JP2007068771A - 生体情報測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の接続端子を必要としていた生体情報測定装置では、人体に接する接続端子に腐食や汚れが発生したり、防水構造が充分ではなかった。
【解決手段】装置本体１０に設ける第１のコイル２５とバックル３０に設ける第２のコイル３１とは腕等の生体６０を挟み込むように対向して付勢した状態において、比較手段にて第２のコイル３１から発せられた電磁波と生体６０を通過して第１のコイル２５にて受信した電磁波とを比較する。この結果に基づいて、生体６０が発する心拍による皮膚や筋肉や血管の振動や痙攣に応じた信号から固有情報生成手段にて生体の固有情報、例えば心拍数を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、脈拍数等の生体情報を測定することができる測定装置に関し、特に電磁的に測定する生体情報測定装置に関する。

生体の脈拍数等の情報を得るため、発光体からの光を生体に照射し、生体からの反射光をフォトセンサで受光することにより、脈拍に対応する反射光の変動を計測する技術が知られている。この技術においては、発光体やフォトセンサ、またはそのフォトセンサの出力した電気信号を変換および増幅する回路を接地させている。この接地は、生体にアース用端子を接触させることにより行っている。

このように、接地されるべき箇所と生体との間の浮遊静電容量は低く、かつ安定しているのが望ましい。しかし、従来は、測定の間、 常にアース用端子を生体に密着させることが難しかったため、浮遊静電容量が高くなったり、変動したりすることがあった。特に、筋肉が発達している部位に対して測定を行う場合に、生体が運動している時には、アース用端子と生体とが離れてしまうことがあった。また、特に、皮膚表面の層が厚いなどの理由により、生体からの反射光の変動が小さい場合には、フォトセンサの出力信号のレベルが小さいため、相対的に浮遊静電容量の影響が大きくなり、測定精度の低下をもたらしていた。

アース用端子を常に生体に密着させるには、これが付属している装置を生体に強い保持力で押し付けるという方法が知られており、カフ（腕帯）やバンドなどを用いる場合が多い。これらは、必然的に生体を圧迫する力が強くなり、生体が広い範囲にわたって高い圧迫感を感じ取るため、使用者が不快感を持つなどして長時間の使用が難しい。特に、皮膚表面 の凹凸が多い部位に対して測定を行う場合には、かなりの力で押圧しなければならない。

このような問題を解決するために多くの提案をみるものであるが、生体へ与える圧迫感をなるべく低くするとともに、測定精度を向上させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に示した従来技術の生体情報測定装置を図を用いて説明する。図４は特許文献１に示した従来技術を説明する図であって、説明しやすいようにその発明の主旨を逸脱しない範囲において書き直した断面図である。
特許文献１に示した従来技術は、腕時計型であって、各種の電気部品または電子部品を内蔵している。１０は装置本体、１２は装置本体１０に連結され人間の腕に巻回されて装置本体１０を腕に固定する１２時側バンド、１３は同じく６時側バンド、１４は裏蓋、１５は凸部、２３は回路基板、１００は脈波センサユニット、１０２は発光体、１０３は受光体、１４０と１４１とはアース用端子、１５２はスプリングである。
脈波センサユニット１００は反射型光学センサであって、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などからなる発光体１０２と生体情報検出手段であるフォトダイオードなどからなる受光体１０３とを有している。

装置本体１０には、脈波センサユニット１００が支持されている。脈波センサユニット１００は、裏蓋１４の上に配置された回路基板２３と、この回路基板２３の裏面に実装された発光体１０２と、受光体１０３とを有する。発光体１０２から発した光は、図４中の下方に向かって進み、装着者の手首を照射する。照射光は手首の組織や血管などによって
吸収され、吸収を免れた照射光が反射される。その反射光は、受光体１０３により受光され、受光体１０３は、受光の強度に応じた電気信号を発生する。

