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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6407979
(24)【登録日】2018年9月28日
(45)【発行日】2018年10月17日
(54)【発明の名称】脈波センサ、及び脈波計測モジュール
(51)【国際特許分類】
A61B 5/02 20060101AFI20181004BHJP
【ＦＩ】
A61B5/02 310C
A61B5/02 310P
【請求項の数】15
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2016-516409(P2016-516409)
(86)(22)【出願日】2015年4月30日
(86)【国際出願番号】JP2015062993
(87)【国際公開番号】WO2015166990
(87)【国際公開日】20151105
【審査請求日】2016年10月21日
(31)【優先権主張番号】特願2014-95367(P2014-95367)
(32)【優先日】2014年5月2日
(33)【優先権主張国】JP
(31)【優先権主張番号】特願2014-211684(P2014-211684)
(32)【優先日】2014年10月16日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001933
【氏名又は名称】特許業務法人 佐野特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】照元 幸次
【審査官】
亀澤 智博
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００５−２７０５４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−０２８１５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１０−５２１２６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−１２０７７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１１−５０２５９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−１５３８３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−１３６４８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−２４７３８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−３５８２５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００３−１６９７８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００１−０７０２６６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ａ６１Ｂ ５／０２ − ５／０３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
発光部から生体に光を照射して前記生体からの反射光または透過光を受光部で検出することにより受光強度に応じた電流信号を生成する光センサ部と、
前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記発光部の消灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオフ電圧信号と所定の第１閾値電圧とを比較することにより装着判定を行う装着判定部と、
を有し、
前記装着判定部は、前記発光部の点灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオン電圧信号を、所定の第２閾値電圧及び前記第２閾値電圧よりも低い所定の第３閾値電圧と比較することにより装着判定を行い、
前記パルス駆動部に前記発光部を点消灯させて得られる前記オン電圧信号に基づく電圧値と所定の調整用閾値電圧との比較により、前記電圧値が前記調整用閾値電圧以下に低下するまで前記発光部の輝度を調整する輝度調整制御部を更に備え、
前記第２閾値電圧は前記調整用閾値電圧よりも高く、前記第３閾値電圧は前記調整用閾値電圧よりも低いことを特徴とする脈波センサ。
前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記発光部の消灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオフ電圧信号と所定の第１閾値電圧とを比較することにより装着判定を行う装着判定部と、
を有し、
前記装着判定部は、前記発光部の点灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオン電圧信号を、所定の第２閾値電圧及び前記第２閾値電圧よりも低い所定の第３閾値電圧と比較することにより装着判定を行い、
前記パルス駆動部に前記発光部を点消灯させて得られる前記オン電圧信号に基づく電圧値と所定の調整用閾値電圧との比較により、前記電圧値が前記調整用閾値電圧以下に低下するまで前記発光部の輝度を調整する輝度調整制御部を更に備え、
前記第２閾値電圧は前記調整用閾値電圧よりも高く、前記第３閾値電圧は前記調整用閾値電圧よりも低いことを特徴とする脈波センサ。
【請求項2】
前記第１閾値電圧は、前記トランスインピーダンスアンプの基準電圧よりも低い電圧値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の脈波センサ。
【請求項3】
前記装着判定部は、前記オフ電圧信号と前記オン電圧信号共に装着判定条件を満足しているかに応じて第１カウント数又は第２カウント数を変化させ、前記第１カウント数、前記第２カウント数のいずれが所定値に達したかに応じて装着／未装着判定を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の脈波センサ。
【請求項4】
前記装着判定部は、前記オフ電圧信号と前記オン電圧信号の少なくともいずれかが装着判定条件を満足していない場合はカウント数を変化させ、そうでない場合は前記カウント数をリセットしつつ装着判定を行い、前記カウント数が所定値に達すると未装着判定を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の脈波センサ。
【請求項5】
発光部から生体に光を照射して前記生体からの反射光または透過光を受光部で検出することにより受光強度に応じた電流信号を生成する光センサ部と、
前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記発光部の消灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオフ電圧信号と所定の第１閾値電圧とを比較することにより装着判定を行う装着判定部と、
を有し、
前記トランスインピーダンスアンプの出力信号に基づいて包絡線を抽出する処理を行うことにより脈波信号を出力する信号出力部を更に備え、
前記装着判定部は、前記脈波信号をサンプリングすることで取得された所定個数のデータの最大値を所定の第４閾値電圧と比較することにより装着判定を行うことを特徴とする脈波センサ。
前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記発光部の消灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオフ電圧信号と所定の第１閾値電圧とを比較することにより装着判定を行う装着判定部と、
を有し、
前記トランスインピーダンスアンプの出力信号に基づいて包絡線を抽出する処理を行うことにより脈波信号を出力する信号出力部を更に備え、
前記装着判定部は、前記脈波信号をサンプリングすることで取得された所定個数のデータの最大値を所定の第４閾値電圧と比較することにより装着判定を行うことを特徴とする脈波センサ。
【請求項6】
前記装着判定部は、前記オフ電圧信号を所定のサンプリングレートで複数回モニタリングすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の脈波センサ。
