专利名称：活体信息测量装置和腕带式脉波测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及可以显示脉搏数等脉波信息的脉波测量装置等的活体信息测量装置。更详细地说，就是涉及向活体照射光、检测来自活体的反射光来测量脉波等活体信息的装置。特别是涉及在缓动、跑动和节奏运动等运动中也能测量活体信息的腕带式的脉波测量装置。
在测量脉波等活体信息的装置中，有以光学方式检测血液量的变化、并根据其检测结果显示活体信息的电子仪器。在这样的光学式脉波测量装置(活体信息测量装置)中，通过从LED(发光二极管)等发光元件向指尖等照射光、用光电晶体管等受光元件接收来自活体(血管)的反射光，以受光量的变化来检测由血液的脉波引起的血量变化、并根据这样得到的脉波信号来显示脉搏数及脉波的变化。并且，作为从发光元件照射的光，以往是使用红外线。这样，如果外光(太阳光等)射入受光元件，伴随外光的入射量的变化，受光量将发生变化，所以，在先有的脉波测量装置中，通过用遮光罩遮盖指尖等检测部分来抑制外光的影响。
但是，在先有的脉波测量装置中，不论如何增大遮盖外光的遮光罩，如果在室外等外光照射到的地方使用，一部分外光就会通过指头本身到达受光元件，从而由于外光照度的变化而容易发生脉波的误检测。因此，对于先有的脉波测量装置，有只能在外光照射不到的地方或者外光的照度一定的地方使用的限制。为了减少这种限制，必须设置更大的遮光结构来抑制外光的影响，所以，脉波测量装置不能实现小型化，从而不能作为可以测量缓动、跑动及节奏运动等运动中的脉波信息的脉波测量装置来使用。
为了解决这样的问题，在实开昭57—74009号公报中公开了除了脉波的检测装置外，还设置了检测外光的外光检测元件并根据外光检测元件对外光的检测结果补偿其影响的脉波传感器。但是，由于在脉波传感器中设置外光检测元件和补偿电路，妨碍其实现小型化和低廉化等，所以，迄今所提案的对外光的对策都缺乏实用性。
另外，对于这种脉波测量装置，近年来期望有能测量缓动、跑动及节奏运动或者马拉松运动中的脉搏数等的腕带式的脉波测量装置。为了构成这样的脉波测量装置，需要能装到指根的很小的传感器元件。因为，如果是很小的传感器元件，即使将其装到指根也能轻松地握手。
有鉴于此，本申请人研究了各种由于外光照度变化而发生脉波的误检测的原因，结果得到的结论是在先有的脉波测量装置中，由于其检测系统使用的红外线对活体的透过率太大，所以，即使罩上遮光罩外光也容易透过活体本身而到达受光元件，只要解决了这样的问题就可能得到实用的外光对策。
因此，本发明的目的旨在通过使用受外光影响不大的光学系统，实现没有庞大的遮光结构也能减少对使用条件的限制的活体信息测量装置。另外，本发明的目的还在于利用不影响缓动等运动的很小的传感器元件提供可以测量脉搏数等脉波信息的腕带式的脉波测量装置。
活体信息测量装置具有检测器和根据该检测器的检测结果显示活体信息的活体信息显示器，检测器包括向活体的一部分照射光的发光部和通过活体接收该发光部发的光的受光部，即接收来自活体的反射光的受光部。为了解决上述问题，本发明的活体信息测量装置的特征在于在该活体信息测量装置中，根据检测器在大约300nm～大约700nm的波长范围内的检测结果来显示活体信息。
在进行该波长范围内的检测时，例如，使发光部的发光波长范围至少为大约300nm～大约700nm的范围，设受光部的受光波长范围为λnm时，最好将受光波长范围取为下式表示的范围，即0＜λ≤700这样的活体信息测量装置，可以构成例如根据检测器的检测结果显示作为活体信息的脉波信息的脉波测量装置。
另外，本发明的腕带式脉波测量装置的特征在于具有传感器元件、脉波测量装置本体、腕套和电缆，传感器元件包括向指头表面照射光的发光部、可以接收该发光部所发的光中从指头反射来的光的受光部和将该受光部的受光面和发光部的发光面固定为朝向指头表面的状态的传感器固定用固定带；脉波测量装置本体具有用于显示根据受光部的受光结果而求出的脉波信息的显示部；腕套用于将该脉波测量装置本体套在手腕上；电缆从传感器元件延伸出、将受光部的受光结果输入脉波测量装置本体，脉波信息根据受光部的大约300nm～大约700nm的波长范围内的检测结果进行显示，传感器元件的大小是使其能够装到指根到指关节之间。
并且，该传感器元件在装到指根到指关节之间的状态下使用，因此，即使在这样装上了传感器元件的状态下也可以轻松地握手。
