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JP2017140202A - Pulse wave detection device - Google Patents

Pulse wave detection device
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JP2017140202A
JP2017140202AJP2016023225AJP2016023225AJP2017140202AJP 2017140202 AJP2017140202 AJP 2017140202AJP 2016023225 AJP2016023225 AJP 2016023225AJP 2016023225 AJP2016023225 AJP 2016023225AJP 2017140202 AJP2017140202 AJP 2017140202A
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Japanese (ja)
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重知 三谷
Shigetomo Mitani
重知 三谷
俊二 太田
Shunji Ota
俊二 太田
慶伸 青木
Yoshinobu Aoki
慶伸 青木
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Nidec Mobility Corp
Original Assignee
Omron Automotive Electronics Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce an influence by a motion of a body and detect a pulse wave of a heart rate with a high degree of precision.SOLUTION: A pulse wave detection device 100 includes a first light emitter 11 for irradiating a first irradiation light of a first wavelength onto a living body, a second light emitter 12 for irradiating a second irradiation light of a second wavelength onto the living body, a first light receiver 13 for receiving a first reflection light which is the first irradiation light reflected by the living body, and outputting a first light reception signal, a second light receiver 14 for receiving a second reflection light which is the second irradiation light reflected by the living body, and outputting a second light reception signal, and a control unit 20 for detecting a frequency of a pulse wave based on the strength of the first light reception signal and the strength of the second light reception signal. The first irradiation light of the first wavelength and the second irradiation light of the second wavelength are near infrared lights.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

Translated fromJapanese

本発明は、心拍の脈波を検出する装置に関し、特に、生体に向けて光を照射し、生体からの反射光に基づいて脈波を検出する光学式の脈波検出装置に関する。  The present invention relates to an apparatus for detecting a pulse wave of a heartbeat, and more particularly to an optical pulse wave detection apparatus that irradiates light toward a living body and detects a pulse wave based on reflected light from the living body.

従来から、生体の皮膚に光を照射し、その反射光の光量の増減を検出することにより、心拍の脈波を検出する装置が知られている。例えば、特許文献1は、大掛かりな遮光構造がなくても使用可能な光学式の脈波計測装置を開示する。この脈波計測装置は、指に装着された状態で、青色LEDから指に向けて光を照射し、血管に届いて反射した光をフォトトランジスタによって受光する。その受光量は、血液の脈波によって生じる血量変化に対応する。ここで、青色LEDの発光波長は、300nmから700nmまでの波長領域であり、その発光波長ピークは、450nmである。この波長領域の光は、赤外光に比べて血液中のヘモグロビンに吸光されやすいという特性が有り、血量の量、すなわちヘモグロビンの量に応じて、反射されてくる光の強度の変化が大きくなり、信号のSN比が向上するという利点がある。  2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an apparatus for detecting a pulse wave of a heartbeat by irradiating light on the skin of a living body and detecting an increase or decrease in the amount of reflected light. For example,Patent Document 1 discloses an optical pulse wave measuring device that can be used without a large light shielding structure. This pulse wave measuring device irradiates light from a blue LED toward a finger while being worn on the finger, and receives light reflected by the blood vessel by a phototransistor. The amount of received light corresponds to a change in blood volume caused by a pulse wave of blood. Here, the emission wavelength of the blue LED is in a wavelength region from 300 nm to 700 nm, and the emission wavelength peak is 450 nm. Light in this wavelength region has a characteristic that it is more easily absorbed by hemoglobin in blood than infrared light, and the change in the intensity of reflected light is large depending on the amount of blood, that is, the amount of hemoglobin. Thus, there is an advantage that the signal-to-noise ratio of the signal is improved.

また、特許文献2は、太陽光の影響を除去して精度良く脈波を検出する脈波検出装置を開示する。この脈波検出装置は、人体の腕等に固定して利用するものであり、発光素子としての赤外LEDおよび緑色LEDと、受光素子としてのフォトダイオードとを備える。赤外LEDおよび緑色LEDが、それぞれ赤外光および緑色光を人体に向かって交互に照射し、この光の反射光をフォトダイオードが受光する。
フォトダイオードが出力した受光信号には、毛細動脈に当たって反射した脈波を示す信号(脈波成分)と、皮膚表面又は毛細動脈以外で反射した反射波の成分(反射波成分)との両成分が含まれている。人体に照射された赤外光の反射光は、体動成分と比較して脈拍成分が非常に小さく、緑色光の反射光は、脈拍成分と体動成分とがいずれも抽出できるので、各波長の反射光を比較することによって、脈波成分のみを抽出できる。
Patent Document 2 discloses a pulse wave detection device that removes the influence of sunlight and accurately detects a pulse wave. This pulse wave detection device is used by being fixed to a human arm or the like, and includes an infrared LED and a green LED as light emitting elements, and a photodiode as a light receiving element. The infrared LED and the green LED alternately irradiate infrared light and green light toward the human body, respectively, and the photodiode receives the reflected light of this light.
The received light signal output from the photodiode includes both a signal indicating a pulse wave reflected by the capillary artery (pulse wave component) and a reflected wave component reflected from the skin surface or other than the capillary artery (reflected wave component). include. The reflected light of infrared light irradiated to the human body has a very small pulse component compared to the body motion component, and the reflected light of green light can extract both the pulse component and the body motion component. Only the pulse wave component can be extracted by comparing the reflected light.

また、特許文献3は、体動等の影響を受けることなく高精度に血圧を測定することができる血液測定装置を開示する。この血液測定装置は、近赤外光(例えば波長640nm)を皮膚へ照射し、皮膚深部にある橈骨動脈に至り、そこからの反射光を受光する光電センサによって、血管の容量変動に伴う吸光度の変化を血流量の相対変化(光電脈波)として検出する。体動センサとして青外光(例えば波長420nm)を皮膚へ照射し、皮膚表面での反射光の受光する体動センサによって、反射光の変動を体動の変化をして検出する。光電センサの出力波形から体動センサの出力波形を除去することによって、測定精度を向上させる。  Patent Document 3 discloses a blood measurement device capable of measuring blood pressure with high accuracy without being affected by body movement or the like. This blood measuring device irradiates the skin with near-infrared light (for example, wavelength 640 nm), reaches the radial artery in the deep part of the skin, and receives the reflected light from the radial artery, and the absorbance associated with the change in the volume of the blood vessel is measured. The change is detected as a relative change in blood flow (photoelectric pulse wave). The body motion sensor irradiates the skin with blue light (for example, a wavelength of 420 nm), and the body motion sensor that receives the reflected light on the skin surface detects the fluctuation of the reflected light by changing the body motion. Measurement accuracy is improved by removing the output waveform of the body motion sensor from the output waveform of the photoelectric sensor.

特開2005−125106号公報JP 2005-125106 A特開2005−160641号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-160641特開2002−369805号公報JP 2002-369805 A

上述したように、生体の皮膚に光を照射し、その反射光の増減により心拍の脈波を検出する際、反射光の光量は、他の体の動きによっても増減するために、かかる体の動きによる影響を低減させる必要がある。本願発明者らは、反射光の光量を計測する際の体の動きによる影響を少なくすると共に心拍の脈波を高精度に検出ことを目的として鋭意検討した結果、照射する波長におけるヘモグロビンと水の吸光率の差に着目し、多くの実験を重ねることで、上記目的を達成しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、所定の波長の異なる2つの光を用いて、体の動きによる影響を少なくすると共に、心拍の脈波を高精度に検出する光学式の脈波検出装置を提供するものである。
As described above, when irradiating light on the skin of a living body and detecting a pulse wave of a heartbeat by increasing or decreasing the reflected light, the amount of reflected light increases or decreases depending on the movement of another body. It is necessary to reduce the influence of movement. The inventors of the present application have made extensive studies for the purpose of reducing the influence of body movement when measuring the amount of reflected light and detecting heartbeat pulse waves with high accuracy. By paying attention to the difference in absorbance and repeating a number of experiments, the inventors have found that the above object can be achieved, and have completed the present invention.
The present invention provides an optical pulse wave detection device that uses two lights having different predetermined wavelengths to reduce the influence of body movement and to detect heartbeat pulse waves with high accuracy.

