JPH0347089B2

JPH0347089B2 -

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Publication number: JPH0347089B2
Application number: JP62038085A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Asahina; Yutaka Oono; Ryoichi Ooomote
Original assignee: Fukuda Denshi Co Ltd
Current assignee: Fukuda Denshi Co Ltd
Priority date: 1987-02-23
Filing date: 1987-02-23
Publication date: 1991-07-18
Also published as: JPS63206225A

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
検出部と、該生体信号検出部より検出された生体
信号を処理する生体信号処理部間を光ケーブルで
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、両
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している課題］しかし、人体より誘起され、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、制御が必要であつた。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つた。

または、これらの点より、電極部に商用電源や
電池等の高エネルギー供給源等より動作電力の供
給を受け、該動作電力により測定信号を対応する
光信号に変換して処理装置側に送つている装置も
あつた。

しかし、これらの装置においても、処理装置と
電極部との間は電気的に絶縁されているが、電極
部に高電気エネルギ源が接続されているために、
電極部に絶縁性能の劣化等の事態が発生すると、
やはりこの高エネルギ源よりの漏れ電流による人
体への影響が必配されるものであつた。

更に、この動作エネルギを得るために、構成も
複雑かつ大型化し、重量も重いものとなることが
避けられなかつた。このため、やはり生体信号の
測定部位より、電気−光変換する構成との間は電
気信号伝達用のケーブルで接続しなければなら
ず、この間の誘導ノイズ等の影響が避けられない
ものであつた。

［課題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
部と、該複数の生体信号検出部より検出された生
体信号を処理する生体信号処理部とを、光ケーブ
ルで接続して成る生体信号処理装置であつて、生
体信号検出部に、生体信号処理装置より光ケーブ
ルを介して送られてくるエネルギ光を受光し、受
光光の光エネルギを電気エネルギに変換する光エ
ネルギ−電気エネルギ変換手段と、該光エネルギ
−電気エネルギ変換手段よりの変換電気エネルギ
のみにより生体よりの測定信号を変調して対応す
る光信号に変換して変調発光し前記光ケーブルを
介して生体信号処理装置に送信する生体信号変調
発光手段とを備えるとともに、生体信号処理部
に、複数の生体信号検出部に光ケーブルを介して
エネルギ光を送信するエネルギ光源と、生体信号
検出部よりの変調光を受光するとともに対応する
電気信号に変換する受光手段と、該受光手段より
の変調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、生体
信号処理装置との間を光ケーブルで接続して電気
的に絶縁し、誘導ノイズ等の影響をうけない信頼
性の高い装置とするとともに、生体信号検出部の
動作エネルギを全て生体信号処理部よりの光エネ
ルギで賄うことにより、生体信号検出部側の構成
を簡単かつ小型化可能とし、生体よりの測定信号
を他の誘導ノイズ等の影響を受けることなく直ち
に対応する光信号に変換して処理部側に送ること
ができる。

また、生体信号検出部には、高電気エネルギ源
が接続等されていないため、漏れ電流等による人
体への悪影響等を与えることのない信頼性の高い
装置を提供できる。

［実施例］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図は本発明に係る一実施例の構成図であ
り、以下の説明は本発明を心電計に応用した例を
説明する。

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、常時一定強度の光を発光し、電極群に
光エネルギを供給するLED又は半導体レーザ
（LD）等で構成されたエネルギ光源５、電極群よ
り受光ケーブル１５，２５，３５，…を介して送
られる生体よりの検出信号に対応した各変調信号
を受光して電気信号に変換するPIN−PD，APD
等のフオトダイオードで構成される受光部６、受
光部６よりの変調信号を復調して心電処理部２に
出力する復調部７より構成されている。

なお、エネルギ光源５よりの光エネルギは、エ
ネルギ供給光ケーブル１４，２４，〜３４を介し
て各電極ユニツトに供給される。

ここに用いられている光ケーブル（光フアイ
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、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
をプラスチツクで構成してもよい。

