JPS60116326A - 車上心拍計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野１ 本発明は車上においてドライバ等の心拍を測定する車上
心拍計に関し、特に、人の心拍に応じた電気信号を出力
するセンサをステアリングホイールに備える車上心拍計
に関する。

［従来技術］ 車輌を運転する場合、ドライバの健康状態が好ましくな
いと、事故をひきおこす可能性が高い。

たとえば、長時間休みなく運転を続ける場合には、疲労
が蓄積して健康状態が悪化し、集中力の低下等が生ずる
。

人の健康状態を知りうる１つのバロメータとして心拍数
がある。心拍数を測定する装置としては、最近では携帯
用の小型の心拍計が売られている。

この種の心拍計はどこにでも持ち運べる反面、測定精度
が低い。又、たとえば、車を運転するドライバが自分の
健康状−を知ろうとして、そのような心拍計を仮に車輌
に持ち込んだとしても、心拍の測定は車輌を停止させた
状態で行なわざるを得ない。

すなわち、この種の一般の心拍計では、発光ダイオード
とフォトダイオード等を基板上に突出させて反射型フォ
トセンサを構成し、このセンサを人の指の腹の部分に当
て、更に外来光の影響をなくするために、センサと指を
黒色のスポンジ等で覆うようになっているため、これを
指に装着した状態ではドライバは運転ができない。しか
も、この種のセンサを用いたものでは、測定中に指を動
かすとセンサと指との位置がずれて測定ができなくなる
ため、被測定者は安静を要求される。

そこで、本出願人はステアリングホイールに心拍検出用
センサを備えることにより、車輌の運転をしながらでも
心拍を測定できるようにした車上心拍計（特願昭５７−
１３２８４７号）を提案した。

しかしながらこれにおいても、心拍測定を行なうには、
ステアリングホイール上のセンサの部分に指先を押し付
けてその状態を維持しなければ心拍信号を得ることがで
きないため、運転中の測定では違和感があり、普通に運
転を行なおうとすると指先がセンサから浮いて測定が中
断する。

［目的］ 本発明は、ドライバが自然に運転を行なっている状態で
も、自動的に心拍を測定できる車上心拍計を提供するこ
とを目的とする。

［構成コ 指は面積が小さいから、これをステアリングホイールの
所定位置に押し付けた状態で車輌の運転を行なうのでは
、手が不自然な位置に固定されるので、違和感が生ずる
。しかし、手の平の部分で心拍を検出できれば、手の平
は面積が大きいのでセンサ位置に対して手の位置を動か
す余裕ができ、自然な状態で車輌の運転を続けながら心
拍測定ができる。しかしながら、手の平の部分では指先
のように比較的浅い位置に血管が集中していないし、＝
３− 手の平の部分はステアリングホイールから浮き易いので
、従来の検出器では手の平から心拍信号振数り出すこと
ができない。そこで、本発明においては、発光素子の周
囲にそれを囲むように複数の受光素千振配置し、発光素
子と受光素子の光軸を実質上同一の方向に向けるように
構成した検出部をステアリングホイール上に少なくとも
１つ設ける。これによれば、手の平の部分から心拍信号
を取り出すことができ、運転中でも自然な状態で心拍測
定ができる。

車輌の運転中には、進向方向を変える場合等にステアリ
ングホイールと手の位置関係を変えたいことがある。ま
た各々のドライバによってステアリングホイールを握る
位置はまちまちである。そこで、本発明の１つの好まし
い態様においては、ドライバがステアリングホイールの
どの位置を握っても心拍信号を検出できるように、互い
に所定の間隔をおいて複数の検出ユニットをステアリン
グホイール上に配置する。

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明す４− る。

第１図に、一実施例の車上心拍計を備える車輌の運転席
近傍を示す。第１図を参照すると、ステアリングホイー
ル４の中央部に、心拍測定の開始を指示するスタートス
イッチＳＷＩ、測定のキャンセルを指示するキャンセル
スイッチＳＷ２．および心拍に応じた表示を行なう発光
ダイオードＬＥＤが備わっている。ステアリングホイー
ル４の左方に、２つのブラウン管表示装［ＣＲＴｌおよ
びＣＲＴ２が備わっている。

