CN109247945A - 计测装置 - Google Patents

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Abstract

一实施方式的计测装置具备：光源，向对象物的被检部，射出分别包含多个光脉冲的至少一个光脉冲群；光检测器，检测从上述被检部返回来的、包含多个反射光脉冲的至少一个反射光脉冲群的至少一部分；以及控制电路，控制上述光源及上述光检测器。上述控制电路进行以下控制：在第1期间内，使上述光源射出上述至少一个光脉冲群；在上述第1期间内，使上述光检测器检测在上述多个反射光脉冲的开头的反射光脉冲的至少一部分中包含的光的成分即第1成分；使上述光检测器输出表示上述第1成分的第1电信号。

Description

计测装置
技术领域
本申请涉及计测装置。
背景技术
作为用来判断人的健康状态的基础性的参数，广泛地使用心跳数、血流量、血压、血中氧饱和度等。
为了取得生物体信息，经常使用近红外线，即从约700nm到约2500nm的波长范围的电磁波。其中，特别经常使用例如约950nm以下的波长比较短的近红外线。这样的短波长的近红外线具有以比较高的透射率透射肌肉、脂肪及骨骼等的生物体组织的性质。另一方面，这样的近红外线也具有容易被血液中的氧化血红蛋白(HbO2)及还原血红蛋白(Hb)吸收的性质。作为利用这些性质的生物体信息的计测方法，已知有近红外分光法(Near InfraredSpectroscopy，以下表述为NIRS)。通过使用NIRS，例如可以计测脑内的血流的变化量、或血液中的氧化血红蛋白浓度及还原血红蛋白浓度的变化量。也能够基于血流的变化量或血红蛋白的氧状态等来推测脑的活动状态。
日本特开2007－260123号公报及日本特开2003－337102号公报公开了利用这样的NIRS的装置。
发明内容
有关本发明的一技术方案的计测装置具备：光源，对于对象物的被检部，射出分别包含多个光脉冲的至少一个光脉冲群；光检测器，检测从上述被检部返回来的、包含多个反射光脉冲的至少一个反射光脉冲群的至少一部分；以及控制电路，控制上述光源及上述光检测器。上述控制电路在第1期间内，使上述光源射出上述至少一个光脉冲群；在上述第1期间内，使上述光检测器检测在上述多个反射光脉冲的开头的反射光脉冲的至少一部分中包含的光的成分即第1成分；使上述光检测器输出表示上述第1成分的第1电信号。
附图说明
图1A是用来说明本发明的实施方式1的生物体计测装置的结构和生物体计测的状况的概略图。
图1B是示意地表示本发明的实施方式1的光检测器的内部的结构和信号的流向的图。
图2A是表示作为射出光的单一的光脉冲的时间分布的例子的图。
图2B是表示稳定状态下的单一的光脉冲的总光功率(实线)、及穿过了脑血流变化的区域的光的功率(虚线)的时间分布的图。
图2C是表示稳定状态的单一的光脉冲的总光功率(实线)、及穿过了脑血流变化的区域的光的功率(虚线)的下降期间中的时间分布的图。
图2D是表示稳定状态下的单一的光脉冲的总光功率(实线)、穿过了脑血流变化的区域的光的功率(虚线)及调制度(单点划线)的时间分布的图。
图3A是表示作为射出光的光脉冲群的时间分布的例子的图。
图3B是表示光脉冲群的总光功率(实线)、穿过了脑血流变化的区域的光的功率(虚线)及调制度(单点划线)的时间分布的一例的图。
图4是示意地表示实施方式1的光脉冲群的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)、以及电子快门的定时及蓄积的电荷(下段)的例子的图。
图5A是表示存在于被检部的表面及内部的血流的变化的主视图。
图5B是表示存在于被检部的表面及内部的血流的变化的YZ平面的剖视图。
图6A是示意地表示被检部的表面的血流的变化的图。
图6B是示意地表示被检部的表面及内部的血流的变化的图。
图6C是示意地表示通过图像运算导出的被检部的内部的血流的变化的图。
图6D是示意地表示通过进一步的图像运算将图像修正后的、被检部的内部的血流的变化的图。
图7是示意地表示实施方式1的第1变形例的光脉冲群的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。
图8是示意地表示实施方式1的第2变形例的光脉冲群及单一的光脉冲的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。
图9A是示意地表示实施方式2的光脉冲群的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。
图9B是示意地表示实施方式2的光检测器的内部的结构、和电信号及控制信号的流向的图。
图10A是用来说明实施方式3的生物体计测装置的结构和生物体计测的状况的概略图。
图10B是示意地表示实施方式3的光检测器的内部的结构、和电信号及控制信号的流向的图。
图11是示意地表示实施方式3的光脉冲群的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。
图12是示意地表示实施方式3的第1变形例的光脉冲群的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。
图13是示意地表示实施方式3的第2变形例的光脉冲群的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。
标号说明
1 光源
2 光检测器
3 光电变换元件
4a、4b 蓄积部
5 被检者
6 被检部
7 控制电路
8 光
8a、8c 开头的光脉冲
8b、8d 光脉冲群
8A 单一的光脉冲
9a 来自表面附近的内部散射光
9b 来自内部的内部散射光
10a 直接反射光
10b 来自表面附近的反射散射光
11 来自内部的反射散射光
12 漏极
13 下降期间
14a、14b、14c 区域
15a、15b 电信号
16a、16b、16c、16d、16e 控制信号
17 生物体计测装置
18a、18b、18c、18d 信号电荷
19a、19c 开头的反射光脉冲
19b、19d 反射光脉冲群
具体实施方式
在说明本发明的实施方式之前，说明作为本发明的基础的认识。
日本特开2007－260123号公报公开了利用NIRS的内视镜装置。在特开2007－260123号公报所公开的内视镜装置中，为了观察向被内脏脂肪覆盖的生物体组织中埋入的血管中的血流信息，作为照明光而使用光脉冲。此时，通过使摄像定时比光脉冲入射的定时晚，避免在时间上较早返回来的较强的噪声光的摄像。由此，改善从生物体组织的深处返回来的信号光的信噪比(S/N比)。
日本特开2003－337102号公报公开了使用NIRS的生物体活动计测装置。该计测装置具备生成红外光的光源部、检测来自生物体的被检部的红外光的光检测部和控制装置。该计测装置以非接触的方式计测脑功能。
根据在日本特开2003－337102号公报中公开的装置，能够利用NIRS计测脑活动。但是，由于由被检部反射的光中包含在时间上较早返回来的较强的噪声光，所以有检测到的信号的S/N比低的问题。
为了解决该问题，可以考虑对日本特开2003－337102号公报的装置组合日本特开2007－260123号公报的技术。即，可以认为通过使光的检测的定时比光脉冲入射的定时晚，能够抑制在时间上较早返回来的较强的噪声光的影响。
但是，根据本发明人们的研究可知，即使进行这样的应对，也难以充分地提高S/N比。侵入到脑内的射出光一边在脑内散射一边传输。通过检测该光，能够取得脑内的血流的信息。但是，该光在从脑内向装置返回的光路即回路中必定穿过生物体的表面附近的血流即头皮血流所分布的区域。因而，在该光中，不仅是脑血流的信息，还较大地叠加有头皮血流的信息。结果，仅通过检测返回来的该光，不能得到正确的脑血流的信息。即，通过组合以往技术的方法，不能充分地提高检测信号的S/N比。
本发明人们发现了以上的问题，想到了新的生物体计测装置。
本发明包括以下的项目中记载的计测装置。
[项目1]
有关本发明的项目1的计测装置具备：光源，对于对象物的被检部，射出分别包含多个光脉冲的至少一个光脉冲群；光检测器，检测从上述被检部返回来的、包含多个反射光脉冲的至少一个反射光脉冲群的至少一部分；以及控制电路，控制上述光源及上述光检测器。
