JP7655609B2 - Smart Ring and Smart Ring System - Google Patents
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Description
本発明は、スマートリングおよびスマートリングシステムに関する。 The present invention relates to a smart ring and a smart ring system.
光電容積脈波法は、LED光源とフォトディテクタで構成される容積脈波センサを用いて、灌流によって生じる毛細血管内の血液の容積の変化を検出する方法である。光源には可視光帯から近赤外光帯のLEDを用いる。血管中のヘモグロビン量の変化に伴う吸光度の変化より、容積脈波を検出することが可能である。LED光源からの光を皮膚に照射し、その拡散反射光もしくは透過光を測定する。Photoplethysmography is a method that uses a volume pulse wave sensor consisting of an LED light source and a photodetector to detect changes in the volume of blood in capillaries caused by perfusion. The light source used is an LED that emits light in the visible to near-infrared range. It is possible to detect volume pulse waves from changes in absorbance that accompany changes in the amount of hemoglobin in the blood vessels. Light from the LED light source is irradiated onto the skin, and the diffuse reflected light or transmitted light is measured.
光電容積脈波法によって検出した容積脈波を分析することで、脈拍数や血中酸素飽和度を推定できる。それに加え近年では、血圧や血糖値などが推定できるという研究報告もなされている。 By analyzing the volume pulse waves detected by the photoplethysmography method, it is possible to estimate pulse rate and blood oxygen saturation. In addition, in recent years, research has been reported that it is also possible to estimate blood pressure and blood sugar levels.
容積脈波センサは、安価な素子で構成され、さらに非侵襲的である。そのため、スマートフォン、スマートウォッチやウェアラブルデバイス(例えば特許文献1)など多くの消費者向け製品で採用されている。こういったデバイスの多くは波長500nm-600nmの光源を用いて検出した容積脈波より、脈拍数を算出する。 Pulse wave sensors are made of inexpensive elements and are non-invasive. For this reason, they are used in many consumer products such as smartphones, smart watches, and wearable devices (e.g., Patent Document 1). Many of these devices calculate the pulse rate from the pulse wave detected using a light source with a wavelength of 500 nm to 600 nm.
医療機器の血中酸素濃度計(pulse oximeter)にも容積脈波センサは採用されている。血中酸素濃度計では630nm-690nmと810nm-990nmの二つの波長光源を用いて、酸化ヘモグロビンと脱酸化ヘモグロビンのそれぞれの波長における吸光度の比より、血中酸素飽和濃度を算出する。 Pulse wave sensors are also used in medical devices such as blood oxygen concentration meters. Blood oxygen concentration meters use two wavelength light sources, 630-690 nm and 810-990 nm, to calculate the blood oxygen saturation level from the ratio of absorbance at each wavelength of oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin.
容積センサを用いて血中糖化ヘモグロビン濃度を検出する方法も提案されている。波長範囲600nm-990nmの間で3波長もしくは4波長の光源を用いて、酸化ヘモグロビン、脱酸化ヘモグロビン、糖化ヘモグロビンの吸光度比より、血中糖化ヘモグロビン濃度を算出する。A method has also been proposed for detecting the concentration of glycated hemoglobin in blood using a volume sensor. Using a light source with three or four wavelengths in the wavelength range of 600 nm to 990 nm, the concentration of glycated hemoglobin in blood is calculated from the absorbance ratio of oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, and glycated hemoglobin.
光電容積脈波法には大きく分けて反射拡散方式と透過方式の二つの方式がある。反射拡散方式は、LED光源からの光を皮膚に照射し、皮膚からの反射拡散光をフォトディテクタで検出する。そのため、反射拡散方式では、手首や額など身体の場所を問わずに容積脈波センサを適用可能である。透過方式では、LED光源を出射し、生体組織を透過した光を出射面からみて裏側の皮膚表面にてフォトディテクタで検出する。そのため、指先などの比較的組織が薄い場所で使用される。耳垂での使用の試みもなされている。 There are two main methods of photoplethysmography: the reflective diffuse method and the transmissive method. In the reflective diffuse method, light from an LED light source is irradiated onto the skin, and the reflected and diffused light from the skin is detected by a photodetector. Therefore, with the reflective diffuse method, the volume pulse wave sensor can be applied anywhere on the body, such as the wrist or forehead. In the transmissive method, light is emitted from an LED light source, and the light that passes through the biological tissue is detected by a photodetector on the skin surface on the back side of the emission surface. Therefore, it is used in places where the tissue is relatively thin, such as the fingertips. Attempts have also been made to use it on the earlobe.
反射拡散方式は透過方式に比べ、外乱による影響を大きく受ける。反射拡散方式では、真皮乳頭層に存在する17ミクロンから26ミクロン径の終末細動脈や、真皮と皮下組織の接合部に存在する150ミクロンから242ミクロン径の細動脈の血中ヘモグロビンの吸光度を検出する。それらの末端の細動脈は外圧によって比較的容易に血流速度やせん断速度が低下するため、容積脈波形状が外圧によって変化する。一方で透過方式では、皮下組織深部にある1mm径前後の比較的太い細動脈の血中ヘモグロビンの吸光度を測定するため、外圧の影響は小さい。 The reflective diffusion method is more susceptible to external disturbances than the through-transmission method. The reflective diffusion method detects the absorbance of hemoglobin in blood from terminal arterioles with diameters of 17 to 26 microns that exist in the papillary dermis, and from arterioles with diameters of 150 to 242 microns that exist at the junction of the dermis and subcutaneous tissue. The blood flow velocity and shear rate of these terminal arterioles are relatively easily reduced by external pressure, so the volume pulse wave shape changes with external pressure. On the other hand, the through-transmission method is less susceptible to external pressure because it measures the absorbance of hemoglobin in blood from relatively large arterioles with diameters of around 1 mm that are located deep in the subcutaneous tissue.
以上の原理的背景より、光電容積脈波法を用いてより正確な容積脈波を測定するためには、太い細動脈にアクセス可能な透過方式が望ましい。近年では、指先測定対象とした医療機器以外にも、指の根本や耳垂を対象とした容積脈波センサを搭載した消費者向け製品が存在する。 Given the above theoretical background, in order to measure volume pulse waves more accurately using photoplethysmography, a transmission method that can access large arterioles is desirable. In recent years, in addition to medical devices that measure fingertips, there are also consumer products equipped with volume pulse wave sensors that target the base of the finger or the earlobe.
例えば、特許文献1に記載の装置では、センサモジュールとユーザの着用部位との距離に応じて、適切な発光素子または受光素子を選択する。しかしながら、発光素子または受光素子を選択した後に、ユーザの動き等により装置とユーザの着用部位との距離が変化することがあり、選択した発光素子または受光素子が適切でなくなる場合が生じる。For example, in the device described in Patent Document 1, an appropriate light-emitting element or light-receiving element is selected depending on the distance between the sensor module and the part of the body worn by the user. However, after the light-emitting element or light-receiving element is selected, the distance between the device and the part of the body worn by the user may change due to the user's movement, etc., and the selected light-emitting element or light-receiving element may no longer be appropriate.
そこで、本発明の目的は、容積脈波を精度良く測定できるスマートリングおよびスマートリングシステムを提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to provide a smart ring and a smart ring system that can accurately measure volume pulse waves.
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係るスマートリングは、
第1の光学素子を介して指を照射する第1の光源と、前記第1の光源または他の光源から出射された光を第2の光学素子を介して受光し、容積脈波を取得する第1のフォトディテクタと、前記指が挿通される筐体と、を有し、
前記第1および第2の光学素子は、前記第1の光源および前記第1のフォトディテクタをそれぞれ囲むように配置され、前記指に向けて前記筐体の前記指を挿通する側の主面から突出する。
In order to achieve the above object, a smart ring according to a first aspect of the present invention comprises:
a first light source that irradiates a finger via a first optical element; a first photodetector that receives light emitted from the first light source or another light source via a second optical element and acquires a volume pulse wave; and a housing through which the finger is inserted;
The first and second optical elements are arranged to surround the first light source and the first photodetector, respectively, and protrude from a main surface of the housing on the side where the finger is inserted, toward the finger.
また、前記第1の光源が配置された位置とリング孔の中心点と前記第1のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第1の角度が60°を超え、かつ、105°未満であるとよい。 In addition, it is preferable that a first angle formed between the position where the first light source is located, the center point of the ring hole, and the position where the first photodetector is located is greater than 60° and less than 105°.
前記第1の光源または他の光源から出射された前記光を第3の光学素子を介して受光する第2のフォトディテクタをさらに有し、
前記第3の光学素子は、前記第2のフォトディテクタを囲むように配置され、
前記第1の光源が配置された位置と前記中心点と前記第2のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第2の角度が60°を超え、かつ、105°未満であり、
受光強度が最も高いフォトディテクタから得られた信号を選択して容積脈波を取得するとよい。
a second photodetector that receives the light emitted from the first light source or another light source via a third optical element;
the third optical element is disposed to surround the second photodetector,
a second angle formed by a position where the first light source is disposed, the center point, and a position where the second photodetector is disposed is greater than 60° and less than 105°;
It is advisable to select the signal obtained from the photodetector with the highest received light intensity to obtain the volume pulse wave.
前記第1、第2および第3の光学素子は、前記光を集光する非球面ミラーを備えるとよい。The first, second and third optical elements may include aspherical mirrors that focus the light.
また、前記第1、第2および第3の光学素子は、前記光を集光するレンズ、フィルター、プリズムのうち少なくとも1つをさらに備えるとよい。 In addition, the first, second and third optical elements may further include at least one of a lens, a filter and a prism that focus the light.
前記スマートリングの内面の所定の基点と前記中心点と前記第1の光源が配置された位置とが形成する第1の中心角は、前記基点と前記中心点と前記第1のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第2の中心角より大きく、前記基点と前記中心点と前記第2のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第3の中心角より小さいとよい。A first central angle formed by a predetermined base point on the inner surface of the smart ring, the center point, and the position where the first light source is located is greater than a second central angle formed by the base point, the center point, and the position where the first photodetector is located, and is smaller than a third central angle formed by the base point, the center point, and the position where the second photodetector is located.
前記第1の光源は、異なるピーク波長をもつ複数のLEDから構成されるLEDアレイ光源であり、
前記第1および第2のフォトディテクタは、前記異なるピーク波長を、受光感度を有する波長範囲に含むとよい。
the first light source is an LED array light source composed of a plurality of LEDs having different peak wavelengths;
The first and second photodetectors may have different peak wavelengths within their wavelength ranges of light sensitivity.
前記複数のLEDは、500-550nmにピーク波長をもつLEDを一つ以上と、600-800nmにピーク波長をもつLEDを二つ以上と、900-1000nmにピーク波長をもつLEDを一つ以上と、を含むとよい。The plurality of LEDs may include one or more LEDs having a peak wavelength in the range of 500-550 nm, two or more LEDs having a peak wavelength in the range of 600-800 nm, and one or more LEDs having a peak wavelength in the range of 900-1000 nm.
