JP5374835B2 - 生体情報計測装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学式の生体情報計測装置及びその制御方法に関する。

従来、発光素子の光を生体の検出部位に向けて照射し、その光を受光して脈拍情報を得る光学的センシングによる脈拍計測装置がある。この種の光学式の脈拍計測装置には、太陽光や照明光等の外光の影響を除去する技術が各種提案されており、例えば、発光素子をｄｕｔｙ駆動して受光側で増幅した後にローパスフィルタによって脈拍波形を再現する技術（例えば、特許文献１参照）、受光後に脈拍周波数帯域を通過するバンドパスフィルタによって脈拍波形を抽出する技術（例えば、特許文献２、３参照）、及び、受光した光の変調成分だけを復調して外光の影響を除去する技術（例えば、特許文献４参照）がある。

また、この種の光学式脈拍計測装置には、計測信号内の雑音（外光等）を検出するために、例えば、波長の異なる２つの発光素子と、第１波長光、第２波長光、非発光を繰り返した際の各受光信号を各々積分する複数の積分手段とを備え、非発光時の雑音レベルが許容範囲内か否かを判断する技術（例えば、特許文献５参照）、及び、脈拍信号を通過させるフィルタ（０．５Ｈｚ〜２．３Ｈｚ）と、脈拍よりも低い周波数の信号成分を通過させる雑音成分通過フィルタとを備え、雑音発生期間検出と雑音発生検出のときに脈波信号を通過させるフィルタの出力を遮断する技術（例えば、特許文献６参照）がある。さらに、この種の脈拍計測装置には、複数のセンサを用いて脈拍と体動を検出するものが提案されている（例えば、特許文献７、８、９）。
実開昭５３−７６６９７号公報 特開２００１−１４５６０６号公報 特開２００４−２０２１９０号公報 特許第２６９３９５８号公報 特許第３２９１５８１号公報 特開平１−２８８２３０号公報 特開平７−８８０９２号公報 特開２００５−２８１５７号公報 特開平１１−２７６４４８号公報

しかし、従来の構成では、強い外光が入射すると受光素子の出力が飽和してしまい、その間は正確な脈拍計測ができなくなってしまうおそれがある。また、外光が間欠的に受光されて脈拍波形の周波数に近い雑音成分が存在した場合、かかる雑音成分を除去できなかったり、複数の発光素子、複数の受光素子或いは専用の体動センサを備えるため、構成部品が多くなってしまったりする問題もあった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、受光素子の出力の飽和を抑制して脈拍等の生体情報を正確に計測可能な生体情報計測装置及びその制御方法を提供することにある。

上述課題を解決するため、本発明は、生体情報計測装置において、生体の検出部位に向けて光を照射する発光素子と、前記生体を介して前記光を受光して受光信号を生成する受光素子と、前記受光素子に入射する光の透過量を増減させる光透過量可変フィルタと、前記光透過量可変フィルタの光透過量を制御する光透過量制御部と、前記受光信号に基づいて、脈動成分を特定する生体情報特定部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、受光素子の飽和を抑制することができる。このため、受光信号に基づいて、脈動成分を特定する生体情報特定部によって、受光素子の出力の飽和を抑制して正確な脈拍計測を行うことができる。
上記構成において、前記光透過量制御部は、前記受光素子の受光量が飽和レベル以下になるまで、前記光透過量可変フィルタの光透過量を最大透過状態よりも下げることが好ましい。この構成によれば、受光素子の飽和を抑制することができる。
また、前記生体情報特定部は、前記受光信号のうち、前記光の周波数を含む第１周波数範囲の第１信号成分と、前記第１周波数範囲より低い第２周波数範囲の第２信号成分とに基づいて、前記脈動成分を特定してもよい。この構成によれば、生体を通った発光素子の光に相当する第１信号成分から血流の変動に表れる脈動成分及び体動成分に対応する周波数スペクトルを特定できると共に、外光に相当する第２信号成分から体動成分に対応する周波数スペクトルを特定でき、脈波スペクトル及び体動スペクトルを精度良く検出することができる。

上記構成において、前記生体情報特定部は、前記第１信号成分に周波数解析を施して複数の周波数スペクトルを特定すると共に、前記第２信号成分に周波数解析を施して体動スペクトルを特定する処理を実行する周波数解析部と、前記周波数解析部が前記体動スペクトルを特定した場合に、前記第１信号成分に含まれる前記周波数スペクトルのうち、前記体動スペクトルを除く周波数スペクトルを脈波スペクトルと特定し、当該脈波スペクトルから脈拍数を特定する脈拍数特定部とを有することが好ましい。この構成によれば、生体を通った発光素子の光に相当する第１信号成分から血流の変動に表れる脈動成分及び体動成分に対応する周波数スペクトルを特定できると共に、外光に相当する第２信号成分から体動成分に対応する周波数スペクトルを特定でき、脈波スペクトル及び体動スペクトルを精度良く検出することができる。

上記構成において、前記光透過量制御部は、前記周波数解析部による前記第１信号成分の周波数解析結果から受光平均レベルを求め、当該受光平均レベルを基準に、前記周波数解析結果内に所定レベルのピークが存在するか否かを判定し、前記ピークが存在するまで、前記光透過量可変フィルタの光透過量を最大透過状態よりも下げることが好ましい。この構成によれば、周波数解析結果による周波数解析結果だけで受光素子の飽和を判定することができる。
また、上記構成において、前記生体情報特定部は、前記受光信号のうちの前記生体の体動周波数範囲を通過させて前記第２周波数範囲の第２信号成分を抽出する低域通過フィルタを有することが好ましい。この構成によれば、外光の受光量変化に表れる体動成分を精度良く取り出すことができる。
また、上記構成において、前記光透過量制御部は、前記光透過量可変フィルタのうち、前記発光素子の光を入射する第１領域と異なる第２領域の光透過量を最大透過状態よりも下げることが好ましい。この構成によれば、発光素子の光の透過量を殆ど下げることなく、外光の透過量を下げることができ、脈動情報を含む光を適正レベルで受光して正確な脈拍計測や体動計測を継続することができる。

また、上記構成において、前記光透過量制御部は、前記光透過量可変フィルタの前記第２領域に対し、中間調領域或いは非透過領域を増やすことが好ましい。この構成によれば、中間調領域或いは非透過領域を増やすことによって受光量を下げることができる。
また、上記構成において、前記第１領域を前記光透過量可変フィルタの平面視中央領域にすることが好ましい。この構成によれば、発光素子と検出部位との位置関係が多少ずれても発光素子の光を確実に入射することができる。

また、上記構成において、前記光透過量可変フィルタは、透過型液晶パネルであることが好ましい。

また、上記構成において、前記生体情報特定部は、前記受光信号のうちの前記光の周波数を略中心周波数とする周波数範囲を通過させて前記第１周波数範囲の第１信号成分を抽出する帯域通過フィルタを有することが好ましい。この構成によれば、生体を通った発光素子の光に相当する第１信号成分を精度良く取り出すことができる。

また、上記構成において、前記生体情報特定部が体動成分を特定できない場合に、前記受光素子が前記生体の体動に連動して受光可能な疑似外光を照射する疑似外光照射部を有することが好ましい。この構成によれば、外光を受光不能な状況でも、疑似外光の受光量変化に表れる体動成分を取り出すことができ、脈拍等を精度良く検出することができる。
また、上記構成において、前記発光素子は、単一ピーク波長の赤外光又は単一ピーク波長の赤色光を照射することが好ましい。この構成によれば、体内で吸収されにくい光を照射することができる。

また、本発明は、生体情報計測装置の制御方法において、生体の検出部位に向けて光を照射し、受光素子により前記生体を介して前記光を受光して受光信号を生成し、前記受光素子に入射する光が透過する光透過量可変フィルタの光透過量を制御し、前記受光信号に基づいて、脈動成分を特定することを特徴とする。

この発明によれば、受光素子の出力の飽和を抑制して正確な脈拍計測を行うことができる。

また、本発明は、以上説明した生体情報計測装置及びその制御方法に適用する他、この発明を実施するための制御プログラムを電気通信回線を介して一般ユーザに配布したり、そのようなプログラムを、磁気記録媒体、光記録媒体、半導体記録媒体といった、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に格納して一般ユーザに配布する、といった態様でも実施され得る。

本発明によれば、受光素子の出力の飽和を抑制して脈拍等の生体情報を正確に計測することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る脈拍計測装置を示す図である。この脈拍計測装置１は、腕時計型に構成され、装置本体２と、この装置本体２の６時位置及び１２時位置から延びてユーザの腕に巻回されるリストバンド（帯状体）３とを備えており、ジョギングやランニング等の運動を行う際にユーザが容易に装着可能に構成されている。