上述控制电路进行以下控制：在第1期间内，使上述光源射出上述至少一个光脉冲群；在上述第1期间内，使上述光检测器检测第1成分，该第1成分是在上述多个反射光脉冲的开头的反射光脉冲的至少一部分中包含的光的成分；使上述光检测器输出表示上述第1成分的第1电信号。
作为对象物，例如可以举出生物体、食品等。
[项目2]
在项目1所述的计测装置中，也可以是，上述控制电路还进行以下控制：在上述第1期间内，使上述光检测器检测第2成分，该第2成分是在从上述多个反射光脉冲中的最后的反射光脉冲的光功率开始减少到减少结束为止的期间即下降期间、上述最后的反射光脉冲中包含的光的成分；使上述光检测器输出表示上述第2成分的第2电信号。
[项目3]
在项目1所述的计测装置中，也可以是，上述控制电路还进行以下控制：在与上述第1期间不同的第2期间内，使上述光检测器检测第2成分，该第2成分是在从上述多个反射光脉冲中的最后的反射光脉冲的光功率开始减少到减少结束为止的期间即下降期间、上述最后的反射光脉冲中包含的光的成分；使上述光检测器输出表示上述第2成分的第2电信号。
[项目4]
在项目1所述的计测装置中，也可以是，上述至少一个光脉冲群包括第1光脉冲群及第2光脉冲群；上述至少一个反射光脉冲群包括第1反射光脉冲群及第2反射光脉冲群；上述第1反射光脉冲群包含多个第1反射光脉冲；上述第2反射光脉冲群包含多个第2反射光脉冲；上述控制电路在上述第1期间内，使上述光源射出上述第1光脉冲群及上述第2光脉冲群；上述第2光脉冲群被以与上述第1光脉冲群不同的定时射出；上述第1成分是上述多个第1反射光脉冲中的开头的第1反射光脉冲的至少一部分中包含的光的成分；上述控制电路还进行以下控制：在上述第1期间内，使上述光检测器检测第2成分，该第2成分是在从上述多个第2反射光脉冲中的最后的第2反射光脉冲的光功率开始减少到减少结束为止的期间即下降期间、上述最后的第2反射光脉冲中包含的光的成分；使上述光检测器输出表示上述第2成分的第2电信号。
[项目5]
在项目1所述的计测装置中，也可以是，上述至少一个光脉冲群包括第1光脉冲群及第2光脉冲群；上述至少一个反射光脉冲群包括第1反射光脉冲群及第2反射光脉冲群；上述第1反射光脉冲群包含多个第1反射光脉冲；上述第2反射光脉冲群包含多个第2反射光脉冲；上述控制电路在上述第1期间内，使上述光源射出上述第1光脉冲群；上述第1成分是在上述多个第1反射光脉冲中的开头的第1反射光脉冲的至少一部分中包含的光的成分；上述控制电路还进行以下控制：在与上述第1期间不同的第2期间内，使上述光源射出上述第2光脉冲群；在上述第2期间内，使上述光检测器检测第2成分，该第2成分是在从上述多个第2反射光脉冲中的最后的第2反射光脉冲的光功率开始减少到减少结束为止的期间即下降期间、上述最后的第2反射光脉冲中包含的光的成分；使上述光检测器射出表示上述第2成分的第2电信号。
[项目6]
项目2～5的任一项所述的计测装置也可以还具备信号处理电路，该信号处理电路通过使用上述第1电信号和上述第2电信号进行的运算，生成上述被检部的血流信息。
[项目7]
在项目6所述的计测装置中，也可以是，上述第1电信号包含上述被检部的表面的血流信息；上述第2电信号包含上述被检部的上述表面及内部的血流信息；上述信号处理电路生成上述被检部的上述内部的血流信息。
[项目8]
在项目6或7所述的计测装置中，也可以是，上述光检测器是包括二维地排列的多个光检测单元的图像传感器；上述多个光检测单元分别将上述第1成分作为第1信号电荷蓄积；将上述第2成分作为第2信号电荷蓄积；将表示所蓄积的上述第1信号电荷的电信号作为上述第1电信号输出；将表示所蓄积的上述第2信号电荷的电信号作为上述第2电信号输出。
[项目9]
在项目8所述的计测装置中，也可以是，上述控制电路使上述图像传感器输出以下信号：第1图像信号，表示第1图像，该第1图像为在第1期间被蓄积到上述多个光检测单元中的上述第1信号电荷的总量的二维分布；第2图像信号，表示第2图像，该第2图像为在与上述第1期间相同或不同的第2期间被蓄积到上述多个光检测单元中的上述第2信号电荷的总量的二维分布；第3图像信号，表示第3图像，该第3图像为在比上述第1期间靠前的第3期间被蓄积到上述多个光检测单元中的上述第1信号电荷的总量的二维分布；以及第4图像信号，表示第4图像，该第4图像为在比上述第2期间靠前的第4期间被蓄积到上述多个光检测单元中的上述第2信号电荷的总量的二维分布；上述信号处理电路从上述图像传感器接收上述第1至第4图像信号；基于上述第1图像信号及上述第3图像信号，生成表示上述第1图像与上述第3图像的差分的第1差分图像；基于上述第2图像信号及上述第4图像信号，生成表示上述第2图像与上述第4图像的差分的第2差分图像。
[项目10]
在项目9所述的计测装置中，也可以是，在上述第1差分图像中，将由上述第1差分图像中包含的多个像素中的具有超过第1阈值的像素值的多个像素形成的区域设为第1区域，在上述第2差分图像中，将由上述第2差分图像中包含的多个像素中的具有超过第2阈值的像素值的多个像素形成的区域设为第2区域，将上述第1区域中的与上述第2区域重叠的部分的平均像素值设为M1，将上述第2区域中的与上述第1区域重叠的部分的平均像素值设为M2，此时满足0.1≤M1/M2≤10。
[项目11]
在项目1～10的任一项所述的计测装置中，也可以是，上述至少一个光脉冲群包括第1光脉冲群和第2光脉冲群，上述第1光脉冲群包含650nm以上且小于805nm的波长的多个光脉冲，上述第2光脉冲群包含比805nm长且为950nm以下的波长的多个光脉冲；上述控制电路使上述第1光脉冲群和上述第2光脉冲群交替地射出。
[项目12]
在项目1～11的任一项所述的计测装置中，也可以是，上述多个光脉冲的各自的时间宽度是0.5纳秒以上且小于3.0纳秒。
[项目13]
在项目1～11的任一项所述的计测装置中，也可以是，上述多个光脉冲的各自的时间宽度是0.5纳秒以上且5.0纳秒以下。
[项目14]
在项目1～13的任一项所述的计测装置中，也可以是，上述光源是半导体激光器；上述控制电路通过向上述光源供给叠加了高频成分的驱动电流，使上述光源射出上述至少一个光脉冲群。
[项目15]
在项目1～13的任一项所述的计测装置中，也可以是，上述光源是自激振荡激光器。
[项目16]
有关本发明的项目16的计测装置具备：光源，对于对象物的被检部，射出分别包含多个第1光脉冲的至少一个光脉冲群、以及至少一个第2光脉冲；光检测器，检测从上述被检部返回来的包含多个第1反射光脉冲的至少一个反射光脉冲群的至少一部分、以及从上述被检部返回来的至少一个第2反射光脉冲的至少一部分；以及控制电路，控制上述光源及上述光检测器。
上述控制电路进行以下修改：在第1期间内，使上述光源射出上述至少一个光脉冲群；在上述第1期间内，使上述光检测器检测第1成分，该第1成分是在上述至少一个反射光脉冲群的上述至少一部分中包含的光的成分；使上述光检测器输出表示上述第1成分的第1电信号；在上述第1期间内或与上述第1期间不同的第2期间内，使上述光源以与射出上述至少一个光脉冲群的定时不同的定时，射出上述至少一个第2光脉冲；在上述第1期间内或上述第2期间内，使上述光检测器检测第2成分，该第2成分是在从上述至少一个第2反射光脉冲的光功率开始减少到减少结束为止的期间即下降期间、上述至少一个第2反射光脉冲中包含的光的成分；使上述光检测器输出表示上述第2成分的第2电信号。
[项目17]
在项目16所述的计测装置中，也可以是，上述至少一个第2光脉冲的光功率比上述多个第1光脉冲的各自的光功率大。
在本发明中，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分、或框图的功能块的全部或一部分也可以由包括半导体装置、半导体集成电路(IC)或LSI(large scaleintegration)的一个或多个电子电路执行。LSI或IC既可以集成到一个芯片上，也可以将多个芯片组合而构成。例如，存储元件以外的功能块也可以集成到一个芯片上。这里，称作LSI或IC，但根据集成的程度而叫法变化，也有称作系统LSI、VLSI(very large scaleintegration)或ULSI(ultra large scale integration)的情况。在制造LSI后编程的Field Programmable Gate Array(FPGA)、或能够进行LSI内部的接合关系的再构成或LSI内部的电路划分的设置的reconfigurable logic device也可以以相同的目的使用。
