JPS63272324A - 生体信号処理装置 - Google Patents

生体信号処理装置

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JPS63272324A
JPS63272324A JP62038083A JP3808387A JPS63272324A JP S63272324 A JPS63272324 A JP S63272324A JP 62038083 A JP62038083 A JP 62038083A JP 3808387 A JP3808387 A JP 3808387A JP S63272324 A JPS63272324 A JP S63272324A
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light
optical
biological signal
signal processing
output
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JP62038083A
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Yoshio Asahina
朝比奈 芳夫
Yutaka Ono
豊 大野
Ryoichi Oomote
大表 良一
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Fukuda Denshi Co Ltd
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Fukuda Denshi Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、生体信号を検出する複数の生体信号検出部よ
りの検出信号を受け取り中継する中継部と、該中継部を
介して送られる生体信号を処理する生体信号処理部間を
光伝達手段で接続して成る生体信号処理装置に関するも
のである。
[従来の技術] 従来の生体信号処理装置、例えば心電計においては、電
極と心電計本体間は2m〜3m程度の長さの金属製の誘
導コードにより接続されており、画構成間は直流的に接
続されていた。
そして、この誘導コードを介して送られてきた検出電圧
を本体の増幅回路で増幅し、この増幅信号を実際に処理
していた。
[発明が解決しようとする問題点] しかし、人体より話起され、電極により検出される電圧
のレベルは数mV程度であり、人体に沿う部分はシール
ド効果等があり、さほどの影響がないものの、人体より
離れてから心電計本体までの間で、種々の誘導ノイズ等
の影響を受け、検出信号の信頼性が低く、その誘導ノイ
ズの除去に複雑な構成、制御が必要であった。例えば、
2個の40W蛍光灯の場合には4〜7mV程度の誘導ノ
イズが発生する。また、クーラー、ポンプ内の誘導機器
等よりも静電的、電磁的な種々のノイズが到来し、その
対策に苦慮していた。
また、電極と心電計本体間が直流的な接続状態であるた
め、心電計本体の絶縁性能の劣化等の事態が発生すると
、漏れ電流による人体への影響も心配され、この点は最
大の考慮点であった。
[問題点を解決するための手段] 本発明は上述の問題点を解決することを目的として成さ
れたもので、この目的を達成する一手段として、本実施
例は以下の構成を備える。
即ち、生体信号を検出する複数の生体信号検出部よりの
検出信号を受け取り中継する中継部と、該中継部を介し
て送られる生体信号情報を処理する処理部と、該処理部
に具備された光を出力する発光手段と、該発光手段より
の出力光を伝達する伝達手段と、中継部に具備された該
光伝達手段を介して入射された処理部よりの入力光を生
体信号検出部よりの検出信号に従い変調する変調手段と
、該処理部に具備された中継部より光伝達手段を介して
入射された変調光を受光する受光手段と、該受光手段で
受光した変調光信号を復調する復調手段と、該復調手段
での復調情報を処理する生体信号処理手段とを備える。
[作用] 以上の構成において、生体信号検出部と処理部間の一部
を光伝達手段で接続し、電気的り絶縁すると共に、誘導
