JP4258094B2 - 生体信号検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被験者の指、耳、腕、足、胴体、または首などの皮膚に装着して生体信号を検出する生体信号検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、図１２に示す様に、皮膚表面１０１に検出面１０２を密着させた透光板１０３と、この透光板１０３の他端面１０４側に並設される発光素子１０５および受光素子１０６とを備えた生体信号検出装置１００が知られている。
生体信号検出装置１００では、発光素子１０５から出た光は、透光板１０３→毛細動脈１０８を含む人体組織→透光板１０３を経て受光素子１０６に戻る（進路１０７）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の生体信号検出装置１００は、透光板１０３と皮膚表面１０１との境界で反射した光も受光素子１０６に入光してしまう（進路１０９）。
人体が動くと皮膚表面１０１と透光板１０３との密着度が変わるので、上記境界面における反射光量が変化する。
これにより、受光素子１０６が受光強度に応じて出力する電気信号のレベルが変動しノイズとなる。
【０００４】
これを詳細に説明する。
図１２において、発光素子１０５から出た光の内、透光板１０３の臨界角以上で境界面に入射する光は、境界面で全反射して受光素子１０６に到達する（進路１０９）。
境界面で全反射する際、光は半波長程度の距離だけ人体内部に進入した後、透光板１０３側に戻って来る。この戻る光をエバネッセント波と呼ぶ。
従って、人体と透光板１０３との密着度が変わると、皮膚の変形度合いや隙間の大きさが変わるので、エバネッセント波の吸収や散乱が変化し、受光素子１０６に入射する光量が変化してしまう。
【０００５】
また、上記従来の生体信号検出装置１００は、特に、人体内を通る光路長（毛細動脈１０８→透光板１０３）が長いので、毛細動脈１０８以外の人体組織での散乱量や吸収量が大きくなり受光素子１０６に入射する光量が低下してしまう。
【０００６】
本発明の目的は、精度良く生体信号を検出することができる生体信号検出装置の提供にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（請求項１）
導光体は、三面以上の平坦な面を有し、これら平坦な面の内、一つの面（検出面）を人体の皮膚表面に密着させている。
発光素子は、検出面と異なる面側に配され、発光素子の光を導光体を通して皮膚表面に投光する。
導光体は、三角プリズムである。
【００１１】
請求項１の生体信号検出装置では、導光体内部から検出面へ導光体の臨界角以上で入射して全反射する光（エバネッセント波）の進路を受光素子から外れた方向にしている。
【００１２】
これにより、導光体の検出面と皮膚表面との密着度の変化に起因して光量が変動するエバネッセント波が受光素子に入射しないので、受光素子が出力する電気信号中のノイズを低減できる。
【００１３】
導光体内部から検出面へ導光体の臨界角以上で入射して全反射する光（エバネッセント波）の進路を受光素子から外れた方向にするには、具体的には、下記の様にする。
人体内部から戻る光を導光体を通して受光素子が受光するが、エバネッセント波を受光しない様に、導光体の形状、および受光素子と発光素子との位置関係を規定する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１参考例を、図１および図２に基づいて説明する。
生体信号検出装置Ａは、図１に示す如く、装着具（図示せず）に固定され、凹所１１を有するホルダ１と、ホルダ１中に埋設される発光素子２および受光素子３と、凹所１１内に配されるビームスプリッタ４と、装着具内に組み付けられる駆動回路１２、脈波検出回路１３、送信回路（図示せず）、および電池（図示せず）とからなる。
【００２４】
装着具は、被験者の指５の根元に密着状態に装着されるものであり、例えば、伸縮性を有するベルトである。
ホルダ１は、遮光性のプラスチック（ＡＢＳ樹脂）で形成され、光の反射を防止するための処理（黒色に塗色）が凹所１１（本参考例では５ｍｍ角）の内壁に施されている。
【００２５】
駆動回路１２によりパルス駆動される発光素子２は、所定の波長帯で発光する発光ダイオードであり、開口中央を向いて凹所１１の底面１１１の真ん中に配されている。
これにより、発光素子２から出てビームスプリッタ４から皮膚表面５１へ向かう光２１は、皮膚表面５１に対して略垂直に入射する。
