JP2008132012A - 脈波検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱光などがあった場合でも、データを正確に取得して、脈拍数を精度良く検出できる脈波検出装置を提供すること。
【解決手段】ステップ１００にて、ＬＥＤ５の発光量を通常の脈波検出の際の光量のように大きく設定してＬＥＤ５を発光させ、その反射光をＰＤ９で受光し、その光量を示す信号としてＡ／Ｄデータ（Ｂ）を取得する。ステップ１１０では、ＬＥＤ５の通常の発光の終了の後、通常の発光量の２分の１の光量でＬＥＤ５を発光させ、その反射光を受光し、その光量を示す信号としてＡ／Ｄデータ（Ｓ）を取得する。ステップ１２０では、発光量が大きな場合の信号Ｂと発光量が小さい場合の信号Ｓとの差分Ｐをとる。これにより、脈拍成分及び外乱光成分を含む信号Ｂから外乱光成分を含む信号Ｓが除去されるため、脈拍成分に対応した信号Ｐのみが抽出される。ステップ１３０では、差分Ｐを用いて脈波数算出処理を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、発光素子と受光素子とを用いて生体の脈波を検出する脈波検出装置に関する。

近年、健康管理の用途で、歩数計や消費カロリー計などの携帯型の装置が利用されている。また、日常生活やジョギング等の運動時の心拍数をモニターする装置も、運動量評価に有効であり、例えば心拍に伴って発生する活動電位を胸部より計測する心電図法とともに、血液成分による吸光特性を利用した光学式脈波センサが利用されている。

この光学式脈波センサは、発光素子と受光素子を備え、発光素子から人体に向かって光を照射し、反射してきた光を受光素子で受光するように構成されており、この受光量の変化により、脈波を検出する装置である。このセンサは、人体（指、腕、こめかみ等）に簡便に装着して計測ができるため、今後も広く普及して行くと考えられる（特許文献１参照）。
再表９７／３７５８８号公報

しかしながら、上述した光学式脈波センサを用いた場合には、下記の様な問題があり、その改善が求められている。
図１９に示す様に、通常、心電波形と脈波波形の振幅のピーク位置は同期しており、心拍数と脈拍数は一致する。この心拍数、脈拍数は、それぞれ６０を心電波形と脈波波形の振幅のピーク間隔時間（秒）で割って計算される。

しかし、日常生活や運動時において、光学式脈波センサを屋外等で利用する場合には、外乱光ノイズが問題となる。具体的には、太陽光等の外乱光が受光素子に入力すると、その外乱光の影響で、心拍とは無関係の振幅が大きなピークが発生することがあり、その場合には、実際の心拍数と（光学式脈波センサにて検出される）脈拍数は一致しなくなる。つまり、本来検出すべき脈波成分が外乱光によって埋もれてしまい、脈拍数を精度良く検出できなくなるという問題があった。

また、外乱光が入力すると、例えば得られる信号の振幅が入力電圧範囲内で収まらないほど大きく変動することがあり、その場合には、電圧範囲の上限もしくは下限でさちってしまうため、データ自体を正確に取得できないという問題もあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、外乱光などがあった場合でも、データを正確に取得して、脈拍数を精度良く検出できる脈波検出装置を提供することを目的とする。

（１）請求項１の発明は、発光素子から生体に照射した光の反射光を受光した受光素子によって得られる信号に基づいて、脈波を検出する光学式の脈波検出装置において、前記発光素子により第１の光量にて光を照射し、その反射光を前記受光素子にて受光して第１の信号を取得する第１制御手段と、前記発光素子により前記第１の光量より小さい第２の光量の光を照射し、その反射光を前記受光素子にて受光して第２の信号を取得する第２制御手段と、前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて、前記脈波を検出する脈波検出手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明では、大きな光量である第１の光量で光を照射し、それによる第１の信号（例えばＡ／ＤデータＢ）を取得する。また、それより小さな光量である第２の光量で光を照射し、それによる第２の信号（例えばＡ／ＤデータＳ）を取得する。

このうち、第１の信号には、脈拍成分以外に外乱光成分が重畳しているが、通常、脈拍成分の振幅より外乱光成分の振幅が大きいので、脈拍成分のみを抽出することは容易ではない。一方、（小さな光量による）第２の信号には、主として（振幅が大きな）外乱光成分が含まれる。

よって、例えば第１の信号から第２の信号を除去するようにすれば、両信号から脈拍成分が顕著な信号を抽出することが可能である。これにより、外乱光があった場合でも、脈拍数等を精度良く検出することができる。

ここで、「信号を取得」とは、受光素子から出力される信号を、例えばマイコン等の演算装置内に取り込んでＡ／Ｄ変換し、脈拍数等を算出するために用いるデータとして記憶する処理のことである（以下同様）。

