JP2003159239A

JP2003159239A - 生体計測装置

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Publication number: JP2003159239A
Application number: JP2001360456A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Seiyama; 明敏精山
Original assignee: Communications Research Laboratory
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-06-03
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: JP3584288B2

Abstract

(57)【要約】【課題】時間分解計測及び強度変調計測を用いること
なく、生体内で発生する誘発電位による電気信号変化に
対応した信号と血行動態変化に対応した信号とを同時に
得られる生体計測システムを提供する。【解決手段】生体に連続して短時間ずつ刺激を提示す
ると共に、前記生体の生体組織を近赤外光の定常光源で
照明し、前記生体組織を透過及び散乱するそれぞれの近
赤外光による信号を、前記刺激と同期して連続して短時
間ずつサンプリングし、該サンプリングにおいて、前記
刺激の最初の刺激提示時から所定時間内の信号を積算し
た血行動態変化に対応する信号と、前記各刺激の各刺激
提示時から所定時間内の該各刺激に同期した信号を積算
した生体組織から発生する誘発電位による電気信号変化
に対応する信号とを得るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】この発明は、生体組織を近赤
外光の定常光源により照明しながら生体に刺激を提示
し、該刺激提示に対応して変化する前記生体組織を透過
及び／又は散乱して検出される近赤外光を計測する又は
計測して解析する生体計測システムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、生体を光によって計測、診断する
技術が利用されている。生体組織に対する透過性の良い
波長８００ｎｍ前後の光である近赤外光を用いて、生体
組織の生理学的情報、特に血液の酸素化度や組織内血液
量の定量的な情報を得ることができる。前記近赤外光の
生体組織を透過する透過光あるいは散乱光を測定するこ
とにより、生体の光吸収と光散乱という光減衰の原因と
なる２つのパラメータを算出し、これらパラメータの解
析により前記情報を得るものである。

【０００３】この近赤外線を用いた生体機能測定におい
ては、通常光ファイバー等から任意の近赤外領域の波長
の光を生体に照射して、その反射光を検出することで、
生体機能を測定する。この波長域に吸収を持つ生体物質
は血液中のヘモグロビンであり、当該光が吸収される状
況を計測することによって、血液に関係した生体情報を
測定することができる。この場合には、光の吸収による
信号変化は、光の散乱による信号変化に対して十分大き
い。単一の波長による測定で血液量の変化という生体機
能情報をとらえることができる。また血液はその酸素状
態によって異なる光吸収を示すため、複数の波長による
光吸収を測定することによって生体の酸素状態という機
能情報をとらえることもできる。

【０００４】脳機能の測定対象としては、血液に基づく
情報（血液量、血流量、酸素状態等）以外に脳の誘発電
位変化がある。この電気的な情報は、神経細胞同士の情
報の伝達に、電気的なパルスを介して行われていること
に基づくものと考えられる。この電気的な情報の伝達時
間はミリ秒単位で行われ、秒単位での前記血液の変化情
報に比して著しく速いものである。ｆMRIでは信号を検
出するのに数秒間という一定の時間を要するため対応が
できない。

【０００５】一方で、生体の光散乱変化が主に脳の誘発
電位変化と相関があり、光散乱パラメーターの算出によ
って電気信号を類推することができるとの報告がある。
この光散乱変化は定常光源だけでは算出できず、超短パ
ルス光源や高速強度変調光源などを用いた計測システム
によって計測する。脳の電気信号は数ミリ秒のオーダー
で変化するため、これらの信号を捕捉できるようなシス
テム構成となっていた。これら装置から、光散乱パラメ
ータを得るためには生体内において光の伝播を記述する
輸送方程式を解く方法がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記輸送方程
式を解くことは容易ではないので、近似式である光拡散
方程式を解いて得るが、光拡散方程式は光の散乱パター
ンを等方散乱で近似する。つまり、散乱係数と角度パラ
メータとの積を、等価散乱係数という値に置き換える。
前記光散乱パラメータは、一般には光拡散方程式のパラ
メータである等価散乱係数を意味する。この等価散乱係
数と吸収係数との２つをパラメータとする光拡散方程式
の時間領域もしくは周波数領域の解に、それぞれに該当
する測定値をフィッティングすることで、光散乱パラメ
ータを算出できる。しかし、これらの場合にはフィッテ
ィング計算が可能なくらいのSN比の良いデータを得ない
と、前述の方程式に代入して求めることはできないの
で、実際はSN比向上のために数秒程度の加算が必要にな
ってしまうために、実時間計測では、ミリ秒程度の脳機
能変化には対応できないとの問題がある。

