JP4714179B2 - 生体情報測定装置及び生体情報測定装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体からの散乱光を利用して生体の血流及び脈拍を測定する生体情報測定装置に関する。

高齢化社会を迎え、成人病と関連の深い血液循環を測定できる血流計への関心が高まっている。特に、レーザ血流計は、超音波血流計に比較して格段に分解能が高く、超音波血流計では困難であった末梢組織の毛細血管の血流も非侵襲で測定できることから注目されている。従来のレーザ血流計としては、例えば、非特許文献１で開示される技術がある。
Ｄｅｎｎｉｓ Ｗａｔｋｉｎｓ ａｎｄ Ｇ．Ａｌｌｅｎ Ｈｏｌｌｏｗａｙ，Ｊｒ．，Ａｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｃｕｔａｎｅｏｕｓ ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｈｉｆｔ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｌｉｇｈｔ，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＮＥＲＩＮＧ，Ｖｏｌ．ＢＭＥ−２５，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ ２８−３３（１９７８）

ここで、血流情報には心拍に同期して変動する脈拍成分が含まれているため、血流量の変動から脈拍数及び脈拍間隔を推定することは可能である。このような推定する方法で得られた脈拍数及び脈拍間隔は、脈拍を測定したものではないため、細かな変動等の情報が正確に得られない問題がある。正確な脈拍を得るために、従来から光電脈波測定で用いられる発光ダイオード（ＬＥＤ）とフォトダイオード（ＰＤ）を組み合わせた光電センサを設ける必要があり、従来のレーザ血流計は、小型化及び低消費電力化が困難であり、携帯型の血流計として採用できていない。

本発明は、小型で消費電力が低く、血流及び脈拍を測定可能な生体情報測定装置及びその生体情報測定装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、生体からの散乱光をそのまま使用して光電脈波を測定するとレーザ発振光のスペックル干渉により受光素子の出力が乱れ、脈拍の測定が困難であるが、レーザ注入電流が弱いときは光がレーザ発振せずに自然放出し、ＬＥＤを用いた場合と同様に脈拍を測定できることを見出し、本発明を完成させた。

具体的には、本発明に係る生体情報測定装置は、生体に向けて出射光を出射する光源と、前記光源からの前記出射光によって前記生体で発生する散乱光を受光して光電流を出力する受光素子と、前記光源を駆動し、前記受光素子からの前記光電流によって前記生体の血流及び前記生体の脈拍を測定する駆動測定回路と、を備える生体情報測定装置であって、前記光源は、変調強度を変化させることにより、レーザ発振光及び自然放出光を切り替えて前記出射光として出射し、前記駆動測定回路は、前記光源が前記レーザ発振光を出射するときに前記生体の血流を測定し、前記光源が前記自然放出光を出射するときに前記生体の脈拍を測定する。

上記生体情報測定装置は、小型で消費電力が低く、血流及び脈拍を測定することができる。

本発明に係る生体情報測定装置では、前記駆動測定回路は、強度変調領域に前記光源の前記レーザ発振光の発振閾値が含まれるように低周波で前記出射光をパルス状に強度変調することにより、前記光源にレーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせることが好ましい。

上記生体情報測定装置は、略同時に血流及び脈拍を測定することができる。

本発明に係る生体情報測定装置では、前記駆動測定回路は、強度変調領域に前記光源の前記レーザ発振光の発振閾値が含まれるように高周波で前記出射光を正弦波状に強度変調することにより、前記光源にレーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせることが好ましい。

上記生体情報測定装置は、略同時に血流及び脈拍を測定することができる。

本発明に係る生体情報測定装置では、前記駆動測定回路は、血流の測定に利用するドップラーシフト周波数以外の周波数で前記出射光を強度変調し、周波数スペクトル領域における線スペクトルの強度ピークの時間変化から前記生体の脈拍情報を測定することが好ましい。

上記生体情報測定装置は、血流量の測定に影響を与えずに脈拍数の測定精度を高くすることができる。

本発明に係る生体情報測定装置の制御方法は、生体に向けて出射光を出射する光源、前記光源からの前記出射光によって前記生体で発生する散乱光を受光して光電流を出力する受光素子、及び、前記光源を駆動し、前記受光素子からの前記光電流によって前記生体の血流及び前記生体の脈拍を測定する駆動測定回路を有する生体情報測定装置の制御方法であって、前記光源に、変調強度を変化させることにより、レーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせて前記出射光として出射させる出射ステップと、前記駆動測定回路に、前記光源が前記レーザ発振光を出射するときに前記生体の血流を測定させ、前記光源が前記自然放出光を出射するときに前記生体の脈拍を測定させる測定ステップと、を順に備える。

