JP4580684B2 - 有機組織の表面を照射する装置を含む生理学的数値を測定するための携帯式計測器 - Google Patents

Description

本発明は一般に、基本的に同一平面上に配置されている、有機組織の一部を少なくとも１つの所定の波長範囲の光線放射に曝すための、所定の照射源面の少なくとも１つの光源を含む照射装置と、その照射装置から離れていて、照射装置によって発生した光線放射が有機組織を伝播した後の光強度を検出するための検出装置とを含む、有機組織の表面（例えば皮膚）と接触させるように構成された生理学的数値（例えば心拍）を測定するための携帯式計測器に関する。本発明は特に、例えば腕時計と同じ構造を有する計測器の形式の、手首に装着できる上記のような測定機器に関する。

このような携帯式計測器は既に知られている。これらの携帯用装置は特に、光学手段によって心拍および／または患者の血液中の酸素レベルを測定するために使用される。これらには、人体領域（一般的には指先、耳たぶ、または血液が充分に流れる人体の末端）に取り付けるためのクランプから、腕時計と同様の外見を有する手首に装着される装置に及ぶ多様な形式のものが見られる。

心拍測定の用途範囲内で、照射装置は有機組織（一般的には皮膚）の一部を適正に照射し、かつ照射装置によって発生した光線放射が有機組織を伝播した後の光強度を検出する１個または数個の受光素子と関連している。血流の脈動が変化すると照射装置によって発生した光線放射の吸収が変化する。この吸収の変化頻度は心拍数に対応する。有機組織内を伝播した後の光線放射の強度を検出することによって、測定信号（単数または複数）を適切に処理すれば、心拍の表示を取り出すことができる。この種類の用途に一般に使用されている照射装置は比較的単純であり、典型的には１個または数個の点状の光源(quasi-punctual light source)から構成されている。これらは標準的には所定の波長範囲内で発光するＬＥＤ（発光ダイオード）である。検出装置は一般に、例えばフォトダイオードまたはフォトレジスタから形成された１個、または数個の受光素子を含んでいる。

例えば米国特許出願第２００２／０１８８２１０ Ａ１号は、手首動脈の近くの手首の内側に装着するようにされた携帯式心拍検出計測器を開示している。この例では特に、単一の発光ダイオードの周囲に数個の受光素子を配置することが提案されている。あるいは、単一の受光素子の周囲に数個の発光ダイオードを配置することも提案されているが、この代替方法は、エネルギ消費が増大し、これに比例して製造および組み立てコストが高くなるので望ましくない。

いずれの場合も、光源（単数または複数）は前述のとおり、円錐面すなわち放射面が一般に僅か数ｍｍ²の面積である点状光源である。放射面、すなわち照射源面がこのように小さいことは、光線放射の吸収度が隣接のゾーンと大幅に異なっている、いわば体系的に局部化されたゾーンを有機組織が有しているので、有機組織を照射する必要がある用途では欠点がある。このように例えばユーザの皮膚を照射する場合は、ほくろ、毛、またはその他の表皮の局部的な変質部によって、光線放射の吸収が大幅に変化し、必要な生理学的数値の測定精度に悪影響を及ぼすことがある。測定装置と照射される有機組織との間に何らかの相対運動が生ずると、測定精度の劣化が更に加わる。これらの問題は検出装置と関連しても生ずることが理解されよう。

このように、照射される組織のこれらの局部的な「欠陥」の影響を軽減し、または最小限にするため、有機組織の表面を更に均一に、かつより広い面積にわたって照射することが望ましい。１つの解決方法は、有機組織のより広い面積をカバーするために光源を多重化することであろう。しかし米国特許出願第２００２／１８８２１０Ａ１号を参照して既に述べたように、この解決方法はエネルギー消費とコストの理由からどうしても望ましくない。しかし、光源の数を増すことによって接続と構造の問題点も生ずることに留意すべきである。

代替として、または補完するために、局部的な欠陥が信号検出精度に及ぼす影響を最小限にするため、有機組織から出る光線放射が有機組織内を伝播した後により広い面積にわたってこれをピックアップすることが望ましい。
米国特許出願第２００２／１８８２１０Ａ１号 欧州特許出願第１ ０５０ ７１１号

したがって、本発明の目的は有機組織の局部的な欠陥が照射および／または伝播後の光線放射の検出の質に及ぼす影響を最小限にし、しかもこのような解決を携帯用の用途により適するため、エネルギー消費をできるだけ少なく抑えるようにする携帯式測定機器を提案することにある。

本発明の別の目的は、構造が比較的簡単に保たれ、かさばらない、特に厚みが薄く保たれる解決策を提案することにある。

本発明の更に別の目的は、有機組織のできる限り広い照射を確実にし、および／または光線放射が有機組織を伝播後に広い面積にわたってこれを検出することを確実にするために、計測器上の利用できる面積をできるだけ最適化する解決策を提案することにある。

本発明は、有機組織の表面と接触させるように構成された生理学的数値を測定するための携帯式計測器であって、基本的に同一平面上に配置されている、有機組織の一部を少なくとも１つの所定の波長範囲の光線放射に曝すため、所定の照射源面を有する少なくとも１つの光源を含む照射装置と、その照射装置から間隔を隔て配置され、照射装置によって発生した光線放射が有機組織を伝播した後の光強度を検出する検出装置とを含み、照射装置は、少なくとも１つの光源に結合され、光源からの光線放射を内面全反射によって、照射される有機組織の表面とほぼ平行に案内し、かつ光線放射を光源の照射源面よりも大幅に広い面積にわたって有機組織の表面上の幾つかの所定の照射ゾーンへと分散させるガイドを形成する光学素子を含むことを特徴とする。

