JP5407387B2

JP5407387B2 - 測定装置

Info

Publication number: JP5407387B2
Application number: JP2009026332A
Authority: JP
Inventors: 貴記岩脇
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: JP2010181332A

Description

本発明は、光を用いて測定を行う技術に関する。

測定用の光を出力する光源から光を生体に照射し、生体中の血液で反射された光を受光素子で検出して血中酸素飽和度を測定する装置（例えば、特許文献１参照）や、生体中の血液で反射された光を受光素子で検出して脈波を測定する装置（例えば、特許文献２参照）がある。これらの装置によれば、生体で反射した光を検知するだけで生体の測定を行えるため、生体に非接触で生体を傷つけることなく測定を行うことができる。

特開昭６３−９２３３５号公報特開２００６−２７１８９６号公報

ところで、血液で反射された光を検出して測定を行う場合、例えば、光源以外の照明器具から出力されて生体で反射した光など、測定用の光ではない光も生体に到達しうる。しかし、受光素子において測定用の光ではない光が検知されると、受光素子から出力される信号には測定用の光ではない光の成分も含まれることとなり、正確な測定が難しくなる。

本発明は、上述した背景の下になされたものであり、測定用の光以外の光を受光しても精度良く測定を行える技術を提供することを目的とする。

本発明に係わる測定装置は、
予め定められた波長の光を透過する第１濾光手段と、
生体に照射する光を出力する光源から出力されて生体で反射され、前記第１濾光手段を透過した第１反射光と、前記光源とは異なる外部光源から出力されて生体で反射され、前記第１濾光手段を透過した第２反射光とを受光し、受光した光に応じた信号が流れる第１受光部と、
前記光源とは異なる光源から出力されて生体で反射され、前記第１濾光手段を透過した第３反射光を受光し、受光した光に応じた信号が流れる第２受光部と、
前記第１受光部を流れる信号と前記第２受光部を流れる信号との差分の信号を得る差分抽出部と、
前記差分抽出部で得られた信号から前記生体の情報を生成する情報生成部と
を有する。
本発明によれば、光源から出力されて生体で反射した光に応じた信号から生体の情報が生成されるので、精度良く測定を行うことができる。

本発明において、前記光源と、
前記光源から出力された光を透過し、前記透過した光を前記生体に照射する第２濾光手段を前記光源と前記生体の間に設けるようにしてもよい。
この構成によれば、単一の波長の光が受光されるので、精度良く測定を行うことができる。

本願において、前記光源から出力される光は、複数の波長の光を含み、
前記第１濾光手段は、透過する光の波長が入力される信号に応じて変化するものであってもよい。
この構成によれば、生体に照射されて生体で反射される光の波長を変化させることが可能であり、生体に応じて生体に照射する光の波長を選択できる。

本発明の一実施形態に係る測定装置１のハードウェア構成のブロック図。光源１０と検出部２０の電気的構成を示した図。本発明の変形例に係る測定装置１の電気的構成を示した図。本発明の変形例に係るフィルタの構成を示した図。

［実施形態］
（全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る測定装置１の構成を示したブロック図である。測定装置１は、生体の脈拍や脈波を測定する装置であり、光源１０、検出部２０、制御部３０、表示部４０および操作部５０を備えている。

光源１０は、光を出力する発光ダイオードを備えており、発光ダイオードの光を生体へ照射する。
検出部２０は、光を電気信号に変換する受光素子を備えており、生体で反射された光を受光素子で受光し、受光した光に対応した信号を出力する。
制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポートおよび出力ポートを備えた、所謂マイクロコンピュータである。制御部３０は、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って動作し、光源１０の制御を行う。また、制御部３０は、検出部２０から出力された信号を解析して生体の脈拍や脈波を測定し、表示部４０を制御して測定結果を表示部４０に表示させる。
表示部４０は、液晶ディスプレイ装置を備えており、制御部３０が測定した結果を表示する。なお、本実施形態においては、表示部４０は液晶ディスプレイ装置で測定結果の表示を行うが、表示を行うのは液晶ディスプレイ装置に限定されず、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）を用いた表示装置など、他の表示装置であってもよい。
操作部５０は制御部３０に接続されており、測定装置１を操作するための操作子を備えている。制御部３０は操作子に行われた操作を監視し、行われた操作に応じて光源１０の制御や測定結果の表示を行う。

