JP4419540B2 - 脈波検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子と受光素子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、生活習慣病などの予防を目的として、歩数計や消費カロリー計など定期的な運動を支援する携帯型の装置が利用されている。この運動量をより正確に判断するには脈拍数を計測することが有効であり、このために、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ることが多い。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けて光を照射し、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。そして、この光学式脈波センサとしては、例えば、発光素子と受光素子とから構成された脈波センサが、センサ固定用バンドによって人間の人差し指の根元から第２指関節までの間に固定されるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
再表９７／０３７５８８号公報

しかし、光学式脈波センサを屋外で利用する場合には、太陽光ノイズが大きな問題となる。つまり、屋外では太陽光が脈波センサに入射することで、本来検出すべき脈波成分が太陽光ノイズに埋もれてしまい脈波を精度良く検出できなくなるという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、太陽光の影響を除去して精度良く脈波を検出する脈波検出装置を提供することを目的とする。

係る目的を達成するためになされた請求項１に記載の脈波検出装置は、生体の皮膚に接触させて固定されており、発光手段は生体に対して光を照射するとともに、受光手段は、発光手段から照射された光の反射光を、透光板を介して受光することにより生体の脈波を検出する。そして、当該脈波検出装置は、透光板の端面を覆い光を遮光する遮光板を備えており、この遮光板は、当該脈波検出装置の外部から照射された光が生体の皮膚を介して受光手段に受光されるのを阻止する。

このため、外部から照射された光の影響を除去して精度良く脈波を検出することができる。
ところで、当該脈波検出装置の外部から照射された光（以降、外部光とも称す）が生体の皮膚を介して受光手段に受光される経路としては、図６（ａ）に示すように、皮膚表面と皮膚内部の伝播が挙げられる。このうち、皮膚表面の伝播は、遮光板と生体の皮膚との間に形成された隙間から外部光が入射し、遮光板と生体の皮膚との間で反射を繰り返しながら受光手段に到達するものである。

なお、この皮膚表面の伝播を抑制するためには、例えば遮光板の材質は、光を吸収する特性を有するようにするとよい。

このようにすると、遮光板と生体の皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板に当たると、外部光は遮光板に吸収されるため、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。

また、遮光板の前記外側表面は光を吸収する色で塗装されているようにするとよい。
このようにすると、遮光板と生体の皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板に当たると、外部光は塗装された部分に吸収されるため、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。

また、遮光板の材質は、当該脈波検出装置を前記生体の皮膚に固定した際に、前記遮光板の前記外側表面が前記生体の皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有するようにするとよい。

このようにすると、外部光が入射する原因となる隙間が形成されないため、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。
また、遮光板の前記外側表面上には、該外側表面が鏡面でないと見做すことができる程度の凹凸が形成されているようにするとよい。

このようにすると、遮光板と生体の皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板に当たると、外部光は四方に散乱するために、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。

一方、皮膚内部の伝播は、図６（ａ）に示すように、外部光が皮膚の内部を通過して受光手段に到達するものである。
この皮膚内部の伝播を抑制するために、本発明では、脈波検出装置を生体の皮膚に固定した際に該皮膚に窪みを生じさせる複数の遮光凸部を備えるとともに、その複数の遮蔽凸部を、皮膚の内部を伝播する外部光が受光手段に到達する経路に沿って該経路を２重以上に遮るように、遮光板の外側表面上に配置している。

このように構成された脈波検出装置によれば、皮膚に窪みを生じさせる程度に遮光凸部が皮膚を押圧することにより、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に遮光凸部が立ちはだかるために、遮光凸部に当たった外部光は四方に散乱し、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。
しかも、本発明では、皮膚内部を伝播する外部光が受光手段に到達するまでの経路上に多くの遮光凸部が配置されるので、外部光が受光手段に受光されることを更に抑制できる。
その上、本発明では、複数の遮光凸部は、互いの配置間隔がランダムになるように配置されている。よって、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に、配置間隔が外部光の周波数の整数倍に一致していない遮光凸部が、確実に配置されるので、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。
また、請求項２に記載の脈波検出装置では、脈波検出装置を生体の皮膚に固定した際に皮膚に窪みを生じさせる複数の遮光凸部を、皮膚の内部を伝播する外部光が受光手段に到達する経路に沿って該経路を２重以上に遮るように、遮光板の外側表面上に配置している。
このように構成された脈波検出装置によれば、皮膚に窪みを生じさせる程度に遮光凸部が皮膚を押圧することにより、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に遮光凸部が立ちはだかるために、遮光凸部に当たった外部光は四方に散乱し、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。
しかも、本発明では、皮膚内部を伝播する外部光が受光手段に到達するまでの経路上に多くの遮光凸部が配置されるので、外部光が受光手段に受光されることを更に抑制できる。
その上、本発明では、遮光凸部は、始端部と終端部とを有する突条で構成されている。よって、突条の端部間に形成される空隙を介して、脈波検出装置と生体の皮膚との間の隙間にある空気と、脈波検出装置の外部の空気とが、突条の端部間に形成される空隙を介して循環することができる。
つまり、脈波検出装置と皮膚とが密着している部分で起こりやすくなる蒸れを抑制できる。

