JP4546274B2 - 生体情報計測装置およびその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、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計測装置およびその制御方法に関する。
近年、生体内部を簡便に無侵襲で計測できる装置および方法として、生体表面に配置された光源から生体内部に光を出射し、生体内部を散乱、吸収されながら伝播して再び生体表面に到達した反射光を受光することにより、生体内部の情報を得る装置および方法が積極的に提案されている。例えば、下記特許文献１には、半導体レーザ、変調器、光ファイバー、光検出器、多チャンネルロックインアンプを主要構成部品とする生体光計測装置が開示されている。この生体光計測装置によれば、特に、ヘモグロビンの近赤外光における光吸収の変化に基づいて血液中の酸素飽和度を測定することによって、脳の表層における脳の作用などの情報を測定できるようになっている。
上記特許文献１に記載された装置においては、多チャンネルロックインアンプを用いて、光検出器に到達した光を選択的に検出するようになっている。しかし、半導体レーザから出射された光の相互干渉（クロストーク）や外光（例えば、インバータ方式の蛍光灯など）の測定に及ぼす影響などを排除することができず、測定精度が制限される場合がある。
これに対し、下記特許文献２には、各受光部で計測された計測信号を各々増幅する複数の増幅手段および各受光部に入射される光強度を各々減衰する複数の減衰手段の少なくとも一方を備えた光計測装置が開示されている。そして、この光計測装置によれば、計測中に変化する送受光条件に応じて、増幅手段の各増幅率や減衰手段の各減衰率を変化させることによって、必要な信号について最適な信号強度レベルを確保できるようになっている。また、下記特許文献３には、プローブにおける送光点と受光点の配置を最適化することにより、受光点にて特定の送光点から出射された光を受光するマルチチャンネル光計測装置が開示されている。このマルチチャンネル光計測装置によれば、受光点と送光点とが正三角形となるように配置することにより、受光点と送光点との距離を最適化し、受光点にて特定の送光点からの光を受光するようになっている。
しかしながら、上記特許文献２に記載された光計測装置および特許文献３に記載されたマルチチャンネル光計測装置であっても、受光点における送光点からの光の強度を異ならせることにより、必要な光を選択的に受光するのみである。したがって、積極的に必要な光を識別して受光しているわけではなく、光のクロストークや外光の測定に及ぼす影響を排除できない場合がある。
上述の問題を解決するために、本願出願人は、下記特許文献４に示す生体情報測定装置およびこの装置を用いた測定方法を提案している。すなわち、この生体情報測定装置は、擬似雑音系列を用いてスペクトラム拡散変調した光を出射する光出射部と、受光したスペクトラム拡散変調された光を逆拡散変調して検出信号を出力する光検出部とを備えている。そして、この生体情報測定装置および測定方法によれば、同一の擬似雑音系列を有しない光を排除することができるため、光のクロストークや外光の測定に及ぼす影響を積極的に排除することができる。
特開２０００−１７２４０７号公報 特開２００３−２０７４４３号公報 特開２００４−２４８８４９号公報 特開２００２−２４８１０４号公報
ところで、上記した特許文献４に記載された生体情報測定装置においては、光検出部が光出射部から出射された２光波長を識別する構成であり、多チャンネル測定を行う場合には、光出射部と光検出部とを１組として、この組み合わせを多数配列する必要がある。このため、装置の大型化が懸念されるとともに、物理的に多チャンネル測定が困難となる場合がある。また、最近では、特に、生体情報の計測精度の向上や詳細な計測結果をリアルタイムで観察できることが要求されている。
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、無侵襲によって、生体の代謝に伴う生体情報を詳細に計測できる生体情報計測装置およびその制御方法を提供することにある。
本発明の特徴は、生体情報計測装置を、所定の一次変調信号をスペクトラム拡散変調するとともに、同スペクトラム拡散変調された二次変調信号に基づいて生体内に光を出射する複数の光出射手段と、前記複数の光出射手段から出射されて前記生体内を伝播した光を受光するとともに逆拡散し、前記生体内を伝播した光が有する信号を検出する光検出手段と、前記光出射手段と前記光検出手段の作動を制御するとともに、前記光検出手段によって検出した信号に基づいて生体の代謝に伴う生体情報を算出する制御手段とを備えた生体情報計測装置であって、前記複数の光出射手段は、異なる特定波長を有する光をそれぞれ発生する複数の光発生手段から構成されるものであり、前記光発生手段を、前記所定の一次変調信号のスペクトラム拡散変調に用いる拡散符号系列の出現する時間幅の逆数によって表されるチップ周波数を変更して、前記拡散符号系列を発生する拡散符号系列発生手段と、前記制御手段から供給される所定の一次変調信号を前記拡散符号系列発生手段が発生した拡散符号系列を用いてスペクトラム拡散変調して、二次変調信号を生成するスペクトラム拡散変調手段と、前記スペクトラム拡散変調手段によって生成した二次変調信号に基づいて前記特定波長を有する光を発光する光源を駆動する光源駆動手段とを備えて構成し、前記制御手段を、前記複数の光出射手段のうちの特定の光出射手段から前記拡散符号系列発生手段が発生した拡散符号系列を取得する拡散符号系列取得手段と、前記拡散符号系列取得手段によって取得した拡散符号系列を前記光検出手段に供給する拡散符号系列供給手段とを含んで構成したことにある。この場合、前記光出射手段と前記光検出手段とは、例えば、マトリックス状に配置されるとよい。また、前記光出射手段および前記光検出手段は、前記生体に対して、光を導通する導光手段（例えば、光ファイバーなど）を介して接続されるとよい。
