JP4651323B2

JP4651323B2 - 生体光計測装置

Info

Publication number: JP4651323B2
Application number: JP2004211832A
Authority: JP
Inventors: 優一山下
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2024-07-20
Also published as: JP2006026223A

Description

本発明は、生体内部の情報を光で計測する生体光計測装置に係り、特に、被検体内部から得られる情報と被検体の動作との関連を記録解析する生体光計測装置に関する。

例えば特許文献１は、可視領域から近赤外領域の波長の光を生体に照射し、生体内部で反射された光を計測することにより、生体内部を無侵襲に画像計測する生体光計測装置を開示している。この生体光計測装置により被検体の頭部を計測対象とすると、被検体の脳疾患検査や脳機能検査を行うことができる。

脳機能検査では、計測者が被検体にタスクと呼ばれる動作を指示し、被検体がその動作を行うことに伴う被検体の脳機能、即ち脳活動を計測することがある。このタスクの種類には、例えば手指の運動や言葉想起等がある。従来の脳活動計測では、脳活動計測装置から出力されるビープ音、合成音声、又は計測者の声によって、被検体に動作の種類や動作開始の指示、動作終了の指示などが伝えられ、動作開始指示や動作終了指示が伝えられた時刻（以下、動作指示時刻と呼ぶ）が、被検体の脳活動を表すデータに関連付けられて記録される。
特開平９−１９４０８号公報

被検体が実際に動作を開始したり終了したりする時刻（以下、動作時刻と呼ぶ）は、動作指示時刻から、例えば０．２秒から２秒程度遅れるのが通常である。一方、従来の医用画像撮影装置、例えば磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置を利用した脳活動計測装置では、計測データの時間分解能は数秒程度である。したがって、従来の脳活動計測装置では、動作指示時刻と動作時刻との時間差は時間分解能と同程度であり無視することができるので、動作指示時刻のみを記録し、動作指示時刻を動作時刻とみなして計測データの解析を行っている。

図４に、動作指示時刻と動作時刻との時間差及び計測データを模式的に示す。図４のグラフにおいて、横軸は時刻を示し、縦軸は生体光計測装置が計測した信号の強度を示す。上述したように、従来の脳活動計測装置は、動作開始指示時刻Ｔ１及び動作終了指示時刻Ｔ２を計測データと共に記録しているが、被検体の実際の動作開始時刻Ｔ１’及び動作終了時刻Ｔ２’は記録していない。しかしながら、生体光計測装置のように計測データの時間分解能が約０．１秒程度である装置を利用して脳活動計測を行う場合には、計測データを解析する上で動作指示時刻と動作時刻との時間差を無視することができなくなる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、計測データと被検体の実際の状態変化時刻との関係を正確に把握できる生体光計測装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、被検体に対して光を照射する光照射部と、前記光のうち前記被検体の内部において反射された反射光を計測して計測データを出力する光計測部と、前記被検体の状態情報を取得する状態情報取得部と、前記被検体に生じた状態変化を前記状態情報に基づいて検出する状態変化検出部と、前記計測データと前記状態変化検出部が前記状態変化を検出した時刻とを互いに関連付けて記録する計測データ記録部と、を備えることを特徴とする生体光計測装置に係る。これにより、被検体の実際の状態変化時刻を計測データと関連付けて記録することができ、両者の関係を正確に把握することができる。

好ましくは、前記状態情報取得部は、前記被検体を撮影して画像データを出力する画像データ出力部を備え、前記状態情報は、前記画像データを含む。更に好ましくは、前記状態情報取得部は、前記被検体を撮影して画像データを出力する画像データ出力部と、前記画像データに基づいて前記被検体の画像を表示する表示部と、前記表示部に表示された前記画像において関心領域を設定する関心領域設定部と、前記画像データのうち前記関心領域に相当する画像データを抽出する画像データ抽出部と、を備え、前記状態情報は、前記画像データ抽出部により抽出された前記画像データを含む。

