(57)【要約】  本発明の生体光計測装置は、所定の波長の光を出射する複数の発光素子からの放熱の温度を検出する一の温度センサと、前記複数の発光素子の出射光ごとに予め求めておいた温度と、前記温度に伴って変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、前記温度センサによって検出された放熱の温度に基づき被検体内の注目物質の吸光係数値を補正する吸光係数補正部と、を備える。
2012066930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の光を出射する複数の発光素子と、
前記複数の発光素子の光を被検体に導いて照射する光伝搬部と、
前記被検体の複数の測定点における通過光強度を計測する光計測部と、
前記光計測部からの計測データと前記被検体内の注目物質の吸光係数値とを用いて前記注目物質の情報を算出する演算部と、を備えた生体光計測装置において、
前記複数の発光素子からの放熱の温度を検出する一の温度センサと、
前記複数の発光素子の出射光ごとに予め求めておいた温度と、前記温度に伴って変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、前記温度センサによって検出された放熱の温度に基づき前記吸光係数値を補正する吸光係数補正部と、を備えたことを特徴とする生体光計測装置。
【請求項２】
請求項1に記載の生体光計測装置において、前記対応関係を示すデータは、前記温度と前記複数の発光素子のそれぞれの温度との対応関係を示す第1データと、前記複数の発光素子のそれぞれについて温度と発振波長との対応関係を示す第2データと、前記注目物質への照射波長と前記吸光係数値との対応関係を示す第3データとを含むことを特徴とする生体光計測装置。
【請求項３】
請求項2に記載の生体光計測装置において、前記吸光係数補正部は、前記第1、第2および第3データを順次参照することにより、前記温度センサによって検出された放熱の温度から、前記複数の発光素子の温度をそれぞれ求め、前記複数の発光素子の温度に対応する発振波長をそれぞれ求め、求めた前記発振波長から前記吸光係数値を、前記発光素子ごとに求めることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項４】
請求項1に記載の生体光計測装置において、前記光計測部によって通過光強度を計測している最中に、パラメータが予め定めた変動幅よりも大きく変動した場合、警報を発する警報発令部をさらに有することを特徴とする生体光計測装置。
【請求項５】
請求項4に記載の生体光計測装置において、前記パラメータは、前記温度センサによって検出された放熱の温度であることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項６】
請求項4に記載の生体光計測装置において、前記パラメータは、前記吸光係数値であることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項７】
請求項2に記載の生体光計測装置において、前記光計測部によって通過光強度を計測している最中に、前記複数の発光素子の発振波長のいずれかが予め定めた変動幅よりも大きく変動した場合、警報を発する警報発令部をさらに有することを特徴とする生体光計測装置。
【請求項８】
請求項1に記載の生体光計測装置は、前記光伝搬部が前記被検体に照射する光の強度が所定の強度となるように前記複数の発光素子の光出力を調整する光出力調整部と、
前記光出力に応じて、前記複数の発光素子ごとに対応する吸光係数値を補正する第2の吸光係数補正部と、を有し、
前記第2の吸光係数補正部は、前記複数の発光素子ごとに予め求めておいた、光出力と、前記発光素子の光出力変化に伴う波長変化によって変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、前記光出力に対応する前記吸光係数値を前記複数の発光素子ごとに求めることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項９】
複数の発光素子から所定の波長の光を被検体に照射する工程と、
前記被検体の複数の測定点における通過光強度を計測する工程と、
得られた計測データと、前記被検体内の注目物質の吸光係数値とを用いて前記注目物質の情報を算出する工程とを含む生体光計測装置の作動方法であって、
前記算出工程では、前記複数の発光素子ごとに予め求めておいた、前記発光素子の温度によって変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、計測データ取得時に計測した温度に対応する吸光係数値を前記複数の発光素子ごとに補正し、補正した吸光係数値を用いて前記注目物質の情報の算出を行うことを特徴とする生体光計測装置の作動方法。
【請求項１０】
請求項9に記載の生体光計測装置の作動方法において、前記被検体に照射する光の強度を所定値にするために前記発光素子の光出力を調整する工程をさらに有し、