尚、本発明では、光を照射する発光素子は複数でもよく、光を受光する受光素子も複数でもよい。また、光量は例えば発光素子に印加する電流により調節することができる。更に、本発明は、（１又は複数個の）発光素子と（１又は複数個の）受光素子とを備えた脈波検出装置として構成できるが、それ以外に、発光素子や受光素子を備えておらず、発光素子の動作を制御し受光素子からの信号を処理して脈波を検出する装置（例えばデータ処理装置）としてもよい。

（２）請求項２の発明では、前記第２の光量は前記第１の光量の２分の１以下としている。
本発明は、第１の光量と第２の光量との好ましい割合を例示したものである。この範囲であれば、主として外乱光成分を含む第２の信号が好適に得られるので、脈拍成分に外乱光成分が重畳した第１の信号から、脈拍成分のみを効率よく抽出することができる。

（３）請求項３の発明では、外乱光を検出可能なように前記受光素子の感度低下帯を避けて、前記第２の光量を設定している。
受光する光量が受光素子の感度低下帯（不感帯）にあれば、受光した光量に対応した信号を取り出すことができないので、本発明では、不感帯に入らないように、発光素子の第２の光量を設定している。

つまり、本発明では、外乱光を検出可能なように、即ち（不感帯に入るような小さな光量ではなく）適度な光量となるように第２の光量を設定している。
（４）請求項４の発明では、前記第１の信号を取得する第１のタイミングと前記第２の信号を取得する第２のタイミングとの間隔を、３ｍｓｅｃ以下に設定している。

発光間隔が長くなるほど（従って信号を取得する間隔が長くなるほど）、取得する信号（例えばＡ／ＤデータのＢとＳ）に含まれる外乱光量の誤差が大きくなり、外乱光成分を正確に除去することが難しくなるが、本発明では、両信号の取得タイミングを３ｍｓｅｃ以下としているので、外乱光量の誤差が小さい。よって精度良く脈波数等を検出できる。

（５）請求項５の発明では、状況に応じて前記第１の光量と前記第２の光量との両光量を変更する際には、前記第１の光量と前記第２の光量との比を維持する。
例えば皮膚の色に応じて発光光量を調節すると脈波の検出精度が向上するが、その際に、外乱光を精度良く除去するためには、第１の光量と第２の光量との比を請求項２の発明のように２分の１以下で維持することが好ましい。尚、この比としては、例えば２分の１等の固定値を採用できる。

（６）請求項６の発明では、前記第１の信号と前記第２の信号との差分に基づいて、前記脈波を検出する。
上述した様に、第１の信号には脈拍成分に外乱光成分が重畳しており、第２の信号には主として外乱光成分が含まれていると考えられるので、両信号の差分から、主として脈拍成分を含む信号を抽出することができる。

（７）請求項７の発明では、前記差分のデータ群を用いて周波数解析を行うことにより、前記脈波を検出する。
本発明は、差分のデータの処理方法を例示したものである。本発明では、差分のデータ群を用いて周波数解析を行うことにより、脈拍成分を示すピークを求めることができる。よって、このピークの周波数より、脈拍数を求めることができる。

（８）請求項８の発明では、前記第１の信号のデータ群を用いた第１の周波数解析の結果と、前記第２の信号のデータ群を用いた第２の周波数解析の結果との差分に基づいて、前記脈波を検出する。

本発明は、両信号から脈波を検出する手法を例示したものである。本発明では、両信号のデータ群を用いてそれぞれ周波数解析を行い、その差分により、脈拍成分を示すピークを求めることができる。よって、このピークの周波数より、脈拍数を求めることができる。

（９）請求項９の発明では、前記第２の信号のデータ群を用いた周波数解析の結果に基づいて、外乱周期を特定する。
外乱光には、歩行等の体動などにより周期的に変化するものがあるので、本発明では、第２の信号のデータ群を用いた周波数解析の結果に基づいて、外乱周期（歩行等の体動などによる周期的な変化）を特定する。

（１０）請求項１０の発明では、前記第１の信号と前記第２の信号との差分のデータ群を用いた周波数解析の結果と、前記外乱周期とを比較して、前記脈波を検出する。
取得した信号には、歩行や走行等の体動に伴う一定の外乱周期の変動（外乱周期のピークとその高調波）が現れるが、上述の様に外乱周期を求めることにより、前記差分の周波数解析の結果に体動の影響が現れた場合でも、外乱周期の成分を除去することにより、脈拍成分のみを精度良く抽出することができる。

（１１）請求項１１の発明は、発光素子から生体に照射した光の反射光を受光した受光素子によって得られる信号に基づいて、脈波を検出する光学式の脈波検出装置において、脈波の１サンプリングデータ検出時に、前記発光素子により前記生体に対する光の照射を行うとともに、その反射光を受光した前記受光素子による信号を異なるタイミングで複数回取得する信号制御手段と、前記複数の信号に基づいて、前記脈波の１サンプリングデータ検出する脈波検出手段と、を備えたことを特徴とする。

ここで、１サンプリングデータとは、（脈拍数等の算出のための）周波数解析等に使用する１個のデータ（代表値）のことである。本発明は、１サンプリングデータ検出時に１回のみ信号（例えばＡ／Ｄデータ）を取得して代表値とする通常の方法ではなく、同じ光量にて異なるタイミングで複数回信号を取得して代表値を決定する。

