(57)【要約】【課題】発光素子と受光素子および一般的な反射平面とで構成される光学系を含む脈波検出センサーでは、発光素子と受光素子とが実装された基板面から反射平面までの間隔と、受光素子で検出される光強度との間に、相互特定可能な対応関係が成立せずに、脈波取得時に脈波反転現象や脈波消滅現象を引き起こす。【解決手段】反射素子部分に対して、コーナーキューブミラーに代表される、再帰性反射特性を有する光学素子を利用することで、発光素子と受光素子とが実装された面からコーナーキューブミラーまでの間隔と、受光素子で検出される光強度との間に、相互特定可能な対応関係が成立する。この結果、脈波取得時の脈波反転現象や脈波消滅現象などの問題が解消する。【選択図】図１
2008079689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体表面に装着され、
心拍に対応した生体内脈波を検出可能な脈波検出センサーであって、
発光素子と受光素子と反射手段とを備える光学系を有し、
前記反射手段が再帰性反射素子である脈波検出センサー。
【請求項２】
前記発光素子と前記受光素子とが同一基板上に実装され、
該基板と前記反射手段との相対位置関係の変化に伴って、
受光素子からの出力信号が変動することを特徴とする
請求項１に記載の脈波検出センサー。
【請求項３】
前記反射手段と前記生体表面との間に、
前記発光素子および前記受光素子が存在することを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の脈波検出センサー。
【請求項４】
前記再帰性反射素子がコーナーキューブミラーであることを特徴とする
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の脈波検出センサー。
【請求項５】
前記発光素子および前記受光素子と、前記反射手段との間の領域が、
前記発光素子から放出される光線が透過可能な弾性体で構成されることを特徴とする
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の脈波検出センサー。
【請求項６】
前記基板と前記生体表面との間の領域が、
弾性材料、または流動体内在の袋体で構成されることを特徴とする
請求項２に記載の脈波検出センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体の血圧や心拍数等の生体情報を取得する装置に用いられる脈波検出センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
生体の血圧や心拍数等の生体情報を取得する装置内では、血流もしくは血流に伴う生体組織変化を検出する脈波検出センサーが用いられる。従来より、この脈波検出センサーとしては、「ダイアフラムの変位量を光学的に検出する方法」が良く知られている。
【０００３】
上述の「ダイアフラムの変位量を光学的に検出する方法」は、血流に伴って変位するダイアフラムの変位量を、ダイアフラムでの反射光を利用して、光学的に検出するという方法である。特許文献１内、特許文献２内で、この方法を用いた発明の説明がなされている。
【０００４】
特許文献１では、発光素子からダイアフラムへ向けて光束を照射し、発光素子と同一面上に固定されている受光素子により、ダイアフラム上の一点で反射した光線の光強度変化を取得し、この光強度変化からダイアフラムの変位量を求める方法を採用している。
【０００５】
特許文献２では、ある平面上で列状に配列された複数個の発光素子からダイアフラムへ向けて光束を照射し、同じ平面上で前述の複数個発光素子列と平行して列状に配列された複数個の受光素子により、前述の特許文献１と同様に、ダイアフラム面で反射する光束の光強度変化を取得し、この光強度変化からダイアフラムの変位量を求める方法を採用している。
【特許文献１】特開昭５４−５１８７８(第３頁、図１)
【特許文献２】特表平７−５０６５０１(第７頁、図１)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の特許文献１で記載の発明は、気体圧力検出センサーに関わるものである。気体圧力検出室内の圧力変化に伴ってダイアフラム部分が変位する際、ダイアフラム部分で反射する光線の光強度を受光素子で検出し、検出された光強度が圧力変化に対して直線的に変化することを利用して、高精度に圧力を検出するという方法を提案している。
【０００７】
特許文献１の圧力検出原理を概略図で示すと図１７のようになる。図１７では、ダイアフラム１７０５の片面が反射平面１７０３で構成されており、この反射平面１７０３に対向して配置されている光学素子実装面１７０４に、発光素子１７０１と受光素子１７０２とが実装されている。反射平面１７０３と光学素子実装面１７０４との空間は、弾性材料側壁１７０７で周囲を覆われた気体圧力検出室１７０６を構成しており、この気体圧力検出室１７０６内の圧力が変化すると、反射平面１７０３を備えたダイアフラム１７０５が変位して、この変位量が受光素子１７０２で検出される光強度に反映されるという原理になっている。
【０００８】
図１７の発光素子１７０１は、一般に、光線放出方向によって発光光度を異にするという「指向特性」を有する。図１８に発光素子１７０１の有する「指向特性」の一例を示す。図１８のチャートでは円周方向が光線放出方向を表わしており、チャートの縦軸方向が発光素子の正面方向に相当し、横軸方向が発光素子の側面方向に相当する。また、図１８のチャートでは半径方向の長さが各進行方向光線の光強度を表わしており、半径方向の中
心部分が光強度ゼロ状態に相当し、半径方向の最外周部分が放出される光線の最高光強度に相当する。図１８に示すように、多くの発光素子は、発光面の正面方向に放出される光線の光強度が最も強く、この方向から側面方向へ放出方向勾配を大きくするにつれて光線の光強度が弱くなるような傾向を示す。
【０００９】
図１７の発光素子１７０１が、図１８に示したような「指向特性」を呈する場合に、光学素子実装面１７０４から反射平面１７０３までの距離と、受光素子１７０２で検出される光強度との関係を示すと図１０のようになる。図１０の横軸は、光学素子実装面１７０４から反射平面１７０３までの距離を表わし、図１０の縦軸は、受光素子１７０２で検出される光強度を表わす。
