JP6387610B2

JP6387610B2 - 生体情報測定装置

Info

Publication number: JP6387610B2
Application number: JP2013272964A
Authority: JP
Inventors: 勝裕佐藤
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: WO2015098047A1; US20170014057A1; JP2015126789A; CN105873512A; KR20160102161A; TW201524472A

Description

本発明は、光を用いて血糖値などの生体情報を非侵襲的に測定する生体情報測定装置に関する。

従来、近赤外線を検体（人体）に照射し、検体からの反射光を分析することで、血糖値を非侵襲的に測定する装置がある。この種の装置は、例えば特許文献１〜４に開示されている。

この種の装置は、一般に、光源からの光を測定対象に導く第１の光学系と、測定対象から反射される光を導く第２の光学系と、第２の光学系により導かれた反射光を分光する分光光学系と、分光された光を受光する受光素子と、キャリブレーション用のリファレンス信号を得るためのリファレンス信号用光学系と、を有する。

特開２００６−８７９１３号公報特開２００２−６５４６５号公報特開２００７−２５９９６７号公報特開２０１２−１９１９６９号公報

ところで、上述したような生体情報測定装置を小型化して携帯できるようにすれば、ユーザーはいつでも血糖値を測定できるので、非常に便利であると考えられる。また、小型化すれば、既存の体組成計などの他の健康管理器具にも容易に組み込むことができるようになるといった利点もある。

しかしながら、上述したような従来の生体情報測定装置においては、主要部品の受光素子がアレイ型センサにより構成されていることもあり、小型化の点で未だ不十分であった。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、測定精度を低下させずに、装置構成を小型化し得る生体情報測定装置を提供する。

本発明の生体情報測定装置の一つの態様は、
光源と、
前記光源から照射される光を測定対象に導く第１の光学経路と、
前記測定対象から反射される反射光を導く第２の光学経路と、
前記第２の光学経路より導かれた反射光を分光する回転回折格子と、
前記回転回折格子からの分光を受光する受光素子と、
前記測定対象に代わって、前記第１の光学経路から入射された光を反射して前記第２の光学経路へと出射する反射部材と、
を具備する。

本発明によれば、測定精度を低下させずに、装置構成を小型化し得る生体情報測定装置を実現できる。

実施の形態に係る生体情報測定装置の全体構成を示す概略図回転回折格子の回折動作の説明に供する図回転回折格子が設けられたＭＥＭＳデバイスの外観構成を示す平面図回転回折格子の回転位置が同じで、ミラー面と垂直な方向に回転回折格子の位置を変えた場合の、フォトディテクター（ＰＤ）によって測定される信号の大きさの変化を示す図ロックインアンプ検波の説明に供する図反射部材の移動の説明に供する図反射部材の構成例を示す断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る生体情報測定装置の全体構成を示す概略図である。生体情報測定装置１００は、測定対象である被検者１０の血糖値を生体情報として非侵襲的に測定するために、被検者１０に近赤外光を照射し、その反射光を解析するようになっている。

生体情報測定装置１００は、光源１０１によって近赤外線を発生する。光源１０１は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ハロゲンランプ又はキセノンランプによって構成されている。光源１０１からの光は、ピンホール１０２を通過した後に、集光レンズ１０３によって集光される。集光された光は、光入射体１０４から発光側光ファイバー１０５に入射する。発光側光ファイバー１０５の一端は光入射体１０４に接続されている一方、発光側光ファイバー１０５の他端は測定用プローブ１０６に接続されている。なお、ピンホール１０２は必須ではなく無くてもよい。

測定用プローブ１０６は、被検者１０の皮膚の表面に先端が接触できる位置、又は皮膚の極近傍で皮膚に対向できる位置に設けられている。発光側光ファイバー１０５及び測定用プローブ１０６を介して被検者１０に照射された近赤外光は、被検者１０の体内に侵入し反射されて測定用プローブ１０６に戻る。測定用プローブ１０６に戻った光は、受光側光ファイバー１０７を介して光出射体１０８から出射する。光出射体１０８から出射した光は、レンズ系１０９によってコリメート光とされた後に、回転回折格子１１０に入射される。

