JP4918864B2 - 生体光計測装置および光検出モジュール - Google Patents

Description

本発明は光を用いて生体の内部状態を調べる生体光計測装置に関し、更に詳しくは頭部を透過した光強度の解析により脳機能を計測できる小型で携帯性に優れたモジュール型の光検出装置に関する。

人体の脳機能を計測する手段として、頭部の一部に近赤外光を照射し反射光の強度を解析することにより大脳皮質での血流分布を2次元的に表示するトポグラフィー技術が知られている。この光トポグラフィーの装置は、光源、検出器及び信号処理部から構成され、側定時には人体の頭部にプローブを固定して、プローブと装置を複数の光ファイバで接続することにより脳内の血流分布を測定する。この手法により人体の運動機能と脳の局在領域との対応が明らかとなり、新たな精神、医療診療への手がかりが得られている。また近年では、この局在化した脳機能を利用して、コンピュータ、ゲーム、環境制御装置などの外部装置を脳からの計測信号を利用して直接制御するインタフェース技術の開発も進められている。これを解決する手段として、特願平０７−３１４１９５号には、生体光計測装置を利用して被験者の頭部透過光強度を測定し、演算装置で酸化および還元ヘモグロビンの量を計算し、このデータを用いて外部装置を駆動する方法が提案されている。特願平１０−３４６４５０号には、生体光計測装置から得られた測定信号の変化の履歴を、演算装置、記憶装置、制御装置などを用いて判定し、判別結果を一定の規則に当てはめることによりＴＶ受像機のチャンネルを切り替える方式が提案されている。また特願平２０００−３７３２９２号には、光照射器と光検出器を被検査体の皮膚に接触させ、得られた光信号の強度により画面のオブジェクトを制御するインタフェース技術が提案されている。

これらの技術は主に寝たきりの患者を支援する福祉情報機器や、従来とは異なる情報家電製品へのインタフェース技術を提供するものである。

特願平０７−３１４１９５号 特願平１０−３４６４５０号 特願平２０００−３７３２９２号

しかしながら、従来技術では脳機能計測装置の構成は複雑かつ大規模であり、持ち運びが難しいといった問題があった。特に、光照射器と光検出器は、最先端の半導体技術を用いて製造されるため、量産効果が得られなかった。また光照射器と光検出器には一定の寿命があり、部品を交換する際には、サービスを中断して作業を行わなければならなかった。さらに従来装置では、脳機能計測装置と頭部のプローブは、複数の光ファイバで接続されており、計測箇所を増やすために光ファイバを増設すると光ファイバの重みが頭部にかかり長時間の測定が困難であった。また計測装置と人体との距離は光ファイバの長さで制限されるために、歩行中や運動時の脳活動の計測は不可能であった。

本発明の目的は小型で携帯性に優れた生体光計測装置を実現するために、着脱可能なモジュール型光検出器の構造を提供するものである。また取り扱い時の安全性に優れたシールド型の光検出器の構造を提供するものである。

上記の目的を達成するために、本発明では光検出器を頭部に載せることのできる大きさのパッケージに収め、このパッケージの内部に、光検出素子と増幅器および高圧電源を閉じ込めた。そして、増幅器と高圧電源を一体化して電気絶縁性の高い高分子材料で覆い、その外部を金属シールド材で囲むことにより外部との絶縁を確保した。また高圧電源を超小型コイルと集積回路で構成することにより、光検出素子の駆動に必要な電圧をパッケージ内部で発生させた。これにより着脱可能で安全性に優れたモジュール型光検出器が実現可能である。なお、電気絶縁性の高い高分子材料とは、要素間で、きちんと電気的に絶縁されていればよく、ここでは、体積抵抗率が１テラオームメータ以上、また、絶縁破壊電圧が１０キロボルト以上の材料をいい、例えば、樹脂、シリコンゴムなどが挙げられる。

具体的には、被検体に光を照射するための光照射モジュールと、前記光照射モジュールから照射され前記被検体を伝播した光を検出するための光検出モジュールと、前記光検出モジュールの検出結果から、前記被検体頭部の血液動態を演算する演算装置とを有し、前記光検出モジュールは、高圧電源部が配線された第一の回路基板と、信号を増幅する回路が配線された第二の回路基板と、光を検出するための光検出素子を有し、前記第一の回路基板と前記第二の回路基板と前記光検出素子が、前記光検出モジュール内において、第一の回路基板、第二の回路基板、光検出素子の順、または、第二の回路基板、第一の回路基板、光検出素子の順に、立体的に配置され、前記第一の回路基板と前記第二の回路基板がハウジング材料で囲われており、前記ハウジング部材には、前記光照射モジュールから照射され前記被検体を伝播した光を前記光検出素子に導くための穴が設けられ、
前記ハウジング部材の外部には、電源を供給するための端子、および、前記光検出素子により検出された検出信号を外部に出すための端子が露出していることを特徴とする生体光計測装置を提供する。

