WO2022044718A1 - 筋酸素消費量を計測する装置、方法およびコンピュータプログラム - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure may be implemented in recording media such as systems, appliances, methods, integrated circuits, computer programs or computer readable recording discs, systems, appliances, methods, integrated circuits, etc. It may be realized by any combination of a computer program and a recording medium.
- the computer-readable recording medium may include a non-volatile recording medium such as a CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory).
- the device may be composed of one or more devices. When the device is composed of two or more devices, the two or more devices may be arranged in one device, or may be separately arranged in two or more separated devices.
- "device" can mean not only one device, but also a system of multiple devices.
- all or part of a circuit, unit, device, member or part, or all or part of a functional block in a block diagram is, for example, a semiconductor device, a semiconductor integrated circuit (IC), or an LSI (lage scale integration). ) Can be performed by one or more electronic circuits.
- the LSI or IC may be integrated on one chip, or may be configured by combining a plurality of chips.
- functional blocks other than the storage element may be integrated on one chip.
- it is called LSI or IC, but the name changes depending on the degree of integration, and it may be called system LSI, VLSI (very large scale integration), or ULSI (ultra large scale integration).
- Field Programmable Gate Array (FPGA) which is programmed after the LSI is manufactured, or reconfigurable logistic device, which can reconfigure the junction relation inside the LSI or set up the circuit partition inside the LSI, can also be used for the same purpose.
- FPGA Field Programmable Gate Array
- NIRS near infrared spectroscopy
- the probe of the NIRS device is attached to the skin on the target part.
- Near-infrared light is emitted from the light-transmitting part of the probe, and after the light is absorbed and scattered as it passes through the skin, subcutaneous fat, and muscle, it is detected in the light-receiving part. Since it is difficult to determine the optical path length of the light detected by NIRS, a relative value is measured instead of an absolute value of the hemoglobin amount. From the detected intensity of near-infrared light, the amount of change from the reference value of each concentration of oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin in the tissue can be calculated.
- oxygenated hemoglobin or its concentration may be expressed as Oxy-Hb
- deoxygenated hemoglobin or its concentration may be expressed as Deoxy-Hb
- the sum of Oxy-Hb and Deoxy-Hb may be expressed as total hemoglobin or Total-Hb.
- the fourth problem is that it is difficult to compare the blood flow dynamics before and after exercise.
- a method of removing the NIRS device during the exercise and measuring and comparing the blood flow dynamics before and after the exercise can be considered. In that case, it is necessary to attach the NIRS device to the same place before and after the exercise.
- the measuring device measures muscle oxygen consumption in a target portion of a user who performs muscle exercise.
- the measuring device includes a light source, a sensor including a plurality of photoelectric conversion elements, and a processing circuit.
- the processing circuit acquires a plurality of detection signals including the following detection signals by executing the detection operation including the following steps (a) and (b) a plurality of times.
- the light source emits an optical pulse.
- B) Have the sensor detect at least a part of the internally scattered component which is a component scattered inside the target portion among the reflected light pulses generated from the target portion due to the emission of the light pulse.
- a detection signal indicating the spatial distribution of the intensity of at least a part of the internal scattering component is output.
- the processing circuit generates and outputs distribution data showing the spatial distribution of muscle oxygen consumption in the target portion based on the plurality of detection signals.
- the processing circuit is an image showing an image obtained by superimposing information on the spatial distribution of the muscle oxygen consumption on an external image showing the appearance of the user including the target portion acquired by the sensor or other device.
- the data may be generated as the distribution data. By generating such image data, it becomes easier for the user to grasp the effect of muscle exercise.
- the processing circuit estimates the concentration distribution of oxygenated hemoglobin in the blood inside the target portion based on the plurality of detection signals, and the processing circuit estimates the concentration distribution of the oxygenated hemoglobin based on the time change of the concentration distribution of the oxygenated hemoglobin.
- the spatial distribution of muscle oxygen consumption may be estimated. By such an operation, the spatial distribution of muscle oxygen consumption caused by muscle exercise can be estimated more accurately.
- the processing circuit acquires data of an appearance image showing the appearance of the user including the target portion, and the appearance image is obtained by the sensor or other device in each of the first period and the second period.
- the distribution data may be generated after performing a process of compensating for the change in the position of the plurality of detection signals acquired in the second period. By such an operation, good measurement results can be obtained even if the position of the target portion changes between the first period and the second period.
- the processing circuit obtains first blood flow data showing a change over time in the concentration distribution of oxygenated hemoglobin in the blood inside the target portion based on the plurality of detection signals acquired in the first period. Based on the plurality of detection signals generated and acquired in the second period, second blood flow data showing the time course of the concentration distribution of oxygenated hemoglobin in the blood inside the target portion is generated. , The distribution data may be generated based on the first blood flow data and the second blood flow data.
- the time course of the concentration of oxygenated hemoglobin depends on the amount of muscle oxygen consumed by muscle exercise. Therefore, by comparing the time course of the concentration distribution of oxygenated hemoglobin before and after exercise, the spatial distribution of muscle oxygen consumption can be estimated with high accuracy.
- the detection operation in the first period and the second period can be performed in a state where a part of the user's body is pressurized and blood flow in the target portion is suppressed.
- the processing circuit fits the time change of the oxygenated hemoglobin concentration into a function in a predetermined period after the oxygenated hemoglobin concentration has finished increasing in the first period, and obtains the time change rate of the function.
- the first rate of change is determined, and the time change of the oxygenated hemoglobin concentration in the predetermined period after the oxygenated hemoglobin concentration has finished increasing in the second period is fitted to the function.
- the second rate of change may be determined from the rate of change over time of the function.
- the muscle oxygen consumption is relatively large when the magnitude of the second rate of change is a times or more the magnitude of the first rate of change (a is a real number larger than 1).
- Information indicating that may be output in addition to the distribution data By such an operation, for example, it becomes possible to display an image showing at which point the muscle oxygen consumption is relatively large on the display device from which the distribution data is acquired.
- the processing circuit determines a first region in the target portion where the muscle oxygen consumption is relatively large, based on the information indicating that the muscle oxygen consumption is relatively large, and determines the muscle oxygen consumption. Based on the information indicating that the amount is relatively small, a second region in the target portion where the muscle oxygen consumption is relatively small may be determined, and the distribution data may be the first region or the first region. An image that emphasizes and displays the second region may be included. By displaying such an image, the user can easily grasp the effect of the muscle exercise for each point of the target portion.
- the processing circuit may further generate and output data indicating a training plan for training the muscle in the region where the muscle oxygen consumption is relatively small contained in the target portion. Based on such data, the user can know a training plan that effectively trains the part of the muscle where the effect of muscle exercise was low.
- the processing circuit may acquire historical data indicating the content of the muscle exercise performed by the user and adjust the training plan based on the historical data. By such an operation, it is possible to present a more appropriate training plan to the user.
- the processing circuit may acquire identification data for identifying the user and adjust the training plan based on the identification data. As a result, the optimum training plan can be presented for each user.
- the light source may be configured to emit a first light pulse having a first wavelength of 650 nm or more and less than 805 nm, and a second light pulse having a second wavelength of 805 nm or more and 950 nm or less.
- the detection operation is to cause the light source to emit the first light pulse, and to cause the sensor to emit the first reflected light pulse generated from the target portion due to the emission of the first light pulse.
- At least a part of the first internal scattering component which is a component scattered inside the unit, is detected, and a first detection signal showing the spatial distribution of the intensity of at least a part of the first internal scattering component is output.
- the light source emits the second light pulse
- the sensor is inside the target portion of the second reflected light pulse generated from the target portion due to the emission of the second light pulse. It includes detecting at least a part of the second internal scattering component which is a scattered component and outputting a second detection signal showing the spatial distribution of the intensity of at least a part of the second internal scattering component. You may.
- the processing circuit estimates the concentration distribution of oxygenated hemoglobin in the blood inside the target portion based on the first detection signal and the second detection signal, and the concentration distribution of the oxygenated hemoglobin.
- the spatial distribution of the muscle oxygen consumption may be estimated based on the time change of. By such an operation, the spatial distribution of muscle oxygen consumption can be estimated more accurately.
- the method according to another embodiment of the present disclosure is performed by a computer included in a measuring device for measuring muscle oxygen consumption in a target portion of a user who performs muscle exercise.
- the processing circuit causes a light source to emit an optical pulse
- a sensor including a plurality of photoelectric conversion elements is caused by the emission of the optical pulse to generate a reflected light pulse from the target portion.
- a detection operation including detecting at least a part of an internal scattering component which is a component scattered inside the target portion and outputting a detection signal indicating a spatial distribution of the intensity of at least a part of the internal scattering component. Is executed a plurality of times to acquire a plurality of detection signals including the detection signal, and based on the plurality of detection signals, distribution data showing the spatial distribution of muscle oxygen consumption in the target portion is generated. And output, including.
- the computer program is executed by a computer included in a measuring device for measuring muscle oxygen consumption in a target portion of a user who performs muscle exercise.
- the program causes the computer to emit an optical pulse to a light source, and the sensor including a plurality of photoelectric conversion elements emits the optical pulse to the sensor, and the reflected light pulse generated from the target portion due to the emission of the optical pulse.
- a detection operation including detecting at least a part of an internal scattering component which is a component scattered inside the target portion and outputting a detection signal showing a spatial distribution of the intensity of at least a part of the internal scattering component.
- Non-temporary computer-readable recording media when performed by a processor, A light pulse is emitted from a light source, and a sensor including a plurality of photoelectric conversion elements is scattered inside the target portion of the reflected light pulses generated from the target portion due to the emission of the optical pulse.
- a detection operation By executing the detection operation a plurality of times, including detecting at least a part of the internal scattering component which is a component and outputting a detection signal indicating the spatial distribution of the intensity of at least a part of the internal scattering component.
- a computer program for causing the processor to execute a process including generating and outputting distribution data showing the spatial distribution of muscle oxygen consumption in the target portion is recorded.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a system for measuring muscle oxygen consumption according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
- the system includes a measuring device 100, a pressurizer 40, a display 50, and an AR glass 90.
- the measuring device 100 includes a light source 20, an image sensor 30, a control circuit 60, a signal processing circuit 70, and a storage medium 80 such as a memory.
- FIG. 1 also shows the arm of the user who uses the measuring device 100.
- the control circuit 60 and the signal processing circuit 70 serve as the above-mentioned "processing circuit".
- the pressurizer 40 is a device that is attached to the user and pressurizes a part of the user's body to temporarily block the blood flow of the part of the body.
- the pressurizer 40 is attached to the user's arm.
- the portion to which the pressurizer 40 is mounted differs depending on the position of the target portion. For example, when measuring the muscle oxygen consumption of the leg, the pressurizer 40 may be attached to the leg. Further, when measuring the muscle oxygen consumption of the trunk, the pressurizer 40 may be attached to the body.
- the light source 20 is a device that emits an optical pulse that is applied to the target portion of the user.
- the light source 20 includes one or more light emitting elements and emits an optical pulse toward a target portion.
- the light source 20 may be configured to emit two types of light pulses having different wavelengths.
- the light source 20 may be configured to emit a first light pulse having a first wavelength of 650 nm or more and less than 805 nm and a second light pulse having a second wavelength of 805 nm or more and 950 nm or less.
- the image sensor 30 detects at least a part of the optical pulse returned from the user's body and outputs a detection signal indicating the detection result.
- the image sensor 30 includes a plurality of photodetection cells arranged two-dimensionally. Each photodetector cell includes a photoelectric conversion element and outputs an electric signal according to the amount of received light.
- the image sensor 30 is used in this embodiment, another type of sensor including a plurality of two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements may be used.
- the pressurization control unit 64 controls the operation of the pressurizer 40. For example, control one or both of pressure and pressurization timing.
- the light source control unit 62 controls the light emission operation of the light source 20. For example, it controls at least one of the intensity, pulse width, emission timing, and wavelength of the light pulse emitted from the light source 20.
- the sensor control unit 63 controls the timing of signal accumulation in each photodetection cell of the image sensor 30.
- the pressurization control unit 64, the light source control unit 62, and the sensor control unit 63 may be realized by three separated circuits or may be realized by a single circuit.
- the pressurization control unit 64, the light source control unit 62, and the sensor control unit 63 may be realized by the control circuit 60 executing a control program stored in a memory (not shown).
- control circuit 60 and the signal processing circuit 70 are separated, but the functions of these circuits may be realized by a single electronic circuit.
- the display 50 displays an image based on the distribution data generated by the signal processing circuit 70. For example, an image in which information on the spatial distribution of muscle oxygen consumption is superimposed on an image showing the appearance of the user is displayed.
- the display 50 can be any display, such as a liquid crystal display or an organic EL.
- the display 50 may be built in the measuring device 100.
- the light source 20 includes one or more light emitting elements.
- the light emitting device may include, for example, a laser diode that emits laser light.
- the light source 20 emits an optical pulse according to a control signal input from the light source control unit 62 in the control circuit 60.
- the light source 20 is arranged so as to emit light toward the target portion of the user.
- the subject can be, for example, the user's arm or leg, and more specifically the user's upper arm, forearm, thigh, or lower leg.
- the target portion is not limited to these sites, and may be, for example, the abdomen, chest, lower back, upper back, or shoulder.
- the light emitted from the light source 20 and reaching the target portion of the user is divided into a component reflected on the surface of the target portion and a component scattered inside the target portion.
- the component reflected on the surface is referred to as a "surface reflection component”
- the component scattered internally is referred to as an "internal scattering component”.
- the internal scattering component is a component that is reflected once, scattered, or multiple scattered inside the living body. When emitting light toward the user's arm or leg, the internal scattering component reaches a portion of about 8 mm to 16 mm deep from the skin surface of the arm or leg.
- the internal scattering component is a component of light that passes through the skin and subcutaneous fat, reaches the muscle, is scattered there, and returns to the measuring device 100 again.
- the surface reflection component includes three components, a direct reflection component, a diffuse reflection component, and a scattering reflection component.
- the direct reflection component is a reflection component having the same incident angle and reflection angle.
- the diffuse reflection component is a component that is diffused and reflected by the uneven shape of the surface.
- the diffuse reflection component is a component that is scattered and reflected by an internal structure near the surface. When light is emitted toward the user's arm or leg, the diffuse reflection component is a component that is scattered and reflected inside the epidermis of the arm or leg.
- the surface reflection component reflected on the surface of the target portion shall include these three components.
- the internal scattering component shall not include a component scattered and reflected by the internal structure near the surface.
- the surface reflection component may include surface information of the target portion, for example, blood flow information of the epidermis.
- the internal scatter component may include internal information of the subject, such as blood flow information in the vicinity of muscle tissue. Therefore, by detecting the surface reflection component, surface information of the target portion, for example, blood flow information of the epidermis can be acquired. Further, by detecting the internal scattering component, it is possible to acquire the internal information of the target portion, for example, the blood flow information in the vicinity of the muscle tissue.
- the internal scattering component is detected among the light returned from the target portion such as the arm or leg of the user (collectively referred to as "reflected light” in the present specification).
- the intensity of the internal scattering component fluctuates to reflect the activity of the user's muscle tissue. Therefore, the state of the user's muscle activity can be estimated by analyzing the change with time of the internal scattering component.
- the light source 20 repeatedly emits an optical pulse at a predetermined time interval or a predetermined timing according to an instruction from the control circuit 60.
- the light pulse emitted from the light source 20 can be, for example, a rectangular wave having a fall period close to zero.
- the term "falling period" means the period from the start of the decrease in the intensity of the optical pulse to the end of the decrease.
- the light incident on the target portion of the user propagates in the target portion by various routes and is emitted from the target portion with a time lag. Therefore, the rear end of the internal scattering component of the light pulse has a spread.
- the spread of the rear end of the internal scattering component is about 4 ns.
- the length of the falling period of the optical pulse emitted by the light source 20 can be set to, for example, 2 ns or less, which is half or less of the falling period.
- the length of the fall period may be further half, 1 ns or less.
- the length of the rising period of the light pulse emitted from the light source 20 is arbitrary.
- the "rising period” is the period from the start of the increase in the intensity of the optical pulse to the end of the increase. In the detection of the internal scattering component in the present embodiment, the falling portion of the optical pulse is used, and the rising portion is not used.
- the rising portion of the optical pulse can be used to detect surface reflection components.
- the light source 20 may include, for example, a laser element such as an LD.
- the light emitted from the laser element has a steep time response characteristic in which the falling portion of the optical pulse is substantially perpendicular to the time axis.
- the light source 20 may emit light having a single wavelength or may emit light having a plurality of wavelengths.
- Light having a plurality of wavelengths may be emitted from a plurality of light emitting elements.
- the optical path lengths of the two wavelengths of light returned to the image sensor 30 via the user's target portion may be designed to be approximately equal. ..
- the two light emitting elements are rotationally symmetric with respect to the image sensor 30. Can be placed.
- the wavelength of the light emitted from the light source 20 can be, for example, any wavelength included in the wavelength range of 650 nm or more and 950 nm or less. This wavelength range is included in the wavelength range from red to near infrared.
- the above wavelength range is called a "window of a living body" and has a property that light is relatively difficult to be absorbed by water and skin in the living body.
- the detection sensitivity can be increased by using light in the above wavelength range.
- the light used is mainly absorbed by oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin. In general, changes in blood flow change the concentration of oxygenated and deoxygenated hemoglobin. Along with this change, the degree of light absorption also changes. Therefore, when the blood flow changes, the amount of detected light also changes with time.
- the light source 20 may be configured to emit a first light pulse having a wavelength of 650 nm or more and less than 805 nm and a second light pulse having a wavelength of 805 nm or more and 950 nm or less.
- a light source 20 designed in consideration of the possibility that the light emitted from the light source 20 may enter the user's eye and the influence on the retina can be used.
- a light source 20 that satisfies Class 1 of the laser safety standard established in each country can be used.
- Class 1 the user is irradiated with light having a low illuminance such that the exposure limit (AEL) is less than 1 mW.
- the light source 20 itself does not have to satisfy class 1.
- a diffuser plate or an ND filter may be installed in front of the light source 20 to diffuse or attenuate the light, thereby satisfying class 1 of the laser safety standard.
- the amount of light of the internal scattering component is very small, about one-thousandth to one-thousandth of the amount of light of the surface reflection component. Can be a small value. Further, considering the safety standards of the laser, the amount of light that can be irradiated is extremely small. Therefore, it is very difficult to detect the internal scattering component. Even in that case, if the light source 20 emits an optical pulse having a relatively large pulse width, the integrated amount of the internal scattering component accompanied by a time delay can be increased. Thereby, the amount of detected light can be increased and the SN ratio can be improved.
- the light source 20 emits an optical pulse having a pulse width of, for example, 3 ns or more.
- the temporal spread of light scattered in a living tissue such as a muscle is about 4 ns.
- FIG. 2 is a diagram showing an example of a change in the intensity of light reaching the image sensor 30 over time.
- FIG. 2 shows three examples in which the widths of the light pulses emitted from the light source 20 are 0 ns, 3 ns, and 10 ns. As shown in FIG. 2, as the width of the light pulse emitted from the light source 20 is widened, the amount of light of the internal scattering component appearing at the rear end of the light pulse reaching the image sensor 30 from the user increases.
- the light source 20 may emit an optical pulse having a pulse width of 5 ns or more and further 10 ns or more. On the other hand, if the pulse width is too large, the amount of unused light increases, which is wasteful. Therefore, the light source 20 emits an optical pulse having a pulse width of 50 ns or less, for example. Alternatively, the light source may emit an optical pulse having a pulse width of 30 ns or less and further 20 ns or less. If the pulse width of the rectangular pulse is several ns to several tens ns, the light source 20 can be driven at a low voltage. Therefore, it is possible to reduce the size and cost of the measuring device 100.
- the irradiation pattern of the light source 20 may be, for example, a pattern having a uniform intensity distribution in the irradiation region.
- the present embodiment is different from the conventional method.
- the surface reflection component is spatially separated from the internal scattering component by separating the detector and the light source by about 3 cm. Therefore, there is no choice but to use discrete light irradiation.
- the measuring device 100 in the present embodiment can temporally separate the surface reflection component from the internal scattering component and reduce it. Therefore, a light source 20 having an irradiation pattern having a uniform intensity distribution can be used.
- the irradiation pattern having a uniform intensity distribution may be formed by diffusing the light emitted from the light source 20 with a diffusing plate.
- the internal scattering component can be detected even immediately below the irradiation point of the target portion.
- the measurement resolution can be increased by irradiating the target portion with light over a wide spatial range.
- the image sensor 30 can be any image sensor, such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor.
- the image sensor 30 includes a plurality of photodetection cells two-dimensionally arranged on the light receiving surface.
- Each photodetector cell may include a photoelectric conversion element such as a photodiode and one or more charge storage units.