上記生体情報測定装置の制御方法は、小型で消費電力が低く、血流及び脈拍を測定可能な前記生体情報測定装置を実現することができる。

本発明に係る生体情報測定装置の制御方法では、前記出射ステップは、前記駆動測定回路に、強度変調領域に前記光源の前記レーザ発振光の発振閾値が含まれるように低周波で前記出射光をパルス状に強度変調させることにより、前記光源に、レーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせることが好ましい。

上記生体情報測定装置の制御方法は、前記生体情報測定装置に、略同時に血流及び脈拍を測定させることができる。

本発明に係る生体情報測定装置の制御方法では、前記出射ステップは、前記駆動測定回路に、強度変調領域に前記光源の前記レーザ発振光の発振閾値が含まれるように高周波で前記出射光を正弦波状に強度変調させることにより、前記光源に、レーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせることが好ましい。

上記生体情報測定装置の制御方法は、前記生体情報測定装置に、略同時に血流及び脈拍を測定させることができる。

本発明に係る生体情報測定装置の制御方法では、前記出射ステップは、前記駆動測定回路に、血流の測定に利用するドップラーシフト周波数以外の周波数で前記出射光を強度変調させ、前記測定ステップは、前記駆動測定回路に、周波数スペクトル領域における線スペクトルの強度ピークの時間変化から前記生体の脈拍情報を測定させることが好ましい。

上記生体情報測定装置の制御方法は、血流量の測定に影響を与えずに前記生体情報測定装置の脈拍数の測定精度を高くさせることができる。

本発明は、小型で消費電力が低く、血流及び脈拍を測定可能な生体情報測定装置及びその生体情報測定装置の制御方法を提供することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。また、各実施形態に係る生体情報測定装置の構成を示す図において、電源、あるいは全体の動作を制御する制御部などの通常の技術により実現できる部分は図示していない。

図１に、本実施形態に係る生体情報測定装置の概略図を示した。本実施形態に係る生体情報測定装置１００は、生体９９に向けて出射光を出射する光源１１０と、光源１１０からの出射光によって生体９９で発生する散乱光を受光して光電流を出力する受光素子１２０と、受光素子１２０からの光電流によって生体９９の血流及び生体９９の脈拍を測定する駆動測定回路１３０と、を備える生体情報測定装置１００であって、光源１１０は、レーザ発振光及び自然放出光を切り替えて出射光として出射し、駆動測定回路１３０は、光源１１０がレーザ発振光を出射するときに生体９９の血流を測定し、光源１１０が自然放出光を出射するときに生体９９の脈拍を測定する。生体９９は、例えば、人又は動物である。光源１１０としては、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ光源がある。受光素子１２０としては、例えば、フォトダイオードがある。生体情報測定装置１００の詳細について、具体例を図示して以下説明する。

図２に、本実施形態に係る生体情報測定装置の第１形態を示した。図２の生体情報測定装置１００は、センサ１１２及び駆動測定回路１３０を備える。センサ１１２は、センサチップ１１４及び増幅器１１６を有する。また、駆動測定回路１３０は、アナログデジタル変換器１３１、切替部１３２、デジタル信号プロセッサ１３３、脈拍解析部１３４、血流信号出力端子１３５、脈拍信号出力端子１３６、ＬＤドライバ１３７及び制御回路１３８を有する。

センサチップ１１４は、半導体基板上に発光素子及び受光素子が集積化されたものであり（例えば、特許文献１を参照。）、光源及び受光素子としての機能を有する。増幅器１１６は、センサチップ１１４の受光素子が受光した生体からの散乱光を増幅する。図２の生体情報測定装置１００は、光源と受光素子をセンサ１１２として一体化でき、小型化及び省電力化を図り、生体に容易に装着できる形状とすることが可能である。
特開２００２−３３０９３６号公報