本発明により、光検出モジュールを頭部に載せられるために携帯性が向上する。また内部で発生した高圧が外部に漏れないシールド構造を有しているため安全性に優れている。さらに光検出モジュール単位での交換が可能であるために、保守費用の低減と信頼性の向上が実現できる。

以下、本発明の実施の形態に付いて、実施例を用いて図面を参照しながら説明する。なお、実質同一の部位に付いては、同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。

図１は、本発明の使用形態を説明する図である。被検体８０はプローブ７０をかぶり脳の血流状態を測定する。プローブ７０には複数の光源９ｎと検出器１０ｎが配置されている。これらの光源９ｎと検出器１０ｎは、送信ケーブル５０と受信ケーブル６０を用いて、人体８０の外部に設置された測定装置に接続される。測定装置は、送信機１０、受信機２０、演算装置３０、記憶装置４０から構成される。送信機１０は、特定の周波数に変調された電気信号または近赤外領域の波長に変換された光信号を光源９ｎに送信する。検出器１０ｎは大脳皮質の表面で散乱された光を検出し、この検出光を電気信号に変換して受信機２０に送信する。受信機２０は演算装置３０と記憶装置４０との間で情報処理を行い、電気信号から脳内のヘモグロビンの量を計算する。これにより大脳表面の血液量の変化を2次元空間へ表示することが可能である。

図２は、図１のプローブ７０とその上に配置された複数の光源９ｎと検出器１０ｎのある断面を示した説明図である。プローブ７０には複数のソケット１１ｎがある規則性を持って配置されており、上記ソケット１１ｎに、光源９ｎまたは検出器１２ｎを挿入する。光源９ｎまたは検出器１２ｎはモジュール構造として一体化しており、このモジュールを用いてソケット１１ｎに抜き差しすることにより、多様な検出パターンを実現することができる。また光源９ｎまたは検出器１２ｎが故障した際にも、容易に部品を交換することができる。

図３は、本発明の検出器１０ｎの構成を説明する断面図である。検出器１０ｎは、パッケージ１４０に収められた光検出素子１５０と高圧電源部１８０および
増幅部１９０から構成される。そしてこれらの部品は、ケース１３０と電気絶縁性の高い高分子材料１６０で覆われている。ケース１３０の表面には、高圧電源部１８０および増幅部１９０と外部からの信号を送受信するための電極２０ｎが配置されている。また電気絶縁性の高い高分子材料１６０の下部には外部からの光を導入する開口部１７０が設けられており、入口には余計な波長を除去するフィルタ２６０が設けられている。尚、このフィルタは外部環境によっては必ずしも必要ではない。また、図３では上部に高圧電源部１８０が、下部に増幅部１９０が配置されているが、上下関係が逆転しても動作に変更は生じない。

図４は、検出器１０ｎの構造を示すブロック図である。検出器１０ｎは、光検出素子１５０、高圧電源回路と温度補償回路２２０、および、増幅回路と温度補償回路２３０から構成される。特に高圧電源回路では２００ボルト近くの電圧が発生するので、外部との絶縁が不可欠である。このため本発明では、高圧電源回路と温度補償回路２２０、および、増幅回路と温度補償回路２３０を、各々個別にシールド２１０で密閉した。これにより、検出器１０ｎが一体化したモジュールを手で取扱う際にも安全性が向上できる。また、外部への電磁波の漏洩を防止できるので、人体への影響を低減することができる。

図５は、高圧電源回路と温度補償回路２２０、および、増幅回路と温度補償回路２３０を、一つのシールド２１０で密閉した例である。この場合も図4と同様の効果を得ることが可能である。

図６は、図1の検出器１０ｎの構造を示す断面図である。検出器１０ｎは、パッケージ１４０に装着された光検出素子１５０と、プリント基板２５０上に配置された増幅回路２７ｎ、および、基板２５１上に装着された高圧電源部１８０から構成されている。そしてこれらの基板と回路は電気絶縁性の高いシリコンなどのモールド２８０で覆われ、さらに全体が金属シールド２１０で覆われている。そしてこの一体化したものを絶縁性の高い高分子材料でできたケース１３０で封じる。このケース１３０の下部には外部からの光を導入する開口部１７０が設けられており、余分な光を除去するフィルタ２６０が設置されている。またケース１３０の底面周辺に、内部にスプリングが入った電極２９ｎが配置されている。これにより図２のソケット１１ｎに挿入した際にも電気的な接続が保証される。また、本例では、電極２９０は金属シールド２１０の内側のプリント基板２５０に接続されており、電極２９１はケース１３０に接続されている。これにより電極２９０と電極２９１の間に電圧を印加することにより、絶縁強度の試験を行うことができる。

