JP4475601B2 - 自発光型センサ装置及び生体情報の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば血流速度等を測定することが可能な自発光型センサ装置、及び該自発光型センサ装置を用いた生体情報の検査方法の技術分野に関する。

この種の自発光型センサ装置として、レーザ光等の光を物体に照射し、その反射又は散乱の際におけるドップラーシフトによる波長の変化により、物体の速度等を算出するものがある。例えば２個のレーザダイオードから夫々異なる波長のレーザ光を照射することで、深さの異なる血管の血流量計測が行えるという血流計測装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４−２２９９２０号公報

しかしながら、上述したような技術によれば、異なる波長の光による計測を行うためにはレーザ素子が少なくとも２個配置されていなければならず、それにより装置の大型化を招くという技術的問題点がある。また、異なる波長のレーザ光の出射場所が夫々異なるため、同一部位における計測が非常に困難であるという技術的問題点もある。

本発明は、例えば上述した問題点に鑑みなされたものであり、小型化に適しており、生体情報などの、被検体における所定種類の情報を、高精度で検出可能な自発光型センサ装置、及びこれを用いて高精度の生体情報を検出可能な検出方法を提供することを課題とする。

本発明の自発光型センサ装置は上記課題を解決するために、基板と、前記基板上に配置されており、波長の相異なる複数の光を、被検体に対し少なくとも部分的に相互に重なるように照射する照射部と、前記基板上に配置されており、前記照射された複数の光に起因する前記被検体からの光を、前記波長別に検出する受光部とを備える。

本発明に係る自発光型センサ装置によれば、その検出時には、例えば半導体レーザを含む、照射部により、波長の相異なる複数の光が、例えば、生体の一部である被検体に対し照射される。しかも、複数の光は、被検体に対し、少なくとも部分的に相互に重なるように照射（以下適宜「同一部位への照射」という）される。尚、同一部位とは、被検体の深さ方向について言えば、相異なる深度を有する箇所を意味し得る。また、「少なくとも部分的に相互に重なる」とは、光が照射される被検体の面上において、複数の光が相互に重なり合う部分が大なり小なり存在するという意味である。

複数の光は、例えば単一の半導体レーザから、順次に又は同時に照射される。ここで仮に、波長の異なる光を２つの半導体レーザから照射しようとした場合、単純計算で配置面積が２倍以上になってしまう。これに対し、配置面積の増大を防ぐため、半導体レーザを通常より狭い面積に或いはより近接して配置しようとすると、例えばチップ実装や配線等の難易度が高まり、歩留まりが低下してしまうという問題を生ずる。

しかるに本発明では特に、異なる波長の複数の光を、例えば近接した発光部を持った単一の半導体レーザ部などの、照射部から照射するので、その配置面積は大幅に縮小可能となる。よって、自発光型センサ装置の小型化、及び異なる波長の光を同一部位へ照射することが容易となる。特に、波長の異なる複数の光の発光点が近接して単一の半導体レーザ部内に配置される構成を採ることで、例えばチップ実装や配線等の難易度は低くて済み、製造歩留まりを向上可能となる。また、例えば単一の集光レンズなどの同一光学系を介して、これらの光を被検体の同一部位に照射することが容易となる。

また、このように照射された複数の光に起因する被検体からの光は、例えば受光素子を含む、受光部により検出される。ここに「複数の光に起因する被検体からの光」とは、反射、散乱、回折、屈折、透過、ドップラーシフトされた光、及びそれらの光による干渉光などの、被検体に照射された複数の光に起因する光を意味する。典型的には、反射及び散乱した光、又はドップラーシフトされた光、及びそれらの光による干渉光である。かかる異なる波長の複数の光に起因した光の検出・分離は、例えば異なる波長の複数の光を時分割で交互に発光させ、単一の受光部によって受光を行った後、時分割処理によって波長分離を行う方法や、夫々の波長に対応した専用の受光部を複数配置することなどによって波長分離を行う方法などによって、順次若しくは同時並列処理で検出できる。そのため、異なる波長の光夫々によって、例えば生体情報などの情報を得ることができる。例えば一の波長の光照射によって得られた情報と、他の波長の光照射によって得られた情報とを比較して、新たな情報を導出することも可能である。

ここで本発明では特に、照射部と受光部とは、同一基板上に配置されており、例えば、集積回路として近接して配置することも可能である。照射部と受光部とを同一基板上に配置することにより、照射部及び受光部夫々の配置面積は縮小される。従って、装置全体の小型化が可能となる。