本発明の実施態様は、有機組織の表面と接触させるように構成された生理学的数値を測定するための携帯式計測器であって、基本的に同一平面上に配置されている、有機組織の一部を少なくとも１つの所定の波長範囲の光線放射に曝すため、所定の照射源面を有する少なくとも１つの光源を含む照射装置と、その照射装置から間隔を隔て配置され、照射装置によって発生した光線放射が前記有機組織を伝播した後の光強度を検出する検出装置とを含み、検出装置は、少なくとも１つの受光素子に結合され、照射装置によって発生した光線放射が有機組織を伝播した後、その光線放射を有機組織の表面の幾つかのゾーン内でピックアップし、かつ光線放射を内面全反射によって少なくとも１つの受光素子に案内するガイドを形成する光学素子を含むことを特徴とする。

このように本発明で提案した解決策によれば、携帯式計測器は、少なくとも１つの光源に結合され、その光源からの光線放射を内面全反射によって、照射される有機組織の表面とほぼ平行に案内し、かつ光線放射を光源の照射源面よりも大幅に大きい面積にわたって有機組織上の幾つかの所定の照射ゾーンへと分散させるガイドを形成する光学素子を含む照射装置を備えている。

実施態様の代替解決策によれば、検出装置は、この場合は照射装置によって発生した光線放射が有機組織を伝播した後、この光線放射を有機組織の表面の幾つかのゾーン内でピックアップし、かつこの光線放射を内面全反射によって少なくとも１つの受光素子に案内するガイドを形成するような光学素子を含んでいる。これらの代替実施形態は有利なことに組み合わせることができる。

これらの解決策の有利な変化形によれば、光学素子は分岐構造、および／または少なくとも部分的なセル構造を有するように構成されている。好適には、光線放射ガイドによって形成される照射ゾーンは、検出装置の幾何学的輪郭の最近点からほぼ一定間隔にあるように決定される。検出装置が１個、または数個の点状受光素子から形成されている場合は、光ガイドとして動作する光学素子は有利なことに、形状が各受光素子の位置周囲の所定半径の円弧または円と基本的に一致する構造を有している。特に、基本的に蜂の巣構造の形状を有する構造が提案される。

この解決策は、有機組織の適正な照射を確実にするために、利用できるスペースをできる限り最適化するものである。発明者は実際に、このように構成された光学素子が必要な照射を生ずるのに特に適していて、必要な生理学的数値の最適な検出を確実にすることを観察することができた。この解決策によって、検出装置の近傍に所定の態様で配置された多数のゾーン内で有機組織を照射するために、光源（単数または複数）によって生成される光束を連続的かつ最適な態様で誘導できる。この解決策は更に所与のエネルギー消費量での照射の最適化にとって有利である。先行技術の解決策では、光源からの光束はいわば誘導されない。その結果、光線放射は光源の周囲のどの方向にも伝播されるので、分散に関してだけではなく、エネルギー消費に関しても最適ではない照射が生ずる。本解決方法によれば、光学素子から出る光線放射が検出装置の方向から所定の角度で有機組織を照射するように、光学素子を構成することができ、ひいては利用できるエネルギーを更に最適に活用できる。

特に、照射装置から出る光線放射が、照射される有機組織に対して垂直な線に確実に近くなるように、光線放射ガイドを構成できることに留意されたい。それによって有利なことに、照射装置と検出装置との直接的な結合をできるだけ回避しつつ、有機組織の深部まで照射できるようになる。先行技術の解決策では、従来の光源（特にＬＥＤ）の欠点は発生する光線放射の性質が無方向性であり、ひいては光線放射は全方向で有機組織内を伝播することにある。有機組織を照射するために光ガイドを使用することによって、光線放射を誘導できるので、光線は組織内の深部に伝播される。同様に、検出用に光ガイドを使用することによって、有機組織の表皮で伝播され、血流によって僅かにしか変化しない何らかの光線放射の不利となり、照射される有機組織の深部から出る光線放射の検出に好都合である。

特に望ましい代替実施形態によれば、光学素子はマイクロプリズム構造の固体光ガイドである。より具体的には、光学素子は有機組織の表面方向を向いた第一面すなわち下面と、その第一面とは反対側の第二面すなわち上面と、照射される有機組織の表面に対してほぼ垂直方向向きの、第一面と第二面とを連結する横面とを有している。マイクロプリズム構造は、光線照射を照射される有機組織の方向に第一面を通して向け直すために、または有機組織から発される光線放射を関連する受光素子（単数または複数）の方向にそれぞれ向け直すために第二面および／または横面上に配置される。

できるだけ均一かつ均質な照射や検出を確実にするために、マイクロプリズム構造の長さおよび／または個数は好適には、これが関連する受光素子から光線放射の光路に沿って光源からそれぞれ離れるとともに漸次増大する。これらの２つの代替実施形態は互いに独立して、または組み合わせて利用可能であり、生成される、またはピックアップされる光線放射の強度低下を補償するという利点を有している。

好適には、照射のために、各マイクロプリズム構造は、光源からの光線照射が発される方向を向き、光線放射を光学素子の第一面の方向に向け直すようにする第一のファセットを有している。同様の構造を有機組織から発される光線放射の検出用にも採用できる。

少なくとも各マイクロプリズム構造の第一ファセットには、照射または検出に有用な光束を増大させるために反射性コーティングを被覆することができる。光学素子の横壁または上壁のような、光学素子の壁のより広範にわたる部分にも反射性コーティングを被覆することができる。マイクロプリズム構造が配置される表面全体を被覆することによって、マイクロプリズム構造の選択的な被覆自体に関しては製造コストの割増はやや低減可能であるが、反射性表面による吸収損も増加する。

