JP2005198788A - 生体活動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
生体活動計測装置において得られるデータに対する信憑性を向上する。
【解決手段】
被験者Ｐの脳の所定計測部位に所定波長の近赤外線を照射する光照射部２と、この光照射部による照射光に基いた前記計測部位からの出射光の強度を時系列的に検出する光検出部３と、この光検出部３が検出した出射光の強度の時系列変化からオキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、これらから求められるトータルヘモグロビンの濃度変化を示唆する吸光度時系列データを生成する吸光度データ生成部４と、被験者Ｐに所定の課題を行わせた場合に得られる吸光度時系列データに対して互いに異なるベースライン補正を行う複数のベースライン補正部５とを備え、被験者Ｐに行わせた課題に対応したベースライン補正部を用いて吸光度時系列データのベースライン補正を行い得るように構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、光を利用して被験者に所定の課題を行わせた場合の所定計測部位における生体活動を計測する生体活動計測装置に関するものである。

近年、光、特に近赤外線を利用し被験者を拘束しない状態でその生体活動の計測を可能にした生体活動計測装置の開発が進んでいる。中でも、従来は非拘束な状態での計測が難しかった脳活動を計測する装置の開発は注目されている。

そして、このような装置による脳活動の非侵襲な計測の実現により、厳格に制限された実験環境下でなく被験者に様々な課題を遂行させた場合における脳活動を示す科学的データを得られるようになった。そして、このような科学的なデータは、様々な分野への応用がなされている。例えば、学習活動時といった日常的な環境に近い状態での脳活動を示すデータ取得が可能となったことから、所定の学習課題を課した場合の被験者の脳活動を計測し、その結果を教育へ応用することが始まっている。また、その他、医学などの分野への応用もなされている。

この装置は、被験者の脳に所定波長の近赤外線を照射する光照射部と、この光照射部による照射光に基いた前記計測部位からの出射光（透過光及び反射光）の強度を検出する光検出部と、この光検出部が検出した出射光の強度の時系列的変化から各波長における吸光度の時系列的変化を示す時系列データを生成する時系列データ生成部とを備え、各波長の吸光度の値から、脳活動を示す血行動態（血流量及び／又は血液成分量の状態）に関与する生体物質である、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、そしてトータルヘモグロビン量変化或いは濃度変化を算出することできるようになっている。

これらの装置において、課題を実施させる開始時点をその計測基準として吸光度の時系列データを補正し、各時点におけるオキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、そしてトータルヘモグロビン量或いは濃度が求められるようにしてあるものが多い。
また、上述した吸光度の時系列データには、例えば頭部の動き、ブレインノイズのような脳の基礎的な代謝、ドリフトなどの課題遂行によらない要因に基づく吸光度変化の値が含まれているため、従来の装置には、一定の補正方式を設定したベースライン補正部を設けられ、ベースライン補正した時系列データに基いて、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、そしてトータルヘモグロビン量変化或いは濃度変化を示すデータを生成するように構成しているものもある。（特許文献参照）

しかして、従来は、ベースライン補正の考え方が特に重要視されていなかったこともあって、装置から出力されたデータである、ベースライン補正は施されずに計測基準のみの設定によって得られたデータ或いは装置に備えられているベースライン補正部によって補正されたデータをそのまま利用していた。そして、それらのデータを上述したような医学や教育などの研究に利用して、論議がなされてきたことになる。
特開２００２−１０７２９１号公報

ところが、このようなものであると、被験者に実施させた課題によっては、経験的に知られている若しくは理論的に考えられ得る値とはかけ離れたデータが得られる場合があった。

特に、教育学の研究においては、例えば被験者に与えた課題が高い思考力を要するものであると、得られたデータには被験者の気負いや緊張などの心理状態に起因する血行動態が大きく影響している場合がある。一方、課題がさほど高い思考力を要するものでは、被験者の心理状態の影響はさほど大きくないと予測される。また、タスクの後に一定のレストを取るような構成とした課題を被験者に行わせた場合には、レスト時の血行動態もデータに大きく影響する場合がある。

しかしながら、従来の装置では、このような課題の内容や実施態様に違いがあったとしても、一律なベースライン補正方法が適用されていたり、ベースライン自体が考慮されていなかったりするため、得られるデータに対する信憑性に疑問の余地を残している。

そこで、発明者は、従来の生体活動計測装置における時系列データのベースライン補正方式を再考し、被験者に実施させる課題によってベースラインが異なることに着目して、このベースラインの違いを反映させ、課題の特徴に対応した適切なデータを得ることができる生体活動計測装置の開発に尽力した。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、被験者の身体の所定計測部位に所定波長の光を照射する光照射部と、この光照射部による照射光に基いた前記計測部位からの出射光の強度を検出する光検出部と、この光検出部が検出した出射光の強度の時系列変化から生体活動に関与する所定生体物質の量変化或いは濃度変化を示唆する時系列データを生成する時系列データ生成部と、前記被験者に所定の課題を行わせた場合に得られる前記時系列データに対して互いに異なるベースライン補正を行う複数のベースライン補正部とを備え、被験者に行わせた課題に対応した一又は複数のベースライン補正部を用いて前記時系列データのベースライン補正を行い得るように構成している生体活動計測装置である。