また、この場合、前記拡散符号系列発生手段を、前記制御手段から供給される周期乱数を取得する周期乱数取得手段と、前記取得した周期乱数に対応して、周波数系列のランダムパターンを発生する周波数シンセサイザーとから構成するとよい。また、前記複数の光発生手段がそれぞれ発生した異なる特定波長を有する光は、重畳されて前記生体内に出射されるとよい。
さらに、前記光検出手段は、前記生体内を伝播した光を受光する受光手段と、前記制御手段から供給された拡散符号系列を取得する拡散符号系列取得手段と、前記取得した拡散符号系列を用いて前記受光した光を逆拡散し、前記生体内を伝播した光が有する信号を復調する逆拡散手段と、前記復調された信号を前記制御手段に出力する出力手段とを備えて構成するとよい。
また、本発明の他の特徴は、所定の一次変調信号をスペクトラム拡散変調するとともに、同スペクトラム拡散変調された二次変調信号に基づいて生体内に光を出射する複数の光出射手段と、前記複数の光出射手段から出射されて前記生体内を伝播した光を受光するとともに逆拡散し、前記生体内を伝播した光が有する信号を検出する光検出手段と、前記光出射手段と前記光検出手段の作動を制御するとともに、前記光検出手段によって検出した信号に基づいて生体の活動に伴う生体情報を算出する制御手段とを備える生体情報計測装置の制御方法であって、前記制御手段が、前記複数の光出射手段のうちの特定の光出射手段を選択し、前記選択した特定の光出射手段が前記所定の一次変調信号のスペクトラム拡散変調に用いる拡散符号系列の出現する時間幅の逆数によって表されるチップ周波数を変更させて発生させた前記拡散符号系列を取得し、前記取得した拡散符号系列を前記光検出手段に供給するようにしたことにもある。
この場合、前記制御手段が、生体内の深さ方向における生体情報を計測するときに、前記複数の光出射手段のうち、前記光検出手段との配置距離が変化する光検出手段を、特定の光出射手段として選択するようにするとよい。
これらによれば、複数の光出射手段がそれぞれ、異なる特定波長を有するスペクトラム変調された複数の光を生体内部に出射することができる。また、光検出手段が、光出射手段の用いた拡散符号系列を用いることにより、特定の光出射手段から出射されて生体内を伝播した光を選択的に受光して逆拡散し、同逆拡散した光が有する信号を検出することができる。これにより、光出射手段が多数設けられた場合であっても、光検出手段は、光のクロストークや外光の影響を積極的に排除することができる。また、１つの光検出手段が複数の光出射手段からの光を識別して受光することができるため、計測に要する光検出手段の数を減らすことができ、装置自体をコンパクトにすることができる。
また、光検出手段が、特定の光出射手段から出射された異なる特定波長を有する光を選択的に検出し、検出した異なる特定波長を有する光ごとに、同光が生体内を伝播するときに得られた情報を含む信号を出力することもできる。したがって、生体情報を計測する計測ポイントを密に、言い換えれば、計測ポイントの解像度を大幅に向上させることができ、制御手段は、生体情報をより正確に、かつ、より詳細に計測することができる。
また、生体内の深さ方向における生体情報を計測する場合には、制御手段が、光検出手段と光出射手段との配置距離が変化するように、光検出手段に対して、光出射手段を識別させることができる。すなわち、制御手段は、例えば、浅い位置における生体情報を計測する場合には、光検出手段と光出射手段との距離が短くなるように、光検出手段に光出射手段を識別させ、深い位置における生体情報を計測する場合には、光検出手段と光出射手段との距離が長くなるように、光検出手段に光出射手段を識別させることができる。これにより、生体内にて計測深さの異なる位置における生体情報、言い換えれば、生体情報を３次元的に計測することができる。したがって、３次元的に計測された生体情報に基づき、生体内を３次元的に、かつ、詳細に観察することもできる。
さらに、拡散符号系列を発生させる場合には、チップ周波数を変更させて拡散符号系列を発生させることができるため、生体内における高速な変化（例えば、生体内における神経活動など）を生体情報として計測することもできる。すなわち、チップ周波数を大きく変更して拡散符号系列を発生させた場合には、スペクトラム拡散変調されて光出射手段から出射される光の帯域幅を大きくすることができる。この大きな帯域幅を有する光を用いて生体情報を計測すれば、生体内における高速な変化に伴う光の散乱状態の変化を検出することができる。したがって、計測する生体情報の変化速度に応じて、チップ周波数を適宜変更することにより、極めて精度良く、かつ、詳細に生体情報を計測することができる。さらに、生体内で生じる高速な変化であっても、光検出手段が出力する信号を、例えば、表示装置に表示させることによって、高速な変化をリアルタイムに観察することも可能となる。
以下に、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る生体情報計測装置Ｓの構成を概略的に示したブロック図である。図１に示すように、生体情報計測装置Ｓは、特定波長成分を含む光を発生する複数の光出射部１と、光出射部１から出射された光が生体の内部を伝播した後の光を検出する複数の光検出部２とを備えている。
