JP7001849B2 - 測定装置、測定方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、被測定対象において散乱された光を利用して、例えば被測定対象の移動に関する情報等を測定する測定装置、測定方法、及びコンピュータプログラムの技術分野に関する。

この種の測定装置に用いられる半導体レーザは、レーザの温度の上昇に起因してバンドギャップが変化するため、温度の上昇に伴い発振波長は長波長へと徐々に変化する。そして、温度の上昇が続くと、あるタイミングで、次の長波長側の最大利得を有する波長に発振波長が突然飛び移る。この現象はモードホップと呼ばれ、例えば光ドップラを利用した測定装置における測定誤差の原因となることが知られている。

特許文献１では、上述したモードホップの発生を抑制するために、ペルチェ素子を用いてレーザ光源の温度を制御するという技術が提案されている。

特開２００１－１２０５０９号公報

上述した特許文献１に記載されている技術では、吸熱手段であるペルチェ素子を常時動作させている。しかしながら、ペルチェ素子は消費電力が大きいため、省電力の観点からすれば常時動作させることは好ましくない。また、消費電力が大きいと電池駆動が難しくなるため、コストの増大や装置の大型化が避けられないという技術的問題点もある。

本発明が解決しようとする課題には上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、モードホップに起因する測定誤差の発生を好適に抑制することが可能な測定装置、測定方法、及びコンピュータプログラムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するための第１の測定装置は、被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段にモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する。

上記課題を解決するための第２の測定装置は、被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記照射手段の温度を変化させることで、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する。

上記課題を解決するための第３の測定装置は、被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記照射手段と前記被測定対象との間に設けられた液晶窓の屈折率を変化させることで、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する。

上記課題を解決するための第１の測定方法は、被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程とを含み、前記制御工程では、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段においてモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する。

上記課題を解決するための第２の測定方法は、被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程とを含み、前記制御工程では、前記照射手段の温度を変化させることで、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する。

上記課題を解決するための第３の測定方法は、被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程とを含み、前記制御工程では、前記照射手段と前記被測定対象との間に設けられた液晶窓の屈折率を変化させることで、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する。

上記課題を解決するための第１のコンピュータプログラムは、被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程とをコンピュータに実行させ、前記制御工程では、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段においてモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する。

上記課題を解決するための第２のコンピュータプログラムは、被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程とをコンピュータに実行させ、前記制御工程では、前記照射手段の温度を変化させることで、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する。

上記課題を解決するための第３のコンピュータプログラムは、被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程とをコンピュータに実行させ、前記制御工程では、前記照射手段と前記被測定対象との間に設けられた液晶窓の屈折率を変化させることで、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する。

第１実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。 第１実施例に係る受光素子及びＩ－∨変換器の具体的な構成を示す回路図である。 第１実施例に係る血流演算部の具体的な構成を示すブロック図である。 血流スペクトルの具体例を示すグラフである。 第１実施例に係るモードホップ検出部の具体的な構成を示すブロック図である。 第１実施例に係るモードホップ検出処理の流れを示すフローチャートである。 第１実施例に係るモードホップ検出波形例を示すタイムチャートである。 第１実施例に係るモードホップ脱出波形例を示すタイムチャートである。 カウント値と血流計測誤差との関係を示すグラフである。 異常検出時の血流演算処理の流れを示すフローチャートである。 ＬＤ駆動電流の限界値設定の流れを示すフローチャートである。 第２実施例に係る測定装置におけるモードホップ検出部の構成を示すブロック図である。 第２実施例に係るモードホップ検出波形例を示すタイムチャートである。 第３実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。 第４実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。 第５実施例に係る測定装置における振幅リミッタ部の構成を示すブロック図である。 増幅信号及び血流出力の一例を示すグラフ（その１）である。 増幅信号及び血流出力の一例を示すグラフ（その２）である。 増幅信号及び血流出力の一例を示すグラフ（その３）である。

＜１＞
本実施形態に係る第１の測定装置は、被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する制御手段とを備える。

本実施形態に係る第１の測定装置によれば、その動作時には、被測定対象に対して、照射手段からレーザ光が照射される。照射手段は、例えば半導体レーザ素子等を含んで構成されており、その使用時には、被測定対象に効率的に光を照射できる位置に配置される。なお、被測定対象は、例えば生体の血液等の流体である。ただし、被測定対象は特に限定されるものではなく、移動するものであれば流体以外（例えば、個体）であっても構わない。

照射手段から照射されたレーザ光は被測定対象において散乱（具体的には、反射及び透過）された後、受光手段で受光される。受光手段は、例えばフォトダイオード等を含んで構成され、受光した光に応じた出力信号を出力する。

受光手段の出力信号は、出力手段から被測定対象の移動に関する情報を出力する際に用いられる。具体的には、出力手段では、受光手段の出力信号に含まれるレーザ光のドップラーシフト（以下、適宜「光ドップラ」と称する）に起因するビート信号に基づいて、被測定対象の移動に関する情報が算出される。なお、ここでの「移動に関する情報」とは、被測定対象の移動速度や移動量、移動方向の他、それらの情報を間接的に示す情報を含む広い概念である。

光ドップラを利用して被測定対象の移動に関する情報を出力しようとする場合、照射手段の照射状態の異常により、測定結果に誤差が生じてしまうことがある。例えば、照射手段の温度が上昇することでモードホップが発生すると、受光手段の出力信号の振幅値が大きく変動する（例えば、振幅が瞬間的に極めて大きい値となる）。その結果、出力信号から得られる測定結果に不必要な変動が生じ、測定結果に誤差が生じてしまうことがある。

このため本実施形態では特に、測定時において、制御手段によるレーザ光の照射状態の制御が実行される。制御手段は、所定期間内のビート信号に基づいてレーザ光の照射状態を制御する。より具体的には、制御手段は、所定期間内のビート信号を解析し、測定結果に悪影響を及ぼしてしまうようなモードホップが発生していると判断すると、レーザ光の照射状態を制御してモードホップの発生を抑制する。なお、ここでの「所定期間」とは、モードホップが測定結果に悪影響を及ぼしてしまうような頻度で発生しているか否かを判定するために設定される期間であり、例えば誤判定が発生しない程度に長い期間、且つ、モードホップによる悪影響が顕在化しない程度に短い期間として設定される。

上述したようにレーザ光の照射状態を制御すれば、測定結果に悪影響を及ぼしてしまうようなモードホップが発生してしまった場合でも、モードホップの発生を抑制し、測定結果への影響を低減することができる。また、本実施形態では、照射状態の制御は常に実行され続ける訳ではなく、所定期間内のビート信号に基づいて、不適切なモードホップが発生していると判断された場合に実行される。言い換えれば、モードホップの発生時には常に照射状態の制御が実行される訳ではなく、悪影響をおよぼす可能性のあるモードホップが発生した場合に、照射状態の制御が実行される。よって、極めて効率的に測定結果への悪影響を低減できる。

以上説明したように、本実施形態に係る測定装置によれば、モードホップの発生に伴う不都合を回避して、好適に測定を行うことが可能である。

＜２＞
本実施形態に係る第１の測定装置の一態様では、前記制御手段は、前記所定期間内において前記ビート信号の振幅値が所定振幅値を超えた回数をカウントし、前記カウントされた回数が所定回数を超えた場合に、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する。

