JP4722556B2 - 生体光計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、光を用いて被検体の光学特性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では、照射プローブと受光プローブとが３０ｍｍ間隔で格子状に配置されている。そして、可視から近赤外領域の波長の光を照射プローブから被検体に照射するとともに、受光プローブで受光された光の強度を検出することにより、脳活動に伴う大脳皮質での生体内代謝物質の濃度変化が計測される。

このような生体光計測装置において、空間分解能を向上させるためには、計測点数を増加し、計測点密度を高めればよいが、大脳皮質まで到達した光を受光プローブで受光するためには、照射プローブと受光プローブとの間の配置間隔は３０ｍｍ程度に設定する必要がある。このため、第１のグループの照射プローブ及び受光プローブと、第２のグループの照射プローブ及び受光プローブを用い、第１のグループの配置領域に対して第２のグループの配置領域を所定量ずらして重ねる方法が提案されている。

この方法では、第１のグループの照射プローブからの光の照射強度が互いに異なる周波数で変調されているとともに、第２のグループの照射プローブからの光の照射強度も互いに異なる周波数で変調されており、かつ、第１及び第２のグループの照射プローブからの光の照射が交互にＯＮ／ＯＦＦされる。これにより、受光プローブで受光される光の混信が防止されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−５８６号公報

しかし、上記のような従来の生体光計測装置では、第１及び第２のグループの光のＯＮ／ＯＦＦが交互であるため、時間分解能が半減してしまう。

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、時間分解能を損なうことなく、高密度な計測を実現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、第１の周波数帯域内の変調周波数で強度変調された照射光を発生する第１の光源部、第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域内の変調周波数で強度変調された照射光を発生する第２の光源部、第１の光源部で発生された照射光を被検体に照射するための第１の照射プローブ、第１の照射プローブに対して所定の間隔をおいて配置され、被検体から戻る検出光を受光する第１の受光プローブ、第２の光源部で発生された照射光を被検体に照射する第２の照射プローブ、第２の照射プローブに対して所定の間隔をおいて配置され、被検体から戻る検出光を受光するための第２の受光プローブ、及び第１の受光プローブにおける検出光の強度に応じた信号を発生する第１の検出器と、第２の受光プローブにおける検出光の強度に応じた信号を発生する第２の検出器と、第１の検出器からの信号のうち第１の周波数帯域の信号を選択的に通す第１のフィルタと、第２の検出器からの信号のうち第２の周波数帯域の信号を選択的に通す第２のフィルタと、第１のフィルタを通過した信号に対して第１の光源部での変調周波数を参照周波数としてロックイン処理を行う第１のロックイン処理部と、第２のフィルタを通過した信号に対して第２の光源部での変調周波数を参照周波数としてロックイン処理を行う第２のロックイン処理部とを有する信号処理部を備えている。

この発明の生体光計測装置は、計測に不要な信号をより確実に除去することができ、時間分解能を損なうことなく、高密度な計測を実現できる。

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を示す構成図である。図において、被検体１には、ホルダ２が装着される。ホルダ２は、被検体１に装着されるホルダ本体３と、ホルダ本体３に立設された複数のプローブ装着部４とを有している。

照射光を発生する光源装置５には、半導体レーザ等の複数の光源素子と、これらの光源素子を制御する光源制御部とが設けられている。光源装置５には、複数本の照射用光ファイバ６を介して複数の照射プローブ７が接続されている。照射プローブ７は、それぞれ対応するプローブ装着部４に装着（挿入）される。光源装置５で発生された照射光は、照射用光ファイバ６を介して照射プローブ７に導かれ、照射プローブ７から被検体１に照射される。

被検体１から戻る検出光は、複数の受光プローブ８で受光される。受光プローブ８は、それぞれ対応するプローブ装着部４に装着（挿入）される。受光プローブ８で受光された検出光は、検出用光ファイバ９を介して信号処理部１０に導入される。信号処理部１０は、検出光の強度に応じた電気信号を出力する。

信号処理部１０からの信号は、コンピュータ１１に入力される。コンピュータ１１の表示部には、信号処理部１０からの信号に基づいて、各計測点における信号変化が生体内代謝物質の濃度変化として実時間で表示される。

