(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のベースバンド信号を生成して出力するベースバンド信号出力手段と、前記ベースバンド信号をスペクトラム拡散変調するための拡散符号系列を第１の周波数により生成する拡散符号系列生成手段と、同拡散符号系列生成手段によって生成された拡散符号系列を用いて前記ベースバンド信号をスペクトラム拡散して一次変調信号を出力する第１変調手段と、前記第１の周波数の２倍となる第２の周波数を用いて前記第１変調手段によって出力された一次変調信号を変調して二次変調信号を出力する第２変調手段と、少なくとも１つの光源を有して前記第２変調手段から出力された前記二次変調信号に基づいて生体内に特定波長を有する近赤外光を出射する光発生手段とを有する光出射部と、
前記光出射部から出射されて前記生体内を伝播した近赤外光を受光するとともに同受光した近赤外光を電気的な検出信号に変換して出力する受光手段と、同受光手段から出力された電気的な検出信号の信号帯域のうち、直流および直流近傍の周波数における信号成分および前記第２の周波数以上の信号成分を除去して出力する信号成分除去手段と、前記近赤外光が前記生体内を伝播することに伴う遅延を加味した前記第２の周波数の２倍となる第３の周波数を用いて前記信号成分除去手段によって出力された電気的な検出信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記近赤外光を前記生体内で伝播させることに伴う遅延を加味した前記第２の周波数を用いて前記信号変換手段によって変換されたデジタル信号を復調して一次復調信号を出力する第１復調手段と、前記近赤外光を前記生体内で伝播させることに伴う遅延を加味した前記拡散符号系列を用いて前記一次復調信号をスペクトラム逆拡散して二次復調信号を出力する第２復調手段と、同第２復調手段から出力された二次復調信号を用いて前記生体の代謝に伴う生体情報に関連する生体情報信号を出力する生体情報信号出力手段とを有する光検出部とを備えたことを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載した生体情報計測装置において、
前記第２の周波数を、前記光検出部の受光手段が前記生体内を伝播した近赤外光を有効に検出可能な有効検出帯域幅と一致させたことを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載した生体情報計測装置において、
前記光出射部におけるベースバンド信号出力手段は、直流信号を生成して出力することを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項４】
請求項１に記載した生体情報計測装置において、
前記光出射部におけるベースバンド信号出力手段は、前記第１の周波数の半分以下の任意の周波数により略パルス状の信号を生成して出力するものであり、
前記光検出部は、さらに、
前記近赤外光を前記生体内で伝播させることに伴う遅延を加味した前記略パルス状の信号を用いて前記第２復調手段によって出力された前記二次復調信号を復調する第３復調手段を有することを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載した生体情報計測装置において、
前記光出射部は、さらに、
前記ベースバンド信号出力手段によって出力された略パルス状の信号に対して誤り訂正符号を付加する誤り訂正符号付加手段を有し、
前記光検出部は、さらに、
前記第２復調手段から出力された前記二次復調信号に含まれる前記誤り訂正符号を用いて同二次復調信号の整合性を検査する誤り検査手段と、
前記誤り検査手段による検査によって前記二次復調信号に誤りが存在するときに同二次復調信号を補間により修復する補間手段とを有することを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項６】
請求項１に記載した生体情報計測装置において、
前記光出射部における拡散符号系列生成手段は、
前記光検出部における受光手段によって受光される前記生体内を伝播した近赤外光の光強度に応じて、前記拡散符号系列の拡散率を変更することを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項７】
請求項６に記載した生体情報計測装置において、
前記拡散符号系列生成手段は、
前記光検出部における受光手段によって受光される前記生体内を伝播した近赤外光の光強度が小さくＳＮ比が低いときに前記拡散率を大きく変更して前記拡散符号系列を生成し、前記光強度が大きくＳＮ比が高いときに前記拡散率を小さく変更して前記拡散符号系列を生成することを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項８】
請求項６に記載した生体情報計測装置において、
前記拡散符号系列生成手段は、
前記変更した拡散率の異なる拡散符号系列間での直交性を保障する直交可変拡散率符号を拡散符号系列として生成することを特徴とする生体情報計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体の密度、水分、血中酸素濃度、酸素飽和度、グルコース濃度、血糖値、脈拍、その他の様々な生体の代謝に応じて、生体内の光伝播が伝播する光の波長により異なる変化を生ずる性質に着目して生体内部の情報を計測する生体情報計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体内部を簡便に無侵襲で計測できる装置および方法として、生体表面に配置された光源から生体内部に光を出射し、生体内部を散乱、吸収されながら伝播して再び生体表面に到達した反射光を受光することにより、生体内部の情報を計測する装置および方法が積極的に提案されている。例えば、本願出願人は、下記特許文献１にて、スペクトラム拡散による変調および復調を利用することによって、生体情報を測定する生体情報測定装置を提案している。そして、この生体情報測定装置によれば、特に、ヘモグロビンの近赤外光における光吸収の変化に基づいて血液中の酸素濃度を計測することによって、例えば、脳の表層における情報を計測できるようになっている。
【特許文献１】特許第３６２３７４３号
【発明の開示】
【０００３】
ところで、上記特許文献１においては、光出射部において送出信号（ベースバンド信号）をスペクトラム拡散変調して半導体レーザから光を出射するようになっている。ここで、一般的に、スペクトラム拡散変調された信号のパワースペクトラムは、図１２に示すように表せることがよく知られている。そして、この図１２に示すパワースペクトラムを有する信号に基づいて出力される光は、直流（ＤＣ）および直流近傍の周波数において、大きな出力（強度）を有するものとなる。このようなパワースペクトラムを有する光を用いて生体の情報を測定した場合には、光源ドライバ、光源、光検出器や増幅器などが有する直流成分の変動（ドリフト変動やオフセット変動、１／ｆノイズなど）、所謂、スペクトラム拡散における直流問題などの影響を受けやすく、その結果、相対的な測定は可能であっても厳密な測定が難しくなる可能性がある。
【０００４】
また、上記特許文献１においては、光検出部において、生体内を伝播した光を電気的な検出信号（アナログ信号）とし、この検出信号（アナログ信号）をＡＤコンバータによってデジタル信号に変換するようになっている。この場合、ＡＤコンバータがアナログ信号をデジタル信号に変換するときのサンプリング周波数が明確に示されておらず、例えば、光の出射周期と同一のサンプリング周波数によって変換処理を行った場合には、受光した光に対応する検出信号（アナログ信号）の信号帯域（周波数）の全域をサンプリングできず、検出信号（アナログ信号）を適切にデジタル信号として再現できない可能性がある。すなわち、従来から行われているスペクトラム拡散を利用した生体内の計測においては、光の出射と検出および検出した光の電気的な信号への変換などに必要な周波数を効率よく利用しているとは言えない状況が存在する。その結果、生体内を伝播した光が有する生体に関する情報を適切にかつ確実に得られない可能性もある。