上記課題を解決するために、生体に対して第1波長の第1照射光を照射する第1発光器と、生体に対して第2波長の第2照射光を照射する第2発光器と、第1照射光が生体によって反射された第1反射光を受光し、第1受光信号を出力する第1受光器と、第2照射光が生体によって反射された第2反射光を受光し、第2受光信号を出力する第2受光器と、第1受光信号の強度と第2受光信号の強度に基づいて脈波の周波数を検出する制御部と、を備え、第1波長の第1照射光および第2波長の第2照射光は近赤外光である、脈波検出装置が提供される。
これによれば、ヘモグロビンと水に対する吸光率が互いに異なる2つの波長の近赤外光を照射し、その反射光を分析することで、体の動きによる影響が少なくなり、精度良く脈波を検出する光学式の脈波検出装置を提供できる。
In order to solve the above problem, a first light emitter that irradiates a living body with a first irradiation light having a first wavelength, a second light emitter that irradiates a living body with a second irradiation light having a second wavelength, The first irradiation light receives the first reflected light reflected by the living body and outputs a first received light signal; the second irradiation light receives the second reflected light reflected by the living body; A second light receiving device that outputs two light receiving signals, and a controller that detects the frequency of the pulse wave based on the intensity of the first light receiving signal and the intensity of the second light receiving signal, and the first irradiation light having the first wavelength. A pulse wave detection device is provided in which the second irradiation light having the second wavelength is near-infrared light.
According to this, by irradiating two wavelengths of near-infrared light with different absorption rates for hemoglobin and water, and analyzing the reflected light, the influence of the movement of the body is reduced, and the pulse wave is detected accurately. An optical pulse wave detection device can be provided.

さらに、第1波長は835〜910nmであり、前記第2波長は740〜830nmであることを特徴としてもよい。
これによれば、実験により確認された波長に限定することで、より精度良く脈波を検出することができる。
Further, the first wavelength may be 835 to 910 nm, and the second wavelength may be 740 to 830 nm.
According to this, the pulse wave can be detected with higher accuracy by limiting to the wavelength confirmed by the experiment.

さらに、第1発光器と第2発光器は交互に第1照射光と第2照射光を照射し、第1受光器と第2受光器は1つの受光素子からなることを特徴としてもよい。
これによれば、受光器の数を削減することで脈波検出装置のコストを安くすることができる。
Further, the first light emitter and the second light emitter may alternately emit the first irradiation light and the second irradiation light, and the first light receiver and the second light receiver may be composed of one light receiving element.
According to this, the cost of the pulse wave detection device can be reduced by reducing the number of light receivers.

以上説明したように、本発明によれば、所定の波長の異なる2つの光を用いて体の動きによる影響を少なくして、検出精度の高い光学式の脈波検出装置を提供できる。  As described above, according to the present invention, it is possible to provide an optical pulse wave detection device with high detection accuracy by using two lights having different predetermined wavelengths to reduce the influence of body movement.

950nmと870nmの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。The graph which shows frequency distribution at the time of experimenting with the combination of the light of a wavelength of 950 nm and 870 nm.950nmと800nmの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。The graph which shows frequency distribution at the time of experimenting with the combination of the light of a wavelength of 950 nm and 800 nm.950nmと750nmの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。The graph which shows frequency distribution at the time of experimenting with the combination of the light of a wavelength of 950 nm and 750 nm.950nmと700nmの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。The graph which shows frequency distribution at the time of experimenting with the combination of the light of a wavelength of 950 nm and 700 nm.870nmと800nmの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。The graph which shows the frequency distribution at the time of experimenting with the combination of the light of a wavelength of 870 nm and 800 nm.870nmと750nmの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。The graph which shows frequency distribution at the time of experimenting with the combination of the light of a wavelength of 870 nm and 750 nm.870nmと700nmの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。The graph which shows frequency distribution at the time of experimenting with the combination of the light of a wavelength of 870 nm and 700 nm.800nmと750nmの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。The graph which shows frequency distribution at the time of experimenting with the combination of the light of a wavelength of 800 nm and 750 nm.800nmと700nmの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。The graph which shows frequency distribution at the time of experimenting with the combination of the light of a wavelength of 800 nm and 700 nm.750nmと700nmの波長の光の組合せで実験した場合の周波数分布を示すグラフ。The graph which shows frequency distribution at the time of experimenting with the combination of the light of a wavelength of 750 nm and 700 nm.表1のS/N比の値に基づく等高線グラフ。The contour graph based on the value of S / N ratio of Table 1.本発明に係る脈波検出装置の使用形態を示す説明図。(A)指に接触させて使用する場合、(B)指から離して使用する場合。Explanatory drawing which shows the usage condition of the pulse-wave detection apparatus which concerns on this invention. (A) When used in contact with a finger, (B) When used away from a finger.本発明に係る第一実施例の脈波検出装置の構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the pulse-wave detection apparatus of 1st Example which concerns on this invention.本発明に係る第一実施例の脈波検出装置の制御部のブロック図。The block diagram of the control part of the pulse-wave detection apparatus of 1st Example which concerns on this invention.本発明に係る第一実施例の脈波検出装置の信号処理回路のブロック図。The block diagram of the signal processing circuit of the pulse-wave detection apparatus of 1st Example which concerns on this invention.本発明に係る第一実施例の脈波検出装置における動作を示すフローチャート。The flowchart which shows the operation | movement in the pulse-wave detection apparatus of 1st Example which concerns on this invention.本発明に係る第一実施例の脈波検出装置におけるサンプリングを説明する説明図。Explanatory drawing explaining the sampling in the pulse-wave detection apparatus of 1st Example which concerns on this invention.本発明に係る第二実施例の脈波検出装置の構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the pulse-wave detection apparatus of 2nd Example which concerns on this invention.本発明に係る第二実施例の脈波検出装置の制御部のブロック図。The block diagram of the control part of the pulse-wave detection apparatus of 2nd Example which concerns on this invention.本発明に係る第二実施例の脈波検出装置の信号処理回路のブロック図。The block diagram of the signal processing circuit of the pulse-wave detection apparatus of 2nd Example which concerns on this invention.本発明に係る第二実施例の脈波検出装置における動作を示すフローチャート。The flowchart which shows the operation | movement in the pulse-wave detection apparatus of 2nd Example which concerns on this invention.本発明に係る第二実施例の脈波検出装置におけるサンプリングを説明する説明図。Explanatory drawing explaining the sampling in the pulse-wave detection apparatus of 2nd Example which concerns on this invention.

<照射する光の波長について>
波長200nmから10μmでの光に対して、生体内に存在する主な光吸収物質は、水と血液中のヘモグロビンであり、それらの吸収スペクトルは波長に強く依存することが知られている。ヘモグロビンは、波長が700nm以下の光に対して強い吸収を持ち、水は、2μmよりも波長が長い中赤外光および遠赤外光に対して強い吸収を持つ。一方、波長がおよそ700nmから2μmまでの近赤外光に対してはヘモグロビンと水の吸収が弱いため、近赤外光は、生体組織に深く浸透する。
<About the wavelength of the irradiated light>
It is known that the main light-absorbing substances existing in the living body with respect to light with a wavelength of 200 nm to 10 μm are water and hemoglobin in blood, and their absorption spectra strongly depend on the wavelength. Hemoglobin has strong absorption with respect to light having a wavelength of 700 nm or less, and water has strong absorption with respect to mid-infrared light and far-infrared light having a wavelength longer than 2 μm. On the other hand, since the absorption of hemoglobin and water is weak for near infrared light having a wavelength of about 700 nm to 2 μm, the near infrared light penetrates deeply into the living tissue.

心拍の脈波を光学的に検出するためには、光が動脈に届くことが必要である。そのためには、水による吸光率がより低い光である900nm以下の光を使うことが必要である。また、静脈の中のヘモグロビンによる吸光率が大きすぎても深い位置にある動脈に届く前に減衰してしまうので、光の波長が700nm以下であると水による吸光率はより小さいが、ヘモグロビンによる吸光率が高くなり適切ではない。したがって、波長が700nm〜900nm程度の光であれば、水およびヘモグロビン両方による吸光率が小さい。よって、動脈内に存するヘモグロビンの変動を検出するためには、700nm〜900nmの波長の近赤外光を使用することが好ましい。この動脈内に存するヘモグロビンの変動を検出するための光の波長を、本明細書では第1波長という。  In order to optically detect a pulse wave of a heartbeat, it is necessary that light reaches an artery. For that purpose, it is necessary to use light of 900 nm or less, which is light having a lower light absorption rate. In addition, even if the absorbance due to hemoglobin in the vein is too large, it will attenuate before reaching the artery in the deep position, so if the wavelength of light is 700 nm or less, the absorbance due to water is smaller, Absorbance increases and is not appropriate. Therefore, if the light has a wavelength of about 700 nm to 900 nm, the light absorption rate by both water and hemoglobin is small. Therefore, it is preferable to use near infrared light having a wavelength of 700 nm to 900 nm in order to detect a change in hemoglobin present in the artery. The wavelength of light for detecting the fluctuation of hemoglobin existing in the artery is referred to as a first wavelength in this specification.