前記光出力を調整した場合、前記複数の発光素子ごとに予め求めておいた、光出力と、前記発光素子の光出力変化に伴う波長変化によって変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、前記光出力に対応する前記吸光係数値を前記複数の発光素子ごとに補正することを特徴とする生体光計測装置の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外光を生体に照射し、生体内部を通過或いは生体内部で反射した光を検出することにより、生体内部の血液循環、血行動態及びヘモグロビン(以下、Hbと略す)量変化を計測する生体光計測装置とその作動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体光計測装置は、近赤外光を生体に照射し、生体内部を通過或いは生体内部で反射した光を検出することにより、生体内部の血液循環、血行動態及びHb量変化を、簡便に、被検体に対し低拘束で、且つ、非侵襲に計測できる装置である。近年、多チャンネル装置により、生体の複数の測定領域から取得した測定データを画像化する技術が実現され、臨床への応用が期待されている。【０００３】
生体光計測装置では、近赤外光を発光させるために半導体レーザ(以下、LDと略す)を使用している。LDは電気特性(閾値電流、駆動電圧等)や光学特性(光出力、波長等)に温度依存性があることが知られている。【０００４】
生体光計測装置では、一定出力の近赤外光を生体に照射し、生体内部を通過・反射した光と血中Hbの吸光係数値とよりHb量変化を算出している。血中Hbの吸光係数値は、近赤外光の波長値によって変化する。このため、LDの温度変化により電気特性及び光学特性が変化してしまうと近赤外光の波長値が変化し、Hbの吸光係数値も変化するのでHb量変化の検出に影響を及ぼす。【０００５】
そこで、特許文献1には、LDの駆動電流に応じて駆動電圧を制御して、LDの波長を安定させる技術が開示されている。特許文献2には、ペルチェ素子を用いてLDの温度補正することにより波長変動を少なくすることが開示されている。【０００６】
特許文献3には、酸素モニター等の光学測定装置において、酸素化ヘモグロビンや脱酸素化ヘモグロビンの濃度を求める演算処理の際に、LDの温度変化に応じてヘモグロビンの吸光係数値等のパラメータを補正することにより、LDの温度変化による波長変化を補正する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2006-114774号公報
【特許文献２】特開2008-235683号公報
【特許文献３】特開2000-193585号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
生体光計測装置では、被検体内の多数の測定領域に一度に光を照射するため、筺体内には多数のLD(例えば16〜80個)が配置されている。LDの温度は、筺体内のLDの配置位置によって分布を生じる。このため、上記特許文献1、2の技術でLDの波長値を安定させようとすると、LDごとに駆動電圧を制御する回路や、ペルチェ素子が必要になり、回路規模や装置規模が増大し、消費電力も増加してしまう。【０００９】
また、上記特許文献3のようにLDの温度を検出して演算時の吸光係数値等のパラメータを補正する方法を生体光計測装置に適用しようとすると、生体光計測装置の多数のLDにそれぞれ温度検出素子を配置する必要があり、しかも、検出した温度に応じてLDごとに演算時のパラメータを補正しなければならず、装置が複雑になるとともに、演算処理も煩雑になる。【００１０】
本発明の目的は、半導体レーザの波長の変化を補正した測定結果を簡便に得ることが可能な生体光計測装置とその作動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、所定の波長の光を出射する複数の発光素子からの放熱の温度を検出する一の温度センサと、前記複数の発光素子の出射光ごとに予め求めておいた温度と、前記温度に伴って変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、前記温度センサによって検出された放熱の温度に基づき被検体内の注目物質の吸光係数値を補正する吸光係数補正部と、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体レーザの波長の変化を補正した測定結果を簡便に得ることが可能な生体光計測装置とその作動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第1の実施形態の生体光計測装置の構成を示すブロック図。
【図２】オキシHbおよびデオキシHbについての照射波長と吸光係数値の対応関係を示すグラフ。
【図３】図1の生体光計測装置の筐体の側面パネルおよび背面パネルを取り外した外観を示す(a)側面図、(b)背面図。
【図４】図1の生体光計測装置の筐体の背面図と、その一部拡大図。
【図５】第1の実施形態の装置において、排気温に応じて吸光係数値を補正する動作を示すフローチャート。
【図６】第1の実施形態において、排気温と各LD温度との対応関係を示すグラフ。
【図７】第1の実施形態において、LD温度と発振波長との対応関係を示すグラフ。
【図８】第1の実施形態で求めた各LDの発振波長を示すテーブル。
【図９】第1の実施形態の生体光計測装置の全体の動作を示すフローチャート。
【図１０】第2の実施形態において、LDの光出力によって発振波長が変化することを示すグラフ。
【図１１】第2および第3の実施形態において、LDの光出力とLD温度と発振波長との対応関係を示すグラフ。
【図１２】第2および第3の実施形態において、LDへの注入電流(駆動電流)と光出力との対応関係を示すグラフ。
【図１３】第3の実施形態の生体光計測装置のメンテナンス時の構成を説明するブロック図。
【図１４】第3の実施形態において、メンテナンス時の吸光係数値の補正動作を説明するフローチャート。
【図１５】第3の実施形態で求めた各LDの発振波長を示すテーブル。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態の生体光計測装置について説明する。
