JP3576168B2 - 低ノイズ光学プローブ - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、エネルギーの感知に関する。更に詳細には、本発明は改良された感知メカニズムによって信号のノイズを低減することに関する。
関連技術の説明
エネルギーはしばしば媒体の特性を決定するために該媒体を通して透過されたり又は該媒体から反射されたりする。例えば、医学分野では検査のために患者の体から物質を摘出する代わりに、光又は音のエネルギーをその患者の体に入射させ、伝達された（又は反射された）エネルギーが測定されて該光が通過した該物質についての情報を決定する。このタイプの非侵入測定は患者にとってより快適であり、より素早く行うことができる。
身体機能を非侵入に生理学にモニターすることががしばしば必要である。例えば、手術中、血圧及び身体の有効な酸素供給、即ち血液酸素飽和量、がしばしばモニターされる。このような測定は、身体の一部、例えば手の指等の指又は耳たぶ、又は額を介した透過光（又は反射光）の入射率を測定して評価を行う非侵入技術を使用してしばしば行われる。
光学エネルギーの透過は、これが身体を通過する時、その光が通過する物体の厚み、即ち光路長に大きく左右される。患者の身体の大部分は一般に柔らかくて圧縮可能である。例えば、手の指は皮膚、筋肉、組織、骨、血液等を含む。骨は比較的圧縮不可能であるが、組織や筋肉等はその指が動く時にしばしば起こるように、指に加えられた圧力によって簡単に圧縮可能である。従って、光学エネルギーが指に入射されてその患者がその指を歪めたり又は圧縮するような方法で動けば、その光路長は変化する。一般に患者は不規則に動くので、その指の圧縮は不規則である。これは光路長を不規則に変化させ、その吸収を不規則にし、その結果、測定信号を解釈することが困難になる。
多くのタイプの非侵入モニター装置は、エネルギーが媒体、例えば手の指や身体の他の部分等を透過した時に明確且つ認識可能な信号を生成しようとして改良されてきた。一般的な光学プローブにおいては、発光ダイオード（LED）がその媒体の片側に配置され、光検出器が該媒体の対向サイドに配置される。従来の多くの光学プローブは、先にも述べたように、動作によって誘導されたノイズ（以下「動作誘導ノイズ」）は測定信号を大きく歪めるので、患者が比較的動かない状態でのみ使用されるように設計されている。一般に、プローブはLEDと媒体との間、及び光検出器と該媒体との間の接触を最大にし、LED、媒体、及び光検出器の間の強力な光結合を促進することによって、強力な出力信号強度を発生させる。このようにして、患者が一般に動かない時に該媒体を介して強力且つ明確な信号が透過される。
例えば、ジャエブ（Jaeb）らの米国特許番号第4,880,304号は、中央突出部を含む平らな底面を有するハウジングを含むパルス酸素計、又は血液酸素飽和量モニターのための光学プローブについて開示しており、この中央突出部には複数の発光ダイオード（LED）及び一つの光学検出器が取り付けられている。該プローブが患者の組織の上にのせられると、この突出部分はLED及び該検出器を該組織に押圧させ、その皮膚への該センサの光結合を改善させる。他の実施の形態（ジャエブの特許における図4a及び図4b）において、LED及び検出器は中央チャンバ内で、該プローブが配置される組織に関して一般に水平に設置されている。ミラー及びプリズムのセットによって、光はLEDからチャンバ内のポリマーシール材を介して組織に向けられ、該シール材は該組織と接触して該組織と良好な光結合を行う。
タン（Tan）らの米国特許番号第4,825,879号は、垂直な軸及び水平なクロスバーを有するＴ型ラップを使用して光源及び光学センサを指に光学接触させるよう固定する、光学プローブについて開示している。光源は垂直軸の片側のウィンドウに配置され、センサは該垂直軸の対向サイドのウィンドウに配置される。指はこの軸に揃えられ、この軸は光源及びセンサが該指を挟んで反対側に置かれるように、折り曲げられる。次に、クロスバーが指の周りにラップされて該ラップを固定し、これによって光源及びセンサを該指に接触させたまま良好な光結合を生成させる。
ジョブシス（Jobsis）らの米国特許番号第4,380,240号は、光源及び光検出器が微妙に変形可能な取り付け構造内のチャネル内に組み込まれた光学プローブについて開示しており、この取り付け構造はひもに接着されている。環状の粘着テープが光源及び検出器の上に配置される。光源及び検出器は、ひもを身体の一部のまわりに閉めた圧力及び粘着テープによって身体の表面にしっかり固定される。他の実施の形態は、身体を光源及び検出器に吸い着けさせる加圧シール及びポンプメカニズムを提供する。
リッチ（Rich）らの米国特許番号第4,865,038号は、柔軟な非常に薄い断面を有する光学プローブを開示している。ダイLED及びダイ光検出器はフレキシブルなプリント回路ボードの上に配置され、エポキシビードによってカプセルに入れられている。LED及び光検出器に揃えて配置された環状の開口部を有するスペーサが、さらされた回路ボードの上に配置される。透明なトップカバーが該スペーサの上にかぶせられ、該回路ボードの下に配置されたボトムカバーでシールされて、これによって該プローブを汚染物質から密閉する。装置を強化するために背（spine）が加えられてもよい。装置の柔軟性によって、該装置を身体に締め付けることが可能になり、LED及び光検出器の上のエポキシビードをスペーサの開口部から突出させて身体との良好な光学接触が行われるようにトップカバーに押圧させる。
マス（Muz）らの米国特許番号第4,907,594号は、連続壁ゴム被覆が手の指にはめられる光学プローブについて開示している。２つの壁の間に加圧されたチャンバが形成されるようにポンプが指先に配置され、これによってLED及び光検出器が内側壁内に配置されて指と接触する。
上記の光学プローブのそれぞれは、LED、患者、及びプローブの間を最大限に接触させることによって光検出器で強力な測定信号を発生させるように設計されている。しかしこの最大限の接触によって、患者が動く時に患者の身体の圧縮可能部分が、該患者の身体のこれらの部分を圧縮する表面に接触することになる。これは、光学エネルギーが通過する物質の厚みに大きな変化、即ち光路長における変化及び動いている間に静脈血が動くことによって拡散が起こることによる変化を生じさせ得る。光路長の変化は、所望の情報を決定することを困難又は不可能にする程の歪みを測定信号において生成し得る。従って、信号を測定する間の動作誘導ノイズ、即ち動作アーチファクトを抑止する一方、検出器によって測定されるのに充分な強度の透過信号又は反射信号を生成するプローブが必要になる。
発明の概要
本発明は侵入及び非侵入エネルギー吸収（又は反射）測定の両方で使用するためのプローブに関する。基板は、測定が行われる物質、例えば手の指、耳たぶ、額、つま先、器官、又は組織の一部等に一般に対応した形で形成される。基板は前端部、後端部、頂部及び底部を含む。開口部が基板の頂部に形成される。該開口部がチャンバへの入口になる。光検出器のような検出器が該チャンバ内の、一般にチャンバの底部に取り付けられる。測定が行われる物質は、該物質の圧縮可能な任意の部分が該チャンバに直接隣接するように該基板の上に配置される。次に該物質の圧縮可能部分は該チャンバ内の上に載せられる又は該チャンバ内に入れられる。該チャンバは、チャンバ内に挿入された任意の物質が圧縮を起こすものに接触しないように充分な深さを有する。
LEDのような光源は、光検出器の対向サイドで該物質に固定される。LEDは光エネルギーを発光し、該光エネルギーは光路長に沿って又は光が伝搬する物質の厚みに沿って該物質内を伝搬して該物質に吸収される。減衰した光エネルギー信号が該物質から出てきてチャンバ内に入る。光は該物質内を伝搬するときに該物質によって拡散され、広範囲の角度に渡ってチャンバ内に透過される。光検出器は、該物質によって透過された信号の強度を示す電気信号を生成する。この電気信号はプロセッサに入力され、該プロセッサはこの信号を分析して光エネルギーが透過した媒体についての情報を決定する。
本発明のプローブは開口部及びチャンバを有し、これらによって光エネルギーが通過する物質の容易に圧縮可能な部分をチャンバ内に落ち着かせて圧縮されないようにすることが可能になる。これにより、光源と検出器との間の光学パスの障害が少なくなる。LEDは一般にチャンバ及び光検出器に揃えられるので、光エネルギー信号はチャンバの上に載せられた又は該チャンバ内に収容された該物質の該部分の中を伝搬する。チャンバ内では光エネルギーが通過する物質に物理的に接触して圧縮を生じるものが何もないので、該チャンバによって該物質の圧縮可能部分が動作中であっても実質的に圧縮されないまま維持することができる。従って、物質の厚み又は光路長が安定し、動作中に静脈血の動きが最小限に止められることによって、測定信号の信号対ノイズ比が改善される。
本発明の一つの好適な実施の形態において、チャンバに拡散媒体が充填される。該拡散媒体は、測定される物質が該拡散媒体に接触しても圧縮されないように、順応性のあるプラスチック又は高圧縮可能物質によって有利に形成される。該拡散媒体は、該物質内における局部的なアーチファクト及び摂動の影響を最小限にする手助けをする。こうして増大された光学信号対ノイズ比が観測される。拡散媒体もまた該物質との光結合を改善する。
他の好適な実施の形態において拡散媒体は光源と該物質との間に置かれ、更に他の実施の形態では拡散媒体は光源と該物質との間及び該物質と光検出器との間に置かれる。これらの実施の形態のそれぞれは、改善された光学信号対ノイズ比を提供する。