図7は、図6の電極２９ｎをケース１３０の上面に配置した例である。本例では高圧電源部１８０は基板１８０の下側に装着され、基板１８０と２５０は配線で接続されている。高圧電源部１８０と増幅回路２７ｎは金属シールド２１０で覆われ、さらに全体がケース１３０で囲まれている。これにより絶縁が確保され、取り扱い時の安全性が保証される。さらに本構造では、ソケット１１ｎとケース１３０側面との機械的な電気接続がないために、ソケット１１ｎと検出器１０ｎの位置関係が揺らいでも、電気信号に影響が出ないという利点がある。

図８は、図6の電極２９ｎをケース１３０の側面に配置した例である。本例の場合、ソケット１１ｎの側面にも対抗電極があり、この対抗電極とスプリング電極２９６がある程度の弾性力を持って接触するので、電気的な接続が保証される。尚、対抗電極側にスプリング電極を用い、ケース１３０側面には固定電極を用いても同様の効果が得られる。

図９は、図８の構造を上面から見た場合の断面構造である。本例の場合、電極３０ｎは同心円上に均一の間隔で配置されている。これによりソケット１１ｎとケース１３０の距離を一定に保つことができる。また電極３０ｎの数が少ない場合には、図１０に示すように、ケース１３０の片側に電極３０ｎを配置しても構わない。

図１１は、図８の電極２９ｎの形状を変形させた例である。図１１では電極３２ｎの形状を矩形型とした。これにより同構造を持つ検出器１０ｎをソケット１１ｎに挿入して使用して、検出器１０ｎとソケット１１ｎとの位置関係が上下にずれた際にも電気的接続が保証されるため、ユーザの使い易さが向上する。

図１２は、図9のケース１３０の断面形状を多角形とした例である。本例では８角形を用い、各辺の周囲に電極３３ｎを配置した。これにより同構造を持つ検出器１０ｎをソケット１１ｎに挿入した際に、回転方向のずれが防止できるので、安定した電気的接続が得られる。

図１３は、図１の検出器１０ｎの回路を示すブロック図である。入射光は光検出器１５０で捕獲されて電気信号に変換される。光検出回路３７２で微少電流を検出し、増幅回路３７３で電流の増幅を行う。そして出力回路３７４で電圧に変化して外部電圧とする。光検出素子１５０には昇圧回路３７１から駆動用の高圧電圧が供給される。この高圧電圧を発生するために、コイル３６０を使用する。始めに発振回路３７０に直流電圧３４０を印加してパルス電圧を生成する。このパルス電圧をコイル３６０の一次側３６１に印加して、２次側３６２でパルス電圧よりも高めの交流を発生させる。この交流を昇圧回路３７１に印加することにより駆動用の高圧電源を生成する。昇圧回路３７１には温度検出素子３５０が接続されており、検出信号を発信回路３７０にフィードバックしている。これにより安定した高圧電源が実現できる。

図１４に本発明の第2の実施例を示す。計測システム４００および４０１は、複数の光源３８ｎと検出器３９ｎがアレイ状に一定の規則で配置された装置で、携帯性を良くするために検出器３９ｎに本発明のモジュール構造を適用した。この計測システム４００を一つで用いると、例えば、光源３８０から照射した光は生体試料４１０の表面で反射して検出器３９０で捕獲されるので、食品の鮮度などを計測することができる。また、計測システムを2個用いて、生体試料を挟むように計測すると、例えば、光源３８０から照射した光は検出器３９３で捕獲されるので、人体器官の一部に含まれる水分子の分布などが計測することができる。

図１５に本発明の第３の実施例を示す。本例ではヘッドバンドの一部にモジュール型の検出器を用いた。人体４５ｎはバンド４６ｎを頭に巻いて脳の血流変化を測定する。バンド４６ｎには計測システム４０ｎと送信機４７ｎが付けられている。計測システムには複数の光源５０ｎと検出器５１ｎが配置されている。また送信機４７０は、例えば無線４９ｎを用いて、外部の脳機能解析装置４２０と計測信号を交換する。脳機能解析装置４２０は制御装置４３０と接続されており、血流量の変化に応じた信号を生成し、これを用いて、例えばディスプレー４４０に表示するカーソルやアニメなどの動作を制御する機能を持っている。二人のプレヤーは、自分の脳血流の変化を制御することにより、画面のキャラクタを動かし、対戦ゲームのような遊びをすることができる。またプレヤーは画面のキャラクタの動きを観察し、視覚的なバイオフィードバック４８０を得ることにより、より正確にキャラクタの動作を制御することができる。