【００１５】
＜第1の実施形態＞
本発明の生体光計測装置は、2波長の近赤外光を重畳させ、生体の表面近傍の測定部位に照射し、測定部位の反射光および計測点の通過光(以下、単に通過光という)の強度を検出した後、演算処理によって測定部位の血液循環、血行動態及びHb量変化を求める。
【００１６】
この生体光計測装置は、図1に示すように、近赤外光を照射する光源部10、測定部位の通過光を計測し、電気信号に変換する光計測部12、光源部10及び光計測部12の駆動を制御する制御部14、信号処理部34、表示部36、入出力部40、LD温度検出部42、記憶部38、比較部43、吸光係数補正部44、および、サーミスタ等の温度を電機信号に変換して出力する温度センサ45を備えている。
【００１７】
光源部10は、所定の第1波長(例えば695nm)の光を放射する複数の半導体レーザA(以下LDAと略す)16と、第1波長とは異なる第2波長(例えば830nm)の光を放射する複数の半導体レーザB(以下LDBと略す)17と、LDA16およびLDB17にそれぞれ接続された光モジュール18と、複数の照射用光ファイバ20とを備えている。
【００１８】
光モジュール18は、それぞれLDA16およびLDB17に駆動電流を供給する。また、1つのLDA16と1つのLDB17を一組とし、LDA16およびLDB17の駆動電流を変調し、各組ごとに出力レーザ光の強度を所定の異なる周波数で変調させる。
【００１９】
一組のLDA16とLDB17の出射光は、同一の光ファイバ20の入射端に入射されることにより重畳され、照射用光ファイバ20を伝搬する。各組の照射用光ファイバ20の出射端は、所定の配列でプローブホルダ23に固定される。プローブホルダ23は被検体22に取り付けられており、照射用光ファイバ20の出射端を被検体の測定部位(例えば頭部)内の複数の計測点近傍の照射位置に配置する。これにより、所定の周波数で変調され、重畳された2波長のレーザ光が、被検体22の計測点に対して照射される。
【００２０】
図1では、LDA16およびLDB17のすべてを図示していないが、実際の生体光計測装置には、合計16個〜80個のLDA16およびLDB17が搭載されている。
【００２１】
LDA16およびLDB17の光の波長は、生体内の注目物質の分光特性に応じて選択する。デオキシHbとオキシHbの濃度から酸素飽和度や血液量を計測する場合には、600nm〜1400nmの波長範囲の光の中から1あるいは複数波長選択して用いる。
【００２２】
光計測部12は、複数の検出用光ファイバ26と、フォトダイオード等の複数の光電変換素子28と、ロックインアンプ30と、A/D変換器32とを備えている。複数の検出用光ファイバ26の数は、照射用光ファイバ20の数に対して、同数以上である。検出用光ファイバ26の入射端は、プローブホルダ23に所定の配列で固定されており、被検体の測定部位内の複数の計測点近傍の検出位置に配置される。照射用光ファイバ20から照射され、被検体の表面近傍を通過した光は、検出用光ファイバ26の入射端に入射する。
【００２３】
したがって、照射用光ファイバ20の出射端と、検出用光ファイバ26の入射端との間の領域が計測点になる。
【００２４】
検出用光ファイバ26に入射した光は、光電変換素子28まで検出用光ファイバ26によって伝搬され、光電変換素子28によって検出される。ロックインアンプモジュール30は、光電変換素子28の出力する電気信号からLDA16とLDB17の組ごとの周波数変調信号を選択的に検出することにより、計測点に対応した周波数変調信号を選択的に検出する。これにより、光照射位置と検出位置との間の領域(計測点)ごとにLDA16の波長とLDB17の波長の検出信号が得られる。すなわち、計測点の数の2倍のチャンネル数の検出信号が得られる。A/D変換器32は、ロックインアンプ30の出力信号をデジタル信号に変換する。図1では、光電変換素子28の全てを記載していないが、実際の装置では、光ファイバ26と同数の光電変換素子28が搭載されている。
【００２５】
信号処理部34は、A/D変換器32の出力を処理し、生体内の注目物質の濃度変化等を算出し、算出結果をチャンネル毎に示すグラフやそれを被検体の二次元画像上にプロットした画像を作成する。本実施形態では、695nmのレーザ光と、830nmのレーザ光を用いて、オキシヘモグロビン(オキシHb)濃度変化、デオキシヘモグロビン(デオキシHb)濃度変化、全ヘモグロビン(全Hb)濃度変化を算出する。表示部36は、信号処理部34の処理結果を表示する。記憶部38は、信号処理部34の処理に必要なデータや処理結果を記憶する。入出力部40は、装置の動作に必要な種々の指令の入力を操作者から受け付ける。制御部14は、光の照射および検出、信号処理および表示の際の各部の制御を行う。
【００２６】
つぎに、信号処理部34が演算処理によりオキシHb濃度変化、デオキシHb濃度変化、および、全Hb濃度変化をModified Lambert-Beerの法則により算出する方法について説明する。
【００２７】
血液中に、波長λの光を入射したときのオキシHb濃度変化およびデオキシHb濃度と、光量変化との関係式は、下式(1)で表すことができる。下式(1)においては、吸光度の変化をΔA(λ)、変化前後の光量(検出光量)をそれぞれIbase(λ)、Iact(λ)、オキシHbおよびデオキシHbの吸光係数値をそれぞれεo(λ)、εd(λ)、オキシHb量変化およびデオキシHb量変化をそれぞれΔ(CoL)、Δ(CdL)とし、光路長Lは一定、散逸項は無視できるほど小さいと仮定している。
【００２８】
【数１】
2012066930.tif 000003
