(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる周波数で変調された複数の波長の光を含む検査光を発生する光源部と、
前記光源部から発生して被検体を通過した複数の検査光を受光し、受光した検査光の強度に応じた異なる周波数を持った信号の合成信号を複数出力する受光部と、
前記変調時の周波数に対応した周波数の参照信号と同じ周波数の信号を前記合成信号の中から検出する検出手段とを備えた生体光計測装置において、
前記検出手段は、異なる周波数を持った前記合成信号をアナログ−ディジタル変換して前記合成信号のディジタル化された合成信号データを出力するアナログ−ディジタル変換手段と、
前記受光部から出力される前記合成信号の数に対応して設けられ、前記変調時の周波数に対応した複数の参照信号のディジタル化された参照信号データを記憶する記憶手段と、
前記アナログ−ディジタル変換手段から出力された前記合成信号データと前記記憶手段から読み出された前記参照信号データとの間の位相差に応じて前記記憶手段から読み出された前記参照信号データを遅延させる遅延手段と、
前記アナログ−ディジタル変換手段から出力された前記合成信号データと前記遅延手段によって遅延された前記参照信号データとを乗算して出力するディジタル信号処理手段と、
前記ディジタル信号処理手段の出力から直流データを取り出すディジタル帯域制限手段と
を備えたことを特徴とする生体光計測装置。
【請求項２】
請求項１において、前記ディジタル信号処理手段と前記ディジタル帯域制限手段をディジタルシグナルプロセッサで構成したことを特徴とする生体光計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記記憶手段と前記ディジタル信号処理手段との間に、前記参照信号データを入力し、そのレベル変化点付近の前後で「０」となるような関数を発生する関数発生手段を設けたことを特徴とする生体光計測装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３において、前記検出手段は、ロックインアンプ又は時分割照射受光手段の少なくとも一方で構成され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】
本発明は、生体を通過した光を受光して生体内部を計測する生体光計測装置に係り、特に検査光の強度に応じた電気信号から特定の周波数の信号を検出するロックインアンプに改良を加えた生体光計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
臨床医学及び脳科学等の分野では、生体内部を簡便かつ生体に無害な方法で計測する装置が望まれている。このような要望に対し、生体を通過した光を受光して生体内部を計測する生体光計測装置として、例えば特開平９−１４９９０３号公報や特開２０００−３００５６９号公報に記載されたようなものが提案されている。これらの公報に記載された生体光計測装置は、異なる周波数で変調された複数の光からなる検査光を被検体に照射し、被検体を通過した検査光を受光して、その強度に応じた電気信号からロックインアンプにより特定の周波数の信号だけを検出する構成となっている。
【０００３】
図１は、従来の生体光計測装置に採用されているロックインアンプの概略構成を示すブロック図である。受光素子５１は、被検体を通過した検査光５０を受光し、それを光−電気変換して、その光強度に応じた信号をアンプ５２に出力する。アンプ５２によって増幅された信号は、入力信号５３１〜５３ｎとしてそれぞれのロックインアンプに入力される。入力信号５３１〜５３ｎは、異なる周波数を持った複数の信号の合成信号である。参照信号発生回路５５１〜５５ｎは、検出したい信号の周波数と同じ周波数の参照信号を乗算器５４１〜５４ｎに出力する。乗算器５４１〜５４ｎは、入力信号５３１〜５３ｎと参照信号発生回路５５１〜５５ｎからの参照信号とを乗算してローパスフィルタ５６１〜５６ｎに出力する。ローパスフィルタ５６１〜５６ｎは、乗算器５４１〜５４ｎの出力から直流分を取り出し、それを出力信号５７１〜５７ｎとして出力する。乗算器５４１〜５４ｎ、参照信号発生回路５５１〜５５ｎ及びローパスフィルタ５６１〜５６ｎは、検出したい信号の周波数分ｎだけ設けられている。ローパスフィルタ５６１〜５６ｎの出力は、図示していないＡ／Ｄ変換器を介してパソコンなどの処理回路に取り込まれて信号処理される。
【０００４】
