本發明涉及活體信息測量裝置。

背景技術：

日本未審查專利申請第2008-212258號公報描述了一種光學檢測裝置，該光學檢測裝置包括多個發光元件，所述多個發光元件形成在基板上；光接收元件，其接收來自用從發光元件發射的光束照射的外部物體的反射光束，并且將反射光束轉換成電檢測信號；驅動單元，其能夠彼此獨立地驅動多個發光元件；存儲單元，當多個發光元件彼此獨立地被驅動時，該存儲單元存儲對應于多個發光元件而獲得的多個檢測信號；以及確定單元，其基于存儲單元中存儲的多個檢測信號來確定多個發光元件中的一個將要用作光源。

作為活體傳感器的示例的一些血流傳感器通過朝向活體發射激光束，并且通過接收從活體反射的反射光束，來測量皮下血管(諸如毛細血管)的血流、血液成分量等。已知血流傳感器測量的區域的皮下深度取決于發光元件與光接收元件之間的距離。具體地，已知血流傳感器測量的區域的皮下深度隨著發光元件與光接收元件之間的距離增加而增加。為了增加診斷和保健所需的信息量，優選的是在多于一個深度下獲得活體信息。

技術實現要素：

本發明的目的是，提供一種活體信息測量裝置，與通過從單個發光元件發射光束并且從活體接收反射光束來獲得活體信息的情況相比，該活體信息測量裝置能夠獲得活體的多個深度的活體信息。

根據本發明的第一方面，一種活體信息測量裝置包括：多個發光元件；光接收元件，該光接收元件設置在距所述發光元件不同距離的位置處，并且當所述發光元件朝向所述活體發射光束時，該光接收元件接收從活體反射的反射光束；控制單元，該控制單元控制所述發光元件，使得所述發光元件持續發射所述光束；以及測量單元，該測量單元通過使用被所述光接收元件持續接收的所反射的光束來測量在所述活體中多個深度處的活體信息。

根據本發明的第二方面，所述控制單元控制所述多個發光元件，使得用于驅動各個發光元件的電流隨著從所述光接收元件到所述發光元件的距離減小而減小，并且用于驅動各個發光元件的所述電流隨著從所述光接收元件到所述發光元件的距離增大而增大。

根據本發明的第三方面，所述活體信息測量裝置還包括衰減濾波器，該衰減濾波器衰減從所述多個發光元件發射的所述光束，使得從各個發光元件發射的所述光束的衰減率隨著從所述光接收元件到所述發光元件的距離減小而增大，并且從各個發光元件發射的所述光束的所述衰減率隨著從所述光接收元件到所述發光元件的距離增大而減小。

根據本發明的第四方面，各個發光元件的上電極中的開口的面積隨著從所述光接收元件到所述發光元件的距離減小而減小，并且各個發光元件的所述上電極中的所述開口的所述面積隨著從所述光接收元件到所述發光元件的距離增大而增大。

根據本發明的第五方面，各個發光元件的臺面(mesa)尺寸隨著從所述光接收元件到所述發光元件的距離減小而增大，并且各個發光元件的所述臺面尺寸隨著從所述光接收元件到所述發光元件的距離增大而減小。

根據本發明的第六方面，各個發光元件的臺面尺寸隨著從所述光接收元件到所述發光元件的距離減小而減小，并且各個發光元件的所述臺面尺寸隨著從所述光接收元件到所述發光元件的距離增大而增大。

根據本發明的第七方面，所述多個發光元件是多個面發射激光器或是設置在面發射激光器陣列的單個基板上的多個發光點。

根據本發明的第八方面，所述活體信息包括如下各項中的至少一項：所述活體的血流、血液速度、血液量、脈搏率、光電容積脈搏波(photoplethysmogram)、血液成分和血壓。