これにより、例えば信号の入力状態が外乱光などにより大きく変動した場合でも、複数の信号に基づくことで信号がさちらずに脈波波形を正確に検出することができる。
尚、光を照射する発光素子は複数でもよく、光を受光する受光素子も複数でもよい。また、光量は例えば発光素子に印加する電流により調節することができる。更に、本発明は、（１又は複数個の）発光素子と（１又は複数個の）受光素子とを備えた脈波検出装置として構成できるが、それ以外に、発光素子や受光素子を備えておらず、発光素子の動作を制御し受光素子からの信号を処理して脈波を検出する装置（例えばデータ処理装置）としてもよい。

（１２）請求項１２の発明では、前記１サンプリングデータ検出時に、前記複数の信号を取得する間隔が１ｍｓｅｃ以内である。
本発明は、信号を取得する間隔を例示したものである。この間隔以内であれば、外乱光による変動を小さく抑えることができる。

（１３）請求項１３の発明では、前記１サンプリングデータ検出時に、前記発光素子により同じ光量で複数回発光し、発光毎にそれぞれ１回の信号の取得を行う。
本発明は、発光方法とそれに伴う信号の取得方法を例示したものである。なお、１回の一定光量での発光に対して複数回信号を取得する場合には、例えばＰＤやオペアンプの安定待ち時間が不要になり、Ａ／Ｄデータの取得毎の時間間隔を少なくできるという利点がある。

（１４）請求項１４の発明では、前記複数回の信号の取得に際して、前回の信号に基づいて、次回の信号を取得する際の信号の調整（例えばオフセット電圧調整）を行う。
本発明では、次回の信号を取得する際の信号の調整を行うので、入力する信号（取得される信号）がさちることなく、好適な振幅の脈波信号を得ることができる、
（１５）請求項１５の発明では、前記複数回の信号の取得に際して、前記信号の取得回数は、サンプリング毎に変更可能とする。

信号の取得回数を調節することにより、脈拍数を求めるための最適なタイミングでの信号の取得が可能となる。例えば計測状態が安定しない場合（具体的には脈波計測開始直後）に、信号の取得回数を増やすことで、脈拍数検出の応答性が早くなる。

（１６）請求項１６の発明では、前記複数回の信号の取得に際して、装置の入力電圧範囲内で信号の取得が可能となるように、前記信号の取得を繰り返す。
受光素子からの信号（即ち入力電圧）が、装置の入力電圧範囲内から外れた場合、すなわち入力電圧がさちった場合には、脈波等を検出できない。よって、本発明では、さちらない信号が得られるまで、信号の取得を繰り返す。

（１７）請求項１７の発明では、前記複数回の信号の取得に際して、特定番目の信号を代表値とする。
本発明は、得られた信号の代表値（周波数解析等により脈拍数を求める場合に使用するデータ）の選択方法を例示したものである。

（１８）請求項１８の発明では、前記複数回の信号の取得に際して、装置の入力電圧範囲内で最初又は最後に取得された信号を代表値とする。
本発明は、得られた信号の代表値の選択方法を例示したものである。

（１９）請求項１９の発明では、前記複数回の信号の取得に際して、装置の入力電圧範囲内で取得された複数の信号同士を演算（例えば平均等の平滑化処理）した結果を代表値とする。

本発明は、得られた信号の代表値の選択方法を例示したものである。これにより、各データにおける誤差を低減できる。
（２０）請求項２０の発明では、前記請求項１〜１０のいずれかに記載の脈波検出装置の構成と、前記請求項１１〜１９のいずれかに記載の脈波検出装置の構成とを備えたことを特徴とする。

本発明では、両脈波検出装置の構成を備えているので、脈拍数等を求める場合に、外乱光の影響が少なく、データが正確で、より顕著な効果（一層精度良く脈拍数等を求めることができるという効果）が得られる。

（２１）請求項２１の発明は、コンピュータを、前記請求項１〜１０のいずれかに記載の前記第１制御手段、前記第２制御手段、及び前記脈波検出手段として機能させるためのプログラムである。

このプログラムは、各種の記録媒体に記録され、記録媒体やインターネットなどの通信回線網を介して、脈波検出装置に提供できる。
（２２）請求項２２の発明は、コンピュータを、前記請求項１１〜１９のいずれかに記載の前記信号制御手段及び前記脈波検出手段として機能させるためのプログラムである。

このプログラムは、各種の記録媒体に記録され、記録媒体やインターネットなどの通信回線網を介して、脈波検出装置に提供できる。

以下に本発明の実施形態の例（実施例）を図面と共に説明する。

ａ）まず、脈波検出装置の構成及び動作について説明する。
本実施例の脈波検出装置は、人体の脈波を計測して脈拍数を算出するものであり、図１に示す様に、人体の腕等に取り付けて使用される脈波センサ１と、脈波センサ１の検出結果に基づいて脈波を計測し、脈拍数を算出するデータ処理装置３とを備える。

