(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複数の光パルス群を、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、各々が複数の反射光パルスを含む複数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、前記複数の光パルス群を前記光源に出射させ、前記光検出器に、前記複数の反射光パルス群の各々に含まれる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を検出させ、前記成分を示す電気信号を出力させる。【選択図】図１Ａ
2019020394.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複数の光パルス群を、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、各々が複数の反射光パルスを含む複数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、
前記複数の光パルス群を前記光源に出射させ、
前記光検出器に、前記複数の反射光パルス群の各々に含まれる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を検出させ、前記成分を示す電気信号を出力させる、
計測装置。
【請求項２】
前記複数の光パルス群は、第１の光パルス群、および前記第１の光パルス群に続いて前記光源により出射される第２の光パルス群を含み、
前記制御回路は、前記光源に、前記第１の光パルス群を出射させてから、前記複数の光パルス群に含まれる連続する２つの光パルスの出射の開始から終了までの時間よりも長い時間が経過した後、前記第２の光パルス群を出射させる、
請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記光源に、前記複数の光パルスを周波数ｆで出射させることによって前記複数の光パルス群を出射させ、
ｆ≧０．２５ＧＨｚである、
請求項１または２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記複数の光パルス群の各々に含まれる前記複数の光パルスの各々の光パワの半値全幅をｐｗとするとき、
０．５／ｆ≦ｐｗ＜１／ｆを満たす、
請求項３に記載の計測装置。
【請求項５】
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、前記成分を信号電荷として蓄積し、
前記電気信号は、蓄積された前記信号電荷を示す、
請求項１から４のいずれかに記載の計測装置。
【請求項６】
前記複数の光パルス群は、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、
前記第１の光パルス群と、前記第２の光パルス群とを交互に前記光源に出射させる、
請求項１から５のいずれかに記載の計測装置。
【請求項７】
前記複数の光パルス群は、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長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、
前記第１の光パルス群および前記第２の光パルス群のうち、
第１の期間内に、一方の光パルス群を少なくとも一回出射させ、前記第１の期間に続く第２の期間内に、他方の光パルス群を少なくとも一回出射させる、
請求項１から５のいずれかに記載の計測装置。
【請求項８】
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、前記複数の光パルス群を出射させる、
請求項１から７のいずれかに記載の計測装置。
【請求項９】
前記光源は、自励発振レーザである、
請求項１から７のいずれかに記載の計測装置。
【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複数の光パルス群を、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、各々が複数の反射光パルスを含む複数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、前記複数の光パルス群を前記光源に出射させ、前記光検出器に、前記複数の反射光パルス群の各々に含まれる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を検出させ、前記成分を示す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、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、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、単一の光パルスを用いた場合の変調度と当該光パルスの立下り時間τとの関係（破線）、および、光パルス群を用いた場合の変調度と当該光パルス群の最後の光パルスの立下り時間τとの関係（実線）の例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、単一の光パルスを用いた場合の変調度と周波数ｆとの関係（破線）、および、光パルス群を用いた場合の変調度と周波数ｆとの関係（実線）の例を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、被検部の内部に存在する血流の変化を示す正面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、被検部の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７Ａ】図７Ａは、各反射光パルス群における最後の反射光パルスの立下り期間において検出された電気信号から得られた、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７Ｂ】図７Ｂは、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８Ａ】図８Ａは、ｆ＝０．５ＧＨｚ、およびａ＝４であるＰ（ａ）（ｆ、ｔ）の光パルス群の時間分布の例を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、ｆ＝０．５ＧＨｚ、およびａ＝０．２であるＰ（ａ）（ｆ、ｔ）の光パルス群の時間分布の例を示す図である。
