(57)【要約】  生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）装置（１００）であって、皮膚特性に依存して可変な強度を有する光信号を放出する光源と、光信号の反射を検出して結合電流信号を供給するように動作可能な第１および第２の光検出器（１３０）と、生理学的変化を測定するために電流信号をＰＰＧ信号に変換するように動作可能な信号処理回路とを備える装置が開示される。【選択図】図１７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）装置であって、
皮膚特性に依存して可変な強度を有する光信号を放出するように動作可能な光源と、
光信号の反射を検出して合流した電流信号を供給するように動作可能な第１および第２の光検出器と、
生理学的変化を測定するために電流信号をＰＰＧ信号に変換するように動作可能な信号処理回路と
を備える、装置。
【請求項２】
前記光信号の強度が１９００ＭＣＤから３０００ＭＣＤの範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光源が、前記光信号を供給するために、１３ｍＡから２０ｍＡの範囲の駆動電流により駆動される請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記皮膚特性が肌の色である、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記光源に付随する低信号トランジスタをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記光源が、前記光信号を放出するのに、オン状態とオフ状態を交互に繰り返して動作可能である、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記信号処理回路が、前記ＰＰＧ信号を供給するために、前記電流信号に関係する電圧信号をフィルタリングするための０．６Ｈｚから８Ｈｚの通過帯域を提供するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記信号処理回路が、前記電流信号を前記電圧信号に変換するように動作可能なトランスインピーダンス増幅器を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記信号処理回路が、前記通過帯域を供給するように協働するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）を含む、請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
前記信号処理回路が、１００Ｈｚから２０００Ｈｚの範囲のカットオフ周波数を有する別のＬＰＦをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記信号処理回路が、前記ＨＰＦと前記ＬＰＦのうちの１つとの間に配置された電圧フォロワをさらに含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記信号処理回路が、前記ＨＰＦと、前記ＬＰＦのうちの１つとの間に配置された増幅器をさらに含む、請求項１０または１１に記載の装置。
【請求項１３】
生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）方法であって、
光源を用いて、皮膚特性に依存して可変な強度を有する光信号を放出する工程と、
第１および第２の光検出器を用いて、光信号の反射を検出して結合電流信号を供給する工程と、
信号処理回路を用いて、生理学的変化を測定するために電流信号をＰＰＧ信号に変換する工程と
を含む、方法。
【請求項１４】
フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）監視装置であって、
光ドライバと通信するためにＭＣＵポートからデジタルアナログコンバータ回路にコマンドを供給するように構成された第１の信号プロセッサと、
光信号を生成および放出するように構成された少なくとも１つの光源と、
少なくとも１つの光源から光を取り出すように構成された少なくとも２つの光検出器を有する光検出器ユニットであり前記少なくとも１つの光源が電流信号を示す光検出器ユニットと、
前記電流信号を電圧信号に変換するように構成された第２の信号プロセッサと、
光ドライバから少なくとも１つの光源に電流制御を提供するための低信号トランジスタとして構成された光ドライバを有する、少なくとも１つの光源と、
カットオフ周波数を提供するように構成された第３の信号プロセッサと
を備える装置。
【請求項１５】
