JP2019520182A - 周波数ドメインベースの多波長生体信号分析装置及びその方法 - Google Patents

周波数ドメインベースの多波長生体信号分析装置及びその方法 Download PDF

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Abstract

【解決手段】本発明は、４つ以上の互いに異なる離散型波長（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）で周波数変調された光を照射する４つ以上の光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）と、対象体から反射して引き込まれる出力光を検出する少なくとも１つの光検出器（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、４つ以上の光源及び少なくとも１つの光検出器と連結され、少なくとも１つの光検出器で検出された出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に対象体内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）の濃度を算出するプロセス回路と、を含む周波数ドメイン（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ、ＦＤ）ベースの多波長生体信号分析装置を開示する。ここで、プロセス回路は、対象体内に存在するクロモフォアを基に、４つ以上の光源のうち少なくとも２つ以上の光源を駆動する。

Description

本発明は、周波数ドメインベースの多波長生体信号分析装置及びその方法に関する。
近年、混濁媒体（ｔｕｒｂｉｄ ｍｅｄｉｕｍ）の光学的特性を測定する方法を用いて、身体の生体情報を分析する様々な技術が開発されている。このような技術は、身体に無侵襲でありながら生体情報などを提供できるという点で脚光を浴びており、消費者のニーズに応じて、補給型装置への研究開発に多くの関心が集中されている。
上記した技術は、一般に、近赤外線領域における混濁媒体の吸収係数と散乱係数を測定し、混濁媒体が含んでいるクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）の濃度を計算する。混濁媒体の吸収及び散乱係数を測定するための方法としては、３つの方式が知られている。具体的に、混濁媒体に一定の強さの光を入射した後、多距離測定方式に従ってクロモフォアの濃度を算出する定常状態（ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ、ＳＳ）方式、変調された光源に対して変化した振幅及び位相などを測定する周波数ドメイン（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ、ＦＤ）方式、パルス（ｐｕｌｓｅ）状の光源に対して時間に応じた変化を測定する時間ドメイン（ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ、ＴＤ）方式などがある。
しかし、上記した３つの方式は、それぞれ異なる長所と限界点を有している。
ＳＳ方式は、光の変調又はパルスの生成を必要とせず、これにより、混濁媒体から反射した光を周波数ドメイン又は時間ドメインで分解する検出器を必要としないという面で、他の方式（即ち、ＦＤ方式又はＴＤ方式）に比べて相対的に安価である。しかし、ＳＳ方式は、吸収係数と散乱係数を分離するために多距離測定方式を用いるので、不均一性の高い生体組織においては、他の方法に比べて分析過程での歪曲が生じる可能性がある。
ＴＤ方式及びＦＤ方式は、多距離測定方式を使用しないため、ＳＳ方式に比べて、不均一性を有する生体組織に比較的適合である。しかし、ＴＤ方式とＦＤ方式は、パルスの生成又は周波数変調された光源及びこのような特性が検出できる検出器を必要とするので、具現方法と費用の面で短所がある。
米国登録特許第７，４２８，４３４号（Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ Ｔｕｒｂｉｄ Ｍｅｄｉａ ｂｙ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ Ｓｔｅａｄｙ Ｓｔａｔｅ Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ）は、ＦＤ方式とＳＳ方式を結合した拡散光分光イメージング（ｄｉｆｆｕｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ）方式を提案した。米国登録特許第７，４２８，４３４号は、所定数のＦＤ波長と所定距離測定方式のＳＳ法を組み合わせることで、既存のＦＤ方式の短所とＳＳ方式の短所を補完した。しかし、ＦＤ方式とＳＳ方式を結合した拡散光分光イメージング装置は、装置の大きさや費用の面で補給型装置としての限界がある。
米国登録特許第７４２８４３４号
所定数の光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）を用いて信頼度の高いクロモフォアの濃度値を測定し、光源と光検出器（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を対象体に直接接触できるように具現することで、費用を低減させながらも小型化された生体信号分析装置が必要である。
上述した技術的課題を解決するための技術的解決方法として、本発明は、４つ以上の互いに異なる離散型波長に対して周波数変調された光を照射する４つ以上の光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）と、対象体から反射して引き込まれる出力光を検出する少なくとも１つの光検出器（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、４つ以上の光源及び少なくとも１つの光検出器と連結され、出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に対象体内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）の濃度を算出するプロセス回路と、を含むＦＤベースの多波長生体信号分析装置を提供する。
本発明の一実施例によれば、ＦＤベースの多波長生体信号分析装置は、所定数の光源を用いることによって、具現費用を低減しながら信頼度の高いクロモフォア濃度値を測定する方法及び装置を提供することができる。
また、本発明の一実施例によれば、小型化されたＦＤベースの多波長生体信号分析装置を提供することができ、対象体の互いに異なる深さ及び位置に対応する生体分析結果（即ち、クロモフォアの濃度）を提供することができる。
本発明の一実施例に係る周波数ドメイン（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ：ＦＤ）ベースの多波長生体信号分析装置の構成を示す図である。 身体内に存在するクロモフォアの吸収スペクトルを示すグラフである。 本発明の一実施例によって対象体に入力される入力光と光検出器によって検出される出力光の光特性を示す図である。 本発明の一実施例によって図１のプロセス回路が各クロモフォアの濃度を算出するプロセスを示す図である。 本発明の一実施例によって得られた吸収係数と、ＦＤ−ＳＳ（ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ）結合方式の拡散光分光イメージング装置で得られた吸収係数とからクロモフォアの濃度をフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）して得た後、得られたクロモフォア濃度で再構成した吸収係数スペクトルの比較結果を示すグラフを示す図である。 本発明の一実施例によって得られた吸収係数と、ＦＤ−ＳＳ（ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ）結合方式の拡散光分光イメージング装置で得られた吸収係数とからクロモフォアの濃度をフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）して得た後、得られたクロモフォア濃度で再構成した吸収係数スペクトルの比較結果を示すグラフを示す図である。 本発明の一実施例によって得られた吸収係数と、ＦＤ−ＳＳ（ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ）結合方式の拡散光分光イメージング装置で得られた吸収係数とからクロモフォアの濃度をフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）して得た後、得られたクロモフォア濃度で再構成した吸収係数スペクトルの比較結果を示すグラフを示す図である。 本発明の一実施例によって得られた吸収係数と、ＦＤ−ＳＳ（ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ）結合方式の拡散光分光イメージング装置で得られた吸収係数とからクロモフォアの濃度をフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）して得た後、得られたクロモフォア濃度で再構成した吸収係数スペクトルの比較結果を示すグラフを示す図である。 図５乃至図８で使用された吸収係数スペクトルの計７２個のデータに対する 分析を行った結果を示すグラフを示す図である。 図５乃至図８で使用された吸収係数スペクトルから算出された各クロモフォアの濃度値を示すグラフである。 図５乃至図８で使用された吸収係数スペクトルから算出された各クロモフォアの濃度値を示すグラフである。 図５乃至図８で使用された吸収係数スペクトルから算出された各クロモフォアの濃度値を示すグラフである。 図５乃至図８で使用された吸収係数スペクトルから算出された各クロモフォアの濃度値を示すグラフである。 本発明の一実施例に係るＦＤベースの多波長生体信号分析装置を示す図である。 本発明の他の実施例に係るＦＤベースの多波長生体信号分析装置を示す図である。 本発明のさらに他の実施例に係るＦＤベースの多波長生体信号分析装置を示す図である。 図１６のプローブの接触面を示す図である。 図１６のプローブの接触面を示す他の図である。 本発明のさらに他の実施例に係るＦＤベースの多波長生体信号分析装置を示す図である。 本発明のさらに他の実施例に係るＦＤベースの多波長生体信号分析装置を示す図である。 ８つの発光部及び８つの検出部がプローブの接触面上で互いに交差して配置される一例である。 本発明の一実施例に係る、発光部と検出部との距離と、対象体の深さとの関係を示す図である。 発光部及び検出部がプローブの接触面上で互いに異なる距離間隔で配置される一例である。 本発明の一実施例によってＦＤベースの多波長生体信号分析装置の動作方法を説明するフローチャートである。 本発明の他の実施例によってＦＤベースの多波長生体信号分析装置の動作方法を説明するフローチャートである。
本発明の第１の側面は、４つ以上の互いに異なる離散型波長に対して周波数変調された光を照射する４つ以上の光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）と、対象体から反射して引き込まれる出力光を検出する少なくとも１つの光検出器（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、４つ以上の光源及び少なくとも１つの光検出器と連結され、出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に対象体内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）の濃度を算出するプロセス回路と、を含むＦＤベースの多波長生体信号分析装置を提供する。ここで、プロセス回路は、対象体内に存在するクロモフォアを基に、４つ以上の光源のうち少なくとも２つ以上の光源を駆動する。
また、プロセス回路は、対象体内に存在するクロモフォアの数、種類、及び含量のうち少なくとも１つを基に、４つ以上の光源の中から駆動される光源の数及び種類を決定する。
