JP2017176263A - 生体情報測定装置、及び生体情報測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の生体情報を測定する際に、発光素子で消費される電力を削減する。【解決手段】互いに波長の異なる光を照射する発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２と、受光素子３とを備える生体情報測定装置１０は、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の単位時間あたりの発光素子ＬＤ２の発光回数が発光素子ＬＤ１の発光回数より少なくなるように、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光期間を制御し、受光素子３で受光した、発光素子ＬＤ１による光の受光量に対する周波数スペクトル、並びに、受光素子３で受光した、発光素子ＬＤ１による光の受光量及び発光素子ＬＤ２による光の受光量から、複数の生体情報を測定する。【選択図】図８

Description

本発明は、生体情報測定装置、及び生体情報測定プログラムに関する。

特許文献１には、基板と、前記基板上に配置されており、波長の相異なる複数の光を、被検体に対し少なくとも部分的に相互に重なるように照射する照射部と、前記基板上に配置されており、前記照射された複数の光に起因する前記被検体からの光を、前記波長別に検出する受光部とを備えることを特徴とする自発光型センサ装置が開示されている。

特許文献２には、第１の波長の光を発生する第１の発光素子と、第２の波長の光を発生する第２の発光素子と、前記第１および第２の発光素子をそれぞれ異なる時期に発光させる駆動回路と、前記第１および第２の発光素子の光が照射される位置に生体組織を配置されたときに前記第１の発光素子からの光であって前記生体組織を透過または散乱した光を受光するように配置された第１の受光素子と、前記第１および第２の発光素子からの光であって前記生体組織を透過または散乱した光を受光するように前記第１の受光素子から所定距離離れた位置に配置された第２の受光素子と、前記第１および第２の発光素子からの光による前記第２の受光素子の出力に基づいて前記生体組織の血液中の酸素飽和度を計算する酸素飽和度計算手段と、前記第１の発光素子からの光による前記第１および第２の受光素子の出力の相互相関関数に基づいて前記生体組織の血液の流速を計算する血流計算手段とを具備する酸素飽和度および血流測定装置が開示されている。

特許第４４７５６０１号公報 特開平７−２６５２８４号公報

血中の酸素飽和度及び血流情報といった複数の生体情報を測定する場合、異なる波長の光を照射する複数の発光素子を生体に向けて交互に発光させ、生体を透過又は反射した光の受光量の変化から生体情報を測定する手法が用いられることがある。

この場合、複数の発光素子を交互に発光しなくとも複数の生体情報を測定可能だとしても、複数の発光素子を交互に発光し、発光素子の駆動制御が継続して行なわれることから、生体情報の測定に関して必要以上の電力が消費されることになる。

本発明は、複数の生体情報を測定する際に、複数の発光素子を交互に発光させる場合と比較して、発光素子で消費される電力を削減することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の生体情報測定装置は、互いに波長の異なる光を照射する第１発光素子及び第２発光素子と、前記第１発光素子及び前記第２発光素子から照射される各々の光を受光する受光素子と、単位時間あたりの前記第２発光素子の発光回数が前記第１発光素子の発光回数より少なくなるように、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間を制御する制御手段と、前記受光素子で受光した光の各々から、複数の生体情報を測定する測定手段と、を備える。

請求項２記載の発明は、前記制御手段は、前記制御手段は、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間が重複しないように、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間を制御する。

請求項３記載の発明は、前記測定手段は、前記受光素子で受光した、前記第１発光素子による光の受光量に対する周波数スペクトル、並びに、前記受光素子で受光した、前記第１発光素子による光の受光量及び前記第２発光素子による光の受光量から、前記複数の生体情報を測定する。

請求項４記載の発明は、前記測定手段は、前記第１発光素子の発光期間における光の受光量と、前記第１発光素子の発光期間と隣接する前記第２発光素子の発光期間における光の受光量と、の組み合わせを用いて、前記複数の生体情報を測定する。

請求項５記載の発明は、前記測定手段は、特定の期間に含まれる前記第１発光素子の発光期間の各々における光の受光量の平均値を前記第１発光素子の発光期間における光の受光量とし、前記特定の期間に含まれる前記第１発光素子の発光期間の各々と隣接する、前記第２発光素子の各発光期間における光の受光量の平均値を、前記第２発光素子の発光期間における光の受光量とする。

請求項６記載の発明は、前記測定手段は、前記第１発光素子の発光期間及び前記第２発光素子の発光期間の少なくとも一方の発光期間において、複数回に亘って前記受光素子から受光量を取得し、取得した各々の受光量の平均値を、複数回に亘って前記受光素子から受光量を取得した発光期間における光の受光量とする。

請求項７記載の発明は、前記測定手段は、血流量と血流速度と血液量の少なくとも１つと、血中の酸素飽和度と、を含む生体情報を前記複数の生体情報として測定する。

請求項８記載の生体情報測定プログラムは、コンピュータを、請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の制御手段及び測定手段として機能させる。

