(57)【要約】  測定装置は、被測定対象（２００）にレーザ光を照射する照射手段（１２０）と、被測定対象によって散乱されたレーザ光を受光する受光手段（１３０）と、受光手段の出力信号の振幅を所定の範囲内に制限する制限手段（１５０）と、受光手段の出力信号に含まれるレーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段（１７０）とを備える。この測定装置によれば、モードホップによる影響を抑圧し、好適に測定を行うことが可能である。
2015198470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、
前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、
前記受光手段の出力信号の振幅を所定の範囲内に制限する制限手段と、
前記受光手段の出力信号に含まれる前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と
を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記制限手段は、前記受光手段の出力信号の過去の振幅に応じて前記所定の範囲を変化させることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記制限手段は、前記受光手段の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する前の段階において振幅を制限することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記制限手段は、前記受光手段の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換した後の段階において振幅を制限することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項５】
前記制限手段は、前記受光手段の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する前の段階及び後の段階の両方において夫々振幅を制限することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項６】
前記受光手段は、
前記レーザ光を電流に夫々変換して出力する第１及び第２光電変換素子部と、
前記第１光電変換素子部が出力する電流と前記第２光電変換素子部が出力する電流との差分電流を検出電流として出力する差分電流出力部と
を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
被測定対象にレーザ光を照射する照射工程と、
前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、
前記受光工程で得られる出力信号の振幅を所定の範囲内に制限する制限工程と、
前記受光工程で得られる出力信号に含まれる前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と
を備えることを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象において散乱された光を利用して、被測定対象の移動に関する情報を測定する測定装置及び測定方法の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の測定装置に用いられる半導体レーザは、レーザの温度の上昇に起因してバンドギャップが変化するため、温度の上昇に伴い発振波長は長波長へと徐々に変化する。そして、温度の上昇が続くと、あるタイミングで、次の長波長側の最大利得を有する波長に発振波長が突然飛び移る。この現象はモードホップと呼ばれ、例えば光ドップラを利用した測定装置における測定誤差の原因となることが知られている。【０００３】
特許文献１では、上述したモードホップの発生を抑制するために、ペルチェ素子を用いてレーザ光源の温度を制御するという技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１２０５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に記載されているような技術では、吸熱手段であるペルチェ素子の消費電力が大きく、加えて検温センサ及び制御ＩＣ等も必要になるため、構成部品も多く、コスト的に不利になるという技術的問題点がある。また、モードホップを抑制するためには、検温センサ及び吸熱手段で厳密に温度を管理する必要があり、モードホップの発生を完全になくすことは難しいという技術的問題点もある。【０００６】
本発明が解決しようとする課題には上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、モードホップが測定に及ぼす悪影響を抑制することが可能な測定装置及び測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための測定装置は、被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段の出力信号の振幅を所定の範囲内に制限する制限手段と、前記受光手段の出力信号に含まれる前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段とを備える。【０００８】
