JP2002248104A - 生体情報測定装置およびこれを使用する測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微弱な検出信号を分別する生体情報測定方法
および装置を提供する。 【解決手段】 擬似雑音系列発生器１１、２１と、擬似
雑音系列によりＡＳＫしてスペクトラム拡散した光強度
振幅を出力するレーザドライバ１２、２２と、レーザド
ライバ出力を割り当てられて駆動される半導体レーザ１
３、２３より成る光出射部を相異なる２光波長について
具備し、生体を伝播して到達する光を受光し電気的な検
出信号を発生する光検出器１４と、検出信号をＡＤ変換
するＡＤコンバータ１５より成る光検出部を具備し、Ａ
Ｄ変換検出信号を入力すると共に擬似雑音系列を入力
し、両者を掛け算して逆スペクトラム拡散する掛け算器
１７、２７と、掛け算器の出力を累算する累算器１８、
２８より成る相関処理部を２光波長について具備して生
体情報を求める生体情報測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、生体情報測定装
置およびこれを使用する測定方法に関し、特に、生体の
密度、水分、血中酸素濃度、グルコース濃度、血糖値、
脈拍、その他の様々な生体の代謝に対応する生体内の光
伝播が伝播する光の波長により異なる変化をする性質に
着目して生体内部の情報を得る生体情報測定装置および
これを使用する測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】物質或いは材料を光線或いはＸ線により
照射して内部状態を測定することは一般的に行なわれて
いる。生体についても、これをＸ線により照射して生体
内部状態を測定し、或いは生体活動を測定することも実
施されている。この種の測定を生体について実施する場
合、測定は無侵襲であることが特に重要である。ここ
で、生体を赤外光により照射して生体内部状態を測定す
る従来例を図１１を参照して説明する。変調器１−２、
半導体レーザ１−１、光ファイバ１−３および光ファイ
バ１−６、光検出器１−７、多チャネルロックインアン
プ１−８を主構成要素とする生体情報測定装置により変
調された赤外光を生体内部、一例として頭骸骨内側の脳
の表層を透過させて得られた測定結果である生体情報を
記憶装置１−１３に蓄積し、蓄積された生体情報を演算
装置１−１２において演算処理して生体情報の変化を測
定し、この変化に基づいて生体内部状態を測定する。な
お、以上の半導体レーザ１−１には、一例として、波長
７８０ｎｍ光の半導体レーザが８個具備され、波長８３
０ｎｍ光の半導体レーザも８個具備され、これらの個数
の半導体レーザに対応して１６個の光検出器１−７が具
備されている。

【０００３】以上の生体情報測定装置は、光ファイバ１
−３の先端に接続される波長７８０ｎｍ光の入射プロー
ベと波長８３０ｎｍ光の入射プローベを１対として合計
８対の入射プローベを生体の頭部の８箇所に適用し、半
導体レーザ１−１から出射した相異なる波長の赤外の被
変調光を入射プローベを介して頭骸骨を透過して脳表層
に入射している。赤外光は頭蓋骨および生体を比較的に
良好に透過するので、生体内を乱反射しながら伝播して
再び頭部に到達し、これを生体の頭部に適用されている
合計８対の受光プローベによりそれぞれの波長の反射光
として受光することができる。特に、ヘモグロビンの遠
赤外光における光吸収は酸素飽和度により大きく変化す
る。これに着目して、脳の表層における脳の作用、人間
の顔色が悪いという様な情報を光学的に検出、測定する
ことができる。

【０００４】光ファイバ１−６の先端の受光プローベが
受光した反射光は多チャネルロックインアンプ１−８に
入力される。ところで、生体へ光を入射して生体透過し
た出力信号を測定する場合、得られる信号は大変に微小
なものであり、通常、この微小信号は光検出器に混入し
ている外部雑音に埋没し、或いは光学的擾乱に曝されて
いるのでその測定は一般に困難である。しかし、ロック
インアンプ１−８は変調信号に対して選択性の高いフイ
ルタ回路を構成しており、このフイルタ回路を具備する
ことにより先の光周波数および入射プローベ位置に対応
する反射光強度を分離して測定することができる。（詳
細は、特開２０００−１７２４０７号公報、株式会社日
立メディコ メディックスＲＥＰＯＲＴ ＭＥＤＩＸ
ＶＯＬ.２９ 参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、最近は、蛍光
灯照明器具の如くインバータにより駆動される照明器具
が普及し、これが高調波成分を含めて数１０kＨz以上に
亘る広スペクトルの外光を発生している場合があり、こ
れら外光の影響を除いて低雑音で微小信号を測定するこ
とは実際の医療現場においては困難な状態にある。そし
て、生体の表面状態は個々に大きく異なるところから、
光源を生体に密着させることの再現性に乏しく、これに
起因して絶対的な透過度を求めることは難かしく、これ
が測定精度を制限する要因になっている。そして、以上
の生体情報測定装置の従来例において、半導体レーザ１
−１および光検出器１−７のセットの対の数を増加して
２次元的に多数箇所について同時に生体情報測定を実施
する場合、半導体レーザ１−１および光検出器１−７の
各セットに対応して、変調器１−２、半導体レーザ１−
１、光検出器１−７、ロックインアンプ１−８を準備す
る必要がある。これにより、生体情報測定装置全体が大
型化、複雑化する。また、生体内の線形性により高調波
が発生する様な場合、ロックインアンプを使用すること
に依っては生体内部状態の測定自体が原理的に困難にな
る。