図６は、図１のロックインアンプのさらに詳細な構成を示すブロック図である。受光素子６１は、被検体を通過した検査光６０を受光し、それを光−電気変換して、その光強度に応じた信号をアンプ６２に出力する。アンプ６２によって増幅された信号は、異なる周波数を持った複数の信号の合成信号であり、別々のアンプ６３，６４に分岐出力される。アンプ６３は、入力信号をそのまま増幅、すなわち＋１倍してスイッチ回路６５の第１端子に出力する。アンプ６４は、入力信号の極性を反転、すなわち−１倍してスイッチ回路６５の第２の端子に出力する。スイッチ回路６５は、参照信号Ｆｎに応じて第１及び第２端子を交互に切り換えて、アンプ６３又はアンプ６４からの出力をアンプ６６に供給する。ここで、参照信号Ｆｎは、検出したい信号の周波数と同じ周波数の信号である。アンプ６６は、スイッチ回路６５から出力される信号を増幅して、ローパスフィルタ６７に出力する。ローパスフィルタ６７は、アンプ６６の出力信号から直流分を取り出して出力する。ローパスフィルタ６７の出力は、図示していないＡ／Ｄ変換器を介してパソコンなどの処理回路に取り込まれて信号処理される。
【０００５】
図７は、図６のロックインアンプの動作を説明するための信号波形のタイミングチャートを示す図である。図７（Ａ）は、検出したい信号がロックインアンプによってロックインされる場合を示し、図７（Ｂ）は、検出対象以外の信号がロックインされない場合を示す。検出したい信号は図７（Ａ）の参照信号Ｆｎと同じ周波数の信号である。入力信号には参照信号Ｆｎと同じ周波数の信号が含まれている。アンプ６２から出力される信号ＡＭＰ１（Ｉ）が参照信号Ｆｎと同じ周波数の信号の場合、アンプ６３から出力される信号ＡＭＰ１（Ｐ）は、信号ＡＭＰ１（Ｉ）と同じ信号であり、アンプ６４から出力される信号ＡＭＰ１（Ｎ）は、信号ＡＭＰ１（Ｉ）を反転したものである。これらの信号ＡＭＰ１（Ｐ），ＡＭＰ１（Ｎ）がアンプ６３，６４から出力されている場合に、参照信号Ｆｎによってスイッチ回路６５が切り換えられる。これによって、アンプ６５からは信号ＡＭＰ１（Ｏ）が出力される。この信号ＡＭＰ１（Ｏ）の直流成分がローパスフィルタ６７を通過して検出信号ＬＰＦ１として出力される。図７（Ｂ）のように、アンプ６２から出力される信号ＡＰＭ２（Ｉ）が参照信号Ｆｎとは異なる周波数の信号の場合、アンプ６５からは信号ＡＭＰ２（Ｏ）が出力される。この信号ＡＭＰ２（Ｏ）の直流成分がローパスフィルタ６７を通過して検出信号ＬＰＦ２として出力されるが、周波数が異なるためにその直流成分はゼロである。このようにして、ロックインアンプは特定の周波数の信号だけを検出するようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の生体光計測装置のロックインアンプは、乗算器、参照信号発生回路及びローパスフィルタを検出したい信号の周波数分だけ用意する必要があった。また、検出したい信号の周波数が変われば、別の参照信号発生回路を用意しなければならなかった。
【０００７】
図６に示すような生体光計測装置のロックインアンプにおいて、検出したい信号が参照信号Ｆｎに対して位相差を有する場合やその位相差が変化する場合には、ローパスフィルタ６７から出力される検出信号が通常の場合よりも減衰してＳ／Ｎ比が劣化するという問題がある。図８は、検出したい信号が参照信号に対して位相差を有する場合及びその位相差が変化する場合における、図６のロックインアンプの動作を説明するための信号波形のタイミングチャートを示す図である。図８（Ａ）は、検出したい信号が参照信号に対して位相差を有する場合を示し、図８（Ｂ）は、検出したい信号の位相差が参照信号に対して変化する場合を示す。図８（Ａ）に示すように、参照信号Ｆｎに対してアンプ６３から出力される信号ＡＭＰ３（Ｐ）の位相が遅れている場合には、アンプ６５からは信号ＡＭＰ３（Ｏ）のような信号が出力されるようになるので、ローパスフィルタ６７からは、レベルの低いＳ／Ｎ比の小さな検出信号ＬＰＦ３が出力され、好ましくない。同様に、図８（Ｂ）に示すように、参照信号Ｆｎに対してアンプ６３から出力される信号ＡＭＰ４（Ｐ）の位相が種々変化する場合には、アンプ６５からは信号ＡＭＰ４（Ｏ）のような信号が出力されるようになるので、ローパスフィルタ６７からは位相の変化によって検出信号のレベルが変化し、不安定なＳ／Ｎ比の検出信号ＬＰＦ４が出力され、好ましくない。
【０００８】
本発明は、ロックインアンプの装置構成が少ない生体光計測装置を提供することを第１の目的とする。
本発明は、周波数の変更に簡単に対応することができる生体光計測装置を提供することを第２の目的とする。