装置本体１０の裏蓋１４に形成された凸部１５には、アース用端子１４０と１４１とが取り付けられている。アース用端子１４０と１４１とは、導体製のスプリング１５２を介して、脈波センサユニット１００の回路基板２３の必要箇所に接続されている。装置を生体に装着すると、アース用端子１４０と１４１とは、スプリング１５２により常に生体に接触し、回路基板２３の必要箇所の接地が維持される。

特許文献１に示した従来技術では、装置本体１０の裏蓋１４に摺動可能なアース端子１４０と１４１とを形成する構造をとることにより、脈拍に対応する発射光の計測に際して、必要な構成要素の接地を行える。このような構成にすることによって、浮遊静電容量の影響が少なくて済み、測定精度が向上するという利点がある。

特開平１１−２３５３２０（第９頁、第３図）

しかしながら、特許文献１に示した従来技術では、装置本体１０の裏蓋１４にアース用端子１４０と１４１とを設けなければならない。このような構成では、アース用端子１４０と１４１との端子面は、常時外気や人体に触れているため、腐食や汚れが発生してしまい、所定の接地ができなくなってしまうという問題があった。
また、裏蓋１４に摺動可能な端子を設けることは、その部分から進入する水分や人体の油分を防止しきれないという根本的な課題もある。このため、耐環境性に優れた生体情報測定装置を提供することが難しいという問題もあった。

本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を解決するため、生体へ与える圧迫感がなく、耐環境性にも優れた生体情報測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の生体情報測定装置は下記に示す構造を採用する。

電磁波を用いて生体の固有情報を生成する生体情報測定装置であって、
電磁波を発信または受信する第１のコイルと、電磁波を受信または発信する第２のコイルと、
第１のコイルと第２のコイルとを対向するようにするとともに第１のコイルと第２のコイルとの間に生体の被検出部位を固定するための固定手段と、
第１のコイルまたは第２のコイルが受信する電磁波から固有情報を生成する情報生成手段と、
固有情報生成手段から得られる固有情報を報知する報知手段とを備え、
固有情報生成手段は、第１のコイルまたは第２のコイルが発信する発信電磁波が生体を通過する際に変化する生体情報重積電磁波を第１のコイルまたは第２のコイルが受信し、発信電磁波と生体情報重積電磁波とを用いて固有情報を生成することを特徴とする。

生体情報重積電磁波は、発信電磁波が生体の心拍による皮膚や筋肉や血管の振動や痙攣などの影響を受けて変化する電磁波であり、
発信電磁波と生体情報重積電磁波とを比較する比較手段を有し、
固有情報生成手段は、比較手段の比較結果に基づいて固有情報を生成することを特徴とする。

固定手段は、生体の被検出部位と第１のコイルまたは第２のコイルとが位置決めできるように所定の方向に生体を付勢する付勢手段を備えることを特徴とする。

固定手段は、生体の被検出部位と第１のコイルまたは第２のコイルとが位置決めできるように所定の方向に固定手段自体を変形させる変形機構を備えることを特徴とする。

本発明の生体情報測定装置は、電磁波を発信または受信する２つのコイルが生体の被検出部位を挟むように対向して施されることにより、一方のコイルが発信する電磁波によって生成される生体情報を含む生体情報重積電磁波を、他方のコイルが受信し、この生体情報重積電磁波から固有情報を算出する。

つまり、発信電磁波を生体に当てると、この発信電磁波が生体を通過するときに生体の心拍による皮膚や筋肉や血管の振動や痙攣などの生体情報の影響を受けて生体情報重積電磁波に変化し、この変化した生体情報重積電磁波と最初の発信電磁波とを比較することで、心拍数などの生体の固有情報を得ることができるのである。

