JPS6384519A - 心拍測定装置 - 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】 ［発明の目的〕 ［産業上の利用分野］ 本発明は、心拍測定装置に関し、特に心拍信号のレベル
変化に対する測定の信頼性の向上に関するものであり、
例えば車上心拍計において利用できる。

［従来の技術］ 心拍測定においては、一般に、心拍信号に含まれるＲ波
の周期（Ｒ−Ｒ間隔）を測定し、その結果を計算して心
拍数を得る測定方法が用いられる。

Ｒ波の周期は、互いに連続する２つのＲ波のピーク点の
間の時間を計測することによって求める。

従って、この種の測定においては、Ｒ波のピーク点を正
確に検出する必要がある。

ところが、心拍信号のレベルが非常に小さい場合には、
レベルの判定が不正確になるので、ピーク点の検出に誤
差が生じ易い、また、心拍信号のレベルが大きすぎると
、信号レベルが飽和してピーク点が検出できなくなる。

もし、心拍検出器から出力される心３拍信号のレベルが
一定であれば、それを処理する電気回路の増幅度を予め
所定の状態に設定しておくことにより、該電気回路の出
力に好ましいレベルの心拍信号が得られる。しかしなが
ら１例えば車上心拍計においては、ドライバは自動車の
運転操作を行ないながら心拍測定を行なわなければなら
ないので、ドライバの指と心拍検出器との接触状態は、
その時の運転状況等に応じて変化し、その変化によって
心拍信号のレベルも大きく変化する。

この種のレベル変化を生ずる電気信号を処理する場合に
は、従来より一般に、処理回路にＡＧＣ（オートマチッ
クゲインコントロール）回路を備えることによって、信
号のレベル変化を補償する方法が用いられている。

［発明が解決しようとする問題点］ ＡＧＣ回路は、一般に、信号を増幅する増幅回路、信号
の平均レベルを検出する時定数回路、及び該時定数回路
の出力レベルに応じて前記増幅回路のバイアスレベルを
調整しその増幅度を変化させるバイアス調整回路で構成
される。従ってもし。

心拍信号を処理する回路にこの種のＡＧＣ回路を備える
場合、心拍信号は周期が非常に長い（０，３〜２秒程度
）ので、ＡＧＣ回路の時定数回路の時定数を非常に大き
くせざるを得ない、ところが、時定数を大きくすると、
ＡＧＣ回路における増幅度調整の応答速度が非常に遅く
なる。この応答速度が心拍信号の変化速度より遅くなる
と、レベル補正が間に合わず、−時的に、心拍信号のレ
ベルが異常に小さくなったり、波形のピーク近傍のレベ
ルが飽和したりするため、心拍周期の測定に誤差が生じ
る。

本発明は、心拍検出器の出力レベルに大きな変化が生じ
る場合でも、正確な心拍測定のできる心拍測定装置を提
供することを目的とする。

［発明の構成］ ［問題点を解決するための手段］ 上記目的を速成するため１本発明においては、処理する
心拍信号の瞬時値レベルに応じて増幅度もしくは減衰比
を調整するレベル調整手段を、心拍検出手段からの心拍
信号を処理する回路に設ける。

［作用Ｊ 上記のように信号の瞬時値レベルに応じて増幅度又は減
衰比を変化させると、その回路を通る信号は非線形処理
を受けるため、入力信号と出力信号の波形に差が生じる
。しかし、例えば入力信号のレベルが大きい時にそれが
小さい時よりも増幅度を小さくするように制御する場合
には、波形のピーク点近傍のレベル変化が圧縮されるだ
けであり、ピーク点の生じるタイミングについては、入
力波形と出力波形との間に差は生じない、心拍測定にお
いては、Ｒ波のピーク点のタイミングが正確に検出でき
れば正確な心拍測定ができるので、波形が変化しても問
題はない。瞬時値レベルによって増幅度又は減衰比を変
化させるので制御の応答が速く、心拍信号に速いレベル
変化が生じた場合でも、レベルの飽和が生じる恐れはな
い。

後述する実施例においては、増幅器の負帰還ループにト
ランジスタを挿入し、該増幅器の出力レベルが所定レベ
ルを越えた時に該増幅器の増幅度が変化するように構成
している。このようにすると、心拍信号のレベルが増大
すればするほど増幅度が連続的に小さくなるので、心拍
（ｆｆ１号のレベル変化が非常に大きい場合であっても
、出力レベルに飽和は生じない。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の、図面を参照した
実施例説明により明らかになろう。

［実施例］ 第１図に、一実施例の車上心拍計を搭載した自動車のス
テアリングホイールｌを示す、第１図を参照すると、こ
の例ではステアリングホイール１の円周上に、互いに所
定の間隔をおいて、１０個の心拍検出器５ＥＬ−３ＥＬ
Ｏが配置しである。

ステアリングホイール１の中央部のパネル（パッド）に
は、心拍数表示用の数字表示器ＤＳＰ、心拍タイミング
表示用の発光ダイオードＬＥＩおよび参照値未設定表示
用の発光ダイオードＬＥ２が備わっている。ＳＰはスピ
ーカである。

各々の心拍検出器は、その中央に配置された１つの赤外
発光ダイオードＬＥＤとそれを囲むように配はされた４
つの赤外用フォトトランジスタＰＴでなっており、これ
らは全て同一の方向、すなわちステアリングホイールＩ
の上方に光軸を向けである。第２ａ図および第２ｂ図に
示すように、ステアリングホイール１は鉄心１ｂとそれ
を覆う樹脂材１ａでなっており、各心拍検出器はそれら
の発光面および受光面を残して樹脂材１ｂの中に埋め込
んである。各心拍検出器からの配線は、樹脂材１ｂの中
を通って、ステアリングホイールｌの中央部のパッドま
で達している。

第２ｃ図に、ステアリングホイール１の左側面から見た
、ステアリングホイール近傍の断面を示す、第２ｃ図を
参照する。

サポート３８はサポート４１に固定されている。

歯車３９は車輌本体に固定しである。サポート４１は操
舵シャフト４０に固着してあり、ステアリングホイール
１のスポークはサポート４１に結合しである。サポート
４１は歯車３９および４２に対して回動自在である。４
３は１両端に歯数の等しい歯車４３ａおよび４３ｂを有
する連結部材であり、サポート４１に回動自在に支持さ
れている。

