JP2016007337A - 脈波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】屋外活動環境下でも正確な脈波計測（脈拍計測）を行うことのできる脈波センサを提供する。
【解決手段】脈波センサ１は、発光部１１Ａから生体に光を照射して生体からの反射光または透過光を受光部１１Ｂで検出することにより受光強度に応じた電流信号ＩＢを生成する光センサ部１１と、発光部１１Ａを所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部１７と、電流信号ＩＢを電圧信号Ｓａに変換する電流／電圧変換回路１２１（例えばトランスインピーダンスアンプ）と、電圧信号Ｓａ（バッファ１２２を介した電圧信号Ｓｂ）の上側包絡線と下側包絡線を各々抽出して差分することにより検波信号Ｓｃを生成する検波回路１２３と、を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、脈波センサに関する。

従来より、発光部から生体（被験者の腕や指など）に光を照射し、生体を透過した光の受光強度に基づいて被験者の脈波を検出する脈波センサ（いわゆる光電型の脈波センサ）が知られている。この種の脈波センサでは、受光強度が被験者の拍動に伴って変動するので、受光強度に応じた脈波信号の特徴（脈波信号の変動周期など）に基づいて、種々の脈波情報（被験者の脈拍数など）を取得することができる。

なお、上記に関連する背景技術の一例としては、特許文献１を挙げることができる。

特開平０５−１６１６１５号公報

しかしながら、日差しの厳しい屋外環境（快晴時の照度：約１０万ｌｘ）において、被験者の活動時における脈波計測（脈拍計測）を行う場合には、外乱光の影響を受けて測定信号が飽和してしまうという課題があった。

本発明は、本願の発明者により見出された上記の問題点に鑑み、屋外活動環境下でも正確な脈波計測（脈拍計測）を行うことのできる脈波センサを提供することを目的とする。

本明細書中に開示された脈波センサは、発光部から生体に光を照射して前記生体からの反射光または透過光を受光部で検出することにより受光強度に応じた電流信号を生成する光センサ部と、前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、前記電流信号を電圧信号に変換する電流／電圧変換回路と、前記電圧信号の上側包絡線と下側包絡線を各々抽出して差分することにより検波信号を生成する検波回路とを有する構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成る脈波センサにおいて、前記検波回路は、前記電圧信号の上側包絡線信号を抽出する上側包絡線検波部と、前記電圧信号の下側包絡線信号を抽出する下側包絡線検波部と、前記上側包絡線信号と前記下包絡線信号とを差分して前記検波信号を生成する差動増幅部と、を含む構成（第２の構成）にするとよい。

また、上記第２の構成から成る脈波センサにおいて、前記上側包絡線検波部は、アノードが前記電圧信号の入力端に接続されてカソードが前記上側包絡線信号の出力端に接続された第１ダイオードと、第１端が前記上側包絡線信号の出力端に接続されて第２端が基準電圧の印加端に接続された第１キャパシタと、を含む構成（第３の構成）にするとよい。

また、上記第２または第３の構成から成る脈波センサにおいて、前記下側包絡線検波部は、カソードが前記電圧信号の入力端に接続されてアノードが前記下側包絡線信号の出力端に接続された第２ダイオードと、第１端が前記下側包絡線信号の出力端に接続されて第２端が前記基準電圧の印加端に接続された第２キャパシタと、を含む構成（第４の構成）にするとよい。

また、上記第２〜第４いずれかの構成から成る脈波センサにおいて、前記検波回路は、前記上側包絡線信号及び前記下側包絡線信号の信号レベルをそれぞれ前記差動増幅部の入力レンジに整合させるレベルシフタ部をさらに含む構成（第５の構成）にするとよい。

また、上記第５の構成から成る脈波センサにおいて、前記レベルシフタ部は、ハイパスフィルタである構成（第６の構成）にするとよい。

また、上記第１〜第６いずれかの構成から成る脈波センサにおいて、前記電流／電圧変換部は、トランスインピーダンスアンプである構成（第７の構成）にするとよい。

また、上記第１〜第７いずれかの構成から成る脈波センサは、前記検波信号に重畳した低周波成分と高周波成分をいずれも除去することによりフィルタ信号を生成するバンドパスフィルタ回路をさらに有する構成（第８の構成）にするとよい。

また、上記第８の構成から成る脈波センサは、前記フィルタ信号を所定のゲインで増幅することにより出力信号を生成する増幅回路をさらに有する構成（第９の構成）にするとよい。