【０００６】この発明は、光源である半導体レーザを同
時に複数個動作させて生体に複数の光を同時に入射す
が、生体内を反射透過した反射光を受光する光検出器は
１個であり、１個の光検出器が受光する複数の光を対応
する半導体レーザ毎に格別に分離して測定すると共に如
何なる外光がこの光検出器に混入してもこれが検出信号
に影響を与えない上述の問題を解消した生体情報測定装
置およびこれを使用する測定方法を提供するものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１：擬似雑音系列
発生器１１、２１と、擬似雑音系列発生器の発生する擬
似雑音系列によりＡＳＫしてスペクトラム拡散した光強
度振幅を出力するレーザドライバ１２、２２と、スペク
トラム拡散したレーザドライバ出力を割り当てられて駆
動される半導体レーザ１３、２３とより成る光出射部を
相異なる２光波長のそれぞれについて具備し、擬似雑音
系列は相異なる２光波長のそれぞれについて各別のもの
とし、生体を伝播して到達する光を受光し電気的な検出
信号を発生する光検出器１４と、検出信号を入力してこ
れをＡＤ変換するＡＤコンバータ１５とより成る光検出
部を具備し、ＡＤコンバータ１５の出力するＡＤ変換検
出信号を入力すると共に擬似雑音系列発生器１１、２１
の発生する擬似雑音系列を入力し、両者を１周期以上に
亘って掛け算して逆スペクトラム拡散する掛け算器１
７、２７と、掛け算器の出力を累算する累算器１８、２
８とより成る相関処理部を２光波長のそれぞれについて
具備し、両累算結果に基づいて生体情報を求める生体情
報測定装置を構成した。

【０００８】そして、請求項２：請求項１に記載される
生体情報測定装置において、更なる光検出部２４を具備
すると共に、更なる相関処理部を２光波長について１組
具備し、先の両相関処理部の累算器の累算結果を入力し
て両結果の比を求める第１の割り算器２９を具備し、更
なる両相関処理部の累算器の累算結果を入力して両結果
の比を求める第２の割り算器３９を具備し、第１の割り
算器２９の求めた比および第２の割り算器３９の求めた
比を入力し両者の比を求める第３の割り算器５０を具備
する生体情報測定装置を構成した。

【０００９】また、請求項３：請求項１に記載される生
体情報測定装置において、擬似雑音系列を高周波の発振
器６０の発生する搬送波により変調するアップミキサ６
１、６２を相異なる２光波長について具備して被変調波
によりレーザドライバ１２、２２の出力する光強度振幅
をＡＳＫ変調し、光検出器１４により検出した検出信号
を高周波の発振器６０の発生する搬送波により復調する
ダウンミキサ６３を具備して復調した検出信号をＡＤ変
換する生体情報測定装置を構成した。更に、請求項４：
請求項１に記載される生体情報測定装置において、擬似
雑音系列発生器をホッピングパターン発生器７１、８１
と周波数シンセサイザ７２、８２により構成して周波数
シンセサイザ７２、８２はホッピングパターン発生器７
１、８１の発生する周期乱数に対応して周波数系列の擬
似ランダムパターンを相異なる２光波長のそれぞれにつ
いて発生し、光検出器１４の出力する検出信号を入力す
ると共に周波数シンセサイザ７２、８２の発生する周波
数系列の擬似ランダムパターンを入力し、両者を掛け算
して復調するダウンコンバータ９２、９３を相異なる２
光波長のそれぞれについて具備し、ダウンコンバータ９
２、９３の出力する復調信号をＡＤコンバータ１５に入
力する生体情報測定装置を構成した。

【００１０】ここで、請求項５：請求項３に記載される
生体情報測定装置において、光検出器１４により検出し
た検出信号を高周波の発振器の発生する搬送波により復
調するダウンミキサ６５、６５’を相異なる２光波長の
それぞれについて具備して復調した検出信号をＡＤ変換
する構成を複数通り有し、逓倍数２、３を異にする逓倍
器６４、６４’を複数個具備し、高周波の発振器出力を
逓倍器６４、６４’を介してダウンミキサ６５、６５’
に供給する生体情報測定装置を構成した。そして、請求
項６：擬似雑音系列発生器と、擬似雑音系列発生器の発
生する擬似雑音系列によりＡＳＫしてスペクトラム拡散
した光強度振幅を出力するレーザドライバと、スペクト
ラム拡散したレーザドライバ出力を割り当てられて駆動
される半導体レーザとより成る光出射部を相異なる２光
波長のそれぞれについて具備し、擬似雑音系列は相異な
る２光波長のそれぞれについて各別のものとし、生体を
伝播して到達する光を受光し電気的な検出信号を発生す
る光検出器と、検出信号を入力してこれをＡＤ変換する
ＡＤコンバータより成る光検出部を具備し、ＡＤコンバ
ータの出力するＡＤ変換検出信号を入力すると共に擬似
雑音系列発生器の発生する擬似雑音系列を入力し、両者
を１周期以上に亘って掛け算して逆スペクトラム拡散す
る掛け算器と、掛け算器の出力を累算する累算器とより
成る相関処理部を２光波長のそれぞれについて具備し、
両累算結果に基づいて生体情報を求める生体情報測定装
置について、相異なる２光波長について具備される半導
体レーザ１３、２３を生体に対して２次元的にマトリク
ス状に配列してコンタクトすると共に、光検出器１４を
生体に対して同様に２次元的にマトリクス状に配列して
コンタクトする生体情報測定方法を構成した。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明は、雑音に埋没する微弱
な信号を選択増幅するロックインアンプの如きアナログ
回路を採用することに代えて、擬似雑音符号として擬似
ランダム系列の信号を使用してこれを出射光に含め、こ
れとディジタル信号処理を施した検出信号との間の相関
を求めて検出信号を取り出し、光の波長により異なる生
体の代謝に対応する生体内の光伝播を検出して生体内部
の情報を得る生体情報測定装置である。

