JP2017153876A - 測定装置および検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】生体情報の取得に使用されるレーザーの誤射の可能性を低減する。【解決手段】第１波長の光を出射する第１発光部と、測定部位に対する深達度が前記第１波長の光を上回る第２波長の光を出射する第２発光部と、前記測定部位から到達する光の受光レベルに応じた検出信号を生成する受光部と、前記検出信号に応じた生体情報を取得する解析部とを具備し、前記第１発光部と前記第２発光部と前記受光部とは、前記測定部位に対向する検出面に設置され、前記第１発光部と前記受光部との距離は、前記第２発光部と前記受光部との距離を上回る測定装置。【選択図】図２
Description
本発明は、生体情報を測定するための技術に関する。
生体に対する光照射により生体情報を非侵襲で測定する各種の測定技術が従来から提案されている。例えば特許文献１には、発光窓から出射して生体内部で反射した光を複数の受光窓の各々で受光し、受光結果から生体の酸素飽和度を測定する構成が開示されている。
ところで、発光点から受光点に到達する光が通過する生体内の深度は、発光点と受光点との距離に応じて変化する。特許文献１のように発光窓と複数の受光窓の各々との距離が相違する構成では、発光窓から出射した光が生体内の相異なる深度を通過して複数の受光窓の各々に到達する。したがって、各受光部に到達する光が通過した生体内の部位における組織の種類や血管の密度等に応じて生体情報が大きく変動するという問題がある。以上の事情を考慮して、本発明は、生体情報を高精度に測定することを目的とする。
以上の課題を解決するために、本発明の好適な態様に係る測定装置は、第１波長の光を出射する第１発光部と、測定部位に対する深達度が第１波長の光を上回る第２波長の光を出射する第２発光部と、測定部位から到達する光の受光レベルに応じた検出信号を生成する受光部と、検出信号に応じた生体情報を取得する解析部とを具備し、第１発光部と第２発光部と受光部とは、測定部位に対向する検出面に設置され、第１発光部と受光部との距離は、第２発光部と受光部との距離を上回る。発光点と受光点との距離が大きいほど測定部位の内部の深い位置まで光が到達するという傾向がある。本発明の好適な態様では、第１発光部が第１波長の光を出射するとともに、測定部位に対する深達度が第１波長の光を上回る第２波長の光を第２発光部が出射する構成のもとで、第１発光部と受光部との距離が第２発光部と受光部との距離を上回る。したがって、第１発光部と第２発光部とが受光部から等距離に位置する構成と比較して、測定部位の内部で第１発光部からの出射光の伝搬範囲と、第２発光部からの出射光の伝搬範囲とを測定部位の深さ方向に近接または重複させることが可能である。以上の構成によれば、第１発光部からの出射光と第２発光部からの出射光との間で伝搬範囲が乖離する構成と比較して生体情報を高精度に測定できるという利点がある。
本発明の好適な態様において、第１発光部と第２発光部と受光部とは直線上に位置する。以上の態様では、第１発光部と第２発光部と受光部とが直線上に位置するから、例えば第１発光部と第２発光部と受光部とが直線上に位置しない構成と比較して、第１発光部からの出射光の伝搬範囲と、第２発光部からの出射光の伝搬範囲とを近接または重複させることが可能である。したがって、生体情報を高精度に測定できるという前述の効果は格別に顕著である。
本発明の好適な態様において、受光部は、第１発光部から出射して測定部位を通過した光を受光する第１受光部と、第２発光部から出射して測定部位を通過した光を受光する第２受光部とを含み、第１発光部と第１受光部との距離は、第２発光部と第２受光部との距離を上回る。以上の態様では、第１発光部と第１受光部との距離が第２発光部と第２受光部との距離を上回る。したがって、第１発光部と第１受光部との距離が第２発光部と第２受光部との距離と同等である構成と比較して、第１発光部から第１受光部に到達する光の伝搬範囲と、第２発光部から第２受光部に到達する光の伝搬範囲とを測定部位の深さ方向に近接または重複させることが可能である。以上の構成によれば、第１発光部からの出射光と第２発光部からの出射光との間で伝搬範囲が乖離する構成と比較して生体情報を高精度に測定できるという利点がある。
本発明の好適な態様において、第１発光部と第２発光部と第１受光部と第２受光部とは、直線上に位置する。以上の態様では、第１発光部と第２発光部と第１受光部と第２受光部とが直線上に位置するから、第１発光部から第１受光部に到達する光の伝搬範囲と、第２発光部から第２受光部に到達する光の伝搬範囲とを近接または重複させることが可能である。したがって、生体情報を高精度に測定できるという前述の効果は格別に顕著である。
本発明の好適な態様において、第１発光部および第１受光部は、第２発光部と第２受光部との間に位置する。以上の態様では、第１発光部からの出射光が伝搬する範囲と、第２発光部からの出射光が伝搬する範囲とを充分に重複させ得るから、伝搬範囲の相違に起因した生体情報の誤差を充分に抑制することが可能である。
