JP3627243B2 - 生体状態測定装置およびリラックス指導装置 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、運動時における健康管理、特に呼吸数の測定に用いて好適な生体状態測定装置、およびこれを用いて算出された呼吸数の変化によって瞑想時や運動時におけるリラックスの程度を求め、これを告知することにより被験者をリラックスした状態に導くのに好適なリラックス指導装置に関する。
技術背景
従来より心拍数と呼吸数との関係が心理的、生理的な健康に対する指標になることが知られている。例えば、病的な状態になると、「心拍数／呼吸数」が小さくなり、あるいは大きくなる。
呼吸数と生体状態の関連について以下のことが知られている。
（ｉ）安静時は呼吸数の変化率は大きい。
（ii）適度な運動をしているとき、呼吸数の変化率は小さくなる。
（iii）強い運動をしているとき、規則的な呼吸ができなくなり、呼吸数の変化率は大きくなる。
ところで、自立訓練法は集中的自己弛緩法とも呼ばれ、緊張を取り除くことによって、健康増進と健康の回復に役立つことが知られている。そこでは、精神をリラックスした状態に置くことが課題とされる。しかし、リラックスしようと意識しても、そのことに捕らわれるあまり、却って緊張してしまうこともある。自律訓練法にあっては、緊張をほぐしリラックスした状態に移行できるような呼吸訓練が開発されている。そこでは、心のなかで「らくに呼吸している」とくり返し唱えることにより、被験者がリラックスした状態に移行できるとされている。
また、東洋で生まれた様々な瞑想法や健康法では、呼吸のあり方をことのほか重視する。例えば、座禅では「調身、調息、調心」といって、呼吸を整えることが大切だとされるし、ヨーガの８段階の訓練法の中にも呼吸訓練法の段階がある。また、静坐法では丹田に気を充満させる丹田呼吸法が行われる。これらの東洋的呼吸法では、複式呼吸を訓練する点で共通しており、これによっても精神をリラックスさせることができる。
このように精神がリラックスした状態にあっては、呼吸数の変化率が減少することが知られている。
また、睡眠中の呼吸については医学的に注目されており、無呼吸症候群は突然死につながる可能性が高いとされている。また、東洋医学的見地においては、健常者の心拍数は呼吸数の４倍程度であり、これより心拍数が少ない場合は遅脈、多い場合は数脈と呼ばれ、被験者が生理的になんらかの疾患を有する可能性が高いとされている。換言すれば、呼吸数と脈拍数の比には、正常域と異常域とが存在することになる。さらに、運動時においてもこの関係は保たれていることを本発明者らは発見した。
すなわち、遅脈の被験者は、副交感神経優位の状態とか、喘息、自律神経失調症、洞不全症候群等の疾患を有する場合が多い。一方、数脈の被験者は、高血圧、肺炎、肝炎、その他の炎症を患っている場合が多く、脳卒中の虞も高い。従って、日常生活において心拍数と呼吸数のデータを測定できれば健康状態を推測できる。さらに、近年、スポーツマンの健康管理や科学的トレーニングを行う場合など、日常生活のみならず活動状態や運動時でも生体の状態（心拍数、不整脈、呼吸数等）を検知できる必要が高まっている。
ここで、呼吸数を如何にして測定するかが重要な問題である。まず、病人等、安静にしている被験者の呼吸数を測定する方法としては、胸や腹にバンドを巻いて伸縮回数をカウントする、鼻孔に熱電対を入れてその抵抗値の変動をカウントする等の方法が一般的である。しかし、日常の健康管理を行う被験者や、トレーニングを行う被験者がそのような物を装着することはきわめて煩わしく不便である。
ところで、安静状態の被験者の心電図のＲ−Ｒ周期のゆらぎの周波数成分を解析すると、呼吸数に相当する成分が存在する。脈拍は心電図と同期するから、脈波周期（または脈波振幅）のゆらぎ周波数成分においても呼吸数に相当する成分が含まれる。
そこで、このような成分を抽出することによって、心電あるいは脈波に基づいて呼吸数を測定する装置が知られている。例えば、特開昭62−22627においては、一連の脈拍間隔を測定し、これら脈拍間隔の変化周期を測定し、この変化周期の逆数によって呼吸数を算出する技術が開示されている。
また、実開平４−51912においては、心電波形のＲ−Ｒ間隔の変動周期または脈波波形のピーク値の包絡線のゆらぎに基づいて第１呼吸数を検出し、被験者の腹部表面の往復運動を検出して第２呼吸数を検出し、第１および第２呼吸数のうち低い方を記録・表示する技術が開示されている。
また、実開平４−136207においては、脈波波形の振幅のゆらぎの周期に基づいて呼吸数を推定するとともに、脈波波形の平均値（低周波成分のうねり）を算出し、この平均値の傾きが小さい場合のデータを用いることによって、うねりやノイズの影響を低減する技術が開示されている。
また、特開平６−142082においては、逐次求められた被験者の脈拍数と最高血圧値とを乗算し、この乗算値の脈動周期に基づいて呼吸数を算出する技術が開示されている。また、実公平６−22325においては、脈波のピーク値を結ぶ曲線の変化周期に基づいて、生体の呼吸数を決定する技術が開示されている。
そこで、本発明者らは、運動時においてもこのような関係が維持されるのではないか、換言すれば、運動時における心電や脈波に基づいて呼吸数が推定できるのではないか、との仮説を立て臨床実験を行った。そして、実験の結果、運動状態においても、心電のＲ−Ｒ周期あるいは脈波のゆらぎの周波数成分の中に呼吸数に相当する成分が存在することが判明した。
しかし、被験者が運動中であれば、心電波形には筋電波形が重畳し、脈波には体動成分が重畳する。これらの成分は呼吸数に相当する成分よりもレベルが高くなることもあるため、運動による成分に基づいて呼吸数を誤って算出してしまうという問題があった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、生体の呼吸数、特に運動時における呼吸数を簡易かつ正確に測定できる生体状態測定装置を提供することを目的としている。また、他の目的は、脈波から呼吸成分を抽出し、その変化率に基づいて、精神がリラックスした状態になるように指導を行うことができる装置を提供することにある。
発明の開示
本発明は、上記した背景の下になされたもので、請求項１に記載の発明にあっては、被験者の循環器系情報を検出する循環器系情報検出手段と、検出した循環器系情報の周波数解析結果の中から、脈拍数または心拍数に応じて定められる帯域を抽出し、これによって前記被験者の呼吸数を測定する抽出手段とを具備することを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明にあっては、被験者の循環器系情報を検出する循環器系情報検出手段と、検出した循環器系情報の周波数スペクトルの中から、脈拍数または心拍数に応じて定められる帯域を抽出する抽出手段と、この抽出された帯域内における周波数スペクトルに基づいて、前記被験者の呼吸数を測定する測定手段とを具備することを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明にあっては、前記循環器系情報は、脈波または心電位の周期の変動量であることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明にあっては、前記循環器系情報は、脈波または心電位の振幅値の変動量であることを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明にあっては、前記循環器系情報を検出するために被験者に装着される携帯部と、この携帯部と通信可能に構成された本体部とを具備することを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明にあっては、前記抽出手段で抽出された周波数スペクトルの中から、被験者の体動に対応する体動スペクトルを除去する体動除去手段を備え、前記被験者の呼吸数を、前記体動除去手段の出力に基づいて生成することを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明にあっては、前記体動除去手段は、前記被験者の体動を検出する体動検出手段と、この体動検出手段の検出結果に基づいて、前記体動に対応する体動スペクトルを求める体動スペクトル検出手段と、前記抽出手段で抽出された周波数スペクトルの中から、前記体動スペクトルを除去する体動補正手段とを具備することを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明にあっては、前記体動除去手段は、運動強度の変化に応じた体動基本波周波数と呼吸基本波周波数との関係を予め対応付けて格納した基本周波数テーブルと、前記基本波周波数テーブルを参照して、前記抽出手段で抽出された周波数スペクトルの中から、呼吸基本波周波数と体動基本波周波数を特定する周波数特定部とを備え、前記周波数特定部によって特定された前記呼吸基本周波数に基づいて、前記呼吸数を算出することを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明にあっては、前記体動検出手段は、被験者の腕の加速度を検出するものであり、前記体動補正手段は、該加速度の周波数に相当する体動スペクトルを前記周波数スペクトルから除去するものであることを特徴とする。
また、請求項10に記載の発明にあっては、測定された呼吸数が所定の範囲外になると、五感に訴えて警告を行う警告手段を設けたことを特徴とする。
また、請求項11に記載の発明にあっては、測定された前記呼吸数に基づいて、前記呼吸数の変化率を算出する算出手段を備えたことを特徴とする。
また、請求項12に記載の発明にあっては、装置本体の外部に設けられた外部機器との間で、生体の状態を表わす指標を含む通信情報を授受する通信手段を具備することを特徴とする。
また、請求項13に記載の発明にあっては、前記通信手段は、固有の識別番号が与えられた識別情報記憶手段を具備し、前記通信情報に対して該識別番号を付加して前記外部機器との間で通信することを特徴とする。
また、請求項14に記載の発明にあっては、前記装置本体と前記外部機器との間のデータ伝送を圧縮されたデータを用いて行うことを特徴とする。
また、請求項15に記載の発明にあっては、前記生体状態測定装置を用いたリラックス指導装置であって、前記算出手段によって算出された前記呼吸数の変化率に基づいて、前記被験者のリラックスの程度を示す指標を生成する指標生成手段と、前記指標を告知する告知手段とを備えることを特徴とする。
また、請求項16に記載の発明にあっては、前記指標生成手段は、閾値と前記呼吸数の変化率を比較することによって前記被験者のリラックスの程度を示す指標を生成することを特徴とする。
また請求項17に記載の発明にあっては、前記指標生成手段は、前記循環器系情報に基づいて脈拍数を求める脈拍数算出手段と、前記脈拍数の変化率を算出する脈拍数変化率算出手段と、前記脈拍数の変化率に対応付けて前記閾値を予め格納する閾値テーブルとを備え、前記指標生成手段は、前記脈拍数変化率算出手段によって算出された前記脈拍数の変化率を参照して前記閾値テーブルから前記閾値を読み出し、当該閾値に基づいて前記被験者のリラックスの程度を示す指標を生成することを特徴とする。
