(57)【要約】  本発明の実施形態は光照射ファネルに関する。ファネルは、入来する光源を受け取るように位置決めされた第１開口部と、第１開口部の反対側に位置決めされ、第１開口部よりも小さな直径を備える第２開口部と、第１開口部および第２開口部と接触した反射性内壁とを含む。ファネルは２５度未満の半角を有する。実施形態は光収集ファネルと、光照射ファネルおよび光収集ファネルの両方とを利用した装置とにも関する。
2011512511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入来する光源を受け取るように位置決めされた第１開口部と、
第１開口部の反対側に位置決めされ、第１開口部よりも小さな直径を備える第２開口部と、
第１開口部および第２開口部と接触した反射性内壁とを備え、
２５度未満の半角を有する、光照射ファネル。
【請求項２】
ファネルが約１０度から約１５度の半角を有する、請求項１に記載の光照射ファネル。
【請求項３】
第１開口部の付近に、または第１開口部と接触して位置決めされたプリント基板をさらに備える、請求項１または２に記載の光照射ファネル。
【請求項４】
第１開口部の付近に位置決めされた複数の光源をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の光照射ファネル。
【請求項５】
光源がプリント基板と接触している、請求項４に記載の光照射ファネル。
【請求項６】
光源が赤外線発光ダイオードを備える、請求項４に記載の光照射ファネル。
【請求項７】
光源が三次元配列で位置決めされている、請求項４に記載の光照射ファネル。
【請求項８】
三次元配列が水平層と垂直層内に位置決めされた光源を備える、請求項６に記載の光照射ファネル。
【請求項９】
光源が白熱光源を備える、請求項４に記載の光照射ファネル。
【請求項１０】
光収集ファネルであって、
入来する試料光源を受け取るように位置決めされた第１開口部と、
第１開口部の反対側に位置決めされ、第１開口部よりも大きな直径を備える第２開口部と、
第１開口部および第２開口部と接触した反射性内壁とを備える、光収集ファネル。
【請求項１１】
第２開口部の付近に、または第２開口部と接触して位置決めされた１つ以上の検出器をさらに備える、請求項１０に記載の光収集ファネル。
【請求項１２】
１つ以上の検出器が検出器アレイを構成する、請求項１１に記載の光収集ファネル。
【請求項１３】
ファネルと１つ以上の検出器との間に位置決めされた１つ以上のフィルタ、格子、またはレンズをさらに備える、請求項１１に記載の光収集ファネル。
【請求項１４】
異なる波長範囲をそれぞれが有した複数の光ビームを生成するように構成された光源と、
第１直径を有した進入用開口部を通して複数の光ビームを収集し、第２直径を有した退出用開口部を通して標的部位へと複数の光ビームを集束し、方向付ける光照射ファネルにおいて、第２直径が第１直径よりも小さい、光照射ファネルと、
第３直径を有した第２進入用開口部で標的部位から放射される複数の光ビームを収集し、複数の光ビームを第４直径を有した第２退出用開口部を通して方向付ける光収集ファネルにおいて、第３直径が第４直径よりも小さい、光収集ファネルと、
第２退出用開口部を通して方向付けられた光ビームを検出し、検出された光のパワーを示した出力信号を生成するようにそれぞれが構成された複数の光感知デバイスを備える検出器と、
出力信号を分析し、測定データを生成するプロセッサとを備える、装置。
【請求項１５】
光源が１つ以上の発光ダイオードを備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
波長範囲が、約８００ｎｍから１２００ｎｍの間の異なる波長範囲を含む、請求項１４または１５に記載の装置。
【請求項１７】
光源が光照射ファネルの進入用開口部に位置決めされている、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００７年９月１３日に出願された米国仮特許出願第６０／９７２１２１号の優先権を主張する。この仮特許出願の全てが参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
試料の基本的特性の１つに、それが気体、液体、または固体であろうと、特定の波長の光を吸収し、または散乱させる試料の傾向または傾向のなさがある。試料の吸収し、散乱させ、または透過させる傾向についての特性評価は、多くの光学測定および光学計装（例えば吸光度測定法など）の基礎となる。光学デバイスで得られる測定の精度および反復精度は、１つ以上の検出器に到達する信号の強度を含んだ多くの要因に関係する。光学デバイスは、ヒトまたは動物の血液または間質液の構成成分の存在および量を測定するために使用されることができる。一実施例では、使用者の身体の標的部位から信号またはスペクトラムを得るために、非浸襲的光学装置が、なんらかの形態の分光分析を使用することができる。
