JP5388616B2 - 生体光計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、近赤外光を生体に照射し、生体内部を通過或いは生体内部で反射した光を計測することにより、生体内部の血液循環、血行動態及びヘモグロビン量変化等を計測する生体光計測装置に関するものである。

臨床医学及び脳科学等の分野では、生体内部を簡便かつ生体に無害な方法で計測する装置が望まれている。このような要望に対し、生体光計測装置は、生体内部の血液循環、血行動態及びヘモグロビン量変化を、光計測により簡便に、被検体に対し低拘束、かつ、無侵襲で計測できる装置であり、臨床への応用が期待されている。

また、頭部の広い領域の生体信号を得ることは、脳科学の分野で非常に大きな意味を持つ。生体光計測装置を使用して頭部の広い領域の生体信号を得るためには、多くのチャンネルが必要となる。従来、チャンネルごとに異なる周波数で変調をかけた光を照射し、受光した光信号からロックインアンプにより各チャンネルの信号を検出する方法が採用されている。しかしながら、クロストークを抑えるためには高精度のロックインアンプが必要となり、装置の規模が大きくなるという問題がある（例えば特許文献1参照）。

この問題を解決するために、Ｗａｌｓｈ符号あるいは擬似雑音符号（ＰＮ符号）を使用したスペクトル拡散変調方式が採用されている（例えば特許文献２、３参照）。この方式は、チャンネルごとに異なる符号パターンにより変調をかけた光を照射し、生体内部を通過した受光信号を相関演算により復号化する。これにより、照射位置ごとの光を分離して検出する。

また、従来の周波数変調型の生体光計測装置では、複数の変調信号が混ざった状態の光信号を受信器で受信後、ＡＤ変換器へ入力する際、ＡＤ変換器でのビット間誤差を最小限に抑えるために、特許文献４のように入力電圧を一定時間モニタし、最大となる電圧値を受信器ごとに検出し、可変ゲインで一定電圧に調整している。

特開２０００−２３７１９４号公報 特開２００２−２４８１０４号公報 特開２００４−３３３３４４号公報 特開２０００−２３７１９４号公報

従来の特許文献４のように、受信信号の最大電圧値を検出して、最大電圧地に応じて可変ゲインを設定する構成の場合、複数信号の重ね合わせにより信号のピーク位置が変化するため、長めの時間計測して最大電圧を検出する必要がある。計測チャンネルが増加し、重ね合わせられる光信号の数が増加するのに伴い、ピーク位置の変化量も大きくなるため、最大電圧の検出時間を長めに設定する必要が生じ、オペレータ及び被検体の負担が大きくなる。

本発明の目的は、上記の課題を解決するためになされたものであり、受信信号における最大電圧値検出時間を、従来よりも短くすることで、オペレータ及び被検体の負担の軽減を図ることにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば以下のような生体光計測装置が提供される。すなわち、複数の光信号をそれぞれ異なる符号パターンにより強度変調をかけ、被検体に照射する光照射部と、被検体を通過した光信号を電気信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の出力信号を増幅する増幅部と、増幅された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器の出力信号を復号化し、符号パターンにそれぞれ対応する複数の光信号を分離する復号化部と、復号化した光信号を演算処理する信号処理部とを有する生体光計測装置であって、光照射部は、複数の符号パターンとして、符号長が一定のものを用いる。増幅部は、光電変換素子の出力信号を、符号パターンの符号長に対応する一周期分検出することにより、一周期における信号レベルを求め、求めた信号レベルを所定の電圧値まで増幅する。一定の符号長の符号パターンを用いているため、符号長に対応する一周期分検出することにより、その中に最大値が必ず含まれる。よって、短時間で信号レベルを検出できる。

