JPH09126718A - 表面センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面（３０）が表面センサ装置に極めて近く
なるにつれて、放射検知器（２）が受ける信号が最大値
を取った後徐々に減少してしまうため、信号が所定のレ
ベル以上であることをもって表面がセンサ装置に接近し
ていることの信頼できる指標とすることができず、適確
な表面検出を行うことができないなどの課題があった。 【解決手段】 表面（３０）の直近への配置が必要とさ
れる装置放射口（６）の両側に設けられた電磁気的放射
の放出体（３）および放射検知器（２）とを備えた表面
センサ装置であり、さらに、放出された放射と表面（３
０）により反射された放射の経路に配置された部材
（８）とを備える構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は表面センサ装置、
特に、光学装置が患者の皮膚に向けられる際に皮膚の近
さを検出する用途に用いられる表面センサ装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】医療現場では多数の光学系や光学装置が
使用されており、安全性への要求から、光学系や光学装
置の光線が患者や操作者の目に当たるような方法で使用
されてはならないことが強調されている。医学的用途に
適用されている多数の光学系や光学装置に用いられてい
る光線は高強度であり、もし光線がたまたま目に当たっ
た場合には目に損傷を与える可能性がある。

【０００３】光学装置には、光放射口から患者の皮膚を
通して患者の組織に向けて電磁気的放射を放射するよう
な非侵襲性臨床検査装置も含まれる。このような光学系
には、光源が患者の皮膚に極めて近い場合や皮膚に当た
っている場合以外には装置を停止させるような安全装置
も含めることができる。この場合、表面センサにおいて
光学系が正しく位置することが判定されれば、装置が操
作可能となり、光源が励起可能となる。

【０００４】周知の医療光学装置は多数の表面センサを
有しており、これらの表面センサは例えば光ファイバの
末端等の光放射口の周辺に配置されている。表面センサ
は通常、フォトトランジスタによる光検知器と、これに
隣接して設けられた発光ダイオード（ＬＥＤ）によりな
る。皮膚の表面がセンサ装置の付近に近づくと、皮膚表
面で反射されてフォトトランジスタに検出される光の量
が増加する。周知の表面センサにおけるＬＥＤとフォト
トランジスタの間の間隔は１〜２ｍｍである。ＬＥＤと
フォトトランジスタの間隔が小さいため、皮膚による光
の吸収量も小さく、従って、表面がセンサに接触しても
信号に大きな減少はない。表面がセンサ装置から所定の
距離以内にない場合、フォトトランジスタにより検出さ
れる信号は所定のレベルに満たず、装置は停止状態とな
る。

【０００５】表面センサ装置を光放射口に隣接して１個
だけ設けることは、人が不注意により表面センサを覆い
光放射口を覆わない形で光学装置を持ったり持ち上げた
りした場合に、光放射口を表面から大きく外れた向きに
向けて光学装置を動作させてしまうこととなる欠点があ
る。

【０００６】光放射口周辺に表面センサ装置を２個、ま
た好ましくは３個設ければ、この可能性は取り除かれ
る。しかし、そのようなマルチセンサ装置システムは、
複数の配線が必要となるために取り扱いにくく、不要に
複雑化するという欠点がある。

【０００７】発光ダイオードを光放射口の一方に配置
し、光検知器を光放射口の反対側に配置すれば、コンパ
クトな表面センサ装置が達成されるであろうことが予想
されていた。このような配置においては、光放射口の上
方が覆われることが装置が動作可能となるための必要条
件となる。しかし実際には、皮膚表面がセンサと接触す
るにつれ、光検知器により検出される信号は、表面から
いくらか離れた際の反射光による信号より大幅に少なく
なる。これは、ＬＥＤと光検知器との距離が比較的大き
く（約７ｍｍ）、このために光の大部分が皮膚表面以降
の部分において多重散乱により吸収され失われるためで
ある。

【０００８】センサ装置と皮膚表面との距離が減少する
につれて、予想通りに光検知器により受光される信号が
増加することが発見されていた。しかし、最大の信号
は、皮膚表面がセンサ装置からまだ離れた時点で検出さ
れる。皮膚表面がセンサ装置に更に近くなると、信号は
徐々に減少する。このため、信号の所定のレベルを皮膚
表面のセンサ装置への近さの信頼できる指標とすること
ができないという欠点が生じる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の表面センサ装置
は以上のように構成されているので、表面センサ装置を
光学装置の光放射口に隣接して１個だけ設けた場合に
は、光放射口を表面から大きく外れた向きに向けて光学
装置を動作させてしまう可能性があり、光が目などに当
たり損傷を与えるなどの危険性がある課題があった。ま
た、光放射口周辺に表面センサ装置を複数設ける場合に
は、配線等が複雑化し取り扱いにくい課題があった。

