JP2000083914A - 生体情報計測装置および脈波計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大掛かりな遮光構造がなくても使用条件に対
する制約を緩和可能な光学式の人体情報検出装置および
脈波計測装置を提供すること。 【解決手段】 脈波計測装置１では、装置本体１０をリ
ストバンド１２で腕に装着する一方、検出装置３０をセ
ンサ固定用バンド４０によって指に装着する。この状態
で、ＬＥＤ３１から指に向けて光を照射すると、この光
が血管に届いて反射する。反射してきた光は、フォトト
ランジスタ３２によって受光され、その受光量は、血液
の脈波によって生じる血量変化に対応する。ここで、Ｌ
ＥＤ３１は、青色ＬＥＤを用いてあり、その発光波長ピ
ークは、４５０ｎｍである。フォトトランジタ３２の受
光波長領域は、３００ｎｍから６００ｎｍまでの波長領
域にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、脈波計測装置など
の生体情報計測装置に関し、更に詳しくは、生体に向け
て光を照射し、生体からの反射光を検出して脈波などの
生体情報を計測する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】脈波などの生体情報を計測する装置に
は、血液の量の変化を光学的に検出し、その検出結果に
基づいて生体情報を表示する電子機器がある。かかる光
学式の脈波計測装置（生体情報計測装置）では、ＬＥＤ
（発光ダイオード）などの発光素子から指先などに光を
照射し、生体（血管）からの反射光をフォトトランジス
タなどの受光素子で受光することにより、血液の脈波に
よって生じる血量変化を受光量の変化として検出し、こ
れにより得られる脈波信号に基づいて脈拍数や脈波の変
化を表示するようになっており、発光素子から照射され
る光としては、従来、赤外光が用いられている。ここ
で、受光素子に外光（太陽光）が射し込むと、外光の入
射量の変動に伴い、受光量が変動してしまうため、従来
の脈波計測装置では、指先などの検出部分を遮光カバー
で覆うことによって外光の影響を抑えている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
脈波計測装置では、外光に対する遮光カバーをいくら大
掛かりにしても、屋外といった外光があたる場所で使用
すると、外光の一部が指自身を通って受光素子に届いて
しまい、外光の照度が変動することに起因して脈波の誤
検出が発生しやすいという欠点がある。従って、従来の
脈波計測装置には、外光があたらない場所、または外光
の照度が一定した場所でしか使用できないという制約が
あり、かかる制約を緩和するには、さらに大掛かりな遮
光構造が必要になって、脈波計測装置を小型化できな
い。かかる問題点を解消するために、実開昭５７−７４
００９号公報には、脈波の検出装置に加えて外光を検出
する外光検出素子を設け、外光検出素子による外光の検
出結果に基づいて、その影響を補償する脈波センサが開
示されている。しかし、脈波センサに外光検出素子およ
び補償回路を設けることは、その小型化や低価格化を妨
げてしまうなど、これまで案出されてきた外光への対策
は、いずれも実用性に乏しい。

【０００４】このような問題点に鑑みて、本願発明者
は、外光の照度が変動することに起因して脈波の誤検出
が発生する理由を種々検討した結果、従来の脈波計測装
置においてその検出系に用いている赤外光は、生体にお
ける透過率が大きすぎるため、遮光カバーを付けても外
光が生体自身を透過して受光素子に届きやすいからであ
り、かかる問題点を解消すれば、実用的な外光対策が可
能であるという結論に到達した。

【０００５】そこで、本発明の課題は、外光の影響を受
けにくい光学系を用いることによって、大掛かりな遮光
構造がなくても使用条件に対する制約を緩和可能な生体
情報検出装置および脈波計測装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、生体の一部に向けて光を照射する発
光部、およびこの発光部が発した光を生体を介して受光
する受光部、すなわち、生体からの反射光を受光する受
光部を備える検出手段と、この検出手段の検出結果に基
づいて生体情報を表示する生体情報表示手段とを有する
生体情報計測装置において、生体情報を、検出手段の約
３００ｎｍから約７００ｎｍまでの波長領域における検
出結果に基づいて表示することに特徴を有する。

【０００７】かかる波長領域での検出を行なうにあたっ
て、たとえば、発光部の発光波長領域を少なくとも約３
００ｎｍから約７００ｎｍまでの範囲とし、受光部の受
光波長領域をλｎｍとしたときに、受光波長領域を以下
の式 ０ ＜ λ ≦ ７００ で表される範囲のみとする。

