JPH04106748U - 光生体計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 送光側、受光側ともに十分に細くて柔軟性を
もつケーブルにして扱い易くし、かつ高い効率の送光、
受光を可能にして生体内の深い部分の情報を得ることを
可能にする。 【構成】 半導体レーザ２−１〜２−３にはそれぞれの
レーザモジュール１０を介して柔軟性を備えたプローブ
１２に含まれるそれぞれの単芯光ファイバの入射端が結
合され、各単芯光ファイバにより導かれたレーザ光はプ
ローブ１２の先端部から生体８に照射される。受光側プ
ローブ１８の先端にはシリコン・フォトダイオード１４
が設けられ、シリコン・フォトダイオード１４は生体組
織８に密着して取りつけられ、生体組織８による透過光
又は反射光を受光する。シリコン・フォトダイオード１
４にはプリアンプ１６が一体化されて形成されている。
プリアンプ１６で増幅された検出信号を送るケーブルは
シールド線であり、柔軟性を備えている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は可視光や近赤外光などの光を生体に照射し、その透過光又は反射光（ 散乱光を含む）を測定することにより、生体情報を得る光生体計測装置に関する ものである。

【０００２】

【従来の技術】

光を用いた生体計測装置には、光伝送路として光ファイバを用いたものがある 。例えば、レーザ組織血流計はレーザ光を単芯光ファイバを用いて生体に照射し 、その反射光を光ファイバで受光して組織血流量を算出するものであり、すでに 市販されている。ここで測定される生体からの反射光は光照射端のごく近傍の生 体部分からの反射光である。 ＬＥＤを生体に直接固定して指先などの透過光強度をフォトダイオードで受光 することにより、動脈血酸素飽和度を測定するパルスオキシメータと称される装 置もある。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

生体内部の情報を光を用いて計測する場合、生体内での散乱や吸収により光は 大幅に減衰する。仮に細い光を入射しても、生体内部で散乱され、検出側では広 い面積にわたり、かつ２π空間（半平面）の全ての方向に向かう光になってしま う。そのため、感度を高めるためには送光側でも受光側でも工夫が必要となる。 上記の組織血流量を算出する生体計測装置では、反射法で照射端のごく近傍の 生体情報を得るためには強度が強く、光ファイバを用いた測定系でも特に問題は ない。しかし、生体内の深いところの情報を得ようとすると、生体内部での散乱 や吸収が強く、通常は送光側でも受光側でも多数の光ファイバを束ねた光ファイ バ束を用いることが多い。受光側で光ファイバ束を用いたとしても、生体内での 光の通過長さが数ｃｍ程度になれば、生体透過光又は反射光の検出感度を高めよ うとすれば、光ファイバ束の直径を太くする必要がある。しかし、光ファイバ束 の直径が太くなると光ファイバ束の自重のために生体に安定して固定することが 困難になる。

【０００４】 また、直径の太い光ファイバ束で受光したとしても、光ファイバ束の光ファイ バの充填率、各光ファイバにおけるコアの比率、コアに入射した透過光や反射光 の伝搬率などから決まるファイバ・ロスがある。 受光側の条件としては大面積で全方向の透過光や散乱光を捉えるために、生体 に密着して押しつけることができるのが好ましい。この点で、受光側に光ファイ バ束を用いる場合、扱いやすい細い光ファイバ束ほど利用光量が減り、かつ光フ ァイバ束のコア部の伝搬角度内の光エネルギーしか使えないという問題がある。

【０００５】 送光側については、単色光で、かつ大きな出力を得ることができるのが好都合 であるが、例えばパルスオキシメータのようにＬＥＤを使用する測定系では、得 られる光出力に限界がある。ＬＥＤでは光出力が小さいため、パルスオキシメー タは高々指先の透過光測定ができる程度のものである。また、ＬＥＤではバンド 幅も大き過ぎて測定制度が悪くなる。

【０００６】 本考案は、送光側、受光側ともに十分に細くて柔軟性のあるケーブルにするこ とができて扱い易い測定系でありながら、高い効率の送光、受光を行なえるよう にして生体内での光の通過長さが数ｃｍ程度というように光が生体内に深く入り 込む利用方法に対しても有効な測定装置を提供することを目的とするものである 。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本考案は、送光側では光源を半導体レーザとし、その半導体レーザの発光を単 芯光ファイバを介して生体に導き、受光側では広い面積を得ることのできるシリ コン・フォトダイオードなどの固体検出器にプリアンプを一体的に組み込んだも のを用いることにより、上記の目的を達成せんとするものである。

