JP2012070828A - 生体情報検出器及び生体情報測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 生体情報検出器は、関心波長(λ0)を含む発光波長帯域(λ01〜λ02)の光を発する発光部14と、生体情報を有する光R1’を受ける受光部16と、生体情報を有する光R1’を反射面18−1で受光部16に反射させる反射部18と、被検出部位と受光部16との間に設けれ、関心波長(λ0)を透過させるフィルター19−1と、を含む。フィルター19−1への入射光の入射角θが所与の角度である時に、フィルター19−1を通過する入射光の最大波長(λ21)は、関心波長(λ0)よりも高く、フィルター19−1は、入射光の最大波長(λ21)から少なくとも受光波長帯域の最大波長(λmax)までの波長帯域の光を抑制する。所与の角度以下の入射角θを持つ光のみが受光部16に到達するように、反射面18−1が構成される。
【選択図】 図1
Description
前記発光波長帯域を含む受光波長帯域に感度を有し、前記発光部が発する光が前記被検出部位にて反射された、生体情報を有する光を受ける受光部と、
反射面を有し、前記生体情報を有する光を前記反射面で前記受光部に反射させる反射部と、
前記被検出部位と前記受光部との間に設けられ、前記関心波長を透過させるフィルターと、を含み、
前記フィルターへの入射光の入射角が所与の角度である時に、前記フィルターを通過する前記入射光の最大波長は、前記関心波長よりも高く、前記フィルターは、前記入射光の前記最大波長から少なくとも前記受光波長帯域の最大波長までの波長帯域の光を抑制し、
前記所与の角度以下の入射角を持つ光のみが前記受光部に到達するように、前記反射面が構成されることを特徴とする生体情報検出器に関係する。
前記関心波長に対して透明な材料で構成され、第1の面に前記発光部が配置され、且つ前記第1の面と対向する第2の面に前記受光部が配置される基板と、
前記基板に対して前記第1の面側に配置され、前記関心波長に対して透明な材料で構成され、前記被検査体との接触面を有する接触部と、をさらに含んでもよく、
前記反射部は、前記基板に対して前記第2の面側に配置されてもよい。
前記受光部において生成される受光信号から前記生体情報を測定する生体情報測定部と、を含み、
前記生体情報は、脈拍数であることを特徴とする生体情報測定装置に関係する。
1.1. 生体情報検出器の構成例
図1は、本実施形態の生体情報検出器の構成例を示す。図1に示されるように、生体情報検出器は、発光部14、受光部16、フィルター19−1及び反射部18を含む。発光部14は、被検査体(例えば、ユーザー)の被検出部位O(例えば血管)に向かう光R1を発する。受光部16は、発光部14が発する光R1が被検出部位Oにて反射された、生体情報を有する光R1’(反射光)を受ける。フィルター19−1は、被検出部位Oと受光部16との間に設けられている。反射部18は、反射面18−1を有し、生体情報を有する光R1’を反射面18−1で反射させる。反射部18は、発光部14と受光部16との間の光路に設けたドーム面(球面又は放物面)に反射面18−1を有することができる。図1の例では、断面視において、反射部18の反射面18−1は、球面を規定する円弧を表すが、放物面を規定する放物線を表してもよい。
図2(A)、図2(B)は、外光の進入経路の説明図である。様々な方向から多くの外光が被検査体の内部に進入するが、図2(A)に示されるように、平面視において、外光R3は、例えば被検出部位Oの末梢側(例えば手の甲の側)から中枢側(腕の付け根)への第1の方向DR1から被検査体の内部に進入する。外光R3は、被検査体の内部で、例えば腱や骨等の障害物の存在しない箇所で拡散又は散乱する。また、外光は、例えば被検出部位Oの中枢側から末梢側への第2の方向からも被検査体の内部に進入することができる。図2(B)に示されるように、第1の方向DR1に被検査体内を伝搬した外光R3’(伝搬光)は、被検査体の外部に戻る。本発明者は、このような伝搬光が生体情報検出器、特に手首装着型の生体情報検出器にノイズを与えることを認識した。他方、手首の裏側から表側に向かう外光R4は、被検査体の内部をほとんど透過せず、本発明者は、手首の裏側から表側に向かう外光R4の影響を検討する必要がないことを認識した。
