KR20040101043A

KR20040101043A - 장기조직의 표면을 조명하는 기구를 가지고 생리학적수치를 측정하기 위한 휴대 가능한 장치

Info

Publication number: KR20040101043A
Application number: KR1020040036190A
Authority: KR
Inventors: 프랑스와 구에이싸츠
Original assignee: 아스라브 쏘시에떼 아노님
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2004-12-02
Also published as: JP2004344668A; US20040236227A1; CN1572249A; JP4580684B2; KR100938751B1; US7643860B2; CH696516A5; CN100479751C

Abstract

생리학적 값을 측정하기 위한 휴대용 장치로서 생체조직(50)면에 접하고, 동일한 면에, 최소한 하나의 정해진 파장범위의 빛을 조직면에 조광하는 최소한 하나의 광원(40,41,42) 및 조직에 침투한 빛의 강도를 측정하기 위하여 조광장치에서 떨어진 거리에 있는 측정장치(2)를 포함한다. 조광장치는 광원의 조광면 보다 넓은 영역의 생체조직면의 몇 군데 정해진 조광영역에 빛을 분산하기 위한 및 생체조직면에 평행한 완전 내부반사로 상기 광원에서 발생한 빛을 유도하기 위한 상기 최소한 하나의 광원(40,41,42)에 연동된 가이드(10,101,102)를 형성하는 광학요소를 포함한다. 측정장치에도 동일한 원리가 적용된다.

Description

장기조직의 표면을 조명하는 기구를 가지고 생리학적 수치를 측정하기 위한 휴대 가능한 장치{PORTABLE INSTRUMENT FOR MEASURING A PHYSIOLOGICAL QUANTITY INCLUDING A DEVICE FOR ILLUMINATING THE SURFACE OF AN ORGANIC TISSUE}

본 발명은 장기조직의 표면(예로서 피부)에 접하고, 최소한 하나의 광원으로 대상 표면을 조명하여 최소한 하나의 파장으로 발광하여 조명장치에서 떨어진 측정장치가 발광량을 측정하는 생리학적 수치(예로서 심장 박동수)을 측정하기 위한 일반적인 휴대 가능한 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 손목시계와 같이 손목에찰 수 있는 장치에 관한 것이다.

이런 휴대용 측정장치는 이미 알려져 있다. 이들 휴대장치는 특히, 광학적 방법으로, 심박수 및/또는 환자의 혈액의 산소수준을 측정하기 위하여 이용된다. 이들에서는 인체(손가락 끝, 귓볼 또는 충분한 혈액이 흐르는 신체의 다른 부분)에 착용하기 위한 다양한 고정장치가 이용되고 손목시계와 같이 손목에 착용한다.

심박수를 측정하기 위해서는, 신체조직(대개 피부)을 조명하기 위한 조명장치가 이용되고 조직에서의 반사광을 측정하기 위한 한 개 또는 몇 개의 수광부가 있다. 혈액 맥동의 변동는 반사광의 흡수에 의한 변동을 야기하고 상기 흡수변동의 주기는 기본적으로 심박수 주기에 따른다. 장기조직의 반사광의 강도측정은 신호를 측정하여 이루어지고 신호로부터 심박수를 알 수 있다. 이런 형태의 일반적인 조명장치는 비교적 간단하고 하나 또는 몇 개의 준점광원으로 구성된다. 이들은 대개 정해진 파장의 LED(light emitting diode)이다. 측정장치는 포토다이오드 또는 포토트랜지스터 같은 대개 하나 또는 몇 개의 수광소자를 포함한다.

미국특허출원 제 2002/0188210 A1은 손목의 안쪽, 손목정맥, 에 착용하는 휴대용 심박측정기를 나타낸다. 여기서, 몇 개의 수광소자를 한 개의 LED의 주위에 배열한다. 반대로, 몇 개의 LED를 한 개의 수광소자의 주위에 배열하기도 하는데 후자는 에너지 소비가 크고 제조비용이 증가하므로 바람직하지 않다.

모든 경우에, 광원은, 상기한 대로, 준 점광원이고 이들의 원뿔 또는 발광면은 단지 몇 mm^2의 면적을 조명한다. 이런 축소된 발광면은 단점이 있는데 그 이유는 국소적인 광흡수율이 주위와 크게 차이 나기 때문이다. 피부에 조명하는 경우에, 점, 털 또는 표피의 국소변형은 광선의 반사흡수를 크게 변화시키고 측정된 생리학적 수치의 신뢰성에 부정적인 영향을 준다. 측정장치와 조명된 조직의 상대운동은 측정의 질을 저하시킨다. 이러한 문제는 측정장치에서도 발생하는 것을 알 수 있을 것이다.

생체조직의 표면을 보다 균일하고 넓게 조명하여 조직의 국소 "결함"의 영향을 최소화할 수 있다. 하나의 해결책은 광원을 다수 구성하여 조직의 넓은 영역을 조명하는 것이다. 상기한대로 이 방법은 에너지 소모 및 제조 비용의 증가로 바람직하지 않다. 더욱이 광원의 증가는 연결 및 구성의 문제도 야기 시킨다.

