JP2006145395A - 光学式生体情報測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ランプ光源から生体に入射させる光量を低減させることなく、その光量変動を精度よく監視して、測定精度を向上する。
【解決手段】 ランプ光源２と、ランプ光源２からの光を生体Ａに入射させる照射光学系３と、生体Ａ内における吸光特性に基づいて、生体情報を算出する検出光学系５と、ランプ光源２の光量を計測する光量計測光学系４とを備え、照射光学系３と光量計測光学系４とが、ランプ光源２を挟んでほぼ対称に構成されている光学式生体情報測定装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、光学式生体情報測定装置に関するものである。

従来、指、腕、耳朶などの生体組織に対し、外部から近赤外光を照射して生体内で拡散させ、生体外に出射された光を検出する非侵襲的な血糖計が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１の方法は、光源に用いられるハロゲンランプの不安定性に基づく光量変化による測定値の変動を防止するために、ハロゲンランプから生体に向けて出射される光の一部を分岐してその光量を監視し、その光量が一定値となるようにハロゲンランプを制御することとしている。
特開２００３−２４５２６５号公報（図５等）

しかしながら、特許文献１に記載された血糖計は、ハロゲンランプの光量変動を補償するために、ハロゲンランプから生体に向けて出射される光の一部を分岐させているため、以下の不都合がある。
すなわち、ハロゲンランプからの光を複数の光ファイバに入射させることにより分岐させる場合には、それぞれの光ファイバに分岐された光は、ハロゲンランプを構成するフィラメントの異なる部位から発せられた光となる。このため、一の光ファイバを介して生体側に入射される光の光量変動を、他の光ファイバに入射された光によっては検出できないことがあり、ハロゲンランプの光量のフィードバック制御を精度よく行うことができないという不都合がある。
また、ハロゲンランプからの光をハーフミラーによって分岐させる場合には、上記の不都合はないが、光量監視用に光を分岐させる分だけ、生体に入射させる光の光量が低減してしまう不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ランプ光源から生体に入射させる光量を低減させることなく、その光量変動を精度よく監視して、測定精度を向上することができる光学式生体情報測定装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、ランプ光源と、該ランプ光源からの光を生体に入射させる照射光学系と、生体内における吸光特性に基づいて、生体情報を算出する検出光学系と、前記ランプ光源の光量を計測する光量計測光学系とを備え、前記照射光学系と前記光量計測光学系とが、前記ランプ光源を挟んでほぼ対称に構成されている光学式生体情報測定装置を提供する。

本発明によれば、ランプ光源から発せられた光が照射光学系を介して生体に入射され、検出光学系により、生体内における吸光特性に基づいて生体情報が算出される。一方、ランプ光源からの光は光量計測光学系に入射されることにより、その光量が計測される。したがって、計測された光量を用いてランプ光源の光量が一定値となるように制御し、あるいは、事後的に変動を加味した計算により生体情報を補正することができる。

この場合において、本発明によれば、照射光学系と光量計測光学系とがランプ光源を挟んでほぼ対称に構成されているので、照射光学系および光量計測光学系には同一の変動を含んだ同一の光を入射させることができる。その結果、光量計測光学系において、照射光学系に入射された光の変動を検出することができ、生体に入射させる光を精度よく補正し、あるいは、事後的に測定された生体情報を補正して、正確な生体情報を取得することができる。

上記発明においては、前記光量計測光学系とランプ光源との間に、光量計測光学系により計測された光量に基づいて、ランプ光源の出力を制御するフィードバック制御系が設けられていることが好ましい。
フィードバック制御系の作動により、光量計測光学系により計測された光量に基づいてランプ光源の出力が制御される。光量計測光学系には、照射光学系を介して生体に入射される光と同一の変動を含む光が入射されるので、光量変動を正確に検出してランプ光源の出力を安定して一定の光量に維持することができる。

また、上記発明においては、前記照射光学系および前記光量計測光学系に、これらの光学系に入射された光を分散させる導光部材が設けられていることが好ましい。
照明光学系および光量計測光学系に入射される光が導光部材を通過する間に分散されるので、光量が均一に分布した光を生体に入射させ、あるいは検出することができる。
この場合に、導光部材を石英ロッドとすることにより、簡易に光量を均一に分散させた光束を構成することができる。

本発明によれば、ランプ光源のフィラメントの一部において何らかの原因により光量変動が発生しても、それを精度よく検出して、生体に入射させる光の変動を補正し、あるいは、生体情報の測定後にその変動を除去するよう補正することができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係る光学式生体情報測定装置について、図１〜図３参照して説明する。
本実施形態に係る光学式生体情報測定装置１は、グルコース濃度測定装置であって、ハロゲンランプ（ランプ光源）２と、該ハロゲンランプ２を挟んで一側に配置される照射光学系３と、他側に配される光量計測光学系４と、生体Ａから戻る光を検出する検出光学系５とを備えている。

