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【発明の名称】 生体光計測装置
【発明者】 【氏名】川口 文男
【住所又は居所】東京都千代田区内神田１丁目１番１４号 株式会社日立メディコ内
【要約】 【課題】本発明は、検出光の検出精度を向上させることができる生体光計測装置を得ることを目的とするものである。

【解決手段】主ロックイン処理部１２は、変調周波数を参照信号として、参照信号と同期した信号の抽出を行う。第１の補正用ロックイン処理部１３は、変調周波数よりも低い周波数の参照信号を用いて補正用ロックイン処理を行う。第２の補正用ロックイン処理部１４は、変調周波数よりも高い周波数の参照信号を用いて補正用ロックイン処理を行う。ノイズ補正部１５では、第１及び第２の補正用ロックイン処理部１３，１４による補正用ロックイン処理の結果を用いて、主ロックイン処理により検出された検出光の強度が補正される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の変調周波数で強度変調された照射光を発生する光源部と、
上記照射光を被検体に照射することにより上記被検体から得られる検出光の強度を、上記変調周波数と同じ周波数の信号を参照信号とする主ロックイン処理により検出する強度検出部と
を備え、
上記強度検出部は、上記変調周波数とは異なる周波数の信号を参照信号とする補正用ロックイン処理の結果を用いて、上記主ロックイン処理により検出された検出光の強度を補正することを特徴とする生体光計測装置。
【請求項２】
上記強度検出部は、上記変調周波数よりも低い周波数を参照信号とする第１の補正用ロックイン処理部と、上記変調周波数よりも高い周波数を参照信号とする第２の補正用ロックイン処理部とを有していることを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
一般に、生体光計測装置は、被検体の生理変化に伴う光学変化を、検出光強度の微弱な変化から求める。従って、外乱光の影響を除き高精度な計測を実施するために、照射光を特定周期で変調し、かつ検出された光信号をロックイン回路で同期し計測するロックイン光計測法が用いられている。ロックイン型計測回路は、特定周波数の信号を精度良く選択的に計測できる計測回路方式である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１４６１５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来の生体光計測装置では、照射光は、被検体を通過する際に吸収や散乱により大きな減衰を受ける。また、照射光の強度は、安全上の観点から制限される。このため、検出光の強度は微弱となり、検出信号は回路ノイズの影響を受け易い。これに対して、微弱な検出光を精度良く検出するため、電子増倍機能のある光検出器、例えば光電子増倍管やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられている。
【０００５】
しかし、このような電子増倍型の光検出器は、電子を高い電圧で加速し増倍するため、自発的な電子発生によるショットノイズを発生する。このショットノイズは、短時間にパルス状の信号を発生させるため、広帯域の信号を間歇的に発生させる。また、ショットノイズは、広帯域であるため、計測信号の変調周波数域に漏れ込み、ロックイン回路を用いた峡帯域のフィルタでも除去が困難である。このため、被検体内での光減衰が大きい場合、高感度の電子増倍型の光検出器を用いても十分な検出精度が得られないことがある。
【０００６】
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、検出光の検出精度を向上させることができる生体光計測装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る生体光計測装置は、所定の変調周波数で強度変調された照射光を発生する光源部と、照射光を被検体に照射することにより被検体から得られる検出光の強度を、変調周波数と同じ周波数の信号を参照信号とする主ロックイン処理により検出する強度検出部とを備え、強度検出部は、変調周波数とは異なる周波数の信号を参照信号とする補正用ロックイン処理の結果を用いて、主ロックイン処理により検出された検出光の強度を補正する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の生体光計測装置は、変調周波数とは異なる周波数の信号を参照信号とする補正用ロックイン処理の結果を用いて、主ロックイン処理により検出された検出光の強度を補正するので、ショットノイズによる影響を低減し、検出光の検出精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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の要部を示すブロック図である。図において、被検体１には、光源部２で発生された照射光が照射される。照射光が被検体１を反射又は透過して得られる検出光の強度は、強度検出部３により検出される。具体的には、強度検出部３は、検出光の強度の時間変化を計測する。例えば、被検体が人体頭部であるとすると、強度検出部３で検出された検出光強度の情報は、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。