【００１０】
図１０に例示した場合では、光学素子実装面から反射平面までの距離が２．５ｍｍまでの範囲では、距離の増加につれて受光素子で検出される光強度は強くなる（以後、「光強度増加領域」という）。また、光学素子実装面から反射平面までの距離が２．５ｍｍから３．５ｍｍまでの範囲では、距離の増減変化量に関係なく受光素子で検出される光強度は殆ど変わらない（以後、「光強度停滞領域」という）。さらに、光学素子実装面から反射平面までの距離が３．５ｍｍを超える範囲では、距離の増加につれて受光素子で検出される光強度は弱くなる（以後、「光強度減少領域」という）。
【００１１】
このように、図１７で示す圧力検出原理の構成では、図１０で示したような「光強度増加領域」、「光強度停滞領域」、「光強度減少領域」といった３つの異なるモードを有する。これら３つの異なるモードの出現範囲は、発光素子１７０１の「指向特性」、発光素子１７０１と受光素子１７０２との位置関係によって変化をする。しかしながら、発光素子１７０１の「指向特性」に、「発光面の正面方向に放出される光線の光強度が最も強く、この方向から側面方向へ放出方向勾配を大きくするにつれて光線の光強度が弱くなる」という傾向を保有している限り、図１０に示したような「光強度増加領域」、「光強度停滞領域」、「光強度減少領域」といった３つの異なるモードは必ず存在する。
【００１２】
特許文献１の記載によれば、受光素子の検出光強度から、直ちにダイアフラムの変位量、すなわち気体圧力検出室の圧力が求まるという主張である。しかしながら、実際には、図１０で示した傾向と類似の検出光強度の変化をする為、受光素子の１つの検出光強度に対するダイアフラム変位量候補値は複数存在する。例えば、受光素子の検出光強度が０．８であった場合、図１０で示した光強度変化の特性では、光学素子実装面から反射平面までの距離の候補値として、約１．８ｍｍの点と約４．２ｍｍの点という２つが該当する。従って、「光強度増加領域」、「光強度停滞領域」、「光強度減少領域」という３つの異なるモードを有する限り、１つの受光素子検出光強度に対して、対応する光学素子実装面から反射平面までの距離が１つの値として特定することはできない。つまり、特許文献１内で説明されている気体圧力検出センサーの構成だけでは、気体圧力を正しく検出することは不可能ということになる。
【００１３】
特許文献１で説明されている気体圧力検出センサーのダイアフラム部分を動脈近傍の生体組織に圧接させた場合の作用を、具体的に図１７の構成を例に上げて説明する。動脈で発生する脈動は、生体組織に圧接した図１７記載のダイアフラム１７０５を変位させる。この変位は図１７記載の気体圧力検出室１７０６内の圧力を変動させることになり、この気体圧力検出センサーの受光素子１７０２は、動脈で発生する脈動を含んだ形で気体圧力検出室１７０６内の圧力を検出する。ここで説明した、脈動成分を含んだ圧力検出のしくみは、一般的にカフオシロメトリック方式血圧計で採用されている検出のしくみと同じである。従って、この気体圧力検出センサーは、構造的な観点に立つと、カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代用品となりうる。
【００１４】
図１７に示した構成で、ダイアフラム１７０５を動脈近傍の生体組織に圧接した際に、取得される脈動成分を図１９に示す。図２０には、気体圧力検出室１７０６内の圧力信号から別途取得した脈動成分を示す。図１９は、図１７の受光素子１７０２で検出された光強度信号をバンドパスフィルター処理して取得された脈動波形である。図２０は、図１７の気体圧力検出室１７０６内の圧力検出信号をバンドパスフィルター処理して取得された脈動波形である。
【００１５】
カフオシロメトリック方式で血圧を決定する際には、生体表面に付与した圧力に対応する動脈の脈動波形の状態を、的確に判断することが必要となる。図１７に示した構成が、カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代わりに利用可能となる為には、図１９の波形の様子が図２０の波形の様子におおよそ一致している必要がある。しかしながら、図１９の波形には、図２０の波形と比較した場合に、大きな問題が現われている。１つ目の問題は、図１９の横軸「脈波取得時間」の５ｓｅｃ〜１０ｓｅｃに対応する範囲に現われている問題である。この範囲では、図２０の同範囲の検出脈波に対して、脈波の凹凸方向が反転する現象が出現している（以後、「脈波反転現象」という）。２つ目の問題は、図１９の横軸「脈波取得時間」の１０ｓｅｃ〜１５ｓｅｃに対応する範囲に現われている問題である。この範囲では、図２０の同範囲の検出脈波に対して脈波の凹凸が殆ど消滅する現象が出現している（以後、「脈波消滅現象」という）。
【００１６】
カフオシロメトリック方式での血圧決定方法には、幾つかの方法が考案されている。しかしながら、どの方法であっても、脈動波形の脈波の高さが出現し始めるタイミング（以後、「脈波出現タイミング」という）、脈動波形の脈波の高さが最大になるタイミング（以後、「脈波高最大タイミング」という）、脈動波形の脈波の高さがほぼ消滅するタイミング（以後、「脈波消滅タイミング」という）の認識は重要な意味を持つ。「脈波出現タイミング」、「脈波高最大タイミング」、「脈波消滅タイミング」の３つのタイミングは、収縮期血圧、平均血圧、拡張期血圧を決定づける因子である。図１９内の、「脈波反転現象」や「脈波消滅現象」は、これら３つのタイミングを誤って認識する原因となり、血圧値を決定する際に大きな障害となる。つまり、特許文献１内で説明されている気体圧力検出センサーの構成のままでは、脈波検出センサーとしての性能面で、カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代用が困難ということになる。
【００１７】