また、対象体内に存在するクロモフォアは、オキシヘモグロビン（ｏｘｙ−ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、Ｏ２Ｈｂ）、デオキシヘモグロビン（ｄｅｏｘｙ−ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、ＨＨｂ）、水（Ｈ２Ｏ）、脂質（ｌｉｐｉｄ）のうち少なくとも１つを含む。
また、プロセス回路は、出力光の振幅及び位相を拡散光モデル（ｄｉｆｆｕｓｅ ｍｏｄｅｌ）でフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）することで離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、算出された結果を対象体内に存在するクロモフォアに対して既に知られた吸光係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）スペクトルでフィッティングして、対象体内に存在するクロモフォアの濃度値を算出する。
また、プロセス回路は、機器的特性によって発生する信号の位相及び振幅を出力光から補償するためのキャリブレーション（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）作業を行う。
また、４つ以上の互いに異なる離散型波長は、近赤外線（ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｙ）領域内の非連続的な波長である。また、４つ以上の互いに異なる離散型波長は、身体内に存在するクロモフォアの既に知られた光吸収度を基に決定する。
また、４つ以上の互いに異なる離散型波長は、水（Ｈ２Ｏ）と脂質（ｌｉｐｉｄ）のそれぞれの既に知られた吸収スペクトルのピーク（ｐｅａｋ）領域に隣接する第１の離散型波長及び第２の離散型波長を含み、オキシヘモグロビン（Ｏ２Ｈｂ）及びデオキシヘモグロビン（ＨＨｂ）の既に知られた吸収スペクトルの等吸収点（ｉｓｏｓｂｅｓｔｉｃ ｐｏｉｎｔ）前の第３の離散型波長と、等吸収点に隣接する領域の第４の離散型波長を含む。
また、４つ以上の互いに異なる離散型波長は、約６８８、約８０８、約９１５、及び約９７５ｎｍの波長を含む。
また、光源は、レーザダイオード（ＬＤ）又は発光ダイオード（ＬＥＤ）に具現され、４つ以上のＬＤは、多波長表面放出レーザ素子（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｄｅｖｉｃｅ、ＶＣＳＥＬ）に具現される。或いは、各ＬＤは表面放出レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）に具現され、４つ以上のＶＣＳＥＬがプローブの接触面に離隔して配置される。
また、少なくとも１つの光検出器は、少なくとも１つのアバランシェフォトダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ、ＡＰＤ）を含む。
また、プロセス回路は、２つ以上の光源を順次に駆動する。
また、プロセス回路は、２つ以上の光源のうち、最も低い波長で発光する光源から駆動し、次第に高い波長で発光する光源を駆動する。
また、プロセス回路は、光源の機器的特性及び周辺環境のうち少なくとも１つにより、２つ以上の光源の光出力強度を調整する。
また、ＦＤベースの拡散光分光イメージング装置は、４つ以上の光源、少なくとも１つの光検出器及びプロセス回路を含むハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）と、４つ以上の光源とカップリングされ、４つ以上の光源から照射される光を集光して伝達する第１の光ファイバと、少なくとも１つの光検出器とカップリングされ、対象体から反射する光を集光して少なくとも１つの光検出器へ伝達する第２の光ファイバと、をさらに含む。ここで、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバは、ハウジングの外部に露出して対象体に接触される。
また、ＦＤベースの多波長生体信号分析装置は、４つ以上の光源及び少なくとも１つの光検出器を含み、対象体に接触する接触面を含むプローブをさらに含む。ここで、４つ以上の光源は、プローブの接触面に配置され、プロセス回路によって駆動される２つ以上の光を対象体に直接照射する。
また、プローブは、プローブの接触面に配置され、４つ以上の光源と結合されるレンズ（ｌｅｎｓ）をさらに含む。
また、ＦＤベースの多波長生体信号分析装置は、４つ以上の光源を含む複数の発光部及び少なくとも１つの光検出器を含む複数の検出部を含み、対象体に接触する接触面を含むプローブをさらに含む。ここで、複数の発光部及び複数の検出部は、プローブの接触面上に互いに交差して配置される。
また、プロセス回路は、複数の発光部を順次に駆動し、複数の発光部のうち１つの発光部が駆動されると、駆動された発光部に隣接した少なくとも１つの検出部を駆動して出力光を検出する。
また、プロセス回路は、複数の発光部を順次に駆動し、複数の発光部のうち１つの発光部が駆動されることにより、駆動された発光部から互いに異なる距離に配置された２つ以上の検出部を駆動し、出力光を検出する。
また、複数の発光部及び複数の検出部は、プローブの接触面上に互いに異なる距離間隔で交差して配置される。
また、ＦＤベースの多波長生体信号分析装置は、４つの光源、５つの光源、６つの光源、７つの光源、又は８つの光源を含む。
本発明の第２の側面は、４つ以上の互いに異なる離散型波長で発光する４つ以上の光源と、対象体から反射して引き込まれる出力光を検出する少なくとも１つの光検出器と、４つ以上の光源及び少なくとも１つの光検出器と連結され、少なくとも１つの光検出器によって検出された出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に対象体内に存在するクロモフォアの濃度を算出するプロセス回路と、４つ以上の光源とカップリングされ、４つ以上の光源から照射される光を集光して伝達する第１の光ファイバと、少なくとも１つの光検出器とカップリングされ、対象体から反射する光を集光して少なくとも１つの光検出器へ伝達する第２の光ファイバと、４つ以上の光源、少なくとも１つの光検出器及びプロセス回路を含むハウジングと、を含むＦＤベースの多波長生体信号分析装置を提供する。ここで、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバは、ハウジングの外部に露出して対象体に接触される。
また、本発明の第３の側面は、４つ以上の互いに異なる離散型波長で発光する４つ以上の光源が所定間隔で離隔して配置される少なくとも１つの発光部と、対象体から放出される出力光を検出する少なくとも１つの光検出器を含む少なくとも１つの検出部と、少なくとも１つの発光部及び少なくとも１つの検出部を含み、対象体に接触する接触面を含むプローブと、少なくとも１つの発光部及び少なくとも１つの検出部と連結され、少なくとも１つの検出部によって検出された出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に対象体内に存在するクロモフォアの濃度を算出するプロセス回路と、を含むＦＤの多波長生体信号分析装置を提供する。ここで、少なくとも１つの発光部及び少なくとも１つの検出部が、プローブの接触面に配置され、対象体に直接接触される。
本発明の第４の側面は、対象体内に存在するクロモフォアを基に、４つ以上の互いに異なる離散型波長に対して周波数変調された光を照射する４つ以上の光源のうち少なくとも２つ以上の光源を駆動するステップと、２つ以上の光源が駆動されることにより、対象体から放出される２つ以上の出力光を検出するステップと、２つ以上の出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出するステップと、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に対象体内に存在するクロモフォアの濃度を算出するステップと、を含むＦＤベースの多波長生体信号分析装置の動作方法を提供する。
本発明の第５の側面は、対象体内に存在するクロモフォアを基に決定した４つ以上の互いに異なる離散型波長に対して周波数変調された光を照射する４つ以上のＬＤと、対象体から放出される出力光を検出する少なくとも１つの光検出器と、４つ以上のＬＤ及び少なくとも１つの光検出器と連結され、４つ以上のＬＤを順次に駆動し、４つ以上のＬＤが順次に駆動されることにより、少なくとも１つの光検出器によって検出された４つ以上の出力光を収得し、４つ以上の出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に対象体内に存在するクロモフォアの濃度を算出するプロセス回路と、を含むＦＤベースの多波長生体信号分析装置を提供する。
また、本発明の第６の側面は、対象体内に存在するクロモフォアを基に決定した４つ以上の互いに異なる離散型波長で発光する４つ以上のＬＤを順次に駆動するステップと、４つ以上のＬＤが順次に駆動されることにより、対象体から放出される４つ以上の出力光を順次に収得するステップと、４つ以上の出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出するステップと、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に対象体内に存在するクロモフォアの濃度を算出するステップと、を含むＦＤベースの多波長生体信号分析装置の動作方法を提供する。
また、本発明の第７の側面は、前記第４及び第６の側面を具現するためのプログラムが記録されたコンピュータで読み取り可能な記録媒体を提供する。
以下では、添付した図面を参照しながら、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施例を詳しく説明する。ところが、本発明は様々な異なる形態に具現されることができ、ここで説明する実施例に限定されるものではない。そして、図面において、本発明を明確に説明するために、説明とは関係ない部分は省略しており、明細書全体に亘って類似した部分に対しては類似した図面符号を付けている。
また、図面を参考しながら説明する間に、同じ名称で示された構成であっても図面によって図面番号が変わることがあり、図面番号は説明の便宜性のために記載されたことに過ぎず、当該図面番号により各構成の概念、特徴、機能、又は効果が制限されて解釈されるものではない。
明細書全体において、ある部分が他の部分と「連結」されているという場合、これは「直接的に連結」されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」という場合、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味し、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部分品、又はこれらを組み合わせた事の存在又は付加可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。
また、明細書全体において、「対象体（ｏｂｊｅｃｔ）」は、本発明の周波数ドメイン（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ：ＦＤ）ベースの多波長生体信号分析装置の測定対象となるものであり、人や動物、或いはその一部を含み得る。また、対象体は、心臓、脳、又は血管のような各種の臓器や様々な種類のファントム（ｐｈａｎｔｏｍ）を含み得る。
以下、添付された図面を参考しながら本発明の一実施例を詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る周波数ドメインベースの多波長生体信号分析装置（以下、「生体信号分析装置」と称する）の構成を示す図である。本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０は、所定数の光源（ｌｉｇｔｈ ｓｏｕｒｃｅ）を用いて具現される。ここで、光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）は、周波数変調された光を照射できるレーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ、ＬＤ）又は発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）に具現され得る。以下では、光源がＬＤに具現されることを例として説明することとする。
