JP2006339715A

JP2006339715A - 光通信システム

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Publication number: JP2006339715A
Application number: JP2005158590A
Authority: JP
Inventors: Eiji Okamoto; 英治岡本; Yoshiro Yamamoto; 芳郎山本
Original assignee: MIWATEC KK; Tokai University; Miwatec Co Ltd
Current assignee: MIWATEC KK; Tokai University; Miwatec Co Ltd
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: JP4617204B2

Abstract

【課題】光通信システム、特に経皮的光通信システムにおいて、低消費電力で稼動でき小型かつ長い通信距離が得られ、発光側と受光側の位置ズレにも強い新規な光通信システムを実現する。
【解決手段】発信装置と受信装置からなる経皮的光通信システムであって、前記発信装置は電気信号の変調回路と、パルス幅調整回路と、前記変調回路によって変調された電気信号を光信号に変換し、パルス幅を所定幅に調整した光信号を出力する発光手段とを具え、前記受信装置は、発光手段から受信した前記光信号を電気信号に変換する受光手段と、この電気信号の復調回路と、を具え、前記受光手段は発光手段の光軸廻りに複数設置したことを特徴とする光通信システムを提供して上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本願発明は、光信号を用いた通信システムに関し、詳しくは体内埋込型人工臓器の経皮的モニタリングや、互いに離開する種々の機器間において信号を伝送する光通信システムに関するものである。

例えば、体内埋込み型の人工心臓等の人工臓器を使用する場合、体内に埋込まれた機器情報や生体情報を体外でモニタリングすることは不可欠である。人工心臓の場合はその駆動情報として電圧、電流、温度などを監視し、動作状態の評価を行う事が必要である。
同時に、前記評価に基づき体内埋込み人工臓器の動作パラメータの体外からの判定や操作を行うことも必要である。体内―体外間で情報をやりとりする手段としては、ケーブルを皮膚に貫通させて行う有線的方法があるが、ケーブルが皮膚を貫く事による感染やQOLの低下などの問題がある。

また電波を用いてケーブルが皮膚を貫く事無く経皮的に情報を伝送する方法があるが、経皮的エネルギー伝送システムや人工心臓駆動モータなどからの電磁妨害の影響を受ける等の問題があった。経皮的に情報伝送ができ、電磁妨害の影響を受けない方法として光を用いた情報伝送がある。経皮的エネルギー伝送システムと組み合わせて使用する場合等には特に有効である。

しかし、光を用いた経皮的情報伝送の場合、発光素子と受光素子の間に皮膚が介在し生体組織が強く光を吸収・散乱するため、伝送距離が短く、生体の呼吸や動きによって発光素子と受光素子の装着位置のズレが生じた場合に通信状態が極度に悪化するという問題ある。その対策として、複数個の発光素子を用い発光し、複数個の受光素子で受光する方法があるが消費電力が大きくなってしまうという問題があった。

なお、本願発明に関連する文献としては以下のものがある。
特開昭６０−２６１４６８特表昭５８−５０１４５７特開２００２−１０２３６２特表２００３−１３５４９７

光通信システム、特に経皮的光通信システムにおいて、低消費電力で稼動でき小型かつ長い通信距離が得られ、発光側と受光側の位置ズレにも強く常に高い通信品質を保持できる新規な光通信システムを実現する。

本願発明は、発信装置と受信装置からなる経皮的光通信システムであって、前記発信装置は電気信号の変調回路と、パルス幅調整回路と、前記変調回路によって変調された電気信号を光信号に変換し、パルス幅を所定幅に調整した光信号を出力する発光手段とを具え、前記受信装置は、発光手段から受信した前記光信号を電気信号に変換する受光手段と、この電気信号の復調回路と、を具え、前記受光手段は発光手段の光軸廻りに複数設置した構成になる光通信システムを提供して上記従来の課題を解決しようとするものである。

また、上記の光通信システムにおいて、受信装置はさらに、複数の受光手段にそれぞれ組み込まれた複数の光センサ回路とこの複数の回路からの各出力を加算する加算回路とを具えることがある。

