JP6630738B2 - 生体機能検知用センサー - Google Patents

Description

本発明は、生体機能を検知するためのセンサーおよび生体機能の検知方法に関する。

従来技術として、トランスミッターおよびレシーバーを使用し、電磁放射に基づいて例えば人の手首あるいは指における脈拍数を計測し得るフォトプレチスモグラフが開示されている。既知のセンサーは、ＳＮ比が悪い。

本発明は、生体機能、特に人の脈拍あるいは人の血中酸素含有量を検知するための改良されたセンサーを提供することを目的とする。

本発明の目的は、請求項１に係るセンサーおよび請求項１３に係る方法により達成される。

センサーおよび方法のさらに他の実施形態は、それぞれの従属項により特定される。

上述のセンサーの利点の一つとして、ＳＮ比が改善される。これは、トランスミッターの出射方向が、レシーバーの受信方向と反対方向に所定の角度範囲、特に、１°〜６０°の角度（２３）だけ傾斜するように構成されることにより達成される。このような構成によりＳＮ比が向上しうることが実験により示された。例えば、トランスミッターとレシーバーとの間の間隔が３〜５ミリの場合、２０°〜４０°の角度範囲、特に、約３０°周辺の角度範囲において良好な結果が得られる。

さらに他の実施の形態において、センサーは、少なくとも１つのトランスミッターを有し、出射角度範囲は、最大でも４０°、特に、最大でも３５°またはそれ以下である。加えて、小さな出射角度範囲は、レシーバーの一部分上のＳＮ比を増加させる。望ましくは、光は、トランスミッターの光軸と平行に出射される。

さらに他の実施の形態において、トランスミッターは、反射体を有し、当該反射体は、出射方向および／あるいは出射角度範囲を規定する。反射体を使用することにより、所望の出射方向および／あるいは所望の出射角度範囲を簡便かつ低コストに規定することができる。

さらに他の実施の形態において、レシーバーは、反射体を有し、当該反射体は、レシーバーの受信方向および／あるいは受信角度範囲を規定する。

少なくとも部分的にパラボラ形状を有する反射体により、センサーが更に改良されることが実験により示された。パラボラ形状を有する反射体は、トランスミッターおよびレシーバー両方に有利な効果をもたらす。

さらに他の実施の形態において、トランスミッターおよび／あるいはレシーバーは、出射方向および／あるいは受信方向、あるいは出射角度範囲あるいは受信角度範囲を規定するのに好適なレンズを有する。さらに他の実施の形態において、放射の配向がプリズムの使用により達成され得る。

さらに他の実施の形態において、トランスミッターおよびレシーバーは、キャリアの一方側に相並んで配置される、つまり、１つの部材内に収容される。

以下では、例示的な実施形態について、概略的に示した図面を参照しながらさらに詳しく説明する。本発明の上述した特性、特徴、および利点と、これらが達成される方法は、以下の説明からより明らかになり、さらに深く理解されるであろう。

図１は、センサーの模式図である。 図２は、センサーのトランスミッターおよびレシーバーの模式図である。 図３は、センサーの斜視平面図である。 図４は、図３に示したセンサーの模式的な断面図である。

図１は、センサー１の断面模式図であり、センサー１は、トランスミッター２およびレシーバー３を有する。トランスミッター２は、電磁放射１３を生成し、所定の出射方向および／または所定の出射角度範囲に出射するように構成される。トランスミッター２は、例えば発光ダイオードとしてあるいはレーザーダイオードとして構成され得る。一例として、トランスミッター２により出力される放射は、緑色光を構成し得る。実施の形態によっては、光は、他の波長を有し得る。

レシーバー３は、所定の受信方向および／または所定の受信角度範囲において反射した電磁放射１４を受信するように構成される。レシーバー３は、例えば入射光を電気信号に変換するフォトダイオードとして構成される。電気信号を評価するために、センサー１上に配置されレシーバー３に電気的に接続された評価ユニット１２が、設けられ得る。

