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【発明の名称】 脈拍波形検出装置
【発明者】 【氏名】山田 道治

【氏名】若山 聡

【氏名】水野 哲哉

【氏名】寺田 重雄

【氏名】前田 光俊

【氏名】伊藤 博

【氏名】松田 守弘

【氏名】稲垣 大
【要約】 【課題】人体を固定せずに測定する際に、安定して脈拍信号を得ることができる脈拍波形検出装置を提供する。

【解決手段】ＬＥＤ２は人体の一部に光を照射し、ＬＥＤ３はＬＥＤ２とは異なる波長の光を人体の一部に照射する。ＰＤ７はＬＥＤ２の光に対する人体からの反射光を受光して受光強度に応じた電気信号に変換し、ＰＤ８はＬＥＤ３の光に対する人体からの反射光を受光して受光強度に応じた電気信号に変換する。差動増幅器１５はＰＤ７による電気信号とＰＤ８による電気信号とを入力して両信号の差分をとり、人の動きにより発生する体動信号を除去して脈拍信号のみを抽出する。ＰＤ１６はＬＥＤ２の発光強度を検出し、ＰＤ１７はＬＥＤ３の発光強度を検出する。コンピュータ２０はＬＥＤ２の発光強度とＬＥＤ３の発光強度との比が予め定めた一定値となるように発光強度を制御する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 人体の一部に光を照射する第１の光源と、前記第１の光源とは異なる波長の光を人体の一部に照射する第２の光源と、前記第１の光源の光に対する人体からの反射光を受光して受光強度に応じた電気信号に変換する第１の受光素子と、前記第２の光源の光に対する人体からの反射光を受光して受光強度に応じた電気信号に変換する第２の受光素子と、前記第１の受光素子による電気信号と前記第２の受光素子による電気信号とを入力して両信号の差分をとり、人の動きにより発生する体動信号を除去して脈拍信号のみを抽出する差分処理手段と、前記第１の光源の発光強度を検出する第１の発光強度検出段と、前記第２の光源の発光強度を検出する第２の発光強度検出手段と、前記第１の発光強度検出手段による第１の光源の発光強度と前記第２の発光強度検出手段による第２の光源の発光強度との比が予め定めた一定値となるように発光強度を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする脈拍波形検出装置。
【請求項２】 人体の一部に光を照射する第１の光源と、前記第１の光源とは異なる波長の光を人体の一部に照射する第２の光源と、前記第１と第２の光源の時分割駆動に伴う各光源の光に対する人体からの反射光を受光して受光強度に応じた電気信号に変換する受光素子と、前記受光素子による第１の光源の駆動時の電気信号と第２の光源の駆動時の電気信号とを入力して両信号の差分をとり、人の動きにより発生する体動信号を除去して脈拍信号のみを抽出する差分処理手段と、前記第１の光源の発光強度を検出する第１の発光強度検出段と、前記第２の光源の発光強度を検出する第２の発光強度検出手段と、前記第１の発光強度検出手段による第１の光源の発光強度と前記第２の発光強度検出手段による第２の光源の発光強度との比が予め定めた一定値となるように発光強度を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする脈拍波形検出装置。
【請求項３】 第１の光源の発する光の波長は６００ｎｍ未満であり、第２の光源の発する光の波長は６００ｎｍ以上である請求項１または２に記載の脈拍波形検出装置。
【請求項４】 第１および第２の光源の光軸を一致させるとともに、光源と受光素子の光軸を一致させた請求項１または２に記載の脈拍波形検出装置。
【請求項５】 ビームスプリッター、ハーフミラー及びダイクロックミラーのうちのいずれか１つを用いて光軸を一致させた請求項４に記載の脈拍波形検出装置。
【請求項６】 光ファイバーを用いて第１および第２の光源の光を混合して均一に照射することにより両光源の光軸を一致させ、さらに当該光ファイバーを用いて受光することにより光源と受光素子の光軸を一致させた請求項４に記載の脈拍波形検出装置。