憑借本發明的第一方面，與通過從單個發光元件發射光束并且從活體接收反射光束來獲得活體信息的情況相比，可以獲得活體的多個深度的活體信息。

憑借本發明的第二方面，與用于驅動發光元件的電流是相同的而不管從光接收元件的距離如何的情況相比，可以減小由光接收元件接收的光的量的變化。

憑借本發明的第三方面，與不調整從發光元件發射的光束的衰減率的情況相比，可以減小由光接收元件接收的光的量的變化。

憑借本發明的第四方面，與發光元件的上電極中的開口的面積是相同的而不管從光接收元件的距離如何的情況相比，可以減小由光接收元件接收的光的量的變化。

憑借本發明的第五或第六方面，與發光元件的臺面尺寸是相同的而不管從光接收元件的距離如何的情況相比，可以減小由光接收元件接收的光的量的變化。

憑借本發明的第七方面，與發光元件不是面發射激光器的情況相比，可以減小由光接收元件接收的光的量的變化。

憑借本發明的第八方面，可以獲得血液有關信息，作為活體信息。

附圖說明

將基于以下附圖詳細描述本發明的示例性實施方式，附圖中：

圖1是例示了血流的測量的示例的示意圖；

圖2是例示了因來自活體的反射光而引起的所接收光量的改變的一個示例的曲線圖；

圖3是用于說明當用激光束照射血管時發生的多普勒頻移的示意圖；

圖4是用于說明當用激光束照射血管時發生的斑紋的示意圖；

圖5是例示了譜分布相對于所接收光的量的改變的一個示例的曲線圖；

圖6是例示了血流信息的改變的一個示例的曲線圖；

圖7是例示了根據第一示例性實施方式的多個發光元件和光接收元件的平面圖；

圖8例示了上面放置指尖的活體信息測量裝置；

圖9是面發射激光器陣列的平面圖；

圖10是活體信息測量裝置的示例性框圖；

圖11是發光時刻的時刻圖；

圖12是代表多個深度的血流的曲線圖；

圖13是根據第二示例性實施方式的面發射激光器陣列的側面圖；

圖14是根據第三示例性實施方式的面發射激光器陣列的側面圖；

圖15是根據第四示例性實施方式的面發射激光器陣列的側面圖；

圖16是根據第五示例性實施方式的面發射激光器陣列的側面圖；以及

圖17是根據第五示例性實施方式的修改例的面發射激光器陣列的側面圖。

具體實施方式

下文中，將參照附圖來描述本發明的示例性實施方式。在所有附圖中，執行相同操作或具有相同功能的元件將由相同的附圖標記來表示，并且將省略這種元件的冗余描述。

第一示例性實施方式

參照圖1，將描述測量作為與血液有關的活體信息的示例的血流信息的方法。

如圖1例示，通過如下各項來測量血流信息：通過從發光元件1朝向患者身體(活體8)發光；通過使用光接收元件3接收被患者身體中的動脈4、靜脈5、毛細血管6等反射或透射的光；并且通過測量所接收光的強度(即，由光接收元件3接收的反射光或透射光的量)。

血流信息的測量

圖2例示了示出了曲線80的曲線圖，其代表由光接收元件3接收的反射光的量的示例。在圖2的曲線圖中，水平軸代表時間，并且縱軸代表光接收元件3的輸出，即，由光接收元件3接收的光量。

如圖2例示，由光接收元件3接收的光量隨時間改變。認為該改變由于當用光照射包括血管的活體8時發生的以下第一至第三光學現象而發生。

第一光學現象是，由于脈動因正在測量的血管中存在的血液量的改變而發生的光的吸收的改變。血液包括諸如紅血細胞這樣的血細胞，并且血液在諸如毛細血管6這樣的血管中移動。因此，當血液量改變時，血管中移動的血細胞的數量也改變。該改變可能影響光接收元件3所接收的光的量。

第二光學現象是多普勒頻移的影響。

圖3例示了如下示例，其中，例如發光元件1朝向包括毛細血管6(其是血管的示例)的區域發射諸如激光束這樣的、具有頻率ω0的相干光束40。在這種情況下，具有頻率差δω0的多普勒頻移發生在由于由毛細血管6中移動的血細胞散射相干光束40而生成的所散射光束42的一部分中。頻率差δω0由血細胞的移動速率來確定。相反，由于由不包括移動成分(諸如血細胞)的器官(靜止組織)散射相干光束40而產生的所散射光束42的另一部分，具有與所發射光束的頻率ω0相同的頻率。因此，被血管(諸如毛細血管6)散射的、具有頻率(ω0+δω0)的散射光42的部分與被靜止組織散射的、具有頻率ω0的散射光42的另一部分彼此干涉。因此，具有頻率差δω0的差拍信號(beatsignal)由光接收元件3觀察，并且由光接收元件3接收的光的量隨時間改變。取決于血細胞的移動速率的、由光接收元件3觀察到的差拍信號的頻率差δω0在具有幾十千赫茲的上限的范圍內。

