JP5192971B2 - 光生体計測装置用のプローブおよび光生体計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体に検査光を出射してその光出射に伴って生体から出る拡散光を検出して生体の内部情報を計測する光生体計測装置に関する。

このような技術を開示するものとしては、下記の特許文献１がある。特許文献１には、生体に光照射する端面を有する送光部、及び送光部から離れた位置で生体による透過拡散光を受光する検出器を備えたプローブ部と、互いに波長が異なる複数の単色光源より発せられたそれぞれの波長の光を伝送する複数の光ファイバーの束からなり、一端がプローブ部の送光部に結合されている光伝送路と、プローブ部の検出器に接続された信号ケーブルとを備えた光プローブ装置が開示されている。
特許第３３５１１５１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された光プローブ装置では、光ファイバーの束からなる光伝送路により、プローブ部の外部に位置する光源からプローブ部の内部に位置する送光部まで光を伝送する。そのため、光ファイバーの接続部分での伝送効率が低くなり、生体計測装置本体に内蔵する複数の単色光源の輝度を上げる必要が生じる。その結果として、装置の小型化が図れなかった。また、プローブ部の検出器による信号は、アナログ信号として信号ケーブルを介してプローブ部の外部に導かれるため、信号ケーブルのアンテナ効果によりノイズが重畳しやすく、著しく劣化してしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、装置の小型化及びノイズの低減を図ることを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明に係る光生体計測装置用のプローブは、互いに離間して配置された第１配線基板及び第２配線基板と、第１配線基板上に設けられており、生体に向けて所定の波長の検査光を出射する光出射部と、第２配線基板上に設けられており、光出射部による検査光の出射に伴い、生体から出る拡散光を検出して、拡散光の強度に対応する電気信号を出力する光検出部と、第１配線基板と第２配線基板とを連結する可撓性の回路基板と、可撓性の回路基板の一面に沿って配設されると共に基準電位線に接続された導電部を有し、応力により変形された形状を保持可能な変形保持部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光生体計測装置用のプローブは、生体に向けて所定の波長の検査光を出射する光出射部を備えている。そのため、光源がプローブの外部に位置する従来にように光源の輝度を上げる必要がなく、装置を小型化することができる。また、本光生体計測装置用のプローブは、応力により変形された形状を保持可能な変形保持部を備えているため、使用時における生体の動き等によるアーティファクトの影響を軽減できる。ここで、アーティファクトとは、生体の動き等に起因する外乱であり、不要な信号成分の原因になるものをいう。さらに、変形保持部が可撓性の回路基板の一面に沿って配設されると共に基準電位線に接続された導電部を有するため、可撓性の回路基板の配線がアンテナ効果により拾うノイズを除去することができ、高い信号／ノイズ（Ｓ／Ｎ）比の信号を取得することができる。

また、本発明に係る光生体計測装置は、互いに離間して配置された第１配線基板及び第２配線基板と、第１配線基板上に設けられており、生体に向けて所定の波長の検査光を出射する光出射部と、第２配線基板上に設けられており、光出射部による検査光の出射に伴い、生体から出る拡散光を検出して、拡散光の強度に対応する電気信号を出力する光検出部と、第１配線基板と第２配線基板とを連結する可撓性の回路基板と、可撓性の回路基板の一面に沿って配設されると共に基準電位線に接続された導電部を有し、応力により変形された形状を保持可能な変形保持部と、を含むプローブ部と、プローブ部を駆動するモジュール部と、モジュール部と無線データ通信方式により接続されており、光検出部から出力された電気信号に基づいて生体の内部情報を計測する計測部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光生体計測装置は、プローブ部が生体に向けて所定の波長の検査光を出射する光出射部を含んでいる。本発明に係る光生体計測装置は、このような構成が採用されているため、従来の光源がプローブ部の外部に位置する場合のように光源の輝度を上げる必要がなく、装置を小型化することができる。また、本光生体計測装置は、プローブ部が、応力により変形された形状を保持可能な変形保持部を含んでいるため、本装置の使用時における生体の動き等によるアーティファクトの影響が軽減できる。また、変形保持部が可撓性の回路基板の一面に沿って配設されると共に基準電位線に接続された導電部を有するため、可撓性の回路基板の配線がアンテナ効果により拾うノイズを除去することができ、高い信号／ノイズ（Ｓ／Ｎ）比の信号を取得することができる。

