JP4164386B2

JP4164386B2 - 生体光計測装置

Info

Publication number: JP4164386B2
Application number: JP2003052600A
Authority: JP
Inventors: 敦牧; 剛山本
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: EP1452136B1; US20040171919A1; DE602004030387D1; EP1452136A1; US7139597B2; JP2004261265A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は人の脳機能を無侵襲的に計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、人の脳機能を計測する方法として、光を用いた方法で、大脳皮質の活動を計測する手法があった。
【０００３】
光を用いた生体計測では、可視から近赤外の光を用いた生体機能を計測する装置が、例えば特許文献１あるいは特許文献２で開示されている。さらに、本計測原理を応用し、脳機能の画像計測技術に関する発明が特許文献３に開示されている。
【０００４】
これらは、光ファイバー等で代表されるような光導波手段を用い、生体に光を照射し数ｍｍから数ｃｍ離れた位置において生体内部で散乱されながら透過してきた光、以下、生体通過光と略す、を集光し計測する。計測された生体通過光の強度より、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビン等で代表されるような生体内部の光吸収物質濃度あるいは濃度に相当する値を求める。光吸収物質濃度あるいは濃度に相当する値を求める際には、照射した光の波長に対応した、目的とする光吸収物質の光吸収特性を用いる。一般的に、生体表面から生体深部を計測する場合には、生体透過性の高い６５０ｎｍから１３００ｎｍの範囲内にある波長の光を用いる。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５７−１１５２３２号公報
【特許文献２】
特開昭６３−２７５３２３号公報
【特許文献３】
特開平９−９８９７２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これまで、前記生体通過光を用いる方法で大脳皮質の活動に伴う高次機能を計測する際には、被験者は静止していなければ計測された信号は体動に伴う多大な雑音レベルを持つものとなり、信号の解析が困難であった。健常な成人などが被験者になる場合には静止させることはさほど困難ではないが、乳幼児や老人などが被験者になる場合には意識的に静止できない場合が多い。従って、被験者が動いた場合の計測方法および信号処理方法の開発は、光計測方法が誰に対しても使用できるようになるためには重要な課題である。
【０００７】
この課題を解決すれば、乳幼児などの脳機能計測が可能となり、乳幼児期に高次機能の障害を早期発見することが可能となる。高次機能の障害は、例えば言語の場合には、言葉がでてくる２−３歳ごろになって発見されることが多い。こういった場合、言語獲得が通常より遅滞し、その遅滞を取り戻すのに多大な労力を要する。
【０００８】
したがって、早期に高次脳機能の障害を計測できる方法または装置の開発は、社会的な要望が大きく、解決するべき課題である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
被験者に対して言語・聴覚刺激を与え、光を用いる計測方法を用いて、乳幼児の高次機能障害の有無を計測する。その際、計測信号から体動による雑音を自動的に検知して除去する。
【００１０】
体動による雑音は、パルス状の雑音であるため、周波数領域では広い帯域を有している。そのため、単純な周波数フィルターで除去することは難しい。従って、時間領域で任意時間間隔の変化量を演算して求め、その変化量から体動成分すなわち、得られたデータの体動雑音成分を自動判定する。
【００１１】
また、通常、脳機能の計測においては、その変化を統計的に評価することが多く、その統計精度を確保するために同一被験者に対して同じ刺激を複数回与える。さらに、他の被験者と比較する際には、統計量を同じ尺度で評価するために、全被験者に対して同数の刺激回数が与えられていることが望ましい。本発明においては、この課題に対しても、実時間で体動雑音を判定し、刺激回数にフィードバックをかけることで解決した。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の実施例１の装置構成について図１を参照して説明する。
【００１３】
乳幼児１１がベッドなどに安静に横たわっている状態で計測を行う。乳幼児１１の頭部には複数の光ファイバー１２が装着されている。光ファイバーは、それぞれ光源からの光を頭皮上から照射する照射用光ファイバ１２₁（光照射手段）と、生体内部を通過してきた散乱光を集光して検出器に導波する集光用光ファイバ１２₂（集光検出手段）があり、各組み合わせで一定の面積の領域を計測する。ここでは、照射用光ファイバー１２₁と集光用光ファイバー１２₂とを離した状態で模式的に示したが、これは、一定の面積の領域に交互に分散させて配列されるのが普通である。この一例を図２に示す。図２において、Ｓは照射用光ファイバー１２₁の位置に、Ｄは集光用光ファイバー１２₂の位置にそれぞれ対応する。このように配列すると、照射用光ファイバー１２₁Ｓと集光用光ファイバー１２₂Ｄとの間に挟まれた一点鎖線で囲って示す領域の生体内部を通過してきた散乱光が集光用光ファイバー１２₂を通して検出される。通常照射される光は、生体透過性の高い８００ｎｍ近傍の近赤外光である。この近赤外光の生体内部で吸収される値から、ヘモグロビン（Ｈｂ）の濃度変化に相当する量を計測することができる。ここで、濃度とは単位組織中のＨｂ分子量を指す。Ｈｂには、酸素を運ぶ酸素化ｏｘｙ−Ｈｂと酸素が離れた脱酸素化ｄｅｏｘｙ−Ｈｂがあるため、それぞれを分離して計測する場合にはそれぞれに適切な２波長を選択して計測する。ここで、ｏｘｙ−Ｈｂ濃度変化とｄｅｏｘｙ−Ｈｂ濃度変化の総和である総Ｈｂ（ｔｏｔａｌ−Ｈｂ）濃度変化は血液量変化に相当する。