【００１０】また、発光ダイオードを光放射口の一方に
配置し、光検知器を光放射口の反対側に配置してコンパ
クトな表面センサ装置としようとすると、このような配
置では光放射口の上方が覆われることが光学装置の動作
可能条件となるが、センサ装置と皮膚表面との距離が減
少するにつれて光検知器により受光される信号が増加し
てゆくものの、皮膚表面がセンサ装置に更に近くなる
と、信号は最大値を取った後徐々に減少してしまい、こ
のため、信号が所定のレベル以上であることをもって皮
膚表面がセンサ装置に接近していることの信頼できる指
標とすることができず、適確な表面検出を行うことがで
きないなどの課題があった。

【００１１】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、単純でコンパクトな構成により適
確な表面検出を行うことができる表面センサ装置を得る
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、表面
の直近への配置が必要とされる装置放射口の両側に設け
られた電磁気的放射の放出体および放射検知器と、さら
に、放出された放射と表面により反射された放射の経路
に配置された部材（８）とを備え、前記部材は、放出さ
れた放射の一部を自身中を放出体から放射検知器へと通
過させる一方、放射のさらなる部分を部材中を表面へと
通過させて表面から反射させ、そして／または、表面以
降の部分から散乱および透過させ、放射検知器に戻すた
めの経路を与えるような表面センサ装置を提供する。

【００１３】好ましくは、放射検知器により受光される
放射量が、装置放射口の皮膚表面への近さを示すのがよ
い。部材が装置放射口にかからないのが好ましい。部材
は装置放射口の開口を包囲するＵ字型か矩形の板でよ
い。電磁気的放射は赤外光であってよい。放射検知器は
フォトトランジスタで、電磁気的放射放出体は発光ダイ
オードであるのが好ましい。

【００１４】部材は、放射検知器に届く不要なバックグ
ランド放射を除去する利点を持つ赤外線透過フィルタで
あることが好ましい。装置放射口は、光ファイバ末端に
プリズムを設けた構成とすることができる。放射放出体
と放射検知器は一枚のプリント基板に搭載され、プリン
ト基板には装置放射口が、プリント基板に平行で放出体
と放射検知器を挟み込む形に配置された部材とともに取
り付けられているように構成してもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施態
様について説明する。図１はこの発明による表面センサ
装置の第１の実施態様の斜視図、図２はこの発明による
表面センサ装置の第２の実施態様の斜視図、図３は図１
のＡ−Ａ断面図、図４は部材なしで表面センサ装置が受
光する信号を示すグラフ図、図５はこの発明による表面
センサ装置が受光する信号を示すグラフ図、図６はこの
発明による表面センサ装置の組立基板の平面図、図７は
図６の組立基板の底面図、図８は図６の組立基板の各部
品の回路図、図９（ａ）から図９（ｃ）はこの発明によ
る表面センサ装置の第３の実施態様の背面図，側面図，
および断面図である。

【００１６】図１および図３には光学装置に用いられる
第１の実施態様の表面センサ装置１が示されている。表
面センサ装置１は発光ダイオード（ＬＥＤ）３による放
射の放出体とフォトトランジスタ２による放射検知器を
備え、これらはプリント基板１６に搭載されている。Ｌ
ＥＤ３とフォトトランジスタ２は、光ファイバケーブル
１８の末端のプリズム６による光放射口の各側に配置さ
れている。板部材８がプリント基板１６に平行に、その
両者間にＬＥＤ３とフォトトランジスタ２とを挟み込む
ように設けられている。

【００１７】第１の実施態様においては、板部材８は平
行な脚部材１０，１２と接合部材１４を有したＵ字型を
している。第１の脚部材１０はＬＥＤ３の上方、放出放
射光の経路上に設けられ、第２の脚部材１２はフォトト
ランジスタ２の上方に設けられている。プリズム６はＵ
字型の真ん中に配置されているため、板部材８により覆
われていない。

