JP6723132B2 - 脈拍測定装置、光量制御方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は脈拍測定装置に関し、例えば被検体に対して光を照射して脈拍情報を生成する脈拍測定装置に関する。

本発明は、上記脈拍測定装置における光量制御方法及びプログラムに関する。

ＬＥＤ（light emitting diode）などの発光器と、フォトトランジスタ又はフォトダイオードなどの光検出器とを用いた脈拍センサを使った脈拍測定装置（脈拍計）が知られている。関連技術として、脈拍の測定が可能なバイタルセンサモジュールが特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のバイタルセンサモジュールは、基板の表面上に配置された発光素子と、基板の表面上に発光素子と離隔して配置された受光素子とを有する。

ところで、脈波の検出感度には個人差があるため、実質的に一定の出力（脈波の振幅）を得るためには、被検者に応じて発光素子の発光量を変化させる必要がある。特許文献１には、脈波の測定に先立って光キャリブレーションを実施し、脈波の測定の際の発光素子の発光量を最適化することが記載されている。光キャリブレーションでは、発光素子の発光量を相対的に低い状態から高い状態へと変化させつつ受光素子の出力をモニタし、被検者に最適な発光量を決定する。

特開２０１６−８６８７３号公報

しかしながら、特許文献１では、光キャリブレーションは測定前の１回だけ実施され、その後の脈波の測定において、発光素子の発光量は、光キャリブレーションで決定された発光量に固定される。従って、特許文献１では、測定開始後の測定状況の変化に応じて光キャリブレーションが実施されないという問題があった。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態によれば、脈拍測定装置及び光量制御方法は、加速度センサが検出した加速度に基づいて被検体が静止状態にあるか否かを判定し、静止状態であると判定された場合に、脈拍信号の信号品質に基づいて被検体に向けて出射される光の光量を制御する。

また、一実施の形態によれば、プログラムは、プロセッサに、加速度センサが検出した加速度に基づいて被検体が静止状態にあるか否かを判定し、静止状態であると判定された場合に、脈拍信号の信号品質に基づいて被検体に向けて出射される光の光量を制御する処理を実行させるためのものである。

前記一実施の形態によれば、脈拍測定装置、光量制御方法、及びプログラムは、測定開始後でも発光部の発光量を調整することができる。

一実施形態に係る脈拍測定装置を示すブロック図。 測定開始時の光キャリブレーションの動作手順を示すフローチャート。 光検出器が出力する光検出信号の例を示すグラフ。 飽和アラーム範囲の設定例を示す図。 脈拍の測定中に実施される光キャリブレーションの動作手順を示すフローチャート。 脈拍の測定中における各部の動作波形を示す図。

実施形態の説明に先立って、下記の実施形態を想到するに至った経緯を説明する。測定開始前の光キャリブレーションは、例えば以下の手順で実施される。キャリブレーション開始直後、発光素子の発光量はデフォルト値、例えば最大値に設定されており、発光素子の発光量は、点滅ごとに徐々に低下させられる。発光量が低下していくと、受光素子で検出される反射光の検出信号が飽和状態から回復し、反射光の検出信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するΔΣＡＤ変換器のＡＤ値がその中央値（例えば値０）になったところで、発光量が固定される。

通常、ΔΣＡＤ変換器の前段には、信号を増幅し、かつ信号のレベルを調整するためのＰＧＡ（Programmable Gain Amplifier）が配置される。ΔΣＡＤ変換器に入力される信号のレベルは、ＰＧＡに供給される基準電圧を用いて調整される。上記光キャリブレーションでは、ＰＧＡに供給される基準電圧は、キャリブレーションが完了するまでデフォルト値（所定の値）に固定される。

しかしながら、本発明者は、上記光キャリブレーションには以下のような問題点があることに気が付いた。第１の問題点は、発光素子の発光量は光キャリブレーションによって固定され、その後に測定状況に変化が生じても、発光素子の発光量は固定されたままであるということである。第２の問題点は、ＰＧＡの基準電圧のデフォルト値が最大値に近い場合は、使用中の外光の侵入や発汗などに起因する反射光により飽和の危険性が高まるため、基準電圧のデフォルト値はマージンを持たせて低めに設定する必要があるということである。

第３の問題点は、上記光キャリブレーションでは、ΔΣＡＤ値が一度でも中央値になれば、そこで光キャリブレーションが終了となり、同一人物でも発光量が安定しないことがあるということである。第４の問題点は、光キャリブレーションにおいて、発光量を徐々に下げていく場合は、必然的に、発光量は高めの傾向を示すということである。これは、状況によっては飽和しやすい設定であり、好ましくない場合もある。第５の問題点は、発光量の調整はΔΣＡＤ値のモニタを伴い、値が固定されるまで例えば２秒〜４秒程度の時間が必要であるということである。第６の問題点は、発光素子の発光量は同一の値から開始されており、色白又は色黒などの個人差をカバーできておらず、測定しにくいケースも多いということである。

