JP2002102230A

JP2002102230A - 生体光計測装置及び生体光計測方法

Info

Publication number: JP2002102230A
Application number: JP2000300670A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Okada; 英史岡田
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】光吸収物質の濃度変化に起因する濃度変化発
生部位の位置ずれや感度むらをなくした生体光計測装置
及び生体光計測法を提供する。【解決手段】生体組織内部に光を照射する複数の照射
手段と、照射手段より照射された生体組織からの光を検
出する複数の受光手段と、照射手段と受光手段のある対
で検出された光信号と別の対で検出された光信号との相
対量をとって生体組織内部の光吸収物質の濃度変化の局
所重心位置を求める測定手段とを備え、被検部の濃度変
化が生じた部位の位置ずれや感度むらを防ぐことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生体組織における
被検部内部の光吸収物質（酸化ヘモグロビンと還元ヘモ
グロビンなど）の生体光計測装置及び生体光計測方法に
関し、特に、光吸収物質の濃度変化に起因する濃度変化
発生部位の位置ずれや感度むらをなくした被検部の生体
光計測装置及び生体光計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体光計測装置の従来例として、生体組
織に近赤外近傍の波長域（600〜1200nm）の光を照射
し、その透過光や反射光を検出して、その強度、平均飛
行時間、位相などの信号から生体組織、とりわけ脳内の
光吸収物質の濃度を測定する方法が、例えば、特開平9-
98972号公報に記載されている。脳の特定部位は体の特
定部位の動作の制御に深く関与している。体の動作、感
覚器に対する外部からの刺激、認知、及び思考などによ
って脳の対応する特定部位の神経活動が活性化される。
これを賦活という。賦活に伴い、活性化した部位の酸化
ヘモグロビンを多く含んだ動脈血が増大するため、酸化
ヘモグロビンと総ヘモグロビン（酸化ヘモグロビンと還
元ヘモグロビンの総和で血液量に比例）の濃度が高くな
る。血液中に含まれる酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロ
ビンは近赤外域における吸収分光特性が異なるため、こ
れらの光吸収物質の濃度変化を計測することで、脳内で
の血液量や酸素代謝に由来する光吸収物質の位置を特定
することができる。このような光吸収物質の濃度変化に
起因する検出光の強度変化である減光度変化を式にする
と以下のようになる。

【０００３】 ΔOD(λ) =Δμ_{a HbO2} (λ)<L>＋Δμ_{a Hb}（λ）<L> =ε_HbO2(λ)ΔＣ_HbO2<Ｌ>＋ε_Hb (λ)ΔＣ_Hb<Ｌ> ………（１）ここで、 ΔOD：検出光の減光度変化（検出光量変化の対数をとっ
たもの） λ：照射光の波長 Δμ_{a HbO2}：酸化ヘモグロビンによる組織の吸収係数の
変化 Δμ_{a Hb}：還元ヘモグロビンによる組織の吸収係数の変
化 <L>：吸収変化を生じた組織内における平均実効光路長 ε_HbO2：酸化ヘモグロビンのモル吸光係数 ε_Hb：還元ヘモグロビンのモル吸光係数 ΔＣ_HbO2：酸化ヘモグロビンの濃度変化 ΔＣ_Hb：還元ヘモグロビンの濃度変化

【０００４】（１）式において、<L>は定数と仮定する
ことができるので、複数の波長λ₁、λ₂について減光度
ΔOD(λ₁)、ΔOD(λ₂)を測定すれば、（１）式を連立方
程式にして解くことによって、酸化ヘモグロビン濃度の
変化ΔＣ_HbO2と還元ヘモグロビン濃度の変化ΔＣ_Hbを算
出することができ、これらの値の総和として総ヘモグロ
ビン濃度変化（血液量変化）が求められる。減光度を測
定する波長を増やすことによって、酸化・還元ヘモグロ
ビン以外の光吸収物質の変化を同時に測定することも可
能である。

【０００５】図１２は、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグ
ロビンのモル吸光係数の波長特性を示すグラフである。
図１２において、縦軸がモル吸光係数、横軸が波長を示
す。また、実線で示すのが酸化ヘモグロビン、点線で示
すのが還元ヘモグロビンである。図１２に示すように、
波長が800nm付近において酸化ヘモグロビンと還元ヘモ
グロビンの吸光係数の大きさが逆転しており、その吸収
スペクトルに大きな相違を示している。