本発明では、第1波長と、第1波長とは異なる波長(以下、第2波長と言う)の光も使用して、体の動きを相殺する。第1波長との差分を検出するための第2波長は、心拍によるヘモグロビンの変動による反射光の変動においては第1波長の反射光の変動との差が大きくなる波長であり、かつ、体の動きに伴う変動による反射光の変動においては第1波長の反射光の変動との差が小さくなる波長である。したがって、第2波長は、水の吸光率において第1波長と同程度の吸光率を有する波長が適している。そうすると、第2波長も、700nm〜900nmの波長の近赤外光を使用することが好ましい。  In the present invention, the movement of the body is canceled by using the first wavelength and light having a wavelength different from the first wavelength (hereinafter referred to as the second wavelength). The second wavelength for detecting the difference from the first wavelength is a wavelength at which a difference between the reflected light of the first wavelength and the fluctuation of the reflected light due to the hemoglobin fluctuation due to the heartbeat becomes large, and In the fluctuation of the reflected light due to the fluctuation caused by the movement, the difference is smaller than the fluctuation of the reflected light of the first wavelength. Accordingly, the second wavelength is suitably a wavelength having an absorbance similar to that of the first wavelength in the water absorbance. Then, it is preferable to use near infrared light having a wavelength of 700 nm to 900 nm as the second wavelength.

しかし、第2波長は、第1波長の吸光率を同程度とするためには、第1波長に近ければ近いほどよいことになるが、第1波長の吸光率と差を大きくするためには、第1波長から離れれば離れるほどよいこととなり、第2波長は、一義的に定まらない。そこで、発明者らは、様々な実験を行った。  However, for the second wavelength, the closer to the first wavelength, the better in order to make the absorbance at the first wavelength comparable, but to increase the difference from the absorbance at the first wavelength. The farther away from the first wavelength, the better. The second wavelength is not uniquely determined. Therefore, the inventors conducted various experiments.

図1A〜図1Jは、各波長の光を出力する発光ダイオード(LED)を使用し、実験を行った結果である。使用したLEDの中心波長は、950nm、870nm、800nm、750nm、700nmである。図1Aが、第1波長に950nm、第2波長に870nmを使用した場合の結果であり、以下同様に、図1Bが、第1波長に950nm、第2波長に800nmを、図1Cが、第1波長に950nm、第2波長に750nmを、図1Dが、第1波長に950nm、第2波長に700nmを、図1Eが、第1波長に870nm、第2波長に800nmを、図1Fが、第1波長に870nm、第2波長に750nmを、図1Gが、第1波長に870nm、第2波長に700nmを、図1Hが、第1波長に800nm、第2波長に750nmを、図1Iが、第1波長に800nm、第2波長に700nmを、図1Jが、第1波長に750nm、第2波長に700nmを使用した場合の結果である。  1A to 1J show results of experiments using light emitting diodes (LEDs) that output light of each wavelength. The center wavelengths of the used LEDs are 950 nm, 870 nm, 800 nm, 750 nm, and 700 nm. FIG. 1A shows the results when 950 nm is used for the first wavelength and 870 nm is used for the second wavelength. Similarly, FIG. 1B shows 950 nm for the first wavelength, 800 nm for the second wavelength, and FIG. FIG. 1D shows 950 nm for the first wavelength, 750 nm for the second wavelength, FIG. 1D shows 950 nm for the first wavelength, 700 nm for the second wavelength, FIG. 1E shows 870 nm for the first wavelength, 800 nm for the second wavelength, and FIG. FIG. 1G shows 870 nm for the first wavelength, 750 nm for the second wavelength, FIG. 1H shows 870 nm for the first wavelength, 700 nm for the second wavelength, FIG. 1H shows 800 nm for the first wavelength, 750 nm for the second wavelength, and FIG. FIG. 1J shows the results when using the first wavelength of 800 nm, the second wavelength of 700 nm, and FIG. 1J using the first wavelength of 750 nm and the second wavelength of 700 nm.

これらの図を描くために、実験では、第1波長と第2波長の光を生体に照射し、受光素子によりその反射光の受光値を取得した。そして、その2つの受光値の比率(Ratio)に対して、直流成分のノイズを取り除くために平滑化微分処理を行った後、周波数成分を抽出するために高速フーリエ変換処理を行った。  In order to draw these figures, in the experiment, the living body was irradiated with light of the first wavelength and the second wavelength, and the received light value of the reflected light was obtained by the light receiving element. Then, a smoothing differentiation process was performed on the ratio (Ratio) of the two received light values to remove noise of the DC component, and then a fast Fourier transform process was performed to extract the frequency component.

図1Aでは、実線矢印が示す心拍の脈波(脈拍)の周期に対応する1Hz辺りでは多少のピークは示すものの大きなピークを示すとは言えず、2Hz辺りで最も大きなピークを示す。2Hzは、1Hzの高周波成分とも推測できるが、精度良く脈波のみを検出することを目的としているので、2Hzのピークは無視するものとする。なお、本図では、破線矢印が示す呼吸の周期に対応する0.3〜0.4Hz辺りでもピークは示していない。そうすると、第1波長に950nm、第2波長に870nmを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光はあまり含まれていないこととなり、精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。  In FIG. 1A, although a slight peak is shown around 1 Hz corresponding to the period of the pulse wave (pulse) of the heartbeat indicated by the solid line arrow, it cannot be said that a large peak is shown, and the largest peak is shown around 2 Hz. Although 2 Hz can be estimated as a high-frequency component of 1 Hz, the purpose is to detect only the pulse wave with high accuracy, so the peak at 2 Hz is ignored. In this figure, no peak is shown even in the vicinity of 0.3 to 0.4 Hz corresponding to the breathing cycle indicated by the dashed arrow. Then, when 950 nm is used for the first wavelength and 870 nm is used for the second wavelength, the received light does not contain much reflected light of the pulse period, and the wavelength for detecting only the pulse wave with high accuracy is obtained. It can be said that the combination is not appropriate.

図1Bでは、脈拍の周期に対応する実線矢印の1Hz辺りと、呼吸の周期に対応する破線矢印の0.3〜0.4Hz辺りとでピークを示す。そうすると、第1波長に950nm、第2波長に800nmを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光と呼吸の周期の反射光が同程度に含まれていることとなり、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。  In FIG. 1B, a peak is shown around 1 Hz of a solid line arrow corresponding to the pulse period and around 0.3 to 0.4 Hz of a broken line arrow corresponding to the breathing period. Then, when 950 nm is used for the first wavelength and 800 nm is used for the second wavelength, the received light contains the reflected light of the pulse period and the reflected light of the respiration period to the same extent. It can be said that it is not appropriate as a combination of wavelengths for detecting only the pulse wave with high accuracy by reducing the influence of the body movement.

図1Cでは、脈拍の周期に対応する実線矢印の1Hz辺りのピークは、呼吸の周期に対応する破線矢印の0.3〜0.4Hz辺りのピークよりも高く、上記の波長の組合せに比べれば比較的良い組合せとも評価できるが、精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。図1Dでは、同様に、脈拍の周期に対応する実線矢印の1Hz辺りのピークは、呼吸の周期に対応する破線矢印の0.3〜0.4Hz辺りのピークよりも高いと言えるが、精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。そうすると、図1A〜図1Dに示す、第1波長に950nmを使い、第2波長に870〜700nmを使用した場合は、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。  In FIG. 1C, the peak around 1 Hz of the solid line arrow corresponding to the pulse period is higher than the peak around 0.3 to 0.4 Hz of the broken line arrow corresponding to the breathing period, compared to the combination of the above wavelengths. Although it can be evaluated as a relatively good combination, it can be said that it is not appropriate as a combination of wavelengths for detecting only a pulse wave with high accuracy. In FIG. 1D, similarly, it can be said that the peak around 1 Hz of the solid arrow corresponding to the pulse cycle is higher than the peak around 0.3 to 0.4 Hz of the dashed arrow corresponding to the breathing cycle, but with high accuracy. It can be said that the combination of wavelengths for detecting only the pulse wave is not appropriate. Then, when 950 nm is used for the first wavelength and 870 to 700 nm is used for the second wavelength as shown in FIGS. 1A to 1D, only the pulse wave is detected with less influence of body movement such as respiration. It can be said that the combination of wavelengths is not appropriate.

