスペクトル分布のうち、より高い周波数領域におけるスペクトル分布に血流量に関連した重要な生体情報が含まれる場合が多いことから、受光素子３における受光量のサンプリング周期をできるだけ短くすることが好ましい。そのためには、発光素子ＬＤ１の単位時間あたりの点滅回数を増加し、発光素子ＬＤ１の発光期間に合わせて、生体８で反射した発光素子ＬＤ１の受光量を受光素子３で受光すればよい。
【００５７】
しかし、実際には、発光素子ＬＤ１に電圧を印加して、発光素子ＬＤ１の印加電圧が発光に必要な電圧に達するまでのタイムラグと、発光素子ＬＤ１への印加電圧を停止して、発光素子ＬＤ１の印加電圧が0Vになるまでのタイムラグと、が存在する。したがって、発光素子ＬＤ１に印加される電圧波形は方形波ではなく、例えば図８に示すように、なだらかに変化する傾向が見られる。
【００５８】
このように、供給電圧のオン及びオフにどの程度のタイムラグで追従するかを表す電子デバイスの性能を「応答性能」といい、応答性能の高い電子デバイス（この場合、発光素子ＬＤ１）ほど、図８に示した波形が方形波に近づき、方形波の上辺では、印加電圧の変動量が予め定めた範囲内に収まるため、安定した光量を有するＩＲ光が照射されることになる。
【００５９】
一方、応答性能が悪い電子デバイス（この場合、発光素子ＬＤ１）ほど、供給電圧のオン及びオフに伴う波形が乱れやすくなり、安定した光量を有するＩＲ光を生体８に照射することが困難になる。したがって、受光素子３で発光素子ＬＤ１からの正しい受光量を取得することが困難になり、血流量の測定の精度を低下させる場合がある。
【００６０】
なお、上記では発光素子ＬＤ１を例にして、電子デバイスの応答性能による血流量の測定精度への影響について説明したが、受光素子３等の電子デバイス又は他の電子回路の応答性能が低い場合も、発光素子ＬＤ１と同様に血流量の測定精度を低下させる場合がある。
【００６１】
したがって、発光素子ＬＤ１の単位時間あたりの点滅回数を増加しようとしても、例えば発光素子ＬＤ１等の電子デバイスの応答性能が制約事項となり、生体情報を精度よく測定することが困難になることが多い。
【００６２】
なお、血中の酸素飽和度を測定する場合、受光量の測定周波数は約３０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度で十分であることが知られているため、発光素子ＬＤ２の１秒あたりの点滅回数を表す発光周波数は約３０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度で十分である。すなわち、発光素子ＬＤ２の発光周波数を発光素子ＬＤ１の発光周波数に合わせ、発光素子ＬＤ１と発光素子ＬＤ２を交互に発光させる必要はなく、発光素子ＬＤ２の発光周波数を、発光素子ＬＤ１の発光周波数より低くしてもよい。したがって、血中の酸素飽和度の測定に関しては、血流量の測定に比べて、発光素子ＬＤ１の応答性能による測定精度への影響度合いが低くなる。
【００６３】
以降では、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２を交互に発光させる場合に比べて、複数の生体情報を精度よく測定する生体情報測定装置について説明する。
【００６４】
図９は、本実施の形態に係る生体情報測定装置１０の構成例を示す図である。
【００６５】
図９に示すように、生体情報測定装置１０は、制御部１２、駆動回路１４、増幅回路１６、Ａ／Ｄ(Analog/Digital)変換回路１８、測定部２０、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３を備える。
【００６６】
制御部１２は、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２に駆動電力を供給する電力供給回路を含む駆動回路１４に、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光周期及び発光期間を制御する制御信号を出力する。
【００６７】