ステアリングホイール４の詳細を、第２ａ図。

第２ｂ図および第２ｃ図に示す。これらの図面を参照す
ると、ステアリングホイール４の上面には、反射型の光
学センサＳＥＩ、ＳＦ２．　・・・ＳＦ３が互いに分散
して配置されている。各々の光学センサは、１つの発光
ダイオード（ＬＥＩ）とその周囲に配置した４つのフォ
トトランジスタ（ＰＴ１〜ＰＴ４）でなっている。各光
学センサに備わっている発光ダイオードは、赤外領域の
光を発する赤外発光ダイオードである。各光学センサの
１つの発光ダイオードと４つのフォトトランジスタは、
光軸を同一方向（ステアリングホイール４の上方）に向
けである。ステアリングホイール４は鉄心４ｂとそれを
覆う樹脂４ａでなっており、各光学センサは、樹脂４ａ
の部分に固着されている。各光学センサから引き出され
た電線は、樹脂メ ４ａの内部を通って、ステアリングホィール４中央部の
パネル内の電子回路に接続されている。

第３ａ図に、第１図に示す車輌に搭載された車上心拍ｎ
１の回路構成の概略を示す。第３ａ図紛参照して説明す
る。回路全体を制御するのがマイクロコンピュータＣＰ
Ｕである。マイクロコンピュータＣＰＵには、発振回路
０８Ｃ２，音声合成装置ＶＧＵ、ビデオメモリＶＲＡＭ
Ｉ、ＶＲＡＭ２゜ブザーＢＺ、Ａ／ＤコンバータＡＤＣ
，キースイッチＳＷＩ、ＳＷ２等が接続されている。キ
ースイッチＳＷＩおよびＳＷ２とＣＰＵの間に備わった
回路は、波形整形回路である。音声合成装置ＶＧＵの出
力端子にはスピーカＳＰが接続され、ビデオメモリＶＲ
ＡＭ１およびＶＲＡＭ２にはブラウン管表示装置ＣＲＴ
ＩおよびＣＲＴ２がそれぞれ接続されている。Ａ／Ｄコ
ンバータＡＤＣの入力端子１および２には、それぞれ基
準レベル設定用の可変抵抗器ＶＲＩおよびＶＲ２が接続
されており、入力端子３には復調回路ＤＥＭの出力端子
が接続されている。復調回路ＤＥＭの出力端子は、ドラ
イバＤＶを介して表示用の発光ダイオードＬＥＤに接続
されている。発振回路ｏｓｃｔの出力端子がセンサユニ
ットＳＥＵに接続され、センサユニットＳＥＵの出力端
子が復調回路ＤＥＭの入力端子に接続されている。

第３ａ図の発振回路Ｏ８ＣＩ　、センサユニットＳＥＵ
、および復調回路ＤＥＭの詳細を、第３ｂ図に示す。第
３ｂ図を参照して説明する。発振回路０８Ｃ１は、非安
定マルチバイブレータ回路であり、この例ではＩＫＩ（
ｚの方形波信号を出力する。

センサユニットＳＥＵは、８つの光学センサＳＥ１〜Ｓ
Ｅ８でなっている。各光学センサＳＥＩ〜ＳＥ８の発光
ダイオードＬＥＩ、ＬＥ２・・・は互いに直列に接続さ
れており、その一端に発振器７− 路０８ＣＩの出力端子が接続されている。

したがって、各光学センサの発光ダイオードは、１ｍ５
ｅｃの周期で間欠的に点灯する。光学センサＳＥＩ〜Ｓ
Ｅ８のいずれかが人の血管に対向して位置決めされてい
ると、その部分の光反射率が血液流量の大小すなわち心
拍に応じて変動する。したがって、光学センサのフォト
トランジスタの出力端子には、心拍信号に応じて振幅変
調されたＩＫＨｚの交流信号が得られる。

各光学センサＳＥＩ〜ＳＥ８のフォトトランジスタＰＴ
Ｉ、ＰＴ２．ＰＴ３・・・・は互いに並列に接続されて
おり、その一端が復調回路ＯＥＭの入力端子に接続され
ている。復調回路ＤＥＭは。

増幅器ＡＭ　１　、ローパスフィルタＬＰＩ、増幅器Ａ
Ｍ２．ローパスフィルタＬＰ２．増幅器ＡＭ３等でなっ
ており、振幅変調されたＩＫＨｚの信号から、元の心拍
信号を復調する。

第４図に、第３ａ図のビデオメモリＶＲＡＭ１の構成を
示す。なおビデオメモリＶＲＡＭ２もＶＲＡＭ１と同様
の構成になっている。第４図を参−８＝ 照して説明する。メモリＲＡＭには、ブラウン管上に表
示する各々の画素に対応する、明／暗データが格納され
る。メモリＲＡＭのアドレスラインは、マルチプレクサ
ＭＸに接続してあり、ＭＸの入力Ａ、Ｈに印加されるア
ドレスカウンタＣＯのカウント値、ＣＰＵの出力アドレ
スのいずれかに応じたメモリアドレスが選択される。

