專利名稱：生物體光測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物體光測量裝置，特別涉及用光來測量生物體內(nèi)部的信息，特別是光吸收物質(zhì)的濃度變化的生物體光測量裝置。
背景技術(shù)：
如果使用對生物體的透過性高、從可視到近紅外區(qū)域具有光強度峰值波長(下面稱峰值波長)的光，就能夠無侵襲測量生物體內(nèi)部的信息。其依據(jù)是Lambert-Beer法則，該法則表示了被測量的光信號的對數(shù)值與光路長和濃度的積成比例。將該法則發(fā)展而開發(fā)出了例如測量生物體中的“氧化血紅蛋白(Hb)”和“脫氧化Hb”的相對濃度變化(下面稱濃度變化)的技術(shù)。Hb在紅血球中，是運送氧的重要物質(zhì)，其特點是取入了氧時和放出了氧時呈現(xiàn)不同的光吸收光譜(圖2)。因而，通過使用波段不同的兩種光，測定各波段的光的透過光強度的變化(ΔA(λ1)、ΔA(λ2))，可從式(1)算出氧化和脫氧化Hb的濃度變化(ΔCoxy、ΔCdeoxy)。εoxy、εdeoxy表示各波段的氧化血紅蛋白的吸光系數(shù)、脫氧化血紅蛋白的吸光系數(shù)。
ΔCoxy=-ϵdeoxy(λ2)·ΔA(λ1)+ϵdeoxy(λ1)·ΔA(λ2)EΔCdeoxy=ϵoxy(λ2)·ΔA(λ1)-ϵoxy(λ1)·ΔA(λ2)EE=ϵdeoxy(λ1)·ϵoxy(λ2)-ϵdeoxy(λ2)·ϵoxy(λ1)---(1)]]>因為從該氧化Hb和脫氧化Hb的濃度變化可知道生物體的氧狀態(tài)變化，所以Hb用作腦內(nèi)存在的氧的指標物質(zhì)。測量該生物體中的Hb濃度變化的裝置，在例如專利文獻1和專利文獻2等中有記載。另外，例如由牧敦他指出了這些生物體光測量裝置的有效性(非專利文獻1)。在上述文獻中，披露了通過測量大腦皮質(zhì)的Hb濃度變化，來測量人的腦功能。具體而言，隨著人的知覺功能和運動功能的激活，掌管該功能的大腦皮質(zhì)區(qū)域的血液量會局部性地增加，所以，能夠從相應(yīng)部位的氧化Hb和脫氧化Hb的濃度變化來評價腦的活動狀況。
專利文獻1特開平9-149903號公報專利文獻2特開平9-98972號公報非專利文獻1Medical Physics，22，1997-2005(1995)非專利文獻2Medical Physics，28(6)，1108-1114(2001)發(fā)明內(nèi)容在用峰值波長不同的多個波段的光來測量生物體內(nèi)部的多個吸光物質(zhì)(例如氧化Hb、脫氧化Hb)的上述生物體光測量技術(shù)中，為了檢出吸光物質(zhì)的微小的濃度變化，一般需要數(shù)次求和平均。這是因為如果為檢出微弱的透過光(也稱反射光)而使用放大器，希望測量的生物體信號以外的裝置噪聲也會增大，使要測量的Hb的濃度變化(ΔCoxy、ΔCdeoxy)產(chǎn)生較大的測量誤差。一般測量噪聲按以相加次數(shù)的平方根為分母的比例降低，所以需要的相加次數(shù)由當時的信號/噪聲比來決定。因而，當希望測量誤差為二分之一時，就需要4倍的相加次數(shù)。
在圖3中表示了Deoxy-Hb濃度變化的測量誤差的例子。(a)、(b)都是在對相同的被檢體賦予相同的刺激，測量前頂葉的Deoxy-Hb濃度變化。(a)的相加次數(shù)為4次，(b)的相加次數(shù)為16次，所以(b)的測量誤差大致為(a)的測量誤差的一半。例如在上述腦功能測量中，為了抽取信號(伴隨腦活動的氧化Hb和脫氧化Hb的變化)，大多需要10次左右的算術(shù)平均。相加次數(shù)越多，測量時間就越長，對被驗者的負擔也越大，所以，希望能夠以盡量少的相加次數(shù)而檢出信號，又能降低測量誤差。
在此，測量誤差是指測量出的Hb的濃度變化中含有的、起因于裝置噪聲的噪聲，由下面兩個因素決定。
一個是依賴于上述放大率的裝置噪聲，包含在透過光信號中，所以也稱透過光噪聲。它依賴于決定透過光強度的照射強度。透過光強度小時，因為在檢出時需要提高放大率，所以透過光噪聲增大。因而，希望增強照射光強度，以便能夠得到盡可能強的透過光，但考慮到對生物體的安全性，不能無限制地增強照射強度。
另一個是使用作為Hb濃度變化的計算式的式(1)的氧化Hb吸光系數(shù)和脫氧化Hb吸光系數(shù)。該吸光系數(shù)依賴于波長。
根據(jù)山下優(yōu)一等人的觀點，使用兩個波段的光(峰值波長為λ1、λ2)來測量氧化Hb的濃度變化(ΔCoxy)和脫氧化Hb的濃度變化(ΔCdeoxy)時，各波段的光的透過光信號中含有的裝置噪聲(透過光噪聲δΔA(λ1)、δΔA(λ2))、和各波段的氧化Hb吸光系數(shù)(εoxy(λ1)、εoxy(λ2))及脫氧化Hb吸光系數(shù)(εdeoxy(λ1)、εdeoxy(λ2))這兩個因素決定測量誤差(非專利文獻2)。在使用了兩個波段的Hb濃度變化的測量中，從誤差傳播法則導(dǎo)出的測量誤差的計算式記作式(2)。