装置本体２は、脈拍数や時刻等の各種情報を表示する表示部５と、ユーザが各種指示を行うための操作部として機能する複数の操作スイッチ６Ａ、６Ｂ、６Ｃとを有している。操作スイッチ６Ａは、脈拍計測を開始／停止させる操作子であり、例えば、操作スイッチ６Ａを操作する毎に、動作モードが脈拍計測モードと、時刻表示モードとに切り替わる。また、操作スイッチ６Ｂは、時刻設定等の各種セットアップの開始指示や動作モードの変更指示を行う操作子であり、操作スイッチ６Ｃは、セットアップのクリアや図示せぬライトをオンさせる操作子である。なお、図示の例では、操作スイッチ６Ａ〜６Ｃが押下式スイッチの場合を示しているが、静電式やメンブレン電極を用いたタッチ式スイッチでもよい。

図２は装置本体２の内部構造（３時−９時断面）を示している。装置本体２は、外装ケース７と裏蓋８とを備え、外装ケース７は、金属材または非透明樹脂材等の光を透過しない材料（光非透過材料）で形成されている。この外装ケース７には、時計表側に表示カバーガラス１０が固定されると共に、時計裏側（図２中、下方向）から中枠１１が挿入され、この中枠１１には、時計表側（図２中、上方向）から順に、表示部５を構成する液晶パネル１２及び回路基板１３と、電池１４とが配設され、外装ケース７の裏側開口が裏蓋８で封止される。なお、図２中符号１５は、液晶パネル１２と回路基板１３とを電気的に接続する導電ブロック（ゼブラコネクタ）であり、符号１６、１７は、電池電力を回路基板１３に供給するための電池接点である。

裏蓋（導光部材兼用裏蓋）８は、外装ケース７にねじ構造等で固定され、透明樹脂等（例えばプラスチック）の無色透明或いは有色透明の光透過材料（例えば、プラスチック等の樹脂材料）で形成されることにより、光を透過する導光部材を兼ねている。この裏蓋８には、電池１４側に回路基板１９がねじ１９Ａで固定され、この回路基板１９はフレキシブル配線１８を介して回路基板１３と電気的に接続される。
この回路基板１９には、生体情報検出用の光学式センサ（以下、生体情報検出部という）２０を構成する一個の発光素子２１、受光素子２２及びこれら素子２１、２２の駆動等を行う周辺部品と、太陽光等の直射によっても受光素子２２が電気的に飽和しないレベルに光を抑制する液晶フィルタ（光透過量可変フィルタ）３１と、後述する疑似外光照射部２５を構成する部品等が実装される。

発光素子２１及び受光素子２２は、回路基板１９の時計裏側の面に実装され、周辺部品は回路基板１９の時計表側の面に実装され、これにより、回路基板１９の両面を有効利用して回路基板１９の小型化を図りつつ、発光素子２１及び受光素子２２の配置自由度を高めることができる。
上記発光素子２１は、回路基板１５の略中央（装置本体２の平面方向中央寄り）に配置されており、７００ｎｍ以上の光Ｌ１を出射するＬＥＤ、具体的には、単一ピーク波長の可視光に比べて体内で吸収されにくい赤外光、又は、単一ピーク波長の赤色光を出射するＬＥＤが適用され、透明の裏蓋８を介してユーザの手首（血流部位）Ｘに向けて光Ｌ１を照射する。

受光素子２２は、発光素子２１に対して略３時側に配置され、発光素子２１の波長領域内の光、及び、太陽光や照明光等の外光Ｌ３を受光可能なフォトトランジスタ（例えば、受光波長領域が７００ｎｍ以上のフォトトランジスタ）が適用される。この受光素子２２は、発光素子２１が照射して手首Ｘの血管等で反射した反射光Ｌ２を、透明の裏蓋８及び液晶フィルタ３１を介して受光し、受光量に応じた信号レベルの受光信号Ｓ１を出力する。

ここで、発光素子２１から照射された光Ｌ１は、血管を流れる血流に応じて吸光度が変化するため、その反射光Ｌ２の光量が血流に応じて変化する。この場合、血管内の血流は、脈動だけでなく、体動（腕振り等の身体自体の動きや手首等の関節を曲げたときに変化する皮膚表面の動きがある）によっても変化するため、反射光Ｌ２は、脈動及び体動に応じて光量が変化することになる。従って、受光素子２２は、脈動及び体動に応じた信号レベルの受光信号Ｓ１を出力する。
なお、本実施形態では、反射光を受光する反射型に構成する場合について説明するが、これに限らず、この生体情報検出部２０により指等の血管から脈拍を検出する場合は、生体（指等）の通過光を受光する透過型に構成してもよい。

また、受光素子２２の受光波長領域を７００ｎｍ以上にした理由は、発光素子２１の光Ｌ１の反射光Ｌ２を確実に受光させるだけでなく、太陽光や照明光等の外光Ｌ３についても受光させるためである。
ここで、外光Ｌ３が受光素子２２に受光される場合とは、この脈拍計測装置１のリストバンド３がある程度の遊びを持ってユーザの手首Ｘに巻回されるのが通常であるため、当該脈拍計測装置１を装着したユーザが腕振り等をした場合に、図２に示すように、装置本体２（裏蓋８）と手首Ｘとの間に隙間が空いて、その隙間を通った外光Ｌ３が手首Ｘで反射して受光素子２２に受光される場合である。

すなわち、本実施形態では、装置本体２（裏蓋８）と手首Ｘとの間、言い換えれば、生体情報検出部２０と手首Ｘとの間に殆ど隙間が空いていない状態では、外光Ｌ３が受光素子２２に殆ど受光されず、生体情報検出部２０と手首Ｘとの間に隙間が空いた場合に、その隙間に応じて受光素子２２に届く光が変化し、かかる外光Ｌ３を受光することによって、体動に応じて光量が変化する外光Ｌ３についても受光できるように構成されている。
ここで、受光素子２２を脈拍計測装置１の３時側に配置した理由は、当該脈拍計測装置１をユーザの左手首に装着した際、ユーザの腕振り等によって太陽光や照明光（外光Ｌ３）が装置本体２の裏側の隙間に３時側から進入し易いからである。但し、受光素子２２を３時側に配置する構成に限らず、３時側以外の位置に配置してもよい。

なお、外光Ｌ３の特に赤外光成分及び赤色光成分については、生体で吸収されにくいために手首Ｘや生体表面（皮膚等）を通過し易い。このため、装置本体２の裏側に大きな隙間が空いていない場合でも、ユーザの体動に応じて変化する装置本体２の姿勢によっては、外光Ｌ３が受光素子２２に受光される場合があり、これによっても体動に応じて外光Ｌ３を受光可能である。
このように本実施形態では、受光素子２２に外光Ｌ３を受光可能な素子を使用するため、太陽光や照明光等の外光Ｌ３を受光波長帯域に含まない受光素子を使用する従来の光学式脈拍計測装置に比して、汎用の受光素子を広く適用することができる。また、この受光素子２２には、汎用のフォトトランジスタに限らず、汎用のフォトダイオード等の広く流通する光電センサを適用することが可能である。

また、本実施形態では、太陽光や照明光等の外光Ｌ３が殆ど存在しない環境では、受光素子２２が外光Ｌ３を受光不能となるため、かかる場合に、外光Ｌ３の代わりとなる光（以下、疑似外光という）Ｌ５を照射する疑似外光照射部２５を備えている。
詳述すると、この疑似外光照射部２５は、図２に示すように、受光素子２２で受光可能な疑似外光Ｌ５を出射する一個の疑似外光用発光素子２６を有しており、この疑似外光用発光素子２６は、回路基板１９の時計裏側の面に実装され、発光素子２１と同様の光（７００ｎｍ以上の光）を出射するＬＥＤ、より具体的には、単一ピーク波長の可視光に比べて体内で吸収されにくい赤外光、又は、単一ピーク波長の赤色光を出射するＬＥＤが適用される。

この疑似外光用発光素子２６は、発光素子２１及び受光素子２２に対して略９時側の位置に配置されており、透明の裏蓋８を介してユーザの手首Ｘに向けて疑似外光Ｌ５を出射する。この疑似外光Ｌ５の出射方向は、受光素子２２側に向けられ、かつ、手首Ｘに対する入射角度が大きく設定されており、疑似外光Ｌ５は、手首Ｘで反射して、リストバンド３と手首Ｘとの間の隙間に応じて受光素子２２に届く光量が変化する。これにより、疑似外光照射部２５は、外光Ｌ３と同じく体動に応じて受光量が変化する疑似外光Ｌ５を出射することになる。