照射光学系３は、ハロゲンランプ２から一方向に出射される光を集光する集光レンズ６と、該集光レンズ６により集光された光を一端７ａに入射させる石英ロッド７と、該石英ロッド７の他端７ｂから出射される光を集光する集光レンズ８と、該集光レンズ８により集光された光を一端に入射させるファイババンドル９とを備えている。ファイババンドル９の他端は、生体Ａの表面に密着状態に配されるようになっている。ファイババンドル９は、例えば、図２に示されるように、８本のファイバコア９ａを備えており、等間隔をあけて円形配列されている。

検出光学系５は、図２に示されるように、前記ファイババンドル９の出射端の中央位置に配置された一端を配置する１本の光ファイバ１０と、該光ファイバ１０の他端から発せられる検出光を集光させる集光レンズ１１と、集光された検出光を分光するグレーティング１２と、分光された検出光を検出するリニアアレイセンサ１３とを備えている。リニアアレイセンサ１３には解析処理部１４が接続され、リニアアレイセンサ１３により検出された検出信号に基づいてグルコース濃度が算出されるようになっている。符号１５はモニタである。

生体Ａ内に光を入射させるファイババンドル９の各ファイバコア９ａと、生体Ａからの光を受光する光ファイバ１０との間隔は、約０．４〜１．０ｍｍに設定されている。これらのファイバコア９ａと光ファイバ１０との間隔は、光の進達度に関係しており、このように設定することによって、各ファイバコア９ａの端面から発せられ生体Ａ内に入射させられた光が、グルコース成分を多く含む真皮領域にまで進達する。したがって、光ファイバ１０によって受光される光が、生体Ａの組織内を真皮の深さまで進達した光を多く含んでいるようになっている。

光量計測光学系４は、ハロゲンランプ２から、前記照射光学系３とは反対方向に出射される光を集光する集光レンズ１６と、該集光レンズ１６により集光された光を一端１７ａに入射させる石英ロッド１７と、該石英ロッド１７の他端１７ｂから出射される光を集光する集光レンズ１８と、該集光レンズ１８により集光された光を検出するフォトダイオード１９と、該フォトダイオード１９への光量のゲインを調節するＮＤフィルタ２０とを備えている。
石英ロッド１７および集光レンズ１６，１８は、照射光学系３の石英ロッド７および集光レンズ６，８と同一のもであり、ハロゲンランプ２を挟んで、光量計測光学系４と照射光学系３とがほぼ対称に配置されている。

本実施形態においては、フォトダイオード１９には、アンプ２１およびＡ／Ｄ変換器２２を介して制御装置２３が接続されている。制御装置２３は、フォトダイオード１９により検出されたハロゲンランプ２の光量信号に基づいてハロゲンランプ２の電源２４を調節するようになっている。

フォトダイオード１９およびＡ／Ｄ変換器２２としては、リニアアレイセンサ１３の分解能よりも十分に高いダイナミックレンジを有する素子が使用されている。例えば、リニアアレイセンサ１３のダイナミックレンジが１００００：１である場合には、フォトダイオード１９のダイナミックレンジを１０００００：１、Ａ／Ｄ変換器２２を１６ｂｉｔないし１７ｂｉｔ以上とすることが好ましい。
また、フォトダイオード１９は、ペルチェ素子（図示略）により冷却されていることが好ましい。

このように構成された本実施形態に係る光学式生体情報測定装置１の作用について、以下に説明する。
ハロゲンランプ２から発せられた光は、照射光学系３および光量計測光学系４に入射される。

照射光学系３に入射された光は、集光レンズ６によって集光されて石英ロッド７を通過させられる間に分散させられて、均一な光量分布を有する光束となって石英ロッド７から出射された後に、集光レンズ８によってファイババンドル９の各ファイバコア９ａの一端に入射させられる。したがって、ファイババンドル９の他端から発せられる光も、均一な光量分布を有する光束として生体Ａ内に入射されることになる。

そして、生体Ａ内に入射された光は、生体Ａ内を進行する間に、生体Ａ組織に衝突して拡散される。生体Ａ内においては、通過する生体Ａ組織や体液の成分に応じて、特定の波長帯域の光を吸収される。したがって、生体Ａ内で拡散等されることにより生体Ａの表面に戻って生体Ａ外に出射された光は、通過した生体Ａ組織や体液に応じた特定の波長帯域の光量が低下していることになる。

光ファイバ１０の端面は、上述したようにファイバコア９ａとの間の距離を一定に固定されているので、その距離に応じた深さまで進達した光を多く受光する。本実施形態の場合には、光は真皮領域まで進達した後に、光ファイバ１０に受光されるので、受光される光はグルコースの情報を多く含んでいることになる。
受光された光は、光ファイバ１０内を伝播してグレーティング１２まで導かれ、グレーティング１２によって分光されてリニアアレイセンサ１３により検出される。

リニアアレイセンサ１３においては、グレーティング１２により分光され、波長ごとに分離された光が検出されるので、そのままスペクトル信号として解析処理部１４に出力され、解析処理部１４において波長ごとの吸光度に基づいてグルコース濃度が算出され、モニタ１５に表示されることになる。