この態様によれば、ビート信号の振幅値が所定振幅値を超えた回数と所定回数とを比較することで、容易且つ的確に不適切なモードホップの発生を検出できる。なお、「所定振幅値」は、モードホップが発生している状態のビート信号の振幅値と、モードホップが発生していない状態のビート信号の振幅値とを判別するための値として設定され、「所定回数」は、モードホップが測定結果に影響を及ぼしてしまう程度の頻度で発生しているか否かを判定するための値として設定される。

＜３＞
本実施形態に係る第１の測定装置の他の態様では、前記制御手段は、前記所定期間内において前記ビート信号の振幅値を積分して平均化し、前記平均化された振幅値が所定閾値を超えた場合に、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する。

この態様によれば、ビート信号の振幅値が、例えばＬＰＦ（ローパスフィルタ）等により積分して平均化される。平均化された値は、振幅値の異常な増加が発生する頻度（即ち、モードホップの発生頻度）に応じて増大する値である。よって、平均化された値と所定閾値を比較することで、容易且つ的確に不適切なモードホップの発生を検出できる。なお、「所定閾値」は、測定結果に影響を与えない程度のモードホップと、測定結果に影響を与え得るモードホップとを判別するための閾値として、事前のシミュレーション等により決定すればよい。

＜４＞
本実施形態に係る第１の測定装置の他の態様では、前記出力手段は、高速フーリエ変換を用いて前記被測定対象の移動に関する情報を演算し、前記所定期間は、前記高速フーリエ変換のバッファ期間に応じた期間として設定されている。

この態様によれば、高速フーリエ変換のバッファ期間に蓄積されたデータを利用して、レーザ光の制御が行われる。即ち、被測定対象の移動に関する情報を演算するために蓄積されるデータを利用して、モードホップの発生が検出される。従って、実践上極めて効率的にモードホップの抑制を実現することができる。

なお、所定期間とバッファ期間とは同一の値でなくともよく、バッファ期間から導き出すことのできる期間（例えば、バッファ期間の整数倍の期間）として設定されてもよい。

＜５＞
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記制御手段は、前記照射手段の駆動電流を変化させることで、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する。

この態様によれば、照射手段の駆動電流をモードホップが抑制される値へと変化させて、確実にモードホップを抑制することができる。なお、照射手段の駆動電流にＡＣ成分を乗せて、単発のモードホップを、測定結果に影響が出難い程度の長い周期で発生させるようにしてもよい。

＜６＞
上述した照射手段の駆動電流を変化させる態様では、前記制御手段は、基準電流に応じた所定範囲内で前記照射手段の駆動電流を変化させてもよい。

このように構成すれば、照射手段の駆動電流を適切な範囲で変化させることが可能となり、駆動電流の変化に伴う不都合の発生を防止できる。具体的には、照射手段の駆動電流が低くなり過ぎて、照射されるレーザ光のパワーが低下し、計測におけるＳ／Ｎ比が悪化してしまうことを防止できる。また、照射手段の駆動電流が高くなり過ぎて、照射されるレーザ光のパワーが増大し、照射手段の寿命が低下してしまうことを防止できる。

＜７＞
上述した所定範囲内で照射手段の駆動電流を変化させる態様では、前記制御手段は、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御すべきと判定する度に、前記照射手段の駆動電流を増加方向又は減少方向の一方向に所定値ずつ段階的に変化させてもよい。

このように構成すれば、制御によって駆動電流が大きく上下して、ハンチング現象が発生してしまうことを防止できる。これにより、ハンチング現象に起因する電力消費の増加や、計測誤差の増加を防止することが可能である。なお、駆動電流の変動単位である「所定値」は、上述したハンチング現象を回避できる程度に小さい値として設定すればよい。

＜８＞
上述した照射手段の駆動電流を一方向に段階的に変化させる態様では、前記制御手段は、前記所定範囲を超える駆動電流の変化が要求された場合に、前記照射手段の駆動電流の変化方向を反転させてもよい。

このように構成すれば、駆動電流を所定範囲の境界付近で制御する場合であっても、段階的な駆動電流の変動を実現することができる。例えば、駆動電流を所定値減少させる制御が複数回実行された結果、駆動電流が所定範囲の下限値付近となった場合であっても、駆動電流の変化方向を増加方向へと反転させることにより、継続して段階的な駆動電流の変化を実現できる。

＜９＞
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記制御手段は、前記照射手段の温度を変化させることで、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する。

この態様によれば、例えばペルチェ素子等により照射手段の温度を変化させて、確実にモードホップを抑制することができる。

＜１０＞
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記制御手段は、前記照射手段と前記被測定対象との間に設けられた液晶窓の屈折率を変化させることで、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する。

この態様によれば、液晶窓の屈折率を変化させることで、被測定対象からの戻り光が照射手段に入射するのを抑制できる。従って、戻り光の入射に起因するモードホップの発生を確実に抑制することができる。

＜１１＞
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記制御手段において、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御すべきと判定した場合に、前記判定前の出力を維持するように前記出力手段を制御する出力維持手段を更に備える。

この態様によれば、照射手段によるレーザ光の照射状態を制御すべきと判定された場合（即ち、不適切なモードホップの発生が検出された場合）、出力手段において、モードホップが検出される前の出力が維持される。このため、モードホップに起因して出力手段の出力が適切でない値になってしまうような場合であっても、適切な値を出力し続けることができる。なお、出力手段の出力維持は、例えば制御手段によるレーザ光の照射状態の制御により、モードホップが検出されなくなった時点で解除されればよい。

＜１２＞
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記受光手段の出力信号の振幅値を所定振幅範囲内に制限する制限手段を更に備え、前記出力手段は、前記制限手段により制限された前記受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する。

この態様によれば、受光手段の出力信号の振幅値が、制限手段によって所定の範囲内に制限される。このため出力信号は、所定振幅範囲を超えた部分がカットされた状態で出力されることになる。なお、ここでの「所定振幅範囲」とは、モードホップに起因する測定結果への影響を抑制するために、振幅制限の基準として設定される振幅の範囲（言い換えれば、振幅の上限値）である。所定振幅範囲は、事前のシミュレーション等によりモードホップによる影響を効果的に抑制できるような範囲として設定される。所定振幅範囲は固定値であってもよいし、測定状況等に応じて可変とされる値であってもよい。

上述したように振幅値を制限すれば、仮にモードホップが発生したとしても、受光手段の出力信号からはモードホップによる変動部分が除かれる。これにより、被測定対象の移動に関する情報を出力する際に用いられる出力信号は、モードホップの影響を全く或いは殆ど受けていない状態のものとされる。従って、モードホップが発生している状況においても、被測定対象の移動に関する情報は正確なものとして出力される。