【０００５】
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、スペクトラム拡散における直流問題を解決するとともに計測に関連する周波数の利用効率を向上させて、無侵襲によって生体の代謝に伴う生体情報を計測できる生体情報計測装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の特徴は、所定のベースバンド信号を生成して出力するベースバンド信号出力手段と、前記ベースバンド信号をスペクトラム拡散変調するための拡散符号系列を第１の周波数により生成する拡散符号系列生成手段と、同拡散符号系列生成手段によって生成された拡散符号系列を用いて前記ベースバンド信号をスペクトラム拡散して一次変調信号を出力する第１変調手段と、前記第１の周波数の２倍となる第２の周波数を用いて前記第１変調手段によって出力された一次変調信号を変調して二次変調信号を出力する第２変調手段と、少なくとも１つの光源を有して前記第２変調手段から出力された前記二次変調信号に基づいて生体内に特定波長を有する近赤外光を出射する光発生手段とを有する光出射部と、前記光出射部から出射されて前記生体内を伝播した近赤外光を受光するとともに同受光した近赤外光を電気的な検出信号に変換して出力する受光手段と、同受光手段から出力された電気的な検出信号の信号帯域のうち、直流および直流近傍の周波数における信号成分および前記第２の周波数以上の信号成分を除去して出力する信号成分除去手段と、前記近赤外光が前記生体内を伝播することに伴う遅延を加味した前記第２の周波数の２倍となる第３の周波数を用いて前記信号成分除去手段によって出力された電気的な検出信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、前記近赤外光を前記生体内で伝播させることに伴う遅延を加味した前記第２の周波数を用いて前記信号変換手段によって変換されたデジタル信号を復調して一次復調信号を出力する第１復調手段と、前記近赤外光を前記生体内で伝播させることに伴う遅延を加味した前記拡散符号系列を用いて前記一次復調信号をスペクトラム逆拡散して二次復調信号を出力する第２復調手段と、同第２復調手段から出力された二次復調信号を用いて前記生体の代謝に伴う生体情報に関連する生体情報信号を出力する生体情報信号出力手段とを有する光検出部とを備えたことにある。
【０００７】
この場合、前記第２の周波数を、前記光検出部の受光手段が前記生体内を伝播した近赤外光を有効に検出可能な有効検出帯域幅と一致させるとよい。
【０００８】
また、この場合、前記光出射部におけるベースバンド信号出力手段は、例えば、直流信号を生成して出力するとよい。
【０００９】
また、この場合、前記光出射部におけるベースバンド信号出力手段は、例えば、前記第１の周波数の半分以下の任意の周波数により略パルス状の信号を生成して出力するものであり、前記光検出部は、さらに、前記近赤外光を前記生体内で伝播させることに伴う遅延を加味した前記略パルス状の信号を用いて前記第２復調手段によって出力された前記二次復調信号を復調する第３復調手段を有するとよい。そして、この場合には、前記光出射部は、さらに、前記ベースバンド信号出力手段から出力された略パルス状の信号に対して誤り訂正符号を付加する誤り訂正符号付加手段を有し、前記光検出部は、さらに、前記第２復調手段によって出力された前記二次復調信号に含まれる前記誤り訂正符号を用いて同二次復調信号の整合性を検査する誤り検査手段と、前記誤り検査手段による検査によって前記二次復調信号に誤りが存在するときに同二次復調信号を補間により修復する補間手段とを有するとよい。
【００１０】
これらによれば、光出射部においては、ベースバンド信号出力手段がベースバンド信号（例えば、直流信号やパルス状の信号）を第１変調手段に出力する。また、拡散符号系列生成手段は、第１の周波数（すなわちスペクトラム拡散におけるチップレート）により生成した拡散符号系列を第１変調手段に出力する。これにより、第１変調手段は、出力されたベースバンド信号をスペクトラム拡散によって変調し、同変調した一次変調信号を第２変調手段に出力する。第２変調手段においては、出力された一次変調信号を第１の周波数の２倍となる第２の周波数を用いて変調して二次変調信号を光発生手段に出力する。これにより、光発生手段は、二次変調信号に基づいて生体内に異なる特定波長を有する近赤外光を出射する。
【００１１】
ここで、第２変調手段が第１の周波数の２倍となる第２の周波数で二次変調信号を生成することにより、二次変調信号におけるパワースペクトラムは、第１の周波数を中心として直流（ＤＣ）の周波数から第２の周波数まで広がるメインローブのパワースペクトラムとすることができる。その結果、光発生手段によって出射される近赤外光においては、直流および直流近傍の周波数および第２の周波数における出力（強度）が極めて小さくなる。したがって、光出射部から出射された近赤外光を用いることにより、スペクトラム拡散における直流問題を効率よく回避することができる。
【００１２】
一方、光検出部においては、受光手段が上述したパワースペクトラムを有して生体内を伝播した近赤外光を受光し、同受光した近赤外光を電気的な検出信号（アナログ信号）に変換して出力する。この出力された電気的な検出信号（アナログ信号）は、信号成分除去手段によって、検出信号の信号帯域のうち、直流および直流近傍の周波数における信号成分および第２の周波数以上の信号成分が除去されて信号変換手段に出力される。
【００１３】
この場合、上述した二次変調信号（すなわち出射された近赤外光）のパワースペクトラムによれば、受光手段によって受光される近赤外光のパワースペクトラムも第１の周波数を中心として直流の周波数から第２の周波数まで広がるメインローブのパワースペクトラムとなる。このことから、受光手段から出力される電気的な検出信号（アナログ信号）においては、直流および直流近傍の周波数における信号強度と第２の周波数における信号強度が極めて小さいものとなる。したがって、これら信号成分を除去しても、計測に必要な情報を有する電気的な検出信号（アナログ信号）は、良好に確保することができる。
【００１４】
また、信号成分除去手段によって直流および直流近傍の周波数および第２の周波数以上の信号成分が除去された電気的な検出信号（アナログ信号）の信号帯域幅は、受光手段における有効検出帯域幅すなわち第２の周波数と一致するものとなる。その結果、受光手段における有効検出帯域幅を極めて効率よく利用することができる。
【００１５】
そして、信号変換手段は、信号成分除去手段から出力された電気的な検出信号（アナログ信号）を、遅延処理されて第２の周波数の２倍となる第３の周波数すなわちサンプリング周波数によってデジタル信号に変換する。言い換えれば、信号変換手段は、受光手段における有効検出帯域幅の２倍となるサンプリング周波数によってアナログ信号をデジタル信号に変換する。このように、受光手段における有効検出帯域幅の２倍、すなわち、アナログ信号の信号帯域の２倍のサンプリング周波数によってデジタル信号に変換することによって、受光手段における有効検出帯域幅の全域に相当するアナログ信号が有する情報を極めて良好にデジタル信号として再現することができる。これにより、スペクトラム拡散における周波数の利用効率を大幅に向上させることができる。
【００１６】
このように、デジタル信号に変換された検出信号は、第１復調手段が第２の周波数を用いて復調し、同復調された一次復調信号は、第２復調手段によってスペクトラム逆拡散によって復調されて二次復調信号として出力される。そして、生体情報信号出力手段は、二次復調信号を用いて生体情報に関連する生体情報信号を出力する。したがって、スペクトラム拡散における直流問題の影響を排除するとともに、近赤外光の出射と検出および検出した近赤外光の電気的な検出信号への変換に必要な周波数の利用効率を向上させることができて、得られる生体情報の精度をも大幅に向上させることができる。なお、生体情報信号から得られる生体情報としては、生体の代謝に伴う情報であればよく、例えば、生体の密度、水分、血中酸素濃度、酸素飽和度、グルコース濃度、血糖値、脈拍などである。