대신에, 조직에서 반사되는 빛을 넓은 영역에서 측정하여 측정신호의 질에 영향을 미치는 국소결함의 영향을 최소화한다.

장기조직의 표면을 조명하는 기구가 있고 생리학적 수치를 측정하기 위한 휴대 가능한 장치에 관한 발명이다.

조직의 국소결함의 영향을 최소화하여 측정수치의 신뢰성을 높이고 에너지 소모를 낮은 수준으로 유지하는 휴대용 측정장치는 본 발명의 일반적인 목적이다. 간단하고 작고 얇은 구조는 본 발명의 다른 목적이다. 주어진 면적에서 최대한 넓은 면적의 조직을 조명하고 및/또는 넓은 영역의 조직에서의 반사광을 측정하기 위한 최적화는 본 발명의 또 다른 목적이다.

본 발명은 생리학적 수치를 측정하는 장치에 관한 것으로 특징이 독립항 1 및 2항에서 설명된다.

본 발명의 실시예는 종속항에서 다룬다.

청구항 1항에 따르면, 휴대용 측정기에는 조명장치가 제공되고 조명장치에는 가이드가 있는 광학요소가 있고 최소한 한 개의 광원에 연동되고 상기 광원의 광선을 내부 반사에 의하여 생체조직에 기본적으로 평행한 방향으로 유도하여 조명되고 상기 광선을 광원의 조광면 보다 큰 면적의 생체조직표면의 몇 군데의 정해진 영역에 분배한다.

이와 반대로 청구항 2항에 따르면, 측정장치는 생체조직면의 몇 군데에서, 조광장치에서 방사되어 생체조직에서 반사된 빛을 완전히 내부반사에 의하여 최소한 하나의 수광소자로 유도한다. 이들 변형예는 유리하게 조합할 수 있다.

이 해결책의 유리한 변형예에 따르면, 광학요소는 분기구조 및/또는 최소한 부분적인 격실구조로 구성된다. 대개, 조광영역은 광학조광유도로 구성되고 측정장치의 기하학적 윤곽의 가장 가까운 점에서 거의 일정하게 되도록 정해진다. 측정장치가 하나 또는 몇 개의 점에 준하는 수광소자로 형성되고, 광학요소가 광학유도작용을 하고 기하학적 구조가 원호 또는 각 수광소자의 위치 둘레의 정해진 반경의 원과 기본적으로 일치한다. 허니컴구조가 특히 추천된다.

이 해결책은 공간을 가능한 최적화하여 생체조직을 적절히 조광할 수 있게 한다. 광학요소의 구조는 요구되는 조광을 발생하는데 적당하고 광원에서 발생한 빛의 흐름이 생체조직에 잘 전달되게 한다. 이 방법은 주어진 에너지에서 조광을 더욱 최적화한다. 종래 기술에 따르면, 광원에서 방출되는 빛의 흐름은 집중되지 않았다. 이 결과, 빛의 분배뿐만이 아니라 에너지소모의 관점에서도 최적의 조광을할 수 없게 된다. 따라서 빛은 광원주의 모든 방향으로 발산된다. 본 발명에 의하면, 광학요소는 광학요소에서 발생하는 빛을 정해진 각도로 측정장치의 방향으로 향하게 구성할 수 있고, 따라서 에너지 사용을 최적화한다.

특히, 조광장치에서 발산하는 빛의 유도는 생체조직에 수직선에 가깝게 구성할 수 있다. 이는 생체조직에 깊숙이 조광 가능하게 한다. 종래 기술의 광원(특히 LED)의 단점은 지향성이 없다는 것이고 상기 광원은 생체조직에서 모든 방향으로 방사된다. 광학 가이드의 사용으로 빛을 모아서 조직에 깊숙이 조사할 수 있다. 광학 가이드의 이용은 생체조직의 깊은 곳에서 나오는 발산광의 측정하는데 유리하고, 혈류에 의한 약간의 변화 외에는 광선의 손실이 없다.

변형예에서, 광학요소는 마이크로 프리즘 구조의 고체 광학 가이드이다. 특히, 광학요소는 제 1면, 또는 생체조직을 향한 하면, 제 2면, 또는 제 1면과 반대방향인 상면, 및 제 1 및 2면을 연결하고 생체조직에 수직한 주변면을 갖는다. 마이크로 프리즘 구조는 제 2면 및/또는 주변면에 배열하여 빛의 방향을 생체조직의 제 1면에서 수광소자로 향하게 한다.

가능한 균일하게 조광 또는 측정하기 위하여, 마이크로 프리즘구조의 길이 및/또는 수량은 광원에서 멀어질수록 증가한다. 이들 두 변형예는 서로 독자적으로 응용 또는 조합할 수 있으며 광밀도의 감소를 보상하는 이점이 있다.

대개, 조광을 위해서, 각 마이크로 프리즘구조의 제 1면은 광원을 향해있고 빛을 광학요소의 제 1면으로 향하게 한다. 유사한 구조가 생체조직에서 반사되는 빛을 측정하는데 이용될 수 있다.

