(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の光を発生する発光手段と、前記発光手段からの光を照射することによって生体を透過又は生体から反射する光を受光する受光手段と、受光手段が検出した光量から生体情報を得る信号処理手段とを備えた生体光計測装置において、
前記発光手段が発生する光の、温度変化に対する波長遷移を連続的な波長変化に変換する手段を備え、
前記発光手段は、半導体レーザと、所定の波長の光を発生させるために必要な電流を前記半導体レーザに供給するレーザ駆動素子と、を備え、
前記変換する手段は、前記レーザ駆動素子からの電流に所定の高周波を印加し、前記受光手段のサンプリング間隔よりも早い周波数で前記半導体レーザのオンオフを繰り返す変調印加手段であること
を特徴とする生体光計測装置。
【請求項２】
所定の波長の光を発生する発光手段と、前記発光手段からの光を照射することによって生体を透過又は生体から反射する光を受光する受光手段と、受光手段が検出した光量から生体情報を得る信号処理手段とを備えた生体光計測装置において、
前記発光手段が発生する光の、温度変化に対する波長遷移を連続的な波長変化に変換する手段を備え、
前記発光手段は、同じ種類のレーザ素子からなり同一波長の光を発生する半導体レーザを複数備え、
前記変換する手段は、前記複数の半導体レーザからの光を合成する光結合手段であること
を特徴とする生体光計測装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の生体光計測装置であって、
前記発光手段が発生する光の連続的な波長変化を補正する手段を備えたこと
を特徴とする生体光計測装置。
【請求項４】
請求項３記載の生体光計測装置であって、
前記補正する手段は、前記発光手段の光出力を補正する温度補償回路であること
を特徴とする生体光計測装置。
【請求項５】
請求項３記載の生体光計測装置であって、
前記補正する手段は、前記信号処理手段に設けられ、波長変化に伴う受光量変化を補償する演算を行なうソフトウェア手段であること
を特徴とする生体光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は生体光計測装置に関し、特に半導体レーザを光源とする生体光計測装置の光源の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体光計測装置は、光源から特定波長のレーザ光を被検体に照射し、被検体を透過した光或いは被検体で反射した光を受光素子で検出し、その光量から血液循環、血行動態、ヘモグロビン変化などの生体情報を得る装置である。近年、光ファイバを利用して、複数の測定点を含む領域を検査し、その領域についての生体情報、具体的にはヘモグロビン動向を画像として表示したり、脳の活性領域などを計測するようにした光トポグラフィ装置が提案され、実用化されている。
【０００３】
このような生体光計測装置の光源としては、例えば発振波長780nm、830nmなどの赤外半導体レーザが用いられている。複数の計測点を計測する光トポグラフィ装置では、このような半導体レーザに複数チャンネル識別のために数kHzの変調信号を重畳して駆動し、発光させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、半導体レーザの発振波長には温度依存性があり、光源自体の温度の上昇に伴い、波長が遷移する。半導体レーザの波長の遷移による影響を排除するために、通常、30分程度のウォーミングアップを行い、光源温度が安定した状態で計測を行なうようにしているが、実際にはウォーミングアップ経過後にも光源温度は徐々に上昇し、正確な計測の妨げとなる。
【０００５】
具体的には、図８に示すように、半導体レーザの温度変動による波長遷移は不連続な量の変化であり、一方、受光素子の受光特性には波長依存性があるため、このような不連続な量の変化は受光量の不連続な変化として現れる。このような不連続な変化は、計測対象である生体からの情報と区別されにくく、精度の良い生体光計測の妨げとなる。またこのような不連続な変化は、公知の温度補償回路等の補正技術によって補正することが困難である。
【０００６】
一般に情報通信分野において、光源のレーザーダイオード（ＬＤ）を数百MHzの高周波変調をかけて駆動することによって、マルチモード発信させ、モードホップの影響を除去する技術が知られているが、微小なアナログ量を計測する生体光計測において、このような高周波変調は測定ノイズの原因となるため採用することができない。
【０００７】
