JP4845303B2

JP4845303B2 - 脈拍計

Info

Publication number: JP4845303B2
Application number: JP2001271936A
Authority: JP
Inventors: 隆仲村; 正隆新荻; 博之村松
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: JP2003047600A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ウォーキング、ランニング及びエルゴメーター等の運動器具における運動中の人体の脈拍を計測する脈拍計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の脈拍計は、例えば室内運動のエルゴメーター等にも使用されている脈拍計で耳朶を貫通する光の透過率の変化を応用した特開平8−66378等がある。さらに、胸の心電位差をパルスカウントして運動中に計測可能ものや、静止が必要であるが腕時計等に取り付けられた脈波センサに指を当てて計測するものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光を利用したものは、人種及び個人差等の皮膚の色で、透過率が極端に異なり検出が出来ない場合が生じるため万人向けとは言い難い。屋外使用における環境は夏の気温の高い日や冬の気温の低い日もあり、原理的に毛細血管の血量変化を透過光により検出しているため装着部位が外気の影響を受けやすく気温の高い日は問題ないが、気温の低い場合は血管の収縮により血行不良となり検出が出来なくなってしまい、屋外での使用に制限が生じる問題がある。
【０００４】
さらに、屋外使用における問題点として太陽の強い光が体を伝搬するため受光アンプの飽和、SN比の低下等で信号検出の妨げとなり、使用環境が限られてしまう。
【０００５】
心電位を利用したものは、一番安定して検出が出来る部位が心臓近辺に限られるが、このことは装着の煩わしさと共に胸を締め付けるように固定するため不快感を生じさせる問題がある。
【０００６】
特に女性に関しては屋外で装着を行う事に抵抗を感じる人も少なくない。装着の容易な部分で心電位検出を行った場合は、心臓より離れることになり信号が極端に弱くなり静止時であれば可能であるが運動中に計測を行うことは非常に困難である。そのため運動中に測定できないという問題があった。
【０００７】
このように、従来の脈拍計には実用性に多くの問題点がある。したがって、本発明は上記の問題に対してなされたもので、万人向け、屋外使用、装着性、操作性等を考慮した脈拍計を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の脈拍計は、超音波を発生させる送信部と反射した超音波を受信する受信部で構成されるセンサ部とそれらを頭部動脈上に固定する支持部と超音波の送・受信回路とドップラー信号を処理する回路と脈拍信号をカウントする回路及び表示部からなり携帯できることを特徴とする。
【０００９】
この脈拍計は、動脈に流れる血流の変化に着目し、超音波を血流に当てその反射したドップラー信号を検出することで脈拍の信号を得ることが出来るものである。超音波は皮膚の色依存することがなくかつ動脈に流れる血流からの信号を検出するため外気の変化も気にする必要がなく、心臓から離れていても動脈を利用しているため血流は確実に生じるので検出する信号が弱くなることもない。
【００１０】
又、請求項３、請求項４によれば、例えば加速度センサの信号と同期した反射波からの信号は外来ノイズとすることが出来るため加速度センサ信号レベルを決めておき基準値以上は大きな衝撃等が加わったと考えてカウント回路から間引くことによりより正確な脈拍を得ることができる。
【００１１】
又、請求項５によれば、動脈とセンサ部の最適な位置を音で聞くことにより決めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施例１を示す概略斜視図である。この、メガネ型脈拍計１０は、メガネ型フレームのつる（支持部）１１の部分に、加速度センサを有したセンサ部１２と信号線１４、ドップラー信号を処理する回路を組み込んだ回路ボックス１３を取り付けた。ドップラー音を聞くイヤホーン１７は回路ボックス１３から着脱可能となっている。この回路ボックス１３と電源スイッチ１８の付いた表示部１５は、ケーブル１６で接続されている。