前記第２の信号プロセッサと通信して電圧出力レベルを維持するように構成された少なくとも１つの電圧フォロワをさらに備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの電圧フォロワが、少なくとも１つのゲイン増幅器と通信し、前記少なくとも１つのゲイン増幅器が望ましいゲインまで増幅するために第３の信号プロセッサとさらに通信する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記望ましいゲインが７５または１６０である、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記カットオフ周波数が０．６Ｈｚから８．０Ｈｚの間である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記第３の信号プロセッサが帯域通過フィルタである、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記低信号トランジスタがＮＰＮである、請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの光源が緑色である、請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）監視方法であって、
光源ユニットにより光信号を生成する工程と、
少なくとも２つの光検出器により光信号を観察する工程であり光信号が電流信号の吸着を示す工程と、
前記電流信号を電圧信号に変換する工程であり、前記電圧信号のアナログ信号が、前記アナログ信号を増幅およびフィルタリングするように処理される工程と
を含む、方法。
【請求項２３】
少なくとも１つの電圧フォロワで前記電圧信号の電圧出力レベルを維持する工程をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの電圧フォロワが、少なくとも１つのゲイン増幅器と通信し、前記少なくとも１つのゲイン増幅器で望ましいゲインを増幅する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
トランスインピーダンス増幅器に基づいて前記電流信号を前記電圧信号に変換する工程をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）は、光を使用して、臓器の容積測定であるプレチスモグラムを取得することをいう。ＰＰＧは、組織の微小血管床の血液量変化を検出する単純で低コストの技術である。ＰＰＧは、実装が容易で低コストであるため、医療分野で広く使用される一方で、既知のＰＰＧ技術ではユーザーの肌の色調／色、ユーザーの動き、周囲の光、周囲の温度などの要因を効果的に処理できないため、このＰＰＧ技術を用いて得られた測定結果は、通常精度が低い。これらの要因を軽減するために、既存のハードウェアは、複雑な回路を含む複雑な設計を採用していることが知られている。
【０００３】
先行技術の少なくとも１つの欠点に対処する、生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）装置および方法を提供すること、および／または公衆に有用な選択肢を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００４】
一態様によれば、生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）装置であって、皮膚特性に依存して可変な強度を有する光信号を放出するように動作可能な光源と、光信号の反射を検出して合流した電流信号を供給するように動作可能な第１および第２の光検出器と、生理学的変化を測定するために電流信号をＰＰＧ信号に変換するように動作可能な信号処理回路とを備える装置が提供される。
【０００５】
記載の実施形態は、特に利点が大きい。光信号の強度の皮膚特性への依存性により、光信号を調整して、電力を節約したり、生成されるＰＰＧ信号の信号対雑音比を改善したりすることができる。さらに、単一の光源を使用することにより、小さなフォームファクタを実現できる。単一の光源を使用すると、複数の光源を必要とする既存のシステムと比較して、発光に起因する発熱と消費電力が少ない。さらに、望ましい光エミッタンスを損なうことなく、装置に小さな設置面積を実現できる。
【０００６】
光信号の強度は、１９００ＭＣＤから３０００ＭＣＤの範囲であり得る。好ましくは、光源は、１ｍＡから２０ｍＡの範囲の駆動電流により駆動され、光信号を供給する。皮膚特性は、肌の色（例えば、色素沈着またはタトゥーインクに依存する）であり得る。暗い肌の色の場合には、駆動電流を上げることで高い光強度を実現して、生成されるＰＰＧ信号の信号対雑音比を改善する。例えば、暗い肌の色の場合には、光源を提供するために駆動電流が１３ｍＡから２０ｍＡの範囲内で変化するように装置を構成されうる。明るい肌の色の場合には、電力を減らし、光に対して敏感な皮膚による、皮膚の損傷のリスクを減らすために、駆動電流を少なくすることにより小さな光強度が使用される。皮膚特性はまた、例えば、皮膚の深さおよび皮膚の質感であってもよい。皮膚の深さは、皮膚に対する毛の分布に関係している可能性がある。皮膚の質感は、年齢や性別に起因するエラスチンの変化に関係している可能性がある。ＰＰＧ技術の使用により、特定の光を特定の皮膚の深さに浸透させることができる。本技術には２つの変形がある。一方の変形（透過）では、関心のある身体部分（指など）を通り抜ける光が検出される。他方の変形（反射）では、関心のある身体部分（手首など）で反射した光が検出される。