【００１４】
成人の脳機能の活動と血液量変化およびｏｘｙ−Ｈｂ濃度変化およびｄｅｏｘｙ−Ｈｂ濃度変化、以下これらを総称して血行動態変化と言う、には密接な関係がある事が知られている。脳機能の活動が起こるとその機能を担う脳内局所領域で代謝が亢進し、その領域に酸素を送るため局所的に血液量やｏｘｙ−Ｈｂ濃度が増加し、ｄｅｏｘｙ−Ｈｂ濃度が減少するからである。従って、血液量変化およびｏｘｙ−Ｈｂ濃度変化およびｄｅｏｘｙ−Ｈｂ濃度変化を計測することによって成人の脳機能の活動を知ることができる。これまで、近赤外光を使った方法で、成人の脳機能活動を計測あるいは画像化が可能（特許文献１参照）であることは知られてきた。
【００１５】
しかし、新生児や乳幼児の脳活動に伴う血行動態変化は、麻酔などをかけずに計測する方法が無かった。そのため、乳幼児の脳活動と血行動態変化との関係は未知である。勿論、脳活動そのものも未知である。実施例１のように光を用いた方法では、光ファイバー１２を頭部に装着するだけなので、原理的に麻酔などをかけずに計測することが可能である。
【００１６】
生体光計測装置１３は、この近赤外光を使った計測装置で、光ファイバー１２が複数接続されており、各ファイバー１２に対応して光源や光検出器等が内蔵されている。生体光計測装置１３は、集光用光ファイバー１２₂から得られた信号を処理して、生体内の血行動態変化の時系列処理や画像化などを行い、表示装置１４に表示するため、図示しないがＡ／Ｄ変換器、メモリーおよびＣＰＵと必要なプログラムを実装した信号処理装置を備える。
【００１７】
刺激制御装置１５は、乳幼児に与える刺激を制御する装置である。この刺激制御装置１５には、刺激用の音・音声・言語データが、アナログまたはデジタルデータとして複数記録されている。この、音・音声・言語データを任意のタイミングで送信し、信号増幅器１６で増幅し、１つ以上のスピーカー１７で音・音声・言語を流し、乳幼児１１に聞かせる。音・音声・言語が出されたタイミングおよび時間および時刻と選択された音・音声・言語の種類は生体光計測装置１３に記録される。また、逆にタイミングや刺激として出す音・音声・言語の種類は生体光計測装置１３で指示し、刺激制御装置１５で指示にあわせて記録されている音・音声・言語から選択して信号として出してもかまわない。即ち、生体光計測装置１３と刺激制御装置１５が同期していることが重要である。
【００１８】
スピーカー１７から出た音・音声・言語に伴い、乳幼児１１の言語／聴覚機能は活動するため、脳内の血行動態変化が起こる。集光用光ファイバー１２₂から得られた信号がその血行動態変化として生体光計測装置１３で記録される。計測中に、刺激制御装置１５から乳幼児に与える刺激の情報および計測信号を表示装置１４に表示し、また、全計測終了後に生体光計測装置１３で信号処理を行い、その結果を表示装置１４に表示する。
【００１９】
図１に示した、生体光計測装置１３によって計測された信号に対し適切な信号処理を行うことにより、体動に起因する雑音を除去することが出来る。
【００２０】
まず、図３を用いて計測された信号の信号処理フローを説明する。この信号処理フローは、計測終了後のポストプロセスとしても、あるいは、計測しながらのリアルタイム処理としても使用することができる。
【００２１】
［処理１］：メモリーから計測データを読み込む。集光用光ファイバー１２₂から得られる信号は光の強弱のアナログデータであるから、生体光計測装置１３内のＡ／Ｄ変換器により、所定のサンプリングピリオドでディジタル信号に置き換えられて、生体光計測装置１３内のメモリーに保存される。この保存されたデータを、所定の時間単位で読み出す。
【００２２】
［処理２］：ヘモグロビン（Ｈｂ）の濃度変化ΔＣ（ｔ）を導出する。最初の刺激提示時刻から前のＴ１秒間の平均値をベースラインとして、ΔＣ（ｔ）を導出する。ここで、ΔＣは、式（１）で表されるΔＣ_oxy（ｔ）、ΔＣ_deoxy（ｔ）と、式（２）で表されるΔＣ_total（ｔ）を指す。
【００２３】
【数１】

【数２】

ここで、Ｔ^λは波長λの透過率、ｔは時間、ｏｘｙは酸素化Ｈｂ、ｄｅｏｘｙは脱酸素化Ｈｂ、ｔｏｔａｌは総Ｈｂを、ε_oxy ^λは波長λにおける酸素化Ｈｂの分子吸光係数を、ε_deoxy ^λは波長λにおける脱酸素化Ｈｂの分子吸光係数を指す。また、前述したベースラインは（式）３で表される。
【００２４】
【数３】

ここで、Ｎは最初の刺激提示時刻より前のＴ１秒間にサンプルされた計測点数である。Ｔ１秒間については、任意に設定することが出来るが、本発明の効果を検証した計測では、サンプリングピリオド１００ｍｓで計測し、Ｔ１を５秒間としたので、Ｎ＝５０となる。
【００２５】
実時間処理を行う場合には、このＨｂデータは計測に応じて刻々と変化して表示装置１４に表示される。
【００２６】
集光用光ファイバー１２₂から得られる信号の通過周波数帯域の値は、自動的に適応フィルターを演算して計算して求める、あるいは、あらかじめ設定されたフィルター値を用いることができるが、それらの値を操作者が任意に設定したい場合には、得られたΔＣ（ｔ）をフーリエ変換、ウェーブレット変換、または、コンボリューション法により処理し、後述する図４に例示するような周波数特性設定画面を利用して、帯域通過フィルター値を任意に決定する。被験者により、低周波雑音および心拍（新生児心拍は１．５〜２．２Ｈｚ程度、成人心拍は約１Ｈｚ）は異なるため、自動化が困難な場合が多く、この機能によって細かい対応が出来る。そして、自動的にあるいは任意に設定された帯域通過フィルターを通過した信号ΔＣ_bp（ｔ）を求め、図５のように表示する。図４および図５に関する詳細は後述する。以下、帯域通過フィルターを通して得られたデータには添え字ｂｐを付して、帯域通過フィルターをかけていないデータと区別する。
