(57)【要約】  自発光型センサ装置は、基板（１１０）と、基板上に配置され、光を被検体に照射する照射部（１２０）と、基板上に配置され、照射された光に起因する被検体からの光を検出する受光部（１５０）と、照射部及び被検体間と被検体及び受光部間との少なくとも一方に配置され、照射部から出射される光及び被検体からの光の少なくとも一方の光を散乱させる光散乱部とを備える。これにより、被検体における例えば血流速度等の所定種類の情報を安定して検出可能となる。
2009139028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に配置され、光を被検体に照射する照射部と、
前記基板上に配置され、前記照射された光に起因する前記被検体からの光を検出する受光部と、
前記照射部及び前記被検体間と前記被検体及び前記受光部間との少なくとも一方に配置され、前記照射部から出射される光及び前記被検体からの光の少なくとも一方の光を散乱させる光散乱部と
を備えることを特徴とする自発光型センサ装置。
【請求項２】
前記光散乱部は、繊維状物質を含んでなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
【請求項３】
前記光散乱部は、発泡体を含んでなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
【請求項４】
前記光散乱部は、前記少なくとも一方の光を透過可能な透明部材中に、前記透明部材の屈折率とは異なる屈折率を夫々有し、前記少なくとも一方の光を散乱させることが可能な複数の散乱物質が分散されてなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
【請求項５】
前記基板に対して前記被検体が配置される前面側に、前記基板に対向するように配置された前面板を更に備え、
前記光散乱部は、前記少なくとも一方の光を透過可能な接着剤によって前記前面板に接着されている
ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
【請求項６】
前記基板上における前記照射部及び前記受光部間に設けられており、前記照射部及び前記受光部間を遮光する遮光部を更に備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
【請求項７】
前記照射部及び前記受光部は、前記基板上に集積されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
【請求項８】
前記検出された光に基づいて、前記被検体に係る血流速度を算出する算出部を更に備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
【請求項９】
前記照射部は、前記光としてレーザ光を発生させる半導体レーザを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の自発光型センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば血流速度等を測定することが可能な自発光型センサ装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の自発光型センサ装置として、レーザ光等の光を生体に照射し、その反射又は散乱の際におけるドップラーシフトによる波長の変化により、生体の血流速度等を算出するものがある（例えば特許文献１から３参照）。【０００３】
一方、例えば特許文献４には、パルスフォトメトリ技術を用いて生体組織中の吸光物質の濃度を測定する装置において、生体組織に対する光の入射側及び出射側に光散乱体を設けることにより測定精度を高める技術が提案されている。【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５７７８４号公報
【特許文献２】特開２００４−２２９９２０号公報
【特許文献３】特開２００６−１３０２０８号公報
【特許文献４】特開２００１−１９８１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した自発光型センサ装置によれば、検出時における生体の僅かな動きや生体にかかる圧力の変動に起因して、生体の血流速度等の検出値が変動してしまうおそれがあるという技術的問題点がある。このため、上述した自発光型センサ装置を例えば医療用の機器として用いる場合には、生体の血流速度等の検出値の精度の信頼性が十分でないおそれがある。【０００６】
本発明は、例えば上述した問題点に鑑みなされたものであり、例えば当該自発光型センサ装置と被検体との相対的な位置関係のずれによる検出値の変動が低減され、被検体における例えば血流速度等の所定種類の情報を安定して検出可能な自発光型センサ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の自発光型センサ装置は上記課題を解決するために、基板と、該基板上に配置され、光を被検体に照射する照射部と、前記基板上に配置され、前記照射された光に起因する前記被検体からの光を検出する受光部と、前記照射部及び前記被検体間と前記被検体及び前記受光部間との少なくとも一方に配置され、前記照射部から出射される光及び前記被検体からの光の少なくとも一方の光を散乱させる光散乱部とを備える。【０００８】
本発明の自発光型センサ装置によれば、その検出時には、例えば半導体レーザを含んでなる照射部によって、例えばレーザ光等の光が、例えば生体の一部である被検体に対して照射される。このように被検体に照射された光に起因する被検体からの光は、例えば受光素子を含んでなる受光部により検出される。ここに「被検体に照射された光に起因する被検体からの光」とは、被検体において反射、散乱、回折、屈折、透過、ドップラーシフトされた光及びそれらの光による干渉光などの、被検体に照射された光に起因する光を意味する。受光部により検出された光に基づいて、被検体に係る例えば血流速度等の所定の情報を得ることができる。【０００９】
本発明では特に、光散乱部が、照射部及び被検体間と被検体及び受光部間との少なくとも一方に配置されている。光散乱部は、例えば織布、不織布等の繊維状物質からなり、照射部から出射される光及び被検体からの光の少なくとも一方の光を散乱させる。例えば、光散乱部が照射部及び被検体間と被検体及び受光部間との両方に配置された場合には、照射部から出射された光は、光散乱部によって散乱した後に、被検体に照射され、且つ、被検体に照射された光に起因する被検体からの光は、光散乱部によって散乱した後に、受光部によって検出される。【００１０】
