JP3623743B2 - 生体情報測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、生体情報測定装置およびこれを使用する測定方法に関し、特に、生体の密度、水分、血中酸素濃度、グルコース濃度、血糖値、脈拍、その他の様々な生体の代謝に対応する生体内の光伝播が伝播する光の波長により異なる変化をする性質に着目して生体内部の情報を得る生体情報測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物質或いは材料を光線或いはＸ線により照射して内部状態を測定することは一般的に行なわれている。生体についても、これをＸ線により照射して生体内部状態を測定し、或いは生体活動を測定することも実施されている。この種の測定を生体について実施する場合、測定は無侵襲であることが特に重要である。
ここで、生体を赤外光により照射して生体内部状態を測定する従来例を図１１を参照して説明する。変調器１−２、半導体レーザ１−１、光ファイバ１−３および光ファイバ１−６、光検出器１−７、多チャネルロックインアンプ１−８を主構成要素とする生体情報測定装置により変調された赤外光を生体内部、一例として頭骸骨内側の脳の表層を透過させて得られた測定結果である生体情報を記憶装置１−１３に蓄積し、蓄積された生体情報を演算装置１−１２において演算処理して生体情報の変化を測定し、この変化に基づいて生体内部状態を測定する。なお、以上の半導体レーザ１−１には、一例として、波長７８０ｎｍ光の半導体レーザが８個具備され、波長８３０ｎｍ光の半導体レーザも８個具備され、これらの個数の半導体レーザに対応して１６個の光検出器１−７が具備されている。
【０００３】
以上の生体情報測定装置は、光ファイバ１−３の先端に接続される波長７８０ｎｍ光の入射プローベと波長８３０ｎｍ光の入射プローベを１対として合計８対の入射プローベを生体の頭部の８箇所に適用し、半導体レーザ１−１から出射した相異なる波長の赤外の被変調光を入射プローベを介して頭骸骨を透過して脳表層に入射している。赤外光は頭蓋骨および生体を比較的に良好に透過するので、生体内を乱反射しながら伝播して再び頭部に到達し、これを生体の頭部に適用されている合計８対の受光プローベによりそれぞれの波長の反射光として受光することができる。特に、ヘモグロビンの遠赤外光における光吸収は酸素飽和度により大きく変化する。これに着目して、脳の表層における脳の作用、人間の顔色が悪いという様な情報を光学的に検出、測定することができる。
【０００４】
光ファイバ１−６の先端の受光プローベが受光した反射光は多チャネルロックインアンプ１−８に入力される。ところで、生体へ光を入射して生体透過した出力信号を測定する場合、得られる信号は大変に微小なものであり、通常、この微小信号は光検出器に混入している外部雑音に埋没し、或いは光学的擾乱に曝されているのでその測定は一般に困難である。しかし、ロックインアンプ１−８は変調信号に対して選択性の高いフイルタ回路を構成しており、このフイルタ回路を具備することにより先の光周波数および入射プローベ位置に対応する反射光強度を分離して測定することができる。（詳細は、特開２０００−１７２４０７号公報、株式会社日立メディコ メディックスＲＥＰＯＲＴ ＭＥＤＩＸ ＶＯＬ． ２９ 参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近は、蛍光灯照明器具の如くインバータにより駆動される照明器具が普及し、これが高調波成分を含めて数１０ｋＨｚ以上に亘る広スペクトルの外光を発生している場合があり、これら外光の影響を除いて低雑音で微小信号を測定することは実際の医療現場においては困難な状態にある。そして、生体の表面状態は個々に大きく異なるところから、光源を生体に密着させることの再現性に乏しく、これに起因して絶対的な透過度を求めることは難かしく、これが測定精度を制限する要因になっている。そして、以上の生体情報測定装置の従来例において、半導体レーザ１−１および光検出器１−７のセットの対の数を増加して２次元的に多数箇所について同時に生体情報測定を実施する場合、半導体レーザ１−１および光検出器１−７の各セットに対応して、変調器１−２、半導体レーザ１−１、光検出器１−７、ロックインアンプ１−８を準備する必要がある。これにより、生体情報測定装置全体が大型化、複雑化する。また、生体内の線形性により高調波が発生する様な場合、ロックインアンプを使用することに依っては生体内部状態の測定自体が原理的に困難になる。
【０００６】