【図９】図９は、ｆ＝０．２５ＧＨｚであるＰ（ａ）（ｆ、ｔ）の光パルス群を用いた場合における、各光パルスの半値全幅と変調度との関係の例を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施形態２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１１】図１１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１２】図１２は、実施形態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。
【図１３Ａ】図１３Ａは、複数の光パルス群を出射したときの、ＬＤの駆動電圧の時間分布（上段）および光検出器の検出電圧の時間分布（下段）の例を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａにおける複数の光パルス群のうち、１つの光パルス群の時間分布の例を示す図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、単一の光パルスを出射した場合における、ＬＤの駆動電圧の時間分布（上段）、および光検出器の検出電圧の時間分布（下段）の例を示す図である。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、図１３Ｂにおける下段の検出電圧の時間変化、および図１３Ｃにおける下段の検出電圧の時間変化を拡大して示す図である。
【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、戻ってきた当該光の検出信号のＳ／Ｎ比は劣化し、正確な脳血流の情報は得られにくい。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複数の光パルス群を、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、各々が複数の反射光パルスを含む複数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、
前記複数の光パルス群を前記光源に出射させ、
前記光検出器に、前記複数の反射光パルス群の各々に含まれる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を検出させ、前記成分を示す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、
前記複数の光パルス群は、第１の光パルス群、および前記第１の光パルス群に続いて前記光源により出射される第２の光パルス群を含み、
前記制御回路は、前記光源に、前記第１の光パルス群を出射させてから、前記複数の光パルス群に含まれる連続する２つの光パルスの出射の開始から終了までの時間よりも長い時間が経過した後、前記第２の光パルス群を出射させてもよい。
【００２０】
［項目３］
項目１または２に記載の計測装置において、
前記制御回路は、前記光源に、前記複数の光パルスを周波数ｆで出射させることによって前記複数の光パルス群を出射させ、
ｆ≧０．２５ＧＨｚであってもよい。
【００２１】
［項目４］
項目３に記載の計測装置において、
前記複数の光パルス群の各々に含まれる前記複数の光パルスの各々の光パワの半値全幅をｐｗとするとき、
０．５／ｆ≦ｐｗ＜１／ｆを満たしてもよい。
【００２２】
［項目５］
項目１から４のいずれか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、前記成分を信号電荷として蓄積し、
前記電気信号は、蓄積された前記信号電荷を示していてもよい。
【００２３】
［項目６］
項目１から５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、
前記第１の光パルス群と、前記第２の光パルス群とを交互に前記光源に出射させてもよい。
【００２４】
［項目７］
項目１から５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群は、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長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、
前記第１の光パルス群および前記第２の光パルス群のうち、
第１の期間内に、一方の光パルス群を少なくとも一回出射させ、前記第１の期間に続く第２の期間内に、他方の光パルス群を少なくとも一回出射させてもよい。
【００２５】
［項目８］
項目１から７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、前記複数の光パルス群を出射させてもよい。
【００２６】
［項目９］
項目１から７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。
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。
【００２７】
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。
【００２８】
以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。本実施形態における脳機能計測においては、頭皮の内部の血流分布が存在する被検部が計測対象である。
【００３４】
