JP6609738B2 - 生体光計測装置及び生体光計測方法 - Google Patents
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Description
即ち、第1の態様は、
所定の変調周波数で変調された光を被検体に照射する1つまたは複数の光源部と、
前記光源から照射される光に基づく光信号を検出する1つまたは複数の光検出部と、
前記光検出部において検出された前記光信号に、各々の前記光源部に対応する前記所定の変調周波数の信号を乗算して、各々の前記光源部から照射された信号として、取得する信号取得部と、
前記信号取得部で取得された信号を所定のサンプル周波数でアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器と、
前記アナログ−デジタル変換器で変換された信号を積算する演算部と、を有し、
前記サンプル周波数は、すべての前記変調周波数の偶数倍であり、
前記演算部が積算する時間は、すべての前記変調周波数の逆数である変調信号周期の整数倍である、
ことを特徴とする生体光計測装置とする。
(構成例)
図1は、本発明の一実施形態に係る情報処理システムの情報処理に関与する構成を例示する図である。図1のように、本情報処理システムは、頭部装着装置10と利用者端末20とを有する。本情報処理システムは、利用者の頭部から血流量の変化及び/又は血行動態の変化を示す計測データを検出し、利用者の脳の活動状態を示す脳活動情報を取得する。頭部装着装置10と利用者端末20とは、ネットワークN1を介して通信するよう構成されてもよいし、一体化されてもよい。本情報処理システム1は、生体光計測装置の一例である。
)等のプロセッサとメモリとを有し、メモリ上に実行可能に展開されたコンピュータプログラム、ファームウェア等により処理を実行する。ただし、制御部11は、無線通信部13と光源モジュール14と検出モジュール15とを起動し、各構成要素との連携処理を実行する専用のハードウェア回路、FPGA(Field Programmable Gate Array)等であっ
てもよい。また、制御部11は、CPU、DSP、専用のハードウェア回路等が混在したものであってもよい。頭部装着装置10は、頭部装着装置10で使用されるデータ等を格納する記憶手段を有してもよい。
たネットワークである。無線通信部13が転送手段の一例である。ただし、本情報処理システムにおいて、無線通信部13の無線インターフェースの規格が限定されるものではない。
別子によって識別される。頭部装着装置10には、複数の光源モジュール14が含まれ得る。
ーション装置、PDA(Personal Digital Assistant)、ゲーム機(遊戯装置)のような専用または汎用のコンピュータ、あるいは、コンピュータを搭載した電子機器を使用して実現可能である。利用者端末20は、例えば、フィットネスクラブ、学習塾などに設置され得る。
Subscriber Line)等である。上位のネットワークは、公衆無線ネットワークの一例である。また、公衆回線通信部24は公衆無線通信手段の一例である。ただし、本情報処理システムにおいて、上位のネットワークが公衆回線網に限定される訳ではなく、例えば、LAN(Local Area Network)等の構内ネットワーク、企業、事業者、役所、学校、研究機関等の専用回線、VPN(Virtual Private Network)等の広域ネットワークであってもよい
。以下、企業、事業者、役所、学校、研究機関等を企業等ともいう。
衛星からの電波を受信し、現在位置(緯度、経度等)、時刻等を算出する。ただし、測位部29としては、GPS受信機を有するものに限定される訳ではない。例えば、公衆回線通信部24が携帯電話網である場合には、測位部29は、携帯電話基地局からの距離を基に測位を実行してもよい。
図4は、光源モジュール、検出モジュールの例1を示す図である。図4の光源モジュール14は、光源制御部141、光源142を含む。図4の検出モジュール15は、検出器151、信号取得部152、AD変換器153、演算部154を含む。
図5は、光源モジュール、検出モジュールの例2を示す図である。図5の光源モジュール14は、発振部241、分周部242、分周部243、信号選択部244、信号選択部245、光照射部246を含む。図5の検出モジュール15は、光検出部251、増幅器252、発振部253、分周部254、分周部255、信号選択部256、信号選択部257、乗算器258、乗算器259、AD変換器260、AD変換器261、演算部262、通信部263を含む。乗算器は、混合器、ミキサーともいう。乗算器は、信号取得部の一例である。
よい。
光源モジュール14の光源(光照射部)と検出モジュール15の検出器(光検出部)との距離は、30mm程度とすることが好ましい。30mm程度の距離とすることで、人体の頭部において、大脳皮質由来の信号を皮膚の上から検出することができる(非特許文献1参照)。
調され、波長λ2の光が周波数f4で変調され、期間T3のタイミングで、照射される。光源S4において、波長λ1の光が周波数f5で変調され、波長λ2の光が周波数f6で変調され、期間T4のタイミングで、照射される。図7の例では、時分割数は4であり、時分割の各期間が、期間T1、期間T2、期間T3、期間T4の順で連続している。期間T4の後に期間T1が続く。1つの光源において、波長λ1の光及び波長λ2の光は、互いに異なる周波数で変調される。検出モジュールから所定の範囲では同一のタイミングで同一の周波数で変調された光が照射されないように、光を照射する期間や光の変調周波数が決定される。
