CN101371780B - 生物体光计测用头部安装式固定器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光照射/光检测模块可靠地紧贴头皮并且不给被验者过度的压迫感的生物体光计测用头部安装式固定器。光照射模块(101)以及光检测模块(102)分别具有：接触器(23)，在前端具有与被验者的头皮(1)接触的接触部，使前端部露出而形成光导(21)；封装(2)，在下方安装有接触器。接触器通过弹性体(51)固定在封装的下部，封装通过弹性体(53)和粘弹性体(54)的串联结构固定在固定器(3)上设置的插入孔(31)的内部上壁上。

Description

生物体光计测用头部安装式固定器

技术领域

本发明涉及一种用光测定生物体的内部状态的生物体光计测装置，尤其是涉及一种用于通过透过头部的光强度的分析来计测脑功能的生物体光计测用头部安装式固定器。

背景技术

作为计测人体的脑功能的手段，人们开发了对头部的一部分照射近红外光并通过分析透过头部之后返回的光的强度来二维地显示大脑皮质上的血液分布的光绘图(topography)技术。通过该方法使人体的运动功能与脑的局部区域的对应关系明朗，从而得到对新的精神医疗的线索。并且近年来利用该局部化的脑功能并利用来自脑的计测信号直接控制计算机、游戏、环境控制装置等外部装置的接口技术的开发也取得了进展。例如，日本特开平9-149894号公报提出了以下方法：利用生物体光计测装置计测被验者的头部透过光强度，由运算装置计算氧化及还原血红蛋白的量，用该数据驱动外部装置。日本特开2000-172407号公报提出了以下方式：用运算装置、存储装置、控制装置等判定从生物体光计测装置得到的测定信号的变化的历史，通过把判别结果适用于一定的规则来切换电视接收机的频道。此外，日本特开2002-172106号公报提出了使光照射器和光检测器接触被检查体的皮肤，利用得到的光信号的强度控制画面的对象的接口技术。

专利文献1：日本特开平9-149894号公报

专利文献2：日本特开2000-172407号公报

专利文献3：日本特开2002-172106号公报

发明内容

在使用上述技术精密地进行生物体光计测的情况下，照射的光量一定并且使来自头部的返回光以外的光不要入射到光检测器中是极为重要的。如果不能满足这些条件则不能保证信号光对噪声光的比(S/N比)高，不能进行正确的评价。因此，必须使光照射模块的光照射部分以及光检测模块的光导入部分可靠地紧贴头部，并将其不可动地固定住。但是，由于头部的形状基本呈球形、必须使模块的前端避开头发而到达头皮、以及被验者不同头部的形状也不同，因此必须适应多种多样的形态，所以为了使模块可靠地固定不动，需要施加相当的力而压紧在头部上。但是如果用强力固定，则被验者将感到强的压迫感，有时会无法忍受长时间的计测。这有可能成为进行在日常生活或与之接近的状态下的计测的障碍。此外，高龄的被验者或幼儿由于上述压迫感不能忍受安装，因此无法进行计测本身。

本发明的目的在于提供一种为了所有被验者在所有计测形态下都可以实现精密的生物体光计测，而使光照射/光检测模块可靠地紧贴头皮，并且不给被验者过度的压迫感的生物体光计测用头部安装式固定器。

本发明的生物体光计测用头部安装式固定器具备的光照射模块以及光检测模块分别具有：接触器，在前端具有与被验者的头皮接触的接触部，使前端部在该接触部上露出而形成光导；以及封装，在下方安装有所述接触部。并且，固定器具有插入所述封装的、下方开放的插入孔。此外，本发明的一个方式中，接触器通过弹性体固定于封装的下部，封装通过弹性体固定于插入孔的内部上壁。在另一方式中，封装通过弹性体和粘弹性体的串联结构固定于插入孔的内部上壁。这时，优选接触器通过弹性体固定于封装的下部。在又一方式中，接触器通过弹性体固定于封装的下部，封装通过粘弹性体固定于插入孔的内部上壁。