【０００３】
米国糖尿病協会は、米国人の６パーセント（６％）を超える、１７００万人の人々が糖尿病を患っていると報告している。疾病対策センター（「ＣＤＣ」）の科学者によると、より多くの人々が食事の量を減らし、運動の量を増やすことを始めなければ、２０００年に合衆国で誕生した子供の３人に１人が糖尿病になるということである。ＣＤＣのある研究は、２０００年には、糖尿病と診断された症例が約１１００万件あること、その症例数は２０５０年までに２９００万件に上昇する可能性があることを明らかにしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
糖尿病管理の必須要素は、糖尿病患者が家庭環境で血中グルコース濃度を自己監察することである。しかしながら、現在の監察技法は、分析の前に皮膚から血液または間質液を抜き取ることの不都合な、痛みを伴う性質のために、定期的に使用する意欲を失わせる。この結果、グルコース濃度の非浸襲的測定が、糖尿病の管理にとって望ましく有益な開発となる。
【０００５】
血中グルコース測定のために、いくつかの非浸襲的手法がある。非浸襲的血液化学物質検査の１つの技法に、光線スペクトルのデータの収集および分析がある。分光分析から得られたスペクトルのデータまたは他のデータから、グルコース濃度などの血液特性についての情報を抽出することは、感知されている部位内の血液以外の構成成分（例えば皮膚、脂肪、筋肉、骨、間質液など）の存在のために複雑な問題である。このような他の構成成分は、読み取りを変えてしまうような形でこれらの信号に影響を及ぼす可能性がある。特に、この結果生じる信号の大きさは、血液に対応する信号分よりも極めて大きく、したがって血液特性の情報を精確に抽出する能力を制限してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、光照射ファネルに関する。ファネルは、入来する光源を受け取るように位置決めされた第１開口部と、第１開口部の反対側に位置決めされ、第１開口部よりも小さな直径を備える第２開口部と、第１開口部および第２開口部と接触した反射性内壁とを含む。ファネルは２５度未満の半角を有する。
【０００７】
実施形態は、入来する試料光源を受け取るように位置決めされた第１開口部と、第１開口部の反対側に位置決めされ、第１開口部よりも大きな直径を備える第２開口部と、第１開口部および第２開口部と接触した反射性内壁とを含んだ光収集ファネルに関する。
【０００８】
実施形態は、異なる波長範囲をそれぞれが有した複数の光ビームを生成するように構成された光源と、第１直径を有した進入用開口部から複数の光ビームを収集し、第１直径よりも小さい第２直径を有した退出用開口部から標的部位へと複数の光ビームを集束し、方向付ける光照射ファネルとを含んだ装置にも関する。装置はまた、第３直径を有した第２進入用開口部で標的部位から放射される複数の光ビームを収集し、複数の光ビームを第４直径を有した第２退出用開口部を通して方向付ける光収集ファネルにおいて、第３直径は第４直径よりも小さい光収集ファネルと、第２退出用開口部を通して方向付けられた光ビームを検出し、検出された光のパワーを示す出力信号を生成するようにそれぞれが構成された複数の光感知デバイスを備える検出器と、出力された信号を分析し、測定データを生成するプロセッサとを含む。
【０００９】
必ずしも一定の縮尺で描かれてはいない本明細書の図面では、いくつかある図を通して、同様の参照符号は実質的に類似の構成要素を指している。異なる添え字を有した同様の参照符号は、実質的に類似の構成要素の異なる事例を表している。これらの図面は一般的に、一例として、しかし限定としてではなく本文献内で説明される様々な実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】いくつかの実施形態による動脈血液の光吸収に対応したパルス波のプロット図である。
【図１Ｂ】いくつかの実施形態による動脈血液の光吸収に対応したパルス波のプロット図である。
【図２】いくつかの実施形態による光学的構成を示す図である。
【図３】いくつかの実施形態による、生物試料の光学測定を実施するための既存の光学的構成を示す図である。
【図４】いくつかの実施形態による、生物試料の光学測定を実施するための光学的構成を示す図である。
【図５】いくつかの実施形態による光ファネルの横断面図である。
【図６】いくつかの実施形態による光源の構成要素を示す図である。
【図７】いくつかの実施形態による、赤外線発光ダイオード（ＩＲＥＤ）アレイマトリックスが中に配設された光ファネルの横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の詳しい説明は添付図面への参照を含んでおり、それらは詳しい説明の一部を形成している。これらの図面は、例証として、本発明が実践されることができる特定の実施形態を示している。本明細書で「実施例」とも呼ばれるこれらの実施形態について、当業者が本発明を実践することを可能にするように充分に詳しく説明がなされる。本発明の範囲から逸脱せずに、実施形態同士は組み合わされてもよく、他の実施形態が利用されてもよく、あるいは構造的変更および理論的変更がなされてもよい。したがって、以下の詳しい説明は、限定する意味で解釈されるべきものではなく、本発明の範囲は添付の請求項およびそれらの等価物によって画定される。
