CN104582588A - 生物体光测量装置及使用生物体光测量装置的生物体光测量方法 - Google Patents

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Abstract

为了根据近红外分光法来分离生物体组织的表层以及深层中的光吸收变化,在使用了具有多个照射-检测器间距离(SD距离)的探针的生物体光测量装置中,通过调整送光或接收的光的衰减量,在各被检者/各部位稳定受光灵敏度。具有:光源;检测器,其检测从光源向被检体上的照射点照射,并在被检体内传播的光;光衰减量调整单元,其被设置在光源~被检者或光检测器~被检者之间的光路上;解析部,其对信号进行解析;以及显示部,其显示解析结果,以使被定义为照射点与检测点之间的距离的SD距离成为2种以上的方式分别配置光源或检测器,解析部对测量信号进行解析,并算出用于使各受光量在预定的范围内的光衰减调整量,光衰减量调整单元可以根据解析结果通过使向检测器入射的光量发生变化,对光的衰减量分别进行调整。

Description

生物体光测量装置及使用生物体光测量装置的生物体光测量方法
技术领域
本发明涉及一种使用可见光或近红外光的生物体光测量装置。
背景技术
在通过使用了包括光拓扑造影法的、近红外分光法(Near-infraredspectroscopy:NIRS)的无侵袭光脑功能成像得到的光检测信号以及生物体信号(以下,称为NIRS信号)中,为了从头皮上开始照射光,存在有可能受到头皮中的皮肤血流变动的影响的报告。考虑这样的皮肤血流的影响,正在研究提取/去除这些成分的方法。这些中的多数通过多个照射-检测器(送光器-受光器)间距离(以下,称为SD(Source-Detector)距离)方式来取得来自深度不同的部位的信号成分,并使用这些来去除认为对较浅层部分的测量数据产生影响的皮肤血流信号。以下,将在多个SD距离中进行测量的方式称为多SD方式。
作为利用多SD方式的皮肤血流去除方法,以往,在专利文献1中公开了如下的方法,即:为了去除皮肤血流等信号,依存于被检者以及测量部位,从较长SD距离中的测量信号减去对较短SD距离中的测量信号乘上适当的系数(scaling factor)而得的信号。但是,该方法以可使用多SD测量数据为前提,当不能在各SD距离中取得适当的信号时,例如在光量较大而引起检测器的饱和时很难应用。
此外,在专利文献2中公开了如下的方法,即:使具有可被测量对象吸收的波长的光的强度按时间变化的同时,从光照射部向被检体内照射该光,将透过被检体的光通过沿着扫描方向排列的多个检测元件来进行检测。该方法适用于一维方向的测量,但很难应用于在脑功能测量等中使用的二维成像中。
并且,在专利文献3中公开了如下的方法,即:为了分离、去除NIRS信号中包含的皮肤血流的影响,提取来自脑或大脑皮质的信号,以实现基于多个SD距离的测量,并且各受光器接收的光在灰白质内传播的方式配置送光器以及受光器,使用各测量点的数据来实施独立成分分析(Independent componentanalysis、ICA),使用各分离成分的权重值的SD距离依存性,由此判定每个独立成分是来自脑还是来自皮肤。在该方法中,也存在以可使用多SD测量数据为前提,取得稳定的信号的课题。
如非专利文献3所记载那样,在多SD方式中具有:在不同的多个SD距离的测量中,共通使用某送光器或受光器时,通过时间分割调整受光灵敏度的方法以及通过时间分割使光源的功率发生变化的方法,但在多SD方式中高密度地配置探针,因此在通过时间分割进行测量时,存在时间分解率低下的问题。并且,在通过时间分割进行测量时,例如同时进行SD距离为5mm和30mm的测量时,如图3所示具有4位数以上的检测光量的差异,在基于电磁作用的控制中,需要高精度且多级的放大电路等,从而引起生产成本增大。
并且,进行多SD测量时,具有多个SD距离的种类,并且将各SD距离的测量点在空间上均等配置,从而使各测量点处的灵敏度为一样的设计具有高效性。在将测量对象图像化为二维或三维的解析中,使测量点分布成一样变得重要,需要用于实现这样的测量的送光器以及受光器的适当的配置。
光透过率根据SD距离、被检者(年龄、性别)、测量部位等各种条件而不同。尤其,在人的前额部中,由于副鼻腔(或前头洞)的个人差的影响,平均光路长度以及透过率的变化较大(参照专利文献4)。在基于多SD方式的光脑功能测量中,需要根据测量时的各条件来调整光量或通过光学滤光器或光衰减器插入等来应对。在不使用光学滤光器时,有可能无法对检测器的动态范围以上的来自多个光源的检测光量差,设定检测器的适当的增益。当使用光学滤光器时,需要在探针侧或装置本体侧暂时拔出光纤,从而存在费时间的问题。并且,一个检测器同时接收来自位于多个SD距离的位置的光源的光时,为了稳定地检测出光量不同的多个信号,需要使用动态范围较广的检测器,或根据SD距离或检测光量将光学滤光器插入到光源侧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2010-240298号公报
专利文献2:日本特开2006-200943号公报
专利文献3:PCT公报WO/2012/005303
专利文献4:PCT公报WO/2010/150751
非专利文献
非专利文献1:A.Maki et al.,“Spatial and temporal analysis of human mot oractivity using noninvasive NIR topography”,Medical Physics,Vol.22,No.12,pp.1997-2005(1995)
非专利文献2:T.Funane et al.、使用多距离探针以及独立成分分析的光脑机能测量中的皮肤血流影响的分离方法(マルチディスタンスプローブ及び独立成分分析を用いた光脳機能計測における皮膚血流影響の分離方法)(Discrimination of Skin Blood Flow Using Multi-Distance Probe andIndependent Component Analysis in Optical Brain Function Monitoring)、电学会研究会资料(電気学会研究会資料)(The papers of Technical Meeting on Opticaland Quantum Devices,IEE Japan)、OQD-11-033,pp.17-22(2011)
非专利文献3:I.Oda et al.,“Near Infrared Imager with a Flexible Source-Detector Arrangement and a New Detection Gain Control”,Optical Review10(5),pp.422-426(2003).
