JP2008200393A - 血流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】生体組織とカバー基板が接触する位置で、生体組織へ照射する光の収束密度を、予め設計した値となるようにすることで、測定精度及びその再現性の高い測定を実現した血流センサを提供する。
【解決手段】表面に少なくとも１つの凹部が形成された基板部材１０と、凹部内に配置された少なくとも１つの発光素子１２と、凹部内に配置された少なくとも１つの受光素子１６と、凹部内に配置された少なくとも１つの凹面鏡１４と、基板部材１０の上面に配置されるカバー基板１８とを備え、発光素子１２から出射した光を凹面鏡１４を介して外部の生体組織２０に向かって出射光として出射し、生体組織２０からの散乱された反射光２４を受光素子１６の表面で受光して、生体組織２０内の血流を測定することを特徴とする血流センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体組織からの散乱光を利用して対象生体組織における血流量、血流速度などを測定する血流センサに関する。

血流測定は生体器官の中で血液循環状況を知るために非常に重要であり、血管の老化や欠陥（血管けいれん、局部血流不足、充血）などの検査、或は成人病などの早期発見に応用される。非接触・無侵襲で生体組織の血流速度などが測定でき、かつ小型で安価の測定方法として、レーザドップラー測定法とスペックル測定法が知られている。

レーザドップラー測定法は、ドップラー偏移周波数を利用する。レーザ光を皮膚に照射し、皮膚や筋肉を透過して血流まで届いた光は、血液中の血球などで反射され、その反射光は様々なドップラーシフト周波数成分が含まれている。血流速度はドップラー偏移周波数に比例し、ドップラー偏移周波数は、ドップラー式（１）より計算される。

ｆ_d＝２｜ｖ_t｜ｃｏｓθ／λ （１）
ここで、ｆ_d はドップラ偏移周波数、v_tは血流速度、θは入射光と血流方向との角度、λは入射光の波長である。従って、生体組織の血流速度は、ドップラー偏移周波数ｆ_dの測定精度、及び照射光の入射角度の設定精度に大きく依存される。

一方、スペックル測定法は、スペックル信号を利用する。計測生体での多重散乱光はランダムな強度変化が観測されるため、スペックル信号と呼ばれている。レーザ光をレンズを通して皮膚に照射し、反射・散乱光の干渉により、明暗の斑点模様のスペックルパターンが形成される。このスペックルパターンの平均強度と位相の変化を、フォトダイオード（ＰＤ）により検出する。生体表皮付近の血流速度は、スペックル信号の平均周波数に比例して表される。しかし、式（１）において、θ＝９０°の時には、ドップラー偏移周波数ｆ_dの影響が無視でき、得られた周波数信号はスペックルパターンのみに依存すると云われている。つまり、ドップラー測定法とスペックル測定法とは同じアプローチを使っており、測定信号や使われるパラメータも同じものであるため、ほぼ同じ結果が得られる。

従来の血流計において、例えば、静止した生体組織からの散乱光と生体組織の毛細血管中を移動している赤血球（散乱粒子）からの散乱光（血流速度に応じてドップラーシフトΔｆを受けた散乱光）の干渉光を検出（ヘテロダイン検波）することにより血流量、血液量、血流速度、脈拍を計測する（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１によれば、発光素子、受光素子及び発光素子から出射された光を発散光,収束光又は平行光にして外部の生体組織に向かって出射するための光導波路を有しており、これらが同一基板部材上に集積されている。

しかしながら、特許文献１に開示された構造の血流計では、発光素子、受光素子を垂直に立てて実装する必要があり、その場合、これらの素子を垂直に保持する部品や工程が増え、結果として製造コストが高価なものとなっていた。
図７は、従来の血流センサの模式的断面構造を示す。上記の問題を解決するために、図７に示すように、発光素子１２と受光素子１６の各々を、同一の基板部材１０表面に形成した凹部に配置し、不要散乱光などを遮る遮光膜が形成されたカバー基板１８を配置し、カバー基板１８のレンズ１９を通して外部の生体組織２０に向けて、反射鏡１５で反射された光を出射光２２として出射し、生体組織２０からの散乱された反射光２４をカバー基板１８を通して受光素子１６の表面において受光する構造を有する（例えば、特許文献２参照。）。

特許文献２によると、発光素子１２から出射した光を上方向に反射させる傾斜面を基板部材１０上に形成し、その傾斜面に金属膜を蒸着し、反射鏡１５として用い、反射鏡１５において反射された出射光２２を発散光、収束光、平行光の状態で外部の生体組織２０へ照射するために、カバー基板１８にレンズ１９が形成されている。尚、出射光２３は、血流センサには寄与しないが、発光素子１２から後方に出射した光である。

