JP2017205383A - 生体情報測定用プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】偏光を利用して外乱光の影響を低減しＳ／Ｎ比を向上させる。【解決手段】生体部位２００に装着される投光ユニット１及び受光ユニット２を備える。投光ユニットは、一の偏光方向の偏光３１（３３）のみを投光し、受光ユニットは、投光ユニットから投光され、生体部位を経由した光であって、投光ユニットが投光する偏光と同じ偏光方向の偏光のみを透過させる偏光透過素子２１と、偏光透過素子を透過した光の受光強度を電気信号に変換する受光素子２２と、を有し、受光素子の受光部２２ａは、偏光透過素子で覆われることにより、投光ユニットが投光する偏光と異なる偏光方向の光から遮蔽されている。【選択図】図１

Description

本発明は、手指、耳その他の生体部位に装着され、血中酸素飽和度、脈拍等の生体情報の測定に用いられる生体情報測定用プローブに関する。

脈拍や血中酸素飽和度等の生体情報を測定することで、被検者の身体の状態を客観的に観察することが可能である。この生体情報の測定において、人体の手指等に装着されるプローブを備えた光電脈波計やパルスオキシメータ等の光電脈波測定装置が用いられている。例えば、前記パルスオキシメータは、まず、被検者の手指等に装着された前記プローブから異なる２波長の光（赤色光と赤外光）を投光し、生体（手指）を経由した光の光量変化を検出する。そして、検出された光量変化より得られる２波長脈波波形に基づいて、血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）を求めるものである。

このような人体の外側に装着される生体情報測定用プローブにあっては、外乱光の遮断が課題となる。
特許文献１に記載の発明にあっては、外乱光を遮蔽する外枠と、指先脈波を検知する透過光のみを受光部に透過するフィルタを有している。
特許文献２に記載の発明にあっては、指への装着が容易でかつ適度な接触圧を確保し、その指の動きと外乱光にもかかわらず安定してデータ取得することを課題として、放射手段を備えた板状弾性体と検知手段を備えた板状弾性体と間に被測定体（指）を挿入するようにした。
特許文献３に記載の発明にあっては、反射光検出器において、発光側の偏光方向と受光側の偏光方向とを、任意に設定することにより、受光する反射光の成分を適切に選択する一方で、発光側の発光波長と、受光側の共振波長とを、外光の影響を受けにくい帯域に選択し、かつ、一致させることで、外光の影響を少なくすることとしている。

特開平１−２３２９２８号公報 特開平６−３１９７２７号公報 特開平１０−２１１１７６号公報

特許文献１，２に記載の発明にように、外乱光の遮断のために外枠や密着する板状弾性体を設けると、プローブ全体としての形状設計の自由度が低下し、サイズが大きくなるという問題がある。
特許文献３に記載の発明にあっては、外乱光の遮断のために、発光側と受光側とで波長を一致させるために、受光側にフィルタを設置するので、センサー部を安価、かつ、軽薄に作製するには不利である。
これに対し本願発明者らは、受光部に偏光板を設ける場合、偏光板を透過しない偏光方向の外乱光を遮断できることに着目し、外乱光の影響を低減することを課題として本発明に至った。

すわなち、本発明は、生体部位に装着され、生体情報の測定に用いられる生体情報測定用プローブにおいて、偏光を利用して外乱光の影響を低減しＳ／Ｎ比を向上させることを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、生体部位に装着される投光ユニット及び受光ユニットを備え、当該生体部位から生体情報を取得するための生体情報測定用プローブであって、
前記投光ユニットは、一の偏光方向の偏光のみを投光し、
前記受光ユニットは、
前記投光ユニットから投光され、当該生体部位を経由した光であって、前記投光ユニットが投光する偏光と同じ偏光方向の偏光のみを透過させる偏光透過素子と、前記偏光透過素子を透過した光の受光強度を電気信号に変換する受光素子と、を有し、
前記受光素子の受光部は、前記偏光透過素子で覆われることにより、前記投光ユニットが投光する偏光と異なる偏光方向の光から遮蔽された生体情報測定用プローブである。

請求項２記載の発明は、前記投光ユニットは、前記一の偏光方向の偏光のみを発光する発光素子を有する請求項１に記載の生体情報測定用プローブである。

請求項３記載の発明は、前記投光ユニットは、発光素子と、前記発光素子から出射した光のうち前記一の偏光方向の偏光のみを透過させる偏光透過素子とを有する請求項１に記載の生体情報測定用プローブである。