마이크로 프리즘구조의 제 1면은 유용한 광선을 증가시키기 위한 반사코팅을 할 수 있다. 광학요소의 벽의 넓은 부분은, 광학요소의 측벽 또는 상부벽 같은, 반사코팅을 할 수 있다. 마이크로 프리즘구조 전체를 코팅하면 일부를 코팅하는 것보다 비용이 적게 들지만, 반사면에서의 흡수 손실은 증가된다.

또 다른 변형예에서, 조광장치는 서로 다른 정해진 파장을 갖는 제 1 및 2광원을 가지며, 제 1 및 2광원의 빛을 혼합하기 위하여 광학 가이드가 배열된다. 두 개의 광원의 사용은 특정 응용에 필요한데, 특히 심박동 또는 혈액 내의 산소 수준의 측정에서 두 가지 파장의 흡수율이 다르기 때문이다. 전형적으로, 적색 및 적외선이 사용된다. 노란색(약 590 nm) 또는 녹색(약 480-530 nm)과 같은 다른 파장도 응용예에 따라서 이용할 수 있다.

이 변형예의 이점은 광학요소가 광학 가이드의 역할뿐만 아니라 두 파장의 빛을 균일하게 분배하는 광학 혼합기의 역할도 하는데 있다. LED와 같은 준점광원을 이용하는 종래의 기술은 두 광원이 동일한 위치에 올 수 없다. 이는 파장이 다른 광원 사이의 위치의 차이로 흡수율의 차이가 크고, 이는 측정결과에 나쁜 영향을 준다.

끝으로, 상기 휴대용 측정장치는 손목에 착용하는 전자기기의 용도에 적합하다. 조광장치의 광학요소가 비교적 간단한 구조고 작고 얇아서 장치의 용기의 바닥이 착용자의 피부에 부착하는데 유리하기 때문이다.

도 1은 대개 손목에 작용하여 생리학적 수치를 측정하고 분기한 광학요소가 있는 조광장치 및 조광장치의 주위에 배열된 세 개의 준 점광원이 있는 측정장치로 구성된 한 실시예에 따른 휴대용 전자장치의 하부의 평면도.

도 1a 및 1b는 각각 도 1b의 단면 A-A의 확대도 및 마이크로 프리즘구조가 광학요소의 상면에 배열된 도 1의 광학요소의 분지의 부분의 평면도; 이들은 조광장치의 광학요소에 대한 광원의 배열을 도시한 도면.

도 2a 및 2b는 분지의 측벽에 배열된 마이크로 프리즘구조의 변형예를 도시한 도 1a 및 1b와 유사한 도면.

도 3은 다양한 수광소자 주위의 열린 셀(cell)로 유리하게 구성된 상기 추가 분지를 가진 변형 광학요소를 도시한 도 1과 유사한 평면도.

도 4는 허니컴 구조와 같은 닫힌 다각형 셀로 구성된 분지를 가진 또 다른 변형 광학요소를 도시한 도면.

도 5는 기본적으로 원 또는 고리모양의 각 셀을 가진 도 4와 유사한 셀구조를 가진 가이드를 형성하는 변형 광학요소를 도시한 도면.

도 6은 바닥에 배열된 도 5의 변형과 일치하는 조광장치를 포함하는 손목시계와 유사하게 손목에 작용하는 전자장치의 개략 투시도.

도 7은 기본적인 직선막대 형태의 가이드를 형성하는 광학요소, 생체조직을 조광하기 위한 광학 가이드가 제공된 측정장치 및 두 개의 다른 광학 가이드를 포함한 변형 조광장치를 도시한 도면.

도 8 및 9는 광학 가이드가 제공된 측정장치, 도 1 및 3와 유사한 변형예를 도시한 도면.

도 10은 광원과의 거리의 변화에 의한 조광밀도 변화, 생체조직의 조광변화를 개략적으로 도시한 도면.

*부호설명*

1 : 조광장치 10 : 광학요소

2 : 측정장치 21 내지 23 : 수광소자

3 : 장치

설명할 다양한 실시예는 단지 예시용이고 제한된 예가 아니다. 특히, 설명할실시예는 손목에 착용하기에 유리하지만 이에 한정된 것은 아니다. 이 방법의 다른 휴대용 기기의 응용예는 용이하게 생각할 수 있다.

도시된 실시예에서, 공통점은 가이드를 형성하는 광학요소 구조에 연동된 최소한 하나의 광원을 포함한 조광요소의 사용에 있고, 이 가이드는 측정장치의 배열 및 정해진 형태의 구조(특히 주변부에)를 가진다. 후술하게될, 측정장치는 하나의 수광자에 연동된 가이드를 형성하는 최소한 한 개의 광학요소로 구성된다. 반대로 생각하면, 본 발명의 범위 내에서, 하나 및 몇 개의 종래의 광원 및 광학 가이드 같은 측정장치만 제공된다. 그러나 조광을 위한 광학 가이드의 이용이 에너지 절감 및 광선의 분배의 관점에서 볼 때 바람직하다.