本願発明者らの研究によれば、このような光散乱部が、照射部及び被検体間と被検体及び受光部間との少なくとも一方に配置されることで、例えば光散乱部が照射部及び被検体間と被検体及び受光部間とのいずれにも配置されない場合と比較して、例えば、受光部と被検体との相対的な位置関係のずれに起因する、受光部によって検出される光の検出値の変動を低減できる。従って、受光部により検出された光に基づいて、被検体における例えば血流速度等の所定種類の情報を安定して検出することが可能となる。この結果、当該自発光型センサ装置によって検出される検出値の信頼性を高めることができる。【００１１】
以上説明したように、本発明の自発光型センサ装置によれば、照射部及び被検体間と被検体及び受光部間との少なくとも一方に配置された光散乱部を備えるので、例えば、当該自発光型センサ装置と被検体との相対的な位置関係のずれによる検出値の変動を低減できる。よって、被検体における例えば血流速度等の所定種類の情報を安定して検出することが可能となる。【００１２】
本発明の自発光型センサ装置の一態様では、前記光散乱部は、繊維状物質を含んでなる。【００１３】
この態様によれば、光散乱部は、例えば、織布又は不織布からなる。よって、光散乱部によって、照射部から出射される光及び被検体からの光の少なくとも一方の光を好適に散乱させることができ、例えば当該自発光型センサ装置と被検体との相対的な位置関係のずれによる検出値の変動を確実に低減できる。更に、光散乱部が例えば織布又は不織布からなる場合には、測定時に被検体が光散乱部に押し当てられる強さの変動によらず、被検体における例えば血流速度等の所定種類の情報を安定して検出することも可能となる。【００１４】
本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記光散乱部は、発泡体を含んでなる。【００１５】
この態様によれば、光散乱部は、例えばスポンジ等の発泡体（或いは複数の連続する孔を内部に有する多孔質体）を含んでなる。よって、光散乱部によって、照射部から出射される光及び被検体からの光の少なくとも一方の光を好適に散乱させることができ、例えば当該自発光型センサ装置と被検体との相対的な位置関係のずれによる検出値の変動を確実に低減できる。更に、光散乱部が例えばスポンジからなる場合には、測定時に被検体が光散乱部に押し当てられる強さの変動によらず、被検体における例えば血流速度等の所定種類の情報を安定して検出することも可能となる。【００１６】
本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記光散乱部は、前記少なくとも一方の光を透過可能な透明部材中に、前記透明部材の屈折率とは異なる屈折率を夫々有し、前記少なくとも一方の光を散乱させることが可能な複数の散乱物質が分散されてなる。【００１７】
この態様によれば、光散乱部によって、照射部から出射される光及び被検体からの光の少なくとも一方の光を好適に散乱させることができ、例えば当該自発光型センサ装置と被検体との相対的な位置関係のずれによる検出値の変動を確実に低減できる。【００１８】
本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記基板に対して前記被検体が配置される前面側に、前記基板に対向するように配置された前面板を更に備え、前記光散乱部は、前記少なくとも一方の光を透過可能な接着剤によって前記前面板に接着されている。【００１９】
この態様によれば、前面板は、例えば、照射部から出射される光を通過させるための出射口及び被検体からの光を通過させるための入射口が形成された遮光性の板状部材からなる。光散乱部は、例えば、前面板における被検体側の面を覆うように配置されて、接着剤によって前面板に接着される。よって、例えば、検出時において、被検体が光散乱部に接触することにより、光散乱部の当該自発光センサ装置における位置がずれてしまうことを防止できる。ここで、接着剤は、照射部から出射される光及び被検体からの光の少なくとも一方の光を透過可能であるので、受光部によって検出される光に殆ど或いは実践上は全く悪影響を及ぼさない。尚、ここで、「光散乱部は、接着剤によって前面板に接着されている」とは、光散乱部が接着剤によって前面板そのものに接着されている場合の他、光散乱部が接着剤によって前面板の上面に設けられた保護板に接着される場合も含む趣旨である。【００２０】
本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記基板上における前記照射部及び前記受光部間に設けられており、前記照射部及び前記受光部間を遮光する遮光部を更に備える。【００２１】
この態様によれば、例えば、照射部から出射される光のうち照射部から受光部に直接向かう光（即ち、照射部から出射され、被検体に照射されることなく、そのまま受光部へ向かう光）を遮ることができる。よって、受光部によって検出される光が、照射部から受光部に直接向かう光に起因して変動してしまうのを防止できる。従って、被検体における例えば血流速度等の所定種類の情報をより高精度に検出することが可能となる。【００２２】
本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記照射部及び前記受光部は、前記基板上に集積されている。【００２３】
この態様によれば、照射部及び受光部が集積されているため、各々の配置面積は縮小し、より小型化することが可能となる。小型化により、例えば当該自発光型センサ装置を据え置き型ではなく、携帯型とすることができるなど、当該自発光型センサ装置の利用の幅を広げることができる。【００２４】
本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記検出された光に基づいて、前記被検体に係る血流速度を算出する算出部を更に備える。【００２５】