これらの光出射部１と光検出部２は、それぞれ制御部３に接続されている。制御部３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とするものであり、生体情報計測装置Ｓの作動を統括的に制御する。そして、制御部３は、光検出部２によって検出された光、より詳しくは、光出射部１から出射された光が生体の内部を伝播することによって減衰した光の強度を用いて、生体情報としての、例えば、脳内の血中酸素濃度を算出する。また、制御部３は、算出した生体情報を表すデータを表示部４に出力する。表示部４は、例えば、液晶ディスプレイなどから構成されており、制御部３から供給されたデータに基づき、所定の態様によって生体情報を表示する。
次に、光出射部１について、詳細に説明する。光出射部１は、図２のブロック図に示すように、異なる特定波長を有する光を発生させる複数の光発生装置１０から構成されている。なお、本実施形態においては、光出射部１を６つの光発生装置１０によって構成して実施する。これらの光発生装置１０は、それぞれ、特定波長を有する光をスペクトラム拡散変調して出射するようになっている。このため、各光発生装置１０は、拡散符号系列として、例えば、１２８ビット長の「＋１」と「−１」からなるＰＮ(Pseudorandom Noise)系列を発生させるための拡散符号系列発生器１１を備えている。この拡散符号系列発生器１１は、例えば、アダマール系列やＭ系列、あるいは、ゴールド符号系列をＰＮ系列として発生する。
なお、上記したアダマール系列、Ｍ系列、あるいは、ゴールド符号系列は、一般的にスペクトラム拡散変調に用いられるものと同様であるため、その発生方法に関する詳細な説明は省略するが、以下に簡単に説明しておく。アダマール系列は、「＋１」と「−１」からなるアダマール行列の各行または各列を取り出して得られる系列である。Ｍ系列は、「０」または「＋１」の状態を記憶する１ビットのレジスタをｎ段並べたシフトレジスタを用い、同シフトレジスタの中間から帰還した値と最終段における値との排他的論理和を初段に接続することにより得られる２値系列である。ただし、この２値系列をＰＮ系列とするために、レベル変換を行い、値「０」を「−１」に変換する。ゴールド符号系列は、基本的には、２種類のＭ系列を用意し、これらを加算して得られる符号系列である。このため、ゴールド符号系列は、Ｍ系列に比して、格段に系列数を増やすことができる系列である。そして、これらの系列の特徴として、異なる系列は互いに直交する性質を有しており、積和演算を行うことによって「０」、すなわち、自己以外には相関が「０」となることが挙げられる。
このように、拡散符号系列発生器１１の発生したＰＮ系列は、制御部３に出力されるとともに、掛け算器１２に出力される。掛け算器１２は、制御部３から供給される駆動信号（一次変調信号）と、拡散符号系列発生器１１から供給されるＰＮ系列との積を取る。これにより、駆動信号（一次変調信号）をスペクトラム拡散変調することができる。そして、掛け算器１２は、スペクトラム拡散変調した駆動信号すなわち二次変調信号を光源ドライバ１３に供給する。なお、掛け算器１２は、本発明のスペクトラム拡散変調手段を構成する。
光源ドライバ１３は、二次変調信号に基づいて、光源１４を駆動するものである。光源１４は、例えば、半導体レーザ、発光ダイオード、固体レーザ、ガスレーザなどのうちから適宜採用され、６００〜１０００ｎｍの波長範囲のうち、スペクトラム拡散変調された特定の波長成分を有する光（以下、被変調光という）を発生するものである。なお、本実施形態においては、上述のように、光出射部１は６つの光発生装置１０を備えた構成とされる。この場合、各光発生装置１０の光源１４は、例えば、６９５，７３０，７８０，８０５，８３０，９５０ｎｍなどの波長成分を有する被変調光を発生するものとする。なお、本実施形態においては、光出射部１を６つの光発生装置１０から構成し、６つの特定の波長を有する被変調光を出射するように実施する。しかしながら、光出射部１を構成する光発生装置１０の数すなわち出射する被変調光の特定の波長の数については、限定されるものではなく、例えば、２〜３つの波長成分を有する被変調光を出射したり、あるいは、７つ以上の波長成分を有する被変調光を出射して実施可能であることはいうまでもない。
光検出部２は、図３のブロック図に示すように、光受光器２１を備えている。光受光器２１は、例えば、フォトダイオードなどを主要構成部品とするものである。そして、光受光器２１は、光出射部１の光源１４から出射されて生体中を伝播した被変調光を受光し、電気的な検出信号を時系列的にＡＤコンバータ２２に出力する。ＡＤコンバータ２２は、光受光器２１から出力された電気的な検出信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換して、各掛け算器２４に出力する。
また、光検出部２は、周囲に複数配置された光出射部１のうち、特定の光出射部１からの被変調光を選択的に受光するために、複数の拡散符号系列取得器２３を備えている。拡散符号系列取得器２３は、受光すべき特定の光出射部１からの被変調光が有する拡散符号系列すなわちＰＮ系列を制御部３から取得するものである。そして、拡散符号系列取得器２３は、取得したＰＮ系列をそれぞれの掛け算器２４に供給する。
掛け算器２４は、ＡＤコンバータ２２から入力した検出信号と拡散符号系列取得器２３から供給されたＰＮ系列との積を取る。そして、掛け算器２４は、計算した検出信号とＰＮ系列との積の値を累算器２５に出力する。累算器２５は、供給された積の値を、前記供給されたＰＮ系列の１周期以上に渡り加算する。そして、累算器２５は、特定の光出射部１から出射されて生体中で減衰した被変調光に対応する検出信号を制御部３に出力する。なお、掛け算器２４と累算器２５が本発明の逆拡散手段を構成し、累算器２５が本発明の出力手段を構成する。