なお、ここで「課題」とは、被験者の身体の所定部位において何らかの生体活動を引き起こすような負荷や仕事や刺激といったタスクを与えるものをいう。タスクの具体例としては、例えば思考力を要する学習テストのようなもの、心理学テストのようなもの、運動などの他、視覚や嗅覚等の五感に刺激を与えるようなものものなどが挙げられる。なお、タスクの前後に休憩時間（レスト）を取るような構成とした場合には、タスクとレストとを合せて「課題」とする。

また、「被験者に行わせた課題に対応した」とは、例えば、課題で採用しているタスクの種類や課題の実施態様といった「課題の内容」に対応したということや、課題を繰り返し実施させるような場合はそのそれぞれの課題の実施時間である「課題の周期」に対応したということを含むものである。また、課題が繰り返されることによって生じうる被験者の「慣れ」を実験計画法的に考慮した「課題の種類や回数」に対応したことを含むものである。

複数のベースライン補正部の好適な具体的態様としては、時系列データからベースラインを示すベースラインデータとの差分を取って補正をするものとし、ベースラインデータを、前記時系列データ生成部によって生成された時系列データの全部又は一部の値を利用した時間に関する関数で表されるようにしたものが挙げられる。ベースライン補正部としては、例えば被験者に課題を遂行させない平常状態において取得した時系列データを、ベースラインデータとして課題遂行時に取得した時系列データから差し引くようなものも考えられるが、このようなものであれば、課題遂行時のみの計測によって時系列データ及びベースラインデータが同時に取得でき、計測が簡単である。また、ベースライン補正部によって、時系列データから当該時系列データの値を利用したベースラインデータを差し引くことで、同時に光計測基準の設定がなされたこととなり、別個に光計測基準を設定する必要がなくなる。

そして、課題に対応したベースライン補正を実現するために、好適な複数のベースライン補正部の具体的態様としては以下のようなものが挙げられる。

例えば、被験者に所定の課題を繰り返して実施させるような場合には、複数のベースライン補正部に、ベースラインデータを各課題実施中の所定時点における時系列データの値を参照した関数によって表されるようにしたベースラン補正部が少なくとも含むことが望ましい。このようなベースライン補正部によれば、繰り返して実施される課題の周期に対応したベースライン補正を行えるようになる。

なお、所定の課題を繰り返し実施させるというのは、全く同一のタスクを含む課題を繰り返すということのみならず、同一の方略（解決方法）によって解決できるタスクを含んだ課題を繰り返し実施させるということを含むものとする。また、「各課題実施中の所定の時点における時系列データの値を参照した関数」は、それぞれの課題を実施する時間帯において得られる一又は複数の時点での時系列データの値を利用した関数であれば、各課題ごとに設定されるものや、各課題の所定時点間ごとに設定されるようなのであっても構わない。

特に、繰り返す課題が、タスクとタスクを与えないレストとからなるものである場合には、ベースラインデータの具体的態様として、例えば、各タスク及びレストごとに設定され、それぞれのタスク及びレストの開始時点における時系列データの値と終了時点における時系列データの値とによって決定される一次関数で表されるもの、各タスク及びレスト毎に設定され、各タスク及びレストの開始時点における時系列データの値を定数とした定数関数で表されるもの、各レストの所定時点同士の間で設定され、所定レストの所定時点における時系列データの値と次のレストの所定時点における時系列データの値とで決定される一次関数で表されるもの、などとしたものが挙げられる。

一方、被験者に内容の異なる課題を続けて実施させるような場合には、複数のベースライン補正部に、ベースラインデータを各課題実施中の所定時点における時系列データの値を参照した関数によって表されるようにしたベースライン補正部を少なくとも含むことが望ましい。このようなベースライン補正部によれば、課題の内容の差異によってベースラインを異ならせて設定するべきであるような場合に、適正なベースライン補正が行えるようになる。なお「続けて」とは、全くの連続のみならず若干の間隔をおいて実施される場合を含むものとする。

より具体的には、例えばベースラインデータが、各課題ごとに設定され、各課題の開始時点における時系列データの値を定数とした定数関数によって表されるようにしたものが挙げられる。なお、「各課題ごとに設定され」とは、実施する課題の内容の違いに応じて決定されるということで、同一内容の課題を繰り返し実施させた場合はその開始時点から繰り返し実施の終了時点までの間で決定されるということを含むものとする。

また、効率良く計測できるようにするためには、前記複数のベースライン補正部のうちから被験者に行わせた課題に応じたベースライン補正部を抽出するベースライン補正部抽出手段を設けて、前記一部のベースライン補正部がこの抽出部によって抽出されたベースライン補正部によって時系列データのベースライン補正を行うように構成すると好ましい。ベースライン補正部抽出手段としては、使用者の選択信号の入力によってその選択信号に該当するベースライン補正部を抽出するようなものであってもよいし、課題に関わる情報の入力によってその情報から自動的にそのタスクに対応するベースライン補正部を抽出してくるようなものであってもよい。なお、「課題に応じたベースライン補正部を抽出する」とは、その課題の特徴から最適と判断されるもののみ抽出するようなものであっても、適していると判断される複数の候補となるベースライン方式を採用したベースライン補正部をすべて抽出するようなものであってもよい。