歯車４３ａおよび４３ｂはそれぞれ歯車３９および４２
と噛み合っている。パッド内のプリント基板４４および
操作パネル５は、歯車４２に固着しである。歯車３９と
４２の歯数は等しくい、このような構成であるから、ス
テアリングホイールｌの回動操作に伴って操作パネル５
等が回動することはない。

すなわちこの実施例の場合、ステアリングホイールｌを
回動すると、サポート４１および操舵シャフト４０が回
動してステアリング操作が行なわれるが、歯車４３ａと
４３ｂおよび３９と４２はそれぞれ歯数が等しいため、
サポート４１の回動によ・る連結部材４３の円弧状の移
動によって生ずるサポート４１と歯車３９の相対移動ｆ
ｆ１（角度）、およびサポート４１と歯車４２の相対移
動量は等しくなり、歯車３９が固定であり歯車４２が歯
車３９に対して回動しないため、結果的にはステアリン
グホイールｌが回動しても操作パネル５は回動しない。

ステアリングホイール１のスポークには、互いに電気的
に接続した刷子ＢＡＩ、ＢＡ２ならびにＢＢｌ、ＳＢ２
が装着されている。刷子ＢＡＩ及び１３Ｂｌは、それぞ
れ一端をステアリングホイール上パッド側に設けたスリ
ップリングＳＡＩ及びＳＢ１に当接しており、刷子ＢＡ
２及びＳＢ２は、それぞれ一端を車上固定側に設けたス
リップリングＳＡ２及びＳＢ２に当接している。

従って、スリップリングＳＡＩとＳＡ２とは刷子ＢＡＩ
及びＢＡ２を介して、またスリップリングＳＢＩとＳＢ
２とは刷子ＢＢＩ、ＢＢ２を介して。

各々、ステアリングホイール１の状態にかかわらず、常
時電気的に接続されている。

第２ｄ図に、振動センサ６０の縦断面を示す。

第２ｄ図を参照すると、シリンダを構成するケーシング
は、ボルト６７．６８で互いに固定された２つの部材６
１．６２でなっている。このシリンダの内空間には、ピ
ストン６３と２つの圧縮コイルスプリング６４．６５が
配置されている。ピストン６３は、２つの圧縮コイルス
プリング６４゜６５によって挟まれ、動きが規制されて
いる。ビス１−ン６３の一端には細長いロッド６３ａが
形成され、該ロッドの一端は、部材６１の頂部６１ａの
内空間６１ｂに挿入されている。頂部６１ａの一端には
、透過型光学検出器６６が固着されている。

振動センサ６０に振動が印加されない時、ピストン６３
は第２ｄ回に示す状態を維持する。この状態では、検出
器６６の光路６，６ａが遮断されることはない。振動セ
ンサ６０に、第２ｄ図の上下方向の振動が印加されると
、その振動に従って、ピストン６３がシリンダ内を振動
する。振動の振幅が所定以上のなると、ロッド６３ａの
一端が、検出器の光路６６ａまで達してそれを遮断する
。従って、所定以上の振幅の振動の有無が、検出器６６
によって検出される。

この実施例では、振動センサ６０は、ステアリングホイ
ールと同様な振動が印加されるステアリングコラム部の
カバーの内部に配置されている。また、自動車の上下方
向の振動を検知するため、この振動センサの向きは、第
２ｄ図に示す状態と同一になっている。

次にステアリングセンサ７０を説明する。操舵シャフト
４０の一部を第２ｅ図に示し、第２ｅ図のＩＩ　ｆ　−
ＩＩ　ｆ線断面を第２ｆ図に示す、第２ｅ図及び第２ｆ
図を参照する。操舵シャフト４０の外周に、ディスク７
３及び固定リング７５．７６が装着されている。固定リ
ング７５．７Ｇは各々ボルトによって操舵シャフト４０
に固定され、ディスク７３は、２つの固定リング７５．
７６によって挟まれ、操舵シャフト４０に固定されてい
る。

ディスク７３上には、多数のスリット７３ａが環状に配
列されている。操舵シャフト４０を覆う筒形状のカバー
７１に、透過型光学センサ７２がボルト７４ａ、７４ｂ
、７４ｃによって固定されている。該センサの検出部７
２ａは、前記ディスクのスリット７３ａが形成された部
分を挟むように配置されている。

従って、操舵シャフト４０を回動すると、ディスク７３
が回動し、前記光学センサ７２の光路を断続的に遮断す
る。このため、センサ７２の出力端子には、ステアリン
グホイールの回動速度に応じた周期のパルス信号が得ら
れる。

第３ａ図および第３ｂ図に、第１図のステアリングホイ
ールｌの中央のパッド内に大部分が備わった車上心拍計
の電気回路を示す、第３ｂ図を参照すると、心拍検出＠
５ＥＩ−３ＥＩＯの発光ダイオードは、互いに並列に接
続されて１発振回路０８Ｃ１の出力端子に接続されてい
る１発振回路０ＳＣＩは、この例では１ＫＩＩｚの定周
期の方形波信号を出力する。つまり、心拍検出器の各発
光ダイオードＬＥＤは、ＩＫ＋Ｉｚの周期で１点灯と消
灯を繰り返す、デユーティは５０％である。

各々の心拍検出器のフォトトランジスタＰＴは、互いに
並列に接続され、一端は電源に接続され。

他端がアナログスイッチＡＳＩおよびＡｇ３の入力端子
に接続されている。アナログスイッチＡｓｌおよびＡｇ
３は、１０個のアナログスイッチ素子で構成され、出力
端子は互いに共通に接続されている。各々の入力端子に
、各心拍検出器の出力端子が接続されている。アナログ
スイッチＡＳＩおよびＡｇ３の導通制御端子（各々１０
本）には、それぞれ、マイクロコンピュータＣＰＵから
出力される制御信号ＳＧＩおよびＳＧ２が印加される。

