生物体光检测装置的制作方法-山东亚星游戏官网机床有限公司

专利名称：生物体光检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过接收通过了生物体的光来检测生物体内部的生物体光检测装置，特别是关于对辨别检测从多个受光位置检测出的检测光的检测电路进行了改良的生物体光检测装置。
背景技术：
在临床医学及脑科学等的领域中，人们期待着有一种能够以简便且对生物体无害的方法检测生物体内部的检测装置。针对这种需求，例如提出了如在特开平9-149903号公告和特开2000-300569号公告中所记载的通过接收通过了生物体的光来检测生物体内部的生物体光检测装置。在这些公告中所记载的生物体光检测装置的原理构成是，将由以不同频率调制而成的多个光所构成的检测光向被检测体的多个照射位置进行照射，接收通过了被检测体的检测光，由选频放大器从对应其强度的电信号中只检测出特定频率的信号，由此获得包含多个照射位置的区域的生物体信息，具体是血流信息。
另外，为了获得来自多个照射位置的信息，还有具备了分时照射受光单元的生物体检测装置。这种生物体光检测装置的原理构成是，不使用上述的选频放大器，而是通过时钟信号控制光的照射和接收，从光源部(发光探测器)依次进行光的发射，并将该光由受光部(受光探测器)依次接收，以此特定检测位置。
下面，对这些以往的生物体光检测装置的检测电路的结构和问题点进行说明。
图14是表示在以往的生物体光检测装置中采用的选频放大器的概略结构的方框图。受光元件171接收通过了被检测体的检测光170，对该光进行光电转换，向放大器172输出对应该光强度的电信号。受到放大器172放大的信号作为输入信号173被输入到各个选频放大器。输入信号173是具有不同频率的多个信号的合成信号。参照信号发生电路1751～175n将与希望检测的信号频率相同频率的参照信号输出到乘法器1741～174n。乘法器1741～174n将输入信号173与来自参照信号发生电路1751～175n的参照信号进行相乘，然后输出到低通滤波器1761～176n。低通滤波器1761～176n从乘法器1741～174n的输出中取出直流成分，把其作为输出信号1771～177n输出。设置对应希望检测的信号的频率个数的n个乘法器1741～174n、参照信号发生电路1751～175n及低通滤波器1761～176n。低通滤波器1761～176n的输出通过未图示的A/D转换器被输入到个人计算机等的处理电路，进行信号处理。
图15是表示图14所示的多个选频放大器中的1个选频放大器的详细结构的方框图。由于各个选频放大器除了所使用的参照信号的频率不同以外，其它的结构相同，所以只说明被记载在图14中最上面的选频放大器。该选频放大器，将输入来自受光元件171的信号的放大器172的输出，由2个放大器183、184进行分支放大，并进行正负切换，将这些放大器183、184的输出使用以参照信号的频率进行切换的开关电路185进行切换并输出，从而来检测出与参照信号相同频率的输入信号的直流成分。即，首先将由放大器172放大的信号(具有不同频率的多个信号的合成信号)分支输出到放大器183、184。放大器183将输入信号直接放大，即，放大+1倍，然后输出到开关电路185的第1端子。放大器184将输入信号的极性反转，即，放大-1被，然后输出到开关电路185的第2端子。开关电路185对应从参照信号发生电路1751输出的参照信号F1交替地切换第1及第2端子，向放大器186供给放大器183或放大器184的输出。这里，参照信号F1是与应由该选频放大器检测出的信号的频率相同频率的信号。放大器186将从开关电路185输出的信号放大，然后输出到低通滤波器1761。
图16是表示为了说明选频放大器的动作的信号波形的时序图。图16(A)表示在希望检测的信号被选频放大器选定的情况，图16(B)表示在检测对象以外的信号未被选频放大器选定的情况。希望检测的信号是与图16(A)的参照信号Fn相同频率的信号。在输入信号中包含与参照信号Fn相同频率的信号。在从放大器172输出的信号AMP1(I)与参照信号Fn的频率相同的情况下，从放大器183输出的信号AMP1(P)与信号AMP1(I)相同，从放大器184输出的信号AMP1(N)是信号AMP1(I)的反转信号。在从放大器183、184输出这些信号AMP1(P)、AMP1(N)时，通过参照信号Fn切换开关电路185。由此，从放大器186输出信号AMP1(O)。通过使该信号AMP1(O)的直流成分通过低通滤波器176(1761～176n)，输出作为检测信号LPF1的信号。
如图16(B)所示，在从放大器172输出的信号AMP2(I)是与参照信号Fn的频率不同的信号的情况下，从放大器186输出信号AMP2(O)。虽然该信号AMP2(O)的直流成分通过低通滤波器176被作为检测信号LPF2输出，但由于频率不同，所以其直流成分为0。这样，使得选频放大器只检测出特定频率的信号。
以往的生物体光检测装置的选频放大器为了检测出多个频率的信号，必须具备与希望检测的信号的频率个数相当的乘法器、参照信号发生电路及低通滤波器。而且，如果希望检测的信号的频率发生变化，则还需要设置另外的参照信号发生电路。