上記課題を解決するための測定方法は、被測定対象にレーザ光を照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程で得られる出力信号の振幅を所定の範囲内に制限する制限工程と、前記受光工程で得られる出力信号に含まれる前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】受光素子及びＩ−∨変換器の具体的な構成を示す回路図である。
【図３】振幅リミッタ増幅器の具体的な構成を示すブロック図である。
【図４】振幅リミッタ部の具体的な構成を示す回路図である。
【図５】血流演算部の具体的な構成を示すブロック図である。
【図６】血流スペクトルの具体例を示すグラフである。
【図７】増幅信号及び血流出力を示すグラフ（その１）である。
【図８】増幅信号及び血流出力を示すグラフ（その２）である。
【図９】増幅信号及び血流出力を示すグラフ（その３）である。
【図１０】第２実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１１】リミッタ処理部の具体的な構成を示すブロック図である。
【図１２】リミットレベル調整部の具体的な構成を示すブロック図である。
【図１３】リミッタ処理を行わないデータ及び対応する血流出力を示すグラフである。
【図１４】リミッタ処理を行ったデータ及び対応する血流出力を示すグラフである。
【図１５】第３実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜１＞
本実施形態に係る測定装置は、被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段の出力信号の振幅を所定の範囲内に制限する制限手段と、前記受光手段の出力信号に含まれる前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段とを備える。
【００１１】
本実施形態に係る測定装置によれば、その動作時には、被測定対象に対して、照射手段からレーザ光が照射される。照射手段は、例えば半導体レーザ素子等を含んで構成されており、その使用時には、被測定対象に効率的に光を照射できる位置に配置される。なお、被測定対象は、例えば生体の血液等の流体である。ただし、被測定対象は特に限定されるものではなく、移動するものであれば流体以外（例えば、個体）であっても構わない。
【００１２】
照射手段から照射されたレーザ光は被測定対象において散乱（具体的には、反射及び透過）された後、受光手段で受光される。受光手段は、例えばフォトダイオード等を含んで構成され、受光した光に応じた出力信号を出力する。
【００１３】
ここで本実施形態では特に、受光手段の出力信号の振幅が、制限手段によって所定の範囲内に制限される。このため出力信号は、例えば振幅が所定の範囲を超えた部分がカットされた状態で出力されることになる。なお、ここでの「所定の範囲」とは、後述するようにモードホップに起因する影響を抑制するために、振幅制限の基準として設定される振幅の範囲（言い換えれば、振幅の上限値）である。所定の範囲は、事前のシミュレーション等によりモードホップによる影響を効果的に抑制できるような範囲として設定される。所定の範囲は固定値であってもよいし、測定状況等に応じて可変とされる値であってもよい。
【００１４】
受光手段の出力信号は、出力手段から被測定対象の移動に関する情報を出力する際に用いられる。具体的には、出力手段では、受光手段の出力信号に含まれるレーザ光のドップラーシフト（以下、適宜「光ドップラ」と称する）に起因するビート信号に基づいて、被測定対象の移動に関する情報が算出される。なお、ここでの「移動に関する情報」とは、被測定対象の移動速度や移動量、移動方向の他、それらの情報を間接的に示す情報を含む広い概念である。
【００１５】
光ドップラを利用して被測定対象の移動に関する情報を出力しようとする場合、例えば照射手段の温度上昇に起因してモードホップが発生すると、測定結果に誤差が生じてしまうことがある。具体的には、モードホップに起因して受光手段の出力信号の振幅値が大きく変動する（例えば、振幅が瞬間的に極めて大きい値となる）ため、出力信号から得られる測定結果に不必要な変動が生ずることになる。
【００１６】
しかるに本実施形態では、上述したように、受光手段の出力信号の振幅が所定の範囲内に制限される。このため、仮にモードホップが発生したとしても、受光手段の出力信号からはモードホップによる変動部分が除かれる。これにより、被測定対象の移動に関する情報を出力する際に用いられる出力信号は、モードホップの影響を全く或いは殆ど受けていない状態のものとされる。従って、モードホップが発生している状況においても、被測定対象の移動に関する情報は正確なものとして出力される。
【００１７】
以上説明したように、本実施形態に係る測定装置によれば、モードホップの影響を抑制して、正確に測定を行うことが可能である。
【００１８】
＜２＞
本実施形態に係る測定装置の一態様では、前記制限手段は、前記受光手段の出力信号の過去の振幅に応じて前記所定の範囲を変化させる。
【００１９】
この態様によれば、受光手段の出力信号の振幅に関する情報が記憶され、その後の振幅の制限に利用される。より具体的には、例えば動作開始直後におけるモードホップ発生していない状況での受光手段の出力信号の振幅が記憶され、記憶された振幅のピークの平均値に所定の係数（例えば、１．１程度の多少の変動を許容するための係数）を乗じた値が所定の範囲として設定される。
【００２０】