发明内容
发明要解决的课题
但是,将光学滤光器用于送光器或检测器中时,该送光器或检测器在用于光衰减的较长SD距离中信噪比(S/N)较小,因而测量变得困难,存在仅可以在较短SD距离的测量中使用的问题。此外,当使用安装有光学滤光器的探针(送光器或受光器)来进行较长SD距离的测量时,需要使光检测器的灵敏度随时间流逝而发生变化(参照非专利文献3),或使光量随时间流逝而发生变化。
本发明的目的是为了根据近红外分光技术(Near-infrared spectroscopy:NIRS)来分离生物体组织的表层以及深层中的光吸收变化,在使用具有多个照射-检测器间距离的多距离探针的生物体光测量装置中,通过调整送光或接收的光的衰减量,在各被检者/各部位稳定受光灵敏度。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题,本发明的生物体光测量装置具有光衰减量调整单元,通过调整送光或接收的光的衰减量,来稳定受光灵敏度。
作为本发明的生物体光测量装置的一例,具有:一个或多个光照射单元,其向被检体照射光;一个或多个光检测单元,其在所述被检体上的检测点检测从所述光照射单元向所述被检体上的照射点进行照射,并从所述被检体内传播来的光;光衰减量调整单元,其被设置在所述光照射单元所包含的光源元件与所述被检体之间,或所述光检测单元所包含的受光元件与所述被检体之间的光传播路径上;解析部,其对由所述光检测单元得到的信号进行分析;以及显示部,其显示所述解析部中的解析结果,以使所述被检体上的、被定义为所述照射点与所述检测点之间的距离的SD距离至少成为2种以上的方式将所述光照射单元和所述光检测单元分别配置在所述被检体上,所述解析部分别对至少1个所述光检测单元检测出的、来自位于2种以上的SD距离的位置上的所述光照射单元的光的信号进行解析,并算出用于使各受光量在预定的范围内的光衰减调整量,所述光衰减量调整单元可以通过使向所述光检测单元入射的光量发生变化,来分别调整所述光检测单元检测出的、来自位于2种以上的SD距离的位置上的所述光照射单元的光衰减量。
使用本发明的生物体光测量装置的生物体测量方法包括如下的步骤:在SD距离不到10mm、优选8mm以下的至少1个测量点以及SD距离在10mm以上、优选12mm以上的2个以上的测量点中,测量在被检体内传播的光的步骤;在绘制SD距离和通过信号分离方法得到的各成分的权重值的图中,使用SD距离为10mm以上的2个以上的测量点的权重值来求出一次函数直线,并求出与权重零对应的SD距离的步骤;使用SD距离不到10mm的测量点的权重值来求出与轴平行的直线的步骤和求出同所述轴平行的直线与所述一次函数直线的交点的SD距离作为灰白质到达最小SD距离的步骤;以及根据与所述权重零对应的SD距离和所述灰白质到达最小SD距离算出脑贡献率的步骤。
发明效果
根据本发明,在考虑被检者个人间或测量部位间的透过率的不同的基础上,通过调整送光或接收的光的衰减量,可以实现受光信号的稳定化。此外,可以自动地或装置的操作员容易手动地调整各送光器以及受光器的波导中的光衰减量,从而可以实现降低时间、人力成本的高效的信号取得。
附图说明
图1是表示本发明的生物体光测量装置的装置结构的一例的图。
图2是表示多SD方式的测量截面图的例子的图。
图3是表示典型的头部模型中的SD距离与光子透过率的关系的图。
图4是表示包括被检者以及光衰减量调整量显示的本发明的实施方式的图。
图5是表示包括被检者以及光衰减量调整量显示的本发明的其他实施方式的图。
图6是表示光衰减量调整单元与周围的部件的关系的图。
图7是表示光衰减量调整单元与显示部的具体例的图。
图8是表示由具有多个插入口的中间连接器构成的光衰减量调整单元的图。
图9是表示由可阶段性地插入的中间连接器构成的光衰减量调整单元的图。
图10是表示根据孔尺寸调整光衰减量的光衰减量调整单元的图。
图11是表示通过介质调整光衰减量的光衰减量调整单元的图。
图12是表示用于显示检测光量或控制量的流程的图。
图13是表示SD距离与平均光路长度的关系的图。
图14是表示从3个种类的SD距离中的测量数据推定灰白质到达最小SD距离的方法的图。
图15是表示使用从3个种类的SD距离中的测量数据推定的灰白质到达最小SD距离,来算出NIRS信号的脑贡献率的流程的图。
图16是表示以2×11配置为基础,测量SD距离为5、15、30mm的测量点时的(a)探针配置、(b)测量点配置的图。
图17是表示以2×11配置为基础,测量SD距离为15、30mm的测量点时的(a)探针配置、(b)测量点配置的图。
图18是表示以2×8配置为基础,将SD距离为15、30mm的测量点分别设为31点、22点来进行测量时的(a)探针配置、(b)测量点配置的图。
图19是表示以2×8配置为基础,将SD距离为15、30mm的测量点分别设为24点、22点进行测量时的(a)探针配置、(b)测量点配置的图。
图20是表示以2×8配置为基础,将SD距离为15、16.8mm、30mm的测量点分别设为12点、8点、22个点进行测量时的(a)探针配置、(b)测量点配置的图。
图21是表示将SD距离为15mm、30mm的测量点分别设为24、12个点进行测量时的(a)探针配置、(b)测量点配置的图。
图22是表示将SD距离为15mm、30mm的测量点分别设为20、16个点进行测量时的(a)探针配置、(b)测量点配置的图。