また、上記第１〜第９いずれかの構成から成る脈波センサにおいて、前記発光部の出力波長は、６００ｎｍ以下の可視光領域に属する構成（第１０の構成）にするとよい。

本発明によれば、屋外活動環境下でも正確な脈波計測（脈拍計測）を行うことのできる脈波センサを提供することが可能となる。

手首での脈波測定の原理を説明するための模式図 生体内における光の減衰量（吸光度）が時間的に変化する様子を示す波形図 脈波センサ１の一構成例を示すブロック図 光センサ部１１及びパルス駆動部１７の一構成例を示す回路図 フィルタ部１２の一構成例を示すブロック図 トランスインピーダンスアンプ１２１の一構成例を示す回路図 検波回路１２３の一構成例を示す回路図 電圧信号Ｓａの一例を示す波形図 上側包絡線信号ＳＵ及び下側包絡線信号ＳＬの一例を示す波形図 出力信号Ｓｅの一例を示す波形図 屋外環境下での第１測定例（下側包絡線の検波のみ）を示す図 屋外環境下での第２測定例（上下包絡線の差分検波）を示す図

＜脈波測定の原理＞
図１は、手首での脈波測定の原理を説明するための模式図であり、図２は、生体内における光の減衰量（吸光度）が時間的に変化する様子を示す波形図である。

容積脈波法による脈波測定では、例えば、図１に示したように、測定窓に押し当てられた生体の一部（図１では手首）に向けて発光部（ＬＥＤ［Light Emitting Diode］など）から光が照射され、体内を透過して体外に出てくる光の強度が受光部（フォトダイオードやフォトトランジスタなど）で検出される。ここで、図２に示したように、生体組織や静脈血（脱酸素化ヘモグロビンＨｂ）による光の減衰量（吸光度）は一定であるが、動脈血（酸素化ヘモグロビンＨｂＯ₂）による光の減衰量（吸光度）は拍動によって時間的に変動する。従って、可視領域から近赤外領域にある「生体の窓」（光が生体を透過しやすい波長領域）を利用して、末梢動脈の吸光度変化を測定することにより、非侵襲で容積脈波を測定することができる。

なお、図１では、図示の便宜上、脈波センサ（発光部と受光部）を手首の背側（外側）に装着した様子が描写されているが、脈波センサの装着位置についてはこれに限定されるものではなく、手首の腹側（内側）であってもよいし、他の部位（指先、指の第３関節、額、眉間、鼻先、頬、眼下、こめかみ、耳たぶなど）であってもよい。

＜脈波から分かること＞
なお、心臓及び自立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）を生じるものである。従って、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。例えば、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、心拍変動からは、被験者の疲労度、快眠度、及び、ストレスの大きさなどを知ることができる。また、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。

＜脈波センサ＞
図３は、脈波センサの一構成例を示すブロック図である。本構成例の脈波センサ１は、本体ユニット１０と、本体ユニット１０の両端部に取り付けられて生体２（具体的には手首）に巻き回されるベルト２０とを備えた腕輪構造（腕時計型構造）とされている。ベルト２０の素材としては、皮革、金属、樹脂などを用いることができる。

本体ユニット１０は、光センサ部１１と、フィルタ部１２と、制御部１３と、表示部１４と、通信部１５と、電源部１６と、パルス駆動部１７と、を含む。

光センサ部１１は、本体ユニット１０の裏面（生体２と対向する側の面）に設けられており、発光部１１Ａから生体２に光を照射して生体２からの反射光（又は透過光でも可）を受光部１１Ｂで検出することにより受光強度に応じた電流信号を生成する。本構成例の脈波センサ１において、光センサ部１１は、発光部１１Ａと受光部１１Ｂが生体２を挟んで互いに反対側に設けられた構成（いわゆる透過型、図１の破線矢印を参照）ではなく、発光部１１Ａと受光部１１Ｂが生体２に対していずれも同じ側に設けられた構成（いわゆる反射型、図１の実線矢印を参照）とされている。なお、本願の発明者らは、手首での脈波測定について、十分に脈波の測定が可能であることを実際に実験で確認済みである。

フィルタ部１２は、光センサ部１１から入力される電流信号に各種の信号処理（電流／電圧変換処理、検波処理、フィルタ処理、及び、増幅処理）を施して制御部１３に出力する。なお、フィルタ部１２の具体的な構成については後ほど詳細に説明する。

制御部１３は、脈波センサ１全体の動作を統括的に制御するほか、フィルタ部１２の出力信号に各種の信号処理を施すことにより、脈波に関する種々の情報（脈波の揺らぎ、心拍数、心拍変動、及び、加速度脈波など）を取得する。なお、制御部１３としては、ＣＰＵ［central processing unit］などを好適に用いることができる。

