JP2006314462A - Biological photometric apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、光を用いて被検体の光学特性を計測する生体光計測装置に関するものである。 The present invention relates to a biological light measurement apparatus that measures the optical characteristics of a subject using light.
一般に、生体光計測装置は、被検体の生理変化に伴う光学変化を、検出光強度の微弱な変化から求める。従って、外乱光の影響を除き高精度な計測を実施するために、照射光を特定周期で変調し、かつ検出された光信号をロックイン回路で同期し計測するロックイン光計測法が用いられている。ロックイン型計測回路は、特定周波数の信号を精度良く選択的に計測できる計測回路方式である(例えば、特許文献1参照)。 In general, a biological light measurement apparatus obtains an optical change accompanying a physiological change of a subject from a weak change in detected light intensity. Therefore, in order to perform highly accurate measurement excluding the influence of disturbance light, a lock-in light measurement method is used in which the irradiation light is modulated at a specific period and the detected optical signal is synchronized and measured by a lock-in circuit. ing. The lock-in type measurement circuit is a measurement circuit method capable of selectively measuring a signal having a specific frequency with high accuracy (see, for example, Patent Document 1).
上記のような従来の生体光計測装置では、照射光は、被検体を通過する際に吸収や散乱により大きな減衰を受ける。また、照射光の強度は、安全上の観点から制限される。このため、検出光の強度は微弱となり、検出信号は回路ノイズの影響を受け易い。これに対して、微弱な検出光を精度良く検出するため、電子増倍機能のある光検出器、例えば光電子増倍管やアバランシェフォトダイオード(APD)が用いられている。 In the conventional biological light measurement apparatus as described above, the irradiation light is greatly attenuated by absorption and scattering when passing through the subject. Further, the intensity of irradiation light is limited from the viewpoint of safety. For this reason, the intensity of the detection light becomes weak, and the detection signal is easily affected by circuit noise. On the other hand, in order to detect weak detection light with high accuracy, a photodetector having an electron multiplication function, for example, a photomultiplier tube or an avalanche photodiode (APD) is used.
しかし、このような電子増倍型の光検出器は、電子を高い電圧で加速し増倍するため、自発的な電子発生によるショットノイズを発生する。このショットノイズは、短時間にパルス状の信号を発生させるため、広帯域の信号を間歇的に発生させる。また、ショットノイズは、広帯域であるため、計測信号の変調周波数域に漏れ込み、ロックイン回路を用いた峡帯域のフィルタでも除去が困難である。このため、被検体内での光減衰が大きい場合、高感度の電子増倍型の光検出器を用いても十分な検出精度が得られないことがある。 However, since such an electron multiplication type photodetector accelerates and multiplies electrons at a high voltage, it generates shot noise due to spontaneous generation of electrons. Since this shot noise generates a pulsed signal in a short time, a broadband signal is generated intermittently. In addition, since shot noise has a wide band, it leaks into the modulation frequency range of the measurement signal and is difficult to remove even with a gorge band filter using a lock-in circuit. For this reason, when the light attenuation in the subject is large, sufficient detection accuracy may not be obtained even if a highly sensitive electron multiplier type photodetector is used.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、検出光の検出精度を向上させることができる生体光計測装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a biological light measurement device capable of improving the detection accuracy of detection light.
この発明に係る生体光計測装置は、所定の変調周波数で強度変調された照射光を発生する光源部と、照射光を被検体に照射することにより被検体から得られる検出光の強度を、変調周波数と同じ周波数の信号を参照信号とする主ロックイン処理により検出する強度検出部とを備え、強度検出部は、変調周波数とは異なる周波数の信号を参照信号とする補正用ロックイン処理の結果を用いて、主ロックイン処理により検出された検出光の強度を補正する。 The biological light measurement apparatus according to the present invention modulates the intensity of detection light obtained from a subject by irradiating the subject with the light source unit that generates the illumination light that is intensity-modulated at a predetermined modulation frequency. An intensity detection unit that detects by a main lock-in process using a signal having the same frequency as the reference signal as a reference signal, and the intensity detection unit is a result of the correction lock-in process using a signal having a frequency different from the modulation frequency as the reference signal. Is used to correct the intensity of the detected light detected by the main lock-in process.
この発明の生体光計測装置は、変調周波数とは異なる周波数の信号を参照信号とする補正用ロックイン処理の結果を用いて、主ロックイン処理により検出された検出光の強度を補正するので、ショットノイズによる影響を低減し、検出光の検出精度を向上させることができる。 The biological light measurement device of the present invention corrects the intensity of the detection light detected by the main lock-in process using the result of the correction lock-in process using a signal having a frequency different from the modulation frequency as a reference signal. The influence of shot noise can be reduced, and the detection accuracy of detection light can be improved.