この発明は、光源である半導体レーザを同時に複数個動作させて生体に複数の光を同時に入射するが、生体内を反射透過した反射光を受光する光検出器は１個であり、１個の光検出器が受光する複数の光を対応する半導体レーザ毎に格別に分離して測定すると共に如何なる外光がこの光検出器に混入してもこれが検出信号に影響を与えない上述の問題を解消した生体情報測定装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１：擬似雑音系列発生器１１、２１と、擬似雑音系列発生器の発生する擬似雑音系列によりＡＳＫしてスペクトラム拡散した光強度振幅を出力するレーザドライバ１２、２２と、スペクトラム拡散したレーザドライバ出力を割り当てられて駆動される半導体レーザ１３、２３とより成る光出射部を相異なる２光波長のそれぞれについて具備し、擬似雑音系列は相異なる２光波長のそれぞれについて各別のものとし、生体を伝播して到達する光を受光し電気的な検出信号を発生する光検出器１４と、検出信号を入力してこれをＡＤ変換するＡＤコンバータ１５とより成る光検出部を具備し、ＡＤコンバータ１５の出力するＡＤ変換検出信号を入力すると共に擬似雑音系列発生器１１、２１の発生する擬似雑音系列を入力し、両者を１周期以上に亘って掛け算して逆スペクトラム拡散する掛け算器１７、２７と、掛け算器の出力を累算する累算器１８、２８とより成る相関処理部を２光波長のそれぞれについて具備し、両累算結果に基づいて生体情報を求める生体情報測定装置を構成した。
【０００８】
そして、請求項２：請求項１に記載される生体情報測定装置において、更なる光検出部２４を具備すると共に、更なる相関処理部を２光波長について１組具備し、先の両相関処理部の累算器の累算結果を入力して両結果の比を求める第１の割り算器２９を具備し、更なる両相関処理部の累算器の累算結果を入力して両結果の比を求める第２の割り算器３９を具備し、第１の割り算器２９の求めた比および第２の割り算器３９の求めた比を入力し両者の比を求める第３の割り算器５０を具備する生体情報測定装置を構成した。
【０００９】
また、請求項３：請求項１に記載される生体情報測定装置において、擬似雑音系列を高周波の発振器６０の発生する搬送波により変調するアップミキサ６１、６２を相異なる２光波長について具備して被変調波によりレーザドライバ１２、２２の出力する光強度振幅をＡＳＫ変調し、光検出器１４により検出した検出信号を高周波の発振器６０の発生する搬送波により復調するダウンミキサ６３を具備して復調した検出信号をＡＤ変換する生体情報測定装置を構成した。
更に、請求項４：請求項１に記載される生体情報測定装置において、
擬似雑音系列発生器をホッピングパターン発生器７１、８１と周波数シンセサイザ７２、８２により構成して周波数シンセサイザ７２、８２はホッピングパターン発生器７１、８１の発生する周期乱数に対応して周波数系列の擬似ランダムパターンを相異なる２光波長のそれぞれについて発生し、光検出器１４の出力する検出信号を入力すると共に周波数シンセサイザ７２、８２の発生する周波数系列の擬似ランダムパターンを入力し、両者を掛け算して復調するダウンコンバータ９２、９３を相異なる２光波長のそれぞれについて具備し、ダウンコンバータ９２、９３の出力する復調信号をＡＤコンバータ１５に入力する生体情報測定装置を構成した。
【００１０】
ここで、請求項５：請求項３に記載される生体情報測定装置において、光検出器１４により検出した検出信号を高周波の発振器の発生する搬送波により復調するダウンミキサ６５、６５’を相異なる２光波長のそれぞれについて具備して復調した検出信号をＡＤ変換する構成を複数通り有し、逓倍数２、３を異にする逓倍器６４、６４’を複数個具備し、高周波の発振器出力を逓倍器６４、６４’を介してダウンミキサ６５、６５’に供給する生体情報測定装置を構成した。
そして、請求項６：擬似雑音系列発生器と、擬似雑音系列発生器の発生する擬似雑音系列によりＡＳＫしてスペクトラム拡散した光強度振幅を出力するレーザドライバと、スペクトラム拡散したレーザドライバ出力を割り当てられて駆動される半導体レーザとより成る光出射部を相異なる２光波長のそれぞれについて具備し、擬似雑音系列は相異なる２光波長のそれぞれについて各別のものとし、生体を伝播して到達する光を受光し電気的な検出信号を発生する光検出器と、検出信号を入力してこれをＡＤ変換するＡＤコンバータより成る光検出部を具備し、ＡＤコンバータの出力するＡＤ変換検出信号を入力すると共に擬似雑音系列発生器の発生する擬似雑音系列を入力し、両者を１周期以上に亘って掛け算して逆スペクトラム拡散する掛け算器と、掛け算器の出力を累算する累算器とより成る相関処理部を２光波長のそれぞれにおいて具備し、両累算結果に基づいて生体情報を求める生体情報測定装置について、相異なる２光波長について具備される半導体レーザ１３、２３を生体に対して２次元的にマトリクス状に配列してコンタクトすると共に、光検出器１４を生体に対して同様に２次元的にマトリクス状に配列してコンタクトする生体情報測定装置を構成した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明は、雑音に埋没する微弱な信号を選択増幅するロックインアンプの如きアナログ回路を採用することに代えて、擬似雑音符号として擬似ランダム系列の信号を使用してこれを出射光に含め、これとディジタル信号処理を施した検出信号との間の相関を求めて検出信号を取り出し、光の波長により異なる生体の代謝に対応する生体内の光伝播を検出して生体内部の情報を得る生体情報測定装置である。