他の変化形によれば、照射装置は所定の、また別々の波長範囲で光線放射を発生する第一と第二の光源を含み、光ガイドはこれらの第一と第二の光源からの光線放射を混合するように配置されている。ある用途では、２つの別々の光源を使用することが心拍の検出、または特に別々の２つの波長での血液吸収の差異が生かされる血液中の酸素レベルの測定に必要になることがある。標準的には、赤色または赤外線で発光する光源が使用される。黄色（約５９０ｎｍ）または緑（約４８０〜５３０ｎｍ）のような別の波長も利用することができ、その選択は基本的に用途に応じて左右される。

この変化形の利点の１つは、光学素子が光ガイドの役割を果たすだけではなく、別々の２つの波長に沿って同じ表面にわたって均一に光線放射を分散させる光学的「ミキサ」の役割をも果たすことにある。ＬＥＤのような点状の光源を使用する従来の解決策はこの点に関して、別々の２つの光源を明らかに同じ位置に配置できないという顕著な欠点を有している。それによって必然的に、異なる波長の光源間に空間的なシフトが生じ、ひいてはこれらの２つの位置間に潜在的に大きい吸収差が生じて、検出結果に悪影響を及ぼすことがある。

最後に、前述の携帯用計測器は手首に装着する電子機器に使用するのに完全に適している。提案される解決策は、照射装置の光学素子が比較的簡単な構造であり、厚みが薄く、ユーザの皮膚の近傍の機器のケースの底部に組み込むことができるので特に有利である。

本発明のその他の特徴と利点は、非限定的な例によってのみ示され、添付図面によって図示される本発明の幾つかの実施形態の以下の詳細な説明を読むことによってより明解になろう。

ここで提示される様々な実施形態は純然たる説明のための非限定的な例によって示される。特に、提示される実施形態は、手首に装着される機器で有利に実装されるがそれに限られるものではないことを再度強調する必要があろう。これらの解決策のその他の携帯式用例もまったく考えられる。

図示した実施形態では、共通点はガイドを形成する構造化された光学素子に結合された少なくとも１つの光源を含む照射装置を使用していることにあり、ガイドは検出装置の形状（特にその周囲の）と構成に応じて所定の態様で構成されることに留意されたい。以下に明らかにされるように、検出装置には少なくとも１つの受光素子に結合されたガイドを形成する少なくとも１つの光学素子を備えることもできる。代替案として、本発明の範囲内でこのような光ガイドを有する検出装置だけを備え、１個または数個の従来型の光源を使用することも考えられる。しかし、電力消費と光源の配分に関して望ましい節減のために、照射用に光ガイドを使用することが好適である。

表面、特にマークまたはディスプレーを支持する支持体の表面の準均一な照射を確実にするために光ガイドを使用する解決策は既に知られていることに留意されたい。例えば本出願人の名義の欧州特許出願第１ ０５０ ７１１号はマイクロプリズム構造を備えたガイドによる表面の方向性照射装置を開示している。この照射装置は時計の文字盤のような平坦な面を照射する目的のためだけに使用され、光線放射はガイドの横面から発せられる。しかし、このような照射装置を有機組織の一部を照射するため、生理学的数値を測定する計器で使用することは記載も示唆もされていない。

本発明の範囲内で、ガイドを形成する光学素子は、有利には窪み内に配置されたマイクロプリズム構造を有する固体光ガイドであることが好適である。このガイドを形成する材料は、少なくとも１つの光源から１端に入射される光エネルギーの少なくとも一部が内面全反射によりガイドに沿って伝播できるようにする公知の有機ポリマーから選択された屈折率ｎが高い（一般には１．４０から１．６５の間）半透明または透明材料であることが好適である。このような有機ポリマーは例えばアクリル・ポリマー、特にポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、およびポリエステルから選択される。

異なる波長範囲内で発光する幾つかの光源を使用し、これらをミックスする場合は、拡散媒体が照射の均質性と均一性を高めることに留意されたい。しかし、光の強度に関してはより大幅の損失が予測される。

光ガイドは適宜の工具を使用した機械加工のような直接的、または間接的なエッチング、フォトレジスト・マスクによるエッチング、化学手段またはレーザー手段により構成することができるが、これらの技術は非限定的な例として挙げたものである。成形によってガイドを形成するために射出成形機に取り付けられたダイ、またはガイドを成形したい表面のスタンピングのために使用されるエッチングされたダイからの複製によって光ガイドを構成することも可能である。どの技術が採用されても、構造化はガイド上に直接的に、またはガイドの屈折率とほぼ同じ屈折率のプレート上に実施され、これはその後例えばボンドによって実際のガイドに接着される。

既に前述したように、有機組織を照射するために有用な光束を増加するため、光ガイドのあるファセット上に反射性コーティングを被覆することができる。

光源（単数または複数）に関しては、所望の波長範囲で発光する従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）（例えば６５０ｎｍで発光するＡｌＧａＡｓダイオード、または４７０ｎｍで発光するＩｎＧａＮダイオード）のような点状の光源で形成することが好適である。検出装置の受光素子（単数または複数）は例えば採用される波長範囲（単数または複数）に適切な応答性を有するフォトダイオード、またはフォトトランジスタから形成できる。

図１は参照番号３で全体的に示した本発明による計測器の第一実施形態を概略的に示している。参照番号１で示した照射装置はこの場合は構造のＣで示された中心に配置され、図１では一部しか見えない光源（少なくとも）４０に結合された光ガイドを形成する光学素子１０を含んでいる。図１の例では、照射装置１は３つの点状受光素子２１〜２３を含む検出装置と関連している。