また、請求項２に記載の脈波検出装置において、更に、請求項３に記載のように、前記複数の遮光凸部の内で前記透光板から最も離れた位置に配置された遮光凸部を構成する突条の端部間に形成された空隙と、前記透光板とを結ぶ直線上に、少なくとも１つの遮光凸部が配置されているようにするとよい。
このように構成された脈波検出装置によれば、透光板から最も離れた位置に配置された遮光凸部を構成する突条において、その端部間に形成された空隙から入射した外部光の経路上に遮光凸部が配置されるので、外部光が受光手段に受光されることを抑制できる。
また、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の脈波検出装置において、更に、請求項４に記載のように、前記遮光凸部の材質は、当該脈波検出装置を前記生体の皮膚に固定した際に、前記遮光凸部が前記生体の皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有するようにするとよい。

このように構成された脈波検出装置によれば、遮光凸部と生体の皮膚との間に、外部光が入射する原因となる隙間が形成されないため、外部光が受光手段に受光されることを更に抑制できる。

また、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の脈波検出装置において、更に、請求項５に記載のように、前記遮光凸部は、前記透光板を取り巻くように配置されるようにするとよい。
このように構成された脈波検出装置によれば、皮膚内部を伝播する外部光が受光手段に到達するまでの経路上に確実に遮光凸部が配置されるので、外部光が受光手段に受光されることを更に抑制できる。

以下に本発明の実施形態について図面をもとに説明する。
まず、本発明の脈波検出装置を適用した脈波検出装置１を、図１に基づいて説明する。
本実施形態の脈波検出装置１は、人体の脈拍数を検出する装置であり、図１に示すように、発光素子として赤外ＬＥＤ２１と緑色ＬＥＤ２３を備えるとともに、受光素子としてフォトダイオード（ＰＤ）２５を備えた脈波センサ３と、赤外ＬＥＤ２１と緑色ＬＥＤ２３とに対して、それぞれ異なるタイミングで光を照射させるための駆動信号を出力することにより脈波センサ３を駆動する駆動回路５と、脈波センサ３からの信号を処理するとともに駆動回路５を制御するデータ処理装置７とから構成されている。尚、駆動回路５とデータ処理装置７とは、脈波検出装置本体９の筐体内に収容されている。

まず、脈波センサ３の構成を図２に基づいて説明する。図２（ａ）は脈波センサ３の構成を示す断面図、図２（ｂ）は脈波センサ３の皮膚と接触する側から見た平面図である。尚、図２（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ断面部を示している。

脈波センサ３は、人体の腕等に固定して利用するものであり、図２（ａ）に示すように、約９４０ｎｍの波長の赤外光を照射する赤外ＬＥＤ２１と、約５２０ｎｍの緑色光を照射する緑色ＬＥＤ２３と、光を受光して受光量に応じた信号（受光信号）を出力するＰＤ２５とを備える光学式反射型センサである。

この赤外ＬＥＤ２１，緑色ＬＥＤ２３，ＰＤ２５は、それぞれ脈波センサ３の筐体２０の底部２７に、ＰＤ２５を挟んで左右に赤外ＬＥＤ２１と緑色ＬＥＤ２３とが位置するように並列して配置され、透明な透光板２９を介して、赤外光又は緑色光を人体に対して照射できるようにされている。さらに、光を遮光する遮光板３１が透光板２９の端面を覆うように配置されている。尚、遮光板３１は、脈波センサ３を人体の腕等に固定した際に、遮光板３１が皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有する材質のものが用いられ、例えばシリコン材が好適である。また、遮光板３１の皮膚と接触する側の表面は光を吸収する色（例えば黒色）で塗装されている。なお、図では遮光板３１と筐体２０が別体のものを示すが、筐体２０を加工することで遮光板３１と同じ機能を有する構成としてもよい。