【００２７】
［処理３］：集光用光ファイバ１２₂から得られる信号を帯域通過フィルターをかけていないデータΔＣ（ｔ）および帯域通過フィルターを通過したデータΔＣ_bp（ｔ）を、刺激ブロック毎に抽出する。本実施例では、図６に示すように、１つの刺激ブロックは、刺激前時間（Ｔｐｒｅ）５秒、刺激時間（Ｔｓ）１５秒、刺激後時間（Ｔｐｏｓｔ）１５秒で定義されており、各刺激ブロック毎の全時間は３５秒となる。本計測例では、各被験者に１５秒間の刺激（被験者に母国語の話ことばを聞かせる）を与えており、各刺激時間の間に何もしない安静時間約２０秒を与えた。この１５秒の刺激と２０秒の安静時間が、各被験者に対して１０回繰り返された。
【００２８】
［処理４］：各刺激ブロックのデータ毎に体動成分が含まれているかどうかを判断し、体動成分が含まれていると判定された刺激ブロックのデータは処理５の処理対象から除外する。体動雑音を含むと判定される基準値は、２００ｍｓ以内にｔｏｔａｌ−ΔＣ_bpが、ファイバー１２の照射−検出間距離３０ｍｍの時０．１ｍＭｍｍ以上（照射−検出間距離２０ｍｍの時は０．０６６ｍＭｍｍ以上）変化した場合とした。この判定基準値をパスしたデータは、実効散乱距離１ｍｍと仮定の下で、大脳皮質で１００％の血液量変化が２００ｍｓ以内に起こらないことを意味している。しかし、体動の判定基準値は状況によって変動することもあるため（例えば、照射−検出間距離が変わった場合、ウェーブレット変換などを用いてスパイク状の信号を検出する場合）、あらかじめ設定された値を操作者が変更することが必要になる場合がある。これに対応するため、図８に例示する体動成分が含まれていると判定するための基準を設定する体動判定基準設定画面を利用して体動判定基準を変更可能とする。図９は体動判定基準によって雑音除去した結果を示す画面を有している。図８および図９の詳細は後述する。
【００２９】
処理３および処理４の概念を図式化したものを図６に示す。図６には、（ａ）時間定義と刺激ブロックの定義、（ｂ）計測時に実際に与えられる刺激のタイミングおよび（ｃ）結果の演算評価に使われる刺激のタイミングの３種類のグラフが表示されている。グラフ（ａ）、（ｂ）および（ｃ）ともに、横軸は時間またはサンプリング数、縦軸は刺激の無い期間または対照刺激の期間を０そして刺激期間を１として表示した刺激タイミング波形５１および５２および５３である。
【００３０】
グラフ（ａ）は、刺激タイミングの様々な時間定義を表しており、実際の計測時にはこれらＴ１、Ｔｓ、Ｔｃ、Ｔｐｒｅ、Ｔｐｏｓｔが設定される。ここで、刺激タイミング波形５１は、他の刺激タイミング波形５２および５３よりも拡大して表示されている。
【００３１】
グラフ（ｂ）では、一連の刺激タイミング波形５２内において、処理３で体動雑音を含むと判定されたデータの得られた刺激ブロックと、体動雑音を含まないと判定されたデータの得られた刺激ブロックとの差を明示するために、前者の刺激ブロックは点線で、後者の刺激ブロックは実線で表示した。したがって、グラフ（ｂ）は、計測中に刺激ブロック３および刺激ブロック５の期間中に体動雑音を含むと判定されたデータが検出されたことを示している。
【００３２】
グラフ（ｃ）では、刺激のタイミング波形５２は、体動雑音を含むと判定されたデータの得られた刺激ブロックが除去されていることを表している。すなわち、体動を含むと判定されたデータの得られた刺激ブロックは刺激が与えられなかったとみなし、処理から除外する。
【００３３】
［処理５］：処理４の判定基準をパスした各刺激ブロックの期間のΔＣ_bp（ｔ）について刺激前時間と刺激後時間からベースラインを０次から４次の多項式から任意に選択し、求められた多項式を用いてベースラインを補正する。ただし、０次の場合は、刺激前時間の平均値をベースラインとして使用している。ベースライン補正された濃度変化をΔＣ＿ｃｏｒｒｅｃｔ（ｔ）で表し、ベースラインをΔＣ＿ｂａｓｅｌｉｎｅ（ｔ）で表すと、ΔＣ_bp＿ｃｏｒｒｅｃｔ（ｔ）＝ΔＣ_bp（ｔ）−ΔＣ_bp＿ｂａｓｅｌｉｎｅ（ｔ）で表される。
【００３４】
［処理６］：処理５で体動雑音を含まないと判定されたデータΔＣ_bp＿ｃｏｒｒｅｃｔ（ｔ）について加算平均を行う。
【００３５】
図７（ａ）は、図３で説明した処理を行って得られた脳内血行動態変化を示すグラフである。このグラフは、生後５日以内の新生児の脳内血行動態変化を示しており、被験者（新生児）に一点鎖線で示す刺激のタイミングで言語を聞かせたときの側頭部（左半球言語・聴覚野）における血行動態変化を示す。図７（ｂ）は、比較のために、同じ信号に対して、前述の［処理３］および［処理４］で行う体動判定を行わず、［処理６］において得られた信号を全て加算平均して得られた脳内血行動態変化を示すグラフである。
【００３６】
各グラフは、縦軸がｔｏｔａｌ−Ｈｂ、ｏｘｙ−Ｈｂ、ｄｅｏｘｙ−Ｈｂの濃度変化（concentration changes）に相当する値を示しており、横軸は時間を表しており、一点鎖線は刺激が被験者に与えられたタイミングを表す（０の期間は刺激無しで、０以外の期間は刺激が与えられた）。また、実線はｔｏｔａｌ−Ｈｂの変化を、点線はｏｘｙ−Ｈｂの変化を、破線はｄｅｏｘｙ−Ｈｂの変化を、それぞれ、表しているが、帯域通過フィルターをかけた後に０次の関数でベースライン補正した結果を加算平均したものである。即ち、各Ｈｂ毎のΔＣ_bp＿ｃｏｒｒｅｃｔ（ｔ）を表示している。ベースラインとして用いた多項式の次数は、１次から４次まで比較したが、結果はほぼ同等であった。
【００３７】
図７（ａ）と（ｂ）の結果を比較すると、図７（ａ）のように体動雑音を含むと判定されたデータの得られた刺激ブロックのデータを信号処理から除去した場合には、刺激に対して脳内の血行動態が反応している様子がうかがえる。しかし、図７（ｂ）のように体動雑音を含むと判定されたデータの得られた刺激ブロックのデータを信号処理から除去しなかった場合は、有意の信号が観察されない。
