(57)【要約】【課題】被検部の内部における血流の情報を、より正確に取得する。【解決手段】  ある実施形態における計測装置は、各々が複数の光パルスを含む少なくとも１つの光パルス群を、対象物の被検部に対して出射する光源と、前記被検部から戻った、複数の反射光パルスを含む少なくとも１つの反射光パルス群の少なくとも一部を検出する光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、第１の期間内に、前記少なくとも１つの光パルス群を前記光源に出射させ、前記第１の期間内に、前記光検出器に、前記複数の反射光パルスにおける先頭の反射光パルスの少なくとも一部に含まれる光の成分である第１成分を検出させ、前記光検出器に、前記第１成分を示す第１の電気信号を出力させる。【選択図】図１Ａ
2019017992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が複数の光パルスを含む少なくとも１つの光パルス群を、対象物の被検部に対して出射する光源と、
前記被検部から戻った、複数の反射光パルスを含む少なくとも１つの反射光パルス群の少なくとも一部を検出する光検出器と、
前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
第１の期間内に、前記少なくとも１つの光パルス群を前記光源に出射させ、
前記第１の期間内に、前記光検出器に、前記複数の反射光パルスにおける先頭の反射光パルスの少なくとも一部に含まれる光の成分である第１成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第１成分を示す第１の電気信号を出力させる、
計測装置。
【請求項２】
前記制御回路は、さらに、
前記第１の期間内に、前記光検出器に、前記複数の反射光パルスにおける最後の反射光パルスの光パワが減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立下り期間において、前記最後の反射光パルスに含まれる光の成分である第２成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第２成分を示す第２の電気信号を出力させる、
請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記制御回路は、さらに、
前記第１の期間とは異なる第２の期間内に、前記光検出器に、前記複数の反射光パルスにおける最後の反射光パルスの光パワが減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立下り期間において、前記最後の反射光パルスに含まれる光の成分である第２成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第２成分を示す第２の電気信号を出力させる、
請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの光パルス群は、第1の光パルス群および第２の光パルス群を含み、
前記少なくとも１つの反射光パルス群は、第１の反射光パルス群および第２の反射光パルス群を含み、
前記第１の反射光パルス群は、複数の第１の反射光パルスを含み、
前記第２の反射光パルス群は、複数の第２の反射光パルスを含み、
前記制御回路は、
前記第１の期間内に、前記第1の光パルス群および前記第２の光パルス群を前記光源に出射させ、
前記第２の光パルス群は、前記第１の光パルス群とは異なるタイミングで出射され、
前記第１成分は、前記複数の第１の反射光パルスにおける先頭の第１の反射光パルスの少なくとも一部に含まれる光の成分であり、
前記制御回路は、さらに、
前記第１の期間内に、前記光検出器に、前記複数の第２の反射光パルスにおける最後の第２の反射光パルスの光パワが減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立下り期間において、前記最後の第２の反射光パルスに含まれる光の成分である第２成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第２成分を示す第２の電気信号を出力させる、
請求項１に記載の計測装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの光パルス群は、第1の光パルス群および第２の光パルス群を含み、
前記少なくとも１つの反射光パルス群は、第１の反射光パルス群および第２の反射光パルス群を含み、
前記第１の反射光パルス群は、複数の第１の反射光パルスを含み、
前記第２の反射光パルス群は、複数の第２の反射光パルスを含み、
前記制御回路は、
前記第１の期間内に、前記第1の光パルス群を前記光源に出射させ、
前記第１成分は、前記複数の第１の反射光パルスにおける先頭の第１の反射光パルスの少なくとも一部に含まれる光の成分であり、
前記制御回路は、さらに、
前記第１の期間とは異なる第２の期間内に、前記第２の光パルス群を前記光源に出射させ、
前記第２の期間内に、前記光検出器に、前記複数の第２の反射光パルスにおける最後の第２の反射光パルスの光パワが減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立下り期間において、前記最後の第２の反射光パルスに含まれる光の成分である第２成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第２成分を示す第２の電気信号を出力させる、
請求項１に記載の計測装置。
【請求項６】
前記第１の電気信号と、前記第２の電気信号とを用いた演算によって、前記被検部の血流情報を生成する信号処理回路をさらに備える、
請求項２から５のいずれかに記載の計測装置。
【請求項７】
前記第１の電気信号は、前記被検部の表面の血流情報を含み、
前記第２の電気信号は、前記被検部の前記表面および内部の血流情報を含み、
前記信号処理回路は、前記被検部の前記内部の血流情報を生成する、
請求項６に記載の計測装置。
【請求項８】
前記光検出器は、２次元的に配列された複数の光検出セルを含むイメージセンサであり、
前記複数の光検出セルの各々は、
前記第１成分を第１の信号電荷として蓄積し、
前記第２成分を第２の信号電荷として蓄積し、
蓄積された前記第１の信号電荷を示す電気信号を、前記第１の電気信号として出力し、
蓄積された前記第２の信号電荷を示す電気信号を、前記第２の電気信号として出力する、
請求項６または７に記載の計測装置。
【請求項９】
前記制御回路は、前記イメージセンサに、
第１期間に前記複数の光検出セルに蓄積された前記第１の信号電荷の総量の２次元分布である第１の画像を示す第１の画像信号と、
前記第１期間と同一のまたは異なる第２期間に前記複数の光検出セルに蓄積された前記第２の信号電荷の総量の２次元分布である第２の画像を示す第２の画像信号と、
前記第１期間よりも前の第３期間に前記複数の光検出セルに蓄積された前記第１の信号電荷の総量の２次元分布である第３の画像を示す第３の画像信号と、
前記第２期間よりも前の第４期間に前記複数の光検出セルに蓄積された前記第２の信号電荷の総量の２次元分布である第４の画像を示す第４の画像信号と、
を出力させ、
前記信号処理回路は、
前記第１から第４の画像信号を前記イメージセンサから受け取り、
前記第１の画像信号および前記第３の画像信号に基づき、前記第１の画像と、前記第３の画像との差分を示す第１の差分画像を生成し、
前記第２の画像信号および前記第４の画像信号に基づき、前記第２の画像と、前記第４の画像との差分を示す第２の差分画像を生成する、
請求項８に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記第１の差分画像において、前記第１の差分画像に含まれる複数の画素のうち、第１の閾値を超える画素値を有する複数の画素によって形成される領域を第１の領域とし、
前記第２の差分画像において、前記第２の差分画像に含まれる複数の画素のうち、第２の閾値を超える画素値を有する複数の画素によって形成される領域を第２の領域とし、
前記第１の領域のうち、前記第２の領域と重なる部分における平均画素値をＭ１とし、
前記第２の領域のうち、前記第１の領域と重なる部分における平均画素値をＭ２とするとき、
０．１≦Ｍ１／Ｍ２≦１０を満たす、
請求項９に記載の計測装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの光パルス群は、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長の複数の光パルスを含む第１の光パルス群と、８０５ｎｍより長く９５０ｎｍ以下の波長の複数の光パルスを含む第２の光パルス群とを含み、
前記制御回路は、前記光源に、前記第１の光パルス群と、前記第２の光パルス群とを交互に出射させる、
請求項１から１０のいずれかに記載の計測装置。
【請求項１２】
前記複数の光パルスの各々の時間幅は、０．５ナノ秒以上３．０ナノ秒未満である、
請求項１から１１のいずれかに記載の計測装置。
【請求項１３】
前記複数の光パルスの各々の時間幅は、０．５ナノ秒以上５．０ナノ秒以下である、
請求項１から１１のいずれかに記載の計測装置。
【請求項１４】
前記光源は、半導体レーザであり、
前記制御回路は、前記光源に、高周波成分が重畳された駆動電流を供給することにより、前記少なくとも１つの光パルス群を出射させる、
請求項１から１３のいずれかに記載の計測装置。
【請求項１５】
前記光源は、自励発振レーザである、
請求項１から１３のいずれかに記載の計測装置。
【請求項１６】
各々が複数の第１の光パルスを含む少なくとも１つの光パルス群、及び少なくとも１つ第２の光パルスを、対象物の被検部に対して出射する光源と、
前記被検部から戻った、複数の第１の反射光パルスを含む少なくとも１つの反射光パルス群の少なくとも一部、及び前記被検部から戻った少なくとも１つの第２の反射光パルスの少なくとも一部を検出する光検出器と、
前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
第１の期間内に、前記少なくとも１つの光パルス群を前記光源に出射させ、
前記第１の期間内に、前記光検出器に、前記少なくとも１つの反射光パルス群の前記少なくとも一部に含まれる光の成分である第１成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第１成分を示す第１の電気信号を出力させ、
前記第１の期間内または前記第１の期間とは異なる第２の期間内において、前記少なくとも１つの光パルス群が出射されるタイミングとは異なるタイミングで、前記少なくとも１つの第２の光パルスを前記光源に出射させ、