本発明の好適な態様において、第１発光部と第１受光部とを通過する直線と、第２発光部と第２受光部とを通過する直線とは相互に交差する。以上の態様では、第１発光部および第１受光部を通過する直線と、第２発光部および第２受光部を通過する直線とが相互に交差するから、第１発光部および第１受光部と第２発光部および第２受光部とを、相互間の過度な接近や干渉を回避しながら検出面に配置できるという利点がある。
本発明の好適な態様において、第１波長の光は、近赤外光であり、第２波長の光は、赤色光である。また、本発明の他の態様において、第１波長の光は、緑色光であり、第２波長の光は、近赤外光または赤色光である。ただし、第１波長および第２波長は以上の例示に限定されない。
本発明の好適な態様に係る検出装置は、生体情報の生成に使用される検出信号を生成する検出装置であって、第１波長の光を出射する第１発光部と、測定部位に対する深達度が第１波長の光を上回る第２波長の光を出射する第２発光部と、測定部位から到達する光の受光レベルに応じた検出信号を生成する受光部とを具備し、第１発光部と第２発光部と受光部とは、測定部位に対向する検出面に設置され、第１発光部と受光部との距離は、第２発光部と受光部との距離を上回る。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る測定装置１００の側面図である。第１実施形態の測定装置１００は、被験者の生体情報を非侵襲的に測定する生体計測機器であり、被験者の身体のうち測定対象となる部位（以下「測定部位」という）Ｍに装着される。第１実施形態の測定装置１００は、筐体部１２とベルト１４とを具備する腕時計型の携帯機器であり、測定部位Ｍの例示である手首にベルト１４を巻回することで被験者の手首に装着可能である。第１実施形態の測定装置１００は、被験者の手首の表面１６に接触する。第１実施形態では酸素飽和度（ＳｐＯ２）を生体情報として例示する。酸素飽和度は、被験者の血液中のヘモグロビンのうち酸素と結合したヘモグロビンの割合（％）を意味し、被験者の呼吸機能を評価するための指標である。
図１は、本発明の第１実施形態に係る測定装置１００の側面図である。第１実施形態の測定装置１００は、被験者の生体情報を非侵襲的に測定する生体計測機器であり、被験者の身体のうち測定対象となる部位（以下「測定部位」という）Ｍに装着される。第１実施形態の測定装置１００は、筐体部１２とベルト１４とを具備する腕時計型の携帯機器であり、測定部位Ｍの例示である手首にベルト１４を巻回することで被験者の手首に装着可能である。第１実施形態の測定装置１００は、被験者の手首の表面１６に接触する。第１実施形態では酸素飽和度（ＳｐＯ２）を生体情報として例示する。酸素飽和度は、被験者の血液中のヘモグロビンのうち酸素と結合したヘモグロビンの割合（％）を意味し、被験者の呼吸機能を評価するための指標である。
図２は、測定装置１００の機能に着目した構成図である。図２に例示される通り、第１実施形態の測定装置１００は、制御装置２０と記憶装置２２と表示装置２４と検出装置２６とを具備する。制御装置２０および記憶装置２２は筐体部１２の内部に設置される。図１に例示される通り、表示装置２４（例えば液晶表示パネル）は、筐体部１２の表面（例えば測定部位Ｍとは反対側の表面）に設置され、測定結果を含む各種の画像を制御装置２０による制御のもとで表示する。
図２の検出装置２６は、測定部位Ｍの状態に応じた検出信号Ｐを生成するセンサーモジュールであり、例えば筐体部１２のうち測定部位Ｍとの対向面（以下「検出面」という）２８に設置される。検出面２８は、平面または曲面である。図２に例示される通り、第１実施形態の検出装置２６は、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0とを具備する。発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0とは検出面２８に設置され、測定部位Ｍからみて一方側に位置する。
発光部Ｅ1および発光部Ｅ2の各々は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の発光素子を含んで構成される。発光部Ｅ1（第１発光部の例示）は、波長λ1の光を測定部位Ｍに対して出射する光源である。発光部Ｅ2（第２発光部の例示）は、波長λ1とは異なる波長λ2の光を測定部位Ｍに対して出射する光源である。第１実施形態では、発光部Ｅ1が近赤外光（λ1＝９００ｎｍ）を出射し、発光部Ｅ2が赤色光（λ2＝７００ｎｍ）を出射する場合を便宜的に想定する。なお、波長λ1および波長λ2は以上の例示に限定されない。例えば、波長λ1を９４０ｎｍに設定し、波長λ2を６６０ｎｍに設定することも可能である。