また好ましくは、前記状態情報取得部は、前記被検体が発する音波を収集して音波データを出力する音波データ出力部を備え、前記状態情報は、前記音波データを含む。更に好ましくは、前記状態情報取得部は、前記被検体が発する音波を収集して音波データを出力する音波データ出力部と、前記音波データを解析して所定の周波数の音波データを抽出する音波データ抽出部と、を備え、前記状態情報は、前記音波データ抽出部により抽出された前記音波データを含む。

本発明によれば、計測データと被検体の実際の状態変化時刻との関係を正確に把握できる。

以下、添付図面に従って本発明に係る生体光計測装置の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る生体光計測装置１の概略構成図である。生体光計測装置１は、被検体９０に光を照射する光照射部１０と、光照射部１０が照射した光のうち被検体９０の内部で反射された反射光を計測する光計測部２０と、被検体９０の状態情報を取得する状態情報取得部３０とを備える。また生体光計測装置１は、生体光計測装置１の制御を行う中央演算装置（ＣＰＵ）を含む制御部４０と、生体光計測装置１を制御するための各種プログラムや光計測部２０から出力される計測信号及び状態情報取得部３０から出力される状態情報を記録するデータ記録装置を含む記録部５０とを備える。更に生体光計測装置１は、計測信号に基づいて制御部４０が生成する画像や状態情報取得部３０から出力される画像を表示するディスプレイを含む表示部６０と、計測者が情報を入力するためのキーボードやマウスを含む入力部７０と、被検体９０に対してタスクを提示するための指示出力部８０とを備える。

光照射部１０は、被検体９０に照射する光を発生させる光源部１１と、光源部１１が発生させる照射光に所定の周波数の変調を与える発振部１２とを備える。光源部１１は、ｎ個の光モジュール１３−１、１３−２、…、１３−ｎを備える。各光モジュール、例えば光モジュール１３−１は、波長６９０ｎｍの光を放射する半導体レーザ１４ａと、波長８３０ｎｍの光を放射する半導体レーザ１４ｂとを備える。

半導体レーザ１４ａは半導体レーザ駆動回路１５ａにより駆動され、半導体レーザ駆動回路１５ａは発振部１２の発振器１２−１−ａにより駆動される。発振器１２−１−ａは、例えば所定の周波数ｆａの正弦波の変調信号を半導体レーザ駆動回路１５ａに印加する。これにより、半導体レーザ１４ａからは、周波数ｆａの正弦波によってアナログ変調が与えられた光が放射される。半導体レーザ１４ａから放射された光は、レンズ１６ａにより集束させられて光ファイバ１７ａに導入される。

上記同様、半導体レーザ１４ｂは半導体レーザ駆動回路１５ｂにより駆動され、半導体レーザ駆動回路１５ｂは発振部１２の発振器１２−１−ｂにより駆動される。発振器１２−１−ｂは、周波数ｆａとは異なる周波数ｆｂの変調を半導体レーザ１４ｂから放射される光に与える。半導体レーザ１４ｂから放射された光は、レンズ１６ｂにより集束させられて光ファイバ１７ｂに導入される。

光ファイバ１７ａ及び光ファイバ１７ｂは光ファイバ結合器１８により結合され、光ファイバ結合器１８は一本の照射用光ファイバ１９−１に連結される。これにより、光ファイバ１７ａ及び１７ｂに導入された二波長の光、即ち波長６９０ｎｍの光及び波長８３０ｎｍの光は、一本の照射用光ファイバ１９−１に導入される。

他の光モジュール１３−２、…、１３−ｎは、光モジュール１３−１と同様の構成を有する。

光モジュール１３−１、１３−２、…、１３−ｎにそれぞれ接続された照射用光ファイバ１９−１、１９−２、…、１９−ｎの光ファイバ結合器１８と反対側の端部は、被検体９０の表面に接触した状態でプローブ２５によって固定される。これにより、光モジュール１３−１、１３−２、…、１３−ｎにより発生された光が被検体９０の内部に向けて照射される。