以上のように本発明によれば、自発光型センサ装置における小型化が可能となり、しかも、生体情報などの、被検体における所定種類の情報を、高精度で検出可能となる。

本発明の自発光型センサ装置の一態様では、前記照射部は、前記複数の光に共通の光学系を介して、照射する。

この態様によれば、照射部より発光した光は、例えば１つのマイクロレンズを介して被検体に照射される。ここでマイクロレンズは、照射光を平行光とすることにより、被検体とマイクロレンズの距離によらず、被検体表面上において照射光のエネルギー密度を一定とするために機能する。

ここで仮にマイクロレンズを複数配置しようとすると、配置するスペースが限られるため、物理的にレンズ径は小径にならざるを得ない。レンズ径が小径であると、照射光の強度の低下、又はレーザ素子から発光した光の利用効率（レンズへの結合効率）低下をもたらし、結果としてＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）の低下や消費電力の増大を引き起こす。

しかるに本発明では特に、異なる波長の光の発光点が近接しており１つのレーザ素子内に配置されているため、異なる波長の光夫々に対して、共通のマイクロレンズが１つあればよい構成を容易に構築できる。よって、マイクロレンズのレンズ径の大型化が可能であり、照射光の強度及びレーザ素子から発光した光の利用効率を高めることができる。従って、よりＳＮＲが良好で低消費電力である自発光型センサ装置を実現することが可能である。

本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記照射部は、順次に前記複数の光を照射し、前記受光部は、時分割で前記被検体からの光を前記波長別に検出する。

この態様によれば、異なる波長の光は、照射部から夫々順次に照射されるため、異なる波長の光が夫々同時に照射されることはない。即ち、一の波長の光が照射されている時刻においては、他の波長の光は照射されない。よって、受光部が１つであっても、時分割によって光を波長別に検出することが容易となる。従って、受光部を波長毎に複数設けなくともよく、センサの効果的な小型化が行える。また、異なる波長のレーザ夫々を順次駆動しているため、時間当たりの駆動電流値を低く設定することができ、消費電力の低減が可能となる。

本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記照射部は、同時に前記複数の光を照射し、前記受光部は、前記被検体からの光を前記波長別に検出する複数の受光素子を有する。

この態様によれば、異なる波長の光は、照射部から夫々同時に照射されるため、夫々の光から同時刻における情報を得ることができる。よって、例えば極めて短時間で変化してしまうパラメータを計測する場合等に精度の高い計測が行える。更に、異なる波長の光夫々から得られる情報に対する処理が同時に行えるようになるため、計測にかかる時間を短縮することができる。

尚、受光部においては、照射時の波長夫々に対応した複数の受光素子を設けることで、確実に波長別の検出が行える。

本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記照射部及び前記受光部は、前記基板上に集積されている。

この態様によれば、照射部及び受光部が集積されているため、夫々の配置面積は縮小し、より小型化することが可能となる。小型化により、例えば装置を据え置き型ではなく携帯型にする等、利用の幅を広げることができる。

本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記照射部は、前記複数の光として複数のレーザ光を発生させる半導体レーザを有する。

この態様によれば、照射部の半導体レーザに、レーザ発振閾値より高い電流が流れるように電圧を印可することでレーザ光を照射することができる。レーザ光は波長の違いによって、例えば生体等への浸透力が異なるという性質を持っている。この性質を利用することで、被検体の様々な深度における測定が可能となる。

上述した照射部が半導体レーザを有する態様では、前記半導体レーザは、駆動電流をレーザ発振閾値より低くすることで、発光ダイオードとして機能するように構成してもよい。

このように構成すれば、半導体レーザを発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）として機能させるため、照射される光はレーザ光のように可干渉性（コヒーレンス）の光ではないため、例えば血管中の赤血球の移動速度に起因した光のドップラーシフトによる波長変化を利用した計測には適していないが、赤血球の光学的吸収に起因する光の強度の変化等を利用した計測は可能である。例えば、被検体の光の吸収率は、反射又は散乱された光の強度からも求められるので、発光ダイオードとして機能させた場合でも計測可能である。そのため異なる複数の波長の光を組み合わせて適宜用いることで、血液中に含まれる酸素濃度を計測することが可能である。

半導体レーザを発光ダイオードとして機能させる場合は、レーザ光を照射させる場合と比較して駆動電力が低い。従って、計測対象により半導体レーザの駆動電流を制御することで、消費電力を低減することが可能である。

本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、照射部は、複数の光源光を発生させる光源と、該発生された複数の光源光が照射される位置に、該発生された複数の光源光が、前記照射された複数の光となるように、前記被検体の方向に反射する反射鏡とを備える。