上述したように所定の範囲を可変とすれば、固定値である所定の範囲を利用する場合と比べて、より適切に出力信号の振幅を制限できる。具体的には、所定の範囲が大き過ぎて、出力信号からモードホップに起因する変動部分を除去できない、或いは所定の範囲が小さ過ぎて、出力信号からモードホップに起因しない部分（即ち、測定に利用すべき部分）までが除去されてしまうことを防止できる。従って、本態様によれば、より正確な測定結果を得ることが可能である。
【００２１】
＜３＞
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記制限手段は、前記受光手段の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する前の段階において振幅を制限する。
【００２２】
この態様によれば、出力信号の振幅がアナログ信号の状態で制限されるため、制限後の出力信号を、その後のＡ／Ｄ変換のＤレンジに合わせて増幅させて、Ａ／Ｄ変換による量子化誤差を低減することができる。この結果、Ａ／Ｄ変換のビット長を小さく設定することが可能となり、Ａ／Ｄ変換器のコストを低減できる。
【００２３】
＜４＞
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記制限手段は、前記受光手段の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換した後の段階において振幅を制限する。
【００２４】
この態様によれば、出力信号の振幅がデジタル信号の状態で制限されるため、デジタル信号の特性を活かして、精度の高い制限処理を比較的容易に行うことが可能となる。
【００２５】
＜５＞
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記制限手段は、前記受光手段の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する前の段階及び後の段階の両方において夫々振幅を制限する。
【００２６】
この態様によれば、上述したアナログ段階で制限処理を行う利得、及びデジタル段階で制限処理を行う利得を両方享受できるため、極めて好適な測定を実現できる。
【００２７】
なお、本態様では２段階で制限処理を行うことになるため、初めのアナログ段階での制限処理では、ある程度の余裕を持たせた制限（即ち、多少はモードホップに起因する成分が残ってもよい前提での制限）を行い、最後のデジタル段階での制限処理において精度の高い制限（即ち、モードホップに起因する成分をできるだけ除去できるような制限）を行うことが望ましい。
【００２８】
＜６＞
本実施形態に係る測定装置の他の態様では、前記受光手段は、前記レーザ光を電流に夫々変換して出力する第１及び第２光電変換素子部と、前記第１光電変換素子部が出力する電流と前記第２光電変換素子部が出力する電流との差分電流を検出電流として出力する差分電流出力部とを有する。
【００２９】
この態様によれば、レーザ光を電流に変換して出力するものとして、２つの光電変換素子部が設けられている。第１及び第２光電変換素子部の各々は、１又は複数の光電変換素子（例えばフォトダイオード等）からなり、入力光の光量に応じて電流を出力する。
【００３０】
より具体的には、第１及び第２光電変換素子部は、例えば第１光電変換素子部のカソードと第２光電変換素子部のアノードとが接続され且つ第１光電変換素子部のアノードと第２光電変換素子部のカソードとが接続されるように、並列接続されている。或いは、第１及び第２光電変換素子部は、互いにカソード同士又はアノード同士が接続されるように、直列接続されている。
【００３１】
差分電流出力部は、第１光電変換素子部が出力する電流と第２光電変換素子部が出力する電流との差分電流を検出電流として出力する。これにより、第１及び第２光電変換素子部の各々から出力される電流のうちレーザ光に含まれる定常光成分に相当する電流成分（以下、適宜「ＤＣ（direct current）成分」と称する）を低減或いは除去して、レーザ光に含まれる信号光成分に相当する電流成分（以下、適宜「ＡＣ（alternate current）成分」と称する）を主として含む電流を検出電流として出力することができる。即ち、第１光電変換素子部が出力する電流のＤＣ成分と、第２光電変換素子部が出力する電流のＤＣ成分とを相殺させることができ、レーザ光に含まれる信号光成分に相当するＡＣ成分を主として含む検出電流を出力することができる。
【００３２】
以上の結果、検出電流にはＤＣ成分が殆ど或いは全く含まれていないので、例えば検出電流に含まれるＤＣ成分が比較的大きい場合に発生し得る電流電圧変換回路（即ち、検出電流を電圧に変換する回路）の飽和現象の発生を回避しつつ、電流電圧変換回路による増幅の利得を大きくすることができる。
【００３３】
更に、本態様によれば、レーザ光に含まれる信号光成分に相当するＡＣ成分を主として含む電流を、検出電流として出力することができるので、出力信号のＳ／Ｎ比（signal-to-noise ratio）を向上させることができる。即ち、本態様によれば、第１及び第２光電変換素子部の各々から出力される電流のうち、レーザ光に定常光成分として含まれるノイズ成分に相当するＤＣ成分を低減或いは除去して、信号成分に相当するＡＣ成分を主として含む検出電流を出力するので、出力信号におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００３４】
＜７＞
本実施形態に係る測定方法は、被測定対象にレーザ光を照射する照射工程と、前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、前記受光工程で得られる出力信号の振幅を所定の範囲内に制限する制限工程と、前記受光工程で得られる出力信号に含まれる前記レーザ光のドップラーシフトに起因するビート信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程とを備える。