【０００６】図１３は、指のタッピング動作時の脳の酸
素代謝状態を示すグラフである。図１３において、縦軸
が濃度変化、横軸が時間を示す。実線で示すのが総ヘモ
グロビン、点線で示すのが酸化ヘモグロビン、一点鎖線
で示すのが還元ヘモグロビンの濃度変化である。図１３
に示すように、指を軽くたたくタッピング動作時に還元
ヘモグロビンの濃度はそれほど変化しないが、酸化ヘモ
グロビンの濃度は大きく変化している。結果的に総ヘモ
グロビンの濃度も大きく変化している。この図から、体
の運動によって脳の対応する部位が賦活することによっ
て、酸化ヘモグロビンの濃度に大きな変化が生じている
ことがわかる。

【０００７】図１４は、上述した従来例の頭部表面への
光照射器と受光器の配置を示す図である。図１４におい
て、「●」は光照射器を、「◆」は受光器を、「×」は
推定測定位置（代表点）を表している。光照射器と受光
器の間隔はそれぞれ30mmの位置に設置してある。ここ
で、間隔を30mm程度に設定する理由は、照射器と受光器
の間隔が余り狭いと脳まで到達した光が検出しにくくな
るのを避けるためである。又、間隔を狭くすれば当然な
がら空間分解能は向上するが、それだけ多くの光照射器
と受光器を必要とする。

【０００８】図１５(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)は、
各測定点で得られる測定結果を示す図である。図１５
(a)、(d)は、光吸収物質の濃度が変化した部位が光照射
器S1と受光器D1の中点にあるときであり、図１５(b)、
(e)は、受光器D1のちょうど下にあるときであり、図１
５(c)、(f)は、複数の光照射器と受光器で囲まれた正方
形の中心にあるときをそれぞれ示している。このよう
に、従来例では光照射器S1と受光器D1の中点に測定点を
設定しているので、光吸収物質の濃度が変化した部位が
中点から離れると正確な画像生成ができなくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１６(a)は、脳表面
における光吸収物質の濃度変化に対する感度分布を示す
図である。図１６(a)中、「●」が光照射器、「◆」が
受光器の位置である。図１６(a)から分かるように、一
組の光照射器-受光器対で得られた光信号に対して、光
吸収物質の濃度変化が影響を及ぼす範囲は広く分布して
いる。従来例においては、組織内の血液量、酸素代謝に
由来する光吸収物質の濃度変化の画像を生成していると
き、この感度分布を、光照射位置と受光位置の中点、か
つ、脳表面に対する脳内部への垂線上で生じた濃度吸収
変化に起因するものと仮定して画像生成を行っていた。
このため、組織の光吸収物質の濃度が変化した部位が、
光照射位置と受光位置の中点近傍にある場合はそれほど
問題はないが、中点から離れた位置で光吸収物質の濃度
変化が起こった場合には、正確な画像生成が行えなくな
るという問題点があった。例えば、図１６(b)は、図１
６(a)のｘ軸上のいくつかの部位（x=0が中点、x=15が受
光位置を表す）におけるｙ軸方向の感度変化を示すグラ
フである。

【００１０】図１６(b)において、光吸収物質の濃度変
化が生じる部位が中心位置からｙ方向に15mmずれた場合
（x=1の場合、図１４のb点）、検出される光強度変化は
中点（x=1の場合、図１４のa点）で変化が生じたときの
約1/10になっていることが分かる。従来例では、検出光
の変化量をそのまま中点位置での光吸収物質の濃度変化
として画像を生成しているため、光吸収物質の濃度変化
がかりに同じであっても、濃度変化が生じた部位の違い
により、画像生成のための中点位置での信号強度が異な
ってしまう。

【００１１】このことは、脳内部における光吸収物質の
濃度変化が光照射位置と受光位置の中点からずれた場合
には、生成された画像中において、光吸収物質の濃度変
化が生じた部位の位置ずれや感度むらという問題が生じ
ることを意味している。本発明の目的は、上記の従来の
技術が有する問題点に鑑みなされたものであって、光吸
収物質の濃度変化に起因する濃度変化発生部位の位置ず
れや感度むらをなくした生体光計測装置及び生体光計測
方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の生体光計測装置は、生体組織内部に光を照射
する複数の照射手段と、照射手段より照射された生体組
織からの光を検出する複数の受光手段と、照射手段と受
光手段のある対で検出された光信号と別の対で検出され
た光信号との相対量をとって生体組織内部の光吸収物質
の濃度変化の局所重心位置を求める測定手段とを備え
る、ものである。上記の各手段を備える生体光計測装置
が実現されることで、光吸収物質の濃度変化が生じた部
位の局所重心位置を求めることができる。

