JP2008119026A - 測定用プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】血液成分の光学的な分析に必要なデータを測定する測定用プローブにおいて、生体表面への固定を容易に実現することにより、検出精度の向上を図る。
【解決手段】回路基板１０には、測定用波長域の光線を照射する発光素子１３と、受光面に入射する入射光の強度に応じた信号を出力する受光素子１４と、受光素子から出力される信号に応じたデータを分析用の外部装置に出力する通信部とが実装されている。発光用光ファイバ２４ａは、一方の端部が発光素子１３と対向して配置されるとともに、他方の端部が測定面１ａに配置される。受光用光ファイバ２４ｂは、一方の端部が受光素子１４に対向して配置されるとともに、他方の端部が測定面１ａに配置される。本体ハウジング２は、測定面１ａを構成するとともに、回路基板１０と、発光用光ファイバ２４ａと、受光用光ファイバ２４ｂとを収容する。
【選択図】図１

Description

本発明は、血液成分の光学的な分析に必要なデータを測定する測定用プローブに関する。

従来より、近赤外域の光線を用いることにより、人体への痛みを軽減した非侵襲的な血液成分の分析手法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。この類の手法では、発光ユニットからの光を発光用光ファイバで伝送して、発光用光ファイバの端部から生体表面へと照射するとともに、生体組織内で散乱した散乱光を受光用光ファイバの端部に入射させて、この散乱光を受光用光ファイバで伝送して、受光ユニットへと導く。そして、受光ユニットによって測定された散乱光の強度に基づいて、所望の血液成分の分析がおこなれる。ここで、発光用光ファイバと受光用光ファイバとの端部は、両者の間隔が所定距離だけ隔てた状態で測定用プローブによって保持されており、この測定用プローブを生体表面へと押し付けた状態で測定が行われる。
特開平１１−７０１０１号公報 特開平１１−１３７５３８号公報

しかしながら、上述の手法によれば、測定用プローブには光ファイバが繋がっているため、この光ファイバの非可撓性およびその長さが影響し、測定用プローブの取り扱い易さが制限されてしまう。そのため、測定用プローブを生体表面に固定することが困難となり、測定精度が低下してしまう可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、生体表面への固定を容易に実現することにより、検出精度の向上を図ることである。

かかる課題を解決するために、本発明は、血液成分の光学的な分析に必要なデータを測定する測定用プローブを提供する。この測定用プローブは、回路基板と、発光素子と、受光素子と、発光用光ファイバと、受光用光ファイバと、通信部と、本体ハウジングとで構成されている。ここで、回路基板は、実装される素子が電気的に接続する回路パターンが形成されている。発光素子は、回路基板に実装されて、測定用波長域の光線を照射する。受光素子は、回路基板に実装されて、受光面に入射する入射光の強度に応じた信号を出力する。発光用光ファイバは、一方の端部が、発光素子と対向して配置されるとともに、他方の端部が、測定部位に当接される測定面に配置される。受光用光ファイバは、一方の端部が、受光素子に対向して配置されるとともに、他方の端部が、発光素子と受光素子との間隔よりも小さい間隔で発光用光ファイバと隔てられて測定面に配置される。通信部は、回路基板に実装されるとともに、受光素子から出力される信号に応じたデータを分析用の外部装置に出力する。本体ハウジングは、測定面を構成するとともに、回路基板と、発光用光ファイバと、受光用光ファイバとを収容する。

また、本発明において、通信部は、無線を用いてデータを外部装置に出力することが好ましい。

また、本発明において、回路基板は、平坦形状の平面部と、この平面部が部分的に窪まされた凹部とを備えるように成形された基板本体に、回路パターンが形成された立体回路基板であることが望ましい。この場合、発光素子は、凹部の底面に実装され、受光素子は、凹部の周囲の平面部に実装される。

