JP2016144502A - Biological optical measurement apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可視光または近赤外光の計測光を用いて生体内部の代謝物質等を計測する生体光計測装置に係り、具体的には、本計測に先立って予備計測を行い、本計測時における計測信号の増幅率を適切に設定する技術に関する。 The present invention relates to a biological light measurement device that measures a metabolite or the like inside a living body using measurement light of visible light or near infrared light. Specifically, preliminary measurement is performed prior to the main measurement, and the main measurement is performed. The present invention relates to a technique for appropriately setting an amplification factor of a measurement signal at the time.
生体光計測装置は、例えば、ヒトの脳機能の活動に伴う脳内血流変化を計測するのに用いられている。この場合、頭皮面から脳内に向けて光を照射し、脳内を通過する通過光を頭皮面で受光して、光電変換素子により通過光に対応した強度を有する電気信号の計測信号に変換する。そして、計測信号の強度の変化により、生体内の計測対象物質の濃度の変化を計測して脳内血流変化を計測する。このような生体光計測装置では、計測精度を高めるために、生体を通過する通過光の強度を精度よく計測する必要がある。 The biological light measurement device is used, for example, to measure a change in blood flow in the brain accompanying a human brain function activity. In this case, light is emitted from the scalp surface into the brain, the passing light passing through the brain is received by the scalp surface, and converted into a measurement signal of an electrical signal having an intensity corresponding to the passing light by the photoelectric conversion element. To do. And the change in the blood flow in the brain is measured by measuring the change in the concentration of the measurement target substance in the living body based on the change in the intensity of the measurement signal. In such a biological light measurement device, in order to increase measurement accuracy, it is necessary to accurately measure the intensity of light passing through the living body.
通常、計測信号は、最終的にアナログ−デジタル(A/D)変換器によりデジタル信号に変換され、コンピュータなどにて記録および必要な演算処理を施して、脳機能等の生体機能を計測する。このような生体機能の計測における計測精度を高めるためには、A/D変換において高い変換精度が求められる。一方、生体通過光を電気信号の計測信号に変換する光電変換素子のダイナミックレンジが広いため、受光量が少ない場合の計測信号を、そのままA/D変換すると、計測信号に比べて量子化ノイズが大きくなってしまう。 Usually, the measurement signal is finally converted into a digital signal by an analog-digital (A / D) converter, and recorded and necessary arithmetic processing is performed by a computer or the like to measure a biological function such as a brain function. In order to increase the measurement accuracy in the measurement of such biological functions, high conversion accuracy is required in A / D conversion. On the other hand, since the photoelectric conversion element that converts the light passing through the living body into the measurement signal of the electric signal has a wide dynamic range, if the measurement signal when the amount of received light is small is A / D converted as it is, the quantization noise is larger than the measurement signal. It gets bigger.
そこで、一般に、予備計測を行って受光量に相当する計測信号の強度応じて増幅率を設定した後、本計測を行うようにしている。例えば、一定の計測時間内に計測される生体通過光量(計測信号)の最大値を求め、最大値が目標レベルになるように増幅率を算出して設定することが行われている。しかし、これによれば、ある程度の精度を出すために、数秒間の予備計測を行う必要があり、予備計測に時間を要するという問題がある。また、計測信号にパルス的なノイズが含まれていると、ノイズを最大値として誤認してしまい、増幅率の設定に大きな誤差を生じるという問題がある。 Therefore, in general, the preliminary measurement is performed and the amplification factor is set according to the intensity of the measurement signal corresponding to the received light amount, and then the main measurement is performed. For example, the maximum value of the amount of light passing through the living body (measurement signal) measured within a certain measurement time is obtained, and the amplification factor is calculated and set so that the maximum value becomes a target level. However, according to this, in order to obtain a certain degree of accuracy, it is necessary to perform preliminary measurement for several seconds, and there is a problem that it takes time for preliminary measurement. Further, if the measurement signal includes pulse-like noise, the noise is mistaken as the maximum value, and there is a problem that a large error occurs in the setting of the amplification factor.
一方、特許文献1には、一定時間内に計測される計測信号の強度(振幅)の標準偏差を求め、標準偏差に基づいて増幅率を設定することが提案されている。これによれば、増幅率を設定するための予備計測の時間を短縮でき、かつ、ノイズ耐性を向上できる。
On the other hand,
ところで、通常、生体光計測には、生体表面に接して保持された複数の照射プローブから計測光を照射し、生体の内部を通過した通過光を生体表面に接して保持された複数の受光プローブで受光する光計測プローブが用いられる。複数の照射プローブおよび受光プローブは、例えば、それぞれの照射プローブと受光プローブの間隔が等しくなるように格子状または網目状に配置される。照射プローブと受光プローブを結んだ線上またはその線を含む一定の領域が、光計測における生体内部の計測点または計測部位である。 By the way, normally, in living body light measurement, a plurality of light receiving probes which are irradiated with measurement light from a plurality of irradiation probes held in contact with the living body surface and passed through the inside of the living body are held in contact with the living body surface. An optical measurement probe that receives light is used. For example, the plurality of irradiation probes and the light receiving probes are arranged in a lattice shape or a mesh shape so that the intervals between the respective irradiation probes and the light receiving probes are equal. A certain area on or including the line connecting the irradiation probe and the light receiving probe is a measurement point or measurement site inside the living body in the optical measurement.
