JP2013000540A - 脈波検出装置、及び脈波検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】脈波検出装置においては、複数個の受光素子と発光素子を備え、これらを高い確率で動脈付近に配置できるようにしている。このため、部品数が多いうえに、複数個の受光素子から得た情報の各々を処理する時間を多く要する。
【解決手段】脈波検出装置は、一つの受光素子と所定の位置関係にある複数個の発光素子を備える。これにより、高い確率でいずれかの発光素子を動脈付近に配置でき、いずれの発光素子からの光を受光素子で検出しても検出精度が低下することはないため、精度良く脈波検出ができ、部品数が少なく、消費電力が少なく、情報処理の時間の短い脈波検出装置を提供できる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、光を用いた脈波検出装置に関する。

一般的に病院などの医療施設において、患者の体を傷つけることなく生体情報を計測する際には、光を照射し生体内を透過し経由した光を受光素子で計測することにより、脈波、脈拍数、酸素飽和度等の生体情報を計測する手段が用いられる。近年、健康に関する関心が高まり、従来医療用に開発されたこれら生体計測装置を一般に使用できるようにした製品が市販されている。脈波、脈拍数を検出する装置は可視光、または赤外光を計測対象となる生体に照射し、血管における血流の変化を受光素子で検出し、演算処理を行い脈波、脈拍数を算出する。詳しくは、次の通りである。血液は心拍に応じた一定のリズムで心臓から排出され、動脈は拍動している。動脈血に含まれるヘモグロビンは光の波長に対して、他の人体組織とは違う吸光特性を持っているため、その特性を利用して動脈血の拍動変化を計測し、処理を行うことで脈波および脈拍数を算出している。これら光を用いた脈波検出装置において、最も適した計測場所は指先腹部分である。この部分は毛細血管の密度が高く、医療用においては指先から検出する製品が一般的である。

一方、一般人が運動中の脈波、脈拍数を記録し、運動方法の改善などに利用する場合、たとえばランニング時に指先腹に取り付けていては走行の邪魔になるため装置を腕時計のようにし、手首、腕から検出する製品もある。しかし、手首、腕等の生体部位は指先に比べて毛細血管密度が低く、かつ計測部位が広範囲なため、いかに動脈付近もしくは毛細血管密度が高い部位に測定装置を装着できるかが正確な脈波検出の要件になる。
そこで、広範囲に発光素子および受光素子を複数個並べることにより、解決を図る発明がなされている。一例として特許文献１，２に記載の発明は発光素子と受光素子とからなるセンサを複数個具備した検出装置を用い、計測対象の生体に装着し、いずれかの受光素子は、確率的に動脈直上またはその近くに位置する。動脈に近いほど脈拍成分が検出しやすいため、その最適なひとつの受光素子をそれぞれのセンサから検出した脈波信号から選別して特定し、その脈波信号を処理して脈拍数を算出している。

特開昭５９−１３１３２７号公報 特開平７−２９９０４３号公報

前記従来の脈拍検出装置において、生体計測場所がたとえば額、こめかみ、手首等広い場合、より正確な脈波情報を得るためには動脈付近にできるだけセンサが配置されるようにするため、センサの数がより多く必要になり、センサの数が増えることで処理時間も増加する。さらに消費電力もセンサ数に比例して増加するため、特にバッテリ内蔵装置の場合、稼働時間に悪影響を及ぼすという問題がある。
本発明の目的は前記した問題に鑑み、検出場所が広範囲であっても必要な部品数を低減した脈波検出装置、及び脈波検出システムを提供することにある。

前記目的を達成するため本発明は、生体が発生する脈波を検出する脈波検出装置であって、前記生体を介した光を受光して検出する一つの受光素子と、該受光素子を中心とする同一円状において等間隔に配置され、かつ、前記生体を照射する光を発生する複数の発光素子と、該受光素子が検出した光を光電変換して脈波信号を検出する脈波信号検出部を有することを特徴としている。

また本発明は、生体が発生する脈波を検出する脈波検出装置と情報を表示する表示部を有する脈波検出システムであって、
前記脈波検出装置は、前記生体を介した光を受光して検出する一つの受光素子と、該受光素子を中心とする同一円状において等間隔に配置され、かつ、前記生体を照射する光を発生する複数の発光素子と、該受光素子が検出した光を光電変換して脈波信号を検出する脈波信号検出部と、該脈波信号検出部が検出した脈波信号に基づき脈拍数を含む生体情報を演算して求める演算部と、該演算部で求めた生体情報を外部に設けられた装置に送信する通信部を備え、
前記表示部は、前記脈波検出装置の通信部から受信した生体情報を表示することを特徴としている。