１０，２０，〜３０は検出用電極ユニツト、４
０はコモン電位検出用のコモン電極である。各検
出用電極ユニツトは全て同一構成である。電極ユ
ニツト１０は、電極部１１、光変調部１２、吸引
部１３より構成されている。

本実施例では、電極ユニツトは胸部用に６ユニ
ツト、四肢部用に４ユニツトが備えられており、
そのうちの１ユニツト（第１図では電極ユニツト
４０）はコモン電極となつており、コモン電極よ
りの検出電位は他の各電極の共通電位となる。

検出用電極ユニツトの詳細構成を第２図を参照
して説明する。

第２図において、電極１０１よりの検出信号出
力はプリアンプ５０１、メインアンプ５０２で増
幅された後変調部５０３で変調され、変調出力に
従つて発光ダイオード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、複の光フア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
デツドインデツクス型フアイバ５１０（第１図の
受光ケーブル１５等）を介して、心電計本体１の
上述の受光素子を備えた光−電気変換を行う受光
部６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７で復調されて心電処理
部２に送られ処理される。この光ケーブル５３０
は第１図の受光ケーブルと光エネルギケーブルと
を一体化したものである。

一方、現在発光素子の発光効率はかならずしも
十分ではないため、電極１０１よりの検出出力の
みでは十分発光させることができない。このた
め、心電計本体１よりエネルギを供給する必要が
ある。本実施例では電気的に絶縁される光エネル
ギにより供給する構成であり、心電計本体１のエ
ネルギ光源５では波長0.78μm、出力約5mWの半
導体レーザにより発光した光を直径200μm程度の
ステツプインデツクス型光フアイバ５２０（第１
図のエネルギ供給光ケーブル）により光−電気変
換部３０１の太陽電池３１１に供給している。

この光ケーブルは第３図に示す用に、信号伝送
用フアイバ５１０と光エネルギ供給用フアイバ５
２０とを束ね、かつ、光エネルギ供給用フアイバ
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
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。

一方、心電計本体にエネルギ光源５を備える構
成としたのは、使用環境に影響されない、高信頼
性の装置とするためである。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、周囲よりの入射光のみで光−電
気変換を行なう構成とすることができる。

光−電気変換部３０１の詳細構成を以下に説明
すると、該光−電気変換部３０１は太陽電池３１
１、逆流防止用ダイオード３１２、コンデンサ３
１３、電圧レギユレータ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。コンデン
サ３１３に替え、２次電池を用いてもよい。ま
た、電圧レギユレータ３１４は光強度により左右
される太陽電池３１１よりの出力電圧に関わら
ず、この光−電気変換部３０１よりの出力電圧を
一定に保つためのものである。

以上の説明は電極ユニツトに発光素子を備える
構成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に常時一定強度の光を
出力する光源と、光復調部とを備え、この光源よ
りの光を光ケーブル等により電極ユニツトに送
り、電極ユニツトはこの光を検出電位に対応した
光変調を行つて受光ケーブル等により光復調部に
送り、この変調された光信号は光復調部で復調さ
れ、ここで電気信号に変換されて心電処理部２に
送られ、ここで処理される構成としてもよい。こ
れにより電極ユニツトに発光手段を必要とせず、
低消費電力とすることができる。

このように構成した例を第４図に示す。

図中１は心電計本体であり、心電計本体１は第
１図と同様の心電処理部２、発光時には一定強度
の光を発光するLED又は半導体レーザ（LD）等
で構成された光源３、受光ケーブル１５，２５，
３５，…よりの各変調信号を復調して心電処理部
２に出力する光復調部４、常時所定強度以上に発
光する第１図と同様のエネルギ光源５とを備え
る。各電極ユニツト１０，３０等は、この光エネ
ルギを太陽電池等で構成されている光−電気変換
部３０１で電力に変換し、この電力を信号線３０
３を介して増幅器３０２に供給する。増幅器３０
２の一方端子には電極１０１よりの検出出力が供
給され、他方端子にはコモン信号線４５を介して
供給されコモン電位が供給されている。従つて、
電極１０１よりの検出出号は増幅器３０２で増幅
され、この増幅信号が後述する光変調器１０７の
正電極に印加される。光変調器１０７に入射され
た光は、両電極間に発生する電界の作用により光
変調を受け、受光ケーブル１６を介して心電計本
体１の光復調部４に送られる。