図１に示されたように、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０は、４つ以上のＬＤ１１と、少なくとも１つの光検出器（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１２と、プロセス回路１３と、を含む。
４つ以上のＬＤ１１は、互いに異なる離散型波長（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）に周波数変調された光を照射する。ここで、離散型波長は、近赤外線（ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｙ）領域の非連続的な波長を意味し得る。例えば、４つ以上のＬＤ１１は、６５０〜１，１００ｎｍ（ｎａｎｏ−ｍｅｔｅｒ）領域内の波長で発光することができる。
また、互いに異なる離散型波長は、対象体２０内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）を基に決定し、具体的に、各クロモフォアの既に知られた光吸収度を基に決定することができる。ここで、クロモフォアは、光を吸収する原子又は原子団を意味する。一般に、身体内に存在するクロモフォアの種類は限定的であり、既に知られている。例えば、腕、足などの組織（ｔｉｓｓｕｅ）には、水（Ｈ２Ｏ）、脂質（ｌｉｐｉｄ）、オキシヘモグロビン（ｏｘｙ−ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、Ｏ２Ｈｂ）、デオキシヘモグロビン（ｄｅｏｘｙ−ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、ＨＨｂ）が支配的に存在し、脳には、脂質を除いた水、オキシヘモグロビン、及びデオキシヘモグロビンが支配的に存在する。
図２は、身体内に存在するクロモフォアの吸収スペクトルを示すグラフ２００である。一般に、クロモフォアは近赤外線領域で固有の吸収スペクトルを有する。具体的に、図２に示すように、水２０１は約９８０ｎｍ波長領域でピーク（ｐｅａｋ）特性を示し、脂質２０２は約９３０ｎｍ波長領域でピーク特性を示す。また、オキシヘモグロビン２０３とデオキシヘモグロビン２０４は、約８００ｎｍ波長領域における等吸収点（ｉｓｏｓｂｅｓｔｉｃ ｐｏｉｎｔ）２１０を基準として交差する。
一実施例によって、生体信号分析装置１０は、４つのＬＤに具現され、水、脂質、オキシヘモグロビン、及びデオキシヘモグロビンの光吸収度を基に決定した４つの離散型波長に対して周波数変調された光を照射することができる。具体的に、４つの離散型波長は、水２０１のピーク領域に隣接する第１の離散型波長と、脂質２０２のピーク領域に隣接する第２の離散型波長とを含み、オキシヘモグロビン２０３及びデオキシヘモグロビン２０４の既に知られた吸収スペクトルの等吸収点２１０前の第３の離散型波長と、等吸収点２１０に隣接する領域の第４の離散型波長とを含み得る。ここで、第３の離散型波長は、デオキシヘモグロビン２０４の吸収度を考慮し、オキシヘモグロビン２０３とデオキシヘモグロビン２０４との吸収差が比較的大きな領域で選択され得る。例えば、第１の離散型波長は約９７５ｎｍであり、第２の離散型波長は約９１５ｎｍである。また、第３の離散型波長及び第４の離散型波長はそれぞれ約６８８ｎｍ及び約８０８ｎｍであるが、これに限定されるものではない。
他の実施例によって、生体信号分析装置１０は、上記した第１乃至第４の離散型波長以外に他の波長の光を照射する５つ、６つ、７つ、又は８つのＬＤに具現されることもできる。これにより追加される第５乃至第８の離散型波長は、上記したクロモフォア（即ち、水、脂質、オキシ／デオキシヘモグロビン）以外の他のクロモフォアの吸収スペクトルで示される固有の特性（例えば、ピーク特性など）に応じて決定する。例えば、追加される第５乃至第８の離散型波長は、上記したクロモフォアの他に、コラーゲン（ｃｏｌｌａｇｅｎ）、メラニン（ｍｅｌａｎｉｎ）、メトヘモグロビン（ｍｅｔｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、ＭｅｔＨｂ）、一酸化炭素結合ヘモグロビン（ＣＯ ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、ＣＯＨｂ）などの吸収スペクトルのピーク特性に応じて決定する。しかし、それに限定されるものではなく、様々な条件を考慮して追加波長を選択し得る。例えば、クロモフォアの吸収スペクトルの重心を基に追加波長を選択することができる。
このように、生体信号分析装置１０は、身体内に存在するクロモフォアの吸収スペクトルで示される固有の特性に応じて決定した４つ以上のＬＤを含むことで、プロセス回路１３に各クロモフォアの濃度をより正確に算出させることができる。
一方、上記の説明では生体信号分析装置１０が４つのＬＤ、５つのＬＤ、６つのＬＤ、７つのＬＤ、又は８つのＬＤに具現されると説明したが、これに限定されるものではない。具現例によって、生体信号分析装置１０は、さらに少ない数又はさらに多い数のＬＤに具現され得る。
光検出器１２は、プロセス回路１３の制御により、対象体２０から反射して引き込まれる出力光を検出する。光検出器１２は、検出された出力光を電気信号変換してプロセス回路１３に提供することができる。
光検出器１２は、少なくとも１つのアバランシェフォトダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ、ＡＰＤ）に具現され得る。しかし、それに限定されるものではなく、光検出器１２は、フォトダイオード、フォトトランジスタ（ｐｈｏｔｏ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、光電子増倍管（ｐｈｏｔｏ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ、ＰＭＴ）、フォトセル（ｐｈｔｏ ｃｅｌｌ）などのように様々な形態に具現され得る。また、技術の発展による新たな形態の光センサを含めて具現されることもできる。
また、光検出器１２は、対象体から放出されて引き込まれる光を測定するために、４つ以上のＬＤ１１と所定距離間隔で配置され得る。
一方、４つ以上のＬＤ１１と少なくとも１つの光検出器１２は、中間周波数（ＩＦ）を用いて周波数変調された光を照射及び検出するヘテロダイン（ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ）方式で具現されても良く、変調された光の周波数をベースバンド（ｂａｓｅｂａｎｄ）帯域に直接変換して検波するホモダイン（ｈｏｍｏｄｙｎｅ）方式で具現されても良い。
プロセス回路１３は、生体信号分析装置１０の全般的な動作を制御する。例えば、プロセス回路１３は、メモリ（未図示）に格納された生体信号分析プログラムを実行して、４つ以上のＬＤ１１及び少なくとも１つの光検出器１２を制御することができる。ここで、プロセス回路１３は、汎用のコンピュータ装置に使用されるプロセッサであるか、組込みプロセッサの形態に具現され得る。
プロセス回路１３は、前記プログラムを実行して、４つ以上のＬＤ１１の駆動を制御し、少なくとも１つの光検出器１２で検出された出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、これを通じて対象体２０内のクロモフォアの濃度を測定することによって、対象体２０の生体構成を分析する。
先ず、プロセス回路１３は、対象体２０内に存在する少なくとも１つのクロモフォアの数、含量、及び種類のうち少なくとも１つを基に、４つ以上のＬＤ１１のうち２つ以上のＬＤを駆動する。即ち、プロセス回路１３は、４つ以上のＬＤ１１のうち、駆動するＬＤの数及び種類を決定することができる。
例えば、対象体２０に存在するクロモフォアの数が４つである場合、プロセス回路１３は、吸収スペクトルにおいて各クロモフォアの固有の特性を基に４つのＬＤを決定する。しかし、対象体２０内に存在するクロモフォアの数が４つの場合であっても、特定クロモフォアが殆ど存在しないことが既に知られている場合であれば（或いは、含量が少ない場合であれば）、プロセス回路１３は、残りの３つのクロモフォアの固有の特性を基に３つのＬＤを決定する。より具体的な例を挙げると、人の頭を測定する場合、プロセス回路１３は、４つ以上のＬＤ１１のうち、脂質のピーク特性に応じて決定した第２の離散型波長で発光するＬＤを除いた、残りの第１、第３、及び第４の離散型波長で発光する３つのＬＤを選択する。
プロセス回路１３は、各ＬＤの機器的特性、周辺環境などに応じて光出力強度を調整することができる。例えば、プロセス回路１３は、各ＬＤの使用期間、各ＬＤへの供給電流量、周辺環境光などを考慮して光出力強度を調整することができる。
プロセス回路１３は、選択された２つ以上のＬＤを順次に駆動することができる。例えば、プロセス回路１３は、選択された２つ以上のＬＤのうち、最も低い波長で発光するＬＤから駆動し、次第に高い波長で発光するＬＤを駆動することができるが、これに限定されるものではない。例えば、プロセス回路１３は、選択された２つ以上のＬＤの配置順に応じて各ＬＤを順次に駆動することができる。
その後、プロセス回路１３は、光検出器１２を駆動して、光検出器１２で検出される出力光を提供してもらう。その後、プロセス回路１３は、出力光を基に離散型波長毎の吸収係数及び散乱係数を算出する。これに関し、図３及び４を参照しながら詳しく説明する。
図３は、ＬＤによって対象体２０に入射される入力光と光検出器１２によって検出される出力光の光特性を示す図である。
図３の右側の図に示されるように、ＬＤによって周波数変調された入力光が対象体２０に照射されると、対象体２０内のクロモフォアを含む様々な成分により、入力光は散乱及び吸収される。
図３の左側に示されたグラフ３００は、周波数ドメイン（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ、ＦＤ）における入力光（Ｌ＿Ｉｎ）及び出力光（即ち、反射光（Ｌ＿Ｏｕｔ））の特性を示すグラフである。ＬＤで周波数変調された入力光（Ｌ＿Ｉｎ）が対象体２０に照射されることによって光検出器１２で検出される反射光（Ｌ＿Ｏｕｔ）は、入力光（Ｌ＿Ｉｎ）に対する位相変移（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）３０１及び振幅減殺３０２の特性を有する。
プロセス回路１３は、離散型波長のそれぞれに対して生じる位相変移３０１及び振幅減殺３０２の特性を用いて離散型波長毎の吸収係数及び散乱係数を算出し、算出された吸収係数及び散乱係数から各クロモフォアの濃度値を算出する。そのために、プロセス回路１３は、放射伝達方程式（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ）に対する拡散近似（ｄｉｆｆｕｓｅ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）を使用することができる。
図４は、図１のプロセス回路１３が各クロモフォアの濃度を算出するプロセスを示す図である。
ＳＴＥＰ１：プロセス回路１３は、拡散近似（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）におけるグリーン関数（Ｇｒｅｅｎ’ｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を用いて計算された周波数ドメインの拡散光モデル（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ）を収得する。ここで、拡散光モデルは、サンプル（対象体）−空気の境界条件として外挿境界条件（ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｅｄ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を使用し、よって、サンプルの表面から所定距離（Ｚｂ）だけ離れた所におけるエネルギー流量（ｆｌｕｎｃｅ）は０であると仮定する。Ｚｂは、下記の数式１のように定義される。