この態様によれば、光の生体への浸透力が波長に依存することを利用して、皮膚表面からの深度の異なる血管の各々の血流速度を計測することができる。具体的には、光を生体の表面に照射することにより、内部に浸透した光が血管中を流れる赤血球によって反射又は散乱され、赤血球の移動速度に応じたドップラーシフトを受けて波長が変化する。一方、赤血球に対して不動と見なせる皮膚組織などによって散乱又は反射された光は、波長が変化することなく受光部に到達する。これらの光が干渉することにより、受光部においてドップラーシフト量に対応した光ビート信号が検出される。この光ビート信号を算出部で周波数解析等の演算処理等を行うことにより、血管中を流れる血流速度を求めることが可能である。【００２６】
本発明の自発光型センサ装置の他の態様では、前記照射部は、前記光としてレーザ光を発生させる半導体レーザを有する。【００２７】
この態様によれば、照射部の半導体レーザに、レーザ発振閾値より高い電流が流れるように電圧を印可することでレーザ光を照射することができる。レーザ光は波長の違いによって、例えば生体等への浸透力が異なるという性質を持っている。この性質を利用することで、被検体の様々な深度における測定が可能となる。【００２８】
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。【００２９】
以上詳細に説明したように、本発明の自発光型センサ装置によれば、基板と、照射部と、受光部と、光散乱部とを備える。従って、例えば当該自発光型センサ装置と被検体との相対的な位置関係のずれによる検出値の変動が低減され、被検体における例えば血流速度等の所定種類の情報を高精度で検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態に係る血流センサ装置のセンサ部の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】第１実施形態に係る血流センサ装置の前面板の構成を示す平面図である。
【図４】第１実施形態に係る血流センサ装置の散乱体の構成を示す平面図である。
【図５】第１実施形態に係る血流センサ装置の構成を示すブロック図である。
【図６】第１実施形態に係る血流センサ装置の使用方法の一例を示す概念図である。
【図７】人間の皮下構造を示す断面図である。
【図８】第１実施形態に係る血流センサ装置の散乱体及び被検体における光の経路の一例を示す概念図である。
【図９】第１変形例における図２と同趣旨の断面図である。
【図１０】第２変形例における図２と同趣旨の断面図である。
【図１１】第３変形例における図２と同趣旨の断面図である。
【図１２】第４変形例における図２と同趣旨の断面図である。
【図１３】第１実施形態に係る血流センサ装置による血流速度の測定時における、センサ部と被検体との位置関係を示す模式図である。
【図１４】第１実施形態に係る血流センサ装置による血流速度の測定時における、測定点のレーザダイオードからのずれ量と光ビート信号の信号強度との関係を示すグラフである。
【図１５】比較例に係る血流センサ装置による血流速度の測定時における、測定点のレーザダイオードからのずれ量と光ビート信号の信号強度との関係を示すグラフである。
【図１６】第１実施形態に係る血流センサ装置によって検出される光ビート信号の信号強度を、被検体を散乱体に軽く押し当てた場合と被検体を散乱体に強めに押し当てた場合とを比較して示すグラフである。
【図１７】比較例に係る血流センサ装置によって検出される光ビート信号の信号強度を、被検体をセンサ部の上面に軽く押し当てた場合と被検体をセンサ部の上面に強めに押し当てた場合とを比較して示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１００  センサ部
１１０  センサ部基板
１２０  レーザダイオード
１５０  レーザダイオードドライブ回路
１６０  フォトダイオード
１７０  フォトダイオードアンプ
１８０  遮光壁
１９０  前面板
１９５  保護板
２００  散乱体
３１０  Ａ／Ｄ変換器
３２０  血流速度用ＤＳＰ
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。尚、以下の実施形態では、本発明の自発光型センサ装置の一例である血流センサ装置を例にとる。
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る血流センサ装置について説明する。【００３３】
先ず、本実施形態に係る血流センサ装置のセンサ部の構成について、図１から図４を参照して説明する。【００３４】
図１は、第１実施形態に係る血流センサ装置のセンサ部の構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。尚、図１においては、説明の便宜上、図２に示す前面板１９０、保護板１９５及び散乱体２００の図示を省略してある。【００３５】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る血流センサ装置のセンサ部１００は、センサ部基板１１０と、レーザダイオード１２０と、電極１３０と、ワイヤ配線１４０と、レーザダイオードドライブ回路１５０と、フォトダイオード１６０と、フォトダイオードアンプ１７０と、遮光壁１８０と、前面板１９０と、保護板１９５と、散乱体２００とを備えている。【００３６】
センサ部基板１１０は、シリコン基板等の半導体基板からなる。センサ部基板１１０上には、レーザダイオード１２０と、レーザダイオードドライブ回路１５０と、フォトダイオード１６０と、フォトダイオードアンプ１７０とが集積して配置されている。【００３７】
レーザダイオード１２０は、本発明に係る「照射部」の一例であり、レーザ光を出射する半導体レーザである。レーザダイオード１２０は、ワイヤ配線１４０を通じて電極１３０と電気的に接続されている。電極１３０は、センサ部基板１１０を貫通する配線（図示せず）によってセンサ部基板１１０の底部に設けられた電極パッド（図示せず）に電気的に接続されており、センサ部１００の外部からの電流注入によるレーザダイオード１２０の駆動を可能にする構成になっている。【００３８】
レーザダイオードドライブ回路１５０は、レーザダイオード１２０の駆動を制御する回路であり、レーザダイオード１２０に注入する電流量を制御する。【００３９】
フォトダイオード１６０は、本発明に係る「受光部」の一例であり、被検体から反射又は散乱された光（より詳細には、後述する散乱体２００においても散乱された光）を検出する光検出器として機能する。具体的には、フォトダイオード１６０は、光を電気信号に変換することにより光の強度に関する情報を得ることができる。フォトダイオード１６０は、センサ部基板１１０上にレーザダイオード１２０と並んで配置されている。【００４０】