(δΔCoxy)2=(-ϵdeoxy(λ2)E)2(δΔA(λ1))2+(ϵdeoxy(λ1)E)2(δΔA(λ2))2(δΔCdeoxy)2=(ϵoxy(λ2)E)2(δΔA(λ1))2+(-ϵoxy(λ1)E)2(δΔA(λ2))2E=ϵdeoxy(λ1)·ϵoxy(λ2)-ϵdeoxy(λ2)·ϵoxy(λ1)---(2)]]>根據(jù)上述式(2)，當各波段的光的透過光噪聲(δΔA(λ1)、δΔA(λ2))相等時，隨著各波段的光的血紅蛋白吸光系數(shù)的差增大(隨著波長的差增大)，測量誤差就會減小。該例在圖4中表示。圖4表示使各波段的光的透過光噪聲(δΔA(λ1)、δΔA(λ2))一定，逐漸地使第一波段的光的峰值波長從650nm變化到800nm，并使第二波段的光的峰值波長為830nm，將它們的混合光照射在被檢體上時的各Hb的測量誤差的相對值。和第二波段的光組合的第一波段的光的波長越短，各波段的光的血紅蛋白吸光系數(shù)的差就越大，所以兩Hb的測量誤差減小了。
但是實際上透過光噪聲的大小因被檢體和照射光的波長而異，所以，和圖4的傾向不完全一致。
透過光噪聲由配合透過光強度(因被檢體和照射光的波長而異)而經(jīng)過了調(diào)整的放大器的放大率(增益值)來決定(圖5)。圖5表示隨著放大器的增益值變高，透過光噪聲也成比例地增加。即，透過光噪聲依賴于由被檢體和照射光的波長的相互作用而決定的透過光強度，所以以個體差大的生物體作為被驗體時，作為單純的變量來表示非常困難。
作為決定透過光噪聲的透過光強度(透過率)因被檢體和照射光的波長而異的例子，在圖6中表示了對成人被檢體4人的頭部進行了測量的結(jié)果。在此，測量了各被檢體的三個部位(后頭部、頭頂部、側(cè)頭部)?？芍哂幸韵碌膬A向設(shè)在以往的裝置中經(jīng)常使用的峰值波長為830nm的光的透過率為1時，峰值波長為782nm的光的透過率大致不變，但隨著峰值波長按750、692、678nm變短，透過率就會減小。雖然具有與照射光的波長和測量部位相對應(yīng)的大致的傾向，但也有因被檢體的離散，所以使該傾向一般化很困難。即，與被檢體相對應(yīng)地降低測量誤差的機構(gòu)是所希望的。
另外，如上所述，當透過率降低時，必須提高放大器的放大率，直到能檢出透過光信號的水平，所以來自裝置的透過光噪聲就會增加(圖5)。
在本申請人先前申請的特愿2002-198282號所附的說明書中，發(fā)現(xiàn)透過率因要測量的生物體的部位而異，并記載了和測量部位相對應(yīng)地選擇照射光的波長的生物體光測量裝置。在上述先前申請的說明書中，記載了與被檢體相對應(yīng)地改變照射光的波長，降低測量誤差的內(nèi)容，但也可以采用控制透過光噪聲而降低測量誤差的方法。
即，只要能夠與透過光強度的衰減相對應(yīng)地控制照射光強度，得到預(yù)期的透過光強度即透過光噪聲，就能夠控制測量誤差。
在本發(fā)明中，其目的在于提供一種生物體光測量裝置，通過控制峰值波長不同的多個波段的光的照射光強度，能夠以比以往更高的精度測量生物體內(nèi)部的信息。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，當將峰值波長不同的第一、第二波段的光作為混合光照射在被檢體上時，作為測量對象的生物信息的測量誤差依賴于各透過光噪聲(第一或第二波段的光的透過光噪聲)相對于透過光噪聲的總和(第一、第二波段的光的透過光噪聲的總和)的比率而變化。
即，如上所述，透過光噪聲依賴于照射光強度，所以通過改變第一波段的光的照射強度和第二波段的光的照射強度的比率，就能夠控制生物體信息的測量誤差。
另外，從對被檢體的安全性的觀點來看，光的照射強度受到限制時，將在被檢體上被光照射的部位X的第一波段的光的照射強度和第二波段的光的照射強度之和限制在預(yù)定值以下，在預(yù)定值內(nèi)改變照射光強度的比率，由此能夠控制生物體信息的測量誤差。
一般用峰值波長為不同波長的兩種光測量氧化Hb和脫氧化Hb的濃度變化時，使用峰值波長在800nm～900nm之間的光和峰值波長在600nm～800nm之間的光的組合。因為如果低于600nm，照射光就會被氧化和脫氧化血紅蛋白強烈吸收，如果超過900nm，照射光就會被水強烈吸收而不能得到充分的透過光強度。在此，在利用氧化和脫氧化血紅蛋白的吸光光譜的差異來測量各血紅蛋白的濃度變化的生物體光測量裝置中，通過使用峰值波長分別在等吸收點805nm兩邊附近的兩個波長的光，就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測量(圖2)。