【請求項７】 第１および第２の光源を位相の異なる方形波信号または正弦波信号で駆動させる駆動手段を備えるとともに、受光信号を前記駆動信号で同期検波する同期検波手段を備えた請求項２に記載の脈拍波形検出装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、光を人体の一部に照射するとともにその反射光から少なくとも脈拍波形を検出する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】脈拍波形検出装置として従来、人体の一部に光を照射し、その反射光の光量の変化から脈拍波形を検出する技術がある。以下、原理を述べる。光が生体に当たると一部が赤血球に吸収され、残りが皮膚組織により散乱された反射光となる。また、血液中の赤血球量は血管の脈動に伴い変化しているため、赤血球による赤外線吸収量は脈動に同期して変化する。この吸収量の変化を測定することにより脈拍波形が検出できる。
【０００３】しかし、被検出対象である人体の一部が動いた場合には、動きによる反射光量変化が起き体動信号が発生してしまい、そのために脈拍信号が検出できないという問題がある。つまり、脈拍信号成分は反射光量の約１／１０００と微弱であるため、人体の一部が動き反射光量が１／１０００以上変化した場合、脈拍信号は体動信号に埋もれてしまう。これを回避するため、例えば、図８に示すように、固定バンド（指挿入管）１００の内面に発光素子１０１と受光素子１０２を配置し、固定バンド１００の中に指Ｆを入れた状態で発光素子１０１からの光の反射光を受光素子１０２にて受光するようにしている。つまり、発受光素子１０１，１０２に対し指Ｆを固定することにより、指Ｆの動きによる反射光の変化が起きないようする。
【０００４】しかし、この方法では発受光素子１０１，１０２を指Ｆ（人体の一部）に押し当てなければならないため、測定時に煩わしさと不快感があった。そこで、脈拍波形検出装置の発受光素子１０１，１０２を人体に完全に固定できず、振動などで測定部位がズレる場合、複数の波長の光を用いて脈拍信号と体動信号を検出し、差分処理により脈拍信号のみを検出する方法がある（特開昭５３−１２２２８４号公報、特開昭６０−１３５０２９号公報、特開平７−８８０９２号公報、特表平５−５０６８０２号公報）。より詳しくは、図９に示すように、第１の波長の光を発する発光素子１１０と第２の波長の光を発する発光素子１１１とにより発光部を構成し、手Ｈの反射光を受光素子１１２にて受光するようにし、図１０に示すように、受光素子１１２による脈拍信号と体動信号を含む信号ＳＧ１０，ＳＧ１１から差分処理により脈拍信号ＳＧ１２のみを抽出する。
【０００５】しかしながら、図９のように、人体に脈拍波形検出装置の発受光素子１１０，１１１，１１２を固定せずに人体Ｈと発受光素子１１０，１１１，１１２との間の距離や測定部位が変化する非接触方式で差分処理を行う場合、各波長での光における体動信号成分を一致させる必要があるが、使用環境等で時間経過と共に各波長の発光強度が変動してしまい脈拍信号ＳＧ１２が得られなくなるという問題がある。つまり、図１０において当初、信号ＳＧ１０のレベルが実線で示す状態であったが経時変化等により破線で示すようにレベルダウンすると信号ＳＧ１０’とＳＧ１１とが交差しなくなり脈拍信号ＳＧ１２が得られなくなる。
【０００６】そのため、差分処理を行っても体動信号を除去できず、人体から非接触方式で脈拍信号を検出することができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】この発明はこのような背景の元になされたものであり、その目的は、人体を固定せずに測定する際に、安定して脈拍信号を得ることができる脈拍波形検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明は、人体の一部に光を照射する第１の光源と、前記第１の光源とは異なる波長の光を人体の一部に照射する第２の光源と、前記第１の光源の光に対する人体からの反射光を受光して受光強度に応じた電気信号に変換する第１の受光素子と、前記第２の光源の光に対する人体