JPH0838480A - Biometric device - Google Patents

Biometric device

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JPH0838480A
JPH0838480A JP6197398A JP19739894A JPH0838480A JP H0838480 A JPH0838480 A JP H0838480A JP 6197398 A JP6197398 A JP 6197398A JP 19739894 A JP19739894 A JP 19739894A JP H0838480 A JPH0838480 A JP H0838480A
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JP
Japan
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light
photodetector
frequency
time
circuit
Prior art date
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Pending
Application number
JP6197398A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshio Tsunasawa
義夫 綱沢
Kan Nakamura
完 中村
Hideo Eda
英雄 江田
Ichiro Oda
一郎 小田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Publication date
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Publication of JPH0838480A publication Critical patent/JPH0838480A/en
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 弱い光に対してTAC法より有利にする。 【構成】 レーザダイオード22からの200MHzの
変調光が被検体2に照射され、その照射光による被検体
2からの拡散透過反射光が光電子増倍管30で検出され
る。光電子増倍管30はそのゲインが200.02MH
zで変調されてオン/オフ動作することにより、光電子
増倍管30の出力として200.00MHzと200.0
2MHzの差の周波数に相当するビート信号が現れる。
光電子増倍管30の出力信号はプリアンプ36とディス
クリミネータ38を経てn個の時間ゲート回路40−1
〜40−nに並列に入力され、時間ゲート回路40−1
〜40−nはゲート駆動回路44により20KHzの1
周期ごとに順次動作させられ、それぞれの時間ゲート回
路40−1〜40−nがオンの間にその時間ゲート回路
に入ったパルス信号がカウンタ46−1〜46−nによ
り計数される。
(57) [Summary] [Purpose] Makes the TAC method more advantageous for weak light. [Configuration] 200 MHz modulated light from a laser diode 22 is applied to a subject 2, and diffused / transmitted reflected light from the subject 2 due to the irradiated light is detected by a photomultiplier tube 30. The photomultiplier tube 30 has a gain of 200.02 MH.
The output of the photomultiplier tube 30 is 200.00 MHz and 20.
A beat signal corresponding to a frequency difference of 2 MHz appears.
The output signal of the photomultiplier tube 30 passes through a preamplifier 36 and a discriminator 38, and n time gate circuits 40-1.
To 40-n are input in parallel to the time gate circuit 40-1.
40-n is 1 at 20 KHz by the gate drive circuit 44.
Counters 46-1 to 46-n count the pulse signals that are sequentially operated in each cycle and entered the time gate circuits 40-1 to 40-n while the time gate circuits 40-1 to 40-n are on.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は近赤外光を生体の被検体
に照射し、その拡散透過反射光を検出して被検体内の情
報を非破壊的に得る光学的生体測定装置に関するもので
ある。このような光学的生体測定装置は、例えば生体酸
素モニタや光CTなどとして利用される。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical biometric apparatus for irradiating a subject of a living body with near-infrared light and detecting the diffuse transmitted / reflected light to nondestructively obtain information in the subject. Is. Such an optical biometric device is used, for example, as a biological oxygen monitor or optical CT.

【0002】[0002]

【従来の技術】600〜1200nmの範囲の近赤外光
線は生体の透過性がよく、生体中の数cmの距離を通過
した後でも十分測定が可能な強度を保つ。そして、好都
合なことに、生体機能を反映する重要な物質であるヘモ
グロビンやチトクロムオキシダーゼなどの吸収スペクト
ルがちょうどこの波長域に存在するので、近赤外光のこ
の性質を利用して生体機能を無侵襲で測定することが行
なわれている。
2. Description of the Related Art Near-infrared rays in the range of 600 to 1200 nm have good permeability to living organisms and maintain sufficient intensity for measurement even after passing a distance of several cm in living organisms. Conveniently, since the absorption spectra of hemoglobin and cytochrome oxidase, which are important substances that reflect biological functions, exist in this wavelength range, this property of near-infrared light is utilized to eliminate biological functions. Invasive measurements are performed.

【0003】生体に近赤外光を照射し、その近赤外光が
生体各部で散乱して生体を透過して出てきたもの(拡散
透過反射光という)をCCDカメラなどの二次元検出器
により受光し、計算により生体内部の吸収の分布を画像
化する考え方が知られている。
A two-dimensional detector such as a CCD camera that irradiates a living body with near-infrared light, scatters the near-infrared light at various parts of the living body, and passes through the living body (called diffuse transmitted / reflected light). It is known that light is received by and the distribution of absorption inside the living body is imaged by calculation.