この態様によれば、例えば半導体レーザなどの光源から照射された光の進行方向を、予め適切な角度で配置された反射鏡によって反射して、被検体の方向へと向けることが可能である。ここに、被検体の方向における「方向」とは、直接的に被検体へ向かう方向の他、例えばレンズや他のミラーなどの光学系を介して被検体へ向かう方向をも意味し得る、いわば広義の方向を意味する。また、異なる波長の光夫々に対して高い反射率を持つ反射鏡を用いているため、レーザ素子から出射した光の強度は反射鏡による反射の前後で維持され、マイクロレンズによって適当なパワー密度を保ったまま被検体へ照射されるため、受光部での検出が正常に行えることになる。尚、本発明では異なる波長の光が近接した発光点より照射されるため、１つの反射鏡で波長の異なる光夫々を反射させることが可能である。

上述した反射鏡を更に備える態様では、前記反射鏡表面は、Ａｕ（金）と、Ｃｕ（銅）と、Ａｌ（アルミニウム）と、Ａｇ（銀）とのうち少なくとも１つを含んでいるように構成してもよい。

この場合には、反射鏡表面が反射率の高いＡｕと、Ｃｕと、Ａｌと、Ａｇとのうち少なくとも１つを含んでいるため、照射部から出射した波長の異なる光を効率よく被検体に照射させることができる。また、Ａｕと、Ｃｕと、Ａｌと、Ａｇとは夫々異なる範囲の波長に対して高反射率を有しているので、照射する異なる複数の波長の光に対応して、これらのうちのいずれか、又は複数の金属を組み合わせて適宜使用することで、それぞれの波長に対して高反射率を有する反射鏡とすることが可能である。また、上述した金属の他に、反射鏡表面に例えばＳｉＯ２及びＴｉＯ２などの積層構造からなる誘電体多層膜を形成し、高反射率の反射鏡を形成することができる。

本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記検出された光に基づいて、前記被検体に係る血流速度及び血中両酸素飽和度のうち少なくとも一つを算出する算出部を更に備える。

この態様によれば、光の生体への浸透力が波長に依存することを利用して、皮膚表面からの深度の異なる血管夫々の血流速度を計測することができる。具体的には、光を生体の表面に照射することにより、内部に浸透した光が血管中を流れる赤血球によって反射又は散乱され、赤血球の移動速度に応じたドップラーシフトを受けて波長が変化する。一方、赤血球に対して不動と見なせる皮膚組織などによって散乱又は反射された光は、波長が変化することなく受光部に到達する。これらの光が干渉することにより、受光部においてドップラーシフト量に対応した光ビート信号が検出される。この光ビート信号を算出部で周波数解析等の演算処理等を行うことにより、血管中を流れる血流速度を求めることが可能である。

本発明では特に、照射する光に複数の異なる波長の光を用いるため、夫々の波長に対応した深度にある血管の血流速度を計測することができる。異なる深度の血管の血流速度を計測することで、深さ方向の血流速度の分布を得ることができる。血流速度の分布を得ることにより、例えば表面付近に位置する毛細血管と、毛細血管より深い位置にある細動脈との血流速度の差から、心理的な緊張度等を推測することが可能となる。

また、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの吸光度の違い及び波長依存性を利用して、血中酸素飽和度を計測することができる。具体的には、複数の波長の異なる光を被検体の同一部位へ照射し、夫々の光における反射光の強度を測定する。この際、光は被検体の血液に含まれるヘモグロビンによって吸収及び反射されるが、ヘモグロビンが酸化ヘモグロビンか還元ヘモグロビンかによって吸収率が異なる。そのため、反射光の強度は酸化ヘモグロビンの割合（即ち、血中酸素飽和度）によって変化する。また、ヘモグロビンの吸光度は光の波長に依存しており、酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの夫々の吸光度は照射される光の波長によって異なる特性を示す。よって、同時に照射される波長の異なる複数の光夫々における反射光の強度は夫々異なる。即ち、波長の異なる複数の光を用いることによって血中酸素飽和度を算出することができる。

尚、本発明では特に、上述した血流速度及び血中酸素飽和度の計測を同時に行うことができる。血中酸素飽和度と血流速度とを同時に計測することにより、例えば血流速度計測によって得られた信号から、血中酸素飽和度計測によって得られた呼吸による変動信号成分を除去することが可能になり、被検体の心理状態による血流速度変動を、より高い精度で検出することが可能になる。

本発明の生体情報の検出方法では上記課題を解決するために、基板上に照射部と、受光部とが配置される自発光型センサ装置を用いた生体情報の検出方法であって、波長の相異なる複数の光を、被検体に対し少なくとも部分的に相互に重なるように照射する照射工程と、前記照射された複数の光に起因する前記被検体からの光を、前記被検体に係る生体情報を示すものとして、前記波長別に検出する受光工程とを備える。