前記脈波センサ１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）５とその駆動回路７とフォトダイオード（ＰＤ）９とを備えた光学式反射型センサである。
一方、データ処理装置３は、検出回路１１とＡＤＣ（ＡＤコンバータ）１３とマイクロコンピュータ１５とを内蔵したものであり、マイクロコンピュータ１５には、ＬＥＤ５の光量等を制御して脈波信号を計測し、脈拍数を算出するプログラムが組み込まれている。

この脈波検出装置では、脈波センサ１のＬＥＤ５から人体に向かって光が照射されると、光の一部が人体の内部を通る毛細動脈に当たって、毛細動脈を流れる血液中のヘモグロビンに吸収され、残りの光が毛細動脈で反射して散乱し、その一部がＰＤ９に入射する。

この時、血液の脈動により、毛細動脈にあるヘモグロビンの量が波動的に変化するので、ヘモグロビンに吸収される光も波動的に変化する。その結果、毛細動脈で反射してＰＤ９で検出される受光量が変化し、その受光量の変化が脈波情報（例えば電圧信号：電気信号）として、データ処理装置３に出力される。

データ処理装置３の検出回路１１では、ＰＤ９からの電気信号を増幅してＡＤＣ１３に出力する。ＡＤＣ１３では、増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換してマイクロコンピュータ１５に入力する。マイクロコンピュータ１５では、そのデジタル信号を一時保存し、内蔵されたプログラムによって、デジタル信号に基づいて脈拍数の算出の演算処理を行う。

ｂ）次に、本実施例における脈波検出の原理について説明する。
図２に示す様に、ＬＥＤ５から人体に照射される光は、一部が皮膚の内部に入り、毛細動脈に当たって反射してＰＤ９に戻り、脈波を示す信号（脈波信号）として検出される。また、一部は、皮膚表面で反射されたり、吸光されずに毛細動脈以外の組織にて反射されるが、特に、屋外においては、外乱光がセンサ間隙や皮膚内部に伝わり、ＰＤ９にて重畳されて検出されるため、波形が大きく乱れる。

これを（脈波信号を周波数解析して得られる）周波数領域で考えると、図３に示す様に、計測される信号には、心拍に同期する脈拍成分（脈波数を求めるための成分）と、外乱光によって生ずる外乱光成分と、概ね直流成分（ＤＣ成分）が共に現れるが、屋外では、脈拍成分は外乱光成分に埋もれてしまうことになる。従って、脈拍成分を精度良く検出するためには、外乱光成分を除去する必要がある。なお、直流成分は検出回路１１などでカットされる。

そこで、本実施例では、脈波を検出するためのＬＥＤ５の発光の前後に、それより光量を下げてＬＥＤ５を発光させることで、擬似的に外乱光をつくり、外乱光が重畳した脈波波形から外乱光の影響を精度良く除去する。以下、この点について詳細に説明する。

図４に示す様に、ＬＥＤ５から人体に照射され（毛細動脈等の体内で）反射された光による信号の振幅（脈波振幅）に比べて、外乱光入射による振幅は数十倍大きくなる。従って、外乱光が入射した場合の信号からは、精度良く脈波を検出できない。

よって、通常のＬＥＤ５の発光による信号から、（ＬＥＤ５を発光させない場合の）外乱光による信号を除去することが考えられる。
しかし、波形振幅でなく、直流成分も含めた信号の絶対値で両者を比較すると、ＬＥＤ５の発光時は、表面反射や吸光されずに組織にて反射する光が非常に大きく、外乱光はその１０分の１以下と僅かである。即ち、外乱光による信号の絶対値は小さい。また、外乱光の絶対値が低い環境下では、受光するＰＤ９の感度特性により、必要な波形振幅が得られない。即ち、ＰＤ９には不感帯があり、一定以上のレベルの光量でないと光量に応じた信号が出力されない。よって、通常のＬＥＤ５の発光時の信号から外乱光による信号を除去することは容易ではない。

そこで、本実施例では、脈波と同等の感度で外乱光を検出するために、通常のＬＥＤ５の発光とは別に、ＬＥＤ５の光量を通常の２分の１以下（例えば２分の１）に下げて発光させることで、擬似的に外乱光を作ることとした。

つまり、ＰＤ９の不感帯（受光した場合でも受光量の変化に対応した信号が得られない帯域）を上回るように、即ち外乱光による信号の絶対値を上げて外乱光による信号が得られるように、ＬＥＤ５の光量を設定し、その光量で光を照射して、擬似的な外乱光を作成する。そして、通常の光量で照射した場合に得られる信号（即ち脈拍成分に外乱光成分が重畳した信号）から、擬似的な外乱光によって得られた信号を取り除くことにより、脈拍成分のみに対応した信号が得られる。