所定の時間が経過する毎に、受光強度が最も高いフォトディテクタから得られた信号を選択して容積脈波を取得するとよい。 After each specified time, the signal obtained from the photodetector with the highest received light intensity is selected to obtain the volume pulse wave.
前記非球面ミラーは、パラボラ曲面の前記光が入射する側または出射される側の端部がミラーの放物線状の曲面の始点と一致するパラボリックミラーであるとよい。The aspherical mirror may be a parabolic mirror in which the end of the parabolic curved surface on the side where the light enters or exits coincides with the starting point of the parabolic curved surface of the mirror.
第4の光学素子を介して前記指を照射する第2の光源をさらに有し、
前記基点と前記中心点と前記第2の光源が配置された位置とが形成する第4の中心角は、前記第2の中心角に前記第1の光源と前記中心点と前記第1のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第5の中心角を加えた第1の角度より大きく、かつ、前記第2の中心角に前記第2の光源が配置された位置と前記中心点と前記第2のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第6の中心角を加えた第2の角度より大きいとよい。
a second light source that illuminates the finger through a fourth optical element;
A fourth central angle formed by the base point, the center point, and the position where the second light source is disposed is greater than a first angle obtained by adding a fifth central angle formed by the first light source, the center point, and the position where the first photodetector is disposed to the second central angle, and is greater than a second angle obtained by adding a sixth central angle formed by the position where the second light source is disposed, the center point, and the position where the second photodetector is disposed to the second central angle.
前記第1および第2の光源は、互いのパルス・オンの時間とパルス・オフの時間とが逆であるとよい。The first and second light sources may have opposite pulse-on and pulse-off times.
本発明の第2の観点に係るスマートリングシステムは、
前記スマートリングと、
前記スマートリングから前記容積脈波を無線通信で受信する電子機器と、を備える。
A smart ring system according to a second aspect of the present invention comprises:
The smart ring;
and an electronic device that receives the volume pulse wave from the smart ring via wireless communication.
本発明によれば、容積脈波を精度良く測定できる。 According to the present invention, volume pulse waves can be measured with high accuracy.
本発明の実施形態に係るスマートリングシステムについて、以下、添付図面を参照して説明する。なお、説明におけるxyz方向は、各図の矢印に従う。また、同一又は同等の部分には同一の符号を付す。 The smart ring system according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the attached drawings. Note that the x, y and z directions in the description follow the arrows in each figure. Also, the same reference numerals are used for the same or equivalent parts.
本発明の実施形態に係るスマートリングシステム1は、図1A、図1B、図2等に示すように、ユーザの指200に挿通したスマートリング10によって、ユーザの心拍数、血中酸素濃度、体表面温度等を非侵襲的に測定する。 As shown in Figures 1A, 1B, 2, etc., the smart ring system 1 of an embodiment of the present invention non-invasively measures a user's heart rate, blood oxygen concentration, body surface temperature, etc. by a smart ring 10 inserted on the user's finger 200.
[第1実施形態]
図2、図3等に示すように、本発明の第1実施形態に係るスマートリングシステム1は、ユーザの指200に挿通するスマートリング10と、スマートリング10で取得したユーザの容積脈派に関するデータを無線通信で受信するホストデバイス300と、を備える。スマートリング10は、スマートリング10に挿通したユーザの指200に向けて複数の波長の光を発する光源30からの光を受光するフォトディテクタ(以下、PD(Photo Detector)とする。)40,41のうち、受光強度の高いPDから得られた容積脈波を取得して、取得した容積脈波からユーザの心拍数、血中酸素濃度、体表面温度等を高精度に算出する。ユーザは、スマートリング10を装着した状態で日常生活を送るので、ユーザが仕事、家事、運動等をすることにより、スマートリング10が指200の周方向に回転し、光源30やPD40,41の位置が容積脈波の測定に適していない位置に移動してしまう場合がある。これを防ぐために、図1A、図1B、図2に示すように、スマートリング10は、光源30、PD40,41をそれぞれ囲むように配置された光学素子50,51が内側筐体22のユーザの指200を挿通する側の主面24からユーザの指200に向けて突出する。ここで、主面24とは、光源30、PD40,41や光学素子50,51等を有さない普通のリングでいうところの、ユーザの指200を挿通する側の部分または面(曲面を含む)に相当する箇所を指す。光学素子50,51は、主面24から突出しているため、ユーザの指200を押圧することにより、ユーザの指200に密着し、スマートリング10をユーザの指200の所定の位置に固定した状態を維持することができ、スマートリング10がずれにくくすることができる。なお、光学素子51は実際には主面24から突出しているが、図2において、図を見やすくするために、突出していないように記載している。また、図6A以降のスマートリング10(或いは11、12)の断面図においては、理解を容易にするために、また、図を見やすくするために、光学素子50,51自体の記載を省略している。
[First embodiment]
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the smart ring system 1 according to the first embodiment of the present invention includes a smart ring 10 inserted into a user's finger 200, and a host device 300 that receives data on the user's volume pulse wave acquired by the smart ring 10 via wireless communication. The smart ring 10 acquires a volume pulse wave acquired from a photodetector (hereinafter referred to as PD (Photo Detector)) 40, 41 that receives light from a light source 30 that emits light of multiple wavelengths toward the user's finger 200 inserted into the smart ring 10, and calculates the user's heart rate, blood oxygen concentration, body surface temperature, etc. with high accuracy from the acquired volume pulse wave. Since the user lives a daily life while wearing the smart ring 10, the smart ring 10 may rotate in the circumferential direction of the finger 200 when the user works, does housework, exercises, etc., and the positions of the light source 30 and the PDs 40, 41 may move to positions that are not suitable for measuring the volume pulse wave. To prevent this, as shown in Figures 1A, 1B, and 2, the optical elements 50 and 51 of the smart ring 10, which are arranged to surround the light source 30 and the PD 40 and 41, respectively, protrude from the main surface 24 of the inner housing 22 on the side where the user's finger 200 is inserted toward the user's finger 200. Here, the main surface 24 refers to a portion that corresponds to the part or surface (including a curved surface) on the side where the user's finger 200 is inserted in a normal ring that does not have the light source 30, the PD 40 and 41, or the optical elements 50 and 51. Since the optical elements 50 and 51 protrude from the main surface 24, by pressing the user's finger 200, the optical elements 50 and 51 can be closely attached to the user's finger 200, and the smart ring 10 can be maintained in a fixed state at a predetermined position on the user's finger 200, making it difficult for the smart ring 10 to slip off. Note that the optical element 51 actually protrudes from the main surface 24, but in Figure 2, it is depicted as not protruding in order to make the figure easier to see. In addition, in the cross-sectional views of the smart ring 10 (or 11, 12) from FIG. 6A onwards, the optical elements 50, 51 themselves are omitted for ease of understanding and to make the drawings easier to see.
(スマートリング10の構成)
スマートリング10は、外観上、光源30やPD40,41を収容する筐体20と、複数のピーク波長を有する光を発する光源30と、光源30が発する光を受光するPD40,41と、光源30が発する光を集光する光学素子50,51と、各種電子部品が搭載された基板60と、を有する。
(Configuration of smart ring 10)
Externally, the smart ring 10 comprises a housing 20 that houses a light source 30 and PDs 40 and 41, a light source 30 that emits light having multiple peak wavelengths, PDs 40 and 41 that receive the light emitted by the light source 30, optical elements 50 and 51 that collect the light emitted by the light source 30, and a substrate 60 on which various electronic components are mounted.
筐体20は、スマートリング10の外側を形成する外側筐体21と、スマートリング10の内側を形成する内側筐体22と、を有する。外側筐体21は、金属製、例えばチタン製で、略U字状の断面を有するリングであり、内側筐体22と一体化してスマートリング10の外形を形成する。外側筐体21の外側の一部には、装飾部23が形成されている。装飾部23は、ユーザが指200にスマートリング10を挿通させたときに、手の甲側に位置し、スマートリング10の装飾性を高めるとともに、ユーザがスマートリング10を容積脈波の測定に適した位置に配置しやすくしている。内側筐体22は、400-1000nmの波長の光の透過率が高い透明の樹脂製である。内側筐体22は、外側筐体21内に光源30、受光素子40,41、光学素子50,51や基板60を所定の位置に配置した状態で外側筐体21の内側に形成される。内側筐体22は、光学素子50,51を覆うようにリング孔中心点Cに向けて突出しているが、突出部分の中央は凹んでいてもよいし、平坦であってもよく、突出している部分とそうでない部分とが混在していてもよい。The housing 20 has an outer housing 21 that forms the outside of the smart ring 10, and an inner housing 22 that forms the inside of the smart ring 10. The outer housing 21 is a ring made of metal, for example titanium, with a substantially U-shaped cross section, and is integrated with the inner housing 22 to form the outer shape of the smart ring 10. A decorative part 23 is formed on a part of the outside of the outer housing 21. The decorative part 23 is located on the back of the hand when the user inserts the smart ring 10 onto the finger 200, enhancing the decorativeness of the smart ring 10 and making it easier for the user to place the smart ring 10 in a position suitable for measuring the volume pulse wave. The inner housing 22 is made of a transparent resin that has a high transmittance of light with a wavelength of 400-1000 nm. The inner housing 22 is formed inside the outer housing 21 with the light source 30, the light receiving elements 40, 41, the optical elements 50, 51, and the substrate 60 arranged in predetermined positions within the outer housing 21. The inner housing 22 protrudes toward the center point C of the ring hole so as to cover the optical elements 50, 51, but the center of the protruding portion may be recessed or flat, or there may be a mixture of protruding and non-protruding portions.
光源30は、LED(Light Emitting Device)であり、基板60に表面実装されている。光源30は、400-1000nmの間にピーク波長を有する。光源30は、後述する多波長PPG(Photoplethysmography)センサ141の構成部品の1つでもある。光源30は、リング孔中心点Cを基準点に、筐体20の内側の+y方向端部の基点BPと筐体20の内側の-y方向端部に点対称になる位置に配置されている。The light source 30 is an LED (Light Emitting Device) and is surface mounted on the substrate 60. The light source 30 has a peak wavelength between 400-1000 nm. The light source 30 is also one of the components of the multi-wavelength PPG (Photoplethysmography) sensor 141 described below. The light source 30 is arranged in a position that is point-symmetric with respect to the base point BP at the +y direction end inside the housing 20 and the -y direction end inside the housing 20, with the ring hole center point C as the reference point.