からの反射光を受光して受光強度に応じた電気信号に変換する第２の受光素子と、前記第１の受光素子による電気信号と前記第２の受光素子による電気信号とを入力して両信号の差分をとり、人の動きにより発生する体動信号を除去して脈拍信号のみを抽出する差分処理手段と、前記第１の光源の発光強度を検出する第１の発光強度検出段と、前記第２の光源の発光強度を検出する第２の発光強度検出手段と、前記第１の発光強度検出手段による第１の光源の発光強度と前記第２の発光強度検出手段による第２の光源の発光強度との比が予め定めた一定値となるように発光強度を制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】よって、第１と第２の光源から異なる波長の光が人体の一部に照射されると人体からの反射光が第１と第２の受光素子にて受光され、差分処理手段において第１の受光素子による電気信号と第２の受光素子による電気信号との差分がとられ、人の動きにより発生する体動信号を除去して脈拍信号のみが抽出される。
【００１０】一方、第１の発光強度検出手段にて第１の光源の発光強度が、第２の発光強度検出手段にて第２の光源の発光強度が検出され、制御手段は、第１の発光強度検出手段による第１の光源の発光強度と第２の発光強度検出手段による第２の光源の発光強度との比が予め定めた一定値となるように発光強度を制御する。
【００１１】その結果、各波長での光における体動信号成分を一致させることができ、差分処理後に安定して脈拍信号を得ることができる。請求項２に記載の発明は、人体の一部に光を照射する第１の光源と、前記第１の光源とは異なる波長の光を人体の一部に照射する第２の光源と、前記第１と第２の光源の時分割駆動に伴う各光源の光に対する人体からの反射光を受光して受光強度に応じた電気信号に変換する受光素子と、前記受光素子による第１の光源の駆動時の電気信号と第２の光源の駆動時の電気信号とを入力して両信号の差分をとり、人の動きにより発生する体動信号を除去して脈拍信号のみを抽出する差分処理手段と、前記第１の光源の発光強度を検出する第１の発光強度検出段と、前記第２の光源の発光強度を検出する第２の発光強度検出手段と、前記第１の発光強度検出手段による第１の光源の発光強度と前記第２の発光強度検出手段による第２の光源の発光強度との比が予め定めた一定値となるように発光強度を制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１２】よって、時分割駆動にて第１と第２の光源から異なる波長の光が人体の一部に照射され、第１と第２の光源の時分割駆動に伴う各光源の光に対する人体からの反射光が受光素子にて受光される。そして、差分処理手段において受光素子による第１の光源の駆動時の電気信号と第２の光源の駆動時の電気信号との差分がとられ、人の動きにより発生する体動信号を除去して脈拍信号のみが抽出される。
【００１３】一方、第１の発光強度検出手段にて第１の光源の発光強度が、第２の発光強度検出手段にて第２の光源の発光強度が検出され、制御手段は、第１の発光強度検出手段による第１の光源の発光強度と第２の発光強度検出手段による第２の光源の発光強度との比が予め定めた一定値となるように発光強度を制御する。
【００１４】その結果、各波長での光における体動信号成分を一致させることができ、差分処理後に安定して脈拍信号を得ることができる。さらに、第１の発明における第１および第２の受光素子が共通化され受光素子の個数を減らすことができ、実用上好ましいものとなる。
【００１５】ここで、請求項３に記載の発明のように、第１の光源の発する光の波長は６００ｎｍ未満であり、第２の光源の発する光の波長は６００ｎｍ以上であるものとすると、実用上好ましいものとなる。
【００１６】また、請求項４に記載の発明のように、第１および第２の光源の光軸を一致させるとともに、光源と受光素子の光軸を一致させると、安定した差分処理を行うことが可能となる。
