JP2010276407A - Photodetection device and biological information measurement device - Google Patents
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Abstract
【課題】 測定環境における電磁波の影響を排除して微弱な光を検出する光検出装置および生体情報測定装置を提供すること。
【解決手段】 受光器22(光検出装置)は、電気的に接地されたシールドケース22aおよび入射窓22cを備えて、ケース内22a内に受光素子22bおよび増幅器23を収容している。これにより、外部に存在する雑音電界(ノイズ)の受光素子22bおよび増幅器23への伝播を防止することができる。また、増幅器23は、その出力インピーダンスが受光素子22bの出力インピーダンスに比して小さく、受光素子22bから出力された電気的な信号を増幅して低インピーダンスによって出力する。これにより、出力信号に対して雑音電界(ノイズ)の影響を極めて小さくして、出力信号のS/N比の悪化を防止することができる。
【選択図】 図5PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light detection device and a biological information measurement device for detecting weak light by eliminating the influence of electromagnetic waves in a measurement environment.
A light receiver 22 (photodetector) includes a shield case 22a and an incident window 22c that are electrically grounded, and a light receiving element 22b and an amplifier 23 are accommodated in the case 22a. Thereby, propagation of the noise electric field (noise) existing outside to the light receiving element 22b and the amplifier 23 can be prevented. The amplifier 23 has a smaller output impedance than the output impedance of the light receiving element 22b, amplifies the electrical signal output from the light receiving element 22b, and outputs the amplified signal with a low impedance. Thereby, the influence of the noise electric field (noise) on the output signal can be made extremely small, and the deterioration of the S / N ratio of the output signal can be prevented.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、光検出装置、特に、測定環境における電磁波の影響を排除して微弱な光を検出する光検出装置およびこの光検出装置を用いて生体中の血流変化、血中酸素濃度、酸素飽和度、脈拍、その他の様々な生体の代謝に応じて、生体内を伝播する光が波長により異なる変化を生ずる性質に着目して生体情報を計測する生体情報測定装置に関する。 The present invention relates to a light detection device, particularly a light detection device that detects weak light by eliminating the influence of electromagnetic waves in a measurement environment, and a blood flow change in a living body, blood oxygen concentration, oxygen using this light detection device The present invention relates to a biological information measuring device that measures biological information by paying attention to the property that light propagating in a living body changes differently depending on the wavelength according to saturation, pulse, and other various biological metabolisms.
近年、受光した光を電気的な信号に変換する光電変換素子を主要構成部品とする光検出装置を用いて、光の有する種々の情報を処理することが広く行われている。そして、このような光検出装置を応用した一例として、例えば、生体内部を簡便に無侵襲で計測できる生体情報測定装置を挙げることができる。この生体情報測定装置においては、例えば、下記特許文献1に示すように、生体表面に配置された光源から生体内部に光を出射し、生体内部を散乱、吸収されながら伝播して再び生体表面に到達した光を光検出装置、より具体的には、光電変換素子が受光して出力する電気的な信号に基づいて生体内部の情報(生体情報)を測定(計測)するようになっている。 2. Description of the Related Art In recent years, it has been widely performed to process various types of information of light using a photodetection device whose main component is a photoelectric conversion element that converts received light into an electrical signal. And as an example which applied such a photon detection apparatus, the biological information measurement apparatus which can measure the inside of a biological body simply and non-invasively can be mentioned, for example. In this biological information measuring apparatus, for example, as shown in Patent Document 1 below, light is emitted from a light source arranged on the surface of the living body to the inside of the living body, propagates while being scattered and absorbed inside the living body, and then returns to the living body surface Information (biological information) inside the living body is measured (measured) on the basis of an electrical signal that is received by a photodetection device, more specifically, a photoelectric conversion element.
ところで、光電変換素子が極微弱な光を受光して電気的な信号を出力する場合、測定環境下に存在する電磁波による雑音電界(ノイズ)が光電変換素子による光の受光や電気的な信号の出力に対して悪影響を与える可能性がある。また、上述した従来の生体情報測定装置においては、例えば、生体の筋肉の活動に伴って発生する筋電位などが雑音電界(ノイズ)として光電変換素子による光の受光や電気的な信号の出力に対して悪影響を与える可能性がある。このような雑音電界(ノイズ)の影響を抑制することに関し、例えば、下記特許文献2に示されているような電磁的なシールド構造を用いて、光電変換素子を電磁的にシールドすることが有効である。
By the way, when the photoelectric conversion element receives an extremely weak light and outputs an electrical signal, a noise electric field (noise) due to an electromagnetic wave existing in the measurement environment is generated by the photoelectric conversion element. May adversely affect output. Further, in the above-described conventional biological information measuring apparatus, for example, myoelectric potential generated in association with the activity of a living body's muscle is used as a noise electric field (noise) to receive light or output an electrical signal by a photoelectric conversion element. It may have an adverse effect on it. With regard to suppressing the influence of such a noise electric field (noise), for example, it is effective to electromagnetically shield the photoelectric conversion element using an electromagnetic shield structure as shown in
ところで、上記特許文献2に示されているような電磁的なシールド構造を採用しても、光電変換素子に対する雑音電界(ノイズ)の影響を完全になくすことは不能である。また、一般的に、半導体を用いた光電変換素子は、ゼロバイアスや逆バイアスにより、その出力インピーダンスが高い。したがって、例えば、電磁的にシールドされている状態で、光電変換素子が極微弱な光を受光して電気的な信号を出力する場合、本来、受光した光に対応して出力される電気的な信号に加えて、極僅かに影響する雑音電界(ノイズ)が高インピーダンスによりノイズ信号として出力される場合がある。これにより、例えば、上述した生体情報のように、極微弱な光が有する情報を極めて精密に測定する必要がある場合においては、測定精度の低下が顕著となる場合がある。したがって、(極)微弱な光の有する種々の情報を処理する場合には、光電変換素子を電磁波等から電磁的にシールドすることに加えて、電磁波等に基づくノイズ信号を低減して良質な電気的な信号を出力することが極めて重要である。
By the way, even if an electromagnetic shield structure as shown in
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、測定環境における電磁波の影響を排除して微弱な光を検出する光検出装置およびこの光検出装置を用いて生体情報を計測する生体情報測定装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a photodetector that detects weak light by eliminating the influence of electromagnetic waves in a measurement environment, and a living body using the photodetector. An object of the present invention is to provide a biological information measuring device that measures information.
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、光を検出する光検出装置であって、導電性を有して接地された導電性ケースと、検出する光の波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有して前記導電性ケースに電気的に接続されて光を入射する窓部と、前記導電性ケース内に収容されて前記窓部から入射した光を受光して電気的な検出信号に変換する光電変換素子と、前記導電性ケース内に収容されて前記光電変換素子から出力される電気的な検出信号を増幅するするとともに前記光電変換素子の出力インピーダンスよりも小さな出力インピーダンスにより前記増幅した電気的な検出信号を出力する増幅回路とを備えたことにある。 In order to achieve the above object, a feature of the present invention is a light detection device for detecting light, which has a conductive case grounded with conductivity and optical transparency with respect to the wavelength of light to be detected. A window portion that has electrical conductivity and is electrically connected to the conductive case to receive light, and receives light incident from the window portion received in the conductive case and electrically A photoelectric conversion element for converting into a detection signal, and an output impedance smaller than an output impedance of the photoelectric conversion element while amplifying an electrical detection signal contained in the conductive case and output from the photoelectric conversion element And an amplifier circuit for outputting the amplified electrical detection signal.
また、本発明の他の特徴は、生体内部を伝播する光を検出し、この検出した光の有する生体情報を測定する生体情報測定装置において、少なくとも2つの光源を有していて、所定の駆動信号に基づいて前記光源を発光させて異なる特定波長を有する近赤外光を生体内部に出射する光出射部と、導電性を有して接地された導電性ケースと、前記光出射部から出射される特定波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有して前記導電性ケースに電気的に接続されて光を入射する窓部と、前記導電性ケース内に収容されて前記窓部から入射した光を受光して電気的な検出信号に変換する光電変換素子と、前記導電性ケース内に収容されて前記光電変換素子から出力される電気的な検出信号を増幅するするとともに前記光電変換素子の出力インピーダンスよりも小さな出力インピーダンスにより前記増幅した電気的な検出信号を出力する増幅回路とを備えて、前記光出射部から出射されて生体内部を伝播した近赤外光を受光して検出するとともに同検出した近赤外光の光強度に対応して生体の代謝に関連する電気的な検出信号を出力する光検出部と、前記光出射部と前記光検出部の作動を統括的に制御し、前記光検出部から出力された電気的な検出信号に基づいて生体情報を算出する制御部とを備えたことにもある。 Another feature of the present invention is a biological information measuring device that detects light propagating through a living body and measures biological information possessed by the detected light. A light emitting unit that emits near-infrared light having a different specific wavelength by emitting light from the light source based on a signal, a conductive case that is conductive and grounded, and is emitted from the light emitting unit A window portion that has optical transparency with respect to a specific wavelength and has electrical conductivity, is electrically connected to the conductive case and receives light, and is received in the conductive case and the window portion. A photoelectric conversion element that receives light incident from the photoelectric conversion element and converts the light into an electrical detection signal; amplifies the electrical detection signal that is contained in the conductive case and is output from the photoelectric conversion element; and Conversion element An amplification circuit that outputs the amplified electrical detection signal with an output impedance smaller than a force impedance, and receives and detects near-infrared light emitted from the light emitting unit and propagating through the living body. A light detection unit that outputs an electrical detection signal related to the metabolism of the living body corresponding to the light intensity of the detected near-infrared light, and the overall operation of the light emission unit and the light detection unit are controlled. And a controller that calculates biological information based on an electrical detection signal output from the light detector.
これらの場合、前記窓部を、例えば、検出する光の波長または前記特定波長に対する光学的透過性を有する透明基材と、この透明基材の少なくとも一面側に積層されて、測定する波長または前記特定波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有する透明導電膜とで構成するとよい。 In these cases, for example, the window portion is laminated on at least one surface side of the transparent substrate having optical transparency with respect to the wavelength of the light to be detected or the specific wavelength, and the wavelength to be measured or the It is good to comprise with the transparent conductive film which has the optical transparency with respect to a specific wavelength, and has electroconductivity.
この場合、前記透明導電膜を、例えば、検出する光の波長または前記特定波長を選択的に透過させる帯域透過性を有する少なくとも1層以上の誘電体膜と併せて、前記透明基材の少なくとも一面側に積層するようにするとよい。そして、前記窓部を構成する透明導電膜は、例えば、イットリウム−錫酸化物(ITO),亜鉛酸化物(ZnO)またはニオブ酸化物(NbO)を主成分として形成されるとよい。 In this case, for example, at least one surface of the transparent base material is combined with at least one dielectric film having at least one band transmittance that selectively transmits the wavelength of the light to be detected or the specific wavelength. It is good to laminate on the side. And the transparent conductive film which comprises the said window part is good to be formed, for example with yttrium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), or niobium oxide (NbO) as a main component.
また、前記増幅回路は、例えば、入力インピーダンスの大きなオペアンプを備えているとよい。 The amplifier circuit may include an operational amplifier having a large input impedance, for example.
さらに、前記光電変換素子は、例えば、フォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオードであるとよい。 Furthermore, the photoelectric conversion element may be, for example, a photodiode or an avalanche photodiode.
