JP2006191956A - 生体光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、検査光出力部を小型化することができる生体光計測装置を得ることを目的とするものである。
【解決手段】光源モジュールは、基板５、半導体レーザ素子６、光ファイバ７及びレンズ８を有している。基板５としては、シリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）が用いられている。基板５の素子装着面には、素子挿入凹部５ａ、レンズ挿入凹部５ｂ及び光ファイバ挿入凹部５ｃが形成されている。素子挿入凹部５ａには、検査光を発する半導体レーザ素子６が挿入され固定されている。光ファイバ挿入凹部５ｃには、照射用の光ファイバ７の基端部が挿入され固定されている。レンズ挿入凹部５ｂには、レンズ８が挿入され固定されている。
【選択図】図４

Description

この発明は、光を用いて生体内部情報を計測する生体光計測装置に関するものである。

従来の生体光計測装置においては、被検体に装着されるホルダに複数のプローブが格子状に配置されている。各プローブには、検査光の照射用又は受光用の光ファイバの先端部が接続される。照射用及び受光用光ファイバの基端部は、計測装置本体に接続されている。計測装置本体では、検査光の出力の制御、及び受光された検査光の処理が行われる。（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１９４０８号公報

上記のような従来の生体光計測装置では、数十個（例えば２０〜１００個）の発光器（半導体レーザ発光器又はＬＥＤ）が検査光出力部に用いられているが、例えば半導体レーザ発光器は、直径９ｍｍ、高さ５ｍｍの円筒状であるため、検査光出力部が大型化してしまい、計測装置本体も大型化してしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、検査光出力部を小型化することができる生体光計測装置を得ることを目的とする。

この発明に係る生体光計測装置は、素子挿入凹部及び光ファイバ挿入凹部が形成されている基板と、素子挿入凹部に挿入され、検査光を発する発光素子と、光ファイバ挿入凹部に挿入され、発光素子からの検査光を被検体側へ導く光ファイバとを含む複数の光源モジュールを有する検査光出力部を用いたものである。

この発明の生体光計測装置は、素子挿入凹部及び光ファイバ挿入凹部を基板に形成し、素子挿入凹部に発光素子を、光ファイバ挿入凹部に光ファイバをそれぞれ挿入してモジュール化したので、検査光出力部を小型化することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による生体光計測装置の検査光出力部を示す概略の正面図である。実施の形態１の生体光計測装置は、計測装置本体と、被検体に装着されるホルダと、計測装置本体とホルダとの間に接続された光ファイバ群とを有している。計測装置本体では、検査光の出力の制御、及び受光された検査光の処理が行われる。図１に示す検査光出力部（光源部）１は、計測装置本体内に設けられている。

検査光出力部１内には、直線状の複数のモジュール台２が設けられている。モジュール台２は、長手方向に直角な方向に互いに間隔をおいて配置されている。各モジュール台２には、モジュール装着部としての断面台形状の複数のモジュール装着溝２ａが長手方向に互いに間隔をおいて形成されている。各モジュール装着溝２ａの側面は、底面から離れるに従ってテーパ状に間隔が狭くなるように傾斜されている。隣接するモジュール装着溝２ａ間には、モジュール分離壁２ｂが形成されている。

各モジュール装着溝２ａには、検査光を出力する光源モジュール３が挿入（圧入）されている。即ち、各モジュール台２には、複数の光源モジュール３が同じ向きで互いに間隔をおいて１列に整列されて配置されている。

各モジュール台２のモジュール装着溝２ａとは反対側の面には、光源モジュール３の温度を調節するための温度調節手段としての温度調節素子４が取り付けられている。温度調節素子４としては、例えばペルチェ素子が用いられる。モジュール台２の材料としては、熱伝導率の高い材料（例えば銅等の金属）が用いられている。なお、図２は図１のモジュール台２の一部を拡大して示す斜視図である。

図３は図１の光源モジュール３を示す斜視図、図４は図３の光源モジュール３を示す平面図、図５は図３の光源モジュール３の基板を示す斜視図である。基板５は、モジュール装着溝２ａの断面と同寸法又は僅かに大きな台形の断面を有している。基板５としては、シリコン基板、即ちシリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）が用いられている。また、基板５の大きさは、例えば厚さ２ｍｍ、縦横各３ｍｍ程度である。

基板５のモジュール装着溝２ａから露出する面（素子装着面）には、半導体加工技術（例えばフォトレジスト及びエッチング等）により微細パターンが形成されている。微細パターンには、素子挿入凹部５ａ、レンズ挿入凹部５ｂ及び光ファイバ挿入凹部（ファイバ挿入溝）５ｃが含まれている。即ち、基板５には、素子挿入凹部５ａ、レンズ挿入凹部５ｂ及び光ファイバ挿入凹部５ｃが形成されている。