【００１０】
光源部２は、レーザ光を発生する半導体レーザ等のレーザ光源４と、レーザ光源４を駆動するレーザ駆動回路５とを有している。レーザ光源４は、可視から赤外の波長領域中で波長、例えば７８０ｎｍ付近の波長の光を放射する。波長は、７８０ｎｍに限定されるものではなく、また波長数も１波長に限定されるものではない。
【００１１】
レーザ駆動回路５は、発振器６により与えられる所定の変調周波数ｆ０に基づいて、照射光の強度を変調する。変調周波数ｆ０としては、例えば生体の血流変化を十分計測可能な１０ＫＨｚが選択される。
【００１２】
具体的には、レーザ駆動回路５では、レーザ光源４に対して直流バイアス電流を印可するとともに変調周波数ｆ０を印加することで、レーザ光源４から放射される照射光に変調を与える。この変調方式としては、矩形波によるデジタル変調が用いられている。また、変調方式として正弦波等の任意波形の繰り返しを用いてもよい。
【００１３】
強度検出部３は、光検出器７、ロックインアンプ処理部８及びコンピュータ９を有している。光検出器７は、検出光強度を電気信号に変換する。光検出器７としては、例えばＡＰＤ等の高感度電子増倍型検出器が用いられている。ロックインアンプ処理部８は、発振器６から得た変調周波数ｆ０と同位相・同周波数の信号を参照信号とする主ロックイン処理を行う。
【００１４】
図２は図１の強度検出部３のより具体的な構成を示すブロック図である。ロックインアンプ処理部８は、アンプ１０、Ａ／Ｄ変換器１１、主ロックイン処理部１２、第１の補正用ロックイン処理部１３、第２の補正用ロックイン処理部１４及びノイズ補正部１５を有している。アンプ１０は、光検出器７からの信号を電圧変換する。
【００１５】
Ａ／Ｄ変換器１１は、アンプ１０からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器１１の変換サイクルは、光源部２の変調周期に比べて十分大きい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。
【００１６】
ロックイン処理部１２〜１４としては、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が用いられている。Ａ／Ｄ変換器１１から出力されたデジタル信号は、ロックイン処理部１２〜１４により平行して処理される。
【００１７】
主ロックイン処理部１２は、上記の主ロックイン処理を行う。即ち、主ロックイン処理部１２は、変調周波数ｆ０（１０ＫＨｚ）を参照信号として、参照信号と同期した信号の抽出を行う。また、主ロックイン処理部１２におけるローパスフィルタの遮断周波数は１００Ｈｚとし、主ロックイン処理部１２からの出力信号は、５０サンプル／秒のデジタル信号列としてノイズ補正部１５に送られる。
【００１８】
第１及び第２の補正用ロックイン処理部１３，１４は、変調周波数ｆ０とは異なる周波数の信号を参照信号とする補正用ロックイン処理を行う。具体的には、第１の補正用ロックイン処理部１３は、変調周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１（例えば８ＫＨｚ）の参照信号を用い、補正用ロックイン処理を行う。また、第１の補正用ロックイン処理部１３のローパスフィルタの遮断周波数は１００Ｈｚとし、第１の補正用ロックイン処理部１３からの出力信号は、５０サンプル／秒のデジタル信号列としてノイズ補正部１５に送られる。
【００１９】
第２の補正用ロックイン処理部１４は、変調周波数ｆ０よりも高い周波数ｆ２（例えば１２ＫＨｚ）の参照信号を用い、補正用ロックイン処理を行う。ここでは、変調周波数ｆ０が周波数ｆ１と周波数ｆ２との中間になるように周波数ｆ１，ｆ２が設定されている。また、第２の補正用ロックイン処理部１４のローパスフィルタの遮断周波数は１００Ｈｚとし、第２の補正用ロックイン処理部１４からの出力信号は、５０サンプル／秒のデジタル信号列としてノイズ補正部１５に送られる。
【００２０】
ノイズ補正部１５では、第１及び第２の補正用ロックイン処理部１３，１４による補正用ロックイン処理の結果を用いて、主ロックイン処理により検出された検出光の強度が補正される。ノイズ補正部１５としては、例えばＤＳＰが用いられている。
【００２１】
なお、ロックイン処理としては、サイン・コサインの位相が相互に９０度ずれた参照信号による位相検波信号のそれぞれの２乗和の平均を出力する位相不感型ロックインアンプ処理が実行される。これにより、参照信号と照射光との位相差変動による信号揺らぎを防ぐことができる。また、位相調整作業が不要になるとともに、ノイズ補正処理におけるショットノイズの位相ずれの影響を除くことができ、高精度なノイズ補正を可能とする。
【００２２】
ここで、図３は図１の強度検出部３で通常検出される検出光の周波数と強度との関係を示すグラフである。照射光の強度を変調周波数ｆ０（１０ＫＨｚ）で変調することにより、検出光の強度も、周波数ｆ０で鋭いピークを持っている。他の周波数帯の出力は、外部からの迷光によるノイズと考えることができる。
【００２３】
迷光は自然光が主であるため、ノイズは、広い周波数帯域で時間方向に安定した強度を有している。つまり、ノイズのパワーは、周波数方向及び時間軸方向に一様に広がっている。このため、峡帯域計測であるロックインアンプ計測信号への影響は小さい。
【００２４】
