(57)【要約】  本発明の一側面に係る生体信号を処理する信号処理装置は、周波数が変調された変調信号を出力し、変調信号によって１つ以上の光源が駆動されるようにするロックイン（Ｌｏｃｋ−ｉｎ）アンプチップと、光源により発光した後、複数の光測定部から測定された光センシング信号をそれぞれ受信して多重化する多重化器と、を含み、前記ロックインアンプチップは、前記多重化器を介して伝達される複数の光センシング信号を順次に復調処理するものである。
2021514718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体信号を処理する信号処理装置において、
周波数が変調された変調信号を出力し、前記変調信号によって１つ以上の光源が駆動されるようにするロックイン（Ｌｏｃｋ−ｉｎ）アンプチップと、
前記光源により発光した後、複数の光測定部から測定された光センシング信号をそれぞれ受信して多重化する多重化器と、を含み、
前記ロックインアンプチップは、前記多重化器を介して伝達される複数の光センシング信号を順次に復調処理する、信号処理装置。
【請求項２】
前記多重化器の出力端と前記ロックインアンプチップの入力端との間に配置され、前記多重化器の出力を受信して前記ロックインアンプチップへ伝達する差動増幅器をさらに含む、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記ロックインアンプチップの出力をデジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータをさらに含む、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記変調信号によって駆動される光源駆動部をさらに含み、
前記光源駆動部は、前記変調信号に基づいて変調された駆動信号を１つ以上の光源にそれぞれ伝達し、
前記光センシング信号は、前記変調信号の周波数成分を含む、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記光センシング信号をそれぞれ出力する複数の光測定部をさらに含み、前記光測定部は、前記光源駆動部によって駆動される光源の出力光を感知する、請求項４に記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記光測定部の光センシング信号を電圧信号に変換して前記多重化器へ伝達する複数のトランスインピーダンス増幅器をさらに含む、請求項５に記載の信号処理装置。
【請求項７】
前記ロックインアンプチップは、各光源毎に区分して予め設定された順番に従って順次に変調信号を出力し、
前記多重化器は、前記各光測定部から測定された光センシング信号を予め設定された順番に従って前記ロックインアンプチップへ伝達する、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項８】
生体信号を分析する体成分分析装置において、
複数の光源と、
複数の光測定部と、
ロックイン（Ｌｏｃｋ−ｉｎ）アンプチップを介して周波数が変調された変調信号を前記光源へ伝達し、前記光測定部で測定された光センシング信号をそれぞれ受信して前記ロックインアンプチップを介してノイズを除去する信号処理部と、
前記信号処理部から出力された信号に基づいて対象体の体成分を分析する体成分分析部と、を含む、体成分分析装置。
【請求項９】
前記信号処理部は、
周波数が変調された変調信号を出力する前記ロックインアンプチップと、
前記光測定部から測定された光センシング信号をそれぞれ受信して多重化する多重化器と、を含み、
前記ロックインアンプチップは、前記多重化器を介して伝達される複数の光センシング信号を順次に復調処理する、請求項８に記載の体成分分析装置。
【請求項１０】
前記多重化器の出力端と前記ロックインアンプチップの入力端との間に配置され、前記多重化器の出力を受信して前記ロックインアンプチップへ伝達する差動増幅器をさらに含む、請求項８に記載の体成分分析装置。
【請求項１１】
前記ロックインアンプチップの出力をデジタル信号に変換し、それを前記体成分分析部へ伝達するアナログデジタルコンバータをさらに含む、請求項８に記載の体成分分析装置。
【請求項１２】
前記変調信号によって駆動される光源駆動部をさらに含み、前記光センシング信号は、前記変調信号の周波数成分を含む、請求項８に記載の体成分分析装置。
【請求項１３】
前記光測定部の光センシング信号を電圧信号に変換して前記多重化器へ伝達する複数のトランスインピーダンス増幅器をさらに含む、請求項８に記載の体成分分析装置。
【請求項１４】
前記体成分分析部は、前記信号処理部から伝達された信号を基に離散型波長毎の反射率を算出し、前記離散型波長毎の反射率を基に前記対象体内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）の濃度を算出する、請求項８に記載の体成分分析装置。
【請求項１５】
前記体成分分析部は、前記対象体内に存在するクロモフォアの数、種類、及び含量のうち少なくとも１つを基に、前記複数の光源及び光検出部の中から駆動される光源及び光検出部の数及び種類を決定する、請求項８に記載の体成分分析装置。