另外，在如图15所示的生物体光检测装置的选频放大器中，在希望检测的信号相对参照信号Fn存在相位差的情况和该相位差变化的情况下，存在着从低通滤波器176输出的检测信号比在通常的情况下衰减大、S/N比劣化的问题。
图17是表示为了说明在希望检测的信号相对参照信号Fn存在相位差的情况和该相位差变化的情况下的图15的选频放大器的动作的信号波形时序图。图17(A)表示希望检测的信号相对参照信号存在相位差的情况、图17(B)表示希望检测的信号的相位差相对参照信号发生变化的情况。
如图17(A)所示，在从放大器183输出的AMP3(P)的相位滞后于参照信号Fn的情况下，由于从放大器186输出如信号AMP3(O)那样的信号，所以从低通滤波器176输出电平低且S/N小的检测信号LPF3，这是不理想的。同样，如图17(B)所示，在相对参照信号Fn，从放大器183输出的信号AMP4(P)的相位发生各种变化的情况下，由于从放大器186输出如信号AMP4(O)那样的信号，所以从低通滤波器176输出检测信号的电平随相位的变化而变化，不稳定且S/N比低的检测信号LFP4，是不理想的。
图18(A)是表示具有分时照射受光单元的生物体光检测装置的概略构成的图。在该生物体光检测装置中，也是与图14的生物体光检测装置等相同，受光元件161接收通过了被检测体的检测光160，将其进行光电转换，将对应该光强度的信号输出到放大器162，将由放大器162放大的信号输入到A/D转换器163。
但是，在该生物体光检测装置中，设定了为了对从受光元件输出的信号以分时顺序进行处理的时钟(时序信号)。该时钟从未图示的控制部输出，用于控制光源部的光照射的时序，并且用于控制在A/D转换器163中的取样时序。即，A/D转换器163以与时钟信号CLOCK同步的时序对放大器162的输出进行模拟—数字转换，并输出到运算部(PC)169。
图18(B)表示动作例的时序。在图18(B)中，信号S1～S5表示各个光源的照射时序，在对各个光源分时的规定的时刻输出。这些信号S1～S5作为被合成的1个信号D从放大器162被输出到A/D转换器163。在A/D转换器163中，以时钟信号CLOCK的时序进行模拟—数字转换，将该数字信号作为检测信号输出。
在生物体光检测装置中，由受光部检测出的信号是从光源部射出的光中的通过了被检测体的光信号，其光强度水平非常小。为了提高由受光部检测出的信号的S/N比，在图19中，表示了对图18(A)的生物体光检测装置进行了改良的生物体光检测装置。如图19所示，该生物体光检测装置在A/D转换器163之前设置有积分器170。积分器170在与时钟信号CLOCK同步的时刻被清零，A/D转换器163在与时钟信号CLOCK同步的时刻进行模拟—数字转换。通过设置该积分器170，能够如图19(B)所示的那样，使得在A/D转换器163进行模拟—数字转换的时刻的检测信号IntD的电平大于信号D，可充分提高S/N比。
在具有这样的分时照射受光单元的生物体光检测装置中，在只要检测信号IntD的电平为信号D的电平便可的情况下，如图20(A)所示，通过使信号S1～Sn的时刻接近，可提高取样频率的速度。但是，当提高了速度后，如图20(B)所示的信号D那样，在相位发生变化时，会导致在清零的时刻不能充分进行积分器的清零处理，使得在后的检测信号IntD受到在前的信号的电平的影响。由此造成难于正确检测出对应多个照射位置的多个信号强度，后果是降低了检测结果的可靠性。
如以上说明的那样，对于生物体光检测装置的检测部所要求的功能是，能够辨别检测出与从光源部照射到多个位置的照射光对应的透射光，然而在以往的具有使用多个频率的参照信号的选频放大器的生物体光检测装置中，存在着必须设置多个参照信号发生电路，使装置大型化、不能适应参照信号的频率变化等的问题，而且，作为与在采用分时照射受光方式的装置中的相同的问题，还存在着当检测信号发生相位变化时，导致S/N的劣化和不能充分辨别的问题。

发明内容
因此，本发明的目的之1是，提供一种选频放大器的装置构成少的生物体光检测装置。另外，本发明的目的之2是，提供一种能够简单地适应频率变化的生物体光检测装置。并且，本发明的目的之3是，提供一种即使在在参照信号与希望检测的信号之间存在相位差的情况下也可以不降低S/N比进行检测的生物体光检测装置。另外，本发明的目的是，提供一种具有分时照射受光的生物体光检测装置，其即使在应检测的信号发生相位变化的情况下，也能够以分时连续地切实进行被检测出的信号的辨别，提高了检测可靠性的生物体光检测装置。另外，本发明的目的是提供一种可应用在任意类型的生物体光检测装置中的检测电路。
本发明的生物体光检测装置，具有发生包含以不同频率调制的多个光的检查光的光源部；接收所述光源部发生的通过了被检测体的检查光，输出对应接收的检查光的强度的电信号的受光部；和从所述受光部的输出中检测出与参照信号相同频率的信号的检测单元，所述检测单元具有将输入信号进行模拟—数字转换，将输入信号的数字化数据输出的模拟—数字转换单元；保存多个参照信号的数字化数据的存储单元；将从所述模拟—数字转换单元输出的输入信号的数字化数据与从所述存储单元读出的参照信号的数字化数据相乘并输出的数字乘法单元；和从所述数字乘法单元的输出中取出直流数据的数字频带限制单元(本发明之1)。
根据该生物体光检测装置，通过在存储单元中保存多个参照信号的数字化数据，则不需要设置与希望检测的信号的频率数量相当的参照信号发生电路。而且，当希望检测的信号的频率改变时，只要改写存储单元的数据，保存新频率的参照信号的数字化数据即可。