以下、図面を参照しつつ、上記課題の少なくとも１つを解決するための手段を適用した実施形態を詳細に説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、又はその他の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、又はそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、何れかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスク）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、及び半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクション又は実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部又は全部の変形例、応用例、詳細説明、又は補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（動作ステップ等も含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、又は位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等（個数、数値、量、範囲等を含む）についても同様である。

［構成］
図１は、一実施形態に係る脈拍測定装置を示す。脈拍測定装置１０は、ＰＧＡ１１、ＡＤ変換器１２、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部１３、信号品質演算部１４、体動レベル判定部１５、光量決定部１６、ＤＡＣ（Digital to Analog Convertor）１７、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）２１、光検出器２２、及び加速度センサ２３を有する。脈拍測定装置１０は、例えば被検者（被検体）に装着されるウェアラブル型の装置である。脈拍測定装置１０は、例えばリストバンド型の装置として構成され、ユーザの腕や手首などに装着される。脈拍測定装置１０は、例えばバッテリで駆動される。

ＬＥＤ２１は、発光部を構成し、被検体に向けて光を出射する。ＬＥＤ２１は、被検体において血管が存在する測定部位に向けて、光を出射する。被検体は人間であってもよいし、人間以外の動物であってもよい。ＬＥＤ２１は、例えば、図示しない制御部の制御に従って、パルス状の光を周期的に測定部位に向けて出射する。ＬＥＤ２１が出射する光の波長は、測定条件などに従って適宜選定されている。

光検出器２２は、ＬＥＤ２１から出射した光が被検体で反射した反射光を受光し、反射光の検出信号（光検出信号）を出力する。光検出器２２には、例えばフォトトランジスタ又はフォトダイオードなどを用いることができる。光検出器２２が出力する光検出信号は、血管における脈動に応じてその信号強度が変化する。ＬＥＤ２１と光検出器２２とは、例えば同じ基板上に位置を隔てて並べて配置される。

ＰＧＡ１１は、光検出器２２が出力する光検出信号を増幅する。ＰＧＡ１１は、例えばゲインを変更可能なプログラマブル計装アンプとして構成される。ＰＧＡ１１は、ＡＤ変換器１２に入力される光検出信号の信号レベルを変化させることが可能に構成されている。ＡＤ変換器１２は、光検出器２２が出力する光検出信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器１２には、例えばデルタシグマ型のＡＤ変換器が用いられる。ＦＦＴ部１３は、デジタル値に変換された光検出信号に対して高速フーリエ変換を実施し、脈拍信号（脈波信号）を生成する。ＦＦＴ部１３は、脈拍信号生成部を構成する。

信号品質演算部１４は、ＦＦＴ部１３が生成した脈拍信号の信号品質を演算する。信号品質演算部１４は、例えば脈拍信号のＳＮ比（Signal to Noise Ratio）を演算する。信号品質演算部１４は、例えば高速フーリエ変換により得られた脈拍信号のスペクトラムのピーク部分とその周辺部分との面積の比を、ＳＮ比として算出する。信号品質演算部１４は、脈拍信号の直流成分と交流成分とを求め、それらの比をＳＮ比として算出してもよい。

加速度センサ２３は、被検体の加速度を検出する。加速度センサ２３は、例えば脈拍測定装置１０を構成するリストバンド型の装置の内部に収容されている。体動レベル判定部（体動判定部）１５は、加速度センサ２３が検出した加速度に基づいて、被検体が静止状態にあるか否かを判定する。

光量決定部１６は、ＬＥＤ２１の発光量の制御を行う。以下では、ＬＥＤ２１の発光量の制御（調整）を光キャリブレーションとも呼ぶ。ＬＥＤ２１の発光量は供給される電流の大きさで決まり、光量決定部１６は、ＬＥＤ２１に供給する電流を制御することで、ＬＥＤ２１の発光量の制御を行う。光量決定部１６は、例えばあらかじめ定められた所定の範囲で、ＬＥＤ２１の発光量を制御する。

光量決定部１６は、脈拍の測定開始後、信号品質演算部１４で算出されたＳＮ比に基づいて、ＬＥＤ２１の発光量（その制御値）を決定する。本実施形態では、光量決定部１６は、脈拍の測定開始後、体動レベル判定部１５で被検体が静止状態である判定された場合、ＳＮ比に基づいて発光量を決定する。光量決定部１６は、例えば被検体が所定時間以上にわたって静止状態であると判定された場合に発光量の決定を実施する。光量決定部１６は、例えば、ＳＮ比がしきい値１以上の場合は発光量を低下させ、ＳＮ比がしきい値１よりも小さいしきい値２以下の場合は発光量を増加させる。光量決定部１６は、デジタル値をアナログ電圧に変換するＤＡＣ１７を通じて、ＬＥＤ２１に供給する電流を制御する。