また、上記生体情報測定装置において、前記光源が、例えば、導電性を有して接地された導電性ケースと、前記特定波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有して前記導電性ケースに電気的に接続されて光を透過する窓部と、前記導電性ケース内に収容されて前記窓部から前記特定波長を有する近赤外光を出射する発光素子とを有するとよい。この場合、前記導電性ケース内に前記発光素子を複数収容するとよい。また、この場合、前記窓部を、例えば、前記特定波長に対する光学的透過性を有する透明基材と、この透明基材の少なくとも一面側に積層されて、前記特定波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有する透明導電膜とで構成するとよい。そして、この場合、前記窓部を構成する透明導電膜は、例えば、イットリウム−錫酸化物(ITO),亜鉛酸化物(ZnO)またはニオブ酸化物(NbO)を主成分として形成されるとよい。さらに、前記発光素子は、例えば、半導体レーザまたは発光ダイオードであるとよい。 Further, in the biological information measuring device, the light source is, for example, a conductive case that is electrically conductive and grounded, and has optical transparency with respect to the specific wavelength and electrical conductivity, and is electrically conductive. A window portion that is electrically connected to the case and transmits light, and a light emitting element that is housed in the conductive case and emits near-infrared light having the specific wavelength from the window portion may be included. In this case, a plurality of the light emitting elements may be accommodated in the conductive case. Further, in this case, the window portion is laminated on at least one surface side of the transparent substrate having optical transparency with respect to the specific wavelength, for example, and has optical transparency with respect to the specific wavelength. At the same time, it may be constituted by a transparent conductive film having electrical conductivity. In this case, the transparent conductive film constituting the window portion is preferably formed, for example, with yttrium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), or niobium oxide (NbO) as a main component. Furthermore, the light emitting element may be, for example, a semiconductor laser or a light emitting diode.
また、上記生体情報測定装置において、前記制御部が算出する前記生体情報は、例えば、前記生体の血管中における酸素と結合した酸素化ヘモグロビン濃度長変化および酸素と結合していない還元ヘモグロビン濃度長変化を表す情報であるとよい。 In the biological information measuring device, the biological information calculated by the control unit includes, for example, a change in oxygenated hemoglobin concentration length combined with oxygen and a change in reduced hemoglobin concentration length not combined with oxygen in the blood vessels of the living body. It is good that it is information showing.
また、上記生体情報測定装置において、前記光出射部は、生体の頭部に前記特定波長を有する近赤外光を出射し、前記光検出部は、前記生体の頭部を伝播した近赤外光を受光して前記電気的な検出信号を出力し、前記制御部は、前記生体の脳内における活動に関する生体情報を算出するとよい。 Further, in the biological information measuring apparatus, the light emitting unit emits near infrared light having the specific wavelength to the head of the living body, and the light detecting unit transmits near infrared light that has propagated through the head of the living body. The light may be received and the electrical detection signal may be output, and the control unit may calculate biological information relating to activity in the brain of the living body.
また、上記生体情報測定装置において、前記光出射部は、前記所定の駆動信号をスペクトラム拡散変調するスペクトラム拡散変調手段を有し、前記光検出部は、前記電気的な検出信号をスペクトラム逆拡散して復調する復調手段を有するとよい。この場合、前記光出射部のスペクトラム拡散変調手段は、前記所定の駆動信号をスペクトラム拡散変調するための拡散符号系列を第1の周波数により生成する拡散符号系列生成手段と、同拡散符号系列生成手段によって生成された拡散符号系列を用いて前記所定の駆動信号をスペクトラム拡散して一次変調信号を出力する第1変調手段と、前記第1の周波数の2倍となる第2の周波数を用いて前記第1変調手段によって出力された一次変調信号を変調して二次変調信号を出力する第2変調手段とを有し、前記光検出部の復調手段は、前記電気的な検出信号の信号帯域のうち、直流および直流近傍の周波数における信号成分および前記第2の周波数以上の信号成分を除去して出力する信号成分除去手段と、前記近赤外光が前記生体内を伝播することに伴う遅延を加味した前記第2の周波数の2倍となる第3の周波数を用いて前記信号成分除去手段によって出力された電気的な検出信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記近赤外光を前記生体内で伝播させることに伴う遅延を加味した前記第2の周波数を用いて前記信号変換手段によって変換されたデジタル信号を復調して一次復調信号を出力する第1復調手段と、前記近赤外光を前記生体内で伝播させることに伴う遅延を加味した前記拡散符号系列を用いて前記一次復調信号をスペクトラム逆拡散して二次復調信号を出力する第2復調手段とを有するとよい。さらに、この場合、前記第2の周波数を、例えば、前記光検出部が前記生体内を伝播した近赤外光を有効に検出可能な有効検出帯域幅と一致させるとよい。 In the biological information measuring apparatus, the light emitting unit includes a spread spectrum modulation unit that performs spread spectrum modulation on the predetermined drive signal, and the light detection unit despreads the electrical detection signal. And demodulating means for demodulating. In this case, the spread spectrum modulation unit of the light emitting unit includes a spread code sequence generation unit that generates a spread code sequence for performing spread spectrum modulation on the predetermined drive signal using a first frequency, and the spread code sequence generation unit The first modulation means for spectrum-spreading the predetermined drive signal using the spreading code sequence generated by the step S1 and outputting a primary modulation signal, and the second frequency that is twice the first frequency Second modulation means for modulating the primary modulation signal output by the first modulation means and outputting a secondary modulation signal, and the demodulation means of the photodetection unit has a signal band of the electrical detection signal. Among them, signal component removing means for removing and outputting a signal component at a frequency near DC and a frequency near the second frequency and a signal component higher than the second frequency, and the near-infrared light propagates in the living body. A signal conversion means for converting the electrical detection signal output by the signal component removal means into a digital signal using a third frequency that is twice the second frequency taking into account the delay associated with First demodulating means for demodulating the digital signal converted by the signal converting means using the second frequency taking into account the delay associated with propagation of near-infrared light in the living body and outputting a primary demodulated signal And a second demodulating means for despreading the primary demodulated signal using the spread code sequence in consideration of a delay associated with the propagation of the near-infrared light in the living body and outputting a secondary demodulated signal. It is good to have. Furthermore, in this case, the second frequency may be made to coincide with, for example, an effective detection bandwidth capable of effectively detecting near-infrared light transmitted through the living body by the light detection unit.
また、上記生体情報測定装置において、前記光出射部は、所定の時間間隔を有して供給される前記所定の駆動信号を取得し、前記各光源が前記取得した所定の駆動信号に基づいて順次発光して、異なる特定波長を有する近赤外光を前記所定の時間間隔を有して順次出射するとよい。 In the biological information measuring device, the light emitting unit acquires the predetermined drive signal supplied with a predetermined time interval, and the light sources sequentially sequentially based on the acquired predetermined drive signal. It is preferable that near infrared light having different specific wavelengths is emitted sequentially with the predetermined time interval.
さらに、上記生体情報測定装置において、前記光出射部は、前記所定の駆動信号を周波数分割多重変調して変調信号を生成する周波数分割多重変調手段を有し、前記光検出部は、前記電気的な検出信号を周波数分割多重復調する復調手段を有するとよい。 Further, in the biological information measuring apparatus, the light emitting unit includes frequency division multiplexing modulation means for generating a modulation signal by frequency division multiplexing modulation of the predetermined drive signal, and the light detection unit includes the electrical detection unit. It is preferable to have a demodulating means for frequency-division multiplex demodulating the detected signal.
これらによれば、光検出装置(生体情報測定装置の光検出部)は、導電性ケースおよび窓部によって、光電変換素子および増幅回路が電磁シールドされる。これにより、測定環境に存在する電磁波等による雑音電界(ノイズ)が光電変換素子および増幅回路に影響を及ぼすことを効果的に防止することができる。また、このように電磁シールドされる雑音電界(ノイズ)が、僅かに光電変換素子および増幅回路に対して影響を及ぼす場合であっても、増幅回路の出力インピーダンスが光電変換素子の出力インピーダンスよりも小さいため、増幅回路を介して出力される電気的な検出信号のS/N比を高めることができる。したがって、例えば、極微弱な光を検出する状況においても、検出した光に対応した良質な電気的な検出信号を出力することができる。 According to these, in the photodetection device (the photodetection unit of the biological information measurement device), the photoelectric conversion element and the amplification circuit are electromagnetically shielded by the conductive case and the window. Thereby, it can prevent effectively that the noise electric field (noise) by the electromagnetic waves etc. which exist in a measurement environment influences a photoelectric conversion element and an amplifier circuit. Further, even when the noise electric field (noise) shielded in this way slightly affects the photoelectric conversion element and the amplification circuit, the output impedance of the amplification circuit is higher than the output impedance of the photoelectric conversion element. Since it is small, the S / N ratio of the electrical detection signal output through the amplifier circuit can be increased. Therefore, for example, even in a situation where extremely weak light is detected, a high-quality electrical detection signal corresponding to the detected light can be output.
また、上記生体情報測定装置においては、光出射部は、例えば、スペクトラム拡散変調した駆動信号、または、所定の短い時間間隔有して供給された所定の駆動信号、あるいは、周波数分割多重変調した駆動信号に基づき、光源を発光させて複数の特定波長を有する近赤外光を生体内部に向けて出射することができる。一方、光検出部は、電磁的にシールドされた状態で生体内部を伝播した近赤外光を受光し、この受光した近赤外光すなわち生体内部の伝播に伴って減衰した極微弱な近赤外光の光強度(光量)に対応して生体の代謝に関連する電気的な検出信号を低インピーダンスにより出力することができる。ここで、光出射部が所定の駆動信号をスペクトラム拡散変調または周波数分割多重変量した駆動信号(変調信号)に基づいて光源を発光させて複数の特定波長を有する近赤外光を生体内部に向けて出射する場合には、光検出部は、電気的な検出信号をスペクトラム逆拡散復調または周波数分割多重変調することができる。そして、電気的な検出信号に基づいて、生体情報、例えば、生体の血管中における酸素化ヘモグロビン濃度長変化および還元ヘモグロビン濃度長変化や、酸素化ヘモグロビン濃度長変化および還元ヘモグロビン濃度長変化の和として算出できるトータルヘモグロビン濃度長変化、血流に伴って変化する脈波、あるいは、酸素飽和度などを算出することができる。 In the biological information measuring apparatus, the light emitting unit may be, for example, a spread spectrum modulated drive signal, a predetermined drive signal supplied with a predetermined short time interval, or a frequency division multiplex modulated drive. Based on the signal, it is possible to emit near-infrared light having a plurality of specific wavelengths toward the inside of the living body by causing the light source to emit light. On the other hand, the photodetection unit receives near-infrared light propagating through the living body in an electromagnetically shielded state, and the received near-infrared light, that is, extremely weak near-red light attenuated along with propagation inside the living body. An electrical detection signal related to the metabolism of the living body can be output with low impedance corresponding to the light intensity (light quantity) of external light. Here, the light emitting unit emits a light source based on a drive signal (modulation signal) obtained by subjecting a predetermined drive signal to spread spectrum modulation or frequency division multiplex variation, and directs near infrared light having a plurality of specific wavelengths into the living body. In this case, the light detection unit can perform spectrum despread demodulation or frequency division multiplexing modulation on the electrical detection signal. Based on the electrical detection signal, biometric information, for example, as the sum of oxygenated hemoglobin concentration length change and reduced hemoglobin concentration length change, oxygenated hemoglobin concentration length change and reduced hemoglobin concentration length change in the blood vessels of the living body A change in total hemoglobin concentration length that can be calculated, a pulse wave that changes with blood flow, or oxygen saturation can be calculated.
したがって、生体情報測定装置においては、生体内部を伝播することによって減衰した極微弱な近赤外光であっても、光検出部は、例えば、生体に発生する筋電位などによる雑音電界(ノイズ)の影響を排除して、良質な電気的な検出信号を出力することができる。これにより、極めて正確に生体情報を計測(算出)することができる。また、生体情報測定装置においては、光源も電磁シールドすることができる。したがって、光源の作動に伴って発生する雑音電界(ノイズ)の放出(放射)を防止することができ、光検出部による光の検出に対する影響を大幅に低減することができる。これによっても、極めて正確に生体情報を計測(算出)することができる。 Therefore, in the biological information measuring device, even if the near-infrared light attenuated by propagating through the inside of the living body, the light detection unit can generate a noise electric field (noise) due to, for example, myoelectric potential generated in the living body. Therefore, it is possible to output a high-quality electrical detection signal. Thereby, biological information can be measured (calculated) extremely accurately. In the biological information measuring device, the light source can also be electromagnetically shielded. Therefore, emission (radiation) of a noise electric field (noise) generated with the operation of the light source can be prevented, and the influence on light detection by the light detection unit can be greatly reduced. This also makes it possible to measure (calculate) biological information very accurately.