また、遮光板３１上には、凸部３３が透光板２９を３重に取り巻くように配置されている。ここでは３重としたが、１重，２重または４重以上でもよい。また、凸部３３の高さは、脈波センサ３を人体の腕等に固定した際に、皮膚に窪みを生じさせる程度の高さであればよく、例えば０．３ｍｍ程度にするとよい。この凸部３３は、後に詳述するように、外部からの光がＰＤ２５に受光されるのを阻止するためのものである。さらに、凸部３３は始端部と終端部を有する複数の突条で構成されており、突条の端部間には、蒸れ防止のための空隙３５が形成されている。また、３重に配置された凸部３３の互いの配置間隔（例えば、図２（ｂ）の間隔Ｓ１，Ｓ２参照）は、均等ではなくランダムになっている。尚、凸部３３は、脈波センサ３を人体の腕等に固定した際に、凸部３３が皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有する材質のものが用いられ、例えばシリコン材が好適である。なお、図では凸部３３および遮光板３１と筐体２０が別体のものを示すが、筐体２０を加工することで凸部３３および遮光板３１と同じ機能を有する構成としてもよい。

さらに、透光板２９から最も離れた位置に配置された凸部３３において形成された空隙（例えば空隙３５ａ）と、透光板２９とを結ぶ線分（例えば線分Ｂ−Ｂ）上に、少なくとも１つの凸部３３が配置されるように構成されている。

このように構成された脈波センサ３において、まず、図１に示すように、透光板２９と遮光板３１を例えば人体の腕の皮膚上に接触させて脈波センサ３を固定する。その後、赤外ＬＥＤ２１および緑色ＬＥＤ２３が、それぞれ赤外光および緑色光を人体に向かって交互に照射し、この光の反射光をＰＤ２５が受光する。そして、ＰＤ２５は、その受光量の変化を受光信号（例えば電圧信号）としてデータ処理装置７に出力する。

尚、赤外ＬＥＤ２１および緑色ＬＥＤ２３から人体に照射された光は、その一部が人体の内部を通る小・細動脈（毛細動脈）にあたって、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。即ち、血液の脈動に応じて、毛細動脈で反射してＰＤ２５で検出される受光量が変化する。

従って、ＰＤ２５が出力した（赤外ＬＥＤ２１又は緑色ＬＥＤ２３から照射された光の反射光に対応した）受光信号から、脈波に関する情報が得られる。
以下に、脈波を検出するために赤外ＬＥＤ２１と緑色ＬＥＤ２３を用いる理由について説明する。

図５に示すように、ＰＤ２５が出力した受光信号には、毛細動脈に当たって反射した脈波を示す信号（脈波成分）と、皮膚表面又は毛細動脈以外で反射した反射波の成分（反射波成分）との両成分が含まれている。この受光信号を周波数解析すると、主に、心拍に同期する脈拍成分と、体動に同期する体動成分と、（体動成分を除いた反射波成分である）概ね直流成分とに分離される。

このうち、直流成分は、血管の拡張収縮による血流変化のともなう光量変化（以下、ノイズＡと称す）、脈波センサ３のずれに伴う皮膚表面散乱光量変化（以下、ノイズＢと称す）、脈波センサ３の外部から入射する光（太陽光など）の光量変化などに起因するものであり、検出回路１１において後述する方法によってカットされる。

そして、脈拍成分と体動成分については、赤外光と緑色光とで吸光特性が異なっており、緑色ＬＥＤ２３を発光させた時にＰＤ２５が出力する受光信号では、脈拍成分と体動成分とがいずれも抽出可能な信号レベルで得られるのに対して、赤外ＬＥＤ２１を発光させた時にＰＤ２５が出力する受光信号では、体動成分と比較して脈拍成分が非常に小さく、体動成分のみが抽出可能な信号レベルで得られる。

つまり、緑色ＬＥＤ２３を発光させた時にＰＤ２５が出力する受光信号（脈拍成分と体動成分を含む）と、赤外ＬＥＤ２１を発光させた時にＰＤ２５が出力する受光信号（体動成分のみを含む）とを比較することにより、脈拍成分のみを抽出できるようにされている。