本発明の生体情報測定装置は、コイルの発する電磁波を用いているので、被検出部位を含む生体との接地接続が必要ない。このため、アース端子等の生体情報測定装置と被検出部位とを短絡する接続端子が不要である。
したがって、接続端子の腐食や汚れ、生体情報測定装置としての機械的防水性の低下の問題を解決し、耐環境性に優れた生体情報測定装置の提供を実現することができる。

本発明の生体情報測定装置を図を用いて説明する。また、本発明の実施の形態では、生体の測定部位を手首とする腕時計型を例にして説明するが、本発明の主旨はその限りではなく、生体の測定部位を挟むようにできる構成であれば、上腕部計測型などとしてもよい。

[本発明の生体情報測定装置の構成説明：図１]
本発明の生体情報測定装置の構成を図を用いて説明する。図１は本発明の腕時計型の生体情報測定装置を模式的に示す断面図である。１０は装置本体であり、１１は装置本体１０を構成する風防ガラス、１２は装置本体１０に連結され人体に巻回されて装置本体１０を固定する１２時側バンド、１３は同じく６時側バンドである。１２時側バンド１２と６時側バンド１３とは固定手段であって、生体の被検出部位を固定する役割がある。１４は裏蓋、１５は生体（腕）側に張り出した凸部である。２３は回路基板である。

２０は装置本体１０内部に設置するモジュールである。２１は表示体であり、本発明の実施の形態では、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：液晶表示装置）を使用する。しかし表示体２１はＬＣＤに限るものではなく、ＬＥＤや指針を使って構成することも可能である。
表示体２１は、報知手段である。本発明の生体情報測定装置が測定した生体の固有情報、例えば、心拍数を文字やグラフ、アイコンなどで表示することができる。表示に係る処理は、後述する電子回路で行う。

２２ａはモジュール２０に搭載の電子回路を制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央演算処理装置）であり、２２ｂは記憶装置である。記憶装置２２ｂはＦＬＡＳＨメモリーなどのＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ：電気的書き換え可能な不揮発性記憶装置）である。
２２ｃは表示体２１のＬＣＤを駆動するための表示体駆動回路であり、２２ａ〜２２ｃは回路基板２３上に実装され、回路基板２３の配線パターンによってそれぞれが配線されている。

２４はモジュール２０の電源手段である電池であり、本発明の実施の形態では、リチウムイオン電池あるいは酸化銀電池等のボタン型電池を示しているが、もちろん、それに限定するものではない。

２５は第１のコイルであり、第１のコイル２５は、装置本体１０の平面と同方向にコイルの巻線を構成している。このとき第１のコイル２５は、それ自身の軸方向（この場合は、装置本体１０の法線方向）に電磁波を強く発信する。もちろん、このような構成は、軸方向から到達する電磁波をより効率良く受信する。
その際、第１のコイル２５の軸方向に金属等の電磁波を遮蔽する物質が存在すると、第１のコイル２５による電磁波の発信あるいは電磁波の受信の効率は著しく劣化することが広く知られている。そのため、第１のコイル２５の軸方向にある回路基板２３や裏蓋１４を構成する凸部１５では、少なくとも第１のコイル２５を投影するエリア（すなわち、第１のコイル２５と平面的に重なるエリア）において、金属等の電磁波を遮蔽する物質の使用は極力避けた方が望ましい。

３０は１２時側バンド１２と６時側バンド１３とを係合するバックルである。３１はバックル３０内に構成する第２のコイルであり、第１のコイル２５とは対向する位置に配置し、第１のコイル２５と同方向にそのコイル自身の軸方向を有する。
第１のコイル２５と第２のコイル３１とは、互いに電磁波を発信あるいは受信する。そのため先に述べたように、コイルの軸方向において金属等の電磁波を遮蔽する物質の存在は、効率の良いシステム構成のためには望ましくない。したがって、バックル３０にて少なくとも第２のコイル３１を投影するエリアにおいて、金属等の電磁波を遮蔽する物質の使用は極力避けた方が望ましい。