上式(1)で、オキシHbおよびデオキシHbの吸光係数値εo(λ)およびεd(λ)は、図2に示すように照射波長に対する変化が既知であるので、照射波長が決定すれば既知となる。よって、上式(1)において、未知数はΔ(CoL)、Δ(CdL)の2つであるので、異なる2波長以上の光(λ1、λ2)を用いることにより、下記の連立方程式(2a)、(2b)よりオキシHb量変化Δ(CoL)およびデオキシHb量変化Δ(CdL)を算出することができる。
【００２９】
【数２】
2012066930.tif 000004
具体的には、信号処理部34は、各計測点について、光計測部12が検出したLDA16の波長光(λ1)の検出信号Ibase(λ1)、Iact(λ1)およびLDB17の波長光(λ2)の検出信号Ibase(λ2)、Iact(λ2)と、予め図2から求めておいたオキシHbおよびデオキシHbの吸光係数値εo(λ1)、εd(λ1)およびεo(λ2)、εd(λ2)と、上記式(2a)、(2b)とを用いて、オキシHb量変化Δ(CoL)およびデオキシHb量変化Δ(CdL)を算出する。
【００３０】
一方、LDA16およびLDB17は、温度変化や光出力変化が生じるとモード・ホップ現象が生じ、波長λ1、λ2が変化する。波長λ1、λ2が変化すると、図2から明らかなように吸光係数値εo(λ1)、εd(λ1)およびεo(λ2)、εd(λ2)の値が変化するため、信号処理部34が演算に用いる吸光係数値を補正しなければ、算出されるオキシHb変化量およびデオキシHb変化量にズレが生じる。特に、使用している波長(例えば、波長695nm)によっては、各Hbの吸光係数値の傾斜が大きいため、波長補正を行わなければ精度よくオキシHb変化量およびデオキシHb変化量を算出することが困難になる。
【００３１】
生体光計測装置は、小型で簡便に、かつ、被検体に対し低拘束で害を与えずにHb量変化等を計測できる装置であるため、熱帯地方から寒冷地方まで世界各地の病院等で容易に使用でき、冷房や暖房等の温度調節設備が配置されていない施設や部屋での使用も想定される。このため、生体光計測装置の使用温度の幅は非常に広く、零下から40℃以上まで想定される。生体光計測装置の使用温度の変化に伴い、LDA16およびLDB17の温度変化が生じる。
【００３２】
生体光計測装置の外観を図3(a)、図3(b)、図4に示す。なお、図3(a)，(b)は、筺体50の背面パネルと側面パネルを一部開放して内部が見えるようにした側面部および背面図である。図3および図4のように、本装置は、光源部10、光計測部12および制御部14を収容する筺体50と、信号処理部34、記憶部38、および、吸光係数補正部44等の機能を実現するメモリ内蔵コンピュータ51とを備えている。このため筺体50内には、多数のLDA16およびLDB17と電子回路が実装された実装基板52が隣接して複数枚収容される。筺体50にはファン53と排気口54が設けられており、筺体50内の空気を排気口54から排気することにより、多数のLDA16およびLDB17等が発する熱を排気している。
【００３３】
排気口54やファン53と、LDA16およびLDB17との位置関係や、多数のLDA16およびLDB17の配列によって、LDA16およびLDB17の温度には分布が生じる。
【００３４】
本実施形態では、各LDA16およびLDB17の温度分布を考慮しながら、全てのLDA16およびLDB17からの放熱温度に応じてLDA16およびLDB17の温度を推定する。これにより、波長変動により生じる吸光係数値εo(λ1)、εd(λ1)および吸光係数値εo(λ2)、εd(λ2)を補正する。この補正は、比較部43、吸光係数補正部44、記憶部38、LD温度検出部42が、図5のフローのように動作することにより行う。
【００３５】
記憶部38には、
(1)予め定めたLDA16およびLDB17の特定温度(基準温度、例えば20℃)、
(2)図6のように、予め測定した温度センサ45の検出した全てのLDA16およびLDB17からの放熱温度と、個々のLDA16およびLDB17の温度との対応関係を示すデータ、
(3)図7のように、予め測定した個々のLDA16およびLDB17の温度とその発振波長との対応関係を示すデータ、
(4)図2のようにレーザ波長とオキシHbおよびデオキシHbの吸光係数値との対応関係を示すデータ
が予め格納されている。上記(2)〜(4)の対応関係を示すデータは図5、図7および図2のようにグラフの形で格納することも可能であるし、テーブルや関数の形で格納することも可能である。
【００３６】
上記(2)の一の温度センサ45の検出した温度と、個々のLDA16およびLDB17の温度との対応関係を示すデータは、個々のLDA16，LDB17に熱電対等の温度センサを取り付け、所定の出力(例えば30mW)で発振させ、かつ、温度変化しながら、温度センサ45の検出する排気温と個々のLDA16、LDB17の温度を測定することにより予め求めることができる(図6)。温度センサ45の取り付け位置は、予め定めた特定の位置、例えば図4のように筺体50の排気口54付近とする。これによって、温度センサ45は全てのLDA16およびLDB17の放熱温度によって外気温が上昇させられた排気温を(温度変化も含めて)測定することになる。また、放熱源はLD以外の例えばCPUなどが考えられる。ここで説明する放熱源は複数のLDのみとするため、LDと他の放熱源となり得るCPU等は筐体内部が遮熱材(アルミ材など)で仕切られて、複数のLDの排気にCPU等からの放熱はほとんど影響しないようになっている。
【００３７】
なお、上記のように、一の温度センサ45は複数のLDの排気の温度を測定するために排気口54に取り付けたが、複数のLDからの熱を伝わる放熱フィンに取り付けても排気口54に取り付けた場合と同等な効果がある。