【００３８】
従って、この一連の処理によって、体動雑音の信号を除去することが重要であり、処理として不可欠であることがわかる。
【００３９】
ここで、図４に示す帯域通過フィルターの周波数特性設定画面について詳細に説明する。周波数特性設定画面には、以下の領域を備える。
１）集光用光ファイバ１２₂から得られる信号の周波数特性を表示する領域、
２）上記１）で表示する信号を選択する領域、
３）周波数特性の種類を表示する領域、
４）帯域通過フィルターの通過周波数の範囲を決定するための領域、
５）複数の帯域通過フィルターが設定されている場合のフィルターの追加・削除・および適用を選択するための領域、
６）帯域通過フィルターの設定画面を閉じるためのボタン、および
７）あらかじめ設定された値に基づき自動的に適応フィルターを演算して帯域通過フィルターを自動設定するか操作者が任意設定するかを選択するボタン。
【００４０】
上記１）の、信号の周波数特性を表示する領域には、図に周波数特性グラフとして表示したように、集光用光ファイバー１２₂から得られる信号のグラフ表示３２１とグラフ表示されている信号名とグラフ表示の線種の対応関係を表す凡例３２２とを表示する。
【００４１】
上記２）の、表示する信号を選択する領域には、周波数パラメータ設定画面として表示されている信号選択部３４を表示する。信号選択部３４には表示したい信号を選択するためのプルダウン３４２が表示される。プルダウン３４２を押すことにより、信号選択部３４の下部に選択可能な信号名が表示されるので、周波数特性グラフとして表示したい信号の信号名をマウスカーソル３３あるいはキーボードの操作でクリックすることで希望の信号を選択できる。グラフ表示する信号は複数選択することも可能である。その場合には、周波数特性表示グラフ３２１の領域に別の線種で表示して凡例３２２に対応の表示をするか、または、選択した信号の数と同数のグラフを周波数特性表示グラフ３２１の領域に表示して、それぞれのグラフ上に異なる信号を描画することにしても良い。
【００４２】
上記３）の、周波数特性の種類を表示する領域には、周波数パラメータ設定画面として表示されている縦軸選択部３５を表示する。縦軸選択部３５にはグラフ表示される縦軸として割り当てることが可能な、パワー、アンプリチュード、実数、虚数、絶対値などを選択する選択ボタンが表示されている。グラフ表示する信号の選択にあわせて適当な縦軸の表示を選択ボタンで選択する。ここでは、ｏｘｙ−Ｈｂのアンプリチュードを選択した例が示されている。
【００４３】
上記４）の、帯域通過フィルターの通過周波数の範囲を決定するための領域には、帯域通過フィルター１の低周波通過周波数表示部３６１および高周波通過周波数表示部３６２と、帯域通過フィルター２の低周波通過周波数表示部３６３および高周波通過周波数表示部３６４が設けられている。これらの表示の値は、表示部に隣接して設けられているトグルスイッチをマウスカーソル３３でクリックすることにより所定の数値幅で増減させることができる。それぞれの帯域通過フィルターの数値を設定する過程で、通過周波数表示部に表示された周波数範囲に対応した領域表示が、周波数特性表示グラフ３２１の表示に重畳して表示される。図の例では、帯域通過フィルター１および帯域通過フィルター２の低周波通過周波数に対応する一点鎖線で挟まれた範囲３６５および３６６の適当な矩形領域の色をバックグラウンドの色とは異なる色で示される。これらの数値情報の変更は、範囲３６５あるいは３６６の一点鎖線で示す境界線をマウスカーソル３３で移動させても良い。この場合は、これに対応して、表示部３６１〜３６４の数値が変わる。２つの帯域通過フィルターの設定が終わると、適用する帯域通過フィルターを選択するが、これは、選択スイッチ１あるいは２の表示３７１あるいは３７２をクリックすることで実行される。選択されている帯域通過フィルターを明示するために、周波数特性表示グラフ３２１の表示に重畳して表示されている矩形領域の色を、選択されている帯域通過フィルターのみをバックグラウンドとは異なる色とする。さらに、選択スイッチ１あるいは２の表示３７１あるいは３７２に黒丸を表示するのも良い。帯域通過フィルターの範囲をバックグラウンドとは異なる色の矩形領域で示す代わりに、矩形領域の線で囲って示すのも良い。この場合は、選択されている帯域通過フィルターを明示するために、選択されなかった帯域通過フィルターに対応する矩形領域の線を表示しないものにするか、異なる線種あるいは色に変更しても良い。図では、第２の帯域通過フィルターが選択されているので、選択スイッチ２の表示３７２の中心に黒丸が表示されている。
【００４４】
上記５）の、複数の帯域通過フィルターが設定されている場合のフィルターを選択するための領域には、追加ボタン３８１、削除ボタン３８２および適用ボタン３８３が設けられる。複数の帯域通過フィルターを設定し、あるいは、設定されている帯域通過フィルターを削除する場合には、追加ボタン３８１および削除ボタン３８２の操作で行う。追加ボタン３８１を押すことにより、周波数特性表示グラフ３２１上に新規に帯域通過フィルターの範囲を示す矩形領域が表示され、さらに、高および低周波通過周波数表示部の表示部分に新しい高および低周波通過周波数表示部が追加表示され、選択されている帯域通過フィルターを表示する選択表示部にも新規に選択表示部が追加される。新たに追加された表示に対して、所定の設定になるように操作を行う。一方、帯域通過フィルターを削除する場合には、削除する帯域通過フィルターを特定するため、帯域通過フィルターの表示の一部を選択した後、削除ボタン３８２を押して削除する。例えば、周波数特性表示グラフ３２１上に表示されている帯域通過フィルターの範囲を示す矩形領域を選択して、削除ボタン３８２を押して削除する。この結果、表示の一部を選択された帯域通過フィルターに対応する高および低周波通過周波数表示部、帯域通過フィルターの範囲を示す矩形領域、選択表示部が画面上から消去される。追加ボタン３８１および削除ボタン３８２の操作後、適用ボタン３８３を押すことにより、追加および削除の変更手続きが終了し、設定した帯域通過フィルターの数値範囲を確定して生体光計測装置１３のメモリー内に記憶する。