【０００８】このような生体情報計測装置は、たとえ
ば、検出手段の検出結果に基づいて生体情報としての脈
波情報を表示する脈波計測装置を構成できる。

【０００９】

【作用】本発明に係る脈波計測装置（生体情報計測装
置）において、ＬＥＤなどの発光部から指や手首などに
光を照射し、血管からの反射光をフォトトランジスタな
どの受光部で検知することにより、血液の脈波によって
生じる血量変化を受光量の変化として検出し、これによ
り得られる脈波信号に基づいて脈拍数や脈波の変化を表
示する。本発明では、生体情報は、検出手段の３００ｎ
ｍから７００ｎｍまでの波長領域における検出結果に基
づいて表示する。かかる波長領域での検出を行なうにあ
たって、たとえば、発光部の波長領域が少なくとも３０
０ｎｍから７００ｎｍまでの範囲とし、受光波長領域を
７００ｎｍ以下とすれば、外光に含まれる光のうち、波
長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を導光体として受光
部にまで到達しない一方、３００ｎｍより低波長領域の
光は、皮膚表面でほとんど吸収される。従って、検出結
果は、外光の影響を受けることなく、発光部の光のみに
基づく３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域の検出
結果から生体情報を計測することができる。それ故、検
出部分に外光が直接射し込まない限り、外光に起因する
脈波の誤検出が発生しないので、大掛かりな遮光構造を
設けなくても使用条件に対する制約を緩和できる。

【００１０】また、血液中のヘモグロビンは、波長領域
が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にある光に対す
る吸光係数が赤外光に対する吸光係数よりも著しく大き
い。

【００１１】かかるヘモグロビンの吸光特性に合わせ
て、波長領域が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲に
ある光を生体に向けて照射すると、生体（血管）から反
射してくる光の強度は、血量変化に追従して大きく変化
する。それ故、脈波信号のＳ／Ｎ比が向上する。

【００１２】

【実施例】図面に基づいて、本発明の一実施例を説明す
る。

【００１３】（全体構成）図１は、実施例に係る脈波計
測装置の使用状態を示す説明図、図２（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）は、脈波計測装置の検出装置を装着した指と光学
素子との位置関係を模式的に示す断面図、図３は、指に
装着された検出装置の動作を示す説明図である。

【００１４】図１において、本例の脈波計測装置１（生
体情報計測装置）では、腕時計構造を有する装置本体１
０と、この装置本体１０から引き出されたケーブル２０
と、このケーブル２０の先端側に設けられた検出装置３
０と、この検出装置３０を指や手首などに装着するため
のゴム製などのセンサ固定用バンド４０とから大略構成
されている。

【００１５】装置本体１０は、計時機能が内蔵された時
計ケース１１、およびこの時計ケース１１を腕に装着す
るためのリストバンド１２から構成されている。時計ケ
ース１１の表面側には、現在時刻や日付に加えて、検出
装置３０での検出結果に基づく脈波情報（生体情報）な
ども表示する液晶表示装置１３が構成されている。ま
た、時計ケース１１の内部には、検出装置３０による検
出結果に基づいて脈拍数の変化などを表示するために、
検出信号に対する信号処理などを行なうデータ処理回路
５０も内蔵され、このデータ処理回路５０および液晶表
示装置１３によって、生体情報表示手段６０が構成され
ている。なお、時計ケース１１の外側面には、時刻合わ
せや表示モードの切り換えなどを行なうためのボタンス
イッチ１１１、１１２が設けられている。

【００１６】脈波計測装置１の電源は、時計ケース１１
に内蔵されている電池であり、ケーブル２０は、電池か
ら検出装置３０に電力を供給するとともに、検出装置３
０の検出結果を時計ケース１１内のデータ処理回路５０
に入力可能である。

【００１７】本例では、センサ固定用バンド４０には、
マジックテープが張られており、図１に実線で示すよう
に、センサ固定用バンド４０は、検出装置３０を指の根
元に密着した状態で取り付け可能である。また、図１に
点線で示すように、検出装置３０を指先に密着した状態
とすることも可能である。