此外，作为发光部，最好使用InGaN系(铟—镓—氮系)的蓝色LED，作为受光部，最好使用GaAsP系(镓—砷—磷系)的光电晶体管。
在本发明的腕带式脉波测量装置(活体信息测量装置)中，通过从LED等发光部向指头及手腕等处照射光，用光电晶体管等受光部检测来自血管的反射光，以受光量的变化来检测由血液的脉波引起的血量变化，并根据这样得到的脉波信号显示脉搏数及脉波的变化。
这里，活体信息根据检测器的300nm～700nm的波长范围的检测结果进行显示。外光内包含的光中，波长范围小于700nm的光不能将指头作为导光体到达受光部，小于300nm的短波长范围的光几乎全部被皮肤表面所吸收。用本发明的腕带式脉波测量装置进行这一波长范围的检测时，例如将发光部的波长范围至少取为300nm～700nm的范围，将受光波长范围取为小于700nm。因此，检测结果不受外光的影响，从而可以根据只基于发光部的光的300nm～700nm的波长范围的检测结果测量活体信息。故而，只要外光不直接射入检测部分，就不会发生由外光引起的脉波的误检测，所以，不需要庞大的遮光结构。
因此，即使用能够装到拇指、食指、中指、无名指或小指的指根到指关节之间的很小的传感器元件，也完全可以将外光遮蔽。并且，只要是这样小的传感器元件，由于在装到指根部的状态下并未将指头覆盖住，所以，可以轻松地握手。因此，在进行缓动、跑动及节奏运动等运动时没有影响。
另外，血液中的血红蛋白对波长范围处于300nm～700nm范围的光的吸收系数远远大于对红外线的吸收系数。如果向活体照射符合这种血红蛋白的吸收特性的波长范围处于300nm～700nm范围的光，从活体(血管)反射的光的强度将随血量变化而发生很大的变化。因此，可以提高脉波信号的S/N比。
另外，我们知道，在测量手掌到指尖的体温的分布时，特别是在寒冷时期指尖的温度将显著降低，相反，指根的温度则比较难于降低。即，即使在寒冷时期，血流在指根部也不太降低。因此，如果将传感器元件装到指根部，即使在寒冷的日子里在室外进行跑动等运动也可以正确地测量脉搏数等活体信息。本发明的这种方式，是先有的那样使用测量指尖的血流的所谓指尖脉波测量方式所不能办到的优良的测量方式。
图1是表示本发明的一个实施例的腕带式脉波测量装置(活体信息测量装置)的使用状态的说明图。
图2(a)是图1所示的腕带式脉波测量装置中所使用的传感器元件(检测装置)的光学元件的平面图，图2(b)是表示将该腕带式脉波测量装置中所使用的传感器元件(检测装置)的传感器固定用固定带展开的状态的说明图，图2(c)是表示其他传感器元件(检测装置)的结构的说明图。
图3是表示在图1所示的腕带式脉波测量装置中装到指根部的传感器元件的状态及其动作的说明图。
图4是表示图1所示的腕带式脉波测量装置的检测装置(光学元件)的结构的平面图。
图5是沿图4的A-线的剖面图。
图6是沿图4的B-B线的剖面图。
图7是沿图4的C-C线的剖面图。
图8是表示图1所示的腕带式脉波测量装置中使用的InGaN系蓝色LED的发光频谱的说明图。
图9是表示图1所示的腕带式脉波测量装置中使用的InGaP系光电晶体管的受光特性的说明图。
图10是表示图1所示的腕带式脉波测量装置中使用的带光学滤波器的光电晶体管元件的受光特性的说明图。
图11是图1所示的腕带式脉波测量装置的数据处理电路的结构框图。
图12(a)是表示光的波长与皮肤的光透过率的关系的曲线图，图12(b)是表示光的波长与各种血红蛋白的吸光特性的关系的说明图。
图13是表示先有的脉波测量装置使用的硅系的光电晶体管的受光特性的说明图。
图14是评价外光对本实施例的腕带式脉波测量装置的侵入程度时改变对指头的遮光范围的各实验条件的说明图。
图15是评价外光对本实施例的腕带式脉波测量装置的影响时对本实施例的脉波测量装置的脉波检测结果进行频谱分析后的数据的说明图。
图16是评价外光对本实施例的腕带式脉波测量装置的影响时对其比较例的脉波测量装置的脉波检测结果进行频谱分析后的数据的说明图。
图17是表示图1所示的腕带式脉波测量装置中使用的GaP系的LED的发光频谱的说明图。
图18是表示图1所示的腕带式脉波测量装置中使用的GaAsP系光电晶体管的受光特性的说明图。
1…脉波测量装置(活体信息测量装置)10…装置本体11…表壳12…腕带13…液晶显示装置20…电缆30…传感器元件31…LED(发光部)32…光电晶体管(受光部)40…传感器固定用固定带41…洞穴50…数据处理电路51…脉波信号变换部52…脉波信号存储部53…脉波信号运算部54…脉波成分抽出部55…脉搏数运算部60…活体信息显示部70…接续器
