JP2002000575A

JP2002000575A - 心拍センサ及び心拍数算出方法

Info

Publication number: JP2002000575A
Application number: JP2000188904A
Authority: JP
Inventors: Shinji Uchida; 真司内田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2000-06-23
Publication date: 2002-01-08

Abstract

(57)【要約】【課題】運動中の心拍数を、連続的に安定して測定す
ることができる心拍センサ及び心拍数算出方法を提供す
る。【解決手段】生体２０に照射するための光を出射する
光源１１、光源１１から出射され生体２０を経由した光
を受光する光センサ１２、１３、及び光センサ１２、１
３において受光した光に対応する信号を用いて心拍数を
算出する信号処理部１４を備えた心拍センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人をはじめとする
生体の心拍数を測定する装置及び心拍数算出方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の心拍数を測定する装置としては、
例えば、米国特許第５，２９９，５７０号に開示されて
いる。

【０００３】この測定装置は、光源と光センサ−を備え
ており、この測定装置を生体の皮膚上に設置して、光源
から出射して生体内を伝搬し光センサ−に到達した光を
検出することにより、血液中の酸素飽和度や心拍数等の
生体情報を非侵襲的に測定するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の測定装
置では以下の問題点を有していた。

【０００５】光源から出射して生体中を伝搬して光セン
サに到達した光の光量は、生体と光源との距離、生体と
光センサとの距離、光源と光センサとの距離や、光の通
過経路に存在する血液量等によって大きく変化する。

【０００６】従って、測定装置に力が加わった場合に
は、光センサが生体内部にめり込んで、光センサと生体
中の血管との距離が変化したり、場合によっては、血管
中を流れる血液量までもが変化し、検出光量が大きく変
わることにより、測定結果に影響を与えるという問題点
を有していた。

【０００７】また、太陽光、照明光などの別の光源から
の光が生体に照射された場合も同様に、これらの外乱光
が生体内を伝搬し光センサに到達するため、検出光量が
大きく変わることにより、正確な心拍数が計測できない
という問題点を有していた。

【０００８】このため従来の装置では、外乱光の影響を
受けない場所で、かつ安静な状態で測定を行う必要があ
り、運動中に連続的に心拍数を測定することは不可能で
あった。

【０００９】そこで本発明は上記の問題点に鑑み、運動
中の心拍数を、連続的に安定して測定することができる
心拍センサ及び心拍数算出方法を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明による心拍センサは、生体に照射するための
光を出射する光源、前記光源から出射され生体を経由し
た光を受光する少なくとも２つの光センサ、及び少なく
とも２つの前記光センサにおいて受光した光に対応する
信号を用いて心拍数を算出する信号処理手段を備えたこ
とを特徴とする。

【００１１】また、本発明による心拍数算出方法は、生
体に光を照射する工程、生体に入射し生体を経由した光
を少なくとも２つの光センサで受光する工程、及び少な
くとも２つの前記光センサにおいて受光した光に対応す
る信号を用いて心拍数を算出する工程を有することを特
徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１から図４を用いて説明する。

【００１３】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１による心拍センサを示す断面図である。１１は光
源で、１２、１３が光センサである。

【００１４】光源１１としては、特に限定なく用いるこ
とができるが、ここでは波長９５０ｎｍのＬＥＤを用い
た。光センサ１２、１３としては、特に限定されない
が、シリコンフォトダイオ−ドや固体撮像素子が好まし
い。ここでは、シリコンフォトダイオ−ドを用いた。こ
こで、光センサ１２、１３は、光源１１を中心にして光
源１１の両側に設けられていればよい。中でも、光セン
サ１２、１３は、光源１１を中心としてほぼ対称に配置
されていることが好ましい。また、光センサ１２、１３
と光源１１との距離は、２ｍｍ以上であることが好まし
い。本実施の形態では、光センサ１２、１３を、光源１
１を中心としてほぼ対称に配置し、光センサ１２、１３
と光源１１との距離を２ｍｍ以上に設定した。

【００１５】１６は光源１１及び光センサ１２、１３を
保持する保持台であり、光源１１及び光センサ１２、１
３を固定するとともに、生体２０から光源１１及び光セ
ンサ１２、１３までの距離を一定にする役割を有する。

【００１６】本実施の形態では保持台１６を生体２０に
密着させた場合を説明するが、本発明はこれに限定する
ものでなく、保持台１６が生体２０と非接触であっても
構わない。