素子挿入凹部５ａには、検査光を発する発光素子である半導体レーザ素子６が挿入され固定されている。光ファイバ挿入凹部５ｃには、半導体レーザ素子６からの検査光を被検体側へ導く照射用の光ファイバ７の基端部が挿入され固定されている。光ファイバ７の端面は、半導体レーザ素子６に対向している。また、光ファイバ７としては、例えばコア径５０μｍの石英光ファイバが用いられている。

レンズ挿入凹部５ｂには、レンズ８が挿入され固定されている。レンズ８は、半導体レーザ素子６と光ファイバ７の端面との間に配置され、半導体レーザ素子６からの検査光を光ファイバ７の端面に集光する。半導体レーザ素子６、光ファイバ７及びレンズ８の基板５への固定方法としては、例えば接着剤による接着、又は凹部５ａ〜５ｃへの圧入等が挙げられる。例えば、コア径５０〜２００μｍの光ファイバ７を用いる場合、半導体レーザ素子６、光ファイバ７及びレンズ８の固定には、それほど高い位置精度が要求されないので、種々の固定方法を選択することができる。

また、モジュール台２及び光源モジュール３は、全ての光ファイバ７が同方向から引き出されるように、かつ全ての光源モジュール３への電気配線（図示せず）が同方向から引き出されるように、検査光出力部１内で整列されている。

なお、生体光計測装置の光ファイバ群には、複数本の照射用の光ファイバ７と、複数本の受光用の光ファイバ（図示せず）とが含まれている。被検体に装着されるホルダには、複数のプローブが格子状に配置されており、各プローブには、照射用又は受光用の光ファイバの先端部が接続される。

また、各プローブからは、異なる２つの波長（例えば８３０ｎｍ及び６９０ｎｍ）の検査光が被検体に対して照射される。従って、光源モジュール３には、第１の波長の検査光を発生する第１の光源モジュールと、第２の波長の検査光を発生する第２の光源モジュールとが含まれている。モジュール台２には、第１及び第２の光源モジュールが交互に配置される。そして、隣接する１組の第１及び第２の光源モジュールから引き出された光ファイバ７が、カプラで組み合わせられ、対応するプローブに導かれる。

このような生体光計測装置では、素子挿入凹部５ａ及び光ファイバ挿入凹部５ｃを基板５に形成し、素子挿入凹部５ａに半導体レーザ素子６を、光ファイバ挿入凹部５ｃに光ファイバ７をそれぞれ挿入してモジュール化したので、検査光出力部１を小型化することができ、計測装置本体の小型化を図ることができる。また、計測装置本体の大型化を抑えつつ、計測信号の多チャンネル化を図り、被検体における計測範囲を拡大することができる。

また、基板５としてシリコンオプティカルベンチを用い、凹部５ａ〜５ｃを半導体加工技術により形成したので、基板５を微小化しつつ、半導体レーザ素子６や光ファイバ７をより確実に基板５に装着することができる。

さらに、モジュール台２に複数の光源モジュール３を装着するようにしたので、小型モジュール化された光源モジュール３を効率良くコンパクトに配置することができる。
さらにまた、モジュール台２に温度調節素子４を設けたので、光源モジュール３の温度を安定させることができ、光源モジュール３からの検査光の出力（波長等）を安定させることができる。

また、光源モジュール３は、モジュール台２のモジュール装着溝２ａに個別に装着されているので、光源モジュール３に故障が発生した場合に、故障が発生した光源モジュール３のみを容易に交換することができる。但し、光源モジュール３をモジュール台２に接着剤等で固定した場合は、故障が発生した光源モジュール３を含むモジュール台２を交換してもよい。

さらに、モジュール台２及び光源モジュール３は、全ての光ファイバ７が同方向から引き出されるように、かつ全ての光源モジュール３への電気配線が同方向から引き出されるように、検査光出力部１内で整列されているので、光ファイバ７や電気配線の引き回しが複雑になることがない。

実施の形態２．
次に、図６はこの発明の実施の形態２による生体光計測装置の検査光出力部を示す概略の正面図である。この例では、実施の形態１と同様のモジュール台２が２個１組で結合されモジュール台積層体１１が構成されている。モジュール台積層体１１においては、モジュール台２のモジュール装着溝２ａが形成されている面の反対面同士が接合されている。また、温度調節素子４は、モジュール台積層体１１の長手方向端面に取り付けられている。各光源モジュール３の構成は、実施の形態１と同様である。

このようなモジュール台積層体１１を用いることにより、光源モジュール３をより高密度に配置することができ、検査光出力部をさらに小型化することができる。

なお、モジュール台２の接合面に収納凹部を設け、その収納凹部内に温度調節素子４を配置してもよい。即ち、モジュール台２間に温度調節素子４を挟み込んでもよい。
また、実施の形態２では、２つのモジュール台２を重ねたが、１つのモジュール台の両面にモジュール装着部を設けてもよい。また、モジュール台又はモジュール台積層体の両面のモジュール装着部は、図６のようにモジュール台の長手方向の同じ位置に配置しても、モジュール台の長手方向にずらして（例えば半ピッチずつ）配置してもよい。

