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JP2016146994A - 生体情報計測装置 - Google Patents

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JP2016146994A
JP2016146994A JP2015026104A JP2015026104A JP2016146994A JP 2016146994 A JP2016146994 A JP 2016146994A JP 2015026104 A JP2015026104 A JP 2015026104A JP 2015026104 A JP2015026104 A JP 2015026104A JP 2016146994 A JP2016146994 A JP 2016146994A
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和宏 井出
Kazuhiro Ide
和宏 井出
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Abstract

【課題】自律神経機能の活動状態が正確に計測されやすい生体情報計測装置を提供する。
【解決手段】自律神経機能を計測する生体情報計測装置1であって、測定対象部位と面する測定面と、測定面に配置され、脈波に関する情報である脈波情報を検出する脈波検出部21と、測定対象部位と測定面との接触状態が反映された情報である接触状態情報を検出する接触検出部36と、脈波情報および接触状態情報に基づいて自律神経機能の活動状態を計測する活動状態計測部31とを備える。
【選択図】図4

Description

本発明は携帯可能な生体情報計測装置に関する。
近年のウェアラブル機器の発達により、日常生活において自律神経機能をはじめとする生体情報の計測が可能な生体情報計測装置が普及している。その一例である特許文献1の生体情報計測装置は、発光部および受光部により生体の脈波を計測する脈波センサー、脈波センサー等を収容する本体、ならびに、本体に取り付けられるバンドを備える。バンドは手首に対する本体の位置がずれることを抑えるための一対の滑り止め部を備える。このため、生体情報計測装置が装着された身体が動いている場合に脈波センサーによる脈波の計測の精度が低下するおそれが低減される。
特許第4248917号公報
手首の形状は生体毎に異なるため、上記生体情報計測装置によれば脈波センサーが手首と密着せず、本体と手首との隙間を通過して受光部に外乱光が入射することがある。この場合、脈波が正確に計測されず、自律神経機能の活動状態が正確に計測されないおそれがある。
本発明の目的は、自律神経機能の活動状態が正確に計測されやすい生体情報計測装置を提供することである。
本発明に従う生体情報計測装置の一形態は、自律神経機能を計測する生体情報計測装置であって、測定対象部位と面する測定面と、測定面に配置され、脈波に関する情報である脈波情報を検出する脈波検出部と、測定対象部位と測定面との接触状態が反映された情報である接触状態情報を検出する接触検出部と、脈波情報および接触状態情報に基づいて自律神経機能の活動状態を計測する活動状態計測部とを備える。
上記生体情報計測装置によれば、自律神経機能の活動状態が正確に計測されやすい。
は実施の形態1の生体情報計測装置の正面図である。 は図1の生体情報計測装置の背面図である。 は図1の生体情報計測装置の装着状態の一例を示す正面図である。 は図1の生体情報計測装置の制御構成を示すブロック図である。 は図4の神経状態判定部による計測結果の一例である。 は図4の温度センサーによる計測結果の一例である。 は実施の形態2の生体情報計測装置の背面図である。 は図7の圧力センサーによる計測結果の一例である。 は実施の形態3の生体情報計測装置の背面図である。 は図9の生体情報計測装置の断面図である。 は図9の光センサーによる計測結果の一例である。 は実施の形態4の生体情報計測装置の制御構成を示すブロック図である。 は図12の脈波検出部による計測結果の一例である。 は図12の脈波の別の特徴を示す図である。 は図12の接触状態情報の再判定結果の一例である。 は図12の脈波検出部による計測結果の一例である。 は図12の光センサーによる計測結果の一例である。 は図17の計測結果が補正された結果の一例である。 は実施の形態5の生体情報計測装置の正面図である。