ノイズ等の影響を受ない信頼性の高い装置を提供できる
[実施例コ 以下図面を参照して本発明に係る一実施例を詳細に説明
する。
[第1実施例] 第1図は本発明に係る一実施例の構成図であり、図中1
は心電計本体であり、心電計本体1は公知の方法で電極
群よりの検出信号を処理する心電処理部2、発光時には
一定強度の光を発光するLED、半導体レーザ(LD)
等より成る光源3、受光ケーブル15よりの光変調信号
を復調して心電処理部2に出力する、PIN−PD。
APD等のフォトダイオード等の受光素子を備える光復
調部4より構成されている。また、14は出光ケーブル
、15は受光ケーブルである。
ここに用いられている光ケーブル(光ファイバ)は、周
知のとうり石英ガラス等の電気的完全絶縁物でできてお
り、また、コアが9μm〜60μm1クラツドが125
μm程度で構成でき、軽量、細心、完全絶縁、低誘電率
等の利点を有する。なお、この光ケーブルをプラスチッ
クスで構成してもコアが200μm〜1mmで構成でき
る。
また、20は中継部であり、31は各電極よりの各誘導
ケーブルである。中継部20は誘導ケーブル31を介し
て送られてくる各電極よりの検出信号を増幅するととも
に、増幅した各検出信号を順次時分割で1つづつ選択し
て出力する心電アンプ部21、心電アンプ部21よりの
選択信号25に従い、出光ケーブル14より供給される
一定強度光を変調して受光ケーブル15に出力する光変
調器22及び、心電アンプ部21に駆動電源を供給する
ための電源部23により構成されている。
本実施例では、中継部20と心電計本体1とは光ケーブ
ル14.15で接続するため、電極よりの誘導ケーブル
の長さは被測定者の体の測定部位に電極を取り付けられ
るだけの長さがあればよく、1m以内で十分である。従
って、実質的に誘導ノイズの影響を受ける体より離れた
部分は、光ケーブルとすることができる。
以上の構成において、心電計本体1の光源3より出光ケ
ーブル14により光変調器12に送られた光は、心電ア
ンプ21よりの選択された検出電位に対応した光変調を
受け、この変調光は受光ケーブル15により光復調部4
に送られる。そして、この変調された光信号は光復調部
4で復調され、ここで電気信号に変換されて心電処理部
2に送られ、ここで処理される。
また、電源部23は、通常の1次電池、または2次電池
を使用することも、また、使用環境が強照度の場所であ
れば、太陽電池を使用することができる。
本実施例では、電極は胸部用に6つ、四肢部用に4つ備
えられており、そのうちの1つ(第11符号45で示す
信号線に接続された電極)はコモン電極となっており、
コモン電極よりの検出電位は他の各電極に対する共通電
位となる。この各電極構成は一般的であるため説明を省
略する。
光変調器22の詳細構成を第2図に示す。
本実施例では光導波路型変調器(!#結晶電気光学結晶
である分岐干渉型光強度変調素子)を用いている。この
光導波路型変調器の詳細は、例えばコロナ社「光波電子
工学J (小山、西原共著)等に説明されているものを
使用する。
第2図において、Yカットニオブ酸リチウム(LiNb
03)基板110上に、Ti蒸着によるパターン化によ
り拡散光導波路111を形成し、拡散光導波路111を
挟んで正電極112a。
112bとコモン電極113をパターン化したものであ
る。出光ケーブル14よりの入射光は、分岐111aに
より光路長の違う第1の光路111bと第2の光路11
1Cの2つに略等分に分岐され、両電極111,112
に印加される電圧の差異により発生する電界の作用でそ
れぞれ逆の位相変調を受ける。その後合成部111dで
非対称光波が合成され、合成後の干渉効果により位相差
に応じた強度光に変調され受光ケーブル15に出力され
る。光復調部4ではこの変調光を復調する。この光導波
路型変調器では、焦電効果による温度変動に対する変調
光強度変動を抑えるために、正電極とコモン電極の回り
にそれを囲む電極を設けたりする方法がとられる。
以上の説明は光分岐導波路型変調器を用いた光変調の例
を説明したが、本発明の変調器はこれに限るものではな
く、光変調器として電気光学結晶による線形電気光学効
果(ポッケルス効果)を用いた変調器で構成してもよい
。顕著にポッケルス効果を示すものとしては、BSO,