【００１７】
また、ベースバンド信号が略パルス状の信号として出力されるときには、このパルス状の信号に対して誤り訂正符号を付加して近赤外光を出射し、生体情報信号を出力することができる。これにより、より正確な生体情報信号を得ることができて、極めて正確な生体情報を得ることができる。
【００１８】
また、本発明の他の特徴は、前記光出射部における拡散符号系列生成手段は、前記光検出部における受光手段によって受光される前記生体内を伝播した近赤外光の光強度に応じて、前記拡散符号系列の拡散率を変更することにもある。
【００１９】
この場合、前記拡散符号系列生成手段は、例えば、前記光検出部における受光手段によって受光される前記生体内を伝播した近赤外光の光強度が小さくＳＮ比が低いときに前記拡散率を大きく変更して前記拡散符号系列を生成し、前記光強度が大きくＳＮ比が高いときに前記拡散率を小さく変更して前記拡散符号系列を生成するとよい。そして、この場合、前記拡散符号系列生成手段は、例えば、前記変更した拡散率の異なる拡散符号系列間での直交性を保障する直交可変拡散率符号を拡散符号系列として生成するとよい。
【００２０】
これらによれば、例えば、生体内で吸収散乱の影響を受けて、光検出部における受光手段によって受光される近赤外光の光強度が小さくＳＮ比が低いときには、拡散符号系列生成手段は拡散率を大きく変更して拡散符号系列を生成することができる。一方、光検出部における受光手段によって受光される近赤外光の光強度が大きくＳＮ比が高いときには、拡散符号系列生成手段は拡散率を小さく変更して拡散符号系列を生成することができる。
【００２１】
ここで、スペクトラム拡散においては、拡散率が大きくなるほどスペクトラム逆拡散によって得られる信号の信号帯域幅が狭くなるものの信号のＳＮ比を高めることができ、拡散率が小さくなるほどスペクトラム逆拡散によって得られる信号の信号帯域幅を広げることができる一方で信号のＳＮ比が低下する。このことから、受光手段によって受光される近赤外光の光強度が小さいときには、拡散率を大きく変更することによって、生体内を伝播した近赤外光に対応する生体情報信号の信号帯域幅が小さくなるものの同信号のＳＮ比を改善することができる。また、受光手段によって受光される近赤外光の光強度が大きいときには、拡散率を小さく変更することによって、生体内を伝播した近赤外光に対応する生体情報信号のＳＮ比が若干低下するものの同信号の信号帯域幅を広げることができるため、広帯域の生体情報が得られる。
【００２２】
また、この場合、拡散符号系列生成手段が拡散符号系列として直交可変拡散率符号(OVSF:Orthogonal Variable Spreading Factor)符号を生成することができる。これにより、拡散率が異なっても生成した拡散符号系列間の直交性が保障されるため、例えば、光強度が弱い領域と強い領域とが互いに隣接する状況であっても、これらの領域内を伝播する近赤外光同士が互いに妨害することを防止することができる。したがって、異なる拡散率によってスペクトラム拡散変調された近赤外光を同時に出射することができ、その結果、良好に二次復調信号を生成できて生体情報信号を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の第１実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る生体情報計測装置Ｓの構成を概略的に示したブロック図である。図１に示すように、生体情報計測装置Ｓは、特定波長成分を含む光を発生する複数の光出射部１と、光出射部１から出射された光が生体の内部を反射しながら伝播した後の光を検出する複数の光検出部２とを備えている。
【００２４】
これらの光出射部１と光検出部２は、それぞれ制御部３に接続されている。制御部３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とするものであり、生体情報計測装置Ｓの作動を統括的に制御する。そして、制御部３は、光検出部２によって検出された光、より詳しくは、光出射部１から出射された光が生体の内部を伝播することによって減衰した光の強度を用いて、生体の代謝に伴う生体情報としての、例えば、脳内の血中酸素濃度を算出する。
【００２５】
また、制御部３には、クロックジェネレータ３１とディレイ３２が設けられている。クロックジェネレータ３１は、後述する光検出部２を構成する光受光部２２の有効検出帯域幅に一致する第２の周波数としてのクロック周波数２ｆと、このクロック周波数２ｆの２倍となる４ｆのクロック周波数を光出射部１および光検出部２に供給するものである。なお、本明細書において、周波数ｆは、第１の周波数であり、任意に設定可能な周波数を表す。ディレイ３２は、後述する各光出射部１の各拡散符号系列発生器１１が発生して光検出部２に供給するＰＮ系列符号およびクロックジェネレータ３１が光検出部２に供給するクロック周波数４ｆまたはクロック周波数２ｆを適宜遅延させるものである。なお、この場合、光出射部１から光検出部２に向けて伝播する光の経路ごとに遅延特性が異なる可能性があるため、ディレイ３２を各光検出部２ごとに設けて実施することにより、生体情報をより正確に得ることができる。
【００２６】
さらに、制御部３は、算出した生体情報を表すデータを表示部４に出力する。表示部４は、例えば、液晶ディスプレイなどから構成されており、制御部３から供給されたデータに基づき、所定の態様によって生体情報を表示する。
【００２７】
次に、光出射部１について、詳細に説明する。光出射部１は、図２のブロック図に示すように、異なる特定波長を有する光を発生させる複数の光発生装置１０から構成されている。なお、本実施形態においては、後述するように、光出射部１を６つの光発生装置１０によって構成して実施するが、光発生装置１０の数についてはこれに限定されるものではない。
【００２８】
これらの光発生装置１０は、それぞれ、特定波長を有する光をスペクトラム拡散変調して出射するようになっている。このため、各光発生装置１０は、拡散符号系列として、例えば、６５５３６ビット長の「＋１」と「−１」からなるＰＮ(Pseudorandom Noise)系列を発生させるための拡散符号系列発生器１１を備えている。この拡散符号系列発生器１１は、例えば、アダマール系列やＭ系列、あるいは、ゴールド符号系列をＰＮ系列として発生する。
【００２９】
なお、上記したアダマール系列、Ｍ系列、あるいは、ゴールド符号系列は、一般的にスペクトラム拡散変調に用いられるものと同様であるため、その発生方法に関する詳細な説明は省略するが、以下に簡単に説明しておく。アダマール系列は、「＋１」と「−１」からなるアダマール行列の各行または各列を取り出して得られる系列である。Ｍ系列は、「０」または「＋１」の状態を記憶する１ビットのレジスタをｎ段並べたシフトレジスタを用い、同シフトレジスタの中間から帰還した値と最終段における値との排他的論理和を初段に接続することにより得られる２値系列である。ただし、この２値系列をＰＮ系列とするために、レベル変換を行い、値「０」を「−１」に変換する。ゴールド符号系列は、基本的には、２種類のＭ系列を用意し、これらを加算して得られる符号系列である。このため、ゴールド符号系列は、Ｍ系列に比して、格段に系列数を増やすことができる系列である。そして、これらの系列の特徴として、異なる系列は互いに直交する性質を有しており、積和演算を行うことによって「０」、すなわち、自己以外には相関が「０」となることが挙げられる。
【００３０】
そして、拡散符号系列発生器１１は、クロックジェネレータ３１から供給されるクロック周波数２ｆを入力する。この入力したクロック周波数２ｆに基づき、拡散符号系列発生器１１は、ＰＮ系列の生成周波数、言い換えれば、ＰＮ系列の最小発生間隔に相当するチップレートがｆ以下となるＰＮ系列を発生させる。
【００３１】
このように、拡散符号系列発生器１１の発生したＰＮ系列は、制御部３に出力されるとともに、第１乗算器１２に出力される。第１乗算器１２は、ベースバンド出力器１３によって出力される直流信号と、拡散符号系列発生器１１から供給されるＰＮ系列との積を取り、直流信号をスペクトラム拡散変調する。なお、以下の説明においては、このスペクトラム拡散変調された直流信号を一次変調信号ともいう。