図1には、フィルターとしてフィルター19−1が図示されているが、図示されていない他のフィルターを被検出部位Oと受光部16との間に設け、比較例を構成することができる。フィルター19−1で抑制できなかった外光R3’を、他のフィルター15で抑制することができる。このような比較例は、本出願時において当業者に公然と知られたものではなく、本出願時において新規な構成である。他のフィルター(図示せず)は、被検出部位Oと受光部16との間に設け、例えば基板11に配置することができる。他のフィルターは、図6に示す発光波長帯域(λ01〜λ02)内の関心波長(λ0:λ01<λ0<λ02)の光を透過させ、関心波長(λ0)よりも高い受光波長帯域内の第1の波長帯域(図4に示すλ11〜λ12:λ0<λ11<λ12)の光を抑制するものである。第1の波長帯域は、波長λ11から波長λ12までの帯域であり、波長λ11は、被検出部位Oの末梢側と被検出部位Oの中枢側との間で被検査体内を伝搬する外光強度R3’の増加特性が、図3に示す緩傾斜C1から急傾斜C2に移行する変化点の波長(λ1)以下である(λ0<λ11≦λ1)。
フィルター19−1は、関心波長(λ0)を透過させ、第2の波長帯域(図5(A)(B)のλ21〜λ22)の光を抑制する。第2の波長帯域の下限(λ21)は、フィルター19−1を通過する光の最大波長でもある。第2の波長帯域の下限(λ21)は、第1の波長(λ21)以上であり、上限(λ22)は第1の波長(λ21)よりも高く受光波長帯域(図7の最大波長λmax)以上の第2の波長(λ22)である。
こうして、比較例では、フィルター19−1及び他のフィルターは、発光波長帯域内の関心波長λ0を透過させ、受信感度帯域内にてノイズとなり得る伝播光R3’の最短波長(λ1)以上の全ての光を抑制することができる。
図4は、他のフィルターの透過特性の一例を示す。図4の例において、他のフィルターは、色素吸収フィルターである。図4の例では、600[nm]〜700[nm]の範囲の波長を持つ光の透過率は、0[%]を示す。580[nm]〜730[nm]の範囲の波長を持つ光の透過率は、5[%]以下を示す。565[nm]〜740[nm]の範囲の波長を持つ光の透過率は、10[%]以下を示す。他のフィルターが光抑制特性を示す第1の波長帯域とは、好ましくは透過率10%以下とすることができるが、比較例では、例えば透過率が5%以下の波長帯域である580[nm]〜730[nm]の範囲を第1の波長帯域と称する。透過率が好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下であれば、生体内部を伝搬する外光R3’は元々微弱強度であるので、10%以下の透過率に絞られた後に受光部16にて受光されたとしても、S/Nを比較的高く維持できるからである。このように、他のフィルターは、第1の波長帯域(例えば、波長λ11=580[nm]〜波長λ12=730[nm])の光を抑制することができる。第1の波長帯域が、少なくとも外光R3’(伝搬光)のうちノイズとなり得る最短波長(580[nm])から開始することで、特許文献1及び特許文献2で検討されていなかった太陽光(伝搬光)の影響を抑制することができる。
図5(A)、図5(B)は、図1のフィルター19−1の透過特性の一例を示す。フィルター19−1は、単独で本実施形態に使用することができ、他のフィルターと一緒に比較例に使用することができる。図5(A)、図5(B)の例において、フィルター19−1は、誘電体多層フィルターである。図5(A)では、フィルター19−1に垂直に光(入射光)を透過させ、入射角θは、0[degree]である。図5(B)では、フィルター19−1に斜めに光を透過させ、入射光の入射角θは、45[degree]である。図5(A)、図5(B)に示すように、誘電体多層フィルターの透過率は、光の入射角θに依存する。
図6は、発光部14が発する光の強度特性の一例を示す。図6の例において、525[nm]の波長を持つ光の強度が、最大値を示し、その強度で他の波長を持つ光の強度は正規化されている。また、図6の例において、発光部14が発する光の波長の範囲(発光波長帯域)は、485[nm]〜575[nm]である。図6の例では、505[nm]〜540[nm]の範囲の波長を持つ光の相対強度は、0.5(=50[%])以上を示す。言い換えれば、発光部14が発する光の半値幅は、30[nm]である。また、500[nm]〜555[nm]の範囲の波長を持つ光の相対強度は、0.1(=10[%])以上を示す。発光部14が発する光の関心波長は、最大値である525[nm]でもよく、例えば500[nm]〜555[nm]の範囲を発光部14が発する光の関心波長に設定してもよい。要は、関心波長λ0とは、発光波長帯域(λ01〜λ02)に含まれ、被検出部位Oにて吸光されて反射強度が変化する波長(広義には生体情報を含む波長)であって、かつ、フィルター19−1で抑制されない光の波長であれば良い。