【００１２】擬似ランダム系列の代表例としては、アダ
マール行列から得られるアダマール系列と呼ばれるもの
がある。アダマール系列は、下記のアダマール行列

【００１３】

【数１】 この系列はいくらでも大きな系列とすることができる。
全て組み合わせの積和はゼロとなっているが、１と−１
の個数が等しくない系列、周波数成分が狭いと思われる
ものは排除して選択することができる。これは系列の周
期を大きくしていった場合も同様である。他の擬似ラン
ダム系列としてＭ系列を使用することができる。Ｍ系列
は多段のシフトレジスタの中間から帰還した信号と最終
段の出力の排他的論理和を入力に接続して得られる２値
系列の集合である。そして、この生成のクロック周波数
をチップレートと呼び、最小パルス時間をチップ時間と
呼ぶ。この様にして得られる系列には、スペクトルが広
くランダム性を有する特徴があるが、異なる列は互いに
直交する性質があり、自己以外には相関がゼロ、即ち、
積和演算を行えば常にゼロとなる。この種の系列にはア
ダマール行列から得られるアダマール系列、Ｍ系列の他
にゴールド系列がある。この発明においてはこの種の擬
似ランダム系列を擬似雑音系列として使用する。長いビ
ット列とすることにより、それだけ相関を求める際の積
和量を長く取ることができ、より雑音の影響を小さくす
ることができる。

【００１４】相関を取るには、疑似雑音系列の１を＋１
とすると共に０を−１とし、時系列的に検出される電気
的な検出信号と疑似雑音系列との間の積を取り、擬似雑
音系列の１周期に亘って和を取る。直交した擬似雑音系
列の相互相関もゼロになるので、測定しようとする光源
から出射する信号を良好に分離して求めることができ
る。また、擬似雑音系列の内でも１と０の符号の数が等
しいものを使用すれば、白色の雑音が存在した場合でも
その平均値は積和の過程でゼロとなる。この積和演算は
１周期以上に亘って長く取れば、それだけ平均化を進め
ることができる。

【００１５】以上の相関量を求めるに際して、高周波を
重畳すれば雑音をより一層低減させることができる。こ
れは光検出器の１／ｆ雑音から逃れることと、レーザ光
源の戻り光によるパワー変動を抑制することに貢献す
る。高周波を重畳する手順は、擬似雑音系列をチップレ
ートの周波数以下の周波数を通過する低域フィルタを介
することにより不要な高周波帯域を除去した後、直接或
いはこの周波数帯域と重ならない周波数を搬送波として
乗算し、光源に入力する。上述の通り、この時に光源の
波長或いはその設置位置について相異なる擬似雑音系列
を使用する。１個の光検出器から得られる電気的な検出
信号に対して必要な帯域を通過するフィルタを介して復
調した信号と対応する擬似雑音系列との間の積和演算、
相関を取るこの相関量はその光源の出射光の伝播成分の
大きさに対応している。また、直交する擬似雑音系列を
使用しているので光源毎にそれぞれの相関量が独立に求
められる。以上の信号処理においては、伝播媒質から発
生する雑音の影響は積和演算により平均化されるので極
めて小さくなる。異なる擬似雑音系列を使用することに
より複数の光源から出射した光を検出器で誤って検出す
る恐れはない。この擬似雑音系列はビット長を長くすれ
ば数多く形成することができる。そして、このビット長
を長くすることによりＳ／Ｎ比を容易に高めることがで
きる。

【００１６】光源と生体の間のコンタクトが再現性に乏
しく、生体の透過光量が変動する場合は、光検出器を複
数個使用し、光源から距離を変えて両光検出器を設置す
る構成とする。これにより、光源から生体に対して入射
する光量が変化しても、異なった距離に設置された光検
出器から得られる検出光量の比率を求めることにより光
量が変化したことに起因する両測定結果の変動は相殺さ
れるに到り、入射する光量の変化の影響は蒙むらない。
或る搬送波周波数を乗じて擬似雑音系列を変調して光を
出射した場合、生体内の伝播媒質の一部に非線形性があ
れば、伝播信号成分内に整数倍の高調波の搬送波周波数
とする信号が得られる。ここで、高調波搬送波周波数で
復調したものと入力擬似雑音系列との間の相関を取るこ
とにより生体内の非線型情報を得ることができる。

【００１７】

【実施例】この発明の実施例を図１を参照して説明す
る。１１は第１の擬似雑音系列発生器、２１は第２の擬
似雑音系列発生器である。第１の擬似雑音系列発生器１
１と第２の擬似雑音系列発生器２１は、雑音系列発生器
自体の構成は同一であり、使用に際してこれらを格別に
制御して相異なる擬似雑音系列を発生せしめる。擬似雑
音系列として、例えば、３２ビットのアダマール行列よ
り得られる下記の２パターンを発生せしめる。

【００１８】第１の擬似雑音系列：０１１０１００１１
００１０１１０１００１０１１００１１０１００１ 第２の擬似雑音系列：００１１１１００１１００００１
１１１００００１１００１１１１００ １２は第１のレーザドライバ、２２は第２のレーザドラ
イバである。これらレーザドライバ自体の構成も同一で
ある。１３は７８０ｎｍの光を発光する第１の半導体レ
ーザ、２３は８３０ｎｍの光を発光する第２の半導体レ
ーザであり、共に５ｍＷの光を出射する。