ＡＤ変換器１８は、光検出器２２が出力する光検出信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器１８には、例えば逐次比較型のＡＤ変換器が用いられる。ＡＤ変換器１８の量子化ビット数は、ＡＤ変換器１２の量子化ビット数よりも少なくてよい。例えばＡＤ変換器１２には量子化ビット数２４ビットのＡＤ変換器が用いられ、ＡＤ変換器１８には量子化ビット数１０ビットのＡＤ変換器が用いられる。

バイアス設定部１９は、ＰＧＡ１１に対して基準電圧を出力し、基準電圧を通じてＰＧＡ１１が出力する信号の信号レベルを制御する。バイアス設定部１９は、ＡＤ変換器１８が変換したデジタル信号に基づいて、ＰＧＡ１１が出力する信号の信号レベルの変化量を決定する。以下では、ＰＧＡ１１における信号レベルの変化量に対応する値を、バイアス値とも呼ぶ。ＰＧＡ１１は、例えば基準電圧の大きさに応じた分だけ、光検出信号の信号レベルを低下させることで、ＡＤ変換器１２に入力される光検出信号の信号レベルを変化させる。本実施形態において、光量決定部１６は、ＰＧＡ１１における信号レベルの変化量が上限又は下限である場合は、ＬＥＤ２１に供給する電流を調整する機能も有している。

なお、脈拍測定装置１０において、ＰＧＡ１１、ＡＤ変換器１２、ＤＡＣ１７、及びＡＤ変換器１８は、例えばマイクロコンピュータの内部に配置されたハードウェアで構成され得る。ＦＦＴ部１３、信号品質演算部１４、体動レベル判定部１５、光量決定部１６、及びバイアス設定部１９の少なくとも一部の機能は、プロセッサを有するマイクロコンピュータ（アナログマイコン）において、プロセッサがプログラムに従って動作することで実現され得る。

［動作手順１：測定開始時の光キャリブレーション］
図２は、測定開始時の光キャリブレーションの動作手順を示している。測定開始時の光キャリブレーションは、例えば脈拍測定装置１０の電源投入時、或いは脈拍測定装置１０に対して脈拍測定の開始が指示された場合に実施される。光量決定部１６は、ＬＥＤ２１の発光量（供給電流の大きさの制御値）を所定の値（デフォルト値）に設定する（ステップＡ１）。光量決定部１６は、ステップＡ１では、例えばＬＥＤ２１の制御上の発光量の最大値と最小値との間の中央値を、所定の値として設定する。光量決定部１６は、ステップＡ１で設定した制御値をＤＡＣ１７に出力する。ＤＡＣ１７は、入力された制御値をアナログ電圧に変換してＬＥＤ２１に印加する。ＬＥＤ２１は、ＤＡＣ１７を通じて供給される電流に応じた発光量で発光する。

ＬＥＤ２１の発光後、光検出器２２は被検体で反射した反射光を検出し、光検出信号を出力する（ステップＡ２）。ＡＤ変換器１８は、光検出信号をデジタル信号に変換する。バイアス設定部１９は、デジタル信号に変換された光検出信号に基づいて、ＰＧＡ１１における信号レベルの変化量（バイアス値）を決定する（ステップＡ３）。ここでは、バイアス値は、ＡＤ変換された光検出信号のデジタル値と等しいものとする。バイアス設定部１９が、ステップＡ２で検出された光検出信号の大きさに応じてバイアス値を変化させることで、ＰＧＡ１１が出力する光検出信号の信号レベルを、ＡＤ変換器１２の入力電圧範囲内に収めることが可能となる。

図３は、光検出器２２が出力する光検出信号の例を示す。図３において、横軸は時間を表し、縦軸は光検出信号の大きさを表す。また、グラフＡは、非検部位の色が比較的白い場合、つまり肌の色が比較的白い場合（色白肌）の光検出信号を示す。グラフＢは、肌の色が普通の場合（普通肌）の場合の光検出信号を示す。グラフＣは、肌の色が比較的黒い場合（色黒肌）の光検出信号を示す。