なお、近赤外光を用いた血糖値などの生体情報の測定原理は公知なので、ここでの詳しい説明は省略する。簡単に述べると、体内における近赤外光の吸収強度はグルコースの存在により大きな影響を受けるので、その吸収強度を測定することにより体内のグルコース濃度すなわち血糖値を測定する。

回転回折格子１１０は、図中の矢印ａで示すように回転する。回転回折格子１１０の入射面はミラー面とされており、入射した光を反射する。つまり、回転回折格子１１０は、ミラー面への入射角が変化するように回転する。回転回折格子１１０により反射された光は、スリット１２１を通過した後に、フォトディテクター（ＰＤ）１２２に入射する。ＰＤ１２２による光電変換により得られた受光信号は、アナログディジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換）１２３を介して演算装置１３０に出力される。演算装置１３０は、解析プログラムを有する、パーソナルコンピュータやスマートフォンなどの装置であり、解析プログラムを実行することにより、受光信号から血糖値などの生体情報を求める。

なお、生体情報測定装置１００の光学系は、ケース１２４内に収容されている。ケース１２４のうち、測定用プローブ１０６に対応する位置には、測定用プローブ１０６と被検者１０との間で光を通過させるための開口１２５が形成されている。なお、開口１２５は必須では無く無くてもよい。

図２は、回転回折格子１１０の回折動作の説明に供する図である。回転回折格子１１０は、図２Ａに示すような回転位置にあるときに、スリット１２１の方向に入射光のλ１成分を反射することにより、ＰＤ１２２にλ１成分を入射させる。また、回転回折格子１１０は、図２Ｂに示すような回転位置にあるときに、スリット１２１の方向に入射光のλ２成分を反射することにより、ＰＤ１２２にλ２成分を入射させる。さらに、図２Ｃに示すような回転位置にあるときに、スリット１２１の方向に入射光のλ３成分を反射することにより、ＰＤ１２２にλ３成分を入射させる。このように、回転回折格子１１０は、回転角度に応じた波長の光をＰＤ１２２に入力させることにより、入射光を分光するようになっている。

本実施の形態では、回転回折格子１１０を用いて分光を行うようにしたことにより、固定型の回折格子を用いる場合と比較して、フォトディテクター（ＰＤ）１２２として、アレイセンサーではなく、単一の受光面からなる受光素子を用いることができるようになる。この結果、構成の簡単なフォトディテクター１２２を用いることができるので、その分だけ低コスト化できる。また、固定型の回折格子を用いる場合と比較して、回折格子とフォトディテクター１２２との間に分光のためのスペースを配する必要がないので、その分だけ装置を小型化できる。

ここで、本実施の形態の回転回折格子１１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）の可動部分がミラー面とされ、このミラー面に回折格子が形成されている。すなわち、回転回折格子１１０は、ＭＥＭＳミラーのミラー面にグレーティングが形成されている。

図３は、回転回折格子１１０が設けられたＭＥＭＳデバイス２００の外観構成を示す平面図である。ＭＥＭＳデバイス２００は、駆動回路やアクチュエーターなどから構成される駆動部２０１と、回転回折格子１１０と、固定フレーム２０２、可動フレーム２０３、梁部２０４、２０５と、を有する。駆動部２０１は、回転回折格子１１０を駆動する機能に加えて、固定フレーム２０２を有しており回転回折格子１１０の基台としての役割をもっている。梁部２０４は、２つの梁２０４ａ、２０４ｂから構成されている。この２つの梁２０４ａ、２０４ｂは、可動フレーム２０３の対向する２つの縁部と固定フレーム２０２とを架け渡すように設けられている。これにより、可動フレーム２０３は、梁２０４ａ、２０４ｂによって固定フレーム２０２に懸架された状態となっている。また梁部２０５は、２つの梁２０５ａ、２０５ｂから構成されている。この２つの梁２０５ａ、２０５ｂは、回転回折格子１１０の対向する２つの縁部と可動フレーム２０３とを架け渡すように設けられている。これにより、回転回折格子１１０は、梁２０５ａ、２０５ｂによって可動フレーム２０３に懸架された状態となっている。