次に液晶フィルタ３１について説明する。液晶フィルタ３１は、単純な黒白表示だけでなく、グレー表示（中間調表示）や様々なパターン表示が可能な透過型液晶パネルが適用され、受光素子２２と裏蓋８との間に配置されて受光素子２２に向かう光の透過量を可変する光透過量可変フィルタとして機能する。
この液晶フィルタ３１は、図２に示すように、受光素子２２の周囲から時計裏側に延出して発光素子２１の直接光Ｌ１等の入射を遮断可能な遮光部材３２を介して回路基板１９に固定され、図３（Ａ）に示すように、受光素子２２の受光部２２Ａ（本例では２×２ｍｍ）との間に所定の隙間（本例では１．０ｍｍ）を設けて固定され、その一端側（本例では３時側）に接続されたフレキシブル配線３３を介して回路基板１９に電気的に接続され、回路基板１９に構成された後述するフィルタ駆動部４０によって駆動される。

また、この液晶フィルタ３１の液晶表示部（本例では６×６ｍｍ）は、受光部２２Ａに対して大型に構成されて斜め光を効率よく取り入れ可能とされ、本実施形態では、図２に示す構成により、発光素子２１からの光Ｌ２が液晶フィルタ３１の略中央領域（第１領域）に入射し、外光Ｌ３が液晶フィルタ３１の３時側領域に入射し、疑似外光Ｌ５が液晶フィルタ３１の９時側領域に入射するように構成されている。ここで、発光素子２１からの光Ｌ２を液晶フィルタ３１の略中央領域に入射させることで、発光素子２１とユーザの手首Ｘとの位置関係が多少ずれた場合でも発光素子２１の光Ｌ２を確実に入射することができる。
この液晶フィルタ３１には、縦６画素、横６画素のＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：薄層トランジスタ）液晶が使用され、図３（Ｂ）に模式的に示すように、光入射側（図３の下方側）から順に、偏光板３１Ａ、ガラス基板３１Ｂ、ＴＦＴ層３１Ｃ、配向膜３１Ｄ、液晶層３１Ｅ、配向膜３１Ｆ、共通電極（透明電極）３１Ｇ、ガラス基板３１Ｈ、及び、偏光板３１Ｉを積層して構成されている。

図４（Ａ）はＴＦＴ層３１Ｃの平面図であり、図４（Ｂ）はＴＦＴ層３１Ｃを周辺構成と共に示す斜視図であり、図４（Ｃ）はＴＦＴ層３１Ｃの一部拡大図を示している。また、図５はＴＦＴ層３１Ｃの電極構成を示している。これら図に示すように、ＴＦＴ方式の液晶フィルタ３１は、縦横にゲート電極（本例では６本のゲート電極（走査線）Ｇ１〜Ｇ５）３５とデータ電極（本例では６本のデータ電極（データ線）Ｄ１〜Ｄ６）３６とを交差させて配置され、各電極３５、３６交差部分に対応する位置に画素回路（スイッチング素子３７、画素電極３８）が各々構成されている。

上記構成により、液晶フィルタ３１は、ゲート電極３５をＨレベルにして選択すると、データ電極３６の電圧がゲート電圧で選択された列の液晶セルに印加され、該電極３５、３６の交差部分に設けられた画素電極３８と共通電極３１Ｇとの電位差に応じて液晶層３１Ｅの対応する画素領域の透過率が変化して表示が行われる。この液晶駆動は、液晶表示の劣化を抑えるために略共通電極３１Ｇの電圧に対して交流駆動となるように液晶が駆動される。
より具体的には、図６に液晶駆動波形の一例を示すように、１画面を構成する１フレームを正フィールドと負フィールドとに分け、各フィールドにおいて、ゲート電極３５を順にＨレベルにして選択すると共に（ゲート電極Ｇ１、ゲート電極Ｇ２、…）、データ電極３６（データ電極Ｄ１、データ電極Ｄ２、…）により階調（透過率）に応じた電位（正フィールドでは正電位、負フィールドでは負電位）を印加し、各フィールド時間内に全ての画素に表示信号を書き込む。これによって、各画素に１フレームでプラスとマイナスの信号を書き込んで液晶フィルタ３１の交流駆動が実施される。

なお、この液晶フィルタ３１は、一般にコントラストが高いといわれるＴＦＴ駆動方式のＶＡモード（垂直配向）によって構成されることが望ましいが、これに限らない。例えば、液晶モードはＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）、ＧＨ（Ｇｕｅｓｔ Ｈｏｓｔ）、ＰＣ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ）、ＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）、ＦＬＣ（Ｆｅｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）、ＯＣＢ（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）等も使用可能である。

図７は脈拍計測装置１のブロック図であり、図８はその回路構成を示す図である。図７において、発光制御部５０は、発光素子２１の発光制御を行うものであり、図示せぬ発振回路の発振信号（例えば３２ｋＨｚ）を分周（１／１６分周）して得た２ｋＨｚの信号を入力し、この２ｋＨｚの信号がＨレベルのときに発光素子２１に駆動電力を供給し、Ｌレベルのときに駆動電力の供給を停止し、これによって、２ｋＨｚデューティ比５０％に対応する時間間隔で発光／消灯を繰り返させる。つまり、この脈拍計測装置１では、２ｋＨｚを発光の時間間隔を規定する発光周波数（間欠駆動周波数とも言う）としている。

電流電圧変換部５１は、受光素子２２から出力される受光信号Ｓ１を電流／電圧変換するものであり、図８に示すように、オペアンプ５１Ａの出力と入力−を抵抗５１Ｂを介して接続すると共にコンデンサ５１Ｃを並列接続して構成され、受光量に比例した電流を電圧に変換してオペアンプ５１Ａにより増幅して出力する。この電流電圧変換部５１で変換された受光信号Ｓ２は、帯域通過フィルタ部（第１フィルタ）５２と低域通過フィルタ部（第２フィルタ）５３とに各々出力される。

帯域通過フィルタ部５２は、電流電圧変換部５１から出力される受光信号Ｓ２から、上記発光周波数（２ｋＨｚ）を含む第１周波数範囲の信号成分（第１信号成分）を抽出するものである。より具体的には、帯域通過フィルタ部５２は、上記発光周波数を中心周波数（ｆ０）とし、かつ、低域通過フィルタ部５３を通過する低周波数範囲より高い周波数範囲（本構成では、１ｋＨｚ以上）の信号成分を通過させる。これによって、生体を通った光（光Ｌ１の反射光Ｌ２）の信号成分を取り出すことができ、言い換えれば、血流の変動（脈動及び体動による変動）に応じて振幅レベルが変動する信号成分を取り出すことができる。

この帯域通過フィルタ部５２は、図８に示すように、オペアンプ５２Ａの出力と入力−を抵抗５２Ｂを介して接続すると共にコンデンサ５２Ｃ、５２Ｄを介して接続し、かつ、入力−への入力側に抵抗５２Ｅ、５２Ｆを接続した多重帰還型アクティブフィルタ回路で構成される。このため、パッシブフィルタ回路で構成する場合に比して、得られる周波数特性の自由度が高く、かつ、増幅を行うことができるといった利点がある。
ここで、帯域通過フィルタ部５２の通過周波数を１ｋＨｚ以上にした理由は、赤外線方式の家電リモコンで一般に使用される１ｋＨｚ以下の周波数信号（ノイズ成分に相当）を除くためである。

低域通過フィルタ部５３は、電流電圧変換部５１から出力される受光信号Ｓ２から、脈動の周波数より低い第２周波数範囲の信号成分を抽出するものであり、言い換えれば、体動に応じて受光素子２２に入射した外光Ｌ３による体動成分を抽出可能なフィルタに構成されている。
ここで、体動成分（歩行時やランニング時等の腕振り等の身体運動や手首等の関節を曲げたときに変化する皮膚表面の動きがある）は、通常０Ｈｚよりも大きく１０Ｈｚ以下の範囲となるため、この低域通過フィルタ部５３は、例えば、カットオフ周波数（ｆｃ）が１０Ｈｚのフィルタに構成される。この低域通過フィルタ部５３は、図８に示すように、抵抗５３Ａ、５３Ｂ、コンデンサ５３Ｃ、５３Ｄ及びオペアンプ５３Ｅを組み合わせたアクティブフィルタ回路で構成され、パッシブフィルタ回路で構成する場合に比して、得られる周波数特性の自由度が高く、かつ、増幅を行うことが可能である。

帯域通過フィルタ部５２の後段（出力側）には、図７に示すように、増幅率変更部５４によって増幅率を変更可能な増幅部（第１増幅部）５５と、検波部（第１検波部）５６とが順に接続され、低域通過フィルタ部５３の後段（出力側）には、増幅率変更部５７によって増幅率を変更可能な増幅部（第２増幅部）５８が接続される。

増幅部５５及び増幅率変更部５４は、帯域通過フィルタ部５２を通過した受光信号Ｓ３を演算処理部６０で演算処理（周波数解析処理）するのに適切な信号レベルに増幅するためのものである。この増幅部５５及び増幅率変更部５４は、図８に示すように、抵抗５５Ａ、５５Ｂを前後に配置したオペアンプ５５Ｃの出力と入力−をつなぐ帰還経路に、抵抗５４Ａ、５５Ｃ、５４Ｃを各々スイッチング素子５４Ｄ、５４Ｅ、５４Ｆを介して接続可能に構成した回路に構成され、演算処理部６０の制御の下、各スイッチング素子５４Ｄ〜５４Ｆのオン／オフが制御されることによって増幅率を変更する。