アナログスイッチＡＳＩの出力端子（ＳＧ３）は４７１
号処理回路１１０を介してアナログスイッチＡＳ３の入
力端子に接続され、アナログスイッチＡＳ２の出力端子
（ＳＧ４）はアナログスイッチＡＳ４の入力端子に接続
されている。アナログスイッチＡＳ３の出力端子とアナ
ログスイッチＡｓ４の出力端子は、共通に接続され、ア
ナログ／デジタル変換器ＡＤＣのアナログ入力端子に接
続されている。アナログ／デジタル変換器ＡＤＣの出力
端子及び各制御端子は、マイクロコンピュータＣＰＵと
接続されている。

ここで、心拍検出の原理を簡単に説明する０例えば人の
指がいずれかの心拍検出器に対向した状態で位置決めさ
れていると、その部分（指）の光反射率は血液流量の大
小すなわち心拍に応じて変動する。従って、その部分に
所定強度の光を当ててそこからの反射光を受光し、その
受光レベルを判定すれば、心拍信号が得られる。この例
では、発光ダイオードＬＥＤがＩＫＩｌｚの周期で点灯
と消灯を縁り返すので、心拍検出器の出力端子には、心
拍信号によって振幅変調された１ＫＩＩｚの電気信号が
得られる。

第３ａ図に示す信号処理回路１１０は、その変調された
信号から元の心拍信号を復調する復調器を含んでおり、
この復調器はローパスフィルタで構成されている。信号
処理回路１１０の具体的な構成及び動作は、後で説明す
る。

信号処理回路１１０の出力端子には、バッファ１３Ｆｌ
を介して発光ダイオードＬＥＩが接続されている。従っ
て、発光ダイオードＬＥＩは、心拍信号に応じて点滅す
る。

アナログスイッチＡＳ３をオンしてＡＳ４をオフする場
合には、アナログ／デジタル変換器ＡＤＣに心拍信号が
印加され、アナログスイッチＡＳ３をオフしてＡＳ４．
をオンする場合には、ＡＤＣに変調された心拍信号が印
加される。

マイクロコンピュータＣＰｔＪの電源ラインには、逆流
防止用のダイオードを介して、バッテリーＢＴが接続さ
れている。このバッテリーＢＴは、マイクロコンピュー
タＣＰＵの主電源がオフした場合に、ＣＰＵ内のメモリ
の内容を保持しうる程度の電力をＣＰＵに供給する。従
って、マイクロコンピュータＣＰＵの内部メモリ（ＲＡ
Ｍ）は不揮発性メモリとして動作する。

マイクロコンピュータＣＰＵの割込み入力ポートＮＭＩ
（マスクできない割込み）にはノアゲートＯＲＩの出力
端子が接続されている。このゲートＯＲＩは、一方の入
力端子がＣＰＵの出力ポートＰ２と接続され、他方の入
力端子が、スリップリングＳＡＩ、刷子ＢＡＩ、ＢＡ２
及びスリップリングＳＡ２を介して、信号処理回路１２
０の出力端子と接続されている。信号処理回路１２０の
入力端子には、振動センサ６０及びステアリングセンサ
７０が接続されている。

マイクロコンピュータＣＰＵの他のポートには、音声合
成装置１ｉＶｓＵ、バッファＢＦ２．ラッチＬＡＩ、Ｌ
Ａ２およびＬＡ３が接続されている。

音声合成装ｆｆ１ＶｓＵの出力にはスピーカＳＰが接続
され、バッファＢＦ２の出力には発光ダイオードＬＥ２
が接続され、ラッチＬＡＩ、ＬＡ２およびＬＡ３の出力
端子にはそれぞれデコーダＤＥＩ。

ＤＥ２およびＤＥ３が接続されている。デコーダＤＥＬ
、ＤＥ２およびＤＥ３は、具体的にいうと７セグメント
表示器用のデコーダドライバであり、これらの出力端子
に数字表示＠ＤＳＰが接続されている。

信号処理回路１２０の構成を第３Ｃ図に示す。第３ｃ図
を参照する。振動センサ６０の透過型光学センサ６６及
びステアリングセンサ７０の透過型光学センサ７２は、
各々、発光ダイオードとフォトトランジスタで構成され
ている。振動センサ６０が出力する電気信号は、ノアゲ
ート８４の一方の入力端子に印加され、ステアリングセ
ンサ７０が出力する電気信号１よ、Ｆ／Ｖ　（周波数／
電圧）変換器８１．インバータ（シュミットトリガ付）
８２及び８３を介して、ノアゲート８４の他方の入力端
子に印加される。ノアゲート８４の出力端子が、スリッ
プリングＳＡ２と接続される。

第３ａ図に示す信号処理回路１１０の具体的な回路構成
を第３ｄ図に示す、第３ｄ図を参照すると、この信号処
理回路１１０には、各々演算増幅器を中心として構成さ
れ互いに直列に接続された７つの増幅回路が備わってい
る。演算増幅器ＯＰＩ、ＯＦ３．ＯＰ４．ＯＦ２及びＯ
Ｆ２を含む各回路は、ローパスフィルタとしての機能を
も含んでいる。

信号処理回路１１０の中で、演算増幅器ＯＰ６を中心と
して構成される増幅回路１１１は特殊な機能を有してい
る。以下、増幅回路１１１について説明する。増幅回路
１１１の入力端子は、演算増幅器○Ｐ６の非反転入力端
子（＋）に一端が接続された抵抗器Ｒ１の他端である。

演算増幅器ＯＰ６の反転入力端子（−）とその出力端子
との間には、抵抗器Ｒ２及びコンデンサＣ１が並列に接
続されており、該反転入力端子は、抵抗器Ｒ３を介して
接地されている。抵抗ｉＲ４は、一端が演算増幀器ＯＰ
６の出力端子に接続され、他端がトランジスタＴｒｉの
ベース端子に接続されている。