ＬＤドライバ１３７は、センサ１１２を駆動し、センサ１１２に出射光を出射させる。アナログデジタル変換器１３１は、センサ１１２が受光した生体（不図示）からの散乱光をアナログデジタル変換し、信号を出力する。切替部１３２は、アナログデジタル変換器１３１からの信号を、デジタル信号プロセッサ１３３又は脈拍解析部１３４のいずれかに切り替えて出力する。デジタル信号プロセッサ１３３は、受信した信号から血流を求めるための演算を行い、その結果を血流信号出力端子１３５に出力する。ここで、デジタル信号プロセッサ１３３は、血流量、血液量、血流速度等の血流を測定しても良い。脈拍解析部１３４は、受信した信号から脈拍を求めるための演算を行い、その結果を脈拍信号出力端子１３６に出力する。制御回路１３８は、ＬＤドライバ１３７を制御してセンサ１１２にレーザ発振光又は自然放出光のいずれかを出射光として出射させる。また、制御回路１３８は、センサ１１２がレーザ発振光を出射するときは切替部１３２をデジタル信号プロセッサ１３３に切り替える。一方、制御回路１３８は、センサ１１２が自然放出光を出射するときは切替部１３２を脈拍解析部１３４に切り替える。図２の生体情報測定装置１００は、駆動測定回路１３０全体を１個のＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ）に実装でき、小型化を図ることができる。

血流信号出力端子１３５には、ディスプレイやプリンタを接続し、血流を表示又は印刷しても良い（不図示）。また、脈拍信号出力端子１３６には、ディスプレイやプリンタを接続し、脈拍を表示又は印刷しても良い（不図示）。

図２に示す生体情報測定装置１００は、センサ１１２のセンサヘッド（不図示）において、生体からの散乱光と生体内の毛細血管中を移動している赤血球（散乱粒子）からの散乱光（血流速度に応じてドップラーシフトΔｆを受けた散乱光）を検波、例えば、ヘテロダイン検波する。生体情報測定装置１００は、センサ１１２の増幅部１１６において、散乱光の干渉成分が増幅される。そして、生体情報測定装置１００は、センサ１１２がレーザ発振光を出射するときは、デジタル信号プロセッサ１３３が散乱光の干渉成分の周波数解析を行う。ここで、散乱光の干渉成分の周波数が血流速度に相当し、散乱光の強度が血流量に相当する。一方、生体情報測定装置１００は、センサ１１２が自然放出光を出射するときは脈拍解析部１３４が脈拍を計測する。ここで、生体情報測定装置１００は、センサ１１２からの光電流の振幅変動によって脈波を得ることができる。以上のように、生体情報測定装置１００は、血流及び脈拍を測定することができる。

図３に、本実施形態に係る生体情報測定装置の第２形態を示した。なお、図３は、説明を容易にするため、生体情報測定装置１００を分解した状態で示した。図３の生体情報測定装置１００は、光源１１０、受光素子１２０、基板１４０、光導波路１５０及び遮光ブロック１６０を備える。基板１４０は、駆動測定回路（不図示）が実装され、光源１１０及び受光素子１２０を搭載する。光導波路１５０は、光源１１０が出射した出射光を発散光又は集束光にして生体（不図示）に向ける。遮光ブロック１６０は、光源１１０が出射した出射光を遮蔽し、受光素子１２０に直接入射しないようにする。図３の生体情報測定装置１００は、基板１４０に光源１１０及び受光素子１２０を搭載できることから、小型化を図ることができ、光ファイバの取り回しが不要であるため受光素子１２０の出力が乱れることがない。

生体情報測定装置１００は、以下のように制御することができる。図４に、本実施形態に係る生体情報測定装置の制御方法のフローを示した。本実施形態に係る生体情報測定装置の制御方法は、生体に向けて出射光を出射する光源、光源からの出射光によって生体で発生する散乱光を受光して光電流を出力する受光素子、及び、受光素子からの光電流によって生体の血流及び生体の脈拍を測定する駆動測定回路を有する生体情報測定装置の制御方法であって、光源に、レーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせて出射光として出射させる出射ステップＳ１１０と、駆動測定回路に、光源がレーザ発振光を出射するときに生体の血流を測定させ、光源が自然放出光を出射するときに生体の脈拍を測定させる測定ステップＳ１２０と、を順に備える。以上のように、本実施形態に係る生体情報測定装置の制御方法は、小型で消費電力が低く、血流及び脈拍を測定可能な生体情報測定装置を実現することができる。

図３に示す生体情報測定装置１００は、利用者にレーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせるスイッチ（不図示）を備えても良い。このとき、生体情報測定装置１００は、利用者の要求に応じて血流又は脈拍をそれぞれ測定することができる。一方、生体情報測定装置１００は、レーザ発信光と自然放出光の出射を交互に繰り返しても良い。このとき、生体情報測定装置１００は、血流及び脈拍を交互に測定することができる。以下、生体情報測定装置１００が血流及び脈拍を交互に測定することについて詳細に説明する。