発光部Ｅ1および発光部Ｅ2の各々からの出射光は、測定部位Ｍに入射するとともに測定部位Ｍの内部で反射および散乱を繰返したうえで検出面２８側に出射して受光部Ｒ0に到達する。すなわち、第１実施形態の検出装置２６は、反射型の光学センサーである。受光部Ｒ0は、測定部位Ｍから到達する光の受光レベルに応じた検出信号Ｐを生成する。例えば、測定部位Ｍに対向する受光面で光を受光するフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）等の光電変換素子が受光部Ｒ0として好適に利用される。測定部位Ｍの血管は、心拍と同等の周期で反復的に膨張および収縮する。膨張時と収縮時とで血管内の血液による吸光量は相違するから、測定部位Ｍからの受光レベルに応じて受光部Ｒ0が生成する検出信号Ｐは、測定部位Ｍの動脈の脈動成分（容積脈波）に対応した周期的な変動成分を含む脈波信号である。検出装置２６は、例えば、駆動電流の供給により発光部Ｅ1および発光部Ｅ2を駆動する駆動回路と、受光部Ｒ0の出力信号を増幅およびＡ/Ｄ変換する出力回路（例えば増幅回路とＡ/Ｄ変換器）とを包含するが、図１では各回路の図示を省略した。
図２の制御装置２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の演算処理装置であり、測定装置１００の全体を制御する。記憶装置２２は、例えば不揮発性の半導体メモリーで構成され、制御装置２０が実行するプログラムや制御装置２０が使用する各種のデータを記憶する。第１実施形態の制御装置２０は、記憶装置２２に記憶されたプログラムを実行することで、被験者の酸素飽和度を測定するための複数の機能（解析部３２，報知部３４）を実現する。なお、制御装置２０の機能を複数の集積回路に分散した構成や、制御装置２０の一部または全部の機能を専用の電子回路で実現した構成も採用され得る。また、図２では制御装置２０と記憶装置２２とを別体の要素として図示したが、記憶装置２２を内包する制御装置２０を例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等により実現することも可能である。
解析部３２は、検出装置２６が生成した検出信号Ｐから被験者の酸素飽和度Ｓを特定する。報知部３４は、解析部３２が特定した酸素飽和度Ｓを表示装置２４に表示させる。なお、酸素飽和度Ｓが所定の範囲外の数値に変動した場合に、報知部３４が利用者に警告（呼吸機能の障害の可能性）を報知する構成も好適である。
解析部３２による酸素飽和度Ｓの特定には公知の技術が任意に採用され得る。例えば、検出信号Ｐから算定される変動比Φと酸素飽和度Ｓとの対応を利用して酸素飽和度Ｓを特定することが可能である。変動比Φは、以下の数式(1)で表現される通り、成分比Ｃ1に対する成分比Ｃ2の比率である。成分比Ｃ1は、発光部Ｅ1が波長λ1の光を出射したときの検出信号Ｐの変動成分Ｑ1(AC)と定常成分Ｑ1(DC)との強度比であり、成分比Ｃ2は、発光部Ｅ2が波長λ2の光を出射したときの検出信号Ｐの変動成分Ｑ2(AC)と定常成分Ｑ2(DC)との強度比である。変動成分Ｑ1(AC)および変動成分Ｑ2(AC)は、被験者の動脈の脈動に連動して周期的に変動する成分（脈波成分）であり、定常成分Ｑ1(DC)および定常成分Ｑ2(DC)は、時間的に定常的に維持される成分である。数式(1)の変動比Φと酸素飽和度Ｓとは相互に相関する。
解析部３２は、脈拍と比較して充分に短い周期で発光部Ｅ1と発光部Ｅ2とを交互に発光させたときの検出信号Ｐの解析により、変動成分Ｑ1(AC)および定常成分Ｑ1(DC)と変動成分Ｑ2(AC)および定常成分Ｑ2(DC)とを抽出して変動比Φを算定する。そして、解析部３２は、変動比Φの各数値と酸素飽和度Ｓの各数値とを相互に対応させたテーブルを参照して、検出信号Ｐから算定した変動比Φに対応する酸素飽和度Ｓを測定結果として特定する。
図３に例示される通り、任意の発光点ＰEから出射して測定部位Ｍの内部を通過した光を受光点ＰRで受光する状況を想定する。図４は、図３の測定部位Ｍの内部における光伝搬をシミュレーションした結果である。図４では、発光点ＰEから受光点ＰRまでの距離（以下「発光-受光間距離」という）δと、測定部位Ｍの内部で光が到達する深度（生体表面からの距離）Ｄとの関係が、緑色光（波長λ＝５２０ｎｍ）と赤色光（波長λ＝７００ｎｍ）と近赤外光（波長λ＝９００ｎｍ）との各々について図示されている。光伝搬のシミュレーションは、散乱の事象では無損失であり散乱の事象間ではランベルト・ベール（Lambert-Beer）の法則により光減衰するという条件を採用したモンテカルロ法である。散乱の自由行程Ｌおよび吸収係数Ａは、生体の真皮について想定される図４の数値に設定した。図４の深度Ｄは、発光点ＰEから受光点ＰRに到達した光子が測定部位Ｍの内部で最も多く通過した深度を意味する。具体的には、以下の数式(2)で表現される通り、発光点ＰEと受光点ＰRとの間に設定された仮想的な垂直断面内において光子数に応じた加重値Ｗで深度ｌを加重することで、代表的な深度Ｄを算定することが可能である。なお、数式(2)の記号ｚは、測定部位Ｍの深さ方向に平行な座標軸を意味する。