【００３８】
また、図6では、排気温に対するLD温度がＮo．1〜Ｎo．8まで8個についてののみを図示しているが、実際にはすべてのLDについてデータを測定し、記憶部38に格納される。
図5のフローを用いて、吸光係数値の補正の動作を具体的に説明する。
【００３９】
(ステップ1)
まず、LD温度検出部42は、一の温度センサ45の出力から排気温を計測し、記憶部38に格納されている上記(2)の排気温と個々のLDA16、LDB17の温度との対応関係を示すデータ(図6)を参照することにより、個々のLDA16、LDB17の温度を求める。求めた温度は、記憶部38に格納する。
【００４０】
(ステップ2)
比較部43は、LD温度検出部42がステップ1で求めた個々のLDA16、LDB17の温度を、記憶部に格納されている上記(1)の特定の温度(基準温度)と比較し、温度差が、所定の値よりを大きいLDが1つでもある場合には、ステップ3，4により吸光係数値の補正を行い、全てのLDの温度差が所定値内の場合には、そのまま終了する。この所定の値としては、例えば±5℃とする。図7のように5℃の変化で波長が約1nm変化するので、±5℃程度までは許容範囲とできるためである。
【００４１】
(ステップ3)
上記ステップ2において、現在の温度が基準温度より±5℃以上のLDが1つでもある場合には、吸光係数補正部44は、記憶部38に格納されている上記(3)の個々のLDA16およびLDB17の温度とその発振波長との対応関係を示すデータ(図7)を参照し、現在の温度での発振波長を個々のLDA16およびLDB17について求める。
【００４２】
(ステップ4)
さらに吸光係数補正部44は、記憶部38に格納されている上記(4)のレーザ波長とオキシHbおよびデオキシHbの吸光係数値との対応関係を示すデータ(図2)を参照し、LDA16およびLDB17のそれぞれの現在の波長について、吸光係数値ε0、εdを求める。求めた吸光係数値は、制御部14を介して、信号処理部34に受け渡す。これにより、信号処理部34は、LDA16およびLDB17ごとに補正された吸光係数値を用いてオキシヘモグロビン(オキシHb)濃度変化、デオキシヘモグロビン(デオキシHb)濃度変化を算出することが可能になる。
【００４３】
(ステップ5)
吸光係数補正部44は、LDA16およびLDB17ごとに求めた現在の発振波長を記憶部に格納する。記憶部38は、図8に示すように、現在の発振波長と、ステップ1で格納されたLD温度のうち最も基準値との温度差が大きいLDの温度と、そのLD波長の初期値と現在値との差をテーブルとして格納する。図8のテーブルは、制御部14により表示部36に表示され、操作者に報知される。
【００４４】
次に、生体光計測装置の全体の動作について図9のフローを用いて説明する。この動作は、制御部14が各部の動作を制御することにより実現する。
【００４５】
(ステップ101)
まず、操作者が生体光計測装置のスイッチを投入したならば、制御部14は光源部10のLDA16およびLDB17を発振させて、所定の時間ウオーミングアップさせる。これにより、LDの動作を安定化させる。所定のウオーミングアップ時間が経過したならば、計測が可能であることを操作者に知らせる表示を表示部36に表示する。
【００４６】
(ステップ102)
制御部14は、操作者にプローブホルダ23を被検体22に装着するように促す表示を表示部36に表示する。これにより、操作者は、プローブホルダ23を被検体22の測定部位に装着する。
【００４７】
(ステップ103)
制御部14は、各種パラメータ値の設定や計測方法の選択を操作者から受け付ける画面を表示部36に表示して、操作者に設定を促す。操作者が入出力部40から設定値等を入力したならば制御部14はこれを受け付ける。
【００４８】
(ステップ104)
制御部14は、光計測部12の出力から、各計測点のLDA16の波長とLDB17の波長の検出信号を検出し、ゲイン調整を行う。すなわち、検出信号の強度が弱い計測点がある場合には、プローブホルダの位置調整を操作者に促したり、LDの光出力を調整し、所定の検出強度が得られるようゲイン調整することを操作者に促したりする。
【００４９】
(ステップ105)
つぎに、制御部14は、吸光係数値の補正を行う。吸光係数値の補正は、上述の図5のフローを実行することにより行う。これにより、生体光計測装置が配置されている温度およびLD温度によって変化するLDA16およびLDB17のそれぞれの現在の波長についての吸光係数値ε0、εdが求められ、信号処理部34に設定される。
【００５０】
(ステップ106)
制御部14は、光源部10から被検体22の測定部位に光を照射し、光計測部12により測定部位の各計測点の通過光を検出し、検出信号を取得する。この本計測の動作については、すでに述べた通りである。
【００５１】
(ステップ107、108)
制御部14は、本計測の途中において、所定の時間(例えば5分ごと)が経過した場合、または、温度センサ45が検出する排気温が本計測開始から所定の温度(例えば2℃)以上変動した場合には、図5のステップ1〜4を実行させる(ステップ107)。これにより、ステップ2で求めた各LDのいずれかの温度が所定の許容幅よりも変動している場合、または、ステップ3で求めた各LDのいずれかの発振波長が所定の許容幅より変動している場合、または、ステップ4で求めた吸光係数値が所定の許容幅よりも変動しているLDがある場合には、ステップ108により、温度変化により計測の精度が低下していることを操作者に報知する警報を表示部36に表示する。これにより、操作者は、計測を継続するか、停止するかの判断を行うことができる。