【００３２】
そして、一次変調信号は、第２乗算器１４に出力される。第２乗算器１４は、一次変調信号を入力するとともに、クロックジェネレータ３１から供給されるクロック周波数２ｆをも入力する。そして、第２乗算器１４は、入力した一次変調信号をクロック周波数２ｆで変調する。なお、以下の説明においては、この変調した一次変調信号を二次変調信号ともいう。
【００３３】
ここで、一次変調信号と二次変調信号について説明する。上述したように一次変調信号は、ベースバンド信号としての直流信号を、拡散符号系列発生器１１から供給されたチップレートｆのＰＮ系列を用いて、スペクトラム変調した信号である。このため、一次変調信号の周波数帯域は、一般的に図１２で示すようなパワースペクトラムを示す。すなわち、一次変調信号は、図１２に示すように、直流（ＤＣ）および直流近傍の周波数における強い信号成分を有するとともに、周波数ｆ（チップレートｆ）における信号強度が小さくなるパワースペクトラムを有する。これに対して、二次変調信号は一次変調信号をさらにクロック周波数２ｆで変調したもの、言い換えれば、チップレートｆの２倍のクロック周波数で変調したものである。このため、二次変調信号のパワースペクトラムは、図３で示すように、周波数ｆを中心とする周波数２ｆのメインローブを有するパワースペクトラムとなる。これにより、二次変調信号においては、周波数ｆにおける信号強度が最も強くなり、直流および直流近傍の周波数における信号強度が極めて小さくなるとともに、周波数２ｆにおける信号強度が極めて小さくなる。
【００３４】
このように、第２乗算器１４によって変調された二次変調信号は、光源ドライバ１５に出力される。光源ドライバ１５は、二次変調信号に基づいて、光源１６を駆動（発光）させるものである。光源１６は、例えば、半導体レーザ、発光ダイオード、固体レーザ、ガスレーザなどのうちから適宜採用される。そして、光源１６は、６００〜１０００ｎｍの波長範囲のうち、図３に示した二次変調信号のパワースペクトラムを有する特定波長成分の光（以下、被変調光という）を発生するものである。
【００３５】
なお、この第１実施形態においては、上述のように、光出射部１は６つの光発生装置１０を備えた構成とされる。この場合、各光発生装置１０の光源１６は、例えば、６９５，７３０，７８０，８０５，８３０，９５０ｎｍなどの波長成分を有する被変調光をそれぞれ発生するものとする。
【００３６】
そして、光出射部１から出射された被変調光は、光合成器１７（例えば、光ファイバーなど）を介して、生体内部に向けて入射される。なお、この場合、光合成器１７を省略して、直接、光出射部１から生体内部に向けて被変調光を入射するように実施することも可能である。
【００３７】
光検出部２は、図４に示すように、生体内部を反射しながら伝播した被変調光を検出し、同検出した被変調光が有する生体情報に関連する生体情報信号を出力するものである。このため、光検出部２は、光合成器２１（例えば、光ファイバーなど）を介して、生体中を伝播して出射された被変調光を受光する光受光器２２を備えている。なお、この場合、光合成器２１を省略して、直接、生体中を伝播して出射された被変調光を光受光器２２が受光するように実施することも可能である。
【００３８】
光受光器２２は、例えば、フォトダイオードやホトマルチプライヤなどを主要構成部品とするものであり、その有効検出帯域幅が２ｆに設定されている。そして、光受光器２２は、受光した被変調光に対応する電気的な検出信号を時系列的に増幅器２３に出力する。
【００３９】
増幅器２３は、光受光器２２から出力された電気的な検出信号（アナログ信号）の強度を増幅する。ここで、上述したように、光出射部１の光源１６から出射される被変調光は、二次変調信号に基づいて出射されるものである。このため、光受光器２２が受光する被変調光も、図３に示したパワースペクトラムを有する光となる。すなわち、光受光器２２が受光した被変調光のパワースペクトラムも直流および直流近傍の周波数における信号成分が極めて小さいため、増幅器２３は、入力した電気的な検出信号のうちの直流および直流近傍の周波数における信号成分を除去してから検出信号を増幅する。
【００４０】
このように、増幅器２３が検出信号を増幅すると、同増幅された検出信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）２４に出力される。ＬＰＦ２４は、そのカットオフ周波数が２ｆに設定されている。これにより、ＬＰＦ２４は、増幅器２３から入力した検出信号のうち、その周波数が２ｆよりも大きな信号成分を除去（カット）してＡＤコンバータ２５に出力する。ここで、ＬＰＦ２４を通過した後の電気的な検出信号のパワースペクトラムは図５に示すようになる。なお、上述したように、光出射部１から出射された被変調光のパワースペクトラムは、図３に示すように、周波数２ｆ近傍で信号強度が極めて小さくなるため、ＬＰＦ２４のカットオフ周波数を厳密に２ｆに調整しなくても問題ない。
【００４１】
ＡＤコンバータ２５は、ＬＰＦ２４を通過した電気的な検出信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換するものである。具体的には、ＡＤコンバータ２５は、制御部３のクロックジェネレータ３１からディレイ３２によって適宜遅延されたクロック周波数４ｆを入力し、サンプリング周波数４ｆで電気的な検出信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換する。ここで、光受光器２２の有効検出帯域幅２ｆの２倍のサンプリング周波数４ｆによってＡＤコンバータ２５がデジタル変換処理を実行することにより、一般に広く知られた標本化定理（サンプリング定理やナイキストの定理ともいわれる）が成立する。
【００４２】
すなわち、標本化定理によれば、目的の信号を正確に再現するためには、目的の信号の周波数の少なくとも２倍以上のサンプリング周波数を用いてサンプリングする必要がある。ここで、標本化定理における「目的の信号」は光受光器２２が受光する生体内を伝播した被変調光に対応する「電気的な検出信号（アナログ信号）」であり、「目的の信号の周波数」は光受光器２２の有効検出帯域幅と一致する２ｆであり、サンプリング周波数を４ｆとすることにより、ＡＤコンバータ２５によるデジタル変換処理において標本化定理が成立する。言い換えれば、光受光器２２の有効検出帯域幅２ｆに一致する被変調光が有する情報（すなわちアナログの検出信号）は、情報の欠落などを生じることなく正確にデジタル信号に変換される。
【００４３】
そして、ＡＤコンバータ２５は、サンプリング周波数４ｆで電気的な検出信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換すると、同変換したデジタル信号を第１乗算器２６に出力する。第１乗算器２６は、変換されたデジタル信号を入力するとともに、制御部３のディレイ３２を介してクロックジェネレータ３１から遅延して供給されるクロック周波数２ｆを入力する。そして、第１乗算器２６は、クロックジェネレータ３１から入力したクロック周波数２ｆを用いてデジタル信号を復調する。なお、以下の説明においては、第１乗算器２６によって復調された信号を一次復調信号という。このように、デジタル信号を復調すると、第１乗算器２６は、一次復調信号を第２乗算器２７に出力する。
【００４４】
第２乗算器２７は、第１乗算器２６から入力した一次復調信号と、制御部３のディレイ３２を介して光出射部１の拡散符号系列発生器１１から遅延して供給されたＰＮ系列との積を取る。このように、ＰＮ系列を取得することにより、第２乗算器２７は、複数の光出射部１のうちの特定の光出射部１からの被変調光に対応する一次復調信号をスペクトラム逆拡散して復調することができる。そして、第２乗算器２７は、スペクトラム逆拡散によって復調した電気的な検出信号すなわち二次復調信号を累算器２８に出力する。
【００４５】