図４から理解される通り、発光点ＰEから測定部位Ｍに入射した光が測定部位Ｍの内部の深い位置まで到達する度合（以下「深達度」という）は波長λに応じて相違する。具体的には、緑色光の深達度は近赤外光の深達度を下回り、赤色光の深達度は近赤外光の深達度を上回るという傾向がある。すなわち、近赤外光は、緑色光と比較して測定部位Ｍの内部の深部まで到達し易く、赤色光は、近赤外光や緑色光と比較して測定部位Ｍの内部の深部まで到達し易い。例えば、発光-受光間距離δが６ｍｍである場合を想定すると、近赤外光は測定部位Ｍの表面から２.３１ｍｍの深度Ｄまで到達するのに対し、赤色光は測定部位Ｍの表面から２.４５ｍｍの深度Ｄまで到達する。以上の説明から理解される通り、第１実施形態では、発光部Ｅ2から出射される赤色光（λ2＝７００ｎｍ）の深達度が、発光部Ｅ1から出射される近赤外光（λ1＝９００ｎｍ）の深達度を上回る。
以上の通り、深達度は波長λに依存するから、発光-受光間距離δを共通させた状況で相異なる波長λの光を発光点ＰEから出射した場合には、図３に例示される通り、発光点ＰEから受光点ＰRに到達する光が測定部位Ｍの内部で伝搬する範囲（以下「伝搬範囲」という）Ｂの深度が波長λに応じて相違する。伝搬範囲Ｂは、所定値を上回る強度の光が分布する範囲（いわゆるバナナシェイプ）を意味する。
例えば、受光部Ｒ0が設置された受光点ＰRから等距離の発光点ＰEに発光部Ｅ1および発光部Ｅ2を設置した構成（以下「対比例」という）では、図３に例示される通り、発光部Ｅ1からの出射光の伝搬範囲Ｂ1と発光部Ｅ2からの出射光の伝搬範囲Ｂ2とで深度が相違する。具体的には、発光部Ｅ2が出射する赤色光の伝搬範囲Ｂ2は、発光部Ｅ1が出射する近赤外光の伝搬範囲Ｂ1と比較して深い位置に分布する。すなわち、対比例の構成では、発光部Ｅ1および発光部Ｅ2の各々からの出射光が、測定部位Ｍの内部で波長λ毎に相異なる部位（深度）を通過して受光部Ｒ0に到達する。
以上の例示のように発光部Ｅ1と発光部Ｅ2との間で出射光の伝搬範囲Ｂが乖離する状況では、発光部Ｅ1の出射光が通過する部位と発光部Ｅ2の出射光が通過する部位との間で、測定部位Ｍの内部組織の種類（例えば表皮，真皮）や血管の密度等が相違するから、吸光度や濃度等の光学特性も相違し得る。したがって、酸素飽和度Ｓの誤差が大きいという問題がある。以上の事情を考慮して、第１実施形態では、発光部Ｅ1が出射する波長λ1の光が到達する深度Ｄと発光部Ｅ2が出射する波長λ2の光が到達する深度Ｄとが近付くように、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との位置が選定される。
図４から理解される通り、発光-受光間距離δが大きいほど、測定部位Ｍの内部で光が到達する深度Ｄが増加する（より深い位置まで到達する）という傾向がある。以上の傾向を考慮して、第１実施形態では、深達度が低い光（測定部位Ｍの深い位置まで到達し難い光）ほど、受光部Ｒ0に対して遠い位置から出射されるように、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との位置が選定される。
図５は、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との位置関係を例示する平面図および断面図である。前述の通り、第１実施形態では、発光部Ｅ2から出射する赤色光の深達度が、発光部Ｅ1から出射する近赤外光の深達度を上回る。したがって、図５に例示される通り、発光部Ｅ1と受光部Ｒ0との距離δ1が、発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との距離δ2を上回るように（δ1＞δ2）、発光部Ｅ1および発光部Ｅ2の各々と受光部Ｒ0との位置が選定される。
図５に例示される通り、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0とは、平面視で（すなわち検出面２８に垂直な方向からみて）、検出面２８における直線Ｘ上に位置する。具体的には、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との各々の中心が直線Ｘ上に位置する。第１実施形態では、発光部Ｅ2を挟んで受光部Ｒ0とは反対側に発光部Ｅ1が位置する。発光部Ｅ1と受光部Ｒ0とを結ぶ直線Ｘ上に発光部Ｅ2が位置する構成や、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0とが直線状に配列する構成とも換言され得る。以上の構成を採用する結果、第１実施形態では、図５に例示される通り、発光部Ｅ1から出射された近赤外光の伝搬範囲Ｂ1と、発光部Ｅ2から出射された赤色光の伝搬範囲Ｂ2とが相互に重複する。
例えば、図４に例示される通り、測定部位Ｍの表面から２.１５ｍｍの深度Ｄに発光部Ｅ1および発光部Ｅ2の双方の光を通過させる場合には、受光部Ｒ0から５.５ｍｍ程度の距離δ1だけ離間した位置に発光部Ｅ1が配置され、受光部Ｒ0から５ｍｍ程度の距離δ2だけ離間した位置に発光部Ｅ2が配置される。発光部Ｅ1と発光部Ｅ2との距離（例えば中心間距離）は、例えば３００μｍ以上かつ５００μｍ以下の範囲に選定される。