【００１７】つまり、図９に示す従来技術では各発光部の光軸Ｌ１０，Ｌ１１が一致しておらず、かつ、発光部の光軸Ｌ１０，Ｌ１１と受光部の光軸Ｌ１２が一致していない。そのため、手Ｈの動きにより各波長の反射光量比が変化する。これを詳しく説明すると、図９のＡ点での測定とＢ点での測定を考えた場合、Ａ点での測定では図１１（ａ）のように両方の光を均等に受光し反射光量比が「１」である。これに対し、図９のＢ点での測定では図１１（ｂ）のように一方の光しか受光できず反射光量比が「０」または無限大となってしまう。これに対し、本発明のように、複数の発光部の光軸および発光部と受光部の光軸を一致させると、動きによる各波長での光の体動信号成分と脈拍信号成分の比率が変化せず、安定した差分処理が可能となる。
【００１８】ここで、請求項５に記載のように、ビームスプリッター、ハーフミラー及びダイクロックミラーのうちのいずれか１つを用いて光軸を一致させると、実用上好ましいものとなる。
【００１９】また、請求項６に記載のように、光ファイバーを用いて第１および第２の光源の光を混合して均一に照射することにより両光源の光軸を一致させ、さらに当該光ファイバーを用いて受光することにより光源と受光素子の光軸を一致させると、実用上好ましいものとなる。
【００２０】また、請求項７に記載のように、請求項２に記載の発明において、第１および第２の光源を位相の異なる方形波信号または正弦波信号で駆動させる駆動手段を備えるとともに、受光信号を前記駆動信号で同期検波する同期検波手段を備えると、時分割駆動する際に実用上好ましいものとなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
【００２２】図１には、本実施形態における脈拍波形検出装置の全体構成図を示す。発受光部１に対し、測定対象である手（人体の一部）Ｈが自由に動けるようになっている。
【００２３】発受光部１は、ＬＥＤ２，３とビームスプリッター４，５，６とフォトダイオード（以下、ＰＤという）７，８を具備している。ＬＥＤ２からは６００ｎｍ未満（緑色〜青色）の光が発せられ、ＬＥＤ３からは６００ｎｍ以上（赤外〜赤色）の光が発せられる。本例においては、ＬＥＤ２が第１の光源となるとともに、ＬＥＤ３が第２の光源となる。また、ＰＤ７はＬＥＤ２の光（緑色〜青色）に対する反射光を受光（感光）する第１の受光素子であり、ＰＤ８はＬＥＤ３の光（赤外〜赤色）に対する反射光を受光（感光）する第２の受光素子である。
【００２４】ＬＥＤ２，３には駆動回路９，１０が接続され、駆動回路９，１０によりＬＥＤ２，３が発光する。ＬＥＤ２，３はビームスプリッター４に対向して配置され、ＬＥＤ２の発する光は、ビームスプリッター４を通過して、さらにビームスプリッター５を通過して手Ｈに向かうようになっている。また、ＬＥＤ３の発する光は、ビームスプリッター４で反射されて、さらにビームスプリッター５を通過して手Ｈに向かうようになっている。
【００２５】このように、ビームスプリッター４によりＬＥＤ２，３から手Ｈへの光軸が一致し、手Ｈ（人体）に光が照射される。この時、照射した光の一部は、生体、特に血液中のヘモグロビンにより吸収される。血液中のヘモグロビン量は、脈動に伴い変化しているため、吸収量も変化する。手（生体）Ｈから反射した光は、ビームスプリッター５により受光側（図の上）へ反射させられ、ビームスプリッター６に向かう。ビームスプリッター６において、入射した光は通過してＰＤ７に向かうとともに、その一部がビームスプリッター６にて反射しＰＤ８に向かう。
【００２６】このように人体に反射させられた光はビームスプリッター５，６により光軸を合わせながら２分割され、２分割された光は、それぞれ、ＰＤ７とＰＤ８に受光されて受光強度に応じた電気信号に変換される。
【００２７】なお、光を照射する生体には、本実施形態では手を示したが、腕や頬等の顔面や髪の生えた後頭部等、どこでもよい。ここで、図３に示す波長に対する脈拍信号光量／反射光量の関係において、脈拍信号光量／反射光量は波長依存性がある。そのため、ＬＥＤ２に６００ｎｍ未満（緑色〜青色）の光を、ＬＥＤ３に６００ｎｍ以上（赤外〜赤色）の光を用い、さらに、ＰＤ７で緑色光〜青色光を用いた脈拍信号と体動信号、ＰＤ８で赤外光〜赤色光を用いた脈拍信号と体動信号を検出すると、２つの受光信号には人の動きによる体動信号と脈拍信号の比率に差が現れる。