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図1は、本発明の実施形態に係る生体情報測定装置Sの構成を概略的に示したブロック図である。生体情報測定装置Sは、図1に示すように、特定波長を有する光を発生する複数の光出射部1と、光出射部1から出射された光が生体の内部を反射しながら伝播した後の光を検出する複数の光検出部2とを備えている。また、生体情報測定装置Sは、CPU、ROM、RAM、タイマなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とし、光出射部1および光検出部2の作動を統括的に制御するとともに生体の代謝に関連する生体情報を算出して出力するコントローラ3と、算出された生体情報を所定の態様により表示する表示部4とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a biological information measuring device S according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the biological information measuring apparatus S includes a plurality of light emitting units 1 that generate light having a specific wavelength, and light emitted from the light emitting unit 1 is propagated while reflecting inside the living body. And a plurality of
光出射部1は、図2に示すように、異なる特定波長を有する光を発生させる複数の光発生装置10から構成されている。なお、以下の説明においては、例示的に光出射部1を2つの光発生装置10から構成して、言い換えれば、1つの光出射部1が2つの特定波長を有する光を発生するように構成して実施する。しかしながら、光出射部1を構成する光発生装置10の数すなわち出射する光の特定波長の数については、これに限定されるものではなく、光出射部1を、例えば、3つ以上の光発生装置10から構成して実施可能であることはいうまでもない。このように、光発生装置10を多数設けることにより、後述するように得られる生体情報の定量性を十分に確保することができる。
As shown in FIG. 2, the light emitting unit 1 includes a plurality of
これらの光発生装置10は、それぞれ、特定波長を有する光をスペクトラム拡散変調して出射するようになっている。このため、各光発生装置10は、拡散符号系列として、例えば、65536ビット長の「+1」と「−1」からなるPN(Pseudorandom Noise)系列を発生させるための拡散符号系列発生器11を備えている。この拡散符号系列発生器11は、例えば、アダマール系列やM系列、あるいは、ゴールド符号系列をPN系列として発生する。
Each of these
なお、上述したアダマール系列、M系列、あるいは、ゴールド符号系列は、一般的なスペクトラム拡散変調に用いられるものと同様であるため、その発生方法に関する詳細な説明は省略するが、以下に簡単に説明しておく。アダマール系列は、「+1」と「−1」からなるアダマール行列の各行または各列を取り出して得られる系列である。M系列は、「0」または「+1」の状態を記憶する1ビットのレジスタをn段並べたシフトレジスタを用い、同シフトレジスタの中間から帰還した値と最終段における値との排他的論理和を初段に接続することにより得られる2値系列である。ただし、この2値系列をPN系列とするためには、レベル変換を行い、値「0」を「−1」に変換する。ゴールド符号系列は、基本的には、2種類のM系列を用意し、これらを加算して得られる符号系列である。このため、ゴールド符号系列は、M系列に比して、各段に系列数を増やすことができる行列である。そして、これらの系列の特徴として、異なる系列は互いに直交する性質を有しており、積和演算を行うことによって「0」すなわち自己以外には相関が「0」となることが挙げられる。 The Hadamard sequence, the M sequence, or the Gold code sequence described above is the same as that used for general spread spectrum modulation, and a detailed description of the generation method is omitted. Keep it. The Hadamard sequence is a sequence obtained by extracting each row or each column of the Hadamard matrix composed of “+1” and “−1”. The M series uses a shift register in which n stages of 1-bit registers for storing a state of “0” or “+1” are arranged, and an exclusive OR of a value fed back from the middle of the shift register and a value in the last stage Is a binary sequence obtained by connecting to the first stage. However, in order to make this binary sequence a PN sequence, level conversion is performed to convert the value “0” into “−1”. The Gold code sequence is basically a code sequence obtained by preparing two types of M sequences and adding them. For this reason, the Gold code sequence is a matrix that can increase the number of sequences in each stage as compared with the M sequence. As a feature of these sequences, different sequences have a property of being orthogonal to each other, and by performing a product-sum operation, the correlation becomes “0” except for self.
この拡散符号系列発生器11は、コントローラ3に設けられた後述のクロックジェネレータ32から供給されるクロック周波数2fを入力する。そして、入力したクロック周波数2fに基づき、拡散符号系列発生器11は、PN系列の生成周波数、言い換えれば、PN系列の最小発生間隔に相当するチップレートがf以下となるPN系列を発生させる。
The spread
このように、拡散符号系列発生器11の発生したPN系列は、コントローラ3に出力されるとともに、第1乗算器12に出力される。第1乗算器12は、ベースバンド出力器13によって出力される直流信号と、拡散符号系列発生器11から供給されるPN系列との積を取り、直流信号をスペクトラム拡散変調する。なお、以下の説明においては、このスペクトラム拡散変調された直流信号を一次変調信号という。
In this way, the PN sequence generated by the spread
この一次変調信号は、第2乗算器14に出力される。第2乗算器14は、一次変調信号を入力するとともに、コントローラ3のクロックジェネレータ32から供給されるクロック周波数2fを入力する。そして、第2乗算器14は、入力した一次変調信号をクロック周波数2fで変調する。このように、一次変調信号をクロック周波数2fで変調することにより、この変調された一次変調信号は、周波数fにおける信号強度が最も強くなる。なお、以下の説明においては、この変調された一次変調信号を二次変調信号という。
This primary modulation signal is output to the
このように、第2乗算器14によって変調された二次変調信号は、光源ドライバ15に出力される。光源ドライバ15は、二次変調信号に基づいて、光源16に所定の駆動電圧を供給し、光源16を駆動(発光)させるものである。光源16は、図3に示すように、シールドケース16a内に収容された発光素子16bと、発光素子16bによる光を出射する出射窓16cとを備えている。
As described above, the secondary modulation signal modulated by the
シールドケース16aは、電磁シールドを行うための材料すなわち金属材料または導電性を有する樹脂材料などから形成されており、図3に示すように、シールド電極16a1を介して接地されている。発光素子16bは、例えば、半導体レーザや発光ダイオードであり、アノード電極16b1とカソード電極16b2が接続されている。そして、発光素子16bは、600〜1500nmの波長範囲のうちの特定波長を有する近赤外光(以下、被変調光という)を発光する。なお、以下の説明においては、光発生装置10を構成する2つの光源16のうち、一方の光源16は、例えば、840nmの特定波長を有する被変調光を発光し、他方の光源16は、例えば、770nmの特定波長を有する被変調光を発光するものとして説明する。
The
出射窓16cは、発光素子16bによる特定波長を有する被変調光を光学的に透過する透明基材16c1(例えば、石英(コルツ)や光学的に透明な透明プラスチックなど)と、透明基材16c1の少なくとも一面側に形成された透明導電膜16c2とから構成されている。ここで、透明導電膜16c2の形成材料としては、イットリウム−錫酸化物(ITO(Indium Tin Oxide))、亜鉛酸化物(ZnO(Zinc Oxide))、または、ニオブ酸化物(NbO(Niobium Oxide))のうちから選択して採用するとよい。そして、透明導電膜16c2は、透明基材16c1に対して、例えば、周知の蒸着法などを用いて形成され、その形成膜厚としては、例えば、100nm程度とされている。なお、このように、出射窓16cを透明基材16c1および透明導電膜16c2から形成することに代えて、例えば、ITO,ZnO,NbOのバルク材料を薄片化して出射窓16cを形成することも可能である。さらに、透明導電膜16c2は、シールドケース16aに対して、導電性接着剤(例えば、シルバーペーストなど)やハンダなどの金属封止材を用いて、電気的に接続されている。
The
そして、各光出射部1から出射された2つの異なる特定波長を有する被変調光は、光合成器17(例えば、光ファイバなど)を介して、生体内部に向けて入射される。なお、この場合、光合成器17を省略して、直接、各光出射部1から生体内部に向けて被変調光を入射するように実施することも可能である。 Then, modulated light having two different specific wavelengths emitted from each light emitting unit 1 is incident toward the inside of the living body via the optical combiner 17 (for example, an optical fiber). In this case, the light combiner 17 may be omitted, and the modulated light may be directly incident from the light emitting units 1 toward the inside of the living body.