【００１２】
この文献において、用語「ａ（１つの）」、または「ａｎ（１つの）」は、１つまたは１つよりも多くを含むものとして使用され、用語「ｏｒ（または）」は、特に別の明記がない限り、非排他的な「ｏｒ（または）」を指すものとして使用される。さらに、本明細書で使用され、特に別の形で規定されていない表現および専門用語は、説明するためのものであり、限定するためのものではない。さらに、この文献で参照される全ての刊行物、特許、および特許文献は、参照によりそれらが個別に組み込まれるかのように、それらの全てが参照により本明細書に組み込まれる。この文献と参照によりそのように組み込まれたそれらの文献との間に整合しない使用法が現れた場合には、組み込まれた参照物における使用法はこの文献のそれを補足するものと考えられるべきであり、不整合が全く相容れない場合には、この文献の使用法が支配することになる。
【００１３】
本発明の実施形態は、試料を照射し、その光学的特性を測定する光ファネルなどの光学構成要素に関する。人体または動物体の領域に対する分光学的サンプリングがここでは例証されているが、実施形態は、光学検出器、光学顕微鏡、分光計などを含んだ全てのタイプの光学機器に関する。ヒトの指などの生物試料によって吸収された光の量を判定するために、光学分光学が使用されることが可能である。指によって吸収された光の量を測定することによって、ある人のグルコース、コレステロール、およびヘモグロビンのレベルを非浸襲的に判定することが可能である。指先内に毛細血管が大きく集中していることから、また指先内で動脈血液が静脈血液へと転換することから、指先での測定が通常好まれている。
【００１４】
ヒトの指などの生物試料を通して光が透過される際、皮膚、筋肉、骨、脂肪、間質液および血液を含んだ指の様々な構成要素によって光は吸収および散乱される。しかしながら、ヒトの指による光の吸収は、心臓の鼓動に対応した小さな周期性パターンを示す。図１Ａは、使用者の心臓の鼓動による毛細血管内の動脈血液の光の吸収に対応するパルス波のプロット１０２を表している。検出器によって生成される総光電流と比較すると、周期性パターンの規模は小さいが、プロット１０２の周期性パターンから相当量の情報が抽出されることが可能である。例えば、人の心拍数が毎分６０拍であるとすると、任意の脈拍の開始とその脈拍の終わりとの間の時間は１秒である。プロット図は、この１秒の間に最大値またはピーク値１０４の表示と、最小値または谷値１０６の表示を有することになる。プロット図のピーク値１０４の表示は、毛細血管内に最小量の血液が存在するときに対応し、谷値１０６の表示は、毛細血管内に最大量の血液が存在するときに対応する。周期性プロット図のピーク値と谷値によって提供される光学的情報を使用することによって、毛細血管内に存在しない、皮膚、脂肪、骨、筋肉、および間質液などの指の主要な構成要素による光学吸収および光学散乱が除外される。毛細血管内に存在しないこれらの主要な構成要素は、それらが１秒の合間で変化する可能性がないことから除外される。言い換えれば、血液によって吸収される光は、プロット１０２のピーク値と谷値に基づいて検出されることが可能である。
【００１５】
光感知デバイスによって生成される周期性光電流のピーク値をＩＰとすると、周期性光電流の隣接する谷値はＩＶであり、ヒトの指がない状態で光感知デバイスによって生成される光電流はＩＯであり、ピーク値と谷値の光電流に対応する透過率は、次式として定義されることが可能である。
【数１】
2011512511.tif 000003
および
【数２】
2011512511.tif 000004
対応するピーク値と谷値の吸光度は、
ＡＶ＝−ｌｏｇ（ＴＶ）      （３）
および
ＡＰ＝−ｌｏｇ（ＴＰ）      （４）
である。
ＡＶとＡＰの差は、指内の血液のみによる光の吸収と散乱を表している。
【数３】
2011512511.tif 000005
【００１６】
式（５）内に示されたアリゴリズムでは、光電流の変化を監察するのを必要とするだけで、指を通して透過される光パワーの変化を判定することができる。その結果、ヒトの指のない状態で光感知デバイスによって生成される光電流を判定する必要がない。
【００１７】
残念ながら、周期性パターンは極めて小さな信号であることから、周期性パターンの振幅（即ちピーク値と谷値の差異）は、指を通して透過された総光パワーの典型的に１％から３％である。図１Ａは拡大図によって周期性パターンを示している。図１Ｂは信号振幅の観点から周期性パターンをより精確に示している。ΔＡの判定で１００：１の信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を得るためには、指によって吸収される光を測定するために使用されているデバイスのベースラインノイズの吸光度（ピーク値からピーク値）は、１０Ｈｚ帯域幅内で３．０×１０−５を超えるべきではない。
