JP2018161250A - 生体情報センサ及びその装着判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生体への装着／未装着を正確に判定することのできる生体情報センサを提供する。
【解決手段】生体情報センサ１は、発光部１１Ａ及び受光部１１Ｂを備えた光センサ部１１と、加速度センサ部１８と、光センサ部及び加速度センサ部を用いて装着判定を行う装着判定部と、を有する。装着判定部は、加速度センサ部で加速度が検出されたか否かを判定する運動状態判定処理と、受光部で周囲光が非検出であるか否かを判定する周囲光判定処理と、発光部から光を出射したときにその反射光が受光部で検出されたか否かを判定する近接判定処理と、発光部から光を出射したときに受光部で検出される光から生体情報が取得されたか否かを判定する生体情報判定処理と、を順次段階的に行い、上記全ての判定処理でイエス判定が下されたときに装着ＯＫと判定する。
【選択図】図３

Description

本明細書中に開示されている発明は、生体情報センサ及びその装着判定方法に関する。

近年では、発光部から生体（被験者の腕や指など）に光を照射し、生体から受光部に戻ってくる光の強度に基づいて種々の生体情報（脈波情報など）を検出する光電型の生体情報センサが実用化されている。

また、生体情報センサが生体に正しく装着されているか否かを判定するための従来手法としては、例えば、被験者の体動有無を判定する手法（特許文献１〜特許文献３）や、周囲光の検出有無を判定する手法（本願出願人による特許文献４）が挙げられる。

特開２０１６−１２３４７３号公報 特開２０１３−２０２２８９号公報 特開２０１６−１６２０３号公報 国際公開第２０１５／１６６９９０号

しかしながら、上記の従来手法では、生体情報センサの装着判定精度について、さらなる改善の余地があった。

本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、生体への装着／未装着を正確に判定することのできる生体情報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ている生体情報センサは、発光部及び受光部を備えた光センサ部と、加速度センサ部と、前記光センサ部及び前記加速度センサ部を用いて装着判定を行う装着判定部と、を有し、前記装着判定部は、前記加速度センサ部で加速度が検出されたか否かを判定する運動状態判定処理と、前記受光部で周囲光が非検出であるか否かを判定する周囲光判定処理と、前記発光部から光を出射したときにその反射光が前記受光部で検出されたか否かを判定する近接判定処理と、前記発光部から光を出射したときに前記受光部で検出される光から生体情報が取得されたか否かを判定する生体情報判定処理と、を順次段階的に行い、上記全ての判定処理でイエス判定が下されたときに装着ＯＫと判定する構成（第１の構成）とされている。

第１の構成から成る生体情報センサにおいて、前記装着判定部は、前記運動状態判定処理でイエス判定が下されたときに前記周囲光判定処理に移行し、前記周囲光判定処理でイエス判定が下されたときに前記近接判定処理に移行し、前記近接判定処理でイエス判定が下されたときに前記生体情報判定処理に移行し、前記生体情報判定処理でイエス判定が下されたときに装着ＯＫと判定して前記生体情報を継続的に取得する通常動作への移行を許可し、上記いずれかの判定処理でノー判定が下されたときに装着ＮＧと判定して前記運動状態判定処理に戻る構成（第２の構成）にするとよい。

第２の構成から成る生体情報センサにおいて、前記運動状態判定処理時の消費電流は、前記周囲光判定処理時のそれよりも小さく、前記周囲光判定処理時の消費電流は、前記近接判定処理時のそれよりも小さく、前記近接判定処理時の消費電流は、前記生体情報判定処理時のそれよりも小さい構成（第３の構成）にするとよい。

第２または第３の構成から成る生体情報センサにおいて、前記装着判定部は、前記通常動作への移行後も前記生体情報判定処理を行い、当該判定処理でノー判定が下されたときには装着ＮＧと判定して前記運動状態判定処理に戻る構成（第４の構成）にするとよい。