【請求項7】
前記サンプリングレートは、１〜８Ｈｚであることを特徴とする請求項６に記載の脈波センサ。
【請求項8】
前記装着判定部は、所定の判定期間に亘って複数回モニタリングされた前記オフ電圧信号についてそれぞれ前記第１閾値電圧との比較処理を行い、全ての比較結果に基づいて前記装着判定を行うことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の脈波センサ。
【請求項9】
前記判定期間は、１〜５秒であることを特徴とする請求項８に記載の脈波センサ。
【請求項10】
前記フレーム周波数は、５０〜１０００Ｈｚであることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の脈波センサ。
【請求項11】
前記デューティは、１／８〜１／２００であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の脈波センサ。
【請求項12】
前記装着判定部は、汎用入出力ポート又はシリアル通信ポートを介して、前記装着判定の結果を出力することを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の脈波センサ。
【請求項13】
発光部から生体に光を照射して前記生体からの反射光又は透過光を受光部で検出することにより受光強度に応じた電流信号を生成する光センサ部と、
前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記トランスインピーダンスアンプの出力信号に基づいて包絡線を抽出する処理を行うことにより脈波信号を出力する信号出力部と、
前記信号出力部から出力された前記脈波信号に基づいて脈波情報を生成する生成部と、
前記発光部の消灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオフ電圧信号と所定の第１閾値電圧とを比較することにより装着判定を行う装着判定部と、
前記生成部により生成された前記脈波情報を外部へ送信する第１送信部と、
前記装着判定部による判定結果を外部へ送信する第２送信部と、
を備え、
前記装着判定部は、前記発光部の点灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオン電圧信号を、所定の第２閾値電圧及び前記第２閾値電圧よりも低い所定の第３閾値電圧と比較することにより装着判定を行い、
前記パルス駆動部に前記発光部を点消灯させて得られる前記オン電圧信号に基づく電圧値と所定の調整用閾値電圧との比較により、前記電圧値が前記調整用閾値電圧以下に低下するまで前記発光部の輝度を調整する輝度調整制御部を更に備え、
前記第２閾値電圧は前記調整用閾値電圧よりも高く、前記第３閾値電圧は前記調整用閾値電圧よりも低いことを特徴とする脈波計測モジュール。
前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記トランスインピーダンスアンプの出力信号に基づいて包絡線を抽出する処理を行うことにより脈波信号を出力する信号出力部と、
前記信号出力部から出力された前記脈波信号に基づいて脈波情報を生成する生成部と、
前記発光部の消灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオフ電圧信号と所定の第１閾値電圧とを比較することにより装着判定を行う装着判定部と、
前記生成部により生成された前記脈波情報を外部へ送信する第１送信部と、
前記装着判定部による判定結果を外部へ送信する第２送信部と、
を備え、
前記装着判定部は、前記発光部の点灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオン電圧信号を、所定の第２閾値電圧及び前記第２閾値電圧よりも低い所定の第３閾値電圧と比較することにより装着判定を行い、
前記パルス駆動部に前記発光部を点消灯させて得られる前記オン電圧信号に基づく電圧値と所定の調整用閾値電圧との比較により、前記電圧値が前記調整用閾値電圧以下に低下するまで前記発光部の輝度を調整する輝度調整制御部を更に備え、
前記第２閾値電圧は前記調整用閾値電圧よりも高く、前記第３閾値電圧は前記調整用閾値電圧よりも低いことを特徴とする脈波計測モジュール。
【請求項14】
発光部から生体に光を照射して前記生体からの反射光又は透過光を受光部で検出することにより受光強度に応じた電流信号を生成する光センサ部と、
前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記トランスインピーダンスアンプの出力信号に基づいて包絡線を抽出する処理を行うことにより脈波信号を出力する信号出力部と、
前記信号出力部から出力された前記脈波信号に基づいて脈波情報を生成する生成部と、
前記発光部の消灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオフ電圧信号と所定の第１閾値電圧とを比較することにより装着判定を行う装着判定部と、
前記生成部により生成された前記脈波情報を外部へ送信する第１送信部と、
前記装着判定部による判定結果を外部へ送信する第２送信部と、
を備え、
前記装着判定部は、前記脈波信号をサンプリングすることで取得された所定個数のデータの最大値を所定の第４閾値電圧と比較することにより装着判定を行うことを特徴とする脈波計測モジュール。
前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記トランスインピーダンスアンプの出力信号に基づいて包絡線を抽出する処理を行うことにより脈波信号を出力する信号出力部と、
前記信号出力部から出力された前記脈波信号に基づいて脈波情報を生成する生成部と、
前記発光部の消灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオフ電圧信号と所定の第１閾値電圧とを比較することにより装着判定を行う装着判定部と、
前記生成部により生成された前記脈波情報を外部へ送信する第１送信部と、
前記装着判定部による判定結果を外部へ送信する第２送信部と、
を備え、
前記装着判定部は、前記脈波信号をサンプリングすることで取得された所定個数のデータの最大値を所定の第４閾値電圧と比較することにより装着判定を行うことを特徴とする脈波計測モジュール。
【請求項15】
前記第１送信部はシリアルデータ通信ポートであり、前記第２送信部はシリアルデータ通信ポート又は汎用入出力ポートであることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の脈波計測モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、脈波センサに関する。【背景技術】
【0002】
従来より、発光部から生体（被験者の腕や指など）に光を照射し、生体を透過した光の受光強度に基づいて被験者の脈波を検出する脈波センサ（いわゆる光電型の脈波センサ）が知られている。この種の脈波センサでは、受光強度が被験者の拍動に伴って変動するので、受光強度に応じた脈波信号の特徴（脈波信号の変動周期など）に基づいて、種々の脈波情報（被験者の脈拍数など）を取得することができる。【0003】
なお、上記に関連する背景技術の一例としては、特許文献１を挙げることができる。【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平０５−１６１６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、被験者の脈拍数などを正しく取得するためには、脈波センサを被験者の腕や指などに正しく装着する必要がある。しかし、従来の脈波センサは、これが生体に装着されているか否かを判定せずに計測を行い、その結果をパラメータ値として出力していた。【0006】
そのため、例えば、生体に装着する前に電源が投入された脈波センサは、無意味なパラメータ値を出力してしまう不自然な動作状態に陥る場合があった。また、例えば、生体への装着が不完全な脈波センサは、誤ったパラメータ値を出力してしまう不都合な動作状態に陥る場合があった。【0007】
なお、脈波センサの装着判定手法としては、例えば、脈波の振幅強度を検出する手法が考えられる。この手法では、所定の発光強度で発光部を発光させて脈波信号の振幅（＝最大信号値と最小信号値との差）を直接読み取り、読み取った振幅が所定の閾値を超えているか否かにより、生体への装着／未装着を判定する。【0008】