【００１３】他の観点において、測定手段は、複数の照
射手段と受光手段の第１の対で検出された光信号と第２
の対で検出された光信号との相対量をとってｘ方向に関
する光吸収物質の局所重心位置を求め、第３の対で検出
された光信号と第４の対で検出された光信号との相対量
をとってｙ方向に関する光吸収物質の局所重心位置を求
め、このｘ方向及びｙ方向の局所重心位置で与えられる
点から生体組織内部に下ろした垂線上に光吸収物質濃度
変化の重心位置を求める、ものである。

【００１４】このような手段を備えることで、x及びy方
向に関する光吸収物質の濃度変化部位の局所重心位置を
求めることができるため、光吸収物質の濃度変化部位を
正確に特定できるようになる。他の観点において、測定
手段は、光吸収物質濃度変化の重心位置を複数の照射手
段と受光手段の第１から第４の対で検出された光信号の
相対量の組合わせをあらかじめ格納しておいたルックア
ップテーブルによって求める、ものである。

【００１５】このような手段を備えることで、ｘ方向及
びｙ方向に関する光吸収物質の濃度変化部位の局所重心
位置をルックアップテーブルを用いて求めることができ
るため、光吸収物質の濃度変化部位を簡単かつ正確に特
定できるようになる。他の観点において、局所重心位置
を推定測定点とする検出された信号を局所重心位置の感
度で重み付けした信号の補間をとることで、光吸収物質
の濃度変化の画像化を行う画像形成手段を備える、もの
である。

【００１６】このような手段を備えることで、位置ずれ
や感度むらのない鮮明な画像を形成することができる。
又、他の観点において、局所重心位置を推定測定点とす
る検出された信号を局所重心位置の感度で重み付けした
濃度信号に対して空間的な広がりを持たせたものを各推
定測定点に与え、各画素について各推定測定点から得ら
れた濃度信号の分布を加算することによって画像を生成
する画像形成手段を備える、ものである。

【００１７】このような手段を備えることで、推定測定
点の数が少ない場合においても、画像の生成が可能にな
る。さらに、他の観点において、局所重心位置を推定測
定点とする検出された信号を局所重心位置の感度重みの
逆数から算出された重み係数で重み付けすることで、光
吸収物質の濃度変化の画像化を行う画像形成手段を備え
る、ものである。

【００１８】このような手段を備えることで、推定測定
点から離れた位置で濃度変化が生じた場合においても、
感度むらを起こすことなく、画像を生成することが可能
になる。又、さらに他の観点において、光吸収物質濃度
変化の画像に測定手段によって求めた重心位置を重ね書
きする画像形成手段を備える、ものである。このような
手段を備えることで、他の画像生成方法で生成された濃
度分布画像であっても、測定手段によって求めた局所重
心位置を重ね書きすることで、感度むらや位置ずれを視
覚的に補正することができる。

【００１９】さらに又、他の観点において、生体組織内
部に光を照射するステップと、照射された生体組織から
の光を検出するステップと、光を照射するステップで検
出された光信号とは別に検出された光信号との相対量を
とって生体組織内部の光吸収物質の濃度変化の局所重心
位置を求めるステップとを含む、ものである。上記の各
ステップを含む画像生体計測方法を実行することで、光
吸収物質の濃度変化が生じた部位の局所重心位置を求め
ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。本発明は、
運動、知覚、認知、及び思考などに伴う脳の特定部位の
血液動態の変化を酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビン
の変化量を複数の照射器-受光器対で検出し、その検出
した光信号（光強度変化、平均飛行時間、位相変化な
ど）の相対量（差分や比）から被検部の組織内の濃度変
化の重心位置を求め、それに基づき、脳表面における酸
化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度、総ヘモグ
ロビン濃度の分布を濃淡、色、あるいは等高線で表した
表面（トポグラフィ）画像として表示するものである。