【００２８】なお、ＰＤ７とＰＤ８は異なる波長の光を感じるフォトダイオード（ＰＤ）としたが、他にも、ＰＤ７とＰＤ８は同じ波長感度特性のフォトダイオード（ＰＤ）とし、赤色光透過用フィルタと緑色光透過用フィルタを用いて分光して各ＰＤで受光して電気信号に変換するようにしてもよい。
【００２９】図１に示すように、ＰＤ７にはＩ−Ｖ変換回路１１が、ＰＤ８にはＩ−Ｖ変換回路１２が接続され、Ｉ−Ｖ変換回路１１，１２においてＰＤ７，８により得られた信号が電圧信号に変換される。Ｉ−Ｖ変換回路１１にはＬＰＦ（ローパスフィルタ）１３が、Ｉ−Ｖ変換回路１２にはＬＰＦ（ローパスフィルタ）１４が接続されている。さらに、ＬＰＦ１３，１４の出力は差分処理手段としての差動増幅器１５の入力端子にそれぞれ接続され、差動増幅器１５において両入力信号の差が増幅して出力される。この出力信号は人の動きにより発生する体動信号が除去され、脈拍信号のみが抽出される。この詳細については後述する。
【００３０】一方、ＬＥＤ２の近傍には、ＬＥＤ２の発光強度を検出する第１の発光強度検出手段としてのＰＤ１６が配置されるとともに、ＬＥＤ３の近傍には、ＬＥＤ３の発光強度を検出する第２の発光強度検出手段としてのＰＤ１７が配置されている。ＰＤ１６にはＩ−Ｖ変換回路１８が接続されるとともに、ＰＤ１７にはＩ−Ｖ変換回路１９が接続されている。Ｉ−Ｖ変換回路１８，１９においてＰＤ１６，１７により得られた信号が電圧信号に変換される。Ｉ−Ｖ変換回路１８，１９には制御手段としてのコンピュータ２０が接続され、Ｉ−Ｖ変換値がコンピュータ２０に取り込まれる。このように、ＬＥＤ２，３の発光量はＰＤ１６，１７によりモニタされ、Ｉ−Ｖ変換回路１８，１９を通してコンピュータ２０に取り込まれる。コンピュータ２０ではＰＤ１６，１７の出力信号が設定値になるようにＬＥＤ２，３の駆動回路９，１０に制御信号を送る。
【００３１】図２には、図１の駆動回路９，１０の構成例を示す。図２において、電源Ｖccにはトランジスタ３０と抵抗３１とＬＥＤ２と抵抗３２が直列に接続されている。抵抗３１とＬＥＤ２との間のａ点は抵抗３３を介して接地されるとともにａ点は差動増幅器３４の反転入力端子に接続されている。また、差動増幅器３４の非反転入力端子にはＤ／Ａ変換器３６の出力端子３６ａが接続されるとともに、差動増幅器３４の出力端子は抵抗３５を介してトランジスタ３０のベース端子と接続されている。Ｄ／Ａ変換器３６は図１のコンピュータ２０からの指令値（デジタル信号）をアナログ信号に変換して出力端子３６ａに出力する。つまり、コンピュータ２０からの指令値に応じた電圧が差動増幅器３４の非反転入力端子に印加されるとともにＬＥＤ２の通電電流に応じた電圧が差動増幅器３４の反転入力端子に印加され、そして、両方の電圧値を一致させる電圧がトランジスタ３０のベース端子に印加され、ＬＥＤ２の通電電流が制御されて所望の強度の光がＬＥＤ２から発せられる。
【００３２】一方、図２の電源Ｖccにはトランジスタ３７と抵抗３８とＬＥＤ３と抵抗３９が直列に接続されている。抵抗３８とＬＥＤ３との間のｂ点は抵抗４０を介して接地されるとともにｂ点は差動増幅器４１の反転入力端子に接続されている。また、差動増幅器４１の非反転入力端子にはＤ／Ａ変換器３６の出力端子３６ｂが接続されるとともに、差動増幅器４１の出力端子は抵抗４２を介してトランジスタ３７のベース端子と接続されている。Ｄ／Ａ変換器３６は図１のコンピュータ２０からの指令値（デジタル信号）をアナログ信号に変換して出力端子３６ｂに出力する。つまり、コンピュータ２０からの指令値に応じた電圧が差動増幅器４１の非反転入力端子に印加されるとともにＬＥＤ３の通電電流に応じた電圧が差動増幅器４１の反転入力端子に印加され、そして、両方の電圧値を一致させる電圧がトランジスタ３７のベース端子に印加され、ＬＥＤ３の通電電流が制御されて所望の強度の光がＬＥＤ３から発せられる。