しかしながら、安静時における脈波の周期が１Ｈｚであるとした場合、脈波信号の振幅を直接読み取るためには、最低でも１秒程度の時間を要し、通常は２〜３秒程度の時間を要する。また、装着判定の精度を高めるべく、上記の振幅読み取りをｎ回（ただし、ｎ≧２）に亘って繰り返すことも考えられる。この場合には、装着判定に要する時間が上記のｎ倍（＝２ｎ〜３ｎ秒）になる（通常１０秒前後）。【0009】
また、例えば、脈波センサを生体に装着せずに放置した状態で周囲光が変化しないような状況では、脈波信号は基準電圧で固定され、周囲光が変化する状況では振幅変化が生じる。また、生体に未装着で脈波センサが動かされる場合（手に持って歩くなど）、やはり振幅変化が生じる。従って、脈波信号の振幅に基づく未装着判定は困難となる。【0010】
一方、生体と脈波センサとの装着を判定するための装着センサ（近接センサなど）を別途追加することも考えられる。しかしながら、この場合には、装着センサの追加に伴い、制御の複雑化、部品点数の増加、コストの上昇、ないしは、サイズの大型化が招かれる。【0011】
本発明は、本願の発明者により見出された上記の問題点に鑑み、生体への装着／未装着を迅速かつ正確に判定することのできる脈波センサを提供することを目的とする。【課題を解決するための手段】
【0012】
上記目的を達成するために本発明の一態様に係る脈波センサは、発光部から生体に光を照射して前記生体からの反射光または透過光を受光部で検出することにより受光強度に応じた電流信号を生成する光センサ部と、前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記発光部の消灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオフ電圧信号と所定の第１閾値電圧とを比較することにより装着判定を行う装着判定部と、を有する構成としている（第１の構成）。
【0013】
また、上記第１の構成において、前記第１閾値電圧は、前記トランスインピーダンスアンプの基準電圧よりも低い電圧値に設定されていることとしてもよい（第２の構成）。【0014】
また、上記第１又は第２の構成において、前記装着判定部は、前記発光部の点灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオン電圧信号を、所定の第２閾値電圧及び前記第２閾値電圧よりも低い所定の第３閾値電圧と比較することにより装着判定を行うこととしてもよい（第３の構成）。【0015】
また、上記第３の構成において、前記パルス駆動部に前記発光部を点消灯させて得られる前記オン電圧信号に基づく電圧値と所定の調整用閾値電圧との比較により、前記発光部の輝度を調整する輝度調整制御部を更に備え、前記第２閾値電圧は前記調整用閾値電圧よりも高く、前記第３閾値電圧は前記調整用閾値電圧よりも低いこととしてもよい（第４の構成）。
【0016】
また、上記第３又は第４の構成において、前記装着判定部は、前記オフ電圧信号と前記オン電圧信号共に装着判定条件を満足しているかに応じて第１カウント数又は第２カウント数を変化させ、前記第１カウント数、前記第２カウント数のいずれが所定値に達したかに応じて装着／未装着判定を行うこととしてもよい（第５の構成）。【0017】
また、上記第３又は第４の構成において、前記装着判定部は、前記オフ電圧信号と前記オン電圧信号の少なくともいずれかが装着判定条件を満足していない場合はカウント数を変化させ、そうでない場合は前記カウント数をリセットしつつ装着判定を行い、前記カウント数が所定値に達すると未装着判定を行うこととしてもよい（第６の構成）。【0018】
また、上記第１〜第６のいずれかの構成において、前記トランスインピーダンスアンプの出力信号に基づいて包絡線を抽出する処理を行うことにより脈波信号を出力する信号出力部を更に備え、前記装着判定部は、前記脈波信号を所定の第４閾値電圧と比較することにより装着判定を行うこととしてもよい（第７の構成）。
【0019】
また、上記第１〜第７のいずれかの構成において、前記装着判定部は、前記オフ電圧信号を所定のサンプリングレートで複数回モニタリングすることとしてもよい（第８の構成）。【0020】
また、上記第８の構成において、前記サンプリングレートは、１〜８Ｈｚであることとしてもよい（第９の構成）。【0021】
また、上記第８又は第９の構成において、前記装着判定部は、所定の判定期間に亘って複数回モニタリングされた前記オフ電圧信号についてそれぞれ前記第１閾値電圧との比較処理を行い、全ての比較結果に基づいて前記装着判定を行うこととしてもよい（第１０の構成）。【0022】
また、上記第１０の構成において、前記判定期間は、１〜５秒であることとしてもよい（第１１の構成）。【0023】
また、上記第１〜第１１のいずれかの構成において、前記フレーム周波数は、５０〜１０００Ｈｚであることとしてもよい（第１２の構成）。【0024】
また、上記第１〜第１２のいずれかの構成において、前記デューティは、１／８〜１／２００であることとしてもよい（第１３の構成）。【0025】
また、上記第１〜第１３のいずれかの構成において、前記装着判定部は、汎用入出力ポート又はシリアル通信ポートを介して、前記装着判定の結果を出力することとしてもよい（第１４の構成）。【0026】
また、上記第１〜第１４のいずれかの構成において、前記発光部の出力波長は、６００ｎｍ以下の可視光領域に属することとしてもよい（第１５の構成）。【0027】
また、本発明の他の態様に係る脈波計測モジュールは、発光部から生体に光を照射して前記生体からの反射光又は透過光を受光部で検出することにより受光強度に応じた電流信号を生成する光センサ部と、前記発光部を所定のフレーム周波数及びデューティで点消灯させるパルス駆動部と、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記トランスインピーダンスアンプの出力信号に基づいて包絡線を抽出する処理を行うことにより脈波信号を出力する信号出力部と、
前記信号出力部から出力された前記脈波信号に基づいて脈波情報を生成する生成部と、
前記発光部の消灯期間に前記トランスインピーダンスアンプで得られるオフ電圧信号と所定の閾値電圧とを比較することにより装着判定を行う装着判定部と、
前記生成部により生成された前記脈波情報を外部へ送信する第１送信部と、
前記装着判定部による判定結果を外部へ送信する第２送信部と、
を備える構成としている（第１６の構成）。
【0028】
また、上記第１６の構成において、前記第１送信部はシリアルデータ通信ポートであり、前記第２送信部はシリアルデータ通信ポート又は汎用入出力ポートであることとしてもよい。【発明の効果】
【0029】
本発明によると、生体への装着／未装着を迅速かつ正確に判定することのできる脈波センサを提供することが可能となる。【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】手首での脈波測定の原理を説明するための模式図である。
【図2】生体内における光の減衰量（吸光度）が時間的に変化する様子を示す波形図である。
【図3】脈波センサの一構成例を示すブロック図である。
【図4】光センサ部及びパルス駆動部の一構成例を示す回路図である。
【図5】フィルタ部の一構成例を示すブロック図である。
【図6】トランスインピーダンスアンプの一構成例を示す回路図である。
【図7】制御部の一構成例を示すブロック図である。
【図8】脈波計測モジュールの一構成例を示すブロック図である。
【図9】変形例に係る脈波計測モジュールの構成を示すブロック図である。
【図10】電圧信号Ｓａの波形を模式的に示す図である。
【図11】装着判定処理の一例を示すフローチャートである。
【図12】信号Ｓａ及びＳｅの第１挙動（ベルト固定）を示すタイムチャートである。
【図13】信号Ｓａ及びＳｅの第２挙動（ベルト未固定）を示すタイムチャートである。
【図14】信号Ｓａ及びＳｅの第３挙動（５ｍｍ浮き）を示すタイムチャートである。
【図15】信号Ｓａ及びＳｅの第４挙動（机上放置）を示すタイムチャートである。
【図16】信号Ｓａ及びＳｅの第５挙動（センサ下向き）を示すタイムチャートである。
【図17】信号Ｓａ及びＳｅの第６挙動（センサ上向き）を示すタイムチャートである。
【図18】電圧信号Ｓａの実際の波形例を示す図である。
【図19】出力信号Ｓｅの実際の波形例を示す図である。
【図20】装着判定処理の第１変形実施例に係るフローチャートである。
【図22】装着判定処理の第２変形実施例に係るフローチャートである。