【００２１】図１は、本発明の一実施の形態である生体
光計測装置の構成を示す図である。図１に示すように、
本実施の形態は、照射手段である照射器４と、受光手段
である受光器５とが複数配置されている生体光計測装置
３と、この生体光計測装置３から光ファイバ６を通して
検出した光信号を入力し、測定手段である生体光計測部
８と画像形成手段である画像形成部９とを有する生体光
計測装置本体７とから構成されている。

【００２２】上述したように従来における問題点は，被
検部内部に存在する光吸収物質の濃度変化の重心が照射
器と受光器の中点位置に存在していると仮定し、中点を
推定測定点と定めて画像化をおこなっていることに起因
する。そこで、本発明では推定測定点をあらかじめ照射
位置と受光位置の中点に定めるのではなく、複数組の照
射器-受光器対で検出された光信号をもとに、光吸収物
質の濃度変化の局所的な重心を求める方法を採ってい
る。以下、説明を簡単にするために2組の照射器-受光器
対について考える。

【００２３】図２は、「○」印の部分を拡大回転した複
数の照射器S1、S2-受光器D1、D2を示す図である。ここ
で、図２中の照射器S1、S2と受光器D1、D2で囲まれた正
方形内のある深さ（例えば、12mm）にある脳組織の微小
領域内部で光吸収物質の濃度変化が生じたと仮定する。

【００２４】図３は、光吸収物質の濃度変化の生じた位
置（ｙ方向）と、照射器S1-受光器D1の対と照射器S2-受
光器D2の対において検出される減光度変化（検出光強度
の変化の対数をとったもの）の差分をとった値との関係
を示す特性曲線である。光吸収物質の濃度が変化した位
置と２つの照射器S1、S2-受光器D1、D2対において検出
された減光度の差分の関係はほぼ線形になっているとと
もに、ｘ方向に関する重心位置に関わらず、その傾きが
一定になっていることがわかる。このことは、照射器S1
-受光器D1の対と照射器S2-受光器D2の対において検出さ
れる減光度変化の差分信号から光吸収物質のｙ方向に関
する重心位置を推定することができることを示してい
る。すなわち、 y= a[ΔOD(S1,D1)-ΔOD(S2,D2)]+b……………………………(２) ここで、ΔOD(S1，D1)：照射器S1とD1の対によって検出
された減光度変化（検出光量変化の対数をとったも
の）。a、b：定数。

【００２５】例えば、図３の例では減光度の差分信号が
２であれば、ｙ方向の局所重心位置は５となる。同様
に、照射器S1-受光器D2の対と照射器S2-受光器D1の対に
おいて検出される減光度変化の差分から光吸収物質の濃
度変化部位のｘ方向に関する局所的な重心位置を推定す
ることができる。すなわち、 x = a[ΔOD (S1,D2)-ΔOD (S2,D1)]+b……………………………（３）ただし、個体差（年齢、性別）に応じてその傾きは若干
変動する。なお、図３の特性曲線はモンテカルロ法や光
拡散方程式の数値解析などを用いたシミュレーションに
よって算出する。この他に照射器と受光器との間が等間
隔でない照射器-受光器対の配置を用いたり、3組以上の
照射器-受光器対を用いた場合でも、局所重心位置と各
組の信号との関係が一意に定まる特性曲線が求められれ
ば、局所重心位置を求めることができる。

【００２６】図４(a)、(b)、(c)、(d)は、対象領域内あ
るいは領域外に重心が存在する場合を説明する図であ
る。図中の番号〜は各領域の照射器、受光器対によ
って推定された重心位置を示している。推定される重心
位置の精度は対応する領域の中央に近いほど高く、領域
から遠ざかるにつれて精度は低下する。

【００２７】図４(a)は、各領域の番号を示す図であ
り、図４(b)、(c)、(d)は実際に推定される重心位置を
示す図である。図４(b)では、ある任意の２組の照射器-
受光器対で囲まれる微小領域内にその２つの照射器-受
光器対で測定された重心が存在しているやは信頼性
が高いとして採用するが、、、は対応する微小領
域から離れた位置に重心が推定されているため、ノイズ
の影響を大きく受けているものとして棄却する。一方、
、、などはかろうじてその境界線上にあるので採
用する。