トランジスタＴ　ｒ　ｌのコレクタ端子は電源ライン（
Ｖｃｃ）に接続され、エミッタ端子は、演算増幅！ｉｎ
　ＯＰ　６の反転入力端子に接続されている。

増幅回路１１１に入力される信号のレベルが低い場合、
トランジスタＴｒｉがオフ（エミッタ電流が零の状態）
になるので、この回路は、低い周波数の４３号（心拍信
号）に対しては、増幅度が一定（１＋Ｒ２／Ｒ３）の通
常の増幅回路として動作する。ところが、演算増幅器Ｏ
Ｐ６の出力レベルが所定以上になると、トランジスタＴ
ｒｉがオンするので、演算増幅器ＯＰ６の負帰還ループ
に抵抗器Ｒ４とトランジスタＴｒｉの直列回路が接続さ
れる。この場合、簡単にいうと、帰還量が増大するので
、増幅回路１１１の増幅度は小さくなる。つまり、この
回路１１１の増幅度は、入力される信号のレベルに応じ
て自動的に変化する。

次に、入力信号のレベルが大きい場合の増幅回路１１１
の増幅度を計算する。なお１周波数の低い心拍信号に対
する増幅度を求めるため、ここではコンデンサＣ１の存
在を無視して考える。

ｖＩ：回路１１１の入力電圧 ｖｏ：回路１１１の出力電圧 Ｖｒ３　：　Ｒ３の電圧降下 とする場合、演算増幅器ＯＰｌの開ループゲインを無限
大と仮定すれば、Ｖｒ３＝Ｖｉになる。

また、 Ｉ　ｂ　：　Ｔｒｉのペース電流 Ｉｃ：Ｔｒｌのコレクタ電流 Ｔ　ｅ　：　Ｔｒｉのエミッタ電流 ｈｆｅ：Ｔｒｉのエミッタ接地時の電流増幅率Ｖｂａ　
：　Ｔｒｉのペース−エミッタ間電圧とすれば、次式が
成立する。

Ｔａ＝Ｉｃ＋Ｉｂ ＝ｈｆｅ中ｒ　ｂ＋Ｉ　ｂ ＝＝（ｈｆｅ＋　１　）　Ｉ　ｂ ＝　（ｈ　ｆｅ＋　１　）（Ｖｏ　−Ｖｂｅ　　Ｖｒ３
）／　Ｒ４キｈｆａ・（Ｖｏ−Ｖｂｅ−Ｖｒ３）／Ｒ４
”＜１）ここで、　Ｖｏ＞＞　Ｖｂｅ、　Ｖｒ３と仮定
すれば１次式が得られる。

Ｉｓキｈｆｅ−Ｖｏ／　Ｒ４・・・（２）また、抵抗器
Ｒ３を流れる電流は、抵抗器Ｒ２を流れる電流Ｉｒ３と
Ｉｓとの和であるから１次式が成立する。

Ｖｒ３＝Ｒ３（Ｉｒ３＋　Ｉ　ａ） ＝Ｒ３（（Ｖｏ／（Ｒ２＋Ｒ３））＋ｈｆｅ−Ｖｏ／Ｒ
４）＝　Ｖｏ−Ｒ３（（１／　（Ｒ２＋　Ｒ３））　＋
　ｈ　ｆｅ／　Ｒ４）−・・・・（３） また、Ｒ２＞＞Ｒ３とすれば次式が成立する。

Ｖｒ３キＶｏ−Ｒ３（（１／　Ｒ２）＋　ｈｆｅ／　Ｒ
４）・・・（４）従って、増幅度Ｇは１次式で表わされ
る。

Ｇ＝Ｖｏ／Ｖｉ ＝Ｖｏ／Ｖｒ３ ＝　１　／　（（Ｒ３／　Ｒ２）　＋　ｈ　ｆｅ−Ｒ３
／　Ｒ４）＝（Ｒ２／Ｒ３）（１／（１＋ｈｆｅ−Ｒ２
／Ｒ４））キＧｏ／（１＋ｈｆｓ”Ｒ２／Ｒ４）　　　
　”（５）但し、ＧｏはＴｒｉがオフの場合の増幅度前
記第（５）式より、増幅回路１１１の増幅度は、トラン
ジスタＴｒｉがオンすることにより小さくなることが分
かる。また、一般にトランジスタは。

コレクタ電流の増大に伴なって電流増幅率ｈｆｅが大き
くなるから、増幅回路１１１に入力される信号のレベル
が大きくなればなるほど、増幅度Ｇは小さくなる。

第４ｂ図を参照する。増幅回路１１１の入力レベルが比
較的小さい場合、Ｇｏの増幅度で増幅された出力レベル
Ｖｏがしきい値レベルＬＶＩより小さいので、トランジ
スタＴｒｉはオフであり、回路１１１の増幅度はＧｏに
なる。

レベルの大きな信号が入力された場合、もしＧ。

の増幅度でその信号を増幅すると１点線で示すように信
号レベルが飽和レベルＬＶ２を越えることがある。この
場合、実際の出力レベルは飽和レベルでクリップされる
ので、波形上の点ＰＯ３ＣとＰＯ３［１との間はレベル
変化がなくなり、波形の実際のピーク点Ｐ０３Ｂは識別
不可能になる。

しかし、増幅回路１１１では、実際は出力レベルＶｏが
しきい値レベルＬｖ１を越えた場合、トランジスタＴｒ
ｉがオンし増幅度ＧがＧｏよりも小さくなるので、出力
レベルＶｏが飽和レベルＬＶ２まで達することはない。

従って、レベルの大きな信号が入力されると、入力信号
と出力信号の波形が相似形ではなくなるが、信号レベル
が飽和することはないので、出力信号のピーク点ＰＯ３
Ａの現われるタイミングは、入力信号のピーク点と同一
である。つまり、Ｒ波とＲ波との間隔を測定対象とする
心拍測定においては、各Ｒ波のピーク点（Ｐｏｔ　、Ｐ
Ｏ２，ＰＯ３＾）のタイミングが正確に検知できれば正
確な測定ができるので、入力信号と出力信号との波形の
変化は問題にならない。