第２〜第４いずれかの構成から成る生体情報センサは、前記通常動作時に前記発光部を間欠的に点消灯させるパルス駆動部をさらに有し、前記装着判定部は、前記通常動作への移行後、前記発光部の消灯時に前記受光部で周囲光が非検出であるか否かを判定する消灯時周囲光判定処理を行い、当該判定処理でノー判定が下されたときには装着ＮＧと判定して前記運動状態判定処理に戻る構成（第５の構成）にするとよい。

第１〜第５いずれかの構成から成る生体情報センサにおいて、前記装着判定部は、前記周囲光判定処理及び前記近接判定処理の少なくとも一方で前記受光部の出力信号を所定の判定期間に亘って所定の測定周期で繰り返し測定する構成（第６の構成）にするとよい。

第１〜第６いずれかの構成から成る生体情報センサは、前記装着判定部の判定結果を報知する報知部をさらに有する構成（第７の構成）にするとよい。

第１〜第７いずれかの構成から成る生体情報センサにおいて、前記発光部は、前記受光部の周囲に複数設けられている構成（第８の構成）にするとよい。

第１〜第８いずれかの構成から成る生体情報センサにおいて、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９の構成）にするとよい。

また、本明細書中に開示されている装着判定方法は、発光部及び受光部を備えた光センサ部と、加速度センサ部と、を有する生体情報センサが生体に正しく装着されているか否かを判定するための方法であって、前記加速度センサ部で加速度が検出されたか否かを判定する運動状態判定処理と、前記受光部で周囲光が非検出であるか否かを判定する周囲光判定処理と、前記発光部から光を出射したときにその反射光が前記受光部で検出されたか否かを判定する近接判定処理と、前記発光部から光を出射したときに前記受光部で検出される光から生体情報が取得されたか否かを判定する生体情報判定処理とを順次段階的に行い、上記全ての判定処理でイエス判定が下されたときに装着ＯＫと判定する構成（第１０の構成）とされている。

本明細書中に開示されている発明によれば、生体への装着／未装着を正確に判定することのできる生体情報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 生体情報センサ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 制御部１３の一構成例を示すブロック図 装着判定処理の第１実施例を示すフローチャート 装着判定処理の第２実施例を示すフローチャート 消灯時周囲光判定処理の原理を説明するための信号波形図

＜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ＨｂＯ_２）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、生体情報センサ（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、生体情報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、指の中手指節間関節と近位指節間関節との間、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。

＜生体情報センサ＞
図３は、生体情報センサの一構成例を示すブロック図である。本構成例の生体情報センサ１は、ヘッド部１０と、ヘッド部１０を担持しながら生体２（例えば被験者の手首）に巻き回されるバンド部２０と、を備えた腕輪構造（腕時計型構造）とされている。なお、バンド部２０を形成する素材としては、皮革、金属、樹脂などを用いることができる。

ヘッド部１０（＝本体ユニット）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、加速度センサ部１８と、を含む。ただし、当該構成はあくまで一例であり、上記構成要素の一部ないし全部をバンド部２０に設けてもよい。また、ヘッド部１０とバンド部２０を区別せず、一体的なデザインとすることも可能である。

光センサ部１１は、ヘッド部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。本構成例の生体情報センサ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、手首において生体情報（例えば脈波情報）の取得が十分に可能であることを実際に実験で確認済みである。また、本図の例では、光センサ部１１に発光部１１Ａと受光部１１Ｂが一つずつ設けられているが、例えば、受光部１１Ｂの周囲を取り囲むように、発光部１１Ａを複数設けても構わない。

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、生体情報センサ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、被験者の生体情報（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。また、制御部１３は、光センサ部１１と加速度センサ１８を用いて生体情報センサ１の装着／非装着を判定する装着判定部としての機能も備えている。当該機能については、後ほど詳述する。

表示部１４は、ヘッド部１０の表面（生体２と対向しない側の面）に設けられており、所定の表示情報（日付や時間に関する情報のほか、生体情報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。また、表示部１４は、被験者に装着判定の結果を報知する報知部としての機能も備えている。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、生体情報センサ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、生体情報センサ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、生体情報センサ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、生体情報センサ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生体情報センサ１の各部に供給する。このように、バッテリ駆動方式の生体情報センサ１であれば、生体情報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生体情報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、生体情報センサ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、生体情報センサ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、生体情報を継続的に取得する通常動作時において、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）で間欠的に点消灯させる。

