JP6885231B2 - 検出装置および生体情報測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被験者の生体情報を測定するための技術に関する。
被験者の生体情報を測定するための技術が従来から提案されている。例えば特許文献１には、生体中の成分濃度を非侵襲で測定する構成が開示されている。具体的には、特許文献１の技術では、近赤外光を生体表面に向けて照射し、生体内部からの反射光を受光して受光成分から得られる生体信号から生体中の成分濃度を測定する。
生体中の成分濃度を高精度に測定するためには、生体表面に均一に近赤外光を照射することが望ましい。以上の事情を考慮して、本発明は、生体に光が照射される範囲内において光の強度の相違（照射ムラ）を抑制することを目的とする。
以上の課題を解決するために、本発明の第１態様に係る検出装置は、生体に光を照射する発光部と、発光部から照射され生体内を通過した光の受光レベルに応じた検出信号を生成する受光部と、生体に対向する対向面とを具備し、発光部は、光を出射する光源部と、光源部から出射された光が通過するレンズとを含み、光源部の光軸は、対向面に対して傾斜し、対向面とレンズの光軸とがなす角度は、対向面と光源部の光軸とがなす角度よりも小さい。以上の構成によれば、光源部の光軸は、対向面に対して傾斜するので、生体内部からの拡散反射光を得られやすい。また、対向面とレンズの光軸とがなす角度が、対向面と光源部の光軸とがなす角度よりも小さいので、生体に光が照射される範囲内において光の強度の相違（照射ムラ）を抑制することが可能である。
本発明の第２態様に係る検出装置は、生体に光を照射する複数の発光部と、複数の発光部から照射され生体内を通過した光の受光レベルに応じた検出信号を生成する受光部と、生体に対向する対向面と、対向面から受光部に向って形成される受光経路とを具備し、複数の発光部の各々は、光を出射する光源部と、光源部から出射された光が通過するレンズとを含み、受光経路の中心軸周りの円周上に位置し、複数の発光部の各々において、光源部の光軸は、対向面に対して傾斜し、対向面とレンズの光軸とがなす角度は、対向面と光源部の光軸とがなす角度よりも小さい。以上の構成によれば、光源部の光軸は、対向面に対して傾斜するので、生体内部からの拡散反射光を得られやすい。また、対向面とレンズの光軸とがなす角度が、対向面と光源部の光軸とがなす角度よりも小さいので、生体に光が照射される範囲内において光の強度の相違（照射ムラ）を抑制することが可能である。
本発明の好適な態様において、レンズの光軸と光源部の光軸とがなす角度は、５度以上１５度以下である。レンズの光軸と光源部の光軸とがなす角度が５度以上１５度以下の構成によれば、生体に光が照射される範囲内において光の強度の相違（照射ムラ）を抑制する、という効果はより顕著である。
本発明の生体情報測定装置は、前述の態様の検出装置と、検出装置が生成した検出信号から生体情報を特定する特定部とを具備する。前述の態様の検出装置では、生体内部からの拡散反射光を得られやすく、かつ、測定部位に均一な光を照射することが可能である。したがって、本発明の生体情報測定装置によれば、高精度に生体情報を特定することができる。
図１は、本発明の実施形態に係る生体情報測定装置１の構成図である。生体情報測定装置１は、被験者の生体情報を非侵襲的に測定する測定機器である。本実施形態では、利用者の血糖値（グルコース濃度）を生体情報として例示する。
本実施形態の生体情報測定装置１は、検出装置２０と特定部４０と表示部６０とを具備する。検出装置２０は、利用者の身体のうち測定対象となる部位（以下「測定部位」という）Ｍの状態に応じた検出信号を生成する光学センサーモジュールである。測定部位Ｍ（例えば手首）の表面に生体情報測定装置１が装着される。
図２は、検出装置２０の平面図であり、図３は、図２におけるIII−III線の断面図である。図２および図３に例示される通り、本実施形態の検出装置２０は、筐体２１と複数（４個）の発光部２３と受光部２５と保護部２７とを具備する。筐体２１は、中空の構造体であり、発光部２３と受光部２５と保護部２７とを収容する。具体的には、筐体２１は、測定部位Ｍの表面に対向する面（以下「対向面」という）Ｆと、受光経路１１と照射経路１３とを具備する。対向面Ｆは、血糖値の測定時に測定部位Ｍの表面に接触する。受光経路１１は、対向面Ｆから受光部２５に向って形成された断面円形の空間である。受光経路１１の中心軸ＣPは、対向面Ｆに対して垂直である。受光経路１１において対向面Ｆとは反対側の端部に受光部２５が位置する。照射経路１３は、発光部２３から出射された光が通過する断面円形の空間であり、受光経路１１から分岐して各発光部２３に向うように形成される。照射経路１３の中心軸ＣEは受光経路１１の中心軸ＣPに対して傾斜する。受光経路１１の中心軸ＣPは、対向面Ｆの垂線と一致する。対向面Ｆには、受光経路１１を覆うように光透過性の保護部２７（例えばガラス板）が設置される。なお、実際には、受光経路１１の中心軸ＣPと対向面Ｆの垂線とが一致しない場合も想定され得る。