前記第１の期間内または前記第２の期間内に、前記光検出器に、前記少なくとも１つの第２の反射光パルスの光パワが減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立下り期間において、前記少なくとも１つの第２の反射光パルスに含まれる光の成分である第２成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第２成分を示す第２の電気信号を出力させる、計測装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの第２の光パルスの光パワは、前記複数の第１の光パルスの各々の光パワよりも大きい、
請求項１６に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の健康状態を判断するための基礎的なパラメータとして、心拍数、血流量、血圧および血中酸素飽和度などが、広く用いられている。
【０００３】
生体情報を取得するためには、近赤外線、すなわち約７００ｎｍから約２５００ｎｍの波長範囲の電磁波がよく用いられる。その中でも、例えば約９５０ｎｍ以下の、波長の比較的短い近赤外線が特によく用いられる。そのような短波長の近赤外線は、筋肉、脂肪および骨などの生体組織を、比較的高い透過率で透過するという性質を有する。一方で、そのような近赤外線は、血液中の酸化ヘモグロビン（ＨｂＯ２）および還元ヘモグロビン（Ｈｂ）に吸収されやすいという性質も有する。これらの性質を用いた生体情報の計測方法として、近赤外分光法（Ｎｅａｒ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以下、ＮＩＲＳと表記する）が知られている。ＮＩＲＳを用いることにより、例えば脳内における血流の変化量、または血液中の酸化ヘモグロビン濃度および還元ヘモグロビン濃度の変化量を計測することができる。血流の変化量、またはヘモグロビンの酸素状態などに基づき、脳の活動状態を推定することもできる。
【０００４】
特許文献１および２は、そのようなＮＩＲＳを利用した装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２６０１２３号公報
【特許文献２】特開２００３−３３７１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示は、被検部の内部における血流の情報を、より正確に取得することができる計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様に係る計測装置は、各々が複数の光パルスを含む少なくとも１つの光パルス群を、対象物の被検部に対して出射する光源と、前記被検部から戻った、複数の反射光パルスを含む少なくとも１つの反射光パルス群の少なくとも一部を検出する光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、第１の期間内に、前記少なくとも１つの光パルス群を前記光源に出射させ、前記第１の期間内に、前記光検出器に、前記複数の反射光パルスにおける先頭の反射光パルスの少なくとも一部に含まれる光の成分である第１成分を検出させ、前記光検出器に、前記第１成分を示す第１の電気信号を出力させる。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の一態様によれば、被検部の内部における血流の情報を、より正確に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａは、本開示の実施形態１における生体計測装置の構成と、生体計測の様子とを説明するための概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本開示の実施形態１における光検出器の内部の構成と、信号の流れとを模式的に示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、出射光である単一の光パルスの時間分布の例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、定常状態における単一の光パルスの全光パワ（実線）、および脳血流が変化する領域を通過した光のパワ（破線）の時間分布を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、定常状態における単一の光パルスの全光パワ（実線）、および脳血流が変化する領域を通過した光のパワ（破線）の、立下り期間における時間分布を示す図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、定常状態における単一の光パルスの全光パワ（実線）、脳血流が変化する領域を通過した光のパワ（破線）、および変調度（一点鎖線）の時間分布を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、出射光である光パルス群の時間分布の例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、光パルス群の全光パワ（実線）、脳血流が変化する領域を通過した光のパワ（破線）、および変調度（一点鎖線）の時間分布の一例を示す図である。
【図４】図４は、実施形態１における、光パルス群の時間分布（上段）、光検出器によって検出される光パワの時間分布（中段）、および電子シャッタのタイミングおよび蓄積される電荷（下段）の例を模式的に示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、被検部の表面および内部に存在する血流の変化を示す正面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、被検部の表面および内部に存在する血流の変化を示すＹＺ平面における断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、被検部における表面の血流の変化を模式的に示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、被検部における表面および内部の血流の変化を模式的に示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、画像演算によって導出された、被検部における内部の血流の変化を模式的に示す図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、さらなる画像演算によって画像補正された、被検部における内部の血流の変化を模式的に示す図である。
【図７】図７は、実施形態１の第１の変形例における、光パルス群の時間分布（上段）と、光検出器によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。
【図８】図８は、実施形態１の第２の変形例における、光パルス群および単一の光パルスの時間分布（上段）と、光検出器によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、実施形態２における、光パルス群の時間分布（上段）と、光検出器によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施形態２における、光検出器の内部の構成と、電気信号および制御信号の流れとを模式的に示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施形態３における、生体計測装置の構成と、生体計測の様子とを説明するための概略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施形態３における、光検出器の内部の構成と、電気信号および制御信号の流れとを模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、実施形態３における、光パルス群の時間分布（上段）と、光検出器によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、実施形態３の第１の変形例における、光パルス群の時間分布（上段）と、光検出器２によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。
【図１３】図１３は、実施形態３の第２の変形例における、光パルス群の時間分布（上段）と、光検出器によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【００１１】
特許文献１は、ＮＩＲＳを利用した内視鏡装置を開示している。特許文献１に開示された内視鏡装置では、内臓脂肪に覆われた生体組織の中に埋もれた血管における血流情報を観察するために、照明光に光パルスが用いられる。その際、撮像タイミングを光パルスが入射するタイミングよりも遅らせることにより、時間的に早く戻ってくる強いノイズ光の撮像が回避される。これにより、生体組織の深い所から戻ってきた信号光のノイズに対するシグナルの比（Ｓ／Ｎ比）が改善される。
【００１２】
特許文献２は、ＮＩＲＳを用いた生体活動計測装置を開示している。この計測装置は、赤外光を生成する光源部と、生体の被検部からの赤外光を検出する光検出部と、制御装置とを備える。この計測装置は、非接触で脳機能を計測する。
【００１３】
特許文献２に開示された装置によれば、ＮＩＲＳを利用して脳活動を計測することができる。しかし、被検部で反射された光には、時間的に早く戻ってくる強いノイズ光が含まれるため、検出される信号のＳ／Ｎ比が低いという課題がある。
【００１４】
この課題を解決するためには、特許文献２の装置に、特許文献１の技術を組み合わせることが考えられる。すなわち、光の検出のタイミングを、光パルスが入射するタイミングよりも遅らせることにより、時間的に早く戻ってくる強いノイズ光の影響を抑えることができると考えられる。
【００１５】
しかし、本発明者らの検討によれば、そのような対応を行っても、Ｓ／Ｎ比を十分に高くすることは困難であることがわかった。脳内まで侵入した出射光は、脳内で散乱しながら伝搬する。その光を検出することにより、脳内における血流の情報を取得することができる。しかし、当該光は、脳内から装置へ戻る光路、すなわち復路において、生体の表面近傍の血流、すなわち頭皮血流が分布している領域を必ず通過する。したがって、当該光には、脳血流の情報だけでなく、頭皮血流の情報も大きく重畳される。その結果、戻ってきた当該光を検出するだけでは、正確な脳血流の情報は得られない。つまり、従来技術を組み合わせた方法では、検出信号のＳ／Ｎ比を十分に高くすることはできない。
【００１６】
本発明者らは、以上の課題を見出し、新規な生体計測装置に想到した。
【００１７】
