DE60302527T2

DE60302527T2 - Messsystem für lebende Körper

Info

Publication number: DE60302527T2
Application number: DE60302527T
Authority: DE
Inventors: Naoki Chiyoda-ku Tanaka; Atsushi Chiyoda-ku Maki; Masashi Chiyoda-ku Kiguchi
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: DE60302527D1; CN1491610A; US7022083B2; EP1413244B1; JP3732476B2; US20040077960A1; JP2004141258A; EP1413244A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Messsystem für lebende Körper zum Messen einer Reaktion von einem lebenden Körper auf eine Stimulation oder Anweisung, um Informationen über den lebenden Körper zu erhalten.
2. Stand der Technik
In einem System zum Messen einer Reaktion von einem lebenden Körper auf eine bestimmte Stimulation kann die Qualität eines Messsignals durch ein Amplitudenverhältnis eines Antwortsignals zu anderen Fluktuationskomponenten ausgedrückt werden. Je höher das Amplitudenverhältnis, desto höher die Signalqualität. Die Fluktuationskomponenten sind hauptsächlich Fluktuationen im Inneren des lebenden Körpers (biologische Fluktuationskomponenten) und ein dem System inhärentes Rauschen. Zur Verbesserung der Signalqualität wird entsprechend einem bekannten Verfahren wiederholt in regelmäßiger oder zufälliger Weise eine Stimulation (einschließlich einer Aufgabenanweisung) gegeben, und das resultierende Antwortsignal wird berechnet, um ein arithmetisches Mittel zu erhalten, wie in einem Artikel von A. Maki et al., Medical Physics 22, 1997–2005 (1995), beschrieben.
Dieses herkömmliche Verfahren des regelmäßigen oder zufälligen wiederholten Gebens einer Stimulation oder Anweisung und des anschließenden Erhaltens eines arithmetischen Mittels des resultierenden Signals beruht auf der Annahme, dass die Anzahl der Wiederholungen groß ist. Die zufälligen Fluktuationskomponenten, die in dem arithmetischen Mittelwertsignal auftreten, nehmen umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der Wiederholungen ab. Die Anzahl der Wiederholungen sollte jedoch auf ein Minimum verringert werden, angesichts der physischen Belastung für die untersuchte Person durch diese Wiederholungen. Insbesondere wenn es sich bei der untersuchten Person um ein Kind oder einen Patienten mit einer bestimmten Krankheit handelt, ist es unmöglich, die Messung häufig zu wiederholen.
Das Dokument WO 02/065901 A2 beschreibt ein physiologisches Überwachungssystem mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Messsystems für lebende Körper, das eine ausreichende Signalqualität mit einer kleinen Anzahl von Messungen sicherstellen kann.
Dieses Ziel wird erreicht durch Extrahieren einer biologischen Fluktuation und Anwenden einer Stimulation in Synchronisation mit der Phase der extrahierten biologischen Fluktuation. Als biologische Fluktuation wird das in dem Messsignal enthaltene Rauschen nach Entfernen der systembedingten Rauschkomponenten aus dem Messsignal bezeichnet.
In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Messsystem nach Anspruch 1 bereit.
Die von der Signalextraktionseinheit extrahierte biologische Fluktuationskomponente kann eine Niederfrequenzkomponente des von der Messeinheit-gemessenen Signals insbesondere zwischen 0,01 und 0,5 Hz sein.
Die Signalextraktionseinheit kann einen laufenden Wert der biologischen Fluktuationskomponente ausgeben. Der laufende Wert ist der Wert zum aktuellen Zeitpunkt des von der Messeinheit gemessenen Signals, das einer Anpassung mit einem Polynom n-ten Grades in einem von der Gegenwart zur Vergangenheit eingestellten Zeitfenster der Länge T (in Sekunden) unterzogen worden ist (wobei n eine ganze Zahl von 3 oder mehr ist und T die Bedingung 0,01 ≤ (n-1)/2T ≤ 0,5 erfüllt).