【0004】被検体の一部に超短光パルスを入力したと
き、被検体の他の部分から出てくる光の時間応答曲線R
(t)の解析解はパターソンらの文献(APPLIED OPTICS,
Vol.28, No.12, pp.2331-2336 (1989)の(7)式によ
り与えられている。その文献では、時間応答波形に含ま
れる吸収係数μaと等価散乱係数μs'(=(1−g)μ
s;μsは散乱係数、gは散乱の非等方性パラメータ)
を求める1つの方法が示されている。その文献の(9)
式で与えられているように、時間応答波形の傾き(時間
部分)の時間を無限大にしたときの値、すなわち時間応
答波形のテールの傾きが−μa・cとなることを利用
し、吸収係数μaを求めている。等価散乱係数μs'は
その文献の(10)式でμaの関数として与えられてお
り、μaが求まればμs'も計算により求めることがで
きる。
When an ultrashort light pulse is input to a part of the subject, the time response curve R of the light emitted from the other part of the subject
The analytical solution for (t) can be found in the article by Patterson et al. (APPLIED OPTICS,
It is given by the equation (7) in Vol.28, No.12, pp.2331-2336 (1989). In that document, the absorption coefficient μa and the equivalent scattering coefficient μs ′ (= (1-g) μ included in the time response waveform are described.
s; μs is the scattering coefficient, g is the anisotropic parameter of scattering)
One way to find is shown. (9) in that document
As shown in the formula, the value of the slope (time portion) of the time response waveform when the time is made infinite, that is, the slope of the tail of the time response waveform becomes −μa · c, The coefficient μa is obtained. The equivalent scattering coefficient μs ′ is given as a function of μa in the equation (10) of that document, and if μa is found, μs ′ can also be found by calculation.

【0005】時間分解測定法は光源として超短パルスレ
ーザが必要となり、高時間分解受光装置としてストリー
クカメラやTACを用いたシングルホトンカウンティン
グ法などの大がかりな装置が必要となる欠点がある。公
知技術として、被検体から出てくる微時ゃくな光の時間
応答曲線を求めるシングルホトンカウンティングによる
時間分解測定法の一例を図1(A)に示す。生体の被検
体2に対しパルス駆動部1により駆動された光源から励
起パルス光が照射され、被検体2からの拡散透過反射光
が光検出器としての光電子増倍管4で検出される。光電
子増倍管4の出力信号はプリアンプ6で増幅された後、
ディスクリミネータ8で高さの低い暗電流パルスが除去
され、励起パルス光と同期してTAC(Time to Amplit
ude Converter)10によって多数のパルスについての
到達時間tiの分布が検出され、マルチチャンネルアナ
ライザー(MCA)12に集積される。(B)は光電子
増倍管4の出力信号である光電子パルスの到達時間の確
率分布としての時間応答波形を表わしたものであり、マ
ルチチャンネルアナライザー12で信号を集積したもの
が(B)のような時間応答波形となる。
The time-resolved measurement method requires an ultra-short pulse laser as a light source, and has a drawback that a large-scale apparatus such as a streak camera or a single photon counting method using a TAC is required as a high-time-resolved light receiving apparatus. As a known technique, FIG. 1A shows an example of a time-resolved measurement method by single photon counting for obtaining a time response curve of minute light emitted from a subject. Excitation pulsed light is emitted from the light source driven by the pulse driving unit 1 to the subject 2 of the living body, and diffuse transmitted reflected light from the subject 2 is detected by the photomultiplier tube 4 as a photodetector. After the output signal of the photomultiplier tube 4 is amplified by the preamplifier 6,
The dark current pulse having a low height is removed by the discriminator 8, and the TAC (Time to Amplit) is synchronized with the excitation pulse light.
The distribution of arrival times ti for a large number of pulses is detected by the ude converter 10 and integrated in the multi-channel analyzer (MCA) 12. (B) shows a time response waveform as a probability distribution of the arrival time of the photoelectron pulse which is the output signal of the photomultiplier tube 4, and the one in which the signals are integrated by the multi-channel analyzer 12 is as shown in (B). It becomes a time response waveform.

【0006】シングルホトンカウンティングによる時間
分解測定法では、(C)に示されるように、測定時間幅
T(例えば10ナノ秒)に1つ以上のパルスが来てはな
らない。もし2つのパルスが来れば、初めのパルスに対
する到達時間tiが計測され、後のパルスは計測されな
いので誤差となる。実用上、このようにパルスがダブっ
て入射することがない程度に光電子増倍管4への入射光
強度を弱くしなければならない。
In the time-resolved measurement method using single photon counting, as shown in (C), one or more pulses should not come in the measurement time width T (for example, 10 nanoseconds). If two pulses come, the arrival time ti for the first pulse is measured and the subsequent pulses are not measured, which is an error. In practice, it is necessary to weaken the incident light intensity to the photomultiplier tube 4 to such an extent that the pulse does not double up and enter.