(生体情報計測装置が取り得る形態の一例)
〔1〕本発明に従う生体情報計測装置の一形態は、自律神経機能を計測する生体情報計測装置であって、測定対象部位と面する測定面と、測定面に配置され、脈波に関する情報である脈波情報を検出する脈波検出部と、測定対象部位と測定面との接触状態が反映された情報である接触状態情報を検出する接触検出部と、脈波情報および接触状態情報に基づいて自律神経機能の活動状態を計測する活動状態計測部とを備える。
この生体情報計測装置によれば、脈波情報だけでなく接触状態情報も自律神経機能の活動状態の計測に用いられる。このため、測定対象部位と測定面とが適切に接触していないことが接触状態情報により示唆される場合、それを踏まえて自律神経機能の活動状態が計測される。このため、自律神経機能が正確に測定されやすい。
〔2〕前記生体情報計測装置の一例によれば、接触検出部は測定面に配置される温度センサーを備える。
測定対象部位と測定面との接触状態は生体情報計測装置から計測できる生体の温度に反映される。このため、温度センサーを備える上記生体情報計測装置によれば、温度センサーの計測結果に基づいて正確な接触状態情報を取得できる。
〔3〕前記生体情報計測装置の一例によれば、脈波検出部は生体情報計測装置に形成される測定面に配置される発光部および受光部を備え、接触検出部は測定面に配置される光センサーを備える。
測定対象部位と測定面との間に隙間が形成されている場合、外乱光が隙間に移動する。このため、測定対象部位と測定面との接触状態は測定面に入射する光に反映される。このため、光センサーを備える上記生体情報計測装置によれば、光センサーの計測結果に基づいて正確な接触状態情報を取得できる。
〔4〕前記生体情報計測装置の一例によれば、接触検出部は測定面に配置される圧力センサーを備える。
測定対象部位と測定面との接触状態は測定対象部位が測定面に接触している場合に測定面に作用する圧力に反映される。このため、圧力センサーを備える上記生体情報計測装置によれば、圧力センサーの計測結果に基づいて正確な接触状態情報を取得できる。
〔5〕前記生体情報計測装置の一例によれば、脈波検出部により検出された脈波情報に脈波が反映されているか否かを示す情報である脈波判定情報を出力する脈波判定部をさらに備え、活動状態計測部は、脈波情報、接触状態情報、および、脈波判定情報に基づいて自律神経機能の活動状態を計測する。
測定対象部位と測定面とが適切に接触している場合でも測定対象部位に対する脈波検出部の位置が測定に適した位置からずれているときには、正確な脈波情報が得られないことがある。上記生体情報計測装置によれば、脈波情報に脈波が反映されていることが脈波判定部により検出されるため、自律神経機能の活動状態に関する不正確な計測結果が得られるおそれが低減される。
〔6〕前記生体情報計測装置の一例によれば、測定対象部位に対する脈波検出部の位置が測定に適した位置からずれていることを示す情報を脈波判定情報に基づいて出力する報知部をさらに備える。
この生体情報計測装置によれば、ユーザーは報知部から出力される情報に基づいて、測定対象部位に対する脈波検出部の位置が測定に適した位置からずれていることを認識できる。このため、測定対象部位に対する脈波検出部の位置が修正され、正確な脈波情報が得られる機会が増える。
(実施の形態1)
生体情報計測装置1の構成について説明する。
図1に示されるように、生体情報計測装置1は、生体情報を計測する部品を格納する本体10と、本体10の両側に取り付けられた一対の装着部13とを備える。装着部13の一例は、ベルトである。本体10の正面10Aには、生体情報等を表示する表示部11が設けられている。表示部11の一例は、液晶ディスプレイである。本体10の側面10Cには、入力部12が設けられている。入力部12の一例は操作ボタンである。
生体情報計測装置1は、測定対象部位の一例である生体の手首に装着される。図2に示されるように、本体10の背面10Bは測定対象部位と面する測定面であり、生体の脈波を測定する脈波検出部21の発光部22および受光部23が設けられている。発光部22の一例は、緑色光の発光ダイオードである。受光部23の一例は、フォトダイオードである。さらに、測定対象部位の表面温度を計測する温度センサー51が設けられている。
図3に示されるように、生体情報計測装置1は、装着部13により測定対象部位に装着される。発光部22および受光部23(図2参照)が測定対象部位に対面し、生体の脈波を計測する。
