JP2006170845A - 生体光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、検査光の出力をより安定化することができる生体光計測装置を得ることを目的とするものである。
【解決手段】レーザダイオードチップ１３を駆動するレーザダイオードドライバ１５には、分離用周波数が与えられている。レーザダイオードチップ１３から照射された光の一部は、フォトダイオードチップ１２で受光され電気信号に変換された後、第１の増幅器１６で増幅され、ロックインアンプ１７に入力される。ロックインアンプ１７には、レーザダイオードドライバ１５に与えられた分離用周波数と同じ分離用周波数が与えられている。これにより、ロックインアンプ１７では、分離用周波数に一致した信号のみが抽出（検出）される。
【選択図】図３

Description

この発明は、光を用いて生体内部情報を計測する生体光計測装置に関するものである。

従来の生体光計測装置においては、被検体に装着されるホルダに複数のプローブが格子状に配置されている。各プローブには、検査光の照射用又は受光用の光ファイバの先端部が接続される。照射用及び受光用光ファイバの基端部は、計測装置本体に接続されている。計測装置本体では、検査光の出力の制御、及び受光された検査光の処理が行われる。即ち、計測装置本体の受光部では、受光された検査光の強度に応じた電気信号から、検出手段により特定の周波数だけが取り出され、取り出された信号が処理される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−９８０７１号公報

上記のような従来の生体光計測装置では、受光された検査光の計測精度の向上が図られているが、検査光の出力自体が不安定であった場合、全体としての計測精度は低下してしまう。従って、検査光の出力をより安定化することが望まれている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、検査光の出力をより安定化することができる生体光計測装置を得ることを目的とする。

この発明に係る生体光計測装置は、被検体に照射される検査光を出力するための検査光出力部を備え、検査光出力部は、光源部と、光源部から出力された光の一部を受けるモニタ受光部と、モニタ受光部から出力された信号から、所定の周波数の信号のみを抽出する抽出手段と、抽出手段により抽出された抽出信号と基準信号との差分に応じて光源部を駆動するドライバとを有している。
また、この発明に係る生体光計測装置は、被検体に照射される検査光を出力するための検査光出力部を備え、検査光出力部は、光源部と、光源部から出力された光の一部を受けるモニタ受光部と、光源部の温度に応じた信号を発生する温度検出器と、予め記憶された上記光源部の温度特性に関する情報と上記温度検出器からの信号とに基づいて、モニタ受光部から出力された信号を補正するとともに、モニタ受光部から出力された信号と基準信号との差分を求める光源部制御コンピュータと、光源部制御コンピュータからの信号に応じて光源部を駆動するドライバとを有している。
さらに、この発明に係る生体光計測装置は、被検体に照射される検査光を出力するための検査光出力部を備え、検査光出力部は、光源部と、光源部から出力された光の一部を受けるモニタ受光部と、光源部の電流値に応じた信号を発生する電流検出器と、モニタ受光部から出力された信号と基準信号との差分を求めるとともに、電流検出器からの信号に基づいて光源部の残りの寿命を判断する光源部制御コンピュータと、光源部制御コンピュータからの信号に応じて光源部を駆動するドライバとを有している。
さらにまた、この発明に係る生体光計測装置は、被検体に照射される検査光を出力するための検査光出力部を備え、検査光出力部は、光源部と、入力されたオン／オフ信号に基づくタイミングで光源部を駆動するドライバと、光源部から出力された光の一部を受けるモニタ受光部と、オン／オフ信号に基づくタイミングでモニタ受光部から出力された信号と基準信号との差分を求め、ドライバに制御信号を出力する光源部制御コンピュータとを有している。