ところで、太陽光などの脈波センサ３の外部からの光（以下、外部光とも称す）は、皮膚表面や皮膚内部を伝播してＰＤ２５に入射する。
このうち、皮膚表面を伝播する外部光は、光を吸収する色で塗装された遮光板３１の表面にて、図６（ｂ）に示すように、その一部が吸収される。

また、遮光板３１は（皮膚に密着して）、外部光入射の原因となる隙間が形成されることを防止する。
さらに、皮膚内部を伝播する外部光については、遮光板３１の表面上に形成された凸部３３が皮膚を押圧することにより、図６（ｃ）に示すように、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に凸部３３が立ちはだかるために、凸部３３に当たった外部光は散乱する。

これらにより、外部光がＰＤ２５に到達することを抑制する。
次に、データ処理装置７は、脈波センサ３から得られた受光信号を増幅する検出回路１１と、検出回路１１からの信号を処理して脈波の検出等の各種の演算処理を行うマイクロコンピュータ（以下、マイコンと称す）１３とを備えている。

そして、検出回路１１は、図３に示すように、脈波センサ３から得られた受光信号を増幅する増幅部４１と、上記直流成分に相当する直流成分信号を増幅部４１に出力する補正部４３とから構成されている。

このうち、増幅部４１は、オペアンプＯＰ１を中心に構成されている。オペアンプＯＰ１の非反転入力端子（＋）は、抵抗Ｒ２を介して脈波センサ３からの受光信号が入力されるとともに、抵抗Ｒ１を介して接地されている。また、オペアンプＯＰ１の反転入力端子（−）は、抵抗Ｒ４を介して補正部４３からの直流成分信号が入力されるとともに、抵抗Ｒ３を介してオペアンプＯＰ１の出力端子に接続されている。また、オペアンプＯＰ１の出力端子は、後述する１０ビットＡ／Ｄ変換器１３ｄのＡ／ＤポートＰＡＤ１に接続されている。さらに、脈波センサ３からの受光信号は、後述するＡ／Ｄ変換器１３ｄのＡ／ＤポートＰＡＤ２にも入力される。尚、抵抗Ｒ１の抵抗値は抵抗Ｒ３と等しく、抵抗Ｒ２の抵抗値は抵抗Ｒ４と等しくなるように設定されている。また、オペアンプＯＰ１の増幅度が、例えば｛（Ｒ１の抵抗値）／（Ｒ２の抵抗値）｝＝１０００となるように抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値が設定されている。

このように構成された増幅部４１では、受光信号の電圧値から直流成分信号の電圧値分をカットした信号を増幅して出力する。
即ち、赤外ＬＥＤ２１及び緑色ＬＥＤ２３から照射された光の内、ヘモグロビンに吸収される光は僅かであり、これにより受光信号に現れる脈拍成分の変化を、マイコン１３が備えるＡ／Ｄ変換器１３ｄにおいて検出可能とするために増幅が必要となる。本実施形態では１０００倍程度の増幅が必要である。

また、直流成分の変化は、脈拍成分の変化よりも数倍から数百倍大きいため、受光信号から直流成分を差分することなしに増幅すると、増幅した信号はＡ／Ｄ変換器１３ｄの入力可能電圧の上限を超えてしまう。このため、受光信号から直流成分を差分した後に増幅を行っている。

次に、補正部４３はオペアンプＯＰ２と分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０とを中心に構成されている。後述する１０ビットＤ／Ａ変換器１３ｅのＤ／ＡポートＰＤＡ２は、分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０を介して接地されている。また、オペアンプＯＰ２の非反転入力端子（＋）は、抵抗Ｒ６を介して、後述するＤ／Ａ変換器１３ｅのＤ／ＡポートＰＤＡ１からの信号が入力されるとともに、抵抗Ｒ５を介して接地されている。また、オペアンプＯＰ２の反転入力端子（−）は、抵抗Ｒ８を介して、分圧抵抗Ｒ９とＲ１０との接続点に接続されるとともに、抵抗Ｒ７を介してオペアンプＯＰ２の出力端子に接続されている。尚、抵抗Ｒ５の抵抗値は抵抗Ｒ７と等しく、抵抗Ｒ６の抵抗値は抵抗Ｒ８と等しくなるように設定されている。また、オペアンプＯＰ２の増幅度が、例えば｛（Ｒ５の抵抗値）／（Ｒ６の抵抗値）｝＝１となるように抵抗Ｒ５〜Ｒ８の抵抗値が設定されている。さらに、分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０の抵抗値は、例えば、「（抵抗Ｒ９の抵抗値）／（抵抗Ｒ１０の抵抗値）＝１０２４」となるように設定されている。