因而，峰值波長為更長波長的光優(yōu)選的是使用峰值波長為810nm～900nm的光。另一方面，短波長側(cè)的波長的選擇有幾點應(yīng)該考慮。例如，對于比650nm短的波長，可以考慮照射光被氧化和脫氧化血紅蛋白強烈吸收而難以測量的情況，而650nm～700nm的波長，因為兩個波長之間的各血紅蛋白吸光系數(shù)的差適度地增大，所以適于高精度的測量(如果考慮透過率，特別優(yōu)選的是680nm～700nm的波長)。另一方面，700nm～790nm的波長(如果考慮透過率，特別優(yōu)選的是740nm～790nm的波長)對生物體的透過性高，而且與另一邊的波長(810nm～900nm)接近，所以有可能能夠進行更穩(wěn)定的測量。
因而，峰值波長為更短波長的光最好是使用峰值波長在650nm～800nm，優(yōu)選的是700nm～790nm的光。另外，當測量對象為3個以上時，有時也將峰值波長在600～900nm之間的、不同的3個以上的光作為混合光進行照射。
用在上述式(2)中所示的Hb測量誤差的式，求得峰值波長不同的第一、第二波段的光的光照射強度比率變化時的Hb測量誤差的變化(圖7～圖10)。
例如，如果用峰值波長為782nm的第一光和峰值波長為830nm的第二光測量生物體中的氧化和脫氧化Hb濃度變化，則氧化Hb和脫氧化Hb濃度變化的測量誤差的大小就和各光的照射強度比率相對應(yīng)地獨立地變化(圖7)。在該條件下，如果使第一光和第二光的照射強度比率為大約0.5∶1.5，則氧化Hb的測量誤差為極小。另外，如果使第一光和第二光的照射強度比率為大約1.2∶0.8，則脫氧化Hb的測量誤差為極小。即，以在被檢體上被光照射的部位X的第一波段的光照射強度為在上述部位X的第二波段的光照射強度的0.3倍(適于測量氧化Hb的光照射強度比率)～1.5倍(適于測量脫氧化Hb的光照射強度比率)的光照射強度比率照射光，就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測量。
而且，同時測量兩方的Hb時，能夠用綜合了各自的測量誤差水平的指標，求取最合適的光照射強度比率。在圖9中表示了氧化Hb的測量誤差與脫氧化Hb的測量誤差的總和與第一光及第二光的光照射強度比率的變化相對應(yīng)地變化的情況(粗線)。如果使第一光和第二光的光照射強度比率為大約0.9∶1.1，則兩Hb的測量誤差的總和為極小。另外，一般脫氧化Hb的變化量(信號強度)小于氧化Hb的信號強度，為了追求高精度化，也可以重視脫氧化Hb的精度而設(shè)定。例如，如圖9的細線所示，可以使用對氧化Hb的測量誤差加上將脫氧化Hb的測量誤差取兩倍所得的值，按氧化Hb的精度的兩倍來重視脫氧化Hb的精度的指標。根據(jù)該指標，當設(shè)定第一光和第二光的光照射強度比率為大約0.8∶1.2時，就能夠最有效地測量兩方的Hb。
同樣，照射了峰值波長為692nm的第一光和峰值波長為830nm的第二光時，各Hb的測量誤差水平也和各光的光照射強度比率相對應(yīng)地獨立地變化(圖8)。該傾向和圖7的結(jié)果不同，如果使第一光和第二光的光照射強度比率為大約0.5∶1.5，則氧化Hb的測量誤差為極小。另外，如果使第一光和第二光的照射強度比率為大約1.9∶0.1，則脫氧化Hb的測量誤差為極小。即，以在被檢體上被光照射的部位X的第一波段的光照射強度為在上述部位X的第二波段的光照射強度的0.3倍(適于測量氧化Hb的強度比率)～19倍(適于測量脫氧化Hb的強度比率)的光照射強度比率照射光，就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測量。
如果使脫氧化Hb的測量誤差為最小，氧化Hb的測量誤差就會極端增加，所以為了測量兩Hb，有效的方法是使用綜合了各自的測量誤差水平的指標，求取最佳的光照射強度比率。在圖10中表示了氧化Hb的測量誤差和脫氧化Hb的測量誤差的總和與各光的光照射強度比率相對應(yīng)地變化的情況(粗線)。如果使第一光和第二光的光照射強度比率為大約1.6∶0.4，則兩Hb的測量誤差的總和為極小。另外，和圖9一樣，表示使用了重視降低脫氧化Hb的測量誤差，對氧化Hb的測量誤差加上將脫氧化Hb的測量誤差取兩倍所得的值的指標的情況(圖10，細線)。此時，通過將第一光和第二光的光照射強度比率設(shè)定為大約1.2∶0.8，可最有效地測量兩Hb。如上所述，在使照射強度的總和一定時，通過改變各光的光照射強度比率，也能夠更有效地降低測量對象的生物體信息中含有的測量誤差。