本発明の生体情報の検出方法によれば、例えば１つのレーザ素子から波長の異なる複数の光を照射するため、発光工程及び受光工程を複雑化させることなく、異なる波長の光を用いた生体情報の検出が行える。また、被検体に対する異なる波長の光の同一部位への照射も容易になるため、生体情報の検出を極めて高い精度で行うことができる。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされる。

本発明の実施形態に係る、２波長血流センサ装置におけるセンサ部の構成を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ´断面図である。 ボンディングによるハイブリッド２波長レーザの構成を示す上面図である。 モノリシック２波長レーザの構成を示す上面図である。 ２波長血流センサ装置の有効作動距離を示す概念図である。 第１実施形態に係る、２波長血流センサ装置の構成を示すブロック図である。 ２波長血流センサ装置の使用法の一例を示す概念図である。 ヘモグロビンにおける吸光度と波長との関係を示すグラフである。 人間の皮下構造を示す断面図である。 第２実施形態に係る、２波長血流センサ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００、２００ センサ部
１１０ センサ部基板
１２０、１２１、１２２ ２波長レーザダイオード
１３０ 反射ミラー
１４０ マイクロレンズ
１５０ フォトダイオード
２１０ レーザダイオードドライブ回路
２２０ 第１スイッチング回路
２３０ フォトダイオードアンプ
２４０ Ａ／Ｄ変換器
２５０ 第２スイッチング回路
２６０ 第１血流速度用ＤＳＰ
２７０ 第２血流速度用ＤＳＰ
２８０ 自律神経機能評価用ＤＳＰ
２９０ 血中酸素飽和度用ＤＳＰ
４１０ 細動脈
４２０ 細静脈
４３０ 毛細血管
４４０ 前毛細血管括約筋

以下では、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。以下の実施形態では、本発明の自発光型センサ装置の一例である２波長血流センサ装置を例にとる。

先ず、本発明の第１実施形態に係る２波長血流センサ装置のセンサ部の構成について図１から図４を参照して説明する。ここに図１は、２波長血流センサ装置におけるセンサ部の構成を示す平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ´断面図である。また図３は、ボンディングによるハイブリッド２波長レーザの構成を示す上面図であり、図４は、モノリシック２波長レーザの構成を示す上面図である。
尚、図１においては、説明の便宜上、マイクロレンズを有する透明基板の図示を省略してある。

図１及び図２に示すように、第１実施形態に係る２波長血流センサ装置のセンサ部１００は、センサ部基板１１０と、２波長レーザダイオード１２０と、反射ミラー１３０と、マイクロレンズ１４０を有する透明基板１４５と、遮光膜１４７と、フォトダイオード１５０と、電極１６０と、ワイヤー配線１７０とを備える。

センサ部基板１１０上には、２波長レーザダイオード１２０と、フォトダイオード１５０とが集積して配置されており、夫々がワイヤー配線１７０を通して電極１６０と電気的に接続される。さらに電極１６０はセンサ部基板１１０を貫通する配線（図示せず）によってセンサ部基板１１０の底部に設けられた電極パッド（図示せず）に夫々電気的に接続されており、センサ部外部からの電流注入による２波長レーザダイオード１２０の駆動と、フォトダイオード１５０からの信号をセンサ外部へ取り出すことを可能とするような構成になっている。

図３に示すように、２波長レーザダイオード１２０は、例えばボンディングによるハイブリッド２波長レーザ１２１であり、具体的には、別々の基板上に作製され、相互に異なる波長のレーザを出射する２つの半導体レーザを、レーザウエハ又はレーザダイオードチップの段階で互いに貼り合わせることにより単一のレーザダイオードチップとしたものである。このボンディングによるハイブリッド２波長レーザ１２１によれば、出射する光の波長の組み合わせの自由度が高いため、基板の如何によらず、様々な組み合わせの２波長レーザが実現可能である。また、半導体レーザを互いにボンディングにより集積するため、半導体レーザが配置されている基板と垂直方向に、発光点を並べて配置することが可能である。このため、２つのレーザ発光点の間隔を数μｍ程度に近接させることが可能である。発光点を相互に近接させることで、図に示すように、異なる波長のレーザ光（長波光及び短波光）が非常に近接した場所から同一方向に出射することになるため、マイクロレンズ１４０等の光学系により集光を行う場合に、２つの発光点からのレーザ光を共通のレンズで集光できる、及び被検体の同一部位への照射が容易になる等の有益な効果が得られる。

