JP2004121702A - 生体光計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ひし形シェルを複数枚組み合わせ、隣合うシェルの入射・受光点配置を反転させることにより、球形の頭部全体を被ってサンプリング点を配置する。
【効果】頭部全体を被える全脳プローブを提供し、一枚の画像で全脳の画像を見ることができる。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
光を用いて生体の代謝物質濃度もしくはその濃度変化を計測する生体光計測装置に関し、特に、頭部の代謝物質濃度を計測するためのプローブに関する。
【0002】
【従来の技術】
脳活動に伴う大脳皮質での血液量変化を多点で計測し、その血液量変化を動画像や静止画像として表示する技術(生体光計測装置)が、既にMedical Physics, vol.22, No.12, pp1997−2005 (1995)(Atsushi Maki, Yuichi Yamashita, Yoshitoshi Ito, Eijyu Watanabe, Yoshiaki Mayanagi, and Hideaki Koizumi, ”Spatial and temporal analysis of human motor activity”)、及びNon−invasive measurement of language function by using optical topography, Proceedings of SPIE, vol. 3597, pp230−237 (Tsuyoshi Yamamoto, Yuichi Yamashita, Hiroshi Yoshizawa, Atsushi Maki, Makoto Iwata, Eiju Watanabe, Hideaki Koizumi)に記載されている。これらでは、図1に示すような配置のプローブを使用している。入射用光ファイバが接続されている8個の照射点1と、検出用光ファイバが接続されている8個の受光点2を、30mm間隔の正方格子状のシェル3上に交互に配置する。照射・受光点のほぼ中間点をサンプリング点4とする。従って、90mm×90mmの領域にサンプリング点が約21mm間隔で24個存在することになる。上記光計測装置では、サンプリング点を挟む照射・受光点の間隔が、ほぼ一定の距離(図1の場合30mm)でなければならない。
上記のような正方格子状のプローブを球形の頭部に密着させるのは困難であるので、次のような発明が既に開示されている。
連結軸から枝状に伸びた枝状部を持ち、頭部形状にフィットする生体光計測装置用プローブが、特開2001―286449に記載されている。
格子状に配置したプローブの連結部が回転し、さらに各プローブを保持する保持部が伸縮性を持つことを特徴とする生体光計測装置用プローブが、特開2002―143169に記載されている。
頭部の複数の領域を正方格子で埋め、その隙間を多角形で埋めることにより頭部全体を被うプローブが、特開2002―11012に記載されている。
また、プローブを被験者の頭部に幾何学的に配置し、被験者の脳組織を非破壊的に計測する装置が特表2002―502653に記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前述した生体光計測装置及びプローブには、以下のような課題が存在する。
前述のプローブは、頭部を部分的に被う、または、頭部を領域毎に分け、領域毎にプローブセットを配置して頭部全体を被うという物であった。従って、脳全体の代謝状態を1枚の連続的な画像で表すことができなかった。
また、従来の正方格子状プローブ配置では、照射・受光点の距離をほぼ一定に保ったまま複数の照射・受光点のセットを配置して、頭部の少なくとも上部半分を覆うことが困難であった。
【0004】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、球形の頭部に密着し、頭部の少なくとも上半分の、脳に相当する部分を一枚の画像で表示するためになされたものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、以下のような解決手段を提供する。