このように、特許文献１に記載の気体圧力検出センサーの構成については、「気体圧力を正しく検出することは不可能」、「カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代用が困難」という問題を含んでいる。
【００１８】
前述の特許文献２で記載の発明は、血圧計用の脈波検出センサーおよび血圧決定方法に関わるものである。動脈脈拍に伴う生体組織表面の変動を、生体表面に当接した脈波検出センサーのダイアフラムに連動させ、このダイアフラム部分の変位量を、ダイアフラムで反射する光線の光強度変化として受光素子で検出するという提案をしている。ダイアフラムの変位量を光学的に検出するという考え方は、特許文献１に記載の方法と同様である。
【００１９】
しかしながら、特許文献１とは異なり、複数の発光素子からなる一筋の発光素子列、および複数の受光素子からなる一筋の受光素子列とを形成し、これらの発光素子列と受光素子列とが互いに平行に配置されるような構成となっている。この構成の概略図を図１５に示す。特許文献２内での説明によれば、図１５のように構成した意図は、厳格には位置決めされていない脈波検出センサーの検出可能範囲内から、脈波検出に最適な位置を選択することにある。
【００２０】
図１５では、複数の発光素子１５０１が光学素子実装面１５０４上に一列で直線状に配列を構成して実装されている。同様に、複数の受光素子１５０２も同一の光学素子実装面
１５０４上に一列で直線状に配列を構成して実装されている。複数の発光素子１５０１の配列と、複数の受光素子１５０２の配列とはお互いに平行な位置関係となるように実装されている。光学素子実装面１５０４の、発光素子１５０１と受光素子１５０２とが実装されている側の面と、対向する形で、破線図示の反射平面１５０３が設置される。この反射平面１５０３は、図示しないダイアフラムの一部となっている。図１５の構成で配列内の任意の一つの受光素子１５０２に着目すると、この受光素子１５０２に隣接する発光素子１５０１のみならず、配列内に存在している発光素子１５０１の全てから発する光線の光強度を合算した光強度（以後、「合算光強度」という）を検出する構成となっている。
【００２１】
図１５に示した脈波検出センサーの構成は、特許文献２で説明されていない効果を得ており、この効果は、前述の特許文献１に記載の気体圧力検出センサーの構成で含まれていた問題点を解決している。図１５で図示した構成を有する脈波検出センサーを利用した場合の、光学素子実装面１５０４から反射平面１５０３までの距離と、受光素子１５０２で検出される光強度との関係を示すと図１６のようになる。図１６の横軸は、光学素子実装面１５０４から反射平面１５０３までの距離を表わし、図１６の縦軸は、受光素子１５０２で検出される光強度を表わす。
【００２２】
図１６で例示した場合では、光学素子実装面から反射平面までの距離が増加するにつれて、受光素子で検出される光強度は必ず弱くなる傾向を示す。特許文献１に記載の構成による脈波検出センサーで問題となり、前述の図１０の中で見られた「光強度増加領域」、「光強度停滞領域」、「光強度減少領域」の３つのモードは、「光強度減少領域」の単一のモードだけに改善されている。図１５で示したような、配列内の複数の発光素子から放出された光線の「合算光強度」を受光素子で検出する構成の場合には、一般に、図１６に示したような、「光強度減少領域」の単一のモードで代表される傾向を呈する。勿論、発光素子の実装間隔、発光素子の総実装数、発光素子と受光素子との間の距離等の設定次第で、減少傾向の程度は異なったものとなる。
【００２３】
さらに、図１５で示した構成を有する脈波検出センサーを、カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代わりに利用としてみると、前述の図１９の中で見られた「脈波反転現象」や「脈波消滅現象」が解消されて、良好な脈動波形を取得可能となる。即ち、図１５で示した構成の脈波検出センサーは、カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代わりに利用することが可能ということになる。
【００２４】
このように、特許文献２で記載の脈波検出センサーの構成であれば、圧力の検出、脈動波形の検出ともに良好に機能し、カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代用が可能である。しかしながら、特許文献２で記載の脈波検出センサーの構成には、その構成の特徴に伴う別の問題が存在している。
【００２５】
図１５で示した構成を有する脈波検出センサーを製造する際には、同一センサー内で実装される発光素子の発光光度バラツキを極力抑える必要がある。この為には、同一センサー内で実装された個々発光素子の発光光度がほぼ均一となるように製造工程内で調整作業を入れる必要がある。この調整作業はかなり大きな工数を要し、製造コストを大幅に上昇させてしまう。
【００２６】
さらに、個々発光素子の発光光度を均一化する調整に対応可能とするように、脈波検出装置の制御系も対応を図らねばならない。例えば、各発光素子の駆動情報を格納するメモリや、各発光素子を最適制御する為の個別の駆動バス等を増備するといった具合である。この増備に伴い、センサー内部のみならず制御系構成もたいへん複雑なものとなり、かなり高価なシステムになってしまう。
【００２７】
以上のように、特許文献２で記載の脈波検出センサーの構成であれば、カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代用が可能など、実際の機能面では多くの長所を保有している。しかし、製造上、制御系構成上で、大幅なコスト高に繋がってしまうという大きな短所も保有している。
【００２８】
本発明では、特許文献２に記載の脈波検出センサーのように、カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代用が可能な性能を備え、特許文献１に記載の気体圧力検出センサーのような簡単な構成の脈波検出センサーを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の脈波検出センサーは、生体表面に装着され、心拍に対応した生体内脈波を検出可能であり、発光素子と受光素子と反射手段とを備える光学系を有したセンサーであって、この反射手段が再帰性反射素子であることを特徴としている。