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１０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の一部は、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９になる。内部散乱光９は、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１０、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。
【００３５】
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１０が相対的に短く、内部からの反射散乱光１１が相対的に長い。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
光検出器２は、被検部６からの戻った光を検出する。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蓄積部４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、蓄積部４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。
【００４４】
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４などの構成要素を備える。
【００４５】
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。
【００４６】
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１０及び反射散乱光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。
【００４７】
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、立上り時間および立下がり時間が１ｎｓである典型的な台形である。本明細書において、「立上り時間」とは、光パワがピーク値の０％から１００％に増加するまでの時間を意味し、その期間を「立上り期間」と称する。「立下り時間」とは、光パワがピーク値からゼロに減少するまでの時間を意味し、その期間を「立下り期間」と称する。図２Ａの例では、時間ｔ＝０で、光パルスの出射を開始し、ｔ＝１２ｎｓで完全に停止したとする。
【００４８】
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、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０．５ｎｓになる。光８が、被検部６の表面において直接反射され、直接反射光１０になり、光検出器２に到着する時間は、ｔ＝１ｎｓである。したがって、光検出器２が光を検出する期間は、ｔ＝１ｎｓ以降である。
【００４９】
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。
【００５０】
図２Ｂは、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、全光量で割った値を意味する。図２Ｂにおいて、縦軸は、対数表示で表されている。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。
【００５１】
光検出器２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２Ｂの例では、立下り時間は、ｔｆ＝ｔｂｅ−ｔｂｓである。ｔｆは、光源から出射される光パルスの立下り時間τよりも長い（ｔｆ＞τ）。図２Ｂに示すように、光の立下がり期間１３（ｔｂｓ≦ｔ≦ｔｂｅ）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。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。立下り期間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。立下がり期間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。
【００５２】
したがって、光８を出射して、光検出器２により、被検部６からの光の立下がり期間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。
【００５３】
本発明者らは、図２Ａおよび２Ｂ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することに想到した。光パルス群の後端部分を光検出器によって検出することにより、被検部の脳血流の時間変化を、単一の光パルスを用いる場合よりも、Ｓ／Ｎ比を向上させて検出することができる。さらに、光パルス群の前端部分を検出し、前端部分の信号を用いて後端部分の信号を補正することにより、脳血流の状態を示す信号の品質を向上させることが可能である。後述するように、光パルス群を用いることにより、信号に含まれるスペックルノイズを低減できるという効果も得られる。
【００５４】
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。本実施形態における光パルス群における複数の光パルスのパワは、周波数ｆで周期的に変動する。図３Ａの例では、各パルスの立上り時間および立下がり時間が、それぞれτ＝１ｎｓであり、光パルスの繰り返し周期がΛ＝２τ＝２ｎｓであることから、周波数は、ｆ＝１／Λ＝０．５／τ＝０．５ＧＨｚである。この例に限定されず、光パルスの周波数は任意の値に設定され得る。光パルスの周波数は、例えばｆ≧０．２５ＧＨｚであり得る。この例における光パルス群の規格化された光パワは、Ｐ（ｆ、ｔ）＝０．５｛１−ｃｏｓ（２πｆｔ）｝で表される。図３Ａに示す例では、光パルス群の出射は、時間ｔ＝０に開始し、時間ｔ＝１２ｎｓに完全に停止している。