加速度センサ１８は、自身に加わる加速度（＝被験者の体動など）に応じた加速度信号を生成して、これを制御部１３に出力する。なお、加速度センサ１８としては、例えば、３方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）それぞれの加速度を１つのデバイスで検出することが可能なＭＥＭＳ［micro electro mechanical systems］型の３軸加速度センサを好適に用いることができる。

上記のように、腕輪構造を有する生体情報センサ１であれば、被験者が意図的に生体情報センサ１を手首から外さない限り、生体情報の測定中に生体情報センサ１が被験者の手首から脱落してしまうおそれは殆どない。従って、被験者の行動を制約せずに生体情報の測定を行うことが可能となる。

また、腕輪構造を有する生体情報センサ１であれば、被験者に対して生体情報センサ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）に亘って継続的に生体情報を測定する場合であっても、被験者に過度のストレスを与えずに済む。

特に、生体情報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を備えた生体情報センサ１（＝腕時計構造の生体情報センサ１）であれば、被験者は生体情報センサ１を腕時計として日常的に装着することができるので、生体情報センサ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、生体情報センサ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生体情報を測定することが可能となる。また、生体情報センサ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、生体情報センサ１を丸ごと水洗いすることにより、生体情報センサ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を外来光よりも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。検波回路１２３としては、半波整流検波回路や全波整流検波回路などを用いることができる。

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受光信号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生体情報はもちろん、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）における生体情報についても、より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）をセンター値として動作するので、フィルタ部１２から出力される受光信号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、受光信号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、生体情報を正しく検出することが可能となる。

＜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電圧信号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。

＜制御部（装着判定部）＞
図７は、制御部１３の一構成例を示すブロック図である。本構成例の制御部１３は、主制御回路１３１と副制御回路１３２を含む。

主制御回路１３１は、主として、表示部１４を用いた表示動作や通信部１５を用いた通信動作を司る主体である。

副制御回路１３２は、主として、光センサ部１１を用いた生体情報の測定動作を司るとともに、光センサ部１１と加速度センサ部１８を用いた装着判定動作を司る主体であり、Ａ／Ｄ変換器１３２ａと、デジタル信号処理部１３２ｂと、シリアルデータ通信ポート１３２ｃと、汎用入出力ポート１３２ｄと、を含む。

Ａ／Ｄ変換器１３２ａは、フィルタ部１２から入力される受光信号Ｓｅ及び電圧信号Ｓａと、加速度センサ１８から入力される加速度信号Ｓｆを時分割で受け取り、それぞれをデジタル変換してデジタル信号処理部１３２ｂに順次出力する。なお、マルチ入力型のＡ／Ｄ変換器１３２ａに代えて、受光信号Ｓｅ、電圧信号Ｓａ、及び、加速度信号Ｓｆの各個入力を受け付けるシングル入力型のＡ／Ｄ変換器を複数並列に設けても構わない。

デジタル信号処理部１３２ｂは、Ａ／Ｄ変換器１３２ａの出力に各種のデジタル信号処理を施す。ここでのデジタル信号処理には、受光信号Ｓｅに基づく測定データの波形整形処理や解析処理のほか、電圧信号Ｓａ、受光信号Ｓｅ、及び、加速度信号Ｓｆそれぞれのモニタリング処理（装着判定処理）が含まれる。すなわち、デジタル信号処理部１３２ｂは、生体情報センサ１が生体２に正しく装着されているか否かを判定するための装着判定部として機能する。なお、装着判定処理の詳細については後述する。