作为连接封装与固定器的弹性体，可以使用弹簧线圈、板簧等弹簧结构。作为连接封装与固定器的弹性体与粘弹性体的串联结构、或粘弹性体，可以使用以聚氨酯类树脂、乙烯基类树脂、硅树脂中的任意一种为主要成分的树脂。作为连接接触器与封装的弹性体，同样地适用弹簧。

根据本发明，不对被验者的头部施加过度的力就能使光照射模块的光照射部分或光检测模块的光导入部分良好地紧贴头皮，提高生物体光计测的计测精度。此外，由于大幅减轻安装固定器的被验者的不适感，所以能够进行长时间的安装、接近日常生活的状态下的安装和给婴儿、幼儿、高龄被验者等的安装，从而大幅扩大生物体计测的可测定范围。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施例的示意图。

图2是示出图1的变形例的图。

图3是示出本发明的第二实施例的示意图。

图4是表示施加于被验者的头皮的压力的时间变动的曲线图。

图5是示出图3的变形例的图。

图6是示出本发明的第三实施例的示意图。

图7是示出图6变形例的图。

图8是示出本发明的第四实施例的示意图。

图9是示出图8的变形例的图。

图10是示出对固定器装卸光照射/光检测模块的形态的示意图。

图11是光检测模块的示意图。

图12是生物体光计测装置的整体图。

图13是示出接触器的形状的例子的图。

附图标记说明

1：被验者的头皮；101：光照射模块；102：光检测模块；2：模块的封装；21：光导；22：光检测器；23：接触器；24：发光元件；3、3a：固定器；3b：固定器盖；3c、3d：固定器盖的部件；31：固定器的安装模块的孔；32：固定器与固定器盖的固定部；33：固定器盖与封装的固定部；4a：光纤；4b：电气配线电缆；41a、42a：光纤连接器；41b、42b：电气配线电缆连接器；51、52、53：弹性体；511、512：板簧的端部；513：板簧的圆弧部；54、56：粘弹性体；55：弹性体和粘弹性体的串联连接结构体；6：控制装置。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边说明本发明的实施方式。另外，对实质上同样的部位附以相同的参照编号并不再重复说明。

【实施例1】

用图1及图2说明本发明的第一实施例。图1是示意地示出生物体光计测装置中的、具备光照射模块101以及光检测模块102的生物体光计测用头部安装式固定器的图。光照射模块以及光检测模块在本图中各有一个，但也可以各有多个。这里用画在右侧的光检测模块102进行说明。图中，1是被验者的头部(头皮)，2是模块的封装，3是固定封装的固定器、4b是用于连接模块与控制装置的电缆。封装2由例如Vespel(R)(聚酰亚胺)等有刚性的树脂构成，插入设置在固定器3下表面的封装插入孔31内。封装2的下部安装了具有用于将从光照射模块101照射并在头部传播的光导入光检测器的光导21的接触器。光导21引导的光照射到设置在光导的与头皮侧相反的端部的光电二极管等光检测器22上，变换为电气信号。该电气信号通过光检测模块内的电气电路在电缆4b中传播并发送到控制装置。固定光导21与光检测器22，使其位置关系不发生变动。

具备光导21的接触头皮的接触器23与模块的封装2通过弹性体51连接。此外，模块封装2和固定器3通过弹性体52连接。封装2中容纳光元件以及光电变换用电子电路，具有作为用于将光纤导引至控制装置的导引的作用。

另外，图示的弹性体以及后述的粘弹性体的绘图是用于示意性地表示它们的模型图，不一定与现实的形态一致。此外，在图中弹性体、粘弹性体都画了两个，但其也可以是一个或三个以上。这一点对于实施例2以后也同样。

接触头皮的接触器23上连接了电缆4b(光照射模块101的情况下则是光纤4a)。这时，为了不对电缆或光纤施加过度的力，采用设置确保弹性体的位移以上的行程的弯曲部、或将光纤不固定于封装2等的结构。关于这一点对实施例2以后也是同样的。