【００１９】ここで、第１のレーザドライバ１２に第１
の擬似雑音系列発生器１１の発生する第１の擬似雑音系
列を供給して第１のレーザドライバ１２の出力する光強
度振幅を第１の擬似雑音系列によりＡＳＫしてスペクト
ラム拡散し、スペクトラム拡散したドライバ出力を第１
の半導体レーザ１３に割り当てて駆動する。同様に、第
２のレーザドライバ２２に第２の擬似雑音系列発生器２
１の発生する第２の擬似雑音系列を供給して第２のレー
ザドライバ２２の出力する光強度振幅を第２の擬似雑音
系列によりＡＳＫし、これを第２の半導体レーザ２３に
割り当てて駆動する。

【００２０】１４は１個のフォトダイオードより成る光
検出器である。第１の半導体レーザ１３および第２の半
導体レーザ２３から出射した相異なる波長の赤外の被変
調光は、それぞれの入射プローベ１３１および入射プロ
ーベ２３１を介して頭骸骨を透過して脳表層に入射し、
脳表層を乱反射しながら伝播して再び頭部に反射光とし
て到達し、光検出器１４によりその受光プローベ１４１
を介して反射信号光として受光し、電気的な検出信号を
発生する。１５はＡＤコンバータであり、光検出器１４
の発生した両波長光の検出信号をディジタル信号に変換
する。

【００２１】１６は第１の符号変換器、１７は第１の掛
け算器である。第１の掛け算器１７の一方の入力端には
ＡＤコンバータ１５を介してディジタル信号に変換され
た第１の半導体レーザ１３の出射した光出力に対応する
検出信号が入力されると共に他方の入力端には第１の符
号変換器１６を介して変換された第１の擬似雑音系列が
入力される。第１の掛け算器１７においては、時系列的
に検出入力される検出信号と第１の疑似雑音系列との間
の積を取る。第１の掛け算器１７の掛け算した結果の出
力は第１の累算器１８に入力され、ここにおいて拡散さ
れた１周期に亘って加算され、結局、第１の疑似雑音系
列に対応した検出信号のみが出力されるに到る。２６は
第２の符号変換器、２７は第２の掛け算器である。第２
の掛け算器２７の一方の入力端にはＡＤコンバータ１５
を介してディジタル信号に変換された第２の半導体レー
ザ２３の出射した光出力に対応する検出信号が入力され
ると共に他方の入力端には第２の符号変換器２６を介し
て変換された第２の擬似雑音系列が入力される。第２の
掛け算器２７においても、時系列的に検出入力される検
出信号と第２の疑似雑音系列との間の積を取る。第２の
掛け算器２７の掛け算した結果の出力は第２の累算器２
８に入力され、ここにおいて拡散された１周期に亘って
和算され、第２の疑似雑音系列に対応した検出信号のみ
が出力されるに到る。後で詳しく説明されるが、直交し
た擬似雑音系列の相互相関もゼロになるので、測定しよ
うとする半導体レーザ光源から出射する信号を分離して
求めることができる。

【００２２】以上の生体情報測定装置の動作を生体中の
血中酸素濃度と脈拍を測定する仕方を例として更に説明
する。第１の半導体レーザ１３および第２の半導体レー
ザ２３より成る２個の半導体レーザは、対応する第１の
レーザドライバ１２および第２のレーザドライバ２２に
よりパワー制御されて生体を照射する。これに際して、
これら半導体レーザと生体との間の間隔が短かければそ
のまま光を照射するが、これらの間隔が長い場合は半導
体レーザの出射する光を光ファイバを介して生体に照射
する。後で更に具体的に説明されるが、伝播係数は光検
出器１４により検出された検出信号はＡＤコンバータ１
５においてサンプル抽出され、掛け算器１７、２７にお
いて符号変換器１６、２６を介して供給される擬似雑音
系列の間の相関の有無により求められる。ここで、サン
プリング周波数をチップレートより高くすることにより
精度を高くすることができる。

【００２３】次に、相関を取る方法について説明する。
フォトダイオードより成る光検出器１４の発生する電気
的な検出信号をＡＤコンバータ１５でＡＤ変換し、ディ
ジタル化された検出信号値に対して、擬似雑音系列が１
であれば＋１を、０であれば−１を掛ける。この積を擬
似ランダム系列の１周期に亘って累積した和をもって相
関量とする。この積和は１周期以上、或はそれ以上の周
期に亘って実行する。疑似雑音系列は１と０の符号の数
が等しく、ＤＣ的な外光が入力に混入したり、白色の雑
音が存在しても、その平均値は積和の過程でゼロとな
る。また、直交した擬似雑音系列の間の相互相関もゼロ
になるので、測定しようとする２個の光源から出射され
る信号を分離して求めることができる。元の信号以外の
情報は累積されない。

【００２４】ここで、 ・入力光のパワー：Ｐ₁ （波長７８０ｎｍ）、Ｐ₂ （波
長８３０ｎｍ） ・酸素化ヘモグロビンの吸収係数：Ｅ_{1 OX}（波長７８０
ｎｍ）、Ｅ_{2 OX}（波長８３０ｎｍ） ・脱酸素化ヘモグロビンの吸収係数：Ｅ_{1 dX}（波長７８
０ｎｍ）、Ｅ_{2 dX}（波長８３０ｎｍ） ・ヘモグロビン以外の吸収係数：ｎ₁ （波長７８０ｎ
ｍ）、ｎ₂ （波長８３０ｎｍ） ・生体中の酸素化ヘモグロビンの濃度：Ｃ_OX ・脱酸素化ヘモグロビン濃度：Ｃ_dX ・得られたそれぞれの相関量：Ｔ₁ 、（波長７８０ｎ
ｍ）、Ｔ₂ （波長８３０ｎｍ） ・生体中の伝播距離：ｄ ・伝播係数：ｘ₁ （波長７８０ｎｍ）、ｘ₂ （波長８３
０ｎｍ） とする。