【００１４】
個々の具体例を次に説明する。図２はメガネ型脈拍計を装着した状態を示す、メガネ型フレーム１１はスポーツ用に極力軽い物を使用し頭の両側にテンションがかかり運動中に位置がずれないような構造になっている。血流によるドップラー信号に加え体動によるドップラー信号が混入してくる、そこで影響を最小に抑えるため加速度センサと超音波の送・受信からなるセンサ部１２はつるの部分に固定され、装着すると耳の前方にある浅側頭動脈上に密着させることが出来る。
【００１５】
この部分は体毛も無く体の表面に近い動脈であることから血流を検出しやすい場所であり、高い圧力がかかっているために運動中の外乱に対しても変動は非常に少ない。さらにこの部分は頭部であるため衝撃も他の部位に比べ少なく、関節部もないため体動ノイズの発生しにくい部位となる。超音波センサから出力した超音波は流れている血液の赤血球で反射されドップラー信号が生じる、その周波数シフトΔｆは式１で与えられる。
【００１６】
Δｆ＝（２ｖｆ／ｃ）・ｃｏｓθ （式１）
ここで、ｖ：血流速度（ｍ／ｓ）、ｆ：入射周波数（Hz）、ｃ：音速（ｍ／ｓ）、θ：超音波と血管のなす角である。
式１のｖは反射対象との相対的な速度なので、ドップラー信号はメガネ型フレームの動きによっても生じる、フレームが衝撃で動いた場合その分がノイズとなって現れる。このフレームを生身の頭部に対して完全に固定することは出来ないためノイズの原因となる衝撃を加速度センサにより認識する必要がある。以上のことから加速度センサを有することで信号がノイズを含んでいることを認識させ脈拍カウントのミスを防ぐことが出来る。
【００１７】
そこで、加速度センサの感度方向は体の上下方向になるようにセットした。これは常に重力が地球の中心方向に働いておりランニング等の運動で頭部に受ける衝撃力の方向は、地面に対して最も大きくなるためである。運動の種類によっては2軸、3軸と増やして行く必要もある。
【００１８】
信号線１２は高周波を扱うため送・受信の線にシールド線を使用し極力短くなるように配線した。つるの後端の回路ボックス１３は小型軽量にするため電子部品は表面実装部品を使用した。回路ボックス１３には、センサ部１２の送信部へ所定の周波数を発生させ駆動を行う発振回路及び送信部駆動回路を有している、さらに受信部からの信号を増幅し検波を行い、周波数シフトΔｆ及び脈拍信号を得る回路と、加速度センサの信号を増幅する回路を有している。
【００１９】
周波数シフトΔｆはイヤホーン１７へ、脈拍信号及び加速度センサの信号はケーブル１６で表示部１５へ入力している。イヤホーン１７では周波数シフトΔｆをオーディオ帯域の音として聞くことができ、浅側頭動脈とセンサ部の位置を確認及び調整することができ、かつ表示を見ることなく脈拍の変化の様子をアナログ的に感じられる。使用しないときには外すことも可能である。また、電池を回路ボックス１３に組み込むことでメガネ型フレーム１１に全て組込、音で脈拍ピッチを確認することもできる。
【００２０】
ケーブル１６は、DCから５Ｈｚ程度の信号の伝達と電源供給を行っている。扱いは容易であり長くすることが出来るため表示部１５を手首や衣服に付けることが可能である。表示部１５は、デジタル処理と表示及び電池を有している。電源スイッチ１８で全体の電源オン／オフを行っている。脈拍信号及び加速度信号は、Ａ／Ｄ変換器でデジタルに変換しＣＰＵで脈波ピーク検出、ピーク間隔時間計測、誤カウント防止、LCDへの表示などの一連の処理が行われる。
【００２１】
図３に実施例２の耳かけ型脈拍計の概略斜視図を示す。この耳かけ型脈拍計３０は、基本的に図１のメガネ型脈拍計１０と構成は同じであるが、装着箇所が片方の耳になっている点が異なる。装着手段がメガネ型フレーム１１であっても耳かけ型フレーム３２であっても装着したときはセンサ部を浅側頭動脈上に密着させる様にしなければならない。信号線を内蔵した耳かけ型フレーム３２の先端に、加速度センサを有したセンサ部３３を取り付けた。ドップラー信号を処理する回路が組み込まれた回路ボックス３１、ＣＰＵと電池と電源スイッチ１８が組み込まれ表示にLCDを使用した表示部１５と、それらを接続するケーブル１６、及び着脱可能なイヤホーン１７構成されている。個々の具体例を次に説明する。