本発明の装置を、計測部位を脳に設定して生体活動たる脳活動を計測するように構成すれば、本発明の効果を特に有効なものとすることができる。脳活動は、被験者に実施させる課題の種類によっては、生体由来の揺らぎやブレインノイズのみならず心理状態に起因する生体信号が時系列データに非常に大きく影響する可能性があり、ベースラインを一律に設定できない場合があるからである。

光を利用したものにあって生体内部の活動を計測する装置とする場合には、光照射部によって照射させる所定波長の光を、近赤外領域の光とするのが望ましい。近赤外領域の光は、皮膚組織及び骨組織を透過するからである。

生体活動に関与する所定生体物質は、血液中のオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンとすることが望ましい。これらオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンは、生体活動の一つである血行動態変化を表すパラメータとなる物質であるとともに、近赤外領域及び可視領域の所定波長の光に吸収極大を示すため、光計測に適しているからである。

本発明の生体活動計測装置によれば、複数のベースライン補正方式の中から、課題に応じて最適となるベースライン補正を施した時系列データを選択的に得ることが可能である。また、採用されているベースライン補正方法をそのまま適用したデータしか得られなかった従来の装置を利用した場合には見いだされなかった新しいデータが取得できる可能性もあり、これらのデータを利用した様々な分野における研究においても新たな発見が期待できる。

本発明の一実施形態である生体活動計測装置１を、図面を参照して説明する。

この生体活動計測装置１は、ＮＩＲＳ（近赤外分光法）を利用したもので、図１、図３に示すように、被験者Ｐの身体の所定計測部位である脳に所定波長の近赤外線を照射し、この照射光に基いた脳からの出射光の強度を時系列的に検出し、検出された出射光の強度の時系列変化から生体活動に関与する所定生体物質であるヘモグロビンの相対的な濃度変化を示唆する時系列データたる吸光度時系列データを生成して、被験者Ｐに所定の課題を行わせた場合に得られる前記吸光度時系列データに対して、互いに異なる複数のベースライン補正方法から被験者Ｐに行わせた課題に対応したベースライン補正方法を適用できるように構成したものである。特に、本実施形態の生体活動計測装置１は、被験者Ｐに、タスクとタスクを与えないレストとからなる課題を複数回繰り返して実施させた場合、タスクとレストとからなるものであって種類の異なる２種類以上の課題のそれぞれを複数回繰り返して実施させた場合における脳活動を計測するのに好適な装置として構成している。

具体的には、本実施形態における生体活動計測装置１は、光照射部２、光検出部３と、時系列データ生成部たる吸光度時系列データ生成部４と、複数のベースライン補正部５と、ヘモグロビン濃度時系列データ生成部６と、出力部７、頭部固定具８とを備えている。

以下に各部の構成について説明する。

光照射部２は、光源である半導体レーザ等から発された複数波長（本実施形態では３波長）の近赤外線を脳の所定部位Ｓ（図２参照）に照射するものである。図示例のものでは装置本体１ａに備えられた光源の光を光ファイバによって伝達し光入射部２１（図１参照）によって脳内へ光を照射するようにしている。

光検出部３は、前記光照射部２による照射光が脳内から反射してくる前記各近赤外線を光電子増倍管やＣＣＤ素子などの受光素子で受光して、その強度を電気信号に変換するものである。図示例のものでは、脳からの反射光を光集光部３１（図１参照）で集光し、その光を光ファイバで受光素子まで伝達するようにしてある。

本実施形態では、前記光入射部２１及び光集光部３１として、これらが１対備えられた１チャンネル型のものを採用しており、これら光入射部２１及び光集光部３１をそれぞれ、被験者の額の所定領域Ｓ１及びＳ２に装着し、その間の脳の単一所定計測部位Ｓにおける生体物質たるオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの動態を計測するようにしている。計測部位Ｓは、ここでは例えば脳の前頭葉に設定しているが、その特定にあたっては、まずＭＲＩ等の脳構造測定装置を用いて被験者Ｐの脳構造画像を得て、その画像に基づいて行うようにしている。なお、計測部位は、課題の内容によって異ならせても構わない。

吸光度時系列データ生成部４は、被験者Ｐが課題を行う過程で検出部２が検出した各波長における出射光の強度信号を所定間隔でサンプリングして時系列的に取得し、その強度信号を対数変換することによって各波長における吸光度を算出して、その吸光度を時間軸と関連付けて所定の記憶部に格納することによって、吸光度の時間変化を示すデータである吸光度時系列データを生成するものである。本実施形態ではＣＰＵを用いてデジタル的に処理しているが、もちろんアナログ的な処理によって吸光度時系列データを生成するようなものであってもよい。