【００２８】ここで、光による濃度変化計測の空間分解
能が低いことから（図２の照射器と受光器で囲まれた正
方形の範囲内に濃度変化の重心が２点あっても分離でき
ない）、候補点、、、、はひとつの濃度変化
に起因するものとみなすこととする。このとき、対応す
る領域内に存在する、に対して、領域外にある、
、は重心位置に対する精度が低いと考えられるので
棄却する。よって局所重心位置の候補点として、が
採用される。同様の手順で、図４(c)の場合は、、
、、図４(d)の場合はが局所重心位置の候補とな
る。

【００２９】厳密に言うと、濃度変化の重心が正方形の
範囲外であった場合でも、濃度変化の重心位置が隣接す
る照射器-受光器対の中点の間隔（つまり従来例におけ
る推定測定点の間隔）よりも狭いと分離できない。この
場合の重心位置は２つの濃度変化部位を合わせたものに
対する重心位置になる。これは、測定方法自体の空間分
解能の制限に起因するものであって、従来例などの他の
画像化法によっても分離は不可能である。

【００３０】複数の重心位置が存在するときの空間分解
能を向上させる方法として、照射器-受光器対の中点
（従来例における推定測定点）の間隔を狭くして、隣接
する照射器-受光器対によって形成される正方形領域を
重ねる方法が考えられる。このとき、図５に示すよう
に、複数の照射器SC1、SC2、SA1、SA2、SB1、SB2-受光
器DC1、DC2、DA1、DA2、DB1、DB2の間隔を全体に規則的
に配置することで、隣接する正方形領域の重なり方が規
則的になるようにすることもできる。しかしながら、本
実施の形態は、照射器-受光器対の間隔を等間隔に配置
する必要はないので、被測定領域の一部分だけ重なるよ
うに配置することで局所的に空間分解能を高くして測定
を行うことも可能である。このように複数の重心が存在
する場合に正方形領域が重なるように照射器-受光器対
を配置することで、空間分解能を向上させ、複数の局所
吸収変化部位を分離することが可能になる。

【００３１】図６(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)は、局
所重心位置の統合の様子を示す図である。測定法の空間
分解能が低いことから、採用された局所重心位置の距離
が近い場合には、それらが同一の局所濃度変化に起因し
ているものとして、局所重心位置を統合する。

【００３２】統合された局所重心位置は、同一の局所濃
度変化に起因していると考えられる複数の局所重心位置
の幾何学的な重心位置として求める。たとえば、図６の
場合、(a)では、、の２点が統合されるため、局所
重心位置は２点の中点に統合され、(d)に×印で示され
た位置になる。(b)の、、、の局所重心位置の
場合、これらの４点の重心に統合され、(e)に×印で示
された位置が局所重心位置となる。(c)の場合は候補点
がのひとつだけなので、(f)に×印で示された位置が
局所重心位置となる。このような方法以外に検出された
光信号の強度が大きいほどノイズの影響が小さいことを
考慮に入れて、局所重心位置の統合を行うことも可能で
ある。この場合、それぞれの局所重心位置に対応してい
る光強度信号によって各局所重心位置を重み付けして、
統合された重心位置を求める。

【００３３】図７(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)は、複
数の濃度変化部位があるときの表示方法を示す図であ
る。複数の濃度変化部位がある場合に観測される微小領
域〜に対する局所重心位置の例を図７(a)に示す。
対応する微小領域と離れている局所重心位置の候補点
（、、）は棄却され、図７(b)のようになる。

【００３４】候補点のうち、と、とは距離が近
いために統合される。このことで、、の統合点、
との統合点、及びが局所重心位置と確定する。これ
らの重心位置を図７(c)のように同じ記号表示したり、
図7(d)のように統合された局所重心位置については別の
記号で表示したりすることもできる。

【００３５】ちなみに、局所吸収変化が２点以上ある場
合、その重心が照射器-受光器対の中点の間隔よりも狭
い場合には２点を分離することはほとんど不可能であ
る。また、中点の間隔の倍以下である場合には、重心位
置に位置ずれを生じる可能性がある。逆に言えば、局所
吸収変化の重心が、おおよそ中点の間隔の倍以上離れて
いれば、重心位置は正しく測定できることになる。な
お、重心位置に位置ずれを生じた場合でも、２点が分離
できていれば、検出された光信号強度をもとに位置ずれ
を推定し、補正を行うことも可能である。