另外，本发明的生物体光检测装置，在上述的生物体光检测装置中，所述数字乘法单元和所述数字频带限制单元由数字信号处理器构成(本发明之2)。通过使用数字信号处理器，可大幅缩小电路的规模。
并且，本发明的生物体光检测装置，在上述的生物体光检测装置中，进一步设置了延迟所述参照信号的数字化数据的延迟单元(本发明之3)。延迟单元用于在希望检测的信号与参照信号之间存在相位差的情况下，修正该相位差。通过修正相位差，可防止检测信号的电平的降低，可确保充分S/N比。
另外，本发明的生物体光检测装置，在上述的生物体光检测装置中，进一步设置了输入所述参照信号的数字化数据，发生在其电平变化点附近的前后成为“0”或“0附近”的函数的函数发生单元(本发明之4)。
希望检测的信号与参照信号之间发生相位差，其变化是发生在，参照信号的电平从“0”向“1”变化的附近，或从“1”向“0”变化的附近，即所谓的电平变化点附近的前后。因此，通过对应参照信号发生规定的函数，即，在参照信号的电平变化点附近的前后成为“0”或“0附近”的函数(例如三角函数、高斯分布函数或加重平均或海因等的窗函数)，将其与希望检测的信号相乘，然后对其实施滤波处理，使得即使相位变化，其相应的检测信号的电平不再变化，构成比较稳定的状态。
并且，本发明的生物体光检测装置，具有分时发生多个光的检查光的光源部；顺序接收从所述光源部发生的通过了被检测体的检查光，输出对应接收的检查光的强度的电信号的受光部；和检测出来自所述受光部的信号，并把其作为所述多个检查光的各个检查光的信号输出检测单元，所述检测单元具有将输入信号进行模拟—数字转换，将输入信号的数字化数据输出的模拟—数字转换单元；为了使所述模拟—数字转换单元以规定的取样时序进行模拟—数字转换而发生时序信号的时钟单元；发生在所述输入信号的取样时刻的前后成为“0”或“0附近”的函数的函数发生单元；将从所述模拟—数字转换单元输出的输入信号的数字化数据与所述函数发生单元的函数相乘并输出的数字乘法单元(本发明之8)。
该生物体光检测装置在检测通过分时照射受光功能分时输出的多个检查光时，即使在检查光中存在相位的变化，也不会使检测的信号与其之前的信号重叠，可正确地检测各个检查光。
而且，本发明生物体光检测装置，在上述的进行分时照射受光的生物体光检测装置中，在所述数字乘法单元的后级具有对数字乘法单元的输出进行加法运算的积分单元(本发明之9)。通过具备积分单元，可改善信号的S/N比。
并且，本发明的生物体光检测装置，具有作为检测单元而具备上述的模拟—数字转换单元、数字乘法单元及数字频带限制单元的数字选频放大器、和分时照射受光单元。分时照射受光单元是不使用所定放大器，而通过使光源部(发光探测器)顺序照射光，由受光部(受光探测器)接收该光，来实现特定检测位置的功能的单元，具体是，通过实施控制，使得以规定的间隔发生时序信号，根据该时序信号，分时进行所述光源部的检查光的照射和由所述检测单元的信号检测的控制单元(本发明之10)。更具体的是，作为检测单元，进一步具备了将从受光单元顺序输出的多个信号作为连续的信号输出的放大器和将所述放大器的输出进行模拟—数字转换的模拟—数字转换单元的检测单元、和控制所述检测单元的控制单元，根据来自所述控制单元的时序信号控制所述模拟—数字转换单元中的取样时序(本发明之11)。
理想的是，作为分时照射受光单元，具备上述的将输入信号进行模拟—数字转换，输出输入信号的数字化数据的模拟—数字转换单元；为了使所述模拟—数字转换单元以规定的取样时序进行模拟—数字转换而发生时序信号的时钟单元；发生在所述输入信号的取样时刻的前后成为“0”或“0附近”的函数的函数发生单元；和将从所述模拟—数字转换单元输出的输入信号的数字化数据与所述函数发生单元的函数相乘并输出的数字乘法单元的检测单元(本发明之12)。或者，进一步在所述数字乘法单元的后级具有对数字乘法单元的输出进行加法运算的积分单元(本发明之13)。
根据这样的生物体光检测装置，通过选择采用所定放大器和分时照射受光单元，可根据电路规模等的要求进行改变。而且，如果采用双方，则可保证可靠的动作，提高可靠性。另外，通过采用双方，在光源部和受光部被更密致地配置的状态下，容易进行检查光的接收，可提高光检测的分辨率。
并且本发明提供一种生物体光检测装置的检测电路。该检测电路具有将输入信号进行模拟—数字转换的模拟—数字转换单元；发生从三角函数、高斯分布函数、加重平均窗函数及海因窗函数中选择出的1个以上的函数的函数发生器；和对所述模拟—数字转换单元的输出乘以所述函数发生器所发生的函数的乘法单元(本发明之14)，并且在所述乘法单元的后级，具有加法单元，所述加法单元将所述乘法单元的输出与自身的加法运算结果的反馈相加(本发明之15)。
该检测电路可适用于所定放大器方式及分时照射受光方式的任意一种生物体光检测装置中，可解决在两个方式中共同存在的希望检测的信号的相位变化的问题。

图1是本发明实施例1的生物体光检测装置的构成图。
图2是表示图1的选频放大器的方框图。
图3是表示在生物体光检测装置中的检查光照射位置与受光位置的配置例的图。
图4是表示消除阶梯现象低通滤波器的频率特性和输入信号的频率的说明图。
图5是表示数字选频电路的频率特性和被选定后的信号的说明图。