請求項４記載の発明は、前記投光ユニットは、発光素子と、前記発光素子の光を前記一の偏光方向の偏光とこれに直交する偏光に分離する偏光分離素子と、後者の偏光を前記一の偏光方向に変換する偏光変換素子と、を有し、前者の偏光と、前記偏光変換素子で変換された偏光とを投光する請求項１に記載の生体情報測定用プローブである。

請求項５記載の発明は、前記投光ユニットは、異なる２波長の偏光を投光し、前記受光素子は、当該２波長の偏光のそれぞれの受光強度を電気信号に変換する請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の生体情報測定用プローブである。

請求項６記載の発明は、血中酸素飽和度を測定するパルスオキシメータに適用される生体情報測定用プローブであり、
前記投光ユニットが、赤色光の偏光と赤外光の偏光とを投光する請求項５に記載の生体情報測定用プローブである。

請求項７記載の発明は、前記受光ユニットが、前記投光ユニットから投光され、前記生体部位を透過した光を受光するように設けられる請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の生体情報測定用プローブである。

請求項８記載の発明は、前記受光ユニットが、前記投光ユニットから投光され、前記生体部位で反射した光を受光するように設けられる請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の生体情報測定用プローブである。

請求項９記載の発明は、リング状の形態に構成された請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載の生体情報測定用プローブである。

請求項１０記載の発明は、前記投光ユニットはＳ偏光のみを投光し、前記偏光透過素子はＰ偏光を遮断し、Ｓ偏光を透過させる請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載の生体情報測定用プローブである。

本発明によれば、受光素子の受光部は、偏光透過素子で覆われることにより、投光ユニットが投光する偏光と異なる偏光方向の光から遮蔽されているから、投光ユニットが投光する偏光、すなわち 信号光を受光する一方、信号光と異なる偏光方向の外乱光を遮断し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

本発明の生体情報測定用プローブの３つの実施形態の構成ブロック図(a)(b)(c)である。 本発明の生体情報測定用プローブを含む生体情報測定装置の一例を示す斜視図(a)と、プローブ部分の構成の一例を示す構成ブロック図(b)と、プローブ部分の構成の他の一例を示す構成ブロック図(c)である。 本発明の生体情報測定用プローブを含む生体情報測定装置の一例を示す斜視図(a)と、プローブ部分の構成ブロック図(b)である。 本発明の生体情報測定用プローブを一体に含む生体情報測定装置の一例を示す斜視図である。 パルスオキシメータの原理を説明するための模式図である。 Ｈｂ（ヘモグロビン）とＨｂＯ_２（酸化ヘモグロビン）の吸光係数の波長特性を示すグラフである。 生体組織を透過する赤色光と赤外光の透過光強度比と、血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）との関係を示すグラフである。 入射側の屈折率が透過側に比べ大きい場合のＳ偏光とＰ偏光の反射率の入射角度依存性の傾向を示すグラフである。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１から図４に示すように本実施形態の生体情報測定用プローブ１００は、手指などの生体部位２００に装着される投光ユニット１及び受光ユニット２を備え、生体部位２００から生体情報を取得するための生体情報測定用プローブである。図１にはプローブの構成ブロックを、図２から図４にはプローブの様々な装置形態、装着形態の例を示す。

図１に示すように投光ユニット１は、一の偏光方向の偏光３１（３３）のみを生体部位２００に投光する。
受光ユニット２は、投光ユニット１から投光され、生体部位２００を経由した光であって、投光ユニット１が投光する偏光と同じ偏光方向（前記一の偏光方向）の偏光のみを透過させる偏光透過素子２１と、偏光透過素子２１を透過した光の受光強度を電気信号に変換する受光素子２２とを有する。
受光素子２２の受光部２２ａは、偏光透過素子２１で覆われることにより、投光ユニット１が投光する偏光と異なる偏光方向の光から遮蔽されている。
このようにして一の偏光方向の偏光のみを測定光とするものである。

図１(a)に示すように投光ユニット１は、一の偏光方向の偏光のみを発光する発光素子１１を有するものであってもよい。
図１(b)に示すように投光ユニット１は、非偏光の光３０を発光する発光素子１２と、発光素子１２から出射した光のうち一の偏光方向の偏光３１のみを透過させる偏光透過素子１３とを有するものであってもよい。