この従来の血流センサにおいて、ＺＥＭＡＸ光学設計ソフトを用いて、レンズ光学系設計を行い、出射ビーム及びそのスポット径の様子をシミュレーションした結果を図８及び図９に示す。即ち、図８は、従来の血流センサにおいて、反射鏡１５を用いて得られた出射光２２の模式図であって、レーザダイオードからなる発光素子１２の出射ビームを示し、図９は、出射ビームのスポット径を示す。

ここでは、発光素子１２のチップの出射光２２の中心波長は１３１０ｎｍ、出射光２２の出射ビームの広がり角は２５°、反射鏡１５としては、直径２００μｍの平面鏡を用い、発光素子１２と反射鏡１５との間隔は２００μｍ、反射鏡１５とカバー基板１８との間隔は１２０μｍとした。

図８から分かるように反射鏡１５として平面鏡を用いた場合、出射ビーム方向が制御されたが、ビームスポット径が制御できない。このため、被計測体である生体組織２０に与えるビームスポット径は発光素子１２の発光広がり角に依存し、生体組織２０との間隔にも依存する。このとき、生体組織２０に与えた出射ビームのスポット径は約１３７０μｍであることが分かった。即ち、特許文献２に記載された構造を備える血流センサでは、血流センサと生体組織との距離により、生体組織２０へ照射される光の収束密度が異なるため、位置合わせが難しいという問題がある。

又、血流センサと生体組織２０が接触した場合が一番距離の管理しやすい状態であるが、特許文献２に記載された構造の血流センサでは、カバー基板１８のレンズ１９に発散光、収束光、平行光の状態管理の機能を委ねているため、生体組織２０とレンズ１９が接触した状態ではレンズ１９としての機能を果たさなくなるのは明らかである。
特開２００２−３３０９３６号公報 特開２００４−２２９９２０号公報

本発明は、生体組織と血流センサのカバー基板が接触する位置で、生体組織へ照射する光の収束密度を、予め設計した値となるようにすることで、測定精度及びその再現性の高い測定を実現した血流センサを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の血流センサは、表面に少なくとも１つの凹部が形成された基板部材と、前記凹部内に配置された少なくとも１つの発光素子と、前記凹部内に配置された少なくとも１つの受光素子と、前記凹部内に配置された少なくとも１つの凹面鏡と、前記基板部材の上面に配置されるカバー基板とを備え、前記発光素子から出射した光を前記凹面鏡を介して外部の生体組織に向かって出射し、前記生体組織からの散乱光を前記受光素子で受光して、前記生体組織内の血流を測定することを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の血流センサは、請求項１記載の血流センサにおいて、前記受光素子と前記発光素子の間に配置され、前記受光素子と前記発光素子を遮蔽する少なくとも１つの遮光板を備え、前記受光素子は、前記生体組織に対して、前記発光素子よりも近傍に配置されたことを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の血流センサは、請求項１又は請求項２記載の血流センサにおいて、前記凹面鏡は、湾曲形状を備えることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の血流センサは、請求項３記載の血流センサにおいて、前記凹面鏡は、波長１．３μｍにおける反射率が８０％以上であり、表面粗さが０．０５μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の血流センサは、請求項１乃至請求項４記載の血流センサにおいて、前記凹面鏡を介して外部の生体組織に向かって出射した光が前記生体組織となす角度θと、前記受光素子の受光表面が前記生体組織となす角度αの関係は、α＝９０°−θを満足することを特徴とする。

本発明の血流センサによれば、生体組織と血流センサのカバー基板が接触する位置で、生体組織へ照射する光の収束密度を、予め設計した値となるようにすることで、測定精度及びその再現性の高い測定を実現することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る血流センサの模式的断面構造を示す。

本発明の実施の形態に係る血流センサは、図１に示すように、表面に少なくとも１つの凹部が形成された基板部材１０と、凹部内に配置された少なくとも１つの発光素子１２と、凹部内に配置された少なくとも１つの受光素子１６と、凹部内に配置された少なくとも１つの凹面鏡１４と、基板部材１０の上面に配置されるカバー基板１８とを備える。ここで、凹面鏡１４とは、湾曲した曲面の内側を反射面とした鏡であり、入射した光線を集束方向に反射させる鏡である。凹面鏡１４を使うことにより、焦点から出た光を平行光、又は収束光とすることが可能となる。又、基板部材１０は、シリコンなどの半導体基板、やポリマー部材からなる基板を用いることができる。