本発明によれば、検出場所が広範囲であっても必要な部品数を低減した脈波検出装置、及び脈波検出システムを提供できる。さらには実施形態により該装置の消費電力を低減できるという効果がある。

実施形態における脈波検出装置の正面図である。 実施形態における脈波検出装置の断面図である。 実施形態における脈波検出装置の構成を示すブロック図である。 実施形態における脈波検出方法を説明する第１の図である。 実施形態における脈波検出方法を説明する第２の図である。 実施形態における生体計測システムの第１の見取図である。 実施形態における生体計測システムの第２の見取図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１Ａと図１Ｂは、実施形態における脈波検出装置を示す図であり、図１Ａは正面図（受光面から見た図）、図１Ｂは横断面図である。ここでは発光素子が１０２Ａ〜１０２Ｄの四個の場合で説明しているが、四個に限定しているものではない。以下、複数の発光素子に共通する記述をする際は、発光素子１０２と記する。発光素子１０２は受光素子１０１から発光素子１０２の波長、光強度に応じて最適な距離１０３をおいて配置される。光の波長、光強度が変化すれば人体組織の生体透過率も変化するため、選択した発光素子１０２の波長に応じて最適な距離１０３が設定される。つまり、複数個の発光素子１０２を配置する際、受光素子１０１を中心とした半径が１０３となる同一円上に配置することになる。発光素子１０２同士の間隔に関して、隣り合う受光素子１０１から発光素子１０２を結ぶ線のなす角をαとすると、その角度αは以下の式により導き出せる。
α＝３６０／n （n：脈波検出用の発光素子総数）
複数の発光素子１０２の波長に関しては、統一して使用することがよい。前記の通り、生体透過率が波長によって違うためである。違う波長を組み合わせて使用した場合、生体透過率の違いから、生体組織内への透過光の達する深さがそれぞれ違うことになる。つまり、受光素子１０１で検出している光は生体内の深さが異なる部分であり、それぞれ違った生体部位の情報を得るという不具合を起こすためである。よって、一方の波長の脈波信号にとって、もう一方の波長の脈波信号は違う深さにおける生体情報であり、ノイズとなるため、同一波長を選択する必要がある。一般的には血液中の酸化ヘモグロビン、脱酸化ヘモグロビンの吸光係数が高い４００から６００ｎｍ付近、または生体透過率の高い８００から１０００ｎｍ付近の波長を有する光が適している。

これら発光素子１０２と計測対象となる生体１０６の位置関係は、生体１０６の計測部位に対して法線方向で光学的に対向して接するよう配置される。発光素子１０２と生体１０６が距離をおいて光学的に離れていると、生体表面で光が表面反射され、生体内部を通過してきた脈波成分を含んだ透過光と共に受光素子１０１で受光され、ノイズとなるためである。発光素子１０２は具体的にはＬＥＤ（Light Emitting Diode）などが用いられる。
受光素子１０１はできるだけ発光素子１０２の波長に対する受光感度が高いものを選定する。受光面は計測対象に対し対向するように配置される。受光素子１０１は具体的にはフォトトランジスタ、フォトダイオードなどが用いられる。

受光素子１０１、発光素子１０２が取り付けられた電子基板等の母材１０５または構造部材１０５があり、それらが組み込まれた装置本体１０４がある。装置本体１０４には受光素子１０１、発光素子１０２用に開口部が設けられており、光を透過する材料でできたカバー１０７が取り付けられる。このカバー１０７には光学フィルタを用いて光学的に波長を選択制御しても良い。
発光素子１０２と受光素子１０１の間には発光素子からの直接光が入光するのを防ぐため、仕切り１０８が設置される。具体的には図１の仕切り１０８のように構造部品で囲っても良いし、遮光効果のあるテープなどで仕切っても良い。

装置本体１０４は粘着体を用いて生体１０６に直接貼り付けるとよい。具体的には片面粘着テープ、両面粘着テープ等が用いられる。片面粘着テープは装置本体１０４の受光部面以外の部分に貼り付けて固定され、同時に計測対象の生体１０６にも貼り付けて固定される。テープ自身に伸縮性がある基材、粘着剤を用いると、体動が起きた場合でも動きを吸収するため体動ノイズの影響を抑制できる。テープの大きさは受光部１０１に外乱光が入らないように装置本体１０４を覆うような大きさ、幅で、遮光効果のある素材、色を用いると効果的である。