【００１２】
擬似ランダム系列の代表例としては、アダマール行列から得られるアダマール系列と呼ばれるものがある。アダマール系列は、下記のアダマール行列
【００１３】
【数１】

この系列はいくらでも大きな系列とすることができる。全て組み合わせの積和はゼロとなっているが、１と−１の個数が等しくない系列、周波数成分が狭いと思われるものは排除して選択することができる。これは系列の周期を大きくしていった場合も同様である。他の擬似ランダム系列としてＭ系列を使用することができる。Ｍ系列は多段のシフトレジスタの中間から帰還した信号と最終段の出力の排他的論理和を入力に接続して得られる２値系列の集合である。そして、この生成のクロック周波数をチップレートと呼び、最小パルス時間をチップ時間と呼ぶ。この様にして得られる系列には、スペクトルが広くランダム性を有する特徴があるが、異なる列は互いに直交する性質があり、自己以外には相関がゼロ、即ち、積和演算を行えば常にゼロとなる。この種の系列にはアダマール行列から得られるアダマール系列、Ｍ系列の他にゴールド系列がある。この発明においてはこの種の擬似ランダム系列を擬似雑音系列として使用する。長いビット列とすることにより、それだけ相関を求める際の積和量を長く取ることができ、より雑音の影響を小さくすることができる。
【００１４】
相関を取るには、疑似雑音系列の１を＋１とすると共に０を−１とし、時系列的に検出される電気的な検出信号と疑似雑音系列との間の積を取り、擬似雑音系列の１周期に亘って和を取る。直交した擬似雑音系列の相互相関もゼロになるので、測定しようとする光源から出射する信号を良好に分離して求めることができる。また、擬似雑音系列の内でも１と０の符号の数が等しいものを使用すれば、白色の雑音が存在した場合でもその平均値は積和の過程でゼロとなる。この積和演算は１周期以上に亘って長く取れば、それだけ平均化を進めることができる。
【００１５】
以上の相関量を求めるに際して、高周波を重畳すれば雑音をより一層低減させることができる。これは光検出器の１／ｆ雑音から逃れることと、レーザ光源の戻り光によるパワー変動を抑制することに貢献する。高周波を重畳する手順は、擬似雑音系列をチップレートの周波数以下の周波数を通過する低域フィルタを介することにより不要な高周波帯域を除去した後、直接或いはこの周波数帯域と重ならない周波数を搬送波として乗算し、光源に入力する。上述の通り、この時に光源の波長或いはその設置位置について相異なる擬似雑音系列を使用する。１個の光検出器から得られる電気的な検出信号に対して必要な帯域を通過するフィルタを介して復調した信号と対応する擬似雑音系列との間の積和演算、相関を取るこの相関量はその光源の出射光の伝播成分の大きさに対応している。また、直交する擬似雑音系列を使用しているので光源毎にそれぞれの相関量が独立に求められる。以上の信号処理においては、伝播媒質から発生する雑音の影響は積和演算により平均化されるので極めて小さくなる。異なる擬似雑音系列を使用することにより複数の光源から出射した光を検出器で誤って検出する恐れはない。この擬似雑音系列はビット長を長くすれば数多く形成することができる。そして、このビット長を長くすることによりＳ／Ｎ比を容易に高めることができる。
【００１６】
光源と生体の間のコンタクトが再現性に乏しく、生体の透過光量が変動する場合は、光検出器を複数個使用し、光源から距離を変えて両光検出器を設置する構成とする。これにより、光源から生体に対して入射する光量が変化しても、異なった距離に設置された光検出器から得られる検出光量の比率を求めることにより光量が変化したことに起因する両測定結果の変動は相殺されるに到り、入射する光量の変化の影響は蒙むらない。
或る搬送波周波数を乗じて擬似雑音系列を変調して光を出射した場合、生体内の伝播媒質の一部に非線形性があれば、伝播信号成分内に整数倍の高調波の搬送波周波数とする信号が得られる。ここで、高調波搬送波周波数で復調したものと入力擬似雑音系列との間の相関を取ることにより生体内の非線型情報を得ることができる。
【００１７】
【実施例】
この発明の実施例を図１を参照して説明する。
１１は第１の擬似雑音系列発生器、２１は第２の擬似雑音系列発生器である。第１の擬似雑音系列発生器１１と第２の擬似雑音系列発生器２１は、雑音系列発生器自体の構成は同一であり、使用に際してこれらを格別に制御して相異なる擬似雑音系列を発生せしめる。
擬似雑音系列として、例えば、３２ビットのアダマール行列より得られる下記の２パターンを発生せしめる。
【００１８】
第１の擬似雑音系列：０１１０１００１１００１０１１０１００１０１１００１１０１００１
第２の擬似雑音系列：００１１１１００１１００００１１１１００００１１００１１１１００
１２は第１のレーザドライバ、２２は第２のレーザドライバである。これらレーザドライバ自体の構成も同一である。１３は７８０ｎｍの光を発光する第１の半導体レーザ、２３は８３０ｎｍの光を発光する第２の半導体レーザであり、共に５ｍＷの光を出射する。