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による生体光計測装置の要部を示すブロック図である。図において、被検体1には、光源部2で発生された照射光が照射される。照射光が被検体1を反射又は透過して得られる検出光の強度は、強度検出部3により検出される。具体的には、強度検出部3は、検出光の強度の時間変化を計測する。例えば、被検体が人体頭部であるとすると、強度検出部3で検出された検出光強度の情報は、皮膚及び頭蓋骨を通過しており、大脳の血流の情報を含んでいる。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
1 is a block diagram showing a main part of a biological light measurement device according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, the subject 1 is irradiated with irradiation light generated by the
光源部2は、レーザ光を発生する半導体レーザ等のレーザ光源4と、レーザ光源4を駆動するレーザ駆動回路5とを有している。レーザ光源4は、可視から赤外の波長領域中で波長、例えば780nm付近の波長の光を放射する。波長は、780nmに限定されるものではなく、また波長数も1波長に限定されるものではない。
The
レーザ駆動回路5は、発振器6により与えられる所定の変調周波数f0に基づいて、照射光の強度を変調する。変調周波数f0としては、例えば生体の血流変化を十分計測可能な10KHzが選択される。
The
具体的には、レーザ駆動回路5では、レーザ光源4に対して直流バイアス電流を印可するとともに変調周波数f0を印加することで、レーザ光源4から放射される照射光に変調を与える。この変調方式としては、矩形波によるデジタル変調が用いられている。また、変調方式として正弦波等の任意波形の繰り返しを用いてもよい。
Specifically, the
強度検出部3は、光検出器7、ロックインアンプ処理部8及びコンピュータ9を有している。光検出器7は、検出光強度を電気信号に変換する。光検出器7としては、例えばAPD等の高感度電子増倍型検出器が用いられている。ロックインアンプ処理部8は、発振器6から得た変調周波数f0と同位相・同周波数の信号を参照信号とする主ロックイン処理を行う。
The
図2は図1の強度検出部3のより具体的な構成を示すブロック図である。ロックインアンプ処理部8は、アンプ10、A/D変換器11、主ロックイン処理部12、第1の補正用ロックイン処理部13、第2の補正用ロックイン処理部14及びノイズ補正部15を有している。アンプ10は、光検出器7からの信号を電圧変換する。
FIG. 2 is a block diagram showing a more specific configuration of the
A/D変換器11は、アンプ10からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。A/D変換器11の変換サイクルは、光源部2の変調周期に比べて十分大きい100KHzとする。これにより、デジタル信号のサンプルナイキスト周波数は50KHzとなり、変調信号10KHzを十分な精度でサンプルすることができる。
The A /
ロックイン処理部12〜14としては、DSP(Digital Signal Processor)が用いられている。A/D変換器11から出力されたデジタル信号は、ロックイン処理部12〜14により平行して処理される。
As the lock-in
主ロックイン処理部12は、上記の主ロックイン処理を行う。即ち、主ロックイン処理部12は、変調周波数f0(10KHz)を参照信号として、参照信号と同期した信号の抽出を行う。また、主ロックイン処理部12におけるローパスフィルタの遮断周波数は100Hzとし、主ロックイン処理部12からの出力信号は、50サンプル/秒のデジタル信号列としてノイズ補正部15に送られる。
The main lock-in
第1及び第2の補正用ロックイン処理部13,14は、変調周波数f0とは異なる周波数の信号を参照信号とする補正用ロックイン処理を行う。具体的には、第1の補正用ロックイン処理部13は、変調周波数f0よりも低い周波数f1(例えば8KHz)の参照信号を用い、補正用ロックイン処理を行う。また、第1の補正用ロックイン処理部13のローパスフィルタの遮断周波数は100Hzとし、第1の補正用ロックイン処理部13からの出力信号は、50サンプル/秒のデジタル信号列としてノイズ補正部15に送られる。
The first and second correction lock-in
第2の補正用ロックイン処理部14は、変調周波数f0よりも高い周波数f2(例えば12KHz)の参照信号を用い、補正用ロックイン処理を行う。ここでは、変調周波数f0が周波数f1と周波数f2との中間になるように周波数f1,f2が設定されている。また、第2の補正用ロックイン処理部14のローパスフィルタの遮断周波数は100Hzとし、第2の補正用ロックイン処理部14からの出力信号は、50サンプル/秒のデジタル信号列としてノイズ補正部15に送られる。
The second correction lock-in
ノイズ補正部15では、第1及び第2の補正用ロックイン処理部13,14による補正用ロックイン処理の結果を用いて、主ロックイン処理により検出された検出光の強度が補正される。ノイズ補正部15としては、例えばDSPが用いられている。
The
なお、ロックイン処理としては、サイン・コサインの位相が相互に90度ずれた参照信号による位相検波信号のそれぞれの2乗和の平均を出力する位相不感型ロックインアンプ処理が実行される。これにより、参照信号と照射光との位相差変動による信号揺らぎを防ぐことができる。また、位相調整作業が不要になるとともに、ノイズ補正処理におけるショットノイズの位相ずれの影響を除くことができ、高精度なノイズ補正を可能とする。 As the lock-in process, a phase-insensitive lock-in amplifier process is performed that outputs the average of the sum of squares of the phase detection signals based on the reference signals whose sine and cosine phases are shifted from each other by 90 degrees. Thereby, signal fluctuation due to phase difference fluctuation between the reference signal and the irradiation light can be prevented. In addition, the phase adjustment work is not necessary, and the influence of the phase shift of shot noise in the noise correction process can be eliminated, thereby enabling highly accurate noise correction.