駆動回路１４は、制御部１２からの制御信号を受け付けると、制御信号で指示された発光周期及び発光期間に従って、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２に駆動電力を供給し、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２を駆動する。
【００６８】
増幅回路１６は、受光素子３で受光した光の強さに応じた電圧を、Ａ／Ｄ変換回路１８の入力電圧範囲として規定される電圧レベルまで増幅する。なお、ここでは一例として、受光素子３は受光した光の強さに応じた電圧を出力する素子とするが、受光素子３は受光した光の強さに応じた電流を出力してもよく、この場合、増幅回路１６は、Ａ／Ｄ変換回路１８の入力電流範囲として規定される電流レベルまで、受光素子３が出力する電流を増幅する。
【００６９】
Ａ／Ｄ変換回路１８は、増幅回路１６で増幅した電圧を入力として、当該電圧の大きさで表される受光素子３の受光量を数値化して出力する。
【００７０】
測定部２０は、Ａ／Ｄ変換回路１８で数値化された受光量を入力として、発光素子ＬＤ１によって照射された光の受光量に対してFFT処理を行って周波数ω毎のスペクトル分布を算出し、周波数ωと当該周波数ωにおけるスペクトル強度の積を周波数ωについて積分することで、血流量を測定する。
【００７１】
また、測定部２０は、Ａ／Ｄ変換回路１８で数値化された受光量を入力として、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２によって照射された光の受光量を、それぞれ時系列順に管理する。そして、測定部２０は、発光素子ＬＤ１の吸光量の変化量ΔＡIR、及び発光素子ＬＤ２の吸光量の変化量ΔＡRedを（１）式に従って算出し、吸光量の変化量ΔＡIRに対する吸光量の変化量ΔＡRedの割合を（２）式に従って算出することで、酸素飽和度を測定する。
【００７２】
図１０に、生体情報測定装置１０における発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３の配置例を示す。図１０に示すように、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３は、生体８の一方の面に向かって並べて配置される。この場合、受光素子３は、生体８で反射された発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の光を受光する。
【００７３】
しかし、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３の配置は、図１０の配置例に限定されない。例えば、図１１に示すように、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２と、受光素子３とを、生体８を挟んで対向する位置に配置するようにしてもよい。この場合、受光素子３は、生体８を透過した発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の光を受光する。
【００７４】
なお、ここでは一例として、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２は、共に面発光レーザ素子であるものとして説明するが、これに限らず、端面発光レーザ素子であってもよい。
【００７５】
測定部２０において血流量を測定する場合、既に説明したように、ビート信号による受光量のスペクトル分布を利用するため、発光素子ＬＤ１には他の光に比べてビート信号が発生しやすいレーザ素子を用いることが好ましい。
【００７６】
しかし、発光素子ＬＤ２から照射される光はレーザ光でなくても、発光素子ＬＤ２の吸光量の変化量ΔＡRedは算出されるため、発光素子ＬＤ２には、発光ダイオード(Light-Emitting Diode:LED)又は有機発光ダイオード(Organic Light-Emitting Diode:OLED)を用いてもよい。
【００７７】
次に、図１２を参照して、本実施の形態に係る生体情報測定装置１０の電気系統の要部構成について説明する。
【００７８】