【００１８】
しかしながら、１０Ｈｚ帯域幅内での３．０×１０−５の吸光度（ピーク値からピーク値）のベースラインのノイズレベルは、電池式手動操作型非浸襲的血液化学分析測定デバイスによって使用される低い光パワーレベルでは得ることが困難である。１つの解決法は、光照射パワーを増大させることである。しかしながら、一部のデバイスの寸法制限によって、所望のベースラインのノイズレベル（例えば電池の放電など）を達成するために照射パワーを増大することが可能でない場合があり、または非効率的である場合がある。したがって、デバイスの寸法および電池のパワー消費を著しく増大させずにこのようなデバイスによって検出されることが可能な光パワーの量を増大させるシステムおよび方法が求められている。
【００１９】
図２は、ヒトの指内の血液によってのみ吸収および散乱される光の量を判定するための、「脈動」概念を使用する電流光学測定システム２００の構成要素を示した簡略化ブロック図である。電池などの電源２０１は、使用者の指の頂部の方に向けられた複数の光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０を生成する光源２０２にパワーを供給する。光測定システム２００の一態様によると、光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０のそれぞれは、典型的には８００ｎｍから１８００ｎｍ内の異なる波長または異なる波長範囲を有する。例えば、第１光ビーム２０４は８５０ナノメートルから９００ナノメートル（「ｎｍ」）の波長範囲を有してもよく、第２光ビーム２０６は８７５ｎｍから９４０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第３光ビーム２０８は９２０ｎｍから９８０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第４波光ビーム２１０は９５０ｎｍから１０５０ｎｍの波長を有してもよい。光学測定システム２００は、本明細書では４つの光ビームを生成するものとして述べられているが、光源２０２は、他の実施形態ではより少ない光ビームまたは追加の光ビームを生成するように変更されることが可能である。
【００２０】
第１開孔部２１２は光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０が指の標的部位に達することを保証する。第２開孔部２１４は、指を通して透過された光ビームの一部分がレンズ２１６に達することを保証する。光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０は、指と光学的測定システム２００の構成要素とによって減衰され、したがって減衰された光ビーム２１８、２２０、２２２、２２４が指から放射される。減衰された光ビーム２１８、２２０、２２２、２２４はレンズ２１６に達し、レンズ２１６は減衰された光ビーム２１８、２２０、２２２、２２４を収集して、それらがより効率的に検出器ブロック２２６上に衝突するようにする。
【００２１】
検出器ブロック２２６はレンズ２１６の真下に位置決めされ、光ダイオードのアレイなどの複数の光感知デバイス（ＬＳＤ）２２８、２３０、２３２、２３４を備える。光学測定システム２００の一態様によると、光感知デバイス２２８、２３０、２３２、２３４のそれぞれは、対応する干渉フィルタ２３６、２３８、２４０、２４２それぞれによって確立される光の固有の波長を検出する。干渉フィルタは１つ以上のスペクトル帯または光の線を透過させ、その他を遮断する。
【００２２】
光感知デバイス２２８、２３０、２３２、２３４のそれぞれは、特定の光感知デバイスによって受け取られる光のパワーに比例する対応した電流信号を生成する。光ダイオードによって生成される電流信号は、アナログ電圧信号またはデジタル信号などの他の形態の信号に転換されることが可能である。
【００２３】
プロセッサ２４３は検出ブロック２２６に結合され、光電流信号２４４、２４６、２４８、２５０の変化を計算するように構成されている。
【００２４】
一態様によると、プロセッサ２４３は式（５）に示されているようなアリゴリズムを実行して、指内血液のみによって生じる光吸収ΔＡの変化を計算する。この後、血液特性を判定するために、血液の光吸収のこの定量的計算が使用されることが可能である。例えば、計算された光吸収値を、メモリー（図示せず）内に記憶された様々なグルコースレベルに対応する所定の値と比較することによって、使用者のグルコースレベルが判定されることが可能である。
【００２５】
