JP2008278983A

JP2008278983A - センサヘッド

Info

Publication number: JP2008278983A
Application number: JP2007124108A
Authority: JP
Inventors: Takanori Seiso; 孝規清倉; Junichi Shimada; 純一嶋田; Tsuneyuki Haga; 恒之芳賀; Naoyoshi Tatara; 尚愛多々良
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】本発明は、衛生的、かつ、熱の影響が少ないセンサヘッドを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るセンサヘッド１００は、生体９９の血流を測定する生体情報測定装置（不図示）に接続するセンサヘッド１００であって、センサヘッド１００は、出射光を発光する発光素子（不図示）、及び、受光した散乱光により光電流を発生させて生体情報測定装置に出力する受光素子（不図示）を含むセンサチップ１１０と、センサチップ１１０を収容する筐体１２０と、生体９９に接触し、出射光を生体９９に出射し、出射光によって生体９９で発生する散乱光を受光素子に結合させる光出射結合手段１３０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体からの散乱光を利用して生体の血流を測定する生体情報測定装置に接続するセンサヘッドに関する。

高齢化社会を迎え、成人病と関連の深い血液循環を測定できる血流計への関心が高まっている。特に、レーザ血流計は、超音波血流計に比較して格段に分解能が高く、超音波血流計では困難であった末梢組織の毛細血管の血流も非侵襲で測定できることから注目されている。従来のレーザ血流計としては、例えば、特許文献１で開示される技術がある。

図６は、従来のレーザ血流計のセンサヘッドを示す図であり、（ａ）は側面概略図であり、（ｂ）は上面概略図であり、（ｃ）は底面概略図である。従来のレーザ血流計のセンサヘッド９０は、センサチップ９１と増幅回路９２が基板９３に実装され、基板９３が筐体９４に収容される。センサチップ９１は、レーザダイオード９１ａ及びフォトダイオード９１ｂを含む反射センサである。筐体９４は、遮光性材料で形成され、上面には窓９４ａが形成される。センサヘッド９０の上面の側を生体９９に接触させ、レーザダイオード９１ａが窓９４ａを通じて生体９９にレーザ光を照射する。生体９９内部で発生した散乱光を窓９４ａを通じてフォトダイオード９１ｂが受光する。受光した散乱光は増幅回路９２で増幅され、電気ケーブル９５を通じてレーザ血流計（不図示）に送信される。レーザ血流計では、散乱光のパワースペクトル等から血流値が算出される。また、電気ケーブル９５を通じて、レーザ血流計により、レーザダイオード９１ａの駆動、電流供給及びセンサチップ９１の制御等が行われる。センサヘッド９０は、小型であり、電気ケーブル９５が引き回し自在なため、生体９９の各部に接触させて血流測定できる。
特開２００５−１９２８０７号公報

しかし、センサヘッド９０は、センサチップ９１等の電子部品を含むために加熱消毒を行うことができず、消毒及び滅菌等の衛生面で問題があった。また、センサヘッド９０を生体９９に長時間接触させておくと、センサヘッド９０の熱が生体９９に伝わり、血流値の測定に影響を与える問題があった。

本発明は、前記課題を解決し、衛生的、かつ、熱の影響が少ないセンサヘッドを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため、生体に接触する部材を脱着可能な構造とすることによって本発明を完成させた。

具体的には、本発明に係るセンサヘッドは、生体の血流を測定する生体情報測定装置に接続するセンサヘッドであって、前記センサヘッドは、出射光を発光する発光素子、及び、受光した散乱光により光電流を発生させて前記生体情報測定装置に出力する受光素子を含むセンサチップと、前記センサチップを収容する筐体と、前記生体に接触し、前記出射光を前記生体に出射し、前記出射光によって前記生体で発生する前記散乱光を前記受光素子に結合させる光出射結合手段と、を備えることを特徴とする。