【請求項１６】
前記ロックインアンプチップは、各光源毎に区分して予め設定された順番に従って順次に変調信号を出力し、
前記多重化器は、前記各光測定部から測定された光センシング信号を予め設定された順番に従って前記ロックインアンプチップへ伝達する、請求項８に記載の体成分分析装置。
【請求項１７】
前記各光源と光測定部とは、それぞれ対を成して互いに対向するように配置された、請求項８に記載の体成分分析装置。
【請求項１８】
生体信号を分析する体成分分析方法において、
ロックインアンプチップを介して周波数が変調された変調信号を基に複数の光源が光信号を出力するステップと、
前記複数の光源から出力された後、対象体で反射した光信号を複数の光測定部がそれぞれ測定するステップと、
前記複数の光測定部がそれぞれ測定した光センシング信号を多重化器が多重化した後、複数の光センシング信号を順次に出力するステップと、
前記ロックインアンプチップが前記順次に出力された複数の光センシング信号を受信し、復調処理して出力するステップと、
前記ロックインアンプチップから出力された信号に基づいて対象体の体成分を分析するステップと、を含む、体成分分析方法。
【請求項１９】
前記多重化器において、各光センシング信号を出力するタイミングに同期して各光センシング信号を識別するステップをさらに含む、請求項１５に記載の体成分分析方法。
【請求項２０】
前記体成分を分析するステップは、前記ロックインアンプチップから出力された信号を基に離散型波長毎の反射率を算出し、前記離散型波長毎の反射率を基に前記対象体内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）の濃度を算出する、請求項１５に記載の体成分分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体信号を分析する信号処理装置及びこれを用いた生体信号分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、混濁媒体（ｔｕｒｂｉｄ  ｍｅｄｉｕｍ）の光学的特性を測定する方法を用いて、身体の生体情報を分析する様々な技術が開発されている。このような技術は、身体に無侵襲でありながら生体情報などを提供できるという点で脚光を浴びており、消費者のニーズに応じて、補給型装置への研究開発に多くの関心が集中されている。
【０００３】
上記した技術は、一般に、近赤外線領域における混濁媒体の吸収係数と散乱係数を測定し、混濁媒体が含んでいるクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）の濃度を計算する。混濁媒体の吸収及び散乱係数を測定するための方法としては、３つの方式が知られている。具体的に、混濁媒体に一定の強さの光を入射した後、多距離測定方式に従ってクロモフォアの濃度を算出する定常状態（ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ、ＳＳ）方式、変調された光源に対して変化した振幅及び位相などを測定する周波数ドメイン（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ、ＦＤ）方式、パルス（ｐｕｌｓｅ）状の光源に対して時間に応じた変化を測定する時間ドメイン（ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ、ＴＤ）方式などがある。
【０００４】
ＳＳ方式は、光の変調又はパルスの生成を必要とせず、これにより、混濁媒体から反射した光を周波数ドメイン又は時間ドメインで分解する検出器を必要としないという面で、他の方式（即ち、ＦＤ方式又はＴＤ方式）に比べて相対的に安価である。しかし、ＳＳ方式は、吸収係数と散乱係数を分離するために多距離測定方式を用いるので、不均一性の高い生体組織においては、他の方法に比べて分析過程での歪曲が生じる可能性がある。
【０００５】
ＴＤ方式及びＦＤ方式は、多距離測定方式を使用しないため、ＳＳ方式に比べて、不均一性を有する生体組織に比較的適合である。しかし、ＴＤ方式とＦＤ方式は、パルスの生成又は周波数変調された光源及びこのような特性を検出できる検出器を必要とするので、具現方法と費用の面で短所がある。
【０００６】