【０００７】
装置は、光源に付随する低信号トランジスタをさらに備えてもよい。例えば、低信号トランジスタは、駆動電流を供給する駆動回路の一部を形成するか、または駆動回路に付随する。低信号トランジスタは、電流の高分解能を目的とする。
【０００８】
好ましくは、光源は、オン状態とオフ状態を交互に繰り返して光信号を放出するように動作可能である。オフ状態の光源は、ほとんどまたはまったく電力を消費しない。さらに、皮膚特性に応じた光強度の調整のために、上記のように、光源を駆動するための可変駆動電流が使用されてもよい。
【０００９】
信号処理回路は、ＰＰＧ信号を供給するために、電流信号に関係する電圧信号をフィルタリングするための０．６Ｈｚから８Ｈｚの通過帯域を供給するように構成されてもよい。この特定の通過帯域は、特にＰＰＧ状態に関係する情報を表す電流信号の一部に対応する。
【００１０】
好ましくは、信号処理回路は、不要な周波数成分をフィルタリングするための通過帯域を提供するように協働するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）を含む。信号処理回路は、カットオフ周波数が１００Ｈｚから２０００Ｈｚの範囲の別のＬＰＦをさらに含んでもよい。信号処理回路は、ＨＰＦと、ＬＰＦのうちの１つとの間に配置された電圧フォロワをさらに含んでもよい。信号処理回路は、ＨＰＦと、ＬＰＦのうちの１つとの間に配置された増幅器をさらに含んでもよい。
【００１１】
別の態様によれば、ＰＰＧ信号を供給するために、光検出器により供給される電流信号に関係する電圧信号をフィルタリングするための０．６Ｈｚから８Ｈｚの通過帯域を供給するように構成された信号処理回路が提供される。
【００１２】
別の態様によれば、生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）方法であって、光源を用いて、皮膚特性に依存して可変な強度を有する光信号を放出する工程と、第１および第２の光検出器を用いて、光信号の反射を検出して合流した電流信号を供給する工程と、信号処理回路を用いて、生理学的変化を測定するために電流信号をＰＰＧ信号に変換する工程とを含む方法が提供される。
【００１３】
別の態様によれば、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）監視装置であって、ＭＣＵポートからデジタルアナログコンバータ回路にコマンドを供給して光ドライバと通信するように構成された第１の信号プロセッサと、光信号を生成および放出するように構成された少なくとも１つの光源と、上記少なくとも１つの上記光源が電流信号を示しており、この少なくとも１つの光源から光を取り出すように構成された少なくとも２つの光検出器を有する光検出器ユニットと、電流信号を電圧信号に変換するように構成された第２の信号プロセッサと、光ドライバから少なくとも１つの光源に電流制御を提供するための低信号トランジスタとして構成された光ドライバを有する、少なくとも１つの光源と、カットオフ周波数を提供するように構成された第３の信号プロセッサとを備える監視装置が提供される。
【００１４】
本装置は、第２の信号プロセッサと通信して電圧出力レベルを維持するように構成された少なくとも１つの電圧フォロワを備えてもよい。
【００１５】
好ましくは、少なくとも１つの電圧フォロワは、少なくとも１つのゲイン増幅器と通信し、少なくとも１つのゲイン増幅器は、望ましいゲインまで増幅するために第３の信号プロセッサとさらに通信する。
【００１６】
望ましいゲインは７５または１５０であってもよい。
【００１７】
好ましくは、カットオフ周波数は０．６Ｈｚから８．０Ｈｚの間である。第３の信号プロセッサは帯域通過フィルタであってもよい。低信号トランジスタはＮＰＮであってもよい。少なくとも１つの光源は緑色であってもよい。
【００１８】
別の態様によれば、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）監視方法であって、光源ユニットにより光信号を生成する工程と、少なくとも２つの光検出器により光信号を観察する工程であり光信号が電流信号の吸着を示す工程と、電流信号を電圧信号に変換する工程であり前記電圧信号のアナログ信号が前記アナログ信号を増幅およびフィルタリングするように処理される工程とを含む方法が提供される。
【００１９】
本方法は、少なくとも１つの電圧フォロワで電圧信号の電圧出力レベルを維持する工程をさらに含んでもよい。好ましくは、少なくとも１つの電圧フォロワは、少なくとも１つのゲイン増幅器と通信し、少なくとも１つのゲイン増幅器で望ましいゲインを増幅する。
【００２０】
さらに、トランスインピーダンス増幅器に基づいて電流信号を電圧信号に変換する工程を含む。