検波部５６は、増幅部５５で増幅された受光信号Ｓ３の包絡線を検波するものであり、図８に示すように、入力信号をショットキーダイオード５６Ａに通し、抵抗５６Ｂとコンデンサ５６Ｃの並列回路で受ける回路が適用される。この抵抗５６Ｂとコンデンサ５６Ｃの時定数を適切に設計することで、その出力波形を入力波形の包絡線に近い波形にすることができる。

なお、上記検波部５６に代えて、上記受光信号Ｓ３の極大値同士或いは極小値同士をピークホールドし、それらを結んで包絡線を検波する検波部を設けるようにしてもよい。この場合、この検波部は、上記受光信号Ｓ３をアナログデジタル変換した波形データを取得するデジタルメモリスコープを備え、このデジタルメモリスコープに取得された波形データの極大値同士或いは極小値同士をピークホールドして得た包絡線を取得するようにすればよい。このように、極大値同士或いは極小値同士を結んだ包絡線を得ることにより、ノイズ成分の影響を低減して包絡線を検波することができる。この場合、この包絡線には、脈動そのものの波形ではなく、脈動の１／２周波数の波形が含まれることになる。

増幅部５８及び増幅率変更部５７は、低域通過フィルタ部５３を通過した受光信号Ｓ４を演算処理部６０で演算処理（周波数解析処理）するのに適切な信号レベルに増幅するためのものであり、上記増幅部５５及び増幅率変更部５４と同様の回路が適用される。つまり、増幅部５８及び増幅率変更部５７は、図８に示すように、抵抗５８Ａ、５８Ｂを前後に配置したオペアンプ５８Ｃの出力と入力−をつなぐ帰還経路に、抵抗５７Ａ、５７Ｃ、５７Ｃを各々スイッチング素子５７Ｄ、５７Ｅ、５７Ｆを介して接続可能に構成した回路に構成され、演算処理部６０の制御の下、各スイッチング素子５７Ｄ〜５７Ｆのオン／オフが制御されることによって増幅率を変更する。

入力選択部６１は、演算処理部６０の制御の下、増幅部５５で増幅された受光信号Ｓ３、及び、増幅部５８で増幅された受光信号Ｓ４のいずれかをＡ／Ｄ変換部６２に切換出力するものであり、図７に示すように、増幅部５５及び５８の出力側にスイッチング素子６１Ａ、６１Ｂを各々配置し、一方のスイッチング素子６１Ａには、演算処理部６０からＡ／Ｄ入力選択信号ＳＳを出力してオンオフを切り換え、他方のスイッチング素子６１Ｂには、上記Ａ／Ｄ入力選択信号ＳＳの信号レベルをインバータ６１Ｃにより反転させて供給してオフオンを切り換える回路が適用される。
Ａ／Ｄ変換部６２は、受光信号Ｓ３の包絡線信号Ｓ３Ａ又は受光信号Ｓ４のいずれかを入力し、アナログデジタル変換して演算処理部６０に出力する。

疑似外光照射部２５は、疑似外光用発光素子２６及び疑似外光用駆動部２７で構成され、疑似外光用駆動部２７は、演算処理部６０の制御の下、疑似外光用発光素子２６の発光制御を行うものである。この疑似外光用駆動部２７は、図８に示すように、トランジスタ２７Ａのコレクタを抵抗２７Ｂを介して疑似外光用発光素子２６に接続し、このトランジスタ２５Ａのエミッタを接地し、ベースに抵抗２７Ｃを介して演算処理部６０からの制御信号（オンオフを指示する信号）が入力される構成の回路が適用され、上記制御信号に基づいて疑似外光用発光素子２６を選択的に駆動する。フィルタ駆動部４０は、演算処理部６０の制御の下、液晶フィルタ３１の表示制御を行うものである。

演算処理部６０は、脈拍計測装置１の各部を制御する制御部や生体情報（脈動成分、体動成分）を特定する生体情報特定部として機能するものである。より具体的には、この演算処理部６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ（本例では、ＦＦＴ用ＲＡＭ１と、ＦＦＴ用ＲＡＭ２とを有する）等を備えたコンピュータ構成を備え、ＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することにより、入力したデータの周波数解析処理（ＦＦＴ処理）を行う周波数解析部、周波数解析結果に基づき脈拍数を特定する脈拍数特定部、及び、液晶フィルタ３１の光透過量を制御する光透過量制御部として機能し、特定した脈拍数を表示部５に表示させる処理等を行う。

なお、本実施形態では、演算処理部６０がソフトウェア処理により制御部、生体情報特定部（周波数解析部、脈拍数特定部）及び光透過量制御部として機能する場合を説明するが、これに限らず、これらの一部又は全てをハードウェア回路によって構成してもよい。また、この演算処理部６０には、図示せぬ発振回路の発振信号の分周信号（１Ｈｚ信号）に基づいて時刻を計時する時計回路も内蔵されている。時計回路の構成は公知の構成を適用すればよいため、詳細な説明は省略する。

次に、この脈拍計測装置１の脈拍計測時（生体情報計測時）の動作を説明する。図９はこの場合の主動作を示すフローチャートである。図９に示すように、ユーザが操作スイッチ６Ａを操作して脈拍計測の開始を指示すると、まず、演算処理部６０内のＣＰＵ（以下、制御部という）は、図示せぬ発振回路の発振信号を分周した出力（本例では３２Ｈｚの信号）の割り込みを許可し（ステップＳＰ１）、この３２Ｈｚ割り込みをトリガーとしてＡ／Ｄ変換部６２の取り込みと、入力選択部６１による入力切り換えを行う。また、制御部は、変数Ｎを値０に設定し（ステップＳ２）、その後、発光制御部５０により２ｋＨｚ（発光周波数）のデューティ比５０％の時間間隔で発光素子２１の発光制御を開始させる。

このため、受光素子２２から受光信号Ｓ１が出力され、電流電圧変換部５１によって電流電圧変換されて、図１０（Ａ）に示すように、２ｋＨｚ（発光周波数）の変調波である受光信号Ｓ２が出力される。そして、この受光信号Ｓ２は、２ｋＨｚを中心周波数とする帯域通過フィルタ部５２を通過することによって、図１０（Ｂ）に示すように、２ｋＨｚの変調成分を示す受光信号Ｓ３が出力される。次に、受光信号Ｓ３に対し、検波部５６が検波処理を施すことによって、図１０（Ｃ）に示すように、受光信号Ｓ３の包絡線を示す包絡線信号Ｓ３Ａが出力される。この包絡線信号Ｓ３Ａの波形には、脈動成分（脈波形）と体動成分（体動波形）の情報が含まれている。

また、受光信号Ｓ２が、１０Ｈｚ以下を通過する低域通過フィルタ部５３を通過することによって、図１０（Ｄ）に示すように、１０Ｈｚを超える脈動成分が取り除かれた受光信号Ｓ４が取得され、この受光信号Ｓ４の波形には、体動成分とノイズ成分（体動に依存しない外乱光成分など）の情報が含まれる。
上記ステップＳ２の処理実行後、制御部は、Ａ／Ｄ入力選択信号ＳＳをＨレベルに設定し、３２Ｈｚ割り込みフラグがオンになるまで待機する（ステップＳＰ４）。なお、この３２Ｈｚ割り込みフラグとは、上記３２Ｈｚの割り込み信号の１周期（１／３２秒）が経過したか否かを判定するためのフラグであり、言い換えれば、Ａ／Ｄ変換部６２の取り込みと入力切り換えとを行うタイミングを検出するフラグである。

Ａ／Ｄ入力選択信号ＳＳがＨレベルに設定された場合、入力選択部６１のスイッチング素子６１Ａが開状態に設定されると共に、スイッチング素子６１Ｂが閉状体に設定されるため、包絡線信号Ｓ３ＡがＡ／Ｄ変換部６２に出力され、ここでアナログデジタル変換されて演算処理部６０に出力される。
そして、制御部は、３２Ｈｚ割り込みフラグがオンになると（ステップＳＰ４：ＹＥＳ）、３２Ｈｚ割り込みフラグをクリアして（ステップＳＰ５）、デジタルデータ（包絡線の波形データ）をＦＦＴ用ＲＡＭ１に格納する（ステップＳＰ６）。