また、本光生体計測装置は、プローブ部を駆動するモジュール部と、モジュール部と無線データ通信方式により接続されており、光検出部から出力された電気信号に基づいて生体の内部情報を計測する計測部と、を備えている。このように、本光生体計測装置は、プローブ部と計測部とが分離される構成を採用しているため、プローブ部の使用における自由度を向上すると共に装置の小型化を図ることができる。

また、プローブ部は、光検出部から出力された電気信号に対してアナログデジタル変換を行い変換されたデジタル信号を出力するＡＤ変換部を更に備え、ＡＤ変換部から出力されたデジタル信号は、電気配線を介してモジュール部に伝送されることが好適である。これにより、光検出部から検出された拡散光の強度に関する情報がデジタル信号としてモジュール部に伝送される。そのため、検査光の強度に関する情報がアナログ信号として伝送される場合における、ノイズの重畳及び伝達信号の劣化を抑制することができ、モジュール部に伝送されるデジタル信号の精度の保持を図ることができる。

本発明に係る光生体計測装置用のプローブおよび光生体計測装置によれば、装置の小型化及びノイズの低減を図ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る生体計測装置１の構成図である。図２は、図１に示した生体計測装置１の概略構成図である。本実施形態に係る光生体計測装置１は、プローブ部３と、モジュール部５と、計測部７とを備える。

プローブ部３は、フレキシブル基板１１と、フレキシブル基板１１の一面上に互いに離間して配置されている第１配線基板１３及び第２配線基板１５と、フレキシブル基板１１の他面上に設けられた変形保持部１７と、第１及び第２配線基板１３，１５と離間しており変形保持部１７を介してフレキシブル基板１１の他面上に設けられたコネクタ１９とを有する。

変形保持部１７は、例えばＣｕからなる板状のもの（導電部）であり、グランド電位（基準電位）に接地されている。変形保持部１７は、曲げ部１７Ａと、曲げ部１７Ａの一端部に連結されている平坦部１７Ｂとを有する。曲げ部１７Ａは、応力によりアーチ状に湾曲することができる。平坦部１７Ｂの端部上にはコネクタ１９が配置されており、曲げ部１７Ａの湾曲の内側の両端部には第１及び第２配線基板１３,１５がそれぞれ配置されている。

第１配線基板１３上には、生体Ｂ内に向けて所定の波長の検査光を出射するＬＥＤ部２１が、第１配線基板１３と物理的に且つ電気的に接続されるように設けられている。また、第２配線基板１５上には、フォトダイオード２３及びＡＤ変換部（ＡＤＣ）２７が、第２配線基板１５と物理的に且つ電気的に接続されるように配置されている。

ＬＥＤ部２１は、本実施形態の光出射部であり、ＬＥＤ４０，５０及びＬＥＤドライバ２１Ａからなる。ＬＥＤ４０は、生体Ｂ内に向けて７３５ｎｍの中心波長を有する検査光Ｓ_７３５を出射可能なものであり、ＬＥＤ５０は８５０ｎｍの中心波長の検査光Ｓ_８５０を出射可能なものである。ＬＥＤドライバ２１Ａは、モジュール部５により制御され、検査光Ｓ_７３５及び検査光Ｓ_８５０が同時に生体Ｂに出射しないようにＬＥＤ４０及びＬＥＤ５０を点灯又は消灯させる。なお、検査光Ｓ_７３５は酸素化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）の吸光係数が脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）の吸光係数よりも小さい値となる波長の光であり、一方、検査光Ｓ_８５０は、酸素化ヘモグロビンの吸光係数が脱酸素化ヘモグロビンの吸光係数よりも大きい値となる波長の光であればよく、７３５ｎｍと８５０ｎｍに限定されるものではない。