フォトディテクタ40,41は、光源30から出射され、ユーザの指200の軟組織を透過・拡散反射された光を受光する受光素子である。本実施形態では、フォトディテクタ40,41は、PIN型フォトダイオードである。フォトディテクタ40,41は、光源30が発する光のピーク波長を含む波長範囲に受光感度を有する。フォトディテクタ40,41は、後述する多波長PPGセンサ141の構成部品の1つであり、基板60に実装されている。The photodetectors 40 and 41 are light receiving elements that receive light emitted from the light source 30 and transmitted and diffusely reflected by the soft tissue of the user's finger 200. In this embodiment, the photodetectors 40 and 41 are PIN type photodiodes. The photodetectors 40 and 41 have light receiving sensitivity in a wavelength range that includes the peak wavelength of the light emitted by the light source 30. The photodetectors 40 and 41 are one of the components of the multi-wavelength PPG sensor 141 described later, and are mounted on the substrate 60.
光学素子50,51は、光源30およびPD40,41を囲むように基板60上に配置された、非球面ミラーの1つであるパラボリックミラーである。光学素子50,51は、パラボラ曲面である集光面54の光が入射する側または出射される側の端部がミラーの放物線状の曲面の始点55と一致する。光学素子50,51は、光源30とPD40,41とが後述する所定の位置関係である場合に、光源30が発する光を集光し、容積脈波の取得精度が向上する。本実施形態では、光学素子50は、光学素子51よりもリング孔に挿通したユーザの指200に向けての突出量が大きくなっている。図4A、図4Bに示すように、光学素子50,51は、本体部52と、取付部53と、集光面54と、始点55と、を有する。本体部52の中央には、孔が貫通しており、孔の一方に取付部53が形成され、孔の他方に集光面54が形成されている。取付部53には、光源30、PD40,41のいずれかが取り付けられる。集光面54は、パラボラ曲面関数がx2=4・0.4・(y-0.4)を各軸方向に平行移動させて調整したものであり、焦点距離f=0.4mmである。図5A、図5Bに示すように、XY面、ZY面それぞれにおいて集光面54を延長した上記パラボラ曲面が光源30の発光部35のできるだけ近くを通るように本体部52に始点55を設定して集光面54を形成し、光学素子50,51のY方向の寸法を小さく抑える。 The optical elements 50 and 51 are parabolic mirrors, which are one of aspheric mirrors, arranged on the substrate 60 so as to surround the light source 30 and the PDs 40 and 41. The optical elements 50 and 51 have a parabolic curved surface 54, at which the light is incident or emitted, and an end of the light condensing surface 54 coincides with a starting point 55 of the parabolic curved surface of the mirror. When the light source 30 and the PDs 40 and 41 are in a predetermined positional relationship described later, the optical elements 50 and 51 condense the light emitted by the light source 30, improving the accuracy of acquiring the volume pulse wave. In this embodiment, the optical element 50 protrudes more toward the user's finger 200 inserted into the ring hole than the optical element 51. As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, the optical elements 50 and 51 have a main body 52, an attachment 53, a condensing surface 54, and a starting point 55. A hole penetrates the center of the main body 52, and a mounting portion 53 is formed on one side of the hole, and a light collecting surface 54 is formed on the other side of the hole. Either the light source 30 or the PD 40, 41 is attached to the mounting portion 53. The light collecting surface 54 is adjusted by translating a parabolic surface function x 2 = 4·0.4·(y-0.4) in each axial direction, and has a focal length f = 0.4 mm. As shown in Figures 5A and 5B, the starting point 55 is set on the main body 52 so that the parabolic surface obtained by extending the light collecting surface 54 in each of the XY plane and the ZY plane passes as close as possible to the light emitting portion 35 of the light source 30, thereby forming the light collecting surface 54, and the dimension of the optical elements 50, 51 in the Y direction is kept small.
基板60は、外側筐体21の略U字部分の両端部を結ぶように跨設されている。基板60の内側筐体22側には、光源30、PD40,41、光学素子50,51および後述する充電IC(Integrated Circuit)61が配置されている。基板60の略U字部分の凹部内側には、後述するMCU(Micro Conputer Unit)100、各種センサIC、各種センサ素子、電源管理IC62が実装されている。The board 60 is installed across both ends of the approximately U-shaped portion of the outer housing 21. On the inner housing 22 side of the board 60, the light source 30, the PDs 40 and 41, the optical elements 50 and 51, and a charging IC (Integrated Circuit) 61 (described later) are arranged. On the inside of the recess in the approximately U-shaped portion of the board 60, the MCU (Micro Computer Unit) 100 (described later), various sensor ICs, various sensor elements, and a power management IC 62 are mounted.
図3に示すように、スマートリング10は、上記の構成に加えて、センサ部140、報知部150、電源部160、を備える。また、MCU100は、制御部110、記憶部120、通信部130、を有する。As shown in Figure 3, in addition to the above configuration, the smart ring 10 has a sensor unit 140, an alarm unit 150, and a power supply unit 160. The MCU 100 also has a control unit 110, a memory unit 120, and a communication unit 130.
MCU100は、マイクロプロセッサベースのコントローラICである。MCU100には、マイクロプロセッサと、スマートリング10の制御に必要な入出力とプログラムやデータを格納するメモリがICに搭載されている。The MCU 100 is a microprocessor-based controller IC. The MCU 100 is equipped with a microprocessor, inputs and outputs required for controlling the smart ring 10, and memory for storing programs and data.
制御部110は、CPU(Central Processing Unit)等で構成され、記憶部120に記憶されたプログラムを実行することにより、後述する各部(光源制御部111、PD制御部112、測定部113、選択・収集部114)の機能を実現する。The control unit 110 is composed of a CPU (Central Processing Unit) etc., and by executing a program stored in the memory unit 120, realizes the functions of each unit described below (light source control unit 111, PD control unit 112, measurement unit 113, selection/collection unit 114).
記憶部120は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等で構成され、設定記憶部121や測定結果記憶部122を含む。ROMには制御部110のCPUが実行するプログラムや、プログラムを実行する上で予め必要なデータが記憶されている。RAMには、プログラム実行中に作成されたり変更されたりするデータが記憶される。The memory unit 120 is composed of a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), etc., and includes a setting memory unit 121 and a measurement result memory unit 122. The ROM stores programs executed by the CPU of the control unit 110 and data required in advance to execute the programs. The RAM stores data that is created or changed during program execution.
設定記憶部121には、後述する各種設定(例えば、PDの受光強度を測定する受光強度測定期間、選択したPDから、測定値を取得する期間である信号収集期間等)が記憶される。The setting memory unit 121 stores various settings (e.g., a light receiving intensity measurement period for measuring the light receiving intensity of the PD, a signal collection period for acquiring measurement values from a selected PD, etc.) described below.
測定結果記憶部122には、センサ部140に含まれる各種センサを用いて測定された測定結果が記憶される。記憶された測定結果は、通信部130を介して、ホストデバイス300に無線通信で送信される。The measurement result memory unit 122 stores the measurement results measured using the various sensors included in the sensor unit 140. The stored measurement results are transmitted to the host device 300 by wireless communication via the communication unit 130.
通信部130は、ホストデバイス300と無線通信するためのモジュールである。通信装置131は、例えば、Bluetooth(登録商標)に基づく無線通信をホストデバイス300との間で行う。The communication unit 130 is a module for wireless communication with the host device 300. The communication device 131 performs wireless communication with the host device 300 based on, for example, Bluetooth (registered trademark).
センサ部140は、多波長PPGセンサ141と、ジャイロセンサ142と、加速度センサ143と、温度センサ144と、ミリ波センサ145と、マイクロ波センサ146と、光学センサ147と、を有する。多波長PPGセンサ141は、光源30を光源とし、フォトディテクタ40,41を受光素子としてユーザの容積脈波を検出する。ジャイロセンサ142は、傾きを計測し、ユーザの運動量の計測を行う。加速度センサ143は、例えば、ランニング時のペースの算出等に使用する。温度センサ144は、ユーザの体温や外気温等の測定を行う。ミリ波センサ145は、動きの検知や測距機能のために使用される。マイクロ波センサ146は、ユーザの呼吸、心拍、体動等の測定のために使用する。光学センサ147は、(長距離の)測距機能のために使用される。The sensor unit 140 has a multi-wavelength PPG sensor 141, a gyro sensor 142, an acceleration sensor 143, a temperature sensor 144, a millimeter wave sensor 145, a microwave sensor 146, and an optical sensor 147. The multi-wavelength PPG sensor 141 detects the user's volume pulse wave using the light source 30 as a light source and the photodetectors 40 and 41 as light receiving elements. The gyro sensor 142 measures the inclination and measures the user's exercise amount. The acceleration sensor 143 is used, for example, to calculate the pace when running. The temperature sensor 144 measures the user's body temperature, outside temperature, etc. The millimeter wave sensor 145 is used for motion detection and distance measurement functions. The microwave sensor 146 is used to measure the user's breathing, heart rate, body movement, etc. The optical sensor 147 is used for the (long-distance) distance measurement function.
報知部150は、スマートリング10の充電電池162が所定の残量未満になった際に、ユーザに報知するために使用される。報知装置151は、充電電池162が所定の残量未満になった際に、警告音を発してユーザに報知する。The notification unit 150 is used to notify the user when the rechargeable battery 162 of the smart ring 10 falls below a predetermined remaining charge. The notification device 151 emits an alarm to notify the user when the rechargeable battery 162 falls below a predetermined remaining charge.
電源部160は、電源監視ユニット161、充電電池162、充電レシーバ163、を有する。電源部160は、充電装置400から、例えば、NFC(Near Field Communication)ワイヤレス充電でスマートリング10の充電を行う。充電電池162は、外側筐体21の略U字部分の凹部内側に配置された、リチウムポリマー電池である。充電電池162は、電源監視ユニット161および充電レシーバ163を介して、充電装置400の充電トランスミッタ401から無線給電される。The power supply unit 160 has a power supply monitoring unit 161, a rechargeable battery 162, and a charging receiver 163. The power supply unit 160 charges the smart ring 10 from the charging device 400, for example, by NFC (Near Field Communication) wireless charging. The rechargeable battery 162 is a lithium polymer battery arranged inside the recess in the approximately U-shaped portion of the outer housing 21. The rechargeable battery 162 is wirelessly powered from the charging transmitter 401 of the charging device 400 via the power supply monitoring unit 161 and the charging receiver 163.
次に、制御部110の機能について説明する。制御部110は、光源制御部111、PD制御部112、測定部113、選択・収集部114を含み、後述する信号取得処理1-3等を実行する。Next, the functions of the control unit 110 will be described. The control unit 110 includes a light source control unit 111, a PD control unit 112, a measurement unit 113, and a selection and collection unit 114, and executes signal acquisition processes 1-3 and the like, which will be described later.
光源制御部111は、光源30,31(光源31は第3実施形態にて説明する)のON/OFFを制御する。スマートリング10(,11,12)がユーザの指200に挿通されると、光源制御部111は、光源30(,31)から光を出射させる。また、光源制御部111は、光源30,31のいずれか一方を、一定期間停止させる。The light source control unit 111 controls the ON/OFF of the light sources 30 and 31 (light source 31 will be described in the third embodiment). When the smart ring 10 (10, 11, 12) is inserted on the user's finger 200, the light source control unit 111 causes the light source 30 (31) to emit light. The light source control unit 111 also stops one of the light sources 30 and 31 for a certain period of time.