なお、出力信号の振幅値を制限することによるモードホップの影響抑制効果は、所定振幅範囲の値にもよるが、比較的モードホップの発生頻度が穏やかな場合に有効であり、モードホップの発生頻度が大きく増加すると、十分ではなくなるおそれがある。しかしながら本実施形態では、上述したように、レーザ光の照射状態の制御により、モードホップの発生頻度を低下させることができる。従って、モードホップの発生状況に応じて、その影響を効果的に抑制することが可能である。

＜１３＞
本実施形態に係る第２の測定装置は、被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報の誤差が所定誤差を超えた状態を検出する検出手段とを備える。

本実施形態の第２の測定装置によれば、測定時において、被測定対象の移動に関する情報の誤差が所定誤差を超えた状態であるかが検出される。なお、ここでの「所定誤差」とは、被測定対象の移動に関する情報の誤差が使用環境において許容できるものであるか否かを判定するための閾値として設定される値である。なお、被測定対象の移動に関する情報の誤差が所定誤差を超えた状態であるか否かは、ビート信号に基づいて検出される。具体的には、ビート信号から、照射手段におけるモードホップの発生頻度が検出され、その発生頻度から測定結果に生じている誤差が推定される。

本実施形態に係る第２の測定装置によれば、測定結果に生じている誤差が許容範囲を超えた状態を好適に検出できるため、例えばモードホップの抑制制御等を実行することにより、正確でない測定結果が出力され続けてしまうことを防止できる。

＜１４＞
本実施形態に係る第１の測定方法は、被測定対象にレーザ光を照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程で得られる出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程とを備える。

本実施形態の第１の測定方法によれば、上述した本実施形態の第１の測定装置と同様に、レーザ光の照射状態を制御することにより、モードホップの発生を抑制し、測定結果への影響を低減することができる。

なお、本実施形態に係る第１の測定方法においても、上述した本実施形態に係る第１の測定装置における各種態様と同様の各種態様を採ることが可能である。

＜１５＞
本実施形態に係る第２の測定方法は、被測定対象にレーザ光を照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程で得られる出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報の誤差が所定誤差を超えた状態を検出する検出工程とを備える。

本実施形態の第２の測定方法によれば、上述した本実施形態の第２の測定装置と同様に、測定結果に生じている誤差が許容範囲を超えた状態を好適に検出することができる。

＜１６＞
本実施形態に係る第１のコンピュータプログラムは、被測定対象にレーザ光を照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程で得られる出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程とをコンピュータに実行させる。

本実施形態の第１のコンピュータプログラムによれば、上述した本実施形態に係る第１の測定方法と同様の各工程をコンピュータに実行させることで、モードホップの発生を抑制し、測定結果への影響を低減することができる。

＜１７＞
本実施形態に係る第２のコンピュータプログラムは、被測定対象にレーザ光を照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程で得られる出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報の誤差が所定誤差を超えた状態を検出する検出工程とをコンピュータに実行させる。

本実施形態の第２のコンピュータプログラムによれば、上述した本実施形態に係る第２の測定方法と同様の各工程をコンピュータに実行させることで、測定結果に生じている誤差が許容範囲を超えた状態を好適に検出することができる。

＜１８＞
本実施形態に係る記録媒体は、上述したコンピュータプログラム（但し、その各種態様を含む）が記録されている。

本実施形態の記録媒体によれば、本実施形態の第１のコンピュータプログラム又は第２のコンピュータプログラムをコンピュータに実行させることにより、モードホップに起因する不都合を好適に回避することができる。

本実施形態に係る測定装置及び測定方法、並びにコンピュータプログラム及び記録媒体の作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。

以下では、図面を参照して測定装置、測定方法、及びコンピュータプログラムの実施例について詳細に説明する。なお、以下では、本発明に係る測定装置が、血流を測定する血流測定装置として構成される場合を例にとり説明する。

＜第１実施例＞
第１実施例に係る測定装置について、図１から図１１を参照して説明する。

＜全体構成＞
先ず、第１実施例に係る測定装置の全体構成について、図１を参照して説明する。ここに図１は、第１実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。

図１において、本実施例に係る測定装置は、レーザ駆動部１１０と、半導体レーザ１２０と、受光素子１３０と、Ｉ－Ｖ変換部１４０と、増幅器１５０と、Ａ／Ｄ変換器１６０と、バッファ処理部１６５と、血流演算部１７０と、モードホップ検出部１８０と、モードホップ抑制処理部１９０とを備えて構成されている。

レーザ駆動部１１０は、半導体レーザ１２０を駆動するための電流を発生する。

半導体レーザ１２０は、「照射手段」の一具体例であり、レーザ駆動部１１０において発生された駆動電流に応じたレーザ光を、被測定対象２００（例えば、生体の皮膚等）に対して照射する。

受光素子１３０は、「受光手段」の一具体例であり、半導体レーザ１２０から照射されたレーザ光のうち、血液２００で散乱された散乱光を受光する。受光素子１３０は、受光した散乱光の強度に応じて検出電流を出力する。

Ｉ－Ｖ変換器１４０は、受光素子１３０から出力された検出電流を電圧に変換して、検出電圧を出力する。

増幅器１５０は、Ｉ－Ｖ変換器１４０から出力された検出電圧を増幅し増幅信号として出力する
Ａ／Ｄ変換器１６０は、入力されるアナログの増幅信号を量子化し、デジタルのデータとして出力する。

バッファ処理部１６５は、Ａ／Ｄ変換器１６０から出力されたデータを規定数格納する。

血流演算部１７０は、「出力手段」の一具体例であり、入力されるデータに基づいて血流（具体的には、血液２００の流速等の移動に関する情報）を出力する。血流演算部１７０は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）として構成されており、入力されるデータに対して周波数解析等のデジタル信号処理を実行可能とされている。

モードホップ検出部１８０は、入力されるバッファデータに基づき、半導体レーザ１２０において（高い頻度で）モードホップが発生していることを検出する。また、モードホップ検出部１８０は、モードホップの発生を検出した場合に、モードホップ抑制処理部１９０における処理の実行を許可する信号を出力すると共に、血流演算部１７０に前値ホールド信号（即ち、直前の出力を維持する指令）を出力する。モードホップ検出部１８０の具体的な構成については、後に詳述する。

モードホップ抑制処理部１９０は、「制御手段」の一具体例であり、モードホップ検出部１８０における検出結果に応じて、モードホップを抑制するための抑制処理を実行する。抑制処理については、後に詳述する。

＜全体動作説明＞
以下では、上述した測定装置の全体的な動作について、引き続き図１を参照して詳細に説明する。

図１において、本実施例に係る測定装置の動作時には、先ずレーザ駆動部１１０が、半導体レーザ１２０の閾値電流以上の規定の動作電流を発生し、半導体レーザ１２０に供給する。これにより、半導体レーザ１２０はレーザ発振する。

半導体レーザ１２０は被測定対象２００に対してレーザ光を出射すべく、クリップ等（図示せず）により被測定対象２００に固定される。被測定対象２００が生体の皮膚である場合、照射されたレーザ光は、固定物体である皮膚組織により散乱された散乱光、及び移動物体である毛細血管中の赤血球で散乱された散乱光となり、その両者が受光素子１３０によって受光される。