この発明の生体光計測装置は、モニタ受光部から出力された信号から、所定の周波数の信号のみを抽出手段により抽出するので、検査光の出力をより安定化することができる。
また、光源部制御コンピュータにより、予め記憶された上記光源部の温度特性に関する情報と上記温度検出器からの信号とに基づいて、モニタ受光部から出力された信号を補正するので、温度変化に対して検査光の出力をより安定化することができる。
さらに、光源部制御コンピュータにより、電流検出器からの信号に基づいて光源部の残りの寿命を判断するので、光源部を使用不可となる前に交換することができるようになり、信頼性を向上させることができる。
さらにまた、光源部制御コンピュータにより、ドライバに入力されるオン／オフ信号と同期したタイミングで、モニタ受光部から出力された信号と基準信号との差分を求め、ドライバに制御信号を出力するので、ロックインアンプ機能を持たなくても、分離計測を実施することができ、検査光の出力をより安定化することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による生体光計測装置の要部を示す構成図である。図において、ホルダ１は、被検体の頭部に装着される。ホルダ１には、格子状に配列された複数（例えば１６個）のプローブ（図示せず）が設けられている。ホルダ１の各プローブと計測装置本体（図示せず）との間には、光ファイバ群が接続されている。光ファイバ群は、複数（例えば１６本）の光ファイバ２を含んでいる。これらの光ファイバ２の一部は、計測装置本体からプローブに検査光を導くための照射用光ファイバ２ａであり、残りの光ファイバ２は、被検体で反射（散乱）された検査光を計測装置本体に導くための検出用光ファイバ２ｂである。

各照射用光ファイバ２ａの計測装置本体側端部には、検査光を出力するための検査光出力部３が接続されている。各検査光出力部３は、互いに異なる波長（例えば７８０ｎｍと８３０ｎｍ）の近赤外光を発生する第１及び第２の半導体レーザアセンブリ４，５と、２つの近赤外光を混合して検査光を生成する光混合器６と、これらを接続する光ファイバ７，８とを有している。

図２は図１の半導体レーザアセンブリ４，５を示す構成図である。図において、各半導体レーザアセンブリ４，５は、基板１１と、基板１１上に実装されたモニタ受光部であるフォトダイオードチップ１２と、フォトダイオードチップ１２に対向する光源部であるレーザダイオードチップ１３と、フォトダイオードチップ１２とは反対側でレーザダイオードチップ１３に対向する照射窓１４とを有している。光ファイバ７，８は、照射窓１４を透過した近赤外光を取り込むように配置されている。

レーザダイオードチップ１３で発生した光は、殆ど光ファイバ７，８に入射して計測に利用されるが、一部はフォトダイオードチップ１２に入射し、モニタ信号（電気信号）を発生させる。フォトダイオードチップ１２に発生したモニタ信号は、出力（光量）の安定化のために利用（フィードバック）される。

図３は図２の半導体レーザアセンブリ４，５の制御回路を示すブロック図である。レーザダイオードチップ１３は、レーザダイオードドライバ１５により駆動される。レーザダイオードドライバ１５には、分離用周波数が与えられている。生体光計測装置では、多点の光学量変化を効率良く計測するため、全ての検査光出力部３から同時に検査光が出力される。また、計測効率を高めるため、複数の検査光出力部３からの検査光が各受光部、即ち計測部により同時に検出される。このため、各レーザダイオードチップ１３から照射された光信号を分離計測するための分離用周波数がレーザダイオードドライバ１５に与えられる。

レーザダイオードチップ１３から照射された光の一部は、フォトダイオードチップ１２で受光され電気信号に変換された後、第１の増幅器１６で増幅され、抽出手段としてのロックインアンプ１７に入力される。ロックインアンプ１７には、レーザダイオードドライバ１５に与えられた分離用周波数と同じ分離用周波数が与えられている。これにより、ロックインアンプ１７では、分離用周波数に一致した信号のみが抽出（検出）され、他のレーザダイオードチップ１３から出力された光の影響が取り除かれる。