本発明は、ＳＳ（Ｓｔｅａｄｙ  ｓｔａｔｅ）方式を用いるが、環境光（ａｍｂｉｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ）の影響と高い信号対雑音比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）を具現するために、ロックイン（Ｌｏｃｋ−ｉｎ）アンプ構造を用いる。ロックインアンプは、ノイズに埋められている信号を復号するアンプであり、検出しようとする信号よりも遥かに大きなノイズが含まれているとき、ノイズを除去するための用途として使用される。ロックインアンプは、特定の周波数を有する検出対象信号と、同一の周波数を有する信号である基準信号（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｓｉｇｎａｌ）との乗算により検出対象信号の大きさの成分を抽出することができる。例えば、検出対象信号の周波数（ｆａ）を含み、広い周波数帯域に渡ってノイズが含まれた場合、検出対象信号の周波数と同一の周波数を有する基準信号とを乗算すると、２つの周波数の和の成分である高調波（２ｆａ）と差の周波数成分である直流（ＤＣ）成分が得られる。差の周波数成分である直流（ＤＣ）成分の大きさは、検出対象信号の振幅に比例する。このように得られた信号に低域通過フィルタ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）をかければ、和の周波数成分は除去され、差の周波数成分のみが得られる。このように、ロックインアンプを使用して直流（ＤＣ）帯域の信号のみを検出すれば、検出対象信号のレベルは変化せず、ノイズの大きさのみが減少するため、検出装置の外部で生成されるノイズを効果的に除去することができる。
【０００７】
但し、上記に紹介した多数の光源と多数の光検出器を含む生体信号分析装置において、ノイズを効果的に除去するためには、新たな方法が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の一部の実施例は、複数の光測定部を介して測定された複数の光信号からノイズを効率良く除去することのできる信号処理装置及びこれを用いた生体信号分析装置を提供することをその目的とする。
【０００９】
但し、本実施例が達成しようとする技術的課題は、上記したような技術的課題に限定されるものではなく、また他の技術的課題が存在し得る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した技術的課題を解決するための技術的手段として、本発明の第１の側面に係る生体信号を処理する信号処理装置は、周波数が変調された変調信号を出力し、前記変調信号によって１つ以上の光源が駆動されるようにするロックイン（Ｌｏｃｋ−ｉｎ）アンプチップと、前記光源により発光した後、複数の光測定部から測定された光センシング信号をそれぞれ受信して多重化する多重化器と、を含む。ここで、ロックインアンプチップは、前記多重化器を介して伝達される複数の光センシング信号を順次に復調処理する。
【００１１】
また、本発明の第２の側面に係る生体信号を分析する体成分分析装置は、複数の光源と、複数の光測定部と、ロックイン（Ｌｏｃｋ−ｉｎ）アンプチップを介して周波数が変調された変調信号を前記光源へ伝達し、前記光測定部で測定された光センシング信号をそれぞれ受信して前記ロックインアンプチップを介してノイズを除去する信号処理部と、前記信号処理部から出力された信号に基づいて対象体の体成分を分析する体成分分析部と、を含む。
【００１２】
また、本発明の第３の側面に係る生体信号を分析する体成分分析方法は、ロックインアンプチップを介して周波数が変調された変調信号を基に複数の光源が光信号を出力するステップと、前記複数の光源から出力された後、対象体で反射した光信号を複数の光測定部がそれぞれ測定するステップと、前記複数の光測定部がそれぞれ測定した光センシング信号を多重化器が多重化した後、複数の光センシング信号を順次に出力するステップと、前記ロックインアンプチップが前記順次に出力された複数の光センシング信号を受信し、復調処理して出力するステップと、前記ロックインアンプチップから出力された信号に基づいて対象体の体成分を分析するステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１３】
上述した本発明の課題を解決するための手段によれば、複数の光測定部を介してセンシングされた光信号のノイズを除去する過程において、１つのロックインアンプチップのみでも複数の光信号のノイズを除去することができる。これにより、生体信号分析装置の大きさを小さくできることはもちろん、部品で使用される費用を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例に係るロックインアンプベースの多波長生体信号分析装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施例に係る信号処理部の詳細構成を示す図である。
【図３】光源によって対象体に入射される入力光と光測定部によって検出される出力光の光特性を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係る体成分分析方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、添付した図面を参照しながら、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施例を詳しく説明する。ところが、本発明は様々な異なる形態に具現されることができ、ここで説明する実施例に限定されるものではない。そして、図面において、本発明を明確に説明するために、説明とは関係ない部分は省略しており、明細書全体に亘って類似した部分に対しては類似した図面符号を付けている。