なお、脈波検出のための光量と擬似的な外乱光の光量との比（２分の１以下）を維持した状態であれば、例えば個人差に応じて、各光量の切り替えも可能である。
ｃ）次に、前記プログラムによる脈拍数の算出のための処理手順について説明する。

(1)まず、メインルーチンについて説明する。
本処理は、サンプリング周波数１６Ｈｚ（サンプリング間隔６２．５ｍｓ）で行い、連続的もしくは間欠的（ここでは間欠的）にＬＥＤ５を発光させる。

図５に示す様に、ステップ（Ｓ）１００にて、ＬＥＤ５の発光光量（発光量）を通常の脈波検出の際の光量のように大きく設定して、ＬＥＤ５を例えば１ｍｓ発光させ、その反射光をＰＤ９で受光する。そして、検出回路１１にて受光光量を検出し、その光量を示す信号としてＡ／Ｄデータ（Ｂ）を取得する。

具体的には、図６に示す様に、発光期間の終期に同期するようにして、所定期間（例えば０．１ｍｓ）における受光量に応じた信号Ｂ（電圧信号）を記憶する。なお、同図の上図が発光タイミングを示し、下図が、Ａ／Ｄデータの取得タイミング（即ち、脈拍数等を求めるために用いるデータを取得するタイミング）を示す。

続くステップ１１０では、ＬＥＤ５の通常の発光の終了の後、例えば０．５ｍｓの期間を空けて、外乱光を感度良く検出するために、通常の発光量の２分の１の光量で、ＬＥＤ５を例えば１ｍｓ発光させ、その反射光を受光する。そして、検出回路１１にて受光光量を検出し、Ａ／Ｄデータ（Ｓ）を取得する。

具体的には、図６に示す様に、発光期間の終期に同期するようにして、所定期間（例えば０．１ｍｓ）における受光量に応じた信号Ｓを記憶する。なお、１回目の受光による信号Ｂの取得から２回目の受光による信号Ｓの取得までの期間は、例えば３ｍｓ以下に設定する。

ここで、ステップ１００とステップ１１０の順番は逆でもよい。また、両発光時におけるＡ／Ｄの時間間隔は３ｍｓ以下とするが、これは、これより間隔をあけると、脈波センサ１に入射される外乱光量は、環境変化や体の動きに伴う脈波センサ１と太陽の位置関係によって随時変化するため、発光間隔が長くなるほど、Ａ／ＤデータＢとＳに含まれる外乱光量の誤差が大きくなり、正確に外乱光を除去できないためである。

続くステップ１２０では、発光量が大きな場合の信号Ｂと発光量が小さい場合の信号Ｓとの差分Ｐ（＝Ｂ−Ｓ）をとる。これによって、脈拍成分及び外乱光成分を含む信号Ｂから外乱光成分を含む信号Ｓが除去されるため、脈拍成分に対応した信号Ｐのみが抽出される。

これらステップ１００、ステップ１１０、ステップ１２０の処理をサンプリング間隔６２．５ｍｓｅｃ毎に繰り返し実行する。
図６に示す様に、通常の脈波検出のためのＬＥＤ５による発光から次の発光までの期間はサンプリング間隔にあたる。本実施例では、このサンプリング間隔中に異なる光量で取得した２つのサンプリングデータ信号Ｂ、信号Ｓを得るために２回受光して、その信号を記憶する。

続くステップ１３０では、上述した信号Ｂ、信号Ｓ、差分の信号Ｐを用いて後述する脈波数算出処理を行う。
(2)次に、前記脈波数算出処理について説明する。

この脈波数検出処理としては、各種の周知の演算処理を採用できる。
例えば任意時間のデータを格納し、そのデータの周波数解析を行う処理を採用できる。
・具体的には、例えば図７に示す様に、ステップ２００にて、発光量が大の場合のデータＢと発光量が小である場合のデータＳとの差分のデータＰに対して、周波数解析Ｐｆを行う。

なお、ここで、周波数解析としては、例えば、各信号の時系列データに対して行う高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等を採用できる。これによって前記図３に示すような周波数のピーク等のデータが得られる。

続くステップ２１０では、周波数解析Ｐｆの最大ピークを脈拍成分として、脈拍数を算出する。
具体的には、抽出した周波数に６０秒をかけて脈波数を算出する。例えば周波数が１［Ｈｚ］の場合には、脈拍数は、１［Ｈｚ］×６０［秒］＝６０［拍／分］となる。また、脈拍間隔も、抽出した周波数の逆数を取ることにより算出できる。

・また、例えば図８に示す様に、上述した差分データＰを使用することなく、ステップ３００にて、発光量が大の場合のデータＢの周波数解析Ｂｆを行う。
続くステップ３１０では、発光量が小である場合のデータＳの周波数解析Ｓｆを行う。

続くステップ３２０では、周波数のパワーの差分Ｒｆ（＝Ｂｆ−Ｓｆ）をとる。
続くステップ３３０では、差分Ｒｆの最大ピークを脈拍成分として、脈拍数を算出する。

この処理の結果を、図９に示すが、発光量大の周波数解析結果（Ｂｆ）のみでは、脈拍成分が外乱光成分に埋もれてしまうが、同様な外乱光成分が含まれる発光量小の周波数解析結果（Ｓｆ）を差分することで、脈拍成分のみ（Ｒｆ）を抽出することが可能となることが分かる。

