活体信息测量装置的制作方法

文档序号:11202972来源:国知局
活体信息测量装置的制造方法

本发明涉及活体信息测量装置。



背景技术:

日本未审查专利申请第2008-212258号公报描述了一种光学检测装置,该光学检测装置包括多个发光元件,所述多个发光元件形成在基板上;光接收元件,其接收来自用从发光元件发射的光束照射的外部物体的反射光束,并且将反射光束转换成电检测信号;驱动单元,其能够彼此独立地驱动多个发光元件;存储单元,当多个发光元件彼此独立地被驱动时,该存储单元存储对应于多个发光元件而获得的多个检测信号;以及确定单元,其基于存储单元中存储的多个检测信号来确定多个发光元件中的一个将要用作光源。

作为活体传感器的示例的一些血流传感器通过朝向活体发射激光束,并且通过接收从活体反射的反射光束,来测量皮下血管(诸如毛细血管)的血流、血液成分量等。已知血流传感器测量的区域的皮下深度取决于发光元件与光接收元件之间的距离。具体地,已知血流传感器测量的区域的皮下深度随着发光元件与光接收元件之间的距离增加而增加。为了增加诊断和保健所需的信息量,优选的是在多于一个深度下获得活体信息。



技术实现要素:

本发明的目的是,提供一种活体信息测量装置,与通过从单个发光元件发射光束并且从活体接收反射光束来获得活体信息的情况相比,该活体信息测量装置能够获得活体的多个深度的活体信息。

根据本发明的第一方面,一种活体信息测量装置包括:多个发光元件;光接收元件,该光接收元件设置在距所述发光元件不同距离的位置处,并且当所述发光元件朝向所述活体发射光束时,该光接收元件接收从活体反射的反射光束;控制单元,该控制单元控制所述发光元件,使得所述发光元件持续发射所述光束;以及测量单元,该测量单元通过使用被所述光接收元件持续接收的所反射的光束来测量在所述活体中多个深度处的活体信息。

根据本发明的第二方面,所述控制单元控制所述多个发光元件,使得用于驱动各个发光元件的电流随着从所述光接收元件到所述发光元件的距离减小而减小,并且用于驱动各个发光元件的所述电流随着从所述光接收元件到所述发光元件的距离增大而增大。

根据本发明的第三方面,所述活体信息测量装置还包括衰减滤波器,该衰减滤波器衰减从所述多个发光元件发射的所述光束,使得从各个发光元件发射的所述光束的衰减率随着从所述光接收元件到所述发光元件的距离减小而增大,并且从各个发光元件发射的所述光束的所述衰减率随着从所述光接收元件到所述发光元件的距离增大而减小。

根据本发明的第四方面,各个发光元件的上电极中的开口的面积随着从所述光接收元件到所述发光元件的距离减小而减小,并且各个发光元件的所述上电极中的所述开口的所述面积随着从所述光接收元件到所述发光元件的距离增大而增大。

根据本发明的第五方面,各个发光元件的台面(mesa)尺寸随着从所述光接收元件到所述发光元件的距离减小而增大,并且各个发光元件的所述台面尺寸随着从所述光接收元件到所述发光元件的距离增大而减小。

根据本发明的第六方面,各个发光元件的台面尺寸随着从所述光接收元件到所述发光元件的距离减小而减小,并且各个发光元件的所述台面尺寸随着从所述光接收元件到所述发光元件的距离增大而增大。

根据本发明的第七方面,所述多个发光元件是多个面发射激光器或是设置在面发射激光器阵列的单个基板上的多个发光点。

根据本发明的第八方面,所述活体信息包括如下各项中的至少一项:所述活体的血流、血液速度、血液量、脉搏率、光电容积脉搏波(photoplethysmogram)、血液成分和血压。