しかし、高感度光検出器を用いて微弱光の計測を行う場合、迷光によるノイズとは別に、短時間に大きなピークを持つパルス状ショットノイズが発生する。例えば、光検出器７としてＡＰＤを用いる場合、電子増倍部の加圧電位を高くすると、ショットノイズの発生率が増加する。このようなショットノイズは、計測装置の応答時間に比べて長いランダムな時間間隔の間歇的で幅の狭いパルス状であるため、フィルタ処理後もロックインアンプ処理部８へ伝播しノイズ源となる。
【００２５】
図４は図２のロックイン処理部１２〜１４の出力信号及びノイズ補正部１５での補正後の信号の時間変化を示すグラフである。図４に示すように、ショットノイズが発生すると、各周波数のロックイン処理後の３つの信号に類似したノイズ信号が付加される。この場合、迷光や回路系の熱雑音等によるホワイトノイズもショットノイズの上に重なるが、ホワイトノイズはショットノイズよりも小さい。
【００２６】
次に、ノイズ補正部１５での具体的な補正処理の一例について説明する。ノイズ補正部１５には、ロックイン処理部１２〜１４からの信号が５０サンプル／秒の率で入力される。本実施の形態では、３つの周波数（ｆ０，ｆ１，ｆ２）が近接しているため、周波数空間上のショットキーパルスノイズによるノイズのパワースペクトル分布は、周波数ｆのほぼ線形な関数であると仮定することが可能で、ＬＡｎ（ｆ０）を計測周波数におけるショットパルスによるノイズのパワーの推定値とすると、次式が成立する。
ＬＡｎ（ｆ０）＝（ｆ０−ｆ１）（ＬＡ（ｆ２）−ＬＡ（ｆ１））／（ｆ２−ｆ１）＋ＬＡ（ｆ１）
この結果、ショットノイズ補正後の信号を次式により求めることができる。
ＬＡ（ｆ０）’＝ＬＡ（ｆ０）−ＬＡｎ（ｆ０）
【００２７】
なお、ノイズ計測ウインドウの数をさらに増やした場合は、ショットノイズで推定されるスペクトル関数を用いてノイズ推定及び補正が可能となる。例えば、ショットノイズをガウス関数とすると、ノイズ関数はこの１／ｅ幅σの逆数となるガウス関数となるため、このσを変数として計測周波数におけるＬＡ信号を最小二乗法でフィッティングすることで、精度の高いノイズ推定及び補正が可能となる。
【００２８】
上記のようなプロセスを、ＤＳＰ回路で構成されたノイズ補正部１５により５０サンプル／秒で行えば、実時間で信号のノイズを補正することが可能となる。補正後の信号は、コンピュータ９に入力され、コンピュータ９の表示部には、信号変化が実時間で表示される。
【００２９】
上記のように、この実施の形態の生体光計測装置では、変調周波数とは異なる周波数の信号を参照信号とする補正用ロックイン処理の結果を用いて、主ロックイン処理により検出された検出光の強度を補正するので、ショットノイズによる影響を低減し、検出光の検出精度を向上させることができる。
【００３０】
また、ロックインアンプ処理部８には、変調周波数よりも低い周波数を参照信号とする第１の補正用ロックイン処理部１３と、変調周波数よりも高い周波数を参照信号とする第２の補正用ロックイン処理部１４とが設けられているので、強度の補正をより正確に行うことができる。
【００３１】
なお、上記の例では、主ロックイン処理、補正用ロックイン処理及びノイズ補正処理をＤＳＰ回路により実行しているが、十分な処理速度が得られればコンピュータにより実行してもよい。
また、上記の例では、デジタル方式によるロックイン回路の構成例を示したが、同様の機能を有するアナログ方式のロックイン回路を用いても同様の機能は得られる。
さらに、上記の例では、第１及び第２の補正用ロックイン処理部１３，１４を用いたが、補正用ロックイン処理部は、１つ又は３つ以上であってもよい。即ち、ｆ１，ｆ２とは異なる周波数ｆ２〜ｆｎを参照周波数とする第３〜第ｎの補正用ロックイン処理部を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施の形態１による生体光計測装置の要部を示すブロック図である。
【図２】図１の強度検出部のより具体的な構成を示すブロック図である。
【図３】図１の強度検出部で通常検出される検出光の周波数と強度との関係を示すグラフである。
【図４】図２のロックイン処理部の出力信号及びノイズ補正部での補正後の信号の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１ 被検体、２ 光源部、３ 強度検出部、１２ 主ロックイン処理部、１３ 第１の補正用ロックイン処理部、１４ 第２の補正用ロックイン処理部。
【出願人】 【識別番号】０００１５３４９８
【氏名又は名称】株式会社日立メディコ
【住所又は居所】東京都千代田区外神田四丁目１４番１号
【出願日】 平成１７年５月１１日（２００５．５．１１）
【代理人】 【識別番号】１０００５７８７４
【弁理士】
【氏名又は名称】曾我 道照

【識別番号】１００１１０４２３
【弁理士】
【氏名又は名称】曾我 道治

【識別番号】１０００８４０１０
【弁理士】
【氏名又は名称】古川 秀利

【識別番号】１０００９４６９５
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 憲七

【識別番号】１００１１１６４８
【弁理士】
【氏名又は名称】梶並 順
【公開番号】 特開２００６−３１４４６２（Ｐ２００６−３１４４６２Ａ）
【公開日】 平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【出願番号】 特願２００５−１３８７２１（Ｐ２００５−１３８７２１）