JP5298662B2 - 光電脈波計測装置および光電脈波計測用プログラム - Google Patents

Description

本発明は，皮膚面からの反射光量または透過光量によって脈波を計測する技術に関するものであり，特に，十分なＳＮ比の維持と消費電力増加の抑止とを両立することが可能となる光電脈波計測装置および光電脈波計測用プログラムに関するものである。

最も基本的な生体信号としては，心拍数がある。心拍数を測定する装置としては，心臓の鼓動を生み出す心電信号を測定する装置がある。この装置によって最も正しい測定が行えるが，電極の装着が面倒である。そのため，心拍数を測定する簡易な装置として，心拍動により発生した動脈の容積変化を光の吸収変化から計測する脈拍計がある。ここでは，心拍動により発生した動脈の容積変化を脈波と呼び，その脈波を光の吸収変化から計測する装置を光電脈波計と呼ぶものとする。光電脈波計は，基本的に，一定の光量を人体に照射し，血液により吸収された光以外の残った光を検出し，変動成分を計測する。

図９は，光電脈波計の例を説明する図である。図９に示す光電脈波計は，光学センサ部１０１，回路部１０２，コンピュータ１０３を備える。図９の例に示す光電脈波計は，例えば，携帯型の光電脈波計であり，光学センサ部１０１が装置外付けのセンサ部分であり，回路部１０２とコンピュータ１０３とが装置本体の内部に搭載されている。

光学センサ部１０１は，光を発する発光素子や，光を受ける受光素子などを有する。回路部１０２は，光学センサ部１０１の制御や，受光信号からの脈波信号の抽出等を行う。コンピュータ１０３は，脈波信号解析部１０４を有する。脈波信号解析部１０４は，コンピュータ１０３が備えるＣＰＵ／メモリやソフトウェアプログラムなどにより実現され，取得された脈波信号を解析し，心拍数などの情報を得て表示画面に出力するなどの処理を行う。

図１０は，脈波を耳たぶで計測する例を説明する図である。例えば，耳たぶに光電脈波計の光学センサ部１０１を装着し，脈波を計測する例を説明する。

図１０において，発光部１１０，受光部１１１は，それぞれ光学センサ部１０１に備えられる。発光部１１０は，ＬＥＤなどの発光素子により，光を照射する。受光部１１１は，フォトダイオードやフォトトランジスタなどの受光素子により，照射された光を受光する。

脈波の計測としては，発光部１１０と受光部１１１とを耳たぶの同じ側に装着し，耳たぶで反射された反射光を受光する反射計測と，発光部１１０と受光部１１１とで耳たぶを挟み込み，耳たぶを透過した透過光を受光する透過計測とがある。

発光部１１０から照射された光は一部が血液に吸収され，血液に吸収されずに反射または透過した光が受光部１１１で受光される。血流が多い瞬間にはより多くの照射光が血液に吸収され，血流が少ない瞬間にはより少ない照射光が血液に吸収される。すなわち，血流が多い瞬間にはより少ない反射光および透過光が計測され，血流が少ない瞬間にはより多くの反射光および透過光が計測される。これらの反射光や透過光を一定時間計測することにより，脈波を得ることができる。

しかし，受光部１１１で受光される光には，発光部１１０から照射された光の反射光や透過光（図１０中では，色の濃い矢印）だけではなく，直接光や外乱光など外光（図１０中では，色の薄い矢印）の影響も含まれたものとなる。そのため，光電脈波計では，受光信号から脈動成分のみを取り出す構成が有効である。このような構成としては，心拍の基本周波数は０．５から４Ｈｚ程度であるため，それ以外の周波数を排除するフィルタ回路が考えられるが，受光信号からノイズ成分を完全に除去することは困難である。

また，携帯型の光電脈波計では，装置の駆動による電力消費の問題がある。光電脈波計を容易に携帯できるようにするためには，装置を小型化する必要があり，装置に搭載される電池の容量にも限界がある。

図１１は，発光パルスと受光パルスの例を示す図である。発光パルス駆動とサンプルホールド回路による同期復調方式により，一定の周期での発光に同期して復調を行う同期検波の手法がある。この手法では，図１１の発光パルスに示すように，発光部１１０による発光を間歇的に間引いて行うことにより，低消費電力化を実現できる。脈波信号は，図１１の受光パルスに示すように，受光部１１１によって得られた受光パルスから波形を復元する。発光パルスは，受光パルスから波形を復元するのに十分な発光周波数を決定する必要がある。

図１１にも示すように，受光信号には，外光によるノイズ成分が含まれる。回路部１０２では，ハイパスフィルタにより，この受光信号からノイズ成分が除去される。

図１２は，ハイパスフィルタの効果の限界と対策法を説明する図である。図１２（Ａ）は，入力波形の例を示す。バイアス（基線変位）によって，測定パルスによる受光変動は異なる。図１２（Ａ）において，入力波形＃１は基線変動が小さい場合の入力波形を示し，入力波形＃２は基線変動が中程度の場合の入力波形を示し，入力波形＃３は基線変動が大きい場合の入力波形を示す。