图23是表示以3×5配置为基础,测量SD距离为5、15、30mm时的(a)探针配置、(b)测量点配置的图。
图24是表示以4×4配置为基础,测量SD距离为5、15、30mm时的(a)探针配置、(b)测量点配置的图。
图25是表示测量SD距离为15、30mm时的(a)探针配置、(b)SD距离为30mm的测量点配置、(c)SD距离为15mm的测量点配置的图(配置A)。
图26是表示测量SD距离为15、30mm时的(a)探针配置、(b)SD距离为30mm的测量点配置、(c)SD距离为15mm的测量点配置的图(配置B)。
图27是表示测量SD距离为15、30mm时的(a)探针配置、(b)SD距离为30mm的测量点配置、(c)SD距离为15mm的测量点配置的图(配置C)。
图28是表示测量SD距离为7.5、15、30mm时的(a)探针配置、(b)各测量单位中的各SD距离的测量点个数的表的图。
图29是表示各测量点以及SD距离中的检测光量结果的图。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明。
实施例1
图1表示本发明的生物体光测量装置的装置结构的一例。在检测光入射到生物体,并在生物体内被散射/吸收而传播出来的光的生物体光测量装置中,使从装置本体20所包含的一个或多个光源101照射的光30经由波导40向被检者10入射。光30从照射点12向被检者10内入射,在被检者10内透过、传播后,从位于与照射点12分离的位置即检测点13经由波导40被一个或多个光检测器102检测。如上所述,通过照射点12与检测点13之间的距离来定义SD距离。
在此,一个或多个光源101是半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)等,一个或多个光检测器是雪崩光电二极管(APD)或光电二极管(PD)、光电倍增管(PMT)等。此外,波导40是光纤、玻璃、光导等。
通过光源驱动部103驱动光源101,通过控制/解析部106控制一个或多个光检测器102的增益。控制/解析部106还进行光源驱动部103的控制,接收来自输入部107的条件等的输入。
通过光检测器102进行了光电变换的电信号通过放大器104放大,通过模拟-数字变换器105进行模拟-数字变换后,被发送给控制/解析部106进行处理。
在控制/解析部106中,根据由光检测器102检测出的信号来执行解析。具体而言,输入通过模拟-数字变换器105进行变换而得到的数字信号,以该数字信号为基础,例如根据非专利文献1所记载的方法,根据检测光量变化或吸光度变化来算出氧化、脱氧血红蛋白浓度长度变化(oxy-Hb、deoxy-Hb)。在此,浓度长度变化是浓度与光路长度的积的变化量。
在此,假定控制/解析部106进行所有光源101的驱动、光检测器102的增益控制、来自模拟-数字变换器105的信号处理而进行了叙述,但通过具有个别的控制部,并且具有将它们统合的单元,也能够实现相同的功能。
此外,将测量数据以及血红蛋白浓度长度变化计算结果保存在存储部108中,可以根据解析结果和/或保存数据,通过显示部109来显示测量结果。
虽然在图1中没有记载图2所示的送光器50、受光器60,但送光器50例如包含光源101侧的波导40,在与被检者10接触或接近于接触的状态下被设置,受光器60例如包括光检测器102侧的波导40,在与被检者10接触或接近于接触的状态下被设置。
图2说明在生物体组织内传播通过本发明的生物体光测量装置照射的光的状况。将1个送光器50、2个受光器60配置在头皮上的例子。SD距离有15mm、30mm两个种类。根据SD距离的不同,照射光的到达深度(penetrationdepth)不同。也就是说,平均有效光路在SD距离为15mm处较浅,在SD距离为30mm处较深。通过使用这样配置的探针(以下,将送光器50、受光器60合起来称为探针,并且,尤其将具有多个SD距离的探针称为多距离探针或多SD探针),可以从深层信号中去除表层信号的影响。
图3是表示典型的头部模型中的SD距离与光子透过率的关系的图。如图3所示,光子透过率根据SD距离以指数函数的方式变化。当进行生物体测量时,光检测器102不饱和,且需要成为可以通过充分的信噪比检测出的光量。并且,根据被测量的被检者、测量部位,组织结构不同,因此光的透过率发生变化。为了成为可用于大多数被检者以及部位的装置,本发明的生物体光测量装置具有图1所示的光衰减量调整单元14,对光衰减量进行调整,以使由多个所述光检测器102检测出的光量在预定的范围内。
图4表示包括被检者以及光衰减量调整量显示的本发明的实施方式。有时在外部壳体中包括光源(半导体激光器)、光检测器(光电二极管)。光源以及检测器内置电路202内的光源101发出的光30通过光纤403后,通过固定在探针支架503上的送光器50向被检者10照射。在被检者10内传播的光30从固定在探针支架503上的受光器60通过光纤403后,被光源以及检测器内置电路202内的光检测器102接收。将受光信号(检测光量)作为电信号201发送给装置本体20,并在未图示的控制/解析部106中判定检测光量是否在预定的范围内,通过显示部109显示光衰减量的调整量203(例如,+1、-1、+2、0等相对值)。+1等例如表示10的一次方,+2表示10的二次方,在光衰减量调整单元14中,自动或手动地仅操作这些调整量,从而可调整光衰减量。当自动地调整光衰减量时,从装置本体20经由电信号201向光衰减量调整单元14发送控制信号。当手动地调整光衰减量时,操作员一边观察显示部109,一边手动地操作光衰减量调整单元14。通过该结构,不必重新装卸探针支架503,能够高速地调整光衰减量。并且,还具有减轻操作员以及被检者的负担的效果。在此,对相对值的显示进行了说明,但也可以是绝对值的显示。并且,也可以通过显示部109进行显示,以便可以根据部位,自动或手动地设定典型的光衰减量设定值或该被检者的过去的设定值等的预定设定值。如上所述,通过使用光衰减量调整单元,可以容易地调整仅用探针的重新装卸很难实现的较大的光衰减,从而有降低测量时间、成本的效果。