次に図３を参照すると、ヒトの指によって吸収される光の量を測定するための従来の装置の構成が示されている。赤外線発光ダイオード（「ＩＲＥＤ」）ブロック３０２が、近赤外線（「ＮＩＲ」）放射または８５０ｎｍから１１００ｎｍの光ビームを生成する複数のＩＲＥＤを含む。生成されたＮＩＲ光ビームは進入用開孔部３０４に進入し、指を通過する。指を通して透過されたＮＩＲ光ビームは退出用開孔部３０６を通過してレンズ３０８上に至る。レンズ３０８は光ビームをコリメートし、それらをフィルタアレイ３１０、次いで検出器アレイ３１２上に投射する。装置は、迷光が光検出器に到達することを防止する壁ハウジング３１４も含む。
【００２６】
この光学的構成では、退出用開孔部３０６を通過する光ビーム同士の波長は完全に混合されている。より具体的には、８５０ｎｍから１１００ｎｍまでの光パワー分布の全体が、検出アレイ３１２内の全ての検出器に透過される。
【００２７】
以下に述べられているように、図３に表わされるデバイスの構成では、デバイスの効率を阻止し、潜在的に高いベースラインノイズをもたらす問題が存在する。
【００２８】
小さな光照射パワー
子供の小さな指寸法を収容するために、光は、約０．２５（１／４）インチ以下の直径を有した進入用開孔部３０４を通って指に進入するべきであり、指を通して透過された光は、約０．２５（１／４）インチ以下の直径を有した退出用開孔部３０６を通して収集されるべきである。しかしながら０．２５インチ直径の区域内に配置されることが可能なＩＲＥＤの数は限定されている。例えば、たった４つの３ミリメートル（ｍｍ）の直径のＩＲＥＤしか、進入用開孔部３０４の０．２５インチ直径の区域内には効果的に配置されることが可能ではない。各ＩＲＥＤからの平均パワーが、１５度から２０度のパワー放射半角で、約２．５ミリワット（ｍＷ）であることから、各ＩＲＥＤから指に進入する使用可能な総パワーは約５０パーセント（５０％）、または１．２５ｍＷである。したがって、４つのＩＲＥＤについて、使用可能な総パワーは、典型的には８５０ｎｍから１１００ｎｍである４つのＩＲＥＤによってカバーされる波長範囲全体に対して約５ｍＷ（例えば４×２．５ｍＷ×．５０など）である。
【００２９】
ヒトの指による吸収および散乱
一般的に、上述のように、指に進入する光は皮膚、脂肪、筋肉、血液、および骨によって減衰される。例えば、人の指による光の吸収および散乱が、８５０ｎｍから１１００ｎｍのＮＩＲ領域内の伝送された光のパワーを約２００分の１に縮小することが可能であることが観察されている。その結果、指を通して透過される総ＩＲパワーは、典型的には８５０ｎｍから１１００ｎｍである４つのＩＲＥＤによってカバーされた波長範囲全領域内で約２５ミクロワット（μＷ）（例えば５ｍＷ／２００など）に過ぎない。
【００３０】
光学部品を結合することによる小さな収集用立体角度
光が退出用開孔部３０６から指の下で２πの立体角度内の全方位に放射される。従来の光学設計では、退出用開孔部３０６が点状源として取り扱われることが可能でないことから、指を通して透過される光パワーのほとんどを収集することが困難である。典型的には、図３に示されている光学レイアウトを使用して収集される総光パワーは約１０％に過ぎず、あるいは典型的には８５０ｎｍから１１００ｎｍである４つのＩＲＥＤによってカバーされた全波長領域内で１０μＷから２．５μＷのパワーの縮小に過ぎない。これが図３内の全ての検出器に送られる光パワーであることに留意されたい。
【００３１】
検出器の数
さらに、図３に示されているような光学システムは、血液内の化学的構成成分に関する精確な情報を得るために２０から３０ものダイオード検出器を必要とする場合がある。したがって、各検出器まで進む光パワーは約１２５ｎＷ以下になる。
【００３２】
狭帯域通過フィルタ
各検出器の頂部に配置された干渉フィルタは、典型的には１０ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）の帯域幅を有する。これは、８５０ｎｍから１１００ｎｍの波長領域全体にわたってパワーが均等に分配されているとすると、光パワーを２５ｎＷから５ｎＷ分縮小する。さらに、各干渉フィルタのピーク透過率は約５０％以下である。したがって、各検出器によって受け織られる光パワーは約２．５ｎＷ以下に縮小される。
【００３３】
光電変換効率
シリコンダイオード検出器の光電変換効率は、１１００ｎｍにおける０．１アンプ／ワット（Ａ／Ｗ）から９００ｎｍにおける約０．５Ａ／Ｗの範囲である。その結果、対応する干渉フィルタの中心波長に応じて、各検出器によって作り出される光電流は、検出器毎に０．２５ナノアンプ（ｎＡ）以下から１．２５ｎＡ以下の間である。１０Ｈｚ帯域幅内の対応する高機能ショットノイズは約２．０×１０−４の吸収率（ｐ−ｐ）以上であり、これは、Ｓ／Ｎ比１００で、式（５）によって規定されるΔＡの精確な判定のために必要となるものの６倍を超えている。言い換えれば、ΔＡに対して１００：１の望ましいＳ／Ｎ比に到達するためには、検出器によって受け取られる光パワーは４０倍を超えて増大されるべきである。