以上のように構成した生体情報計測装置Ｓについて、制御部３の作動制御に基づき、生体情報である脳内の血中酸素濃度を計測する場合を例示して説明する。この脳内の血中酸素濃度の計測においては、図４に示したように、頭部Ｔの表面にて、丸印で示す位置ａ〜ｈ（以下、入射位置ａ〜ｈという）にそれぞれ光出射部１から出射された被変調光が入射される。また、頭部Ｔの内部を伝播し、四角印で示す位置Ａ〜Ｇ（以下、受光位置Ａ〜Ｇという）に到達した被変調光（以下、この被変調光を反射光という）がそれぞれの光検出部２によって検出される。ここで、入射位置ａ〜ｈと受光位置Ａ〜Ｇとは、互いにマトリックス状に配置される。なお、以下の作動説明においては、入射位置ａ〜ｈに被変調光を出射する各光出射部１を光出射部ａ〜ｈと示し、受光位置Ａ〜Ｇに到達した反射光を検出する各光検出部２を光検出部Ａ〜Ｇと示す。
ここで、図４は、生体情報計測装置Ｓのごく一部を示したものである。したがって、入射位置と受光位置の数すなわちチャンネル数については、図示した数に限定されるものではなく、より多くの入射位置と受光位置をマトリックス状に配置して脳内の血中酸素濃度を計測できる。また、生体情報計測装置Ｓの光出射部ａ〜ｈおよび光検出部Ａ〜Ｇと頭部Ｔとの間の距離が短ければ、光出射部ａ〜ｈと光検出部Ａ〜Ｇを直接、入射位置ａ〜ｈと受光位置Ａ〜Ｇに接触させて血中酸素濃度を計測できる。一方、光出射部ａ〜ｈおよび光検出部Ａ〜Ｇと頭部Ｔとの間の距離が長ければ、例えば、光ファイバーなどを用いて、光出射部ａ〜ｈと入射位置ａ〜ｈとをそれぞれ接続するとともに、光検出部Ａ〜Ｇと受光位置Ａ〜Ｇとをそれぞれ接続し、脳内の血中酸素濃度を計測することもできる。
まず、光出射部ａ〜ｈによる光の出射について説明する。オペレータは、図示しない入力装置を操作して、頭部Ｔの内部に対し出射する被変調光の特定波長を制御部３に指示する。このとき、オペレータは、出射する被変調光に関し、複数の特定波長を制御部３に指示することができる。制御部３は、同指示に従い、光出射部ａ〜ｈに対して、指示された特定波長を有する被変調光を発生させるための駆動信号を供給する。光出射部ａ〜ｈにおいては、供給された駆動信号に基づき、前記指定された特定波長を有する被変調光を発生する光発生装置１０が、その作動を開始する。
すなわち、各光出射部ａ〜ｈの光発生装置１０においては、拡散符号系列発生器１１が、例えば、ＰＮ系列としてゴールド符号系列を発生する。そして、拡散符号系列発生器１１は、発生したＰＮ系列を制御部３に対して出力するとともに、掛け算器１２に出力する。そして、掛け算器１２は、制御部３から供給された駆動信号すなわち一次変調信号とＰＮ系列との積を取り、駆動信号をスペクトラム拡散変調する。
このように、スペクトラム拡散変調された駆動信号すなわち二次変調信号が光源ドライバ１３に供給されることにより、各光出射部ａ〜ｈの光源１４（例えば、半導体レーザ）は、特定波長を有する被変調光を入射位置ａ〜ｈに出射する。これにより、入射位置ａ〜ｈから出射される被変調光は、頭部Ｔの頭蓋骨を透過して脳表層に入射し、脳表層内を乱反射しながら、すなわち、減衰しながら伝播する。そして、被変調光は、再び頭部Ｔの頭蓋骨を透過し、頭部Ｔの表面に到達する。なお、オペレータによって複数の特定波長が指示された場合には、各光出射部ａ〜ｈは、６つの特定波長を有する被変調光を重畳して出力する。この場合には、各光出射部ａ〜ｈが有する６つの光源１４から出射されたそれぞれの被変調光が、例えば、光学系レンズや各光ファイバーを導通する光を集める集光器によって合成されて出射される。
次に、光検出部Ａ〜Ｇによる反射光の検出について説明する。頭部Ｔの表面に到達した被変調光は、受光位置Ａ〜Ｇを介して、光検出部Ａ〜Ｇにより反射光として検出される。このとき、受光位置Ａ〜Ｇには、入射位置ａ〜ｈから出射されたそれぞれの被変調光が反射光として到達する。例えば、受光位置Ａには、周辺に位置する入射位置ａ，ｂ，ｃ，ｄから出射された被変調光は言うまでもなく、入射位置ｅ，ｆ，ｇ，ｈから出射された被変調光も反射光として到達する。このような状況において、制御部３は、受光位置Ａに到達した反射光のうち、例えば、入射位置ａ，ｂ，ｃ，ｄから出射された被変調光に基づく反射光を選択して受光するように、光検出部Ａを制御する。この制御部３による制御を具体的に説明する。
制御部３は、上述したように、光出射部ａ〜ｈに対して駆動信号を供給した後、各光発生装置１０からＰＮ系列を取得する。このように、制御部３は、各ＰＮ系列を取得すると、光検出部Ａに対して、光出射部ａ，ｂ，ｃ，ｄの拡散符号系列発生器１１から取得したＰＮ系列を供給する。これにより、光検出部Ａの拡散符号系列取得器２３は、光出射部ａ，ｂ，ｃ，ｄから出射された被変調光が有するＰＮ系列を取得し、同取得したＰＮ系列を掛け算器２４に供給する。
また、光検出部Ａにおいては、光受光器２１が受光位置Ａに到達した反射光をすべて受光し、同受光した反射光に応じた電気的な検出信号を時系列的にＡＤコンバータ２２に出力している。そして、ＡＤコンバータ２２は、出力された電気的な検出信号をデジタル信号に変換するとともに、同デジタル変換した検出信号を掛け算器２４に出力している。
これにより、掛け算器２４は、ＡＤコンバータ２２から出力された検出信号と、拡散符号系列取得器２３から供給されたＰＮ系列との積を取る。そして、掛け算器２４は計算した積の値を累算器２５に出力し、累算器２５は、出力された積の値をＰＮ系列の１周期（すなわち、１２８ビット長）以上に渡り加算する。このように、掛け算器２４と累算器２５による積和処理により、デジタル変換された検出信号と供給されたＰＮ系列との相関を取ることができ、光出射部ａ，ｂ，ｃ，ｄからの被変調光に対応した検出信号のみを選択して出力することができる。