（電気的構成）
図２は、光源１０と検出部２０の電気的構成を示した図である。
本実施形態においては、光源１０は、予め定められた単一波長の光を出力する発光ダイオードである。光源１０にはスイッチ１１が接続されており、このスイッチ１１は、制御部３０からの信号によって開／閉が切り替えられる。

直列に接続されてる第１受光素子２０Ａ（第１受光部）と第２受光素子２０Ｂ（第２受光部）は、受光した光に応じて電流が流れるフォトダイオードであり、第１受光素子２０Ａのアノードと第２受光素子２０Ｂのカソードとが接続されている。なお、本実施形態においては、光源１０から出力されて生体１００で反射した光が第２受光素子２０Ｂに到達しないように、光源１０、第１受光素子２０Ａおよび第２受光素子２０Ｂの位置が設定されている。

第１フィルタ２１Ａと第２フィルタ２１Ｂは、予め定められた波長λの光を透過する光学フィルタ（濾光手段）である。第１フィルタ２１Ａは第１受光素子２０Ａの受光部分に配置され、第２フィルタ２１Ｂは第２受光素子２０Ｂの受光部分に配置されており、生体１００で反射した光のうち、第１フィルタ２１Ａを透過した光は第１受光素子２０Ａで受光され、第２フィルタ２１Ｂを透過した光は第２受光素子２０Ｂで受光される。なお、本実施形態においては、第１フィルタ２１Ａを透過した光の波長と、第２フィルタ２１Ｂを透過した光の波長は同じである。

増幅部２２は、オペアンプを用いた反転増幅回路を備えており、オペアンプＯＰと抵抗Ｒを有している。具体的には、抵抗Ｒは、一方の端子がオペアンプＯＰの出力端子に接続され、もう一方の端子が反転入力端子と、第１受光素子２０Ａのアノードと第２受光素子２０Ｂのカソードとの接続部分に接続されている。また、オペアンプＯＰの出力端子はＡ／Ｄコンバータ２３に接続されており、オペアンプＯＰの非反転入力端子には予め定められた電圧が印加されている。

制御部３０に接続されているＡ／Ｄコンバータ２３は、アナログ信号をデジタル信号に変換する回路を備えており、オペアンプＯＰの出力端子から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号を制御部３０へ出力する。

（実施形態の動作）
次に、測定装置１の動作について説明する。
まず、図示せぬ電源から電力が測定装置１の各部へ供給されると、制御部３０においては、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムが起動される。制御プログラムが起動された後、操作部５０において脈拍と脈波の測定開始を指示する操作が行われると、制御部３０によってスイッチ１１が閉にされ、光源１０に電流が流れて光源１０から光が出力される。

光源１０から出力された光αが生体１００の血管内で反射すると、反射した光α１は第１フィルタ２１Ａに到達する。また、照明機器の光や太陽光など、光源１０から出力された光ではない光βが生体１００に到達し、この光βが生体１００の血管内で反射すると、反射した光β１は第１フィルタ２１Ａと第２フィルタ２１Ｂに到達する。

ここで、第１フィルタ２１Ａにおいては、光α１に含まれている波長λの光（第１反射光）と光β１に含まれている波長λの光（第２反射光）が透過する。そして、この透過した光が第１受光素子２０Ａに到達すると、透過した光に応じた電流が第１受光素子２０Ａに流れる。なお、第１受光素子２０Ａにおいては、光α１からの光と、光β１からの光が到達するため、第１受光素子２０Ａにおいて流れる電流Ｉａは、光α１からの光によって流れる電流Ｉａ１の成分と、光β１からの光によって流れる電流Ｉａ２の成分を含む。
一方、第２フィルタ２１Ｂにおいては、光β１に含まれている波長λの光（第３反射光）が透過する。そして、この透過した光が第２受光素子２０Ｂに到達すると、透過した光に応じた電流Ｉｂが第２受光素子２０Ｂに流れる。