上記センサヘッドは、衛生的、かつ、熱の影響を少なくすることができる。

本発明に係るセンサヘッドでは、前記光出射結合手段は、前記筐体に脱着可能なアダプタ、一方の端が前記アダプタに脱着可能、かつ、前記出射光を伝搬する出射光伝搬ファイバ、一方の端が前記アダプタに脱着可能、かつ、前記散乱光を伝搬する散乱光伝搬ファイバ、及び、前記出射光伝搬ファイバの他方の端と前記散乱光伝搬ファイバの他方の端とに接続し、前記生体に接触する光ファイバ保持具を含むことが好ましい。

上記センサヘッドは、引き回しの自由度が高く、前記光ファイバ保持具を前記生体に接触させ易くすることができる。

本発明に係るセンサヘッドでは、前記アダプタは、前記発光素子からの前記出射光の方向を変換して前記出射光伝搬ファイバに結合させ、前記散乱光伝搬ファイバからの前記散乱光の方向を変換して前記受光素子に結合させることが好ましい。

上記センサヘッドは、設計の自由度が高く、小型化できる。

本発明に係るセンサヘッドでは、前記アダプタは、前記筐体のいずれかの面に脱着可能であることが好ましい。

上記センサヘッドは、前記アダプタの脱着を行い易く、前記光ファイバ保持具を前記生体に接触させ易くすることができる。

本発明は、衛生的、かつ、熱の影響が少ないセンサヘッドを提供することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。また、各実施形態に係るセンサヘッドの構成を示す図において、電源、あるいは全体の動作を制御する制御部などの通常の技術により実現できる部分は図示していない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るセンサヘッドを示す図であり、（ａ）は側面概略図であり、（ｂ）は上面概略図である。第１実施形態に係るセンサヘッド１００は、生体９９の血流を測定する生体情報測定装置（不図示）に接続するセンサヘッド１００であって、センサヘッド１００は、出射光を発光する発光素子（不図示）、及び、受光した散乱光により光電流を発生させて生体情報測定装置に出力する受光素子（不図示）を含むセンサチップ１１０と、センサチップ１１０を収容する筐体１２０と、生体９９に接触し、出射光を生体９９に出射し、出射光によって生体９９で発生する散乱光を受光素子に結合させる光出射結合手段１３０と、を備える。さらに、図１には、基板１１２、増幅回路１１４及び電気ケーブル１１６を示した。基板１１２は、センサチップ１１０及び増幅回路１１４を搭載し、筐体１２０に収容される。筐体１２０は、遮光性を有する金属又はプラスチック製であり、形状が箱状、球状又は筒状である。増幅回路１１４は、電気ケーブル１１６を通じて生体情報測定装置に接続され、入力された信号から、特定の周波数範囲を抽出して所定の利得で増幅して生体情報測定装置に出力する。また、生体９９は、例えば、人体又は動物である。

図１に示すように、第１実施形態に係るセンサヘッド１００では、光出射結合手段１３０は、筐体１２０に脱着可能なアダプタ１３２、一方の端がアダプタに脱着可能、かつ、出射光を伝搬する出射光伝搬ファイバ１３６、一方の端が前記アダプタに脱着可能、かつ、散乱光を伝搬する散乱光伝搬ファイバ１３７、及び、出射光伝搬ファイバ１３６の他方の端と散乱光伝搬ファイバ１３７の他方の端とに接続し、生体９９に接触する光ファイバ保持具１３８を含むことが好ましい。センサヘッド１００は、出射光伝搬ファイバ１３６及び散乱光伝搬ファイバ１３７により引き回しの自由度が高く、光ファイバ保持具１３８を生体９９に接触させ易くすることができる。また、生体９９に接触するのは光ファイバ保持具１３８であり、アダプタ１３２、出射光伝搬ファイバ１３６及び散乱光伝搬ファイバ１３７が脱着可能であることから、これらを取り外して加熱殺菌することができ、センサヘッド１００は、衛生的である。また、光ファイバ保持具１３８がセンサチップ１１０から離れており、光ファイバ保持具１３８が生体９９に接触しても生体９９の熱がセンサチップ１１０に伝わりにくく、熱の影響が少ない。