図３に示されるように、光検出器２２が出力する光検出信号のレベルは、非検部位の色に依存して変化し、非検部位が白いほど、反射率が高くなって光検出信号の信号レベルが高くなる。バイアス設定部１９は、例えば光検出信号が大きいほどバイアス値を大きくし、ＰＧＡ１１において低下させる信号レベルの幅を増加させる。バイアス設定部１９は、例えばＤＡＣを含んでおり、ＡＤ変換器１８が出力するデジタル信号をアナログ電圧（基準電圧）に変換する。ＰＧＡ１１が、基準電圧に応じた分だけ信号レベルを低下させることで、肌の色に依存せずに、一定レベルの光検出信号を、ＡＤ変換器１２に入力させることができる。

図２に戻り、光量決定部１６は、ステップＡ３で決定されたバイアス値が飽和アラーム範囲に入っているか否かを判断する（ステップＡ４）。図４は、飽和アラーム範囲の設定例を示す。バイアス値は、あらかじめ設定された最小値（ＭＩＮ）から最大値（ＭＡＸ）までの範囲の値を取る。光量決定部１６は、バイアス値が、最大値ＭＡＸと、それよりも所定の値だけ小さいＢｉａｓ１との間の範囲にある場合は、飽和アラーム範囲に入っていると判断する。また、光量決定部１６は、バイアス値が、最小値ＭＩＮと、それよりも所定の値だけ大きいＢｉａｓ２との間の範囲にある場合は、飽和アラーム範囲に入っていると判断する。光量決定部１６は、バイアス値が、Ｂｉａｓ１からＢｉａｓ２までの間の範囲にある場合は、飽和アラーム範囲外であると判断する。

光量決定部１６は、ステップＡ４でバイアス値が飽和アラーム範囲に入っていると判断すると、ＬＥＤ２１の発光量の調整が可能であるか否かを判断する（ステップＡ５）。光検出信号の信号レベルが高く、従ってバイアス値が大きく設定された場合は、ＬＥＤ２１の発光量を下げることで検出信号の信号レベルを低くしたい。逆に、光検出信号の信号レベルが低く、従ってバイアス値が小さく設定された場合は、ＬＥＤ２１の発光量を上げることで光検出信号の信号レベルを高くしたい。光量決定部１６は、ステップＡ５では、意図した方向にＬＥＤ２１の発光量を調整することが可能であるか否かを判断する。

具体的に、光量決定部１６は、ステップＡ５では、例えばバイアス値が図４のＢｉａｓ１とＭＡＸとの間の範囲にある場合は、現在のＬＥＤ２１の発光量（供給電流）が制御上の最小値であるか否かを判断する。光量決定部１６は、発光量が最小値でない場合は発光量の調整は可能であると判断し、最小値である場合は調整可能ではないと判断する。また、光量決定部１６は、例えばバイアス値が図４のＭＩＮとＢｉａｓ２との間の範囲にある場合は、現在のＬＥＤ２１の発光量が制御上の最大値であるか否かを判断する。光量決定部１６は、発光量が最大値でない場合は発光量の調整は可能であると判断し、最大値である場合は調整可能ではないと判断する。

光量決定部１６は、ステップＡ５で調整可能と判断すると、所定調整量でＬＥＤ２１の発光量を増減する（ステップＡ６）。発光量の調整後、ＬＥＤ２１は調整後の発光量で発光される。その後、処理はステップＡ２戻り、光検出信号が検出される。ステップＡ５で調整可能ではないと判断された場合、例えば図示しないランプやモータなどが駆動され、光や振動によってユーザに飽和アラームが通知され（ステップＡ７）、処理は終了する。

ステップＡ２からステップＡ６で構成されるループは、ステップＡ４で飽和アラーム範囲に入っていないと判断されるまで繰り返し実施される。光量決定部１６は、ステップＡ４でバイアス値が飽和アラーム範囲に入っていないと判断すると、ＬＥＤ２１の発光量を直前に設定した（調整した）発光量に設定する（ステップＡ８）。ステップＡ８で設定された発光量は、引き続いて実施される脈拍測定の初期設定として用いられる。なお、測定開始時の光キャリブレーションの処理の間、ＦＦＴ部１３による脈拍信号の生成は実施してもよいし、実施しなくてもよい。

ここで、ステップＡ１においてＬＥＤ２１の発光量がＤＡＣ１７の制御上の最大値２２３３に設定され、かつステップＡ６におけるＬＥＤ２１の発光量の調整幅が±１００である場合を考える。上記ループは、例えば１１７［ｍｓ］単位で１周するとする。その場合に、最終的に調整されたＬＥＤ２１の発光量がＤＡＣ１７の制御上の最小値４３５であったとすると、発光量の調整を終えるまでに、ループは１８回繰り返される。このケースが、ループ回数が最大となるケースであり、調整に要する時間は２秒程度となる。ＬＥＤ２１の発光量の初期値が最大値と最小値との中央値であれば、ループ回数は半分で済み、調整に要する時間は１秒程度となる。測定開始時の光キャリブレーションでは、デルタシグマ型のＡＤ変換器１２の出力信号を使用する必要がないため、光キャリブレーションを高速に実施可能である。