표면을 거의 균일하게 조광하는 광학 가이드의 이용하는 방법은 이미 알려져 있다. 특히 지지 베어링 표식 또는 디스플레이의 표면. 유럽특허출원 제 EP 1 050 711호의 본 발명과 같은 제목의 예에서 지향하는 조광장치의 표면이 마이크로 프리즘으로 유도된다. 이 조광장치는 평면 조광의 단일 용도로 이용되는데 가이드의 측면에서 발산되는 빛으로 시계의 다이알을 조광한다. 이 장치를 생체조직의 생리량 측정에 이용하는 것은 설명되거나 제시되지 않고 있다.

본 발명의 범위에서, 가이드를 형성하는 광학요소는 마이크로 프리즘구조의 고체 광학 가이드이다. 이 가이드의 소재는 반투명 또는 투명의 고굴절율 n (대개 1.40 내지 1.65)의 잘알려진 유기 중합체로서 가이드의 내부 반사로 최소한 하나의 광원에서 한 끝으로 빛에너지를 전달하는 물질이다. 이런 유기 중합체의 예는 아크릴 폴리머, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트 및 폴리에스터이다.

확산재의 이용은 다른 파장의 다양한 광원의 이용시 조광작용을 균일하게 개선할 수 있다. 그러나 빛의 세기에서 손실을 예상할 수 있다.

광학 가이드는 직접 또는 간접 에칭, 적당한 기계가공, 광저항 마스크를 이용한 에칭, 화학수단 또는 레이저, 제한 없는 예의 방법으로 구성할 수 있다. 광학 가이드는 사출과정에 의해 몰딩할 수도 있고, 표면을 원하는 형상으로 스템핑할 수도 있다. 어느 기술을 이용하던지 가이드에 직접 적용할 수도 있고 같은 굴절율의 판재를 가공하여 접합할 수도 있다.

상기한 대로, 반사코팅을 광학 가이드의 특정면에 실시하여 유기조직의 조광을 위한 유용한 광선을 증가시킬 수 있다.

광원은 LED와 같은 요구 파장범위(AIGaAS 다이오드는 650 nm 또는 InGaN 다이오드는 470 nm)의 준점광원이다. 측정장치의 수광소자는 예로 사용된 파장범위에 반응하는 포토다이오드 또는 포토트렌지스터를 이용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 즉정장치(3)의 제 1실시예가 도시된다. 조광장치는 도 1의 구조의 중앙(C)에 배열된 광원(40)에 연동된 광학 가이드를 구성하는 광학요소를 포함한다. 조광장치(1)는 세 개의 준점광원 수광소자(21 내지 23)를 포함한 측정장치(2)와 합쳐진다.

도 1의 측정장치는 예로서 심박수를 측정하기 위한 것이고 그것의 일반적 외형은 손목시계와 유사하다. 이 장치(3)는 중앙부를 형성하는 용기(30)를 포함하고, 내부는 다양한 전기 전자 부품(미 표시) 및 손목끈(미 표시)이 용기(30)에 종래 방법으로 부착된다. 예로 뿔(31,32)이 용기(30)에 배치된다. 조광장치(1) 및 측정장치(2)는 사용자 피부에 접하는 용기의 후면에 위치한다. 도 1은 장치(3)의 후면덮개의 평면도이다. 후면덮개(35)는 측방리브(70)를 갖는다.

조광 및 측정장치는 반대로 휴대장치의 다른 부분에 위치할 수도 있다. 예로, 상면(이 경우, 사용자는 측정을 위해서 한 손가락을 장치의 상면에 올려놓는다.).

제 1실시예에서, 조광장치(1)의 광학요소(10)는 구조의 중앙(C) 주위에 120도로 배치된 세 방향의 동일한 면에 뻗은 직선 분지(11 내지 13)을 포함하는 성상구조이다. 측정장치(2)의 세 개의 수광소자(21 내지 23)는 세 개의 분지(11 내지 13)에 형성된 각도의 분할선에 대칭 구성되고, 세 방향은 120도로 구조(C)주위에 배치된다. 분지(11 내지 13) 및 수광소자(21 내지 23)는 모두 60도 마다 구조의 중심 주위에 배치된다.

보다 정확히, 세 개의 수광소자(21 내지 23)는 중앙(C)에서 같은 거리에 위치하여 꼭지점에 세 개의 수광소자가 오는 정삼각형을 형성한다. 이들 수광소자에 대하여, 광학요소(10)는 수광소자(21 내지 23)의 주위의 정해진 반경(R)의 원호의 부분을 따르는 분지형이 특징이다. 광학요소의 분지(11 내지 13)는 반경(R) 보다 작은 평균폭(L)을 갖는다.

광학요소의 분지의 평균폭(L) 및 반경(R)의 선정은 여러 가지 제한을 받는다. 발명자는 인접분지에서 각 수광자의 평균거리는 일정한 것을 볼 수 있다. 이 특정한 예에서, 이 거리는 분지의 평균폭(L) 및 반경(R)에 의하여 결정된다. 너무 짧은 거리는 수광소자(21 내지 23)가 조광장치(1)에 지나치게 가까워져서, 빛이 조직에 깊이 침투하지 못하고 혈액흐름의 변화에 충분히 동조하지 못한다. 같은 방법으로, 너무 먼 거리는 수광소자가 조광장치(1)에서 너무 멀리 떨어져서 신호의 충분히 강한 측정을 방해한다. 실제로, 발명자는 10밀리미터 이하의 거리가 적당하다는 것을 볼 수 있다.