【００１６】
明細書全体において、ある部分が他の部分と「連結」されているという場合、これは「直接的に連結」されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」という場合、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
【００１７】
また、明細書全体において、「対象体（ｏｂｊｅｃｔ）」は、本発明の多波長生体信号分析装置の測定対象となるものであり、人や動物、或いはその一部を含み得る。また、対象体は、皮膚の表面や心臓、脳、又は血管のような各種の臓器や様々な種類のファントム（ｐｈａｎｔｏｍ）を含み得る。
【００１８】
図１は、本発明の一実施例に係るロックインアンプベースの多波長生体信号分析装置（以下、「生体信号分析装置」と称する）の構成を示す図である。
【００１９】
図１に示すように、本発明の一実施例に係る生体信号分析装置１０は、複数の光源１１０と、複数の光測定部 （ｌｉｇｈｔ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１２０と、信号処理部１３０と、体成分分析部１４０と、を含む。
【００２０】
複数の光源１１０は、ロックインアンプを介して周波数変調された変調信号に基づいて駆動し、複数の離散型波長成分を含む光を照射する。光源（ｌｉｇｈｔ  ｓｏｕｒｃｅ）は、周波数変調された光を照射できるレーザダイオード（ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ、ＬＤ）又は発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）に具現され得る。一方、各光源１１０が出力する出力光には複数の離散型波長成分が含まれることができ、離散型波長は、近赤外線（ｎｅａｒ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｒａｙ）領域の非連続的な波長を意味し得る。例えば、４つ以上の光源１１０が使用され、各ＬＤは、６５０〜１，１００ｎｍ（ｎａｎｏ−ｍｅｔｅｒ）領域内の波長で発光することができる。
【００２１】
また、離散型波長は、対象体２０内に存在するクロモフォア（ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅ）を基に決定し、具体的に、各クロモフォアの既に知られた光吸収度を基に決定することができる。クロモフォアは、光を吸収する原子又は原子団を意味する。一般に、近赤外線領域帯で吸収スペクトルに影響を及ぼす身体内に存在するクロモフォアの種類は、主にオキシヘモグロビン（ｏｘｙ−ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、Ｏ２Ｈｂ）、デオキシヘモグロビン（ｄｅｏｘｙ−ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、ＨＨｂ）、水（Ｈ２Ｏ）、脂質（ｌｉｐｉｄ）の４つが知られている。この４つのクロモフォアは、身体組織部位に応じて異なる割合で存在する。例えば、腕、足などの組織（ｔｉｓｓｕｅ）には、水（Ｈ２Ｏ）、脂質（ｌｉｐｉｄ）、オキシヘモグロビン（ｏｘｙ−ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、Ｏ２Ｈｂ）、デオキシヘモグロビン（ｄｅｏｘｙ−ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、ＨＨｂ）が支配的に存在し、脳には、脂質を除いた水、オキシヘモグロビン、及びデオキシヘモグロビンが支配的に存在する。
【００２２】
一般に、クロモフォアは近赤外線領域で固有の吸収スペクトルを有する。水は約９８０ｎｍ波長領域でピーク（ｐｅａｋ）特性を示し、脂質は約９３０ｎｍ波長領域でピーク特性を示す。また、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンは、約８００ｎｍ波長領域における等吸収点（ｉｓｏｓｂｅｓｔｉｃ  ｐｏｉｎｔ）を基準として交差する。一実施例によって、生体信号分析装置１０は、４つの光源１１０を含み、水、脂質、オキシヘモグロビン、及びデオキシヘモグロビンの光吸収度を基に決定した４つの離散型波長に対して周波数変調された光を照射することができる。具体的に、４つの離散型波長は、水のピーク領域に隣接する第１の離散型波長と、脂質のピーク領域に隣接する第２の離散型波長とを含み、オキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの既に知られた吸収スペクトルの等吸収点前の第３の離散型波長と、等吸収点に隣接する領域の第４の離散型波長とを含み得る。ここで、第３の離散型波長は、デオキシヘモグロビンの吸収度を考慮し、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとの吸収差が比較的大きな領域で選択され得る。例えば、第１の離散型波長は約９７５ｎｍであり、第２の離散型波長は約９１５ｎｍである。また、第３の離散型波長及び第４の離散型波長はそれぞれ約６８８ｎｍ及び約８０８ｎｍであるが、これに限定されるものではない。