このように構成された補正部４３では、Ｄ／ＡポートＰＤＡ２から出力されたアナログ信号の電圧値（Ｖ２）を（１／１０２４）倍した信号がオペアンプＯＰ２の反転入力端子（−）に入力されるとともに、Ｄ／ＡポートＰＤＡ１から出力されたアナログ信号に等しい電圧値（Ｖ１）をもつ信号がオペアンプＯＰ２の非反転入力端子（＋）に入力されることにより、オペアンプＯＰ２の出力端子から（Ｖ１−Ｖ２／１０２４）の電圧値をもつアナログ信号が出力される。

即ち、オペアンプＯＰ２の出力端子から出力されるアナログ信号の電圧値の分解能は、Ｄ／ＡポートＰＤＡ２から出力されるアナログ信号の電圧値の分解能の１０２４倍となる。

つまり、１０ビットのＤ／Ａポートを２つ使用することにより、２０ビット分の分解能をもつアナログ信号を出力させている。そして、上記の（Ｖ１−Ｖ２／１０２４）の値が、上記直流成分信号の電圧値に一致するように、Ｄ／ＡポートＰＤＡ１から電圧値Ｖ１のアナログ信号、Ｄ／ＡポートＰＤＡ２から電圧値Ｖ２のアナログ信号が出力される。

このため、Ｄ／ＡポートＰＤＡ２において、出力するアナログ信号の電圧値を最小分解能の１ビット分変化させた場合に、Ａ／ＤポートＰＡＤ１の入力電圧幅を超える信号がＡ／ＤポートＰＡＤ１に入力されるということを防ぐことができる。即ち、例えば、１０ビットのＡ／ＤポートＰＡＤ１の入力電圧幅が３Ｖ、１０ビットのＤ／ＡポートＰＤＡ１の出力電圧幅が３Ｖで、Ｄ／ＡポートＰＤＡ１のみを用いて、上記直流成分信号に対応するアナログ信号を出力する場合を想定すると、Ｄ／ＡポートＰＤＡ１から出力されるアナログ信号の最小電圧変化は３ｍＶであり、オペアンプＯＰ１の増幅率が上記と同様に１０００倍とすると、直流成分信号の３ｍＶの電圧変化によるオペアンプＯＰ１の出力変化は３Ｖとなる。つまり、Ｄ／ＡポートＰＤＡ１から出力される直流成分信号の数ビット分の電圧変化によって、オペアンプＯＰ１の出力電圧がＡ／ＤポートＰＡＤ１の入力電圧幅を超えることになる。

これに対して、本実施形態においては、２０ビット分の分解能をもつアナログ信号を直流成分信号として出力させているので、出力電圧幅が３Ｖとすると最小電圧変化は約３μＶであり、最小電圧変化によるオペアンプＯＰ１の出力変化は約３ｍＶとなる。つまり、Ｄ／ＡポートＰＤＡ１，ＰＤＡ２から出力される直流成分信号の数ビット分の電圧変化では、オペアンプＯＰ１の出力電圧がＡ／ＤポートＰＡＤ１の入力電圧幅を超えることはない。

このように構成された検出回路１１では、Ｄ／Ａ変換器１３ｅからのアナログ信号に応じて、直流成分信号の電圧値を調整しながら、直流成分信号の電圧値をオフセットとした受光信号を増幅して、Ａ／Ｄ変換器１３ｄへ出力する。

次に、マイコン１３は、図１に示すように、所定の処理プログラムに基づいて処理を実行するＣＰＵ１３ａと、種々の制御プログラムが格納されたＲＯＭ１３ｂと、種々のデータを格納する各種メモリが設けられたＲＡＭ１３ｃと、アナログ信号の電圧値を１０ビットのデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器１３ｄと、ＣＰＵ１３ａが生成した１０ビットのデジタルデータを、アナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１３ｅと、各種デジタル信号が入力される複数の入力ポートと、各種デジタル信号が出力される複数の出力ポートとを有する入出力ポート１３ｆとを備えている。

尚、図１に示すように、Ａ／Ｄ変換器１３ｄは、アナログ信号が入力されるＡ／ＤポートＰＡＤ１，ＰＡＤ２を備え、Ｄ／Ａ変換器１３ｅは、アナログ信号を出力するＤ／ＡポートＰＤＡ１，ＰＤＡ２を備えている。また、入出力ポート１３ｆは、図１に示すように、出力ポートＰＯ１を備えており、出力ポートＰＯ１には駆動回路７が接続されている。