【００１８】センサ固定用バンド４０の内面には、検出
装置３０が箱型の光学ユニット３００として固定されて
おり、それには、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に模式的
に示すように、ＬＥＤ３１およびフォトトランジスタ３
２が指に向けられている。ここで、図２（ａ）には、指
の根元に検出装置３０を密着した状態で取り付けたとき
に、指の長さ方向にＬＥＤ３１およびフォトトランジス
タ３２が並んだ状態を示してある。図２（ｂ）には、指
先に検出装置３０を密着した状態で取り付けたときに、
指の長さ方向にＬＥＤ３１およびフォトトランジスタ３
２が並んだ状態を示してある。図２（ｃ）には、指に検
出装置３０を密着した状態で取り付けたときに、指の周
り方向にＬＥＤ３１およびフォトトランジスタ３２が並
んだ構造を示してある。

【００１９】本例では、図３に示すように、ＬＥＤ３１
から指に向けて光を照射し、生体（血管）から反射して
きた光をフォトトランジスタ３２で受光して生体（血
管）から脈波を検出するようになっている。

【００２０】かかる脈波の検出にあたって、本例では、
赤外光ではなく、３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長
領域における検出結果に基づいて生体情報を表示するよ
うになっている。すなわち、検出装置３０では、発光波
長領域が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にあるＬ
ＥＤ３１と、受光波長領域が７００ｎｍ以下のフォトト
ランジスタ３２とを用いてあり、その重なり領域である
３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域における検出
結果に基づいて生体情報を表示する。かかる検出装置３
０を用いれば、後述するとおり、外光に含まれる光のう
ち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を導光体とし
てフォトトランジスタ３２（受光部）にまで到達しない
一方、３００ｎｍ以下の光は、皮膚表面でほとんど吸収
される。

【００２１】従って、検出結果は、外光の影響を受ける
ことなく、発光部の光のみに基づく３００ｎｍから７０
０ｎｍまでの波長領域の検出結果から生体情報を計測す
ることができるからである。

【００２２】ここで、ＬＥＤ３１から発せられた光は、
その一部が矢印Ｃで示すように指を通って血管にまで到
達し、血液中のヘモグロビンからの反射光が矢印Ｄで示
すようにフォトトランジスタ３２に届く。この経路で受
光された光量が生体反射量である。また、ＬＥＤ３１か
ら発せられた光は、その一部が矢印Ｅで示すように指表
面で反射してフォトトランジスタ３２に届く。この経路
で受光された光量が皮膚反射量である。さらに、ＬＥＤ
３１から発せられた光、および血管から反射した光の一
部は、矢印Ｆ、Ｇで示すように、指内で吸収、または分
散して、フォトトランジスタ３２に届かない。

【００２３】かかるＬＥＤ３１として、本例では、Ｉｎ
ＧａＮ系（インジウム−ガリウム−窒素系）の青色ＬＥ
Ｄを用いてあり、その発光スペクトルは、図４に示すよ
うに、４５０ｎｍに発光ピークを有し、その発光波長領
域は、３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にある。か
かる発光特性を有するＬＥＤ３１に対応させて、本例で
は、フォトトランジスタ３２として、ＧａＡｓＰ系（ガ
リウム−砒素−リン系）のフォトトランジスタを用いて
あり、その素子自身の受光波長領域は、図５に示すよう
に、主要感度領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでの範
囲にあって、３００ｎｍ以下にも感度領域がある。ここ
で、フォトトランジスタ３２として、素子にフィルタを
付加したセンサユニットを用いることもあり、このよう
なセンサユニットの受光波長領域の一例は、図６に示す
ように、主要感度領域が４００ｎｍから５５０ｎｍまで
の範囲にある。これらのＬＥＤ３１およびフォトトラン
ジスタ３２は、消費電力が比較的小さいので、本例の脈
波計測装置１のように、計時機能と脈波計測機能を１つ
の小型電池で駆動する場合でも、連続稼働時間が長い。

【００２４】（検出装置の構成）図７〜図１０を参照し
て、光学ユニットの構成を詳述する。図７は、光学ユニ
ットの平面図、図８は、図７のＡ−Ａ′線における断面
図、図９は、図７のＢ−Ｂ′線における断面図、図１０
は、図７のＣ−Ｃ′線における断面図である。