［動作手順２：測定中の光キャリブレーション］
図５は、脈拍の測定中に実施される光キャリブレーションの動作手順を示す。ＬＥＤ２１の発光後、光検出器２２は、被検体で反射した反射光を検出し、光検出信号を出力する（ステップＢ１）。ＡＤ変換器１８は、光検出信号をＡＤ変換し、バイアス設定部１９は、光検出信号に基づいてバイアス値を決定する（ステップＢ２）。この場合バイアス値の決定は、図２のステップＡ３と同様である。ステップＢ２で決定されたバイアス値は、次回の光検出信号の検出の際のＰＧＡ１１の基準電圧に用いられる。

ＡＤ変換器１２は、ステップＢ２と並行して、ＰＧＡ１１を通じて入力される光検出信号をデジタル信号に変換する（ステップＢ３）。ＡＤ変換器１２が光検出信号をデジタル信号に変換することで、測定に用いられる信号が取得される。

光量決定部１６は、ステップＢ２で決定されたバイアス値が最大値又は最小値であるか否かを判断する（ステップＢ４）。光量決定部１６は、ステップＢ４でバイアス値が最大値又は最小値であると判断すると、ＬＥＤ２１の発光量の調整を実施する（発光量調整１）。

光量決定部１６は、ステップＢ４でバイアス値が最大値又は最大値であると判断すると、ＬＥＤ２１の発光量の調整が可能であるか否かを判断する（ステップＢ５）。光量決定部１６は、ステップＢ５では、意図した方向にＬＥＤ２１の発光量を調整することが可能であるか否かを判断する。

具体的に、光量決定部１６は、ステップＢ５では、例えばバイアス値が最大値ＭＡＸ（図４を参照）である場合は、現在のＬＥＤ２１の発光量が制御上の最小値であるか否かを判断する。光量決定部１６は、発光量が最小値でない場合は発光量の調整は可能であると判断し、最小値である場合は調整可能ではないと判断する。また、光量決定部１６は、例えばバイアス値が最小値ＭＩＮである場合は、現在のＬＥＤ２１の発光量が制御上の最大値であるか否かを判断する。光量決定部１６は、発光量が最大値でない場合は発光量の調整は可能であると判断し、最大値である場合は調整可能ではないと判断する。

光量決定部１６は、ステップＢ５で調整可能と判断すると、所定調整量でＬＥＤ２１の発光量を増減する（ステップＢ７）。光量決定部１６は、発光量を増減する前のＬＥＤ２１の発光量を保持する（ステップＢ８）。ステップＢ５で調整可能ではないと判断された場合、例えば図示しないランプやモータなどが駆動され、光や振動などによってユーザに飽和アラームが通知される（ステップＢ６）。以上の手順で、ＬＥＤ発光量調整１が終了する。

ステップＢ４でバイアス値が最大値又は最小値ではないと判断された場合、又は上記ＬＥＤ発光量調整１が終了した場合、ステップＢ３でデジタル値に変換された光検出信号に対する脈波抽出処理が実施される（ステップＢ９）。ステップＢ９の脈波抽出処理は、ＦＦＴ部１３が実施する光検出信号に対するＦＦＴを含む。信号品質演算部１４は、ＦＦＴ部１３がＦＦＴを実施することで生成した脈波信号のＳＮ比を算出する（ステップＢ１０）。

体動レベル判定部１５は、上記手順と並行して、加速度センサ２３から入力された信号に基づいて、体動レベルの判定を実施する（ステップＢ１１）。光量決定部１６は、ステップＢ１１で判定された体動レベルが被検体が静止している状態を示し、かつステップＢ１０で算出されたＳＮ比が所定範囲から外れているか否かを判断する（ステップＢ１２）。

光量決定部１６は、ステップＢ１２において、被検体が静止している状態が所定時間以上継続し、かつ、ＳＮ比がしきい値１以上であるか、又はＳＮ比がしきい値２以下であるかを判断する。光量決定部１６は、被検体が静止しており、かつＳＮ比が所定範囲外であると判断した場合は、ＬＥＤ２１の光量の調整を実施する（ＬＥＤ光量調整２）。光量決定部１６は、ＬＥＤ光量調整２では、ＳＮ比がしきい値１以上である場合はＬＥＤ２１の発光量を低下させ、ＳＮ比がしきい値２以下である場合はＬＥＤ２１の発光量を増加させる。