【0007】一方、これに代わる方法で、装置的により
簡単な測定方法としてモジュレーション法が提案されて
いる(SPIE Vol.1204, 481-491 (1990)参照)。モ
ジュレーション法は、照射光として高速の変調光を用
い、検出器を照射光とは僅かに異なる周波数のゲート信
号でオン/オフ動作させて、検出器から出るいわゆるビ
ート信号(照射光と検出器のゲート周波数との差の周波
数の信号)として測定するものである。生体の性質を調
べる場合、光の生体中での遅れが重要であるが、これが
ビート信号の位相差として現れることを利用している。
On the other hand, as an alternative method, a modulation method has been proposed as a simpler measuring method in terms of equipment (see SPIE Vol.1204, 481-491 (1990)). The modulation method uses high-speed modulated light as irradiation light, and turns on / off the detector with a gate signal having a frequency slightly different from that of the irradiation light, so that a so-called beat signal (irradiation light and detector It is measured as a signal having a frequency different from the gate frequency). When investigating the properties of a living body, the delay of light in the living body is important, and it is utilized that this appears as a phase difference of beat signals.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】提案されているモジュ
レーション法はアナログ的な信号処理が前提になってい
る。アナログ的な方法は光強度が強いときは有効である
が、強度が弱くなるとS/Nの点で不利となる。光の強
度が弱いときの測定方法としてはホトンカウント法が望
ましいが、モジュレーション法にホトンカウント法を適
用した例は知られていない。
The proposed modulation method is premised on analog signal processing. The analog method is effective when the light intensity is strong, but is disadvantageous in terms of S / N when the light intensity is weak. The photon count method is desirable as a measurement method when the light intensity is weak, but an example of applying the photon count method to the modulation method is not known.

【0009】先に図1に示したTACシステムはいわゆ
るシングルホトンカウント法であって、時間分解能と弱
い光の測定能力の両面において優れているが、装置が複
雑であるという欠点の他に、強い光を測定できない(ア
ナログ測定ができない)という制約がある。すなわち、
弱い光から強い光まで計るためのダイナミックレンジが
狭いという欠点がある。このため、TAC方式で光CT
を構成しようとすれば、光の強い部分ではわざわざ減光
フィルタを組み合わせて光の強度を弱くすることが必要
となっている。
The TAC system shown in FIG. 1 is a so-called single-photon counting method and is excellent in both time resolution and weak light measurement capability, but it is strong in addition to the drawback that the apparatus is complicated. There is a limitation that light cannot be measured (analog measurement cannot be performed). That is,
There is a drawback that the dynamic range for measuring from weak light to strong light is narrow. For this reason, optical CT using the TAC method
In order to configure the above, it is necessary to purposely combine a neutral density filter to weaken the light intensity in a strong light portion.

【0010】本発明の第1の目的は強い光(カウント数
が多い光)に対してTAC法より有利なホトンカウンテ
ィング法による生体測定装置を提供することである。本
発明の第2の目的は弱い光から強い光まで測定できるダ
イナミックレンジの広い生体測定装置を提供することで
ある。
A first object of the present invention is to provide a biometric device by the photon counting method, which is more advantageous than the TAC method for strong light (light having a large number of counts). A second object of the present invention is to provide a biometric device having a wide dynamic range capable of measuring from weak light to strong light.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の生体測定装置
は、生体の被検体に対し高速繰返しの光パルス列又は高
速変調光の照射光を照射する光照射手段と、照射光によ
る生体の被検体からの拡散透過反射光を受光する光検出
器と、光検出器を照射光とは僅かに異なる周波数のゲー
ト信号で動作させる光検出器駆動回路と、光検出器の検
出信号であるホトンパルスを並列にカウントするための
数個の時間ゲート回路と、これらの複数個の時間ゲート
回路を、照射光のタイミングと同期し、照射光の周波数
と前記ゲート信号の周波数との差の周波数の1周期の各
位相ごとに順次動作させるゲート駆動回路と、各時間ゲ
ート回路に接続されたカウンタとを備えている。
The biological measuring apparatus of the present invention comprises a light irradiating means for irradiating a living body subject with irradiation light of a high-speed repeating optical pulse train or high-speed modulated light, and a living body subject with the irradiation light. A photodetector that receives the diffuse transmitted reflected light from the photodetector, a photodetector drive circuit that operates the photodetector with a gate signal whose frequency is slightly different from the irradiation light, and a photon pulse that is the detection signal of the photodetector are parallel. A number of time gate circuits for counting the number of times and a plurality of these time gate circuits are synchronized with the timing of the irradiation light, and one cycle of the frequency of the difference between the frequency of the irradiation light and the frequency of the gate signal. A gate drive circuit that sequentially operates for each phase and a counter connected to each time gate circuit are provided.

【0012】ダイナミックレンジを広くするために、本
発明の生体測定装置は、必要ならばさらに、光検出器の
検出信号をアナログ信号として取り込んで処理するアナ
ログ処理部を付加した構成とすることも可能であり、そ
の場合は光検出器の受光強度が小さいときは時間ゲート
回路とカウンタによるホトンカウント法を用い、光検出
器の受光強度が大きいときはアナログ処理部によるアナ
ログ測光法を用いるようにCPUのソフトウエアを組み
立てる。
In order to widen the dynamic range, the biometric device of the present invention can be further configured, if necessary, with an analog processing section for taking in and processing the detection signal of the photodetector as an analog signal. In that case, the photon counting method using the time gate circuit and the counter is used when the received light intensity of the photodetector is small, and the analog photometric method by the analog processing unit is used when the received light intensity of the photodetector is large. Assemble the software.