表示部１４は、本体ユニット１０の表面（生体２と対向しない側の面）に設けられており、表示情報（日付や時間に関する情報のほか、脈波の測定結果なども含まれる）を出力する。すなわち、表示部１４は、腕時計の文字盤面に相当する。なお、表示部１４としては、液晶表示パネルなどを好適に用いることができる。

通信部１５は、脈波センサ１の測定データを外部機器（パーソナルコンピュータや携帯電話機など）に無線または有線で送信する。特に、脈波センサ１の測定データを外部機器に無線で送信する構成であれば、脈波センサ１と外部機器とを有線で接続する必要がなくなるので、例えば、被験者の行動を制約せずに測定データのリアルタイム送信を行うことが可能となる。また、脈波センサ１を防水構造とする際には、外部端子を完全に排除するという観点から、測定データの外部送信方式として無線送信方式を採用することが望ましい。なお、無線送信方式を採用する場合、通信部１５としては、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）無線通信モジュールＩＣなどを好適に用いることができる。

電源部１６は、バッテリとＤＣ／ＤＣコンバータを含み、バッテリからの入力電圧を所望の出力電圧に変換して脈波センサ１の各部に供給する。このように、バッテリ駆動方式の脈波センサ１であれば、脈波の測定時に外部からの給電ケーブルを接続する必要がないので、被験者の行動を制約せずに脈波の測定を行うことが可能となる。なお、上記のバッテリとしては、繰り返して充電を行うことが可能な二次電池（リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなど）を用いることが望ましい。このように、バッテリとして二次電池を用いる構成であれば、煩わしい電池交換作業が不要となるので、脈波センサ１の利便性を高めることができる。また、バッテリ充電時における外部からの電力供給方式としては、ＵＳＢ［universal serial bus］ケーブルなどを用いる接触給電方式であってもよいし、電磁誘導方式、電界結合方式、及び、磁界共鳴方式などの非接触給電方式であってもよい。ただし、脈波センサ１を防水構造とする際には、外部端子を完全に排除するという観点から、外部からの電力供給方式として非接触給電方式を採用することが望ましい。

パルス駆動部１７は、光センサ部１１の発光部１１Ａを所定のフレーム周波数ｆ（例えば５０〜１０００Ｈｚ）、及び、デューティＤ（１／８〜１／２００）で点消灯させる。

上記のように、腕輪構造を有する脈波センサ１であれば、被験者が意図的に脈波センサ１を手首から外さない限り、脈波の測定中に脈波センサ１が手首から脱落してしまうおそれは殆どないので、被験者の行動を制約せずに脈波の測定を行うことが可能となる。

また、腕輪構造を有する脈波センサ１であれば、被験者に対して脈波センサ１を装着していることをあまり意識させずに済むので、長期間（数日〜数ヶ月）に亘る継続的な脈波測定を行う場合であっても、被験者に過度のストレスを与えずに済む。

特に、脈波の測定結果だけでなく、日時情報なども表示することのできる表示部１４を備えた脈波センサ１（すなわち、腕時計構造の脈波センサ１）であれば、被験者は脈波センサ１を腕時計として日常的に装着することができるので、脈波センサ１の装着に対する抵抗感をさらに払拭することが可能となり、延いては、新規ユーザ層の開拓に寄与することが可能となる。

また、脈波センサ１は、防水構造としておくことが望ましい。このような構成とすることにより、水（雨）や汗などに濡れても故障せずに脈波を測定することが可能となる。また、脈波センサ１を多人数で共用する場合（例えばスポーツジムでの貸し出し用として使用する場合）には、脈波センサ１を丸ごと水洗いすることにより、脈波センサ１を清潔に保つことが可能となる。

＜光センサ部及びパルス駆動部＞
図４は、光センサ部１１及びパルス駆動部１７の一構成例を示す回路図である。本構成例の光センサ部１１は、発光ダイオード（発光部に相当）１１Ａと、フォトトランジスタ（受光部に相当）１１Ｂとを含む。また、本構成例のパルス駆動部１７は、スイッチ１７１と電流源１７２とを含む。

発光ダイオード１１Ａのアノードは、スイッチ１７１を介して電源電圧ＡＶＤＤの印加端に接続されている。発光ダイオード１１Ａのカソードは、電流源１７２を介して接地端に接続されている。スイッチ１７１は、パルス駆動信号Ｓ１７１に応じてオン／オフされる。電流源１７２は、輝度制御信号Ｓ１７２に応じた定電流ＩＡを生成する。なお、運動時や屋外での脈波測定を精度良く実施するためには、発光ダイオード１１Ａをできるだけ高い輝度でパルス駆動することが望ましい。