向头部的固定是将固定器3一边包住头部一边压在头皮1上，利用弹性体51、52的复原力使接触器23的前端、即光导21的前端部分与头皮1接触。优选地，固定器的材质是容易跟随被验者的头的形状变形的树脂或者布。或者也可以是网状物。但不能使模块间的距离轻易变化。由于接触器23是较细的形状，因此即使头皮上存在头发也可以不受其干扰地使前端接触。这时，通过连接固定器3和封装2的弹性体52压住各封装整体。由于被验者的头部并非是完全的球形，所以仅用弹性体51可能使各光模块的按压压力产生偏差，按压压力小的情况下不能与头皮充分紧贴，可能发生测定不稳定。本发明中，除弹性体52外，每个模块上还具备连接光导21与封装2的弹性体51，所以各光模块的光导21前端分别跟随头部，各光模块不施加过度的压力就能紧贴头皮。因此，不对被验者施加不必要的负荷就能进行生物体光计测。

另外，在图1的例子中，在光检测模块102中具备光检测器22。此外，若说到光照射模块101，其呈以下形态：在模块内没有发光元件，光纤4a从模块连接到控制装置，虽未图示，但在控制装置上或在控制装置与光照射模块之间设置了发光元件。这些如图2所示，对于光检测模块102，由光纤4a取出信号，在控制装置上或者在控制装置与光检测模块之间设置光检测器，光照射模块101也可以是在模块内具备发光元件24，由电缆4b连接发光元件24与控制装置的形态。当然也可以是两个模块都具备光元件的形态或是两者都不具备光元件的形态。

为了不使接触器23发生显著的变形，采用比较硬的材料。材料不特别限定，但如果考虑到尽可能降低给被验者的负荷，优选树脂这样轻材料。此外，在本实施例中，接触器23呈现向着头皮直径逐渐变细的圆锥状，但只要可以避免头发等的干扰而紧贴头皮，也可以是这以外的形状。在图13中示出其一例。图13(a)示出了前端部分的形状是圆筒状的接触器，图13(b)示出了作为整体向着头皮直径逐渐变小的圆锥状但与头皮的接触部分呈曲面形状的接触器。接触器23与头皮接触部分的尺寸优选为0.5～5mm。接触器23的内部具备的光导21需要由良好地透过要照射/检测的近红外光的材料构成。具体地说，可以将透明树脂棒、玻璃棒、光纤、使光纤成束的光纤束等用于光导21。

通过使用本实施例的具备光照射模块以及光检测模块的固定器，不对被验者的头部施加过度的力，就可以使光照射模块或光检测模块良好地紧贴头皮，提高生物体光计测的计测精度。此外，由于也大幅地减轻了被验者的不适感，所以能够进行日常生活状态下的安装和给婴儿、幼儿、高龄的被验者等的安装，从而大幅扩大了生物体光计测的可测定范围。

【实施例2】

接下来，用图3到图5说明本发明的第二实施例。图3是示意性地表示由与图1相同的结构构成的生物体光计测装置的生物体光计测用头部安装式固定器的一部分的图。与图1的不同在于使连接封装2与固定器3的部位是串联连接了弹性体53与粘弹性体54的部件55。

粘弹性体是兼具粘性和弹性这两种性质的物质。具体地说，对粘弹性体施加某应力时变形缓慢进行的蠕变现象、给予某位移时应力缓慢减小的应力缓和现象，是粘弹性体所特有的动作。而弹性体是具有施加应力而变形时与位移成比例的复原力起作用，去除应力后形状马上复原的性质的物质。

图4是表示将本实施例的固定器安装在被验者的头部时的、加在被验者头皮上的压力(应力)的时间变动的曲线图。如果固定器3的按压量、即弹性体53与粘弹性体54以及连接接触器23与封装2的弹性体51的位移量一定，则首先在刚安装之后所有弹性体成分的复原力起作用，加在头部的应力示出相对较高的值。由于该压力，各模块的光导21前端可靠地与头皮接触。其后，压力渐渐衰减。这是因为粘弹性体的缓冲成分渐渐产生位移而缓和了应力。最后的压力成为一定。通过这样降低压力，减轻了给被验者的负担。此外，由于最终变为一定的压力值，所以也能防止安装的固定器移动。