【図23】各周囲環境における信号実測例を示した一覧表である。
【図24】室内環境における信号実測波形例を示す図である。
【図25】屋外環境における信号実測波形例を示す図である。
【図26】暗室環境における信号実測波形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
容積脈波法による脈波測定では、例えば、図１に示したように、測定窓に押し当てられた生体の一部（図１では手首）に向けて発光部（ＬＥＤ［Light Emitting Diode］など）から光が照射され、体内を透過して体外に出てくる光の強度が受光部（フォトダイオードやフォトトランジスタなど）で検出される。ここで、図２に示したように、生体組織や静脈血（脱酸素化ヘモグロビンＨｂ）による光の減衰量（吸光度）は一定であるが、動脈血（酸素化ヘモグロビンＨｂＯ2）による光の減衰量（吸光度）は拍動によって時間的に変動する。従って、可視領域から近赤外領域にある「生体の窓」（光が生体を透過しやすい波長領域）を利用して、末梢動脈の吸光度変化を測定することにより、非侵襲で容積脈波を測定することができる。【0033】
なお、図１では、図示の便宜上、脈波センサ（発光部と受光部）を手首の背側（外側）に装着した様子が描写されているが、脈波センサの装着位置についてはこれに限定されるものではなく、手首の腹側（内側）であってもよいし、他の部位（指先、指の第３関節、額、眉間、鼻先、頬、眼下、こめかみ、耳たぶなど）であってもよい。【0034】
＜脈波から分かること＞なお、心臓及び自立神経の支配を受けている脈波は、常に一定の挙動を示すものではなく、被験者の状態によって様々な変化（揺らぎ）を生じるものである。従って、脈波の変化（揺らぎ）を解析することにより、被験者の様々な身体情報を得ることができる。例えば、心拍数からは、被験者の運動能力や緊張度などを知ることができ、心拍変動からは、被験者の疲労度、快眠度、及び、ストレスの大きさなどを知ることができる。また、脈波を時間軸で２回微分することにより得られる加速度脈波からは、被験者の血管年齢や動脈硬化度などを知ることができる。
【0035】
＜脈波センサ＞図３は、脈波センサの一構成例を示すブロック図である。本構成例の脈波センサ１は、本体ユニット１０と、本体ユニット１０の両端部に取り付けられて生体２（具体的には手首）に巻き回されるベルト２０とを備えた腕輪構造（腕時計型構造）とされている。ベルト２０の素材としては、皮革、金属、樹脂などを用いることができる。
【0036】
本体ユニット１０は、光センサ部１１と、フィルタ部１２と、制御部１３と、表示部１４と、通信部１５と、電源部１６と、パルス駆動部１７と、を含む。【0037】
光センサ部１１は、本体ユニット１０の裏面（生体２と対向する側の面）に設けられており、発光部１１Ａから生体２に光を照射して生体２からの反射光（又は透過光でも可）を受光部１１Ｂで検出することにより受光強度に応じた電流信号を生成する。本構成例の脈波センサ１において、光センサ部１１は、発光部１１Ａと受光部１１Ｂが生体２を挟んで互いに反対側に設けられた構成（いわゆる透過型、図１の破線矢印を参照）ではなく、発光部１１Ａと受光部１１Ｂが生体２に対していずれも同じ側に設けられた構成（いわゆる反射型、図１の実線矢印を参照）とされている。なお、本願の発明者らは、手首での脈波測定について、十分に脈波の測定が可能であることを実際に実験で確認済みである。【0038】
フィルタ部１２は、光センサ部１１から入力される電流信号に各種の信号処理（電流／電圧変換処理、検波処理、フィルタ処理、及び、増幅処理）を施して制御部１３に出力する。なお、フィルタ部１２の具体的な構成については後ほど詳細に説明する。【0039】
制御部１３は、脈波センサ１全体の動作を統括的に制御するほか、フィルタ部１２の出力信号に各種の信号処理を施すことにより、脈波に関する種々の情報（脈波の揺らぎ、心拍数、心拍変動、及び、加速度脈波など）を取得する。【0040】
表示部１４は、本体ユニット１０の表面（生体２と対向しない側の面）に設けられており、表示情報（日付や時間に関する情報のほか、脈波の測定結果なども含まれる）を出力する。すなわち、表示部１４は、腕時計の文字盤面に相当する。なお、表示部１４としては、液晶表示パネルなどを好適に用いることができる。【0041】
通信部１５は、脈波センサ１の測定データを外部機器（パーソナルコンピュータや携帯電話機など）に無線または有線で送信する。特に、脈波センサ１の測定データを外部機器に無線で送信する構成であれば、脈波センサ１と外部機器とを有線で接続する必要がなくなるので、例えば、被験者の行動を制約せずに測定データのリアルタイム送信を行うことが可能となる。また、脈波センサ１を防水構造とする際には、外部端子を完全に排除するという観点から、測定データの外部送信方式として無線送信方式を採用することが望ましい。なお、無線送信方式を採用する場合、通信部１５としては、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）無線通信モジュールＩＣなどを好適に用いることができる。【0042】
電源部１６は、バッテリとＤＣ／ＤＣコンバータを含み、バッテリからの入力電圧を所望の出力電圧に変換して脈波センサ１の各部に供給する。このように、バッテリ駆動方式の脈波センサ１であれば、脈波の測定時に外部からの給電ケーブルを接続する必要がないので、被験者の行動を制約せずに脈波の測定を行うことが可能となる。なお、上記のバッテリとしては、繰り返して充電を行うことが可能な二次電池（リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなど）を用いることが望ましい。このように、バッテリとして二次電池を用いる構成であれば、煩わしい電池交換作業が不要となるので、脈波センサ１の利便性を高めることができる。また、バッテリ充電時における外部からの電力供給方式としては、ＵＳＢ［universal serial bus］ケーブルなどを用いる接触給電方式であってもよいし、電磁誘導方式、電界結合方式、及び、磁界共鳴方式などの非接触給電方式であってもよい。ただし、脈波センサ１を防水構造とする際には、外部端子を完全に排除するという観点から、外部からの電力供給方式として非接触給電方式を採用することが望ましい。【0043】
パルス駆動部１７は、光センサ部１１の発光部１１Ａを所定のフレーム周波数ｆ（例えば５０〜１０００Ｈｚ）、及び、デューティＤ（１／８〜１／２００）で点消灯させる。【0044】
上記のように、腕輪構造を有する脈波センサ１であれば、被験者が意図的に脈波センサ１を手首から外さない限り、脈波の測定中に脈波センサ１が手首から脱落してしまうおそれは殆どないので、被験者の行動を制約せずに脈波の測定を行うことが可能となる。【0045】
また、腕輪構造を有する脈波センサ１であれば、被験者に対して脈波センサ１を装着していることをあまり意識させずに済むので、長期間（数日〜数ヶ月）に亘る継続的な脈波測定を行う場合であっても、被験者に過度のストレスを与えずに済む。【0046】
特に、脈波の測定結果だけでなく、日時情報なども表示することのできる表示部１４を備えた脈波センサ１（すなわち、腕時計構造の脈波センサ１）であれば、被験者は脈波センサ１を腕時計として日常的に装着することができるので、脈波センサ１の装着に対する抵抗感をさらに払拭することが可能となり、延いては、新規ユーザ層の開拓に寄与することが可能となる。【0047】
また、脈波センサ１は、防水構造としておくことが望ましい。このような構成とすることにより、水（雨）や汗などに濡れても故障せずに脈波を測定することが可能となる。また、脈波センサ１を多人数で共用する場合（例えばスポーツジムでの貸し出し用として使用する場合）には、脈波センサ１を丸ごと水洗いすることにより、脈波センサ１を清潔に保つことが可能となる。【0048】
＜光センサ部及びパルス駆動部＞図４は、光センサ部１１及びパルス駆動部１７の一構成例を示す回路図である。本構成例の光センサ部１１は、発光ダイオード（発光部に相当）１１Ａと、フォトトランジスタ（受光部に相当）１１Ｂとを含む。また、本構成例のパルス駆動部１７は、スイッチ１７１と電流源１７２とを含む。
【0049】
発光ダイオード１１Ａのアノードは、スイッチ１７１を介して電源電圧ＡＶＤＤの印加端に接続されている。発光ダイオード１１Ａのカソードは、電流源１７２を介して接地端に接続されている。スイッチ１７１は、パルス駆動信号Ｓ１７１に応じてオン／オフされる。電流源１７２は、輝度制御信号Ｓ１７２に応じた定電流ＩＡを生成する。なお、運動時や屋外での脈波測定を精度良く実施するためには、発光ダイオード１１Ａを外来光よりも高い輝度でパルス駆動することが望ましい。【0050】