したがって、照射プローブと受光プローブの配置によっては、2つの照射プローブから照射された通過光が入射される受光プローブと、3つの照射プローブから照射された通過光が入射される受光プローブと、4つの照射プローブから照射された通過光が入射される受光プローブ等が混在する。また、受光プローブの周囲に複数の照射プローブが配置されているので、1つの受光プローブで受光した通過光が、どの照射プローブから照射されたものかを識別して、計測部位に対応付けて計測信号を弁別する必要がある。 Therefore, depending on the arrangement of the irradiation probe and the light receiving probe, the light receiving probe to which the passing light irradiated from the two irradiation probes is incident, the light receiving probe to which the passing light irradiated from the three irradiation probes is incident, and four A light receiving probe or the like into which the passing light irradiated from the irradiation probe enters is mixed. In addition, since a plurality of irradiation probes are arranged around the light receiving probe, it is identified from which irradiation probe the passing light received by one light receiving probe is irradiated and measured in correspondence with the measurement site. The signal needs to be discriminated.
そこで、各照射プローブから射出される計測光をそれぞれ異なる固有の周波数で変調する。言い換えれば、計測光に固有の変調周波数を重畳している。これにより、受光プローブの計測信号に含まれる変調周波数を弁別して、1つの受光プローブで受光した通過光に含まれる複数の照射プローブを識別して、照射プローブに対応させて計測部位を特定できる。また、計測対象の物質の特性(例えば、光吸収特性等)に合わせて、複数(例えば、2つ)の波長(1/周波数)の計測光を重畳して用いることがある。これらのことから、上述の例では、受光プローブによっては、4つの周波数の波形が重畳された計測信号(重畳波数=4)、6つの周波数が重畳された計測信号(重畳波数=6)、8つの周波数が重畳された計測信号(重畳波数=8)等が計測信号となる。 Therefore, the measurement light emitted from each irradiation probe is modulated at a different unique frequency. In other words, a unique modulation frequency is superimposed on the measurement light. Thereby, the modulation frequency included in the measurement signal of the light receiving probe is discriminated, a plurality of irradiation probes included in the passing light received by one light receiving probe is identified, and the measurement site can be specified corresponding to the irradiation probe. Further, measurement light having a plurality of (for example, two) wavelengths (1 / frequency) may be superimposed and used in accordance with the characteristics (for example, light absorption characteristics) of the substance to be measured. For these reasons, in the above-described example, depending on the light receiving probe, a measurement signal in which waveforms of four frequencies are superimposed (superimposed wave number = 4), a measurement signal in which six frequencies are superimposed (superimposed wave number = 6), 8 A measurement signal (superimposed wave number = 8) on which two frequencies are superimposed is a measurement signal.
このように、計測信号の重畳波数が異なると、これらが合成される計測信号の波形がそれぞれ異なってくるから、標準偏差の値も異なってしまう。したがって、各計測信号の標準偏差に基づいて一律に増幅率を設定すると、例えば、見たい周波数成分の信号が圧縮されてしまうなどの不都合がある。 As described above, when the number of superimposed waves of the measurement signal is different, the waveform of the measurement signal to be synthesized is different, so that the standard deviation value is also different. Therefore, when the amplification factor is uniformly set based on the standard deviation of each measurement signal, there is a disadvantage that, for example, a signal of a frequency component to be viewed is compressed.
しかし、従来の技術では、計測信号の標準偏差に基づいて増幅率を設定する場合に、計測信号の重畳波数に配慮していないことから、増幅率が適切に設定されていないという問題がある。また、例えば、計測光を照射する照射プローブの数が変更された場合、一つの受信プローブに受光される通過光に含まれる計測光の重畳波数が変化するから、計測信号の標準偏差の値も変わってしまうので、増幅率の設定をやり直す必要がある。 However, in the conventional technique, when the amplification factor is set based on the standard deviation of the measurement signal, there is a problem that the amplification factor is not set appropriately because the superimposed wave number of the measurement signal is not taken into consideration. In addition, for example, when the number of irradiation probes that irradiate measurement light is changed, the number of measurement signals included in the passing light received by one reception probe changes, so the value of the standard deviation of the measurement signal is also Since it changes, it is necessary to reset the amplification factor.
本発明が解決しようとする課題は、受光プローブに受光された通過光の計測信号の増幅率を適切に設定することができる生体光計測装置を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a living body light measurement device capable of appropriately setting the amplification factor of the measurement signal of the passing light received by the light receiving probe.
上記の課題を解決するため、本発明の生体光計測装置は、複数の照射プローブからそれぞれ計測光が照射され、生体の内部を通過した通過光を受光プローブで受光し、受光された前記通過光を電気信号に変換し、予め設定された増幅率で増幅した計測信号を出力する受光部と、該受光部から出力される前記計測信号をディジタル変換して生体光計測データを生成するデータ処理部を備えてなり、前記データ処理部は、前記計測信号の強度の標準偏差を求め、求めた前記標準偏差と、前記計測信号の重畳波数に応じて定められる係数とに基づいて、前記増幅率を設定するようにしたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the biological light measurement device of the present invention is configured such that the measurement light is irradiated from each of the plurality of irradiation probes, and the passing light that has passed through the inside of the living body is received by the light receiving probe. A light receiving unit that converts the signal into an electrical signal and outputs a measurement signal amplified at a preset amplification factor, and a data processing unit that digitally converts the measurement signal output from the light receiving unit to generate biological light measurement data The data processing unit obtains a standard deviation of the intensity of the measurement signal, and calculates the amplification factor based on the obtained standard deviation and a coefficient determined according to the superimposed wave number of the measurement signal. It is characterized by being set.