一周期は、符号長に信号の伝送速度を掛けた時間とする。

増幅部の検出する前記信号レベルは、例えば最大電圧値とする。

また、本発明の別の態様によれば、以下のような生体光計測装置が提供される。複数の光信号をそれぞれ異なる符号パターンにより強度変調をかけ、被検体に照射する光照射部と、被検体を通過した光信号を電気信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の出力信号を増幅する増幅部と、増幅された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器の出力信号を復号化し、符号パターンにそれぞれ対応する光信号を分離する復号化部と、復号化した光信号を演算処理する信号処理部とを有する生体光計測装置であって、光照射部は、複数の符号パターンとして符号長が異なるものを用いる。増幅部は、光電変換素子の出力信号を、符号パターンの符号長のうち最長の符号長に対応する一周期分検出することにより一周期における信号レベルを求め、求めた信号レベルを所定の電圧値まで増幅する。異なる符号長の符号パターンを用いる場合であっても、最長の符号長に対応する一周期分検出することにより信号レベルを検出できる。

複数の符号パターンのうち最長の符号長は、それよりも短い符号長の整数倍であることが望ましい。

本発明によれば、同期させた一定周期の異なる符号パターンで送信光を変調し、受信信号の信号レベルを検出する時間を符号パターンの１周期分とすることにより、最大値を検出することができる。よって、大幅な時間短縮が可能となり、オペレータ及び被検体の負担の軽減することができる。

本実施形態の生体光計測装置の全体構成を説明するためのブロック図。 図１の生体光計測装置の一部の詳細構成を示すブロック図。 図２の光電変換素子１０の電圧検出部２６が検出する電圧波形と増幅後の波形を示す説明図。 比較例の異なる周波数で変調した信号波形を示す説明図。 本実施形態の異なる符号パターンによりスペクトル拡散した信号波形を示す説明図。

本発明の一実施形態の生体光計測装置について説明する。

生体光計測装置は、近赤外光を生体に照射し、生体内部を通過或いは生体内部で反射した光(以下、単に通過光という)を生体の表面近傍からを検出し、生体内部の血液循環、血行動態及びヘモグロビン量変化等を計測する装置である。

まず、生体光計測装置の概要について図１を用いて説明する。近赤外光を照射する光照射部１と、通過光を計測し、電気信号に変換する光計測部２と、光照射部１及び光計測部２の駆動を制御する制御部３とを備えている。

光照射部１は、複数の信号をそれぞれに割り当てられた符号パターンを用いてスペクトル拡散するための変調回路を搭載したスペクトル拡散変調部４と、スペクトル拡散変調部４で生成されたスペクトル拡散信号を光信号に変換して出射する半導体レーザ５を備えている。半導体レーザ５の出力光は、光ファイバ６を伝搬し、その出射端から被検体７の所定の計測部位、例えば頭部の複数箇所に向けて照射される。

なお、光ファイバ６の出射端は、被検体７に取り付けられたプローブホルダ８に固定され、これにより所定の複数の照射位置に配置され、所定の計測部位へ向けて光信号をそれぞれ照射する。また、プローブホルダ８には、１以上の検出用光ファイバ９の入射端が固定されている。被検体７の計測領域を通過した光は検出用光ファイバ９に入射し、これを伝搬する。

なお、半導体レーザ５の光の波長は、生体内の注目物質の吸収波長に応じて選択する。たとえば、ヘモグロビン（Ｈｂ）と酸素化ヘモグロビンＨｂＯ_２ の濃度を計測することにより、被検体の血液の酸素飽和度や血液量を計測する場合には６００ｎｍ〜１４００ｎｍの波長範囲から１あるいは複数波長選択して用いる。また、半導体レーザ５の代わりに発光ダイオードを用いてもよい。

光計測部２は、検出用光ファイバ９を伝搬した光信号を光量に対応する電気信号に変換するフォトダイオード等の光電変換素子１０と、光電変換素子１０からの電気信号を一定レベルの電圧値に増幅するアナログゲイン部１１と、アナログゲイン部１１で増幅された出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器１２とを備えている。

光計測部２のＡＤ変換器１２の出力は、復調部１３へ入力される。この復調部は、スペクトル拡散時に用いた符号パターンを用いて、ＡＤ変換器１２の出力信号に相関処理を施し、それぞれの符号パターンに対応する受信信号を取り出す復号化処理を行う。この受信信号は、各光信号が通過した部位（計測部位）の生体情報（例えば、ヘモグロビン変化情報等）を含んでいる。

