JPH025254B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザセンサ、特に被測定流体内の圧
力変化を正確に検出することのできるレーザセン
サに関する。

被測定流体すなわち気体あるいは液体内の圧力
変化を正確に検出することは極めて重要であり、
この種の圧力変化は例えば化学的処理装置おける
処理液の圧力変化あるいは医学的な診断装置にお
ける血圧その他体液の圧力変化として知られてお
り、また気体の圧力変化は通常のピックアツプあ
るいはマイクロホンとして種々の分野において実
用化されている。通常の場合、この種の圧力変化
は電気的な信号に変換されているが、圧力変化を
直接電気信号に変換するためには、比較的大型の
装置を必要とし、また必ずしも良好な検出精度を
得ることができないという問題があつた。特に被
検体の血圧変化等は従来装置では正確な測定が難
しく、カテーテルによりセンサを血管内に挿入す
る必要がある。

本発明は上記従来の課題に鑑みなされたもの
で、その目的は被測定流体の圧力変化をいつたん
レーザ光の光路長変化に変換し、これを電気的そ
の他の信号処理に供することにより、極めて小型
のかつ高精度な圧力変化検出センサを得ることに
ある。

本発明によれば、装置自体は極めて小型とな
り、例えば血圧測定の際、注射針状の穿刺筒内に
本装置を組み込むことにより、動脈内等の血圧変
化を測定するのに血管を切り開く必要はなく、注
射針状のセンサを簡単に経皮的に血管内に挿入す
ることが可能となり、従来得られなかつた種々の
診断情報を極めて容易に得ることが可能となる。

また本発明は他の微弱圧力変化に広範囲に適応
可能であり、音声その他の空気振動を検出するピ
ツクアツプあるいはマイクロホンとしても経皮的
に体内に挿入できる点で極めて有用である。

上記目的を達成するために、本発明は、先端開
口部から被測定流体を内部に導く管と、この管の
内部に設けられた膜であつてその外面が所定量の
被測定流体を導く空間を形成しこの空間内の流体
圧力変化に応じて揺動するとともに内面には光反
射層を形成する揺動膜と、この揺動膜の内面に対
して先端が所定間隔で対向配置された光フアイバ
と、反射鏡を備えレーザ光を発振するレーザ装置
と、前記揺動膜の光反射膜とこれに対向するレー
ザ装置の反射鏡との間に生じる二次発振周波数を
検出する周波数検出手段と、を含み、前記揺動膜
の揺動により生じるレーザ光の光路長変化を前記
周波数検出手段によつて二次発振周波数の変化と
して検出し、この二次発振周波数の変化に基づい
て被測定流体の圧力変化を検出することを特徴と
する。

上記周波数検出手段は後述する光検出器、フイ
ルタ、周波数カウンタ等で構成される。

本発明によれば、前述したように、被測定流体
の圧力変化はレーザ光の光路長に変換されるが、
この光路長変化は更にレーザ光の光変調によつて
電気的の他の信号に変換可能である。すなわち、
レーザ装置から出力されたレーザ光を再びレーザ
装置内に光帰還させると、レーザ装置の基準発振
光強度はレーザ装置を含む帰還系で二次共振器の
二次発振周波数によつて変調され、この光変調を
用いることによつて前記二次発振周波数を圧力変
化に対応した検出値として取り扱うことが可能と
なる。

もちろん、本発明において、前述したレーザ光
の光路長変化は前記光変調ばかりでなく、他の手
段によつても電気的に検出可能である。

本発明のレーザ装置は気体レーザあるいは固体
レーザ等あらゆる種類のレーザ装置にて構成する
ことができるが、特に小型の装置を必要とする場
合には、半導体レーザを用いることが好適であ
る。

以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

第１図には、本発明に係るレーザセンサを被検
体の血管中に穿刺して血圧変化を測る血圧計とし
て使用した実施例を示す。

レーザセンサを収納する穿刺筒１０は0.2〜0.3
mmの外径を有するステンレス等の金属円筒から成
り、第２図に示されるように、通常の注射針と同
じく、被検体１２内に穿刺され、動脈等の血管１
２ａ内に直接刺入される。