なお、ここに用いられている光ケーブル（光フ
アイバ）は、コアが9μm〜60μm、クラツドが
125μm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。この光ケーブルをプ
ラスチツクスで構成してもコアが200μm〜１mmで
構成できる。

なお、本実施例の電極においては、少なくとも
電極１０１内面は導電性となつており、光変調部
１０２を電極１０１の内側に収めることで電極１
０１のシールド効果により外部よりの電気的誘導
ノイズ影響を無くすことができる。更に、後述す
る変調素子を電極で囲むことにより、変調素子が
有する焦電効果による変調光強度の温度に対する
変動を抑えることも期待できる。

光変調器１０７の詳細構成を第５図に示す。

本実施例では光導波路型変調器（単結晶電気光
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〓（小山、西原共著）等
に説明されているものを使用する。

第５図において、Ｙカツトニオブ酸リチウム
（LiNbO₃）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，１１２
ｂ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１０４よりの入射光は、分岐１
１１ａにより光路長の違う第１の光路１１１ｂと
第２の光路１１１ｃ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１０５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（ポツケルス効果）を用
いた変調器で構成してもよい。顕著にポツケルス
効果を示すものとしては、BSO，BGO，
LiTaO₃，LiNbO₃、水晶等の結晶があり、特に
低電圧用のポツケルス素子としてはBSO，BGO，
LiTaO₃，LiNbO₃等が適している。

次にこれらの一般的なポツケルス素子における
設計上必要な各種ポツケルスγmRマトリクスを
以下に示す。

LiTaO₃，LiNbO₃（3m群）００００ −r22 r42 −r22 r22 ０ r42 ００ r13 r13 r33 ０００ ZnS，GaAs，BSO，BGO（24，43m群）０００ r4₁ ００００００ r4₁ ００００００ r4₁ 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６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６
図ｂに示す。

図示の如く縦型変調素子では、偏光子４１２よ
り直線に偏光され、透明電極４０１を通して変調
素子４００に入射された光は、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４１３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７図に示す。

この電気光学効果素子は、ニオブ酸リチウム
（LiNbO₃）で構成した電気光学結晶層２１０の
両対向面に誘電体多層膜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１０４
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２１
４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４
５によりコモン電位を印加し、誘電体多層膜２１
５に電極よりの検出電位を信号線１０８を介して
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
るので検光子に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１
０５を介して光復調部４に送ればよい。

なお、以上の説明は、電極１０１よりの検出出
力を一担増幅器３０２で増幅してから変調器１０
７に印加する例について説明したが、電極ユニツ
トに変調器を備える構成とすることにより特に低
消費電力化することができ、電極１０１よりの検
出電位で直接変調器を変調することも可能であ
る。

この電極１０１よりの検出出力で直接変調器を
変調する場合にはエネルギ光源及びエネルギ供給
光ケーブル１４等は不必要となり、光−電気変換
器３０１も不必要となる。

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８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８図ｂに示す。

第８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と直交する検光子４１
４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、長手方向
長さｌにより感度が決まり、ｌを長くすれば感度
は良くなる。例えば0.5mm×0.5mm×３cmの結晶で
は印加電圧２〜3Vで0.1πの位相変化分が得られ
る。

即ち、位相変化は δ＝π／λoｎ₃ _e ｒ_y ₃₃ Ｖ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つて変化し易い
欠点を有している。この欠点を補償するには、第
９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４５０，４６０を、その結晶軸を直
角にして縦続に接続すればよい。

第９図ａの如く温度補償をした変調素子の補償
前後の温度特性を第９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９図ｃに示す。