また、請求項18に記載の発明にあっては、装置本体の外部に設けられた外部機器との間で、前記算出手段によって算出された前記呼吸数の変化率を送信し、前記外部機器に設けられた前記指標生成手段によって生成された前記指標を受信する通信手段を備え、前記装置本体に設けられた前記告知手段によって、前記指標を被験者に告知することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１および第２実施形態に係る装置が組み込まれた腕時計、及び、当該装置と光通信を行うパーソナルコンピュータを示す図である。
図２は、第１および第２実施形態に係る装置に組み込んだ入出力インターフェイス内部に設けられた送信装置の詳細なブロック図である。
図３は、光電式脈波センサ（センサユニット102）の回路図である。
図４は、脈波の１拍分の波形と波形パラメータの対応を示す図である。
図５は、パラメータ抽出部180の構成を示すブロック図である。
図６は、波形メモリ184に記憶された橈骨動脈波形を例示する図である。
図７は、ピーク情報メモリ205の記憶内容を示す図である。
図８は、心電図と脈波との関係を示す図である。
図９は、血圧尖頭値包絡線、、該包絡線を構成する周波数成分、および血圧尖頭値包絡線のスペクトル分析を行った結果を示す図である。
図10は、光電式脈波センサを腕時計と組み合わせ、光電式脈波センサを指の付け根に取り付けた形態の図である。
図11は、図10に示す形態において、腕時計の構造をより詳細に表わした平面図である。
図12は、光電式脈波センサを腕時計と組み合わせ、光電式脈波センサを指尖部に取り付けた形態の図である。
図13は、光電式脈波センサをネックレスと組み合わせた場合の図である。
図14は、光電式脈波センサを眼鏡と組み合わせた場合の図である。
図15は、告知手段として用いられるフェイスチャートを示した図である。
図16は、ピエゾ素子を用いて振動により告知を行う場合に、告知手段を腕時計内部へ組み込んだ例における腕時計の断面図である。
図17は、本発明によるマイクロポンプ501の構造を示す断面図である。
図18は、同マイクロポンプ501を駆動するための駆動部の構成を示すブロック図である。
図19は、マイクロポンプ501の動作を説明する図である。
図20は、マイクロポンプ501の動作を説明する図である。
図21は、第１実施形態の機能構成を示す機能ブロック図である。
図22は、同実施形態に係わる脈波解析データMFD、体動解析データTFDおよび体動除去脈波解析データMKDの関係について、その一例を示す図である。
図23は、第３実施形態の機能構成を示す機能ブロック図である。
図24は、脈波解析データMFDとローパスフィルタのカットオフ周波数fcの関係を示す図である。
図25において、（ａ）は脈波成分解析データMDを示すものであり、（ｂ）は脈波成分除去解析データMD'を示すものである。
図26は、呼吸数抽出部22の詳細な機能構成を示すブロック図である。
図27は、走行ピッチと呼吸数の関係を実測した実験結果を示した図である。
図28は、体動成分の基本周波数Ft1と呼吸成分の基本周波数Fv1の関係を示した図である。
図29は、ウエーブレット変換部の詳細な構成を示すブロック図である。
図30は、走行時における呼吸数と脈拍数の一例を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
1.実施形態の前提理論
1.1.波形パラメータの定義
脈波の１拍分の波形は図４に示すごとき形状をしており、同図における縦軸は血圧値，横軸は時間である。このような脈波波形の形状を特定する波形パラメータとして以下に述べるものを定義する。
▲１▼１拍に対応した脈波が立ち上がってから（以下、この立ち上がり時刻を脈波開始時刻という）次の拍に対応した脈波が立ち上がりを開始するまでの時間:t₆
▲２▼脈波内に順次現れる極大点P1,極小点P2,極大点P3,極小点P4および極大点P5の血圧値:y₁〜y₅
▲３▼脈波開始時刻以後、上記各点P1〜P5が現れるまでの経過時間:t₁〜t₅
▲４▼点P1が現れた後、次の点P1が現れるまでの時間（脈波周期）:T_pulse
1.2.波形抽出記憶部
波形パラメータを算出するために、上記極大点或いは極小点について、これら各点に関連した「ピーク情報」と呼ばれる情報を抽出する。以下に述べる波形抽出記憶部は、取り込んだ脈波波形からこのピーク情報を抽出するものである。なお、ピーク情報の詳細についてはその内容が波形抽出記憶部の構成，動作に関連するため、回路の構成を説明した時点でピーク情報の詳細に言及する。
1.3.脈波センサ（センサユニット102）
（１）構成及び動作
光を用いた脈波センサの一例として光電式脈波センサがあり、図３はこのセンサユニット102の構成を示している。同図において、32は青色光の発光ダイオードであり、光センサ33はフォトトランジスタなどから構成される。
なお、従来の光電式脈波センサとしては人体における透過性が良好な近赤外線用の発光ダイオードを使用することが一般的であるが、人体を介してセンサユニット102内に外来光が進入する可能性も高くなるため、本実施形態においては青色光の発光ダイオードを用いている。勿論、ヘモグロビンの吸光特性が生ずる限り、発光ダイオード32の波長は任意に設定することができる。
発光ダイオード32から放射された光は、センサユニット102が接触する皮膚直下を通る血管内の赤血球のヘモグロビンにより吸収され、皮下組織などから反射されてくる反射光の光量が変化する。この反射光は光センサ33によって受光され、光電変換された結果として脈波検出信号Ｍが得られる。
（２）低電力化
この脈波センサを例えば電池式腕時計に組み込む場合、消費電力を低く抑えるためには、脈波を測定する必要があるときのみセンサユニット102の電源を駆動させることが望ましい。このため、脈波センサに電源を供給するライン上には、図３の符号SWに示すようなスイッチが設けられている。そして、図示しないスイッチ駆動回路が、これら各スイッチのオン／オフ状態を切り換えて、センサ等に断続的に電源を供給している。
例えば、電池式腕時計が通常の腕時計としてのみ動作している間は、スイッチSWはオフ状態にされ、センサユニット102には電源が供給されない。一方、脈波の測定が必要となった場合には、スイッチSWがオン状態にされて、センサユニット102に電源が供給される。
2.第１実施形態
2.1.ハードウエア構成
（１）パーソナルコンピュータの構成
以下、図１を参照し本発明の第１実施形態について説明する。図において、本実施形態の生体状態測定装置は、パーソナルコンピュータと、被験者に装着される腕時計とから構成されている。パーソナルコンピュータは、機器本体330,ディスプレイ331,キーボード332,プリンタ333などから構成されており、以下の点を除いて通常のパーソナルコンピュータから構成されているため、その内部構成の説明の詳細は省略する。
すなわち、機器本体330は、光信号によるデータを送受信するための図示しない送信制御部及び受信制御部を内蔵しており、これら送信制御部と受信制御部は、それぞれ光信号を送信するためのLED334と光信号を受信するためのフォトトランジスタ335を有する。
これらLED334,フォトトランジスタ335は何れも近赤外線用のもの（例えば中心波長が940nmのもの）が用いられ、可視光を遮断するための可視光カット用のフィルタ336を介し、機器本体330の前面に設けられた光通信用の通信窓337から光通信を行う。
（２）腕時計本体の全体構成
次に、腕時計の構成を図10〜図12を参照して説明する。
図10において、腕時計は、腕時計構造を有する装置本体100,この装置本体100に接続されたケーブル101,このケーブル101の先端側に設けられたセンサユニット102から構成されている。
装置本体100には、腕時計の12時方向から使用者の腕に巻き付いて、腕時計の６時方向で固定されるリストバンド103が取り付けられている。この装置本体100は、このリストバンド103によって使用者の腕から着脱自在となっている。
また、センサユニット102は、センサ固定用バンド104によって遮光されており、使用者の人差し指の付け根〜第２指関節の間に装着されている。センサユニット102をこのように指の付け根に装着すると、ケーブル101が短くて済む上、例えば運動中であってもケーブル101が使用者の邪魔にならない。また、掌から指先までの体温の分布を計測してみると、周囲の温度が低い場合には、指先の温度は著しく低下するのに対して指の付け根の温度は比較的低下しない。したがって、指の付け根にセンサユニット102を装着すれば、寒い日に屋外で運動した場合であっても正確な計測が可能である。
一方、腕時計の６時の方向の表面側には、コネクタ部105が設けられている。このコネクタ部105にはケーブル101の端部に設けられたコネクタピース106が着脱自在に取り付けられており、コネクタピース106をコネクタ部105から外すことにより、本装置を通常の腕時計やストップウオッチとして用いることができる。なお、コネクタ部105を保護する目的から、ケーブル101とセンサユニット102をコネクタ部105から外した状態では所定のコネクタカバーを装着する。このコネクタカバーは、コネクタピース106と同様に構成された部品から電極部などを除いたものが用いられる。
このように構成されたコネクタ構造によれば、コネクタ部105が使用者から見て手前側に配置されることとなり、使用者にしてみれば操作が簡単になる。また、コネクタ部105が装置本体100から腕時計の３時の方向に張り出さないために、運動中にも使用者が手首を自由に動かすことができ、使用者が運動中に転んだとしても手の甲がコネクタ部105にぶつからない。
次に、図10におけるその他の部品について図11を参照して説明する。図11は、本態様における装置本体100の詳細を、ケーブル101やリストバンド103を外した状態で示したものである。ここで、同図において、図10と同一の部品には同一の符号を付してありその説明を省略する。
図11において、装置本体100は樹脂製の時計ケース107を具備している。時計ケース107の表面には、現在時刻や日付に加えて、脈拍数や呼吸数などの脈波情報をデジタル表示するための液晶表示装置108が設けられている。この液晶表示装置108は、表示面の左上側に位置する第１のセグメント表示領域108−1,右上側に位置する第２のセグメント領域108−2,右下側に位置する第３のセグメント領域108−3,左下側に位置するドット表示領域108−Ｄから構成されている。
ここで、第１のセグメント領域108−１には日付，曜日，現在時刻などが表示される。また、第２のセグメント領域108−２には各種の時間測定を実施するにあたって経過時間などが表示される。また、第３のセグメント領域108−３には脈波の測定において計測された各種の計測値などが表示される。さらに、ドット表示領域108−Ｄには各種の情報をグラフィック表示することが可能であるとともに、ある時点において装置がどのようなモードにあるかを表わすモード表示，脈波波形の表示，棒グラフ表示、呼吸数の表示、呼吸数の変化率などの様々な表示が可能である。
なお、ここで言うモードには、時刻や日付を設定するためのモード，ストップウォッチとして使用するためのモード，脈波の解析装置や診断装置として動作するためのモードなどがある。これらモードや上述した各表示領域に表示される内容は用途によってそれぞれ異なるので、必要に応じて説明することとする。