この選択は、マイクロコンピュータＣＰＵが行ない、メ
モリＲＡＭにデータを書き込む場合あるいはＲＡ、　Ｍ
からデータを読み出す場合には、ＭＸの入力Ｂを指定し
て、ＣＰＵがアドレスを指定する。

それ以外のときには、メモリＲＡＭのアドレスは、アド
レスカウンタＣＯのカウント値で指定される。

アドレスカウンタＣＯは、発振器０８Ｃ３からの、画素
数に対応するパルス信号により、常時カウントを行なっ
ている。また、アドレスカウンタＣＯの出力端には同期
信号発生回路１００が接続されており、この回路がＣＯ
のカウント値に応じて、所定タイミングで垂直同期信号
および水平同期信号を発生する。

メモリＲＡＭの複数ビットでなるデータラインには、シ
フトレジスタＳＲが接続されており、ＳＲのシリアル出
力端は信号合成回路１１０に接続されている。またこの
データラインには、双方向バッファＢＦ２を介してＣＰ
Ｕのデータラインが接続されている。

ブラウン管上の所定画素を明るく表示する場合、その画
素に対応するＲＡＭアドレスに、所定ビットを′″１″
にしたデータをＣＰＵから書き込む。この場合、マルチ
プレクサＭＸのＢ入力を指定し、双方向バッファＢＦ２
のＣＰＵ側を入力に、ＲＡＭ側を出力に指定し、ＣＰＵ
のアドレスラインおよびデータラインに所定のデータを
セットして、メモリＲＡＭに書き込み指定信号を印加す
る。これが終了した後、次の書き込みを行なうまでは、
ＭＸを入力Ａに指定し、双方向バッファＢＦ２のＲＡＭ
側はハイインピーダンスに設定する。

この状態で、所定タイミング毎に同期信号が生成される
とともに、それに合わせてＲＡＭのアドレスが順次選択
される。表示データを書き込んである所定アドレスが指
定されると、シフトレジスタＳＲに画素データを含む複
数ビットのデータがセットされ、画素位置に対応する所
定クロック分だけ遅れて、所定画素の「明」を示すデー
タが信号合成回路１１０に印加される。このようにして
、表示画面上の全画素のデータに対応するシリアルデ亀 一タが連続的に出力され、この像データと同期信号とが
１１０で合成されてコンポジット信号となり、これがブ
ラウン管表示装置（モニタテレビ）に印加される。

第５図に、第３ａ図のマイクロコンピュータＣＰＵの概
略動作を示す。第５図を参照して動作を説明する。

まず割り込み処理を説明する。ＣＰＵの割り込み入力端
ＩＮＴには発振回路０８Ｃ２からの信号が印加されるの
で、ＣＰＵは所定時間おきに割り込み処理を実行する。

この割り込み処理では、レジスタＮの内容を＋１する処
理を行なっている。

すなわち、経過した時間に応じてレジスタＮの内容が変
わるので、あるタイミングでＮの内容を０１１− にクリアしておけば、メインルーチンでＮの値をチェッ
クすることにより、クリアしてからの経過時間がわかる
。メインルーチン、サブルーチン等では、このレジスタ
Ｎの値をチェックすることにより、各種処理タイミング
を決定している。

続いてメインルーチンを説明する。電源がオンすると、
まずスタートスイッチＳＷ１をチェックする。これがオ
ンになると、可変抵抗器ＶＲＩおよびＶＲ２で設定され
る電圧をＡ／ＤコンバータＡＤＣでデジタル信号に変換
し、変換したデータをレジスタＭＨおよびＭＬにストア
する。レジスタＭＨおよびＭＬのデータは、それぞれ、
警報を発するか否かを判別するための、心拍周期のばら
つき上限値および心拍数下限値となる。

次の第１表に、一般的な心拍数の平均値１／Ｌおよび心
拍周期のばらつき（すなわち分散）ΔＬと、人の肉体お
よび精神の状態との関係の概略を示す。

１２− 第　１　表 一般に、車輌を運転する場合には、肉体的にはリラック
スしており、精神的には緊張状態にある。

ところが、疲労等のために居眠運転をする場合には、精
神的な緊張状態がなくなり、心拍は睡眠時の状態になる
。つまり、第１表を参照すると、車輌を運転しながら居
眠を始める場合には、心拍周期のばらつきが急激に大き
くなる。