シリアルデータ通信ポート１３２ｃは、主制御回路１３１と副制御回路１３２との相互間で、シリアルデータ通信を行うためのポートである。例えば、デジタル信号処理部１３２ｂは、副制御回路１３２で取得された生体情報をシリアルデータ通信ポート１３２ｃ経由で主制御回路１３１に送信する。主制御回路１３１は、副制御回路１３２から送信された生体情報を表示部１４に表示させたり、通信部１５から外部機器に転送させたりする。なお、シリアルデータ通信ポート１３２ｃとしては、Ｉ^２Ｃポートなどを好適に利用することが可能である。

汎用入出力ポート１３２ｄは、１ビット信号（２値信号）の入出力を行うためのポートである。例えば、デジタル信号処理部１３２ｂは、装着判定フラグ（装着判定の結果に相当）を汎用入出力ポート１３２ｄに出力する。具体的に述べると、デジタル信号処理部１３２ｂは、生体情報センサ１が生体２に正しく装着されていると判定したときに汎用入出力ポート１３２ｄをハイレベルとする一方、生体情報センサ１が生体２に正しく装着されていないと判定したときに汎用入出力ポート１３２ｄをローレベルとする。主制御回路１３１は、汎用入出力ポート１３２ｄの出力論理レベルを監視しており、その監視結果を表示部１４に表示させたり、通信部１５から外部機器に転送させたりする。なお、汎用入出力ポート１３２ｄとしては、ＧＰＩＯ［general purpose input/output］ポートなどを好適に利用することが可能である。

また、デジタル信号処理部１３２ｂは、生体情報センサ１の装着判定結果をシリアルデータ通信ポート１３２ｃから主制御回路１３１に送信することも可能である。例えば、主制御回路１３１からシリアルデータ通信ポート１３２ｃ経由でリクエスト信号を定期的に送信し、当該リクエスト信号を受けた副制御回路１３２からシリアルデータ通信ポート１３２ｃ経由で生体情報センサ１の装着判定結果を返信するように、装着判定確認のシーケンスを組んでおけばよい。この場合には、汎用入出力ポート１３２ｄを省略してもよい。

＜装着判定処理＞
図８は、制御部１３（特にデジタル信号処理部１３２ｂ）による装着判定処理の第１実施例を示すフローチャートである。フローが開始されると、まずステップＳ１では、加速度センサ部１８で所定値以上（または、歩行状態やジョギング状態などの運動状態を示す所定パターン）の加速度が検出されたか否かを判定する運動状態判定処理が行われる。なお、加速度の測定周期は、数十Ｈｚ（例えば３２〜５０Ｈｚ）に設定すればよい。

ステップＳ１でイエス判定が下されたときには、生体情報センサ１が生体２（＝運動中の被験者の手首）に装着されている可能性が高いので、フローが続くステップＳ２に移行される。一方、ステップＳ１でノー判定が下されたときには、装着ＮＧと判定してフローがステップＳ１に戻され、上記の運動状態判定処理が繰り返される。なお、ステップＳ１でノー判定が下される状況としては、例えば、生体情報センサ１が机上などに静置されている場合を挙げることができる。

また、ステップＳ１では、運動状態判定処理を行うために必要最小限の回路部（制御部１３及び加速度センサ１８など）だけが駆動されており、その他の回路部（光センサ部１１など）は、いずれも停止されている。従って、ステップＳ１における運動状態判定処理時の消費電流（例えば数μＡ）は、ステップＳ２（後述）における周囲光判定処理時の消費電流（例えば１０μＡ）よりも小さい値で済む。

ステップＳ１でイエス判定が下された場合、続くステップＳ２では、受光部１１Ｂで周囲光が非検出であるか否か（＝光センサ部１１の周囲が暗いか否か）を判定する周囲光判定処理が行われる。なお、上記の周囲光判定処理では、発光部１１Ａを消灯したまま、受光部１１Ｂの出力信号（具体的にはＴＩＡ１２１から出力される電圧信号Ｓａ）を、所定の判定期間（例えば１〜１０ｓ）に亘って、所定の測定周期（例えば１〜８Ｈｚ）で繰り返し測定するとよい。例えば、判定期間が１０秒であって測定周期が１Ｈｚである場合、ステップＳ２では、合計１０回（＝１０秒×１Ｈｚ）の周囲光測定が行われる。