111、112、113、114、115…按钮开关300…光学元件301…传感器框302…后盖303…后盖固定螺钉304…玻璃板305…电路基板306…销柱307…基板固定螺钉308…接地板309…晶体管311、312…突起部分下面，参照
本发明的一个实施例。(总体结构)图1是表示本实施例的腕带式脉波测量装置的使用状态的说明图。图2(a)是该腕带式脉波测量装置使用的传感器元件(检测装置)的光学元件的平面图，图2(b)是表示将该腕带式脉波测量装置使用的传感器元件(检测装置)的传感器固定用固定带展开的说明图，图2(c)是表示其他传感器元件(检测装置)的结构的说明图，图3是表示装到指根的传感器元件(检测装置)的状态及其动作的说明图。
在图1中，在本实施例的腕带式脉波测量装置1(活体信息测量装置)中，大致由具有手表结构的装置本体10(脉波测量装置本体)、与该装置本体10连接的电缆20(信号传送部)和设置在该电缆20的前端的传感器元件30构成。装置本体10利用腕套12可以对手腕自由地装脱。传感器元件30具有宽度约为15mm的传感器固定用固定带40，利用该传感器固定用固定带40装到食指的根部。对于从传感器元件30延伸出来的电缆20，由于设置有可将该电缆20切换为与装置本体10连接的状态和与装置本体10分离的状态的接续器70，所以，如果将传感器元件30和电缆20与装置本体10分离开，还可以作为通常的手表的使用。(装置本体的结构)装置本体10具有内装计时功能的表壳11，在表壳11的表面一侧构成液晶显示装置13(显示部)，除了现在时刻及日期外，还显示基于传感器元件30的检测结果的脉波信息(活体信息)等。另外，在表壳11的内部，为了根据由传感器元件30的检测结果显示脉搏数的变化等，内装着对检测信号进行信号处理等的数据处理电路50。并且，由该数据处理电路50和液晶显示装置13构成活体信息显示部60。另外，在表壳11的外侧面设有用于进行对时及显示模式的切换等的按钮开关111、112、113、114、115。
腕带式脉波测量装置1的电源是内装在表壳11内的电池(图中未示出)。电缆20用于从电池向传感器元件30供电，同时具有将传感器元件30的检测结果输入表壳11内的数据处理电路50的功能。(传感器元件的结构)传感器元件30由传感器固定用固定带40和光学元件300构成。传感器固定用固定带40由具有可挠性的厚树脂成形品构成，在通常的状态下，绕成圆形。将传感器固定用固定带40从该状态扩大后套到指根部，然后，将手离开，传感器固定用固定带40依靠其自身具有的形状恢复力便成为套在指根部的状态。
传感器固定用固定带40的大致中央部分变为厚度大的部分，同时，在该处形成可以装入光学元件300的洞穴41。
如图2(a)所示的那样，光学元件300利用树脂外装成两侧具有一对突起部分311、312的方形形状，从该光学元件300的内部引出电缆20。
另一方面，如图2(b)所示的那样，传感器固定用固定带40的洞穴41的形状和大小可以将光学元件300嵌入该处，并且，将光学元件300嵌入该处时，突起部分311、312形成用于防止脱落用的吻合凹部411、412。在传感器固定用固定带40上还在4个地方为了容易将其套到指上而形成颈口部分410。
对于传感器元件30，只要是装到指根部还能轻松地握手就行，从这一观点出发，传感器固定用固定带40的宽度约为20～25mm就可以了。另外，如图2(c)所示的那样，传感器固定用固定带40中的结构只要是比安装光学元件300的部分的宽度稍宽一点就行了。
另外，作为以传感器固定用固定带40等代表的传感器固定部件，除了本实施例那样的绕到指上的固定带形式外，也可以是套到指上的环状形式。作为该传感器固定部件的形式的一个例子，有使用具有橡皮等保持部件的可以自由伸缩的纤维形成的具有中空圆筒形状的固定部件。该部件不是像本实施例那样成为带状，而是成为预先闭合成环状的结构。所以，将该传感器固定部件套到指头上时，不是绕在指头上，而是从指尖套上后将其移动到指根部。
作为固定传感器元件30的方式，可以使用上述任何一种传感器固定部件。另外，在本实施例中，在传感器固定用固定带40上设有用于装入传感器元件30的洞穴41，但是，也可以不设置该洞穴。即，传感器固定部件和传感器元件30具有独立的形状。这时，用手拿着传感器元件30，将传感器固定用固定带40绕到指头上。使用这种方式时，传感器固定用固定带40及传感器元件30的形状简单，从制造和成本的角度看，都比较好。(光学元件的结构)在本实施例中，如图3所示的那样，是从LED31向指头照射光、用光电晶体管32接收从活体(血管)反射回来的光来从活体(血管)检测脉波的。