【０００８】

【作用】

送光側では単芯光ファイバを用いるので、複数波長を扱うために波長分の光フ ァイバを束ねたとしても、十分に柔軟性をもつことができ、扱いやすく、軽量で ある。受光側では固体検出器にプリアンプが一体化されているので、プリアンプ からのケーブルも細いものですむ。このように、送光側も受光側も細く軽量にす ることができるため、生体への固定が容易になる。 送光側では光源として半導体レーザを用いているので、測定光を細いビームに することができ、単芯光ファイバを用いても強い光を効率よく通すことができる 。

【０００９】

【実施例】

図１は本考案を近赤外酸素モニタに適用した実施例のブロック図である。 図１の実施例では、３波長吸光度演算が行なわれるため、装置内に波長の異な る半導体レーザが３種類備えられており、それぞれの半導体レーザ２−１〜２− ３にはそれぞれのレーザモジュール（ＦＣコネクタ対応）１０を介して送光側プ ローブ１２に含まれるそれぞれの単芯光ファイバの入射端が結合されている。３ 本の単芯光ファイバは装置本体内では分岐しているが、プローブ１２では１本の 鞘内に束ねられている。プローブ１２の鞘の外形は３ｍｍ程度であり、柔軟性を 備えている。各単芯光ファイバにより導かれたレーザ光はプローブ１２の先端部 から生体８に照射される。

【００１０】 半導体レーザ２−１〜２−３はそれぞれ特定の波長λ₁，λ₂，λ₃のレーザ光 を発振する。それぞれの出力は例えば３０ｍＷである。発振波長（λ₁，λ₂，λ ₃ ）は７００ｎｍ以上に設定することが好ましく、その組合わせは例えば（７８ ０ｎｍ，８０５ｎｍ，８３０ｎｍ)、(７００ｎｍ，７３０ｎｍ，７５０ｎｍ）で あるが、これらの波長に限定されず、任意に設定することができる。半導体レー ザ２−１〜２−３は駆動回路４によって順次切り換えて発振させられる。駆動回 路４はＣＰＵ６によって制御される。

【００１１】 受光側プローブ１８の先端には固体検出器のシリコン・フォトダイオード１４ が設けられており、シリコン・フォトダイオード１４は生体組織８に密着して取 りつけられ、生体組織８による透過光又は反射光を受光する。シリコン・フォト ダイオード１４にはプリアンプ１６が一体化されて形成されている。プリアンプ １６で増幅された検出信号を送るケーブルはシールド線であり、柔軟性を備えて いる。

【００１２】 ２０はプリアンプ１６で増幅された信号をサンプルホールドするサンプルホー ルド回路、２２はサンプルホールド回路２０の出力信号を増幅するメインアンプ 、２４は増幅された信号電圧を周波数に変換するＶ／Ｆ変換器であり、Ｖ／Ｆ変 換器２４の出力信号がＣＰＵ６に入力されてカウントされる。 ＣＰＵ６は半導体レーザ２−１〜２−３の発振を制御するとともに、各波長λ ₁ ，λ₂，λ₃でのデータを取り込み、経時吸光度変化量ΔＡ₁，ΔＡ₂，ΔＡ₃を算 出する。その算出した経時吸光度変化量ΔＡ₁，ΔＡ₂，ΔＡ₃と予め測定されて 設定された吸光係数ｋ₁，ｋ₂，ｋ₃，ｋ₁’，ｋ₂’，ｋ₃’とから酸素化型ヘモグ ロビン量変動Δ〔ＨｂＯ₂〕及び全ヘモグロビン量変動Δ〔ＴＨｂ〕を算出し、 さらに酸素飽和度ＳＯ₂＝Δ〔ＨｂＯ₂〕／Δ〔ＴＨｂ〕×１００（％）を算出す る。これらのヘモグロビン各量の算出方法については、本考案者の一人である田 村によって既に提案されている（特願昭６３−２４８８３４号参照）。

【００１３】 ＣＰＵ６には入出力部２６を介して、この装置を操作したり吸光係数を入力す るためのキーボード２８、測定値などを表示する液晶ディスプレイ３０、測定結 果を出力するレコーダ３２、異常を知らせる警報装置３４などが接続されている 。図１で二重線で囲まれた部分が装置本体である。 シリコン・フォトダイオード１４で検出された信号はＣＰＵ６で演算され、算 出されたヘモグロビン各量は連続的にレコーダ３２や液晶ディスプレイ３０など に出力される。