BGO。
LiTaO3,LiNb0. 、水晶等の結晶があり、
特に低電圧用のポッケルス素子としてはBSO。
B G O、LiTaO5、1jNb03等が適してい
る。
次にこれらの一般的なポッケルス素子における設計上必
要な各種ポッケルスγmRマトリクスを以下に示す。
LiTaO3,LiNb03(3m群)ZnS 、 G
aAs、  B S O、B G 0(24,43m群
) 以上の電気光学結晶の縦効果を利用する縦型変調素子を
使う場合の基本構成を第3図(a)に、その印加電圧に
対して得られた出力電圧の特性例を第3図(b)に示す
図示の如く縦型変調素子では、入射光は偏光子412に
より直線に偏光され、透明電極401を通して変調素子
400に入射され、透明電極401.402間に生成さ
れる電界の作用で変調された後、旋光子である波長板4
13及び偏光子412と直交する軸を持つ検光子414
を通して出力される。その出力特性は線形であるが、こ
のままでは印加電圧は数10V程度が要求される。
感度を向上させるには光路を長くすればよく、この光路
を延長して構成した縦型変調素子の原理を用いた光変調
器の例を第4図に示す。
この電気光学効果素子は、ニオブ酸リチウム(LiNb
03)で構成した電気光学結晶層210の両対向面に話
電体多層膜215,216を形成し、この誘電体多層膜
215,216を電極として利用すると共に、電気光学
結晶層210の反射膜としても作用させている。出光ケ
ーブル14を介して入射された光は、偏光子212によ
り直線に偏光されて電気光学結晶層210に入射する。
この直線偏光光は電気光学結晶層210内の誘電体多層
膜215,216のそれぞれにより反射されて光路が延
長され、その感度も向上する。そして、光路出口にλ/
4波長板である旋光子213が配設され、さらに偏光子
212と直交する軸を持つ検光子214が配設されてい
る。本実施例では、光路を長くするため、電気光学結晶
層210への入射角を約5度に設定している。
ここで、誘電体多層膜216にコモン信号線45により
コモン電位を印加し、誘電体多層膜215に心電アンプ
21よりの選択信号25を印加すると、両電極間に発生
する電界により通過光は楕円偏光になり、偏光度が電界
強度に比例するので、検光子214より印加電圧に比例
した光強度変調出力が得られる。この変調光を受光ケー
ブル15を介して光復調部4に送ればよい。
なお、本発明はこの縦型変調素子での構成例に限るもの
ではなく、縦型変調素子に変え、横型変調素子で変調器
を構成することもできる。この横型変調素子を用いた場
合の基本構成を第5図(a)に、その印加電圧に対して
得られた出力電圧の特性例を第5図(b)に示す。
第5図(a)において、偏光子412により直線に偏光
されて変調素子420に入射された光は、電極421,
422間に生成される電界の作用で変調された後、偏光
子412と直交する軸を持つ検光子414を介して出力
される。
この横型変調素子においても、感度は光路長により決ま
る。即ち、長手力向長さ立により感度が決まり、旦を長
くすれば感度は良くなる。例えば0.5mmX  0.
5+nmx 3 cmの結晶では印加電圧2〜3■で0
.1πの位相変化分が得られる。
即ち、位相変化は となる。
このように横型変調素子でも設計できるが、この変調素
子は位相変化が温度によって変化し易い欠点を有してい
る。この欠点を補償するには、第6図(a)に示す如く
同一の結晶から切り出した長さの等しい結晶450,4
60を、その結晶軸を直角にして縦続に接続すればよい
第6図(a)の如く温度補償をした変調子の補償前後の
温度特性を第6図(b)に示す。このように、幅広い温
度範囲で一定した出力を得ることができる。この温度補
償した印加電圧に対する出力電圧の特性例を第6図(C
)に示す。
なお、この結晶は縦1列に並べるのではなく、2列並列
に並べ、一方結晶の光出口で入射光を90度偏向させ、
並列に並べられた他方結晶入力位置で更に90度偏向し
て入射光を他方結晶に入射する構成とすることで、長さ
を短くできる。
更に、結晶の一方端部に反射板を設け、入射光をこの反
射板で反射させる構成とすることもできる。この構成の
場合には特に体積を軽減することができ、小型の変調器