【0013】[0013]

【作用】高速の変調光を照射した被検体からの光を検出
する光検出器を、照射光と僅かに異なる周波数のゲート
信号で動作させる方法はモジュレーション法であるが、
光検出器からの信号をディスクリミネータを経て互いに
異なる位相で動作する複数の時間ゲート回路とそれぞれ
につながったカウンタにより計数することにより、フォ
トカウント法をモジュレーション法に適用したものとな
っている。
The modulation method is a method of operating a photodetector for detecting light from a subject irradiated with high-speed modulated light with a gate signal having a frequency slightly different from that of the irradiation light.
The photocount method is applied to the modulation method by counting the signals from the photodetector through a discriminator and a plurality of time gate circuits operating in mutually different phases and a counter connected to each of them.

【0014】光検出器の後でそのままホトンカウントす
るだけでは測定光の時間平均出力しか得られないが、多
数の時間ゲートとそれにつながったカウンタを用いるこ
とで、ホトンカウント法で時間変化する信号を取り出す
ことができる。その場合、もとの信号が仮にナノ秒の速
い信号であっても、モジュレーション法により光検出器
が検出した信号の変化の速さは例えばマイクロ秒より遅
い信号に変換されているので、時間ゲート回路とカウン
タのハード構成が簡単で、安価なものになり、これらを
必要な分割チャンネル数だけ用いることが可能になる。
Although only the time average output of the measurement light can be obtained only by counting the photons after the photodetector as it is, by using a large number of time gates and counters connected to the time gates, a time-varying signal can be obtained by the photon counting method. You can take it out. In that case, even if the original signal is a fast nanosecond signal, the rate of change of the signal detected by the photodetector by the modulation method is converted to a signal slower than, for example, microseconds. The hardware configuration of the circuit and the counter becomes simple and inexpensive, and it becomes possible to use these for the required number of divided channels.

【0015】[0015]

【実施例】図2に一実施例を概略的に示す。20KHz
の参照パルス信号を発生するために1段目の発振器20
が設けられており、被検体2に照射する照射光を発生す
るレーザダイオード22を駆動する駆動回路24は、発
振器20から出力される参照パルス信号をもとにして2
00MHzの高周波信号を発生する2段目の発振器を備
えている。レーザダイオードからの200MHzの変調
光は照射用光ファイバ26により被検体2に照射され
る。その照射光による被検体2からの拡散透過反射光は
受光用光ファイバ28を経て光電子増倍管30に導かれ
て検出される。
EXAMPLE FIG. 2 schematically shows an example. 20 KHz
The first stage oscillator 20 for generating the reference pulse signal of
Is provided, and the drive circuit 24 that drives the laser diode 22 that emits the irradiation light that irradiates the subject 2 is based on the reference pulse signal output from the oscillator 20.
It has a second-stage oscillator that generates a high-frequency signal of 00 MHz. The 200 MHz modulated light from the laser diode is applied to the subject 2 by the irradiation optical fiber 26. Diffuse transmitted / reflected light from the subject 2 due to the irradiation light is guided to the photomultiplier tube 30 via the light receiving optical fiber 28 and detected.

【0016】光電子増倍管30のゲインはそのダイノー
ドに高圧電源34から印加される高電圧により定まる
が、高圧電源34には発振器20からの20KHzの参
照パルスをもとにして高周波パルス信号を発生する2段
目の発振器32からの出力信号が印加され、高圧電源3
4は発振器32からの高周波パルス信号に応じた周波数
で光電子増倍管30に高電圧を印加する。発振器32か
らの高周波パルス信号の周波数はレーザダイオード22
を駆動する周波数200MHzより僅かに異なるよう
に、例えば200.02MHzに設定されており、光電
子増倍管30のゲインが200.02MHzで変調され
ることにより、光電子増倍管30が200.02MHz
でオン/オフ動作する。その結果、光電子増倍管30の
出力として200.00MHzと200.02MHzの差
の周波数に相当するビート信号が現れる。図2のここま
での構成は前述した引用例SPIE Vol.1204, 481-491
(1990)に記載されているモジュレーション法と基本的
に同じものである。
The gain of the photomultiplier tube 30 is determined by the high voltage applied to the dynode from the high voltage power source 34, and a high frequency pulse signal is generated in the high voltage power source 34 based on a 20 KHz reference pulse from the oscillator 20. The output signal from the second-stage oscillator 32 is applied to the high-voltage power supply 3
Reference numeral 4 applies a high voltage to the photomultiplier tube 30 at a frequency according to the high frequency pulse signal from the oscillator 32. The frequency of the high frequency pulse signal from the oscillator 32 is the laser diode 22.
Is set to, for example, 200.02 MHz so as to be slightly different from the driving frequency of 200 MHz, and the gain of the photomultiplier tube 30 is modulated at 200.02 MHz, so that the photomultiplier tube 30 is set to 200.02 MHz.
Turn on / off with. As a result, a beat signal corresponding to the frequency difference of 20.00 MHz and 200.02 MHz appears as the output of the photomultiplier tube 30. The configuration up to this point in FIG. 2 is based on the above-mentioned reference SPIE Vol.1204, 481-491.
It is basically the same as the modulation method described in (1990).