도 10에서, 평균 국소 강도가 광원에서 멀어짐에 따라 거의 대수적으로 감소한다. 반대로, 빛이 생체조직에 반사된 후의 광변조율(측정장치에서의 수치)은 광원에서 멀어짐에 따라 점진적으로 증가한다. 이 변화는 멀리 있는 것은 광원에서 멀어지고 빛은 조직에 더 깊이 침투하고 혈액의 변동에 잘 동조한다. 변조율의 안정성 또는 포화도는 혈구분포 및 조직에서의 거리에 달렸다. 조직에서의 긴 전달 거리는 변조율에 긴 영향을 미치지 않는다.

상기 두 곡선(도 10의 점선)의 곱으로부터의 변조강도는 도표에서와 같이 증폭첨두를 갖는다. 광학측정장치의 작동을 최적화하기 위해서 조광 및 측정장치 사이에 적절한 공간이 선정되어 증폭첨두를 만든다. 이 최적거리(도 10의 해치 표시)는 생체조직 및 혈구의 깊이에 따라 달라진다. 손목착용을 위해서, 이 거리는 10 mm 또는 그 이하가 된다.

손목착용 전자장치에 응용에서 피부에 접촉하는 후면 덮개는 10 평방 센티미터이고, 광학 가이드구조에서 열 개보다 적은 수의 수광소자가 배열 가능하다.

도 1의 예에서, 수광소자(21 내지 23) 및 인접 분지 사이의 거리는 직선형 분지(11 내지 13) 때문에 일정하지 않다. 수광소자 및 광학가이드 사이의 거리는 절대적이지 않다. 어느 정도의 공차는 허용된다. 광학가이드의 구조는 빛을 광원에서 수광소자의 정해진 위치로 유도하여 분배한다. 광학가이드는 측정장치의 형상에 따른 정해진 거리를 따를 필요가 없다.

도 1의 조광장치의 구성은 도 1a 및 1b에 보다 자세히 도시된다. 도 1b는 생체조직면을 향한 면(10a)에 반대인 상면의 측부(10b)에서 보는 도 1의 광학요소(10)의 부분확대도이다. 도 1a는 광원(40)의 배열을 도시한 도 1b의 선 A-A를 따른 광학요소(10)의 부분 단면도이다.

명확히 설명하면, 카테션 좌표계 x, y, z가 정의되고 각 좌표는 공간의 방향을 나타낸다. 좌표계에서 광학요소(10)의 일반면은 x-y평면(도 1)에 평행하고, 분지(11)는 x축에 평행하고, z축은 장치바닥의 점에서 생체조직으로 향하여 조광(50)한다(도 1a).

도 1a 및 1b에서, 조광장치(1)는 단일 광원(40), 대개 LED,를 포함하고, 중심(C)에 위치하고 빛의 방향은 z축을 따라서 화살표방향의 광학요소의 중앙을 향한다. 광학요소(10)의 면에 수직하므로, 면(15a,15b)은 광학요소(10)의 하면(10a)에 중공으로 배열된다. 이들 면(15a,15b)은 완전 내부반사에 의하여 광원(40)에서 광학요소의 여러 분지로 향한다. 이 실시예에서 이들 면은 두 부분의 사면체의 돌기(15)를 형성한다. 몇 개의 면은 구조의 중심(C)에서 멀어지면서 x-y면과의 각도가 감소하고 광원에서 발생하는 빛의 각도는 일정하지 않다. 광선은 z축에 대해서 원뿔형이다. 면(15a)은 곡선의 형상 같은 다른 적합한 형태로 교체할 수 있다.

도 1a 및 1b에서, 광원(40)에서 발생한 빛은 분지(11,12,13)로 향하고, 각 분지는 반사면(60)을 포함하여 내면 반사에 의하여 도 1a의 화살표와 같이 조직(50)의 다른 면에 전달된다. 영역(60)은 광학요소의 상면(10b)에 배열되고 마이크로 프리즘에서 형성된 광선 방향의 면(61)을 형성한다. 이 형태의 네 면은 분지(11)에 보인다. 이들 중 세 개는 분지(11)에 분포하고 V형태의 중공부가 면(10b)에 형성된다. 네 면은 분지(11)의 단부에 배열되고 다른 세 개보다 넓은 면적이다.

x-y면에 대한 면(61)의 각도(a)는 광선이 조직에 전달되도록 설정된다. 이 각도는 소재의 특성에 지배받는다.(광학가이드의 굴절률 n) 가이드에서의 광선의 방향은 외부 물질의 성질에도 영향을 받는다. 상기한 대로, 반사 코팅면(61)(또는 상면(10b) 전체 코팅)은 광학요소(10)의 하면(10a)을 통과하는 광량을 증가시킨다.