图6是表示在本发明实施例2的生物体光检测装置中所使用的选频放大器的方框构成的图。
图7是表示图6的选频放大器的变形例的方框构成图。
图8是表示图6的选频放大器的变形例的方框构成图。
图9是表示图7的选频放大器的变形例的方框构成图。
图10是表示图9的选频放大器的变形例的方框构成图。
图11是表示对图6的选频放大器进行了改良的其它实施形态的方框构成图。
图12是表示对图6的选频放大器进行了进一步改良的其它实施形态的方框构成图。
图13是表示即使在取样频率高速化的情况下，也可以适应相位变化的生物体光检测装置的一例的图。
图14是表示以往的生物体光检测装置的选频放大器的方框图。
图15是表示图14的选频放大器的详细结构的方框图。
图16是表示为了说明图15的选频放大器的动作的信号波形的时序图。
图17是表示在希望检测出的信号相对参照信号存在相位差的情况及该相位差发生变化的情况下，为了说明图14的选频放大器的动作的信号波形的时序图。
图18是表示具有分时照射受光单元的生物体光检测装置的以往技术的图。
图19是表示为了提高图18的生物体光检测装置的S/N比，对其实施了改良的变形例的图。
图20是表示在使图19的生物体光检测装置的取样频率高速化的情况下的一例具体实施方式
下面，结合附图，说明本发明的实施例。
图1是本发明实施例1的生物体光检测装置的构成图，图2是表示该选频放大器的构成的图。如图所示，生物体光检测装置具有发生向被检测体照射的检查光的光源部11；接收透过被检测体的光或在被检测体20的表面附近被反射的光(以下统称透射光)，输出对应光的强度的电信号的受光部12；将受光部12接收的光对应其频率检测出的选频放大器部10；输入选频放大器部10的输出信号，计算出在检查光的照射位置中的生物体信息(例如血红蛋白浓度等)，并且显示结果的运算部30；以及控制光源部11、受光部12、选频放大器部10及运算部30的动作的控制部35。此外，虽然在图中将运算部30和控制部35分开表示，但这些运算部30及控制部35可以通过具有显示器和键盘等的输入输出装置的个人计算机来实现。
光源部11由多个光源部构成，各个光源部以多个不同的频率调制检查光。作为检查光虽然也可以使用单波长的光，但一般使用不同波长的2个光，例如使用780nm及830nm的2个波长的光。作为其中一例，如果以8个不同的频率调制780nm波长的光、以8个不同的频率调制830nm波长的光，则检查光由以合计16种不同频率调制的光构成。
从这些光源部11输出的16个检查光，例如通过光纤被引导至被检测体20的规定的检查位置，从被检测体20的表面照射到被检测体内。此时，将2个波长的光作为一组，由1根光纤引导。透过被检测体20的光被设置在照射用光纤附近的光纤引导至受光部12，由受光部12接收。受光部12输出对应接收的检查光的强度的电信号。
图3是表示在生物体光检测装置中的检查光照射位置与受光位置的配置例的图。在图3(A)所示的例中，分别在2个受光位置321、322的周围配置4个照射用光纤前端(照射位置)311～314、315～318。在该配置中，由于受光位置32从4个方向接收2个波长的光，所以接收4×2＝8个光信号。虽然在下面的说明中仅说明具有2个受光部12的装置，但受光部不限于2个，可对应检查对象进行任意的变更。例如，为了检查比较大的区域，可采用如图3(B)所示那样的将照射位置(表示为黑点)31和受光位置(表示为白圈)32交替配置成矩阵状的结构。在这种情况下，也是在1个受光位置上从2至4个方向接收2个波长的光，受光部接收由以最大16种不同频率调制的光合成的光。
选频放大器部10将这样的具有不同频率的多个信号的合成信号作为输入信号，分别分离检测出不同频率的信号。选频放大器部10具有消除阶梯现象(antialiasing)低通滤波器(ALPF)2、A/D转换器3、参照信号用存储器5、数字选频电路8及缓冲存储器9。输入信号是如上述那样的对应检查光的光强度的信号，包含多个，例如8种不同频率的信号。而且通过未图示的放大器进行放大。对应被输入的2个电信号，设置2组消除阶梯现象低通滤波器2及A/D转换器3。
消除阶梯现象低通滤波器2将包含在输入信号中的其频率比参照信号高的信号，特别是由噪声或奈奎斯特频率所发生的信号衰减，然后输出到A/D转换器3。图4表示消除阶梯现象低通滤波器2的频率特性与输入信号的频率的关系。在图4中，波形41表示消除阶梯现象低通滤波器的频率特性。
当把包含在输入信号中的n+1个信号的频率分别设为fs、fs+fp、fs+2fp、…、fe(＝fs+n×fp)时，消除阶梯现象低通滤波器2的截止频率fc成为fc＞fe的关系。另外，当设消除阶梯现象低通滤波器2的衰减域频率为fa’、设奈奎斯特频率为f时，要检测的信号的频率成为f-(fa’-f)＞fe的关系。
A/D转换器3将消除阶梯现象低通滤波器2的输出进行模拟—数字转换后输出。缓冲存储器9将从2组A/D转换器3输出的数据暂时保存，然后输出到数字选频电路8。
数字选频电路8具有乘法器4、低通滤波器6和未图示的控制部。数字乘法器4依次将从A/D转换器3输出的输入信号的数字化数据与从参照信号用存储器5顺序读出的参照信号的数字化数据进行乘法运算，将该乘法运算信号输出到数字低通滤波器6。