Die Stimulationszeit-Bestimmungseinheit kann eine Stimulation oder Anweisung an dem zu untersuchenden Körper auf der Basis der Phase der von der Signalextraktionseinheit extrahierten biologischen Fluktuationskomponente anwenden. So kann eine Stimulation oder Anweisung zum Beispiel abwechselnd mit den Maxima und Minima der Welle der biologischen Fluktuationskomponente angewendet werden. Alternativ kann eine Stimulation oder Anweisung an dem zu untersuchenden Körper zu den Maxima und Minima der Welle der biologischen Fluktuationskomponente derart angewendet werden, dass die Anzahl der Anwendungen der Stimulation oder Anweisung bei einem Maximum der Welle der biologischen Fluktuationskomponente der Anzahl der Anwendungen der Stimulation oder Anweisung bei einem Minimum entspricht.
Die Messeinheit kann eine Lichtbestrahlungseinheit zum Bestrahlen der Kopfhaut des zu untersuchenden Körpers mit infrarotnahem Licht und eine Lichterfassungseinheit zum Erfassen der Intensität des Lichts aufweisen, das den zu untersuchenden Körper durchsetzt hat. Die Messeinheit kann zum Beispiel die Durchblutung im Gehirn messen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels des Messsystems für lebende Körper nach der Erfindung.
2 zeigt ein Beispiel des Messsystems für lebende Körper in einer Anwendung für die optische Messung der Gehirnaktivität.
3 zeigt den zeitlichen Ablauf der Anwendung einer Stimulation oder Anweisung.
4 zeigt ein Diagramm für die Beschreibung der Polynomanpassung.
5 zeigt ein Diagramm, das die Positionen der durch Polynomanpassung erfassten Maxima und Minima einer Niederfrequenz-Fluktuationswelle angibt.
6 zeigt einen Algorithmus für die Steuerung einer Stimulations-/Anweisungs-Anwendungseinheit.
7 zeigt ein Diagramm, das arithmetische Mittelwertsignale und deren Grundlinien angibt.
8 zeigt ein Diagramm, das die Standardabweichung der Grundlinie des arithmetischen Mittelwertsignals in jedem Kanal angibt, wenn als Zielkanal ein Kanal ausgewählt ist, der einer Änderung der Oxyhämoglobinkonzentration an einer Messstelle 1 entspricht.
9 zeigt ein Diagramm, das die Standardabweichung der Grundlinie des arithmetischen Mittelwertsignals in jedem Kanal angibt, wenn als Zielkanal ein Kanal ausgewählt ist, der einer Änderung der Deoxyhämoglobinkonzentration an einer Messstelle 1 entspricht.
10 zeigt eine Anordnung von Lichtleitfasern zur Lichtbestrahlung und Lichterfassung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Messsystems für lebende Körper nach einer Ausführungsform der Erfindung. Wie gezeigt, weist das System eine Messeinheit 11, eine Signalextraktionseinheit 12, eine Stimulations-/Anweisungszeit-Bestimmungseinheit 13, eine Stimulations-/Anweisungs-Anwendungssteuereinheit 14 und eine Stimulations-/Anweisungs-Anwendungseinheit 15 auf. Die Messeinheit 11 misst den inneren Zustand eines zu untersuchenden Körpers 10. Die Signalextraktionseinheit 12 extrahiert eine bestimmte Frequenzbandkomponente (biologische Fluktuationskomponente) eines von der Messeinheit 11 erhaltenen Signals. Die Stimulations-/Anweisungszeit-Bestimmungseinheit 13 bestimmt den Zeitpunkt der Anwendung einer Stimulation oder Anweisung an dem zu untersuchenden Körper 10 auf der Basis der von der Signalextraktionseinheit 12 extrahierten Signalkomponente. Die Stimulations-/Anweisungs-Anwendungssteuereinheit 14 steuert die Anwendung einer Stimulation oder Anweisung derart, dass die Anwendung zu dem von der Stimulations-/Anweisungszeit-Bestimmungseinheit 13 bestimmten Zeitpunkt erfolgt. Die Stimulations-/Anweisungs-Anwendungseinheit 15 wendet eine Stimulation oder Anweisung an dem zu untersuchenden Körper 10 entsprechend einem Steuersignal von der Stimulations-/Anweisungs-Anwendungssteuereinheit 14 an.