ここで、皮膚組織により散乱された散乱光は参照光であり、赤血球で散乱された散乱光は赤血球の移動速度に対応して光ドップラーシフトを生じた散乱光である。これら２つの散乱光は、レーザ光の可干渉性により干渉を起こす。受光素子１３０は、この干渉の結果である光ビート信号の強度に対応して、検出電流を生じる。

受光素子１３０は、半導体レーザ１２０と同様に、被測定対象２００からの散乱光を受光すべくクリップ等（図示せず）により被測定対象２００に固定されている。受光素子１３０が検出した光ビート信号に対応した検出電流は、Ｉ-Ｖ変換器１４０にて、電流電圧変換され、検出電圧として出力される。

以下では、受光素子１３０及びＩ－Ｖ変換器１４０の具体的な構成及び動作について、図２を参照して説明する。ここに図２は、第１実施例に係る受光素子及びＩ－Ｖ変換器の具体的な構成を示す回路図である。

図２において、本実施例に係る受光素子１３０は、２つの受光素子１３０ａ及び１３０ｂを含んで構成されている。受光素子１３０ａ及び１３０ｂは、例えばＰＩＮ型半導体によるフォトディテクタとして構成されている。受光素子１３０ａ及び１３０ｂは、カソード同士が接続され、互いに逆向きに直列接続されている。このように構成すれば、ＤＣ成分を抑圧し、信号成分であるＡＣ成分を効率よく検出できる。

具体的には、受光素子１３０ａ及び１３０ｂの各々から出力される電流のうち入力光に含まれる定常光成分に相当する電流成分（以下「ＤＣ（direct current）成分」と適宜称する）を低減或いは除去して、入力光に含まれる信号光成分に相当する電流成分（以下「ＡＣ（alternate current）成分」と適宜称する）を主として含む電流を検出電流として出力することができる。即ち、受光素子１３０ａの出力電流のＤＣ成分と、受光素子１３０ｂの出力する電流のＤＣ成分とを相殺させることができ、入力光に含まれる信号光成分に相当するＡＣ成分を主として含む検出電流を出力することができる。

例えば、受光素子１３０ａの検出電流をＩｄ１、受光素子１３０ｂの検出電流をＩｄ２とすると、両者は極性が逆に直列接続されているため、検出電流は以下の数式（１）のようになる。

Ｉｄｔ＝Ｉｄ２－Ｉｄ１・・・（１）
また、受光素子１３０ａが受光した散乱光と、受光素子１３０ｂが受光した散乱光とは、両者の経路が互いに異なっているため、光の波長を基準長さとすると、およそ無相関の信号となる。そのため、減算により、信号成分である光ビート信号の強度は、√２倍となる。

一方、ＤＣ電流は減算により相殺されるので、トランスインピーダンスアンプであるＡｍｐ１とＡｍｐ２の検出感度を高く設定しても飽和を防止できる。具体的には、帰還抵抗Ｒｆ１とＲｆ２の抵抗値を高く設定することが可能となり、電流電圧変換感度が向上する。この結果、高い検出Ｓ/Ｎ（Signal-to-Noise ratio）が得られる。

Ａｍｐ１とＡｍｐ２の非反転入力端子は、接地されている。Ａｍｐ１とＡｍｐ２の帰還抵抗Ｒｆ１とＲｆ２の負帰還作用により、非反転端子と反転端子はイマジナリシュート状態であり、およそ同一電位となる。そのため、受光素子１３０ａのアノードと受光素子１３０ｂのアノードとは同一電位となり、Ｐ受光素子１３０ａと受光素子１３０ｂとは所謂発電モードで動作している。この発電モードにより、暗電流が抑圧され、暗電流ゆらぎによるノイズ増加が抑圧できる。

Ａｍｐ１の検出電圧Ｖｄ１及びＡｍｐ２の検出電圧Ｖｄ２は、以下の数式（２）、（３）のようになる。

Ｖｄ１＝Ｒｆ１・Ｉｄｔ ・・・（２）
Ｖｄ２＝Ｒｆ２・（－Ｉｄｔ）・・・（３）
Ａｍｐ３は、Ａｍｐ１とＡｍｐ２の検出電圧を差動増幅し、Ｖｏｕｔとして出力する。この差動増幅により、電源ノイズやハム等の同相ノイズは除去される。

ここで、Ｒａ１＝Ｒａ２＝Ｒａ、Ｒｂ１＝Ｒｂ２＝Ｒｂとなるように抵抗値を設定すると、Ｖｏｕｔは、以下の数式（４）のようになる。

Ｖｏｕｔ＝（Ｒｂ／Ｒａ）（Ｖｄ１－Ｖｄ２） ・・・（４）
上記数式（２）、（３）及び（４）から、Ｒｆ１＝Ｒｆ２＝Ｒｆとなるように抵抗値を設定すると、Ｖｏｕｔは、以下の数式（５）のようになる。

Ｖｏｕｔ＝２Ｒｆ（Ｒｂ／Ｒａ）Ｉｄｔ ・・・（５）
上記数式（５）から、信号成分である光ビート信号の強度に対応した、検出電圧Ｖｏｕｔが得られることが分かる。

図１に戻り、Ｉ－Ｖ変換器１４０から出力された検出電圧は、増幅器１５０に入力される。増幅器１５０は、検出電圧をＡ/Ｄ変換器１６０の入力ダイナミックレンジに適合する振幅レベルまで増幅し、増幅信号を出力する。

増幅器１５０の出力である増幅信号は、Ａ/Ｄ変換器１６０に入力される。Ａ/Ｄ変換器１６０は、入力された増幅信号を規定のサンプリング周波数にて量子化し、デジタル値としてのデータを出力する。

Ａ/Ｄ変換器１６０から出力されたデータは、血流演算部１７０の周波数解析に利用するデータ数を蓄積するために、バッファ処理部１６５に入力される。バッファ処理部１６５は、例えばＦＦＴ（高速フーリエ変換）に必要なｎポイントのデータを蓄積する。バッファ処理部１６５により蓄積されたバッファデータは、血流演算部１７０によりデジタル信号処理され、血流に関する情報が出力される。

また、バッファ処理部１６５により蓄積されたバッファデータは、モードホップ検出部１８０にも入力される。モードホップ検出部１８０は、バッファデータに基づいてモードホップの発生（正確には、測定結果に影響を与える程度のモードホップの発生）を検出する。モードホップ検出部１８０においてモードホップの発生が検出されると、モードホップ抑制処理部１９０により、モードホップ抑制処理（ここでは、レーザ駆動部１１０の駆動電流制御）が実行される。

＜血流演算＞
次に、血流演算部１７０の具体的な構成及び動作について、図３及び図４を参照して説明する。ここに図３は、第１実施例に係る血流演算部の具体的な構成を示すブロック図である。また図４は、血流スペクトルの具体例を示すグラフである。

図３において、血流演算部１７０に入力されたデータは、先ずハニング窓処理部１７１に入力される。ハニング窓処理部１７１は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）の前処理としてのハニング窓処理を実行する。