図１(b)の場合、発光素子１２から出射した光のうち一の偏光方向の偏光３１以外の光が遮断され、生体部位２００に投光される測定光の光量が減衰するが、図１(c)に示すように投光ユニット１を構成することで測定光の光量の減衰を低減することができる。
すなわち、図１(c)に示す投光ユニット１は、非偏光の光３０を発光する発光素子１２と、発光素子１２の光を一の偏光方向の偏光３１とこれに直交する偏光３２に分離する偏光分離素子１４と、後者の偏光３２を前記一の偏光方向に変換する偏光変換素子１５とを有する。投光ユニット１は、前者の偏光３１と、偏光変換素子１５で変換された偏光３３とを投光する。前者の偏光３１と、偏光変換素子１５で変換された偏光３３とは偏光方向が同じであるから、測定光の光量の減衰を低減することができる。
偏光分離素子１４は、偏光３１を透過し、偏光３２を反射する偏光分離膜であり、光３０の入射方向に対して斜めに複数が配置される。偏光変換素子１５は、９０°の位相差を与える位相差板であり、偏光３２の光路上に配置される。

以上のように受光素子２２の受光部２２ａは、偏光透過素子２１で覆われることにより、投光ユニット１が投光する偏光と異なる偏光方向の光から遮蔽されているから、投光ユニット１が投光する偏光３１（３３）、すなわち 信号光を受光する一方、信号光と異なる偏光方向の外乱光を遮断し、Ｓ／Ｎ比が向上する。受光ユニット２を外光から厳しく遮蔽された環境に置かなくても、十分なＳ／Ｎ比が得られるので、遮光ケースなどを設けることなくプローブ１００を小型化でき、プローブ１００の形状設計の自由度が増す。

例えば、図２に示すように、プローブ１００は手指に装着可能なリング状の形態に構成される。手指の先端部がリング状のプローブ１００から突出して露出するので、被験者は作業がしやすく、日常活動を行いながらの長期的な測定でも被験者への負担が少ない。プローブ１００がリング状であり、両側に開口するため、外乱光を取り入れる隙が多くなるが、受光部２２ａが偏光透過素子２１で覆われているので、投光ユニットが投光する偏光３１（３３）と異なる偏光方向の外乱光は遮断されるため、十分なＳ／Ｎ比が得られる。

また図３(b)に示すようにプローブ１００を、受光ユニット２が投光ユニット１から投光され生体部位２００で反射した光を受光するように設けられた反射式プローブとし、図３(a)に示すように固定バンド１０１により手指などの生体部位２００に装着する装着形態とすることができる。図３(a)に示すように固定バンド１０１でプローブ１００を覆わないことにより、固定バンド１０１による生体部位２００の拘束を緩和することができ、被験者は作業がしやすく、日常活動を行いながらの長期的な測定でも被験者への負担が少ない。固定バンド１０１としては絆創膏などに適用される粘着テープが好ましい。固定バンド１０１に遮光性は必要ない。プローブ１００と生体部位２００との境界が遮光性のある材料で覆われないので、外乱光を取り入れる隙が多くなるが、受光部２２ａが偏光透過素子２１で覆われているので、投光ユニットが投光する偏光３１（３３）と異なる偏光方向の外乱光は遮断されるため、十分なＳ／Ｎ比が得られる。

なお、図２に示すリング状の形態にあっては、図２(b)に示すように受光ユニット２が、投光ユニット１から投光され、生体部位２００を透過した光を受光するように投光ユニット１に対向して設けられた透過式プローブを実施するほか、図２(c)に示すように反射式プローブとして実施することももちろん可能である。
図２に示すリング状の形態にあっては、少なくとも内径が柔軟に変化するように弾性材料を適用することが好ましい。個人差による手指のサイズの違いに対応するとともに、手指への適度な保持圧を得るためである。同時に同弾性材料により外乱光を遮光するように構成してもよい。細い手指に装着された場合などは、外乱光を取り入れる隙が多くなるが、受光部２２ａが偏光透過素子２１で覆われているので、投光ユニットが投光する偏光３１（３３）と異なる偏光方向の外乱光は遮断されるため、十分なＳ／Ｎ比が得られる。