更に他の好適な実施の形態では、光源及び／又は光検出器と組み合わせて油浸レンズが使用される。特に好適な実施の形態において、界浸レンズは、光源及び／又は光検出器として使用される半導体ダイオードの上に部分的球面を形成するエポキシバンプを配置することによって形成され、信号対ノイズ比を改善する。
【図面の簡単な説明】
図１はＮ個の異なる成分を含む媒体の概略図である。
図2aは、パルス酸素計に使用される時の本発明の光学プローブによって測定される理想的なプレチスモグラフ信号を表す。
図2bは、パルス酸素計に使用される時の本発明の光学プローブによって測定される現実的な信号を図示している。
図３は、単一セグメントのチャンバを有する本発明のプローブの斜視図である。
図４は、検出器を内部に有する単一セグメントのチャンバを表す本発明のプローブの断面図である。
図５は、基材物質のシェル上に載せられた検出器を有する本発明のプローブの断面図である。
図６は、集光レンズを組み入れた本発明のプローブの断面図である。
図７は、LEDを内部に有する単一セグメントのチャンバを表す本発明のプローブの断面図である。
図８は、コリメートレンズアセンブリを組み入れた本発明のプローブの断面図である。
図９は、LED及び検出器がチャンバの中央軸に沿って揃えられない、本発明のプローブの断面図である。
図10は、２セグメントのチャンバを有する本発明のプローブの他の実施の形態の斜視図である。
図11は、検出器を内部に有する２セグメントのチャンバを組み入れた図10のプローブの他の実施の形態の断面図である。
図12は、２セグメントのチャンバ内に集光レンズを組み入れた図10のプローブの他の実施の形態の断面図である。
図13は、３セグメントのチャンバを有する本発明のプローブの斜視図である。
図14は、検出器を内部に有する３セグメントのチャンバを組み入れた図13のプローブの断面図である。
図15は、光コリメートレンズを組み入れた、図13のプローブの他の実施の形態の断面図である。
図16は、指に使用されるように特に設計された本発明のプローブの斜視図である。
図17は、爪、皮膚、骨、組織、筋肉、血等を含む手の指の図である。
図18は、図16のプローブの断面図である。
図19は、図16のプローブの長手方向の断面図である。
図20は、集光レンズを組み入れた図16のプローブの他の実施の形態の断面図である。
図21は、反射測定に使用されるように設計された本発明のプローブの断面図である。
図22は、一つ以上の側面で物質が圧縮可能な場合に非侵入測定に有利に使用されるプローブの断面図である。該プローブは２つの基体を有し、各基体は検出器又はエネルギー源を収納するためのチャンバを有し、これによって動作アーチファクトを減少する。
図23は、チャンバ内の検出器の表面上にエネルギーを有利に収束又は”集中”させる反射面を有する一般に円錐形のチャンバを有し、測定信号を改良するプローブの断面図である。
図24は、本発明のプローブを有利に使用する一つのシステムの略図である。
図25は、開口部に圧縮可能な拡散媒体を充填したプローブの断面図である。
図26は、LEDと物質との間に拡散媒体を有する透過アセンブリによって測定される物質からLEDが離間されているプローブの断面図である。
図27は、LEDと物質との間及び該物質と光検出器との間に拡散媒体を設置したプローブの断面図である。
図28は、本発明に従ったプローブの好適な実施の形態の断面図であり、この実施の形態は光検出器及びLEDのための油浸レンズを有し、LEDと検査物質との間及び検査物質と光検出器との間に配置された拡散物質を有する。
発明の詳細な説明
物質の検査は、特に物質の標本を採取して検査することが難しい又は高価な場合にしばしば有利である。例えば、物理的な測定の場合、患者から血液又は組織を不必要に採取することなくその患者をモニターすることがしばしば望ましい。エネルギーが物質を伝搬するときのエネルギー吸収の既知の特性は、そのエネルギーが通過した物質についての情報を決定するために使用される。エネルギーは物質に入射され、該物質を透過した又は該物質から反射したエネルギーによって測定がなされる。
測定信号の振幅は、エネルギーが通過した物質の厚み、又は光路長と同様、動いた時の静脈血の不規則な動きに大きく依存する。A₁からA_NまでのＮ個の異なる成分を含む図式的な媒体20が図１に表されている。媒体20を透過したエネルギーは等式（１）に従ってだいたい減衰され、

ここでε_ｉはｉ番目の成分の吸収率であり、x_iは光エネルギーが通過したｉ番目の成分の厚み、即ちｉ番目の光路長であり、及びc_iは厚みX_iにおけるｉ番目の成分の濃度である。
エネルギー吸収は、エネルギーが通過する媒体20を構成するA₁からA_Nまでの成分の厚みに大きく依存するため、例えば動きによって該媒体20の厚みが変化するとき、個々の成分A₁からA_Nの厚みは変化する。
媒体20はしばしば無作為に又は不規則に動く。例えば、媒体20は患者の身体の簡単に圧縮可能な部分、例えば指等であり、その患者が動くと、該媒体20はA₁からA_Nまでの成分の個々の厚みX₁からX_Nを圧縮して不規則に変化させる。この不規則な変化は測定信号に大きなエクスカーションを生じさせ、動作誘導ノイズ又は動作アーチファクトのない時のような所望の信号を識別することを非常に困難にさせ得る。
例えば、図2aは本発明の一つのアプリケーション、つまりパルス酸素計において測定された理想的な所望の信号波形（Ｙで示されている）を図示している。図2bは同じくパルス酸素計アプリケーションで測定されたより現実的な波形Ｓを図示しており、理想的な所望の信号波形Ｙ＋動作誘導ノイズｎを含む即ちＳ＝Ｙ＋ｎである。動作アーチファクトがいかに所望の信号部分Ｙを読みにくくするががよく分かる。
図３は、測定信号への動作アーチファクトの影響を大きく低減する、本発明の光学プローブ100の一つの実施の形態の斜視図である。図４は、本発明の光学プローブ100を図３のライン４−４に沿って切り取った断面図を表す。図３の斜視図を明確にするために、測定が行われる物質128はプローブ100の近くに配置して表されていない。しかし、測定が行われる物質128は図４に表されている。図３及び図４に図示されているように、頂部112、底部114、前端部116及び後端部118を有する基板110は、好ましくは硬くて不透明な物質によって作られる。しかし、該プローブ100は例えば硬い、弾力のある、不透明な、又は透明な物質からつくられてもよい。
開口部120が基板110の頂部112に形成されている。一般に開口部120は基板100の長さの４分の１の地点と半分の地点との間に位置する。開口部120は、丸、四角、又は三角を含むあらゆる形でもよいが、これらに限定されない。一つの実施の形態において、チャンバ122の側断面図（図示されていない）は開口部と同じ形である。チャンバ122の中央軸124は、該開口部120に垂直且つ該開口部120の中央部分を一般に通って延在するラインによって画定される。
図４の実施の形態において、光源130（一般に発光ダイオード（LED））は物質128の隣りに固定され、チャンバ122の中央軸124に沿ってチャンバ122の対向サイドに揃えられる。一般に、医療用テープ等の接着材は、LED130を物質128に固定するために使用される。光検出器等の検出器126は、チャンバ122内に配置される。光検出器126の中央部分は一般にチャンバ122の中央軸124に沿って一般にチャンバ122の底部114で揃えられる。光検出器126は幾つかの異なる方法（接着材、圧入、又は対象物の波長の範囲を超えて光を透過する透明なエポキシ樹脂を含むがこれらに限定されない）に従ってチャンバ122内に固定される。一般に、光検出器126がチャンバ122内にどのように配置されても、チャンバ122の底面114は例えば圧入又はペイント若しくはテープ等によって不透明に作られる。
吸収測定が行われる物質128は少なくとも一部が簡単に圧縮可能な物質128であることがしばしばである。該物質128の容易に圧縮可能な部分はチャンバ122の直接となり（例えば上）に配置される。開口部120を囲む領域はチャンバ122を被う物質を支持する。チャンバ122は該開口部120の上に位置する物質128の任意の圧縮可能な部分が該チャンバ122内に押し込まれることができるように充分な幅を有する。従って、物質122はチャンバ122の上に載せられる又は該チャンバ122内に僅かに入れられることができ、これによって該物質128を圧縮する摂動、例えば物質128が触れられたときに起こる圧力から保護される。
本実施の形態において、チャンバ122の深さは、0.5mm〜10mmの範囲であり、好ましくは２〜4mm、更に好ましくは３〜4mmである。同様に、開口部120の直径は、本実施の形態において、特定のアプリケーションで必要とされているように3mm〜20mmである。例えば該開口部は大人用よりも新生児用の方が小さいであろう。これらのサイズは、物質がヒトの皮膚である場合、該物質128の摂動及び圧縮を減少させるのに効果的であることが分かった。
チャンバ122は、物質128が動かされたときでも光検出器126及びチャンバ122の底部114が物質128の容易に圧縮可能な部分と接触しないよう充分な深さを有する。従って、チャンバ122の中央軸124に沿って、物質128の容易に圧縮可能な部分に物理的に接触して圧縮をもたらすものはなにもない。この領域において物質128の圧縮が僅かしか、又は全く無ければ、物質128の厚み、即ち該物質128を伝搬する光エネルギーの光路長は、光検出器の視野において実質的に安定する。圧縮による静脈血の動きもまた光検出器の視野において最小限に止められる。