【００１４】 送光側プローブ１２の先端部、すなわち生体との接触部の一例を図２に示す。 （Ａ）は側面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は照射されるレーザ光のパワー分布を 表したものである。 プローブ１２の先端部３６内にはプリズムが組み込まれており、プローブ１２ 内の光ファイバ軸の方向に対して直角方向にレーザ光が照射できるようになって いる。４０は生体と接触し、プリズム３８で折り曲げられたレーザ光を投下させ て生体に照射する窓板である。プリズム３８によりレーザ光が直角に折り曲げら れることにより、プローブ１２を生体に貼り付けて固定することを可能にしてい る。

【００１５】 受光側プローブの構造の一例を図３に示す。１４は生体に照射され、生体内で 散乱や吸収を経て受光側に出てきた測定光を受光するシリコン・フォトダイオー ドである。シリコン・フォトダイオード１４の検出信号を増幅し、ノイズの少な い状態で装置本体まで送るためにプリアンプ１６がシリコン・フォトダイオード １４と一体化して形成されている。シリコン・フォトダイオード１４で検出され た信号はプリアンプ１６で電流から電圧に変換された後、外形が２ｍｍ程度の細 芯のシールド線１８を経て装置本体に送られる。受光側プローブも軽量、かつ柔 軟性に富んでいるため、生体に貼り付けて固定することが可能である。

【００１６】 図４は一実施例の装置外観図を表わしたものである。図４で、装置本体４６か ら延びた送光側プローブ１２の先端部３６と、受光側プローブ１８のシリコン・ フォトダイオード１４が生体に貼り付けられて固定されている。装置本体４６の 全面にはキーボード２８、液晶ディスプレイ３０、レコーダ３２、警報装置３４ などが配置されている。

【００１７】 図５に送光側プローブの他の例を示す。（Ａ）はその側面図、（Ｂ）は照射さ れるレーザ光のパワー分布を表わしている。 図５では、プローブ先端部３６で生体と接触する部分には光透過性材質で構成 されたスペーサ５６が設けられている。透明体スペーサ５６を設けることにより 、皮膚表面でのレーザ光のスポット径が大きくなってエネルギー密度が軽減され る。 生体が光に対する強散乱体であるので多少広がった光を生体に入射させても検 出側に到達する光の強度はほとんど変わらないのに対し、高密度のレーザ光が生 体に集中しないので、より安全になる効果がある。

【００１８】 照射されるレーザ光のスポット径を大きくするだけであれば、プローブ先端部 ３６を生体入射部から離せばよいが、その距離の部分に透明体スペーサ５６を配 することにより、その透明体スペーサ５６で生体測定部を圧迫できる効果がある 。例えば頭部を測定する場合に、透明体スペーサ５６で生体を圧迫すれば、頭蓋 骨の上の皮膚の血流が押し除かれ、脳外の血流の影響を少なくしてより内部の情 報を得ることができる。この目的では透明体スペーサ５６は弾性を持っているの が好都合である。透明体スペーサ５６が設けられていることにより、物理的にも 光ファイバの先端の高密度光が誤って生体に接近するのを防ぐこともできる。

【００１９】 光生体計測装置で従来から用いられている検出系の構造は、生体からの透過光 や反射光を光ファイバ束で受光し、その光を光電子増倍管に導くものである。そ の従来の検出系と、本発明における固体検出器を用いた検出系との感度の比較を 行なってみる。一般に、光電子増倍管はシリコン・フォトダイオードより感度は よいが、素子が大きいため、生体からの光は光ファイバ束を介して受光する必要 がある。シリコン・フォトダイオードは小型であるので生体に直接固定すること ができる。したがって、光生体計測装置の感度について両検出系を比較する場合 には、光ファイバ束での光のロスなども含めた検出系全体の感度を比較する必要 がある。 （ａ）シリコン・フォトダイオードを用いた検出系の感度を概算してみる。 測定波長を８００ｎｍとし、受光面を１０ｍｍ×１０ｍｍとする。市販のシリ コン・フォトダイオード素子で分光感度が０．５５Ａ／Ｗのものが得られる。 （ｂ）光電子増倍管を用いた検出系の感度を概算してみる。 測定波長を８００ｎｍとし、光電面にマルチアルカリを用いたものを使用する 。市販の光電子増倍管の一例として、陰極感度が８．５ｍＡ／Ｗ、印加電圧６０ ０Ｖでの電流増幅率が２×１０⁴で、陽極感度が１７０Ａ／Ｗである。