【００１７】１４は、光源１１を発光させ、光センサ１
２、１３より得られた信号を用いて心拍数を算出するた
めの信号処理部である。１５は表示部であり、信号処理
部１４で算出された心拍数を表示するものである。信号
処理部１４及び表示部１５は表示装置１８内に設けられ
ており、ケーブル１７を介して保持台１６と接続してい
る。本実施の形態では、保持台１６と表示装置１８がケ
ーブル１７を介して接続されているが、保持台１６と表
示装置１８は送受信手段により無線で情報を伝達しても
よく、また保持台１６と表示装置１８が一体化されてい
てもよい。

【００１８】光源１１から出射した光は、生体２０上に
照射され、生体２０内部を散乱しながら拡散していく。
生体２０内部を散乱し、血管１９を経由した光の一部
は、光センサ１２、１３に到達する。光センサ１２、１
３に到達した光は、信号処理部１４において強度に応じ
た信号に変換され、２つの信号の和または平均値が算出
される。

【００１９】心臓の脈拍に対応して、血管１９内を流れ
る血液の流量は変化するが、光センサ１２、１３の検出
信号は、血液の流量変化にともなう吸光度変化などによ
り周期的に変化する。この検出信号の周期的変化に基づ
いて心拍数を算出する。

【００２０】本実施の形態によると、運動中であって
も、連続的に安定した心拍数を検出することができる。
以下、その原理について説明する。

【００２１】ここで、保持台１６が僅かに生体２０に触
れているだけで、ほとんど生体２０への押し当て力が無
い場合で、運動中に保持台１６の左端部すなわち光セン
サ１２の上部に、何らかの力が加わったときを例にして
説明する。このとき、生体２０に保持台１６の左端部が
押しつけられることにより、保持台１６の左端部が若干
生体２０にめり込み、その反動として、保持台１６の右
端部（光センサ１３側）が生体２０より離れ、僅かなが
ら浮いているものとする。すなわち、光源１１を中心と
した回転運動が起こった場合について説明する。

【００２２】光センサ１２の上部に力が加わらない場合
は、血液の流量は安定に流れるとともに、光センサ１
２、１３と血管１９の距離は一定なので安定に心拍数を
検出できる。

【００２３】しかし、光センサ１２の上部に力が加わっ
た場合は、光センサ１２は生体２０に密着し、血管１９
に近づく。これにより、光センサ１２において生体２０
を経由した光がより多く検出されるようになる。

【００２４】一方、光センサ１３は、光源１１に対して
光センサ１２とほぼ対称に配置されているので、光セン
サ１３は血管１９から離れる方向に動くために、光セン
サ１３において得られる検出信号量は減少する。

【００２５】したがって、光センサ１２及び光センサ１
３の信号の和または平均値を求めることで、光センサ１
２で起きた信号の増加分を、光センサ１３で同時に起こ
った信号の減少分により補償することができ、運動中に
心拍センサの片側に力が加わることにより、急激な光セ
ンサの信号強度変化が起こった場合でも、安定して測定
することができる。

【００２６】信号強度の変化がゆっくりとした場合であ
れば、電気的に補正して心拍検出を安定にすることも可
能であるが、運動中に起こるような、急激な変化の場合
には電気的に抑制することは非常に困難である。

【００２７】（実施の形態２）図２に、本発明の実施の
形態２による心拍センサの表示装置を除いた断面図を示
す。光源２１及び光センサ２２、２３としては、実施の
形態１と同様のものを用いた。

【００２８】一般に、生体に照射された光は、生体内部
を散乱しながら伝搬していき、一部は再び表面から出射
することが知られている。

【００２９】また、光センサ２２で検出される光は、光
源２１と光センサ２２の距離の約１／２に相当する長さ
だけ、生体の深さ方向に侵入した光を多く含むことが知
られている。従って、光センサ２３では、光センサ２２
に比べて生体の深い部分まで侵入した光を検出すること
ができる。

【００３０】本実施の形態は、このような原理を利用す
るものであり、光センサ２２と光源２１の距離を２ｍｍ
以下、光センサ２３と光源２１の距離を２ｍｍより大き
い値に設定する。

【００３１】光センサ２２と光源２１の距離を２ｍｍ以
下にすることにより、光センサ２２で検出される信号の
成分は、生体２０の表面を伝搬した光を多く含むため
に、光センサ２２では血流変化に伴う光の吸光度変化が
少ない信号を検出することができる。