このように構成される本発明によれば、計測信号の強度の標準偏差の値に基づいて、一律に増幅率を設定するのではなく、受光プローブの計測信号に異なる周波数の信号が含まれていれば、計測信号の標準偏差の値と、重畳された周波数の数(重畳波数)に応じて定められた係数とに基づいて増幅率を設定するようにしたから、受光プローブに受光された通過光の計測信号の増幅率を適切に設定することができる。 According to the present invention configured as described above, instead of setting the amplification factor uniformly based on the value of the standard deviation of the intensity of the measurement signal, signals of different frequencies are included in the measurement signal of the light receiving probe. Since the amplification factor is set based on the value of the standard deviation of the measurement signal and the coefficient determined according to the number of superimposed frequencies (number of superimposed waves), the light received by the light receiving probe The amplification factor of the optical measurement signal can be set appropriately.
ここで、計測信号に含まれる重畳波数は、受光プローブとその受光プローブに受光される通過光に関連する照射プローブの数に基づいて、予めデータ処理部に設けられた記憶部に設定することができる。しかし、後述するように、計測信号を周波数弁別して重畳波数を自動的に求めてもよく、これによれば、計測光を照射する照射プローブの数が変更された場合でも、変更に合わせて計測信号の増幅率を適切に設定することができる。 Here, the superposed wave number included in the measurement signal can be set in advance in the storage unit provided in the data processing unit based on the number of the light receiving probe and the irradiation probe related to the passing light received by the light receiving probe. it can. However, as will be described later, the frequency of the measurement signal may be discriminated and the number of superimposed waves may be automatically obtained. According to this, even when the number of irradiation probes that irradiate measurement light is changed, measurement is performed according to the change. The amplification factor of the signal can be set appropriately.
なお、通常は、受光プローブが複数備えられているから、データ処理部は、各受光プローブについて増幅率を設定する。また、重畳波数に応じて定められる係数は、重畳波数に対応させて、予めデータ処理部のメモリなどに設定しておく。メモリに設定する係数は、異なる重畳波数ごとに予め計測を実行および分析して、適切な係数を設定する。 In general, since a plurality of light receiving probes are provided, the data processing unit sets an amplification factor for each light receiving probe. Also, the coefficient determined according to the superposed wave number is set in advance in the memory of the data processing unit in correspondence with the superposed wave number. As the coefficient set in the memory, an appropriate coefficient is set by executing and analyzing in advance for each different number of superimposed waves.
また、重畳波数に応じて定められる係数と標準偏差の値に基づいて増幅率を設定する方法の一つとして、標準偏差の値をその係数で除して得られる値を増幅率として設定する。しかしこれに限られるものではなく、適切な増幅率となるように、異なる重畳波数ごとに対応させて予め計測を実行し、標準偏差と係数と増幅率との関係を分析して、増幅率を設定するようにしてもよい。 As one of the methods for setting the amplification factor based on the coefficient determined according to the superposed wave number and the standard deviation value, a value obtained by dividing the standard deviation value by the coefficient is set as the amplification factor. However, the present invention is not limited to this, and in order to obtain an appropriate amplification factor, measurement is performed in advance corresponding to each different number of superimposed waves, and the relationship between the standard deviation, the coefficient, and the amplification factor is analyzed, and the amplification factor is calculated. You may make it set.
また、上述したように、自動的に増幅率を設定した後に、ユーザが予備計測における計測信号の波形を見ながら、重畳波数に応じて定められる係数または増幅率を容易に変更可能な表示部と入力部を備えたインターフェイスを設けて、自由度の高い増幅率設定を可能にしてもよい。これによれば、ユーザが自由に増幅率を設定することができることから、ユーザの利便性を向上することができる。 In addition, as described above, after automatically setting the amplification factor, the user can easily change the coefficient or amplification factor determined according to the number of superimposed waves while viewing the waveform of the measurement signal in the preliminary measurement, An interface provided with an input unit may be provided to enable setting of an amplification factor with a high degree of freedom. According to this, since the user can freely set the amplification factor, the convenience for the user can be improved.
本発明によれば、受光プローブに受光された通過光の計測信号の増幅率を適切に設定することができる生体光計測装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the biological light measuring device which can set appropriately the amplification factor of the measurement signal of the passage light received by the light reception probe can be provided.
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。なお、発明の実施形態を説明するための図において、同一機能を有するものは、明示しない限り同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments. Note that in the drawings for describing the embodiments of the present invention, those having the same function are denoted by the same reference numerals unless otherwise specified, and repetitive description thereof is omitted.