前記穿刺筒１０には、光フアイバ１４が導かれ
ており、実施例の光フアイバ１４はほぼ0.1mm程
度の直径を有する単一モード光フアイバから成
り、図示しないレーザ装置から所定の単一モード
のレーザ光が供給されている。そして、光フアイ
バ１４の先端に対して所定の間隔を保持して揺動
膜１６が対向配置されており、この揺動膜１６の
内面が光フアイバ１４の先端に対して対向配置さ
れている。揺動膜１６を支持するため、穿刺筒１
０の内壁にはステンレス等の金属から成るホルダ
筒１８が固定されており、ホルダ筒１８の先端に
前記揺動膜１６が密着固定されている。またホル
ダ筒１８の後端には固定リング２０が接着固定さ
れており、この固定リング２０によつてホルダ筒
１８と光フアイバ１４とが所定の相対位置で位置
決めされている。揺動膜１６はそれ自体プラスチ
ツクあるいはマイカ等の薄膜から成り、本発明に
おいて、その内面が光反射層を形成し、光フアイ
バ１４により導かれたレーザ光が該揺動膜１６の
内面にて反射され、光フアイバ１４内に戻され
る。揺動膜１６の内面に設られる光反射面１６ａ
は金属たとえば金等をメツキあるいは蒸着し、ま
た誘電体の多層膜を蒸着することによつても得ら
れ、このような誘電体の多層膜はその厚みを適当
に制御して良好な光反射特性が得られるように形
成する。

本発明において、光フアイバ１４と揺動膜１６
との間には、整合液２２が充填されており、この
整合液２２の透過率を光フアイバ１４に対して適
当に選択することにより、光フアイバ１４の先端
からの光反射をなくすことができ、また光反射面
１６ａによつて反射されたレーザ光が再び光フア
イバ１４の先端で反射されることを防止し、効率
良く光フアイバ１４内に戻されることとなる。実
施例における整合液２２は沃化メチルから成る
が、他の任意の整合液を用いることができ、通常
の場合、この整合液２２は光フアイバ１４と同一
の屈折率をもつように選択される。なお実施例に
おける整合液２２はホルダ筒１８、揺動膜１６お
よび固定リング２０によつて密封された室内に充
填されるが、このとき、後述する圧力変化検出時
に揺動膜１６の揺動を容易とするため、この室後
端には空気層２４が設けられており、またこの空
気層２４を減圧することにより、血圧測定を行い
易くすることができる。また整合液２２を用いる
代わりに光フアイバ１４の先端に整合用の誘電体
多層膜を蒸着し、光フアイバ先端での光反射を防
ぐこともできる。

第１図に示したレーザセンサを有する穿刺筒１
０は前述したように、第２図のごとく血管１２ａ
内に穿刺され、この結果、揺動膜１６の外面１６
ｂは直接血液と接触することとなり、このとき、
血液の表面張力によつて血液と揺動膜１６の外面
１６ｂとの間に気泡が生じることを防ぐため、実
施例における穿刺筒１０は揺動膜１６の近傍にお
いて透孔２６が設けられており、前記気泡はこの
透孔２６から容易に筒外へ抜け、揺動膜１６の外
面１６ｂがそのほぼ全面で血液と接触することが
可能となる。

本発明に係るレーザセンサの血圧測定に用いた
実施例は以上の構成から成り、以下その作用を説
明する。

穿刺筒１０が直接血管１２ａ内に穿刺された状
態で光フアイバ１４にはレーザ装置から単一モー
ドのレーザ光が供給され、このレーザ光は揺動膜
１６の内面に設けられた光反射面１６ａにて反射
されて光フアイバ１４内に戻る。そして、血管１
２ａ内の血圧変動が生じると、揺動膜１６はこの
血圧変動に対応して揺動し、この結果、光フアイ
バ１４の先端と光反射面１６ａとの間には微少な
距離変化が生じ、これによつてレーザ装置から出
たレーザ光はその光路長が血圧変動に対応して変
化することとなる。従つて、前記揺動膜１６の鼓
膜のような動きはレーザ光の光路長変化に変換さ
れ、これを検出することによつて極めて容易に血
圧変化を正確に検出することが可能となる。

第３図には、前記したレーザ光の光路長変化を
検出するための本発明に好適な検出部の構成が示
されている。

レーザ装置２６は単一モードのヘリウム・ネオ
ンレーザから成り、レーザ装置２６の光共振器は
その両端に反斜鏡２８，３０を有し、その一方の
反射鏡３０すなわち光出力端からはレーザ光１０
０が出力される。

前述したレーザ光１００はレンズ３２によつて
集束された後、光分波器３６を通り光フアイバ１
４に導かれる。

本発明においては、前記レーザ装置２６の出力
端すなわち実施例における反射鏡３０は比較的大
きな光透過特性に形成され、例えば、通常の反射
鏡の透過率が２％程度であるのに対し、本発明に
おける反射鏡３０はその透過率が10〜15％程度に
設定されており、この結果、揺動膜１６からの反
射光は容易に反射鏡３０を通つてレーザ装置２６
内に帰還される。

従つて、本発明においては、レーザ装置は反射
鏡２８および３０から構成される共振器と、反射
鏡２８および揺動膜１６から構成される二次共振
器とのいわゆる二重複合共振装置をもつことにな
る。その結果、レーザ活性媒質の光学的非線形特
性により、反射鏡２８および３０で発振する光学
的周波数をもつレーザ光の強度は、反射鏡２８お
よび揺動膜１６で構成される二次共振器３４の二
次発振周波数で光強度変調されることになる。

