JPH11169361A - 生体光計測装置 - Google Patents

生体光計測装置

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JPH11169361A
JPH11169361A JP9338452A JP33845297A JPH11169361A JP H11169361 A JPH11169361 A JP H11169361A JP 9338452 A JP9338452 A JP 9338452A JP 33845297 A JP33845297 A JP 33845297A JP H11169361 A JPH11169361 A JP H11169361A
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JP
Japan
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light
signal
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frequency
intensity
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JP9338452A
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English (en)
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Yuichi Yamashita
優一 山下
Atsushi Maki
敦 牧
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication date
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  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数波長計測,複数位置計測を目的とした多チ
ャンネル計測による生体光計測において、生体情報を精
度よく計測する。 【解決手段】被検体に照射する光強度に任意の周波数で
変調を印加し、被検体内部を通過して検出された光をフ
ォトダイオードなどの光検出器で電気信号に変換する。
その後、光の強度変調と同一の中心周波数を持つ周波数
フィルターを通過させ、信号強度を増幅し、前記強度変
調周波数と位相同期した位相検波器に導入する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は生体内部の情報を光
を用いて計測する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】生体内部を簡便にかつ生体に害を与えず
に計測する装置が臨床医学及び脳科学などの分野で望ま
れている。例えば頭部を計測対象と考えると、脳梗塞・
脳内出血などの脳疾患及び、思考・言語・運動などの高
次脳機能の計測などが挙げられる。また、このような計
測対象は頭部に限らず、胸部では心筋梗塞などの心臓疾
患、腹部では腎臓・肝臓などの内臓疾患に対する予防診
断等も挙げられる。
【0003】これらの要望に対して、光計測は非常に有
効である。その第1の理由は、生体内器官の正常及び異
常、さらには高次脳機能に関する脳の活性化は、生体内
部の酸素代謝及び血液循環と密接に関係している。この
酸素代謝と血液循環は、生体中の特定色素(ヘモグロビ
ン,チトクローム,ミオグロビン等)の濃度に対応し、
この色素濃度は可視から赤外領域の波長の光吸収量から
求められるからである。また、光計測が有効である第
2,第3の理由としては、光は光ファイバによって扱い
が簡便であり、さらに安全基準の範囲内での使用により
生体に害を与えないことが挙げられる。
【0004】このような光計測の利点を利用して、可視
から赤外の波長の光を生体に照射し、生体から反射され
た光を検出することで生体内部を計測する装置が、例え
ば特開昭57−115232号あるいは特開昭63−275323号や、
脳疾患診断及び脳機能計測に用いる光トポグラフィ(特
願平7−25976号)等に記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】生体光計測において、
生体情報を高精度で計測するためには、計測装置として
広いダイナミックレンジの確保が不可欠である。特に、
複数波長計測,複数位置計測等による多チャンネル計測
では、複数の情報(波長情報,位置情報等)を含んだ計
測信号から、特定の波長及び位置情報を有する個々の目
的信号を分離する必要があり、これら個々の信号に対し
て広いダイナミックレンジが求められる。このことは、
単に光検出デバイス単体のダイナミックレンジの拡大で
は対応が困難であり、多チャンネル計測装置全体をシス
テムと考えて、このシステムでダイナミックレンジの広
域化を図る必要がある。
【0006】そこで、本発明が解決しようとする課題
は、上記のような個々の目的信号に対して選択的に広い
ダイナミックレンジを有する装置を提供することであ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明ではまず、被検体に照射する光強度に任意の
周波数で変調を印加する。被検体内部を通過して検出さ
れた光をフォトダイオードなどの光検出器で電気信号に