PD制御部112は、PD40,41(第2実施形態では、PD401,402,…,40N-1,40N)のON/OFFを制御する。スマートリング10がユーザの指200に挿通されると、PD制御部112は、PD40,41(第2実施形態では、PD401,402,…,40N-1,40N)を駆動させる。また、PD制御部112は、光源30,31のいずれか一方(第2実施形態では、PD401,402,…,40N-1,40Nのうち、最大の受光量を受光したPD以外)を、一定期間停止させる。 The PD control unit 112 controls ON/OFF of the PDs 40 and 41 (in the second embodiment, PDs 40 1 , 40 2 , ..., 40 N-1 , and 40 N ). When the smart ring 10 is inserted on the user's finger 200, the PD control unit 112 drives the PDs 40 and 41 (in the second embodiment, PDs 40 1 , 40 2 , ..., 40 N-1 , and 40 N ). In addition, the PD control unit 112 stops one of the light sources 30 and 31 (in the second embodiment, among PDs 40 1 , 40 2 , ..., 40 N-1 , and 40 N , other than the PD that received the maximum amount of light) for a certain period of time.
測定部113は、センサ部140の各種センサを用いてユーザの容積脈波、血中酸素飽和度、血中糖化ヘモグロビン濃度等を測定し、測定結果を測定結果記憶部122に記憶する。The measurement unit 113 uses various sensors of the sensor unit 140 to measure the user's volume pulse wave, blood oxygen saturation, blood glycated hemoglobin concentration, etc., and stores the measurement results in the measurement result memory unit 122.
選択・収集部114は、測定結果記憶部122に記憶された測定結果に基づき、どのPDを用いて測定を行うかを選択し、選択したPDからの測定結果を収集する。The selection and collection unit 114 selects which PD to use for the measurement based on the measurement results stored in the measurement result memory unit 122, and collects the measurement results from the selected PD.
(その他の構成)
ホストデバイス300は、本実施形態では、スマートフォンである。専用のアプリ等をダウンロードすることで、スマートリング10から受信した容積脈波のデータを閲覧、解析等することができる。なお、ホストデバイスは、タブレット、PC(Personal Computer)、ルータ等の電子機器であってもよい。
(Other configurations)
In this embodiment, the host device 300 is a smartphone. By downloading a dedicated app or the like, the volume pulse wave data received from the smart ring 10 can be viewed, analyzed, etc. The host device may be an electronic device such as a tablet, a PC (Personal Computer), a router, etc.
充電装置400は、スマートリング10をワイヤレス充電するための装置である。充電トランスミッタ401に充電レシーバ163を当接させることによりスマートリング10を充電することができる。The charging device 400 is a device for wirelessly charging the smart ring 10. The smart ring 10 can be charged by abutting the charging receiver 163 against the charging transmitter 401.
(スマートリング10の構造)
図6A、図6Bに示すように、スマートリング10は、装飾部23のスマートリング10の周方向中心の内側筐体22側の基点BPからリング孔中心点Cを通って基点BPと反対側の内側筐体22に光源30が配置されている。ここで、基点BPとリング孔中心点CとPD40とを結ぶ線分が形成する角度(正面視、時計回り、以降の角度についても同じ)をθ1、基点BPとリング孔中心点Cと光源30とを結ぶ線分が形成する角度をθ2(=180°)、基点BPとリング孔中心点CとPD41とを結ぶ線分が形成する角度をθ3とする。PD40は、光源30とリング孔中心点CとPD40とを結ぶ線分が形成する角度θ2-θ1が、60°<θ2-θ1<105°の範囲の所定の値になるように配置されている。PD41は、光源30とリング孔中心点CとPD41とを結ぶ線分が形成する角度θ3-θ2が、60°<θ3-θ2<105°の範囲の所定の値になるように配置されている。θ2-θ1=θ3-θ2とする。なお、60°<θ2-θ1<105°、60°<θ3-θ2<105°の根拠については、後述する実施例で説明する。
(Structure of smart ring 10)
As shown in Figures 6A and 6B, the smart ring 10 has a light source 30 disposed on the inner housing 22 opposite to the base point BP, passing through the ring hole center point C from the base point BP on the inner housing 22 side of the circumferential center of the decorative part 23 of the smart ring 10. Here, the angle formed by the line segment connecting the base point BP, the ring hole center point C, and the PD40 (front view, clockwise, the same for subsequent angles) is θ1, the angle formed by the line segment connecting the base point BP, the ring hole center point C, and the light source 30 is θ2 (= 180 °), and the angle formed by the line segment connecting the base point BP, the ring hole center point C, and the PD41 is θ3. The PD40 is disposed so that the angle θ2-θ1 formed by the line segment connecting the light source 30, the ring hole center point C, and the PD40 is a predetermined value in the range of 60 ° < θ2-θ1 < 105 °. PD41 is disposed so that the angle θ3-θ2 formed by the line segment connecting the light source 30, the ring hole center point C, and PD41 is a predetermined value in the range of 60°<θ3-θ2<105°. θ2-θ1=θ3-θ2. The basis for 60°<θ2-θ1<105° and 60°<θ3-θ2<105° will be explained in the examples described later.
(スマートリング10による容積脈波の取得方法)
図7を用いて、スマートリングシステム1のスマートリング10で実行される高精度にユーザの容積脈波を取得するために行われる、信号取得処理1について説明する。
(Method of acquiring volume pulse wave using smart ring 10)
Signal acquisition process 1, which is executed by the smart ring 10 of the smart ring system 1 to acquire the user's volume pulse wave with high accuracy, will be described with reference to FIG.
スマートリング10がユーザの指200に挿通され、光源制御部111は、光源30に所定の波長、本実施形態では400-1000nmの間にピーク波長を有する光を出射させる(ステップS1)。The smart ring 10 is inserted onto the user's finger 200, and the light source control unit 111 causes the light source 30 to emit light having a predetermined wavelength, in this embodiment a peak wavelength between 400-1000 nm (step S1).
光源30の駆動に合わせて、PD制御部112は、PD40,41を駆動させる。光源30から出射された光は、ユーザの指200の軟組織を透過・拡散反射してPD40,41で受光される。測定部113は、PD40での受光強度T1を受光強度測定期間の間測定し(ステップS2)、また、PD41での受光強度T2を同じく受光強度測定期間の間測定する(ステップS3)。In synchronization with the driving of the light source 30, the PD control unit 112 drives the PDs 40 and 41. The light emitted from the light source 30 is transmitted and diffusely reflected by the soft tissue of the user's finger 200 and is received by the PDs 40 and 41. The measurement unit 113 measures the light intensity T1 at the PD 40 during the light intensity measurement period (step S2), and also measures the light intensity T2 at the PD 41 during the light intensity measurement period (step S3).
選択・収集部114は、受光強度T1>受光強度T2であるか否かを判別し(ステップS4)、T1>T2である場合(ステップS4;Yes)、信号収集期間の間PD40の信号を収集し(ステップS5)、ホストデバイス300に送信し、T1>T2でない場合(ステップS4;No)、信号収集期間の間PD41の信号を収集し(ステップS6)、ホストデバイス300に送信する。The selection and collection unit 114 determines whether the received light intensity T1 is greater than the received light intensity T2 (step S4), and if T1>T2 (step S4; Yes), collects a signal from PD40 during the signal collection period (step S5) and transmits it to the host device 300, and if T1>T2 is not true (step S4; No), collects a signal from PD41 during the signal collection period (step S6) and transmits it to the host device 300.
ステップS7に進み、ユーザがスマートリング10を指200から外したり、充電電池162の残量が不足した場合、信号取得処理1を終了し(ステップS7;Yes)、そうでない場合(ステップS7;No)ステップS1に戻る。Proceed to step S7. If the user removes the smart ring 10 from the finger 200 or the remaining charge of the rechargeable battery 162 is insufficient, terminate the signal acquisition process 1 (step S7; Yes); if not (step S7; No), return to step S1.
以上説明したように、スマートリングシステム1に使用するスマートリング10では、光源30とリング孔中心点CとPD40,41それぞれとが形成する角度が60°を超え105°未満の位置にあるので、AC(Alternate Current)/DC(Direct Current)比を改善できる。また、光源30およびPD40,41を囲むように配置された光学素子50,51がユーザの指200を押圧するように突出しているので、ユーザが仕事、家事、運動等をする場合であっても、スマートリング10がリング周方向に回転するのを抑制することができる。さらに、スマートリングシステム1では、一定期間毎に、2つあるPDのうち光源30からの光の受信強度が高い方のPDの信号を収集するので、ユーザが仕事、家事、運動等をすることにより、スマートリング10がユーザの指200でリングの周方向に回転したとしても容積脈波を精度良く測定できる。As described above, in the smart ring 10 used in the smart ring system 1, the angle formed by the light source 30, the ring hole center point C, and each of the PDs 40 and 41 is in a position that is greater than 60° and less than 105°, so that the AC (Alternate Current)/DC (Direct Current) ratio can be improved. In addition, the optical elements 50 and 51 arranged to surround the light source 30 and the PDs 40 and 41 protrude so as to press against the user's finger 200, so that the smart ring 10 can be prevented from rotating in the ring circumferential direction even when the user is working, doing housework, exercising, etc. Furthermore, in the smart ring system 1, the signal of the PD that has a higher light reception intensity from the light source 30 out of the two PDs is collected at regular intervals, so that the volume pulse wave can be accurately measured even if the smart ring 10 rotates in the ring circumferential direction on the user's finger 200 as the user works, does housework, exercises, etc.
[第2実施形態]
図8A、図8Bに示すように、第2実施形態では、スマートリング11には、第1実施形態での2つのPD41,42に代わって、N個のPD401,402,…,40N-1,40Nが配置され、全てのPDが同時に駆動され受光する構成である。また、光源31は、LEDアレイ光源である点も第1実施形態と異なる。
[Second embodiment]
8A and 8B, in the second embodiment, instead of the two PDs 41 and 42 in the first embodiment, N PDs 40 1 , 40 2 , ..., 40 N-1 , and 40 N are arranged in the smart ring 11, and all the PDs are driven simultaneously to receive light. Another difference from the first embodiment is that the light source 31 is an LED array light source.
光源31は、異なるピーク波長λ1、λ2、…、λnをもつ複数のLEDを有し、少なくとも500-550nmの間、600-800nmの間、900-1000nmの間にピーク波長を有する。 The light source 31 comprises a number of LEDs with different peak wavelengths λ 1 , λ 2 , . . . , λ n , at least between 500-550 nm, between 600-800 nm, and between 900-1000 nm.