なお、測定対象となる生体部位２００は、指のほか腕や耳その他であってもよい。腕や耳であれば、被験者は作業がしやすく、日常活動を行いながらの長期的な測定でも被験者への負担が少ない。生体部位２００が指の場合は指輪型の形態、腕の場合は反射式として腕時計型の形態、耳の場合はイヤリング型の形態にプローブ１００を構成し実施することができる。

図２、図３に示す形態にあっては、プローブ１００は演算部及び表示部１５３を備えた測定装置本体１５０から独立しており、測定装置本体１５０とケーブル１５１で繋がれている。図４に示す形態では、プローブ１００は演算部及び表示部１５３を備えた本体と一体である
以上の観点の異なる各形態を適宜組合せ、様々な形態で実施できる。例えば、腕時計型にする場合、指に比較して腕は光の透過率が低いため反射式とし、指や耳に装着するより大きなスペースが使えて耳と異なり目視できるため演算部及び表示部を備えた本体と一体型とする。
腕時計型とする場合、時計機能や他の機能を設けて腕時計や腕時計型のウェアブルコンピューターとしてもよい。ほぼ常時身に着けて測定することにより、様々な活動（歩く、走る、泳ぐ、自転車をこぐ、食事する、就寝する等）における生体情報を測定が可能である。被験者は、長時間、プローブ１００を身に着けても痛みや圧迫感がないように、緩く装着したい。緩く装着すると、外乱光を取り入れる隙が多くなるが、受光部２２ａが偏光透過素子２１で覆われているので、投光ユニットが投光する偏光３１（３３）と異なる偏光方向の外乱光は遮断されるため、十分なＳ／Ｎ比が得られる。

プローブ１００は、血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）を測定するパルスオキシメータに適用することができる。その他にも特殊ヘモグロビン（一酸化炭素ヘモグロビン、Metヘモグロビンなど）、血中に注入された色素などの血中吸光物質をパルスフォトメトリーの原理を用いて測定する装置(パルスフォトメータ)に適用できる。この場合、投光ユニット１は、測定対象物質への吸光度の異なる２波長の偏光を投光し、受光素子２２は、当該２波長の偏光のそれぞれの受光強度を電気信号に変換する。同電気信号に基づき上記演算部が測定値を演算して表示部１５３に表示する。なお、パルスフォトメトリーの原理とは、対象物質への吸光特性が異なる複数の波長の光を生体組織に透過させ、その透過光の光量を連続的に測定することで得られる脈波から対象物質の濃度を求めるものである。
単純に脈拍数のみを測定できる装置に適用しても高いＳ／Ｎ比で測定が可能である。この場合、２波長は必要ない。

血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）を測定するパルスオキシメータにあっては、図５(a)に示すように投光ユニット１が、赤色光（Ｒ）の偏光と赤外光（ＩＲ）の偏光とを投光する。投光ユニット１は赤色光（Ｒ）の偏光の投光と赤外光（ＩＲ）の投光とを時分割で行い、これに対応して受光ユニット２がそれぞれの偏光の信号を検出する。パルスオキシメータの測定原理は既に一般的に利用されているものであり、その概要を示すと以下のとおりである。
図５(a)に示すように投光ユニット１から赤色光（Ｒ）の偏光と赤外光（ＩＲ）の偏光とを投光し、受光ユニット２で受光しその受光強度を電気信号に変換して、受光ユニット２の出力電気信号を増幅し演算部１５２に入力し、演算部が２波長のそれぞれにつき、図５(c)に示すような透過光強度を算出する。
図５(b)に示すように投光した光は動脈血層、静脈血層、血液以外の組織で吸光されるが、動脈血層は継時的に厚みが変動し図５(c)に示すように透過光強度に変動成分として現れるから、演算部１５２でこの動脈血の変動成分を抽出する。
図６に示すように血液中のＨｂ（ヘモグロビン）とＨｂＯ_２（酸化ヘモグロビン）は、赤色光（Ｒ）の吸光係数に差があり、赤外光（ＩＲ）対してはほぼ同じである。そのため、赤色光と赤外光の透過光強度比は、血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）に対し図７に示す関係があり、同強度比から血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）を求めることができる。
演算部１５２は、次式に示す赤色光（Ｒ）と赤外光（ＩＲ）の変動成分の強度比ｐを算出し、別途観血式により求めた血中酸素濃度と同強度比ｐとの相関を参照して、同強度比ｐから血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）の値を算出する。また、演算部１５２は、変動成分の周期に基づき脈拍も算出し、血中酸素飽和度（ＳｐＯ_２）と脈拍数を表示部１５３に表示する。