フォトダイオード２３は、本実施形態の光検出部であり、検査光Ｓ_７３５及び検査光Ｓ_８５０を十分に検出できる分光感度特性を有している。フォトダイオード２３は、検査光Ｓ_７３５及び検査光Ｓ_８５０の生体Ｂへの出射に伴って生体Ｂから出たそれぞれの拡散光を検出して、検出されたそれぞれの拡散光の光強度に対応する電気信号ＳｉｇＡ_７３５及び電気信号ＳｉｇＡ_８５０を生成する。また、フォトダイオード２３は、電気信号ＳｉｇＡ_７３５及び電気信号ＳｉｇＡ_８５０を増幅回路部２５に出力する。

増幅回路部２５は、入力された電気信号ＳｉｇＡ_７３５及び電気信号ＳｉｇＡ_８５０をそれぞれ増幅して、増幅された電気信号ＳｉｇＢ_７３５及び電気信号ＳｉｇＢ_８５０をＡＤＣ１７に出力する。ＡＤＣ１７は、増幅回路部２５から入力された電気信号ＳｉｇＢ_７３５及び電気信号ＳｉｇＢ_８５０をアナログデジタル変換してその変換されたデジタル信号ＡＤ_７３５及びデジタル信号ＡＤ_８５０をモジュール部５に伝送する。

プローブ部３のこれらの構成要素は、ＬＥＤ４０，５０の光出射面、フォトダイオード２３の受光面及びコネクタ１９が露出されるように、ゴム状シートからなるパッケージ３０により覆われている。

モジュール部５は、ケーブル（電気配線）７１を介してプローブ部３のコネクタ１９と接続されており、制御部６１と、データ受信部６３と、無線送信部６５及び無線受信部６７からなる無線ユニット部６９とを有する。制御部６１は、プローブ部３内のＬＥＤ部２１から出射される検査光の輝度の制御をＬＥＤドライバ２１Ａを介して行うと共に、フォトダイオード２３のゲイン等の制御を行う。データ受信部６３は、ＡＤＣ２７からのデジタル信号ＡＤ_７３５及びデジタル信号ＡＤ_８５０を受信する。無線ユニット部６９は、モジュール部５と計測部７との間での無線データ通信を行う。具体的に説明すると、無線ユニット部６９は、その無線送信部６５により、データ受信部６３が受信したＡＤＣ２７からのデジタル信号ＡＤ_７３５及びデジタル信号ＡＤ_８５０を計測部７に送信し、またその無線受信部６７により、（後述する）計測部７の演算部７ＡからＬＥＤ４０，５０の発光等の制御に関する命令を受信する。

計測部７は、演算部７Ａと表示部７Ｂとにより構成されており、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）といった演算手段及びメモリ等の記憶手段を有するコンピュータによって実現される。

演算部７Ａは、無線送信部６５からのデジタル信号ＡＤ_７３５及びデジタル信号ＡＤ_８５０を受信して、デジタル信号ＡＤ_７３５及びデジタル信号ＡＤ_８５０に基づいて生体Ｂの内部情報を定量化するための計測演算を行う。演算部７Ａにおいて計測される内部情報は、例えば、生体Ｂ中の血液中酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化である。なお、演算部７Ａは、ＬＥＤ４０，５０の発光等を制御する機能を更に有しており、これらの制御は、それぞれの制御に関する命令をモジュール部５の無線受信部６７を介してモジュール部５の制御部６１に送信することで実現される。

演算部７Ａには、表示部７Ｂが接続されており、演算部７Ａにおける演算結果、すなわち生体Ｂ中の血液中酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を表示することが可能となっている。

（ヘモグロビン濃度変化の計測）
続いて、本実施形態に係る光生体計測装置１の動作について説明する。図３は、１ルーチンにおける(ａ)ＬＥＤ４０の照射時間、（ｂ）ＬＥＤ５０の照射時間及び（ｃ）演算部７Ａのデータ取得時間を示すタイミングチャートである。