なお、この結晶は縦１例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。

以上説明した如く本実施例によれば、心電計本
体と電極ユニツト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つ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の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つたく同
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つて接続する構成
としたことにより、生体信号処理装置の絶縁性を
考慮しなくとも、人体に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、生体信号検出部の動作エネルギを全て生
体信号処理部よりの光エネルギで賄うことによ
り、生体信号検出部側の構成を簡単かつ小型化可
能とし、測定信号を他の誘導ノイズ等の影響を受
けることなく直ちに対応する光信号に変換して処
理部側に送ることができる。このため、特に検出
電位の低に生体信号の処理装置に最適のものとで
きる。

また、生体信号検出部にも、高電気エネルギ源
が接続等されていないため、生体信号検出部にお
いても漏れ電流等による人体への悪影響等を与え
ることのない信頼性の高い装置を提供できる。

【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
図は本実施例の電極ユニツトの詳細構成図、第３
図は本実施例の光ケーブルの詳細構成を示す図、
第４図は本発明に係る他の実施例の構成図、第５
図は光導波路型変調器の詳細構成例を示す図、第
６図ａは縦型変調素子の基本構成を示す図、第６
図ｂは縦型変調素子の出力特性を示す図、第７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８図ａは横型変調素子の基本構成を示す
図、第８図ｂ、第９図ｃは横型変調素子の出力特
性を示す図、第９図ａは縦型変調素子の縦続にお
ける温度変動改善のための構成例を示す図、第９
図ｂは第８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……受光部、７……復調部、１０，２０，
３０，４０……電極ユニツト、１１，１０１……
電極、１３，１０３……吸引力、１４，２４，３
４，５２０……エネルギ供給光ケーブル、１５，
２５，３５，１０５，５１０……受光ケーブル、
１６，３６，１０４……出光ケーブル、４５……
コモン信号線、１０７……光変調部、１１０，２
１０，４００，４２０，４５０，４６０……電気
光学結晶、１１１……拡散光導波路、１１２……
正電極、１１３……コモン電極、２１２，４１２
……偏光子、２１３……旋光子、２１４，４１４
……検光子、２１５，２１６……誘電体多層膜、
３０１……光−電気変換部、３０２……増幅器、
３１１……太陽電池、３１４……電圧レギユレー
タ、５０１，５０２……アンプ、５０３……変調
部、５０４……発光素子、５０５……駆動トラン
ジスタ、５３０……光ケーブルである。

Claims

【特許請求の範囲】１生体信号を検出する複数の生体信号検出部
と、該複数の生体信号検出部より検出された生体
信号を処理する生体信号処理部とを、光ケーブル
で接続して成る生体信号処理装置であつて、前記生体信号検出部に、前記生体信号処理装置
より前記光ケーブルを介して送られてくる光を受
光し、受光光の光エネルギを電気エネルギに変換
する光エネルギ−電気エネルギ変換手段と、該光
エネルギ−電気エネルギ変換手段よりの変換電気
エネルギのみにより生体よりの測定信号を変調し
て対応する光信号に変換して変調発光し前記光ケ
ーブルを介して前記生体信号処理装置に送信する
生体信号変調発光手段とを備え、前記生体信号処理部に、前記複数の生体信号検
出部に前記光ケーブルを介してエネルギ光を送信
するエネルギ光源と、前記生体信号検出部よりの
変調光を受光するとともに対応する電気信号に変
換する受光手段と、該受光手段よりの変調信号を
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生体信号処理装置と生体信号検出部間の光ケ
ーブルは、エネルギ光源よりのエネルギ光伝達用
のエネルギケーブルと測定変調光用の受光ケーブ
ルとで構成されることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の生体情報処理装置。３エネルギケーブルは光エナルギの伝達効率向
上のため、複数本の光ケーブルより構成されてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
生体情報処理装置。４前記生体信号検出部は、１つのコモン電極用
の検出電極よりの検出電位をコモン電位として測
定生体信号の検出電位を変調発光することを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の生体情報処理
装置。