【００２５】光源と生体のコンタクトが理想的であれ
ば、伝播係数ｘ₁ 、ｘ₂ は以下の通りになる。 ｘ₁＝−ｌｏｇ（Ｔ₁／Ｐ₁）／ｄ ｘ₂＝−ｌｏｇ（Ｔ₂／Ｐ₂）／ｄ ここで、 −ｌｏｇ（Ｔ₁／Ｐ₁）＝（Ｅ_{1 OX・}Ｃ_OX＋Ｅ_{1 dX・}Ｃ_dX＋
ｎ₁）ｄ −ｌｏｇ（Ｔ₂／Ｐ₂）＝（Ｅ_{2 OX・}Ｃ_OX＋Ｅ_{2 dX・}Ｃ_dX＋
ｎ₂）ｄ であり、Ｃ_OX、Ｃ_dXについて解けば、 Ｃ_OX＝［（ｘ₁−ｎ₁）Ｅ_{2 dX}−（ｘ₂−ｎ₂）Ｅ_{1 dX}／Ａ Ｃ_dX＝［（ｘ₂−ｎ₂）Ｅ_{1 OX}−（ｘ₁−ｎ₁）_・Ｅ_{2 OX}］
／Ａ Ａ＝Ｅ_{1 OX・}Ｅ_{2 dX}−Ｅ_{1 dX・}Ｅ_{2 OX} となる。酸素飽和度Ｏ_sat をＣ_OX／（Ｃ_OX＋Ｃ_dX）で定
義すれば、 Ｏ_sat（ｘ₁、ｘ₂）＝［（ｘ₁−ｎ₁）_・Ｅ_{2 dX}−（ｘ₂−
ｎ₂）_・Ｅ_{1 dX}］／［（ｘ₁−ｎ₁）Ｅ_{2 dX}−（ｘ₂−ｎ₂）
Ｅ_{1 dX}＋（ｘ₂−ｎ₂）Ｅ_{1 OX}−（ｘ₁−ｎ₁）Ｅ_{2 OX}］ となる。

【００２６】生体中の距離ｄは実測できないが、他のパ
ラメータは生体固有のものであるので、予め酸素飽和度
Ｏ_sat と較正を行っておけば、相関量から酸素飽和度Ｏ
_satを求めることができる。図２は光源出力５ｍＷの場
合の両波長の相関量の比と血中酸素濃度の間の校正チャ
ートである。この校正チャートを使用して血中酸素濃度
を同定することができる。例えば、８３０ｎｍ光と７８
０ｎｍ光の相関量が或る時間で０. １および０. ０５で
あったとすれば、その比である「７８０ｎｍ光相関量／
８３０ｎｍ光相関量」は５０（０. ０５／０. １）であ
り、図２のグラフを参照してこの場合の血中酸素濃度は
８０％であると測定される。また、図３を参照するに、
生体と入射プローベおよび受光プローベとの間のコンタ
クトが良好であると共に半導体レーザの出力が安定して
いれば、それぞれの波長の光の相関量はその比を保った
まま、血流量の大きさに反比例して脈動する。この周期
に着目して脈拍数を測定することができる。

【００２７】図４を参照して第２の実施例を説明する。
図４において、図１における部材と共通する部材には共
通する参照符号を付与している。この第２の実施例は、
第１の実施例において、第１の半導体レーザ１３および
第２の半導体レーザ２３の組から出射した被変調光を入
射プローベ１３１および入射プローベ２３１を介して入
射する光入射領域２０からみて光検出器１４より遠いと
ころに第２の光検出器２４を配置した生体情報測定装置
に相当する。３５は第２の光検出器２４の検出信号を入
力してこれをＡＤ変換する第２のＡＤコンバータであ
る。４７は第２のＡＤコンバータ３５の出力するＡＤ変
換検出信号を入力すると共に擬似雑音系列発生器２１の
発生する擬似雑音系列を入力し、両者を１周期以上に亘
って掛け算して逆スペクトラム拡散する第４の掛け算器
である。第４の掛け算器４７の掛け算した結果の出力は
第４の累算器４８に入力され、ここにおいて拡散された
１周期に亘って加算される。３７は第２のＡＤコンバー
タ３５の出力するＡＤ変換検出信号を入力すると共に擬
似雑音系列発生器１１の発生する擬似雑音系列を入力
し、両者を１周期以上に亘って掛け算して逆スペクトラ
ム拡散する第３の掛け算器である。第３の掛け算器３７
の掛け算した結果の出力は第３の累算器３８に入力さ
れ、ここにおいて拡散された１周期に亘って加算され
る。２９は第１の累算器１８の累算結果と第２の累算器
２８の累算結果を入力して両結果の比を求める第１の割
り算器である。３９は第３の累算器３８の累算結果と第
４の累算器４８の累算結果を入力して両結果の比を求め
る第２の割り算器である。５０は第１の割り算器２９の
割り算結果と第２の割り算器３９の割り算結果の比を求
める第３の割り算器である。

【００２８】以下、第２の実施例を、第１の半導体レー
ザ１３および第２の半導体レーザ２３から出射される両
波長光の生体内における伝播係数の差異に基づいて生体
情報の代表的なものである生体中の血中酸素濃度と脈拍
を求める場合について説明する。上述した通り、生体情
報測定装置の入射プローベおよび受光プローベと生体と
の間のコンタクトは不安定になりがちであり、半導体レ
ーザの出力の安定性も完全ではない。これらに起因して
伝播係数、即ち、光検出器により検出される電気的な検
出信号に基づいて得られる相関量の大きさが変動するこ
とになる。この測定毎の測定結果の変動は予め較正を取
っておいても補償することはできない。これに対して、
複数個の光検出器を生体に位置決めコンタクトして両波
長光それぞれについて複数個の検出信号を求め、これに
基づいて得られる両波長光よる伝播係数の比を取れば、
コンタクトの状態、半導体レーザの出力の安定性とは無
関係に測定結果は一定の値に近ずく。これは複数個の光
検出器の間で伝播している波長の異なる光の伝達係数を
複数個の光検出器の間の比のみで求めることになるから
である。