【００３２】また、光センサ２３を光源２１との距離が
２ｍｍより大きい位置に設置することにより、光センサ
２３で検出した光は、生体２０内部を伝搬した光を、光
センサ２２よりも多く含んでいるため、光センサ２３で
は血流変化に伴う光の吸光度変化が多い信号を検出する
ことができる。光センサ２２、２３に到達した光は、信
号処理部において強度に応じた信号に変換され、２つの
信号の商または差が算出される。

【００３３】本実施の形態によると、心拍センサに垂直
方向から力が加わった場合でも安定して心拍数の測定を
行うことができる。以下、その原理を、２つの信号の商
を用いる場合について説明する。

【００３４】保持台２４に垂直方向から外力２５が加わ
ると、光センサ２２、２３と血管１９との距離が変わる
ことにより検出信号強度が急激に変化したり、また押さ
えすぎると血液の流れが変化することにより光の吸光量
が変化し、検出信号強度が急激に変化する場合が考えら
れる。従来の方法では、このような変化に大きく影響さ
れ、正確な心拍数検出は困難であった。

【００３５】保持台２４に垂直方向から外力２５が加わ
って、光源２１及び光センサ２２、２３が血管１９に近
づいて、光センサ２３の検出光量が変化した場合は、光
センサ２２の光量も同様に変化する。

【００３６】今、光センサ２２の信号がａ倍、光センサ
２３の信号がｂ倍変化したとする。外力２５が加わる前
には、光センサ２３の信号と光センサ２２の信号の商Ｘ
は、

【００３７】

【数１】

【００３８】で表され、その値に基づいて心拍数が算出
される。それに対して、外力２５が加わった時の光セン
サ２３の信号と光センサ２２の信号の商Ｙは、

【００３９】

【数２】

【００４０】に変化するが、おおよそａ≒ｂであるた
め、

【００４１】

【数３】

【００４２】と近似することができ、原信号と同様の値
になるので、信号強度変化を抑制することができる。

【００４３】従って、２つの光センサでの信号の商に基
づいて心拍数を求めることにより、垂直方向からの外力
による、生体内を伝搬する光の急激な増減の影響を抑制
する効果を発揮することができる。ここで、２つの光セ
ンサでの信号の差を用いても、同様の効果を得ることが
できる。

【００４４】また、本実施の形態によると、生体に太陽
光、照明光などの外乱光が照射された場合の影響も低減
することができる。

【００４５】ここで、生体２０内に入射した外乱光２６
も、光源２１からの光と同様に生体２０内を散乱しなが
ら伝搬するが、その一部は光センサ２２、２３に入射す
る。２つの光センサ２２、２３とも外乱光２６の影響を
受けるので、本実施の形態のように光センサ２２、２３
での信号の商または差を用いることにより、急激な信号
強度変化を大幅に抑制できるため、より正確な心拍数を
安定して得ることができる。ここで、光センサ２２と光
センサ２３の距離は３ｍｍ以内であることが好ましい。
このようにすると、光センサ２２と光センサ２３が外乱
光により受ける影響がほぼ同程度となるので、外乱光の
影響をより小さくすることができる。

【００４６】（実施の形態３）図３に、本発明の実施の
形態３による心拍センサの表示装置を除いた断面図を示
す。３１が光源で、３２と３３が光源３１を中心として
２ｍｍ以内に設けられた、生体内を伝搬する光を主に計
測するための照射光計測用光センサで、３４と３５は光
源３１を中心として２ｍｍより大きい距離に設けられ
た、生体内部を伝搬してきた光を検出して血液の脈動信
号を検出するための心拍信号計測用光センサである。光
源及び光センサとしては、実施の形態１と同様のものを
用いた。

【００４７】本実施の形態では、照射光計測用光センサ
３２と照射光計測用光センサ３３で検出した信号を平均
化するとともに、心拍信号計測用光センサ３４と心拍信
号計測用光センサ３５で検出した信号を平均化する。こ
れに代えて、それぞれ和を求めてもよく、また、各光セ
ンサの検出値に重み付けを行った後、平均値または和を
求めてもよい。

【００４８】それぞれの平均値が求まると、照射光計測
用光センサの平均値と心拍信号計測用光センサの平均値
の商Ｚを求める。ここで、Ｚは、

【００４９】

【数４】

【００５０】と表される。この式より、例えば、運動中
に心拍信号計測用光センサ３４または心拍信号計測用光
センサ３５の上部に外力が加わって、押し当て力に偏り
が生じ、それぞれの光センサの検出値が変化した場合に
は、