【００２２】
図４は耳かけ型脈拍計を装着した状態を示す、耳かけ型フレーム３２と回路ボックス３１の湾曲した部分を耳の付け根にかけることで安定に装着できる。さらに、この２体は互いにひねった構造になっており、耳と側頭部で突っ張る状態にすることでセンサ部３３を浅側頭動脈上に密着させている、耳かけ型フレーム３２はプラスチックで出来ているためそれ自体がバネ性を持っている。ひねる度合いは±３段階あり個々の耳の形に合うようにセットする事が可能である。この、耳かけフレーム３２のひねる方向を逆にすることで、左右両方の耳に対応することが出来る。
【００２３】
図５は上記のような脈拍計の回路の一例を示すブロック図である。
【００２４】
この例では、センサ部は超音波センサ４３，４４，と共に加速度センサ６０で一つのモジュールとなっている。回路ボックス１３にはアナログ信号系が主になっている。表示部１５は、デジタル信号系と電源関係でまとめた。衝撃を認識するための加速度センサ６０はＡＣ出力となっていて衝撃だけを検出するようにし、出力は増幅回路６１で増幅し、ケーブル１６で表示部の比較器６２へ入力した。比較器６２でパルス出力に変換した後、ＣＰＵへ入力する。発信回路４０は周波数の安定している水晶振動子を使用した、送信部駆動回路４１では超音波センサ（送信）４３であるＰＺＴを連続駆動できるように十分な駆動能力を持った回路が要求される。動脈の血流からの反射波は非常に小さくＳＮの良い初段の増幅回路４５が必要になる。検波回路４６で周波数シフトΔｆ及び脈拍の波形を得ることが出来る。しかし運動中の体動ノイズも受信してしまうため周波数帯域ＤＣ近傍から２００Hzで発生しているノイズ成分を、フィルタ回路４７を使い血流による周波数シフトΔｆをピックアップ出来るようにする、フィルタ特性としては５００Ｈｚ〜５０００ＨｚのＢＰＦを入れると良い結果が得られる。ここでの脈拍波形はこの信号を増幅回路４８で電力増幅しイヤホーン１７で再生する。
【００２５】
また、この信号を検波回路４９で包絡線を結ぶことで周波数の低い脈拍信号を得ることが出来る。この脈拍信号を所定のレベルになるまで増幅回路５０で増幅した、しかしこの時点では衝撃によるノイズ成分は広帯域にわたって分布しているため分離する事は出来ない。詳細は図６脈拍計の動作の一例を示すフロー図で説明を行う。ケーブル１６で表示部１５のＡ／Ｄ変換器５１に入力する。Ａ／Ｄ変換器５１は、８Ｂｉｔのものを使用した。4Ｂｉｔでも対応可能であるが信号のレンジと経済性を考慮して8Ｂｉｔを選択した。
【００２６】
ＣＰＵ５２は小型のシングルチップタイプを使用している、ここで行う処理は脈波ピーク検出による間隔時間の計測及び加速度センサ信号による誤カウント防止及び脈拍数を表示することにある。表示はＬＣＤ駆動回路５３にＣＰＵ５２からデータを書き込みＬＣＤ５４に表示させている。メカニカルな電源スイッチ５６で電池５７から電力を供給する電源回路５６は、電圧を安定化し各回路へ供給している。
【００２７】
図６に上記構成で脈拍計の動作の一例を示すフロー図を示す。電源を投入するとピーク検出８１がなされるまで繰り返す、このとき小さなノイズを感知しないようにレベルを設け確実に脈波信号の感知を出来ようにした。ピーク検出されて加速度センサ出力８２のステップに移る。
【００２８】
加速度センサ出力がある場合は脈波ではないと判断し、ピーク検出のループに戻り誤カウントを防いでいる。ピーク検出されて加速度センサ出力８２がない場合を脈波ピーク検出とする。
【００２９】
脈波の間隔時間の計測８３では脈波ピーク検出の時間間隔の計測をおこない記憶する。次に脈波の間隔時間の計測を正確に行うために時間計測をＲｅｓｅｔ／Ｓｔａｒｔして時間計測を開始する。先ほど記憶したピーク間隔時間を基に演算を行い１分間当たりの脈拍を求める。その結果を脈拍表示する。以上を繰り返し行うことで連続的に表示させることが出来る。
【００３０】