【００２９】図４を参照するに、光検出器１４から得ら
れる両波長成分の伝播係数の比である第１の伝播係数比
を求め、更に、光入射領域２０からみて光検出器１４よ
り遠いところに設置される第２の光検出器２４から得ら
れる両波長成分の伝播係数の比である第２の伝播係数比
を求める。この第１の伝播係数比と第２の伝播係数比は
生体中の波長による伝播係数が異なれば異なった値とな
る。第１の伝播係数と第２の伝播係数の比を取ることに
より、半導体レーザの出力の安定性とは無関係に精度を
損なわずに測定をすることができる。即ち、生体情報測
定装置の入射プローベと生体との間のコンタクト係数を
Ｒ₀ とすれば、先の伝播係数：ｘ₁ 、ｘ ₂ の説明におい
て、伝播係数をｙ₁、ｙ₂とした時、 ｙ₁＝−ｌｏｇ（Ｒ₀Ｔ₁／Ｐ₁）／ｄ ｙ₂＝−ｌｏｇ（Ｒ₀Ｔ₂／Ｐ₂）／ｄ ここで、両伝播係数をｙ₁、ｙ₂の比をとるに際して、こ
れら両者が対数により表現されているところから、比を
とる代わりにこれら対数の差を取ることによりＲ₀ が消
去できることに対応する。また、酸素飽和度はｎ₁ 、ｎ
₂ が小さく、これを無視すれば以下の如くになる。

【００３０】 Ｏ_sat（ｙ₁、ｙ₂）＝［ｙ₁Ｅ_2dx−ｙ₂Ｅ_1dx］／［ｙ₁Ｅ_2dx−ｙ₂Ｅ_1dx＋ ｙ₂Ｅ_1ox−ｙ₁Ｅ_2ox］ ＝［Ｅ_2dx−（ｙ₂／ｙ₁）Ｅ_1dx］／［Ｅ_2dx−Ｅ_2ox− （ｙ₂／ｙ₁）（Ｅ_1dx＋Ｅ_2ox）］ この式から、２つの波長の異なる光源の比を求めれば、
血中酸素飽和度を光源の生体へのコンタクトの良否に無
関係に測定することができることになる。この第２の実
施例の場合も、血流が増加すればフォトダイオード間の
伝達係数が小さくなることで脈動を検出することができ
る。この場合、光源や光検出器と生体とのコンタクトに
よる変動の影響を受けにくくすることができる。

【００３１】図５を参照して第３の実施例を説明する。
第３の実施例は、生体中の血中酸素濃度の２次元的な分
布を示す光トポグラフを作成する生体情報測定装置の実
施例である。図５において、○により示される領域は図
１の光入射領域２０に対応し、半導体レーザ１３の先端
に接続される入射プローベ１３１と半導体レーザ２３の
先端に接続される入射プローベ２３１とを１対として生
体にコンタクトするＬ領域である。□により示される領
域は図１の光検出器１４の受光プローベ１４１が生体に
コンタクトするＤ領域である。Ｌ領域およびＤ領域は図
示される如く２次元的にマトリクス状に配列コンタクト
される。２次元的に配列されるＬ領域にコンタクトする
全半導体レーザには、全てについて相異なる１２８ビッ
トの擬似雑音系列を割り当て、擬似雑音系列を割り当て
られた出射光は同様に２次元的に配列されるＤ領域の内
の特に当該Ｌ領域に隣接するＤ領域の光検出器により検
出する。伝播係数は先の実施例１と同様に相関値から求
めることができる。そして、第３の実施例においても、
これに第２の実施例の手法を適用して生体情報測定装置
の入射プローベと生体との間のコンタクトの不安定性、
および半導体レーザの出力の安定性の影響を受け難くす
ることができる。

【００３２】図６を参照して第４の実施例を説明する。
第１のアップミキサ６１において、チップレート１００
ＫＨｚ、３２ビットの擬似雑音系列を１ＭＨｚ発振器６
０の発生する１ＭＨｚの搬送波周波数により変調し、こ
の被変調波により第１のレーザドライバ１２の出力する
光強度振幅をＡＳＫ変調し、スペクトラム拡散する。こ
れにより５ｍＷ出力の７８０ｎｍ光の第１の半導体レー
ザ１３を駆動して生体に照射する。８３０ｎｍ光の第２
の半導体レーザ２３についても同様に駆動して生体に照
射する。生体上に設置された１個のシリコン或はゲルマ
ニュームのフォトダイオードより成る光検出器１４によ
り検出した検出信号を低雑音増幅器９１で増幅した後、
ダウンミキサ６３において帯域２００ＫＨｚ、中心周波
数１ＭＨｚの帯域フィルタＢＰＦを通過せしめてから先
の搬送波周波数で逆拡散復調する。以降、図１の第１の
実施例と同様に信号処理する。

【００３３】この第４の実施例においては、第１のミキ
サ６１の入力端に低域フィルタＬＰＦを有して擬似雑音
系列の高周波数帯域が搬送波周波数に混入しない様にし
ている。復調された受信信号に対する積和演算は先の実
施例と同様に実行される。ここで、光源である半導体レ
ーザは１ＭＨｚの高い周波数で変調された被変調信号に
より駆動されるので、測定中に蛍光灯その他の擾乱のも
ととなる器具の発生する光雑音が出射光に与える悪影響
が低減されることとなり、得られる相関値の精度をより
一層向上することができる。