【００３５】
本実施形態の測定方法によれば、上述した本実施形態に係る測定装置と同様に、モードホップの影響を抑制して、正確に測定を行うことが可能である。
【００３６】
なお、本実施形態に係る測定方法においても、上述した本実施形態に係る測定装置における各種態様と同様の各種態様を採ることが可能である。
【００３７】
本実施形態に係る測定装置及び測定方法の作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。
【実施例】
【００３８】
以下では、図面を参照して測定装置及び測定方法の実施例について詳細に説明する。なお、以下では、本発明に係る測定装置が、血流を測定する血流測定装置として構成される場合を例にとり説明する。【００３９】
＜第１実施例＞
第１実施例に係る測定装置について、図１から図９を参照して説明する。【００４０】
＜全体構成＞
先ず、第１実施例に係る測定装置の全体構成について、図１を参照して説明する。ここに図１は、第１実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。【００４１】
図１において、本実施例に係る測定装置は、レーザ駆動部１１０と、半導体レーザ１２０と、受光素子１３０と、Ｉ−Ｖ変換部１４０と、振幅リミッタ増幅器１５０と、Ａ／Ｄ変換器１６０と、血流演算部１７０とを備えて構成されている。【００４２】
レーザ駆動部１１０は、半導体レーザ１２０を駆動するための電流を発生する。【００４３】
半導体レーザ１２０は、「照射手段」の一具体例であり、レーザ駆動部１１０において発生された駆動電流に応じたレーザ光を、被測定対象２００（例えば、生体の皮膚等）に対して照射する。【００４４】
受光素子１３０は、「受光手段」の一具体例であり、半導体レーザ１２０から照射されたレーザ光のうち、血液２００で散乱された散乱光を受光する。受光素子１３０は、受光した散乱光の強度に応じて検出電流を出力する。【００４５】
Ｉ−Ｖ変換器１４０は、受光素子１３０から出力された検出電流を電圧に変換して、検出電圧を出力する。【００４６】
振幅リミッタ増幅器１５０は、「制限手段」の一具体例であり、検出電圧にリミッタ処理を施すと共に増幅し、増幅信号として出力する。リミッタ処理については後に詳述する。【００４７】
Ａ／Ｄ変換器１６０は、入力されるアナログの増幅信号を量子化し、デジタルのデータとして出力する。【００４８】
血流演算部１７０は、「出力手段」の一具体例であり、入力されるデータに基づいて血流（具体的には、血液２００の流速等の移動に関する情報）を出力する。血流演算部１７０は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）として構成されており、入力されるデータに対して周波数解析等のデジタル信号処理を実行可能とされている。【００４９】
＜動作説明＞
以下では、上述した測定装置の動作について、引き続き図１を参照して詳細に説明する。【００５０】
図１において、本実施例に係る測定装置の動作時には、先ずレーザ駆動部１１０が、半導体レーザ１２０の閾値電流以上の規定の動作電流を発生し、半導体レーザ１２０に供給する。これにより、半導体レーザ１２０はレーザ発振する。【００５１】
半導体レーザ１２０は被測定対象２００に対してレーザ光を出射すべく、クリップ等（図示せず）により被測定対象２００に固定される。被測定対象２００が生体の皮膚である場合、照射されたレーザ光は、固定物体である皮膚組織により散乱された散乱光、及び移動物体である毛細血管中の赤血球で散乱された散乱光となり、その両者が受光素子１３０によって受光される。【００５２】
ここで、皮膚組織により散乱された散乱光は参照光であり、赤血球で散乱された散乱光は赤血球の移動速度に対応して光ドップラーシフトを生じた散乱光である。これら２つの散乱光は、レーザ光の可干渉性により干渉を起こす。受光素子１３０は、この干渉の結果である光ビート信号の強度に対応して、検出電流を生じる。【００５３】
受光素子１３０は、半導体レーザ１２０と同様に、被測定対象２００からの散乱光を受光すべくクリップ等（図示せず）により被測定対象２００に固定されている。受光素子１３０が検出した光ビート信号に対応した検出電流は、Ｉ-Ｖ変換器１４０にて、電流電圧変換され、検出電圧として出力される。【００５４】
以下では、受光素子１３０及びＩ−Ｖ変換器１４０の具体的な構成及び動作について、図２を参照して説明する。ここに図２は、受光素子及びＩ−∨変換器の具体的な構成を示す回路図である。【００５５】
図２において、本実施例に係る受光素子１３０は、２つの受光素子１３０ａ及び１３０ｂを含んで構成されている。受光素子１３０ａ及び１３０ｂは、「第１光電変換素子部」及び「第２光電変換素子部」の一具体例であり、例えばＰＩＮ型半導体によるフォトディテクタとして構成されている。受光素子１３０ａ及び１３０ｂは、カソード同士が接続され、互いに逆向きに直列接続されている。このように構成すれば、ＤＣ成分を抑圧し、信号成分であるＡＣ成分を効率よく検出できる。【００５６】
具体的には、受光素子１３０ａ及び１３０ｂの各々から出力される電流のうち入力光に含まれる定常光成分に相当する電流成分（以下「ＤＣ（direct current）成分」と適宜称する）を低減或いは除去して、入力光に含まれる信号光成分に相当する電流成分（以下「ＡＣ（alternate current）成分」と適宜称する）を主として含む電流を検出電流として出力することができる。即ち、受光素子１３０ａの出力電流のＤＣ成分と、受光素子１３０ｂの出力する電流のＤＣ成分とを相殺させることができ、入力光に含まれる信号光成分に相当するＡＣ成分を主として含む検出電流を出力することができる。【００５７】