【００５５】
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。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。
【００５６】
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。後述するが、図３Ｂの例において、図２Ｂの例よりも優れた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。さらには、光パルス群には、単一の光パルスと比較して以下の利点もある。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。
【００５７】
以下、前述した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。
【００５８】
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。
【００５９】
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に出射させる。制御回路７は、１つのフレーム期間内に、光検出器２に、被検部６で反射された各光パルス群８ｂにおける最後の光パルスの立下り期間１３に含まれる光の成分を検出させ、当該光の成分を示す電気信号を出力させる。当該電気信号は、１つのフレーム期間内に蓄積された光の成分の総量を表す。
【００６０】
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、空白期間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。
【００６１】
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。
【００６２】
光検出器２は、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に含まれる光の成分を、光検出器２における光電変換素子３によって光電変換し、蓄積部４によって信号電荷１８を蓄積する。
【００６３】
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。
【００６４】
本実施形態における制御回路７は、光源１に、一つの光パルス群を出射させてから、当該光パルス群における連続する２つの光パルスの出射の開始から終了までの時間（即ち２Λ１）よりも長い時間が経過した後、次の光パルス群を出射させる。つまり、連続する２つの光パルス群の間には、光パルス２回分よりも長い休止期間がある。図４の例では、制御回路７は、光源１に、複数の光パルスを周波数ｆで出射させることによって各光パルス群を出射させ、複数の光パルス群を、ｆ／４以下の周波数で出射させている。光パルス群８ｂが５個以外の数の光パルスを含んでいてもよい。例えば、各光パルス群８ｂが２つの光パルスを含んでいてもよい。その場合、Ｔａ＝２Λ１であり、Λ２はΛ１の４倍以上に設定され得る。このように、連続する２つの光パルス群の間に十分な休止期間を確保することにより、図４の中段で示した光検出器上の光パワの時間分布において、一つの光パルス群における最後の光パルスの立下り期間と、次の光パルス群における最初の光パルスの立上り期間とが重なることを回避できる。
【００６５】
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４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。
【００６６】
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。
【００６７】
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、蓄積部４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。
【００６８】
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。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に含まれる光の成分を、光電変換素子３が光電変換する。その後、制御信号１６ａ、１６ｃを受け、光検出器２は、蓄積部４に信号電荷１８を蓄積する。例えば一定の時間ＴＳだけ信号電荷１８が蓄積される。ＴＳは、例えば１１ｎｓ以上２２ｎｓ以下であり得る。時間ＴＳ経過後、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｃを受け、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。
【００６９】
したがって、１つのフレーム期間内に、蓄積部４には、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り期間１３に含まれる光の成分が、１フレーム分の信号電荷１８として蓄積される。１フレーム期間の終了後に、信号電荷１８は、電気信号１５として制御回路７に出力される。電気信号１５は、脳血流の情報を含む。
【００７０】
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。
【００７１】
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４と、蓄積部４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に含まれる光の成分を信号電荷１８として蓄積する。さらに、各光検出セルは、第１の期間内に蓄積された信号電荷の総量を示す電気信号を、電気信号１５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。
【００７２】