請求項１、請求項３、及び請求項８記載の発明によれば、複数の生体情報を測定する際に、複数の発光素子を交互に発光させる場合と比較して、発光素子で消費される電力を削減することができる。

請求項２記載の発明によれば、発光期間が重複していないものに比較して、生体情報をより精度よく測定することができる。

請求項４記載の発明によれば、隣接していない発光期間における受光量を組み合わせる場合と比較して、生体情報を精度よく測定することができる。

請求項５記載の発明によれば、特定の一つの発光期間における受光量を用いて生体情報を測定する場合と比較して、生体情報を精度よく測定することができる。

請求項６記載の発明によれば、発光期間に受光量を１回取得する場合と比較して、生体情報を精度よく測定することができる。

請求項７記載の発明によれば、複数の生体情報を個別に測定する場合と比較して、測定時間を短縮することができる。

血流情報及び血中の酸素飽和度の測定例を示す模式図である。 生体からの反射光による受光量の変化の一例を示すグラフである。 血管にレーザ光を照射した場合に生じるドップラーシフトの説明に供する模式図である。 血管にレーザ光を照射した場合に生じるスペックルの説明に供する模式図である。 受光量の変化に対するスペクトル分布の一例を示すグラフである。 血流量の変化の一例を示すグラフである。 生体に吸収される光の吸光量の変化の一例を示すグラフである。 生体情報測定装置の構成例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置例を示す図である。 生体情報測定装置の電気系統の要部構成例を示す図である。 生体情報測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。 ＩＲ光を照射する発光素子及び赤色光を照射する発光素子の発光タイミング及び受光素子による受光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。 ＩＲ光を照射する発光素子及び赤色光を照射する発光素子の発光タイミング及び受光素子による受光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。 ＩＲ光を照射する発光素子及び赤色光を照射する発光素子の発光タイミング及び受光素子による受光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。 ＩＲ光を照射する発光素子及び赤色光を照射する発光素子の発光タイミング及び受光素子による受光タイミングの一例を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態例を詳細に説明する。なお、作用又は機能が同じ働きを担う構成要素には、全図面を通して同じ符合を付与し、重複する説明を省略する。

まず、図１を参照して、生体情報のうち、特に血液に関する生体情報の一例である血流情報及び血中の酸素飽和度の測定方法について説明する。

図１に示すように、血流情報及び血中の酸素飽和度は、患者の体(生体８)に向けて発光素子１から光を照射し、受光素子３で受光した、患者の体内に張り巡らされている動脈４、静脈５、及び毛細血管６等で反射又は透過した光の強さ、すなわち反射光又は透過光の受光量を用いて測定される。

（血流情報の測定）
図２は、受光素子３で受光した反射光の受光量を示すグラフ８０の一例である。なお、図２のグラフ８０の横軸は時間の経過を表し、縦軸は受光素子３の出力、すなわち受光素子３の受光量を表している。

図２に示すように、受光素子３の受光量は時間の経過に伴って変化するが、これは血管を含む生体８への光の照射に対して現われる３つの光学現象の影響を受けるためであると考えられる。

１つ目の光学現象として、脈動によって、測定している血管内に存在する血液量が変化することによる光の吸収の変化が考えられる。血液には、例えば赤血球等の血球細胞が含まれ、毛細血管６等の血管内を移動するため、血液量が変化することによって血管内を移動する血球細胞の数も変化し、受光素子３での受光量に影響を与えることがある。

２つ目の光学現象として、ドップラーシフトによる影響が考えられる。

図３に示すように、例えばレーザ光のような周波数ω₀のコヒーレント光４０を発光素子１から血管の一例である毛細血管６を含む領域に照射した場合、毛細血管６を移動する血球細胞で散乱した散乱光４２は、血球細胞の移動速度により決まる差周波Δω₀を有するドップラーシフトを生じることになる。一方、血球細胞等の移動体を含まない皮膚等の組織（静止組織）で散乱した散乱光４２の周波数は、照射したレーザ光の周波数と同じ周波数ω₀を維持する。したがって、毛細血管６等の血管で散乱したレーザ光の周波数ω₀＋Δω₀と、静止組織で散乱したレーザ光の周波数ω₀とが互いに干渉し、差周波Δω₀を有するビート信号が受光素子３で観測され、受光素子３の受光量が時間の経過に伴って変化する。なお、受光素子３で観測されるビート信号の差周波Δω₀は血球細胞の移動速度に依存するが、約数十ｋＨｚを上限とした範囲に含まれる。

また、３つ目の光学現象として、スペックルによる影響が考えられる。

図４に示すように、レーザ光のようなコヒーレント光４０を、発光素子１から血管中を矢印４４の方向に移動する赤血球等の血球細胞７に照射した場合、血球細胞７にぶつかったレーザ光は様々な方向に散乱する。散乱光は位相が異なるためにランダムに干渉し合う。これによりランダムな斑点模様の光強度分布を生じる。このようにして形成される光強度の分布パターンは「スペックルパターン」と呼ばれる。

既に説明したように、血球細胞７は血管中を移動するため、血球細胞７における光の散乱状態が変化し、スペックルパターンが時間の経過と共に変動する。したがって、受光素子３の受光量が時間の経過に伴って変化する。