例えば、受光素子１３０ａの検出電流をＩｄ１、受光素子１３０ｂの検出電流をＩｄ２とすると、両者は極性が逆に直列接続されているため、検出電流は以下の数式（１）のようになる。【００５８】
Ｉｄｔ＝Ｉｄ２−Ｉｄ１・・・（１）
また、受光素子１３０ａが受光した散乱光と、受光素子１３０ｂが受光した散乱光とは、両者の経路が互いに異なっているため、光の波長を基準長さとすると、およそ無相関の信号となる。そのため、減算により、信号成分である光ビート信号の強度は、√２倍となる。【００５９】
一方、ＤＣ電流は減算により相殺されるので、トランスインピーダンスアンプであるＡｍｐ１とＡｍｐ２の検出感度を高く設定しても飽和を防止できる。具体的には、帰還抵抗Ｒｆ１とＲｆ２の抵抗値を高く設定することが可能となり、電流電圧変換感度が向上する。この結果、高い検出Ｓ/Ｎ（Signal-to-Noise ratio）が得られる。【００６０】
Ａｍｐ１とＡｍｐ２の非反転入力端子は、接地されている。Ａｍｐ１とＡｍｐ２の帰還抵抗Ｒｆ１とＲｆ２の負帰還作用により、非反転端子と反転端子はイマジナリシュート状態であり、およそ同一電位となる。そのため、受光素子１３０ａのアノードと受光素子１３０ｂのアノードとは同一電位となり、Ｐ受光素子１３０ａと受光素子１３０ｂとは所謂発電モードで動作している。この発電モードにより、暗電流が抑圧され、暗電流ゆらぎによるノイズ増加が抑圧できる。【００６１】
Ａｍｐ１の検出電圧Ｖｄ１及びＡｍｐ２の検出電圧Ｖｄ２は、以下の数式（２）、（３）のようになる。【００６２】
Ｖｄ１＝Ｒｆ１・Ｉｄｔ      ・・・（２）
Ｖｄ２＝Ｒｆ２・（−Ｉｄｔ）・・・（３）
Ａｍｐ３は、Ａｍｐ１とＡｍｐ２の検出電圧を差動増幅し、Ｖｏｕｔとして出力する。この差動増幅により、電源ノイズやハム等の同相ノイズは除去される。【００６３】
ここで、Ｒａ１＝Ｒａ２＝Ｒａ、Ｒｂ１＝Ｒｂ２＝Ｒｂとなるように抵抗値を設定すると、Ｖｏｕｔは、以下の数式（４）のようになる。【００６４】
Ｖｏｕｔ＝（Ｒｂ／Ｒａ）（Ｖｄ１−Ｖｄ２）  ・・・（４）
上記数式（２）、（３）及び（４）から、Ｒｆ１＝Ｒｆ２＝Ｒｆとなるように抵抗値を設定すると、Ｖｏｕｔは、以下の数式（５）のようになる。【００６５】
Ｖｏｕｔ＝２Ｒｆ（Ｒｂ／Ｒａ）Ｉｄｔ  ・・・（５）
上記数式（５）から、信号成分である光ビート信号の強度に対応した、検出電圧Ｖｏｕｔが得られることが分かる。【００６６】
図１に戻り、Ｉ−Ｖ変換器１４０から出力された検出電圧は、振幅リミッタ増幅器１５０に入力され、増幅信号として出力される。以下では、振幅リミッタ増幅器１５０の具体的な構成及び動作について、図３及び４を参照して説明する。ここに図３は振幅リミッタ増幅器の具体的な構成を示すブロック図である。また図４は、振幅リミッタ部の具体的な構成を示す回路図である。【００６７】
図３において、振幅リミッタ増幅器１５０に入力された検出電圧は、先ず可変増幅器１５１に入力される。可変増幅器１５１の制御端子には、外部のＣＰＵ（図示せず）からゲイン設定値が入力される。可変増幅器１５１は、ゲイン設定値に従い、規定のゲインで検出電圧を増幅し、ＢＰＦ部１５２に出力する。【００６８】
ＢＰＦ部１５２は、ハム信号等の低周波ノイズと、ＳＷ電源からの高周波ノイズを抑圧するための帯域通過フィルタを構成している。ＢＰＦ１５２分の出力は、振幅リミッタ部１５３に入力される。【００６９】
図４に示すように、振幅リミッタ部１５３は、抵抗Ｒｉ、ダイオードＤ１及びＤ２により構成される。抵抗Ｒｉは、ダイオードＤ１及びＤ２の各々のオン抵抗に比較して大きく設定されており、これによりダイオードＤ１及びＤ２の順方向電圧を超えた信号振幅が制限される。このように、振幅リミッタ部１５３は、所謂ダイオードリミッタを構成している。振幅リミッタ部１５３の出力は、ＡＣ増幅器１５４に入力される。【００７０】
ＡＣ増幅器１５４は、Ａ／Ｄ変換のＤレンジに対して適切な振幅が得られるように信号を増幅し、増幅信号として出力する。具体的には、Ａ／Ｄ変換器１６０の入力Ｄレンジが±１．４Ｖ、ダイオードリミット振幅が±０．７Ｖの場合、ＡＣ増幅器のゲインは２倍に設定すればよい。【００７１】
再び図１に戻り、振幅リミッタ増幅器１５０の出力である増幅信号は、Ａ/Ｄ変換器１６０に入力される。Ａ/Ｄ変換器１６０は、入力された増幅信号を規定のサンプリング周波数にて量子化し、デジタル値としてのデータを出力する。【００７２】
Ａ/Ｄ変換器１６０から出力されたデータは、血流演算部１７０によりデジタル信号処理され、血流に関する情報が出力される。以下では、血流演算部１７０の具体的な構成及び動作について、図５及び図６を参照して説明する。ここに図５は、血流演算部の具体的な構成を示すブロック図である。また図６は、血流スペクトルの具体例を示すグラフである。【００７３】
図５において、血流演算部１７０に入力されたデータは、先ずハニング窓処理部１７１に入力される。ハニング窓処理部１７１は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）の前処理としてのハニング窓処理を実行する。【００７４】
ＦＦＴ処理部１７２は、窓関数により制限されたデータを、ＦＦＴ処理により周波数解析する。【００７５】
２乗演算部１７３は、周波数解析データに複素共役処理を実行し、パワースペクトルＰ（ｆ）を取得する。【００７６】
１次モーメント積算部１７４は、得られたパワースペクトルＰ（ｆ）に周波数ベクトルｆを乗算し、更に規定帯域内で積算して、Σ｛ｆ・Ｐ（ｆ）｝を得る。【００７７】