とすることができる。また、後述する偏波面保持光ケー
ブルを用いた場合には、結果としてミラーを省略でき、
非常に簡単な構成とすることができる。即ち、以上の電
気光学素子による変調子では、偏光子、検光子、及び旋
光子を省略することができる。
なお、第1図は電源部23が通常の電池で構成された例
を説明したが、本発明はこれに限るものではなく、心電
計本体1よりエネルギを供給し、これにより中継部20
を駆動してもよい。
この心電計本体1よりエネルギを供給する例を第7図に
示す。図中第1図と同一構成には同一番号を付し、説明
を省略する。
心電計本体1に、常時所定強度以上に発光するエネルギ
光源5を備え、このエネルギ光源5よりエネルギ供給光
ケーブル16を介して中継部20にこの先エネルギを供
給する。中継部20は、この先エネルギを太陽電池等で
構成されている光−電気変換を行う電源部26で電力に
変換し、この電力を心電アンプ21に供給する。
なお、エネルギ光源5は、例えば波長0,78μmで、
出力的5mWの半導体レーザ等により構成されており、
エネルギ供給光ケーブル16は、例えば直径200μm
程度のステップインデックス型光ファイバにより構成さ
れている。
この電源部26の詳細を第8図に示す。
電源部26は、太陽電池311、逆流防止用ダイオード
312、コンデンサ313、電圧レギュレータ314等
により構成されており、コンデンサ313は漏れ電流の
少ない、大容量のものであり、このコンデンサ313の
蓄電作用で太陽電池311よりの出力を電荷の形で長時
間蓄え、周囲光強度が不十分、不安定な環境においても
動作可能に構成されている。なお、コンデンサ313に
替え、2次電池を用いてもよい。また、電圧レギュレー
タ314は光強度により左右される太陽電池311より
の出力電圧にかかわらず、この電源部26よりの出力電
圧を一定に保つためのものである。
心電計本体1にエネルギ光源5を備える構成としたのは
、ここから高強度の光を照射すれば、中継部20側の電
源部26を小型化できるとともに、使用環境に影習され
ない、高信頼性の装置とすることができるためである。
周囲の光強度が十分な環境での使用であれば、エネルギ
光源5よりの供給光によらず、周囲よりの入射光で光−
電気変換を行なう構成とすることができる。この場合に
は、エネルギ光源5及び、エネルギ供給光ケーブル16
を取り除くことができる。
[第2実施例] 以上の説明は、通常の光ケーブルを用い、心電計本体1
よりの光を出光ケーブル14で受光し、中継部20で生
体検出信号に対応させて変調した後、受光ケーブル15
により心電計本体1に送る例について説明したが、本発
明はこれに限るものではなく、心電計本体1と中継部2
0とに偏光ビームスプリッタ等の合分波器を設け、光ケ
ーブルとして偏波面保持ケーブルを用いることにより、
出光光と受光光を同一ケーブルで送受することが可能で
ある。これにより更に両装置間の接続が容易になる。
この偏波面保持ケーブルを用いた心電計の例を第9図に
示す。第9図において、第1図または第7図と同様構成
には同一番号を付し、説明を省略する。
心電計本体1において、LED又は半導体レーザ(LD
)等で構成され一定強度の光を発光する光源3よりの光
は、偏光子7で直線に偏光された後、偏光ビームスプリ
ッタ6に出力される。偏光ビームスプリッタ6は、偏光
子7よりの光を偏波面保持光ケーブル(偏波面保持光フ
ァイバ)510に出力すると共に、中継部20より偏波
面保持光ケーブル510を介して送られてくる、生体よ
りの検出信号に対応した各変調信号を受光して光復調部
4に分離出力する。
なお、心電計本体1と中継部20間の光ケーブル(ファ
イバ)は1本のケーブル530で構成されており、51
0が信号伝送用の偏波面保持光ケーブル、520がエネ
ルギ供給光ケーブルである。
偏波面保持光ケーブル510を介して、心電計本体1よ
り送られた偏光光は、偏光ビームスプリッタ302をそ
のまま通過して変調子303に入射されている。一方、
心電アンプ部21は、電極よりの検出生体信号に対応し
た電圧を変調子303の両電極に印加しており、入射さ
れた偏光光は変調子303の両電極間に発生する電界の
作用で光変調される。そして、変調子303の出口に配