ＦＦＴ処理部１７２は、窓関数により制限されたデータを、ＦＦＴ処理により周波数解析する。

２乗演算部１７３は、周波数解析データに複素共役処理を実行し、パワースペクトルＰ（ｆ）を取得する。

１次モーメント積算部１７４は、得られたパワースペクトルＰ（ｆ）に周波数ベクトルｆを乗算し、更に規定帯域内で積算して、Σ｛ｆ・Ｐ（ｆ）｝を得る。

ＬＰＦ部１７５は、Σ｛ｆ・Ｐ（ｆ）｝信号の高周波成分を除去し、規定のゲインを乗算する。これにより、血流出力が得られる。

図４に示すように、血流が低いとき、即ち毛細血管内を流れる散乱体である血球の流れる速度が遅い場合、光ビート信号のパワースペクトルＰ（ｆ）については、図中の点線で示したような特性が得られ、低周波成分が高周波成分に比較してより多く含まれる。一方、血流が高いとき、即ち毛細血管内を流れる散乱体である血球の流れる速度が速い場合、光ビート信号のパワースペクトルＰ（ｆ）については、図中の実線で示したような特性が得られ、高周波成分が低周波成分に比較してより多く含まれる。

このように、移動体の速度が速い場合、散乱光のドップラーシフト量が増加する。よって、光ビート信号の周波数スペクトルは、周波数が高い領域の成分がより増加し、図４のような特性を示すことになる。

なお、血流演算部１７０は、光ビート信号のパワースペクトル変化を効率的に検出すべく演算を行う。本実施例ではＦＦＴによる周波数解析を利用した方式を説明したが、この方式に限定されるものではない。

＜モードホップ検出＞
次に、モードホップ検出部１８０の具体的な構成について、図５を参照して詳細に説明する。ここに図５は、第１実施例に係るモードホップ検出部の具体的な構成を示すブロック図である。

図５に示すように、モードホップ検出部１８０は、絶対値化部１８１と、ピーク検出部１８２と、レベル比較部１８３と、カウンタ部１８４と、回数比較部１８５とを備えて構成されている。

絶対値化部１８１は、バッファ処理部１６５により蓄積されたｎポイントのバッファデータを絶対値化し、ＡＢＳ信号を出力する。

ピーク検出部１８２は、絶対値化部１８１から入力されるＡＢＳ信号の正の極大値を検出し、ＰＥＫ信号を出力する。

レベル比較部１８３は、規定のピーク値ＴＨＬＶＬと、ＰＥＫ信号とを比較し、ＰＥＫ信号が大きい場合、比較結果としてＣＭＰ＝１を出力する。一方、ＰＥＫがＴＨＬＶＬと等しい又は小さい場合、比較結果としてＣＭＰ＝０を出力する。

カウンタ部１８４は、レベル比較部１８３から入力される比較結果ＣＭＰに基づいてカウンタ値を変更する。具体的には、カウンタ部１８４は、比較結果がＣＭＰ＝１のとき、カウント値をインクリメントし、ＣＭＰ＝０のとき、カウンタ値を維持する。また、カウンタ部１８４には、カウンタ値を初期化するためのＣＬＲ信号が供給されている。ＣＬＲ信号は、バッファ処理部にｎポイントのデータが蓄積されると１度だけ発生し、カウンタ値をクリア（ＣＮＴ＝０）する。

回数比較部１８５は、カウンタ部１８４から入力されるカウンタ値ＣＮＴと、もう一方の入力から入力される規定のカウンタ値ＴＨＣＮＴとを比較して、異常検出信号を出力する。具体的には、回数比較部１８５は、ＣＮＴ＜ＴＨＣＮＴの場合、カウンタ値ＣＮＴが規定の回数に達していないと判断して、異常検出フラグＭＤＨＰ＝０として異常検出信号を出力する。一方、回数比較部１８５は、ＣＮＴ＞＝ＴＨＣＮＴの場合、カウンタ値ＣＮＴが規定の回数に達したと判断して、異常検出フラグＭＤＨＰ＝１として異常検出信号を出力する。

次に、モードホップを検出する際に実行される処理について、図６から図９を参照して説明する。ここに図６は、第１実施例に係るモードホップ検出処理の流れを示すフローチャートである。図７は、第１実施例に係るモードホップ検出波形例を示すタイムチャートであり、図８は、第１実施例に係るモードホップ脱出波形例を示すタイムチャートである。図９は、カウント値と血流計測誤差との関係を示すグラフである。

図６に示すように、本実施例に係る血流測定装置による計測が開始されると、規定の電流量で半導体レーザ１２０（以下、適宜「ＬＤ」と称する）が駆動される（ステップＳ１０１）。続いて、Ａ／Ｄ変換器１６０では、規定の周波数で増幅信号がＡ/Ｄ変換される（ステップＳ１０２）。バッファ処理部１６５では、Ａ／Ｄ変換後の蓄積データ数がｎポイントに到達したか否かが判定される（ステップＳ１０３）。ここで、蓄積データ数がｎポイントに到達していない場合は（ステップＳ１０３：ＮＯ）、ステップＳ１０２の処理に戻る。一方、蓄積データ数がｎポイントに到達した場合は（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、異常カウンタ値ＣＮＴをクリアする（ステップＳ１０４）。

次に、絶対値化部１８１では、ｎポイントの蓄積データがそれぞれ絶対値化され、ＡＢＳ値として保存される（ステップＳ１０５）。ピーク検出部１８２では、ｎポイントの蓄積データに対応するＡＢＳ値の複数のピークをそれぞれ検出して、複数のＰＥＫ値として保存する（ステップＳ１０６）。レベル比較部１８３では、ピーク値の全てを規定のピーク値ＴＨＬＶＬと比較したか否かが判断される（ステップＳ１０７）。ここで、全てのピーク値の比較が終了すると（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、ステップＳ１１２に移行する。一方、全てのピーク値の比較が終了していない場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、ステップＳ１０８に移行する。

ＰＥＫ＞ＴＨＬＶＬが成立する場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、レベル比較部１８３では、異常なピーク値を検出したと判断して、比較フラグがセット（ＣＭＰ＝１）される（ステップＳ１０９）。またカウンタ部１８４では、カウンタ値がインクリメントされ（ステップＳ１１０）、ステップＳ１０７に戻る。一方、ＰＥＫ＞ＴＨＬＶＬが成立しない場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、レベル比較部１８３では、異常なピーク値を検出していないと判断され、比較フラグがリセット（ＣＭＰ＝０）される（ステップＳ１１１）。なお、カウンタ部１８４では、カウンタ値が維持されたままで、ステップＳ１０７に戻る。

回数比較部１８５では、カウンタ値ＣＮＴが規定の回数ＴＨＣＮＴに到達しているか否かが判断される（ステップＳ１１２）。ＣＮＴ＞ＴＨＣＮＴが成立する場合、回数比較部１８５では、異常なピーク値を多数検出したと判断され、異常フラグがセット（ＭＤＨＰ＝１）される（ステップＳ１１３）。この場合、回数比較部１８５からは、ＬＤ駆動電流変更指令が出力され（ステップＳ１１４）、ステップＳ１０２に戻る。一方、ＣＮＴ＞ＴＨＣＮＴが成立しない場合、回数比較部１８５では、異常なピーク値を検出していない又は多数は検出していないと判断され、異常フラグがリセット（ＭＤＨＰ＝０）される（ステップＳ１１５）。この場合、ＬＤ駆動電流は維持されたままでステップＳ１０２に戻る。