本実施形態の生体光計測装置は、近赤外光を生体内に照射し、生体の表面近傍から反射或いは生体内を通過した光(以下、単に通過光という。)を検出し、光の強度に対応する電気信号を発生するものとして説明する。図1に示すように、本実施形態の生体光計測装置100は、近赤外光を照射する光源部110と、生体内の通過光を電気信号に変換して増幅した後にA/D変換するする受光部120と、光源部110および受光部120の駆動を制御するとともに、受光部から出力された光計測データを処理する制御部140とを備えて構成される。
The living body light measurement device of this embodiment irradiates near-infrared light in the living body, detects light reflected from the vicinity of the living body surface or passed through the living body (hereinafter simply referred to as passing light), and the intensity of the light. It is assumed that an electrical signal corresponding to is generated. As shown in FIG. 1, the biological light measurement apparatus 100 according to the present embodiment performs a A / D conversion after a
光源部110は、生体である被検体190の体表上の予め定められた照射点に光を照射する。光源部110は、所定の波長の光を発生する半導体レーザ111と、半導体レーザ111が発生した光を複数の異なる周波数で変調する変調器を有してなる複数の光モジュール112とを備える。光モジュール112は、例えば、照射点の数だけ設けられる。各光モジュール112からの出力光(計測光)は、それぞれ光導波路である光ファイバ130(照射光用光ファイバ131)を介して被検体190の所定の計測部位に照射される。
The
計測光の照射は、被検体190の体表に取り付けられるプローブホルダ150の各照射光用光ファイバ131を介して行われ、予め定められた複数の照射点から被検体190の所定の部位に光を照射する。照射光用光ファイバ131は、プローブホルダ150の所定位置に固定される。プローブホルダ150は、被検体190の例えば、頭部に固定される。光源部110から出力される計測光の波長は、測定対象の生体内の注目物質の分光特性(あるいは吸収特性等)に応じたものとする。
Irradiation of measurement light is performed via each irradiation light
例えば、ヘモグロビン(Hb)と酸素化ヘモグロビン(HbO2)の濃度から、酸素飽和度や血液量を計測する場合は、600nm〜1400nmの波長範囲の光の中から1あるいは複数波長選択して用いる。また、例えば、測定対象を、酸素化ヘモグロビン(HbO2:oxyHb)と脱酸素化ヘモグロビン(deoxyHb)の2種類とする場合、光源部110は、この2種類の測定対象を検出するために、2種類以上の波長、例えば695nmおよび830nmの光を発生するように構成される。これら複数種類の波長の光は照射点で合成され、照射光用光ファイバ131の一つの光照射位置から照射される。
For example, when measuring oxygen saturation and blood volume from the concentrations of hemoglobin (Hb) and oxygenated hemoglobin (HbO2), one or more wavelengths are selected from light in the wavelength range of 600 nm to 1400 nm. In addition, for example, when the measurement target is two types of oxygenated hemoglobin (HbO2: oxyHb) and deoxygenated hemoglobin (deoxyHb), the
受光部120は、計測領域の複数の計測箇所から光ファイバ130の受光用光ファイバ132を介して誘導された通過光を受光し、それぞれの光量に相当する電気信号の計測信号に変換するフォトダイオード等の光電変換素子121と、光電変換素子121から出力される計測信号を増幅する可変ゲインアンプ122と、可変ゲインアンプ122の出力信号をディジタル信号に変換するA/D変換器123とを備える。可変ゲインアンプ122は、A/D変換器123に最適な振幅の計測信号に増幅するために、増幅率を可変設定できるようになっている。A/D変換器123から出力されるディジタル変換された計測信号は、制御部140にあるデータ処理部400に入力され、データ処理部400において目的の光計測データを得ることができるようになっている。
The
なお、光源部110から発光される計測光は、695nmおよび830nmの波長とは別に、それぞれ異なる変調周波数が重畳された波形を有している。これらの重畳波数を有する計測信号は、受光部120にてデータ取り込み後に、後述する周波数弁別機能を有するロックインアンプ402にて再分離することが可能である。
Note that the measurement light emitted from the
本実施形態は、計測信号の増幅率を最適化して可変ゲインアンプ122に設定する機能をデータ処理部400に付加したことを特徴とする。まず、光源部110および受光部120に接続される光計測プローブ151の配置例について、図2を参照して説明する。光計測プローブ151は、それぞれ複数の照射プローブ151aと受光プローブ151bを有する。光計測プローブ151は、受光する光が灰白質まで伝播するように、各々の照射プローブ151aの照射点と、受光プローブ151bの受光点が配置される。具体的には、図2のように、各光計測プローブ151は、格子状に配置される。図中▲は、光源部110に接続される照射光用光ファイバ131に接続される照射プローブ151aの照射点を意味する。また、図中●は、受光部120に接続される受光用光ファイバ132に接続される受光プローブ151bの受光点を意味する。なお、説明を簡単にするため、以下、照射点151a、受光点151bとして説明する。
The present embodiment is characterized in that a function for optimizing the amplification factor of the measurement signal and setting the
照射点151aと受光点151bとを結ぶ線152上または線152を含む領域を計測点ないし計測部位と称する。図2に示したように、受光点151bでは、場所によっては2か所、3か所、4か所の照射点151aに囲まれており、それぞれ2方向、3方向、4方向からの計測光を受光する。各照射点151aでは、例えば、上述したように一つの照射光用光ファイバ131から2種類の波長の計測光が出射される場合、変調周波数が重畳されることを考慮すると、受光点151bで受光する光の重畳波数Nはそれぞれ4、6、8となる。つまり、一つの受光点151bで受光する通過光は、重畳波数Nが最大で8になる。データ処理部400には、可変ゲインアンプ122に最適な増幅率を与えるために、増幅率設定部401およびロックインアンプ402などを備えている。
An area on or including the