前記数式１において、Ｒeffは実効的反射率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）を示し、これは、屈折率指数（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）の影響を受ける。もし、サンプルが１．４で、空気が１．０である場合、Ｒeffは０．４９３である。また、Ｄは拡散係数（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示し、ｌｔｒ／３で定義される。ここで、ｌｔｒは数式２のように定義される。
一方、前記拡散光モデルは、生体信号分析装置１０のメモリ（未図示）に予め格納されていても良い。
ＳＴＥＰ２：その後、プロセス回路１３は、周波数ドメインベースで光信号を測定する。プロセス回路１３は、周波数ドメインに基づき、数式３に対応する出力光を測定する。
前記数式３において、Ｒは測定された出力光を示し、ＡとΦは、測定された出力光のうち対象体から反射して引き込まれる信号の振幅及び位相成分を示す。また、Ｃ０とΦ０は対象体とは関係なく機器的特性によって出力光に含まれる振幅と位相を示す。かかるＣ０とΦ０は、以下の（ＳＴＥＰ２−１）のキャリブレーション（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）作業により算出される。
ＳＴＥＰ２−１：プロセス回路１３は、対象体を測定する前に、Ｃ０とΦ０の値を予め算出することができる。具体的に、プロセス回路１３は、吸収係数（μa）と散乱係数（μｓ‘）が予め知られている対象体を測定し、当該対象体から反射する出力光の振幅と位相を予め予測する。その後、プロセス回路１３は、測定された出力光及び予測された出力光の振幅と位相を数式３に代入してＣ０とΦ０を得る。しかし、実施例によって、プロセス回路１３は（ＳＴＥＰ２−１）の作業を省略することができる。この場合、プロセス回路１３は、既に決められたＣ０とΦ０を入力してもらうことができる。
再び（ＳＴＥＰ２）を参照すると、プロセス回路１３は、予め得られたＣ０及びΦ０を用いて、測定された出力光（Ｒ）から機器的特性によるエラー値（即ち、機器的特性による位相と振幅）を補償する。次いで、プロセス回路１３は、数式３から得られた出力光（Ｒ）の振幅（Ａ）と位相（Φ）を基に、吸収係数（μa）と散乱係数（μｓ‘）を算出することができる。具体的に、プロセス回路１３は、出力光の振幅と位相を（ＳＴＥＰ１）の拡散光モデルにフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）することで、出力光の各波長に対応する測定対象体の吸収係数と散乱係数を得ることができる。ここで、プロセス回路１３は、出力光の振幅と位相に対する最小二乗法（ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｆｉｔｔｉｎｇ）を行うことができる。
プロセス回路１３は、順次に駆動されるＬＤに対応して検出される出力光に対して上記した過程を繰り返し行うことにより、互いに異なる離散型波長のそれぞれに対する吸収係数と散乱係数を算出することができる。
ＳＴＥＰ３：プロセス回路１３は、離散型波長毎に算出された吸収係数及び散乱係数を用いて、クロモフォアの既に知られた吸光係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）スペクトルを基に、各クロモフォアの濃度値を算出することができる。
プロセス回路１３は、各クロモフォアの濃度を用いて対象体２０内の構成成分を分析することができる。
このように、開示された実施例に係る生体信号分析装置１０は、所定数のＬＤを用いてクロモフォアの濃度を測定する方法を提供する。
図５乃至図８は、本発明の一実施例によって得られた吸収係数と、ＦＤ−ＳＳ（ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ）結合方式の拡散光分光イメージング装置（米国登録特許第７，４２８，４３４号を参照）で得られた吸収係数とからクロモフォアの濃度をフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）して得た後、得られたクロモフォア濃度で再構成した吸収係数スペクトルの比較結果を示すグラフを示す図である。一方、図５乃至図８においては、女性の乳房組織を測定した結果を用いた。
具体的に、図５は、約６８８、約８０８、約９１５、及び約９７５ｎｍの離散型波長に周波数変調された光を照射する４つのＬＤから検出された出力光に対して、図４の過程で抽出した吸収係数スペクトルと、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置から算出された吸収係数スペクトルとを比較するグラフ５００である。
図６は、約６８８、約８０８、約８６０、約９１５、及び約９７５ｎｍの離散型波長に周波数変調された光を照射する５つのＬＤから検出された出力光に対して、図４の過程で抽出した吸収係数スペクトルと、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置から算出された吸収係数スペクトルとを比較するグラフ６００である。
また、図７は、約６８８、約７０５、約８０８、約８６０、約９１５、及び約９７５ｎｍの離散型波長に周波数変調された光を照射する６つのＬＤから検出された出力光に対して、図４の過程で抽出した吸収係数スペクトルと、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置から算出された吸収係数スペクトルとを比較するグラフ７００である。
また、図８は、約６８８、約７０５、約７８５、約８０８、約８６０、約９１５、及び約９７５ｎｍの離散型波長に周波数変調された光を照射する７つのＬＤから検出された出力光に対して、図４の過程で抽出した吸収係数スペクトルと、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置から算出された吸収係数スペクトルとを比較するグラフ８００である。
一方、図５で使用された離散型波長は、水、脂質、オキシ／デオキシヘモグロビンのピーク特性を基に決定したものであり、図６乃至図８で追加される離散型波長は、波長の追加が結果値に及ぼす影響を分析するために任意に選択されたものである。
図５乃至図８のグラフ５００、６００、７００、８００を参照すると、生体信号分析装置１０で算出された吸収係数スペクトルと、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置で算出された吸収係数スペクトルとが略類似した結果を示すことが分かる。ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置がブロードバンド波長（約６５０−１０００ｎｍ）のデータを検出及び分析するのに対し、本発明の生体信号分析装置１０は、所定数の波長におけるデータのみを検出及び分析するという点で利点がある。また、図５乃至図８のグラフ５００、６００、７００、８００を参照すると、４つの離散型波長から算出された吸収係数スペクトルと、任意の波長がさらに追加された場合の吸収係数スペクトルとが類似した結果を示すことが分かる。
以下は、生体信号分析装置１０の性能をより正確に表すために、図５乃至図８で示される吸収係数スペクトルに対する残差（ｒｅｓｉｄｕａｌ）を分析した結果である。そのために、各スペクトルを構成するデータに対して数式４を適用することで、Ｒ２分析結果を比較した。
図９は、図５乃至図８で使用された吸収係数スペクトルの計７２個のデータに対するＲ２分析を行った結果を示すグラフを示す図である。
図９において、「ｂｒｏａｄｂａｎｄ」に対応する点たちは、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置による結果値を示す。ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置は、ブロードバンド波長を用いて吸収係数スペクトルを算出するので、最も大きい 値を有する。しかし、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０による結果も１〜０．９９０の領域内に全て含まれることが分かる。これにより、点たちは、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置による結果と生体信号分析装置１０による結果とが類似していることが分かる。
また、４つの離散型波長を駆動した場合のＲ2値９０１と、４つ以上の離散型波長を駆動した場合のＲ2値９０２、９０３、９０４との差が大きくないことが分かる。図５乃至図９の測定結果から、離散型波長数の多少が各クロモフォアの濃度を算出するにあたって大きな差を生み出さないことが分かる。
以下、図１０乃至図１３は、図５乃至図８で使用された吸収係数スペクトルから算出された各クロモフォアの濃度値を示すグラフである。
図１０は、水（Ｈ２Ｏ）の濃度値（％）を示すグラフである。図１０に示された円形（ｃｉｒｃｌｅ）の図形は、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置で算出された水の濃度値及び当該濃度値の９５％信頼区間を示す。また、前記図形の近傍で前記図形よりも濃い色で示された点たちは、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０で算出された水の濃度値を示す。
図１０に示されたグラフを参照すると、生体信号分析装置１０で算出された水濃度値が殆ど９５％信頼区間に含まれている。
図１１は、脂質（ｌｉｐｉｄ）の濃度値（％）を示すグラフである。図１１に示された円形（ｃｉｒｃｌｅ）の図形は、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置で算出された脂質の濃度値及び当該濃度値の９５％信頼区間を示す。また、前記図形の近傍で前記図形よりも濃い色で示された点たちは、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０で算出された脂質の濃度値を示す。
図１１に示されたグラフを参照すると、生体信号分析装置１０で算出された脂質濃度値が殆ど９５％信頼区間に含まれていないと示されたが、実際に測定された濃度値の差は約−４％〜＋４％以内であり、実質的に大きな差は示さなかった。
図１２は、オキシヘモグロビン（Ｏ２Ｈｂ）の濃度値（ｕＭ）を示すグラフである。図１２に示された円形（ｃｉｒｃｌｅ）の図形は、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置で算出されたオキシヘモグロビンの濃度値及び当該濃度値の９５％信頼区間を示す。また、前記図形の近傍で前記図形よりも濃い色で示された点たちは、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０で算出されたオキシヘモグロビンの濃度値を示す。
図１３は、デオキシヘモグロビン（ＨＨｂ）の濃度値（ｕＭ）を示すグラフである。図１３に示された円形（ｃｉｒｃｌｅ）の図形は、ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージング装置で算出されたデオキシヘモグロビンの濃度値及び当該濃度値の９５％信頼区間を示す。また、前記図形の近傍で前記図形よりも濃い色で示された点たちは、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０で算出されたデオキシヘモグロビンの濃度値を示す。生体信号分析装置１０で算出されたデオキシヘモグロビンの濃度値が前記ＦＤ−ＳＳ結合方式の拡散光分光イメージ装置で算出されたデオキシヘモグロビンの濃度値と同じ範囲内である場合、前記点たちは前記図形と重なって表示された。