すなわち、上述したように、ＰＮ系列に関しては、異なる系列が互いに直交する性質、言い換えれば、異なる系列同士の積の値が「０」となる性質を有している。このため、拡散符号系列取得器２３が掛け算器２４に対して、例えば、光出射部ａのＰＮ系列を供給した場合には、ＡＤコンバータ２２から出力された検出信号のうち、光出射部ａから出射された被変調光に対応する検出信号以外の検出信号と光出射部ａのＰＮ系列との積の値は「０」となる。このため、累算器２５によってＰＮ系列の１周期以上に渡り加算される値も「０」となり、相関は「０」となる。したがって、拡散符号系列取得器２３から供給されたＰＮ系列を有しない（または一致しない）検出信号、言い換えれば、光出射部ｂ〜ｈから出射された被変調光の反射光は、選択的に排除され、光出射部ａから出射された被変調光の反射光に対応する検出信号のみが制御部３に出力される。同様に、拡散符号系列取得器２３から光出射部ｂ，ｃ，ｄのＰＮ系列がそれぞれ供給された場合には、光出射部ｂ，ｃ，ｄから出射された被変調光の反射光に対応するそれぞれの検出信号のみが制御部３に出力される。
これにより、光検出部Ａは、光出射部ａ〜ｈから出射された特定波長を有する被変調光のうち、光出射部ａ〜ｄによって出射された被変調光の反射光を選択的に検出し、同検出した反射光に対応する検出信号を制御部３に出力する。なお、光検出部Ｂ〜Ｇについても、光検出部Ａと同様にして、制御部３によって制御されることにより、光出射部ａ〜ｈのうちの特定の光出射部から出射された被変調光の反射光を選択的に検出することができ、同検出された反射光に対応する検出信号を出力する。
そして、再びオペレータによって、頭部Ｔの内部に出射する被変調光の他の特定波長（本実施形態においては、合計６つの特定波長）が指示されると、制御部３は、指示されたそれぞれの特定波長を有する被変調光について上記作動制御と同様の制御を繰り返し実行する。これにより、それぞれの光検出部Ａ〜Ｇは、光出射部ａ〜ｈから出射される他の特定波長を有する被変調光の反射光のうち、特定の光出射部から出射された反射光に対応する検出信号を制御部３に出力することができる。なお、光出射部ａ〜ｈがそれぞれ、６つの特定波長を有する被変調光を重畳して出射した場合には、制御部３は、光検出部Ａ〜Ｇの各拡散符号系列取得器２３に対して、光出射部ａ〜ｈの各拡散符号系列発生器１１から取得したＰＮ系列を出力する。これにより、光検出部Ａ〜Ｇは、重畳された被変調光の反射光を分離し、同反射光に対応する検出信号を出力する。
このように光検出部Ａ〜Ｇから検出信号が出力されると、制御部３は、出力された各検出信号に基づいて、被検体の脳内における血中酸素濃度を算出し、同算出した血中酸素濃度を表示部４に出力する。そして、表示部４は、所定の態様で脳内の血中酸素濃度を表示する。なお、血中酸素濃度の算出方法に関しては、本発明に直接関係しないため、詳細な説明を省略するが、以下に簡単に説明しておく。
本実施形態においては、濃度と光の減衰の関係を表すランバート・ベール(Lambert-Beer)の法則に従い、血液中のヘモグロビンの濃度差による被変調光の減衰、言い換えれば、ヘモグロビンによる被変調光の吸光度合いに基づいて、血中酸素濃度を算出する。血液中のヘモグロビンは、酸素と結合して血管中を流れ、各細胞に対して酸素を供給する役目を果たす。このため、動脈中を流れる血液は酸素と結合したヘモグロビン（以下、酸素化ヘモグロビンという）の濃度が大きく、静脈中を流れる血液は酸素と結合していないヘモグロビン（以下、還元ヘモグロビンという）の濃度が大きくなる。このように、血液中に存在する酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンは、図５に概略的に示すように、出射した光（被変調光）の波長に対して分子吸光係数が非線形に変化する光吸収スペクトルをそれぞれ有する。この酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの光吸収スペクトルすなわち分子吸光係数、出射した光（被変調光）の強度および酸素化ヘモグロビンまたは還元ヘモグロビンによって反射された反射光の強度を用いたランバート・ベールの法則に従うことにより、動脈中の血中酸素濃度または静脈中の血中酸素濃度を算出することができる。
上記のように作動する本実施形態に係る生体情報計測装置Ｓによれば、光出射部ａ〜ｈがそれぞれ、６つの特定波長を有する被変調光を被検体である頭部Ｔに出射する。そして、光検出部Ａ〜Ｇがそれぞれ、特定の光出射部ａ〜ｈから出射された６つの特定波長の被変調光の反射光を検出し、同検出した反射光の強度に対応する検出信号を出力する。これにより、制御部３は、ランバート・ベールの法則に従い、６つの特定波長に対するそれぞれの分子吸光係数、６つの特定波長を有する被変調光の出射強度および光検出部Ａ〜Ｇから出力された検出信号によって表される６つの特定波長を有する反射光の強度を用いて、動脈または静脈、特に、毛細血管の血中酸素濃度をより正確に、かつ、より詳細に算出することができる。さらに、オペレータが、図５にて分子吸光係数が非線形に大きく変化する波長範囲にある特定波長（例えば、６９５，７３０ｎｍなど）を指示すれば、光出射部ａ〜ｈは、同指示された特定波長を有する被変調光を出射することができる。これにより、分子吸光係数が非線形に変化する波長領域であっても、光検出部Ａ〜Ｇによって出力される検出信号を用いることにより、動脈または静脈の血中酸素濃度の変化をより正確に捉えることができる。