続いて、制御部は、Ａ／Ｄ入力選択信号ＳＳをＬレベルに切り換え、入力選択部６１のスイッチング素子６１Ａを閉状態に切り換えると共に、スイッチング素子６１Ｂを開状態に切り換える（ステップＳＰ７）。このため、低域通過フィルタ部５３を通過した受光信号Ｓ４が、Ａ／Ｄ変換部６２に入力されてアナログデジタル変換されて演算処理部６０に出力される。そして、制御部は、３２Ｈｚ割り込みフラグがオンになると（ステップＳＰ８：ＹＥＳ）、３２Ｈｚ割り込みフラグをクリアして（ステップＳＰ９）、デジタルデータ（受光信号Ｓ４の波形データ）をＦＦＴ用ＲＡＭ２に格納する（ステップＳＰ１０）。

次に、制御部は、変数Ｎに値１を加算し（ステップＳＰ１１）、変数Ｎが値２５６に達したか否かを判定する（ステップＳＰ１２）。このとき、値２５６に達していない場合は（ステップＳＰ１２：ＮＯ）、ステップＳＰ３の処理へ移行して、上記の包絡線の波形データの取り込みと、受光信号Ｓ４の波形データの取り込みとを継続させる。これによって、これらデータの取り込みは変数Ｎが値２５６に達するまで繰り返され、ＦＦＴ用ＲＡＭ１及びＦＦＴ用ＲＡＭ２に、各１６Ｈｚ２５６ポイントの波形データを格納するまで上記データの取り込みを繰り返す。

続いて、変数Ｎが値２５６に達すると（ステップＳＰ１２：ＹＥＳ）、制御部は、ＦＦＴ用ＲＡＭ１に格納された波形データ（受光信号Ｓ３の包絡線の波形データ）に対し、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理（周波数解析）を実行することにより（ステップＳＰ１３）、図１１（Ａ）に示すように、該波形に含まれる複数の周波数スペクトル（ローカルピーク）を特定可能な解析結果（第１周波数範囲の解析結果に相当）を得る。
次いで、制御部は、ＦＦＴ用ＲＡＭ２に格納された波形データ（受光信号Ｓ４の波形データ）に対し、同様のＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理（周波数解析）を実行することにより（ステップＳＰ１４）、図１１（Ｂ）に示すように、該波形に含まれる１又は複数の周波数スペクトル（ローカルピーク）を特定可能な解析結果（第２周波数範囲の解析結果に相当）を得る。

ここで、ＦＦＴ用ＲＡＭ１に格納された波形データには、脈動成分（脈波形）と体動成分（体動波形）の情報が含まれることから、図１１（Ａ）に示す２つの周波数スペクトルｆ１、ｆ２は、脈動成分と体動成分とに相当することが判る。しかし、この情報だけでは、どちらの周波数スペクトルｆ１、ｆ２が脈動成分であるかを特定することが困難である。
一方、ＦＦＴ用ＲＡＭ２に格納された波形データには、体動成分とノイズ成分が含まれ、１０Ｈｚを超える脈動成分（脈波形）が含まれないことから、図１１（Ｂ）に示す大きな周波数スペクトルｆ３、ｆ４、ｆ５は、体動成分とノイズ成分が含まれ、１０Ｈｚを超える脈動成分が含まれないことが判る。

そこで、本構成では、上記第１周波数範囲の解析結果と上記第２周波数範囲の解析結果の両方に、体動成分に相当する周波数スペクトル（体動スペクトル）が含まれることを利用し、制御部は、両方の周波数解析結果に含まれる同一周波数の周波数スペクトルｆ２、ｆ３を体動成分（体動スペクトル）と特定し、第１周波数範囲の解析結果に含まれるが、第２周波数範囲の解析結果には含まれない周波数スペクトルｆ１を、脈拍数に対応する脈動成分（脈動スペクトル）と特定する処理（見分ける処理）を実行する（ステップＳＰ１５）。

次に、制御部は、体動成分を検出できたか否かを判定し（ステップＳＰ１６）、体動成分を検出できた場合は（ステップＳＰ１６：ＹＥＳ）、周波数スペクトルｆ１の周波数を一分間当たりの振幅回数に換算して脈拍数を算出し、算出した脈拍数を表示部５に表示させ（ステップＳＰ１７）、ステップＳＰ２の処理に移行する。

一方、体動成分を検出できなかった場合（ステップＳＰ１６：ＮＯ）、制御部は、疑似外光照射部２５によって疑似外光Ｌ５を照射中か否かを判定し（ステップＳＰ１８）、疑似外光照射中でなければ（ステップＳＰ１８：ＮＯ）、疑似外光用駆動部２７により疑似外光用発光素子２６を駆動させて疑似外光Ｌ５を照射させる（ステップＳＰ１９）。そして、制御部は、疑似外光Ｌ５照射後にステップＳＰ２の処理に移行し、脈拍数の検出処理（ステップＳＰ２〜ＳＰ１７）を繰り返す。
このため、夜間の時間帯や曇りの日で外光Ｌ３が受光不能な状況では、外光Ｌ３の代わりとなる疑似外光Ｌ５が照射され、上記第２周波数範囲の解析結果を得て体動成分に相当する周波数スペクトル（上記ｆ３に相当）を特定することが可能になる。従って、この場合も、制御部は、上述と同様に、上記第１周波数範囲の解析結果と上記第２周波数範囲の解析結果とを比較することによって、体動成分と脈動成分とを特定することができ、脈拍数を精度良く検出することができる。

ここで、ステップＳ１８の判定で、疑似外光照射中であった場合には（ステップＳＰ１８：ＹＥＳ）、制御部は、ステップＳＰ２の処理へ移行し、再度上記ステップＳＰ２〜ＳＰ１６の処理を実行し、脈拍数の検出処理を行う。これによって、たまたま体動成分が検出されなかった場合には、次回以降に体動成分が検出された時点で、脈拍数を精度良く検出することができる。
なお、このフローチャートでは、疑似外光Ｌ５の照射中にも拘わらず、体動成分を取得できない場合には（ステップＳＰ１８：ＹＥＳ）、脈拍数の検出処理を再実行する場合について述べたが、これに限らず、かかる場合は、体動がない状況、つまり、ユーザが運動していない状況とも判断できるため、上記第１周波数範囲の解析結果のみに基づいて脈拍数を推定し、その脈拍数を表示するようにしてもよい。

具体的には、例えば、第１周波数範囲の解析結果から得られる周波数スペクトル（ローカルピーク）が一つであり、かつ、脈拍の周波数範囲内であった場合には、その周波数スペクトルを脈動成分と特定し、かかる周波数スペクトルから脈拍数を算出して表示する方法がある。また、例えば、第１周波数範囲の解析結果から得られる周波数スペクトル（ローカルピーク）が複数であった場合には、これらの周波数スペクトルのうち、その周波数が脈拍の周波数範囲内の周波数スペクトルを抽出し、この周波数スペクトルから脈拍数を算出して表示する方法がある。

ところで、本実施形態では、発光素子２１の光Ｌ２と外光Ｌ３（或いは疑似外光Ｌ５）とを一つの受光素子２２で受光するため、直射日光等の強い外光Ｌ３を受光した場合に受光素子２２が電気的に飽和してしまうおそれがある。かかる場合には、周波数解析を施しても周波数スペクトルが得られず、その間は脈拍数を正確に計測できなくなってしまう。
そこで、本実施形態では、受光素子２２の出力の飽和を回避するため、液晶フィルタ３１の光透過量を可変制御している。図１２はこの場合の動作を示すフローチャートであり、図１３（Ａ）〜（Ｄ）は、外光Ｌ３受光時（疑似外光Ｌ５の非照射中）の液晶フィルタ３１の表示状態を示す図である。なお、この光透過量可変制御は、上記ステップＳＰ１〜ＳＰ１９からなる脈拍計測処理の際に実行される処理であり、以下、図１２及び図１３を参照しつつ光透過量可変制御について説明する。

制御部は、脈拍計測処理の開始時に、まず、図１３（Ａ）に示すように、液晶フィルタ３１の全画素を全て白（最大透過）に表示制御し（ステップＳＰ３１）、変数ＤＩを０（零）に設定する（ステップＳＰ３２）。
次いで、制御部は、ステップＳＰ１３の処理で得た第１周波数範囲の解析結果から、第１周波数範囲内の全周波数帯域における周波数スペクトルのレベル平均値（以下、全周波数平均レベルＰＡＶＥという）を算出する（ステップＳＰ３３）。この全周波数平均レベルＰＡＶＥは、受光素子２２の受光平均レベルに相当しており、制御部は、予め定めた周波数範囲（本例では０．２Ｈｚ〜０．４Ｈｚ）内に、全周波数平均レベルＰＡＶＥを超えるピーク（周波数スペクトル）があるか否かを判定し（ステップＳＰ３４）、これにより、外光Ｌ３の光量が多く受光素子２２が飽和しているか否かを判定する。