图5表示包括被检者以及光衰减量调整量显示的本发明的其他实施方式,是外部壳体具有光纤的中间连接器的情形。在图4中,在光源以及检测器内置电路202内进行光的生成、检测光的光电变换,但在图5的结构中,以夹在装置本体侧以及探针支架侧的光纤403中的方式将光衰减量调整单元14配置在一方或双方的光纤403的结合部。也可以将光衰减量调整单元14配置在送光光纤、受光光纤的某个上。光衰减量调整单元14根据光散射、吸收、反射等光学作用,来调整在光纤403内传播的光量。其他结构与图4相同。通过该结构,可以将光衰减量调整单元14作为独立的模块附加既存装置的光纤中。
接着,使用图6对与图4对应的光衰减量调整单元14进行说明。在图6中示出了光衰减量调整部与周围的部件之间的关系。在壳体204内,将光衰减量调整单元14设置在配置于相同壳体204内的半导体激光器206或光电二极管207等光学元件与光纤403之间,对与连接在各元件的光纤403之间的连接损失进行个别调整。在此,作为电磁单元具备可自动或手动地进行调整的压电促动器(Piezo Actuator)或压电元件,使光纤403之间的端面位置关系微小地变化。这样,通过在与装置本体20不同的外部的壳体204上集成光学元件以及光衰减量调整单元14,可以在更接近被检者10的位置,在探针安装的同时进行受光灵敏度调整,具有能够提高测量效率的效果。另外,在此对电磁单元进行了说明,但也可以是使用电动机、齿轮或齿条齿轮机构、液压、空气压等的机械式单元。此外,也可以是自动、手动的任意单元。
图7表示光衰减量调整单元(手动调整旋钮)和显示部(发光二极管的颜色显示)的具体例。是对图6的结构的进一步具体化,光衰减量调整单元14具有手动调整旋钮205,并且,作为显示部109,通过基于颜色的显示208表示调整量。另外,在基于颜色的显示208中,可以显示黑白或预定的颜色的深浅、表示旋钮的方向的箭头的长度等。通过在包含操作员操作的手动调整旋钮205的相同壳体204中具有显示部109,本结构的生物体光测量装置的操作方法被简单化,具有防止操作员操作时的错误的效果。并且,可以向操作员尽快地通知操作结果,因此具有提高测量效率的效果。
在图8中,作为光衰减量调整单元的一例,示出了具有多个插入口的光纤连接用的中间连接器的结构。为了以光学方式结合2条光纤403而使用中间连接器209,分别使每2个光纤插入口(衰减量较小)210、光纤插入口(衰减量为中等程度)211、光纤插入口(衰减量较大)212相对配置,通过在两侧插入1条光纤403,使光纤端面间的距离以及位置关系发生变化,从而可以调整该光纤403中的光衰减量。通过该结构,可手动地容易调整光衰减量。通过增加中间连接器的各插入口的种类,可在更广的范围调整光衰减量。
在图9中作为光衰减量调整单元的其他一例,示出了可阶段性地插入的中间连接器的结构。中间连接器209具有插入深度调整部213,可以几个阶段调整光纤403之间的端面间距离。在此,代替阶段性地插入光纤403,也可以采用设置螺钉状结构在旋转的同时连续性地对端面间距离进行调整的方法。根据该结构,可通过更小型的装置进行光衰减量的调整。
在图10中作为光衰减量调整单元的其他一例,示出了通过孔尺寸调整光衰减量的机构。图10的中间连接器209具有插入口214,通过插入口214插入具有波导孔(衰减量较大)216、波导孔(衰减量为中等程度)217、波导孔(衰减量较小)218的介质或金属部件,通过在光纤403上传播的光的波导上配置孔径不同的波导孔来控制光衰减量。也可以自动或手动地进行该操作。
在图11中作为光衰减量调整单元的其他一例,示出了通过介质调整光衰减量的结构。代替图10中的具有孔的介质,向图11的中间连接器209插入吸收或散射介质215。准备多个吸收或散射介质215,使用相当于要实现的光衰减量的介质。也可以自动或手动地进行该操作。在此,作为介质,可以向环氧树脂混合燃料等吸收物质以及氧化钛等散射物质,也可以是光学特性根据相同部件内的预定的面上的位置平滑地变化的、有各物质浓度的梯度的介质。通过调整吸收物质以及散射物质的浓度,可调整光衰减量。并且,代替在此的介质,也可以在光路上设置可进行电磁调整,使光的透过率发生变化的液晶画面或由电致变色发光材料构成的调光玻璃以及调光薄膜,通过切换各像素的接通/断开来生成适当大小以及形状的图案,来调整光透过度。并且,与温度控制单元一起使用可通过热或温度来控制透过率的热致变色材料。
根据这些图10、11的结构,可在较广的范围实现任意的光衰减量,可以得到不依赖于被检者、测量部位的稳定的受光灵敏度。