PD401,402,…,40N-1,40Nは、基点BPとリング孔中心点CとそれぞれのPDとが形成する角度がθ1、θ2、…、θN-1、θNである。また、光源31は、基点BPとリング孔中心点Cと光源31とが形成する角度がθLである。また、θ1<θ2<…<θL<…<…<θN-1、<θNである。スマートリング11では、θL-θ1、θL-θ2、θL-θ2、…、θL-θN-1、θL-θN、の絶対値は、それぞれ60°を超え、105°未満である(なお、図8A、図8Bでは、図を見やすくするために、60°以下や105°以上の位置にも光源31やPDを配置している。)。その他の構成については、第1実施形態と同様である。 For PDs 40 1 , 40 2 , ..., 40 N-1 , 40 N , the angles formed by the base point BP, the ring hole center point C, and each PD are θ 1 , θ 2 , ..., θ N-1 , and θ N. For light source 31, the angle formed by the base point BP, the ring hole center point C, and light source 31 is θ L. Furthermore, θ 1 < θ 2 < ... < θ L < ... < ... < θ N-1 , < θ N. In the smart ring 11, the absolute values of θL- θ1 , θL - θ2 , θL - θ2 , ..., θL - θN-1 , θL - θN are each greater than 60° and less than 105° (note that in Figs. 8A and 8B, light sources 31 and PDs are also placed at positions less than 60° and greater than 105° to make the drawings easier to see). The other configurations are the same as those in the first embodiment.
図9に示すように、スマートリング11で実行される、信号取得処理2においては、信号収集期間の間は、受光強度測定期間において最大の受光強度を示したPD以外のPDを停止させる点も第1実施形態と異なっている。As shown in Figure 9, the signal acquisition process 2 executed by the smart ring 11 differs from the first embodiment in that, during the signal collection period, PDs other than the PD that showed the maximum light receiving intensity during the light receiving intensity measurement period are stopped.
(スマートリング11による容積脈波の取得方法)
図10を用いて、スマートリングシステム1のスマートリング11で実行される、信号取得処理2について説明する。
(Method of acquiring volume pulse wave using smart ring 11)
The signal acquisition process 2 executed by the smart ring 11 of the smart ring system 1 will be described with reference to FIG.
スマートリング11がユーザの指200に挿通され、光源制御部111は、光源31に所定の波長、本実施形態では、少なくとも500-550nmの間、600-800nmの間、900-1000nmの間にピーク波長を有する、異なるピーク波長λ1、λ2、…、λnをもつ光を出射させる(ステップS11)。 The smart ring 11 is inserted on the user's finger 200, and the light source control unit 111 causes the light source 31 to emit light having predetermined wavelengths, in this embodiment, different peak wavelengths λ 1 , λ 2 , ..., λ n having peak wavelengths at least between 500-550 nm, 600-800 nm, and 900-1000 nm (step S11).
光源31の駆動に合わせて、PD制御部112は、PD401,402,…,40N-1,40Nを全て同時に駆動させる。光源31から出射された光は、ユーザの指200の軟組織を透過・拡散反射してPD401,402,…,40N-1,40Nで受光される。測定部113は、PD401,402,…,40N-1,40Nでの受光強度T1、T2、…、TN-1、TNを受光強度測定期間の間測定する(ステップS12)。 In accordance with the driving of the light source 31, the PD control unit 112 simultaneously drives all of the PDs 40 1 , 40 2 , ..., 40 N-1 , and 40 N. The light emitted from the light source 31 is transmitted and diffusely reflected by the soft tissue of the user's finger 200 and is received by the PDs 40 1 , 40 2 , ..., 40 N-1 , and 40 N. The measurement unit 113 measures the received light intensities T 1 , T 2 , ..., T N-1 , and T N at the PDs 40 1 , 40 2 , ..., 40 N-1 , and 40 N during a received light intensity measurement period (step S12).
選択・収集部114は、T1、T2、…、TN-1、TNを比較して最大の受光強度を示すPDMAXを選択し(ステップS13)、信号収集期間の間、PDMAXの信号を収集し、ホストデバイス300に送信する。また、受光強度測定期間において最大の受光強度を示したPD以外のPDを停止させる(ステップS14)。 The selection and collection unit 114 compares T 1 , T 2 , ..., T N-1 , T N to select PD MAX showing the maximum received light intensity (step S13), and collects a signal of PD MAX during the signal collection period and transmits it to the host device 300. In addition, it stops the PDs other than the PD showing the maximum received light intensity during the received light intensity measurement period (step S14).
ステップS15に進み、ユーザがスマートリング11を指200から外したり、充電電池162の残量が不足した場合、信号取得処理2を終了し(ステップS15;Yes)、そうでない場合(ステップS15;No)ステップS11に戻る。Proceed to step S15. If the user removes the smart ring 11 from the finger 200 or the remaining charge of the rechargeable battery 162 is insufficient, terminate the signal acquisition process 2 (step S15; Yes); if not (step S15; No), return to step S11.
以上説明したように、第2実施形態のスマートリングシステム1では、光源31とリング孔中心点CとPD401,402,…,40N-1,40Nが形成する角度が60°を超え105°未満の位置にあるので、AC/DC比を改善できる。また、光源31およびPD401,402,…,40N-1,40Nを囲むように配置された光学素子50,51がユーザの指200を押圧するように突出しているので、ユーザが仕事、家事、運動等をする場合であっても、スマートリング11がリング周方向に回転するのを抑制することができる。さらに、スマートリングシステム1では、一定期間毎に、N個あるPDのうち光源31からの光の受信強度が最も高いPDの信号を収集するので、ユーザが仕事、家事、運動等をすることにより、スマートリング11がユーザの指200でリングの周方向に回転したとしても容積脈波をさらに精度良く測定できる。また、信号収集期間の間は、受光強度測定期間において最大の受光強度を示したPD以外のPDを停止させるので、消費電力を節約でき、スマートリング11の充電電池162の減りを抑制することができる。 As described above, in the smart ring system 1 of the second embodiment, the angle formed by the light source 31, the ring hole center point C, and the PDs 40 1 , 40 2 , ..., 40 N-1 , 40 N is greater than 60° and less than 105°, so that the AC/DC ratio can be improved. In addition, the optical elements 50 and 51 arranged to surround the light source 31 and the PDs 40 1 , 40 2 , ..., 40 N-1 , 40 N protrude so as to press the user's finger 200, so that the smart ring 11 can be prevented from rotating in the ring circumferential direction even when the user is working, doing housework, exercising, etc. Furthermore, in the smart ring system 1, the signal of the PD that has the highest light reception intensity from the light source 31 among the N PDs is collected at regular intervals, so that the volume pulse wave can be measured with even greater accuracy even if the smart ring 11 rotates in the ring circumferential direction on the user's finger 200 as the user works, does housework, exercises, etc. In addition, during the signal collection period, PDs other than the PD that showed the maximum light receiving intensity during the light receiving intensity measurement period are stopped, thereby saving power consumption and suppressing the decrease in the charge of the rechargeable battery 162 of the smart ring 11.
[第3実施形態]
図11A、図11Bに示すように、第3実施形態では、スマートリング12は、光源31とPD40とを備えるセンサユニット15、および、光源32とPD41とを備えるセンサユニット16、を有する。光源31,32は、LEDアレイ光源であり、異なるピーク波長λ1、λ2、…、λnをもつ複数のLEDを有し、少なくとも500-550nmの間にピーク波長を有する1つのLED、600-800nmの間にピーク波長を有する2つのLED、900-1000nmの間にピーク波長を有する1つのLEDが含まれる。光源31,32は、図12に示すように、互いのパルス・オンの時間とパルス・オフの時間とが逆になるパルス駆動制御を行い、交互に発光する。
[Third embodiment]
As shown in Figures 11A and 11B, in the third embodiment, the smart ring 12 has a sensor unit 15 including a light source 31 and a PD 40, and a sensor unit 16 including a light source 32 and a PD 41. The light sources 31 and 32 are LED array light sources and have a plurality of LEDs with different peak wavelengths λ 1 , λ 2 , ..., λ n , including at least one LED having a peak wavelength between 500-550 nm, two LEDs having peak wavelengths between 600-800 nm, and one LED having a peak wavelength between 900-1000 nm. As shown in Figure 12, the light sources 31 and 32 are pulse-driven and controlled so that the pulse-on time and the pulse-off time are reversed, and the light sources 31 and 32 emit light alternately.
図11A、図11Bに示すように、センサユニット15において、基点BPとリング孔中心点CとPD40とが形成する角度Φ1に、光源31とリング孔中心点CとPD40とが形成する角度ΦL1を加えた角度が、基点BPとリング孔中心点Cと光源32とが形成する角度Φ2未満である。ΦL2は、光源32とリング孔中心点CとPD41とが形成する角度である。また、60°<ΦL1=ΦL2<105°である。その他の構成については、第1実施形態と同様である。 11A and 11B, in the sensor unit 15, the angle Φ1 formed by the base point BP, the ring hole center point C, and the PD40 plus the angle ΦL1 formed by the light source 31, the ring hole center point C, and the PD40 is less than the angle Φ2 formed by the base point BP, the ring hole center point C, and the light source 32. ΦL2 is the angle formed by the light source 32, the ring hole center point C, and the PD41. In addition, 60°< ΦL1 = ΦL2 <105°. The other configurations are the same as those in the first embodiment.
また、スマートリング12で実行される、信号取得処理3においては、図12に示すように、信号収集期間の間は、受光強度測定期間において受光強度が大きい方のPDHでない側のPDLおよび光源を停止させる。 In addition, in the signal acquisition process 3 executed by the smart ring 12, as shown in FIG. 12, during the signal collection period, the PDL and the light source on the side other than the PDH with the larger received light intensity during the received light intensity measurement period are stopped.
(スマートリング12による容積脈波の取得方法)
図13を用いて、スマートリングシステム1のスマートリング12で実行される、信号取得処理3について説明する。
(Method of acquiring volume pulse wave using smart ring 12)
The signal acquisition process 3 executed by the smart ring 12 of the smart ring system 1 will be described with reference to FIG.
スマートリング12がユーザの指200に挿通され、光源制御部111は、センサユニット15の光源31およびセンサユニット16の光源32についてパルス列をインターリーブさせて、所定の波長、本実施形態では、少なくとも500-550nmの間、600-800nmの間、900-1000nmの間にピーク波長を有する、異なるピーク波長λ1、λ2、…、λnをもつ光を出射させる(ステップS21)。 The smart ring 12 is inserted on the user's finger 200, and the light source control unit 111 interleaves pulse trains for the light source 31 of the sensor unit 15 and the light source 32 of the sensor unit 16 to emit light having different peak wavelengths λ 1 , λ 2 , ..., λ n having predetermined wavelengths, in this embodiment, peak wavelengths at least between 500-550 nm, 600-800 nm, and 900-1000 nm (step S21).