【０００７】また、超短パルス光源や高速強度変調光源
を用いた計測システムから得られる結果から光散乱パラ
メータを算出する場合、時間や周波数、距離の関数とし
て表された光拡散方程式の無限媒体での解であるグリー
ン関数に境界条件を考慮して、半無限媒体として解いた
解析解を、得られた測定値にフィッティングさせて光散
乱パラメータを得る方法があるが、実際の形状とは大き
く異なる単純な形状での境界条件の基でしか解析解は得
られないという問題点があった。

【０００８】次いで、前記超短パルス光源を用いた時間
分解計測では、時間原点の決定方法に不確定な面が多い
こと、測定で得られる信号強度が小さいために、ノイズ
から有効な信号を分離してデータを得るためには、何度
も加算しなければならないこと、前記フィッティングに
おいては有効数字の桁数が少ないという問題点があっ
た。

【０００９】他方、高速強度変調光源を用いた強度変調
計測では、時間関数の解析解をフーリエ変換により周波
数の関数として得た解析解を測定データにフィッティン
グさせることにより、光散乱パラメータが得られるが、
数ミリ秒のオーダーでの測定のため、前記と同様に、ノ
イズから有効な信号を分離してデータを得るためには何
度も加算しなければならないという問題点があった。

【００１０】さらに、強度変調計測のためのシステム
は、前記時間分解計測のためのシステムに比較して、小
型で安価に構成できる利点はあるが、前記フィッティン
グにおける有効数字の桁数は時間分解計測同様に少ない
という問題点があった。

【００１１】いずれにせよ、理論から得られる解析解
は、光拡散方程式を無限あるいは半無限形状の媒体とし
て実際とは大きく異なる形状のものについてしか得るこ
とができないため、これらから光散乱パラメータを得て
も厳密な値が得ることができない。

【００１２】そこで、本発明は、前記従来の問題点を解
決するためになされたもので、時間分解計測及び強度変
調計測を用いることなく、生体内における誘発電位変化
に基づく電気信号変化に対応した信号を得ることがで
き、同時に得られた血行動態変化に対応した信号と合わ
せて生体の診断を行うための生体計測方法及びそれを用
いた生体計測システムを提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、近赤外光を用いて生体を計測する生体計測
方法であって、被験者に連続して１ミリ秒乃至１０ミリ
秒ずつ刺激を提示する手段、前記生体の生体組織を近赤
外光で照射する照射手段、前記生体組織からの反射光を
前記刺激と同期して少なくとも１回はサンプリングする
サンプリング手段とを有する生体計測装置を提供するも
のである。ここで、前記サンプリング手段が前記刺激提
示の前又は後においてサンプリングすることを特徴とす
る請求項１記載の装置としてもよい。

【００１４】また、本願発明に係る装置は、刺激提示時
からのサンプリング時間及び算出法から、生体の電気信
号由来の信号及び血行動態変化由来の信号の両方を同時
に又は分離して求めることができる。すなわち、前記刺
激に応じた刺激提示後１００ミリ秒以下の間の散乱光を
サンプリングした信号を積算して、当該刺激に対する生
体組織の電気信号変化に対応する信号を算出することを
特徴とする請求項１又は２に記載の生体計測装置、及び
前記刺激に応じた刺激提示後の１００ミリ秒以上の間の
散乱光をサンプリングした信号を用いて、当該刺激に対
する生体組織の血管動態変化に対応する信号を算出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の生体計測装
置。を提供するものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明に係るシステムは、被験者
に刺激を与えるモニター等、同被験者に近赤外線を照射
する照射装置、同被験者の生体からの反射光を捕捉する
サンプリング装置、信号制御装置、演算記録装置の５つ
の構成からなる。このシステム自体は、従来の光を用い
た生体情報測定装置とほぼ同様であるが、刺激提示方
法、信号サンプリング方法、信号制御方法及び演算記録
方法を改変して、生体の電気信号に由来する信号及び血
行動態変化に対応した信号を捕捉できるようにした。以
下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明す
る。図１は、本発明による生体計測方法の実施形態を説
明するための図である。