LED130は既知の波長で光を発光する。この光は物質128を通って伝搬し、減衰信号がチャンバ122内に透過されて光検出器126に受信される。LED130からの光が物質128内を伝搬する時、該光は物質128によって拡散され、これによって非常に複雑な形で広範囲の角度に渡ってチャンバ122内に透過される。従って、該光のうちの一部は、チャンバ122の不透明壁123に入射され、吸収される。信号は、光検出器126が物質128の直ぐ隣りにあるときに比べ、チャンバ122の底部114の光検出器126に到達するまでにより大きな光学距離を通って伝わり、これによって光検出器126と物質128とが直接結合することを妨げるが、結果的に低下した信号強度は、測定信号における光路長の安定化及び結果的なノイズの低減によって補われる。光検出器126は光検出器126に入射された光エネルギーの強度を示す電気信号を生成する。該電気信号はプロセッサ内に入力され、該プロセッサはこの信号を分析して該光エネルギーが通過した媒体128の特性を決定する。
基板110の不透明性は、光検出器126で測定された信号を妨害し得る周囲光を吸収する。これは信号の質を更に改善する。更に、チャンバ122の不透明な底部114は光検出器126で測定される所望の信号を不鮮明にし得る周囲光から光検出器126を保護する。従って、減衰した信号の強度の正確な測定が光検出器126で行われることができる。
チャンバ122の他の実施の形態が、図５に正面の断面図で表されている。基板110材料のシェル131は、チャンバ122の底部114をカバーする。光検出器126はチャンバ122内でシェル131に、一般にLED130に沿って取り付けられる。光検出器126はシェル131の小さな穴（図示されていない）を通してプロセッサに電気的に接続されている。シェル131は光検出器126で測定される信号の信号対ノイズ比を大きく劣化させ得る周囲光から光検出器126を保護する。チャンバ122の底部114は本発明のプローブのどの実施の形態においてもシェル付き又はシェルなしで形成されてよい。
図６は、集光レンズ132がチャンバ122内の、チャンバ122の上に置かれる又は該チャンバ122内に貫入される物質128と光検出器126との間に配置された、本発明のプローブ100の他の実施の形態の正面の断面図を表す。レンズ132は、基板110の頂部112にある開口部120に平行に揃えられた一般に平らな一つの表面132aを有し、該表面132aは、チャンバ122内に貫入される物質128がレンズ132の該平らな表面132aに接触しないよう充分な深さのところに位置する。レンズ132の他の表面132bは一般にチャンバ122の底部114にある光検出器126の方向に向かう頂点を有する凸形である。レンズ132は光学接着材、レンズ保持リング、又は圧入を含むがこれらに限定されない幾つかの方法で、チャンバ122内に保持される。チャンバ122は光路長を安定させ、及び動作アーチファクトを減少させるために上記と同じ方法で機能する。集光レンズ132は、物質128内を伝搬したときに拡散された光の多くを収集し、この光を光検出器126に入射させる。これによってより強い測定信号を生成する。
図７は、光検出器126及びLED130の位置が入れ替わった、本発明のプローブ100の他の実施の形態を表す。LED130はチャンバ122内の、一般にはチャンバ122の底部114に、チャンバ122の中央軸124に揃えて一般に配置される。LED130は、圧入、接着材、又は対象物の波長範囲（例えばLEDが発する波長ぐらい）を超えて光を伝搬する透明なエポキシ樹脂を含むがこれらに限定されない幾つかの異なる方法に従って、チャンバ122内に固定されてもよい。更に、物質128は該物質128の圧縮可能部分をチャンバ122上に直接載せて基板110上に配置される。LED130、光検出器126及びチャンバ122がチャンバ122の中央軸124に揃えられるようにして光検出器126はLED130の対向サイドで物質128に取り付けられる。光検出器126には一般に不透明な物質が取り付けられている。例えば、光検出器126は不透明テープで物質128に取り付けられ、これによって周囲光によって起こる信号の劣化を制限する。ここでも光検出器126はプロセッサに電気的に接続されている。
この実施の形態のプローブ100は、チャンバ122内に取り付けられた光検出器126を有するプローブ100の実施の形態と実質的に同じように機能する。チャンバ122は物質128の容易に圧縮可能な部分をチャンバ122の上に落ち着かせる又は該チャンバ122内に貫入させることによって光路長を安定させ、これによって光路長を安定させて動作アーチファクトを実質的に減少させる。これは、光検出器126又はLED130がチャンバ122内に取り付けられているか否かにかかわらず、そうである。
図８は、LED130がチャンバ122内に配置されている本発明のプローブ100の他の実施の形態の断面図を表す。コリメートレンズアセンブリ140はチャンバ122内で、該チャンバ122の上に載せられた又は該チャンバ122内に貫入された物質128とLED130との間に配置される。コリメートレンズアセンブリ140は従来技術で良く知られているので、該レンズアセンブリ140は図８で略図で示される。該コリメートレンズアセンブリ140はチャンバ122内の、該チャンバ122内に貫入される任意の物質128が該レンズアセンブリ140に接触しないように充分な深さのところに配置される。該レンズアセンブリ140は光学接着材、レンズ保持リング、又は圧入を含むがこれらに限定されない幾つかの方法によって、チャンバ122内に保持される。チャンバ122は、光路長を安定させ、動作アーチファクトを減少させるために上記と同じように機能する。コリメートレンズアセンブリ140は、LED130からの光をチャンバ122上の物質128に収束させることによって拡散の少ない信号を光検出器126の平面上に提供し、これによって光検出器126をより効果的に利用する。
図９は、LED130及び光検出器126がチャンバ122の中央軸124に揃えられていない本発明のプローブの他の実施の形態を表す。光は物質128内で拡散され、LEDから発光された光の少なくとも一部を光検出器126に到達させて測定させる。LED130から発光され物質128によって拡散された光が測定されるのに充分大きな強度で光検出器126まで到達する限り、LED130及び光検出器126は揃えられる必要はない。LED130及び光検出器126を同じ軸に揃えるとLED130から発光された光をより直接的に光検出器126まで到達させるが、本発明のプローブの操作には必要ではない。同じアプリケーションにおいて、揃えないことの方がかえって有利である場合もある。本発明のプローブの実施の形態ではこれは真実であることが分かるであろう。更に、チャンバ122の幅一杯の光検出器126が、チャンバ122に向けられた光のより多くを光検出器126の表面に入射させてより強度な測定信号を発生させることにおいて有利であることを理解されたい。しかし、適当な強度の測定信号を生成するために充分なエネルギーを得るあらゆるサイズの光検出器126が適用可能である。これは本発明のプローブのどの実施の形態にも当てはまることを理解されたい。
マルチセグメントのチャンバ222を含む本発明のプローブ200の他の実施の形態の斜視図が図10に図示されている。図11は、本発明のプローブ200を図10のライン11−11に沿って切り取った断面図が表されている。図10の斜視図を明確にするために、測定が行われる物質228は該プローブ200に隣接して配置されているようには表されていない。しかし、図11では物質228はプローブ200の隣りに図示されている。
図10及び図11に図示されているように、頂部212、底部214、前端部216及び後端部218を有する基板210は好ましくは硬くて不透明な物質からできている。しかし、プローブ200は例えば硬い、弾力のある、不透明な、又は透明な物質から作られることができることも理解されたい。図３〜図９のプローブ100に関して先に述べた開口部120に類似した任意の形の開口部220が、基板210に形成される。開口部220はマルチセグメントのチャンバ222の安定セグメント222aへの穴を形成する。チャンバ222の安定セグメント222aの側断面図（図示されていない）は一般に開口部220と同じ形をしている。安定セグメント222aの壁223aは、一般に開口部220に垂直である。チャンバ222の中央軸224は、一般に開口部220に垂直且つ該開口部220及びチャンバ222の中央部分を通って延在するラインによって画定されている。
取り付けセグメント222bは安定セグメント222bの下に直に隣接して配置され、境界225のそばで安定セグメント222bに接続されている。取り付けセグメント222bは安定セグメント222aの中央軸224を共有し、一般に幅が狭い。取り付けセグメント222bの壁223bは、一般に中央軸224に平行である。取り付けセグメント222bは図11に図示されたように基板210の底部214を通って延びる、又は取り付けセグメント222bは基板210の底部214の直ぐ上に延び、基板210材料のシェル（図示されていない）をチャンバ222の底部214に残す。
光検出器226はチャンバ222の取り付けセグメント222b内であって一般に取り付けセグメント222bの底部214に配置され、光検出器226の中央部分を一般にチャンバ222の中央軸224に揃えさせる。チャンバ222の取り付けセグメント222bは、光検出器226がチャンバ222の安定セグメント222a内に貫入しないように充分な深さである。光検出器226は接着剤、圧入、又は対象物の波長の範囲を超えて光を透過する透明なエポキシ樹脂を含むがこれらに制限されない幾つかの異なる方法に従ってチャンバ222内に固定される。この実施の形態において、チャンバ222の底部214は例えばペイント若しくはテープによって、又はチャンバ222が形成される時にチャンバ222の底部に基体210材料のシェル（図示されていない）を残すことによって不透明にされる。光検出器226は本発明のプローブ100の先の実施の形態における光検出器126と同様に、プロセッサに電気的に接続されている。