図２は図１の要部を示す構成図である。光源装置５は、第１の周波数帯域内の変調周波数で強度変調された照射光を発生する第１の光源部５ａと、第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域内の変調周波数で強度変調された照射光を発生する第２の光源部５ｂとを有している。この例では、第１の周波数帯域は、第１の区分周波数ω１以下の周波数帯域であり、第２の周波数帯域は、第２の区分周波数ω２（ω１＜ω２）以上の周波数帯域である。なお、図３は図２の第１及び第２の光源部５ａ，５ｂの周波数特性を示すグラフである。また、第１及び第２の光源部５ａ，５ｂには、それぞれ複数の光源素子が含まれている。

第１の光源部５ａに含まれている光源素子には、照射プローブ７のうちの複数の第１の照射プローブ７ａ（第１の照射プローブ群）が接続されている。即ち、第１の光源部５ａで発生された照射光は、第１の照射プローブ７ａにより被検体１に照射される。

第２の光源部５ｂに含まれている光源素子には、照射プローブ７のうちの複数の第２の照射プローブ７ｂ（第２の照射プローブ群）が接続されている。即ち、第２の光源部５ｂで発生された照射光は、第２の照射プローブ７ｂにより被検体１に照射される。

受光プローブ８は、第１の照射プローブ７ａに対して所定の間隔をおいて配置される複数の第１の受光プローブ８ａ（第１の受光プローブ群）と、第２の照射プローブ７ｂに対して所定の間隔をおいて配置される複数の第２の受光プローブ８ｂ（第２の受光プローブ群）とを含んでいる。

図４は図１のホルダ２に対する照射プローブ７ａ，７ｂ及び受光プローブ８ａ，８ｂの配置状態の一例を示す平面図である。第１の照射プローブ７ａ（図では白丸）及び第１の受光プローブ８ａ（図では黒丸で示す）は、所定の間隔（ここでは３０ｍｍ）をおいて交互に、かつ格子状に配置されている。

第２の照射プローブ７ｂ（図では白四角で示す）及び第２の受光プローブ８ｂ（図では黒四角で示す）は、所定の間隔（ここでは３０ｍｍ）をおいて交互に、かつ格子状に配置されている。また、第２の照射プローブ７ｂ及び第２の受光プローブ８ｂは、第１の照射プローブ７ａと第１の受光プローブ８ａとの中間に配置されている。

図５は図４の第１の照射プローブ７ａ及び第１の受光プローブ８ａの組み合わせによる計測点を示す説明図である。第１の照射プローブ７ａ及び第１の受光プローブ８ａの組み合わせからなる第１の計測グループによる計測点は、図５の破線白丸で示すように、第１の照射プローブ７ａと第１の受光プローブ８ａとの中間点となる。

図６は図４の第２の照射プローブ７ｂ及び第２の受光プローブ８ｂの組み合わせによる計測点を示す説明図である。第２の照射プローブ７ｂ及び第２の受光プローブ８ｂの組み合わせからなる第２の計測グループによる計測点は、図６の破線白四角で示すように、第２の照射プローブ７ｂと第２の受光プローブ８ｂとの中間点となる。また、第２の計測グループの配置領域は、第１の計測グループの配置領域に対して所定量ずらして重ねられている。

図７は図１の信号処理部１０の要部を示すブロック図であり、一例として図４の第１の受光プローブ８ａ_１及び第２の受光プローブ８ｂ_１で受光された検出光の処理部を示している。信号処理部１０は、複数の第１の検出器１２、複数の第２の検出器１３、複数の第１のフィルタ１４、複数の第２のフィルタ１５、複数のアンプ１６、複数の第１のロックイン処理部１７、複数の第２のロックイン処理部１８及び複数のＡ／Ｄ変換器１９を有している。

第１の検出器１２は、第１の受光プローブ８ａに１：１で対応しており、第１の受光プローブ８ａで受光された検出光の強度に応じた電気信号を発生する。第２の検出器１３は、第２の受光プローブ８ｂに１：１で対応しており、第２の受光プローブ８ｂで受光された検出光の強度に応じた電気信号を発生する。

第１のフィルタ１４は、第１の検出器１２から出力された信号のうち、第１の光源部５ａで設定された第１の周波数帯域の信号を選択的に通す。第２のフィルタ１５は、第２の検出器１３から出力された信号のうち、第２の光源部５ｂで設定された第２の周波数帯域の信号を選択的に通す。アンプ１６は、対応するフィルタ１４，１５を通過した信号を増幅する。