データ処理部400において検出される変調信号から、例えば生体組織中にある酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビン等の濃度あるいは濃度に対応する量を計測することができる。データ処理部400において、上記変調信号より作成する生体光計測データに含まれる表示データには、例えば、酸素化ヘモグロビン(oxyHb)濃度変化、脱酸素化ヘモグロビン(deoxyHb)濃度変化、および総ヘモグロビン(TotalHb)濃度変化を、測定点毎に示すグラフ、またはそれらのデータを被検体190の二次元画像上にプロットした画像である。
From the modulation signal detected by the
なお、図1に示すように、本実施形態の制御部140には、データ処理部400による処理結果、例えば、作成した画像を表示する表示部142と、データ処理部400の処理に必要なデータや処理結果を記憶するための記憶部143と、生体光計測装置100の動作に必要な種々の指令を入力するための入力部141とが接続される。
As shown in FIG. 1, the
また、制御部140が実現する各機能は、記憶部143に予め格納されたプログラムを、制御部140が備えるCPUが、メモリにロードして実行することにより実現される。なお、PLD(Programmable Logic Device)等のハードウェアにより実現されてもよい。
Each function realized by the
次に、制御部140およびデータ処理部400が行う予備計測処理について、実施例に分けて説明する。
Next, the preliminary measurement processing performed by the
制御部140およびデータ処理部400が行う予備計測処理の実施例1を、図3のフローチャートを用いて説明する。ステップS1001で、光源部110から発光された計測光は、照射光用光ファイバ131を介して照射プローブ(照射点)151aに伝送され、生体190内に照射される。生体190内を通過した通過光は受光プローブ(受光点)151bで受光されて受光部120に伝送される。この時、1つの光モジュール112から2種類の波長を含む計測光が照射される場合、受光部120に伝送される通過光は最大8種類の重畳波形となる。
A first embodiment of the preliminary measurement process performed by the
ステップS1002で、受光された通過光は光電変換素子121にて電気信号の計測信号Vに変換される。次いで、ステップS1003において、計測信号Vは可変ゲインアンプ122に設定されている増幅率によって増幅される。ここで、増幅率の初期値を例えば1が設定されているものとする。増幅された計測信号Vは、A/D変換器123においてディジタル信号の計測信号に変換される。ここで、A/D変換器123における量子化誤差を低減するためには、A/D変換器123の入力レンジを広く使用することが重要である。そのため、可変ゲインアンプ122の増幅率を最適に設定する必要がある。
In step S <b> 1002, the received passing light is converted into an electric signal measurement signal V by the
次に、本実施例の特徴である増幅率を最適に設定する手順について説明する。まず、初期の増幅率にて予備計測における計測信号の標準偏差(Vstd)を算出する(S1005)。ここで、予備計測時間における計測データ数をn(nは自然数)、その計測信号Vi(i=1、・・・、n)、計測信号Viの平均値をVaveとすると、標準偏差(Vstd)は、数式1にて求められる。
重畳波を含む計測信号の標準偏差は、重畳波数Nによって異なるが、プローブ配置が予め決まっているため、各受光点151bに入射される通過光の重畳波数Nは事前にわかる。そのため、各受光点151bに入射される通過光の重畳波数Nに合わせた係数αを設定し得る。係数αは、例えば記憶部143のデータテーブルに重畳波数Nに対応させて設定しておき、各受光点151bにおける重畳波数Nに対応する係数αを読み出すことで得られる(S1006)。
Although the standard deviation of the measurement signal including the superimposed wave varies depending on the superimposed wave number N, since the probe arrangement is determined in advance, the superimposed wave number N of the passing light incident on each
次いで、ステップS1007において、計測信号Vの標準偏差Vstdを係数αで除算して得られるV’(=Vstd/α)を求める。求めたV’と、目標電圧kとを比較する(S1008)。V’が目標電圧k(若しくはk±10%以内)となっていない場合は、ステップS1009に進んで、V’が目標電圧kとなるように増幅率(Gain)を再調整し(S1009)、可変ゲインアンプ122に増幅率を再設定する。そして、ステップS1003に戻って、V’が目標電圧kとなるまで、ステップS1003〜S1009を繰り返す。以上の処理を、それぞれの受光点151bにて行い、全ての受光点151bがV’が目標電圧kとなるように増幅率(Gain)が設定される。このようにして、目標電圧kの範囲内になるように計測信号Vに対する適切な増幅率が設定される。
Subsequently, in step S1007, V ′ (= Vstd / α) obtained by dividing the standard deviation Vstd of the measurement signal V by the coefficient α is obtained. The obtained V 'is compared with the target voltage k (S1008). If V ′ is not the target voltage k (or k ± 10% or less), the process proceeds to step S1009, and the gain (Gain) is readjusted so that V ′ becomes the target voltage k (S1009). The gain is reset in the
計測信号Vに対する適切な増幅率が設定されると、ロックインアンプ402にて計測信号はそれぞれ対応する照射点151aごと及び測定対象の物質ごとに分離され、各計測信号の強度情報が得られる(S1010)。次いで、ロックインアンプ402にて分離された各強度情報が全て同じレベルとなるように、それぞれの強度に応じてデジタルゲインβが設定される(S1011)。このような予備計測の処理により、目的とする生体光計測の情報を得ることができる。
When an appropriate amplification factor for the measurement signal V is set, the measurement signal is separated by the lock-in
図4に、本計測における制御部140およびデータ処理部400におけるフローチャートを示す。増幅率(Gain)およびデジタルゲイン値が予備計測により設定されるため、計測信号Vに設定された増幅率(Gain)を掛け(S2003)、次いでA/D変換し(S2004)、ロックインアンプ402により周波数弁別し(S2005)、さらにデジタルゲインβを設定するまで(S2005)、の本計測処理をリアルタイムで行うことができる。
FIG. 4 shows a flowchart in the