일반적으로 광학요소의 설계에는 몇 가지 기하학적 제한이 있다. 이 중 하나는 임계각(0c)으로서, 면의 수직선으로 정의되고, 전반사가 일어난다. 이 임계각은 하기의 식으로 주어진다.

n1

0c = arcsin(----) (1)

n2

n1은 외부 물질의 굴절률이고(공기의 경우 1) n2는 빛이 통과하는 가이드의 굴절률이다. 광학 가이드(10)의 전체 내부 굴절을 보장하기 위해서, 면의 입사각은 임계각 보다 크다. 반대의 경우는 광선이 외부로 반사된다. 상기한 대로, 흡수 손실에 의하여 실제보다 결과는 줄어든다.

도 2a 및 2b는 반사영역(60)의 변형예이다. 이 영역(60)을 광학요소(10)의 상면(10b)에 만드는 대신에 광학요소의 측면에 만들어서 생체조직에 수직하고 광선에 평행하게 한다. 이 면은 10c 및 10d로 나타낸다.(다른 두 분지(12,13)의 대응하는 측면) 이 면을 이용하려면, 면(62)은 광원(40)의 광선에 기울어 배열하여 생체조직을 향하게 한다. 다른 면(10c,10d)은 이 방법으로 만들 수 있다. 면(10a)을 통과하는 광선은 면(62)에 반사되고 z축 방향일 뿐만 아니라 y축 방향(x축 방향)이다. 실시예에서, 수광소자는 분지(11,13)의 양측에 배열되고 조광을 균일하게 하기 위하여 각 분지의 두 측면은 대칭이다.

도 1a,1b,2a,2b에 도시된 두 개의 구조방법은 조합할 수 있고, 각 분지의 단부는 기운 면(61)을 포함한다. 더욱이 면의 크기(깊이 및/또는 폭) 및 면 당 수량은 다양하게 할 수 있다. 광원에서 멀어짐에 따라 반사면(60)을 늘려서 멀어짐에 따른 광량 저하를 보상하는 것이 바람직하다.

광학요소(10)의 구조는 도 1에 한하지 않는다. 도 3, 4와 같이 광학요소(10)는 개방 및 폐쇄된 셀의 넓은 분지구조를 가질 수 있다. 장치의 유효면적을 최적화하기 위해서, 허니컴 셀룰러 구조가 이용된다. 상기한 대로, 이런 구조의 적용은 열 개의 준 점광원 수광소자가 셀의 중심에 배열되어 십 평방센티미터의 손목착용 장치의 후방 덮개를 가진다.

도 3, 4의 변형예에서, 광학요소(10)의 반사영역(60)은 빛을 생체조직으로 향하게 한다. 이 도면은 개략적으로 예시된 것이다. 특히, 도 2a, 2b에 도시된 형태의 구조는 변형 또는 보완될 수 있다. 반사영역(폭 및 깊이)은 측정할 필요 없다.

도 5는 도 4와 유사한 다른 변형예이다. 광학요소는 도 4의 다각형이 아닌 원 또는 환상의 셀구조이다. 예에서, 반사영역(60)은 가이드(10)의 측면에서 도 2a, 2b의 영역과 같은 구조이다. 도 5에서 광학요소(10)의 다양한 분지로의 광로(구조의 중심(C)에서 생성된)는 화살표로 표시된다.

도 6은 도 5의 조광장치의 후방덮개(35)의 투시도이다. 상기한 대로 LED(40)이 배열되고 후방덮개의 중앙에서 광선은 z축과 평행하게 광학요소(10)의 하면(도 6의 상방면)에 배열된 돌기(15)를 향한다.

스페이서(미 표시)는 광학요소(10) 및 후방덮개(35) 사이에 간격을 두고 배열되어 가이드(10)의 벽과 후방덮개(35)의 인접벽 사이의 공기틈이 적어진다. 중앙벽(미 표시)을 이 사이에 삽입할 수 있다. 후방커버(35)는 환상의 주변리브(70)를 갖는다. 이 리브(70)는 광학벽을 형성하여 주변의 빛이 측정을 방해하지 못하게 하고, 광학가이드가 생체조직에 직접 접촉하지 못하게 한다. 이로서 광학가이드와 조직 사이에 영구적인 공간이 생성되어 장치의 휴대 중에 장치와 조직 사이가 움직여도 가이드와 외부환경의 특성이 불변하게 된다.

도 6에서, 리브(70)는 조광장치(1)의 외곽선을 따른다. 리브(70)는 도시된 환상이 아닌 세 개의 돌기형태를 가질 수 있다. 그러나, 리브는 조광 및 측정장치에 삽입되어 광선의 방향을 제한한다.

리브(70)에 추가하여, 후방덮개(35)의 면은 조광 및 측정장치 사이에 놓이고(도 6의 해치된 환상면) 조광장치의 빛을 반사하지 않는다. 후방덮개(35)와 조직사이에 공간이 있는 한, 광 반사가 일어난다. 후방덮개의 조광 및 측정장치 사이의 중간면에 반사방지 코팅을 하여 이런 반사효과는 제거할 수 있다.