図５に、低周波で出射光をパルス状に強度変調した場合の受光素子の受光強度と時間との関係図を示した。図５には、光源がレーザ発振光を出射する時間、すなわち、生体情報測定装置が血流を測定する時間を符号ａ及び光源が自然放出光を出射する時間、すなわち、生体情報測定装置が脈拍を測定する時間を符号ｂで示した。本実施形態に係る生体情報測定装置では、駆動測定回路は、強度変調領域に光源のレーザ発振光の発振閾値が含まれるように低周波で出射光をパルス状に強度変調することが好ましい。また、本実施形態に係る生体情報測定装置の制御方法では、出射ステップは、駆動測定回路に、強度変調領域に光源の前記レーザ発振光の発振閾値が含まれるように低周波で出射光をパルス状に強度変調させることが好ましい。図５では、例えば、毎秒５回の周期で上記の強度変調を行っている。レーザ注入電流が弱く、変調強度が発振閾値を超えなければ光源は自然放出光を出射し、一方、光源のレーザ注入電流を強くし、変調強度が発振閾値以上であれば光源はレーザ発振光を出射する。すなわち、強度変調領域に光源のレーザ発振光の発振閾値が含まれるように強度変調を行えば、光源がレーザ発振光と自然放出光を交互に出射する。これによって、生体情報測定装置は、交互に血流及び脈拍を測定することができる。この強度変調を高速に行えば、血流及び脈拍を略同時に測定することができる。

図６に、高周波で出射光を正弦波状に強度変調した場合の受光素子の受光強度と時間との関係図を示した。本実施形態に係る生体情報測定装置では、駆動測定回路は、強度変調領域に光源のレーザ発振光の発振閾値が含まれるように高周波で出射光を正弦波状に強度変調することが好ましい。また、本実施形態に係る生体情報測定装置の制御方法では、出射ステップは、駆動測定回路に、強度変調領域に光源のレーザ発振光の発振閾値が含まれるように高周波で出射光を正弦波状に強度変調させることが好ましい。図５の場合と同様に、生体情報測定装置は、略同時に血流及び脈拍を測定することができる。

図７に、高周波で出射光を正弦波状に強度変調した場合における周波数と受光強度の関係図を示した。図７では、例えば、２５ｋＨｚの周波数に対応する線スペクトルが現れ、その強度ピークの時間変化を符号ｃで示す。本実施形態に係る生体情報測定装置では、駆動測定回路は、血流の測定に利用するドップラーシフト周波数以外の周波数で出射光を強度変調し、周波数スペクトル領域における線スペクトルの強度ピークの時間変化ｃから生体の脈拍情報を測定することが好ましい。また、本実施形態に係る生体情報測定装置の制御方法では、出射ステップは、駆動測定回路に、血流の測定に利用するドップラーシフト周波数以外の周波数で出射光を強度変調させ、測定ステップは、駆動測定回路に、周波数スペクトル領域における線スペクトルの強度ピークの時間変化ｃから生体の脈拍情報を測定させることが好ましい。

血流の測定に利用するドップラーシフト周波数以外の周波数とは、４Ｈｚ以上２５Ｈｚ以下、又は、２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の周波数であり、好ましくは、１０Ｈｚ以上２０Ｈｚ以下、又は、２０ｋＨｚ以上３０ｋＨｚ以下の周波数である。

血流の測定に利用するドップラーシフト周波数以外の周波数を用いることで、生体情報測定装置は、血流量の測定に影響を与えずに脈拍数の測定精度を高くすることができる。また、周波数スペクトル領域における線スペクトルの強度ピークの時間変化を容易に求めることができるので、生体情報測定装置は、生体の脈拍情報を容易に測定することができる。さらに、生体情報測定装置は、パルス状又は正弦波状に強度変調することによって、光源が連続して出射光を出射する場合に比べて消費電力を低くすることができる。

本発明に係る生体情報測定装置は、消費電力が少ないことから携帯型のレーザ血流計に利用することができる。また、本発明に係る生体情報測定装置の制御方法は、その生体情報測定装置の制御に利用することができる。