【0017】光電子増倍管30の出力信号はプリアンプ
36により増幅され、ディスクリミネータ38で高さの
低い暗電流パルスが除去された後、n個の時間ゲート回
路40−1〜40−nに並列に入力される。時間ゲート
回路40−1〜40−nを駆動するゲート駆動回路44
には、発振器20からの20KHzの参照パルスをもと
にして作成されたゲート信号発生回路42からの20K
Hzの周波数のゲート信号が印加され、ゲート駆動回路
44は20KHzの1周期ごとに時間ゲート回路40−
1〜40−nを順次動作させるゲート駆動信号を発生す
る。各時間ゲート回路40−1〜40−nにはそれぞれ
のカウンタ46−1〜46−nが接続されており、それ
ぞれの時間ゲート回路40−1〜40−nがオンの間に
その時間ゲート回路に入ったパルス信号を計数する。各
カウンタ46−1〜46−nの計数値はデータバス48
を介してCPU50に取り込まれ、各カウンタごとに積
算したり、曲線にあてはめて位相を算出するなどの処理
がなされる。
The output signal of the photomultiplier tube 30 is amplified by the preamplifier 36, the dark current pulse having a low height is removed by the discriminator 38, and then the n time gate circuits 40-1 to 40-n are provided. Input in parallel. Gate drive circuit 44 for driving the time gate circuits 40-1 to 40-n
20K from the gate signal generating circuit 42 created based on the 20KHz reference pulse from the oscillator 20.
A gate signal having a frequency of Hz is applied, and the gate drive circuit 44 causes the time gate circuit 40-
A gate drive signal for sequentially operating 1 to 40-n is generated. Counters 46-1 to 46-n are connected to the time gate circuits 40-1 to 40-n, respectively, and the time gate circuits 40-1 to 40-n are turned on while the time gate circuits 40-1 to 40-n are on. The pulse signals that have entered are counted. The count value of each of the counters 46-1 to 46-n is the data bus 48.
It is taken into the CPU 50 via the and is subjected to processing such as integration for each counter or fitting to a curve to calculate a phase.

【0018】図3により図2の動作を説明する。レーザ
ダイオード22から被検体2に照射される照射光(波形
a)を200MHzとしているので、その照射光には1
-7秒間に20個のピークが存在する。被検体2から出
射する拡散透過反射光は波形bとして示されているが、
光の強度は照射光aに比べて数桁に小さくなっていると
ともに、位相遅れδが生じている。波形cは光電子増倍
管30のゲート信号であって、光電子増倍管30のダイ
ノードの一部に高電圧を印加して感度を変調するための
ものである。このゲート信号は200.02MHzの周
波数をもつパルス信号である。光電子増倍管30の出力
信号は、波形bとcの差の周波数をもつ波形dのような
20KHzの緩やかな信号となる。もとの信号a,bが
ナノ秒レベルの速い信号であったものが、2つの信号b
とcの差の周波数のビート信号となることにより、マイ
クロ秒程度の遅い信号に還元される。
The operation of FIG. 2 will be described with reference to FIG. Since the irradiation light (waveform a) irradiated from the laser diode 22 to the subject 2 is 200 MHz, the irradiation light has 1
There are 20 peaks in 0-7 seconds. The diffuse transmitted reflected light emitted from the subject 2 is shown as a waveform b,
The light intensity is several orders of magnitude smaller than the irradiation light a, and a phase delay δ is generated. A waveform c is a gate signal of the photomultiplier tube 30 and is for applying a high voltage to a part of the dynode of the photomultiplier tube 30 to modulate the sensitivity. This gate signal is a pulse signal having a frequency of 200.02 MHz. The output signal of the photomultiplier tube 30 becomes a gentle signal of 20 KHz like the waveform d having the frequency of the difference between the waveforms b and c. The original signals a and b were high-speed signals of nanosecond level, but two signals b
And becomes a beat signal with a frequency of the difference between c and c, it is reduced to a slow signal of about microseconds.

【0019】光電子増倍管30への入力信号が強いとき
は波形d(その1)のような連続的な信号となるが、弱
いときは波形d(その2)のように個々の光電子パルス
が分離されて観測され、パルスが出る確率(頻度)が信
号ということになる。波形d(その2)の出力信号をそ
のまま計数するだけでは単に平均の光の強さしか分から
ない。そこで、1サイクル(この例では50マイクロ
秒)をn等分、例えば10等分した特定の時間だけそれ
ぞれの時間ゲート回路40−1〜40−nをオンにする
ことにより、1サイクルの各位相ごとにそれぞれのカウ
ンタ46−1〜46−nにより積算を行なう。波形eと
して示される信号は、時間ゲート回路40−1〜40−
nを開くゲート信号である。
When the input signal to the photomultiplier tube 30 is strong, it becomes a continuous signal like the waveform d (part 1), but when it is weak, individual photoelectron pulses like the waveform d (part 2). It is separated and observed, and the probability (frequency) of pulse generation is the signal. Only by counting the output signal of the waveform d (No. 2) as it is, only the average light intensity can be known. Therefore, each phase of one cycle is turned on by turning on each time gate circuit 40-1 to 40-n for a specific time obtained by dividing one cycle (50 microseconds in this example) into n equal parts, for example, 10 equal parts. The respective counters 46-1 to 46-n perform integration. The signals shown as the waveform e are the time gate circuits 40-1 to 40-.
It is a gate signal for opening n.