【００３０】
これらの発光素子と受光素子とが同一基板上に実装されことが好ましい。
【００３１】
さらに、これらの発光素子と受光素子とが、この反射手段と生体表面との間に存在することが好ましい。
【００３２】
さらに、この再帰性反射素子がコーナーキューブミラーであることが好ましい。
【００３３】
さらに、これらの発光素子と受光素子と、この反射手段との間の領域が弾性体で構成され、この弾性体の特徴として、ここで利用している発光素子から放出される光線が透過可能であることが好ましい。
【００３４】
さらに、これらの発光素子と受光素子とが実装される基板と、生体表面との間の領域が、弾性材料、または流動体内在の袋体で構成されることが好ましい。
【００３５】
本発明では、一般に「再帰性反射」と呼ばれる特性を有する反射光学素子を、発光素子から受光素子に至る光路途中の反射手段として利用することにした。「再帰性反射」とは、光線が入射してきた方向に戻すよう反射する特性のことである。発光素子から放出された光線が「再帰性反射」特性を有する反射板で反射する様子を図８に示す。
【００３６】
図８で示した再帰性反射板８０３は、「再帰性反射特性」を示す。この「再帰性反射板」は道路標識や交通手段装備の反射板等で実用化されている。図８で、発光素子８０１から再帰性反射板８０３に向かって放出され、図中光路ｂで示した光線は、光線が入射してきた方向へ戻るように、再帰性反射板８０３で、図中光路ａで示した光線として反射する。この結果、発光素子８０１から放出された光線は再帰性反射板８０３で反射した後、発光素子８０１の近傍へ戻ることになる。このことは、発光素子８０１の近傍に、図示しない受光素子を配置することで、発光素子８０１から放出されて再帰性反射板８０３で反射した光束の光強度を検出可能であることを意味する。
【００３７】
図７に、図８の再帰性反射板８０３の反射可能範囲が有限である光学系構成を示す。図７では、有限範囲Ｄを有した再帰性反射板７０３が、ダイアフラム７０５の一部として、発光素子７０１の略上方位置に設けられている。再帰性反射板７０３で反射し、発光素子７０１の近傍で検出される光束の光強度は、発光素子７０１から再帰性反射板７０３の有効範囲Ｄの最も外側の境界を結んだ視野角相当Φになる。発光素子７０１から放出して再帰性反射板７０３の有効範囲Ｄで反射した光線のみが発光素子７０１の方向に戻ってくるからである。再帰性反射板７０３が発光素子７０１から遠ざかると、視野角Φが小さくな
り、発光素子７０１近傍で検出される反射光束の光強度は必ず低下する。即ち、発光素子７０１から再帰性反射板７０３までの距離と、発光素子７０１近傍の反射光束の検出光強度とは、１対1に対応する形で、相互に特定可能となるように関連付けられる。
【００３８】
発光素子７０１から再帰性反射板７０３までの距離と、発光素子７０１近傍の反射光束の検出光強度との対応関係の一例を図９に示す。図９に示すとおり、発光素子７０１から再帰性反射板７０３までの距離が遠ざかると、発光素子７０１近傍で検出される反射光束の光強度は単調に減少する。この減少傾向の程度は、発光素子７０１の有する「指向特性」や、再帰性反射板７０３の有効範囲Ｄによって変わりうるものである。減少傾向の程度の差異はあるものの、前述の従来技術として取り上げた特許文献１の構成で問題となったような、図１０の中で見られた「光強度増加領域」、「光強度停滞領域」、「光強度減少領域」といった３つの異なるモードの混在は確実に解消され、「光強度減少領域」という唯一のモードに限定されることになる。
【００３９】
「光強度減少領域」だけのモードに限定されることは、カフオシロメトリック方式に乗っ取って血圧値を決定する際の問題である、脈動波形内の「脈波反転現象」や「脈波消滅現象」が解消されることを意味する。生体表面の変位情報を、「光強度増加領域」、「光強度停滞領域」、「光強度減少領域」の３つの異なるモードで光電測定を実施した際に検出される脈動波形の様子を、図１４に示す。図１４内のグラフ１４００は、生体表面の変位情報の一例を示す。横軸が測定時の経過時間を、縦軸が生体表面の変位量を表わす。図１４内のグラフ１４１０、１４１１、１４１２は、脈波検出センサーのモードを表わし、グラフ１４１０が「光強度増加領域」のモードに、グラフ１４１１が「光強度停滞領域」のモードに、グラフ１４１２が「光強度減少領域」のモードに対応する。これらのグラフ１４１０、１４１１、１４１２は、横軸が脈波検出センサーへ実際に及ぼされる変位量を、縦軸が脈波検出センサーで検出される光強度を表わす。図１４内のグラフ１４２０、１４２１、１４２２は、グラフ１４１０、１４１１、１４１２で示される各モードで検出された場合の脈動波形を表す。これらグラフ１４２０、１４２１、１４２２は、横軸が測定時の経過時間を、縦軸が脈波検出センサーで検出される光強度を表わす。図１４に示すとおり、「光強度増加領域」、「光強度停滞領域」、「光強度減少領域」の各モードが存在することで、上に凸の脈動（グラフ１４２０）、微脈動（グラフ１４２１）、下に凸の脈動（グラフ１４２２）という３つの脈動形態を呈することになる。上に凸の脈動（グラフ１４２０）と下に凸の脈動（グラフ１４２２）との混在状態が、「脈波反転現象」の発生を意味する。微脈動（グラフ１４２１）の状態が、「脈波消滅現象」の発生を意味する。
【００４０】
以上のとおりで、「光強度増加領域」、「光強度停滞領域」、「光強度減少領域」の３つの異なるモードの混在は、「脈波反転現象」、「脈波消滅現象」の発生と密接な関わりを持ち、これら３つのモードの混在が消滅すれば、「脈波反転現象」、「脈波消滅現象」も同時に消滅することになる。
【００４１】
このように、発光素子と受光素子と再帰性反射素子とを備える光学系を有した脈波検出センサーを使用することにより、簡単な構成で、正確な圧力検出と、正確な脈動波形の取得が可能となり、このセンサー部分を、カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代わりに利用することが可能となる。