図７に加速度センサを用いた誤カウント防止を説明する図を示す。脈拍信号＋ノイズが場合はこのままで脈拍数を表示するとΔｔ１より先にΔｔ１’の時間間隔で計算されてしまい脈拍数が真値よりも大きくなってしまう、さらにΔｔ１”においては通常ではあり得ない数値になってしまう場合を生じる。
【００３１】
そこで加速度センサの出力を感知することで何らかの動きがあったことを知ることが出来る、ピーク検出が同タイミングでなされた場合ノイズと判断しΔｔ１’を無視することで真値であるΔｔ１を計測することが出来正しい表示がなされる。Δｔ２を測定する場合も同様にして加速度センサの出力のタイミングを利用してΔｔ２’及びΔｔ２”をキャンセルする事が出来る。実施例３の形態に基づいて説明する。
【００３２】
図８に実施例３のクリップ型脈拍計の概略斜視図を示す。このクリップ型脈拍計１１２は、加速度センサを有したセンサ部１０６及び回路ボックス１３１は、つる１２０（支持部）に着脱する機構を有している。メガネ型フレームのつる１２０の部分に、クリップ型金具１０１を介して加速度センサを有したセンサ部１０６は固定され、クリップ型金具大１４１を介して回路ボックス１３１は固定される。加速度センサを有したセンサ部１０６はクリップ型金具１０１で、浅側頭動脈に対する位置を調整可能な機構を有している。加速度センサを有したセンサ部１０６とドップラー信号を処理する回路を組み込んだ回路ボックス１３１は信号線１００で接続さている。ドップラー音を聞くイヤホーン１７及び電源スイッチ１８の付いた表示部１５は回路ボックス１３１から着脱可能となっている。個々の具体例を次に説明する。
【００３３】
図９（ａ）にセンサ部の平面図及び断面図を示す。加速度センサを有したセンサ部１０６の側面にクリップ型金具１０１を挿入出来るようになっており、固定位置調整用の開口部１０７が３箇所設けており、動脈上のセンサ密着面１０８を調整可能にしている。図９（ｂ）にクリップ型金具Ａの平面図及び断面図を示す。（ｃ）にクリップ型金具Ｂの平面図及び断面図を示す。クリップ型金具Ａ１０１、クリップ型金具Ｂ１０４はバネ性を有する素材、ステンレス（プラスチックでも良い）を使用しクリップ部１０３、クリップ部１０５で図８のつる１２０を挟み固定する様になっている。固定位置を調整できるようにプレスにより凸部１０２を３箇所設け、加速度センサを有したセンサ部１０６の開口部１０７にはめることで３段階の調整が容易に出来る様にした。更にクリップ型金具Ａ１０１、クリップ型金具Ｂ１０４を曲げることでテンションをかけ運動中に位置がずれないような構造になっている。つる１２０の厚みに関しては、薄いもの用と厚いもの用でクリップ部Ａ１０３及びクリップ部Ｂ１０５の様にサイズを換えている。左右のつるのどちらに付けても良いようにケーブルの取り出し口を中央に配置した。
【００３４】
図１０につる（支持部）に取り付けたクリップ型脈拍計の平面図及び断面図を示す。クリップ型金具Ａ１０１はつる１２０の面に倣って固定される、クリップ型金具Ａ１０１は曲げられているため装着するとテンションがかかり浅側頭動脈上にセンサ密着面１０８が固定され運動中のズレ及び浮きを防ぐ。加速度センサを有したセンサ部１０６からクリップ型金具Ａ１０１を出し入れする事で容易に固定位置を調整可能とした。
【００３５】
図１１（ａ）に回路ボックス構造を説明する平面図及び断面図を示す。ドップラー信号を処理する回路を組み込んだ回路ボックス１３１にクリップ型金具大１４１を挿入する口を側面に２箇所設け、開口部１３２をそれぞれ２箇所設け左右のつるのどちらに付けても良いようにした。
【００３６】
図１１（ｂ）にクリップ型金具大の平面図及び断面図を示す。クリップ型金具大１４１はバネ性を有する素材、ステンレス（プラスチックでも良い）を使用しクリップ部１４３中央にスリットを入れ、つるの曲がりに追従出来ようにした。
【００３７】
回路ボックスとの固定にはプレスで成形した凸部１４２と回路ボックスの開口部１３２がはまることで固定でき、容易に着脱出来るようにした。つるの厚みに関しては、薄いもの用と厚いもの用でクリップ部１４３のサイズを換えている。
【００３８】
図１２に回路ボックスをつる１２０に取り付けた平面図を示す。
【００３９】