変換した後、光の強度変調と同一の中心周波数を持つ周
波数フィルターを通過させ、その後増幅し、前記強度変
調周波数と位相同期した位相検波器に導入する。
【0008】
【発明の実施の形態】(実施例1)本発明に基づく第1
の実施例を図1に示す。光源部1は、例えば波長77
0,805,830nmの3波長を放射する3個の半導
体レーザから構成されている。これらの半導体レーザ
は、それぞれ異なった周波数f1,f2,f3で強度変
調されている。これらの光はハーフミラー2により同一
光路上に重ね合わせた後、照射用光ファイバ3に導入
し、被検体4に光を照射する。被検体4内部を通過した
光は検出用光ファイバ5を介して高感度の光検出器、例
えばアバランシェフォトダイオード6で検出する。この
アバランシェフォトダイオード6で光信号を電気信号に
変換した後、3個の信号検出ユニット7−1から7−3
に分配する。
【0009】この信号検出ユニットの構造を、信号検出
ユニット7−1を例に取り、図2で説明する。アバラン
シェフォトダイオード6からの出力信号、すなわち信号
検出ユニット7−1への入力信号には、被検体4に照射
した3波長に相当する3周波数f1,f2,f3からな
る変調信号が重ね合わされて含まれている。この信号検
出ユニット7−1内の周波数フィルター8−1の中心周
波数はf1であり、この周波数フィルターをまず最初に
信号が通過することで、周波数f2,f3の変調信号が
除去されて周波数f1のみの変調信号が抽出される。こ
の周波数フィルター8−1を信号が通過した後に、増幅
器9−1により信号が増幅される。周波数フィルター8
−1を通過した周波数f1の信号であっても、雑音成分
で偶然周波数f1を有するものは除去されず残ってい
る。
【0010】そこで、増幅器9−1の出力信号を、照射
光の変調周波数f1を参照信号として位相同期した位相
検波器10−1に入力する。周波数f1の雑音成分の位
相は、照射光の変調位相に対してランダムに変動してい
る。そこで、位相検波器10−1において、位相が照射
光と相関のない雑音成分を除去し、照射光に対応した信
号成分のみを抽出する。位相検波器10−1からの出力
は、被検体4への波長770nmの照射光に対する検出
光量を正確に反映する直流信号である。
【0011】以上、この信号検出ユニット7−1内の信
号処理過程は、まず、周波数フィルター8−1で周波数
f2,f3の信号を除去することにより、増幅器9−1
による周波数f1成分の信号の増幅率を、位相検波器1
0−1の最大入力信号強度レベル近くまで大きく設定す
ることが可能となる。このことにより、目的信号(信号
検出ユニット7−1の場合、770nmの波長情報を有
する周波数f1信号)に対して選択的にダイナミックレ
ンジを最大限広く設定することができる。
【0012】この本発明の効果を顕著に示す例を、以下
に述べる。信号検出ユニット7−1に入力する周波数f
1,f2,f3の信号強度に大きな差がある場合、例え
ば周波数f1の強度に比べて周波数f2,f3の強度が
5倍程大きい場合を考える。この強度の差は、前述の生
体中の色素濃度の変化に伴う生体光反射スペクトル特性
の変化によって生じうるものである。さらにここで、信
号検出ユニット7−1に入力する周波数fの1信号成分
及びf2,f3の信号成分の強度が、位相検波器10−
1の最大入力信号強度レベルの1%及び5%とした場
合、もし、周波数フィルター8−1を通過しなければ、
位相検波器10−1には周波数f1,f2,f3成分の
和(位相検波器10−1の最大入力信号強度レベルの1
0%程度の強度)が入力する。そのため、増幅器9−1
による増幅率は10倍程度が上限となる。
【0013】一方、本発明に記されているように、周波
数フィルター8−1を通過することによって、位相検波
器10−1には周波数f1成分のみ(位相検波器10−
1の最大入力信号強度レベルの1%程度の強度)が入力
するために、増幅器9−1による増幅率は100倍程度
まで大きくすることができる。すなわち、この例では増
幅器9−1による増幅率が10倍から100倍へと増
加、すなわちダイナミックレンジが10倍大きくなって
いることを示している。
【0014】このように、複数の波長情報を含んだ信号
から、特定の波長に対する目的信号のみを選択的に広い
ダイナミックレンジで計測することが可能になる。この
効果は、光検出デバイスや位相検波器単体のダイナミッ
クレンジの拡大では本質的に得ることはできず、本発明
に示されるように、計測装置全体をシステムと考え、そ
のシステムを効率化することで初めて可能になる。
【0015】同様にして、検出信号ユニット7−2,7
−3では、それぞれ周波数f2成分及び周波数f3成分
の信号を選択的に広いダイナミックレンジで精度良く計
測する。
【0016】信号検出ユニット7−1,7−2,7−3
の出力信号は、A/D変換器11によりそれぞれデジタ
ル信号に変換されてデータ記憶部12で記録される。ま
た、これら記録された信号はデータ処理部13におい
て、3波長の検出光量を用いて、酸素化ヘモグロビン濃
度,脱酸素化ヘモグロビン濃度、及びこれらヘモグロビ
ン濃度総量としての全ヘモグロビン濃度を、例えば、講
談社,1979年発行の柴田正三等編集による著書「二
波長分光光度法とその応用」記載の方法で求める。求め
られた酸素化ヘモグロビン濃度,脱酸素化ヘモグロビン
濃度、及び全ヘモグロビン濃度を表示部14において表
示する。以上の計測は、制御部15により制御されてい
る。
【0017】この実施例1では計測波長数として3波長