以上の通り、第１実施形態では、発光部Ｅ1が波長λ1（第１波長の例示）の近赤外光を出射するとともに、測定部位Ｍに対する深達度が近赤外光を上回る波長λ2（第２波長の例示）の赤色光を発光部Ｅ2が出射する構成のもとで、発光部Ｅ1と受光部Ｒ0との距離δ1が発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との距離δ2を上回る。したがって、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2とが受光部Ｒ0から等距離に位置する対比例と比較して、図５に例示される通り、発光部Ｅ1が出射した近赤外光の伝搬範囲Ｂ1と、発光部Ｅ2が出射した赤色光の伝搬範囲Ｂ2とを相互に近接または重複させることが可能である。以上の構成では、発光部Ｅ1からの出射光と発光部Ｅ2からの出射光とで伝搬範囲Ｂ（Ｂ1，Ｂ2）が乖離する構成と比較して、発光部Ｅ1の出射光の伝搬範囲Ｂ1と発光部Ｅ2の出射光の伝搬範囲Ｂ2との間で、測定部位Ｍの内部組織の種類や血管の密度等が近似するから、吸光度や濃度等の光学特性も近似し得る。したがって、伝搬範囲Ｂの相違に起因した誤差を抑制して酸素飽和度Ｓを高精度に特定できるという利点がある。
また、第１実施形態では、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0とが直線Ｘ上に位置する。したがって、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0とが直線上に位置しない構成と比較して、発光部Ｅ1からの出射光の伝搬範囲Ｂ1と発光部Ｅ2からの出射光の伝搬範囲Ｂ2とを充分に近接または重複させることが可能である。したがって、酸素飽和度Ｓを高精度に特定できるという前述の効果は各別に顕著である。
ところで、伝搬範囲Ｂの相違に起因した酸素飽和度Ｓの誤差は、第１実施形態の例示のように、発光部Ｅ1および発光部Ｅ2と受光部Ｒ0とが測定部位Ｍに対して一方側に位置する反射型の光学センサーにおいて顕在化する課題である。他方、発光部Ｅ1および発光部Ｅ2が測定部位Ｍを挟んで受光部Ｒ0とは反対側に位置する透過型の光学センサーでは、発光部Ｅ1からの出射光と発光部Ｅ2からの出射光とが測定部位Ｍの内部で相互に近接した経路を伝搬して受光部Ｒ0に到達する。したがって、伝搬範囲Ｂの相違に起因した酸素飽和度Ｓの誤差は特段の問題とならない。以上の事情を考慮すると、発光部Ｅ1と受光部Ｒ0との距離δ1が発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との距離δ2を上回る構成は、反射型の光学センサーに特に有効であると言える。
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態を説明する。なお、以下に例示する各構成において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
本発明の第２実施形態を説明する。なお、以下に例示する各構成において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
図６は、第２実施形態における発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との位置関係を例示する平面図および断面図である。図６に例示される通り、第２実施形態の受光部Ｒ0は、検出面２８に設置された受光部Ｒ1（第１受光部の例示）と受光部Ｒ2（第２受光部の例示）とを包含する。受光部Ｒ1および受光部Ｒ2は、測定部位Ｍに対向する受光面で光を受光するフォトダイオード等の光電変換素子である。受光部Ｒ1は、発光部Ｅ1から出射して測定部位Ｍを通過した近赤外光（波長λ1）を受光し、受光レベルに応じた検出信号Ｐ1を生成する。受光部Ｒ2は、発光部Ｅ2から出射して測定部位Ｍを通過した赤色光（波長λ2）を受光し、受光レベルに応じた検出信号Ｐ2を生成する。解析部３２は、受光部Ｒ1が生成した検出信号Ｐ1から前掲の数式(1)の成分比Ｃ1を算定し、受光部Ｒ2が生成した検出信号Ｐ2から数式(1)の成分比Ｃ2を算定する。成分比Ｃ1と成分比Ｃ2との変動比Φから解析部３２が酸素飽和度Ｓを特定する構成および方法は第１実施形態と同様である。
図６に例示される通り、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ1と受光部Ｒ2とは、平面視で検出面２８における直線Ｘ上に位置する。発光部Ｅ1と受光部Ｒ1との距離δ1は、発光部Ｅ2と受光部Ｒ2との距離δ2を上回る（δ1＞δ2）。具体的には、発光部Ｅ2および受光部Ｒ2は、発光部Ｅ1と受光部Ｒ1との間に位置する。
以上に説明した通り、第２実施形態では、発光部Ｅ1が波長λ1の近赤外光を出射するとともに発光部Ｅ2が波長λ2の赤色光を発光部Ｅ2が出射する構成のもとで、発光部Ｅ1と受光部Ｒ1との距離δ1が発光部Ｅ2と受光部Ｒ2との距離δ2を上回る。以上の構成では、図６に例示される通り、発光部Ｅ1からの出射光の伝搬範囲Ｂ1と、発光部Ｅ2からの出射光の伝搬範囲Ｂ2とは相互に近接または重複する。したがって、第１実施形態と同様に、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2との伝搬範囲Ｂの相違に起因した誤差を抑制して酸素飽和度Ｓを高精度に特定できるという利点がある。