【００３３】次に、このように構成した脈拍波形検出装置の作用を説明する。図１において、コンピュータ２０は駆動回路９，１０を駆動制御してＬＥＤ２，３から光を手Ｈに照射させる。すると、その光はビームスプリッター４を通してビームスプリッター５に向かうとともに、ビームスプリッター５を通して手Ｈに照射される。手Ｈにおいて反射した光はビームスプリッター５を通してビームスプリッター６に向かう。その光の一部はビームスプリッター６を透過してＰＤ７に達し、ＰＤ７において電気信号に変換される。一方、手Ｈにおいて反射した光の一部はビームスプリッター６にて反射されてＰＤ８に達し、ＰＤ８において電気信号に変換される。
【００３４】さらに、ＰＤ７，８からの電気信号はＩ−Ｖ変換回路１１，１２にて電圧信号に変換され、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１３，１４を介して差動増幅器１５に入る。差動増幅器１５において、脈拍信号が出力される。これを図４を用いて説明すると、図４において、人体が静止している場合のＰＤ７の出力波形とＰＤ８の出力波形を示す。この場合において、ＰＤ７の出力波形とＰＤ８の出力波形の差分処理を行うと、脈拍信号のみが抽出される。また、人体が大きく動いた場合に、ＰＤ７の出力波形とＰＤ８の出力波形の差分処理を行うと、脈拍信号のみが抽出される。このように差分処理後の信号として人の動きの有無に係わらず脈拍信号のみが抽出される。
【００３５】一方、図１のＬＥＤ２，３の発する光の強さはＰＤ１６，１７にて電気信号に変換され、その電気信号はＩ−Ｖ変換回路１８，１９にて電圧信号に変換されてコンピュータ２０に取り込まれる。コンピュータ２０はＬＥＤ２，３の発する光の強さが予め定めた一定の比率となるように駆動回路９，１０を制御する。
【００３６】これにより、波長間の発光強度の比率が常時一定になり、各波長での反射光における体動信号成分を一致させることができ、差動増幅器１５において常時差分処理を行うことができ、脈拍信号のみを抽出することができる。以上のことより、使用環境等で時間経過と共にＬＥＤ２，３の特性が変化しても差動増幅器１５から脈拍信号が得られる。
【００３７】このように本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）図１のＬＥＤ２，３から異なる波長の光を人体の一部に照射するとともに、人体からの反射光をＰＤ７，８にて受光し、差動増幅器１５においてＰＤ７による電気信号とＰＤ８による電気信号との差分をとり、人の動きにより発生する体動信号を除去して脈拍信号のみを抽出する。一方、ＰＤ１６にてＬＥＤ２の発光強度を、ＰＤ１７にてＬＥＤ３の発光強度を検出し、コンピュータ２０において、ＬＥＤ２の発光強度とＬＥＤ３の発光強度との比が予め定めた一定値となるように発光強度を制御するようにした。その結果、各波長での光における体動信号成分を一致させることができ、差分処理後に安定して脈拍信号を得ることができる。このように、脈拍波形検出装置の発受光部１を生体に固定せず、距離が離れても、各波長の発光強度をモニタし、波長間の発光強度の比率が常時一定になるようにフィードバック制御することにより、各波長での光における体動信号成分を一致させることができ、常時差分処理を可能とし脈拍信号のみを検出することができる。
（ロ）ＬＥＤ２の発する光の波長は６００ｎｍ未満であり、ＬＥＤ３の発する光の波長は６００ｎｍ以上であるので、実用上好ましいものとなる。
（ハ）ビームスプリッター４，５，６を用いてＬＥＤ２とＬＥＤ３の光軸を一致させるとともに、ＬＥＤ２とＰＤ７の光軸を一致させ、さらに、ＬＥＤ３とＰＤ８の光軸を一致させたので、安定した差分処理を行うことが可能となる。つまり、これらの光軸を一致させ、動きによる各波長での光の体動信号成分と脈拍信号成分の比率が変化しないように差分処理すると、安定した差分処理が可能となり、脈拍信号のみを検出することができる。