スイッチ１７１がオンされているときには、定電流ＩＡの流れる電流経路が導通されるので、発光ダイオード１１Ａが点灯して生体２に光が照射される。このとき、フォトトランジスタ１１Ｂのコレクタとエミッタとの間には、生体２から戻ってくる反射光の受光強度に応じた電流信号ＩＢが流れる。一方、スイッチ１７１がオフされているときには、定電流ＩＡの流れる電流経路が遮断されるので、発光ダイオード１１Ａが消灯する。【0051】
＜フィルタ部＞図５はフィルタ部１２の一構成例を示すブロック図である。本構成例のフィルタ部１２は、トランスインピーダンスアンプ１２１（以下、ＴＩＡ［transimpedance amplifier］１２１と略称する）と、バッファ回路１２２と、検波回路１２３と、バンドパスフィルタ回路１２４と、増幅回路１２５と、基準電圧生成回路１２６と、を含む。なお、ＴＩＡ１２１より後段側のバッファ回路１２２から増幅回路１２５までの構成によって、後述する出力信号Ｓｅ（脈波信号に相当）を出力する信号出力部が形成される。
【0052】
ＴＩＡ１２１は、電流信号ＩＢを電圧信号Ｓａに変換して後段のバッファ回路１２２と制御部１３に各々出力する電流／電圧変換回路の一種である。【0053】
バッファ回路１２２は、電圧信号Ｓａをバッファ信号Ｓｂとして後段に伝達するボルテージフォロワである。【0054】
検波回路１２３は、パルス駆動される電圧信号Ｓｂからその包絡線のみを抽出することにより検波信号Ｓｃを生成し、これを後段に出力する。検波回路１２３としては、半波整流検波回路や全波整流検波回路などを用いることができる。【0055】
バンドパスフィルタ回路１２４は、検波信号Ｓｃに重畳した低周波成分と高周波成分をいずれも除去することによりフィルタ信号Ｓｄを生成し、これを後段に出力する。なお、バンドパスフィルタ回路１２４の通過周波数帯域は、０．６〜４．０Ｈｚ程度に設定しておくことが望ましい。【0056】
増幅回路１２５は、フィルタ信号Ｓｄを所定のゲインで増幅することにより出力信号Ｓｅを生成し、これを後段の制御部１３に出力する。【0057】
基準電圧生成回路１２６は、電源電圧ＡＶＤＤを１／２に分圧することにより基準電圧ＶＲＥＦ（＝ＡＶＤＤ／２）を生成し、これをフィルタ部１２の各部に供給する。【0058】
本構成例のフィルタ部１２であれば、被験者の体動ノイズを適切に除去することができるので、被験者の安静時における脈波はもちろん、被験者の運動時（歩行時、ジョギング時、ないしは、ランニング時など）における脈波についても、高精度に検出することが可能となる。【0059】
また、本構成例のフィルタ部１２において、ＴＩＡ１２１、バッファ回路１２２、検波回路１２３、バンドパスフィルタ回路１２４、及び、増幅回路１２５は、いずれも基準電圧ＶＲＥＦ（＝ＡＶＤＤ／２）をセンターとして動作するので、フィルタ部１２の出力信号Ｓｅは、基準電圧ＶＲＥＦに対して上下に振幅変動する波形となる。従って、本構成例のフィルタ部１２であれば、出力信号Ｓｅの飽和（電源電圧ＡＶＤＤや接地電圧ＧＮＤへの張り付き）を防止して、脈波データを正しく検出することが可能となる。【0060】
＜ＴＩＡ＞図６は、ＴＩＡ１２１の一構成例を示す回路図である。本構成例のＴＩＡ１２１は、オペアンプＡＭＰ１と、抵抗Ｒ１と、キャパシタＣ１と、を含む。オペアンプＡＭＰ１の非反転入力端（＋）は、基準電圧ＶＲＥＦ（＝ＡＶＤＤ／２）の印加端に接続されている。オペアンプＡＭＰ１の反転入力端（−）は、フォトダイオード１１Ｂのエミッタに接続されている。フォトダイオード１１Ｂのコレクタは、電源電圧ＡＶＤＤの印加端に接続されている。オペアンプＡＭＰ１の出力端は、電圧信号Ｓａの出力端に相当する。抵抗Ｒ１及びキャパシタＣ１は、それぞれ、オペアンプＡＭＰ１の反転入力端（−）と出力端との間に並列接続されている。
【0061】
本構成例のＴＩＡ１２１では、オペアンプＡＭＰ１の反転入力端（−）から抵抗Ｒ１を介して電圧信号Ｓａの出力端に至る電流経路を電流信号ＩＢが流れる。従って、オペアンプＡＭＰ１の反転入力端（−）には、電圧信号Ｓａに抵抗Ｒ１の両端間電圧を足し合わせた電圧（＝Ｓａ＋ＩＢ×Ｒ１）が印加される。一方、オペアンプＡＭＰ１は、非反転入力端（＋）と反転入力端（−）がイマジナリショートするように出力信号Ｓａを生成する。従って、ＴＩＡ１２１で生成される電圧信号Ｓａは、基準電圧ＶＲＥＦから抵抗Ｒ１の両端間電圧を差し引いた電圧値（ＶＲＥＦ−ＩＢ×Ｒ１）となる。【0062】
すなわち、抵抗Ｒ１に流れる電流信号ＩＢ（フォトトランジスタ１１Ｂでの受光量に相当）が大きいほど電圧信号Ｓａが低くなり、逆に、電流信号ＩＢが小さいほど電圧信号Ｓａが高くなる。なお、ＴＩＡ１２１のゲインは、抵抗Ｒ１の抵抗値を変えることによって任意に調整することが可能である。【0064】
主制御回路１３１は、主として、表示部１４を用いた表示動作や通信部１５を用いた通信動作を司る主体である。【0065】
副制御回路１３２は、主として、光センサ部１１を用いた脈波測定動作を司る主体であり、Ａ／Ｄ変換器１３２ａと、デジタル信号処理部１３２ｂと、シリアルデータ通信ポート１３２ｃと、を含む。なお、上記の脈波測定動作には、例えば、発光部１１Ａのパルス駆動制御及び輝度設定制御（キャリブレーション）、出力信号Ｓｅのデジタル信号処理、並びに、電圧信号Ｓａ及び出力信号Ｓｅに基づく装着判定処理が含まれる。【0066】
Ａ／Ｄ変換器１３２ａは、アナログ形式の出力信号Ｓｅ及び電圧信号Ｓａを時分割で受け取り、各々をデジタル形式に変換してデジタル信号処理部１３２ｂに順次出力する。なお、マルチ入力型のＡ／Ｄ変換器１３２ａに代えて、出力信号Ｓｅ及び電圧信号Ｓａの各個入力を受け付けるシングル入力型のＡ／Ｄ変換器を複数並列に設けても構わない。【0067】
デジタル信号処理部１３２ｂは、Ａ／Ｄ変換器１３２ａの出力に各種のデジタル信号処理を施す。ここでのデジタル信号処理には、出力信号Ｓｅに基づく脈波データの波形整形処理や解析処理のほか、電圧信号Ｓａ及び出力信号Ｓｅに基づく装着判定処理が含まれる。すなわち、デジタル信号処理部１３２ｂは、脈波センサ１の装着／未装着を判定する装着判定部としての機能を備えている。装着判定処理の詳細については後述する。また、上記解析処理には、脈波に関する種々の情報（心拍数、心拍変動、加速度脈波など）を算出等によって生成する処理が含まれる。【0068】
シリアルデータ通信ポート１３２ｃは、主制御回路１３１と副制御回路１３２との相互間で、シリアルデータ通信を行うためのポートである。例えば、デジタル信号処理部１３２ｂは、脈波測定動作によって得られた脈波に関する種々の情報（脈波情報）をシリアルデータ通信ポート１３２ｃ経由で主制御回路１３１に送信する。主制御回路１３１は、副制御回路１３２から送信された脈波情報を表示部１４に表示させたり、通信部１５から外部機器に転送させたりする。【0069】
また、デジタル信号処理部１３２ｂは、脈波センサ１の装着判定結果をシリアルデータ通信ポート１３２ｃから主制御回路１３１に送信することも可能である。例えば、主制御回路１３１からシリアルデータ通信ポート１３２ｃ経由でリクエスト信号を定期的に送信し、当該リクエスト信号を受けたデジタル信号処理部１３２ｂからシリアルデータ通信ポート１３２ｃ経由で脈波センサ１の装着判定結果を返信する。【0070】
なお、シリアルデータ通信ポート１３２ｃとしては、Ｉ2Ｃポートなどを好適に利用することが可能である。【0071】
＜脈波計測モジュールに関して＞ここで、本実施形態に係る脈波センサ１においては、図８に示すように、光センサ部１１、フィルタ部１２、パルス駆動部１７、及び副制御回路１３２が脈波計測モジュールＭ１としてモジュール化されている。
【0072】
脈波計測モジュールＭ１における副制御回路１３２に含まれるデジタル信号処理部１３２ｂによって脈波情報の生成処理や装着判定処理を行い、その結果をシリアルデータ通信ポート１３２ｃ経由で主制御回路１３１に送信するので、主制御回路１３１では上記処理を行う必要が無くなるので、その分の負荷を他の制御に当てることが可能となる。なお、デジタル信号処理部１３２ｂの処理能力は、主制御回路１３１よりも低いものでよい。【0073】
また、変形例に係る脈波センサ１’の構成を図９に示す。図９では、図８との相違点として副制御回路１３２’がシリアルデータ通信ポート１３２ｃに加えて汎用入出力ポート１３２ｄを備えている。そして、光センサ部１１、フィルタ部１２、パルス駆動部１７、及び副制御回路１３２’が脈波計測モジュールＭ１’としてモジュール化されている。【0074】