【００４２】
また、発光素子と受光素子とが同一基板上で実装されていれば、発光素子と受光素子との相対位置関係は常に維持されるので、受光素子で検出される光強度の信号は、この基板から再帰性反射板までの距離変化に対して、忠実に応答するようになる。従って、圧力検出や脈動波形取得の際の検出精度の向上が図れるようになる。
【００４３】
また、脈波検出センサーの再帰性反射板を生体表面と当接しない固定側へ、発光素子と
受光素子とを生体表面と当接する可動側へ配置することで、再帰性反射板表面塗布物質の剥離や離脱を起こしにくくできるとともに、再帰性反射板の固着状態をより強固に維持することが可能となり、脈波検出センサーの長期的な性能維持が図れるようになる。
【００４４】
「再帰性反射特性」を有する光学素子としてはコーナーキューブミラーが良く知られている。コーナーキューブミラーの全体構成概略を図３に、方向別に眺めた場合の構成概略図を図４に示す。図４の中に示してある「Ｂ方向」、「Ｆ方向」、「Ｌ方向」、「Ｒ方向」、「Ｔ方向」は、図３の内に示してある各矢印の「Ｂ」、「Ｆ」、「Ｌ」、「Ｒ」、「Ｔ」の各方向から眺めたことに対応する。図３と図４より明らかなように、コーナーキューブミラー３００は、「Ｆ方向」側に存在する頂点を、面３０１、面３０２、面３０３の３つの面で構成している。この３つの面はお互いに直交の関係にある。この構成は直方体の１角部分と同様である。コーナーキューブミラーの光線入射面は面３０４となる。面３０４から入射した光線は、頂点を形成する３つの面、面３０１、面３０２、面３０３を各１度ずつ反射して、面３０４へ戻る。面３０１、面３０２、面３０３の３つの面が互いに直交していることにより、面３０４へ入射する光線と、面３０４から放射される光線とは互いに平行で向きが逆転したものとなる。
【００４５】
図５にコーナーキューブミラーの基本的な光学機能を示す。図５では、コーナーキューブミラー５０３と１つの発光素子５０１とから構成される光学系のモデルを示す。コーナーキューブミラー５０３は、コーナーキューブミラー保持体５０５で保持されている。発光素子５０１は、実装基板５０４上に実装されている。モデル記載を簡略化する為、図５のコーナーキューブミラー５０３は２次元化表示している。図５の上側の図では、発光素子５０１から出発し、コーナーキューブミラー５０３内を通過した後に、実装基板５０４方向へ向かう光線軌跡を示す。同下側の図では、実装基板５０４上で得られる光強度分布を示す。
【００４６】
図５において、光路ｑは発光素子５０１の正面方向に放出された光線の軌跡である。光路ｐおよび光路ｒは発光素子５０１の正面方向から所定の角度分ずれた放出光線の軌跡であり、光路ｐと光路ｒの、発光素子５０１からの放射方向は、発光素子５０１の正面方向を中心に互いに反対の向きとなっている。光路ｐ、光路ｑ、光路ｒのいずれでも、コーナーキューブミラー５０３へ入射する光線の方向と、コーナーキューブミラー５０３から出射する光線の方向とが互いに反転している。このように、コーナーキューブミラー５０３は、コーナーキューブミラー５０３への入射位置と出射位置とは異なるものの、「来た方向に光線が戻る」という再帰反射特性を示す。
【００４７】
図５において、コーナーキューブミラー５０３の有効幅はＤｍで、コーナーキューブミラー５０３の中心基準と発光素子５０１の実装位置とがＬｏ分オフセットしている。さらに、コーナーキューブミラー５０３の入射面と発光素子５０１の実装位置とがＬｄの間隔となっている。なお、この図では、コーナーキューブミラー５０３の入射面と発光素子５０１の実装面とは互いに平行となっていて相対的な勾配は無い。発光素子５０１から出発して、コーナーキューブミラー５０３で反射し、実装基板５０４に至る光束は、図示のごとく、頂上部分に平坦部分を有するような、等脚台形状の光強度分布５０６を示す。この等脚台形状光強度分布５０６で、最高強度の半分の強さの光強度となるレベルの幅、すなわち半値幅をＷｐとした場合、この半値幅Ｗｐは、コーナーキューブミラー５０３の有効幅Ｄｍと略一致する。さらに、この等脚台形状光強度分布５０６の中心位置とコーナーキューブミラー５０３の中心基準とのオフセット分をＸｃとした場合、このオフセット分Ｘｃは、先述の、コーナーキューブミラー５０３の中心基準と発光素子５０１の実装位置オフセット分のＬｏと、略一致する。ただし、図示のように、コーナーキューブミラー５０３の中心基準から見て、等脚台形状光強度分布５０６の中心位置は、発光素子５０１の実装位置とは対称の位置に現われることになる。
【００４８】
図５に示した等脚台形状光強度分布５０６の最高強度Ｉｐは、実装基板５０４からコーナーキューブミラー５０３までの距離Ｌｄに対して、１対１の関係で、相互に特定可能な状態で対応する。この関係は、前述の図９で示した傾向とほぼ類似する。Ｌｄが増加するにつれて、Ｉｐは確実に小さくなるという傾向をとる。図６を用いて、この傾向の原理を説明する。図６では、コーナーキューブミラー６０３は有効幅がＤｍであり、コーナーキューブミラー保持体６０５で保持されている。発光素子６０１は、実装基板６０４上に実装されている。発光素子６０１から出発して、コーナーキューブミラー６０３で反射し、実装基板６０４に到達する光束は、図示のように、半値幅でＷｐとなるような等脚台形状光強度分布６０６を呈する。この光強度の最高光強度はＩｐである。この等脚台形状光強度分布６０６を構成する全光束の総量は、「Ｉｐ×Ｗｐ」で表現される量に略代表される。一方、この全光束の総量は、発光素子６０１からコーナーキューブミラー６０３の有効幅Ｄｍを見渡した際の視野角Φに代表される値でもある。等脚台形状光強度分布６０６の半値幅Ｗｐは、コーナーキューブミラー６０３の有効幅Ｄｍと略一致、即ち、常に一定の値を取るので、等脚台形状光強度分布６０６の最高強度Ｉｐは視野角Φと連動する関係になる。また、視野角Φと、実装基板６０４からコーナーキューブミラー６０３までの距離Ｌｄとの間にも、Ｌｄが大きくなるとΦが小さくなるように、１対１で対応し相互に特定可能な関係が成立する。従って、実装基板６０４からコーナーキューブミラー６０３までの距離Ｌｄの増加に伴って、等脚台形状光強度分布６０６の最高強度Ｉｐは減少傾向を呈し、さらに、これらの間にも１対１で対応し相互に特定可能な関係が成立する。