【００３４】
図４は、本光学測定システム４００の一態様による、生物試料の光学検出を実施するための光学的構成を示している。光源４０２は複数の光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を生成する。光源４０２は、例えば白熱光源または赤外線発光ダイオードであってもよい。光測定システム４００の一態様によると、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０はそれぞれ異なる波長または異なる波長範囲を有する。例えば、第１光ビーム４０４は８５０ナノメートルから９２０ナノメートル（「ｎｍ」）の波長範囲を有してもよく、第２光ビーム４０６は９００ｎｍから９８０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第３光ビーム４０８は９７０ｎｍから１０５０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第４光ビーム４１０は１０３０ｎｍから１１００ｎｍの波長範囲を有してもよい。総波長範囲は例えば約８００ｎｍから約１２００ｎｍであることができる。光学測定システム４００は本明細書で４つの光ビームを生成するものとして述べられているが、他の実施形態では光源がそれより少ない光ビームまたは追加の光ビームを生成するように変更されることが可能であることも考えられる。
【００３５】
光源４０２からの光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０が、進入用開口部４１４を通って光照射ファネル４１２に進入し、退出用開口部４１６を通って光照射ファネル４１２を退出する。光照射ファネル４１２の退出用開口部４１６の直径は、進入用開口部４１４の直径以下である。例えば、一実施形態によると進入用開口部４１４の直径は約０．６２５（５／８）インチであり、退出用開口部４１６の直径は約０．２５（１／４）インチである。したがって、図３に表わされている構成とは対照的に、光照射ファネル４１２は、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を使用者の指の頂部に向けて同一の全体方向に集束させる。光照射ファネルは、図３の構成と比較して、標的部位によって受け取られる総光パワーを著しく増大し、したがって信号対ノイズ率を実質的に増大することができる。
【００３６】
図５は光照射構成要素またはファネル４１２の横断面図を表している。一態様によると、光照射ファネル４１２は、直径Ｄ１を備える実質的に円筒状の側壁５０２と、円錐台形状の内壁５０６によって画定される第１開口部５０４と、２つの光進入用開口部５０８および光退出用開口部５０４とを有する。開口部５０８（第２開口部）は小さな直径Ｄ３を、開口部５０４（第１開口部）は大きな直径Ｄ２を有する。２つの光開口部の間の間隔はＬであり、内面の円錐台形状の半角はαである。本発明の一実施形態によると、半角αの値は１０度から１５度の範囲である。半角は、例えば約２５度未満であってもよい。光照射ファネル４１２は、任意の所望の屈折率を有したプラスチック、金属、または他の適切な材料、あるいは複合物／層の材料から形成されてもよい。一態様によると、光照射ファネル４１２は金属から形成され、内壁５０６の表面は高反射性となるように製作される。適切に構成されると、退出用開口部５０８における光強度は、進入開口部５１０における光強度に対して５０から１００倍分増大されることができる。
【００３７】
図６は、光測定システム４００の一態様による光源４０２の構成要素を表している。ファネルの第１開口部の付近またはそれと接触するように回路基板が位置決めされることができ、回路基板は、基板上に、またはそれと接触するように取り付けられた光源を含むことができる。一実施例では、複数のＩＲＥＤ６０２、６０４、６０６、および６０８がプリント基板（ＰＣＢ）６１０に取り付けられている。ＰＣＢ６１０は、電池などの電源（例えば電源２０１など）に接続された電源ライン６１２を通して電力を受け取る。電力が電源ライン６１２を通して供給されると、ＩＲＥＤ６０２、６０４、６０６、および６０８のそれぞれが電力を受け取り、複数の光ビーム（例えば光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０など）を生成する。特に、電池寿命を延ばすために、類似の動作電流を備えるＩＲＥＤが直列に接続されることが可能である。光源は、例えばハウジングによって囲まれることなどによって、ファネル内またはファネルの上に取り付けられてもよい。
【００３８】
一態様によると、光照射ファネル４１２はネジ、合釘、または他の接続手段によってＰＣＢ６１０に取り付けられてもよい。光照射ファネル４１２の内面の円錐台形状は、ＩＲＥＤ６０２、６０４、６０６、６０８からの光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を、指に向けて略円錐形のビームへと集束する役目を果たす。