の場合を示しているが、もちろん必要に応じて波長数を
さらに増加させることも可能である。
【0018】(実施例2)本発明に基づく第2の実施例
を図3に示す。光源部1は、例えば波長770,80
5,830nmの3波長を放射する3個の半導体レーザ
二組から構成されている。これら合計6個の半導体レー
ザはそれぞれ異なった周波数で強度変調されている。こ
の変調周波数として、第1組の波長770,805,8
30nmの半導体レーザに対しては周波数f1,f2,f
3とし、第2組の波長770,805,830nmの半
導体レーザに対しては周波数f4,f5,f6とする。
これらの光は、第1組,第2組ごとにハーフミラー2に
より同一光路上に重ね合わされた後、照射用光ファイバ
21−1及び21−2に導入し、被検体4において異な
る位置から光を照射する。
【0019】被検体4内部を通過した光は検出用光ファ
イバ5を介して高感度の光検出器、例えばアバランシェ
フォトダイオード6で検出する。このアバランシェフォ
トダイオード6で光信号を電気信号に変換した後、6個
の信号検出ユニット7−1から7−6に分配する。この
信号検出ユニットの構造は実施例1と同様である。例え
ば信号検出ユニット7−1を例にとると、信号検出ユニ
ット7−1に入力する周波数f1からf6の信号成分に
対して、周波数f1の信号成分、すなわち、照射用光フ
ァイバ21−1が被検体4に装着されている位置の情報
と770nmの波長の情報を有する目的信号のみを選択
的に広いダイナミックレンジにより高精度で計測するこ
とができる。
【0020】同様にして、信号検出ユニット7−2から
7−6ではそれぞれ周波数f2からf6成分の信号を選
択的に広いダイナミックレンジで精度良く計測する。
【0021】信号検出ユニット7−1から7−6の出力
信号は、A/D変換器11によりそれぞれデジタル信号
に変換されてデータ記憶部12で記録される。また、こ
れら記録された信号はデータ処理部13において、被検
体への光照射位置にそれぞれ対応する第1組の三波長及
び第2組の三波長の検出光量を用いて、酸素化ヘモグロ
ビン濃度,脱酸素化ヘモグロビン濃度、及びこれらヘモ
グロビン濃度総量としての全ヘモグロビン濃度を、実施
例1と同様な方法で求める。求められた酸素化ヘモグロ
ビン濃度,脱酸素化ヘモグロビン濃度、及び全ヘモグロ
ビン濃度を表示部14においてそれぞれ第1組及び第2
組ごとに表示する。以上の計測は、制御部15により制
御されている。
【0022】この実施例2では3波長を被検体の2箇所
の位置から照射し、被検体の1箇所の位置から検出する
場合を示しているが、もちろん必要に応じて波長数及び
被検体への光照射位置数及び検出位置数をさらに増加さ
せることも可能である。
【0023】
【発明の効果】本発明により、生体情報を光を用いて高
精度で計測するための、目的信号に対して選択的にダイ
ナミックレンジの広い計測装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の構成を示すブロック
図。
【図2】本発明における信号検出ユニットの構成例を示
すブロック図。
【図3】本発明の第2の実施例の構成を示すブロック
図。
【符号の説明】
1…光源部、2…ハーフミラー、3…照射用光ファイ
バ、4…被検体、5…検出用光ファイバ、6…アバラン
シェフォトダイオード、7−1〜7−6…信号検出ユニ
ット、8−1…周波数フィルター、9−1…増幅器、1
0−1…位相検波器、11…A/D変換器、12…デー
タ記憶部、13…データ処理部、14…表示部、15…
制御部、21−1,21−2…照射用光ファイバ。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光を被検体に照射し、その検出光から被検
    体内部の情報を計測する装置において、光源部から放射
    される光の強度に任意の周波数で変調を印加して被検体
    に照射し、被検体内部を通過して検出された光を電気信
    号に変換し、周波数フィルターを通過した後増幅し、位
    相検波を行うことを特徴とする生体光計測装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、光源部から複数の波長
    の光を放射し、各波長の光強度にそれぞれ異なる周波数
    で変調を印加し、被検体内部を通過して検出された光を
    電気信号に変換した後、周波数フィルター,増幅器及び
    位相検波器から構成される複数の信号検出ユニットに分
    配して入力することを特徴とする生体光計測装置。
  3. 【請求項3】請求項2において、各信号検出ユニットの
    周波数フィルター及び位相検波器は、各波長毎に印加し
    た変調周波数と同一及び位相同期していることを特徴と
    する生体光計測装置。
  4. 【請求項4】請求項1から3のいずれか記載の装置にお
    いて、光源部から放射される光強度に被検体に照射する
    複数部位ごとにそれぞれ異なる周波数で変調を印加し、
    被検体の内部を通過して検出された光を電気信号に変換
    した後、複数の信号検出ユニットに入力することを特徴
    とする生体光計測装置。
JP9338452A 1997-12-09 1997-12-09 生体光計測装置 Pending JPH11169361A (ja)

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