図１２及び図１３に示されたように、生体信号分析装置１０で算出されたオキシ／デオキシヘモグロビンは殆ど９５％信頼区間内に含まれている。
このように、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０は、ブロードバンド波長のデータを全て収得及び分析せずに、所定数の離散型波長のみを用いて対象体２０内のクロモフォアに対する信頼度の高い濃度値を算出することができる。また、算出されたクロモフォアの濃度値を用いて対象体２０の構成成分を分析することができる。
一方、上記の説明では、水、脂質、オキシ／デオキシヘモグロビンに対応して４つ以上の光源を含めて具現される生体信号分析装置１０を例として説明したが、これに限定されるものではない。生体信号分析装置１０は、コラーゲン、メラニンなどのクロモフォアをさらに考慮して具現され得る。また、生体信号分析装置１０は、ユーザ入力又は位置センシングにより、対象体２０が身体のどの位置であるのかを自動で判断し、当該位置に支配的に存在するクロモフォアに対応して駆動される２つ以上の光源を決定することができる。例えば、生体信号分析装置１０は、測定位置に応じて、水、脂質、コラーゲン、メラニンなどの吸収スペクトルの固有の特性を示す４つ以上の光源を駆動することができる。
或いは、他の実施例によって、生体信号分析装置１０は、ターゲットとする身体位置に応じて固定された数の光源を含めて具現されることもできる。例えば、生体信号分析装置１０は、頭の測定に適合するように、水、オキシ／デオキシヘモグロビンに対応する３つの光源を含めて具現されることもできるが、これに限定されるものではない。
また、上記の説明では、生体信号分析装置１０が４つ以上のＬＤのうち２つ以上のＬＤを選択すると説明したが、具現例によってＬＤ選択の過程は省略しても良い。この場合、生体信号分析装置１０は、４つ以上のＬＤ１１を全て駆動した後、意味のあるデータが得られない離散型波長に対する散乱係数及び吸収係数の段を除くことで吸収係数スペクトルを算出することができる。
図１４は、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置を示す図である。
図１４を参照すると、生体信号分析装置１０ａは、４つ以上の光源（例えば、ＬＤ１１）、少なくとも１つの光検出器１２及びプロセス回路１３を含むハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）１４０４と、ハウジング１４０４の外部に露出して対象体と接触することでＬＤ１１から照射された周波数変調された光を対象体へ伝達し、対象体から反射する光を光検出器１２へ伝達するプローブ１４０３と、を含む。
プローブ１４０３は、各ＬＤとカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）され、４つ以上のＬＤから照射された光を集光して伝達する第１の光ファイバ１４０１と、光検出器１２とカップリングされ、出力光を集光して少なくとも１つの光検出器へ伝達する第２の光ファイバ１４０２と、を含み得る。ここで、第１及び第２の光ファイバ１４０１、１４０２を４つ以上のＬＤ１１又は光検出器１２とカップリングする方法については、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者であれば容易に実施できるので、詳しい説明は省略する。
一方、第１の光ファイバ１４０１と第２の光ファイバ１４０２とは、プローブ１４０３が対象体と接触する接触面上から所定距離間隔ｄ１で離隔して配置され得る。
また、第１の光ファイバ１４０１は、各ＬＤから発光される光を所定角度で対象体２０に照射するためのレンズ（ｌｅｎｓ、未図示）をさらに含めて具現され得る。
図１５及び図１６は、本発明の他の実施例に係る生体信号分析装置を示す図である。
図１５を参照すると、一実施例に係る生体信号分析装置１０ｂは、図１４における第１の光ファイバ１４０１及び光検出器１２を含むプローブ１５０２と、プローブ１５０２と連結され、４つ以上の光源（例えば、ＬＤ１１）及びプロセス回路１３を含むハウジング１５０１とを含めて具現されることもできる。４つ以上のＬＤ１１は、第１の光ファイバ１４０１を介して対象体へ光を照射し、光検出器１２が対象体に直接接触する形態に具現され得る。
或いは、図１６に示されたように、一実施例に係る生体信号分析装置１０ｃは、図１４における第２の光ファイバ１４０２及び４つ以上の光源（例えば、ＬＤ１１）を含むプローブ１６０２と、プローブ１６０２と連結され、光検出器１２及びプロセス回路１３を含むハウジング１６０１とを含めて具現されることもできる。４つ以上のＬＤ１１が対象体に直接接触する形態に具現され、光検出器１２は第２の光ファイバ１４０２を介して対象体から反射した反射光を伝達してもらう形態に具現されることもできる。
一方、４つ以上のＬＤは、多波長表面放出レーザ素子（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｄｅｖｉｃｅ、ＶＣＳＥＬ）に具現され得る。
或いは、４つ以上のＬＤそれぞれは表面放出レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）に具現され、４つ以上のＶＣＳＥＬは、プローブ１６０２の接触面に離隔して配置され得る。ここで、４つ以上のＬＤ１１が配置される間隔を最小化することによって、プロセス回路１３が、４つ以上のＬＤ１１が対象体２０の同一面で発光すると見なして、クロモフォアの濃度を算出するようにすることが好ましい。
図１７は、図１６のプローブの接触面を示す図である。
図１７を参照すると、プローブ１６０２の接触面１６０３には、対象体２０に直接接触する４つ以上の光源（例えば、ＬＤ１１）と第２の光ファイバ１４０２が配置され得る。各光源（即ち、ＬＤ）の発光素子１７０１、１７０２、１７０３、１７０４が接触面１６０３の上で所定距離間隔ｄ２で集積配置され得る。
図１８は、図１６のプローブの接触面を示す他の図である。
図１８を参照すると、プローブ１６０２の接触面１６０３に直接配置される８つの光源（例えば、ＬＤ１１）を含み得る。この場合、各ＬＤの発光素子１８０１、１８０２、１８０３、１８０４、１８０５、１８０６、１８０７、１８０８は、２×４行列状で集積配置され、接触面１６０３の上で各ＬＤの発光素子間の距離を最小化することができる。
図１９は、本発明のさらに他の実施例に係る生体信号分析装置を示す図である。図１９を参照すると、生体信号分析装置１０ｄは、４つ以上の光源（例えば、ＬＤ１１）及び光検出器１２が１つのプローブ１９０１内に含まれて具現され得る。或いは、具現例によって、生体信号分析装置１０ｄは、プロセス回路１３をプローブ１９０１にさらに含めて具現され得る。
一方、４つ以上のＬＤ１１と光検出器１２はプローブ１９０１の接触面１９０２で所定距離間隔ｄ４で配置され、対象体２０に直接接触しても良い。また、各ＬＤは、接触面１９０３で所定距離間隔で離隔して配置されても良い。これは、図１７及び図１８で上述した実施例が適用され得るので、詳しい説明は省略する。
また、プローブ１９０１は、接触面１９０２に配置され、光源及び／又は光検出器と結合されるレンズ（未図示）をさらに含み得る。レンズは、光源から照射される光が対象体２０の同一位置に向かうようにしても良い。また、レンズは、光が放射又は引き込まれる角度を狭める用途として用いられることができる。
このように、生体信号分析装置１０ｄは、光ファイバが省略された小型プローブ１９０１の形態に具現されることによって、ユーザの便利性を向上させることができる。
一方、図１乃至図１９で上述した生体信号分析装置は、単一チャンネル分析の場合を例として説明した。しかし、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置は、マルチチャンネル分析を行うことができる。マルチチャンネル分析により、生体信号分析装置は、測定位置を移動してスキャンする必要なく、一度に多くの位置に対する生体成分を分析することができる。以下では、マルチチャンネル分析を行う生体信号分析装置について説明する。
図２０を参照すると、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０ｅは、４つ以上の光源（例えば、ＬＤ）を含む複数の発光部２０１０と、少なくとも１つの光検出器１２を含む複数の検出部２０２０と、プロセス回路２０３０と、を含む。
ここで、複数の発光部２０１０と、複数の検出部２０２０と、プロセス回路２０３０とは、１つのプローブ２００１の形態に具現され得る。また、複数の発光部２０１０と複数の検出部２０２０とは、プローブ２００１の接触面２００２の上で互いに交差して配置されても良い。
図２１は、８つの発光部及び８つの検出部がプローブ２００１の接触面２００２の上で互いに交差して配置される一例である。図２１に示されるように、各発光部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８は、図１７及び図１８で上述したように、４つ以上のＬＤが所定距離間隔ｄ２又はｄ３で離隔して配置された形態であり得る。
一方、図２１においては、８つの発光部及び８つの検出部が４×４行列状で配置されると説明したが、これに限定されるものではない。例えば、８つの発光部及び８つの検出部は、８×２行列状或いは１６×１行列状でも配置されることができる。
再び図２０を参照すると、プロセス回路２０３０は、複数の発光部２０１０及び複数の検出部２０２０を制御する。具体的に、プロセス回路２０３０は、複数の発光部２０１０及び複数の検出部２０２０の駆動順を制御することができる。例えば、プロセス回路２０３０は、複数の発光部２０１０それぞれを順次に駆動し、駆動された各発光部に隣接する少なくとも１つの検出部を駆動することによって、対象体２０の互いに異なる位置に対応する生体構成成分を分析することができる。図２１を参照して例えると、プロセス回路２０３０は、Ｓ１を駆動した後、Ｓ１に隣接したＤ１、Ｄ２、及びＤ３のうち少なくとも１つを駆動することによって、Ｓ１に対応する生体構成成分を分析することができる。次に、プロセス回路２０３０は、Ｓ２を駆動した後、Ｓ２に隣接したＤ２及びＤ４のうち少なくとも１つを駆動することによって、Ｓ２に対応する生体構成成分を分析することができる。
或いは、プロセス回路２０３０は、複数の発光部２０１０それぞれを順次に駆動し、駆動された各発光部から互いに異なる距離に配置された２つ以上の検出部を駆動することによって、対象体２０の互いに異なる深さの生体構成成分を分析することもできる。
図２２は、発光部と検出部との距離と、測定深さとの関係を示す図である。
図２２に示されたように、発光部Ｓ１と検出部Ｄ１、Ｄ５、Ｄ８との距離ｄ５、ｄ６、ｄ７に応じて、各検出部Ｄ１、Ｄ５、Ｄ８で検出される出力光は、対象体２０の互いに異なる深さｈ１、ｈ２、ｈ３で吸収及び／又は散乱された光に対応する。従って、プロセス回路２０３０は、駆動された発光部Ｓ１から互いに異なる距離に位置する検出部Ｄ１、Ｄ５、Ｄ８で検出された出力光を用いて、対象体２０の互いに異なる深さに対応する生体成分分析を行うことができる。
一方、プロセス回路２０３０が各発光部及び各検出部の駆動を制御する方法、及び検出された出力光を基に生体分析（即ち、クロモフォアの濃度値測定など）を行う方法については、図１乃至図４における実施例が適用され得るので、詳しい説明は省略する。
或いは、プロセス回路２０３０は、対象体２０の特定の深さに対する生体成分分析を行うこともできる。この場合、生体信号分析装置１０ｅは、ユーザインターフェース（未図示）などを通じて特定の深さを選択するユーザ入力を受信することができる。例えば、肌の０．５センチメートル（ｃｍ）以内の生体分析を行うというユーザ入力が受信された場合、プロセス回路２０３０は、発光部Ｓ１に隣接した検出部（例えば、Ｄ１）を駆動することができる。或いは、肌の２センチメートル（ｃｍ）以内の生体分析を行うというユーザ入力が受信された場合、プロセス回路２０３０は、発光部Ｓ１から所定距離に位置する検出部（例えば、Ｄ５）を駆動することができる。
一方、図２０乃至図２２においては、各発光部及び各検出部がプローブ２００１の接触面２００２の上で所定距離間隔で配置される例を説明したが、これに限定されるものではない。
図２３は、各発光部及び各検出部がプローブ２００１の接触面２００２の上で互いに異なる距離間隔で配置される一例である。