参照信号用存储器5预先存储有多个参照信号的数字化的数据R1～Rn。例如，存储有对应输入信号的16种不同频率的参照信号的数字化数据。在光源部11改变了调制用频率的情况下，改写参照信号用存储器5的数据，保存更新后的频率的参照信号的数字化数据。
数字低通滤波器6从数字乘法器4输出的乘积信号提取出直流成分，把其作为输出信号7输出到运算部30。图5表示表示数字低通滤波器6的频率特性和被选定后的信号的关系。在图5中，波形51表示数字低通滤波器的频率特性，信号52、53表示在各个数字乘法器4被选定后的波形。在从在数字乘法器4被选定后的信号52、53中用数字低通滤波器6提取出直流数据的情况下，如图5所示，由于对数字低通滤波器6设定了衰减域频率fa，所以在数字乘法器4被选定后的其它的信号53具有中心频率fp，被选定后的信号52与被选定后的其它信号53的频率间隔为fp。数字低通滤波器的衰减频率fa与被选定后的其它信号53的中心频率fp构成fp≥2fa的关系。其它的将要检测的信号也全都需要在相互之间具有fp的频率间隔。这是为了相对被选定的信号，使噪声·其它信号达到必要的衰减量。
数字选频电路8(数字乘法器4、数字低通滤波器6等)也可以用数字信号处理器(DSP)等的电子器件构成。
下面说明在这样构成中的选频放大器部10的动作。首先，数字选频电路8的控制电路将控制信号8a送至缓冲存储器9，读出被保存在缓冲存储器9中的从2组A/D转换器3输出的数据的任意一个。而且，将控制信号8b送至参照信号用存储器5，依次读出被保存在参照信号用存储器5中的参照信号的数字化数据。数字乘法器4依次地将从缓冲存储器9读出的数据与从参照信号用存储器5依次读出的参照信号的数字化数据进行乘法运算，然后输出。数字低通滤波器6从数字乘法器4的输出中提取出直流数据，把其作为输出信号输出。
根据本实施例，通过在参照信号用存储器5中保存多个参照信号的数字化数据，不再需要像以往那样设置与希望检测的信号的频率种类数量相当的参照信号发生电路，因此，可简化选频放大器的装置结构。作为其中一例，以往需要16个模拟选频电路的装置，现在可由1个数字选频电路构成。而且，由于只要改写参照信号用存储器5中的数据，保存数字化的新的频率的参照信号即可，所以可简单地适应频率的变更。
此外，在本实施例中，说明了对不同波长的2个光分别以8种不同频率进行调制的情况，但本发明不限于此，也适合对1个或不同波长的2个以上的光以2个以上的不同频率进行调制的情况。而且，作为受光部12说明了检测2个信号的情况，但检测的信号数量不限于2个。
并且在本实施例中，是在1个数字选频电路8中顺序使用不同频率的多个参照信号进行处理，但也可以对应每个调制频率设置处理电路。下面，参照图6～图10说明这样的实施例。
图6是表示在本发明实施例2的生物体光检测装置中所使用的选频放大器的方框构成的图。在本实施例中与图1及图2的实施例同样，受光元件61接受通过了被检测体的检查光60，对其进行光电转换，然后想放大器62输出对应该光强度的信号。在本实施例中，通过放大器62被放大的信号被输入到按照各个频率成分而分别设置的数字选频电路601、602、…。输入信号是具有不同频率的多个信号的合成信号。在图中，只表示出2个系统的数字处理电路601、602，但实际上设置有与希望检测的信号的频率种类数量相当的具有同样结构的电路。由于各个数字选频电路601的构成只是所使用的参照信号不同，而其它相同，所以，下面仅对1个数字选频电路601进行说明。
数字选频电路601具有A/D转换器631、2个数字乘法器641、651及加法器661，构成数字选频放大器。在其后级设有用于锁存各个数字选频电路601的输出信号，并把其输入到运算部69中的锁存电路681。
A/D转换器631将放大器62的输出进行模拟—数字转换，然后输出到数字乘法器641。数字乘法器641将参照信号F1与A/D转换器631的输出相乘，将相乘的结果输出到下一级的数字乘法器651。即，数字乘法器641对应参照信号F1的频率对输入信号进行+1或-1的乘法运算。在数字乘法器641中所使用的参照信号的数字化数据，与图1的实施例相同，被保存在未图示的参照信号用存储器中。
数字乘法器651对数字乘法器641的输出乘以被保存在系数ROM671中的低通滤波器系数，将其乘积结果输出到下一级的数字加法器661。数字加法器661将数字乘法器651的输出和自身加法运算结果的反馈结果依次相加，进行滤波处理，提取出直流成分，把其输出到锁存电路681。
由该数字乘法器651及数字加法器661执行的滤波处理与图1(图2)的实施例中的数字低通滤波器6的处理相同，其频率特性与图5所示的特性相同。
锁存电路681锁存由数字乘法器651及数字加法器661进行滤波处理后的信号，并把其输出到运算部(PC)69。
图7是表示图6的选频放大器的变形例的方框构成图。在图7中，由于对于与图6相同的部分使用相同的符号表示，所以省略其说明。该选频放大器与图6中的不同之处在于，由数字信号处理器(DSP)71、72构成图6的数字信号乘法器641、642、651、652及数字加法器661、662。
图8是表示图6的选频放大器的变形例的方框构成图。在图8中，由于对于与图6相同的部分使用相同的符号表示，所以省略其说明。图8的选频放大器与图6中的不同之处在于，用1个A/D转换器63进行模拟—数字转换。即，在图6的选频放大器中，是将放大器62的输出通过设置在各个数字选频电路601、602的前级的A/D转换器631、632进行模拟—数字转换，而在图8所示的选频放大器中是将放大器62的输出由1个A/D转换器63进行模拟—数字转换，将A/D转换器63的输出输入到由数字乘法器641、642、651、652及数字加法器661、662构成的各个数字选频电路601、602。