进而，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分的功能或操作也可以通过软件处理来执行。在此情况下，将软件记录到一个或多个ROM、光盘、硬盘驱动器等的非暂时性记录介质中，当软件被处理装置(processor)执行时，通过处理装置(processor)及周边装置执行由该软件确定的功能。系统或装置也可以具备记录有软件的一个或多个非暂时性记录介质、处理装置(processor)及需要的硬件设备例如接口。
以下，更具体地说明本发明的实施方式。但是，有将所需以上详细的说明省略的情况。例如，有省略对于已经周知的事项的详细说明及对于实质上相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明变得不必要地冗长，使本领域技术人员的理解变容易。另外，本发明人们为了使本领域技术人员充分地理解本发明而提供了附图及以下的说明，并不意味着由它们限定权利要求书所记载的主题。在以下的说明中，对相同或类似的构成要素赋予相同的标号。
以下，参照附图对实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1A是用来说明本发明的实施方式1的生物体计测装置的结构和生物体计测的状况的概略图。图1B是示意地表示本发明的实施方式1的光检测器的内部的结构和信号的流向的图。
实施方式1的生物体计测装置17具备光源1、光检测器2和控制光源1及光检测器2的控制电路7。
光源1及光检测器2排列配置。光源1朝向被检者5的被检部6射出光。光检测器2检测从光源1射出并由被检部6反射的光。控制电路7控制光源1的光的射出和光检测器2的光的检测。本实施方式的生物体计测装置17包括将从光检测器2输出的电信号(以下，简称为信号)进行处理的信号处理电路30。信号处理电路30通过进行使用从光检测器2输出的多个信号的运算，生成与被检部6的内部的血流有关的信息。
本实施方式的被检部6是被检者5的额部。通过对额部照射光并检测其散射光，能够取得脑血流的信息。“散射光”包括反射散射光和透射散射光。在以下的说明中，有将反射散射光简单称作“反射光”的情况。
在作为被检部6的额头的内部，从表面起依次存在头皮(厚度：约3至6mm)、头盖骨(厚度：约5至10mm)、脑脊髄液层(厚度：约2mm)及脑组织。括弧内的厚度的范围表示有个人差异。血管存在于头皮内及脑组织内。因而，将头皮内的血流称作头皮血流，将脑组织内的血流称作脑血流。在有关本实施方式的脑功能计测中，在头皮的表面附近及内部双方中存在血流分布的被检部是计测对象。
生物体是散射体。朝向被检部6射出的光8中的一部分光作为直接反射光10a向生物体计测装置17返回。其他的光入射到被检部6的内部而被扩散，一部分被吸收。侵入到被检部6的内部的光，成为包含存在于距表面的深度为3至6mm左右的表皮内的表面附近的血流即头皮血流的信息的内部散射光9a、或者包含存在于距表面的深度为10至18mm左右的范围中的血流即脑血流的信息的内部散射光9b等。内部散射光9a、9b分别作为来自表面附近的反射散射光10b及来自内部的反射散射光11向生物体计测装置17返回。上述直接反射光10a、来自表面附近的反射散射光10b及来自内部的反射散射光11被光检测器2检测到。
对从光源1射出起至到达光检测器2的时间而言，直接反射光10a最短，接着是来自表面附近的反射散射光10b短，来自内部的反射散射光11最长。其中，被要求以高的S/N比检测的成分是具有脑血流的信息的来自内部的反射散射光11。
另外，在进行脑血流以外的生物体计测的情况下，也有不仅使用反射散射光、还使用透射散射光的情况。在取得脑血流以外的血液的信息的情况下，也可以将额头以外的部位(例如手腕或脚等)作为被检部。在以下的说明中，只要没有特别说明，假设被检部6是额头。假设被检者5是人，但也可以是人以外的具有皮肤、有不长毛的部分的动物。本说明书中的被检者这一用语是指包括这样的动物的被检体全部。
光源1射出例如650nm以上且950nm以下的光。该波长范围包含在从红色到近红外线的波长范围中。上述的波长范围被称作生物窗，已知体内的吸收率低。假设本实施方式的光源1射出上述波长范围的光而进行说明，但也可以使用其他波长范围的光。在本说明书中，不仅针对可视光，针对红外线也使用“光”这一用语。
在小于650nm的可视光域中，血液中的血红蛋白的吸收大，在超过950nm的波段中，水的吸收大。另一方面，在650nm以上且950nm以下的波长范围内，血红蛋白及水的吸收系数比较低，血红蛋白及水的散射系数比较大。因而，650nm以上且950nm以下的波长范围内的光在向体内侵入后，受到强的散射而返回到体表。因此，能够高效地取得体内的信息。所以，在本实施方式中，主要使用650nm以上且950nm以下的波长范围内的光。
光源1例如可以是将光脉冲反复射出的激光二极管(Laser Diode(LD))等激光源。在如本实施方式那样被检者5是人的情况下，考虑光8对眼睛的视网膜的影响。在作为光源1而使用激光源的情况下，选择满足由各国制定的激光安全基准的类1的激光源。在满足类1的情况下，将可达发射极限AEL低于1mW的程度的低照度的光向被检者5的被检部6射出。由于是低照度的光，所以多数情况下光检测器2的灵敏度不够。在此情况下，将光脉冲反复射出。另外，光源1自身也可以不符合类1。例如，通过将扩散板或ND滤波器等元件配置在光源1及被检部6之间，光被扩散或衰减。也可以如此来符合激光安全基准的类1。
也可以在光源1的射出面设置透镜等的光学元件来调整光8的发散程度。进而，也可以在光检测器2的受光面侧设置透镜等的光学元件来调整受光的反射散射光的取入率。
光源1不限于激光源，也可以是发光二极管(Light Emitted Diode(LED))等的其他种类的光源。作为光源1，例如可以广泛地使用半导体激光器、固体激光器、纤维激光器、超发光二极管及LED等。
光源1可以根据来自控制电路7的指示，进行光脉冲的射出的开始及停止、以及光功率的变更。由此，能够从光源1产生大致任意的光脉冲。
光检测器2检测来自被检部6的返回光。光检测器2既可以具有单一的光检测元件，也可以具有一维或二维地排列的多个光检测元件。图1B示意地表示光检测器2中的一个光检测元件的概略性的结构。该例的光检测器2的光检测元件具备产生与受光量对应的信号电荷的光电变换元件3、蓄积信号电荷的多个蓄积部4a、4b、和将信号电荷排出的漏极12。光电变换元件3例如可以包括光电二极管。由光电变换元件3产生的信号电荷被蓄积到多个蓄积部4a、4b的某个中，或经由漏极12被排出。该信号蓄积及排出的定时由控制电路7及光检测器2内的电路控制。在本说明书中，也有将关于该控制的光检测器2内的电路称作电子快门的情况。
光检测器2也可以是对于包括从光源1射出的光的波长的波段的光具有灵敏度的图像传感器。这样的图像传感器例如可以是CCD或CMOS图像传感器。通过使用图像传感器，能够取得光的二维的强度分布的信息。在光检测器2是图像传感器的情况下，光检测器2具有二维地排列的多个光检测单元。各光检测单元例如如图1B所示，具备光电变换元件3及蓄积部4a、4b等的构成要素。
如后述那样，通过使用图像传感器那样的光检测器2，能够生成表示脑血流的状态的图像。也可以通过在一个帧期间内反复进行多次的光的射出及信号电荷的蓄积来生成一个图像。通过按每个规定的帧期间反复执行这样的图像的生成，能够生成运动图像。
本发明人们为了将由光检测器2检测的直接反射光10a及反射散射光10b、11的光量定量化，作为被检部6而设想模拟了典型的日本人的头的模型而进行了光脉冲响应的模拟。具体而言，在向从光源1离开了例如15cm的被检部6射出了光脉冲的情况下，通过蒙特卡洛分析计算由光检测器2检测的光功率的时间分布即光脉冲响应。