以上説明したように、本実施例1によれば、計測信号Vの強度の標準偏差の値Vstdに基づいて、一律に増幅率を設定するのではなく、受光プローブ151bの計測信号Vに異なる周波数の信号が含まれていれば、計測信号の標準偏差の値Vstdと、重畳された周波数の重畳波数Nに応じて定められた係数αとに基づいて増幅率を設定するようにしたから、受光プローブ151bに受光された通過光の計測信号Vの増幅率を適切に設定することができる。
As described above, according to the first embodiment, the amplification factor is not uniformly set based on the standard deviation value Vstd of the intensity of the measurement signal V, but the frequency different from that of the measurement signal V of the
また、計測信号Vに含まれる重畳波数Nは、受光プローブ151bとその受光プローブ151bに受光される通過光に関連する照射プローブ151aの数に基づいて、予め制御部140のメモリまたはこれに関連して設けられた記憶部143に設定する。
The superposed wave number N included in the measurement signal V is related to the memory of the
なお、通常は、受光プローブが複数備えられているから、データ処理部は、各受光プローブについて増幅率を設定する。また、重畳波数Nに応じて定められる係数αは、重畳波数Nに対応させて、予め制御部140のメモリ、または記憶部143などに設定しておく。メモリに設定する係数αは、異なる重畳波数Nごとに予め計測を実行し、標準偏差と係数と増幅率との関係を分析して適切な係数αを設定する。
In general, since a plurality of light receiving probes are provided, the data processing unit sets an amplification factor for each light receiving probe. The coefficient α determined according to the superposed wave number N is set in advance in the memory of the
なお、本実施例1において、重畳波数Nに応じて定められる係数αと標準偏差の値Vstdに基づいて増幅率を設定する具体的な方法として、標準偏差の値Vstdを係数αで除して得られる値V’(=Vstd/α)を求め、このV’が目標電圧k(またはk±10%)になるような増幅率を設定している。これにより、受光プローブ121bに受光された通過光の計測信号Vが異なる重畳波数Nを有していても、計測信号Vの増幅率を適切に設定することができる。しかしこれに限られるものではなく、適切な増幅率となるように、異なる重畳波数Nごとに対応させて予め計測を実行し、標準偏差Vstdと係数αとの関係を分析して適切な係数αを設定する。 In the first embodiment, as a specific method for setting the amplification factor based on the coefficient α determined according to the superposed wave number N and the standard deviation value Vstd, the standard deviation value Vstd is divided by the coefficient α. An obtained value V ′ (= Vstd / α) is obtained, and an amplification factor is set so that this V ′ becomes the target voltage k (or k ± 10%). Thereby, even if the measurement signal V of the passing light received by the light receiving probe 121b has a different superimposed wave number N, the amplification factor of the measurement signal V can be set appropriately. However, the present invention is not limited to this, and measurement is performed in advance corresponding to each different number of superposed waves N so that an appropriate amplification factor is obtained, and the relationship between the standard deviation Vstd and the coefficient α is analyzed to obtain an appropriate coefficient α. Set.
図5に、制御部140およびデータ処理部400が行う予備計測処理の実施例2のフローチャートを示す。図5において、ステップS3001〜S3004までの処理は実施例1のステップS1002からS1004と同じである。本実施例が実施例1と相違する点は、実施例1では計測信号に含まれる重畳波数Nは、受光プローブ151bとその受光プローブ151bに受光される通過光に関連する照射プローブ151aの数に基づいて、予め制御部140に関連して設けられた記憶部143等に設定する例を示した。本実施例では、これに代えて、計測信号Vを、ロックインアンプ402を用いて周波数弁別し(S3005)、次いで、各周波数の波形の強度比を算出する(S3006)。つまり、重畳された波形の強度比により重畳波数Nを割り出すことができるので、実施例1と同様に記憶部143のテーブルから係数αを読み出して設定する(S3008)。
FIG. 5 shows a flowchart of the second embodiment of the preliminary measurement process performed by the
その後は、実施例1と同様に、ステップS3009でV’を求め、V’が目標電圧kまたは一定の範囲内になるまで、ステップS3010、S3011を介して、ステップS3003に戻り、上記の処理を繰り返す。このように、本実施例2は、重畳波数Nを自動的に求めて、計測信号の増幅率を適切に設定することができる。 Thereafter, as in the first embodiment, V ′ is obtained in step S3009, and the process returns to step S3003 via steps S3010 and S3011 until V ′ is within the target voltage k or a certain range, and the above processing is performed. repeat. Thus, the present Example 2 can obtain | require the superimposition wave number N automatically, and can set the amplification factor of a measurement signal appropriately.