図３の各発光部２３は、測定部位Ｍ（生体）に光を照射する。本実施形態では、複数の発光部２３は、測定部位Ｍに対して同時に光を照射する。複数の発光部２３の各々は、光源部３１とリフレクター３３とレンズ３５とを具備する。光源部３１は、光を出射する。例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）またはハロゲンランプ等の発光素子が光源部３１として利用され得る。本実施形態の光源部３１は、近赤外光（約８００ｎｍ〜１３００ｎｍ）を含む光を出射する。図２に例示される通り、４個の発光部２３の各々は、受光経路１１の中心軸ＣP周りの円周Ｓ上に位置する。
図３のリフレクター３３は、筒状の構造体である。リフレクター３３の一方の端部には光源部３１が設置され、他方の端部側にはレンズ３５が位置する。光源部３１から出射された光は、リフレクター３３の内面で反射することでレンズ３５に誘導される。
レンズ３５は、光源部３１から出射された光を通過させる。光源部３１から出射された光を平行光にする凸レンズがレンズ３５として好適に利用される。レンズ３５により集光された光は、照射経路１３と保護部２７とを通過して、測定部位Ｍの表面に照射される。測定部位Ｍの表面に入射した光は、測定部位Ｍの内部（例えば血管）で拡散反射したうえ検出装置２０側に出射する。測定部位Ｍから出射した光は、保護部２７と受光経路１１とを通過して、受光部２５に到達する。すなわち、発光部２３と受光部２５とで反射型の光学センサーモジュールとして機能する。
受光部２５は、発光部２３から照射され生体内（つまり測定部位Ｍ内）を通過した光の受光レベルに応じた検出信号を生成する。本実施形態の受光部２５は、分光器５１と受光素子５３とを具備する。血糖値の測定時に受光経路１１を介して測定部位Ｍに対向するように分光器５１が設置され、分光器５１を挟んで測定部位Ｍとは反対側に受光素子５３が設置される。具体的には、分光器５１は、到来した光を分光する光学機器である。例えばファブリ・ペロー型干渉計（エタロン）が分光器５１として好適に利用される。受光経路１１から分光器５１の表面に入射した光のうち近赤外領域の光が分光される。受光素子５３は、分光器５１で分光された光の受光レベルに応じた検出信号を生成する。例えば、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）等の光電変換素子が受光素子５３として好適に利用される。例えば近赤外領域に高い感度を示すＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・ヒ素）で受光素子５３が形成される。なお、検出装置２０は、例えば、駆動電流の供給により発光部２３を駆動する駆動回路と、受光部２５の出力信号を増幅およびＡ/Ｄ変換する出力回路（例えば増幅回路とＡ/Ｄ変換器）を包含するが、図２では各回路の図示を省略した。
図１の特定部４０は、検出装置２０が生成した検出信号から血糖値を特定する。具体的には、特定部４０は、検出信号から吸光スペクトルを生成し、当該吸光スペクトルから血糖値（グルコース濃度）を特定する。吸光スペクトルを利用した血糖値の特定には、例えば重回帰分析法等の公知の技術が任意に利用され得る。ＰＬＳ（Partial Least Squares）回帰分析法および独立成分分析法等が重回帰分析法として例示される。表示部（例えば液晶表示パネル）６０は、特定部４０が特定した血糖値を表示する。
図４は、光源部３１およびレンズ３５の位置関係の説明図である。光源部３１の光軸ＯEおよびレンズ３５の光軸ＯLの各々は、対向面Ｆに対して相異なる角度で傾斜する。受光経路１１の中心軸ＣP（対向面Ｆの垂線）に対して光源部３１の光軸ＯEおよびレンズ３５の光軸ＯLの各々が傾斜するとも換言される。光源部３１の光軸ＯEは、光源部３１が出射する光束の代表となる仮想的な軸線である。例えば、光源部３１の発光面の中心を通過し発光面に垂直な軸線が光源部３１の光軸ＯEとして例示される。レンズ３５の光軸ＯLは、レンズ３５を通過する光束の代表となる仮想的な軸線である。例えば、レンズ３５の凸面の中心およびレンズ３５の重心を通る直線が光軸ＯLとして例示される。本実施形態では、光源部３１の光軸ＯEは受光経路１１の中心軸ＣPに交わり、光軸ＯEと中心軸ＣPとの交点を通る面が対向面Ｆである。以下、光源部３１の光軸ＯEとレンズ３５の光軸ＯLとを含む平面と対向面Ｆとの交線の方向を「ｙ方向」とし、対向面Ｆ内においてｙ方向と垂直な方向を「ｘ方向」とする。また、レンズ３５の光軸ＯLと測定部位Ｍの表面とが交わる点を交点Ｑする。