ハイパスフィルタによって基線変動を除去しても，パルスによりホールド時の値に乱れが生じるため，ホールド時の信号レベルが変動する。脈波振幅の１／４以上に変動する場合には，ホールド時の信号レベルに乱れが生じる。

図１２（Ｂ）は，受光素子のリニアリティが高い場合のハイパスフィルタによる基線変動除去の例を示す。受光素子のリニアリティが高い場合には，通過特性が外光による基線変動の除去効果はパルス幅，ホールドタイミングに依存しない。図１２（Ｂ）において，基線変動除去＃１は基線変動が小さい入力波形＃１の基線変動除去を示し，基線変動除去＃２は基線変動が中程度の入力波形＃２の基線変動除去を示し，基線変動除去＃３は基線変動が大きい入力波形＃３の基線変動除去を示す。

図１２（Ｃ）は，受光素子のリニアリティが低い場合のハイパスフィルタによる基線変動除去の例を示す。受光素子のリニアリティが低い場合には，パルス幅を最適に設定することで，通過特性が安定する。図１２（Ｃ）において，基線変動除去＃４は基線変動が大きい入力波形＃３においてホールドタイミングが早い場合の基線変動の影響を示し，基線変動除去＃５は基線変動が大きい入力波形＃３においてホールドタイミングが中程度の場合の基線変動の影響を示し，基線変動除去＃６は基線変動が大きい入力波形＃３においてホールドタイミングが遅い場合の基線変動の影響を示す。ホールドタイミングを遅らせることで，基線変動の影響は少なくなる。

なお，光電脈波計において，環境光の強さの変化が大きい場合には発光素子の駆動電力を大きくするように，脈拍測定時の環境光の強さにより発光素子の駆動電流を設定する技術が知られている。

また，光電脈波計において，使用者の脈波の交流成分が所定の値になるように，ＬＥＤ電流（複数の発光手段の駆動電流）を設定する技術が知られている。
特開平８−１８７２３１号公報 特開２００５−２７８７５８号公報

上記の技術では，以下に示す理由により，低い消費電力で高いＳＮ比を維持することが難しい。

１）高周波成分を含んだ光の影響（例えば室内など）：
静的測定条件をもとにした制御を行っているため，蛍光灯下などの動的測定条件では，点灯パルス光の影響などを平滑化する必要がある。このとき，一定の周波数以下で駆動すると，ＳＮ比が犠牲になる。

２）外光レベルの動的な変化による影響（例えば屋外など）：
屋外では，光電脈波計の使用者が電灯下を通過したり木漏れ日を通過したりするなど，外光レベルが動的に変化する場合がある。このような場合に，受光信号の基線変動を除去し，高いＳＮ比を維持するためには，十分な発光時間の確保が必要となる。

３）運動時による波形ひずみの影響（運動状態）：
運動時には，心拍による脈波以外に，例えば走行ピッチによる変動などの血流変動信号が重畳する。このとき，脈波の波形に乱れが生じ，低い周波数ほど波形ひずみの影響が残るため，発光周波数をあまり下げられない。

本発明は，上記の問題点の解決を図り，光電脈波計において，外光などの外部環境の変化があっても，ＳＮ比を維持し，かつ消費電力の増加を抑止することが可能となる技術を提供することを目的とする。

光電脈波計測装置において，測定開始後に，外光の強さや変動などの外部環境の状態を監視し，その外部環境の状態に適した，発光間隔や発光時間を含む発光パルスの駆動条件を決定し，決定された駆動条件で脈波の計測を行う。発光間隔や発光時間を含む発光パルスの駆動条件は，受光信号のＳＮ比を維持しつつ，無駄な電力の消費を低減するように決定される。

また，計測された脈波の状態に変化が見られる場合に，その変化に応じて，最低限の脈波の計測精度を維持しつつ，無駄な電力消費を削減するように，発光パルスのデューティ比（発光時間と発光間隔との比）を変更する。

具体的には，脈波を計測する光電脈波計測装置は，脈波の計測開始前に脈波計測用に出力される光パルスの発光時間および発光間隔を第一の状態に設定する初期化部と，脈波の計測開始後に外光の強さまたは変動の状態に基づいて光パルスの発光時間および発光間隔を決定する駆動条件決定部と，決定された発光時間および発光間隔で出力された光パルスに対して計測された脈波の情報を取得する脈波情報取得部と，計測された脈波の変動状態に基づいて決定された発光時間または発光間隔を変更するデューティ比調整部とを備える。