【００４５】
上記６）の、帯域通過フィルターの設定画面を閉じるためのボタンは、追加ボタン３８１、削除ボタン３８２および適用ボタン３８３に並べて設けられる。追加あるいは削除の処理、さらに、適用ボタン３８３の操作後に、閉じるボタン３８４を押すことにより、図４に表示された画面を閉じる。ここで、適用ボタン３８３を押さずに閉じるボタン３８４を押した場合には、設定した帯域通過フィルターの値は、以降の処理に反映されないので、適用ボタン３８３を押すことを求めるコメントを表示するのが良い。
【００４６】
上記７）の、あらかじめ設定された値に基づき自動的に適応フィルターを演算して帯域通過フィルターを自動設定するか操作者が任意設定するかを選択するボタンとして、自動設定ボタン３９１および手動設定選択ボタン３９２が備えられる。自動設定ボタン３９１が選択された場合には、生体光計測装置１３の信号処理装置に予め設定された帯域通過フィルターを自動設定する。手動設定選択ボタン３９２が選択された場合には、上述した手順で帯域通過フィルターの調整および設定を行う。いずれにより設定するかをスイッチ３９１および３９２の選択により決める。図は手動設定選択ボタン３９２が選択された状態を示す。
【００４７】
ここで、図５について詳細に説明する。図５の画面は、集光用光ファイバー１２₂から得られる信号に図４で設定した帯域通過フィルターを通した結果を表示している。前述の帯域通過フィルターの設定画面で、低および高周波通過周波数表示部３６１から３６４の数値、または、帯域通過フィルターの範囲３６５および３６６を示す矩形領域の変更と連動して、時系列表示画面４１内の時系列グラフ４２が変化する。複数ある（本実施例では２４個）時系列グラフ４２の位置は、図２に例示した計測位置に相当する位置に対応して配置されている。凡例４３には、表示される信号と線種の対応が示されている。また、計測条件表示部４４には、計測の条件が表示される。信号表示選択部４５では、グラフとして表示する信号を選択する。
【００４８】
ここで、図４の画面で通過帯域の範囲を決定し、通過帯域を通過した信号を図５の画面に表示するが、図４および図５の画面は、同時に同一画面に並べて表示するのが操作者にとって使いやすくて良い。すなわち、操作者が図４の画面を見ながら被験者に応じてフィルターの範囲を任意に変更すると、この影響が図５の画面に反映されるから、変更の適否をすぐに確認することが可能となる。この画面の並列表示によって、操作者は容易にいくつかの条件を試すことが出来る。
【００４９】
次に、図８および図９を参照して検出された信号に含まれる体動成分の取り扱いについて詳細に説明する。
【００５０】
検出された信号が体動雑音を含むと判定される体動判定基準値は、通常は、あらかじめ設定された値を用いるが、手動で設定をする必要が生じる場合がある。例えば、想定していた装置定数外あるいは被験者の信号が想定外の場合である。その際、体動判定基準表示設定画面７１により手動設定をする。体動判定基準表示設定画面７１には体動判定基準値表示グラフ７３１および体動判定値入力画面７４、自動設定選択スイッチ７２１と手動設定選択スイッチ７２２および適用ボタン７５１、閉じるボタン７５２が設けられている。手動設定、自動設定の選択はスイッチ７２１，７２２のいずれを選択するかにより切り替えできる。自動設定選択スイッチ７２１が選択されていれば、体動判定基準値は、あらかじめ設定された値が設定される。手動設定選択スイッチ７２２が選択されれば、手動設定が可能となる。また、画面７１のマウスカーソル７５で体動判定基準値表示グラフ７３１あるいは体動判定値入力画面７４をクリックすることによっても、自動設定選択部７１から手動設定選択部７２への切り替えは可能である。この切り替えにより、体動判定基準値表示グラフ７３１および体動判定値入力画面７４への手動によるデータ入力が可能となる。
【００５１】
体動判定値入力画面７４は、判定に用いる信号の種類を選択するための信号選択部７４１と体動判定基準値を設定するための時間入力部７４２と基準値入力部７４３からなる。信号選択部７４１は、図４で説明した周波数パラメータ設定画面の信号選択部３４と同様に、体動判定基準値表示グラフ７３１に表示したい信号を選択するためのプルダウンが表示される。
【００５２】
体動判定基準値表示グラフ７３１は、信号選択部７４１で選択された信号が表示されるが、時間入力部７４２で入力された数値（差分値を計算する時間幅）に基づき描画される。又、このグラフの中に、基準値入力部７４３で入力された数値（時間入力部７４２で入力された数値で指定された時間幅毎の信号変化量）の位置に体動判定基準値表示バー７３２が描画される。ここで、体動判定基準値表示グラフフ７３１の縦軸は度数を表し、横軸は、指定された時系列信号の任意時間幅毎の信号変化量を表す。そして、この度数分布の統計量は統計量表示部７３３に表示される。本実施例で示すように、明らかに滑らかな度数分布に対して特異な値（突然度数が変化するところ）が観測される場合は、この統計量はそれほど必要ではないが、このような特異な値が明瞭に観測されない場合も多い。その際は、この度数分布を正規分布と仮定して、分散（σ）を目安に基準値を決定することが出来る。例えば、３＊σに相当する値を選択し、その値を基準値入力部７４３に入力設定することが出来る。なお、基準値入力部７４３に数値を入力することで、体動判定基準値表示バー７３２の位置が変わることは既に述べたが、逆に、体動判定基準値表示バー７３２をマウスカーソル７５で移動することによって基準値入力部７４３の数値も変化する。この両者は完全に連動して動作する。