在图3中，光学元件300是根据作为其壳体的传感器框301、后盖302、玻璃板304和与该玻璃板304相对的电路基板305来规定外形形状的。
下面，参照图4～图7详细说明光学元件300的结构。图4是光学元件的平面图，图5是沿图4的A-A线的剖面图，图6是沿图4的B-B线的剖面图，图7是沿图4的C-C线的剖面图。
在这些图中，在光学元件300中，后盖302盖在作为其壳体的传感器框301上，其内部成为装入零件的空间。后盖302向传感器框301上的固定是使用3个后盖固定螺钉303进行的。另外，后盖固定螺钉303还将传感器固定用固定带40固定到后盖302的下面，传感器固定用固定带40从光学元件300向两侧延伸。电缆20从传感器框301的内部向着与这样的传感器固定用固定带40成直角的方向引出。在传感器框301的上面部分，使用具有光学滤波器的功能的玻璃板304形成光透过窗。另外，电路基板305与该玻璃板304面对面地固定在传感器框301的内部。
在电路基板305上，装配着LED31、光电晶体管32(带滤波器的传感器元件)、晶体管309和电阻、电容(图中未示出)等电子元件。LED31和光电晶体管32分别将其发光面和受光面朝向玻璃板304的方向。电路基板305由基板固定螺钉307固定到从传感器框301的上面嵌入的2根销柱306上，从而固定到传感器框301上。另外，还利用销柱306固定接地板308。
在本实施例中，其特征是作为LED31使用InGaN系(铟-镓-氮系)的蓝色LED.其发光频谱如图8所示的那样，在450nm有一发光峰值，其发光波长范围处于350nm～600nm的范围内。
与具有这样的发光特性的LED31相对应，在本实施例中，作为光电晶体管32使用GaAsP系(镓-砷-磷系)的光电晶体管。该元件本身的受光波长范围如图9所示，主要灵敏区域在300nm～600nm的范围内，在小于300nm也有灵敏区域。这里，作为光电晶体管32，有时也使用将光学滤波器附加到元件上的传感器元件。这样的传感器元件的受光波长范围的一个例子，如图10所示，主要灵敏区域处于400nm～550nm的范围内。由于这些LED31和光电晶体管32的电力消耗比较小，所以，如本实施例的腕带式脉波测量装置1那样，用一个小型电池驱动计时功能和脉波测量功能也可以连续工作很长时间。(数据处理电路的结构)
下面，参照图11说明在表壳11内部构成的数据处理电路50的结构。图11是数据处理电路50的结构框图。
在数据处理电路50中，脉波信号变换部51将从传感器元件30通过电缆20输入的信号变换为数字信号后，输给脉波信号存储部52。脉波信号存储部52是存储变化为数字信号的脉波数据的RAM，脉波信号运算部53读出脉波信号存储部52存储的信号，对其进行频谱分析，并将其结果输给脉波成分抽出部54。脉波成分抽出部54从脉波信号运算部53的输入信号中抽出脉波成分后输给脉搏数运算部55，该脉搏数运算部55根据输入的脉波的频率成分计算脉搏数，并将其结果输给液晶显示装置13。(动作)下面，参照图1、图3和图11简单地说明这样构成的腕带式脉波测量装置1的动作。
首先，在图1中，将腕带式脉波测量装置1作为通常的手表使用时，在将电缆20和传感器元件30从装置本体10的接续器70分离的状态下，使用腕带12将装置本体10戴在手腕上。
另一方面，使用腕带式脉波测量装置1测量缓动及跑动等运动中的脉搏数等脉波信息时，将电缆20与装置本体10的接续器70连接后，使用腕带12将装置本体10戴到手腕上。另外，利用传感器固定用固定带40使传感器元件30(光学元件300的玻璃板304)与指头紧密地接触后，进行缓动及跑动等运动。
在该状态下，如图3示意性所示的那样，从LED31向指头照射光时，该光到达血管后被血液中的血红蛋白吸收一部分，反射一部分。从指头(血管)反射回来的光由光电晶体管32接收，其接收光量的变化与由血液的脉波引起的血量变化对应。即，血量多时，反射光变弱，血量减少时，反射光增强，所以，只要用光电晶体管32监视反射光强度的变化，就可以检测脉搏等。为了进行这样的检测，在图11所示的数据处理电路50中，将从光电晶体管32(传感器元件30)输入的信号变换为数字信号，对该数字信号进行频谱分析后计算脉搏数。并且，由液晶显示装置13显示由计算求出的脉搏数。即，腕带式脉波测量装置1起脉搏仪的功能。