累算器２８は、供給された二次復調信号に対して、光出射部１の拡散符号系列発生器１１によって発生されたＰＮ系列の１周期以上に渡り加算する。そして、累算器２８は、特定の光出射部１から出射されて生体中で減衰した被変調光、言い換えれば、生体情報を含む被変調光に対応する生体情報信号を制御部３に出力する。ここで、図４に示すように、第２乗算器２７および累算器２８は、光出射部１から出射される特定波長の数に合わせて複数（本実施形態においては一つの光出射部１あたり６つ、複数の受光可能な光出射部１が存在する場合には、存在する各光出射部１の数を乗算した数）設けられる。これにより、生体中を伝播した各被変調光に対応する生体情報信号を同時に得ることができる。
【００４６】
以上のように構成した生体情報計測装置Ｓについて、制御部３の作動制御に基づき、生体情報である脳内の血中酸素濃度を計測する場合を例示して説明する。この脳内の血中酸素濃度の計測においては、図６に示すように、頭部Ｔの表面にて、丸印で示す位置ａ〜ｆ（以下、入射位置ａ〜ｆという）にそれぞれ光出射部１から出射された被変調光が入射される。また、頭部Ｔの内部を伝播し、四角印で示す位置Ａ〜Ｆ（以下、受光位置Ａ〜Ｆという）に到達した被変調光（以下、この被変調光を反射光という）がそれぞれの光検出部２によって検出される。ここで、入射位置ａ〜ｆと受光位置Ａ〜Ｇとは、互いにマトリックス状に配置される。なお、以下の作動説明においては、入射位置ａ〜ｆに被変調光を出射する各光出射部１を光出射部ａ〜ｆと示し、受光位置Ａ〜Ｇに到達した反射光を検出する各光検出部２を光検出部Ａ〜Ｇと示す。
【００４７】
なお、図６は、生体情報計測装置Ｓのごく一部を示したものである。このため、入射位置と受光位置の数すなわちチャンネル数については、図示した数に限定されるものではない。したがって、より多くの入射位置と受光位置を、例えば、マトリックス状に配置して脳内の血中酸素濃度を計測することもできる。なお、チャンネルの配置に関しては、マトリックス状以外に、例えば、千鳥配置やある光出射部１を中心として周囲に光検出部２を複数配置するドーナツ状の配置などを採用可能であることはいうまでもない。
【００４８】
まず、光出射部ａ〜ｆによる光の出射について説明する。オペレータは、図示しない入力装置を操作して、頭部Ｔの内部に対し出射する被変調光の特定波長を制御部３に指示する。このとき、オペレータは、出射する被変調光に関し、複数の特定波長を制御部３に指示することができる。制御部３は、同指示に従い、光出射部ａ〜ｆに対して、指示された特定波長を有する被変調光を発生させるためのベースバンド出力器１３を作動させる。これにより、指定された特定波長を有する被変調光を発生する光発生装置１０が発光を開始する。
【００４９】
すなわち、各光出射部ａ〜ｆの光発生装置１０においては、拡散符号系列発生器１１が、例えば、ＰＮ系列としてゴールド符号系列を発生する。そして、拡散符号系列発生器１１は、発生したＰＮ系列を制御部３に対して出力するとともに、第１乗算器１２に出力する。そして、第１乗算器１２は、ベースバンド出力器１３から供給された直流信号（ベースバンド信号）とＰＮ系列との積を取り、直流信号をスペクトラム拡散変調する。
【００５０】
続いて、スペクトラム拡散変調された一次変調信号は、第２乗算器１４に出力される。そして、第２乗算器１４がクロックジェネレータ３１から供給されるクロック周波数２ｆを用いて一次変調信号を変調した二次変調信号を光源ドライバ１５に供給することにより、各光出射部ａ〜ｆの光源１６（例えば、半導体レーザ）は、特定波長を有する被変調光を入射位置ａ〜ｆに出射する。これにより、入射位置ａ〜ｆから出射される被変調光は、頭部Ｔの頭蓋骨を透過して脳表層に入射し、脳表層内を乱反射しながら、言い換えれば、減衰しながら伝播する。そして、被変調光は、再び頭部Ｔの頭蓋骨を透過し、頭部Ｔの表面に到達する。
【００５１】
次に、光検出部Ａ〜Ｆによる反射光の検出について説明する。頭部Ｔの表面に到達した被変調光は、受光位置Ａ〜Ｆに対応する光検出部Ａ〜Ｆにより反射光として検出される。すなわち、光検出部Ａ〜Ｆにおいては、光受光器２２が受光位置Ａ〜Ｆのそれぞれに到達した反射光をすべて受光し、同受光した反射光に応じた電気的な検出信号を時系列的に増幅器２３に出力する。そして、増幅器２３は入力した電気的な検出信号のうちの直流および直流近傍の周波数における信号成分を除去してから検出信号を増幅し、ＬＰＦ２４は、この増幅された検出信号を通過させることにより周波数が２ｆよりも大きな信号成分をカットする。
【００５２】
続いて、ＡＤコンバータ２５がＬＰＦ２４を通過した電気的な検出信号（アナログ信号）をサンプリング周波数４ｆでデジタル変換処理を行う。そして、同デジタル変換処理された電気的な検出信号は第１乗算器２６に出力され、第１乗算器２６は入力した電気的な検出信号（デジタル信号）をクロック周波数２ｆを用いて復調し、同復調した検出信号すなわち一次復調信号を第２乗算器２７に出力する。このように復調処理することにより、復調信号は、光受光器２２の有効検出帯域幅２ｆの全体を使った信号となる。言い換えれば、光受光器２２によって受光し得る被変調光が有する情報、すなわち、脳表層を伝播した被変調光の減衰状態を欠落させることなく、正確にデジタル信号化した一次復調信号を第２乗算器２７に出力することができる。
【００５３】
ところで、受光位置Ａ〜Ｆには、入射位置ａ〜ｆから出射されたそれぞれの被変調光が反射光として到達する。例えば、受光位置Ａには、周辺に位置する入射位置ａ，ｂ，ｃ，ｄから出射された被変調光は言うまでもなく、入射位置ｅ，ｆから出射された被変調光も反射光として到達する。このような状況において、制御部３は、受光位置Ａに到達した反射光のうち、例えば、入射位置ａ，ｂ，ｃ，ｄから出射された被変調光の反射光に対応する生体情報信号のみが得られるように、光検出部Ａを制御する。この制御部３による制御を具体的に説明する。
【００５４】
制御部３は、上述したように、各光発生装置１０の拡散符号系列発生器１１からＰＮ系列を取得する。一方、光検出部Ａの第２乗算器２７は、制御部３を介して、光出射部ａ〜ｆの拡散符号系列発生器１１によって発生されたＰＮ系列を取得する。このとき、制御部３は、ディレイ３２を介して、光出射部ａ，ｂ，ｃ，ｄの各拡散符号系列発生器１１が発生した異なるＰＮ系列を光検出部Ａの対応する第２乗算器２７に供給する。
【００５５】
これにより、各第２乗算器２７は、第１乗算器２６から出力された一次復調信号と制御部３から供給された対応するＰＮ系列との積を取り、言い換えれば、スペクトラム逆拡散して得られた二次復調信号をそれぞれの累算器２８に出力する。そして、各累算器２８は、出力された二次復調信号をＰＮ系列の１周期以上に渡り加算する。このように、出射された被変調光に対応する第２乗算器２７と累算器２８による積和処理により、二次復調信号と供給されたＰＮ系列との相関を取ることができ、光出射部ａ，ｂ，ｃ，ｄのそれぞれから出射された複数の被変調光に対応した複数の生体情報信号を同時に出力することができる。
【００５６】
すなわち、上述したように、ＰＮ系列に関しては、異なる系列が互いに直交する性質、言い換えれば、異なる系列同士の積の値が「０」となる性質を有している。このため、制御部３がある第２乗算器２７に対して、例えば、光出射部ａの対応する拡散符号系列発生器１１によるＰＮ系列を供給した場合には、第１乗算器２６から出力された一次復調信号のうち、光出射部ａから出射された特定の被変調光に対応する一次復調信号以外の一次復調信号と光出射部ａのＰＮ系列との積の値は「０」となる。このため、累算器２８によってＰＮ系列の１周期以上に渡り加算される二次復調信号も「０」となり、相関は「０」となる。
【００５７】