本開示は、以下の項目に記載の計測装置を含む。
【００１８】
［項目１］
本開示の項目１に係る計測装置は、
各々が複数の光パルスを含む少なくとも１つの光パルス群を、対象物の被検部に対して出射する光源と、
前記被検部から戻った、複数の反射光パルスを含む少なくとも１つの反射光パルス群の少なくとも一部を検出する光検出器と、
前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、
を備える。
前記制御回路は、
第１の期間内に、前記少なくとも１つの光パルス群を前記光源に出射させ、
前記第１の期間内に、前記光検出器に、前記複数の反射光パルスにおける先頭の反射光パルスの少なくとも一部に含まれる光の成分である第１成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第１成分を示す第１の電気信号を出力させる。
対象物としては、例えば、生体、食品等が挙げられる。
【００１９】
［項目２］
項目１に記載の計測装置において、
前記制御回路は、さらに、
前記第１の期間内に、前記光検出器に、前記複数の反射光パルスにおける最後の反射光パルスの光パワが減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立下り期間において、前記最後の反射光パルスに含まれる光の成分である第２成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第２成分を示す第２の電気信号を出力させてもよい。
【００２０】
［項目３］
項目１に記載の計測装置において、
前記制御回路は、さらに、
前記第１の期間とは異なる第２の期間内に、前記光検出器に、前記複数の反射光パルスにおける最後の反射光パルスの光パワが減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立下り期間において、前記最後の反射光パルスに含まれる光の成分である第２成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第２成分を示す第２の電気信号を出力させてもよい。
【００２１】
［項目４］
項目１に記載の計測装置において、
前記少なくとも１つの光パルス群は、第1の光パルス群および第２の光パルス群を含み、
前記少なくとも１つの反射光パルス群は、第１の反射光パルス群および第２の反射光パルス群を含み、
前記第１の反射光パルス群は、複数の第１の反射光パルスを含み、
前記第２の反射光パルス群は、複数の第２の反射光パルスを含み、
前記制御回路は、
前記第１の期間内に、前記第1の光パルス群および前記第２の光パルス群を前記光源に出射させ、
前記第２の光パルス群は、前記第１の光パルス群とは異なるタイミングで出射され、
前記第１成分は、前記複数の第１の反射光パルスにおける先頭の第１の反射光パルスの少なくとも一部に含まれる光の成分であり、
前記制御回路は、さらに、
前記第１の期間内に、前記光検出器に、前記複数の第２の反射光パルスにおける最後の第２の反射光パルスの光パワが減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立下り期間において、前記最後の第２の反射光パルスに含まれる光の成分である第２成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第２成分を示す第２の電気信号を出力させてもよい。
【００２２】
［項目５］
項目１に記載の計測装置において、
前記少なくとも１つの光パルス群は、第1の光パルス群および第２の光パルス群を含み、
前記少なくとも１つの反射光パルス群は、第１の反射光パルス群および第２の反射光パルス群を含み、
前記第１の反射光パルス群は、複数の第１の反射光パルスを含み、
前記第２の反射光パルス群は、複数の第２の反射光パルスを含み、
前記制御回路は、
前記第１の期間内に、前記第1の光パルス群を前記光源に出射させ、
前記第１成分は、前記複数の第１の反射光パルスにおける先頭の第１の反射光パルスの少なくとも一部に含まれる光の成分であり、
前記制御回路は、さらに、
前記第１の期間とは異なる第２の期間内に、前記第２の光パルス群を前記光源に出射させ、
前記第２の期間内に、前記光検出器に、前記複数の第２の反射光パルスにおける最後の第２の反射光パルスの光パワが減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立下り期間において、前記最後の第２の反射光パルスに含まれる光の成分である第２成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第２成分を示す第２の電気信号を出力させてもよい。
【００２３】
［項目６］
項目２から５のいずれかに記載の計測装置は、
前記第１の電気信号と、前記第２の電気信号とを用いた演算によって、前記被検部の血流情報を生成する信号処理回路をさらに備えていてもよい。
【００２４】
［項目７］
項目６に記載の計測装置において、
前記第１の電気信号は、前記被検部の表面の血流情報を含み、
前記第２の電気信号は、前記被検部の前記表面および内部の血流情報を含み、
前記信号処理回路は、前記被検部の前記内部の血流情報を生成してもよい。
【００２５】
［項目８］
項目６または７に記載の計測装置において、
前記光検出器は、２次元的に配列された複数の光検出セルを含むイメージセンサであり、
前記複数の光検出セルの各々は、
前記第１成分を第１の信号電荷として蓄積し、
前記第２成分を第２の信号電荷として蓄積し、
蓄積された前記第１の信号電荷を示す電気信号を、前記第１の電気信号として出力し、
蓄積された前記第２の信号電荷を示す電気信号を、前記第２の電気信号として出力してもよい。
【００２６】
［項目９］
項目８に記載の計測装置において、
前記制御回路は、前記イメージセンサに、
第１期間に前記複数の光検出セルに蓄積された前記第１の信号電荷の総量の２次元分布である第１の画像を示す第１の画像信号と、
前記第１期間と同一のまたは異なる第２期間に前記複数の光検出セルに蓄積された前記第２の信号電荷の総量の２次元分布である第２の画像を示す第２の画像信号と、
前記第１期間よりも前の第３期間に前記複数の光検出セルに蓄積された前記第１の信号電荷の総量の２次元分布である第３の画像を示す第３の画像信号と、
前記第２期間よりも前の第４期間に前記複数の光検出セルに蓄積された前記第２の信号電荷の総量の２次元分布である第４の画像を示す第４の画像信号と、
を出力させ、
前記信号処理回路は、
前記第１から第４の画像信号を前記イメージセンサから受け取り、
前記第１の画像信号および前記第３の画像信号に基づき、前記第１の画像と、前記第３の画像との差分を示す第１の差分画像を生成し、
前記第２の画像信号および前記第４の画像信号に基づき、前記第２の画像と、前記第４の画像との差分を示す第２の差分画像を生成してもよい。
【００２７】
［項目１０］
項目９に記載の計測装置において、
前記第１の差分画像において、前記第１の差分画像に含まれる複数の画素のうち、第１の閾値を超える画素値を有する複数の画素によって形成される領域を第１の領域とし、
前記第２の差分画像において、前記第２の差分画像に含まれる複数の画素のうち、第２の閾値を超える画素値を有する複数の画素によって形成される領域を第２の領域とし、
前記第１の領域のうち、前記第２の領域と重なる部分における平均画素値をＭ１とし、
前記第２の領域のうち、前記第１の領域と重なる部分における平均画素値をＭ２とするとき、
０．１≦Ｍ１／Ｍ２≦１０を満たしてもよい。
【００２８】
［項目１１］
項目１から１０のいずれかに記載の計測装置において、
前記少なくとも１つの光パルス群は、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長の複数の光パルスを含む第１の光パルス群と、８０５ｎｍより長く９５０ｎｍ以下の波長の複数の光パルスを含む第２の光パルス群とを含み、
前記制御回路は、前記光源に、前記第１の光パルス群と、前記第２の光パルス群とを交互に出射させてもよい。
【００２９】
［項目１２］
項目１から１１のいずれかに記載の計測装置において、
前記複数の光パルスの各々の時間幅は、０．５ナノ秒以上３．０ナノ秒未満であってもよい。
【００３０】
［項目１３］
項目１から１１のいずれかに記載の計測装置において、
前記複数の光パルスの各々の時間幅は、０．５ナノ秒以上５．０ナノ秒以下であってもよい。
【００３１】
［項目１４］
項目１から１３のいずれかに記載の計測装置において、
前記光源は、半導体レーザであり、
前記制御回路は、前記光源に、高周波成分が重畳された駆動電流を供給することにより、前記少なくとも１つの光パルス群を出射させてもよい。
【００３２】
［項目１５］
項目１から１３のいずれかに記載の計測装置において、
前記光源は、自励発振レーザであってもよい。
【００３３】
［項目１６］
本開示の項目１６に係る計測装置は、
各々が複数の第１の光パルスを含む少なくとも１つの光パルス群、及び少なくとも１つ第２の光パルスを、対象物の被検部に対して出射する光源と、
前記被検部から戻った、複数の第１の反射光パルスを含む少なくとも１つの反射光パルス群の少なくとも一部、及び前記被検部から戻った少なくとも１つの第２の反射光パルスの少なくとも一部を検出する光検出器と、
前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、
を備える。
前記制御回路は、
第１の期間内に、前記少なくとも１つの光パルス群を前記光源に出射させ、
前記第１の期間内に、前記光検出器に、前記少なくとも１つの反射光パルス群の前記少なくとも一部に含まれる光の成分である第１成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第１成分を示す第１の電気信号を出力させ、
前記第１の期間内または前記第１の期間とは異なる第２の期間内において、前記少なくとも１つの光パルス群が出射されるタイミングとは異なるタイミングで、前記少なくとも１つの第２の光パルスを前記光源に出射させ、
前記第１の期間内または前記第２の期間内に、前記光検出器に、前記少なくとも１つの第２の反射光パルスの光パワが減少を開始してから減少が終了するまでの期間である立下り期間において、前記少なくとも１つの第２の反射光パルスに含まれる光の成分である第２成分を検出させ、
前記光検出器に、前記第２成分を示す第２の電気信号を出力させる。
【００３４】
［項目１７］
項目１６に記載の計測装置において、
前記少なくとも１つの第２の光パルスの光パワは、前記複数の第１の光パルスの各々の光パワよりも大きくてもよい。
本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインターフェース、を備えていても良い。