光源31,32の駆動に合わせて、PD制御部112は、PD40,41を駆動させる。光源31,32から出射された光は、それぞれユーザの指200の軟組織を透過・拡散反射してPD40,41で受光される。測定部113は、PD40,41での受光強度T3とT4とを受光強度測定期間の間測定する(ステップS22)。In accordance with the driving of light sources 31 and 32, PD control unit 112 drives PDs 40 and 41. The light emitted from light sources 31 and 32 is transmitted and diffusely reflected by the soft tissue of the user's finger 200 and received by PDs 40 and 41. Measurement unit 113 measures the received light intensities T3 and T4 at PDs 40 and 41 during the received light intensity measurement period (step S22).
選択・収集部114は、T3とT4とを比較して受光強度が大きい方のPDHを選択し(ステップS23)、信号収集期間の間、他方のPDLを有するセンサユニットを停止し、受光強度が大きい方のPDHの信号を収集し(ステップS24)、ホストデバイス300に送信する。 The selection and collection unit 114 compares T3 and T4 to select the PDH with the greater received light intensity (step S23), stops the sensor unit having the other PDL during the signal collection period, collects the signal of the PDH with the greater received light intensity (step S24), and transmits it to the host device 300.
ステップS25に進み、ユーザがスマートリング12を指200から外したり、充電電池162の残量が不足した場合、信号取得処理3を終了し(ステップS25;Yes)、そうでない場合(ステップS25;No)ステップS21に戻る。Proceed to step S25. If the user removes the smart ring 12 from the finger 200 or the remaining charge of the rechargeable battery 162 is insufficient, terminate the signal acquisition process 3 (step S25; Yes); if not (step S25; No), return to step S21.
以上説明したように、第3実施形態のスマートリングシステム1では、光源31とリング孔中心点CとPD40とが形成する角度ΦL1、および光源31とリング孔中心点CとPD40とが形成する角度ΦL2が60°を超え105°未満であるので、AC/DC比を改善できる。また、光源31,32およびPD40,41を囲むように配置された光学素子50,51がユーザの指200を押圧するように突出しているので、ユーザが仕事、家事、運動等をする場合であっても、スマートリング12がリング周方向に回転するのを抑制することができる。さらに、スマートリングシステム1では、一定期間毎に光源31または光源32からの光の受信強度が大きい方のPDHの信号を収集するので、ユーザが仕事、家事、運動等をすることにより、スマートリング12がユーザの指200でリングの周方向に回転したとしても容積脈波を精度良く測定できる。また、信号収集期間の間は、受光強度測定期間において受光強度が大きい方のPD以外のPDLを有するセンサユニットを停止させるので、消費電力を節約でき、スマートリング12の充電電池162の減りを抑制することができる。 As described above, in the smart ring system 1 of the third embodiment, the angle Φ L1 formed by the light source 31, the ring hole center point C, and the PD 40, and the angle Φ L2 formed by the light source 31, the ring hole center point C, and the PD 40 are greater than 60° and less than 105°, so that the AC/DC ratio can be improved. In addition, the optical elements 50 and 51 arranged to surround the light sources 31 and 32 and the PDs 40 and 41 protrude so as to press the user's finger 200, so that the smart ring 12 can be prevented from rotating in the ring circumferential direction even when the user is working, doing housework, exercising, etc. Furthermore, in the smart ring system 1, the signal of the PD H , whichever has the greater light receiving intensity from the light source 31 or the light source 32, is collected at regular intervals, so that the volume pulse wave can be measured with high accuracy even if the smart ring 12 rotates in the ring circumferential direction on the user's finger 200 as the user works, does housework, exercises, etc. In addition, during the signal collection period, the sensor units having the PD L other than the PD with the larger received light intensity during the received light intensity measurement period are stopped, so that power consumption can be saved and the consumption of the rechargeable battery 162 of the smart ring 12 can be suppressed.
[変形例]
上記各実施形態では、外側筐体21は、チタン製であったが、サージカルステンレス等の他の金属製であってもよく、セラミックや樹脂、木材等で形成されていてもよい。内側筐体22は、樹脂製であったが、金属製やセラミック製であってもよい。
[Modification]
In each of the above embodiments, the outer housing 21 is made of titanium, but may be made of other metals such as surgical stainless steel, or may be made of ceramic, resin, wood, etc. The inner housing 22 is made of resin, but may be made of metal or ceramic.
上記各実施形態では、光源30は、複数のピーク波長を有するLEDであったが、異なるピーク波長を有する複数のLEDから構成されるLEDアレイ光源であってもよく、異なるピーク波長を有する光を発することができれば他の光源であってもよい。In each of the above embodiments, the light source 30 was an LED having multiple peak wavelengths, but it may also be an LED array light source composed of multiple LEDs having different peak wavelengths, or it may be any other light source as long as it is capable of emitting light having different peak wavelengths.
上記各実施形態では、フォトディテクタ40,41は、PIN型フォトダイオードであったが、PN型フォトダイオードやアバランシェフォトダイオードであってもよく、CdSやPbS等の光電導素子であってもよい。In each of the above embodiments, the photodetectors 40 and 41 were PIN type photodiodes, but they may also be PN type photodiodes or avalanche photodiodes, or photoconductive elements such as CdS or PbS.
また、上記各実施形態では、光学素子50,51は、パラボリックミラーであったが、放物面、双曲面や楕円面の非球面ミラーであってもよい。また、レンズ、フィルター、プリズム等であってもよく、これらを組み合わせたものであってもよい。In addition, in each of the above embodiments, the optical elements 50 and 51 are parabolic mirrors, but they may be aspheric mirrors with a parabolic, hyperbolic or elliptical surface. They may also be lenses, filters, prisms, or combinations of these.
上記各実施形態では、光源30を囲むように配置された光学素子50は、PD40,41を囲むように配置された光学素子51よりもリング孔に挿通したユーザの指200に向けての突出量が大きくなっていたが、全ての光学素子の突出量を同一にしてもよいし、PDを囲むように配置された光学素子のほうが、突出量が大きくなっていてもよい。In each of the above embodiments, the optical element 50 arranged to surround the light source 30 protrudes more toward the user's finger 200 inserted into the ring hole than the optical element 51 arranged to surround the PDs 40, 41, but the protrusion amounts of all optical elements may be the same, or the optical element arranged to surround the PD may protrude more.
上記各実施形態では、電源部160は、NFCワイヤレス充電を行っていたが、また、充電装置400は、リチウムポリマー電池であったが、リチウムイオン電池や他の充電電池であってもよい。或いは、非充電タイプの小型電池を使用する構成としてもよい。In each of the above embodiments, the power supply unit 160 performs NFC wireless charging, and the charging device 400 is a lithium polymer battery, but it may be a lithium ion battery or other rechargeable battery. Alternatively, it may be configured to use a non-rechargeable small battery.
上記各実施形態では、MCU100は、制御部110、記憶部120、通信部130、を有していたが、MCUの構成はこれと異なっていてもよいし、MCUを使用せず、制御部、記憶部、通信部を設けてもよい。In each of the above embodiments, the MCU 100 has a control unit 110, a memory unit 120, and a communication unit 130, but the configuration of the MCU may be different from this, or a control unit, memory unit, and communication unit may be provided without using an MCU.
また、上記各実施形態では、通信装置131は、Bluetoothに基づく無線通信を行っていたが、Wi-Fi(登録商標)に基づく無線通信を行ってもよいし、LoRaWAN(登録商標)に基づく無線通信を行ってもよく、他の規格に基づく無線通信を行ってもよい。 In addition, in each of the above embodiments, the communication device 131 performs wireless communication based on Bluetooth, but it may also perform wireless communication based on Wi-Fi (registered trademark), LoRaWAN (registered trademark), or other standards.
上記各実施形態では、センサ部140は、多波長PPGセンサ141と、ジャイロセンサ142と、加速度センサ143と、温度センサ144と、ミリ波センサ145と、マイクロ波センサ146と、光学センサ147と、を有していたが、さらに他のセンサを有していてもよいし、多波長PPGセンサ141を除いていくつかのセンサを有していなくてもよい。In each of the above embodiments, the sensor unit 140 has a multi-wavelength PPG sensor 141, a gyro sensor 142, an acceleration sensor 143, a temperature sensor 144, a millimeter wave sensor 145, a microwave sensor 146, and an optical sensor 147, but may have other sensors or may not have some sensors other than the multi-wavelength PPG sensor 141.
上記第1実施形態では、光源30とPD41,42とリング孔中心点Cとが形成する角度は、θ2-θ1=θ3-θ2であったが、θ2-θ1とθ3-θ2とは、60°を超え、105°未満の角度であれば異なっていてもよい。In the first embodiment described above, the angle formed by the light source 30, PDs 41 and 42, and the center point C of the ring hole was θ2-θ1=θ3-θ2, but θ2-θ1 and θ3-θ2 may be different as long as the angles are greater than 60° and less than 105°.
上記各実施形態では、光学素子50,51は、内側筐体22の主面24から突出していたが、図14に示すように、内側筐体22に形成された凹部25に光学素子50,51が配置され、凹部25から突出するようにし、光学素子50,51を覆うように内側筐体22と同様の透明樹脂製の封止体56を充填してもよい。或いは、図15に示すように、光学素子50,51は基板60の孔65および外側筐体21の凹部に配置されるようにしてもよい。封止体56の代わりに、レンズやプリズム等を使用してもよい。In each of the above embodiments, the optical elements 50, 51 protrude from the main surface 24 of the inner housing 22, but as shown in Fig. 14, the optical elements 50, 51 may be arranged in a recess 25 formed in the inner housing 22 so as to protrude from the recess 25, and a sealant 56 made of a transparent resin similar to that of the inner housing 22 may be filled to cover the optical elements 50, 51. Alternatively, as shown in Fig. 15, the optical elements 50, 51 may be arranged in a hole 65 of the substrate 60 and a recess in the outer housing 21. A lens, a prism, or the like may be used instead of the sealant 56.
また、上記第3実施形態では、スマートリング12には、2つのセンサユニットが搭載されていたが、3つ以上のセンサユニットが搭載されていていてもよい。 In addition, in the above third embodiment, the smart ring 12 was equipped with two sensor units, but it may be equipped with three or more sensor units.
光源とリング孔中心点CとPDとが形成する角度に対するPDの受光強度についての実験結果を以下に記載する。光源およびPDをそれぞれ囲むように光学素子を配置した場合と配置しなかった場合についての4パターンのシミュレーションを行った結果を以下に記載する。Below are experimental results regarding the light intensity of the PD versus the angle formed by the light source, the center point C of the ring hole, and the PD. Below are the results of four simulation patterns, with and without optical elements arranged to surround the light source and PD, respectively.