図１２に示すように、本実施の形態に係る生体情報測定装置１０は、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光周期及び発光期間を制御する制御手段、並びに、生体８における血流量及び血中の酸素飽和度を測定する測定手段の一例としてのＣＰＵ(Central Processing Unit)３０を備える。また、生体情報測定装置１０は、各種プログラムや各種パラメータ等が予め記憶されたＲＯＭ(Read Only Memory)３２、及びＣＰＵ３０による各種プログラムの実行時のワークエリア等として用いられるＲＡＭ(Random Access Memory)３４を備える。
【００７９】
ＣＰＵ３０、ＲＯＭ３２、及びＲＡＭ３２は、生体情報測定装置１０の内部バス３６で互いに接続され、更に、内部バス３６には、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、受光素子３、増幅回路１６、及びＡ／Ｄ変換回路１８が各々接続される。なお、ＣＰＵ３０には、指定した時点からの経過時間を計測するタイマが内蔵されている。
【００８０】
次に、図１３を参照して、生体情報測定装置１０の作用について説明する。
【００８１】
図１３は、ＣＰＵ３０が生体情報の測定を開始する指示を受け付けた場合に、ＣＰＵ３０によって実行される生体情報測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。生体情報測定処理を規定するプログラム（生体情報測定プログラム）は、例えばＲＯＭ３２に予めインストールされている。なお、生体情報測定プログラムの開始時点において、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２は、共にレーザ光を照射していない発光停止状態になっているものとする。
【００８２】
まず、ステップＳ１０において、ＣＰＵ３０は、ＣＰＵ３０に内蔵されるタイマＡをリセットする。ここで、タイマをリセットするとは、タイマによる計測を停止し、タイマを停止した時点から新たに経過時間を計測し始めることを意味する。
【００８３】
ステップＳ２０において、ＣＰＵ３０は、駆動回路１４に対して発光素子ＬＤ１の発光開始を指示する発光開始指示を通知する。駆動回路１４は、発光開始指示を受け付けると発光素子ＬＤ１に駆動電力を供給し、発光素子ＬＤ１からレーザ光を照射させる。
【００８４】
ステップＳ３０において、ＣＰＵ３０は、受光素子３で受光した発光素子ＬＤ１による受光量をＡ／Ｄ変換回路１８から取得して、例えばＲＡＭ３４の予め定めた領域に記憶する。
【００８５】
ステップＳ４０において、ＣＰＵ３０は、ステップＳ１０でタイマＡをリセットしてから時間Ｔ3以上経過しているか否かを判定する。当該時間Ｔ3は、例えばＲＯＭ３２の予め定めた領域に予め記憶されるパラメータであり、発光素子ＬＤ１の発光期間の長さを決定する。
【００８６】
ステップＳ４０の判定処理が否定判定の場合には、ステップＳ３０に移行する。そして、ＣＰＵ３０は、時間Ｔ3以上経過するまで、ステップＳ３０で、受光素子３で受光した発光素子ＬＤ１による受光量をＡ／Ｄ変換回路１８から取得する処理を繰り返し実行する。すなわち、ＣＰＵ３０は、発光素子ＬＤ１を時間Ｔ3以上に亘って発光させ続けた状態で、発光素子ＬＤ１による受光量を複数回取得する。
【００８７】
一方、ステップＳ４０の判定処理が肯定判定の場合には、ステップＳ５０に移行する。
【００８８】
ステップＳ５０において、ＣＰＵ３０は、駆動回路１４に対して発光素子ＬＤ１の発光停止を指示する発光停止指示を通知する。駆動回路１４は、発光停止指示を受け付けると発光素子ＬＤ１への駆動電力の供給を停止し、発光素子ＬＤ１によるレーザ光の照射を停止させる。
【００８９】
ステップＳ６０において、ＣＰＵ３０は、ＣＰＵ３０に内蔵されるタイマＢをリセットする。
【００９０】
ステップＳ７０において、ＣＰＵ３０は、駆動回路１４に対して発光素子ＬＤ２の発光開始指示を通知する。駆動回路１４は、発光開始指示を受け付けると発光素子ＬＤ２に駆動電力を供給し、発光素子ＬＤ２からレーザ光を照射させる。
【００９１】