光検出部2は、図4に示すように、生体内部を反射しながら伝播した極微弱な被変調光を検出し、同検出した被変調光が有する生体情報に関連する電気的な生体情報信号を出力するものである。このため、光検出部2は、光合成器21(例えば、光ファイバなど)を介して、光出射部1から出射されて生体中を伝播した被変調光を受光する受光器22を備えている。なお、この場合、光合成器21を省略して、直接、生体中を伝播した被変調光を受光器22が受光するように実施することも可能である。
As shown in FIG. 4, the
受光器22は、図5に示すように、シールドケース22a内に収容された光電変換素子としての受光素子22bと、受光素子22bに対して生体内を伝播した被変調光を透過させる入射窓22cとを備えている。シールドケース22aは、電磁シールドを行うための材料すなわち金属材料または導電性を有する樹脂材料などから形成されており、図5に示すように、グランド端子22a1を介して接地されている。受光素子22bは、例えば、SiまたはInGaAsなどの半導体を主要構成部品とするPINフォトダイオードやアラバンシェフォトダイオードであり、その有効検出帯域幅が2fに設定されている。そして、受光素子22bは、後述するように、シールドケース22a内に一体的に収容された増幅器23に対して電気的に接続されている。
As shown in FIG. 5, the
入射窓22cは、受光素子22bに対して特定波長を有する被変調光を光学的に透過する透明基材22c1(例えば、石英(コルツ)や光学的に透明な透明プラスチックなど)と、透明基材22c1の少なくとも一面側に形成された透明導電膜22c2とから構成されている。そして、透明導電膜22c2は、シールドケース22aに対して、導電性接着剤(例えば、シルバーペーストなど)やハンダなどの金属封止材を用いて、電気的に接続される。ここで、透明導電膜22c2の形成材料も、光出射部1の光源16における透明導電膜16c2と同様に、ITO,ZnO,NbOのうちから選択して採用するとよい。また、透明導電膜22c2の形成に関しても、透明導電膜16c2と同様に、例えば、周知の蒸着法などを用い、透明基材22c1に対して100nm程度の形成膜厚となるように形成される。なお、透明導電膜22c2の膜厚に関しては、これに限定されるものではなく、より大きな膜厚(例えば、500nm程度)を形成して実施することも可能である。さらに、この透明導電膜22c2も、ITO,ZnO,NbOのバルク材料を薄片化して入射窓22cを形成することが可能である。
The
なお、本実施形態においては、受光素子22bとしてPinフォトダイオードやアラバンシェフォトダイオードを用いて実施するが、例えば、CCDやCMOSなどの光電変換素子を用いて2次元的な光学情報を取得することも可能である。この場合には、CCDやCMOSなどの表面に透明基材22c1に対応する透明な絶縁層を形成するとともにこの絶縁層を介して透明導電膜22c2を形成し、この透明導電膜22c2を接地されたシールドケース22aに電気的に接続するようにするとよい。
In the present embodiment, a Pin photodiode or an Alabane photodiode is used as the
増幅器23は、受光器22のシールドケース22a内に収容されて、受光器22(より詳しくは、受光素子22b)から出力された電気的な検出信号(アナログ信号)の強度を増幅する増幅回路(低雑音アンプ)である。このため、増幅器23は、図6に示すように、オペアンプ23aと、増幅した電気的な検出信号(アナログ信号)を出力する信号出力端子23bとを備えている。なお、信号出力端子23bの周囲には、詳細な図示を省略するが、絶縁性のあるガラスや非導電性のプラスチックなどにより、電気的な短絡が防止されている。また、信号出力端子23bは、例えば、同軸ケーブルに接続されるようになっており、この同軸ケーブルの外周金属層は受光器22のシールドケース22aに電気的に接続されるようになっている。
The
オペアンプ23aは、入力インピーダンスが極めて高く(例えば、40MΩ程度)、出力インピーダンスが低い(例えば、150Ω程度)特性を有しており、+の電源端子23a1と−の電源端子23a2に接続されている。ところで、受光器22の受光素子22bは、被変調光を検出する際にゼロまたは逆バイアスされるため、その出力インピーダンスはメガオームに近い値となる。そして、このように出力インピーダンスが高い状態においては、微弱な電磁波すなわち雑音電界(ノイズ)によって誘起される電流が大きな雑音電圧を生じさせるため、増幅器23を介することなく電気的な検出信号(アナログ信号)を出力する場合には、出力される電気的な検出信号(アナログ信号)のS/N比を悪化させる。したがって、出力インピーダンスが低い状態とすれば雑音電界(ノイズ)の影響は小さくなるため、出力インピーダンスの小さなすなわち低インピーダンスのオペアンプ23aを介して電気的な検出信号(アナログ信号)を出力することにより、S/N比の悪化を防止して良質な検出信号を出力することができる。
The
また、増幅器23を接地されたシールドケース22a内に収容することにより、増幅器23から出力される電気的な検出信号(アナログ信号)に対する外界の雑音電界の影響を効果的に防止することができる。これによっても、増幅器23(より詳しくは、オペアンプ23a)を介して出力される電気的な検出信号(アナログ信号)におけるS/N比の悪化を防止して良質な検出信号を出力することができる。そして、このように、増幅器23が増幅した電気的な検出信号(アナログ信号)は、信号出力端子23bを介して、ローパスフィルタ(LPF)24に出力される。
Further, by housing the
LPF24は、例えば、ナイキストの第1基準を満たして符号間干渉を防ぐインパルス応答波形を実現するナイキストフィルタなどであり、そのカットオフ周波数が2fに設定されている。これにより、LPF24は、増幅器23から入力した検出信号(アナログ信号)のうち、その周波数が2fよりも大きな信号成分を除去(カット)してADコンバータ25に出力する。
The
ADコンバータ25は、LPF24を通過した電気的な検出信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するものである。具体的には、ADコンバータ25は、コントローラ3のクロックジェネレータ32から後述のディレイ33によって適宜遅延されたクロック周波数4fを入力し、サンプリング周波数4fで電気的な検出信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換する。ここで、受光器22の有効検出帯域幅2fの2倍のサンプリング周波数4fによってADコンバータ25がデジタル変換処理を実行することにより、一般に広く知られた標本化定理(サンプリング定理やナイキストの定理ともいわれる)が成立する。
The
すなわち、標本化定理によれば、目的の信号を正確に再現するためには、目的の信号の周波数の少なくとも2倍以上のサンプリング周波数を用いてサンプリングする必要がある。ここで、標本化定理における「目的に信号」は受光器22が受光する生体内を伝播した被変調光の強度に対応して増幅器23から出力される「電気的な検出信号(アナログ信号)」であり、「目的の信号の周波数」は受光器22の有効検出帯域幅(あるいはLPF24のカットオフ周波数)と一致する2fであるため、サンプリング周波数を4fとすることにより、ADコンバータ25によるデジタル変換処理において標本化定理が成立する。言い換えれば、受光器22の有効検出帯域幅2f(あるいはLPF24のカットオフ周波数)に一致する被変調光が有する情報(すなわちアナログの検出信号)は、情報欠落などを生じることなく正確にデジタル信号に変換される。
That is, according to the sampling theorem, in order to accurately reproduce the target signal, it is necessary to sample using a sampling frequency that is at least twice the frequency of the target signal. Here, the “signal for purpose” in the sampling theorem is an “electrical detection signal (analog signal)” output from the
このように、ADコンバータ25は、サンプリング周波数4fで電気的な検出信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換すると、同変換したデジタル信号を第1乗算器26に出力する。第1乗算器26は、変換されたデジタル信号を入力するとともに、コントローラ3のクロックジェネレータ32からディレイ33を介することによって遅延して供給されるクロック周波数2fを入力する。そして、第1乗算器26は、クロックジェネレータ32から入力したクロック周波数2fを用いてデジタル信号を復調する。なお、以下の説明においては、第1乗算器26によって復調された信号を一次復調信号という。このようにデジタル信号を復調すると、第1乗算器26は、一次復調信号を第2乗算器27に出力する。
Thus, when the
第2乗算器27は、第1乗算器26から入力した一次復調信号と、コントローラ3のディレイ33を介して光出射部1の拡散符号系列発生器11から遅延して供給されたPN系列との積を取る。このように、PN系列を取得することにより、第2乗算器27は、後に詳述するように、複数の光出射部1のうちの特定の光出射部1であり、かつ、特定の光出射部1を構成するいずれかの光発生装置10から出射された被変調光に対応する一次復調信号をスペクトラム逆拡散して復調することができる。そして、第2乗算器27は、スペクトラム逆拡散によって復調した電気的な検出信号(デジタル信号)すなわち二次復調信号を累算器28に出力する。
The
累算器28は、供給された二次復調信号に対して、光出射部1の拡散符号系列発生器11によって発生されたPN系列を1周期以上に渡り加算する。そして、累算器28は、特定の光出射部1(より具体的には、特定の光出射部1を構成するいずれかの光発生装置10)から出射されて生体中で減衰した極微弱の被変調光、言い換えれば、生体情報を含む被変調光の強度に対応する生体情報信号をコントローラ3に出力する。ここで、図4に示すように、第2乗算器27および累算器28は、光出射部1から出射される特定波長の数に合わせて複数(本実施形態においては一つの光出射部1あたり2つ、複数の受光可能な光出射部1が存在する場合には、存在する各光出射部1の数を乗算した数)設けられる。これにより、生体中を伝播した各被変調光の強度に対応する生体情報信号を同時に得ることができる。
The
コントローラ3は、図7に示すように、CPU、ROM、RAM、タイマなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とする制御部31を備えている。また、コントローラ3には、上述したように光出射部1および光検出部2の作動を制御するために、クロックジェネレータ32とディレイ33とが設けられている。クロックジェネレータ32は、上述したように、光検出部2を構成する光受光部22の有効検出帯域幅に一致する、第1の周波数としての周波数fの2倍となる第2の周波数としてのクロック周波数2fと、このクロック周波数2fの2倍となる4fのクロック周波数を光出射部1および光検出部2に供給するものである。ディレイ33は、後述する各光出射部1の各拡散符号系列発生器11が発生して光検出部2に供給するPN系列符号およびクロックジェネレータ32が光検出部2に供給するクロック周波数4fまたはクロック周波数2fを適宜遅延させるものである。ここで、この場合、光出射部1から光検出部2に向けて伝播する光の経路ごとに遅延特性が異なる可能性があるため、ディレイ33を各光検出部2ごとに設けて実施することにより、生体情報をより正確に得ることができる。
As shown in FIG. 7, the controller 3 includes a
さらに、コントローラ3は、算出した生体情報を表すデータを表示部4に出力する。表示部4は、例えば、液晶ディスプレイなどから構成されており、コントローラ3から供給されたデータに基づき、所定の態様によって生体情報を表示する。 Furthermore, the controller 3 outputs data representing the calculated biological information to the display unit 4. The display unit 4 is composed of, for example, a liquid crystal display and displays biometric information in a predetermined manner based on data supplied from the controller 3.
次に、上記のように構成した生体情報測定装置Sの作動について説明する。なお、以下の説明においては、被験者の脳内における血流変化を観察する場合を例示して説明する。 Next, the operation of the biological information measuring device S configured as described above will be described. In the following description, the case of observing a blood flow change in the subject's brain will be described as an example.
生体の動脈および静脈を流れる血液(以下、それぞれ、動脈血および静脈血という)は、酸素と結合したヘモグロビン(以下、このヘモグロビンを酸素化ヘモグロビンという)と酸素と結合していないヘモグロビン(以下、このヘモグロビンを還元ヘモグロビンという)とを含んでいる。そして、動脈血および静脈血におけるこれら酸素化ヘモグロビンの量と還元ヘモグロビンの量は、生体の活動によって変化するものである。ここで、酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンは近赤外光の吸光度合いが異なるため、酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンによる近赤外光の吸光度合いの差を算出することによって、生体の活動に伴う変化すなわち血流変化を観察することができる。したがって、生体情報測定装置Sのコントローラ3は、被験者の脳内を伝播した被変調光の強度に対応する生体情報信号を用いて、後述するように、脳内における動脈血中と静脈血中の酸素化ヘモグロビン濃度長変化ΔCoxyおよび還元ヘモグロビン濃度長変化ΔCdeoxyを生体情報として算出する。 Blood flowing through living arteries and veins (hereinafter referred to as arterial blood and venous blood, respectively) is hemoglobin combined with oxygen (hereinafter referred to as oxygenated hemoglobin) and hemoglobin not combined with oxygen (hereinafter referred to as hemoglobin). Is called reduced hemoglobin). The amount of oxygenated hemoglobin and the amount of reduced hemoglobin in arterial blood and venous blood vary depending on the activity of the living body. Here, since oxygenated hemoglobin and reduced hemoglobin have different absorbances of near-infrared light, by calculating the difference in the absorbance of near-infrared light between oxygenated hemoglobin and reduced hemoglobin, a change accompanying the activity of the living body, that is, Blood flow changes can be observed. Therefore, the controller 3 of the biological information measuring device S uses, as will be described later, oxygen in arterial blood and venous blood in the brain using a biological information signal corresponding to the intensity of the modulated light propagated in the subject's brain. The hemoglobin concentration length change ΔCoxy and the reduced hemoglobin concentration length change ΔCdeoxy are calculated as biological information.