第三光學現象是斑紋的影響。

圖4例示了發光元件1朝向沿箭頭44的方向移動的血細胞7(諸如紅血細胞)發射相干光束40(諸如激光束)的情況。在這種情況下，激光束被血細胞7沿各種方向散射。具有不同相位的散射光隨機彼此干涉。由此，具有隨機斑點圖案的光強度分布發生。這樣形成的光強度分布圖案稱為“斑紋圖案”。

如上所述，因為血細胞7在血管中移動，所以光被血細胞7散射的方式改變，并且斑紋圖案隨時間變化。因此，被光接收元件3接收的光量隨時間改變。

接著，將描述獲得血流信息的方法的示例。參照圖2，當獲得由光接收元件3接收的光量的時序數據(time-seriesdata)時，切去預定單位時間t0中數據的一部分。通過對數據執行例如快速傅里葉變換(fft)，而獲得頻率ω的譜分布。圖5是示出了代表單位時間t0中頻率ω的譜分布的示例的曲線82的曲線圖。在圖5的曲線圖中，水平軸代表頻率ω，而縱軸代表譜強度。

血液量與通過相對于總光量規格化功率譜的面積(由圖5的曲線圖的曲線82、橫軸和縱軸圍繞的陰影線區域84代表)而獲得的值成比例。血液速度與由曲線82代表的功率譜的平均頻率成比例。因此，血液速度，與通過頻率ω和該頻率ω處的功率譜的乘積相對于頻率ω的積分除以陰影線區域84的面積而獲得的值成比例。

通過使用用于計算血液量和血液速度的上述公式來獲得血流(其是血液量和血液速度的乘積)。血流、血液速度和血液量是血流信息的示例。然而，血流信息不限于這些。

圖6是示出了曲線86的曲線圖，其代表計算得的單位時間t0中的血流的改變的示例。在圖6的曲線圖中，水平軸代表時間，而縱軸代表血流。

如圖6例示，血流隨時間變化，并且變化的趨勢被分為兩種。例如，圖6的間隔t2中血流的變化范圍90大于圖6的間隔t1中血流的變化范圍88。假設這是因為間隔t1中血流的改變主要由于脈動，并且間隔t2中血流的改變由于例如淤血。

如上所述，已知血流傳感器測量的區域的皮下深度隨著發光元件與光接收元件之間的距離增大而增大。為了增加診斷和保健所需的信息量，優選的是在多于一個的深度獲得活體信息。

因此，在本示例性實施方式中，光接收元件設置在與多個發光元件不同距離的位置處，并且控制發光元件，使得發光元件持續發射光束。活體中不同深度處流動的血液通過使用被光接收元件持續接收的所反射的光束來測量。

圖7是例示了根據本示例性實施方式的多個發光元件和光接收元件的排列的示例的平面圖。圖7例示了使用四個發光元件1a至1d的情況。發光元件1a至1d具有相同的特性。發光元件的數量不限于四個，而可以根據要獲得活體信息的深度的數量來適當確定。在本示例性實施方式中，例如，面發射激光器用作發光元件1a至1d。另選地，可以使用邊緣發射激光器。如上所述，當測量血流時，使用因差拍信號而引起的光接收量的譜分布。因此，優選地，能夠發射容易生成差拍信號的光束的激光裝置用作發光元件1a至1d。

如圖7例示，發光元件1a至1d和光接收元件3沿著直線排列。發光元件1a至1d與光接收元件3之間的距離d1至d4彼此不同。具體地，d1<d2<d3<d4。雖然發光元件1a至1d和光接收元件3在圖7中沿著直線排列，但倘若發光元件1a至1d與光接收元件3之間的距離d1至d4彼此不同，則發光元件1a至1d不必沿著直線排列。