エネルギー吸収物質228（検査される物質）が図11の断面図に表されたように基板210の上に配置される。物質228の一部がチャンバ222の上に載せられる。更に、チャンバ222の安定セグメント222aは、該物質228の任意の容易に圧縮可能な部分がチャンバ222の安定セグメント222a内に貫入されるように充分な広さを有する。チャンバ222の安定セグメント222aは、安定セグメント222aの中に入る物質228の該部分が、物質228が動かされても安定セグメント222a内にある圧縮を引き起こす物体に接触しないように充分な深さを有する。
発光ダイオード（LED）230は開口部220の対向サイドで物質228に隣接して固定される。LED230は物質228を通って光検出器226に直接入射される光の量を最大にするために中央軸224に沿って有利に揃えられる。しかし、光検出器226及びLED230の位置は、図７に関連して先に述べたように入れ替えることができることを理解されたい。更に、コリメートレンズアセンブリ（図示されていない）が図８に関して述べられたようにチャンバ222に付け加えられることもできる。コリメートレンズアセンブリは、後に述べる集光レンズ232と同じ様にチャンバ222内に保持されてもよい。更に、LED230及び光検出器226は図９に関連して述べたように揃えられなくてもよいことを理解されたい。
LED230からの光が物質228内を伝搬するとき、この光は該物質228によって拡散され、広範囲の角度にわたってチャンバ222内に透過される。従って、該光の一部はチャンバ222の不透明壁223a及び223bに入射されて吸収される。しかし、光検出器226及びLED230を中央軸224に沿って有利に揃えることによって、該光の大部分は光検出器226の表面に入射される。物質228は安定セグメント222a上及びその中で実質的に圧縮されないままなので、該光が通る厚み、即ち光路長は実質的に安定化される。こうして、測定信号の信号対ノイズ比はチャンバ222による動作アーチファクトの抑制によって改善される。
プローブ200の他の実施の形態において、図12の断面図に表されたように集光レンズ232がチャンバ222内に挿入される。レンズ232は、安定セグメント222aと取り付けセグメント222bとの間の境界225で有利に支持される。該レンズは光学接着材、レンズ保持リング、又は圧入を含むがこれらに限定されない幾つかの方法で、所定の場所に保持される。レンズ232は、一般に安定セグメント222aと取り付けセグメント222bとの間の境界225に沿って揃えられた平らな表面232a、及びチャンバ222の取り付けセグメント222b内に延びる一般に凸形の表面223bを有する。チャンバ222の安定セグメント222aは、該レンズ232がチャンバ222内に貫入された圧縮可能物質228のどこにも接触しないように、充分な深さを有する。
レンズ232は平らな表面232aに入射された光を収集する。該レンズが無かった場合にチャンバ222の壁223a及び223bによって吸収されるような角度で平らな表面232aに入射される光の多くは、これで光検出器226に向けられる。従って、該物質228を透過した光の大部分は光検出器226に入射され、より強度な測定信号を生成することができる。
３つのセグメント322a、322b、322cを有するチャンバ322を取り入れた本発明のプローブ300の他の実施の形態の斜視図が図13に表されている。プローブ300は、頂部312、底部314、前端部316、及び後端部318を有する基板310を有する。基板310は一般に硬い不透明な物質で作られる。しかし、基板310は例えば硬い、弾力のある、透明な、又は不透明な他の物質から作られてもよいことを理解されたい。この実施の形態のチャンバ322の断面図が図14に図示されている。図13の斜視図を明確にするために、測定が行われる物質328はプローブ300に隣接して位置しているようには表されていない。しかし、該物質328は図13に断面図で示されている。上記の開口部120及び220と同様に任意の形の開口部320が基板310に形成される。開口部320は３セグメントチャンバ322の安定セグメント322aへの穴を形成する。チャンバ322の安定セグメント322aの側断面（図示されていない）は一般に開口部320と同じ形である。安定セグメント322aの壁323aは一般に開口部320に垂直である。チャンバ322の中央軸324は、開口部320に垂直且つ開口部320及びチャンバ322の中央部分を通過して延びるラインによって画定されている。
第二に、チャンバ322の移行セグメント322bはチャンバ322の安定セグメント322aに隣接している。頂部の境界325aは、チャンバ322の移行セグメント322bと安定セグメント322aとの間に形成されている。移行セグメント322bは安定セグメント322aと同じ中央軸324を共有する。移行セグメント322bの壁323bは、移行セグメント322bの底部境界325bが移行セグメント322bの頂部境界325aよりも小さい寸法を有するように、内側に角度を取る。
移行セグメント322bの底部境界325bは、チャンバ322の取り付けセグメント322bにつながっている。取り付けセグメント322cは安定セグメント322a及び移行セグメント322bの中央軸324と同じ中央軸を共有し、一般に安定セグメント322a及び移行セグメント322bよりも幅が小さい。取り付けセグメント322cの壁323cは、一般に中央軸324に平行である。従って、チャンバ322の中央軸324に垂直に切られた取り付けセグメント322cの任意の断面は、一般にチャンバ322の移行セグメント322bの底部境界325bと殆ど同じ形である。取り付けセグメントは図示されたように基板310の底部314を通って延びてもよい。又は、取り付けセグメント322cは基板310の底部314の直ぐ上に延び、基板310材料のシェル（図示されていない）を３セグメントチャンバ322の底部314に残してもよい。
光検出器326はチャンバ322の取り付けセグメント322c内であって、この実施の形態においてチャンバ322の底部314に配置される。光検出器326の中央部分はチャンバ322の中央軸324に揃えられる。チャンバ322の取り付けセグメント322cは光検出器326がチャンバ322の安定セグメント322a内に貫入しないように充分な深さを有する。光検出器326は、接着材、圧入、又は対象物の波長の範囲を超えて光を透過する透明なエポキシ樹脂を含むがこれらに限定されない幾つかの異なる方法に従って、チャンバ322内に固定されてもよい。この実施の形態において、チャンバ322の底部314は、例えば圧入、ペイント、又はテープ等によって不透明にされる。光検出器326は、本発明のプローブの先の実施の形態の光検出器126及び226と同じように、プロセッサに電気的に接続される。
エネルギー吸収物質328の一部が図14の断面図に表されたようにプローブ300の上に配置される場合、この物質はチャンバ322の上に載せられる。更に、チャンバ322の安定セグメント322aは物質328の簡単に圧縮可能な部分がチャンバ322の安定セグメント322a内に入るように充分な幅である。チャンバ322の安定セグメント322aは安定セグメント322a内に貫入される物質328の容易に圧縮可能な部分が、物質328が動かされたときでも安定セグメント322a内にある物質328を圧縮するおそれのある物体に接触しないように充分な深さがある。チャンバ322は該圧縮可能物質328を、該物質328を圧縮して該物質328を介する光路長を変化させるような接触から保護する。
LED330は開口部320の対向サイドで該物質328に固定される。LED330は中央軸324に沿って有利に揃えられ、物質328を通って光検出器326に直接入射される光の量を最大にする。光検出器326およびLED330の位置は、図７に関して述べられたように入替え可能であることを理解されたい。更に、コリメートレンズアセンブリ（図示されていない）は図８に関して述べられたようにチャンバ322に加えられることができる。該コリメートレンズアセンブリは後に記す集光レンズ332と同様にチャンバ322内に保持されてもよい。更に、LED330及び光検出器326は、図９に関して述べられたように、揃えられなくてもよい。
LED330からの光は物質328を通って伝搬し、物質328によって拡散され、広範囲の角度にわたってチャンバ322に透過される。従って、この光の一部はチャンバ322の不透明壁323a、323b、323cに入射され、吸収される。しかし、光検出器326及びLED330をチャンバ322の中央軸324に沿って有利に並べることによって、該光の大部分を光検出器326の表面に入射させることができる。物質328は安定セグメント322aの上及び内部で実質的に圧縮されないままなので、光が通る厚み、即ち光路長は、実質的に安定する。従って、測定信号の信号対ノイズ比は、動作アーチファクトの抑制によって改善される。更に測定信号の信号対ノイズ比の改善を補助するのは、光検出器326を周囲光から保護する取り付けセグメント322cの不透明底部314である。
本発明のプローブ300の他の実施の形態において、集光レンズ332が、図15に断面図で表されたチャンバ322の移行セグメント322bに加えられる。レンズ332は移行セグメント322b内で支持され、光学接着材、レンズ保持リング、又は圧入を含むがこれらに限定されない幾つかの方法によって移行セグメント322b内に保持されてもよい。該レンズはチャンバ322の移行セグメント322bの頂部境界325aに揃えられた一般に平らな表面332a、及びチャンバ322の移行セグメント322b内に延びる一般に凸状の表面325bを有する。チャンバ322の安定セグメント322aは、チャンバ322の上に置かれた又は該チャンバ322内に貫入された簡単に圧縮可能な物質328に該レンズ322が接触しないように充分な深さを有する。