このように構成されたマイコン１３において、ＣＰＵ１３ａは、上記直流成分信号の内、上記ノイズＡ及び上記ノイズＢに対応する成分の信号を出力する処理と、外部光に対応する成分の信号を出力する処理とを、それぞれ個別に行う。

まず、上記ノイズＡ及び上記ノイズＢに対応する成分の信号を出力する処理を説明する。
上記ノイズＡ及び上記ノイズＢに起因する受光信号の電圧変動の周波数は脈拍成分に比べて十分低く、これらのノイズに起因する電圧変動は短時間では小さい。このため、ＣＰＵ１３ａは、所定時間範囲（例えば１０秒間）毎に、その所定時間内における受光信号の電圧変動を解析することにより、上記ノイズＡ及び上記ノイズＢに起因する電圧変動分を、現時点のＤ／ＡポートＰＤＡ１，ＰＤＡ２の出力値に対して調整する。これにより、上記ノイズＡ及び上記ノイズＢに対応した分の直流成分信号が、補正部４３から出力される。つまり、上記所定時間ごとに直流成分信号の電圧値を調整する。

次に、外部光に対応する成分の信号（以下、外部受光信号と称す）を出力するための外部光調整処理を図４に基づいて説明する。図４は、外部光調整処理を表すフローチャートである。この外部光調整処理は、ＣＰＵ１３ａが起動（電源ＯＮ）している間に、例えば赤外ＬＥＤ２１及び緑色ＬＥＤ２３が照射する毎に繰り返し実行される処理である。

この外部光調整処理においては、ＣＰＵ１３ａは、まずＳ１０にて、Ａ／ＤポートＰＡＤ２に入力した信号の電圧値のデータを取得する。その後、Ｓ２０にて、Ｓ１０で取得した電圧値データが、前回にＡ／ＤポートＰＡＤ２から取得した電圧値データと同じ値であるか否かを判断する。ここで、同じ値であると判断すると（Ｓ２０：ＹＥＳ）、Ｓ５０に移行する。一方、同じ値でないと判断すると（Ｓ２０：ＮＯ）、Ｓ３０に移行する。

そして、Ｓ３０に移行すると、Ｓ１０で取得した電圧値データと前回に取得した電圧値との差分の電圧値に基づいて、Ｄ／ＡポートＰＤＡ１，ＰＤＡ２から出力する電圧の変動分を計算する。さらに、Ｓ４０にて、Ｓ３０で計算された電圧変動分を、現時点のＤ／ＡポートＰＤＡ１，ＰＤＡ２の出力値に対して調整する。その後、Ｓ５０に移行する。

そして、Ｓ５０に移行すると、緑色ＬＥＤ２３を発光させるとともにＡ／ＤポートＰＡＤ１に入力した信号の電圧値のデータを取得する。
さらに、Ｓ６０にて、赤外ＬＥＤ２１を発光させるとともにＡ／ＤポートＰＡＤ１に入力した信号の電圧値のデータを取得し、当該外部光調整処理を終了する。

即ち、外部光調整処理では、赤外ＬＥＤ２１及び緑色ＬＥＤ２３が発光していない時のＰＤ２５からの受光信号を外部受光信号と見做し、この受光信号の電圧値に応じてＤ／ＡポートＰＤＡ１，ＰＤＡ２から出力するアナログ信号の電圧値を調整する。

このように構成された本実施形態の脈波検出装置１では、緑色ＬＥＤ２３が発光する直前に、ＰＤ２５が受光した光を外部受光信号として検出し（Ｓ１０）、外部受光信号を出力する（Ｓ２０〜Ｓ４０）。その後、緑色ＬＥＤ２３→赤外ＬＥＤ２１の順に発光させ、緑色ＬＥＤ２３または赤外ＬＥＤ２１が発光した時にＰＤ２５が出力する受光信号と、外部受光信号とを増幅部４１において差分し、この差分した信号を取得する（Ｓ５０〜Ｓ６０）ことにより脈波を検出する。

このため、赤外ＬＥＤ２１または緑色ＬＥＤ２３が光を照射した時の受光信号の内で外部光に起因する部分を考慮して人体の脈波を検出できるため、外部光の影響を除去して精度良く脈波を検出することができる。