複数のベースライン補正部５は、前記吸光度時系列データ生成部４が生成した吸光度時系列データに対してベースライン補正を行うものである。そして、本実施形態では、ベースライン補正命令信号の入力により、複数のベースライン補正部全てによって吸光度時系列データにベースライン補正が施す演算を行うように構成してある。また、前記吸光度時系列データが表示された後、自動的にベースライン補正を行うように設定したものであってもよい。これら複数のベースライン補正部５は、吸光度時系列データからベースラインを示すベースラインデータとの差分を取って補正をするように構成してあり、そのベースラインデータを、生成された吸光度時系列データの一部の値（所定時点における値）を参照した時間に関する関数で表されるものとしている。本実施形態では、少なくとも下記の５つのベースライン補正部５１、５２、５３、５４、５５を備えたものとしている。

ベースライン補正部５１、５２、５３は、所定のタスクとそのタスクを与えないレストとからなるような課題を繰り返し実施する場合に適応できるように、繰り返し実施される各課題実施中の所定時点における吸光度時系列データの値を参照した関数によって表されるベースラインデータを用いて吸光度時系列データを補正するように構成したものである。

具体的には、ベースライン補正部５１は、各タスク及びレストごとに設定され、タスク及びレストのそれぞれの開始時点における吸光度時系列データの値と終了時点における吸光度時系列データの値とよって決定される一次関数で表されるベースラインデータ（図７参照）によって、吸光度時系列データを補正するものである。すなわち、このベースライン補正部５１に用いられるベースラインデータを示す時間ｔの関数Ｆ_ｂａｓｅ（ｔ）は、所定のタスク乃至レストにおける開始時点Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}１（Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}１）の吸光度の値をＡ_{ＴＡＳＫｎ}１（Ａ_{ＲＥＳＴｎ}１）、終了時点Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}２（Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}２）の吸光度の値をＡ_{ＴＡＳＫｎ}２（Ａ_{ＲＥＳＴｎ}２）とすれば、
Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}１≦ｔ≦Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}２において
Ｆ_ｂａｓｅ（ｔ）＝（Ａ_{ＴＡＳＫｎ}２−Ａ_{ＴＡＳＫｎ}１）／（Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}２−Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}１）×（ｔ−Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}１）＋Ａ_{ＴＡＳＫｎ}１
Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}１≦ｔ≦Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}２において
Ｆ_ｂａｓｅ（ｔ）＝（Ａ_{ＲＥＳＴｎ}２−Ａ_{ＲＥＳＴｎ}１）／（Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}２−Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}１）×（ｔ−Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}１）＋Ａ_{ＲＥＳＴｎ}１
と、表されることになる。

ベースライン補正部５２は、各タスク及びレストごとに決定され、各タスク及びレストの開始時点における吸光度時系列データの値を定数とした定数関数で表されるベースラインデータ（図１０参照）によって、吸光度時系列データを補正するものである。すなわち、このベースライン補正部５２に用いられるベースラインデータを示す時間ｔに関する関数Ｆ_ｂａｓｅ（ｔ）は、所定のタスク乃至レストにおける開始時点Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}１（Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}１）の吸光度の値をＡ_{ＴＡＳＫｎ}１（Ａ_{ＲＥＳＴｎ}１）、終了時点Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}２（Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}２）の吸光度の値をＡ_{ＴＡＳＫｎ}２（Ａ_{ＲＥＳＴｎ}２）とすれば、
Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}１≦ｔ≦Ｔ_{ＴＡＳＫｎ}２において
Ｆ_ｂａｓｅ（ｔ）＝Ａ_{ＴＡＳＫｎ}１
Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}１≦ｔ≦Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}２において
Ｆ_ｂａｓｅ（ｔ）＝Ａ_{ＲＥＳＴｎ}１
と、表されることになる。

ベースライン補正部５３は、各レストの中間時点同士の間ごとに設定され、所定のレストの中間時点における吸光度時系列データの値と次のレストの中間時点における吸光度時系列データの値とで決定される一次関数で表されるベースラインデータ（図１３参照）によって、吸光度時系列データを補正するものである。このベースライン補正部５３に用いられるベースラインデータを示す時間ｔの関数Ｆ_ｂａｓｅ（ｔ）は、所定のレストにおける中間時点Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}３の吸光度の値をＡ_{ＲＥＳＴｎ}３、次のレストの中間時点Ｔ_{ＲＥＳＴｎ＋１}３の吸光度の値をＡ_{ＲＥＳＴｎ＋１}３とすれば、
Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}３≦ｔ≦Ｔ_{ＲＥＳＴｎ＋１}３において
Ｆ_ｂａｓｅ（ｔ）＝（Ａ_{ＲＥＳＴｎ＋１}３−Ａ_{ＲＥＳＴｎ}３）／（Ｔ_{ＲＥＳＴｎ＋１}３−Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}３）×（ｔ−Ｔ_{ＲＥＳＴｎ}３）＋Ａ_{ＲＥＳＴｎ}３
と、表されることになる。