（第２の実施の形態）次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３８】図５には、本実施形態における脈拍波形検出装置の全体構成を示す。発受光部４９において、６００ｎｍ未満の波長の光を発するＬＥＤ５０と、６００ｎｍ以上の波長の光を発するＬＥＤ５１と、ＰＤ５２とを具備している。ＬＥＤ５０は人体の一部に光を照射する第１の光源であり、ＬＥＤ５１はＬＥＤ５０とは異なる波長の光を人体の一部に照射する第２の光源であり、ＬＥＤ５０とＬＥＤ５１は後述するように時分割駆動される。また、ＰＤ５２はＬＥＤ５０とＬＥＤ５１の時分割駆動に伴う各ＬＥＤ５１，５０の光に対する人体からの反射光を受光して受光強度に応じた電気信号に変換する受光素子である。つまり、本例においては受光はＰＤ５２のみで行うようになっている。そして、ＬＥＤ５０が光ファイバー５４の端面に配置されるとともにＬＥＤ５１が光ファイバー５６の端面に配置され、さらに、ＰＤ５２が光ファイバー５５の端面に配置されている。また、これら光ファイバー５４，５５，５６の他端面には太い光ファイバー５３が接続されている。光ファイバー５３の他端面は手Ｈに向かって開口している。
【００３９】そして、ＬＥＤ５０，５１の発する光は光ファイバー５４，５６を通って光ファイバー５３に入り、光ファイバー５３内において２つの光が混合して均一化される。その光は光ファイバー５３から手Ｈに向かって照射される。手Ｈにて反射した光は光ファイバー５３を通って光ファイバー５５に入り、光ファイバー５５を通してＰＤ５２に至る。
【００４０】よって、光ファイバー群（５３，５４，５５，５６）を用いてＬＥＤ５０，５１の光を混合して均一に照射することにより、ＬＥＤ５０，５１の光軸を容易に一致させることができる。さらに、光ファイバー群（５３，５４，５５，５６）の一部の光ファイバー５３，５５を用いて受光をすることによりＬＥＤ５０，５１とＰＤ５２の光軸を容易に一致させることができる。
【００４１】つまり、図１に示す装置においてはビームスプリッター４，５，６の位置合わせやＬＥＤ２，３の位置合わせがやりにくく光軸合わせが行いにくくなることもあったが、本実施形態においては図５の光ファイバー５３，５４，５５，５６を用いることによりＬＥＤ５０，５１の位置合わせ以外の位置合わせは容易であり、光軸を容易に一致させることが可能となる。
【００４２】なお、太い光ファイバー５３の代わりに、多数本からなる光ファイバーの束を用いてもよい。また、図５において、ＬＥＤ５０，５１には駆動回路５９，６０が接続され、発振回路６１，６２からの信号ＳＧ１，ＳＧ２にてＬＥＤ５０，５１が発光動作を行う。つまり、図６に示すように、ＬＥＤ５０，５１は発振回路６１，６２からのパルス信号ＳＧ１，ＳＧ２により駆動される。但し、ＬＥＤ５０，５１の駆動パルス信号ＳＧ１，ＳＧ２は互いに位相が１８０°異なる。図５のＰＤ５２にはＩ−Ｖ変換回路６３を介して同期検波回路６４，６５が接続され、同期検波回路６４，６５において発振回路６１，６２からの信号ＳＧ１，ＳＧ２に同期した検波が行われる。つまり、ＰＤ５２からの信号はＩ−Ｖ変換回路６３で電圧信号に変換された後、図６に示すようにＬＥＤ５０，５１の駆動パルス信号ＳＧ１，ＳＧ２により同期検波され信号ＳＧ３，ＳＧ４として出力される。同期検波した信号ＳＧ３，ＳＧ４はＬＰＦ６６，６７を通して図６に示すように信号ＳＧ５，ＳＧ６として差動増幅器６８に送られる。差動増幅器６８において、差分処理され、脈拍信号が検出される。
【００４３】このように差分処理手段としての差動増幅器６８は、ＰＤ５２によるＬＥＤ５０の駆動時の電気信号とＬＥＤ５１の駆動時の電気信号とを入力して両信号の差分をとり、人の動きにより発生する体動信号を除去して脈拍信号のみを抽出する。
【００４４】なお、駆動回路５９，６０および発振回路６１，６２によるＬＥＤ５０，５１を駆動させる信号は、位相の異なる方形波信号の他にも、位相の異なる正弦波信号を用いてもよい。
【００４５】また、図５のＬＥＤ５０の近傍には第１の発光強度検出段としてのＰＤ５７が配置され、ＰＤ５７によりＬＥＤ５０の発光強度が検出される。同様に、ＬＥＤ５１の近傍には第２の発光強度検出段としてのＰＤ５８が配置され、ＰＤ５８によりＬＥＤ５１の発光強度が検出される。ＰＤ５７にはＩ−Ｖ変換回路６９を介してコンピュータ７１が接続されるとともにＰＤ５８にはＩ−Ｖ変換回路７０を介してコンピュータ７１が接続されている。ＰＤ５７，５８の信号はＩ−Ｖ変換回路６９，７０を介してコンピュータ７１に取り込まれる。そして、制御手段としてのコンピュータ７１は、ＰＤ５７によるＬＥＤ５０の発光強度とＰＤ５８によるＬＥＤ５１の発光強度との比が予め定めた一定値となるように駆動回路５９，６０を駆動制御してＬＥＤ５０，５１の発光強度を制御する。
