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発明の名称 光電容積脈波計
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2000−139862(P2000−139862A)
公開日 平成12年5月23日(2000.5.23)
出願番号 特願平10−318844
出願日 平成10年11月10日(1998.11.10)
代理人 【識別番号】100104916
【弁理士】
【氏名又は名称】古溝 聡 (外1名)
【テーマコード(参考)】
4C017
【Fターム(参考)】
4C017 AA09 AB02 AC27 BC01 BC07 BC11 FF15 
発明者 中川原 実
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】生体の容積脈波の周波数よりも高い周波数により点滅する発光素子と、該発光素子から発光された光及び外光が測定対象の生体を透過及び/又は反射した光を受光し、受光光量に対応した信号レベルを有する信号を生成する受光手段と、該受光手段が生成した信号から、前記外光による信号成分を抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出された信号成分を、前記受光手段が生成した信号から減算することにより、前記受光手段が生成した信号中の外光に起因する信号を低減する低減手段と、前記低減手段により外光に起因する信号成分が低減された後の信号に基づいて、測定対象の生体の容積脈波を表す信号を生成する手段と、を備えることを特徴とする光電容積脈波計。
【請求項2】生体の容積脈波の周波数よりも高い周波数により点滅発光する発光素子と、該発光素子から発光された光及び外光が測定対象の生体を透過及び/又は反射した光を受光し、受光光量に対応した電流を発生する受光素子と、該受光素子が発生した電流を電圧に変換して出力する変換手段と、を有する光電容積脈波計であって、前記変換手段から出力される電圧信号から、前記発光素子の点滅による高周波の信号成分を除去する高域遮断フィルタと、前記高域遮断フィルタから出力される電圧と予め設定される基準電圧との差を増幅して出力する差動増幅手段と、前記差動増幅手段の出力電圧を電流信号に変換して、前記受光素子が発生する電流から減算する手段と、を備えることを特徴とする光電容積脈波計。
【請求項3】生体の容積脈波の周波数よりも高い周波数により点滅発光する発光素子と、該発光素子から発光された光及び外光が測定対象の生体を透過及び/又は反射した光を受光し、受光光量に対応した電圧信号を出力する受光手段と、該受光手段が発生した電圧信号に基づいて、容積脈波を示す信号を出力する手段と、を有する光電容積脈波計であって、前記変換手段から出力される電圧信号から、前記発光素子の点滅による高周波の信号成分を除去する高域遮断フィルタと、前記高域遮断フィルタから出力される電圧と予め設定される基準電圧との差を増幅して出力する差動増幅手段と、前記差動増幅手段の出力電圧を、前記受光手段が出力した電圧信号から減算する手段と、を備えることを特徴とする光電容積脈波計。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、生体の脈波等の容積脈波の計測を行う光電容積脈波計に関する。
【0002】
【従来の技術】図3は、従来の光電容積脈波計の構成を示す構成図である。同図に示す光電容積脈波計においては、発光ダイオード2は、発振器1によって、脈波に対して十分に高い周波数に基づいて点滅駆動されることにより発光する。この発光ダイオード2から発光された光及び外光7は、生体6を透過(または反射)してフォトダイオード3に入射される。フォトダイオード3がその入射光量に対応した電流を発生すると、その電流は、電流電圧変換器4に入力され、電圧に変換された後、更に、復調器5に入力される。復調器5は、入力した電圧信号から、外光の周波数成分を除去する為に、発光ダイオード2が発光した光に対応した信号を抽出し、容積脈波信号を得る。