图2A是表示作为射出光的单一的光脉冲的时间分布的例子的图。该例中的光脉冲的波长是λ＝850nm，半值全宽是11ns。该光脉冲的形状是上升及下降时间为1ns的典型的梯形。假设在时间t＝0，开始该单一光脉冲的射出，在t＝12ns完全停止。
由于光速c是30万km/s，从光源1到被检部6的距离是15cm，所以从光8射出起至到达被检部6表面的时间t为t＝0.5ns。光8在被检部6表面上被直接反射，成为直接反射光10a，到达光检测器2上的时间为t＝1ns。因而，在光检测器2上检测到光的时间Td为Td≥1ns。
生物体计测装置17基于脑血流中包含的氧化血红蛋白浓度及还原血红蛋白浓度的变化，计测来自被检部6的内部的反射散射光11的光量的变化量。在脑组织内，存在对应于脑血流的变化而吸收系数及散射系数变化的吸收体。在稳定状态下，将脑内模型化为均匀的脑组织，能够执行蒙特卡洛分析。在本说明书中，血流的变化，是指血流的随着时间的变化。这里，“稳定状态”，是指被检者的脑活动比较稳定、没有急剧的随着时间的变动的状态。
图2B是表示稳定状态下的单一的光脉冲的总光功率(实线)、及穿过了脑血流变化的区域的光的功率(虚线)的时间分布的图。图2C是表示稳定状态的单一的光脉冲的总光功率(实线)、及穿过了脑血流变化的区域的光的功率(虚线)的下降期间中的时间分布的图。图2D是表示稳定状态下的单一的光脉冲的总光功率(实线)、穿过了脑血流变化的区域的光的功率(虚线)及调制度(单点划线)的时间分布的图。调制度，是指将穿过了脑血流变化的区域的光的量除以稳定状态下的总光量而得到的值。各图的纵轴在图2B及图2C中以线性显示来表示，在图2D中以对数显示来表示。
在光检测器2中检测出的总光量中包含的穿过了脑血流变化的区域的光的量仅为2×10－5左右。即，射出光脉冲，由光检测器2检测总光量，在检测到其变化量的情况下，由于表示检测出的光量中包含的脑血流的变化的成分是微小的，所以能够忽视。另一方面，由于直接反射光10a的光量是一定的，所以反射率例如是约4％。因此，能够检测来自表面附近的反射散射光10b的光量变化、即头皮血流的变化。
在光检测器2上，设光功率开始减小的时间为tbs，设光功率完全下降到噪声水平的时间为tbe。如图2D所示，可知在tbs≤t≤tbe的光的下降期间13中，表示脑血流的变化的信号的比例变高。越到光的下降期间13的后半，光量越减少，相应地噪声越增加。但是，调制度变大。tbs≤t≤tbe的光的下降期间13中，例如t＝13.5ns以后的光的量是总检测光量的约1/100。在使用光检测器2的电子快门的功能检测到在期间13中到达的光的情况下，穿过了脑血流变化的区域的光的比例增加到t＝13.5ns以后的总检测光量的7％。由此，能够充分地取得表示脑血流的变化的信号。如果不使用电子快门，则脑血流的变化的比例是2×10－5左右。
因而，如果射出光脉冲，由光检测器2接受在从被检部6返回来的光的下降期间13中包含的反射散射光11的成分并检测其光量变化，则能够检测表示脑血流的变化的信号。
也可以代替图2A至图2D所示那样的单一的光脉冲，而使用多个光脉冲连续地排列的光脉冲群取得血流信息。
图3A是表示作为射出光的光脉冲群的时间分布的例子的图。在图3A的例子中，光脉冲群具有6个光脉冲，各脉冲的半值全宽是1纳秒。一个光脉冲群中包含的光脉冲的个数不需要是6，没有特别限制。各脉冲的半值全宽例如可以是0.5纳秒以上且5.0纳秒以下。在图3A所示的例子中，光脉冲群的射出在时间t＝0开始，在时间t＝12ns完全停止。
在光源1是半导体激光源的情况下，控制电路7通过对光源1供给叠加了高频成分的驱动电流，能够使其射出一个以上的光脉冲群。在此情况下，控制电路7可以另外具备用来供给高频电流的驱动电路。在进行这样的通过高频叠加的驱动的情况下，如后述那样，能够降低斑点噪声。光源1也可以是自激发振激光源。在此情况下，控制电路7也可以向光源1供给直流的驱动电流。
图3B是表示光脉冲群的总光功率(实线)、穿过了脑血流变化的区域的光的功率(虚线)及调制度(单点划线)的时间分布的一例的图。本发明人们发现，在图3B的例子中，也能够得到与图2D的例子相比同等以上的调制度。与单一的光脉冲相比，光脉冲群有以下的优点。如果以单一的光脉冲照射被检部6，则在照射范围中出现明暗的斑点图案。这被称作斑点噪声，使计测精度恶化。另一方面，如果以光脉冲群照射被检部6，则能够减少这样的斑点噪声。
以下，说明基于上述头皮血流及脑血流的变化的计测原理的生物体计测方法的例子。
图4是示意地表示光脉冲群8b的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)、以及电子快门的定时及蓄积的电荷(下段)的例子的图。
在该例中，控制电路7在一个帧期间内使光源1射出多个光脉冲群8b，使光检测器2检测包含起因于各光脉冲群8b而从被检部6返回来的各反射光脉冲群19b中包含的开头的反射光脉冲19a的至少一部分的光的成分即第1成分。然后，控制电路7使光检测器2输出表示第1成分的第1电信号。第1电信号表示在一个帧期间内蓄积的第1成分的总量。控制电路7还在一个帧期间内使光检测器2检测各反射光脉冲群19b中包含的最后的反射光脉冲的下降期间13中包含的光的成分即第2成分。然后，控制电路7输出表示第2成分的第2电信号。第2电信号表示在一个帧期间内蓄积的第2成分的总量。
如图4的上段所示，光源1在1帧期间内将光脉冲群8b多次射出。在连续的2个光脉冲群8b之间有休止期间Tn。各光脉冲群8b中的开头的光脉冲8a具有脉冲宽度T1及最大光功率值P1。各光脉冲群8b具有脉冲宽度T2。在本说明书中，脉冲宽度意味着脉冲波形的半值全宽。该例中的各光脉冲群8b具有5个光脉冲。
如图4的中段所示，起因于开头的光脉冲8a而从被检部6返回来的反射光脉冲19a具有与T1大致相同的脉冲宽度Td1。同样，起因于光脉冲群8b而从被检部6返回来的反射光脉冲群19b具有与T2大致相同的脉冲宽度Td2。反射光脉冲19a如图4的中段所示，因内部散射的影响而发生时间延迟，在山麓处(日文原文：裾野)具有稍稍变宽的形状。
光检测器2用光检测器2分别检测包含起因于开头的光脉冲8a而从被检部6返回来的反射光脉冲19a的第1成分、和起因于光脉冲群8b而从被检部6返回来的反射光脉冲群19b中的最后的反射光脉冲的下降期间13中包含的第2成分。更具体地讲，光检测器2通过图1B所示的光电变换元件3进行光电变换，由蓄积部4a、4b分别蓄积第1信号电荷18a及第2信号电荷18b。
在被检部6是人的额头的情况下，光脉冲群8b有可能进入到眼睛中。因此，例如能够以满足类1的程度的低功率射出光脉冲群8b。为了确保光检测器2能够检测的程度的充分的光量，光脉冲群8b能够被反复射出。设从开头的光脉冲8a的射出开始到结束的时间为Λ1，设从光脉冲群8b的射出开始到结束的时间为Ta，设从某个光脉冲群8b的射出结束到下个光脉冲群8b的射出开始的时间为Tn。在图4的例子中，是Ta＝5Λ1。在某个例子中，光脉冲群8b可以以从55ns到110ns左右的时间周期Λ2＝Ta+Tn，被反复射出1万次到100万次左右。
该例中的光检测器2是能够计测光功率的二维分布的图像传感器。光检测器2按每一定的帧期间生成帧。由蓄积在光检测器2的各光检测元件的蓄积部4a、4b中的电荷构成一个帧。帧是表示被检部中的脑血流的状态的图像数据。通过将多个帧以时间序列排列，能够构成表示脑血流的状态的随着时间的变化的运动图像。
也可以不加以类1的限制，而使用高的光功率来计测脑血流以外的生物体信息，或使用雪崩光电二极管那样的灵敏度好的光检测器来计测生物体信息。在此情况下，不一定需要在一个帧期间内反复进行多次的光脉冲群8b的射出。也可以在一个帧期间内用光脉冲群8b将被检部6仅照射1次而检测生物体信息。
本实施方式的光检测器2具有切换是否蓄积信号电荷的电子快门和多个蓄积部4a、4b。电子快门是控制由光电变换元件3生成的信号电荷的蓄积和排出的电路。
再次参照图1B，说明光检测器2的动作的一例。光电变换元件3将包含起因于各光脉冲群8b中的开头的光脉冲8a而从被检部6返回来的反射光脉冲19a在内的第1成分进行光电变换。然后，接收来自控制电路7的控制信号16a、16b、16e，光检测器2选择蓄积部4a，蓄积第1信号电荷18a。例如以从11到22ns的时间TS1蓄积第1信号电荷18a。在经过时间TS1后，根据来自控制电路7的控制信号16a、16b、16e，光检测器2选择漏极12，释放来自光电变换元件3的电荷。