【００１９】
ここで、第１のレーザドライバ１２に第１の擬似雑音系列発生器１１の発生する第１の擬似雑音系列を供給して第１のレーザドライバ１２の出力する光強度振幅を第１の擬似雑音系列によりＡＳＫしてスペクトラム拡散し、スペクトラム拡散したドライバ出力を第１の半導体レーザ１３に割り当てて駆動する。同様に、第２のレーザドライバ２２に第２の擬似雑音系列発生器２１の発生する第２の擬似雑音系列を供給して第２のレーザドライバ２２の出力する光強度振幅を第２の擬似雑音系列によりＡＳＫし、これを第２の半導体レーザ２３に割り当てて駆動する。
【００２０】
１４は１個のフォトダイオードより成る光検出器である。第１の半導体レーザ１３および第２の半導体レーザ２３から出射した相異なる波長の赤外の被変調光は、それぞれの入射プローベ１３１および入射プローベ２３１を介して頭骸骨を透過して脳表層に入射し、脳表層を乱反射しながら伝播して再び頭部に反射光として到達し、光検出器１４によりその受光プローベ１４１を介して反射信号光として受光し、電気的な検出信号を発生する。
１５はＡＤコンバータであり、光検出器１４の発生した両波長光の検出信号をディジタル信号に変換する。
【００２１】
１６は第１の符号変換器、１７は第１の掛け算器である。第１の掛け算器１７の一方の入力端にはＡＤコンバータ１５を介してディジタル信号に変換された第１の半導体レーザ１３の出射した光出力に対応する検出信号が入力されると共に他方の入力端には第１の符号変換器１６を介して変換された第１の擬似雑音系列が入力される。第１の掛け算器１７においては、時系列的に検出入力される検出信号と第１の疑似雑音系列との間の積を取る。第１の掛け算器１７の掛け算した結果の出力は第１の累算器１８に入力され、ここにおいて拡散された１周期に亘って加算され、結局、第１の疑似雑音系列に対応した検出信号のみが出力されるに到る。２６は第２の符号変換器、２７は第２の掛け算器である。第２の掛け算器２７の一方の入力端にはＡＤコンバータ１５を介してディジタル信号に変換された第２の半導体レーザ２３の出射した光出力に対応する検出信号が入力されると共に他方の入力端には第２の符号変換器２６を介して変換された第２の擬似雑音系列が入力される。第２の掛け算器２７においても、時系列的に検出入力される検出信号と第２の疑似雑音系列との間の積を取る。第２の掛け算器２７の掛け算した結果の出力は第２の累算器２８に入力され、ここにおいて拡散された１周期に亘って和算され、第２の疑似雑音系列に対応した検出信号のみが出力されるに到る。後で詳しく説明されるが、直交した擬似雑音系列の相互相関もゼロになるので、測定しようとする半導体レーザ光源から出射する信号を分離して求めることができる。
【００２２】
以上の生体情報測定装置の動作を生体中の血中酸素濃度と脈拍を測定する仕方を例として更に説明する。
第１の半導体レーザ１３および第２の半導体レーザ２３より成る２個の半導体レーザは、対応する第１のレーザドライバ１２および第２のレーザドライバ２２によりパワー制御されて生体を照射する。これに際して、これら半導体レーザと生体との間の間隔が短かければそのまま光を照射するが、これらの間隔が長い場合は半導体レーザの出射する光を光ファイバを介して生体に照射する。後で更に具体的に説明されるが、伝播係数は光検出器１４により検出された検出信号はＡＤコンバータ１５においてサンプル抽出され、掛け算器１７、２７において符号変換器１６、２６を介して供給される擬似雑音系列の間の相関の有無により求められる。ここで、サンプリング周波数をチップレートより高くすることにより精度を高くすることができる。
【００２３】
次に、相関を取る方法について説明する。フォトダイオードより成る光検出器１４の発生する電気的な検出信号をＡＤコンバータ１５でＡＤ変換し、ディジタル化された検出信号値に対して、擬似雑音系列が１であれば＋１を、０であれば−１を掛ける。この積を擬似ランダム系列の１周期に亘って累積した和をもって相関量とする。この積和は１周期以上、或はそれ以上の周期に亘って実行する。疑似雑音系列は１と０の符号の数が等しく、ＤＣ的な外光が入力に混入したり、白色の雑音が存在しても、その平均値は積和の過程でゼロとなる。また、直交した擬似雑音系列の間の相互相関もゼロになるので、測定しようとする２個の光源から出射される信号を分離して求めることができる。元の信号以外の情報は累積されない。
【００２４】
ここで、
・入力光のパワー：Ｐ_１ （波長７８０ｎｍ）、Ｐ_２ （波長８３０ｎｍ）
・酸素化ヘモグロビンの吸収係数：Ｅ_{１ ＯＸ}（波長７８０ｎｍ）、Ｅ_{２ ＯＸ}（波長８３０ｎｍ）
・脱酸素化ヘモグロビンの吸収係数：Ｅ_{１ ｄＸ}（波長７８０ｎｍ）、Ｅ_{２ ｄＸ}（波長８３０ｎｍ）
・ヘモグロビン以外の吸収係数：ｎ_１ （波長７８０ｎｍ）、ｎ_２ （波長８３０ｎｍ）
・生体中の酸素化ヘモグロビンの濃度：Ｃ_ＯＸ
・脱酸素化ヘモグロビン濃度：Ｃ_ｄＸ