そこで本発明は、光源の波長遷移に起因する測定精度の低下を防止し、高精度の測定が可能な生体光計測装置を提供することを目的とする。また本発明は、比較的短いウォーミングアップ時間で、正確な測定が可能な生体光計測装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の生体光計測装置は、所定の波長の光を発生する発光手段と、前記発光手段からの光を照射することによって生体を透過又は生体から反射する光を受光する受光手段と、受光手段が検出した光量から生体情報を得る信号処理手段とを備えた生体光計測装置において、前記発光手段が発生する光の、温度変化に対する波長遷移を連続的な波長変化に変換する手段を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の一つの態様によれば、発光手段は、半導体レーザとレーザ駆動素子とを備え、レーザ駆動素子からの電流に数MHzの高周波を印加する変調印加素子を備えることにより、温度変化に対する波長遷移を連続的な波長変化に変換する。
【００１０】
また本発明の別の態様によれば、発光手段は、複数の半導体レーザを備え、複数の半導体レーザからの光を光結合手段で合成することにより、合成光においては、個々の温度変化に対する波長遷移が連続的な波長変化に変換される。
【００１１】
本発明の生体光計測装置は、好適には、発光手段が発生する光の連続的な波長変化を補正する手段を備える。補正する手段としては、例えば、発光手段の光出力を補正する温度補償回路を採用することができる。或いは信号処理手段において波長変化に伴う受光量変化を補償する演算を行なうソフトウェア手段を採用することができる。
【００１２】
本発明によれば、光源の波長遷移による、受光量の不連続な変化を連続的な変化に変えることにより、不連続な変化に起因する測定誤差をなくし、精度のよい生体光計測が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の生体光計測装置を、図面に示す実施形態に基づきさらに説明する。
【００１４】
図１は、本発明が適用される光トポグラフィ装置の全体概要を示す図である。
この光トポグラフィ装置は、所定の波長の光を被検体の検査部位に照射するための光源部1と、被検体の検査部位を透過した光或いは検査部位で反射、散乱した光（以下、まとめて透過光という）を検出する受光素子を備えた光計測部2と、光源部1からの光を被検体の検査部位に誘導する照射用光ファイバ6及び検査部位からの透過光を光計測部に誘導する検出用光ファイバ7の各先端を被検体の検査部位に当接させるために、各先端を着脱自在に固定するプローブ3と、光計測部2で計測した信号をもとに血中ヘモグロビン量などを表す生体信号を作成し、画像化する信号処理部4とを備えている。
【００１５】
光源部1は、可視光から赤外の波長領域内の所定の波長、例えば780nmや830nmなどの光を放射する半導体レーザ11と、半導体レーザ11からの光を複数の異なる周波数で変調するための変調器を備えた複数の光モジュール12とからなる。なお、変調の方法としては、半導体レーザ11の駆動信号を変調する方法と、半導体レーザ11からの光を光学素子を用いて変調する方法があるが、そのいずれでもよい。また半導体レーザ11として２波長の光を用いる場合には、これら２波長の光を混合した後、各光モジュール毎に異なる周波数に変調し、光ファイバ6を介して被検体の検査部位に照射する。
【００１６】
光計測部2は、検出用光ファイバ7に接続され、検出用光ファイバ7が誘導する光を光量に対応する電気信号に変換するフォトダイオード21等の光電変換素子と、フォトダイオード21からの電気信号を入力し、照射位置及び波長に対応した変調信号を選択的に検出するためのロックインアンプ22と、ロックインアンプ22からの信号をA/D変換するＡ/Ｄ変換器23とからなる。Ａ/Ｄ変換器23の出力は、信号処理部4に送られ、ここで信号処理された後、ヘモグロビン量などの変化や分布を表す画像が作成、表示される。
信号処理部4は、装置全体を制御する制御部、制御や信号処理に必要な条件等を記憶する記憶部41、信号処理部42、画像を表示する表示装置5を備えている。
【００１７】
光源部1の詳細を図２に示す。半導体レーザ111は、図示しない電源回路に接続されたドライブ素子112に接続され、このドライブ素子112を介して所定の波長の光出力を得るのに必要な電流が供給される。ここで半導体レーザ111の光を駆動信号を変調して変調する場合には、複数の半導体レーザ111に供給される電流は、それぞれチャンネルを識別するために数kHz〜10kHzの周波数で変調されている。また半導体レーザ111は、ドライブ素子112からの電流に数MHzの周波数を重畳する変調印加素子113に接続されている。この変調印加素子113は、図３に示すように、数MHzの周波数で半導体レーザ111をオンオフする。
【００１８】
このような構成の光源部1では、半導体レーザ11の駆動開始とともに温度が上昇すると、発振波長も図８に示すように遷移することになるが、駆動電流に数MHzの高周波を重畳することにより、この周波数で点灯、消灯を繰り返すことになる。これは、図４に示すように、遷移前の波長λ1と遷移後の波長λ2の二つの波長で発振を起こさせていることと同じ状態であり、温度の上昇に伴い遷移した波長λ2の現れる頻度が高くなる。そして、点灯、消灯の繰り返しの周波数（数MHz）は、受光素子によるサンプリング間隔（通常0.1秒程度）に比べ十分に速いので、計測された光量は図４中太線401で示すような連続した変化となる。即ち、受光素子では、時間の経過（即ち、温度の上昇）に伴い、波長λ1のときの低い値から波長λ2の時の値に連続的に変化した光が検出される。