- the photoelectric conversion element generates a signal charge according to the amount of received light by photoelectric conversion.
- the charge storage unit stores the signal charge generated from the photoelectric conversion element.
- the image sensor 30 can acquire two-dimensional information of the user at once.
- the photodetector cell may be referred to as a "pixel".
- the image sensor 30 may include an electronic shutter.
- the electronic shutter is a circuit that controls the timing of imaging.
- the sensor control unit 63 in the control circuit 60 has the function of an electronic shutter.
- the electronic shutter controls a period of one signal storage in which the received light is converted into an effective electric signal and stored, and a period in which the signal storage is stopped.
- the signal storage period is also referred to as an "exposure period”.
- the width of the exposure period is also referred to as "shutter width”.
- the time from the end of one exposure period to the start of the next exposure period is also referred to as a "non-exposure period”.
- OPEN the state of being exposed
- CLOSE the state of being exposed
- the image sensor 30 can adjust the exposure period and the non-exposure period in the sub-nanosecond range, for example, from 30 ps to 1 ns by using an electronic shutter.
- the TOF camera whose purpose is to measure the distance, detects all the light emitted from the light source, reflected by the subject, and returned. Therefore, in the TOF camera, the shutter width needs to be larger than the pulse width of light. On the other hand, in the measuring device 100 in the present embodiment, the shutter width does not have to be larger than the pulse width.
- the shutter width can be set to a value of 1 ns or more and 30 ns or less, for example. According to the measuring device 100 in the present embodiment, the shutter width can be reduced, so that the influence of the dark current included in the detection signal can be reduced.
- the attenuation rate of light inside the living body is very large.
- the emitted light can be attenuated to about one millionth of the incident light. Therefore, in order to detect the internal scattering component, the amount of light may be insufficient with only one pulse irradiation.
- the amount of light is particularly weak.
- the light source 20 emits an optical pulse a plurality of times, and the image sensor 30 is also exposed a plurality of times by the electronic shutter, whereby the detection signal can be integrated and the sensitivity can be improved.
- each pixel of the image sensor 30 includes a photoelectric conversion element such as a photodiode and a plurality of charge storage units
- the plurality of charge storage units in each pixel may include a charge storage unit that stores the signal charge generated by the surface reflection component of the light pulse and a charge storage unit that stores the signal charge generated by the internal scattering component of the light pulse. ..
- the control circuit 60 causes the image sensor 30 to detect the surface reflection component by detecting the portion of the reflected light pulse returned from the target portion of the user before the start of the fall.
- the control circuit 60 also causes the image sensor 30 to detect the internal scattering component by detecting the portion of the optical pulse returned from the target portion of the user after the start of the fall.
- the light source 20 in this example emits light having two kinds of wavelengths.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of a schematic configuration of one pixel 201 of the image sensor 30. Note that FIG. 4 schematically shows the configuration of one pixel 201, and does not necessarily reflect the actual structure.
- the pixel 201 includes a photodiode 203 that performs photoelectric conversion, a first floating diffusion layer (FD) 204 that is a charge storage unit, a second floating diffusion layer 205, and a third floating diffusion layer 206. , And a fourth floating diffusion layer 207 and a drain 202 for discharging signal charges.
- FD floating diffusion layer
- drain 202 for discharging signal charges.
- the photons incident on each pixel due to the emission of one optical pulse are converted into signal electrons, which are signal charges, by the photodiode 203.
- the converted signal electron is discharged to the drain 202 or distributed to either the first floating diffusion layer 204 to the fourth floating diffusion layer 207 according to the control signal input from the control circuit 60 to the image sensor 30. Be done.
- Emission of an optical pulse from the light source 20 accumulation of signal charges in the first floating diffusion layer 204, the second floating diffusion layer 205, the third floating diffusion layer 206, and the fourth floating diffusion layer 207.
- the discharge of the signal charge to the drain 202 is repeated in this order.
- This repetitive operation is high-speed, and can be repeated tens of thousands to hundreds of millions of times within the time of one frame of a moving image, for example.
- the time of one frame can be, for example, about 1/30 second.
- the pixel 201 generates and outputs four image signals based on the signal charges accumulated in the first floating diffusion layer 204 to the fourth floating diffusion layer 207.
- the control circuit 60 in this example causes the light source 20 to repeatedly emit a first light pulse having a first wavelength and a second light pulse having a second wavelength in order.
- the internal state of the target portion can be analyzed. For example, a wavelength longer than 805 nm may be selected as the first wavelength, and a wavelength shorter than 805 nm may be selected as the second wavelength. This makes it possible to detect changes in the oxygenated hemoglobin concentration and the deoxygenated hemoglobin concentration in the blood.
- the gate which is the control terminal of the source follower transistor 309, is connected to the photodiode 203.
- the signal charge of holes or electrons generated by the photodiode 203 is stored in the stray diffusion layer, which is a charge storage portion between the photodiode 203 and the source follower transistor 309.
- FIG. 6A is a diagram showing an example of operation within one frame.
- the light emission of the first light pulse and the light emission of the second light pulse may be alternately switched a plurality of times within one frame. By doing so, it is possible to reduce the time difference in the acquisition timing of the detection signals due to the two types of wavelengths, and even when the user moves, it is possible to take images with the first and second optical pulses almost at the same time. ..
- FIG. 6B is a diagram showing another example of the detection operation by light of two kinds of wavelengths.
- the detection of the reflected light pulse by the first light pulse and the detection of the reflected light pulse by the second light pulse may be switched for each frame.
- Such an operation can be performed, for example, by switching between light emission of the first light pulse and light emission of the second light pulse for each frame.
- each pixel 201 may include a single charge storage unit. According to such a configuration, the number of charge storage portions of each pixel 201 can be reduced, so that the size of each pixel 201 can be increased and the sensitivity can be improved.
- the wavelength of the light emitted by the light source 20 may be one type. Even in that case, the approximate state of muscle activity can be estimated.
- the image sensor 30 may be another type of image sensor.
- the image sensor 30 may be, for example, a CCD type, a single photon counting type element, or an amplified type image sensor such as an EMCCD or an ICCD.
- a plurality of sensors each having a single photoelectric conversion element may be used instead of the image sensor 30 in which a plurality of photodetection cells are two-dimensionally arranged. Even in a configuration in which single-pixel sensors are arranged two-dimensionally, it is possible to generate two-dimensional data of the target portion.
- the image sensor 30 can detect the surface reflection component and / or the internal scattering component of the light pulse.
- the first biological information such as the user's pulse can be obtained from the temporal or spatial change of the surface reflection component.
- a second biological information such as the user's muscle oxygen consumption from the temporal or spatial change of the internal scattering component.
- the first biometric information may or may not be acquired by a method different from the method for detecting the surface reflection component.
- the first biometric information may be acquired by using a detector of another type different from the image sensor 30. In that case, the image sensor 30 may detect only the internal scattering component.
- Other types of detectors may be, for example, radar or thermography.
- the first biometric information may be, for example, at least one selected from the group consisting of the user's pulse, sweating, respiration, and body temperature.
- the first biometric information is biometric information other than the muscle oxygen consumption information obtained by detecting the internal scattering component of the light pulse applied to the target portion of the user.
- the "biological information other than the muscle oxygen consumption information” does not mean that the information caused by the muscle oxygen consumption activity is not included at all.
- the first biological information may include biological information caused by a biological activity different from the muscle oxygen consuming activity.
- the first biometric information can be, for example, biometric information resulting from autonomous or reflexive biological activity.
- the control circuit 60 adjusts the time difference between the emission timing of the light pulse of the light source 20 and the shutter timing of the image sensor 30.
- the time difference may be referred to as "phase difference".
- the "emission timing” of the light source 20 is the timing at which the light pulse emitted from the light source 20 starts to rise.
- the “shutter timing” is the timing at which the exposure is started.
- the control circuit 60 may adjust the phase difference by changing the emission timing, or may adjust the phase difference by changing the shutter timing.
- the control circuit 60 may be, for example, a combination of a processor and a memory, or an integrated circuit such as a microcontroller incorporating the processor and the memory.
- the control circuit 60 adjusts, for example, the emission timing and the shutter timing by, for example, the processor executing a program recorded in the memory.
- the signal processing circuit 70 is a circuit that processes the detection signal output from the image sensor 30.
- the signal processing circuit 70 performs arithmetic processing such as image processing.
- the signal processing circuit 70 is a computer program with a programmable logic device (PLD) such as a digital signal processor (DSP) or a field programmable gate array (FPGA), or a central processing unit (CPU) or an image processing arithmetic processor (GPU). It can be realized by the combination with.
- PLD programmable logic device
- DSP digital signal processor
- FPGA field programmable gate array
- CPU central processing unit
- GPU image processing arithmetic processor
- the control circuit 60 and the signal processing circuit 70 may be one integrated circuit or separate separate circuits.
- the signal processing circuit 70 may be a component of an external device such as a server provided at a remote location.
- an external device such as a server transmits / receives data to / from the light source 20, the image sensor 30, and the control circuit 60 by wireless communication or wired communication.
- the signal processing circuit 70 in the present embodiment has oxygenated hemoglobin (Oxy-Hb), deoxidized hemoglobin (Deoxy-Hb), and deoxidized hemoglobin (Deoxy-Hb) in the blood inside the target portion based on the detection signal output from the image sensor 30. It is possible to generate moving image data showing the time variation of each concentration of total hemoglobin (Total-Hb).
- the signal processing circuit 70 is not limited to such moving image data, and may generate other information. For example, biometric information such as muscle oxygen consumption or blood oxygen saturation may be generated by synchronizing with other devices.
- the signal processing circuit 70 may estimate the offset component due to the ambient light and remove the offset component.
- the offset component is a signal component due to ambient light such as sunlight or a fluorescent lamp. By detecting the signal with the image sensor 30 in a state where the drive of the light source 20 is turned off and the light is not emitted from the light source 20, the offset component due to the ambient light or the ambient light is estimated.
- the measuring device 100 may include an imaging optical system that forms a two-dimensional image of the user on the light receiving surface of the image sensor 30.
- the optical axis of the imaging optical system is substantially orthogonal to the light receiving surface of the image sensor 30.
- the imaging optical system may include a zoom lens. When the position of the zoom lens changes, the magnification of the user's two-dimensional image changes, and the resolution of the two-dimensional image on the image sensor 30 changes. Therefore, even if the distance to the user is long, it is possible to magnify and observe the desired measurement area in detail.
- the measuring device 100 may include a bandpass filter between the user and the image sensor 30 that allows only light in the wavelength band emitted from the light source 20 or light in the vicinity thereof to pass through. This makes it possible to reduce the influence of disturbance components such as ambient light.
- the bandpass filter may be configured, for example, by a multilayer filter or an absorption filter.
- the bandwidth of the bandpass filter may have a width of, for example, about 20 to 100 nm in consideration of the temperature change of the light source 20 and the band shift due to the oblique incidence on the filter.
- the measuring device 100 may be provided with a polarizing plate between the light source 20 and the user, and between the image sensor 30 and the user, respectively.
- the polarization directions of the polarizing plate arranged on the light source 20 side and the polarizing plate arranged on the image sensor 30 side may be in the relationship of orthogonal Nicols. This makes it possible to prevent the specular reflection component, that is, the component having the same incident angle and the reflection angle, from reaching the image sensor 30 among the surface reflection components of the user. That is, the amount of light that the surface reflection component reaches the image sensor 30 can be reduced.
- the measuring device 100 in the present embodiment can detect the surface reflection component and the internal scattering component in the reflected light pulse from the target portion separately. If the target is an arm or leg, the signal strength due to the internal scatter component to be detected will be very small. This is because, as mentioned above, in addition to being irradiated with a very small amount of light that meets laser safety standards, the skin and subcutaneous fat scatter and absorb light significantly. Furthermore, the change in signal intensity due to changes in blood flow or blood components during muscle activity corresponds to a magnitude of one tenth and becomes very small. Therefore, when the internal scattering component is detected, the surface reflection component having a size of several thousand to several tens of thousands times the signal component of the internal scattering component to be detected is removed as much as possible.
- the light source 20 irradiates the target portion of the user with an optical pulse
- a surface reflection component and an internal scattering component are generated.
- a part of each of the surface reflection component and the internal scattering component reaches the image sensor 30.
- the internal scattering component exits from the light source 20 and passes through the inside of the target portion by the time it reaches the image sensor 30. Therefore, the optical path length of the internal scattering component is longer than the optical path length of the surface reflection component. Therefore, the timing at which the internal scattering component reaches the image sensor 30 is delayed on average from the timing at which the surface reflection component reaches the image sensor 30.
- FIG. 7 is a diagram schematically showing a waveform of the light intensity of the reflected light pulse returned from the target portion of the user when a rectangular wave light pulse is emitted from the light source 20.
- the horizontal axis represents time (t).
- the vertical axis represents the intensity in the portions (a) to (c) of FIG. 7, and represents the OPEN or CLOSE state of the electronic shutter in the portion (d).
- Part (a) of FIG. 7 shows the surface reflection component I1.
- Part (b) of FIG. 7 shows the internal scattering component I2.
- Part (c) of FIG. 7 shows the total component of the surface reflection component I1 and the internal scattering component I2.
- the waveform of the surface reflection component I1 maintains a substantially rectangular shape.
- the internal scattering component I2 is the sum of the lights having various optical path lengths. Therefore, as shown in the portion (b) of FIG. 7, the internal scattering component I2 exhibits a characteristic that the rear end of the light pulse has a tail. In other words, the falling period of the internal scattering component I2 is longer than the falling period of the surface reflection component I1.
- the exposure of the electronic shutter is started. In other words, the exposure is started when or after the waveform of the surface reflection component I1 falls. This shutter timing is adjusted by the control circuit 60.
- the shutter timing shown in the portion (d) of FIG. 7 may be individually determined for each pixel.
- the direction perpendicular to the light receiving surface of the image sensor 30 is the z direction.
- the control circuit 60 may acquire data showing a two-dimensional distribution of z-coordinates on the surface of the target portion, and may change the shutter timing for each pixel based on this data. As a result, even when the surface of the target portion is curved, the optimum shutter timing can be determined at each position.
- Data showing the two-dimensional distribution of the z-coordinate on the surface of the target portion is acquired by, for example, TOF (Time-of-Flight) technology.
- TOF Time-of-Flight
- the time required for the reflected light generated by the irradiation light emitted by the light source 20 to be reflected by the target portion to reach each pixel is measured. Therefore, the distance between each pixel and the target portion can be estimated based on the difference between the phase of the reflected light detected in each pixel and the phase of the irradiation light in the light source 20.
- This makes it possible to acquire data showing a two-dimensional distribution of z-coordinates on the surface of the target portion.
- the data showing the two-dimensional distribution can be acquired in advance before the measurement is performed.
- the rear end of the surface reflection component I1 is vertically lowered. In other words, the time from the start of the fall of the surface reflection component I1 to the end of the fall is zero. However, in reality, the rear end of the surface reflection component I1 may not fall vertically. For example, if the falling edge of the waveform of the light pulse emitted from the light source 20 is not completely vertical, if the surface of the target portion has fine irregularities, or if scattering occurs in the epidermis, the surface reflection component I1 The rear end does not fall vertically. Further, since the user is an opaque object, the amount of light of the surface reflection component I1 is much larger than the amount of light of the internal scattering component I2.
- control circuit 60 may adjust the time difference between the shutter timing of the electronic shutter and the emission timing of the light source 20.
- the shutter timing may be kept near the rear end of the surface reflection component I1.
- the time delay due to the scattering inside the target portion is about 4 ns.
- the maximum delay amount of the shutter timing may be about 4 ns.
- each of the plurality of optical pulses emitted from the light source 20 may be exposed at the shutter timing with the same time difference to accumulate the signal. As a result, the amount of detected light of the internal scattering component I2 is amplified.
- the offset component may be estimated by shooting at the same exposure time in place of or in addition to placing a passband filter between the user and the image sensor 30 without emitting light to the light source 20. ..
- the estimated offset component is removed by the difference from the signal detected by each pixel of the image sensor 30. As a result, the dark current component generated on the image sensor 30 can be removed.
- the internal scattering component I2 includes user's internal characteristic information, for example, muscle oxygen consumption information.
- the amount of light absorbed by the blood changes according to the temporal fluctuation of the user's muscle oxygen consumption. As a result, the amount of light detected by the image sensor 30 also increases or decreases accordingly. Therefore, by monitoring the internal scattering component I2, oxygenated hemoglobin (Oxy-Hb), deoxidized hemoglobin (Deoxy-Hb), and total hemoglobin (Total-Hb) in the blood of the user's target part, respectively. It is possible to estimate the change in concentration over time. Muscle oxygen consumption can be estimated from changes in the concentrations of Oxy-Hb, Deoxy-Hb, and Total-Hb over time.
- FIG. 8A is a timing chart showing an example of an operation for detecting the internal scattering component I2.
- the light source 20 repeatedly emits an optical pulse during a period of one frame.
- the image sensor 30 sets the shutter to OPEN during the period when the rear end portion of each reflected light pulse reaches the image sensor 30.
- the image sensor 30 accumulates the signal of the internal scattering component I2.
- the image sensor 30 outputs the signal accumulated for each pixel as a detection signal.
- the output detection signal is processed by the signal processing circuit 70.
- control circuit 60 causes the light source 20 to emit an optical pulse, and causes the image sensor 30 to detect at least a part of the reflected light pulse after the start of the fall, so that the space has the intensity of the internal scattering component.
- the detection operation of outputting the detection signal indicating the distribution is repeated.
- the signal processing circuit 70 can generate and output distribution data showing the spatial distribution of the muscle oxygen consumption in the target portion based on the repeatedly output detection signal.
- the surface reflection component I1 contains information indicating the surface characteristics of the user, for example, skin blood flow information of the arm or leg.
- the information of the surface reflection component I1 does not necessarily have to be acquired, but is acquired as needed.
- FIG. 8B is a timing chart showing an example of an operation of detecting the surface reflection component I1.
- the image sensor 30 sets the shutter to OPEN before each reflected light pulse reaches the image sensor 30, and sets the shutter to CLOSE before the rear end of the reflected light pulse reaches. ..
- the timing of the shutter CLOSE may be set immediately after the light reaches the image sensor 30. This enables signal detection with an increased proportion of the surface reflection component I1 having a relatively short optical path length.
- the image sensor 30 may detect the entire reflected light pulse, or may detect the continuous light emitted from the light source 20.
- the surface reflection component I1 may be detected by a device other than the measuring device 100 that acquires the internal scattering component I2.
- a device other than the measuring device 100 that acquires the internal scattering component I2 For example, another device such as a pulse wave meter or a Doppler blood flow meter may be used. In that case, the other device is used in consideration of timing synchronization between devices, light interference, and alignment of detection points. If time-division imaging is performed by the same measuring device 100 or the same sensor as in the present embodiment, temporal and spatial deviations are unlikely to occur.
- the components to be acquired may be switched for each frame as shown in FIGS. 8A and 8B. Alternatively, the components to be acquired within one frame may be alternately switched at high speed. In that case, the difference in detection time between the surface reflection component I1 and the internal scattering component I2 can be reduced.
- the signals of the surface reflection component I1 and the internal scattering component I2 may be acquired by using light having two wavelengths. For example, two wavelength optical pulses of 750 nm and 850 nm may be used. Thereby, the change in the concentration of oxygenated hemoglobin and the change in the concentration of deoxygenated hemoglobin can be calculated from the change in the amount of detected light at each wavelength.
- a method of switching four types of charge accumulation at high speed within one frame is used. Can be done. By such a method, the time lag of the detection signal can be reduced.
- FIG. 9 is a flowchart showing an example of an operation of controlling the light source 20 and the image sensor 30 by the control circuit 60.
- the light source 20 emits a first light pulse having a first wavelength and a second light pulse having a second wavelength.
- the first wavelength is longer than 650 nm and shorter than 805 nm.
- the second wavelength is longer than 805 nm and shorter than 950 nm.
- step S101 the control circuit 60 causes the light source 20 to emit a first optical pulse for a predetermined time.
- the electronic shutter of the image sensor 30 is in a state where the exposure is stopped.
- the control circuit 60 causes the electronic shutter to stop the exposure until the period during which the surface reflection component of the first reflected light pulse generated due to the irradiation of the first light pulse reaches the image sensor 30 is completed.
- step S102 the control circuit 60 causes the electronic shutter to start exposure at the timing when the internal scattering component of the first reflected light pulse reaches the image sensor 30.
- step S103 the control circuit 60 causes the electronic shutter to stop the exposure.
- step S102 and step S103 the signal charge is accumulated in one of the floating diffusion layers 204 to the fourth floating diffusion layer 207 shown in FIG. The signal charge is referred to as a "first signal charge".
- step S104 the control circuit 60 causes the light source 20 to emit a second light pulse for a predetermined time.