同样，光电变换元件3将起因于光脉冲群8b而从被检部6返回来的反射光脉冲群19b中的最后的反射光脉冲的下降期间13中包含的第2成分进行光电变换。然后，接收控制信号16a、16b、16e，光检测器2选择别的蓄积部4b，将第2信号电荷18b蓄积。例如以11至22ns的时间TS2蓄积第2信号电荷18b。在经过时间TS2后，根据来自控制电路7的控制信号16a、16b、16e，光检测器2选择漏极12，释放来自光电变换元件3的电荷。
因而，在一个帧期间内，在蓄积部4a中蓄积包含起因于各光脉冲群8b中的开头的光脉冲8a而从被检部6返回来的光脉冲19a在内的第1成分，作为1帧量的第1信号电荷18a。在1帧期间结束后，将第1信号电荷18a作为第1电信号15a向控制电路7输出。第1电信号15a主要包含头皮血流的信息。
另一方面，在一个帧期间内，在蓄积部4b中，蓄积起因于各光脉冲群8b而从被检部6返回来的反射光脉冲群19b的最后的反射光脉冲的下降期间13中包含的第2成分，作为1帧量的第2信号电荷18b。在1帧期间结束后，将第2信号电荷18b作为第2电信号15b向控制电路7输出。第2电信号15b不仅包含脑血流的信息，还以比较高的比例包含头皮血流的信息。
也可以是，在多个光脉冲群8b的射出后，在没有光射出的状态下，以相同的时间及相同的次数，将电子快门开(open)及闭(close)，来测量环境噪声。通过从信号值中分别减去环境噪声的值，能够使信号的S/N比提高。TS1及TS2既可以相同也可以不同。如果是TS1＝TS2，则在TS1的期间中将电子快门设为开，仅测量一次环境噪声就可以。由此，能够省略在TS2的期间中将电子快门设为开的第2次的环境噪声的测量。
本实施方式的光检测器2如上述那样，可以是按每个像素具备光电变换元件3、蓄积部4a、4b、和切换是否在蓄积部4a、4b中蓄积信号电荷的电子快门的图像传感器。在此情况下，图像传感器具有二维地排列的多个光检测单元。各光检测单元将包含起因于各光脉冲群8b中的开头的光脉冲的反射光脉冲19a的第1成分作为第1信号电荷18a蓄积，将起因于各光脉冲群8b的反射光脉冲群19b中的最后的反射光脉冲的下降期间13中包含的第2成分作为第2信号电荷18b蓄积。进而，各光检测单元将表示在作为一个帧期间的第1期间内蓄积的第1信号电荷的总量的电信号作为第1电信号15a输出，将表示在第1期间内蓄积的第2信号电荷的总量的电信号作为第2电信号15b输出。由此，能够取得与被检部6的血流有关的生物体信息作为包含多个帧的运动图像。
在图4所示的例子中，在同一帧内的同一个光脉冲群中，与开头的光脉冲对应的来自被检部的反射光脉冲被检测为第1成分，与最后的光脉冲的下降期间13对应的来自被检部的反射光脉冲被检测为第2成分。作为另一例，也可以是在同一帧内的多个光脉冲群中，与一部分光脉冲群的各自的开头的光脉冲对应的来自被检部的反射光脉冲被检测为第1成分，与其以外的光脉冲群的各自中的最后的光脉冲的下降期间13对应的来自被检部的反射光脉冲被检测为第2成分。例如，也可以在与图4的中段所示的同一帧内的多个光脉冲群对应的来自被检部的反射光脉冲中，从与第奇数个光脉冲群对应的反射光脉冲群仅检测出第1成分，从与第偶数个光脉冲群对应的反射光脉冲群仅检测出第2成分。或者，也可以从与第奇数个光脉冲群对应的反射光脉冲群仅检测出第2成分，从与第偶数个光脉冲群对应的反射光脉冲群仅检测出第1成分。
接着，参照图5A及图5B，对在第2电信号15b中叠加脑血流的信息及头皮血流的信息的情况进行说明。
图5A是表示存在于被检部的表面及内部的血流的变化的主视图。图5B是表示存在于被检部的表面及内部的血流的变化的YZ平面的剖视图。在图5A及图5B中，表示了处于距额头即被检部6的表面的深度例如为3至6mm左右的表皮内的表面附近的血流即头皮血流流动的区域14a、和距表面为10至18mm左右的内部的血流即脑血流流动的区域14b。着眼于光8入射到被检部6中、作为来自内部的内部散射光9b而在光检测器2中被检测到的光路。虽然也取决于血流分布，但首先，内部散射光9b穿过区域14a，然后被散射或吸收而穿过区域14b，进而反复被散射或吸收，再次穿过区域14a，从被检部6出来。即，在起因于各光脉冲群8b而从被检部6返回来的反射光脉冲群19b中的最后的反射光脉冲的下降期间13中包含的脑血流的信息中，叠加有头皮血流的信息。由此，脑血流的信息的S/N比劣化。脑血流的信息受到在往路中叠加的区域14a的影响。但是，通过生物体内的往回的光路中的散射或吸收，其影响变小。因而，脑血流的信息较大地受到在回路中叠加的区域14a的影响。
接着，说明表示被检部6中的血流的变化的信息的取得方法的例子。
首先，控制电路7使作为图像传感器的光检测器2输出以下的第1至第4图像信号。第1图像信号表示在第1期间中被蓄积到多个光检测单元中的第1信号电荷18a的总量的二维分布。第2图像信号表示在与第1期间相同或不同的第2期间中被蓄积到多个光检测单元中的第2信号电荷18b的总量的二维分布。第3图像信号表示在比第1期间靠前的第3期间中被蓄积到多个光检测单元中的第1信号电荷18a的总量的二维分布。第4图像信号表示在比第2期间靠前的第4期间中被蓄积到多个光检测单元中的上述第2信号电荷的总量的二维分布。
接着，信号处理电路30从光检测器2接收第1至第4电信号。然后，信号处理电路30生成表示第1图像信号所示的图像与第3图像信号所示的图像的差分的第1差分图像，生成表示第2图像信号所示的图像与第4图像信号所示的图像的差分的第2差分图像。
第1差分图像相当于表示被检部6中的头皮血流的变化的分布，第2差分图像相当于表示被检部6中的头皮血流及脑血流的变化的分布。在本说明书中，第1差分图像为以第3图像信号为基准值，显示第1图像信号相对于该基准值的增减的图像。同样，第2差分图像为以第4图像信号为基准值，显示第2图像信号相对于该基准值的增减的图像。如果信号处理电路30仅接收到1次第3及第4图像信号，而按每个1帧周期反复接收到第1及第2图像信号，则能得到表示被检部6中的血流的变化的分布的运动图像。
如图4的例子所示，上述的第1及第2期间也可以是相同的帧期间，第3及第4期间也可以是相同的帧期间。如后述那样，第2期间也可以是与第1期间不同的帧期间，第4期间也可以是与第3期间不同的帧期间。在某例中，第2期间可以是第1期间的下个帧期间，第4期间可以是第3期间的下个帧期间。
接着，说明改善脑血流的信息的S/N比的方法的例子。
图6A是示意地表示被检部6的表面的血流的变化的图。图6B是示意地表示被检部6的表面及内部的血流的变化的图。图6C是示意地表示通过图像运算导出的被检部6的内部的血流的变化的图。图6D是示意地表示通过进一步的图像运算将图像修正后的、被检部的内部的血流的变化的图。
在该例中，信号处理电路30基于表示第1信号电荷18a的量的第1电信号15a，如图6A所示，生成表示头皮血流在时间上变化的区域14c的分布的第1差分图像。接着，信号处理电路30基于表示第2信号电荷18b的量的第2电信号15b，生成如图6B所示的表示头皮血流或脑血流在时间上变化的区域14c的分布的第2差分图像。在图6B中的区域14c中，包括包含头皮血流的信息而不包含脑血流的信息的区域R1、包含头皮血流及脑血流双方的信息的区域R2、和包含脑血流的信息而不包含头皮血流的信息的区域R3。
信号处理电路30通过使用表示第1信号电荷18a的量的第1电信号15a和表示第2信号电荷18b的量的第2电信号15b进行的运算，生成被检部6的内部的血流信息。第1信号电荷18a包含被检部6的表面的血流信息，第2信号电荷18b包含被检部6的表面及内部的血流信息。
信号处理电路30基于图6A及图6B中的2个二维图像，通过包括减法或除法等的图像运算，生成图6C的示出表示脑血流的变化的区域14d的分布的二维图像。例如，信号处理电路30进行修正，以使得在相当于图6B中的区域R1及图6A中的区域R1的区域中，2个信号的强度为相同程度。然后，只要从图6B的表示表面及内部的血流信息的分布减去图6A的表示表面的血流信息的分布就可以。由此，得到例如图6C所示的、表示内部的血流信息的分布。