即，將由峰值波長為650nm～800nm的第一波長的第一波段的光和峰值波長為650nm～800nm的第二波長的第二波段的光構(gòu)成的混合光照射在被檢體上時，以在被檢體上被光照射的部位X的第一波段的光照射強度為在上述部位X的第二波段的光照射強度的0.3倍(適于測量氧化Hb的光照射強度比率)～19倍(適于測量脫氧化Hb的光照射強度比率)的光照射強度比率照射光，就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測量。
在此，一般來說，如上所述而選擇照射光的波段，將在照射被檢體的部位X的第一和第二波段的光的光照射強度比率從1∶1錯開，就能夠降低測量誤差。從而實質(zhì)上，以在上述部位X的第一波段的光照射強度為在上述部位X的第二波段的光照射強度的0.3倍～0.7倍，或1.3倍～19倍的光照射強度比率照射光，就能夠高精度地進行測量。
特別是當?shù)谝徊ǘ蔚墓獾姆逯挡ㄩL為700nm～790nm時，以在上述部位X的第一波段的光照射強度為在上述部位X的第二波段的光照射強度的0.3倍～0.7倍，或1.3倍～10倍的強度比率照射光，就能夠高精度地進行測量。
本發(fā)明所涉及的裝置，其特征在于，具有算出作為測量對象的生物體信息的測量誤差的運算部。測量誤差，例如作為通過擬合而除去了大的波動所得的數(shù)據(jù)的標準偏差，或進行傅里葉變換而明顯不是生物體信號的高頻帶的強度，由上述運算部算出。
為了預(yù)估為實現(xiàn)預(yù)期的測量誤差而需要的第一或第二波段的光的光照射強度比率，先以任意的光照射強度比率將第一和第二波段的光試驗照射在被檢體上。然后根據(jù)被檢出的透過光強度和吸光系數(shù)，用式(1)算出Hb濃度變化。根據(jù)上述Hb濃度變化通過上述的擬合等手法算出測量誤差。如此以試驗照射的結(jié)果所得到的測量誤差為基礎(chǔ)，算出為了實現(xiàn)預(yù)期的測量誤差的第一或第二波段的光的光照射強度比率。
然后，有進行調(diào)整使之成為該光照射強度比率的機構(gòu)即可。在圖15中表示設(shè)定預(yù)期的測量誤差至進入正式測量的流程圖。
根據(jù)本發(fā)明的裝置，當指定了測量對象為氧化Hb或脫氧化Hb等一種生物體信息時，能夠算出大致最大限度地降低其測量誤差的光照射強度比率。因而，通過調(diào)整峰值波長為各波長的光的照射強度，使之成為適于測量該生物體信息的光照射強度比率，就能夠?qū)崿F(xiàn)測量精度的提高。
而且，希望同時以良好的精度測量第一生物體信息和第二生物體信息時，設(shè)要測量的第一生物體信息中含有的測量誤差大致為極小的、在照射被檢體的部位X的上述第一和第二波段的光的光照射強度比率為a，要測量的第二生物體信息中含有的測量誤差大致為極小的、在上述部位X的上述第一和第二波段的光的光照射強度比率為b時，通過按時間在a和b之間切換上述光照射強度比率來照射光，就能夠大致最大限度地降低所有生物體信息的測量誤差。


圖1是表示作為本發(fā)明的實施例的光測量裝置的構(gòu)成的框圖。
圖2是表示氧化Hb和脫氧化Hb的吸光光譜的圖。
圖3是表示Deoxy-Hb濃度變化的測量誤差的例子的圖。
圖4是表示根據(jù)誤差傳播式求取的氧化Hb及脫氧化Hb的測量誤差和照射光的峰值波長的關(guān)系的圖。
圖5是表示放大器的增益值和透過光噪聲的關(guān)系的圖。
圖6是表示光透過率和照射光的峰值波長的關(guān)系的圖。
圖7是表示使用了峰值波長為782nm的第一波段的光和峰值波長為830nm的第二波段的光的測量中，各波段的光的光照射光強度比率和氧化Hb及脫氧化Hb的測量誤差的關(guān)系的圖。
圖8是表示使用了峰值波長為692nm的第一波段的光和峰值波長為830nm的第二波段的光的測量中，各波段的光的光照射光強度比率和氧化Hb及脫氧化Hb的測量誤差的關(guān)系的圖。
圖9是表示使用了峰值波長為782nm的第一波段的光和峰值波長為830nm的第二波段的光的測量中，各波段的光的光照射光強度比率和總測量誤差(氧化Hb的測量誤差和脫氧化Hb的測量誤差的總和)的關(guān)系的圖。
圖10是表示使用了峰值波長為692nm的第一波段的光和峰值波長為830nm的第二波段的光的測量中，各波段的光的光照射光強度比率和總測量誤差(氧化Hb的測量誤差和脫氧化Hb的測量誤差的總和)的關(guān)系的圖。
圖11是表示設(shè)定第一和第二波段的光的總照射強度的操作畫面的一例的圖。
圖12是表示選擇作為測量對象的生物體信息的操作畫面的一例的圖。
圖13是表示關(guān)于作為測量對象的多個生物體信息，設(shè)定測量精度的比率的操作畫面的一例的圖。