ステップＳ８０において、ＣＰＵ３０は、受光素子３で受光した発光素子ＬＤ２による受光量をＡ／Ｄ変換回路１８から取得して、例えばＲＡＭ３４の予め定めた領域に記憶する。
【００９２】
ステップＳ９０において、ＣＰＵ３０は、ステップＳ６０でタイマＢをリセットしてから時間Ｔ4以上経過しているか否かを判定する。当該時間Ｔ4は、例えばＲＯＭ３２の予め定めた領域に予め記憶されるパラメータであり、発光素子ＬＤ２の発光期間の長さを決定する。
【００９３】
なお、既に説明したように、血中の酸素飽和度を測定する際に必要となる発光素子ＬＤ２の受光量の測定周期は、血流量を測定する際に必要となる発光素子ＬＤ１の受光量の測定周期より短くてもよいため、時間Ｔ4を時間Ｔ3より小さい値に設定して、発光素子ＬＤ２の発光期間を発光素子ＬＤ１の発光期間より短くすることが好ましい。このように時間Ｔ4を設定することで、時間Ｔ4を時間Ｔ3より大きい値に設定する場合に比べて、血中の酸素飽和度の測定精度を低下させることなく、単位時間における血中の酸素飽和度の測定回数を増加することができる。
【００９４】
ステップＳ９０の判定処理が否定判定の場合、ＣＰＵ３０はステップＳ９０の処理を繰り返し実行して、タイマＢが時間Ｔ4以上経過するまで待機する。一方、肯定判定の場合にはステップＳ１００に移行する。
【００９５】
ステップＳ１００において、ＣＰＵ３０は、駆動回路１４に対して発光素子ＬＤ２の発光停止を指示する発光停止指示を通知する。駆動回路１４は、発光停止指示を受け付けると発光素子ＬＤ２への駆動電力の供給を停止し、発光素子ＬＤ２によるレーザ光の照射を停止させる。
【００９６】
ステップＳ１１０において、ＣＰＵ３０は、既に説明した血流量の測定方法にしたがって、ステップＳ３０で取得した発光素子ＬＤ１の各受光量の時系列データに対してFFT処理を行い、周波数ω毎のスペクトル分布を算出し、当該スペクトル分布を全周波数ωについて積分することで、血流量を測定する。
【００９７】
ステップＳ１２０において、ＣＰＵ３０は、既に説明した血中の酸素飽和度の測定方法にしたがって、ステップＳ３０で最後に取得した発光素子ＬＤ１の受光量と、ステップＳ８０で取得した発光素子ＬＤ２の受光量と、を組み合わせた受光量ペアを、例えばＲＡＭ３４の予め定めた領域に記憶する。そして、ＣＰＵ３０は、受光量ペアの時系列データを用いて（１）式及び（２）式、又は、これらの式を変形して得られる公知の式を算出することで、血中の酸素飽和度を測定する。
【００９８】
ステップＳ１３０において、ＣＰＵ３０は、生体情報の測定を終了する終了指示を受け付けたか否かを判定する。当該判定処理が否定判定の場合にはステップＳ１０に移行し、終了指示を受け付けるまでステップＳ１０〜Ｓ１３０を繰り返し実行することで、血流量及び酸素飽和度を測定し続ける。
【００９９】
図１４は、図１３の生体情報測定プログラムを実行した場合における、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光タイミングを示すタイミングチャートの一例である。
【０１００】
図１４に示すように、発光素子ＬＤ１には、時間Ｔ3の長さを有する発光期間と、時間Ｔ4の長さを有する発光停止期間とが繰り返し現われる。反対に、発光素子ＬＤ２には、時間Ｔ3の長さを有する発光停止期間と、時間Ｔ4の長さを有する発光期間とが繰り返し現われる。
【０１０１】
また、図１３のステップＳ３０及びＳ４０の処理によって、生体情報測定装置１０は、発光素子ＬＤ１からレーザ光を連続して照射した状態のまま、複数の受光点９６で発光素子ＬＤ１の受光量を取得する。
【０１０２】
したがって、血流量を測定する際、図１５に示すように、発光素子ＬＤ１の単位時間あたりの点滅回数を増加し、発光素子ＬＤ１の各々の発光期間毎に１つ設けた受光点９６で発光素子ＬＤ１の受光量を取得することで、発光素子ＬＤ１の受光量のサンプリング周期を短くする場合に比べて、発光素子ＬＤ１の点滅に伴う発光素子ＬＤ１の応答性能の影響を受けにくくなる。すなわち、生体情報測定装置１０は、発光素子ＬＤ１の単位時間あたりの点滅回数を増加することで、発光素子ＬＤ１の受光量のサンプリング周期を短くする場合よりも、当該サンプリング周期を更に短くすることができる。
【０１０３】