光計測部２０の検出用光ファイバ２１−１、２１−２、…、２１−ｍの端部は、照射用光ファイバと同様に被検体９０の表面に接触した状態でプローブ２５によって固定される。検出用光ファイバ２１−１、２１−２、…、２１−ｍのプローブ２５と反対側の端部は、フォトダイオード２２−１、２２−２、…、２２−ｍにそれぞれ接続される。これにより、光照射部１０により照射され被検体９０の内部において反射された反射光は、検出用光ファイバ２１−１、２１−２、…、２１−ｍによりフォトダイオード２２−１、２２−２、…、２２−ｍに導かれ、フォトダイオード２２−１、２２−２、…、２２−ｍにより電気信号に変換される。

フォトダイオード２２−１、２２−２、…、２２−ｍから出力された電気信号は、複数のアナログロックインアンプから構成されるロックインアンプモジュール２３に送られる。ロックインアンプモジュール２３は、フォトダイオード２２−１、２２−２、…、２２−ｍから出力された電気信号から各アナログ変調信号を選択的に検出して、アナログ出力信号としてアナログデジタル変換器２４に出力する。アナログデジタル変換器２４は、ロックインアンプモジュール２３のアナログ出力信号をデジタル信号に変換して、計測信号として制御部４０に出力する。

本実施の形態では、被検体９０の血中の酸化ヘモグロビン濃度及び還元ヘモグロビン濃度を効率良く計測するために、照射光として波長６９０ｎｍ及び波長８３０ｎｍの二色の光を用いている。しかしながら、照射光の波長や色数は特に限定されない。また、光源として半導体レーザの代わりに発光ダイオードを用いても良く、複数色の光源として白色光源と分光手段との組合せを用いても良い。フォトダイオードとしては、高感度な光計測が実現できるアバランシェフォトダイオードを用いることが好ましい。また、受光素子として、フォトダイオードに代えて光電子倍増管を用いても良い。照射光に与えられる変調は、正弦波によるアナログ変調に限らず、矩形波や方形波によるデジタル変調であっても良い。照射光にデジタル変調が与えられる場合には、アナログロックインアンプの代わりにデジタルフィルタ又はデジタルロックインアンプを変調信号検出回路として用いる。

制御部４０は、光照射部１０、光計測部２０、状態情報取得部３０、記録部５０、表示部６０、入力部７０、及び指示出力部８０に接続され、これらの各構成要素の制御を行う。制御部４０は、光計測部２０から出力された計測信号を時系列の計測データとして記録部５０に記録すると共に、計測データを解析して、例えば酸化ヘモグロビン濃度、還元ヘモグロビン濃度及びそれらの総和としての総ヘモグロビン濃度を算出する。そして、制御部４０は、算出した結果に基づいて画像データ又はタイムコースグラフデータを生成して表示部６０に表示する。計測者は、これらの計測や解析に関する指示を、入力部７０を介して入力することができる。

状態情報取得部３０は、被検体９０の状態情報を取得するためのインタフェースであり、例えば被検体９０を撮影するビデオカメラ３１、被検体９０が発する音波を収集するマイクロフォン３２などの、被検体９０をモニタする手段を含む。

指示出力部８０は、被検体９０に対してタスクを提示するためのインタフェースであり、例えばビープ音、合成音声、又は計測者の音声を出力するスピーカ８１、文字や映像を表示するディスプレイ８２、単なるランプなどの、被検体９０に対して刺激を与える手段を含む。

次に図２に基づいて、生体光計測装置１を用いて被検体９０に対して生体光計測を行う方法の実施の形態を説明する。以下の例では、被検体９０に提示されるタスクは例えば「右手指を動かして下さい」、「左手指を動かして下さい」、「動きを止めて下さい」等の身体運動に関するタスクであり、ビデオカメラ３１が撮影した被検体９０の画像データが被検体９０の状態情報として利用される。