図２３を参照すると、各発光部及び各検出部は対Ｄ１−Ｓ１、Ｄ２−Ｓ２、Ｄ３−Ｓ３、Ｄ４−Ｓ４を成し、各対Ｄ１−Ｓ１、Ｄ２−Ｓ２、Ｄ３−Ｓ３、Ｄ４−Ｓ４は互いに異なる距離間隔で配置され得る。ここで、各対Ｄ１−Ｓ１、Ｄ２−Ｓ２、Ｄ３−Ｓ３、Ｄ４−Ｓ４は同一な距離間隔で配置され得る。
プロセス回路２０３０は、各対Ｄ１−Ｓ１、Ｄ２−Ｓ２、Ｄ３−Ｓ３、Ｄ４−Ｓ４の発光部と検出部を順次に駆動することによって、対象体２０の同一深さに対応して複数の測定位置で生体成分分析を行うことができる。
また、プロセス回路２０３０は、各対の発光部を駆動した後、当該対の検出部及び他の対の検出部を駆動することによって、対象体２０の互いに異なる深さに対応して複数の測定位置で生体成分分析を行うこともできる。
一方、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０は、上述した構成要素の他に、より多くの構成要素をさらに含めて具現され得る。例えば、生体信号分析装置１０は、生体成分分析結果値（例えば、クロモフォアの濃度など）を表示するためのディスプレイ（ｄｉｓｐｌａｙ）（未図示）、ユーザ入力を受信するユーザ入力部（未図示）、生体成分分析結果値を他の機器に送信するための通信回路（未図示）などをさらに含めて具現され得る。
以下、図２４及び図２５は、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０の動作方法を説明するフローチャートである。図２４及び図２５に示された生体信号分析装置１０の動作方法は、上述の図１乃至図２３などにおいて説明された実施例と係わる。従って、以下に省略された内容であるとしても、図１乃至図２３などで上述された内容は、図２４及び図２５の生体信号分析装置１０の動作方法に適用され得る。
図２４は、本発明の一実施例によって生体信号分析装置の動作方法を説明するフローチャートである。
図２４を参照すると、生体信号分析装置１０は、対象体内に存在するクロモフォアを基に、４つ以上の離散型波長（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）に対して周波数変調された光を照射する４つ以上の光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）のうち少なくとも２つ以上の光源を駆動する（Ｓ２４０１）。ここで、光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）は、周波数変調された光を照射できるＬＤ又はＬＥＤであり得る。以下では、ＬＤを例として説明する。
例えば、生体信号分析装置１０は、身体内に存在するクロモフォアの既に知られた光吸収度を基に決定した４つ以上のＬＤを含む。また、４つ以上の離散型波長は、水（Ｈ２Ｏ）と脂質（ｌｉｐｉｄ）のそれぞれの既に知られた吸収スペクトルのピーク（ｐｅａｋ）領域に隣接する第１の離散型波長、第２の離散型波長を含み、オキシヘモグロビン（Ｏ２Ｈｂ）及びデオキシヘモグロビン（ＨＨｂ）の既に知られた吸収スペクトルの等吸収点（ｉｓｏｓｂｅｓｔｉｃ ｐｏｉｎｔ）前の第３の離散型波長と、等吸収点に隣接する領域の第４の離散型波長を含む。
生体信号分析装置１０は、対象体２０内に存在するクロモフォアの数、含量、及び種類のうち少なくとも１つを基に、４つ以上のＬＤのうち、駆動されるＬＤの数及び種類を決定する。例えば、対象体２０内に存在するクロモフォアの数が４つの場合、生体信号分析装置１０は、各クロモフォアの吸収スペクトルの固有の特性を代表する少なくとも４つのＬＤを決定することができる。しかし、対象体２０に存在するクロモフォアの数が４つの場合であっても、何れか１つのクロモフォアが殆ど存在しないと既に知られた場合であれば（即ち、含量が少ない場合であれば）、生体信号分析装置１０は、残りの３つのクロモフォアの固有の特性を有する少なくとも３つのＬＤを決定することができる。
また、生体信号分析装置１０は、選択された２つ以上のＬＤを順次に駆動することができる。例えば、生体信号分析装置１０は、最も低い波長で発光するＬＤから駆動し、次第に高い波長で発光するＬＤを駆動することができるが、これに限定されるものではない。
一方、生体信号分析装置１０は、光源及び／又は光検出器の機器的特性及び周辺環境のうち少なくとも１つにより、光出力強度を調整することができる。
その後、生体信号分析装置１０は、２つ以上の光源が駆動されることによって、対象体２０から反射して引き込まれる２つ以上の出力光を検出する（Ｓ２４０２）。
次に、生体信号分析装置１０は、２つ以上の出力光を基に、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出する（Ｓ２４０３）。先ず、生体信号分析装置１０は、拡散光モデル（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ）を収得する。その後、生体信号分析装置１０は、各出力光の振幅と位相を算出し、算出された振幅と位相を拡散光モデルにフィッティングすることによって、各出力光の吸収係数と散乱係数を算出することができる。これについては、図４のＳＴＥＰ１及びＳＴＥＰ２により上述したので、詳しい説明は省略する。
次いで、生体信号分析装置１０は、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に対象体２０内に存在するクロモフォアの濃度を算出する（Ｓ２４０４）。具体的に、生体信号分析装置１０は、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数と対象体２０内に存在するクロモフォアに対して既に知られた吸光係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）スペクトルを用いてフィッティング（或いは、計算）することで、対象体２０内に存在するクロモフォアの濃度値を算出することができる。これについては、図４のＳＴＥＰ３により上述したので、詳しい説明は省略する。
図２５は、本発明の他の実施例によって生体信号分析装置の動作方法を説明するフローチャートである。
図２５を参照すると、生体信号分析装置１０は、対象体２０内に存在するクロモフォアを基に決定した４つ以上の離散型波長に対して周波数変調された光を照射する４つ以上の光源を順次に駆動する（Ｓ２５０１）。
その後、生体信号分析装置１０は、４つ以上の光源が順次に駆動されることによって、対象体２０から反射して引き込まれる４つ以上の出力光を順次に収得する（Ｓ２５０２）。
次に、生体信号分析装置１０は、４つ以上の出力光を基に、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出する（Ｓ２５０３）。
また、生体信号分析装置１０は、離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に対象体２０内に存在するクロモフォアの濃度を算出する（Ｓ２５０４）。ここで、生体信号分析装置１０は、特定離散型波長の散乱係数及び吸収係数が意味のあるデータではない場合、当該離散型波長の散乱係数及び吸収係数を除くことができる。
一方、図２４及び図２５の上述した各ステップは、本発明の具現例により、追加のステップにさらに分割されるか、より少ないステップに組み合わせられ得る。また、一部ステップは、必要に応じて省略されても良く、ステップ間の順序が変更されても良い。
また、本発明の一実施例は、コンピュータにより実行されるプログラムモジュールのようなコンピュータにより実行可能な命令語を含む記録媒体の形態でも具現され得る。コンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータによってアクセスできる任意の可溶媒体であっても良く、揮発性及び非揮発性の媒体、分離型及び非分離型の媒体を全て含む。また、コンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータ保存媒体を全て含み得る。コンピュータ保存媒体は、コンピュータ読み取り可能な命令語、データ構造、プログラムモジュール、又はその他のデータのような情報保存のための任意の方法又は技術で具現された揮発性及び非揮発性、分離型及び非分離型の媒体を全て含む。
上述した本発明の説明は例示のためのものであり、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更せずに他の具体的な形態で容易に変形可能であるということを理解できるはずである。それゆえ、上記した実施例は全ての面において例示的なものであり、限定的なものではないと理解すべきである。例えば、単一型で説明されている各構成要素は分散して実施されることもでき、同様に、分散したものと説明されている構成要素も結合された形態で実施されることができる。
本発明の範囲は、上記詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、並びにその均等概念から導出される全ての変更又は変形された形態が本発明の範囲に含まれることと解釈されなければならない。
また、プローブは、プローブの接触面に配置され、４つ以上の光源と結合されるレンズ（ｌｅｎｓ）のような光学系をさらに含む。
光検出器１２は、プロセス回路１３の制御により、対象体２０から反射して引き込まれる出力光を検出する。光検出器１２は、検出された出力光を電気信号に変換してプロセス回路１３に提供することができる。
光検出器１２は、少なくとも１つのアバランシェフォトダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ、ＡＰＤ）に具現され得る。しかし、それに限定されるものではなく、光検出器１２は、フォトダイオード、フォトトランジスタ（ｐｈｏｔｏ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、光電子増倍管（ｐｈｏｔｏ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ、ＰＭＴ）、フォトセル（ｐｈｏｔｏ ｃｅｌｌ）などのように様々な形態に具現され得る。また、技術の発展による新たな形態の光センサを含めて具現されることもできる。
また、第１の光ファイバ１４０１は、各ＬＤから発光される光を所定角度で対象体２０に照射するためのレンズ（ｌｅｎｓ、未図示）のような光学系をさらに含めて具現され得る。
一方、４つ以上のＬＤ１１と光検出器１２はプローブ１９０１の接触面１９０２で所定距離間隔ｄ４で配置され、対象体２０に直接接触しても良い。また、各ＬＤは、接触面１９０２で所定距離間隔で離隔して配置されても良い。これは、図１７及び図１８で上述した実施例が適用され得るので、詳しい説明は省略する。
また、プローブ１９０１は、接触面１９０２に配置され、光源及び／又は光検出器と結合されるレンズ（未図示）のような光学系をさらに含み得る。レンズは、光源から照射される光が対象体２０の同一位置に向かうようにしても良い。また、レンズは、光が放射又は引き込まれる角度を狭める用途として用いられることができる。
図２２に示されたように、発光部Ｓ１と検出部Ｄ１、Ｄ５、Ｄ８との距離ｄ５、ｄ６、ｄ７に応じて、各検出部Ｄ１、Ｄ５、Ｄ８で検出される出力光は、対象体２０の互いに異なる深さｈ１、ｈ２、ｈ３で吸収及び／又は散乱された光に対応する。従って、プロセス回路２０３０は、駆動された発光部Ｓ１から互いに異なる距離に位置する検出部Ｄ１、Ｄ５、Ｄ８で検出された出力光を用いて、対象体２０の互いに異なる深さに対応する生体構成成分分析を行うことができる。
或いは、プロセス回路２０３０は、対象体２０の特定の深さに対する生体構成成分分析を行うこともできる。この場合、生体信号分析装置１０ｅは、ユーザインターフェース（未図示）などを通じて特定の深さを選択するユーザ入力を受信することができる。例えば、肌の０．５センチメートル（ｃｍ）以内の生体分析を行うというユーザ入力が受信された場合、プロセス回路２０３０は、発光部Ｓ１に隣接した検出部（例えば、Ｄ１）を駆動することができる。或いは、肌の２センチメートル（ｃｍ）以内の生体分析を行うというユーザ入力が受信された場合、プロセス回路２０３０は、発光部Ｓ１から所定距離に位置する検出部（例えば、Ｄ５）を駆動することができる。