センサー１の基本原理は、指９等の被測定体の方向に出射されるトランスミッターの電磁放射１３にある。指９は、肌、骨１０、動脈１５、静脈および筋肉により構成される。電磁放射１３は、指９の肌を通過し、体細胞により拡散および（部分的に）吸収される。この場合、血液の光学特性（散乱／吸収）は周囲の体細胞のものと異なる。戻り光は、心搏中の動脈の体膨張により変調される。

同時に、変調されなかった電磁放射は、鼓動しない指の他の部分によりレシーバー３の方向に拡散する。変調されて拡散した放射１４は、レシーバー３の電気信号の対応する変調を引き起こす。これにより変調の有無を基に心拍数を検出することができる。

変調されず反射する放射の主要部分は、肌および静脈層によるものである。有効信号の増加、すなわち変調され反射した放射１４の増加は、上述のセンサーを使用することにより達成される。

例示的な実施形態としては、トランスミッター２およびレシーバー３は、共通のキャリア４上に配置される。キャリア４は回路基板８上に配置される。また、壁体７がトランスミッター２とレシーバー３との間に配置され、トランスミッター２によるレシーバー３の直接照射を防ぐ。さらに、トランスミッター２およびレシーバー３は、ハウジング５にリング状に囲まれる。また、カバー６がハウジング５および壁体７上に設けられる。カバー６は、電磁放射１３および反射した電磁放射１４に対し透過性を有する。実施の形態によっては、カバー６は、例えばガラスにより構成され得る。計測時、指９は、例えば、直接カバー６上を押圧する。結果としてトランスミッター２と指９との間の距離、レシーバー３と指９との間の距離が規定される。

レシーバーの受信方向と反対方向にレシーバー３の受信方向に対して所定の角度傾斜するように配置されたトランスミッター２の出射方向により有効信号の増加が達成され得ることが実験により示された。角度は、１°〜６０°、特に２０°〜４０°に設定され得る。また、角度は、約３０°の範囲内に設定され得る。

図２は、トランスミッター２の出射方向２１を示す模式図である。また、レシーバー３の受信方向２２を示す模式図である。図示した例においては、出射方向２１は、３０°の角度２３だけ受信方向２２に対して反対側に傾斜するように設定された。上述したように、３０°の角度２３の代わりに、１°〜６０°の間の角度範囲、特に２０°〜４０°の間の角度範囲内の角度を設定し得る。出射方向２１が出射角度範囲２４の中心を規定する。受信方向２２が受信角度範囲２５の中心を規定する。出射角度範囲２４が顕著な強度を有する電磁放射１３が放出される角度範囲を規定する。

一例として、顕著な強度としては、最大強度の１０％の値を想定し得る。トランスミッター２の出射角度範囲を４０°未満、特に３５°未満、あるいはさらにそれ以下にした場合に有効信号がさらに増加することが実験により示された。電磁放射１３の平行出射の増加、すなわちトランスミッター２からの出射角度の減少により、レシーバー３上の部分において有効信号の強度の増加が確保される。

トランスミッター２の出射方向２１およびレシーバー３の受信方向２２を高精度に規定するために、反射体１６、１７およびレンズ１８、１９を用いてもよい（図１）。実施の形態によっては、出射方向および／あるいは出射角度範囲設定するためにレンズあるいは反射体を設け得る。また、レシーバーの受信角度範囲および／あるいは受信方向を設定するために反射体およびレンズの両方を設け得る。実施の形態によっては、レンズは、例えばプリズムとして構成され得る。

反射体１６、１７の構成において、トランスミッター２およびレシーバー３をパラボラ形状に成形することにより有効信号の増加が起こることを見出した。反射体のパラボラ形状の成形によりトランスミッター２からの電磁放射１３の平行出射を可能な限り行い得る。さらに、有効信号の増加は、レシーバー３においてパラボラ形状の反射体１７を使用することにより達成され得る。パラボラ形状の反射体により、小さな角度のビーム整形、理想的には平行のビーム整形が可能となる。