すなわち、外光Ｌ３の光量が大きく受光素子２２が飽和している場合には、周波数解析を行ってもほぼＤＣレベルのみとなるため、ピーク（周波数スペクトル）が現れず、上記ステップＳＰ３４の判定はＮＯとなり、第１周波数範囲の解析結果だけで受光素子２２の飽和を検出可能である。
この場合、制御部は、続くステップＳＰ３５の処理へ移行し、変数ＤＩに値１を加算し、液晶フィルタ３１のデータ電極Ｄ１に対応するデータ列（ここでは＝１）の１列を全て黒（非透過）に表示制御し（ステップＳＰ３６）、ステップＳＰ３３へ移行する。
このため、第１周波数範囲の０．２Ｈｚ〜０．４Ｈｚ内に、全周波数平均レベルＰＡＶＥを超えるピーク（周波数スペクトル）がでるまで、つまり、受光素子２２の受光量が飽和レベル以下になるまで、変数ＤＩに値１ずつ加算され、液晶フィルタ３１が、図１３（Ｃ）に示すように、データ電極Ｄ２に相当するデータ列が黒にされた後に、図１３（Ｄ）に示すように、更にデータ電極Ｄ３に対応するデータ列が黒にされ、…といったように制御される。そして、上記ピークが存在した場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、受光素子２２の受光量が飽和レベル以下になったと判定できるため、制御部は、この可変制御処理を一時中断して、液晶フィルタ３１をその時点の表示状態に保持させる。

このように、本構成では、受光素子２２の受光量が飽和レベル以下になるまで、図１３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、液晶フィルタ３１を主に外光Ｌ３の入射領域に相当する３時側のデータ列（データ電極Ｄ１側）から順に黒に変更していく。このため、受光素子２２から照射された光Ｌ１の反射光Ｌ２の入射領域に相当する中央領域に光透過領域を残しつつ黒領域（非透過領域）を徐々に増やすことができる。従って、発光素子２１の光Ｌ２の透過量を殆ど下げることなく、外光Ｌ３の透過量を徐々に下げることができる。従って、強い外光Ｌ３による受光素子２２の飽和を回避しつつ、脈動情報を含む反射光Ｌ２を適正レベルで受光させることができ、正確な体動計測及び脈拍計測を継続することができる。

一方、疑似外光Ｌ５を照射している場合、制御部は、図１４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、液晶フィルタ３１を主に疑似外光Ｌ５の入射領域に相当する９時側のデータ列（データ電極Ｄ６側）から順に黒に変更し、これにより、反射光Ｌ２の透過量を殆ど下げることなく、疑似外光Ｌ５の透過量を徐々に下げることができる。従って、疑似外光Ｌ５の受光量が過度になった場合、例えば、疑似外光Ｌ５の光量とユーザの肌の色との関係等で受光量が過度になってしまった場合でも、受光素子２２の飽和を回避することができ、正確な体動計測及び脈拍計測を継続することができる。

以上説明したように、本実施形態の脈拍計測装置１では、所定の時間間隔（発光周波数に対応）で光Ｌ１を照射する単一の発光素子２１と、その光Ｌ１を生体を介して受光可能で、かつ、生体の体動に連動して受光量が変化する外光Ｌ３を受光可能に設けられた単一の受光素子２２と、受光素子２２が出力する受光信号から、上記光Ｌ１の反射光Ｌ２の受光成分に対応する第１周波数範囲の信号成分を抽出する帯域通過フィルタ部５２と、外光Ｌ３の受光成分に対応する第２周波数範囲の信号成分を抽出する低域通過フィルタ部５３とを備えるので、第１周波数範囲の信号成分から脈動成分及び体動成分のいずれかに対応する周波数スペクトルｆ１、ｆ２を特定し、かつ、第２周波数範囲の信号成分から体動成分ｆ３の周波数スペクトルを特定して、脈動成分ｆ１及び体動成分ｆ２（＝ｆ３）を精度良く検出することができる。

しかも、本構成では、受光素子２２の受光部２２Ａ側に配設されて受光部２２Ａに向かう光の光透過量を可変自在な液晶フィルタ３１を設け、受光素子２２の受光量が飽和レベル以下になるまで液晶フィルタ３１の光透過量を下げるので、受光素子２２の飽和を抑制して脈拍計測を行うことができる。この場合、本構成では、液晶フィルタ３１を、発光素子２１の光Ｌ２を入射する領域と異なる領域から光透過量を下げる、つまり、外光Ｌ３（又は疑似外光Ｌ５）の入射領域から光透過量を下げることにより、発光素子２１の光Ｌ２の透過量を殆ど下げることなく、外光Ｌ３（又は疑似外光Ｌ５）の透過量を下げることができ、これによって脈動情報を含む光Ｌ２を適正レベルで受光して正確な体動計測及び脈拍計測を継続することができる。

さらに、本構成では、外光Ｌ３に代わる疑似外光Ｌ５を照射する疑似外光照射部２５を備えるので、外光Ｌ３が受光不能な状況でも、低域通過フィルタ部５３によって体動成分（体動スペクトル）を取り出すことができる。従って、時間帯及び場所を選ばず脈拍数を精度良く検出することが可能になる。また、この疑似外光Ｌ５照射時においても液晶フィルタ３１の光透過量を可変する制御を行うので、疑似外光Ｌ５によって受光素子２２が飽和してしまう事態を回避でき、これによっても正確な脈拍計測を継続することができる。
さらに、本構成では、生体情報検出部２０が、発光素子２１及び受光素子２２を各々一個ずつ備えるだけでよく、その他には、疑似外光用発光素子２６を一個備えるだけでよいので、従来のものと比較して、脈拍検出精度が高いにもかかわらず、発光素子及び受光素子の数を低減することができる。

さらにまた、本構成では、裏蓋８を光透過材料で形成し、装置本体２内の発光素子２１、受光素子２２及び疑似外光用発光素子２６がこの裏蓋８を介して光Ｌ１及びＬ５を外部に出射し、かつ、外部からの光Ｌ２、Ｌ３及びＬ５を受光するように構成したので、上記裏蓋８を導光部材に兼用することができ、導光部材を別途設ける場合に比して部品点数を削減することができる。なお、裏蓋８は必要な周波数範囲を通過させればよく、例えば、赤外光だけを透過する材料で形成してもよい。
また、本構成では、図２に示すように、受光素子２２を装置本体１０の中心を外した位置に設置することによって装置本体１０の重心位置を中心位置からずらすようにしている。これによって、ユーザの腕振り等の運動によってリストバンド３と手首Ｘとの間に隙間が空き易くなり、外光Ｌ３を受光素子２２で受光され易くして体動の検出精度を高めることができる。

さらに、本構成では、生体を通った光（光Ｌ１の反射光Ｌ２）だけの信号成分を取り出す第１フィルタを帯域通過フィルタ部５２に構成したので、ノイズ成分に相当する高周波成分を予め除去することが可能である。
また、帯域通過フィルタ部５２を通過した第１信号成分と、低域通過フィルタ部５３を通過した第２信号成分とを、Ａ／Ｄ変換部６２に切換出力する入力選択部６１を設けたので、これら信号成分の信号処理に使用するＡ／Ｄ変換部６２及び演算処理部６０（周波数解析部）を各々一つで共用でき、その分、構成部品を低減することができる。
なお、上記実施形態では、発光周波数を２ｋＨｚとする場合を例示したが、これに限らない。例えば、発振回路に時計用に一般に使用される水晶発振回路を使用した場合、その分周周波数である２０４８Ｈｚ或いは１０２４Ｈｚの整数倍の周波数を使用することが好ましい。

＜第２実施形態＞
図１５は第２実施形態に係る脈拍計測装置１のブロック図であり、図１６（Ａ）〜（Ｄ）は液晶フィルタ３１の可変制御を示す図である。
この脈拍計測装置１は、帯域通過フィルタ部５２を通過した信号（包絡線信号Ｓ３Ａ）専用のＡ／Ｄ変換部６２Ａ及び第１周波数解析部（ＦＦＴ）７０Ａを備え、かつ、低域通過フィルタ部５３を通過した信号（受光信号Ｓ４）専用のＡ／Ｄ変換部６２Ｂ及び第２周波数解析部（ＦＦＴ）７０Ｂを備える点が、第１実施形態に係る脈拍計測装置１と異なる。これ以外の構成は液晶フィルタ３１の可変制御を除いて第１実施形態と略同一の構成であるため、同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。

Ａ／Ｄ変換部６２Ａは、帯域通過フィルタ部５２を通過して検波部５６から出力される受光信号Ｓ３の包絡線信号Ｓ３Ａを入力し、これをアナログデジタル変換して第１周波数解析部７０Ａに出力する。そして、第１周波数解析部７０Ａは、入力した包絡線信号Ｓ３Ａのデータに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を施し、この周波数解析結果を演算処理部６０に出力する。

また、Ａ／Ｄ変換部６２Ｂは、低域通過フィルタ部５３を通過した受光信号Ｓ４を入力し、これをアナログデジタル変換して第２周波数解析部７０Ｂに出力する。そして、第２周波数解析部７０Ｂは、入力した受光信号Ｓ４のデータに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を施し、この周波数解析結果を演算処理部６０に出力する。