図４に示すように、２波長レーザダイオード１２０は、例えば１つの基板上に、２つの半導体レーザが作りこまれたモノリシック２波長レーザ１２２であってもよい。但し、モノリシック２波長レーザ１２２は、上述したボンディングによるハイブリッド２波長レーザ１２１と比べて、出射する光の波長の組み合わせの自由度が低い。また、同一基板上に２つのレーザ部を配置しているため、半導体レーザは夫々、基板に沿った方向に並ぶ。このため、２つのレーザ発光点の間隔は広がってしまい（典型的には、数百μｍ程度）、長波光及び短波光が重なる部分は、ボンディングによるハイブリッド２波長レーザ１２１の場合と比較して狭くなる。従って、上述したような、発光点を近接させることにより得られる効果が薄いため、本実施形態においては、モノリシック２波長レーザ１２２より、ボンディングによるハイブリッド２波長レーザ１２１を用いる方が望ましい。

上述した２波長レーザダイオード１２０の半導体レーザには、例えば比較的安価であるファブリペロー型（ＦＰ）レーザが用いられることが多い。しかしながら、ＦＰレーザは縦多モード発振であるため、モードホップ等に起因するレーザノイズ（即ち、レーザ光の出力変動）が多く、測定の精度を低下させるおそれがある。この問題に対しては、高周波重畳回路を設けて高周波を重畳し、レーザノイズを低減することが可能である。また、高周波重畳回路に代えて、自励発振レーザ（パルセーションレーザ）を利用することによってもレーザノイズの影響を低減させることができる。またＦＰレーザではなく、動的縦単一モード発振である分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを用いてレーザノイズを低減させることも可能である。

尚、本実施形態においては、「照射部」の一例として２波長レーザダイオード１２０を用いているが、例えば２波長以上、即ち３波長や４波長のレーザ光を出射可能なレーザダイオードを用いることで、一度の計測で更に多くのデータを得ることも可能である。

反射ミラー１３０は、例えば２波長レーザダイオード１２０から異なる波長の光が直接照射される位置に設けられ、光を夫々被検体方向に反射する。反射するレーザ光は夫々波長が異なるため、反射ミラー１３０はその両方の波長に対して高反射率を有している方がよい。例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ等を表面にコーティングすれば、波長が６００ｎｍ〜１５００ｎｍの光に対して高反射率を有する反射ミラーが得られる。また、更に波長が４００ｎｍ付近の短波長レーザ光を用いる場合は、より広い波長範囲に対して高い反射率を有するＡｌ又はＡｇ等を用いることが好ましい。但し、Ａｌ及びＡｇは酸化されやすいため、例えば気密封止する等の酸化防止策をとった方がよい。

更に、複数の材料を組み合わせることにより、より広い範囲の波長に対して高反射率を有するように構成することも可能である。尚、２波長レーザダイオード１２０からの光が、直接被検体の方向に出射されるように構成すれば、反射ミラー１３０は設けられずともよい。

マイクロレンズ１４０は、例えば図２に示すように、透明基板１４５の一部として、２波長レーザダイオード１２０の上部に設けられ、入射するレーザ光を平行光とし、強度及びレーザ光の利用効率を高める。上述したように、本発明ではレーザ光の発光点が近接しているため、マイクロレンズ１４０は２つの発光点に対して１つ設けられればよい。このため、マイクロレンズ１４０の直径拡大が可能となり、レーザ光の利用効率（レンズへの結合効率）を高めることができる。

フォトダイオード１５０は、例えば２波長レーザダイオード１２０と同じ基板上に並んで配置され、被検体から反射又は散乱された光を検出する。具体的には、光を電気信号に変換することにより光の強度に関する情報を得ることができる。尚、フォトダイオード１５０の上部の透明基板１４５には、複数の遮光膜１４７が設けられ、フォトダイオード１５０に入射する光を制限している。このためフォトダイオード１５０には、真上からの（即ち、図２における上方向から下方向への）光のみが入射する。よって、検出しなくてもよい光がフォトダイオード１５０に入射するのを防止し、検出の精度を高めることができる。本実施形態に係る２波長血流センサ装置においては、波長の異なる光が夫々順次に出射されるため、時分割することにより、光を波長毎に分離することができる。よって、フォトダイオードは１つあればよく、装置の小型化が実現できる。