さらに、上記の光通信システムにおいて、発光手段を発光ダイオードなすことがある。

またさらに、上記いずれかの光通信システムにおいて、受光手段をフォトダイオードとなすことがある。

また、上記いずれかの光通信システムにおいて、変調回路はアナログ変調回路又はデジタル変調回路のいずれかで構成することがある。

さらに、上記いずれか記載の光通信システムにおいて、電気信号は生体内に設置した人工臓器に係る入出力となすことがある。

また、上記の光通信システムにおいて、発信装置は生体内にあり、受信装置は生体外にあって光信号の伝送は生体組織を介して経皮的になすように構成することがある。

さらに、上記いずれか記載の光通信システムにおいて、発信装置及び受信装置はいずれも生体内および生体外の双方にあって光信号の伝送が生体組織を介して経皮的に双方向からなすように構成することがある。

そして、上記いずれか記載の光通信システムにおいて、所定点を中心とする円周上に等間隔で位置して径方向に移動することにより、その位置する円の径を変化させ得る複数の可動支点を具えた円周可変手段の前記各可動支点にそれぞれ受光手段を設置するとともにこの円周可変手段における前記所定点（中心）を発光手段の光軸に合致させて、円周可変手段における前記各可動支点を一斉に移動させることにより各受光手段が位置する発光手段の光軸を中心とする円の径を自在に変化させるように構成することがある。

体内埋込み型の人工心臓等の人工臓器において、体外でモニタリングする必要のある情報の中に、前記人工心臓等に入力されている電圧がある。この電圧情報をモニタリングする場合の適用を基に実施形態に係る構成・作用を説明する。

まず、人工心臓等の人工臓器に入力されている電圧に関して、発振装置において周波数変調回路としてのFM変調器により電圧の情報をFM変調パルス信号に変換する。このパルスによりパルス信号波形成形回路を駆動させて、発光手段としての発光ダイオードにおいて発光可能な最小時間幅のパルス信号を発生させる。このことは、小さな消費電力で従来にない生体組織厚みにおける光通信の実現に寄与することになる。
すなわち、発光ダイオードのパルス発光を、発光ダイオードの発光可能最小パルス幅で駆動し、極小時間内で透過対象である生体組織の厚みに対応した強発光を可能とする。
経皮的光通信における発光ダイオードのパルスは、パルス幅を可能な限り短くし強発光させることが消費電力の低減、通信可能距離の延長に資することになる。
なお、変調手段としてはデジタル変調、アナログ変調ともに周波数変調手段が好ましいが、いずれの変調方式もこれに限定されず、位相変調、AM変調等の方式が適用可能である。

さらに、発生した前記パルス信号により1個の近赤外発光LEDを駆動する。ここで、発光に要するパルス電流は透過伝送対象である生体組織の厚みに応じた電流とする。なお、生体内では短波波長よりも長波波長のほうが光が生体組織を透過しやすいため、近赤外発光LEDによる約950［nm］の波長の光を使用するのが望ましい。

近赤外光を用いる理由は、紫外光など波長の短い光は、生体の長期の暴露により生体組織にダメージを与える可能性があるからである。また、可視光では可視光発光ダイオードは近赤外発光ダイオードより発光効率が低くエネルギー面で電気信号を効率よく光信号に変換することが困難であるうえ、現在のところ経皮的光通信に耐え得る強い光を発する可視光発光ダイオードが存在しない。

皮膚を介して生体外に伝送された光パルスは、受信装置において複数個のフォトダイオード（ピーク感度波長は近赤外発光LEDの発光波長と同等）で受光し電気パルスに変換される。複数個のフォトダイオードは近赤外発光LEDの光軸廻りに等間隔で配設される。すなわち、光軸を中心とする円周上に複数個のフォトダイオードを等間隔で設置する。この複数のフォトダイオードが受信した電気信号は光信号加算回路で増幅され、パルス信号波形成形回路において復調回路への入力に適するパルス信号に波形成形された後、周波数復調回路に入力される。なお復調回路も信号に応じて前記変調回路と同様にデジタル、アナログの両方式が適用される。