また、本発明において、測定用プローブは、受光用光ファイバおよび発光用光ファイバを収容する円筒形状の外枠と、外枠の一方の端部に嵌合されて、受光用光ファイバおよび発光用光ファイバの一方の端部を固定する第１の固定板と、外枠の他方の端部に嵌合されて、受光用光ファイバおよび発光用光ファイバの他方の端部を固定する第２の固定板とで構成される導光用ハウジングをさらに有してしてもよい。この場合、導光用ハウジングは、本体ハウジング内に収容されて、第１の固定板が回路基板の平面部と接合され、第２の固定板が本体ハウジングの測定面から露出している。

また、本発明において、受光素子は、発光素子を中心とする円周上に複数配置されており、受光用光ファイバは、受光素子のそれぞれと対応して複数設けられていることが好ましい。

本発明の測定用プローブによれば、発光素子および受光素子を実装する回路基板を本体ハウジング内に収容し、また、発光用光ファイバおよび受光用光ファイバ自身も本体ハウジング内に収容されている。そのため、測定用プローブ自身が単独で分析に必要なデータを取得することができる。よって、測定用プローブから発光用光ファイバおよび受光用光ファイバを外部へと冗長的に繋げる必要もなく、これらの光ファイバの短縮を図ることができるので、光ファイバが邪魔となり、測定用プローブを生体表面へと固定することが困難となるという事態が抑制され、測定部位への固定を容易に行うことができる。測定用プローブの固定状態はデータの測定精度に影響するため、検出精度の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態にかかる測定用プローブ１の断面形状を示す模式図である。この測定用プローブ１は、血液成分の光学的な分析に必要なデータを測定する装置であり、測定されたデータは分析用の外部装置において分析される。この外部装置は、生体表面に測定用の所定の波長域（例えば、８８０ｎｍ程度）の光線（以下「測定光」という）を照射した際に生体組織内で散乱される測定光の強度に基づいて、生体組織すなわち血液中に含まれる化学成分（例えば、グルコース）の定量分析等を行う装置である。本実施形態において、測定用プローブ１は、生体組織内で散乱される測定光の強度を、分析用のデータとして測定する。

測定用プローブ１は、回路基板１０と導光部２０とを主体に構成されており、回路基板１０と導光部２０とは、互いに一体的に接続され、円筒形状の本体ハウジング２の内部に嵌合した状態で収容されている。

図２は、図１に示す測定用プローブ１の端部のそれぞれを正面側から示す模式図である。同図（ａ）に示すように、本体ハウジング２の一方の端部（図１に示す左側の端部）は、本体ハウジング２の周縁部が内周方向へと延在したフランジ形状を有しており、本体ハウジング２よりも口径が小さい円形状の開口２ａが形成されている。これに対して、同図（ｂ）に示すように、本体ハウジング２の他方の端部（図１に示す右側の端部）は、開放端となっており、本体ハウジング２の内周形状と対応した円形状の板材３が嵌合されて、内部に収容される回路基板１０および導光部２０を塞ぐような格好となっている。内部に収容される回路基板１０および導光部２０は、板材３側から回路基板１０および導光部２０の順番で並び、本体ハウジング２の開口２ａから導光部２０の一部（後述する第２の固定板）を露出させた格好となっており、導光部２０が露出する端部側の面が、測定時に生体表面（測定部位）に当接される測定面１ａとして機能する。

図３は、回路基板１０の断面状態を示す模式図であり、図４は、回路基板１０の素子実装面（測定面１ａ側）を示す模式図である。回路基板１０は、データの測定に必要な種々の素子が実装されており、所謂、成形回路部品（ＭＩＤ：Mold Interconnection Device）と呼ばれる、三次元形状の基板本体（成型品）１１に回路パターン（図示せず）が形成された立体回路基板である。

基板本体１１は略円柱形状を有しており、その外周形状は本体ハウジング２の内周形状と対応している。基板本体１１において、一方の端部（測定面１ａ側）には、周縁部に筒状の枠体部１１ａが一体的に形成されており、この枠体部１１ａに導光部２０が嵌合することにより、回路基板１０と導光部２０とが接続される。このため、基板本体１１における一方の端部側の面は、導光部２０との接合面として機能する。