スイッチ１７１がオンされているときには、定電流ＩＡの流れる電流経路が導通されるので、発光ダイオード１１Ａが点灯して生体２に光が照射される。このとき、フォトトランジスタ１１Ｂのコレクタとエミッタとの間には、生体２から戻ってくる反射光の受光強度に応じた電流信号ＩＢが流れる。一方、スイッチ１７１がオフされているときには、定電流ＩＡの流れる電流経路が遮断されるので、発光ダイオード１１Ａが消灯する。

＜フィルタ部＞
図５はフィルタ部１２の一構成例を示すブロック図である。本構成例のフィルタ部１２は、トランスインピーダンスアンプ１２１（以下、ＴＩＡ［transimpedance amplifier］１２１と略称する）と、バッファ回路１２２と、検波回路１２３と、バンドパスフィルタ回路１２４と、増幅回路１２５と、基準電圧生成回路１２６と、を含む。

ＴＩＡ１２１は、電流信号ＩＢを電圧信号Ｓａに変換して後段のバッファ回路１２２と制御部１３に各々出力する電流／電圧変換回路の一種である。

バッファ回路１２２は、電圧信号Ｓａをバッファ信号Ｓｂとして後段に伝達するボルテージフォロワである。

検波回路１２３は、パルス駆動される電圧信号Ｓｂからその包絡線のみを抽出することにより検波信号Ｓｃを生成し、これを後段に出力する。より具体的に述べると、検波回路１２３は、電圧信号Ｓｂの上側包絡線（パルス上端側の信号変化）と下側包絡線（パルス下端側の信号変化）を各々抽出して差分することにより検波信号Ｓｃを生成する。検波回路１２３の具体的な回路構成については、後ほど詳細に説明する。

バンドパスフィルタ回路１２４は、検波信号Ｓｃに重畳した低周波成分と高周波成分をいずれも除去することによりフィルタ信号Ｓｄを生成し、これを後段に出力する。なお、バンドパスフィルタ回路１２４の通過周波数帯域は、０．６〜４．０Ｈｚ程度に設定しておくことが望ましい。

増幅回路１２５は、フィルタ信号Ｓｄを所定のゲインで増幅することにより出力信号Ｓｅを生成し、これを後段の制御部１３に出力する。

基準電圧生成回路１２６は、電源電圧ＡＶＤＤを１／２に分圧することにより基準電圧ＶＲＥＦ（＝ＡＶＤＤ／２）を生成し、これをフィルタ部１２の各部に供給する。

本構成例のフィルタ部１２であれば、被験者の体動ノイズを適切に除去することができるので、被験者の安静時における脈波はもちろん、被験者の運動時（歩行時、ジョギング時、ないしは、ランニング時など）における脈波についても、高精度に検出することが可能となる。

また、本構成例のフィルタ部１２において、ＴＩＡ１２１、バッファ回路１２２、検波回路１２３、バンドパスフィルタ回路１２４、及び、増幅回路１２５は、いずれも基準電圧ＶＲＥＦ（＝ＡＶＤＤ／２）をセンターとして動作するので、フィルタ部１２の出力信号Ｓｅは、基準電圧ＶＲＥＦに対して上下に振幅変動する波形となる。従って、本構成例のフィルタ部１２であれば、出力信号Ｓｅの飽和（電源電圧ＡＶＤＤや接地電圧ＧＮＤへの張り付き）を防止して、脈波データを正しく検出することが可能となる。

さらに、本構成例のフィルタ部１２であれば、検波回路１２３における上下包絡線の差分検波処理により、屋外活動環境下でも正確な脈波計測（脈拍計測）を行うことが可能となる。この点については、後ほど詳細に説明する。

＜ＴＩＡ＞
図６は、ＴＩＡ１２１の一構成例を示す回路図である。本構成例のＴＩＡ１２１は、オペアンプＡＭＰ１と、抵抗Ｒ１と、キャパシタＣ１と、を含む。オペアンプＡＭＰ１の非反転入力端（＋）は、基準電圧ＶＲＥＦ（＝ＡＶＤＤ／２）の印加端に接続されている。オペアンプＡＭＰ１の反転入力端（−）は、フォトダイオード１１Ｂのエミッタに接続されている。フォトダイオード１１Ｂのコレクタは、電源電圧ＡＶＤＤの印加端に接続されている。オペアンプＡＭＰ１の出力端は、電圧信号Ｓａの出力端に相当する。抵抗Ｒ１及びキャパシタＣ１は、それぞれ、オペアンプＡＭＰ１の反転入力端（−）と出力端との間に並列接続されている。