両面粘着テープは装置本体１０４の受光面に受光素子１０１、発光素子１０２の光学性能に影響を与えないように片側を貼り付けて設置され、もう一方の貼り付け面を計測対象の生体１０６に貼り付けられる。両面粘着テープは受光面と生体１０６との間を接合すれば良いだけなので、片面粘着テープを使用する場合よりも生体１０６へ取り付ける際の制約が緩和される。また、テープ自体が直接見えないため、意匠の観点からも優れている。両面粘着テープの素材として光透過性の高い素材を選択し、受光面全面に貼り付ければ受光素子１０１、発光素子１０２の位置を気にすることなく貼ることができ、作業性が良くなる。また、粘着テープ自体が導光板となり、生体１０６と受光素子１０１の間を光学的に接続するため、何もない場合よりも脈波を含む光を損失なく受光できる。

装置本体１０４を生体１０６へ固定する方法として、帯状の拘束具を取り付けて固定する方法もある。具体的にはベルト、面ファスナ、等である。ベルトで生体１０６に取り付ける場合、装置本体１０４にベルトを装着するためのガイドを設けてそこに固定され、計測対象の生体１０６に取り付けられる。ベルトは腕時計のように生体に巻きつけて、任意の箇所で留め具により固定できるため、扱いが簡単で、外見も優れている。面ファスナもベルト同様、装置本体１０４に面ファスナを通すガイドを設け、計測対象の生体１０６に巻きつけて、面ファスナ同士の結合により任意の長さで固定される。面ファスナはベルトのような留め具が必要ないため、構造が簡単であり、コストがかからない。
また、ベルト、面ファスナとも素材に弾性体を用いれば、生体の動きに追従するため、体動が起きても脈波を計測できる。

図２は、装置本体１０４の構成を表しており、インターフェイス部２０１、フィルタ部２０２、ゲイン調整部２０３、制御部２０４、バッテリ２０５、演算部２０６、記憶部２０７、通信部２０８、脈波信号検出部２０９を有する。
発光素子１０２から発光された光は、生体内を経由し受光素子１０１にて光電変換される。光電変換された電気信号からフィルタ部２０２でノイズ、直流成分を除去され、ゲイン調整部２０３で増幅される。脈波信号検出部２０９で電気信号を時系列で処理し、脈波信号とし、記憶部２０７に保存、または通信部２０８を経由して有線または無線で外部情報処理装置または表示装置（ともに図示せず）に送信する。演算部２０６に周波数解析機能を持たせ、脈波信号から脈拍数等の生体情報までを装置本体１０４で生成することも可能である。

図３Ａと図３Ｂは、本発明の検出方法の詳細を説明する図である。図３Ａは説明用に簡素化させた構成図、図３Ｂは計測対象と検出装置を模式的に表した図である。図３Ａにおいて発光素子１０２Ａ〜１０２Ｄの波長、光強度が同一であれば各発光素子１０２Ａ〜１０２Ｄと受光素子１０１の距離１０３は等しく、論理的な検出範囲３０１が定まり、検出範囲内であれば脈拍の検出が可能になる。発光素子１０２Ａ〜１０２Ｄの位置関係は前記式から、４個であればα＝３６０／４＝９０度となる。このようにすれば、受光素子１０１が一つであっても、いずれの発光素子が発生した光でも同等な条件で検出することができ、検出精度が低下する問題を解消することができる。

図３Ｂに示すように計測対象の血管３０６があり、計測に適した部位３０７、３０８があるとする。本発明では計測に適した部位３０７が発光素子１０２Ａと受光素子１０１を結ぶ直線上に分布する場合は従来技術と同様、問題なく検出できる。計測に適した部位３０８のように発光素子と受光素子を結ぶ直線上から外れていても、発光素子１０２Ｃと１０２Ｄの透過散乱光により光強度を補い合うことが可能なため、受光素子を中心とした半径１０３とする円内（検出範囲３０１）は検出が可能となる。受光素子１０１はひとつで実現可能なため、従来技術のように複数個受光素子を配置して、全ての受光素子信号から最適な信号を選択して処理する手間が省け、処理手段が簡素化できる。従来技術でこの検出範囲３０１を補うには受光素子１０１が少なくとも発光素子と同数は必要になる。発光素子１０２は複数であっても、パルス制御等効率的な手法により低消費電力化が容易に実現可能だが、受光素子１０１は常に電力が必要なため、１個の受光素子を用いる本発明では、従来技術と比較して低消費電力化が可能となる。

図４Ａと図４Ｂは、実施形態における生体計測システムの見取図であり、本発明の装置本体１０４に対して固定方法にベルトを使用した際の計測システムの一例を示す。図４Ａは装置本体１０４の受光面から見た図であり、図４Ｂは図４Ａの背面図を含む計測システム全体図である。装置本体１０４を含む計測機器本体４０１はベルトを取り付けるためのガイド４０２を備え、そこにベルト４０３を取り付ける。ベルト４０３には留め具４０４を具備し、ベルトを計測対象の生体１０６に巻きつけて固定することができる。計測機器本体４０１には表示部４０５を備えており、演算部２０６で得られた情報を表示し、また記憶部２０７に保存してある情報を呼び出して表示することができる。計測機器本体４０１には操作部４０６が備えられており、計測開始、計測停止、情報入力、表示の切替え、データの送受信などを実施することができる。