【0003】S/N比向上のために、初段増幅器である電流電圧変換器4の利得を高く設定しなければならないが、その利得を高く設定すると、外光7に起因するフォトダイオード3の起電流により、増幅器(すなわち電流電圧変換器4)に設定される利得の飽和が生じる。このため、電流電圧変換器4には高利得の設定が出来ないという問題があった。そこで、図4に示すように、フォトダイオード3と、フォトダイオード3に逆方向の電圧を供給するための逆バイアス用の高電圧電源13と、負荷抵抗14とを直列接続した閉回路を形成し、更にフォトダイオード3と抵抗14との接続部と初段増幅器16の入力端子との間にコンデンサ15を接続した回路を形成することにより、初段増幅器16に設定される利得が飽和しないようにしている。
【0004】また、その他の装置として、特開平1−232928号、特開平8−80288号及び特開平9−70394号の各号に開示されたものが知られている。特開平1−232928号に開示された装置は、発光部による生体組織透過光を検知する受光部に対して、指先脈波を検知する透過光のみを受光部に透過するフィルタを利用することにより、脈波以外の光量変化の検知を抑制するようにしている。
【0005】また、特開平8−80288号に開示された装置は、生体の一部に向けて光を照射する発光部(発光ダイオード)、及び該発光部が発した光を生体を介して受光する受光部(フォトトランジスタ)、のそれぞれの素子の光波長帯域として、生体内において外光の影響を受けにくい波長300nm〜700nmの光を利用することにより、大掛かりな遮光構造がなくとも使用条件に対する制約を緩和するようにしている。
【0006】さらに、特開平9−70394号に開示された装置は、生体の一部に向けて光を照射する発光部(発光ダイオード)と、電池の出力電圧を昇圧して発光ダイオードに供給するための容量素子とを備え、その発光ダイオードを間欠発光させて、電力消費を抑制すると共に、その容量素子により、その間欠発光に伴う電源電圧の変動を抑制するようにしている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した図3に示した従来の光電容積脈波計において、図4に示すような回路を形成した装置は、ダイナミックレンジの拡大は可能であるが、直線性を有する動作範囲が狭まってしまう。このため、光電容積脈波計の様なリニアリティを要する装置には適さない。また、高電圧電源の正極側は、生体に装着されるフォトダイオードの一端に接続されるので、感電に対する対策が必要であり、安全性を要する。
【0008】また、上記特開平1−232928号に開示された装置においては、フィルタを用いた光検知の波長域は、生体組織による減衰が少なく、脈波即ち血中ヘモグロビン量の変化の検出を可能とする条件により、600nm以上の波長を用いている。このため、蛍光灯等の外乱光の影響は少ないが、太陽光等600nm以上の波長を含む外乱光に対しては、フィルタの効果は無い。
【0009】また、この波長600nm以上の光において、生体組織は比較的良好な導光体となり、受光部の遠方の皮膚表面に照射された光が透過・反射・拡散により、その一部が受光部に到達することは良く知られている。これを抑制するためには、受光部の周囲を適当な範囲で遮光する必要がある。
【0010】一方、受光部は、CdS(硫化カドミウム)光電セル等の従前より使用されている一般的な回路構成を採用している為、外乱光、特に太陽光による受光部の飽和という問題かある。従って、上記公報の装置では、太陽光等の外乱光の影響を抑制する為には、受光部周辺の大掛かりな遮光及び受光部の飽和対策を必要とする。
【0011】また、上記特開平8−80288号に開示された装置においては、生体組織による減衰効果の大きい700nm以下の波長域、即ち、300nm〜700nmを利用することにより、太陽光等の外乱光が生体表面に照射されても、生体内においては、その減衰が大きいということと、血中ヘモグロビンの吸光度が高いということを利用して、外乱光の影響が抑制された脈波検出を行っている。しかし、発光部(発光ダイオード)が体表面に照射する光も外乱光と同様の減衰を伴うため、発光ダイオードは、外乱光が無視できる程度の大光量を発光する必要があり、それに伴い大きな消費電力を必要としている。このため、携帯型装置等への応用は実用的ではない。