また、ベースライン補正部５４は、内容の異なる２種類以上の課題を続けて実施させる場合に使用できるように、各課題実施中の所定時点における吸光度時系列データの値を参照した関数で表されるベースラインデータによって吸光度時系列データを補正できるようにしたものである。より具体的には、前記ベースラインデータを、各課題ごとに設定されそれぞれの課題の開始時点における吸光度時系列データの値を定数とした定数関数によって表されるものとしている。なお、本実施形態では、所定内容の課題を繰り返した後に、異なる内容の課題を繰り返し実施させる場合に対応できるような構成としており、すなわち、このベースライン補正部５４に用いられるベースラインデータを示す時間ｔの関数Ｆ_ｂａｓｅ（ｔ）は、同一の課題を繰り返した期間の開始時点Ｔ_{ＴＥＲＭｎ}１の吸光度の値をＡ_{ＴＥＲＭｎ}２、終了時点Ｔ_{ＴＥＲＭｎ}２の吸光度の値をＡ_{ＴＥＲＭｎ}２とすれば、
Ｔ_{ＴＥＲＭｎ}１≦ｔ≦Ｔ_{ＴＥＲＭｎ}２において、
Ｆ_ｂａｓｅ（ｔ）＝Ａ_{ＴＥＲＭｎ}１
と、表されることになる。

ベースライン補正部５５は、課題実施開始時点における吸光度時系列データの値を定数とした定数関数で表されるベースラインデータ（図１９参照）によってベースライン補正するもので、開始時点の吸光度を０とし、従来の光計測基準を設定するのみである補正方法を採用したものである。

ヘモグロビン濃度時系列データ生成部６は、ベースライン補正部５によって補正された３つの波長の吸光度時系列データの値をＭｏｄｅｆｉｅｄ Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ則を利用した演算処理することによって、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、それらから求められるトータルヘモグロビン濃度の値を算出し、これらそれぞれを対応する時間軸と関連付けて所定の記憶部に格納することによって、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン及びトータルヘモグロビンそれぞれの時間軸に沿った相対的濃度変化を示すヘモグロビン濃度時系列データを生成するものである。

出力部７は、ディスプレイ又はプリンタ等の出力機器に、各ベースライン補正部５１〜５５で採用されているベースラインデータ、それによって補正された吸光度時系列データ、前記ヘモグロビン濃度時系列データを少なくとも出力するものである。図７、１０、１３、１６、１９に示すように、ベースラインデータは、これを表す時間に関する関数をグラフ化した状態で出力するようにしている。また、図８、１１、１４、１７、２０及び図９、１２、１５、１８、２１に示すように前記補正された吸光度時系列データ及びヘモグロビン濃度時系列データは、その波形を出力するようにしている。さらに、本実施形態では、被験者Ｐが課題を実施する過程での各タスクの開始時点及び終了時点、各レストの開始時点及び終了時点を、ベースラインデータを示すグラフ、補正された吸光度時系列データの波形及びヘモグロビン濃度時系列データの波形と、時系列を揃えて同時に出力するようにしている。これらは、タスクの開始及び終了のタイミング、レストの開始及び終了のタイミングが、ベースラインデータを示すグラフ、補正された吸光度時系列データの波形及びヘモグロビン濃度時系列データの波形と比較できるようなものであれば、どのような状態で出力しても良いが、図示例のもののように、交差する線分のような図形として出力するのがわかりやすい。なお、図６に示す生の吸光度時系列データの波形に代表させて、タスクとレストを表す部分をそれぞれＴとＲで示している。なお、本実施形態においては、タスク、レストの開始及び終了のタイミングは、例えばビデオ等による撮影を利用して測るようにしているが、自動的にこれらのタイミングを認識するような手段を設けるようにしてもよい。

頭部固定具８は、例えば図１に示すように、前額部上部を支える前額部支持部８１と、被験者Ｐの顎を支える顎支持部８２と、と、これら前額部支持部８１と顎支持部８２とを被験者Ｐが着座する机或いは床などに対して移動不能に固定するための図示しない固定部とから構成したものが挙げられる。この頭部固定具８により頭部の動きをできるだけ抑制して、正確なデータが得られるようにしている。

以上のように構成した生体活動計測装置１によって、被験者Ｐに課題を行わせた場合の脳活動を計測する場合には、図１に示すように、被験者Ｐの額に光入射部２１及び光集光部３１を装着するとともに、頭部固定具８で頭の動きを規制した状態として、課題を行わせて計測を行っていく。

次に本実施形態の生体活動計測装置１を用いて、被験者Ｐに所定の課題を行わせて脳活動を計測した実施例１、実施例２について説明する。

まず、被験者Ｐに行わせた課題について説明する。ここでは、被験者Ｐに図４、図５それぞれに示した課題Ｋ１、Ｋ２を連続して実施させるようにしており、まず、課題Ｋ１を５回繰り返し実施させ、続いて課題K２を５回繰り返し実施させるようにしている。課題Ｋ１、Ｋ２ともに、タスクとこのタスクを行わせた後にタスクを実施させないレストとからなるものとしている。