レンズ332は、該平らな表面332aに入射された光を収集する。もしレンズ332が無かったらチャンバ322の壁323a、323b、323cによって吸収されたであろうような角度でこの表面332aに入射された光の大部分は、これで光検出器326の方へ向けられる。従って、該物質328を通って透過した光の大部分は光検出器326上に入射され、より強力な測定信号を生成する。
上記実施の形態のそれぞれにおける移行セグメント322bの壁323bは、安定セグメント322aにおける大きな幅から取り付けセグメント322cにおける小さい幅に移行するために傾けられる必要はないことを理解されたい。取り付けセグメント322cの壁323bは、中央軸324に一般に平行に揃えることができるが、移行セグメント322bの幅を安定セグメント322aの幅より小さく、且つ取り付けセグメント322cの幅より大きくする距離に配置される。
図16は、特に指で使用するために設計された本発明の他のプローブ400の斜視図を表す。図を簡単にするためにこの実施例は手の指に関するが、この実施例は任意の指にも同様に関することができることを理解されたい。図17は、爪、皮膚、骨、組織、筋肉、血液等を含む手の指428の図を表す。脂肪や組織等の指のパッド404における成分は、患者の動きに応じて簡単に圧縮可能である。指428が僅かに動いただけでも指428の成分の厚みは大きく変化し、これによって測定信号において大きな動作誘導エクスカージョンが起こり、患者についての情報が決定される測定信号の所望の部分をしばしば不鮮明にする。
図16に図示されているように、フィンガープローブ400の基板410（この実施の形態においてサドル410と呼ばれる）は一般に半円筒形であり、好ましくは黒いプラスチックのような硬い、又はやや硬い、不透明な物質から作られる。しかし、サドル410は例えば硬い、弾力のある、不透明な及び、透明な物質を含む他の物質から作られても良いことを理解されたい。サドル410は頂部412、底部414、前端部416、後端部418、リッジ440、及び該リッジ440から上に向かってカーブして図18で表されたようにＵ型の断面を形成する側壁450を有する。
図16及び図18に図示されたように、開口部420はチャンバ422への入口を形成し、図19に側断面図で示されたようにサドル410の前端部416からサドル410の長さの４分の１の位置から半分の位置の間に位置する。開口部420は、丸、四角、三角を含むがこれらに限定されないいかなる形であってもよい。開口部420は、本発明のプローブの他の実施の形態100、200及び300に関連して以前述べたように、チャンバ422への入口である。チャンバ422は丸、四角、三角を含むがこれらに限定されないいかなる形であってもよい。
チャンバ422は先に述べたように一つ以上のセグメントを有する。この実施の形態に図示されているチャンバ422は３セグメントチャンバ422であり、共通の中央軸424に揃えられた安定セグメント422a、傾斜壁移行セグメント422b、及び取り付けセグメント422cを有するが、吸収測定の間に光エネルギーが通過する指428の圧縮可能部分を圧縮から保護するあらゆるチャンバ422が、可変に代用可能であることを理解されたい。更に、サドル410材料のシェル（図示されていない）が、図５に表されたプローブの実施の形態に関連して先に述べたように、チャンバ422の底部414をカバーすることもできることを理解されたい。
光検出器426はチャンバ422内であって、一般にチャンバ422の取り付けセグメント422cの底部414に配置される。光検出器426は、接着材、圧入、又は例えば対象物の波長の範囲を超えて光を透過する透明なエポキシ樹脂によって所定の場所に設置されてもよい。一般に、チャンバ422の底部414は、例えば周囲光が光検出器426に影響を与えないように、テープやペイントによって不透明にされる。
指428は、サドル410の上、開口部420に直に隣接するフィンガーパッド404の上、及びチャンバ422の上に配置される。更に、フィンガーパッド404がチャンバ422の上に載せられてもよい。開口部420及びチャンバ422の安定セグメント422aは、フィンガーパッド404の一部等のような指428の簡単に圧縮可能な部分がチャンバ422内に貫入されるように充分広い。チャンバ422の安定セグメント422aは、安定セグメント422a内に貫入される指428のどの部分も、指428が動かされた時に安定セグメント422a内において指428を圧縮し得るどの物体にも接触しないように充分な深さを有する。
LED430は一般に開口部420の対向サイドで指428に固定される。LED430は、一般に医療用テープ等の接着材によって指428にくっつけられる。LED430は中央軸424に沿って有利に揃えられ、指428を通って光検出器426に直接透過される光の量を最大にする。しかし、光検出器426及びLED430の位置は図７に関連して述べられたように入れ替え可能であることを理解されたい。更に、コリメートレンズアセンブリ（図示されていない）は図８に関連して述べたようにチャンバ422に加えられることもできる。コリメートレンズアセンブリは、以下に述べる集光レンズ432と同様にチャンバ422内に保持されてもよい。更に、LED430及び光検出器426は図９に関連して述べたように揃えられなくてもよい。
LED430は光エネルギー信号を発光し、この信号は指428内を伝搬してチャンバ422内に透過される。チャンバ422は光エネルギーが通過する指428の部分を圧縮から保護する。従って、指428を通る光路長は実質的に安定し、測定信号における動作アーチファクトは実質的に減少する。図３〜図９に関連して述べられたような単一セグメントチャンバ、又は図10〜図12に関連して述べられた２セグメントチャンバは、指428の圧縮可能部分を圧縮から保護することによって動作アーチファクトを減少させるために、本発明のフィンガープローブ400にも同様に使用されることができることを理解されたい。
図16、図18及び図19は、フィンガープローブ400の一つの実施の形態の斜視図、正面断面図、及び側断面図をそれぞれ表す。サドル410のカーブは、側壁450が指428の半円辺材型支持材を形成するように、指428の平均カーブに補正される。サドル410は前端部416と後端部418との間が約25mmであり、指の先端部406とほぼその第一間接408（図17に図示）との間の部分が、プローブの前端部416と後端部418との間もフィットするようになっている。サドル410のカーブは、一般に水平面から30゜から50゜の角度で側壁450に正接するライン460（図18に図示）によって画定される。
開口部420をサドル410の長さの３分の１から半分の位置の間の地点に配置すると、指428又はフィンガーパッド404の圧縮可能部分の一番厚いセクションをチャンバ422の上又及び該チャンバ422内に載せられる。従って、圧縮可能物質の多い指428の部分はチャンバ422によって圧縮から保護される。
図16、図18、図19及び図20に図示されたフィンガープローブ400の実施の形態において、開口部420は一般に環状であり、図18に断面図で表されたようにチャンバ422は３つのセグメント422a、422b、及び422cを有する。図16、図18、図19及び図20に図示されたフィンガープローブ400に有利に採用された寸法は、一般に円筒形で約7mmの直径を有するチャンバ422の安定セグメント422aを含む。更に、チャンバ422の安定セグメント422aは該チャンバ内に貫入される指428のどの部分も、該指428が動いたときでも実質的に摂動の無いように充分な深さを有する。従って安定セグメント422aの有利な深さは、2mmである。チャンバ422の取り付けセグメント422cもまた円筒形であり、約5mmの直径を有する。チャンバ422の移行セグメント422bは様々な直径を有し、頂部境界425aの直径が約7mmで底部境界425bの直径が約5mmであるように傾斜した壁423bを有する。最大5mmの直径を有する検出器426は、チャンバ422の取り付けセグメント422cの底部416内に配置される。
フィンガープローブ400の他の実施の形態において、集光レンズ432が図20に図示されたように本発明のフィンガープローブ400に追加されてもよい。サドル410及びチャンバ422は上記のように機能する。レンズ432は図６、図12及び図15に関連して先に述べられたように、レンズ432が無かった場合にチャンバ422の壁423a、423b、及び423cに吸収されたであろう光を集めてレンズ432上に入射させるために機能する。従って、指428を通って透過された光の大部分は光検出器426上に方向付けられ、より強度な測定信号を生成することができるようになる。
本発明のプローブの他の実施の形態が、本明細書中に述べられる原理を使用して耳たぶ、又は鼻孔若しくは唇等の身体の薄い部分に使用するために特に設計及び製造されてもよい。また、エネルギーが媒体を透過したのではなく媒体から反射したときの減衰の特性を利用した本発明のプローブの実施の形態は、同様の原則を用いて作成されることができる。
反射エネルギーを測定するために特に設計されたプローブ700は、図21に断面図で示されている。基板710は反射測定がなされる物質728に隣接して配置される。光検出器725及びLED730は、基板710内に配置される。図21に表された実施の形態において、光検出器726はチャンバ722x内に配置され、LED730はチャンバ722y内に配置される。単一セグメントのチャンバ722x及び722yが図示されているが、チャンバ722x及び722yはいかなる適切な形及びサイズであってもよい。チャンバ722x及び722yは、先述のようにチャンバ722x及び722y上に載せられる若しくは該チャンバ内に貫入される物質のどの圧縮可能部分をも圧縮から保護することによって、光路長を安定させるために機能する。