【００１６】図１に示すように、本発明の実施形態の生
体計測方法は、生体の感覚受容器及び／又は神経に連続
して数ミリ秒の短時間ずつ刺激を与えると共に、前記生
体の生体組織を近赤外光の定常光源で照明する。刺激提
示方法としては、被験者に特定の図柄をモニター等で数
ミリ秒の短時間表示させたものを見せることが挙げられ
る。また、生体組織を定常光源で照射する方法として
は、光ファイバーを用いて生体に接触させ、光源から近
赤外線の範囲の光を照射することが挙げられる。光ファ
イバーで照射することで、ピンポイントで生体に光照射
することができ、生体の特定部位又は複数の部位の生体
情報を捕捉することができる。ここで、「生体情報」と
は、神経系の電気信号由来の信号及び血行動態変化に対
応した信号から得られる情報をいう。

【００１７】前記照明により前記生体組織を透過及び散
乱するそれぞれの近赤外光を、前記刺激に同期して連続
してミリ秒以下の短時間でサンプリングし、前記刺激の
刺激提示時をスタート時として、数秒又は数分間の所定
時間内に得られる信号を積算し、血行動態変化に対応し
た信号を得る。この変化は血流の変化や血液量の変化に
対応したもので、１００ミリ秒から数秒を要する。ま
た、この信号は散乱光由来ではなく、主に吸収された光
との差分の由来となる。前述したように、血液量の増大
はヘモグロビン量が増加することに伴い近赤外線の光が
吸収され、照射光に対する反射光が著しく減少する。こ
れにより、血行動態を反映した信号を捕捉できることに
なる。すなわち、前記血行動態は生理学的に数秒のオー
ダーで変化するので、生体に提示された各刺激に同期し
てミリ秒以下のサンプリングを連続して行うサンプリン
グ機構により、数秒間ずつ積算して得られた秒のオーダ
ーで変化する光信号は、血行動態変化に対応する信号で
ある。この血行動態変化に対応したデータは比較的大き
いので、必ずしも積算して算出する必要はない。

【００１８】また、前記刺激の各刺激提示時をスタート
時として、該各刺激に同期して数ミリ秒間の所定時間内
に得られる信号を積算し、生体組織から発生する誘発電
位による電気信号変化に対応した信号を得る。刺激提示
を開始して数ミリ秒以内に得られる信号は、血行動態由
来の信号ではなく、生体の電気信号変化に由来するもの
と考えられる。血行動態変化は、心拍に由来するものが
大きく、心拍はおよそ１秒に１回程度、速くなっても１
秒に数回であるから、ミリ秒のオーダーで変化する光信
号変化が示すものは、電気信号変化に対応した信号であ
る。

【００１９】生体組織の光散乱変化が主に脳の誘発電位
変化と相関があると考えられるので、生体組織における
光減衰パラメータである「吸収と散乱の積」のうち、散
乱に由来したものであるとされている。従って、前記ミ
リ秒のオーダーで変化する光信号は、前記誘発電位によ
る電気信号変化に対応する信号である。この生体の電気
信号とは、主に神経細胞での膜電位の変化である。神経
細胞から他の神経細胞に信号が伝達する場合には、細胞
膜の内外でプラスイオンとマイナスイオンの輸送の変化
により膜電位が生じ、これが電気信号となって、他の神
経細胞に伝達していく。

【００２０】即ち、本願発明は、定常光源を用い、生体
の感覚受容器及び／又は神経への数ミリ秒の連続した刺
激に同期した生体組織からの信号を、連続したミリ秒以
下のサンプリングにより、数秒オーダーの血行動態変化
に対応した信号と、数ミリ秒オーダーの電気信号変化に
対応した信号と両方を得る生体計測方法及びそれを実行
できるシステム・装置である（図１）。

【００２１】次に、本発明による生体計測システムの実
施形態について説明する。図２に示すように、本発明の
実施形態の生体計測システム（１）は、刺激提示機構
（３）、近赤外線の照明機構（４）、サンプリング機構
（５）、血行動態変化計測機構（６）、電気信号変化計
測機構（７）、制御機構（８）及びデータ解析装置
（９）から構成される。

【００２２】刺激提示機構は、モニター、スピーカー等
の被験者の視覚・聴覚等を機能されるものであればよ
く、主にモニターに図柄を一定時間表示させることが挙
げられる。この刺激の提示の１つ１つは数ミリ秒で行
い、この刺激提示と生体情報のサンプリングをサンプリ
ング機能（５）で同期させて行う。このような構成を採
ることで、１つ１つの刺激に対する生体情報を得ること
が出来る。