凭借本发明的第一方面,与通过从单个发光元件发射光束并且从活体接收反射光束来获得活体信息的情况相比,可以获得活体的多个深度的活体信息。

凭借本发明的第二方面,与用于驱动发光元件的电流是相同的而不管从光接收元件的距离如何的情况相比,可以减小由光接收元件接收的光的量的变化。

凭借本发明的第三方面,与不调整从发光元件发射的光束的衰减率的情况相比,可以减小由光接收元件接收的光的量的变化。

凭借本发明的第四方面,与发光元件的上电极中的开口的面积是相同的而不管从光接收元件的距离如何的情况相比,可以减小由光接收元件接收的光的量的变化。

凭借本发明的第五或第六方面,与发光元件的台面尺寸是相同的而不管从光接收元件的距离如何的情况相比,可以减小由光接收元件接收的光的量的变化。

凭借本发明的第七方面,与发光元件不是面发射激光器的情况相比,可以减小由光接收元件接收的光的量的变化。

凭借本发明的第八方面,可以获得血液有关信息,作为活体信息。

附图说明

将基于以下附图详细描述本发明的示例性实施方式,附图中:

图1是例示了血流的测量的示例的示意图;

图2是例示了因来自活体的反射光而引起的所接收光量的改变的一个示例的曲线图;

图3是用于说明当用激光束照射血管时发生的多普勒频移的示意图;

图4是用于说明当用激光束照射血管时发生的斑纹的示意图;

图5是例示了谱分布相对于所接收光的量的改变的一个示例的曲线图;

图6是例示了血流信息的改变的一个示例的曲线图;

图7是例示了根据第一示例性实施方式的多个发光元件和光接收元件的平面图;

图8例示了上面放置指尖的活体信息测量装置;

图9是面发射激光器阵列的平面图;

图10是活体信息测量装置的示例性框图;

图11是发光时刻的时刻图;

图12是代表多个深度的血流的曲线图;

图13是根据第二示例性实施方式的面发射激光器阵列的侧面图;

图14是根据第三示例性实施方式的面发射激光器阵列的侧面图;

图15是根据第四示例性实施方式的面发射激光器阵列的侧面图;

图16是根据第五示例性实施方式的面发射激光器阵列的侧面图;以及

图17是根据第五示例性实施方式的修改例的面发射激光器阵列的侧面图。

具体实施方式

下文中,将参照附图来描述本发明的示例性实施方式。在所有附图中,执行相同操作或具有相同功能的元件将由相同的附图标记来表示,并且将省略这种元件的冗余描述。

第一示例性实施方式

参照图1,将描述测量作为与血液有关的活体信息的示例的血流信息的方法。

如图1例示,通过如下各项来测量血流信息:通过从发光元件1朝向患者身体(活体8)发光;通过使用光接收元件3接收被患者身体中的动脉4、静脉5、毛细血管6等反射或透射的光;并且通过测量所接收光的强度(即,由光接收元件3接收的反射光或透射光的量)。

血流信息的测量

图2例示了示出了曲线80的曲线图,其代表由光接收元件3接收的反射光的量的示例。在图2的曲线图中,水平轴代表时间,并且纵轴代表光接收元件3的输出,即,由光接收元件3接收的光量。

如图2例示,由光接收元件3接收的光量随时间改变。认为该改变由于当用光照射包括血管的活体8时发生的以下第一至第三光学现象而发生。

第一光学现象是,由于脉动因正在测量的血管中存在的血液量的改变而发生的光的吸收的改变。血液包括诸如红血细胞这样的血细胞,并且血液在诸如毛细血管6这样的血管中移动。因此,当血液量改变时,血管中移动的血细胞的数量也改变。该改变可能影响光接收元件3所接收的光的量。

第二光学现象是多普勒频移的影响。

图3例示了如下示例,其中,例如发光元件1朝向包括毛细血管6(其是血管的示例)的区域发射诸如激光束这样的、具有频率ω0的相干光束40。在这种情况下,具有频率差δω0的多普勒频移发生在由于由毛细血管6中移动的血细胞散射相干光束40而生成的所散射光束42的一部分中。频率差δω0由血细胞的移动速率来确定。相反,由于由不包括移动成分(诸如血细胞)的器官(静止组织)散射相干光束40而产生的所散射光束42的另一部分,具有与所发射光束的频率ω0相同的频率。因此,被血管(诸如毛细血管6)散射的、具有频率(ω0+δω0)的散射光42的部分与被静止组织散射的、具有频率ω0的散射光42的另一部分彼此干涉。因此,具有频率差δω0的差拍信号(beatsignal)由光接收元件3观察,并且由光接收元件3接收的光的量随时间改变。取决于血细胞的移动速率的、由光接收元件3观察到的差拍信号的频率差δω0在具有几十千赫兹的上限的范围内。