本発明は、参照信号と検出したい信号との間に位相差が存在する場合でもＳ／Ｎ比を劣化させることなく検出することのできる生体光計測装置を提供することを第３の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る生体光計測装置の第１の特徴は、異なる周波数で変調された複数の光を含む検査光を発生する光源部と、前記光源部から発生して被検体を通過した検査光を受光し、受光した検査光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、前記受光部の出力から参照信号と同じ周波数の信号を検出する検出手段とを備えた生体光計測装置において、前記検出手段は、入力信号をアナログ−ディジタル変換して入力信号のディジタル化されたデータを出力するアナログ−ディジタル変換手段と、複数の参照信号のディジタル化されたデータを記憶する記憶手段と、前記アナログ−ディジタル変換手段から出力された入力信号のディジタル化されたデータと前記記憶手段から読み出された参照信号のディジタル化されたデータとを乗算して出力するディジタル信号処理手段と、前記ディジタル信号処理手段の出力から直流データを取り出すディジタル帯域制限手段とを備えたことにある。記憶手段に複数の参照信号のディジタル化されたデータを記憶することにより、参照信号発生回路を検出したい信号の周波数分だけ用意する必要がない。また、検出したい信号の周波数が変わったときは、記憶手段のデータを書き換えて新たな周波数の参照信号のディジタル化されたデータを記憶すればよい。
【００１０】
本発明に係る生体光計測装置の第２の特徴は、前記第１の特徴において、前記ディジタル信号処理手段と前記ディジタル帯域制限手段をディジタルシグナルプロセッサで構成したことにある。ディジタルシグナルプロセッサを用いることによって、回路規模を大幅に縮小することができる。
【００１１】
本発明に係る生体光計測装置の第３の特徴は、前記第１又は第２の特徴において、前記記憶手段と前記ディジタル信号処理手段との間に、前記参照信号のディジタル化されたデータを遅延させる遅延手段を設けたことにある。これは、検出したい信号が参照信号に対して位相差を有する場合に、その位相差分を補正するようにしたものである。位相差分を補正することによって、検出信号のレベルが低下するのを防ぎ、十分な大きさのＳ／Ｎ比を確保することができる。
【００１２】
本発明に係る生体光計測装置の第４の特徴は、前記第１、第２又は第３の特徴において、前記記憶手段と前記ディジタル信号処理手段との間に、前記参照信号のディジタル化されたデータを入力し、そのレベル変化点付近の前後で「０」となるような関数を発生する関数発生手段を設けたことにある。検出したい信号と参照信号との間で位相差が発生し、それが変化するのは、参照信号のレベルが「０」から「１」に変化する付近又は「１」から「０」に変化する付近、いわゆるレベル変化点付近の前後である。そこで、参照信号に応じて所定の関数、すなわち、参照信号のレベル変化点付近の前後で「０」となるような関数として、例えば三角関数、ガウス分布関数又はハミングあるいはハニング等の窓関数を発生させ、それを検出したい信号に乗算し、それにフィルタリング処理を施すことによって、位相が変化した場合でもそれに応じて検出信号のレベルは変化しなくなり、比較的安定するようになる。
【００１３】
本発明に係る生体光計測装置の第５の特徴は、前記第１、第２、第３又は第４の特徴において、前記検出手段は、ロックインアンプ又は時分割照射受光手段の少なくとも一方で構成されることにある。ロックインアンプと時分割照射受光手段を選択的に採用することによって、回路規模などがニーズに応じて変えられる。また、両方採用すれば確実な動作が保証され、信頼性が向上する。また、両方採用することにより、より蜜に配置された光源部と受光部での検査光の受光が容易となり、光計測に係る分解能を向上することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る生体光計測装置に使用されるロックインアンプのブロック構成を示す図である。入力信号１は、検査光の光強度に応じた信号であり、アンプによって増幅された信号であり、それぞれ異なる周波数を持った複数の信号の合成信号である。一例として、８種類の異なる周波数の信号が含まれているものとする。アンチエリアシングローパスフィルタ２は、入力信号１に含まれる参照信号より高い周波数の信号、特にノイズやナイキスト周波数によって発生する信号を減衰し、Ａ／Ｄ変換器３に出力する。Ａ／Ｄ変換器３は、アンチエリアシングローパスフィルタ２の出力をアナログ−ディジタル変換してディジタル乗算器４に出力する。