图9是表示图7的选频放大器的变形例的方框构成图。在图9中，由于对于与图7相同的部分使用相同的符号表示，所以省略其说明。图9的选频放大器与图7中的不同之处在于，用1个A/D转换器63进行模拟—数字转换。
图10是表示图9的选频放大器的变形例的方框构成图。在图10中，由于对于与图9相同的部分使用相同的符号表示，所以省略其说明。图10的选频放大器与图9中的不同之处在于，用1个数字信号处理器(DSP)进行数字信号处理，并将其结果锁存在多个锁存电路681～68n中。该结构与在图1的实施例中将数字选频电路8(数字乘法器4、数字低通滤波器6等)置换成数字信号处理器(DSP)的结构相同。
如上所述，作为本发明的光检测装置所采用的选频放大器的结构，虽然有如图6至图10所示的各种变形例，但理想的是根据各自的使用目的或电路规模采用各种电路。
下面，作为本发明的另外的其它实施例，说明具有在希望检测的信号相对参照信号存在相位差的情况下，修正该相位差的电路的选频放大器的结构。修正这样的相位差的电路可适用于上述的图6～图10所例举的所有选频放大器，但在此用图11仅表示适用于图9的选频放大器的一例。在图11中对与图9相同结构的部分使用相同的符号，省略其说明。
图11的选频放大器与图9所示的放大器的不同之处在于，将供给数字信号处理器(DSP)71、72的参照信号F1、F2通过延迟电路(DELAY)81、82供给到数字信号处理器71、72。通过设置这样的延迟电路81、82，在希望检测的信号相对参照信号Fn存在相位差的情况下，可对该相位差进行修正后，将参照信号F1、F2供给到数字信号处理器71、72。这样，通过对应相位差延迟参照信号，可防止如图17(A)所示的因相位差所导致的检测信号电平的下降，可确保充分大的S/N比。
下面，作为本发明的另外的其它实施例，说明具有在希望检测的信号与参照信号的相位差发生变化的情况下，防止因相位差的变化所导致的信号减弱的电路的选频放大器的结构。这样的电路可适用于上述的图6～图11所例举的所有选频放大器，但在此用图12仅表示适用于图11的选频放大器的一例。在图12中对与图11相同结构的部分使用相同的符号，省略其说明。
如图所示，本实施例的选频放大器设置有对应通过延迟电路(DELAY)81、82供给到数字信号处理器71、72的参照信号Fn(F1、F2…)发生规定的函数波形的函数发生电路91、92。作为函数波形，为了通过与希望检测的信号相乘而得到与参照信号Fn确实同步的信号，采用在参照信号Fn的电平变化点附近前后成为“0”或“0附近”的函数Mn。作为这样的函数，例如有三角函数、高斯分布函数或加重平均或海因(hanning)等的窗函数。
图12(B)表示参照信号Fn、函数Mn及希望检测的信号AMP5的关系。如图所示，一般在希望检测的信号AMP5与参照信号之间发生相位差，其变化是在参照信号Fn的电平从“0”向“1”变化的附近或从“1”向“0”变化的附近，即所谓的变化点附近的前后。因此，生成对应参照信号Fn，在其电平变化点附近前后成为“0”或“0附近”的函数Mn，使用数字信号处理器71、72把其与希望检测的信号AMP5相乘，形成乘积波形DSP5。通过对该乘积波形DSP5实施滤波处理，获得检测信号LPF5。这样，即使在如图12(B)所示的波形那样的信号AMP5的相位发生了变化的情况下，检测信号LFP5的电平也不会再发生变化，形成比较稳定的状态。此外，在图12中，设置有延迟电路81、82，但在希望检测的信号与参照信号不存在相位差的情况下，也可以省略这些延迟电路81、82。
以上，说明了在具有选频放大器的生物体光检测装置中的选频放大器部的实施例及变形例。根据该生物体光检测装置，通过用数字电路构成选频放大器，并且具有将不同频率的多个参照信号作为数字化数据保存的参照信号存储器，可不需要设置与希望检测的信号的频率种类数量相当的参照信号发生电路，在变更了其频率的情况下，可容易地进行改写。并且通过在选频放大器的参照信号输入侧设置延迟电路和函数发生电路，即使在参照信号与希望检测的信号之间存在相位差时或相位差发生变化时，也可以防止信号的减弱，进行稳定的检测。
另外，本实施例的生物体光检测装置也可以应用在例如图18或图19所示的以往的具有分时照射受光功能的生物体光检测装置中。在这种情况下，数字选频放大器部10的结构虽然与上述的图1或图6～图12所示的结构相同，但除了数字选频放大器部10，作为检测电路，还具有将从受光元件161依次输出的多个信号作为连续信号输出的放大器162和将放大器162的输出进行模拟—数字转换的模拟—数字转换器163。而且，通过控制部35(图1)的时序信号，进行光源部的检查光的分时照射，同时与该时序信号同步，控制模拟—数字转换器163的取样时序。