この導光部２０との接合面は、測定用素子群１２が実装される素子実装面としても機能しており、平坦形状の平面部１１ｂと、この平面部１１ｂが部分的に窪まされた凹部１１ｃとを備えている。凹部１１ｃは、平面部１１ｂの中心点を中心とする円周上に複数個（本実施形態では、４個）形成されており、測定用素子群１２は、凹部１１ｃのレイアウトと対応して、平面部１１ｂの中心点を中心とする円周上に複数個設けられている（本実施形態では、測定用素子群１２が４つレイアウトされている）。

個々の測定用素子群１２は、測定用波長域の光線を照射する１つの発光素子（発光ダイオード）１３と、それぞれが受光面に入射する入射光の強度に応じた信号を出力する複数の受光素子（本実施形態では、６つのフォトダイオード）１４とで構成されている。具体的には、それぞれの測定用素子群１２において、発光素子１３は、接合面の凹部１１ｃの底面に実装されており、複数の受光素子１４は、凹部１１ｃの周囲の平面部１１ｂに、発光素子１３を中心とする円周上に等間隔で実装されている。

一方、基板本体１１の他方の端部側（本体ハウジング２の板材３側）は、その内部が円柱形状にくりぬかれた空間を備えており、その内部には電力供給用の電池１５が収納される。この電池１５から、回路基板１０の基板本体１１に形成された回路パターンを介して、発光素子１３、後述する制御用ＩＣ（Integrated Circuit）１６、無線発信機１７に対して、これらが動作するための電力が供給される。電池１５が収納される空間は、その端部側において、円盤状の基板である蓋部１１ｄによって塞がれている。

蓋部１１ｄの表面側には、制御用ＩＣ１６と、無線発信機１７とが実装されている。制御用ＩＣ１６は、マイクロプロセッサであり、本実施形態との関係において、受光素子１４と同期をとるように発光素子１３の点灯・消灯タイミングを制御したり、受光素子１４から受光した光の強度に応じた信号を取得したり、また、この取得した信号に基づいて、分析に必要なデータを分析用の外部装置に出力したりする。制御用ＩＣ１６は、外部装置とのデータのやり取りを、無線発信機１７を用いた無線通信にて行う。

図５は、導光部２０の断面状態を示す模式図であり、図６は、図５に示す導光部２０の端部のそれぞれを正面側から示す模式図である。導光部２０は、本体ハウジング２の内部に収容される回路基板１０と、本体ハウジング２の開口２ａ側である測定面１ａとの間に介在しており、回路基板１０の発光素子１３からの測定光が測定面１ａから照射されるように、発光素子１３から照射される測定光を測定面１ａまで導くとともに、測定面１ａへ入射する散乱光を受光素子１４まで導く機能を担っている。

具体的には、導光部２０は、円筒形状の枠体２１と、この枠体２１の一方の端部に嵌合される第１の固定板２２と、枠体２１の他方の端部に嵌合される第２の固定板２３とで構成される導光用ハウジングの内部に、複数の光ファイバを収容して構成されている。導光用ハウジングを構成する枠体２１は、第２の固定板２３が嵌合する端部側が、本体ハウジング２の開口２ａの内周面と嵌合した格好となっており、第１の固定板２２が嵌合する端部側は、基板本体１１の枠体部１１ａの内周面と嵌合している。一対の固定板２２，２３のうち、第１の固定板２２は、回路基板１０の接合面と接合する接合面の一部を構成し、第２の固定板２３は、本体ハウジング２の開口２ａから露出して測定面１ａの一部を構成する。

導光用ハウジングに収容される光ファイバは、複数本の光ファイバの集合体である光ファイバ群２４で構成されており、この光ファイバ群２４は、複数の測定用素子群１２と対応して、複数（本実施形態では、４つ）設けられている。これらの光ファイバは同一の種類のものを使用することができ、短い長さでも曲げ特性に優れるという点から、フォトニック結晶ファイバを用いることが好ましい。また、これらの光ファイバは、クラッド径として、例えば、０．２〜０．３ｍ程度のものを用いる。