【0020】図4(A)はカウンタ46−1〜46−n
のそれぞれの計数値を多数のサイクル、例えば何万サイ
クルかにわたって積算した結果を表わしたものであり、
もとの確率分布が現れる。拡散透過反射光の位相が照射
光から変化すると、図4(B)のように、このビート信
号に位相δが受け継がれて現れる。光電子増倍管30が
受ける信号はナノ秒の速い信号であるが、図4(B)に
示されるように、カウンタ46−1〜46−nの出力と
して得られる信号はマイクロ秒程度の遅い信号となって
いるので、時間ゲート回路40−1〜40−nとカウン
タ46−1〜46−nのハード構成は、その応答速度が
マイクロ秒程度の簡単で安価なものですみ、これらを多
数用いることが可能になる。
FIG. 4A shows counters 46-1 to 46-n.
It represents the result of integrating each count value of a number of cycles, for example, tens of thousands of cycles,
The original probability distribution appears. When the phase of the diffuse transmitted / reflected light changes from the irradiation light, the phase δ appears in this beat signal as shown in FIG. 4 (B). The signal received by the photomultiplier tube 30 is a fast nanosecond signal, but as shown in FIG. 4B, the signals obtained as the outputs of the counters 46-1 to 46-n are slow signals of the order of microseconds. Since the time gate circuits 40-1 to 40-n and the counters 46-1 to 46-n have a simple and inexpensive response speed of about microseconds, many of them are used. It will be possible.

【0021】図4(B)に示されるように、カウンタの
積算結果として得られる信号をF(t)と表わすことにす
ると、位相δ、平均値W0及び振幅Aがパラメータとな
り、例えば次の(1)式 F(t)=Asin(2πft+δ)+W0 (1) の関数をあてはめて位相δを求めることができる。
As shown in FIG. 4B, when the signal obtained as the integration result of the counter is represented by F (t), the phase δ, the average value W 0 and the amplitude A are parameters, and for example, (1) Formula F (t) = Asin (2πft + δ) + W 0 (1) can be applied to obtain the phase δ.

【0022】ここで、本発明による方法と、比較のため
に図1に示したTACを用いたシングルホトカウンティ
ング法との比較を行なう。 (1)TAC法の場合、強い光については原理面でも実
際面でも不利である。原理的に不利な点としては、測定
時間Tに2パルス以上が光検出器に入射することは許さ
れない。したがって測定時間Tを分割するチャンネル数
が増えるほど不利となる。例えば10分割して(T/1
0)の時間分解能で使えばチャンネルの利用率は1/1
0であるが、さらに分解能を上げて100分割すれば利
用率は1/100に減る。これは1回の測定時間Tに対
して1/100のチャンネルにしかパルスが来ないこと
を意味している。これに対し、本発明ではこのような制
約はなく、分割後のチャンネル内に2つ以上のパルスが
来ても、そのままカウントすればよい。パルスが重なっ
て読めなくなるまでのカウントレート限界まで測定でき
る。
Now, the method according to the present invention will be compared with the single photocounting method using TAC shown in FIG. 1 for comparison. (1) In the case of the TAC method, strong light is disadvantageous both in principle and in practice. As a disadvantage in principle, no more than two pulses can enter the photodetector during the measurement time T. Therefore, the more channels that divide the measurement time T, the more disadvantageous. For example, divide into 10 (T / 1
If used with the time resolution of 0), the channel utilization rate is 1/1
Although it is 0, if the resolution is further increased to divide it into 100, the utilization rate is reduced to 1/100. This means that the pulse comes to only 1/100 of the channel for one measurement time T. On the other hand, in the present invention, there is no such restriction, and even if two or more pulses come in the channel after division, they may be counted as they are. It is possible to measure up to the count rate limit until the pulses become unreadable due to overlapping.