【００１９】
このように本実施形態によれば、光源レーザからの光を、受光素子のサンプリング間隔よりも十分に早い周波数でオンオフすることにより、温度変化に伴う不連続的な変化である波長の遷移を、受光側においては連続的な受光量変化となるように変換することができる。これにより、温度補償回路のようなハードウェア或いは計測信号解析処理時のフィッティング処置のようなソフトウェアを用いた温度補正を容易に行なうことができる。なお、温度変化に伴う波長の変化が連続的である場合には、温度補正しなくても光計測を行なうことは可能であるが、以下述べるような温度補償回路や信号処理によって補正することが望ましい。
【００２０】
温度補償回路を備えた光源部の一例を図５に示す。ここで図２と同じ要素については、同一番号で示した。図示する例では、図４に示す光量変化を一次変化とみなし、温度補償回路として、光量変化と逆の一次の出力特性を有するサーミスタ114の出力を、半導体レーザ111の駆動素子112に入力するようにしている。これにより、温度依存性のない計測結果を得ることができる。
【００２１】
ソフトウェアによって補正する場合には、例えば図６に示すように、光源部11に温度センサ115を取り付け、この温度センサ115が検出した光源部1の温度を信号処理部4に送る。一方、信号処理部4の記憶部41には、予め温度に応じた補正量を記憶しておく。或いは受光量を温度の一次関数としたとき、そのパラメータを記憶しておく。そして、光計測時に温度センサ115が検出した温度とその温度における補正量を用いて、計測した光量を補正する。
【００２２】
次に本発明の第2の実施形態を説明する。この実施形態では、レーザの波長遷移が起こる温度は、同じ種類のレーザ素子でも固体ごとに異なることを利用し、多数のレーザ素子からの光を合成して一つの光源とすることにより、個々のレーザ素子の波長遷移の影響を平滑化し、全体として連続した変化となるようにしたものである。
【００２３】
第2の実施形態による光源レーザの概要を図７（a）に示す。図示するように、照射用光ファイバ6は光結合器71を介して複数の半導体レーザLD1〜LＤiに接続されている。半導体レーザLD1〜LＤiは、同じ種類で同一波長の光を発生するものである。
【００２４】
半導体レーザLD1〜LＤiが発生する光は、光結合器71により混合されて、光ファイバ6先端から生体に照射される。このとき、光源部1の温度変化に伴い、各半導体レーザLD1〜LＤiは、個々の温度依存特性に応じて独立に波長遷移を起こすが、合成光については個々の波長遷移による受光量変動の影響が低減され、連続的な変化とみなすことができるようになる。なお、波長遷移を平滑化するために半導体レーザ数（i）は多いほどよいが、実用的には数個〜10数個とする。
【００２５】
尚、光源1として複数の波長の光源レーザを用いる場合には、図７（b）に示すように、各々の波長について複数のレーザ素子LD11〜LＤ1i、LD21〜LＤ2iで構成し、これを光結合器72、73で混合し、さらに光結合器74で混合してもよいし、図７（c）に示すように一つの光結合器75で混合して生体に照射することができる。このように混合して１本の光ファイバ先端から照射することにより、複数の測定点で測定する場合にも位置分解能を低下することなく計測できる。
【００２６】
本実施形態においても、図５又は図６に示すように、温度補償回路を設けるか、信号処理部において補正処理を行うことにより、温度依存性のない計測結果を得ることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザの波長遷移に起因する受光量の不連続変化を平滑化することができるので、温度変化による光出力の変動を容易に補正し、高精度の生体光計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される生体光計測装置の全体概要を示す図
【図２】図１の光源部の一実施形態を示す図
【図３】変調印加素子の出力を示す図
【図４】変調後のレーザと受光素子が計測する光量との関係を示す図
【図５】温度補償回路を設けた光源部の一例を示す図
【図６】本発明による生体光計測装置の他の実施形態を示す図
【図７】本発明による生体光計測装置の他の実施形態を示す図
【図８】半導体レーザの温度依存性を示す図
【符号の説明】
1・・・光源部(発光手段)、2・・・光計測部、4・・・信号処理部、11（111）・・・半導体レーザ、113・・・変調印加素子、114・・・温度補償回路、115・・・温度センサ
【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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