圖14是表示測量中的氧化Hb和脫氧化Hb的濃度變化的圖表和表示顯示各Hb的測量誤差，選擇下一步處理的操作畫面的一例的圖。
圖15是表示設(shè)定預(yù)期的測量誤差至進入正式測量的流程圖的一例的圖。
圖16是表示將被檢體的測定部位劃分成格子狀，配置構(gòu)成為光照射裝置和受光裝置交替處于上述格子的交點上，并將上述光照射裝置和上述受光裝置固定在可安裝在被檢體的頭部的頭盔狀的固定工具上的一例的圖。
具體實施例方式
下面說明本發(fā)明的實施例。在本實施例的方式中，說明以測量生物體中的氧化Hb和脫氧化Hb的濃度變化為目的，用峰值波長不同的兩個波段的光，各設(shè)定一處光照射位置和光檢出位置的情況，但是即使增加照射光的波段的數(shù)量和光照射位置、光檢出位置，也能夠進行同樣的測量。
作為本例，在圖16中表示將被檢體的測定部位劃分成格子狀，配置構(gòu)成為光照射裝置和受光裝置交替處于上述格子的交點上的實施例。在被檢體16-4上安裝頭盔狀的固定工具16-3，將配置構(gòu)成為格子狀的成為光照射裝置16-1和受光裝置16-2的光纖固定在設(shè)置在上述固定工具上的孔中。從而，可在多點測量被檢體的氧化Hb和脫氧化Hb的濃度變化。
另外，通過增加照射被檢體的光的波段的數(shù)量，除了氧化Hb和脫氧化Hb濃度的變化以外，還可測量細胞色素和肌紅蛋白等另外的吸光物質(zhì)濃度的變化。
在圖1中表示本發(fā)明所涉及的裝置構(gòu)成的例子。本實施例的裝置具有由以個人計算機或工作站為代表的電子計算機構(gòu)成的控制裝置1-1；和上述控制裝置連接的顯示器2-1；峰值波長為波長λ1的激光二極管6-1和峰值波長為波長λ2的激光二極管6-2；分別與之靠近而設(shè)置的監(jiān)控光電二極管7-1、7-2；生成用于以不同的頻率對上述兩個激光二極管進行調(diào)制的信號的振蕩器3-1和3-2；用于使振蕩器信號的振幅和直流偏置電平可變的放大器14-1和14-2；對用驅(qū)動器電路5-1和5-2施加在上述激光二極管上的電流值進行控制，以使上述監(jiān)控光電二極管的信號和來自上述振蕩器的信號相同的APC(自動功率控制，自動光量控制)電路4-1、4-2；將上述峰值波長不同的兩個波段的光進行混合的光混合器8-1；將來自上述光混合器8-1的光經(jīng)由光纖而照射在被檢體10-1的頭皮上的光照射裝置9-1；設(shè)置成光檢出用光纖前端位于離開上述光照射裝置的點(在本實施例中為離開30mm的點)的受光裝置9-2；檢出各個光的光檢出器11-1；把來自上述振蕩器的調(diào)制頻率作為參考信號而輸入的同步放大器12-1和12-2；和將作為同步放大器的輸出的各波段的光的透過光信號從模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器13-1。以上述光照射裝置9-1和受光裝置9-2的大致中點作為測量位置。
在本實施例中，表述了光照射裝置和受光裝置各一個，但可以排列多個光照射裝置和受光裝置。例如，將光照射裝置和受光裝置交替排列時，光照射位置和與之相鄰的受光位置的大致中點為各自的測量位置。另外，在本實施例中用振蕩器將多個光信號進行了分離，但也可以不使用振蕩器，而用脈沖光按點燈定時將光信號分離。
在混合器8-1中經(jīng)過混合的峰值波長不同的兩個波段的光由光照射裝置9-1照射在預(yù)定的光照射位置，從靠近的受光位置由受光裝置9-2聚光后，由光檢出器11-1進行光電轉(zhuǎn)換。上述光檢出器11-1用于檢出在被檢體內(nèi)部反射、散射而返回的光并將其轉(zhuǎn)換成電信號，使用例如齊納光電二極管一類的光電轉(zhuǎn)換元件。由光檢出器11-1進行了光電轉(zhuǎn)換的透過光信號被輸入到同步放大器12-1、12-2，被分離成每兩個峰值波長不同的光的透過光信號。在此，是由作為參考頻率而從各振蕩器3-1、3-2輸入了調(diào)制頻率的同步放大器12-1、12-2將峰值波長不同的兩個光的透過光信號進行分離，但是，在存在峰值波長不同的兩個以上波段的光和多個照射位置時，只要用相應(yīng)數(shù)量的調(diào)制頻率進行調(diào)制，分別將其作為參考頻率輸入到同步放大器，也能夠?qū)⑴c各個波長和光源位置相對應(yīng)的透過光強度進行分離。作為同步放大器的輸出的各波段的光的透過光信號由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器13-1進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后，輸入到控制裝置1-1。以在控制裝置1-1存儲的透過光信號為基礎(chǔ)，算出各測量部位的血紅蛋白的濃度變化及其測量誤差。