前記複数個のフォトダイオードが通る円周または各フォトダイオードが形成する円周の径は円周可変手段にフォトダイオードを設置することにより自在に変化させることができる。この円周可変手段は所定点を中心とする円周上に等間隔で位置して径方向に移動することによりその位置する円の径を変化させ得る複数例えば３個の可動支点を具えていて、この３個の可動支点を径方向に移動させて各フォトダイオードが形成する円周の径を、生体組織の厚み等の状況にあわせて変化させ最適の通信状況を設定する。前記のような構成作用を有する円周可変手段としての機器は周知のものが多数存在するからこれらを適宜使用する。

発信装置において、変調パルス信号の前記パルスによりパルス幅調整回路としてのモノマルチバイブレータを駆動し安定した一定のパルス幅のパルスを発生させ、受信装置において、さらに復調回路として周波数復調回路、例えばF-Vコンバータ（周波数＿電圧変換器）によりアナログ信号に変換されることになるが、複数の情報を送る際にはA-D変換器とCPUを用い変調方式をアナログ変調からデジタル変調方式におきかえることで、シリアルデータ伝送の形式で経皮的に情報伝送を行う事が出来る。

図面に基づいて本願発明に係る光通信システムの一実施例を説明する。図1は、体内側の人工臓器のモニタリングに適用した本願発明の光通信システムの構成説明図である。
この実施例において、生体における体内側と体外側を画するために豚肉１を使用している。体内（図で左側）に埋め込まれた発信装置Aおいて、２は人工心臓等体内埋め込み型の人工臓器であり、３は人工臓器２に係る電圧が入力される周波数変調回路（FM変調回路）としてのV-Fコンバータであり電圧周波数変換をなし所定のパルス信号をパルス幅調整回路としてのモノマルチバイブレータ回路４に出力する。パルス幅は使用する発光ダイオードの発光可能最小パルス幅に調整され極小時間内で対象とする生体組織の厚みに対応した強発光を実現する。
このように調整された所定幅のパルス信号は、周知の発光回路５を介して近赤外発光LED６（ピーク発光波長950nm）に伝送されこれを発光させる。なお、該実施例における前記パルス信号の周波数は10±２（KHz）である。
なお、変調手段に関しては種々の方式が適用可能であり、デジタル変調にあっては振幅偏移変調、位相偏移変調、周波数偏移変調、直交振幅変調等が選択できる。また、アナログ変調にあっては、振幅変調(
AM)、周波数変調( FM)、位相変調( PM)のいずれも適用される。しかしながら、体内―体外間の経皮的通信では搬送情報量、操作性、あるいは通信品質等の観点からもデジタル通信が望ましく、また光通信はデジタル信号およびデジタル変調との相性が良好である。当該実施例でも、A-D変換器とCPUを具え（いずれも不図示）用い変調方式は前述のようにFM変調方式を採用している。

次に体外側（図で右側）の受信装置Bにおいては、フォトダイオード７が3個設置されており、この3個のフォトダイオード７、７、７は、図2に示すように前記近赤外発光LED６の光軸と同心である前記円周変換手段の可動支点上に等間隔（120度）で配設されている。フォトダイオード７はピーク感光波長（ピーク感光波長950nm）を有しており、生体組織を模擬した豚肉１を透過した近赤外発光LED６から出射された光信号を受信する。前記可動支点の調整によりフォトダイオード７、７、７の形成する円周を生体組織の厚み等の状況に対応さて最適の通信状態を得るようにする。

受信された光信号は各フォトダイオード７に組み込まれた光センサ回路５１からの出力を光信号加算回路８により光軸周辺部伝播光信号を集束して、パルス信号が増幅される。ここで増幅されたパルス信号はパルス波形成形回路としてのモノマルチバイブレータ回路４１で安定した一定のパルス幅の信号、すなわち周波数復調回路９としてのF-Vコンバータに適した波形に成形され、周波数復調回路としてのFM復調器である前記F-Vコンバータ９において周波数電圧変換によりアナログ信号に変換され、その出力された電圧を測定することにより、体内側の前記人工臓器２へ入力されている電圧のモニタリングがなされる。