このように、本実施形態では、帯域通過フィルタ部５２を通過した信号専用のＡ／Ｄ変換部６２Ａ及び第１周波数解析部７０Ａを設けると共に、低域通過フィルタ部５３を通過した信号専用のＡ／Ｄ変換部６２Ａ及び第２周波数解析部７０Ｂを備えるので、計算量の多い周波数解析処理を、専用の周波数解析部７０Ａ、７０Ｂで行うことができ、演算処理部６０（ＣＰＵ）の負担を軽減することができる。これによって、演算処理部６０内のＣＰＵに演算能力が比較的低いものを採用することができ、また、汎用の周波数解析用のＩＣチップを周波数解析部７０Ａ、７０Ｂとして使用することができる。

また、この脈拍計測装置１は、図１６（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、液晶フィルタ３１の駆動制御を行っており、この駆動制御は外光Ｌ３受光時及び疑似外光Ｌ５受光時に共通である。詳述すると、制御部は、全周波数平均レベルＰＡＶＥを超えるピーク（周波数スペクトル）がでない場合、つまり、受光素子２２の受光量が飽和レベルを超えている場合、まず、図１６（Ｂ）に示すように、液晶フィルタ３１の４辺の角部を第２中間調の階調にすると共に、この角部の周囲を第２中間調より光透過度が高い第１中間調の階調にし、外光Ｌ３或いは疑似外光Ｌ５の透過量を下げる。
次に、制御部は、図１６（Ｃ）に示すように、上記中間調領域を各々一段階黒い（光非透過度が高い）階調にすると共に、その周囲を第１中間調の階調にし、外光Ｌ３或いは疑似外光Ｌ５の透過量を更に下げる。そして、それでも受光量が飽和レベルを超えた状態が継続する場合は、図１６（Ｄ）に示すように、上記中間調領域を各々一段階黒い階調にすると共に、受光素子２２の光Ｌ２が入射する中央領域以外の白であった領域を一段階黒い階調にする。

このようにして、受光素子２２の光Ｌ２が入射する中央領域（第１領域）を除く領域（第２領域）の光透過量を多段階で下げることにより、発光素子２１の光Ｌ２の透過量を下げることなく、外光Ｌ３及び疑似外光Ｌ５の透過量を少しずつ下げることができる。これにより、強い外光Ｌ３による受光素子２２の飽和を回避しつつ、脈動情報を含む反射光Ｌ２を適正レベルで受光させることができ、正確な脈拍計測を継続することが可能である。なお、この液晶フィルタ３１の駆動制御を第１実施形態の脈拍計測装置１に適用してもよく、また、第２実施形態の脈拍計測装置１に第１実施形態の液晶フィルタ３１の駆動制御を適用してもよいことは勿論である。

＜第３実施形態＞
図１７は第３実施形態に係る脈拍計測装置１のブロック図であり、図１８（Ａ）〜（Ｈ）は液晶フィルタ３１の可変制御を示す図である。
この脈拍計測装置１は、ユーザの指（検出部位）Ｘ２に向けて発光素子２１の光Ｌ１を照射し、その反射光Ｌ２を受光素子２２で受光する光学式の脈拍計測装置であり、増幅率変更部５４及び５７を備えない点が、上記第２実施形態に係る脈拍計測装置１と異なる。それ以外の構成は、液晶フィルタ３１の可変制御を除いて第２実施形態と略同一の構成であるため、同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
この脈拍計測装置１においては、増幅部５５及び５８の増幅率が予め定めた一定値に固定される。この固定値は、様々な環境において脈波を計測した場合に最も適切であった値に設定される。この構成によれば、増幅部５５及び５８の増幅率を変更する増幅率変更部等を備えない分、上記第１実施形態及び第２実施形態よりも構成部品を低減することができ、また、演算処理部６０（ＣＰＵ）の負担を軽減することができる。

また、この脈拍計測装置１は、図１８（Ａ）〜（Ｈ）に示すように、液晶フィルタ３１の駆動制御を行っており、この駆動制御は外光Ｌ３受光時を示している。これら図に示すように、制御部は、全周波数平均レベルＰＡＶＥを超えるピーク（周波数スペクトル）がでない場合、つまり、受光素子２２の受光量が飽和レベルを超える場合、外光Ｌ３の入射領域に相当する３時側から透過量を徐々に下げる。具体的には、制御部は、まず、図１８（Ｂ）に示すように、３時側の２つの角部を第２中間調の階調にすると共に、この２つの角部の周囲（略９時側）を第２中間調より光透過度が高い第１中間調の階調にし、外光Ｌ３の透過量を下げる。
次に、制御部は、図１８（Ｃ）に示すように、上記中間調領域を各々一段階黒い（光非透過度が高い）階調にすると共に、その周囲を第１中間調の階調にし、外光Ｌ３の透過量を更に下げる。そして、それでも受光量が飽和レベルを超えた状態が継続する場合は、図１８（Ｄ）〜（Ｈ）に示すように、上記中間調領域を各々一段階黒い階調にすると共に、その略９時側を第１中間調の階調にし、外光Ｌ３の透過量を下げるという表示変更を順次行う。

すなわち、外光Ｌ３の入射領域に相当する３時側から段階的に階調を上げることによって、受光素子２２から照射された光Ｌ１の反射光Ｌ２の入射領域に相当する中央領域に光透過領域を残しつつ黒領域（非透過領域）及び中間調領域を徐々に増やし、発光素子２１の光Ｌ２の透過量を殆ど下げることなく、外光Ｌ３の透過量を徐々に下げることができる。従って、強い外光Ｌ３による受光素子２２の飽和を回避しつつ、脈動情報を含む反射光Ｌ２を適正レベルで受光させることができ、正確な脈拍計測を継続することができる。
この場合、第１実施形態の黒領域だけを徐々に増やす方法に比して、外光Ｌ３の透過量をより細かく徐々に下げることができるので、第１実施形態よりも、強い外光Ｌ３による受光素子２２の飽和を回避しつつ、脈動情報を含む反射光Ｌ２をより適正レベルで受光させることが可能になり、より正確な脈拍計測を継続することが可能になる。

一方、疑似外光Ｌ５を照射している場合には、図示は省略するが、制御部は、疑似外光Ｌ５の入射領域に相当する９時側から段階的に階調を上げるように液晶フィルタ３１の駆動制御を行う。つまり、図１８（Ａ）〜（Ｄ）を各々左右対称で行うように駆動制御を行う。これにより、第１実施形態よりも疑似外光Ｌ５の透過量をより細かく徐々に下げることができ、疑似外光Ｌ５による受光素子２２の飽和を回避しつつ、脈動情報を含む反射光Ｌ２をより適正レベルで受光させることが可能になり、正確な脈拍計測を継続することができる。
なお、この液晶フィルタ３１の駆動制御についても、第１又は第２実施形態の脈拍計測装置１に適用してもよいし、また、この第３実施形態の脈拍計測装置１に第１又は第２実施形態の液晶フィルタ３１の駆動制御を適用してもよいことは勿論である。

また、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、上述の実施形態では、第１周波数範囲の解析結果から全周波数平均レベルＰＡＶＥを求め、この全周波数平均レベルＰＡＶＥを基準に所定レベルのピークが存在するか否かを判定することによって、受光素子２２が飽和しているか否かを検出する場合について説明したが、これに限らず、第２周波数範囲の解析結果から同様の処理を行って受光素子２２が飽和しているか否かを検出してもよい。
但し、後者の脈波成分を含まない第２周波数範囲の情報から受光素子２２の飽和を判定するよりは、前者の脈波成分を含む第１周波数範囲の情報から受光素子２２の飽和を判定する方が好ましい。その理由は、前者は脈波成分に相当すると予想されるピークの有無を直接判定するため、脈波成分を正確に検出する観点から効率的であると考えられるからである。

また、上記の周波数解析結果を用いて受光素子２２の飽和を検出する方法に限らず、例えば、受光素子２２の出力レベル（受光レベル）或いは平均出力レベル（受光平均レベル）に基づいて受光素子２２が飽和しているか否かを検出する等の他の方法を適用してもよい。
また、上述の実施形態においては、光透過量可変フィルタを液晶フィルタ３１で構成する場合について述べたが、これに限らず、透過する光を波長や偏光で制限可能な他の光学フィルタや光学シャッタ等で構成してもよい。但し、液晶フィルタは消費電流が少ない点、及び、メカ機構を必要としないため小型できるといった点で液晶フィルタを採用することが好ましい。