【0012】また、発光ダイオードが外乱光に対して十分な光量の発光が確保できないことから、センサ固定用バンドに簡易的な遮光の役割を持たせており、外乱光の遮光が簡易化されるのみであり、遮光そのものが不要となる訳ではない。
【0013】また、発光ダイオード、及びフォトトランジスタが装着される指の太さや位置または個体差によってフォトトランジスタの受光量は大きく変化するにも関わらず、そのフォトトランジスタの動作点、即ち光検知感度とダイナミックレンジは、実験的に求められたある一点に固定しなければならず、その決定された動作点が常に最適とは限らない。
【0014】さらに、上記特開平9−70394号に開示された装置では、発光ダイオードは大光量の発光を必要とするため、間欠発光という手段により電力消費を抑制し、携帯型装置を実現するようにしているが、外乱光遮光の必要性、フォトトランジスタの動作点の最適化、測定部位の限定等の問題がある。
【0015】そこで、本発明は、容積脈波検出感度及びそのリニアリティを向上させることができると共に、広範囲のダイナミックレンジにより高感度の光電容積脈波検出を行うことができる光電容積脈波計を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明の第1の観点に係る光電容積脈波計は、生体の容積脈波の周波数よりも高い周波数により点滅する発光素子と、該発光素子から発光された光及び外光が測定対象の生体を透過及び/又は反射した光を受光し、受光光量に対応した信号レベルを有する信号を生成する受光手段と、該受光手段が生成した信号から、前記外光による信号成分を抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出された信号成分を、前記受光手段が生成した信号から減算することにより、前記受光手段が生成した信号中の外光に起因する信号を低減する低減手段と、前記低減手段により外光に起因する信号成分が低減された後の信号に基づいて、測定対象の生体の容積脈波を表す信号を生成する手段と、を備えることを特徴とする。
【0017】このような構成の光電容積脈波計においては、外光に起因する信号成分が、受光手段の出力する信号から除去又は低減される。従って、脈波の測定を正確に行うことができると共に外光の許容範囲すなわちダイナミックレンジを拡大することができる。
【0018】また、本発明の第2の観点に係る光電容積脈波計は、生体の容積脈波の周波数よりも高い周波数により点滅発光する発光素子と、該発光素子から発光された光及び外光が測定対象の生体を透過及び/又は反射した光を受光し、受光光量に対応した電流を発生する受光素子と、該受光素子が発生した電流を電圧に変換して出力する変換手段と、を有する光電容積脈波計であって、前記変換手段から出力される電圧信号から、前記発光素子の点滅による高周波の信号成分を除去する高域遮断フィルタと、前記高域遮断フィルタから出力される電圧と予め設定される基準電圧との差を増幅して出力する差動増幅手段と、前記差動増幅手段の出力電圧を電流信号に変換して、前記受光素子が発生する電流から減算する手段と、を備えることを特徴とする。
【0019】さらに、本発明の第3の観点に係る光電容積脈波計は、生体の容積脈波の周波数よりも高い周波数により点滅発光する発光素子と、該発光素子から発光された光及び外光が測定対象の生体を透過及び/又は反射した光を受光し、受光光量に対応した電圧信号を出力する受光手段と、該受光手段が発生した電圧信号に基づいて、容積脈波を示す信号を出力する手段と、を有する光電容積脈波計であって、前記変換手段から出力される電圧信号から、前記発光素子の点滅による高周波の信号成分を除去する高域遮断フィルタと、前記高域遮断フィルタから出力される電圧と予め設定される基準電圧との差を増幅して出力する差動増幅手段と、前記差動増幅手段の出力電圧を、前記受光手段が出力した電圧信号から減算する手段と、を備えることを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。図1は、本発明に係る光電容積脈波計の一実施形態を示すブロック図である。この光電容積脈波計は、発光ダイオード等の発光素子により、生体組織の被測定部に光を照射して、フォトダイオード等の受光素子により、生体組織の被測定部を透過又は反射した光を検出し、この検出した信号に基づいて、生体組織の容積脈波の変化を求めるものであり、発振器1と、発光ダイオード2と、フォトダイオード3と、電流電圧変換器4と、復調器5と、電流加算器8と、高域遮断フィルタ9と、誤差増幅器10と、抵抗11とを備えている。