【００３６】また、推定された局所重心位置と照射器と
受光器との位置関係から光吸収物質の濃度変化に対する
感度を求めることができるので、検出された減光度変化
を感度で重み付けすることによって、それぞれの濃度変
化の大きさを求めることができる。濃度変化の大きい局
所重心位置から番号を付けて図７(e)のように表示した
り、図７(f)のように、異なった記号を用いて表示した
り、記号や文字の色を変えて表示することもできる。ま
た、ある閾値を設定して、閾値以下の濃度変化に関して
は濃度変化がほとんど生じていないと見なして、それに
対応する重心位置に関しては表示をしないこともでき
る。次に、上記において求めた被検部の重心位置を用い
て被験体内部における吸収変化の分布を画像化する方
法を説明する。

【００３７】図８(a)、(b)は、局所重心位置をもとにし
た画像化手法を示す図である。前述したように、少なく
とも2組の照射器-受光器対で検出された信号の相対量か
ら、光吸収物質の濃度変化の局所重心位置およびその位
置における感度を測定することができる。

【００３８】局所重心位置を推定測定点とし、検出され
た信号を感度の大きさによって、すなわち寄与度の大き
さによって重み付けしたものを各推定測定点の濃度信号
として与え、各推定測定点間の濃度信号を補間で求める
ことによって、光吸収物質の濃度変化を表面像として表
示する。

【００３９】このとき、推定された局所重心位置が対応
する微小領域から離れた位置に推定されたものについて
は、その微小領域内において濃度変化がほとんど生じて
いないと見なして、微小領域内の代表点に零またはそれ
に近い値を濃度信号として与える。また、このような場
合は検出された信号も小さいため、検出信号によって濃
度信号を計算しても大きな誤差は生じない。ここで、代
表点は、微小領域の中心などに１点設定しても、複数点
設定しても良い。この画像に上述した方法を用いて重心
位置を重ね書きすることで、濃度変化位置をより正確に
表示することが可能となる。

【００４０】また、光による濃度変化計測の空間分解能
が低いことから（濃度変化の重心位置が隣接する照射器
-受光器対の中点の間隔よりも狭いと分離できない）、
局所重心位置を推定測定点として、検出された信号を感
度で重み付けした濃度信号に対してガウス分布などの空
間的な広がりを持たせたものを各測定点に与え、各画素
について各濃度信号の分布を加算することによって画像
を生成することもできる。なお、濃度信号の分布の広が
りは、局所重心を求めた照射器-受光器における減光度
変化の大きさによって決定する。続いて、本発明の第２
の実施の形態を説明する。本実施の形態は、上述した従
来の画像化法に感度による重み付けをすることで感度む
らを補正するものである。

【００４１】図９(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)は、従
来手法によって画像化した画像への重心位置の重ね書き
を示す図である。図９(a)、(b)、(c)は、本発明によっ
て重心位置を求める手法の例を示しており、図９(d)、
(e)、(f)は、これによって求めた重心を従来手法によっ
て画像化した画像に「×」記号で重ね書きしたものであ
る。このように、従来手法によって画像化した画像に確
度の高い局所重心位置を重ね書きするだけでも画像の信
頼性を増すことができる。さらに、本発明の第３の実施
の形態を説明する。本実施の形態は、上述した照射器と
受光器の中点位置を推定測定点とする従来の画像化法に
感度重みの逆数を用いて感度むらを補正するものであ
る。

【００４２】図１０は、照射器S1、S2と受光器D1、D2の
組合せで考えられる４組の照射器-受光器対に対するそ
れぞれの感度分布（図１６(a)参照）を重ねて描いた図
である。これらの照射器S1、S2と受光器D1、D2で囲まれ
た破線で示した領域に光吸収物質の濃度変化の重心が存
在した場合、その濃度変化による寄与が大きいのはM1
1、M12、M21、M22の４つの推定測定点である。

【００４３】ただし、これらの推定測定点に対する減光
度変化は、濃度変化の位置に依存しているため、同じ濃
度変化の場合でも推定測定点から離れた位置で生じてい
ると、画像化したときの濃度変化の大きさが小さく表示
されることになる。そこで、図１０の感度重みの逆数か
ら算出された重み係数を測定された減光度に重み付けす
ることによって感度むらの補正を行う。ただし、重み付
けを行ったときに、x方向の重心位置に関連するM12とM2
1の減光度の差分値とy方向の重心位置に関連するM11とM
22の減光度の差分値は変化してはいけないので、M12とM
21及びM11とM22にはそれぞれ同じ重み付けをする必要が
ある。