正方格子では球状に沿わないため、正方格子を斜変形し、ひし形状のシェルを使用する(図2)。さらに、ひし形の鋭角の角が頭頂部にくるようにひし形を複数並べ、隣合うひし形の辺がほぼ等距離になるよう配置する(図3)。隣合うひし形シェル状の照射・受光点の配置を逆転し、さらに、辺と辺の距離を照射・受光点間の距離とほぼ等しくすることにより、隣合うひし形の間にもサンプリング点が可能となる(図2)。
このようにして得られたひし形配置のサンプリング点を、正方格子になるように補正をかければ(図4)、一枚の二次元画像として脳全体の血流状態を表示することが可能となる(図5)。
【0006】
【発明の実施の形態】
本発明に基づく実施の形態を以下に記述する。
図1は、従来のプローブ配置を示す図である。照射点1と受光点2は、正方格子状のシェル3上にほぼ等間隔に配置されている。シェル3は被験者5の頭部に装着される。ランプ、発光ダイオード、半導体レーザ等から照射される測定光は、入射用光ファイバを通って照射点1から被験者5に入射される。被験者5の頭部内の大脳皮質部分を伝播した光は、受光点2にそれぞれ取り付けられた検出用光ファイバを通ってフォトダイオード、光電子増倍管等の光照射器に送られ、検出される。大脳皮質内の血流状態に依存して検出される光の強度が変動するので、光が伝播してきた大脳皮質内の血液の増減が計測できる。検出信号は、光が伝播してきた部分全ての血流情報を反映しているが、便宜上照射点1と受光点2のほぼ中点をサンプリング点4とし、計測された信号値はこのサンプリング点4の血流情報とすることができる。隣接する照射点と受光点のペアでそれぞれ定まる複数のサンプリング点の血液情報から血流分布画像を得ることができる。
図2は、本発明の1実施例のプローブの照射点、受光点配置の展開図を示す。正方格子を斜変形させたひし形のシェル3を4枚並べる。シェル3上に、照射点1と受光点2を交互に配置する。すなわち、正方格子を斜変形させた菱形の格子状に光照射器の照射部と光検出器の受光部とが交互に並ぶ部分配列が4つ組み合わせられて全体の配列を成す。隣合うシェルでは、照射点1と受光点2の配置は逆転するようにする。実際にプローブを頭部に配置する場合、頭部は球形になっているので、シェル3の辺が補正線6及び8上に乗るように配置される。このシェル間の距離をひし形格子の長さLとほぼ同じ値に設定すれば、隣り合うシェルの照射・受光点の間も、同じシェル上の場合と同様に計測でき、シェルの間の中線7上にもサンプリング点3ができる。従って、3x3のシェル4枚で6x6の頭部全体の画像が得られることになる。
また、ひし形の内角は、頭のサイズに合わせて変化させてもよい。小さな頭ならば内角が小さい値のひし形にし、大きな頭ならば内角が大きい値のひし形シェルを使用する。さらに、入射・受光点を繋ぐ部分の長さは伸びないが、ひし形の頂角は変化可能なように、シェル3を可塑性のある素材で作製すれば、頭にフィットするシェルが実現する。例えば、伸縮性が低いシリコンゴム等の素材を用いてもよい。また、シェル3は、図2に太線で示す連結部材のみで形成した網状のものでも良いし、シート状のものでも良い。さらに、薄いシートと、照射点受光点間の長さを保つ連結部材とを組み合わせた構造のものでも良い。なお、この連結部材が実際に連結するのは光ファイバ固定ソケットであり、その詳細構造は後に述べる。
上記のひし形シェル3を4枚使ったプローブを被験者5に装着した様子を図3に示す。図3(a)は被験者の正面図、図3(b)は被験者の頭頂からの図である。ひし形のシェル3の頂点が頭頂部を囲むように配置され、前頭部左右、後頭部左右にシェル3が配置されている。シェル間の距離がほぼ一定に保たれていれば、頂点部分は頭頂以外の部分を囲むように配置してもよい。また、シェルの配置も、前頭部、右側頭部、左即頭部、及び後頭部のような配置にしてもよい。もちろん、シェル間の距離をぼほ一定に保っていれば、いずれの位置にも配置してもよい。
図2のようにひし形展開図のまま画像を表示すると、平面の画像として見づらいので、図4のような配置になるよう補正をかける。ひし形を正方格子になるよう補正すると、平面上で正方格子が補正線6、8に沿うように配置され、一枚の平面画像で頭部全体が表示される。