【0021】発光ダイオード2は、生体6に光を照射する光源として設けられるものであり、容積脈波信号に対して十分に高い周波数で発振する発振器1により点滅駆動される。
【0022】フォトダイオード3は、発光ダイオード2の発光した光及び外光7が生体6を透過(または反射)して入射した入射光量に対応した電流を発生する。
【0023】電流電圧変換器4は入力した電流を電圧に変換すると共に、該変換した電圧を所定の利得で増幅して出力する。
【0024】復調器5は、発振器1の発振信号に基づいて、電流電圧変換器4から出力された出力信号を復調する。すなわち、発光ダイオード2の発光した光に対応した信号つまり、容積脈波信号を出力する。
【0025】電流加算器8は、一方の入力端子にフォトダイオード3からの出力電流を入力し、他方の入力端子に抵抗11からの出力電流を入力し、これらの入力端子に入力された電流を加算して出力する。
【0026】高域遮断フィルタ9は、入力した電流電圧変換器4の出力信号から、高周波成分の信号を除去する。
【0027】誤差増幅器10は、マイナス(−)入力端子側に高域遮断フィルタ9の出力信号を入力し、プラス(+)入力端子側に基準電圧12を入力し、これらの端子に入力された2つの電圧の差を求め、この差を増幅した電圧を出力する。この出力信号は、誤差信号として出力され、抵抗11を介して電流に変換された後、電流加算器8の他方の入力端子側に入力される。上記基準電圧は、発光ダイオード2が発光した光の光量に対応する電流を電圧に変換し、増幅する際に、電流電圧変換器4の動作点が飽和しない値(すなわち、利得が飽和しない値)に設定されている。
【0028】係る構成の光電容積脈波計の処理動作について説明する。発光ダイオード2は、発振器1から発振され、脈波信号よりも十分に高い周波数の発振信号に基づいて、点滅駆動され、発光する。この発光された光は、生体6に入射され、生体6を反射又は透過した後、フォトダイオード3に入射される。外光7は、生体6に入射され、生体6を反射又は透過した後、フォトダイオード3に入射される。フォトダイオード3は、生体6を反射又は透過した光を受光し、該受光した光の光量に対応した電流を発生する。この電流は、電流加算器8の一方の入力端子に入力される。
【0029】しかし、電流加算器8の他方の入力端子には何も入力されていないので、電流加算器8からは、入力した電流そのものが出力され、電流電圧変換器4に入力される。
【0030】電流電圧変換器4は、入力した電流を電圧に変換し、該変換した電圧を所定の利得で増幅して出力する。この出力信号は、フォトダイオード3が、発光ダイオード2の発光に起因して発生する電流信号(高周波数成分の信号)と、フォトダイオード3が、外光7に起因して発生する電流信号(直流成分の信号)とから形成されている。
【0031】そして、電流電圧変換器4からの出力信号は、高域遮断フィルタ9及び復調器5に入力される。
【0032】高域遮断フィルタ9は、入力した電圧信号から、発光ダイオード2の点滅に起因する周波数成分(高周波数成分)を除去して出力する。従って、この出力信号は、外光7に起因する直流成分を主体とする信号となる。
【0033】高域遮断フィルタ9から出力された出力電圧が、誤差増幅器10の一方の端子に印加されると、誤差増幅器10は、その電圧と、既に他方の入力端子に印加されている基準電圧との差を求め、この差を増幅した電圧を出力する。この出力信号(すなわち誤差信号)は、抵抗11を介して電流に変換された後、電流加算器8の他方の入力端子に入力される。
【0034】すると、電流加算器8は、抵抗11を介して入力された電流と、フォトダイオード3が発生した電流とを加算し電流電圧変換器4へ出力する。フォトダイオード3が発生した電流は、フォトダイオード3が、発光ダイオード2の発光に起因して発生した電流(高周波数成分の電流)と、フォトダイオード3が、外光7に起因して発生した電流(低周波数成分の電流)とを含む電流であるので、電流加算器8は、その電流から、抵抗11を介して入力された電流(直流成分の電流)を除去した電流、つまり、発光ダイオード2が点滅発光した光に対応する高周波数成分の電流を出力する。