光量決定部１６は、ステップＢ１２で、被検体が静止しており、かつＳＮ比が所定範囲外であると判断した場合、ＬＥＤ２１の発光量の調整が可能であるか否かを判断する（ステップＢ１３）。光量決定部１６は、ステップＢ１３では、意図した方向にＬＥＤ２１の発光量を調整することが可能であるか否かを判断する。光量決定部１６は、ステップＢ１３では、ステップＢ８で保持した発光量（その制御値）を飽和限界値として使用し、発光量が飽和限界値以上又は以下となる場合は、発光量の調整が可能ではないと判断する。

具体的に、光量決定部１６は、ＳＮ比がしきい値１以上である場合は、現在のＬＥＤ２１の発光量が制御上の最小値又は飽和限界値以下であるか否かを判断する。光量決定部１６は、発光量が最小値又は飽和限界値以下でない場合は発光量の調整は可能であると判断し、最小値又は飽和限界値以下である場合は調整可能ではないと判断する。また、光量決定部１６は、例えばＳＮ比がしきい値２以下である場合は、現在のＬＥＤ２１の発光量が制御上の最大値又は飽和限界値以上であるか否かを判断する。光量決定部１６は、発光量が最大値又は飽和限界値以上でない場合は発光量の調整は可能であると判断し、最大値又は飽和限界値以上である場合は調整可能ではないと判断する。光量決定部１６は、ステップＢ１３で調整可能と判断すると、所定調整量でＬＥＤ２１の発光量を増減する（ステップＢ１４）。

上記において、ステップＢ８で保持した値を飽和限界値として用いるのは次の理由からである。すなわち、仮にＬＥＤ２１の発光量がステップＢ８で保持されたもの以上又は以下になっているのにＬＥＤ発光量調整２が実施されると、一度ステップＢ７において飽和が起きにくい方向に発光量の調整がなされたのにもかかわらず、ＬＥＤ発光量調整２においてその調整の前の状態よりも飽和が起こりやすい方向に発光量の調整がなされる。その場合、再度ＬＥＤ発光量調整１が必要となり、ＬＥＤ発光量調整１とＬＥＤ発光量調整２とが繰り返し実施されることになる。ステップＢ８で調整前の値を保持し、これを、これ以上発光量を調整すると飽和が発生する値（飽和限界値）として使用することで、ＬＥＤ発光量調整１とＬＥＤ発光量調整２とのループの発生を抑制できる。

以上の手順が、例えばＬＥＤ２１の発光ごとに実施され、脈拍の測定中に、ＬＥＤ２１の発光量の調整が実施される。

［動作波形例］
図６は、脈拍の測定中における各部の動作波形を示す。加速度センサ２３は、脈拍測定装置１０の稼働中、被検体の動き（加速度）を検出する。加速度センサ２３の出力信号は、被検体の動きが小さいほどその振幅が小さく、被検体の動きが大きいほどその振幅が大きい（（ａ）を参照）。加速度センサ２３の出力信号は、被検体の活動状態に合わせて、時々刻々と変化する。

体動レベル判定部１５は、例えば加速度センサ２３の出力信号の振幅をしきい値処理することで、被検体の体動レベルを判定する。体動レベル判定部１５は、加速度センサ２３の出力信号の振幅に応じて、被検体の体動レベルを、静止（レベル０）とそれ以外を判定する（（ｂ）を参照）。

信号品質演算部１４は、例えば、ＬＥＤ２１が発光されて脈拍信号が生成されるたびに、脈拍信号のＳＮ比を計算する。信号品質演算部１４が算出する脈拍信号のＳＮ比は、ＬＥＤ２１の発光量や、被検体の活動状態などに応じて変化し得る（（ｃ）を参照）。ここでは、上記ＬＥＤ発光量調整２を実施するか否かの判断基準となるＳＮ比のしきい値１が「１．８」であるとし、しきい値２が「１．０」であるとする。

ここで、時刻ｔ１で被検体が静止し、体動レベル０の状態が所定時間、例えば５秒間継続したとする。図６の（ｃ）を参照すると、時刻ｔ１の少し後の時点においても、ＳＮ比は「１．８」を超えている。この場合、光量決定部１６は、ＳＮ比が過剰であるとして、時刻ｔ２で、ＤＡＣ１７を通じてＬＥＤ２１の発光量を低下させる（（ｄ）を参照）。ＤＡＣ１７が出力する電圧が低下され、ＬＥＤ２１の発光量が低下させられることで、脈拍測定装置１０が必要以上のＳＮ比が高い状態で使用され、バッテリなどが必要以上に消費されることを抑制できる。