集光レンズ（図示されていない）は、図６、図12及び図15に関連して先に述べたように、光検出器726を内部に有するチャンバ722xに加えられてもよい。更に、図８に関連して先に述べたように、コリメートレンズアセンブリ（図示されていない）がLED730を内部に有するチャンバ722yに加えられてもよい。チャンバ722x及び722yは、図５に関連して先に述べたように、基板710材料のシェル（図示されていない）を有して若しくは有しないで形成されてもよい。
反射プローブ700の他の実施の形態（図示されていない）において、光検出器726を基板710から突出させ、チャンバ722y内にLED730を配置させることもできるし、又はLED730を基板710から突出させて光検出器726をチャンバ722x内に配置させることも可能である。更に、光検出器726及びLED730は単一チャンバ722内に配置されることもできる。どの実施の形態においても、チャンバ722はあらゆる適切な形のセグメントを幾つでも持つことができる。
反射に依存するプローブ700のタイプは、額等の場合のように、光検出器726及びLED730が物質728の対向サイドに配置されることができない物質について有利に利用することができる。ただし、反射プローブ700は非侵入測定が行われる必要のあるあらゆる場所、例えば唇、耳たぶ、又は手の指等に使用されることができる。
図22は、測定される物質828に隣接して２つの基板810x及び810yが配置される、本発明の他のプローブ800の断面図を表す。基板810x及び810yは物質828の対向サイドに配置される。光検出器826は基板810x内のチャンバ822x内に配置される。LED830は基板810y内のチャンバ822y内に配置される。光検出器826及びLED830は、中央軸824に実質的に沿って揃えられる。２セグメントチャンバ822x及び822yが図示されているが、チャンバ822x及びチャンバ822yはいかなる適切な形及びサイズでも良い。使用されるチャンバの形に関係なく、チャンバ822x及び822yは光路長を安定させることによって測定信号に対する動作アーチファクトの影響を減少させるために機能する。
先に述べたように、プローブ800は光検出器826を内部に有するチャンバ822xに集光レンズ（図示されていない）を加えて僅かに修正されてもよい。コリメートレンズアセンブリ（図示されていない）がLED830を内部に有するチャンバ822yに追加されてもよい。更に、チャンバ822x及び822yは基板810x及び810y材料のシェル（図示されていない）を有して若しくは有さないで形成されてもよい。プローブ800は、各チャンバ822x及び822yが、該チャンバ822x及び822yの上にそれぞれ載せられる若しくは該チャンバ内に入れられる物質828の圧縮可能なあらゆる部分を支持し且つ圧縮から保護するので、物質828が一つ以上の側面で圧縮可能であるときに特に有利である。
図23は、壁923を有するチャンバ922が光検出器926の表面上にエネルギーを収束させる、又は”集中する”ために形成された、本発明の他のプローブ900の断面図を表す。開口部920が基板910に形成され、該開口部920は一般に円錐形のチャンバ922につながっている。該基板910は測定される物質928に隣接して配置され、該チャンバ922は該物質928の容易に圧縮可能な任意の部分に直接隣接して配置される。光検出器926はチャンバ922内であって、一般にチャンバ928の底部に配置される。発光ダイオード930は物質928の上に、一般に光検出器926の対向サイドに揃えられて配置される。
先に述べたように、物質928の一部は開口部920を囲む領域によって支持されている。更に、開口部920及びチャンバ922は、物質928の容易に圧縮可能なあらゆる部分が圧縮されずにチャンバ922内に入れられるように充分な幅を有し、これによって物質928が動いているときでも該物質928のこの部分を圧縮から保護する。これによって光路長を実質的に安定させ、光検出器926で測定される信号の信号対ノイズ比を改善させる。
プローブ900で測定される信号対ノイズ比を更に改善するために、高反射金属等の反射物質がチャンバ922の壁923をカバーする。これによって、物質928によって拡散されてチャンバ922の壁に入射された光を反射させる。この円錐形によって、該光を全体的に光検出器926上に集中させる。
光検出器926の形によって、チャンバ922は光検出器926への光の集中を最大にするように有利な輪郭をとってもよい。光検出器926が平らであれば、チャンバは一般に双曲線状の断面を有して最も有利に形どられる。しかし、製造プロセスによって有りがちであるように光検出器926が球形又は僅かにカーブしていれば、チャンバは曲がっていない壁923を有する円錐形の断面を有して最も有利に形成される。
本発明プローブの他の実施の形態に関連して先に述べたように、プローブ900は集光レンズ（図示されていない）を含むように修正されることもできる。また、光検出器926の代わりにLED930がチャンバ922内に配置されることができる。チャンバ922内にLEDを入れ、コリメートレンズアセンブリ（図示されていない）をチャンバ922内に配置させることができる。２つの一般に円錐形のチャンバを有する基板910が物質928の片側に使用されることができる。隣り合わせた２つの一般に円錐形のチャンバ922を有する基板910もまた、反射測定に使用されることができる。更に、光検出器926及びLED930は中央軸924に沿って揃えられる必要はない。
図24は酸素計と組み合わせて本発明に従って構成されたプローブの一つの実施の形態を図示している。酸素計は、光減衰測定を使用する従来技術において公知のいかなる酸素計であってもよい。一つの可能な酸素計のブロック図が図24に描かれている。図24に表された酸素計は、フィンガープローブ400が使用されるパルス酸素計であり、異なる波長で測定された２つの信号（そのうち１つは一般に赤色信号で、もう１つは一般に赤外線信号である）が指428を交互に通過する。光検出器426で測定された信号は、次に体内に提供可能な酸素の量を決定するために処理される。これは酸化された及び脱酸化されたヘモグロビンを両方含む血液中の酸化ヘモグロビンの飽和量を発見することによって評価される。
２つのLED430a及び430b（LED430aは赤色波長を発光し、LED430bは赤外線波長を発光する）が指428の隣に配置される。フィンガープローブ400は指428の下に配置され、開口部420及びチャンバ422がフィンガーパッド404の直接隣りに配置される。チャンバ422の底部414内にある光検出器426は、増幅器530を含む共通の処理回路の単一チャネルに接続され、この増幅器530は帯域通過フィルタ540に接続されている。該帯域通過フィルタ540は複数の出力チャネルを有する同期復調器内に信号を通過させる。１つの出力チャネルは可視波長に相当する信号のためのもので、もう一方の出力チャネルは赤外線波長に相当する信号のためのものである。
可視波長及び赤外線波長に相当する信号のための同期復調器550の出力チャネルはそれぞれ別々のパスに接続されており、各パスは更なる処理回路を含む。各パスは差動増幅器等のDCオフセット除去要素560及び562、プログラム可能ゲイン増幅器570及び572、及び低域通過フィルタ580及び582を含む。各低域通過フィルタ580及び582は、第二プログラム可能ゲイン増幅器590及び592内で増幅され、次にマルチプレクサ600に入力される。
マルチプレクサ600はアナログ／デジタル変換器610に接続され、該変換器610は今度はマイクロプロセッサ620に接続されている。マイクロプロセッサ620とマルチプレクサ600との間、マイクロプロセッサ620とアナログ／デジタル変換器610との間、及びマイクロプロセッサ620と各プログラム可能ゲイン増幅器570、572、590及び592との間には制御ラインが形成されている。マイクロプロセッサ620はさらに制御ラインを有し、この制御ラインのうち１つは画面630につながり、他のラインは２つのLED430a及び430bを有するフィードバックループ内に位置するLEDドライバ640につながっている。
LED430a及びLED430bはそれぞれ交互にエネルギーを発し、該エネルギーは指428によって吸収されて光検出器426により受け取られる。光検出器426は該光検出器426の表面にぶつかる光エネルギーの強度に対応する電気信号を生成する。増幅器530はこの電気信号を各処理のために増幅する。帯域通過フィルタ540は次に要らない高周波及び低周波を除去する。同期復調器550は該電気信号を赤色光エネルギー成分及び赤外線光エネルギーに対応する電気信号に分離する。既定の基準電圧V_refはDCオフセット除去要素560及び562によって該別々の信号のそれぞれから減算され、動作アーチファクトが無いときの吸収に相当する実質的に一定な吸収を除去する。次に、第一プログラム可能ゲイン増幅器570及び572は、操作を簡単にするために各信号を増幅する。低域通過フィルタ580及び582は各信号を統合していらない高周波成分を除去し、第二プログラム可能ゲイン増幅器590及び592は更に処理を簡易化するために各信号を増幅する。