【0023】実際面でTACの不利な点としては、各分
割チャンネルでの計数を行なうMCA(マルチ・チャン
ネル・アナライザ)の計数速度は内蔵のA/Dコンバー
タの変換速度で決まるため、MCAの計数速度に限界が
ある。例えば、現在可能な速度としては、ウイルキンソ
ン型A/Dコンバータで50Kパルス/秒程度、逐次変
換型A/Dコンバータで250Kパルス/秒程度である
ので、仮に最高の250Kパルス/秒と仮定し、T=1
0ナノ秒、1チャンネルをその1/10(分解を1ナノ
秒)とすると、1チャンネル当り250×103×(1
/10)カウントが最大である。すなわち25000カ
ウント/秒/チャンネルとなる。1/100に分割すれ
ば、1チャンネル当り2500パルス/秒に下がる。
In practice, the disadvantage of TAC is that the counting speed of the MCA (multi-channel analyzer) that counts in each divided channel is determined by the conversion speed of the built-in A / D converter. There is a limit to the speed. For example, the currently available speed is about 50 K pulses / sec for the Wilkinson type A / D converter and about 250 K pulses / sec for the successive conversion type A / D converter, so it is assumed that the maximum speed is 250 K pulses / sec. T = 1
Assuming that 0 nanosecond is 1/10 of one channel (decomposition is 1 nanosecond), 250 × 10 3 × (1
/ 10) The count is maximum. That is, 25,000 counts / second / channel. If it is divided into 1/100, it will be reduced to 2500 pulses / second per channel.

【0024】(2)モジュレーション法にホトカウント
法を用いる本発明では、ホトカウント法の限界もTAC
法より有利な上に、アナログ法への切換えもできるの
で、ダイナミックレンジが一層広くなる。すなわち、モ
ジュレーション法では図3の波形cのように、光検出器
を断続させることにより有効な利用時間は半分になる欠
点はあるものの、波形d(その2)のようにこの50×
10-6秒の周期の間に複数のパルスが来ても許される。
この点がTACに対し原理的に優る点である。1つのパ
ルスが時間的に分離してカウントできる限り多数のパル
スが来てもよい。例えば0.1マイクロ秒までパルスが
分解できる回路であるとし、1つのゲートの幅を1周期
の10等分として5×10-6秒とすると、この5マイク
ロ秒内に50パルスまでカウントできる。すなわち1秒
間ではこれが20×103回繰り返されるので、50×
20×103パルス/秒=106パルス/秒となる。これ
は上記のTACの1/10分割のときの約50倍有利な
数値である。
(2) In the present invention in which the photocount method is used as the modulation method, the limit of the photocount method is TAC.
In addition to the advantage over the method, the method can be switched to the analog method, so that the dynamic range becomes wider. That is, in the modulation method, as shown by the waveform c in FIG. 3, there is a drawback that the effective use time is halved by connecting and disconnecting the photodetector, but as in the waveform d (part 2), the 50 ×
Multiple pulses are allowed during a period of 10 -6 seconds.
This point is in principle superior to TAC. There can be as many pulses as one pulse can count separately in time. For example, assuming that the circuit is capable of resolving pulses up to 0.1 microsecond, and the width of one gate is divided into 10 equal parts of 5 × 10 −6 seconds, 50 pulses can be counted within 5 microseconds. That is, this is repeated 20 × 10 3 times in 1 second, so 50 ×
20 × 10 3 pulses / second = 10 6 pulses / second. This is a numerical value which is about 50 times more advantageous than the case of 1/10 division of TAC.

【0025】さらに光が強くなり、計数能力を超えれば
アナログ測光に切り換えて波形d(その1)を測定すれ
ばよい。このように、TAC法に比べて本発明の方法は
約2桁強い光までホトンカウンティング法のままで測定
できることになる。その上、さらに強い光ではアナログ
法に切り換えることにより、測定ダイナミックレンジを
広くすることができる。TAC法では原理的にホトンカ
ウントしかできないので、アナログ法への移行はできな
い。時間ゲート回路とカウンタの組は1周期分をn個と
してn個以上、例えば2周期に相当する数だけ、すなわ
ち2n個用意してもよい。それにより、照射光のモジュ
レーション周波数を変えたときにも対応できるようにな
る。この場合なら周波数が1/2になってもハードウエ
アを変えずに測定することができる。
If the light becomes stronger and the counting capability is exceeded, it is sufficient to switch to analog photometry and measure the waveform d (No. 1). Thus, compared to the TAC method, the method of the present invention can measure up to about two orders of magnitude stronger light with the photon counting method as it is. Furthermore, for stronger light, the measurement dynamic range can be widened by switching to the analog method. In principle, the TAC method can only perform photon counting, and therefore cannot shift to the analog method. It is also possible to prepare n or more sets of time gate circuits and counters, where n is one cycle, for example, a number corresponding to two cycles, that is, 2n sets. This makes it possible to deal with the case where the modulation frequency of the irradiation light is changed. In this case, even if the frequency is halved, the measurement can be performed without changing the hardware.