制御部３は、信号処理部１４を制御し、復調部１３から出力された信号を演算処理させ、生体情報、例えば酸素化ヘモグロビン濃度変化、脱酸素化ヘモグロビン濃度変化、全ヘモグロビン濃度変化などをチャンネル（計測部位）毎に算出する。さらに、信号処理部１４では、算出した生体情報を示すグラフやそれを被検体の二次元画像上にプロットした画像を作成し、表示部１５に表示させる。制御部３に接続されている記憶部１６には、信号処理部１４の処理に必要なデータや処理結果が格納される。また、制御部３には、装置の動作に必要な種々の指令を入力するための入出力部１７が備えられている。

図２を用いて装置の各部の具体的な構成と動作についてさらに説明する。

図２は、図１の光照射部１、光計測部２および復調部１３を詳細に記載したものである。図２のスペクトル拡散変調部４では、所定の符号長の符号パターンを複数種類生成する。所定の符号長の符号パターンとしては、ここでは擬似乱数符号（ＰＮ符号：Pseudorandom Noise符号)の一種であるアダマール符号を用いる。符号長は、一例として１２８ｂｉｔとする。信号の伝送速度を１０．２４ｋｂｉｔ／ｓｅｃとした場合、送信される信号は、符号長／伝送速度＝１２８／１０．２４×１０^３＝１２．５ｍｓｅｃの周期で繰り返される。

図２では、半導体レーザ５を８個用いるため、スペクトル拡散変調部４は、８種類の符号パターンを生成し、この符号に対応して強度変調された上記伝送速度のアナログ信号を生成する。これを８個の半導体レーザ５に駆動信号として入力する。これにより、８個の半導体レーザ５には、それぞれスペクトル拡散変調部で生成された異なる符号パターンに対応して強度変調された光信号を出射する。

本実施形態では酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの２種類を注目物質とするため、これらの吸収波長に対応する２種類の波長、例えば６９５ｎｍ及び８３０ｎｍの光信号を計測部位に同時に照射する。８個の半導体レーザ５のうち４個の半導体レーザ５１，５３，５５，５７は発光波長６９５ｎｍ、残りの４個の半導体レーザ５２，５４，５６，５８は発光波長８３０ｎｍとする。６９５ｎｍの光信号と８３０ｎｍの光信号を一組として４本のファイバ６１，６２、６３、６４に入射することにより、２つの光信号を重畳して被検体７まで伝搬して所定の計測部位へ向けてそれぞれ照射する。よって、被検体の４か所の計測部位（チャンネル）へ向けて、４本の光ファイバ６からそれぞれ２つの光信号が照射されるため、合計８個の光信号が被検体７に照射されることになる。

なお、符号パターンはアマダール符号に限られるものではなく、Ｍ系列やＧｏｌｄ符号などの他種の符号を用いることも可能である。また、擬似乱数符号だけでなく、Ｗａｌｓｈ符号を用いることも可能である。符号長も任意に設定できる。レーザ部の半導体レーザの個数については８個に限定されるものではなく、任意に増減が可能である。

被検体へ照射された８個の光信号は、重畳された状態で光電変換素子１０により検出され、電圧信号に変換される。図２では、光電変換素子は１個の場合を図示しているが、これに限定されるものではなく、検出用光ファイバ９を複数本用い、その入射端を複数箇所に配置することも可能である。これにより、さらに広い面積もしくは多チャンネルの計測が可能となる。

光電変換素子１０としてはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を使用することが望ましいが、フォトダイオードや光電子増倍管（フォトマル）を使用した場合でも同様の結果が得られる。