次に、血流情報の求め方の一例について説明する。図２に示す時間経過に伴う受光素子３の受光量が得られた場合、予め定めた単位時間Ｔ₀の範囲に含まれるデータを切り出し、当該データに対して、例えば高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform:FFT)を実行することで、周波数ω毎のスペクトル分布が得られる。図５に、単位時間Ｔ₀における周波数ω毎のスペクトル分布を示すグラフ８２の一例を示す。なお、図５のグラフ８２の横軸は周波数ωを表し、縦軸はスペクトル強度を表す。

ここで、血液量はグラフ８２の横軸と縦軸とで囲まれた斜線領域８４で表されるパワースペクトルの面積を全光量で規格化した値に比例する。また、血流速度はグラフ８２で表されるパワースペクトルの周波数平均値に比例するため、周波数ωと周波数ωにおけるパワースペクトルの積を周波数ωについて積分した値を斜線領域８４の面積で除算した値に比例する。

なお、血流量は血液量と血流速度の積で表わされるため、上記血液量と血流速度の算出式より求める事が可能である。血流量、血流速度、血液量は血流情報の一例であり、血流情報はこれに限定されない。

図６は、算出した単位時間Ｔ₀あたりの血流量の変化を示すグラフ８６の一例である。なお、図６のグラフ８６の横軸は時間を表し、縦軸は血流量を表す。

図６に示すように、血流量は時間と共に変動するが、その変動の傾向は２つの種類に分類される。例えば図６の区間Ｔ_１における血流量の変動幅８８に比べて、区間Ｔ_２における血流量の変動幅９０は大きい。これは、区間Ｔ_１における血流量の変化が、主に脈の動きに伴う血流量の変化であるのに対して、区間Ｔ_２における血流量の変化は、例えばうっ血等の原因に伴う血流量の変化を示しているためであると考えられる。

（酸素飽和度の測定）
次に、血中の酸素飽和度の測定について説明する。血中の酸素飽和度とは、血液中のヘモグロビンがどの程度酸素と結合しているかを示す指標であり、血中の酸素飽和度が低下するにつれ、貧血等の症状が発生しやすくなる。

図７は、例えば生体８に吸収される光量の変化を示す概念図である。図７に示すように、生体８における吸光量は、時間の経過と共に変動する傾向が見られる。

更に、生体８における吸光の変動に関する内訳について見てみると、主に動脈４によって吸光量が変動し、静脈５及び静止組織を含むその他の組織では、動脈４に比べて吸光量が変動しないとみなせる程度の変動量であることが知られている。これは、心臓から拍出された動脈血は脈波を伴って血管内を移動するため、動脈４が動脈４の断面方向に沿って経時的に伸縮し、動脈４の厚みが変化するためである。なお、図７において、矢印９４で示される範囲が、動脈４の厚みの変化に対応した吸光量の変動量を示す。

図７において、時刻ｔ_aにおける受光量をＩ_a、時刻ｔ_bにおける受光量をＩ_bとすれば、動脈４の厚みの変化による光の吸光量の変化量ΔＡは、（１）式で表される。

（数１）
ΔＡ＝ｌｎ(Ｉ_b／Ｉ_a)・・・（１）

一方、動脈４を流れる酸素と結合したヘモグロビン（酸化ヘモグロビン）は、特に約８８０ｎｍ近辺の波長を有する赤外線(infrared:IR)領域の光を吸収しやすく、酸素と結合していないヘモグロビン（還元ヘモグロビン）は、特に約６６５ｎｍ近辺の波長を有する赤色領域の光を吸収しやすいことが知られている。更に、酸素飽和度は、異なる波長における吸光量の変化量ΔＡの比率と比例関係があることが知られている。

したがって、他の波長の組み合わせに比べて。酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとで吸光量の差が現われやすい赤外光(ＩＲ光)と赤色光を用いて、ＩＲ光を生体８に照射した場合の吸光量の変化量ΔＡ_IRと、赤色光を生体８に照射した場合の吸光量の変化量ΔＡ_Redとの比率をそれぞれ算出することで、（２）式によって酸素飽和度Ｓが算出される。なお、（２）においてｋは比例定数である。

（数２）
Ｓ＝ｋ(ΔＡ_Red／ΔＡ_IR)・・・（２）

すなわち、血中の酸素飽和度を算出する場合、それぞれ異なる波長の光を照射する複数の発光素子１、具体的には、ＩＲ光を照射する発光素子１と赤色光を照射する発光素子１とを一部の発光期間が重複しても良いが、望ましくは発光期間が重複しないよう発光させる。そして、各々の発光素子１による反射光又は透過光を受光素子３で受光して、各受光時点における受光量から（１）式及び（２）式、又は、これらの式を変形して得られる公知の式を算出することで、酸素飽和度が測定される。