課題Ｋ１で与えるタスクは、図４に示したように所定の図柄が描いてある２次元の指定図形Ｚ１と、与えられた複数の課題図形Ｚ２のうち合同なものがいくつあるかを、解答するというものであって、前記指定図形Ｚ１と合同な図柄を印刷した透明の補助シートＡを利用して上述の合同か否かを判断するというものである。なお、指定図形Ｚ１を平行・対称・回転移動させたものも合同とすることとしている。図示例のものでは指定図形Ｚ１は解答用紙の中央に配置されており正方形（例えば、３．２ｃｍ×３．２ｃｍ）の中に複数の線を組み合わせた図柄が描いてある。また、課題図形Ｚ２は、指定図形Ｚ１と同じ大きさの正方形の内部に種々の図柄が描いてあるもので、前記指定図形Ｚ１の周囲を囲むように８つ描かれてある。

一方、課題Ｋ２で与えるタスクは、図５に示したように課題Ｋ１と同様に複数の課題図形Ｚ２のうち前記指定図形Ｚ１と合同なものの個数を回答するものであるが、前記補助シートＡは与えないというものである。

また、課題Ｋ１、Ｋ２ともに、上記それぞれのタスクを実施させた後３０秒間のレストを設定してあり、すなわち、被験者は一のタスクを終了した後、３０秒のレストを置いて次のタスクを実施するようになっている。

しかして、課題Ｋ１、課題Ｋ２を被験者に行わせた結果は次のようになった。

ベースライン補正部５１、５２、５３、５４、５５によって補正された吸光度時系列データは、図８、１１、１４、１７、２０に示しているような波形が得られ、またこれら補正された吸光度時系列データから求められたヘモグロビン濃度時系列データは、図９、１２、１５、１８、２１に示しているような波形が得られた。以上から明らかなように、ベースライン補正の仕方で得られる結果が全く異なってくる。

ベースライン補正部５１〜５３によってベースライン補正して得られるデータは、生の吸光度時系列データ及びこれから得られるヘモグロビン濃度時系列データに見られる傾向（課題Ｋ１実施中より課題Ｋ２実施中の方が全体的に脳の血流量が多くなっている。課題Ｋ１より課題Ｋ２におけるレストでの血流量の減少の程度が小さい。）から逸脱した波形を描いており妥当性が低いのに対し、ベースライン補正部５４によって補正された吸光度時系列データは、生の吸光度時系列データ（図６）及び計測基準のみ設定した吸光度時系列データ（図２０）に見られる傾向を保持したものとなっている。また、課題Ｋ２実施中には、オキシヘモグロビン濃度が高くなる傾向が顕著に表れている。

課題の特徴を鑑みれば、課題Ｋ１、Ｋ２におけるタスクは、相当の思考力を要するものであり被験者の脳へ与える負荷は大きい。このため、タスクを終了した後の３０秒程度のレストの間には、一旦上がった血流量は下がにくい（平常状態まで戻りにくい）と考えられる。すなわち、レスト時の吸光度データの値に基づいてベースラインデータを決定することは不適当であると考えられる。また、前半繰り返す課題Ｋ１よりも後半に繰り返す課題Ｋ２の方が、より思考力を要するものであるため、課題Ｋ２実施時の方が、課題Ｋ１実施時よりも、緊張などの心理状態に起因する血行動態のバックグラウンドが高くなる特徴を有すると考えられる。なお、この被験者においては、課題Ｋ１、Ｋ２のベースラインデータ（バックグラウンド）が異なっているものの、他の被験者と比べてその差に大きな違いが見られなかった。これは、この被験者自身が述べている「補助シートＡを使用しない課題Ｋ２をさほど難しいと感じなかった。」という感想と合致する結果である。

しかして、このような特徴を有する課題Ｋ１、Ｋ２を実施する場合においては、課題の内容に対応してベースラインデータを表す関数を異ならせているベースライン補正部５４によってベースライン補正することで、適正な計測値が得られた。

この実施例において被験者に与えた課題Ｋ３は、所定の本を一分間読むというタスクを与え、１分間の読書の後には1分間のレストを与えるというもので、毎回与える本を変えて５回繰り返して実施させた。この課題Ｋ３は、上述した課題Ｋ１、Ｋ２と比較すれば、さほど高い思考力を要するタスクを含んでおらず、また、タスクの後にタスクと同時間のレストを与えてあるものである。

本実施例の場合には、一のタスクを終了した時点すなわちレストの開始時点でタスクによる血流量の増加の影響を取り除くベースライン補正部５２によるベースライン補正によって最も適切な計測値を得ることができた。

以上詳述したように、本実施形態の生体活動計測装置１によれば、吸光度時系列データを複数の方法でベースライン補正することができるため、被験者Ｐに実施させる課題の内容や実施態様に応じて、適切なベースライン補正部を選択して吸光度時系列データの補正を行うことが可能である。この結果、脳の血流量動態を示すヘモグロビン濃度（量）の時系列変化を適正に求めることができるので、課題遂行時における脳活動を正確に観察できる。

さらに、何れのベースライン補正部５１〜５５によって吸光度時系列データを補正した場合であっても、吸光度時系列データからベースラインデータを差し引く補正を行っているため、光計測基準の設定を同時に行ったことになり、別に計測基準設定を行う手段を設ける必要が無い。