【００２１】
一態様に関係する特徴は、他の態様にも適用可能であり得ることが想定される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
以下、添付の図面を参照して実施例を説明するが、同様の部分は同様の参照番号で示される。
【図１】本発明の一実施形態による、生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）装置のシステムブロック図である。
【図２】図１の装置のいくつかのコンポーネント間の信号通信のフローチャートである。
【図３】本発明の別の実施形態による、生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）装置のシステムブロック図である。
【図４】図３の装置のコンポーネント間の信号通信のフローチャートである。
【図５】図１の装置の光源に付随する駆動回路の回路図である。
【図６】図１の装置の一対の光検出器の回路図である。
【図７】図１の装置の光検出器に付随するトランスインピーダンス増幅器の回路図である。
【図８】ローパスフィルタおよび付随する電圧フォロワを含む図１の装置の一部を示す回路図である。
【図９】ローパスフィルタおよび電圧フォロワのない図１の装置の変形例の回路図である。
【図１０】サンプルホールドスイッチを含む図３の装置の一部の回路図である。
【図１１（ａ）】直流信号の振幅対時間の折れ線グラフを示す図である。
【図１１（ｂ）】直流信号の振幅対時間の折れ線グラフを示す図である。
【図１１（ｃ）】直流信号の振幅対時間の折れ線グラフを示す図である。
【図１２（ａ）】交流信号の振幅対時間の折れ線グラフを示す図である。
【図１２（ｂ）】交流信号の振幅対時間の折れ線グラフを示す図である。
【図１２（ｃ）】交流信号の振幅対時間の折れ線グラフを示す図である。
【図１３】異なる被験者に対して図１の装置と従来の装置を用いて得られたＳＮＲ測定値を示す図である。
【図１４】図１の装置の信号処理回路について得られた過渡応答の測定値を示す図である。
【図１５（ａ）】図１の装置のＬＰＦなしのＰＰＧ信号の時間領域測定値を示す図である。
【図１５（ｂ）】図１の装置のＬＰＦありのＰＰＧ信号の時間領域測定値を示す図である。
【図１６（ａ）】ＬＰＦなしの図１５のＰＰＧ信号の周波数領域（ＦＦＴ）測定値を示す図である。
【図１６（ｂ）】ＬＰＦありの図１５のＰＰＧ信号の周波数領域（ＦＦＴ）測定値を示す図である。
【図１７】図１の装置のいくつかのコンポーネント間の信号通信の別のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態による、生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）装置１００のシステムブロック図を示す。装置１００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１１０、アナログスイッチ１２０、複数の光検出器１３０、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１４０、第１のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５０、電圧フォロワ１６０、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１７０、増幅器１８０、および第２のＬＰＦ１９０を含む。図２は、コンポーネント１１０から１９０のいくつかの間の信号通信の例示的なフローを示す。図１７は、コンポーネント１１０−１９０のうちのいくつかの間の信号通信のフローの、別の例を示す。この実施形態では、装置１００は、ユーザーの手首部分に装着可能である。コンポーネント１４０−１９０は、部分的または全体的に信号処理回路を形成する。
【００２４】
装置１００は、装着可能なデバイス（例えば、手首に装着される）または装着できないデバイスなどの任意の適切な形態をとることができる。あるいは、装置１００はまた、スマートフォンデバイスなどの任意の適切なデバイス内に実装されるか、その一部を形成してもよい。装置１００は、本発明の一実施形態による生理学的変化を測定する方法を実行するように構成される。
【００２５】
図５を参照すると、光源として機能するＬＥＤ１１０は、駆動回路１１１（図５の回路図を参照）により供給される駆動電流により駆動され、デジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）１１３（図１７も参照）を介してメイン通信ユニット（ＭＣＵ、図示せず）により供給される制御信号（「ＭＣＵ制御信号」）に従って光信号を放出する。放出された光信号は、５０５ｎｍから５３５ｎｍ、より具体的には５１５ｎｍから５２５ｎｍの波長を有する。
【００２６】