【００５２】
(ステップ109)
操作者は、入出力部40に計測の継続/停止を入力する。制御部14は、入出力部40の入力を受けて、継続の場合はステップ107に戻って本計測を継続し、停止の場合はステップ104に戻り、ゲイン調整を行う。
【００５３】
(ステップ110)
本計測が終了したならば、信号処理部34は、本計測で取得された検出信号と、ステップ105で設定された補正後の吸光係数値を用いてオキシHb量変化およびデオキシHb量変化等を算出する。この算出方法については、すでに説明した通りである。算出結果は、操作者が所望する表示方法の画像として生成し、表示部36に表示される。
【００５４】
上述してきたように、本実施形態の生体光計測装置は、吸光係数補正部44が温度センサ45の排気温の検出出力を用いて、複数の発光素子ごとに予め求めておいた排気温と発光素子の温度変化によって変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、温度センサ45の出力に対応する吸光係数値を複数の発光素子ごとに求めるため、前記複数の発光素子の発振波長のいずれかが排気温の変化により生じるLD温度の変化を、多数のLDごとに算出して、LDごとの波長を求め、吸光係数値ε0、εdを補正することができる。よって、排気温に大きな影響を与える外気温が異なる条件(例えば熱帯地方から寒冷地方まで)で使用する場合でも、精度よく生体内の情報を算出することができる。
【００５５】
なお、上記ステップ108では、警報を発するのみであるが、警報を発するのみならず、温度変化を低減するための対応を行う構成にすることも可能である。例えば、温度が上昇している場合には、ファン53の回転速度を高めてLDを冷却したり、温度が低下している場合には、予めLDの周囲に配置したヒータでLDを温めることが可能である。
【００５６】
また、本実施形態では、図5のステップ1〜4では、排気温→各LDの温度→各LDの波長→吸光係数値という3段階で排気温から吸光係数値を求めている。このような構成にしたことにより、LDを交換した場合にも、交換したLDについてのみ記憶部38に格納する上述(3)のLDの温度とその発振波長との対応関係を示すデータ温度(図7)を格納しなおせばよいため、LD交換に容易に対応することができる。
【００５７】
ただし、本実施形態は、3段階で排気温から吸光係数値を求める構成に限定されるものではない。LDごとに、排気温とLD波長との対応関係を予め求め、このデータを記憶部38に格納しておくことにより、排気温からLD波長を直接求め、LD波長から吸光係数値を求める2段階にすることができる。また、各LDごとに排気温と吸光係数値との対応関係を求めておくことにより、1段階で吸光係数値を求めることも可能である。
【００５８】
＜第2の実施形態＞
第1の実施形態の生体光計測装置において、図9のステップ104で光源部10の光ファイバ20に損傷等による伝搬効率低下の不具合があり、ゲイン調整のためにLDの光出力を調整した場合には、図10のようにLDの出力の変化によってモードホップ現象が生じ、波長が変化することがある。
【００５９】
そこで第2の実施形態では、ゲイン調整時にLDの光出力を調整した場合に、LDの出力変化に伴う波長変化に応じて吸光係数値を補正する機能を追加する。
【００６０】
具体的には、本実施形態では、予め図7のLD温度と発振波長との対応関係を示すデータに変えて、図11のように、LDの光出力ごとにLD温度と発振波長との対応関係を示すデータを記憶部38に格納しておく。これにより、図9のステップ104においてゲイン調整のためにLD光出力を調整した場合には、ステップ105の吸光係数値の補正の際に図5のステップ3で図11のデータを参照し、LDの出力に応じた発振波長を求めることができる。よって、LDの出力を調整した場合であっても精度よく、吸光係数値を補正することができる。
【００６１】
なお、LDの光出力は、図12のように、発光の閾値電流以上であれば、駆動電流に比例するため、光モジュール18からゲイン調整したLDに供給している駆動電流と、予め求めておいた図12のような光出力と駆動電流との対応関係とを用いて算出することができる。他の構成は、第1の実施形態と同様である。
【００６２】
ただし、第2の実施形態では、ゲイン調整のためにLDの光出力を調整しても、LDの温度が変化しないことを前提としている。LDの光出力の調整によって、LDの温度が変化する場合、図6の排気温と各LDの温度との対応関係を示すデータを、LDの光出力ごとに用意する必要があるためである。そこで、LD出力ごとに図6の排気温と各LDの温度との対応関係を示すデータを予め測定して、記憶部38に格納しておくことも可能である。図5のステップ1でこれを参照することにより、LDの光出力の調整によってLD温度が変化する場合であっても、第2の実施形態により吸光係数値を補正することが可能である。
【００６３】
＜第3の実施形態＞
第3の実施形態では、LDの光出力を調整による波長変化に対応して吸光係数値の補正をメンテナンス時に行うための機能を備えた生体光計測装置について説明する。
【００６４】
このメンテナンスは、照射用光ファイバ20の出射端から所定の光量が出射されていることを確認し、所定の光量が得られていない場合には、LDA16およびLDB17の光出力を調節するメンテナンスである。ただし、LDA16およびLDB17には損傷がない場合に行うものである。
【００６５】
本実施形態では、メンテナンス時に各LDの光出力の調整を行った場合、LDの波長変化が生じるのに対応して、吸光係数値を補正する機能を備えている。
【００６６】