在图12中示出了用于显示检测光量或调整量的流程图。参照图12的流程图,对按照实施例1的调整量显示顺序进行说明。首先,将探针安装在被检者10上(步骤S101)。接着,照射激光,测量检测光量(步骤S102)。判定检测光量是否在预定的光量(例如,A/D变换后0.1-2V)的范围内(步骤S103)。当判定为检测光量在0.1-2V的范围内时(是),检测光量为适当,因此在显示部上显示“正常”(步骤S104)。当在步骤S103中,检测光量不到0.1V或大于2V时(否),检测光量不适当,因此进一步判定是否大于阈值(例如,2V)(步骤S105)。当判定为检测光量大于2V时(是),需要使检测光量变小,因此为了表示这些而显示“大”(步骤S106)。当判定为检测光量在2V以下时(否),与步骤S103的判定一起,检测光量不到0.1V,因此需要使检测光量变大,因此为了表示这些而显示“小”(步骤S107)。在这些显示中,可以通过不同的颜色来显示步骤S103以及S105的判定结果。并且,也可以通过阶段性的数值(例如,+1、+3、-2等)以及不同颜色来显示多大或多小。并且,也可以将这些显示为基于光衰减量调整单元的调整量。
根据本实施例,根据近红外光谱技术(Near-infrared spectroscopy:NIRS),为了分离生物体组织的表层以及深层中的光吸收变化,在使用具有多个照射-检测器间距离的多距离探针的生物体光测量装置中,通过调整送光或受光的光的衰减量,可以使受光灵敏度在各被检者/各部位中稳定。尤其在对1个光源使用2个光检测器的测量,或对1个光检测器使用2个光源的测量,或如两者共存的测量的情况下的多个SD距离的测量点共存时,可以防止各测量点之间的干扰来使受光灵敏度稳定。这样,使用共通的光源或光检测器,使用SD距离不同的多个测量点来进行测量时,在共通使用的光源的电力调整或光检测器的增益调整中,很难与在多SD测量中产生的较大信号振幅比对应,但在本实施例中,可自动或操作员手动地调整各光源以及各光检测器的波导中的光衰减量,从而可以实现高效的信号取得。
实施例2
接着,对在控制/解析部106中进行的、使用多SD测量数据的脑贡献率的计算方法进行说明。在专利文献3中记载了利用信号振幅或由信号分离方法得到的成分的权重的SD距离依存性的、来自脑以及皮肤的信号的分离方法。在图13中分别示出了通过蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟求出的(a)SD距离、头皮以及灰白质的部分平均光路长度,(b)SD距离、头骨、脑脊髓液层(CSF)的部分平均光路长度以及总光路长度的关系。横轴表示SD距离(mm),纵轴表示光路长度(mm)。在NIRS测量中,SD距离对照射光的到达深度产生影响,因此可以通过改变SD距离,来改变成为对象的生物体组织深度。在多SD测量中,在各SD距离中能够以不同的权重得到浅部以及深部信号,因此在多个点取得数据,由此通过信号分离方法可算出来自各层的信号的贡献。具体而言,在头皮的部分光路长度中可观察到较强的SD距离依存性,但在灰白质中可观察到线性的SD距离依存性。该方法根据NIRS信号强度与产生血流变化的部位的部分光路长度成比例(例如,参照非专利文献1)的原理,预想当SD距离变大时,NIRS测量信号中的来自脑的成分变大,但来自皮肤的成分不发生变化。
图14几何性地示出了根据3个种类的SD距离中的测量数据推定灰白质到达最小SD距离的方法。在该分离方法的应用中需要多SD测量数据,在这样的测量中,也可以通过在实施例1中说明的光衰减量调整单元得到稳定的信号。在进行使用测量数据的解析时,对在SD距离为8mm以下的测量点1点、SD距离为12mm以上的测量点2点中测量到的NIRS数据应用独立成分分析,对SD距离绘图得到的独立成分的权重601。此时,可以不使用信号分离方法,而对预定的认知课题执行中的NIRS信号的振幅等、代表性的振幅进行绘图。假定图13(a)所示的平均有效光路长度的模型,并假定在近似于SD距离约为8mm以下皮肤的平均有效光路长度为恒定值,在SD距离约10mm以下灰白质的平均有效光路长度以一次函数变化。并且,假定各分离成分受灰白质(脑)和皮肤(头皮)中的血流变化双方的影响(混合成分)时,将得到的信号的振幅通过以各层的浓度变化对两层的光路长度进行加权后的重合来显示,因此可以期待从SD距离约8mm至约10mm为一定值,约10mm(灰白质到达最小SD距离603)以后则线性增加。在以下说明利用这样的针对混合成分的SD距离依存性的定性的特征,根据测量数据来推定灰白质到达最小SD距离603的方法。
首先,在图14中,对于SD距离为8mm以下的测量点引出斜率为0的直线(与x轴平行的直线,L2)607,对SD距离为12mm以上的测量点应用一次函数直线(L1),这些2个直线的交点的x坐标为Xsgray(灰白质到达最小SD距离603)。在x轴上通过该灰白质到达最小SD距离603,且斜率与所述一次函数直线606相同的直线是与灰白质平均有效光路长度成比例的直线604,可以根据所述一次函数直线606与直线604的振幅比,算出各SD距离中的脑贡献率。此时,使用的SD距离是1点在8mm以下、2点在12mm以上,但从1点不到10mm,2点在10mm以上中进行选择也可以进行大致相同的解析。但是,当为标准的人时灰白质到达最小SD距离603在10mm前后,因此更通俗地讲,需要从光没有到达灰白质的SD距离中选择1点,从光到达灰白质的SD距离中选择2点。在此设定的不使用SD距离带605在图13(a)中灰白质的平均有效光路长度接近于0mm,皮肤的平均有效光路长度的变化较小,例如设定8~12mm,但成为与脑贡献率计算时的精度相关的重要的参数,因此为了决定更准确的幅度,利用各被检者的MRI构造数据,或X线CT(计算机断层摄影,Computed tomography)数据等变为重要。