第１のコイル２５は、装置本体１０内部の生体（腕）に近い部分に配置し、第１のコイル２５の軸方向は装置本体１０と法線と同方向であるため、裏蓋１４が接する生体（腕）の表面に対しても、ほぼ法線方向であるということができる。これは装置本体１０が腕時計型の形状を有する性質上、バンドによって腕を含む生体に回巻する構造であるために成り立つものである。
また、第２のコイル３１は、バックル３０内に配置し、第２のコイル３１の軸方向は、バックル３０と法線方向、即ち、ほぼ装置本体１０の法線方向と一致するために、第１のコイル２５と第２のコイル３１とが対向するように配置することを実現するものである。
この場合、バックル３０と機械的に接続する１２時側バンド１２と６時側バンド１３とが生体（腕）に巻きつくように付勢する。つまり、これらのバンドは、第１のコイル２５または第２のコイル３１が位置決めできるように所定の方向に生体を付勢する付勢手段の役割を有するのである。

第１のコイル２５は、モジュール２０内にある第１のコイル用切り替え回路（図示せず）を介して第１のコイル用発信回路（図示せず）と第１のコイル用受信回路（図示せず）とに接続している。
また、第２のコイル３１は、図示してはいないが１２時側バンドあるいは６時側バンドの少なくともどちらか一方の内部あるいは表面に沿って構成する配線によって、モジュール２０と接続している。第２のコイル３１は、モジュール２０内にある第２のコイル用切り替え回路（図示せず）を介して第２のコイル用発信回路（図示せず）と第２のコイル用受信回路（図示せず）とに接続している。

第１のコイル２５と第２のコイル３１とは、どちらかが発信状態の場合は、必ず他方が受信状態になるように、ＣＰＵ２２ａは第１のコイル用切り替え回路と第２のコイル切り替え回路を制御する。

[本発明のバックル部に設けるバンド長調整機構の構成説明：図２]
図２は本発明の生体情報測定装置のバックル３０に設けるバンド長調整機構の構成を説明する断面図である。３２は１２時側バンド１２と接続する１２時側バンド接続金具であり、１２時側バンド１２の長手方向に長さ調整が可能である。３４は６時側バンド１３と接続する６時側バンド接続金具であり、６時側バンド１３の長手方向に長さ調整が可能である。１６は６時側バンド１３内部に設けるコイル導体であり、図示していないが第２のコイル３１の端子数に合せて設け、モジュール２０内部に設ける第２のコイル用切り替え回路を介して第２のコイル用発信回路と第２のコイル用受信回路とに接続している。
３３は１２時側バンド接続金具フック、３５は６時側バンド接続金具フック、３６は支点、３７はコイル導通端子である。

第２のコイル３１もまた、６時側バンド接続金具３４と連動して６時側バンド１３の長手方向に長さ調整が可能である。コイル導通端子３７は、第２のコイル３１の端子とコイル導体１６とを導通する端子であり、第２のコイル３１およびコイル導体１６方向にそれぞれ付勢していて、第２のコイル３１とコイル導体１６とを電気的接続しているとともに、第２のコイル３１と６時側バンド１３との機械的な保持構造も兼ねている。

支点３６は、６時側バンド接続金具３４が回動するときの支点であり、図示していないが同軸にパイプが施され６時側バンド１３と接続している。この支点３６を中心として６時側バンド接続金具３４は回転して、１２時側バンド接続金具３２の端部に設けた１２時側バンド接続金具フック３３と、６時側バンド接続金具３４の端部に設けた６時側バンド接続金具フック３５とが勘合してバックル３０の勘合を確実にする。
本発明の実施の形態では、６時側バンドにコイル導体機構を設ける例を説明したが、これに限定するものではない。１２時側バンドに設けてもよいのである。もちろん、６時側バンドと１２時側バンドとの両方に設けてもよい。