- the electronic shutter of the image sensor 30 is in a state where the exposure is stopped.
- the control circuit 60 causes the electronic shutter to stop the exposure until the period during which the surface reflection component of the second reflected light pulse generated due to the irradiation of the second light pulse reaches the image sensor 30 is completed.
- step S105 the control circuit 60 causes the electronic shutter to start exposure at the timing when the internal scattering component of the second reflected light pulse reaches the image sensor 30.
- step S106 the control circuit 60 causes the electronic shutter to stop the exposure.
- step S105 and step S106 the signal charge is accumulated in the other one floating diffusion layer from the first floating diffusion layer 204 to the fourth floating diffusion layer 207 shown in FIG. The signal charge is referred to as a "second signal charge".
- step S107 the control circuit 60 determines whether or not the number of times the above signal storage has been executed reaches a predetermined number of times. If the determination in step S107 is No, steps S101 to S106 are repeated until the determination is Yes.
- the internal scattering component can be detected with high sensitivity.
- the attenuation rate of light inside the living body is very large.
- the emitted light may be attenuated to about one millionth of the incident light. Therefore, in order to detect the internal scattering component, the amount of light may be insufficient with only one pulse irradiation.
- the amount of light is particularly weak. Therefore, in the example of FIG. 9, the light source 20 emits an optical pulse a plurality of times, and the image sensor 30 is also exposed a plurality of times by an electronic shutter accordingly.
- the detection signals can be integrated to improve the sensitivity. It should be noted that multiple times of light emission and exposure are not essential, and are performed as necessary.
- the signal processing circuit 70 generates and outputs a signal indicating the state of blood inside the target portion based on the first detection signal and the second detection signal output from the image sensor 30.
- the first detection signal is a signal showing the detection result of the internal scattering component of the light of the first wavelength (for example, 750 nm).
- the second detection signal is a signal showing the detection result of the internal scattering component of the light of the second wavelength (for example, 850 nm).
- the signal processing circuit 70 uses the first detection signal and the second detection signal to solve predetermined simultaneous equations to solve oxygenated hemoglobin (HbO 2 ) and deoxidized hemoglobin (Hb) in blood. The amount of change in the concentration from the initial value can be obtained.
- the simultaneous equations are represented by, for example, the following equations (1) and (2).
- the signal processing circuit 70 may perform a process of subtracting the surface reflection component I1 from the internal scattering component I2 detected by the image sensor 30. This makes it possible to obtain pure muscle blood flow information excluding blood flow information of skin and subcutaneous tissue.
- the subtraction method for example, a method of subtracting a value obtained by multiplying the signal of the surface reflection component I1 by a certain coefficient of 1 or more determined in consideration of the optical path length difference from the signal of the internal scattering component I2 can be used.
- This coefficient can be calculated, for example, by simulation or experimentation based on the average value of the optical constants of a typical human arm or leg.
- Such a subtraction process can be easily performed by the same measuring device 100 or a sensor when measuring using light of the same wavelength. This is because it is easy to reduce temporal and spatial deviations, and it is easy to match the characteristics of the surface reflection component I1 with the blood flow components of the skin and subcutaneous tissue contained in the internal scattering component I2.
- Blood flow in muscle reflects the balance between oxygen consumption and oxygen supply in muscle tissue. Therefore, compared to the resting state, the oxygen concentration exceeds the supply in the early stage of exercise, and the oxygen concentration decreases. If the balance between oxygen supply and oxygen consumption is maintained during exercise, the oxygen concentration will be constant. After exercise, the oxygen supply exceeds the consumption, so the oxygen concentration rises. Therefore, in the present embodiment, the time course of muscle blood flow is measured at the same position in the target portion 501 of the user 500. When observing changes over time in muscle activity, it is possible to estimate the state of muscle activity of the user from the temporal relative changes in muscle blood flow without knowing the absolute amount of muscle blood flow.
- FIG. 11 is a diagram schematically showing an example in which measurement is simultaneously performed at a plurality of locations in the target unit 501 of the user 500.
- a region that spreads two-dimensionally is irradiated with light, and the light scattered inside the two-dimensional region is detected. Therefore, it is possible to acquire data showing a two-dimensional distribution of the oxygenated state of blood inside the target portion 501.
- the irradiation pattern of the light source 20 may be, for example, a uniform distribution of uniform intensities, a dot-like distribution, or a donut-like distribution.
- the light source 20 irradiates with a uniform distribution of uniform intensity, adjustment of the irradiation position on the target portion 501 is unnecessary or can be easily performed.
- the irradiation has a uniform distribution, light is incident on the target portion 501 of the user 500 from a wide range. Therefore, the signal detected by the image sensor 30 can be enhanced. Furthermore, it is possible to measure any point in the irradiation area.
- FIG. 12 is a diagram schematically showing an example of a light irradiation region 22.
- the amount of detected light is attenuated in inverse proportion to the square of the distance from the measuring device 100 to the target portion. Therefore, the signal of each pixel generated by the image sensor 30 may be enhanced by integrating the signals of a plurality of nearby pixels. By doing so, the number of integrated pulses can be reduced while maintaining the SN ratio. This makes it possible to improve the frame rate.
- FIG. 13 is a diagram schematically showing a change in the signal when the target portion of the user 500 is shifted in the lateral direction.
- the change in muscle activity can be read by detecting the amount of change in the concentration of oxygenated hemoglobin or deoxygenated hemoglobin in the blood when the muscle activity state changes from rest.
- the image sensor 30 including a plurality of photoelectric conversion elements arranged two-dimensionally is used, information on the two-dimensional distribution of muscle activity can be acquired.
- the position of the target portion may change during the measurement as shown in the lower figure of FIG. This can also occur, for example, if the user 500 moves slightly for breathing.
- the two-dimensional distribution of oxygenated and deoxygenated hemoglobin concentrations in muscle blood does not change rapidly within a minute period of time. Therefore, for example, the positional deviation of the target portion can be corrected by pattern matching between the detected frames of the two-dimensional distribution. Alternatively, if it is a periodic movement such as respiration, only the frequency component may be extracted and corrected or removed.
- the target portion does not have to be a single area, but may be a plurality of areas. The plurality of regions may be, for example, one on each side or a 2 ⁇ 6 matrix-like dot distribution.
- the characteristic points may be, for example, a mole, the outer shape of the target portion, the tip of a fingertip, a nail, or the shape of a blood vessel, but the characteristics are not limited to these. Further, a marker serving as a feature point may be attached to the target portion.
- the signal processing circuit 70 can detect a change in the position of the target portion before and after exercise by performing pattern matching using one or more of these feature points.
- the signal processing circuit 70 can generate distribution data showing the spatial distribution of muscle oxygen consumption after performing processing for compensating for the change in the detected position.
- the state of blood around the muscle tissue of the user 500 can be estimated based on the detection result of the internally scattered component of the reflected light.
- the muscle oxygen consumption of the user 500 can be measured.
- the effect of muscle exercise such as muscle training or rehabilitation can be determined.
- the maximum point of Oxy-Hb during the pressurization period is specified.
- the maximum point is set as the analysis start point, and linear fitting is performed for the behavior of Oxy-Hb for a predetermined period from that point.
- the predetermined period can be set to a value such as, for example, 30 seconds or 60 seconds.
- the signal processing circuit 70 calculates the slope of the decrease in Oxy-Hb during the pressurization period.
- the slope of the decrease in Oxy-Hb during this pressurization period indicates muscle oxygen consumption. If the slope of decrease is small, it means that muscle oxygen consumption is small, and if the slope of decrease is large, it means that muscle oxygen consumption is large. This is the operation for measuring muscle oxygen consumption before training.
- step S706 After that, the user performs training such as muscle training or rehabilitation (step S706). Then, the muscle oxygen consumption after training is measured by the same method as the above-mentioned method (steps S707 to S711). The operations of steps S707 to S711 are the same as the operations of steps S701 to S705, respectively. In step S711, the signal processing circuit 70 calculates the slope of the decrease in Oxy—Hb during the pressurization period after training.
- the signal processing circuit 70 tests a significant difference from the muscle oxygen consumption before and after training by using an existing test method (step S712). When there is a significant difference, the signal processing circuit 70 determines that there is a training effect (S713). On the contrary, when there is no significant difference, the signal processing circuit 70 determines that there is no training effect (step S714). For example, as a result of comparing the muscle oxygen consumption before training and the muscle oxygen consumption after training, if the increase in muscle oxygen consumption exceeds the standard value, it is judged that there is a training effect and the muscle oxygen consumption increases. If the amount does not exceed the reference value, it can be determined that there is no training effect.
- the signal processing circuit 70 can generate a training plan for training a muscle portion in which the increase in muscle oxygen consumption is relatively small.
- the user can enhance the training effect by executing the presented training plan. According to this embodiment, even a user who has insufficient knowledge about training can perform more effective training.
- the signal processing circuit 70 may refer to the training history information of the user, compare the training history with the training effect, and create and provide a more optimal training plan. Further, the signal processing circuit 70 may refer to the user identification information when providing the training plan to provide a more effective training plan suitable for each user. In such a configuration, the user identification information and the training history information of each user are recorded in advance in the storage medium 80.
- FIG. 16 is a diagram showing a state of an experiment for evaluating a training effect using a NIRS camera 400.