また、受光信号から外部受光信号を差分するという簡便な演算により、外部光の影響が除去された信号を得ることができる。
また、赤外ＬＥＤ２１及び緑色ＬＥＤ２３が発光を停止している時に外部受光信号を検出するので、赤外ＬＥＤ２１または緑色ＬＥＤ２３から照射される光の影響を受けることなく外部光を検出することができる。

また、緑色ＬＥＤ２３が発光する直前に外部受光信号を検出するので、赤外ＬＥＤ２１及び緑色ＬＥＤ２３が発光した時にＰＤ２５に入射した外部光の影響を精度良く除去することができる。このとき、緑色ＬＥＤ２３と赤外ＬＥＤ２１の発光順序はどちらからでもよい。

また、本実施形態の脈波検出装置１は、脈波センサ３を人体の皮膚に固定された状態で使用され、遮光板３１の皮膚と接触する側の表面は光を吸収する色で塗装されているために、遮光板３１と皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板に当たると、外部光は遮光板３１に吸収され、外部光がＰＤ２５に受光されることを抑制できる。

また、遮光板３１の、皮膚と接触する側の表面上には、複数の凸部３３が透光板２９を取り巻くように配置されているため、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に凸部３３が立ちはだかり、凸部３３に当たった外部光は四方に散乱し、外部光がＰＤ２５に受光されることを抑制できる。尚、凸部３３の数が多いほど、皮膚内部を伝播する外部光がＰＤ２５に到達するまでの経路上に多くの凸部３３が配置されることになり、外部光がＰＤ２５に受光されることを抑制できる。

また、複数の凸部３３は、互いの配置間隔がランダムになるように配置されているために、皮膚内部を伝播する外部光の経路上に、外部光の周波数の整数倍に一致していない配置間隔をもつ凸部３３が確実に配置されるので、外部光がＰＤ２５に受光されることを抑制できる。

また、凸部３３は、始端部と終端部とを有する突条で構成されているので、突条の端部間に形成される空隙３５を介して、脈波センサ３と皮膚との間の隙間にある空気と、脈波センサ３の外部の空気とが循環することができる。つまり、脈波センサ３と皮膚とが密着している部分で起こりやすくなる蒸れを抑制できる。

また、透光板２９から最も離れた位置に配置された凸部３３において、その端部間で形成された空隙３５ａと、透光板２９とを結ぶ線分（線分Ｂ−Ｂ）上に、少なくとも１つの凸部３３が配置されるように構成されているため、外部光が空隙３５ａから入射した場合でも、この外部光がＰＤ２５に受光されることを抑制できる。

また、遮光板３１と凸部３３の材質には、脈波センサ３を人体の皮膚に固定した際に、遮光板３１及び凸部３３が皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有するシリコン材が用いられている。このため、外部光が入射する原因となる隙間が形成されず、外部光がＰＤ２５に受光されることを抑制できる。

以上説明した実施形態において、赤外ＬＥＤ２１，緑色ＬＥＤ２３は本発明における発光手段、ＰＤ２５は本発明における受光手段、凸部３３は本発明における遮光凸部である。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施形態においては、遮光板３１の皮膚と接触する側の表面が、光を吸収する色で塗装されているものを示した。しかし、遮光板３１の材質を、光を吸収する特性を有するもの（例えば、樹脂やゴム）にしてもよい。このようにすれば、遮光板３１と皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板に当たると、外部光は遮光板３１に吸収されるため、外部光がＰＤ２５に受光されることを抑制できる。

また、遮光板３１の皮膚と接触する側の表面上に、この表面が鏡面でないと見做すことができる程度に粗い凹凸を形成するようにしてもよい。このようにすれば、遮光板３１と皮膚との間に形成された隙間から入射した外部光が遮光板３１に当たると、外部光は四方に散乱するために、外部光がＰＤ２５に受光されることを抑制できる。

また、上記実施形態においては、外部光として太陽光が入射した場合について示したが、脈波センサ３の外部から入射する光であれば、太陽光以外であっても適用可能である。例えば、蛍光灯から照射された光であってもよい。

また、上記実施形態においては、遮光板３１及び凸部３３の材質として、シリコン材を用いた。しかし、脈波センサ３を人体の腕等に固定した際に、皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有していれば、シリコン材以外の材料でもよい。例えば、ゴム，布，ゲル状の固形物を用いてもよい。