ここで、生体情報センサ１が生体２に正しく装着されている状態（＝光センサ部１１が生体２に密着されており、受光部１１Ｂに対する周囲光の入射が適切に遮断されている状態）では、発光部１１Ａが点灯されない限り、受光部１１Ｂでの受光強度がほぼゼロとなる。このとき、抵抗Ｒ１には電流信号ＩＢが殆ど流れなくなるので、理想的には電圧信号Ｓａが基準電圧ＶＲＥＦと一致する。従って、電圧信号Ｓａと所定の閾値電圧Ｖｔｈとを比較することにより、周囲光が非検出であるか否かを判定することができる。

ステップＳ２でイエス判定が下されたときには、生体情報センサ１が生体２に正しく装着されている可能性が高いので、フローが続くステップＳ３に移行される。一方、ステップＳ２でノー判定が下されたときには、装着ＮＧと判定してフローがステップＳ１に戻され、先述の運動状態判定処理からやり直しとなる。なお、ステップＳ１でイエス判定が下されたにも関わらず、ステップＳ２でノー判定が下される状況としては、例えば、被験者が生体情報センサ１を手に持ったまま日中に歩行している場合を挙げることができる。

なお、ステップＳ２では、光センサ部１１が周囲光の検出手段として用いられるので、発光部１１Ａを点灯させる必要がない。従って、ステップＳ２における周囲光判定処理時の消費電流（例えば１０μＡ）は、ステップＳ３（後述）における近接判定処理時の消費電流（例えば７５μＡ）よりも小さい値で済む。

ステップＳ２でイエス判定が下された場合、続くステップＳ３では、発光部１１Ａから光を出射したときにその反射光が受光部１１Ｂで検出されたか否か（＝光センサ部１１の近傍に光を反射する物体（＝生体２）が存在するか否か）を判定する近接判定処理が行われる。なお、上記の近接判定処理では、発光部１１Ａを点灯したまま、受光部１１Ｂの出力信号（より具体的には、ＴＩＡ１２１から出力される電圧信号Ｓａ）を、所定の判定期間（例えば１〜１０ｓ）に亘って、所定の測定周期（例えば１〜８Ｈｚ）で繰り返し測定するとよい。例えば、判定期間が１０秒であって測定周期が１Ｈｚである場合、ステップＳ２では、合計１０回（＝１０秒×１Ｈｚ）の反射光測定が行われる。

ステップＳ３でイエス判定が下されたときには、生体情報センサ１が生体２に正しく装着されている可能性が高いので、フローが続くステップＳ４に移行される。一方、ステップＳ３でノー判定が下されたときには、装着ＮＧと判定してフローがステップＳ１に戻され、先述の運動状態判定処理からやり直しとなる。なお、ステップＳ１及びＳ２の双方でイエス判定が下されたにも関わらず、ステップＳ３でノー判定が下される状況としては、例えば、被験者が生体情報センサ１を手に持ったまま夜間に歩行している場合を挙げることができる。

また、ステップＳ３では、反射光の有無さえ検出できればよいので、生体情報の測定時と比べて、発光部１１Ａの発光強度を下げておくことができる。従って、ステップＳ３における近接判定処理時の消費電流（例えば７５μＡ）は、ステップＳ４（後述）における生体情報判定処理時の消費電流（例えば０．７４ｍＡ）よりも小さい値で済む。

また、ステップＳ３では、光センサ部１１が生体情報の取得手段としてだけでなく、近接センサとしても流用されている。従って、生体情報センサ１のコストアップや大型化を招かずに、上記の近接判定処理を行うことができる。

ステップＳ３でイエス判定が下された場合、続くステップＳ４では、発光部１１Ａから光を出射したときに受光部１１Ｂで検出される光から所望の生体情報が取得されたか否かを判定する生体情報判定処理が行われる。なお、生体情報判定処理としては、例えば、発光部１１Ａの点灯時に得られる電圧信号Ｓａの振幅（＝最大信号値と最小信号値との差）を読み取り、読み取った振幅が所定の閾値を超えているか否かを判定すればよい。また、生体情報の測定周期は、数十Ｈｚ（例えば３２Ｈｚ）に設定すればよい。

