JPH0558726B2

JPH0558726B2 -

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Publication number: JPH0558726B2
Application number: JP62038084A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Asahina; Yutaka Oono; Ryoichi Ooomote
Original assignee: Fukuda Denshi Co Ltd
Current assignee: Fukuda Denshi Co Ltd
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1987-02-23
Publication date: 1993-08-27
Also published as: JPS63272325A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の技術分野］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、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する問題点］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。

［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。

アナログ生体信号を検出する少なくとも２つの
生体信号検出部と、該生体信号検出部より検出さ
れたアナログ生体信号を処理する生体信号処理部
とより構成される生体信号処理装置であつて、前
記生体信号処理部に具備された光を出力する発光
手段と、該発光手段よりの発光光を直接複数の生
体信号検出部に伝達する第１の光伝達手段と、生
体信号検出部に具備された該第１の光伝達手段を
介して入射された生体信号処理部発光手段よりの
入力光を、生体信号検出部より検出したアナログ
生体信号に従い光変調する変調手段と、該変調手
段の変調光を生体信号処理部に返送する第２の光
伝達手段と、生体信号処理部に具備された該第２
の光伝達手段よりの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対応する
電気信号に変換して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
号処理部との間を光伝達手段で接続し、電気的に
絶縁すると共に、誘導ノイズ等の影響を受けな
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実施例］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、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
PIN−PDあるいはAPD等で構成される受光素子
を含む光復調部４より構成されている。

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、また、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。なお、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。

１０，２０，３０，４０は電極ユニツトであ
り、電極ユニツトは全て同一構成であるので、電
極ユニツト１０を例に構成を説明する。即ち、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。また、１４，２
４，３４は出光ケーブル、１５，２５，３５は受
光ケーブルである。

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。

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等により光変調部１２等に送
られた光は、光変調部１２で電極部１１よりの検
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等により光復調部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、ここで処理する。

この電極ユニツト１０の詳細を第２図に示す。

電極ユニツトは、第２図に図示の如く、電極部
１０１、光変調部１０２、吸引部１０３より成
り、電極部１０１よりの検出電圧は信号線１０８
を介して光変調器１０７の一方の電極に供給さ
れ、光変調器１０７の他方の電極にはコモン電極
ユニツト４０よりのコモン信号線４５が供給され
ている。

この電極ユニツトを例えば測定する人体の測定
部位に取り付けるには、吸引部１０３を押圧して
中の空気を抜いた状態で電極部１０１を測定部位
に圧接し、その後吸引部１０３を開放することに
より、電極部１０１と人体の測定部位表面間に形
成される空間の気圧が低気圧状態となり、表面皮
膚を電極部１０１内に引き込み、電極部１０１を
測定部位に固定する。そして、出光ケーブル１０
４より光変調器１０７内に誘導された光は、上述
した光変調器１０７の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１０５を
介して心電計本体１の光復調部４に送られること
になる。

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を電極部１０１の内側に収めることで電極
部１０１のシールド効果により外部よりの電気的
誘導ノイズの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３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３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をパターニン化したもので
ある。出光ケーブルよりの入射光は、分岐１１１
ａ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。著者にポツケルス
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 r₄₂ −r₂₂ −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４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
４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４０
１，４０２間に生成される電界の作用で変調され
た後、施光子である波長板４１３及び偏光子４１
２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５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λ／４波長板である施光子２
１３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２
１０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、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。

第６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／λ₀n³ _er₃₃ｙ／ｄＶ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
７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７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７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７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
施光子を省略することができる。

なお、本実施例では、心電計本体に多数のケー
ブルが接続されることにより、取扱い上、又はコ
スト上問題となる場合には、PLZT等による光分
配器を途中に挿入して、本体側のケーブルを減ら
すことが可能である。

なお、以上の説明は、電極１０１よりの検出出
力で直接変調器を変調する例について説明した
が、電極１０１よりの検出電位が微小で、直接光
変調できない場合には、電極１０１よりの検出出
力を一旦増幅器で増幅すればよい。

この電極１０１よりの検出出力を増幅する増幅
器を電極ユニツトに備えた例を第８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１６，３６等を介して各電
極ユニツト１０，３０等にこの光エネルギを供給
する。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３
０３を介して増幅器３０２に供給する。なお、エ
ネルギ光源５は、例えば波長0.78μm、出力約
5mWの半導体レーザにより構成され、エネルギ
供給光ケーブル１６等は、例えば直径200μm程度
のステツプインデツクス型光フアイバにより構成
されている。

また、増幅器３０２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を介して供給されるコモン電位が供給
されている。従つて、電極１０１よりの検出信号
は増幅器３０２で増幅され、この増幅信号が光変
調器１０７の正電極に印加され、光変調が行なわ
れることになる。

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、ここから高強度の光を照射すれ
ば、電極ユニツト側の光−電気変換部３０１を小
型化できるとともに、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
場合には第１図の構成に加え、単に電極ユニツト
に光−電気変換部３０１及び増幅器３０２を追加
するのみでよい。

この光−電気変換部３０１の詳細を第９図に示
す。

光−電気変換部３０１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３
１３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よりの出力電圧にかかわらず、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。