また，光電脈波計測用プログラムは，脈波を計測する光電脈波計測装置のコンピュータを，脈波の計測開始前に脈波計測用に出力される光パルスの発光時間および発光間隔を第一の状態に設定する初期化部と，脈波の計測開始後に外光の強さまたは変動の状態に基づいて光パルスの発光時間および発光間隔を決定する駆動条件決定部と，決定された発光時間および発光間隔で出力された光パルスに対して計測された脈波の情報を取得する脈波情報取得部と，計測された脈波の変動状態に基づいて決定された発光時間または発光間隔を変更するデューティ比調整部として，機能させる。

脈波計測時の外光の状態に応じて，発光パルスの発光時間および発光間隔を調整することにより，ＳＮ比を維持しながら，消費電力の増加を抑止することができる。また，脈波の状態が変化した場合でも，発光パルスの発光時間および発光間隔を調整することにより，脈波計測の精度を落とすことなく，ＳＮ比を維持しつつ，消費電力の増加を抑えることができる。

以下，本実施の形態について，図を用いて説明する。

図１は，本実施の形態による光電脈波計測装置の構成例を示す図である。本実施の形態において，光電脈波計測装置は，例えば，携帯型の光電脈波計であり，使用者の耳を挟み込むようにクリップで装着するイヤークリップ型の光学センサ部分を有し，光学センサによる透過計測により得られた赤外光信号を装置本体で解析し，使用者の心拍数などの生体情報を計測する。図１に示す光電脈波計測装置は，光学センサ部１，回路部２，コンピュータ３，外部センサ４を備える。

光学センサ部１は，例えば，ＬＥＤ（Light Emitting Diode) などの光を発する発光素子や，フォトダイオード（Photo Diode ），フォトトランジスタ（Photo Transistor）などの光を受ける受光素子等を有するイヤークリップ型の光学センサである。回路部２は，光学センサ部１の駆動制御や，受光信号からの脈波信号の抽出等を行う回路である。外部センサ４は，例えば照度センサや加速度センサなどのセンサ類である。

コンピュータ３は，脈波信号解析部３０，駆動制御部３１を備える。脈波信号解析部３０，駆動制御部３１は，コンピュータ３が備えるＣＰＵ／メモリやソフトウェアプログラムなどにより実現される。脈波信号解析部３０は，回路部２から得られた脈波信号を解析し，心拍数などの情報を得て表示画面に出力するなどの処理を行う。駆動制御部３１は，脈波信号の変動状態や外部環境の変化に応じて，光学センサ部１の駆動条件パラメータを決定し，回路部２に対する駆動制御を行う。ここで，駆動条件パラメータとは，光学センサ部１が有する発光素子から出力されるパルス光の発光量，発光周波数（または発光間隔），発光時間等の，光パルス駆動のための制御情報である。

図２は，本実施の形態による光学センサ部，回路部の構成例を示す図である。光学センサ部１は，発光部１０，受光部１１を備える。回路部２は，ＨＰＦ（ハイパスフィルタ：High pass filter）２０，復調回路部２１，増幅部２２，ＬＰＦ（ローパスフィルタ：Low Pass Filter ）２３を備える。

発光部１０は，回路部２からの制御（図示省略）により，駆動制御部３１で設定された駆動条件のパルス光を発光する。発光部１０から出力された光は，使用者の耳に照射され，血液により吸収されなかった光が反射光またはと透過光となる。

受光部１１は，発光部１０からの照射光のうち，使用者の耳を透過したパルス光を受光する。受光部１１の受光信号には，外光の影響によるノイズ成分も含まれる。

ＨＰＦ２０，復調回路部２１，増幅部２２，ＬＰＦ２３により，受光部１１により得られた受光信号から脈波信号が復元される。なお，回路部２に含まれるタイミング制御回路（図示省略）により，復調回路部２１でのサンプル，ホールドのタイミングと，発光部１０によるパルス駆動のタイミングとが同期制御される。

図３は，本実施の形態による駆動制御部の構成例を示す図である。駆動制御部３１は，回路部２に対する駆動制御を行う手段であり，初期化部３１０，状態監視部３１１，駆動条件情報記憶部３１２，駆動調整部３１３を備える。

初期化部３１０は，光電脈波計測装置起動後の初期化処理を行う。具体的には，装置起動後最初の駆動条件パラメータを決定する。このとき決定する駆動条件パラメータは，例えば，あらかじめ定められたデフォルト値であってもよいし，状態監視部３１１により得られた外部環境の状態に基づいて駆動条件情報記憶部３１２に保持された駆動条件パラメータテーブルから取得された値であってもよい。