Als Stimulation wird das bezeichnet, was eine passive Aktion (zum Beispiel das Hören eines Tons oder Ansehen eines Bildes) seitens der untersuchten Person erfordert. Als Anweisung wird das bezeichnet, was eine aktive Aktion (zum Beispiel das Hören eines Tons oder Ansehen eines Bildes und anschließende Drücken einer Taste) seitens der untersuchten Person erfordert. Die Messung kann sich auf verschiedene Parameter beziehen. Beispiele sind unter anderem Elektroenzephalogramm (EEG), Durchblutung, Oxyhämoglobin- oder Deoxyhämoglobinkonzentration im Blut, Gesamthämoglobinkonzentration, lokale Magnetfelder im Gehirn, Konzentration radioaktiver Stoffe im Blut, Protonenrelaxationszeit, Muskelpotenzial und Hautpotenzial. Die Messeinrichtungen sind zum Beispiel Elektroenzephalograph, Amperemeter, optische Messgeräte, Magnetresonanzgeräte, Magnetenzephalograph, PET (Positronenemissiontomograph), fMRI (funktioneller Kernspintomograph), Muskelpotenzialmesser und Hautpotenzialmesser (Elektrokardiograph).
Im Folgenden wird ein Beispiel betrachtet, bei dem die Erfindung für die optische Messung der Gehirnaktivität eines Neugeborenen angewendet wird. 2 zeigt das Messsystem.
Die Lichtquellen 102a und 102c emittieren infrarotnahes Licht mit einer Wellenlänge von 780 nm. Die Lichtquellen 102b und 102d emittieren infrarotnahes Licht mit einer Wellenlänge von 830 nm. Die Lichtquellen 102a und 102c sowie 102b und 102d werden mit unterschiedlichen Frequenzen von den Oszillatoren 101a bis 101d gesteuert. Das Licht von den mit unterschiedlichen Frequenzen intensitätsmodulierten Lichtquellen 102a und 102b gelangt durch die Lichtleitfasern 103a bzw. 103b und wird in einem Koppler 104a kombiniert. Das kombinierte Licht wird durch eine Lichtbestrahlungs-Lichtleitfaser 105a gegeben und bestrahlt einen Punkt auf der Kopfhaut einer untersuchten Person 106, die der zu untersuchende Körper ist. Das Licht von den anderen Lichtquellen 102c und 102d gelangt durch die Lichtleitfasern 103c und 103d in einen Koppler 104b, wo es kombiniert wird. Das kombinierte Licht wird dann durch eine Lichtbestrahlungs-Lichtleitfaser l05b gegeben und bestrahlt einen anderen Punkt auf der Kopfhaut der untersuchten Person 106.
Nahe den Punkten, die mit den Lichtbestrahlungs-Lichtleitfasern 105a und l05b bestrahlt werden, sind mehrere Lichterfassungs-Lichtleitfasern 107a bis 107f derart vorgesehen, dass ihre Spitzen im gleichen Abstand (30 mm in dem Beispiel) von der jeweiligen bestrahlten Position angeordnet sind. Am hinteren Ende sind die Lichterfassungs-Lichtleitfasern jeweils mit einem Photodetektor 108a bis 108f versehen, zum Beispiel einem Photomultiplier oder einer Photodiode. Das Licht, das den lebenden Körper passiert hat („von dem lebenden Körper durchgelassenes Licht"), wird von den sechs Lichterfassungs-Lichtleitfasern 107a bis 107f erfasst. Das so erfasste von dem lebenden Körper durchgelassene Licht wird von den Photodetektoren 108a bis 108f einzeln in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Begriff „von dem lebenden Körper durchgelassenes Licht" bezeichnet das Licht, das den lebenden Körper passiert hat und dann von den Lichterfassungs-Lichtleitfasern 107a bis 107f erfasst wird, einschließlich sowohl des reflektierten als auch des durchgelassenen Lichts.