参照信号用メモリ５は、複数の参照信号のディジタル化されたデータを予め記憶している。例えば、入力信号１に対応した８種類の異なる周波数の参照信号のディジタル化されたデータを記憶しているものとする。ディジタル乗算器４は、Ａ／Ｄ変換器３から出力された入力信号のディジタル化されたデータと、参照信号用メモリ５から順次読み出された参照信号のディジタル化されたデータとを順次乗算して、その乗算信号をディジタルローパスフィルタ６に出力する。ディジタルローパスフィルタ６は、ディジタル乗算器４から出力される乗算信号から直流成分を取り出し、出力信号７として図示していないパソコンなどに出力する。ディジタル乗算器４及びディジタルローパスフィルタ６は、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）等の電子部品で構成してもよい。
【００１５】
図３は、ディジタルローパスフィルタの周波数特性とロックインされた後の信号との関係を示す説明図である。図３において、波形３１は、ディジタルローパスフィルタ６の周波数特性を示し、信号３２，３３は、それぞれのディジタル乗算器４でロックインされた後の波形を示す。ディジタル乗算器４でロックインされた後の信号３２，３３からディジタルローパスフィルタ６で直流データを取り出す場合、図３に示すようにディジタルローパスフィルタ６には減衰域周波数ｆａが設定されているので、ディジタル乗算器４でロックインされた後の他の信号３３は中心周波数ｆｐを持ち、ロックインされた後の信号３２とロックインされた後の他の信号３３との周波数ピッチはｆｐとなる。ディジタルローパスフィルタの減衰域周波数ｆａは、ロックインされた後の他の信号３３の中心周波数ｆｐに対して、ｆｐ≧２ｆａの関係にある。他の検出しようとする信号も全て、互いにｆｐの周波数ピッチを持っている必要がある。これはロックインする信号に対して、ノイズ・他の信号の必要とする減衰量を得るためである。
【００１６】
図４は、アンチエリアシングローパスフィルタの周波数特性と入力信号の周波数との関係を示す説明図である。図４において、波形４１は、アンチエリアシングローパスフィルタの周波数特性を示す。入力信号１に含まれるｎ＋１個の信号の周波数をそれぞれｆｓ，ｆｓ＋ｆｐ，ｆｓ＋２ｆｐ，…，ｆｅ（＝ｆｓ＋ｎ×ｆｐ）としたとき、アンチエリアシングローパスフィルタ２の遮断周波数ｆｃは、ｆｃ＞ｆｅの関係にある。また、アンチエリアシングローパスフィルタ２の減衰域周波数ｆａ'とナイキスト周波数ｆとしたとき、検出しようとする信号の周波数は、ｆ−（ｆａ'−ｆ）＞ｆｅの関係にある。
【００１７】
図５は、図２のロックインアンプを用いて構成した生体光計測装置の概略構成を示す図である。この生体光計測装置は、ロックインアンプ部１０、光源部１１及び受光部１２を含んで構成されている。本実施の形態のロックインアンプ部１０は、図２に示したロックインアンプ２つ分の動作を行うものである。
【００１８】
光源部１１の各光源部は、異なる波長の２つの光、例えば７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの２つの波長の光を、複数の異なる周波数で変調する。一例として、７８０ｎｍの波長のものが８種類、８３０ｎｍの波長のものが８種類の合計で１６種類の異なる周波数で変調するものとする。この場合、光源部１１から発生される１６の検査光はそれぞれ、１６種類の異なる周波数で変調された各々８つの光が複合された１６の光からなる（４方向から波長の光を受けるので、４×２＝８信号）。受光部１２は、光源部１１から発生して被検体２０を通過した２つの検査光をそれぞれ受光し、受光した２つの検査光の強度に応じた２つの電気信号を出力する。
【００１９】
ロックインアンプ１０は、アンチエリアシングローパスフィルタ２、Ａ／Ｄ変換器３、参照信号用メモリ５、ディジタルロックイン回路８、及びバッファメモリ９を含んで構成されている。アンチエリアシングローパスフィルタ２及びＡ／Ｄ変換器３は、入力される２つの電気信号に対応して、２組設けられている。
【００２０】
受光部１２からの２つの電気信号はそれぞれ、異なる周波数を持った複数の信号の合成信号である。一例として、それぞれに８種類の異なる周波数の信号が含まれているものとする。アンチエリアシングローパスフィルタ２はそれぞれ、受光部１２からの電気信号に含まれる参照信号より高い周波数の信号、特にノイズやナイキスト周波数によって発生する信号を減衰する。Ａ／Ｄ変換器３はそれそれ、アンチエリアシングローパスフィルタ２の出力をアナログ−ディジタル変換して出力する。バッファメモリ９は、２組のＡ／Ｄ変換器３から出力されたデータを一時記憶する。