【００２５】これらの図において、光学ユニット３００
では、そのケース体としてのセンサ枠３０１に裏蓋３０
２が被されてその内部が部品収納空間になっている。セ
ンサ枠３０１に対する裏蓋３０２の固定は、３本の裏蓋
止めねじ３０３で行なわれている。また、裏蓋止めねじ
３０３は、裏蓋３０２の下面にセンサ固定用バンド４０
を固定し、センサ固定用バンド４０は、光学ユニット３
００から両側に延びている。かかるセンサ固定用バンド
４０に対して直角をなす方向に向けて、センサ枠３０１
の内部からはケーブル２０が引き出されている。センサ
枠３０１の上面部分には、ガラス板３０４（フィルタ）
で光透過窓が形成され、このガラス板３０４に対向する
ように回路基板３０５がセンサ枠３０１の内部に固定さ
れている。回路基板３０５には、ＬＥＤ３１、フォトト
ランジスタ３２（フィルタ付きのセンサユニット）、お
よびトランジスタ３０９が実装されており、ＬＥＤ３１
およびフォトトランジスタ３２は、それぞれ発光面およ
び受光面をガラス板３０４の方に向けている。なお、回
路基板３０５は、センサ枠３０１の上面から嵌め込まれ
た２本のピン３０６に基板止めねじ３０７が止められて
センサ枠３０１に固定されている。また、ピン３０６に
よってアース板３０８も固定されている。

【００２６】（データ処理回路の構成）図１１を参照し
て、時計ケース１１の内部に構成されたデータ処理回路
５０の構成を説明する。図１１は、データ処理回路５０
の構成を示すブロック図である。

【００２７】データ処理回路５０において、脈波信号変
換部５１は、検出装置３０からケーブル２０を介して入
力された信号をデジタル信号に変換して脈波信号記憶部
５２に出力するようになっている。脈波信号記憶部５２
は、デジタル信号に変換された脈波データを記憶してお
くＲＡＭである。脈波信号演算部５３は、脈波信号記憶
部５２に記憶されている信号を読み出してそれに周波数
分析を行ない、その結果を脈波成分抽出部５４に入力す
るようになっている。脈波成分抽出部５４は、脈波信号
演算部５３からの入力信号から脈波成分を抽出して脈拍
数演算部５５に出力し、この脈拍数演算部５５は、入力
された脈波の周波数成分により脈拍数を演算し、その結
果を液晶表示装置１３に出力するようになっている。

【００２８】（動作）このように構成した脈波計測装置
１の動作を、図１、図３および１１を参照して簡単に説
明する。まず、図１に示すように、装置本体１０をリス
トバンド１２で腕に装着する一方、検出装置３０（光学
ユニット３００のガラス板３０４）をセンサ固定用バン
ド４０によって指に密着させる。この状態で、図３に模
式的に示すように、ＬＥＤ３１から指に向けて光を照射
すると、この光が血管に届いて血液中のヘモグロビンに
よって一部が吸収され、一部が反射する。生体（血管）
から反射してきた光は、フォトトランジスタ３２によっ
て受光され、その受光量変化は、血液の脈波によって生
じる血量変化に対応する。すなわち、血量が多いときに
は、反射光が弱くなる一方、血量が少なくなると、反射
光が強くなるので、反射光強度の変化をフォトトランジ
スタ３２で監視すれば、脈拍などを検出できる。かかる
検出を行なうために、図１１に示すデータ処理回路５０
では、フォトトランジスタ３２（検出装置３０）から入
力された信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信
号に周波数分析などを行なって脈拍数を演算する。そし
て、演算により求めた脈拍数を液晶表示装置１３に表示
させる。すなわち、脈波計測装置１は、脈拍計として機
能する。

【００２９】（実施例の効果）本例では、ＬＥＤ３１の
発光波長領域は、３５０ｎｍから６００ｎｍまでの範囲
にあり、フォトトランジスタ３２の受光波長領域は、主
要感度領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでの範囲にあ
る。また、フォトトランジスタ３２として、素子とフィ
ルタとを組み合わせたユニットを用いたときの受光波長
領域は、４００ｎｍから５５０ｎｍまでの範囲にある。
従って、図１に示す簡単な遮光状態で脈波を計測して
も、外光に含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以
下の光は、指を導光体としてフォトトランジスタ３２
（受光部）にまで到達せず、検出には影響を与えない波
長領域の光だけが、指を導光体として通ってくることか
ら、本例では、指の露出部分に外光があたっても、脈波
の検出結果には外光の影響が及ばない。また、本例で
は、血量変化に基づく脈波信号のＳ／Ｎ比が高い。かか
る理由を以下に説明する。

