JP5290596B2

JP5290596B2 - 生体光計測装置

Info

Publication number: JP5290596B2
Application number: JP2008050116A
Authority: JP
Inventors: 文男川口
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: JP2009201937A

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、第１及び第２の半導体レーザにより互いに異なる波長の光が発生される。第１の半導体レーザを駆動する第１のレーザドライバには、第１の擬似雑音系列発生器から第１の擬似雑音系列信号が供給される。第２の半導体レーザを駆動する第２のレーザドライバには、第２の擬似雑音系列発生器から第２の擬似雑音系列信号が供給される。これにより、第１及び第２のレーザドライバが出力する光強度振幅は、スペクトラム拡散方式でデジタル変調（ＡＳＫ）される（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６２３７４３号公報

しかし、空間分解能を高めるため、照射プローブ及び検出プローブの配置密度を高めた高精細タイプの生体光計測装置では、スペクトラム拡散方式でレーザ光を変調させても、照射プローブと検出プローブとの間に配置された別の組の照射プローブからの強い光が検出プローブに入射されるため、本来の照射プローブからの計測信号の検出精度が劣化する。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光源（半導体レーザ）がオフからオンに切り替わる際に発生する信号の揺らぎを取り除くことができる生体光計測装置を得ることを目的とする。

この発明に係る生体光計測装置は、第１の光源と第２の光源を含む複数の光源部と、スペクトラム拡散方式の擬似雑音信号を用いて変調駆動された第１の光源の光と変調駆動された第２の光源の光をそれぞれ出力させると共に、１周期分の擬似雑音信号の前に少なくとも１ビットのダミー信号を付加する変調制御部と、上記変調駆動された第１の光源の出力光と上記変調駆動された第２の光源の出力光を被検体に照射する複数の照射プローブと、上記照射プローブに対して所定の間隔をおいて配置された上記被検体から戻る光を計測データとして検出する複数の検出プローブと、上記ダミー信号を除いた擬似雑音信号と上記計測データを乗算処理した数値を求め、上記第１の光源の変調駆動の期間に上記数値を加算平均すると共に、及び上記第２の光源の変調駆動の期間に上記数値を加算平均する復調演算部と、を備えている。

この発明の生体光計測装置は、光源（半導体レーザ）がオフからオンに切り替わる際に発生する信号の揺らぎを取り除くことができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による生体光計測装置を示すブロック図である。図において、光源部１は、光源である複数（図では１つのみ示す）の半導体レーザ２と、半導体レーザ２をそれぞれ駆動するレーザ駆動回路３とを有している。各半導体レーザ２は、計測対象となる生体物質に応じて、可視から赤外の波長領域中の複数の波長、例えば７８０ｎｍの光を放射する。

レーザ駆動回路３は、半導体レーザ２に対して直流バイアス電流を印加するとともに、半導体レーザ２から放射される光に擬似雑音信号でコード化された強度変調を与える。この例では、変調方法として、スペクトラム拡散（ＳＳ）方式によるデジタル変調（ＡＳＫ）が用いられる。レーザ駆動回路３には、発振器４により基本周波数（チップ周波数）ｆ０の擬似雑音信号が印加される。発振器４は、例えばＦＰＧＡで構成された変調制御部９により制御される。

光源部１で発生された光は、被検体５の頭部に照射される。被検体５を透過した光は、光電変換部である検出器６で検出される。検出器６で検出された光は、皮膚及び頭蓋骨を通過しており、大脳の血流の情報を含んでいる。即ち、検出器６での検出光量は、計測点の生体物質濃度、例えばヘモグロビン濃度に応じて変化する。従って、検出光量の変化から、被検体５の光学特性として生体物質濃度の相対変化を計測することができる。

検出器６からの検出信号は、データ処理部７に入力される。データ処理部７は、発振器４からの擬似雑音信号を参照信号として計測点毎の検出信号の抽出を行う。データ処理部７から出力された信号は、コンピュータ８に入力される。コンピュータ８は、検出信号から検出光量を計測し、その計測結果から各計測点における血液中のヘモグロビン濃度等の変化量を計測し、計測結果に関する情報をモニタに表示する。コンピュータ８としては、例えば汎用のパーソナルコンピュータを用いることができる。

被検体５には、光源部１からの光を被検体５に照射するとともに被検体５から戻る光を検出するためのプローブ装置（図示せず）が装着される。プローブ装置は、被検体５の頭部に装着されるホルダと、ホルダに装着された複数のプローブとを有している。

図２は図１の生体光計測装置におけるプローブの配置状態を示す説明図である。プローブは、複数の第１組（Ａ面）の照射プローブ１１ａ（図２では斜線付きの四角で示す）と、複数の第１組の検出プローブ１１ｂ（図２では斜線無しの四角で示す）と、複数の第２組（Ｂ面）の照射プローブ１２ａ（図２では斜線付きの円で示す）と、複数の第２組の検出プローブ１２ｂ（図２では斜線無しの円で示す）とを含んでいる。