上記のように補正した画像の表示例が図5である。ひし形から正方格子になるよう補正をかけ、補正をかけられた複数のサンプリング点4を結んで間を補間した画像9を、同様の補正をかけて歪ませた頭部像10に重ねている。頭部像にも照射・受光位置と同様の補正をかけ歪ませているので、計測画像上の信号変化位置と頭部の位置を対応させやすくなる。また、計測画像と重ねる画像として、同様な補正をかけた脳の展開図を用いてもよい。さらに、ひし形から正方格子という補正法以外にも、見やすい形式に補正をかけてもよい。もちろん、補正をかけずに3次元表示にしてもよい。
図6は、プローブ配置の別の実施例である。4x4のシェルを4枚使用して、8x8の画像を得ることができる。なお、シェルの枚数は4枚でなくともよい。ただし、シェル間を全て計測するために偶数枚である必要がある。
図7は、プローブ配置のさらに別の実施例である。基本的に4x4のシェルを4枚使用して、8x8の画像を得る計測であるが、目、及び首付近に配置される照射・受光点を1つのシェル当り5点取除いている。つまり、この5点には光ファイバは接続されない。このように部分的に光ファイバを取り外すことにより、光を目の近くに照射しない等の安全性が確保できる。
なお、上記のように意図して光ファイバを外したのではなく、トラブル等によりある受光点2に入力信号が無かった場合、あるいは信号値のS/Nが悪かった場合、その受光点2の信号を用いずに、付近の一つ又は複数の受光点の信号値を用いて、その受光点2の信号を推定し、その部分の領域の画像を補間してもよい。
図8も同様に、プローブ配置の一実施例である。これも同様に4x4のシェルを4枚使用して8x8の画像を得る計測であるが、1つのシェル当り6個の照射・受光点を除いている。
図9は、図7の配置のプローブを被験者5の頭部に装着した場合を示す。目の付近の照射・受光点を取り外しているので安全である。これまでの説明では、ひし形のシェル4枚を被験者頭部に配置してプローブが形成される。実際には、完成されたプローブは必ずしもそれらのシェルに分解できる構造である必要はない。図2、図6、図7および図8の展開図では、あたかも各シェルの内部にのみ連結部材があるように図示されるが、これは構成の理解の容易の為である。図9に示す通り、完成されたプローブではシェル同士も全く同様な連結部材で始めから連結さている。以降の展開図にも同様な省略があることに注意されたい。
図10は、さらに別のプローブ配置の実施例である。この場合、各々のシェル3を離して配置せず、隣合うシェルの照射照射点同志、受光点同志の位置が重なるように配置し、一点で両方のシェルの照射・受光点を兼ねるようにする。つまり、図10の実線で書かれた照射点1は、隣合うのシェル上の点線で書かれた重なる受光点11も兼ねることになる。
図10の配置のプローブの装着例を図11に示す。隣合うシェルの照射点、受光点は兼用されている。
図12は、別のプローブ配置の実施例である。隣合うシェルの距離を2Lとし、そのほぼ中間の線13上にに照射点1と受光点2を1列配置する。ひし形の左右のシェルを正方配列のシェルで連結した構造と言うこともできる。この配置は、前後に長い形状の頭部を持つ被験者に適している。さらに、頭頂付近のサンプリング点3の密度が高くなるので、頭頂付近の解像度が高くなるという効果もある。
図13は、図12と同様に、隣合うシェルの間の線13上に一列の照射・受光点がある配置のまた別の実施例である。この配置は、前後に長い形状の頭部によりフィットするシェルの配置である。
図14は、図13の配置のプローブを被験者に装着したときの、シェルの配置を示している。図14(a)被験者の正面図、図14(b)被験者の頭頂からの図である。ひし形のシェル3が被験者5の側頭部にくるように装着する。
図15も同様に、図13の配置のプローブを被験者に装着したときの図である。
図16は、上記の図6の配置のプローブを使用して測定したデータを、図4のように補正をかけ、画像として表示した図である。この場合、計測画像9と重ねる頭部像10は、補正をかけた像ではなく、単純化した頭部像を使用している。照射点1と受光点2の間のサンプリング点3は、照射・検出間距離が30mmの場合約21mm間隔に配置される。計測画像9は、シェル3の面積よりもひとまわり小さい8角形の画像となる。なお、トラブル等により、良質な信号が得られなかったサンプリング点がある場合、周辺のサンプリング点を使用して、信号が得られなかったサンプリング点の値を推定し、画像を補間してもよい。