汎用入出力ポート１３２ｄは、１ビット信号（２値信号）の入出力を行うためのポートである。例えば、デジタル信号処理部１３２ｂは、装着判定フラグ（装着判定の結果に相当）を汎用入出力ポート１３２ｄに出力する。具体的に述べると、デジタル信号処理部１３２ｂは、脈波センサ１が正しく装着されていると判定したときに汎用入出力ポート１３２ｄをハイレベルとし、脈波センサ１が正しく装着されていないと判定したときに汎用入出力ポート１３２ｄをローレベルとする。主制御回路１３１は、汎用入出力ポート１３２ｄの出力論理レベルを監視しており、その監視結果を表示部１４に表示させたり、通信部１５から外部機器に転送させたりする。なお、汎用入出力ポート１３２ｄとしては、ＧＰＩＯ［general purpose input/output］ポートなどを好適に利用することが可能である。【0075】
＜装着判定処理＞図１０では、脈波センサ１を正常に装着した状態での、電圧信号Ｓａの信号波形とその部分拡大図が描写されている。先にも述べたように、ＴＩＡ１２１で生成される電圧信号Ｓａは、基準電圧ＶＲＥＦから抵抗Ｒ１の両端間電圧を差し引いた電圧値（ＶＲＥＦ−ＩＢ×Ｒ１）となる。ここで、発光部１１Ａの点灯期間Ｔｏｎにおける受光部１１Ｂの受光強度（延いては、電流信号ＩＢの電流値）は、被験者の拍動に伴って変動する。従って、図中のＢ点で示すように、発光部１１Ａの点灯期間ＴｏｎにＴＩＡ１２１で得られる電圧信号Ｓａ（オン電圧信号Ｓａ＠Ｂ）を包絡線検波することにより、被験者の脈波データ（図中の細破線を参照）を取得することができる。
【0076】
一方、受光部１１Ｂに全く光が入射されず、抵抗Ｒ１に電流信号ＩＢが一切流れない場合、理想的には電圧信号Ｓａが基準電圧ＶＲＥＦと一致する。例えば、光センサ１が生体２に正しく装着されている状態（受光部１１Ｂに対する外来光の入射が適切に遮断されている状態）では、発光部１１Ａの消灯期間Ｔｏｆｆにおける受光部１１Ｂでの受光強度がほぼゼロとなるので、抵抗Ｒ１には電流信号ＩＢが殆ど流れなくなる。従って、図中のＡ点で示すように、発光部１１Ａの消灯期間ＴｏｆｆにＴＩＡ１２１で得られる電圧信号Ｓａ（オフ電圧信号Ｓａ＠Ａ）は、基準電圧ＶＲＥＦとほぼ一致するはずである。【0077】
上記の知見に鑑み、制御部１３（特にデジタル信号処理部１３２ｂ）は、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａと所定の閾値電圧Ｖｔｈとを比較することにより、脈波センサ１の装着判定処理を行う構成とされている。【0078】
なお、以下で説明する脈波センサ１の装着判定処理を実施する際、発光部１１Ａのパルス駆動時におけるフレーム周波数ｆは、５０〜１０００Ｈｚの範囲内で設定することが望ましい（例えばｆ＝１２８Ｈｚ）。また、発光部１１Ａのパルス駆動時におけるデューティＤ（フレーム周期に占めるオン期間Ｔｏｎの割合）は、１／８〜１／２００の範囲内で設定することが望ましい（例えばＤ＝１／１６）。【0079】
図１１は、装着判定処理の一例を示すフローチャートである。装着判定処理が開始されると、まずステップＳ１では、所定の判定期間Ｔｊ（例えばＴｊ＝１〜５秒）に亘って、所定のサンプリングレートｆｓ（例えばｆｓ＝１〜８Ｈｚ）でオフ電圧信号Ｓａ＠Ａの測定（複数回モニタリング）が行われる。例えば、判定期間Ｔｊが３秒であってサンプリングレートｆｓが４Ｈｚである場合、ステップＳ１では、合計１２（＝３秒×４Ｈｚ）回の測定が行われる。【0080】
続くステップＳ２では、判定期間Ｔｊに亘って複数回モニタリングされたオフ電圧信号Ｓａ＠Ａについてそれぞれ所定の閾値電圧Ｖｔｈとの比較処理が行われ、全ての比較結果に基づいて所定の装着判定条件を満足しているか否かの判定処理が行われる。ここで、イエス判定が下された場合にはフローがステップＳ３に進められ、ノー判定が下された場合にはフローがステップＳ５に進められる。【0081】
なお、上記の閾値電圧Ｖｔｈは、ＴＩＡ１２１の基準電圧ＶＲＥＦよりも低い電圧値に設定されている。例えば、基準電圧ＶＲＥＦが１．５０Ｖである場合には、閾値電圧Ｖｔｈを１．４０〜１．４９Ｖの範囲内で設定することが望ましい（例えばＶｔｈ＝１．４９Ｖ）。先にも述べたように、光センサ１が生体２に正しく装着されている状態では、発光部１１Ａの消灯期間Ｔｏｆｆにおける受光部１１Ｂでの受光強度がほぼゼロとなるので、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａが閾値電圧Ｖｔｈを上回るはずである。【0082】
従って、複数モニタリングされたオフ電圧Ｓａ＠Ａと閾値電圧Ｖｔｈとを逐一比較し、その比較結果を所定の装着判定条件と照らし合わせれば、脈波センサ１が生体２に正しく装着されているか否かを判定することができる。【0083】
なお、上記の装着判定条件としては、複数モニタリングされたオフ電圧Ｓａ＠Ａについて、（１）その全てが閾値電圧Ｖｔｈを上回っている、（２）ほぼ全て（８０〜９０％）が閾値電圧Ｖｔｈを上回っている、（３）過半数が閾値電圧Ｖｔｈを上回っている、などが挙げられる。これらの例示について言えば、当然のことながら、（１）が最も厳しい条件となり（３）が最も甘い条件となる。【0084】
ステップＳ２でイエス判定が下された場合、ステップＳ３では、脈波センサ１が生体２に正しく装着されていると判定される。そして、続くステップＳ４では、通常動作に移行されて、一連の装着判定フローが終了する。【0085】
一方、ステップＳ２でノー判定が下された場合、ステップＳ５では、脈波センサ１が生体２に正しく装着されていないと判定される。そして、続くステップＳ５では、表示部１４などを用いたエラー出力（被験者へのエラー通知）が行われて、一連の装着判定フローが終了する。【0086】
このように、脈波信号の振幅強度を読み取る構成ではなく、パルス駆動される発光部１１Ａの消灯時における受光部１１Ｂの受光強度から脈波センサ１の装着判定を行う構成であれば、生体２への装着／未装着を迅速かつ正確に判定することが可能となる。【0087】
また、脈波センサ１が生体２に正しく装着されていない状態では、表示部１４などを用いてエラー出力を行うことができるので、被験者に正しい装着を促すことが可能となる。【0088】
なお、脈波計測の安定性とパラメータ算出の精度向上を図るためには、上記一連の装着判定処理は、脈波の計測中においても定期的に繰り返すことが望ましいと言える。【0089】
また、発光部１１Ａの輝度調整処理（キャリブレーション処理）を行う場合には、まず上記の装着判定処理を行い、脈波センサ１が生体２に正しく装着されていることが確認された後に、上記の輝度調整処理を開始することが望ましい。【0090】
＜装着判定例＞図１２は、電圧信号Ｓａ及び出力信号Ｓｅの第１挙動（脈波センサ１が生体２にベルト２０で固定されている状態下で得られた信号波形）を示すタイムチャートである。なお、電圧信号Ｓａについては、基準電圧ＶＲＥＦ付近（１．５Ｖ付近）の部分拡大図も併せて描写されている。本図の第１挙動では、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａがほぼ基準電圧ＶＲＥＦと一致しており、閾値電圧Ｖｔｈを上回っている。従って、脈波センサ１は、生体２に正しく装着されていると判定される。
【0091】
図１３は、電圧信号Ｓａ及び出力信号Ｓｅの第２挙動（脈波センサ１が生体２上に置かれているだけであり、ベルト２０で固定されていない状態下で得られた信号波形）を示すタイムチャートである。なお、電圧信号Ｓａについては、基準電圧ＶＲＥＦ付近（１．５Ｖ付近）の部分拡大図も併せて描写されている。本図の第２挙動では、先の第１挙動（図１０）と同じく、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａがほぼ基準電圧ＶＲＥＦと一致しており、閾値電圧Ｖｔｈを上回っている。従って、脈波センサ１は、生体２に正しく装着されていると判定される。【0092】
図１４は、電圧信号Ｓａ及び出力信号Ｓｅの第３挙動（脈波センサ１の受光面が生体２から５ｍｍ浮いている状態下で得られた信号波形）を示すタイムチャートである。なお、電圧信号Ｓａについては、基準電圧ＶＲＥＦ付近（１．５Ｖ付近）の部分拡大図も併せて描写されている。本図の第３挙動では、受光部１１Ｂに外来光が漏れ入っているので、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａが閾値電圧Ｖｔｈ（１．４９Ｖ）を下回っている。従って、脈波センサ１は、生体２に正しく装着されていないと判定される。【0093】