光電変換素子１０から出力された電圧信号はアナログゲイン部１１へ入力される。このアナログゲイン部１１は、信号の最大値を検出する電圧検出部２６と、信号電圧を増幅するアンプ２７とを含む。電圧検出部２６で検出した信号の最大値に応じて、アンプ２７の増幅率を設定し、ＡＤ変換器１２へ入力する信号電圧の最大値を一定にする。これにより、計測部位（チャンネル）ごとの光信号の光強度レベルのばらつきに関わらず、ＡＤ変換器でのビット間誤差を最小限に抑えることが可能となる。

具体的には、図３に示すように、電圧検出部２６は、スペクトル拡散変調部で生成された符号パターンの１符号長(１２８ｂｉｔ)に対応する１周期分の電圧信号（ここでは１周期＝符号長／伝送速度＝１２．５ｍｓｅｃ）を読み込み、最大電圧値２９を検出する。

電圧検出部２６から出力される最大電圧値２９はアンプ２７に入力される。アンプ２７は、所定のプログラムにより最大電圧値２９に応じてゲインを変更し、入力された最大電圧値２９が所定値、例えば２Ｖとなるようにゲインを設定する。

その後、２Ｖに設定された信号はＡＤ変換器１２に入力され、所定のサンプリング周期でサンプリングされ、その信号強度により０または１と判断され、デジタル信号へと変換される。このとき、アナログゲインにより各チャンネルの信号の最大電圧値２９が所定値に揃えられているため、ＡＤ変換器１２は、ビット間誤差を最小限に抑え、精度よくデジタル信号へ変換することができる。

このように、本実施形態では、スペクトル拡散方式を用いることにより、符号長に対応する１周期の間、電圧値を検出することにより最大値を検出することができる。よって、検出時間は１２．５ｍｓｅｃとなり、従来の周波数変調を用いる比較例（検出時間１ｓｅｃ）と比較し、約１／８０に短縮可能となり、オペレータおよび被検体の負担を軽減できる。

これをさらに図４、図５を用いて具体的に説明する。図４および図５は横軸が時間、縦軸が電圧を示しており、いずれも２つの信号１，２の信号波形を示している。

図４は比較例の周波数変調を用いる生体光計測装置の変調信号である。図４から明らかなように信号１の変調波形１３０と、信号２の変調波形１３１は、周波数が異なっている。周波数により信号１と信号２を区別し、ロックインアンプを用いることにより信号１および信号２をそれぞれ取り出すことができる。なお、点線１３２は、ＡＤ変換器２８のサンプリング周期を示している。

図４の周波数変調方式の場合、信号１の波形１３０と信号２の波形１３１は、変調周波数が異なるため、受信でのサンプリング周期１３２のどのタイミングで最大電圧となるかを予想することは難しい。そこで、従来の方法では、１ｓｅｃ程度の長い時間、信号のサンプリングを行い最大電圧を求める方法が用いられている。

一方、図５は本実施形態のスペクトル拡散変調方式を採用した場合の変調信号である。信号１と信号２の符号パターンは異なるが、周期は符号長に対応しているため同期した１２８ｂｉｔに固定されている。信号周波数もサンプリング周期４２と同期している。このため、最大電圧値は1周期１２８ｂｉｔ分のデータ中に必ず発生する。そこで、本実施の形態では電圧検出部２６において１２８ｂｉｔ分のデータに対応する１周期（１２．５ｍｓｅｃ）を取り込むことにより、最大電圧値を求めることができる。よって、周波数変調方式の比較例と比べ、本実施形態の検出時間は約１／８０に短縮される。

ＡＤ変換器１２によりデジタル信号に変換された受信信号は、図２のように復調部１３により復号化される。復調部１３は、ＣＤＭＡ復号化部３０と、デジタルゲイン部３１とＲＡＭ３２とを備えている。ＣＤＭＡ復号化部３０は、スペクトル拡散変調部４が８個の半導体レーザ５の駆動のために生成した８種類の符号パターンを、ＡＤ変換器１２の出力信号とそれぞれ積算する。これにより、光学変換素子１０が受光した８つの光信号の混合信号から、当該符号パターンに対応する８つの光信号をそれぞれ分離して取り出すことができる（復号化）。復号化された光信号は、デジタルゲイン３１において、オペレータが設定する電圧値にそれぞれ増幅される。増幅後の信号データは、ＲＡＭ３２に格納される。