また、上記実施形態においては、遮光板３１及び凸部３３とを筐体２０と別体の構成として示したが、同様の効果をもたらすように同一部材で一体形成してもよい。
また、上記実施形態においては、凸部３３に空隙３５が形成されているものを示した。しかし、凸部３３は、環状、つまり空隙３５がない形状をしていてもよい。

脈波検出装置１の主要な構成を示す説明図。 脈波センサ３の構成を示す説明図。 検出回路１１の構成を示す回路図。 外部光調整処理の手順を示すフローチャート。 脈波センサ３により得られる受光信号を示す説明図。 外部光の皮膚表面伝播と皮膚内部伝播を示す説明図。

符号の説明

１…脈波検出装置、３…脈波センサ、５…駆動回路、７…データ処理装置、９…脈波検出装置本体、１１…検出回路、１３…マイコン、１３ａ…ＣＰＵ、１３ｂ…ＲＯＭ、１３ｃ…ＲＡＭ、１３ｄ…Ａ／Ｄ変換器、１３ｅ…Ｄ／Ａ変換器、１３ｆ…入出力ポート、２０…筐体、２１…赤外ＬＥＤ、２３…緑色ＬＥＤ、２５…ＰＤ、２７…底部、２９…透光板、３１…遮光板、３３…凸部、３５…空隙、４１…増幅部、４３…補正部、ＯＰ１，ＯＰ２…オペアンプ、ＰＡＤ１，ＰＡＤ２…Ａ／Ｄポート、ＰＤＡ１，ＰＤＡ２…Ｄ／Ａポート、ＰＯ１…出力ポート、Ｒ１〜Ｒ１０…抵抗。

Claims (5)

1. 生体に対して光を照射する発光手段と、
   前記発光手段から照射された光の反射光を少なくとも受光する受光手段と、
   前記発光手段の光の照射側に配置され、光を透過する透光板と、
   前記透光板の端面を覆い、光を遮光する遮光板と、
   を備え、前記透光板及び前記遮光板における、前記発光手段及び前記受光手段が位置する側とは反対側となる外側表面を、前記生体の皮膚に接触させて当該装置を固定することにより、前記生体の脈波を検出する脈波検出装置であって、
   前記遮光板は、当該脈波検出装置の外部から照射された光が前記生体の皮膚を介して前記受光手段に受光されるのを、阻止するように構成されるとともに、
   当該脈波検出装置を前記生体の皮膚に固定した際に該皮膚に窪みを生じさせる複数の遮光凸部を備え、
   当該複数の遮光凸部は、前記皮膚の内部を伝播する外部光が前記受光手段に到達する経路に沿って該経路を２重以上に遮るように、前記遮光板の前記外側表面上に配置されるとともに、
   前記複数の遮光凸部は、互いの配置間隔がランダムになるように配置されていることを特徴とする脈波検出装置。
2. 生体に対して光を照射する発光手段と、
   前記発光手段から照射された光の反射光を少なくとも受光する受光手段と、
   前記発光手段の光の照射側に配置され、光を透過する透光板と、
   前記透光板の端面を覆い、光を遮光する遮光板と、
   を備え、前記透光板及び前記遮光板における、前記発光手段及び前記受光手段が位置する側とは反対側となる外側表面を、前記生体の皮膚に接触させて当該装置を固定することにより、前記生体の脈波を検出する脈波検出装置であって、
   前記遮光板は、当該脈波検出装置の外部から照射された光が前記生体の皮膚を介して前記受光手段に受光されるのを、阻止するように構成されるとともに、
   当該脈波検出装置を前記生体の皮膚に固定した際に該皮膚に窪みを生じさせる複数の遮光凸部を備え、
   当該複数の遮光凸部は、前記皮膚の内部を伝播する外部光が前記受光手段に到達する経路に沿って該経路を２重以上に遮るように、前記遮光板の前記外側表面上に配置されるとともに、
   前記遮光凸部は、始端部と終端部とを有する突条で構成されることを特徴とする脈波検出装置。
3. 前記複数の遮光凸部の内で前記透光板から最も離れた位置に配置された遮光凸部を構成する突条の端部間に形成された空隙と、前記透光板とを結ぶ直線上に、少なくとも１つの遮光凸部が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の脈波検出装置。
4. 前記遮光凸部の材質は、当該脈波検出装置を前記生体の皮膚に固定した際に、前記遮光凸部が前記生体の皮膚と隙間なく接触する程度に柔軟な特性を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の脈波検出装置。
5. 前記遮光凸部は、前記透光板を取り巻くように配置されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の脈波検出装置。

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