【００３５】
以下、本開示の実施形態をより具体的に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
【００３６】
以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
（実施形態１）
図１Ａは、本開示の実施形態１における生体計測装置の構成と、生体計測の様子とを説明するための概略図である。図１Ｂは、本開示の実施形態１における光検出器の内部の構成と、信号の流れとを模式的に示す図である。
【００３８】
実施形態１の生体計測装置１７は、光源１と、光検出器２と、光源１および光検出器２を制御する制御回路７とを備える。
【００３９】
光源１および光検出器２は、並んで配置される。光源１は、被検者５の被検部６に向けて光を出射する。光検出器２は、光源１から出射され、被検部６で反射された光を検出する。制御回路７は、光源１による光の出射と、光検出器２による光の検出とを制御する。本実施形態における生体計測装置１７は、光検出器２から出力される電気信号（以下、単に信号と称する。）を処理する信号処理回路３０を含む。信号処理回路３０は、光検出器２から出力された複数の信号を用いた演算を行うことにより、被検部６の内部の血流に関する情報を生成する。
【００４０】
本実施形態における被検部６は、被検者５の額部である。額部に光を照射し、その散乱光を検出することにより、脳血流の情報を取得することができる。「散乱光」は、反射散乱光と透過散乱光とを含む。以下の説明では、反射散乱光を単に「反射光」と称することがある。
【００４１】
被検部６である額の内部には、表面から順に、頭皮（厚さ：約３から６ｍｍ）、頭蓋骨（厚さ：約５から１０ｍｍ）、脳脊髄液層（厚さ：約２ｍｍ）および脳組織が存在する。括弧内の厚さの範囲は個人差があることを表している。血管は、頭皮内および脳組織内に存在する。したがって、頭皮内の血流を頭皮血流と呼び、脳組織内の血流を脳血流と呼ぶ。本実施形態に係る脳機能計測においては、頭皮の表面近傍および内部の両方に血流分布が存在する被検部が計測対象である。
【００４２】
生体は散乱体である。被検部６に向けて出射された光８のうち、一部の光は、直接反射光１０ａとして、生体計測装置１７に戻る。他の光は、被検部６の内部に入射し拡散されて、一部は吸収される。被検部６の内部に侵入した光は、表面から深さ３から６ｍｍ程度の表皮内に存在する表面近傍の血流、すなわち頭皮血流の情報を含んだ内部散乱光９ａ、または表面から深さ１０から１８ｍｍ程度の範囲に存在する血流、すなわち脳血流の情報を含んだ内部散乱光９ｂなどになる。内部散乱光９ａ、９ｂは、それぞれ、表面近傍からの反射散乱光１０ｂ、および内部からの反射散乱光１１として生体計測装置１７に戻る。上記の直接反射光１０ａ、表面近傍からの反射散乱光１０ｂ、および内部からの反射散乱光１１は、光検出器２によって検出される。
【００４３】
光源１から出射されてから光検出器２に到達するまでの時間は、直接反射光１０ａが最も短く、次に表面近傍からの反射散乱光１０ｂが短く、内部からの反射散乱光１１が最も長い。このうち、高いＳ／Ｎ比で検出することが求められる成分は、脳血流の情報を有する内部からの反射散乱光１１である。
【００４４】
なお、脳血流以外の生体計測を行う場合には、反射散乱光だけでなく透過散乱光を用いる場合もある。脳血流以外の血液の情報を取得する場合には、額以外の部位（例えば腕または脚など）を被検部としてもよい。以下の説明では、特に断りがない限り、被検部６は、額であるとする。被検者５は、人間であるとするが、人間以外の皮膚を有し、毛の生えていない部分を有する動物であってもよい。本明細書における被検者の用語は、そのような動物を含む被検体一般を意味する。
【００４５】
光源１は、例えば６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の光を出射する。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。上記の波長範囲は、生体の窓と呼ばれ、体内での吸収率が低いことで知られている。本実施形態における光源１は、上記の波長範囲の光を出射するものとして説明するが、他の波長範囲の光を用いてもよい。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても、「光」の用語を用いる。
【００４６】
６５０ｎｍ未満の可視光領域では、血液中のヘモグロビンによる吸収が大きく、９５０ｎｍを超える波長域では、水による吸収が大きい。一方、６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の波長範囲内では、ヘモグロビンおよび水の吸収係数は比較的低く、ヘモグロビンおよび水の散乱係数は比較的大きい。したがって、６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の波長範囲内の光は、体内への侵入後、強い散乱を受けて体表面に戻ってくる。このため、効率的に体内の情報を取得することができる。そこで、本実施形態では、６５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の波長範囲内の光が、主に用いられる。
【００４７】
光源１は、例えば、光パルスを繰り返し出射するレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ（ＬＤ））等のレーザ光源であり得る。本実施形態のように被検者５が人である場合、光８の眼の網膜への影響を考慮する。光源１としてレーザ光源を用いる場合、例えば、各国で策定されるレーザ安全基準のクラス１を満足するレーザ光源が選択される。クラス１が満足されている場合、被爆放出限界ＡＥＬが１ｍＷを下回るほどの低照度の光を、被検者５の被検部６に出射する。低照度の光のため、光検出器２の感度が足らない場合が多い。その場合は、光パルスを繰り返し出射する。なお、光源１自体は、クラス１を満たしていなくてもよい。例えば、拡散板またはＮＤフィルタなどの素子が、光源１および被検部６の間に配置されることにより、光は、拡散または減衰される。これにより、レーザ安全基準のクラス１が満たされてもよい。
【００４８】
光源１の出射面に、レンズ等の光学素子を設けて、光８の発散度合いを調整してもよい。さらに、光検出器２の受光面側に、レンズ等の光学素子を設けて、受光する反射散乱光の取り込み率を調整してもよい。
【００４９】
光源１は、レーザ光源に限らず、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｅｄ  Ｄｉｏｄｅ（ＬＥＤ））などの他の種類の光源であってもよい。光源１には、例えば、半導体レーザ、固体レーザ、ファイバレーザ、スーパールミネッセントダイオード、およびＬＥＤなどが、広く用いられ得る。
【００５０】
光源１は、制御回路７からの指示に応じて、光パルスの出射の開始および停止、ならびに光パワの変更を行うことができる。これにより、概ね任意の光パルスを光源１から発生させることができる。
【００５１】
光検出器２は、被検部６からの戻り光を検出する。光検出器２は、単一の光検出素子を有していてもよいし、１次元または２次元に配列された複数の光検出素子を有していてもよい。図１Ｂは、光検出器２における１つの光検出素子の概略的な構成を模式的に示している。この例における光検出器２の光検出素子は、受光量に応じた信号電荷を発生させる光電変換素子３と、信号電荷を蓄積する複数の蓄積部４ａ、４ｂと、信号電荷を排出するドレイン１２とを備えている。光電変換素子３は、例えばフォトダイオードを含み得る。光電変換素子３によって生じた信号電荷は、複数の蓄積部４ａ、４ｂのいずれかに蓄積されるか、ドレイン１２を通じて排出される。この信号蓄積および排出のタイミングは、制御回路７および光検出器２内の回路によって制御される。本明細書において、この制御に関わる光検出器２内の回路を電子シャッタと称することがある。
【００５２】
光検出器２は、光源１から出射される光の波長を含む波長域の光に感度を有するイメージセンサであってもよい。そのようなイメージセンサは、例えばＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサであり得る。イメージセンサを用いることにより、光の２次元的な強度分布の情報を取得することができる。光検出器２がイメージセンサである場合、光検出器２は、２次元的に配列された複数の光検出セルを有する。各光検出セルは、例えば図１Ｂに示すように、光電変換素子３および蓄積部４ａ、４ｂなどの構成要素を備える。
【００５３】
後述するように、イメージセンサのような光検出器２を用いることにより、脳血流の状態を示す画像を生成することができる。１つのフレーム期間内に複数回の光の出射および信号電荷の蓄積を繰り返すことで１つの画像を生成してもよい。そのような画像の生成を、所定のフレーム期間ごとに繰り返し実行することにより、動画像を生成することができる。
【００５４】
本発明者らは、光検出器２によって検出される直接反射光１０ａ、及び反射散乱光１０ｂ、１１の光量を定量化するために、被検部６として、典型的な日本人の頭を模したファントムを想定して光パルス応答のシミュレーションを行った。具体的には、光源１から例えば１５ｃｍ離れた被検部６に光パルスを出射した場合に、光検出器２によって検出される光パワの時間分布、すなわち光パルス応答を、モンテカルロ解析により計算した。
【００５５】
図２Ａは、出射光である単一の光パルスの時間分布の例を示す図である。この例における光パルスの波長はλ＝８５０ｎｍであり、半値全幅は１１ｎｓである。この光パルスの形状は、立ち上がりおよび立下がり時間が１ｎｓである典型的な台形である。時間ｔ＝０で、当該単一光パルスの出射を開始し、ｔ＝１２ｎｓで完全に停止したとする。
【００５６】
光８が出射してから被検部６表面に到達するまでの時間ｔは、光速ｃが３０万ｋｍ／ｓであり、光源１から被検部６までの距離が１５ｃｍであることから、ｔ＝０．５ｎｓになる。光８が、被検部６表面において直接反射され、直接反射光１０ａになり、光検出器２上に到着する時間は、ｔ＝１ｎｓになる。したがって、光検出器２上において光を検出する時間Ｔｄは、Ｔｄ≧１ｎｓになる。
【００５７】
生体計測装置１７は、脳血流に含まれる酸化ヘモグロビン濃度および還元ヘモグロビン濃度の変化に基づき、被検部６の内部からの反射散乱光１１の光量の変化量を計測する。脳組織内には、脳血流の変化に応じて吸収係数および散乱係数が変化する吸収体が存在する。定常状態では、脳内を均一な脳組織としてモデル化し、モンテカルロ解析を実行することができる。本明細書において、血流の変化とは、血流の時間変化を意味する。ここで「定常状態」とは、被検者の脳活動が比較的安定しており、急激な時間変動がない状態を意味する。