【００２６】
光２１は皮膚表面５１から人体内部へ進入して指５内部を通る毛細動脈５２に到達し、光２１の一部が毛細動脈５２を流れる血液のヘモグロビンに吸収され、残りは毛細動脈５２で散乱反射し、皮膚を通り抜け、境界面４１で反射し、光２２は受光素子３に入光する。
【００２７】
受光素子３は、受光強度に応じたレベルの電気信号を出力するフォトダイオードであり、凹所１１側面の中央に配されている。
この受光素子３が出力する電気信号はＡ／Ｄ変換器からなる脈波検出回路１３に伝達されて処理され、脈波が検出される。そして、検出された脈波は、発振部、変調部、および電力増幅部を有する送信回路により、離れて設置された脈波監視装置（何れも図示せず）へ送信される。
【００２８】
ビームスプリッタ４は、底面１１１に対して４５°の角度で凹所１１内に配されている。
これにより、発光素子２側から皮膚表面５１側へ進む光２１がビームスプリッタ４を透過し、生体内部から戻る光２２が境界面４１で反射して受光素子３に入光する。
【００２９】
つぎに、本参考例の利点を述べる。
［ア］生体信号検出装置Ａは、開口中央を向いて凹所１１底面の真ん中に発光素子２を配して光２１を皮膚表面５１に対して略垂直に入射させ、且つ、人体内部から略垂直に皮膚を通過して戻る光をビームスプリッタ４の境界面４１で反射させて受光素子３に入光させている。
このため、人体内を通る光路長が最短であるので、毛細動脈５２以外の人体組織での散乱量や吸収量が少なく、受光素子３に入射する光２１の光量を多くすることができる。
図２のグラフに示す様に、生体信号検出装置Ａは、従来の生体信号検出装置１００より、大きな振幅の生体信号を受光素子３が出力するので、脈波を精度良く検出することができる。尚、生体信号の検出は、何れも、指を動かさない状態で行った。
【００３０】
［イ］図１２の生体信号検出装置１００ではエバネッセント波が発生するので、密着度が変動すると電気信号中にノイズが混じる。
生体信号検出装置Ａは、エバネッセント波が発生しないので電気信号中のノイズを低減することができる。
【００３１】
つぎに、本発明の第２参考例を図３および図４に基づいて説明する。
生体信号検出装置Ｂは、以下の点が生体信号検出装置Ａと異なる。
本参考例では導光体は、三角プリズム６であり、屈折率が１．５２で臨界角が約４１°のガラスである。
三角プリズム６は、平坦な端面６１が底面１１１に当接し、平坦な端面６２が内壁面１１２に当接する様に凹所１１（５ｍｍ角）内に配設されている。
【００３２】
生体信号検出装置Ｂでは、三角プリズム６の境界面６３から出て皮膚表面５１へ進む光２１の内、最も大きい入射角２３で皮膚表面５１に入射する光２１１でも三角プリズム６の臨界角未満になる様に、凹所１１の形状（５ｍｍ角）や三角プリズム６の材質（ＢＫ７）を規定している。
【００３３】
生体信号検出装置Ｂと、従来の生体信号検出装置１００とを用い、指を動かさない状態（静止状態）、および指を動かしている状態（体動状態）で生体信号の検出を行ったところ、図４のグラフに示す様な結果が得られた。
静止状態では、生体信号検出装置Ｂと、従来の生体信号検出装置１００とでは受光素子３が出力する電気信号の波高が余り違わないが、体動状態では、生体信号検出装置１００は、電気信号の波高が静止状態の約８倍になる。
これに対して、生体信号検出装置Ｂは、電気信号の波高が静止状態の約３倍にしかならず、ノイズの発生が抑えられているのが確認できた。
【００３４】
これは、下記に示す様に皮膚表面５１で散乱反射する光の受光素子３への入光が防止できるためであると思われる。
人体内部から戻る光や、発光素子２から出て三角プリズム６を通り皮膚表面５１に達した光は、皮膚表面５１であらゆる方向に散乱反射する。その内、三角プリズム６の臨界角以上の角度２４で散乱反射する光２１２は内壁面１１３（皮膚表面５１とは異なる面）に臨界角未満の入射角２５で入射するためホルダ１に吸収される。
また、臨界角未満の角度２６で散乱反射する光２１３は内壁面１１２（皮膚表面５１とは異なる面）で全反射した後、臨界角未満の入射角２７で底面１１１に入射するためホルダ１に吸収される。
【００３５】
つぎに、本発明の第３参考例を図５に基づいて説明する。
生体信号検出装置Ｃは、以下の点が生体信号検出装置Ａと異なる。
本参考例では導光体は、立方体プリズム７であり、各端面が凹所内壁に当接する様に凹所１１（５ｍｍ角）内に配設されている。立方体プリズム７は、屈折率が１．５２で臨界角が約４１°のＢＫ７（ガラス）であり、各端面が凹所内壁面に当接する様に凹所１１内に配設されている。