第２実施形態では特に、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ1と受光部Ｒ2とが直線Ｘ上に位置するから、伝搬範囲Ｂ1と伝搬範囲Ｂ2とを充分に近接または重複させることが可能である。したがって、酸素飽和度Ｓを高精度に特定できるという前述の効果は各別に顕著である。しかも、第２実施形態では、発光部Ｅ2および受光部Ｒ2が発光部Ｅ1と受光部Ｒ1との間に位置するから、伝搬範囲Ｂ1と伝搬範囲Ｂ2との相違に起因した酸素飽和度Ｓの誤差を充分に抑制することが可能である。
＜第３実施形態＞
図７は、第３実施形態における発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との位置関係を例示する平面図である。図７に例示される通り、第３実施形態の受光部Ｒ0は、第２実施形態と同様に受光部Ｒ1と受光部Ｒ2とを包含する。受光部Ｒ1は、発光部Ｅ1から出射して測定部位Ｍを通過した近赤外光（波長λ1）を受光し、受光レベルに応じた検出信号Ｐ1を生成する。受光部Ｒ2は、発光部Ｅ2から出射して測定部位Ｍを通過した赤色光（波長λ2）を受光し、受光レベルに応じた検出信号Ｐ2を生成する。検出信号Ｐ1および検出信号Ｐ2から解析部３２が酸素飽和度Ｓを特定する構成および方法は第２実施形態と同様である。
図７は、第３実施形態における発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との位置関係を例示する平面図である。図７に例示される通り、第３実施形態の受光部Ｒ0は、第２実施形態と同様に受光部Ｒ1と受光部Ｒ2とを包含する。受光部Ｒ1は、発光部Ｅ1から出射して測定部位Ｍを通過した近赤外光（波長λ1）を受光し、受光レベルに応じた検出信号Ｐ1を生成する。受光部Ｒ2は、発光部Ｅ2から出射して測定部位Ｍを通過した赤色光（波長λ2）を受光し、受光レベルに応じた検出信号Ｐ2を生成する。検出信号Ｐ1および検出信号Ｐ2から解析部３２が酸素飽和度Ｓを特定する構成および方法は第２実施形態と同様である。
図７に例示される通り、発光部Ｅ1と受光部Ｒ1とを通過する直線Ｘ1と、発光部Ｅ2と受光部Ｒ2とを通過する直線Ｘ2とは、平面視で相互に交差する。直線Ｘ1は、発光部Ｅ1の中心と受光部Ｒ1の中心とを通過し、直線Ｘ2は、発光部Ｅ2の中心と受光部Ｒ2の中心とを通過する。図７に例示される通り、直線Ｘ1と直線Ｘ2とは相互に直交する。
直線Ｘ1は、発光部Ｅ2と受光部Ｒ2との中点にて直線Ｘ2に交差する。同様に、直線Ｘ2は、発光部Ｅ1と受光部Ｒ1との中点にて直線Ｘ1に交差する。発光部Ｅ1と受光部Ｒ1との距離δ1が、発光部Ｅ2と受光部Ｒ2との距離δ2を上回るという条件は、第１実施形態および第２実施形態と同様である。以上の説明から理解される通り、第２実施形態では、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ1と受光部Ｒ2とが、検出面２８に画定される菱形の各頂点に位置する。以上の構成によれば、発光部Ｅ1からの出射光の伝搬範囲Ｂ1と、発光部Ｅ2の出射光の伝搬範囲Ｂ2とが、直線Ｘ1と直線Ｘ2との交点の下方において相互に近接または重複する。
以上に説明した通り、第３実施形態においても、発光部Ｅ1と受光部Ｒ1との距離δ1が発光部Ｅ2と受光部Ｒ2との距離δ2を上回るから、発光部Ｅ1からの出射光の伝搬範囲Ｂ1と発光部Ｅ2からの出射光の伝搬範囲Ｂ2とを相互に近接または重複させることが可能である。したがって、第２実施形態と同様に、発光部Ｅ1と発光部Ｅ2との伝搬範囲Ｂの相違に起因した誤差を抑制して酸素飽和度Ｓを高精度に特定できるという利点がある。また、第３実施形態では、発光部Ｅ1および受光部Ｒ1を通過する直線Ｘ1と発光部Ｅ2および受光部Ｒ2を通過する直線Ｘ2とが相互に交差するから、発光部Ｅ1および受光部Ｒ1と発光部Ｅ2および受光部Ｒ2とを、相互間の過度な接近や干渉を回避しながら検出面２８に配置できるという利点がある。
なお、図７では、直線Ｘ1と直線Ｘ2とが直交する構成を例示したが、直線Ｘ1と直線Ｘ2とが交差する角度は直角に限定されない。例えば、図８に例示される通り、直線Ｘ1と直線Ｘ2とが非直角で交差するように発光部Ｅ1と受光部Ｒ1と発光部Ｅ2と受光部Ｒ2とを配置することも可能である。なお、直線Ｘ1と直線Ｘ2とを交差させた第３実施形態の構成では、発光部Ｅ1と受光部Ｒ1との距離δ1が発光部Ｅ2と受光部Ｒ2との距離δ2を上回る構成が好適である。ただし、図８の例示のように、距離δ1と距離δ2とを同等の距離として直線Ｘ1と直線Ｘ2とを交差させた構成も採用され得る。
＜第４実施形態＞