如圖8例示，發光元件1a至1d和光接收元件3在殼體50中以行排列。透明板52被設置為，面向發光元件1a至1d的發光面。用戶將他/她的指尖54放在透明板52上并且執行測量。如圖8例示，發光元件1a發射光束56a，發光元件1b發射光束56b，發光元件1c發射光束56c，并且發光元件1d發射光束56d。當對指尖54中光束56a至56d的路徑進行比較時，各個光束56a至56d達到的深度隨著從光接收元件3到發光元件1a至1d中的對應一個的距離增大而增大。

如圖9例示，可以使用面發射激光器陣列11，其中在單個基板2上設置多個發光點1a至1d。

圖10是根據本示例性實施方式的活體信息測量裝置10的示例性框圖。

如圖10例示，活體信息測量裝置10包括：控制器12、驅動電路14、放大電路16、模擬/數字(a/d)轉換電路18、測量單元20、發光元件1a至1d以及光接收元件3。

驅動電路14包括向發光元件1a至1d供給電力的供電電路。控制器12向驅動電路14輸出用于控制發光元件1a至1d的發光周期和發光時段的控制信號。

當從控制器12接收控制信號時，驅動電路14根據由控制信號指示的發光周期和發光時段，向發光元件1a至1d供給電力，以驅動發光元件1a至1d。

例如，如圖11例示，驅動電路14在偏移發光元件1a至1d發射光束的時間的同時，重復地使發光元件1a(ch1)、1b(ch2)、1c(ch3)和1d(ch4)各達在時段t1中持續發射光束，并且在時段t2中停止發射光束。

放大電路16將與由光接收元件3接收的光的強度對應的電壓，放大到a/d轉換電路18的指定輸入電壓范圍內的電平。這里，例如，光接收元件3輸出與所接收光的強度對應的電壓。另選地，光接收元件3可以輸出與所接收光的強度對應的電流。在這種情況下，放大電路16放大從光接收元件3輸出的電流。

被放大電路16放大的電壓輸入到a/d轉化電路18。a/d轉換電路18對由電壓代表的、由光接收元件3接收的光量進行數字化，并且輸出所接收光的數字化量。

已經被a/d轉換電路18數字化的所接收的光的量輸入到測量單元20。測量單元20對從發光元件1a至1d發射的、且由光接收元件3接收的光的各個量執行fft，以計算頻率ω的譜分布。然后，測量單元20通過相對于整個頻率ω對譜分布進行積分，來測量活體的血流。當發光元件1a至1d在圖11所示的時刻持續發射光束時，從發光元件1a至1d發射的、且被光接收元件3接收的光束的量被持續輸入到測量單元20。測量單元20通過每當輸入所接收光的量時就執行上述操作，來測量血流。由此，如圖12例示獲得多個深度處的血流。

如上所述，根據本示例性實施方式，光接收元件3設置在從發光元件1a至1d的不同距離的位置處，并且通過使用來自被光接收元件3持續接收的活體的反射光束，來測量活體的多個深度處的血流。因此，與通過從單個發光元件發射光束并且通過從活體接收所反射的光束而獲得血流的情況相比，獲得活體的多個深度處的血流，并且獲得用于診斷和保健的活體信息。

第二示例性實施方式

接著，將描述本發明的第二示例性實施方式。

圖13是根據本示例性實施方式的面發射激光器陣列11的側面圖。如上所述，面發射激光器陣列11在單個基板2上包括多個發光點1a至1d。將省略第二示例性實施方式的與第一示例性實施方式相同的其他部件的描述。

在本示例性實施方式中，控制發光點1a至1d，使得用于驅動各個發光點的驅動電流隨著從光接收元件3到發光點的距離減小而減小，并且用于驅動各個發光點的電流隨著從光接收元件3到發光點的距離增大而增大。

如圖13例示，驅動電路14向發光點1a至1d供給用于驅動發光點1a至1d的電流a至d。供給給發光點1a(該發光點1a在距光接收元件3的最短距離處)的電流a是最小的。供給給發光點1d(該發光點1d在距光接收元件3的最長距離處)的電流d是最大的。