第三光学现象是斑纹的影响。

图4例示了发光元件1朝向沿箭头44的方向移动的血细胞7(诸如红血细胞)发射相干光束40(诸如激光束)的情况。在这种情况下,激光束被血细胞7沿各种方向散射。具有不同相位的散射光随机彼此干涉。由此,具有随机斑点图案的光强度分布发生。这样形成的光强度分布图案称为“斑纹图案”。

如上所述,因为血细胞7在血管中移动,所以光被血细胞7散射的方式改变,并且斑纹图案随时间变化。因此,被光接收元件3接收的光量随时间改变。

接着,将描述获得血流信息的方法的示例。参照图2,当获得由光接收元件3接收的光量的时序数据(time-seriesdata)时,切去预定单位时间t0中数据的一部分。通过对数据执行例如快速傅里叶变换(fft),而获得频率ω的谱分布。图5是示出了代表单位时间t0中频率ω的谱分布的示例的曲线82的曲线图。在图5的曲线图中,水平轴代表频率ω,而纵轴代表谱强度。

血液量与通过相对于总光量规格化功率谱的面积(由图5的曲线图的曲线82、横轴和纵轴围绕的阴影线区域84代表)而获得的值成比例。血液速度与由曲线82代表的功率谱的平均频率成比例。因此,血液速度,与通过频率ω和该频率ω处的功率谱的乘积相对于频率ω的积分除以阴影线区域84的面积而获得的值成比例。

通过使用用于计算血液量和血液速度的上述公式来获得血流(其是血液量和血液速度的乘积)。血流、血液速度和血液量是血流信息的示例。然而,血流信息不限于这些。

图6是示出了曲线86的曲线图,其代表计算得的单位时间t0中的血流的改变的示例。在图6的曲线图中,水平轴代表时间,而纵轴代表血流。

如图6例示,血流随时间变化,并且变化的趋势被分为两种。例如,图6的间隔t2中血流的变化范围90大于图6的间隔t1中血流的变化范围88。假设这是因为间隔t1中血流的改变主要由于脉动,并且间隔t2中血流的改变由于例如淤血。

如上所述,已知血流传感器测量的区域的皮下深度随着发光元件与光接收元件之间的距离增大而增大。为了增加诊断和保健所需的信息量,优选的是在多于一个的深度获得活体信息。

因此,在本示例性实施方式中,光接收元件设置在与多个发光元件不同距离的位置处,并且控制发光元件,使得发光元件持续发射光束。活体中不同深度处流动的血液通过使用被光接收元件持续接收的所反射的光束来测量。

图7是例示了根据本示例性实施方式的多个发光元件和光接收元件的排列的示例的平面图。图7例示了使用四个发光元件1a至1d的情况。发光元件1a至1d具有相同的特性。发光元件的数量不限于四个,而可以根据要获得活体信息的深度的数量来适当确定。在本示例性实施方式中,例如,面发射激光器用作发光元件1a至1d。另选地,可以使用边缘发射激光器。如上所述,当测量血流时,使用因差拍信号而引起的光接收量的谱分布。因此,优选地,能够发射容易生成差拍信号的光束的激光装置用作发光元件1a至1d。

如图7例示,发光元件1a至1d和光接收元件3沿着直线排列。发光元件1a至1d与光接收元件3之间的距离d1至d4彼此不同。具体地,d1<d2<d3<d4。虽然发光元件1a至1d和光接收元件3在图7中沿着直线排列,但倘若发光元件1a至1d与光接收元件3之间的距离d1至d4彼此不同,则发光元件1a至1d不必沿着直线排列。