マルチプレクサ600は赤色光エネルギー及び赤外線光エネルギーに対応する電気信号間のアナログスイッチとして働き、まず赤色光に対応する信号をアナログ／デジタル変換器610に入れ、次に赤外線光に対応する信号をアナログ／デジタル変換器610にいれる。これによって複数のアナログ／デジタル変換器610が必要なくなる。アナログ／デジタル変換器610は該データをマイクロプロセッサ620に入力し、1991年３月７日に出願された米国特許出願番号第07/666,060号（その後放棄されて1994年５月26日に出願された米国特許出願番号第08/249,690号に継続された”信号処理装置及び方法”）（これらは本発明の出願人と同じ出願人であるマシモ社（MASIMO CORPORATION）に譲渡され、その開示内容は本明細書中に援用されて、本発明の一部とする）に述べられたような既知の方法に従って酸素の飽和量を計算する。マイクロプロセッサ620は中央でマルチプレクサ600、アナログ／デジタル変換器610、及び赤色及び赤外線のチャネル両方のための第一並びに第二のプログラム可能ゲイン増幅器570、590、572、及び592を制御する。更に、マイクロプロセッサ620はLED430a及び430bの強度をサーボループ内のLEDドライバ640を介して制御し、光検出器426で受け取られる平均強度を適度な範囲に維持する。
先に述べたように、本発明のプローブは様々な酸素計システムに使用することができる。本発明の譲受人による酸素計の最近の実施の形態は、”信号処理装置”と題して1994年10月７日に出願された米国特許出願番号第08/320,154号に詳しく述べられており、当該特許の開示内容もまた本明細書中に援用されて、本発明の一部とする。
図25〜図28は、光学拡散効果によって受信された信号において改善された信号対ノイズ比が観察される本発明の他の実施の形態を描いている。図25に断面図で表されたプローブ1000は基板1010を含み、該基板は頂部1012、底部1014、及び前端部並びに後端部（図25では図示されていない）を有する。基板1010は好ましくは固く、且つプローブ1000で使用される波長に対して不透明である。開口部1020は基板1010の頂部1012に形成される。開口部1020は特定のアプリケーションに応じて円筒形（図25に図示）、円錐形、立方体、又は他の形であってもよい。開口部1020の深さは例えば0.5mm〜10mmであり、好ましくはある実施の形態において２〜4mmの深さであり、更に好ましくは３〜4mmである。更に、開口部1020の直径は、特定のアプリケーションに応じて3mm〜20mmである。本発明の発明者は、直径0.5mm未満の開口は本発明の利益を得られないことを発見した。
光源1030（例えば一つ以上の発光ダイオード）が物質1028（例えば耳たぶ、手の指、又は他の肉体の物質）の隣に固定され、光検出器1026の中央を実質的に通過する中央軸1024に沿って揃えられる。開口部1020は拡散媒体1040、例えば2.2ポンドのポリウレタン網状フォーム（順応性のあるプラスチック又は拡散ジェルが使用されてもよい）によって全体的に又は部分的に埋められる。一般に、拡散媒体は複数のfixotropic物質（例えば拡散に対して導電性の２つ以上の混合物質を有する物質）のうち１つを含む。理想的には、拡散媒体1040は酸素計のための操作可能な赤色（例えば660nm）及び赤外線（例えば940nm）波長では、光学放射線を拡散するが、多くは吸収しない。換言すると、該物質は光学的に透明であるが、それにもかかわらず光を拡散する。
操作では、光源1030（例えば本実施例における２つのLED）は（例えば赤又は赤外線スペクトルレンジの）光学放射線を発光し、該放射線は検査対象の物質1028を通過する。該光学放射線は、拡散媒体1040を透過した後光検出器1026によって受け取られる。この受け取られた光学放射線は拡散媒体1040によって拡散される。
拡散媒体1040内における光学放射線の拡散は、受信された信号の信号対ノイズ比を増大させることが分かった。物質1028（例えば肉体）の任意の特定の局所領域からの信号に与える影響が減少されると思われるので、信号対ノイズ比は改善されると考えられる。つまり、該物質の介入の前又は後に信号を拡散することによって、該信号は該物質1028のより大きな領域に渡って効果的に広がる。従って、露光領域内の局所的な摂動は、同じ局所を通過するより集中した信号よりも、より広範囲にわたる拡散ビームのほうが効果が少ないであろう。このようにして、平均信号に対する摂動の影響は低減される。
拡散媒体1040は、該物質1028が該拡散媒体1040を押圧したときに強く圧縮しないように柔らかい（即ち非常に圧縮可能性のある）べきである。該拡散媒体は光学放射線を多く吸収しないため、拡散媒体1040の圧縮は測定信号の振幅を大きく変えない。更に、順応性のあるプラスチックが使用されてもよいが、網状フォームは改善された肉体との光結合を提供するので、網状フォームが好ましい。これは網状フォームが肉体の広範囲ではなく局部的に接触するためである。肉体の広範囲にわたって接触すると、汗又は油脂の小さな液滴は肉体と拡散媒体1040との間に層を形成し得る。この層は、光学放射線を吸収するインピーダンス不整合界面を生成する。もちろん、本発明に従ってジェルが使用されてもよい。このようなジェルは金属塩又はシリカを多くは含まない。これらの物質は光を吸収するからである。
本発明の技術は改善された光学信号対ノイズ比の従来の方法から掛け離れたものである。一般に、光学放射線を集めるレンズアセンブリが光学信号の信号対ノイズ比を改善するために使用される。しかし、透過や反射による酸素計は、光学検出の非画像形成方法である。従って、画像の形成は検出目的のために重要ではない。このため、拡散は光学信号の質を改善する方法として使用されるが、拡散は光学信号の信号対ノイズ比を劣化させるものとして考えられていたので、従来の方法は光学拡散技術を使用してこなかった。
図26及び図27は、肉体の介入の前に、及び肉体の介入の前後両方に、光学拡散が行われる本発明の更なる他の実施の形態をそれぞれ図示している。図26では、酸素計プローブ1045はバッキング1055内の所定の位置にLED1030を保持する移行アセンブリ1050を更に含む。表面1063を有する拡散媒体1060はLED1030と物質1028との間に配置される。図26に図示された実施の形態において、拡散媒体1060はLED1030と接触しないが、拡散媒体1060はLED1030及び物質1028の片方又は両方に接触してもよいことを理解されたい。
拡散媒体1060はLED1030によって発光された光学放射線をより広い領域に渡って拡散する。従って、本来的に点源であるLED1030は、拡散媒体1060の表面1063の全領域に渡って均等に配分された光源に変わる。広い領域に渡って光を拡散することによって、信号対ノイズ比を改善する。
図26〜図28にみられるように、該光は拡散される。これはライトパス指示器ではなくエネルギー強度の輪郭によって表される。本発明の発明者によって認識されたように、特定のライトパスは重要ではない。重要な点は、光の強度及び光検出器並びに光源の視野である。これは油浸レンズを使用する図28の実施の形態に関連して更に説明される。
図27に表されたプローブ1065の操作は、拡散媒体1040が開口部1020内に提供されるという点を除いてはプローブ1045の操作と本質的に同じである。物質1028の両側に拡散媒体を提供することによって、物質1028の片面のみに拡散媒体を有するプローブよりも改善された信号対ノイズ比が観察されることが分かった。
図28は本発明に従ったプローブ1070の好適な実施の形態を描いたものである。図28に描かれているように、プローブ1070は透過アセンブリ1072を含み、該移行アセンブリ1072は光源1074、油浸レンズ1076、拡散媒体1078、移行アセンブリの支持表面1083に沿って開口部1082を画定するチャンバ1080を有する。検出器アセンブリ1084は同様に、支持表面1085、該支持表面1085に沿って開口部1088を画定するチャンバ1086、光検出器1090、油浸レンズ1092、及び拡散媒体1094で構成される。図28は更に光源アセンブリ1072と検出器アセンブリ1084との間に配置されたヒトの組織（例えば手の指又は耳たぶ）等の検査物質2000を図示している。
幾つかの利点が図28に表された特定の形態から得られる。まず、光検出器内に光源を組み立てる経済的な方法は、小さな半導体LED及び光検出器を使用することである。このような装置は非常に小さく、従って視野が非常に狭い。発明者は、支持表面の開口部にある組織物質2000の表面が半導体光検出器の表面及びLEDに比べて大きいため、光検出器及びLEDの視野を改善させることが有利であることに気がついた。従って、光検出器及び／又はLEDの視野を広げなければ、開口部における組織物質の界面の大部分が利用されない。先に説明したように、光の拡散は受信された信号の品質を改善する。開口部をカバーする組織物質の実質的な部分が光検出器及び／又はLEDの視野の範囲内に入るように、光検出器及び／又はLEDのための油浸レンズは半導体光検出器及びLEDの視野を拡大する。
拡散の利点のおかげで画像形成光学系は必要ではないため、非常に有利な構成は、光検出器及び／又はLEDの上に直接配置された部分的な球形のエポキシを使用することであり、このエポキシは本実施の形態において油浸レンズとして適切に機能する。一つの実施の形態において、該エポキシの屈折率は1.56が有利である。該エポキシは、光検出器及び／又はLEDを保護する働きもある。油浸レンズはエポキシのバンプを光検出器及びLEDの上に配置することによって形成されることができる。
光検出器及び／又はLED上のエポキシバンプによって形成された油浸レンズは、開口部にある（光学要素の表面と比べて大きい）組織表面に渡って透過された光エネルギーを拡散させるために、光検出器及びLEDのための視野を広げる。これは検査物質の比較的小さな光学的細部（例えば気孔、指紋、汗腺）の影響を最小にするのを助ける。