ＬＰＦ部１７５は、Σ｛ｆ・Ｐ（ｆ）｝信号の高周波成分を除去し、規定のゲインを乗算する。これにより、血流出力が得られる。【００７８】
図６に示すように、血流が低いとき、即ち毛細血管内を流れる散乱体である血球の流れる速度が遅い場合、光ビート信号のパワースペクトルＰ（ｆ）については、図中の点線で示したような特性が得られ、低周波成分が高周波成分に比較してより多く含まれる。一方、血流が高いとき、即ち毛細血管内を流れる散乱体である血球の流れる速度が速い場合、光ビート信号のパワースペクトルＰ（ｆ）については、図中の実線で示したような特性が得られ、高周波成分が低周波成分に比較してより多く含まれる。【００７９】
このように、移動体の速度が速い場合、散乱光のドップラーシフト量が増加する。よって、光ビート信号の周波数スペクトルは、周波数が高い領域の成分がより増加し、図６のような特性を示すことになる。【００８０】
なお、血流演算部１７０は、光ビート信号のパワースペクトル変化を効率的に検出すべく演算を行う。本実施例ではＦＦＴによる周波数解析を利用した方式を説明したが、この方式に限定されるものではない。【００８１】
＜モードホップに対する効果＞
次に、本実施例に係る測定装置によって得られる効果について、図７から図９を参照して説明する。ここに図７から図９は夫々、増幅信号及び血流出力を示すグラフである。なお、図７から図９で示されているグラフの横軸は時間であり、０秒から２７秒に対応している。【００８２】
図７に示す波形は、半導体レーザ１２０が安定してシングルモードで発振している状態、即ちモードホップを生じていない場合に得られる波形の一例である。この場合は、モードホップが生じていないため、増幅信号にノイズが殆ど存在していない。このため、振幅リミッタ処理を行わずとも、正確な血流出力が得られている。【００８３】
図８に示す波形は、半導体レーザ１２０がモードホップにより不安定な発振状態にある場合に得られる波形の一例である。この場合は、図７と比較しても分かるように、モードホップの発生に起因して、増幅信号に多くのノイズが存在している。このため、振幅リミッタ処理を行わないと、血流出力の脈波に乱れが生じてしまう。【００８４】
図９に示す波形は、図８の場合と同様に、半導体レーザ１２０がモードホップにより不安定な発振状態にある場合に得られる波形の一例であるが、本実施例に係る振幅リミッタ処理を行って復調している。このため、振幅リミッタ増幅器１５０の振幅制限作用により、ノイズ成分が抑圧されている。その結果、血流出力における脈波の乱れは、最小限に抑えられ、図７の場合と同様に、モードホップしていない（即ち、ノイズのない）状態に近い波形が得られている。【００８５】
以上説明したように、第１実施例に係る測定装置によれば、半導体レーザ１２０のモードホップによるノイズが生じても、その影響を抑圧して、より正確な血流測定を実施することが可能である。また、半導体レーザ１２０のモードホップ自体を除去しようとすれば、高価な温度制御システム等を導入することが求められるが、本実施例ではモードホップ自体を除去する必要はないため、低コスト化を実現できる。更には、消費電力の大きな温度制御システムが必要なくなれば電池駆動が可能となり、装置の小型化を実現することができる。【００８６】
＜第２実施例＞
次に、第２実施例に係る測定装置について、図１０から図１４を参照して説明する。なお、第２実施例は、上述した第１実施例と比べて一部の構成及び動作が異なるのみで、多くの部分は第１実施例と同様である。このため、以下では第１実施例と異なる部分について詳細に説明し、重複する部分については適宜説明を省略するものとする。【００８７】
＜全体構成＞
第２実施例に係る測定装置の全体構成について、図１０を参照して説明する。ここに図１０は、第２実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。【００８８】
図１０において、第２実施例に係る測定装置は、レーザ駆動部１１０と、半導体レーザ１２０と、受光素子１３０と、Ｉ−Ｖ変換部１４０と、増幅器１５５と、Ａ／Ｄ変換器１６０と、血流演算部１７０と、リミッタ処理部１８０とを備えて構成されている。即ち、第２実施例に係る測定装置では、第１実施例に係る振幅リミッタ増幅器１５０（図１参照）のリミッタ処理を行う部分が、リミッタ処理部１８０として、Ａ／Ｄ変換器１６０の後段に独立して設けられている。【００８９】
リミッタ処理部１８０は、Ａ／Ｄ変換器１６０から入力されたデジタルのデータの振幅を、デジタル信号処理により制限し、リミットデータとして血流演算部１７０に出力する。【００９０】
なお、増幅器１５５は、第１実施例に係る振幅リミッタ増幅器１５０とは異なり、アナログ処理による振幅制限を実施せず、Ｉ−Ｖ変換部１４０から入力された検出電圧を増幅して、増幅信号としてＡ／Ｄ変換器１６０に出力する。【００９１】
＜リミッタ処理部の具体的な構成＞
次に、リミッタ処理部１８０の具体的な構成について、図１１を参照して説明する。ここに図１１は、リミッタ処理部の具体的な構成を示すブロック図である。【００９２】
図１１において、リミッタ処理部１８０に入力されたデータは、先ず正側レベル比較部１８１に入力される。正側レベル比較部１８１は、入力されたデータとリミットレベル（即ち、所定の振幅制限値）とを比較する。そして、入力データがリミットレベルより大きい場合、第１データ入れ替え部１８２において入力データをリミットレベルに入れ替える。同様に、リミットレベルは−１倍処理部１８３において符号反転され、負側レベル比較部１８４において入力データと比較される。−１倍されたリミットレベルより、入力データが小さい場合（即ち、負の振幅が大きい場合）、第２データ入れ替え部１８５において、入力データは−１倍されたリミットレベルに入れ替えられる。この結果、入力データの振幅は、リミットレベルに応じて振幅制限されて、リミットデータとして出力される。【００９３】