【００４４】実はこの点が重要で、単に感度重みの逆数
そのものを対応する推定測定点の信号に対して重み付け
してしまうと、位置に関する情報も失われてしまう。し
たがって、全ての推定測定点に対して濃度変化の寄与が
一番小さくなる図１０の破線で示した領域の中央位置に
濃度変化の重心が存在する場合が、M11、M12、M21、M22
の全てに与える重みが最も大きくなり、重心位置が領域
の中央からx方向、y方向にずれるにしたがって、M12、M
21の対に与える重みとM11、M22の対に与える重みは小さ
くなることになる。具体的には、図１０の照射器S1、S2
と受光器D1、D2で囲まれた破線で示した領域の各部位に
光吸収物質の濃度変化の重心が存在した場合にM11、M22
の対に与える重みとM12、M21の対に与える重みをあらか
じめ算出したルックアップテーブルを作成しておく。

【００４５】濃度変化の重心位置がM11の直下に存在し
た場合、M12とM21に対する感度は小さくなっているが、
M11に対する感度が大きいことから感度むらはほとんど
生じないため、補正の必要はさほどない。そこで、たと
えば、図１１に示すように、照射器S1、S2と受光器D1、
D2で囲まれた領域内にM11とM22に関して感度補正を行う
領域（実線で示す）とM12とM21に対して感度補正を行う
領域（破線で示す）を定めて、それぞれの領域内に濃度
変化の重心が存在したときに感度補正を行う方法も考え
られる。

【００４６】このように本実施の形態によれば、重心位
置によって定まる感度を推定測定点における信号に重み
付けして画像化を行うことによって、光吸収物質の濃度
変化が生じた部位が中点からずれていることに起因する
感度むらを補正することができる。

【００４７】なお、本発明の第１の実施の形態では、複
数の照射器-受光器対において検出される減光度変化の
差分信号からx方向及びy方向に関する局所重心位置を推
定していたが、このような方法以外に、減光度変化の差
分の組合わせをあらかじめルックアップテーブルに格納
しておき、測定された差分値からこのルックアップテー
ブルを参照して重心位置を求めるような方法でも良い。
又、本発明の第２及び第３の実施の形態では、中点を推
定測定点とする画像生成方法を説明したが、必ずしもこ
の形態に限定されることなく、たとえば、これ以外の画
像生成方法で生成された濃度分布画像の上に局所重心位
置を重ね書きしても同様の効果が得られることは言うま
でもない。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、以下の
ような顕著な効果を奏する。（１）光による脳機能測定は原理的に空間分解能が低く
なってしまうため，光吸収物質の濃度が変化した領域の
広さを正確に画像化することは難しいが、画像の空間分
解能が低く賦活領域の範囲に多少の誤差が含まれている
場合でも、濃度変化の局所重心位置を表示することで賦
活領域をより正確に特定できるので、位置ずれや感度む
らのない鮮明な画像が得られる。

【００４９】（２）従来法などによって生成した画像の
濃度変化部位に位置ずれが生じた場合でも、正確な濃度
変化部位を特定することができる。直感的には明度が最
も高い位置が濃度変化の重心、すなわち脳機能計測の場
合における賦活領域の重心と考えられるので、本発明に
より求めた重心位置を重ね書きすることによって、従来
法による画像化に位置ずれが生じている場合でも、脳機
能の賦活領域の中心を直感的に理解することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である生体光計測装置の
構成を示す図である。

【図２】「○」印の部分を拡大回転した複数の照射器S
1、S2-受光器D1、D2を示す図である。

【図３】光吸収物質の濃度変化の生じた位置と、照射器
S1-受光器D1の対と照射器S2-受光器D2の対において検出
される減光度変化の差分をとった値との関係を示す特性
曲線である。

【図４】(a)、(b)、(c)、(d)は、対象領域内あるいは領
域外に重心が存在する場合を説明する図である。

【図５】複数の重心位置が存在するとき、隣接する照射
器-受光器対によって形成される正方形領域を重ねて空
間分解能を向上させる方法を示す図である。

【図６】(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)は、局所重心位
置の統合の様子を示す図である。