上述測量誤差定義為和生物體信息無關(guān)而產(chǎn)生的信號的波動，用例如安靜時的信號的標準偏差等表示。為了去除來源于生物體的波動，只抽取來源于裝置的噪音，有效的方法是利用帶通濾波器等。
激光二極管6-1和激光二極管6-2的照射光強度按以下順序進行控制?？刂蒲b置1-1具有測量者在操作畫面上設(shè)定控制參數(shù)的機構(gòu)。在本實施例中，控制參數(shù)是放大器14-1和14-2的輸出振幅值和直流偏置電平，控制裝置1-1對放大器14-1和14-2的放大率和直流偏置電平進行控制，使之成為由測定者輸入的值。
若放大器14-1和14-2的輸出振幅增加，則通過APC電路4-1、4-2，激光二極管6-1、6-2的輸出增加。調(diào)整放大器14-1和14-2的直流偏置電平，同樣地設(shè)定激光二極管輸出的平均水平(レベル)。通常，可將直流偏置電平設(shè)定成光信號的調(diào)制度為1，如果只輸入設(shè)定振幅，也可自動設(shè)定。在此，APC電路4-1、4-2具有可響應(yīng)振蕩器3-1、3-2的頻率的頻帶。
作為控制參數(shù)，也可設(shè)定預(yù)期的誤差水平或信噪比的值，或者值的范圍。此時，用控制裝置1-1，從按上述順序算出的測量誤差導(dǎo)出誤差水平或信噪比，為使之成為設(shè)定的預(yù)期值，或進入預(yù)期值的范圍而自動設(shè)定放大器14-1和14-2的放大率和直流偏置電平。同樣地，作為控制參數(shù)，也可輸入設(shè)定對生物體的照射光強度。
這些調(diào)整，在每次將上述光照射裝置9-1和上述光檢出裝置9-2安裝在被驗者10-1上時進行。當然，這也可以在開始測定前逐次進行。
在本實施例中，以經(jīng)過APC控制的激光二極管作為光源，但是在以ACC(自動電流控制，自動驅(qū)動電流控制電路)驅(qū)動的激光二極管作為光源時，通過改變電路構(gòu)成，也能夠進行同樣的控制。
關(guān)于峰值波長不同的各波段的光的照射光強度的設(shè)定方法，用操作畫面的例子(圖11～圖13)進行說明。另外，在設(shè)置多個光照射裝置和受光裝置，測量多個位置時，也可以對每個測量點改變下面的設(shè)定。
圖11是設(shè)定照射光強度總和的畫面例。從安全方面來看，需要將對生物體照射的光抑制在一定的強度內(nèi)，但其基準有時因被檢體而異。例如，對于被檢體是成人時和是嬰幼兒時，可以認為用不同的照射光強度可以有效地進行測量。因而，操作者設(shè)定照射光強度總和的圖11這樣的畫面是有效的。
圖12是在本實施例中根據(jù)可測量的生物體內(nèi)的吸收物質(zhì)列表(氧化Hb、脫氧化Hb、氧化Hb+脫氧化Hb)和在各項目的左邊顯示的發(fā)送按鈕(ラジオボタン)來選擇測量對象的畫面。選擇任意的測量對象后，按下在畫面右下角顯示的OK按鈕，即可決定選擇。
單獨設(shè)定了氧化Hb或脫氧化Hb等測量對象時，自動地調(diào)整峰值波長不同的各波段的光的光照射強度比率，使測量對象的測量誤差大致為極小。
另一方面，選擇了多個測量對象，如氧化Hb+脫氧化Hb時，如圖13所示，準備根據(jù)各測量對象的重視度來設(shè)定測量精度的比率的畫面。以相同的精度測量各Hb時，將圖13的滑桿開關(guān)對準中央，從而可調(diào)整光照射強度比率，使兩Hb的測量精度成為相同的水平(參照圖9和圖10的粗線)。與氧化Hb相比，希望以大約兩倍來高精度測量脫氧化Hb時，將圖13的滑桿開關(guān)對準大約6.7的刻度(離左邊大約三分之二的位置)，即可調(diào)整成氧化Hb的測量精度∶脫氧化的測量Hb精度大約為1∶2的光照射強度比率(參照圖9和圖10的細線)。
另外，在圖12中選擇了多個測量對象時，也可以不顯示如圖13的畫面，而使多個測量對象的測量誤差全部大致為極小地進行測量。例如，以用峰值波長為782nm的第一波段的光和峰值波長為830nm的第二波段的光來測量生物體中的氧化Hb和脫氧化Hb濃度變化時為例。使第一波段的光和第二波段的光的光照射強度比率為大約0.5∶1.5時，氧化Hb的測量誤差極小，為大約1.2∶0.8時，脫氧化Hb的測量誤差極小。因而為了最大限度高精度地測量兩Hb，必須將第一波段的光和第二波段的光的光照射強度比率設(shè)定為大約0.5∶1.5和大約1.2∶0.8兩種。
在一次的試行(賦予在測量腦功能時對被檢體誘發(fā)腦活動的課題的試行)中，通過按時間切換該兩種光照射強度比率，也能夠大致最大限度地降低兩Hb的測量誤差。例如，如果每隔1秒鐘切換兩種光照射強度比率，或者每隔隨機的期間切換光照射強度比率而進行測量，就能夠?qū)y量誤差抑制在最小限度地對兩方的血紅蛋白進行測量。