具体的には、本実施形態の生体光計測装置は、図13に示すようにメンテナンス時に使用する光出力検出部62を備えている。他の構成は、第1の実施形態の装置と同様である。光出力検出部62、比較部43、吸光係数補正部44、記憶部38は、メンテナンス時に、図14のフローのように動作することにより、光出力に応じて吸光係数値を補正する。
【００６７】
メンテナンス時には、図13に示すように、光源10の照射用光ファイバ20の出射端に光センサ46を取り付け、光パワーメータ47で光量を測定する。また、全てのLDA16およびLDB17にそれぞれ熱電対41を接続し、その出力を制御部14が取り込む。
【００６８】
記憶部38には、
(1)予め定めたLDA16およびLDB17の所定の光出力(例えば30mW)、
(2)図12のように、予め測定した注入電流(駆動電流)と光出力との対応関係を示すデータ、
(3)図11のように、予め測定した個々のLDA16およびLDB17の光出力とその発振波長との対応関係を示すデータ、
(4)図2のようにレーザ波長とオキシHbおよびデオキシHbの吸光係数値との対応関係を示すデータ
を予め格納しておく。上記(2)〜(4)の対応関係を示すデータは図11、図12および図2のようにグラフの形で格納することも可能であるし、テーブルや関数の形で格納することも可能である。
【００６９】
図14のフローを用いて、メンテナンス時の吸光係数値の補正の動作を具体的に説明する。
(ステップ141)
光センサ46および光パワーメータ47を用いて照射用光ファイバ20の先端部の光出力を測定し、所定の値からずれている場合には、制御部14の制御により光モジュール18から、その照射用光ファイバ20が接続されているLDへの注入電流を調整して所定の光出力が得られるようにする。
【００７０】
(ステップ142)
制御部14は、ステップ141において光出力を調整する前後で、調節したLDに温度変化が生じたかどうか熱電対41で確認する。
【００７１】
(ステップ143)
ステップ141において温度変化が所定の温度(例えば±5℃)よりも大きい場合には、図5のステップ3〜5を行い、温度変化による波長変化を求め、吸光係数値を補正する。
【００７２】
(ステップ144)
上記ステップ141において、温度変化が所定の温度以下の場合、光出力検出部62は、調整したLDの調整前後の駆動電流を光モジュール18から取り込み、記憶部38の上記(2)の注入電流(駆動電流)と光出力との対応関係を示すデータ(図12)を参照することにより、光出力をそれぞれ求める。調整前後の光出力の差が、所定の値(例えば±10mW)よりも小さい場合には、許容範囲であるので吸光係数値の補正を行わず、終了する。光出力によるモードホップは温度変化よりもシビアではないため±10mW程度の許容を持たす。調整前後の光出力の差が所定の値以上である場合には、ステップ145に進む。
【００７３】
(ステップ145)
吸光係数補正部44は、光出力が所定値以上調整されたLDの調整後の光出力を光出力検出部62から受け取るとともに、調整後の当該LDの温度を熱電対41から制御部14を介して受け取る。そして、記憶部38に格納されている上記(3)の個々のLDA16およびLDB17の光出力と温度とその発振波長との対応関係を示すデータ(図11)を参照し、現在の発振波長を求める。
【００７４】
(ステップ146)
さらに吸光係数補正部44は、記憶部38に格納されている上記(4)のレーザ波長とオキシHbおよびデオキシHbの吸光係数値との対応関係を示すデータ(図2)を参照し、光出力を調整したLD現在の波長について、吸光係数値ε0、εdを求める。求めた吸光係数値は、制御部14を介して、信号処理部34に受け渡す。これにより、信号処理部34は、LDA16およびLDB17ごとに補正された吸光係数値を用いてオキシHb濃度変化、デオキシHb濃度変化を算出することが可能になる。
【００７５】
(ステップ147)
吸光係数補正部44は、求めた発振波長を記憶部38に格納する。記憶部38は、図15に示すように、現在の各LDの発振波長と、調整を行ったLDの調整後の光出力と、波長変動値(調整前後の波長差)がテーブルとして格納される。図15のテーブルは、制御部14により表示部36に表示され、操作者に報知される。
【００７６】
なお、本計測時の温度に応じた吸光係数値の補正等の動作は、第1の実施形態と同様に行うので、ここでは説明を省略する。
【００７７】
上述してきた第3の実施形態の生体光計測装置によれば、本計測時の温度に応じた吸光係数値の補正が可能であるのみならず、メンテナンス時に光出力を調整した場合においても吸光係数値の補正が可能になる。よって、現在の照射光の波長に精度よく対応した吸光係数値を用いて、オキシHb、デオキシHb等の生体情報を精度よく求めることができる。
【００７８】
なお、第3の実施形態において、ステップ142、143において光出力の調整により温度変化が生じたLDについては、通常計測時の温度変化により図5のフローで吸光係数値の補正を行う際に、図6の排気温とLDの温度との対応関係を示すデータを、光出力の調整後の温度に応じて用意する必要がある。そこで、LD出力ごとに図6の排気温と各LDの温度との対応関係を示すデータを予め測定して、記憶部38に格納しておくことも可能である。図5のステップ1でこれを参照することにより、LDの光出力の調整によってLD温度が変化する場合であっても、第3の実施形態により吸光係数値を補正することが可能である。
【符号の説明】
【００７９】