［第２実施例］以上の説明は、出光ケーブル１４等で心電計本
体１よりの光を伝達し、また、受光ケーブル１５
等で電極ユニツト１０よりの変調光を伝達する例
について説明したが、この２本のケーブルで光を
伝達していたのを、１本のケーブルで伝達するよ
う構成することもできる。この場合には、光ケー
ブルとして偏波面保持ケーブルを用いればよい。

この偏波面保持ケーブルを用いた心電計の例を
第１０図に示す。第１０図において、第１図また
は第８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、偏光ビームスプリツタ６に出力される。偏光
ビームスプリツタ６は、偏光子７よりの光を偏波
面保持光ケーブル（偏波面保持光フアイバ）６
１，６２，６３，…に出力すると共に、各電極よ
り偏波面保持光ケーブル６１，６２，６３，…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。

本実施例の検出用電極ユニツト及び心電計本体
１の詳細構成を第１１図を参照して説明する。

第１１図において、心電計本体１と各電極ユニ
ツト間の光ケーブル（フアイバ）は１本のケーブ
ル５３０で構成されており、５１０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。

増幅器３２８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を介して供給されるコモン電位が供給されて
いる。従つて、電極１０１よりの検出信号は増幅
器３２８で増幅され、この増幅信号が変調子３２
３に印加される。一方、偏波面保持光ケーブル５
１０（第１０図の６１）を介して、心電計本体１
より送られた偏光光は、偏光ビームスプリツタ３
２２をそのまま通過して変調子３２３に入射され
ている。このため、偏光光は増幅器３２８より印
加される検出生体信号に対応した電圧により、変
調子３２３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３２３の出口に配設さ
れた検光子３２４を通過してミラー３２５，３２
６，３２７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ツタ３２２に
入射される。そして偏光ビームスプリツタ３２２
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ツタ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に送られる。なお、光復調部４で
は割算処理等を行なつてこの変調信号を復調す
る。

第１１図の光ケーブル５２０を第１２図に示す
用に、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３１
１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
ユニツト間を１本のみのケーブルで接続すること
ができる。

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］以上説明したように本発明によれば、生体信号
検出部に電力消費量の大きな発光手段等を設ける
必要がなく、このための大容量電源が不要にな
り、生体信号検出部を小型検量化でき、生体に装
着する検出電極部内に全ての構成を組み込むこと
も可能となる。

更に、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例えば光ケー
ブル等の光伝達手段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、例えば光ケーブル等の光伝達手段を用い
ることにより電気的な誘導ノイズをほとんど受け
ないため、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
図は本実施例の電極ユニツトの詳細構成図、第３
図は光導波路型変調器の詳細構成例を示す図、第
４図ａは縦型変調素子の基本構成を示す図、第４
図ｂは縦型変調素子の出力特性を示す図、第５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６図ａ、第７図ａは横型変調素子の基本構
成を示す図、第６図ｂ、第７図ｃは横型変調素子
の出力特性を示す図、第７図ｂは第７図ａの縦型
変調素子の継続における温度変動改善状態を示す
図、第８図は本発明に係る他の実施例の構成図、
第９図は光−電気変換部の詳細構成を示す図、第
１０図は本発明に係る更に他の実施例の構成図、
第１１図は第１０図に示す実施例の詳細構成図、
第１２図は光ケーブルの詳細構成を示す図であ
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、６，３２２……偏光ビームスプリツタ、７，
２１２，４１２……偏光子、１０，２０，３０，
４０……電極ユニツト、１１，２１，３１，４
１，１０１……電極、１２，１０２……光変調
部、１３，１０３……吸引部、１４，２４，３
４，１０４……出光ケーブル、１５，２５，３
５，１０５……受光ケーブル、１６，３６……エ
ネルギ供給光ケーブル、４５……コモン信号線、
６１〜６３……偏波面保持光ケーブル、１１０，
２１０，４００，４２０，４５０，４６０……電
気光学結晶、１１１……拡散光導波路、１１２…
…正電極、１１３……コモン電極、２１３……施
光子、２１４，４１４……検光子、２１５，２１
６……誘電体多層膜、３０１……光−電気変換
部、３０２，３２８……増幅器、３２３……変調
子、３２４……検光子、３２５〜３２７……ミラ
ー、３０８……アンプ、３１１……太陽電池、３
１４……電圧レギユレータ、５３０……光ケーブ
ルである。

Claims

【特許請求の範囲】１アナログ生体信号を検出する少なくとも２つ
の生体信号検出部と、該生体信号検出部より検出
されたアナログ生体信号を処理する生体信号処理
部とより構成される生体信号処理装置であつて、前記生体信号処理部に具備された光を出力する
発光手段と、該発光手段よりの発光光を直接前記複数の生体
信号検出部に伝達する第１の光伝達手段と、前記生体信号検出部に具備された該第１の光伝
達手段を介して入射された前記生体信号処理部発
光手段よりの入力光を前記生体信号検出部より検
出したアナログ生体信号に従い光変調する変調手
段と、該変調手段の変調光を前記生体信号処理部に返
送する第２の光伝達手段と、前記生体信号処理部に具備された該第２の光伝
達手段よりの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対応する電
気信号に変換して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第１及び第２の光伝達手段は１本の偏波面保
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第１及び第２の光伝達手段はそれぞれ１本づ
つの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。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。