このため、本実施形態において生体情報測定装置Sを作動させる際には、図8に示すように、被験者の頭部T(例えば、前頭周辺位置)に対して複数の光出射部1および複数の光検出部2を装着する。具体的には、被験者の頭部Tの表面にて、丸印で示す位置a〜f(以下、入射位置a〜fという)にそれぞれ光出射部1から出射された被変調光が入射される。また、脳内(例えば、前頭葉周辺)を反射しながら伝播し、四角印で示す位置A〜F(以下、受光位置A〜Fという)に到達した極微弱の被変調光(以下、この被変調光を反射光ともいう)がそれぞれの光検出部2によって検出される。そして、入射位置a〜fと受光位置A〜Fとは、例えば、互いにマトリックス状に配置される。なお、以下の説明においては、入射位置a〜fに被変調光を出射する各光出射部1を光出射部a〜fと示し、受光位置A〜Fに到達した反射光を検出する各光検出部2を光検出部A〜Fと示す。
For this reason, when operating the biological information measuring device S in the present embodiment, as shown in FIG. The
なお、以下の説明においては、入射位置a〜fに被変調光を出射する各光出射部1を光出射部a〜fと示し、受光位置A〜Fに到達した反射光を検出する各光検出部2を光検出部A〜Fと示す。また、図6は、生体情報測定装置Sのごく一部を示したものである。このため、入射位置と受光位置との一対一の組み合わせ、すなわち、チャンネル数については、図示した数に限定されるものではない。したがって、より多くの入射位置と受光位置との組み合わせ(例えば、1000チャンネル程度)をマトリックス状に配置して、脳内を伝播した反射光が有する生体情報信号を用いて生体情報を計測することもできる。また、チャンネルの配置に関しては、マトリックス状に限定されるものではなく、例えば、千鳥配置や、ある光出射部1を中心として周囲に光検出部2を配置する、もしくは、ある光検出部2を中心として周囲に光出射部1を複数配置するドーナツ状の配置など、種々の配置の採用が可能である。
In the following description, each light emitting section 1 that emits modulated light to incident positions a to f is referred to as light emitting sections a to f, and each light that detects reflected light that reaches light receiving positions A to F is detected. The
このように、被験者に対して光出射部1および光検出部2を装着すると、例えば、オペレータは、図示しない入力装置を操作して生体情報測定装置Sを作動させる。具体的に説明すると、コントローラ3の制御部31は、光出射部a〜fおよび光検出部A〜Fを作動させる。
As described above, when the light emitting unit 1 and the
まず、光出射部a〜fによる光の出射について説明する。生体情報測定装置Sの作動が開始されると、コントローラ3の制御部31は、光出射部a〜fに対して、840nmと770nmの特定波長を有する被変調光を発生(発光)させるために、まず、ベースバンド出力器13を作動させる。これにより、2つの光発生装置10は、それぞれ、840nmと770nmの特定波長を有する被変調光の発光を同時に開始する。
First, light emission by the light emission portions a to f will be described. When the operation of the biological information measuring device S is started, the
すなわち、光出射部a〜fの各光発生装置10においては、それぞれの拡散符号系列発生器11が、例えば、PN系列としてゴールド符号系列を発生する。そして、拡散符号系列発生器11は、発生したPN系列をコントローラ3の制御部31に対して出力するとともに、第1乗算器12に出力する。これにより、第1乗算器12は、ベースバンド出力器13から供給された直流信号(ベースバンド信号)とPN系列との積を取り、直流信号をスペクトラム拡散変調する。
That is, in each
続いて、スペクトラム拡散変調された一次変調信号は、第2乗算器14に出力される。そして、第2乗算器14がクロックジェネレータ32から供給されるクロック周波数2fを用いて一次変調信号を変調した二次変調信号を光源ドライバ15に供給することにより、各光出射部a〜fの2つの光源16は、それぞれ、特定波長を有する被変調光を入射位置a〜fに出射する。
Subsequently, the spread spectrum modulated primary modulation signal is output to the
ここで、上述したように、光源16においては、発光素子16bが接地されたシールドケース16a内に収容されており、被変調光がシールドケース16aに電気的に接続された出射窓16cを透過して出射される。これにより、発光素子16bが発光動作する際に発生する電磁波すなわち雑音電界(ノイズ)は、シールドケース16aの導電性により外部に漏えいすることが防止されるとともに、出射窓16cの透明導電膜16c2がシールドケース16aに電気的に接続されることにより外部に漏えいすることが防止される。すなわち、光源16は、特定波長を有する被変調光は入射位置a〜fに出射するものの、発光動作に伴って発生する雑音電界(ノイズ)が外部に漏えいすることは効果的に防止することができる。これにより、発生した雑音電界(ノイズ)が、例えば、生体(人体)を介して光検出部A〜Fに伝播し、受光器22による反射光の検出に悪影響を与えることを防止することができる。したがって、光検出部A〜Fによる反射光の検出精度を向上させることができ、その結果、生体情報の計測精度を向上させることができる。
Here, as described above, in the
このように、光源16から入射位置a〜fのそれぞれに出射された被変調光は、被験者の頭部Tの頭蓋骨を透過して、例えば、前頭葉周辺に入射し、脳内を乱反射しながら、言い換えれば、減衰しながら伝播する。そして、各光出射部a〜fのそれぞれによって出射された2つの被変調光すなわち反射光は、ふたたび頭部Tの頭蓋骨を透過し、頭部Tの表面に到達する。
In this way, the modulated light emitted from the
次に、光検出部A〜Fによる反射光の検出について説明する。頭部Tの表面に到達したそれぞれの反射光は、受光位置A〜Fに対応する光検出部A〜Fにより検出される。すなわち、光検出部A〜Fにおいては、各受光器22が受光位置A〜Fのそれぞれに到達した反射光をすべて受光し、同受光した反射光に応じた電気的な検出信号(アナログ信号)を時系列的に増幅器23に出力する。そして、増幅器23は入力した電気的な検出信号を増幅し、LPF24は、この増幅された検出信号を通過させることにより周波数が2fよりも大きな信号成分をカットする。
Next, detection of reflected light by the light detection units A to F will be described. Each reflected light that has reached the surface of the head T is detected by the light detection units A to F corresponding to the light receiving positions A to F. That is, in the light detection units A to F, each of the
ここで、上述したように、受光器22においては、受光素子22bが接地されたシールドケース22a内に収容されており、反射光がシールドケース22aに電気的に接続された入射窓22cを透過して入射される。これにより、例えば、被験者の動作に伴い発生する筋電位による雑音電界(ノイズ)や光検出部A〜Fの外界に存在する雑音電界(ノイズ)は、シールドケース22aの導電性により内部への伝播が遮断されるとともに、入射窓22cの透明導電膜22c2がシールドケース22aに電気的に接続されることにより内部への伝播が遮断される。また、増幅器23は受光器22のシールドケース22a内に収容されるため、増幅器23に伝播する外部の雑音電界(ノイズ)も遮断される。
Here, as described above, in the
また、受光器22から出力される電気的な検出信号(アナログ信号)は、低インピーダンスの増幅器23によって増幅され、信号出力端子23bを介して出力されるため、出力される電気的な検出信号(アナログ信号)に対して、外部に存在する雑音電界(ノイズ)が乗ることを防止することができる。さらに、増幅器23の信号出力端子23bには同軸ケーブルが接続されているため、信号出力端子23bを介してLPF24に出力される電気的な検出信号(アナログ信号)に対して、外部に存在する雑音電界(ノイズ)が乗ることを防止することができる。
Further, since the electrical detection signal (analog signal) output from the
すなわち、受光器22においては、特定波長を有する反射光を受光位置A〜Fにて入射するものの、筋電位その他の電磁波すなわち雑音電界(ノイズ)が受光素子22bに伝播することを効果的に遮断することができる。また、増幅器23においては、筋電位その他の電磁波すなわち雑音電界(ノイズ)が伝播することが遮断されるとともに、増幅した電気的な検出信号(アナログ信号)を低インピーダンスでLPF24に出力することにより外部に存在する雑音電界(ノイズ)が電気的な検出信号(アナログ信号)に乗ることを防止することができる。これにより、雑音電界(ノイズ)が受光器22による反射光の検出および増幅器23による電気的な検出信号(アナログ信号)の出力に対して悪影響を与えることを防止することができる。したがって、光検出部A〜Fによる反射光の検出精度を向上させることができ、その結果、生体情報の計測精度を向上させることができる。
That is, in the
続いて、ADコンバータ25がLPF24を通過した電気的な検出信号(アナログ信号)をサンプリング周波数4fでデジタル変換処理を行う。そして、同デジタル変換処理された電気的な検出信号(デジタル信号)は、第1乗算器26に出力され、第1乗算器26は入力した電気的な検出信号(デジタル信号)をクロック周波数2fを用いて復調し、同復調した検出信号すなわち一次復調信号を第2乗算器27に出力する。このように復調処理することにより、復調信号は、受光器22の有効検出帯域幅2fの全体を使った信号となる。言い換えれば、受光器22によって受光し得る被変調光が有する情報、例えば、前頭葉周辺を伝播した被変調光の減衰状態(すなわち、反射光の光強度)を欠落させることなく、正確にデジタル信号化した一次復調信号を第2乗算器27に出力することができる。
Subsequently, the
ところで、受光位置A〜Fには、入射位置a〜fから出射されたそれぞれの被変調光が反射光として到達する。例えば、受光位置Aには、周辺に位置する入射位置a,b,c,dから出射された被変調光はいうまでもなく、入射位置e,fから出射された被変調光も反射光として到達する。このような状況において、コントローラ3の制御部31は、受光位置Aに到達した反射光のうち、例えば、入射位置a,b,c,dから出射された被変調光の反射光に対応する生体情報信号のみが得られるように、光検出部Aを制御する。この制御部31による制御を具体的に説明する。
By the way, each modulated light emitted from the incident positions a to f reaches the light receiving positions A to F as reflected light. For example, at the light receiving position A, not only the modulated light emitted from the incident positions a, b, c, and d located in the periphery, but also the modulated light emitted from the incident positions e and f is reflected light. To reach. In such a situation, the
コントローラ3の制御部31は、上述したように、各光発生装置10の拡散符号系列発生器11からPN系列を取得する。一方、光検出部Aの第2乗算器27は、コントローラ3の制御部31を介して、光出射部a〜fの拡散符号系列発生器11によって発生されたPN系列を取得する。このとき、制御部31は、ディレイ33を介して、光出射部a,b,c,dの各拡散符号系列発生器11が発生した異なるPN系列を光検出部Aの対応する第2乗算器27に供給する。
As described above, the
これにより、各第2乗算器27は、第1乗算器26から出力された一次復調信号とコントローラ3の制御部31から供給された対応するPN系列との積を取り、言い換えれば、スペクトラム逆拡散して得られた二次復調信号をそれぞれの累算器28に出力する。そして、各累算器28は、出力された二次復調信号をPN系列の1周期以上に渡り加算する。このように、出射された被変調光に対応する第2乗算器27と累算器28による積和処理により、二次復調信号と供給されたPN系列との相関を取ることができ、光出射部a,b,c,dのそれぞれから出射された複数の被変調光に対応した複数の生体情報信号を同時に出力することができる。
Thus, each
すなわち、上述したように、PN系列に関しては、異なる系列が互いに直交する性質、言い換えれば、異なる系列同士の積の値が「0」となる性質を有している。このため、コントローラ3の制御部31がある第2乗算器27に対して、例えば、光出射部aの対応する拡散符号系列発生器11によるPN系列を供給した場合には、第1乗算器26から出力された一次復調信号のうち、光出射部aから出射された特定の被変調光に対応する一次復調信号以外の一次復調信号と光出射部aのPN系列との積の値は「0」となる。このため、累算器28によってPN系列の1周期以上に渡り加算される二次復調信号も「0」となり、相関は「0」となる。
That is, as described above, the PN sequence has the property that different sequences are orthogonal to each other, in other words, the property value of the product of different sequences is “0”. For this reason, when the PN sequence by the spreading
したがって、コントローラ3の制御部31から供給されたPN系列を有しない(または一致しない)二次復調信号、言い換えれば、生体情報信号は、選択的に排除され、特定の第2乗算器27および累算器28からは光出射部aから出射された特定の被変調光の反射光に対応する生体情報信号のみがコントローラ3の制御部31に出力される。同様に、コントローラ3の制御部31が他の第2乗算器27に対して、例えば、光出射部aの他方に対応する拡散符号系列発生器11によるPN系列を供給することによって、これらの第2乗算器27および累算器28からは光出射部aから出射された他方の特定の被変調光の反射光に対応する生体情報信号が同時にコントローラ3に出力される。さらに、同様にして、コントローラ3の制御部31から第2乗算器27に対して他の光出射部b,c,dのPN系列がそれぞれ供給された場合には、光出射部b,c,dから出射された複数の被変調光の反射光に対応するそれぞれの生体情報信号が同時にコントローラ3の制御部31に出力される。ここで、光検出部Aは光出射部a〜dによって出射された被変調光を検出するため、光検出部Aと光出射部a、光検出部Aと光出射部b、光検出部Aと光出射部c、光検出部Aと光出射部dの4つのチャンネルが形成されている。
Therefore, the secondary demodulated signal that does not have (or does not match) the PN sequence supplied from the
これにより、光検出部Aは、光出射部a〜fから出射された特定波長を有する被変調光のうち、光出射部a〜dによって出射された被変調光の反射光に対応する生体情報信号をコントローラ3の制御部31に出力する。なお、光検出部B〜Fについても、光検出部Aと同様にして、コントローラ3の制御部31によって制御されることにより、光出射部a〜fのうちの特定の光出射部から出射された被変調光の反射光に対応する生体情報信号を複数同時に出力する。
Thereby, the light detection part A is the biological information corresponding to the reflected light of the modulated light emitted by the light emitting parts a to d among the modulated light having specific wavelengths emitted from the light emitting parts a to f. The signal is output to the
このように光検出部A〜Fから生体情報信号が出力されると、コントローラ3の制御部31は、出力された生体情報信号を用いて、被検者の脳内(例えば、前頭葉周辺)における酸素化ヘモグロビン濃度長変化ΔCoxyおよび還元ヘモグロビン濃度長変化ΔCdeoxyを算出する。なお、以下に酸素化ヘモグロビン濃度長変化ΔCoxyおよび還元ヘモグロビン濃度長変化ΔCdeoxyの算出を具体的に説明するが、この算出方法自体については、本発明の特徴とする部分ではない。すなわち、酸素化ヘモグロビン濃度長変化ΔCoxyおよび還元ヘモグロビン濃度長変化ΔCdeoxyは生体情報測定装置Aによって計測可能な生体情報として例示的に示すものである。このため、酸素化ヘモグロビン濃度長変化ΔCoxyおよび還元ヘモグロビン濃度長変化ΔCdeoxyの算出方法については、従来から周知の種々の方法を採用することができ、以下に説明することは計算方法を限定することを意図するものではない。
When the biological information signals are output from the light detection units A to F in this way, the
上述したように、動脈血および静脈血における酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンは、異なる吸光特性によって近赤外光を吸光する。この酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンにおける近赤外光の吸光特性は、一般的にランバート・ベール(Lambert-Beer)の法則に従って、下記式1で表すことができる。
−ln(R(λ)/Ro(λ))=εoxy(λ)×Coxy×d+εdeoxy(λ)×Cdeoxy×d+α(λ)+S(λ) …式1
As described above, oxygenated hemoglobin and reduced hemoglobin in arterial blood and venous blood absorb near infrared light due to different light absorption characteristics. The absorption characteristics of near-infrared light in oxygenated hemoglobin and reduced hemoglobin can be generally expressed by the following formula 1 according to Lambert-Beer's law.