ロックインアンプ１７で抽出された抽出信号は、減算器１８に入力される。また、減算器１８には、レーザダイオードチップ１３の光量を設定するための基準信号も入力される。減算器１８からは、基準信号とロックインアンプ１７からの抽出信号との差分の信号が出力される。減算器１８から出力された信号は、第２の増幅器１９で増幅され、レーザダイオードドライバ１５に入力される。レーザダイオードドライバ１５は、レーザダイオードチップ１３の光量が基準信号の示す光量と一致するように、レーザダイオードチップ１３の光量を制御（オートパワーコントロール）する。

この例では、複数の基準信号（基準Ａ及び基準Ｂ）を切替器２０で選択して切り換えることにより、レーザダイオードチップ１３の光量を変化させることができる。切替器２０は、例えば生体光計測装置全体を制御するコンピュータにより制御される。

このような生体光計測装置では、フォトダイオードチップ１２からの信号をロックインアンプ１７に入力し、分離用周波数に一致した信号のみを抽出してモニタ信号としているので、他のレーザダイオードチップ１３から出力された光の影響を受けずにレーザダイオードチップ１３をフィードバック制御することができ、検査光の出力をより安定化することができる。

また、抽出手段としてロックインアンプ１７を用いたので、比較的簡単かつ安価な構成により、検査光の出力をより安定化することができる。

実施の形態２．
次に、図４はこの発明の実施の形態２による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。実施の形態１では、アナログ信号のみによる制御方法を示したが、実施の形態２では、デジタル信号を利用した制御方法を示す。

ロックインアンプ１７から出力されたロックインアンプ信号（抽出信号）は、比較器２１で基準信号と比較される。比較器２１での比較結果は、カウンタ（デジタルカウンタ）２２に入力される。そして、ロックインアンプ信号よりも基準信号の方が大きい場合には、カウンタ２２のカウント値に１が加算（＋１）され、基準信号よりもロックインアンプ信号の方が大きい場合には、カウンタ２２のカウント値から１が減算（−１）される。カウンタ２２から出力されたカウンタ信号は、Ｄ／Ａコンバータ２３でアナログ信号に変換され、第２の増幅器１９で増幅されて、レーザダイオードドライバ１５に入力される。

比較器２１は、ＣＰＵ（処理部）２４からの指令に基づいて、予め設定された条件時、即ち被検体への検査光の照射による計測中のみ動作するように制御されている。カウンタ２２及びＣＰＵ２４は、ＲＡＭ等の記憶部（図示せず）に格納されたプログラムに基づいて動作する。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような生体光計測装置では、比較器２１が計測中のみ動作するので、計測を実施していないときのカウンタ信号は変動せず、計測開始時にレーザダイオードチップ１３の出力が大きくなることがない。

ここで、例えばフォトダイオードチップ１２からの信号電流を、ロックインアンプ１７を用いず、時間積分した後、分離用周波数の影響をなくすようにローパスフィルタに通し、低周波数領域の変動のみを検出した場合、データ計測後の解析時などにはレーザダイオードチップ１３を消灯しているため、ローパスフィルタからの出力が０になることがある。このような場合、計測開始前のレーザダイオードチップ１３の点灯時に、レーザダイオードチップ１３の出力が計測中の初期信号よりもさらに大きくなり、レーザダイオードチップ１３が強く発光する。このような影響を除くため、ローパスフィルタの周波数を高めて反応時間を短くすると、分離用周波数の影響を受け易くなり、レーザダイオードチップ１３の出力の安定性が低下し、ローパスフィルタの周波数を低くすると、レーザダイオードチップ１３の寿命を短くしてしまう。

これに対して、実施の形態２では、計測開始時にもレーザダイオードチップ１３の出力が大きくなることがなく、レーザダイオードチップ１３の寿命を延ばすことができる。
また、外部ノイズ等の影響によりレーザダイオードチップ１３の出力が急に大きくなることもなく、これによってもレーザダイオードチップ１３の寿命を延ばすことができる。