另外，切換定時也能以誘發(fā)腦活動的課題的定時來進行。例如，當10秒的課題反復(fù)10次時，按每個課題切換兩種光照射強度比率，就能夠測量在兩種光照射強度比率下各5次的活動。
在本實施例中，在照射光使用了經(jīng)過頻率調(diào)制的連續(xù)光，但使用脈沖光時，切換光照射強度比率的方法也同樣有效。而且使用脈沖光時，還有按每個脈沖切換光照射強度比率的方法。
另外，因切換多個光照射強度比率，抽樣間隔就會延長，所以時間分辨率下降，但通過多次的算術(shù)平均，某種程度上能夠補救。
在該方法中，設(shè)定光照射強度比率的切換定時，避免在刺激開始時總是只使用一種光照射強度比率至關(guān)重要。即，使得能夠得到在所有的抽樣定時都使用了兩種照射強度比率的數(shù)據(jù)。如此，只要設(shè)定成刺激呈現(xiàn)定時和各光照射強度比率的切換定時按每次試行進行逆轉(zhuǎn)，就能夠進行有效的算術(shù)平均。
另外，在算出實現(xiàn)預(yù)期的測量誤差的光照射強度比率，調(diào)整光照射強度后，可將實際測量的測量誤差的實測值用圖表或數(shù)值等在顯示器上進行顯示(圖14)。測量者看著該波形或數(shù)值，來選擇重新設(shè)定(Cancel按鈕)或重新計算測量誤差(再計算按鈕)或繼續(xù)測量(OK按鈕)。
決定測量誤差后，調(diào)整各波段的光的照射光強度，使之成為和上述設(shè)定相應(yīng)的照射強度比率，而成為可正式測量的狀態(tài)。
工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明，通過改變峰值波長不同的多個波段的光的光照射強度比率，可比過去進一步降低作為測量對象的生物體信息的測量誤差。
權(quán)利要求
1.一種生物體光測量裝置，其特征在于，這種生物體光測量裝置的構(gòu)成為將光照射裝置和受光裝置配置在被檢體上，上述光照射裝置用于將具有第一波段的光和第二波段的光的混合光照射在被檢體上，上述第一波段的光在第一波長時具有光強度峰值，上述第二波段的光在波長長于第一波長的第二波長時具有光強度峰值，上述受光裝置用于檢出從上述光照射裝置照射而經(jīng)被檢體內(nèi)部傳播的透過光，上述第一波長的值為650nm～800nm，上述第二波長的值為810nm～900nm，根據(jù)由上述受光裝置檢出的透過光信號，以上述光照射裝置和上述受光裝置的大致中點位置為測量點，測定被驗體內(nèi)部的吸光物質(zhì)的濃度或濃度變化的生物體信息，并構(gòu)成為以在上述被檢體上被光照射的部位X的上述第一波段的光的光照射強度為在上述部位X的上述第二波段的光的光照射強度的0.3倍～0.7倍，或1.3倍～19倍的光照射強度比率來照射光，或具有在以下范圍內(nèi)使光照射強度比率可變的裝置在上述部位X的上述第一波段的光的光照射強度為在上述部位X的上述第二波段的光的光照射強度的0.3倍～0.7倍，或1.3倍～19倍的至少一方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體光測量裝置，其特征在于，當上述第一波長的值為700nm～790nm時，構(gòu)成為以在上述部位X的上述第一波段的光的光照射強度為在上述部位X的上述第二波段的光的光照射強度的0.3倍～0.7倍，或1.3倍～10倍的光照射強度比率來照射光，或具有在以下范圍內(nèi)使光照射強度比率可變的裝置在上述部位X的上述第一波段的光的光照射強度為在上述部位X的上述第二波段的光的光照射強度的0.3倍～0.7倍，或1.3倍～10倍的至少一方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體光測量裝置，其特征在于，具有算出要測定的生物體信息的測量誤差的裝置、算出為了使上述生物體信息的測量誤差成為預(yù)期的大小所需要的照射光強度的比率的裝置、以及根據(jù)上述算出結(jié)果來調(diào)整照射光強度的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體光測量裝置，其特征在于，具有以下的裝置設(shè)要測量的第一生物體信息中含有的測量誤差大致為極小的、在上述部位X的上述第一和第二波段的光的光照射強度比率為a，要測量的第二生物體信息中含有的測量誤差大致為極小的、在上述部位X的上述第一和第二波段的光的光照射強度比率為b時，按時間在a和b之間切換上述光照射強度比率來照射光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生物體光測量裝置，其特征在于，上述第一生物體信息為關(guān)于氧化血紅蛋白的濃度或濃度變化的信息，上述第二生物體信息為關(guān)于脫氧化血紅蛋白的濃度或濃度變化的信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體光測量裝置，其特征在于，為了保持多個上述光照射裝置和上述受光裝置并將其安裝在被檢體的頭部而具有固定工具，上述固定工具設(shè)有孔，該孔可將成為多個上述光照射裝置和上述受光裝置的光纖交替配置成格子狀。