本発明において、第２のコイル３１を設けるバックル３０がバンドの長手方向に長さ調整できる機構は、すなわち変形機構であって、バンドの長さ調整によるバンド全体の形状の変形により、第１のコイル２５と第２のコイル３１とが常に生体（腕）に付勢し、かつ第１のコイル２５と第２のコイル３１とが対向する位置に位置決めされるのである。特に、それぞれのコイルの軸が近いほど良好な測定を実現することができるため、このような構成は、測定精度の向上に有効である。

[本発明の生体情報測定装置のシステムの説明：図３]
図３は本発明の生体情報測定装置のシステムを説明するためのブロック図である。各構成要素の電気的な繋がりを模式的に示すものである。
６０は人体の腕等を示す生体である。４３は第１のコイル用発信回路であり、４４は第１のコイル用受信回路である。４１は第１のコイル２５が第１のコイル用発信回路４３あるいは第１のコイル用受信回路４４のどちらかに接続するようにＣＰＵ２２ａによって制御されている第１のコイル用切り替え回路である。
４５は第２のコイル用発信回路であり、４６は第２のコイル用受信回路である。４２は第２のコイル３１が第２のコイル用発信回路４５あるいは第２のコイル用受信回路４６のどちらかに接続するようにＣＰＵ２２ａによって制御されている第２のコイル用切り替え回路である。

４７は第１の比較手段、４８は第２の比較手段である。第１の比較手段４７と第２の比
較手段４８とは電子回路である。
比較手段は、第１のコイル２５または第２のコイル３１から発信する発信電磁波が生体内で生体情報重積電磁波に変化し、これら２つの電磁波を比較するものである。詳細な説明は後述する。

第１のコイル用受信回路４４では、第２のコイル用発信回路４５から発せられた発信電磁波が生体６０を通過する際に生体６０の心拍による皮膚や筋肉や血管の振動や痙攣などに応じた信号が重積した生体情報重積電磁波を受信する。
同様に第２のコイル用受信回路４６では、第１のコイル用発信回路４３から発せられた発信電磁波が生体６０を通過する際に生体６０の心拍による皮膚や筋肉や血管の振動や痙攣などに応じた信号が重積した生体情報重積電磁波を受信する。

第１の比較手段４７は、第２のコイル用発信回路４５から第２のコイル３１を介して発せられる発信電磁波あるいは同等の出力と、第１のコイル２５を介して第１のコイル用受信回路４４にて受信した生体６０の心拍による皮膚や筋肉や血管の振動や痙攣に応じた信号が重積した生体情報重積電磁波あるいは同等の出力とを比較する。
このように、発した電磁波と人体を通過して血管の振動などの影響を受けた電磁波とを比較することによって、人体で発する血管の振動などの様子を知り得るのである。
第１の比較手段４７の比較結果に基づいて、ＣＰＵ２２ａ内に設ける固有情報生成手段にて生体の固有情報を生成する。固有情報とは、例えば、心拍数である。

同様に、第２の比較手段４８は、第１のコイル用発信回路４３から第１のコイル２５を介して発せられる発信電磁波あるいは同等の出力と、第２のコイル３１を介して第２のコイル用受信回路４６に受信した生体６０の心拍による皮膚や筋肉や血管の振動や痙攣に応じた信号が重積した生体情報重積電磁波あるいは同等の出力とを比較する。
第２の比較手段４８の比較結果に基づいて、ＣＰＵ２２ａ内に設ける固有情報生成手段にて生体の固有情報を生成する。

本発明の実施の形態では、２つのコイルによる発信と受信とを切り替えることによって同一の生体から生体情報を双方向の受発信によって測定し、それぞれの結果を基に測定精度を高めているが、システムとしては切り替え回路を有さずに、片方のコイルを発信専用、他方のコイルを受信専用とする構成でも成り立つ。
第１の比較手段４７および第２の比較手段４８からの複数の情報を基にして、より精度の高い生体の固有情報をＣＰＵ２２ａ内に設ける固有情報生成手段から生成し、この固有情報を基に、生体６０の持つ心拍数情報などを表示体駆動回路２２ｃへ出力して表示体２１にて表示する。