図7は、受光部16が受ける光の感度特性の一例を示す。図7の例において、875[nm]の波長を持つ光の感度が、最大値を示し、その感度で他の波長の持つ光の感度は正規化されている。図7の例において、受光部16は、Siフォトダイオードである。受光部16は、図7の例に限定されず、例えば800[nm]〜1000[nm]の範囲に感度の最大値(広義には、ピーク値)を持つ他のSiフォトダイオードでもよい。また、受光部16は、例えば550[nm]〜650[nm]の範囲に感度の最大値(広義には、ピーク値)を持つGaAsPフォトダイオード等のフォトダイオードであってもよい。受光部16の厚さは、例えば、20[μm]〜1000[μm]である。Siフォトダイオードは、GaAsPフォトダイオードよりも安価であるが、赤外線を感知するので、比較例では、他のフィルターだけでなく、フィルター19−1も必要となる。
図1の例において、フィルター19−1は、被検出部位Oと受光部16との間の光路に設けられている。図1の例では、外光R3’(伝搬光)が生じる場所と反射光R1’が生じる場所は異なるが、被検出部位O付近の被検査体まで、外光R3は、伝搬する。即ち、被検出部位Oと受光部16との間の光路にフィルター19−1を設ければ、外光R3’(伝搬光)を抑制することができる。手首装着型の生体情報検出器では、歩行中等の手首の動きに伴い、外部の太陽光等の外光R3が生体情報検出器に進入し易いので、フィルター19−1の存在は、重要である。
図8(A)、図8(B)は、反射部18の反射面18−1の反射特性の一例を示す。図1の例では、断面視において、反射部18の反射面18−1は、球面を規定する円弧を表し、図8(A)の例では、円弧の曲率半径は、2.55[mm]であり、円弧の高さは、1.25[mm]である。図8(B)の例では、円弧の曲率半径は、3.5[mm]であり、円弧の高さは、1.7[mm]である。図8(A)、図8(B)において、反射部18への入射光の強度を最大値に設定する場合、その強度で反射面18−1での反射光の強度は正規化されている。また、図1の第1の方向DR1の入射角を例えば正の入射角とし、図1の第1の方向DR1の反対方向の入射角を例えば負の入射角とすることができる。
図9は、好ましいフィルター19−1の透過特性の一例を示す。図9の例において、フィルター19−1は、誘電体多層フィルターであり、フィルター19−1に斜めに光を透過させ、入射角θは、30[degree]である。フィルター19−1への入射光の入射角θが30[degree]である時の第1の波長λ21(カットオフ波長)は、被検査体内を伝搬した外光R3’のうちノイズとなり得る最短波長(580[nm])に設定することができる。これにより、ノイズを効果的に抑制することができる。また、図9に示されるような透過特性を持つフィルター19−1を採用する場合、30[degree]以下の入射角θを持つ入射光のみが受光部16に到達するように、反射面18−1を設計することが好ましい。
図10は、本実施形態の生体情報検出器の他の構成例を示す。図10に示されるように、基板11の第1の面(例えば、表面)及び第1の面と対向する第2の面(例えば、裏面)に光透過膜11−1を形成することができる。また、上述した構成例と同一の構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、光透過膜11−1は、第1の面だけに形成されてもよく、又は、第2の面だけに形成されてもよい。また、図10の例において、光透過膜11−1は、発光部14及び受光部16が配置されていない基板11の光透過領域に形成される。光透過膜11−1は、例えば、ソルダーレジスト(広義には、レジスト)で構成することができる。
図11は、光透過膜11−1がコーティングされた基板11を通る光の透過特性の一例を示す。図11の例において、基板11を透過する前の光の強度と基板11を透過した後の光の強度とを用いて、透過率が計算されている。図11の例において、生体の窓の下限である700[nm]以下の波長領域において、525[nm]の波長を持つ光の透過率が、最大値を示す。或いは、図11の例において、生体の窓の下限である700[nm]以下の波長領域において、光透過膜11−1を通る光の透過率の最大値は、発光部14が発する光の波長の強度の最大値の±10%以内の範囲に入ってもよい。このように、光透過膜11−1は、発光部14が発する光(例えば、図10の第1の光R1(狭義には、第1の光R1の反射光R1’))を選択的に透過させることが好ましい。光透過膜11−1の存在により、基板11の平坦性を向上するとともに、受光部16の効率の低下をある程度防止することができる。なお、図11の例で示したように、例えば可視光領域において、525[nm]の波長を持つ光の透過率が最大値(広義には、ピーク値)を示す場合、光透過膜11−1は、例えば緑色を示す。
図14は、本実施形態の生体情報検出器のさらに他の構成例を示す。図14に示されるように、生体情報検出器は、光を反射させる反射部92を含むことができる。以下の説明において、反射部92を第1の反射部と呼び、図1等の反射部18を第2の反射部と呼ぶ。また、上述した構成例と同一の構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。図14の例において、基板11の上に光透過膜11−1が形成された後に、第1の反射部92及び受光部16が配置されている。