心拍検出器（ＳＥＩ〜５ＥＩＯ）で受光される反射光の
レベルは、各検出器と指との接触状態等に応じて変化す
るので、検出器から出力される心拍信号のレベルは、そ
の時の測定状況に応じて大きく変化する可能性がある。

しかし、増幅回路１１１によってレベル変化が圧縮され
るので、心拍検出器から出力される信号のレベルが大き
く変動する場合であっても、信号処理回路１１０で信号
レベルの飽和が生じることはなく、正確なピーク点のタ
イミングが検知できる。

ところで、この実施例では心拍検出器から出力される信
号は、ＩＫＩＩｚの方形波４４号を心拍信号によって振
幅変調したものであるが、心拍検出器と指との接触状態
に比較的速い変化が生じると、その変化によって変調波
の振幅が変化する。この場合、変調波を復調して得られ
る心拍信号にはノイズが現われる０例えば、第４ａ図に
示す波形では、Ｗｌ、Ｗ２．Ｗ３及びＷ４が正しいＲ波
であり。

ノイズ波Ｗｅｒｒが、２つのＲ波Ｗ３とＷ４との間に現
われている。所定レベル以上の波のピーク点間の時間を
心拍周期として測定する場合、Ｒ波とＲ波との間にノイ
ズ波がない場合には正しい心拍周期Ｔｏｋが測定できる
が、ノイズ波Ｗｅｒｒがある場合には、誤った時間Ｔｅ
ｒｒが測定される。

そこで、この実施例においては、心拍検出器と指との接
触状態に速い変化が生じる可能性のある場合に、心拍測
定を禁止するようにしている。具体的には、自動車に所
定レベル以上の振動が発生した場合、ステアリングホイ
ールが所定以上の速度で回動した場合、及びステアリン
グホイール把持状態に変化があった場合に、心拍測定を
禁止している。自動車の振動は、振動センサ６０で検出
され、ステアリングホイールの回動はステアリングセン
サ７０及び信号処理回路１２０で検出される。

ステアリングホイール把持状態は各心拍検出器を利用し
て検出し、その変化の有無はソフトウェア処理によって
検出する。

振動センサ６０が振動を検出すると、第３ｃ図に示すセ
ンサ６６の出力端子（エミッタ）が低レベルＬになり、
ノアゲート８４の出力端子が低レベルＬになる。この信
号はスリップリングＳＡ２゜刷子ＢＡ２．ＢＡＩ及びス
リップリングＳＡＩを介してノアゲートＯＲＩに印加さ
れ、ＯＲ１の出力端子に接続されたＣＰＵの割込みポー
トＮＭＩを低レベルＬにする。

また、ステアリングホイールが回動すると第３ｃ図に示
すセンサ７２の出力端子にパルス信号が現すれる。Ｆ／
Ｖ変換器８１の出力レベルはパルス信号の周波数に比例
して大きくなるの′で、ステアリングホイールの回動速
度が所定以上の場合、インバータ８２の出力端子がＬに
なり、インバータ８３の出力端子がＨになり、ノアゲー
ト８４の出力端子がＬになる。この信号は、スリップリ
ングＳＡ２．刷子ＢＡ２．ＢＡＩ及びスリップリングＳ
ＡＩを介してノアゲートＯＲＩに印加され、ＯＲ１の出
力端子に接続されたＣＰＵの割込みポートＮＭＩを低レ
ベルＬにする。

マイクロコンピュータＣＰＵは、ステアリングホイール
把持状態に変化があると、出力ポートＰ２をＨにセット
する。これによってＣＰＵの割込みポートＮＭＩが低レ
ベルＬになる。

つまり、いずれかの検出手段によって心拍検出器と指と
の接触状１虎に速い変化が生じる可能性が検出されると
、いずれの場合もＣＰＵの割込みポートＮＭｒが低レベ
ルＬになる。

次に、第３ａ図に示すマイクロコンピュータＣＰＵの処
理の内容を説明する。第５ａ図に処理の概要を示し、第
５ｂ図にＣＰＵの内部タイマによる割込み要求に対する
処理の内容を示し、第５ｃ図及び第５ｄ図に第５ａ図の
゛′心拍センサチェック′″サブルーチンの内容を示し
、第５ｅ図に第５ａ図の゛データ取込み″サブルーチン
の内容を示し、第５ｆ図にＣＰＵの割込みボートＮＭＩ
からの割込み要求に対する処理の内容を示す、なお。

ＣＰＵの内部タイマによる割込み要求は、この例では２
ｍ５ｅｃの周期で定期的に発生する。

まず、第５ａ図に示すメインルーチンを説明する。ｆｆ
ｉ源がオンすると、まずメモリの内容をクリアし、Ｉ１
０ボートを初期化する。更に、内部タイマの計数の設定
及び該タイマによる割込みの設定を行なう１次に、″心
拍センサチェックパサブルーチンを実行する。これの内
容については後で詳細に説明するが、簡単にいうと、多
数の心拍検出器の中から、実際に心拍信号が得られる最
も測定に適したものを１つ選択し、それが出力する信号
（ＳＧ３を復調したもの）をアナログ／デジタル変換器
ＡＤＣに印加する。

次に、゛′データ取込み”サブルーチンを実行する。

このサブルーチンの内容は、後で詳細に説明するが、河
単にいうと、心拍信号に含まれる連続する２つのＲ波の
ピーク間の時間を測定して得られるデータを取込む処理
を行なう、このルーチンが終了すると、それによって得
られたデータをもとにして心拍数を計算し、更に分散（
ばらつきの程度）を計算する。

このようにして得られた心拍数及び分散のデータが正常
時のデータをもとにして予め設定される各種参照値と比
較される。但し、ｆｌ！源オン直後は参照値が未設定で
ある。これが未設定の時は、フラグＦ　ｒｓｆが＃　０
１１になっている。そこで、　Ｆｒｅｆが“Ｏ”なら、
その直前に測定されたデータをもとにして各種参照値を
計算し、それらを各々の参照値に割り当てたレジスタに
ストアしてフラグＦ　ｒｅｆを′１″にセットする。