状態監視部３１１は，外部環境の状態変化を監視し，その状態情報を格納する。本実施の形態では，外部環境の状態として，光電脈波計測装置が屋外で使用されているのかそれとも屋内照明のもとで使用されているのかを判断し，また，屋外で使用されている場合には外光の強さすなわち外光の照度レベルは高いのかそれとも低いのか，屋内照明のもとで使用されている場合には外光の照度変動は大きいのかそれとも小さいのかなどの状況を判断し，得られた外光の状態を状態情報として保持する。また，外部環境の状態として，光電脈波計測装置の使用状態，すなわち走りながら装置を使用しているのか，歩きながら装置を使用しているのかなどの装置使用者の運動状態を判断し，得られた使用者の運動の状態を状態情報として保持する。

駆動条件情報記憶部３１２は，外部環境の状態ごとに駆動条件パラメータが指定された情報である駆動条件パラメータテーブルを記憶する。

図４は，本実施の形態による駆動条件パラメータテーブルの例を示す図である。駆動条件パラメータテーブル３２０は，外部環境の状態（状態情報）と駆動条件パラメータとの対応情報である。図４に示す駆動条件パラメータテーブルにおいて，駆動条件パラメータは，発光量（所定の発光レベル値；単位はなし），発光周波数（単位はＨｚ），発光時間（単位はｍｓ）である。このような駆動条件パラメータは，外部環境による受信パルスへの影響が配慮された上で，あらかじめ用意される。

駆動条件パラメータテーブル３２０の状態情報において，デフォルトは，光電脈波計測装置起動時に設定する駆動条件パラメータであることを示す。ここでは，デフォルトの駆動条件パラメータとして，外部環境の状態の影響がほとんどなく，良好な脈波計測を行える環境下にある場合の駆動条件パラメータが設定されている。

駆動条件パラメータテーブル３２０の状態情報において，屋外レベル変数は，光電脈波計測装置が屋外で使用されている状態を示し，屋内レベル変数は，光電脈波計測装置が屋内照明のもとで使用されている状態を示す。また，運動状態変数は，光電脈波計測装置の使用状態，すなわち装置使用者の運動状態を示す。

図４に示す駆動条件パラメータテーブル３２０では，屋外レベル変数が外光の強度，すなわち照度レベルの範囲ごとに分けられている。屋外レベル変数において，高照度は日中などの照度レベルが高い状態を示し，中照度は並木道を歩いているときの木漏れ日通過などの照度レベルが中程度の状態を示し，低照度は黄昏時や薄暗がりなどの照度レベルが比較的に低い状態を示す。高照度の場合には，外光によるノイズレベルが高くなるため，受光信号が飽和しないように配慮して駆動条件パラメータが設定される。中照度や低照度の場合には，基線変動を配慮した設定が必要である。例えば，木漏れ日通過時などは基線変動が大きくなる可能性があるので，発光時間を長くとることにより，基線変動の影響を抑える。

図４に示す駆動条件パラメータテーブル３２０では，屋内レベル変数が照度変動の範囲ごとに分けられている。屋内レベル変数において，高変動は蛍光灯照明などの照度変動が比較的に高い（高周波）状態を示し，中変動は白熱灯照明などの照度変動が中程度（低周波）の状態を示し，低変動はインバータ照明などの赤外線の照度変動が比較的に低い状態を示す。屋内照明の場合には，照明器具による照度変動を配慮した設定が必要である。例えば，屋内照明は屋外に比べて照度レベルが低いが，受信信号に照明の照度変動の影響が出るため，発光パルスの発光周波数をある程度高く保ち，照明の照度変動の影響を抑える。また，インバータ照明は，赤外線の照度変動は小さいが，電磁波による輻射ノイズが発生するため，輻射ノイズの影響を配慮して駆動条件パラメータが設定される。

図４に示す駆動条件パラメータテーブル３２０では，運動状態変数が光電脈波計測装置の使用者の運動状態ごとに分けられている。運動状態変数において，歩行は使用者の運動による身体への衝撃が比較的に弱い状態を示し，走行は使用者の運動による身体への衝撃が比較的に強い状態を示す。運動は装置使用者の身体に衝撃を与え，その衝撃により装置使用者の血流に変動が起こり，脈波の波形に乱れが生じる。例えば，装置使用者が走行している場合には，歩行時と比較して速いピッチで強い衝撃が発生し，その衝撃に応じた血圧変動が起こる。この場合，血圧変動により生じた脈波の波形ひずみの影響を抑えるために，発光周波数を高くするように，駆動条件パラメータの補正条件が設定される。

駆動調整部３１３は，脈波計測の開始後に，外部環境の状態変化に応じた光パルス駆動のための駆動条件パラメータの決定や，脈波の状態の変動に応じた光パルス駆動のデューティ比（発光時間と発光間隔との比）の調整などを行う。駆動調整部３１３は，駆動条件決定更新部３１４，脈波情報取得部３１５，デューティ比調整部３１６を備える。