図８は、Ｓ偏光とＰ偏光の反射率の入射角度依存性の傾向を示す一例である。Ｓ偏光は垂直（０°）入射が最も反射率が低く、０°から離れると反射率が増加する傾向がＰ偏光より高い。よって、どの角度においても透過率はＳ偏光の方が高い。そこで、投光ユニット１が投光する偏光３１（３３）をＳ偏光とし、偏光透過素子２１を、Ｓ偏光を透過しＰ偏光を遮断する偏光透過素子とし、偏光３１（３３）を生体部位２００に垂直に投光する構成とすることが好ましい。これにより、投光ユニット１及び受光ユニット２の側方から入射して入射角度が大きくなる外乱光のＳ偏光成分の透過率を低く抑えることができる。これによりＳ偏光成分の透過率を低く抑え、Ｐ偏光成分は遮断されるから、外乱光を効率よく排除できる。プローブ１００を透過式とすることで偏光３１（３３）を生体部位２００に垂直に投光する構成とすることが容易である。偏光透過素子の透過する偏光状態は、Ｐ偏光とＳ偏光どちらでも効果はあるが、Ｓ偏光を透過させた方がより効果がある。

１ 投光ユニット
２ 受光ユニット
１１ 発光素子
１２ 発光素子
１３ 偏光透過素子
１４ 偏光分離素子
１５ 偏光変換素子
２１ 偏光透過素子
２２ 受光素子
２２ａ 受光部
３０ 非偏光
３１ 偏光
３２ 偏光
３３ 偏光
１００ 生体情報測定用プローブ
１０１ 固定バンド
１５０ 測定装置本体
１５１ ケーブル
１５２ 演算部
１５３ 表示部
２００ 生体部位

Claims (10)

1. 生体部位に装着される投光ユニット及び受光ユニットを備え、当該生体部位から生体情報を取得するための生体情報測定用プローブであって、
   前記投光ユニットは、一の偏光方向の偏光のみを投光し、
   前記受光ユニットは、
   前記投光ユニットから投光され、当該生体部位を経由した光であって、前記投光ユニットが投光する偏光と同じ偏光方向の偏光のみを透過させる偏光透過素子と、前記偏光透過素子を透過した光の受光強度を電気信号に変換する受光素子と、を有し、
   前記受光素子の受光部は、前記偏光透過素子で覆われることにより、前記投光ユニットが投光する偏光と異なる偏光方向の光から遮蔽された生体情報測定用プローブ。
2. 前記投光ユニットは、前記一の偏光方向の偏光のみを発光する発光素子を有する請求項１に記載の生体情報測定用プローブ。
3. 前記投光ユニットは、発光素子と、前記発光素子から出射した光のうち前記一の偏光方向の偏光のみを透過させる偏光透過素子とを有する請求項１に記載の生体情報測定用プローブ。
4. 前記投光ユニットは、発光素子と、前記発光素子の光を前記一の偏光方向の偏光とこれに直交する偏光に分離する偏光分離素子と、後者の偏光を前記一の偏光方向に変換する偏光変換素子と、を有し、前者の偏光と、前記偏光変換素子で変換された偏光とを投光する請求項１に記載の生体情報測定用プローブ。
5. 前記投光ユニットは、異なる２波長の偏光を投光し、前記受光素子は、当該２波長の偏光のそれぞれの受光強度を電気信号に変換する請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の生体情報測定用プローブ。
6. 血中酸素飽和度を測定するパルスオキシメータに適用される生体情報測定用プローブであり、
   前記投光ユニットが、赤色光の偏光と赤外光の偏光とを投光する請求項５に記載の生体情報測定用プローブ。
7. 前記受光ユニットが、前記投光ユニットから投光され、前記生体部位を透過した光を受光するように設けられる請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の生体情報測定用プローブ。
8. 前記受光ユニットが、前記投光ユニットから投光され、前記生体部位で反射した光を受光するように設けられる請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の生体情報測定用プローブ。
9. リング状の形態に構成された請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載の生体情報測定用プローブ。
10. 前記投光ユニットはＳ偏光のみを投光し、前記偏光透過素子はＰ偏光を遮断し、Ｓ偏光を透過させる請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載の生体情報測定用プローブ。

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