本構成例のＴＩＡ１２１では、オペアンプＡＭＰ１の反転入力端（−）から抵抗Ｒ１を介して電圧信号Ｓａの出力端に至る電流経路を電流信号ＩＢが流れる。従って、オペアンプＡＭＰ１の反転入力端（−）には、電圧信号Ｓａに抵抗Ｒ１の両端間電圧を足し合わせた電圧（＝Ｓａ＋ＩＢ×Ｒ１）が印加される。一方、オペアンプＡＭＰ１は、非反転入力端（＋）と反転入力端（−）がイマジナリショートするように出力信号Ｓａを生成する。従って、ＴＩＡ１２１で生成される電圧信号Ｓａは、基準電圧ＶＲＥＦから抵抗Ｒ１の両端間電圧を差し引いた電圧値（ＶＲＥＦ−ＩＢ×Ｒ１）となる。

すなわち、抵抗Ｒ１に流れる電流信号ＩＢ（フォトトランジスタ１１Ｂでの受光量に相当）が大きいほど電圧信号Ｓａが低くなり、逆に、電流信号ＩＢが小さいほど電圧信号Ｓａが高くなる。なお、ＴＩＡ１２１のゲインは、抵抗Ｒ１の抵抗値を変えることによって任意に調整することが可能である。

＜検波回路＞
図７は検波回路１２３の一構成例を示す回路図である。本構成例の検波回路１２３は、上側包絡線検波部１２３ａと、下側包絡線検波部１２３ｂと、レベルシフタ部１２３ｃ及び１２３ｄと、差動増幅部１２３ｅと、を含む。

上側包絡線検波部１２３ａは、バッファ信号Ｓｂ（バッファ１２２を介して入力される電圧信号Ｓａ）の上側包絡線（パルス上端側の信号変化）を抽出して上側包絡線信号ＳＵを生成する回路ブロックであり、ダイオードＤ１１とキャパシタＣ１１とを含む。ダイオードＤ１１のアノードは、バッファ信号Ｓｂの入力端に接続されている。ダイオードＤ１１のカソードは、上側包絡線信号ＳＵの出力端に接続されている。キャパシタＣ１１の第１端は、上側包絡線信号ＳＵの出力端に接続されている。キャパシタＣ１１の第２端は、基準電圧ＶＲＥＦの印加端に接続されている。なお、上側包絡線信号ＳＵのバイアス点を決めておく場合には、キャパシタＣ１１と並列に抵抗を接続しても構わない。

下側包絡線検波部１２３ｂは、バッファ信号Ｓｂの下側包絡線（パルス下端側の信号変化）を抽出して下側包絡線信号ＳＬを生成する回路ブロックであり、ダイオードＤ１２とキャパシタＣ１２とを含む。ダイオードＤ１２のカソードは、バッファ信号Ｓｂの入力端に接続されている。ダイオードＤ１２のアノードは、下側包絡線信号ＳＬの出力端に接続されている。キャパシタＣ１２の第１端は、下側包絡線信号ＳＬの出力端に接続されている。キャパシタＣ１２の第２端は、基準電圧ＶＲＥＦの印加端に接続されている。

レベルシフタ部１２３ｃは、上側包絡線信号ＳＵの信号レベルを差動増幅部１２３ｅの入力レンジに整合させる回路ブロックであり、キャパシタＣ１３と抵抗Ｒ１１とを含む。キャパシタＣ１３の第１端は、上側包絡線検波部１２３ａの出力端に接続されている。キャパシタＣ１３の第２端及び抵抗Ｒ１１の第１端は、いずれも差動増幅部１２３ｅの第１入力端（反転入力端）に接続されている。抵抗Ｒ１１の第２端は、基準電圧ＶＲＥＦの印加端に接続されている。

レベルシフタ部１２３ｄは、下側包絡線信号ＳＬの信号レベルを差動増幅部１２３ｅの入力レンジに整合させる回路ブロックであり、キャパシタＣ１４と抵抗Ｒ１２とを含む。キャパシタＣ１４の第１端は、下側包絡線検波部１２３ｂの出力端に接続されている。キャパシタＣ１４の第２端及び抵抗Ｒ１２の第１端は、いずれも差動増幅部１２３ｅの第２入力端（非反転入力端）に接続されている。抵抗Ｒ１２の第２端は、基準電圧ＶＲＥＦの印加端に接続されている。