一方、時計ケース107の内部には、液晶表示装置108で表示するための信号処理等を行う制御部109が内蔵されている。この制御部109は、CPU（中央処理装置）,RAM（ランダムアクセスメモリー）,ROM（リードオンリーメモリー）などから構成される一般的なマイクロプロセッサやワンチップマイコンなどで良い。また、この制御部109は計時を行うための時計回路を含んでおり、液晶表示装置108には通常の時刻表示が可能であるほか、ストップウォッチとして動作するモードではラップタイム，スプリットタイムなどの表示が可能となっている。
他方、時計ケース107の外周部と表面部には、ボタンスイッチ111〜117が設けられている。以下に、これらボタンスイッチの機能の一例を示すが、これらの機能に関しては腕時計と組み合わせられる装置毎にその機能が異なる。
まず、腕時計の２時の方向にあるボタンスイッチ111を押すと、当該ボタンの押下時点から１時間を経過した時にアラーム音が発生する。
腕時計の４時の方向にあるボタンスイッチ112は、装置が有する各種モードの切り換えを指示するためのものである。
腕時計の11時方向にあるボタンスイッチ113を押すと、液晶表示装置108のEL（Electro Luminescence）バックライトが例えば３秒間点灯して、しかる後に、自動的に消灯する。
腕時計の８時方向にあるボタンスイッチ114は、ドット表示領域108−Ｄに表示すべきグラフィック表示の種類を切り換えるためのものである。
腕時計の７時方向にあるボタンスイッチ115を押すことによって、時刻，日付を修正するモードで、時分秒，年月日,12/24時間表示切り換えの何れを設定するのかを切り換えることができる。
液晶表示装置108の下側に位置するボタンスイッチ116は、上記の時刻，日付を修正するにあたって設定値を１ずつ繰り下げるのに使用されるほか、ラップを計測する場合において、各ラップを制御部109へ教示するためのスイッチとしても使用される。
液晶表示装置108の上側に位置するボタンスイッチ117は、脈波の解析装置あるいは診断装置としての動作を開始／停止する指示を行うために使用される。また、このボタンスイッチは上記の時刻，日付の修正モードにおいて設定値を１ずつ繰り上げるのに使用されるとともに、各種の経過時間測定の開始／停止の指示を行うためにも使用される。
また、この腕時計の電源として用意されているのは、時計ケース107に内蔵されたボタン形の電池118であって、図10に示すケーブル101は電池118からセンサユニット102に電力を供給し、センサユニット102の検出結果を制御部109に送出する役割を果たしている。
また、この腕時計は自身が備える機能を増やすに伴って、装置本体110を大型化する必要が生じてくる。しかし、腕に装着されるという制約があるために装置本体100を腕時計の６時の方向や12時の方向には拡大することができない。そこで、本形態においては、腕時計の３時の方向及び９時の方向における長さ寸法が、６時の方向及び12時の方向における長さ寸法よりも長い横長の時計ケース107を用いることとしている。
また、本形態では、リストバンド103を３時の方向側に偏った位置で時計ケース107に接続している。また、リストバンド103から見た場合に、腕時計の９時の方向に大きな張り出し部分119を有するが、かかる大きな張り出し部分は腕時計の３時の方向には存在しない。したがって、横長の時計ケース107を用いたわりには、使用者が手首を曲げることができ、使用者が転んでも手の甲を時計ケース107にぶつけることがない。
また、時計ケース107の内部には、電池118に対して９時の方向に、ブザーとして用いる偏平な圧電素子120が配置されている。電池118は圧電素子120に比較して重く、装置本体110の重心位置は３時の方向に偏った位置にある。しかるに、重心が偏っている側にリストバンド103が接続されていることから、装置本体100を安定した状態で腕に装着することができる。
さらに、電池118と圧電素子120とを面方向に配置してあるため装置本体100を薄型化でき、腕時計の裏面部に電池蓋を設けることによって使用者が電池118を容易に交換することができる。
さらに、腕時計の内部には、図示せぬ加速度センサが設けられている。従って、被験者が腕を振ると、腕時計の加速度が該加速度センサによって検出される。
さて、上述したように、腕時計の装置本体100では、コネクタ部105が着脱可能に構成されている。したがって、腕時計とパーソナルコンピュータとの通信を可能ならしめるためには、コネクタ部105が取り外されたコネクタ部分に対して、コネクタカバーの代わりに、図１に示すように通信コネクタ338を取り付けるようにすれば良い。
この通信コネクタ338には、パーソナルコンピュータ側と同様にLEDとフォトトランジスタ及び光通信用のインターフェイスとが組み込まれている。また、腕時計の装置本体100の内部には光通信のための光インターフェイス部（図示略）が設けられている。
（３）腕時計内の波形抽出記憶部180
（３−１）回路の構成
また、腕時計内には、波形抽出記憶部180（図５参照）が装着されており、これによって脈波解析等が行われる。以下、図５を参照しその詳細構成を説明する。
この図において181はマイクロコンピュータであり、腕時計全体の動作を制御する。182はA/D変換器であり、上記受信制御部を介して腕時計から入力される脈波信号を一定周期のサンプリングクロックφに従ってデジタル信号に変換して出力する。
183はローパスフィルタであり、A/D変換器182から順次出力されるデジタル信号に対し、所定のカットオフ周波数以上の成分を除去する処理を施して、その結果を波形値Ｗとして順次出力する。
184はRAMによって構成される波形メモリであり、ローパスフィルタ183を介して供給される波形値Ｗを順次記憶する。
191は波形値アドレスカウンタであり、マイクロコンピュータ181から波形採取指示STARTが出力されている期間、サンプリングクロックφをカウントし、そのカウント結果を波形値Ｗを書き込むべき波形値アドレスADR1として出力する。この波形値アドレスADR1はマイクロコンピュータ181により監視される。
192はセレクタであり、マイクロコンピュータ181からセレクト信号S1が出力されていない場合、波形値アドレスカウンタ191が出力する波形値アドレスADR1を選択して波形メモリ184のアドレス入力端へ供給する。一方、マイクロコンピュータ181からセレクト信号S1が出力されている場合、マイクロコンピュータ181が出力する読み出しアドレスADR4を選択して波形メモリ184のアドレス入力端へ供給する。
201は微分回路であり、ローパスフィルタ183から順次出力される波形値Ｗの時間微分を演算して出力する。
202は零クロス検出回路であり、波形値Ｗが極大値または極小値となることにより波形値Ｗの時間微分が０となった場合に零クロス検出パルスＺを出力する。さらに詳述すると、零クロス検出回路202は、図６に例示する脈波の波形においてピーク点P1,P2,…，を検出するために設けられた回路であり、これらのピーク点に対応した波形値Ｗが入力された場合に零クロス検出パルスＺを出力する。
203はピークアドレスカウンタであり、マイクロコンピュータ181から波形採取指示STARTが出力されている期間、零クロス検出パルスＺをカウントし、そのカウント結果をピークアドレスADR2として出力する。
204は移動平均算出回路であり、現時点までに微分回路201から出力された過去所定個数分の波形値Ｗの時間微分値の平均値を算出し、その結果を現時点に至るまでの脈波の傾斜を表す傾斜情報SLPとして出力する。
205は次に述べるピーク情報を記憶するために設けられたピーク情報メモリである。ここで、以下にピーク情報の詳細について説明する。すなわち、図７に示すピーク情報の内容の詳細は以下に列挙する通りである。
▲１▼波形値アドレスADR1
ローパスフィルタ183から出力される波形値Ｗが極大値または極小値となった時点で波形値アドレスカウンタ191から出力されている書き込みアドレスである。換言すれば、極大値または極小値に相当する波形値Ｗの波形メモリ184における書き込みアドレスである。
▲２▼ピーク種別B/T
上記波形値アドレスADR1に書き込まれた波形値Ｗが極大値Ｔ（Top）であるか極小値Ｂ（Bottom）であるかを示す情報である。
▲３▼波形値Ｗ
上記極大値または極小値に相当する波形値である。
▲４▼ストローク情報STRK
直前のピーク値から当該ピーク値に至るまでの波形値の変化分である。
▲５▼傾斜情報SLP
当該ピーク値に至るまでの過去所定個数分の波形値の時間微分の平均値である。
（３−２）回路の動作
以下に、マイクロコンピュータ181の制御下における波形抽出記憶部180の動作を説明する。
（ａ）波形およびそのピーク情報の採取
マイクロコンピュータ181により波形採取指示STARTが出力されると、波形値アドレスカウンタ191およびピークアドレスカウンタ203のリセットが解除される。
この結果、波形値アドレスカウンタ191によりサンプリングクロックφのカウントが開始され、そのカウント値が波形値アドレスADR1としてセレクタ192を介して波形メモリ184に供給される。そして、腕時計から供給された脈波信号がA/D変換器182に入力され、サンプリングクロックφに従ってデジタル信号に順次変換され、ローパスフィルタ183を介し波形値Ｗとして順次出力される。
このようにして出力された波形値Ｗは、波形メモリ184に順次供給され、その時点において波形値アドレスADR1によって指定される記憶領域に書込まれる。以上の動作により、図６に例示する橈骨動脈波形に対応した一連の波形値Ｗが波形メモリ184に蓄積される。
一方、上記動作と並行して、ピーク情報の検出およびピーク情報メモリ205への書込みが、以下に説明するようにして行われる。
まず、ローパスフィルタ183から出力される波形値Ｗの時間微分が微分回路201によって演算され、この時間微分が零クロス検出回路202および移動平均算出回路204に入力される。移動平均算出回路204は、このようにして波形値Ｗの時間微分値が供給される毎に過去所定個数の時間微分値の平均値（すなわち、移動平均値）を演算し、演算結果を傾斜情報SLPとして出力する。
ここで、波形値Ｗが上昇中もしくは上昇を終えて極大状態となっている場合は傾斜情報SLPとして正の値が出力され、下降中もしくは下降を終えて極小状態となっている場合は傾斜情報SLPとして負の値が出力される。
そして、例えば図６に示す極大点P1に対応した波形値Ｗがローパスフィルタ183から出力されると、時間微分として０が微分回路201から出力され、零クロス検出回路202から零クロス検出パルスＺが出力される。
この結果、マイクロコンピュータ181により、その時点における波形値アドレスカウンタ191のカウント値である波形アドレスADR1,波形値W,ピークアドレスカウンタのカウント値であるピークアドレスADR2（この場合、ADR2＝０）および傾斜情報SLPが取り込まれる。また、零クロス検出パルスＺが出力されることによってピークアドレスカウンタ203のカウント値ADR2が１になる。