したがって、制御部３から供給されたＰＮ系列を有しない（または一致しない）一次変調信号および二次復調信号、言い換えれば、生体情報信号は、選択的に排除され、特定の第２乗算器２７および累算器２８からは光出射部ａから出射された特定の被変調光の反射光に対応する生体情報信号が制御部３に出力される。同様に、制御部３が他の第２乗算器２７に対して、例えば、光出射部ａの他の対応する拡散符号系列発生器１１によるＰＮ系列を供給することによって、これらの第２乗算器２７および累算器２８からは光出射部ａから出射された他の特定の被変調光の反射光に対応する生体情報信号が同時に制御部３に出力される。さらに同様に、制御部３から第２乗算器２７に対して他の光出射部ｂ，ｃ，ｄのＰＮ系列がそれぞれ供給された場合には、光出射部ｂ，ｃ，ｄから出射された複数の被変調光の反射光に対応するそれぞれの生体情報信号が同時に制御部３に出力される。
【００５８】
これにより、光検出部Ａは、光出射部ａ〜ｆから出射された特定波長を有する被変調光のうち、光出射部ａ〜ｄによって出射された被変調光の反射光に対応する生体情報信号を制御部に出力する。なお、光検出部Ｂ〜Ｆについても、光検出部Ａと同様にして、制御部３によって制御されることにより、光出射部ａ〜ｆのうちの特定の光出射部から出射された被変調光の反射光に対応する生体情報信号を複数同時に出力する。
【００５９】
そして、再びオペレータによって、頭部Ｔの内部に出射する被変調光の他の特定波長（本実施形態においては、合計６つの特定波長）が指示されると、制御部３は、指示されたそれぞれの特定波長を有する被変調光について上記作動制御と同様の制御を同時に実行する。これにより、それぞれの光検出部Ａ〜Ｆは、光出射部ａ〜ｆから出射される他の特定波長を有する被変調光の反射光のうち、複数の特定の光出射部から出射された反射光に対応する生体情報信号を制御部３に複数同時に出力することができる。
【００６０】
このように光検出部Ａ〜Ｆから生体情報信号が出力されると、制御部３は、出力された生体情報信号に基づいて、被検体の脳内における血中酸素濃度を算出し、同算出した血中酸素濃度を表示部４に出力する。そして、表示部４は、所定の態様で脳内の血中酸素濃度を表示する。なお、血中酸素濃度の算出方法に関しては、本発明に直接関係しないため、詳細な説明を省略するが、以下に簡単に説明しておく。
【００６１】
本実施形態においては、濃度と光の減衰の関係を表すランバート・ベール(Lambert-Beer)の法則に従い、血液中のヘモグロビンの濃度差による被変調光の減衰、言い換えれば、ヘモグロビンによる被変調光の吸光度合いに基づいて、血中酸素濃度を算出する。血液中のヘモグロビンは、酸素と結合して血管中を流れ、各細胞に対して酸素を供給する役目を果たす。このため、動脈中を流れる血液は酸素と結合したヘモグロビン（以下、酸素化ヘモグロビンという）の濃度（量）が大きく、静脈中を流れる血液は酸素と結合していないヘモグロビン（以下、還元ヘモグロビンという）の濃度（量）が大きくなる。
【００６２】
このように、血液中に存在する酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンは、図７に概略的に示すように、出射した光（被変調光）の波長に対して分子吸光係数が非線形的に変化する光吸収スペクトルをそれぞれ有する。この酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの光吸収スペクトルすなわち分子吸光係数、出射した光（被変調光）の強度および酸素化ヘモグロビンまたは還元ヘモグロビンによって反射された反射光の強度を用いたランバート・ベールの法則に従うことにより、動脈中、毛細血管中、静脈中の血中酸素濃度を算出することができる。
【００６３】
したがって、このランバート・ベールの法則に従えば、制御部３は、６つの特定波長に対するそれぞれの分子吸光係数、６つの特定波長を有する被変調光の出射強度および光検出部Ａ〜Ｆから出射された生体情報信号によって表される６つの特定波長を有する反射光の強度を用いて、動脈または静脈、特に、毛細血管中の血中酸素濃度をより正確に、かつ、詳細に算出することができる。
【００６４】
そして、制御部３は、算出した動脈中、毛細血管、静脈中の血中酸素濃度を表示部４に供給するとともに、同表示部４に対して所定の表示態様により前記血中酸素濃度を表示するように指示する。この指示により、表示部４は、供給された血中酸素濃度をディスプレイ上に所定の表示態様により表示する。ここで、表示部４は、以下に説明するような表示態様によって血中酸素濃度を表示する。
【００６５】
例えば、上述したように、ある光検出部２（例えば、光検出部Ａ）は複数の中から特定の光出射部１（例えば、光出射部ａ〜ｄ）を識別し、同識別した光出射部１から出射された被変調光の反射光を選択的に検出することができる。これにより、計測ポイントを密に、言い換えれば、計測ポイントの解像度を大幅に向上させることができるため、制御部３は、血中酸素濃度を面状に捉えて計算することができる。したがって、この場合には、表示部４は、制御部３から供給された血中酸素濃度を２次元的な表示態様によって表示する。このように、血中酸素濃度を２次元的に表示することにより、脳の活動に伴う血流の変化を詳細に観察することができる。
【００６６】
なお、オペレータが、例えば、図７にて分子吸光係数が非線形的に大きく変化する波長範囲にある特定波長（例えば、８３０，７８０ｎｍなど）を指示すれば、光出射部ａ〜ｆは、同指示された特定波長を有する被変調光を出射することができる。これにより、分子吸光係数が非線形的に変化する波長領域であっても、光検出部Ａ〜Ｆによって出力される検出信号を用いることにより、動脈、毛細血管中、または静脈の血中酸素濃度の変化をより正確に捉えることができる。
【００６７】
また、上述したように、制御部３が光検出部２の第２乗算器２７に供給するＰＮ系列を変更することにより、光検出部２は、識別する光出射部１を選択的に切り替えることができる。これにより、脳内の血中酸素濃度を３次元的に計測することもできる。すなわち、光は、所定の角度を有して出射された場合、反射物までの距離に応じて、反射光の到達位置が変化する。具体的には、ある出射点から光を入射し、反射物までの距離が短い場合には、反射光の到達位置は、出射点に近いすなわち脳表皮の浅い位置となる。一方、反射物までの距離が長い場合には、反射光の到達位置は、出射点から遠いすなわち脳表皮の深い位置となる。上述したように頭部Ｔの内部に被変調光を出射した場合には、頭部Ｔの内部にて被変調光が乱反射するためその厳密な光路は特定できないものの、上記の傾向をおおむね有する。
【００６８】
このため、制御部３が、光検出部２と光出射部１との配置距離が変化するように、光検出部２に光出射部１を識別させることによって、深さ方向の血中酸素濃度を計測することができる。これにより、制御部３は、深さ方向ごとの血中酸素濃度を計算により合成することができる。したがって、この場合には、表示部４は、制御部３から供給された血中酸素濃度を３次元的な表示態様によって表示する。このように、脳内の動脈、毛細血管中、または静脈中の血中酸素濃度を３次元的に表示することにより、脳の活動に伴う血流の変化を３次元的に観察することができる。
【００６９】
以上の説明からも理解できるように、この第１実施形態によれば、第２変調手段としての第２乗算器１４が第１の周波数としての周波数ｆ（すなわちチップレートｆ）の２倍となる第２の周波数としての周波数２ｆで二次変調信号を生成することにより、二次変調信号におけるパワースペクトラムは、周波数ｆを中心として直流（ＤＣ）および直流近傍の周波数から周波数２ｆまで広がるメインローブのパワースペクトラムとすることができる。その結果、光発生装置１０によって出射される近赤外光においては、直流および直流近傍の周波数や周波数２ｆにおける出力（強度）が極めて小さくなる。したがって、光出射部１から出射された近赤外光を用いることにより、スペクトラム拡散における直流問題を効率よく回避することができる。
【００７０】
また、信号成分除去手段としての増幅器２３およびＬＰＦ２４によって直流および直流近傍の周波数および周波数２ｆ以上の信号成分が除去された電気的な検出信号（アナログ信号）の信号帯域幅は、光受光器２２における有効検出帯域幅２ｆと一致するものとなる。その結果、光受光器２２における有効検出帯域幅を極めて効率よく利用することができる。
【００７１】