第１のロックイン処理部１７は、第１のフィルタ１４を通過しアンプ１６で増幅された信号に対して、対応する光源素子（第１の光源部５ａの光源素子のうちの１つ）の変調周波数を参照周波数としてロックイン処理を行う。第２のロックイン処理部１８は、第２のフィルタ１５を通過しアンプ１６で増幅された信号に対して、対応する光源素子（第２の光源部５ｂの光源素子のうちの１つ）の変調周波数を参照周波数としてロックイン処理を行う。第１及び第２のロックイン処理部１７，１８としては、例えばロックインアンプが用いられている。

第１及び第２のロックイン処理部１７，１８から出力された信号は、Ａ／Ｄ変換器１９でデジタル信号に変換され、コンピュータ１１に入力される。

図４の第１の受光プローブ８ａ_１は、３つの第１の照射プローブ７ａに対応しているため、図７では、第１の検出器１２からの信号が３つに分岐され、３つの第１のロックイン処理部１７に入力されている。同様に、図４の第２の受光プローブ８ｂ_１は、３つの第２の照射プローブ７ｂに対応しているため、図７では、第２の検出器１３からの信号が３つに分岐され、３つの第２のロックイン処理部１８に入力されている。

次に、動作について説明する。図８は図１の被検体１における計測時の光の進行状態を模式的に示す説明図である。第１の照射プローブ７ａから照射された照射光は、頭皮２０及び頭蓋骨２１を透過して大脳皮質２２に達する。大脳皮質２２まで達した光は、約３０ｍｍ離れて配置された第１の受光プローブ８ａで受光される。

同様に、第２の照射プローブ７ｂから照射された照射光は、頭皮２０及び頭蓋骨２１を透過して大脳皮質２２に達する。大脳皮質２２まで達した光は、約３０ｍｍ離れて配置された第２の受光プローブ８ｂで受光される。

このとき、例えば図８のように、第２の照射プローブ７ｂと第２の受光プローブ８ｂとの間に第１の受光プローブ８ａが配置されている場合、第１の受光プローブ８ａには、第１の照射プローブ７ａからの光だけではなく、より近くに配置された第２の照射プローブ７ｂからの光も検出光として入射される。しかも、１５ｍｍ程度の距離から照射されて戻ってくる光は、大脳皮質を通過していないばかりか、大脳皮質まで達して戻る光に比べて１０００倍程度の強度を有していると考えられる。

これに対して、この実施の形態１の生体光計測装置では、第１の受光プローブ８ａに対応する第１の検出器１２からの出力信号を第１のフィルタ１４に通し、第２の照射プローブ７ｂからの光を効果的に除去している。同様に、第２の受光プローブ８ｂに対応する第２の検出器１３からの出力信号を第２のフィルタ１５に通し、第１の照射プローブ７ａからの光を効果的に除去している。

このような生体光計測装置では、第１の周波数帯域内の変調周波数で強度変調された照射光を発生する第１の光源部５ａと、第２の周波数帯域内の変調周波数で強度変調された照射光を発生する第２の光源部５ｂとを光源装置５に設けるとともに、信号処理部１０には第１の周波数帯域の信号を選択的に通す第１のフィルタと、第２の周波数帯域の信号を選択的に通す第２のフィルタとを設けたので、計測に不要な信号をより確実に除去することができるとともに、光源のＯＮ／ＯＦＦを不要とすることができ、時間分解能を損なうことなく、高密度な計測を実現できる。

実施の形態２．
次に、図９はこの発明の実施の形態２による生体光計測装置の信号処理部の要部を示すブロック図であり、一例として図４の第１の受光プローブ８ａ_１及び第２の受光プローブ８ｂ_１で受光された検出光の処理部を示している。実施の形態１と異なる点は、第１の検出器１２からの出力信号を第１のフィルタ１４だけでなく第２のフィルタ１５にも入力し、さらに第２のロックイン処理部１８によりロックイン処理する点と、第２の検出器１３からの出力信号を第２のフィルタ１５だけでなく第１のフィルタ１４にも入力し、さらに第１のロックイン処理部１７によりロックイン処理する点とである。