【００２１】
参照信号用メモリ５は、複数の参照信号のディジタル化されたデータＲ１〜Ｒｎを記憶する。一例として、２つの電気信号に対応した合計１６種類の異なる周波数の参照信号のディジタル化されたデータが記憶されているものとする。光源部１１で変調に用いる周波数を変更した場合は、参照信号用メモリ５のデータを書き換えて新たな周波数の参照信号のディジタル化されたデータを記憶する。
【００２２】
ディジタルロックイン回路８は、ディジタル乗算器４、ディジタルローパスフィルタ６、及び図示しない制御回路を含んで構成されている。ディジタルロックイン回路８は、ディジタルシグナルプロセッサ等の電子部品で構成することもできる。図示しない制御回路は、バッファメモリ９へ制御信号８ａを送り、バッファメモリ９に記憶された２組のＡ／Ｄ変換器３から出力されたデータのいずれかを読み出す。図示しない制御回路はまた、参照信号用メモリ５へ制御信号８ｂを送り、参照信号用メモリ５に記憶された参照信号のディジタル化されたデータを順次読み出す。ディジタル乗算器４は、バッファメモリ９から読み出されたデータと、参照信号用メモリ５から順次読み出された参照信号のディジタル化されたデータとを順次乗算して出力する。ディジタルローパスフィルタ６は、ディジタル乗算器４の出力から直流データを取り出し、出力信号として出力する。
【００２３】
以上説明した実施の形態によれば、参照信号用メモリ５に複数の参照信号のディジタル化されたデータを記憶することにより、従来のように検出したい信号の周波数分だけ参照信号発生回路を用意する必要がなくなるので、ロックインアンプの装置構成を少なくすることができる。その一例として、従来アナログのロックイン回路が１６個必要であったものが、１つのディジタルロックイン回路で構成できるように成った。また、参照信号用メモリ５のデータを書き換えてディジタル化された新たな周波数の参照信号を記憶すればよいので、周波数の変更に簡単に対応することができる。なお、本実施の形態の一例では、異なる波長の２つの光をそれぞれ８種類の異なる周波数で変調していたが、本発明はこれに限らず、１つ又は異なる波長の２つ以上の光を２つ以上の異なる周波数で変調する場合に適用される。
【００２４】
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る生体光計測装置に使用されるロックインアンプのブロック構成を示す図である。受光素子９１は、被検体を通過した検査光９０を受光し、それを光−電気変換して、その光強度に応じた信号をアンプ９２に出力する。アンプ９２によって増幅された信号は、それぞれの周波数成分のロックインアンプを構成するＡ／Ｄ変換器９３１，９３２に入力される。Ａ／Ｄ変換器９３１，９３２は、アンプ９２からの出力をアナログ−ディジタル変換してディジタル乗算器９４１，９４２に出力する。ディジタル乗算器９４１，９４２は、Ａ／Ｄ変換器９３１、９３２からの出力に参照信号Ｆ１，Ｆ２を乗算し、その乗算結果を次段のディジタル乗算器９５１，９５２に出力する。ディジタル乗算器９５１，９５２は、ディジタル乗算器９４１，９４２からの出力に係数ＲＯＭ９７１，９７２に記憶されているローパスフィルタ係数を乗算し、その乗算結果を次段のディジタル加算器９６１に出力する。ディジタル加算器９６１，９６２は、ディジタル乗算器９５１，９５２からの出力と自身の加算結果をフィードバックして順次加算し、フィルタリング処理を行い、直流分を取り出し、その出力をラッチ回路９８１，９８２に出力する。ラッチ回路９８１，９８２は、ディジタル乗算器９５１，９５２によってフィリタリング処理された信号をラッチし、パソコン（ＰＣ）９９に出力する。入力信号５３１〜５３ｎは、異なる周波数を持った複数の信号の合成信号である。なお、図では、２系統のロックインアンプのみを示したが、同様の構成のものが検出したい信号の周波数分ｎだけ設けられる。
【００２５】
図１０は、図９のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。図１０において、図９と同じ構成のものには同一の符号が付してあるので、その説明は省略する。このロックインアンプが図９ものと異なる点は、図９のディジタル乗算器９４１，９４２，９５１，９５２及びディジタル加算器９６１，９６２を、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１０１，１０２で構成した点である。
【００２６】