7.一種生物體光測量裝置，其特征在于，這種生物體光測量裝置的構(gòu)成為將光照射裝置和受光裝置配置在被檢體上，上述光照射裝置用于將具有第一波段的光和第二波段的光的混合光照射在被檢體上，上述第一波段的光在第一波長時具有光強度峰值，上述第二波段的光在波長長于第一波長的第二波長時具有光強度峰值，上述受光裝置用于檢出從上述光照射裝置照射而經(jīng)被檢體內(nèi)部傳播的透過光，上述第一波長的值為650nm～800nm，上述第二波長的值為810nm～900nm，根據(jù)由上述受光裝置檢出的透過光信號，以上述光照射裝置和上述受光裝置的大致中點位置為測量點，測定被驗體內(nèi)部的吸光物質(zhì)的濃度或濃度變化的生物體信息，并且這種生物體光測量裝置具有以下的裝置使在上述被檢體上被光照射的部位X的上述第一波段的光的光照射強度和上述第二波段的光的光照射強度之和為預(yù)定值以下，且在以下范圍內(nèi)使光照射強度比率可變在上述部位X的上述第一波段的光的光照射強度為在上述部位X的上述第二波段的光的光照射強度的0.3倍～0.7倍，或1.3倍～19倍的至少一方。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物體光測量裝置，其特征在于，具有以下的裝置當上述第一波長的值為700nm～790nm時，在以下范圍內(nèi)使光照射強度比率可變在上述部位X的上述第一波段的光的光照射強度為在上述部位X的上述第二波段的光的光照射強度的0.3倍～0.7倍，或1.3倍～10倍的至少一方。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物體光測量裝置，其特征在于，具有算出要測定的生物體信息的測量誤差的裝置、算出為了使上述生物體信息的測量誤差成為預(yù)期的大小所需要的照射光強度的比率的裝置、以及根據(jù)上述算出結(jié)果來調(diào)整照射光強度的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物體光測量裝置，其特征在于，具有以下的裝置設(shè)要測量的第一生物體信息中含有的測量誤差大致為極小的在上述部位X的上述第一和第二波段的光的光照射強度比率為a，要測量的第二生物體信息中含有的測量誤差大致為極小的在上述部位X的上述第一和第二波段的光的光照射強度比率為b時，按時間在a和b之間切換上述光照射強度比率來照射光。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的生物體光測量裝置，其特征在于，上述第一生物體信息為關(guān)于氧化血紅蛋白的濃度或濃度變化的信息，上述第二生物體信息為關(guān)于脫氧化血紅蛋白的濃度或濃度變化的信息。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的生物體光測量裝置，其特征在于，為了保持多個上述光照射裝置和上述受光裝置并將其安裝在被檢體的頭部，具有固定工具，上述固定工具設(shè)有孔，該孔可將成為多個上述光照射裝置和上述受光裝置的光纖交替配置成格子狀。
全文摘要
一種生物體光測量裝置?？刂普丈浔粰z體的峰值波長不同的多個波段的光的光照射強度比率，從而以比以往更高的精度來測量生物體內(nèi)部的信息，為此而改變照射被檢體的第一波段的光和第二波段的光的光照射強度比率，從而能夠控制生物體信息的測量誤差。另外，從對被檢體的安全性的觀點來看，光的照射強度被限制時，將第一波段的光中照射被檢體的光和第二波段的光中照射被檢體的光的總照射強度限制在預(yù)定值內(nèi)，在預(yù)定值內(nèi)改變光照射強度比率，從而能夠控制生物體信息的測量誤差。
文檔編號A61B10/00GK1874724SQ20048003193
公開日2006年12月6日 申請日期2004年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月4日
發(fā)明者佐藤大樹, 木口雅史, 牧敦, 山本剛 申請人:株式會社日立制作所, 株式會社日立醫(yī)藥