如图8例示,发光元件1a至1d和光接收元件3在壳体50中以行排列。透明板52被设置为,面向发光元件1a至1d的发光面。用户将他/她的指尖54放在透明板52上并且执行测量。如图8例示,发光元件1a发射光束56a,发光元件1b发射光束56b,发光元件1c发射光束56c,并且发光元件1d发射光束56d。当对指尖54中光束56a至56d的路径进行比较时,各个光束56a至56d达到的深度随着从光接收元件3到发光元件1a至1d中的对应一个的距离增大而增大。

如图9例示,可以使用面发射激光器阵列11,其中在单个基板2上设置多个发光点1a至1d。

图10是根据本示例性实施方式的活体信息测量装置10的示例性框图。

如图10例示,活体信息测量装置10包括:控制器12、驱动电路14、放大电路16、模拟/数字(a/d)转换电路18、测量单元20、发光元件1a至1d以及光接收元件3。

驱动电路14包括向发光元件1a至1d供给电力的供电电路。控制器12向驱动电路14输出用于控制发光元件1a至1d的发光周期和发光时段的控制信号。

当从控制器12接收控制信号时,驱动电路14根据由控制信号指示的发光周期和发光时段,向发光元件1a至1d供给电力,以驱动发光元件1a至1d。

例如,如图11例示,驱动电路14在偏移发光元件1a至1d发射光束的时间的同时,重复地使发光元件1a(ch1)、1b(ch2)、1c(ch3)和1d(ch4)各达在时段t1中持续发射光束,并且在时段t2中停止发射光束。

放大电路16将与由光接收元件3接收的光的强度对应的电压,放大到a/d转换电路18的指定输入电压范围内的电平。这里,例如,光接收元件3输出与所接收光的强度对应的电压。另选地,光接收元件3可以输出与所接收光的强度对应的电流。在这种情况下,放大电路16放大从光接收元件3输出的电流。

被放大电路16放大的电压输入到a/d转化电路18。a/d转换电路18对由电压代表的、由光接收元件3接收的光量进行数字化,并且输出所接收光的数字化量。

已经被a/d转换电路18数字化的所接收的光的量输入到测量单元20。测量单元20对从发光元件1a至1d发射的、且由光接收元件3接收的光的各个量执行fft,以计算频率ω的谱分布。然后,测量单元20通过相对于整个频率ω对谱分布进行积分,来测量活体的血流。当发光元件1a至1d在图11所示的时刻持续发射光束时,从发光元件1a至1d发射的、且被光接收元件3接收的光束的量被持续输入到测量单元20。测量单元20通过每当输入所接收光的量时就执行上述操作,来测量血流。由此,如图12例示获得多个深度处的血流。

如上所述,根据本示例性实施方式,光接收元件3设置在从发光元件1a至1d的不同距离的位置处,并且通过使用来自被光接收元件3持续接收的活体的反射光束,来测量活体的多个深度处的血流。因此,与通过从单个发光元件发射光束并且通过从活体接收所反射的光束而获得血流的情况相比,获得活体的多个深度处的血流,并且获得用于诊断和保健的活体信息。

第二示例性实施方式

接着,将描述本发明的第二示例性实施方式。

图13是根据本示例性实施方式的面发射激光器阵列11的侧面图。如上所述,面发射激光器阵列11在单个基板2上包括多个发光点1a至1d。将省略第二示例性实施方式的与第一示例性实施方式相同的其他部件的描述。

在本示例性实施方式中,控制发光点1a至1d,使得用于驱动各个发光点的驱动电流随着从光接收元件3到发光点的距离减小而减小,并且用于驱动各个发光点的电流随着从光接收元件3到发光点的距离增大而增大。

如图13例示,驱动电路14向发光点1a至1d供给用于驱动发光点1a至1d的电流a至d。供给给发光点1a(该发光点1a在距光接收元件3的最短距离处)的电流a是最小的。供给给发光点1d(该发光点1d在距光接收元件3的最长距离处)的电流d是最大的。