フォトダイオードアンプ１７０は、フォトダイオード１６０によって得られた電気信号を増幅する増幅回路である。フォトダイオードアンプ１７０は、センサ部基板１１０を貫通する配線（図示せず）によってセンサ部基板１１０の底部に設けられた電極パッド（図示せず）に電気的に接続されており、増幅した電気信号を外部に出力可能に構成されている。フォトダイオードアンプ１７０は、センサ部１００の外部に設けられたＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換器３１０（後述する図５参照）に電気的に接続される。【００４１】
遮光壁１８０は、センサ部基板１１０上に遮光性材料を含んで壁状に形成されており、センサ部基板１１０上における周縁に沿って形成された第１遮光部１８１と、センサ部基板１１０上におけるレーザダイオード１２０及びフォトダイオード１６０間に形成された第２遮光部１８２とを有している。第１遮光部１８１は、センサ部基板１１０上で平面的に見て、レーザダイオード１２０、電極１３０、ワイヤ配線１４０、レーザダイオードドライブ回路１５０、フォトダイオード１６０及びフォトダイオードアンプ１７０の全体を取り囲むように形成されている。第１遮光部１８１によって、センサ部１００の周囲からの光がセンサ部１００の内部（つまり、センサ部基板１１０上における第１遮光部１８１よりも内側）に光が入射することを防止できる。第２遮光部１８２は、センサ部基板１１０上におけるレーザダイオード１２０及びフォトダイオード１６０間において、第１遮光部１８１のうちセンサ部基板１１０の一辺に沿って形成された部分と、第１遮光部１８１のうち該一辺に対向する他辺に沿って形成された部分とを繋ぐように形成されている。第２遮光部１８２によって、レーザダイオード１２０及びフォトダイオード１６０間を遮光することができる。よって、例えば、レーザダイオード１２０から出射される光のうち、被検体に照射されることなく、そのままフォトダイオード１６０へ向かう光を遮ることができる。言い換えれば、センサ部基板１１０上におけるレーザダイオード１２０側からフォトダイオード１６０側へ、フォトダイオード１６０が検出しなくてもよい光がフォトダイオード１６０に入射してしまうのを防止し、検出の精度を高めることができる。【００４２】
前面板１９０は、遮光性材料を含んでなる基板であり、レーザダイオード１２０、フォトダイオード１７０等の上部に（言い換えれば、遮光壁１８０を介してセンサ部基板１１０に対向するように）配置されている。尚、前面板１９０の板厚は、例えば３００ｕｍ程度である。【００４３】
図３は、本実施形態に係る血流センサ装置の前面板の構成を示す平面図である。【００４４】
図２及び図３に示すように、前面板１９０には、レーザダイオード１２０からの光を外部に出射させるための出射口１９１が開口されていると共に、被検体から反射又は散乱された光を入射させるための入射口１９２がピンホール状に形成されている。入射口１９２がピンホール状に形成されているので、フォトダイオード１７０には、真上からの（即ち、図２における上方向から下方向への）光のみが入射する。よって、検出しなくてもよい光がフォトダイオード１７０に入射してしまうのを防止し、検出の精度を高めることができる。尚、ピンポール状に形成された入射口１９２の直径は、例えば４０ｕｍ程度である。【００４５】
図２において、前面板１９０の上面側には、保護板１９５が設けられている。保護板１９５は、透明基板からなり、レーザダイオード１２０からの光及び被検体からの光を透過させることができる。保護板１９５は、前面板１９０の全面に重なるように設けられている。保護板１９５としては、例えば樹脂基板、ガラス基板等を用いることができる。保護板１９５によって、センサ部１００の耐久性を高めることができる。【００４６】
散乱体２００は、本発明に係る「光散乱部」の一例であり、例えば織布、不織布等の繊維状物質からなる。散乱体２００は、レーザダイオード１２０からの光及び被検体からの光を透過可能な接着剤によって保護板１９５に接着されている。よって、測定時において、被検体が散乱体２００に接触することにより、散乱体２００のセンサ部１００における位置がずれてしまうことを防止できる。【００４７】
図４は、本実施形態に係る血流センサ装置の散乱体の構成を示す平面図である。【００４８】
図２及び図４において、散乱体２００は、保護板１９５の上面側に、保護板１９５の全面に重なるように形成されている。散乱体２００は、上述したように繊維状物質からなるので、レーザダイオード１２０からの光及び被検体から反射又は散乱された光を散乱させることができる。散乱体２００は、レーザダイオード１２０からの光及び被検体から反射又は散乱された光を散乱させることができればよく、散乱体２００は、繊維状物質の他、スポンジ等の発泡体や多孔質体からなるように構成されてもよいし、例えばプラスチックやガラス等からなる透明部材中に、該透明部材と屈折率の異なる例えばポリマー樹脂やガラス等からなる微小な粒子を分散させてなるようにしてもよい。尚、散乱体２００による効果については、後に詳細に説明するが、本実施形態では特に、センサ部１００が散乱体２００を備えているので、被検体における血流速度を安定して検出することができる。【００４９】
次に、本実施形態に係る血流センサ装置全体の構成について、図５を参照して説明する。【００５０】
図５は、本実施形態に係る血流センサ装置の構成を示すブロック図である。【００５１】
図５において、本実施形態に係る血流センサ装置は、上述したセンサ部１００に加えて、Ａ／Ｄ変換器３１０と、血流速度用ＤＳＰ（Digital Signal Processor）３２０とを備えている。【００５２】
Ａ／Ｄ変換器３１０は、フォトダイオードアンプ１７０から出力される電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。即ち、フォトダイオード１６０によって得られた電気信号は、フォトダイオードアンプ１７０により増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３１０によりデジタル信号へと変換される。Ａ／Ｄ変換器３１０は、デジタル信号を血流速度用ＤＳＰ３２０に出力する。【００５３】