次に、上記実施例と基本構成を同じくする光通信システムを用いて、近赤外発光LED６とフォトダイオード７との間の生体組織（豚肉１）の厚さを変化させ、透過光強度の測定を行った。オシロスコープにより光信号加算回路８における増幅出力を観察して透過光強度を測定する一方、パルス信号波形形成回路４１において波形成形可能な信号レベルまで生体組織（豚肉１）の厚さを変化させながら実験を行った。

この実験では、前記フォトダイオード７の配置を以下のように複数例設定した。すなわち、近赤外発光LED６の光軸を中心として
光軸上にフォトダイオード７を1個
光軸と同心である半径1.２５cmの円周上にフォトダイオード７を６個
光軸と同心である半径２．２５ｃｍの円周上にフォトダイオード７を１２個配置して、直進光強度、半径1.25cm位置の光強度、さらにはその外側の半径2.25cmの位置の光強度を、生体組織（豚肉１）の厚みを変えて測定した。

測定は、各生体厚みに対して、
（a）中央のフォトダイオード７における光強度、
（b）内側（半径1.25cm位置）３個のフォトダイオード７で受光した光強度の和、
（c）内側（半径1.25cm位置）６個のフォトダイオード７で受光した光強度の和、
（d）外側（半径2.25cm位置）12個のフォトダイオード７で受光した光強度の和、
以上の光強度をオシロスコープでパルス光成分のみの振幅で測定した。

図３は、以上による測定結果を示すグラフである。受光強度は、組織の厚みが増すほど組織による光の吸収効果が大きくなり衰減するが、厚み３ｃｍの位置で光軸上を前方散乱してくる近軸散乱光の強度よりも、半径１．２５ｃｍ円周上にあるフォトダイオード６個で得られる光強度の和の方が大きくなることが判明した。

同様にまた、半径１．２５ｃｍ上の円周に配置した３個のフォトダイオード７の和も、肉厚４ｃｍのところで近軸散乱光成分より大きいことが判明した。一方、光軸と大きく離れた半径２．２５cmの円周上に散乱してくる光強度の和は、半径１．２５ｃｍの円周上での光強度の和よりはるかに小さい値となることが判明する。

光は，波と粒子の性質を持ち，生体組織内の光伝搬は散乱吸収体中を伝搬する光子の振る舞いで説明でき，光強度は光子数で表される。上記の実験結果を、光子を用いて説明すると、光軸上を伝搬する光子数は組織厚みが厚くなるに従い吸収と散乱により減少していく。
一方，光軸よりやや離れた位置では光軸近傍からの散乱により光子が到達し，組織厚みがある厚み以上になると光軸近傍における光子数より光軸よりやや離れた位置を伝搬している光子の方が多くなることを図３のグラフは示している。また、光軸上を伝搬する光子数と光軸周辺部を伝搬する光子数が逆転する組織厚みは，組織の種類による散乱度合いの違いと受光素子を設置する周辺部の光軸からの距離に依存するものと考えられる。

従って経皮的光通信システムにおいては，以下のような理解が可能である。
（１）経皮的光通信において、組織厚みがある厚みを超える場合，発光素子の光軸上に受光手段を設置するより光軸周辺を伝搬する光子を受光できる位置に受光手段を複数個設置し受光する方が通信可能距離を伸ばす上で有利である。
（２）光軸上に設置するより光軸周辺部に設置する方が有利となる組織厚みは，光を伝搬させる組織の光散乱特性及び光軸周辺部に設置する受光素子の光軸上からの距離に依存する。
（３）光軸周辺位置に複数個の受光素子を設置し光信号を受光することは通信可能距離の向上のみならず，光軸上に受光素子を設置する場合と比較しもっとも消費電力が大きい発光側出力を小さくできることを意味し，経皮的光通信システムの低消費電力化にも寄与する。
（４）光軸周辺に複数個の受光素子を配置する構成を採用することで、発光素子と受光素子それぞれの中心位置にズレが生じても中心軸周辺に配置したいずれかの受光素子により光信号を捕捉受光することが可能となり、従来の経皮的光通信の弱点であった発光素子と受光素子相互の光軸のズレに起因する通信品質の劣化を大幅に改善することができる。