以上の各形態では、筐体部１２とベルト１４とを具備する携帯型の測定装置１００を例示した。第４実施形態の測定装置１００は、筐体部１２やベルト１４を含まない測定モジュールである。具体的には、図９に例示される通り、第４実施形態の測定装置１００は、制御装置２０と記憶装置２２と検出装置２６とを基板４０（例えば配線基板）上に実装した構成の電子部品である。なお、図１０に例示される通り、制御装置２０と記憶装置２２とを基板４０上に実装し、制御装置２０および記憶装置２２と比較して測定部位Ｍに近い位置に検出装置２６を配置した構成も好適である。例えば表示装置２４が設置された筐体に第４実施形態の測定装置１００（測定モジュール）を組込むことで携帯機器が構成される。制御装置２０と記憶装置２２と検出装置２６との各々の構成や機能は、前述の各形態と同様である。なお、検出装置２６の単体（制御装置２０や記憶装置２２を含まない部分）を、筐体部１２やベルト１４等を省略した測定モジュールの形態で実現することも可能である。
以上の各形態では、筐体部１２とベルト１４とを具備する携帯型の測定装置１００を例示した。第４実施形態の測定装置１００は、筐体部１２やベルト１４を含まない測定モジュールである。具体的には、図９に例示される通り、第４実施形態の測定装置１００は、制御装置２０と記憶装置２２と検出装置２６とを基板４０（例えば配線基板）上に実装した構成の電子部品である。なお、図１０に例示される通り、制御装置２０と記憶装置２２とを基板４０上に実装し、制御装置２０および記憶装置２２と比較して測定部位Ｍに近い位置に検出装置２６を配置した構成も好適である。例えば表示装置２４が設置された筐体に第４実施形態の測定装置１００（測定モジュール）を組込むことで携帯機器が構成される。制御装置２０と記憶装置２２と検出装置２６との各々の構成や機能は、前述の各形態と同様である。なお、検出装置２６の単体（制御装置２０や記憶装置２２を含まない部分）を、筐体部１２やベルト１４等を省略した測定モジュールの形態で実現することも可能である。
＜変形例＞
以上に例示した各形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を適宜に併合することも可能である。
以上に例示した各形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を適宜に併合することも可能である。
（１）前述の各形態では、発光部Ｅ1が近赤外光を出射するとともに発光部Ｅ2が赤色光を出射する構成を例示したが、発光部Ｅ1および発光部Ｅ2による出射光の波長λは以上の例示に限定されない。例えば、発光部Ｅ1が緑色光（λ1＝５２０ｎｍ）を出射するとともに発光部Ｅ2が近赤外光（λ2＝９００ｎｍ）または赤色光（λ2＝７００ｎｍ）を出射する構成も採用され得る。図４を参照して説明した通り、緑色光の深達度は近赤外光および赤色光の深達度を下回る。すなわち、以上に例示した各構成は、発光部Ｅ1が波長λ1の光を出射するとともに、測定部位Ｍに対する深達度が波長λ1の光を上回る波長λ2の光を発光部Ｅ2が出射し、発光部Ｅ1と受光部Ｒ0との距離δ1が発光部Ｅ2と受光部Ｒ0との距離δ2を上回る構成として包括的に表現される。
（２）酸素飽和度Ｓを演算で算定することも可能である。検出信号Ｐを利用した酸素飽和度Ｓの算定について以下に検討する。まず、光減衰に関するランベルト・ベールの式は以下の数式(3)で表現される。
数式(3)の記号Ｅdは脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光度を意味し、記号Ｅoは酸素化ヘモグロビンのモル吸光度を意味する。記号Ｃaはヘモグロビン濃度を意味し、Δｌaは光路長を意味する。記号ΔＩoutは、前述の変動成分Ｑ1(AC)または変動成分Ｑ2(AC)に相当し、記号Ｉoutは、前述の定常成分Ｑ1(DC)または定常成分Ｑ2(DC)に相当する。波長λ1の光に関する変数（Ｑ1(AC)，Ｑ1(DC)）を数式(1)に適用した結果と、波長λ2の光に関する変数（Ｑ2(AC)，Ｑ2(DC)）を数式(1)に適用した結果との間の比は、以下の数式(4)で表現される。数式(4)では、波長λ1に関する要素に符号[λ1]が付加され、波長λ2に関する要素に符号[λ2]が付加されている。
発光部Ｅ1からの出射光の伝搬範囲Ｂ1と発光部Ｅ2からの出射光の伝搬範囲Ｂ2とが共通すると仮定すれば、数式(4)の右辺の分子および分母におけるヘモグロビン濃度Ｃaと光路長Δｌaとが消去されるから、変動比Φと酸素飽和度Ｓとの関係を記述する以下の数式(5)が導出される。脱酸素化ヘモグロビンのモル吸光度（Ｅd[λ1]，Ｅd[λ2]）および酸素化ヘモグロビンのモル吸光度（Ｅo[λ1]，Ｅo[λ2]）は既知であるから、検出信号Ｐから算定した変動比Φを解析部３２が数式(5)に適用することで、酸素飽和度Ｓを算定することが可能である。
数式(4)から数式(5)の導出では、発光部Ｅ1からの出射光の伝搬範囲Ｂ1と発光部Ｅ2からの出射光の伝搬範囲Ｂ2とが共通すると仮定した。透過型の光学センサーでは、前述の通り、発光部Ｅ1からの出射光と発光部Ｅ2からの出射光とが測定部位Ｍの内部で相互に近接した経路を伝搬するから、前述の仮定が適切に成立する。しかし、反射型の光学センサーにおいて伝搬範囲Ｂ1と伝搬範囲Ｂ2とが実際には相違する場合には前述の仮定が有効に成立しないから、数式(5)では酸素飽和度Ｓを高精度に算定することは困難である。