ＬＥＤ１１０により放出された光信号は、手首部分の皮膚特性に依存して可変な強度を有する。この実施形態では、皮膚特性は、例えば肌の色素沈着またはタトゥーインクに依存する肌の色である。駆動電流の範囲は１ｍＡから２０ｍＡの範囲であり、光信号は、それに応じて１９００ＭＣＤから３０００ＭＣＤの範囲の強度を有する。装置１００は、可変な強度及びそれゆえ駆動電流が皮膚特性に依存するように、構成される。この実施形態では、肌の色が暗いほど、駆動電流が高くなる。暗い肌の色の場合には、駆動電流は１３ｍＡから２０ｍＡの範囲内で変化する。この構成は、肌の色が暗いほど、放出された光信号の大部分が皮膚により吸収される（放出された光信号の小部分が検出のために反射されることを意味する）ため有用である。駆動電流を上げることにより、光信号の強度を上げて、結果として満足できる信号対雑音比（ＳＮＲ）を有するＰＰＧ信号を実現できる。あるいは、肌の色が明るいほど、放出された光信号の小部分が吸収される（放出された光信号の大部分が反射されることを意味する）。これにより、小さな駆動電流を使用して、結果として満足できるＳＮＲを有するＰＰＧ信号を実現でき、消費電力を削減できる。
【００２７】
ＬＥＤ１１０は、ＭＣＵにより供給される制御信号に従ってオン状態とオフ状態を交互に繰り返す。オン状態では、ＬＥＤ１１０は、上記のように可変な強度の光信号を放出する。オフ状態では、ＬＥＤ１１０は発光しない。ＬＥＤ１１０に付随する低信号トランジスタ１１２は、図５では円でマークされて示される。この実施形態では、低信号トランジスタ１１２は、駆動回路１１１が、放出された光信号の強度の制御に加え、ＬＥＤのオン状態とオフ状態との切り替えをさらに制御するように、駆動回路１１１の一部を形成する。一つの構成例では、オン状態とオフ状態は、それぞれ１ミリ秒と１１ミリ秒の持続時間を有する。低信号トランジスタは、光信号の広い分解能範囲を実現するために使用される。上記のように、分解能範囲は、低信号トランジスタでは、通常１９００ＭＣＤから３０００ＭＣＤの範囲内に収まる。このような構成では、光信号は、それに応じて２つの状態の方形波で表現できる２つの強度状態を交互に繰り返す。他の実施形態では、ＬＥＤ１１０は、異なる強度レベルの２つのオン状態を交互に繰り返すように制御されてもよい。
【００２８】
図５に示す低信号トランジスタ１１２に関して、駆動電流は、「ＩLED」でマークされ、ＤＡＣ１１３からの「Ｉb」でマークされたベース電流により制御される。低信号トランジスタの直流ゲイン「ｈFE」は、ＩLED＝ｈFE×Ｉbの関係を満たす。ベース電流は、「Ｒ7」でマークされた抵抗器を流れ、（「Ｕ３」でマークされた）ＤＡＣの（「ＶDAC」でマークされた）電圧により制御され、ＭＣＵ制御信号に依存する。ベースとエミッタ間の電圧差が０．７の場合、ベース電流は、
関係：
【数１】
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を満たす。
【００２９】
したがって、駆動電流は、低信号トランジスタのベース電流により制御され、ベース電流と直流ゲイン値の積（通常１００から２５０の範囲）になる。
【００３０】
複数のＬＥＤの実施形態では、いつでも複数のＬＥＤをアクティブにする必要がある場合、または光信号の強度を上げる必要がある場合、付随する抵抗器（固定抵抗器など）の抵抗を３．３オーム（Ω）から１オーム（Ω）へ低下させることで駆動信号の電圧を３．３Ｖから３．５Ｖに上げることができ、その結果駆動電流が１３ｍＡから２０ｍＡに変化する。
【００３１】
図８は、光検出器１３０、ＴＩＡ１４０、第１のＬＰＦ１５０、および電圧フォロワ１６０の回路図を示す。この実施形態では、光検出器１３０は、図６から図９に示す第１および第２の光検出器１３０ａ、１３０ｂを含む。光検出器１３０は、光信号の反射（すなわち反射部分）を検出して電流信号を供給するように動作可能である。装置１００が手首部分に装着されると、ＬＥＤ１１０は手首部分に向けて光信号を放出し、光検出器１３０ａ、１３０ｂは手首部分からの光信号の反射を検出する。
【００３２】
信号処理回路は、電流信号を処理してＰＰＧ信号とするように動作可能である。より具体的には、信号処理回路は、ＰＰＧ信号を提供するために、電流信号に関係する電圧信号をフィルタリングするための０．６Ｈｚから８Ｈｚの通過帯域を提供するように構成される。
【００３３】
この実施形態では、ＴＩＡ１４０は、光検出器１３０ａ、１３０ｂに付随して検出器サブ回路１４０Ａを形成し、光検出器１３０ａ、１３０ｂにより供給される電流信号を電圧信号に変換するように動作可能である。図７は、光検出器１３０ａ、１３０ｂに付随するＴＩＡ１４０の回路図を示す。
【００３４】