ステップＳ４でイエス判定が下されたときには、装着ＯＫと判定してステップＳ５への移行が許可され、生体情報を継続的に取得する通常動作が開始される。一方、ステップＳ４でノー判定が下されたときには、装着ＮＧと判定してフローがステップＳ１に戻され、先述の運動状態判定処理からやり直しとなる。なお、ステップＳ１〜Ｓ３全てでイエス判定が下されたにも関わらず、ステップＳ４でノー判定が下される状況としては、例えば、光センサ部１１が被験者の手首から浮いている場合を挙げることができる。

上記のように、本実施例の装着判定処理では、運動状態判定処理（ステップＳ１）、周囲光判定処理（ステップＳ２）、近接判定処理（ステップＳ３）、及び、生体情報判定処理（ステップＳ４）が順次段階的に行われ、上記全ての判定処理でイエス判定が下されたときに装着ＯＫと判定される一方、上記いずれかの判定処理でノー判定が下されたときに装着ＮＧと判定されて、フローが運動状態判定処理（ステップＳ１）に戻される。このような装着判定処理によれば、４段階の判定処理を経て生体情報センサ１の装着／非装着が判定されるので、生体情報センサ１の装着判定精度を高めることが可能となる。

また、上記の装着判定処理によれば、生体情報センサ１の装着が確認されない限り、通常動作（ステップＳ５）への移行が許可されず、ステップＳ１〜Ｓ４の判定処理（＝光センサ部１１や加速度センサ部１８の間欠駆動）が繰り返される。特に、ステップＳ１〜Ｓ４の判定処理では、前段のステップほど消費電流が小さく抑えられている。従って、生体情報センサ１の非装着時における合理的な省電力化を実現することが可能となる。

また、本実施例の装着判定処理では、通常動作（ステップＳ５）への移行後も、フローが定期的にステップＳ４に戻されて、先述の生体情報判定処理が行われる。そして、当該判定処理でノー判定が下されたときには、先と同様、装着ＮＧと判定して先述の運動状態判定処理からやり直しとなる。なお、通常動作への移行が一度許可されたにも関わらず、ステップＳ４で再びノー判定が下される状況としては、例えば、生体情報センサ１が被験者の手首から外された場合を挙げることができる。このように、上記一連の装着判定処理は、生体情報の計測中においても定期的に繰り返すことが望ましいと言える。

また、ステップＳ１〜Ｓ４のいずれかでノー判定が下されたときには、表示部１４などを用いて、生体情報センサ１が正しく装着されていないことを被験者に報知するとよい。このような報知を行えば、被験者に生体情報センサ１の正しい装着を促すことができる。

また、発光部１１Ａの輝度調整処理（キャリブレーション処理）を行う場合には、まず上記の装着判定処理を行い、生体情報センサ１が生体２に正しく装着されていることが確認された後に、上記の輝度調整処理を開始することが望ましい。

図９は、制御部１３（特にデジタル信号処理部１３２ｂ）による装着判定処理の第２実施例を示すフローチャートである。第２実施例のフローチャートは、第１実施例のフローチャートをベースとしつつ、通常動作移行後の装着判定処理に違いがある。そこで、第１実施例と同様のステップについては、図８と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、第２実施例の特徴部分について重点的に説明する。

第２実施例のフローチャートでは、通常動作（ステップＳ５）への移行後、ステップＳ４の生体情報判定処理が定期的に繰り返されるのではなく、ステップＳ６において、発光部１１Ａの消灯時に受光部１１Ｂで周囲光が非検出であるか否かを判定する消灯時周囲光判定処理が行われる。なお、ステップＳ６でイエス判定が下されたときには、フローがステップＳ５に戻されて通常動作が継続される。一方、ステップＳ６でノー判定が下されたときには、装着ＮＧと判定して先述の運動状態判定処理からやり直しとなる。以下では、ステップＳ６での消灯時周囲光判定処理について詳細に説明する。