図１１は、図９のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。図１１において、図９と同じ構成のものには同一の符号が付してあるので、その説明は省略する。図１１のロックインアンプが図９のものと異なる点は、一つのＡ／Ｄ変換器９３でアナログ−ディジタル変換を行うようにした点である。
【００２７】
図１２は、図１０のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。図１２において、図１０と同じ構成のものには同一の符号が付してあるので、その説明は省略する。図１２のロックインアンプが図１０のものと異なる点は、一つのＡ／Ｄ変換器９３でアナログ−ディジタル変換を行うようにした点である。
【００２８】
図１３は、図１２のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。図１３において、図１２と同じ構成のものには同一の符号が付してあるので、その説明は省略する。図１３のロックインアンプが図１２のものと異なる点は、一つのディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１００でディジタル信号処理を行い、その結果を複数のラッチ回路９８１〜９８ｎにラッチするようにした点である。以上のように、図９から図１３に示すようなロックインアンプの変形例が考えられるが、それぞれの使用目的や回路規模に応じて種々の回路を採用することが望ましい。
【００２９】
図１４は、図１２のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。図１４において、図１２と同じ構成のものには同一の符号が付してあるので、その説明は省略する。図１４のロックインアンプが図１２のものと異なる点は、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１０１，１０２に供給される参照信号Ｆ１，Ｆ２を遅延回路（ＤＥＬＡＹ）１４１，１４２を介してディジタルシグナルプロセッサ１０１，１０２に供給するようにした点である。これは、検出したい信号が参照信号Ｆｎに対して位相差を有する場合に、その位相差分を補正して参照信号Ｆ１，Ｆ２をディジタルシグナルプロセッサ１０１，１０２に供給するようにしたものである。このように、参照信号を位相差に応じて遅延することによって、図８（Ａ）のように位相差によって検出信号のレベルが低下するのを防ぎ、十分な大きさのＳ／Ｎ比を確保することができる。
【００３０】
図１５は、図１４のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。図１５において、図１４と同じ構成のものには同一の符号が付してあるので、その説明は省略する。図１５のロックインアンプが図１４のものと異なる点は、遅延回路（ＤＥＬＡＹ）１４１，１４２を介してディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１０１，１０２に供給される参照信号Ｆ１，Ｆ２に応じて所定の関数波形を発生する関数発生回路４２を設けた点である。これは、検出したい信号ＡＭＰ５と参照信号Ｆｎとの間で位相差が発生し、それが変化するのは、参照信号Ｆｎのレベルが「０」から「１」に変化する付近又は「１」から「０」に変化する付近、いわゆるレベル変化点付近の前後である。そこで、参照信号Ｆｎに応じて所定の関数、すなわち、参照信号Ｆｎのレベル変化点付近の前後で「０」となるような関数Ｍｎ（三角関数、ガウス分布関数又はハミングあるいはハニング等の窓関数）を発生させ、それをディジタルシグナルプロセッサを用いて検出したい信号ＡＭＰ５に乗算し、乗算波形ＤＳＰ５形成し、それにフィルタリング処理を施して、検出信号ＬＰＦ５を得るようにした。これによって、図１５（Ｂ）に示す波形のように位相が変化した場合でもそれに応じて検出信号ＬＰＦ５のレベルは変化しなくなり、比較的安定するようになる。なお、図１５では、遅延回路１４１，１４２が設けてあるが、検出したい信号と参照信号との間に一定の位相差が存在しない場合には、これらの遅延回路は省略してもよい。
【００３１】