図1Eでは、脈拍の周期に対応する実線矢印の1Hz辺りに非常に高いピークを示し、他の周期においてはピークを示していない。そうすると、第1波長に870nm、第2波長に800nmを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光が非常に多く含まれ、他の周期の反射光はほとんど含まれていないことになる。したがって、第1波長を870nmとして、第2波長を800nmとした波長の組合せは、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとして適切であると言える。  In FIG. 1E, a very high peak is shown around 1 Hz of the solid line arrow corresponding to the pulse period, and no peak is shown in other periods. Then, when 870 nm is used for the first wavelength and 800 nm is used for the second wavelength, the received light contains very much reflected light of the pulse period, and hardly contains reflected light of other periods. It will be. Therefore, a wavelength combination in which the first wavelength is set to 870 nm and the second wavelength is set to 800 nm is appropriate as a combination of wavelengths for accurately detecting only the pulse wave with less influence of body movement such as respiration. I can say that.

図1Fでは、脈拍の周期に対応する実線矢印の1Hz辺りに非常に高いピークを示し、他の周期においてはピークを示していない。図1Gにおいても、脈拍の周期に対応する実線矢印の1Hz辺りに非常に高いピークを示し、他の周期においてはピークを示していない。そうすると、図1E〜図1Gに示す、第1波長に870nm、第2波長に800〜700nmを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光が非常に多く含まれ、他の周期の反射光はほとんど含まれていないこととなり、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとして適切であると言える。  In FIG. 1F, a very high peak is shown around 1 Hz of the solid line arrow corresponding to the pulse period, and no peak is shown in other periods. Also in FIG. 1G, a very high peak is shown around 1 Hz of the solid line arrow corresponding to the pulse period, and no peak is shown in other periods. Then, when 870 nm is used for the first wavelength and 800 to 700 nm is used for the second wavelength, as shown in FIGS. 1E to 1G, the received light contains very much reflected light of the pulse period, The reflected light of the period is hardly included, and it can be said that it is suitable as a combination of wavelengths for detecting only the pulse wave with high accuracy while reducing the influence of body movement such as respiration.

図1Hでは、脈拍の周期に対応する実線矢印の1Hz辺りに高いピークを示し、呼吸の周期に対応する破線矢印の0.3〜0.4Hz辺りに多少多く含まれることを示しているものの、1Hz辺りのピークに比べればかなり低い。そうすると、第1波長に800nm、第2波長に750nmを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光が非常に多く含まれ、他の周期の反射光はほとんど含まれていないことになる。したがって、第1波長を800nmとして、第2波長を750nmとした波長の組合せは、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとして適切であると言える。  In FIG. 1H, a high peak is shown around 1 Hz of the solid line arrow corresponding to the pulse period, and it is shown that it is included a little around 0.3 to 0.4 Hz of the broken line arrow corresponding to the breathing period. It is considerably lower than the peak around 1 Hz. Then, when 800 nm is used for the first wavelength and 750 nm is used for the second wavelength, the received light contains very much reflected light of the pulse period, and hardly contains reflected light of other periods. It will be. Therefore, a wavelength combination in which the first wavelength is set to 800 nm and the second wavelength is set to 750 nm is appropriate as a combination of wavelengths for detecting only the pulse wave with high accuracy while reducing the influence of body movement such as respiration. I can say that.

図1Iでは、呼吸の周期に対応する破線矢印の0.3〜0.4Hz辺りと脈拍の周期に対応する実線矢印の1Hz辺りに同程度のピークを示す。そうすると、第1波長に800nm、第2波長に700nmを使用した場合、受光した光の中には脈拍の周期の反射光と呼吸の周期の反射光が同程度に含まれていることとなり、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして脈波のみを検出する波長の組合せとしては適切ではないと言える。  In FIG. 1I, the same level of peaks are shown around 0.3 to 0.4 Hz of the broken line arrow corresponding to the respiratory cycle and around 1 Hz of the solid line arrow corresponding to the pulse period. Then, when 800 nm is used for the first wavelength and 700 nm is used for the second wavelength, the received light contains the reflected light of the pulse period and the reflected light of the respiration period to the same extent. It can be said that it is not appropriate as a combination of wavelengths for detecting only the pulse wave by reducing the influence of the body movement.

図1Jでは、呼吸の周期に対応する破線矢印の0.3〜0.4Hz辺りに多少ピークを示し、脈拍の周期に対応する実線矢印の1Hz辺りにピークはほとんどない。そうすると、第1波長に750nm、第2波長に700nmを使用した場合、脈波をほとんど検出できないので、波長の組合せとして適切でないと言える。  In FIG. 1J, there is a slight peak around 0.3 to 0.4 Hz of the dashed arrow corresponding to the breathing cycle, and there is almost no peak around 1 Hz of the solid arrow corresponding to the pulse cycle. Then, when 750 nm is used for the first wavelength and 700 nm is used for the second wavelength, pulse waves can hardly be detected, so it can be said that the combination of wavelengths is not appropriate.

上述したことをまとめると、実際に実験を行った2つの波長の組合せとしては、870nmと800nm、870nmと750nm、870nmと700nm、800nmと750nm、800nmと700nm、750nmと700nm、の組合せにおいて、受光した光の中には脈拍の周期の反射光が非常に多く含まれ、他の周期の反射光はほとんど含まれていないこととなり、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出する波長の組合せとして適切であると言える。  In summary, the two wavelengths actually tested are 870 nm and 800 nm, 870 nm and 750 nm, 870 nm and 700 nm, 800 nm and 750 nm, 800 nm and 700 nm, and 750 nm and 700 nm. The reflected light contains a very large amount of reflected light of the pulse period, and hardly contains the reflected light of other periods. The influence of body movement such as breathing is reduced and the pulse is accurately detected. It can be said that it is suitable as a combination of wavelengths for detecting only waves.

しかし、上記の波長は実験に使用されたLEDのスペクトル分布におけるピーク波長であり、実際には、そのピーク波長をほぼ中央値として、半値幅30nm〜40nm程度を示すのが通常のLEDのスペクトル分布の仕様である。そうすると、ある程度の波長幅を有して適切であると言うことが可能である。たとえば、最も際立った差を示した870nmと800nmの組合せの場合、半値幅を考慮すれば、第1波長が850nm〜890nm程度であり、第2波長が780nm〜820nm程度であれば、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出することができると考えられる。同様に、870nmと750nmの組合せの場合、半値幅を考慮すれば、第1波長が850nm〜890nm程度であり、第2波長が730nm〜770nm程度であれば、呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出することができると考えられる。  However, the above-mentioned wavelength is the peak wavelength in the spectrum distribution of the LED used in the experiment. In practice, the peak wavelength is approximately the median, and the half-width of about 30 nm to 40 nm is shown as a normal LED spectrum distribution. This is the specification. Then, it can be said that it is appropriate with a certain wavelength width. For example, in the case of the combination of 870 nm and 800 nm, which shows the most remarkable difference, if the first half wavelength is about 850 nm to 890 nm and the second wavelength is about 780 nm to 820 nm, the half-width is considered. It is considered that only the pulse wave can be detected accurately with less influence of the body movement. Similarly, in the case of the combination of 870 nm and 750 nm, if the half-value width is taken into consideration, if the first wavelength is about 850 nm to 890 nm and the second wavelength is about 730 nm to 770 nm, the influence of body movement such as respiration It is considered that only the pulse wave can be detected with high accuracy.