- the NIRS camera 400 corresponds to the measuring device 100 in the above-described embodiment.
- the measurement point was the muscle of the forearm, the training was performed with a hand gripper 450 (load 2 kg) 100 times, and the blood flow was blocked by pressurizing the upper arm with a pressure of 200 mmHg using a cuff.
- FIG. 17 is a diagram showing an experimental protocol.
- the experimental protocol was rest 30 seconds ⁇ pressurization with a cuff 120 seconds ⁇ rest 30 seconds, blood flow dynamics were measured using a NIRS camera 400 before training, then training was performed with a hand gripper 450, and immediately after that, the above was performed again. Blood flow dynamics were measured by the protocol.
- the forearm was marked with an oil-based marker.
- FIG. 18 shows an infrared image acquired by the NIRS camera 400. Alignment was performed based on the marking portion 510 in the infrared image shown in FIG. In this way, accurate alignment can be performed based on the positions of the feature points in the image acquired by the NIRS camera 400. This point is one of the great merits of the measurement method in the present disclosure over the conventional method of mounting the NIRS device on the skin.
- 19 and 20 are diagrams showing changes over time in the amount of hemoglobin change measured by the NIRS camera 400 before and after training, respectively.
- 19 and 20 show changes over time in the concentrations of oxygenated hemoglobin (Oxy-Hb), deoxygenated hemoglobin (Deoxy-Hb), and total hemoglobin (Total-Hb) from reference values. ing.
- Total-Hb increased significantly with pressurization, gradually increased during pressurization, and decreased after pressurization release, both before and after training.
- Oxy-Hb increased significantly by pressurization, gradually decreased during pressurization, greatly increased immediately after pressurization was released, and then decreased.
- Deoxy-Hb increased slightly at the start of pressurization, gradually increased during pressurization, and decreased significantly after pressurization was released.
- Oxy-Hb and Deoxy-Hb showed different behaviors in each period of pressurization start, pressurization, and pressurization release. Focusing on the pressurization, Oxy-Hb gradually decreased and Deoxy-Hb gradually increased. It is considered that this is because the oxygen in the blood accumulated in the forearm was consumed by the metabolism of muscle cells due to the blockage of blood flow by the cuff pressurization of the upper arm. Regarding the above rough blood flow dynamics, the same tendency was shown before and after training.
- 21 to 24 show the analysis results of the behavior of Oxy-Hb during cuff pressurization.
- 21 and 22, respectively, show the analysis results of the behavior of Oxy-Hb before and after training when the analysis period is 60 seconds.
- 23 and 24 show the analysis results of the behavior of Oxy-Hb before and after training when the analysis period is 30 seconds, respectively.
- the analysis start point is the time point at which the amount of change in Oxy-Hb becomes maximum in all the examples.
- the analysis end point is 60 seconds after the analysis start point in the examples of FIGS.
- the signal processing circuit fits the time change of the oxygenated hemoglobin concentration in a predetermined period after the oxygenated hemoglobin concentration has finished increasing to a predetermined function, and the time change rate of the function. The rate of change may be determined from.
- the muscle oxygen consumption is measured in a state where the blood flow in the target portion is blocked by using the pressurizer 40.
- this disclosure is not necessarily limited to such methods.
- another example of the method for measuring muscle oxygen consumption will be described.
- ⁇ Hb can be used as an index value indicating the height of the training effect. That is, the higher the muscle load, the larger the ⁇ Hb. Therefore, based on the two-dimensional distribution of ⁇ Hb, it is possible to visualize the part that has been effectively trained and the part that has not been effectively trained in two dimensions.
- the technology of the present disclosure can acquire information on the user's muscle activity without contact.
- the technology of the present disclosure can be used for various devices such as cameras, measuring devices, smartphones, tablet computers, and head mount devices.
- Light source 22 Irradiation area 30 Image sensor 40 Pressurizer 50 Display 60 Control circuit 62 Light source control unit 63 Photodetector control unit 64 Pressurization control unit 70 Signal processing circuit 80 Storage medium 90 AR glass 100 Measuring device 201 pixel 202 Drain 203 Photo Diodes 204, 205, 206, 207 Floating diffusion layer 302 Row selection circuit 303 Column selection circuit 304 Vertical signal line 305 Source follower power supply 306 Source follower load 307 Conversion circuit 308 Row selection transistor 309 Source follower transistor 310 Reset transistor 400 450 Hand Gripper 500 User 501 Target Part 510 Marking Location
Landscapes
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Abstract
計測装置は、光源と、複数の光電変換素子を含むセンサと、処理回路と、を備える。前記処理回路は、前記光源に光パルスを出射させることと、前記センサに、前記光パルスの出射に起因してユーザの対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させることと、を含む検出動作を複数回、実行することにより、前記検出信号を含む複数の検出信号を取得する。前記処理回路は、前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力する。
Description
本開示は、筋酸素消費量を計測する装置および方法に関する。
近年、日本を含む世界中で、フィットネスクラブの需要が増加している。国際ヘルス・ラケット・スポーツクラブ協会によると、フィットネスクラブ会員数が最も多い国はアメリカ合衆国であり、会員数が約5400万人(人口の約17.4%)である。次いで、ドイツ、英国、ブラジルと続き、日本の会員数は416万人(人口の3.3%)と報告されている。また、高齢者を対象にした機能回復訓練または潜在能力発揮を目的にしたリハビリテーションの需要も増加している。これらの筋肉トレーニングおよびリハビリテーションにおいては、トレーニング効果の可視化およびトレーニングメニューへのフィードバックにより、トレーニング効果を向上させることが期待されている。
一方、人を含む脊椎動物は、血液循環システムを備える。血液循環システムにより、体内酸素運搬能を劇的に増大させ、筋肉をはじめとした細胞の酸素需要に対応していることが知られている。生体内の血液中の酸素の計測には、従来、侵襲的方法が用いられてきた(例えば非特許文献1参照)。侵襲的方法においては、例えばカテーテルまたは酸素針電極の刺入により、血管内および細胞内の酸素動態を直接計測できる。しかし、侵襲的であることから、そのような方法を筋肉トレーニングまたはリハビリテーションに適用することは困難である。
そこで、近年、非侵襲的な酸素動態の計測に近赤外分光法(Near-infrared spectroscopy:NIRS)を用いる試みがなされている。近赤外光は生体を透過しやすく、ヘモグロビンの酸素化または脱酸素化状態によってその吸収特性が異なる。この性質を利用することにより、生体内の酸素動態を把握することができる。例えば特許文献1および2は、NIRSを利用して筋肉内の血流状態を把握する装置を開示している。特許文献1は、被検者が筋負荷運動をすることに伴う筋肉内の血流変化を解析するシステムを開示している。特許文献2は、筋肉の疲労状態を検出して最適な運動負荷を指示する運動モニタ装置を開示している。
Gayeski, T. E. J., Honig C. R. "Direct measurements of intracellular O2 gradients; role of convection and myoglobin", 1983, Adv Med Biol. 159, 613-621
本開示は、筋酸素消費量の2次元分布の情報を簡便な方法で取得するための技術を提供する。
本開示の一態様に係る計測装置は、筋運動を行うユーザの対象部における筋酸素消費量を計測する。前記計測装置は、光源と、複数の光電変換素子を含むセンサと、処理回路と、を備える。前記処理回路は、前記光源に光パルスを出射させることと、前記センサに、前記光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させることと、を含む検出動作を複数回、実行することにより、前記検出信号を含む複数の検出信号を取得する。前記処理回路は、前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力する。
本開示の包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能な記録ディスク等の記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及および記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えばCD-ROM(Compact Disc‐Read Only Memory)等の不揮発性の記録媒体を含み得る。装置は、1つ以上の装置で構成されてもよい。装置が2つ以上の装置で構成される場合、当該2つ以上の装置は、1つの機器内に配置されてもよく、分離した2つ以上の機器内に分かれて配置されてもよい。本明細書および特許請求の範囲では、「装置」とは、1つの装置を意味し得るだけでなく、複数の装置からなるシステムも意味し得る。
本開示の一様態によれば、筋酸素消費量の2次元分布の情報を簡便な方法で取得することができる。
以下で説明される実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、およびステップの順序は、一例であり、本開示の技術を限定する趣旨ではない。以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。さらに、各図において、実質的に同一または類似の構成要素には同一の符号を付している。重複する説明は省略または簡略化されることがある。
本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路(IC)、またはLSI(large scale integration)を含む1つまたは複数の電子回路によって実行され得る。LSIまたはICは、1つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、1つのチップに集積されてもよい。ここでは、LSIまたはICと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムLSI、VLSI(very large scale integration)、もしくはULSI(ultra large scale integration)と呼ばれるものであってもよい。LSIの製造後にプログラムされる、Field Programmable Gate Array(FPGA)、またはLSI内部の接合関係の再構成またはLSI内部の回路区画のセットアップができるreconfigurable logic deviceも同じ目的で使うことができる。
さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは1つまたは複数のROM、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置(processor)によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている1つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。
(本開示の基礎となった知見)
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
近年、近赤外分光法(NIRS)を用いて、安静時および運動時におけるヒト骨格筋の血流動態を計測することにより、筋運動の効果を評価することが検討されている。NIRSによる血流動態計測は、近赤外光の高い組織透過性と、ヘモグロビンの吸収係数の波長依存性とに基づいている。
近赤外光は、生体による散乱係数および吸光係数が比較的低く、光の減衰が少ないことから、生体を透過しやすい。この高い組織透過性のため、近赤外光は、生体内の血流動態の計測に適している。
血液の大きな役割は、酸素を肺から受け取って組織へと運び、組織からは二酸化炭素を受け取ってこれを肺に循環させることである。血液100mlの中には約15gのヘモグロビンが存在している。酸素と結合したヘモグロビンは酸素化ヘモグロビン(oxyhemoglobin)と呼ばれ、酸素と結合していないヘモグロビンは脱酸素化ヘモグロビン(deoxyhemoglobin)と呼ばれる。これらのヘモグロビンの吸収係数には波長依存性がある。酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの吸光度は、805nm付近の波長で等しく、805nmよりも短い波長では脱酸素化ヘモグロビンによる吸収が増加し、805nmよりも長い波長では酸素化ヘモグロビンによる吸収が増加する。このような特性を利用して、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンのそれぞれの濃度を計測または推定することができる。
従来のNIRSを利用したヒト骨格筋の血流計測では、NIRS装置のプローブが対象部上の皮膚に取り付けられる。プローブの送光部から近赤外光が照射され、皮膚、皮下脂肪、および筋肉を通過する際に光が吸収および散乱された後、受光部で検出される。NIRSで検出される光は光路長の決定が困難であるため、ヘモグロビン量の絶対値ではなく相対値が計測される。検出される近赤外光の強さから、組織内の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンのそれぞれの濃度の基準値からの変化量を計算できる。以下の説明において、酸素化ヘモグロビンまたはその濃度をOxy-Hbと表現し、脱酸素化ヘモグロビンまたはその濃度をDeoxy-Hbと表現することがある。また、Oxy-HbとDeoxy-Hbの和を総ヘモグロビンまたはTotal-Hbと表現することがある。
運動によって筋肉が活動すると、筋肉細胞の代謝が増加する。筋肉細胞の代謝には酸素が必要である。このため、運動により筋肉が活動すると、代謝のため酸素消費量が増加する。消費された酸素は、血液中の酸素供給によって補われる。以上のことから、NIRSで計測されたヘモグロビンの変化量は、細胞での酸素消費と酸素供給とのバランスを反映する。運動初期では酸素消費が酸素供給を上回るのでOxy-Hbは減少する。運動時に酸素供給と酸素消費とのバランスが保たれればOxy-Hbは一定になる。運動後には酸素供給が酸素消費を上回るためOxy-Hbは増加する。このように、血流動態、特にOxy-Hbの動態から、活動する筋肉細胞における酸素消費量(本明細書において、「筋酸素消費量」と称する)を計測または推定することができる。
しかし、NIRSを用いた従来の筋酸素消費量の計測方法にはいくつかの課題がある。
第1の課題は、従来の方法では対象部におけるある点の筋酸素消費量のみが計測されることである。筋肉での酸素消費量は部位によって異なるため、筋肉トレーニングまたはリハビリテーションの効果を評価するためには、ある筋肉のある点での筋酸素消費量の計測だけでは不十分である。そのような計測方法では、計測結果を踏まえて次の効果的なトレーニングのためのメニューを決定することは難しい。この課題を解決するために、身体の多くの箇所にセンサを装着する方法も考えられる。しかし、運動前、運動中、および運動後に多くのセンサを装着して計測することは現実的ではない。
第2の課題は、従来の方法では計測結果に皮膚血流の挙動も反映され、高精度に筋酸素消費量を計測することが困難であることである。従来の方法では、NIRS装置のプローブが対象部上の皮膚に取り付けられる。プローブの送光部から近赤外光が照射され、皮膚、皮下脂肪、および筋肉を通過する際に光が吸収および散乱された後、受光部で検出される。このため、検出された光の強度を示す信号には、皮膚血流の挙動も含まれる。送光部と受光部との間の距離データを用いて皮膚血流の影響を低減することも考えられるが、そのためには、1点のデータを取得するために多くの受光部が必要になる。その場合、複数の箇所における酸素消費量の計測がさらに困難になる。
第3の課題は、NIRS装置のプローブを対象部上の皮膚に取り付ける必要があることである。運動中および運動後には発汗がある。このため、装置を皮膚に長時間取り付けた状態では、不衛生なことに加え、汗の影響で高い精度で計測することが難しい。
第4の課題は、運動前と運動後の血流動態の比較が困難であることである。汗の付着、および運動の妨げになることを防止するため、運動中はNIRS装置を外し、運動前と運動後の血流動態を計測して比較する方法が考えられる。その場合、NIRS装置を運動前と運動後とで同じ箇所に装着する必要がある。しかし、正確に位置合わせを行うことは困難であり、装着箇所の不一致により計測精度が低下し易い。
運動による血流動態変化をNIRS装置で計測し、筋運動の効果を可視化できれば、より効果的なトレーニングが可能になることと期待される。しかし、従来のNIRS装置を用いた方法には、前述のとおり様々な課題がある。このため、NIRS装置を用いて筋運動の効果を評価することは、研究レベルでは報告があるものの未だ普及していない。特に、筋運動の効果を可視化する実用的な方法は知られていない。
そこで、本発明者は、筋運動の効果を可視化するより効果的な方法を検討し、本開示の実施形態の構成に想到した。本開示の実施形態によれば、ユーザの皮膚に計測装置を接触させることなく、筋酸素消費量の2次元分布の情報を効果的に取得することができる。このため、筋運動の効果を高い精度で評価することができる。
以下、本開示の実施形態の概要を説明する。
本開示の例示的な実施形態による計測装置は、筋運動を行うユーザの対象部における筋酸素消費量を計測する。前記計測装置は、光源と、複数の光電変換素子を含むセンサと、処理回路と、を備える。前記処理回路は、以下のステップ(a)および(b)を含む検出動作を複数回、実行することにより、下記の検出信号を含む複数の検出信号を取得する。
(a)前記光源に光パルスを出射させる。
(b)前記センサに、前記光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させる。
前記処理回路は、前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力する。
(a)前記光源に光パルスを出射させる。
(b)前記センサに、前記光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させる。
前記処理回路は、前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力する。
ここで、「筋酸素消費量」は、活動する筋肉細胞による酸素の消費量を意味する。「内部散乱成分」は、反射光パルスのうち、前記反射光パルスの強度が減少を開始した後の成分であり得る。
上記の構成によれば、ユーザの皮膚に計測装置を接触させることなく、筋酸素消費量の2次元分布の情報を取得することができる。このため、筋運動の効果を部位ごとに高い精度で評価することができる。
前記処理回路は、前記対象部における前記筋酸素消費量の前記空間分布を前記筋酸素消費量のレベルに応じて異なる色で示す画像データを、前記分布データとして生成してもよい。そのような画像データを生成することにより、ユーザが筋運動の効果を把握することが容易になる。
前記処理回路は、前記センサまたは他の装置によって取得された、前記対象部を含む前記ユーザの外観を示す外観画像に、前記筋酸素消費量の前記空間分布の情報が重畳された画像を示す画像データを、前記分布データとして生成してもよい。そのような画像データを生成することにより、ユーザが筋運動の効果を把握することがさらに容易になる。
前記処理回路は、前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部の前記内部の血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度分布を推定し、前記酸素化ヘモグロビンの前記濃度分布の時間変化に基づいて、前記筋酸素消費量の前記空間分布を推定してもよい。このような動作により、筋運動によって生じた筋酸素消費量の空間分布をより正確に推定することができる。
前記処理回路は、前記酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化の傾きに基づいて、前記筋酸素消費量を推定してもよい。このような動作により、筋運動によって生じた筋酸素消費量の空間分布をより正確に推定することができる。