上記（１）式を変形して得られる公知の式として、例えば（１）式を展開して、光の吸光量の変化量ΔＡを（３）式のように表してもよい。

（数３）
ΔＡ＝ｌｎＩ_b−ｌｎＩ_a・・・（３）

また、（１）式は（４）式のように変形することができる。

（数４）
ΔＡ＝ｌｎ(Ｉ_b／Ｉ_a)＝ｌｎ(１＋(Ｉ_b-Ｉ_a)／Ｉ_a) ・・・（４）

通常、（Ｉ_b-Ｉ_a）≪Ｉ_aであることから、ｌｎ(Ｉ_b／Ｉ_a)≒(Ｉ_b-Ｉ_a)／Ｉ_aが成り立つため、（１）式の代わりに、光の吸光量の変化量ΔＡとして（５）式を用いてもよい。

（数５）
ΔＡ≒(Ｉ_b-Ｉ_a)／Ｉ_a ・・・（５）

なお、ＩＲ光を照射する発光素子１と赤色光を照射する発光素子１とを区別して説明する必要がある場合、以降では、ＩＲ光を照射する発光素子１を「発光素子ＬＤ１」といい、赤色光を照射する発光素子１を「発光素子ＬＤ２」というようにする。また、一例として、発光素子ＬＤ１を血流量の算出で使用する発光素子１とし、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２を、血中の酸素飽和度の算出で利用する発光素子１とする。

既に説明したように、血流量の測定では、受光素子３で観測されるビート信号の差周波Δω₀は約数十ｋＨｚを上限とした範囲に含まれることから、少なくとも差周波Δω₀の２倍以上の周波数で発光素子ＬＤ１を発光させ、発光素子ＬＤ１による反射光を受光素子３で取得する必要がある。

したがって、血中の酸素飽和度の測定と組み合わせて考えると、例えば、発光素子ＬＤ２の発光周波数を発光素子ＬＤ１の発光周波数に合わせた上で、発光素子ＬＤ１と発光素子ＬＤ２の一部の発光期間が重複しても良いが、望ましくは発光期間が重複しないように発光素子ＬＤ１と発光素子ＬＤ２を交互に発光し、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光期間毎に受光素子３で受光量を取得すれば、血中の酸素飽和度が測定される。

しかしながら、血中の酸素飽和度を測定する場合、受光量の測定周波数は約３０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度で十分であることが知られているため、発光素子ＬＤ２の発光周波数は約３０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度で十分である。すなわち、発光素子ＬＤ１の発光周波数に合わせて発光素子ＬＤ２を発光させる必要はなく、発光素子ＬＤ２の発光周波数を、発光素子ＬＤ１の発光周波数より低くしてもよいことがわかる。

以降では、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２を交互に発光させる場合に消費される電力より少ない電力で、複数の生体情報を測定する生体情報測定装置について説明する。

図８は、本実施の形態に係る生体情報測定装置１０の構成例を示す図である。

図８に示すように、生体情報測定装置１０は、制御部１２、駆動回路１４、増幅回路１６、Ａ／Ｄ(Analog/Digital)変換回路１８、測定部２０、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３を備える。

制御部１２は、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２に駆動電力を供給する電力供給回路を含む駆動回路１４に、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光周期及び発光期間を制御する制御信号を出力する。

駆動回路１４は、制御部１２からの制御信号を受け付けると、制御信号で指示された発光周期及び発光期間に従って、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２に駆動電力を供給し、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２を駆動する。

増幅回路１６は、受光素子３で受光した光の強さに応じた電圧を、Ａ／Ｄ変換回路１８の入力電圧範囲として規定される電圧レベルまで増幅する。なお、ここでは一例として、受光素子３は受光した光の強さに応じた電圧を出力する素子とするが、受光素子３は受光した光の強さに応じた電流を出力してもよく、この場合、増幅回路１６は、Ａ／Ｄ変換回路１８の入力電流範囲として規定される電流レベルまで、受光素子３が出力する電流を増幅する。

Ａ／Ｄ変換回路１８は、増幅回路１６で増幅した電圧を入力として、当該電圧の大きさで表される受光素子３の受光量を数値化して出力する。

測定部２０は、Ａ／Ｄ変換回路１８で数値化された受光量を入力として、発光素子ＬＤ１によって照射された光の受光量に対してFFT処理を行って周波数ω毎のスペクトル分布を算出し、周波数ωと当該周波数ωにおけるスペクトル強度の積を周波数ωについて積分することで、血流量を測定する。

また、測定部２０は、Ａ／Ｄ変換回路１８で数値化された受光量を入力として、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２によって照射された光の受光量を、それぞれ時系列順に管理する。そして、測定部２０は、発光素子ＬＤ１の吸光量の変化量ΔＡ_IR、及び発光素子ＬＤ２の吸光量の変化量ΔＡ_Redを（１）式に従って算出し、吸光量の変化量ΔＡ_IRに対する吸光量の変化量ΔＡ_Redの割合を（２）式に従って算出することで、酸素飽和度を測定する。

図９に、生体情報測定装置１０における発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３の配置例を示す。図９に示すように、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３は、生体８の一方の面に向かって並べて配置される。この場合、受光素子３は、生体８で反射された発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の光を受光する。