第１受光素子２０Ａと第２受光素子２０Ｂから見ると、光βは無限遠点からの光であり、第１受光素子２０Ａに到達する光β１と、第２受光素子２０Ｂに到達する光β１の光量が同じであるため、電流Ｉａのうち光β１によって第１受光素子２０Ａに流れる電流Ｉａ２の成分と、光β１によって第２受光素子２０Ｂに流れる電流Ｉｂは同じとなる。このため、第１受光素子２０Ａのアノードと第２受光素子２０Ｂのカソードとの間からは、第１受光素子２０Ａに流れる電流Ｉａと第２受光素子２０Ｂに流れる電流Ｉｂとの差分、つまり、光α１からの光によって流れる電流Ｉａ１の成分に応じた電圧Ｅが得られる。
そして、この電圧Ｅは増幅部２２において増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ２３によって、デジタル信号に変換され、このデジタル信号は制御部３０へ入力される。制御部３０は、入力されるデジタル信号を解析して脈拍や脈波の波形を得た後、表示部４０を制御して脈拍や脈波の波形を表示する。つまり、制御部３０は、生体に関する情報を生成する情報生成部として機能する。

第２受光素子２０Ｂ、第１フィルタ２１Ａおよび第２フィルタ２１Ｂを備えない構成の場合、光α１と光β１が第１受光素子２０Ａに到達し、増幅部２２で増幅される電圧は、光α１で得られる電圧成分と光β１で得られる電圧成分とを含むこととなる。
一方、本実施形態においては、増幅部２２で増幅される信号は光β１による電圧成分は除かれ、光源１０から出力されて血管内で反射した光α１で得られる電圧成分のみが増幅部２２で増幅されるため、制御部３０で得られる脈波の波形は、精度良く脈波の波形を表すこととなる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば、上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。

上述した実施形態においては、光源１０は単一波長の光を出力する発光ダイオードであるが、所謂白色の発光ダイオードなど、複数の波長の光を出力する発光ダイオードであってもよい。この場合、光源１０と生体１００との間に第１フィルタ２１Ａおよび第２フィルタ２１Ｂと同じ波長の光を透過するフィルタ（第２濾光手段）を配置し、予め定められた波長の光のみが生体１００に照射されるようにしてもよい。この構成によれば、単一の波長の光が生体に照射され、第１受光素子２０Ａにおいては生体に照射された光と同じ波長の光が受光されるため、精度良く測定を行うことができる。
また、上述した実施形態においては、光源１０は発光ダイオードとなっているが、レーザー光を出力するレーザー素子であってもよい。

上述した実施形態においては、光源１０から出力されて生体１００で反射された光が第２受光素子２０Ｂに到達しないように、第２受光素子２０Ｂの周辺に光源１０から出力されて生体１００で反射された光を遮光する部材を配置してもよい。
また、照明機器の光や太陽光など、光源１０から出力された光ではない光が第１受光素子２０Ａと第２受光素子２０Ｂに直接到達しないように、これらの光を遮光する部材を各受光素子の周辺に配置してもよい。

上述した実施形態においては、各受光素子の受光部分に配置されているフィルタは、第１フィルタ２１Ａと第２フィルタ２１Ｂとに分かれているが、第１フィルタ２１Ａと第２フィルタ２１Ｂは一体であってもよい。
また、上述した実施形態においては、第１フィルタ２１Ａと第２フィルタ２１Ｂは、透過する光の波長を可変できるフィルタであってもよく、例えば特開２００５−２４８２５号公報に記載されているように、透過する光の波長が印加された駆動電圧に応じて変化する可変フィルタであってもよい。この構成によれば、生体に照射されて生体で反射される光の波長を変化させることが可能であり、生体に応じて生体に照射する光の波長を選択し、精度良く測定を行うことができる。