一方、マイクロコンピュータ181は、取り込んだ傾斜情報SLPの符号に基づいてピーク種別B/Tを作成する。この場合のように極大値P1の波形値Ｗが出力されている時にはその時点において正の傾斜情報が出力されているので、マイクロコンピュータ181はピーク情報B/Tの値を極大値に対応したものとする。
そしてマイクロコンピュータ181は、ピークアドレスカウンタ203から取り込んだピークアドレスADR2（この場合、ADR2＝０）をそのまま書込アドレスADR3として指定し、波形値W,この波形値Ｗに対応した波形アドレスADR1,ピーク種別B/T,傾斜情報SLPを第１回目のピーク情報としてピーク情報メモリ205に書き込む。なお、第１回目のピーク情報の書き込みの場合は、直前のピーク情報がないためストローク情報STRKの作成および書き込みは行わない。
その後、図６に示す極小点P2に対応した波形値Ｗがローパスフィルタ183から出力されると、上述と同様に零クロス検出パルスＺが出力され、書込アドレスADR1,波形値W,ピークアドレスADR2（＝１），傾斜情報SLP（＜０）がマイクロコンピュータ181により取り込まれる。
そして、上記と同様、マイクロコンピュータ181により、傾斜情報SLPに基づいてピーク種別B/T（この場合、"B"）が決定される。また、マイクロコンピュータ181によりピークアドレスADR2よりも１だけ小さいアドレスが読み出しアドレスADR3としてピーク情報メモリ205に供給され、第１回目に書き込まれた波形値Ｗが読み出される。そして、マイクロコンピュータ181により、ローパスフィルタ183から今回取り込んだ波形値Ｗとピーク情報メモリ205から読み出した第１回目の波形値Ｗとの差分が演算され、ストローク情報STRKが求められる。
このようにして求められたピーク種別B/T,ストローク情報STRKが他の情報，すなわち波形値アドレスADR1,波形値W,傾斜情報SLP,と共に第２回目のピーク情報としてピーク情報メモリ205のピークアドレスADR3＝１に対応した記憶領域に書き込まれる。以後、ピーク点P3,P4,…，が検出された場合も同様の動作が行われる。
そして所定時間が経過すると、マイクロコンピュータ181により波形採取指示STRATの出力が停止され、波形値Ｗおよびピーク情報の採取が終了する。
（ｂ）脈波波形の分割処理
ピーク情報メモリ205に記憶された各種情報のうち、波形パラメータの採取を行う１拍分の波形に対応した情報を特定するための処理がマイクロコンピュータ181により行われる。
まず、ピーク情報メモリ205から各ピーク点P1,P2,…，に対応した傾斜情報SLPおよびストローク情報STRKが順次読み出される。次いで、各ストローク情報STRKの中から正の傾斜に対応したストローク情報（すなわち、対応する傾斜情報SLPが正の値となっているもの）が選択され、これらのストローク情報の中からさらに値の大きなもの上位所定個数が選択される。
そして、選択されたストローク情報STRKの中から中央値に相当するものが選択され、波形パラメータの抽出を行うべき１拍分の脈波の立ち上がり部（例えば図６において符号STRKMによって示した立ち上がり部）のストローク情報が求められる。そして、当該ストローク情報のピークアドレスよりも１だけ前のピークアドレス（すなわち、波形パラメータの抽出を行うべき１拍分の脈波の開始点P6のピークアドレス）が求められる。
（ｃ）波形パラメータの抽出
マイクロコンピュータ181は、ピーク情報メモリ205に記憶された上記１拍分の脈波に対応した各ピーク情報を参照して各波形パラメータを算出する。この処理は例えば次のようにして求められる。
▲１▼血圧値y₁〜y₅
ピーク点P7〜P11に対応する波形値をそれぞれy₁〜y₅とする。
▲２▼時間t₁
ピーク点P7に対応する波形アドレスからピーク点P6に対応する波形アドレスを差し引き、その結果に対してサンプリングクロックφの周期を乗じてt₁を算出する。
▲３▼時間t₂〜t₆および脈波周期T_pulse
上記t₁と同様、対応する各ピーク点間の波形アドレス差に基づいて演算する。
そして、以上のようにして得られた各波形パラメータはマイクロコンピュータ181内部のバッファメモリに蓄積される。
（ｄ）ゆらぎのスペクトル解析
さて、マイクロコンピュータ181においては、血圧値y₁が所定時間（例えば30秒〜１分）に亙って記憶されている。すなわち、図８における２本の破線の間隔が記憶されている。但し、得られた血圧値y₁の値は時間軸上で離散的であるため、隣接する血圧値y₁の間を適当な補間方法により補間して図９（ａ）に示すごとき曲線を得る。以下、この曲線を「血圧尖頭値包絡線」と呼ぶ。次に、この血圧尖頭値包絡線に対してFFT処理を施すと図９（ｂ）に示すようなスペクトルが得られる。
図において血圧尖頭値包絡線の周波数スペクトルには、以下のような成分が含まれている。
▲１▼呼吸に一致した変動であるHF（High Frequency）成分
▲２▼10秒前後の周期で変動するLF（Low Frequency）成分
▲３▼きわめて低い周波数で変動するトレンド（Trend）
従来の装置は、この周波数スペクトルのピーク値の中からHF成分を検出することによって被験者の呼吸数を求めていた。しかし、同図（ｂ）に示す周波数スペクトルは安静状態のものであるため、被験者が運動中であれば、血圧尖頭値包絡線には体動成分（以下、体動スペクトルという）が重畳する。これらの成分は呼吸数に相当する成分よりもレベルが高くなることもあるため、HF成分を正確に検出することが困難になる。
（ｅ）体動スペクトルの除去
そこで、本実施形態においては、腕時計に加速度センサが設けられている。すなわち、この加速度センサの出力信号がマイクロコンピュータ181に供給されると、マイクロコンピュータ181は該加速度の周波数およびその倍音成分を全体の周波数スペクトルから除去する。これにより、体動スペクトルの相当部分が除去されることになる。
（ｆ）フィルタリング処理
しかし、加速度センサの出力信号の周波数およびその倍音成分のみでは、体動スペクトルが完全に除去できない場合もある。そこで、本実施形態にあっては、脈拍数N_pulseに応じて移動する「窓関数」を周波数スペクトルに対して適用し（バンドパスフィルタリングを行い）、これによってHF成分が存在するであろう範囲を抽出し、それ以外の範囲の成分による影響を除去する。
ここで、窓関数（通過帯域）は、「（１−δ_１）α₀N_pulse〜（１＋δ_２）α₀N_pulse」の範囲で設定される。ここにα_０は、被験者の通常の呼吸数に対する脈拍数N_pulseの割合（呼吸対脈拍比）であり、被験者に応じて「４＋−0.5」程度の値を用いるとよい。また、δ_１およびδ_２は、通常の呼吸対脈拍比α_０に対して実際の値がどの程度ばらつくかを示す定数であり、「0.5」程度に設定しておくと好適である。なお、かかるフィルタリング処理は、周知のデジタルフィルタの技術を用いるとよい。
以上のように、運動あるいは、日常生活での労作による体動スペクトルが除去されかつフィルタリング処理の施された周波数スペクトルが得られると、この周波数スペクトルのピーク値（最大レベルの周波数成分）が検出される。この検出された成分が呼吸数に対応する成分になる。そして、検出された呼吸数は、マイクロコンピュータ181に蓄積されるとともに、送信部を介してパーソナルコンピュータの機器本体330に送信される。
（ｇ）変化率算出処理
次に、マイクロコンピュータ181は、検出された呼吸数に基づいてその変化率を算出し、これを予め定められた各閾値と比較する。ここで、呼吸数の変化率は、上述したように精神のリラックス度を表す指標として用いることができるので、比較結果に基づいて、リラックス度を求めることができる。
（ｈ）生体情報の通信処理
ここで、パーソナルコンピュータ側のRAMやハードディスク等に格納された各種の情報を、当該パーソナルコンピュータ側から腕時計側へ転送するには、例えば、キーボード332から転送コマンドを投入する。これにより、パーソナルコンピュータ側の情報が、LED334及び通信窓337を介して近赤外光で出力される。一方、腕時計側ではこの近赤外光が通信コネクタ338を介して腕時計の光インターフェイス部へ送られる。
他方、腕時計側からパーソナルコンピュータ側へ生体状態の計測値などの各種の情報を転送する場合は、通信方向が上記と逆になる。すなわち、携帯機器の使用者は、腕時計に設けられたボタンスイッチを操作するなどして、携帯機器をデータ転送のためのモードに設定する。
これにより、装置に内蔵されたプロセッサ等が転送すべき情報をRAM等から読み出して、これらを光インターフェイス部へ送出する。これにより、計測値が光信号へ変換されて通信コネクタ338から送出され、通信窓337及びフォトトランジスタ335を介してパーソナルコンピュータ側へ転送される。
パーソナルコンピュータおよび腕時計のデータ転送モードとしては、単に１回限りのデータ転送を行うモード（単一伝送モード）と、所定時間（例えば数秒〜数十秒）毎に自動的に転送を行うモード（断続伝送モード）とが設けられている。呼吸数や脈波波形に基づいてパーソナルコンピュータ側で診断等を行う場合は、これらのデータを断続的にパーソナルコンピュータに転送する必要があるため、後者の断続伝送モードが採られる。なお、これらのデータが伝送される際にはデータ圧縮が施される。
ところで、複数のパーソナルコンピュータや腕時計が上記のような光通信を行う場合には、何れの機器が情報を発信したかどうかを識別できないと、本来は他の機器が受け取るべき情報を誤って受信してしまうことが起こりうる。そこで、本発明に係るI/Oインターフェイス手段には、情報を送信或いは受信するにあたって、何れの装置が情報を発信したかを示す識別情報を用いている。
以下、光信号を送出する機器が複数存在する場合の競合を防止するための構成について図２を参照して説明する。この図に示す送信装置340は、I/Oインターフェイス手段の中に内蔵されている。またこの図において、バスには携帯機器或いはパーソナルコンピュータに内蔵されたプロセッサなどからの情報が載せられる。
A/D変換器341はバスから送出される各種情報信号を所定時間間隔でサンプリングしてデジタル信号へ変換する。
識別番号記憶部342は、光信号が何れの装置から送出されたものかを識別するための識別番号を記憶しており、この識別番号は情報が送信装置340の外部へ送出される場合に当該情報とともに光信号に載せられる。それぞれの送信装置340内の識別番号記憶部342に記憶される識別番号は、出荷時の設定等によって互いに異なった番号が付与される。したがって、携帯機器，パーソナルコンピュータ，その他の機器をも含めて全ての機器にはユニークな番号が付与されるような設定がなされている。
制御部343は送信装置340内の各部を制御するための回路である。また、送信部344は、光信号を送出するためのLED345を駆動するための駆動回路を内蔵しており、LED345を駆動することで、制御部343が作成した送信データを光信号へ変換して外部へ送出する。
以上のように外部機器と通信可能とすることで、携帯機器側の情報を外部機器側へ転送することができると共に、外部機器から携帯機器側に対して各種の設定や指示を行うことが可能になる。
最後に、携帯機器と外部機器の間の情報転送について一具体例を挙げて説明しておく。いま、携帯機器側で測定された脈波の波形を外部機器側に設けたディスプレイ331（図１参照）上に表示させるものとする。また、ディスプレイ331に表示される脈波波形の種類は、平脈，滑脈，弦脈の何れかであるとする。そして、測定された脈波波形の種類が、携帯機器側で圧縮された後に、携帯機器側から外部機器へと転送される。