在实际固定于头部时，首先将固定器3一边包住头部一边压在头皮1上，这时如图4所示，加到头皮上的压力暂时增大。由于这个力，即使在头部存在凹凸和头发，再加上接触器23的形状，就能使模块前端容易地接触头皮1。进而，对于头部的局部性凹凸，能利用连接接触器23和封装2的弹性体51来跟随头部形状。其后，如果固定固定器3，则由于粘弹性体的位移，如图4所示加到头皮上的压力降低。由此，即使具有光导21的接触器23前端对头皮的接触面积较小也能减轻被验者的不适感。然后收敛于某一定的值。由于施加一定的压力且利用弹性体51来跟随头部的局部性凹凸，所以能确保头皮1和光导21的接触。即，通过使用本实施例的固定器，不对被验者的头部施加过度的力就能使光模块良好地紧贴头皮，提高生物体光计测的计测精度。此外，由于大幅减轻被验者的不适感，所以能够进行日常生活状态下的安装和给婴儿、幼儿、高龄的被验者等的安装，从而大幅扩大了生物体计测的可测定范围。

每个模块中均有本机构，所以基本不会发生佩带状态的偏差，任何模块都能可靠地接触头皮。

另外，关于图3的结构，如图5所示，也可以是光照射模块101具备发光元件24、光检测模块102在控制装置上或者在控制装置与光检测模块之间设置光检测器的结构。当然，既可以是两模块都具备光元件的形态也可以是两者都不具备光元件的形态。此外，关于本实施例中的接触器23以及光导21的材料、形状，与实施例1同样。

【实施例3】

接下来，用图6及图7说明本发明的第三实施例。图6是使连接封装2与固定器3的部位是串联连接了弹性体53与粘弹性体54的部件55的结构。接触器23与封装2牢固地固定。

利用图6所示的结构也能实现如图4所示的压力的时间变动。即，在刚安装之后形成相对高的压力，使各模块的接触器23前端可靠地紧贴头皮，之后压力渐渐衰减，减轻给被验者的负担，进而通过形成一定的压力值，还防止所安装的固定器3移动。因此，通过使用本实施例的固定器，与实施例2同样不对被验者的头部施加过度的力就能使光照射/光检测模块良好地紧贴头皮，从而提高生物体光计测的计测精度。此外，由于大幅减轻被验者的不适感，所以能够进行日常生活状态下的安装和给婴儿、幼儿、高龄的被验者等的安装。

关于图6的结构，如图7所示，也可以是光照射模块101具备发光元件24、光检测模块102在控制装置上或在控制装置与光检测模块之间设置光检测器的结构。当然，既可以是两模块都具备光元件的形态也可以是两者都不具备光元件的形态。此外，关于本实施例中的接触器23以及光导21的材料、形状，与实施例1同样。

【实施方式4】

接下来利用图8及图9说明本发明的第四实施例。图8是具有与图3同样的结构的生物体光计测装置的固定器，不同点在于使连接封装2与固定器3的部位是粘弹性体56。将本结构置于被验者的头部时施加到头皮上的压力变动与第二、第三实施例同样，如图4所示。即，根据本实施例，与实施例2、3同样不给被验者的头部过度的负荷来提高生物体光计测的计测精度。此外，由于大大降低了被验者的不适感，所以能够进行日常生活状态下的安装和给婴儿、高龄者等的安装，从而大幅扩大了生物体计测的可测定范围。

关于本实施例，如图9所示也可以是光照射模块101具备发光元件24、光检测模块102在控制装置或在控制装置与光检测模块之间设置光检测器的结构。当然，既可以是两模块都具备光元件的形态也可以是两者都不具备光元件的形态。此外，关于本实施例中的接触器23以及光导21的材料、形状，与实施例1同样。

【实施方式5】

接下来，用图10说明本发明的第五实施例。图10是示出在本发明的生物体光计测装置中对固定器装卸光照射/光检测模块的形态的示意图。安装后的形态为图3所示的结构。

图10(a)示出了固定器3a上还未安装光照射/光检测模块的状态。图中绘出了头皮1，但既可以这样在模块安装前将固定器3a安装于被验者的头部，也可以安装模块之后再使固定器3a紧贴头部。模块101、102插入固定器3a上形成的孔31中。