第１のＬＰＦ１５０は、第１のフィルタリングされた信号を出力するために、通常１００Ｈｚ（６０００ｂｐｍ）から２０００Ｈｚ（１２０，０００ｂｐｍ）の範囲の所定のカットオフ周波数を超える電圧信号の周波数成分をフィルタリング（例えば、除去または抑制）するように動作可能である。この実施形態では、第１のＬＰＦ１５０のカットオフ周波数は２０００Ｈｚである。第１のＬＰＦ１５０は、トグル信号（８０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲）に付随する情報を保持する高周波ノイズを、信号増幅の前にフィルタリングするために使用される。換言すれば、８Ｈｚのカットオフ周波数を有するＬＰＦが第１のＬＰＦ１５０の代わりに使用された場合、信号処理回路はトグル信号に応答できないであろう。信号が増幅されると、適切なＰＰＧ信号振幅を得ることができる。最終的には、生成されるＰＰＧ信号のＳＮＲを改善するために、周波数が８Ｈｚを超えるノイズ成分を除去するために、８ＨｚのＬＰＦ（下記）を使用することができる。
【００３５】
図８の回路図に示す電圧フォロワ１６０は、第１のＬＰＦ１５０により供給される第１のフィルタリングされた信号を受信し、第１の中間信号を供給するように動作可能である。電圧フォロワ１６０は、その電圧出力（すなわち、第１の中間信号）がその入力電圧（すなわち、第１のフィルタリングされた信号）に追従することを保証するように構成される。これは、本実施形態では、電圧フォロワ１６０をＴＩＡ１４０と通信させることで実現される。電圧フォロワ１６０は、非反転ユニティ演算増幅器を含む。図９に示すように、いくつかの実施形態では、第１のＬＰＦ１５０および電圧フォロワ１６０は必要でない場合がある。第１のＬＰＦ１５０および電圧フォロワ１６０は、アクティブＬＰＦ１５０Ａを提供するために協働する（例えば、図２を参照）。
【００３６】
ＨＰＦ１７０（例えば、１次アクティブハイパスフィルタ）は、第２のフィルタリングされた信号を供給するために、通常０．６Ｈｚ（３６ｂｐｍ）から０．８Ｈｚ（４８ｂｐｍ）の範囲の所定のカットオフ周波数以下の第１の中間信号の周波数成分をフィルタリングするように動作可能である。この実施形態では、ＨＰＦ１７０のカットオフ周波数は０．６Ｈｚである。
【００３７】
次に、増幅器１８０は、第２の中間信号を供給するために、７５および１５０から選択されたゲイン値で第２のフィルタリングされた信号を増幅するように動作可能である。ゲイン値は、他の実施形態では他の値でもよい。
【００３８】
第２のＬＰＦ１９０（例えば、パッシブローパスフィルタ）は、第３のフィルタリングされた信号を供給するために、通常７．５Ｈｚ（４５０ｂｐｍ）から８Ｈｚ（４８０ｂｐｍ）の範囲の所定のカットオフ周波数以下の第２の中間信号の周波数成分をフィルタリングするように動作可能である。この実施形態では、第２のＬＰＦ１９０のカットオフ周波数は８Ｈｚである。第３のフィルタリングされた信号は、ＰＰＧ信号として機能する。ＨＰＦ１７０およびＬＰＦ１９０は協働して通過帯域を供給する。
【００３９】
図３は、本発明の別の実施形態による生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ装置１００’のシステムブロック図を示す。図１０を参照すると、装置１００’は、サンプルホールドスイッチ１６５および別の電圧フォロワ１６６をさらに含むという点で、図１の装置１００とは異なる。サンプルホールドスイッチ１６５は、ＬＥＤ１１０のトグル動作中のＬＥＤ１１０の電圧変動を低減するための電圧フォロワ１６６に先行する。電圧フォロワ１６６は、サンプルホールドスイッチ１６５の一部を形成すると考えられてもよい。サンプルホールドスイッチ１６５は、実装に応じて、アナログスイッチ１２０とともに、またはアナログスイッチ１２０の代わりに実装されてもよい。「Ａｎａｌｏｇ＿Ｉｎｐｕｔ」とマークされた図８の回路の出力は、図１０の回路により受信される。図４は、装置１００’のコンポーネント１１０から１９０間の信号通信の例示的なフローを示す。
【００４０】
装置１００、１００’は、他の電圧フォロワを含むか、電圧フォロワ１６０、１６６の一部または全部を省略してもよいことに留意されたい。例えば、サンプルホールドスイッチ１６５のない実施形態では、電圧フォロワ１６６は省略してもよい。熟練した読者は、少なくとも１つの電圧フォロワが、どんな増幅効果を有さず電圧を維持するための任意の適切な方法で、装置１００、１００’により使用され得ることを理解するであろう。上記のように、装置１００、１００’は電圧フォロワを持たない場合がある。
【００４１】
図１１（ａ）から１１（ｃ）は、それぞれの期間中での、直流信号の振幅対時間の折れ線グラフを示す。図１２（ａ）から１２（ｃ）は、それぞれの期間中の交流信号の振幅対時間の折れ線グラフを示す。図１３は、３人の被験者に対して、光検出器１３０を用いて実現される信号対雑音比（ＳＮＲ）を、単一の光検出器を有する従来の構成を用いて実現されるＳＮＲと比較して示す。２つの光検出器１３０ａ、１３０ｂを使用すると、ＳＮＲが大幅に改善されることになることが理解できる。
【００４２】
図１４は、カットオフ周波数をそれぞれ０．３Ｈｚ、０．５Ｈｚ、０．７Ｈｚに設定したＨＰＦ１７０について得られた過渡応答の測定値を示す。カットオフ周波数を０．７Ｈｚに設定すると、直流および他の低周波数成分を迅速に除去できるため、信号処理回路（過渡）の応答特性がより速くなることがわかる。
【００４３】