図4を参照して、生体情報計測装置1の制御構成について説明する。生体情報計測装置1は、脈波検出部21、接触状態を検出する接触検出部36、温度センサー51、自律神経機能の活動状態の計測を行う生体情報計測部30、表示部11、および、生体情報等を表示する携帯情報端末40を備える。生体情報計測部30は、生体の活動状態を計測する活動状態計測部31、計測した情報を記憶する記憶部32、自律神経機能の活動状態を判定する神経状態判定部33、および、携帯情報端末40との通信を行う通信部34を備える。
脈波検出部21は、生体の脈波を検出する。まず発光部22が測定対象部位に光を照射する。受光部23は測定対象部位によって反射された光を受光し、受光した光量に応じて受光信号を生成する。受光信号に基づいて、脈波検出部21は脈波を検出する。
接触検出部36は、温度センサー51が計測した生体表面の温度と、測定対象部位と測定面との接触状態が正常である装着状態および測定対象部位と測定面とが十分に離れた状態である非装着状態を判別する温度である温度閾値とを比較する。そして、測定対象部位と測定面との接触状態が反映された情報である接触状態情報を作成する。接触状態情報の例は、装着状態および非装着状態である。
活動状態計測部31は、脈波検出部21が検出した脈波から、自律神経全体活動指標の一例であるエントロピーEと、副交感神経指標の一例であるトーンTとを演算する。まず心臓の収縮および弛緩の1回の経過である心拍間隔PPを演算する。心拍間隔PPは、脈波の周期であり、受光信号の極大値と次の受光信号の極大値との間の時間である。次に、心拍間隔PPの変化を百分率で示したPI(Percentage Index)値を、以下の[1]式により演算する。
ただし、PPはi番目に測定した心拍間隔PPを示す。
そして、Shannonの平均情報量の式である[2]式によりエントロピーEを演算する。
ただし、p(j)は、[1]式によって求めたPI値をN個の区間に分け、j番目の区間に対してPI値が生じる確率を示す。
さらに、心拍間隔PPの測定数をM個とし以下の[3]式によりトーンTを演算する。
記憶部32は、活動状態計測部31が演算したトーンTおよびエントロピーE、ならびに、脈波検出部21が計測した脈波に関する情報である脈波情報を記憶する。脈波情報の一例は、脈波の波形である。記憶部32は、所定のサンプリング間隔で記憶動作を行う。例えばサンプリング間隔を1時間とした場合、1日で24回記憶する。
神経状態判定部33は、記憶部32から読み出したトーンTおよびエントロピーEを用いて、自律神経機能の活動状態を判定する。神経状態判定部33は、一例として、エントロピーEを自律神経全体活動指標として、また、トーンTの負の値を副交感神経指標として用い、予め定めた閾値と比較することにより自律神経機能の活動状態を判定する。閾値の例は、判定対象の生体と同年代の生体の平均値、または、過去の測定値である。
表示部11は、神経状態判定部33の判定結果を表示する。表示例を図5に示す。TX、TY、および、TZはトーンTの値、EX、EY、および、EZはエントロピーEの値であり、例として平均値または最大値である。接触状態情報が非装着状態の場合は、判定結果に正しく装着されていない旨を表示する。
さらに、通信部34は、無線通信によって判定結果を携帯情報端末40に送信する。無線通信の一例は、Bluetooth(登録商標)である。携帯情報端末40は、一例としてスマートフォンであり、判定結果を画面に表示することができる。
図6を参照して、実施の形態1の生体情報計測装置1の動作について説明する。温度センサー51は、生体表面の温度を計測する。接触状態情報が装着状態のとき、すなわち、生体と本体10との距離が短いとき、温度センサー51が計測する生体表面の温度は高い。生体と本体10との距離が長くなるにつれ、温度センサー51が計測する生体表面の温度が低くなる。接触状態情報が非装着状態では、温度センサー51が計測する温度は外気温となる。
そして、活動状態計測部31は、装着状態と非装着状態とを判別する温度であり予め設定された温度閾値と、温度センサー51が計測した値とを比較する。温度センサー51が温度閾値以上の温度を計測した場合、生体は測定面に正しく接触しており装着状態であると判定する。温度閾値よりも低い温度を計測した場合、非装着状態であると判定する。
実施の形態1の生体情報計測装置1によれば、以下に示される効果が得られる。