しかし、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、及び受光素子３の配置は、図９の配置例に限定されない。例えば、図１０に示すように、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２と、受光素子３とを、生体８を挟んで対向する位置に配置するようにしてもよい。この場合、受光素子３は、生体８を透過した発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の光を受光する。

なお、ここでは一例として、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２は、共に面発光レーザ素子であるものとして説明するが、これに限らず、端面発光レーザ素子であってもよい。

測定部２０において血流量を測定する場合、既に説明したように、ビート信号による受光量のスペクトル分布を利用するため、発光素子ＬＤ１には他の光に比べてビート信号が発生しやすいレーザ素子を用いることが好ましい。

しかし、発光素子ＬＤ２から照射される光はレーザ光でなくても、発光素子ＬＤ２の吸光量の変化量ΔＡ_Redは算出されるため、発光素子ＬＤ２には、発光ダイオード(Light-Emitting Diode:LED)又は有機発光ダイオード(Organic Light-Emitting Diode:OLED)を用いてもよい。

次に、図１１を参照して、本実施の形態に係る生体情報測定装置１０の電気系統の要部構成について説明する。

図１１に示すように、本実施の形態に係る生体情報測定装置１０は、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光周期及び発光期間を制御する制御手段、並びに、生体８における血流量及び血中の酸素飽和度を測定する測定手段の一例としてのＣＰＵ(Central Processing Unit)３０を備える。また、生体情報測定装置１０は、各種プログラムや各種パラメータ等が予め記憶されたＲＯＭ(Read Only Memory)３２、及びＣＰＵ３０による各種プログラムの実行時のワークエリア等として用いられるＲＡＭ(Random Access Memory)３４を備える。

ＣＰＵ３０、ＲＯＭ３２、及びＲＡＭ３２は、生体情報測定装置１０の内部バス３６で互いに接続され、更に、内部バス３６には、発光素子ＬＤ１、発光素子ＬＤ２、受光素子３、増幅回路１６、及びＡ／Ｄ変換回路１８が各々接続される。

なお、ＣＰＵ３０には、指定した時点からの経過時間を計測するタイマが内蔵されている。

次に、図１２を参照して、生体情報測定装置１０の作用について説明する。

図１２は、ＣＰＵ３０が生体情報の測定を開始する指示を受け付けた場合に、ＣＰＵ３０によって実行される生体情報測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。生体情報測定処理を規定するプログラム（生体情報測定プログラム）は、例えばＲＯＭ３２に予めインストールされている。なお、生体情報測定プログラムの開始時点において、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２は、共にレーザ光を照射していない発光停止状態になっているものとする。

まず、ステップＳ１０において、ＣＰＵ３０は、ＣＰＵ３０に内蔵されるタイマＡ及びタイマＢの２つのタイマをリセットする。ここで、タイマをリセットするとは、タイマによる計測を停止し、タイマを停止した時点から新たに経過時間を計測し始めることを意味する。

ステップＳ２０において、ＣＰＵ３０は、ステップＳ１０でタイマＡをリセットしてから時間Ｔ₃以上経過しているか否かを判定する。当該時間Ｔ₃は、例えばＲＯＭ３２の予め定めた領域に予め記憶されるパラメータであり、発光素子ＬＤ１の発光期間から次の発光期間までの時間、すなわち、発光素子ＬＤ１の発光停止期間を決定する。

なお、発光素子ＬＤ１は血流量の測定に用いられるため、約数十ｋＨｚを上限とした範囲の周波数に対応する周期に設定される。

ステップＳ２０の判定処理が否定判定の場合には、ＣＰＵ３０はステップＳ２０の処理を繰り返し実行して、タイマＡが時間Ｔ₃以上経過するまで待機する。一方、肯定判定の場合にはステップＳ３０に移行する。

ステップＳ３０において、ＣＰＵ３０は、タイマＡをリセットする。

そして、ステップＳ４０において、ＣＰＵ３０は、駆動回路１４に対して発光素子ＬＤ１の発光開始を指示する発光開始指示を通知する。駆動回路１４は、発光開始指示を受け付けると発光素子ＬＤ１に駆動電力を供給し、発光素子ＬＤ１からレーザ光を照射させる。

ステップＳ５０において、ＣＰＵ３０は、発光素子ＬＤ１の発光期間に、受光素子３で受光された発光素子ＬＤ１による受光量をＡ／Ｄ変換回路１８から取得して、例えばＲＡＭ３４の予め定めた領域に記憶する。

ステップＳ６０において、ＣＰＵ３０は、ステップＳ２０でタイマＡをリセットしてから時間Ｔ₄以上経過しているか否かを判定する。当該時間Ｔ₄は、例えばＲＯＭ３２の予め定めた領域に予め記憶されるパラメータであり、発光素子ＬＤ１が発光してから発光を停止するまでの時間、すなわち、発光素子ＬＤ１の発光期間を決定する。