在图3中，从LED31发出的光，一部分如箭头C所示的那样，通过指头到达血管，来自血液中的血红蛋白的反射光如箭头D所示的那样，到达光电晶体管32。由该路径接收的光量是活体反射量。另外，从LED31发出的光，一部分如箭头E所示的那样在指头表面上反射后到达光电晶体管32。由该路径接收的光是皮肤反射量。进而，从LED31发出的光和从血管反射的光的一部分如箭头F、G所示的那样，在指头内被吸收或分散后不能到达光电晶体管32。
当进行这样的脉波检测时，在本实施例中，不是根据先有的红外线而是根据350nm～600nm的波长范围的检测结果来表示活体信息的。即，在传感器元件30中，使用发光波长范围处于350nm～600nm的范围内的LED31和受光波长范围主要为300nm～600nm的范围内的光电晶体管32，根据其重叠区域即350nm～600nm的波长范围的检测结果表示活体信息。只要使用这样的传感器元件30，如后面所述，在外光所包含的光中，波长范围小于700nm的光不能将指头作为导光体而到达光电晶体管32(受光部)，另一方面，小于300nm的光几乎全部被皮肤表面所吸收。因此，检测结果不受外光的影响，从而可以根据只基于发光部的光的300nm～700nm的波长范围的检测结果测量活体信息。
另外，从能够不受外光的影响得到脉波信息的角度来看，作为LED31，也可以使用发光波长范围处于300nm～700nm的范围的LED，作为光电晶体管32，也可以使用受光波长范围小于700nm的光电晶体管。(实施例的效果)如上所述，在本实施例的腕带式脉波测量装置1中，LED31的发光波长范围处于350nm～600nm的范围，光电晶体管32的受光波长范围的主要灵敏区域处于300nm～600nm的范围内。另外，作为光电晶体管32，使用将元件与滤波器组合的单元时的受光波长范围处于400nm～550nm的范围内。因此，即使在图1所示的简单的遮光状态下测量脉波，包含外光的光中波长范围小于700nm的光也不会将指头作为导光体到达光电晶体管32(受光部)，而只有对检测没有影响的波长范围的光才会将指头作为导光体通过来，所以，在本实施例中，即使外光照射到指头的露出部分，外光也对脉波的检测结果也没有影响。因此，可以使用以宽度窄的传感器固定用固定带40对检测部进行遮光的传感器元件30。故而，只要是本实施例那样小的传感器元件30，在装到指根部的状态下可以进行握手，所以，对缓动、跑动及节奏性的运动等运动不会有影响。另外，将传感器元件30装到指根部时，使用短的电缆20就行了，所以，电缆20不会影响缓动等运动。因此，本实施例的腕带式脉波测量装置1适合于测量缓动等运动中的脉搏数。
另外，测量手掌到指尖的体温的分布时，在寒冷时期指尖的温度将显著地降低，相反，指根部的温度则比较难于降低。即，即使在寒冷时期指根部的血流也不太少。因此，只要将传感器元件装到指根部，即使在寒冷的日子里在室外进行跑动等运动也可以正确地测量脉搏数等活体信息。
另外，由于是利用大约300nm～大约700nm的波长范围的光得到脉波信息的，所以，与血量变化对应的脉波信号的S/N比高。下面，说明其理由。
首先，参照图12(a)说明难于受外光影响的理由。在图12(a)中，示出了光的波长与皮肤的光透过率的关系。其中，折线a是波长为200nm的光的透过特性，折线b是波长为300nm的光的透过特性，折线c是波长为500nm的光的透过特性，折线d是波长为700nm的光的透过特性，折线e是波长为1μm的光的透过特性。由该图可知，在外光所包含的光中，由于波长范围小于700nm的光有难于透过指头的倾向，所以，即使外光照射到指头上未被传感器固定用固定带40盖住的部分，也将如图3中虚线X所示的那样不会通过指头到达光电晶体管32。因此，只要如本实施例那样使用小于700nm的光作为检测光，即使不将指头大面积地覆盖住而只覆盖必要的最小限度的范围，就可以抑制外光的影响，所以，本实施例的腕带式脉波测量装置1可以在室外使用。小于300nm的短波长范围的光几乎全部被皮肤表面所吸收，所以，即使将受光波长范围取为小于700nm，实际的受光波长范围就是300nm～700nm。