なお、ここでレーザ光を連続して照射する状態とは、上記に示したように、例えば発光素子ＬＤ１の発光期間全域に亘って、発光素子ＬＤ１からレーザ光を照射する状態に限られない。例えば、発光素子ＬＤ１の受光量のサンプリング周期に合わせて発光素子ＬＤ１からレーザ光を照射し、且つ、各受光点９６における発光素子ＬＤ１のレーザ光の光量が、発光素子ＬＤ１のオンオフ制御に伴う発光素子ＬＤ１の応答性能に影響されない範囲で、発光素子ＬＤ１からのレーザ光の照射を一旦停止し、その後、レーザ光の照射を再開する状態も含まれる。
【０１０４】
また、生体情報測定装置１０の測定部２０は、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の受光量の各取得タイミングを表す受光点９６のうち、受光点９６Ｂで取得した発光素子ＬＤ２の受光量と、受光点９６Ｂを含む発光素子ＬＤ２の発光期間と時間軸に沿って隣接する発光素子ＬＤ１の発光期間中に取得した何れかの受光点９６における発光素子ＬＤ１の受光量を用いて、血中の酸素飽和度を測定する。なお、この場合には、受光点９６Ｂに隣接する、受光点９６Ａ又は受光点９６Ｃの何れか一方における発光素子ＬＤ１の受光量を、受光点９６Ｂにおける発光素子ＬＤ２の受光量と組み合わせることが好ましい。
【０１０５】
これは、血中の酸素飽和度を測定する場合、時間的にできるだけ隣接する発光素子ＬＤ１の受光量と発光素子ＬＤ２の受光量とを用いた方が、測定精度が高くなる傾向があるためである。
【０１０６】
また、図１３に示した生体情報測定プログラムのフローチャートでは、発光素子ＬＤ２の発光期間に発光素子ＬＤ２の受光量を１回取得する例を示したが、複数回取得するようにしてもよい。
【０１０７】
図１６は、発光素子ＬＤ２の発光期間に発光素子ＬＤ２の受光量を複数回取得する場合の取得タイミングを示すタイミングチャートの一例である。図１６に示す例では、領域９２で示される発光素子ＬＤ２の発光期間に、発光素子ＬＤ２の受光量を３回取得している。なお、発光素子ＬＤ２の受光量の取得回数は３回に限られず、２回以上であればよいことは言うまでもない。
【０１０８】
この場合、測定部２０は、領域９２で示される発光素子ＬＤ２の発光期間に取得した各受光点９６における受光量の平均値を、領域９２で示される発光素子ＬＤ２の発光期間における受光量とする。また、測定部２０は、発光素子ＬＤ２の発光期間に隣接する発光素子ＬＤ１の発光期間で取得した各受光点９６における受光量の平均値を、発光素子ＬＤ１の発光期間における受光量とする。そして、測定部２０は、発光素子ＬＤ１の発光期間における受光量と、発光素子ＬＤ２の発光期間における受光量と、を組み合わせて、血中の酸素飽和度を算出する。
【０１０９】
なお、発光素子ＬＤ１の発光期間における複数の受光点９６の選択方法に制限はないが、出来る限り、領域９２で示される発光素子ＬＤ２の発光期間における受光点９６と隣接する受光点９６を選択することが好ましい。例えば領域９２に含まれる受光点９６の数と同じ数の受光点９６を有する、領域９８又は領域９９に含まれる受光点９６を選択すればよい。これは、既に述べたように、血中の酸素飽和度を測定する場合、時間的にできるだけ隣接する発光素子ＬＤ１の受光量と発光素子ＬＤ２の受光量とを用いた方が、測定精度が高くなる傾向があるためである。
【０１１０】
また、血中の酸素飽和度の算出に用いる、発光素子ＬＤ１の発光期間における受光点９６の選択数にも制限はない。図１６に示す例では、領域９２で示される発光素子ＬＤ２の発光期間における受光点９６の数と同じ数の受光点９６を選択しているが、例えば図１７の領域９８Ａ又は領域９９Ａで示されるように、発光素子ＬＤ１の１つの発光期間に含まれる全ての受光点９６を選択してもよい。選択する発光素子ＬＤ１の受光点９６の数を増やすほど、発光素子ＬＤ１から受光したＩＲ光に含まれるビート信号の差周波Δω0が平均化されて、血中の酸素飽和度の算出に対して雑音成分となるビート信号の影響が低減される。
【０１１１】
このように本実施の形態に係る生体情報測定装置１０によれば、発光素子ＬＤ１からレーザ光を照射した状態のまま、複数の受光点９６で発光素子ＬＤ１の受光量を取得する。