レーザ光１００は光分波器３６によつて分離さ
れ、光検出器３８よつて電気的に検出される。光
検出器３８はアバランシユフオトダイオード、あ
るいは光電子増倍管等から形成することができ
る。光検出器３８の出力はもはや光学的発振周波
数を含まず、二次共振器（28−16）の二次発振周
波数およびその高調波によつて変調された信号の
みを含む。そこで、バンドパスフイルタ４０によ
つて二次発振周波数よつて変調された信号だけが
分離され、周波数カウンタ４２によつてその周波
数が測定される。この周波数変化が対象とする物
理量（圧力など）の変化に対応する。

以下第３図に基づいて本発明に係るレーザセン
サの光路長変化の検出作用を説明する。

周知のように、レーザ装置２６の基準発振周波
数f₀はレーザ装置２６の光学長をL₁（光共振器の
光路長をｌとしてその屈折率をｎとしたときのｎ
×ｌ）、真空中の光速をｃとしたとき、 f₀＝ν・ｃ／L₁ となる。ここで、νは１、２、３……なる自然数
である。

従つて、レーザ装置２６からは前述した基準発
振周波数f₀なるレーザ光１００が出力されるが、
前述したように、このレーザ光１００は光フアイ
バ１４から揺動膜１６に導かれ、その光反射面１
６ａによつて反射され、これが再び光フアイバ１
４を通つてレーザ装置２６にその反射鏡３０を透
過して帰還される。この帰還した光は再びレーザ
装置２６の一方の反射鏡２８と前記光反射面１６
ａとの間を繰り返し往復することとなり、ここに
二次共振器３４が形成されることとなる。

二次共振器３４も通常のレーザ装置２６と同様
に所定の発振周波数を有し、この二次発振周波数
f₁は二次共振器３４の光学長をL₂とするならば、 f₁＝ν′・ｃ／L₂ となる。ν′は自然数である。

従つて、レーザ装置２６を含む二次共振器３４
には周波数f₁をもつ定在波が発生する。レーザ活
性媒質は光学的非線形特性をもつので、レーザ装
置２６の基準発振周波数f₀対する利得は周波数f₁
で変調される。その結果として、周波数f₀におけ
る発振光強度は周波数f₁で変動することになる。
従つて、発振スペクトルは第４図に示すように、
基準発振周波数f₀の両側方にf₁なる間隔で複数の
側帯波があらわれたスペクトルとなることが理解
される。

前記レーザ光１００は第３図から明らかなよう
に、光分波器３６によつて外部へ導かれ、第４図
の発振スペクトルを光検出器３８で受光すると、
光検出器３８のスペクトルは第５図に示すよう
に、二次発振周波数成分のみを含む出力となる。

そして、この電気的な検出信号はバンドパスフ
イルタ４０によつてf₁成分のみ取り出され、これ
が周波数カウンタ２４によつて計数される。

以上のようにして、周波数カウンタ４２の計数
値は二次共振器３４の二次発振周波数f₁に対応す
ることとなり、圧力変化が二次発振周波数f₁と対
応するので、このような圧力変化を極めて正確に
検出することが可能となる。

前述した実施例では、二次共振器３４がレーザ
装置２６、光フアイバ１４および揺動膜１６を含
むので、検出結果には、二次発振周波数変化のみ
ならず、レーザ装置２６および光フアイバ１４で
の周波数変動誤差が混入することとなり、センサ
の使用態様によつては無視できない誤差発生の原
因となる。特にレーザ装置２６から揺動膜１６ま
での距離が長い場合、光フアイバ１４の全長が増
加し、この結果、揺動膜１６での光伝達特性の変
化が長い光フアイバ１４によつて薄められ、感度
が低下するという問題がある。第６図には、この
ような問題を解決できる本発明の他の実施例が示
され、較正レーザ光を用いることによつて前述し
た誤差を除去することができる。

第６図おいて、レーザ装置６の出力レーザ光は
分波器４４によつて分波され、一方は第３図実施
例と同様に、レーザ光１００として光フアイバ１
４から揺動膜１６へ供給される。そして、他方は
レンズ４６から較正レーザ光２００として光フア
イバ４８に供給される。光フアイバ４８はその先
端に光反射面５０が設けられ、前述した光フアイ
バ１４とほぼ同様の長さおよび光学特性から形成
されている。

従つて、この実施例では、レーザ装置２６と較
正用光フアイバ４８とによつて較正用共振器５２
が形成されることとなり、この較正用共振器５２
はf₁′なる較正発振周波数を有する。この結果と
して、レーザ発振出力のスペクトルは第７図に示
す構成になる。従つて、f₁−f₁′の周波数を検出す
れば、検出部の波長変化のみを検知したことにな
る。