【００３４】図７を参照するに、図７（ａ）は擬似雑音
系列発生器ＰＮの出力を示す図、図７（ｂ）は擬似雑音
系列発生器ＰＮの出力の周波数スペクトルを示す図、図
７（ｃ）は低域フィルタの通過出力を示す図、図７
（ｄ）は低域フィルタの周波数スペクトルを示す図、図
７（ｅ）はアップミキサの周波数スペクトルを示す図、
図７（ｆ）は帯域フィルタの周波数スペクトルを示す
図、図７（ｇ）はセンサ出力の周波数スペクトルを示す
図、図７（ｈ）はダウンミキサの周波数スペクトルを示
す図、図７（ｉ）は低域フィルタの周波数スペクトルを
示す図である。

【００３５】図８を参照するに、これはＡＤコンバー
タ、符号変換器、掛け算器および累算器による積和演算
を説明する図である。図９を参照して第５の実施例を説
明する。第５の実施例においては、擬似ランダム系列を
周波数ホッピングで生成して伝播係数を求める。即ち、
第５の実施例は第４の実施例で説明した高周波変調の仕
方を拡張し、擬似雑音系列を異なる周波数パターンで表
わす。周波数ホッピングは、発振周波数を互いに異にす
る周波数発振器を多数個準備し、先の実施例における擬
似雑音系列に対応する周波数系列の擬似ランダムパター
ンを発生する。図９において、第１のホッピングパター
ン発生器７１は４個のシフトレジスタを使用して発生す
るＭ系列の各レジスタを４ビットの数値として読み、以
下の通りの最大値１５、最小値１の周期乱数を発生する
ことができる。

【００３６】15、7、11、5、10、13、6、3、9、4、2、
1、8、12、14このことから周波数シンセサイザ７２を介
して１５種類の周波数系列に変換される。同様に、周波
数シンセサイザ８２を介して１５種類の周波数系列に変
換される。ここにおいて、２通りの光波長に対して初期
値ａ₁ 、ａ₂ 、ａ₃ 、ａ₄ と初期値ｂ₁ 、ｂ₂ 、ｂ₃ 、
ｂ₄ を異ならせることにより、異なる系列として使用す
る例を挙げている。周期の位相が変わるだけであるが、
同じ周波数を同時に選択しないので重なったものを検出
する恐れはない。別に、段数、帰還の位置を変えたもの
を準備しておくことができる。この場合、光検出器で検
出した信号について周波数スペクトルの各周波数成分の
電力を検出する。即ち、フーリエ変換して周波数成分の
時間的パターンを測定する。この各周波数成分の電力値
と対応する擬似ランダムパターンとの間の相関量が半導
体レーザから光検出器に到る生体中の伝達係数になる。
各波長の半導体レーザに異なるＭ系列を割り当て、それ
ぞれの相関を求めれば、第１の実施例と同様の手順で波
長の違いによる伝播係数の比を求めることができる。こ
の伝播係数はヘモグロビンの酸素飽和度と対応させるこ
とにより、生体の血中酸素濃度を得ることができる。第
５の実施例は第３の実施例における２次元的な光トポグ
ラフを得るに使用することができる。

【００３７】図１０を参照して第６の実施例を説明す
る。図６の第４の実施例を説明する。において、一般
に、生体の如何なる伝播媒質においても伝播光強度を大
きくすると、当該伝播光の周波数の整数倍の波が発生す
る。これは伝播媒質の非線形性に起因する非線形効果を
示すものであり、整数倍の波の大きさは伝播媒質の性質
により異なる。第６の実施例は、２系統の３２ビットの
擬似雑音系列を１ＭＨｚ発振器６０の発生する１ＭＨｚ
の搬送波周波数により振幅変調スペクトラム拡散し、こ
れを７８０ｎｍの第１の半導体レーザ１３およびと８３
０ｎｍの第２の半導体レーザ２３に入力し、光検出器１
４で検出した検出信号を先の搬送波周波数の整数倍の周
波数である２ＭＨｚと３ＭＨｚでダウンミキサ６５、６
５’においてダウンコンバートとし、擬似雑音系列の周
波数帯域幅の低域フィルタを通過して得られる検出信号
について、擬似雑音系列との間の相関をとる。これによ
り生体内の２次元および３次元の伝播係数を得ることが
できる。この非線形成分の係数を生体に特徴的な係数成
分として予め測定しておくことにより、生体に関する新
たな情報を獲得することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上の通りであって、この発明によれ
ば、波長、位置を変えて生体にコンタクトされた光源に
それぞれ異なる擬似雑音系列を割り当てて光を出射せし
め、１個の光検出器で一括して検出した電気的検出信号
に対して先に割り当てた擬似雑音系列を掛け算して相関
を取り、相関量から生体の伝播係数を得るもの。擬似雑
音系列は直交性があり、他の光源、周囲雑音による影響
を受け難い。これにより微弱な検出信号をも感度良く検
出することができる。アダマール行列その他の適切な行
列に基づいて得られる擬似雑音系列を用いる場合、１と
０のパルス数が等しくなり、積和演算の際に測定時のバ
ックグラウンド雑音成分は相殺されてゼロになる。従っ
て、Ｓ／Ｎ比を極めて大きくすることができる。同一構
成の生体情報測定装置の複数組を２次元的に配列して測
定する場合においても、相異なる擬似雑音系列を出射光
に付与しておくことにより周囲雑音による影響を受けず
に検出信号を得ることができる。また、光の変調波が伝
播する媒質の非線形性、ドップラー効果を測定する場
合、信号成分は更に微弱となるが、この場合も周囲雑音
による影響を受けずに測定を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例を説明する図。