【００１８】図２に示された光学装置に用いられる表面
センサ装置１の第２の実施態様においては、板部材８は
一般的なＴ字型をしており、中央部に孔４２が形成され
ている。孔４２は円形，矩形，正方形，もしくは他の形
状としてよい。孔４２はプリズム６に位置合わせして形
成される。板部材８は２個の側部１０，１２と２個の末
端部１４，２０を有している。ここでも、板部材８の２
個の側部１０，１２は各々ＬＥＤ３とフォトトランジス
タ２の上方に配置されている。板部材８は、プリズム６
のキャリアとの接着面積を大きく取るためにＴ字型とし
ている。

【００１９】図３において、光ファイバの末端のプリズ
ム６による光放射口は、ＬＥＤ３やフォトトランジスタ
２より高く設けられている。従って、板部材８はプリズ
ム６の上面を超えて設けられ、板部材８の下面３２とＬ
ＥＤ３およびフォトトランジスタ２との間に間隔を保っ
ている。板部材８の上面３４は、表面センサ装置１が隣
接して配置される皮膚表面３０に対面する。板部材８の
上面３４と皮膚表面３０との距離が、表面センサ装置１
により検出される距離である。光学装置が安全に操作さ
れ光を放出してよい皮膚表面３０と上面３４の最大許容
距離として、所定の距離ｄ’が選択される。

【００２０】図９（ａ）から図９（ｃ）において、表面
センサ装置１の第３の実施態様は、プリズム６，フォト
トランジスタ２，放出体３の異なる高さに合わせるよう
に設計された板部材８を備えている（図９（ｃ）を見
よ）。この実施態様の断面は、プリズム６が自ずと一方
向を向くような組立を可能とする。その断面の深さは、
フォトトランジスタ２と放出体３を可能な限り板部材８
の隣接表面５０，５２と近くして光学的結合を最大にす
るように設計されている。表面５０，５２はその組立の
間に傷が付かないように保たれる必要がある。孔４２の
内面５４は研磨される。板部材８の材質は、パースペッ
クス（Ｐｅｒｓｐｅｘ：商標）の黒、バリなし（ｂｕｒ
ｒ ｆｒｅｅ）で指示箇所が研磨されている。

【００２１】表面センサ装置１の各部品を保持するプリ
ント基板１６が図６および図７に示されている。プリン
ト基板１６は板部材８との間に、プリズム６のキャリア
を挟んだ形となる。フォトトランジスタ２と放出体３の
回路が図８に示されている。

【００２２】使用にあたっては、表面センサ装置１が皮
膚表面３０の直近に、もしくは皮膚表面３０に対向して
配置される。皮膚表面３０にさらされる表面３４はケー
シングにより包装される。板部材８の組立体の側面から
包装したケーシングへの光漏れによるロスを防止してレ
スポンス曲線を向上させるために、表面センサ装置１の
周囲に反射ホイルを巻いてもよい。板部材８の上面３４
は皮膚表面３０の直近に、もしくは皮膚表面３０に対向
して配置された形となる。フォトトランジスタ２により
受光された信号は板部材８の上面３４と皮膚表面３０と
の間隔ｄを示す。光強度の測定量Ｉの形をとるフォトト
ランジスタ２からの信号は、表面センサ装置１が皮膚表
面３０の直近にあり光学装置を操作するのに安全な期間
を決定する。もし、表面センサ装置１が傾いたり、皮膚
表面３０から外れたりすると、フォトトランジスタ２に
よる信号Ｉは所定の値Ｉ’より降下する。信号が所定の
値Ｉ’より降下すると、表面センサ装置１は光学装置の
レーザ光源を動作不能とする。

【００２３】ＬＥＤ３は例えば波長８３０ｎｍの赤外光
を放出する。板部材８はアクリル性の材料から形成され
ており、赤外線透過フィルタとして機能する。ＬＥＤ３
から放出された光２２の一部３６は、板部材８を透過
し、皮膚表面３０により反射され、または皮膚表面３０
以降の組織により散乱もしくは透過される。反射され、
散乱され、透過された光３８は、板部材８を逆向きに透
過し、フォトトランジスタ２により検出される。表面セ
ンサ装置１が皮膚表面３０にほぼもしくは完全に接触す
るにつれて、光は板部材８により形成された光ガイドに
再び捕らえられるまでに、より皮膚表面３０以降の組織
に入って散乱されるようになる。