即ち、実施の形態２では、実施の形態１においてノイズとして単に除去していた検出光の強度を積極的に検出している。例えば、図８の第２の照射プローブ７ｂから出射され第１の受光プローブ８ａに入射された光の強度を検出することができる。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このように、対応する照射プローブ７ａ，７ｂよりも近くに配置された照射プローブ７ａ，７ｂからの光の強度を検出することにより、頭皮の血流量など、被検体１の表面から浅い位置における情報を得ることができる。また、対応する照射プローブ７ａ，７ｂよりも近くに配置された照射プローブ７ａ，７ｂからの光の強度情報を用いて、計測データの補正を行い、計測精度を向上させることもできる。

なお、上記の例では、検出器１２，１３からの出力信号を対応する計測点数に応じて分岐しているが、フィルタ１４，１５の下流、又はアンプ１６の下流で分岐することも可能である。
また、アンプ１６による増幅処理の順序やＡ／Ｄ変換器１９による変換処理の順序も上記の例に限定されない。例えば検出器１２，１３からの出力信号を先にデジタル変換し、以降の処理をデジタル演算処理とすることもできる。デジタル信号に対してロックイン処理を行う場合、ロックイン処理部１７，１８としてはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やコンピュータが用いられる。

さらに、上記の例では２つの区分周波数を用いたが区分周波数は１つでもよい。
さらにまた、上記の例では、２つの周波数帯域に対応するように光源部、フィルタ及びロックイン処理部を設定したが、３つ以上の周波数帯域に対応するように設定してもよい。即ち、第３の周波数帯域に対応した第３の光源部、第３のフィルタ及び第３のロックイン処理部を用いてもよい。

この発明の実施の形態１による生体光計測装置を示す構成図である。 図１の要部を示す構成図である。 図２の第１及び第２の光源部の周波数特性を示すグラフである。 図１のホルダに対する照射プローブ及び受光プローブの配置状態の一例を示す平面図である。 図４の第１の照射プローブ及び第１の受光プローブの組み合わせによる計測点を示す説明図である。 図４の第２の照射プローブ及び第２の受光プローブの組み合わせによる計測点を示す説明図である。 図１の信号処理部を示すブロック図である。 図１の被検体における計測時の光の進行状態を模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態２による生体光計測装置の信号処理部の要部を示すブロック図である。

符号の説明

１ 被検体、５ａ 第１の光源部、５ｂ 第２の光源部、７ａ 第１の照射プローブ、８ａ 第１の受光プローブ、７ｂ 第２の照射プローブ、８ｂ 第２の受光プローブ、１０ 信号処理部、１２ 第１の検出器、１３ 第２の検出器、１４ 第１のフィルタ、１５ 第２のフィルタ、１７ 第１のロックイン処理部、１８ 第２のロックイン処理部。

Claims (1)

1. 第１の周波数帯域内の変調周波数で強度変調された照射光を発生する第１の光源部、
   上記第１の周波数帯域とは異なる第２の周波数帯域内の変調周波数で強度変調された照射光を発生する第２の光源部、
   上記第１の光源部で発生された照射光を被検体に照射するための第１の照射プローブ、
   上記第１の照射プローブに対して所定の間隔をおいて配置され、上記被検体から戻る検出光を受光する第１の受光プローブ、
   上記第２の光源部で発生された照射光を上記被検体に照射する第２の照射プローブ、
   上記第２の照射プローブに対して所定の間隔をおいて配置され、上記被検体から戻る検出光を受光する第２の受光プローブ、及び
   上記第１の受光プローブにおける検出光の強度に応じた信号を発生する第１の検出器と、上記第２の受光プローブにおける検出光の強度に応じた信号を発生する第２の検出器と、上記第１の検出器からの信号のうち上記第１の周波数帯域の信号を選択的に通す第１のフィルタと、上記第２の検出器からの信号のうち上記第２の周波数帯域の信号を選択的に通す第２のフィルタと、上記第１のフィルタを通過した信号に対して上記第１の光源部での変調周波数を参照周波数としてロックイン処理を行う第１のロックイン処理部と、上記第２のフィルタを通過した信号に対して上記第２の光源部での変調周波数を参照周波数としてロックイン処理を行う第２のロックイン処理部とを有する信号処理部を備えた生体光計測装置であって、
   上記第１の周波数帯域は、第１の区分周波数以下の周波数帯域であり、第２の周波数帯域は、上記第１の区分周波数よりも高い第２の区分周波数以上の周波数帯域であることを特徴とする生体光計測装置。

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