設された検光子304を通過してミラー305.306
.307により図示の如くそれぞれ90度づつ光路変更
され、再び偏光ビームスプリッタ302に入射される。
そして偏光ビームスプリッタ302の作用で、心電計本
体1よりの偏光光に対して直交する偏光を持つ変調光が
偏波面保持光ケーブル510に出力される。この変調光
は心電計本体1の偏光ビームスプリッタ6に送られ、こ
こで分離されて光復調部4に送られる。そしてここで変
調光強度に比例した電気信号に変換され、復調されて心
電処理部2に送られ処理される。なお、光復調部4では
、割算処理等を行なって変調信号を復調する。
第9図の光ケーブル520の詳細を第10図に示す。第
10図に示す様に、信号伝送用の偏波面保持光ケーブル
510と光エネルギ供給用ケーブル520とを束ね、か
つ、光エネルギ供給用ファイバ520を1本でなく複数
本としてバンドルすれば、大量の光エネルギを送ること
ができる。これにより太陽電池311よりの出力電力を
増加させることができ、装置の安定度を向上させること
ができる等有利な点が多い。
このように構成することにより、心電計と電極ユニット
間を1本のみのケーブルで接続することができる。
[第3実施例] また、以上の説明は心電計本体1の光源3よりの光を中
継部20で変調する例について説明したが、中継部20
に発光手段を備え、心電アンプ21よりの出力レベルに
対応した形態で発光手段を発光させ、心電計本体側でこ
の光を受光して、検出信号の伝達を行なう構成としても
よい。
この場合の構成例を第11図に示す。
第11図において、電極よりの検出信号出力は心電アン
プ部21で増幅された後変調部503で変調され、変調
出力に従って発光ダイオード504の駆動用トランジス
タ505が制御され、発光ダイオード504からは変調
出力に比例した光出力が得られる。この光出力は、複数
の光ファイバより構成される光ケーブル530中の信号
伝送用のコア径50μmのグレーデッドインデックス型
ファイバ540を介して、心電計本体1のPIN−PD
、APD等のフォトダイオードよりなる受光素子を備え
た光−電気変換を行う受光部554に送られ、ここで変
調光強度に比例した電気信号に変換され、復調部555
で復調されて心電処理部2に送られ処理される。
このように構成することにより、心電計と中継部間を光
フアイバケーブルを1本のみの接続とすることができる
以上説明した如く本実施例によれば、心電計本体と電極
部とを電気的に完全に絶縁することができる光ケーブル
によって接続する構成としたことにより、心電計の絶縁
性を考慮しなくとも、人体に心電計よりの漏れ電流が流
れこむことがなく、被検者に悪影響を与えることを完全
に防止できる。
また、光ケーブルは電気的な誘導ノイズを一切受けない
ため、心電計に誘導ノイズ除去のための複雑な構成を備
える必要が無くなり、信頼性が高く、コストの安いもの
が提供できる。
以上の説明は本発明を心電計に応用した例を説明したが
、本発明はこれに限るものではなく、あらゆる生体信号
処理装置に応用できる。即ち、生体の脳波を検出する脳
波計の場合にもまったく同様に脳波検出用の電極と脳波
計本体間を光ケーブルで接続すればよい。また、筋電計
や心音を検出する各種装置、血圧計等あらゆる生体信号
の検出部を備えた装置にも応用できる。これらの場合に
も本実施例と同様の効果を提供できる。
[発明の効果] 以上説明した如く本発明によれば、生体信号処理部と生
体信号検出部とを電気的に完全に絶縁することができる
光ケーブルによって接続する構成としたことにより、処
理部の絶縁性を考慮しなくとも、生体信号処理装置より
の漏れ電流が生体に流れこむことがなく、被検者に悪影
響を与えることを完全に防止できる。
また、光ケーブルは電気的な誘導ノイズを大幅に軽減で
きるため、生体信号処理装置に誘導ノイズ除去のための
複雑な構成を備える必要が無くなり、信頼性が高く、コ
ストの安いものが提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る一実施例の構成図、第2図は光導
波路型変調器の詳細構成例を示す図、 第3図(a)は縦型変調素子の基本構成を示す図、 第3図(b)は縦型変調素子の出力特性を示す図、 第4図は縦型変調素子を用いた変調器の詳細構成を示す