一方、光量計測光学系４に入射された光は、同様にして、集光レンズ１６によって集光された後に、石英ロッド１７を通過させられる間に均一な光量分布を有する光束となって、再度集光レンズ１８により集光されてフォトダイオード１９により検出される。
この場合において、ハロゲンランプ２が、図３に示されるように平坦な板状に巻かれたフィラメント２ａを備えており、その両面に対向するように照射光学系３および光量計測光学系４の集光レンズ６，１６が配置されているので、同一のフィラメント２ａの両面から逆方向に同時に発せられた光が、それぞれ、分岐されることなく集光レンズ６，１６に集光される。したがって、ハロゲンランプ２のフィラメント２ａから発せられた光が無駄なく利用されることになる。

また、同一のフィラメント２ａの両面から同時に逆方向に向けて発せられた光が、照射光学系３および光量計測光学系４に入射されるので、フィラメント２ａのいずれかの位置において光量の変動が生じた場合に、その変動も同時に両方向に発せられることになり、照射光学系３を介して生体Ａに入射される光の変動を、光量計測光学系４を介して精度よく計測することができる。

そして、フォトダイオード１９による検出信号は、アンプ２１によって増幅されＡ／Ｄ変換器２２によってディジタル信号に変換された後に、制御装置２３に入力され、ハロゲンランプ２の電源２４に対する制御信号が生成される。これにより、ハロゲンランプ２の光量が何らかの原因によって変動しても、制御装置２３から電源２４に送られる制御信号によって、ハロゲンランプ２の光量が一定値になるように補償される。その結果、安定した一定の光量の光が生体Ａに入射されることになり、グルコース濃度の測定精度を向上することができる。

なお、本実施形態に係る光学式生体情報測定装置１においては、集光レンズ８によってファイババンドル９の各ファイバコア９ａに光を入射させることとした。これにより、ファイババンドル９を湾曲させて、光を射出する他端の位置および姿勢を自由に変化させて、測定する生体Ａの位置や角度に柔軟に適合させることができる。しかしながら、ファイババンドル９を湾曲させる場合には、湾曲に伴って、伝播される光の光量が変動することが考えられるので、このファイババンドル９に代えて、ガラスロッドのように固定の導光部材を採用してもよい。

同様に、ＮＤフィルタ２０から出た光を直接フォトダイオード１９に入射させることとしたが、これに代えて、固定された光ファイバやガラスロッドのような導光部材をＮＤフィルタ２０とフォトダイオード１９との間に配置してもよい。
また、ＮＤフィルタ２０に代えて、リニアアレイセンサ１３の感度のある波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタを配置してもよい。また、フォトダイオード１９への光の入射面積を制限するマスクまたは絞りを配置してもよい。

また、図１の集光レンズ８とファイババンドル９との間に鎖線で示すようにシャッタ２５を配置して、暗電流を測定する際にファイババンドル９に入射される光を遮断することにしてもよい。
また、ランプ光源としてハロゲンランプ２を例に挙げて説明したが、これに代えて、他のランプ光源を採用することにしてもよい。

また、ハロゲンランプ２からの光を生体Ａに入射させ、生体Ａから戻る光をグレーティング１２で分光してリニアアレイセンサ１３により検出することとしたが、これに代えて、生体Ａから戻る光をＡＯＴＦ（ＡＯＴＦ：Acoust-Optic Tunable
Filter）のような分光器によって分光することにより、吸光特性を得る方式の光学式生体情報測定装置に適用することにしてもよい。
また、図２にファイバコア９ａと光ファイバ１０の端面の配列を例示したが、これに限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る光学式生体情報測定装置の全体構成を示す概略図である。 図１の光学式生体情報測定装置のファイバコアと光ファイバの端面の配列例を示す図である。 図１の光学式生体情報測定装置のランプ光源のフィラメントとその光の出射方向を示す斜視図である。

符号の説明

Ａ 生体
１ 光学式生体情報測定装置
２ ハロゲンランプ（ランプ光源）
３ 照射光学系
４ 光量計測光学系
５ 検出光学系
７，１７ 石英ロッド（導光部材）
２３ 制御装置（フィードバック制御系）

Claims (4)

1. ランプ光源と、
   該ランプ光源からの光を生体に入射させる照射光学系と、
   生体内における吸光特性に基づいて、生体情報を算出する検出光学系と、
   前記ランプ光源の光量を計測する光量計測光学系とを備え、
   前記照射光学系と前記光量計測光学系とが、前記ランプ光源を挟んでほぼ対称に構成されている光学式生体情報測定装置。
2. 前記光量計測光学系とランプ光源との間に、光量計測光学系により計測された光量に基づいて、ランプ光源の出力を制御するフィードバック制御系が設けられている請求項１に記載の光学式生体情報測定装置。
3. 前記照射光学系および前記光量計測光学系に、これらの光学系に入射された光を分散させる導光部材が設けられている請求項１または請求項２に記載の光学式生体情報測定装置。
4. 前記導光部材が石英ロッドからなる請求項３に記載の光学式生体情報測定装置。

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