图6C中的二维图像表示脑血流变化的区域14d的分布。脑血流变化的区域14d处于内部的脑血流被散射而变宽的状态。所以，信号处理电路30通过扩散方程式或蒙特卡洛分析等，推测其散射状态，进行图像修正。由此，信号处理电路30生成如图6D所示的、表示脑血流变化的区域14e的分布的二维图像。该二维图像是表示希望的脑血流的变化的图像。
在上述方法中，为了以高的S/N比进行运算，在图6A及图6B中的2个图像中，也可以使表示被检部6的表面的血流变化的区域中的亮度例如同等。
在图6A的图像中，将由具有超过某个阈值的像素值的多个像素形成的区域14c设为第1区域。同样，在图6B的图像中，将由具有超过该阈值的像素值的多个像素形成的区域14c设为第2区域。阈值可以设定为超过噪声水平的程度的小的值。设图6A的图像的第1区域中的、与第2区域重叠的部分的平均像素值为M1。同样，设图6B的图像的第2区域中的、与第1区域重叠的部分的平均像素值为M2。在此情况下，例如也可以设为M1＝M2。实际上，由于能够通过图像修正进行1位左右的修正，所以也可以使M1及M2之比定为例如1位左右。即，通过第1成分得到的上述平均像素值M1和通过第2成分得到的上述平均像素值M2例如也可以满足0.1≤M1/M2≤10。此外，也可以满足0.03≤M1/M2≤30。通过调整脉冲宽度T1、T2、将蓄积部4a的电子快门开、闭的定时、以及将蓄积部4b的电子快门开的定时中的至少一个，能够达到上述条件。
图6A的例子中的区域14c中的、与图6B的例子中的区域14c重叠的部分，包含头皮血流的信息而不包含脑血流的信息。另一方面，图6B的例子中的区域14c中的、与图6A的例子中的区域14c重叠的部分，不仅包含头皮血流的信息，也包含脑血流的信息的一部分。在此情况下，也如上述那样，M1及M2之比可以有1位左右的差异。因而，即使在M2中包含脑血流的信息的一部分也没有问题。
接着，说明本实施方式的生物体计测装置的一些变形例。
图7是示意地表示实施方式1的第1变形例的光脉冲群8b的时间分布(上段)、由光检测器2检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。
在图7的例子中，在一个帧期间内，在蓄积部4a中蓄积将起因于各光脉冲群8b中包含的开头的光脉冲的来自被检部6的反射光脉冲19a包含在内的第1成分作为第1信号电荷18a。在一个帧期间的结束后，将第1信号电荷18a作为包含头皮血流的信息的第1电信号15a向控制电路7输出。另一方面，与图4的例子不同，没有蓄积第2信号电荷18b。该第1变形例在不需要脑血流的信息而需要头皮血流的信息的情况下是有效的。这样，本发明的技术并不一定限定于取得脑血流的信息的用途。
图8是示意地表示实施方式1的第2变形例的光脉冲群8b及单一的光脉冲8A的时间分布(上段)、由光检测器2检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。以下，将与已经说明的内容重复的说明省略。
如图8的上段所示，光源1依次射出光脉冲群8b及单一光脉冲8A。光脉冲群8b具有脉冲宽度T1及最大光功率值P2，单一光脉冲8A具有脉冲宽度T3及最大光功率值P1。光脉冲群8b具有3个光脉冲。
如图8的中段所示，起因于单一光脉冲8A而从被检部6返回来的反射光脉冲19A具有与T3大致相同的脉冲宽度Td3。光19A因内部散射的影响而发生时间延迟，具有在山麓处稍稍变宽的形状。
光检测器2将包含全部的起因于光脉冲群8b而从被检部6返回来的反射光脉冲群19b的光的成分、和起因于单一光脉冲8A而从被检部6返回来的光脉冲19A的下降期间13中包含的光的成分，分别通过光电变换元件3进行光电变换，由蓄积部4a、4b将第1信号电荷18a及第2信号电荷18b蓄积。
在本变形例中，光脉冲群8b的脉冲宽度T2比单一光脉冲8A的脉冲宽度T3短(T2<T3)，例如是T2＝1至3ns及T3＝11至22ns。光脉冲群8b的最大光功率值P2比单一光脉冲8A的最大光功率值P1低(P2<P1)，例如，P2/P1＝0.01至0.1。通过调整P1、P2、Ts1及Ts2中的至少一个，能够使第1信号电荷18a及第2信号电荷18b的蓄积量大致相同，或使信号电荷之比成为一位左右以内。
如本变形例那样，控制电路7也可以在第1期间内，以与射出一个以上的光脉冲群8b的定时不同的定时，使光源1射出一个以上的单一的光脉冲8A。在此情况下，控制电路7在第1期间内使光检测器2检测由被检部6反射的一个以上的单一的反射光脉冲19A的各自的下降期间13中包含的光的成分即第2成分。然后，控制电路7输出表示第2成分的第2电信号。
通过这样的结构，也与图4的例子同样，能够进行光脉冲群的前端部分中包含的被检部表面的血流信息的检测、和单一的光脉冲的后端部分中包含的被检部内部的血流信息的检测。
进而，也可以调整电子快门的定时，来检测将起因于光脉冲群8b而从被检部6返回来的反射光脉冲群19b的一部分包含在内的光的成分。例如，也可以检测反射光脉冲群19b之中仅包含开头区域的反射光脉冲的成分、仅包含从开头区域到中央区域的反射光脉冲的成分、仅包含中央区域的反射光脉冲的光的成分、以及仅包含从中央区域到后部区域的反射光脉冲的光的成分中的某一个。
(实施方式2)
接着，参照图9A及图9B，以与上述实施方式1的生物体计测装置不同的点为中心，说明本发明的实施方式2的生物体计测装置。
图9A是示意地表示本发明的实施方式2的光脉冲群8b的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。图9B是示意地表示本实施方式的光检测器2的内部的结构和电信号及控制信号的流向的图。
在本实施方式中，控制电路7在第1帧期间内使光源1射出至少一个光脉冲群8b。控制电路7使光检测器2检测包含从被检部6返回来的反射光脉冲群19b中的开头的反射光脉冲19a的光的成分即第1成分，输出表示第1成分的第1电信号。控制电路7还在接着第1帧期间的第2帧期间内，使光检测器2检测从被检部6返回来的反射光脉冲群19d的最后的反射光脉冲的下降期间13中包含的光的成分即第2成分。然后，控制电路7使光检测器2输出表示第2成分的第2电信号。
实施方式2的生物体计测装置与实施方式1的生物体计测装置不同的点，是光检测器2的各光检测单元所具有的蓄积部4a仅是一个、第1及第2成分分别在不同的帧期间中被检测到。
在本实施方式中执行上述的表示被检部6中的血流的变化的信息的取得方法的情况下，第1期间相当于上述的第1帧期间，第2期间相当于上述的第2帧期间，第4期间相当于接着第3期间的帧期间。如上述那样，能够从第1至第4电信号，取得表示被检部6中的头皮血流的变化的分布的信息、和表示被检部6中的头皮血流及脑血流的变化的分布的信息。通过反复进行该动作，还能够生成运动图像。也可以与图9A的例子相反，在第1帧期间中检测第2成分，在第2帧期间中检测第1成分。
在本实施方式中，光检测器2的各光检测单元的蓄积部4a仅是一个，不需要进行蓄积部4a的切换。由此，能得到结构变得简单、控制变得容易的效果。另外，即使是光检测器2具有多个蓄积部的结构，也能够应用本实施方式的动作。在此情况下，只要使用多个蓄积部中的一个就可以。
在本实施方式中，也可以将第2帧期间中的脉冲的后端部分的信息的取得方法变更为图8所示的脉冲的后端部分的信息的取得方法。在此情况下，在第2帧期间中，控制电路7使光源1射出一个以上的光脉冲，而不是射出光脉冲群，使光检测器2检测在各反射光脉冲的下降期间中包含的光的成分即第2成分。控制电路7使光检测器2输出表示第2成分的第2电信号。
通过这样的动作，也与图9A所示的例子同样，能够取得被检部表面的血流信息和被检部内部的血流信息。
(实施方式3)
接着，参照图10A、图10B及图11，以与实施方式1的生物体计测装置不同的点为中心说明本发明的实施方式3的生物体计测装置。
图10A是用来说明本实施方式的生物体计测装置的结构和生物体计测的状况的概略图。图10B是示意地表示本实施方式的光检测器的内部的结构和电信号及控制信号的流向的图。
图11是示意地表示本实施方式的光脉冲群8b、8d的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。