図７に示すように、バッファデータは、多様な周波数、振幅、位相を有するランダム信号に近い信号であるが、ＬＤがモードホップしていない通常の場合、その振幅は規定の範囲内にある。ところが、ＬＤがモードホップした場合、光の波長がシフトするので、光ドップラによる光ビート信号が乱れ、光ビート信号を増幅した増幅信号を量子化したバッファデータの振幅は、光ビート信号の乱れから異常ピークを示す。

ここで、連続していない単発的なモードホップが生じた場合、光ビート信号の乱れ区間は短く、異常ピークも単発的となり、最終的に血流信号出力に与える悪影響は少ない（図７の左側の半面参照）。ところが、連続した激しいモードホップが生じた場合、光ビート信号の乱れ区間は長く、異常ピークも連続的となり、最終的に血流信号出力に与える悪影響が大きくなる（図７の右側の半面参照）。

バッファデータの振幅値を検出するために絶対値化したＡＢＳ値は、正の値となる。バッファデータの異常ピーク値部分は、ＡＢＳ値も異常な値となる。バッファデータの振幅値の異常状態を検出するために、ＡＢＳ値は規定のピーク値ＴＨＬＶＬと比較され、比較結果ＣＭＰは、異常ピーク値部分でＣＭＰ＝１となり、それ以外の通常状態では、ＣＭＰ＝１となる。

カウンタを初期化するために、ｎポイントのデータごとに、ＣＬＲ信号が生成される。ＣＬＲ信号の周期は、Ａ／Ｄ変換されたｎポイントのデータがバッファ処理により蓄積される周期と同一である。ただし、モードホップの検出には、バッファ処理の期間とは異なる期間のデータ（例えば、バッファ処理期間の整数倍の期間や、外部に血流を出力するレート等）が用いられてもよい。

図７の左側の半面では、一度、モードホップによる異常ピークが単発的に生じており、ＣＭＰ＝１となりカウンタ値ＣＮＴがインクリメントされる。しかし、ここではモードホップが連続して生じていないので、カウンタ値ＣＮＴは、規定の回数ＴＨＣＮＴに到達する前に、ＣＬＲ信号によりクリアされる。そのため、ＭＤＨＰ＝０のままであり、異常は検出されない。

一方、図７の右側の半面にでは、連続したモードホップによる連続した異常ピークが生じており、長い区間で、ＣＭＰ＝１となりカウンタ値ＣＮＴが複数回インクリメントされている。この結果、カウンタ値ＣＮＴは規定の回数ＴＨＣＮＴに到達する。そのため、ＭＤＨＰ＝１となり、異常が検出される。

図８は、ＬＤの温度変化等により、連続した激しいモードホップが検出されたことで、ＭＤＨＰ＝１となり、ＬＤ駆動電流変更指令が発令され、その後ＬＤ駆動電流が変化したことにより、連続した激しいモードホップ状態から脱出し、モードホップしていない安定な状態に変化した例を示している。

連続した激しいモードホップ状態は、例えば、半導体レーザの利得が最大になる波長モードが特定温度における特定駆動電流に対して、近接して存在し、交互にモード間を行ったり来たりするモード競合が生じている場合である。このとき、駆動電流を変更すると、どちらかのモードに安定し、他のモードに戻らなくなる。即ち、連続したモードホップ状態から脱出することが可能となる。

図９では、図７及び図８で示した異常ピークのカウント値ＣＮＴと、最終的に血流出力に生じた計測誤差との関係を、実験により把握した結果が示されている。図を見ても分かるように、カウント値ＣＮＴが、規定カウント値ＴＨＣＮＴを超えると、急激に計測誤差が増大している。このように、カウント値ＣＮＴの増加に対して、計測誤差は指数関数的に増大する実験結果が得られている。なお、ＣＮＴがＴＨＣＮＴ以下の領域は、モードホップが生じていないか、又は単発的な穏やかなモードホップが生じている場合である。一方、ＣＮＴがＴＨＣＮＴ超えた領域は、連続した激しいモードホップが生じている場合である。

以上の結果、カウント値ＣＮＴが規定カウント値ＴＨＣＮＴを超えた場合にモードホップを抑制する処理を行えば、極めて効率的にモードホップの悪影響を低減できると判断できる。本実施例では、血流演算の周波数解析に用いるｎポイントのデータ中における、異常ピーク数に対応したカウント値ＣＮＴから、半導体レーザ１２０のモードホップ状態を定量的に把握できる構成としたので、最終的に血流計測結果に与える影響が小さい場合はＬＤ駆動電流を維持し、一方、最終的に血流計測結果に与える影響が大きい場合のみ、ＬＤ駆動電流を変更してモードホップ状態を脱出することが可能となる。従って、より適切なＬＤ駆動電流制御が実現可能となるので、消費電力を抑圧しつつ、モードホップ状態を脱出して正確な血流計測が可能となる。

また、モード競合状態にある連続した激しいモードホップ状態の場合、異常を検出して駆動電流変更によりモード競合を脱出できる。一方、単発的な穏やかなモードホップ状態は異常を検出しないので、駆動電流を維持でき、安定したレーザ発振状態を維持できる。よって、過度な駆動電流変更によるモードホップ状態の助長を防止できる。

ｎポイントのデータ中における、異常ピーク数に対応したＣＮＴ値は、モードホップを起こす確率に対応した値を求めていると言える。従って、モードホップが生じ易い状態なのか、或いはモードホップは発生し難い状態なのかを、定量的に示す指標がカウント値ＣＮＴである。規定カウント数ＴＨＣＮＴは、例えば図９に示されたようなデータに基づくことで最適化することができる。

＜異常検出時の血流出力維持＞
次に、異常検出時の血流演算方法について、図１０を参照して具体的に説明する。ここに図１０は、異常検出時の血流演算処理の流れを示すフローチャートである。

図１０に示すように、蓄積データ数がｎポイントに達すると（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、既に図６を用いて説明したモードホップ検出処理が実施される（ステップＳ２０１）。その後、異常検出フラグＭＤＨＰが確認され、モードホップ異常状態が検出されない場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、ＭＤＨＰ＝０となり、図３で示した通常の血流演算処理が実行される（ステップＳ２０３）
一方、モードホップ異常状態が検出された場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、ＭＤＨＰ＝１となり、今回の血流演算は入力データの信頼性が低いと判断される。この場合、前回演算した結果にホールドすべく、前回の血流演算結果を今回の血流演算結果とし、ＬＤ駆動電流変更を指令が発令される（ステップＳ２０４）。

以上の結果、モードホップ異常状態が検出されない場合には、通常の血流演算処理で得られた血流が出力され、モードホップ異常状態が検出された場合には、前回の血流演算処理で得られた血流が出力される（ステップＳ２０５）。モードホップ異常状態が検出された場合において、前回の血流演算結果を維持することにより、モードホップ時の計測誤差の増大（図９参照）を防止することができる。なお、図９で示されているデータは、上述した処理を実行しないときの実験結果である。