・また、ウォーキングやランニングなどの屋外運動中の場合は、体の動きの周期がそのまま外乱光の変動周期となるため、図１０に示す処理を行う。この処理は、発光量小の周波数解析結果（Ｓｆ）から外乱光の周期を特定し、その周期を省いたピークを検出する方法である。

具体的には、図１０に示す様に、ステップ４００にて、発光量が大の場合のデータＢと、発光量が小の場合のデータＢとの差分Ｐを求め、その差分Ｐの周波数解析Ｂｆを行う。
続くステップ４１０では、発光量が小である場合のデータＳの周波数解析Ｓｆを行う。

続くステップ４２０では、発光量が小である場合のデータＳの周波数解析の結果Ｓｆから、外乱周期を特定する。
続くステップ４３０では、前記外乱周期以外で、差分Ｐの周波数解析Ｐｆの最大ピークを脈拍成分として、脈拍数を算出する。

この処理の結果を、図１１に示すが、光量小の周波数解析結果Ｐｆが示すように、ランニング中は外乱光が一定周期で変化するため、周期のピークとその高調波が顕著にみられる。よって、それを利用することで、光量大のデータＢから光量小のデータＳを差分したデータＰの周波数解析結果Ｐｆに体の動きの影響が現れても、その外乱周期を除去することにより、正確に脈拍数のみを抽出することができる。

ｄ）この様に、本実施例では、脈波検出用の大きな光量でＬＥＤ５から光を照射し、その反射光を受光する。また、脈波検出用より小さな光量で疑似外乱光用の光を照射し、その反射光を受光する。そして、例えば各受光量に対応した信号の差分のデータに基づいて脈拍数を求める等の上述した脈拍数を算出するための処理を行うことにより、外乱光があった場合でも、精度良く脈拍数を検出することができる。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例１とはハード構成等が多少異なる。
図１２に示す様に、本実施例の脈波検出装置では、２個のＬＥＤ（第１ＬＥＤ２１、第２ＬＥＤ２３）と１個のＰＤ２５を備えた脈波センサ２７を使用する。

本実施例では、図１３に示す様に、第１ＬＥＤ２１により大きな発光量で光を照射し、一方、第２ＬＥＤ２３により小さな発光量で光を照射する。
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏する。

また、図１４に示す様に、２つのＬＥＤ２１、２３とも、同様に（即ち揃って）光量の大小を切り替えてもよい。なお、２つのＬＥＤ２１、２３の波長は同じでも異なっていてもよい。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例１とはハード構成は同様であり、その制御内容が異なる。
本実施例は、脈波の１サンプリングデータ検出時に、同じ光量にて複数回（２回以上）データを取得することにより、取得するデータの精度を高めるものである。なお、ここで１サンプリングデータとは、後に周波数解析等に使用する１個のデータ（代表値）のことである。

また、実施例１にて、大きな光量と小さな光量を照射し、Ａ／ＤデータＢとＡ／ＤデータＳを取得しているが、これは光量条件の異なる２個の代表値を得るための２回取得のため、本実施例とは異なる。なお。後に実施例４にて、実施例１と実施例３との組み合わせについて説明する。

ａ）まず、本実施例の原理について説明する。
通常は、脈波の１サンプリングデータ検出時に、Ａ／Ｄデータ取得は１回のみでよい。しかし、外乱光が入射したときには、脈波波形が大きく乱れるために、入力電圧範囲内におさまらず、上限、下限でさちるなど全サンプリングで正確にデータが取得できない場合があり、脈拍数解析に大きく影響することがある。

そこで、本実施例では、同じ光量にて複数回Ａ／Ｄデータを取得する方法とし、前回のＡ／Ｄ結果に基づいて、検出制御や駆動制御の最適化を行う処理を行った後に、再度Ａ／Ｄデータの取得を行う。即ち、１サンプリングデータ検出時に、複数回Ａ／Ｄデータの取得を行う。

これにより、この１サンプリングデータをさちることなく確実に検出することが可能となる。そして、この処理を全サンプリングで実行することで、精度の良い脈波波形を形成することができる。

本実施例では、後述する様に、複数回Ａ／Ｄデータの取得とオフセット電圧調整を繰り返し、精度の高いデータを得るようにしている。
なお、前回Ａ／Ｄデータに基づき、オフセット電圧調整を行う方法としては、例えば特開２００５−１６０６４１号公報に記載の公知の方法を採用できる。つまり、前記オフセット電圧調整とは、（ＰＤ９にて受光した信号から差分する直流成分（オフセット電圧）をＡ／Ｄデータに基づき調整することであり、これにより脈波をさちらずに検出することができる。