前述の各形態では、発光部Ｅ1からの出射光の伝搬範囲Ｂ1と発光部Ｅ2からの出射光の伝搬範囲Ｂ2とを相互に近接または重複させ得るから、数式(4)から数式(5)の導出における仮定は有効である。したがって、反射型の光学センサーにも関わらず、数式(5)の演算により酸素飽和度Ｓを高精度に算定できるという利点がある。
（３）前述の各形態では、発光部Ｅ1および発光部Ｅ2の２個の発光部Ｅを具備する検出装置２６を例示したが、検出装置２６に３個以上の発光部Ｅを設置することも可能である。各発光部Ｅからの出射光の伝搬範囲Ｂを近接または重複させるという観点からは、発光部Ｅの個数に関わらず、出射光の深達度が低い発光部Ｅほど受光部Ｒ0から遠い位置に配置した構成が好適である。３個以上の発光部が設置された構成は、特定の２個の発光部のうちの一方を第１発光部として他方を第２発光部としたときに本発明の要件を充足すれば、他の発光部の如何に関わらず本発明の範囲に包含される。
（４）前述の各形態では、被験者の手首に装着可能な測定装置１００を例示したが、測定装置１００の具体的な形態（装着位置）は任意である。例えば、被験者の身体に貼付可能なパッチ型，被験者の耳介に装着可能なイヤリング型，被験者の指先に装着可能な指装着型（例えば着爪型），被験者の頭部に装着可能なヘッドマウント型等、任意の形態の測定装置１００が採用され得る。ただし、例えば指装着型等の測定装置１００を装着した状態では日常生活に支障がある可能性が想定されるから、日常生活に支障なく常時的に酸素飽和度Ｓを測定するという観点からは、被験者の手首に装着可能な前述の各形態の測定装置１００が特に好適である。なお、腕時計等の各種の電子機器に装着（例えば外付け）される形態の測定装置１００も実現され得る。
（５）前述の各形態では酸素飽和度Ｓを測定したが、生体情報の種類は以上の例示に限定されない。例えば、脈拍や血流速，血圧を生体情報として測定する構成、および、血中グルコース濃度，ヘモグロビン濃度，血中酸素濃度，中性脂肪濃度等の各種の血液成分濃度を生体情報として測定する構成も採用され得る。なお、血流速を生体情報として測定する構成では、共振器による共振を経て射出される狭帯域でコヒーレントなレーザー光を出射するレーザー照射器が発光部Ｅとして好適に利用される。
１００…測定装置、１２…筐体部、１４…ベルト、２０…制御装置、２２…記憶装置、２４…表示装置、２６…検出装置、Ｅ1，Ｅ2…発光部、Ｒ0，Ｒ1，Ｒ2…受光部、３２…解析部、３４…報知部。
Claims (9)
- 第１波長の光を出射する第１発光部と、
測定部位に対する深達度が前記第１波長の光を上回る第２波長の光を出射する第２発光部と、
前記測定部位から到達する光の受光レベルに応じた検出信号を生成する受光部と、
前記検出信号に応じた生体情報を取得する解析部とを具備し、
前記第１発光部と前記第２発光部と前記受光部とは、前記測定部位に対向する検出面に設置され、前記第１発光部と前記受光部との距離は、前記第２発光部と前記受光部との距離を上回る
測定装置。 - 前記第１発光部と前記第２発光部と前記受光部とは直線上に位置する
請求項１の測定装置。 - 前記受光部は、
前記第１発光部から出射して前記測定部位を通過した光を受光する第１受光部と、
前記第２発光部から出射して前記測定部位を通過した光を受光する第２受光部とを含み、
前記第１発光部と前記第１受光部との距離は、前記第２発光部と前記第２受光部との距離を上回る
請求項１の測定装置。 - 前記第１発光部と前記第２発光部と前記第１受光部と前記第２受光部とは、直線上に位置する
請求項３の測定装置。 - 前記第１発光部および前記第１受光部は、前記第２発光部と前記第２受光部との間に位置する
請求項４の測定装置。 - 前記第１発光部と前記第１受光部とを通過する直線と、前記第２発光部と前記第２受光部とを通過する直線とは相互に交差する
請求項３の測定装置。 - 前記第１波長の光は、近赤外光であり、
前記第２波長の光は、赤色光である
請求項１から請求項６の何れかの測定装置。 - 前記第１波長の光は、緑色光であり、
前記第２波長の光は、近赤外光または赤色光である
請求項１から請求項６の何れかの測定装置。 - 生体情報の生成に使用される検出信号を生成する検出装置であって、
第１波長の光を出射する第１発光部と、
測定部位に対する深達度が前記第１波長の光を上回る第２波長の光を出射する第２発光部と、
前記測定部位から到達する光の受光レベルに応じた検出信号を生成する受光部と
を具備し、
前記第１発光部と前記第２発光部と前記受光部とは、前記測定部位に対向する検出面に設置され、前記第１発光部と前記受光部との距離は、前記第２発光部と前記受光部との距離を上回る
検出装置。
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