次に、本実施形態に係る２波長血流センサ装置の有効作動距離について、図５を参照して説明する。ここに図５は、２波長血流センサ装置の有効作動距離を示す概念図である。

図５に示すように、マイクロレンズ１４０のレンズ直径をφ、焦点距離をｆ、２波長レーザダイオードの発光点１２０１と、１２０２との間隔をｄ、装置の有効作動距離（即ち、異なる波長の光の同一部位への照射が行える距離）をＷｅｆｆとすると、これらの間には、Ｗｅｆｆ＜φｆ／ｄなる関係が成り立つ。よって、レンズ直径φは大きいほど、発光点間隔ｄは小さいほど、有効作動距離Ｗｅｆｆが拡大する。よって、マイクロレンズ１４０の拡大化、及び発光点間隔ｄの縮小が可能である本発明においては、有効作動距離を拡大し、発明の利用の幅を広げることが可能である。

次に、本実施形態に係る自発光型センサ装置全体の構成及び動作の流れについて、図６を参照して説明する。ここに図６は、第１実施形態に係る２波長血流センサ装置の構成を示すブロック図である。

図６に示すように、本実施形態に係る２波長血流センサ装置は、上述したセンサ部１００に加え、レーザダイオードドライブ回路２１０と、第１スイッチング回路２２０と、フォトダイオードアンプ２３０と、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器２４０と、第２スイッチング回路２５０と、第１血流速度用ＤＳＰ（Digital Signal Processor）２６０と、第２第１血流速度用ＤＳＰ２７０と、自律神経機能評価用ＤＳＰと２８０、血中酸素飽和度用ＤＳＰ２９０とを備える。

先ず、レーザダイオードドライブ回路２１０からの信号が、第１スイッチング回路２２０によって長波光（例えば波長８３０ｎｍ）の出射と、短波光（例えば波長７８０ｎｍ）の出射とに交互に切り替えて出力されることにより、２波長レーザダイオード１２０から異なる波長の光が順次に出射する。出射された光は、被検体によって反射又は散乱され、その光がフォトダイオード１５０によって検出される。尚、本実施形態においては、異なる波長の光を順次に出射しているため、光を同時出射する場合と比較して駆動電流が低く、消費電力を低減できる。また、同時刻に波長の異なる複数の光が出射されることがないため、夫々の光を共通のフォトダイオード１５０で時分割により分割可能である。

フォトダイオード１５０によって得られた電気信号は、フォトダイオードアンプ２３０により増幅された後、Ａ／Ｄ変換器２４０によりデジタル信号へと変換される。デジタル信号は、第１スイッチング回路２２０から得られる光の出射時刻情報を用いて、長波光による信号と短波光による信号とに時分割される。特に血流速度の算出においては、予め第２スイッチング回路２５０により信号が分割された後に、第１血流速度用ＤＳＰ２６０と第２血流速度用ＤＳＰ２７０との夫々に送られる。尚、この第２スイッチング回路２５０による分割作業を省略するために、フォトダイオードを波長毎に複数設けてもよい。

第１血流速度用ＤＳＰ２６０及び第２血流速度用ＤＳＰ２７０では、所定の演算処理を行うことにより、長波光による（即ち、深度の深い血管の）血流速度と、短波光による（即ち、深度の浅い血管の）血流速度とが算出される。算出された血流速度は夫々自律神経機能評価用ＤＳＰ２８０に送られ、そこで比較演算処理が行われることにより、例えば被検体の緊張度やリラックス度といった、心理的な状態を表すデータが得られる。一方、血中酸素飽和度用ＤＳＰ２９０においては、血中酸素飽和度が算出される。尚、自律神経機能評価用ＤＳＰ２８０においては、異なる深度の血流速度に加えて、血中酸素飽和度用ＤＳＰ２９０で算出される血中酸素飽和度を用いることによって、より精度の高い測定を行うことができる。

次に、本実施形態に係る２波長血流センサ装置による血流速度と血中酸素飽和度との測定の詳細及びその効果について図７から図９を用いて説明する。ここに図７は、２波長血流センサ装置の使用法の一例を示す概念図であり、図８は、ヘモグロビンにおける吸光度と波長との関係を示すグラフである。また図９は、人間の皮下構造を示す断面図である。

図７に示すように、本実施形態に係る２波長血流センサ装置は、例えば被検体の指先５００に対して、２波長レーザダイオード１２０によりレーザ光を照射することにより血流速度を計測する。この際、レーザ光を照射する部位は、表皮から比較的近い位置に密に毛細血管が分布しているような部位（例えば手、足、顔や耳など）である方がより望ましい。指先５００に照射されたレーザ光は、夫々の波長によって異なる深度まで浸透し、被検体の血液や皮膚細胞などの生体組織により反射又は散乱される。そして、血管中を流れる赤血球によって反射又は散乱された光にはドップラーシフトが起こり、赤血球の移動速度、つまり血液の流れる速度に依存して光の波長が変化する。一方、赤血球に対して不動と見なせる皮膚細胞などによって散乱又は反射された光は、波長が変化しない。これらの光が互いに干渉することによって、フォトダイオード１５０においてドップラーシフト量に対応した光ビート信号が検出される。このフォトダイオード１５０によって検出した光ビート信号を周波数解析してドップラーシフト量を算出し、それによって血流速度を算出することができる。