図３は、トランスミッター２およびレシーバー３が設けられたセンサー１の例示的な実施形態を表す図である。トランスミッター２は、部材２０の第１の凹部３１内に配置される。レシーバー３は、部材２０の第２の凹部３２内に配置される。例示的な実施形態において、第１の凹部３１および第２の凹部３２の側壁部が、対応するコーティング、特に、対応する金属コーティングが施された反射体１６、１７として構成される。また、例示的な実施形態において、第１の凹部３１および第２の凹部３２の壁部は、パラボラ形状を有する。

図４は、図３の構成の断面図である。結果として、第１の凹部３１の壁部は、パラボラ形状を構成する第１の反射体１６として構成される。さらに、第２の凹部３２の壁部は、パラボラ形状の反射体を構成する第２の反射体１７として構成される。部材２０は、例えばプラスチック材料により構成され得る。また、センサー１は、例えばＭＩＤＬＥＤ技術を用いて生産され得る。

さらに、図４は、第１の反射体１６の出射方向２１および第２の反射体１７の受信方向２２を示す。出射方向２１および受信方向２２は、互いに反対方向に所定の角度２３で傾斜するように配置される。上述したように、所定の角度は、１°〜６０°、特に２０°〜４０°、例えば３０°周辺の範囲内に設定され得る。本実施の形態においても、出射方向および／あるいは受信方向は、出射範囲の中心、すなわち中心軸、および受信範囲の中心、すなわち中心軸により規定される。実施の形態によっては、レシーバー３において第２の反射体１７を省略してもよい。

また、実施の形態によっては、センサー、すなわちフォトプレチスモグラフを構成するセンサーは、トランスミッターおよびレシーバーが同一部材内に配置された複合部材として構成され得る。また、センサーは複数の別個の部材からなる構造を有し得る。

出射方向および／あるいは受信方向の規定は、キャリア４の表面、特にチップ面に対する反射体の傾斜配置により達成され得る。また、出射方向および／あるいは受信方向の対応する配向は、対応して傾斜されたレンズにより達成され得る。また、トランスミッターあるいはレシーバーは、レンズあるいは反射体に対してずらして配置され得る。さらに、出射方向および／あるいは受信方向の対応する規定のため、トランスミッターおよび／あるいはレシーバー３の上方にプリズムあるいはプリズムアレイを設け得る。また、トランスミッターの出射角度範囲およびの出射方向、および／あるいはレシーバーの受信角度範囲および受信方向は、対応する反射体により規定し得る。

さらに、有効信号の増加、特に有効信号の最適化を達成するために、トランスミッター２により出射された電磁放射１３の波長が大きいほど、角度２３が小さくなり得ることが実験により示された。

パラボラ形状に形成された反射体を反射体として使用する場合、レシーバーおよび／あるいはトランスミッターは、好ましくはパラボラ形状の反射体の焦点に配置される。

ここまで、本発明について、好ましい例示的な実施形態に基づいて具体的かつ詳細に図示および説明してきた。しかしながら、本発明は、開示した例に制約されない。当業者には、本発明の保護範囲から逸脱することなく、開示した実施形態から別の変形形態を導くことができるであろう。

（関連出願）
本特許出願は、独国特許出願第１０２０１５１０４３１２．２号の優先権を主張し、この文書の開示内容は参照によって本明細書に組み込まれている。

１ センサー
２ トランスミッター
３ レシーバー
４ キャリア
５ ハウジング
６ カバー
７ 壁部
８ 回路基板
９ 指
１０ 骨
１２ 評価ユニット
１３ 電磁放射
１４ 反射した放射
１５ 動脈
１６ 第１の反射体
１７ 第２の反射体
１８ 第１のレンズ
１９ 第２のレンズ
２０ 部材
２１ 出射方向
２２ 受信方向
２３ 角度
２４ 出射角度範囲
２５ 受信角度範囲
３１ 第１の凹部
３２ 第２の凹部

Claims (12)