次に、本実施形態における変調度を説明する。ここでは、単一の光パルスを用いた場合の変調度（図２Ｂ参照）と、本実施形態のように光パルス群を用いた場合の変調度（図３Ｂ参照）とを比較する。
【００７３】
図５Ａは、単一の光パルスを用いた場合の変調度と当該光パルスの立下り時間τとの関係（破線）、および、光パルス群を用いた場合の変調度と当該光パルス群の最後の光パルスの立下り時間τとの関係（実線）の例を示す図である。図５Ａに示す例では、τ＝２ｎｓ以下のとき、光パルス群を用いた場合の変調度の方が、単一の光パルスを用いた場合の変調度よりも大きくなる。例えばτ＝０．２５ｎｓのとき、光パルス群を用いることによって約１０％の変調度が得られる。τ＝２ｎｓのとき、両者の変調度は、略同じ値になる。τ＝２ｎｓ以上のときは、単一の光パルスを用いた変調度の方が、光パルス群を用いた変調度よりも大きくなることが分かった。
【００７４】
図５Ｂは、単一の光パルスを用いた場合の変調度と光パルスの繰り返し周波数ｆとの関係（破線）、および、光パルス群を用いた場合の変調度と光パルスの繰り返し周波数ｆとの関係（実線）の例を示す図である。図５Ｂは、図５Ａの横軸における立下り時間τを光パルスの繰り返し周波数ｆ＝０．５／τに変換した図である。周波数ｆが０．２５ＧＨｚ以上の時に、単一の光パルスを用いた変調度よりも、光パルス群を用いた変調度の方が大きくなると判明した。
【００７５】
図５Ａおよび５Ｂに示すように、高い変調度を得るためには、短い立下り期間τ、すなわち高い周波数ｆを有する光パルス群を用いた方が有利であることを、本発明者らは見出した。そのような光パルス群を用いることにより、被検部６からの光に含まれる脳血流の情報を含む光の成分の割合を増加させることができる。
【００７６】
次に、図６Ａおよび６Ｂを参照して、電気信号１５に、脳血流の情報が重畳されることを説明する。
【００７７】
図６Ａは、被検部の内部に存在する血流の変化を示す正面図である。図６Ｂは、被検部の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および６Ｂには、額である被検部６の表面から１０から１８ｍｍ程度の内部において、脳血流が変化している領域１４ａ、１４ｂ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９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、内部散乱光９は、散乱または吸収されて領域１４ａ、１４ｂを通過し、さらに散乱または吸収を繰り返し、被検部６から出てくる。これにより、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には、脳血流の情報が重畳される。
【００７８】
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。
【００７９】
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および第２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信号電荷１８の総量の２次元分布を示す。第２の画像信号は、第１の期間よりも前の第２の期間に複数の光検出セルに蓄積された信号電荷１８の総量の２次元分布を示す。
【００８０】
次に、信号処理回路３０は、第１および第２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２の画像信号が示す画像との差分を示す差分画像を生成する。
【００８１】
当該差分画像は、被検部６における脳血流の変化を示す分布に相当する。本明細書では、差分画像は、第２の画像信号を基準とし、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する。信号処理回路３０が、第２の画像信号を１回だけ受け取り、第１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。
【００８２】
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。
【００８３】
図７Ａは、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り期間１３により検出された電気信号から得られた、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７Ｂは、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。
【００８４】
信号処理回路３０は、信号電荷１８の量を示す電気信号１５を用いて、被検部６の内部の血流情報を生成する。信号電荷１８は、被検部６における内部の血流情報を含む。
【００８５】
図７Ａにおける２次元画像は、脳血流が変化している領域１４ｃの分布を表す。脳血流が変化している領域１４ｃ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７Ｂに示すような、脳血流が変化している領域１４ｄ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。
【００８６】
次に、図８Ａ、図８Ｂ、および図９を参照しながら、光パルス群を用いた場合における各光パルスの半値全幅と変調度との関係を説明する。以下の説明において、制御回路７は、一例として、光源１に、規格化された光パワがＰ（ａ）（ｆ、ｔ）＝［０．５｛１−ｃｏｓ（２πｆｔ）｝］ａで表される光パルス群を出射させるものとする。ここで、ａは、０よりも大きい実数である。パラメータａを変化させることにより、各光パルスの半値全幅を変化させることができる。
【００８７】