(1)測定対象部位と測定面との接触状態情報を検出する接触検出部36と、脈波情報および接触状態情報に基づいて自律神経機能の活動状態を計測する活動状態計測部31とを備える。このため、測定対象部位と測定面とが適切に接触していないことが接触状態情報により示唆される場合、それを踏まえて自律神経機能の活動状態が計測される。したがって、自律神経機能が正確に測定されやすい。
(2)測定面に配置される温度センサー51を備えるため、測定対象部位と測定面との接触状態は生体情報計測装置1から計測できる生体の温度に反映され、正確な接触状態情報を取得できる。
(実施の形態2)
実施の形態2の生体情報計測装置1の構成について説明する。実施の形態2の生体情報計測装置1は、実施の形態1と比較して、圧力センサー52を備える点が異なる。
図7に示されるように、本体10の背面10Bは測定面であり、生体の脈波を測定する脈波検出部21の発光部22および受光部23が設けられている。さらに、生体と本体10との接触によって生じる圧力を計測する圧力センサー52が設けられる。
図8を参照して、実施の形態2の圧力センサー52および接触検出部36の動作について説明する。圧力センサー52は、測定対象部位と本体10との接触によって生じる圧力を計測する。装着状態の場合、すなわち、測定対象部位と本体10との隙間が小さいとき、圧力センサー52が計測する圧力は高い。測定対象部位と本体10との隙間が大きくなるにつれ、圧力センサー52が計測する圧力は低くなる。非装着状態の場合は、圧力センサー52が計測する圧力は大気圧のみとなる。
そして、装着状態と非装着状態とを判別する圧力である圧力閾値に基づき、接触検出部36が接触状態情報の判定を行う。圧力センサー52が圧力閾値以上の圧力を計測した場合、装着状態であると判定する。圧力閾値よりも低い圧力を計測した場合、非装着状態であると判定する。
実施の形態2の生体情報計測装置1によれば、実施の形態1の生体情報計測装置1により得られる(1)の効果に加えて、以下に示される効果がさらに得られる。
(3)接触検出部36は測定面に配置される圧力センサー52を備え、測定対象部位と測定面との接触状態を算出する。このため、測定対象部位と測定面との接触状態は生体情報計測装置1から計測できる生体の温度に反映され、正確な接触状態情報を取得できる。
(実施の形態3)
実施の形態3の生体情報計測装置1の構成について説明する。実施の形態3の生体情報計測装置1は、実施の形態1と比較して、光センサー54を備える点が異なる。
図9に示されるように、本体10の背面10Bは測定面であり、脈波検出部21の発光部22および受光部23が設けられている。さらに、脈波検出部21と離れた位置に、生体と本体10との隙間から差し込む光である外乱光Lを採光する窓53が設けられる。
そして、図10に示されるように、本体10の内部に、窓53により採光された外乱光Lを計測する光センサー54が設けられる。光センサー54の一例はフォトダイオードである。
図11を参照して、実施の形態3の光センサー54および接触検出部36の動作について説明する。光センサー54は外乱光Lの光強度を計測する。装着状態の場合、すなわち、測定対象部位と本体10との隙間が小さいとき、外乱光Lは遮断され、光センサー54が計測する外乱光Lの光強度は弱い。測定対象部位と本体10との隙間が大きくなるにつれ、外乱光Lが差し込むようになり、光センサー54が計測する外乱光Lの光強度が強くなる。非装着状態の場合は、光センサー54が計測する外乱光Lの光強度は最強となる。
そして、装着状態と非装着状態とを判別する光強度値である、光閾値を予め設定しておく。光センサー54が光閾値以下の光強度を計測した場合、外乱光Lは差し込んでおらず本体10が装着状態であると判定する。光閾値よりも強い光強度を計測した場合、本体10が非装着状態であると判定する。
また、窓53および光センサー54は脈波検出部21から離れた場所に位置しているため、発光部22が発する光を光センサー54が計測し外乱光Lと誤って判定しにくい。
実施の形態3の生体情報計測装置1によれば、実施の形態1の生体情報計測装置1により得られる(1)の効果に加えて、以下に示される効果がさらに得られる。
(4)接触検出部36は測定面に配置される光センサー54を備える。このため、測定対象部位と測定面との間に隙間が形成されている場合、外乱光Lが隙間に移動し、測定対象部位と測定面との接触状態は、測定面に入射する光に反映される。したがって、より正確な接触状態情報を取得できる。