−ln (R (λ) / Ro (λ)) = εoxy (λ) × Coxy × d + εdeoxy (λ) × Cdeoxy × d + α (λ) + S (λ) Equation 1
ただし、前記式1中のR(λ)、Ro(λ)およびdは、図9に概略的に示すように、それぞれ、波長λの検出光量、波長λの出射光量および検出領域の光路長を表すものである。また、前記式1中のεoxy(λ)は、波長λに対する酸素化ヘモグロビンの分子吸光係数を表し、εdeoxy(λ)は、波長λに対する還元ヘモグロビンの分子吸光係数を表すものである。また、前記式1中のCoxyは、酸素化ヘモグロビンの濃度を表し、Cdeoxyは、還元ヘモグロビンの濃度を表すものである。さらに、前記式1中のα(λ)は、血液中のヘモグロビン以外の色素(例えば、細胞中のミトコンドリアでの酸素の需供を反映するチトクロームaa33など)の光吸収による減衰量を表し、S(λ)は、生体組織の光散乱による減衰量を表すものである。 However, R (λ), Ro (λ), and d in the equation 1 respectively represent the detected light amount of the wavelength λ, the emitted light amount of the wavelength λ, and the optical path length of the detection region, as schematically shown in FIG. It represents. Further, εoxy (λ) in the above formula 1 represents the molecular extinction coefficient of oxygenated hemoglobin with respect to the wavelength λ, and εdeoxy (λ) represents the molecular extinction coefficient of reduced hemoglobin with respect to the wavelength λ. In the formula 1, Coxy represents the concentration of oxygenated hemoglobin, and Cdeoxy represents the concentration of reduced hemoglobin. Further, α (λ) in the above formula 1 represents the attenuation due to light absorption of a pigment other than hemoglobin in blood (for example, cytochrome aa33 reflecting the supply and demand of oxygen in mitochondria in cells). (λ) represents the attenuation due to light scattering of the living tissue.
このように、前記式1に従えば、840nmの波長を有する近赤外光と770nmの波長を有する近赤外光を用いた場合における酸素化ヘモグロビンの濃度Coxyと還元ヘモグロビンの濃度Cdeoxyを計算することができる。したがって、これら酸素化ヘモグロビンの濃度Coxyと還元ヘモグロビンの濃度Cdeoxyの比Coxy/Cdeoxyを計算することにより、血流変化を計算することができる。 Thus, according to Equation 1, the oxygenated hemoglobin concentration Coxy and the reduced hemoglobin concentration Cdeoxy in the case of using near-infrared light having a wavelength of 840 nm and near-infrared light having a wavelength of 770 nm are calculated. be able to. Accordingly, the blood flow change can be calculated by calculating the ratio Coxy / Cdeoxy between the oxygenated hemoglobin concentration Coxy and the reduced hemoglobin concentration Cdeoxy.
また、例えば、脳内に存在する毛細血管について、血流変化前の吸光特性を前記式1に従って表せば、血流変化後の吸光特性は下記式2に示すように表すことができる。
−ln(growthR(λ)/Ro(λ))=εoxy(λ)×growthCoxy×d+εdeoxy(λ)×growthCdeoxy×d+growthα(λ)+S(λ) …式2
ただし、前記式2中のgrowthR(λ)、growthCoxy、growthCdeoxyおよびgrowthα(λ)は、心拍動に伴う血流変化によって増加または減少変化した値を表すものであって、それぞれ、血流変化後の検出光量、血流変化後の酸素化ヘモグロビンの濃度、血流変化後の還元ヘモグロビンの濃度および血流変化後のヘモグロビン以外の色素の光吸収による減衰量を表すものである。
For example, if the light absorption characteristic before blood flow change is expressed according to the above-described equation 1 for the capillary blood vessels existing in the brain, the light absorption characteristic after blood flow change can be expressed as shown in the
−ln (growthR (λ) / Ro (λ)) = εoxy (λ) × growthCoxy × d + εdeoxy (λ) × growthCdeoxy × d + growthα (λ) + S (λ)
However, growthR (λ), growthCoxy, growthCdeoxy, and growthα (λ) in
ここで、血液中のヘモグロビンの光吸収量は、ヘモグロビン以外の色素の光吸収量に比して極めて大きいため、前記式1中のα(λ)をα(λ)=growthα(λ)とすることができる。これにより、前記式2から前記式1を差し引けば、下記式3が成立する。
−ln(growthR(λ)/R(λ))=εoxy(λ)×ΔCoxy+εdeoxy(λ)×ΔCdeoxy …式3
ここで、前記式3中のΔCoxyおよびΔCdeoxyは、それぞれ、下記式4および式5によって表されるものである。
ΔCoxy=(growthCoxy−Coxy)×d …式4
ΔCdeoxy=(growthCdeoxy−Cdeoxy)×d …式5
Here, since the light absorption amount of hemoglobin in the blood is extremely larger than the light absorption amount of a dye other than hemoglobin, α (λ) in the above equation 1 is expressed as α (λ) = growthα (λ). be able to. Thus, subtracting the formula 1 from the
−ln (growthR (λ) / R (λ)) = εoxy (λ) × ΔCoxy + εdeoxy (λ) × ΔCdeoxy Equation 3
Here, ΔCoxy and ΔCdeoxy in Formula 3 are represented by Formula 4 and Formula 5 below, respectively.
ΔCoxy = (growthCoxy−Coxy) × d Equation 4
ΔCdeoxy = (growthCdeoxy−Cdeoxy) × d (Formula 5)
そして、図10にてヘモグロビンの光吸光スペクトルを概略的に示すように、吸光特性のコントラスト比が明確となる特定波長としてλ=770nmや840nmの近赤外光を用いて計測した結果に基づいて前記式3を解くことにより、ディメンジョンとして光路長を含む酸素化ヘモグロビン濃度長変化ΔCoxyおよび還元ヘモグロビン濃度長変化ΔCdeoxy、あるいは、トータルヘモグロビン濃度長変化(ΔCoxy+ΔCdeoxy)を相対的に計算することができる。 Then, as schematically shown in FIG. 10, the light absorption spectrum of hemoglobin is based on the result of measurement using near infrared light of λ = 770 nm or 840 nm as a specific wavelength where the contrast ratio of the light absorption characteristic becomes clear. By solving Equation 3, it is possible to relatively calculate oxygenated hemoglobin concentration length change ΔCoxy and reduced hemoglobin concentration length change ΔCdeoxy including the optical path length, or total hemoglobin concentration length change (ΔCoxy + ΔCdeoxy) as dimensions.
そして、コントローラ3の制御部31は、算出した酸素化ヘモグロビン濃度長変化ΔCoxyおよび還元ヘモグロビン濃度長変化ΔCdeoxyすなわち生体情報を算出し、この算出した生体情報を表示部4に出力する。そして、表示部4は、例えば、2次元的または3次元的な態様により、脳内の血流変化を表示する。
The
以上の説明からも理解できるように、生体情報測定装置Sにおいては、生体内部を伝播することによって減衰した極微弱な反射光(被変調光)であっても、光検出部2の受光器22は、シールドケース22aおよび入射窓22cによって電磁シールドされるため、例えば、生体に発生する筋電位などによる雑音電界(ノイズ)の影響を排除して、反射光(被変調光)を検出することができる。また、増幅器23が受光器22のシールドケース22a内に収容されるため、増幅器の伝播する雑音電界(ノイズ)も遮断される。さらに、増幅器23はオペアンプを備えて低インピーダンスにより電気的な検出信号(アナログ信号)を出力することができる。このため、出力される電気的な検出信号(アナログ信号)に対して、外部に存在する雑音電界(ノイズ)が乗ることを防止して、良好な信号出力性能(良好なS/N比)を確保することができる。これにより、コントローラ3の制御部31は極めて正確に生体情報を計測(算出)することができる。
As can be understood from the above description, in the biological information measuring device S, the
また、生体情報測定装置Sにおいては、光出射部1の光源16もシールドケース16aおよび出射窓16cによって電磁シールドすることができる。したがって、光源16の発光素子16bの作動に伴って発生する雑音電界(ノイズ)の放出(放射)を防止することができ、光検出部2の受光器22による極微弱な反射光の検出に対する影響を大幅に低減することができる。これによっても、コントローラ3の制御部31は極めて正確に生体情報を計測(算出)することができる。
Further, in the biological information measuring device S, the
a.第1変形例
上記実施形態においては、光出射部1が2つの光発生装置10から構成され、各光発生装置10がそれぞれ1つの光源16を備えて、2つの特定波長を有する被変調光を出射するように実施した。この場合、1つのシールドケース16a内に複数の発光素子16bを収容し、1つの光源16から複数の特定波長を有する被変調光を出射するように実施することも可能である。具体的に例示して説明すると、例えば、1つの光源16から2つの特定波長を有する被変調光を出射する場合には、図11に示すように、シールドケース16a内に2つの発光素子16bを収容する。ここで、2つの発光素子16bを収容する場合には、図8に示すように、各発光素子16bに接続されるアノード電極16b1を共通の電極とし、各発光素子16bに接続されるカソード電極16b2はそれぞれ別個に接続するようにするとよい。なお、この場合においても、上記実施形態と同様に、シールドケース16aはシールド電極16a1を介して電気的に設置される。
a. First Modification In the above-described embodiment, the light emitting unit 1 includes two
このように、1つの光源16から複数の特定波長を有する被変調光を出射することにより、測定対象に応じて出射すべき被変調光の数(すなわち出射すべき特定波長の数)が増加させる必要がある場合であっても、光出射部1が有する光発生装置10の数を少なくすることができる。その結果、光出射部1自体を小型化することができ、測定部位(例えば、被験者の頭部T)に対して光出射部1を密に配置することができる。これにより、生体情報を計測する際の解像度を上げて計測精度を向上させることができ、より正確な生体情報を得ることができる。
Thus, by emitting modulated light having a plurality of specific wavelengths from one
b.第2変形例
上記実施形態においては、光検出部2における受光器22の入射窓22cを透明基材22c1と透明導電膜22c2とから構成して実施した。この場合、より反射光の検出精度を向上させるために、図12および図13に示すように、光学フィルタ22c3を設けて実施することも可能である。ここで、光学フィルタ22c3は、反射光の特定波長のみを透過させる光学的な特性を有するものであり、例えば、図12に示すカラーフィルタや、短波長の光を除去(カット)するカットフィルタ、あるいは、図13に示す異なる屈折率を有する誘電体層を積層した帯域透過フィルタなどを採用することができる。
b. Second Modification In the above embodiment, the
このように、受光器22の入射窓22cに光学フィルタ22c3を設けることにより、計測環境に存在する外光(例えば、照明の光など)が入射窓22cを介して受光素子22bに入射することを確実に遮断することができる。その結果、外光の入射に伴うノイズ(雑音)成分を除去することができて、反射光の光強度に対応する生体情報信号のS/N比を高めることができる。したがって、計測精度を向上させることができ、より正確な生体情報を得ることができる。
As described above, by providing the optical filter 22c3 on the
c.第3変形例
上記実施形態においては、光検出部2における受光器22の入射窓22cを、平板状の透明基材22c1と、この基材22c1の少なくとも一面側に形成された透明導電膜22c2とから構成して実施した。この場合、より反射光の検出精度を高めるために、図14に示すように、透明基材22c1をレンズ形状に形成し、このレンズ形状に形成した透明基材22c1の少なくとも一面側に透明導電膜22c2を形成して実施することも可能である。なお、図14においては、レンズ形状に形成した透明基材22c1の他面側に光学フィルタ22c3が形成されている。このように、受光器22の入射窓22cをレンズ形状とすることにより、効率よく極微弱な反射光を集光したり平行光化することができるため、受光素子22bに入射する反射光の光強度を高めることができる。その結果、反射光の光強度に対応する生体情報信号のS/N比を高めることができて計測精度を向上させることができ、より正確な生体情報を得ることができる。
c. Third Modification In the above-described embodiment, the
d.第4変形例