【００３０】まず、外光の影響を受けにくい理由を、図
１２（ａ）を参照して説明する。図１２（ａ）には、光
の波長と、皮膚の光透過度との関係を示してある。ここ
で、折れ線ａは、波長が２００ｎｍの光における透過特
性、折れ線ｂは、波長が３００ｎｍの光における透過特
性、折れ線ｃは、波長が５００ｎｍの光における透過特
性、折れ線ｄは、波長が７００ｎｍの光における透過特
性、折れ線ｅは、波長が１μｍの光における透過特性を
示す。この図から明らかなように、外光に含まれる光の
うち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を透過しに
くい傾向にあるため、外光がセンサ固定用バンド４０で
覆われていない指の部分に照射されても、図３に点線Ｘ
で示すように、指を通ってフォトトランジスタ３２まで
届かない。それ故、本例のように、７００ｎｍ以下の光
を検出光として用いれば、指を大掛かりに覆わなくても
必要最小限の範囲を覆うだけで、外光の影響を抑えるこ
とができるので、本例の脈波計測装置１は、屋外での使
用が可能である。なお、３００ｎｍより低波長領域の光
は、皮膚表面でほとんど吸収されるので、受光波長領域
を７００ｎｍ以下としても、実質的な受光波長領域は、
３００ｎｍ〜７００ｎｍとなる。

【００３１】これに対し、従来のように、８８０ｎｍ付
近に発光ピークを有するＬＥＤを用い、シリコン系のフ
ォトトランジスタを用いると、その受光波長範囲は、図
１３に示すように、３５０ｎｍから１２００ｎｍまでの
範囲に及ぶ。従って、従来の光学系（検出装置）では、
外光のうち、図３に矢印Ｙで示すように、指を導光体と
して受光部にまで容易に届いてしまう１μｍの波長の
光、すなわち、図１２（ａ）の折れ線ｅで示す光による
検出結果に基づいて脈波を検出しているので、外光の変
動に起因する誤検出が起こりやすい。

【００３２】次に、本例の脈波計測装置１では、脈波信
号のＳ／Ｎ比が高い理由を、図１２（ｂ）を参照して説
明する。図１２（ｂ）は、光の波長と各種のヘモグロビ
ンの吸光特性との関係を示す説明図である。

【００３３】図１２（ｂ）には、酸素と未結合のヘモグ
ロビンの吸光特性を曲線Ｈｂで示してあり、酸素と結合
しているヘモグロビンの吸光特性を曲線ＨｂＯ2 で示し
てある。これらの曲線が示すように、血液中のヘモグロ
ビンは、波長が３００ｎｍから７００ｎｍまでの光に対
する吸光係数が大きく、従来の検出光である波長が８８
０ｎｍの光に対する吸光係数に比して数倍〜約１００倍
以上大きい。従って、本例のように、ヘモグロビンの吸
光特性に合わせて、吸光係数が大きい波長領域（３００
ｎｍから７００ｎｍ）の光を検出光として用いると、そ
の検出値は、血量変化に感度よく変化するので、血量変
化に基づく脈波の検出率（Ｓ／Ｎ比）が高い。

【００３４】（各遮光条件における外光の侵入量）本例
の脈波計測装置１を評価するにあたり、図１４（ａ）〜
（ｅ）で示すように、指に対する遮光範囲を条件１から
条件５まで変えながら外光の侵入量のみを従来の脈波計
測装置（比較例）と比較して計測した。ここで、本例の
脈波計測装置１としては、受光感度が４００ｎｍから６
００ｎｍのフォトトランジスタ３２を用いた試料１と、
受光感度が３００ｎｍから７００ｎｍのフォトトランジ
スタ３２を用いた試料２とを評価に供した。一方、比較
例としては、受光感度が３００ｎｍから７００ｎｍまで
の範囲からずれた試料３、４、５を評価に供した。な
お、条件１は、図１４（ａ）に示すように、人差し指の
根元を遮光カバーで１０ｍｍの幅で覆った状態、条件２
は、図１４（ｂ）に示すように、人差し指の根元を遮光
カバーで２０ｍｍの幅で覆った状態、条件３は、図１４
（ｃ）に示すように、人差し指の根元を遮光カバーで４
０ｍｍの幅で覆った状態、条件４は、図１４（ｄ）に示
すように、人差し指の根元を遮光カバーで７０ｍｍの幅
で覆った状態、条件５は、図１４（ｅ）に示すように、
人差し指の全体、親指の根元、中指の根元、および各指
の付け根付近を遮光カバーで覆った状態である。