＜リミットレベル調整部＞
上述したリミッタ処理部１８０は、リミットレベル調整部を備えることで、可変リミッタ処理部として構成されてもよい。以下では、リミットレベル調整部について、図１２を参照して説明する。ここに図１２は、リミットレベル調整部の具体的な構成を示すブロック図である。【００９４】
図１２において、リミットレベル調整部１９０は、Ａ／Ｄ変換器１６０と、リミッタ処理部１８０との間に設けられている。リミットレベル調整部１９０に入力されたデータは、バッファリング部１９１においてｎポイント蓄積される。なお、蓄積データ数であるｎは、例えば血流演算部１７０でのＦＦＴ処理に必要なデータ数を選べばよい。【００９５】
ピーク検出部１９２は、蓄積されたデータのピーク値を検出する。ＬＰＦ部１９３は、ピーク検出部１９２において検出されたピーク量を平均化する。このため、ＬＰＦ部１９３の出力は、ピーク量の平均値となる。【００９６】
ゲイン乗算部１９４は、ＬＰＦ部１９３の出力であるピーク量の平均値に対して、所定のゲイン（例えば１．１倍）を乗算する。上限設定部１９５は、ゲイン乗算部１９４の出力と所定の上限値（即ち、リミットレベル）と比較し、所定の上限値より大きい場合は、所定の上限値に置き換えられ、可変リミットレベルとして出力される。一方、所定の上限値より大きくない場合は、そのまま可変リミットレベルとして出力される。【００９７】
他方で、バッファリング部１９１の出力は、リミッタ処理部１８０にも入力される。リミッタ処理部１８０は、バッファリングされたデータと、可変リミットレベルとを比較し、可変リミットレベルを超えたデータに対しては可変リミットレベルへの置き換え処理を実行する。この処理は、図１１で説明したリミッタ処理部１８０が実行する処理と同様の処理である。【００９８】
＜モードホップに対する効果＞
次に、第２実施例に係る測定装置によって得られる効果について、図１３及び図１４を参照して説明する。ここに図１３は、リミッタ処理を行わないデータ及び対応する血流出力を示すグラフである。また図１４は、リミッタ処理を行ったデータ及び対応する血流出力を示すグラフである。【００９９】
図１３及び図１４において、リミッタ処理実行時のリミットデータは、リミッタ処理を行わない場合のデータに比較して、可変リミットレベルで波形が制限されており、半導体レーザ１２０のモードホップノイズにより生じたインパルス状の波形を除去していることが分かる。【０１００】
なお、リミットレベル調整部１９０により実現される可変リミットレベルは、データの振幅に応じて適切なリミッタレベルとされる。具体的には、通常動作時のデータの振幅レベルが低い場合は、リミッタレベルは自動的に低下する。逆に、通常動作時のデータの振幅レベルが高い場合は、リミッタレベルは自動的に上昇するので、通常動作時のデータの振幅レベルの変動によらず、常に適切なリミッタレベルが選択可能となる。この構成により、血流出力をより適切な波形として出力することが可能となる。【０１０１】
ちなみに、図１３及び１４で示す例では、リミッタ処理を行わない場合、０．５秒より短い周期の偽の脈波が検出されている。一方、リミッタ処理実行時は、０．５秒より短い周期の偽の脈波が抑圧されている。【０１０２】
以上説明したように、第２実施例に係る測定装置によれば、第１実施例と同様に、モードホップによるノイズが生じても、その影響を抑圧して、より正確な血流測定を実施することが可能である。【０１０３】
＜第３実施例＞
次に、第３実施例に係る測定装置について、図１５を参照して説明する。なお、第３実施例は、上述した第１及び第２実施例と比べて一部の構成及び動作が異なるのみで、多くの部分は第１及び第２実施例と同様である。このため、以下では第１及び第２実施例と異なる部分について詳細に説明し、重複する部分については適宜説明を省略するものとする。【０１０４】
＜全体構成＞
第３実施例に係る測定装置の全体構成について、図１５を参照して説明する。ここに図１５は、第３実施例に係る測定装置の全体構成を示すブロック図である。【０１０５】
図１５において、第３実施例に係る測定装置は、レーザ駆動部１１０と、半導体レーザ１２０と、受光素子１３０と、Ｉ−Ｖ変換部１４０と、アナログ振幅リミッタ１５０ｂと、増幅器１５５と、Ａ／Ｄ変換器１６０と、可変リミッタ処理部１８０ｂと、血流演算部１７０とを備えて構成されている。即ち、第３実施例に係る測定装置では、Ａ／Ｄ変換器１６０の前段及び後段の各々に、リミッタ処理を行うアナログ振幅リミッタ１５０ｂ及び可変リミッタ処理部１８０ｂが設けられている。【０１０６】
アナログ振幅リミッタ１５０ｂは、第１実施例に係る振幅リミッタ増幅器１５０（図１参照）と同様に、Ｉ−Ｖ変換部１４０から出力される検出電圧に対して、アナログ信号処理による振幅制限を実行する。なお、アナログ振幅リミッタ１５０ｂにおける振幅制限は、固定のリミットレベルを用いて実行される。【０１０７】
アナログ信号処理による振幅制限を行うことで、その後の増幅器１５５における増幅処理において、Ａ／Ｄ変換器１６０のＤレンジに合わせた振幅への増幅が実現でき、量子化誤差を低減することが可能となる。【０１０８】
他方、可変リミッタ処理部１８０ｂは、第２実施例に係るリミッタ処理部１８０（図１０参照）と同様に、Ａ／Ｄ変換器１６０から出力されるデータにデジタル信号処理による振幅制限を実行する。可変リミッタ処理部１８０ｂにおける振幅制限は、アナログ振幅リミッタ１５０ｂとは異なり、可変のリミットレベルを用いて実行される。【０１０９】