以上のことを実現するために、まず携帯機器側では、生体から測定した脈波波形を解析して、平脈，滑脈，弦脈の何れであるかを判別する。この判別を行うための手法としては、脈波の歪率（又は循環動態パラメータ）と平脈，滑脈，弦脈との相関関係を予め調べておき、測定した脈波から脈波の歪率（又は循環動態パラメータ）を算出して、脈波の種類を決定する方法などが考えられる。さらに、携帯機器では呼吸数が計算される。
次いで、判別された脈波の種類に対応させて、これを例えばキャラクタ符号へと符号化する。そして、符号化された情報を携帯機器及び外部機器にそれぞれ設けられたI/Oインターフェイス手段を介し、光通信により外部機器側へ転送する。そうすると外部機器側では、送られてきた符号化情報に基づいて、脈波の種類が平脈，滑脈，弦脈の何れかであるかを識別し、この識別された脈波の種類に対応した脈波波形を外部機器内部に格納されたROM等から読み出して、ディスプレイ331上に描画させる。
なお、ディスプレイ331上には、上記のように脈波波形を描画させる以外にも、呼吸数が表示されることは言うまでもない。さらに、平脈，滑脈，弦脈などの分類された波形に対応した名称を文字で表示させても良いし、これら波形を表わしたシンボル，アイコンなどを表示させるようにしても良い。
以上のように、携帯機器と外部機器との間を圧縮情報を用いた通信で実現するように構成すれば、転送すべき情報量を削減することができる。なお、このような圧縮情報を用いた通信は、外部機器側から携帯機器側へ情報を転送する場合であっても全く同様である。
2.2.機能構成
次に、第１実施形態の機能構成を説明する。図21は、第１実施形態の機能構成を示す機能ブロック図である。図において11は加速度センサであり、被験者の体動を示す体動波形THを検出する。一方、上述したようにセンサユニット102は、光学式脈波センサで構成され、被験者の脈波波形を検出する。また、10,12は第１のFFT処理部、第２のFFT処理部であって、上述したマイクロコンピュータ181等によって構成される。第１のFFT処理部10は、脈波波形MHにFFT処理を施して、脈波解析データMFDを生成する。また、第２のFFT処理部31は、体動波形THにFFT処理を施して、体動解析データTFDを生成する。
次に、体動除去部13は、脈波解析データMFDの各スペクトラム周波数成分の内、体動解析データTFDの各スペクトラム周波数に対応するスペクトラム周波数成分成分を除去して、体動除去脈波解析データMKDを生成する。この体動除去脈波解析データMKDにおいて、低域の周波数領域における最大ピーク周波数が呼吸成分の基本波周波数Fv1であり、高域の周波数領域における最大ピーク周波数が脈波の基本周波数Fm1となる。
ここで、図22は、脈波解析データMFD、体動解析データTFDおよび体動除去脈波解析データMKDの関係について、その一例を示す図である。この図を用いて、体動除去の動作を説明する。まず、図22（ａ）は脈波解析データMFDの内容を示しており、図22（ｂ）は体動解析データTFDの内容を示している。この例にあっては、体動除去部13は、体動解析データTFDに基づいて、図22（ｂ）に示す各スペクトル周波数Ft1〜Ft6を特定する。この後、体動除去部13は、脈波解析データMFDの各スペクトラム周波数成分の内、スペクトル周波数Ft1〜Ft6に対応するスペクトラム周波数成分を除去して、図22（ｃ）に示す体動除去脈波解析データMKDを生成する。
ところで、体動波形THは、例えば、腕の振りの加速度そのものとして検出されるが、血流は血管や組織の影響を受けるので、脈波解析データMFDの体動成分と体動解析データTFDは一致しない。具体的には、図22（ｂ）と図22（ａ）に示すように、スペクトル周波数Ft1〜Ft6に対応する各スペクトラム周波数成分が、脈波解析データMFDと体動解析データTFDで異なる。このため、この例では、脈波解析データMFDから体動解析データTFDを減算するのではなく、スペクトル周波数Ft1〜Ft6に対応するスペクトラム周波数成分を除去するようにしている。また、体動除去部13において上述したフィルタリング処理を併せて行うことにより、より正確に体動成分を除去することが可能となる。
次に、脈拍数・呼吸数抽出部14は、体動除去脈波解析データMKDに基づいて、その各スペクトル周波数成分のうち、最大ピーク周波数を特定する。脈波波形においては、脈波成分のエネルギーが呼吸成分のエネルギーよりも大きい。したがって、ここで特定される最大ピーク周波数は、図22（ｃ）に示す脈波の基本周波数Fm1に相当する。脈拍数・呼吸数抽出部14は、60/Fm1を演算することによって、脈拍数情報MJを生成する。
この後、脈拍数・呼吸数抽出部14は、Fm1未満の最大ピーク周波数を特定することによって、呼吸成分の基本波周波数Fv1を抽出する。そして、脈拍数・呼吸数抽出部14は、60/Fv1を演算することによって、呼吸数情報KJを生成する。脈拍数情報MJと呼吸数情報KJは、パーソナルコンピュータへ転送されるとともに、表示部17に供給される。
次に、あるサンプル時刻をTn、１サンプル前のサンプル時刻をTn−１としたとき、呼吸数変化率算出部15は、以下の式によって呼吸数変化率情報KJ'を算出し、当該情報をパーソナルコンピュータへ転送するとともに、表示部17に供給する。
KJ'（Tn）＝｛KJ（Tn）−KJ（Tn−１）｝/KJ（Tn）
上記した式は、呼吸数変化率情報KJ‘を算出する一例であって、この他にも所定時間（例えば、１分間）の呼吸数を計測し、この計測結果と直前の検出時間中に計測された呼吸数とに基づいて、呼吸数変化率情報KJ'を算出するようにしてもよい。
次に、比較部16は、呼吸数変化率情報KJ'を予め定められた閾値R1,R2と比較して、メッセージ情報を生成する。ここで、閾値R1,R2は、被験者のリラックスの程度が識別できるように予め設定される。例えば、R1を10％、R2を20％に設定し、KJ'＞R1ならばリラックスの程度が低いことを示す「Ｃ」を、R1≧KJ'＞R2ならばリラックスの程度が中程度であることを示す「Ｂ」を、R2≧KJ'ならばリラックスの程度が中程度であることを示す「Ａ」を、リラックスの程度を示す指標として各々生成する。メッセージ情報は、これらの指標そのものであっても良いし、各指標に対応づけられた言葉やアイコン等であってもよい。例えば、「Ｃ」に「呼吸を整えて、ゆったりと呼吸してみましょう。」、「Ｂ」に「らくに呼吸をすることをイメージしましょう。」、「Ａ」に「この状態を維持しましょう。」といったメッセージ文を対応づければよい。
ここで、持続的なランニングを行う場合のリラックスの程度を考える。この場合の脈拍数は120回／分、呼吸数は26回／分程度である（図30参照）。上述したように閾値R1が10％、閾値R2が20％であるならば、呼吸数が24〜28回／分でリラックス指標は「Ａ」となり、呼吸数が21〜23回／分または28〜31回／分でリラックス指標は「Ｂ」となり、呼吸数が20回以下あるいは32回以上であればリラックス指標は「Ｃ」となる。
次に、表示部17は脈拍数情報MJ、呼吸数情報KJ、呼吸数変化率情報KJ'、メッセージ情報等を表示する。これにより、被験者は、生体の状態を知ることができる。また、メッセージ情報によって、リラックスの程度の進み具合を知ることができる。なお、装置本体に、呼吸数変化率算出部15や比較部16が設けられていない場合には、パーソナルコンピュータが、転送された呼吸数情報KJに基づいて呼吸数変化率情報KJ'を生成するとともに、メッセージ情報を生成して、これらの情報を装置本体に転送する。この場合、表示部17は転送された呼吸数変化率情報KJ'およびメッセージ情報を表示する。
2.3.実施形態の動作
次に、本実施形態の動作を説明する。最初にパーソナルコンピュータの機器本体330および腕時計を操作して、伝送モードを断続伝送モードに設定する。
腕時計にあっては、センサユニット102を介して脈波波形が逐次検出され、加速度センサによって加速度が検出され、呼吸数が算出される。これらの検出・算出結果は、所定のサンプリング周波数で量子化、符号化されつつ制御部109に一旦記憶され、必要に応じてドット表示領域108−Ｄに表示される。
すなわち、上述したように、ドット表示領域108−Ｄには各種の情報を表示することが可能であり、そのモード設定はボタンスイッチ114によって行われる。従って、被験者がボタンスイッチ114を操作してドット表示領域108−Ｄの動作モードを「呼吸数表示モード」に設定すると、ドット表示領域108−Ｄにおいて上記呼吸数が表示される。このようにして記憶された脈波波形、脈拍数、呼吸数、呼吸数の変化率等に対して、所定時間毎にデータ圧縮が行われた後、送信装置340を介してパーソナルコンピュータに伝送される。
パーソナルコンピュータにおいては、腕時計から伝送された脈波波形、脈拍数、呼吸数、呼吸数の変化率が蓄積され、表示される。これらの内容は医師やトレーニング指導者によってモニターされ、必要に応じて被験者にメッセージが送られる。このメッセージの内容は、例えば、「脈拍数が150以下になるようにペースを落とせ」、「呼吸数が50以上になるようにペースを上げよ」の如くである。この場合、医師やトレーニング指導者は、呼吸数の変化率を考慮して被験者にメッセージを送ることができる。例えば、呼吸数の変化率が一定の範囲内にあるときは、適度な運動強度であると考えられるので、「ペースを維持せよ。」とのメッセージを送る。また、呼吸数の変化率が、非常に大きい場合は、被験者の負担が大きく呼吸が乱れていると考えられるので、「ペースを落とせ。」といったメッセージを送ることができる。
さらに、状況に応じたメッセージを送ることもできる。例えば、マラソン競技中の被験者が他のランナーと競り合ってある場合には、適度な運動強度で運動しているにもかかわらず、被験者が興奮して呼吸数の変化率が増大することがある。興奮した状態では、冷静な判断ができず体力をむやみに消耗して、被験者の持てる本来の運動能力を発揮することができないことが多い。このような場合には、精神を鎮静して、被験者の持てる運動能力を十分に発揮することが望ましい。そこで、トレーニング指導者は、呼吸数の変化率に基づいて、被験者のリラックス度を検知し、「呼吸を整えるように意識せよ。」といったメッセージを送ることができる。
以上のように、腕時計とパーソナルコンピュータとの間を圧縮情報を用いた通信で実現するように構成すれば、転送すべき情報量を削減することができる。なお、このような圧縮情報を用いた通信は、パーソナルコンピュータ側から腕時計側へ呼吸数等の情報を転送する場合であっても全く同様である。
さて、腕時計においては所定の操作を行うことによって、呼吸数、脈拍数あるは呼吸数の変化率について、それらの上限値または下限値を設定しておくことができる。呼吸数、脈拍数あるは呼吸数の変化率がこの上限値を越え、あるいは下限値を下回ると、圧電素子120が警報音を発音するとともに、その値（呼吸数、脈拍数または呼吸数の変化率）が点滅表示される。
これにより、医師やトレーニング指導者がいない場合においても、被験者単独で、トレーニングによる負荷をある程度適切な範囲内に設定することができる。また、運動中の精神状態を意識してコントロールすることによりリラックスした状態を維持することができる。