上記実施形態においては、光検出部2の受光器22がシールドケース22aを備えており、このシールドケース22a内に受光素子22bと増幅器23を一体的に収容して実施した。この場合、受光器22と増幅器23とを別体にして実施することも可能である。この場合、図15に示すように、電気的に互いに接続された受光器22と増幅器23とに対して影響を及ぼす外界の電磁波を遮断するために、光検出部2は、受光器22と増幅器23とを収容して電磁シールドする電磁シールドケース29を備えている。なお、この場合、受光器22の入射窓22cにおいては、透明導電膜22c2の形成を省略することができる。
d. Fourth Modification In the above embodiment, the
電磁シールドケース29は、本体部29aと入射窓29bを備えている。本体部29aは、外界の電磁波を遮断するために金属材料または導電性を有する樹脂材料から形成されて、増幅器23のグランド端子23cを介して接地されている。入射窓29bは、受光器22に対して反射光を光学的に透過するものであり、透明導電膜29b1、誘電体多層フィルタ29b2およびカバーガラス29b3とから構成される。透明導電膜29b1は、例えば、上述したITO,ZnO,NbOのバルク材料を薄片化して形成される。そして、透明導電膜29b1は、導電性を有する本体部29aに対して、例えば、導電性接着剤を介して電気的に接続されている。誘電多層フィルタ29b2は、異なる屈折率を有する誘電体層を積層した帯域透過フィルタであり、透明導電膜29b1上に積層される。カバーガラス29b3は、例えば、石英(コルツ)や光学的に透明な透明プラスチックなどから形成されて、誘電多層フィルタ29b2上に積層される。
The
このように、電磁シールドケース29を設け、このケース29内に受光器22および増幅器23を収容する場合であっても、上記実施形態と同様に、特定波長を有する反射光を受光器22が受光することができるとともに、外界からの電磁波を遮断することができる。また、このように電磁シールドケース29を設けることにより、受光器22として、一般に市場に提供されている汎用の受光器(フォトダイオードやアバランシェフォトダイオードなど)を採用することができるため、製造コストを低減することも可能となる。
Thus, even when the
本発明の実施にあたっては、上記実施形態および上記各変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。 In carrying out the present invention, the present invention is not limited to the above embodiment and each of the above modifications, and various modifications can be made without departing from the object of the present invention.
例えば、上記実施形態および各変形例においては、増幅器23を一体的に収容した受光器22を、生体中を伝播した極微弱な反射光を検出して電気的な検出信号を低インピーダンス化して出力する生体情報測定装置Sに適用して実施した。このように、増幅器23を一体的に収容した受光器22は、外界の電磁波を遮断して極微弱の光を精度よく検出して良好な検出信号を出力することができる。このため、増幅器23を一体的に収容した受光器22を他の計測対象や他の計測環境での計測に利用して、極微弱な光を検出することはもちろん可能である。
For example, in the above-described embodiment and each modified example, the
また、上記実施形態および各変形例においては、光が生体内を伝播することによって大きく減衰することおよび生体情報の計測解像度を高めることを考慮して、ベースバンド信号をスペクトラム拡散およびクロック周波数2fで変調した二次変調信号に基づいて各光発生装置10の光源16の発光タイミングを同時にして、光出射部1が被変調光を発光するように実施した。これに対して、計測対象や計測環境に応じて、各光発生装置10における光源16の発光タイミングを所定の短い時間間隔で異ならせて、近赤外光などの光をパルス発光するように実施することも可能である。
Further, in the above-described embodiment and each modified example, the baseband signal is spread with the spread spectrum and the clock frequency 2f in consideration of the fact that the light is greatly attenuated by propagating in the living body and the measurement resolution of the living body information is increased. Based on the modulated secondary modulation signal, the light emission timing of the
この場合、光出射部1においては、上記実施形態および各変形例における光出射部1の光発生装置10から拡散符号系列発生器11、第1乗算器12および第2乗算器14が省略されて、ベースバンド出力器13、光源ドライバ15および光源16から構成される。そして、コントローラ3の制御部31は、所定のタイミングによりベースバンド出力器13を作動させることにより、光源ドライバ15が光源16を駆動(発光)させる。
In this case, in the light emitting unit 1, the spread
また、この場合においては、光出射部1の変更に伴って、光検出部2も変更される。すなわち、光検出部2においては、上記実施形態および各変形例における光検出部2の第1乗算器26、第2乗算器27および累算器28が省略されて、受光器22、増幅器23、LPF24およびADコンバータ25から構成される。このように、光源16の発光タイミングを所定の短い時間間隔で異ならせて、近赤外光などの光をパルス発光するように実施した場合であっても、上記実施形態および各変形例と同様の効果が期待できる。
In this case, the
また、上記実施形態および各変形例においては、光出射部1がベースバンド信号をスペクトラム拡散およびクロック周波数2fで変調した二次変調信号を生成し、2つの被変調光が互いに干渉することなく出射されるように実施した。これに対して、ベースバンド出力器13からのベースバンド信号を周波数分割多重(Frequency Division Multiplexer:FDM)変調することによって変調信号を生成し、2つの被変調光の干渉を防止するように実施することも可能である。
In the embodiment and each modification, the light emitting unit 1 generates a secondary modulation signal obtained by modulating the baseband signal with spread spectrum and the clock frequency 2f, and the two modulated lights are emitted without interfering with each other. Was carried out. On the other hand, the baseband signal from the
この場合においては、上記実施形態および各変形例における光出射部1の拡散符号系列発生器11、第1乗算器12および第2乗算器14が省略されて、周波数分割多重変調器が設けられる。また、この場合においては、上記実施形態および各変形例における光検出部2の第1乗算器26、第2乗算器27および累算器28が省略されて、周波数分割多重復調器が設けられる。なお、周波数分割多重変調器および周波数分割多重復調器の作動については、従来から広く知られている方法を適用して変調処理および復調処理が実施可能であるため、その詳細な説明については省略する。そして、このように、周波数分割多重変調することによって変調信号を生成して被変調光を発光するように実施した場合であっても、上記実施形態および各変形例と同様の効果が期待できる。
In this case, the spread
また、上記実施形態および各変形例においては、光出射部1の光源16がスペクトラム拡散変調された二次変調信号に基づいて同時に発光するように実施した。しかし、スペクトラム拡散変調された二次変調信号に基づいて、光源ドライバ15が光源16を順次発光させるように実施可能であることはいうまでもない。
Moreover, in the said embodiment and each modification, it implemented so that the
さらに、上記実施形態および各変形例においては、生体内の血液の吸光特性を利用して、生体情報測定装置Sが被験者の脳内における酸素化ヘモグロビン濃度長変化ΔCoxyおよび還元ヘモグロビン濃度長変化ΔCdeoxyを生体情報として計測(算出)し、脳内の血流変化を観察するように実施した。しかしながら、光出射部1を構成する光発生装置10が発生する近赤外光の特定波長を適宜変更することにより、他の吸光特性、例えば、生体の密度、水分や、血中のグルコース濃度(血糖値)、脂質量、あるいは、脈拍などの変化に伴う吸光特性、例えば、酸素飽和度などを計測可能であることはいうまでもない。このように、他の吸光特性を利用する場合であっても、本発明に係る生体情報測定装置Sを用いることにより、生体情報をより正確に計測(算出)することができる。
Furthermore, in the above-described embodiment and each modification, the biological information measuring device S uses the light absorption characteristic of blood in the living body to calculate the oxygenated hemoglobin concentration length change ΔCoxy and the reduced hemoglobin concentration length change ΔCdeoxy in the subject's brain. Measurement (calculation) was performed as biological information, and blood flow changes in the brain were observed. However, by appropriately changing the specific wavelength of the near-infrared light generated by the
1…光出射部、10…光発生装置、11…拡散符号系列発生器、12…第1乗算器、13…ベースバンド出力器、14…第2乗算器、15…光源ドライバ、16…光源、2…光検出部、22…受光器、22a…シールドケース、22b…受光素子、22c…入射窓、22c1…透明基材、22c2…透明導電膜、23…増幅器、23a…オペアンプ、24…LPF、25…ADコンバータ、26…第1乗算器、27…第2乗算器、28…累算器、29…電磁シールドケース、3…コントローラ、31…制御部、32…クロックジェネレータ、33…ディレイ、4…表示部、S…生体情報測定装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light emission part, 10 ... Light generator, 11 ... Spread code sequence generator, 12 ... 1st multiplier, 13 ... Baseband output device, 14 ... 2nd multiplier, 15 ... Light source driver, 16 ... Light source, DESCRIPTION OF
Claims (24)
導電性を有して接地された導電性ケースと、
検出する光の波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有して前記導電性ケースに電気的に接続されて光を入射する窓部と、
前記導電性ケース内に収容されて前記窓部から入射した光を受光して電気的な検出信号に変換する光電変換素子と、
前記導電性ケース内に収容されて前記光電変換素子から出力される電気的な検出信号を増幅するするとともに前記光電変換素子の出力インピーダンスよりも小さな出力インピーダンスにより前記増幅した電気的な検出信号を出力する増幅回路とを備えたことを特徴とする光検出装置。 A light detection device for detecting light,
A conductive case that is conductive and grounded;
A window portion that has optical transparency with respect to the wavelength of light to be detected and has electrical conductivity, is electrically connected to the conductive case, and receives light;
A photoelectric conversion element that is received in the conductive case and receives light incident from the window and converts it into an electrical detection signal;
The electrical detection signal received in the conductive case and output from the photoelectric conversion element is amplified, and the amplified electrical detection signal is output with an output impedance smaller than the output impedance of the photoelectric conversion element. An optical detection device comprising:
前記窓部を、
検出する光の波長に対する光学的透過性を有する透明基材と、
この透明基材の少なくとも一面側に積層されて、測定する波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有する透明導電膜とで構成したことを特徴とする光検出装置。 The photodetection device according to claim 1,
The window portion,
A transparent substrate having optical transparency for the wavelength of the light to be detected;
A photodetecting device comprising: a transparent conductive film which is laminated on at least one surface side of the transparent base material and has optical transparency with respect to a wavelength to be measured and electrical conductivity.
前記透明導電膜を、
検出する光の波長を選択的に透過させる帯域透過性を有する少なくとも1層以上の誘電体膜と併せて、前記透明基材の少なくとも一面側に積層したことを特徴とする光検出装置。 The photodetection device according to claim 2,
The transparent conductive film,
A photodetecting device, wherein the transparent base material is laminated on at least one surface side together with at least one dielectric layer having a band transmission property that selectively transmits a wavelength of light to be detected.