Claims (48)

  1. 周波数ドメイン（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ、ＦＤ）ベースの多波長生体信号分析装置において、
    ４つ以上の互いに異なる離散型波長（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）で周波数変調された光を照射する４つ以上の光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）と、
    対象体から反射して引き込まれる出力光を検出する少なくとも１つの光検出器（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、
    前記４つ以上の光源及び前記少なくとも１つの光検出器と連結され、前記少なくとも１つの光検出器によって検出された出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に前記対象体内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）の濃度を算出するプロセス回路と、
    を含み、
    前記プロセス回路は、
    前記対象体内に存在するクロモフォアを基に、前記４つ以上の光源のうち少なくとも２つ以上の光源を駆動する、ＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  2. 前記プロセス回路は、
    前記対象体内に存在するクロモフォアの数、種類、及び含量のうち少なくとも１つを基に、前記４つ以上の光源の中から駆動される光源の数及び種類を決定する、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  3. 前記対象体内に存在するクロモフォアは、
    オキシヘモグロビン（ｏｘｙ−ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、Ｏ２Ｈｂ）、デオキシヘモグロビン（ｄｅｏｘｙ−ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、ＨＨｂ）、水（Ｈ２Ｏ）、脂質（ｌｉｐｉｄ）のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  4. 前記プロセス回路は、
    前記出力光の振幅及び位相を拡散光モデル（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ）で適用することで前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、
    前記対象体内に存在するクロモフォアに対して既に知られた吸光係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）スペクトルで前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数をフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）することで、前記対象体内に存在するクロモフォアの濃度値を算出する、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  5. 前記プロセス回路は、
    機器的特性によって発生する信号の位相及び振幅を前記出力光から補償するためのキャリブレーション（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）作業を行う、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  6. 前記４つ以上の互いに異なる離散型波長は、
    近赤外線（ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｙ）領域内の非連続的な波長である、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  7. 前記４つ以上の互いに異なる離散型波長は、
    身体内に存在するクロモフォアの既に知られた光吸収度を基に決定する、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  8. 前記４つ以上の互いに異なる離散型波長は、
    水（Ｈ２Ｏ）と脂質（ｌｉｐｉｄ）のそれぞれの既に知られた吸収スペクトルのピーク（ｐｅａｋ）領域に隣接する第１の離散型波長及び第２の離散型波長を含み、
    オキシヘモグロビン（Ｏ２Ｈｂ）及びデオキシヘモグロビン（ＨＨｂ）の既に知られた吸収スペクトルの等吸収点（ｉｓｏｓｂｅｓｔｉｃ ｐｏｉｎｔ）前の第３の離散型波長と、前記等吸収点に隣接する領域の第４の離散型波長を含む、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  9. 前記４つ以上の互いに異なる離散型波長は、
    ６８８、８０８、９１５、及び９７５ｎｍの波長を含む、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  10. 前記４つ以上の光源それぞれは、
    レーザダイオード（ＬＤ）又は発光ダイオード（ＬＥＤ）に具現される、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  11. 前記４つ以上のＬＤは、
    多波長表面放出レーザ素子（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｄｅｖｉｃｅ、ＶＣＳＥＬ）である、請求項１０に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  12. 各ＬＤは表面放出レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）であり、
    前記４つ以上の表面放出レーザ素子は、
    前記ＦＤベースの多波長生体信号分析装置が前記対象体と接触する接触面に離隔して配置される、請求項１０に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  13. 前記少なくとも１つの光検出器は、
    少なくとも１つのアバランシェフォトダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ、ＡＰＤ）を含む、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  14. 前記プロセス回路は、
    前記２つ以上の光源を順次に駆動する、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  15. 前記プロセス回路は、
    前記２つ以上の光源のうち、最も低い波長で発光する光源から駆動し、次第に高い波長で発光する光源を駆動する、請求項１４に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  16. 前記プロセス回路は、
    光源の機器的特性及び周辺環境のうち少なくとも１つにより、前記２つ以上の光源の光出力強度を調整する、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  17. 前記ＦＤベースの多波長生体信号分析装置は、
    前記４つ以上の光源、前記少なくとも１つの光検出器及び前記プロセス回路を含むハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）と、
    前記４つ以上の光源とカップリングされ、前記４つ以上の光源から照射される光を集光して前記対象体へ伝達する第１の光ファイバと、
    前記少なくとも１つの光検出器とカップリングされ、前記対象体から反射する光を集光して前記少なくとも１つの光検出器へ伝達する第２の光ファイバと、
    をさらに含み、
    前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバは、
    前記ハウジングの外部に露出して前記対象体に接触される、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  18. 前記ＦＤベースの多波長生体信号分析装置は、
    前記４つ以上の光源及び前記少なくとも１つの光検出器を含み、
    前記対象体に接触する接触面を含むプローブをさらに含み、
    前記４つ以上の光源は、
    前記プローブの接触面に配置され、前記２つ以上の離散型波長の光を前記対象体に直接照射する、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  19. 前記プローブは、
    前記プローブの前記接触面に配置され、前記４つ以上の光源と結合されるレンズ（ｌｅｎｓ）をさらに含む、請求項１８に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  20. 前記ＦＤベースの多波長生体信号分析装置は、
    前記４つ以上の光源を含む複数の発光部及び前記少なくとも１つの光検出器を含む複数の検出部を含み、前記対象体に接触する接触面を含むプローブをさらに含み、
    前記複数の発光部及び前記複数の検出部は、前記プローブの接触面上に互いに交差して配置される、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  21. 前記プロセス回路は、
    前記複数の発光部を順次に駆動し、
    前記複数の発光部のうち１つの発光部が駆動されると、前記駆動された発光部に隣接した少なくとも１つの検出部を駆動して出力光を検出する、請求項２０に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  22. 前記プロセス回路は、
    前記複数の発光部を順次に駆動し、
    前記複数の発光部のうち１つの発光部が駆動されると、前記駆動された発光部から互いに異なる距離に配置された２つ以上の検出部を駆動し、出力光を検出する、請求項２０に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  23. 前記複数の発光部及び前記複数の検出部は、
    前記プローブの接触面上に互いに異なる距離間隔で交差して配置される、請求項２０に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  24. 前記ＦＤベースの多波長生体信号分析装置は、
    ４つの光源、５つの光源、６つの光源、７つの光源、又は８つの光源を含む、請求項１に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  25. 周波数ドメイン（ＦＤ）ベースの多波長生体信号分析装置において、
    ４つ以上の互いに異なる離散型波長（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）で周波数変調された光を照射する４つ以上の光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）と、
    対象体から反射して引き込まれる出力光を検出する少なくとも１つの光検出器（ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、
    前記４つ以上の光源及び前記少なくとも１つの光検出器と連結され、前記少なくとも１つの光検出器によって検出された出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に前記対象体内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）の濃度を算出するプロセス回路と、