表1は、第1波長をVS1、第2波長をVS2として、上述したように、2つの受光値の比率(Ratio)に対して高速フーリエ変換処理を行った結果において、周波数が1以上1.5Hz未満におけるピーク値をS欄に、0以上1.0Hz未満におけるピーク値をN欄に記載して、S欄に記載されたピーク値をN欄に記載されたピーク値で除したものをS/N比として算出したものである。すなわち、このS/N比は、脈波に対応する周波数帯における信号の大きさをSignalとみなし、呼吸に対応する周波数帯における信号の大きさをNoiseとみなしたS/N比である。

Figure 2017140202
Table 1 shows that the first wavelength is VS1 and the second wavelength is VS2, and as described above, the result of performing the fast Fourier transform process on the ratio (Ratio) of the two received light values indicates that the frequency is 1 or more. The peak value at less than 5 Hz is written in the S column, the peak value at 0 to less than 1.0 Hz is written in the N column, and the peak value written in the S column is divided by the peak value written in the N column. / N ratio. That is, this S / N ratio is an S / N ratio in which the magnitude of the signal in the frequency band corresponding to the pulse wave is regarded as Signal and the magnitude of the signal in the frequency band corresponding to respiration is regarded as Noise.
Figure 2017140202

図2は、表1のS/N比の値に基づいて、所謂等高線グラフを描いたものである。値の無い部分(一点鎖線より右下側)はS/N比をゼロとし、S/N比が0〜2は白、2〜4はグレー、4〜6は黒で描いた。S/N比の評価では、4以上であれば呼吸のような体の動きによる影響を少なくして精度良く脈波のみを検出することができるとした。したがって、黒く描かれた周波数の領域が精度良く脈波のみを検出することができる領域である。そうすると、835〜910nmの第1波長(VS1)と740〜830nmの第2波長(VS2)の組合せであれば、精度良く脈波のみを検出することができると言える。この組合せの領域(点線で囲まれた矩形の領域)には、一部にグレーの領域を含むが、黒の領域に近いので、グレーの領域であっても十分精度良く脈波のみを検出することができると評価できる。  FIG. 2 depicts a so-called contour graph based on the value of the S / N ratio in Table 1. A portion having no value (lower right side of the alternate long and short dash line) was drawn with an S / N ratio of zero, with the S / N ratio being 0 to 2 in white, 2 to 4 in gray, and 4 to 6 in black. In the evaluation of the S / N ratio, when it is 4 or more, it is assumed that only the pulse wave can be accurately detected with less influence of body movement such as breathing. Therefore, the frequency region drawn in black is a region where only the pulse wave can be detected with high accuracy. If it does so, if it is a combination of the 1st wavelength (VS1) of 835-910 nm and the 2nd wavelength (VS2) of 740-830 nm, it can be said that only a pulse wave can be detected accurately. This combination area (rectangular area surrounded by a dotted line) includes a gray area in part, but it is close to the black area, so only the pulse wave is detected with sufficient accuracy even in the gray area. Can be evaluated.

以下では、図面を参照しながら、本発明に係る各実施例について説明する。
<第一実施例>
図3〜図8を参照し、本実施例における脈波検出装置100を説明する。脈波検出装置100は、発光器と受光器を有する検知部10と、発光器が照射した光が生体(指)Bで反射し受光器が受光した反射光の強度に基づいて心拍による変動(脈波)を検出する制御部20とを備える。脈波検出装置100の検知部10は、図3(A)が示すように生体(指)Bに接触させて使用してもよいし、図3(B)が示すように生体(指)Bに接触させず離して使用してもよい。また、検知部10が検知する生体の部位は、指に限られず、顔や胴体など他の部位であってもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Example>
With reference to FIGS. 3-8, the pulse-wave detection apparatus 100 in a present Example is demonstrated. The pulsewave detection device 100 includes adetector 10 having a light emitter and a light receiver, and fluctuations due to heartbeats based on the intensity of reflected light reflected by the living body (finger) B when the light emitted from the light emitter is reflected by the living body (finger) B ( And acontrol unit 20 that detects a pulse wave). Thedetection unit 10 of the pulsewave detection device 100 may be used in contact with the living body (finger) B as shown in FIG. 3A, or the living body (finger) B as shown in FIG. It is also possible to use it without contacting it. Further, the part of the living body detected by thedetection unit 10 is not limited to the finger, and may be another part such as a face or a torso.

たとえば、脈波検出装置100は、車両を運転する運転者の脈波を検出する場合は、ルームミラーやハンドルなどに設けられて、顔に照射された光の反射光に基づいて脈波を検出してもよい。また、脈波検出装置100は、椅子やソファ、ベッドなどの胴体が接触する部分に設けられて、使用者の胴体に向けて衣服を通過する強い光を照射し、その反射光に基づいて脈波を検出してもよい。  For example, when detecting the pulse wave of the driver who drives the vehicle, the pulsewave detection device 100 is provided in a room mirror, a handle, etc., and detects the pulse wave based on the reflected light of the light applied to the face. May be. The pulsewave detection device 100 is provided at a portion where the body such as a chair, a sofa, or a bed comes into contact, irradiates the user's body with strong light passing through the clothes, and based on the reflected light, the pulse wave is detected. Waves may be detected.

図4に示すように、脈波検出装置100の検知部10は、生体(指)Bに対して第1波長の第1照射光を照射する第1発光器11と、生体(指)Bに対して第2波長の第2照射光を照射する第2発光器12と、第1照射光が生体(指)Bによって反射された第1反射光を受光し、第1受光信号を出力する第1受光器13と、第2照射光が生体(指)Bによって反射された第2反射光を受光し、第2受光信号を出力する第2受光器14と、を備える。第1発光器11および第2発光器12は、電気信号を光信号に変換する発光素子であり、たとえば、コスト面で有利な発光ダイオード(LED)や、大きな出力が可能な半導体レーザである。第1受光器13および第2受光器14は、受信した光信号を電気信号に復調する受光素子であり、たとえば、フォトダイオードである。  As shown in FIG. 4, thedetection unit 10 of the pulsewave detection device 100 applies thefirst light emitter 11 that irradiates the living body (finger) B with the first irradiation light having the first wavelength, and the living body (finger) B. On the other hand, thesecond light emitter 12 that emits the second irradiation light having the second wavelength, the first reflected light that is reflected by the living body (finger) B, and the first light reception signal is output. 1light receiver 13, and 2ndlight receiver 14 which receives the 2nd reflected light in which 2nd irradiation light was reflected by the biological body (finger) B, and outputs a 2nd light reception signal. Thefirst light emitter 11 and thesecond light emitter 12 are light emitting elements that convert an electric signal into an optical signal, and are, for example, a light emitting diode (LED) that is advantageous in terms of cost, or a semiconductor laser capable of large output. Thefirst light receiver 13 and thesecond light receiver 14 are light receiving elements that demodulate received optical signals into electrical signals, and are, for example, photodiodes.

第1発光器11および第2発光器12は、制御部20と信号線で接続され、プリント配線基板19上に配置された投光回路部品17により実際に駆動されて、所定の波長で発光する。発光された光は、投光窓15を通って生体(指)Bに照射される。第1受光器13および第2受光器14は、照射された光が生体(指)Bに反射して受光窓16を通って戻ってきた反射光を受光する。第1受光器13および第2受光器14は、受光した反射光を復調した電気信号をプリント配線基板19上の受光回路部品18に渡す。受光回路部品18は信号線により制御部20と接続されており、第1受光器13および第2受光器14が復調した電気信号は、制御部20に渡される。  Thefirst light emitter 11 and thesecond light emitter 12 are connected to thecontrol unit 20 through signal lines, and are actually driven by the light projectingcircuit component 17 disposed on the printedwiring board 19 to emit light at a predetermined wavelength. . The emitted light is irradiated to the living body (finger) B through theprojection window 15. Thefirst light receiver 13 and thesecond light receiver 14 receive the reflected light that is reflected from the irradiatedlight 16 and returned through thelight receiving window 16. Thefirst light receiver 13 and thesecond light receiver 14 pass an electric signal obtained by demodulating the received reflected light to the lightreceiving circuit component 18 on the printedwiring board 19. The lightreceiving circuit component 18 is connected to thecontrol unit 20 by a signal line, and the electric signal demodulated by the firstlight receiving device 13 and the secondlight receiving device 14 is passed to thecontrol unit 20.

第1受光器13は、第1発光器11が照射した第1波長の第1照射光が生体(指)Bによって反射された第1反射光を受光し、第1受光信号を出力する。第2受光器14は、第2発光器12が照射した第2波長の第2照射光が生体(指)Bによって反射された第1反射光を受光し、第1受光信号を出力する。このように、本実施では、第1発光器11と第1受光器13、および第2発光器12と第2受光器14とがそれぞれ対応しており、第1受光器13と第2受光器14は、それぞれ第1波長と第2波長を選択的に透過するフィルタを用いる。  Thefirst light receiver 13 receives the first reflected light reflected by the living body (finger) B with the first irradiation light having the first wavelength irradiated by thefirst light emitter 11 and outputs a first light reception signal. Thesecond light receiver 14 receives the first reflected light reflected by the living body (finger) B with the second irradiation light having the second wavelength irradiated by thesecond light emitter 12 and outputs a first light reception signal. Thus, in the present embodiment, thefirst light emitter 11 and thefirst light receiver 13, and thesecond light emitter 12 and thesecond light receiver 14 correspond to each other, and thefirst light receiver 13 and the second light receiver. 14 uses filters that selectively transmit the first wavelength and the second wavelength, respectively.