前記窓部を構成する透明導電膜は、
イットリウム−錫酸化物(ITO),亜鉛酸化物(ZnO)またはニオブ酸化物(NbO)を主成分として形成されることを特徴とする光検出装置。 The photodetection device according to claim 2,
The transparent conductive film constituting the window is
A photodetection device comprising yttrium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO) or niobium oxide (NbO) as a main component.
前記増幅回路は、
入力インピーダンスの大きなオペアンプを備えていることを特徴とする光検出装置。 The photodetection device according to claim 1,
The amplifier circuit is
An optical detection device comprising an operational amplifier having a large input impedance.
前記光電変換素子は、
フォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする光検出装置。 The photodetection device according to claim 1,
The photoelectric conversion element is
A photodetection device which is a photodiode or an avalanche photodiode.
少なくとも2つの光源を有していて、所定の駆動信号に基づいて前記光源を発光させて異なる特定波長を有する近赤外光を生体内部に出射する光出射部と、
導電性を有して接地された導電性ケースと、前記光出射部から出射される特定波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有して前記導電性ケースに電気的に接続されて光を入射する窓部と、前記導電性ケース内に収容されて前記窓部から入射した光を受光して電気的な検出信号に変換する光電変換素子と、前記導電性ケース内に収容されて前記光電変換素子から出力される電気的な検出信号を増幅するするとともに前記光電変換素子の出力インピーダンスよりも小さな出力インピーダンスにより前記増幅した電気的な検出信号を出力する増幅回路とを備えて、前記光出射部から出射されて生体内部を伝播した近赤外光を受光して検出するとともに同検出した近赤外光の光強度に対応して生体の代謝に関連する電気的な検出信号を出力する光検出部と、
前記光出射部と前記光検出部の作動を統括的に制御し、前記光検出部から出力された電気的な検出信号に基づいて生体情報を算出する制御部とを備えたことを特徴とする生体情報測定装置。 In a biological information measuring device that detects light propagating through a living body and measures biological information of the detected light,
A light emitting unit that has at least two light sources, emits the light sources based on a predetermined drive signal, and emits near-infrared light having different specific wavelengths into the living body;
A conductive case that is electrically conductive and grounded, and has optical transparency with respect to a specific wavelength emitted from the light emitting part and has electrical conductivity and is electrically connected to the conductive case. A window portion for receiving light, a photoelectric conversion element that is received in the conductive case and receives light incident from the window portion and converts it into an electrical detection signal, and is received in the conductive case. An amplification circuit for amplifying an electrical detection signal output from the photoelectric conversion element and outputting the amplified electrical detection signal with an output impedance smaller than an output impedance of the photoelectric conversion element, An electrical detection signal related to the metabolism of the living body corresponding to the light intensity of the near-infrared light detected and received from near-infrared light emitted from the light emitting part and propagated inside the living body A light detection unit for outputting,
A control unit that controls the operations of the light emitting unit and the light detection unit in an integrated manner and calculates biological information based on an electrical detection signal output from the light detection unit. Biological information measuring device.
前記窓部を、
前記特定波長に対する光学的透過性を有する透明基材と、
この透明基材の少なくとも一面側に積層されて、前記特定波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有する透明導電膜とで構成したことを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 7,
The window portion,
A transparent substrate having optical transparency for the specific wavelength;
A biological information measuring device, comprising: a transparent conductive film which is laminated on at least one surface side of the transparent substrate and has optical transparency with respect to the specific wavelength and electrical conductivity.
前記透明導電膜を、
前記特定波長を選択的に透過させる帯域透過性を有する少なくとも1層以上の誘電体膜と併せて、前記透明基材の少なくとも一面側に積層したことを特徴とする生体情報測定装置。 In the biological information measuring device according to claim 8,
The transparent conductive film,
A biological information measuring device, wherein the transparent substrate is laminated on at least one surface side together with at least one dielectric film having band transmission property that selectively transmits the specific wavelength.
前記窓部を構成する透明導電膜は、
イットリウム−錫酸化物(ITO),亜鉛酸化物(ZnO)またはニオブ酸化物(NbO)を主成分として形成されることを特徴とする生体情報測定装置。 In the biological information measuring device according to claim 8,
The transparent conductive film constituting the window is
A biological information measuring device formed of yttrium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO) or niobium oxide (NbO) as a main component.
前記増幅回路は、
入力インピーダンスの大きなオペアンプを備えていることを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 7,
The amplifier circuit is
A biological information measuring device comprising an operational amplifier having a large input impedance.
前記光電変換素子は、
フォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 7,
The photoelectric conversion element is
A biological information measuring device which is a photodiode or an avalanche photodiode.
前記光源が、
導電性を有して接地された導電性ケースと、
前記特定波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有して前記導電性ケースに電気的に接続されて光を透過する窓部と、
前記導電性ケース内に収容されて前記窓部から前記特定波長を有する近赤外光を出射する発光素子とを有することを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 7,
The light source is
A conductive case that is conductive and grounded;
A window portion having optical transparency with respect to the specific wavelength and having electrical conductivity and electrically connected to the conductive case and transmitting light;
A biological information measuring device comprising: a light emitting element housed in the conductive case and emitting near infrared light having the specific wavelength from the window portion.
前記導電性ケース内に前記発光素子を複数収容したことを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 13,
A biological information measuring apparatus comprising a plurality of the light emitting elements accommodated in the conductive case.
前記窓部を、
前記特定波長に対する光学的透過性を有する透明基材と、
この透明基材の少なくとも一面側に積層されて、前記特定波長に対する光学的透過性を有するとともに電気伝導性を有する透明導電膜とで構成したことを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 13,
The window portion,
A transparent substrate having optical transparency for the specific wavelength;
A biological information measuring device, comprising: a transparent conductive film which is laminated on at least one surface side of the transparent substrate and has optical transparency with respect to the specific wavelength and electrical conductivity.
前記窓部を構成する透明導電膜は、
イットリウム−錫酸化物(ITO),亜鉛酸化物(ZnO)またはニオブ酸化物(NbO)を主成分として形成されることを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 15,
The transparent conductive film constituting the window is
A biological information measuring device formed of yttrium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO) or niobium oxide (NbO) as a main component.
前記発光素子は、
半導体レーザまたは発光ダイオードであることを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 13,
The light emitting element is
A biological information measuring device characterized by being a semiconductor laser or a light emitting diode.
前記制御部が算出する前記生体情報は、
前記生体の血管中における酸素と結合した酸素化ヘモグロビン濃度長変化および酸素と結合していない還元ヘモグロビン濃度長変化を表す情報であることを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 7,
The biological information calculated by the control unit is:
The biological information measuring apparatus, which is information representing a change in oxygenated hemoglobin concentration length combined with oxygen in a blood vessel of the living body and a change in reduced hemoglobin concentration length not combined with oxygen.
前記光出射部は、生体の頭部に前記特定波長を有する近赤外光を出射し、
前記光検出部は、前記生体の頭部を伝播した近赤外光を受光して前記電気的な検出信号を出力し、
前記制御部は、前記生体の脳内における活動に関する生体情報を算出することを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 7,
The light emitting unit emits near infrared light having the specific wavelength to the head of a living body,
The light detection unit receives near infrared light propagated through the head of the living body and outputs the electrical detection signal,
The living body information measuring device, wherein the control part calculates living body information about activity in the brain of the living body.
前記光出射部は、
前記所定の駆動信号をスペクトラム拡散変調するスペクトラム拡散変調手段を有し、
前記光検出部は、
前記電気的な検出信号をスペクトラム逆拡散して復調する復調手段を有することを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 7,
The light emitting part is
Spread spectrum modulation means for performing spread spectrum modulation on the predetermined drive signal;
The light detection unit is
A biological information measuring apparatus comprising demodulating means for demodulating the electrical detection signal by despreading the spectrum.
前記光出射部のスペクトラム拡散変調手段は、
前記所定の駆動信号をスペクトラム拡散変調するための拡散符号系列を第1の周波数により生成する拡散符号系列生成手段と、同拡散符号系列生成手段によって生成された拡散符号系列を用いて前記所定の駆動信号をスペクトラム拡散して一次変調信号を出力する第1変調手段と、前記第1の周波数の2倍となる第2の周波数を用いて前記第1変調手段によって出力された一次変調信号を変調して二次変調信号を出力する第2変調手段とを有し、
前記光検出部の復調手段は、
前記電気的な検出信号の信号帯域のうち、直流および直流近傍の周波数における信号成分および前記第2の周波数以上の信号成分を除去して出力する信号成分除去手段と、前記近赤外光が前記生体内を伝播することに伴う遅延を加味した前記第2の周波数の2倍となる第3の周波数を用いて前記信号成分除去手段によって出力された電気的な検出信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記近赤外光を前記生体内で伝播させることに伴う遅延を加味した前記第2の周波数を用いて前記信号変換手段によって変換されたデジタル信号を復調して一次復調信号を出力する第1復調手段と、前記近赤外光を前記生体内で伝播させることに伴う遅延を加味した前記拡散符号系列を用いて前記一次復調信号をスペクトラム逆拡散して二次復調信号を出力する第2復調手段とを有することを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 20,
Spread spectrum modulation means of the light emitting part,
A spread code sequence generating means for generating a spread code sequence for performing spread spectrum modulation on the predetermined drive signal with a first frequency, and the predetermined drive using the spread code sequence generated by the spread code sequence generating means The primary modulation signal output by the first modulation means is modulated using a first modulation means for spectrum-spreading the signal and outputting a primary modulation signal, and a second frequency that is twice the first frequency. And second modulation means for outputting a secondary modulation signal.
The demodulating means of the light detection unit is
Of the signal band of the electrical detection signal, signal component removing means for removing and outputting a signal component at a frequency near DC and a frequency near DC and a signal component at or above the second frequency, and the near infrared light A signal for converting the electrical detection signal output by the signal component removing means into a digital signal using a third frequency that is twice the second frequency, taking into account the delay associated with propagation in the living body. A primary demodulated signal is output by demodulating the digital signal converted by the signal converting means using the second frequency taking into account the delay associated with the propagation of the near-infrared light in the living body. The first demodulated signal and the spread code sequence taking into account the delay associated with the propagation of the near-infrared light in the living body to despread the primary demodulated signal to obtain a secondary demodulated signal. The biological information measuring apparatus characterized by a second demodulating means for outputting.
前記第2の周波数を、前記光検出部が前記生体内を伝播した近赤外光を有効に検出可能な有効検出帯域幅と一致させたことを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 21,
The biological information measuring apparatus according to claim 1, wherein the second frequency is matched with an effective detection bandwidth in which the light detection unit can effectively detect near-infrared light propagating in the living body.
前記光出射部は、
所定の時間間隔を有して供給される前記所定の駆動信号を取得し、前記各光源が前記取得した所定の駆動信号に基づいて順次発光して、異なる特定波長を有する近赤外光を前記所定の時間間隔を有して順次出射することを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 7,
The light emitting part is
The predetermined drive signal supplied with a predetermined time interval is acquired, the light sources sequentially emit light based on the acquired predetermined drive signal, and near infrared light having a different specific wavelength is obtained. A biological information measuring device which emits sequentially with a predetermined time interval.
前記光出射部は、
前記所定の駆動信号を周波数分割多重変調して変調信号を生成する周波数分割多重変調手段を有し、
前記光検出部は、
前記電気的な検出信号を周波数分割多重復調する復調手段を有することを特徴とする生体情報測定装置。 The biological information measuring device according to claim 7,
The light emitting part is
Frequency division multiplexing modulation means for generating a modulation signal by frequency division multiplexing modulation of the predetermined drive signal;
The light detection unit is
A biological information measuring apparatus comprising demodulating means for frequency-division multiplex demodulating the electrical detection signal.
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