実施の形態３．
次に、図７はこの発明の実施の形態３による生体光計測装置の光源モジュールを示す平面図である。図において、基板５の素子装着面には、凹部５ａ〜５ｃと同様の方法で、ビームスプリッタ挿入凹部５ｄ及びフォトダイオード挿入凹部５ｅが形成されている。ビームスプリッタ挿入凹部５ｄには、ビームスプリッタ９が挿入され固定されている。フォトダイオード挿入凹部５ｅには、フォトダイオード１０が挿入され固定されている。

ビームスプリッタ９は、半導体レーザ素子６からの検査光の一部を９０度反射してフォトダイオード１０に入射させ、残りの検査光を透過して光ファイバ７に入射させる。フォトダイオード１０は、入射した検査光に応じた電気信号を発生する。フォトダイオード１０からの電気信号は、検査光出力部を制御する検査光出力制御部（図示せず）に入力される。検査光出力制御部は、フォトダイオード１０からの信号と基準信号とを比較し、半導体レーザ素子６をフィードバック制御する（オートパワーコントロール）。これにより、光源モジュール３からの検査光の出力が安定化される。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このように、フィードバック制御用のフォトダイオード１０を用いる場合にも、基板５上に凹部５ｄ，５ｅを設け、ビームスプリッタ９やフォトダイオード１０をモジュール化することにより、検査光出力部の小型化を図ることができる。

実施の形態４．
次に、図８はこの発明の実施の形態４による生体光計測装置の光源モジュールを示す平面図である。この例では、半導体レーザ素子６の光ファイバ７側の面とは反対側の面から出射されるレーザ光を受けるように、フォトダイオード１０が基板５の側面に取り付けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

レーザ光は、半導体レーザ素子６の光ファイバ７に対向する面だけでなく、その反対面からも出射される。従って、この実施の形態４のように、基板５の側面を利用してフォトダイオード１０を取り付けることも可能であり、フォトダイオード１０をモジュール化することにより、検査光出力部の小型化を図ることができる。

なお、光源モジュールやモジュール台の数は、特に限定されるものではなく、チャンネル数に応じて変更すればよい。
また、上記の例では直線状のモジュール台２を示したが、モジュール台２の形状は、特に限定されるものではなく、例えば曲線部を有する形状であってもよい。
さらに、モジュール台への光源モジュールの装着方法としては、モジュール台及び光源モジュールの少なくともいずれか一方に磁石を設け、磁力により光源モジュールをモジュール台に吸着させるようにしてもよい。また、モジュール台及び光源モジュールのいずれか一方に凹部を設けるとともに、他方に凸部を設け、凸部を凹部に嵌合させることにより光源モジュールをモジュール台に取り付けるようにしてもよい。

さらにまた、上記の例では、基板５上の部品が光源モジュール３外に露出しているが、基板と同様の凹部のパターンが形成されたキャップを基板上に被せてもよく、基板上の部品を埃等から保護することができる。また、基板と同様に製作されたシリコンオプティカルベンチをキャップとして用いてもよい。
また、温度調節素子の取付位置は、上記の例に限定されるものではなく、例えばモジュール台に内蔵するようにしてもよい。
さらに、温度調節手段はペルチェ素子に限定されるものではない。
さらにまた、発光素子は、基板上の素子挿入凹部に装着可能であればよく、半導体レーザ素子に限定されるものではない。

この発明の実施の形態１による生体光計測装置の検査光出力部を示す概略の正面図である。 図１のモジュール台の一部を拡大して示す斜視図である。 図１の光源モジュールを示す斜視図である。 図３の光源モジュールを示す平面図である。 図３の光源モジュールの基板を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２による生体光計測装置の検査光出力部を示す概略の正面図である。 この発明の実施の形態３による生体光計測装置の光源モジュールを示す平面図である。 この発明の実施の形態４による生体光計測装置の光源モジュールを示す平面図である。

符号の説明

１ 検査光出力部、２ モジュール台、２ａ モジュール装着溝（モジュール装着部）、４ 温度調節素子（温度調節手段）、５ 基板、５ａ 素子挿入凹部、５ｃ 光ファイバ挿入凹部、６ 半導体レーザ素子（発光素子）、７ 光ファイバ。

Claims (3)

1. 被検体に照射される検査光を出力するための検査光出力部を備えている生体光計測装置において、
   上記検査光出力部は、
   素子挿入凹部及び光ファイバ挿入凹部が形成されている基板と、
   上記素子挿入凹部に挿入され、検査光を発する発光素子と、
   上記光ファイバ挿入凹部に挿入され、上記発光素子からの検査光を被検体側へ導く光ファイバと
   を含む複数の光源モジュールを有していることを特徴とする生体光計測装置。
2. 上記検査光出力部は、それぞれ上記光源モジュールが装着される複数のモジュール装着部が設けられたモジュール台をさらに有していることを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
3. 上記モジュール台には、上記光源モジュールの温度を調節するための温度調節手段が設けられていることを特徴とする請求項２記載の生体光計測装置。

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