実施例１の使用形態を示すシステム構成図である。 図１のプローブの構造を示す構成図である。 図１の検出器の構成を示す断面図である。 図１の検出器の構造を示すブロック図である。 図１の検出器の構造を示すブロック図である。 図１の検出器の構造を示す断面図である。 図１の検出器の構造を示す断面図である。 図１の検出器の構造を示す断面図である。 図１の検出器の電極配置を示す断面図である。 図１の検出器の電極配置を示す断面図である。 図１の検出器の電極配置を示す側面図である。 図１の検出器の電極配置を示す断面図である。 図１の検出器の回路を示すブロック図である。 実施例２の使用形態を示すシステム構成図である。 実施例３の使用形態を示すシステム構成図である。

符号の説明

１０、４７ｎ…送信機、２０…受信機、３０…演算装置、４０…記憶装置、
５０…送信ケーブル、６０…受信ケーブル、７０…プローブ、
４５ｎ、８０…人体、９ｎ、３８ｎ、５０ｎ…光源、
１０ｎ、１２ｎ、３９ｎ、５１ｎ…検出器、１１ｎ…ソケット、
１３０…ケース、１４０…パッケージ、１５０…光検出素子、１６０…高分子材料、
１７０…開口部、１８０…高圧電源部、１９０…増幅部、
２０ｎ、２９ｎ、３０ｎ、３１ｎ、３２ｎ、３３ｎ…電極、２１０…シールド、
２２０、２３０、２４０、２７ｎ、３７ｎ…回路、２５ｎ…基板、
２６０…フィルタ、２８０…モールド、３４０…直流電圧、
３５０…温度検出素子、３６ｎ…コイル、４０ｎ…計測システム、
４１０…生体試料、４２０、４３０…装置、４４０…ディスプレー、
４６ｎ…バンド、４８０…フィードバック、４９ｎ…無線。

Claims (8)

1. 被検体に光を照射するための光照射モジュールと、
   前記光照射モジュールから照射され前記被検体を伝播した光を検出するための光検出モジュールと、
   前記光検出モジュールの検出結果から、前記被検体頭部の血液動態を演算する演算装置とを有し、
   前記光検出モジュールは、
   高圧電源部が配線された第一の回路と、
   信号を増幅する回路が配線された第二の回路と、
   光を検出するための光検出素子を有し、
   前記第一の回路と前記第二の回路と前記光検出素子が、前記光検出モジュール内において、第一の回路、第二の回路、光検出素子の順、または、第二の回路基板、第一の回路基板、光検出素子の順に、立体的に配置され、
   前記第一の回路と前記第二の回路がハウジング材料で囲われており、
   前記ハウジング部材には、前記光照射モジュールから照射され前記被検体を伝播した光を前記光検出素子に導くための穴が設けられ、
   前記ハウジング部材の外部には、電源を供給するための端子、および、前記光検出素子により検出された検出信号を外部に出すための端子が露出していることを特徴とする生体光計測装置。
2. 前記ハウジング部材の外部には、絶縁強度を測定するための試験端子が露出していることを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
3. 前記演算装置の演算結果を元に、外部装置を制御する制御部を有することを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
4. 前記光照射モジュールと、前記光検出モジュールは、それぞれ複数設けられ、アレイ状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
5. 前記光照射モジュールと、前記光検出モジュールが、それぞれ複数設けられ、アレイ状に配置された第１のモジュールと、
   前記光照射モジュールと、前記光検出モジュールが、それぞれ複数設けられ、アレイ状に配置された第２のモジュールとを有し、
   前記第１のモジュールと前記第２のモジュールは、前記被検体物を挟むように設置されることを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
6. 更に、前記生体光計測装置の外部に、脳機能解析装置が設けられ、
   前記生体光計測装置で検出された信号は、前記脳機能解析装置に無線を用いて送信されることを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
7. 高圧電源部が配線された第一の回路と、
   信号を増幅する回路が配線された第二の回路と、
   光を検出するための光検出素子を有し、
   前記第一の回路と前記第二の回路と前記光検出素子が、第一の回路、第二の回路、光検出素子の順、または、第二の回路、第一の回路、光検出素子の順に、立体的に配置され、
   前記第一の回路と前記第二の回路がハウジング材料で囲われており、
   前記ハウジング部材には、外部からの光を前記光検出素子に導くための穴が設けられ、
   前記ハウジング部材の外部には、電源を供給するための端子、および、前記光検出素子により検出された検出信号を外部に出すための端子が露出していることを特徴とする生体光計測用の光検出モジュール。
8. 前記ハウジング部材の外部には、絶縁強度を測定するための試験端子が露出していることを特徴とする請求項７記載の光検出モジュール。