図１の計測器は例えば心拍測定用であり、その基本的な外見は腕時計の外見と同様である。このように、この計測器３は中央部でもある内側に計測器の様々な電気部品や電子部品（図示せず）が配置されているケース３０とそのケース３０に配置された例えばホーン３１、３２を介して従来の態様でケース３０に取り付けられるリストバンド（図示せず）を含んでいる。照射装置１と検出装置２はユーザの皮膚と接触するようにバックカバー３５内に配置されている。このように図１は計測器３のバックカバー側の平面図を示している。バックカバー３５は好適には、参照番号７０で示された周囲リブをも有しており、その有用性は以下により詳細に説明する。

照射および検出装置を携帯用計測器の別の適応部分、例えばその上面に配置することもできよう（その場合は、対象となる生理学的数値の測定を実行するため、ユーザは例えば１本の指をこの上面に当てる必要がある）。

この第一実施形態では、照射装置１の光学素子１０は構造の中心Ｃの周囲に１２０℃の角度でずらされた３方向に沿ってほぼ同一面に延在するほぼ直線的な３つの分岐１１〜１３を含んでいる星形状の分岐構造を有する。検出装置２の受光素子２１〜２３はこの例では３つの分岐１１〜１３によって形成される角度だけずらされた等分線上の対称構造で、すなわち構造Ｃの周囲で１２０℃の角度だけずらされた３方向に沿って配置されている。分岐１１〜１３、および受光素子２１〜２３は全てこのように、構造の中心で約６０°ごとに交互に配置されている。

より正確には、３つの受光素子２１〜２３は中心Ｃから等間隔に配置されて、頂点は３つの受光素子によって形成される正三角形を形成する。これらの受光素子に関連して、光学素子１０は、受光素子２１〜２３の位置の周囲の所定の半径Ｒの円の円弧の一部を基本的にたどる分岐形状を特徴としている。このように、２つの受光素子を離隔する間隔は半径Ｒの２倍にほぼ等しい。光学素子の分岐１１〜１３はＬで示される平均幅を有している。これはこの場合は一定であり、その値は半径Ｒの何分の一かになるように選択される。

半径Ｒの値と光学素子の分岐の平均幅Ｌの値は様々な制約によって決まる。発明者は、各受光素子を隣接の分岐から隔てる平均距離はほぼ一定に留まることを観察することができた。この特定の例では、この距離は一方では半径Ｒの値によって、また分岐の平均幅Ｌの値によって決定される。距離が短すぎると、受光素子２１〜２３は照射装置１に対して密接しすぎ、照射装置によって発生される光線放射が有機組織の充分深部まで浸透するのが妨げられ、また血流の変化によって充分に変調するのが妨げられる。同様に、距離が長すぎると、受光素子は照射装置１から遠すぎ、充分な強度の信号の検出が妨げられる。実際には、発明者は１０ミリメートル未満程度の距離が適切であることを観察できた。

図１０は上記のことを実証している。この図では、光源から移動するとともに平均局部強度はほぼ指数関数的に漸減することが概略的に分かる。一方、有機組織内を伝播した後の光線放射変調率は（この光線放射は検出装置によってピックアップされる）、光源から離れるとともに漸増し、一般にある距離から安定する。この変化は基本的に、光源から離れると光線放射は照射される有機組織のより深部まで浸透し、血流によってより変調されるという事実に関連している。変調率の安定化または飽和は、血管分布が、それが均質になる有機組織の表面に対する所定の深さまで変化するという事実の結果として生ずる。したがって、有機組織内の透過経路がより長いと、もはや変調率の増加には寄与しない。

このように、基本的に前述の２つの曲線（図１０の点線の曲線）の積算から生ずる変調された強度はグラフに示されたような振幅のピークを有する。このように、光学計測器の動作を最適化するため、この振幅ピークと基本的に一致する照射装置と検出装置とのスペースが選択される必要がある。この最適な距離（図１０の陰影部分で示す）は照射有機組織の性質と、特に血管が位置する深さに応じて変化する。手首に使用するには、発明者はこの距離は標準的には１０ｍｍまたはそれ未満であると判定した。

皮膚と接触するバックカバーの表面が一般に１０ｃｍ²程度である、手首に装着する電子機器に応用する場合は、実際には、提案されている構造の光ガイド内の「重複する」１０個の受光素子より僅かに小さい間隔で配置できることに留意されたい。

図１の例では、各受光素子２１〜２３と隣接の分岐との距離は、分岐１１〜１３が直線的な形状であるので厳密には一定でないことを見る必要がある。しかし、受光素子と光ガイドとの一定の距離に関する厳密な尊重はそれ自体が根本的に重要なものではないことも明示する必要がある。ある許容差は受け容れられる。更に、光ガイドが光線放射を光源（単数または複数）から受光素子の位置に対して所定のゾーンへと確実に導入し、配分するような構造に構成されることが特に重要であることも指摘しておく必要がある。このように、光ガイド自体を、検出装置の形状に対する所定の距離を必ずしも尊重しない形状にすることができよう。

ここで図１の照射装置の構造をより詳細に説明するが、このような構造は図１ａ、１ｂに詳細に示されている。図１ｂは１０ｂで示された上面側から見た図１の光学素子１０の部分拡大図である。すなわち面１０ａとは反対の面は照射される有機組織（図１ａの５０）の表面向きである。図１ａは図１ｂのＡ−Ａ線に沿った光学素子１０も部分断面図であり、光源４０の配置をも示している。

明解にするため、デカルト座標ｘ、ｙ、ｚのセットを決め、スペース内の様々な表示の方向を特定するために各図に付記されている。特に、この座標セットは光学素子１０の基本面がｘ−ｙ軸（図１参照）と平行になるように決められ、分岐１１はｘ軸と平行であり、かつｚ軸は計測器の底面から照射される有機組織５０（図１ａ参照）の表面方向を向いていることに留意されたい。