由此,在来自发光点1a至1d的光输出a至d中,来自发光点1a(该发光点1a在距光接收元件3的最短距离处)的光输出是最小的;并且来自发光点1d(该发光点1d在距光接收元件3的最长距离处)的光输出是最大的。随着从光接收元件3到发光点的距离增大,活体中传播的光的距离增大,并且光的衰减增大。因此,通过随着增大从光接收元件3的距离,而增大供给给各个发光点的电流,抑制从发光点1a至1d发射的、且被光接收元件3接收的光量的变化。

优选地,设置供给给发光点1a至1d的电流的值,使得从各个发光点1a至1d发射的、且被光接收元件3接收的光的量在光接收元件3的动态范围内。在这种情况下,高精度地获得多个深度处的活体信息。

可以根据要测量的活体信息的种类来改变电流a至d的大小。在这种情况下,实现了适合于测量得的活体信息的种类的光输出。

第三示例性实施方式

接着,将描述本发明的第三示例性实施方式。

在本示例性实施方式中,如图14例示,衰减滤波器13设置在面发射激光器阵列11的光输出侧上。将省略第三示例性实施方式的与第二示例性实施方式相同的其他部件的描述。

衰减滤波器13衰减从发光点1a至1d发射的光束,使得从各个发光点发射的光束的衰减率随着从光接收元件3到发光点的距离减小而增大,并且从各个发光点发射的光束的衰减率随着从光接收元件3到发光点的距离增大而减小。具体地,衰减滤波器13包括:区域13a,从发光点1a发射的光束穿过区域13a;区域13b,从发光点1b发射的光束穿过区域13b;区域13c,从发光点1c发射的光束穿过区域13c;以及区域13d,从发光点1d发射的光束穿过区域13d。区域13a、13b、13c和13d中的衰减率以该顺序减小。

驱动电路14向发光点1a至1d供给相同的电流a。由此,在来自发光点1a至1d的光输出a至d中,来自发光点1a(该发光点1a在距光接收元件3的最短距离处)的光输出a是最小的;并且来自发光点1d(该发光点1d在距光接收元件3的最长距离处)的光输出d是最大的。随着从光接收元件3到发光点的距离增大,活体中传播的光的距离增大,并且光的衰减增大。因此,通过在面发射激光器阵列11的光输出侧上设置衰减滤波器13(其中,光的衰减率随着从光接收元件3的距离增大而减小),抑制从发光点1a至1d发射的、且被光接收元件3接收的光量的变化。

优选地,设置衰减滤波器13的区域的衰减率,使得从各个发光点1a至1d发射的且被光接收元件3接收的光的量在光接收元件3的动态范围内。在这种情况下,高精度地获得多个深度处的活体信息。

第四示例性实施方式

接着,将描述本发明的第四示例性实施方式。

图15例示了根据本示例性实施方式的面发射激光器阵列11a。将省略第四示例性实施方式的与第二示例性实施方式相同的其他部件的描述。

如图15例示,发光点1a至1d分别包括上电极15a至15d。在面发射激光器阵列11a中,各个发光点的上电极中的开口的面积随着从光接收元件3到发光点的距离减小而减小,并且各个发光点的上电极中的开口的面积随着从光接收元件3到发光点的距离增大而增大。在本示例性实施方式中,发光点1a至1d在如图9例示的平面图中各具有圆形。同样地,上电极15a至15d和上电极15a至15d的开口在平面图中各具有圆形形状。因此,光接收元件3的各个发光点的上电极中的开口的直径随着从光接收元件3到发光点的距离减小而减小,并且光接收元件3的发光点的上电极中的开口的直径随着从光接收元件3到发光点的距离增大而增大。

即,如图15例示,发光点1a(该发光点1a在距光接收元件3的最短距离处)的上电极15a中的开口的直径r1是最小的;并且发光点1d(该发光点1d在距光接收元件3的最长距离处)的上电极15d中的开口的直径r4是最大的。

