JP2010148674A - 光脳機能計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】脳によって拡散反射された光を検出することにより、検出信号から脳活動を測定する光脳機能計測装置であって、複数の測定部位からの時系列状の検出信号を取得する信号検出部12と、検出信号、または、この検出信号に基づいて算出したヘモグロビン濃度に関する時系列状信号を、観測信号として記憶する観測信号記憶制御部13と、観測信号を所定の単位時間幅ごとに区分し、区分された観測信号のそれぞれに対してフーリエ変換、独立性分分析、主成分分析のいずれかの解析演算を行うことにより単位時間幅ごとの区分解析信号を取得する区分解析信号取得部14と、区分解析信号を表示する区分解析信号表示制御部15とを備える。
【選択図】図1
Description
しかしながら、視覚的評価により不必要成分であるかを判定する方法では、評価者による個人差が生じやすい。
不要成分であるかを峻別しやすくするための1つの方法として、光計測の際に、被験者に周期的なタスクを与え(脳賦活パラダイム)、タスクの周期に同期している信号を脳活動の信号(脳機能信号という)として扱い、他の信号をノイズとして除外することがなされている。
上述した付随信号は、生理学的ノイズと考える場合は除去することが望ましいが、別の観点からみると、生理学的情報が含まれた付随信号であるとも考えられる。
また、「所定の単位時間幅」とは、予め設定したり後から設定したりすることが可能な時間幅であり、この単位時間幅ごとに1つの区分解析信号が取得されることになる。
これにより、タスクによる脳活動への影響を測定する際に、タスク中の変化を時間区分して計測することができる。
また、上記発明において、区分解析信号取得部が行う解析演算がフーリエ変換であり、区分解析信号表示制御部は、区分解析信号を表示する際に、周波数軸と時間軸との二次元表示上にパワーをカラー表示または輝度表示するようにしてもよい。
これらによれば、周波数ごとに分解された付随信号の動的な変化を視覚的に確認できる。
光脳機能計測装置10は、測定光学系11と、信号検出部12と、観測信号記憶制御部13と、区分解析信号表示制御部14と、区分解析信号表示制御部15と、表示部16と、入力装置17と、メモリ18とを備えている。このうち、測定信号検出部12と、観測信号記憶制御部13と、区分解析信号表示制御部14と、区分解析信号表示制御部15は、CPU、ROM、RAM等で構成されるコンピュータ20およびソフトウェアにより構成されている。
図示しないタイミング制御回路により送光プローブによる光照射と受光プローブによる光検出との制御が行われることで、プローブ対による検出動作が行われる。測定部位の数については特に制限はないが、本実施形態では図1に示されるように配置することで測定部位が24箇所設定されるものとして説明する。
図2は光脳機能計測装置10による計測動作の動作フローの一例を示すフローチャートである。最初はタスクを与えずに脳活動の測定を行う場合を説明する。
計測開始時から計測終了時まで採取した全ての検出信号Xn(t)を、観測信号として、メモリ18に逐次記憶する(S102)。
続いて、予め初期設定してある単位時間幅、あるいは、観測信号を記憶させてから入力装置17によって適宜設定した単位時間幅(例えば10秒間隔)で、検出信号Xn(t)を時間区分し、個々の区分された観測信号に対し、フーリエ変換による解析演算を行うことにより、単位時間幅ごとのフーリエ変換データ(F(Xn(t)))を算出し、算出結果を区分解析信号として取得する(S103)。
このように表示することにより、1区間の区分解析信号からは、当該区間に対応する時点の周波数分解されたパワースペクトルが得られるので、当該時点における付随信号の影響を観測することができる。例えば、呼吸(10〜20回/分)や心拍(60〜75回/分)に関連する情報は、これに対応する周波数の付随信号が重畳されるので、そのような付随信号が区分解析信号の二次元表示に現れていれば呼吸や心拍の影響が信号に含まれていることが把握できる。さらに、周波数軸とパワー軸とによる二次元表示を、単位時間幅ごとに時系列的に並べて三次元表示することにより、付随信号の時間変化を動的に表示することができ、被験者の状態の時間変化が視覚化できる。
次に、タスクを与えて脳活動の測定を行う場合を説明する。図5は、第二の実施形態である光脳機能計測装置30である。図1で説明した光脳機能計測装置10と同じ部分については、同符号を付すことにより説明を省略する。光脳機能計測装置30では、光脳機能計測装置10の構成に、タスク期間情報入力部31が付加されている。