また、本実施形態に係る生体情報計測装置Ｓによれば、１つの光検出部２（例えば、光検出部Ａ）が複数の光出射部１（例えば、光出射部ａ〜ｄ）を識別し、同識別した光出射部１から出射された被変調光を選択的に検出する。このため、計測ポイントが密、言い換えれば、計測ポイントの解像度を大幅に向上させることができる。このことを、図６を用いて説明する。図６（ａ），（ｂ）は、頭部Ｔの表面から内部に出射された光（被変調光）が、脳表層にて反射して再び頭部Ｔの表面に到達する様子を概略的に示したものであり、（ａ）は従来の生体情報計測装置について示し、（ｂ）は本実施形態に係る生体情報計測装置Ｓについて示している。
従来の生体情報計測装置においても、１つの光検出部が複数の光出射部から出射された光を受光する構成となっている。しかしながら、従来の生体情報計測装置における光検出部は、複数の光出射部を識別して選択的に光を受光する構成とはなっていない。このため、従来の生体情報計測装置では、光検出部と光出射部との間隔を広く設定することによって、１つの光検出部が受光できる反射光を制限する、言い換えれば、１つの光検出部に光を到達させることができる光出射部を制限するようにしている。このため、図６（ａ）に示すように、頭部Ｔの内部に出射された光が脳表層にて反射する部位が離間した点となり、計測ポイントの数が少なく計測の解像度が劣る。
これに対し、本実施形態に係る生体情報計測装置Ｓにおいては、光検出部Ａ〜ＧがＰＮ系列を用いることにより、受光した反射光がどの光出射部ａ〜ｈから出射された被変調光に基づくものかを識別することができる。このため、光検出部２の周辺にて光出射部１を密に配置しても、クロストークが発生することなく、例えば、光検出部Ａは、特定の光出射部ａ，ｂ，ｃ，ｄから出射された被変調光の反射光のみを選択的に検出することができる。そして、他の光検出部２（例えば、光検出部Ｂ〜Ｇ）も同様に特定の光出射部１（例えば、光出射部ｅ〜ｈ）から出射された被変調光の反射光のみを選択的に検出すれば、図６（ｂ）に示すように、頭部Ｔの内部に出射された被変調光が脳表層にて反射する部位が密となり、計測ポイントが多くなる。このため、計測対象範囲を面状に捉えることができ、計測の解像度を大幅に向上させることができる。これにより、例えば、計測結果を表示部４に図形的に（例えば、２次元的に）表示させることによって、脳の活動に伴う血流の変化を詳細に観察することができる。さらに、光出射部ａ〜ｈと光検出部Ａ〜Ｇを密に配置することができるため、生体情報計測装置Ｓの小型化も達成することができる。なお、この場合、例えば、光検出部Ａが特定の光出射部ａ，ｂ，ｃ，ｄから出射された被変調光の反射光を受光しているときには、制御部３が、一時的に、他の光出射部ｅ，ｆ，ｇ，ｈの被変調光の出射を抑制するように制御することも可能である。
また、本実施形態に係る生体情報計測装置Ｓによれば、制御部３が拡散符号系列取得器２３に出力するＰＮ系列を変更することにより、光検出部２は、識別する光出射部１を選択的に切り換えることができる。これにより、脳内の血中酸素濃度を３次元的に計測することもできる。すなわち、光は、所定の角度を有して出射された場合、反射物までの距離に応じて、反射光の到達位置が変化する。すなわち、ある出射点から光を入射し、反射物までの距離が短い場合には、反射光の到達位置は、出射点に近い位置となる。一方、反射物までの距離が長い場合には、反射光の到達位置は、出射点から遠い位置となる。上述したように頭部Ｔの内部に被変調光を出射した場合には、頭部Ｔの内部にて被変調光が乱反射するためその厳密な光路は特定できないものの、上記の傾向をおおむね有する。
このため、本実施形態に係る生体情報計測装置Ｓにおいては、制御部３が、光検出部２と光出射部１との配置距離が変化するように、光検出部２に光出射部１を識別させることによって、深さ方向の血中酸素濃度を計測することができる。以下、図４および図７を用いて具体的に説明する。
今、脳表層、例えば、大脳皮質のやや表面側における血中酸素濃度を計測する場合を考える。この場合においては、図７（ａ）に概略的に示すように、頭部Ｔの表面と大脳皮質の表面側との距離が短い。このため、制御部３は、例えば、図４における光検出部Ａに対して、同光検出部Ａとの距離が近い光出射部ａ〜ｄによって出射された被変調光の反射光を受光するように制御する。すなわち、制御部３は、光出射部ａ〜ｄにおけるそれぞれの拡散符号系列発生器１１が発生したＰＮ系列を取得する。そして、制御部３は、取得したそれぞれのＰＮ系列を光検出部Ａの拡散符号系列取得器２３に供給する。これにより、光検出部Ａは、光出射部ａ〜ｄから出射された被変調光の反射光を選択的に検出するとともに、同選択的に検出した反射光の強度に対応した検出信号を制御部３に出力する。したがって、大脳皮質の表面側における血中酸素濃度を計測することができる。
次に、例えば、大脳皮質のやや奥側における血中酸素濃度を計測する場合を考える。この場合においては、図７（ｂ）に概略的に示すように、頭部Ｔの表面と大脳皮質の奥側との距離が長い。このため、制御部３は、光検出部Ａに対して、図４に示したように、光検出部Ａとの距離が遠い光出射部ｅ〜ｈによって出射された被変調光の反射光を検出するように制御する。すなわち、制御部３は、光出射部ｅ〜ｈにおけるそれぞれの拡散符号系列発生器１１が発生したＰＮ系列を取得するとともに、同取得したそれぞれのＰＮ系列を光検出部Ａの拡散符号系列取得器２３に供給する。これにより、光検出部Ａは、光出射部ｅ〜ｈから出射された被変調光の反射光を選択的に検出し、同検出した反射光の強度に応じた検出信号を制御部３に出力する。したがって、大脳皮質の奥側における血中酸素濃度を計測することができる。なお、大脳皮質の奥側における血中酸素濃度を計測する場合には、出射された被変調光の減衰が大きくなる。このため、制御部３は、大脳皮質の表面側の血中酸素濃度を計測する場合に比して、光出射部ｅ〜ｈの光源１４の出力強度を大きくするための駆動信号を出力したり、または、光出射部ａ〜ｄの光源１４の出力強度を小さくするための駆動信号を出力する。さらに、制御部３は、光出射部ａ〜ｄに対して被変調光を出射するための駆動信号を出力しないことも可能である。