このように、レベルシフタ部１２３ｃ及び１２３ｄとしては、それぞれ、ＶＲＥＦ基準で動作するハイパスフィルタを用いることができる。

差動増幅部１２３ｅは、レベルシフタ部１２３ｃ及び１２３ｄを各々介して入力される上側包絡線信号ＳＵと下包絡線信号ＳＬとの差分を増幅して検波信号Ｓｃを生成する回路ブロックであり、オペアンプＡＭＰ２と抵抗Ｒ１３〜Ｒ１６とを含む。抵抗Ｒ１３の第１端は、レベルシフタ部１２３ｃの出力端に接続されている。抵抗Ｒ１３の第２端と抵抗Ｒ１４の第１端は、いずれもオペアンプＡＭＰ２の反転入力端（−）に接続されている。抵抗Ｒ１４の第２端は、オペアンプＡＭＰ２の出力端に接続されている。抵抗Ｒ１５の第１端は、レベルシフタ部１２３ｄの出力端に接続されている。抵抗Ｒ１５の第２端と抵抗Ｒ１６の第１端は、いずれもオペアンプＡＭＰ２の非反転入力端（＋）に接続されている。抵抗Ｒ１６の第２端は、基準電圧ＶＲＥＦの印加端に接続されている。オペアンプＡＭＰ２の出力端は、検波信号Ｓｃの出力端に接続されている。

＜上下包絡線の差分検波処理＞
次に、図８〜図１０を適宜参照しながら、検波回路１２３による上下包絡線の差分検波処理について詳細に説明する。

図８は、電圧信号Ｓａ（延いてはバッファ信号Ｓｂ）の一例を示す波形図である。本図では、日差しの厳しい屋外環境（快晴時の照度：約１０万ｌｘ）で計測した電圧信号Ｓａの波形を示している。なお、静止期間Ｔｘは被験者が静止状態である期間を示しており、活動期間Ｔｙは被験者が活動状態（ジョギング状態）である期間を示している。また、本図の下段枠内には、静止期間Ｔｘにおける電圧信号Ｓａの部分拡大図が描写されている。

なお、発光部１１Ａのパルス駆動条件について述べると、フレーム周波数ｆは、５０〜１０００Ｈｚの範囲内で設定することが望ましい（例えばｆ＝１２８Ｈｚ）。また、オンデューティＤｏｎ（フレーム周期（Ｔ＝１／ｆ）に占めるオン期間Ｔｏｎの割合）は、１／８〜１／２００の範囲内で設定することが望ましい（例えばＤｏｎ＝１／１６）。

先にも述べたように、ＴＩＡ１２１で生成される電圧信号Ｓａは、基準電圧ＶＲＥＦから抵抗Ｒ１の両端間電圧を差し引いた電圧値（ＶＲＥＦ−ＩＢ×Ｒ１）となる。ここで、静止期間Ｔｘには、被験者が静止しているので、光センサ１が生体２（手首）から浮き上がってしまうことも殆どなく、受光部１１Ｂに対する外来光の入射は適切に遮断されている。従って、電圧信号Ｓａに重畳する体動信号（被験者の体動に起因する信号変動成分）は十分に小さく、部分拡大図のＡ点で示すように、発光部１１Ａの消灯期間ＴｏｆｆにＴＩＡ１２１で得られる電圧信号Ｓａ（オフ電圧信号Ｓａ＠Ａ）は、基準電圧ＶＲＥＦとほぼ一致する。

すなわち、静止期間Ｔｘには、発光部１１Ａの点灯期間ＴｏｎにＴＩＡ１２１で得られる電圧信号Ｓａ（オン電圧信号Ｓａ＠Ｂ）の電圧値がほぼ被験者の拍動のみに応じて変動する（符号Ｘを参照）。従って、静止期間Ｔｘにのみ脈波計測を行うのであれば、電圧信号Ｓａの下側包絡線（オン電圧信号Ｓａ＠Ｂの信号変化）のみを抽出することにより、被験者の脈波データ（出力信号Ｓｅ）を取得することも十分に可能である。

一方、活動期間Ｔｙには、被験者が活動しているので、体動（腕振りや着地衝撃など）によって光センサ１が生体２（手首）から浮き上がりやすく、受光部１１Ｂに対する外来光の入射を十分に遮断することができなくなる。特に、日差しの厳しい屋外環境下では、電圧信号Ｓａに重畳する体動信号が無視することのできない大きさとなる。