【００５８】
図２Ｂは、定常状態における単一の光パルスの全光パワ（実線）、および脳血流が変化する領域を通過した光のパワ（破線）の時間分布を示す図である。図２Ｃは、定常状態における単一の光パルスの全光パワ（実線）、および脳血流が変化する領域を通過した光のパワ（破線）の、立下り期間における時間分布を示す図である。図２Ｄは、定常状態における単一の光パルスの全光パワ（実線）、脳血流が変化する領域を通過した光のパワ（破線）、および変調度（一点鎖線）の時間分布を示す図である。変調度とは、脳血流が変化する領域を通過した光の量を、定常状態における全光量で割った値を意味する。各図の縦軸は、図２Ｂおよび２Ｃにおいては、リニア表示で表され、図２Ｄにおいては、対数表示で表されている。
【００５９】
光検出器２において検出される全光量に含まれる脳血流が変化する領域を通過した光の量は２×１０−５程度しかない。すなわち、光パルスを出射し、光検出器２によって全光量を検出し、その変化分を検出した場合、検出された光量に含まれる脳血流の変化を示す成分は微小であるため無視することができる。他方、直接反射光１０ａの光量は一定であり、反射率は例えば約４％である。そのため、表面近傍からの反射散乱光１０ｂの光量変化、すなわち頭皮血流の変化を検出することができる。
【００６０】
光検出器２上において、光パワが減り始める時間をｔｂｓとし、光パワが完全にノイズレベルまで低下する時間をｔｂｅとする。図２Ｄに示すように、ｔｂｓ≦ｔ≦ｔｂｅの光の立下がり期間１３において、脳血流の変化を示す信号の割合が高くなることがわかる。光の立下がり期間１３の後半になるほど光量は減り、その分ノイズが増える。しかし、変調度は大きくなる。ｔｂｓ≦ｔ≦ｔｂｅの光の立下がり期間１３のうち、例えばｔ＝１３．５ｎｓ以降の光の量は、全検出光量の約１／１００である。期間１３に到達する光を、光検出器２の電子シャッタの機能を用いて検出した場合、脳血流が変化する領域を通過した光の割合は、ｔ＝１３．５ｎｓ以降の全検出光量の７％に増加する。これにより、脳血流の変化を示す信号を、十分に取得することが可能である。電子シャッタを使わなければ、脳血流の変化の割合は２×１０−５程度である。
【００６１】
したがって、光パルスを出射して、光検出器２により、被検部６から戻った光の立下がり期間１３に含まれる反射散乱光１１の成分を受光し、その光量変化を検出すれば、脳血流の変化を示す信号を検出することができる。
【００６２】
図２Ａから２Ｄに示すような単一の光パルスの代わりに、複数の光パルスが連続的に並ぶ光パルス群を用いて血流情報を取得してもよい。
【００６３】
図３Ａは、出射光である光パルス群の時間分布の例を示す図である。図３Ａの例では、光パルス群は、６つの光パルスを有し、各パルスの半値全幅は、１ナノ秒である。１つの光パルス群に含まれる光パルスの個数は６である必要はなく、特に制限はない。各パルスの半値全幅は、例えば０．５ナノ秒以上５．０ナノ秒以下であり得る。図３Ａに示す例では、光パルス群の出射は、時間ｔ＝０で開始し、時間ｔ＝１２ｎｓで完全に停止している。
【００６４】
光源１が半導体レーザ光源である場合、制御回路７は、光源１に、高周波成分が重畳された駆動電流を供給することにより、１つ以上の光パルス群を出射させることができる。この場合、制御回路７は、高周波電流を供給するための駆動回路を別途備え得る。このような高周波重畳による駆動を行った場合、後述するように、スペックルノイズを低減することができる。光源１は、自励発振レーザ光源であってもよい。その場合、制御回路７は、光源１に直流の駆動電流を供給してもよい。
【００６５】
図３Ｂは、光パルス群の全光パワ（実線）、脳血流が変化する領域を通過した光のパワ（破線）、および変調度（一点鎖線）の時間分布の一例を示す図である。図３Ｂの例においても、図２Ｄの例に比べて同等以上の変調度を得ることができることを本発明者らは見出した。光パルス群には、単一の光パルスと比較して以下の利点がある。単一の光パルスで被検部６を照射すると、照射範囲において、明暗の斑点模様が現れる。これはスペックルノイズと呼ばれ、計測精度を悪化させる。一方、光パルス群で被検部６を照射すると、そのようなスペックルノイズを低減することができる。
【００６６】
以下では、上述した頭皮血流および脳血流の変化の計測原理に基づく生体計測方法の例を説明する。
【００６７】
図４は、光パルス群８ｂの時間分布（上段）、光検出器によって検出される光パワの時間分布（中段）、および電子シャッタのタイミングおよび蓄積される電荷（下段）の例を模式的に示す図である。
【００６８】
この例において、制御回路７は、１つのフレーム期間内に、複数の光パルス群８ｂを光源１に出射させ、光検出器２に、各光パルス群８ｂに起因して被検部６から戻った各反射光パルス群１９ｂに含まれる先頭の反射光パルス１９ａの少なくとも一部を含む光の成分である第１成分を検出させる。その後、制御回路７は、光検出器２に、第１成分を示す第１の電気信号を出力させる。第１の電気信号は、１つのフレーム期間内に蓄積された第１成分の総量を表す。制御回路７は、さらに、１つのフレーム期間内に、光検出器２に、各反射光パルス群１９ｂに含まれる最後の反射光パルスの立下り期間１３に含まれる光の成分である第２成分を検出させる。その後、制御回路７は、第２成分を示す第２の電気信号を出力させる。第２の電気信号は、１つのフレーム期間内に蓄積された第２成分の総量を表す。
【００６９】
図４の上段に示すように、光源１は、１フレーム期間内に、光パルス群８ｂを複数回出射する。連続する２つの光パルス群８ｂの間には、休止期間Ｔｎがある。各光パルス群８ｂにおける先頭の光パルス８ａは、パルス幅Ｔ１および最大光パワ値Ｐ１を有する。各光パルス群８ｂは、パルス幅Ｔ２を有する。本明細書において、パルス幅とは、パルス波形の半値全幅を意味する。この例における各光パルス群８ｂは、５つの光パルスを有する。
【００７０】
図４の中段に示すように、先頭の光パルス８ａに起因して被検部６から戻った反射光パルス１９ａは、Ｔ１とほぼ同じパルス幅Ｔｄ１を有する。同様に、光パルス群８ｂに起因して被検部６から戻った反射光パルス群１９ｂは、Ｔ２とほぼ同じパルス幅Ｔｄ２を有する。反射光パルス１９ａは、図４の中段に示すように、内部散乱の影響で時間遅れが生じて、裾野において、少し広がった形状を有する。
【００７１】
光検出器２は、先頭の光パルス８ａに起因して被検部６から戻った反射光パルス１９ａを含む第１成分と、光パルス群８ｂに起因して被検部６から戻った反射光パルス群１９ｂにおける最後の反射光パルスの立下り期間１３に含まれる第２成分とを、それぞれ光検出器２によって検出する。より具体的には、光検出器２は、図１Ｂに示す光電変換素子３によって光電変換し、蓄積部４ａ、４ｂによって第１の信号電荷１８ａおよび第２の信号電荷１８ｂをそれぞれ蓄積する。
【００７２】
被検部６が人の額である場合、光パルス群８ｂが眼に入る恐れがある。このため、光パルス群８ｂは、例えばクラス１を満足する程度の低パワで出射され得る。光検出器２が検出可能な程度の十分な光量を確保するために、光パルス群８ｂは、繰り返し出射され得る。先頭の光パルス８ａの出射の開始から終了までの時間をΛ１とし、光パルス群８ｂの出射の開始から終了までの時間をＴａとし、ある光パルス群８ｂの出射の終了から次の光パルス群８ｂの出射の開始までの時間をＴｎとする。図４の例では、Ｔａ＝５Λ１である。ある例において、光パルス群８ｂは、５５ｎｓから１１０ｎｓ程度の時間周期Λ２＝Ｔａ＋Ｔｎで、１万回から１００万回程度繰り返し出射され得る。
【００７３】
この例における光検出器２は、光パワの２次元分布を計測可能なイメージセンサである。光検出器２は、一定のフレーム期間ごとにフレームを生成する。光検出器２の各光検出素子における蓄積部４ａ、４ｂに蓄積された電荷により、１つのフレームが構成される。フレームは、被検部における脳血流の状態を表す画像データである。複数のフレームを時系列に並べることにより、脳血流の状態の時間変化を示す動画を構成することができる。
【００７４】
クラス１の制限を課さず、高い光パワを用いて脳血流以外の生体情報を計測したり、アバランシェフォトダイオードのような感度のよい光検出器を用いて生体情報を計測したりしてもよい。その場合には、１つのフレーム期間内に光パルス群８ｂの出射を、必ずしも複数回繰り返す必要は無い。１つのフレーム期間内に、光パルス群８ｂで、１回だけ被検部６を照射して生体情報を検出してもよい。
【００７５】
本実施形態における光検出器２は、信号電荷を蓄積するか否かを切り替える電子シャッタと、複数の蓄積部４ａ、４ｂとを有する。電子シャッタは、光電変換素子３によって生成された信号電荷の蓄積と排出とを制御する回路である。
【００７６】
再び図１Ｂを参照しながら、光検出器２の動作の一例を説明する。各光パルス群８ｂにおける先頭の光パルス８ａに起因して被検部６から戻った反射光パルス１９ａを含む第１成分を、光電変換素子３が光電変換する。その後、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｅを受け、光検出器２は、蓄積部４ａを選択し、第１の信号電荷１８ａを蓄積する。例えば１１から２２ｎｓの時間ＴＳ１だけ第１の信号電荷１８ａが蓄積される。時間ＴＳ１経過後、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｅにより、光検出器２はドレイン１２を選択して、光電変換素子３からの電荷を放出する。
【００７７】
同様に、光パルス群８ｂに起因して被検部６から戻った反射光パルス群１９ｂにおける最後の反射光パルスの立下り期間１３に含まれる第２成分を、光電変換素子３が光電変換する。その後、制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｅを受け、光検出器２は、別の蓄積部４ｂを選択し、第２の信号電荷１８ｂを蓄積する。例えば１１から２２ｎｓの時間ＴＳ２だけ第２の信号電荷１８ｂが蓄積される。時間ＴＳ２経過後、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｅにより、光検出器２はドレイン１２を選択して、光電変換素子３からの電荷を放出する。
【００７８】
したがって、１つのフレーム期間内に、蓄積部４ａには、各光パルス群８ｂにおける先頭の光パルス８ａに起因して被検部６から戻った光パルス１９ａを含む第１成分が、１フレーム分の第１の信号電荷１８ａとして蓄積される。１フレーム期間の終了後に、第１の信号電荷１８ａは、第１の電気信号１５ａとして制御回路７に出力される。第１の電気信号１５ａは、頭皮血流の情報を主に含む。
【００７９】