根据在此叙述的结构,在以往的方法中需要假定灰白质到达最小SD距离603,但可以根据实测推定每个被检者、每个部位,可以期待更高精度的脑贡献率计算。另外,在此作为信号分离方法,对使用独立成分分析的方法进行了说明,但也可以是主成分分析、因子分析等方法。此外,即使不使用信号分离方法,也可以使用检测光量或血红蛋白变化的代表幅度的方法。
在图15中示出了使用根据3个种类的SD距离中的测量数据推定的灰白质到达最小SD距离Xsgray,来算出NIRS信号的脑贡献率的流程的图。使用SD12mm程度以上的权重值来计算直线(L1),并将x切片设成Xs(步骤S201)。接着,使用SD8mm程度以下的权重值来计算与x轴平行的直线(L2)(步骤S202)。接着,将L1、L2的交点的x坐标设成Xsgray(步骤S203)。最后,根据Xs和Xsgray算出该部分的脑贡献率(步骤S204)。当计算脑贡献率(r)时,例如像非专利文献2记载那样,使用式
r=(x-Xsgray)/(x-Xs)
。这是通过式来表示所述一次函数直线606与直线604的振幅比。
以下,使用图来说明可以有效地应用本发明的光衰减量调整单元14的、用于实现多SD测量的具体的探针配置的例子。另外,探针配置并不局限于在此所示的配置,只要是在多个SD距离可进行测量即可,可以根据用户的目的来考虑所有的探针配置。
在图16中示出了以2×11配置为基础,测量SD距离5、15、30mm时的(a)探针配置、(b)测量点配置。
在图17中示出了以2×11配置为基础,测量SD距离15、30mm时的(a)探针配置、(b)测量点配置。
在图18、图19、图20中示出了以2×8配置为基础,测量SD距离15、30mm时的(a)探针配置、(b)测量点配置。是尽量使各SD距离的测量点在空间上均匀分布的配置。
在图21中示出了将SD距离为30mm的光源、检测器成对配置在菱形的顶点上(或相对水平线倾斜45度的正方形的顶点上),并且以在横一列上相同形状的菱形相接的方式并排配置探针,分别将SD距离为15mm、30mm的测量点设为24个、12个点进行测量时的(a)探针配置、(b)测量点配置。与图16~图20的配置相比,图21的配置的测量区域变小,但在SD距离为30mm的各测量点上具有2个SD距离为15mm的测量点,并且该测量点之间的距离都接近于7.5mm。因此,适用于小范围的测量。
在图22中示出了将SD距离30mm的光源、检测器成对配置在菱形的顶点上(或相对水平线倾斜45度的正方形的顶点上),并且以在横一列上相同形状的菱形相接的方式并排配置探针,分别将SD距离为15mm、30mm的测量点设为20个、16个点进行测量时的(a)探针配置、(b)测量点配置。
在图23中示出了以3×5配置为基础,测量SD距离为5、15、30mm时的(a)探针配置、(b)测量点配置。
在图24中示出了以4×4配置为基础,测量SD距离5、15、30mm时的(a)探针配置、(b)测量点配置。
在图16~图24中,在通过每个送光器-受光器测量的区域中,配置送光用探针501、受光用探针502以及送光用探针与受光用探针的一体型探针504,以便尽量均等地配置SD距离为30mm的测量点507、SD距离为15mm的测量点508以及SD距离为5mm的测量点509。在每个测量部位中,将具有预定范围的区域定义为测量单位,同时使用测量单位内的各SD距离的数据来进行解析,因此在测量单位内,在尽量近的位置上配置各SD距离的测量点为较佳。此时,将某SD距离(例如,30mm)决定为优先SD距离,以从与该SD距离对应的、通过送光器50、受光器60测量的区域或代表位置(例如,送光器50和受光器60的、被检体10表面的中心位置,将其称为优先测量点)开始的距离在预定范围内(例如,20mm以内)配置其它SD距离的测量点(称为从属测量点)的方式决定送光用探针501、受光用探针502的配置。这里的预定范围希望在测量相同范围的测量点进行解析,因此希望尽量较小(即,优先测量点与从属测量点的距离较小)。但是,由于装置的探针数量的制约等,还要考虑不得不分离配置的情况,此时,设定成40mm以内等。在图16~图24中,不同的SD距离的测量点之间的距离的最大值分别为33.5mm、30.1mm、17mm、16.8mm、15mm、7.5mm、19mm、15.81mm、15.81mm。此外,在图16中,SD距离为5mm、15mm、30mm中的测量点数分别为5、12、31个点,在图23中分别为8、54、22个点,在图24中为8、60、24个点。在图17中,SD距离为15mm、30mm中的测量点数分别为16、31个点,在图18中分别为31、22个点,在图19中分别为24、22个点,在图21中分别为24、12个点,在图22中分别为20、16个点,在图23中分别为8、54、22点,在图24中分别为8、60、24个点。在图20中,15mm、30mm中的测量点数和SD距离为16.8mm的测量点510的数分别为12、22、8个点。
另外,在SD距离仅为15mm、30mm的探针配置的情况下,例如可以追加1个检测器,来成为追加1点5mm的测量点的结构。该SD距离为5mm的测量点可以在来自脑、皮肤的信号分离后,应用于分离性能的评价中。此外,假定皮肤血流在成为对象的测量范围内相同时,利用SD距离为5mm的测量点作为参照信号,可以应用于用于分离皮肤血流成分的解析中。