ステップＳ６０の判定処理が否定判定の場合には、ＣＰＵ３０はステップＳ６０の処理を繰り返し実行して、タイマＡが時間Ｔ₄以上経過するまで待機する。一方、肯定判定の場合にはステップＳ７０に移行する。

ステップＳ７０において、ＣＰＵ３０は、駆動回路１４に対して発光素子ＬＤ１の発光停止を指示する発光停止指示を通知する。駆動回路１４は、発光停止指示を受け付けると発光素子ＬＤ１への駆動電力の供給を停止し、発光素子ＬＤ１によるレーザ光の照射を停止させる。また、ＣＰＵ３０は、タイマＡをリセットする。

ステップＳ８０において、ＣＰＵ３０は、今度はステップＳ１０でタイマＢをリセットしてから時間Ｔ₅以上経過しているか否かを判定する。当該時間Ｔ₅は、例えばＲＯＭ３２の予め定めた領域に予め記憶されるパラメータであり、発光素子ＬＤ２の発光停止期間を決定する。なお、時間Ｔ₅は時間Ｔ₃より長い時間に設定する。具体的には、血中の酸素飽和度を測定する場合に用いられる、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２から各々照射される光の受光量の測定周波数、すなわち、約３０Ｈｚから１０００Ｈｚ程度の周波数に対応する周期に合わせて時間Ｔ₅を設定すればよい。

このように時間Ｔ₅を設定することで、以下で説明するように、発光素子ＬＤ２が発光してから次に発光するまでの発光周期が、発光素子ＬＤ１の発光周期より長く設定される。

ステップＳ８０の判定処理が否定判定の場合にはステップＳ２０に移行し、ＣＰＵ３０は、ステップＳ２０〜Ｓ８０の処理を繰り返すことによって、発光素子ＬＤ２の発光停止期間中に、発光素子ＬＤ１を時間Ｔ₃毎に時間Ｔ₄に亘って発光させる処理を繰り返し実行する。

一方、ステップＳ８０の判定処理が肯定判定の場合にはステップＳ９０に移行する。

以降のステップＳ９０〜Ｓ１３０では、発光素子ＬＤ２に対して、ステップＳ３０〜Ｓ７０に示した発光素子ＬＤ１と同様の発光開始動作及び発光停止動作を行う。

すなわち、ステップＳ９０において、ＣＰＵ３０は、タイマＢをリセットする。

ステップＳ１００において、ＣＰＵ３０は、駆動回路１４に対して発光素子ＬＤ２の発光開始を指示する発光開始指示を通知する。駆動回路１４は、発光開始指示を受け付けると発光素子ＬＤ２に駆動電力を供給し、発光素子ＬＤ２からレーザ光を照射させる。

ステップＳ１１０において、ＣＰＵ３０は、発光素子ＬＤ２の発光期間に、受光素子３で受光された発光素子ＬＤ２による受光量をＡ／Ｄ変換回路１８から取得して、例えばＲＡＭ３４の予め定めた領域に記憶する。

ステップＳ１２０において、ＣＰＵ３０は、ステップＳ９０でタイマＢをリセットしてから時間Ｔ₆以上経過しているか否かを判定する。当該時間Ｔ₆は、例えばＲＯＭ３２の予め定めた領域に予め記憶されるパラメータであり、発光素子ＬＤ２の発光期間を決定する。なお、時間Ｔ₆は、発光素子ＬＤ１の発光停止期間の長さを設定する時間Ｔ₃以下に設定される。

ステップＳ１２０の判定処理が否定判定の場合には、ＣＰＵ３０はステップＳ１２０の処理を繰り返し実行して、タイマＢが時間Ｔ₆以上経過するまで待機する。一方、肯定判定の場合にはステップＳ１３０に移行する。

ステップＳ１３０において、ＣＰＵ３０は、駆動回路１４に対して発光素子ＬＤ２の発光停止を指示する発光停止指示を通知する。駆動回路１４は、発光停止指示を受け付けると発光素子ＬＤ２への駆動電力の供給を停止し、発光素子ＬＤ２によるレーザ光の照射を停止させる。また、ＣＰＵ３０は、タイマＢをリセットする。

ステップＳ１４０において、ＣＰＵ３０は、既に説明した血流量の測定方法にしたがって、ステップＳ５０で取得した発光素子ＬＤ１の受光量の時系列データに対してFFT処理を行い、周波数ω毎のスペクトル分布を算出し、当該スペクトル分布を全周波数ωについて積分することで、血流量を測定する。

ステップＳ１５０において、ＣＰＵ３０は、既に説明した血中の酸素飽和度の測定方法にしたがって、ステップＳ５０で取得した発光素子ＬＤ１の受光量と、ステップＳ１１０で取得した発光素子ＬＤ２の受光量を、例えばＲＡＭ３４の予め定めた領域に記憶する。そして、ＣＰＵ３０は、受光量の時系列データを用いて（１）式及び（２）式、又は、これらの式を変形して得られる公知の式を算出することで、血中の酸素飽和度を測定する。