도 7은 또 다른 변형예로서, 본 발명의 범위에서 생각할 수 있는 몇 가지 수정을 도시한다.

먼저, 단일 광원에 연동된 가이드를 형성하는 단일 광학요소를 포함한다. 몇 개의 광원에 연동된 몇 개의 광학 가이드도 생각할 수 있다. 도 7은 직선형 광원(41,42)에 연동하는 두 개의 광학 가이드(101,102)를 도시한다.

둘째로, 연동되는 광학가이드에 대한 광원의 배열은 다르게 구성할 수 있다. 도 7은 각 광원(41,42)이 광학가이드의 한 단부를 향하여 위치하고 광선은 x축 방향이다. 이 방법은 광학가이드가 도 1 내지 7의 실시예의 가이드의 일반면에 광선이 향하게 하기 위한 광학장치가 필요 없다.

셋째로, 측정장치는 하나 또는 몇 개의 광학요소가 가이드를 형성하여 조직의 다른 영역에서 측광할 수 있고 각 광학요소는 최소한 하나의 수광소자에 연동된다. 도 7에서 세 개의 광학소자(201,202,203)는 조광요소(101,102)의 측방에 가이드를 형성한다. 이 광학요소의 구조는 기본적으로 광학가이드와 유사하다.

넷째로, 가이드의 형상은 전술한 실시예처럼 원호를 따를 필요는 없다. 원호형태는 도 1 내지 6의 실시예의 준점광원 또는 수광소자에 따른다. 중요한 것은 허용된 공차 내에서 조광장치가 빛을 비추는 범위와 측광하는 범위 사이의 거리의 결정이다.

이 점에서 하나 이상의 광학가이드의 사용은 다른 구성을 가능하게 한다. 도7에서 광학가이드의 사용은 조광 및 측광장치가 간단한 형태로 설계 가능하게 한다. 다양한 광학가이드(101,102,201,202,203)는 직선 막대 구조이고 이는 제작하기 쉽다. 광학요소 및 광학요소의 특정 폭(L)사이의 공간(d)의 경우에 주의해야 한다. 공간(d) 및 폭(L)은 그러나 광학가이드에 따라서 다르다.

다른 변형예를 생각할 수 있다. 따라서 보완되는 형태의 광학요소는 서로 결합 가능하고(예로 빗 또는 나선구조) 여전히 발광지역 과 측정지역 사이의 정해진 거리를 유지한다. 도 8 및 9는 이 점에서 도 1 및 3의 변형예와 유사하고 세 개의 수광소자(21,22,23)가 광학가이드(201,202,203)에 연동된다. 도 7과 같이, 도 9의 변형예가 수광소자가 광학요소의 한 단부에 연동된다.

도 7,8,9에서, 같은 (조광 또는 측광)장치의 다양한 광학가이드는 단일 광학가이드 및 다수의 광원에 결합되거나 수광소자는 축소될 수 있다.

마지막으로, 서로 다른 파장의 몇 개의 광원은 동시에 광학가이드에 연동될 수 있다. 이 경우, 광학장치의 조광장치가 제공되어 광학요소의 입구에서 다양한 광원의 광선을 혼합하거나 광학 가이드에서 다양한 광선을 혼합하고, 여러 영역에서의 광선을 필요한 파장의 다양한 부분 사이에서 균일하게 한다. 상기한 대로, 확산기를 사용하면 광학가이드가 균일해지는 장점이 있는 대신에, 광량의 손실이 있다.

일반적으로, 가이드가 있는 광학요소를 사용하면, 휴대용 장치의 허용된 면적에서 허용된 광에너지를 가능한 최적이 되게 한다.

끝으로, 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의하여 다른 다양한 변형예 및/또는 개선점이 설명된 실시예에 가해질 수 있음을 알 수 있다. 특히, 본 발명은 손목착용에만 한정되지 않고, 다른 휴대방법에도 응용할 수 있다.

Claims

생체조직면(50)에 접하여 생리학적 수치(3)를 측정하는 휴대용 장치에 있어서;

최소한 하나의 정해진 파장범위에서 발광하기 위한 상기 조직의 대상 부위를 위한 정해진 조광면이 있는 최소한 하나의 광원(40,41,42); 및

상기 생체조직(50)에 전달된 후 상기 조광장치에 의하여 발생한 빛의 강도를 측정하기 위한 상기 조광장치(1)에서 떨어진 측정장치(2),

상기 광원(40,41,42)의 조광면 보다 상당히 넓은 면을 덮는 상기 생체조직(50)면의 몇 개의 조광영역에 상기 광선의 퍼뜨리기 위한 및 조광되는 생체조직면에 평행한 완전 내부반사에 의한 상기 광원의 빛을 유도하기 위한 최소한 하나의 광원(40,41,42)에 연동된 가이드(10,101,102)를 형성하는 광학 요소를 포함하는 상기 조광장치(1)를 특징으로 하는 장치.
생체조직(50)면에 접하는 생리학적 수치를 측정하는 휴대용 장치에 있어서;