図１ａと１ｂに示すように、照射装置１はこの例では単一の光源４０、好適にはその光線放射がｚ軸に沿って矢印で示した光学素子の中央部の方向を向くように、構造の中心Ｃに配置された発光ダイオード、すなわちＬＥＤである。ファセット１５ａ、１５ｂは光学素子１０の面に対して垂直の向きにあるので、これらは光学素子１０の下面１０ａの窪みに配列されている。これらのファセット１５ａ、１５ｂは内面全反射によって光束を光源４０から光学素子の様々な分岐へと向け直す向きにされている。その結果、この実施形態では、これらのファセットは基本的に四面体の、またはより正確には四面体の２つの部分の外見を有する溝１５を形成している。光源４０によって発生したビームの入射角が基本的に一定ではなく、光源によって発生した光線がｚ軸の周囲に放射円錐を形成する場合には、構造の中心Ｃから離れるとともにｘ−ｙ面に対する角度が漸減する幾つかのファセット（この例では２つ）を使用することが好適である。溝１５を形成するファセット１５ａ、１５ｂは例えば曲線の輪郭形状のような、光源４０からの光線放射を様々な分岐へと向け直すことができる他のいずれかの適宜の形状に置換可能であることが理解されよう。

図１ａ、１ｂに示すように、光源４０によって発生した光線放射はこのようにして光学素子の各分岐１１、１２、１３へと向け直され、これらの分岐は各々図１ａの矢印で概略的に示すように、光束を内面全反射によって有機組織５０の表面の異なるゾーンへと向け直すための反射ゾーン６０を含んでいる。図１ａと１ｂの例では、ゾーン６０は光学素子の上面１０ｂ上に配置され、光源４０によって発生された光ビームが発される方向に傾斜した少なくとも１つのファセット６１から形成されて、マイクロプリズム構造を形成している。図１ａ、１ｂでは、この種類の４面のファセットを分岐１１に見ることができる。これらのうちの３面が分岐１１の長さにわたって配分され、各々が面１０ｂに配置されたＶ形の窪み部によって形成されている。４番目のファセットは分岐１１の端部に配置されている。これは他の３面より面積が大きい。

ｘ−ｙ面に対するαで示されるファセット６１の角度は、入射光ビームの一部を照射される有機組織５０の方向に向け直すような角度に定められる。この角度αの値は使用される材料の性質（特に光ガイド１０を形成する屈折率ｎ）、ガイド内での入射ビームの向き、ならびに外部媒体の性質によって決定される。前述したように、光学素子１０の下面１０ａを通して出る光束を増加させるために、ファセット６１（または上面１０ｂ全体までも）を反射性コーティングで被覆することが考えられる。

一般に、光学素子の設計は一定数の形状的制約を満たす必要がある。その１つは面に当たる光ビームの全反射が生じる対象面と垂直な線に対するθ_cで示される臨界角度の値である。この臨界角度は一般に下記の式によって得られる。
θ_c＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ₁／ｎ₂）

ただしｎ₁は外部媒体の屈折率（空気の場合は１に等しい）に相当し、ｎ₂は光ビームが伝播されるガイドの屈折率に相当する。このように、ビームの内面全反射が光ガイド１０内で確実に生ずるようにするため、ガイド内の光ビームが前述の臨界角度θ_cよりも大きい対象面に対する入射角を有する必要がある関係が尊重されなければならない。逆の場合は、その後、光ビームの一部は屈折によって光ガイドの外側に伝播される。前述のように、必要ならば反射性コーティングによって入射する光ビーム全体を反射させることもできる。しかし、それによって吸収による損失が生じ、これはできるだけ最小限にするのが好ましい。

図２ａ、２ｂは反射ゾーン６０を形成する代替策を示す代替実施形態を示している。このように、これらのゾーン６０を光学素子１０の上面１０ｂに形成する代わりに、照射される有機組織に表面と基本的に垂直であり、かつ光学素子内での光束の一般的な伝播方向と平行である光学素子１０の横面にゾーンを形成することが可能である。これは例えば図２ａ、２ｂの分岐１１の１０ｃ、１０ｄで示された面（および他の２つの分岐１２、１３の対応する横面）でよいであろう。これらの面を活用するため、図２ａ、２ｂに示すように、６２で示されるようにファセットが配置され、光源４０によって発生された光ビームが出る方向と、照射される有機組織の表面の方向の双方に傾斜させる必要がある。１つの面および／または他の面１０ｃ、１０ｄをこのように構成することができる。ファセット６２によって反射される光学素子の面１０ａから出る光束はｚ軸に沿った成分だけではなく、ｙ軸に沿った（またはｘ軸にさえ沿った）成分をも有する基本方向を有することに留意されたい。記載している例の場合は、受光素子が各分岐１１〜１３のいずれかの側に配置されている場合には、均一に分散された照射を確実にするために、各分岐も２枚の横面を対称形に構成することが好適である。

図１ａ、１ｂおよび２ａ、２ｂを参照して説明した２つの構成方法は、組み合わせると有利である。その上、図２ａ、２ｂに示すように、各分岐の端部は図１ａ、１ｂの解決策と類似した傾斜したファセット６１を含んでいる。更に、ファセットのサイズ（奥行きおよび／または幅）と表面単位当たりのファセット数を変更できる。光束の強度の漸減をある程度まで補償するために、光ビームの伝播経路に沿って光源４０から離れるとともに、ゾーン６０の反射面を増大させ、および／またはファセット数を漸増させることが特に望ましい。

光学素子１０の構造は明らかに図１の単一の例に限定されるものではない。図３および４に示すように、光学素子１０はそれぞれの受光素子の位置の周囲に開放された（図３）、または閉じた（図４）セルを形成するより広い幅の分岐構造を有することができる。携帯式計測器上の利用できる表面をできるだけ最適化するため、蜂の巣状のセル構造は空間を最適に活用するので特に有利であると思われる。前述のように、このような構造を採用することによって、実際に、手首に装着する計測器のバックカバー上で標準的に利用できるような１０ｃｍ²程度の面積上に構成されたセル状の光学素子の中心部に１０個未満の点状受光素子を配置することができる。