下面，说明本发明的另外其它的实施例。本实施例适用于取代上述的选频放大器、或选频放大器的基础上具有分时照射受光单元的生物体光检测装置。分时照射受光单元具有在生物体光检测装置中，通过从光源部(发光探测器)顺序地进行光的照射，用受光部(受光探测器)接收该光，来特定检测位置的功能。即，图1的生物体光检测装置是，从光源部11的各个光源部连续照射多个频率的光，使用选频放大器从在受光部被检测出的多个频率的光中检测出所希望频率的光，而在具有分时照射受光单元的生物体光检测装置中是，从光源部的各个光源分时地顺序进行光的照射，从在受光部被检测出的光中只检测在特定时刻中的信号。
图13表示具有分时照射受光单元的生物体光检测装置的一实施例。该生物体光检测装置具有，分时顺序发生向被检测体130的多个位置照射的多个检查光的光源部131、接收来自被检测体130的透射光，输出对应光的强度的电信号的受光部132、将受光部132所接收的光分时检测出的分时检测部133、输入分时检测部133的输出信号，计算在检查光的照射位置中的生物体信息(例如血红蛋白浓度等)并显示其结果的运算部134和控制光源部131、受光部132及分时检测部133的动作的控制部135。此外，在图示的实施例中，分别表示了运算部134和控制部135，但这些也能够与图1的生物体光检测装置同样地在具有显示器和键盘等的输入输出装置的PC中构成。
在图中只简略表示了光源部131及受光部132，其构成为如图3所示的那样，从被检测体表面的多个照射位置照射检查光由被配置在与该照射位置相关联的规定的位置上的多个受光部接收光。光源部131按照控制部135的时钟信号发生部发生的时钟信号，以错开的时间向不同的照射位置照射规定波长的光。受光部132由多个受光元件或其一端被连接在受光元件上的光纤构成，各个受光元件161将接收的检查光160输出到同一个放大器162。
分时检测部133具有放大器162、将被放大器162放大的信号进行模拟—数字转换的A/D转换器163、用于将来自A/D转换器163的输出与规定的函数相乘的数字乘法器165、保存数字乘法器165所使用的函数的函数存储器164、积分数字乘法器165的输出的数字加法器167及锁存数字加法器167的输出的锁存电路168。
该生物体光检测装置也是与图18的装置相同，由放大器162放大对应从受光元件161输出的光强度的信号S1～S5，作为信号D输入到A/D转换器163。A/D转换器163以与时钟信号CLOCK同步的取样时序，将放大器162的输出进行模拟—数字转换，然后输出到数字乘法器165。函数存储器164存储有规定的函数，即，在A/D转换器163的取样时刻前后成为“0”或“0附近”的函数，例如是三角函数、高斯分布函数或加重平均或海因(hanning)等的窗函数。该函数与在图12所示的选频放大器中所采用的函数发生电路91、92所发生的函数相同。乘法器165从函数存储器164读取上述规定的函数，并且将其与A/D转换器163的输出相乘，将相乘的结果输出到下一级的数字加法器167。
数字加法器167将数字乘法器165的输出与自身反馈的加法运算结果顺序地相加，进行积分处理，然后将该积分结果输出到锁存电路168。数字加法器167的处理在与时钟信号CLOCK同步的时刻被复位。锁存电路168在取样时刻CLOCK锁存被数字加法器167积分处理的信号，并输出到运算部(PC)134。
根据本实施例的生物体光检测装置，通过预先将A/D转换器163的输出与在该取样时刻的前后成为“0”或“0附近”的函数相乘，即使在如图19所示的波形D那样，其相位发生了变化的情况下，也可以消除与其对应的检测信号IntD的电平的变化。由此可防止因相位变化而造成的误差。
以上，作为本发明的实施例，参照图13说明了采用了分时照射受光单元的生物体光检测装置的改良，但这样的改良不仅限于具有分时照射受光单元的生物体光检测装置，也可以适用于采用了选频放大器和分时照射受光单元的生物体光检测装置。特别是通过采用选频放大器和分时照射受光单元，可确�？煽康亩鳎岣呖煽啃�。而且，通过采用双方，容易进行被更密致配置的光源部和受光部的检查光的受光，可提高光检测的分辨率。
根据本发明的生物体光检测装置，通过把多个参照信号的数字化数据保存在存储装置中，可不再需要设置与希望检测的信号的频率数量相当的参照信号发生电路，因此，可减少选频放大器的装置构成。另外，根据本发明的生物体光检测装置，由于只要将存储装置中的数据改写，保存被数字化的新的频率的参照信号即可，所以，可简单地对应频率的变更。并且，根据本发明的生物体光检测装置，即使在参照信号与希望检测的信号之间存在相位差的情况下，也可以进行不降低S/N比的检测。
权利要求
1.一种生物体光检测装置，具有发生包含以不同频率调制的多个光的检查光的光源部；接收所述光源部发生的通过了被检测体的检查光，输出对应接收的检查光的强度的电信号的受光部；及从所述受光部的输出中检测出与参照信号相同频率的信号的检测单元，其特征在于所述检测单元具有将输入信号进行模拟—数字转换，将输入信号的数字化数据输出的模拟—数字转换单元；保存多个参照信号的数字化数据的存储单元；将从所述模拟—数字转换单元输出的输入信号的数字化数据与从所述存储单元读出的参照信号的数字化数据相乘并输出的数字乘法单元；以及从所述数字乘法单元的输出中取出直流数据的数字频带限制单元。
2.根据权利要求1所述的生物体光检测装置，其特征在于所述数字乘法单元和所述数字频带限制单元由数字信号处理器构成。