接下来，如图10(b)所示，把用于将模块固定于固定器的固定器盖3b装载在模块之上。固定器盖3b具备串联连接了弹性体53和粘弹性体54的部件55。固定器盖3b与部件55连接的一部分用固定器3a和固定部32固定。此外。另一部分用固定部33固定于封装2上。固定器3a与固定器盖3b间的固定可以采用螺丝固定或铆接等。封装和固定器盖的固定可以利用或并用光纤4a或电气配线电缆4b的连接器41a/42a或41b/42b。

通过以上的过程，完成图10(c)所示的生物体光计测装置的固定器3的安装。以这种形态安装于头部的生物体光计测装置与其它实施例同样，不给被验者过度的负担就能使模块前端紧贴头皮，当然能够提高计测精度，能够进行日常生活中的安装和给婴儿、高龄者等的安装，从而大幅扩大可测定的范围。

【实施例6】

接下来用图11说明本发明的第六实施例。图11示出了生物体光计测装置的固定器上的光检测模块102的示意图，按照实际部件的形态或与之接近的状态描绘了弹性体以及弹性体的部分。构成模块的部件与实施例5中说明的图10相同。本图仅记载了光检测模块，但当然也同样地适用于光照射模块。

图中，封装2具备具有用于将从光照射模块照射并在头部传播的光导入光检测器的光导21的接触器23。光导21引导的光照射到设置在光导的与头皮侧相反的端部的、以光电二极管等为代表的光检测器22上，并变换为电气信号。电气信号通过光检测模块内的电气电路在电缆4b中传播并发送到控制装置。

不变动其位置关系地在接触器23内固定光导21与光检测器22。接触器23与模块的封装2通过弹性体51连接。本图中，作为弹性体51，采用将钢弯成圆弧状并通过在破坏的方向上向其施加力而产生复原力的所谓的板簧。板簧的两端部511、512与接触头皮的接触器23相接。该部分可以由粘接剂等固定，但只要不会显著地移动或露出间隙，也可以仅利用弹簧的复原力压住。板簧51与封装2在板簧51的圆弧部513处接触。它们的固定方式与相对部件23的固定方式同样。为了使板簧51不干扰从光检测器22引出的电缆4b，采取在其一部分上设置孔等用于避免该情况的措施。另外，虽然本实施例中使用板簧，但弹性体51还可以采用除此以外的例如螺旋弹簧、碟形弹簧等其它形状的弹簧。

模块封装2与固定器3利用串联连接了弹性体53和粘弹性体54的结构连接，但在本实施例中对弹性体53使用碟形弹簧。碟形弹簧是切除了空洞的圆锥的上部后的形状，也通过从上破坏而产生复原力。此外，粘弹性体54采用了以硅为主成分的凝胶材料。凝胶材料54为了避免与电缆4b、连接器41b、42b间的干扰而形成面包圈状的圆筒形。封装2与碟形弹簧53以及凝胶材料54间的固定利用了连接器41b、42b。凝胶材料54固定于固定器盖部件3c上。作为固定方法，在此采用粘接剂。此外，在凝胶材料54与碟形弹簧53的连接中，采用在固定器盖部件3d的表里面上分别利用粘接剂固定的方法。进而，对于固定器盖3b与碟形弹簧间的固定也使用粘接剂。固定器3a与固定器盖3b通过拧入等固定，固定器盖的部件3c与封装由连接器41b/42b固定。这样，固定器3a和封装2通过碟形弹簧53与凝胶材料54的串联连接结构来连接。

另外，关于碟形弹簧53，也可以使用螺旋弹簧或板簧等其它形状的弹簧。此外，关于凝胶材料，也可以是硅以外的例如聚氨酯类树脂、乙烯基类树脂为主要成分的材料。进而，关于粘弹性体54，也可以使用海绵状的材料或是具有蜂窝结构的中空结构的材料。如果应用这样的结构，则除了前面举出的特征之外，还能确保散热性，能够抑制戴上固定器3引起的头部的热量聚集。