【００３５】このような各条件下における外光の侵入量
の計測結果を表１に示す。なお、外光の侵入量は、フォ
トトランジスタの出力電流（単位μＡ）で表してある。

【００３６】

【表１】

【００３７】表１に示すように、本例の脈波計測装置１
（試料１、２）によれば、３００ｎｍから７００ｎｍま
での波長領域にある光を受光しているので、今回行なっ
たいずれの条件でも、外光の影響を無視できる。外光に
含まれる光のうち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、
指を導光体としてフォトトランジスタ３２（受光部）に
まで到達しないからである。従って、本例の脈波計測装
置１によれば、検出装置３０自身、またはセンサ固定用
バンド４０（遮光カバー）で指を１０ｍｍの幅で覆えば
充分である。これに対して、比較例の脈波計測装置（試
料３、４、５）では、人差し指の全体、親指の根元、中
指の根元、および各指の付け根付近まで広い範囲にわた
って覆った状態（条件５）でのみ外光の影響を無視で
き、大掛かりな遮光構造が必要である。

【００３８】（各環境下における外光の影響）また、発
光波長ピークが４５０ｎｍのＬＥＤ３１（青色光源）を
用い、受光波長領域が３００ｎｍから６００ｎｍまでの
ＧａＡｓＰ系のフォトトランジスタ３２を用いた本例の
脈波計測装置１と、発光波長ピークが８８０ｎｍのＬＥ
Ｄを用い、受光波長領域が３５０ｎｍから１２００ｎｍ
までのフォトトランジスタを用いた脈波計測装置（比較
例）とに関して、外光の影響の度合いを比較、検討した
結果を図１５、図１６に示す。なお、図に示すデータ
は、脈波の検出結果に周波数解析を行なった結果を示
し、多数のピークのうち、矢印を付したピークが脈波の
周波数に相当する。

【００３９】図１５（ａ）には、本例の脈波計測装置を
腕に装着したまま、暗室環境下を走行したときの脈波の
計測結果を示してある。図１５（ｂ）には、本例の脈波
計測装置を腕に装着したまま、太陽光に向かって一方向
に走行したときの脈波の計測結果を示してある。図１５
（ｃ）には、本例の脈波計測装置を腕に装着したまま、
太陽光の相対的な向きが変動するように回りながら走行
したときの脈波の計測結果を示してある。これらの図に
示すいずれの条件においても、矢印を付した脈波のピー
クは、他のピークに比して明確であり、本例の脈波計測
装置１は、外光の影響を受けにくいことがわかる。

【００４０】図１６（ａ）には、従来の脈波計測装置を
腕に装着したまま、暗室環境下を走行したときの脈波の
計測結果を示してある。図１６（ｂ）には、本例の脈波
計測装置を腕に装着したまま、太陽光に向かって一方向
に走行したときの脈波の計測結果を示してある。図１６
（ｃ）には、本例の脈波計測装置を腕に装着したまま、
太陽光の相対的な向きが変動するように回りながら走行
したときの脈波の計測結果を示してある。これらの図に
示すように、従来の脈波計測装置は、暗室環境下でのみ
脈波の計測が可能であって、外光があたる条件下では、
計測不可能であることがわかる。

【００４１】（脈波信号の相対感度）次に、本例の脈波
計測装置１、および従来の脈波計測装置（比較例）にお
いて、脈波を計測したときの脈波信号レベル（μＡ）、
反射光の全体レベル（μＡ）、反射光に含まれる脈波信
号の比を比較、検討した結果を表２に示す。ここで、本
例の脈波計測装置１としては、発光波長領域が４２０ｎ
ｍから４８０ｎｍのＬＥＤ３１（発光色が青色）を用い
た試料６に加えて、発光波長領域が５４０ｎｍから５７
０ｎｍのＬＥＤ３１（発光色が緑色）を用いた試料７も
評価に供した。