与此相反，如果像以往那样使用在红外区域即880nm附近具有发光峰值的LED和使用硅系的光电晶体管，其受光波长范围便如图13所示的那样遍及350nm～1200nm的范围。因此，在先有的光学系统(检测装置)中，是根据外光中如图3箭头Y所示的那样容易将指头作为导光体到达受光部的1μm波长的光(即图12(a)的折线e所示的光)的检测结果检测脉波的，所以，容易发生由外光的变化引起的误检测。
下面，参照图12(b)说明在本实施例的腕带式脉波测量装置1中脉波信号的S/N比高的理由。图12(b)是表示光的波长与各种血红蛋白的吸收特性的关系的说明图。
在图12(b)中，用曲线Hb表示与氧未结合的血红蛋白的吸收特性，用曲线HbO2表示与氧结合的血红蛋白的吸收特性。如这些曲线所示的那样，血液中的血红蛋白对波长为300nm～700nm的光的吸收系数大，比对先有的检测光即波长为880nm的光的吸收系数大数倍～约100倍以上。因此，如果如本实施例那样与血红蛋白的吸收特性相对照、使用吸收系数大的波长范围(300nm～700nm)的光作为检测光，则其检测值便随血量变化而非常灵敏地变化，所以，基于血量变化的脉波的检测率(S/N)便高。(在各遮光条件下外光的侵入量)在评价本实施例的腕带式脉波测量装置1时，如图14(a)～(e)所示的那样，从条件1～条件5改变对指头的遮光范围，只对外光的侵入量与先有的脉波测量装置(比较例)进行了对比测量。这里，作为本实施例的腕带式脉波测量装置1，提供了使用接收灵敏度为400nm～600nm的光电晶体管32的试品1和使用接收灵敏度为300nm～700nm的光电晶体管32的试品2来进行评价。另一方面，作为比较例，提供了接收灵敏度偏离300nm～700nm的范围的试品3、4、5来进行评价。另外，条件1如图14(a)所示，是用遮光罩将食指的根部盖住10mm宽度的状态，条件2如图14(b)所示，是用遮光罩将食指的根部盖住20mm宽度的状态，条件3如图14(c)所示，是用遮光罩将食指的根部盖住40mm宽度的状态，条件4如图14(d)所示，是用遮光罩将食指的根部盖住70mm宽度的状态，条件5如图14(e)所示，是用遮光罩将整个食指、拇指的根部、中指的根部和各指到根部附近盖住的状态。
各种条件下外光的侵入量的测量结果示于表1。外光的侵入量用光电晶体管的输出电流(单位μA)表示。
表1
如表1所示，按照本实施例的腕带式脉波测量装置1(试品1、2)，由于接收300nm～700nm的波长范围的光，所以，不论在现在所进行的哪个条件下都可以不考虑外光的影响。这是因为在外光所包含的光中，波长范围小于700nm的光不能将指头作为导光体到达光电晶体管32(受光部)。因此，按照本实施例的腕带式脉波测量装置1，只要用传感器元件30本身或者传感器固定用固定带40(遮光罩)将指头盖住10mm的宽度就足够了。与此相反，在比较例的脉波测量装置(试品3、4、5)中，只有将整个食指、拇指的根部、中指的根部和各指到根部附近大范围盖住的状态(条件5)下才能不考虑外光的影响，所以，需要庞大的遮光结构。(各环境下外光的影响)另外，对使用发光波长峰值为450nm的LED31(蓝色光源)和使用受光波长范围为300nm～600nm的GaAsP系的光电晶体管32的本实施例的腕带式脉波测量装置1与使用发光波长峰值为880nm的LED和使用受光波长范围为350nm～1200nm的光电晶体管的脉波测量装置(比较例)，还进行了外光的影响程度的比较，比较的结果示于图15、图16。图中所示的数据是对脉波的检测结果进行频谱分析后的结果，在多个峰值中，带箭头的峰值与脉波的频率相当。
在图15(a)中，示出了将本实施例的腕带式脉波测量装置戴在手腕上在暗室环境下行走时的脉波的测量结果。在图15(b)中，示出了将本实施例的腕带式脉波测量装置戴在手腕上向着太阳光朝一个方向行走时的脉波的测量结果。在图15(c)中，示出了将本实施例的腕带式脉波测量装置戴在手腕上以使太阳光的相对方向发生变化而环绕行走时的脉波的测量结果。可以看出，不论在这些图所示的哪个条件下，带箭头的脉波的峰值与其他峰值相比是明确的，本实施例的腕带式脉波测量装置1难于受外光的影响。