具体的には、対向面Ｆとレンズ３５の光軸ＯLとがなす角度θLが、対向面Ｆと光源部３１の光軸ＯEとがなす角度θEよりも小さくなるように、光源部３１とレンズ３５とが設置される。すなわち、光源部３１の光軸ＯEは、レンズ３５の光軸ＯLと比較して対向面Ｆに対する傾斜が大きい。角度θLおよび角度θEは、９０度より小さい。角度θEは、例えば４５度であり、角度θLは、４５度よりも小さい。本実施形態の光源部３１の光軸ＯEは、レンズ３５の内部でレンズ３５の光軸ＯLと交わる。なお、光源部３１の光軸ＯEとレンズ３５の光軸ＯLとがレンズ３５の外部で交わる構成も採用され得る。レンズ３５の光軸ＯLと光源部３１の光軸ＯEとがなす角度θLEは、角度θLが小さくなるほど大きくなり、角度θLが角度θEに近づくにつれて０度に近くなる。
図５および図６は、発光部２３から出射された光が測定部位Ｍの表面に照射される範囲（以下「照射範囲」という）における光の強度分布を、光軸ＯEと光軸ＯLとの角度θLEを変化させた複数の場合について示すグラフである。図５は、ｘ方向における交点Ｑからの各距離における光の強度（つまりｘ方向における強度分布）を表し、図６は、ｙ方向における交点Ｑからの各距離における光の強度（つまりｙ方向における強度分布）を表す。また、図７は、ｙ方向における光の強度の散布度（３σ／ａｖｅ）と角度θLEとの関係を示すグラフである。記号σは強度の標準偏差であり、記号ａｖｅは強度の平均値を意味する。散布度（３σ／ａｖｅ）は、強度の散らばりの度合を示す指標である。散布度（３σ／ａｖｅ）が小さいほど、照射範囲内における光の強度の相違が小さい（均一に近い）という傾向がある。
図５に例示される通り、ｘ方向では、角度θLEが０度の場合と１０度の場合とでは強度分布に差がみられない。つまり、ｘ方向の強度分布において角度θLEの影響は小さい。それに対して、図６および図７に例示される通り、ｙ方向では、角度θLEが０度より大きい場合、角度θLEが０度の場合（つまり光軸ＯEと光軸ＯLとが一致する場合）と比較して、照射範囲内における光の強度の相違（照射ムラ）が抑制される。特に、角度θLEが５度以上１５度以下である場合は、角度θLEが０度の場合と比較して、照射範囲内における光の強度の相違（照射ムラ）がより抑制される。高精度に血糖値を特定するためには、測定部位Ｍに均一な光を照射することが望ましい。そこで、本実施形態では、対向面Ｆとレンズ３５の光軸ＯLとがなす角度θLが、対向面Ｆと光源部３１の光軸ＯEとがなす角度θEよりも小さくなるように、光源部３１とレンズ３５とが設置される。より好ましくは、角度θLEが５度以上１５度以下になるように光源部３１とレンズ３５とが設置される。なお、複数の発光部２３間で角度θLEを相違させてもよい。
本実施形態では、光源部３１の光軸ＯEが対向面Ｆに対して傾斜しているので、光源部３１の光軸ＯEが対向面Ｆに対して傾斜していない構成（つまり光軸ＯEと対向面Ｆの垂線とが一致する構成）と比較して、測定部位Ｍ（生体）の内部からの拡散反射光を得られやすいという利点がある。本実施形態では特に、対向面Ｆとレンズ３５の光軸ＯLとがなす角度θLが、対向面Ｆと光源部３１の光軸ＯEとがなす角度θEよりも小さいので、測定部位Ｍに照射される光の強度の相違を抑制する（理想的には測定部位Ｍに均一な光を照射する）ことが可能である。ひいては、高精度に生体情報を特定することが可能である。
＜変形例＞
以上に例示した形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を適宜に併合することも可能である。
以上に例示した形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を適宜に併合することも可能である。