尚、上述したような血流速度の測定を行う場合、異なる波長の光の出射切り替え間隔（即ち、一の波長の光が出射されてから、他の波長の光が出射されるまでの時間）は、計測対象となる生理現象によって適宜決定した方がよい。標本化定理に則り、データ収集のためのサンプリング周期は、計測対象となる生理現象の変動周期の２倍以上である方がよい。例えば計測対象を人間の心拍に限った場合、典型的には１Ｈｚ、速い状態でも４Ｈｚ程度なので、サンプリング周期として８Ｈｚ以上である方がよい。この条件を複数の波長においてそれぞれ満たすためには、計測に用いる波長数倍する必要がある。即ち、本実施形態のように異なる２波長を用いて計測する場合、異なる波長の光の切り替えは８Ｈｚの２倍である１６Ｈｚ以上で行う方がよい。このように異なる波長の光の出射切り替え間隔を、計測対象となる生理現象に合わせて適宜決定することによって、生体情報を精度良く計測することが可能である。

図８に示すように、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとでは吸光度が異なり、更にその吸光度は夫々、光の波長によって変化する。よって、上述した異なる波長の光を用いた測定により、血流速度と同時に酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの割合、即ち血中酸素飽和度を算出できる。この際、測定に用いる光の波長は、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとで吸光度の差が大きい方がよく、例えば７００ｎｍの光と９００ｎｍの光とを用いればよい。逆に８００ｎｍ付近の波長の光を用いると、吸光度にあまり差が無いため適切な測定が行えないおそれがある。

尚、血中酸素飽和度のみの測定を行う場合は、ドップラーシフトによる波長の変化を測定しないため、出射される光は、レーザ光のように可干渉（コヒーレンス）光でなくともよい。そのため、２波長レーザダイオード１２０の駆動電流を制御して発光ダイオードとして機能できるように構成されてもよい。発光ダイオードとして機能させる場合、駆動電流はレーザ発振閾値より低いため、駆動時の消費電力は低下する。よって、計測対象により半導体レーザの駆動電流を制御することで、消費電力を低減することが可能となる。

図９に示すように、例えば人間の皮下構造は、真皮組織に細動脈４１０及び細静脈４２０が分布している。そして、細動脈４１０から分岐した毛細血管４３０が表皮付近に向けて分布しており、一方の端が細静脈４２０に繋がっている。細動脈４１０と毛細血管４３０との接続部分には、弁のような働きをする前毛細血管括約筋４４０が位置しており、細動脈４１０から毛細血管４３０へと流れ込む血液の量をコントロールしている。即ち、毛細血管４３０の血流速度と、細動脈４１０の血流速度とを同時に測定することで、前毛細血管括約筋４４０の動きを予測することができる。また、この前毛細血管括約筋４４０は、交感神経によって支配されているため、当該前毛細血管括約筋４４０の動きから、心理的な状態を予測できる。従って、夫々深度の異なる、毛細血管４３０及び細動脈４１０の血流速度を測定することで、前毛細血管括約筋４４０の動きを予測し、それから更に被検体の心理状態を予測することが可能となる。

上述したように、血流速度は心理的要因の影響を受けて変動するが、呼吸による影響も受けて変動するため、この呼吸による影響を取り除いた方が、より正確に心理的な状態を予測することができる。それに対し、血流速度と同時に計測が可能である血中酸素飽和度は、呼吸の影響を受けて変動し、心理的要因による影響を受けないという特徴を持っている。そのため、血流速度と血中酸素飽和度との両者を比較することで、血流速度から呼吸の変動による影響を取り除き、心理状態によって変動する成分のみを抽出することが可能である。従って、血流速度と酸素飽和度との同時計測が可能であれば、より高い精度で被検体の心理状態を予測することが可能となる。

次に、本発明の第２実施形態に係る２波長血流センサ装置について図１０を参照して説明する。ここに図１０は、第２実施形態に係る２波長血流センサ装置の構成を示すブロック図である。尚、第２実施形態は、第１実施形態と比べて、異なる波長の光を順次ではなく同時に出射する点が異なり、構成は類似している。そのため、ここでは主に第１実施形態と異なる部分について説明し、同様である部分については説明を適宜省略する。