Das von jedem der Photodetektoren 108a bis 108f erzeugte elektrische Signal („Intensitätssignal des von dem lebenden Körper durchgelassenen Lichts") gibt die Intensität des Lichts an, das den lebenden Körper passiert hat. Die einzelnen Signale werden den Lock-in-Verstärkern 109a bis 109h zugeführt. Das von dem lebenden Körper durchgelassene Licht, dessen Intensitäten von den Photodetektoren 108c und 108d erfasst werden, wird von den Lichterfassungs-Lichtleitfasern 107c und 107d gesammelt, die im gleichen Abstand von beiden Lichtbestrahlungs-Lichtleitfasern 105a und 105b angeordnet sind. Dementsprechend wird das Signal von den Photodetektoren 108c und l08d jeweils auf zwei Leitungen aufgeteilt, von denen eine an die Lock-in-Verstärker 109c und 109e und die andere an die Lock-in-Verstärker 109d und 109f angeschlossen ist. Die Intensitätsmodulationsfrequenzen von den Oszillatoren 101a und 101b werden an die Lock-in-Verstärker 109a bis 109d angelegt. Die Intensitätsmodulationsfrequenzen von den Oszillatoren 101c und 101d werden an die Lock-in-Verstärker 109e bis 109h angelegt. Die Frequenzen werden als Bezugsfrequenzen verwendet. Daher nehmen die Lock-in-Verstärker 109a bis 109d ein Separieren und Ausgeben eines den Lichtquellen 102a und 102b entsprechenden Intensitätssignals des von dem lebenden Körper durchgelassenen Lichts vor. Die Lock-in-Verstärker 109e bis 109h nehmen ein Separieren und Ausgeben eines den Lichtquellen 102c und 102d entsprechenden Intensitätssignals des von dem lebenden Körper durchgelassenen Lichts vor.
Die so von den Lock-in-Verstärkern 109e bis 109h erzeugten getrennten Intensitätssignale des von dem lebenden Körper durchgelassenen Lichts werden mit einem Analog-Digital-Wandler 110 analog-digital gewandelt und an einen Messsteuerungscomputer 111 gesendet. Der Messsteuerungscomputer 111 verarbeitet die Intensitätssignale des von dem lebenden Körper durchgelassenen Lichts zum Beispiel entsprechend dem in dem vorstehenden Dokument 1 beschriebenen Verfahren und berechnet aus dem Messsignal an jeder Messstelle die relativen Änderungsbeträge für die Oxyhämoglobinkonzentration, Deoxyhämoglobinkonzentration und Gesamthämoglobinkonzentration. Danach speichert der Computer 111 die erhaltenen Werte in einer Speichereinheit als chronologische Daten für die mehreren Messstellen, während ein Messsignal 112 für einen zuvor ausgewählten Kanal an einen Filterungsberechnungscomputer 113 gesendet wird. Der Betrag der Änderung der Gesamthämoglobinkonzentration ist die Summe der Änderungsbeträge für Oxy- und Deoxyhämoglobin. Der Begriff „Kanal" bezeichnet eine Kombination aus Messposition und Art der Messung (das heißt Oxy-, Deoxy- oder Gesamthämoglobin). Der Filterungsberechnungscomputer 113 extrahiert eine Fluktuationskomponente für ein bestimmtes Frequenzband durch Filterung mit einer Polynomanpassung, wie nachstehend beschrieben wird. Danach sendet der Filterungsberechnungscomputer 113 ein Steuersignal 114 an eine Stimulations-/Anweisungs-Anwendungseinheit 115, so dass eine Stimulation oder Anweisung an den Maxima und Minima der fluktuierenden Welle angewendet wird.
3 zeigt ein Beispiel für die Stimulationszeitsteuerung bei der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu der Zeitsteuerung bei einem herkömmlichen System. Die Rechteckwellen geben den Zeitpunkt an, zu dem eine Stimulation erfolgt ist. Die Stimulation besteht aus einer akustischen Stimulation für eine Dauer von 17 Sekunden. Bei dem herkömmlichen System wird die Ruheperiode zwischen einer Anwendung der Stimulation und der nächsten zufällig zwischen 25 und 35 Sekunden ausgewählt. Bei der vorliegenden Ausfihrungsform hingegen erfolgt die Stimulation bei den Maxima und Minima einer Niederfrequenz-Fluktuationswelle.