2.4.実施形態の効果
以上のように本実施形態によれば、血圧尖頭値包絡線の周波数スペクトルに対して、窓関数を適用してバンドパスフィルタリングを行うとともに、加速度センサの出力信号に基づいて体動スペクトルを除去するから、運動による不整脈、外乱、随意的呼吸の影響を除去することができ、呼吸数を簡易かつ正確に測定することができる。
さらに、本実施形態においては、脈波測定用のハードウエアをほぼ流用することができるから、呼吸数測定用の特別なセンサ等が不要になり、装置をきわめて安価に構成できる。
3.第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態のハードウエア構成および動作は、第１実施形態のものとほぼ同様である。但し、第１実施形態においては血圧値y₁（血圧尖頭値包絡線）に基づいて呼吸数が算出されていたのに対して、第２実施形態では脈波周期T_pulseに基づいて呼吸数の算出を行う点が相違する。
まず、腕時計の波形抽出記憶部180においては、脈波周期T_pulseが所定時間（例えば30秒〜１分）に亙って記憶されている。この脈波周期T_pulseも時間軸上で離散的であるため、隣接する脈波周期T_pulseの間を適当な補間方法により補間して図９（ａ）と同様な曲線（脈波周期包絡線）を得る。この脈波周期包絡線にも、血圧尖頭値包絡線と同様にLF成分、HF成分およびトレンド（Trend）が含まれているから、第１実施形態と同様の手法で解析を行うことにより、呼吸数や呼吸数変化率を求めることができる。
4.第３実施形態
上述した第１実施形態と第２実施形態は、体動を検出するため、加速度センサ11を体動検出部して用いるものであった。これに対して、第３実施形態は加速度センサ11を用いることなく体動成分を除去するものである。
4.1.第３実施形態の全体構成
本発明の第３実施形態に係わる外観構成は第１実施形態と同様である。ここでは、第３実施形態の構成を図23に示す機能ブロック図を参照して説明する。図23において、図21に示す第１実施形態の構成と相違するのは、加速度センサ11および第２のFFT処理部12が設けられていない点、体動除去部13の替わりに脈波成分分離部20が設けられている点、脈拍数・呼吸数抽出部14の替わりに脈波拍数抽出部21と呼吸数抽出部22が設けられている点である。以下、相違点について説明する。
4.2.脈波成分分離部
次に、脈波成分分離部20は、ローパスフィルタで構成され、脈波解析データMFDから脈波成分を除去して、脈波成分除去解析データMD'を生成するとともに、脈波成分解析データMDを生成する。ここで、ローパスフィルタのカットオフ周波数は、脈波成分の基本波周波数よりも若干低く選ばれる。その理由は、体動成分の基本波周波数および呼吸成分の基本波周波数は、脈波成分の基本波周波数より低いからである。具体的には、安静時において測定された脈波成分の基本波周波数より若干低くカットオフ周波数を設定する。
例えば、脈波解析データMFDとローパスフィルタのカットオフ周波数fcが図24に示す関係にあるとすれば、脈波成分解析データMDは図25（ａ）に示すものとなり、脈波成分除去解析データMD'は図25（ｂ）に示すものとなる。
4.3.脈波拍数抽出部
次に、脈波数抽出部21は、脈波成分解析データMDの最大ピーク周波数を脈波成分の基本波周波数Fm1として特定し、60/Fm1を算出して脈拍数情報MJを生成する。
4.4.呼吸数抽出部
次に、呼吸数抽出部22は脈波成分除去解析データMD'から呼吸数情報KJを生成する。図26は呼吸数抽出部22の詳細な機能構成を示すブロック図である。
図において、スペクトル抽出部40は脈波成分除去解析データMD'の各スペクトル周波数から、２つのスペクトル周波数を１組として抽出し、低い方のスペクトル周波数を基本周波数テーブル41に出力するとともに、高い方のスペクトル周波数を差分検出部42に出力する。
例えば、脈波成分除去解析データMD'が図25（ｂ）に示すものであれば、各スペクトル周波数f1〜f14のなから、任意のスペクトル周波数を１組として抽出する。この場合、抽出されるスペクトル周波数の組としては、₁₄C₂組ある。また、スペクトル周波数の組が、f1とf3であれば、f1が基本周波数テーブル41に、f3が差分検出部42に出力される。
次に、基本周波数テーブル41は、ROM等によって構成され、そこには呼吸成分の基本波周波数Fm1に対応付けて体動成分の基本波周波数Ft1が予め格納されてある。この基本周波数テーブル41の内容は、実測値から構成される。
本発明者らは、基本周波数テーブル41のデータを設定するにあたり、被験者に対し走行速度を段階的に変化させ、走行ピッチと呼吸数の関係を実測した。図27は、その実験結果を示したものである。走行ピッチとは、単位時間当たりの歩数である。この例にあっては、センサユニット102は、図10に示すように指の根本に装着されるので、これによって検出される脈波波形MH中に存在する体動成分は、腕の振りに左右される。腕の振りと走行ピッチの関係は、力強く振るか滑らかに振るかにによって異なるが、２ピッチに対して１回の腕の振りであるのが通常である。また、１回の腕の振りの周期が体動波形の１周期に相当する。したがって、走行ピッチ（回／分）をＰ、呼吸数（回／分）をＶとすれば、体動成分の基本周波数Ft1、呼吸成分の基本周波数Fv1は、走行ピッチＰと呼吸数Ｖを用いて以下の式で与えられる。
Ft1＝P/（60・２）、Fv1＝V/60
上記した式を用いて、図27に示すグラフを変換すると、体動成分の基本周波数Ft1と呼吸成分の基本周波数Fv1の関係が得られる。これを図28に示す。基本周波数テーブル41の内容は、例えば、図28に示すものとなる。
次に、差分検出部42は、スペクトル抽出部40から出力される他方のスペクトル周波数と基本周波数テーブル41から出力される周波数の差分を検出する。仮に、スペクトル抽出部40によって抽出されたスペクトル周波数の組が、体動成分の基本周波数Ft1と呼吸成分の基本周波数Fv1であるならば、基本周波数テーブル41にはFv1が供給されFt1が出力されるから、差分検出部42の出力は「０」となる。一方、スペクトル抽出部40によって抽出されたスペクトル周波数の組がFv1とＦ（ただしFv1＜Ｆ）であるならば、差分検出部42の出力は、「|F−Ft1|」となる。したがって、差分検出部42の出力が最も小さくなるスペクトル周波数の組が、Ft1,Fv1となる。
次に、比較部43は、スペクトル抽出部40から出力されるスペクトル周波数の組毎に、差分検出部42の出力を比較して、その値が最も小さくなる組を特定し、当該組を構成するスペクトル周波数の低い方を出力する。この場合、特定される組は、Ft1,Fv1であり、また、Ft1＞Fv1の関係があるから、比較部43からは呼吸成分の基本波周波数Fv1が出力される。
次に、演算部44は、呼吸成分の基本波周波数Fv1に基づいて、60/Fv1を演算して呼吸数情報KJを算出する。このようにして、生成された呼吸数情報KJは、第１実施形態で説明した呼吸数変化率算出部15に供給され、呼吸数変化率情報KJ'が生成される。
このように、本実施形態によれば、体動成分の基本周波数Ft1と呼吸成分の基本周波数Fv1の関係に着目し、体動成分と呼吸成分を呼吸数抽出部22で分離するようにしたので、加速度センサ11、第２のFFT処理部12等を用いなくとも呼吸数情報KJや呼吸数変化率情報KJ'を算出することができる。これにより、装置の小型化、軽量化を図ることができ、被験者により使い勝手のよい装置を提供することができる。
5.変形例
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように種々の変形が可能である。
（１）まず、上記各実施形態においては、被験者に装着される携帯部として腕時計を用いた例を挙げたが、携帯部は腕時計以外の各種の物を用いることができる。
例えば、光電式脈波センサをアクセサリー（装身具）と組み合わせてもよい。ここでは、アクセサリーの一例として図13に示すネックレスを取り上げる。この図において、61はセンサパッドであって、たとえばスポンジ状の緩衝材で構成される。センサパッド61の中には、光電式脈波センサ62が皮膚面に接触するように取り付けられている。これにより、このネックレスを首にかけると、光電式脈波センサ62が首の後ろ側の皮膚に接触して脈波を測定することができる。
また、中空部を有する本体63には、この脈波検出部を組み込んだ装置の主要部分が組み込まれている。この本体63はブローチ様の形状をしたケースであって、その前面には例えばグラフィック表示部やボタンが設けられている。なお、これらの表示部64やボタン65,66の機能は脈波検出部が組み込まれる装置毎に異なる。
また、光電式脈波センサ62と本体63はそれぞれ鎖67に取り付けられており、この鎖67の中に埋め込まれたリード線（図示略）を介して電気的に接続されている。
（２）同様に、光電式脈波センサは、眼鏡と組み合わせることもできる。なお、この眼鏡の形態では、使用者に対する告知手段としての表示装置も一緒に組み込まれた構造になっている。したがって、脈波検出部として以外に表示装置としての機能についても併せて説明する。
図14は、脈波検出部が接続された装置を眼鏡に取り付けた様子を表わす斜視図である。図のように、装置本体は本体75aと本体75bに分かれ、それぞれ別々に眼鏡の蔓76に取り付けられており、これら本体が蔓76内部に埋め込まれたリード線を介して互いに電気的に接続されている。
本体75aは表示制御回路を内蔵しており、この本体75aのレンズ77側の側面には全面に液晶パネル78が取り付けられ、また、該側面の一端には鏡79が所定の角度で固定されている。さらに本体75aには、光源（図示略）を含む液晶パネル78の駆動回路と、表示データを作成するための回路が組み込まれている。この光源から発射された光は、液晶パネル78を介して鏡79で反射されて、眼鏡のレンズ77に投射される。また、本体75bには、装置の主要部が組み込まれており、その上面には各種のボタンが設けられている。なお、これらボタン80,81の機能は装置毎に異なる。
一方、光電式脈波センサを構成する発光ダイオードおよび光センサ（図３を参照）はパッド82,83に内蔵されると共に、パッド82,83を耳朶へ固定するようになっている。これらのパッド82,83は、本体75bから引き出されたリード線84,84によって電気的に接続されている。
（３）また、携帯部として腕時計を用いる場合であっても、センサユニット102は指の付け根に取り付けるものに限られるわけではない。例えば、図12に示すように、センサユニット102とセンサ固定用バンド104とを指尖部へ取り付けるようにして、指尖容積脈波を測定してもよい。
（４）上記各実施形態においては、循環器系情報の一例として脈波に基づいて呼吸数を算出する例を説明したが、循環器系情報は脈波に限定されるわけではなく、例えば心電に基づいて算出してもよい。
例えば、図８に示す心電図に対して、同図の脈波について求めた包絡線（破線）と同様の包絡線を求めると、心電位の振幅値の変動に基づいて呼吸数を算出することができる。
また、脈波周期T_pulseに代えてＲ−Ｒ周期を用いると、心電位の周期の変動量に基づいて呼吸数を算出することができる。このように心電位を用いる場合は、被験者が運動すると心電波形の雑音成分として筋電波形が重畳するため、上記実施形態で述べたのと同様の方法で節電成分を除去するとよい。