(実施の形態4)
実施の形態4の生体情報計測装置1の構成について説明する。実施の形態4の生体情報計測装置1は、実施の形態1と比較して、脈波検出部21により検出された脈波情報に脈波が反映されているか否かを示す情報である脈波判定情報を作成する脈波判定部35を備え、接触状態情報を再判定する点である。
図12を参照して、実施の形態4の生体情報計測装置1の制御構成について説明する。生体情報計測装置1は、脈波検出部21、光センサー54、生体情報計測部30、表示部11、および、携帯情報端末40を備えている。生体情報計測部30は、接触検出部36、脈波判定部35、活動状態計測部31、記憶部32、神経状態判定部33、および、通信部34を備えている。
脈波検出部21は生体の脈波を計測し、脈波情報を接触検出部36に送信する。接触検出部36は、脈波検出部21が計測した脈波情報に基づき、測定対象部位と測定面との接触を判定する。光センサー54は、受光した光の波形情報を脈波判定部35に送信する。脈波判定部35は、光センサー54が検出した光の波形情報に基づき、脈波判定情報を作成する。
図13を参照して、実施の形態4の生体情報計測装置1の動作について説明する。生体の脈波は、心拍の周期ごとに圧力の極小値Aおよび極小値Cと極大値Bとを含み、極小値Aから極大値Bまでの時間である心臓の収縮期TAと、極大値Bから極小値Cまでの時間である心臓の拡張期TBとに分類できる。脈波は、収縮期TAが拡張期TBよりも短いという特徴がある。脈波の特徴を利用して、脈波判定部35は、脈波検出部21が計測した波形について、収縮期TAが拡張期TBよりも短ければ脈波であると判定し、脈波判定情報を作成する。
さらに、脈波は別の特徴を有する。図14に示されるように、拡張期TBにおいて脈波は極小値Dと極大値Fとを有する。極小値Dと極大値Fとが検出された場合、脈波と判定する。収縮期TAが拡張期TBよりも短くなく、かつ、極小値Dと極大値Fとが検出されない場合、脈波でないと判定し脈波判定情報を作成する。
図15を参照して、接触状態情報の再判定について説明する。接触状態情報が装着状態、かつ、脈波判定情報が脈波の場合は、接触状態情報を装着状態と、活動状態計測部31が再判定する。接触状態情報が非装着状態、かつ、脈波判定情報が脈波の場合は、本体10の装着位置がずれている状態である位置ずれ状態と、活動状態計測部31が再判定する。脈波判定情報が脈波でないと判定した場合は、活動状態計測部31が非装着状態と再判定する。
位置ずれ状態の場合に、生体情報計測装置1が脈波の補正をすることもできる。図16を参照して、補正の一例を示す。脈波検出部21が、時刻t0から時刻t1において信号A0を、時刻t1から時刻t2において信号A1を検出した。信号A0に対して、接触状態情報は装着状態、脈波判定情報は脈波である。信号A1に対して、接触状態情報は非装着状態、脈波判定情報は脈波である。ここで、信号A0は装着状態、信号A1は位置ずれ状態と再判定される。
位置ずれ状態である信号A1には外乱光Lが混ざっていると推定されるため、信号A1から光センサー54が検出した信号B1(図17参照)の差分をとる。そして、外乱光Lが除かれた信号C1(図18参照)を得て、補正を実施する。さらに、信号C1に基づき自律神経機能の活動状態を計測する。
実施の形態4の生体情報計測装置1によれば、実施の形態1および3の生体情報計測装置1により得られる(1)および(4)の効果に加えて、以下に示される効果がさらに得られる。
(5)脈波判定部35をさらに備え、脈波検出部21が検出した脈波情報が脈波か否かを示す情報である脈波判定情報を作成し、測定に適した位置からずれているか否かを判定する。このため、正しく装着されていない場合における自律神経機能の活動状態を除きやすい。
(実施の形態5)
実施の形態5の生体情報計測装置1の構成について説明する。実施の形態5の生体情報計測装置1は、実施の形態1と比較して、位置ずれ状態を出力する報知部14を備える点である。
図19に示されるように、実施の形態5の生体情報計測装置1は、本体10と、装着部13とを備える。本体10の正面10Aには、表示部11が設けられている。本体10の側面10Cには、入力部12が設けられている。
さらに、報知部14を設ける。報知部14の一例は、表示ランプである。例えば、装着状態が良好である時は緑色、位置ずれの場合は黄色、未装着の場合は赤色を点灯させる。このため、生体が装着状態を認識できる。したがって、本体10の位置を修正、または、装着部13の再装着によって、より正確な自律神経機能の活動状態を計測することができる。