3.根据权利要求1或2所述的生物体光检测装置，其特征在于进一步设置了延迟所述参照信号的数字化数据的延迟单元。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的生物体光检测装置，其特征在于进一步设置了输入所述参照信号的数字化数据，发生在其电平变化点附近的前后成为“0”或“0附近”的函数的函数发生单元。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的生物体光检测装置，其特征在于对应每个调制频率设置了至少包含所述数字乘法单元和所述数字频带限制单元的数字处理电路。
6.根据权利要求5所述的生物体光检测装置，其特征在于所述数字处理电路具有将输入信号进行模拟—数字转换，输出输入信号的数字化数据的模拟—数字转换单元；将从所述模拟—数字转换单元输出的输入信号的数字化数据与从所述存储单元读出的参照信号的数字化数据相乘并输出的第1数字乘法单元；将所述第1数字乘法单元的输出与低通滤波器系数相乘并输出的第2数字乘法单元；以及从所述第2数字乘法单元的输出取出直流数据的数字频带限制单元。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的生物体光检测装置，其特征在于所述数字频段频段限制单元，在将应检测的信号的频率间隔设为fp时，具有满足fp≥2fa的衰减域频率fa。
8.一种生物体光检测装置，具有分时发生多个光的检查光的光源部；顺序接收从所述光源部发生的通过了被检测体的检查光，输出对应接收的检查光的强度的电信号的受光部；及检测出来自所述受光部的信号，并把其作为所述多个检查光的各个检查光的信号输出的检测单元，其特征在于所述检测单元具有将输入信号进行模拟—数字转换，将输入信号的数字化数据输出的模拟—数字转换单元；为了使所述模拟—数字转换单元以规定的取样时序进行模拟—数字转换而发生时序信号的时钟单元；发生在所述输入信号的取样时刻的前后成为“0”或“0附近”的函数的函数发生单元；以及将从所述模拟—数字转换单元输出的输入信号的数字化数据与所述函数发生单元的函数相乘并输出的数字乘法单元。
9.根据权利要求8所述的生物体光检测装置，其特征在于在所述数字乘法单元的后级具有对数字乘法单元的输出进行加法运算的积分单元。
10.根据权利要求1至7中任意一项所述的生物体光检测装置，其特征在于具有控制所述光源部、所述受光部及所述检测单元的控制单元，所述控制单元实施控制，使得以规定的间隔发生时序信号，根据该时序信号，分时进行所述光源部的检查光的照射和由所述检测单元的信号检测。
11.根据权利要求1至7中任意一项所述的生物体光检测装置，其特征在于还具有作为检测单元而具备了将从受光单元顺序输出的多个信号作为连续的信号输出的放大器和将所述放大器的输出进行模拟—数字转换的模拟—数字转换单元的检测单元、和控制所述检测单元的控制单元，根据来自所述控制单元的时序信号控制所述模拟—数字转换单元中的取样时序。
12.根据权利要求1至7中任意一项所述的生物体光检测装置，其特征在于具有作为检测单元而进一步具备了将输入信号进行模拟—数字转换，输出输入信号的数字化数据的模拟—数字转换单元；为了使所述模拟—数字转换单元以规定的取样时序进行模拟—数字转换而发生时序信号的时钟单元；发生在所述输入信号的取样时刻的前后成为“0”或“0附近”的函数的函数发生单元；以及将从所述模拟—数字转换单元输出的输入信号的数字化数据与所述函数发生单元的函数相乘并输出的数字乘法单元的检测单元。
13.根据权利要求12所述的生物体光检测装置，其特征在于在所述数字乘法单元的后级具有对数字乘法单元的输出进行加法运算的积分单元。
14.一种生物体光检测装置的检测电路，在多个位置接收从多个照射位置照射在生物体上的光，检测出对应接收的光的强度的多个信号，其特征在于具有将输入信号进行模拟—数字转换的模拟—数字转换单元；发生从三角函数、高斯分布函数、加重平均窗函数及海因窗函数中选择出的1个以上的函数的函数发生器；和对所述模拟—数字转换单元的输出乘以所述函数发生器所发生的函数的乘法单元。
15.根据权利要求14所述的生物体光检测装置的检测电路，其特征在于在所述乘法单元的后级具有加法单元，所述加法单元将所述乘法单元的输出与自身的加法运算结果的反馈相加。
全文摘要
一种生物体光检测装置，具有发生包含以不同频率调制的多个光的检查光的光源部；接收从光源部发生的通过了被检测体的检查光，输出对应接收的检查光强度的电信号的受光部；从受光部的输出中检测出与参照信号相同频率信号的检测单元，检测单元由将输入信号进行A/D转换，输出输入信号的数字化数据的A/D转换单元；保存多个参照信号的数字化数据的存储单元；将从A/D转换单元输出的输入信号的数字化数据与从存储单元读出的参照信号的数字化数据相乘并输出的数字乘法单元；和从数字乘法单元的输出中取出直流数据的数字频带限制单元构成。由单一的存储器替换了以往的多个参照信号发生电路。只需改写存储器的数据，便可对应检测信号的频率变化。
文档编号G01N21/47GK1545618SQ0281414
公开日2004年11月10日申请日期2002年7月19日优先权日2001年7月19日
发明者川口常昭, 古薗荣治, 加贺干广, 小野塚智, 广, 智, 治申请人:株式会社日立医药

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生物体光检测装置的制作方法