実施の形態３．
次に、図５はこの発明の実施の形態３による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。図において、ロックインアンプ１７からの抽出信号は、Ａ／Ｄコンバータ２４によりデジタル信号に変換され、光源部制御コンピュータであるレーザダイオード制御コンピュータ２５に入力される。また、レーザダイオード制御コンピュータ２５には、生体光計測装置全体を制御するホストコンピュータ（図示せず）からデジタル化された基準信号が入力される。

レーザダイオード制御コンピュータ２５は、外部からの信号が入力される入力部２６、外部への信号を出力する出力部２７、プログラムが格納された記憶部２８、及びプログラムに基づいて演算処理を実行するＣＰＵ（処理部）２９を有している。記憶部２８には、ＲＯＭ及びＲＡＭ等が含まれている。また、レーザダイオード制御コンピュータ２５は、Ａ／Ｄコンバータ２４から入力されたロックインアンプ信号（デジタル化された抽出信号）と基準信号とを比較し、Ｄ／Ａコンバータ２３への出力を設定する。設定方法としては、例えば実施の形態２のようにカウント値を±１ずつ変更する方法、ＰＩＤ（比例積分微分）方式、又はその一部を用いる方法を採ることができる。

このような生体光計測装置では、半導体レーザアセンブリの制御回路を小型化することができるとともに、処理速度を高速化することができ、検査光の出力をより安定化することができる。

実施の形態４．
次に、図６はこの発明の実施の形態４による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。この例では、レーザダイオード制御コンピュータ２５が抽出手段、即ちロックインアンプの機能と、基準信号とロックインアンプ信号との差分を求める機能とを兼ね備えている。このため、第１の増幅器１６からの出力は、ロックインアンプを介さずにＡ／Ｄコンバータ２４でデジタル化され入力部２６に入力される。また、分離用周波数もＡ／Ｄコンバータ２４でデジタル化された情報として入力部２６に入力される。記憶部２８には、所定の周波数の信号をデジタル演算処理により抽出するためのプログラムが格納されている。

このような生体光計測装置では、半導体レーザアセンブリの制御回路を小型化することができるとともに、処理速度を高速化することができ、検査光の出力をより安定化することができる。

なお、実施の形態１〜４では抽出手段としてロックインアンプ１７又はその機能を持つコンピュータ２５を示したが、これらに限定されるものではなく、例えばバンドパスフィルタであってもよい。この場合、バンドパスフィルタと整流器とを組み合わせて用いるのが好適である。

また、実施の形態１〜４では、分離用周波数を用いてレーザダイオードチップ１３の出力をオン・オフしたが、正弦波などの強度変調により行ってもよい。この場合、比較器からの信号を用いて、変調振幅を制御するのは勿論である。

さらに、半導体レーザアセンブリの制御回路に設けられる検査光出力安定化用のロックインアンプの参照信号及びパラメータ（時定数を含む）は、被検体で反射された検査光を計測する計測部に設けられた計測用のロックインアンプの参照信号及びパラメータと同じにしてもよい。
さらにまた、検査光出力安定化用のロックインアンプの時定数は、計測用のロックインアンプの時定数よりも短くてもよい。この場合、エラー部分を計測用のロックインアンプで平均化することができる。
また、検査光出力安定化用のロックインアンプの時定数は、計測用のロックインアンプの時定数よりも長くてもよい。この場合、ノイズに強くなり、安定性を向上させることができる。

実施の形態５．
次に、図７はこの発明の実施の形態５による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。この例では、レーザダイオードチップ１３又はその周辺の温度が温度検出器３１により検出される。即ち、温度検出器３１は、レーザダイオードチップ１３の温度に応じた信号を発生する。温度検出器３１からの検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ２４を介してレーザダイオード制御コンピュータ２５に入力される。