そこで、この実施例では、心拍周期のばらつき参照値（
上限値）Ｍｌおよび心拍数参照値（下限値）ＭＨを設定
して、ばらつきが大きく、しかも心拍数が所定以下の場
合に警報を発するようにしている。

Ｍ）ＩおよびＭＬの設定が終了したら、検出信号が安定
するのに必要な所定時間Ｔｏが経過するのを待ってから
心拍測定を開始する。心拍測定のサブルーチンについて
は後で詳細に説明する。心拍測定が終了したら、その結
果をもとに、心拍周期の分散すなわちばらつきΔＬを計
算する。この計算は所定サンプル（この例では１６）の
心拍周期をＳとした場合法の計算式により行なう。

分散＝　８２の平均値−（Ｓの平均値）２次いで、Ｓの
平均値から心拍数、すなわち１分間あたりに換算した心
拍数を計算する。この結果に応じて、予めＣＰＵ内のＲ
ＯＭ　（読み出し専用メモリ）に格納しである所定の数
値表示データを読み出して、それをビデオメモリＶＲＡ
Ｍ２の所定アドレスにセットする。これにより、たとえ
ば第３ａ図に示すように心拍数の数値がブラウン管表示
器ＣＲＴ２に表示される。

次に、Ａ／ＤコンバータＡＤＣにより、所定時間、所定
間隔で心拍信号をサンプリングし、サンプリグしたデー
タを波形としてブラウン管表示装置ＣＲＴＩに表示する
。なおこの表示を行なう前に、予めメモリＲＡＭをクリ
アする。表示処理では次のような処理を行なう。

第６図に示すように、表示面上の画素をＸ方向およびＹ
方向の座４ｍ　（ＸＩ　Ｙ）で指定し、所定のプロット
サブルーチン（図示せず）を実行してメモリＲＡＭの所
定アドレスの所定ビットをｒｒ　１　ｎにセットする。

電圧Ｏｖを所定のＹ座４１（たとえば１０）に指定し、
サンプリングしたデータの値に応じて指定Ｘ座標を変え
る。たとえば電圧０．１Ｖ毎にＸ座標を＋１０する場合
には、サンプリングした電圧が１．５ｖであると、指定
するＸ座標は２５（１０＋１５）となる。Ｘ座標は、初
期値を０とし、サンプリングするたびに＋１の変更を行
なう。

すなわち、この処理を行なうと、画面の左側から右側に
向かって電圧に応じたＸ座標の画素が順次と明るく表示
される。この処理はＸ座標が右端すなわちＸ＝ＸＭとな
るまで行なう。これにより、第６図に示すような心拍波
形が、表示器ＣＲＴＩ上に表示される。

キャンセルスイッチＳＷ２がオンかどうかをチェツー１
５＝ りし、これがオフであれば次の処理を行なう。分散ΔＬ
がレジスタＭＨの内容よりも大きく、しかも心拍数１／
ＬがレジスタＭＬの内容よりも小さいと、居眠り運転の
可能性が高いので、ブザーＢ２を１秒間付勢し、音声合
成装！ＶＧＵに指示を与えて、スピーカＳＰでｒ休憩し
なさい」と音声出力を行なう。上記２つの条件が成立し
ない場合には、心拍数の表示と心拍波形の表示のみが行
なわれる。

次に心拍測定サブルーチンを説明する。なおこのサブル
ーチンではレジスタＡ、Ｒ１，０内の内容で指定される
複数のレジスタＲ２０等を使用する。

まず、メモリ（レジスタ）をクリアし、心拍信号をＡＤ
Ｃで２ｍ５ｅｃ毎にサンプリングする。Ｒ波が来たかど
うかをチェックし、Ｒ波であれば次に信号のピークかど
うかをチェックする。

Ｒ波というのは、心拍信号の大きな山の部分であり、こ
の例では、微分値すなわち各サンプリング毎のデータの
変化が所定値よりも大きいかどうか１６− をチェックし、大きいことが所定回数連続する場合にの
みＲ波であると判別している。またこの例では、サンプ
リング値の変化が０又はそれ以下であることが２回連続
する場合にピークであると判別するようにしている。

ピークを検知したら、カウンタＮ（タイマ）の内容を０
にクリアし、ピーク検出から次のピーク検出までの時間
（Ｌ）の測定を行なう。この時間がいわゆるＲ−Ｒ間隔
（心拍周期）である。測定を行なう毎にレジスタＡの内
容をカウントアツプし、各々の測定結果をレジスタＲ２
（Ａ）に格納する。