制御部３３は、ＲＡＭ３２に格納された８種類の信号データを読み出し、信号処理部１４に公知の演算処理を実行させることにより、酸素飽和度や血流量等の所望のデータを求め、演算結果を表示部１５に表示させる。また、必要に応じて、記憶部１６に演算結果を格納する制御をおこなう。

なお、ここでは電圧検出部２６において最大値を検出したが、必ずしも最大値である必要はなく、最小値や平均値等を検出し、それを所定の電圧値にするようにアンプ２７のゲインを設定することも可能である。この場合も、ＡＤ変換器１２においてビット間誤差を最小限に抑えるという効果が得られる。

上述の実施形態では、スペクトル拡散変調部が符号長一定の複数の符号パターンを生成する例について説明したが、必ずしも一定の符号パターンではなくてもよく、符号長が異なっていてもよい。符号長が異なる場合、電圧検出部２６は、最長の符号長に対応する一周期の時間、すなわち最長の符号長×伝送速度を検出時間とする。なお、最長の符号長は、それよりも短い符号長の整数倍であることが望ましい。

１…光照射部、２…光計測部、３…制御部、４…スペクトル拡散変調部、５…半導体レーザ、６…光ファイバ、７…被検体、８…プローブホルダ、９…検出用光ファイバ、１０…光電変換素子、１１…ゲイン、１２…ＡＤ変換器、１３…復調部、１４…信号処理部、１５…表示部、１６…記憶部、１７…入出力部、３０…CDMA復号化部、３１…デジタルゲイン、３２…ＲＡＭ、４０…信号１、４１…信号２、４２…サンプリング周期、１３０…信号１、１３１…信号２、１３２…サンプリング周期。

Claims (6)

1. 複数の光信号をそれぞれ異なる符号パターンにより強度変調をかけ、被検体に照射する光照射部と、前記被検体を通過した光信号を電気信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の出力信号を増幅する増幅部と、増幅された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器の出力信号を復号化し、前記符号パターンにそれぞれ対応する複数の光信号を分離する復号化部と、復号化した光信号を演算処理する信号処理部とを有し、
   前記光照射部は、複数の前記符号パターンとして、符号長が一定のものを用い、
   前記増幅部は、前記光電変換素子の出力信号を、前記符号パターンの符号長に対応する一周期分検出することにより該一周期における信号レベルを求め、求めた信号レベルを所定の電圧値まで増幅することを特徴とする生体光計測装置。
2. 請求項１に記載の生体光計測装置において、前記一周期は、前記符号長に光信号の伝送速度を掛けた時間であることを特徴とする生体光計測装置。
3. 請求項１または２に記載の生体光計測装置において、前記増幅部の検出する前記信号レベルは、最大電圧値であることを特徴とする生体光計測装置。
4. 複数の光信号をそれぞれ異なる符号パターンにより強度変調をかけ、被検体に照射する光照射部と、前記被検体を通過した光信号を電気信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の出力信号を増幅する増幅部と、増幅された信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、ＡＤ変換器の出力信号を復号化し、前記符号パターンにそれぞれ対応する複数の光信号を分離する復号化部と、復号化した光信号を演算処理する信号処理部とを有し、
   前記光照射部は、複数の前記符号パターンとして符号長が異なるものを用い、
   前記増幅部は、前記光電変換素子の出力信号を、前記符号パターンの符号長のうち最長の符号長に対応する一周期分検出することにより該一周期における信号レベルを求め、求めた信号レベルを所定の電圧値まで増幅することを特徴とする生体光計測装置。
5. 請求項４に記載の生体光計測装置において、前記複数の符号パターンのうち最長の符号長は、それよりも短い符号長の整数倍であることを特徴とする生体光計測装置。
6. 請求項４または５に記載の生体光計測装置において、前記一周期は、前記符号長に光信号の伝送速度を掛けた時間であることを特徴とする生体光計測装置。

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