【００４２】試料７では、発光色が緑色のＬＥＤ３１と
してＧａＰ系のものを用いてあり、このＧａＰ系のＬＥ
Ｄ３１は、その発光スペクトル分布を図１７に示すよう
に、５４０ｎｍから５７０ｎｍまでの範囲に主要発光領
域を有し、発光領域は、５２０ｎｍから６００ｎｍまで
の範囲にまで及ぶ。かかるＧａＰ系のＬＥＤ３１を用い
た試料７では、その発光特性に対応させて、ＧａＰ系の
フォトトランジスタ３２を用いてあり、このＧａＰ系の
フォトトランジスタ３２は、その受光感度特性を図１８
に示すように、２００ｎｍから７００ｎｍ近くまでの範
囲に感度領域を有する。

【００４３】なお、比較例としては、発光波長領域が３
００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲からずれた試料８、
９、１０を評価に供した。

【００４４】表２には、この評価結果を示してある。

【００４５】

【表２】

【００４６】表２に示すように、本例の脈波計測装置１
（試料６、７）によれば、血液中のヘモグロビンの吸光
係数が大きい波長領域に合わせて、発光波長領域が３０
０ｎｍから７００ｎｍまでの範囲内のある光を用いてい
るので、反射光に含まれる脈波信号の比が０．０１９、
０．０１３と大きく、感度が高い。これに対して、比較
例の脈波計測装置（試料８、９、１０）では、反射光に
含まれる脈波信号の比が０．００２以下と非常に小さ
く、感度が低い。すなわち、本例の脈波計測装置１の感
度は、従来のものに比して脈波信号のＳ／Ｎ比で約１０
倍近く飛躍的に向上する。

【００４７】（肌の色の影響）次に、本例の脈波計測装
置１の感度が高いという利点は、肌の色に影響されない
ことを検討した結果を表３に示す。この評価では、皮膚
の表面で反射しにくい４５０ｎｍの発光波長ピークを有
するＬＥＤ（青色光源）を用いた本例の脈波計測装置１
（試料１１）と、皮膚の表面で反射しやすい８８０ｎｍ
の発光波長ピークを有するＬＥＤを用いた従来の脈波計
測装置（比較例、試料１２）とに関して、黄色人種、白
人、および黒人の脈波を計測し、そのときに検出される
皮膚反射量、生体反射量（血管からの反射量）、脈波成
分をそれぞれ算出した。

【００４８】

【表３】

【００４９】その結果、表３に示すように、黄色人種、
白人、および黒人のいずれの人種を対象にしても、全受
光量に占める脈波成分の比率が高いこと、すなわち、生
体情報に対する計測感度が高いことが実証された。

【００５０】（その他の実施例）なお、血液中のヘモグ
ロビンの吸光特性は、図１２（ｂ）に示したように、酸
素と未結合のヘモグロビンと、酸素と結合しているヘモ
グロビンとの間で異なるので、３００ｎｍから７００ｎ
ｍまでの波長をもつ光、たとえば約４７０ｎｍの波長を
もつ光を検出光として用いれば、その強度から、各種の
ヘモグロビンの量、およびヘモグロビンの総量などを生
体情報として計測することができる。また、皮膚と水分
の吸光特性の差から、たとえば、皮膚に含まれる水分を
生体情報として計測することもできる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明に係る脈波
計測装置（生体情報計測装置）においては、ＬＥＤなど
の発光部から指先などに光を照射し、血液などからの反
射光をフォトトランジスタなどの受光部で検知するとと
もに、かかる検出手段の３００ｎｍから７００ｎｍまで
の波長領域における検出結果に基づいて生体情報を計測
することに特徴を有する。かかる波長領域での検出を行
なうにあたって、たとえば、発光部の波長領域が少なく
とも３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲とし、受光波
長領域を７００ｎｍ以下とすれば、外光に含まれる光の
うち、波長領域が７００ｎｍ以下の光は、指を導光体と
して受光部にまで到達しない一方、３００ｎｍより低波
長領域の光は、皮膚表面でほとんど吸収される。従っ
て、検出結果は、外光の影響を受けることなく、発光部
の光のみに基づく３００ｎｍから７００ｎｍまでの波長
領域の検出結果から生体情報を計測することができる。
それ故、検出部分に外光が直接射し込まない限り、外光
に起因する脈波の誤検出が発生しないので、大掛かりな
遮光構造を設けなくても使用条件に対する制約を緩和で
きる。

【００５２】また、血液中のヘモグロビンは、波長領域
が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にある光に対す
る吸光係数が赤外光に対する吸光係数よりも著しく大き
い。