即ち、図２では、第１組のプローブ１１ａ，１１ｂを四角で示し、第２組のプローブ１２ａ，１２ｂを円で示している。また、図２では、照射プローブ１１ａ，１２ａに斜線を付し、検出プローブ１１ｂ，１２ｂを斜線無しで示している。照射プローブ１１ａ，１２ａは、光源部１からの光を被検体５に照射する。検出プローブ１１ｂ，１２ｂは、被検体５を透過した光を受光する。検出プローブ１１ｂ，１２ｂで受光された光は、それぞれ検出器６に送られる。

第１組のプローブ１１ａ，１１ｂは、マトリクス状に配置されている。また、第１組の照射プローブ１１ａ及び検出プローブ１１ｂは、交互に配置されている。第２組のプローブ１２ａ，１２ｂも、マトリクス状に配置されている。また、第２組の照射プローブ１２ａ及び検出プローブ１２ｂも、交互に配置されている。さらに、第２組のプローブ１２ａ，１２ｂは、第１組のプローブ１１ａ，１１ｂ間に配置されている。各組において、照射プローブ１１ａ，１２ａと検出プローブ１１ｂ，１２ｂとの間のピッチは、３０ｍｍである。

図３は図１の生体光計測装置における計測点の分布を示す説明図である。図３では、計測点を四角で示している。照射プローブ１１ａ，１２ａから照射された光の一部は、計測点で大脳皮質を透過し検出プローブ１１ｂ，１２ｂに入射する。従って、計測点は、図２における照射プローブ１１ａと検出プローブ１１ｂとの間、及び照射プローブ１２ａと検出プローブ１２ｂとの間に位置している。この例における計測点は、４５箇所（４５チャンネル）であり、互いに隣接する計測点のピッチは１５ｍｍである。

光源部１には、第１組の照射プローブ１１ａに対応する複数（この例では８個）の第１組の半導体レーザ２と、第２組の照射プローブ１２ａに対応する複数（この例では６個）の第２組の半導体レーザ２とが設けられている。照射プローブ１１ａ，１２ａ及び検出プローブ１１ｂ，１２ｂが図２のように高精細で配置されている場合、第１組の半導体レーザ２と第２組の半導体レーザ２とで光の照射タイミングがずらされる。即ち、第１組の半導体レーザ２と、第２組の半導体レーザ２とは、交互にオン・オフされる。

一方、検出器６には、第１組の検出プローブ１１ｂに対応する複数（この例では８個）の第１組の検出部と、第２組の検出プローブ１２ｂに対応する複数（この例では６個）の第２組の検出部と、検出部による検出動作をそれぞれオン・オフする複数のアナログスイッチとが設けられている。各検出部としては、例えばフォトダイオードが用いられている。また、第１組の検出部と、第２組の検出部とは、対応する半導体レーザ２のオン・オフに同期して、交互にオン・オフされる。

図４は図１のデータ処理部７を示すブロック図である。データ処理部７は、増幅器１３、ＡＤ変換器１４及び復調演算部１５を有している。

検出器６で電流に変換された光強度信号は、それぞれ増幅器１３で電圧変換される。増幅器１３から出力された光強度信号は、それぞれＡＤ変換器１４でデジタル信号に変換され、復調演算部１５に入力される。

ここで、ＡＤ変換器１４の変換サイクルは、光源部１の擬似雑音信号の基本周波数に比べて十分に大きい１００ｋＨｚとする。これにより、デジタル信号のサンプルナイキスト周波数は５０ｋＨｚとなり、変調信号１０ｋＨｚを十分な精度でサンプルすることができる。

復調演算部１５は、例えばＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）により構成され、光源変調に用いた擬似雑音信号を参照信号として、参照信号と同期した信号の抽出、即ち計測点毎の信号の抽出を行う。

ここで、スペクトラム拡散方式について説明する。スペクトラム拡散方式は、擬似雑音信号を用いた通信方式であり、例えば音声信号などの通信信号の変調方式として利用されている。スペクトラム拡散方式を用いることにより、１つの受信機で多数の発信機からの信号を同時に受信し、それぞれの発信機からの信号として復調することができる。

また、擬似雑音信号は、０と１とで構成され、有限の長さを持つ信号列のセットである。このようなセットのうち、特定のセットの中では、相互に異なるコード間での特異的なクロストークやビート信号の発生を防止することができる。また、狭い周波数帯域の中で多数の分離可能な信号を発生することができる。