Die Niederfrequenzfluktuation wird von dem Filterungsberechnungscomputer 113 extrahiert. Größere biologische Fluktuationen sind bei Kleinkindern wie bei Erwachsenen nahe 0,1 Hz verteilt (H. Obrig et al., NeuroImage 12, 623–639 (2000)). Wenn solche Niederfrequenzfluktuationen mit dem normalen Filterverfahren in einem Frequenzbereich extrahiert werden, darf der Einfluss einer Laufzeitverzögerung nicht ignoriert werden. Dieser Nachteil wird bei der vorliegenden Ausführungsform durch Filterung auf der Basis einer Polynomanpassung in einem voreingestellten Zeitfenster überwunden.
Anhand von 4 wird das Polynomanpassungsverfahren beschrieben. Dabei ist Δt das Abtastintervall, das bei der vorliegenden Ausführungsform 0,1 Sekunden beträgt. τΔt ist das Intervall der für die Anpassung verwendeten Daten, das bei der vorliegenden Ausführungsform ebenfalls 0,1 Sekunden beträgt, was bedeutet, dass alle Messpunkte verwendet werden. T ist die Länge eines Zeitfensters, das bei der vorliegenden Ausführungsform 15 Sekunden beträgt. Die Anzahl der Glieder in dem Polynom beträgt 3. Ein Erhöhen des Polynomgrades hat die gleiche Wirkung auf die Filterung wie das Verkürzen der Länge des Zeitfensters T. Wird der Polynomgrad erhöht oder die Länge des Zeitfensters T verkürzt, so verschieben sich die extrahierten biologischen Fluktuationen zu höheren Frequenzen.
Eine typische Frequenz der extrahierten Signalkomponenten ist durch (Polynomgrad-1)/2T (Hz) gegeben. Die typische Frequenz sollte in Anbetracht der Erfindung vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,5 Hz betragen. Dies hat folgende Gründe: 1) Die Frequenzkomponenten des Stimulationsantwortsignals haben maximal 1 Hz, 2) die Stimulationszeit (Aufgabe) hat typischerweise eine Größenordnung von mehreren zig Sekunden und 3) in diesem Bereich gibt es wichtige Niederfrequenzfluktuationen, wie in der vorstehend genannten Publikation (H. Obrig et al., Neurolmage 12, 623–639 (2000)) beschrieben. Bei dem Beispiel in 4 erfolgt die Filterung an einem Messsignal zum Zeitpunkt t. Auf die Messdaten x(s) in der Zeitfensterlänge T wird das folgende Polynom dritten Grades angewendet: x(s) = as3 + bs2 + cs + dwobei t – T ≤ s ≤ t.
Die Koeffizienten werden nach einer Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Unter der Annahme, dass die geschätzten Werte <a>, <b>, <c> und <d> sind, werden die geschätzten Werte eines geglätteten Signals, einer Ableitung erster Ordnung und einer Ableitung zweiter Ordnung zum aktuellen Zeitpunkt t wie folgt ausgedrückt: <x(t)> = <a>t3 + <b>t2 + <c>t + <d> <dx(t)/dt> = 3<a>t2 + 2<b>t + <c> <d2x(t)/dt2> = 6<a>t + 2<b>
In 4 gibt der große leere Kreis zum aktuellen Zeitpunkt t einen gemessenen Signalwert an, während der große ausgefüllte Kreis einen geglätteten Signalwert angibt. Der geglättete Signalwert ist ein geschätzter Wert zum aktuellen Zeitpunkt t der extrahierten Niederfrequenzfluktuation. Die kleinen ausgefüllten Kreise geben die für die Anpassung verwendeten Werte an, während die kleinen leeren Kreise Daten angeben, die nicht für die Anpassung verwendet werden.
5 zeigt ein Beispiel, bei dem eine Niederfrequenzfluktuation eines Neugeborenen ohne Stimulation extrahiert wurde und die Positionen der Maxima und Minima der Niederfrequenzfluktuation erfasst wurden. Die durchgehende dünne Linie oben in der Abbildung gibt ein Messsignal an, während die durchgehende dicke Linie das geglättete Signal angibt, das heißt die extrahierte Niederfrequenzfluktuation. Die gestrichelte Linie unten in der Abbildung gibt die Ableitung erster Ordnung an, während die Rechteckwellenform die Ableitung zweiter Ordnung angibt. Die durchgehenden Pfeile geben die Positionen der Maxima in der erfassten fluktuierenden Welle an, während die gestrichelten Pfeile die Positionen der Minima angeben.