個々の光ファイバ群２４は、測定用素子群１２のうちの発光素子１３に対応して設けられる発光用光ファイバ２４ａと、測定用素子群１２のうちの複数の受光素子１４に対応して設けられる複数の受光用光ファイバ２４ｂ（本実施形態では、６つの受光用光ファイバ２４ｂ）とで構成されている。単一の光ファイバ群２４は、測定用素子群１２を構成する発光素子１３および複数の受光素子１４のレイアウトと対応して、発光用光ファイバ２４ａを中心としてその周りに複数の受光用光ファイバ２４ｂがレイアウトされた格好となっている。

具体的には、図６（ｂ）に示すように、第１の固定板２２において、発光用光ファイバ２４ａは、回路基板１０に実装された発光素子１３と位置的に対応して、その一方の端部が固定されている。また、個々の受光用光ファイバ２４ｂは、回路基板１０に実装された受光素子１４と位置的に対応して、その一方の端部がそれぞれ固定されている。このため、適切に位置決めを行った上で導光部２０を回路基板１０と接合させることにより、発光用光ファイバ２４ａは、その端部が発光素子１３と対向し、また、個々の受光用光ファイバ２４ｂは、その端部が受光素子１４と対向した格好となる。ここで、受光用光ファイバ２４ｂの端部は、基板本体１１の平面部１１ｂに受光素子１４が実装されているため、受光素子１４と接触した状態となる。一方、発光用光ファイバ２４ａの端部は、基板本体１１の凹部１１ｃに発光素子１３が実装されているため、所定間隔だけ離間した状態で、発光素子１３と非接触の状態となる。

また、図６（ａ）に示すように、第２の固定板２３において、発光用光ファイバ２４ａは、第１の固定板２２側から直線状に延在して、その他方の端部が固定されている。また、個々の受光用光ファイバ２４ｂは、第１の固定板２２側から屈曲させられながら延在し、単一の測定用素子群１２を構成する複数の受光素子１４の実装形態と対応して、発光用光ファイバ２４ａを中心とする円周上に、その他方の端部が固定されている。ここで、第２の固定板２３に固定される発光用光ファイバ２４ａと受光用光ファイバ２４ｂのそれぞれとの間隔は、第１の固定板２２に固定される発光用光ファイバ２４ａと受光用光ファイバ２４ｂのそれぞれとの間隔、すなわち、基板本体１１に実装された発光素子１３と受光素子１４のそれぞれの間隔よりも小さくなっている。これにより、発光素子１３と受光素子１４との実装間隔よりも小さい間隔を保持して、測定に必要な受発光間隔（例えば、０．６５ｍｍ程度）が実現される。

図７は、測定用プローブ１の装着状態を示す説明図である。この測定用プローブ１には、カフ帯３０が設けられており、このカフ帯３０を使用者の手首に巻き付けるようにして手首に装着され、測定用プローブ１の測定面１ａを手首（生体表面）に押し付けた状態で測定が行われる。この測定において、回路基板１０に実装された発光素子１３が発光すると、その測定光は発光素子１３から直接的に、或いは、間接的に、すなわち、基板本体１１の凹部１１ｃの側壁面で反射されて、導光部２０の第１の固定板２２に固定された発光用光ファイバ２４ａの端部に入射する。入射した測定光は、発光用光ファイバ２４ａによって伝送されて、測定用プローブ１の測定面１ａから生体表面を通して生体内に照射させられる。この測定光は、生体組織により散乱され、散乱光の一部が測定面１ａに入射する。

散乱光は、測定面１ａ（具体的には、導光部２０の第２の固定板２３）において、発光用光ファイバ２４ａの周囲に配置された複数の受光用光ファイバ２４ｂの端部にそれぞれ入射する。そして、入射した散乱光は、個々の受光用光ファイバ２４ｂによって伝送されて、導光部２０の第１の固定板２２側の端部から対向して設けられた受光素子１４によってそれぞれ受光される。このとき、生体組織内での散乱回数が数回程度であると、それぞれの散乱における散乱角度は光の波長に依存するので、散乱して受光用光ファイバ２４ｂの先端部に戻ってきた光の入射角度に対する強度分布も波長に依存することになる。