本参考例では、発光素子２および受光素子３が、凹所１１の底面１１１側に開口中央を向いて隣接して配されている。また、臨界角度以上の入射角で光２１が端面７１に入射しない様に発光素子２に配光板（図示せず）を取り付けている。
【００３６】
発光素子２から出た光２１は、立方体プリズム７中を通り、端面７１を出て皮膚表面５１に達し、端面７１および皮膚表面５１に対して略垂直に指５内部を進み、指５内部を通る毛細動脈５２に到達し、光の一部が毛細動脈５２を流れる血液のヘモグロビンに吸収され、残りはその他の組織で散乱吸収され、その内、略垂直に戻る光２２が皮膚表面５１から出て、端面７１から立方体プリズム７中に入り、受光素子３に到達する。
血液の脈動により、ヘモグロビンの通過量が波動的に変化するので、ヘモグロビンに吸収される光の量も波動的に変化する。その結果、生体内で散乱反射し、受光素子３へ入射する光の量も変化する。
【００３７】
生体信号検出装置Ｃでは、凹所１１の底面１１１側に発光素子２および受光素子３を隣接して配し、端面７１から指５内部に進み、指５内部から略垂直に戻る光２２を受光素子３に入光させる構成である。
このため、立方体プリズム７の端面７１と皮膚表面５１との密着度の変化に起因して光量が変動するエバネッセント波が受光素子３に入射しないので、受光素子３が出力する電気信号中のノイズを低減できる。
また、人体内を通る光路長が短いので、毛細動脈５２以外の人体組織での散乱量や吸収量が少なくなり、受光素子３に入射する光量を多くすることができる。
【００３８】
つぎに、本発明の第４参考例を図６に基づいて説明する。
生体信号検出装置Ｄは、以下の点が生体信号検出装置Ａと異なる。
本参考例では導光体は、三角プリズム６であり、屈折率が１．５２で臨界角が約４１°のガラスである。
三角プリズム６は、端面６１が凹所内壁面１４１に当接し、端面６２が凹所内壁面１４２に当接する様にホルダ１４の凹所内に配設されている。
そして、発光素子２が凹所内壁面１４１に、また受光素子３が凹所内壁面１４２に、それぞれ、境界面６３中央を向く様に配されている。
なお、本参考例では、臨界角以上の入射角で光２１が境界面６３に入射しない様に発光素子２に配光板（図示せず）が取り付けられている。
【００３９】
これにより、発光素子２の光２１は端面６１から三角プリズム６内に入って進み臨界角度未満の入射角で境界面６３に入射し、境界面６３から略垂直に指５内部に進入して進む。そして、指５内部を通る毛細動脈５２に到達し、光２１の一部が毛細動脈５２を流れる血液のヘモグロビンに吸収され、残りはその他の組織で散乱吸収される。その散乱反射する光の内、略垂直に皮膚を通過する光２２が境界面６３に達し、境界面６３から三角プリズム６内に入って受光素子３に入光する。
【００４０】
つぎに、本発明の第５参考例を図７に基づいて説明する。
生体信号検出装置Ｅは、以下の点が生体信号検出装置Ａと異なる。
本参考例では導光体は、台形プリズム７２であり、屈折率が１．５２で臨界角が約４１°のガラスである。
台形プリズム７２は、各端面が凹所内壁面に当接する様にホルダ１５の凹所１５１内にモールドされている。
発光素子２および受光素子３が、凹所１５１の底面側に離れて配されている。
なお、臨界角以上の入射角で光２１が境界面７２１に入射しない様に発光素子２に配光板（図示せず）が取り付けられている。
【００４１】
つぎに、本発明の第６参考例を図８に基づいて説明する。
生体信号検出装置Ｆは、以下の点が生体信号検出装置Ａと異なる。
本参考例では導光体は、光ファイバー７３であり、屈折率が１．５２で臨界角が約４１°のガラスである。
光ファイバー７３は、外周面が軸孔１６１の壁面に当接する様にホルダ１６の軸孔１６１内に配設されている。そして、発光素子２および受光素子３が、軸孔１６１の奥部に並設されている。
【００４２】
上記第４〜６参考例の生体信号検出装置Ｄ、Ｅ、Ｆは、人体内を通る光路長が最短であるので、毛細動脈５２以外の人体組織での散乱量や吸収量が少なく、受光素子３に入射する光２２の光量を多くすることができ、脈波を精度良く検出することができる。
また、エバネッセント波が発生しないので、受光素子３が出力する電気信号中のノイズを低減することができ、脈波を精度良く検出することができる。
【００４３】
つぎに、本発明の第７参考例を図９に基づいて説明する。
生体信号検出装置Ｇは、以下の点が生体信号検出装置Ｃと異なる。