＜駆動電流の限界値設定＞
次に、モードホップ抑制処理によって制御されるＬＤ駆動電流に対する限界値の設定について、図１１を参照して詳細に説明する。ここに図１１は、ＬＤ駆動電流の限界値設定の流れを示すフローチャートである。

図１１は、図１０における異常検出時の処理（ステップＳ２０４）を一部変更した例を示している。ここで示す例では、ＬＤ駆動電流設定値が変更（ダウン又はアップ）されると（ステップＳ３０１）、ＬＤ駆動電流設定値が、限界値以内か否かが判定される（ステップＳ３０２）。

ここで、ＬＤ駆動電流設定値が限界値以内の場合、ＬＤ駆動電流変更指令が発令され（ステップＳ３０３）、血流値が出力される（ステップＳ２０５）。一方、ＬＤ駆動電流設定値が限界値を超えている場合、駆動電流変更方向を反転して（アップ又はダウン）ＬＤ駆動電流設定値が再変更された上で（ステップ３０４）、ＬＤ駆動電流変更指令が発令され（ステップＳ３０３）、血流値が出力される（ステップＳ２０５）。

ＬＤ駆動電流は、初期段階で適正なレーザ光パワーを得るべく調整される。ＬＤ駆動電流変更の限界値は、初期段階での調整値に対して、例えば±５％の範囲として設定される。このようにＬＤ駆動電流変更の限界値を設定すれば、ＬＤ駆動電流が適切な範囲で変更される。

ここで仮に、ＬＤ駆動電流を低くし過ぎると、ＬＤ発光パワーが低下し、計測Ｓ/Ｎが確保できなくなる不具合を生じる。また、ＬＤ駆動電流を高くし過ぎると、ＬＤ発光パワーが増大し、ＬＤの寿命が低下する不具合を生じる。しかるに本実施例によれば、ＬＤ駆動電流が適切な範囲で変更され、上述した不具合を防止でき、且つ電流変更方向を適切に反転して駆動電流を変更するので、連続した激しいモードホップ状態を脱出することができる。

以上説明したように、第１実施例に係る測定装置によれば、半導体レーザ１２０のモードホップの発生を抑制して、より正確な血流測定を実施することが可能である。また本実施例に係る測定装置では特に、悪影響が生じてしまうような頻度でモードホップが発生した場合にのみ抑制処理が実行されるため、極めて効率的にモードホップを抑制できる。

＜第２実施例＞
次に、第２実施例に係る測定装置について、図１２及び図１３を参照して説明する。ここに図１２は、第２実施例に係る測定装置におけるモードホップ検出部の構成を示すブロック図である。また図１３は、第２実施例に係るモードホップ検出波形例を示すタイムチャートである。

なお、第２実施例は、上述した第１実施例と比べて一部の構成及び動作が異なるのみで、多くの部分は第１実施例と同様である。このため、以下では第１実施例と異なる部分について詳細に説明し、重複する部分については適宜説明を省略するものとする。

図１２に示すように、第２実施例に係るモードホップ検出部１８０ｂは、絶対値化部１８１と、ＬＰＦ部１８６と、レベル比較部１８７とを備えて構成されている。

ＬＰＦ部１８６は、絶対値化部１８１から出力されたＡＢＳ（即ち、絶対値化されたバッファデータ）を積分して平均化し、ＲＭＳとして出力する。

レベル比較部１８７は、ＬＰＦ部１８６から出力されたＲＭＳと、規定平均レベルＲＭＳＬＶＬと比較する。そして、ＲＭＳ＞ＲＭＳＬＶＬが成立する場合、ＬＤモードホップによる異常な振幅値であると判断し、ＭＤＨＰ＝１として、異常を検出する。

図１３に示すように、ＲＭＳ値は、バッファデータに異常ピークがあると、ゆるやかにレベルが上昇し、異常ピークがなくなると、ゆるやかにレベルが下降する。また、連続した激しいモードホップが生じると、ＲＭＳ値の上昇は連続し、やがてＲＭＳＬＶＬに到達する。このようなＲＭＳの特性を利用し、第２実施例では、ＲＭＳ＞ＲＭＳＬＶＬが成立すると、ＭＤＨＰが０から１に変化し、異常が検出される。

以上説明したように、第２実施例に係る測定装置によれば、異常ピークのカウンタ値ＣＮＴを用いてモードホップを検出する第１実施例と同様に、好適にモードホップの発生を検出できる。従って、モードホップの発生を抑制して、より正確な血流測定を実施することが可能である。

＜第３実施例＞
次に、第３実施例に係る測定装置について、図１４を参照して説明する。ここに図１４は、第３実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。

なお、第３実施例は、上述した第１及び第２実施例と比べて一部の構成及び動作が異なるのみで、多くの部分は第１及び第２実施例と同様である。このため、以下では第１及び第２実施例と異なる部分について詳細に説明し、重複する部分については適宜説明を省略するものとする。

図１４に示すように、第３実施例に係る測定装置では、レーザ駆動部１１０に温度を制御するためのペルチェ素子３００が設けられている。そして、第２実施例に係るモードホップ抑制処理部１９０ｂは、そのペルチェ素子３００を制御することで、モードホップの発生を抑制する。

具体的には、モードホップ抑制処理部１９０ｂは、モードホップ検出部１８０から抑制処理許可信号が入力されると（即ち、高い頻度でモードホップが発生していると判定されると）、ペルチェ素子制御信号を出力して、ペルチェ素子３００によるレーザ駆動部１１０の吸熱を実施する。このようにすれば、レーザ駆動部１１０の温度が低下し、温度上昇に起因して発生していたモードホップが抑制される。

以上説明したように、第３実施例に係る測定装置によれば、レーザ駆動部１１０の駆動電流を制御する第１及び第２実施例と同様に、半導体レーザ１２０のモードホップの発生を抑制して、より正確な血流測定を実施することが可能である。

＜第４実施例＞
次に、第４施例に係る測定装置について、図１５を参照して説明する。ここに図１５は、第４実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。

なお、第４実施例は、上述した第１から第３実施例と比べて一部の構成及び動作が異なるのみで、多くの部分は第１から第３実施例と同様である。このため、以下では第１から第３実施例と異なる部分について詳細に説明し、重複する部分については適宜説明を省略するものとする。

図１５に示すように、第４実施例に係る測定装置では、半導体レーザ１２０と被測定対象２００との間に液晶４００が設けられている。そして、第４実施例に係るモードホップ抑制処理部１９０ｃは、その液晶４００を制御することで、モードホップの発生を抑制する。

具体的には、モードホップ抑制処理部１９０ｃは、モードホップ検出部１８０から抑制処理許可信号が入力されると（即ち、高い頻度でモードホップが発生していると判定されると）、液晶制御信号を出力して、液晶４００の屈折率を変化させ、被測定対象２００からの戻り光が、半導体レーザ１２０に入射しないような環境を実現する。このようにすれば、半導体レーザ１２０に戻り光が入射することに起因して発生していたモードホップが抑制される。