血流速度用ＤＳＰ３２０は、本発明に係る「算出部」の一例であり、Ａ／Ｄ変換器３１０から入力されるデジタル信号に対して所定の演算処理を行うことにより、血流速度を算出する。【００５４】
次に、本実施形態に係る血流センサ装置による血流速度の測定について、図５に加えて図６及び図７を参照して説明する。【００５５】
図６は、本実施形態に係る血流センサ装置の使用方法の一例を示す概念図である。図７は、人間の皮下構造を示す断面図である。【００５６】
図６に示すように、本実施形態に係る血流センサ装置は、被検体の一例である指先５００に対して、レーザダイオード１２０により所定波長のレーザ光（例えば波長７８０ｎｍ、或いは、例えば波長８３０ｎｍ、或いは、例えば１３００ｎｍの赤外光）を照射することにより血流速度を計測する。この際、レーザ光を照射する部位は、表皮から比較的近い位置に密に毛細血管が分布しているような部位（例えば手、足、顔、耳など）である方がより望ましい。尚、図６及び図７において、矢印Ｐ１は、センサ部１００から出射される光を概念的に示している。また、血流速度の計測時において、本実施形態に係る血流センサ装置は、典型的には、そのセンサ部１００の上面（即ち、散乱体２００の上面）に指先５００を接触させて使用するが、図６では、説明の便宜上、指先５００とセンサ部１００との間に隙間を設けて示している。但し、本実施形態に係る血流センサ装置によれば、センサ部１００の上面に指先５００を接触させなくとも、血流速度を計測することは可能である。【００５７】
ここで、図７に示すように、人間の皮下構造は、表皮及び皮下組織間に位置する真皮に細動脈４１０及び細静脈４２０が分布している。そして、細動脈４１０から分岐した毛細血管４３０が表皮付近に向けて分布しており、一方の端が細静脈４２０に繋がっている。【００５８】
図６及び図７において、指先５００に照射されたレーザ光は、その波長に応じた深度まで浸透し、指先５００の例えば毛細血管４３０等の血管中を流れる血液や例えば表皮等を構成する皮膚細胞などの生体組織により反射又は散乱される。一般的には、波長が長い光の方が、深い部分の計測が可能となる。尚、図６及び図７において、矢印Ｐ２は、指先５００の生体組織により反射又は散乱されてセンサ部１００に入射する光を概念的に示している。そして、血管中を流れる赤血球によって反射又は散乱された光にはドップラーシフトが起こり、赤血球の移動速度、つまり血液の流れる速度（即ち、血流速度）に依存して光の波長が変化する。一方、赤血球に対して不動とみなせる皮膚細胞などによって散乱又は反射された光は、波長が変化しない。これらの光が互いに干渉することにより、フォトダイオード１６０（図５参照）においてドップラーシフト量に対応した光ビート信号が検出される。血流速度用ＤＳＰ３２０（図５参照）では、フォトダイオード１６０によって検出された光ビート信号を周波数解析してドップラーシフト量を算出し、それによって血流速度を算出することができる。【００５９】
次に、本実施形態に係る血流センサ装置の散乱体について、本実施形態に係る血流センサ装置の動作と共に、図５に加えて図８を参照して説明する。【００６０】
図８は、本実施形態に係る血流センサ装置の散乱体及び被検体における光の経路の一例を示す概念図である。【００６１】
図８において、本実施形態に係る血流センサ装置の動作時には、先ず、レーザダイオードドライブ回路１５０（図５参照）による制御下で、レーザダイオード１２０から所定波長の光が出射される。出射された光は、前面板１９０の出射口１９１を通過し、保護板１９５を透過して、散乱体２００に入射する。散乱体２００に入射された光は、散乱体２００内で散乱された後に、被検体の一例である指先５００に入射される。より詳細には、散乱体２００に入射された光は、散乱体２００を構成する繊維状物質２１０の表面で反射されたり、繊維状物質２１０を透過したり、或いは、繊維状物質２１０の表面において屈折されたりする。指先５００に入射された光は、図６及び図７を参照して上述したように、その波長に応じた深度まで浸透し、指先５００の血管中を流れる血液や皮膚細胞などの生体組織により反射又は散乱される。血管中を流れる赤血球によって反射又は散乱された光にはドップラーシフトが起こり、赤血球の移動速度に依存して光の波長が変化する。一方、赤血球に対して不動とみなせる皮膚細胞などの静止組織によって散乱又は反射された光は、波長が変化しない。尚、図８において、経路Ｒ１は、指先５００において赤血球によって散乱又は反射される光について、散乱体２００及び指先５００における光の経路の一例を示しており、経路Ｒ２は、指先５００において皮膚細胞などの静止組織によって散乱又は反射される光について、散乱体２００及び指先５００における光の経路の一例を示している。このように指先５００において反射又は散乱された光は、再び散乱体２００に入射する。指先５００から散乱体２００に入射された光は、散乱体２００内で再び散乱された後に、保護板１９５を透過して前面板１９０の入射口１９２を介してフォトダイオード１６０に入射される。フォトダイオード１６０に入射される光に含まれる、赤血球によって反射又は散乱された光と静止組織によって散乱又は反射された光とが互いに干渉することにより、フォトダイオード１６０においてドップラーシフト量に対応した光ビート信号が検出される。【００６２】
ここで、本実施形態では特に、センサ部１００は散乱体２００を備えているので、上述したように、レーザダイオード１２０から出射された光が、被検体の一例である指先５００において反射又は散乱されて、フォトダイオード１５０に至る経路の途中において、散乱体２００によって散乱される。これにより、後に説明するように、血流速度を安定して検出することができる。尚、本実施形態では、散乱体２００を、レーザダイオード１２０から出射される光を、該光が指先５００に入射する前に散乱させると共に、指先５００において反射又は散乱されて指先５００から出射された光を、該光がダイオード１６０に入射する前に散乱させるように、保護板１９５の全面に重ねて設けたが、散乱体２００を保護板１９５上におけるレーザダイオード１２０側のみに設けて、レーザダイオード１２０から出射される光のみを、該光が指先５００に入射する前に散乱させるようにしてもよいし、散乱体２００を保護板１９５上におけるフォトダイオード１６０側のみに設けて、指先５００において反射又は散乱されて指先５００から出射された光を、該光がフォトダイオード１６０に入射する前に散乱させるようにしてもよい。いずれの場合にも、散乱体２００における光の散乱によって、血流速度の検出における安定性を高める効果を相応に得ることができる。【００６３】