【００５１】

【数５】

【００５２】の項により、各々のセンサの信号の増減を
抑制する効果を発現することできる。

【００５３】また、光源３１の上部に垂直方向から外力
が加わって、一様に心拍信号計測用光センサ３４及び心
拍信号計測用光センサ３５で検出される光量が減少した
ときでも、照射光計測用光センサ３２及び照射光計測用
光センサ３３に到達する光の量が同様に減少するため、
Ｚを用いることにより、検出光量の急激な変化を抑制す
ることができる。

【００５４】また、太陽光、照明光などの外乱光が入射
した場合も、光センサすべてがその影響を受けて信号強
度が増加するので、同様に、Ｚを用いることにより、検
出光量の急激な変化を抑制することができる。

【００５５】本実施の形態では、商を用いた例について
説明したが、これに限定するものでなく、差を求めても
同様の効果を得ることができる。

【００５６】またここで、図４の平面図に示すように、
光源４１を中心とした同心円形状に照射光計測用光セン
サ４２が設けられ、さらにその外側に心拍信号計測用光
センサ４３が、光源４１を中心とした同心円形状に設け
られていることが好ましい。このようにすると、照射光
計測用光センサ４２及び心拍信号計測用光センサ４３に
おいて得られた信号の商または差に基づいて、心拍数を
求めることにより、いろいろな角度方向からの外力が働
いた場合でも、それらの影響を抑制する効果が得られ
る。

【００５７】

【発明の効果】本発明によると、心拍センサに外力が加
わった場合や外乱光が照射された場合であっても、それ
らの影響を抑制することができるため、運動中の心拍数
を、連続的に安定して測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における心拍センサの断
面図

【図２】本発明の他の実施の形態における心拍センサの
表示装置を除く断面図

【図３】本発明のさらに他の実施の形態における心拍セ
ンサの表示装置を除く断面図

【図４】本発明のさらに他の実施の形態における心拍セ
ンサの光源及び光センサの配置を示す平面図

【符号の説明】

１１，２１，３１，４１光源１２，１３，２２，２３光センサ３２，３３，４２照明光計測用光センサ３４，３５，４３心拍信号計測用光センサ１４信号処理部１５表示部１６，２４，３６保持台１７ケーブル１８表示装置１９血管２０生体２５外力２６外乱光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体に照射するための光を出射する光源、
前記光源から出射され生体を経由した光を受光する少な
くとも２つの光センサ、及び少なくとも２つの前記光セ
ンサにおいて受光した光に対応する信号を用いて心拍数
を算出する信号処理手段を備えたことを特徴とする心拍
センサ。
【請求項２】光源を中心にして前記光源の両側に設けら
れた２つの光センサを備えたことを特徴とする、請求項
１記載の心拍センサ。
【請求項３】前記２つの光センサと光源との距離が２ｍ
ｍより大きいことを特徴とする、請求項２記載の心拍セ
ンサ。
【請求項４】生体に光を照射する工程、生体に入射し生
体を経由した光を少なくとも２つの光センサで受光する
工程、及び少なくとも２つの前記光センサにおいて受光
した光に対応する信号を用いて心拍数を算出する工程を
有することを特徴とする心拍数算出方法。
【請求項５】請求項２または３記載の心拍センサを用
い、前記２つの光センサにおいて受光した光に対応する
信号の和または平均値を用いて心拍数を算出することを
特徴とする心拍数算出方法。
【請求項６】光源からの距離が２ｍｍ以内である位置に
設けられた照射光計測用光センサと、前記光源からの距
離が２ｍｍより大きい位置に設けられた心拍信号計測用
光センサとを備えたことを特徴とする、請求項１〜３の
いずれかに記載の心拍センサ。
【請求項７】照射光計測用光センサが略同心円形状で光
源の周りに設けられており、心拍信号計測用光センサが
略同心円形状で前記照射光計測用光センサの外側に設け
られていることを特徴とする、請求項６記載の心拍セン
サ。
【請求項８】請求項６または７記載の心拍センサを用
い、照射光計測用光センサにおいて受光した光に対応す
る信号と心拍信号計測用光センサにおいて受光した光に
対応する信号の商または差を用いて心拍数を算出するこ
とを特徴とする心拍数算出方法。