【００４９】
図６では、実装基板６０４からコーナーキューブミラー６０３までの空間を大気状態で図示している。この空間に、大気よりも屈折率の大きな材料を挿入すると、発光素子６０１から出発してコーナーキューブミラー６０３にて反射可能な光束総量を大きくすることが可能となる。実装基板６０４からコーナーキューブミラー６０３までの距離Ｌｄと、コーナーキューブミラー６０３の有効径Ｄｍとの関係から、図６の紙面縦方向を基準に−３０°から＋３０°範囲分が、仮に、コーナーキューブミラー６０３で反射可能な視野角範囲Φであった場合、実装基板６０４からコーナーキューブミラー６０３までの空間が大気で形成されている場合は、発光素子６０１からこの視野角Φの範囲に放出可能な放射角範囲は、発光素子６０１正面方向を基準に−３０°から＋３０°範囲となる。実装基板６０４からコーナーキューブミラー６０３までの空間が、屈折率１．５程度で、かつ、発光素子６０１から放射される光線が透過可能な弾性体で形成されている場合は、発光素子６０１からこの視野角Φの範囲に放出可能な放射角範囲は、発光素子６０１正面方向を基準に−４６°から＋４６°程度の範囲となる。発光素子６０１に、半値角６０°程度のベアチップＬＥＤを採択し、実装基板６０４からコーナーキューブミラー６０３までの空間に屈折率１．５程度の弾性体を用いた場合は、同空間が大気の場合に比べ、発光素子６０１から抽出可能な総光量が約３８％程度アップすることになる。即ち、実装基板６０４からコーナーキューブミラー６０３までの空間に、屈折率１．５程度の弾性体を用いると、受光素子で検出可能となる光強度を増加させることが可能で、ノイズの影響を抑えやすくなる。
【００５０】
本発明の再帰性反射素子を利用した脈波検出センサーでは、反射手段の勾配変動に伴う問題にも効果を発揮する。反射素子が一般的な反射平面で構成され、この反射平面が勾配変動する際の状況を図１３に示す。図１３の発光素子１３０１と受光素子１３０２とは、実装基板１３０５上に所定の距離を隔てて実装されている。反射平面１３０３は勾配変動前の状態を示し、反射平面１３０４は角度θ分の勾配変動をした後の状態を示す。反射平面１３０３が反射平面１３０４に変化することで、発光素子１３０１から受光素子１３０２へと至る光線軌跡は、図中の「光路Ｂ」から「光路Ａ」へと変化する。このとき、発光素子１３０１から放射される光線の放出角は、角度βから角度αへと変化する。即ち、反射平面の勾配変動が伴うと、伝達光路の変化に伴う伝達光路長の変動と、発光素子から放
射する際の放射光強度の変動とが同時に発生する。このように、反射平面１３０３の勾配変動で、受光素子１３０２で検出される光強度が変化することは明らかである。
【００５１】
図１３の勾配角度θが変化した際に、受光素子で検出される光強度変化の一例を図１２に示す。図１２横軸の勾配角度は、図１３に記載した角度θであり、反時計回りが正の向きとなっている。図１２によれば、図１３の反射平面１３０３が反時計回り方向に勾配を有すると、受光素子１３０２で検出される光強度は増加する。逆に、時計回り方向に勾配を有すると、受光素子１３０２で検出される光強度は減少する。このように、反射素子が一般的な反射平面で構成されている場合は、反射平面勾配の回転方向によって、受光素子で検出される光強度の強弱が反転するような現象を起こしうる。このことは、勾配変動が予期しない脈波を起こしうることを意味する。
【００５２】
図１３の一般的な反射平面１３０３を再帰性反射板に置き換えた場合に、再帰性反射板の勾配角度θが変化した際の、受光素子１３０２で検出される光強度変化の一例を図１１に示す。図１１と図１２とを同一勾配角度で比較すると、受光素子で検出される光強度に現れる変化が、図１１の方で圧倒的に小さくなっている。このことは、反射素子に再帰性反射板を利用した方が、勾配変動に伴うノイズの削減に有利であることを意味している。ここでは、再帰性反射板で説明を進めたが、コーナーキューブミラーを利用した場合であっても、ほぼ同等の効果となる。
【発明の効果】
【００５３】
再帰性反射素子としてコーナーキューブミラーを利用することにより、発光素子近傍において、発光素子からコーナーキューブミラーまでの距離に対応した最高光強度を有した等脚台形状の光強度分布を得ることができる。最高光強度を得る領域がある程度の幅を有する為、光強度を検出する為の受光素子の配置選択に関する自由度が大きくなる。また、発光素子とコーナーキューブミラーとが、図５内のオフセット分Ｌｏを変化させるように相対的に横方向へズレを起こした場合であっても、過度に大きなズレではない限り、受光素子で検出される光強度の変動は極めて微量で済む。以上のとおり、コーナーキューブミラーを利用した脈波検出センサーは、受光素子配置の制約を緩め、かつ、外部振動に影響されにくくなる効果を期待できる。
【００５４】
また、再帰性反射素子と発光素子との間に、発光素子から放出される光線を透過可能な弾性体を用いた脈波検出センサーは、光強度検出信号を大きくすることが可能となって、ノイズの影響を受けにくくなる効果が期待できる。
【００５５】
生体表面に脈波検出センサーを押圧して生体情報を取得する場合に、生体表面と接触する部分を、弾性材料、もしくは流動体が内在した袋体で構成すると、脈波検出センサーと生体表面との間で生じうる余分な空隙を無くすことが可能となる。この空隙を無くすことにより、脈波検出センサーに予期しない過剰な変動を作用させずに済むこととなり、生体本来の姿に忠実な脈波情報を取得しやすくなる。また、使用者に与える痛みを低減させる効果と、傷害防止の効果も、併せ持つことができる。
【００５６】
このように、脈波検出センサーと生体表面との間の領域を、弾性材料、もしくは流動体が内在した袋体で構成すると、生体情報取得能力と安全性の向上に対する効果を期待できる。
【００５７】
以上のように、同一基板上に実装された発光素子および受光素子と、再帰性反射特性を有する反射素子との組み合わせよりなる光学系で構成される脈波検出センサーを利用すると、受光素子で検出される光強度信号より、基板から反射素子までの距離、および基板と反射素子とで挟まれた空間に作用している圧力を正確に求めることが可能となる。この際