本実施形態に係る生体情報測定装置の概略図である。 本実施形態に係る生体情報測定装置の第１形態を示す図である。 本実施形態に係る生体情報測定装置の第２形態を示す図である。 本実施形態に係る生体情報測定装置の制御方法のフローである。 低周波で出射光をパルス状に強度変調した場合の受光素子の受光強度と時間との関係図である。 高周波で出射光を正弦波状に強度変調した場合の受光素子の受光強度と時間との関係図である。 高周波で出射光を正弦波状に強度変調した場合における周波数と受光強度の関係図である。

符号の説明

９９ 生体
１００ 生体情報測定装置
１１０ 光源
１１２ センサ
１１４ センサチップ
１１６ 増幅器
１２０ 受光素子
１３０ 駆動測定回路
１３１ アナログデジタル変換器
１３２ 切替部
１３３ デジタル信号プロセッサ
１３４ 脈拍解析部
１３５ 血流信号出力端子
１３６ 脈拍信号出力端子
１３７ ＬＤドライバ
１３８ 制御回路
１４０ 基板
１５０ 光導波路
１６０ 遮光ブロック
Ｓ１１０ 出射ステップ
Ｓ１２０ 測定ステップ
ａ 光源がレーザ発振光を出射する時間
ｂ 光源が自然放出光を出射する時間
ｃ 線スペクトルの強度ピークの時間変化

Claims (8)

1. 生体に向けて出射光を出射する光源と、
   前記光源からの前記出射光によって前記生体で発生する散乱光を受光して光電流を出力する受光素子と、
   前記光源を駆動し、前記受光素子からの前記光電流によって前記生体の血流及び前記生体の脈拍を測定する駆動測定回路と、を備える生体情報測定装置であって、
   前記光源は、変調強度を変化させることにより、レーザ発振光及び自然放出光を切り替えて前記出射光として出射し、
   前記駆動測定回路は、前記光源が前記レーザ発振光を出射するときに前記生体の血流を測定し、前記光源が前記自然放出光を出射するときに前記生体の脈拍を測定することを特徴とする生体情報測定装置。
2. 前記駆動測定回路は、強度変調領域に前記光源の前記レーザ発振光の発振閾値が含まれるように低周波で前記出射光をパルス状に強度変調することにより、前記光源にレーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
3. 前記駆動測定回路は、強度変調領域に前記光源の前記レーザ発振光の発振閾値が含まれるように高周波で前記出射光を正弦波状に強度変調することにより、前記光源にレーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
4. 前記駆動測定回路は、血流の測定に利用するドップラーシフト周波数以外の周波数で前記出射光を強度変調し、周波数スペクトル領域における線スペクトルの強度ピークの時間変化から前記生体の脈拍情報を測定することを特徴とする請求項３に記載の生体情報測定装置。
5. 生体に向けて出射光を出射する光源、前記光源からの前記出射光によって前記生体で発生する散乱光を受光して光電流を出力する受光素子、及び、前記光源を駆動し、前記受光素子からの前記光電流によって前記生体の血流及び前記生体の脈拍を測定する駆動測定回路を有する生体情報測定装置の制御方法であって、
   前記光源に、変調強度を変化させることにより、レーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせて前記出射光として出射させる出射ステップと、
   前記駆動測定回路に、前記光源が前記レーザ発振光を出射するときに前記生体の血流を測定させ、前記光源が前記自然放出光を出射するときに前記生体の脈拍を測定させる測定ステップと、を順に備えることを特徴とする生体情報測定装置の制御方法。
6. 前記出射ステップは、前記駆動測定回路に、強度変調領域に前記光源の前記レーザ発振光の発振閾値が含まれるように低周波で前記出射光をパルス状に強度変調させることにより、前記光源に、レーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせることを特徴とする請求項５に記載の生体情報測定装置の制御方法。
7. 前記出射ステップは、前記駆動測定回路に、強度変調領域に前記光源の前記レーザ発振光の発振閾値が含まれるように高周波で前記出射光を正弦波状に強度変調させることにより、前記光源に、レーザ発振光及び自然放出光を切り替えさせることを特徴とする請求項５に記載の生体情報測定装置の制御方法。
8. 前記出射ステップは、前記駆動測定回路に、血流の測定に利用するドップラーシフト周波数以外の周波数で前記出射光を強度変調させ、
   前記測定ステップは、前記駆動測定回路に、周波数スペクトル領域における線スペクトルの強度ピークの時間変化から前記生体の脈拍情報を測定させることを特徴とする請求項７に記載の生体情報測定装置の制御方法。

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