すなわち、活動期間Ｔｙには、オン電圧信号Ｓａ＠Ｂの電圧値が被験者の拍動だけでなく被験者の体動によっても変動する（符号Ｙを参照）。従って、静止期間Ｔｘだけでなく活動期間Ｔｙにも脈波計測を行う場合、電圧信号Ｓａの下側包絡線（オン電圧信号Ｓａ＠Ｂの信号変化）のみを抽出するだけでは、被験者の脈波データ（出力信号Ｓｅ）を精度良く取得することができなくなる。

ここで、本願の発明者は、鋭意研究の結果、体動信号が電圧信号Ｓａの上側包絡線（オフ電圧信号Ｓａ＠Ａの信号変化）として表出すること（符号Ｚを参照）に着目し、屋外活動環境下における体動信号の影響をキャンセルして被験者の脈波データ（出力信号Ｓｅ）を精度良く取得するためには、電圧信号Ｓａの上下包絡線を各々抽出して両者の差分検波処理を行えばよい、という新規な着想を得るに至った。

図９は、上側包絡線信号ＳＵ及び下側包絡線信号ＳＬの一例を示す波形図である。本図中では、図示の便宜上、電圧信号Ｓａ（ないしはバッファ信号Ｓｂ）を網掛けで表示し、これに重ね合わせる形で上側包絡線信号ＳＵ及び下側包絡線信号ＳＬが描写されている。

上側包絡線信号ＳＵは、先述の体動信号に相当する。従って、上側包絡線信号ＳＵの信号値は、静止期間Ｔｘにはほぼ固定値（基準電圧ＶＲＥＦ）となり、活動期間Ｔｙには被験者の体動に応じた変動値となる。

一方、下側包絡線信号ＳＬは、体動信号が重畳した脈波信号に相当する。従って、上側包絡線信号ＳＵと下側包絡線信号ＳＬとの差分処理を行うことにより、脈波信号に重畳している体動信号を除去することが可能となる。

図１０は、上下包絡線の差分検波処理により得られる出力信号Ｓｅの一例を示す波形図である。出力信号Ｓｅの振幅は、脈波計測状況（被験者の静止時／活動時）の影響をさほど受けることなく、静止期間Ｔｘと活動期間Ｔｙのいずれにおいても、所定の範囲内に収まっていることが分かる。この結果は、脈波信号に重畳していた体動信号が上下包絡線の差分検波処理によって適切に除去されたことを意味する。

＜評価結果＞
図１１及び図１２は、それぞれ、日差しの厳しい屋外環境（快晴時の照度：約１０万ｌｘ）での第１測定例（下側包絡線の検波のみ）及び第２測定例（上下包絡線の差分検波）を示す図である。なお、両図の（ａ）欄には心拍数（ｂｐｍ［beats per minute］）の時間変化（実線：光電型脈波センサ、破線：圧電型脈波センサ（リファレンス用））が描写されており、両図の（ｂ）欄には出力信号Ｓｅの波形が描写されている。

図１１で示すように、下側包絡線の検波のみを行った場合、静止時（着座時）の計測結果（脈拍数）はリファレンスとほぼ一致するが、活動時（歩行時）の計測結果は前半部分がリファレンスから乖離する。また、下側包絡線の検波のみを行う場合には、体動の影響を受けやすい活動時の計測で出力飽和を生じないように、出力信号Ｓｅの利得を低めに設定しておく必要がある。そのため、体動の影響を受けにくい静止時の計測では、出力振幅が不必要に小さく抑えられてしまうので、計測精度低下の要因となり得る。

一方、図１２で示すように、上下包絡線の差分検波を行った場合には、静止時と活動時のいずれにおいても、各々の計測結果（脈拍数）がリファレンスとよく一致する。また、上下包絡線の差分検波を行う場合には、静止時と活動時との間で出力信号Ｓｅの振幅に大きな変化がなく、出力信号Ｓｅの利得を不必要に下げる必要がない。従って、出力信号Ｓｅの振幅を十分に大きく設定することができるので、活動時の計測精度だけでなく静止時の計測精度も高めることが可能となる。

＜出力波長についての考察＞
実験では、いわゆる反射型の脈波センサにおいて、発光部の出力波長をλ１（赤外：９４０ｎｍ）、λ２（緑：６３０ｎｍ）、及び、λ３（青：４６８ｎｍ）とし、発光部の出力強度（駆動電流値）を１ｍＡ、５ｍＡ、１０ｍＡに変化させたときの挙動を各々調査した。その結果、およそ波長６００ｎｍ以下の可視光領域において、酸素化ヘモグロビンＨｂＯ₂の吸収係数が大きくなり、測定される脈波のピーク強度が大きくなるため、脈波の波形を比較的取得しやすいことが分かった。