【００２３】
他の実施例によって、生体信号分析装置１０は、上記した第１乃至第４の離散型波長以外に他の波長の光を照射する５つ、６つ、７つ、又は８つの光素をさらに含み得る。これにより追加される第５乃至第８の離散型波長は、上記したクロモフォア（即ち、水、脂質、オキシ／デオキシヘモグロビン）以外の他のクロモフォアの吸収スペクトルで示される固有の特性（例えば、ピーク特性など）に応じて決定する。例えば、追加される第５乃至第８の離散型波長は、上記したクロモフォアの他に、コラーゲン（ｃｏｌｌａｇｅｎ）、メラニン（ｍｅｌａｎｉｎ）、メトヘモグルロビン（ｍｅｔｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、ＭｅｔＨｂ）、一酸化炭素結合ヘモグロビン（ＣＯ  ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ、ＣＯＨｂ）などの吸収スペクトルのピーク特性に応じて決定する。しかし、これに限定されるものではなく、様々な条件を考慮して追加波長を選択し得る。例えば、クロモフォアの吸収スペクトルの重心を基に追加波長を選択することができる。
【００２４】
このように、生体信号分析装置１０は、身体内に存在するクロモフォアの吸収スペクトルで示される固有の特性に応じて決定した４つ以上の光源１１０を含むことで、体成分分析部１４０に各クロモフォアの濃度をより正確に算出させることができる。
【００２５】
光測定部１２０は、対象体２０から反射して引き込まれる出力光を検出する。光測定部１２０は、検出された出力光を電気信号に変換して信号処理部１３０に提供することができる。
【００２６】
光測定部１２０は、アバランシェフォトダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ、ＡＰＤ）に具現され得る。しかし、それに限定されるものではなく、光測定部１２０は、フォトダイオード、フォトトランジスタ（ｐｈｏｔｏ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、光電子増倍管（ｐｈｏｔｏ  ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｔｕｂｅ，ＰＭＴ）、フォトセル（ｐｈｏｔｏ  ｃｅｌｌ）などのように様々な形態に具現され得る。また、技術の発展による新たな形態の光センサを含めて具現されることもできる。
【００２７】
また、光測定部１２０は、対象体から放出されて引き込まれる光を測定するために、光源１１０と所定距離間隔で配置され得る。
【００２８】
信号処理部１３０は、複数の光測定部１２０から光センシング信号を受信し、ロックインアンプを用いて信号を測定した後、体成分分析部１４０へ伝達する。信号処理部１３０の詳細な構成を図面を参照しながら説明することとする。
【００２９】
一方、光源１１０と光測定部１２０とはそれぞれ複数個配置されることができ、各光源１１０と光測定部１２０とが対を成して互いに対向したり、向かい合うように配置され得る。例えば、第１の光源は第１の光測定部の出力光をセンシングし、第２の光源は第２の光測定部の出力光をセンシングするよう、配置状態が予め決定される。そして、その後に各光測定部でセンシングされた光センシング信号が順次にロックインアンプチップ１３１へ伝達されるようにすることで、どの光源から出力された光センシング信号であるかが識別できるようになる。
【００３０】
図２は、本発明の一実施例に係る信号処理部の詳細構成を示す図である。
【００３１】
信号処理部１３０は、ロックインアンプチップ１３１と、差動増幅器１３２と、多重化器１３３と、トランスインピーダンス増幅器１３４と、アナログデジタルコンバータ１３５と、を含む。
【００３２】
ロックインアンプチップ１３１は、周波数が変調された変調信号を出力することができる。また、同期復調（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｅ）方式に従って変調信号と同一の周波数の基準信号をミキサー（ｍｉｘｅｒ）により乗算し、低域通過フィルタを介して直流（ＤＣ）周波数のみを維持することによって、効果的に所望の信号を維持し、ノイズ信号を除去することができる。
【００３３】
このようなロックインアンプの機能を行わせる信号発生器、フィルタ、ミキサー（或いは位相検出器）などの構成を内蔵する単一のプロセスが最近開発されて商品化されており（アナログデバイス社のＡＤＡ２２００）、本発明のロックインアンプチップ１３１は、かかる統合プロセッサ形態の部品を意味する。なお、ロックインアンプチップ１３１内部の具体的な構成と動作については発売されている製品のデータシートを参照することにし、具体的な説明については省略する。
【００３４】