駆動条件決定更新部３１４は，状態監視部３１１に保持された状態情報を確認し，状態情報に変化があれば，変化した状態情報に対応する駆動条件パラメータを，駆動条件情報記憶部３１２に保持された駆動条件パラメータテーブルから取得して決定し，変更する。

脈波情報取得部３１５は，脈波情報を取得する。ここで，脈波情報は，例えば，計測された脈波信号，脈波の周期，脈波の周波数，脈拍数などの，脈波信号に関する情報である。

デューティ比調整部３１６は，脈波情報取得部３１５で取得された脈波情報を解析し，解析により得られた脈波の変動状態に応じて，発光パルスのデューティ比を調整する。発光パルスのデューティ比は，
デューティ比＝発光時間／（発光間隔＋発光時間）
で表すことができる。

例えば，脈波の変動状態が激しい場合（脈拍数が上がってきている場合など）には，発光パルスの発光間隔を短くすることにより，脈波の変化に対応した細かな脈波の計測が可能となる。脈波の変動状態が安定している場合（脈拍数が安定している場合など）には，発光パルスの発光間隔を少しずつ長くして大まかな計測に留めることにより，消費電力の削減が可能となる。

このように，脈波の変動状態に応じて発光パルスのデューティ比を調整することにより，必要な脈波の計測を行いつつも，余分な消費電力の削減を行うことができる。

図５は，本実施の形態の駆動制御部による発光パルスの駆動条件の調整を説明する図である。図５（Ａ）は，発光パルスの発光量調整の例を示し，図５（Ｂ）は，発光パルスの発光時間調整の例を示し，図５（Ｃ）は，発光パルスの発光間隔調整の例を示す。

図５（Ａ）は，発光パルスの発光量を少なく調整した場合の受光パルスの例を示す。図５に示すように，発光パルスの発光量を少なく調整すると，受光信号のパルス成分の振幅が小さくなる。発光パルスの発光量を減らしすぎると十分なＳＮ比を確保することができなくなり，脈波計測の精度が下がってしまうので，発光パルスの発光量を減らし過ぎないように調整する。逆に，発光パルスの発光量を増やす場合には，無駄に電力を消費し過ぎないように，良好なＳＮ比が得られる最低限の発光量に調整する。

例えば，初期化部３１０による処理や駆動条件決定更新部３１４による処理において，駆動条件パラメータテーブル３２０から得られた駆動条件パラメータで計測を行い，受光信号のＳＮ比を算出する。パルス発光時の受光信号の振幅がＳ（シグナル）成分となり，パルス非発光時の受光信号の振幅がＮ（ノイズ）成分となる。算出されたＳＮ比を，十分に良好な脈波の計測が可能となるように，また余分な電力を消費しないような値になるようにあらかじめ想定された値に，近づけるように，発光電流を調整し，発光パルスの発光量を調整する。

図５（Ｂ）は，発光パルスの発光時間を長く調整した場合の受光パルスの例を示す。図５に示すように，発光パルスの発光時間を長く調整すると，受光信号のパルス成分のピークが長くなる。発光パルスの発光時間が長くなると，電力消費が大きくなるが，受光信号のノイズ成分の変動の影響が緩和される。

例えば，使用者が屋外移動中に光電脈波計測装置を使用している場合に，状態監視部３１１が外光の状態を監視し，駆動条件決定更新部３１４による処理において，外光の変動が少ない日光の下では電力消費を減らすために発光パルスの発光時間を短く調整し，並木道の木漏れ日の下を通過するなど外光の変動が大きくなったときには，発光パルスの発光時間を長く調整する。

図５（Ｃ）は，発光パルスの発光間隔を短く（発光周波数を高く）調整した場合の受光パルスの例を示す。図５に示すように，発光パルスの発光間隔を短く調整すると，受光信号のパルス成分の出現間隔が短くなる。発光パルスの発光間隔が短くなると，電力消費が大きくなるが，脈波計測の精度が高くなる。

例えば，状態監視部３１１が外光の状態を監視し，駆動条件決定更新部３１４による処理において，室内灯下などの受光信号のノイズ成分の変動の周波数が高くなる環境では，高周波のノイズ成分の影響を抑えるために，発光パルスの発光間隔を短く調整する。

また，例えば，光電脈波計測装置の使用者が運動を開始したときなど，計測される脈波の状態（例えば，脈拍数など）に変動が見られる場合には，その変化に対応できるようにするために，発光パルスの発光間隔を短く調整する。逆に，計測される脈波の状態が安定している場合には，電力消費を減らすために，必要な精度の脈波の計測が可能である範囲内で発光パルスの発光間隔を長く（発光周波数を低く）調整する。

以下では，本実施の形態による光電脈波計測装置における各処理の流れの例を，フローチャートを用いて説明する。

図６は，本実施の形態の駆動制御部による初期化処理または駆動条件決定更新処理のフローチャートである。図６に示す初期化処理または駆動条件決定更新処理は，初期化部３１０または駆動条件決定更新部３１４による，駆動条件パラメータの決定や，発光量の調整を行う処理の例である。