図１５（ａ）および１５（ｂ）は、それぞれ第２のＬＰＦ１９０なしおよび第２のＬＰＦ１９０ありのＰＰＧ信号の時間領域測定値を示す。図１６（ａ）および１６（ｂ）は、それぞれ第２のＬＰＦ１９０なしおよび第２のＬＰＦ１９０ありのＰＰＧ信号の周波数領域（ＦＦＴ）測定値を示す。当業者は、ノイズ成分とみなされ得る８Ｈｚより高く０．６Ｈｚより低い周波数成分が、第２のＬＰＦ１９０により効果的に除去または抑制されることを理解するであろう。８Ｈｚを超える除去対象の周波数成分は図１６（ａ）で長方形のボックスでマークされる。ノイズ成分が除去されると、生成されるＰＰＧ信号には、１つ以上の技術的問題に対処するのに特に関係が深い周波数成分のみが含まれる。
【００４４】
他の代替構成を以下に説明する。
【００４５】
フィルタ１５０、１７０、１９０は、０．６Ｈｚから８Ｈｚの通過帯域を供給するように構成された適切なフィルタリング回路に置き換えることができる。フィルタ回路には、非反転および反転演算増幅器が含まれる場合がある。
【００４６】
本明細書で使用される「提供する、供給する」という用語およびその派生語は、「生成する」およびその派生語を意味する場合がある。
【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（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１１（ｃ）】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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【図１２（ｃ）】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５（ａ）】
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【図１５（ｂ）】
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【図１６（ａ）】
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【図１６（ｂ）】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年5月24日(2019.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
別の態様によれば、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）監視方法であって、光源ユニットにより光信号を生成する工程と、少なくとも２つの光検出器により光信号を観察する工程であり光信号が電流信号の吸収を示す工程と、電流信号を電圧信号に変換する工程であり電圧信号のアナログ信号が処理されてアナログ信号を増幅およびフィルタリングする工程とを含む方法が提供される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）装置であって、
ユーザーの皮膚の皮膚特性に依存する可変の強度を有する光信号をユーザーの皮膚に向けて放出するように動作可能な光源と、
ユーザーの皮膚からの光信号の反射を検出して合流した電流信号を供給するように動作可能な第１および第２の光検出器と、
生理学的変化を測定するために電流信号をＰＰＧ信号に変換するように動作可能な信号処理回路と
を備える、装置。
【請求項２】
前記光信号の強度が１９００ＭＣＤから３０００ＭＣＤの範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光源が、前記光信号を供給するために、１３ｍＡから２０ｍＡの範囲の駆動電流により駆動される請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記皮膚特性が肌の色である、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記光源に付随する低信号トランジスタをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記光源が、オン状態とオフ状態を交互に繰り返して前記光信号を放出するように動作可能である、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記信号処理回路が、前記ＰＰＧ信号を供給するために、前記電流信号に関係する電圧信号をフィルタリングするための０．６Ｈｚから８Ｈｚの通過帯域を供給するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記信号処理回路が、前記電流信号を前記電圧信号に変換するように動作可能なトランスインピーダンス増幅器を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記信号処理回路が、前記通過帯域を供給するように協働するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）を含む、請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