・得られたそれぞれの相関量：Ｔ_１ 、（波長７８０ｎｍ）、Ｔ_２ （波長８３０ｎｍ）
・生体中の伝播距離：ｄ
・伝播係数：ｘ_１ （波長７８０ｎｍ）、ｘ_２ （波長８３０ｎｍ）
とする。
【００２５】
光源と生体のコンタクトが理想的であれば、伝播係数ｘ_１ 、ｘ_２ は以下の通りになる。
ｘ_１＝−ｌｏｇ（Ｔ_１／Ｐ_１）／ｄ
ｘ_２＝−ｌｏｇ（Ｔ_２／Ｐ_２）／ｄ
ここで、
−ｌｏｇ（Ｔ_１／Ｐ_１）＝（Ｅ_{１ ＯＸ・}Ｃ_ＯＸ＋Ｅ_{１ ｄＸ・}Ｃ_ｄＸ＋ｎ_１）ｄ
−ｌｏｇ（Ｔ_２／Ｐ_２）＝（Ｅ_{２ ＯＸ・}Ｃ_ＯＸ＋Ｅ_{２ ｄＸ・}Ｃ_ｄＸ＋ｎ_２）ｄ
であり、Ｃ_ＯＸ、Ｃ_ｄＸについて解けば、
Ｃ_ＯＸ＝［（ｘ_１−ｎ_１）Ｅ_{２ ｄＸ}−（ｘ_２−ｎ_２）Ｅ_{１ ｄＸ}／Ａ
Ｃ_ｄＸ＝［（ｘ_２−ｎ_２）Ｅ_{１ ＯＸ}−（ｘ_１−ｎ_１）_・Ｅ_{２ ＯＸ}］／Ａ
Ａ＝Ｅ_{１ ＯＸ・}Ｅ_{２ ｄＸ}−Ｅ_{１ ｄＸ・}Ｅ_{２ ＯＸ}
となる。酸素飽和度Ｏ_ｓａｔ をＣ_ＯＸ／（Ｃ_ＯＸ＋Ｃ_ｄＸ）で定義すれば、
Ｏ_ｓａｔ（ｘ_１、ｘ_２）＝［（ｘ_１−ｎ_１）_・Ｅ_{２ ｄＸ}−（ｘ_２−ｎ_２）_・Ｅ_{１ ｄＸ}］／［（ｘ_１−ｎ_１）Ｅ_{２ ｄＸ}−（ｘ_２−ｎ_２）Ｅ_{１ ｄＸ}＋（ｘ_２−ｎ_２）Ｅ_{１ ＯＸ}−（ｘ_１−ｎ_１）Ｅ_{２ ＯＸ}］
となる。
【００２６】
生体中の距離ｄは実測できないが、他のパラメータは生体固有のものであるので、予め酸素飽和度Ｏ_ｓａｔ と較正を行っておけば、相関量から酸素飽和度Ｏ_ｓａｔ を求めることができる。
図２は光源出力５ｍＷの場合の両波長の相関量の比と血中酸素濃度の間の校正チャートである。この校正チャートを使用して血中酸素濃度を同定することができる。例えば、８３０ｎｍ光と７８０ｎｍ光の相関量が或る時間で０． １および０． ０５であったとすれば、その比である「７８０ｎｍ光相関量／８３０ｎｍ光相関量」は５０（０． ０５／０． １）であり、図２のグラフを参照してこの場合の血中酸素濃度は８０％であると測定される。また、図３を参照するに、生体と入射プローベおよび受光プローベとの間のコンタクトが良好であると共に半導体レーザの出力が安定していれば、それぞれの波長の光の相関量はその比を保ったまま、血流量の大きさに反比例して脈動する。この周期に着目して脈拍数を測定することができる。
【００２７】
図４を参照して第２の実施例を説明する。図４において、図１における部材と共通する部材には共通する参照符号を付与している。この第２の実施例は、第１の実施例において、第１の半導体レーザ１３および第２の半導体レーザ２３の組から出射した被変調光を入射プローベ１３１および入射プローベ２３１を介して入射する光入射領域２０からみて光検出器１４より遠いところに第２の光検出器２４を配置した生体情報測定装置に相当する。３５は第２の光検出器２４の検出信号を入力してこれをＡＤ変換する第２のＡＤコンバータである。４７は第２のＡＤコンバータ３５の出力するＡＤ変換検出信号を入力すると共に擬似雑音系列発生器２１の発生する擬似雑音系列を入力し、両者を１周期以上に亘って掛け算して逆スペクトラム拡散する第４の掛け算器である。第４の掛け算器４７の掛け算した結果の出力は第４の累算器４８に入力され、ここにおいて拡散された１周期に亘って加算される。３７は第２のＡＤコンバータ３５の出力するＡＤ変換検出信号を入力すると共に擬似雑音系列発生器１１の発生する擬似雑音系列を入力し、両者を１周期以上に亘って掛け算して逆スペクトラム拡散する第３の掛け算器である。第３の掛け算器３７の掛け算した結果の出力は第３の累算器３８に入力され、ここにおいて拡散された１周期に亘って加算される。２９は第１の累算器１８の累算結果と第２の累算器２８の累算結果を入力して両結果の比を求める第１の割り算器である。３９は第３の累算器３８の累算結果と第４の累算器４８の累算結果を入力して両結果の比を求める第２の割り算器である。５０は第１の割り算器２９の割り算結果と第２の割り算器３９の割り算結果の比を求める第３の割り算器である。
【００２８】
以下、第２の実施例を、第１の半導体レーザ１３および第２の半導体レーザ２３から出射される両波長光の生体内における伝播係数の差異に基づいて生体情報の代表的なものである生体中の血中酸素濃度と脈拍を求める場合について説明する。
上述した通り、生体情報測定装置の入射プローベおよび受光プローベと生体との間のコンタクトは不安定になりがちであり、半導体レーザの出力の安定性も完全ではない。これらに起因して伝播係数、即ち、光検出器により検出される電気的な検出信号に基づいて得られる相関量の大きさが変動することになる。この測定毎の測定結果の変動は予め較正を取っておいても補償することはできない。これに対して、複数個の光検出器を生体に位置決めコンタクトして両波長光それぞれについて複数個の検出信号を求め、これに基づいて得られる両波長光よる伝播係数の比を取れば、コンタクトの状態、半導体レーザの出力の安定性とは無関係に測定結果は一定の値に近ずく。これは複数個の光検出器の間で伝播している波長の異なる光の伝達係数を複数個の光検出器の間の比のみで求めることになるからである。