計測機器本体４０１とは別に、外部情報処理装置４０７を用意する。装置本体１０４の演算部２０６で得た情報、記憶部２０７に保存されている情報を無線で送信し、外部情報処理装置４０７にて受信する。外部情報処理装置４０７では装置本体１０４からの情報をもとに、詳細に生体情報を解析する機能を持たせ、例えば疲労の推定、過去データとの比較、運動強度算出、等を行い、前記装置本体１０４からの生体情報と併せて外部情報処理装置４０７の表示部４０８に表示する。外部情報処理装置４０７には操作部４０９が備えられており、装置本体１０４からの受信開始、受信停止、記録開始、記録停止、生体情報の詳細解析、情報入力、表示の切替え、データの送受信などを実施することができる。

外部情報処理装置４０７は、計測機器本体４０１を使用する本人が確認できない生体部位、例えば腕、頭部に固定した場合、リアルタイムで生体情報を本人が確認する手段として有効である。または、本格的な運動トレーニングを行う場合、指導者が外部情報処理装置４０７を常にモニタリングし、トレーニング実施者に適切なアドバイスを行う場合などにも有効である。
なお、図４Ａと図４Ｂは本発明の装置本体１０４を用いた計測システムの一例であり、本発明を応用する計測システムはこれに限定されるものではない。このほかの実施形態においても、開示した例に対して構成要素の追加、変更を加えた例を考えることができるが、いずれも本発明の範疇にある。

１０１：受光素子、１０２：発光素子、１０４：装置本体、１０５：母材、１０６：生体、１０７：カバー、２０１：インターフェイス部、２０２：フィルタ部、２０３：ゲイン調整部、２０４：制御部、２０５：バッテリ、２０６：演算部、２０７：記憶部、２０８：通信部、２０９：脈波信号検出部、３０１：検出範囲、３０６：計測対象の血管、３０７〜３０８：計測部位、４０１：装置本体を含む計測機器、４０２：ガイド、４０３：ベルト、４０４：留め具、４０５：表示部、４０６：操作部、４０７：外部情報処理装置、４０８：表示部、４０９：操作部。

Claims (9)

1. 生体が発生する脈波を検出する脈波検出装置であって、
   前記生体を介した光を受光して検出する一つの受光素子と、
   該受光素子を中心とする同一円状において等間隔に配置され、かつ、前記生体を照射する光を発生する複数の発光素子と、
   該受光素子が検出した光を光電変換して脈波信号を検出する脈波信号検出部
   を有することを特徴とする脈波検出装置。
2. 請求項１に記載の脈波検出装置において、前記脈波信号検出部が検出した脈波信号に基づき脈拍数を含む生体情報を演算して求める演算部を備えることを特徴とする脈波検出装置。
3. 請求項２に記載の脈波検出装置において、前記演算部で求めた生体情報を記憶する記憶部を備えることを特徴とする脈波検出装置。
4. 請求項２に記載の脈波検出装置において、前記演算部で求めた生体情報を表示する表示部を備えることを特徴とする脈波検出装置。
5. 請求項２に記載の脈波検出装置において、前記演算部で求めた生体情報を外部に設けられた情報処理装置に送信する通信部を備えることを特徴とする脈波検出装置。
6. 生体が発生する脈波を検出する脈波検出装置と情報を表示する表示部を有する脈波検出システムであって、
   前記脈波検出装置は、
   前記生体を介した光を受光して検出する一つの受光素子と、
   該受光素子を中心とする同一円状において等間隔に配置され、かつ、前記生体を照射する光を発生する複数の発光素子と、
   該受光素子が検出した光を光電変換して脈波信号を検出する脈波信号検出部と、
   該脈波信号検出部が検出した脈波信号に基づき脈拍数を含む生体情報を演算して求める演算部と、
   該演算部で求めた生体情報を外部に設けられた装置に送信する通信部を備え、
   前記表示部は、
   前記脈波検出装置の通信部から受信した生体情報を表示する
   ことを特徴とする脈波検出システム。
7. 請求項６に記載の脈波検出システムにおいて、前記脈波検出装置の通信部は前記表示部に対して無線通信を行うことを特徴とする脈波検出システム。
8. 請求項１に記載の脈波検出装置において、該脈波検出装置は帯状の拘束具を備え、前記生体に対し固定されることを特徴とする脈波検出装置。
9. 請求項１に記載の脈波検出装置において、該脈波検出装置は粘着体を備え、前記生体に対し固定されることを特徴とする脈波検出装置。

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