図、 第5図(a)、第6図(a)は横型変調素子の基本構成
を示す図、 第5図(b)、第6図(C)は横型変調素子の出力特性
を示す図、 第6図(b)は第6図(a)の縦型変調素子の縦続にお
ける温度変動改善状態を示す図、第7図は本発明に係る
他の実施例の構成図、第8図は本実施例の電源部の詳細
構成を示す図、 第9図は本発明に係る更に他の実施例の構成図、 第10図は光ケーブルの詳細構成を示す図、第11図は
電極側に発光素子を備えた場合の心電計の構成図である
。 図中1・・・心電計本体、2・・・心電処理部、3・・
・光源、4・・・光復調部、5・・・エネルギ光源、6
゜302・・・偏光ビームスプリッタ、7,212゜4
12・・・偏光子、14・・・出光ケーブル、15・・
・受光ケーブル、16・・・エネルギ供給光ケーブル、
20・・・中継部、21・・・心電アンプ、22・・・
光変調器、23.26・・・電源部、25・・・正電極
、31・・・話導ケーブル、45・・・コモン信号線、
110゜210.400,420,450,460・・
・電気光学結晶、111・・・拡散光導波路、213・
・・旋光子、214,304,414・・・検光子、2
15゜216・・・誂電体多層膜、212,412・・
・偏光子、303・・・変調子、305〜307・・・
ミラー、311・・・太陽電池、314・・・電圧レギ
ュレータ、503・・・変調部、504・・・発光素子
、505・・・駆動トランジスタ、510・・・偏波面
保持光ケーブル、530・・・光ケーブル、554・・
・受光部、555・・・復調部である。 特許  出願人 フクダ電子株式会社 代理人弁理士大塚康徳(他1名)r− 第1 第3因(0) 第3図(b) 第4図 E口刀]悟り上パV) 第5図(b) 第6図(0) @度(0c) 第6図(b) 第6図(C) 第S図 第10図

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)生体信号を検出する複数の生体信号検出部よりの
    検出信号を受け取り中継する中継部と、該中継部を介し
    て送られる生体信号情報を処理する処理部と、該処理部
    に具備された光を出力する発光手段と、該発光手段より
    の出力光を伝達する伝達手段と、前記中継部に具備され
    た該光伝達手段を介して入射された前記処理部よりの入
    力光を前記生体信号検出部よりの検出信号に従い変調す
    る変調手段と、該処理部に具備された前記中継部より前
    記光伝達手段を介して入射された変調光を受光する受光
    手段と、該受光手段で受光した変調光信号を復調する復
    調手段と、該復調手段での復調情報を処理する生体信号
    処理手段とを備えることを特徴とする生体信号処理装置
  2. (2)光伝達手段は偏波面保持光ケーブルであることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の生体信号処理装
    置。
  3. (3)光伝達手段は発光手段よりの発光光を中継部に伝
    達する第1の光ケーブルと、変調手段の変調光を前記生
    体信号処理部に伝達する第2の光ケーブルとで構成され
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の生
    体信号処理装置。
  4. (4)変調手段は電気光学効果素子により変調処理を行
    なうことを特徴とする特許請求の範囲第1項より第3項
    のいずれかに記載の生体信号処理装置。
  5. (5)変調手段は光導波路型変調器により変調処理を行
    なうことを特徴とする特許請求の範囲第1項より第3項
    のいずれかに記載の生体信号処理装置。
  6. (6)変調手段は複数の生体信号検出部よりの検出信号
    を時分割により順次選択し選択した検出信号に従い入力
    光を変調することを特徴とする特許請求の範囲第1項よ
    り第5項のいずれかに記載の生体信号処理装置。
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