【図２】酸素飽和度と相関量の関係を示す図。

【図３】脈拍数と相関量の関係を説明するに使用される
図。

【図４】第２の実施例を説明する図。

【図５】第３の実施例を説明する図。

【図６】第４の実施例を説明する図。

【図７】各部の波形および周波数スペクトルを示す図。

【図８】積和演算を説明する図。

【図９】第５の実施例を説明する図。

【図１０】第６の実施例を説明する図。

【図１１】従来例を説明する図。

【符号の説明】

１１ 第１の擬似雑音系列発生器 １２ 第１のレーザドライバ １３ 第１の半導体レーザ １４ 光検出器 １５ ＡＤコンバータ １７ 第１の掛け算器 １８ 第１の累算器 ２１ 第２の擬似雑音系列発生器 ２２ 第２のレーザドライバ ２３ 第２の半導体レーザ ２７ 第２の掛け算器 ２８ 第２の累算器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 擬似雑音系列発生器と、擬似雑音系列発
   生器の発生する擬似雑音系列によりＡＳＫしてスペクト
   ラム拡散した光強度振幅を出力するレーザドライバと、
   スペクトラム拡散したレーザドライバ出力を割り当てら
   れて駆動される半導体レーザとより成る光出射部を相異
   なる２光波長のそれぞれについて具備し、擬似雑音系列
   は相異なる２光波長のそれぞれについて各別のものと
   し、 生体を伝播して到達する光を受光し電気的な検出信号を
   発生する光検出器と、検出信号を入力してこれをＡＤ変
   換するＡＤコンバータとより成る光検出部を具備し、 ＡＤコンバータの出力するＡＤ変換検出信号を入力する
   と共に擬似雑音系列発生器の発生する擬似雑音系列を入
   力し、両者を１周期以上に亘って掛け算して逆スペクト
   ラム拡散する掛け算器と、掛け算器の出力を累算する累
   算器とより成る相関処理部を２光波長のそれぞれについ
   て具備し、 両累算結果に基づいて生体情報を求めることを特徴とす
   る生体情報測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載される生体情報測定装置
   において、 更なる光検出部を具備すると共に、更なる相関処理部を
   ２光波長について１組具備し、 先の両相関処理部の累算器の累算結果を入力して両結果
   の比を求める第１の割り算器を具備し、 更なる両相関処理部の累算器の累算結果を入力して両結
   果の比を求める第２の割り算器を具備し、 第１の割り算器の求めた比および第２の割り算器の求め
   た比を入力して両者の比を求める第３の割り算器を具備
   することを特徴とする生体情報測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載される生体情報測定装置
   において、 擬似雑音系列を高周波の発振器の発生する搬送波により
   変調するアップミキサを相異なる２光波長のそれぞれに
   ついて具備して被変調波によりレーザドライバの出力す
   る光強度振幅をＡＳＫ変調し、 光検出器により検出した検出信号を高周波の発振器の発
   生する搬送波により復調するダウンミキサを具備して復
   調した検出信号をＡＤ変換することを特徴とする生体情
   報測定装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載される生体情報測定装置
   において、 擬似雑音系列発生器をホッピングパターン発生器と周波
   数シンセサイザにより構成して周波数シンセサイザはホ
   ッピングパターン発生器の発生する周期乱数に対応して
   周波数系列の擬似ランダムパターンを相異なる２光波長
   のそれぞれについて発生し、 光検出器の出力する検出信号を入力すると共に周波数シ
   ンセサイザの発生する周波数系列の擬似ランダムパター
   ンを入力し、両者を掛け算して復調するダウンコンバー
   タを相異なる２光波長のそれぞれについて具備し、 ダウンコンバータの出力する復調信号をＡＤコンバータ
   に入力することを特徴とする生体情報測定装置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載される生体情報測定装置
   において、 光検出器により検出した検出信号を高周波の発振器の発
   生する搬送波により復調するダウンミキサを相異なる２
   光波長のそれぞれについて具備して復調した検出信号を
   ＡＤ変換する構成を複数通り有し、 逓倍数を異にする逓倍器を複数個具備し、 高周波の発振器出力を逓倍器を介してダウンミキサに供
   給することを特徴とする生体情報測定装置。
6. 【請求項６】 擬似雑音系列発生器と、擬似雑音系列発
   生器の発生する擬似雑音系列によりＡＳＫしてスペクト
   ラム拡散した光強度振幅を出力するレーザドライバと、
   スペクトラム拡散したレーザドライバ出力を割り当てら
   れて駆動される半導体レーザとより成る光出射部を相異
   なる２光波長のそれぞれについて具備し、擬似雑音系列
   は相異なる２光波長のそれぞれについて各別のものと
   し、生体を伝播して到達する光を受光し電気的な検出信
   号を発生する光検出器と、検出信号を入力してこれをＡ
   Ｄ変換するＡＤコンバータとより成る光検出部を具備
   し、ＡＤコンバータの出力するＡＤ変換検出信号を入力
   すると共に擬似雑音系列発生器の発生する擬似雑音系列
   を入力し、両者を１周期以上に亘って掛け算して逆スペ
   クトラム拡散する掛け算器と、掛け算器の出力を累算す
   る累算器とより成る相関処理部を２光波長のそれぞれに
   ついて具備し、両累算結果に基づいて生体情報を求める
   生体情報測定装置について、 相異なる２光波長について具備される半導体レーザを生
   体に対して２次元的にマトリクス状に配列してコンタク
   トすると共に、光検出器を生体に対して同様に２次元的
   にマトリクス状に配列してコンタクトすることを特徴と
   する生体情報測定方法。