【００５３】かかるヘモグロビンの吸光特性に合わせ
て、波長領域が３００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲に
ある光を生体に向けて照射すると、生体（血管）から反
射してくる光の強度は、血量変化に追従して大きく変化
する。それ故、脈波信号のＳ／Ｎ比が向上するので、本
発明に係る脈波計測装置では、脈波の計測感度が高いと
いう効果も奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る脈波計測装置の使用状
態を示す説明図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す脈波計測装置に
おいて、検出装置と指との位置関係を模式的に示す断面
図である。

【図３】図１に示す脈波計測装置において、指に装着さ
れた検出装置の動作を示す説明図である。

【図４】図１に示す脈波計測装置に用いたＩｎＧａＮ系
青色ＬＥＤの発光スペクトルを示す説明図である。

【図５】図１に示す脈波計測装置に用いたＩｎＧａＰ系
フォトトランジスタの受光特性を示す説明図である。

【図６】図１に示す脈波計測装置に用いたフィルタ付き
のフォトトランジスタユニットの受光特性を示す説明図
である。

【図７】図１に示す脈波計測装置の検出装置（光学ユニ
ット）の構成を示す平面図である。

【図８】図７のＡ−Ａ′線における断面図である。

【図９】図７のＢ−Ｂ′線における断面図である。

【図１０】図７のＣ−Ｃ′線における断面図である。

【図１１】図１に示す脈波計測装置のデータ処理回路の
構成を示すブロック図である。

【図１２】（ａ）は、光の波長と皮膚の光透過度との関
係を示すグラフ図、（ｂ）は、光の波長と各種のヘモグ
ロビンの吸光特性との関係を示す説明図である。

【図１３】従来の脈波計測装置に用いたシリコン系のフ
ォトトランジスタの受光特性を示す説明図である。

【図１４】本例の脈波計測装置における外光の侵入度合
いを評価するにあたり、指への遮光範囲を変えた各実験
条件を示す説明図である。

【図１５】本例の脈波計測装置における外光の影響を評
価するにあたり、本例の脈波計測装置による脈波の検出
結果に周波数解析を行なったデータを示す説明図であ
る。

【図１６】本例の脈波計測装置における外光の影響を評
価するにあたり、その比較例に係る脈波計測装置による
脈波の検出結果に周波数解析を行なったデータを示す説
明図である。

【図１７】図１に示す脈波計測装置に用いたＧａＰ系の
ＬＥＤの発光スペクトルを示す説明図である。

【図１８】図１に示す脈波計測装置に用いたＧａＡｓＰ
系フォトトランジスタの受光特性を示す説明図である。

【符号の説明】

１・・・脈波計測装置（生体情報計測装置） １０・・・装置本体 １１・・・時計ケース １２・・・リストバンド １３・・・液晶表示装置 ２０・・・ケーブル ３０・・・検出装置 ３１・・・ＬＥＤ（発光部） ３２・・・フォトトランジスタ（受光部） ４０、４０Ａ・・・センサ固定用バンド ５０・・・データ処理回路 ５１・・・脈波信号変換部 ５２・・・脈波信号記憶部 ５３・・・脈波信号演算部 ５４・・・脈波成分抽出部 ５５・・・脈拍数演算部 ６０・・・生体情報表示手段 ３００・・・光学ユニット ３０１・・・センサ枠 ３０５・・・回路基板 ３０４・・・ガラス板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本田 克行 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 河田 正幸 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 生体の一部に向けて光を照射する発光
   部、およびこの発光部が発した光を生体を介して受光す
   る受光部を備える検出手段と、この検出手段の検出結果
   に基づいて生体情報を表示する生体情報表示手段とを有
   する生体情報計測装置において、前記生体情報は、前記
   検出手段の約３００ｎｍから約７００ｎｍまでの波長領
   域における検出結果に基づいて表示されることを特徴と
   する生体情報計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記発光部の発光波
   長領域が少なくとも約３００ｎｍから約７００ｎｍまで
   の範囲にあり、前記受光部の受光波長領域をλｎｍとし
   たときに、 受光波長領域は、以下の式 ０ ＜ λ ≦ ７００ を満たす範囲のみにあることを特徴する生体情報計測装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に規定する生体情報計
   測装置からなる脈波計測装置であって、前記検出手段の
   検出結果に基づいて前記生体情報としての脈波情報を表
   示することを特徴とする脈波計測装置。