【００２０】 光ファイバ束の光のロスを計算する。光ファイバ束の外径を２ｍｍとし、光フ ァイバの充填率が７０％、その光ファイバのコア比が６４％、コアに入射する透 過光や反射光のうち伝搬される確率が約２０％、光ファイバの端面での反射や透 過及び曲げによるロス（ファイバロス）が１０％であるとすると、光電子増倍管 を用いた検出系の実際の感度は （検出器感度）×（１−（ファイバロス）） である。これに上記の数値を当て嵌めると、 （実際の感度）＝１７０×０．７×０．６４×０．２×（１−０．１） ＝１３．７（Ａ／Ｗ） となる。

【００２１】 生体のような強散乱体から出てくる光を検出する場合には、検出器の受光面積 と検出光量が比例する。シリコン・フォトダイオードが１０ｍｍ×１０ｍｍの部 分からの光量を検出できるのに対し、光電子増倍管では直径２ｍｍの部分からの 光しか検出できない。したがって、感度を比較する場合には面積の補正が必要で ある。シリコン・フォトダイオードの感度は光電子増倍管の感度に比べて見かけ 上、１０²／π×１²＝３１．８（倍）ということになる。したがって、シリコン ・フォトダイオードの感度を補正すると、０．５５×３１．８＝１７．５（Ａ／ Ｗ）となり、シリコン・フォトダイオードを使った検出系の方が光電子増倍管を 使った検出系よりむしろ感度が高いことになる。

【００２２】 光電子増倍管の印加電圧を上げたり、受光側光ファイバ束の直径を太くしたり すれば光電子増倍管を使った場合でもさらに感度を上げることは可能であるが、 臨床用途においては外乱光がある程度入った状態で信号の検出を行なうため、光 電子増倍管の印加電圧を上げ過ぎるのは好ましくない。また、光ファイバ束の直 径を太くすればその自重も大きくなり、生体への固定が困難になる。 結論として、以上のことから光生体計測においては、特に透過測定を行なう場 合には、検出器としてシリコン・フォトダイオードのような固体検出器を用いた 方が、光電子増倍管を用いるよりも、感度の面からも生体への固定という面から も得策であると言える。

【００２３】 上記の計算では光電子増倍管を用いるよりもシリコン・フォトダイオードを用 いる方が感度の点で約１．３倍程度有利であるという結論が出ている。それだけ ではなく、シリコン・フォトダイオードを用いる方が高価な光ファイバ束や光電 子増倍管を用いないので、価格の点では遥かに有利であり、実用的な価値が大き い。このことは、特に検出部の数を増やす場合に一段と有利になる。 実施例は３波長を用いているが、測定精度を高めるために４波長以上を用いて もよい。 また、１種類の半導体レーザのみを備え、特定波長での吸光度測定により生体 情報を得るようにしてもよい。

【００２４】

【考案の効果】

本考案では光源として半導体レーザを用い、レーザ光を単芯光ファイバを通し て生体に送り、生体通過後の測定光は光ファイバを通さずに大面積の固体検出器 で直接受光するようにしたので、特定波長の光を高パワーで生体に導くことがで き、その生体透過光を感度よく検出することができる。 生体と接触するプローブを臨床の現場で使用可能な程度に小型、軽量にして生 体への固定を容易にすることができる。 受光側に固体検出器を用いることにより受光側の価格が大幅に安くなる。例え ば、複数個所を測定する目的で複数の検出器を用いても価格の上昇は少なく抑え ることができる。特に１つの送光部と複数個の受光部を組み合わせる場合に有効 である。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例を示すブロック図である。

【図２】送光側プローブの一例を示す図であり、（Ａ）
は側面図、（Ｂ）は底面図、（Ｃ）は照射されるレーザ
光のパワー分布を示す図である。

【図３】受光側プローブを示す斜視図である。

【図４】一実施例の装置外観を示す斜視図である。

【図５】送光側プローブの他の例を示す図であり、
（Ａ）は側面図、（Ｂ）は照射されるレーザ光のパワー
分布を示す図である。

【符号の説明】

２−１，２−２，２−３ 半導体レーザ ６ ＣＰＵ ８ 被測定生体 １０ レーザモジュール １２ 送光側プローブ １４ シリコン・フォトダイオード １６ プリアンプ １８ 受光側プローブ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 特定波長の光を生体に照射し、その透過
   光又は反射光を検出して生体情報を得る光生体計測装置
   において、光照射側は光源としての半導体レーザ及び前
   記半導体レーザからのレーザ光を単芯光ファイバを介し
   て生体に導くプローブを備え、光検出側はプリアンプが
   一体化されて生体からの光を受光する固体検出器を備え
   ていることを特徴とする光生体計測装置。