レーザダイオードチップ１３は、温度が変化すると波長も変化する特性を持っている。また、フォトダイオードチップ１２は、波長が変化すると感度が変化する。このため、温度が変化すると、光の強度は変化しなくてもフォトダイオードチップ１２の出力が変化してしまい、結果としてレーザダイオードチップ１３の出力を変動させることがある。そこで、記憶部２８には、予め計測されたレーザダイオードチップ１３の温度変化に対するフォトダイオードチップ１２の出力の変化特性、即ち温度特性の情報が記憶されている。

レーザダイオード制御コンピュータ２５では、フォトダイオードチップ１２からの信号を処理する際、記憶部２８に記憶された温度特性の情報に基づいて、フォトダイオードチップ１２からの信号を補正する。これにより、レーザダイオードチップ１３の温度が変化しても、検査光の出力をより安定化することができる。また、フォトダイオードチップ１２からの信号をレーザダイオード制御コンピュータ２５によりデジタル演算処理する場合、温度特性による補正も記憶部２８に格納されたプログラムに基づいて容易に実行することができる。

実施の形態６．
次に、図８はこの発明の実施の形態６による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。この例では、レーザダイオードチップ１３に供給される電流値が電流検出器３２により検出される。即ち、電流検出器３２は、レーザダイオードチップ１３の電流値に応じた信号を発生する。電流検出器３２からの検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ２４を介してレーザダイオード制御コンピュータ２５に入力される。

レーザダイオードチップ１３は、同じ光強度を得るために必要な電流値が使用時間とともに増加する特性を持っている。そして、電流値が許容値よりも大きくなると、レーザダイオードチップ１３は使用できなくなる。

レーザダイオード制御コンピュータ２５では、電流検出器３２からの情報に基づいて、レーザダイオードチップ１３の残りの寿命を判断し、寿命が短くなると交換要求の警報信号を出力する。具体的には、電流値が初期値に対して予め設定された割合（例えば２０％）だけ大きくなったときに、警報信号を出力する。

このような生体光計測装置では、レーザダイオードチップ１３を使用不可となる前に交換することができるようになり、信頼性を向上させることができる。また、フォトダイオードチップ１２からの信号をレーザダイオード制御コンピュータ２５によりデジタル演算処理する場合、電流値の監視も記憶部２８に格納されたプログラムに基づいて容易に実行することができる。

なお、実施の形態５、６を組み合わせて実施してもよい。
また、実施の形態５、６では、レーザダイオード制御コンピュータ２５に所定の周波数の信号を抽出するロックインアンプの機能を持たせたが、ロックインアンプの機能は必ずしも持たなくてもよい。

実施の形態７．
次に、図９はこの発明の実施の形態７による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。実施の形態１〜６では、検査光を分離計測するための分離用周波数をレーザダイオードドライバ１５に与える制御方法について説明したが、この実施の形態７では、タイミングをずらしてレーザダイオードチップ１３を順次点灯させ、モニタリングのタイミングを点灯のタイミングに同期させることにより、検査光を分離計測する。

このような制御を実現するため、レーザダイオードドライバ１５に点灯タイミングを制御するためのオン／オフ信号が入力されるとともに、レーザダイオード制御コンピュータ２５にも同期検出用のオン／オフ信号が入力される。レーザダイオード制御コンピュータ２５では、オン／オフ信号に基づいて、レーザダイオードチップ１３をオンしているときのみのモニタ信号を読み込み、レーザダイオードチップ１３の制御信号を生成する。従って、レーザダイオード制御コンピュータ２５にロックインアンプの機能を持たせる必要がない。

また、全てのレーザダイオードチップ１３がオフであるときの信号を外部からの入射光のバックグラウンドとして計測しておくことにより、オン時の制御の補正に利用することもできる。さらに、点灯しているレーザダイオードチップ１３が遠方にあり、光信号が入らないと考える場合も、補正に利用することが可能である。
さらにまた、フォトダイオードチップ１２からの信号をＡ／Ｄコンバータ２４で記録し、被検体で反射され計測部で受光された検査光の信号（光強度）と演算（割算）を行うことにより、光強度変動を補正してもよい。