更に、本実施形態に係る血流センサ装置のセンサ部１００は、比較的簡単な構成であるので、容易に量産することができる。即ち、センサ部１００は、レーザダイオード１２０、フォトダイオード１６０等が集積されたセンサ部基板１１０、遮光壁１８０、前面板１９０及び保護板１９５からなるセンサ部本体に対して、散乱体２００が設けられてなるという比較的簡単な構成を有している。よって、本実施形態に係る血流センサ装置は量産に適している。【００６４】
加えて、本実施形態では特に、センサ部１００は散乱体２００を備えているので、レーザダイオード１２０から出射されるレーザ光による、被検体のレーザ被爆の危険性を殆ど或いは完全に無くすことができる。即ち、レーザダイオード１２０から出射される光は、散乱体２００によって散乱されるので、センサ部１００の外部には散乱光のみが出射されため、被検体のレーザ被爆の危険性は殆ど或いは完全に消失する。尚、本実施形態に係る血流センサ装置では、レーザダイオード１２０から出射されるレーザ光は、高々数ミリワット程度のパワーを有していれば適切な測定を行うのに十分であり、仮にレーザダイオード１２０から出射されたレーザ光が、散乱体２００による散乱を介さずに、被検体に直接入射されたとしても、被検体のレーザ被爆の危険性は実践上殆ど無いが、散乱体２００による散乱によってレーザ被爆の危険性をより一層低減できる。
＜第１変形例＞
第１変形例に係る血流センサ装置について、図９を参照して説明する。【００６５】
図９は、第１変形例における図２と同趣旨の断面図である。尚、図９において、図１から図８に示した第１実施形態に係る構成要素と同様の構成要素に同一の参照符合を付し、それらの説明は適宜省略する。【００６６】
図９において、第１変形例に係る血流センサ装置は、上述した第１実施形態における散乱体２００に代えて散乱体２０１を備える点で、上述した第１実施形態に係る血流センサ装置と異なり、その他の点については、上述した第１実施形態に係る血流センサ装置と概ね同様に構成されている。【００６７】
図９に示すように、散乱体２０１は、保護板１９５、前面板１９０及び遮光壁１８０を、保護板１９５の上面側から包み込むように設けられている。散乱体２０１は、第１実施形態における散乱体２００と同様に、例えば織布、不織布等の繊維状物質からなる。よって、センサ部本体１００ａ（即ち、センサ部１００のうち散乱体２０１を除く部分）を散乱体２０１によって保護することができる。即ち、センサ部本体１００ａが外部に曝された状態になることでセンサ部本体１００ａが汚れてしまったり破損してしまったりすることを、散乱体２０１によって低減できる。尚、散乱体２０１は、センサ部本体１００ａの全体を包み込むようにしてもよい。この場合には、散乱体２０１によるセンサ部本体１００ａを保護する効果を高めることができる。
＜第２変形例＞
第２変形例に係る血流センサ装置について、図１０を参照して説明する。【００６８】
図１０は、第２変形例における図２と同趣旨の断面図である。尚、図１０において、図１から図８に示した第１実施形態に係る構成要素と同様の構成要素に同一の参照符合を付し、それらの説明は適宜省略する。【００６９】
図１０において、第２変形例に係る血流センサ装置は、上述した第１実施形態における散乱体２００に代えて散乱体２０２を備えると共に構造体４１０を更に備える点で、上述した第１実施形態に係る血流センサ装置と異なり、その他の点については、上述した第１実施形態に係る血流センサ装置と概ね同様に構成されている。【００７０】
図１０に示すように、第２変形例に係る血流センサ装置のセンサ部１００では、センサ部本体１００ａ（即ち、センサ部１００のうち散乱体２０２を除く部分、つまり、センサ部基板１１０、レーザダイオード１２０（及びレーザダイオードドライブ１５０）、フォトダイオード１６０（及びフォトダイオードアンプ１７０）、遮光壁１８０、前面板１９０及び保護板１９５）は、構造体４１０内に、保護板１９５が構造体４１０の上面側から露出するように、嵌めこまれ或いは埋め込まれており、散乱体２０２が構造体４１０及び保護板１９５の上面の全体に重なるように設けられている。構造体４１０は、例えば樹脂、ガラス、金属等から形成することができる。散乱体２０２は、第１実施形態における散乱体２００と同様に、例えば織布、不織布等の繊維状物質からなる。【００７１】
このように構成された第２変形例に係る血流センサ装置によれば、センサ部本体１００ａを散乱体２０２及び構造体４１０によって保護することができる。更に、構造体４１０を、その上面側から散乱体２０２によって保護することもできる。
＜第３変形例＞
第３変形例に係る血流センサ装置について、図１１を参照して説明する。【００７２】
図１１は、第３変形例における図２と同趣旨の断面図である。尚、図１１において、図１から図８に示した第１実施形態に係る構成要素と同様の構成要素に同一の参照符合を付し、それらの説明は適宜省略する。【００７３】
図１１において、第３変形例に係る血流センサ装置は、上述した第１実施形態における保護板１９５及び散乱体２００に夫々代えて保護板１９６及び散乱体２０３を備えると共に構造体４２０を備える点で、上述した第１実施形態に係る血流センサ装置と異なり、その他の点については、上述した第１実施形態に係る血流センサ装置と概ね同様に構成されている。【００７４】
図１１に示すように、第３変形例に係る血流センサ装置のセンサ部１００では、センサ部本体１００ｂ（即ち、センサ部１００のうち散乱体２０３及び保護板１９６を除く部分、つまり、センサ部基板１１０、レーザダイオード１２０（及びレーザダイオードドライブ１５０）、フォトダイオード１６０（及びフォトダイオードアンプ１７０）、遮光壁１８０及び前面板１９０）は、構造体４２０内に、前面板１９０が構造体４２０の上面側から露出するように、嵌めこまれ或いは埋め込まれており、保護板１９６が構造体４２０及び前面板１９０の上面の全体に重なるように設けられると共に、保護板１９６の上面に重なるように散乱体２０３が設けられている。構造体４２０は、例えば樹脂、ガラス、金属等から形成することができる。散乱体２０３は、第１実施形態における散乱体２００と同様に、例えば織布、不織布等の繊維状物質からなる。【００７５】
このように構成された第３変形例に係る血流センサ装置によれば、センサ部本体１００ｂを散乱体２０３、保護板１９６及び構造体４２０によって保護することができる。更に、構造体４２０を、その上面側から保護板１９６及び散乱体２０３によって保護することもできる。