ここで、図3は図1の強度検出部3で通常検出される検出光の周波数と強度との関係を示すグラフである。照射光の強度を変調周波数f0(10KHz)で変調することにより、検出光の強度も、周波数f0で鋭いピークを持っている。他の周波数帯の出力は、外部からの迷光によるノイズと考えることができる。
Here, FIG. 3 is a graph showing the relationship between the frequency and intensity of the detection light normally detected by the
迷光は自然光が主であるため、ノイズは、広い周波数帯域で時間方向に安定した強度を有している。つまり、ノイズのパワーは、周波数方向及び時間軸方向に一様に広がっている。このため、峡帯域計測であるロックインアンプ計測信号への影響は小さい。 Since the stray light is mainly natural light, the noise has a stable intensity in the time direction in a wide frequency band. That is, the noise power spreads uniformly in the frequency direction and the time axis direction. For this reason, the influence on the lock-in amplifier measurement signal which is a gorgeous band measurement is small.
しかし、高感度光検出器を用いて微弱光の計測を行う場合、迷光によるノイズとは別に、短時間に大きなピークを持つパルス状ショットノイズが発生する。例えば、光検出器7としてAPDを用いる場合、電子増倍部の加圧電位を高くすると、ショットノイズの発生率が増加する。このようなショットノイズは、計測装置の応答時間に比べて長いランダムな時間間隔の間歇的で幅の狭いパルス状であるため、フィルタ処理後もロックインアンプ処理部8へ伝播しノイズ源となる。
However, when weak light is measured using a high-sensitivity photodetector, pulsed shot noise having a large peak in a short time is generated in addition to noise due to stray light. For example, in the case where an APD is used as the
図4は図2のロックイン処理部12〜14の出力信号及びノイズ補正部15での補正後の信号の時間変化を示すグラフである。図4に示すように、ショットノイズが発生すると、各周波数のロックイン処理後の3つの信号に類似したノイズ信号が付加される。この場合、迷光や回路系の熱雑音等によるホワイトノイズもショットノイズの上に重なるが、ホワイトノイズはショットノイズよりも小さい。
FIG. 4 is a graph showing temporal changes in the output signals of the lock-in
次に、ノイズ補正部15での具体的な補正処理の一例について説明する。ノイズ補正部15には、ロックイン処理部12〜14からの信号が50サンプル/秒の率で入力される。本実施の形態では、3つの周波数(f0,f1,f2)が近接しているため、周波数空間上のショットキーパルスノイズによるノイズのパワースペクトル分布は、周波数fのほぼ線形な関数であると仮定することが可能で、LAn(f0)を計測周波数におけるショットパルスによるノイズのパワーの推定値とすると、次式が成立する。
LAn(f0)=(f0−f1)(LA(f2)−LA(f1))/(f2−f1)+LA(f1)
この結果、ショットノイズ補正後の信号を次式により求めることができる。
LA(f0)’=LA(f0)−LAn(f0)
Next, an example of specific correction processing in the
LAn (f 0 ) = (f 0 −f 1 ) (LA (f 2 ) −LA (f 1 )) / (f 2 −f 1 ) + LA (f 1 )
As a result, the signal after shot noise correction can be obtained by the following equation.