Anhand von 6 wird ein Steueralgorithmus für die in diesem Beispiel verwendete Stimulations-/Anweisungs-Anwendungseinheit beschrieben. Zunächst werden verschiedene Parameter eingegeben, darunter ein Zielkanal, der Polynomgrad, die Länge der addierten Daten (die Länge einer Stimulationsantwort), die Zeitfensterlänge, das Intervall der für die Polynomanpassung verwendeten Daten, die Anzahl der Wiederholungen n_rep(die Anzahl der Anwendungen der Stimulation oder Anweisung) und zwei Arten von Schwellenwerten δ und ε(>0). Die Anzahl der tatsächlichen Anwendungen einer Stimulation oder Anweisung ist n_r, und die Steuerung endet, wenn n_r= n_rep. Basierend auf dem Messsignal wird eine Polynomanpassung vorgenommen, und die Niederfrequenzfluktuation (biologische Fluktuation), ihre Ableitung erster Ordnung und eine Ableitung zweiter Ordnung werden geschätzt. Ein Steuersignal 114 für die Anwendung einer Stimulation/Anweisung wird an die Stimulations-/Anweisungs-Anwendungseinheit 115 gesendet, wenn n_r eine gerade Zahl ist (einschließlich 0) und zum Zeitpunkt eines Maximums der Fluktuationswelle oder wenn n_r eine ungerade Zahl ist und zum Zeitpunkt eines Minimums der Fluktuationswelle. n_r wird um eins erhöht, so dass n_r = n_r+1, und die Steuerung wird fortgesetzt; dies wird wiederholt, bis n_r = n_rep ist.
Die Positionen der Maxima und Minima in der Fluktuationswelle, nachdem das Messsignal anschließend von dem Messsteuerungscomputer 111 gesendet wurde, wurden mit dem folgenden Algorithmus bestimmt. Das heißt, ein Maximum wurde erkannt, wenn der Absolutwert der Ableitung erster Ordnung kleiner als der Schwellenwert 6 und die Ableitung der zweiten Ordnung kleiner als –ε waren. Ein Minimum wurde erkannt, wenn der Absolutwert der Ableitung erster Ordnung kleiner als der Schwellenwert δ und die Ableitung zweiter Ordnung größer als ε waren. Bei der vorliegenden Ausführungsform betrugen die Schwellenwerte δ = 0,05 und ε = 0,005. Während die Maxima und Minima abwechselnd ausgewählt wurden, ist dies keine unbedingte Anforderung, und die gleiche Wirkung kann erhalten werden, indem die Hälfte der Anzahl von Wiederholungen den Maxima und die andere Hälfte den Minima zugewiesen wird. Die Grundlinie tendiert bei den Maxima nach oben und bei den Minima nach unten. Durch Addieren der gleichen Anzahl von Maxima und Minima heben sie sich gegenseitig auf, so dass als Ergebnis eine flache Grundlinie erhalten werden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die relativen Änderungen in der Oxyhämoglobinkonzentration und der Deoxyhämoglobinkonzentration an sechs Stellen (angegeben mit den Ziffern 1 bis 6) auf der linken und der rechten Schläfenregion gemessen. Diese Änderungsbeträge werden bezogen auf die Intensität des von dem lebenden Körper durchgelassenen Lichts 10 Sekunden nach Beginn der Messung berechnet. 7 zeigt die Ergebnisse des Auswählens der Änderung der Oxyhämoglobinkonzentration an der Messstelle 1 als das Messsignal 112 und des zehnmaligen Wiederholens der Stimulation. In diesem Beispiel wird die Wirkung der Erfindung im Hinblick auf den Zielkanal angegeben. Die Wirkung wird anhand der Standardabweichung der Grundlinienvariation bewertet, die vorzugsweise flach sein sollte. Es ist zu erkennen, dass das in 3(b) gezeigte Stimulations-Anwendungsverfahren nach der Erfindung die Standardabweichung der Grundlinienvariation besser verringern kann als das in 3(a) gezeigte herkömmliche Stimulations-Anwendungsverfahren.