発光素子１２から出射した光を凹面鏡１４を介して外部の生体組織２０に向かって、出射光２２として出射し、生体組織２０からの散乱光を受光素子１６の表面で受光して、生体組織２０内の血流を測定することを特徴とする。尚、出射光２３は、血流センサには寄与しないが、発光素子１２から後方に出射した光である。

或いは又、本発明の実施の形態に係る血流センサにおいては、受光素子１６と発光素子１２の間に配置され、受光素子１６と発光素子１２を遮蔽する少なくとも１つの遮光板を備えていてもよい。受光素子１６は、生体組織２０に対して、発光素子１２よりも近傍に配置されたことを特徴とする。

或いは又、本発明の実施の形態に係る血流センサにおいては、凹面鏡１４は、湾曲形状を備える。凹面鏡１４の形状としては、球、楕円、矩形などの形状を有する。凹面鏡１４は、射出成形もしくはナノインプリント技術やフォトリソグラフィー技術などを用いて基板部材１０内の傾斜面に凹面形状を形成し、その凹面形状の箇所に蒸着技術、スパッタリング技術、メッキ技術などを用いて金属膜を形成することによって、形成することができる。

或いは又、本発明の実施の形態に係る血流センサにおいては、凹面鏡１４は、波長１．３μｍにおける反射率が８０％以上であり、表面粗さが０．０５μｍ以下であることが望ましい。

図２は、本発明の実施の形態に係る血流センサにおいて、凹面鏡１４を用いて得られた出射光２２の平行出射ビームを模式的に表した図である。ここでは、レーザダイオード（ＬＤ）からなる発光素子１２の出射光２２の中心波長は約１３１０ｎｍ、出射ビームの広がり角は２５°、発光素子１２のチップと凹面鏡１４との間隔は約２００μｍ、凹面鏡１４とガラスからなるカバー基板１８との間隔は１２００μｍとし、凹面鏡１４としては、曲率半径０．３２５ｍｍ、直径２００μｍの球面形状の凹面鏡１４を用いた。

又、図３は、本発明の第１の実施の形態に係る血流センサにおいて、凹面鏡１４を用いて得られた平行出射ビームの出射光２２のスポット径を模式的に表した図である。

本発明の第１の実施の形態に係る血流センサにおいて、ＺＥＭＡＸ光学設計ソフトを用いて、血流測定用光源モジュールのレンズ光学系設計を行ったところ、図３に示される結果が得られた。この結果より、非計測体として生体組織２０に与えた光ビームスポット径は約９５μｍであることが分かった。

図４は、本発明の実施の形態に係る血流センサにおいて、凹面鏡１４を用いて得られた出射光２２の集光出射ビームを模式的に表した図である。ここでは、図２と同様に、レーザダイオード（ＬＤ）からなる発光素子１２の出射光２２の中心波長は約１３１０ｎｍ、出射ビームの広がり角は２５°、発光素子１２のチップと凹面鏡１４との間隔は約２００μｍ、凹面鏡１４とガラスからなるカバー基板１８との間隔は１２００μｍとし、凹面鏡１４としては、曲率半径０．４２ｍｍ、直径２００μｍの球面形状の凹面鏡１４を用いた。

図５は、本発明の実施の形態に係る血流センサにおいて、凹面鏡１４を用いて得られた集光出射ビームの出射光２２のスポット径を模式的に表した図である。

本発明の第１の実施の形態に係る血流センサにおいて、ＺＥＭＡＸ光学設計ソフトを用いて、血流測定用光源モジュールのレンズ光学系設計を行ったところ、図５に示される結果が得られた。この結果より、非計測体として生体組織２０に与えた光ビームスポット径は約３０μｍであることが分かった。

以上の結果より、本発明の実施の形態に係る血流センサにおいては、凹面鏡１４を内蔵することによって、レーザダイオード（ＬＤ）の出射ビームのスポット径を任意に選定できると同時に、血流センサの構造の簡易化及びコンパクト化を図ることができる。

スポット径の説明図である図３或いは図５において、複数の各点は光線追跡による解析の際に用いる各光線の跡を表している。出射光ビームは諸光線の集まりで表現され、複数の光線跡（点）より形成されている範囲を出射光ビームのスポット形状という。上記スポット形状における長円形若しくは楕円形の短径をスポット径と定義する。

本発明の実施の形態に係る血流センサにおいては、反射鏡に凹面鏡１４を用いることから、凹面鏡１４の形状及び曲率を選定することによって、スポット形状を円形、楕円形、長円形、矩形、線状形など、任意の形状を有するように形成することもできる。