＜第４変形例＞
第４変形例に係る血流センサ装置について、図１２を参照して説明する。【００７６】
図１２は、第４変形例における図２と同趣旨の断面図である。尚、図１２において、図１から図８に示した第１実施形態に係る構成要素と同様の構成要素に同一の参照符合を付し、それらの説明は適宜省略する。【００７７】
図１２において、第４変形例に係る血流センサ装置は、保護材５１０を更に備える点で、上述した第１実施形態に係る血流センサ装置と異なり、その他の点については、上述した第１実施形態に係る血流センサ装置と概ね同様に構成されている。【００７８】
図１２に示すように、保護材５１０は、散乱体２００の上面（言い換えれば、散乱体２００における被検体に対向することとなる面）に重なるように設けられている。保護材５１０は、透明基板からなり、レーザダイオード１２０からの光及び被検体から反射又は散乱された光を透過させることができる。保護材５１０としては、例えば樹脂基板、ガラス基板等を用いることができる。【００７９】
よって、散乱体２００が外部に曝された状態になることで或いは検出時において被検体が散乱体２００に接触することで、散乱体２００が汚れてしまったり破損してしまったりすることを、保護材５１０によって低減できる。特に、散乱体２００がスポンジ等の発泡体や多孔質体から形成される場合には、散乱体２００が比較的汚れやすいので、このように保護材５１０によって散乱体２００を保護できることは、実践上大変有利である。【００８０】
次に、第１実施形態に係る血流センサ装置の散乱体による効果について、図１３から図１７を参照して詳細に説明する。【００８１】
図１３は、本実施形態に係る血流センサ装置による血流速度の測定時における、センサ部と被検体との位置関係を示す模式図である。図１４は、本実施形態に係る血流センサ装置による血流速度の測定時における、測定点のレーザダイオードからのずれ量と光ビート信号の信号強度との関係を示すグラフである。【００８２】
図１４は、本実施形態に係る血流センサ装置を用いて被検体の一例である指先５００の血流速度を測定した場合における、測定点Ｑ１のレーザダイオード１２０からのずれ量ｄ（図１３参照）とフォトダイオード１６０によって検出される光ビート信号の信号強度との関係を示している。尚、本測定では、散乱体２００としてタオル状繊維を用いている。【００８３】
ここで、図１３において、測定点Ｑ１は、指先５００のうちフォトダイオード１６０との距離が最も近い点である。ずれ量ｄは、測定点Ｑ１のレーザダイオード１２０からのずれ量（より正確には、センサ部１００を真上から見た場合における、測定点Ｑ１とレーザダイオード１２０における光が出射される部分との間の距離）である。距離ｇは、センサ部本体１００ａ（つまり、センサ部１００のうち散乱体２００を除く部分）の上面と測定点Ｑ１との間の距離である。血流速度の測定時には、指先５００が散乱体２００に接触されるので、距離ｇは、散乱体２００の厚みと概ね或いは完全に一致することになる。尚、図１３において、矢印Ｐ３は、レーザダイオード１２０から出射される光を概念的に示しており、矢印Ｐ４は、フォトダイオード１６０に入射される光を概念的に示している。【００８４】
図１４において、データＤ１は、センサ部本体１００ａの上面と測定点Ｑ１との間の距離ｇを２ｍｍとして（言い換えれば、散乱体２００の厚みを２ｍｍとして）血流速度を測定した場合における、ずれ量ｄと光ビート信号の信号強度との関係を示している。データＤ２は、センサ部本体１００ａの上面と測定点Ｑ１との間の距離ｇを８ｍｍとして（言い換えれば、散乱体２００の厚みを８ｍｍとして）血流速度を測定した場合における、ずれ量ｄと光ビート信号の信号強度との関係を示している。【００８５】
図１５は、比較例に係る血流センサ装置による血流速度の測定時における、測定点のレーザダイオードからのずれ量と光ビート信号の信号強度との関係を示すグラフである。ここで、比較例に係る血流センサ装置は、散乱体２００を備えていない点で本実施形態に係る血流センサ装置と異なり、その他の点については本実施形態に係る血流センサ装置と概ね同様に構成されている。言い換えれば、図１３において、比較例に係る血流センサ装置のセンサ部は、本実施形態に係る血流センサ装置のセンサ部本体１００ａに相当する。【００８６】
図１５において、データＥ１は、比較例に係る血流センサ装置のセンサ部の上面と測定点Ｑ１との間の距離ｇを０ｍｍとして（言い換えれば、指先５００を比較例に係る血流センサ装置のセンサ部の上面に接触させて）血流速度を測定した場合における、ずれ量ｄと光ビート信号の信号強度との関係を示している。データＥ２は、比較例に係る血流センサ装置のセンサ部の上面と測定点Ｑ１との間の距離ｇを１ｍｍとして血流速度を測定した場合における、ずれ量ｄと光ビート信号の信号強度との関係を示している。データＥ３は、比較例に係る血流センサ装置のセンサ部の上面と測定点Ｑ１との間の距離ｇを２ｍｍとして血流速度を測定した場合における、ずれ量ｄと光ビート信号の信号強度との関係を示している。【００８７】
データＥ１、Ｅ２及びＥ３に示されるように、比較例に係る血流センサ装置では、検出される光ビート信号の信号強度は、ずれ量ｄの増加に応じて急激に低下する。即ち、指先５００とセンサ部との位置関係が変動すると、血流速度を安定して測定することができなくなってしまうおそれがある。【００８８】
しかるに、図１４において、データＤ１及びＤ２に示されるように、本実施形態に係る血流センサ装置では、検出される光ビート信号の信号強度は、比較例に係る血流センサ装置と比較して、ずれ量ｄが増加しても低下しにくい。即ち、血流速度を測定することが可能なずれ量ｄの範囲が、比較例に係る血流センサ装置と比較して広い。つまり、図１５のデータＥ１、Ｅ２及びＥ３に示されるように、比較例に係る血流センサ装置では、血流速度を測定することが可能なずれ量ｄの範囲は、広くとも１ｍｍ程度以下であるのに対して、図１４のデータＤ１に示されるように、本実施形態に係る血流センサでは、血流速度を測定することが可能なずれ量ｄの範囲は、２ｍｍ程度以下である。更に、図１４のデータＤ２に示されるように、距離ｇが８ｍｍの場合、即ち、散乱体２００の厚みが８ｍｍの場合には、ずれ量ｄが例えば５ｍｍであっても、検出される光ビート信号の信号強度の低下は小さく、良好に血流速度を測定することが可能である。このように、本実施形態に係る血流センサ装置では、比較例に係る血流センサ装置と比較して、センサ部１００と被検体である指先５００との相対的な位置関係のずれに起因する、フォトダイオード１６０によって検出される光ビート信号の信号強度の変動を低減できる。言い換えれば、本実施形態に係る血流センサ装置は、比較例に係る血流センサ装置と比較して、適切な検出値を得ることができるずれ量ｄの範囲が広い（つまり、測定時において適切な検出値を得るのに許されるずれ量ｄの許容範囲が広い）。ここで、本実施形態に係る血流センサ装置と比較例に係る血流センサ装置とは、散乱体２００を備えるか否かが異なり、その他の点については概ね同様に構成されている。つまり、このような、センサ部と被検体との相対的な位置関係のずれに起因する、光ビート信号の信号強度の変動を低減できるという効果は、本実施形態に係る血流センサ装置が散乱体２００を備えるが故に得られるものである。【００８９】