図１５は、電圧信号Ｓａ及び出力信号Ｓｅの第４挙動（脈波センサ１の受光面を下向きにして机上に放置した状態下で得られた信号波形）を示すタイムチャートである。本図の第４挙動では、発光部１１Ａの点消灯に伴う電圧信号Ｓａのパルスが判別不能となっている。また、基準電圧ＶＲＥＦ付近（１．５Ｖ付近）の部分拡大図を示すまでもなく、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａが閾値電圧Ｖｔｈを下回っている様子を見てとれる。従って、脈波センサ１は、生体２に正しく装着されていないと判定される。【0094】
図１６は、電圧信号Ｓａ及び出力信号Ｓｅの第５挙動（脈波センサ１の受光面を下向きにして８００ｌｘの光環境に放置した状態下で得られた信号波形）を示すタイムチャートである。本図の第５挙動では、電圧信号Ｓａが常に閾値電圧Ｖｔｈを下回っている様子が見てとれる。従って、脈波センサ１は、生体２に正しく装着されていないと判定される。【0095】
図１７は、電圧信号Ｓａ及び出力信号Ｓｅの第６挙動（脈波センサ１の受光面を上向きにして８００ｌｘの光環境に放置した状態下で得られた信号波形）を示すタイムチャートである。本図の第６挙動では、電圧信号Ｓａがほぼ０Ｖに張り付いている様子が見てとれる。従って、脈波センサ１は、生体２に正しく装着されていないと判定される。【0096】
＜装着判定処理の変形実施例＞ここで、図１８に、脈波センサ１を正常に装着した状態での、電圧信号Ｓａの実際の波形例を示す（発光部１１Ａの駆動条件としては、フレーム周波数ｆ＝２００Ｈｚ、デューティＤ＝１／１６）。上述したように、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａは、ほぼ基準電圧ＶＲＥＦ＝１．５Ｖで一定となっている。従って、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａを基準電圧ＶＲＥＦよりも低い電圧値である第１閾値電圧Ｖｔｈ１（例えば１．４Ｖ）と比較することで装着判定を行うことが可能である。
【0097】
また、脈波センサ１においては、脈波計測開始前に発光部１１Ａの輝度設定制御（キャリブレーション）が行われる。輝度設定制御は、デジタル信号処理部１３２ｂが主体となって行われる（すなわち、デジタル信号処理部１３２ｂは輝度調整制御部に相当）。例えば、輝度制御信号Ｓ１７２（図４）によって電流源１７２の電流値を設定した状態で、パルス駆動信号Ｓ１７１によってスイッチ１７１を数フレーム分オンオフさせ、オン電圧信号Ｓａ＠Ｂの統計値（例えば平均値）を算出し、統計値と所定の閾値電圧（調整用閾値電圧）を比較する。統計値が上記閾値電圧より高い値であれば、上記電流値を増加するよう設定し、更にスイッチ１７１をスイッチングする。上記電流値を増加すれば、発光部１１Ａの輝度が増加し、電流信号ＩＢの電流値が増加するので、オン電圧信号Ｓａ＠Ｂは低下する。そして、統計値が上記閾値電圧以下となれば、そのときの電流値を使用電流値として設定する（すなわち、発光部１１Ａの輝度が設定される）。その後、使用電流値を用いて発光部１１Ａがパルス駆動開始され、出力信号Ｓｅの出力が開始される（すなわち、脈波計測が開始される）。【0098】
図１８では、上記輝度設定制御で用いる上記閾値電圧を１．３Ｖとした場合のオン電圧信号Ｓａ＠Ｂを示している。図１８に示すように、脈波センサ１が正常に装着されていれば、オン電圧信号Ｓａ＠Ｂは上記閾値電圧を基準値として、基準値より高い第２閾値電圧Ｖｔｈ２（例えば１．４Ｖ）と基準値より低い第３閾値電圧Ｖｔｈ３（例えば１．２Ｖ）の間で規定される範囲内に収まるはずである。従って、オン電圧信号Ｓａ＠Ｂを第２閾値電圧Ｖｔｈ２及び第３閾値電圧Ｖｔｈ３で規定される範囲と比較することで装着判定を行うことが可能である。【0099】
また、図１９に、脈波センサ１を正常に装着した状態での、出力信号Ｓｅの実際の波形例を示す。このように正常に装着していれば、脈波信号としての出力信号Ｓｅは、基準電圧ＶＲＥＦ（＝１．５Ｖ）を基準としてプラス側とマイナス側に振れて振動する波形となる。この場合、図１９に示すように、基準電圧ＶＲＥＦよりも高い電圧値を第４閾値電圧Ｖｔｈ４（例えば１．６Ｖ）とすれば、出力信号Ｓｅが第４閾値電圧Ｖｔｈ４以上となるタイミングが存在する。従って、出力信号Ｓｅを第４閾値電圧Ｖｔｈ４と比較することで装着判定を行うことが可能である。【0100】
以上のような電圧信号Ｓａ、及び出力信号Ｓｅに基づく装着判定の原理に基づいた具体的な装着判定処理について以下述べる。図２０は、装着判定処理の第１変形実施例に係るフローチャートである。【0101】
脈波センサ１を正常に生体２に装着した状態で操作部（図３で不図示）において脈波計測開始操作（例えばキー押し操作）がなされると、主制御回路１３１は当該操作を検知し、副制御回路１３２に脈波計測動作を開始させる。副制御回路１３２は、先述した発光部１１Ａの輝度設定制御を行った上で発光部１１Ａをパルス駆動開始させ、出力信号Ｓｅが出力開始される（すなわち、脈波計測が開始される）。【0102】
このとき、図２０に示す装着判定処理のフローも開始される。フローは、デジタル信号処理部１３２ｂが主体となって行われる。また、フロー開始時には、エラーフラグ（error flag）はゼロに初期化される。【0103】
まず、ステップＳ１で、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａ、オン電圧信号Ｓａ＠Ｂ、及び出力信号Ｓｅのデータがそれぞれ所定のサンプリング周波数ｆｓで所定の個数だけ取得される。例えば、サンプリング周波数ｆｓ＝８Ｈｚとして、８個のデータが取得される（この場合、１秒間分のデータ取得となる）。【0104】
そして、ステップＳ２で、取得されたオフ電圧信号Ｓａ＠Ａ、オン電圧信号Ｓａ＠Ｂ、及び出力信号Ｓｅが共に装着判定条件を満足しているか否かが判定される。ステップＳ２のより具体的な処理を、図２１のフローチャートに示す。【0105】
図２１に示すように、まずステップＳ２１で、取得した全てのオフ電圧信号Ｓａ＠Ａが第１閾値電圧Ｖｔｈ１以上であるかが判定され、もしそうである場合は（ステップＳ２１のＹ）、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、取得したすべてのオン電圧信号Ｓａ＠Ｂが第３閾値電圧Ｖｔｈ３以上第２閾値電圧Ｖｔｈ２以下で規定される範囲に属するかが判定され、もしそうである場合は（ステップＳ２２のＹ）、ステップＳ２３に進む。【0106】
ステップＳ２３では、取得した出力信号Ｓｅの最大値が第４閾値電圧Ｖｔｈ４以上であるかが判定され、もしそうである場合は、ステップＳ２（図２０）において装着判定条件を満足しているとして（ステップＳ２のＹ）、ステップＳ７に進む。一方、ステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３のいずれかにおいて条件を満たさなかった場合は（ステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３のＮ）、ステップＳ２（図２０）において装着判定条件を満足していないとして（ステップＳ２のＮ）、ステップＳ３に進む。【0107】
なお、ステップＳ２１、Ｓ２２における条件を満足しているかの判定は、例えば取得したデータの大多数（８０％以上など）や過半数が満たしているかで行うこととしてもよい。【0108】
ステップ３に進んだ場合は、Ｎｏカウント数（初期値はゼロ）が１だけ増加され、ステップＳ４に進む。ステップＳ４で、Ｎｏカウント数が所定値（例えば３）以上であるかが判定され、もしそうでない場合は（ステップＳ４のＮ）、ステップＳ９に進み、エラーフラグは保持される。また、ステップ７に進んだ場合は、Ｙｅｓカウント数（初期値はゼロ）が１だけ増加され、ステップＳ８に進む。ステップＳ８で、Ｙｅｓカウント数が所定値（例えば３）以上であるかが判定され、もしそうでない場合は（ステップＳ８のＮ）、ステップＳ９に進み、エラーフラグの値は保持される。ステップＳ９の後は、ステップＳ１に戻る。【0109】
そして、ステップＳ４においてＮｏカウント数が所定値以上となれば（ステップＳ４のＹ）、ステップＳ５に進み、未装着（異常に装着している場合も含む）であるとしてエラーフラグが１に設定される。そして、ステップＳ６に進み、Ｙｅｓカウント数、及びＮｏカウント数がゼロにリセットされ、ステップＳ１に戻る。【0110】
また、ステップＳ８においてＹｅｓカウント数が所定値以上となれば（ステップＳ８のＹ）、ステップＳ１０に進み、正常に装着されているとしてエラーフラグが０に設定される。そして、ステップＳ１１に進み、Ｙｅｓカウント数、及びＮｏカウント数がゼロにリセットされ、ステップＳ１に戻る。【0111】