図8は、光源モジュール及び検出モジュールの配置の例1を示す図である。図8のモジュールの配置は、被検体に頭部装着装置が装着された際の外部側から見たモジュールの配置である。図8の例では、正方格子の横方向に4列、縦方向に3列の計12個のモジュールが配置される。図8の例では、左上の端に光源モジュール14が配置され、横方向に、光源モジュール14と検出モジュール15とが交互に配置される。また、縦方向にも、光源モジュール14と検出モジュール15とが交互に配置される。よって、図8のモジュールの配置では、6個の光源モジュール14(S1−S6)と6個の検出モジュール15(D1−D6)とが含まれる。図8の光源モジュールにおいて、内部に記載される数字は、光が照射されるタイミング(時分割の期間)を示す。時分割の分割数が4であるとすると、照射されるタイミングは、1、2、3、4の順であり、4の次は、1に戻って繰り返される。1番目の期間を期間T1、2番目の期間を期間T2などという。また、光源モジュールの周辺に記載される、「f1、f2」等の記号は、照射される波長λ1及びλ2が変調される周波数を示す。例えば、S1の光源モジュール14では、3番目の期間(T3)で、波長λ1の光が周波数f3で変調され、波長λ2の光が周波数f4で変調されて、照射される。光源モジュール14から照射される光は、被検体を通って、隣接する検出モジュール15で検出される。例えば、S1の光源モジュール14で照射される光は、D1及びD3の光源モジュール14で検出され、処理される。1つの光源モジュールにおいて、波長λ1の光及び波長λ2の光は、互いに異なる周波数で変調され、同じ期間に照射される。
た波長λ1、λ2の光を検出する。ここで、D1の検出モジュール15では、期間T1で検出した光に対して、周波数f1のクロック信号を乗算して平均化して、S2の光源モジュール14からの波長λ1の光を抽出する。また、D1の検出モジュール15では、期間T1で検出した光に対して、周波数f2のクロック信号を乗算して平均化して、S2の光源モジュール14からの波長λ2の光を抽出する。同様にして、期間T3で検出した光から、S1の光源モジュール14からの光を抽出し、期間T4で検出した光から、S3の光源モジュール14からの光を抽出する。このとき、サンプリング周波数を後述する所定の周波数とすることにより、より効率的に他の変調周波数による信号を除去することができる。
の変調周波数を使用することで、検出モジュールから150mm未満の範囲では同一のタイミングで同一の周波数で変調された光が照射されないようにすることができる。即ち、4時分割、6変調周波数で、あらゆる正方格子配置にて測定することが可能となる。モジュール配置と、最小時分割数、最小変調周波数数との関係は、頭部装着装置10や利用者端末20の記憶手段等に格納される。
格子点の左上の端に光源モジュール14が配置され、その横方向に、光源モジュール14と検出モジュール15とが交互に配置される。また、その縦方向にも、光源モジュール14と検出モジュール15とが交互に配置される。さらに、正方格子の正方形の中心に検出モジュール15が配置される。よって、図14のモジュールの配置では、12個の光源モジュール14と13個の検出モジュール15(D1−D12、DD1−DD11)とが含まれる。図14の光源モジュールにおいて、内部に記載される数字は、光が照射されるタイミング(時分割の期間)を示す。時分割の分割数が3であるとすると、照射されるタイミングは、1、2、3の順であり、3の次は、1に戻って繰り返される。1番目の期間を期間T1、2番目の期間を期間T2などという。また、光源モジュールの周辺に記載される、「f1、f2」等の記号は、照射される波長λ1及びλ2が変調される周波数を示す。例えば、左上の端の光源モジュール14では、1番目の期間(T1)で、波長λ1の光が周波数f1で変調され、波長λ2の光が周波数f2で変調されて、照射される。また、D1の検出モジュール15では、期間T1で上隣の光源モジュール14から照射される周波数f1、f2で変調された波長λ1、λ2の光を検出し、期間T2で右隣の光源モジュール14から照射される周波数f1、f2で変調された波長λ1、λ2の光を検出する。さらに、DD1の検出モジュール15では、期間T1で左上隣の光源モジュール14から照射される周波数f1、f2で変調された波長λ1、λ2の光を検出し、期間T2で右下隣の光源モジュール14から照射される周波数f1、f2で変調された波長λ1、λ2の光を検出する。DD1の検出モジュール15と隣接する光源モジュール14との距離は、約21mmであり、D1の検出モジュール15と隣接する光源モジュール14との距離30mmより短い。このような配置にすることで、複数の距離の信号を取得することができる。また、この配置では、2×12の正方格子の配置と比べて、検出モジュール15のみを追加する構成であるので、他の検出モジュールに光ノイズ等の影響を与えない。また、この配置における時分割数及び変調周波数数は、2×12の正方格子の配置と同様にすることができる。
光源モジュール14から照射される光の強度変調周波数(駆動周波数)を設定する場合には、クロストークを低減するために、以下の条件で各々の光の強度変調周波数を選択する。駆動周波数をfi(iは、周波数のインデックスで任意整数。例えばf1、f2、f3、f4、f5、f6)と置き、AD変換器において、所定のサンプル周波数fsでアナログ−デジタル変換すると仮定すると、アナログ−デジタル変換のサンプル周波数fsは、各々の駆動周波数fiの偶数倍である必要がある(式1)。