（１）前述の形態では、複数（４つ）の発光部２３が生体に対して同時に光を照射したが、複数の発光部２３のうち一部（例えば１つ）から光を照射してもよい。複数の発光部２３のうちの何れか１つから測定部位Ｍに対して光を照射しても、測定部位Ｍに照射される光の強度の相違を抑制する、という効果は実現される。つまり、本発明において、検出装置２０が複数の発光部２３を具備することは必須ではない。ただし、検出装置２０が複数の発光部２３を具備する前述の形態によれば、例えば複数の発光部２３を順次に発光させて生成した複数の検出信号から、生体内部以外の組織（例えば汗腺および体毛）の影響によるノイズを低減することが可能である。したがって、高精度に血糖値を特定することが可能である。また、検出装置２０が複数の発光部２３を具備する前述の形態では、複数の発光部２３のうち発光させる個数を変えることで、測定部位Ｍ内において光が到達する深度を変化させることができる。したがって、生体内の特定の部位（例えば動脈）を通過した検出信号を生成することができる。ひいては、血糖値の特定に最適な検出信号を生成することが可能である。以上の説明から理解される通り、検出装置２０が具備する発光部２３の個数は任意である。
（２）前述の形態では、レンズ３５の光軸ＯLと光源部３１の光軸ＯEとがなす角度θLEが５度以上１５度以下になるようにレンズ３５と光源部３１とを設置したが、角度θLEは以上の例示に限定されない。光源部３１から出射した光がレンズ３５を介して測定部位Ｍに到達するという作用が得られ、かつ、角度θLが角度θEよりも小さいという条件を満たす範囲内であれば、角度θLEは任意である。ただし、角度θLEが５度以上１５度以下である構成によれば、測定部位Ｍに照射される光の強度の相違を抑制する（理想的には測定部位Ｍに均一な光を照射する）、という効果は顕著である。
（３）前述の形態では、生体情報として血糖値を特定したが、特定する生体情報の種類は以上の例示に限定されない。例えば、ヘモグロビン濃度，血中酸素濃度，中性脂肪濃度等の各種の血液成分濃度を生体情報として特定してもよい。
（４）前述の形態では、発光部２３が出射する光に近赤外光が含まれたが、発光部２３が出射する光の波長域は任意である。ただし、発光部２３が出射する光に近赤外光が含まれる構成は、血糖値を生体情報として特定する場合に特に有効である。つまり、特定する生体情報の種類によって、発光部２３が出射する光の波長域は任意に変更し得る。
（５）前述の形態では、受光部２５が分光器５１と受光素子５３とを含んだが、発光部２３から出射して測定部位Ｍの内部を通過した光の受光レベルに応じた検出信号を生成することができれば受光部２５の構成は任意である。例えば受光部２５が受光素子５３のみを含む構成、または、分光器５１にファブリ・ペロー型干渉計を利用した場合には受光部２５が分光器５１と受光素子５３との間にバンドパスフィルターを具備する構成も採用され得る。
（６）前述の形態では、生体情報測定装置１が表示部６０を具備したが、生体情報測定装置１と通信可能（有線／無線）な端末装置に表示部６０を設けることも可能である。生体情報測定装置１は特定した血糖値を端末装置に送信して、当該端末装置が血糖値を表示する。つまり、生体情報測定装置１において表示部６０は必須ではない。
（７）特定部４０および表示部６０のうち一方または双方を端末装置に設けた構成（例えば端末装置で実行されるアプリケーションで実現される構成）であってもよい。つまり、生体情報測定装置１は、相互に別体で構成された複数の装置でも実現される。
１…生体情報測定装置、１１…受光経路、１３…照射経路、２０…検出装置、４０…特定部、６０…表示部、２１…筐体、２３…発光部、２５…受光部、２７…保護部、３１…光源部、３３…リフレクター、３５…レンズ、５１…分光器、５３…受光素子。
Claims (3)
- 生体に光を照射する複数の発光部と、
前記複数の発光部から照射され生体内を通過した前記光の受光レベルに応じた検出信号を生成する受光部と、
前記生体に対向する対向面と、
前記対向面から前記受光部に向って形成される受光経路とを具備し、
前記複数の発光部の各々は、光を出射する光源部と、前記光源部から出射された前記光が通過するレンズとを含み、前記受光経路の中心軸周りの円周上に位置し、
前記複数の発光部の各々において、
前記光源部の光軸は、前記対向面に対して傾斜し、
前記対向面と前記レンズの光軸とがなす角度は、前記対向面と前記光源部の光軸とがなす角度よりも小さい
検出装置。 - 前記レンズの光軸と前記光源部の光軸とがなす角度は、５度以上１５度以下である
請求項１の検出装置。 - 請求項１または請求項２の検出装置と、
前記検出装置が生成した前記検出信号から生体情報を特定する特定部と
を具備する生体情報測定装置。
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