【００２９】
図４を参照するに、光検出器１４から得られる両波長成分の伝播係数の比である第１の伝播係数比を求め、更に、光入射領域２０からみて光検出器１４より遠いところに設置される第２の光検出器２４から得られる両波長成分の伝播係数の比である第２の伝播係数比を求める。この第１の伝播係数比と第２の伝播係数比は生体中の波長による伝播係数が異なれば異なった値となる。第１の伝播係数と第２の伝播係数の比を取ることにより、半導体レーザの出力の安定性とは無関係に精度を損なわずに測定をすることができる。即ち、生体情報測定装置の入射プローベと生体との間のコンタクト係数をＲ_０ とすれば、先の伝播係数：ｘ_１ 、ｘ_２ の説明において、伝播係数をｙ_１、ｙ_２とした時、
ｙ_１＝−ｌｏｇ（Ｒ_０Ｔ_１／Ｐ_１）／ｄ
ｙ_２＝−ｌｏｇ（Ｒ_０Ｔ_２／Ｐ_２）／ｄ
ここで、両伝播係数をｙ_１、ｙ_２の比をとるに際して、これら両者が対数により表現されているところから、比をとる代わりにこれら対数の差を取ることによりＲ_０ が消去できることに対応する。また、酸素飽和度はｎ_１ 、ｎ_２ が小さく、これを無視すれば以下の如くになる。
【００３０】

この式から、２つの波長の異なる光源の比を求めれば、血中酸素飽和度を光源の生体へのコンタクトの良否に無関係に測定することができることになる。この第２の実施例の場合も、血流が増加すればフォトダイオード間の伝達係数が小さくなることで脈動を検出することができる。この場合、光源や光検出器と生体とのコンタクトによる変動の影響を受けにくくすることができる。
【００３１】
図５を参照して第３の実施例を説明する。第３の実施例は、生体中の血中酸素濃度の２次元的な分布を示す光トポグラフを作成する生体情報測定装置の実施例である。
図５において、○により示される領域は図１の光入射領域２０に対応し、半導体レーザ１３の先端に接続される入射プローベ１３１と半導体レーザ２３の先端に接続される入射プローベ２３１とを１対として生体にコンタクトするＬ領域である。□により示される領域は図１の光検出器１４の受光プローベ１４１が生体にコンタクトするＤ領域である。Ｌ領域およびＤ領域は図示される如く２次元的にマトリクス状に配列コンタクトされる。２次元的に配列されるＬ領域にコンタクトする全半導体レーザには、全てについて相異なる１２８ビットの擬似雑音系列を割り当て、擬似雑音系列を割り当てられた出射光は同様に２次元的に配列されるＤ領域の内の特に当該Ｌ領域に隣接するＤ領域の光検出器により検出する。伝播係数は先の実施例１と同様に相関値から求めることができる。そして、第３の実施例においても、これに第２の実施例の手法を適用して生体情報測定装置の入射プローベと生体との間のコンタクトの不安定性、および半導体レーザの出力の安定性の影響を受け難くすることができる。
【００３２】
図６を参照して第４の実施例を説明する。
第１のアップミキサ６１において、チップレート１００ＫＨｚ、３２ビットの擬似雑音系列を１ＭＨｚ発振器６０の発生する１ＭＨｚの搬送波周波数により変調し、この被変調波により第１のレーザドライバ１２の出力する光強度振幅をＡＳＫ変調し、スペクトラム拡散する。これにより５ｍＷ出力の７８０ｎｍ光の第１の半導体レーザ１３を駆動して生体に照射する。８３０ｎｍ光の第２の半導体レーザ２３についても同様に駆動して生体に照射する。生体上に設置された１個のシリコン或はゲルマニュームのフォトダイオードより成る光検出器１４により検出した検出信号を低雑音増幅器９１で増幅した後、ダウンミキサ６３において帯域２００ＫＨｚ、中心周波数１ＭＨｚの帯域フィルタＢＰＦを通過せしめてから先の搬送波周波数で逆拡散復調する。以降、図１の第１の実施例と同様に信号処理する。
【００３３】
この第４の実施例においては、第１のミキサ６１の入力端に低域フィルタＬＰＦを有して擬似雑音系列の高周波数帯域が搬送波周波数に混入しない様にしている。復調された受信信号に対する積和演算は先の実施例と同様に実行される。ここで、光源である半導体レーザは１ＭＨｚの高い周波数で変調された被変調信号により駆動されるので、測定中に蛍光灯その他の擾乱のもととなる器具の発生する光雑音が出射光に与える悪影響が低減されることとなり、得られる相関値の精度をより一層向上することができる。
【００３４】
図７を参照するに、図７（ａ）は擬似雑音系列発生器ＰＮの出力を示す図、図７（ｂ）は擬似雑音系列発生器ＰＮの出力の周波数スペクトルを示す図、図７（ｃ）は低域フィルタの通過出力を示す図、図７（ｄ）は低域フィルタの周波数スペクトルを示す図、図７（ｅ）はアップミキサの周波数スペクトルを示す図、図７（ｆ）は帯域フィルタの周波数スペクトルを示す図、図７（ｇ）はセンサ出力の周波数スペクトルを示す図、図７（ｈ）はダウンミキサの周波数スペクトルを示す図、図７（ｉ）は低域フィルタの周波数スペクトルを示す図である。