図１６は、ロックインアンプを用いることなく光源部（発光プローブ）から順次光を照射し、それを受光部（受光プローブ）で受光して計測位置を特定する時分割照射受光手段備えた生体光計測装置を示す図であり、図１６（Ａ）は、その回路構成を示す、図１６（Ｂ）はその動作例のタイミングチャートを示す。すなわち、上述の生体光計測装置は、光源部１１の各光源部から複数の周波数の光を常時照射しつづけ、受光部で検出された複数の周波数の光の中からロックインアンプを用いて所望の周波数の光を検出しているが、図１６（Ａ）の生体光計測装置は、光源部の各光源から時分割的に順次光を照射し、受光部で検出された光の中から特定のタイミングにおける信号のみを検出している。受光素子１６１は、被検体を通過した検査光１６０を受光し、それを光−電気変換して、その光強度に応じた信号をアンプ１６２に出力する。アンプ１６２によって増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換器１６３に入力される。Ａ／Ｄ変換器１６３は、アンプ１６２からの出力をクロック信号ＣＬＯＣＫに同期したタイミングでアナログ−ディジタル変換してパソコン（ＰＣ）１６９に出力する。図１６（Ｂ）において、信号Ｓ１〜Ｓ５は、各光源の照射タイミングを示すものであり、各光源毎に時分割された所定のタイミングで出力されている。これらの各信号Ｓ１〜Ｓ５は、合成された一つの信号Ｄとして、アンプ１６２からＡ／Ｄ変換器１６３に出力される。Ａ／Ｄ変換器１６３では、クロック信号ＣＬＯＣＫのタイミングでアナログ−ディジタル変換し、そのディジタル信号を検出信号として出力している。
【００３２】
図１７は、図１６の生体光計測装置のＳ／Ｎ比を高めるための改良の加えられた変形例を示す図である。図１６の生体光計測装置では、受光部で検出される信号は、光源部から出射された光の中で被検体を通過したものであり、その光強度レベルは極めて小さいものである。そこで、受光部で検出された信号のＳ／Ｎ比を高めるために、図１７に示すように、Ａ／Ｄ変換器１６３の前に積分器１７０を設けるようにした。この積分器１７０は、クロック信号ＣＬＯＣＫに同期したタイミングでリセットされ、Ａ／Ｄ変換器１６３は、クロック信号ＣＬＯＣＫに同期したタイミングでアナログ−ディジタル変換を行う。この積分器１７０を設けることによって、図１７（Ｂ）に示すようにＡ／Ｄ変換器１６３がアナログ−ディジタル変換を行うタイミングにおける検出信号ＩｎｔＤのレベルは、信号Ｄよりも大きなものとなり、Ｓ／Ｎ比を十分に大きくすることができる。
【００３３】
図１８は、図１７の生体光計測装置のサンプリング周波数を高速化する場合の一例を示す図である。図１７の生体光計測装置において、サンプリング周波数の高速化を行う場合は、図１８に示すように信号Ｓ１〜Ｓｎのタイミングを近接すればよい。検出信号ＩｎｔＤのレベルが信号Ｄのレベルでいいのであれば、サンプリング周波数を高速化することができる。ただし、高速化すると、信号Ｄのように位相が変化した場合に、リセットのタイミングによっては十分に積分器のリセット処理が行われずに後の検出信号ＩｎｔＤに前の信号のレベルが影響してしまうことがある。そこで、図１９に示すような回路構成にすることによって、位相変化による誤差を除去することができる。
【００３４】
図１９は、サンプリング周波数を高速化した場合でも位相の変化に対応することのできる生体光計測装置の一例を示す図である。受光素子１９１は、被検体を通過した検査光１９０を受光し、それを光−電気変換して、その光強度に応じた信号をアンプ１９２に出力する。アンプ１９２によって増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換器１９３に入力される。Ａ／Ｄ変換器１９３は、アンプ９２からの出力をアナログ−ディジタル変換してディジタル乗算器１９５に出力する。重みＲＯＭ１９４は、図１５の関数発生回路１５１と同様の重み関数を発生する。重み関数は、サンプリングタイミングの前後で「０」となるようなもの（三角関数、ガウス分布関数又はハミング・ハニング等の窓関数）である。乗算器１９５は、Ａ／Ｄ変換器１９３からの出力と重みＲＯＭからの重み関数とを乗算し、その乗算結果を次段のディジタル加算器１９７に出力する。ディジタル加算器１９７は、ディジタル乗算器１９５からの出力と自身の加算結果をフィードバックして順次加算し、積分処理を行い、その積分出力をラッチ回路１９８に出力する。ラッチ回路１９８は、ディジタル加算器１９７によって積分処理された信号をサンプリングタイミングＣＬＯＣＫでラッチし、パソコン（ＰＣ）１９９に出力する。これによって、図１８（Ｂ）に示す波形Ｄのように位相か変化した場合でもそれに応じて検出信号ＩｎｔＤのレベルは変化しなくなる。
【００３５】