図３、４の変化形では、照射される有機組織の方向に光束を向け直すことができる光学素子１０の反射ゾーン６０が図１、１ａ、１ｂに示した反射ゾーンと同様に示されていることを指摘しておきたい。これらの図面は概略的で、説明目的であるにすぎない。特に、図２ａ、２ｂの変化形によって示したこの種の構造は、代替として、または補完として利用できる。その上、反射ゾーンの数、形状、配置は変更可能である。最後に、反射ゾーンの寸法（幅や奥行き）は拡縮されなくてもよい。

図５は図４と同様の更に別の変化形を示し、光学素子は各セルが図４の多角形のセル構造ではなく円形、または環状の形状を有するセル構造を有している。一例として、反射ゾーン６０は図２ａ、２ｂのガイド１０の横面上のゾーンと同様の構造を有している。図５の場合、（この場合も構造の中心Ｃで発生される）光ビームの、光学素子１０の様々な分岐への伝播経路はこの場合も矢印で示されている。

図６は携帯式計測器３のバックカバー３５内に図５に示した照射装置を組み込む態様を示した透視図である。これまでの説明に基づいて、発光ダイオード４０はこの例では、バックカバー３５の中心領域に配置され、この光線放射が光学素子１０の下面（図６の上向きの面）上に配設された溝１５の方向のｚ軸と平行な向きにされている。

ガイド１０の壁とバックカバー３５の隣接の壁との間に小さい空隙を配置するように、光学素子１０とバックカバー３５との間にスペーサ（図示せず）を配置することができる。一方では、バックカバー３５とガイド１０との間に、他方では照射される有機組織の表面との間に中間壁（図示せず）を挿入することができる。これに関連して、前述のように、バックカバー３５は、照射される有機組織の方向にバックカバーの外側へと突起する、この場合は環状の周囲リブ７０を有することが好適である。この構造では、このリブ７０の目的は基本的に２つの目的に応えることである。これらの目的の１つは、生理学的数値の測定を妨げる周囲光を阻止する光障壁を形成することである。これらの目的のうち第二の目的は、光ガイドが有機組織と直接接触しないことを確実にすることである。実際に、光ガイドと照射される有機組織との間に永続的なスペースが存在することによって、ガイドと外部環境との境界の性質が確実に一定に保たれ、かつ時間が経過しても、特に携帯式計測器が有機組織に対して相対的に移動している間に変化しないようにすることが好適である。

図６の図面では、リブ７０は照射装置１の外郭をたどることができ、この場合、このリブ７０は図示のような環状ではなく３つのローブを有する形状であることを指摘しておきたい。しかし、リブを照射装置と検出装置との間に挿入して双方の装置間での直接的な光結合を制限することが有利であろう。

リブ７０の存在に加えて、照射装置と検出装置との間にバックカバー３５の面（図６の陰影のついた３つの環状面）を配して、それらが照射装置によって生成される光線放射を反射しないようにすることも好適である。まさに、バックカバー３５とその上に位置する有機組織との間にスペースがあれば、光線放射の一部は検出装置によってピックアップされる前に、バックカバー３５の表面と照射される有機組織の表面との間で反射されることがあり得るであろう。照射装置と検出装置との間の、バックカバー３５の中間面に反射防止コーティングを配することによって、バックカバーと有機組織との間のこれらの多重反射による悪影響が制限される。

図７は、本発明の範囲内で考えられる幾つかの修正を示した更に別の変化形を示す。

第一に、これまで提示された実施形態は単一の光源に連結されたガイドを形成する単一の光学素子のみを含むものである。１個または数個の光源にそれぞれ結合された幾つかの別々の光ガイドを使用することも当然考えられる。図７は例えば、各々が光源４１、４２に結合された、ほぼ直線的な形状の２つの光ガイド１０１、１０２を含む変化形を示している。

第二に、結合される光ガイドに対する光源の配置は異なる構造を有することができる。図７は例えば、各光源４１、４２が関連する光ガイドの１端に面して配置され、光線放射はこの例ではｘ軸に沿った向きであることを示している。このように、この解決策では光学素子が図１から６の実施形態のように、ガイドの基本面に光ビームを向け直す必要がない。

第三に、検査される有機組織の表面の異なるゾーンで伝播される光線放射をピックアップするために、検出装置自体にもガイドを形成する１個または数個の光学素子を備え、各光学素子は少なくとも１つの受光素子に結合されることが有利である。図７には、光学照射素子１０１、１０２の両側に交互に配置され、それらの両端の一方を介して受光素子２１、２２、２３にそれぞれ結合されたガイドを形成する３個の光学素子２０１、２０２、２０３の存在によってこのことが図示されている。これらの光学素子の構造は前述の光照射ガイドの構造と基本的に同様である。

第四に、ガイドの形状は必ずしもこれまでの実施形態のように円の円弧を呈する必要はない。円形の円弧は基本的に、図１〜６の実施形態で使用される点状の素子、すなわち受光素子（単数または複数）によって決定付けられる。本質は特に照射装置が光ビームを放射するゾーンと、検出装置が有機組織内の伝播後の光ビームをピックアップするゾーンとの間の所定の距離を所定の許容差範囲内で尊重することにある。