、基板と反射素子との相対勾配の影響も小さく押さえ込むことも可能である。また、構成が非常にシンプルなので、生産性にも優れ、安価なセンサーを供給可能となる。さらに、本発明の脈波検出センサーでは、「脈波反転現象」や「脈波消滅現象」といった脈動検出時の致命的問題を伴わないので、カフオシロメトリック方式血圧計の空気袋内蔵腕帯（カフ）の代用が可能となり、血圧計の小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
（第１の実施形態）
はじめに、本発明の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。図１は心拍計用の脈波検出センサーの断面図である。脈波検出センサー２００は、発光素子２０１と受光素子２０２とを含み、双方素子はフレキシブルプリントケーブル２０７上に実装されている。フレキシブルプリントケーブル２０７は、裏打ち板２０４で変形しないように拘束されている。フレキシブルプリントケーブル２０７とセンサー基体２０６とは遮光性弾性リング２０５とで接続されており、センサー基体２０６には再帰性反射特性を有するコーナーキューブミラー２０３が埋設されている。脈波検出センサー２００は、心拍に伴う生体表面の変動を感知可能な部位であれば、どこに設置されてもよく、設置される部位においては、裏打ち板２０４が生体表面に当接される。ここでは、図示しないが、裏打ち板２０４の生体表面と当接する側に薄い弾性シート等を貼り付けて、生体への傷害防止をしても良い。
【００５９】
発光素子２０１については、例えば、発光ピーク波長が６５０ｎｍ付近に存在し、「指向特性」の半値角が約６０°程度となるチップＬＥＤが利用される。受光素子２０２については、発光素子２０１から放出される光束を検出可能な感度領域を有していれば良く、フォトダイオードであってもフォトトランジスタであっても良い。また、遮光性弾性リング２０５については、例えば、カーボンブラックが充填された黒色シリコンゴムが利用される。コーナーキューブミラー２０３は、理想的にはアクリル系透明樹脂等で成形加工により製作される。発光素子２０１と受光素子２０２は、各１ケであっても各複数であっても、または一方が１ケで残る一方が複数の組み合わせの何れでも良く、これらの素子の実装範囲の略中心点が、コーナーキューブミラー２０３入射面の中心点と略一致するように構成される。更に、発光素子２０１と受光素子２０２の実装範囲は、コーナーキューブミラー２０３入射面範囲よりも面積的に狭く構成される。また、発光素子２０１から放出された光が受光素子２０２に直接伝わることが無いよう、遮光処理を施す必要もある。
【００６０】
図１に示した実施形態では、受光素子２０２で検出される信号は、コーナーキューブミラー２０３と裏打ち板２０４との間の、相対勾配分が排除された平均間隔相当になる。裏打ち板２０４を、心拍に伴う変動を検出可能な生体表面に押し付けると、その変動に伴って、コーナーキューブミラー２０３と裏打ち板２０４との間の平均間隔も変動を起こす。この平均間隔相当が受光素子２０２の検出信号として出力されるようになる。このようにして、「脈波反転現象」や「脈波消滅現象」を伴わない、良好な脈波検出が可能となる。
【００６１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図２を用いて説明する。図２は血圧計用の脈波検出センサーの断面図である。脈波検出センサー１００は動脈１５１の略直上の生体組織１５０を、付与圧力を変化させながら押圧する。脈波検出センサー１００は、発光素子１０１と受光素子１０２および再帰性反射素子であるコーナーキューブミラー１０３からなる光学系を含む。発光素子１０１と受光素子１０２は、ともにフレキシブルプリントケーブル１０７上の所定の位置に実装され、血圧計本体内の制御回路に接続される。発光素子１０１と受光素子１０２が実装されたフレキシブルプリントケーブル１０７とコーナーキューブミラー１０３との間には、発光素子１０１から放射される光線が透過可能で散乱作用の少ない弾性材料１０４が介在し、両方の面ともに、同じように、発光素子１０１から放射
される光線が透過可能な接着剤にて接着される。コーナーキューブミラー１０３はセンサー基体１０８にホールドされ、センサー基体１０８は、図示しない血圧計本体内の押圧手段に接続される。前述のフレキシブルプリントケーブル１０７のコーナーキューブミラー１０３領域下に該当し、発光素子１０１と受光素子１０２とが実装されている面と反対側の面は、裏打ち板１０６で補強されて自由変形が拘束される。裏打ち板１０６の生体当接領域には、弾性体１０５が設けられ、生体表面の傷害防止、生体への均等押圧化や裏打ち板で発生する勾配緩和といった役割を果たす。弾性体１０５は、内部に流体が収まる袋体で代用されても良い。
【００６２】
発光素子１０１や受光素子１０２やコーナーキューブミラー１０３については、前述の「第１の実施形態」と同様な考え方をして選択をすれば良い。前述の散乱作用の少ない弾性材料１０４としては、透明なシリコンゴム材料等を利用すれば良い。また、他の透明有機化学材料やゲル材料等で代替することも可能である。いずれの材料を利用する場合でも、材料内の気泡に関しては十分な配慮が必要となる。更に、コーナーキューブミラー１０３やフレキシブルプリントケーブル１０７との接着に利用する接着剤としては、透明タイプのシリコン樹脂系のものを利用すれば良い。こちらについても、光学機器製造現場で光学部品の貼り合せで利用される、他の接着剤を代用することも可能である。これら接着剤は、接着力を損なわない範囲で可能な限り薄く塗布するのが良い。
【００６３】