そして、信号変換手段としてのＡＤコンバータ２５は、ＬＰＦ２４から出力された電気的な検出信号（アナログ信号）を、ディレイ３２によって遅延処理されて周波数２ｆの２倍となる第３の周波数としての周波数４ｆすなわちサンプリング周波数４ｆによってデジタル信号に変換する。言い換えれば、ＡＤコンバータ２５は、光受光器２２における有効検出帯域幅の２倍となるサンプリング周波数４ｆによってアナログ信号をデジタル信号に変換する。このように、光受光器２２における有効検出帯域幅２ｆの２倍、すなわち、アナログ信号の信号帯域の２倍のサンプリング周波数４ｆによってデジタル信号に変換することによって、光受光器２２における有効検出帯域幅の全域に相当するアナログ信号が有する情報を極めて良好にデジタル信号として再現することができる。これにより、スペクトラム拡散における周波数の利用効率を大幅に向上させることができる。
【００７２】
このように、生体情報計測装置Ｓを用いて生体情報を計測することにより、スペクトラム拡散における直流問題の影響を排除するとともに、近赤外光の出射と検出および検出した近赤外光の電気的な検出信号への変換に必要な周波数の利用効率を向上を向上させることができる。したがって、得られる生体情報の精度をも大幅に向上させることができる。
【００７３】
ｂ．第２実施形態
上記第１実施形態においては、光出射部１のベースバンド出力器１３が直流信号を出力し、第１乗算器１２が出力された直流信号に対して拡散符号系列発生器１１から供給されるＰＮ系列を乗算するように実施した。これにより、直流信号がスペクトラム拡散変調されて一次変調信号を生成するように実施した。このように直流信号をスペクトラム拡散変調することに代えて、任意のクロック周波数によって生成されるパルス状の矩形信号をスペクトラム拡散変調して実施することも可能である。以下、この第２実施形態を詳細に説明するが、上記第１実施形態と同一部分に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００７４】
この第２実施形態における生体情報計測装置Ｓは、図８に示すように、図１に示した上記第１実施形態における光出射部１のベースバンド出力器１３に代えて、発信器５１が設けられている。発信器５１は、クロックジェネレータ３１が発生するクロック周波数の半分以下に予め設定された任意のクロック周波数（より具体的には第１の周波数としての周波数ｆの半分以下）で作動し、所定の振幅を有するベースバンド信号としての矩形信号を発生するものである。そして、発信器５１は、発生させた矩形信号を第１乗算器１２に対して出力する。これにより、第１乗算器１２は、上記第１実施形態と同様に、発信器５１によって出力される矩形信号と、拡散符号系列発生器１１から供給されるＰＮ系列との積を取ることによって矩形信号をスペクトラム拡散変調し、同変調した矩形信号を一次変調信号として第２乗算器１４に出力する。
【００７５】
また、この第２実施形態における生体情報計測装置Ｓは、図９に示すように、図１に示した上記第１実施形態における光検出部２に比して、第３乗算器５２が追加されている。第３乗算器５２は、第２乗算器２７から入力したスペクトラム逆拡散によってベースバンド信号（すなわち発信器５１によって発生される矩形信号）を含む二次復調信号と、制御部３のディレイ３２を介して光出射部１の発信器５１から遅延して供給された矩形信号との積を取ることによって復調し、被変調光が生体内を伝播したときの影響すなわち被変調光の減衰の程度を表す振幅成分の値を計算する。そして、第３乗算器５２は、振幅成分の値を累算器２８に出力する。
【００７６】
このように構成した第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、制御部３が作動を制御することにより、上記第１実施形態と同様の効果が期待できる。
【００７７】
ｃ．第２実施形態の変形例
上記第２実施形態においては、光出射部１の発信器５１から出力された矩形信号を、直接、第１乗算器１２がスペクトラム拡散変調するように実施した。この場合、より正確に生体情報信号が得られるように、送受信される信号間で誤り訂正を実行するように実施することも可能である。
【００７８】
すなわち、この第２実施形態の変形例においては、図８にて破線で示すように、上記第２実施形態における発信器５１によって出力される矩形信号に対して誤り訂正符号を付与する誤り訂正符号付加回路６１が追加されている。誤り訂正符号付加回路６１は、発信器５１によって出力される矩形信号すなわちビット列に対して、予め設定した任意のビット数列ごとに誤り訂正符号ビット列を付加する。ここで、誤り訂正符号としては、例えば、周知のCRC(Cyclic Redundancy Check)符号やパリティー符号などを採用するとよい。
【００７９】
そして、この第２実施形態の変形例の光検出部２においては、図９にて破線で示すように、誤り訂正符号付加回路６１によって誤り訂正符号の付与された二次復調信号（データ列）の整合性をチェックするとともに誤りを修復するための誤り検査回路６２と、同誤り検査回路６２によって修復が不能であるときに正しいデータ列に置き換える補間回路６３とが設けられている。
【００８０】
誤り検査回路６２は、第２乗算器２７からスペクトラム逆拡散によってベースバンド信号（すなわち発信器５１および誤り訂正符合付加回路６１によって発生される誤り訂正符合に付加された矩形信号）を含む二次復調信号と、制御部３のディレイ３２を介して光出射部１の発信器５１から遅延して供給された矩形信号とに基づいて、二次復調信号の整合性をチェックするものである。そして、誤り検査回路６２は、二次復調信号におけるデータ列が正しい場合には、二次復調信号を修復することなく補間回路６３に出力する。また、誤り検査回路６２は、二次復調信号におけるデータ列に誤りがあるものの修復可能である場合には、誤りを有するデータ列における該当ビットを修復して補間回路６３に出力する。さらに、誤り検査回路６２は、二次復調信号におけるデータ列に誤りがあり修復不能である場合には、そのまま二次復調信号を補間回路６３に出力する。
【００８１】
補間回路６３は、誤り検査回路６２から整合性をチェックされた二次復調信号と、制御部３のディレイ３２を介して光出射部１の発信器５１から遅延して供給された矩形信号とに基づいて、誤り検査回路６２によって修復不能の二次復調信号を補間処理して第３乗算器５２に出力するものである。すなわち、補間回路６３は、上述したように、誤り検査回路６２によって正しいデータ列を有する二次復調信号すなわち修復する必要のない二次復調信号およびビット修復された二次復調信号については、第３乗算器５２に対して二次復調信号を出力する。また、補間回路６３は、誤り検査回路６２によって修復が不能とされた二次復調信号が有する誤ったデータ列を正しいデータ列に置き換えて第３乗算器５２に出力する。具体的には、補間回路６３は、例えば、誤ったデータを含むデータ列から最後に到着した正しいデータ列を利用したり、誤り訂正符号付加回路６１によって誤り訂正符号の付与されたデータ列を１単位として誤ったデータ列の前後の正しいデータ列を利用したりして誤ったデータを含むデータ列を置き換えることにより修復する。
【００８２】
そして、第３乗算器５２は、補間回路６３から正しいデータ列を有する二次復調信号を入力するとともに、上記第２実施形態と同様に、同入力した二次復調信号と、制御部３のディレイ３２を介して光出射部１の発信器５１から遅延して供給された矩形信号との積を取ることによって復調し、被変調光が生体内を伝播したときの影響すなわち被変調光の減衰の程度を表す振幅成分の値を計算する。そして、第３乗算器５２は、振幅成分の値を累算器２８に出力する。
【００８３】
このように構成した第２実施形態の変形例においても、上記第１実施形態と同様に、制御部３が作動を制御することにより、上記第１実施形態と同様の効果が期待できる。さらに、この第２実施形態の変形例においては、光出射部１から出射された被変調光と光検出部２によって検出された生体情報信号を含む被変調光との整合性をチェックすることができるため、より正確に生体情報信号を得ることができる。
【００８４】
ｃ．第３実施形態
上記第１および第２実施形態においては、拡散符号系列発生器１１が常に同一の拡散率によりＰＮ系列を発生するように実施した。ここで、拡散率とは、生成されるＰＮ系列の一周期の時間をチップレートの逆数で除算したものをいう。