１６波分のデータが得られたら（Ａ＝１６になったら）
、測定を終了する。これでレジスタＲ２（Ａ）の１６個
のレジスタには１６周期分の周期データが格納される。

したがって、このレジスタの内容から、前記処理を行な
って分散値および心拍数データが得られる。

上記実施例では、ブラウン管表示装置を２つ用いて、そ
の一方に心拍波形を表示し、もう一方に心拍数を表示す
る構成としたが、たとえば心拍数は、数値表示用の７セ
グメント表示器を複数設けてそれで代用してもよいし、
心拍波形表示用の面表示器に波形と心拍数とを重ね合わ
せて表示する構成としてもよいし、スイッチによる指示
もしくは所定周期で、波形と心拍数とを切換え表示する
構成としてもよい。

上記実施例においては、ステアリングホイールのホイー
ル上に、直接、発光素子および受光素子を装着する構成
にしたが、例えばステアリングホイール中央部の電子回
路本体に発光素子および受光素子を設け、光ファイバを
用いて光を導く構成にしてもよい。光ファイバを用いれ
ば、１つの発光ダイオードの発光面に複数の光ファイバ
を接続したり、複数の光ファイバを１つのフォトトラン
ジスタの受光面に接続したりして、発光素子および受光
素子の数を少なくしうる。なお、光ファイバは狭い部分
で直角に曲げるのが難しいので、実施例のようにステア
リングホイールの上方に光軸を向けるためには、鏡等を
用いる必要がある。

［効果］ 以上のとおり本発明によれば、検出部がステアリングホ
イール上にあり、しかも人の手の平の部分で心拍信号を
検出できるので、運転中でも自然な状態で心拍が測定で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例の車上心拍計を搭載した車輌の運転席
近傍を示す正面図である。 第２ａ図は第１図の車輌のステアリングホイール４を示
す拡大平面図、第２ｂ図は第２ａ図ＩＩ　ｂ−ＩＩｂ線
断面図、第２Ｃ図は第２ａ図のＩＩ　ｃ　−ＩＩＣ線断
面図である。 第３ａ図は、第１図の車輌に搭載した車上心拍計の概略
構成を示すブロック図、第３ｂ図は第３ａ図の要部を示
す電気回路図である。 第４図は、第３ａ図のビデオメモリＶＲＡＭ１の構成を
示すブロック図である。 第５図は、第３図のマイクロコンピュータＣＰＵの概略
動作を示すフローチャートである。 第６図は、表示装置ＣＲＴＩ上の画面の表示を示す平面
図である。 １９− ４ニステアリングホイール ＳＥＩ、ＳＥ２．・・、ＳＢＲ：光学センサ（心拍検出
手段）ＳＥＵ：センサユニット ＬＥＩ、ＬＥ２．ＬＥ３・・・：発光ダイオード（発光
手段）ＰＴＩ、ＰＴ２．ＰＴ３・・・：フオトトランジ
スタ（受光手段） ＳＷＩニスタートスイッチ ＳＷ２　：キャンセルスイッチ ｏｓｃｔ：発振回路（発光付勢手段） ＶＧＵ：音声合成装置（報知手段） ＣＲＴＩ、ＣＲＴ２　ニブラウン管表示装置ＤＥＭ：復
調回路 ＣＰＵ：マイクロコンピュータ（電子制御手段）２０− 第１　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光手段、および該発光手段の近傍に該発光手段
   と実質上同一方向に光軸を向けて該発光手段を囲む位置
   に配置した複数の受光手段を備え、ステアリングホイー
   ルに配置された少なくとも１組の心拍検出手段； 発光手段を付勢する発光付勢手段； 心拍測定開始を指示するスイッチ手段；表示および音出
   力の少なくとも一方を行なう報知手段；および 前記スイッチ手段の操作に応じて前記受光手段からの電
   気信号の所定時間あたりの変動回数もしくは変動周期に
   応じた値を演算し、その結果に応じて前記報知手段を付
   勢する、電子制御手段；を備える車上心拍計。
2. （２）心拍検出手段は複数であり、それぞれステアリン
   グホイールの上方に光軸を向けて互いに所定の間隔をお
   いて配置された、前記特許請求の範囲第（１）項記載の
   車上心拍計。
3. （３）Ｊｌ！先付勢手段は、所定周期で間欠的に発光手
   段を付勢する、前記特許請求の範囲第（１）項記載の車
   上心拍計。