【００３９】
図７は、三次元（３−Ｄ）ＩＲＥＤアレイのマトリックス７０２が中に配列された光照射ファネル４１２の他の実施形態の横断面図を示している。ＩＲＥＤなどの多重光源が、三次元層内に位置決めされ、光の強度を最適化するように構成されることができる。光源は、例えば水平層および垂直層内に位置決めされてもよい。この実施形態によると、合計２６のＩＲＥＤが３−Ｄアレイマトリックス内に含まれている。ＩＲＥＤは４つの層内に配置されている。第１の列は、７０４によって示されているように、４つのＩＲＥＤ（２つのＩＲＥＤが図示されていない）を含み、第２の層は、７０６によって示されているように、５つのＩＲＥＤ（２つのＩＲＥＤが図示されていない）を含み、第３の層は、７０８によって示されているように、７つのＩＲＥＤ（４つのＩＲＥＤが図示されていない）を含み、第４の層は、７１０によって示されているように、１０のＩＲＥＤ（６つのＩＲＥＤが図示されていない）を含む。電源ライン７１２は全てのＩＲＥＤに電力を供給する。他の実施形態によると、他のＩＲＥＤパターンも利用されてもよい。光の強度を最適化するために、任意の数の光源または層が利用されてもよい。
【００４０】
ＩＲＥＤは赤外線に対して光透過性であることから、ファネルの空洞内の遮断効果による光の損失は小さいはずであり、図７に示された構造は、光ファネルの空洞内のＩＲＥＤの３−Ｄアレイから放射される光パワーの８５％よりも多くを収集することが予想される。この結果、光照射ファネル４１２の０．２５インチ直径の退出用開口部４１６を通して伝送される総光パワーは、約５５ｍＷ（例えば２６×２．５ｍＷ×０．８５など）であるはずである。したがって、本光学的測定システム４００内の指の上の０．２５インチ開口部を通して伝送された総光パワーは、図３を参照して述べられた構成の開孔部３０６で達成された対応するパワー（例えば５ｍＷなど）の約１１倍である。さらに、指に受け取られる光パワーの増大は、指を通して透過されることが可能な光パワーの量を増大させ、したがって、検出器ブロック４３２で検出されることが可能な光パワーを増大させる。
【００４１】
図４に戻ると、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０は指と光学的測定システム４００の構成要素とによって減衰され、したがって、減衰された光ビーム４１８、４２０、４２２、４２４が指から放射される。指から放射された減衰光ビーム４１８、４２０、４２２、４２４は、進入用開口部（第１開口部）を通って光収集ファネル４２６に進入し、退出用開口部４３０（第２開口部）を通って光収集ファネル４２６から退出する。光収集ファネル４２６の進入用開口部４２８の直径は、退出用開口部４３０の直径以下である。例えば、一実施形態によると、退出用開口部４３０の直径は約０．６２５（５／８）インチであり、進入用開口部４２８の直径は約０．２５（１／４）インチである。この結果、光収集ファネル４２６は、減衰された光ビーム４１８、４２０、４２２、４２４をより効果的に収集し、それらを検出器ブロック４３２全体に分配する。
【００４２】
光収集ファネル４２６の構造は、図５に表わされた光照射ファネル４１２の構造と実質的に類似してもよい。例えば、光収集ファネル４２６は実質的に円筒状の外壁５０２と、円錐台形状の内壁５０６によって画定された中央開口部５０４とを有する。光収集ファネル４２６はプラスチック、金属、または他の適切な材料、あるいは所望の屈折率を備える材料の複合物／層から形成されてもよい。一態様によると、光収集ファネル４２６は金属から形成され、円錐台形状の内壁の表面は高反射性に製作される。光収集ファネル４２６の全体の収集率は８０％を超えることが観察されており、これは図３に示されている従来の光収集の構造を使用して得られる率の８倍である。光照射ファネル４１２と光収集ファネル４２６とを組み合わせて利用すると、図３の光学的構成と比較して約４０倍から８０倍分指によって受け取られる光パワーを増大させることができる。
【００４３】
検出器ブロック４３２は、光収集ファネル４２６の退出用開口部４３０の下に位置決めされ、光ダイオードのアレイなどの複数の光感知デバイス（例えば光感知デバイス２２８、２３０、２３２、２３４など）を備える。光学的測定システム４００の一態様によると、光感知デバイスはそれぞれ、検出器の頂部に配置された対応した干渉フィルタによって確立される固有の波長の光を検出する。
【００４４】
検出ブロック４３２にプロセッサ（例えばプロセッサ２４３など）が結合され、光感知デバイスによって生成される電流信号の変化を計算するように構成されることが可能である。例えば、図２を参照した上述のように、プロセッサ２３２は、指内の血液のみによって生じた光吸収（ΔＡ）の変化を計算するように、式（５）内に示されたものなどのアリゴリズムを実行する。その後、血液の特性を判定するために、血液の光吸収に対するこの定量的計算が使用されることが可能である。