図18(A)、図18(B)は、図1等の生体情報検出器を含む生体情報測定装置の外観例である。図18(A)に示されるように、例えば図1の生体情報検出器は、生体情報検出器を被検査体(ユーザー)の腕(狭義には、手首)に取り付け可能なリストバンド150をさらに含むことができる。図18(A)の例において、生体情報は、脈拍数であり、例えば「72」が示されている。また、生体情報検出器は、腕時計に組み込まれ、時刻(例えば、午前8時15分)が示されている。また、図18(B)に示されるように、腕時計の裏蓋に開口部が設けられ、開口部に例えば図1の接触部19が露出する。図18(B)の例において、第2の反射部18及び受光部16は、腕時計に組み込まれている。図18(B)の例において、第1の反射部92、発光部14、リストバンド150等は、省略されている。
14A 第1の発光面、14B 第2の発光面、16 受光部、
16’ 第2の受光部、 16’’ 合成受光部、 18 反射部(第2の反射部)、
18−1 反射面、 18’ 反射部(第3の反射部)、 19 接触部、
19−1 フィルター、 61,62,63,64 配線、
61−1,63−1,64−1 ボンディングワイヤ、 82 マザーボード、
84 コネクター、 92 反射部(第1の反射部)、 92−1 支持部、
92−2 内壁面(第1の反射面)、 92−3 頂面(第2の反射面)、
92−4 鏡面部、 150 リストバンド、 161 制御回路、
162 増幅回路、 163,167 A/D変換回路、 164 脈拍数算出回路、
165 表示部、 166 加速度検出部、168 デジタル信号処理回路、
DR1 第1の方向、 DR2 第2の方向、 O 被検出部位、 R1 第1の光、
R2 第2の光、 R3 外光、 R1’,R2’ 反射光(有効光)、
R1’’ 直接反射光(無効光)、 R3’ 伝搬光(ノイズ)、
SA 被検査体の表面、 W1 第1の反射部の長さの最大値、
W2 受光部の長さの最大値、 Δh 距離、 Δh0,Δh1 高さ、
Δh2,Δh2’ 隙間、θ 入射角
Claims (7)
- 被検査体の被検出部位に向けて、関心波長を含む発光波長帯域の光を発する発光部と、
前記発光波長帯域を含む受光波長帯域に感度を有し、前記発光部が発する光が前記被検出部位にて反射された、生体情報を有する光を受ける受光部と、
反射面を有し、前記生体情報を有する光を前記反射面で前記受光部に反射させる反射部と、
前記被検出部位と前記受光部との間に設けられ、前記関心波長を透過させるフィルターと、を含み、
前記フィルターへの入射光の入射角が所与の角度である時に、前記フィルターを通過する前記入射光の最大波長は、前記関心波長よりも高く、前記フィルターは、前記入射光の前記最大波長から少なくとも前記受光波長帯域の最大波長までの波長帯域の光を抑制し、
前記所与の角度以下の入射角を持つ光のみが前記受光部に到達するように、前記反射面が構成されることを特徴とする生体情報検出器。 - 請求項1において、
前記フィルターは、誘電体多層フィルターであることを特徴とする生体情報検出器。 - 請求項1又は2において、
前記関心波長に対して透明な材料で構成され、第1の面に前記発光部が配置され、且つ前記第1の面と対向する第2の面に前記受光部が配置される基板と、
前記基板に対して前記第1の面側に配置され、前記関心波長に対して透明な材料で構成され、前記被検査体との接触面を有する接触部と、
をさらに含み、
前記反射部は、前記基板に対して前記第2の面側に配置されることを特徴とする生体情報検出器。 - 請求項3において、
前記第フィルターは、前記基板、前記受光部、前記反射部及び前記接触部のうち前記接触面を除く面の少なくとも1つに設けたことを特徴とする生体情報検出器。 - 請求項1乃至4のいずれかにおいて、
前記前記入射光の前記最大波長は、前記被検出部位の末梢側と前記被検出部位の中枢側との間で前記被検査体内を伝搬する外光強度の増加特性が、第1の傾斜から前記第1の傾斜よりも急峻な第2の傾斜に移行する変化点の波長であることを特徴とする生体情報検出器。 - 請求項5において、
前記変化点の波長は、565nm〜595nmの範囲内であることを特徴とする生体情報検出器。 - 請求項1乃至6の何れかに記載の生体情報検出器と、
前記受光部において生成される受光信号から前記生体情報を測定する生体情報測定部と、を含み、
前記生体情報は、脈拍数であることを特徴とする手首装着型の生体情報測定装置。
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