ここで、脱着可能とは、例えば、コネクタ構造とすることにより脱着可能とすることである。

図１では、出射光伝搬ファイバ１３６及び散乱光伝搬ファイバ１３７がそれぞれ出射光及び散乱光を伝搬するが、出射光及び散乱光を１本の光ファイバで双方向に伝搬しても良い（不図示）。

第１実施形態に係るセンサヘッド１００では、アダプタ１３２は、筐体１２０のいずれかの面に脱着可能であることが好ましく、筐体１２０の上面又は端面に脱着可能であることがより好ましい。センサヘッド１００は、アダプタ１３２の脱着を行い易く、光ファイバ保持具１３８を生体９９に接触させ易くすることができる。また、アダプタ１３２を装着する面は、平面であっても良く、曲面であっても良い。ここで、筐体１２０の上面とは、センサチップ１１０が面発光型素子の発光素子を含む場合において、出射光に交わる側の筐体１２０の面である。

第１実施形態に係るセンサヘッド１００は、センサチップ１１０が基板１１２に対して垂直、すなわち、筐体１２０の上面の側から出射光を出射する。このため、センサチップ１１０の発光素子は、面発光型光学素子としても良い。発光素子としては、例えば、発振波長が０．８μｍの垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）がある。また、センサチップ１１０の受光素子は、面受光型光学素子としてもよい。受光素子としては、例えば、フォトダイオードがある。また、散乱光の強度は微弱なため、ノイズが混入しにくいように受光素子と増幅回路１１４を近くに配置することが好ましい。

さらに、第１実施形態に係るセンサヘッド１００では、アダプタ１３２は、発光素子からの出射光の方向を変換して出射光伝搬ファイバ１３６に結合させ、散乱光伝搬ファイバ１３７からの散乱光の方向を変換して受光素子に結合させることが好ましい。アダプタ１３２は、出射光の方向を基板１１２に対して垂直方向から平行方向に９０°変換し、散乱光の方向を基板１１２に対して平行方向から垂直方向に９０°変換する光方向変換素子１３２ａを有する。また、アダプタ１３２は、光方向変換素子１３２ａと出射光伝搬ファイバ１３６の間で出射光の光径を縮小して結合させるレンズ１３２ｂ、及び、光方向変換素子１３２ａ散乱光伝搬ファイバ１３７の間で散乱光の光径を拡大して結合させるレンズ１３２ｂを合計２個備える。センサヘッド１００は、面発光型素子及び面受光型素子を利用する場合においても出射光及び散乱光の方向を変換し、設計の自由度が高く、小型化できる。

図２に、第１実施形態に係るセンサチップと生体情報測定装置の概略図を示した。図２では、アダプタ、光方向変換素子及びレンズの記載を省略した。図２の生体情報測定装置２００は、ローパスフィルタ２１０、アナログデジタル変換器２２０、信号処理回路２３０、インターフェイス回路２４０、発光素子駆動回路２５０、電源回路２６０及び出力端子２７０を有する。また、センサチップ１００と生体情報測定装置２００を接続する電気ケーブル１１６は、増幅器１１４とローパスフィルタ２１０を接続するアナログ信号線、発光素子１１０ａと発光素子駆動回路２５０を接続する発光素子駆動信号線及び電源回路２６０からの電源供給線を含む。

ローパスフィルタ２１０は、センサヘッド１００から入力される信号から、予め設定されたカットオフ周波数以上の周波数成分を除去する電気回路であり、高周波ノイズを除去する。アナログデジタル変換器２２０は、ローパスフィルタ２１０からの信号を所定の周波数でサンプリングし、量子化して出力する。信号処理回路２３０は、例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）であり、アナログデジタル変換器２２０からのデジタル信号を所定の規則に従って処理する。信号処理回路２３０は、入力されたデジタル信号の処理結果をリアルタイムで出力することができる。インターフェイス回路２４０は、生体情報測定装置２００が外部の情報機器と通信できるように処理結果を、例えば、ＲＳ−２３２Ｃ等の規格化された信号形式に変換する。発光素子駆動回路２５０は、発光素子１１０ａに電力を供給するとともに、発光素子１１０ａの出力強度等を制御する。電源回路２６０は、例えば、交直変換回路、電圧変換回路、電圧安定化回路、及び、電池であり、所定の電圧をアナログデジタル変換器２２０、信号処理回路２３０及び発光素子駆動回路２５０に供給する。