光源駆動部１１２は、ロックインアンプチップ１３１から提供された周波数変調信号を受信し、それを基に光源１１０を駆動する。変調信号によって光源１１０が駆動されるので、光源１１０から出力された出力光信号も変調周波数成分を含む。
【００３５】
光測定部１２０は複数個配置され、それぞれの光測定部１２０が測定した光信号は、トランスインピーダンス増幅器１３４によって電流から電圧信号に変換され、多重化器１３３へ伝達される。そのために、複数の光測定部１２０それぞれにトランスインピーダンス増幅器１３４が結合され、複数のトランスインピーダンス増幅器１３４から出力された信号が多重化器１３３を介して多重化された後、ロックインアンプチップ１３１へ伝達される。ここで、各光測定部１２０毎にトランスインピーダンス増幅器１３４を結合するので、各光信号の出力パワーに対する最適な利得（ｇａｉｎ）の設定が可能である。
【００３６】
多重化器１３３は、それぞれのトランスインピーダンス増幅器１３４を介して複数の光測定部１２０で測定した光センシング信号を受信し、それを多重化する。特に、複数の光センシング信号を順次にロックインアンプチップ１３１へ伝達することによって、１つのロックインアンプチップ１３１のみでも多数の光測定部１２０で測定した光センシング信号からノイズ信号を最大限に除去した信号を測定できるようにする。
【００３７】
また、多重化器１３３は、各トランスインピーダンス増幅器１３４で受信される信号を順次に区分してロックインアンプチップ１３１へ伝達する。このような過程において、一部の光センシング信号は損失され得る。即ち、多重化器１３３が特定の光測定部を介して測定された光センシング信号をロックインアンプチップ１３１へ伝達する時間の間、他の光測定部を介して測定された光センシング信号は、ロックインアンプチップ１３１へ伝達されずに廃棄され得る。
【００３８】
一方、多重化器１３３はマルチプレクサとして動作して、選択信号を介して光センシング信号の何れか１つの光センシング信号が出力されるようにし、多重化器１３３で選択された光センシング信号とロックインアンプチップ１３１の同期復調タイミングを同期化して、多重化器１３３から出力された光センシング信号をロックインアンプチップ１３１に入力することでノイズ除去作業を行わせる。
【００３９】
差動増幅器１３２は、多重化器１３３の出力を受信し、差動増幅した後、ロックインアンプチップ１３１へ伝達する。これにより、光センシング信号のノイズ除去効果をさらに上げることができ、設計者の選択によって差動増幅器１３２を含まない単一の出力部の構成も可能である。
【００４０】
アナログデジタルコンバータ１３５は、ロックインアンプチップ１３１で生成された出力信号をデジタルに変換する。そして、変換された信号を体成分分析部１４０へ伝達する。
【００４１】
一方、各光測定部１２０で測定された光信号を識別する方法について説明することとする。
【００４２】
ロックインアンプチップ１３１は、各光源１１０毎に同一或いは互いに異なる周波数の変調信号を供給し、各変調信号毎に同一或いは異なる周波数の基準信号を乗算する同期復調過程を通じて、各光測定部１２０で出力された光センシング信号からノイズを除去することができる。例えば、第１の光測定部から伝達された変調信号に合わせて第１の基準信号を基に同期復調を行い、第２の光測定部から伝達された変調信号に合わせて第２の基準信号を基に同期復調を行う。
【００４３】
そのために、多重化器１３３から各光センシング信号を出力する順番と出力する時間を予め設定した状態で、各光センシング信号を出力する順番に合わせて基準周波数を同一にするか、或いは変更しながら同期復調を行うことができる。
【００４４】
例えば、第１乃至第４の光源に対して第１乃至第４の周波数を基に変調した変調信号を供給する場合、第１乃至第４の光測定部でセンシングした各光センシング信号が多重化器１３３へ伝達される。このとき、多重化器１３３は、第１の光測定部、第２の光測定部、第３の光測定部、及び第４の光測定部の順に光センシング信号を出力し、この順番に従って、ロックインアンプチップ１３１は、同一の周波数を使用するか、或いは第１の周波数、第２の周波数、第３の周波数、及び第４の周波数の異なる周波数を使用し、順番に従ってそれぞれ同期復調を行う。
【００４５】
そして、体成分分析部１４０は、各光測定部の光センシング信号がロックインアンプチップで同期復調された後、ＡＤＣ１３５を介して出力されるタイミングに同期して各光測定部の出力信号を識別し、これに基づいて体成分分析を行う。
【００４６】
体成分分析部１４０は、生体信号分析装置１０の全般的な動作を制御する。また、信号処理部１３０を介して受信した各光測定部１２０の出力信号に基づき、様々な種類の体成分分析を行う。
【００４７】
そのために、体成分分析部１４０は、メモリ（未図示）に格納された生体信号分析プログラムを実行して複数の光源１１０の駆動を制御し、複数の光測定部１２０で検出された出力光を基に離散型波長毎の反射率（ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）を算出し、これにより対象体２０内のクロモフォアの濃度を計算することで、対象体２０の生体構成を分析する。ここで、体成分分析部１４０は、汎用のコンピュータ装置に使用されるプロセッサであるか、組込みプロセッサの形態に具現され得る。