ところで、上記のように、３次元的に脳内の血中酸素濃度を計測することにより、深さ方向ごとの計測結果を計算により合成することができる。これにより、例えば、脳内の動脈または静脈中の血中酸素濃度を３次元的に表示部４のディスプレイ上に表示したり、脳の活動に伴う血流の変化を３次元的に表示したりすることもできる。したがって、無侵襲で脳の活動を詳細に観察することができる。
さらに、本実施形態に係る生体情報計測装置Ｓによれば、制御部３の駆動信号に応じて、光出射部１の拡散符号系列発生器１１が拡散符号系列としてのＰＮ系列を発生し、同発生したＰＮ系列を制御部３に出力する。そして、制御部３は、出力されたＰＮ系列を光検出部２の拡散符号系列取得器２３に対して供給する。これにより、光検出部２は、光出射部１からスペクトラム拡散変調されて出射された被変調光を逆拡散することができる。
ここで、拡散符号系列発生器１１が発生するＰＮ系列は、「＋１」と「−１」のレベルの値をランダムに取る矩形波の集まりと考えることができる。このランダムに出現するそれぞれの矩形波の時間幅の逆数で表される速度（以下、チップ周波数という）が大きくなると、このＰＮ系列を用いてスペクトル拡散変調される駆動信号（一次変調信号）の拡散率を大きくすることができる。換言すれば、チップ周波数を大きくしてスペクトル拡散変調することにより、光出射部１から出射される被変調光の帯域幅を大きくすることができる。これにより、生体内における高速な変化（例えば、生体内における神経活動など）を生体情報として計測することもできる。
具体的に説明すると、例えば、オペレータが生体内で生じる高速な変化を観察することを図示しない入力装置を利用して指示すると、制御部３は、各光出射部１における拡散符号系列発生器１１のチップ周波数が大きくなるように変更制御する。そして、オペレータによって特定波長が指示されると、上述したように、制御部３は、複数の光出射部１に対して特定波長を有する被変調光を発光させるための駆動信号を供給する。これにより、各光出射部１は、拡散符号系列発生器１１によって大きなチップ周波数で発生されたＰＮ系列を用いて、駆動信号（一次変調信号）をスペクトラム拡散変調し、このスペクトラム拡散変調された二次変調信号に基づいて、光源１４から帯域幅の大きな被変調光を出射する。
ここで、例えば、生体内にて神経が活動すると、生体内における光の散乱状態が微小に変化すると考えられている。このため、生体内に複数の光出射部１から帯域幅の大きな被変調光を出射し、複数の光検出部２が特定の光出射部１から出射され減衰した被変調光すなわち反射光の強度を検出することによって、神経の活動状態を観察することができる。したがって、本実施形態に係る生体情報計測装置Ｓによれば、計測する生体情報の変化速度に応じて、拡散符号系列発生器１１のチップ周波数を変更することにより、極めて精度良く、かつ、詳細に生体情報を計測することができる。さらに、生体内で生じる高速な変化であっても、この変化の計測と略同時に表示部４に表示させることによって、変化をリアルタイムに観察することも可能となる。
さらに、本発明の実施に当たっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
例えば、上記実施形態においては、駆動信号すなわち一次変調信号のスペクトル拡散変調に際し、拡散符号系列発生器１１の発生するＰＮ系列を用いて実施した。すなわち、上記実施形態においては、直接拡散方式を用いて、一次変調信号をスペクトラム拡散変調して実施した。しかし、周波数ホッピング方式を用いて、一次変調信号をスペクトラム拡散変調して実施することも可能である。この場合には、光出射部１において、上記実施形態の拡散符号系列発生器１１に代えて、ホッピングシンセサイザを設けておく。また、光検出部２において、上記実施形態の拡散符号系列取得器２３に代えて、ホッピングシンセサイザを設けておく。そして、制御部３は、光出射部１および光検出部２のホッピングシンセサイザに対して、例えば、同一のホッピングパターンを供給する。このとき、制御部３が、光出射部１ごとに異なるホッピングパターンを設定して、このホッピングパターンを供給すれば、上記実施形態と同様に、光検出部２は、特定の光出射部１を識別して選択することができる。これにより、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
また、上記実施形態においては、複数の光発生装置１０を１組として、光出射部１を構成して実施した。しかし、個々の光発生装置１０を直接、入射位置に接続して実施することも可能である。これによっても、光発生装置１０を多数設けることにより、複数の特定波長を有する被変調光を生体内に多数出射することができて、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
さらに、上記実施形態においては、生体情報計測装置Ｓを脳内の血中酸素濃度の計測する場合に適用して実施した。しかしながら、光出射部１を構成する複数の光発生装置１０が発生するそれぞれの特定波長を適宜変更することにより、他の生体情報、例えば、生体の密度、水分や、血中のグルコース濃度、血糖値、脂質量、あるいは、脈拍などを計測可能であることはいうまでもない。このように、他の生体情報を計測する場合であっても、本発明に係る生体情報計測装置を用いることにより、生体情報を詳細に測定することができる。