図5が示すように、制御部20は、制御回路21と、駆動回路22と、受光回路23と、信号処理回路24と、外部出力回路25と、を備える。制御回路21は、検知部10に電源を供給すると共に駆動回路22を制御する。駆動回路22は、第1発光器11および第2発光器12を駆動する第1駆動信号および第2駆動信号を生成し、検知部10の各発光器を駆動する。受光回路23は、検知部10の第1受光器13および第2受光器14が出力した第1受光信号および第2受光信号を受け取る。信号処理回路24は、受光回路23が受け取ったそれぞれの受光信号を後述する方法で信号を処理する。外部出力回路25は、信号処理回路24で処理され検出された脈波の数値を、この脈波の数値を利用する外部の装置等に適合するように出力する。制御部20は、全体として1つのマイコン(マイクロコンピュータ)に構成してもよいし、複数の専用の集積回路に構成してもよい。  As shown in FIG. 5, thecontrol unit 20 includes acontrol circuit 21, adrive circuit 22, alight receiving circuit 23, asignal processing circuit 24, and anexternal output circuit 25. Thecontrol circuit 21 supplies power to thedetection unit 10 and controls thedrive circuit 22. Thedrive circuit 22 generates a first drive signal and a second drive signal that drive thefirst light emitter 11 and thesecond light emitter 12, and drives each light emitter of thedetection unit 10. Thelight receiving circuit 23 receives the first light receiving signal and the second light receiving signal output from thefirst light receiver 13 and thesecond light receiver 14 of thedetection unit 10. Thesignal processing circuit 24 processes each received light signal received by thelight receiving circuit 23 by a method described later. Theexternal output circuit 25 outputs the pulse wave value processed and detected by thesignal processing circuit 24 so as to be compatible with an external device or the like using the pulse wave value. Thecontrol unit 20 may be configured as a single microcomputer (microcomputer) as a whole, or may be configured as a plurality of dedicated integrated circuits.

図6が示すように、信号処理回路24は、A/D変換回路243と、演算回路242と、フィルタ回路241とを備える。A/D変換回路243は、受光回路23から第1受光信号と第2受光信号をそれぞれ受け取るため2つのA/D変換回路を有する。演算回路242は、A/D変換回路243によりアナログ値からデジタル値に変換された第1受光信号と第2受光信号を入力されて、その2つの受光信号から比(強度比)を計算して求める。フィルタ回路241は、デジタルフィルタを有し、ノイズを除去した後に外部出力回路25に渡す。信号処理回路24が機能することで、心拍による脈動由来の振幅信号が得られる。  As shown in FIG. 6, thesignal processing circuit 24 includes an A /D conversion circuit 243, anarithmetic circuit 242, and afilter circuit 241. The A /D conversion circuit 243 has two A / D conversion circuits for receiving the first light reception signal and the second light reception signal from thelight reception circuit 23, respectively. Thearithmetic circuit 242 receives the first received light signal and the second received light signal converted from analog values to digital values by the A /D conversion circuit 243, and calculates a ratio (intensity ratio) from the two received light signals. Ask. Thefilter circuit 241 has a digital filter, removes noise, and passes it to theexternal output circuit 25. Thesignal processing circuit 24 functions to obtain an amplitude signal derived from pulsation due to heartbeat.

図7および図8を参照して、脈波検出装置100の信号処理回路24における信号の処理の方法を中心に説明する。なお、フローチャートにおけるSはステップを意味する。制御部20の制御回路21は、S100において、駆動回路22を介して第1駆動信号および第2駆動信号を送り、第1発光器11および第2発光器12を発光させる。図8(A)および(B)のグラフ示すように、第1発光器11は、第1波長の出力光を発光し続け、第2発光器12は、第2波長の出力光を発光し続ける。第1波長は、動脈内に存するヘモグロビンの変動である脈波を検出するために適した波長なので、第1受光器13の受光信号は、図8(C)が示すように、心拍数の周波数成分が優勢な周波数を含む波形を有する。一方、第2波長は、第1波長とはわずかに異なる波長なので、図8(E)が示すように、心拍数の周波数成分も含むが他の体の動きの周波数成分が優勢な周波数(たとえば、脈波の周波数より小さい呼吸の周波数)を含む波形を有する。  With reference to FIG. 7 and FIG. 8, the signal processing method in thesignal processing circuit 24 of the pulsewave detection device 100 will be mainly described. In the flowchart, S means a step. In S100, thecontrol circuit 21 of thecontrol unit 20 sends the first drive signal and the second drive signal via thedrive circuit 22 to cause thefirst light emitter 11 and thesecond light emitter 12 to emit light. As shown in the graphs of FIGS. 8A and 8B, thefirst light emitter 11 continues to emit output light of the first wavelength, and thesecond light emitter 12 continues to emit output light of the second wavelength. . Since the first wavelength is a wavelength suitable for detecting a pulse wave that is a fluctuation of hemoglobin existing in the artery, the received light signal of thefirst light receiver 13 is a frequency of the heart rate as shown in FIG. The component has a waveform containing the dominant frequency. On the other hand, since the second wavelength is slightly different from the first wavelength, as shown in FIG. 8E, the frequency component including the heart rate frequency component but the frequency component of the other body movement is dominant (for example, , A respiration frequency smaller than the pulse wave frequency).

信号処理回路24は、S102において受光回路23に入力された第1受光信号を、図8(D)が示すようにサンプリングし、S104において受光回路23に入力された第2受光信号を、図8(F)が示すようにサンプリングする。そして、信号処理回路24は、S106において、第1受光信号および第2受光信号のサンプリングされた値を基に、第1受光信号および第2受光信号の比(強度比)を算出する。信号処理回路24は、S108において、M個の強度比が算出されたか否かを検査し、M個の強度比を算出するまでサンプリングを繰り返す。なお、M個とは、脈波を推定するために必要な数であり、推定方法により、また求められる精度や算出時間などにより適宜定められる。また、推定方法は、上述した高速フーリエ変換に限られるものではなく、四則演算のみで推定してもよい。M個の強度比が算出されたされた場合、信号処理回路24は、S110において、M個の強度比が示す第1波長の周波数成分から第2波長の周波数成分を相殺して、心拍数(脈波)の周波数成分のみを検出する。信号処理回路24は、S112において、検出された心拍数を外部へ出力する。  Thesignal processing circuit 24 samples the first light receiving signal input to thelight receiving circuit 23 in S102 as shown in FIG. 8D, and the second light receiving signal input to thelight receiving circuit 23 in S104 is changed to FIG. Sample as shown in (F). In S106, thesignal processing circuit 24 calculates a ratio (intensity ratio) between the first light reception signal and the second light reception signal based on the sampled values of the first light reception signal and the second light reception signal. In S108, thesignal processing circuit 24 checks whether or not M intensity ratios have been calculated, and repeats sampling until the M intensity ratios are calculated. Note that the number M is a number necessary for estimating a pulse wave, and is appropriately determined by an estimation method, required accuracy, calculation time, and the like. Further, the estimation method is not limited to the above-described fast Fourier transform, and may be estimated only by four arithmetic operations. When the M intensity ratios are calculated, thesignal processing circuit 24 cancels the frequency components of the second wavelength from the frequency components of the first wavelength indicated by the M intensity ratios in S110, and the heart rate ( Only the frequency component of the pulse wave is detected. In S112, thesignal processing circuit 24 outputs the detected heart rate to the outside.

このように、脈波検出装置100は、第1波長の第1照射光に由来する第1受光信号の強度と、第2波長の第2照射光に由来する第2受光信号の強度に基づき、両者を比較することによって、心拍による動きである脈波の周波数を検出する。なお、上述したように、第1波長の第1照射光および第2波長の第2照射光は近赤外光である。これによれば、ヘモグロビンと水に対する吸光率が互いに異なる2つの波長の近赤外光を照射し、その反射光を分析することで、体の動きによる影響が少なくなり、精度良く脈波を検出する光学式の脈波検出装置100を提供できる。また、第1波長は、好ましくは840〜900nmであり、第2波長は、好ましくは740〜830nmである。発明者らが行った実験結果により、近赤外光の中でもこれらの波長を使用することで、より精度良く脈波を検出することができる。  Thus, the pulsewave detection device 100 is based on the intensity of the first light reception signal derived from the first irradiation light of the first wavelength and the intensity of the second light reception signal derived from the second irradiation light of the second wavelength. By comparing the two, the frequency of the pulse wave, which is a movement caused by a heartbeat, is detected. As described above, the first irradiation light having the first wavelength and the second irradiation light having the second wavelength are near-infrared light. According to this, by irradiating two wavelengths of near-infrared light with different absorption rates for hemoglobin and water, and analyzing the reflected light, the influence of the movement of the body is reduced, and the pulse wave is detected accurately. The optical pulsewave detection device 100 can be provided. The first wavelength is preferably 840 to 900 nm, and the second wavelength is preferably 740 to 830 nm. According to the results of experiments conducted by the inventors, pulse waves can be detected with higher accuracy by using these wavelengths in near-infrared light.