図１０に示すように、第２実施形態に係る２波長血流センサ装置のセンサ部２００は、異なる波長の光を同時に出射するため、長波光及び短波光夫々に対応するフォトダイオード１５０を備える。そのため、夫々のフォトダイオード１５０に対して、フォトダイオードアンプ２３０及びＡ／Ｄ変換器２４０が設けられている。

第２実施形態においては、先ずレーザダイオードドライブ回路２１０から出力された信号によって、２波長レーザダイオード１２０から長波光及び短波光が夫々同時に出射される。このため、第１実施形態において用いられる、第１スイッチング回路２２０（図６参照）は設けられなくともよい。

被検体によって反射又は散乱された光の検出には、例えば光学的バンドパスフィルタを有するフォトダイオード１５０を２つ用いる。光学的バンドパスフィルタは、長波光のみを通過させるものと、短波光のみを通過させるものとがあり、これにより、夫々のフォトダイオードはいずれかの波長の光のみを検出する。よって、同時に出射された異なる波長の光は、フォトダイオード１５０による検出の時点で波長毎に分離される。尚、夫々異なる所定範囲の波長のみを検出するようなフォトダイオード１５０であれば、光学的バンドパスフィルタは用いなくともよい。

検出された光の信号は、上述したようにフォトダイオード１５０によって分離されているため、夫々の信号を、そのまま第１血流速度用ＤＳＰ２６０及び第２血流速度用ＤＳＰ２７０、並びに血中酸素飽和度用ＤＳＰ２９０に送ることで結果を算出することができる。

第２実施形態では、同時に異なる波長の光を照射しているため、２波長の光による同時刻での計測が可能になる。よって、例えば極めて短時間で変化してしまうパラメータを計測する場合等に精度の高い計測が行える。更に、異なる波長の光夫々から得られる情報に対する処理が同時に行えるようになるため、計測にかかる時間を短縮することができる。

本発明は、例えば血流センサ装置として、いわゆる医工学の分野等に広く適用できる。特に、常時装着が可能な程度に小型化ができるため、その利点を生かして、例えば補聴器のイヤホンや腕時計等に備えられ、高齢者の健康状態を常時モニターする等の応用が可能である。

医療以外の分野であっても、家電やモバイル機器等に適用することが可能であり、例えば音楽用ヘッドホン等に内蔵されることで、使用者の心理状態を予測し、その心理状態に合わせて自動的に選曲する機能を持たせることが可能である。また、例えば自動車のヘッドレストやハンドル等に設けられ、運転者或いは同乗者の状態をモニターし、安全運転をアシストするためのデータ収集等に応用することもできる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う自発光型センサ装置、及び該自発光型センサ装置を用いる生体情報検出方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明に係る、自発光型センサ装置、及び該自発光型センサ装置を用いた生体情報の検査方法は、例えば血流速度等を測定することが可能な、２波長血流センサ装置等に利用することが可能である。

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に配置されており、波長の相異なる複数の光を、被検体に対し少なくとも部分的に相互に重なるように照射する照射部と、
   前記基板上に配置されており、前記照射された複数の光に起因する前記被検体からの光を、前記波長別に検出する受光部と
   を備えることを特徴とする自発光型センサ装置。
2. 前記照射部は、前記複数の光に共通の光学系を介して、照射することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
3. 前記照射部は、順次に前記複数の光を照射し、
   前記受光部は、時分割で前記被検体からの光を前記波長別に検出する
   ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
4. 前記照射部は、同時に前記複数の光を照射し、
   前記受光部は、前記被検体からの光を前記波長別に検出する複数の受光素子を有する
   ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
5. 前記照射部及び前記受光部は、前記基板上に集積されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
6. 前記照射部は、前記複数の光として複数のレーザ光を発生させる半導体レーザを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
7. 前記半導体レーザは、駆動電流をレーザ発振閾値より低くすることで、発光ダイオードとして機能することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の自発光型センサ装置。
8. 照射部は、
   複数の光源光を発生させる光源と、
   該発生された複数の光源光が照射される位置に、該発生された複数の光源光が、前記照射された複数の光となるように、前記被検体の方向に反射する反射鏡と
   を備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
9. 前記反射鏡表面は、Ａｕ（金）と、Ｃｕ（銅）と、Ａｌ（アルミニウム）と、Ａｇ（銀）とのうち少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の自発光型センサ装置。
10. 前記検出された光に基づいて、前記被検体に係る血流速度及び血中両酸素飽和度のうち少なくとも一つを算出する算出部を更に備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。

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