フラグＦ　ｒｅｆが＃＃　Ｌ　＃ｌなら、得られた心拍
数及び分散のデータを参照値と比較して、異常の有無を
チェックする。異常がなければ、心拍数を表示器ＤＳＰ
に表示し、異常がある場合には１表示器ＤＳＰの表示を
点滅して異常の発生を表示するとともに、音声合成装置
ＶＳＵ　（第３ａ図参照）を制御して、スピーカＳＰか
ら音声によって警告のメツセージを出力する。

なお、心拍の周期をＳとする場合５分散Ｍは次式によっ
て求めることができる。

Ｍ　＝　Ｓ　’の平均値−（Ｓの平均値）２公知のよう
に１人の体調と心拍数及び心拍周期の分散との間に相関
があるので、心拍数及びその分散の異常の有無を検知す
ることにより、ドライバの居眠りや体の不調を検知する
ことができる。

次に、第５ｂ図に示す゛１タイマ割込み″ルーチンを説
明する。このルーチンでは、まず、カウンタＣＮＴの内
容をインクリメント（＋１）する、また、その結果、カ
ウンタＣＮＴの内容がＣＮＴＨより大きくなった場合に
は、データ取込みミスフラグＦ　ｍ１ｓｓを“１”にセ
ットし、カウンタＣＮＴの内容を０にクリアし、Ｒ波検
出フラグＦｒｖを′０′′にクリアする。ＣＮＴＨは、
心拍周期の上限値であり、通常の心拍周期の値に比べ非
常に大きな値に設定しである。

カウンタＣＮＴの内容が正常であれば１次にＡ／Ｄ変換
によって得られたデータ（心拍信号の瞬時値電圧）をサ
ンプリングし、それをメモリにストアする。また１次の
Ａ／Ｄ変換を開始する。そして、新しく取込んだデータ
をチェックする。Ｒ波検出フラグＦｒｖがＯｎの場合に
は、Ｒ波を検出したかどうかをチェックする。まず、新
しく取込んだデータと前回取込んだデータとの差、即ち
心拍信号レベルの微分値が所定以上かどうかをチェック
し、その結果を記憶する。この微分値が所定以上の状態
が所定回数連続する場合には、Ｒ波の立ち上がりを検出
したものと見なし、フラグＦｒｗをｎ１ｌ−にセットす
る。

Ｒ波検出フラグＦｒｖが１”の場合、即ちＲ波を検出中
の場合には、波形のピーク点を検出したかどうかをチェ
ックする。この例では、信号のレベル変化、即ちサンプ
リングしたデータの微分値が０又はそれ以下であること
が２回連続する場合に。

ピークを検出したものと見なす。

ピークを検出した場合には、まずＲ波検出フラグＦｒｙ
をＩＩ　Ｏｒ＋にリセットする。次に、カウンタＣＮＴ
の内容を心拍周期の下限値ＣＮＴＬと比較する。

（：ＮＴ＞ＣＮＴＬなら、正常であるから、ピーク検出
フラグＦ　ｐｅａｋを＊ｔ　１　ｕにセットし、メモリ
ＭｅｎにカウンタＣＮＴの内容、即ち心拍周期をストア
する。ＣＮＴの内容が異常に小さいと、カウンタＣＮＴ
の内容を０にクリアして、Ｒ波検出フラグＦｒすを′０
″にリセットする。

次に、第５Ｃ図及び第５ｄ図に示す゛′心心拍センサチ
ェックササブルーチン説明する。このルーチンでは、ま
ずレジスタＮに１をセットし、該レジスタの内容に対応
する心拍検出器を選択するように、各種アナログスイッ
チを制御する。但し、ここでＡＤＣに印加する信号は、
変調された心拍信号（ＳＯ４側）である。

次に、入力ポートＰ１の状態を読み取って発振回路０３
Ｃ１の状態、即ち心拍検出器の発光ダイオード（ＬＥＤ
）が発光状態かどうかをチェックする。それが発光状態
になるのを待ち、発光状態になったら、変換器ＡＤＣの
出力データをサンプリングしてその結果をレジスタＡに
ロードする。次に、ＬＥＤが消灯状態になるのを待ち、
消灯状態になったら、変換器ＡＤＣの出力データをサン
プリングしてその結果をレジスタＢにロードする。

更に、ＬＥＤが再び発光状態になるのを待ち１発光状態
になったら、変換器ＡＤＣの出力データをサンプリング
してその結果をレジスタＣにロードする。

そして、レジスタＡ、Ｂ及びＣにロードされたデータを
チェックする。まず、Ａ−Ｂの値を所定値ｄ１と比較す
る。つまり、ＬＥＤが発光状態の時の受光レベルと消灯
状態の時の受光レベルとの差が反射波のレベルに対応し
ているので、その差が所定値６１以上であれば、心拍信
号有にみなしてもよい。

但し、ノイズを検出した場合にも、その差が大きくなる
可能性があるので、ＬＥＤが発光状態の時の２回のサン
プリングデータの差（Ａ−Ｃの絶対値）が所定値ｄ２よ
り大きい場合には、心拍信号無しにみなす。

心拍信号有を検出した場合には、レジスタＲｓｅｎの第
Ｎビット（このＮはレジスタＮの内容に対応する）にＬ
ｄ　１７７をセットする。なおレジスタＲｓｅｎは、２
つのメモリ（２バイト）で構成されており、初期状態で
は全ビットが１０″にクリアされる。

次に、レジスタＮの内容をインクリメントし、その結果
がＮｎ＋ａｘ（センサ数：１０）より大きくなるまで上
記処理を繰り返す。つまり、全ての心拍検出器５ＥＩ−
３ＥＩＯに対して、それぞれ、心拍信号が得られている
かどうかを順次チェックし、その検出結果をレジスタＲ
ｓｅｎに記憶する。

上記チェックが終了したら、レジスタＲｓｅｎの内容を
チェックする。それが０（全ビットが’Ｏ”）であれば
、心拍信号の検出できる心拍検出器が存在しないので、
このサブルーチンの最初に戻って、再び上記処理を実行
し、心拍イご号が得られるまで待つ。