【００２４】フォトトランジスタ２により検出される光
量Ｉは、皮膚表面３０が板部材８の上面３４より遠のく
につれて減衰する。組織に到達する光は全方向に散乱・
反射され、板部材８からの距離が増加するため、フォト
トランジスタ２に戻る光はほとんどなくなる。

【００２５】ＬＥＤ３は発散する光線を有している。皮
膚表面３０が表面センサ装置１に近い場合は、ＬＥＤ３
からの光の大部分が散乱・反射されて板部材８に戻り、
自由空間に比してほとんど損失なくフォトトランジスタ
２に導かれるため、光線の発散による光のロスは最小限
となる。皮膚表面３０が表面センサ装置１から離れてい
る場合は、光は皮膚表面３０の広い領域を照らすことと
なり、単位面積当たりの強度が大きく減少する。表面セ
ンサ装置１に反射されて戻る光はどれも強度の弱いもの
となり、反射は全方向に向かう。皮膚表面３０が更に遠
のくにつれて光は更に自由空間に逃げるようになり、板
部材８により直接的もしくは間接的にフォトトランジス
タ２に導かれる光は更に減少する。

【００２６】ＬＥＤ３はパルス電流により駆動され、フ
ォトトランジスタ２（フォトトランジスタによる放射検
知器）により受光される信号は交流結合している。これ
により、光学系はフォトトランジスタ２における直流オ
フセットの原因となる環境光の影響を受けなくなる。Ｌ
ＥＤ３を駆動するパルス電流は正極性である一方、フォ
トトランジスタ２により（ＬＥＤのパルス光を検知する
ことによって）受光されるパルス信号は負極性となる。
従って、もし、ＬＥＤ３とフォトトランジスタ２に関す
る配線に短絡があっても、検出された短絡信号が真の信
号と混同されることはない。

【００２７】板部材８は赤外線透過フィルタ（可視光は
遮断）でもあり、バックグランド光による干渉からの第
２の保護手段となる。フィルタは、例えば、病院の手術
光源のような極端に強度の強い光源によるフォトトラン
ジスタ２の飽和を防止するためにも有用である。もしフ
ォトトランジスタ２が飽和すると、パルス信号を検出す
ることができなくなり、表面センサ装置１はレーザ光源
を動作不能とする。このようにフォトトランジスタ２の
飽和は、表面センサ装置１の動作不能状態を生じさせる
ため、フィルタは動作不能状態の防止に有用である。

【００２８】板部材８は、ＬＥＤ３により放出された光
２２の一部４０に対する光ガイドとしても機能する。光
の一部４０は板部材８の中を通り（図３に破線で示
す）、このような経路を通りフォトトランジスタ２に到
達する。皮膚表面３０により散乱および反射された光も
板部材８の中に戻り、フォトトランジスタ２に導入され
ることが可能である。これがＬＥＤ３とフォトトランジ
スタ２の間の板部材８の部分に沿って繰り返し行われ
る。

【００２９】板部材８の存在により、皮膚表面３０にお
いて散乱・反射された光がフォトトランジスタ２により
多く導入される。板部材８がなければ、ほとんどの光は
多重散乱の後皮膚表面３０以降の組織中で速やかに吸収
されてしまう。

【００３０】図４は、図１に示した表面センサ装置１か
ら板部材８を取り除いた類似の表面センサ装置の上面と
皮膚表面３０との距離ｄと、フォトトランジスタ２によ
り受光された信号Ｉとの関係を示したグラフである。こ
のような装置では、距離ｄの最低値において、信号Ｉは
減少する。このため、信号Ｉの所定値Ｉ’を、距離ｄが
ある値以下であることの指標として用いることは不可能
である。

【００３１】図５は、板部材８を皮膚表面３０と表面セ
ンサ装置１の間に配置した場合（距離ｄと信号Ｉは同
様）に得られた曲線を示すグラフである。曲線がｄの低
い値において減少することがなくなっており、閾値Ｉ’
を距離ｄが所定の距離ｄ’以下であることの指標として
使用することが可能である。

【００３２】なお、表面センサ装置１は、装置が表面に
隣接しているかや直近にあるかを知ることを必要とする
他の種類の装置への使用も可能と考えられる。従って、
この発明は、表面センサ装置１の医療用の光学系や光学
装置への適用に限定されるものではないことはいうまで
もない。