在图16(a)中，示出了将先有的脉波测量装置戴在手腕上在暗室环境下行走时的脉波的测量结果。在图16(b)中，示出了先有例的腕带式脉波测量装置戴在手腕上向着太阳光朝一个方向行走时的脉波的测量结果。在图16(c)中，示出了将先有例的腕带式脉波测量装置戴在手腕上以使太阳光的相对方向发生变化而环绕行走时的脉波的测量结果。可以看出，如这些图所示的那样，先有的脉波测量装置只能在暗室环境下进行脉波的测量，在外光照射的条件下不能进行测量。(脉波信号的相对灵敏度)下面，在本实施例的腕带式脉波测量装置1和先有的脉波测量装置(比较例)中，对测量脉波时的脉波信号电平(μA)、反射光的总体电平(μA)、反射光中所包含的脉波信号之比进行比较，并将比较的结果示于表2。这里，作为本实施例的腕带式脉波测量装置1，除了使用发光波长范围为420nm～480nm的LED31(发光颜色为蓝色)的试品6外，还提供了使用发光波长范围为540nm～570nm的LED31(发光颜色为绿色)的试品7来进行评价，在试品7中，作为发光颜色为绿色的LED31，使用GaP系的，该GaP系的LED31的发光频谱分布如图17所示，在540nm～570nm的范围具有主要发光区域，发光区域达到了520nm～600nm的范围。在使用这样的GaP系的LED31的试品7中，使用与其发光特性对应的GaP系的光电晶体管32，该光电晶体管32的接收灵敏度特性如图18所示的那样，在200nm～700nm附近的范围内具有灵敏区域。
另外，作为比较例，提供了发光波长范围偏离300nm～700nm的范围的试品8、9、10来进行评价。
表2示出该评价结果。
表2
如表2所示，按照本实施例的腕带式脉波测量装置1(试品6、7)，由于使用与血液中的血红蛋白的吸收系数大的波长区域相符合、发光波长范围处于300nm～700nm的范围内的光，所以，在所包含反射光中的脉波信号之比大到0.019、0.013，灵敏度高。与此相反，在比较例的脉波测量装置(试品8、9、10)中，在所包含反射光中的脉波信号之比非常小，小于0.002，灵敏度低。即，本实施例的腕带式脉波测量装置1的灵敏度与先有的装置相比，脉波信号的S/N比大约提高了近10倍。(肤色的影响)下面，将本实施例的腕带式脉波测量装置1的灵敏度高的优点对肤色没有影响的研究结果示于表3。在该评价中，对于使用具有难于在皮肤表面反射的450nm的发光波长峰值的LED(蓝色光源)的本实施例的腕带式脉波测量装置1(试品11)和使用具有容易在皮肤表面反射的800nm的发光波长峰值的先有的脉波测量装置(比较例，试品12)，测量了黄种人、白人和黑人的脉波，并分别计算了该时刻检测的皮肤反射量、活体反射量(血管的反射量)和脉波成分。 结果，如表3所示，不论以黄种人、白人和黑人中的哪种人为对象，脉波成分占总受光量的比例都高，即，证明对活体信息的测量灵敏度高。(其他实施例)本实施例的传感器元件，不限于食指，也可以装到其他指头(拇指、中指、无名指、小指)上。并且，不论是哪一个指头，在装上传感器元件的状态下都可以轻松地握手。因此，可以根据使用者的喜好选择装传感器元件的指头。
另外，作为用于将传感器元件的受光部的受光结果(信号)传送给脉波测量装置本体的方法，除了在上述实施例中说明过的以电缆20为代表的有线方式外，也可以使用无线方式。即，将发射电路组装到传感器元件或者装配着传感器元件的传感器固定用固定带等内，将接收电路组装到装置本体内。对于本发明的腕带式脉波测量装置的情况，由于发射部(指根)与接收部(手腕)之间的距离非常短，所以，即使发送来的电波的输出很小也足够。因此，可以构成非常小型的发射电路/接收电路。另外，还可以将传感器固定用固定带的一部分或者传感器固定用固定带本身作为发射电路的天线使用。
作为脉波以外的活体信息，可以列举出以下几种。
血液中的血红蛋白的吸收特性如图12(b)所示的那样，由于与氧未结合的血红蛋白和与氧结合的血红蛋白之间不同，所以，如果使用具有300nm～700nm的波长的光、例如具有波长约为470nm的光作为检测光，根据其强度便可将各种血红蛋白的量和血红蛋白的总量等作为活体信息而进行测量。另外，还可以根据皮肤与水分的吸光特性的差别而将例如皮肤中所包含的水分作为活体信息进行测量。
如上所述，在本发明的腕带式脉波测量装置(活体信息测量装置)中，其特征是从LED等发光部向指尖等处照射光，利用光电晶体管等受光部检测从血液等反射的反射光，同时，根据这样的检测装置在300nm～700nm的波长范围内的检测结果测量活体信息。进行这样的波长范围内的检测时，例如，如果将发光部的波长范围至少取为300nm～700nm的范围，使受光波长范围小于700nm，则在外光所包含的光中，波长范围小于700nm的光就不能将指头作为导光体到达受光部，另一方面，波长小于300nm的短波长区域的光几乎全部被皮肤表面所吸收。因此，检测结果不受外光的影响，从而可以根据只基于发光部的光的300nm～700nm的波长范围的检测结果测量活体信息。故而，只要外光未直接照射到检测部分，就不会发生外光引起的脉波的误检测，所以，不需要设置庞大的遮光结构。