レジスタＲｓｅｎの内容がＯでなければ、レジスタＡ、
Ｂ及びＣの内容をクリアし、レジスタＲｓｅｎの、レジ
スタＮＧの内容で定まるビットの内容をチェックする。

レジスタＮＧの内容は、初期状態では１である。レジス
タＲｓｅｎの当該ビットが００１１の場合には、レジス
タＮＧの内容をインクリメントして、レジスタＲｓｅｎ
の内容を再びチェックする。Ｒｓｅｎの当該ピントが＃
　１　ｒｅになったら、第５ｄ図の処理に進む。

次に、レジスタＲｓｅｎの内容をレジスタＭｓｅｎの内
容と比較する。レジスタＭｓｅｎには、前回のパ心拍セ
ンサチェック″処理においてレジスタＲｓｅｎにストア
されたデータが記憶されている。従って、これら２つの
レジスタの内容に差があった場合には、このサブルーチ
ンを前回実行した時から今回実行するまでの間に、実際
に心拍信号が得られる心拍検出器に変化があったことに
なる。この変化は、ドライバのステアリングホイール把
持状態の変化とみなすことができる。ステアリングホイ
ール梱持状態に変化がある場合、心拍信号にノイズが呪
われる可能性が高い。そこで、Ｍ　ｓｅｎ　＝　Ｒｓｅ
ｎでない場合には、レジスタＲｓｅｎの内容を〜１ｓｅ
ｎにストアした後、心拍ＩＩＩ定を禁止するため、出力
ボートＰ２を高レベル［１にセットする。

Ｒｓｅｎ　＝　Ｍ　ｓｅｎなら、次の処理に進む。即ち
、実際に心拍信号が得られる、レジスタＮＣの内容に対
応する心拍検出器を選択するように、各種アナログスイ
ッチを制御する。但し、ここでＡＤＣに印加する信号は
、復調された心拍信号（ＳＧ３側）である。

次に、データ取込みミスフラグＦ　ｍ１ｓｓをチェック
する。Ｆｍ１ｓｓが“１”であると、測定ができないの
で、それがＩＩ　ＯＩＩになるまで待つ。但し、カウン
タＮＧＣＮの内容が上限値ＮＧＣＮＨより大きくなると
、その時選択中の心拍検出器を無視する。つまり、レジ
スタＮＣの内容をインクリメントし、次の心拍検出器を
選択する。但し、レジスタＮＧの内容が心拍センサの数
Ｎｍａｘより大きくなったら、このチェックを終了する
。

データ取込みミスフラグＦ　ｍ１ｓｓが１０°′なら、
ピーク検出フラグＦ　ｐｅａｋをチェックし、それが＃
１＋ｙになるのを待つ。フラグＦ　ｐｅａｋがＩＩ　Ｉ
　１１になったら、それをＩＩ　ＯＩＩにリセットし、
カウンタＮＧＣＮを０にクリアする。そして、最新の心
拍（＋’を号レベルデータをＡＤＣから読み取ってレジ
スタＡにロードする。Ａ＞Ｂの場合、レジスタＡの内容
を已にストアし、レジスタＮＣの内容をメモリＭｎｃに
ストアする。

次に、レジスタＮＣの内容をインクリメントし。

レジスタＲｓｅｎのレジスタＮＣの内容で示されるビッ
トの内容をチェックする。該ビットがＩＩ　Ｏ１１、即
ち、該ビットに対応する心拍検出器が心拍信号を出力し
ない場合には、再びレジスタＮＣの内容をインクリメン
トするａ　Ｒｓｅｎの当該ビットが１１１１＋なら、心
拍検出器の選択をそのビット番号に応じて切換え、上記
処理を繰り返すことによって、心拍信号レベルのピーク
値を他の心拍検出器のものと比較する。レジスタＮＣの
内容がＮｍａｘより大きくなったら、このチェックを終
了する。即ち、上記処理（第５ｄ図）によって、心拍信
号の得られる心拍検出器のうち、最もレベルの大きい信
号の得られる１つの心拍検出器の番号が、メモリＭｎｃ
に記憶される。

上記処理の結果、メモリＭｎｃの内容が０なら、有効な
心拍信号の得られる心拍検出器が存在しないので、この
゛心拍センサチェック″サブルーチンを最初から再び実
行する。Ｍｎｃの内容が０でなければ、その内容に対応
付けられた心拍検出器を選択するように、各種アナログ
スイッチを制御する。

但し、この場合に選択するのは、復調された心拍信号（
ＳＧ３側）である。

次に、第５ｅ図を参照して′″データ取込″サブルーチ
ンを説明する。この処理では、まず、データ取込みミス
フラグＦ　ｍ１ｓｓをチェックする。それが１″なら、
それを′０″にリセットし、前述の″心拍センサチェッ
ク″サブルーチンを実行し、連続取込みフラグＦ　ｃａ
ｎｔを′Ｏ″にリセットし、上記処理を繰り返す。

フラグＦ　ｍ１ｓｓが“０″なら、次にピーク検出フラ
グＦ　ｐｅａｋをチェックする。Ｆ　ｐｅａｋがＩＩ　
Ｑ　ＩＩなら、それが１”になるまで待つ、　Ｆｐｅａ
ｋがＩＩ　Ｌ　Ｈｇになったら。

それを１０”にリセットし、フラグＦｃｏｎｔ、をチェ
ックする。Ｆ　ｃｏｎｔがＩＩ　ＯＩＩなら、それを１
′１″′にセットし。

上記処理を繰り返し実行する。連続取込みフラグＦ　ｃ
ｏｎｔが′″１″の場合、カウンタＣＮＴの内容が有効
かどうかチェックする。即ち、それまでに測定した心拍
周期の平均値をＸとする場合、ＣＮＴの内容とＸとの差
の絶対値が０．２５ｘより小さい場合に、そのデータを
有効とみなし、そうでなければ無効にする。