＜消灯時周囲光判定処理＞
図１０は、制御部１３（特にデジタル信号処理部１３２ｂ）による消灯時周囲光判定処理の原理を説明するための信号波形図である。なお、本図では、電圧信号Ｓａの信号波形とその部分拡大図が描写されている。

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、発光部１１Ａの点灯期間Ｔｏｎにおける受光部１１Ｂの受光強度（延いては、電流信号ＩＢの電流値）は、被験者の拍動に伴って変動する。従って、図中のＢ点で示すように、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）を包絡線検波することにより、被験者の脈波データ（図中の細破線を参照）を取得することができる。

一方、受光部１１Ｂに全く光が入射されず、抵抗Ｒ１に電流信号ＩＢが一切流れない場合、理想的には電圧信号Ｓａが基準電圧ＶＲＥＦと一致する。例えば、生体情報センサ１が生体２に正しく装着されている状態（＝受光部１１Ｂに対する周囲光の入射が適切に遮断されている状態）では、発光部１１Ａの消灯期間Ｔｏｆｆにおける受光部１１Ｂでの受光強度がほぼゼロとなるので、抵抗Ｒ１には電流信号ＩＢが殆ど流れなくなる。従って、図中の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とほぼ一致するはずである。

そこで、ステップＳ６では、所定の判定期間Ｔｊ（例えば１〜１０ｓ）に亘って所定の測定周期１／ｆｓ（例えば１〜８Ｈｚ）でオフ電圧信号Ｓａ＠Ａが繰り返し測定され、それぞれのオフ電圧信号Ｓａ＠Ａと閾値電圧Ｖｔｈとが逐一比較される。

なお、上記の閾値電圧Ｖｔｈは、ＴＩＡ１２１の基準電圧ＶＲＥＦよりも低い電圧値に設定されている。例えば、基準電圧ＶＲＥＦが１．５０Ｖである場合には、閾値電圧Ｖｔｈを１．４０〜１．４９Ｖの範囲内で設定することが望ましい（例えばＶｔｈ＝１．４９Ｖ）。先にも述べた通り、生体情報センサ１が生体２に正しく装着されている状態では、発光部１１Ａの消灯期間Ｔｏｆｆにおける受光部１１Ｂでの受光強度がほぼゼロとなるので、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａが閾値電圧Ｖｔｈを上回るはずである。

従って、複数モニタリングされたオフ電圧Ｓａ＠Ａと閾値電圧Ｖｔｈとを逐一比較し、その比較結果を所定の装着判定条件と照らし合わせれば、生体情報センサ１が生体２に正しく装着されているか否かを判定することができる。

なお、上記の装着判定条件としては、複数モニタリングされたオフ電圧Ｓａ＠Ａについて、（１）その全てが閾値電圧Ｖｔｈを上回っている、（２）ほぼ全て（８０〜９０％）が閾値電圧Ｖｔｈを上回っている、（３）過半数が閾値電圧Ｖｔｈを上回っている、などが挙げられる。これらの例示について言えば、当然のことながら、（１）が最も厳しい条件となり（３）が最も甘い条件となる。

このように、電圧信号Ｓａの振幅強度を読み取る構成ではなく、パルス駆動される発光部１１Ａの消灯時における受光部１１Ｂの受光強度から生体情報センサ１の装着判定を行う構成であれば、生体２への装着／未装着を迅速かつ正確に判定することが可能となる。

＜出力波長についての考察＞
実験では、いわゆる反射型の生体情報センサにおいて、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、及び、１０ｍＡに変化させたときの挙動をそれぞれ調査した。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ＨｂＯ_２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ＨｂＯ_２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、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、生体情報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 生体情報センサ（脈波センサ）
２ 生体（手首など）
１０ ヘッド部
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
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（装着判定部としての機能を実装）
１３１ 主制御回路
１３２ 副制御回路
１３２ａ Ａ／Ｄ変換器
１３２ｂ デジタル信号処理部
１３２ｃ シリアルデータ通信ポート（Ｉ^２Ｃポート）
１３２ｄ 汎用入出力ポート（ＧＰＩＯポート）
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
１８ 加速度センサ部
２０ バンド部
ＡＭＰ１ オペアンプ
Ｒ１ 抵抗
Ｃ１ キャパシタ