例えば、ステップＳ１でのデータのサンプリング周波数ｆｓを８Ｈｚとし、データの取得個数を８個とし、ステップＳ４、Ｓ８での判定閾値である所定値を３とした場合は、最短で３秒間（＝１／８×８×３）で装着有無の判定を行うことができる。また、図２０に示す処理であれば、実際は未装着であるにも関わらず、途中何らかの理由でステップＳ２の判定にて装着判定条件を満足しているとされた場合でも、最終的にはＮｏカウント数のほうが先に所定値に達して未装着であると判定できる。【0112】
なお、未装着判定がされてエラーフラグが１に設定され、主制御回路１３１からのリクエスト信号によってデジタル信号処理部１３２ｂから主制御回路１３１にエラーフラグが送信された場合、主制御回路１３１は例えば副制御回路１３２に対して脈波計測を停止するよう指令する。これにより、未装着でありながら脈波情報（心拍数など）が表示されるといった不自然な状況を回避できる。【0113】
また、このとき主制御回路１３１は、例えば表示部１４に警告表示を行わせてもよい。警告表示は、例えばユーザに対して正常な装着を促すものでもよい。これにより、装着しているが脈波センサ１が外れかけなどの場合にユーザに気付かせることができる。または、表示部１４以外でも例えば、ＬＥＤやスピーカなどを用いて報知するようにしてもよい。【0114】
図２２には、装着判定処理の第２変形実施例に係るフローチャートを示す。本図に示すフローにおけるステップＳ３１、Ｓ３２は、それぞれ先述した第１変形実施例（図２０）のステップＳ１、Ｓ２に相当し、相違点はステップＳ３３以降の処理となる。【0115】
ステップＳ３２において装着判定条件を満足していないと判定された場合（ステップＳ３２のＮ）、ステップＳ３３に進み、Ｎｏカウント数を１だけ増加させる。そして、ステップＳ３４で、Ｎｏカウント数が所定値（例えば３）以上であるかが判定され、もしそうでない場合は（ステップＳ３４のＮ）、ステップＳ３５に進み、エラーフラグは保持される。ステップＳ３５の後、ステップＳ３１へ戻る。【0116】
ステップＳ３４でもしＮｏカウント数が所定値になっていた場合は（ステップＳ３４のＹ）、ステップＳ３６に進み、未装着であると判定されてエラーフラグが１に設定される。そして、ステップＳ３７に進み、Ｎｏカウント数がゼロにリセットされ、ステップＳ３１へ戻る。【0117】
また、ステップＳ３２において装着判定条件を満足していると判定された場合は（ステップＳ３２のＹ）、ステップＳ３８に進み、装着されていると判定されてエラーフラグは０に設定される。そして、ステップＳ３７でＮｏカウント数がゼロにリセットされた後、ステップＳ３１に戻る。【0118】
図２２で示す第２変形実施例の処理では、実際には未装着の場合にＮｏカウント数が増加する途中にて、何らかの理由でステップＳ３２において装着判定条件を満足していると判定された場合、ステップＳ３８で装着されていると判定され、ステップＳ３７でＮｏカウント数がゼロにリセットされるので、未装着であると判定される条件としては第１変形実施例に比べて厳しいものとなる。【0119】
＜各周囲環境における信号実測例＞ここで、装着有無判定の有効性を検証するために、室内、屋外、暗室といった各周囲環境において信号を実測した例を図２３の一覧表に示す。また、図２３に対応する、室内での各装着状態における信号実測波形例を図２４に、同様に屋外、暗室での波形例を図２５、図２６にそれぞれ示す。
【0120】
図２３において、「装着／未装着状態」の欄は上段から、正常に装着した状態、装着しているが外れかけの状態、光センサ部１１の受光面を上にして机上に放置した状態、光センサ部１１の受光面を下にして机上に放置した状態、光センサ部１１の受光面を下にして机上から浮いた位置で放置した状態、脈波センサ１を手に持って揺らした状態を示す。【0121】
また、図２３において、「Ａ点」はオフ電圧信号Ｓａ＠Ａ、「Ｂ点」はオン電圧信号Ｓａ＠Ｂ、「Ｃ点」は出力信号Ｓｅの各実測電圧値を示す。なお、電圧値が変化する場合はその変動範囲を示し、「←」はオフ電圧信号Ｓａ＠Ａと同じ値であることを示す。【0122】
そして、図２３において、「判定」の欄は、左から順にオフ電圧信号Ｓａ＠Ａ、オン電圧信号Ｓａ＠Ｂ、出力信号Ｓｅのそれぞれについての装着判定結果を示す。「○」は装着判定、「×」は未装着判定、「−」は信号が飽和した状態（接地電圧から電源電圧まで変動する状態）を示す。なお、装着判定条件としては、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａは第１閾値電圧１．４Ｖ以上であるか、オン電圧信号Ｓａ＠Ｂは第３閾値電圧１．２Ｖ以上且つ第２閾値電圧１．４Ｖ以下であるか、出力信号Ｓｅは第４閾値電圧１．６Ｖ以上となるタイミングがあるか、としている。【0123】
図２３に示すように、室内、屋外、及び暗室のいずれの周囲環境においても、正常に装着した状態では全ての信号について装着判定がなされ、それ以外の状態（未装着又は異常に装着）では少なくともいずれかの信号について未装着判定がなされており、装着有無の検出が適切に行えることが分かる。【0124】
特に周囲環境が暗室の場合は、未装着又は異常に装着した全ての状態で、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａだけでは装着判定がなされてしまうので、オン電圧信号Ｓａ＠Ｂも判定に加えることで正確に判定が行える。従って、例えば暗室対応といった目的では、出力信号Ｓｅは用いずに判定を行ってもよい（なお、図２３から分かるように室内においてもこの方法にて判定可能である）。但し、図２３に示すように、周囲環境が屋外の場合に、光センサ部１を下にして机上に放置した状態では、オフ電圧信号Ｓａ＠Ａ、及びオン電圧信号Ｓａ＠Ｂについていずれも装着判定がなされており、出力信号Ｓｅによる判定を加えることで正確に未装着検出を行うことができる。【0125】
＜出力波長についての考察＞実験では、いわゆる反射型の脈波センサにおいて、発光部の出力波長をλ１（赤外：９４０ｎｍ）、λ２（緑：６３０ｎｍ）、及び、λ３（青：４６８ｎｍ）とし、発光部の出力強度（駆動電流値）を１ｍＡ、５ｍＡ、１０ｍＡに変化させたときの挙動を各々調査した。その結果、およそ波長６００ｎｍ以下の可視光領域において、酸素化ヘモグロビンＨｂＯ2の吸収係数が大きくなり、測定される脈波のピーク強度が大きくなるため、脈波の波形を比較的取得しやすいことが分かった。
【0126】
なお、動脈血の酸素飽和度を検出するパルスオキシメータでは、酸素化ヘモグロビンＨｂＯ2の吸収係数（実線）と脱酸素化ヘモグロビンＨｂの吸収係数（破線）との差違が最大となる近赤外領域の波長（７００ｎｍ前後）が発光部の出力波長として広く一般的に用いられているが、脈波センサ（特に、いわゆる反射型の脈波センサ）としての利用を考えた場合には、上記の実験結果で示したように、波長６００ｎｍ以下の可視光領域を発光部の出力波長として用いることが望ましいと言える。【0127】
ただし、単一の光センサ部を用いて、脈波と血中酸素飽和度の両方を検出する場合には従前と同様、近赤外領域の波長を用いても構わない。【0128】
＜その他の変形例＞なお、本明細書中に開示された種々の発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【0129】
本明細書中に開示されている種々の発明は、脈波センサや睡眠センサの利便性を高めるための技術として利用することが可能であり、ヘルスケアサポート機器、ゲーム機器、音楽機器、ペットコミュニケーションツール、車両の運転手の居眠り防止機器など、様々な分野への応用が可能であると考えられる。【符号の説明】
【0130】
１ 脈波センサ２ 生体（手首、耳など）
１０ 本体ユニット
１１ 光センサ部
１１Ａ 発光ダイオード
１１Ｂ フォトトランジスタ
１２ フィルタ部
１２１ トランスインピーダンスアンプ（電流／電圧変換回路）
１２２ バッファ回路
１２３ 検波回路
１２４ バンドパスフィルタ回路
１２５ 増幅回路
１２６ 基準電圧生成回路
１３ 制御部
１３１ 主制御回路
１３２ 副制御回路
１３２ａ Ａ／Ｄ変換器
１３２ｂ デジタル信号処理部
１３２ｃ シリアルデータ通信ポート（Ｉ2Ｃポート）
１３２ｄ 汎用入出力ポート（ＧＰＩＯポート）
１４ 表示部
１５ 通信部
１６ 電源部
１７ パルス駆動部
１７１ スイッチ
１７２ 電流源
２０ ベルト
ＡＭＰ１ オペアンプ
Ｒ１ 抵抗
Ｃ１ キャパシタ
Ｍ１ 脈波計測モジュール