光学シミュレーションにより、上記各実施形態に係るスマートリングの構造最適化を行った。シミュレーションには、米国Lambda Research Corporation社製の光学シミュレーションツールTrace Pro(登録商標)を用いた。図2に示すように、光学シミュレーションは、ユーザの指200の基節骨204部分に、スマートリング10を挿通した状態を想定した。モデルは、外側筐体21、内側筐体22、光源30のダイ(発光エリア:0.28mm×0.28mm)、PD40のダイ(受光エリア:1.5mm×1.5mm)、表皮201、真皮202、皮下脂肪203、基節骨204、屈筋腱205、動脈206、神経207、を有する。それぞれのモデル構成要素に、吸光度、散乱係数、屈折率を定義し、多重散乱系としてシミュレーションを行った。それぞれの光学定数は、以下の参考文献を参照した。 The structure of the smart ring according to each of the above embodiments was optimized by optical simulation. For the simulation, an optical simulation tool Trace Pro (registered trademark) manufactured by Lambda Research Corporation, USA, was used. As shown in FIG. 2, the optical simulation was performed assuming that the smart ring 10 was inserted into the proximal phalange 204 of the user's finger 200. The model has an outer housing 21, an inner housing 22, a die of the light source 30 (light-emitting area: 0.28 mm x 0.28 mm), a die of the PD 40 (light-receiving area: 1.5 mm x 1.5 mm), an epidermis 201, a dermis 202, a subcutaneous fat 203, a proximal phalange 204, a flexor tendon 205, an artery 206, and a nerve 207. The absorbance, scattering coefficient, and refractive index were defined for each model component, and a simulation was performed as a multiple scattering system. The optical constants of each component were referenced in the following references.
(参考文献1)
V.v.Tuchin,”Light scattering study of tissues”,Phys.-Usp.40(5)、495-515(1997).
(Reference 1)
V. v. Tuchin, “Light scattering study of tissues”, Phys. -Usp. 40(5), 495-515 (1997).
(参考文献2)
A.N.Bashkatov,D.M.Zhestkov,E.A.Genina,and V.V.Tuchin,”Immersion clearing of human blood in the visible and near-infrared spectral regions”,Opt.Spectrosc.98(4),638-646(2005).
(Reference 2)
A. N. Bashkatov, D. M. Zhestkov, E. A. Genina, and V. V. Tuchin, “Immersion clearing of human blood in the visible and near-infrared spectral regions”, Opt. Spectrosc. 98(4), 638-646 (2005).
(参考文献3)
O.Zhernovava,V.S.Tuchin,and A.Douplik,”The refractive index of human hemoglobin in the visible range”,Phys.Med.Biol.56(13),4013-4021(2011).
(Reference 3)
O. Zhernovava, V. S. Tuchin, and A. Douplik, “The refractive index of human hemoglobin in the visible range”, Phys. Med. Biol. 56(13), 4013-4021 (2011).
ここで、指200の組織は、スマートリング10の内側筐体22に圧迫されるため、内側筐体22に沿う形に変形すると想定し、特に光学素子50に押圧される部分には凹部Dが形成されると想定する。Here, it is assumed that the tissue of the finger 200 is compressed by the inner housing 22 of the smart ring 10 and therefore deforms to conform to the inner housing 22, and in particular, it is assumed that a recess D is formed in the portion pressed against the optical element 50.
光源30から近赤外線波長の光を出射させ、指200の組織内を多重散乱してPD40に到達する光の強度を解析した。光源30とPD40との位置関係は、スマートリング10のリング孔を円周とした場合の円の中心であるリング孔中心点Cを用いて、光源30とリング孔中心点CとPD40とを結んで形成された角度θで表した。θを45°から105°まで15°ずつ変化させてシミュレーションを行った。Light with a near-infrared wavelength was emitted from the light source 30, and the intensity of the light that was multiple-scattered within the tissue of the finger 200 and reached the PD 40 was analyzed. The positional relationship between the light source 30 and the PD 40 was expressed as the angle θ formed by connecting the light source 30, the ring hole center point C, and the PD 40, using the ring hole center point C, which is the center of the circle when the ring hole of the smart ring 10 is considered as the circumference. Simulations were performed by changing θ from 45° to 105° in increments of 15°.
光源30については、光学素子50有りの場合と無しの場合の2通りについて解析を行い、この2通りの場合に対してそれぞれPD40に光学素子51が有る場合と無い場合とについて解析した(合計4通り)。なお、モデルの簡略化のため、光学素子50と光学素子51とは、同一の形状であるとして解析を行った。また、PD41は、モデルの簡略化のために省略した。参考までに、光源30に光学素子50が無い場合の光の放射分布を図16Aに、有る場合を図16Bに示す。光学素子50によって光源30の発する光が0°に向けて集光されていることがわかる。 The light source 30 was analyzed in two cases, with and without the optical element 50, and each of these two cases was analyzed with and without the optical element 51 in the PD 40 (four cases in total). To simplify the model, the analysis was performed assuming that the optical elements 50 and 51 have the same shape. Also, PD 41 was omitted to simplify the model. For reference, the light radiation distribution when the light source 30 does not have the optical element 50 is shown in Figure 16A, and when it does have the optical element 50 is shown in Figure 16B. It can be seen that the light emitted by the light source 30 is focused toward 0° by the optical element 50.
図17、図18に光学シミュレーションの結果を示す。図17の横軸は、光源30とリング孔中心点CとPD40とが形成する角度θを示し、縦軸は、PDで受光する光の強度を示す。実線で示したグラフは光源30、PD40ともに光学素子が無い場合であり、点線のグラフはPD40にのみ光学素子がある場合である。一点鎖線は光源30のみに光学素子がある場合であり、破線は光源30、PD40ともに光学素子がある場合である。4つの場合のいずれにおいても、θが大きくなればなるほど受光強度が小さくなることがわかる。これは、指の皮膚組織と皮下組織の吸収に起因するものと考えられる。 The results of the optical simulation are shown in Figures 17 and 18. The horizontal axis of Figure 17 indicates the angle θ formed between the light source 30, the center point C of the ring hole, and the PD 40, and the vertical axis indicates the intensity of light received by the PD. The graph shown with a solid line is the case where neither the light source 30 nor the PD 40 has an optical element, and the graph shown with a dotted line is the case where only the PD 40 has an optical element. The dashed and dotted line is the case where only the light source 30 has an optical element, and the dashed line is the case where both the light source 30 and the PD 40 have optical elements. It can be seen that in all four cases, the larger θ becomes, the smaller the received light intensity becomes. This is thought to be due to absorption by the skin tissue and subcutaneous tissue of the finger.
図18の横軸は、光源30とリング孔中心点CとPD40とが形成する角度θを示し、縦軸は、AC/DC比を示す。AC/DC比は、以下のように定義する。
AC/DC=Iartery/Iall
18, the horizontal axis represents the angle θ formed between the light source 30, the center point C of the ring hole, and the PD 40, and the vertical axis represents the AC/DC ratio. The AC/DC ratio is defined as follows.
AC/DC=I artery /I all
ここで、Iarteryは、光源30から出射され動脈を通過し、PD40に到達した光線の強度の合計であり、Iallは、光源30から出射されてPD40に到達した全ての光線の強度の合計である。 Here, I artery is the sum of the intensities of the light rays emitted from the light source 30, passed through the artery, and reached the PD 40, and I all is the sum of the intensities of all the light rays emitted from the light source 30 and reached the PD 40.
図17,18より、以下の3つのことがわかる。 The following three points can be seen from Figures 17 and 18.
1.θが小さい場合(反射型光電容積脈波に近い領域)
θが小さくなればなるほど、反射型光電容積脈波に近い形態であるといえる。シミュレーション結果より、この場合、PD40に届く光線の強度は大きくなるが、一方で、動脈206が存在する指組織深部を経由してPD40に届く光線は極めて少なくなることがわかる。従って、血中酸素飽和度を測定する目的においては、この形態は適していないといえる。また、この領域における光学素子の効果は少ないことがわかる。
1. When θ is small (area close to the reflective photoplethysmogram)
It can be said that the smaller θ is, the closer the form is to a reflective photoplethysmogram. From the simulation results, it can be seen that in this case, the intensity of the light reaching the PD 40 is high, but on the other hand, the amount of light reaching the PD 40 via the deep part of the finger tissue where the artery 206 is present is extremely low. Therefore, it can be said that this form is not suitable for the purpose of measuring blood oxygen saturation. It can also be seen that the effect of the optical element in this region is small.
2.θが大きい場合(透過型光電容積脈波に近い領域)
θが大きくなればなるほど、透過型光電容積脈波に近い形態であるといえる。
2. When θ is large (area close to the transmitted photoplethysmogram)
It can be said that the larger the θ, the closer the form is to a transmission type photoplethysmogram.
シミュレーション結果より、この場合、動脈206が存在する指組織深部を経由してPD40に届く光線の割合が大きくなるため、血中酸素飽和度を測定する目的に適しているといえる。しかしながら、発光強度を大きくする必要があり、電力確保の観点から考えると、小型化することが求められるスマートリングには適さない可能性がある。また、この領域においても光学素子の恩恵が小さいと推察される。 The simulation results show that in this case, a large proportion of the light reaches the PD 40 via the deep part of the finger tissue where the artery 206 is located, making it suitable for measuring blood oxygen saturation. However, the emission intensity needs to be increased, and from the perspective of securing power, it may not be suitable for a smart ring, which is required to be compact. It is also estimated that the benefit of optical elements is small in this region.
3.θが1.の場合と2.の場合の中間である場合(準透過型光電容積脈波の領域)
1.の反射型でも2.の透過型でもない形態を準透過型とよぶ。シミュレーション結果より、受光強度とAC/DC比とはトレードオフの関係にあることがわかるので、アプリケーションに応じてθを最適化することが重要である。60°<θ<105°である領域において、光学素子がある場合に、AC/DC比が大幅に改善していることが確認できる。準透過型光電容積脈波センサでは、光源とPDとに光学素子を加えることでAC/DC比を改善できる。
3. When θ is between cases 1 and 2 (quasi-transmission type photoplethysmography region)
A form that is neither the reflective type (1) nor the transmissive type (2) is called a quasi-transmissive type. The simulation results show that there is a trade-off between the received light intensity and the AC/DC ratio, so it is important to optimize θ according to the application. It can be confirmed that in the region where 60°<θ<105°, when an optical element is present, the AC/DC ratio is significantly improved. In a quasi-transmissive photoplethysmographic sensor, the AC/DC ratio can be improved by adding an optical element to the light source and PD.
なお、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされているものである。また、上述した各実施形態は、本発明の一実施例を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。上記各実施形態及び変形例は任意に組み合わせることができる。さらに、必要に応じて実施形態の構成要件の一部を除いても本発明の技術的思想の範囲内となる。 The present invention is capable of various embodiments and modifications without departing from the broad spirit and scope of the present invention. Furthermore, each of the above-described embodiments is intended to explain one example of the present invention and does not limit the scope of the present invention. The above-described embodiments and modifications can be combined in any manner. Furthermore, even if some of the constituent elements of an embodiment are omitted as necessary, the invention will still fall within the scope of the technical idea of the present invention.