【００４８】
先ず、体成分分析部１４０は、対象体２０内に存在する少なくとも１つのクロモフォアの数、含量、及び種類のうち少なくとも１つを基に、光源１１０と光測定部１２０の駆動数を決定することができる。
【００４９】
例えば、対象体２０に存在するクロモフォアの数が４つである場合、体成分分析部１４０は、吸収スペクトルにおいて各クロモフォアの固有の特性を基に少なくとも４つ以上の光源１１０を駆動させる。
【００５０】
その後、体成分分析部１４０は、光測定部１２０を駆動し、光測定部１２０において検出される出力光を提供してもらい、出力光を基に離散型波長毎の反射率を算出する。これについて、図面を参照しながら詳しく説明する。
【００５１】
図３は、光源によって対象体に入射される入力光と光測定部によって検出される出力光の光特性を示す図である。
【００５２】
図３の右側の図に示すように、光源によって周波数変調された入力光が対象体２０に照射されると、対象体２０内のクロモフォアを含む様々な成分により、入力光は散乱及び吸収される。
【００５３】
図３の左側に示されたグラフ３００は、ラックインアンプを用いた定常状態（ｓｔｅａｄｙ  ｓｔａｔｅ）における入力光（Ｌ＿Ｉｎ）及び出力光（即ち、反射光（Ｌ＿Ｏｕｔ））の特性を示すグラフである。光源で周波数変調された入力光（Ｌ＿Ｉｎ）が対象体２０に照射されることによって光測定部１２０で検出される反射光（Ｌ＿Ｏｕｔ）は、入力光（Ｌ＿Ｉｎ）に対して振幅減殺３０２の特性を有する。
【００５４】
体成分分析部１４０は、離散型波長のそれぞれに対して生じる振幅減殺３０２の特性を用いて離散型波長毎の反射率を算出し、算出された反射率から各クロモフォアの濃度値を算出する。そのために、信号処理部１３０は、放射伝達方程式（ｒａｄｉａｔｉｖｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）に対する拡散近似（ｄｉｆｆｕｓｅ  ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）を使用することができる。
【００５５】
ＳＴＥＰ１：体成分分析部１４０は、拡散近似（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）におけるグリーン関数（Ｇｒｅｅｎ’ｓ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を用いて計算された周波数ドメインの拡散光モデル（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｍｏｄｅｌ）を収得する。ここで、拡散光モデルは、サンプル（対象体）−空気の境界条件として外挿境界条件（ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｅｄ  ｂｏｕｎｄａｒｙ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を使用し、よって、サンプルの表面から所定距離（ｚｂ）だけ離れた所におけるエネルギー流量（ｆｌｕｎｃｅ）は０であると仮定する。ｚｂは、下記の数式１のように定義される。
【００５６】
【数１】
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【００５７】
前記数式１において、Ｒｅｆｆは実効的反射率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）を示し、これは、屈折率指数（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ）の影響を受ける。もし、サンプルが１．４で、空気が１．０である場合、Ｒｅｆｆは０．４９３である。また、Ｄは拡散係数（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示し、ｌｔｒ／３で定義される。ここで、ｌｔｒは数式２のように定義される。
【００５８】
【数２】
2021514718.tif 000004
【００５９】
一方、前記拡散光モデルは、生体信号分析装置１０のメモリ（未図示）に予め格納されていても良い。
【００６０】
ＳＴＥＰ２：その後、体成分分析部１４０は、ロックインアンプベースで光信号を測定する。信号処理部１３０は、定常状態方式に基づき、数式３に対応する出力光を測定する。
【００６１】
【数３】
2021514718.tif 000005
【００６２】
前記数式３において、Ｒは測定された出力光を示し、Ａとφは、測定された出力光のうち対象体から反射して引き込まれる信号の振幅及び位相成分を示す。また、Ｃ０とφ０は、対象体とは関係なく機器的特性によって出力光に含まれる振幅と位相を示す。計算に必要なＣ０値は、以下の（ＳＴＥＰ２−１）のキャリブレーション（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）作業により算出される。