まず、ＬＥＤドライバ２１ＡによりＬＥＤ５０を出射時間Ｔ_ＯＮの間点灯させ、同時に演算部７Ａによりこの検査光Ｓ_８５０の出射に応じたデジタル信号ＡＤ_８５０が取得される。次に、ＬＥＤドライバ２１ＡによりＬＥＤ４０を出射時間Ｔ_ＯＮの間点灯させ、同時に演算部７Ａによりこの検査光Ｓ_７３５の出射に応じたデジタル信号ＡＤ_７３５が取得される。次に、ＬＥＤ４０及び５０の何れも点灯させない状態で、演算部７Ａにより、この無点灯状態に応じたデジタル信号ＡＤ_Darkが取得される。これにより、異なる中心波長を有する検査光Ｓ_７３５及び検査光Ｓ_８５０が生体Ｂに異なるタイミングで出射されることとなる。

本実施形態に係る光生体計測装置１では、これを１ルーチンとして、このルーチンが繰り返される。次に、このように取得されたデータに基づいて、演算部７Ａで行われる生体Ｂの酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビン濃度変化の計測方法について説明する。演算部７Ａによりデータ取得が開始された時点（ｔ＝０）から時間ｔが経過した際のデジタル信号ＡＤ_７３５及びデジタル信号ＡＤ_８５０をそれぞれＡＤ_７３５（ｔ）、ＡＤ_８５０（ｔ）とし、ＬＥＤ光源を出射しなかったときのＡＤＣ１７よるデジタル変換値をデジタル信号ＡＤ_Ｄａｒｋ（ｔ）とすると、波長７３５ｎｍにおける減光度変化ΔＯＤ_７３５（ｔ）及び８５０ｎｍにおける減光度変化ΔＯＤ_８５０（ｔ）はそれぞれ以下の式（１）及び式（２）によって求められる。ここで、減光度変化とは、ヘモグロビンの濃度変化に起因する検出光の強度変化をいう。

式（１）及び式（２）それぞれに、Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔ則を適用することで、酸素化ヘモグロビン濃度変化ΔＨｂＯ_２（ｔ）及び脱酸素化ヘモグロビン濃度変化ΔＨｂ（ｔ）を示す以下の式（３）及び式（４）が導かれる。

ここで、ε_i ^j(iはＨｂＯ_２又はＨｂ)は以下の表１に示す吸収係数である。

このように、ＡＤＣ１７よるデジタル信号ＡＤ_７３５（ｔ）、ＡＤ_８５０（ｔ）及びＡＤ_Ｄａｒｋ（ｔ）から得られた波長７３５ｎｍにおける減光度変化ΔＯＤ_７３５（ｔ）、波長８５０ｎｍにおける減光度変化ΔＯＤ_８５０（ｔ）及び吸収係数ε_i ^j(iはＨｂＯ_２又はＨｂ)はを式（３）、及び式（４）に代入することで酸素化ヘモグロビン濃度変化ΔＨｂＯ_２（ｔ）と脱酸素化ヘモグロビン濃度変化ΔＨｂ（ｔ）が計測され、その結果が表示部７Ｂに表示される。

本実施形態に係る光生体計測装置１では、プローブ部３が生体Ｂに向けて互いに異なる中心波長の検査光Ｓ_７３５及び検査光Ｓ_８５０をそれぞれ出射するＬＥＤ４０及び５０を含んでいる。光生体計測装置１では、このような構成が採用されているため、光源がプローブ部に外部に位置する従来にように光源の輝度を上げる必要がなく、装置を小型化することができる。また、本光生体計測装置１では、プローブ部３が、フレキシブル基板１１上に設けられていると共に応力により変形された形状を保持可能なＣｕからなる板状の変形保持部１７を含んでいる。そのため、プローブ部３が柔らかな状態である場合に比べて生体Ｂに密着した状態に保つことが可能となり、光生体計測装置１の使用時における生体Ｂの動き等によるアーティファクトの影響を軽減できる。また、変形保持部１７が電気的に接地されているため、フレキシブル基板１１の配線がアンテナ効果により拾うノイズを除去することができ、高Ｓ／Ｎ比の信号を取得することができる。

また、プローブ部３と計測部７とが分離されており、無線データ通信方式により接続されているため、プローブ部３の使用における自由度を向上することができると共に、装置の小型化及び携帯化を図ることができる。