1. 生体機能、特に、人の血中酸素含有量あるいは脈拍を検知するためのセンサー（１）であって、
   電磁放射（１３）を出射方向（２１）に出射するように構成された少なくとも１つのトランスミッター（２）と、
   電磁放射（１４）を受信方向（２２）において受け取るように構成された少なくとも１つのレシーバー（３）とを有し、
   前記トランスミッター（２）および前記レシーバー（３）は、前記トランスミッター（２）の前記出射方向（２１）が前記レシーバー（３）の前記受信方向（２２）と反対方向に所定の角度（２３）だけ傾斜するように構成され、
   前記角度（２３）は、１°〜６０°の間であり、前記トランスミッター（２）は、４０°以下の出射角度範囲（２４）を有し、
   前記トランスミッター（２）および前記レシーバー（３）は、共通のキャリア（４）に配置され、
   前記出射方向（２１）および／または前記受信方向（２２）は、前記キャリア（４）の表面に対して２つの反射体（１６、１７）が傾斜された構成によって達成される、
   センサー（１）。
2. 前記トランスミッター（２）は反射体（１６）を有し、前記反射体（１６）は前記出射方向（２１）および前記出射角度範囲（２４）を規定する、
   請求項１に記載のセンサー。
3. 前記レシーバー（３）は反射体（１７）を有し、前記反射体（１７）は受信方向（２２）および受信角度範囲（２５）を規定する、
   請求項１および請求項２のいずれかに記載のセンサー。
4. 前記反射体（１６、１７）は少なくとも部分的にパラボラ形状を有しており、前記トランスミッター（２）および／あるいは前記レシーバー（３）は、前記パラボラ形状の焦点に配置される、
   請求項２および請求項３のいずれかに記載のセンサー。
5. 前記トランスミッター（２）および／あるいは前記レシーバー（３）は、ビーム誘導用のレンズ（１８、１９）を有する、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載のセンサー。
6. 前記レンズ（１８、１９）は、プリズムとして構成される、請求項５に記載のセンサー。
7. 前記トランスミッター（２）および前記レシーバー（３）は、キャリア（４）の第１の側に相並んで配置され、前記トランスミッター（２）の出射方向（２１）と、前記レシーバー（３）の受信方向（２２）とは、前記キャリア（４）の前記第１の側に構成される、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載のセンサー。
8. 前記出射方向（２１）は、出射角度範囲（２４）の中心によって規定され、
   前記受信方向（２２）は、受信角度範囲（２５）の中心によって規定される、請求項１から請求項７のいずれかに記載のセンサー。
9. 前記出射方向（２１）および前記受信方向（２２）は、前記レンズ（１８、１９）が傾斜された構成によって達成される、
   請求項１から請求項８のいずれかに記載のセンサー。
10. 前記トランスミッター（２）は、部材（２０）の第１の凹部（３１）内に配置され、前記レシーバー（３）は、前記部材（２０）の第２の凹部（３２）内に配置され、前記第１の凹部（３１）の側壁部および前記第２の凹部（３２）の側壁部が、対応する金属コーティングが施された反射体（１６、１７）として構成される、請求項１から請求項９のいずれかに記載のセンサー。
11. 前記第１の凹部（３１）および前記第２の凹部（３２）は、パラボラ形状を備える、請求項１０に記載のセンサー。
12. 生体機能、特に、人の血中酸素含有量あるいは脈拍を検知するための方法であって、
    電磁放射がトランスミッターにより出射方向に出射され、
    反射された電磁放射がレシーバーにより受信方向において受け取られ、
    前記トランスミッターおよび前記レシーバーは、前記トランスミッターの前記出射方向が前記レシーバーの前記受信方向と反対方向に所定の角度だけ傾斜するように構成され、
    前記角度は、１°〜６０°であり、前記電磁放射は、４０°以下の出射角度範囲（２４）で出射され、
    前記トランスミッターおよび前記レシーバーは、共通のキャリアに配置され、
    前記出射方向および／または前記受信方向は、前記キャリアの表面に対して２つの反射体が傾斜された構成によって達成される、
    方法。