タスク期間情報入力部31は、外部機器の使用によって被験者にタスクを与えながら計測する際のタスク期間に関する情報を受信する。たとえば外部機器として、歩行用トレッドミル(不図示)を使用する場合は、トレッドミルの外部出力信号を、タスク期間情報入力部31に入力し、メモリ17に記憶しておく。この外部出力信号により、光脳機能計測装置30側で、トレッドミルのタスク期間、レスト期間が把握できるようになる。
そして、例えば図6に示すように、タスク、レスト、タスク、レストが50秒ずつ繰り返される場合に、単位時間幅10秒でタスク期間を区分するとともに、タスクの開始時期に合わせる。
このように区分することで、タスクが与えられた開始時点と同期して時間区分を区切ることになり、タスクを与えてからの時間変化を単位時間幅ごと正確に区分して観測することができる。
以上の実施形態では、区分解析信号取得部14が解析演算としてフーリエ変換を行い、単位時間幅ごとの周波数分析を行うようにした。本実施形態ではフーリエ変換による周波数分析に代えて、独立成分分析を行うようにしている。すなわち、区分解析信号取得部14が独立成分分析の手法による解析演算を行う。
したがって、演算によって得られた独立成分信号番号ごとに、各時間区分の独立成分信号を、横軸が周波数軸に代わる時間軸、縦軸がパワー軸として二次元表示する。そして、時間区分ごとの変化を視覚化するために、図3と同様に、この二次元表示を時間区分ごと時系列的に並べた三次元表示を行う。
この場合の表示は、図3におけるチャンネル番号を独立成分番号に変え、周波数時間軸を時間軸に変えたものとなる。
混合行列Aをカラー表示化することもできる。その場合は混合行列Aの各列成分が、各独立成分信号の各観測信号に対する重み成分となっていることを利用する。すなわち混合行列Aの各列成分を観測信号の空間配置に対応させた空間マップを作成し、これをカラー表示して図3(横軸が時間軸、縦軸がパワー軸)に対応させて、並べて表示する。そして空間マップの時間推移を表示する。これにより各独立成分に各観測信号がどのように寄与しているかの空間マップを時間変化させて表示することができる。
実施形態3では、区分解析信号取得部14が解析演算として独立成分分析を行うようにしたが、本実施形態では、独立成分分析に代えて、主成分分析を行うようにする。すなわち、区分解析信号取得部14が主成分分析の手法による解析演算を行う。
これにより、時間区分ごとの主成分信号Sn(t)および混合行列Aが得られる。
したがって、演算によって得られた主成分信号番号ごとに、各時間区分の主成分信号を、横軸が時間軸、縦軸がパワー軸として二次元表示する。そして、時間区分ごとの変化を視覚化するために、図3と同様に、この二次元表示を時間区分ごと時系列的に並べた三次元表示を行う。
11:測定光学系
12:信号検出部
13:観測信号記憶制御部
14:区分解析信号取得部
15:区分解析信号表示制御部
Claims (5)
- 送光プローブと受光プローブとからなる複数のプローブ対を被験者の頭皮上に配置し、送光プローブで測定光を照射し脳によって拡散反射された光を受光プローブにより検出することで、検出信号から脳活動を測定する光脳機能計測装置であって、
各プローブ対に対応して定まる複数の測定部位からの時系列状の検出信号を取得する信号検出部と、
前記検出信号、または、この検出信号に基づいて算出したヘモグロビン濃度に関する時系列状信号を、観測信号として記憶する観測信号記憶制御部と、
前記観測信号を所定の単位時間幅ごとに区分し、区分された観測信号のそれぞれに対してフーリエ変換、独立性分分析、主成分分析のいずれかの解析演算を行うことにより単位時間幅ごとの区分解析信号を取得する区分解析信号取得部と、
前記区分解析信号を表示する区分解析信号表示制御部とを備えたことを特徴とする光脳機能計測装置。 - 被験者にタスクを与えて計測する際のタスク期間に関する情報を受信するタスク期間情報入力部をさらに備え、
区分解析信号取得部は、タスク期間よりも短い単位時間幅で、かつ、タスク期間の開始時点に同期させて前期観測信号を区分する請求項1に記載の光脳機能計測装置。 - 区分解析信号取得部が行う解析演算がフーリエ変換であり、
区分解析信号表示制御部は周波数軸とパワー軸とによる区分解析信号の二次元表示を単位時間幅ごとに時系列的に並べた三次元表示を行う請求項1または請求項2のいずれかに記載の光脳機能計測装置。 - 区分解析信号取得部が行う解析演算がフーリエ変換であり、
区分解析信号表示制御部は、周波数軸と時間軸との二次元表示上に区分解析信号のパワーをカラー表示または輝度表示する請求項1または請求項2に記載の光脳機能計測装置。 - 各測定部位ごとの表示を画面上で並べて行う請求項3または請求項4に記載の光脳機能計測装置。
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