【００４５】
本発明の実施形態は、本明細書で述べられた光照射ファネル、光収集ファネル、または装置を利用する方法も含む場合がある。透過光、透過反射光、または反射光を生成するのに充分な光源が、照射ファネルを通って標的に接触することができる。透過光、透過反射光、または反射光は光収集ファネルに進入し、例えば１つ以上の検出器に方向付けられることができる。
【図１Ａ】
2011512511.tif 000006
【図１Ｂ】
2011512511.tif 000007
【図２】
2011512511.tif 000008
【図３】
2011512511.tif 000009
【図４】
2011512511.tif 000010
【図５】
2011512511.tif 000011
【図６】
2011512511.tif 000012
【図７】
2011512511.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月21日(2009.4.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入来する光源を受け取るように位置決めされた第１開口部と、
第１開口部の反対側に位置決めされ、第１開口部よりも小さな直径を備える第２開口部と、
第１開口部および第２開口部と接触した反射性内壁と、
第２開口部の真下に位置付けられた生物試料を受け取る通路とを備え、
２５度未満の半角を有する、光照射ファネル。
【請求項２】
ファネルが約１０度から約１５度の半角を有する、請求項１に記載の光照射ファネル。
【請求項３】
第１開口部の付近に、または第１開口部と接触して位置決めされたプリント基板をさらに備え、プリント基板が第１開口部の付近に位置決めされた少なくとも１つの光源に接触している、請求項１に記載の光照射ファネル。
【請求項４】
第１開口部の付近に位置決めされた複数の光源をさらに備える、請求項１の光照射ファネル。
【請求項５】
複数の光源が、第１開口部の付近に、または第１開口部と接触して位置決めされたプリント基板と接触している、請求項４に記載の光照射ファネル。
【請求項６】
光源が赤外線発光ダイオードを備える、請求項４に記載の光照射ファネル。
【請求項７】
光源が三次元配列で位置決めされている、請求項４に記載の光照射ファネル。
【請求項８】
三次元配列が水平層と垂直層内に位置決めされた光源を備える、請求項７に記載の光照射ファネル。
【請求項９】
光源が白熱光源を備える、請求項４に記載の光照射ファネル。
【請求項１０】
光収集ファネルであって、
入来する試料光源を受け取るように位置決めされた第１開口部と、
第１開口部の反対側に位置決めされ、第１開口部よりも大きな直径を備える第２開口部と、
第１開口部および第２開口部と接触した反射性内壁と、
第２開口部の下の少なくとも１つの光検出器とを備える、光収集ファネル。
【請求項１１】
第２開口部の付近に、または第２開口部と接触して位置決めされた１つ以上の検出器をさらに備える、請求項１０に記載の光収集ファネル。
【請求項１２】
少なくとも１つの光検出器が検出器アレイを構成する、請求項１０に記載の光収集ファネル。
【請求項１３】
ファネルと少なくとも１つの光検出器との間に位置決めされた１つ以上のフィルタ、格子、またはレンズをさらに備える、請求項１０に記載の光収集ファネル。
【請求項１４】
複数の光ビームを生成するように構成された光源と、
第１直径を有した進入用開口部を通して複数の光ビームを収集し、第２直径を有した退出用開口部を通して標的部位へと複数の光ビームを集束し、方向付ける光照射ファネルにおいて、第２直径が第１直径よりも小さい、光照射ファネルと、
第３直径を有した第２進入用開口部で標的部位から放射される複数の光ビームを収集し、複数の光ビームを第４直径を有した第２退出用開口部を通して方向付ける光収集ファネルにおいて、第３直径が第４直径よりも小さい、光収集ファネルと、
第２退出用開口部を通して方向付けられた光ビームを検出し、検出された光のパワーを示した出力信号を生成するようにそれぞれが構成された複数の光感知デバイスを備える検出器と、
出力信号を分析し、測定データを生成するプロセッサとを備える、装置。
【請求項１５】
光源が１つ以上の発光ダイオードを備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
波長範囲が、約８００ｎｍから１２００ｎｍの間の異なる波長範囲を含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
光源が光照射ファネルの進入用開口部に位置決めされている、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
光源が１つ以上の白熱光源を備える、請求項１４に記載の装置。
【国際調査報告】
2011512511.tif 000014
2011512511.tif 000015