図17は、各ひし形シェル3上の照射または受光点を1個取り外した場合の、図16と同様の補正をかけた計測画像である。欠損した点15の周囲のサンプリング点16が得られないので、計測画像9は図17に示すような形状となる。
図18は、各ひし形シェル3上の照射または受光点を3個取り外した場合の、図16と同様の補正をかけた計測画像である。
図19は、各ひし形シェル3上の照射または受光点を6個取り外した場合、つまり図8の配置のプローブを使用した場合の、図16と同様の補正をかけた計測画像である。
図20は、各ひし形シェル3上の照射または受光点を5個取り外した場合、つまり図7の配置のプローブを使用した場合の、図16と同様の補正をかけた計測画像である。
図21は、本発明のプローブを被験者に装着する場合の、プローブ固定法の一実施例である。図21(a)は被験者の正面図、(b)は背面図、(c)は側面図である。シェル3上には照射・受光点に接続された光ファイバ固定ソケット17が取付けられており、そこの光ファイバが差込まれ、固定できるようになっている。光ファイバ固定ソケットの上からは、固定用帽子18を被せて、プローブ全体を頭から落ちないように固定する。帽子18には紐がついており、あご、わきの下等で縛って固定する。または、帽子に伸縮性素材を用い、帽子のみでプローブを固定してもよい。さらにまた、帽子の縁にゴムまたはベルトをつけ、締めつけて固定してもよい。なお、これらの場合、固定が被験者の負担にならないよう、きつく縛ったり締めたりしないようにする。また、横臥した状態で測定する場合、固定ソケット17に荷重がかからないよう枕19を被験者の首近くに設置し、後頭部を浮かせるとよい。この場合、枕19は帽子に取付けてあるが、横臥用ベットの上に置いても良いし、ベットに固定してもよい。
図22は、本発明のプローブを被験者に装着する場合の、別のプローブ固定法の一実施例である。プローブが、ヘルメット20の中に固定されており、被験者はヘルメット20を被った状態で測定される。シェル3には光ファイバ固定用ソケット下部材17―1が取付けられており、光ファイバ先端部21が挿入されている。光ファイバ固定用ソケット下部材17―1にはバネ22―1が入っており、光ファイバ先端部21が上下に動くようになっている。従って、ヘルメット20を被験者5が被ったときに光ファイバ先端部21は引っ込むので、被験者5に痛みを与えにくい。光ファイバ固定用ソケット下部材17―1は、ヘルメット20内部に固定された光ファイバ固定用ソケット上部材17―2に挿入されており、光ファイバ固定用ソケット上部材17―2の中のバネ22―2により上下に動くようになっている。従って、被験者5の頭の形状によりシェル3が変形するので、シェルが頭にフィットし易く、さらに痛みも与え難くなるという効果がある。バネ22―1または22―2の代りに、緩衝材の役割を果たす別の素材又は器具、又は弾性のある素材又は器具を用いても良い。その場合、光ファイバ固定用ソケット上部材17―2を用いずともよい。若しくは、光ファイバ固定用ソケット下部材17―1を用いずともよい。光ファイバ先端部21から伸びている光ファイバ23は、シェル3とヘルメット20の間の空間を通って、ヘルメット20の首付近の端からまとめて外部に出されている。ヘルメット20の端から外に出す以外に、ヘルメットの特定の部分に1個又は複数の穴を開け、そこから光ファイバ23を外に出してもよい。また、シェル3とヘルメット20の間の空間は、空洞にしておいてもよいし、ゲル、スポンジ等の緩衝材で埋めてもよい。その際は、光ファイバ23を通り道を空けておくようにする。
また、光ファイバ固定ソケット下部材17―1の頭部に接する部位には、スポンジやゲル状の緩衝材を貼りつけてもよい。それにより、頭皮への刺激が軽減される。さらに、スポンジに生理食塩水をしみ込ませたり、導電性のゲル素材を用いて緩衝材に導電性を持たせ、前記緩衝材に電線を繋ぐことにより、脳波測定用電極として用いてもよい。これにより、光計測と脳波計測を同時に行うことが可能となる。あるいは、ソケットとソケットの間に脳波測定用電極がくるように、ソケットと電極を別々に配置してもよい。