図28の有利な実施の形態において、拡散物質1080、1086もまた、先に述べたように該光の拡散を強化するためにチャンバ1080、1086内に配置される。
図28に描かれた円錐形のチャンバ1080、1086もまた、チャンバの壁がLEDからの光を吸収しない高反射物質で被覆されている場合に有利である。この円錐形は、LEDから光検出器へ該光エネルギーを反射する手助けをする。これら全ての要素が組み合わさって、プローブの信号対ノイズ比を最大にし、且つ受信された信号に対する動作アーチファクトの影響を最小にすることができる特に有利なプローブを形成する。
図28に図示されたプローブ1070の他の実施の形態において、要素が除去されても大きな利益を得ることができることを理解されたい。例えば、検出器アセンブリ1084は、支持基板やチャンバのない単なるLEDになっても光源アセンブリ1072と同じように維持されることができる。また、拡散媒体1078、1086は、光源アセンブリ1072内のチャンバ1080又は検出器アセンブリ1082内のチャンバ1086から除去されることができる。
当業者には、光を光検出器に向けるために集光レンズ、又は他の光学要素もまた本発明のいずれの光学プローブにおける該チャンバに追加されることができることが分かるであろう。当業者には更に、光検出器及びLEDの位置が上記のプローブのいずれにおいても入れ替えることができることが分かるであろう。当業者には、本発明の光学プローブの基板に形成された任意のチャンバの底部が、チャンバによってもたらされる動作アーチファクトの減少に影響を与えずに、露光されたり、透明テープ等の物質によってカバーされたり、又は基板材料のシェルによってカバーされたりすることができることが分かるであろう。更に、当業者には、光検出器及びLEDの両方を該プローブの基板に取り付けることによって本発明のプローブで反射測定を行うことができることが分かるであろう。また、当業者には、１つ以上の信号が一度に測定できるように、複数のLED又は光検出器が該チャンバ内に取り付けられる、又は該物質に固定させることができることが分かるであろう。更に、当業者には、検出器又はLEDが内部に取り付けられたチャンバを有する任意の材料によって、本発明に従って非侵入吸収（又は反射）測定における動作アーチファクトの影響を減少させることが分かるであろう。
本発明のプローブは、手の指、耳たぶ、唇、又は額に行われる測定を含むがこれらに限定されない、透過された若しくは反射したエネルギーの測定が行われる状況で使用されることを理解されたい。従って、プローブの形の変化、プローブが製造される材料（硬い物質及び弾力のある物質を含む）の変化、及びチャンバの形、寸法、及び位置の変化を含むがこれらに限定されない、多くの他の実施の形態があることが当業者には分かるであろう。更に、チャンバはエネルギーを検出器に方向付けるのを補助するために反射物質で全体的に、又は部分的に被覆されてもよい。更に、本発明のプローブは、他のタイプのエネルギーの測定で使用されてもよい。測定で使用されるのに最も有利なエネルギーのタイプによって、エネルギーのトランスミッタ又はレシーバのタイプは異なる。本発明は本発明の精神又は本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態に具現化され得る。上記の実施の形態は全ての点で限定的なものではなくて、例示的なものとして考えるべきである。従って本発明の範囲は、先行する記述ではなくて添付された請求の範囲によって示される。請求の範囲に等しい意味及び範囲内にあるあらゆる変更は、この範囲に含まれる。

Claims (31)

1. エネルギーセンサであって、
   分析される組織物質のための支持表面を有するハウジングを含み、
   前記ハウジング支持表面上に画定された開口部の形で入口を有するチャンバを含み、前記ハウジングが前記組織物質に隣接して配置されるときに前記組織物質の第一部分が前記開口部をカバーして前記開口部の周りで前記支持表面によって支持され、
   前記エネルギーセンサが前記組織物質に適用されるとき、検出器と前記組織物質の間に配置され、圧縮可能な物質からなる光学拡散媒体の第一部分を含み、
   光エネルギー源を含み、及び、
   前記チャンバ内に配置された検出器を含み、前記開口部をカバーする前記組織物質の前記部分が前記光学拡散媒体によって前記検出器から隔離されるように前記チャンバ内に前記検出器が配置される、
   エネルギーセンサ。
2. 前記ハウジングが組織物質の前記第一部分に隣接して配置されるとき、前記光エネルギー源が前記チャンバの反対側に配置される、請求項１に記載のエネルギーセンサ。
3. 前記チャンバが円錐形になるように前記チャンバの壁が形成される、請求項１に記載のエネルギーセンサ。
4. 前記チャンバが更に反射壁を含む、請求項３に記載のエネルギーセンサ。
5. 光学拡散媒体が、組織物質の第一部分に接触したときに該組織物質を大きく摂動しない、請求項１に記載のエネルギーセンサ。
6. 光学拡散媒体の前記第一部分がフォームである、請求項５に記載のエネルギーセンサ。
7. 光学拡散物質の前記第一部分がポリウレタ ンフォームである、請求項６に記載のエネルギーセンサ。
8. 前記光学拡散媒体が光学拡散ジェルである、請求項５に記載のエネルギーセンサ。
9. 請求項１に記載のエネルギーセンサであって、更に、
   分析される前記物質のための第二支持表面を有する第二ハウジングを含み、前記第二ハウジングが前記物質に隣接して配置され、及び、
   前記第二ハウジングの支持表面上に第二開口部の形態で入口を有する第二チャンバを含み、前記ハウジングが前記組織物質に隣接して配置され、前記組織物質の第二部分が前記第二開口部をカバーして前記開口部の周りで前記支持表面によって支持され、前記光エネルギー源が前記第二チャンバ内で前記支持表面から離れて配置されており、前記距離は前記第二ハウジングが組織物質の前記第二部分に隣接して配置される時に前記物質が前記光エネルギー源に接触しないように充分な距離である、
   請求項１に記載のエネルギーセンサ。
10. 前記第二チャンバ内で前記光エネルギー源と前記第二開口部との間に配置された光学拡散媒体の第二部分を更に含む、請求項９に記載のエネルギーセンサ。
11. 前記ハウジング支持表面上に画定された第二開口部の形態で入口を有する第二チャンバを更に含み、前記光エネルギー源が前記第二チャンバ内に配置される、
    請求項１に記載のエネルギーセンサ。
12. 前記第二チャンバ内で前記エネルギー源と前記支持表面に画定された前記開口部との間に配置された光学拡散媒体の第二部分を更に含む、請求項11に記載のエネルギーセンサ。
13. 光学拡散媒体の前記第二部分が圧縮可能である、請求項12に記載のエネルギーセンサ。
14. 光学拡散媒体の前記第二部分がフォームである、請求項12に記載のエネルギーセンサ。
15. 光学拡散媒体の前記第二部分が光学拡散ジェルを含む、請求項12に記載のエネルギーセンサ。
16. 前記拡散媒体がプラスチックを含む、請求項12に記載のエネルギーセンサ。
17. 光学センサであって、
    光エネルギー源を含み、
    分析される組織物質に隣接して配置されるように適用された支持表面を有するハウジングを有し、前記ハウジングが前記支持表面に開口部を画定するチャンバを有し、
    前記チャンバ内に光検出器を含み、該光検出器は前記支持表面の前記開口部から離間されており、及び、
    前記光学センサが組織物質に適用されるときに前記光検出器と前記組織物質の間に位置するように配置され、圧 縮可能な物質からなる光学拡散媒体を含む、
    光学センサ。
18. 前記光学拡散媒体がフォームを含む、請求項17に記載の光学センサ。
19. 前記フォームが2.2ポンドのポリウレタンフォームを含む、請求項18に記載の光学センサ。
20. 前記拡散媒体が光学拡散ジェルを含む、請求項17に記載の光学センサ。
21. 前記拡散媒体がプラスチックを含む、請求項17に記載の光学センサ。
22. 光学センサであって、
    光エネルギー源を含み、
    光検出器を含み、
    分析される物質に隣接して配置されるように適用された支持表面を有するハウジングを含み、前記ハウジングが前記支持表面に開口部を画定して前記支持表面から延在するチャンバを有し、及び、
    前記光学センサが前記組織物質に適用されるとき前記光検出器と前記組織物質の間に配置され、圧縮可能な物質からなる光学拡散媒体を含む、
    光学センサ。
23. 前記光学拡散媒体が前記光エネルギー源と前記開口部との間にあるように、前記チャンバ内に前記光エネルギー源が配置される、請求項22に記載の光学センサ。
24. 前記光学拡散媒体が前記光検出器と前記開口部との間に配置あるように前記光検出器が前記チャンバ内に配置される、請求項22に記載の光学センサ。
25. 前記光エネルギー源が前記物質の前記頂部表面から３〜4mm支持された発光ダイオードを含む、請求項22に記載の光学センサ。
26. 前記チャンバが前記光エネルギー源から前記開口部まで測った時に３〜4mmの深さである、請求項23に記載の光学センサ。
27. 前記チャンバが前記光検出器から前記開口部まで測ったときに３〜4mmの深さである、請求項24に記載の光学センサ。
28. 前記拡散媒体がフォームを含む、請求項22に記載の光学センサ。
29. 前記フォームが2.2ポンドのポリウレタンフォームを含む、請求項28に記載の光学センサ。
30. 前記拡散媒体が光学拡散ジェルを含む、請求項22に記載の光学センサ。
31. 前記拡散媒体がプラスチックを含む、請求項22に記載の光学センサ。

Images