    前記４つ以上の光源とカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）され、前記４つ以上の光源から照射する光を集光して伝達する第１の光ファイバと、
    前記少なくとも１つの光検出器とカップリングされ、前記対象体から反射する光を集光して前記少なくとも１つの光検出器へ伝達する第２の光ファイバと、
    前記４つ以上の光源、前記少なくとも１つの光検出器及び前記プロセス回路を含むハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）と、を含み、
    第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバは、
    前記ハウジングの外部に露出して前記対象体に接触される、ＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  26. 前記プロセス回路は、
    前記対象体内に存在するクロモフォアの数、含量、及び種類のうち少なくとも１つを基に、前記４つ以上の光源のうち少なくとも２つ以上の光源を駆動する、請求項２５に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  27. 前記プロセス回路は、
    前記２つ以上の光源を順次に駆動する、請求項２６に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  28. 周波数ドメイン（ＦＤ）ベースの多波長生体信号分析装置において、
    ４つ以上の互いに異なる離散型波長（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）に対して周波数変調された光を照射する４つ以上の光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）が所定間隔で離隔して配置される少なくとも１つの発光部と、
    対象体から反射して引き込まれる出力光を検出する光検出器を含む少なくとも１つの検出部と、
    前記少なくとも１つの発光部及び前記少なくとも１つの検出部を含み、前記対象体に接触する接触面を含むプローブ（ｐｒｏｂｅ）と、
    前記少なくとも１つの発光部及び前記少なくとも１つの検出部と連結され、前記少なくとも１つの検出部によって検出された出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に前記対象体内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）の濃度を算出するプロセス回路と、
    を含み、
    前記少なくとも１つの発光部及び前記少なくとも１つの検出部は、前記プローブの接触面に配置され、前記対象体に直接接触する、ＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  29. 前記プロセス回路は、
    前記対象体内に存在するクロモフォアの数、含量、及び種類のうち少なくとも１つを基に、各発光部に含まれた前記４つ以上の光源のうち少なくとも２つ以上の光源を駆動する、請求項２８に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  30. 前記プロセス回路は、
    前記２つ以上の光源を順次に駆動する、請求項２９に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  31. 前記４つ以上の光源は、多波長表面放出レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）である、請求項２８に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  32. 各光源は、表面放出レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）であり、
    前記４つ以上の表面放出レーザ素子は、前記接触面に離隔して配置される、請求項２８に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  33. 前記ＦＤベースの多波長生体信号分析装置は、複数の発光部及び複数の検出部を含み、
    前記複数の発光部及び前記複数の検出部は、
    前記プローブの接触面上に互いに交差して配置される、請求項２８に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  34. 前記プロセス回路は、
    前記複数の発光部を順次に駆動し、
    前記複数の発光部のうち１つの発光部が駆動されると、前記駆動された発光部に隣接した少なくとも１つの検出部を駆動して出力光を検出する、請求項３３に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  35. 前記プロセス回路は、
    前記複数の発光部を順次に駆動し、
    前記複数の発光部のうち１つの発光部が駆動されると、前記駆動された発光部から互いに異なる距離に配置された２つ以上の検出部を駆動し、出力光を検出する、請求項３３に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  36. 前記プロセス回路は、
    前記プローブに含まれて具現される、請求項２８に記載のＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  37. 周波数ドメイン（ＦＤ）ベースの多波長生体信号分析装置の動作方法において、
    対象体内に存在するクロモフォアを基に、４つ以上の互いに異なる離散型波長（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）で周波数変調された光を照射する４つ以上の光源（ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）のうち少なくとも２つ以上の光源を駆動するステップと、
    前記２つ以上の光源が駆動されることにより、前記対象体から反射して引き込まれる２つ以上の出力光を検出するステップと、
    前記２つ以上の出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出するステップと、
    前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に前記対象体内に存在するクロモフォアの濃度を算出するステップと、
    を含む、方法。
  38. 前記２つ以上の光源を駆動するステップは、
    前記対象体内に存在するクロモフォアの数、含量、及び種類のうち少なくとも１つを基に、前記４つ以上の光源の中から駆動される光源の数及び種類を決定する、請求項３７に記載の方法。
  39. 前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出するステップは、
    各出力光の振幅と位相を算出するステップと、
    前記各出力光の振幅と位相を拡散光モデル（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ）で適用することによって、前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出するステップと、
    を含む、請求項３７に記載の方法。
  40. 前記出力光の振幅及び位相を算出するステップは、
    機器的特性によって発生する信号の位相及び振幅を前記出力光から補償するステップ
    を含む、請求項３９に記載の方法。
  41. 前記対象体内に存在するクロモフォアの濃度を算出するステップは、
    前記対象体内に存在するクロモフォアに対して既に知られた吸光係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）スペクトルで前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数をフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）することで、前記対象体内に存在するクロモフォアの濃度値を算出する、請求項３７に記載の方法。
  42. 前記４つ以上の互いに異なる離散型波長は、
    身体内に存在するクロモフォアの既に知られた光吸収度を基に決定する、請求項３７に記載の方法。
  43. 前記４つ以上の互いに異なる離散型波長は、
    水（Ｈ２Ｏ）と脂質（ｌｉｐｉｄ）のそれぞれの既に知られた吸収スペクトルのピーク（ｐｅａｋ）領域に隣接する第１の離散型波長及び第２の離散型波長を含み、
    オキシヘモグロビン（Ｏ２Ｈｂ）及びデオキシヘモグロビン（ＨＨｂ）の既に知られた吸収スペクトルの等吸収点（ｉｓｏｓｂｅｓｔｉｃ ｐｏｉｎｔ）前の第３の離散型波長と、前記等吸収点に隣接する領域の第４の離散型波長を含む、請求項３７に記載の方法。
  44. 前記２つ以上の光源を駆動するステップは、
    前記２つ以上の光源のうち、最も低い波長で発光する光源から駆動し、次第に高い波長で発光する光源を駆動する、請求項３７に記載の方法。
  45. 前記２つ以上の光源を駆動するステップは、
    機器的特性及び周辺環境のうち少なくとも１つにより、前記２つ以上の光源の光出力強度を調整するステップを含む、請求項３７に記載の方法。
  46. 周波数ドメイン（ＦＤ）ベースの多波長生体信号分析装置において、
    対象体内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）を基に決定した４つ以上の互いに異なる離散型波長（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）で周波数変調された光を照射する４つ以上のＬＤ（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）と、
    前記対象体から反射して引き込まれる出力光を検出する少なくとも１つの光検出器と、
    前記４つ以上のＬＤ及び前記少なくとも１つの光検出器と連結され、前記４つ以上のＬＤを順次に駆動し、前記４つ以上のＬＤが順次に駆動されることにより、前記少なくとも１つの光検出器によって検出された４つ以上の出力光を収得し、前記４つ以上の出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出し、前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に前記対象体内に存在するクロモフォアの濃度を算出するプロセス回路と、
    を含む、ＦＤベースの多波長生体信号分析装置。
  47. 周波数ドメイン（ＦＤ）ベースの多波長生体信号分析装置の動作方法において、
    対象体内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）を基に決定した４つ以上の互いに異なる離散型波長（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）で周波数変調された光を照射する４つ以上のＬＤ（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）を順次に駆動するステップと、
    前記４つ以上のＬＤが順次に駆動されることにより、前記対象体から放出される４つ以上の出力光を順次に検出するステップと、
    前記４つ以上の出力光を基に離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を算出するステップと、
    前記離散型波長毎の散乱係数及び吸収係数を基に前記対象体内に存在するクロモフォアの濃度を算出するステップと、
    を含む、方法。
  48. 請求項３７の方法を具現するためのプログラムが記録されたコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
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