脈波検出センサー１００が動脈１５１を効果的に押圧できると、押圧時に付与した圧力に応じて動脈１５１の管径が変化し、その内部血流量も変化する。この血流量変化に伴い、動脈１５１近傍の生体組織１５０の表面では、脈波検出センサー１００での付与圧力に応じた表面変動が発生する。この表面変動は、前述の「第１の実施形態」で説明したのと同様に、コーナーキューブミラー１０３と裏打ち板１０６との間の平均距離を変動させ、この結果として受光素子１０２の出力信号に、その表面振動に対応した脈波成分が検出されることになる。その弾性材料１０４にはフックの法則（Ｈｏｏｋ’ｓ  ｌａｗ）が成立し、弾性材料１０４に付与された垂直応力σの大きさに対応した形で、弾性材料には歪量εが発生する。一般に、縦弾性定数Ｅと用いて、σ＝Ｅ・εの関係式で知られる。ここに、弾性材料１０４の付与無し時の自然長をＬｎとし、応力σが付与した際の収縮長をδＬｎとすれば、ε＝δＬｎ／Ｌｎである。今、フックの法則の一般式を書き直すと、σ＝Ｅ・δＬｎ／Ｌｎとなる。弾性材料１０４に応力σが付与した際の弾性材料１０４の厚みをＬｖとすれば、δＬｎ＝Ｌｖ−Ｌｎなので、σ＝Ｅ・（Ｌｖ−Ｌｎ）／Ｌｎとなる。更に変形すると、Ｌｖ＝Ａ・σ＋Ｂという関係式で表現可能になる（Ａ、Ｂは、ともに所定の定数）。応力σは付与圧力相当であり、Ｌｖはコーナーキューブミラー１０３と裏打ち板１０６の間の平均距離に対応するので、関係式は、平均距離を計測すれば生体に付与されている圧力が推定可能となることを示している。この際、弾性材料１０４に作用する応力σの分散が小さい方が好ましい為、コーナーキューブミラー１０３と裏打ち板１０６との間の相対勾配ができる限り緩和される方が良い。本実施例で設けた弾性体１０５は、裏打ち板１０６と生体組織１５０の表面に出来うる空隙を消滅させる役割や、生体組織１５０の表面への傷害を防止する役割のほかに、前述の、コーナーキューブミラー１０３と裏打ち板１０６との間の相対勾配を緩和する役割も果たす。この相対勾配を緩和可能なように、弾性体１０５の変形の自由度は大きめの方が好ましい。ただし、生体接触面積に大きな変化が生じないような適度な硬さにも配慮が必要である。
【００６４】
このように、本実施形態で示した脈波検出センサー１００は、付与圧力測定と脈波検出という２つの機能を併せ持つことが可能となる。従来のオシロメトリック方式の血圧計構成で、腕帯内空気袋（カフ）と圧力検出手段とから成立した系と同等の機能を有することになる。このオシロメトリック方式血圧計の圧力検出信号の取扱いと同様に、受光素子１０２で検出した光電出力信号にローパスフィルター回路を作用させることで、脈波成分が除去された圧力情報相当が取得可能となる。また、光電出力信号に適度なバンドパスフィ
ルター回路もしくはハイパスフィルター回路を作用させることで、所望周波数帯の脈波成分情報が取得可能となる。ここでは、アナログ回路を用いた処理方法を例に上げて説明したが、これと同等の処理方法を数値演算で対処しても良い。更に、圧力情報相当と実際に付与されている圧力との関係は、センサーの製造工程内で、組み上がった個々の脈波検出センサーに対して、１つもしくは複数の既知の圧力を付与させた際の、圧力情報相当値を検出しながら圧力較正テーブルを作成し、テーブルを血圧計制御回路内のＲＯＭ等に記録すれば良い。血圧計内の制御としては、脈波検出センサー１００から検出された圧力情報相当とテーブルとを見比べながら、生体への付与圧力を決定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の脈波検出センサーの第一の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の脈波検出センサーの第二の実施形態を示す図である。
【図３】本発明の脈波検出センサーにおけるコーナーキューブミラーの全体構成図を示す図である。
【図４】本発明の脈波検出センサーにおけるコーナーキューブミラーの方向別構成図を示す図である。
【図５】本発明の脈波検出センサーにおけるコーナーキューブミラーの代表的な光学機能を示す図である。
【図６】本発明の脈波検出センサーにおけるコーナーキューブミラーの視野角範囲が果たす役割を示す図である。
【図７】本発明の脈波検出センサーにおける再帰性反射板の視野角範囲が果たす役割を示す図である。
【図８】本発明の脈波検出センサーにおける再帰性反射板の代表的な光学機能を示す図である。
【図９】本発明の脈波検出センサーにおける再帰性反射板の変位に伴う光強度変化の一例を示す図である。
【図１０】一般的な反射平面の変位に伴う光強度変化の一例を示す図である。
【図１１】再帰性反射板の勾配変動に伴う光強度変化の一例を示す図である。
【図１２】一般的な反射平面の勾配変動に伴う光強度変化の一例を示す図である。
【図１３】一般的な反射平面が勾配変動する際の光学機能を示す図である。
【図１４】「脈波反転現象」および「脈波消滅現象」の発生原理を示す図である。
【図１５】従来の脈波検出センサーの概略構成を示す図である。
【図１６】従来の脈波検出センサーの光強度変化特性の一例を示す図である。
【図１７】従来の脈波検出センサーの概略構成を示す図である。
【図１８】発光素子の有する指向特性の一例を示す図である。
【図１９】従来の脈波検出センサーの光電脈動信号波形を示す図である。
【図２０】従来の脈波検出センサーの圧力脈動信号波形を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１００  脈波検出センサー
１０１  発光素子
１０２  受光素子
１０３  コーナーキューブミラー
１０４  弾性材料
１０５  弾性体
１５０  生体組織
１５１  動脈
２００  脈波検出センサー
２０１  発光素子
２０２  受光素子
２０３  コーナーキューブミラー
３００  コーナーキューブミラー
５０１  発光素子
５０３  コーナーキューブミラー
６０１  発光素子
６０３  コーナーキューブミラー
７０１  発光素子
７０３  再帰性反射板
８０１  発光素子
８０３  再帰性反射板
１３０１  発光素子
１３０２  受光素子
１３０３  反射平面
１５０１  発光素子
１５０２  受光素子
１５０３  反射平面
１７０１  発光素子
１７０２  受光素子
１７０３  反射平面
１７０６  気体圧力検出室
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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