他方、１つのフレーム期間内に、蓄積部４ｂには、各光パルス群８ｂに起因して被検部６から戻った反射光パルス群１９ｂにおける最後の反射光パルスの立下り期間１３に含まれる第２成分が、１フレーム分の第２の信号電荷１８ｂとして蓄積される。１フレーム期間の終了後に、第２の信号電荷１８ｂは、第２の電気信号１５ｂとして制御回路７に出力される。第２の電気信号１５ｂは、脳血流の情報だけでなく、頭皮血流の情報も比較的高い割合で含む。
【００８０】
複数の光パルス群８ｂの出射後に、光出射が無い状態で、同じ時間および同じ回数だけ、電子シャッタをｏｐｅｎおよびｃｌｏｓｅにして、環境ノイズを測定してもよい。環境ノイズの値を信号値からそれぞれ減算することにより、信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。ＴＳ１およびＴＳ２は、同じであっても、異なっていてもよい。ＴＳ１＝ＴＳ２であれば、ＴＳ１の間だけ電子シャッタをｏｐｅｎにして、環境ノイズを一回測定するだけでよい。これにより、ＴＳ２の間だけ電子シャッタをｏｐｅｎにした２回目の環境ノイズの測定を省略することができる。
【００８１】
本実施形態における光検出器２は、前述のように、画素ごとに、光電変換素子３と、蓄積部４ａ、４ｂと、蓄積部４ａ、４ｂにおいて信号電荷を蓄積するか否かを切り替える電子シャッタとを備えたイメージセンサであり得る。この場合、イメージセンサは、２次元的に配列された複数の光検出セルを有する。各光検出セルは、各光パルス群８ｂにおける先頭の光パルスに起因する反射光パルス１９ａを含む第１成分を第１の信号電荷１８ａとして蓄積し、各光パルス群８ｂに起因する反射光パルス群１９ｂにおける最後の反射光パルスの立下り期間１３に含まれる第２成分を第２の信号電荷１８ｂとして蓄積する。さらに、各光検出セルは、１つのフレーム期間である第１の期間内に蓄積された第１の信号電荷の総量を示す電気信号を、第１の電気信号１５ａとして出力し、第１の期間内に蓄積された第２の信号電荷の総量を示す電気信号を、第２の電気信号１５ｂとして出力する。これにより、被検部６の血流に関する生体情報を、複数のフレームを含む動画として取得することができる。
【００８２】
図４に示す例では、同一フレーム内の同一の光パルス群において、先頭の光パルスに対応した被検部からの反射光パルスが、第１成分として検出され、最後の光パルスの立下り期間１３に対応した被検部からの反射光パルスが、第２成分として検出される。他の例として、同一フレーム内の複数の光パルス群のうち、一部の光パルス群の各々における先頭の光パルスに対応した被検部からの反射光パルスが、第１成分として検出され、それ以外の光パルス群の各々における最後の光パルスの立下り期間１３に対応した被検部からの反射光パルスが、第２成分として検出されてもよい。例えば、図４の中段に示す同一フレーム内の複数の光パルス群に対応した被検部からの反射光パルスにおいて、奇数個目の光パルス群に対応した反射光パルス群からは第１成分のみが検出され、偶数個目の光パルス群に対応した反射光パルス群からは第２成分のみが検出されてもよい。あるいは、奇数個目の光パルス群に対応した反射光パルス群からは第２成分のみが検出され、偶数個目の光パルス群に対応した反射光パルス群からは第１成分のみが検出されてもよい。
【００８３】
次に、図５Ａおよび５Ｂを参照して、第２の電気信号１５ｂに、脳血流の情報および頭皮血流の情報が重畳されることを説明する。
【００８４】
図５Ａは、被検部の表面および内部に存在する血流の変化を示す正面図である。図５Ｂは、被検部の表面および内部に存在する血流の変化を示すＹＺ平面における断面図である。図５Ａおよび５Ｂには、額である被検部６の表面から、例えば深さ３から６ｍｍ程度の表皮内にある表面近傍の血流である頭皮血流が流れる領域１４ａと、表面から１０から１８ｍｍ程度の内部の血流である脳血流が流れる領域１４ｂとが示されている。光８が、被検部６に入射し、内部からの内部散乱光９ｂとして、光検出器２において検出される光路に注目する。血流分布にもよるが、まず、内部散乱光９ｂは、領域１４ａを通過し、その後、散乱または吸収されて領域１４ｂを通過し、さらに散乱または吸収を繰り返し、再び領域１４ａを通過して被検部６から出てくる。すなわち、各光パルス群８ｂに起因して被検部６から戻った反射光パルス群１９ｂにおける最後の反射光パルスの立下がり期間１３に含まれる脳血流の情報には、頭皮血流の情報が重畳される。これにより、脳血流の情報のＳ／Ｎ比が劣化する。脳血流の情報は、往路において重畳される領域１４ａの影響を受ける。しかし、生体内の往復の光路における散乱または吸収により、その影響は小さくなる。したがって、脳血流の情報は、復路において重畳される領域１４ａの影響を大きく受ける。
【００８５】
次に、被検部６における血流の変化を示す情報の取得方法の例を説明する。
【００８６】
まず、制御回路７は、イメージセンサである光検出器２に、以下の第１から第４の画像信号を出力させる。第１の画像信号は、第１の期間に複数の光検出セルに蓄積された第１の信号電荷１８ａの総量の２次元分布を示す。第２の画像信号は、第１の期間と同一のまたは異なる第２の期間に複数の光検出セルに蓄積された第２の信号電荷１８ｂの総量の２次元分布を示す。第３の画像信号は、第１の期間よりも前の第３の期間に複数の光検出セルに蓄積された第１の信号電荷１８ａの総量の２次元分布を示す。第４の画像信号は、第２の期間よりも前の第４の期間に複数の光検出セルに蓄積された前記第２の信号電荷の総量の２次元分布を示す。
【００８７】
次に、信号処理回路３０は、第１から第４の電気信号を、光検出器２から受け取る。その後、信号処理回路３０は、第１の画像信号が示す画像と、第３の画像信号が示す画像との差分を示す第１の差分画像を生成し、第２の画像信号が示す画像と、第４の画像信号が示す画像との差分を示す第２の差分画像を生成する。
【００８８】
第１の差分画像は、被検部６における頭皮血流の変化を示す分布に相当し、第２の差分画像は、被検部６における頭皮血流および脳血流の変化を示す分布に相当する。本明細書では、第１の差分画像は、第３の画像信号を基準値とし、当該基準値からの第１の画像信号の増減を表示する画像とした。同様に、第２の差分画像は、第４の画像信号を基準値とし、当該基準値からの第２の画像信号の増減を表示する画像とした。信号処理回路３０が、第３および第４の画像信号を１回だけ受け取り、第１および第２の画像信号を１フレーム周期ごとに繰り返し受け取れば、被検部６における血流の変化を示す分布の動画が得られる。
【００８９】
図４の例に示すように、上記の第１および第２の期間は同じフレーム期間であってもよく、第３および第４の期間は同じフレーム期間であってもよい。後述するように、第２の期間は、第１の期間とは異なるフレーム期間であってもよく、第４の期間は第３の期間とは異なるフレーム期間であってもよい。ある例において、第２の期間は、第１の期間の次のフレーム期間であり、第４の期間は、第３の期間の次のフレーム期間であり得る。
【００９０】
次に、脳血流の情報のＳ／Ｎ比を改善する方法の例を説明する。
【００９１】
図６Ａは、被検部６における表面の血流の変化を模式的に示す図である。図６Ｂは、被検部６における表面および内部の血流の変化を模式的に示す図である。図６Ｃは、画像演算によって導出された、被検部６における内部の血流の変化を模式的に示す図である。図６Ｄは、さらなる画像演算によって画像補正された、被検部における内部の血流の変化を模式的に示す図である。
【００９２】
この例において、信号処理回路３０は、第１の信号電荷１８ａの量を示す第１の電気信号１５ａに基づいて、図６Ａに示すように、頭皮血流が時間的に変化している領域１４ｃの分布を示す第１の差分画像を生成する。次に、信号処理回路３０は、第２の信号電荷１８ｂの量を示す第２の電気信号１５ｂに基づいて、図６Ｂに示すような頭皮血流または脳血流が時間的に変化している領域１４ｃの分布を示す第２の差分画像を生成する。図６Ｂにおける領域１４ｃには、頭皮血流の情報を含み、脳血流の情報を含まない領域Ｒ１と、頭皮血流および脳血流の両方の情報を含む領域Ｒ２と、脳血流の情報を含み、頭皮血流の情報を含まない領域Ｒ３とが含まれる。
【００９３】
信号処理回路３０は、第１の信号電荷１８ａの量を示す第１の電気信号１５ａと、第２の信号電荷１８ｂの量を示す第２の電気信号１５ｂとを用いた演算によって、被検部６の内部の血流情報を生成する。第１の信号電荷１８ａは、被検部６における表面の血流情報を含み、第２の信号電荷１８ｂは、被検部６における表面および内部の血流情報を含む。
【００９４】
信号処理回路３０は、図６Ａおよび６Ｂにおける２つの２次元画像に基づいて、減算または除算などを含む画像演算により、図６Ｃにおける、脳血流の変化を示す領域１４ｄの分布を示す２次元画像を生成する。例えば、信号処理回路３０は、図６Ｂにおける領域Ｒ１および図６Ａにおける領域Ｒ１に相当する領域において、２つの信号の強度が同程度になるように補正する。その後、図６Ｂにおける、表面および内部の血流情報を示す分布から、図６Ａにおける、表面の血流情報を示す分布を引けばよい。これにより、例えば図６Ｃに示すような、内部の血流情報を示す分布が得られる。
【００９５】
図６Ｃにおける２次元画像は、脳血流が変化している領域１４ｄの分布を表す。脳血流が変化している領域１４ｄは、内部の脳血流が散乱されて広がった状態にある。そこで、信号処理回路３０は、拡散方程式またはモンテカルロ解析などにより、その散乱状態を推測して画像補正する。これにより、信号処理回路３０は、図６Ｄに示すような、脳血流が変化している領域１４ｅの分布を示す２次元画像を生成する。この２次元画像が、所望の脳血流の変化を示す画像である。
【００９６】
上記の方法において、高いＳ／Ｎ比で演算するために、図６Ａおよび６Ｂにおける２つの画像において、被検部６の表面の血流変化を示す領域における輝度を、例えば、同等にしてもよい。
【００９７】
図６Ａの画像において、ある閾値を超える画素値を有する複数の画素によって形成される領域１４ｃを第１の領域とする。同様に、図６Ｂの画像において、当該閾値を超える画素値を有する複数の画素によって形成される領域１４ｃを第２の領域とする。閾値は、ノイズレベルを超える程度の小さい値に設定され得る。図６Ａの画像における第１の領域のうち、第２の領域と重なる部分における平均画素値をＭ１とする。同様に、図６Ｂの画像における第２の領域のうち、第１の領域と重なる部分における平均画素値をＭ２とする。この場合、例えば、Ｍ１＝Ｍ２としてもよい。実際には、画像補正により１桁程度の補正が可能であるため、Ｍ１およびＭ２の比を、例えば、１桁程度に留めてもよい。すなわち、第１成分によって得られる上記の平均画素値Ｍ１と、第２成分によって得られる上記の平均画素値Ｍ２とは、例えば、０．１≦Ｍ１／Ｍ２≦１０を満たしてもよい。また、０．０３≦Ｍ１／Ｍ２≦３０を満たしてもよい。パルス幅Ｔ１、Ｔ２、蓄積部４ａにおける電子シャッタをｏｐｅｎ、ｃｌｏｓｅにするタイミング、および蓄積部４ｂにおける電子シャッタをｏｐｅｎにするタイミングのうち、少なくとも１つを調整することにより、上記の条件を達成することができる。