【0026】[0026]

【発明の効果】本発明では光CTなどの生体測定装置
で、モジュレーション法とホトンカウンティング法を組
み合わせたので、TAC法に比べて強い光までのカウン
ティングができる上、さらに強い光に対してはアナログ
法へ移行できる。そのためダイナミックレンジが広くな
り、光検出器に入射する光の強度を調整するための複雑
な減光フィルタ機構などが不要になる。光検出器の出力
信号の周波数は照射光の周波数に比べて大幅に低周波に
なるので、時間ゲート回路やカウンタを用いるが、それ
らは高速応答性を必要としないため、構造が簡単で安価
なものですむ。
In the present invention, the biometric apparatus such as optical CT is combined with the modulation method and the photon counting method, so that it is possible to count up to a stronger light than the TAC method, and moreover, it is an analog for a stronger light. Can move to law. Therefore, the dynamic range is widened, and a complicated neutral density filter mechanism for adjusting the intensity of light incident on the photodetector is not required. The frequency of the output signal of the photodetector is much lower than the frequency of the irradiation light, so a time gate circuit or counter is used, but they do not require high-speed response, so the structure is simple and inexpensive. I need it.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】従来のTACを用いるシングルホトンカウンテ
ィング法による測定装置を示す図であり、(A)は構成
を示すブロック図、(B)は時間応答波形を示す図、
(C)は測定時間幅Tにおける検出パルスを示す図であ
る。
1A and 1B are diagrams showing a conventional measuring apparatus using a single photon counting method using TAC, in which FIG. 1A is a block diagram showing a configuration, and FIG. 1B is a diagram showing a time response waveform;
(C) is a diagram showing a detection pulse in a measurement time width T.

【図2】一実施例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment.

【図3】図2における各部の信号を示す波形図である。FIG. 3 is a waveform diagram showing signals of respective parts in FIG.

【図4】(A)同実施例においてカウンタの計数値を積
算した結果を示す図、(B)位相のずれδがあるときカ
ウンタの計数値を示す図である。
FIG. 4A is a diagram showing a result of integrating counter count values in the same embodiment, and FIG. 4B is a diagram showing counter count values when there is a phase shift δ.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 被検体 20 参照パルスを発生する1段目の発振器 24,32 2段目の発振器 22 レーザダイオード 30 光電子増倍管 38 ディスクリミネータ 40−1〜40−n 時間ゲート回路 46−1〜46−n カウンタ 44 ゲート駆動回路 48 バスライン 50 CPU 51 アナログ方式の位相検出回路 52 A/D変換器 2 subject 20 first-stage oscillator for generating reference pulse 24, 32 second-stage oscillator 22 laser diode 30 photomultiplier tube 38 discriminator 40-1 to 40-n time gate circuit 46-1 to 46- n counter 44 gate drive circuit 48 bus line 50 CPU 51 analog phase detection circuit 52 A / D converter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田 一郎 京都府京都市中京区西ノ京桑原町1番地 株式会社島津製作所三条工場内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Ichiro Oda 1 Kuwahara-cho, Nishinokyo, Nakagyo-ku, Kyoto Prefecture Kyoto Prefecture Shimazu Corporation Sanjo Factory

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 生体の被検体に対し高速繰返しの光パル
ス列又は高速変調光の照射光を照射する光照射手段と、 前記照射光による生体の被検体からの拡散透過反射光を
受光する光検出器と、 前記光検出器を照射光とは僅かに異なる周波数のゲート
信号で動作させる光検出器駆動回路と、 前記光検出器の検出信号であるホトンパルスを並列にカ
ウントするための複数個の時間ゲート回路と、 これらの複数個の時間ゲート回路を、照射光のタイミン
グと同期し、照射光の周波数と前記ゲート信号の周波数
との差の周波数の1周期の各位相ごとに順次動作させる
ゲート駆動回路と、 前記各時間ゲート回路に接続されたカウンタとを備えた
ことを特徴とする生体測定装置。
1. A light irradiating means for irradiating a living body test object with irradiation light of a high-speed repeating light pulse train or high-speed modulated light, and light detection for receiving diffused / transmitted reflected light from the living body test object by the irradiation light. And a photodetector drive circuit that operates the photodetector with a gate signal having a frequency slightly different from the irradiation light, and a plurality of times for counting photon pulses that are detection signals of the photodetector in parallel. A gate drive that sequentially operates a gate circuit and a plurality of these time gate circuits in synchronization with the timing of the irradiation light and for each phase of one cycle of the frequency of the difference between the frequency of the irradiation light and the frequency of the gate signal. A biometric device comprising a circuit and a counter connected to each of the time gate circuits.
【請求項2】 前記光検出器から出力される差周波数の
信号を時間ゲート回路へ入力させる前記の回路に付加し
て、前記光検出器から出力される差周波数の信号をアナ
ログ増幅し、その差周波数信号の位相をアナログ検出す
るアナログ処理部を備え、 前記光検出器の受光強度が小さいときは時間ゲート回路
とカウンタによるホトンカウント法を、前記光検出器の
受光強度が大きいときはアナログ処理部によるアナログ
測光法を選択使用する請求項1に記載の生体測定装置。
2. A differential frequency signal output from the photodetector is added to the circuit for inputting to a time gate circuit to analog-amplify the differential frequency signal output from the photodetector. An analog processing unit for analog-detecting the phase of the difference frequency signal is provided, and when the received light intensity of the photodetector is small, the photon counting method by the time gate circuit and the counter is used. The biometric device according to claim 1, wherein an analog photometric method is selectively used.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008173140A (en) * 2007-01-16 2008-07-31 Hitachi Ltd Biological light measurement device and light detection module

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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