【図７】(a)、(b)、(c)，(d)、(e)、(f)は、複数の濃度
変化部位があるときの表示方法を示す図である。

【図８】(a)、(b)は、局所重心位置をもとにした画像化
手法を示す図である。

【図９】(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)は、従来手法に
よって画像化した画像への重心位置の重ね書きを示す図
である。

【図１０】照射器S1、S2と受光器D1、D2の組合わせで考
えられる４組の照射器-受光器対に対するそれぞれの感
度分布を重ねて描いた図である。

【図１１】照射器S1、S2と受光器D1、D2で囲まれた領域
内にM11とM22に関して補正を行う領域とM12とM21に対し
て感度補正を行う領域を定めて、それぞれの領域内に濃
度変化の重心が存在したときに感度補正を行う方法を示
す図である。

【図１２】酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンのモル
吸光係数の波長特性を示すグラフである。

【図１３】指のタッピング動作時の脳の酸素代謝状態を
示すグラフである。

【図１４】上述した従来例の頭部表面への光照射器と受
光器の配置を示す図である。

【図１５】(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)は、各測定点
で得られる測定結果を示す図である。

【図１６】(a)は、脳表面における光吸収物質の濃度変
化に対する感度分布を示す図であり、(b)は、(a)のｘ軸
上のいくつかの部位におけるｙ軸方向の感度変化を示す
グラフである。

【符号の説明】

１脳２被検部３生体光計測装置４照射器５受光器６光ファイバ７生体光計測装置本体８生体光計測部９画像生成部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体組織内部に光を照射する複数の照射
手段と、前記照射手段より照射された前記生体組織からの光を検
出する複数の受光手段と、前記照射手段と受光手段のある対で検出された光信号と
別の対で検出された光信号との相対量をとって前記生体
組織内部の光吸収物質の濃度変化の局所重心位置を求め
る測定手段とを備えることを特徴とする生体光計測装
置。
【請求項２】前記測定手段は、前記複数の照射手段と
受光手段の第１の対で検出された光信号と第２の対で検
出された光信号との相対量をとってｘ方向に関する光吸
収物質の局所重心位置を求め、第３の対で検出された光
信号と第４の対で検出された光信号との相対量をとって
ｙ方向に関する光吸収物質の局所重心位置を求め、この
ｘ方向及びｙ方向の局所重心位置で与えられる点から生
体組織内部に下ろした垂線上に光吸収物質濃度変化の重
心位置を求めることを特徴とする請求項１記載の生体光
計測装置。
【請求項３】前記測定手段は、光吸収物質濃度変化の
重心位置を前記複数の照射手段と受光手段の第１から第
４の対で検出された光信号の相対量の組合わせをあらか
じめ格納しておいたルックアップテーブルによって求め
ることを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
【請求項４】前記局所重心位置を推定測定点とする検
出された信号を該局所重心位置の感度で重み付けした信
号の補間をとることで、前記光吸収物質の濃度変化の画
像化を行う画像形成手段を備えることを特徴とする請求
項１記載の生体光計測装置。
【請求項５】前記局所重心位置を推定測定点とする検
出された信号を該局所重心位置の感度で重み付けした信
号に対して空間的な広がりを持たせたものを前記各推定
測定点に与え、各画素について前記各推定測定点から得
られた信号の分布を加算することによって前記光吸収物
質の濃度変化の画像を形成する画像形成手段を備えるこ
とを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
【請求項６】前記局所重心位置を推定測定点とする検
出された信号を該局所重心位置の感度重みの逆数から算
出された重み係数で重み付けすることで、前記光吸収物
質の濃度変化の画像化を行う画像形成手段を備えること
を特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
【請求項７】光吸収物質濃度変化の画像に前記測定手
段によって求めた重心位置を重ね書きする画像形成手段
を備えることを特徴とする請求項１乃至３の１項記載の
生体光計測装置。
【請求項８】生体組織内部に光を照射するステップ
と、前記照射された生体組織からの光を検出するステップ
と、前記光を照射するステップで検出された光信号とは別に
検出された光信号との相対量をとって前記生体組織内部
の光吸収物質の濃度変化の局所重心位置を求めるステッ
プとを含むことを特徴とする生体光計測方法。