また、上述の実施形態では、液晶フィルタ３１等の光透過量可変フィルタの制御や脈拍計測処理を実行するための制御プログラムを脈拍計測装置１内に予め記憶しておく場合について説明したが、この制御プログラムを、磁気記録媒体、光記録媒体、半導体記録媒体等のコンピュータが読み取り可能な記録媒体に格納し、コンピュータが記録媒体からこの制御プログラムを読み取って実行するようにしてもよい。また、この制御プログラムを通信ネットワーク上の配信サーバ等からダウンロードできるようにしてもよい。
また、上述の実施形態では、本発明を腕時計型の脈拍計測装置に適用する場合について説明したが、これに限らない。例えば、発光素子２１と受光素子２２とを備えた光学式センサユニット（生体情報検出部に相当）を人や動物等の生体の血流部位に取り付け、それ以外の構成は、別体とした脈拍計測装置等に広く適用が可能である。また、脈拍検出の血流部位は、手首、指に限らず、耳部等でもよい。さらに、脈拍計測装置に限らず、体動（体動ピッチ等）の検出結果を出力（表示等）する体動計測装置等の光学式の生体情報計測装置に広く適用が可能である。

本発明の第１実施形態に係る脈拍計測装置を示す図である。 脈拍計測装置の内部構造を示す図である。 （Ａ）は液晶フィルタのレイアウトを示す図であり、（Ｂ）は液晶フィルタの断面構造を示す図である。 （Ａ）は液晶フィルタのＴＦＴ層の平面図であり、（Ｂ）はＴＦＴ層を周辺構成と共に示す斜視図であり、（Ｃ）はＴＦＴ層の一部拡大図である。 ＴＦＴ層の電極構成を示す図である。 液晶フィルタの駆動波形の一例を示す図である。 脈拍計測装置のブロック図である。 脈拍計測装置の回路構成を示す図である。 脈拍計測時の主動作を示すフローチャートである。 （Ａ）〜（Ｄ）は脈拍計測装置における各部の信号波形を示す図である。 （Ａ）は帯域通過フィルタ部を通過した信号の周波数解析結果を示す図であり、（Ｂ）は低域通過フィルタ部を通過した信号の周波数解析結果を示す図である。 液晶フィルタの光透過量可変制御を示すフローチャートである。 （Ａ）〜（Ｄ）は外光受光時の液晶フィルタの表示状態を各々示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は疑似外光受光時の液晶フィルタの表示状態を各々示す図である。 本発明の第２実施形態に係る脈拍計測装置のブロック図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は液晶フィルタの表示状態を各々示す図である。 本発明の第３実施形態に係る脈拍計測装置のブロック図である。 （Ａ）〜（Ｈ）は外光受光時の液晶フィルタの表示状態を各々示す図である。

符号の説明

１…脈拍計測装置（生体情報計測装置）、２…装置本体、３…リストバンド、５…表示部、７…外装ケース、８…裏蓋、２０…生体情報検出部、２１…発光素子、２２…受光素子、３１…液晶フィルタ、３２…遮光部材、４０…フィルタ駆動部、５０…発光制御部、５１…電流電圧変換部、５２…帯域通過フィルタ部（第１フィルタ）、５３…低域通過フィルタ部（第２フィルタ）、５４、５７…増幅率変更部、５５、５８…増幅部、５６…検波部、６０…演算処理部（生体情報特定部、周波数解析部、脈拍数特定部、制御部、光透過量制御部）、６１…入力選択部、６２…Ａ／Ｄ変換部、ｆ１〜ｆ６…周波数スペクトル。

Claims (12)

1. 生体の検出部位に向けて光を照射する発光素子と、
   前記生体を介して前記光を受光して受光信号を生成する受光素子と、
   前記受光素子に入射する光の透過量を増減させる光透過量可変フィルタと、
   前記光透過量可変フィルタの光透過量を制御する光透過量制御部と、
   前記受光信号のうち、前記光の発光周波数を含む第１周波数範囲の第１信号成分の包絡線の波形データに周波数解析を施して複数の周波数スペクトルを特定すると共に、前記第１周波数範囲及び脈拍数相当の周波数より低い第２周波数範囲の第２信号成分の波形データに周波数解析を施して周波数スペクトルを特定し、前記第１信号成分に含まれる周波数スペクトルと、前記第２信号成分に含まれない周波数スペクトルとに基づいて、脈拍数に対応する脈動成分を特定する生体情報特定部とを備え、
   前記生体情報特定部は、前記第１信号成分の包絡線の波形データから得た前記複数の周波数スペクトルと、前記第２信号成分の波形データから得た前記周波数スペクトルとの両方に含まれる同一周波数の周波数スペクトルを特定する処理を実行する周波数解析部を有し、
   前記生体情報特定部が前記同一周波数の周波数スペクトルを特定できない場合に、前記受光素子が前記生体の体動に連動して受光可能な疑似外光を照射する疑似外光照射部を有することを特徴とする生体情報計測装置。
2. 請求項１に記載の生体情報計測装置において、
   前記光透過量制御部は、前記受光素子の受光量が飽和レベル以下になるまで、前記光透過量可変フィルタの光透過量を最大透過状態よりも下げることを特徴とする生体情報計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の生体情報計測装置において、
   前記生体情報特定部は、前記第１信号成分の包絡線の波形データから得た前記複数の周波数スペクトルと、前記第２信号成分の波形データから得た前記周波数スペクトルとの両方に含まれる同一周波数の周波数スペクトルを特定する処理を実行する周波数解析部と、
   前記周波数解析部が前記同一周波数の周波数スペクトルを特定した場合に、前記第１信号成分に含まれる前記周波数スペクトルのうち、前記同一周波数の周波数スペクトルを除く周波数スペクトルから脈拍数に対応する脈動成分に相当する脈波スペクトルを特定し、当該脈波スペクトルから脈拍数を特定する脈拍数特定部とを有することを特徴とする生体情報計測装置。
4. 請求項３に記載の生体情報計測装置において、
   前記光透過量制御部は、前記周波数解析部による前記第１信号成分の周波数解析結果から受光平均レベルを求め、当該受光平均レベルを基準に、前記周波数解析結果内に所定レベルのピークが存在するか否かを判定し、前記ピークが存在するまで、前記光透過量可変フィルタの光透過量を最大透過状態よりも下げることを特徴とする生体情報計測装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の生体情報計測装置において、
   前記生体情報特定部は、前記受光信号のうちの前記生体の体動周波数範囲を通過させて前記第２周波数範囲の第２信号成分を抽出する低域通過フィルタを有することを特徴とする生体情報計測装置。
6. 請求項２乃至５のいずれか一項に記載の生体情報計測装置において、
   前記光透過量制御部は、前記光透過量可変フィルタのうち、前記発光素子の光を入射する第１領域と異なる第２領域の光透過量を最大透過状態よりも下げることを特徴とする生体情報計測装置。
7. 請求項６に記載の生体情報計測装置において、
   前記光透過量制御部は、前記光透過量可変フィルタの前記第２領域に対し、中間調領域或いは非透過領域を増やすことを特徴とする生体情報計測装置。
8. 請求項６又は７に記載の生体情報計測装置において、
   前記第１領域を前記光透過量可変フィルタの平面視中央領域にしたことを特徴とする生体情報計測装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の生体情報計測装置において、
   前記光透過量可変フィルタは、透過型液晶パネルであることを特徴とする生体情報計測装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の生体情報計測装置において、
    前記生体情報特定部は、前記受光信号のうちの前記光の発光周波数を略中心周波数とする周波数範囲を通過させて前記第１周波数範囲の第１信号成分を抽出する帯域通過フィルタを有することを特徴とする生体情報計測装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の生体情報計測装置において、
    前記発光素子は、単一ピーク波長の赤外光又は単一ピーク波長の赤色光を照射することを特徴とする生体情報計測装置。
12. 生体の検出部位に向けて光を照射し、
    受光素子により前記生体を介して前記光を受光して受光信号を生成すると共に、光透過量制御部により前記受光素子に入射する光が透過する光透過量可変フィルタの光透過量を制御し、
    前記受光信号のうち、前記光の発光周波数を含む第１周波数範囲の第１信号成分の包絡線の波形データに周波数解析を施して複数の周波数スペクトルを特定すると共に、前記第１周波数範囲及び脈拍数相当の周波数より低い第２周波数範囲の第２信号成分の波形データに周波数解析を施して周波数スペクトルを特定し、前記第１信号成分に含まれる周波数スペクトルと、前記第２信号成分に含まれない周波数スペクトルとに基づいて、脈拍数に対応する脈動成分を特定する処理を実行し、
    前記脈拍数に対応する脈動成分を特定する処理では、前記第１信号成分の包絡線の波形データから得た前記複数の周波数スペクトルと、前記第２信号成分の波形データから得た前記周波数スペクトルとの両方に含まれる同一周波数の周波数スペクトルを特定する処理を実行し、
    前記同一周波数の周波数スペクトルを特定できない場合に、疑似外光照射部により、前記受光素子が前記生体の体動に連動して受光可能な疑似外光を照射することを特徴とする生体情報計測装置の制御方法。
    

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