8 zeigt den Einfluss der anderen Kanäle auf die Grundlinienvariation. Die horizontale Achse gibt die Kanalnummern an, während die vertikale Achse die Standardabweichung der Grundlinienvariation angibt. Die durchgehende Linie zeigt die Ergebnisse für die vorliegende Ausführungsform, während die gestrichelte Linie die Ergebnisse für das herkömmliche Beispiel zeigt. Was die Änderungen in der Oxyhämoglobinkonzentration an anderen Messstellen angeht, wird die Grundlinienvariation bei der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem herkömmlichen Beispiel ausreichend unterdrückt, wie der Vergleich der beiden Werte in den Kanälen 2o, 3o, 4o, 5o und 6o zeigt. Auch hinsichtlich der Deoxyhämoglobinkonzentration kann die Erfindung Ergebnisse liefern, die mit denen des herkömmlichen Beispiels vergleichbar sind.
Diese Tendenzen veränderten sich nicht, wenn andere Kanäle als Zielkanäle ausgewählt wurden. Wenn zum Beispiel 1d als der Zielkanal ausgewählt wurde, wurden ausreichende Wirkungen bezüglich der Änderung der Deoxyhämoglobinkonzentration an anderen Messstellen erzielt, zusätzlich zu ausreichenden Wirkungen im Zielkanal 1d, wie in 9 gezeigt. Im Hinblick auf die Änderung der Oxyhämoglobinkonzentration tendierten die Ergebnisse dahin, dass sie mit denen vergleichbar waren, die mit dem herkömmlichen Beispiel erhalten wurden. Nach Auswahl der Änderung der Gesamthämoglobinkonzentration als Zielkanal bestanden die Wirkungen aus einem Durchschnitt der beiden vorstehend genannten Tendenzen. Es ist auch möglich, mehrere Zielkanalkandidaten im Voraus auszuwählen und dann den Zielkanal in einer bestimmten Reihenfolge zu wechseln oder aus allen Kanälen mehrere Kanäle auszuwählen und deren Durchschnittswert zu überwachen, der dann zur Steuerung der Stimulations-/Anweisungs-Anwendungszeit verwendet wird.
In einem nächsten Experiment wurden Lichtleitfasern auf der linken Schläfenregion am Kopf einer zu untersuchenden erwachsenen Person angeordnet, wie in 10 gezeigt, und die sprachbezogenen Funktionen des Gehirns wurden optisch mit dem System nach der Erfindung gemessen. In der Abbildung gibt S die Position der Lichtquellenfasern an, während D die Position der Lichterfassungsfasern angibt. Die Rechtecke mit den Ziffern zwischen den jeweiligen S- und D-Positionen geben die Messpositionen an.
Der Abstand zwischen den benachbarten S- und D-Positionen betrug 30 mm, und die verwendete Lichtquelle arbeitete mit Wellenlängen von 781 nm und 832 nm. Wie unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt, können die relativen Konzentrationsänderungen von Oxyhämoglobin, Deoxyhämoglobin und Gesamthämoglobin an den Messstellen durch optische Messung bestimmt werden. Die Lichtleitfasern wurden wie in 10 gezeigt so angeordnet, dass die zum Beispiel durch fMRI (funktionelle Kernspintomographie) identifizierten sprachrelevanten Stellen abgedeckt waren. Während die untersuchte Person eine Sprachaufgabe ausführte, wurde an einer Messstelle 3 ein signifikanter Anstieg der Oxyhämoglobinkonzentration beobachtet. Daher wurde der Kanal, der Oxyhämoglobin an der Messstelle 3 entsprach, als der Zielkanal ausgewählt.