本発明の実施形態に係る生体情報計測装置の概略を示すブロック図である。 図１の光出射部の構成を概略的に示すブロック図である。 図１の光検出部の構成を概略的に示すブロック図である。 図１の生体情報計測装置を脳内の血中酸素濃度の計測に適用した場合における入射位置と受光位置の配列を一部抜き出して示した図である。 酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの波長に対する分子吸光係数の変化を概略的に示したグラフである。 頭部内部における光の散乱状態を、（ａ）は従来の生体情報計測装置の場合、（ｂ）は図１の生体情報計測装置の場合について概略的に示した断面図である。 頭部内部における光の反射状態を、（ａ）は反射位置までの距離が短い場合、（ｂ）は反射位置までの距離が長い場合について概略的に示した断面図である。
符号の説明
１…光出射部、１０…光発生装置、１１…拡散符号系列発生器、１２…掛け算器、１３…光源ドライバ、１４…光源、２…光検出部、２１…光検出器、２２…ＡＤコンバータ、２３…拡散符号系列取得器、２４…掛け算器、２５…累算器、３…制御部、４…表示部、Ｓ…生体情報計測装置

Claims (8)

  1. 所定の一次変調信号をスペクトラム拡散変調するとともに、同スペクトラム拡散変調された二次変調信号に基づいて生体内に光を出射する複数の光出射手段と、
    前記複数の光出射手段から出射されて前記生体内を伝播した光を受光するとともに逆拡散し、前記生体内を伝播した光が有する信号を検出する光検出手段と、
    前記光出射手段と前記光検出手段の作動を制御するとともに、前記光検出手段によって検出した信号に基づいて生体の代謝に伴う生体情報を算出する制御手段とを備えた生体情報計測装置であって、
    前記複数の光出射手段は、異なる特定波長を有する光をそれぞれ発生する複数の光発生手段から構成されるものであり、
    前記光発生手段を、
    前記所定の一次変調信号のスペクトラム拡散変調に用いる拡散符号系列の出現する時間幅の逆数によって表されるチップ周波数を変更して、前記拡散符号系列を発生する拡散符号系列発生手段と、
    前記制御手段から供給される所定の一次変調信号を前記拡散符号系列発生手段が発生した拡散符号系列を用いてスペクトラム拡散変調して、二次変調信号を生成するスペクトラム拡散変調手段と、
    前記スペクトラム拡散変調手段によって生成した二次変調信号に基づいて前記特定波長を有する光を発光する光源を駆動する光源駆動手段とを備えて構成し、
    前記制御手段を、
    前記複数の光出射手段のうちの特定の光出射手段から前記拡散符号系列発生手段が発生した拡散符号系列を取得する拡散符号系列取得手段と、
    前記拡散符号系列取得手段によって取得した拡散符号系列を前記光検出手段に供給する拡散符号系列供給手段とを含んで構成したことを特徴とする生体情報計測装置。
  2. 請求項１に記載した生体情報計測装置において、
    前記拡散符号系列発生手段を、
    前記制御手段から供給される周期乱数を取得する周期乱数取得手段と、
    前記取得した周期乱数に対応して、周波数系列のランダムパターンを発生する周波数シンセサイザーとから構成したことを特徴とする生体情報計測装置。
  3. 請求項１に記載した生体情報計測装置において、
    前記複数の光発生手段がそれぞれ発生した異なる特定波長を有する光は、重畳されて前記生体内に出射されることを特徴とする生体情報計測装置。
  4. 請求項１に記載した生体情報計測装置において、
    前記光検出手段は、
    前記生体内を伝播した光を受光する受光手段と、
    前記制御手段から供給された拡散符号系列を取得する拡散符号系列取得手段と、
    前記取得した拡散符号系列を用いて前記受光した光を逆拡散し、前記生体内を伝播した光が有する信号を復調する逆拡散手段と、
    前記復調された信号を前記制御手段に出力する出力手段とを備えて構成したことを特徴とする生体情報計測装置。
  5. 請求項１に記載した生体情報計測装置において、
    前記光出射手段と前記光検出手段とは、マトリックス状に配置されることを特徴とする生体情報計測装置。
  6. 請求項１に記載した生体情報計測装置において、
    前記光出射手段および前記光検出手段は、前記生体に対して、光を導通する導光手段を介して接続されることを特徴とする生体情報計測装置。
  7. 所定の一次変調信号をスペクトラム拡散変調するとともに、同スペクトラム拡散変調された二次変調信号に基づいて生体内に光を出射する複数の光出射手段と、前記複数の光出射手段から出射されて前記生体内を伝播した光を受光するとともに逆拡散し、前記生体内を伝播した光が有する信号を検出する光検出手段と、前記光出射手段と前記光検出手段の作動を制御するとともに、前記光検出手段によって検出した信号に基づいて生体の活動に伴う生体情報を算出する制御手段とを備える生体情報計測装置の制御方法であって、
    前記制御手段が、
    前記複数の光出射手段のうちの特定の光出射手段を選択し、
    前記選択した特定の光出射手段が前記所定の一次変調信号のスペクトラム拡散変調に用いる拡散符号系列の出現する時間幅の逆数によって表されるチップ周波数を変更させて発生させた前記拡散符号系列を取得し、
    前記取得した拡散符号系列を前記光検出手段に供給することを特徴とする生体情報計測装置の制御方法。
  8. 請求項７に記載した生体情報計測装置の制御方法において、
    前記制御手段が、
    生体内の深さ方向における生体情報を計測するときに、
    前記複数の光出射手段のうち、前記光検出手段との配置距離が変化する光検出手段を、特定の光出射手段として選択することを特徴とする生体情報計測装置の制御方法。
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