回転回折格子１１０は、駆動部２０１によって梁２０４ａ、２０４ｂが駆動されることにより回転する。具体的には、駆動部２０１によって梁２０４ａ、２０４ｂの左右が互い違いに紙面表裏方向に変化されることにより、回転回折格子１１０が所定の角度範囲内で回転駆動される。因みに、回転回折格子１１０は、１〜２［Ｈｚ］の回転速度で回転駆動される。ただし、回転速度はこれに限らない。回転速度は、演算装置１３０の演算速度などに応じて選定すればよい。回転回折格子１１０を駆動させるための駆動方式としては、圧電方式、静電方式、電磁駆動方式などを用いることができる。

回転回折格子１１０の表面は、ミラー面となっており、さらにミラー面には回折格子１１１が形成されている。回折格子１１１は、梁２０４ａ、２０４ｂの回転軸と平行するように形成されている。本実施の形態の場合、回折格子１１１のピッチは、０．５〜３［μｍ］である。また、回折格子１１１の深さは、１．５［μｍ］以上である。これにより、回転回折格子１１０は、回転により、近赤外線を良好に分光できるようになる。近赤外線以外の光を用いて測定を行う場合には、その光に応じて回折格子１１１のピッチ及び又は深さを選択すればよい。

さらに、本実施の形態の場合、図４に示すように、回転回折格子１１０をミラー面と垂直な方向にも駆動するようになっている。具体的には、駆動部２０１によって梁２０５ａ、２０５ｂが同時に同じ紙面表裏方向に撓むことにより、回転回折格子１１０がミラー面と垂直な方向に駆動される。例えば、ミラー面と垂直な方向に数１０［ＫＨｚ］で高周波単振動させる。図４Ａ及び図４Ｂは、回転回折格子１１０の回転位置が同じで、ミラー面と垂直な方向に回転回折格子１１０の位置を変えた場合の、ＰＤ１２２によって測定される信号の大きさの変化を示す図である。回転位置が同じでも、ミラー面と垂直な方向の位置を変えると、スリット１２１を通過する光量が変わるので、ＰＤ１２２に入射する光量が図４Ａ、図４Ｂに示すように変化する。これにより、測定信号にチョッパー信号を重畳させることができ、ロックインアンプ検波を行うことでノイズ成分を除去できるようになる。この結果、Ｓ／Ｎが向上した信号を得ることができ、分析精度が向上する。なお、回転回折格子１１０は、梁２０５ａ、２０５ｂが駆動されることにより回転するようにしてもよい。具体的には、梁２０５ａ、２０５ｂが同じ方向にねじれることにより、回転回折格子１１０が所定の角度範囲内で回転駆動される。

図５は、ロックインアンプ検波の説明に供する図である。図５Ａはノイズのない理想的な分光スペクトルを示す。現実の測定信号には、図５Ｂに示すように様々な周波数のノイズが重畳される。図５Ｃは、回転回折格子１１０をミラー面と垂直な方向に周波数ｆ_０で高周波単振動させたときの分光スペクトルを示す。図５Ｃのように、測定信号には周波数ｆ_０のチョッパー信号が重畳される。図５Ｄはロックインアンプ検波後の測定信号を示す。周波数ｆ_０の信号のみを直流信号として取り出すことができる（図５Ｃ中のＡ、Ｂ）。これにより、ｆ_０以外の周波数の信号はノイズとして除去される。