ＣＮＴの内容が有効なデータなら、次に゛′心心拍セン
サチェックササブルーチン実行した後、把持変化フラグ
Ｆｃｈｇをチェックする。フラグＦ　ｃｈｇがＩＩ　Ｉ
　Ｉｔなら、それを１１０１＋にリセットし、上記処理
を繰り返し実行する。フラグＦ　ｃｈ、が′０″なら、
カウンタＣＮＴの内容（心拍周期）を所定のメモリにス
トアし、その値を利用して心拍周期の平均値Ｘを計算し
てその結果を所定のメモリにストアし、カウンタＣＮＴ
の内容をクリアする。データ取込みが終了したら、この
サブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。

次に、第５ｆ図に示す割込み処理ＮＭＩを説明する。こ
の処理は、マイクロコンピュータＣＰＵのポートＮＭＩ
が低レベルＬになった時に、即ち。

所定以上のレベルの振動が検出された時、ステアリング
ホイールが所定以上の速度で回動する時。

及びステアリングホイール把持に変化があった時に実行
する。

この処理では、まずポートＰ２を低レベルしに設定（割
込み要求を解除）し、把持変化フラグＦ　ｃｈｇに１１
１１１をセットした後、所定時間Ｔだけ待機し。

カウンタＣＮＴの内容を０にクリアし、各フラグＦ　ｐ
ｅａｋ　、　Ｆ　ｒｗ及びＦ　ｃｏｎｅを“０″にリセ
ットし、タイマ割込みの設定を行なう。

従って、心拍測定を行なっている途中で、ポートＮＭＩ
が低レベルＬになると、それまでの測定結果が無効にな
り、それから少なくとも所定時間Ｔの間は、次の心拍測
定が開始されない、つまり。

心拍測定は禁止される。

［効果］ 以上のとおり本発明によれば、（ｎ号処理回路の増幅度
が入力される心拍信号のレベルに応じて自動的に調整さ
れ、入力レベルが小さい時には出力レベルが比較的大き
いのでピーク点の検出が容易であり、また入力レベルが
大きい時に信号レベルの飽和が生じないので、ピーク点
の検出に誤りを生じることがない。しかも、増幅度調整
の応答速度が早いので、変化の速いレベル変化が生じた
場合でも信号レベルの飽和が生じない。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明を実施する車上心拍計を搭載した自動
車のステアリングホイールを示す正面図である。 第２ａ図及び第２ｂ図は、それぞれ、第１図のｉ工ａ　
−ＩＩ　ａ線及びＨｂ　−ＩＩ　ｂ線から見た断面図で
ある。 第２ｃ図は、第１図のステアリングホイールの左側面か
らみた断面図である。 第２ｄ図は、振動センサ６０の縦断面図である。 第２ｅ図はステアリングセンサ７０を示す断面図、第２
ｆ図は第２ｅ図のＩＩ　ｆ　−ＩＩ　ｆ線から見た断面
図である。 第３ａ図、第３ｂ図、第３ｃ図及び第３ｄ図は、車上心
拍計の電気回路を示すブロック図である。 第４ａ図及び第４ｂ図は、それぞれ変調された心拍信号
及び復調された心拍信号を示す波形図である。 第５ａ図、第５ｂ図、第５ｃ図、第５ｄ図、第５ｅ図及
び第５ｆ図は、第３ａ図のマイクロコンピュータＣＰＵ
の動作を示すフローチャートである。 ■＝ニステアリングホイー ル０：操舵シャフト ６０：振動センサ ６６．７２：反射型光学センサ ７０ニステアリングセンサ ７３：ディスク ８１　：　Ｆ／Ｖ変換器 １１０：信号処理回路（（ご号処理手段）１１１：増幅
回路（レベル調整手段） ○Ｐ１〜ＯＰ７　：演算増幅器 ＳＡＩ、ＳＡ２．ＳＢＩ、ＳＢ２ニスリップリングＢＡ
ｌ、１３Ａ２．１３８１．Ｂ［３２：刷子ＳＥ１〜５Ｅ
ＩＯ：心拍検出器（心拍検出手段）ＬＥＤ　：発光ダイ
オード ＰＴ：フォトトランジスタ ＣＰＵ：マイクロコンピュータ（測定制御手段）Ｏ３Ｃ
Ｉ：発振回路（変調手段） ＡＳＩ、ＡＳ　２．ＡＳ　３．Ａｓ４　：アナログスイ
ッチＤＳＰ：表示器 ＡＤＣ：アナログ／デジタル変換器 ＶＳＵｓＱ声合成′３Ａｒｎ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）人間の心拍に応じた電気信号を出力する心拍検出
   手段； 入力端子が前記心拍検出手段の出力端子と接続され、該
   心拍検出手段が出力する電気信号に対して増幅及び減衰
   の少なくとも一方を行なう、信号処理手段； 前記信号処理手段に含まれ、前記心拍検出手段が出力す
   る電気信号に応じてそのレベルが定まる所定の電気信号
   の瞬時値レベルに応じて該信号処理手段の増幅度もしく
   は減衰比を調整するレベル調整手段；及び 前記信号処理手段が出力する電気信号を監視し、該電気
   信号のレベルの変動周期およびそのばらつきの少なくと
   も一方を測定する、測定制御手段； を備える心拍測定装置。
2. （２）レベル調整手段は、増幅器の出力端子に入力端子
   が接続され、出力端子が前記増幅器の入力端子に接続さ
   れ、該増幅器の負帰還ループの一部を構成する能動素子
   である、前記特許請求の範囲第（１）項記載の心拍測定
   装置。
3. （３）前記能動素子はトランジスタである、前記特許請
   求の範囲第（２）項記載の心拍測定装置。
4. （４）心拍検出手段は、車上のステアリングホィールに
   配置された発光手段と受光手段を含む反射型光学検出手
   段である、前記特許請求の範囲第（１）項、第（２）項
   又は第（３）項記載の心拍測定装置。
5. （５）心拍検出手段は前記発光手段の発光レベルを所定
   周期で変調する変調手段を備え、レベル調整手段は、ロ
   ーパスフィルタを構成する増幅器の出力端子に入力端子
   が接続され、出力端子が前記増幅器の入力端子に接続さ
   れ、該増幅器の負帰還ループの一部を構成する能動素子
   である、前記特許請求の範囲第（４）項記載の心拍測定
   装置。