さらに、上述したように、実験において、最も際立った差を示しS/N比においても最も高い値を有した第1波長が870nmで第2波長が800nmの組合せの場合、半値幅を考慮して、第1波長が850nm〜890nm程度であり、第2波長が780nm〜820nm程度であってもよい。さらに、S/N比においても2番目に高い値を有した第1波長が870nmで第2波長が750nmの組合せの場合、半値幅を考慮して、第1波長が850nm〜890nm程度であり、第2波長が730nm〜770nm程度であってもよい。そうすると、第1波長が850nm〜890nm程度であり、第2波長が730nm〜820nm程度であれば、体の動きによる影響が少なくなり、精度良く脈波を検出できると言える。  Furthermore, as described above, in the experiment, when the combination of thefirst wavelength 870 nm and thesecond wavelength 800 nm that showed the most remarkable difference and had the highest value in the S / N ratio, the half-value width was considered. The first wavelength may be about 850 nm to 890 nm, and the second wavelength may be about 780 nm to 820 nm. Furthermore, when the first wavelength having the second highest value in the S / N ratio is 870 nm and the second wavelength is 750 nm, the first wavelength is about 850 nm to 890 nm in consideration of the half width. The second wavelength may be about 730 nm to 770 nm. Then, if the first wavelength is about 850 nm to 890 nm and the second wavelength is about 730 nm to 820 nm, it can be said that the influence of the movement of the body is reduced and the pulse wave can be detected with high accuracy.

<第二実施例>
図9〜図13を参照して、本実施例における脈波検出装置100Aを説明する。なお、重複記載を避けるために、上記実施例と同じ構成要素には同じ符号を付し、上記実施例とことなる部分を中心に説明する。
<Second Example>
With reference to FIGS. 9-13, the pulse-wave detection apparatus 100A in a present Example is demonstrated. In addition, in order to avoid duplication description, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as the said Example, and it demonstrates centering on the part different from the said Example.

図9に示すように、脈波検出装置100Aの検知部10Aは、第1波長の第1照射光を照射する第1発光器11と、第2波長の第2照射光を照射する第2発光器12と、第1照射光および第2照射光が反射された第1反射光および第2反射光を受光し、受光信号を出力する受光器13A(または14A)と、を備える。  As illustrated in FIG. 9, thedetection unit 10A of the pulsewave detection device 100A includes afirst light emitter 11 that emits first irradiation light having a first wavelength and a second light emission that emits second irradiation light having a second wavelength. And alight receiver 13A (or 14A) that receives the first reflected light and the second reflected light reflected from the first irradiation light and the second irradiation light and outputs a light reception signal.

第1発光器11および第2発光器12は、制御部20Aと信号線で接続され、プリント配線基板19上に配置された投光回路部品17により実際に駆動されて、所定の波長で発光する。受光器13Aは、反射して受光窓16を通って戻ってきた反射光を受光する。受光器13Aは、受光した反射光を復調した電気信号を受光回路部品18に渡す。受光回路部品18は信号線により制御部20Aと接続されており、受光器13Aが復調した電気信号は、制御部20Aに渡される。  Thefirst light emitter 11 and thesecond light emitter 12 are connected to thecontrol unit 20A through a signal line, and are actually driven by the light projectingcircuit component 17 disposed on the printedwiring board 19 to emit light at a predetermined wavelength. . Thelight receiver 13 </ b> A receives the reflected light that has been reflected and returned through thelight receiving window 16. Thelight receiver 13 </ b> A passes an electric signal obtained by demodulating the received reflected light to the lightreceiving circuit component 18. The lightreceiving circuit component 18 is connected to thecontrol unit 20A by a signal line, and the electric signal demodulated by thelight receiver 13A is passed to thecontrol unit 20A.

受光器13Aは、第1発光器11が照射した第1波長の第1照射光が反射された第1反射光を受光すると共に、第2発光器12が照射した第2波長の第2照射光が反射された第1反射光を受光し、受光信号を出力する。このように、本実施では、第1発光器11と第2発光器12の2つの発光器に対して1つの受光器13Aを備えるため、受光器13Aは、第1波長の光と第2波長の光の両方を受光できる受光範囲を有するものである。  Thelight receiver 13A receives the first reflected light reflected by the first irradiation light having the first wavelength irradiated by thefirst light emitter 11, and the second irradiation light having the second wavelength irradiated by thesecond light emitter 12. The first reflected light is reflected and a light reception signal is output. As described above, in the present embodiment, since thesingle light receiver 13A is provided for the two light emitters of thefirst light emitter 11 and thesecond light emitter 12, thelight receiver 13A has the first wavelength and the second wavelength. It has a light receiving range that can receive both of the light.

図10に示すように、制御部20Aは、制御回路21Aと、駆動回路22と、受光回路23Aと、信号処理回路24Aと、外部出力回路25と、を備える。制御回路21Aは、後述する方法により駆動回路22を駆動する。受光回路23Aは、受光器13Aが出力した受光信号を受け取る。信号処理回路24Aは、受光回路23Aが受け取った受光信号を後述する方法で信号を処理する。  As shown in FIG. 10, thecontrol unit 20A includes a control circuit 21A, adrive circuit 22, alight receiving circuit 23A, asignal processing circuit 24A, and anexternal output circuit 25. The control circuit 21A drives thedrive circuit 22 by a method described later. Thelight receiving circuit 23A receives the light reception signal output from thelight receiver 13A. Thesignal processing circuit 24A processes the received light signal received by thelight receiving circuit 23A by a method described later.

図11が示すように、信号処理回路24Aは、A/D変換回路243Aと、演算回路242Aと、フィルタ回路241とを備える。A/D変換回路243Aは、受光回路23Aから受光信号を受け取る1つのA/D変換回路を有する。演算回路242Aは、A/D変換回路243Aによりアナログ値からデジタル値に変換された受光信号を入力されて、第1波長の第1照射光が反射された第1反射光に由来する受光信号と、第2波長の第2照射光が反射された第2反射光に由来する受光信号とから比(強度比)を計算して求める。  As illustrated in FIG. 11, thesignal processing circuit 24A includes an A / D conversion circuit 243A, anarithmetic circuit 242A, and afilter circuit 241. The A / D conversion circuit 243A has one A / D conversion circuit that receives a light reception signal from thelight reception circuit 23A. Thearithmetic circuit 242A receives the light reception signal converted from the analog value into the digital value by the A / D conversion circuit 243A, and receives the light reception signal derived from the first reflected light from which the first irradiation light having the first wavelength is reflected. The ratio (intensity ratio) is calculated and obtained from the received light signal derived from the second reflected light from which the second irradiation light having the second wavelength is reflected.

図12および図13を参照して、脈波検出装置100Aにおける第1発光器11および第2発光器12の発光方法と信号処理回路24Aにおける信号の処理の方法を中心に説明する。制御回路21Aは、S200において、駆動回路22を介して第1駆動信号を送り、図13(A)のグラフが示すように、第1発光器11を例えば0.2〜0.3msの間発光させた後オフにするように駆動する。第1発光器11が発光すると、その間に受光器13Aは、図13(C)に示すように第1反射光を受光する。信号処理回路24Aは、S202において受光回路23Aに入力された受光信号を第1受光信号として、図13(D)が示すようにサンプリングする。  With reference to FIG. 12 and FIG. 13, the light emission method of thefirst light emitter 11 and thesecond light emitter 12 in the pulsewave detection device 100A and the signal processing method in thesignal processing circuit 24A will be mainly described. In S200, the control circuit 21A sends a first drive signal via thedrive circuit 22, and as shown in the graph of FIG. 13A, thefirst light emitter 11 emits light for 0.2 to 0.3 ms, for example. Then, it is driven to turn off. When thefirst light emitter 11 emits light, thelight receiver 13A receives the first reflected light as shown in FIG. Thesignal processing circuit 24A samples the light reception signal input to thelight reception circuit 23A in S202 as a first light reception signal as shown in FIG.