まず，外部環境の状態を示す状態情報を取得する（ステップＳ１０）。状態情報の取得では，例えば，光電脈波計測装置の使用者に，外部環境の状態すなわち外光の状態や使用者の運動の状態を選択させるようにして，状態情報を取得するようにしてもよいし，後述の状態監視処理（図８参照）により得られた状態情報を取得するようにしてもよい。

取得された状態情報に基づいて，駆動条件パラメータを決定する（ステップＳ１１）。例えば，駆動条件パラメータテーブル３２０を参照し，取得された状態情報に対応する駆動条件パラメータを得る。初期化処理における駆動条件パラメータの決定では，状態情報を取得する前に，所定のデフォルト値を駆動条件パラメータとして決定するようにしてもよい。

決定された駆動条件パラメータで回路部２および光学センサ部１を駆動し，計測を開始する（ステップＳ１２）。

発光パルスの発光時の受光信号の振幅（Ｓ）と，非発光時の受光信号の振幅（Ｎ）とを取得し（ステップＳ１３），発光時の振幅（Ｓ）と非発光時の振幅（Ｎ）との比，すなわちＳＮ比が所定の閾値Ｔｈ_#1以下になるまで（ステップＳ１４），発光電流量を徐々に削減しながら発光量を調整する（ステップＳ１５）。

ＳＮ比が所定の閾値Ｔｈ_#1以下になったときに（ステップＳ１４），後述の駆動調整処理（図７参照）に移行する。

図６に示す処理では，あらかじめ駆動条件パラメータテーブル３２０に設定されている各状態情報ごとの駆動条件パラメータの発光量が大きめの値に設定されており，受光信号のＳＮ比を確認しながら徐々に発光電流が削減されることにより，無駄な消費電力が削減される。ここで，閾値Ｔｈ_#1としては，例えば良好な脈波計測に必要と考えられる最低限のＳＮ比が設定される。

なお，発光パルスの発光量の調整方法は，図６に示すような無駄な消費電力を削除するように発光電流を徐々に削減する方法ではなく，逆に必要な最低限のＳＮ値が得られるように徐々に発光電流を増やしながら発光量を調整する方法など，様々な方法がある。

図７は，本実施の形態の駆動制御部による駆動調整処理のフローチャートである。図７に示す駆動調整処理は，駆動調整部３１３による，デューティ比の調整や，駆動条件の更新の処理の例である。

脈波情報として，脈波の平均基本周波数を取得する（ステップＳ２０）。ここでは，脈波信号解析部３０から，脈波情報として，脈波の平均基本周波数が取得されるものとする。脈波の平均基本周波数とは，計測された脈拍の周波数の所定時間内の平均値である。脈波の平均基本周波数の代わりに，平均脈拍数を取得してもよい。

脈波の基本周波数を監視し，その変動を確認する（ステップＳ２１）。脈波の基本周波数が所定の変動量Ｔｈ_#2以上に高く変化していれば（例えば，変動量＋２０％），その高くなった脈波の周波数に対応するために，発光パルスの発光間隔を短く調整し，信号のデューティ比が高くなるように調整する（ステップＳ２２）。脈波の基本周波数が所定の変動量Ｔｈ_#2以上に低く変化していれば（例えば，変動量−２０％），消費電力を削減するために，発光パルスの発光間隔を長く調整し，信号のデューティ比が低くなるように調整する（ステップＳ２３）。脈波の基本周波数が所定の変動量±Ｔｈ_#2以下であれば，デューティ比の更新は行わない。

状態監視部３１１の状態情報を確認し（ステップＳ２４），外部環境の状態に変化があれば（ステップＳ２５），図６に示すような駆動条件決定更新処理に移行し，現在の外部環境の状態に見合うように駆動条件パラメータを決定する。

脈波信号が計測されているかを確認し（ステップＳ２６），脈波信号が計測されていれば，ステップＳ２０の処理に戻る。脈波信号が計測されていなければ，脈波計測の終了確認の処理を行う（ステップＳ２７）。

図８は，本実施の形態の駆動制御部による状態監視処理のフローチャートである。図８に示す状態監視処理は，状態監視部３１１による，外光の状態や使用者の運動の状態などの外部環境の状態を監視する処理の例である。この処理は，脈波の計測開始後，他の処理と並行に実行される。

外光の照度レベルを取得する（ステップＳ３０）。ここで計測する照度レベルは，外光の赤外線の照度レベルである。照度レベルは，例えば，外部センサ４として照度計や照度センサなどの照度を計測できる機器が搭載されている場合には，そこから取得することができる。