クリップ型金具大１４１はつる１２０の面に倣って固定される、クリップ型金具大１４１のクリップ部は中央にスリットが入っているため固定点が２箇所になるためより確実に固定することができ運動による衝撃にも耐えられる構造になっている。回路ボックスは耳の後方に位置し、つるに対して上方に固定する。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の脈拍計は、以上説明したように構成されるので下記の効果がある。
【００４１】
（１）請求項１によれば、センサ部とそれらを頭部動脈上に固定する支持部と超音波の送・受信回路とドップラー信号を処理する回路を頭部にまとめてあるため体動ノイズに強く、装着も容易である。また、両手が自由になり手を使用する運動にも対応できる。
【００４２】
（２）請求項２によれば、センサ部を、耳の前方にある浅側頭動脈上に固定した事で確実に脈拍をとらえる事が出来る。
【００４３】
（３）請求項３によれば、装着部の動きを検出するための加速度センサを有する事で過大な衝撃が加わったことを感知でき状態を把握することができる。
【００４４】
（４）請求項４によれば、加速度センサの信号と同期した信号をノイズと判断しカウント回路から間引くことで正確な脈拍数を表示できる。
【００４５】
（５）請求項５によればセンサ部及び回路ボックスを支持部より着脱可能とし、他のサイズの支持部にも取り付けを可能としたことで汎用のメガネフレームで使用可能となった。
【００４６】
（６）請求項６によればセンサ部を頭部動脈上に位置を合わせる機構を持つことで色々な頭の大きさに対応することが出来た。
【００４７】
（７）請求項７によれば、センサ部の動脈に対する最適な位置を音で確認できるようにしたので誰でも容易に動脈を探すことができるようになり最大の感度をえられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のメガネ型脈拍計の概略斜視図を示す図である。
【図２】メガネ型脈拍計を装着した状態を示す図である。
【図３】実施例２の耳かけ型脈拍計の概略斜視図を示す図である。
【図４】耳かけ型脈拍計を装着した状態を示す図である。
【図５】脈拍計の回路のー例を示すブロック図である。
【図６】脈拍計の動作のー例を示すフロー図である。
【図７】加速度センサを用いた誤カウント防止を説明する図である。
【図８】実施例３のクリップ型脈拍計の概略斜視図を示す図である。
【図９】（ａ）にセンサ部の平面図及び断面図を示す。
（ｂ）にクリップ型金具Ａの平面図及び断面図を示す。
（ｃ）にクリップ型金具Ｂの平面図及び断面図を示す。
【図１０】つる（支持部）に取り付けたクリップ型脈拍計の平面図及び断面図を示す。
【図１１】（ａ）に回路ボックス構造を説明する平面図及び断面図を示す。
（ｂ）にクリップ型金具大の平面図及び断面図を示す。
【図１２】回路ボックスをつる（支持部）１２０に取り付けた平面図を示す。
【符号の説明】
１０メガネ型脈拍計
１１つる（支持部）
１２センサ部
１３回路ボックス（回路）
１５表示部
３０耳かけ型脈拍計
３２耳かけ型フレーム（支持部）
３３センサ部
３１回路ボックス（回路）
１１２クリップ型脈拍計
１０６センサ部
１３１回路ボックス
１０１クリップ型金具Ａ
１４１クリップ型金具大

Claims

浅側頭動脈に当てる為の超音波を送信する送信部と、前記超音波が前記浅側頭動脈に反射することにより前記浅側頭動脈の血流変化に応じて周波数の変化したドップラー信号を受信する受信部とを備えた超音波センサ部と、
該超音波センサ部を前記浅側頭動脈上に固定する耳かけ型支持部と、
前記送信部を駆動する駆動回路と、前記ドップラー信号を処理することにより脈拍信号を得る受信回路とを有する回路部と、
前記脈拍信号に基づいて脈拍を求める脈拍演算手段とを備え、
前記回路部は、前記変化した周波数に応じた音を出力することにより、前記浅側頭動脈に対する前記超音波センサ部の位置を設定することを特徴とする脈拍計。
前記超音波センサ部は、体動により前記脈拍信号に混入するノイズ信号を検出する加速度センサを有する事を特徴とする請求項１記載の脈拍計。
前記脈拍演算手段は、前記ノイズ信号に同期した信号を前記脈拍信号から間引くことを特徴とする請求項２記載の脈拍計。
前記耳かけ型支持部は、前記浅側頭動脈に対する前記超音波センサ部の位置を調整する位置調整部材を備えることを特徴とする請求項１記載の脈拍計。