LA (f 0 ) ′ = LA (f 0 ) −LAn (f 0 )
なお、ノイズ計測ウインドウの数をさらに増やした場合は、ショットノイズで推定されるスペクトル関数を用いてノイズ推定及び補正が可能となる。例えば、ショットノイズをガウス関数とすると、ノイズ関数はこの1/e幅σの逆数となるガウス関数となるため、このσを変数として計測周波数におけるLA信号を最小二乗法でフィッティングすることで、精度の高いノイズ推定及び補正が可能となる。 When the number of noise measurement windows is further increased, noise estimation and correction can be performed using a spectrum function estimated by shot noise. For example, if shot noise is a Gaussian function, the noise function becomes a Gaussian function that is the reciprocal of this 1 / e width σ. Therefore, by fitting the LA signal at the measurement frequency using the σ as a variable, accuracy can be obtained. High noise estimation and correction.
上記のようなプロセスを、DSP回路で構成されたノイズ補正部15により50サンプル/秒で行えば、実時間で信号のノイズを補正することが可能となる。補正後の信号は、コンピュータ9に入力され、コンピュータ9の表示部には、信号変化が実時間で表示される。
If the process as described above is performed at 50 samples / second by the
上記のように、この実施の形態の生体光計測装置では、変調周波数とは異なる周波数の信号を参照信号とする補正用ロックイン処理の結果を用いて、主ロックイン処理により検出された検出光の強度を補正するので、ショットノイズによる影響を低減し、検出光の検出精度を向上させることができる。 As described above, in the biological light measurement device according to this embodiment, the detection light detected by the main lock-in process using the result of the correction lock-in process using a signal having a frequency different from the modulation frequency as a reference signal. Therefore, the influence of shot noise can be reduced, and the detection accuracy of detection light can be improved.
また、ロックインアンプ処理部8には、変調周波数よりも低い周波数を参照信号とする第1の補正用ロックイン処理部13と、変調周波数よりも高い周波数を参照信号とする第2の補正用ロックイン処理部14とが設けられているので、強度の補正をより正確に行うことができる。
The lock-in
なお、上記の例では、主ロックイン処理、補正用ロックイン処理及びノイズ補正処理をDSP回路により実行しているが、十分な処理速度が得られればコンピュータにより実行してもよい。
また、上記の例では、デジタル方式によるロックイン回路の構成例を示したが、同様の機能を有するアナログ方式のロックイン回路を用いても同様の機能は得られる。
さらに、上記の例では、第1及び第2の補正用ロックイン処理部13,14を用いたが、補正用ロックイン処理部は、1つ又は3つ以上であってもよい。即ち、f1,f2とは異なる周波数f2〜fnを参照周波数とする第3〜第nの補正用ロックイン処理部を用いることも可能である。
In the above example, the main lock-in process, the correction lock-in process, and the noise correction process are executed by the DSP circuit, but may be executed by a computer if a sufficient processing speed is obtained.
In the above example, the configuration example of the digital lock-in circuit is shown. However, the same function can be obtained by using an analog lock-in circuit having the same function.
Furthermore, in the above example, the first and second correction lock-in
1 被検体、2 光源部、3 強度検出部、12 主ロックイン処理部、13 第1の補正用ロックイン処理部、14 第2の補正用ロックイン処理部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Subject, 2 Light source part, 3 Intensity detection part, 12 Main lock-in process part, 13 1st correction | amendment lock-in process part, 14 2nd correction | amendment lock-in process part
Claims (2)
上記照射光を被検体に照射することにより上記被検体から得られる検出光の強度を、上記変調周波数と同じ周波数の信号を参照信号とする主ロックイン処理により検出する強度検出部と
を備え、
上記強度検出部は、上記変調周波数とは異なる周波数の信号を参照信号とする補正用ロックイン処理の結果を用いて、上記主ロックイン処理により検出された検出光の強度を補正することを特徴とする生体光計測装置。 A light source unit that generates irradiation light whose intensity is modulated at a predetermined modulation frequency;
An intensity detector that detects the intensity of the detection light obtained from the subject by irradiating the subject with the irradiation light by a main lock-in process using a signal having the same frequency as the modulation frequency as a reference signal; and
The intensity detector corrects the intensity of the detection light detected by the main lock-in process using a result of the correction lock-in process using a signal having a frequency different from the modulation frequency as a reference signal. A biological light measurement device.
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JP2009000424A (en) * | 2007-06-25 | 2009-01-08 | Hitachi Medical Corp | Biological light measurement apparatus |
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2005
- 2005-05-11 JP JP2005138721A patent/JP2006314462A/en active Pending
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