【0035】従って、電流電圧変換器4は、フォトダイオード3が出力した電流のうち、発光ダイオード2からの光に起因する高周波数成分の電流を電圧に変換し、その電圧を増幅して復調器5へ出力することになる。
【0036】そして、復調器5は、発振器1からの発振信号に基づいて、入力した電圧信号を容積脈波を示す容積脈波信号に復調し、出力する。
【0037】従って、この容積脈波計によれば、外光7に起因する電流(すなわち、ほぼ直流成分の電流)を相殺することにより、電流電圧変換器4へ入力する電流を発光ダイード2の発光に起因する信号を主体とするものとすることができる。
【0038】つまり、外光7に起因するフォトダイオード3の起電流を除去することができるので、その起電流による電流電圧変換器4に設定された利得の飽和を抑制し、外光7の許容範囲即ちダイナミックレンジを拡大することができる。このダイナミックレンジが拡大したフォトダイオード3の出力特性を図2に示す。この図2においては、符号20で示される点線、即ち電流I1から電流I2までの点線上で動作することが示されている。
【0039】以上説明したように、本実施形態によれば、電流加算器8からは、フォトダイオード3が発生した電流(高周波数成分及び低周波数成分の電流)から、抵抗11を介して入力された電流(低周波数成分の電流)を除去した電流、つまり、発光ダイオード2が発光した光に対応する高周波数成分の電流が出力されるので、その電流を入力する電流電圧変換器4に設定された利得の飽和を抑制することができる。これは、外光7の許容範囲即ちダイナミックレンジを拡大することができるということを意味する。
【0040】また、本実施形態によれば、外光の許容範囲は、電流電圧変換器4に設定される利得とは独立して設計することが可能となる。その理由は、電流電圧変換器4とは独立して設けられている誤差増幅器10の出力電圧が、抵抗11を介して変換された電流(外光に起因するフォトダイオード3の起電流)と、外光に起因するフォトダイオード3の起電流とが、電流加算器8によって相殺されるからである。
【0041】なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記実施の形態においては、発光素子として発光ダイオード、受光素子としてフォトダイオードを例示したが、発光素子及び受光素子は任意であり、例えば、フォトトランジスタなどを使用することも当然可能である。
【0042】また、フォトダイオード3の出力信号から、外光に起因する信号成分を抽出するための回路、抽出した信号成分をフォトダイオード3の出力信号から減算するための回路、などの構成も任意に変更及び応用が可能である。例えば、上記実施の形態においては、フォトダイオードが出力した電流信号から、外光に起因する電流信号成分を減算することにより、測定用の信号から外光の影響を除去又は低減したが、電圧信号について同様の処理を行うことも可能である。この場合、例えば、図1において、電流加算器8と抵抗11とを削除し、電流電圧変換器4の出力電圧と差動増幅器10の出力電圧の和を取って、復調器5に供給する回路構成としてもよい。
【0043】なお、この発明の光電容積脈波計によれば、低電圧駆動の回路に於いても、フォトダイオードの出力特性全体を利用する様なダイナミックレンジの設定をすることができる。その理由は、一般的な、フォトダイオードの出力電流は最大でも数mA程度であり、これを相殺するために必要な電流の発生は、低電圧駆動回路に於いても十分可能であるからである。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、信号処理により、外光に起因する信号成分が低減又は抑圧されるので、外光の許容範囲すなわちダイナミックレンジを拡大することができる。




 

 


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