在输入部107中输入光照射单元与光检测单元的位置关系,解析部106根据输入的光照射单元与光检测单元的位置关系来算出优先测量点与从属测量点的组合。然后,显示部109将相同测量单位内的优先测量点与从属测量点的组合作为表等来显示,并且,将由一个或多个优先测量点和一个或多个从属测量点构成的测量单位设为数据集,显示各数据集中的解析结果。由此,有利于测量单位的范围的妥当性判断或优先测量点与从属测量点之间的距离的妥当性的判断,并且可以从深部信号的贡献率计算中取得被检者10的结构特征。
以下,表示以减小SD距离15、30mm的测量点之间的距离为目的的各种探针配置的例子。
在图25中示出了测量SD距离为15、30mm时的(a)探针配置、(b)SD距离为30mm的测量点配置、(c)SD距离为15mm的测量点配置(配置A)。
在图26中示出了测量SD距离为15、30mm时的(a)探针配置、(b)SD距离为30mm的测量点配置、(c)SD距离为15mm的测量点配置的图(配置B)。
在图27中示出了测量SD距离为15、30mm时的(a)探针配置、(b)SD距离为30mm的测量点配置、(c)SD距离为15mm的测量点配置(配置C)。
在图28中示出了测量SD距离为7.5、15、30mm时的(a)探针配置、(b)各测量单位中的各SD距离的测量点个数的表。
另外,在图25~图28中,符号501表示送光用探针,符号502表示受光用探针,符号505表示送光用探针(衰减:大),符号506表示受光用探针(衰减:大)。此外,符号507表示SD距离为30mm的测量点,符号508表示SD距离为15mm的测量点。
在图25~图28中,不同的SD距离的测量点之间的距离的最大值分别为7.5mm、5mm、15mm、11mm。尤其在图28中,在各测量单位(ch)中,成为最低包含1个7.5、15、30mm的各SD的测量点的配置。对于脑贡献率计算等的目的有用。从图16至图28所示的探针配置,需要根据系统具有的探针数量、成为对象的生物体区域、应用的解析方法来进行适当的选择。例如,进行光脑功能测量时,如果脑血流以及皮肤血流的影响较广,则即使不同的SD距离的测量点之间的距离的最大值较大也可以,如果脑血流以及皮肤血流的变化具有局部性,则希望不同的SD距离的测量点之间的距离的最大值小于活动区域所期待的大小。
在图29中作为显示的例子,示出了各测量点以及SD距离中的检测光量结果。在上侧示出了SD距离为30mm的测量点中的自动增益设定结果139,在下侧示出了SD距离为15mm的测量点中的自动增益设定结果140。显示方法如图例135所示。使用了将测量位置的小区涂黑而显示的表示检测光量较强的显示136、将测量位置的小区涂成灰色且设成中间用圆(○)显示的表示检测光量适当的显示137、将测量位置的小区涂白而显示的表示检测光量较弱的显示138。检测光量的结果,由于较大依存于探针的安装状态,因此在部分测量点检测光量变小时,可以通过使用光衰减量调整单元14来进行改善。此时,在变更光衰减量后,按下增益调整的再试行按键134,可以重新对检测器增益进行调整。
产业上的可利用性
根据本发明,作为医疗用以及研究用机器,或教育效果/康复效果的确认、家庭中的健康管理、商品监视器等市场调查,并且,通过同样的方法可应用于组织氧饱和度测量或肌肉的氧代谢测量中的生物体测量装置中,可利用于在各被检者/各部位中稳定受光灵敏度。尤其,为了分离表层以及深层成分等,在使用具有多个照射-检测器之间距离(SD距离)的探针的装置中,可以作为提高测量精度的技术来使用。
符号说明
10:被检者
12:照射点
13:检测点
14:光衰减量调整单元
20:装置本体
30:光
40:波导
50:送光器
60:受光器
101:光源
102:光检测器
103:光源驱动部
104:放大器
105:模拟-数字变换器
106:控制/解析部
107:输入部
108:存储部
109:显示部
113:确定键
114:取消键
134:增益调整的再试行按键
135:图例
136:表示检测光量强的显示
137:表示检测光量适当的显示
138:表示检测光量弱的显示
139:SD距离为30mm的测量点处的自动增益设定结果
140:SD距离为15mm的测量点处的自动增益设定结果
201:电信号
202:光源以及检测器内置电路
203:调整量
204:壳体
205:手动调整旋钮
206:半导体激光器(Laser Diode,LD)
207:光电二极管(Photodiode,PD)
208:基于颜色的表示
209:中间连接器
210:光纤插入口(衰减量小)
211:光纤插入口(衰减量为中等程度)
212:光纤插入口(衰减量大)
213:插入深度调整部
214:插入口
215:吸收或散射介质
216:波导孔(衰减量大)
217:波导孔(衰减量为中等程度)
218:波导孔(衰减量小)
403:光纤
501:送光用探针
502:受光用探针
503:探针支架
504:送光用探针与受光用探针的一体型探针
505:送光用探针(衰减:大)
506:受光用探针(衰减:大)
507:SD距离为30mm的测量点
508:SD距离为15mm的测量点
509:SD距离为5mm的测量点
510:SD距离为16.8mm的测量点
601:实测的成分权重