本实施例的结构与实施例2等同样，示出图4所示的压力的时间变动。即刚安装之后形成相对高的压力，使设置在各模块的接触器23上的光导21前端可靠地紧贴头皮，其后压力渐渐衰减，减轻给被验者的负担，进而其后通过形成一定的压力值，牢固地安装固定器。因此，不对被验者的头部施加过度的力就能使光照射/光检测模块良好地紧贴头皮，提高生物体光计测的计测精度。此外，由于大幅减轻被验者的不适感，所以能够实现日常生活状态下的安装和婴儿、幼儿、高龄被验者等的计测，从而大幅地扩大生物体光检测的可测定范围。

【实施例7】

最后用图12说明本发明的第七实施例。图12是示出本发明的生物体光计测装置的整体的图。

被验者戴上固定器3来计测脑的血流状态。固定器3上安装了多个光照射模块101以及光检测模块102，其前端与被验者的头皮1接触。这些光照射模块以及光检测模块以上述实施例1～7中的至少一种形态安装于固定器上。光照射模块与光检测模块通过配线连接于测定装置6。测定装置6具有发送机61、接收机62、运算装置63、存储装置64、显示装置65。发送机61将以特定的频率调制后的电气信号或者变换到近红外区域的波长的光信号发送到光照射模块101。从光照射模块101入射到头皮1的光在大脑皮质的表面散射，但该散射光由于大脑皮质的血液量以及血液中的氧化及还原血红蛋白的浓度变化而变动。散射光由光检测模块102检测。检测到的光信号或者在光检测模块102中变换后的电气信号被输入到接收机62。接收机62在运算装置63与存储装置64之间进行信息处理，根据信号计算脑内的血红蛋白量。计算结果显示在显示装置65上。这样，能够向二维空间显示大脑表面的血液量的变化。

通过使用本发明的固定器3，减轻向被验者施加不必要的压力，并使模块前端牢固地与被验者的头皮接触，所以可以在减轻被验者的负担的同时实现正确的计测。

本发明适用于生物体光计测装置，不对被验者施加过度的压力即可使计测探头紧贴，能够减轻被验者的不适感，提高计测精度。

Claims (9)

1.一种生物体光计测用头部安装式固定器，具备用于对被验者的头部进行光照射的光照射模块、和检测从所述光照射模块照射并在被验者的头部传播的光的光检测模块，并安装于被验者的头部，其特征在于，

所述光照射模块以及光检测模块分别具有：接触器，在前端具有与被验者的头皮接触的接触部，使光导的前端部在该接触部上露出而形成该光导；以及封装，在下方安装有所述接触部，

所述固定器具有插入所述封装的、下方开放的插入孔，

所述封装通过第一弹性体与粘弹性体的串联结构固定于所述插入孔的内部上壁。

2.根据权利要求1所述的生物体光计测用头部安装式固定器，其特征在于，

所述接触器通过第二弹性体固定于所述封装的下部。

3.根据权利要求1所述的生物体光计测用头部安装式固定器，其特征在于，

所述粘弹性体是凝胶材料。

4.根据权利要求1所述的生物体光计测用头部安装式固定器，其特征在于，

所述粘弹性体具有中空结构。

5.根据权利要求1所述的生物体光计测用头部安装式固定器，其特征在于，

所述第一弹性体是弹簧。

6.一种生物体光计测用头部安装式固定器，具备用于对被验者的头部进行光照射的光照射模块、和检测从所述光照射模块照射并在被验者的头部传播的光的光检测模块，并且安装于被验者的头部，其特征在于，

所述光照射模块以及光检测模块分别具有：接触器，在前端具有与被验者的头皮接触的接触部，使光导的前端部在该接触部上露出而形成该光导；以及封装，在下方安装有所述接触部，

所述固定器具有插入所述封装的、下方开放的插入孔，

所述接触器通过弹性体固定于所述封装的下部，所述封装通过粘弹性体固定于所述插入孔的内部上壁。

7.根据权利要求6所述的生物体光计测用头部安装式固定器，其特征在于，

所述弹性体是弹簧。

8.根据权利要求6所述的生物体光计测用头部安装式固定器，其特征在于，

所述粘弹性体是凝胶材料。

9.根据权利要求6所述的生物体光计测用头部安装式固定器，其特征在于，

所述粘弹性体具有中空结构。

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