図８Ａは、ｆ＝０．５ＧＨｚ、およびａ＝４であるＰ（ａ）（ｆ、ｔ）の光パルス群の時間分布の例を示す図である。図８Ｂは、ｆ＝０．５ＧＨｚ、およびａ＝０．２であるＰ（ａ）（ｆ、ｔ）の光パルス群の時間分布の例を示す図である。ａ＝１の場合は、図３Ａに示すような光パルス群が出射される。図８Ａの例では、各光パルスの半値全幅は０．５２ｎｓである。図８Ｂの例では、各光パルスの半値全幅は１．７８ｎｓである。図８Ａおよび図８Ｂの例に示すように、ａが大きくなるほど各光パルスの半値全幅は小さくなり、ａが小さくなるほど各光パルスの半値全幅は大きくなる。ａ＝１のとき、各光パルスの半値全幅は（０．５／ｆ）秒である。ａ＞１のとき、各光パルスの半値全幅は、（０．５／ｆ）秒よりも小さく、ａ＜１のとき、各光パルスの半値全幅は、（０．５／ｆ）秒よりも大きい。各光パルスの半値全幅は、ａの値に関わらず、光パルスの繰り返し周期（１／ｆ）よりも短い。
【００８８】
図９は、ｆ＝０．２５ＧＨｚであるＰ（ａ）（ｆ、ｔ）の光パルス群を用いた場合における、各光パルスの半値全幅と変調度との関係の例を示す図である。前述したように、光パルスの半値全幅は、パラメータａにより変化させることができる。ａ＝１の場合、各光パルスの半値全幅は、（０．５／ｆ）＝２．０ｎｓである。図９に示すように、各光パルスの半値全幅が大きくなるほど、変調度は増加する。すなわち、光パルスの繰り返し周波数を固定した場合において高い変調度を得るためには、各光パルスの半値全幅が大きい方が有利であることがわかる。すなわち、各光パルスの半値全幅を大きくすることにより、被検部６からの光に含まれる脳血流の情報を含む光の成分を増加させることができる。各パルスの半値全幅をｐｗとするとき、０．５／ｆ≦ｐｗ＜１／ｆを満たしていれば、ａ＝１の場合よりも高い変調度を得ることができる。本実施形態では、ａ＞１であれば、この条件を満たす。
【００８９】
（実施形態２）
次に、図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１１を参照しながら、本開示の実施形態２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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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、１つ以上の光パルス群８ｂ、８ｄを光源１に出射させる。
【００９７】
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。
【００９８】
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、２つの蓄積部４ａ、４ｂ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。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に含まれる光の成分を、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。
【００９９】
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８ｂを出射する。波長λ２の光パルス群８ｄに起因して被検部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がり期間１３に含まれる光の成分を、光電変換素子３が光電変換する。その後、制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃを用いて別の蓄積部４ｂを選択して、所定の時間ＴＳ２だけ第２の信号電荷１８ｃを蓄積する。時間ＴＳ２は、例えば１１ｎｓ以上２２ｎｓ以下であり得る。時間ＴＳ２経過後、制御回路７からの制御信号１６ａ、１６ｂ、１６ｃにより、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。
【０１００】
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に含まれる光の成分が、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として制御回路に出力される。第１の電気信号１５ａは、波長λ１の脳血流の情報を含む。
【０１０１】
また、同じフレーム期間において、蓄積部４ｂには、波長λ２の各光パルス群８ｄに起因して被検部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がり期間１３に含まれる光の成分が、第２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λ２の脳血流の情報を含む。
【０１０２】
第１および第２の電気信号のそれぞれに基づいて、信号処理回路３０は、２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２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。
【０１０３】
次に、本実施形態の変形例における生体計測装置を説明する。
【０１０４】
図１２は、本開示の実施形態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。
【０１０５】
制御回路７は、６５０ｎｍ以上８０５ｎｍ未満の波長および８０５ｎｍより長く９５０ｎｍ以下の波長のうち、第１の期間内に、一方の波長の光パルス群８ｂを少なくとも一回出射させ、第１の期間に続く第２の期間内に、他方の波長の光パルス群８ｄを少なくとも一回出射させることにより、１つ以上の光パルス群を光源に出射させる。
【０１０６】
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つの蓄積部のうちの一方が用いられる。
【０１０７】
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。２つのうちの蓄積部の一方には、各光パルス群８ｂの後端部分に相当する光の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、上記一方の蓄積部から、第１の電気信号を読み出す。
【０１０８】