【００３５】
図８を参照するに、これはＡＤコンバータ、符号変換器、掛け算器および累算器による積和演算を説明する図である。
図９を参照して第５の実施例を説明する。
第５の実施例においては、擬似ランダム系列を周波数ホッピングで生成して伝播係数を求める。即ち、第５の実施例は第４の実施例で説明した高周波変調の仕方を拡張し、擬似雑音系列を異なる周波数パターンで表わす。
周波数ホッピングは、発振周波数を互いに異にする周波数発振器を多数個準備し、先の実施例における擬似雑音系列に対応する周波数系列の擬似ランダムパターンを発生する。図９において、第１のホッピングパターン発生器７１は４個のシフトレジスタを使用して発生するＭ系列の各レジスタを４ビットの数値として読み、以下の通りの最大値１５、最小値１の周期乱数を発生することができる。
【００３６】
１５、７、１１、５、１０、１３、６、３、９、４、２、１、８、１２、１４
このことから周波数シンセサイザ７２を介して１５種類の周波数系列に変換される。同様に、周波数シンセサイザ８２を介して１５種類の周波数系列に変換される。ここにおいて、２通りの光波長に対して初期値ａ_１ 、ａ_２ 、ａ_３ 、ａ_４ と初期値ｂ_１ 、ｂ_２ 、ｂ_３ 、ｂ_４ を異ならせることにより、異なる系列として使用する例を挙げている。周期の位相が変わるだけであるが、同じ周波数を同時に選択しないので重なったものを検出する恐れはない。別に、段数、帰還の位置を変えたものを準備しておくことができる。この場合、光検出器で検出した信号について周波数スペクトルの各周波数成分の電力を検出する。即ち、フーリエ変換して周波数成分の時間的パターンを測定する。この各周波数成分の電力値と対応する擬似ランダムパターンとの間の相関量が半導体レーザから光検出器に到る生体中の伝達係数になる。各波長の半導体レーザに異なるＭ系列を割り当て、それぞれの相関を求めれば、第１の実施例と同様の手順で波長の違いによる伝播係数の比を求めることができる。この伝播係数はヘモグロビンの酸素飽和度と対応させることにより、生体の血中酸素濃度を得ることができる。第５の実施例は第３の実施例における２次元的な光トポグラフを得るに使用することができる。
【００３７】
図１０を参照して第６の実施例を説明する。図６の第４の実施例を説明する。において、
一般に、生体の如何なる伝播媒質においても伝播光強度を大きくすると、当該伝播光の周波数の整数倍の波が発生する。これは伝播媒質の非線形性に起因する非線形効果を示すものであり、整数倍の波の大きさは伝播媒質の性質により異なる。第６の実施例は、２系統の３２ビットの擬似雑音系列を１ＭＨｚ発振器６０の発生する１ＭＨｚの搬送波周波数により振幅変調スペクトラム拡散し、これを７８０ｎｍの第１の半導体レーザ１３およびと８３０ｎｍの第２の半導体レーザ２３に入力し、光検出器１４で検出した検出信号を先の搬送波周波数の整数倍の周波数である２ＭＨｚと３ＭＨｚでダウンミキサ６５、６５’においてダウンコンバートとし、擬似雑音系列の周波数帯域幅の低域フィルタを通過して得られる検出信号について、擬似雑音系列との間の相関をとる。これにより生体内の２次元および３次元の伝播係数を得ることができる。この非線形成分の係数を生体に特徴的な係数成分として予め測定しておくことにより、生体に関する新たな情報を獲得することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明によれば、波長、位置を変えて生体にコンタクトされた光源にそれぞれ異なる擬似雑音系列を割り当てて光を出射せしめ、１個の光検出器で一括して検出した電気的検出信号に対して先に割り当てた擬似雑音系列を掛け算して相関を取り、相関量から生体の伝播係数を得るもの。擬似雑音系列は直交性があり、他の光源、周囲雑音による影響を受け難い。これにより微弱な検出信号をも感度良く検出することができる。アダマール行列その他の適切な行列に基づいて得られる擬似雑音系列を用いる場合、１と０のパルス数が等しくなり、積和演算の際に測定時のバックグラウンド雑音成分は相殺されてゼロになる。従って、Ｓ／Ｎ比を極めて大きくすることができる。同一構成の生体情報測定装置の複数組を２次元的に配列して測定する場合においても、相異なる擬似雑音系列を出射光に付与しておくことにより周囲雑音による影響を受けずに検出信号を得ることができる。また、光の変調波が伝播する媒質の非線形性、ドップラー効果を測定する場合、信号成分は更に微弱となるが、この場合も周囲雑音による影響を受けずに測定を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例を説明する図。
【図２】酸素飽和度と相関量の関係を示す図。
【図３】脈拍数と相関量の関係を説明するに使用される図。
【図４】第２の実施例を説明する図。
【図５】第３の実施例を説明する図。
【図６】第４の実施例を説明する図。
【図７】各部の波形および周波数スペクトルを示す図。
【図８】積和演算を説明する図。