【００５３】
なお、図８でも、図４と同様に閉じるボタン７５２を押すことにより、図８に表示された画面を閉じる。ここで、適用ボタン７５１を押さずに閉じるボタン７５２を押した場合には、設定した体動判定基準値は、以降の処理に反映されないので、適用ボタン７５１を押すことを求めるコメントを表示するのが良い。
【００５４】
ここで、図９について詳細に説明する。図９は本発明に基づく体動判定基準値に応じた時間領域信号表示画面を示す図であり、集光用光ファイバー１２₂から得られる信号に図８で設定した体動判定基準値を適用した結果を表示している。前述の体動判定基準値の表示設定画面７１で設定した値と連動して、時系列表示画面８１内の時系列グラフ８２が変化する。複数ある（本実施例では２４個）時系列グラフ８２の位置は、図２に例示した計測位置に相当する位置に対応して配置されている。先に、周波数特性の設定に関して、図４と図５とを同一画面に並列に表示することによって、操作者の便を計ることができることを説明したが、図８の体動判定基準値の表示設定画面７１と図９の時系列表示画面８１の場合も、同一画面に並列に表示される。そうすることにより、体動判定基準値の表示設定画面７１で設定した値の効果をすぐに、時系列表示画面８１のグラフで確認することができる。この結果、体動判定基準値の評価をすぐ行うことが可能となり、その設定を容易に、且つ、適正に行うことができる。
【００５５】
図９に示す時系列表示画面８１も、図５のそれと同様に、凡例８７には、表示される信号と線種の対応が示されている。また、計測条件表示部８８には、計測の条件が表示される。信号表示選択部８５では、グラフとして表示する信号を選択する。
【００５６】
図９に示す時系列表示画面８１に表示される時系列グラフ８２は、加算平均をしない各刺激ブロックの結果および加算平均をした結果を表示できる。加算平均をしない各刺激ブロックの結果を表示する場合には、刺激ブロック表示選択部８３１を選択したうえで、表示刺激ブロック値入力部８３２に表示したい刺激ブロックの番号を入力して、その番号のグラフを表示する。図６で示したように、計測時に６回の刺激ブロックが設定されていた場合には、総刺激ブロック数表示部８３３に‘６’と表示される。加算平均表示選択部８３４が選択された場合には、加算平均結果が表示される。図は、加算平均表示選択部８３４が選択されている場合を示す。
【００５７】
表示されるグラフが、体動雑音を含むか否かは、体動雑音除去有選択部８４１および体動雑音除去無選択部８４２で選択する。ただし、刺激ブロック表示選択部８３１が選択されている場合には、この体動雑音除去有選択部８４１または体動雑音除去無選択部８４２の選択は意味を成さないので、これらを選択することは出来ない。ただし、表示される加算平均されていない刺激ブロックが、体動雑音を含むと判定された場合は線の色を赤、体動雑音を含まないと判定された場合は線の色を青で表示するなどして、体動雑音の有無（体動雑音の判定結果）を各グラフ内に表示することは有効である。もちろん、背景色を変えることでもかまわない。また、グラフとして表示される信号の種類は信号選択部８５で選択することが出来る。さらに、各グラフの縦軸として、信号の絶対値および統計値を用いることができる。これらの選択には、絶対値選択部８５１と統計値選択部８５２で切り替えることができる。
【００５８】
（実施例２）
実施例１では、被検者に与える刺激は、予めプログラムされたものとして説明したが、実施例２では、実施例１で示した信号処理手段を用い、計測時にその信号処理結果を刺激制御装置１５に実時間でフィードバックかけ、刺激を与える回数（刺激提示回数）または刺激を与える時間（刺激提示時間）を変更する例について説明する。装置構成は、実施例１と同じであるため、図１を参照できる。
【００５９】
図１０は、本発明にもとづく実施例２の計測のフローを示す。
【００６０】
［ステップ１］：計測前に計測信号処理に必要な数値や方法の入力を行う。大別すると以下３つの入力項目が挙げられる。すなわち、ａ）演算パラメータ、ｂ）刺激定義入力、および、ｃ）各刺激呈示タイミング（時間）定義数値の入力である。それぞれは、具体的には、以下のようである。これらの入力値は、それぞれ、実施例１で説明した項目の対応する画面により初期入力として設定入力を行う。
ａ）演算パラメータ：
−帯域通過フィルタリング方法、
−帯域通過フィルタリングの演算用数値入力、
−体動判定用演算用数値入力、
−体動判定の頻度入力（ｎ回またはｎ秒間のサンプリングごとに判定）。
ｂ）刺激定義入力：
−刺激種類（複数種類の刺激がある場合に、各刺激に名前をつける。
【００６１】
−上記入力した各刺激に対し、体動雑音を含まずに計測される必要な刺激提示回数（Ｎｓ）、
−刺激ブロックの定義。１つの刺激ブロックは、任意の刺激前時間Ｔｐｒｅおよび任意の刺激時間Ｔｓおよび任意の刺激後時間Ｔｐｏｓｔで定義される（図６（ａ）参照）。
ｃ）各刺激呈示タイミング（時間）定義数値の入力：
−サンプリング数または時間で指定し、各刺激の種類ごとに定義する。
【００６２】
−計測開始から１回目の刺激までの時間（Ｔ１：定数）の入力。
【００６３】
−各刺激の刺激提示時間（Ｔｓ：各刺激毎に時間が異なっても良い）。
【００６４】
−各刺激終了から次刺激提示までの時間（Ｔｃ：各刺激ごとに時間が異なっても良い）。
【００６５】
−体動判定されてから次刺激までに待つ最小限の時間（Ｔｍ：定数）。
【００６６】
［ステップ２］：計測を開始する。
【００６７】
［ステップ３］：実時間で計測信号を演算し、各種信号に変換する。体動判定は、［ステップ１］で設定された、ｎサンプルまたはｎ秒ごとに判定する。
【００６８】
［ステップ４］：ステップ３で体動雑音が検出された際、刺激終了のタイミングおよび次刺激の開始タイミングおよび刺激提示回数を変更する。この情報は、図１に示す刺激制御装置１５に送られ実際の刺激にフィードバックをかける。
【００６９】