従って、本実施形態に係る血流センサ装置によれば、センサ部１００が散乱体２００を備えているので、光ビート信号に基づいて、指先５００における血流速度を安定して検出することが可能となる。この結果、当該血流センサ装置によって検出される検出値の信頼性を高めることができる。【００９０】
尚、図１４では、散乱体としてタオル状繊維を用いた場合について示しているが、本願発明者らは、散乱体として不織布やスポンジを用いた場合についても概ね同様の測定結果を得ている。【００９１】
更に、本実施形態に係る血流センサ装置によれば、センサ部１００が散乱体２００を備えているので、被検体に比較的大きな圧力が加わることによって、検出される光ビート信号の信号強度が低下してしまうことを抑制或いは防止することも可能である。【００９２】
図１６は、本実施形態に係る血流センサ装置によって検出される光ビート信号の信号強度を、被検体を散乱体に軽く押し当てた場合と被検体を散乱体に強めに押し当てた場合とを比較して示すグラフである。図１７は、比較例に係る血流センサ装置によって検出される光ビート信号の信号強度を、被検体をセンサ部の上面に軽く押し当てた場合と被検体をセンサ部の上面に強めに押し当てた場合とを比較して示すグラフである。尚、図１６及び図１７では、横軸を時間軸とし、縦軸をフォトダイオードからの出力信号の強度（ＰＤ出力）としている。光ビート信号の信号強度は、光ビート信号の振幅を意味する。【００９３】
図１６は、本実施形態に係る血流センサ装置によって、期間Ｔ１において、被検体の一例である指先を散乱体２００に軽く押し当てた状態で血流速度を測定し、期間Ｔ１に続く期間Ｔ２において、被検体の一例である指先を散乱体２００に強めに押し当てた状態で血流速度を測定した場合における、検出される光ビート信号の信号強度の経時的変化を示している。尚、本測定では、散乱体２００としてタオル状繊維を用いている。【００９４】
図１６に示されるように、本実施形態に係る血流センサ装置によれば、指先を散乱体２００に軽く押し当てた場合と指先を散乱体２００に強めに押し当てた場合とで光ビート信号の信号強度は殆ど変化しない（つまり殆ど同じである）。【００９５】
一方、図１７は、比較例に係る血流センサ装置によって、期間Ｔ３において、被検体であるの一例である指先をセンサ部（より具体的には、例えば樹脂基板、ガラス基板等からなる保護板の上面）に軽く押し当てた状態で血流速度を測定し、期間Ｔ３に続く期間Ｔ４において、被検体の一例である指先をセンサ部に強めに押し当てた状態で血流速度を測定した場合における、検出される光ビート信号の信号強度の経時的変化を示している。【００９６】
図１７に示されるように、比較例に係る血流センサ装置によれば、指先をセンサ部に強めに押し当てた場合には、指先をセンサ部に軽く押し当てた場合と比較して、光ビート信号の信号強度が低下してしまう。この現象が生じる原因の一つは、指先がセンサ部に強めに押し当てられることにより、指先に比較的大きな圧力が加わり、指先の毛細血管が閉塞気味となってしまうことである。【００９７】
しかるに本実施形態に係る血流センサ装置は、本測定において、タオル状繊維からなる散乱体２００を備えているので、被検体の一例である指先に比較的大きな圧力が加わってしまうのを防止でき、指先の毛細血管が閉塞気味となってしまうことを抑制できる。つまり、本実施形態に係る血流センサ装置によれば、例えば樹脂基板やガラス基板等から夫々なる保護板１９５や前面板１９０よりも柔らかく或いは高い弾力性を有する、タオル状繊維からなる散乱体２００によって、被検体に比較的大きな圧力が加わることを防止できる。よって、図１６に示されるように、指先を散乱体２００に軽く押し当てた場合と指先を散乱体２００に強めに押し当てた場合とで光ビート信号の信号強度は殆ど変化しない。従って、指先がセンサ部１００の上面（本実施形態では、散乱体２００の上面）に押し当てられる強さの変動に起因して、測定される血流速度が変動してしまうことを低減或いは防止できる。この結果、血流速度を安定して計測することが可能となる。尚、このような、被検体がセンサ部に押し当てられる強さの変動によらず、血流速度を安定して測定できるという効果は、散乱体２００がタオル状繊維からなる場合に限り得られるものではなく、散乱体２００が他の繊維状物質或いはスポンジ等からなり保護板や前面板よりも柔らかい或いは高い弾力性を有する場合にも得ることができる。【００９８】
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る血流センサ装置によれば、散乱体２００を備えるので、当該血流センサ装置と被検体との相対的な位置関係のずれによる検出値（即ち、血流速度）の変動が低減され、被検体における血流速度を安定して検出することができる。更に、被検体がセンサ部の上面に押し当てられる強さの変動に起因して、測定される血流速度が変動してしまうことを低減できる
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う自発光型センサ装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明に係る自発光型センサ装置は、例えば血流速度等を測定することが可能な血流センサ装置等に利用することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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