個々の受光素子１４からは、受光した散乱光の強さに応じた信号が制御用ＩＣ１６に出力され、制御用ＩＣ１６は、受光素子１４から出力された信号に基づいて、例えば、個々の受光素子１４の出力値の平均値を、或いは、それらの代表値を、分析に必要なデータ（散乱光の強度）として分析用の外部装置へと無線発信機１７を介して出力する。

出力された測定データは、外部装置において、目的する成分（例えば、グルコース）に関する血液成分中濃度が、測定光の透過光路の深さに対応する真皮部分中の濃度との相関を利用することによって分析される。

このように本実施形態によれば、発光素子１３および受光素子１４を実装する回路基板１０を本体ハウジング２内に収容しているので、発光用光ファイバ２４ａおよび受光用光ファイバ２４ｂの長さが短縮され、また、発光用および受光用光ファイバ２４ａ，２４ｂ自身も本体ハウジング２内に収容されている。これにより、測定用プローブ１自身が単独で分析に必要なデータを取得することができる。すなわち、従来の構成では、測定用プローブが光ファイバによって分析用の外部装置と機械的に繋がっているため、可撓性に優れない光ファイバが邪魔となり、測定用プローブを生体表面へと固定することが困難となっていたが、上述の構成とすることで、人体への固定を容易に行うことができる。また、測定用プローブの固定状態はデータの測定精度に影響するため、本実施形態では、検出精度の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、測定用プローブ１から外部装置へのデータの出力を、無線を用いることで、測定用プローブ１と外部装置との機械的な接続が無くなるため、取り扱いの自由度が増し、生体表面への固定をさらに容易に行うことができる。これにより、検出精度の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、立体形状の基板本体１１に回路パターンが形成されている立体回路基板である回路基板１０を用いている。かかる回路基板１０によれば、成型品である基板本体１１に回路パターンを形成すればよいので、基板本体１１の寸法精度が高く、また、回路パターンが精度よく形成される。これにより、例えば、凹部１１ｃの形状を正確に形成することができるので、発光素子１３の配置精度の向上を図ることができる。また、凹部１１ｃのそれぞれに、発光素子１３を実装することにより、照射された測定光が凹部１１ｃの側壁面によって反射されるため、発光素子１３から照射される測定光を効率的に発光用光ファイバ２４ａに導くことができる。また、立体的な形状を有する基板本体１１であっても回路パターンを簡易に形成することができるので、回路基板１０の生産性が高く、また、低コストで製造することができるという長所を有する。

なお、基板本体１１への回路パターンの形成手法、すなわち、回路基板１０の製造方法は、例えば、以下の手法を用いて行われる。まず、上述した基板本体１１に相当する絶縁性基材の表面にめっき下地層（めっき用触媒、めっき用触媒の化合物、金属膜など）を形成する。そして、絶縁性基材の回路部（回路パターン）と非回路部の境界領域に、非回路部のパターンに対応してレーザ等の電磁波を照射することによって、照射部のめっき下地層を除去した後、非照射部のめっき下地層のうち回路部のめっき下地層にめっきを施す。例えば、絶縁性基材の表面に、めっき下地層として金属膜を設けた場合には、電磁波を照射する処理をおこなった後に、非照射部の金属膜のうち回路部の金属膜に電気めっきを施すといった如くである。そして、非照射部の金属膜のうち回路部の金属膜の表面に電気めっきを施した後、ライトエッチング処理して回路部以外の金属膜を除去する。これにより、上述した回路基板１０が形成される。なお、回路基板１０の製造方法の詳細については、特許第３１５３６８２号公報に開示されているので、必要ならば参照されたい。