時刻ｔ３で被検体が活動をはじめ、体動レベルが０よりも大きくなった場合、光量決定部１６は、ＳＮ比が「１．０」以下であっても、ＬＥＤ２１の発光量の調整は実施しない。時刻ｔ４で被検体が静止状態となり、体動レベル０の状態が５秒以上継続したとする。時刻ｔ５においてＳＮ比が「１．０」を下回っていることから、光量決定部１６は、ＳＮ比が低下しているとして、ＤＡＣ１７を通じてＬＥＤ２１の発光量を増加させる（（ｄ）を参照）。ＬＥＤ２１の発光量が増加されることで、光検出器２２が出力する光検出信号の信号レベルが増加し、ＳＮ比を上げることが期待できる。

時刻ｔ６において被検体が活動をはじめ、体動レベルが０よりも大きくなった場合、光量決定部１６は、ＳＮ比が「１．０」以下であっても、ＬＥＤ２１の発光量の調整は実施しない。脈拍測定装置１０において、ＬＥＤ２１の発光量の調整は、体動レベルが０であるという条件と、ＳＮ比が「１．０」〜「１．８」の範囲から外れたという条件との双方が成立する場合に実施される。

［まとめ］
本実施形態では、体動レベル判定部１５は、加速度センサ２３から取得した情報に基づいて被検体が静止状態にあるか否かを判断する。信号品質演算部１４は、脈拍信号の信号品質を算出する。光量決定部１６は、体動レベル判定部１５で被検体が静止状態にあると判定された場合、信号品質演算部１４で算出された信号品質に基づいてＬＥＤ２１の発光量を制御する。本実施形態では、脈拍の測定を実施中に、ＬＥＤ２１の発光量の調整を実施でき、測定開始後に測定状況などが変化した場合でも、その変化に対応した発光量の調整が可能である。

本実施形態では、光量決定部１６は、被検体が静止状態にあり、かつ脈拍信号の信号品質（ＳＮ比）がしきい値２以下であれば、ＬＥＤ２１の発光量を増加させる。このようにすることで、被検体に対してより強い光が照射され、その結果として光検出器２２で検出された光検出信号において脈波の成分を高めることができる。光量決定部１６は、被検体が静止状態にあり、かつ脈波信号の信号品質がしきい値１以上の場合は、ＬＥＤ２１の発光量を低下させる。この場合、脈拍測定装置１０が必要以上に脈拍信号の信号品質が高い状態で使用されることを抑制でき、ＬＥＤ２１の発光量を低下させることで、低消費電力化が可能である。

ここで、被検体が静止状態にあることのみを条件にＬＥＤ２１の発光量の調整を実施したとすると、ＬＥＤ２１の発光量を増やせばよいのか、或いは減らせばよいのかの判断がつかない。また、脈拍信号の信号品質のみを条件にＬＥＤ２１の発光量の調整を実施したとすると、被検体が静止状態にない場合も、脈拍信号に基づく発光量の調整が実施されることになる。一般に、被検体が静止状態にない場合、脈拍信号の信号品質は静止状態にある場合に比べて低下し、ＬＥＤ２１の発光量の制御では、発光量を増加させる方向にしか調整されないことが考えられる。その場合、やがてセンシング領域をオーバーして飽和が発生するリスクがある。

本実施形態では、加速度センサ２３を用いた被検体の静止状態の判定と、信号品質演算部１４が算出する信号品質の監視とが組み合わせられる。それらを組み合わせることで、脈拍測定装置１０において脈拍の測定中にも、ＬＥＤ２１の発光量を適切に調整することが可能となる。ＬＥＤ２１の発光量を適切に設定することで、測定精度を劣化させずに、消費電力を低減することが可能となる。

また、本実施形態では、バイアス設定部１９は、ＡＤ変換器１８を用いてデジタル信号に変換された光検出信号に基づいて、ＰＧＡ１１に入力する基準電圧を決定する。本実施形態では、光検出信号の信号レベルに応じて基準電圧を変化させることで、個人差による反射率の違いをカバーでき、ＡＤ変換器１２に入力される光検出信号の信号レベルを適切なレベルとすることができる。また基準電圧をダイレクトで設定できるため、ＬＥＤ２１の発光量の調整に要する時間が短縮できる。マイクロコンピュータには、計測に用いられるデルタシグマ型のＡＤ変換器の他に、それよりも量子化ビット数が少ない逐次比較型のＡＤ変換器が含まれている場合がある。その場合に、デルタシグマ型のＡＤ変換器を脈波信号の生成に用いつつ、逐次比較型のＡＤ変換器をＰＧＡ１１の基準電圧の設定に利用することで、追加リソースなしで、基準電圧の適切な設定が可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１０：脈拍測定装置
１１：ＰＡＧ
１２：ＡＤ変換器
１３：ＦＦＴ部
１４：信号品質演算部
１５：体動レベル判定部
１６：光量決定部
１７：ＤＡＣ
１８：ＡＤ変換器
１９：バイアス設定部
２１：ＬＥＤ
２２：光検出器
２３：加速度センサ

Claims (9)