デジタル信号処理による振幅制限では、リミットレベルを可変として、より精密に振幅を制限できる。このため、より適切なリミット処理が実行でき、モードホップノイズの影響をより適切に抑圧することができる。【０１１０】
以上説明したように、第３実施例に係る測定装置によれば、リミット処理が、アナログ信号処理及びデジタル信号処理の両方で実行されるため、より好適に血流測定を実施することが可能である。【０１１１】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う測定装置及び測定方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１１２】
１１０  レーザ駆動部
１２０  半導体レーザ
１３０  受光素子
１４０  Ｉ−Ｖ変換部
１５０  振幅リミッタ増幅器
１５１  可変増幅器
１５２  ＢＰＦ部
１５３  振幅リミッタ
１５４  ＡＣ増幅器
１５５  増幅器
１６０  Ａ／Ｄ変換器
１７０  血流演算部
１７１  ハニング窓処理部
１７２  ＦＦＴ処理部
１７３  ２乗演算部
１７４  一次モーメント積算部
１７５  ＬＰＦ部
１８０  リミッタ処理部
１８１  正側レベル比較部
１８２  第１データ入れ替え部
１８３  −１倍処理部
１８４  負側レベル比較部
１８５  第２データ入れ替え部
１９０  リミットレベル調整部
１９１  バッファリング部
１９２  ピーク検出部
１９３  ＬＰＦ部
１９４  ゲイン乗算部
１９５  上限設定部
２００  被測定対象
【図１】
2015198470.tif 000003
【図２】
2015198470.tif 000004
【図３】
2015198470.tif 000005
【図４】
2015198470.tif 000006
【図５】
2015198470.tif 000007
【図６】
2015198470.tif 000008
【図７】
2015198470.tif 000009
【図８】
2015198470.tif 000010
【図９】
2015198470.tif 000011
【図１０】
2015198470.tif 000012
【図１１】
2015198470.tif 000013
【図１２】
2015198470.tif 000014
【図１３】
2015198470.tif 000015
【図１４】
2015198470.tif 000016
【図１５】
2015198470.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月2日(2016.11.2)
【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】
被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、
前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、
前記受光手段の出力信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と、
前記受光手段の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する後の段階において、前記受光手段の出力信号の振幅を所定の範囲内に制限する制限手段と
を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記制限手段は、前記受光手段の出力信号の過去の振幅に応じて前記所定の範囲を変化させることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記受光手段は、
前記レーザ光を電流に夫々変換して出力する第１及び第２光電変換素子部と、
前記第１光電変換素子部が出力する電流と前記第２光電変換素子部が出力する電流との差分電流を検出電流として出力する差分電流出力部とを有する
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項４】
被測定対象にレーザ光を照射する照射手段と、
前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光手段と、
前記受光手段の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記デジタル信号に対し振幅制限処理を施してリミットデータを生成する制限手段と、
前記リミットデータに基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力手段と
を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項５】
被測定対象にレーザ光を照射する照射工程と、
前記被測定対象によって散乱された前記レーザ光を受光する受光工程と、
前記受光工程で得られる出力信号に基づいて、前記被測定対象の移動に関する情報を出力する出力工程と、
前記受光工程で得られる出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する後の段階において、前記受光工程で得られる出力信号の振幅を所定の範囲内に制限する制限工程と
を備えることを特徴とする測定方法。
【国際調査報告】
2015198470.tif 000018
2015198470.tif 000019
2015198470.tif 000020
2015198470.tif 000021