10  光源部、12  光計測部、14  制御部、16  半導体レーザ(LD)A、17  半導体レーザ(LD)B、18  光モジュール、20  照射用光ファイバ、22  被検体、23  プローブホルダ、26  検出用光ファイバ、28  光電変換素子、30  ロックインアンプ、32  A/D変換器、34  信号処理部、36  表示部、38  記憶部、40  入出力部、41  熱電対、42  LD温度検出部、43  比較部、44  吸光係数補正部、45  温度センサ、46  光センサ、47  光パワーメータ、62  光出力検出部。
【図１】
2012066930.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月2日(2013.10.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の光を出射する複数の発光素子と、
前記複数の発光素子の光を被検体に導いて照射する光伝搬部と、
前記被検体の複数の測定点における通過光強度を計測する光計測部と、
前記光計測部からの計測データと前記被検体内の注目物質の吸光係数値とを用いて前記注目物質の情報を算出する演算部と、を備えた生体光計測装置において、
前記複数の発光素子からの放熱の温度を検出する一の温度センサと、
前記複数の発光素子の出射光ごとに予め求めておいた温度と、前記温度に伴って変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、前記温度センサによって検出された放熱の温度に基づき前記吸光係数値を補正する吸光係数補正部と、を備えたことを特徴とする生体光計測装置。
【請求項２】
請求項1に記載の生体光計測装置において、前記対応関係を示すデータは、前記温度と前記複数の発光素子のそれぞれの温度との対応関係を示す第1データと、前記複数の発光素子のそれぞれについて温度と発振波長との対応関係を示す第2データと、前記注目物質への照射波長と前記吸光係数値との対応関係を示す第3データとを含むことを特徴とする生体光計測装置。
【請求項３】
請求項2に記載の生体光計測装置において、前記吸光係数補正部は、前記第1、第2および第3データを順次参照することにより、前記温度センサによって検出された放熱の温度から、前記複数の発光素子の温度をそれぞれ求め、前記複数の発光素子の温度に対応する発振波長をそれぞれ求め、求めた前記発振波長から前記吸光係数値を、前記発光素子ごとに求めることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項４】
請求項1に記載の生体光計測装置において、前記光計測部によって通過光強度を計測している最中に、パラメータが予め定めた変動幅よりも大きく変動した場合、警報を発する警報発令部をさらに有することを特徴とする生体光計測装置。
【請求項５】
請求項4に記載の生体光計測装置において、前記パラメータは、前記温度センサによって検出された放熱の温度であることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項６】
請求項4に記載の生体光計測装置において、前記パラメータは、前記吸光係数値であることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項７】
請求項2に記載の生体光計測装置において、前記光計測部によって通過光強度を計測している最中に、前記複数の発光素子の発振波長のいずれかが予め定めた変動幅よりも大きく変動した場合、警報を発する警報発令部をさらに有することを特徴とする生体光計測装置。
【請求項８】
請求項1に記載の生体光計測装置は、前記光伝搬部が前記被検体に照射する光の強度が所定の強度となるように前記複数の発光素子の光出力を調整する光出力調整部と、
前記光出力に応じて、前記複数の発光素子ごとに対応する吸光係数値を補正する第2の吸光係数補正部と、を有し、
前記第2の吸光係数補正部は、前記複数の発光素子ごとに予め求めておいた、光出力と、前記発光素子の光出力変化に伴う波長変化によって変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、前記光出力に対応する前記吸光係数値を前記複数の発光素子ごとに求めることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項９】
複数の発光素子から所定の波長の光を被検体に照射する工程と、
前記被検体の複数の測定点における通過光強度を計測する工程と、
得られた計測データと、前記被検体内の注目物質の吸光係数値とを用いて前記注目物質の情報を算出する算出工程とを含む生体光計測装置の作動方法であって、
前記算出工程では、前記複数の発光素子ごとに予め求めておいた温度と、前記発光素子の温度によって変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、計測データ取得時に計測した温度に対応する吸光係数値を前記複数の発光素子ごとに補正し、補正した吸光係数値を用いて前記注目物質の情報の算出を行うことを特徴とする生体光計測装置の作動方法。
【請求項１０】
請求項9に記載の生体光計測装置の作動方法において、前記被検体に照射する光の強度を所定値にするために前記発光素子の光出力を調整する工程をさらに有し、
前記光出力を調整した場合、前記複数の発光素子ごとに予め求めておいた、光出力と、前記発光素子の光出力変化に伴う波長変化によって変動する吸光係数値との対応関係を示すデータを参照して、前記光出力に対応する前記吸光係数値を前記複数の発光素子ごとに補正することを特徴とする生体光計測装置の作動方法。
【国際調査報告】
2012066930.tif 000020
2012066930.tif 000021
2012066930.tif 000022
2012066930.tif 000023