また，特に照度を計測できる外部センサ４が搭載されていなくても，受光部１１の受光信号から照度レベルを計測する方法もある。すなわち，受光信号におけるノイズ成分が主に外光の成分であるため，発光パルスの非発光時の受光信号の振幅（Ｎ）から外光の照度レベルを得ることができる。

取得された照度レベルが所定の照度レベルの閾値Ｔｈ_#3より大きい場合には（ステップＳ３１），屋外であると判定し（ステップＳ３２），外光に関する状態情報として屋外レベル変数を格納する（ステップＳ３３）。このとき，さらに閾値Ｔｈ_#3-1，Ｔｈ_#3-2（ただし，Ｔｈ_#3-1＞Ｔｈ_#3-2＞Ｔｈ_#3）を用い，照度レベルがＴｈ_#3-1以上であれば高照度と判定し，照度レベルがＴｈ_#3-2以上でありＴｈ_#3-1より小さければ中照度と判定し，照度レベルがＴｈ_#3以上でありＴｈ_#3-2より小さければ低照度と判定する。

取得された照度レベルが所定の照度レベルの閾値Ｔｈ_#3以下である場合には（ステップＳ３１），屋内であると判定する（ステップＳ３４）。

外光の照度変動を取得する（ステップＳ３５）。ここで計測する照度変動は，外光の赤外線の照度変動である。照度変動は，例えば，外部センサ４として照度センサなどの照度変動を計測できる機器が搭載されている場合には，そこから取得することができる。

また，特に照度を計測できる外部センサ４が搭載されていなくても，受光部１１の受光信号から照度レベルを計測する方法もある。すなわち，受光信号におけるノイズ成分が主に外光の成分であるため，発光パルスの非発光時の受光信号の変動から外光の照度変動を得ることができる。

取得された照度変動が所定の照度変動の閾値Ｔｈ_#4より大きい場合には（ステップＳ３６），外光に関する状態情報として屋内レベル変数を格納する（ステップＳ３７）。このとき，さらに閾値Ｔｈ_#4-1，Ｔｈ_#4-2（ただし，Ｔｈ_#4-1＞Ｔｈ_#4-2＞Ｔｈ_#4）を用い，照度変動がＴｈ_#4-1以上であれば高変動と判定し，照度変動がＴｈ_#4-2以上でありＴｈ_#4-1より小さければ中変動と判定し，照度変動がＴｈ_#4以上でありＴｈ_#4-2より小さければ低変動と判定する。

照度レベルが閾値Ｔｈ_#3以下で（ステップＳ３１），照度変動が閾値Ｔｈ_#4以下である場合には（ステップＳ３６），良好な脈波計測が可能な外光環境の状態であると判定して，状態情報としてデフォルトを格納する（ステップＳ３８）。

衝撃の強さを取得する（ステップＳ３９）。ここでの衝撃は，光電脈波計測装置の使用者の運動により発生する衝撃である。人の歩行時や走行時には，そのスピードにあわせた一定の間隔で，人への衝撃が発生する。例えば，歩行時に発生するその衝撃の回数を計測したものが万歩計（登録商標）である。このような衝撃の強さは，例えば，外部センサ４として加速度センサなどの機器が搭載されている場合に，そこから取得することができる。

また，特に衝撃を計測できる外部センサ４が搭載されていなくても，受光部１１の受光信号から衝撃の強さを計測する方法もある。受光信号から一定の間隔で脈波の乱れが計測されれば，その乱れが，装置使用者の運動により発生した衝撃による血圧変動によるものであると推測できる。その乱れの大きさが，衝撃の強さとなる。

取得された衝撃の大きさが所定の衝撃の大きさの閾値Ｔｈ_#5より大きい場合には（ステップＳ４０），装置使用者が走行状態であると判定する（ステップＳ４１）。取得された衝撃の大きさが所定の衝撃の大きさの閾値Ｔｈ_#5より小さい場合には（ステップＳ４０），装置使用者が歩行または停止状態であると判定する（ステップＳ４２）。運動に関する状態情報として得られた運動状態変数を格納する（ステップＳ４３）。

なお，装置使用者の運動状態の判断において，衝撃の強さではなく，衝撃の頻度（ピッチ）を用いるようにしてもよい。すなわち，衝撃の頻度が所定の閾値より高い場合には，装置使用者が走行状態であると判断し，衝撃の頻度が所定の閾値より低い場合には，装置使用者が歩行または停止状態であると判断する。また，装置使用者の移動速度を計測するようにしてもよい。

以上，実施の形態について説明したが，本発明は本実施の形態に限られるものではない。例えば，本実施の形態では，デューティ比の調整として，脈波の基本周波数を監視し，その基本周波数の変動状態をチェックして，その変動状態に応じて発光パルスのデューティ比を調整する例を説明したが，脈波の変動状態を監視し，その変動状態に応じてデューティ比を調整する方法としては，様々な方法が考えられる。