Die Sprachaufgabe, die der untersuchten Person gestellt wurde, war ein Wortkettenspiel (bei dem die Person ein Wort sagen musste, das mit demselben Laut wie die letzte Silbe des vorherigen Wortes beginnt) und dauerte 40 Sekunden. Danach folgten weitere 40 Sekunden, während der die Person die Laute „ah", „ii", „oo", „eh" und „oh" wiederholen musste. Diese Sequenz wurde fünfmal mit dem herkömmlichen System und dem System nach der Erfindung wiederholt, und die Signal-Rausch-Amplitudenverhältnisse der für den Zielkanal erhaltenen arithmetischen Mittelwert-Antwortsignale wurden verglichen. Die Filterbedingungen umfassten eine Länge des Zeitfensters von 20 Sekunden und ein Polynom fünften Grades. Die Schwellenwerte waren dieselben wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Folglich betrug das Signal-Rausch-Amplitudenverhältnis für das herkömmliche System 1,2 gegenüber 2,5 für das System nach der Erfindung, was die vorteilhafte Wirkung der Erfindung zeigt.
Daher kann nach der Erfindung ein hohes Maß an Signalqualität bei der Messung von Reaktionen auf die Stimulation eines lebenden Körpers sichergestellt werden. Insbesondere wenn die Messung nur wenige Male wiederholt wird, kann eine bessere Signalqualität als im Falle einer regelmäßigen oder zufälligen Anwendung der Stimulation erhalten werden.

Claims

Meßsystem zum Messen des Blutsauerstoffs lebender Körper mit einer Meßeinheit (11) zum Messen des inneren Zustands eines zu untersuchenden Körpers (10), einer Signalextraktionseinheit (12) zum Extrahieren einer biologischen Fluktuationskomponente, die in dem von der Meßeinheit (11) erhaltenen Signal enthalten ist, einer Stimulationszeit-Bestimmungseinheit (13) zum Bestimmen des Zeitpunktes, zu dem eine Stimulation oder Anweisung an dem zu untersuchenden Körper (10) angewendet wird, einer Stimulations/Anweisungs-Anwendungssteuereinheit (14) zum Steuern der Anwendung einer Stimulation oder Anweisung derart, daß die Anwendung zu dem von der Stimulationszeit-Bestimmungseinheit (13) bestimmten Zeitpunkt erfolgt, und einer Stimulations/Anweisungs-Anwendungseinheit (15) zum Anwenden einer Stimulation oder Anweisung an dem zu untersuchenden Körper (10) entsprechend einem Steuersignal von der Stimulations/Anweisungs-Anwendungssteuereinheit (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Stimulationszeit-Bestimmungseinheit (13) den Zeitpunkt auf der Basis der von der Signalextraktionseinheit (12) extrahierten biologischen Fluktuationskomponente derart bestimmt, daß er mit dem Auftreten von Maxima oder Minima in der biologischen Fluktuationskomponente zusammenfällt und die Anzahl der beim Auftreten von Maxima in der biologischen Fluktuationskomponente angewandten Stimulationen oder Anweisungen mit der Anzahl von beim Auftreten von Minima in der biologischen Fluktuationskomponente angewandten Stimulationen oder Befehlen übereinstimmt, und die Signalextraktionseinheit (12) einen laufenden Wert der biologischen Fluktuationskomponente ausgibt, die der Wert eines Polynoms n-ten Grades, angepaßt an die von der Meßeinheit (11) in einem von der Gegenwart zur Vergangenheit eingestellten Zeitfenster der Länge T Sekunden, ist, wobei n eine ganze Zahl von 3 oder mehr und 0,01 ≤ (n-1)/2T≤ 0,5 ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Stimulationszeit-Bestimmungseinheit (13) den Zeitpunkt derart bestimmt, daß er abwechselnd mit dem Auftreten eines Maximums und dem Auftreten eines Minimums in der von der Signalextraktionseinheit (12) extrahierten biologischen Fluktuationskomponente zusammenfällt.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalextraktionseinheit (12) eine Niederfrequenzkomponente des von der Meßeinheit (11) gemessenen Signals extrahiert.
System nach Anspruch 3, wobei die Niederfrequenzkomponente im Bereich von 0,01 Hz bis 0,5 Hz liegt.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Meßeinheit (11) aufweist: eine Lichtbestrahlungseinheit (102a–d) zum Bestrahlen der Kopfhaut des zu untersuchenden Körpers (10; 106) mit infrarotnahem Licht und eine Lichterfassungseinheit (107a–f, 108a–f) zum Erfassen der Intensitäten des Lichts nach Durchsetzen des zu untersuchenden Körpers (10; 106).