1. 被検体に光を出射する発光部と、
   前記被検体から入射する光を検出し、光検出信号を出力する光検出器と、
   前記光検出信号に基づいて脈拍信号を生成する脈拍信号生成部と、
   前記脈拍信号の信号品質を演算する信号品質演算部と、
   前記被検体の加速度を検出する加速度センサと、
   前記加速度センサが検出した加速度に基づいて前記被検体が静止状態にあるか否かを判定する体動判定部と、
   前記体動判定部で被検体が静止状態にあると判定された場合、前記信号品質に基づいて前記発光部の発光量を制御する発光量制御部と、
   前記光検出信号をデジタル信号に変換し、該変換したデジタル信号を前記脈拍信号生成部に出力する第１のアナログデジタル変換器と、
   前記第１のアナログデジタル変換器に入力される光検出信号の信号レベルを変化させることが可能に構成されたプログラマブルゲインアンプと、
   前記光検出信号をデジタル信号に変換する第２のアナログデジタル変換器と、
   前記第２のアナログデジタル変換器が変換したデジタル信号に基づいて、前記プログラマブルゲインアンプにおける光検出信号の信号レベルの変化量を決定するバイアス設定部とを備える脈拍測定装置。
2. 前記発光量制御部は、前記信号品質が第１のしきい値以上の場合は前記発光量を低下させ、前記信号品質が第１のしきい値よりも小さい第２のしきい値以下の場合は前記発光量を増加させる請求項１に記載の脈拍測定装置。
3. 前記第１のアナログデジタル変換器はデルタシグマ型のアナログデジタル変換器である請求項１に記載の脈拍測定装置。
4. 前記第１のアナログデジタル変換器の量子化ビット数は、前記第２のアナログデジタル変換器の量子化ビット数よりも多い請求項１に記載の脈拍測定装置。
5. 前記発光量制御部は、更に、前記プログラマブルゲインアンプにおける信号レベルの変化量が上限又は下限である場合、前記発光部の発光量を調整する請求項１に記載の脈拍測定装置。
6. 前記発光量制御部は、前記調整を実施する前の前記発光量の制御値を保持しておき、前記発光量の制御において前記発光量を低下させる場合は、現在の前記発光量の制御値が前記保持した制御値よりも大きければ前記発光量の制御を実施し、前記発光量の制御において前記発光量を増加させる場合は、現在の前記発光量の制御値が前記保持した制御値よりも小さければ前記発光量の制御を実施する請求項５に記載の脈拍測定装置。
7. 前記発光量制御部は、前記静止状態が所定時間以上継続した場合に、前記発光量の制御を実施する請求項１に記載の脈拍測定装置。
8. 被検体に向けて光を出射させるステップと、
   前記光が前記被検体で反射した反射光を検出するステップと、
   前記反射光の検出信号の信号レベルを、プログラマブルゲインアンプを用いて変化させるステップと、
   前記信号レベルが変化された前記検出信号を、第１のアナログデジタル変換器を用いて第１のデジタル信号に変換するステップと、
   前記反射光の検出信号を、第２のアナログデジタル変換器を用いて第２のデジタル信号に変換するステップと、
   前記第２のデジタル信号に基づいて、前記プログラマブルゲインアンプにおける前記検出信号の信号レベルの変化量を決定するステップと、
   前記第１のデジタル信号に基づいて脈拍信号を生成するステップと、
   前記脈拍信号の信号品質を演算するステップと、
   前記被検体の加速度を加速度センサを用いて検出し、該検出した加速度に基づいて前記被検体が静止状態にあるか否かを判定するステップと、
   被検体が静止状態にあると判定した場合、前記信号品質に基づいて前記被検体に向けて出射される光の光量を制御するステップとを有する脈拍測定装置における光量制御方法。
9. プロセッサに、
   被検体に向けて光を出射させるステップと、
   前記光が前記被検体で反射した反射光の検出信号を第１のアナログデジタル変換器を用いてデジタル信号に変換することで得られる第１のデジタル信号に基づいて脈拍信号を生成するステップと、
   前記検出信号を第２のアナログデジタル変換器を用いてデジタル信号に変換することで得られる第２のデジタル信号に基づいて、前記第１のアナログデジタル変換器に入力される前記検出信号の信号レベルを変化させるプログラマブルゲインアンプにおける前記検出信号の信号レベルの変化量を決定するステップと、
   前記脈拍信号の信号品質を演算するステップと、
   加速度センサを用いて検出された前記被検体の加速度に基づいて前記被検体が静止状態にあるか否かを判定するステップと、
   被検体が静止状態にあると判定した場合、前記信号品質に基づいて前記被検体に向けて出射される光の光量を制御するステップとを含む処理を実行させるためのプログラム。