例えば，脈波の平均基本周期を監視し，所定時間内の脈波の平均基本周期の変動状態をチェックし，その変動状態に応じて発光パルスのデューティ比を調整する方法なども考えられる。脈波の平均基本周期とは，計測された脈拍一回分の周期の，所定脈拍回数分の平均値である。

例えば，脈波の平均基本周期の変動状態に応じたデューティ比の調整を，次のようにあらかじめ設定しておく。

＋１０％以上の変動 → 発光間隔の微増
＋１０％〜０％の変動 → 発光間隔の維持
０％から−２０％の変動 → 発光間隔の短縮
−２０％以上の変動 → 発光間隔の大幅短縮
ここで，光電脈波計測装置の使用者が，ジョギングを行うものとする。

ジョギング開始時には，装置使用者の脈波の周期が短くなる（−１０％）ように変動するため，その脈波の変動状態に対応するために，発光パルスの発光間隔が短くなるようにデューティ比が調整される。ジョギング開始からある程度時間が経つと，装置使用者の脈波の周期が安定（±１０％）するため，徐々に発光間隔が長くなるようにデューティ比が調整されていく。ジョギングを終了すると，装置使用者の脈波の周期が長くなる（＋１０％）ように変動するため，発光間隔が長くなるようにデューティ比が調整される。

さらにこのときに，装置使用者の運動状態を示す状態情報を取得し，装置使用者が走行などの比較的に強い運動を行っていると判断される場合に，発光間隔の増減の値を２倍に補正するなどして，より迅速に脈波の状態変化に対応するように調整を行うことも可能である。

本実施の形態による光電脈波計測装置の構成例を示す図である。 本実施の形態による光学センサ部，回路部の構成例を示す図である。 本実施の形態による駆動制御部の構成例を示す図である。 本実施の形態による駆動条件パラメータテーブルの例を示す図である。 本実施の形態の駆動制御部による発光パルスの駆動条件の調整を説明する図である。 本実施の形態の駆動制御部による初期化処理または駆動条件決定更新処理のフローチャートである。 本実施の形態の駆動制御部による駆動調整処理のフローチャートである。 本実施の形態の駆動制御部による状態監視処理のフローチャートである。 光電脈波計の例を説明する図である。 脈波を耳たぶで計測する例を説明する図である。 発光パルスと受光パルスの例を示す図である。 ハイパスフィルタの効果の限界と対策法を説明する図である。

符号の説明

１ 光学センサ部
２ 回路部
３ コンピュータ
４ 外部センサ
１０ 発光部
１１ 受光部
２０ ＨＰＦ
２１ 復調回路部
２２ 増幅部
２３ ＬＰＦ
３０ 脈波信号解析部
３１ 駆動制御部
３１０ 初期化部
３１１ 状態監視部
３１２ 駆動条件情報記憶部
３１３ 駆動調整部
３１４ 駆動条件決定更新部
３１５ 脈波情報取得部
３１６ デューティ比調整部
３２０ 駆動条件パラメータテーブル

Claims (4)

1. 脈波を計測する光電脈波計測装置であって，
   脈波の計測開始前に，脈波計測用に出力される光パルスの発光時間および発光間隔を第一の状態に設定する初期化部と，
   脈波の計測開始後に，外光の強さまたは変動の状態に基づいて，前記光パルスの発光時間および発光間隔を決定する駆動条件決定部と，
   前記決定された発光時間および発光間隔で出力された光パルスに対して計測された脈波の情報を取得する脈波情報取得部と，
   前記計測された脈波の変動状態に基づいて，前記決定された発光時間または発光間隔を変更するデューティ比調整部とを備える
   ことを特徴とする光電脈波計測装置。
2. 前記駆動条件決定部は，前記光電脈波計測装置の使用状態に基づいて，前記光パルスの発光時間および発光間隔を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電脈波計測装置。
3. 脈波を計測する光電脈波計測装置のコンピュータを，
   脈波の計測開始前に，脈波計測用に出力される光パルスの発光時間および発光間隔を第一の状態に設定する初期化部と，
   脈波の計測開始後に，外光の強さまたは変動の状態に基づいて，前記光パルスの発光時間および発光間隔を決定する駆動条件決定部と，
   前記決定された発光時間および発光間隔で出力された光パルスに対して計測された脈波の情報を取得する脈波情報取得部と，
   前記計測された脈波の変動状態に基づいて，前記決定された発光時間または発光間隔を変更するデューティ比調整部として，
   機能させるための光電脈波計測用プログラム。
4. 前記駆動条件決定部は，前記光電脈波計測装置の使用状態に基づいて，前記光パルスの発光時間および発光間隔を決定する
   ことを特徴とする請求項３に記載の光電脈波計測用プログラム。

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