図４は、この可変フィルタ６０の断面を示した図である。第１基板６１はガラス基板であり、第２基板はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であって、第１基板６１と第２基板６２は陽極接合にて接合されている。第１基板６１は、深さＨの凹部６３を備えており、凹部の底面６４は平坦かつ平滑な面となっている。また、凹部の底面６４にはＳｉＯ₂の膜とＴａ₂Ｏ₅の膜を交互に積層した反射膜６６が形成されており、第１基板６１において底面６４と反対側には、ＳｉＯ₂の膜とＴａ₂Ｏ₅の膜を交互に積層した反射防止膜６７が形成されている。

次に第２基板６２は、支持基板６５と、絶縁層（例えば、ＳｉＯ₂の膜）８２と、Ｓｉの活性層８３を積層した構造となっており、活性層８３には、反射膜６６に対向した反射膜６９と、反射防止膜７０を備えた可動部６８と、ヒンジ部７１が形成されている。なお、反射膜６９は、反射膜６６と同じ構成であり、反射防止膜７０は、反射防止膜６７と同じ構成である。
また、ヒンジ部７１は、可動部６８を支持するものであり、ばね性を有する。また、第２基板６２には、貫通孔７４と静電ギャップＥＧが設けられている。そして、第２基板６２は、活性層８３が第１基板６１に接合され、反射膜６６と反射膜６９との間に光学的ギャップＯＧが形成されている。なお、光学的ギャップＯＧの距離Ｈは、ファブリペロー干渉計の干渉条件の式により設定される。

可変フィルタ６０において、直流電源９０を接続して可動部６８と支持基板６５との間に電圧を印加すると、可動部６８はプラスに帯電し、支持基板７０はマイナスに帯電するため、両者間に静電引力が発生し、可動部６８は支持基板７０側に引き寄せられ、ばね性を有するヒンジ部７１が撓み、可動部６８は水平状態を維持したまま平行に変位する。なお、この可動部６８の位置は、印加する電圧を変化させることに変更することができる。
ここで、光が貫通孔７４から可動部６８に垂直に入射すると、入射された光は可動部６８を透過し、反射膜６６と反射膜６９の間の空間で反射を繰り返す。ここで、距離Ｈから定まる干渉条件を満たす波長の光だけが第１基板６１を透過する。
可変フィルタ６０は、印加する電圧を変化させれば距離Ｈが変化し、これに伴って干渉条件も変化するため、印加する電圧を制御することにより、透過する光の波長も変化させることができる。

図３に示したように、第１受光素子２０Ａと第２受光素子２０Ｂとを直列に接続せず、減算回路２４を設け、第１受光素子２０Ａを流れる信号から第２受光素子２０Ｂを流れる信号を減算し、減算結果を増幅部２２で増幅してもよい。

１・・・測定装置、１０・・・光源、１１・・・スイッチ、２０・・・検出部、２０Ａ・・・第１受光素子、２０Ｂ・・・第２受光素子、２１Ａ・・・第１フィルタ、２１Ｂ・・・第２フィルタ、２２・・・増幅部、２３・・・Ａ／Ｄコンバータ、３０・・・制御部、４０・・・表示部、５０・・・操作部、６０・・・可変フィルタ、１００・・・生体

Claims

予め定められた波長の光を透過する第１濾光手段と、
生体に照射する光を出力する光源から出力されて生体で反射され、前記第１濾光手段を透過した第１反射光と、前記光源とは異なる外部光源から出力されて生体で反射され、前記第１濾光手段を透過した第２反射光とを受光し、受光した光に応じた信号が流れる第１受光部と、
前記光源とは異なる光源から出力されて生体で反射され、前記第１濾光手段を透過した第３反射光を受光し、受光した光に応じた信号が流れる第２受光部と、
前記第１受光部を流れる信号と前記第２受光部を流れる信号との差分の信号を得る差分抽出部と、
前記差分抽出部で得られた信号から前記生体の情報を生成する情報生成部と
を有する測定装置。
前記光源と、
前記光源から出力された光を透過し、前記透過した光を前記生体に照射する第２濾光手段を前記光源と前記生体の間に設けたことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
前記光源から出力される光は、複数の波長の光を含み、
前記第１濾光手段は、透過する光の波長が入力される信号に応じて変化することを特徴とする請求項２に記載の測定装置。