臨界角以上の入射角で光２１が端面７１に入射しない様にするための配光板を発光素子２に取り付けていない。このため、発光素子２から端面７１方向へ破線範囲２０に光が出る。
しかし、生体信号検出装置Ｇは、立方体プリズム７の端面７１から出て皮膚表面５１へ進む光２１の内、最も大きい入射角２３で皮膚表面５１に入射する光２１１でも立方体プリズム７の臨界角未満になる様に、凹所１１の形状（５ｍｍ角）、立方体プリズム７の形状、および発光素子２の配設位置を規定している。
【００４４】
つぎに、本発明の第８参考例を図１０に基づいて説明する。
生体信号検出装置Ｈは、以下の点が生体信号検出装置Ｅと異なる。
臨界角以上の入射角で光２１が境界面７２１に入射しない様にするための配光板を発光素子２に取り付けていない。
しかし、生体信号検出装置Ｈは、境界面７２１へ進む光２１の入射角２４０が台形プリズム７２の臨界角未満になる様に、台形プリズム７２の形状、および発光素子２の配設位置を規定している。
【００４５】
つぎに、本発明の第１実施例を図１１に基づいて説明する。
生体信号検出装置Ｉは、以下の点が生体信号検出装置Ｄと異なる。
臨界角以上の入射角で光２１が境界面６３に入射しない様にするための配光板を発光素子２に取り付けていない。このため、三角プリズム６の境界面６３に臨界角以上の入射角２５０で入射する光２１２も存在する。
しかし、これらの光２１２の進行方向に受光素子３が来ない様に、導光体の形状（三角プリズム６）、発光素子２、受光素子３の配設位置を規定している。
【００４６】
上記第７、８参考例、第１実施例の生体信号検出装置Ｇ、Ｈ、Ｉは、エバネッセント波を受光素子３が受光しないので、受光素子３が出力する電気信号中のノイズを低減することができ、脈波を精度良く検出することができる。また、人体内を通る光路長が最短であるので、毛細動脈５２以外の人体組織での散乱量や吸収量が少なく、受光素子３に入射する光２２の光量を多くすることができ、脈波を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１参考例に係る生体信号検出装置の説明図である。
【図２】 その生体信号検出装置の信号出力と、従来の生体信号検出装置の信号出力とを比較したグラフである。
【図３】 本発明の第２参考例に係る生体信号検出装置の説明図である。
【図４】 その生体信号検出装置の信号出力と、従来の生体信号検出装置の信号出力とを比較したグラフである。
【図５】 本発明の第３参考例に係る生体信号検出装置の説明図である。
【図６】 本発明の第４参考例に係る生体信号検出装置の説明図である。
【図７】 本発明の第５参考例に係る生体信号検出装置の説明図である。
【図８】 本発明の第６参考例に係る生体信号検出装置の説明図である。
【図９】 本発明の第７参考例に係る生体信号検出装置の説明図である。
【図１０】 本発明の第８参考例に係る生体信号検出装置の説明図である。
【図１１】 本発明の第１実施例に係る生体信号検出装置の説明図である。
【図１２】 従来技術に係る生体信号検出装置の説明図（ａ）、および臨界角以上の入射角で全反射する様子を説明する説明図（ｂ）である。
【符号の説明】
２ 発光素子
３ 受光素子
４ ビームスプリッタ（導光体）
５ 指（人体）
６ 三角プリズム（導光体）
７ 立方体プリズム（導光体）
２１、２２ 光
２３、２５ 入射角
５１ 皮膚表面
６１、６２ 端面（面）
６３ 境界面
７１ 端面（面、検出面）
７２ 台形プリズム（導光体、多角形プリズム）
７３ 光ファイバー（導光体）
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ 生体信号検出装置

Claims (1)

1. 三面以上の平坦な面を有し、人体の皮膚表面に検出面を密着させた導光体と、
   該導光体の前記検出面と異なる面側に配され、前記導光体を通して前記皮膚表面に光を投光する発光素子と、
   前記導光体の前記検出面と異なる面側に配され、人体内部から戻る光を前記導光体を通して受光し、受光強度に応じた電気信号を出力する受光素子とを有する生体信号検出装置において、
   前記導光体は、三角プリズムであり、
   導光体内部から前記検出面へ前記導光体の臨界角以上で入射して全反射する光の進路が前記受光素子を外れた方向となるように、前記導光体の形状、および前記受光素子と前記発光素子との位置関係が設定されていることを特徴とする生体信号検出装置。

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