本実施形態においては、複数のベースライン補正部に、タスクとレストとからなる課題を繰り返し実施する場合の生体活動計測に対応したベースライン補正部５１、５２、５３を備えたので、実施例２で示した課題Ｋ３や、その他さらに被験者に与える負荷が小さいタスクを含む課題を実施した場合に、適切なベースライン補正を行うことができる。これらの被験者に与える負荷がさほど大きくない課題を実施する場合の脳活動は、心理状態などの影響より、課題を実施する周期（或いはタスクやレストの周期）に応じた血行動態の影響が大きいからである。

さらに、ベースライン補正部５４を備えることによって、異なる課題を続けて行わせる場合に、それらの課題の内容（実施例１では難易度）に応じてベースラインを異ならせるという従来実施されていなかった新たなベースライン補正ができるようになり、今まで発見されなかった新しいデータが得られる。

また、本実施形態においては、ベースライン補正部５１〜５４によってベースライン補正した吸光度時系列データ及びこれらから求めたヘモグロビン濃度時系列データを、生の吸光度時系列データやベースライン補正部５５によって計測基準のみを設定して求めたヘモグロビン濃度時系列データと比較できるので、生の吸光度時系列データの傾向から著しく逸脱するような補正がなされたデータを除外することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されない。

例えば、上記実施形態では、出力された結果から最適なベースライン補正方法を利用者が判断するような構成としているが、既存の課題とベースライン補正方式とを関連付けたベースライン情報を所定の記憶部に格納して、その格納された情報を参照することで最適なベースライン補正方法を判別するようなデータ判別部を、さらに設けても良い。

また、時系列データ生成部を、検出部が検出した各波長における光強度から吸光度を算出せずに光強度信号を数値化させてその時系列変化を示す時系列データを生成するようなものとしてもよい。この場合は、複数のベースライン補正部を、光強度信号の時系列データのベースライン補正するように構成する。また、補正された光強度信号の時系列データから、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度及びトータルヘモグロビン濃度それぞれの時系列変化を示すヘモグロビン濃度時系列データを生成するように構成したヘモグロビン濃度時系列データ生成部を設けるようにすれば好ましい。

また、ベースライン補正部としては、上記実施形態のものには限られず、ベースラインデータが、例えば各課題実施中の中間時点や終了時点の時系列データの値を定数とした定数関数で表されるもの、複数の時点での時系列データの値によって決定される高次関数で表されるようなものなど種々のものであってよい。

また、ベースラインデータとして、課題の周期や内容に応じた関数ではなく、時系列データの複数の時点での時系列データの値を近似させたスプライン関数で表されるベースラインデータによって全体的な揺らぎを除くようなベースライン補正部を設けてもよい。

また、複数のベースライン補正部のうちから被験者に行わせた課題に応じたベースライン補正部を抽出するベースライン補正部抽出手段を設けて、前記一部のベースライン補正部がこの抽出部によって抽出されたベースライン補正部によって時系列データのベースライン補正を行うように構成したものであってもよい。なお、ベースライン補正部抽出手段は、課題の特徴から最適と判断されるもののみ抽出するようなものであっても、適していると判断される複数の候補となるベースライン方式を採用したベースライン補正部をすべて抽出するようなものであってもよいものとする。また、ベースライン補正部抽出手段としては、例えば、使用者の選択信号の入力によってその選択信号に該当するベースライン補正部を抽出するよう構成してもよいし、課題に関わる情報の入力によってその情報から自動的にそのタスクに対応するベースライン補正部を抽出してくるよう構成してもよい。そして、前記課題に関わる情報としては、前述したような課題の特徴に関する情報の他、その課題を被験者に行わせて取得した結果に関する情報であるベースライン補正をしていない生の時系列データなどが挙げられる。このようなものとすれば、課題に応じて適正である又は適正と思われる絞った計測値のみが得られるため、無駄がなく使用者にとって都合がよい。この場合、予め課題に関する情報を、当該課題情報に適している又は過去データなどから適していると判断されるベースライン補正方法を採用している一又は複数のベースライン補正部に関連付けて格納している課題情報格納部を設けて、ベースライン抽出部をこの課題情報格納部に格納された情報と入力された課題に関わる情報とを比較して対応するもの或いは入力された課題に関わる情報と近似的な課題情報を抽出するように構成してもよい。

被験者に実施させる課題は、上記のようなものに限らず、運動等のタスクを含むもの、例えば、「何かを聞かせる」、「何かを見せる」など五感に刺激を与えるようなタスクを含むものであってもよい。

計測に利用する光は、近赤外線によらず、可視光、紫外線であってもよい。また、検出部が、照射部からの所定波長の光を照射した計測部位からの出射光である蛍光の強度を検出するようなものであってもよい。

生体物質としては、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビンに限られない。血流量の動態に関わるものとして、グルコースやチトクロームなどであってもよいし、所定波長の光によって計測し得る生体物質であれば、その他種々のものであってもよいのは勿論である。