（５）また、上記実施形態においては、呼吸対脈拍比α_０は被験者に応じて「４＋−0.5」程度の値に設定されることとしたが、被験者の体表温度を測定する温度センサを設け、この体表温度に対応して呼吸対脈拍比α_０を調整してもよい。これは、入浴中である場合のように体表温度が高くなると、被験者が正常な状態であっても呼吸対脈拍比α_０が高くなることに鑑みてである。
（６）上記各実施形態においては、警告手段の一例として、警報音を発する圧電素子120と、点滅表示する液晶表示装置108とを挙げた。さらに、液晶表示装置108は、呼吸数や脈拍数等のデータを被験者に表示するためにも用いられた。しかし、警告手段および呼吸数や脈拍数等の表示手段は上述したものに限定されるわけではなく、五感に訴えて警告を行うものであれば各種の物を用いることができる。以下、それらの具体例を詳述する。
（６−１）聴覚に訴える手段
聴覚に訴える手段としては、例えば、以下の如きものが考えられる。なお、これらの手段は腕時計などの携帯機器に埋め込まれたものも多く、そうした場合、時計の一部として組み込まれている素子を流用することもできる。
▲１▼ブザー
▲２▼圧電素子
▲３▼スピーカ
▲４▼特殊な例として、告知の対象となる人間に携帯用無線呼出受信機を持たせ、告知を行う場合にはこの携帯用無線呼出受信機を装置側から呼び出すようにすることが考えられる。
また、これらの機器を用いて告知を行うにあたっては、単に告知するだけではなく、何らかの情報を一緒に伝達したい場合も多々ある。そうした場合、伝えたい情報の内容に応じて、以下に示す音量等の情報のレベルを変えれば良い。
▲１▼音高
▲２▼音量
▲３▼音色
▲４▼音声
▲５▼音楽の種類（曲目など）
（６−２）視覚に訴える手段
視覚に訴える手段が用いられるのは、装置から各種メッセージ，測定結果を知らせる目的であったり、警告をするためであったりする。そのために上記実施形態にあっては、CRTディスプレイ331や液晶表示装置108等が用いられたが、上述したように眼鏡型のプロジェクター（図14参照）を用いることができる。さらに、Ｘ−Ｙプロッタやランプ等を用いてもよいことは言うまでもない。
また、告知にあたっては以下に示すようなバリエーションが考えられる。
▲１▼数値の告知におけるデジタル表示，アナログ表示の別
▲２▼グラフによる表示
▲３▼表示色に濃淡を付ける
▲４▼数値そのまま或いは数値をグレード付けして告知する場合の棒グラフ表示
▲５▼円グラフ
▲６▼フェイスチャート
▲７▼表示の点滅
呼吸数等の数値をグレード付けして告知する場合は、グレードに応じて図15に示すようなフェイスチャートを表示させる。同図では６個のグレード付けを想定している。
（６−３）触覚に訴える手段
警告手段は触覚に訴える手段によって構成することもできる。また、一連の刺激の間隔や強さ等によって、呼吸数や脈拍数のような数値情報をある程度の精度で伝達することもできる。そのための手段として以下のようなものがある。
▲１▼電気的刺激
腕時計等の携帯機器の裏面から突出する形状記憶合金を設け、この形状記憶合金に通電するようにする。
▲２▼機械的刺激
腕時計等の携帯機器の裏から突起物（例えばあまり尖っていない針など）を出し入れ可能な構造としてこの突起物によって刺激を与える。
一方、告知内容が簡単なものであれば、機械的振動を利用して以下のような形態をとって、使用者へ告知することができる。まず、偏心荷重を回転させて振動を伝える振動アラームが知られているが、これを携帯機器本体と一体或いは別体に設けるようにしても良い。また、図16に示すように、携帯機器本体の下面内側の一部に70μｍ程度の厚さの凹部を形成し、ここにピエゾ素子PZTを取り付けても良い。
このピエゾ素子PZTに適切な周波数の交流電圧を印加すると、ピエゾ素子PZTが振動して携帯機器を装着している使用者に伝達される。なお、ピエゾ素子PZTの厚みは100μm,その直径は凹部の直径の80％程度にすると良い。このように、ピエゾ素子PZTの直径を凹部のそれの80％程度とすると、告知音の音圧を大きくすることができる。
そして、以上の機構を用い、告知内容に応じて振動の強弱，振動時間，振動の周波数などを変化させれば、バリエーションに富んだ告知が可能となる。
（６−４）嗅覚に訴える手段
嗅覚に訴える手段として、装置に香料等の吐出機構を設けるようにして、告知する内容と香りとを対応させておき、告知内容に応じた香料を吐出するように構成しても良い。ちなみに、香料等の吐出機構には、以下詳述されるマイクロポンプなどが最適である。
（６−４−１）マイクロポンプの構造
図17は、マイクロポンプ501の断面図である。このマイクロポンプ501は、基板502,薄膜板503および表面板504のサンドイッチ構造によるものである。
基板502は、例えば厚さ1mm程度のガラス基板からなり、入力ポート505および出力ポート506が設けられている。これらのポートにはチューブ505Tおよび506Tが液漏れすることがないよう接着剤により接合されている。
薄膜板503は、例えば厚さ0.3mm程度のSi基板からなり、エッチング法により入口バルブ507,出口バルブ508が形成されると共にこれらのバルブの間にダイヤフラム509が形成されている。そしてさらに、ダイヤフラム509の下方のポンプ室522およびこれに通じるポンプ流路系が形成されている。ダイヤフラム509の上部には、駆動手段としてピエゾディスクの圧電素子526が接着されている。
入口バルブ507は基板502を覆うように形成されており、その上平面部ほぼ中央には通孔518が形成されると共にこの通孔518を囲むように下方に突出する弁体516が形成されている。この弁体516は先端部が基板502まで至っており、入口バルブ507の側面とこの弁体516により室517が形成されている。この室51は図示しない流路を介し入力ポート505に通じている。一方、出口バルブ508は出力ポート506の入口を覆うキャップ状の弁体525によって構成されている。
薄膜板503の上には基板502と同様のガラス基板からなる表面板504が陽極接合法により接着されており、この表面板504により上記のポンプ流路系の一部の流路の上部壁が構成されている。この表面板504の上記ダイヤフラム509に対応した箇所には窓528が形成されている。上記圧電素子526は、この窓528を介して露出した上記ダイヤフラム509の表面に接着される。表面板504の厚さは約1mmである。
次に作動検出スイッチ550について説明する。この作動検出スイッチ550は、出口バルブ508の隔壁の挙動を検出すべく設けられたものであり、該隔壁の上部に突出した突起部551と、この突起部551の表面に装着された電極板552と、この電極板552と対向するように表面板504の下部に接着された裏面電極板553によって構成されている。
なお、後述するように、電極板552および553には、図18に示すコンデンサＣおよび抵抗Ｒを介して発振回路564の出力パルスが印加される。電極板552および553としては、例えばPt−Ir,W,Ta,Ni,Pt,Pd,Mo,Ti,多結晶Si,WSi₂,CP1,CP2等の接点材料を使用する。
（６−４−２）駆動部の構造
図18は、上述したマイクロポンプ501を駆動するための駆動部の構成を示したものである。同図において、符号500（600）で表わす回路全体が、後述する装置内の投薬部あるいは香料吐出部を構成する。
この図において、501は上述したマイクロポンプであり、その入力ポート505はチューブ505Tを介しタンク561に挿入されており、出力ポート506はチューブ506Tに接続されている。
チューブ506Tは、装置が投薬に用いられる場合は図示するように投薬用の注射針562に連結される。また、装置が香料吐出に用いられる場合は、注射針562が取り付けられることなく、チューブ506Tの先端が香料吐出用の噴射孔（後述）に近接して配置される。
駆動回路563は、マイクロコンピュータなどの外部装置から駆動指令が与えられることによって所定レベル（約100V）の駆動パルスを発生し、マイクロポンプ501の駆動手段である圧電素子526に供給する。
発振回路564は上記駆動パルスのパルス幅よりも周期の短い多数のパルスを発生し、コンデンサＣおよび抵抗Ｒを介しマイクロポンプ501の作動検出スイッチ550へ印加する。ここで、作動検出スイッチ550は、マイクロポンプ501の出力ポート506から液が排出される毎に所定の時間幅だけオン状態となるように構成されている。したがって、マイクロポンプ501が正常に作動している場合は、マイクロポンプ501に駆動パルスが印加され、これによる液の排出が行われる毎に作動検出スイッチ550の両端の電圧が低下することとなる。
異常検出回路565は作動検出スイッチ550の両端の電圧を整流し、この整流により得られた電圧のレベルが駆動パルスに対応した時間的変化をしていない場合に異常検出信号を出力する。この異常検出信号は、このマイクロポンプを制御するマイクロコンピュータなどへ送出される。
（６−４−３）マイクロポンプ及び駆動部の動作
まず、駆動回路563は、マイクロポンプの外部に設けられたマイクロコンピュータ等から駆動指令が与えられることにより所定レベル（約100V）の駆動パルスを発生し、マイクロポンプ501の圧電素子526に供給する。この駆動パルスが印加されると、図19に示すように圧電素子526が変形し、ダイヤフラム509がへこんだ形にたわむ。
この結果、ポンプ室522内の圧力が上昇し、出口バルブ508の隔壁が持ち上げられ、弁体525が基板502から離れる。そして、ポンプ室522内の液体（投薬の場合であれば薬液，薬物吐出の場合であれば香料等）が、この弁体525と基板502との隙間を介し出力ポート506へ流出し、チューブ506T（投薬の場合であれば、さらに注射針562）を介して吐出する。
そして、駆動パルスが立ち下がると、図20に示すようにダイヤフラム509が内側にへこんだ状態から元に戻ろうとするため、ポンプ室522に負圧が生じる。このため、出口バルブ508の弁体525が基板502に押し付けられることによって出力ポート506が塞がれ、逆に入口バルブ507は隔壁が上方に持ち上がり、これに伴って弁体516が基板502から離れる。この結果、入力ポート505から液体が流入し、弁体516と基板502との隙間および通孔518を介しポンプ室522へと吸取られる。以後、駆動パルスが印加される毎に上記と同様な液体の排出および吸入が繰り返される。
ところで、マイクロポンプ501が作動している間、作動検出スイッチ550の両端の電圧が異常検出回路565により監視される。チューブの詰まりや針詰り等によって液体が円滑に排出されないと、駆動パルスの発生タイミングと、作動検出スイッチ550がオン状態となるタイミングとの関係が正常時のものからずれてくる。異常検出回路565は、このずれを検知した場合にマイクロコンピュータ等に対して異常検出信号を出力する。
（７）上述した各実施形態において、脈波波形MHと体動波形THの周波数解析は、FFT処理により行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、ウエーブレット変換等を用いてもよく、要は、脈波波形MHや体動波形TH（循環器系情報）を周波数解析できるのであれば、どのような手法を用いてもよい。