由此，在來自發光點1a至1d的光輸出a至d中，來自發光點1a(該發光點1a在距光接收元件3的最短距離處)的光輸出是最小的；并且來自發光點1d(該發光點1d在距光接收元件3的最長距離處)的光輸出是最大的。隨著從光接收元件3到發光點的距離增大，活體中傳播的光的距離增大，并且光的衰減增大。因此，通過隨著增大從光接收元件3的距離，而增大供給給各個發光點的電流，抑制從發光點1a至1d發射的、且被光接收元件3接收的光量的變化。

優選地，設置供給給發光點1a至1d的電流的值，使得從各個發光點1a至1d發射的、且被光接收元件3接收的光的量在光接收元件3的動態范圍內。在這種情況下，高精度地獲得多個深度處的活體信息。

可以根據要測量的活體信息的種類來改變電流a至d的大小。在這種情況下，實現了適合于測量得的活體信息的種類的光輸出。

第三示例性實施方式

接著，將描述本發明的第三示例性實施方式。

在本示例性實施方式中，如圖14例示，衰減濾波器13設置在面發射激光器陣列11的光輸出側上。將省略第三示例性實施方式的與第二示例性實施方式相同的其他部件的描述。

衰減濾波器13衰減從發光點1a至1d發射的光束，使得從各個發光點發射的光束的衰減率隨著從光接收元件3到發光點的距離減小而增大，并且從各個發光點發射的光束的衰減率隨著從光接收元件3到發光點的距離增大而減小。具體地，衰減濾波器13包括：區域13a，從發光點1a發射的光束穿過區域13a；區域13b，從發光點1b發射的光束穿過區域13b；區域13c，從發光點1c發射的光束穿過區域13c；以及區域13d，從發光點1d發射的光束穿過區域13d。區域13a、13b、13c和13d中的衰減率以該順序減小。

驅動電路14向發光點1a至1d供給相同的電流a。由此，在來自發光點1a至1d的光輸出a至d中，來自發光點1a(該發光點1a在距光接收元件3的最短距離處)的光輸出a是最小的；并且來自發光點1d(該發光點1d在距光接收元件3的最長距離處)的光輸出d是最大的。隨著從光接收元件3到發光點的距離增大，活體中傳播的光的距離增大，并且光的衰減增大。因此，通過在面發射激光器陣列11的光輸出側上設置衰減濾波器13(其中，光的衰減率隨著從光接收元件3的距離增大而減小)，抑制從發光點1a至1d發射的、且被光接收元件3接收的光量的變化。

優選地，設置衰減濾波器13的區域的衰減率，使得從各個發光點1a至1d發射的且被光接收元件3接收的光的量在光接收元件3的動態范圍內。在這種情況下，高精度地獲得多個深度處的活體信息。

第四示例性實施方式

接著，將描述本發明的第四示例性實施方式。

圖15例示了根據本示例性實施方式的面發射激光器陣列11a。將省略第四示例性實施方式的與第二示例性實施方式相同的其他部件的描述。

如圖15例示，發光點1a至1d分別包括上電極15a至15d。在面發射激光器陣列11a中，各個發光點的上電極中的開口的面積隨著從光接收元件3到發光點的距離減小而減小，并且各個發光點的上電極中的開口的面積隨著從光接收元件3到發光點的距離增大而增大。在本示例性實施方式中，發光點1a至1d在如圖9例示的平面圖中各具有圓形。同樣地，上電極15a至15d和上電極15a至15d的開口在平面圖中各具有圓形形狀。因此，光接收元件3的各個發光點的上電極中的開口的直徑隨著從光接收元件3到發光點的距離減小而減小，并且光接收元件3的發光點的上電極中的開口的直徑隨著從光接收元件3到發光點的距離增大而增大。

即，如圖15例示，發光點1a(該發光點1a在距光接收元件3的最短距離處)的上電極15a中的開口的直徑r1是最小的；并且發光點1d(該發光點1d在距光接收元件3的最長距離處)的上電極15d中的開口的直徑r4是最大的。

驅動電路14向發光點1a至1d供給相同的電流a。由此，在來自發光點1a至1d的光輸出a至d中，來自發光點1a(該發光點1a在距光接收元件3的最短距離處)的光輸出a是最小的，并且來自發光點1d(該發光點1d在距光接收元件3的最長距離處)的光輸出d是最大的。隨著從光接收元件3到各個發光點的距離增大，活體中傳播的光的距離增大，并且光的衰減增大。因此，通過隨著從光接收元件3的距離增大來增大上電極中的開口的直徑，抑制從發光點1a至1d發射的且被光接收元件3接收的光量的變化。