このように、本実施の形態では、回転回折格子１１０を回転させることにより測定光を分光するとともに、回転回折格子１１０をミラー面と垂直な方向に高周波単振動させることにより測定信号のＳ／Ｎを改善する。換言すると、回転回折格子１１０を、回転方向と、ミラー面に垂直な方向に、２軸駆動する。

かかる構成に加えて、本実施の形態の生体情報測定装置１００は、可動式の反射部材１４０を有する。反射部材１４０は、キャリブレーション用のリファレンス信号を得るためのものである。キャリブレーションとは、よく知られているように、演算装置１３０において、測定信号から予め取得しておいたリファレンス信号を減算することで、測定信号に含まれる光学経路特性に起因するノイズ成分を除去することである。

反射部材１４０はリファレンス信号を得る際には、図６Ａに示すように、測定用プローブ１０６の先端に対向する位置に移動され、測定用プローブ１０６から出射される光を反射して測定用プローブ１０６に戻す。これに対して、反射部材１４０は測定信号を得る際には、図６Ｂに示すように、測定用プローブ１０６の先端に対向する位置から退避する。なお、図６及び図１では、省略してあるが、反射部材１４０を移動させるためには、例えばＶＣＭやステッピングモータなどのスライド機構を設ければよい。

図７は、反射部材１４０の構成例を示す断面図である。図７Ａは、本体１４１を樹脂などで構成し、反射面にメッキや蒸着により金属膜１４２を形成した例である。図７Ｂは、本体１４３をアルミやステンレスなどで構成し、反射面に梨地などの凹凸を形成することにより拡散反射面１４４を形成した例である。この拡散反射面１４４は、皮膚の表面の反射率に近似した粗さとされている。このようにすることで、リファレンス信号に擬似的に皮膚の表面によるノイズも含めることができるようになる。

本実施の形態のような反射部材１４０を設けること、次のような効果を得ることができる。

（ｉ）測定信号を得るための光学経路と、リファレンス信号を得るための光学経路とが共通となるので、リファレンス信号を得るための光学経路を測定信号の光学経路と別個に設ける場合と比較して、装置構成を簡単化及び小型化できる。また、測定信号と共通の光学経路のリファレンス信号を得ることができるので、キャリブレーションの精度を向上させることができる。

（ｉｉ）反射部材１４０の反射面を皮膚の表面の反射率に近い拡散反射面１４４（図７Ｂ）としたことにより、キャリブレーションにより測定信号からリファレンス信号を減算したときに、光学経路によるノイズに加えて、皮膚の表面によるノイズも除去できるようになるので、キャリブレーションの精度を向上させることができる。

（ｉｉｉ）測定時以外には、反射部材１４０を、測定用プローブ１０６に対応する位置に形成された開口部１２５を塞ぐ位置に移動させることにより、光学系へのダストの進入を防ぐことができる。つまり、反射部材１４０は、リファレンス信号の取得以外にも、開口部１２５を塞ぐ蓋としても機能する。この結果、専用の蓋を設ける場合と比較して、部品点数を少なくできる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、回転回折格子１１０を用いて被検者１０からの反射光を分光したことにより、分光光学系の部品点数及び所要スペースを削減できる。また、被検者１０に代わって、測定用プローブ１０６から入射された光を反射して測定用プローブ１０６へと出射する反射部材１４０を設けたことにより、測定信号を得るための光学経路と、リファレンス信号を得るための光学経路とを共通化でき、所要スペースを削減できると共に、キャリブレーションの精度を向上させることができる。この結果、測定精度が低下せずに、特に、分光光学系及びリファレンス信号用光学系を小型化できる。かくして、測定精度を低下させずに、装置構成が小型の生体情報測定装置１００を実現できる。