前記計測装置は、加圧器をさらに備えていてもよい。前記処理回路は、前記ユーザの体の一部が前記加圧器によって加圧されて前記対象部における血流が抑制された状態で前記検出動作を実行してもよい。加圧することで、筋酸素消費量をより正確に推定することができる。
前記加圧器は、前記処理回路によって制御されてもよい。前記処理回路は、前記検出動作を行う前に、前記加圧器に前記ユーザの体の前記一部への加圧を開始させ、前記検出動作を行った後、前記加圧器に前記加圧を終了させてもよい。このような動作により、加圧の開始、検出動作、および加圧の終了を自動化することができ、利便性が向上する。
前記処理回路は、前記ユーザが筋運動を行う前の第1の期間と、前記ユーザが前記筋運動を行った後の第2の期間の各々において、前記検出動作を複数回、実行し、前記第1の期間において取得された前記複数の検出信号と、前記第2の期間において取得された前記複数の検出信号とに基づいて前記分布データを生成してもよい。このような動作により、筋運動に起因する筋酸素消費量の空間分布をより正確に推定することができる。
前記処理回路は、前記対象部を含む前記ユーザの外観を示す外観画像のデータを取得し、前記外観画像は、前記第1の期間および前記第2の期間の各々において前記センサまたは他の装置によって取得され、前記第1の期間において取得された前記外観画像に含まれる1つ以上の特徴点と、前記第2の期間において取得された前記外観画像に含まれる前記1つ以上の特徴点とのマッチングを行うことにより、前記第1の期間と前記第2の期間との間で生じた前記対象部の位置の変化を検出し、前記第1の期間において取得された前記複数の検出信号、及び前記第2の期間において取得された前記複数の検出信号に対して、前記位置の変化を補償する処理を行った後、前記分布データを生成してもよい。このような動作により、第1の期間と第2の期間とで、対象部の位置が変化したとしても、良好な計測結果を得ることができる。
前記処理回路は、前記第1の期間において取得された前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部の前記内部の血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度分布の経時変化を示す第1血流データを生成し、前記第2の期間において取得された前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部の前記内部の血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度分布の経時変化を示す第2血流データを生成し、前記第1血流データと前記第2血流データとに基づき、前記分布データを生成してもよい。酸素化ヘモグロビンの濃度の経時変化は、筋運動による筋酸素消費量に依存する。このため、運動前後における酸素化ヘモグロビンの濃度分布の経時変化を比較することにより、筋酸素消費量の空間分布を高い正確性で推定することができる。
前記処理回路は、前記第1血流データから、前記対象部に含まれる複数の点における前記酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化の減少の傾きを示す第1変化率を決定し、前記第2血流データから、前記複数の点における前記酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化の減少の傾きを示す第2変化率を決定し、前記第1変化率と前記第2変化率との差または比に基づき、前記複数の点における前記筋酸素消費量を推定してもよい。このような動作により、筋酸素消費量の空間分布をより正確に推定することができる。
前記第1の期間および前記第2の期間における前記検出動作は、前記ユーザの体の一部が加圧されて前記対象部における血流が抑制された状態で行われ得る。前記処理回路は、前記第1の期間において、前記酸素化ヘモグロビンの濃度が増加を終了した後の所定期間における前記酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化を関数にフィッティングし、前記関数の時間変化率から前記第1変化率を決定し、前記第2の期間において、前記酸素化ヘモグロビンの濃度が増加を終了した後の前記所定期間における前記酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化を前記関数にフィッティングし、前記関数の時間変化率から前記第2変化率を決定してもよい。このような動作により、筋酸素消費量の空間分布をより正確に推定することができる。
前記処理回路は、前記第2変化率の大きさが前記第1変化率の大きさのa倍以上(aは1よりも大きい実数)である場合に、前記筋酸素消費量が相対的に大きいことを示す情報を前記分布データに加えて出力し、前記第2変化率の大きさが前記第1変化率の大きさのa倍未満である場合に、前記筋酸素消費量が相対的に小さいことを示す情報を前記分布データに加えて出力してもよい。このような動作により、例えば分布データを取得した表示装置に、どの点における筋酸素消費量が相対的に大きいかを示す画像を表示させることが可能になる。
前記処理回路は、前記筋酸素消費量が相対的に大きいことを示す前記情報に基づいて、前記対象部における、前記筋酸素消費量が相対的に大きい第1領域を決定し、前記筋酸素消費量が相対的に小さいことを示す前記情報に基づいて、前記対象部における、前記筋酸素消費量が相対的に小さい第2領域を決定してもよく、前記分布データは、前記第1領域または前記第2領域を強調して表示する画像を含んでいてもよい。そのような画像が表示されることにより、ユーザは、筋運動の効果を対象部の点ごとに容易に把握することができる。
前記処理回路は、前記対象部に含まれる前記筋酸素消費量が相対的に小さい領域における筋肉をトレーニングするためのトレーニングプランを示すデータを、さらに生成して出力してもよい。そのようなデータに基づき、ユーザは、筋運動の効果が低かった筋肉の部位を効果的に鍛えるトレーニングプランを知ることができる。
前記処理回路は、前記ユーザが実施した前記筋運動の内容を示す履歴データを取得し、前記履歴データに基づいて、前記トレーニングプランを調整してもよい。そのような動作により、ユーザにより適切なトレーニングプランを提示することができる。
前記処理回路は、前記ユーザを識別する識別データを取得し、前記識別データに基づいて、前記トレーニングプランを調整してもよい。これにより、ユーザごとに最適なトレーニングプランを提示することができる。
前記光源は、650nm以上805nm未満の第1波長を有する第1光パルス、および805nm以上950nm以下の第2波長を有する第2光パルスを出射するように構成されていてもよい。前記検出動作は、前記光源に前記第1光パルスを出射させることと、前記センサに、前記第1光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた第1反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である第1内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記第1内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す第1検出信号を出力させることと、前記光源に前記第2光パルスを出射させることと、前記センサに、前記第2光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた第2反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である第2内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記第2内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す第2検出信号を出力させることと、を含んでいてもよい。前記処理回路は、前記第1検出信号と、前記第2検出信号とに基づいて、前記対象部の前記内部の血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度分布を推定し、前記酸素化ヘモグロビンの前記濃度分布の時間変化に基づいて、前記筋酸素消費量の前記空間分布を推定してもよい。このような動作により、筋酸素消費量の空間分布をより正確に推定することができる。
前記計測装置は、透明ディスプレイを含む拡張現実(Augmented Reality:AR)グラスをさらに備えていてもよい。前記透明ディスプレイは、前記透明ディスプレイを通して視認される前記ユーザの外観に、前記分布データを示す分布画像が重畳されるように、前記分布画像を表示してもよい。これにより、どの部位のトレーニング効果が高かったかをユーザが把握し易くなる。
本開示の他の実施形態による方法は、筋運動を行うユーザの対象部における筋酸素消費量を計測する計測装置に含まれるコンピュータによって実行される。前記方法は、前記処理回路は、光源に光パルスを出射させること、及び複数の光電変換素子を含むセンサに、前記光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させること、を含む検出動作を複数回、実行することにより、前記検出信号を含む複数の検出信号を取得することと、前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力することと、を含む。
本開示の他の実施形態によるコンピュータプログラムは、筋運動を行うユーザの対象部における筋酸素消費量を計測する計測装置に含まれるコンピュータによって実行される。前記プログラムは、前記コンピュータに、光源に光パルスを出射させること、及び複数の光電変換素子を含むセンサに、前記光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させること、を含む検出動作を複数回、実行することにより、前記検出信号を含む複数の検出信号を取得することと、前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力することと、を実行させる。
本開示の他の実施形態による非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、プロセッサにより実行されるときに、
光源に光パルスを出射させること、及び複数の光電変換素子を含むセンサに、前記光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させること、を含む検出動作を複数回、実行することにより、前記検出信号を含む複数の検出信号を取得することと、
前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力することと、を含む処理を前記プロセッサに実行させるコンピュータプログラムを記録する。
光源に光パルスを出射させること、及び複数の光電変換素子を含むセンサに、前記光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させること、を含む検出動作を複数回、実行することにより、前記検出信号を含む複数の検出信号を取得することと、
前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力することと、を含む処理を前記プロセッサに実行させるコンピュータプログラムを記録する。
以下、添付の図面を参照して、本開示の実施形態をより具体的に説明する。
(実施形態)
[1.構成]
図1は、本開示の例示的な実施形態による筋酸素消費量を計測するシステムの構成を模式的に示す図である。本システムは、計測装置100と、加圧器40と、ディスプレイ50と、ARグラス90とを備える。計測装置100は、光源20と、イメージセンサ30と、制御回路60と、信号処理回路70と、メモリなどの記憶媒体80とを備える。図1には、計測装置100を使用するユーザの腕も示されている。本実施形態においては、制御回路60と信号処理回路70とが、前述の「処理回路」としての役割を果たす。
[1.構成]
図1は、本開示の例示的な実施形態による筋酸素消費量を計測するシステムの構成を模式的に示す図である。本システムは、計測装置100と、加圧器40と、ディスプレイ50と、ARグラス90とを備える。計測装置100は、光源20と、イメージセンサ30と、制御回路60と、信号処理回路70と、メモリなどの記憶媒体80とを備える。図1には、計測装置100を使用するユーザの腕も示されている。本実施形態においては、制御回路60と信号処理回路70とが、前述の「処理回路」としての役割を果たす。
加圧器40は、ユーザに装着され、ユーザの体の一部を加圧することで、体の一部の血流を一時的に遮断する装置である。本実施形態では、加圧器40はユーザの腕に装着されている。加圧器40が装着される部位は、対象部の位置によって異なる。例えば脚の筋酸素消費量を計測する場合には、加圧器40は脚に装着され得る。また、体幹部の筋酸素消費量を計測する場合には、加圧器40は胴体に装着され得る。
光源20は、ユーザの対象部に照射される光パルスを出射する装置である。光源20は、1つ以上の発光素子を含み、対象部に向けて光パルスを出射する。光源20は、波長の異なる2種類の光パルスを出射するように構成され得る。例えば、光源20は、650nm以上805nm未満の第1波長を有する第1光パルス、および805nm以上950nm以下の第2波長を有する第2光パルスを出射できるように構成され得る。
イメージセンサ30は、ユーザの体から戻ってきた光パルスの少なくとも一部を検出し、検出結果を示す検出信号を出力する。イメージセンサ30は、2次元的に配列された複数の光検出セルを備える。各光検出セルは、光電変換素子を含み、受光量に応じた電気信号を出力する。なお、本実施形態ではイメージセンサ30が用いられるが、2次元的に配列された複数の光電変換素子を備える他の種類のセンサを用いてもよい。
制御回路60は、加圧器40、光源20、およびイメージセンサ30を制御する。制御回路60は、加圧器40を制御する加圧制御部64と、光源を制御する光源制御部62と、イメージセンサ30を制御するセンサ制御部63とを含む。
加圧制御部64は、加圧器40の動作を制御する。例えば、圧力および加圧タイミングの一方または両方を制御する。
光源制御部62は、光源20の発光動作を制御する。例えば、光源20から出射される光パルスの強度、パルス幅、出射タイミング、および波長の少なくとも1つを制御する。
センサ制御部63は、イメージセンサ30の各光検出セルにおける信号蓄積のタイミングを制御する。
加圧制御部64、光源制御部62、およびセンサ制御部63は、分離された3つの回路によって実現されていてもよいし、単一の回路によって実現されていてもよい。加圧制御部64、光源制御部62、およびセンサ制御部63は、制御回路60が不図示のメモリに格納された制御用のプログラムを実行することによって実現されてもよい。
信号処理回路70は、イメージセンサ30から出力された検出信号を処理する。信号処理回路70は、検出信号に基づいて、ユーザの対象部における血流状態を示す情報(以下、「血流情報」と称する。)を生成する。血流情報は、例えば、血流量、血液中の酸素化ヘモグロビン濃度、血液中の脱酸素化ヘモグロビン濃度、酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度との合計であるトータルヘモグロビン濃度、および血中酸素飽和度からなる群から選択される少なくとも1つの情報を含み得る。信号処理回路70は、対象部における血流情報の経時変化に基づいて、筋酸素消費量の2次元分布を示す分布データを生成して出力する。
本実施形態では、制御回路60と信号処理回路70とが分離されているが、これらの回路の機能が、単一の電子回路によって実現されていてもよい。
ディスプレイ50は、信号処理回路70によって生成された分布データに基づく画像を表示する。例えば、ユーザの外観を示す画像に、筋酸素消費量の空間分布の情報が重畳された画像を表示する。ディスプレイ50は、例えば液晶または有機ELなどの任意のディスプレイであり得る。ディスプレイ50は、計測装置100に内蔵されていてもよい。
ARグラス90は、透明ディスプレイを備える。ARグラス90は、透明ディスプレイに、信号処理回路70によって生成された分布データに基づく画像を表示させることができる。例えば、ARグラス90は、透明ディスプレイを通して視認されるユーザの外観に、分布データに基づく画像が重畳されるように当該画像を透明ディスプレイに表示させる。
以下、各構成要素をより具体的に説明する。
[1-1.加圧器40]
加圧器40は、ユーザの体の一部を加圧する。加圧により、ユーザの体の一部の血流が一定時間遮断される。加圧器40は、例えばカフを含み得る。加圧は、例えば、腕または脚の付け根にカフを巻き付けた状態で行われ得る。加圧力は、例えば40mmHgまたは200mmHgなどの所定の値に設定される。加圧により、一時的に静脈または動脈の血流が遮断される。加圧時間は、例えば1分などの予め設定された時間に設定され得る。加圧器40は、制御回路60に有線または無線で接続され得る。加圧器40は、制御回路60から入力される制御信号に従って動作する。加圧器40は、必ずしも制御回路60に接続されていなくてもよく、手動式であってもよい。
加圧器40は、ユーザの体の一部を加圧する。加圧により、ユーザの体の一部の血流が一定時間遮断される。加圧器40は、例えばカフを含み得る。加圧は、例えば、腕または脚の付け根にカフを巻き付けた状態で行われ得る。加圧力は、例えば40mmHgまたは200mmHgなどの所定の値に設定される。加圧により、一時的に静脈または動脈の血流が遮断される。加圧時間は、例えば1分などの予め設定された時間に設定され得る。加圧器40は、制御回路60に有線または無線で接続され得る。加圧器40は、制御回路60から入力される制御信号に従って動作する。加圧器40は、必ずしも制御回路60に接続されていなくてもよく、手動式であってもよい。
[1-2.光源20]
光源20は、1つ以上の発光素子を備える。発光素子は、例えばレーザ光を出射するレーザダイオードを含み得る。光源20は、制御回路60における光源制御部62から入力される制御信号に従って光パルスを出射する。
光源20は、1つ以上の発光素子を備える。発光素子は、例えばレーザ光を出射するレーザダイオードを含み得る。光源20は、制御回路60における光源制御部62から入力される制御信号に従って光パルスを出射する。
光源20は、ユーザの対象部に向けて光を出射するように配置される。対象部は、例えば、ユーザの腕または脚であり、より具体的にはユーザの上腕、前腕、大腿、または下腿であり得る。対象部は、これらの部位に限らず、例えば腹部、胸部、下背部、上背部、または肩部であってもよい。
光源20から出射されてユーザの対象部に到達した光は、対象部の表面で反射される成分と、対象部の内部で散乱される成分とに分かれる。本明細書では、表面で反射される成分を「表面反射成分」と称し、内部で散乱される成分を「内部散乱成分」と称する。内部散乱成分は、生体内部で1回反射もしくは散乱、または多重散乱する成分である。ユーザの腕または脚に向けて光を出射する場合、内部散乱成分は、腕または脚の皮膚表面から奥に8mmから16mmほどの部位に到達する。すなわち、内部散乱成分は、皮膚および皮下脂肪を通過して筋肉に到達し、そこで散乱されて再び計測装置100に戻る光の成分である。表面反射成分は、直接反射成分、拡散反射成分、および散乱反射成分の3つの成分を含む。直接反射成分は、入射角と反射角とが等しい反射成分である。拡散反射成分は、表面の凹凸形状によって拡散されて反射される成分である。散乱反射成分は、表面近傍の内部組織によって散乱されて反射される成分である。ユーザの腕または脚に向けて光を出射する場合、散乱反射成分は腕または脚の表皮内部で散乱されて反射される成分である。以下では、対象部の表面で反射される表面反射成分は、これら3つの成分を含むものとする。また、内部散乱成分は、表面近傍の内部組織によって散乱されて反射される成分を含まないものとする。表面反射成分および内部散乱成分については、反射または散乱されることにより、これらの成分の進行方向が変化し、その一部がイメージセンサ30に到達する。表面反射成分は、対象部の表面情報、例えば、表皮の血流情報を含み得る。内部散乱成分は、対象部の内部情報、例えば、筋肉組織の近傍の血流情報を含み得る。したがって、表面反射成分を検出することにより、対象部の表面情報、例えば、表皮の血流情報を取得することができる。また、内部散乱成分を検出することにより、対象部の内部情報、例えば、筋肉組織の近傍の血流情報を取得することができる。
本実施形態では、ユーザの腕または脚などの対象部から戻って来る光(本明細書において、「反射光」と総称する)のうち、少なくとも内部散乱成分の少なくとも一部が検出される。内部散乱成分は、ユーザの筋肉組織の活動を反映してその強度が変動する。このため、内部散乱成分の経時変化を解析することにより、ユーザの筋肉活動の状態を推定することができる。
以下、内部散乱成分の検出方法の例を説明する。光源20は、制御回路60からの指示に従い、光パルスを所定の時間間隔または所定のタイミングで繰り返し出射する。光源20から出射される光パルスは、例えば立ち下がり期間がゼロに近い矩形波であり得る。本明細書において、「立ち下がり期間」とは、光パルスの強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間を意味する。一般に、ユーザの対象部に入射した光は、様々な経路で対象部内を伝播し、時間差を伴って対象部から出射する。このため、光パルスの内部散乱成分の後端は、広がりを有する。対象部が腕または脚である場合、内部散乱成分の後端の広がりは、4ns程度である。このことを考慮すると、光源20が出射する光パルスの立ち下がり期間の長さは、例えばその半分以下である2ns以下に設定され得る。立ち下がり期間の長さは、さらにその半分の1ns以下であってもよい。光源20から出射される光パルスの立ち上がり期間の長さは任意である。本明細書において、「立ち上がり期間」とは、光パルスの強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である。本実施形態における内部散乱成分の検出では、光パルスの立ち下がり部分が使用され、立ち上がり部分は使用されない。光パルスの立ち上がり部分は、表面反射成分の検出に用いられ得る。光源20は、例えば、LDなどのレーザ素子を含み得る。レーザ素子から出射される光は、光パルスの立ち下がり部分が時間軸に略直角である急峻な時間応答特性を有する。
光源20は、単一の波長の光を出射してもよいし、複数の波長の光を出射してもよい。複数の波長の光は、複数の発光素子からそれぞれ出射されてもよい。2つの発光素子から異なる2つの波長の光がそれぞれ出射される場合、ユーザの対象部を経由してイメージセンサ30に戻った2つの波長の光の光路長は、ほぼ等しくなるように設計され得る。例えば、イメージセンサ30と一方の発光素子との距離、およびイメージセンサ30と他方の発光素子との距離が一致し、かつ、2つの発光素子が、イメージセンサ30を中心として回転対称になる位置に配置され得る。
光源20から出射される光の波長は、例えば650nm以上950nm以下の波長範囲に含まれる任意の波長であり得る。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。上記の波長範囲は、「生体の窓」と呼ばれており、光が生体内の水分および皮膚に比較的吸収されにくいという性質を有する。生体を計測対象にする場合、上記の波長範囲の光を使用することにより、検出感度を高くすることができる。本実施形態のように、ユーザの血流変化を検出する場合、使用される光は、主に酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンに吸収される。一般に、血流に変化が生じると、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの濃度が変化する。この変化に伴い、光の吸収度合いも変化する。したがって、血流が変化すると、検出される光量も時間的に変化する。
酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとでは、光吸収の波長依存性が異なる。波長が650nm以上であり、かつ805nmよりも短いとき、脱酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数の方が、酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数よりも大きい。波長805nmでは、脱酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数と、酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数とが同程度になる。波長が805nmよりも長く、かつ950nm以下であるとき、酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数の方が、脱酸素化ヘモグロビンによる光吸収係数よりも大きい。
したがって、光源20は、650nm以上かつ805nm未満の波長の第1光パルスと、805nm以上かつ950nm以下の波長の第2光パルスとを出射するように構成され得る。波長の異なる第1光パルスおよび第2光パルスで対象部を照射することにより、対象部の内部の血液に含まれる酸素化ヘモグロビンの濃度および脱酸素化ヘモグロビンの濃度を推定することができる。このように、異なる波長を有する2つの光パルスの照射により、対象部のより詳細な内部情報を取得することができる。
本実施形態では、非接触でユーザの筋肉内部の血流が計測される。光源20から出射された光がユーザの眼に入射する可能性を考慮し、網膜への影響を考慮して設計された光源20が用いられ得る。例えば、各国で策定されているレーザ安全基準のクラス1を満足する光源20が用いられ得る。クラス1が満足されている場合、被爆放出限界(AEL)が1mWを下回るほどの低照度の光が、ユーザに照射される。なお、光源20自体はクラス1を満たしていなくてもよい。例えば、拡散板またはNDフィルタを光源20の前に設置して光を拡散または減衰することにより、レーザ安全基準のクラス1が満たされていてもよい。
筋肉組織の近傍の血流を計測するためにユーザの対象部を光で照射する場合、内部散乱成分の光量は、表面反射成分の光量の数千分の1から数万分の1程度の非常に小さい値になり得る。さらに、レーザの安全基準を考慮すると、照射できる光の光量は、極めて小さくなる。したがって、内部散乱成分の検出は非常に難しい。その場合でも、光源20が、比較的パルス幅の大きい光パルスを出射すれば、時間遅れを伴う内部散乱成分の積算量を増加させることができる。それにより、検出光量を増やし、SN比を向上させることができる。
光源20は、例えばパルス幅が3ns以上の光パルスを出射する。一般に、筋肉などの生体組織内で散乱された光の時間的な広がりは4ns程度である。図2は、イメージセンサ30に到達する光の強度の時間変化の例を示す図である。図2には、光源20から出射される光パルスの幅が、0ns、3ns、および10nsである3つの場合の例が示されている。図2に示すように、光源20から出射される光パルスの幅を広げるにつれて、ユーザからイメージセンサ30に到達する光パルスの後端部に現れる内部散乱成分の光量が増加する。
図3は、光源20から出射される光パルスである入力光パルスの幅を横軸に、イメージセンサ30での検出光量を縦軸に表した図である。イメージセンサ30は、電子シャッタを備える。図3の結果は、光パルスの後端が対象部の表面で反射されてイメージセンサ30に到達した時刻から1ns経過した後に電子シャッタを開いた条件で得られた。この条件を選択した理由は、光パルスの後端が到達した直後は、内部散乱成分と比較して、表面反射成分の比率が高いためである。図3に示すように、光源20から出射される光パルスのパルス幅を3ns以上にすると、検出光量を最大化することができる。
