JPH0838480A

JPH0838480A - 生体測定装置

Info

Publication number: JPH0838480A
Application number: JP6197398A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Tsunasawa; 義夫綱沢; Kan Nakamura; 完中村; Hideo Eda; 英雄江田; Ichiro Oda; 一郎小田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1994-07-30
Filing date: 1994-07-30
Publication date: 1996-02-13

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
０^-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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】一実施例を示すブロック図である。

【図３】図２における各部の信号を示す波形図である。

【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。

【符号の説明】

２被検体２０参照パルスを発生する１段目の発振器２４，３２２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５０ＣＰＵ５１アナログ方式の位相検出回路５２Ａ／Ｄ変換器

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

【特許請求の範囲】

【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。
【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。