以上説明したように、第３実施例に係る測定装置によれば、第１から第３実施例と同様に、半導体レーザ１２０のモードホップの発生を抑制して、より正確な血流測定を実施することが可能である。

＜第５実施例＞
次に、第５施例に係る測定装置について、図１６から図１９を参照して説明する。ここに図１６は、第５実施例に係る測定装置における振幅リミッタ部の構成を示すブロック図である。また図１７から図１９は夫々、増幅信号及び血流出力の一例を示すグラフである。なお、図１７から図１９で示されているグラフの横軸は時間であり、０秒から２７秒に対応している。

図１６に示すように、第５実施例に係る測定装置は、血流演算部１７０の前段に、振幅リミッタ部５００を備えて構成されている。振幅リミッタ部５００は、極性判定部５０１と、選択部５０２と、－１倍部５０３と、データ入れ替え部５０４とを備えている。

極性判定部５０１は、入力されるバッファデータの極性を判定する。極性判定部５０１における判定結果（即ち、バッファデータの極性の正負）は、選択部５０２に出力される。

選択部５０２は、バッファデータの極性が正極性の場合、リミットレベルＴＨＬＶＬをそのまま選択し、データ入れ替え部５０４に出力する。一方で、選択部５０２は、バッファデータの極性が負極性の場合、リミットレベルＴＨＬＶＬを－１倍部５０３で－１倍して極性反転したレベルを選択し、データ入れ替え部５０４に出力する。なお、リミットレベルＴＨＬＶＬは、上述した規定のピーク値ＴＨＬＶＬ（即ち、モードホップ検出部１８０においてモードホップを検出するための振幅閾値）と同一であってもよいし、異なる値であってもよい。

データ入れ替え部５０４は、バッファデータに異常ピークが生じているとき（即ち、レベル比較結果であるＣＭＰ＝１の場合）、バッファデータを選択部５０２の出力に入れ替え、リミットデータとして出力する。またデータ入れ替え部５０４は、通常の振幅のとき（即ち、レベル比較結果であるＣＭＰ＝０の場合）、バッファデータをそのままリミットデータとして出力する。リミットデータは、図３で示した周波数解析を含む信号処理からなる血流演算部１７０に入力される。

図１７に示す波形は、半導体レーザ１２０が安定してシングルモードで発振している状態、即ちモードホップを生じていない場合に得られる波形の一例である。この場合は、モードホップが生じていないため、増幅信号にノイズが殆ど存在していない。このため、振幅リミッタ処理を行わずとも、正確な血流出力が得られている。

図１８に示す波形は、半導体レーザ１２０がモードホップにより不安定な発振状態にある場合に得られる波形の一例である。この場合は、図１７と比較しても分かるように、モードホップの発生に起因して、増幅信号に多くのノイズが存在している。このため、振幅リミッタ処理を行わないと、血流出力の脈波に乱れが生じてしまう。

図１９に示す波形は、図１８の場合と同様に、半導体レーザ１２０がモードホップにより不安定な発振状態にある場合に得られる波形の一例であるが、本実施例に係る振幅リミッタ処理を行って復調している。このため、振幅リミッタ部５００の振幅制限作用により、ノイズ成分が抑圧されている。その結果、血流出力における脈波の乱れは、最小限に抑えられ、図１７の場合と同様に、モードホップしていない（即ち、ノイズのない）状態に近い波形が得られている。

以上説明したように、第５実施例に係る測定装置によれば、半導体レーザ１２０のモードホップによるノイズが生じても、その影響を抑圧して、より正確な血流測定を実施することが可能である。なお、振幅リミッタ処理によるモードホップの影響抑制効果は、比較的モードホップの発生頻度が穏やかな場合に有効であり、モードホップの発生頻度が大きく増加すると、十分ではなくなるおそれがある。しかしながら本実施形態では、上述したように、高い頻度でモードホップが発生した場合には、レーザ駆動部１１０の駆動電流の制御、温度制御、或いは液晶４００による戻り光の制御により、モードホップの発生頻度を低下させることができる。従って、モードホップの発生状況に応じて、その影響を効果的に抑制することが可能である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う測定装置、測定方法、及びコンピュータプログラムもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１１０ レーザ駆動部
１２０ 半導体レーザ
１３０ 受光素子
１４０ Ｉ－Ｖ変換部
１５０ 増幅器
１６０ Ａ／Ｄ変換器
１６５ バッファ処理部
１７０ 血流演算部
１７１ ハニング窓処理部
１７２ ＦＦＴ処理部
１７３ ２乗演算部
１７４ １次モーメント積算部
１７５ ＬＰＦ部
１８０ モードホップ検出部
１８１ 絶対値化部
１８２ ピーク検出部
１８３ レベル比較部
１８４ カウンタ部
１８５ 回数比較部
１８６ ＬＰＦ部
１８７ レベル比較部
１９０ モードホップ抑制処理部
２００ 被測定対象
３００ ペルチェ素子
４００ 液晶
５００ 振幅リミッタ部
５０１ 極性判定部
５０２ 選択部
５０３ －１倍部
５０４ データ入れ替え部

Claims (9)

1. 被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、
   前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、
   前記受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と、
   所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段にモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する
   ことを特徴とする測定装置。
2. 被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、
   前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、
   前記受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と、
   所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段にモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射手段の温度を変化させることで、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する
   ことを特徴とする測定装置。
3. 被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、
   前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、
   前記受光手段の出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と、
   所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段にモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射手段と前記被測定対象との間に設けられた液晶窓の屈折率を変化させることで、前記照射手段による前記レーザ光の照射状態を制御する
   ことを特徴とする測定装置。
4. 被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、
   前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、
   前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、
   所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程と
   を含み、
   前記制御工程では、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段においてモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する
   ことを特徴とする測定方法。
5. 被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、
   前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、
   前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、
   所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程と
   を含み、
   前記制御工程では、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段にモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射手段の温度を変化させることで、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する
   ことを特徴とする測定方法。
6. 被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、
   前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、
   前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、
   所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程と
   を含み、
   前記制御工程では、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段にモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射手段と前記被測定対象との間に設けられた液晶窓の屈折率を変化させることで、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する
   ことを特徴とする測定方法。
7. 被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、
   前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、
   前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、
   所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程と
   をコンピュータに実行させ、
   前記制御工程では、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段においてモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する
   ことを特徴とするコンピュータプログラム。
8. 被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、
   前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、
   前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、
   所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程と
   をコンピュータに実行させ、
   前記制御工程では、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段にモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射手段の温度を変化させることで、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する
   ことを特徴とするコンピュータプログラム。
9. 被測定対象にレーザ光を照射手段で照射する照射工程と、
   前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、
   前記受光工程における出力信号に含まれる、前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、
   所定期間内の前記ビート信号に基づいて、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する制御工程と
   をコンピュータに実行させ、
   前記制御工程では、前記所定期間内の前記ビート信号を解析し、前記照射手段にモードホップが発生していると判断した場合に、前記照射手段と前記被測定対象との間に設けられた液晶窓の屈折率を変化させることで、前記照射工程における前記レーザ光の照射状態を制御する
   ことを特徴とするコンピュータプログラム。

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