光源20は、パルス幅5ns以上、さらには10ns以上の光パルスを出射してもよい。一方、パルス幅が大きすぎても使用しない光が増えて無駄となる。このため、光源20は、例えば、パルス幅50ns以下の光パルスを出射する。あるいは、光源は、パルス幅30ns以下、さらには20ns以下の光パルスを出射してもよい。矩形パルスのパルス幅が数nsから数十nsであれば、光源20を低電圧で駆動することができる。したがって、計測装置100の小型化および低コスト化が可能になる。
光源20の照射パターンは、例えば、照射領域内において、均一な強度分布をもつパターンであってもよい。この点で、本実施形態は、従来方法とは異なる。従来方法では、検出器と光源とを3cm程度離すことにより、表面反射成分が、空間的に内部散乱成分から分離される。このため、離散的な光照射とせざるを得ない。これに対し、本実施形態における計測装置100は、表面反射成分を時間的に内部散乱成分から分離して低減することができる。このため、均一な強度分布を有する照射パターンの光源20を用いることができる。均一な強度分布を有する照射パターンは、光源20から出射される光を拡散板で拡散することによって形成してもよい。
本実施形態では、対象部の照射点直下でも、内部散乱成分を検出することができる。対象部を空間的に広い範囲にわたって光で照射することにより、計測解像度を高めることができる。
[1-3.イメージセンサ30]
イメージセンサ30は、例えば、CCDイメージセンサまたはCMOSイメージセンサなどの任意の撮像素子であり得る。イメージセンサ30は、受光面上に2次元的に配置された複数の光検出セルを備える。各光検出セルは、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子と、1つまたは複数の電荷蓄積部とを含み得る。光電変換素子は、光電変換によって受光量に応じた信号電荷を発生させる。電荷蓄積部は、光電変換素子から生じた信号電荷を蓄積する。イメージセンサ30は、ユーザの2次元的な情報を一度に取得することができる。以下の説明において、光検出セルを「画素」と称することがある。
イメージセンサ30は、例えば、CCDイメージセンサまたはCMOSイメージセンサなどの任意の撮像素子であり得る。イメージセンサ30は、受光面上に2次元的に配置された複数の光検出セルを備える。各光検出セルは、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子と、1つまたは複数の電荷蓄積部とを含み得る。光電変換素子は、光電変換によって受光量に応じた信号電荷を発生させる。電荷蓄積部は、光電変換素子から生じた信号電荷を蓄積する。イメージセンサ30は、ユーザの2次元的な情報を一度に取得することができる。以下の説明において、光検出セルを「画素」と称することがある。
イメージセンサ30は、電子シャッタを備え得る。電子シャッタは、撮像のタイミングを制御する回路である。本実施形態では、制御回路60におけるセンサ制御部63が、電子シャッタの機能を有する。電子シャッタは、受光した光を有効な電気信号に変換して蓄積する1回の信号蓄積の期間と、信号蓄積を停止する期間とを制御する。信号蓄積期間は、「露光期間」とも称する。以下の説明では、露光期間の幅を、「シャッタ幅」とも称する。1回の露光期間が終了し次の露光期間が開始するまでの時間を、「非露光期間」とも称する。以下、露光している状態を「OPEN」、露光を停止している状態を「CLOSE」と称することがある。
イメージセンサ30は、電子シャッタにより、露光期間および非露光期間を、サブナノ秒、例えば30psから1nsの範囲で調整することができる。距離の計測が目的であるTOFカメラは、光源から出射され被写体で反射されて戻ってきた光の全てを検出する。このため、TOFカメラでは、シャッタ幅が光のパルス幅よりも大きい必要がある。これに対し、本実施形態における計測装置100では、シャッタ幅がパルス幅よりも大きい必要はない。シャッタ幅を、例えば、1ns以上30ns以下の値に設定することができる。本実施形態における計測装置100によれば、シャッタ幅を縮小できるため、検出信号に含まれる暗電流の影響を低減することができる。
ユーザの腕または脚などの対象部を光で照射して血流などの情報を検出する場合、生体内部での光の減衰率が非常に大きい。例えば、入射光に対して出射光が、100万分の1程度にまで減衰し得る。このため、内部散乱成分を検出するには、1パルスの照射だけでは光量が不足する場合がある。レーザ安全性基準のクラス1での照射では、特に光量が微弱である。この場合、光源20が光パルスを複数回出射し、それに応じてイメージセンサ30も電子シャッタによって複数回露光することにより、検出信号を積算して感度を向上することができる。
以下、イメージセンサ30の各画素が、フォトダイオードなどの光電変換素子と、複数の電荷蓄積部とを備える例を説明する。各画素における複数の電荷蓄積部は、光パルスの表面反射成分によって生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、光パルスの内部散乱成分によって生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とを含み得る。制御回路60は、イメージセンサ30に、ユーザの対象部から戻ってきた反射光パルス中の立ち下がり開始前の部分を検出させることにより、表面反射成分を検出させる。制御回路60はまた、イメージセンサ30に、ユーザの対象部から戻ってきた光パルス中の立ち下がり開始後の部分を検出させることにより、内部散乱成分を検出させる。この例における光源20は2種類の波長の光を出射する。
図4は、イメージセンサ30の1つの画素201の概略的な構成の例を示す図である。なお、図4は、1つの画素201の構成を模式的に示しており、実際の構造を必ずしも反映していない。この例における画素201は、光電変換を行うフォトダイオード203と、電荷蓄積部である第1の浮遊拡散層(Floating Diffusion:FD)204、第2の浮遊拡散層205、第3の浮遊拡散層206、および第4の浮遊拡散層207と、信号電荷を排出するドレイン202とを含む。
1回の光パルスの出射に起因して各画素に入射したフォトンは、フォトダイオード203によって信号電荷である信号エレクトロンに変換される。変換された信号エレクトロンは、制御回路60からイメージセンサ30に入力される制御信号に従って、ドレイン202に排出されるか、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207のいずれかに振り分けられる。
光源20からの光パルスの出射と、第1の浮遊拡散層204、第2の浮遊拡散層205、第3の浮遊拡散層206、および第4の浮遊拡散層207への信号電荷の蓄積と、ドレイン202への信号電荷の排出が、この順序で繰り返し行われる。この繰り返し動作は高速であり、例えば動画像の1フレームの時間内に数万回から数億回繰り返され得る。1フレームの時間は、例えば約1/30秒であり得る。画素201は、最終的に、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207に蓄積された信号電荷に基づく4つの画像信号を生成して出力する。
この例における制御回路60は、光源20に、第1波長を有する第1光パルスと、第2波長を有する第2光パルスとを、順に繰り返し出射させる。第1波長および第2波長として、対象部の内部組織での吸収率が異なる2波長を選択することにより、対象部の内部の状態を分析することができる。例えば、第1波長として805nmよりも長い波長が選択され、第2波長として805nmよりも短い波長が選択され得る。これにより、血液中の酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度のそれぞれの変化を検出することができる。
制御回路60は、まず、光源20に、第1光パルスを出射させる。制御回路60は、第1光パルスの表面反射成分がフォトダイオード203に入射している第1の期間に、第1の浮遊拡散層204に信号電荷を蓄積させる。続いて、制御回路60は、第1光パルスの内部散乱成分がフォトダイオード203に入射している第2の期間に、第2の浮遊拡散層205に信号電荷を蓄積させる。次に、制御回路60は、光源20に、第2光パルスを出射させる。制御回路60は、第2光パルスの表面反射成分がフォトダイオード203に入射している第3の期間に、第3の浮遊拡散層206に信号電荷を蓄積させる。続いて、制御回路60は、第2光パルスの内部散乱成分がフォトダイオード203に入射している第4の期間に、第4の浮遊拡散層207に信号電荷を蓄積させる。
このように、制御回路60は、第1光パルスの出射を開始した後、所定の時間差を空けて、第1の浮遊拡散層204および第2の浮遊拡散層205に、フォトダイオード203からの信号電荷を順次蓄積させる。その後、制御回路60は、第2光パルスの出射を開始した後、上記所定の時間差を空けて、第3の浮遊拡散層206および第4の浮遊拡散層207に、フォトダイオード203からの信号電荷を順次蓄積させる。以上の動作が、複数回繰り返される。
外乱光および環境光の光量を推定するために、光源20を消灯した状態で、不図示の他の浮遊拡散層に信号電荷を蓄積する期間を設けてもよい。第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の信号電荷量から、上記他の浮遊拡散層の信号電荷量を差し引くことにより、外乱光および環境光成分を除去した信号を得ることができる。
なお、本実施形態では、各画素の電荷蓄積部の数が4であるが、目的に応じて1以上の任意の数に設計してよい。例えば、1種類の波長のみを用いて、表面反射成分と内部散乱成分とを検出する場合には、電荷蓄積部の数は2であってよい。また、使用する波長が1種類であり、表面反射成分が検出されない場合には、画素ごとの電荷蓄積部の数は1であってもよい。2種類の波長を用いて、内部散乱成分のみを検出する場合には、画素ごとの電荷蓄積部の数は2であってもよい。また、2種類以上の波長を用いる場合であっても、それぞれの波長を用いた撮像を別のフレームで行えば、電荷蓄積部の数は1であってもよい。同様に、表面反射成分および内部散乱成分の両方の検出を行う場合であっても、両者をそれぞれ別のフレームで検出する構成では、電荷蓄積部の数は1であってもよい。
図5は、イメージセンサ30の構成の一例を示す図である。図4において、二点鎖線の枠によって囲まれた領域が1つの画素201に相当する。画素201には1つのフォトダイオードが含まれる。図5では2行2列に配列された4画素のみが示されているが、実際にはさらに多数の画素が配置され得る。画素201は、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207を含む。第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207に蓄積される信号は、あたかも一般的なCMOSイメージセンサの4画素の信号のように取り扱われ、イメージセンサ30から出力される。
各画素201は、4つの信号検出回路を有する。各信号検出回路は、ソースフォロワトランジスタ309と、行選択トランジスタ308と、リセットトランジスタ310とを含む。この例では、リセットトランジスタ310が図4に示すドレイン202に対応する。リセットトランジスタ310のゲートには、ドレイン排出パルスが入力される。各トランジスタは、例えば半導体基板に形成された電界効果トランジスタであるが、これに限定されない。図示されるように、ソースフォロワトランジスタ309の入力端子および出力端子の一方と、行選択トランジスタ308の入力端子および出力端子のうちの一方とが接続されている。ソースフォロワトランジスタ309の入力端子および出力端子の上記一方は、典型的にはソースである。行選択トランジスタ308の入力端子および出力端子の上記一方は、典型的にはドレインである。ソースフォロワトランジスタ309の制御端子であるゲートは、フォトダイオード203に接続されている。フォトダイオード203によって生成された正孔または電子の信号電荷は、フォトダイオード203とソースフォロワトランジスタ309との間の電荷蓄積部である浮遊拡散層に蓄積される。
図5には示されていないが、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207はフォトダイオード203に接続される。フォトダイオード203と、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の各々との間には、1つ以上のスイッチが設けられ得る。スイッチは、制御回路60からの信号蓄積パルスに応じて、フォトダイオード203と第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の各々との間の導通状態を切り替える。これにより、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の各々への信号電荷の蓄積の開始と停止とが制御される。本実施形態における電子シャッタは、このような露光制御のための機構を有する。
第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207に蓄積された信号電荷は、行選択回路302によって行選択トランジスタ308のゲートがONにされることにより、読み出される。このとき、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の信号電位に応じて、ソースフォロワ電源305からソースフォロワトランジスタ309およびソースフォロワ負荷306へ流入する電流が増幅される。垂直信号線304から読み出されるこの電流によるアナログ信号は、列ごとに接続されたアナログ-デジタル(AD)変換回路307によってデジタル信号データに変換される。このデジタル信号データは、列選択回路303によって列ごとに読み出され、イメージセンサ30から出力される。行選択回路302および列選択回路303は、1つの行の読出しを行った後、次の行の読み出しを行い、以下同様に、全ての行の浮遊拡散層の信号電荷の情報を読み出す。制御回路60は、全ての信号電荷を読み出した後、リセットトランジスタ310のゲートをオンにすることにより、全ての浮遊拡散層をリセットする。これにより、1つのフレームの撮像が完了する。以下同様に、フレームの高速撮像を繰り返すことにより、イメージセンサ30による一連のフレームの撮像が完結する。
図6Aは、1フレーム内の動作の例を示す図である。図6Aに示すように、1フレーム内で、第1光パルスの発光と第2光パルスの発光とを交互に複数回切り替えてもよい。このようにすることで、2種類の波長による検出信号の取得タイミングの時間差を低減でき、ユーザに動きがある場合であっても、ほぼ同時に第1および第2光パルスでの撮像が可能である。
図6Bは、2種類の波長の光による検出動作の他の例を示す図である。図6Bに示すように、第1光パルスによる反射光パルスの検出と第2光パルスによる反射光パルスの検出とを、フレームごとに切り替えてもよい。このような動作は、例えば、第1光パルスの発光と、第2光パルスの発光とをフレームごとに切り替えることによって行われ得る。その場合、各画素201は単数の電荷蓄積部を備えていてもよい。そのような構成によれば、各画素201の電荷蓄積部の数を低減できるため、各画素201のサイズを大きくでき、感度を向上させることができる。
なお、光源20が出射する光の波長は1種類であってもよい。その場合であっても、筋肉活動のおおよその状態を推定することができる。
本実施形態では、CMOS型のイメージセンサ30の例を説明したが、イメージセンサ30は他の種類の撮像素子であってもよい。イメージセンサ30は、例えば、CCD型であっても、単一光子計数型素子であっても、EMCCDまたはICCDなどの増幅型イメージセンサであってもよい。また、複数の光検出セルが2次元的に配列されたイメージセンサ30の代わりに、各々が単数の光電変換素子を備える複数のセンサを用いてもよい。単画素のセンサを2次元的に配列した構成であっても、対象部の2次元データを生成することができる。
本実施形態では、イメージセンサ30は、光パルスの表面反射成分および/または内部散乱成分を検出することができる。表面反射成分の時間的または空間的な変化から、ユーザの脈拍などの第1の生体情報を取得することができる。一方、内部散乱成分の時間的または空間的な変化から、ユーザの筋酸素消費量などの第2の生体情報を取得することができる。
第1の生体情報は、表面反射成分を検出する方法とは異なる方法によって取得してもよいし、そもそも取得されなくてもよい。例えば、イメージセンサ30とは異なる他の種類の検出器を利用して、第1の生体情報を取得してもよい。その場合、イメージセンサ30は、内部散乱成分のみを検出してもよい。他の種類の検出器は、例えばレーダまたはサーモグラフィであってもよい。第1の生体情報は、例えば、ユーザの脈拍、発汗、呼吸、および体温からなる群から選択される少なくとも1つであり得る。第1の生体情報は、ユーザの対象部に照射された光パルスの内部散乱成分を検出することにより得られる筋酸素消費情報以外の生体情報である。ここで、「筋酸素消費情報以外の生体情報」とは、筋酸素消費活動に起因する情報が一切含まれないことを意味するものではない。第1の生体情報は、筋酸素消費活動とは別の生体活動に起因する生体情報が含まれ得る。第1の生体情報は、例えば、自律的または反射的な生体活動に起因する生体情報であり得る。
[1-4.制御回路60および信号処理回路70]
制御回路60は、光源20の光パルスの出射タイミングと、イメージセンサ30のシャッタタイミングとの時間差を調整する。本明細書では、当該時間差を「位相差」と称することがある。光源20の「出射タイミング」とは、光源20から出射される光パルスが立ち上がりを開始するタイミングである。「シャッタタイミング」とは、露光を開始するタイミングである。制御回路60は、出射タイミングを変化させて位相差を調整してもよいし、シャッタタイミングを変化させて位相差を調整してもよい。
制御回路60は、光源20の光パルスの出射タイミングと、イメージセンサ30のシャッタタイミングとの時間差を調整する。本明細書では、当該時間差を「位相差」と称することがある。光源20の「出射タイミング」とは、光源20から出射される光パルスが立ち上がりを開始するタイミングである。「シャッタタイミング」とは、露光を開始するタイミングである。制御回路60は、出射タイミングを変化させて位相差を調整してもよいし、シャッタタイミングを変化させて位相差を調整してもよい。
制御回路60は、例えばプロセッサおよびメモリの組み合わせ、またはプロセッサおよびメモリを内蔵するマイクロコントローラなどの集積回路であり得る。制御回路60は、例えばプロセッサがメモリに記録されたプログラムを実行することにより、例えば出射タイミングとシャッタタイミングとの調整を行う。
信号処理回路70は、イメージセンサ30から出力された検出信号を処理する回路である。信号処理回路70は、画像処理などの演算処理を行う。信号処理回路70は、例えばデジタルシグナルプロセッサ(DSP)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)などのプログラマブルロジックデバイス(PLD)、または中央演算処理装置(CPU)もしくは画像処理用演算プロセッサ(GPU)とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現され得る。
制御回路60および信号処理回路70は、統合された1つの回路であってもよいし、分離された個別の回路であってもよい。信号処理回路70は、例えば遠隔地に設けられたサーバなどの外部の装置の構成要素であってもよい。この場合、サーバなどの外部の装置は、無線通信または有線通信により、光源20、イメージセンサ30、および制御回路60と相互にデータの送受信を行う。
本実施形態における信号処理回路70は、イメージセンサ30から出力された検出信号に基づき、対象部の内部の血液中の酸素化ヘモグロビン(Oxy-Hb)、脱酸素化ヘモグロビン(Deoxy-Hb)、および総ヘモグロビン(Total-Hb)のそれぞれの濃度の時間変化を示す動画像データを生成することができる。信号処理回路70は、そのような動画像データに限らず、他の情報を生成してもよい。例えば、他の機器と同期させることにより、筋酸素消費量または血中酸素飽和度などの生体情報を生成してもよい。
信号処理回路70は、外乱光によるオフセット成分の見積り、およびオフセット成分の除去を行ってもよい。オフセット成分は、太陽光もしくは蛍光灯などの外乱光による信号成分である。光源20の駆動をOFFにして光源20から光が出射されない状態で、イメージセンサ30によって信号を検出することにより、環境光または外乱光によるオフセット成分が見積もられる。
[1-5.その他]
計測装置100は、ユーザの2次元像をイメージセンサ30の受光面上に形成する結像光学系を備えてもよい。結像光学系の光軸は、イメージセンサ30の受光面に略直交する。結像光学系は、ズームレンズを含んでいてもよい。ズームレンズの位置が変化するとユーザの2次元像の拡大率が変化し、イメージセンサ30上の2次元像の解像度が変化する。したがって、ユーザまでの距離が遠くても、所望の計測領域を拡大して詳細に観察することが可能である。
計測装置100は、ユーザの2次元像をイメージセンサ30の受光面上に形成する結像光学系を備えてもよい。結像光学系の光軸は、イメージセンサ30の受光面に略直交する。結像光学系は、ズームレンズを含んでいてもよい。ズームレンズの位置が変化するとユーザの2次元像の拡大率が変化し、イメージセンサ30上の2次元像の解像度が変化する。したがって、ユーザまでの距離が遠くても、所望の計測領域を拡大して詳細に観察することが可能である。
計測装置100は、ユーザとイメージセンサ30との間に、光源20から出射される波長帯域の光、またはその近傍の光のみを通過させる帯域通過フィルタを備えていてもよい。これにより、環境光などの外乱成分の影響を低減することができる。帯域通過フィルタは、例えば多層膜フィルタまたは吸収フィルタによって構成され得る。光源20の温度変化およびフィルタへの斜入射に伴う帯域シフトを考慮して、帯域通過フィルタの帯域幅は、例えば20から100nm程度の幅を持たせてもよい。
計測装置100は、光源20とユーザとの間、およびイメージセンサ30とユーザとの間に、それぞれ偏光板を備えてもよい。この場合、光源20側に配置される偏光板と、イメージセンサ30側に配置される偏光板との偏光方向は、直交ニコルの関係であり得る。これにより、ユーザの表面反射成分のうち正反射成分、すなわち入射角と反射角が同じ成分がイメージセンサ30に到達することを防ぐことができる。つまり、表面反射成分がイメージセンサ30に到達する光量を低減させることができる。
[2.信号検出動作]
続いて、計測装置100による信号検出動作をより詳細に説明する。
続いて、計測装置100による信号検出動作をより詳細に説明する。
本実施形態における計測装置100は、対象部からの反射光パルスにおける表面反射成分と内部散乱成分とを区別して検出することができる。対象部が腕または脚である場合、検出すべき内部散乱成分による信号強度は、非常に小さくなる。前述のように、レーザ安全基準を満たす非常に小さな光量の光が照射されることに加えて、皮膚および皮下脂肪による光の散乱および吸収が大きいためである。さらに、筋肉活動時の血流量または血液内成分の変化による信号強度の変化は、さらに数十分の1の大きさに相当し非常に小さくなる。したがって、内部散乱成分を検出する場合、検出すべき内部散乱成分の信号成分の数千倍から数万倍の大きさである表面反射成分は、可能な限り除去される。
以下、計測装置100による内部散乱成分を検出する動作の例を説明する。
前述のように、光源20がユーザの対象部を光パルスで照射すると、表面反射成分および内部散乱成分が発生する。表面反射成分および内部散乱成分の各々の一部がイメージセンサ30に到達する。内部散乱成分は、光源20から出射して、イメージセンサ30に到達するまでに対象部の内部を通過する。このため、内部散乱成分の光路長は、表面反射成分の光路長よりも長い。したがって、内部散乱成分がイメージセンサ30に到達するタイミングは、表面反射成分がイメージセンサ30に到達するタイミングよりも平均的に遅れる。
図7は、光源20から矩形波の光パルスが出射された場合において、ユーザの対象部から戻ってきた反射光パルスの光強度の波形を模式的に示す図である。横軸は、いずれも時間(t)を表す。縦軸は、図7の部分(a)から(c)では強度を表し、部分(d)では電子シャッタのOPENまたはCLOSEの状態を表す。図7の部分(a)は、表面反射成分I1を示す。図7の部分(b)は、内部散乱成分I2を示す。図7の部分(c)は、表面反射成分I1および内部散乱成分I2の合算成分を示す。図7の部分(a)に示すように、表面反射成分I1の波形は、ほぼ矩形を維持する。一方、内部散乱成分I2は、さまざまな光路長の光の合算である。このため、図7の部分(b)に示すように、内部散乱成分I2は、光パルスの後端が尾を引いたような特性を示す。言い換えれば、内部散乱成分I2の立ち下がり期間は、表面反射成分I1の立ち下がり期間よりも長くなる。図7の部分(c)に示す光信号から内部散乱成分I2の割合を高めて抽出するために、図7の部分(d)に示す通り、表面反射成分I1の後端が到達する時点以降に、電子シャッタの露光が開始される。言い換えれば、表面反射成分I1の波形が立ち下がった時またはその後に露光が開始される。このシャッタタイミングは、制御回路60によって調整される。
対象部が平面的でない場合、イメージセンサ30の画素によって光が到達するタイミングが異なる。この場合、画素ごとに図7の部分(d)に示すシャッタタイミングを個別に決定してもよい。例えば、イメージセンサ30の受光面に垂直な方向をz方向とする。制御回路60は、対象部の表面におけるz座標の2次元分布を示すデータを取得し、このデータに基づいてシャッタタイミングを画素ごとに変化させてもよい。これにより、対象部の表面が湾曲している場合でも、それぞれの位置で最適なシャッタタイミングを決定することができる。対象部の表面におけるz座標の2次元分布を示すデータは、例えば、TOF(Time-of-Flight)技術によって取得される。光源20による照射光が対象部で反射されることにより生じた反射光がそれぞれの画素に到達するまでに要する時間が計測される。よって、各画素で検出される反射光の位相と、光源20における照射光の位相との差に基づいて、各画素と対象部との間の距離を推定することができる。これにより、対象部の表面におけるz座標の2次元分布を示すデータを取得することができる。当該2次元分布を示すデータは計測を行う前に予め取得され得る。