因此，使用可以装到指根部的很小的传感器元件就足够了，如果是这样的传感器元件，在装到指根部的状态下就可以轻松地握手，对缓动、跑动及节奏性的运动等运动没有影响。故而，还可以应用于测量缓动等运动中的脉搏数等。
另外，即使在寒冷时期，在指根部血流也不怎么减少，所以，只要能将传感器元件装到指根部，即使在寒冷的日子里在室外运动也可以正确地测量脉搏数等。
另外，血液中的血红蛋白对波长范围处于300nm～700nm的范围内的光的吸收系数远远大于对红外线的吸收系数。如果将与这样的血红蛋白的吸收特性符合的波长范围处于300nm～700nm的范围的光向活体照射，从活体(血管)反射回来的光的强度便随血量变化而发生很大变化，从而脉波信号的S/N比提高，所以，在本发明的腕带式脉波测量装置中，还可以收到脉波的测量灵敏度高的效果。
另外，作为发光部，使用InGaN系(铟-镓-氮系)的蓝色LED，作为受光部，使用GaAsP系(镓-砷-磷系)的光电晶体管，则不论测量灵敏度多高，其电力消耗都非常少，所以，适合于进行长时间的测量。并且，对于本发明的对电源有限制的携带式等的腕带式脉波测量装置(活体信息测量装置)最适合。
权利要求
1.一种活体信息测量装置，具有检测部和活体信息显示部，检测部包括向活体的一部分照射光的发光部和通过活体接收该发光部发出的光的受光部；活体信息显示部根据该检测部的检测结果显示活体信息，该活体信息测量装置的特征在于上述活体信息是根据上述检测器在大约300nm～大约700nm的波长范围内的检测结果而显示的。
2.按权利要求1所述的活体信息测量装置的特征在于上述发光部的发光波长范围至少处于大约300nm～大约700nm的范围，设上述受光部的受光波长范围为λnm时，则受光波长范围处于满足下式0＜λ≤700的范围。
3.一种由权利要求1或2所述的活体信息测量装置构成的腕带式脉波测量装置，其特征在于根据上述检测器的检测结果显示作为上述活体信息的脉波信息。
4.一种腕带式脉波测量装置的特征在于具有传感器元件、脉波测量装置本体、腕带和信号传送部，传感器元件包括向指头表面照射光的发光部、可以接收该发光部发出的光中从指头反射回来的光的受光部和将该受光部的受光面和上述发光部的发光面固定为向着指头表面的状态的传感器固定用固定带；脉波测量装置本体具有用于显示根据上述受光部的受光结果求出的脉波信息的显示部；腕带用于将该脉波测量装置本体套在手腕上；信号传送部从上述传感器元件延伸出、用于将上述受光部的受光结果输入上述脉波测量装置本体，上述脉波信息根据上述受光部的大约300nm～大约700nm的波长范围的检测结果进行显示，上述传感器元件的大小是使其能够装到指根部到指关节之间。
5.按权利要求4所述的腕带式脉波测量装置的特征在于上述传感器元件在装到指根部到指关节之间的状态下使用。
6.按权利要求4所述的腕带式脉波测量装置的特征在于上述发光部的发光波长范围至少处于大约300nm～大约700nm的范围，设上述受光部的受光波长范围为λnm时，则受光波长范围处于满足下式0＜λ≤700的范围。
7.按权利要求6所述的腕带式脉波测量装置的特征在于作为上述发光部，使用LED(发光二极管)，其发光波长范围主要处于350nm～600nm的范围。
8.按权利要求7所述的腕带式脉波测量装置的特征在于作为上述发光部，使用InGaN系(铟—镓—氮系)的蓝色LED。
9.按权利要求6所述的腕带式脉波测量装置的特征在于作为上述受光部，使用GaAsP系(镓—砷—磷系)的光电晶体管。
全文摘要
在腕带式脉波测量装置1中，用腕带12将装置本体10装到手腕上，利用传感器固定用固定带40将传感器元件30装到指根部。在该状态下，如果从LED31向指头照射光，该光到达血管后便发生反射。反射回来的光由光电晶体管32接收，其接收光量与由血液的脉波引起的血量变化对应。这里，LED31使用发蓝色光的LED，其发光波长峰值为450nm。光电晶体管32的受光波长范围处于300nm～600nm的波长范围内。
文档编号A61B5/0245GK1119517SQ9511623
公开日1996年4月3日 申请日期1995年9月14日 优先权日1994年9月14日
发明者近藤丰, 本田克行, 河田正幸 申请人:精工爱普生株式会社, 精工电子工业株式会社