したがって、実施例2によれば、計測信号を周波数弁別して重畳波数Nを自動的に求めているから、計測光を照射する照射プローブ151aの数が変更された場合でも、変更に合わせて計測信号の増幅率を適切に設定することができる。すなわち、実施例2によれば、受光点151bに入射する計測光の重畳波数が予め判明していなくても、あるいは、照射光用光ファイバ131から照射される計測光のうち、特定の光が受光点151bに届かない場合でも、正確な増幅率を設定することが可能である。
Therefore, according to the second embodiment, the frequency of the measurement signal is discriminated and the superimposed wave number N is automatically obtained. Therefore, even when the number of the irradiation probes 151a that irradiate the measurement light is changed, the measurement signal is adjusted to the change. Can be set appropriately. That is, according to the second embodiment, even if the superimposed wave number of the measurement light incident on the
図6に、本実施例の表示部142における予備計測画面の一例を示す。本実施例は、計測信号の増幅率をマニュアル(手技)により設定可能にしたことが実施例1,2と相違する。本実施例の機能は、入力部141と、表示部142と、データ処理部400との協働により実現する。図示のように、予備計測画面は、受光部120が受け持つ計測点のエリア160を表示するとともに、設定された増幅率を表示部161に表示するようになっている。さらに、表示部161に表示された増幅率を手技により可変設定する機能を有する。これにより、ユーザのニーズに合った増幅率を設定することが可能となる。さらに、この予備計測画面上に予備計測に係る計測信号の波形162そのものを表示する。これにより、ノイズの多い場合などで増幅率の自動設定が難しいような場合においても、適切な増幅率を設定することができる。
FIG. 6 shows an example of a preliminary measurement screen on the
本実施例3によれば、実施例1,2により、自動的に増幅率を設定した後に、ユーザが予備計測における計測信号の波形を見ながら、重畳波数Nに応じて定められる係数αまたは増幅率を容易に変更可能な表示部142と入力部141を備えたインターフェイスを設けることにより、自由度の高い増幅率設定を可能にできる。これによれば、ユーザが自由に増幅率を設定することができることから、ユーザの利便性を向上することができる。また、本実施例によれば、可変ゲインアンプ122に対して適正な増幅率設定が行えるため、計測信号のS/Nが高くなり、より精度の高い測定が可能となる。
According to the third embodiment, after the amplification factor is automatically set according to the first and second embodiments, the coefficient α or amplification determined according to the superposed wave number N while the user looks at the waveform of the measurement signal in the preliminary measurement. By providing an interface including the
つまり、本実施例3は、データ処理部400に、受光部120から出力される計測信号Vの波形を表示部142に表示させ、入力部141から入力される指令に応じて、増幅率を設定可能に形成されていることを特徴とする。また、データ処理部400は、計測信号Vの強度の最大値と、標準偏差Vstdを表示部142に表示させ、入力部141から入力される増幅率の設定指令に従って、増幅率を設定可能に形成されてなることを特徴とする。
That is, in the third embodiment, the
図7は、計測光の重畳波数Nを変更した場合の計測信号の波形と、標準偏差Vstdの値のシミュレーション結果の一例を示す。同図(a)は計測信号の重畳波数Nが「1」の波形と「Vstd」、(b)は計測信号の重畳波数Nが「2」の波形と「Vstd」、(c)は計測信号の重畳波数Nが「8」の波形と「Vstd」を示している。なお、同図では計測信号の振幅の最大値を1に規格化して示している。それらの図からわかるように、重畳波数Nが変わると波形が変化し、標準偏差Vstdの値も異なることがわかる。 FIG. 7 shows an example of the simulation result of the waveform of the measurement signal and the value of the standard deviation Vstd when the superimposed wave number N of the measurement light is changed. FIG. 4A shows a waveform with a superimposed signal wave number N of “1” and “Vstd”, and FIG. 5B shows a waveform with a superimposed wave number N of a measurement signal of “2” and “Vstd”, and FIG. The waveform with the superimposed wave number N of “8” and “Vstd” are shown. In the figure, the maximum value of the amplitude of the measurement signal is normalized to 1. As can be seen from these figures, when the superposed wave number N changes, the waveform changes, and the value of the standard deviation Vstd also changes.
図8は、本発明の実施例を適用した場合と、従来法による増幅率設定との比較を説明する図である。図において、左側の波形が計測信号位の元波形であり、右側の波形が元波形を増幅した波形である。同図(a)は、振幅の最大値に基づいて増幅率を設定した場合である。同図に示すように、一定の計測時間における計測信号に、パルス状のノイズが2箇所に乗っている。したがって、最大値に基づいて増幅率を設定すると、ノイズの最大値に引っ張られて増幅率を設定してしまうため、見たい信号の振幅が圧縮(つぶれ)されてしまっていることがわかる。この点、同図(b)のように、標準偏差に基づいて増幅率を設定すると、ノイズの影響を受けない増幅率の設定を行うことができる。 FIG. 8 is a diagram illustrating a comparison between the case where the embodiment of the present invention is applied and the amplification factor setting according to the conventional method. In the figure, the left waveform is the original waveform of the measurement signal level, and the right waveform is the waveform obtained by amplifying the original waveform. FIG. 4A shows the case where the amplification factor is set based on the maximum value of the amplitude. As shown in the figure, pulse-like noise is on two places in the measurement signal at a fixed measurement time. Therefore, when the amplification factor is set based on the maximum value, the amplification factor is set by being pulled by the maximum value of noise, so that it can be seen that the amplitude of the signal to be viewed is compressed (collapsed). In this respect, when the amplification factor is set based on the standard deviation as shown in FIG. 5B, the amplification factor can be set without being affected by noise.