【００２３】照明機構（４）は、光源を有し、任意の波
長の光を照射できるような構成をとる。本願発明では、
主に近赤外領域の波長を用い、生体には光ファイバー
で、直接生体に接触させて照射させることが挙げられ
る。サンプリング機構（５）は、生体からの反射光を捕
捉するが、照射用の光ファイバーの直近に配設し、照射
部位における反射光のみを捕捉できるようにする。照明
機構（４）は、定常的に光照射されているのに対し、サ
ンプリング機構（５）は、刺激提示機構（３）の刺激提
示と同期して、生体情報を取得する。このような構成と
することで、特定のミリ秒程度の短い時間の刺激に対す
る、生体からの反射光、すなわち生体情報を取得するこ
とができる。

【００２４】尚、特定の刺激に対する生体の反射光が得
られればよいので、刺激提示と光照射を同期させてもよ
い。また、制御機構（８）とデータ解析機構（９）はコ
ンピュータ（１０）に備えられているのが好ましいが、
コンピュータとは別に備えられているなど、その形態は
適宜選択すればよい。

【００２５】制御機構（８）は、刺激提示とサンプリン
グを同期させるための制御を主に行うための機構であ
る。サンプリングは、数ミリ秒程度で行えるようにし
て、なるべく短い方がよい。

【００２６】サンプリングされたデーターの内、刺激提
示から数十ミリ秒程度の血行動態の変化がみられない初
期は、主に血液による光の吸収はないので、電気信号変
化計測機構（７）により、電気信号変化のデータの捕捉
と解析を行う。サンプリング機構（５）は、生体（２）
から得られる光信号をミリ秒以下で連続してサンプリン
グするものであり、制御機構（８）により制御可能であ
るものが好ましい。電気信号変化計測機構（７）は、刺
激提示機構（３）による各刺激提示時をスタート時とし
て、各刺激に同期して数ミリ秒間サンプリング機構
（５）からの信号を積算するものであり、制御機構
（８）により制御されている。

【００２７】また、積算された信号はデータ解析機構
（９）に送られて解析され、散乱パラメータ等が導出さ
れる。この電気信号由来の散乱光は、非常に微弱なので
個々のデーターを積算して評価を行う。これにより、安
定的なデータを得ることができる。

【００２８】血行動態変化計測機構（６）は、刺激提示
機構（３）による刺激提示時をスタート時として、数秒
間サンプリング機構（５）からの信号を積算するもので
あり、制御機構（８）により制御されている。上記の電
気信号変化計測機構（７）の解析時間である数ミリ秒単
位の計測ではなく、数秒単位の計測となる。刺激提示が
血流の変化をさせるのに、ある程度時間がかかるためで
ある。これらのデータは生体からの散乱光を捕捉するの
ではなく、吸収率の変化を測定するため等により個々の
データは得られやすい。

【００２９】すなわち、本願発明によれば、数ミリ秒単
位の刺激を提示し、かつ、この刺激と同期して生体から
の反射光をサンプリングすることによって、そのサンプ
リング時間の長短により、電気信号由来の生体情報及び
血行動向由来の生体情報のいずれもを測定、評価するこ
とができるものである。上記を実現するためには、搭載
するハードウエア内容が一種類でも良いが、吸収計測用
と散乱計測用の二種類のハードウエアを搭載しても良
い。動作は一種類の場合を同様である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、安定している定常光源
を用いて、血行動態変化に対応する信号と生体で発生す
る誘発電位による電気信号変化に対応する信号を同時に
計測することができ、また前記計測結果から光減衰パラ
メータ等を導出して、生体に関して診断を行うことも可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による生体計測方法の実施形態を説明す
るための図である。

【符号の説明】

１生体計測システム２生体３刺激提示機構４照明機構５サンプリング機構６血行動態変化計測機構７電気信号変化計測機構８制御機構９データ解析機構１０コンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可視域または近赤外域の光を用いて生体を
計測する生体計測方法であって、被験者に連続して１ミ
リ秒乃至１０ミリ秒ずつ刺激を提示する手段、前記生体
の生体組織を近赤外光で照射する照射手段、前記生体組
織からの反射光を前記刺激と同期して少なくとも１回は
サンプリングするサンプリング手段とを有する生体計測
装置。
【請求項２】前記サンプリング手段が前記刺激提示の前
又は後においてサンプリングすることを特徴とする請求
項１記載の装置。
【請求項３】前記刺激に応じた刺激提示後１００ミリ秒
以下の間の検出光をサンプリングした信号を積算して、
当該刺激に対する生体組織の電気信号変化に対応する信
号を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の
生体計測装置。
【請求項４】前記刺激に応じた刺激提示後の１００ミリ
秒以上の間の検出光をサンプリングした信号を用いて、
当該刺激に対する生体組織の血管動態変化に対応する信
号を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の
生体計測装置。