驱动电路14向发光点1a至1d供给相同的电流a。由此,在来自发光点1a至1d的光输出a至d中,来自发光点1a(该发光点1a在距光接收元件3的最短距离处)的光输出a是最小的,并且来自发光点1d(该发光点1d在距光接收元件3的最长距离处)的光输出d是最大的。随着从光接收元件3到各个发光点的距离增大,活体中传播的光的距离增大,并且光的衰减增大。因此,通过随着从光接收元件3的距离增大来增大上电极中的开口的直径,抑制从发光点1a至1d发射的且被光接收元件3接收的光量的变化。

优选地,设置上电极中的开口的面积(开口的直径),使得从各个发光点1a至1d发射的且被光接收元件3接收的光的量在光接收元件3的动态范围内。在这种情况下,高精度地获得多个深度处的活体信息。

第五示例性实施方式

接着,将描述本发明的第五示例性实施方式。

图16例示了根据本示例性实施方式的面发射激光器阵列11b。将省略第五示例性实施方式的与第二示例性实施方式相同的其他部件的描述。

根据本示例性实施方式的面发射激光器阵列11b的发光点1a至1d在平面图中各具有圆形形状。被氧化区域17a至17d各具有在平面图中围绕未被氧化区域的环形形状。各个发光点的直径随着从光接收元件3到发光点的距离减小而增大,并且各个发光点的直径随着从光接收元件3到发光点的距离增大而减小。即,如图16例示,发光点1a(该发光点1a在距光接收元件3的最短距离处)的直径s1是最大的;并且发光点1d(该发光点1d在距光接收元件3的最长距离处)的直径s4是最小的。

形成发光点1a至1d的被氧化区域17a至17d所需的氧化时间对于所有发光点1a至1d是相同的。因此,被氧化区域17a至17d的氧化距离大致相同。因此,因为发光点1a至1d的直径彼此不同,所以由被氧化区域17a至17d围绕的未被氧化区域的直径(即,台面尺寸)彼此不同。

即,如图16例示,发光点1a(该发光点1a在距光接收元件3的最短距离处)的台面尺寸m1是最大的;并且发光点1d(该发光点1d在距光接收元件3的最长距离处)的台面尺寸m4是最小的。

驱动电路14向发光点1a至1d供给相同的电流a。由此,在来自发光点1a至1d的光输出a至d中,来自发光点1a(该发光点1a在距光接收元件3的最短距离处)的光输出a是最小的,并且来自发光点1d(该发光点1d在距光接收元件3的最长距离处)的光输出d是最大的。随着从光接收元件3到发光点的距离增大,活体中传播的光的距离增大并且光的衰减增大。因此,通过随着从光接收元件3的距离增大而增大台面尺寸,抑制从发光点1a至1d发射的且被光接收元件3接收的光量的变化。

通常,发光量随着台面尺寸增大而减小。然而,当驱动电流增大时,发光量可以随着台面尺寸增大而增大。因此,如图17例示,根据驱动条件,发光点的台面尺寸之间的关系可以与上述关系颠倒。优选地,设置发光点的台面尺寸(未被氧化区域的直径),使得从各个发光点1a至1d发射的且被光接收元件3接收的光的量在光接收元件3的动态范围内。在这种情况下,高精度地获得多个深度处的活体信息。

在各个上述示例性实施方式中,活体信息测量装置10用于测量血流,作为活体信息。然而,如上所述,活体信息测量装置10可以用于测量血液速度,而不是血流。例如,通过使用从光接收元件3接收的光量来测量脉搏率,这是因为被光接收元件3接收的光量由于动脉的脉动而改变。通过计算通过以时间顺序测量脉搏率的改变而获得的波形的第二导数来计算光电容积脉搏波。光电容积脉搏波用于例如估计血管年龄或诊断动脉硬化。活体信息测量装置10可以用于测量血液成分(血糖水平等)、血压等。

对本发明的示例性实施方式的上述说明是为了例示和说明的目的而提供的。并非旨在对本发明进行穷尽,或者将本发明限于所公开的精确形式。显而易见的是,很多修改例和变型例对于本领域技术人员是明显的。选择了实施方式进行说明以最好地解释本发明的原理及其实际应用,以使本领域其它技术人员能够理解本发明的各种实施方式,以及适合于所设想的具体用途的各种变型。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物来限定。

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