図7の部分(a)に示す例では、表面反射成分I1の後端が垂直に立ち下がっている。言い換えると、表面反射成分I1が立ち下がりを開始してから終了するまでの時間がゼロである。しかし、現実には、表面反射成分I1の後端が垂直に立ち下がらない場合がある。例えば、光源20から出射される光パルスの波形の立ち下りが完全に垂直でない場合、対象部の表面に微細な凹凸がある場合、または表皮内で散乱が生じる場合には、表面反射成分I1の後端が垂直に立ち下がらない。また、ユーザは不透明な物体であることから、表面反射成分I1の光量は、内部散乱成分I2の光量よりも非常に大きい。したがって、表面反射成分I1の後端が垂直な立ち下がりの時点からわずかにはみ出した場合であっても、内部散乱成分I2が埋もれてしまう可能性がある。さらに、電子シャッタの読み出し期間中に、電子の移動に伴う時間遅れが発生する場合もある。以上のことから、図7の部分(d)に示すような理想的なバイナリの読み出しを実現できないことがある。その場合には、制御回路60は、電子シャッタのシャッタ開始のタイミングを表面反射成分I1の立ち下がり直後よりやや遅らせてもよい。例えば、制御回路60は、電子シャッタのシャッタ開始のタイミングを表面反射成分I1の立ち下がり時点よりも0.5nsから5ns程度遅らせてもよい。電子シャッタのシャッタタイミングを調整する代わりに、制御回路60は、光源20の出射タイミングを調整してもよい。言い換えれば、制御回路60は、電子シャッタのシャッタタイミングと光源20の出射タイミングとの時間差を調整してもよい。非接触で対象部内の血流量または血液内成分の変化を計測する場合、あまりにもシャッタタイミングを遅らせすぎると、もともと小さい内部散乱成分I2がさらに減少してしまう。このため、表面反射成分I1の後端近傍にシャッタタイミングを留めておいてもよい。前述のように、対象部の内部の散乱による時間遅れは、4ns程度である。この場合、シャッタタイミングの最大の遅らせ量は、4ns程度であり得る。
図6Aおよび図6Bに示す例のように、光源20から出射された複数の光パルスの各々を、同じ時間差のシャッタタイミングで露光して信号を蓄積してもよい。これにより、内部散乱成分I2の検出光量が増幅される。
ユーザとイメージセンサ30との間に帯域通過フィルタを配置することに替えて、またはそれに加えて、光源20に光を出射させない状態で、同じ露光時間で撮影することによってオフセット成分を見積もってもよい。見積もったオフセット成分は、イメージセンサ30の各画素によって検出された信号から差分によって除去される。これにより、イメージセンサ30上で発生する暗電流成分を除去することができる。
内部散乱成分I2には、ユーザの内部特性情報、例えば、筋酸素消費情報が含まれる。ユーザの筋酸素消費量の時間的な変動に応じて、血液に吸収される光の量が変化する。その結果、イメージセンサ30による検出光量も、相応に増減する。したがって、内部散乱成分I2をモニタリングすることにより、ユーザの対象部における血液中の酸素化ヘモグロビン(Oxy-Hb)、脱酸素化ヘモグロビン(Deoxy-Hb)、および総ヘモグロビン(Total-Hb)のそれぞれの濃度の時間変化を推定することができる。Oxy-Hb、Deoxy-Hb、およびTotal-Hbの濃度の時間変化から筋酸素消費量を推定することができる。
図8Aは、内部散乱成分I2を検出する動作の例を示すタイミングチャートである。この例では、1フレームの期間において、光源20は光パルスを繰り返し出射する。イメージセンサ30は、各反射光パルスの後端部分がイメージセンサ30に到達する期間にシャッタをOPENにする。この動作により、イメージセンサ30は、内部散乱成分I2の信号を蓄積する。所定回数の信号蓄積が終了すると、イメージセンサ30は、画素ごとに蓄積された信号を検出信号として出力する。出力された検出信号は、信号処理回路70によって処理される。
このように、制御回路60は、光源20に光パルスを出射させ、イメージセンサ30に、反射光パルスのうちの立ち下がり開始後の成分の少なくとも一部を検出させて内部散乱成分の強度の空間分布を示す検出信号を出力させる検出動作を繰り返す。このような動作により、信号処理回路70は、繰り返し出力された検出信号に基づいて、対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力することができる。
次に、表面反射成分I1の検出方法の例を説明する。表面反射成分I1には、ユーザの表面特性を示す情報、例えば、腕または脚の皮膚血流情報が含まれる。なお、表面反射成分I1の情報は、必ずしも取得される必要はなく、必要に応じて取得される。
図8Bは、表面反射成分I1を検出する動作の例を示すタイミングチャートである。表面反射成分I1を検出する場合、イメージセンサ30は、各反射光パルスがイメージセンサ30に到達する前にシャッタをOPENにし、反射光パルスの後端が到達するよりも前にシャッタをCLOSEにする。このようにシャッタを制御することにより、内部散乱成分I2の混入を抑制し、表面反射成分I1の割合を大きくすることができる。シャッタCLOSEのタイミングを、イメージセンサ30への光の到達直後にしてもよい。これにより、光路長が比較的短い表面反射成分I1の割合を高めた信号検出が可能になる。表面反射成分I1の信号を取得することにより、ユーザの脈拍、または表皮血流の酸素化度を推定することができる。表面反射成分I1の他の取得方法として、イメージセンサ30が反射光パルスの全体を検出したり、光源20から出射された連続光を検出したりしてもよい。
表面反射成分I1を、内部散乱成分I2を取得する計測装置100以外の装置によって検出してもよい。例えば、脈波計またはドップラ血流計といった別のデバイスを用いてもよい。その場合、当該別のデバイスは、デバイス間のタイミング同期、光の干渉、および検出箇所の合わせこみを考慮して使用される。本実施形態のように、同一の計測装置100または同一のセンサによる時分割撮像を行えば、時間的および空間的なずれが発生しにくい。同一のセンサによって表面反射成分I1および内部散乱成分I2の両方の信号を取得する場合、図8Aおよび図8Bに示すように、1フレームごとに取得する成分を切り替えてもよい。あるいは、1フレーム内で取得する成分を高速に交互に切り替えてもよい。その場合、表面反射成分I1と内部散乱成分I2との検出時間差を低減することができる。
さらに、表面反射成分I1および内部散乱成分I2のそれぞれの信号を、2つの波長の光を用いて取得してもよい。例えば、750nmおよび850nmの2波長の光パルスを利用してもよい。これにより、それぞれの波長での検出光量の変化から、酸素化ヘモグロビンの濃度変化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を算出することができる。表面反射成分I1および内部散乱成分I2を、それぞれ2波長で取得する場合、例えば図4から図6Aを参照して説明したように、4種類の電荷蓄積を1フレーム内で高速に切り替える方法が利用され得る。そのような方法により、検出信号の時間的なずれを低減することができる。
図9は、制御回路60による光源20およびイメージセンサ30を制御する動作の一例を示すフローチャートである。ここでは、光源20は2波長の光パルスを出射し、イメージセンサ30は、内部散乱成分の検出のみを行う場合の動作の例を説明する。光源20は、第1波長を有する第1光パルスと、第2波長を有する第2光パルスとを出射する。第1波長は650nmよりも長く805nmよりも短い。第2波長は805nmよりも長く950nmよりも短い。
ステップS101において、制御回路60は、光源20に所定時間だけ第1光パルスを出射させる。このとき、イメージセンサ30の電子シャッタは露光を停止した状態にある。制御回路60は、第1光パルスの照射に起因して生じた第1反射光パルスのうち、表面反射成分がイメージセンサ30に到達する期間が完了するまで、電子シャッタに露光を停止させる。次に、ステップS102において、制御回路60は、第1反射光パルスのうち、内部散乱成分がイメージセンサ30に到達するタイミングで、電子シャッタに露光を開始させる。所定時間経過後、ステップS103において、制御回路60は、電子シャッタに露光を停止させる。ステップS102およびステップS103により、図5に示す第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207のうちの1つの浮遊拡散層に、信号電荷が蓄積される。当該信号電荷を「第1信号電荷」と称する。
ステップS104において、制御回路60は、光源20に所定時間だけ第2光パルスを出射させる。このとき、イメージセンサ30の電子シャッタは露光を停止した状態にある。制御回路60は、第2光パルスの照射に起因して生じた第2反射光パルスのうち、表面反射成分がイメージセンサ30に到達する期間が完了するまで、電子シャッタに露光を停止させる。次に、ステップS105において、制御回路60は、第2反射光パルスのうち、内部散乱成分がイメージセンサ30に到達するタイミングで、電子シャッタに露光を開始させる。所定時間経過後、ステップS106において、制御回路60は、電子シャッタに露光を停止させる。ステップS105およびステップS106により、図5に示す第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207のうちの他の1つの浮遊拡散層に、信号電荷が蓄積される。当該信号電荷を「第2信号電荷」と称する。
続いて、ステップS107において、制御回路60は、上記の信号蓄積を実行した回数が所定の回数に達したか否かを判定する。ステップS107での判定がNoの場合、Yesと判定するまで、ステップS101からステップS106が繰り返される。
ステップS107での判定がYesの場合、ステップS108に進む。ステップS108において、制御回路60は、イメージセンサ30に、第1信号電荷および第2信号電荷にそれぞれ基づく第1信号および第2信号を生成させて出力させる。
このように、制御回路60は、光源20に第1光パルスを出射させ、イメージセンサ30に第1反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させる第1動作を実行する。制御回路60は、光源に第2光パルスを出射させ、イメージセンサ30に第2反射光パルスの立ち下がり期間の少なくとも一部の成分を検出させる第2動作を実行する。制御回路60は、第1動作および第2動作を含む一連の動作を所定回数繰り返す。あるいは、制御回路60は、第1動作を所定回数繰り返し、その後、第2動作を所定回数繰り返してもよい。また、第1動作と第2動作の順序を入れ替えてもよい。
図9に示す動作により、内部散乱成分を高い感度で検出することができる。人などの生体を光で照射して血流などの情報を取得する場合、生体内部での光の減衰率が非常に大きい。例えば、入射光に対して出射光が、100万分の1程度にまで減衰することがある。このため、内部散乱成分を検出するには、1パルスの照射だけでは光量が不足する場合がある。レーザ安全性基準のクラス1での照射では、特に光量が微弱である。そのため、図9の例では、光源20が光パルスを複数回出射し、それに応じてイメージセンサ30も電子シャッタによって複数回露光する。このような動作により、検出信号を積算して感度を向上させることができる。なお、複数回の光出射および露光は必須ではなく、必要に応じて行われる。
図9の例では、内部散乱成分が検出されるが、表面反射成分をさらに検出してもよい。表面反射成分および内部散乱成分の両方を検出する場合、ステップS101とステップS102との間に、第1反射光パルスの表面反射成分に基づく信号電荷を蓄積するステップが追加され、ステップS104とステップS105との間に、第2反射光パルスの表面反射成分に基づく信号電荷を蓄積するステップが追加される。これらの信号電荷は、図5に示す第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207のうちの残りの2つの浮遊拡散層にそれぞれ蓄積される。表面反射成分を検出することにより、例えばユーザの外観または皮膚血流の状態を示す情報を取得することができる。
次に、信号処理回路70による筋酸素消費量を推定する動作の例を説明する。
前述のように、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの光吸収特性は異なる。酸素化ヘモグロビンは約805nmを超える波長の近赤外線を比較的よく吸収する。これに対し、脱酸素化ヘモグロビンは、805nmよりも短い波長の近赤外線または赤色光を比較的よく吸収する。805nm付近の波長の近赤外線については、両者の吸収率は同程度である。そこで、650nmよりも長く805nmよりも短い第1波長と、805nmよりも長く950nmよりも短い第2波長とが用いられ得る。例えば、上記の750nmおよび850nmの2波長の光が用いられ得る。これらの光の検出光量に基づいて、血液中の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンのそれぞれの濃度の時間変化を検出することができる。
信号処理回路70は、イメージセンサ30から出力された第1検出信号および第2検出信号に基づいて、対象部の内部の血液の状態を示す信号を生成して出力する。第1検出信号は、第1波長(例えば750nm)の光の内部散乱成分の検出結果を示す信号である。第2検出信号は、第2波長(例えば850nm)の光の内部散乱成分の検出結果を示す信号である。信号処理回路70は、第1検出信号および第2検出信号を用いて、予め定められた連立方程式を解くことにより、血液中の酸素化ヘモグロビン(HbO2)および脱酸素化ヘモグロビン(Hb)の各濃度の、初期値からの変化量を求めることができる。連立方程式は、例えば以下の式(1)および(2)によって表される。
ΔHbO2およびΔHbは、それぞれ、血液中のHbO2およびHbの濃度の初期値からの変化量を表す。ε750
OXYおよびε750
deOXYは、それぞれ、波長750nmでのHbO2およびHbのモル吸光係数を表す。ε850
OXYおよびε850
deOXYは、それぞれ、波長850nmでのHbO2およびHbのモル吸光係数を表す。I750
iniおよびI750
nowは、それぞれ、波長750nmについての初期時点および計測時点での検出強度を表す。I850
iniおよびI850
nowは、それぞれ、波長850nmについての初期時点および計測時点での検出強度を表す。信号処理回路70は、例えば上記の式(1)および(2)に基づいて、血液中のHbO2およびHbの各濃度の、初期値からの変化量ΔHbO2およびΔHbを、各画素について計算することができる。これにより、対象部における血液中のHbO2およびHbの各濃度の変化量の2次元分布のデータを生成することができる。
信号処理回路70は、さらに、ヘモグロビンの酸素飽和度を求めることもできる。酸素飽和度とは、血液中のヘモグロビンのうち、どれだけの割合が酸素と結びついているかを示す値である。酸素飽和度は、脱酸素化ヘモグロビンの濃度をC(Deoxy-Hb)、酸素化ヘモグロビンの濃度をC(Oxy-Hb)として、以下の式で定義される。
酸素飽和度=C(Oxy-Hb)/[C(Oxy-Hb)+C(Deoxy-Hb)]×100(%)
酸素飽和度=C(Oxy-Hb)/[C(Oxy-Hb)+C(Deoxy-Hb)]×100(%)
生体内には、血液以外にも赤色光および近赤外光を吸収する成分が含まれている。しかし、光の吸収率が時間的に変動するのは、主に動脈血中のヘモグロビンに起因する。よって、吸収率の変動に基づいて、高い精度で血中酸素飽和度を計測することができる。
光は皮膚および皮下組織を透過して筋肉に到達する。このため、皮膚および皮下組織の血流変動も重畳されて検出される。その影響を除去または低減するために、信号処理回路70は、イメージセンサ30によって検出された内部散乱成分I2から表面反射成分I1を減算する処理を行ってもよい。これにより、皮膚および皮下組織の血流情報を除いた純粋な筋肉血流情報を取得することができる。減算方法には、例えば、内部散乱成分I2の信号から、光路長差を考慮して決定された1以上のある係数を表面反射成分I1の信号に掛けた値を減算する方法が用いられ得る。この係数は、例えば、一般的な人の腕または脚の光学定数の平均値に基づいて、シミュレーションまたは実験によって算出され得る。このような減算処理は、同一の計測装置100またはセンサにより、同一の波長の光を用いて計測する場合に容易に行うことができる。時間的および空間的なずれを低減しやすく、内部散乱成分I2に含まれる皮膚および皮下組織の血流成分と、表面反射成分I1の特性とを一致させやすいからである。
皮膚および皮下組織の血流の2次元分布と筋肉血流の2次元分布とは独立である。したがって、イメージセンサ30から出力される信号に基づいて、内部散乱成分I2の2次元分布と表面反射成分I1の2次元分布とを、独立成分分析または主成分分析などの統計手法を用いて分離してもよい。
[3.筋肉血流量の変化の検出例]
次に、ユーザの筋肉血流量の変化を検出する方法の例を説明する。
次に、ユーザの筋肉血流量の変化を検出する方法の例を説明する。
図10は、筋肉血流量の時間変化の一例を模式的に示す図である。図10に示すように、ユーザ500の対象部501が光源20からの光で照射され、その戻り光が検出される。この場合、表面反射成分は、内部散乱成分に比べ非常に大きい。しかし、前述したシャッタ調整により、内部散乱成分のみを抽出することができる。図10に示すグラフは、対象部501の内部の血液中の酸素化ヘモグロビン(Oxy-Hb)および脱酸素化ヘモグロビン(Deoxy-Hb)のそれぞれの濃度の経時変化と、それらの和(Total-Hb)の経時変化の例を示している。この例における内部散乱成分は、2波長の光を用いて取得される。図10に示す濃度は、平常時における量を基準とする変化量を示している。この変化量は、光の強度信号に基づいて、信号処理回路70によって算出される。
筋肉での血流は、筋肉組織での酸素消費と酸素供給とのバランスを反映する。そのため、安静時と比較して、運動初期は酸素消費が供給を上回るため酸素濃度は低下する。運動時に酸素供給と酸素消費とのバランスが保たれれば酸素濃度は一定となる。運動後には酸素供給が消費を上回るので酸素濃度は上昇する。このため、本実施形態では、ユーザ500の対象部501内の同じ位置で筋肉血流の経時変化が計測される。筋肉活動の経時変化を観測する場合、筋肉血流の絶対量がわからなくても、筋肉血流の時間的な相対変化から、ユーザの筋肉活動の状態を推定することが可能である。
図11は、ユーザ500の対象部501内の複数の箇所で計測を同時に行う場合の例を模式的に示す図である。この例では、2次元的に広がる領域に光が照射され、当該2次元領域の内部で散乱された光が検出される。このため、対象部501の内部の血液の酸素化状態の2次元分布を示すデータを取得することが可能である。この場合、光源20の照射パターンは、例えば、均一強度の一様な分布、ドット状の分布、またはドーナツ状の分布であり得る。光源20が均一強度の一様な分布の照射を行う場合、対象部501上の照射位置の調整が不要、または簡便にできる。一様な分布の照射であれば、広範囲からユーザ500の対象部501に光が入射する。このため、イメージセンサ30によって検出される信号を増強することができる。さらに、照射領域内の任意の箇所の計測が可能である。
図12は、光の照射領域22の例を模式的に示す図である。非接触での生体計測では、計測装置100から対象部までの距離の2乗に反比例して検出光量が減衰する。そこで、イメージセンサ30によって生成される各画素の信号を近傍の複数の画素の信号を積算することによって増強してもよい。このようにすることでSN比を維持したまま積算パルス数を低減できる。これにより、フレームレートを向上させることができる。
図13は、ユーザ500の対象部が横方向にシフトした場合における信号の変化を模式的に示す図である。前述のように、安静時から筋肉活動状態が変化したときの血液中の酸素化ヘモグロビンまたは脱酸素化ヘモグロビンの濃度の変化量を検出することにより、筋肉活動の変化が読み取られる。2次元的に配列された複数の光電変換素子を備えるイメージセンサ30を使用する場合、筋肉活動の2次元分布の情報を取得することができる。本実施形態では、非接触で計測が行われるため、図13の下の図に示すように、対象部の位置が計測中に変化してしまうことがある。これは、例えばユーザ500が呼吸のために僅かに動いた場合にも生じ得る。一般に、筋肉血液中の酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの濃度の2次元分布は、微小時間内で急激に変化しない。このため、例えば、検出された2次元分布のフレーム間でのパターンマッチングにより、対象部の位置ずれを補正することができる。あるいは、呼吸のような周期的な動きであれば、その周波数成分のみを抽出し補正または除去してもよい。対象部は、単一の領域である必要はなく、複数の領域であってもよい。当該複数の領域は、例えば、左右1個ずつ、あるいは、2×6のマトリックス状のドット分布であってもよい。
また、筋肉活動を2つの期間における血液状態の変化から推定することも可能である。具体的には、トレーニング前に計測を行い、トレーニングを行い、トレーニング後に再び計測を行い、トレーニング前とトレーニング後の筋肉での血液状態を比較して解析することにより、トレーニング効果を判定または評価することができる。そのような場合には、トレーニング前とトレーニング後に、同一点での筋肉血液中の酸素化ヘモグロビン等の変化量が比較される。そのような計測方法を行う場合、信号処理回路70は、対象部を含むユーザの外観を示す外観画像から1つ以上の特徴点を抽出し、特徴点と計測領域または解析領域との相対的な位置関係から、対象部の位置ずれを検出し、計測領域を補正することによって位置ずれの影響を低減または補償することができる。このような位置ずれ補正処理は、計測時に行ってもよいし、計測終了後の解析時に行ってもよい。
ユーザの対象部を含む画像は、例えば、光源20から出射され、対象部で反射されて戻ってきた光パルスに基づいて生成された赤外画像であってもよい。当該画像は、イメージセンサ30に到達した光パルスの前端成分または後端成分の少なくとも一部を含む成分に基づいて生成され得る。また、対象部の画像は、計測装置100が備えるイメージセンサ30とは別に設けられたカメラまたはセンサによって取得された可視画像であってもよい。
特徴点としては、例えば、ほくろ、対象部の外形、指先などの先端、爪、または血管形状などであり得るが、これらに限られるものではない。また、特徴点となるマーカを対象部に付しても良い。信号処理回路70は、これらの特徴点のうちの1つまたは複数を用いてパターンマッチングを行うことにより、運動前後の対象部の位置の変化を検出することができる。信号処理回路70は、検出した位置の変化を補償する処理を行った上で、筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成することができる。
[4.トレーニング効果の判定]
次に、計測装置100を用いてユーザ500のトレーニング効果を判定する方法の具体例を説明する。
次に、計測装置100を用いてユーザ500のトレーニング効果を判定する方法の具体例を説明する。
前述のように、反射光の内部散乱成分の検出結果に基づいて、ユーザ500の筋肉組織の周辺の血液の状態を推定することができる。この特性を利用して、ユーザ500の筋酸素消費量を計測することができる。筋酸素消費量の計測結果に基づき、筋肉トレーニングまたはリハビリテーションといった筋運動による効果を判定することができる。
本実施形態では、ユーザ500の筋酸素消費量を計測する方法の一例として、血流を遮断するために加圧器40によるカフ加圧が使用される。光源20は、ユーザ500の腕または脚に向けて光パルスを一定の時間間隔で繰り返し出射する。イメージセンサ30は、反射光パルスの内部散乱成分の信号を画素ごとに蓄積する。本実施形態では、同様の動作が、カフ加圧開始前の安静時、カフ加圧中、カフ加圧開放後の安静時の各期間において行われる。
図14は、本実施形態における筋酸素消費量の1回の計測動作の流れを時間軸上に表した図である。本実施形態における1回の計測動作は、加圧前期間、加圧期間、および加圧後期間の3つの期間を含む。加圧前期間は、カフ加圧開始前の期間である。加圧期間は、カフ加圧中の期間である。加圧後期間は、カフ加圧を開放した直後の期間である。
これらの3つの期間にわたって、計測装置100は、ユーザの筋肉活動を示す検出信号を繰り返し生成する。加圧期間中、ユーザは、カフを用いて、腕または脚などの所定の部位を加圧する。加圧の大きさは、例えば40mmHgまたは200mmHgなどの所定の値に設定される。図14の例では、加圧前期間および加圧後期間のそれぞれの長さは30秒であり、加圧期間の長さは120秒である。この例に限定されず、各期間の長さは適宜調整可能である。加圧前期間と加圧後期間の長さが異なっていてもよい。
図15は、計測装置100によるトレーニング効果の判定動作の一例を示すフローチャートである。本実施形態における制御回路60は、ユーザが筋運動を行う前の第1の期間と、ユーザが筋運動を行った後の第2の期間のそれぞれにおいて、前述の信号検出動作を繰り返し実行する。信号処理回路70は、第1の期間においてイメージセンサ30から繰り返し出力された検出信号と、第2の期間においてイメージセンサ30から繰り返し出力された検出信号とに基づいて、筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成する。より具体的には、信号処理回路70は、第1の期間において繰り返し出力された検出信号に基づいて、対象部の内部の血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度分布の経時変化を示す第1血流データを生成する。また、第2の期間において繰り返し出力された検出信号に基づいて、対象部の内部の血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度分布の経時変化を示す第2血流データを生成する。信号処理回路70は、第1血流データと第2血流データとに基づき、筋酸素消費量の2次元分布を示す分布データを生成する。例えば、信号処理回路70は、第1血流データから、対象部に含まれる複数の点における酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化の減少の傾きを示す第1変化率を決定する。また、第2血流データから、対象部に含まれる複数の点における酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化の減少の傾きを示す第2変化率を決定する。第1変化率と第2変化率との差または比に基づき、対象部の各点における筋酸素消費量を推定することができる。
図15の例において、ユーザが計測開始の操作を行うと、計測装置100は、計測動作を開始する(ステップS701)。この段階では、加圧器40を用いたカフによるユーザの体の一部に対する加圧は行われない。ユーザが何もしていない状態で、所定時間(例えば30秒)にわたって、検出信号が繰り返し取得される。これは、ユーザの安静時の血流データを取得するために行われる。この期間は、前述の加圧前期間である。計測は、前述のように、光源20がユーザの腕または脚などの対象部に向けて光パルスを出射し、イメージセンサ30が反射光パルスの後端成分を検出する動作を繰り返すことによって行われる。これにより、反射光パルスの内部散乱成分が繰り返し検出される。イメージセンサ30は、画素ごとに、反射光パルスの蓄積量に応じた検出信号を出力する。信号処理回路70は、イメージセンサ30から出力された検出信号に基づいて、酸素化ヘモグロビンの濃度分布を示す血流データを繰り返し生成する。血流データは、例えば画素ごとに、または画素群ごとに生成され得る。
計測を開始してから所定時間が経過すると、制御回路60は、加圧器40に、ユーザの体の一部に対する加圧を開始させる(ステップS702)。加圧されている期間も、血流データの生成はそのまま継続される。信号処理回路70は、ユーザが加圧されている間、イメージセンサ30から出力された検出信号に基づいて、血流データを繰り返し生成する。
カフによる加圧の開始から一定の時間(例えば120秒)が経過すると、カフによる加圧が終了し、ユーザの体の一部がカフによる加圧から開放される(ステップS703)。制御回路60は、加圧器10に、加圧を停止させる。加圧が停止された後も、一定の時間(例えば、30秒)にわたって、計測がそのまま継続される。これにより、カフによる加圧の終了後の期間も血流データが繰り返し生成される。