上述の実施の形態では、ロックインアンプと時分割照射受光手段を採用した生体光計測装置を別々に説明したが、これらを両方採用することによって生体光計測装置を構成してもよい。両方採用すれば確実な動作が保証され、信頼性が向上する。また、両方採用することにより、より蜜に配置された光源部と受光部での検査光の受光が容易となり、光計測に係る分解能を向上することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の生体光計測装置によれば、記憶手段に複数の参照信号のディジタル化されたデータを記憶することにより、参照信号発生回路を検出したい信号の周波数分だけ用意する必要がなくなるので、ロックインアンプの装置構成を少なくすることができる。また、本発明の生体光計測装置によれば、記憶手段のデータを書き換えてディジタル化された新たな周波数の参照信号を記憶すればよいので、周波数の変更に簡単に対応することができる。さらに、本発明の生体光計測装置によれば、参照信号と検出したい信号との間に位相差が存在する場合でもＳ／Ｎ比を劣化させることなく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態による生体光計測装置の構成図である。
【図２】  本発明の一実施の形態による生体光計測装置のロックインアンプのブロック図である。
【図３】  ディジタルローパスフィルタの周波数特性とロックインされた後の信号を示す説明図である。
【図４】  アンチエリアシングローパスフィルタの周波数特性と入力信号の周波数を示す説明図である。
【図５】  従来の生体光計測装置のロックインアンプのブロック図である。
【図６】  図１のロックインアンプのさらに詳細な構成を示すブロック図である。
【図７】  図６のロックインアンプの動作を説明するための信号波形のタイミングチャートを示す図である。
【図８】  検出したい信号が参照信号に対して位相差を有する場合及びその位相差が変化する場合における、図６のロックインアンプの動作を説明するための信号波形のタイミングチャートを示す図である。
【図９】  本発明の第２の実施の形態に係る生体光計測装置に使用されるロックインアンプのブロック構成を示す図である。
【図１０】  図９のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。
【図１１】  図９のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。
【図１２】  図１０のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。
【図１３】  図１２のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。
【図１４】  図１２のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。
【図１５】  図１４のロックインアンプの変形例を示すブロック構成図である。
【図１６】  ロックインアンプを用いることなく光源部（発光プローブ）から順次光を照射し、それを受光部（受光プローブ）で受光して計測位置を特定するようにした生体光計測装置の従来技術を示す図である。
【図１７】  図１６の生体光計測装置のＳ／Ｎ比を高めるための改良の加えられた変形例を示す図である。
【図１８】  図１７の生体光計測装置のサンプリング周波数を高速化する場合の一例を示す図である。
【図１９】  サンプリング周波数を高速化した場合でも位相の変化に対応することのできる生体光計測装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…入力信号、２…アンチエリアシングローパスフィルタ、３…Ａ／Ｄ変換器、４…ディジタル乗算器、５…参照信号用メモリ、６…ディジタルローパスフィルタ、７…出力信号、８…ディジタルロックイン回路、８ａ，８ｂ…制御信号、９…バッファメモリ、１０…ロックインアンプ、１１…光源部、１２…受光部、２０…被検体、３１…ローパスフィルタの周波数特性、３２，３３…ロックインされた後の信号、４１…アンチエリアシングローパスフィルタの周波数特性、６０，９０…検査光、６１，９１…受光素子、６２，６３，６４，６６，９２…アンプ、６５…スイッチ回路６７…ローパスフィルタ、９３１…Ａ／Ｄ変換器、９４１，９４２，９５１，９５２…乗算器、９６１，９６２…加算器、９７１，９７２…係数ＲＯＭ、９８１，９８２…ラッチ回路、９９…パソコン（ＰＣ）、１００，１０１…ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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