【００６３】
ＳＴＥＰ２−１：体成分分析部１４０は、対象体を測定する前に、Ｃ０値を予め算出することができる。具体的に、信号処理部１３０は、吸収係数（μａ）と散乱係数（μｓ’）が予め知られている対象体を測定し、当該対象体から反射する反射率値を予め予測する。その後、信号処理部１３０は、測定された出力光及び予測された出力光の振幅を数式３に代入してＣ０を得る。しかし、実施例によって、体成分分析部１４０は（ＳＴＥＰ２−１）の作業を省略することができる。この場合、信号処理部１３０は、既に決められたＣ０を入力してもらうことができる。
【００６４】
再び（ＳＴＥＰ２）を参照すると、体成分分析部１４０は、予め得られたＣ０を用いて、測定された出力光（Ｒ）から機器的特性によるエラー値（即ち、機器的特性による位相と振幅）を補償する。次いで、体成分分析部１４０は、数式３から得られた出力光（Ｒ）の反射率を算出することができる。
【００６５】
ＳＴＥＰ３：信号処理部１３０は、出力光の反射率をＳＴＥＰ１の拡散光モデルにフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）することで、測定対象体のクロモフォア濃度を得ることができる。ここで、体成分分析部１４０は、出力光の振幅と位相に対する最小二乗法（ｌｅａｓｔ  ｓｑｕａｒｅ  ｆｉｔｔｉｎｇ）を行うことができる。
【００６６】
体成分分析部１４０は、各クロモフォアの濃度を用いて対象体２０内の構成成分を分析することができる。
【００６７】
このように、開示された実施例に係る生体信号分析装置１０は、所定数の光源１１０と光測定部１２０を用いてクロモフォアの濃度を測定する方法を提供する。
【００６８】
図４は、本発明の一実施例に係る体成分分析方法を示すフローチャートである。
【００６９】
先ず、ロックインアンプチップ１３１を介して周波数が変調された変調信号を基に複数の光源を駆動する（Ｓ４１０）。上述したように、ロックインアンプチップ１３１は、予め設定された変調周波数を生成し、それぞれの光源に対して順次に供給する。
【００７０】
次に、複数の光源から出力された後、対象体で反射した光信号を複数の光測定部がそれぞれ測定する（Ｓ４２０）。
【００７１】
次に、複数の光測定部がそれぞれ測定した光センシング信号を多重化器１３３が多重化した後、複数の光センシング信号を順次に出力する（Ｓ４３０）。このとき、各光センシング信号がどの光測定部から出力されたのかが確認できるよう、光センシング信号の出力順を予め決定して出力する。
【００７２】
次に、ロックインアンプチップ１３１が順次に出力された複数の光センシング信号を受信し、復調処理して出力する（Ｓ４４０）。
【００７３】
次に、ロックインアンプチップ１３１から出力された信号に基づいて対象体の体成分を分析するステップを行う（Ｓ４５０）。このステップにおいては、ロックインアンプチップ１３１から出力された信号を基に離散型波長毎の反射率を算出し、それを基に対象体内に存在するクロモフォアの濃度を算出し、具体的な方法は、上記に紹介した通りである。
【００７４】
上述した本発明の実施例に係る信号処理方法又は体成分分析方法は、コンピュータにより実行されるプログラムモジュールのようなコンピュータにより実行可能な命令語を含む記録媒体の形態でも具現され得る。かかる記録媒体はコンピュータ読み取り可能な媒体を含み、コンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータによってアクセスできる任意の可溶媒体であっても良く、揮発性及び非揮発性の媒体、分離型及び非分離型の媒体を全て含む。また、コンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータ保存媒体を含み、コンピュータ保存媒体は、コンピュータ読み取り可能な命令語、データ構造、プログラムモジュール、又はその他のデータのような情報保存のための任意の方法又は技術で具現された揮発性及び非揮発性、分離型及び非分離型の媒体を全て含む。
【００７５】
上述した本発明の説明は例示のためのものであり、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更せずに他の具体的な形態で容易に変形可能であるということを理解できるはずである。それゆえ、上記した実施例は全ての面において例示的なものであり、限定的なものではないと理解すべきである。例えば、単一型で説明されている各構成要素は分散して実施されることもでき、同様に、分散したものと説明されている構成要素も結合された形態で実施されることができる。
【００７６】
本発明の範囲は、前記詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、並びにその均等概念から導出される全ての変更又は変形された形態が本発明の範囲に含まれることと解釈されなければならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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