ウエーブレット変換は、以下のようにして行うことができる。一般に、信号を時間と周波数の両面から同時に捉える時間周波数解析において、ウエーブレットは信号の部分を切り出す単位となる。ウエーブレット変換は、この単位で切り出した信号各部の大きさを表している。ウエーブレット変換を定義するために基底関数として、時間的にも周波数的にも局在化した関数ψ（ｘ）をマザー・ウエーブレットとして導入する。ここで、関数ｆ（ｘ）のマザー・ウエーブレットψ（ｘ）によるウエーブレット変換は次のように定義される。

この式においてｂは、マザー・ウエーブレットψ（ｘ）をトランスレート（平行移動）する際に用いるパラメータであり、一方、ａはスケール（伸縮）する際のパラメータである。したがって、数１においてウエーブレットψ（（ｘ−ｂ）/a）は、マザー・ウエーブレットψ（ｘ）をｂだけ平行移動し、ａだけ伸縮したものである。この場合、スケールパラメータａに対応してマザー・ウエーブレットψ（ｘ）の幅は伸長されるので、1/aは周波数に対応するものとなる。
ここで、ウエーブレット変換の詳細な構成について説明する。図29はウエーブレット変換部の詳細な構成を示すブロック図である。このウエーブレット変換部は、上記した数１の演算処理を行う構成であって、クロックCKが供給され、クロック周期で演算処理が行われるようになっている。図示するようにウエーブレット変換部20は、マザー・ウエーブレットψ（ｘ）を記憶する基底関数記憶部W1、スケールパラメータａを変換するスケール変換部W2、バッファメモリW3、トランスレートを行う平行移動部W4および乗算部W5から構成される。なお、基底関数記憶部W1に記憶するマザー・ウエーブレットψ（ｘ）としては、ガボールウエーブレットの他、メキシカンハット、Haarウエーブレット、Meyerウエーブレット、Shannonウエーブレット等が適用できる。
まず、基底関数記憶部W1からマザー・ウエーブレットψ（ｘ）が読み出されると、スケール変換部W2はスケールパラメータａの変換を行う。ここで、スケールパラメータａは周期に対応するものであるから、ａが大きくなると、マザー・ウエーブレットψ（ｘ）は時間軸上で伸長される。この場合、基底関数記憶部W1に記憶されるマザー・ウエーブレットψ（ｘ）のデータ量は一定であるので、ａが大きくなると単位時間当たりのデータ量が減少してしまう。スケール変換部W2は、これを補うように補間処理を行うとともに、ａが小さくなると間引き処理を行って、関数ψ（x/a）を生成する。このデータはバッファメモリW3に一旦格納される。
次に、平行移動部W4はバッファメモリW3からトランスレートパラメータｂに応じたタイミングで関数ψ（x/a）を読み出すことにより、関数ψ（x/a）の平行移動を行い関数ψ（ｘ−b/a）を生成する。
次に、乗算部W5には、ウエーブレット変換の対象となるデータが供給される。例えば、図21に示す第１のFFT処理部10の替わりに上記したウエーブレット変換部を用いる場合には、図示せぬA/D変換器を介して脈波波形MHが供給される。乗算部W4は、変数1/a^1/2、関数ψ（ｘ−b/a）および脈波波形MHを乗算してウエーブレット変換を行い、脈波解析データMFDを生成する。同様に、図21に示す第２のFFT処理部12にウエーブレット変換部を適用することも可能である。
（８）運動強度が大きくなると、骨格筋の酸素消費量が増加するため、呼吸数と脈拍数が増加する。ここで、呼吸数と脈拍数には一定の関係がある。図30は、走行時における呼吸数と脈拍数の一例を示す図である。第１〜第３実施形態において、呼吸数と脈拍数との関連でフィルタリング処理を行ってもよい。
具体的には、呼吸数と脈拍数の関係を予め格納したテーブルを設けておき、まず、このテーブルを用いて脈拍数（60/Fm1）から推定される呼吸数（60/Fv1）を求める。そして、推定される呼吸成分の基本波周波数を中心周波数とするバンドパスファイルタを用いて、呼吸成分の基本周波数Fv1を抽出する。なお、この場合のフィルタリング処理はデジタル的に行えばよい。
これにより、より正確に呼吸成分を抽出することが可能となる。
（９）上述した各実施形態では、比較部16で用いられる閾値R1,R2は、固定のものとして説明したが、上述したように呼吸数と脈拍数には図30に示すような関係がある。例えば、短距離走や中距離走のように運動強度が加速的に増加する場合には、脈拍数と呼吸数が短時間に増加する。このような場合には、走者がリラックスした状態で走ったとしても、呼吸数の変化率が大きくなる。このため、呼吸数変化率情報KJ‘を固定の閾値R1,R2で比較すると、リラックスの程度が誤って検出されてしまうこととなる。そこで、脈拍数と呼吸数の関係に応じて閾値R1,R2を可変するようにしてもよい。
具体的には、脈拍数の変化率に応じた閾値R1,R2を予め格納した閾値テーブルと、脈拍数情報MJに基づいて脈拍数変化率情報MJ'を算出する演算部を設けておき、演算部で算出された脈拍数変化率情報MJ‘を参照して閾値テーブルから閾値R1,R2を読み出すようにすればよい。
これにより、運動強度が動的に変化する場合であっても、被験者のリラックスの程度を検知することができ、的確なメッセージ文を表示部17に表示することができる。
以上説明したようにこの発明の生体状態測定装置によれば、被験者の循環器系情報の周波数スペクトルの中から脈拍数に対応する帯域を抽出するから、運動による不整脈、外乱、随意的呼吸の影響を除去することができ、呼吸数を簡易かつ正確に測定することができる。また、呼吸数の変化率に基づいて、被験者がどの程度リラックスしているか知ることができる。

Claims (18)

1. 被験者の循環器系情報を検出する循環器系情報検出手段と、
   検出した前記循環器系情報に基づいて、脈拍数を検出する手段と、
   検出した前記循環器情報を周波数解析する手段と、
   前記周波数解析結果の中から、前記脈拍数に応じて定められる帯域を抽出し、これによって前記被験者の呼吸数を測定する抽出手段と
   を具備することを特徴とする生体状態測定装置。
2. 被験者の循環器系情報を検出する循環器系情報検出手段と、
   検出した前記循環器系情報に基づいて、脈拍数を検出する手段と、
   検出した循環器系情報を周波数スペクトル解析する手段と、
   解析された前記循環器系情報の周波数スペクトルの中から、前記脈拍数に応じて定められる帯域を抽出する抽出手段と、
   この抽出された帯域内における周波数スペクトルに基づいて、前記被験者の呼吸数を測定する測定手段と
   を具備することを特徴とする生体状態測定装置。
3. 前記循環器系情報は、脈波の周期の変動量であることを特徴とする請求項１または２に記載の生体状態測定装置。
4. 前記循環器系情報は、脈波の振幅値の変動量であることを特徴とする請求項１または２に記載の生体状態測定装置。
5. 前記循環器系情報を検出するために被験者に装着される携帯部と、
   この携帯部と通信可能に構成された本体部と
   を具備することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の生体状態測定装置。
6. 前記抽出手段で抽出された周波数スペクトルの中から、被験者の体動に対応する体動スペクトルを除去する体動除去手段を備え、
   前記被験者の呼吸数を、前記体動除去手段の出力に基づいて生成することを特徴とする請求項２乃至５のうちいずれか１項に記載の生体状態測定装置。
7. 前記体動除去手段は、
   前記被験者の体動を検出する体動検出手段と、
   この体動検出手段の検出結果に基づいて、前記体動に対応する体動スペクトルを求める体動スペクトル検出手段と、
   前記抽出手段で抽出された周波数スペクトルの中から、前記体動スペクトルを除去する体動補正手段と
   を具備することを特徴とする請求項６に記載の生体状態測定装置。
8. 前記体動除去手段は、
   運動強度の変化に応じた体動基本波周波数と呼吸基本波周波数との関係を予め対応付けて格納した基本周波数テーブルと、
   前記基本波周波数テーブルを参照して、前記抽出手段で抽出された周波数スペクトルの中から、呼吸基本波周波数と体動基本波周波数を特定する周波数特定部とを備え、
   前記周波数特定部によって特定された前記呼吸基本周波数に基づいて、前記呼吸数を算出することを特徴とする請求項６に記載の生体状態測定装置。
9. 前記体動検出手段は、被験者の腕の加速度を検出するものであり、
   前記体動補正手段は、該加速度の周波数に相当する体動スペクトルを前記周波数スペクトルから除去するものである
   ことを特徴とする請求項６に記載の生体状態測定装置。
10. 測定された呼吸数が所定の範囲外になると、五感に訴えて警告を行う警告手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の生体状態測定装置。
11. 測定された前記呼吸数に基づいて、前記呼吸数の変化率を算出する算出手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の生体状態測定装置。
12. 装置本体の外部に設けられた外部機器との間で、生体の状態を表わす指標を含む通信情報を授受する通信手段を具備することを特徴とする請求項１乃至11のうちいずれか１項に記載の生体状態測定装置。
13. 前記通信手段は、固有の識別番号が与えられた識別情報記憶手段を具備し、前記通信情報に対して該識別番号を付加して前記外部機器との間で通信することを特徴とする請求項12に記載の生体状態測定装置。
14. 前記装置本体と前記外部機器との間のデータ伝送を圧縮されたデータを用いて行うことを特徴とする請求項13に記載の生体状態測定装置。
15. 請求項11に記載した生体状態測定装置を用いたリラックス指導装置であって、
    前記算出手段によって算出された前記呼吸数の変化率に基づいて、前記被験者のリラックスの程度を示す指標を生成する指標生成手段と、
    前記指標を告知する告知手段と
    を備えることを特徴とするリラックス指導装置。
16. 前記指標生成手段は、閾値と前記呼吸数の変化率を比較することによって前記被験者のリラックスの程度を示す指標を生成することを特徴とする請求項15に記載のリラックス指導装置。
17. 前記指標生成手段は、前記循環器系情報に基づいて脈拍数を求める脈拍数算出手段と、前記脈拍数の変化率を算出する脈拍数変化率算出手段と、前記脈拍数の変化率に対応付けて前記閾値を予め格納する閾値テーブルとを備え、
    前記指標生成手段は、前記脈拍数変化率算出手段によって算出された前記脈拍数の変化率を参照して前記閾値テーブルから前記閾値を読み出し、当該閾値に基づいて前記被験者のリラックスの程度を示す指標を生成することを特徴とする請求項16に記載のリラックス指導装置。
18. 装置本体の外部に設けられた外部機器との間で、前記算出手段によって算出された前記呼吸数の変化率を送信し、前記外部機器に設けられた前記指標生成手段によって生成された前記指標を受信する通信手段を備え、
    前記装置本体に設けられた前記告知手段によって、前記指標を被験者に告知することを特徴とする請求項15乃至17のうちいずれか１項に記載のリラックス指導装置。

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