図23は、図22のヘルメット形状のプローブの変形例を示す。ヘルメットは図23(a)に示すヘルメット前部20―2とヘルメット後部20―1の2つの構造体で形成され、両者はヒンジで開閉可能に接続されている。各構造体の内部に光ファイバが取り付けられるシェルを有し、頭部の大きさと形状に合わせてそれら光ファイバやシェルが外側に押し広げられる構造をもつ点は図22のものと同様である。図23(b)に示すヘルメット前部20―2とヘルメット後部20―1が開いた状態で被験者5の頭に被せ、その後ヘルメット前部20―2を閉めて装着する。なお、ヘルメット前部20―2にはサンバイザー状またはゴーグル状のモニタ24が取りつけ可能である。モニタ24は、視覚情報もしくは視覚刺激を被験者に与えながら脳内活動を光計測する場合に用いられる。さらに、ヘルメットにイヤフォン25を取りつけ、音声情報もしくは聴覚刺激を被験者に与えながら計測を行ってもよい。この変形例では、自分でヘルメットを被ることが出来ない被験者、例えば新生児等に装着することが容易となる。ヘルメットが前後に分かれる以外にも、左右に分かれても良いし、後部と前の右部、前の左部のように3つに分かれてもよい。また、3つ以上に分かれても良い。自分でヘルメットを装着できる被験者に対しては、分かれる形状ではなく、一体型で、押し広げて被るタイプのヘルメットを使用してもよい。
図24は、図22もしくは図23のヘルメット型プローブを装着し横臥した状態で計測する場合を示している。ヘルメット20はベッド26の上に固定されるか、または置かれている。被験者5の首の保護のために、枕19がベット又はヘルメットに固定されるか、またはベット26の上に置かれている。光ファイバ23は、被験者23の下に敷かれないように、ベッド26の中を通って外に出されている。このとき、枕19の中も通っても良い。こうすることにより、光ファイバが被験者5の下敷きになったり、邪魔になったりすることが防止できる。
さらに、これらヘルメットには、被験者の気持ちが和むような色、模様、絵等を描いてもよい。例えば、プローブとしての機能を失わない程度に、動物等のキャラクターに模した形状にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の光計測装置用プローブの一例を示す図である。
【図2】本発明の実施例の光計測装置用プローブのシェルを平面に展開して配置を示す図である。
【図3】上記実施例のプローブを装着した状態でのシェルの配置を示す図である。
【図4】上記実施例のプローブの実際のシェルの送光部、受光部の配置を補正して平面表示した図である。
【図5】上記実施例で得る光計測画像の表示を示す図である。
【図6】別の実施例のプローブのシェルを平面に展開して配置を示す図である。
【図7】更に別の実施例のプローブのシェルを平面に展開して配置を示す図である。
【図8】更に別の実施例のプローブのシェルを平面に展開して配置を示す図である。
【図9】図7のプローブの装着状態での送光部、受光部の配置を示す図である。
【図10】更に別の実施例のプローブのシェルを平面に展開して配置を示す図である。
【図11】図10のプローブの装着状態での送光部、受光部の配置を示す図である。
【図12】更に別の実施例のプローブのシェルを平面に展開して配置を示す図である。
【図13】更に別の実施例のプローブのシェルを平面に展開して配置を示す図である。
【図14】図13のプローブの装着状態でのシェルの配置を示す図である。
【図15】図13のプローブの装着状態での送後部、受光部の配置を示す図である。
【図16】図6のプローブを用いる実施例の光計測画像を示す図である。
【図17】プローブが異なる場合の光計測画像を示す図である。
【図18】プローブが更に異なる場合の光計測画像を示す図である。
【図19】図8のプローブを用いる実施例の光計測画像を示す図である。
【図20】図7のプローブを用いる実施例の光計測画像を示す図である。
【図21】各実施例のプローブの頭部への固定法を示す図である。
【図22】別の実施例のプローブを示す図である。
【図23】更に別のプローブを示す図である。
【図24】図22もしくは図23のプローブの使用状態を示す図である。