ｂ）次に、本実施例における処理を、図１５のフローチャートと図１７のタイミングチャートに基づいて説明する。
例えば、図１５及び図１７に示す様に、ここでは、１サンプリングデータ検出時に１回の発光中に等間隔で３回のＡ／Ｄデータ（Ｂ１〜Ｂ３）の取得を行う。

なお、各Ａ／Ｄデータ取得の間隔は１ｍｓ以下であり、３回目のＡ／Ｄデータ取得が発光の終期に同期している。
図１５のステップ５００にて、最初に、脈波検出用の光量にて発光を行う。

続くステップ５１０にて、その反射光をＰＤ９で受光し、１回目の入力タイミングで、１回目のＡ／Ｄデータ（Ｂ１）を取得する。
続くステップ５２０では、１回目のＡ／Ｄデータ（Ｂ１）に基づいてオフセット電圧を調整する。

続くステップ５３０では、２回目の入力タイミングで、２回目のＡ／Ｄデータ（Ｂ２）を取得する。
続くステップ５４０では、２回目のＡ／Ｄデータ（Ｂ２）に基づいて再度オフセット電圧を調整する。

続くステップ５５０では、３回目の入力タイミングで、３回目のＡ／Ｄデータ（Ｂ３）を取得する。
続くステップ５６０では、ＬＥＤ５の消灯を行う。

続くステップ５７０では、３回目のＡ／Ｄデータ（Ｂ３）を、周波数解析に用いるデータ（代表値）として格納して一旦本処理を終了する。
ｃ）この様に、本実施例では、Ｂ１〜Ｂ３のＡ／Ｄデータが得られるが、実際に脈拍数の演算に用いるデータとしては、最終取得のデータ（Ｂ３）の精度が高いと考えられるので、最終取得のデータ（Ｂ３）を代表値として採用している。つまり、本実施例では、データの精度が高いという利点がある。

また、本実施例では、１回の発光に際に３回Ａ／Ｄデータを取得しているので、例えば図１６に示す様に、断続的に同じ光量で３回発光し、発光毎にＡ／Ｄデータの取得する場合に比べて、ＰＤ９やオペアンプ（図示せず）の安定待ち時間が不要となり、Ａ／Ｄデータの取得毎の時間間隔をより短くできる。

・なお、ある１データに限らず、複数データの平均をとるなど平滑化処理をしてもよい。
・また、さちらずに正確に検出できた時点のデータを用いるようにしてもよい。この方法の場合には、サンプリング間隔のずれは多少生じるが、余分なＬＥＤ５の発光や、Ａ／Ｄデータの取得が不要なため、消費電力低減ができる。つまり、毎回、同じ回数のＡ／Ｄデータを取得する必要がない。

・或いは、逆に、脈波計測開始直後には、Ａ／Ｄデータの取得回数を増やすことで、脈拍数検出の応答性を高めることができる。このように、外乱光入射時も含め、計測状態が安定していない場合に、Ａ／Ｄデータの取得回数を増やすことで、効果が得られる。つまり、Ａ／Ｄの取得回数は、サンプリングに応じて適宜変更可能としてもよい。

次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例１とはハード構成は同様であり、その制御内容が異なる。
図１８に示す様に、本実施例では、最初に、通常の脈波検出用の大きな光量で発光し、その後、その光量より小さな疑似外乱光用の光量で発光する。

そして、脈波検出用の大きな光量で発光した際には、２回の入力タイミングで、Ａ／Ｄデータを２回（Ｂ１、Ｂ２）取得する。また、疑似外乱光用の小さな光量で発光した際にも、同様に、２回の入力タイミングで、Ａ／Ｄデータを２回（Ｓ１、Ｓ２）取得する。

なお、脈拍数算出に用いるデータとしては、２つの信号のうち、後の信号を用いてもよいが、平均化したデータを用いてもよい。
これにより、前記実施例１と同様に、外乱光の影響を排除できるとともに、前記実施例３と同様に、信号がさちることを防止して、精度の高いデータを得ることができるという顕著な効果を奏する。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な態様にて実施することが可能である。
（１）例えば前記実施例の処理内容を含むプログラムも本発明の範囲である。

（２）また、前記実施例では、脈波センサを含む装置構成を脈波検出装置として記載し たが、上述した脈波を検出するための制御を行う装置（例えばデータ処理装置） を脈波検出装置としてもよい。

実施例１の脈波検出装置の全体構成を示す説明図である。 脈波センサの使用状態を示す説明図である。 脈波信号の周波数解析結果を示す説明図である。 外乱光の有無に対応した脈波信号を示す説明図である。 実施例１の制御処理のメインルーチンを示すフローチャートである。 実施例１の制御処理におけるタイミングチャートである。 実施例１の脈拍数算出処理を示すフローチャートである。 実施例１の他の脈拍数算出処理を示すフローチャートである。 他の脈拍数算出処理における周波数解析結果を示す説明図である。 実施例１の更に他の脈拍数算出処理を示すフローチャートである。 更に他の脈拍数算出処理における周波数解析結果を示す説明図である。 実施例２の脈波センサを破断して示す説明図である。 実施例２におけるＬＥＤの発光状態を示す説明図である。 実施例２におけるＬＥＤの他の発光状態を示す説明図である。 実施例３の制御処理を示すフローチャートである。 実施例３の制御処理におけるタイミングチャートである。 実施例３の他の制御処理におけるタイミングチャートである。 実施例４の制御処理におけるタイミングチャートである。 従来技術の説明図である。