602:根据实测数据算出的权重直线的X切片
603:灰白质到达最小SD距离
604:灰白质平均有效光路长度
605:不使用SD距离带
606:适于SD距离12mm以上的测量点中的权重的一次函数直线
607:斜率为0的直线

Claims (15)

1.一种生物体光测量装置,其特征在于,具有:
一个或多个光照射单元,其向被检体照射光;
一个或多个光检测单元,其在所述被检体上的检测点检测从所述光照射单元向所述被检体上的照射点进行照射并从所述被检体内传播来的光;
光衰减量调整单元,其被设置在所述光照射单元所包含的光源元件与所述被检体之间或所述光检测单元所包含的受光元件与所述被检体之间的光传播路径上;
解析部,其对由所述光检测单元得到的信号进行解析;以及
显示部,其显示所述解析部中的解析结果,
以使所述被检体上的、被定义为所述照射点与所述检测点之间的距离的SD距离成为2种以上的方式,将所述光照射单元和所述光检测单元分别配置在所述被检体上,
所述解析部分别对至少1个所述光检测单元检测出的、来自位于2种以上的SD距离的位置上的所述光照射单元的光的信号进行解析,并算出用于使各受光量在预定的范围内的光衰减调整量,
所述光衰减量调整单元能够通过使向所述光检测单元入射的光量发生变化,来分别调整所述光检测单元检测出的、来自位于2种以上的SD距离的位置上的所述光照射单元的光衰减量。
2.根据权利要求1所述的生物体光测量装置,其特征在于,
所述显示部显示由所述解析部算出的所述光衰减调整量。
3.根据权利要求2所述的生物体光测量装置,其特征在于,
所述显示部将所述光衰减调整量显示为不同的颜色。
4.根据权利要求2所述的生物体光测量装置,其特征在于,
将所述显示部与所述光衰减量调整单元配置在相同的壳体上。
5.根据权利要求1所述的生物体光测量装置,其特征在于,
所述光衰减量调整单元根据所述SD距离或所述解析部算出的所述光衰减调整量,自动地调整所述一个或多个光检测单元中的检测光量。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的生物体光测量装置,其特征在于,
所述光衰减量调整单元调整光在所述光源元件与所述被检体之间或在所述受光元件与所述被检体之间传播时的连接损失。
7.根据权利要求6所述的生物体光测量装置,其特征在于,
所述光传播路径的一部分为光纤,
所述光衰减量调整单元被设置在用于使多条光纤相互以光学方式结合的光纤接合部上,来调整光在所述光纤之间传播时的连接损失。
8.根据权利要求7所述的生物体光测量装置,其特征在于,
所述光衰减量调整单元在所述光纤接合部具有对2条光纤端面之间的位置关系进行变更的单元。
9.根据权利要求8所述的生物体光测量装置,其特征在于,
对所述2条光纤端面之间的位置关系进行变更的单元是电磁控制单元,优选为压电元件或压电促动器。
10.根据权利要求7所述的生物体光测量装置,其特征在于,
所述光衰减量调整单元在所述光纤接合部使2条光纤端面之间的光传播路径中的介质的种类或形状发生变化。
11.根据权利要求1至5中的任一项所述的生物体光测量装置,其特征在于,
所述解析部使用信号分离方法,从通过所述光照射单元与所述光检测单元的组合测量出的多个测量数据中提取一个或多个分离成分。
12.根据权利要求1至5中的任一项所述的生物体光测量装置,其特征在于,
在将预定的SD距离定义为优先SD距离,且将通过1个光照射单元和1个光检测单元测量的区域或代表区域的位置定义为与该光照射单元和光检测单元对应的测量点时,
以使与其他SD距离对应的测量点即从属测量点位于从对应于所述优先SD距离的测量点即优先测量点开始40mm以内的距离,优选20mm以内的距离上的方式,对所述光照射单元和所述光检测单元进行配置,
所述解析部将所述优先测量点和对应于该优先测量点的所述从属测量点汇总为1个数据集来进行解析,
所述显示部对每个数据集显示一个或多个数据集的解析结果。
13.根据权利要求12所述的生物体光测量装置,其特征在于,
具有用于输入所述光照射单元与所述光检测单元的位置关系的输入单元,
所述解析部根据所述光照射单元与所述光检测单元的位置关系,来算出所述优先测量点与所述从属测量点的组合,
在所述显示部中,通过图表显示所述组合。
14.根据权利要求1至5中的任一项所述的生物体光测量装置,其特征在于,
所述解析部根据在3种以上的SD距离的条件下检测出的光量及其时间变化,或由信号分离方法得到的各成分的各SD距离中的权重以及振幅,来推定所述被检体的头部结构。
15.一种使用权利要求1所述的生物体光测量装置的生物体光测量方法,其特征在于,包括如下的步骤:
在SD距离不到10mm、优选8mm以下的至少1个测量点以及SD距离在10mm以上、优选12mm以上的2个以上的测量点测量从被检体内传播来的光的步骤;
在绘制SD距离和通过信号分离方法得到的各成分的权重值的图中,使用SD距离为10mm以上的2个以上的测量点的权重值来求出一次函数直线,并求出与权重零对应的SD距离的步骤;
使用SD距离不到10mm的测量点的权重值来求出与轴平行的直线的步骤和求出同所述轴平行的直线与所述一次函数直线的交点的SD距离作为灰白质到达最小SD距离的步骤;以及
根据与所述权重零对应的SD距离和所述灰白质到达最小SD距离算出脑贡献率的步骤。
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