優選地，設置上電極中的開口的面積(開口的直徑)，使得從各個發光點1a至1d發射的且被光接收元件3接收的光的量在光接收元件3的動態范圍內。在這種情況下，高精度地獲得多個深度處的活體信息。

第五示例性實施方式

接著，將描述本發明的第五示例性實施方式。

圖16例示了根據本示例性實施方式的面發射激光器陣列11b。將省略第五示例性實施方式的與第二示例性實施方式相同的其他部件的描述。

根據本示例性實施方式的面發射激光器陣列11b的發光點1a至1d在平面圖中各具有圓形形狀。被氧化區域17a至17d各具有在平面圖中圍繞未被氧化區域的環形形狀。各個發光點的直徑隨著從光接收元件3到發光點的距離減小而增大，并且各個發光點的直徑隨著從光接收元件3到發光點的距離增大而減小。即，如圖16例示，發光點1a(該發光點1a在距光接收元件3的最短距離處)的直徑s1是最大的；并且發光點1d(該發光點1d在距光接收元件3的最長距離處)的直徑s4是最小的。

形成發光點1a至1d的被氧化區域17a至17d所需的氧化時間對于所有發光點1a至1d是相同的。因此，被氧化區域17a至17d的氧化距離大致相同。因此，因為發光點1a至1d的直徑彼此不同，所以由被氧化區域17a至17d圍繞的未被氧化區域的直徑(即，臺面尺寸)彼此不同。

即，如圖16例示，發光點1a(該發光點1a在距光接收元件3的最短距離處)的臺面尺寸m1是最大的；并且發光點1d(該發光點1d在距光接收元件3的最長距離處)的臺面尺寸m4是最小的。

驅動電路14向發光點1a至1d供給相同的電流a。由此，在來自發光點1a至1d的光輸出a至d中，來自發光點1a(該發光點1a在距光接收元件3的最短距離處)的光輸出a是最小的，并且來自發光點1d(該發光點1d在距光接收元件3的最長距離處)的光輸出d是最大的。隨著從光接收元件3到發光點的距離增大，活體中傳播的光的距離增大并且光的衰減增大。因此，通過隨著從光接收元件3的距離增大而增大臺面尺寸，抑制從發光點1a至1d發射的且被光接收元件3接收的光量的變化。

通常，發光量隨著臺面尺寸增大而減小。然而，當驅動電流增大時，發光量可以隨著臺面尺寸增大而增大。因此，如圖17例示，根據驅動條件，發光點的臺面尺寸之間的關系可以與上述關系顛倒。優選地，設置發光點的臺面尺寸(未被氧化區域的直徑)，使得從各個發光點1a至1d發射的且被光接收元件3接收的光的量在光接收元件3的動態范圍內。在這種情況下，高精度地獲得多個深度處的活體信息。

在各個上述示例性實施方式中，活體信息測量裝置10用于測量血流，作為活體信息。然而，如上所述，活體信息測量裝置10可以用于測量血液速度，而不是血流。例如，通過使用從光接收元件3接收的光量來測量脈搏率，這是因為被光接收元件3接收的光量由于動脈的脈動而改變。通過計算通過以時間順序測量脈搏率的改變而獲得的波形的第二導數來計算光電容積脈搏波。光電容積脈搏波用于例如估計血管年齡或診斷動脈硬化。活體信息測量裝置10可以用于測量血液成分(血糖水平等)、血壓等。

對本發明的示例性實施方式的上述說明是為了例示和說明的目的而提供的。并非旨在對本發明進行窮盡，或者將本發明限于所公開的精確形式。顯而易見的是，很多修改例和變型例對于本領域技術人員是明顯的。選擇了實施方式進行說明以最好地解釋本發明的原理及其實際應用，以使本領域其它技術人員能夠理解本發明的各種實施方式，以及適合于所設想的具體用途的各種變型。本發明的范圍旨在由所附權利要求及其等同物來限定。