また、脳計測に限らず、運動中の筋肉における生体活動を計測するような装置であってもよい。

本発明の一実施形態における生体活動計測装置を示す全体概略図。 同実施形態における所定計測部位を示す部分説明図。 同実施形態における生体活動計測装置の全体機能構成図。 同実施形態における課題Ｋ１の内容を示す図。 同実施形態における課題Ｋ２の内容を示す図。 同実施形態における課題実施中に得られる吸光度時系列データを示す波形図。 同実施形態におけるベースラインを示すグラフ。 同実施形態におけるベースライン補正部によって補正した吸光度時系列データを示す波形図。 同実施形態におけるヘモグロビン濃度時系列データを示す波形図。 同実施形態におけるベースラインを示すグラフ。 同実施形態におけるベースライン補正部によって補正した吸光度時系列データを示す波形図。 同実施形態におけるヘモグロビン濃度時系列データを示す波形図。 同実施形態におけるベースラインを示すグラフ。 同実施形態におけるベースライン補正部によって補正した吸光度時系列データを示す波形図。 同実施形態におけるヘモグロビン濃度時系列データを示す波形図。 同実施形態におけるベースラインを示すグラフ。 同実施形態におけるベースライン補正部によって補正した吸光度時系列データを示す波形図。 同実施形態におけるヘモグロビン濃度時系列データを示す波形図。 同実施形態におけるベースラインを示すグラフ。 同実施形態におけるベースライン補正部によって補正した吸光度時系列データを示す波形図。 同実施形態におけるヘモグロビン濃度時系列データを示す波形図。

符号の説明

１・・・生体活動計測装置
２・・・光照射部
３・・・光検出部
４・・・時系列データ生成部（吸光度時系列データ生成部）
５（５１、５２、５３、５４、５５）・・・ベースライン補正部

Claims (12)

1. 被験者の身体の所定計測部位に所定波長の光を照射する光照射部と、
   この光照射部による照射光に基いた前記計測部位からの出射光の強度を検出する光検出部と、
   この光検出部が検出した出射光の強度の時系列変化から生体活動に関与する所定生体物質の量変化或いは濃度変化を示唆する時系列データを生成する時系列データ生成部と、
   前記被験者に所定の課題を行わせた場合に得られる前記時系列データに対して互いに異なるベースライン補正を行う複数のベースライン補正部とを備え、
   被験者に行わせた課題に対応した一又は複数のベースライン補正部を用いて前記時系列データのベースライン補正を行い得るように構成している生体活動計測装置。
2. 前記複数のベースライン補正部が、前記時系列データからベースラインを示すベースラインデータとの差分を取って補正をするものであり、
   前記ベースラインデータが、前記時系列データ生成部によって生成された時系列データの全部又は一部の値を参照した時間に関する関数で表される請求項１記載の生体活動計測装置。
3. 被験者に所定の課題を繰り返して実施させた場合において、
   前記複数のベースライン補正部が、
   前記ベースラインデータが各課題実施中の所定時点における時系列データの値を参照した関数によって表されるベースライン補正部を、少なくとも含んでいる請求項２記載の生体活動計測装置。
4. 前記所定の課題が、所定のタスクとそのタスクを与えないレストとからなるものであり、
   前記ベースラインデータが、各タスク及びレストごとに設定され、タスク及びレストのそれぞれの開始時点における時系列データの値と終了時点における時系列データの値とよって決定される一次関数で表される請求項３記載の生体活動計測装置。
5. 前記所定の課題が、所定のタスクとそのタスクを与えないレストとからなるものであり、
   前記ベースラインデータが、各タスク及びレストごとに設定され、各タスク及びレストの開始時点における時系列データの値を定数とした定数関数で表される請求項３記載の生体活動計測装置。
6. 前記所定の課題がタスクとタスクを与えないレストとからなるものであり、
   前記ベースラインデータが、各レストの所定時点間ごとに設定され、所定レストの所定時点における時系列データの値と次のレストの所定時点における時系列データの値とで決定される一次関数で表される請求項３記載の生体活動計測装置。
7. 被験者に内容の異なる２種類以上の課題を続けて実施させる場合において、
   前記複数のベースライン補正部が、
   前記ベースラインデータが各課題実施中の所定時点における時系列データの値を参照した関数で表されるベースライン補正部を、少なくとも含んでいる請求項２記載の生体活動計測装置。
8. 前記ベースラインデータが、各課題ごとに設定され、各課題の開始時点における時系列データの値を定数とした定数関数によって表されるものである請求項７記載の生体活動計測装置。
9. 前記複数のベースライン補正部から、被験者に行わせた課題に対応したベースライン補正部を抽出するベースライン補正部抽出手段を備え、このベースライン補正部抽出手段によって抽出されたベースライン補正部によって時系列データを補正するようにしている請求項１乃至８何れかに記載の生体活動計測装置。
10. 計測部位が脳に設定され、生体活動たる脳活動を計測する請求項１乃至９何れかに記載の生体活動計測装置。
11. 前記光照射部によって照射される所定波長の光が、近赤外領域の光である請求項１乃至１０何れかに記載の生体活動計測装置。
12. 前記生体活動に関与する所定生体物質が、血液中のオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンである請求項１乃至１１何れかに記載の生体活動計測装置。