制御回路21Aは、第1発光器11の発光をオフした後、S204において、第2発光器12を同じ時間、図13(B)のグラフが示すように発光させる。第2発光器12が発光すると、その間に受光器13Aは、図13(E)に示すように第2反射光を受光する。信号処理回路24Aは、S206において、受光回路23Aに入力された受光信号を第2受光信号として、図13(F)が示すようにサンプリングする。信号処理回路24Aは、S208において、N個のサンプリング値が得られたか否かを検査し、N個のサンプリング値が得られるまでサンプリングを繰り返す。なお、N個は、第1受光信号および第2受光信号の値の積算値を得るためにサンプリングする回数である。たとえば、第1発光器11および第2発光器12を0.25msの周期で交互に間欠的に発光させ、各発光器の発光1回につき、1回サンプリングを行う。N個が200個の場合とすると、サンプリングされた200回の受光信号を加算して積算値を算出する。つまり、50msの周期で積算値が発光器ごとに得られることになる。  After the light emission of thefirst light emitter 11 is turned off, the control circuit 21A causes thesecond light emitter 12 to emit light for the same period of time as shown in the graph of FIG. 13B in S204. When thesecond light emitter 12 emits light, thelight receiver 13A receives the second reflected light as shown in FIG. In S206, thesignal processing circuit 24A samples the light reception signal input to thelight reception circuit 23A as the second light reception signal as shown in FIG. In S208, thesignal processing circuit 24A checks whether or not N sampling values are obtained, and repeats sampling until N sampling values are obtained. N is the number of times of sampling to obtain an integrated value of the values of the first light receiving signal and the second light receiving signal. For example, thefirst light emitter 11 and thesecond light emitter 12 are caused to emit light alternately and intermittently at a cycle of 0.25 ms, and sampling is performed once for each light emission of each light emitter. If N is 200, the sampled 200 received light signals are added to calculate the integrated value. That is, an integrated value is obtained for each light emitter at a period of 50 ms.

N個のサンプリング値が得られた場合、信号処理回路24Aは、S210において、サンプリングされたN個の第1受光信号の値を積算し、S212において、サンプリングされたN個の第2受光信号の値を積算する。そして、信号処理回路24Aは、S214において、両方の積算値を基に両者の比(強度比)を算出する。  When N sampling values are obtained, thesignal processing circuit 24A integrates the values of the sampled N first light reception signals in S210, and in S212, the sampled N second light reception signals. Accumulate values. Then, in S214, thesignal processing circuit 24A calculates a ratio (intensity ratio) between the two based on both integrated values.

信号処理回路24Aは、S216において、第1受光信号の値の積算値と第2受光信号の値の積算値の比(強度比)がM個算出されたか否かを検査し、M個の強度比が得られるまでサンプリングを繰り返す。なお、M個とは、脈波を推定するために必要な数である。M個の強度比が算出されたされた場合、信号処理回路24Aは、S218において、M個の強度比が示す第1波長の周波数成分から第2波長の周波数成分を相殺して、心拍数(脈波)の周波数成分のみを検出する。信号処理回路24Aは、S220において、検出された心拍数を外部へ出力する。  In S216, thesignal processing circuit 24A checks whether or not the ratio (intensity ratio) of the integrated value of the first received light signal value and the integrated value of the second received light signal value has been calculated in S216. Repeat sampling until the ratio is obtained. Note that M is the number necessary to estimate the pulse wave. When the M intensity ratios are calculated, thesignal processing circuit 24A cancels the frequency components of the second wavelength from the frequency components of the first wavelength indicated by the M intensity ratios in S218, and the heart rate ( Only the frequency component of the pulse wave is detected. In S220, thesignal processing circuit 24A outputs the detected heart rate to the outside.

このように、本実施例における脈波検出装置100Aは、第1発光器11と第2発光器12は、交互に第1照射光と第2照射光を照射し、第1発光器11が発光したタイミングで受光器13Aが受光した受光信号を第1受光信号とみなし、第2発光器12が発光したタイミングで受光器13Aが受光した受光信号を第2受光信号とみなす。受光器13Aは、上記実施例と異なり、1つの受光素子から構成されている。これによれば、受光器の数を削減することで脈波検出装置100Aのコストを安くすることができる。  Thus, in the pulsewave detection device 100A in the present embodiment, thefirst light emitter 11 and thesecond light emitter 12 alternately emit the first irradiation light and the second irradiation light, and thefirst light emitter 11 emits light. The light reception signal received by thelight receiver 13A at the timing received is regarded as the first light reception signal, and the light reception signal received by thelight receiver 13A at the timing emitted by thesecond light emitter 12 is regarded as the second light reception signal. Unlike the above embodiment, thelight receiver 13A is composed of one light receiving element. According to this, the cost of the pulsewave detection device 100A can be reduced by reducing the number of light receivers.

なお、本実施例の脈波検出装置100Aは、上記実施例の脈波検出装置100に比べ、M個の強度比を取得するのに時間がかかるが、第1波長の第1照射光に由来する第1受光信号の強度と、第2波長の第2照射光に由来する第2受光信号の強度に基づき強度比が求められるので、同様に心拍による動きである脈波の周波数を検出することができる。  Note that the pulsewave detection device 100A of the present embodiment takes more time to acquire M intensity ratios than the pulsewave detection device 100 of the above embodiment, but is derived from the first irradiation light of the first wavelength. Since the intensity ratio is obtained based on the intensity of the first received light signal and the intensity of the second received light signal derived from the second irradiation light having the second wavelength, the frequency of the pulse wave, which is the movement caused by the heartbeat, is detected in the same manner. Can do.

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。  In addition, this invention is not limited to the illustrated Example, The implementation by the structure of the range which does not deviate from the content described in each item of a claim is possible. That is, although the present invention has been particularly illustrated and described with respect to particular embodiments, it should be understood that the present invention has been described in terms of quantity, quantity, and amount without departing from the scope and spirit of the present invention. In other detailed configurations, various modifications can be made by those skilled in the art.

100 脈波検出装置
10 検知部
11 第1発光器
12 第2発光器
13 第1受光器
14 第2受光器
15 投光窓
16 受光窓
17 投光回路部品
18 受光回路部品
19 プリント配線基板
20 制御部
21 制御回路
22 駆動回路
23 受光回路
24 信号処理回路
241 フィルタ回路
242 演算回路
243 A/D変換回路
25 外部出力回路
B 生体(指)
DESCRIPTION OFSYMBOLS 100 Pulsewave detection apparatus 10Detection part 111st light emitter 122nd light emitter 131st light receiver 142nd light receiver 15Light projection window 16Light reception window 17 Lightprojection circuit component 18 Lightreception circuit component 19 Printedwiring board 20Control Unit 21Control circuit 22Drive circuit 23Light receiving circuit 24Signal processing circuit 241Filter circuit 242 Arithmetic circuit 243 A /D conversion circuit 25 External output circuit B Living body (finger)

Claims (3)

Translated fromJapanese
生体に対して第1波長の第1照射光を照射する第1発光器と、
生体に対して第2波長の第2照射光を照射する第2発光器と、
前記第1照射光が前記生体によって反射された第1反射光を受光し、第1受光信号を出力する第1受光器と、
前記第2照射光が前記生体によって反射された第2反射光を受光し、第2受光信号を出力する第2受光器と、
前記第1受光信号の強度と前記第2受光信号の強度に基づいて脈波の周波数を検出する制御部と、
を備え、
前記第1波長の前記第1照射光および前記第2波長の前記第2照射光は近赤外光である、
脈波検出装置。
A first light emitter for irradiating a living body with a first irradiation light having a first wavelength;
A second light emitter for irradiating the living body with the second irradiation light having the second wavelength;
A first light receiver that receives the first reflected light reflected by the living body and outputs a first received light signal;
A second light receiver for receiving the second reflected light reflected by the living body and outputting a second light receiving signal;
A controller that detects the frequency of the pulse wave based on the intensity of the first light receiving signal and the intensity of the second light receiving signal;
With
The first irradiation light of the first wavelength and the second irradiation light of the second wavelength are near infrared light,
Pulse wave detector.
前記第1波長は835〜910nmであり、前記第2波長は740〜830nmであることを特徴とする請求項1に記載の脈波検出装置。  2. The pulse wave detection device according to claim 1, wherein the first wavelength is 835 to 910 nm, and the second wavelength is 740 to 830 nm. 前記第1発光器と前記第2発光器は交互に前記第1照射光と前記第2照射光を照射し、
前記第1受光器と前記第2受光器は1つの受光素子からなることを特徴とする請求項1または2に記載の脈波検出装置。
The first light emitter and the second light emitter alternately emit the first irradiation light and the second irradiation light,
The pulse wave detection device according to claim 1, wherein the first light receiver and the second light receiver include one light receiving element.
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