そのため、この実施例においては、光検出器３
８の出力はバンドパスフイルタ５６よつてf₁近辺
の信号を分離し、そのあと、検波器５８およびバ
ンドパスフイルタ６０を介してf₁−f₁′近辺の周波
数をもつ信号のみを分離し、その周波数をカウン
タ４２で測定する。従つて、この実施例では光検
出器３８、バンドパスフイルタ５６，６０、検波
器５８及び周波数カウンタ４２にて周波数検出手
段が構成される。

以上の説明から明らかなように、第６図の実施
例によれば、レーザ装置２６の基準発振周波数f₀
をもつ光強度は揺動膜１６を含む二次共振器３４
の二次発振周波数f₁と較正用光フアイバ４８を含
む較正用共振器５２の較正発振周波数f₁′とによ
つて同時に光強度変調を受けるので、その発振ス
ペクトルは第７図に示されるようになる。そし
て、光検出器３８の出力は第８図に示すように、
二次発振周波数f₁と較正発振周波数f₁′およびそれ
らの高調波成分からバンドパスフイルタ５６によ
つて、それらの基本成分のみが第９図のように取
り出される。

そして、検出器５８によつて、両者のビート周
波数成分のみが選別され、その周波数スペクトル
は第１０図に示されるように、f₁−f₁′とその高調
波成分とを含むものとなる。従つて、バンドパス
フイルタ６０により高調波成分を除去し、この結
果、第１１図に示されるような二次発振周波数と
較正発振周波数との差信号のみが出力される。周
波数カウンタ４２はこの差信号を計数し、二次発
振周波数f₁から較正発振周波数f₁′を除去した、す
なわち二次共振器３４からレーザ装置２６および
光フアイバ１４での誤差成分を除去した出力を得
ることができ、極めて正確な検出作用を行うこと
が可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、被測定
流体例えば血液中の圧力変動を極めて簡単にかつ
正確に検出することが可能となり、種々の微弱圧
力変動測定に用いることが可能となる。また前述
した圧力変動はレーザ光の光強度変調などにより
容易に電気的な信号として検出することができ、
高精度の検出作用を行うことが可能となる。

前述した実施例においては、レーザ装置２６を
ガスレーザとして示しているが、小型装置を形成
するためには半導体レーザが好適であり、半導体
レーザの場合、その出力端は比較的大きな光透過
特性を有するので、本発明のような強制的な光帰
還を行う場合に極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザセンサが血圧測定
装置として構成された好適な実施例を示す要部断
面図、第２図は第１図実施例の使用状態を示す要
部断面図、第３図は本発明に係るレーザセンサの
光検出部を示す概略構成図、第４図および第５図
は第３図の作用説明図、第６図は本発明に好適な
光検出部を示す他の実施例の概略構成図、第７図
ないし第１１図は第６図の他の実施例の作用説明
図である。 １０……穿刺筒、１４……光フアイバ、１６…
…揺動膜、１６ａ……揺動膜の光反射面、１６ｂ
……揺動膜の外面、２２……整合液、２６……レ
ーザ装置、３４……二次共振器、４８……較正用
光フアイバ、５２……較正用共振器、１００……
レーザ光、f₀……基準発振周波数、f₁……二次発
振周波数、２００……較正レーザ光、f₁′……較
正発振周波数。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 先端開口部から被測定流体を内部に導く管
   と、この管の内部に設けられた膜であつてその外
   面が所定量の被測定流体を導く空間を形成しこの
   空間内の流体圧力変化に応じて揺動するとともに
   内面には光反射層を形成する揺動膜と、この揺動
   膜の内面に対して先端が所定間隔で対向配置され
   た光フアイバと、反射鏡を備えレーザ光を発振す
   るレーザ装置と、前記揺動膜の光反射膜とこれに
   対向するレーザ装置の反射鏡との間に生じる二次
   発振周波数を検出する周波数検出手段と、を含
   み、前記揺動膜の揺動により生じるレーザ光の光
   路長変化を前記周波数検出手段によつて二次発振
   周波数の変化として検出し、この二次発振周波数
   の変化に基づいて被測定流体の圧力変化を検出す
   ることを特徴とするレーザセンサ。 ２ 特許請求の範囲１記載のレーザセンサにおい
   て、前記管を穿刺筒とし、被検体内の血圧変化を
   検出することを特徴とするレーザセンサ。 ３ 特許請求の範囲２記載のレーザセンサにおい
   て、穿刺筒内には前記光フアイバとほぼ同一長の
   較正用光フアイバが収納され、該較正用光フアイ
   バの先端には光反射面が設けられ、前記光フアイ
   バ内での誤差を較正可能なことを特徴とするレー
   ザセンサ。