Claims (10)

1. 発光部及び受光部を備えた光センサ部と、
   加速度センサ部と、
   前記光センサ部及び前記加速度センサ部を用いて装着判定を行う装着判定部と、
   を有し、
   前記装着判定部は、
   前記加速度センサ部で加速度が検出されたか否かを判定する運動状態判定処理と、
   前記受光部で周囲光が非検出であるか否かを判定する周囲光判定処理と、
   前記発光部から光を出射したときにその反射光が前記受光部で検出されたか否かを判定する近接判定処理と、
   前記発光部から光を出射したときに前記受光部で検出される光から生体情報が取得されたか否かを判定する生体情報判定処理と、
   を順次段階的に行い、
   上記全ての判定処理でイエス判定が下されたときに装着ＯＫと判定する、
   ことを特徴とする生体情報センサ。
2. 前記装着判定部は、
   前記運動状態判定処理でイエス判定が下されたときに前記周囲光判定処理に移行し、
   前記周囲光判定処理でイエス判定が下されたときに前記近接判定処理に移行し、
   前記近接判定処理でイエス判定が下されたときに前記生体情報判定処理に移行し、
   前記生体情報判定処理でイエス判定が下されたときに装着ＯＫと判定して前記生体情報を継続的に取得する通常動作への移行を許可し、
   上記いずれかの判定処理でノー判定が下されたときに装着ＮＧと判定して前記運動状態判定処理に戻る、
   ことを特徴とする請求項１に記載の生体情報センサ。
3. 前記運動状態判定処理時の消費電流は、前記周囲光判定処理時のそれよりも小さく、
   前記周囲光判定処理時の消費電流は、前記近接判定処理時のそれよりも小さく、
   前記近接判定処理時の消費電流は、前記生体情報判定処理時のそれよりも小さい、
   ことを特徴とする請求項２に記載の生体情報センサ。
4. 前記装着判定部は、前記通常動作への移行後も前記生体情報判定処理を行い、当該判定処理でノー判定が下されたときには装着ＮＧと判定して前記運動状態判定処理に戻る、
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の生体情報センサ。
5. 前記通常動作時に前記発光部を間欠的に点消灯させるパルス駆動部をさらに有し、
   前記装着判定部は、前記通常動作への移行後、前記発光部の消灯時に前記受光部で周囲光が非検出であるか否かを判定する消灯時周囲光判定処理を行い、当該判定処理でノー判定が下されたときには装着ＮＧと判定して前記運動状態判定処理に戻る、
   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生体情報センサ。
6. 前記装着判定部は、前記周囲光判定処理及び前記近接判定処理の少なくとも一方において、前記受光部の出力信号を所定の判定期間に亘って所定の測定周期で繰り返し測定することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の生体情報センサ。
7. 前記装着判定部の判定結果を報知する報知部をさらに有す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生体情報センサ。
8. 前記発光部は、前記受光部の周囲に複数設けられてい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生体情報センサ。
9. 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８のいずれか一項に記載の生体情報センサ。
10. 発光部及び受光部を備えた光センサ部と、加速度センサ部と、を有する生体情報センサの装着判定方法であって、
    前記加速度センサ部で加速度が検出されたか否かを判定する運動状態判定処理と、
    前記受光部で周囲光が非検出であるか否かを判定する周囲光判定処理と、
    前記発光部から光を出射したときにその反射光が前記受光部で検出されたか否かを判定する近接判定処理と、
    前記発光部から光を出射したときに前記受光部で検出される光から生体情報が取得されたか否かを判定する生体情報判定処理と、
    を順次段階的に行い、
    上記全ての判定処理でイエス判定が下されたときに装着ＯＫと判定する、
    ことを特徴とする装着判定方法。

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