また、本実施形態によれば、基板本体１１の素子実装面において、受光素子１４は平面部１１ｂに実装されている。これにより、受光用光ファイバ２４ｂの端部から直接的に散乱光が入射するので、検出精度の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、発光素子１３の周囲に複数の受光素子１４を配置している。これにより、受光素子１４によって散乱光の検出能力を高めることができるので、検出精度の向上を図ることができる。

本発明の実施形態にかかる測定用プローブ１の断面形状を示す模式図 図１に示す測定用プローブ１の端部を正面側からそれぞれ示す模式図 回路基板１０の断面状態を示す模式図 回路基板１０の素子実装面（測定面１ａ側）を示す模式図 導光部２０の断面状態を示す模式図 図５に示す導光部２０の端部を正面側からそれぞれ示す模式図 測定用プローブ１の装着状態を示す説明図

符号の説明

１ 測定用プローブ
１ａ 測定面
２ 本体ハウジング
２ａ 開口
３ 板材
１０ 回路基板
１１ 基板本体
１１ａ 枠体部
１１ｂ 平面部
１１ｃ 凹部
１１ｄ 蓋部
１２ 測定用素子群
１３ 発光素子
１４ 受光素子
１５ 電池
１６ 制御用ＩＣ
１７ 無線発信機
２０ 導光部
２１ 枠体
２２ 第１の固定板
２３ 第２の固定板
２４ 光ファイバ群
２４ａ 発光用光ファイバ
２４ｂ 受光用光ファイバ
３０ カフ帯

Claims (5)

1. 血液成分の光学的な分析に必要なデータを測定する測定用プローブにおいて、
   実装される素子が電気的に接続する回路パターンが形成された回路基板と、
   前記回路基板に実装されて、測定用波長域の光線を照射する発光素子と、
   前記回路基板に実装されて、受光面に入射する入射光の強度に応じた信号を出力する受光素子と、
   一方の端部が、前記発光素子と対向して配置されるとともに、他方の端部が、測定部位に当接される測定面に配置される発光用光ファイバと、
   一方の端部が、前記受光素子に対向して配置されるとともに、他方の端部が、前記発光素子と前記受光素子との間隔よりも小さい間隔で前記発光用光ファイバと隔てられて前記測定面に配置される受光用光ファイバと、
   前記回路基板に実装されるとともに、前記受光素子から出力される信号に応じたデータを分析用の外部装置に出力する通信部と、
   前記測定面を構成するとともに、前記回路基板と、前記発光用光ファイバと、前記受光用光ファイバとを収容する本体ハウジングと
   を有することを特徴とする測定用プローブ。
2. 前記通信部は、無線を用いて前記データを前記外部装置に出力することを特徴とする請求項１に記載された測定用プローブ。
3. 前記回路基板は、平坦形状の平面部と、当該平面部が部分的に窪まされた凹部とを備えるように成形された基板本体に、前記回路パターンが形成された立体回路基板であり、
   前記発光素子は、前記凹部の底面に実装され、
   前記受光素子は、前記凹部の周囲の平面部に実装されることを特徴とする請求項１または２に記載された測定用プローブ。
4. 前記受光用光ファイバおよび前記発光用光ファイバを収容する円筒形状の外枠と、
   前記外枠の一方の端部に嵌合されて、前記受光用光ファイバおよび前記発光用光ファイバの前記一方の端部を固定する第１の固定板と、
   前記外枠の他方の端部に嵌合されて、前記受光用光ファイバおよび前記発光用光ファイバの前記他方の端部を固定する第２の固定板と
   で構成される導光用ハウジングをさらに有し、
   前記導光用ハウジングは、前記本体ハウジング内に収容されて、前記第１の固定板が前記回路基板の平面部と接合され、前記第２の固定板が前記本体ハウジングの前記測定面から露出していることを特徴とする請求項３に記載された測定用プローブ。
5. 前記受光素子は、前記発光素子を中心とする円周上に複数配置されており、
   前記受光用光ファイバは、前記受光素子のそれぞれと対応して複数設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載された測定用プローブ。

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