ステップＳ１６０において、ＣＰＵ３０は、生体情報の測定を終了する終了指示を受け付けたか否かを判定する。当該判定処理が否定判定の場合にはステップＳ２０に移行し、終了指示を受け付けるまでステップＳ２０〜Ｓ１６０を繰り返し実行することで、血流量及び酸素飽和度を測定し続ける。

図１３は、図１２の生体情報測定プログラムを実行した場合における、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光タイミングを示すタイミングチャートの一例である。

図１３に示すように、発光素子ＬＤ１には、時間Ｔ₃の長さを有する発光停止期間と、時間Ｔ₄の長さを有する発光期間とが繰り返し現われる。また、発光素子ＬＤ２には、時間Ｔ₅の長さを有する発光停止期間と、時間Ｔ₆の長さを有する発光期間とが繰り返し現われるが、発光素子ＬＤ２の発光停止期間を発光素子ＬＤ１の発光停止期間より長く設定したことによって、発光素子ＬＤ１の発光停止期間毎に発光素子ＬＤ２が発光する状況が回避される。

この場合、測定部２０は、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の受光量の各取得タイミングを表す受光点９６のうち、受光点９６Ｂで取得した発光素子ＬＤ２の受光量と、受光点９６Ｂを含む発光素子ＬＤ２の発光期間と時間軸に沿って隣接する発光素子ＬＤ１の発光期間中に取得した、受光点９６Ａ又は受光点９６Ｂの何れかにおける発光素子ＬＤ１の受光量を用いて、血中の酸素飽和度を測定する。

これは、血中の酸素飽和度を測定する場合、時間的にできるだけ近接する発光素子ＬＤ１の受光量と発光素子ＬＤ２の受光量とを用いた方が、測定精度が高くなる傾向があるためである。なお、以降では、受光点９６が時間的にできるだけ近接することを、単に「受光点９６が近接する」という場合がある。

また、図１２に示した生体情報測定プログラムのフローチャートでは、発光素子ＬＤ２の発光停止期間の長さを固定としたが、可変にしてもよい。

図１４は、発光素子ＬＤ２の発光停止期間を規定する時間Ｔ₅及び時間Ｔ₇をそれぞれ異なる値に設定した場合における、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光タイミングを示すタイミングチャートの一例である。この場合であっても、測定部２０は、受光点９６Ａにおける発光素子ＬＤ１の受光量と、受光点９６Ａに近接する受光点９６の一例である受光点９６Ｂにおける発光素子ＬＤ２の受光量、及び受光点９６Ｃにおける発光素子ＬＤ１の受光量と、受光点９６Ｃに近接する受光点９６の一例である受光点９６Ｄにおける発光素子ＬＤ２の受光量を用いて、血中の酸素飽和度を測定する。

また、例えば発光素子ＬＤ１の発光期間のうち、特定の期間に含まれる複数の発光期間における各受光点９６の受光量の平均値を、発光素子ＬＤ１の発光期間における受光量としてもよい。また、発光素子ＬＤ２の発光期間のうち、特定の期間に含まれる複数の発光期間における各受光点９６の受光量の平均値を、発光素子ＬＤ２の発光期間における受光量としてもよい。

例えば、図１５に示すように、測定部２０は、発光素子ＬＤ１の発光期間のうち、特定の期間Ｔ_LD1に含まれる各々の発光期間における受光点９６Ａ及び受光点９６Ｃの各受光量の平均値を算出する。また、測定部２０は、発光素子ＬＤ２の発光期間のうち、特定の期間Ｔ_LD2に含まれる各々の発光期間における受光点９６Ｂ及び受光点９６Ｄの各受光量の平均値を算出する。そして、測定部２０は、受光点９６Ａ及び受光点９６Ｃの各受光量の平均値と、受光点９６Ｂ及び受光点９６Ｄの各受光量の平均値を用いて、血中の酸素飽和度を測定する。

更に、測定部２０は、図１６に示すように、発光素子ＬＤ１の発光期間及び発光素子ＬＤ２の発光期間において受光点９６を複数設け、各受光点９６における受光量を取得し、取得した各受光点９６における受光量の平均値を、それぞれ発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光期間における受光量としてもよい。すなわち、受光点９６Ａ及び受光点９６Ｃにおける各々の受光量の平均値を発光素子ＬＤ１の発光期間における受光量とし、受光点９６Ｂ及び受光点９６Ｄにおける各々の受光量の平均値を発光素子ＬＤ２の発光期間における受光量とする。

なお、図１６では、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の各々の発光期間に対して複数の受光点９６を設け、受光点９６における受光量を平均する例を示したが、受光量の算出方法はこれに限られない。例えば、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の何れか一方の発光期間に対してのみ複数の受光点９６を設けるようにしてもよい。

すなわち、測定に用いる発光素子ＬＤ1および発光素子ＬＤ２の受光量データは、図１４に記載したデータ数に限らず、図１５のように特定の期間に複数の発光期間を有してもよく、加えて図１６のように発光素子ＬＤ１の発光期間及び発光素子ＬＤ２の発光期間において受光点９６を複数設けてもかまわない。