出力端子２７０には、プリンタ、ディスプレイ等の出力手段を接続し、血流量を出力しても良い（不図示）。

センサヘッド１００において、生体９９からの散乱光と生体９９内の毛細血管中を移動している赤血球（散乱粒子）からの散乱光（血流速度に応じてドップラーシフトΔｆを受けた散乱光）をヘテロダイン検波し、散乱光の干渉成分が増幅される。また、生体情報測定装置２００において、散乱光の干渉成分の周波数解析を行う。具体的には、散乱光の干渉成分の周波数が血流速度に相当し、散乱光の強度が血流量に相当する。さらに、散乱信号波形から脈拍も検出することができる。生体情報測定装置２００は、これら情報を血流情報として出力する。

図３は、センサチップ１１０を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図である。センサチップ１１０は、絶縁基板１１、キャップ１３、レーザダイオード１５、フォトダイオード１７、孔１９ａ，１９ｂ、電気配線２１ａ〜２１ｄ、ワイヤ２３及び絶縁膜２５を有する。絶縁基板１１は、例えば、ガラスエポキシ、フッ素樹脂、セラミック等を素材とする。絶縁基板１１の表面には、電気配線２１ａ〜２１ｄが形成される。レーザダイオード１５は、電気配線２１ｂ上に半田膜を介して搭載され、ワイヤ２３を介して電気配線２１ａに接続される。フォトダイオード１７は、電気配線２１ｃ上に半田膜を介して搭載され、ワイヤ２３を介して電気配線２１ｄに接続される。レーザダイオード１５の光出射面及びフォトダイオード１７の受光面は、絶縁基板１１に平行である。キャップ１３が、レーザダイオード１５及びフォトダイオード１７を覆う。キャップ１３は、例えば、金属製又は金属被膜されたプラスチックであり、天上部に出射光と散乱光を通す２個の孔１９ａ，１９ｂが設けられる。キャップ１３と電気配線２１ａ〜２１ｄの間は絶縁膜２５によって電気的に絶縁される。また、キャップ１３と電気配線２１ａ〜２１ｄのうちグランド層の間では、半田膜等によって電気的に接続することによってキャップ１３がグランドと同電位となり、外部からの電気的ノイズを防止できる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係るセンサヘッドを示す図であり、（ａ）は側面概略図であり、（ｂ）は上面概略図である。第２実施形態に係るセンサヘッド１００について、第１実施形態に係るセンサヘッドと異なる点を説明する。第２実施形態に係るセンサヘッド１００は、センサチップ１１０が基板１１２に対して平行に出射光を出射する。このため、センサチップ１１０の発光素子を端面発光型素子とし、センサチップ１１０の受光素子を端面受光型素子としても良い。端面発光素子としては、例えば、発振波長が１．３μｍのＤＦＢ半導体レーザがある。また、端面受光素子としては、例えば、端面屈折入射型フォトダイオードがある。センサチップ１１０が基板１１２に対して平行、すなわち、筐体１２０の底面の側から出射光を出射することから、アダプタ１３２は、筐体１２０の底面に脱着可能としても良い。第２実施形態に係るセンサヘッド１００では、出射光及び散乱光の方向を変える必要がないことから、光方向変換素子（不図示）が不要であり、小型化を図り、部品数を低減できる。ここで、筐体１２０の底面とは、センサチップ１１０が端面発光型素子の発光素子を含む場合において、出射光に交わる側の筐体１２０の面である。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係るセンサヘッドを示す図であり、（ａ）は側面概略図であり、（ｂ）は上面概略図である。第３実施形態に係るセンサヘッド１００について、第１実施形態に係るセンサヘッドと異なる点を説明する。アダプタ１３２が、光方向変換素子（不図示）を有さず、２個のレンズ１３２ｂのみを備える。２個のレンズ１３２ｂの一方は、センサチップ１１０と出射光伝搬ファイバ１３６の間で出射光の光径を縮小して結合させる。２個のレンズ１３２ｂの他方は、散乱光伝搬ファイバ１３７とセンサチップ１１０との間で散乱光の光径を拡大して結合させる。第３実施形態に係るセンサヘッド１００では、出射光及び散乱光の方向を変える必要がないことから、光方向変換素子が不要であり、小型化を図り、部品数を低減できる。