カフによる加圧の終了から一定の時間が経過すると、制御回路60は、計測を終了する(ステップS704)。その後、信号処理回路70は、加圧前期間、加圧期間、加圧後期間のそれぞれの期間で取得された血流データを解析する。これにより、加圧期間におけるOxy-Hbの濃度の時間変化を解析する(ステップS705)。信号処理回路70は、例えば、カフ加圧直後に増加したOxy-Hbの最大点を解析開始点として、Oxy-Hbの減少の傾きすなわち変化率を計算する。具体的には、信号処理回路70は、以下の処理を行う。
(1)加圧期間のOxy-Hbの最大点を特定する。
(2)最大点を解析開始点とし、その点から所定の期間のOxy-Hbの挙動に対して線形フィッティングを行う。所定の期間は、例えば、30秒または60秒などの値に設定され得る。
(3)線形フィッティングされた直線の傾きを求める。
(1)加圧期間のOxy-Hbの最大点を特定する。
(2)最大点を解析開始点とし、その点から所定の期間のOxy-Hbの挙動に対して線形フィッティングを行う。所定の期間は、例えば、30秒または60秒などの値に設定され得る。
(3)線形フィッティングされた直線の傾きを求める。
上記の処理により、信号処理回路70は、加圧期間中のOxy-Hbの減少の傾きを算出する。この加圧期間中のOxy-Hbの減少の傾きは、筋酸素消費量を示す。減少の傾きが小さければ筋酸素消費量が小さく、減少の傾きが大きければ筋酸素消費量が大きいことを示す。ここまでがトレーニング前における筋酸素消費量の計測動作である。
その後、ユーザは、筋肉トレーニングまたはリハビリテーションなどのトレーニングを行う(ステップS706)。その後、前述した方法と同様の方法で、トレーニング後における筋酸素消費量の計測が行われる(ステップS707からS711)。ステップS707からS711の動作は、それぞれ、ステップS701からS705の動作と同様である。信号処理回路70は、ステップS711において、トレーニング後における加圧期間のOxy-Hbの減少の傾きを算出する。
これにより、トレーニング前とトレーニング後の筋酸素消費量の比較が可能となる。信号処理回路70は、トレーニング前とトレーニング後の筋酸素消費量から、既存の検定方法を用いて有意差を検定する(ステップS712)。有意差がある場合、信号処理回路70は、トレーニング効果ありと判定する(S713)。逆に、有意差がない場合、信号処理回路70は、トレーニング効果なしと判定する(ステップS714)。例えば、トレーニング前の筋酸素消費量とトレーニング後の筋酸素消費量とを比較した結果、筋酸素消費量の増加量が基準値を超える場合、トレーニング効果ありと判定され、筋酸素消費量の増加量が基準値を超えない場合、トレーニング効果なしと判定され得る。トレーニング効果の有無の判定は、画素ごとに行われ得る。信号処理回路70は、画素ごとに、判定結果である筋酸素消費量の増加量を決定し、増加量のレベルに応じて異なる色で表現された画像データを生成してもよい。例えば、筋酸素消費量の増加量が基準値を超えた画素については、トレーニング効果が高いものとして赤色で表示し、筋酸素消費量の増加量が基準値を超えない画素については、トレーニング効果が低いものとして青色で表示する画像を生成してもよい。あるいは、筋酸素消費量の増加量のレベルに応じて3段階以上に色分けされた画像を生成してもよい。当該画像は、ディスプレイ50またはARグラス90に表示され得る。画像とともに、色とトレーニング効果との対応を示すカラーバーを表示してもよい。
以上の処理により、ユーザは、筋酸素消費量の増加の有無からトレーニング効果を2次元分布として視覚的に把握することができる。信号処理回路70は、イメージセンサ30または他の装置で取得されたユーザの外観を示す外観画像に、筋酸素消費量の増加の2次元分布を示す画像が重畳された画像を生成してもよい。そのような画像が表示されることで、ユーザは、各筋肉部位におけるトレーニング効果を明確に把握できる。また、ARグラス90を通して見えるユーザの実像に重なるように、筋酸素消費量の増加の2次元分布を示す画像が表示されてもよい。そのような表示により、各筋肉部位におけるトレーニング効果をより明確に把握することができる。
信号処理回路70は、筋酸素消費量の増加の有無を判定する方法として、運動前後でのOxy-Hbの減少の傾きの大きさに基づいて判定してもよい。例えば、1よりも大きい実数をaとして、運動後のOxy-Hbの傾き(すなわち第2変化率)の大きさが、運動前のOxy-Hbの傾き(すなわち第1変化率)の大きさのa倍以上である場合に、筋酸素消費量が相対的に大きい、あるいはトレーニング効果が高いと判定し、その旨の情報を筋酸素消費量の分布データに含めて出力してもよい。aは、例えば2などの適当な値に設定され得る。また、筋酸素消費量の増加が大きい領域または小さい領域を強調して表示するような画像を生成してもよい。そのような画像が表示されることで、ユーザはさらに正確にトレーニング効果を把握できる。
本実施形態によれば、ユーザは、筋酸素消費量の増加の2次元分布から、トレーニング効果がある筋肉部位、およびトレーニング効果がない筋肉部位を把握し、次のトレーニングメニューにフィードバックすることができる。これにより、より効果的にトレーニングを行うことができる。信号処理回路70は、筋酸素消費量の増加の2次元分布から、筋酸素消費量の増加が相対的に小さいと判定した領域をトレーニングするためのトレーニングプランを生成し、ディスプレイ50またはARグラス90に表示してもよい。その場合、複数の筋肉部位と、各筋肉部位を刺激するための1つ以上のトレーニング種目との対応関係を規定するテーブルなどのデータが記憶媒体80に予め記録される。信号処理回路70は、当該データを参照することで、筋酸素消費量の増加が相対的に小さい筋肉部位を鍛えるためのトレーニングプランを生成することができる。ユーザは、提示されたトレーニングプランを実行することで、トレーニング効果を高めることができる。本実施形態によれば、トレーニングに関する知識が不十分であるユーザであっても、より効果の高いトレーニングを実施することが可能になる。
信号処理回路70は、トレーニングプランを提供する際、ユーザのトレーニング履歴情報を参照し、トレーニング履歴とトレーニング効果とを照らし合わせ、より最適なトレーニングプランを作成して提供してもよい。さらに、信号処理回路70は、トレーニングプランを提供する際、ユーザ識別情報を参照して、個々のユーザに適したさらに効果的なトレーニングプランを提供してもよい。そのような構成においては、ユーザ識別情報と、各ユーザのトレーニング履歴情報とが、記憶媒体80に予め記録される。
(実施例)
次に、筋酸素消費量の計測結果に基づいてトレーニング効果を評価する方法の実施例を説明する。
次に、筋酸素消費量の計測結果に基づいてトレーニング効果を評価する方法の実施例を説明する。
図16は、NIRSカメラ400を用いてトレーニング効果を評価する実験の様子を示す図である。この実験では、トレーニング前後における血流遮断時の血流動態をNIRSカメラ400で計測した。NIRSカメラ400は、前述の実施形態における計測装置100に相当する。計測箇所は前腕部の筋肉とし、トレーニングはハンドグリッパ450(負荷2kg)100回とし、血流遮断は、カフを用いて200mmHgの圧力で上腕部を加圧することによって行った。
図17は、実験プロトコルを示す図である。実験プロトコルは、安静30秒→カフによる加圧120秒→安静30秒とし、トレーニング前にNIRSカメラ400を用いて血流動態を計測し、その後ハンドグリッパ450でトレーニングを行い、その直後に再び上記プロトコルで血流動態を計測した。トレーニング前後での計測箇所を一致させるために、前腕に油性マジックでマーキングを行った。図18は、NIRSカメラ400によって取得された赤外線画像を示している。図18に示す赤外線画像におけるマーキング箇所510に基づいて、位置合わせを行った。このように、NIRSカメラ400によって取得された画像中の特徴点の位置に基づいて、正確に位置合わせを行うことができる。この点は、NIRS装置を皮膚上に装着する従来の方法に対する本開示における計測方法の大きなメリットの1つである。
図19および図20は、それぞれ、トレーニング前およびトレーニング後にNIRSカメラ400によって計測されたヘモグロビン変化量の時間変化を示す図である。図19および図20は、酸素化ヘモグロビン(Oxy-Hb)、脱酸素化ヘモグロビン(Deoxy-Hb)、および総ヘモグロビン(Total-Hb)のそれぞれの濃度の基準値からの変化量の時間変化を示している。トレーニング前および後のいずれにおいても、Total-Hbは、加圧により大きく増加し、加圧中は徐々に増加し、加圧開放後は減少した。Oxy-Hbは、加圧により大きく増加し、加圧中は徐々に減少し、加圧開放直後に大きく増加し、その後減少した。Deoxy-Hbは、加圧開始時に少し増加し、加圧中に徐々に増加し、加圧開放後に大きく減少した。このように、加圧開始、加圧中、加圧開放のそれぞれの期間において、Oxy-HbとDeoxy-Hbとで異なる挙動を示した。加圧中に着目すると、Oxy-Hbは徐々に減少し、Deoxy-Hbは徐々に増加した。これは、上腕のカフ加圧による血流遮断によって前腕に滞留した血液中の酸素が筋肉細胞の代謝で消費されたことによるものであると考えられる。以上の大まかな血流動態に関しては、トレーニング前とトレーニング後で同様の傾向を示した。
本実験は、「トレーニングによって筋酸素消費が増加することで、カフ加圧中のOxy-Hbの減少の傾きが増加する」という仮説の元で行われた。図19および図20に示すトレーニング前と後のカフ加圧中のOxy-Hbの減少の傾きを比較すると、確かにトレーニング後の計測では加圧期間中のOxy-Hbの減少の傾きの大きさが増加することが確認できる。
トレーニング前と後のカフ加圧中のOxy-Hbの減少の傾きを定量的に議論するために、図19および図20に示すカフ加圧中のOxy-Hbの挙動を詳細に解析した。図21から図24は、カフ加圧中のOxy-Hbの挙動の解析結果を示している。図21および図22は、それぞれ、解析期間が60秒間の場合におけるトレーニング前と後の、Oxy-Hbの挙動の解析結果を示している。図23および図24は、それぞれ、解析期間が30秒間の場合におけるトレーニング前と後の、Oxy-Hbの挙動の解析結果を示している。解析開始点は、いずれの例においても、Oxy-Hb変化量が最大になる時点である。解析終了点は、図21および図22の例では解析開始点から60秒後であり、図23および図24の例では解析開始点から30秒後である。図21から図24に示すように、カフ加圧開始点と解析開始点とは異なる。カフ加圧開始時点とOxy-Hb変化量が最大になる時点にはずれがあるため、カフ加圧開始点を解析開始点とすると、Oxy-Hbの減少の傾きを正しく算出できない。
図21から図24に示すように、加圧中のOxy-Hbの減少は線形ではないため、解析期間が60秒の場合、フィッティング精度が低いのに対し、解析期間が30秒の場合、良好にフィッティングできることを確認した。以上のように、Oxy-Hbの変化量が最大になる時点を解析開始点とし、解析期間を30秒とすることで、カフ加圧中のOxy-Hbの減少の傾きを高精度に解析できることが確認された。
図21および図22に示すように、解析期間が60秒の場合、加圧中のOxy-Hbの減少の傾きは、トレーニング前では-0.00052であるのに対し、トレーニング後は-0.0013と、絶対値が約2.5倍に増加した。図示されるプロットとフィッティングラインとを比較すると、特にトレーニング後において両者が大きくずれており、フィッティングラインが実際のOxy-Hb減少初期の傾きを正しく表していないことがわかる。一方、図23および図24に示すように、解析期間が30秒の場合、加圧中のOxy-Hbの減少の傾きは、トレーニング前が-0.000081であるのに対し、トレーニング後は-0.0024と、約30.0倍に大きく増加した。また、解析期間が30秒の場合、Oxy-Hb減少初期の傾きに関して、プロットとフィッティングラインとが良好に一致している。以上の結果から、解析期間を30秒のように短くした方が高い精度で加圧中のOxy-Hbの減少の傾きを算出できることが確認された。
なお、本実施例では、線形フィッティングが行われるが、直線とは異なる関数によるフィッティングが行われてもよい。信号処理回路は、トレーニング前後の各計測期間において、酸素化ヘモグロビンの濃度が増加を終了した後の所定期間における酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化を所定の関数にフィッティングし、当該関数の時間変化率から変化率を決定してもよい。
(他の実施形態)
以上の実施形態および実施例では、加圧器40を用いて対象部における血流を遮断した状態で筋酸素消費量が計測される。しかし、本開示は必ずしもそのような方法に限定されない。以下、筋酸素消費量を計測する方法の他の例を説明する。
以上の実施形態および実施例では、加圧器40を用いて対象部における血流を遮断した状態で筋酸素消費量が計測される。しかし、本開示は必ずしもそのような方法に限定されない。以下、筋酸素消費量を計測する方法の他の例を説明する。
血流遮断法とは別の方法として、トレーニング後のOxy-HbとDeoxy-Hbとの差分に基づいて筋酸素消費量を推定する方法がある。トレーニング前と比較してトレーニング中は筋酸素消費量が増加するため、血流中の供給酸素量に比べて消費酸素量が増加する。これにより、Oxy-Hbはトレーニング前に比べて減少し、Deoxy-Hbはトレーニング前に比べて増加する。トレーニング後は、筋肉血液中の酸素不足を補うため、Oxy-Hbが増加し、Deoxy-Hbが減少する。トレーニング後のOxy-Hbの値とDeoxy-Hbの値との差分をΔHb(=Oxy-Hb-Deoxy-Hb)とすると、ΔHbはトレーニング効果の高さを示す指標値として用いることができる。すなわち、高い筋肉負荷でトレーニングを行うほど、ΔHbが大きくなる。したがって、ΔHbの2次元分布に基づき、効果的にトレーニングできた部位とできていない部位とを2次元的に可視化することができる。
さらにもう1つの別の方法として、トレーニング後のTotal-Hb(=Oxy-Hb+Deoxy-Hb)に占めるOxy-Hbの割合をトレーニング効果の指標値として用いる方法がある。トレーニング中は筋酸素消費量が増加するため、血流中の供給酸素量に比べ消費酸素量が増加する。これにより、トレーニング前と比較してトレーニング中はTotal-Hbに占めるOxy-Hbの割合は減少する。トレーニング後は、筋肉血液中の酸素不足を補うため、Oxy-Hbが増加することで、Total-Hbに占めるOxy-Hbの割合は増加する。この際、基準であるトレーニング前のTotal-Hbに占めるOxy-Hbの割合に戻るまでの時間を回復時間とすると、回復時間から筋酸素消費に関する情報が得られる。具体的には、回復時間は有酸素能力すなわち運動能力を示す。継続的にトレーニングを行うことで有酸素能力が高まると、回復時間が短縮される。これにより、継続的に筋肉部位に関する回復時間を計測することで、一定期間経過後にどの筋肉部位の有酸素能力が向上したか、あるいは向上しなかったかを2次元的に可視化することができる。
本開示の技術は、非接触でユーザの筋肉活動の情報を取得することができる。本開示の技術は、カメラ、計測機器、スマートフォン、タブレットコンピュータ、ヘッドマウント装置などの、種々の装置に利用することができる。
20 光源
22 照射領域
30 イメージセンサ
40 加圧器
50 ディスプレイ
60 制御回路
62 光源制御部
63 光検出器制御部
64 加圧制御部
70 信号処理回路
80 記憶媒体
90 ARグラス
100 計測装置
201 画素
202 ドレイン
203 フォトダイオード
204、205、206、207 浮遊拡散層
302 行選択回路
303 列選択回路
304 垂直信号線
305 ソースフォロワ電源
306 ソースフォロワ負荷
307 変換回路
308 行選択トランジスタ
309 ソースフォロワトランジスタ
310 リセットトランジスタ
400 NIRSカメラ
450 ハンドグリッパ―
500 ユーザ
501 対象部
510 マーキング箇所
22 照射領域
30 イメージセンサ
40 加圧器
50 ディスプレイ
60 制御回路
62 光源制御部
63 光検出器制御部
64 加圧制御部
70 信号処理回路
80 記憶媒体
90 ARグラス
100 計測装置
201 画素
202 ドレイン
203 フォトダイオード
204、205、206、207 浮遊拡散層
302 行選択回路
303 列選択回路
304 垂直信号線
305 ソースフォロワ電源
306 ソースフォロワ負荷
307 変換回路
308 行選択トランジスタ
309 ソースフォロワトランジスタ
310 リセットトランジスタ
400 NIRSカメラ
450 ハンドグリッパ―
500 ユーザ
501 対象部
510 マーキング箇所
Claims (22)
- 筋運動を行うユーザの対象部における筋酸素消費量を計測する計測装置であって
光源と、
複数の光電変換素子を含むセンサと、
処理回路と、
を備え、
前記処理回路は、
前記光源に光パルスを出射させることと、
前記センサに、前記光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させることと、
を含む検出動作を複数回、実行することにより、前記検出信号を含む複数の検出信号を取得し、
前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力する、
計測装置。 - 前記処理回路は、前記対象部における前記筋酸素消費量の前記空間分布を前記筋酸素消費量のレベルに応じて異なる色で示す画像データを、前記分布データとして生成する、
請求項1に記載の計測装置。 - 前記処理回路は、前記センサまたは他の装置によって取得された、前記対象部を含む前記ユーザの外観を示す外観画像に、前記筋酸素消費量の前記空間分布の情報が重畳された画像を示す画像データを、前記分布データとして生成する、
請求項1または2に記載の計測装置。 - 前記処理回路は、
前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部の前記内部の血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度分布を推定し、
前記酸素化ヘモグロビンの前記濃度分布の時間変化に基づいて、前記筋酸素消費量の前記空間分布を推定する、
請求項1から3のいずれかに記載の計測装置。 - 前記処理回路は、前記酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化の傾きに基づいて、前記筋酸素消費量を推定する、
請求項4に記載の計測装置。 - 加圧器をさらに備え、
前記処理回路は、前記ユーザの体の一部が前記加圧器によって加圧されて前記対象部における血流が抑制された状態で前記検出動作を実行する、
請求項1から6のいずれかに記載の計測装置。 - 前記加圧器は、前記処理回路によって制御され、
前記処理回路は、
前記検出動作を行う前に、前記加圧器に前記ユーザの体の前記一部への加圧を開始させ、
前記検出動作を行った後、前記加圧器に前記加圧を終了させる、
請求項6に記載の計測装置。 - 前記処理回路は、
前記ユーザが前記筋運動を行う前の第1の期間と、及び前記ユーザが前記筋運動を行った後の第2の期間の各々において、前記検出動作を複数回、実行し、
前記第1の期間において取得された前記複数の検出信号と、前記第2の期間において取得された前記複数の検出信号とに基づいて前記分布データを生成する、
請求項1から7のいずれかに記載の計測装置。 - 前記処理回路は、
前記対象部を含む前記ユーザの外観を示す外観画像のデータを取得し、前記外観画像は、前記第1の期間および前記第2の期間の各々において前記センサまたは他の装置によって取得され、
前記第1の期間において取得された前記外観画像に含まれる1つ以上の特徴点と、前記第2の期間において取得された前記外観画像に含まれる前記1つ以上の特徴点とのマッチングを行うことにより、前記第1の期間と前記第2の期間との間で生じた前記対象部の位置の変化を検出し、
前記第1の期間において取得された前記複数の検出信号、及び前記第2の期間において取得された前記複数の検出信号に対して、前記位置の変化を補償する処理を行った後、前記分布データを生成する、
請求項8に記載の計測装置。 - 前記処理回路は、
前記第1の期間において取得された前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部の前記内部の血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度分布の経時変化を示す第1血流データを生成し、
前記第2の期間において取得された前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部の前記内部の血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度分布の経時変化を示す第2血流データを生成し、
前記第1血流データと前記第2血流データとに基づき、前記分布データを生成する、
請求項8または9に記載の計測装置。 - 前記処理回路は、
前記第1血流データから、前記対象部に含まれる複数の点における前記酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化の減少の傾きを示す第1変化率を決定し、
前記第2血流データから、前記複数の点における前記酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化の減少の傾きを示す第2変化率を決定し、
前記第1変化率と前記第2変化率との差または比に基づき、前記複数の点における前記筋酸素消費量を推定する、
請求項10に記載の計測装置。 - 前記第1の期間および前記第2の期間における前記検出動作は、前記ユーザの体の一部が加圧されて前記対象部における血流が抑制された状態で行われ、
前記処理回路は、
前記第1の期間において、前記酸素化ヘモグロビンの濃度が増加を終了した後の所定期間における前記酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化を関数にフィッティングし、前記関数の時間変化率から前記第1変化率を決定し、
前記第2の期間において、前記酸素化ヘモグロビンの濃度が増加を終了した後の前記所定期間における前記酸素化ヘモグロビンの濃度の時間変化を前記関数にフィッティングし、前記関数の時間変化率から前記第2変化率を決定する、
請求項11に記載の計測装置。 - 前記処理回路は、
前記第2変化率の大きさが前記第1変化率の大きさのa倍以上(aは1よりも大きい実数)である場合に、前記筋酸素消費量が相対的に大きいことを示す情報を前記分布データに加えて出力し、
前記第2変化率の大きさが前記第1変化率の大きさのa倍未満である場合に、前記筋酸素消費量が相対的に小さいことを示す情報を前記分布データに加えて出力する、
請求項11または12に記載の計測装置。 - 前記処理回路は、前記筋酸素消費量が相対的に大きいことを示す前記情報に基づいて、前記対象部における、前記筋酸素消費量が相対的に大きい第1領域を決定し、前記筋酸素消費量が相対的に小さいことを示す前記情報に基づいて、前記対象部における、前記筋酸素消費量が相対的に小さい第2領域を決定し、
前記分布データは、前記第1領域または前記第2領域を強調して表示する画像を含む、
請求項13に記載の計測装置。 - 前記処理回路は、前記対象部に含まれる前記筋酸素消費量が相対的に小さい領域における筋肉をトレーニングするためのトレーニングプランを示すデータを、さらに生成して出力する、
請求項1から14のいずれかに記載の計測装置。 - 前記処理回路は、
前記ユーザが実施した前記筋運動の内容を示す履歴データを取得し、
前記履歴データに基づいて、前記トレーニングプランを調整する、
請求項15に記載の計測装置。 - 前記処理回路は、
前記ユーザを識別する識別データを取得し、
前記識別データに基づいて、前記トレーニングプランを調整する、
請求項15または16に記載の計測装置。 - 前記光源は、650nm以上805nm未満の第1波長を有する第1光パルス、および805nm以上950nm以下の第2波長を有する第2光パルスを出射するように構成され、
前記検出動作は、
前記光源に前記第1光パルスを出射させることと、
前記センサに、前記第1光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた第1反射光パルスのうちの前記対象部の前記内部で散乱された成分である第1内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記第1内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す第1検出信号を出力させることと、
前記光源に前記第2光パルスを出射させることと、
前記センサに、前記第2光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた第2反射光パルスのうちの前記対象部の前記内部で散乱された成分である第2内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記第2内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す第2検出信号を出力させることと、
を含み、
前記処理回路は、前記第1検出信号と、前記第2検出信号とに基づいて、前記対象部の前記内部の血液中の酸素化ヘモグロビンの濃度分布を推定し、
前記酸素化ヘモグロビンの前記濃度分布の時間変化に基づいて、前記筋酸素消費量の前記空間分布を推定する、
請求項1から17のいずれかに記載の計測装置。 - 透明ディスプレイを含む拡張現実グラスをさらに備え、
前記透明ディスプレイは、前記透明ディスプレイを通して視認される前記ユーザの外観に、前記分布データを示す分布画像が重畳されるように、前記分布画像を表示する、
請求項1から18のいずれかに記載の計測装置。 - 前記内部散乱成分は、前記反射光パルスのうち、前記反射光パルスの強度が減少を開始した後の成分である、
請求項1から19のいずれかに記載の計測装置。 - 筋運動を行うユーザの対象部における筋酸素消費量を計測する計測装置に含まれるコンピュータによって実行される方法であって、
光源に光パルスを出射させること、及び
複数の光電変換素子を含むセンサに、前記光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させること、
を含む検出動作を複数回、実行することにより、前記検出信号を含む複数の検出信号を取得することと、
前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力することと、
を含む方法。 - 筋運動を行うユーザの対象部における筋酸素消費量を計測する計測装置に含まれるコンピュータによって実行されるコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータに、
光源に光パルスを出射させること、及び
複数の光電変換素子を含むセンサに、前記光パルスの出射に起因して前記対象部から生じた反射光パルスのうちの前記対象部の内部で散乱された成分である内部散乱成分の少なくとも一部を検出させ、前記内部散乱成分の前記少なくとも一部の強度の空間分布を示す検出信号を出力させること、
を含む検出動作を複数回、実行することにより、前記検出信号を含む複数の検出信号を取得することと、
前記複数の検出信号に基づいて、前記対象部における筋酸素消費量の空間分布を示す分布データを生成して出力することと、
を実行させる、
コンピュータプログラム。
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