また、ＭＥＭＳミラーに回折格子を形成することで回転回折格子１１０を実現したことにより、例えばガルバノメーターのようなアクチュエーターに回折格子を取り付けて回転回折格子１１０を実現する場合と比較して、小型及び低コストの回転回折格子１１０を実現できる。

ここで、ＭＥＭＳミラーは、いわゆるウェハープロセスによって容易に作成できるため、低コストで作成できる。さらに、ウェハープロセスによってＭＥＭＳミラー上に回折格子１１１を直接形成することにより、回折格子１１１を容易に形成できるので、コストの増加を抑えることができる。また、ミラー上に直接回折格子を形成するので、組み立ても不要である。ただし、ＭＥＭＳミラーの製造プロセスとは別プロセスで回折格子１１１を形成し、それをＭＥＭＳミラーに貼り付けてもよい。

なお、上述の実施の形態では、光源１０１から照射される光を測定対象に導く第１の光学経路と、測定対象から反射される反射光を導く第２の光学経路と、を光ファイバー１０５、１０７を用いて構成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、光ファイバー１０５、１０７を用いずに空間光学系によって実現してもよい。

また、上述の実施の形態では、本発明による生体情報測定装置を血糖値の測定に用いた場合について述べたが、本発明による生体情報測定装置は血糖値以外の生体情報の測定に用いることもできる。例えば、光源１０１にて波長３００〜４００［μｍ］帯の紫外線を生成し、これを被検者１０に照射すれば、被検者１０の皮膚表面の状態を測定することができる。

上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明は、生体情報を非侵襲的に測定する生体情報測定装置に適用し得る。

１００生体情報測定装置
１０１光源
１０２ピンポール
１０３集光レンズ
１０４光入射体
１０５発光側光ファイバー
１０６測定用プローブ
１０７受光側光ファイバー
１０８光出射体
１０９レンズ系
１１０回転回折格子
１１１回折格子
１２１スリット
１２２フォトディテクター（ＰＤ）
１２３アナログディジタル変換回路（ＡＤ回路）
１２４ケース
１２５開口部
１３０演算装置
１４０反射部材
１４１、１４３本体
１４２金属膜
１４４拡散反射面
２０１駆動部
２０２固定フレーム
２０３可動フレーム
２０４、２０５梁部
２０４ａ、２０４ｂ、２０５ａ、２０５ｂ梁

Claims

光源と、
前記光源から照射される光を測定対象に導く第１の光学経路と、
前記測定対象から反射される反射光を導く第２の光学経路と、
前記第２の光学経路より導かれた反射光を分光する回転回折格子と、
前記回転回折格子からの分光を受光する受光素子と、
前記測定対象に代わって、前記第１の光学経路から入射された光を反射して前記第２の光学経路へと出射する反射部材と、
を具備する生体情報測定装置。
前記回転回折格子は、
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーと、
前記ＭＥＭＳミラーのミラー面に形成された回折格子と、
を有する請求項１に記載の生体情報測定装置。
前記回転回折格子は、
前記第２の光学経路より導かれた反射光の前記ミラー面への入射角が変化するように回転すると共に、前記ミラー面に対して垂直方向に振動する、
請求項２に記載の生体情報測定装置。
前記第１の光学経路と、前記第２の光学経路との間には、前記第１の光学経路からの光を前記測定対象の方向に出射すると共に、前記測定対象から反射される反射光を前記第２の光学経路に入射させる測定用プローブが設けられ、
前記反射部材は、前記測定用プローブから出射される光を反射して前記測定用プローブに入射させる位置に設けられている、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の生体情報測定装置。
前記生体情報測定装置の光学系が収容されるケースには、前記測定対象に前記光学系からの光を照射しかつ前記測定対象からの反射光を前記光学系に戻すための開口部が形成されており、
前記反射部材は、測定時には前記開口部から退避した位置に移動して前記開口部を開口状態とし、測定時以外は前記開口部を塞ぐ位置に移動する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の生体情報測定装置。