【００３３】また、表面３０は上記のように患者の皮膚
表面であってもよく、光学装置は患者の組織の非侵襲性
臨床検査のための装置であってもよいが、この発明の表
面センサ装置１は、その他の表面や装置に適用してもよ
いことはいうまでもない。また、この発明の範囲内で上
記の内容に修正や改善を加えることは種々可能である。

【００３４】本発明の好適な実施態様として、以下のも
のがある。 （１） 放射検知器（２）により検出される放射の量
が、装置放射口（６）の表面（３０）への近さを示すこ
とを特徴とする請求項１記載の表面センサ装置（１）。 （２） 部材（８）が装置放射口（６）の上にかからな
いように設けられていることを特徴とする請求項１また
は前記実施態様（１）に記載の表面センサ装置（１）。 （３） 部材（８）が装置放射口（６）の開口（４２）
をとり囲むＵ字型または矩形の板状の部材であることを
特徴とする請求項１または前記実施態様（１）または
（２）に記載の表面センサ装置（１）。 （４） 電磁気的放射が赤外光であることを特徴とする
請求項１または前記実施態様（１）から（３）のうちの
いずれかに記載の表面センサ装置（１）。 （５） 放射検知器（２）はフォトトランジスタまたは
フォトダイオードであり、放出体（３）は発光ダイオー
ドであることを特徴とする請求項１または前記実施態様
（１）から（４）のうちのいずれかに記載の表面センサ
装置（１）。

【００３５】（６） 部材（８）が、放射検知器（２）
における不要なバックグランド放射を除去する利点を持
つ赤外線透過フィルタであることを特徴とする請求項１
または前記実施態様（１）から（５）のうちのいずれか
に記載の表面センサ装置（１）。 （７） 装置放射口（６）が、光ファイバの端部にプリ
ズムを設けてなることを特徴とする請求項１または前記
実施態様（１）から（６）のうちのいずれかに記載の表
面センサ装置（１）。 （８） 放出体（３）と放射検知器（２）は一枚のプリ
ント基板（１６）に搭載され、プリント基板（１６）に
は装置放射口（６）が、プリント基板（１６）に平行で
放出体（３）と放射検知器（２）を挟み込む形に配置さ
れた部材（８）とともに取り付けられていることを特徴
とする請求項１または前記実施態様（１）から（７）の
うちのいずれかに記載の表面センサ装置（１）。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、電磁
気的放射の放出体と放射検知器を、表面直近への配置が
必要とされる装置放射口の両側に配置し、さらに、放出
された放射と表面により反射された放射の経路に配置さ
れた部材を設けることにより、表面センサ装置と表面と
が接触するほど近づいた場合に放射検知器が受ける信号
強度が減少してしまう欠点を解消して表面センサ装置と
表面との距離の減少に従って前記信号強度が増加するよ
うにすることができ、これにより、信号強度が所定のレ
ベル以上であることを表面がセンサ装置に接近している
ことの信頼できる指標とすることを可能として、単純で
コンパクトな構成により適確な表面検出が可能な表面セ
ンサ装置を得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による表面センサ装置の第１の実施態
様の斜視図である。

【図２】この発明による表面センサ装置の第２の実施態
様の斜視図である。

【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図４】部材なしで表面センサ装置が受光する信号を示
すグラフ図である。

【図５】この発明による表面センサ装置が受光する信号
を示すグラフ図である。

【図６】この発明による表面センサ装置の組立基板の平
面図である。

【図７】図６の組立基板の底面図である。

【図８】図６の組立基板の各部品の回路図である。

【図９】この発明による表面センサ装置の第３の実施態
様の背面図、側面図、および断面図である。

【符号の説明】

１ 表面センサ装置 ２ 放射検知器 ３ 放出体 ６ 装置放射口 ８ 部材 ３０ 表面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面（３０）の直近への配置が必要とさ
   れる装置放射口（６）の両側に設けられた電磁気的放射
   の放出体（３）および放射検知器（２）と、 さらに、放出された放射と表面（３０）により反射され
   た放射の経路に配置された部材（８）とを備え、 前記部材（８）は、放出された放射の一部を自身中を放
   出体（３）から放射検知器（２）へと通過させる一方、
   放射のさらなる部分を部材（８）中を表面（３０）へと
   通過させて表面（３０）から反射させ、そして／また
   は、表面（３０）以降の部分から散乱および透過させ、
   放射検知器（２）に戻すための経路を与えることを特徴
   とする表面センサ装置（１）。