ここで、本発明におけるフィードバックの制御処理方法は、２つの機能によって成立している。第１の機能は、刺激回数を計測中に追加変更していくことであり、第２の機能は、体動雑音が検出された時に、次刺激開始時刻をあらかじめ与えられたパラメータに基づき計測中に変更することである。
【００７０】
まず、この第１の機能について図１１を用いて説明する。図１１には、（ａ）計測時に実際に与えられる刺激のタイミングと（ｂ）結果の演算評価に使われる刺激のタイミングの２種類のグラフが表示されている。グラフ（ａ）（ｂ）ともに、横軸は時間またはサンプリング数、縦軸は刺激の無いまたは対照刺激の時間を０そして刺激時間を１として表示した刺激タイミング波形１０１である。したがって、計測が進むに従い刺激ブロック（ステップ１で設定）が順次増加していく。ここで、刺激タイミング波形１０１内において、体動雑音を含まないと判定されたデータを含む刺激ブロックと体動雑音を含むと判定されたデータを含む刺激ブロックとの差を明示するために、体動雑音の無い刺激ブロックは実線で表示し、体動雑音を含む刺激ブロックは点線で表示した。したがって、グラフ（ａ）は、計測中に刺激ブロック３および刺激ブロック５の時間中に体動雑音が検出されたことを示している。この実施例では、ステップ１で、演算に必要な体動雑音を含まない刺激回数をＮｓ＝４回とした例であるが、刺激ブロック３は結果の演算評価に使用できないため、刺激ブロック３の期間中に体動雑音が検出されると、計測中に刺激提示回数を自動的に１回追加するように図１に示した刺激制御装置１５に信号を送る。計測が進み、再度刺激ブロック５において体動雑音が検出されたため、同様に、刺激提示回数を自動的に１回追加するように、刺激制御装置１５に信号を送る。最終的に、刺激は６回提示された時点で、Ｎｓ＝４回を満たすことになるため、計測を終了する。
【００７１】
結果の演算評価には、刺激ブロック３および刺激ブロック５を除いた刺激ブロックを使用する。実際に、演算評価に使用される刺激ブロックとそのタイミングはグラフ（ｂ）に表示されている。
【００７２】
次に、第２の機能を図１２を用いて説明する。図１２には、
（ａ）計測時に実際に与えられる刺激のタイミングと
（ｂ）結果の演算評価に使われる刺激のタイミングの２種類のグラフが表示されている。グラフ（ａ）（ｂ）ともに、横軸は時間またはサンプリング数、縦軸は刺激の無いまたは対照刺激の期間を０そして刺激期間を１として表示した刺激タイミング波形１１１である。まず、この機能の基本機能は、計測中に体動雑音が検出されたら、あらかじめ予約されている刺激タイミングを変更することにある。実際には、体動雑音が検出されたら、図１に示す刺激制御装置１５に現在実行している刺激の中止信号と次刺激提示時刻を設定する信号を送る（ただし、無刺激または対照刺激中に体動雑音が検出された場合には刺激中止の信号は送らない）。しかし、ステップ１で設定される計測開始から１回目の刺激までの時間Ｔ１（定数）は、実施例１で説明したように信号のベースラインを演算するのに用いられ、また、各刺激終了から次刺激提示までの時間Ｔｃや体動判定されてから次刺激までに待つ最小限の時間Ｔｍは刺激提示や体動によっておきた信号変化が元の状態へ戻るまでの緩和時間と考えることが出来るため、体動雑音が検出された直後に次刺激を提示することは適当とはいえない。したがって、体動雑音が検出されるタイミングによって、体動雑音が検出された時から次刺激開始までの時間を体動雑音が検出されたタイミングに応じて適切に選ぶのが有効である。
【００７３】
体動雑音が検出されるタイミングは、以下の３通りである。
（ａ）第１回目の刺激が始まる前に検出された時（体動雑音の検出タイミング１１２１）、
（ｂ）刺激時間中に検出された時（体動雑音の検出タイミング１１２２）、
（ｃ）無および対照刺激時間に検出された時（体動雑音の検出タイミング１１２３）。
【００７４】
それぞれのタイミング毎に、さらに条件分けして体動雑音が検出されてから次刺激開始までの時間を決定することが出来る。以下説明に用いられている時間Ｔ１、Ｔｍ、Ｔｃはステップ１で設定されており、時間Ｔｐは刺激終了から体動雑音が検出された時間を表しており、被験者計測中に随時モニターされている。
（ａ）第１回目の刺激が始まる前に検出された時：
条件１：Ｔ１＞Ｔｍの時は、体動雑音検出後から次回刺激開始までの時間をＴ１とする。
条件２：Ｔ１≦Ｔｍの時は、体動雑音検出後から次回刺激開始までの時間をＴｍとする。
（ｂ）刺激時間中に検出された時：
条件１：Ｔｃ＞Ｔｍの時は、体動雑音検出後から次回刺激開始までの時間をＴｃとする。刺激は体動雑音が検出されたらすぐに停止。
条件２：Ｔｃ≦Ｔｍの時は、体動雑音検出後から次回刺激開始までの時間をＴｍとする。刺激は体動雑音が検出されたらすぐに停止。
（ｃ）無および対照刺激時間に検出された時：
条件１：Ｔｃ＞Ｔｍの時は、刺激が停止してから体動雑音が検出されるまでの経過時間をＴｐとすると、
条件１−１：Ｔｃ−Ｔｐ＞Ｔｍの時は、体動雑音検出後から次回刺激開始までの時間をＴｃ−Ｔｐとする。即ち、予約されている次回刺激開始までの時間を変更しない。
条件１−２：Ｔｃ−Ｔｐ≦Ｔｍの時は、体動雑音検出後から次回刺激開始までの時間をＴｍとする。
条件２：Ｔｃ≦Ｔｍの時は、体動雑音検出後から次回刺激開始までの時間をＴｍとする。
【００７５】
被験者のメリットを考慮すると、できるだけ短い時間で計測が終了することが望ましく、フィードバック制御処理方法の第２のポイントは、信号処理に使えない無駄な刺激を中止するため、計測時間の短縮に効果がある。
【００７６】
［ステップ５］ステップ１で設定した各刺激の体動雑音を含まない必要な刺激提示回数がＮｓに達した時点で計測を終了する。
【００７７】
この制御処理フローによって、計測毎あるいは被験者ごとに同じ刺激回数の信号を得ることを実現でき、等質な統計量として複数の計測を比較することが可能となる。
【００７８】
【発明の効果】