さらに、スペクトラム拡散方式には、直接拡散方式及びホッピング方式などがある。直接拡散方式は、所定の帯域幅を持った擬似乱数系列を信号データに乗算して、データ列自身の周波数帯域を広げ、それを変調して送信する方法である。また、ホッピング方式は、１チャンネル当たりの使用周波数帯域幅は比較的狭いながらも、非常に短い時間間隔（０．１秒程度）でチャンネルを変えながらデータを送信する方法である。

この実施の形態では、計測に適した直接拡散方式を用いた例を示すが、これにホッピング方式を加えて外部雑音光の影響をさらに小さくすることもできる。

擬似雑音信号の系列には、複数の系列があるが、それらのうちアダマール系列は、系列内の総和が０（０，−１のデジタル値を用いた場合）となり、計測変調方式に適しているとともに、作成が容易である。また、通信に多く利用されているＭ系列も適用可能である。

レーザの変調波形としては、矩形波によるデジタル変調波形が好ましいが、他の波形、例えば台形波を用いることもできる。

各検出プローブ１１ｂ，１２ｂには、複数の照射プローブ１１ａ，１２ａからの信号が同時に入力するため、各検出プローブ１１ｂ，１２ｂに入力した信号を照射プローブ１１ａ，１２ａに応じて分離する必要がある。このため、この実施の形態では、アダマール系列の擬似雑音信号を用いる。

また、変調制御部９は、第１組の半導体レーザ２と、第２組の半導体レーザ２とを交互にオン・オフするため、第１組の半導体レーザ２を駆動するための擬似雑音信号と、第２組の半導体レーザ２を駆動するための擬似雑音信号とを交互にオン・オフする。さらに、検出器６は、変調制御部９からの信号を参照して、第１組の検出部と第２組の検出部とを交互にオン・オフする。

図５は図４の復調演算部１５を示すブロック図である。復調演算部１５は、掛け算部１６と加算演算部１７とを有している。掛け算部１６は、変調に用いたアダマール系列の擬似雑音系列の１，０に対応した１，−１の参照信号列と計測データとで掛け算処理を行う。加算演算部１７は、掛け算部１６で求めた各サンプル点の掛け算後の数値について、オン期間のうちの擬似雑音信号の周期全体にわたる加算平均を求める。

これにより、所望の照射プローブ１１ａ，１２ａからの信号を選択的に抽出し、かつ他の擬似雑音信号や外来光によるランダムな変動を除去することができる。

さらに、この実施の形態では、図６に示すように、擬似雑音信号の１周期の倍数の周期で半導体レーザ２をオン・オフする。即ち、半導体レーザ２がオンの期間では、擬似雑音信号によりコード化されたパルス状にレーザ光が発生される。また、半導体レーザ２がオフの期間では、０のみを並べた信号列が発振器４からレーザ駆動回路３に供給される。

但し、この実施の形態では、１周期分の擬似雑音信号の前に１パルス以上（少なくとも１ビット）のダミー信号（ダミーパルス）が付加される。そして、復調時には、ダミー信号を除いた擬似雑音信号の１周期分を上記の方法で計算し復調する。これにより、オフからオンに切り替わる際に発生する信号の揺らぎを取り除くことができる。

即ち、２５ｍｓのオフ期間を経過した後にオンへ移行する際、レーザ光には、急激な温度変化のためにオーバーシュートが生じる。これに対して、ダミー信号を付加することにより、安定した信号を計測することができる。

このとき、付加するダミー信号は、スペクトラム拡散変調のチップ幅のパルス信号を用いれば、回路構成を簡単にすることができる。また、オーバーシュートの発生が想定される時間幅に応じて、追加するダミー信号のパルス数を制御することで、レーザの特性に容易に対応することが可能となる。

このような生体光計測装置では、第１組の半導体レーザ２を駆動するための擬似雑音信号と第２組の半導体レーザ２を駆動するための擬似雑音信号とを交互にオン・オフするので、他の組の半導体レーザ２からの光の影響を除去することができ、スペクトラム拡散方式の変調を用いつつ、チャンネル数を増加させても高い検出精度を保つことができる。
また、第１組の半導体レーザ２用の疑似雑音信号と第２組の半導体レーザ２用の疑似雑音信号とを重複させることもでき、この場合、変調制御部９の構成を容易にすることができる。

さらに、１周期分の擬似雑音信号の前に少なくとも１ビットのダミー信号を付加するので、オフからオンに切り替わる際に発生する信号の揺らぎを取り除くことができ、スペクトラム拡散方式の変調を用いつつ、チャンネル数を増加させても高い検出精度を保つことができる。