本発明の実施の形態では、固有情報生成手段はＣＰＵ２２ａ内に設ける例を用いたが、もちろんこれに限定するものではない。回路ブロックとして別途設けてもよいことは言うまでもない。

第１のコイル用受信回路４４や第２のコイル用受信回路４６での電磁波の受信は、電磁波そのものを受信するほか、第１のコイル２５または第２のコイル３１で消費する電流や電圧、またはそれらの変化を用いて電磁波としての値を知り得てもよい。このような技術は既に知られているものであるから、説明は省略する。

本発明の生体情報測定装置は、電磁波を利用して生体の心拍または筋肉や血管の痙攣に応じた信号を抽出することによって生体の心拍数などを測定し表示するものである。特に、腕時計型などの生体に密着させて用いる小型の測定装置に好適である。

本発明の生体情報測定装置を模式的に示す断面図である。 本発明の生体情報測定装置のバックル部分に設けるバンド長調整機構を説明する断面図である。 本発明の生体情報測定装置のシステムを説明するブロック図である。 従来技術の生体情報測定装置を説明する図である。

符号の説明

１０ 装置本体
１１ 風防ガラス
１２ １２時側バンド
１３ ６時側バンド
１４ 裏蓋
１５ 凸部
２０ モジュール
２１ 表示体
２２ａ ＣＰＵ
２２ｂ 記憶装置
２２ｃ 表示体駆動回路
２３ 回路基板
２４ 電池
２５ 第１のコイル
３０ バックル
３１ 第２のコイル
３２ １２時側バンド接続金具
３３ １２時側バンド接続金具フック
３４ ６時側バンド接続金具
３５ ６時側バンド接続金具フック
３６ 支点
３７ コイル導通端子
４１ 第１のコイル用切り替え回路
４２ 第２のコイル用切り替え回路
４３ 第１のコイル用発信回路
４４ 第１のコイル用受信回路
４５ 第２のコイル用発信回路
４６ 第２のコイル用受信回路
４７ 第１の比較手段
４８ 第２の比較手段

Claims (4)

1. 電磁波を用いて生体の固有情報を生成する生体情報測定装置であって、
   電磁波を発信または受信する第１のコイルと、
   電磁波を受信または発信する第２のコイルと、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルとを対向するようにするとともに前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に生体の被検出部位を固定するための固定手段と、
   前記第１のコイルまたは前記第２のコイルが受信する電磁波から前記固有情報を生成する固有情報生成手段と、
   前記固有情報生成手段から得られる固有情報を報知する報知手段とを備え、
   前記固有情報生成手段は、前記第１のコイルまたは前記第２のコイルが発信する発信電磁波が生体を通過する際に変化する生体情報重積電磁波を前記第１のコイルまたは前記第２のコイルが受信し、前記発信電磁波と前記生体情報重積電磁波とを用いて前記固有情報を生成することを特徴とする生体情報測定装置。
2. 前記生体情報重積電磁波は、前記発信電磁波が生体の心拍による皮膚や筋肉や血管の振動や痙攣などの影響を受けて変化する電磁波であり、
   前記発信電磁波と前記生体情報重積電磁波とを比較する比較手段を有し、
   前記固有情報生成手段は、前記比較手段の比較結果に基づいて固有情報を生成することを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
3. 前記固定手段は、生体の被検出部位と前記第１のコイルまたは前記第２のコイルとが位置決めできるように所定の方向に生体を付勢する付勢手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報測定装置。
4. 前記固定手段は、生体の被検出部位と前記第１のコイルまたは前記第２のコイルとが位置決めできるように所定の方向に前記固定手段自体を変形させる変形機構を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報測定装置。

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