新生児等、体動の自主的な管理の出来ない被験者の脳機能計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の装置構成を示す図。
【図２】照射用光ファイバおよび集光用光ファイバの配列の例を示す図。
【図３】本発明による計測された信号の信号処理フローの例を示す図。
【図４】本発明の実施例１の帯域通過フィルターの周波数特性設定画面の例を示す図。
【図５】集光用光ファイバーから得られる信号を図４で設定した帯域通過フィルターを通した結果の例を示す図。
【図６】（ａ）時間定義と刺激ブロックの定義、（ｂ）計測時に実際に与えられる刺激のタイミングおよび（ｃ）結果の演算評価に使われる刺激のタイミング例を示すグラフ。
【図７】（ａ）は、図３で説明した処理を行って得られた脳内血行動態変化を示すグラフ、（ｂ）は、比較のために、図３で説明した処理を行わず、得られた信号を全て加算平均して得られた脳内血行動態変化を示すグラフの例を示す図。
【図８】体動成分が含まれていると判定するための基準を設定する体動判定基準設定画面の例を示す図。
【図９】図８の画面による体動判定基準によって雑音除去した結果を示す画面の例を示す図。
【図１０】本発明にもとづく実施例２の計測のフローを示す図。
【図１１】実施例２のフィードバックの制御処理方法の第１の機能を説明するための、（ａ）計測時に実際に与えられる刺激のタイミングと（ｂ）結果の演算評価に使われる刺激のタイミングの例を示すグラフ。
【図１２】実施例２のフィードバックの制御処理方法の第２の機能を説明するための、（ａ）計測時に実際に与えられる刺激のタイミングと（ｂ）結果の演算評価に使われる刺激のタイミングの例を示すグラフ。
【符号の説明】
１１…被験者（乳幼児）、１２…光ファイバ、１３…光計測装置、１４…表示装置、１５…刺激制御装置、１６…増幅器、１７…スピーカー、３２１…周波数特性表示グラフ、３２２…グラフ凡例、３３…マウスカーソル、３４…信号選択部、３５…縦軸選択部、３６１…高周波通過周波数表示部、３６２…低周波通過周波数表示部、３６３…高周波通過周波数表示部、３６４…低周波通過周波数表示部、３６５…帯域通過フィルターの範囲を示す矩形領域、３６６…帯域通過フィルターの範囲を示す矩形領域、３７１…選択表示部、３７２…選択表示部、３８１…追加ボタン、３８２…削除ボタン、３８３，７５１…適用ボタン、３８４，７５２…閉じるボタン、３９１…自動設定選択ボタン、３９２…手動設定選択ボタン、４１…時系列表示画面、４２…時系列グラフ、４３，８７…凡例、４４，８８…計測条件表示部、４５，８５…信号表示選択部、５１…刺激のタイミング波形、５２…刺激のタイミング波形、７１…体動判定基準値の表示設定画面、７２１…自動設定選択部、７２２…手動設定選択部、７３１…体動判定基準値表示グラフ、７３２…体動判定基準値表示バー、７３３…統計量表示部、７４…体動判定値入力設定部、７４１…信号選択部、７４２…係数１入力部、７４３…係数２入力部、７５…マウスカーソル、８１…時系列表示画面、８２…時系列グラフ、８３１…刺激ブロック表示選択部、８３２…表示刺激ブロック値入力部、８３３…総刺激ブロック数表示部、８３４…加算平均表示選択部、８４１…体動雑音除去有選択部、８４２…体動雑音除去無選択部、８５…信号選択部、８５１…絶対値選択部、８５２…統計値選択部、１０１…刺激タイミング波形、１１…刺激タイミング波形、１１２１…体動雑音の検出タイミング、１１２２…体動雑音の検出タイミング、１１２３…体動雑音の検出タイミング。

Claims

被検体に光を照射するための光照射手段と、
前記光照射手段により照射された光が生体内部を通過して得られる生体通過光を検出する集光検出手段と、
前記被検体に刺激を与える刺激呈示手段と、
前記集光検出手段により検出された生体通過光の前記被検体の体動に伴う雑音に基づき、あらかじめプログラムされた被検体に与える刺激回数を変更する刺激制御装置とを有することを特徴とする生体光計測装置。
被検体に光を照射するための光照射手段と、
前記光照射手段により照射された光が生体内部を通過して得られる生体通過光を検出する集光検出手段と、
前記被検体に刺激を与える刺激呈示手段と、
前記集光検出手段により検出された生体通過光の前記被検体の体動に伴う雑音に基づき、あらかじめプログラムされた被検体に与える刺激時間を変更する刺激制御装置とを有することを特徴とする生体光計測装置。
前記集光検出手段により検出された信号の所定の周波数帯域を通過させる帯域通過フィルターを設けるとともに、前記帯域通過フィルターの周波数帯域を設定する任意のパラメータを入力するための表示画面を有し、該表示画面には帯域通過フィルターの帯域を決定する際に同時に信号の周波数特性も表示することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載された生体光計測装置。
請求項３の生体光計測装置において、前記表示画面に時間領域の信号を同時に表示することを特徴とする生体光計測装置。
請求項４の生体光計測装置において、前記表示画面に入力したパラメータ値と時間領域の信号の表示が実時間で連動していることを特徴とする生体光計測装置。
前記計測された信号の単位時間内のヘモグロビン濃度変化量またはヘモグロビン濃度変化に相当する値の時間領域での任意時間間隔の変化量から、計測された信号が持つ体動に伴う雑音レベルを判定することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載された生体光計測装置。
請求項６において、前記計測された信号が持つ体動に伴う雑音レベルを判定するための基準値とその基準値の特性を表すグラフとその特性の統計量を表示する表示画面を備えることを特徴とする生体光計測装置。
請求項６において、前記計測された信号が持つ体動に伴う雑音レベルを判定するための基準値を設定する表示画面と、該基準値を実時間で反映する時間領域の信号グラフを表示する表示画面を備えることを特徴とする生体光計測装置。