本实施方式的生物体计测装置与实施方式1的生物体计测装置不同的点在于，光源1是射出至少2个波长的光的多波长光源，依次射出波长不同的光脉冲群8b、8d。
光源1将多个发光元件1a、1b在Y方向上排列而构成。发光元件1a射出第1波段的光，发光元件1b射出与第1波段不同的第2波段的光。发光元件1a、1b例如是激光芯片。
氧化血红蛋白及还原血红蛋白的吸收率例如在λ1＝750nm及λ2＝850nm的波长下不同。因此，如果运算使用这2个波长分别得到的2个电信号，则能够测量被检部6中的氧化血红蛋白及还原血红蛋白的比例。
当被检部6是生物体的头部的额头区域时，能够测量前额叶中的脑血流的变化量、或氧化血红蛋白浓度及还原血红蛋白浓度的变化量等，能够进行情绪等的信息的感测。例如，在集中状态下，发生脑血流量的增加及氧化血红蛋白量的增加等。
能够进行各种波长的组合。在波长为805nm下，氧化血红蛋白及还原血红蛋白的吸收量相等。因而，如果还考虑上述生物窗，则例如可以使用650nm以上且小于805nm的波长、和比805nm长且为950nm以下的波长的组合。在此情况下，控制电路7通过使650nm以上且小于805nm的波长的光脉冲群8b和比805nm长且为950nm以下的波长的光脉冲群8d交替地反复射出，使光源1射出光脉冲群8b、8d。
也可以是，除了上述的2个波长以外还使用805nm的波长的光。在使用3个波长的光的情况下，虽然需要3个激光芯片，但由于还能得到第3个波长的信息，所以通过利用该信息，运算能够变得容易。
本实施方式的生物体计测装置17的光检测器2具有切换是否蓄积信号电荷的电子快门和4个蓄积部4a、4b、4c、4d。发光元件1a射出波长λ1的光脉冲群8b。光电变换元件3将包含起因于开头的光脉冲8a而从被检部6返回来的反射光脉冲19a的第1成分进行光电变换。然后，光检测器2接收来自控制电路7的控制信号16a、16b、16c、16d、16e，选择蓄积部4a，例如在11至22ns的时间TS1中蓄积第1信号电荷18a。在经过时间TS1后，光检测器2接收来自控制电路7的控制信号16a、16b、16c、16d、16e，选择漏极12，将来自光电变换元件3的电荷释放。
同样，光电变换元件3将起因于波长λ1的光脉冲群8b而从被检部6返回来的反射光脉冲群19b的最后的反射光脉冲的下降期间13中包含的第2成分进行光电变换。然后，光检测器2接收控制信号16a、16b、16c、16d、16e，选择其他的蓄积部4b，例如在11至22ns的时间TS2中蓄积第2信号电荷18b。在经过时间TS2后，光检测器2接收来自控制电路7的控制信号16a、16b、16c、16d、16e，选择漏极12，将来自光电变换元件3的电荷释放。
然后，生物体计测装置17将发光元件1a改变为发光元件1b，同样射出波长λ2的光脉冲群8d。蓄积部4c检测与开头的反射光脉冲19c对应的光的成分，蓄积部4d检测与反射光脉冲群19d的最后的反射光脉冲的下降期间13对应的光的成分。
这样，在一个帧期间中，在蓄积部4a中，作为第1信号电荷18a而蓄积包含波长λ1的各反射光脉冲群19b中的开头的反射光脉冲19a的第1成分。在该帧期间的结束后，将第1信号电荷18a作为第1电信号15a向控制电路7输出。第1电信号15a主要包含波长λ1的头皮血流的信息。
在相同的帧期间中，在蓄积部4b中，作为第2信号电荷18b而蓄积波长λ1的各反射光脉冲群19b中的最后的反射光脉冲的下降期间13中包含的第2成分。在该帧期间结束后，将第2信号电荷18b作为第2电信号15b向控制电路输出。第2电信号15b不仅包含波长λ1的脑血流的信息，还包含波长λ1的头皮血流的信息。
在相同的帧期间中，在蓄积部4c中，作为第3信号电荷18c而蓄积包含波长λ2的各反射光脉冲群19d中的开头的反射光脉冲19c的第3光成分。在该帧期间结束后，将第3信号电荷18c作为第3电信号15c向控制电路7输出。第3电信号15c主要包含波长λ2的头皮血流的信息。
在相同的帧期间中，在蓄积部4c中，作为第4信号电荷18d而蓄积波长λ2的各反射光脉冲群19d中的最后的反射光脉冲的下降期间13中包含的第4光成分。在该帧期间结束后，将第4信号电荷18d作为第4电信号15d向控制电路输出。第4电信号15d不仅包含波长λ2的脑血流的信息，还包含波长λ2的头皮血流的信息。
基于第1至第4电信号的各自，信号处理电路30生成4个图像信息。并且，信号处理电路30根据这4个图像信息，作为表示脑血流的变化的图像而生成例如氧化血红蛋白及还原血红蛋白的2个二维浓度分布的图像。
作为其他例子，也可以检测与同一帧内的具有波长λ1的多个光脉冲群之中的一部分光脉冲群的各自的开头的光脉冲对应的来自被检部的反射光脉冲作为第1成分，检测与其以外的光脉冲群的各自中的最后的光脉冲的下降期间13对应的来自被检部的反射光脉冲作为第2成分。同样，也可以检测与同一帧内的具有波长λ2的多个光脉冲群之中的一部分光脉冲群的各自的开头的光脉冲对应的来自被检部的反射光脉冲作为第3光成分，检测与其以外的光脉冲群的各自的最后的光脉冲的下降期间13对应的来自被检部的反射光脉冲作为第4光成分。
接着，说明本发明的实施方式3的变形例的生物体计测装置。
图12是示意地表示本发明的实施方式3的第1变形例的光脉冲群8b、8d的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。
在该例中，在不同的帧期间中进行利用波长λ1的光进行的血流信息的取得、和利用波长λ2的光进行的血流信息的取得。在该例中，使用2个蓄积部4a、4b。
在第1帧期间中，反复射出具有第1波长λ1的光脉冲群8b。在一方的蓄积部4a中，蓄积相当于各反射光脉冲群19b的前端部分的第1成分的电荷。在另一方的蓄积部4b中，蓄积相当于各反射光脉冲群19b的后端部分的第2成分的电荷。在第1帧期间结束后，控制电路7从这2个蓄积部4a、4b分别读出第1电信号及第2电信号。
在第2帧期间中，反复射出具有第2波长λ2的光脉冲群8d。在一方的蓄积部4a中，蓄积相当于各反射光脉冲群19d的前端部分的第3成分的电荷。在另一方的蓄积部4b中，蓄积相当于各反射光脉冲群19d的后端部分的第4成分的电荷。在第2帧期间结束后，控制电路7从这2个蓄积部4a、4b分别读出第3电信号及第4电信号。
作为另一例，也可以检测与第1帧内的多个光脉冲群中的一部分光脉冲群的各自的开头的光脉冲对应的来自被检部的反射光脉冲作为第1成分，检测与其以外的光脉冲群的各自的最后的光脉冲的下降期间13对应的来自被检部的反射光脉冲作为第2成分。同样，也可以检测与第2帧内的多个光脉冲群中的一部分光脉冲群的各自的开头的光脉冲对应的来自被检部的反射光脉冲作为第3成分，检测与其以外的光脉冲群的各自的最后的光脉冲的下降期间13对应的来自被检部的反射光脉冲作为第4成分。
图13是示意地表示本发明的实施方式3的第2变形例的光脉冲群8b、8d的时间分布(上段)、由光检测器检测的光功率的时间分布(中段)和电子快门的定时及电荷蓄积(下段)的图。在该例中，将利用波长λ1的光进行的被检部表面的血流信息的取得、利用波长λ2的光进行的被检部表面的血流信息的取得、利用波长λ1的光进行的被检部内部的血流信息的取得、和利用波长λ2的光进行的被检部内部的血流信息的取得全部在不同的帧期间中进行。在该例中，光检测器2的各光检测单元中的蓄积部仅一个就可以。
在第1帧期间中，反复射出具有第1波长λ1的光脉冲群8b。在蓄积部中，蓄积相当于各反射光脉冲群19b的前端部分的第1成分的电荷。在第1帧期间结束后，控制电路7从该蓄积部读出第1电信号。
在第2帧期间中，反复射出具有第2波长λ2的光脉冲群8d。在蓄积部中，蓄积相当于各反射光脉冲群19d的前端部分的第3成分的电荷。在第2帧期间结束后，控制电路7从该蓄积部读出第3电信号。
在第3帧期间中，反复射出具有第1波长λ1的光脉冲群8b。在蓄积部中，蓄积相当于各反射光脉冲群19b的后端部分的第2成分的电荷。在第3帧期间结束后，控制电路7从该蓄积部读出第2电信号。
在第4帧期间中，反复射出具有第2波长λ2的光脉冲群8d。在蓄积部中，蓄积相当于各反射光脉冲群19d的后端部分的第4成分的电荷。在第4帧期间结束后，控制电路7从该蓄积部读出第4电信号。