本発明に係るセンサヘッドは、レーザ血流計に接続して利用することができる。

第１実施形態に係るセンサヘッドを示す図であり、（ａ）は側面概略図であり、（ｂ）は上面概略図である。第１実施形態に係るセンサチップと生体情報測定装置の概略図である。センサチップ１１０を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図である。第２実施形態に係るセンサヘッドを示す図であり、（ａ）は側面概略図であり、（ｂ）は上面概略図である。第３実施形態に係るセンサヘッドを示す図であり、（ａ）は側面概略図であり、（ｂ）は上面概略図である。従来のレーザ血流計のセンサヘッドを示す図であり、（ａ）は側面概略図であり、（ｂ）は上面概略図であり、（ｃ）は底面概略図である。

符号の説明

１１絶縁基板
１３キャップ
１５レーザダイオード
１７フォトダイオード
１９ａ，１９ｂ孔
２１ａ〜２１ｄ電気配線
２３ワイヤ
２５絶縁膜
９０センサヘッド
９１センサチップ
９１ａレーザダイオード
９１ｂフォトダイオード
９２増幅回路
９３基板
９４筐体
９４ａ窓
９５電気ケーブル
９９生体
１００センサヘッド
１１０センサチップ
１１２基板
１１４増幅回路
１１６電気ケーブル
１２０筐体
１３０光出射結合手段
１３２アダプタ
１３２ａ光方向変換素子
１３２ｂレンズ
１３６出射光伝搬ファイバ
１３７散乱光伝搬ファイバ
１３８光ファイバ保持具
２００生体情報測定装置
２１０ローパスフィルタ
２２０アナログデジタル変換器
２３０信号処理回路
２４０インターフェイス回路
２５０発光素子駆動回路
２６０電源回路
２７０出力端子

Claims

生体の血流を測定する生体情報測定装置に接続するセンサヘッドであって、
前記センサヘッドは、
出射光を発光する発光素子、及び、受光した散乱光により光電流を発生させて前記生体情報測定装置に出力する受光素子を含むセンサチップと、
前記センサチップを収容する筐体と、
前記生体に接触し、前記出射光を前記生体に出射し、前記出射光によって前記生体で発生する前記散乱光を前記受光素子に結合させる光出射結合手段と、
を備えることを特徴とするセンサヘッド。
前記光出射結合手段は、前記筐体に脱着可能なアダプタ、一方の端が前記アダプタに脱着可能、かつ、前記出射光を伝搬する出射光伝搬ファイバ、一方の端が前記アダプタに脱着可能、かつ、前記散乱光を伝搬する散乱光伝搬ファイバ、及び、前記出射光伝搬ファイバの他方の端と前記散乱光伝搬ファイバの他方の端とに接続し、前記生体に接触する光ファイバ保持具を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサヘッド。
前記アダプタは、前記発光素子からの前記出射光の方向を変換して前記出射光伝搬ファイバに結合させ、前記散乱光伝搬ファイバからの前記散乱光の方向を変換して前記受光素子に結合させることを特徴とする請求項２に記載のセンサヘッド。
前記アダプタは、前記筐体のいずれかの面に脱着可能であることを特徴とする請求項２又は３に記載のセンサヘッド。