したがって、経皮的光通信において，光信号受光側設計においては，光軸上に受光素子を設置する構成よりも，光軸上よりやや離れた位置に受光素子を複数設置する方が，伝送距離及び消費電力の改善に有効な手法となる。なお、皮下や脂肪下に体内側を配置する経皮的光通信において、具体的に光軸よりどれくらい離れた位置を伝搬する光子をとらえることがもっとも効率的であるかは実験により帰納的に通信目標距離に対し最適な受光素子設置位置を設定することが可能となる。

本願発明の１実施例に係る光通信システムの概略構成を示すブロック図である。上図において、フォトダイオードの配置を示す平面図である。受光手段の配列位置および生体組織の厚みと受光手段における受光強度の関係を示すグラフである。

符号の説明

１．．．．．．．．．．生体組織（豚肉）
２．．．．．．．．．．人工臓器
３．．．．．．．．．．変調回路としてのFM変調回路（V-Fコンバータ）
４．．．．．．．．．．パルス幅調整回路としてのモノマルチバイブレータ
４１．．．．．．．．．パルス信号波形成形回路としてのモノマルチバイブレータ
５．．．．．．．．．．発光回路
６．．．．．．．．．．発光手段（近赤外LED）
７．．．．．．．．．．受光手段（フォトダイオード）
８．．．．．．．．．．光信号加算回路としての増幅器
９．．．．．．．．．．復調回路としてのFM復調回路（F-Vコンバータ）

Claims

発信装置と受信装置からなる経皮的光通信システムであって、前記発信装置は電気信号の変調回路と、パルス幅調整回路と、前記変調回路によって変調された電気信号を光信号に変換し、パルス幅を所定幅に調整した光信号を出力する発光手段とを具え、前記受信装置は、発光手段から受信した前記光信号を電気信号に変換する受光手段と、この電気信号の復調回路と、を具え、前記受光手段は発光手段の光軸廻りに複数設置したことを特徴とする光通信システム。
請求項１記載の光通信システムにおいて、受信装置はさらに、複数の受光手段にそれぞれ組み込まれた複数の光センサ回路とこの複数の回路からの各出力を加算する加算回路とを具えたことを特徴とする光通信システム。
請求項１又は記載の光通信システムにおいて、発光手段を発光ダイオードとしたことを特徴とする光通信システム。
請求項１又２記載の光通信システムにおいて、受光手段をフォトダイオードとしたことを特徴とする光通信システム。
請求項１ないし４いずれか記載の光通信システムにおいて、前記変調回路はアナログ変調回路であることを特徴とする光通信システム。
請求項１ないし４いずれか記載の光通信システムにおいて、前記変調回路はデジタル変調回路であることを特徴とする光通信システム。
請求項１ないし６いずれか記載の光通信システムにおいて、電気信号は生体内に設置した人工臓器に係る入出力であることを特徴とする光通信システム。
請求項７記載の光通信システムにおいて、発信装置は生体内にあり、受信装置は生体外にあって光信号の伝送は生体組織を介して経皮的になされることを特徴とする光通信システム。
請求項１ないし８いずれか記載の光通信システムにおいて、発信装置及び受信装置はいずれも生体内および生体外の双方にあって光信号の伝送が生体組織を介して経皮的に双方向からなされることを特徴とする光通信システム。
請求項１ないし９いずれか記載の光通信システムにおいて、所定点を中心とする円周上に等間隔で位置して径方向に移動することによりその位置する円の径を変化させ得る複数の可動支点を具えた円周可変手段の前記各可動支点にそれぞれ受光手段を設置するとともにこの円周可変手段における前記所定点（中心）を発光手段の光軸に合致させて、円周可変手段における前記各可動支点を一斉に移動させることにより各受光手段が位置する発光手段の光軸を中心とする円の径を自在に変化させるようにしたことを特徴とする光通信システム。