なお、上記の例では、光源部としてレーザダイオードチップを示したが、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）を用いてもよい。
また、モニタ受光部もフォトダイオードチップに限定されるものではない。

この発明の実施の形態１による生体光計測装置の要部を示す構成図である。 図１の半導体レーザアセンブリを示す構成図である。 図２の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。 この発明の実施の形態５による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。 この発明の実施の形態６による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。 この発明の実施の形態７による生体光計測装置の半導体レーザアセンブリの制御回路を示すブロック図である。

符号の説明

３ 検査光出力部、１２ フォトダイオードチップ（モニタ受光部）、１３ レーザダイオードチップ（光源部）、１５ レーザダイオードドライバ、１７ ロックインアンプ（抽出手段）、２１ 比較器、２２ カウンタ、２５ レーザダイオード制御コンピュータ、３１ 温度検出器、３２ 電流検出器。

Claims (7)

1. 被検体に照射される検査光を出力するための検査光出力部を備えている生体光計測装置において、
   上記検査光出力部は、
   光源部と、
   上記光源部から出力された光の一部を受けるモニタ受光部と、
   上記モニタ受光部から出力された信号から、所定の周波数の信号のみを抽出する抽出手段と、
   上記抽出手段により抽出された抽出信号と基準信号との差分に応じて上記光源部を駆動するドライバと
   を有していることを特徴とする生体光計測装置。
2. 上記抽出手段は、ロックインアンプであることを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
3. 上記ドライバには、検査光を分離計測するための分離用周波数が与えられ、上記抽出手段にも上記分離用周波数が所定の周波数として与えられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の生体光計測装置。
4. 上記抽出信号と上記基準信号とを比較する比較器と、
   上記比較器での比較結果に応じてカウント値を増減させるカウンタと
   をさらに有し、
   上記比較器は、予め設定された条件時のみ動作するように制御され、
   上記ドライバは、上記カウンタの出力に応じて上記光源部を駆動することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の生体光計測装置。
5. 被検体に照射される検査光を出力するための検査光出力部を備えている生体光計測装置において、
   上記検査光出力部は、
   光源部と、
   上記光源部から出力された光の一部を受けるモニタ受光部と、
   上記光源部の温度に応じた信号を発生する温度検出器と、
   予め記憶された上記光源部の温度特性に関する情報と上記温度検出器からの信号とに基づいて、上記モニタ受光部から出力された信号を補正するとともに、上記モニタ受光部から出力された信号と基準信号との差分を求める光源部制御コンピュータと、
   上記光源部制御コンピュータからの信号に応じて上記光源部を駆動するドライバと
   を有していることを特徴とする生体光計測装置。
6. 被検体に照射される検査光を出力するための検査光出力部を備えている生体光計測装置において、
   上記検査光出力部は、
   光源部と、
   上記光源部から出力された光の一部を受けるモニタ受光部と、
   上記光源部の電流値に応じた信号を発生する電流検出器と、
   上記モニタ受光部から出力された信号と基準信号との差分を求めるとともに、上記電流検出器からの信号に基づいて上記光源部の残りの寿命を判断する光源部制御コンピュータと、
   上記光源部制御コンピュータからの信号に応じて上記光源部を駆動するドライバと
   を有していることを特徴とする生体光計測装置。
7. 被検体に照射される検査光を出力するための検査光出力部を備えている生体光計測装置において、
   上記検査光出力部は、
   光源部と、
   入力されたオン／オフ信号に基づくタイミングで上記光源部を駆動するドライバと、
   上記光源部から出力された光の一部を受けるモニタ受光部と、
   上記オン／オフ信号に基づくタイミングで上記モニタ受光部から出力された信号と基準信号との差分を求め、上記ドライバに制御信号を出力する光源部制御コンピュータと
   を有していることを特徴とする生体光計測装置。

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