さらに、同図(c)は、重畳波数が「8」の計測信号を、実施例1、2のように、重畳波数Nに応じて定めた係数αと標準偏差Vstdとに基づいて、増幅率を設定したものである。これに対し、同図(d)は、重畳波数Nが「2」の計測信号を、その計測信号の標準偏差のみに基づいて増幅率を設定した従来例である。同図(c)、(d)を対比してわかるように、重畳波数Nに応じて定めた係数αを考慮して増幅率を設定することにより、元波形の特徴を強調できるのに対し、重畳波数N=2でも例えばN=8と同じ係数αに基づいて増幅率を設定すると、(d)のように、見たい信号がつぶれてしまうことがわかる。 Further, FIG. 10C shows the amplification factor of the measurement signal with the superposed wave number “8” based on the coefficient α determined according to the superposed wave number N and the standard deviation Vstd as in the first and second embodiments. Is set. On the other hand, FIG. 4D is a conventional example in which the amplification factor is set based on only the standard deviation of the measurement signal having the superposed wave number N of “2”. As can be seen by comparing (c) and (d) in the same figure, the characteristic of the original waveform can be emphasized by setting the amplification factor in consideration of the coefficient α determined according to the superposed wave number N. It can be seen that if the amplification factor is set based on the same coefficient α as N = 8, for example, even when the superposed wave number N = 2, the signal to be viewed is destroyed as shown in FIG.
以上、本発明を一実施形態及び実施例1〜3に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の主旨の範囲で変形または変更された形態で実施することが可能であることは、当業者にあっては明白なことであり、そのような変形または変更された形態が本願の特許請求の範囲に属することは当然のことである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on one Embodiment and Examples 1-3, this invention is not limited to these, It implements with the form deform | transformed or changed in the range of the main point of this invention. It will be apparent to those skilled in the art that such modifications and variations are within the scope of the claims herein.
100:生体光計測装置、110:光源部、111:半導体レーザ、112:光モジュール、120:受光部、121:光電変換素子、122:可変ゲインアンプ、123:A/D変換器、130:光ファイバ、131:照射光用光ファイバ、132:受光用光ファイバ、140:制御部、141:入力部、142:表示部、143:記憶部、150:プローブホルダ、151:光計測プローブ、151a:照射プローブ(照射点)、151b:受光プローブ(受光点)、190:被検体、400:データ処理部、401:増幅率設定部、402:ロックインアンプ 100: biological light measurement device, 110: light source unit, 111: semiconductor laser, 112: optical module, 120: light receiving unit, 121: photoelectric conversion element, 122: variable gain amplifier, 123: A / D converter, 130: light Fiber: 131: Optical fiber for irradiation light, 132: Optical fiber for light reception, 140: Control unit, 141: Input unit, 142: Display unit, 143: Storage unit, 150: Probe holder, 151: Optical measurement probe, 151a: Irradiation probe (irradiation point), 151b: light reception probe (light reception point), 190: subject, 400: data processing unit, 401: amplification factor setting unit, 402: lock-in amplifier
Claims (9)
前記データ処理部は、前記計測信号の強度の標準偏差を求め、求めた前記標準偏差と、前記計測信号の重畳波数に応じて定められる係数とに基づいて、前記増幅率を設定するようにしてなる生体光計測装置。 Measurement light irradiated from each of a plurality of irradiation probes, passing light that has passed through the inside of the living body is received by a light receiving probe, the received passing light is converted into an electrical signal, and amplified by a preset amplification factor A light receiving unit that outputs a signal, and a data processing unit that digitally converts the measurement signal output from the light receiving unit to generate biological light measurement data,
The data processing unit obtains a standard deviation of the intensity of the measurement signal, and sets the amplification factor based on the obtained standard deviation and a coefficient determined according to the superimposed wave number of the measurement signal. A living body light measuring device.
前記データ処理部は、前記各受光プローブについて、前記増幅率を設定することを特徴とする請求項1または2に記載の生体光計測装置。 A plurality of the light receiving probes are provided,
The biological light measurement apparatus according to claim 1, wherein the data processing unit sets the amplification factor for each of the light receiving probes.
前記データ処理部は、前記受光部から出力される前記計測信号の波形を前記表示部に表示させ、前記入力部から入力される指令に応じて、前記増幅率を設定可能に形成されてなることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の生体光計測装置。 And a display unit and an input unit for inputting a command to the data processing unit.
The data processing unit is configured to display the waveform of the measurement signal output from the light receiving unit on the display unit, and to set the amplification factor according to a command input from the input unit. The biological light measurement device according to claim 1, wherein:
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