1 スマートリングシステム
10,11,12 スマートリング
15,16 センサユニット
20 筐体
21 外側筐体
22 内側筐体
23 装飾部
24 主面
25 凹部
30,31,32 光源
35 発光部
40,401,402,…,40N,41 フォトディテクタ
50,51 光学素子
52 本体部
53 取付部
54 集光面
55 始点
60 基板
61 充電IC
62 電源管理IC
65 孔
100 MCU
110 制御部
111 光源制御部
112 PD制御部
113 測定部
114 選択・収集部
120 記憶部
121 設定記憶部
122 測定結果記憶部
130 通信部
131 通信装置
140 センサ部
141 多波長PPGセンサ
142 ジャイロセンサ
143 加速度センサ
144 温度センサ
145 ミリ波センサ
146 マイクロ波センサ
147 光学センサ
150 報知部
151 報知装置
160 電源部
161 電源監視ユニット
162 充電電池
163 充電レシーバ
200 指
201 表皮
202 真皮
203 皮下脂肪
204 基節骨
205 屈筋腱
206 動脈
207 神経
300 ホストデバイス
400 充電装置
401 充電トランスミッタ
BP 基点
C リング孔中心点
REFERENCE SIGNS LIST 1 Smart ring system 10, 11, 12 Smart ring 15, 16 Sensor unit 20 Housing 21 Outer housing 22 Inner housing 23 Decorative part 24 Main surface 25 Recess 30 , 31, 32 Light source 35 Light emitting part 40, 40 1 , 40 2 , ..., 40 N , 41 Photodetector 50, 51 Optical element 52 Main body part 53 Mounting part 54 Light collecting surface 55 Starting point 60 Substrate 61 Charging IC
62 Power supply management IC
65 holes 100 MCU
110 Control unit 111 Light source control unit 112 PD control unit 113 Measurement unit 114 Selection and collection unit 120 Memory unit 121 Setting memory unit 122 Measurement result memory unit 130 Communication unit 131 Communication device 140 Sensor unit 141 Multi-wavelength PPG sensor 142 Gyro sensor 143 Acceleration sensor 144 Temperature sensor 145 Millimeter wave sensor 146 Microwave sensor 147 Optical sensor 150 Notification unit 151 Notification device 160 Power supply unit 161 Power supply monitoring unit 162 Rechargeable battery 163 Charging receiver 200 Finger 201 Epidermis 202 Dermis 203 Subcutaneous fat 204 Proximal phalange 205 Flexor tendon 206 Artery 207 Nerve 300 Host device 400 Charging device 401 Charging transmitter BP Base point C Ring hole center point
Claims (13)
前記第1の光源および前記第1のフォトディテクタは、前記第1および第2の光学素子の貫通孔に配置されており、
前記第1および第2の光学素子は、前記第1の光源および前記第1のフォトディテクタをそれぞれ囲むように配置され、前記指に向けて前記筐体の前記指を挿通する側の主面から突出し、前記第1および第2の光学素子を覆う前記封止体を介して前記指を押圧して前記封止体を前記指に密着させ、前記封止体を介して前記指に対する前記筐体の回転を抑制し、
前記第1および第2の光学素子は、前記光を集光するパラボラ曲面が前記貫通孔に形成された非球面ミラーである、
スマートリング。 a first light source that illuminates a finger through a ring-shaped first optical element; a first photodetector that receives light emitted from the first light source or another light source through a ring-shaped second optical element and acquires a volume pulse wave; a housing through which the finger is inserted; and a transparent resin sealing body that fixes the first and second optical elements to the housing ;
the first light source and the first photodetector are disposed in through holes of the first and second optical elements;
the first and second optical elements are arranged to surround the first light source and the first photodetector, respectively, and protrude from a main surface of the housing on a side through which the finger is inserted toward the finger, the finger is pressed against the sealing body covering the first and second optical elements to bring the sealing body into close contact with the finger, and rotation of the housing relative to the finger is suppressed via the sealing body ;
the first and second optical elements are aspheric mirrors having parabolic curved surfaces formed in the through holes to condense the light;
Smart ring.
請求項1に記載のスマートリング。 a first angle formed by a position where the first light source is arranged, a center point of a ring hole through which the finger is inserted, which is formed in the housing, and a position where the first photodetector is arranged is greater than 60° and less than 105°;
The smart ring of claim 1.
前記第3の光学素子は、前記第2のフォトディテクタを囲むように配置され、
前記第1の光源が配置された位置と前記中心点と前記第2のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第2の角度が60°を超え、かつ、105°未満であり、
受光強度が最も高いフォトディテクタから得られた信号を選択して容積脈波を取得する、
請求項2に記載のスマートリング。 a second photodetector that receives the light emitted from the first light source or another light source via an annular third optical element;
the third optical element is disposed to surround the second photodetector,
a second angle formed by a position where the first light source is disposed, the center point, and a position where the second photodetector is disposed is greater than 60° and less than 105°;
A signal obtained from the photodetector with the highest light receiving intensity is selected to obtain a volume pulse wave.
The smart ring according to claim 2.
前記第1の光源および前記第1のフォトディテクタは、それぞれ前記第1および第2の光学素子の貫通孔に配置され、the first light source and the first photodetector are disposed in through holes of the first and second optical elements, respectively;
前記第1および第2の光学素子は、前記第1の光源および前記第1のフォトディテクタをそれぞれ囲むように配置され、前記指に向けて前記筐体の前記指を挿通する側の主面から突出し、前記指を押圧して前記指に密着し、前記指に対する前記筐体の回転を抑制し、the first and second optical elements are arranged to surround the first light source and the first photodetector, respectively, protrude from a main surface of the housing on a side through which the finger is inserted toward the finger, press against the finger to come into close contact with the finger, and suppress rotation of the housing with respect to the finger;
前記第1の光源が配置された位置と前記筐体に形成された前記指を挿通するリング孔の中心点と前記第1のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第1の角度が60°を超え、かつ、105°未満であり、a first angle formed by a position where the first light source is disposed, a center point of a ring hole through which the finger is inserted, which is formed in the housing, and a position where the first photodetector is disposed is greater than 60° and less than 105°;
前記第2のフォトディテクタは、前記第3の光学素子の貫通孔に配置され、the second photodetector is disposed in a through hole of the third optical element;
前記第3の光学素子は、前記第2のフォトディテクタを囲むように配置され、the third optical element is disposed to surround the second photodetector,
前記第1の光源が配置された位置と前記中心点と前記第2のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第2の角度が60°を超え、かつ、105°未満であり、a second angle formed by a position where the first light source is disposed, the center point, and a position where the second photodetector is disposed is greater than 60° and less than 105°;
前記第1、第2および第3の光学素子は、それぞれの前記貫通孔に形成されたパラボラ曲面の前記光が入射する側または出射される側の端部がミラーの放物線状の曲面の始点と一致するパラボリックミラーである、the first, second and third optical elements are parabolic mirrors, each of which has a parabolic curved surface formed in the through hole, the end of which is on the side where the light is incident or the end of which is on the side where the light is emitted, coinciding with a start point of the parabolic curved surface of the mirror;
スマートリング。Smart ring.
請求項3に記載のスマートリング。 The first, second and third optical elements further include at least one of a lens, a filter and a prism that condenses the light.
The smart ring according to claim 3 .
請求項5に記載のスマートリング。 a first central angle formed by a predetermined base point on an inner surface of the smart ring, the center point, and a position where the first light source is disposed is larger than a second central angle formed by the base point, the center point, and a position where the first photodetector is disposed, and is smaller than a third central angle formed by the base point, the center point, and a position where the second photodetector is disposed;
The smart ring according to claim 5.
前記第1および第2のフォトディテクタは、前記異なるピーク波長を、受光感度を有する波長範囲に含む、
請求項5に記載のスマートリング。 the first light source is an LED array light source composed of a plurality of LEDs having different peak wavelengths;
The first and second photodetectors include the different peak wavelengths in their light sensitivity wavelength ranges.
The smart ring according to claim 5.
請求項7に記載のスマートリング。 The plurality of LEDs include one or more LEDs having a peak wavelength in the range of 500-550 nm, two or more LEDs having a peak wavelength in the range of 600-800 nm, and one or more LEDs having a peak wavelength in the range of 900-1000 nm.
The smart ring of claim 7.
請求項8に記載のスマートリング。 every time a predetermined time has elapsed, a signal obtained from a photodetector having the highest received light intensity is selected to obtain a volume pulse wave;
The smart ring of claim 8.
請求項1に記載のスマートリング。 The aspheric mirror is a parabolic mirror whose parabolic curved surface has an end on the side where the light is incident or exits, the end coinciding with the start point of the parabolic curved surface of the mirror.
The smart ring of claim 1 .
前記第2の光源は、前記第4の光学素子の貫通孔に配置され、
前記第4の光学素子は、前記第2の光源を囲むように配置され、
前記第4の光学素子は、前記光を集光するパラボラ曲面が前記貫通孔に形成された非球面ミラーであり、
前記基点と前記中心点と前記第2の光源が配置された位置とが形成する第4の中心角は、前記第2の中心角に前記第1の光源と前記中心点と前記第1のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第5の中心角を加えた第1の角度より大きく、かつ、前記第2の中心角に前記第2の光源が配置された位置と前記中心点と前記第2のフォトディテクタが配置された位置とが形成する第6の中心角を加えた第2の角度より大きく、
2つの光源と2つのフォトディテクタとの組み合わせの中から、受光強度が最も高いフォトディテクタから得られた信号を選択して容積脈波を取得する、
請求項6に記載のスマートリング。 a second light source that illuminates the finger through an annular fourth optical element;
the second light source is disposed in a through hole of the fourth optical element;
the fourth optical element is disposed to surround the second light source,
the fourth optical element is an aspheric mirror having a parabolic curved surface formed in the through hole for collecting the light,
a fourth central angle formed by the base point, the center point, and the position where the second light source is disposed is larger than a first angle obtained by adding a fifth central angle formed by the first light source, the center point, and the position where the first photodetector is disposed to the second central angle, and is also larger than a second angle obtained by adding a sixth central angle formed by the position where the second light source is disposed, the center point, and the position where the second photodetector is disposed to the second central angle;
A signal obtained from a photodetector having the highest light receiving intensity is selected from a combination of two light sources and two photodetectors to obtain a volume pulse wave.
The smart ring of claim 6.
請求項11に記載のスマートリング。 The first and second light sources have opposite pulse-on and pulse-off times.
The smart ring of claim 11.
前記スマートリングから前記容積脈波を無線通信で受信する電子機器と、を備える、
スマートリングシステム。 A smart ring according to any one of claims 1 to 12;
and an electronic device that receives the volume pulse wave from the smart ring via wireless communication.
Smart Ring System.
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006239114A (en) | 2005-03-03 | 2006-09-14 | Citizen Watch Co Ltd | Cuff-less electronic blood pressure monitor |
| JP2018513721A (en) | 2015-03-23 | 2018-05-31 | オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングOsram Opto Semiconductors GmbH | Biological function detection sensor |
| US20180103902A1 (en) | 2015-08-14 | 2018-04-19 | Oura Health Oy | Wearable electronic device and method for manufacturing thereof |
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