【００４６】このように本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）時分割駆動にて図５のＬＥＤ５０とＬＥＤ５１から異なる波長の光を人体の一部に照射し、この時分割駆動に伴う各ＬＥＤ５０，５１の光に対する人体からの反射光をＰＤ５２にて受光するようし、差動増幅器６８においてＰＤ５２によるＬＥＤ５０の駆動時の電気信号とＬＥＤ５１の駆動時の電気信号との差分をとり、人の動きにより発生する体動信号を除去して脈拍信号のみを抽出するようにした。また、ＰＤ５７にてＬＥＤ５０の発光強度を、ＰＤ５８にてＬＥＤ５１の発光強度を検出して、コンピュータ７１においてＰＤ５７によるＬＥＤ５０の発光強度とＰＤ５８によるＬＥＤ５１の発光強度との比が予め定めた一定値となるように発光強度を制御するようにした。
【００４７】その結果、各波長での光における体動信号成分を一致させることができ、差分処理後に安定して脈拍信号を得ることができる。さらに、図１でのＰＤ７，８が共通化され受光素子の個数を減らすことができ、実用上好ましいものとなる。
（ロ）特に、駆動回路５９，６０および発振回路６１，６２にてＬＥＤ５０，５１を位相の異なる方形波信号または正弦波信号で駆動させるとともに、同期検波回路６４，６５にて受光信号を駆動信号ＳＧ１，ＳＧ２で同期検波するようにしたので、時分割駆動する際に実用上好ましいものとなる。
（ハ）光ファイバー５３を用いてＬＥＤ５０，５１の光を混合して均一に照射することにより、ＬＥＤ５０，５１の光軸を一致させ、さらに光ファイバー５３を用いて受光することによりＬＥＤ５０，５１とＰＤ５２の光軸を一致させることができる。
【００４８】本実施形態の駆動・信号処理回路に関する応用例として、図７のように、発受光部８０においてビームスプリッター８４，８５を用いた光学系に適用してもよく、同様の効果がある。つまり、図７において、ビームスプリッター８５の近傍にＬＥＤ８１，８２が配置され、ビームスプリッター８４と８５が近接配置されている。また、ビームスプリッター８４には図５のＰＤ５２に代わるＰＤ８３が固定されている。さらた、ＬＥＤ８１，８２の近傍にはフィードバック用ＰＤ８６，８７が配置されている。他の構成は図５と同じであり、同一符号を付すことにより説明は省略する。
【００４９】これまで説明してきた実施の形態の他にも下記のように実施してもよい。図１，７においてはビームスプリッター４〜６，８４，８５を用いて光軸を一致させたが、ビームスプリッターの代わりにハーフミラー、ダイクロックミラー等を用いて光軸を一致させてもよい。
【００５０】また、受光素子としてフォトダイオード（ＰＤ）を用いたが、フォトトランジスタ等の他のデバイスを用いてもよい。さらに、第１の光源としてＬＥＤ（２）を用いるとともに第２の光源としてＬＥＤ（３）を用い、かつＬＥＤ（２，３）の発光強度をフィードバックする場合について述べたが、第１の光源として多数のＬＥＤを用いるとともに第２の光源として多数のＬＥＤを用い、かつ発光させるＬＥＤの個数を調整することにより光源の発光強度を調整してもよい。
【出願人】 【識別番号】０００００４６９５
【氏名又は名称】株式会社日本自動車部品総合研究所
【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【識別番号】０００００３６０９
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
【出願日】 平成１０年（１９９８）１月１９日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
【公開番号】 特開平１１−１９７１２６
【公開日】 平成１１年（１９９９）７月２７日
【出願番号】 特願平１０−８０６０