【図９】第５の実施例を説明する図。
【図１０】第６の実施例を説明する図。
【図１１】従来例を説明する図。
【符号の説明】
１１ 第１の擬似雑音系列発生器
１２ 第１のレーザドライバ
１３ 第１の半導体レーザ
１４ 光検出器
１５ ＡＤコンバータ
１７ 第１の掛け算器
１８ 第１の累算器
２１ 第２の擬似雑音系列発生器
２２ 第２のレーザドライバ
２３ 第２の半導体レーザ
２７ 第２の掛け算器
２８ 第２の累算器

Claims (6)

1. 擬似雑音系列発生器と、擬似雑音系列発生器の発生する擬似雑音系列によりＡＳＫしてスペクトラム拡散した光強度振幅を出力するレーザドライバと、スペクトラム拡散したレーザドライバ出力を割り当てられて駆動される半導体レーザとより成る光出射部を相異なる２光波長のそれぞれについて具備し、擬似雑音系列は相異なる２光波長のそれぞれについて各別のものとし、
   生体を伝播して到達する光を受光し電気的な検出信号を発生する光検出器と、検出信号を入力してこれをＡＤ変換するＡＤコンバータとより成る光検出部を具備し、
   ＡＤコンバータの出力するＡＤ変換検出信号を入力すると共に擬似雑音系列発生器の発生する擬似雑音系列を入力し、両者を１周期以上に亘って掛け算して逆スペクトラム拡散する掛け算器と、掛け算器の出力を累算する累算器とより成る相関処理部を２光波長のそれぞれについて具備し、
   両累算結果に基づいて生体情報を求めることを特徴とする生体情報測定装置。
2. 請求項１に記載される生体情報測定装置において、
   更なる光検出部を具備すると共に、更なる相関処理部を２光波長について１組具備し、
   先の両相関処理部の累算器の累算結果を入力して両結果の比を求める第１の割り算器を具備し、
   更なる両相関処理部の累算器の累算結果を入力して両結果の比を求める第２の割り算器を具備し、
   第１の割り算器の求めた比および第２の割り算器の求めた比を入力して両者の比を求める第３の割り算器を具備することを特徴とする生体情報測定装置。
3. 請求項１に記載される生体情報測定装置において、
   擬似雑音系列を高周波の発振器の発生する搬送波により変調するアップミキサを相異なる２光波長のそれぞれについて具備して被変調波によりレーザドライバの出力する光強度振幅をＡＳＫ変調し、
   光検出器により検出した検出信号を高周波の発振器の発生する搬送波により復調するダウンミキサを具備して復調した検出信号をＡＤ変換することを特徴とする生体情報測定装置。
4. 請求項１に記載される生体情報測定装置において、
   擬似雑音系列発生器をホッピングパターン発生器と周波数シンセサイザにより構成して周波数シンセサイザはホッピングパターン発生器の発生する周期乱数に対応して周波数系列の擬似ランダムパターンを相異なる２光波長のそれぞれについて発生し、
   光検出器の出力する検出信号を入力すると共に周波数シンセサイザの発生する周波数系列の擬似ランダムパターンを入力し、両者を掛け算して復調するダウンコンバータを相異なる２光波長のそれぞれについて具備し、
   ダウンコンバータの出力する復調信号をＡＤコンバータに入力することを特徴とする生体情報測定装置。
5. 請求項３に記載される生体情報測定装置において、
   光検出器により検出した検出信号を高周波の発振器の発生する搬送波により復調するダウンミキサを相異なる２光波長のそれぞれについて具備して復調した検出信号をＡＤ変換する構成を複数通り有し、
   逓倍数を異にする逓倍器を複数個具備し、
   高周波の発振器出力を逓倍器を介してダウンミキサに供給することを特徴とする生体情報測定装置。
6. 擬似雑音系列発生器と、擬似雑音系列発生器の発生する擬似雑音系列によりＡＳＫしてスペクトラム拡散した光強度振幅を出力するレーザドライバと、スペクトラム拡散したレーザドライバ出力を割り当てられて駆動される半導体レーザとより成る光出射部を相異なる２光波長のそれぞれについて具備し、擬似雑音系列は相異なる２光波長のそれぞれについて各別のものとし、生体を伝播して到達する光を受光し電気的な検出信号を発生する光検出器と、検出信号を入力してこれをＡＤ変換するＡＤコンバータとより成る光検出部を具備し、ＡＤコンバータの出力するＡＤ変換検出信号を入力すると共に擬似雑音系列発生器の発生する擬似雑音系列を入力し、両者を１周期以上に亘って掛け算して逆スペクトラム拡散する掛け算器と、掛け算器の出力を累算する累算器とより成る相関処理部を２光波長のそれぞれについて具備し、両累算結果に基づいて生体情報を求める生体情報測定装置であって、
   相異なる２光波長の半導体レーザより、各光を生体に入射するための一対の入射プロ−べ及び上記生体を伝播してきた光を上記光検出器に導く受光プロ−べを組とし、この入射プロ−べ及び受光プロ−べの組が複数個設けられ、上記各組間における擬似雑音系列は互いに異なるものであることを特徴とする生体情報測定装置。

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