【符号の説明】
1:照射点、2:受光点、3:シリコンゴム等の素材で作られたシェル、4:照射・受光点のほぼ中間に位置するサンプリング点、5:被験者、6:ひし形を正方格子に補正する為の補正線、7:シェル間のサンプリング点が乗る中間線、8:ひし形を正方格子に補正する為の補正線、9:計測画像、10:計測画像と重ねて、位置関係をわかり易くする為の被験者の頭部像、11:隣のシェルの照射点または受光点と重なり、兼用される照射点または受光点、12:隣のシェルのサンプリング点と重なるサンプリング点、13:両側のシェルから距離Lだけ離れた、シェル間に配置される照射・受光点の列が配置される中間線、14―1:サンプリング点が乗る中間線、14―2:サンプリング点が乗る中間線、15:光ファイバまたは光ファイバ固定ソケットを取り外してある照射点または受光点の位置、15:光ファイバまたは光ファイバ固定ソケットを取り外してあるので、じっさいには計測されないサンプリング点の位置、17:光ファイバ固定ソケット、17―1:光ファイバ固定ソケット下部材、17―2:光ファイバ固定ソケット上部材、18:プローブ固定用帽子、19:被験者の首固定用枕、20:ヘルメット、20―1:ヘルメット後部、20―2:ヘルメット前部、21:光ファイバ先端部、22―1:バネ、22―2:バネ、23:光ファイバ、24:視覚刺激用モニタ、25:聴覚刺激用イヤフォン、26:ベット。
Claims (8)
- 複数の光照射器と複数の光検出器を用いて生体の代謝物質濃度変化又は血流の変化を計測する生体光計測装置に於いて、
被験者の頭部に装着するプローブであって、正方格子を斜変形させた菱形の格子状に前記光照射器の照射部と前記光検出器の受光部とが交互に並ぶ部分配列を4つ含み、これら部分配列が半球状に並んで成る照射部、受光部の配列を有するプローブを備えることを特徴とする生体光計測装置。 - 前記部分配列の菱形のの頂角が可変であることを特徴とする請求項1の生体光計測装置。
- 前記部分配列は、正方格子を斜変形させた菱形の格子の格子点位置に前記照射部と受光部とを保持する可塑性部材より成る保持部で保持されることを特徴とする請求項1に記載の生体光計測装置。
- 前記保持部は、前記照射部と受光部とをそれぞれ成す光ファイバをそれぞれ固定する複数の光ファイバ固定ソケットと、前記光ファイバソケット同士を連結する転結部材を含み、網の目状を成すことを特徴とする請求項3に記載の生体光計測装置。
- 前記部分配列は、それぞれの部分配列の外側の辺同士がほぼ並行になるにように並ぶことを特徴とする請求項1に記載の生体光計測装置。
- 前記部分配列はそれぞれの部分配列の外側の辺同士が各部分配列内の隣接する照射部と受光部との距離とほぼ等しい距離だけ隔てて並び、かつ隣接する部分配列同士ではそれぞれの部分配列を成す照射部と受光部との配置が反転していることを特徴とする請求項1の生体光計測装置。
- 複数の光照射器と複数の光検出器を用いて生体の代謝物質濃度変化又は血流の変化を計測する生体光計測装置に於いて、
被験者の頭部に装着するプローブであって、正方格子状に前記光照射器の照射部と前記光検出器の受光部とが交互に並ぶ長方形の部分配列を中心に、正方格子を斜変形させた菱形の格子状に前記光照射器の照射部と前記光検出器の受光部とが交互に並ぶ部分配列が左右に並んで成る照射部、受光部の配列を有するプローブを備えることを特徴とする生体光計測装置。 - 複数の光照射器と複数の光検出器を用いて生体の代謝物質濃度変化又は血流の変化を計測する生体光計測装置に於いて、
被験者の頭部に装着するプローブであって、正方格子を斜変形させた菱形の格子状に前記光照射器の照射部と前記光検出器の受光部とが交互に並ぶ第1の部分配列と、正方格子状に前記光照射器の照射部と前記光検出器の受光部とが交互に並ぶを第2の部分配列含むプローブと、
前記プローブを用いて計測された信号分布を表示する表示手段であり、前記第1の部分配列に対応する信号分布の配置を前記第2の部分配列の対応する信号分布の配置と同様に正方格子
状の配置に補正して表示する表示手段とを備えたことを特徴とする生体光計測装置。
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