また、プローブ部３は、フォトダイオード２３から出力された電気信号ＳｉｇＡ_７３５，ＳｉｇＡ_８５０をアナログデジタル変換し、その変換されたデジタル信号ＡＤ_７３５，ＡＤ_８５０を出力するＡＤ変換部２７を含み、ＡＤ変換部２７から出力されたデジタル信号ＡＤ_７３５，ＡＤ_８５０は、ケーブル７１を介してモジュール部５に伝送される。そのため、検査光の強度に関する情報がアナログ信号として伝送される場合における、ケーブル７１のアンテナ効果によるノイズの重畳及び伝達信号の劣化を抑制することができる。その結果、モジュール部５に伝送されるデジタル信号ＡＤ_７３５，ＡＤ_８５０の精度を保持することができる。

本発明に係る光生体計測装置用のプローブおよび光生体計測装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、本実施形態においては、光出射部として、ＬＥＤ４０，５０が用いられているが、これに限らず、プローブ部３に格納可能なものであれば他の発光素子であってもよい。

また、本実施形態においては、変形保持部１７が、フレキシブル基板１１上に設けられているが、フレキシブル基板１１の内部に設けられていてもよい。また、変形保持部１７は、Ｃｕからなる板状のものであるが、メッシュ状あるいは線状のものでもよい。また、本実施形態においては、変形保持部１７が全体として、フレキシブル基板１１と接すると共に電気的に接地されている導電部として機能しているが、一部が導電部として機能する構造になっていてもよい。

また、変形保持部１７はＣｕから構成されているが、Ｃｕ以外の金属材や導電性材料で構成されていてもよい。また、光生体計測装置１は、血液中酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化の計測に用いられているが、これに限らず、他の内部情報を計測するものであってもよい。また、ＬＥＤ部２１は、２つのＬＥＤ４０及び５０で構成されているが、これに限らず、１つまたは３つ以上のＬＥＤで構成されていてもよい。

本実施形態に係る光生体計測装置１の構成図である。 図１に示した光生体計測装置１の概略構成図を示す図である。 本実施形態に係る光生体計測装置１の動作について説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１…光生体計測装置、３…プローブ部、５…モジュール部、７…計測部、１１…フレキシブル基板、１３…第１配線基板、１５…第２配線基板、１７…変形保持部、２１…ＬＥＤ部、２３…フォトダイオード。

Claims (3)

1. 互いに離間して配置された第１配線基板及び第２配線基板と、
   前記第１配線基板上に設けられており、生体に向けて所定の波長の検査光を出射する光出射部と、
   前記第２配線基板上に設けられており、前記光出射部による前記検査光の出射に伴い、前記生体から出る拡散光を検出して、前記拡散光の強度に対応する電気信号を出力する光検出部と、
   前記第１配線基板と前記第２配線基板とを連結する可撓性の回路基板と、
   前記可撓性の回路基板の一面に沿って配設されると共に基準電位線に接続された導電部を有し、応力により変形された形状を保持可能な変形保持部と、
   を備えることを特徴とする光生体計測装置用のプローブ。
2. 互いに離間して配置された第１配線基板及び第２配線基板と、
   前記第１配線基板上に設けられており、生体に向けて所定の波長の検査光を出射する光出射部と、
   前記第２配線基板上に設けられており、前記光出射部による前記検査光の出射に伴い、前記生体から出る拡散光を検出して、前記拡散光の強度に対応する電気信号を出力する光検出部と、
   前記第１配線基板と前記第２配線基板とを連結する可撓性の回路基板と、
   前記可撓性の回路基板の一面に沿って配設されると共に基準電位線に接続された導電部を有し、応力により変形された形状を保持可能な変形保持部と、
   を含むプローブ部と、
   前記プローブ部を駆動するモジュール部と、
   前記モジュール部と無線データ通信方式により接続されており、前記光検出部から出力された前記電気信号に基づいて前記生体の内部情報を計測する計測部と、
   を備えることを特徴とする光生体計測装置。
3. 前記プローブ部は、前記光検出部から出力された前記電気信号に対してアナログデジタル変換を行い変換されたデジタル信号を出力するＡＤ変換部を更に備え、
   前記ＡＤ変換部から出力された前記デジタル信号は、電気配線を介して前記モジュール部に伝送されること特徴とする請求項２に記載の光生体計測装置。
   
   

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