최소한 하나의 정해진 파장에서 생체조직의 대상면을 조광하기 위한 최소한 하나의 광원(40,41,42)을 포함하는 조광장치(1); 및

상기 생체조직(50)에 침투한 후에 상기 조광장치에서 발생한 빛의 강도를 측정하기 위한 상기 조광장치(1)에서 떨어진 측정장치(2),

상기 최소한 하나의 수광소자(21,22,23)에 완전 내부 반사로 상기 빛을 유도하기 위한 및 생체조직에 침투한 후에 조광장치(1)에서 생성된 빛을 생체조직면(50)의 몇 군데에 측정하기 위한 최소한 하나의 수광소자(21,22,23)에 연동되는 가이드(201,202,203)를 형성하는 광학요소를 포함하는 상기 측정장치(2)를 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 측정장치의 형상의 근접점에서 거의 일정한 거리로 떨어진 곳에 정해진 각 조광영역에서 및 상기 정해진 형상을 같은 상기 측정장치(2)를 특징으로 하는 장치.
제 1, 2 또는 3항에 있어서, 최소한 부분적으로 셀구조 및/또는 분지를 갖는 가이드를 형성하는 상기 광학요소를 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서, 기본적으로 허니컴 구조를 갖는 가이드를 형성하는 상기 광학요소를 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 각 수광소자의 위치 주위의 정해진 반경의 원호 또는 원과 일치하는 형태의 구조를 갖는 가이드(10)를 형성하는 상기 광학요소와 같은 평면에 배열된 하나 또는 몇 개의 준 점광원 수광소자(21,22,23)를 포함하는 상기 측정장치를 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 조광되는 생체조직(50)의 방향으로 상기 광원(40,41,42)에서 발생한 빛을 유도하기 위한 반사 마이크로 프리즘구조(60)가 제공되는 광학가이드인 상기 광학요소(10,101,102),

조광된 생체조직면에 수직인 상기 제 1 및 2면에 연결된 측면(10c,10d) 및 상기 제 1면의 반대, 또는 상면, 제 2면(10b), 조광된 생체조직(50)을 향한 하면, 또는 제 1면(10a)을 갖는 상기 광학요소,

조광된 상기 생체조직의 방향으로 상기 제 1면(10a)을 통하여 빛을 유도하기 위한 상기 측면(10c,10d) 및/또는 상기 제 2면(10b) 위에 배열된 제 1면(61,62)을 포함한 상기 마이크로 프리즘 구조(60)를 특징으로 하는 장치.
제 2항에 있어서, 상기 광학요소(201,202,203)가 수광소자(21,22,23)의 방향으로 생체조직에서 반사된 빛을 유도하기 위한 반사 마이크로 프리즘구조가 제공된 고체 광학가이드이고,

생체조직면에 수직한 방향, 상기 제 1 및 2면에 연결된 측면 및 반대의 상기 제 1면, 상면 또는 제 2면에서 발생한 빛에서 생체조직을 향하는 하면 또는 제 1면을 갖는 상기 제 1면,

수광소자의 방향으로 생체조직에서 발생한 빛을 유도하기 위한 상기 측면 및/또는 상기 제 2면에 배열된 최소한 제 1면을 포함하는 상기 마이크로 프리즘구조를 특징으로 하는 장치.
제 7 또는 8항에 있어서, 반사코팅이 된 각 반사 마이크로 프리즘구조의 최소한 제 1면 특징으로 하는 장치.
제 7 내지 9항 중 한 항에 있어서, 상기 광학요소에서 빛의 광로를 따라, 수광소자에서, 광원에서 멀어짐에 따라 점차 증가하는 수량 및/또는 상기 마이크로 프리즘구조의 길이를 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 제 1광원에서 제 1의 정해진 파장범위의 발광을 하고 제 2광원에서 제 1과 다른 제 2의 정해진 파장범위의 발광을 하며,

상기 광학요소가 상기 제 1 및 2광원의 빛을 혼합하기 위해 배열된 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 최소한 하나의 수광소자(21,22,23) 방향으로 완전내부반사에 의하여 빛을 유도하기 위한 및 생체조직에 침투한 후에 조광장치(1)에 의하여 발생한 빛을 생체조직의 몇 군데 영역에서 측정하기 위한 최소한 하나의 수광소자(21,22,23)에 연동된 가이드(201,202,203)를 형성하는 광학요소를 포함하는 상기 측정장치(2)를 특징으로 하는 장치.
상기 항 중 한 항에 있어서, 손목에 착용하고 조광(1) 및 측정(2)장치가 있고 착용자의 피부에 접하는 후면덮개(35)가 제공된 용기(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 13항에 있어서, 가이드(10,101,102,201,202,203) 및 생체조직을 형성하는 광학조직 사이의 공간을 유지하기 위한 상기 생체조직(50) 위에 접하는 리브(70)가 제공된 상기 후면덮개(35)를 특징으로 하는 장치.
제 13항에 있어서, 상기 조광장치에서 생성된 빛을 반사하지 않도록 배열된 측정 및 조광장치 사이에 위치한 상기 후면덮개(35)의 표면의 최소한 일부분을 특징으로 하는 장치.