この最後の点に関して、有機組織を伝播した後の光線照射をピックアップするために１個または数個の光ガイドを使用することは別の構造の可能性を開くことを指摘しておきたい。このように、図７では光線放射を検出するために光ガイドを使用することによって、照射装置と検出装置を幾何学的に特に簡単に構成できることが分かる。まさに、使用されている様々な光学素子１０１、１０２、２０１、２０２、２０３はこの場合は構成された直線バーの簡単な形状を有しており、したがって製造し易い。このような場合、光学素子間のスペースΔと光学素子の幅Ｌを尊重するように注意する必要がある。しかしこのスペースΔと幅Ｌは一方の光ガイドと他方の光ガイドで異なっていてもよい。

勿論、その他の変化形も考えられる。したがって、光学素子が互いに適合可能な相反する形状を有し（例えば櫛、または螺旋状の構造）、しかも光線放射発生ゾーンと光線放射検出ゾーンとの間で必然的に定まる距離を尊重することが完全に可能である。この点に関して、図８、９は、３個の受光素子２１、２２、２３がそれぞれの光ガイド２０１、２０２、２０３に結合されていることが異なっている、図１と図３にそれぞれ示された構造の変化形を示している。図７と同様に、図９の変化形はこの場合も受光装置が関連する光学素子の一端に結合可能であることを示している。

図７、８、９の図では、同じ（照射または検出）装置もさまざまな光ガイドを単一の同じ光ガイドと組み合わせることが可能であること、および関連する光源または受光素子の数を減らすことができることが分かる。

最後に、別々の波長範囲内で発光する数個の光源を同じガイドに同時に結合できることも分かるであろう。このような場合は、さまざまな光源からの光線放射を光学素子の入り口で混合し、またはこれらの光源を結合して、光線放射が光ガイド内で混合されるようにするため、照射装置に光学装置を備えることが賢明であろう。このような構想はなかんずく、光ガイドの様々なゾーンから発せられる光線放射が所望の波長の様々な成分間で適切な均一性と均質性を有するというものである。前文で既に述べたように、光ガイドを形成するために拡散媒体を使用することは、このような均質性にとっては有利であるが、光線強度の損失が予測される。

一般に、有機組織を照射し、また必要ならば組織内を伝播した後の光線放射を検出するために、これまで提案してきたガイドを形成する光学素子を使用することによって、携帯式計測器上の利用できる表面と、利用できる光エネルギーの利用をできるだけ最適化できることが理解できるであろう。

最後に、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲から離れることなく、本明細書に記載の実施形態に当業者には自明である他の様々な修正および／または改良を加えることが可能であることが理解されよう。特に、本発明は腕時計内で使用するだけに限定されるものではなく、手首に装着するしないに関わりなく、他のどの携帯用の用途にも適用される。

生理学的な数値を測定するための、分岐された光学素子を備えた照射装置と、照射装置の周囲に配置された３個の点状受光素子とを含む、好適には手首に装着するようにされた携帯式電子計測器の一実施形態の底面側の平面図である。 （図１ｂのＡ−Ａ線に沿った）拡大断面図であり、マイクロプリズム構造が光学素子の上面に配置され、照射装置の光学素子に対する光源の配置をも示している。 図１の光学素子の分岐部分の拡大平面図であり、マイクロプリズム構造が光学素子の上面に配置され、照射装置の光学素子に対する光源の配置をも示している。 マイクロプリズム構造が特に分岐の横壁に配置されている、代替実施形態を示した図１ａと同様の図面である。 マイクロプリズム構造が特に分岐の横壁に配置されている、代替実施形態を示した図１ｂと同様の図面である。 光学素子が付加的な分岐を有し、この分岐は受光素子の周囲に開放されたセルを形成させる変化形を示した、図１の図面と同様の平面図である。 光学素子が蜂の巣構造のような多角形構造の閉じたセルを画成する更に別の変化形を示す図面である。 図４と同様のセル構造であるが、各セルはほぼ円形または環状の形状を有している変化形を示す図面である。 手首に装着するようにされた腕時計の形態と類似の形態をとる電子機器の概略透視図で、この機器は図５の変化形による底部に配置された照射装置を含んでいる。 照射装置が有機組織の表面を照射するための別々の２個の光ガイドを含み、また検出装置自体に有機組織内を伝播後の光線放射をピックアップするための光ガイドを備え、各光学素子がこの場合はほぼ直線的なバーの形状を有するガイドを形成している変化形を示す図面である。 検出装置自体に光ガイドを備えている図１および図３と同類の別の変化形を示した図面である。 検出装置自体に光ガイドを備えている図１および図３と同類の別の変化形を示した図面である。 有機組織内の光源の照射強度、照射放射の変調率、および光源に対する距離の関数として変調の結果生じた光度の変化を概略的に示したグラフである。

符号の説明

１ 照射装置、２ 検出装置、３ 計測器、１０ 光学素子、１０ａ 下面、１０ｂ 上面、１０ｃ、１０ｄ 横面、１１、１２、１３ 分岐、１５ 溝、１５ａ、１５ｂ ファセット、２１、２２、２３ 受光素子、３５ バックカバー、４０ 光源、５０ 有機組織、６０ 反射性ゾーン、６１ ファセット、１０１、１０２、２０１、２０２、２０３ ガイド、Ｃ 中心

Claims (13)