が成り立ち、積算時間T内に含まれる駆動周波数fiのパルス数をki(=n/Npi=fi×T)とすれば、
各駆動周波数の位相に言及しなかったが、位相変換手段等を用いて、測定条件、環境に応じ最適な位相を選択するよう構成しても良い。位相を変化させることにより、複数の光源からの検出光量の総和のピーク値の大きさ及びそのタイミングを変化させることが可能となるという効果がある。
〈周波数設定〉
図15は、モジュールにおける周波数設定の動作フローの例を示す図である。利用者端末20で行われる処理は、頭部装着装置10で行われてもよい。
ここでは、頭部に装着する頭部装着装置10としたが、上記の頭部装着装置10と同様の構成で、光源モジュール14及び検出モジュール15を、頭部以外の皮膚上(筋肉上)に貼り付け、筋肉における血流動態変化もしくは血流を計測してもよい。筋肉における血流動態変化等を測定することで、運動時の筋肉における酸素代謝の算出を行うことが可能となる。このとき、脳血流量変化測定の場合よりも皮膚から浅い位置の血流変化を測定するため、光源モジュール14と検出モジュール15との距離は、30mmよりも小さくする。
(実施形態の作用、効果)
本実施形態の構成によれば、変調周波数を適切に選択し、時分割計測を組み合わせることにより、S/N低下とクロストークを同時に防ぐとともに、使用する周波数種類をより少なくすることでより小型化が可能な技術を提供することができる。
コンピュータその他の機械、装置(以下、コンピュータ等)に上記いずれかの機能を実現させるプログラムをコンピュータ等が読み取り可能な記録媒体に記録することができる。そして、コンピュータ等に、この記録媒体のプログラムを読み込ませて実行させることにより、その機能を提供させることができる。
11 制御部
13 無線通信部
14 光源モジュール
15 検出モジュール
142 光源制御部
141 光源
151 検出器
152 信号取得部
153 AD変換器
154 演算部
241 発振部
242 分周部
243 分周部
244 信号選択部
245 信号選択部
246 光照射部
251 光検出部
252 増幅器
253 発振部
254 分周部
255 分周部
256 信号選択部
257 信号選択部
258 乗算器
259 乗算器
260 AD変換器
261 AD変換器
262 演算部
263 通信部
20 利用者端末
21 CPU
22 メモリ
23 無線通信部
24 公衆回線通信部
25 表示部
26 操作部
27 出力部
28 撮像部
29 測位部
2A 物理センサ部
Claims (5)
- 所定の変調周波数で変調された光を被検体に照射する1つまたは複数の光源部と、
前記光源部から照射される光に基づく光信号を検出する1つまたは複数の光検出部と、
前記光検出部において検出された前記光信号に、各々の前記光源部に対応する前記所定の変調周波数の信号を乗算して、各々の前記光源部から照射された信号として、取得する信号取得部と、
前記信号取得部で取得された信号を所定のサンプル周波数でアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器と、
前記アナログ−デジタル変換器で変換された信号を積算する演算部と、を有し、
前記サンプル周波数は、すべての前記変調周波数の偶数倍であり、
前記演算部が積算する時間は、すべての前記変調周波数の逆数である変調信号周期の整数倍である、
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 前記変調周波数は所定の周波数信号を分周することにより生成され、
前記アナログ−デジタル変換のサンプル周波数は、前記所定の周波数信号もしくは前記所定の周波数信号の分周により決定される、
ことを特徴とする請求項1に記載の生体光計測装置。 - 前記光源部は、所定の変調周波数で変調された光を、所定の時間分割によって分割された期間の1つで、照射する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の生体光計測装置。 - 複数の前記光源部を含み、
前記光源部のうち、同一の前記期間で、同一の前記変調周波数で変調された光を照射する前記光源部は、所定距離以上離間して配置される
ことを特徴とする請求項3に記載の生体光計測装置。 - 所定の変調周波数で変調された光を被検体に照射する1つまたは複数の光源部と、前記光源部から照射される光に基づく光信号を検出する1つまたは複数の光検出部と、含む生体光計測装置が、
前記光検出部において検出された前記光信号に、各々の前記光源部に対応する前記所定の変調周波数の信号を乗算して、各々の前記光源部から照射された信号として、取得し、
前記信号取得部で取得された信号を所定のサンプル周波数でアナログ−デジタル変換し、
前記アナログ−デジタル変換器で変換された信号を積算する生体光計測方法であって、
前記サンプル周波数は、すべての前記変調周波数の偶数倍であり、
前記演算部が積算する時間は、すべての前記変調周波数の逆数である変調信号周期の整数倍である、
ことを特徴とする生体光計測方法。
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