前記信号処理回路が、１００Ｈｚから２０００Ｈｚの範囲のカットオフ周波数を有する別のＬＰＦをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記信号処理回路が、前記ＨＰＦと前記ＬＰＦのうちの１つとの間に配置された電圧フォロワをさらに含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記信号処理回路が、前記ＨＰＦと、前記ＬＰＦのうちの１つとの間に配置された増幅器をさらに含む、請求項１０または１１に記載の装置。
【請求項１３】
生理学的変化を測定するためのフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）方法であって、
光源を用いて、ユーザーの皮膚の皮膚特性に依存する可変な強度を有する光信号をユーザーの皮膚に向けて放出する工程と、
第１および第２の光検出器を用いて、ユーザーの皮膚からの光信号の反射を検出して合流した電流信号を供給する工程と、
信号処理回路を用いて、生理学的変化を測定するために電流信号をＰＰＧ信号に変換する工程と
を含む、方法。
【請求項１４】
フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）監視装置であって、
光ドライバと通信するためにＭＣＵポートからデジタルアナログコンバータにコマンドを供給して構成された第１の信号プロセッサと、
光信号をユーザーの皮膚に向けて生成および放出するように構成された少なくとも１つの光源と、
ユーザーの皮膚からの光信号の反射を検出して合流した電流信号を供給するように構成された少なくとも２つの光検出器を有する光検出器ユニットと、
前記合流した電流信号を電圧信号に変換するように構成された第２の信号プロセッサと、
前記光ドライバを有する光源であって、この光ドライバが低信号トランジスタ、およびこの光ドライバから少なくとも１つの光源に電流制御を提供するためのデジタルアナログコンバータを備えている、少なくとも１つの光源と、
カットオフ周波数を供給するように構成された第３の信号プロセッサと
を備える装置。
【請求項１５】
前記第２の信号プロセッサと通信して電圧出力レベルを維持するように構成された少なくとも１つの電圧フォロワをさらに備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの電圧フォロワが、少なくとも１つのゲイン増幅器と通信し、前記少なくとも１つのゲイン増幅器が、望ましいゲインまで増幅するために第３の信号プロセッサとさらに通信する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記望ましいゲインが７５または１６０である、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記カットオフ周波数が０．６Ｈｚから８．０Ｈｚの間である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記第３の信号プロセッサが帯域通過フィルタである、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記低信号トランジスタがＮＰＮである、請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの光源が緑色である、請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）監視方法であって、
光源ユニットによりユーザーの皮膚に向けて光信号を生成する工程と、
少なくとも２つの光検出器によりユーザーの皮膚からの光信号の反射を検出して合流した電流信号を供給する工程と、
前記電流信号を電圧信号に変換する工程であり、前記電圧信号のアナログ信号が、前記アナログ信号を増幅およびフィルタリングするように処理される工程と
を含む、方法。
【請求項２３】
少なくとも１つの電圧フォロワで前記電圧信号の電圧出力レベルを維持する工程をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの電圧フォロワが、少なくとも１つのゲイン増幅器と通信し、前記少なくとも１つのゲイン増幅器で望ましいゲインを増幅する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
トランスインピーダンス増幅器に基づいて前記電流信号を前記電圧信号に変換する工程をさらに含む、請求項２２に記載の方法。                                                                              
【国際調査報告】
2020528787.tif 000027
2020528787.tif 000028
2020528787.tif 000029