【０１１２】
したがって、単位時間あたりの発光素子ＬＤ１の点滅回数を増加することで、生体８で反射した光の受光量のサンプリング周期を短くする場合に比べて、更に受光量のサンプリング周期を短くすることができるため、生体情報を精度よく測定することができる。
【０１１３】
また、生体情報測定装置１０は、ここで挙げた内容に限らず、他の生体情報の測定にも利用する事が出来る。
【０１１４】
なお、生体情報測定装置１０は、既に説明したように血流量の他、血流速度の測定にも適用される。また、図７に示したように、動脈４の脈動に応じて受光素子３で受光される受光量が変化するため、受光素子３での受光量の変化から、脈拍数が測定される。また、脈拍数の変化を時系列順に測定して得られる波形を２回微分することで、加速度脈波が測定される。加速度脈波は、血管年齢の推定又は動脈硬化の診断等に用いられる。
【０１１５】
また、生体情報測定装置１０は、ここで挙げた内容に限らず、他の生体情報の測定にも利用する事ができる。
【０１１６】
以上、実施の形態を用いて本発明について説明したが、本発明は実施の形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で実施の形態に多様な変更又は改良を加えることができ、当該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。例えば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で処理の順序を変更してもよい。
【０１１７】
また、実施の形態では、一例として制御部１２及び測定部２０における処理をソフトウエアで実現する形態について説明したが、図１３に示したフローチャートと同等の処理をハードウエアで処理させるようにしてもよい。この場合、制御部１２及び測定部２０における処理をソフトウエアで実現する場合に比べて、処理の高速化が図られる。
【０１１８】
また、実施の形態では、生体情報測定プログラムがＲＯＭ３２にインストールされている形態を説明したが、これに限定されるものではない。本発明に係る生体情報測定プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形態で提供することも可能である。例えば、本発明に係る生体情報測定プログラムは、ＣＤ(Compact Disc)−ＲＯＭ、ＤＶＤ(Digital Versatile)−ＲＯＭまたはＵＳＢ(Universal Serial Bus)メモリ等の可搬型記録媒体に記録された形態で提供することも可能である。また、本発明に係る生体情報測定プログラムは、フラッシュメモリ等の半導体メモリ等に記録された形態で提供することも可能である。
【符号の説明】
【０１１９】
１、２・・・発光素子（ＬＤ）
３・・・受光素子
４・・・動脈
５・・・静脈
６・・・毛細血管
７・・・血球細胞
８・・・生体
１０・・・生体情報測定装置
１２・・・制御部
１４・・・駆動回路
１６・・・増幅回路
１８・・・変換回路
２０・・・測定部
３０・・・ＣＰＵ
９６（９６Ａ、９６Ｂ、９６Ｃ）・・・受光点
【図１】
2017176264.tif 000003
【図２】
2017176264.tif 000004
【図３】
2017176264.tif 000005
【図４】
2017176264.tif 000006
【図５】
2017176264.tif 000007
【図６】
2017176264.tif 000008
【図７】
2017176264.tif 000009
【図８】
2017176264.tif 000010
【図９】
2017176264.tif 000011
【図１０】
2017176264.tif 000012
【図１１】
2017176264.tif 000013
【図１２】
2017176264.tif 000014
【図１３】
2017176264.tif 000015
【図１４】
2017176264.tif 000016
【図１５】
2017176264.tif 000017
【図１６】
2017176264.tif 000018
【図１７】
2017176264.tif 000019