1. 有機組織（５０）の表面と接触させるように構成された生理学的数値（３）を測定するための手首に装着する計測器であって、
   基本的に同一平面上に配置されており、
   前記有機組織の一部を少なくとも１つの所定の波長範囲の光線放射に曝すため、所定の照射源面を有する少なくとも１つの光源（４０；４１、４２）を含む照射装置（１）と、
   その照射装置（１）から間隔を隔て配置され、前記照射装置によって発生した光線放射が前記有機組織（５０）を伝播した後の光強度を検出する検出装置（２）とを含み、
   前記照射装置（１）は、前記少なくとも１つの光源（４０；４１、４２）に結合され、
   前記光源からの光線放射を内面全反射によって、照射される有機組織（５０）の表面とほぼ平行に案内し、かつ前記光線放射を前記光源（４０；４１、４２）の照射源面よりも広い面積にわたって前記有機組織（５０）の表面上の幾つかの所定の照射ゾーンへと分散させるガイドを形成する光学素子（１０；１０１、１０２）を含み、
   前記光学素子（１０；１０１、１０２）は、前記光源（４０；４１、４２）によって発生された光線放射を照射される有機組織（５０）の表面の方向に向け直すための反射性マイクロプリズム構造（６０）を備えた固体光ガイドであり、
   前記光学素子は照射される前記有機組織（５０）の方向を向いた第一面（１０ａ）、すなわち下面と、その第一面とは反対側の第二面（１０ｂ）、すなわち上面と、照射される有機組織の表面に対してほぼ垂直方向向きの、前記第一面と第二面とを連結する横面とを有し、
   前記各マイクロプリズム構造（６０）は、前記光線照射を照射される前記有機組織（５０）の方向に前記第一面（１０ａ）を通して向け直すために、前記第二面（１０ｂ）および／または前記横面上に配置された少なくとも第一のファセット（６１；６２）を含むことを特徴とする手首に装着する計測器。
2. 有機組織（５０）の表面と接触させるように構成された生理学的数値（３）を測定するための手首に装着する計測器であって、
   基本的に同一平面上に配置されており、
   前記有機組織の一部を少なくとも１つの所定の波長範囲の光線放射に曝すため、所定の照射源面を有する少なくとも１つの光源（４０；４１、４２）を含む照射装置（１）と、
   その照射装置（１）から間隔を隔て配置され、前記照射装置によって発生した光線放射が前記有機組織（５０）を伝播した後の光強度を検出する検出装置（２）とを含み、
   前記検出装置（２）は、前記少なくとも１つの受光素子（２１、２２、２３）に結合され、照射装置（１）によって発生された光線放射が前記有機組織を伝播した後、この光線放射を有機組織（５０）の表面の幾つかのゾーン内でピックアップし、かつ前記光線放射を内面全反射によって前記少なくとも１つの受光素子（２１、２２、２３）に案内するガイドを形成する光学素子（２０１、２０１、２０３）を含み、
   前記光学素子（２０１、２０２、２０３）は、有機組織（５０）から出た光線放射を関連する受光素子（単数または複数）（２１、２２、２３）の方向に向け直すための反射性マイクロプリズム構造を備えた固体光ガイドであり、
   前記光学素子は光線放射の発生源である前記有機組織（５０）の方向を向いた第一面、すなわち下面と、その第一面とは反対側の第二面、すなわち上面と、有機組織の表面に対してほぼ垂直方向向きの、前記第一面と第二面とを連結する横面とを有し、
   前記各マイクロプリズム構造は有機組織から発された光線照射を関連する受光素子（単数または複数）の方向に向け直すために、前記第二面および／または前記横面上に配置された少なくとも第一のファセットを含むことを特徴とする手首に装着する計測器。
3. 各照射ゾーンは検出装置から一定距離にあるように決定されることを特徴とする請求項１に記載の手首に装着する計測器。
4. ガイドを形成する前記光学素子は分岐構造、および／または少なくとも部分的なセル構造を有することを特徴とする請求項１、２、または３に記載の手首に装着する計測器。
5. ガイドを形成する前記光学素子は基本的に蜂の巣構造を有することを特徴とする請求項４に記載の手首に装着する計測器。
6. 前記検出装置（２）はガイドを形成する前記光学素子（１０）と基本的に同じ平面上に配置された１個または数個の点状の受光素子（２１、２２、２３）を含むとともに、ガイドを形成する前記光学素子（１０）は形状が各受光素子の位置の周囲の所定半径の円弧または円と基本的に一致する構造を有することを特徴とする請求項１に記載の手首に装着する計測器。
7. 各反射性マイクロプリズム構造の少なくとも第一のファセットには反射性コーティングが被覆されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の手首に装着する計測器。
8. 前記マイクロプリズム構造の長さおよび／またはその数は、これが前記光源、特に関連する受光素子から離れるとともに、前記光学素子内の光線放射経路に沿って漸次増大することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の手首に装着する計測器。
9. 第一の所定の波長範囲内で光線放射を発生するための第一の光源と、第一の所定の波長範囲とは異なる第二の所定の波長範囲内で光線放射を発生するための第二の光源とを含み、ガイドを形成する前記光学素子は、前記第一光源と第二光源殻の光線放射を混合するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の手首に装着する測定器。
10. 前記検出装置（２）は、少なくとも１つの受光素子（２１、２２、２３）に結合され、
    照射装置（１）によって発生された光線放射が有機組織を伝播した後、この光線放射を有機組織（５０）の表面の幾つかのゾーン内でピックアップし、かつ前記光線放射を内面全反射によって前記少なくとも１つの受光素子（２１、２２、２３）に案内するガイドを形成する光学素子（２０１、２０１、２０３）を含むことを特徴とする請求項１に記載の手首に装着する測定器。
11. ユーザの皮膚と接触するように配置されたバックカバー（３５）を備え、かつ前記照射装置（１）と検出装置（２）が内部に配置されるケース（３０）を含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の手首に装着する測定器。
12. 前記バックカバー（３５）はガイドを形成する光学素子（１０；１０１、１０２、２０２、２０３）と有機組織との間の間隔を保つため、前記有機組織（５０）に接する目的のリブ（７０）を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の手首に装着する計測器。
13. 前記バックカバー（３５）の表面の少なくとも一部は、前記照射装置によって発生した光線放射を反射しないように照射装置と検出装置との間に位置していることを特徴とする請求項１２に記載の手首に装着する計測器。

Images