【００９８】
図６Ａの例における領域１４ｃのうち、図６Ｂの例における領域１４ｃと重なる部分は、頭皮血流の情報を含み、脳血流の情報を含まない。一方、図６Ｂの例における領域１４ｃのうち、図６Ａの例における領域１４ｃと重なる部分は、頭皮血流の情報だけでなく、脳血流の情報の一部も含む。この場合でも、上述したように、Ｍ１およびＭ２の比には、１桁程度の違いがあり得る。したがって、Ｍ２に脳血流の情報の一部が含まれていても問題ない。
【００９９】
次に、本実施形態の生体計測装置のいくつかの変形例を説明する。
【０１００】
図７は、実施形態１の第１の変形例における、光パルス群８ｂの時間分布（上段）と、光検出器２によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。
【０１０１】
図７の例において、１つのフレーム期間内に、蓄積部４ａには、各光パルス群８ｂに含まれる先頭の光パルスに起因する被検部６からの反射光パルス１９ａを含む第１成分が、第１の信号電荷１８ａとして蓄積される。１つのフレーム期間の終了後に、第１の信号電荷１８ａは、頭皮血流の情報を含む第１の電気信号１５ａとして制御回路７に出力される。一方、図４の例とは異なり、第２の信号電荷１８ｂは蓄積されない。この第１の変形例は、脳血流の情報が必要なく、頭皮血流の情報が必要な場合に有効である。このように、本開示の技術は、必ずしも脳血流の情報を取得する用途に限定されない。
【０１０２】
図８は、実施形態１の第２の変形例における、光パルス群８ｂおよび単一の光パルス８Ａの時間分布（上段）と、光検出器２によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。以下、既に説明した内容と重複する説明は省略する。
【０１０３】
図８の上段に示すように、光源１は、光パルス群８ｂおよび単一光パルス８Ａを順に出射する。光パルス群８ｂは、パルス幅Ｔ１および最大光パワ値Ｐ２を有し、単一光パルス８Ａは、パルス幅Ｔ３および最大光パワ値Ｐ１を有する。光パルス群８ｂは、３つの光パルスを有する。
【０１０４】
図８の中段に示すように、単一光パルス８Ａに起因して被検部６から戻った反射光パルス１９Ａは、Ｔ３とほぼ同じパルス幅Ｔｄ３を有する。反射光パルス１９Ａは、内部散乱の影響で時間遅れが生じて、裾野において、少し広がった形状を有する。
【０１０５】
光検出器２は、光パルス群８ｂに起因して被検部６から戻った反射光パルス群１９ｂをすべて含む光の成分と、単一光パルス８Ａに起因して被検部６から戻った光パルス１９Ａの立下がり期間１３に含まれる光の成分とを、それぞれ光電変換素子３によって光電変換し、蓄積部４ａ、４ｂによって第１の信号電荷１８ａおよび第２の信号電荷１８ｂを蓄積する。
【０１０６】
本変形例では、光パルス群８ｂのパルス幅Ｔ２は、単一光パルス８Ａのパルス幅Ｔ３よりも短く（Ｔ２＜Ｔ３）、例えば、Ｔ２＝１から３ｎｓおよびＴ３＝１１から２２ｎｓである。光パルス群８ｂの最大光パワ値Ｐ２は、単一光パルス８Ａの最大光パワ値Ｐ１より低く（Ｐ２＜Ｐ１）、例えば、Ｐ２／Ｐ１＝０．０１から０．１である。Ｐ１、Ｐ２、ＴＳ１、およびＴＳ２のうち、少なくとも１つを調整することにより、第１の信号電荷１８ａおよび第２の信号電荷１８ｂの蓄積量を、ほぼ同じか、または信号電荷の比を一桁程度以内にすることができる。
【０１０７】
本変形例のように、制御回路７は、第１の期間内に、１つ以上の光パルス群８ｂが出射されるタイミングとは異なるタイミングで、１つ以上の単一の光パルス８Ａを光源１に出射させてもよい。この場合、制御回路７は、第１の期間内に、光検出器２に、被検部６で反射された１つ以上の単一の反射光パルス１９Ａの各々の立下り期間１３に含まれる光の成分である第２成分を検出させる。その後、制御回路７は、第２成分を示す第２の電気信号を出力させる。
【０１０８】
このような構成によっても、図４の例と同様、光パルス群の前端部分に含まれる被検部表面の血流情報の検出と、単一の光パルスの後端部分に含まれる被検部内部の血流情報の検出とが可能である。
【０１０９】
さらには、電子シャッタのタイミングを調整して、光パルス群８ｂに起因して被検部６から戻った反射光パルス群１９ｂの一部を含む光の成分を検出してもよい。例えば、反射光パルス群１９ｂのうち、先頭領域の反射光パルスのみを含む成分、先頭領域から中央領域の反射光パルスのみを含む成分、中央領域の反射光パルスのみを含む光の成分、および中央領域から後部領域の反射光パルスのみを含む光の成分のうちのいずれか１つを検出してもよい。
【０１１０】
（実施形態２）
次に、図９Ａおよび９Ｂを参照しながら、本開示の実施形態２の生体計測装置を、上記実施形態１の生体計測装置と異なる点を中心に、説明する。
【０１１１】
図９Ａは、本開示の実施形態２における、光パルス群８ｂの時間分布（上段）と、光検出器によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。図９Ｂは、本実施形態における、光検出器２の内部の構成と、電気信号および制御信号の流れとを模式的に示す図である。
【０１１２】
本実施形態において、制御回路７は、第１のフレーム期間内に、少なくとも１つの光パルス群８ｂを光源１に出射させる。制御回路７は、光検出器２に、被検部６から戻った反射光パルス群１９ｂにおける先頭の反射光パルス１９ａを含む光の成分である第１成分を検出させ、第１成分を示す第１の電気信号を出力させる。制御回路７は、さらに、第１のフレーム期間に続く第２のフレーム期間内に、光検出器２に、被検部６から戻った反射光パルス群１９ｄにおける最後の反射光パルスの立下り期間１３に含まれる光の成分である第２成分を検出させる。その後、制御回路７は、第２成分を示す第２の電気信号を光検出器２に出力させる。
【０１１３】
実施形態２の生体計測装置が、実施形態１の生体計測装置と異なる点は、光検出器２における各光検出セルが有する蓄積部４ａが１つだけであり、第１および第２成分が、それぞれ異なるフレーム期間で検出されることである。
【０１１４】
本実施形態において上述した被検部６における血流の変化を示す情報の取得方法を実行する場合、第１の期間は、上記の第１のフレーム期間に相当し、第２の期間は、上記の第２のフレーム期間に相当し、第４の期間は、第３の期間に続くフレーム期間に相当する。上述したように、第１から第４の電気信号から、被検部６における頭皮血流の変化を示す分布の情報と、被検部６における頭皮血流および脳血流の変化を示す分布の情報とを得ることができる。この動作を繰り返すことにより、動画像を生成することもできる。図９Ａの例とは逆に、第１のフレーム期間に第２成分を検出し、第２のフレーム期間に第１成分を検出してもよい。
【０１１５】
本実施形態では、光検出器２の各光検出セルにおける蓄積部４ａが１つだけであり、蓄積部４ａの切り替えが不要である。これにより、構成が簡単になり、制御が容易になるという効果が得られる。なお、光検出器２が複数の蓄積部を有する構成であっても、本実施形態の動作を適用することもできる。その場合、複数の蓄積部のうちの１つを用いればよい。
【０１１６】
本実施形態において、第２のフレーム期間におけるパルスの後端部分の情報の取得の方法を、図８に示すパルスの後端部分の情報の取得の方法に変更してもよい。その場合、第２のフレーム期間において、制御回路７は、光パルス群ではなく、１つ以上の光パルスを光源１に出射させ、光検出器２に、各反射光パルスの立下り期間に含まれる光の成分である第２成分を検出させる。制御回路７は、光検出器２に、第２成分を示す第２の電気信号を出力させる。
【０１１７】
このような動作によっても、図９Ａに示す例と同様、被検部表面の血流情報と、被検部内部の血流情報とを取得することができる。
【０１１８】
（実施形態３）
次に、図１０Ａ、１０Ｂ、および１１を参照しながら、本開示の実施形態３の生体計測装置を、実施形態１の生体計測装置と異なる点を中心に説明する。
【０１１９】
図１０Ａは、本実施形態における、生体計測装置の構成と、生体計測の様子とを説明するための概略図である。図１０Ｂは、本実施形態における、光検出器の内部の構成と、電気信号および制御信号の流れとを模式的に示す図である。
【０１２０】
図１１は、本実施形態における、光パルス群８ｂ、８ｄの時間分布（上段）と、光検出器によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。
【０１２１】
本実施形態の生体計測装置が、実施形態１の生体計測装置と異なる点は、光源１が少なくとも２つの波長の光を出射する多波長光源であり、波長が異なる光パルス群８ｂ、８ｄを順に出射することにある。
【０１２２】
光源１は、複数の発光素子１ａ、１ｂをＹ方向に並べて構成されている。発光素子１ａは、第１波長域の光を出射し、発光素子１ｂは、第１波長域とは異なる第２波長域の光を出射する。発光素子１ａ、１ｂは、例えばレーザチップである。
【０１２３】
酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの吸収率は、例えば、λ１＝７５０ｎｍおよびλ２＝８５０ｎｍの波長において異なる。そのため、これらの２波長を用いてそれぞれ得られた２つの電気信号を演算すれば、被検部６における酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの割合を測定することができる。
【０１２４】
被検部６が生体の頭部の額領域であるとき、前頭葉における脳血流の変化量、または酸化ヘモグロビン濃度および還元ヘモグロビン濃度の変化量などを測定することができ、感情などの情報のセンシングが可能である。例えば、集中状態では、脳血流量の増加、および酸化ヘモグロビン量の増加などが生じる。
【０１２５】
様々な波長の組み合わせが可能である。波長が８０５ｎｍにおいて、酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの吸収量が等しくなる。したがって、上記の生体の窓も考慮すると、例えば、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長と、８０５ｎｍより長く９５０ｎｍ以下の波長との組み合わせが用いられ得る。この場合、制御回路７は、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長の光パルス群８ｂと、８０５ｎｍより長く９５０ｎｍ以下の波長の光パルス群８ｄとを交互に繰り返し出射させることにより、光パルス群８ｂ、８ｄを光源１に出射させる。
【０１２６】
上記の２波長に加えて、８０５ｎｍの波長の光を用いてもよい。３波長の光が用いられる場合、レーザチップが３つ必要になるが、３つ目の波長の情報も得られるため、その情報を利用することにより、演算が容易になり得る。