本発明の実施の形態に係る血流センサにおいて適用する凹面鏡１４は、レーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子１２の出射ビームスポット調整用レンズと出射ビーム方向調整用反射鏡を一体化したものと見ることができる。

又、ＬＤなどの発光素子１２の出射ビームを所定スポット径と所定角度で生体組織２０に入射し、生体組織２０からの反射光２４や散乱光は、内蔵のＰＤなどの受光素子１６のチップで効率的に検出することにより、コンパクトかつ低コストを実現できると同時に、被計測体である生体組織２０への入射スポット径と入射角度の効率的な制御により、計測の精度・感度の向上を図ることができる。

（変形例）
更に、本発明実施の形態の変形例に係る血流センサにおいては、図６に示すように、凹面鏡１４を介して外部の生体組織２０に向かって出射された出射光２２が生体組織２０となす角度θと、受光素子１６の受光表面が生体組織２０となす角度αの関係は、α＝９０°−θを満足することを特徴とする。被計測体である生体組織２０への入射角θに合わせて、フォトダイオードなどからなる受光素子１６のチップ表面をα（α＝９０°―θ）の角度で配置した方が、受光効率が良い。

生体組織２０内には、血液がながれていることから、出射光２２が生体組織２０となす角度θとは、具体的には、出射光２２と血流方向の角度である。受光素子１６の受光表面が生体組織２０となす角度αとは、具体的には、受光素子１６の受光表面が血流方向となす角度である。

本発明の実施の形態の変形例に係る血流センサにおいては、配置成形台に凹面鏡１４を内蔵させることによって、発光素子１２のチップと受光素子１６のチップを配置成形台にボンディングするだけで組み立てることができる。このため、組立作業時間の短縮により、製造コストが低減され、低コストでかつコンパクトな血流センサを実現することができる。

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明の実施の形態および変形例を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る血流センサの模式的断面構造図。 本発明の実施の形態に係る血流センサにおいて、凹面鏡を用いて得られた出射光の模式図であって、平行出射ビームの模式図。 本発明の実施の形態に係る血流センサにおいて、凹面鏡を用いて得られた平行出射ビームの出射光のスポット径の模式図。 本発明の実施の形態に係る血流センサにおいて、凹面鏡を用いて得られた出射光の模式図であって、集光出射ビームの模式図。 本発明の実施の形態に係る血流センサにおいて、凹面鏡を用いて得られた集光出射ビームの出射光のスポット径の模式図。 本発明の実施の形態の変形例に係る血流センサの模式的断面構造図。 従来の血流センサの模式的断面構造図。 従来の血流センサにおいて、反射鏡を用いて得られた出射光の模式図であって、レーザダイオード（ＬＤ）出射ビームの模式図。 従来の血流センサにおいて、反射鏡を用いて得られた出射光の模式図であって、レーザダイオード（ＬＤ）出射ビームのスポット径の模式図。

符号の説明

１０…基板部材
１２…発光素子
１４…凹面鏡
１５…反射鏡
１６…受光素子
１８…カバー基板
２０…生体組織
２２…出射光
２４…反射光
θ…出射光と血流方向とのなす角度
α…受光素子表面と血流方向とのなす角度

Claims (5)

1. 表面に少なくとも１つの凹部が形成された基板部材と、
   前記凹部内に配置された少なくとも１つの発光素子と、
   前記凹部内に配置された少なくとも１つの受光素子と、
   前記凹部内に配置された少なくとも１つの凹面鏡と、
   前記基板部材の上面に配置されるカバー基板
   とを備え、前記発光素子から出射した光を前記凹面鏡を介して外部の生体組織に向かって出射し、前記生体組織からの散乱光を前記受光素子で受光して、前記生体組織内の血流を測定することを特徴とする血流センサ。
2. 前記受光素子と前記発光素子の間に配置され、前記受光素子と前記発光素子を遮蔽する少なくとも１つの遮光板を備え、前記受光素子は、前記生体組織に対して、前記発光素子よりも近傍に配置されたことを特徴とする請求項１記載の血流センサ。
3. 前記凹面鏡は、湾曲形状を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の血流センサ。
4. 前記凹面鏡は、波長１．３μｍにおける反射率が８０％以上であり、表面粗さが０．０５μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の血流センサ。
5. 前記凹面鏡を介して外部の生体組織に向かって出射した光が前記生体組織となす角度θと、前記受光素子の受光表面が前記生体組織となす角度αの関係は、α＝９０°−θを満足することを特徴とする請求項１乃至請求項４の内、いずれかに記載の血流センサ。

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