実施の形態5の生体情報計測装置1によれば、実施の形態1、3および4の生体情報計測装置1により得られる(1)、(4)および(5)の効果に加えて、以下に示される効果がさらに得られる。
(6)生体に対する脈波検出部21の位置が測定に適した位置からずれていることを示す情報を出力する報知部14を備えるため、位置ずれ状態であることを認識できる。したがって、生体に対する脈波検出部21の位置が修正され、正確な脈波情報が得られる機会が増える。
(変形例)
上記各実施の形態に関する説明は本発明に従う生体情報計測装置が取り得る形態の例示であり、その形態を制限することを意図していない。本発明に従う生体情報計測制御装置は実施の形態以外に例えば以下に示される上記各実施の形態の変形例、および、相互に矛盾しない少なくとも2つの変形例が組み合わせられた形態を取り得る。
・本体10は、生体の手首以外の部位、例えば、指、足首、額、胸、肩、耳等に装着してもよい。
・自律神経指標は、周波数解析法のLF(Low Frequency)成分とHF(Hi Frequency)成分との比であるLF/HF、または、VLF(Very Low Frequency)成分とLF成分とHF成分との合計であるトータルパワーを用いてもよい。
・携帯情報端末40は、スマートフォンに代えて、タブレット型の情報端末またはノート型のパソコンであってもよい。また、携帯情報端末40を含む外部機器は、携帯型に限定されず、デスクトップ型のパソコンまたはその他の据え置き型の情報端末であってもよい。
・温度センサー51が計測した生体の表面温度を、体温に変換してもよい。
・接触検出部36は、発汗を計測する発汗センサーを備えてもよい。
・報知部14は、音により報知するスピーカーや、振動により報知するバイブレーターを備えてもよい。
・自律神経機能の活動状態の判定の閾値等を調整することにより、生体は人間に限らず動物であってもよい。
本発明の一形態に従う生体情報計測制御装置は、高精度な自律神経機能の活動状態の計測が可能となるので、スポーツ中の自律神経機能の活動状態の計測や、赤ん坊、高齢者、または、動物に対する計測等の用途に利用できる。
1 :生体情報計測装置
14:報知部
21:脈波検出部
22:発光部
23:受光部
31:活動状態計測部
35:脈波判定部
50:接触検出部
51:温度センサー
52:圧力センサー
54:光センサー

Claims (6)

  1. 自律神経機能を計測する生体情報計測装置であって、
    測定対象部位と面する測定面と、
    前記測定面に配置され、脈波に関する情報である脈波情報を検出する脈波検出部と、
    前記測定対象部位と前記測定面との接触状態が反映された情報である接触状態情報を検出する接触検出部と、
    前記脈波情報および前記接触状態情報に基づいて自律神経機能の活動状態を計測する活動状態計測部とを備える
    生体情報計測装置。
  2. 前記接触検出部は前記測定面に配置される温度センサーを備える
    請求項1に記載の生体情報計測装置。
  3. 前記脈波検出部は前記生体情報計測装置に形成される測定面に配置される発光部および受光部を備え、
    前記接触検出部は前記測定面に配置される光センサーを備える
    請求項1または2に記載の生体情報計測装置。
  4. 前記接触検出部は前記測定面に配置される圧力センサーを備える
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の生体情報計測装置。
  5. 前記脈波検出部により検出された前記脈波情報に脈波が反映されているか否かを示す情報である脈波判定情報を出力する脈波判定部をさらに備え、
    前記活動状態計測部は、前記脈波情報、前記接触状態情報、および、前記脈波判定情報に基づいて自律神経機能の活動状態を計測する
    請求項3に記載の生体情報計測装置。
  6. 前記測定対象部位に対する前記脈波検出部の位置が測定に適した位置からずれていることを示す情報を前記脈波判定情報に基づいて出力する報知部をさらに備える
    請求項5に記載の生体情報計測装置。
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Cited By (7)

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