なお、動脈血の酸素飽和度を検出するパルスオキシメータでは、酸素化ヘモグロビンＨｂＯ₂の吸収係数（実線）と脱酸素化ヘモグロビンＨｂの吸収係数（破線）との差違が最大となる近赤外領域の波長（７００ｎｍ前後）が発光部の出力波長として広く一般的に用いられているが、脈波センサ（特に、いわゆる反射型の脈波センサ）としての利用を考えた場合には、上記の実験結果で示したように、波長６００ｎｍ以下の可視光領域を発光部の出力波長として用いることが望ましいと言える。

ただし、単一の光センサ部を用いて、脈波と血中酸素飽和度の両方を検出する場合には従前と同様、近赤外領域の波長を用いても構わない。

＜その他の変形例＞
なお、本明細書中に開示された種々の発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全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り、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本明細書中に開示されている種々の発明は、脈波センサや睡眠センサの利便性を高めるための技術として利用することが可能であり、ヘルスケアサポート機器、ゲーム機器、音楽機器、ペットコミュニケーションツール、車両の運転手の居眠り防止機器など、様々な分野への応用が可能であると考えられる。

１ 脈波センサ
２ 生体（手首、耳など）
１０ 本体ユニット
１１ 光センサ部
１１Ａ 発光ダイオード（発光部）
１１Ｂ フォトトランジスタ（受光部）
１２ フィルタ部
１２１ トランスインピーダンスアンプ（電流／電圧変換回路）
１２２ バッファ回路
１２３ 検波回路
１２３ａ 上側包絡線検波部
１２３ｂ 下側包絡線検波部
１２３ｃ、１２３ｄ レベルシフタ部（ハイパスフィルタ）
１２３ｅ 差動増幅部
１２４ バンドパスフィルタ回路
１２５ 増幅回路
１２６ 基準電圧生成回路
１３ 制御部
１４ 表示部
１５ 通信部
１６ 電源部
１７ パルス駆動部
１７１ スイッチ
１７２ 電流源
２０ ベルト
ＡＭＰ１、ＡＭＰ２ オペアンプ
Ｒ１、Ｒ１１〜Ｒ１６ 抵抗
Ｃ１、Ｃ１１〜Ｃ１４ キャパシタ
Ｄ１１、Ｄ１２ ダイオード

Claims (10)

1. 発光部から生体に光を照射して前記生体からの反射光または透過光を受光部で検出することにより受光強度に応じた電流信号を生成する光センサ部と、
   前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
   前記電流信号を電圧信号に変換する電流／電圧変換回路と、
   前記電圧信号の上側包絡線と下側包絡線を各々抽出して差分することにより検波信号を生成する検波回路と、
   を有することを特徴とする脈波センサ。
2. 前記検波回路は、
   前記電圧信号の上側包絡線信号を抽出する上側包絡線検波部と、
   前記電圧信号の下側包絡線信号を抽出する下側包絡線検波部と、
   前記上側包絡線信号と前記下包絡線信号とを差分して前記検波信号を生成する差動増幅部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の脈波センサ。
3. 前記上側包絡線検波部は、
   アノードが前記電圧信号の入力端に接続されてカソードが前記上側包絡線信号の出力端に接続された第１ダイオードと、
   第１端が前記上側包絡線信号の出力端に接続されて第２端が基準電圧の印加端に接続された第１キャパシタと、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の脈波センサ。
4. 前記下側包絡線検波部は、
   カソードが前記電圧信号の入力端に接続されてアノードが前記下側包絡線信号の出力端に接続された第２ダイオードと、
   第１端が前記下側包絡線信号の出力端に接続されて第２端が前記基準電圧の印加端に接続された第２キャパシタと、
   を含むことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の脈波センサ。
5. 前記検波回路は、前記上側包絡線信号及び前記下側包絡線信号の信号レベルをそれぞれ前記差動増幅部の入力レンジに整合させるレベルシフタ部をさらに含むことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の脈波センサ。
6. 前記レベルシフタ部は、ハイパスフィルタであることを特徴とする請求項５に記載の脈波センサ。
7. 前記電流／電圧変換部は、トランスインピーダンスアンプであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の脈波センサ。
8. 前記検波信号に重畳した低周波成分と高周波成分をいずれも除去することによりフィルタ信号を生成するバンドパスフィルタ回路をさらに有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の脈波センサ。
9. 前記フィルタ信号を所定のゲインで増幅することにより出力信号を生成する増幅回路をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の脈波センサ。
10. 前記発光部の出力波長は、６００ｎｍ以下の可視光領域に属することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の脈波センサ。