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。上記一方の蓄積部には、各光パルス群８ｄの後端部分に相当する光の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、上記一方の蓄積部から、第２の電気信号を読み出す。
【０１０９】
次に、光源１から出射された光パルス群の立下がり時間を含む実験的な信号の品質を評価することを目的に、光源１に高周波成分が重畳された駆動電流を供給して光パルス群を出射させ、被検部には照射しないで、直接的に光検出器２によって当該光パルス群を検出した実験の結果を説明する。この実験では、光源１として、波長７８５ｎｍのＬＤを用い、光検出器２として、ＰＩＮフォトダイオードを用いた。
【０１１０】
図１３Ａは、複数の光パルス群を出射したときの、ＬＤの駆動電圧の時間分布（上段）および光検出器の検出電圧の時間分布（下段）の例を示す図である。ＬＤの駆動電圧の波形は、出射される光パルス群の波形に対応する。図１３Ａの例では、パルス群の出射周期は６４ｎｓであり、各パルス群における各パルスの半値全幅は１ｎｓ、各パルスの出射周期は２ｎｓ、各パルスの周波数は０．５ＧＨｚ、各パルスの立下り時間は１ｎｓである。
【０１１１】
図１３Ｂは、図１３Ａにおける複数の光パルス群のうち、１つの光パルス群の時間分布の例を示す図である。図１３Ｂの下段における光検出電圧のパルス群の最後のパルスの立下り時間は、ｔｆ１＝１．７ｎｓと測定された。
【０１１２】
図１３Ｃは、単一の光パルスを出射した場合における、ＬＤの駆動電圧の時間分布（上段）、および光検出器の検出電圧の時間分布（下段）の例を示す図である。図１３Ｃの上段における単一の光パルスの半値全幅および立下り時間は、それぞれ図１３Ｂの上段における光パルス群の半値全幅および立下り時間と同じである。図１３Ｃの下段における検出電圧のパルス群の最後のパルスの立下り時間は、ｔｆ２＝２．２ｎｓと測定された。
【０１１３】
図１３Ｄは、図１３Ｂにおける下段の検出電圧の時間変化、および図１３Ｃにおける下段の検出電圧の時間変化を拡大して示す図である。光パルス群を用いた場合、最後のパルスの立下りの傾きθ１が、単一の光パルスを用いた場合のパルスの立下りの傾きθ２よりも急峻になることが分かった。その結果、立下り時間ｔｆ１は、立下り時間ｔｆ２よりも短くなった。
【０１１４】
この理由としては、現状では詳細な解明はできていないが、おそらくＬＤ内部の電荷の状態に起因し、高速で変調する方がＬＤ内部での注入電流量の変化が高速となり、その分出射光の消滅速度も速くなるため、立下り時間が短縮するのではないかと想像している。
【０１１５】
前述の図５Ａに示したのは、光パルス群と単一の光パルス群が、同じパルス幅で同じ立下がり時間を有する場合の変調度の比較であった。一方、実験の結果、図１３Ｂから１３Ｄに示すように、出射される単一の光パルスと光パルス群とが同じパルス幅を有していても、単一の光パルスを用いる場合よりも、光パルス群を用いる方が、立下り時間はより短くなることが分かった。
【０１１６】
さらに、図５Ａによれば、出射光の立下がり時間が小さくなると変調度は向上する傾向にある。以上の結果を考慮すると、図５Ａに示した変調度は、実際には、光パルス群の方がより有利になると推定される。すなわち、光パルスの立下り時間τが小さい（例えば、２ｎｓ以下）とき、単一の光パルスよりも光パルス群を用いた方が、より変調度が増加し、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可能となる。
【０１１７】
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】
【０１１８】
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】
【０１１９】
１  光源
２  光検出器
３  光電変換素子
４、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
９  内部散乱光  １０  直接反射光
１１  反射散乱光
１２  ドレイン
１３  立下がり期間
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ  領域  １５ａ、１５ｂ    電気信号
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ    制御信号
１７    生体計測装置
１８  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】
2019020394.tif 000003
【図１Ｂ】
2019020394.tif 000004
【図２Ａ】
2019020394.tif 000005
【図２Ｂ】
2019020394.tif 000006
【図３Ａ】
2019020394.tif 000007
【図３Ｂ】
2019020394.tif 000008
【図４】
2019020394.tif 000009
【図５Ａ】
2019020394.tif 000010
【図５Ｂ】
2019020394.tif 000011
【図６Ａ】
2019020394.tif 000012
【図６Ｂ】
2019020394.tif 000013
【図７Ａ】
2019020394.tif 000014
【図７Ｂ】
2019020394.tif 000015
【図８Ａ】
2019020394.tif 000016
【図８Ｂ】
2019020394.tif 000017
【図９】
2019020394.tif 000018
【図１０Ａ】
2019020394.tif 000019
【図１０Ｂ】
2019020394.tif 000020
【図１１】
2019020394.tif 000021
【図１２】
2019020394.tif 000022
【図１３Ａ】
2019020394.tif 000023
【図１３Ｂ】
2019020394.tif 000024
【図１３Ｃ】
2019020394.tif 000025
【図１３Ｄ】
2019020394.tif 000026