【０１２７】
本実施形態の生体計測装置１７における光検出器２は、信号電荷を蓄積するか否かを切り替える電子シャッタと、４つの蓄積部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとを有する。発光素子１ａは、波長λ１の光パルス群８ｂを出射する。先頭の光パルス８ａに起因して被検部６から戻った反射光パルス１９ａを含む第１成分を、光電変換素子３が光電変換する。その後、光検出器２は、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅを受けて蓄積部４ａを選択し、例えば１１から２２ｎｓの時間ＴＳ１だけ第１の信号電荷１８ａを蓄積する。時間ＴＳ１経過後、光検出器２は、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅを受け、ドレイン１２を選択して、光電変換素子３からの電荷を放出する。
【０１２８】
同様に、波長λ１の光パルス群８ｂに起因して被検部６から戻った反射光パルス群１９ｂにおける最後の反射光パルスの立下がり期間１３に含まれる第２成分を、光電変換素子３が光電変換する。その後、光検出器２は、制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅを受けて別の蓄積部４ｂを選択し、例えば１１から２２ｎｓの時間ＴＳ２だけ第２の信号電荷１８ｂを蓄積する。時間ＴＳ２経過後、光検出器２は、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅを受け、ドレイン１２を選択して、光電変換素子３からの電荷を放出する。
【０１２９】
この後、生体計測装置１７は、発光素子１ａを発光素子１ｂに変えて、同様に波長λ２の光パルス群８ｄを出射する。蓄積部４ｃは、先頭の反射光パルス１９ｃに対応する光の成分を検出し、蓄積部４ｄは、反射光パルス群１９ｄにおける最後の反射光パルスの立下り期間１３に対応する光の成分を検出する。
【０１３０】
このように、１つのフレーム期間において、蓄積部４ａには、波長λ１の各反射光パルス群１９ｂにおける先頭の反射光パルス１９ａを含む第１成分が、第１の信号電荷１８ａとして蓄積される。このフレーム期間の終了後に、第１の信号電荷１８ａは、第１の電気信号１５ａとして制御回路７に出力される。第１の電気信号１５ａは、波長λ１の頭皮血流の情報を主に含む。
【０１３１】
同じフレーム期間において、蓄積部４ｂには、波長λ１の各反射光パルス群１９ｂにおける最後の反射光パルスの立下がり期間１３に含まれる第２成分が、第２の信号電荷１８ｂとして蓄積される。このフレーム期間の終了後に、第２の信号電荷１８ｂは、第２の電気信号１５ｂとして制御回路に出力される。第２の電気信号１５ｂは、波長λ１の脳血流の情報だけでなく、波長λ１の頭皮血流の情報も含む。
【０１３２】
同じフレーム期間において、蓄積部４ｃには、波長λ２の各反射光パルス群１９ｄにおける先頭の反射光パルス１９ｃを含む第３の光成分が、第３の信号電荷１８ｃとして蓄積される。このフレーム期間の終了後、第３の信号電荷１８ｃは、第３の電気信号１５ｃとして制御回路７に出力される。第３の電気信号１５ｃは、波長λ２の頭皮血流の情報を主に含む。
【０１３３】
同じフレーム期間において、蓄積部４ｄには、波長λ２の各反射光パルス群１９ｄにおける最後の反射光パルスの立下がり期間１３に含まれる第４の光成分が、第４の信号電荷１８ｄとして蓄積される。このフレーム期間の終了後、第４の信号電荷１８ｄは、第４の電気信号１５ｄとして制御回路に出力される。第４の電気信号１５ｄは、波長λ２の脳血流の情報だけでなく、波長λ２の頭皮血流の情報も含む。
【０１３４】
第１から第４の電気信号のそれぞれに基づいて、信号処理回路３０は、４つの画像情報を生成する。そして、信号処理回路３０は、これらの４つの画像情報から、脳血流の変化を示す画像として、例えば、酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの２つの２次元濃度分布の画像を生成する。
【０１３５】
他の例として、同一フレーム内における波長λ１を有する複数の光パルス群のうち、一部の光パルス群の各々における先頭の光パルスに対応した被検部からの反射光パルスが、第１成分として検出され、それ以外の光パルス群の各々における最後の光パルスの立下り期間１３に対応した被検部からの反射光パルスが、第２成分として検出されてもよい。同様に、同一フレーム内における波長λ２を有する複数の光パルス群のうち、一部の光パルス群の各々における先頭の光パルスに対応した被検部からの反射光パルスが、第３の光成分として検出され、それ以外の光パルス群の各々における最後の光パルスの立下り期間１３に対応した被検部からの反射光パルスが、第４の光成分として検出されてもよい。
【０１３６】
次に、本開示の実施形態３の変形例における生体計測装置を説明する。
【０１３７】
図１２は、本開示の実施形態３の第１の変形例における、光パルス群８ｂ、８ｄの時間分布（上段）と、光検出器２によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。
【０１３８】
この例では、波長λ１の光による血流情報の取得と、波長λ２の光による血流情報の取得とが、異なるフレーム期間に行われる。この例では、２つの蓄積部４ａ、４ｂが用いられる。
【０１３９】
第１のフレーム期間において、第１の波長λ１を有する光パルス群８ｂが繰り返し出射される。一方の蓄積部４ａには、各反射光パルス群１９ｂの前端部分に相当する第１成分の電荷が蓄積される。他方の蓄積部４ｂには、各反射光パルス群１９ｂの後端部分に相当する第２成分の電荷が蓄積される。第１のフレーム期間終了後、制御回路７は、これらの２つの蓄積部４ａ、４ｂから、第１の電気信号および第２の電気信号をそれぞれ読み出す。
【０１４０】
第２のフレーム期間においては、第２の波長λ２を有する光パルス群８ｄが繰り返し出射される。一方の蓄積部４ａには、各反射光パルス群１９ｄの前端部分に相当する第３成分の電荷が蓄積される。他方の蓄積部４ｂには、各反射光パルス群１９ｄの後端部分に相当する第４成分の電荷が蓄積される。第２のフレーム期間終了後、制御回路７は、これらの２つの蓄積部４ａ、４ｂから、第３の電気信号および第４の電気信号をそれぞれ読み出す。
【０１４１】
他の例として、第１のフレーム内における複数の光パルス群のうち、一部の光パルス群の各々における先頭の光パルスに対応した被検部からの反射光パルスが、第１成分として検出され、それ以外の光パルス群の各々における最後の光パルスの立下り期間１３に対応した被検部からの反射光パルスが、第２成分として検出されてもよい。同様に、第２のフレーム内における複数の光パルス群のうち、一部の光パルス群の各々における先頭の光パルスに対応した被検部からの反射光パルスが、第３成分として検出され、それ以外の光パルス群の各々における最後の光パルスの立下り期間１３に対応した被検部からの反射光パルスが、第４成分として検出されてもよい。
【０１４２】
図１３は、本開示の実施形態３の第２の変形例における、光パルス群８ｂ、８ｄの時間分布（上段）と、光検出器によって検出される光パワの時間分布（中段）と、電子シャッタのタイミングおよび電荷蓄積（下段）とを模式的に示す図である。この例では、波長λ１の光による被検部表面の血流情報の取得と、波長λ２の光による被検部表面の血流情報の取得と、波長λ１の光による被検部内部の血流情報の取得と、波長λ２の光による被検部内部の血流情報の取得とが、全て異なるフレーム期間に行われる。この例では、光検出器２の各光検出セルにおける蓄積部は１つだけでよい。
【０１４３】
第１のフレーム期間において、第１の波長λ１を有する光パルス群８ｂが繰り返し出射される。蓄積部には、各反射光パルス群１９ｂの前端部分に相当する第１成分の電荷が蓄積される。第１のフレーム期間終了後、制御回路７は、当該蓄積部から、第１の電気信号を読み出す。
【０１４４】
第２のフレーム期間において、第２の波長λ２を有する光パルス群８ｄが繰り返し出射される。蓄積部には、各反射光パルス群１９ｄの前端部分に相当する第３成分の電荷が蓄積される。第２のフレーム期間終了後、制御回路７は、当該蓄積部から、第３の電気信号を読み出す。
【０１４５】
第３のフレーム期間において、第１の波長λ１を有する光パルス群８ｂが繰り返し出射される。蓄積部には、各反射光パルス群１９ｂの後端部分に相当する第２成分の電荷が蓄積される。第３のフレーム期間終了後、制御回路７は、当該蓄積部から、第２の電気信号を読み出す。
【０１４６】
第４のフレーム期間において、第２の波長λ２を有する光パルス群８ｄが繰り返し出射される。蓄積部には、各反射光パルス群１９ｄの後端部分に相当する第４成分の電荷が蓄積される。第４のフレーム期間終了後、制御回路７は、当該蓄積部から、第４の電気信号を読み出す。
【０１４７】
以上の動作によれば、光検出器２の各光検出セルは、１つの蓄積部を備えているだけでよい。したがって、蓄積部の切り替えが不要であり、簡単な構成で実現することができる。
【０１４８】
以上、実施形態１から３の生体計測装置を説明したが、本開示は、これらの実施形態に限定されるものではない。それぞれの実施形態の生体計測装置の構成を組み合わせた生体計測装置も本開示に含まれ、同様の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本開示は、生体情報を非接触で計測する用途、例えば、生体または医療センシングなどに利用できる。
【符号の説明】
【０１５０】
１  光源
２  光検出器
３  光電変換素子
４ａ、４ｂ  蓄積部
５  被検者
６  被検部
７  制御回路
８  光
８ａ、８ｃ  先頭の光パルス
８ｂ、８ｄ  光パルス群
８Ａ  単一の光パルス
９ａ  表面近傍からの内部散乱光
９ｂ  内部からの内部散乱光
１０ａ  直接反射光
１０ｂ  表面近傍からの反射散乱光
１１  内部からの反射散乱光    
１２  ドレイン  
１３  立下がり期間
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ  領域  １５ａ、１５ｂ    電気信号
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ    制御信号
１７    生体計測装置
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ  信号電荷  １９ａ、１９ｃ  先頭の反射光パルス
１９ｂ、１９ｄ  反射光パルス群
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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