このように本実施の形態に係る生体情報測定装置１０によれば、発光素子ＬＤ１と発光素子ＬＤ２の一部の発光期間が重複しても良いが、望ましくは重複しないように、且つ、単位時間あたりの発光素子ＬＤ２の発光回数が発光素子ＬＤ１の発光回数より少なくなるように、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２を制御する。

したがって、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２の発光周期を同じに設定して、発光素子ＬＤ１及び発光素子ＬＤ２を交互に発光させる場合に消費される電力より少ない電力で、血流量及び血中の酸素飽和度が測定される。

なお、生体情報測定装置１０は、既に説明したように血流量の他、血流速度の測定にも適用される。また、図７に示したように、動脈の脈動に応じて受光素子３で受光される受光量が変化するため、受光素子３での受光量の変化から、脈拍数が測定される。また、脈拍数の変化を時系列順に測定して得られる波形を２回微分することで、加速度脈波が測定される。加速度脈波は、血管年齢の推定又は動脈硬化の診断等に用いられる。

また、生体情報測定装置１０は、ここで挙げた内容に限らず、他の生体情報の測定にも利用する事ができる。

以上、実施の形態を用いて本発明について説明したが、本発明は実施の形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で実施の形態に多様な変更又は改良を加えることができ、当該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。例えば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で処理の順序を変更してもよい。

また、実施の形態では、一例として制御部１２及び測定部２０における処理をソフトウエアで実現する形態について説明したが、図１２に示したフローチャートと同等の処理をハードウエアで処理させるようにしてもよい。この場合、制御部１２及び測定部２０における処理をソフトウエアで実現する場合に比べて、処理の高速化が図られる。

また、実施の形態では、生体情報測定プログラムがＲＯＭ３２にインストールされている形態を説明したが、これに限定されるものではない。本発明に係る生体情報測定プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形態で提供することも可能である。例えば、本発明に係る生体情報測定プログラムは、ＣＤ(Compact Disc)−ＲＯＭ、ＤＶＤ(Digital Versatile)−ＲＯＭまたはＵＳＢ(Universal Serial Bus)メモリ等の可搬型記録媒体に記録された形態で提供することも可能である。また、本発明に係る生体情報測定プログラムは、フラッシュメモリ等の半導体メモリ等に記録された形態で提供することも可能である。

１、２・・・発光素子（ＬＤ）
３・・・受光素子
４・・・動脈
５・・・静脈
６・・・毛細血管
７・・・血球細胞
８・・・生体
１０・・・生体情報測定装置
１２・・・制御部
１４・・・駆動回路
１６・・・増幅回路
１８・・・変換回路
２０・・・測定部
３０・・・ＣＰＵ
９６（９６Ａ、９６Ｂ、９６Ｃ、９６Ｄ）・・・受光点

Claims (8)

1. 互いに波長の異なる光を照射する第１発光素子及び第２発光素子と、
   前記第１発光素子及び前記第２発光素子から照射される各々の光を受光する受光素子と、
   単位時間あたりの前記第２発光素子の発光回数が前記第１発光素子の発光回数より少なくなるように、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間を制御する制御手段と、
   前記受光素子で受光した光の各々から、複数の生体情報を測定する測定手段と、
   を備えた生体情報測定装置。
2. 前記制御手段は、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間が重複しないように、前記第１発光素子及び前記第２発光素子の発光期間を制御する
   請求項１記載の生体情報測定装置。
3. 前記測定手段は、前記受光素子で受光した、前記第１発光素子による光の受光量に対する周波数スペクトル、並びに、前記受光素子で受光した、前記第１発光素子による光の受光量及び前記第２発光素子による光の受光量から、前記複数の生体情報を測定する
   請求項１記載の生体情報測定装置。
4. 前記測定手段は、前記第１発光素子の発光期間における光の受光量と、前記第１発光素子の発光期間と隣接する前記第２発光素子の発光期間における光の受光量と、の組み合わせを用いて、前記複数の生体情報を測定する
   請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の生体情報測定装置。
5. 前記測定手段は、特定の期間に含まれる前記第１発光素子の発光期間の各々における光の受光量の平均値を前記第１発光素子の発光期間における光の受光量とし、前記特定の期間に含まれる前記第１発光素子の発光期間の各々と隣接する、前記第２発光素子の各発光期間における光の受光量の平均値を、前記第２発光素子の発光期間における光の受光量とする
   請求項４記載の生体情報測定装置。
6. 前記測定手段は、前記第１発光素子の発光期間及び前記第２発光素子の発光期間の少なくとも一方の発光期間において、複数回に亘って前記受光素子から受光量を取得し、取得した各々の受光量の平均値を、複数回に亘って前記受光素子から受光量を取得した発光期間における光の受光量とする
   請求項４又は請求項５記載の生体情報測定装置。
7. 前記測定手段は、血流量と血流速度と血液量の少なくとも１つと、血中の酸素飽和度と、を含む生体情報を前記複数の生体情報として測定する
   請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の生体情報測定装置。
8. コンピュータを、請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の制御手段及び測定手段として機能させるための生体情報測定プログラム。

Images