符号の説明

１、２７…脈波センサ
３…データ処理装置
５、２１、２３…発光ダイオード（ＬＥＤ）
７…駆動回路
９、２５…フォトダイオード（ＰＤ）
１１…検出回路
１３…ＡＤＣ
１５…マイクロコンピュータ

Claims (22)

1. 発光素子から生体に照射した光の反射光を受光した受光素子によって得られる信号に基づいて、脈波を検出する光学式の脈波検出装置において、
   前記発光素子により第１の光量にて光を照射し、その反射光を前記受光素子にて受光して第１の信号を取得する第１制御手段と、
   前記発光素子により前記第１の光量より小さい第２の光量の光を照射し、その反射光を前記受光素子にて受光して第２の信号を取得する第２制御手段と、
   前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて、前記脈波を検出する脈波検出手段と、
   を備えたことを特徴とする脈波検出装置。
2. 前記第２の光量は前記第１の光量の２分の１以下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。
3. 外乱光を検出可能なように前記受光素子の感度低下帯を避けて、前記第２の光量を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の脈波検出装置。
4. 前記第１の信号を取得する第１のタイミングと前記第２の信号を取得する第２のタイミングとの間隔を、３ｍｓｅｃ以下に設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の脈波検出装置。
5. 状況に応じて前記第１の光量と前記第２の光量との両光量を変更する際には、前記第１の光量と前記第２の光量との比を維持することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の脈波検出装置。
6. 前記第１の信号と前記第２の信号との差分に基づいて、前記脈波を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の脈波検出装置。
7. 前記差分のデータ群を用いて周波数解析を行うことにより、前記脈波を検出することを特徴とする請求項６に記載の脈波検出装置。
8. 前記第１の信号のデータ群を用いた第１の周波数解析の結果と、前記第２の信号のデータ群を用いた第２の周波数解析の結果との差分に基づいて、前記脈波を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の脈波検出装置。
9. 前記第２の信号のデータ群を用いた周波数解析の結果に基づいて、外乱周期を特定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の脈波検出装置。
10. 前記第１の信号と前記第２の信号との差分のデータ群を用いた周波数解析の結果と、前記外乱周期とを比較して、前記脈波を検出することを特徴とする請求項９に記載の脈波検出装置。
11. 発光素子から生体に照射した光の反射光を受光した受光素子によって得られる信号に基づいて、脈波を検出する光学式の脈波検出装置において、
    脈波の１サンプリングデータ検出時に、前記発光素子により前記生体に対する光の照射を行うとともに、その反射光を受光した前記受光素子による信号を異なるタイミングで複数回取得する信号制御手段と、
    前記複数の信号に基づいて、前記脈波の１サンプリングデータを検出する脈波検出手段と、
    を備えたことを特徴とする脈波検出装置。
12. 前記１サンプリングデータ検出時に、前記複数の信号を取得する間隔が１ｍｓｅｃ以内であることを特徴とする請求項１１に記載の脈波検出装置。
13. 前記１サンプリングデータ検出時に、前記発光素子により同じ光量で複数回発光し、発光毎にそれぞれ１回の信号の取得を行うことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の脈波検出装置。
14. 前記複数回の信号の取得に際して、前回の信号に基づいて、次回の信号を取得する際の信号の調整を行うことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の脈波検出装置。
15. 前記複数回の信号の取得に際して、前記信号の取得回数は、サンプリング毎に変更可能とすることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の脈波検出装置。
16. 前記複数回の信号の取得に際して、装置の入力電圧範囲内で信号の取得が可能となるように、前記信号の取得を繰り返すことを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載の脈波検出装置。
17. 前記複数回の信号の取得に際して、特定番目の信号を代表値とすることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の脈波検出装置。
18. 前記複数回の信号の取得に際して、装置の入力電圧範囲内で最初又は最後に取得された信号を代表値とすることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の脈波検出装置。
19. 前記複数回の信号の取得に際して、装置の入力電圧範囲内で取得された複数の信号同士を演算した結果を代表値とすることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の脈波検出装置。
20. 前記請求項１〜１０のいずれかに記載の脈波検出装置の構成を備えたことを特徴とする請求項１１〜１９のいずれかに記載の脈波検出装置。
21. コンピュータを、前記請求項１〜１０のいずれかに記載の前記第１制御手段、前記第２制御手段、及び前記脈波検出手段として機能させるためのプログラム。
22. コンピュータを、前記請求項１１〜１９のいずれかに記載の前記信号制御手段及び前記脈波検出手段として機能させるためのプログラム。