ここで、信号分離方式としてロックイン方式を用いた場合、ある半導体レーザ２の変調周波数が１０ｋＨｚとして、干渉を避けるために信号のオン・オフを２０ｍ秒毎、つまり２５Ｈｚ実施した場合、１０ｋＨｚで変調を受けたものが２５Ｈｚでさらに変調されることになる。このため、計測信号は、例えば計測信号の変調周波数１０ｋＨｚに加えて、１００２５Ｈｚ、１００５０Ｈｚ、・・・の２５Ｈｚ間隔のサイドバンド信号成分を持つことになる。

従って、ロックイン方式では、掛け算処理部の後に２００５０Ｈｚの高周波成分と２５Ｈｚの低周波成分とが生成されることになる。この結果、低域濾過フィルタにおける信号の周波数位置は図７のようになり、本来の中心周波数からずれた信号が発生するため、狭帯域の低周波フィルタで全ての信号を捉えることは不可能であり、計測信号の精度が劣化することとなる。

この場合、低周波フィルタを２５Ｈｚシフトした位置に十分に狭い帯域幅で作成追加すればＳＮ比を改善できるが、これは困難であり、ロックイン方式の効果である高いノイズ除去効果を得ることができない。

また、この実施の形態のように、照射プローブ１１ａ，１２ａ及び検出プローブ１１ｂ，１２ｂが高精細で配置されている場合、変調をオン・オフすると、サイドバンドは２５Ｈｚで繰り返し発生することになる。さらに、多数の半導体レーザ２からの信号を同時に検出した場合、変調周波数をずらしても、他の組の半導体レーザ２からの信号のサイドバンドが本来の計測信号に混入する可能性が高くなる。

これに対して、例えばオン・オフの変調波形を使用せず、理想的な正弦波で高密度変調を行えば、サイドバンドは基本周波数の近傍の２個のみになるため、信号の混入は防げる。しかし、レーザは非線形性を有しているため、光源波形を正弦波に合成することは困難である。また、相互干渉を十分に低減することはできない。

このため、生体光計測装置のように複数波長や複数の半導体レーザ２を同時に発光させて効率良く計測を行う必要がある装置では、信号分離のための変調周波数の選択が困難になるという問題がある。この実施の形態では、擬似雑音信号を用いたスペクトラム拡散方式を用いたので、このような問題を解決することができる。

なお、例えば第１組及び第２組のいずれか一方のみの計測点の計測を行う場合など、半導体レーザ２を周期的にオン・オフしない場合には、例えば１００ｋＨｚ程度の適当な間隔の周波数で変調し、ロックイン回路で復調すれば、ＳＮ比を向上させることができる。即ち、スペクトラム拡散方式及びロックイン方式の両方の機能を持たせ、いずれか一方の方式を選択可能な装置構成としてもよい。

また、上記の例では、１周期分の擬似雑音信号の前にダミー信号を付加したが、疑似雑音信号の先頭部分にダミーパルスを含ませ、復調演算でダミーパルス部分をキャンセル（無効化）するようにしてもよい。
さらに、上記の例では、計測点を第１組及び第２組の２組に分けたが、３組以上に分けてもよい。

この発明の実施の形態１による生体光計測装置を示すブロック図である。図１の生体光計測装置におけるプローブの配置状態を示す説明図である。図１の生体光計測装置における計測点の分布を示す説明図である。図１のデータ処理部を示すブロック図である。図４の復調演算部を示すブロック図である。図１の発信器からレーザ駆動回路に供給される信号の一例を示す説明図である。ロックイン方式における信号の周波数分布を示す説明図である。

符号の説明

１光源部、２半導体レーザ（光源）、６検出器、７データ処理部、９変調制御部、１１ａ第１組の照射プローブ、１１ｂ第１組の検出プローブ、１２ａ第２組の照射プローブ、１２ｂ第２組の検出プローブ。

Claims

第１の光源と第２の光源を含む複数の光源部と、
スペクトラム拡散方式の擬似雑音信号を用いて変調駆動された第１の光源の光と変調駆動された第２の光源の光をそれぞれ出力させると共に、１周期分の擬似雑音信号の前に少なくとも１ビットのダミー信号を付加する変調制御部と、
上記変調駆動された第１の光源の出力光と上記変調駆動された第２の光源の出力光を被検体に照射する複数の照射プローブと、
上記照射プローブに対して所定の間隔をおいて配置された上記被検体から戻る光を計測データとして検出する複数の検出プローブと、
上記ダミー信号を除いた擬似雑音信号と上記計測データを乗算処理した数値を求め、上記第１の光源の変調駆動の期間に上記数値を加算平均すると共に、及び上記第２の光源の変調駆動の期間に上記数値を加算平均する復調演算部と、を備えたことを特徴とする生体光計測装置。
上記変調制御部は、前記第１の光源又は前記第２の光源のオン・オフによるオーバーシュートの発生が想定される時間幅に応じて、追加するダミー信号のパルス数を制御することを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。