根据以上的动作，光检测器2的各光检测单元只要仅具备一个蓄积部就可以。因而，不需要进行蓄积部的切换，能够以简单的结构实现。
以上，说明了实施方式1至3的生物体计测装置，但本发明并不限定于这些实施方式。将各个实施方式的生物体计测装置的结构组合的生物体计测装置也包含在本发明中，能够起到同样的效果。

Claims (17)

1.一种计测装置，其特征在于，具备：
光源，向对象物的被检部射出分别包含多个光脉冲的至少一个光脉冲群；
光检测器，检测从上述被检部返回来的、包含多个反射光脉冲的至少一个反射光脉冲群的至少一部分；以及
控制电路，控制上述光源及上述光检测器；
上述控制电路进行以下控制：
在第1期间内，使上述光源射出上述至少一个光脉冲群；
在上述第1期间内，使上述光检测器检测第1成分，该第1成分是上述多个反射光脉冲中的开头的反射光脉冲的至少一部分中包含的光的成分；
使上述光检测器输出表示上述第1成分的第1电信号。
2.如权利要求1所述的计测装置，其特征在于，
上述控制电路还进行以下控制：
在上述第1期间内，使上述光检测器检测第2成分，该第2成分是在从上述多个反射光脉冲中的最后的反射光脉冲的光功率开始减少到减少结束为止的期间即下降期间、上述最后的反射光脉冲中包含的光的成分；
使上述光检测器输出表示上述第2成分的第2电信号。
3.如权利要求1所述的计测装置，其特征在于，
上述控制电路还进行以下控制：
在与上述第1期间不同的第2期间内，使上述光检测器检测第2成分，该第2成分是在从上述多个反射光脉冲中的最后的反射光脉冲的光功率开始减少到减少结束为止的期间即下降期间、上述最后的反射光脉冲中包含的光的成分；
使上述光检测器输出表示上述第2成分的第2电信号。
4.如权利要求1所述的计测装置，其特征在于，
上述至少一个光脉冲群包括第1光脉冲群及第2光脉冲群；
上述至少一个反射光脉冲群包括第1反射光脉冲群及第2反射光脉冲群；
上述第1反射光脉冲群包含多个第1反射光脉冲；
上述第2反射光脉冲群包含多个第2反射光脉冲；
上述控制电路在上述第1期间内，使上述光源射出上述第1光脉冲群及上述第2光脉冲群；
上述第2光脉冲群被以与上述第1光脉冲群不同的定时射出；
上述第1成分是上述多个第1反射光脉冲中的开头的第1反射光脉冲的至少一部分中包含的光的成分；
上述控制电路还进行以下控制：
在上述第1期间内，使上述光检测器检测第2成分，该第2成分是在从上述多个第2反射光脉冲中的最后的第2反射光脉冲的光功率开始减少到减少结束为止的期间即下降期间、上述最后的第2反射光脉冲中包含的光的成分；
使上述光检测器输出表示上述第2成分的第2电信号。
5.如权利要求1所述的计测装置，其特征在于，
上述至少一个光脉冲群包括第1光脉冲群及第2光脉冲群；
上述至少一个反射光脉冲群包括第1反射光脉冲群及第2反射光脉冲群；
上述第1反射光脉冲群包含多个第1反射光脉冲；
上述第2反射光脉冲群包含多个第2反射光脉冲；
上述控制电路在上述第1期间内，使上述光源射出上述第1光脉冲群；
上述第1成分是上述多个第1反射光脉冲中的开头的第1反射光脉冲的至少一部分中包含的光的成分；
上述控制电路还进行以下控制：
在与上述第1期间不同的第2期间内，使上述光源射出上述第2光脉冲群；
在上述第2期间内，使上述光检测器检测第2成分，该第2成分是在从上述多个第2反射光脉冲中的最后的第2反射光脉冲的光功率开始减少到减少结束为止的期间即下降期间、上述最后的第2反射光脉冲中包含的光的成分；
使上述光检测器输出表示上述第2成分的第2电信号。
6.如权利要求2所述的计测装置，其特征在于，
还具备信号处理电路，该信号处理电路通过使用上述第1电信号和上述第2电信号来进行的运算，生成上述被检部的血流信息。
7.如权利要求6所述的计测装置，其特征在于，
上述第1电信号包含上述被检部的表面的血流信息；
上述第2电信号包含上述被检部的上述表面及内部的血流信息；
上述信号处理电路生成上述被检部的上述内部的血流信息。
8.如权利要求6所述的计测装置，其特征在于，
上述光检测器是包括二维地排列的多个光检测单元的图像传感器；
上述多个光检测单元分别将上述第1成分作为第1信号电荷蓄积，将上述第2成分作为第2信号电荷蓄积，将表示所蓄积的上述第1信号电荷的电信号作为上述第1电信号输出，将表示所蓄积的上述第2信号电荷的电信号作为上述第2电信号输出。
9.如权利要求8所述的计测装置，其特征在于，
上述控制电路使上述图像传感器输出以下信号：
第1图像信号，表示第1图像，该第1图像为在第1期间被蓄积到上述多个光检测单元中的上述第1信号电荷的总量的二维分布；
第2图像信号，表示第2图像，该第2图像为在与上述第1期间相同或不同的第2期间被蓄积到上述多个光检测单元中的上述第2信号电荷的总量的二维分布；
第3图像信号，表示第3图像，该第3图像为在比上述第1期间靠前的第3期间被蓄积到上述多个光检测单元中的上述第1信号电荷的总量的二维分布；以及
第4图像信号，表示第4图像，该第4图像为在比上述第2期间靠前的第4期间被蓄积到上述多个光检测单元中的上述第2信号电荷的总量的二维分布；
上述信号处理电路进行以下处理：
从上述图像传感器接收上述第1图像信号至第4图像信号；
基于上述第1图像信号及上述第3图像信号，生成表示上述第1图像与上述第3图像的差分的第1差分图像；
基于上述第2图像信号及上述第4图像信号，生成表示上述第2图像与上述第4图像的差分的第2差分图像。
10.如权利要求9所述的计测装置，其特征在于，
在上述第1差分图像中，将由上述第1差分图像中包含的多个像素中的具有超过第1阈值的像素值的多个像素形成的区域设为第1区域，
在上述第2差分图像中，将由上述第2差分图像中包含的多个像素中的具有超过第2阈值的像素值的多个像素形成的区域设为第2区域，
将上述第1区域中的与上述第2区域重叠的部分的平均像素值设为M1，
将上述第2区域中的与上述第1区域重叠的部分的平均像素值设为M2，
此时满足0.1≤M1/M2≤10。
11.如权利要求1所述的计测装置，其特征在于，
上述至少一个光脉冲群包括第1光脉冲群和第2光脉冲群，上述第1光脉冲群包含650nm以上且小于805nm的波长的多个光脉冲，上述第2光脉冲群包含比805nm长且为950nm以下的波长的多个光脉冲；
上述控制电路使上述第1光脉冲群和上述第2光脉冲群交替地射出。
12.如权利要求1所述的计测装置，其特征在于，
上述多个光脉冲的各自的时间宽度是0.5纳秒以上且小于3.0纳秒。
13.如权利要求1所述的计测装置，其特征在于，
上述多个光脉冲的各自的时间宽度是0.5纳秒以上且5.0纳秒以下。
14.如权利要求1所述的计测装置，其特征在于，
上述光源是半导体激光器；
上述控制电路通过向上述光源供给叠加了高频成分的驱动电流，使上述光源射出上述至少一个光脉冲群。
15.如权利要求1所述的计测装置，其特征在于，
上述光源是自激振荡激光器。
16.一种计测装置，其特征在于，具备：
光源，向对象物的被检部，射出分别包含多个第1光脉冲的至少一个光脉冲群以及至少一个第2光脉冲；
光检测器，检测从上述被检部返回来的包含多个第1反射光脉冲的至少一个反射光脉冲群的至少一部分、以及从上述被检部返回来的至少一个第2反射光脉冲的至少一部分；以及
控制电路，控制上述光源及上述光检测器；
上述控制电路进行以下控制：
在第1期间内，使上述光源射出上述至少一个光脉冲群；
在上述第1期间内，使上述光检测器检测第1成分，该第1成分是上述至少一个反射光脉冲群的上述至少一部分中包含的光的成分；
使上述光检测器输出表示上述第1成分的第1电信号；
在上述第1期间内或与上述第1期间不同的第2期间内，使上述光源以与射出上述至少一个光脉冲群的定时不同的定时，射出上述至少一个第2光脉冲；
在上述第1期间内或上述第2期间内，使上述光检测器检测第2成分，该第2成分是在从上述至少一个第2反射光脉冲的光功率开始减少到减少结束为止的期间即下降期间、上述至少一个第2反射光脉冲中包含的光的成分；
使上述光检测器输出表示上述第2成分的第2电信号。
17.如权利要求16所述的计测装置，其特征在于，
上述至少一个第2光脉冲的光功率比上述多个第1光脉冲的各自的光功率大。
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