【００８５】
ところで、スペクトラム拡散変調においては、拡散率を大きくするほど、スペクトラム逆拡散すなわち復調した際の信号帯域幅が狭くなるものの信号のＳＮ比が高まる性質を有している。その逆に、拡散率を小さくするほど、スペクトラム逆拡散した際の信号のＳＮ比が低下するものの信号帯域幅が広くなる性質を有している。このようなスペクトラム拡散変調の性質を利用することにより、光検出部２によってより良好に被変調光を検出することができる。以下、この第３実施形態を詳細に説明するが、上記第１および第２実施形態と同一部分に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。なお、この第３実施形態は、上記第１および第２実施形態に適用できるものであるため、上記第１実施形態に適用した場合を代表して説明する。
【００８６】
上述したように、光出射部１が特定波長を有する被変調光を生体中に出射する場合には、同被変調光が生体中を伝播するときの吸収散乱状態が異なるため、光の入射位置によって光検出部２によって検出される被変調光すなわち検出信号の強度が異なる。すなわち、生体に対して、ある位置から入射した被変調光は、伝播中における吸収散乱が小さく、光検出部２によって検出される検出信号の強度が大きくなる場合がある。一方、他の位置から入射した被変調光は、伝播中における吸収散乱が大きく、光検出部２によって検出される検出信号の強度が小さくなる場合がある。
【００８７】
このように、検出信号の強度に差が生じる場合には、オペレータは、制御部３に対して、光検出部２の光受光器２２によって検出される検出信号の強度が小さいすなわちＳＮ比が低いと判断される光出射部１の拡散符号系列発生器１１における拡散率を標準値ＣＲｃよりも大きなＣＲｌに変更するように指示する。一方、オペレータは、制御部３に対して、光検出部２の光受光器２２によって検出される検出信号の強度が大きいすなわちＳＮ比が高いと判断される光出射部１の拡散符号系列発生器１１における拡散率を標準値ＣＲｃよりも小さなＣＲｓに変更するように指示する。ここで、標準値ＣＲｃは基準となる拡散率を表しており、一般的に「２」の１６乗（６５５３６）の値に設定され、ＣＲｌは「２」の１７〜３２乗、ＣＲｓは「２」の４〜１５乗程度に設定される。なお、これらＣＲｃ，ＣＲｌ，ＣＲｓの値の設定に関しては、限定されるものではなく種々の値に設定可能であることはいうまでもない。
【００８８】
そして、制御部３は、オペレータの指示に従い、拡散符号系列発生器１１がＰＮ系列を発生するときの拡散率をＣＲｌまたはＣＲｓに変更する。これにより、検出信号のＳＮ比が低いと判断される光出射部１においては、拡散符号系列発生器１１の拡散率ＣＲｃがより大きなＣＲｌに変更されることによって、生体情報信号の信号帯域幅は小さくなるもののＳＮ比は改善される。一方、検出信号のＳＮ比が高いと判断される光出射部１においては、拡散符号系列発生器１１の拡散率ＣＲｃがより小さなＣＲｓに変更されることによって、生体情報信号のＳＮ比が若干低くなるものの、同信号の信号帯域幅が広がるため、広帯域の生体情報が得られる。
【００８９】
ところで、一般的に、上述したＰＮ符号（例えば、アダマール系列、Ｍ系列またはゴールド符号系列）を用いたスペクトラム拡散変調における直交性は、同一の拡散率のときに保障されるものである。このため、拡散率が異なる被変調光を同時に生体内に出射した場合には、これら各被変調光間の直交性が保障されない可能性がある。したがって、この第３実施形態においては、拡散符号系列発生器１１は、拡散率が異なる被変調光間においても直交化を保障することができる直交可変拡散率(OVSF:Orthogonal Variable Spreading Factor)符号をＰＮ符号として採用する。
【００９０】
この直交可変拡散率符号は、図１０に示すように、拡散率１から拡散率２(n+1)まで順次規則的に生成できることが知られている。そして、この直交可変拡散率符号では、同一拡散率であるときは言うまでもなく、異なる拡散率であるときにも直交性が保障されることがよく知られている。したがって、この第３実施形態において、拡散符号系列発生器１１がこの直交可変拡散率符号をＰＮ符号として採用することにより、上述した拡散率を異ならせて同時に生体内に被変調光を出射する場合であっても、出射された被変調光間で直交性が保障される。
【００９１】
これにより、図１１にて概略的に示すように、光出射部１と光検出部２との配置において、例えば、検出信号の強度が強い領域と弱い領域とが隣接する場合であっても、被変調光同士が互いに影響（妨害）することない。したがって、極めて良好に二次復調信号を得ることができて、正確な生体情報信号を得ることができる。
【００９２】
本発明の実施に当たっては、上記第１ないし第３実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００９３】
例えば、上記各実施形態においては、生体情報計測装置Ｓが血液の吸光特性を利用して生体情報として血中酸素濃度を算出する場合に適用して実施した。しかしながら、光出射部１を構成する複数の光発生装置１０が発生するそれぞれの特定波長を適宜変更することにより、他の吸光特性、例えば、生体の密度、水分や、血中のグルコース濃度、血糖値、脂質量、あるいは、脈拍などの変化に伴う吸光特性、例えば、酸素飽和度などを計測可能であることはいうまでもない。このように、他の吸光特性を利用する場合であっても、本発明に係る生体情報計測装置Ｓを用いることにより、生体情報をより正確に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る生体情報計測装置の概略を示すブロック図である。
【図２】図１の光出射部の構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】図２の第２乗算器によって変調された後におけるスペクトラム拡散のパワースペクトラムを示すグラフである。
【図４】図１の光検出部の構成を概略的に示すブロック図である。
【図５】図４のＬＰＦを通過した後における電気的な検出信号のパワースペクトラムを示すグラフである。
【図６】図１の生体情報計測装置を脳内の血中酸素濃度の計測に適用した場合における入射位置と受光位置の配列を一部抜き出して示した図である。
【図７】酸素化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの波長に対する分子吸光係数の変化を概略的に示したグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る光出射部の構成を概略的に示すブロック図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る光検出部の構成を概略的に示すブロック図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係り、直交可変拡散率符号を説明するための図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係り、拡散率の変更状況を説明するための図である。
【図１２】一般的なスペクトラム拡散におけるパワースペクトラムを示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
１…光出射部、１０…光発生装置、１１…拡散符号系列発生器、１２…第１乗算器、１３…ベースバンド出力器、１４…第２乗算器、１５…光源ドライバ、１６…光源、２…光検出部、２２…光受光器、２３…増幅器、２４…ＬＰＦ、２５…ＡＤコンバータ、２６…第１乗算器、２７…第２乗算器、２８…累算器、３…制御部、３１…クロックジェネレータ、３２…ディレイ、４…表示部、Ｓ…生体情報計測装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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