計測者が、プローブ２５を被検体９０の頭部に装着して、入力部７０を介して生体光計測装置１に計測開始指示を入力すると、ビデオカメラ３１が被検体９０の撮影を開始する（Ｓ１０１）。ビデオカメラ３１が撮影した画像は、例えば図３に示すように、被検体９０の撮影画像として表示部６０に表示される。

次に、計測者が入力部７０を介して関心領域の設定を行う（Ｓ１０２）。関心領域とは、被検体９０の撮影画像において、被検体９０が動作を開始したこと及び動作を終了したことを検出するために注目する領域をいう。関心領域は、複数設定されても良い。例えば図３では、計測者が、表示部６０に表示された被検体９０の撮影画像のうち被検体９０の右手部分に相当する領域をマウスによりドラッグして範囲指定を行うことにより、関心領域Ｒ１を設定し、同様にして、被検体９０の撮影画像のうち、被検体９０の左手部分に相当する領域を関心領域Ｒ２、被検体９０の頭部全体に相当する領域を関心領域Ｒ３、として設定する。

次に、生体光計測が開始されて、得られた計測データの記録部５０への記録が開始される（Ｓ１０３）。そして、例えば「右手指を動かして下さい」という動作開始タスクが、指示出力部８０から出力されるビープ音、録音された音声、合成音声、計測者の音声、文字、映像、ランプの明滅などによって、被検体９０に提示される（Ｓ１０４）。これらのタスクは、予め決められた順序及び時間間隔に従って提示されても良いし、制御部４０がランダムに決定する順序及び時間間隔に従って提示されても良い。被検体９０は、「右手指を動かして下さい」という動作開始タスクを受けて右手指の動作を開始する（Ｓ１０５）。

制御部４０は、ビデオカメラ３１が撮影した被検体９０の各関心領域の画像データを用いて、被検体９０の実際の動作の開始を検出する（Ｓ１０６）。ビデオカメラ３１は例えば毎秒３３フレームの画像データを出力し、制御部４０はビデオカメラ３１から出力される画像データの連続するフレーム間の相関値を算出する。被検体９０の関心領域Ｒ１に相当する部分（図３の例では右手指）が動いていないとき、関心領域Ｒ１の画像データの連続するフレーム間の相関値は大きい。被検体９０が右手指の動作を開始すると、関心領域Ｒ１における相関値は低下する。制御部４０は、関心領域Ｒ１における相関値が所定の閾値（以下「動作判定基準値」と呼ぶ）以下になったことを検出することにより、被検体９０の右手指が実際に動き始めたことを検出し、被検体９０の動作部位及び動作開始時刻Ｔ１’を計測データに関連付けて記録部５０に記録する（Ｓ１０７）。その後、制御部４０は、画像データの連続するフレーム間の相関値の算出を続け、算出された相関値を被検体９０の動作の大きさを表す指標として計測データに関連付けて記録部５０に記録しても良い。また、制御部４０は、動作が検出されている関心領域について、その全体や枠表示を動作が検出されていないときと異なる色や点滅状態で表示部６０に表示させることにより、被検体９０の動作を計測者に明示しても良い。

次に、例えば「動きを止めて下さい」という動作終了タスクが被検体９０に提示され（Ｓ１０８）、被検体９０が提示されたタスクを受けて動作を終了する（Ｓ１０９）。被検体９０が右手指の動作を実際に終了すると、関心領域Ｒ１の画像データの連続するフレーム間の相関値は上昇する。制御部４０は、関心領域Ｒ１における相関値が動作判定基準値を超えたことを検出することにより、被検体９０の右手指が実際に止まったことを検出し（Ｓ１１０）、その時刻を動作終了時刻Ｔ２’として計測データに関連付けて記録部５０に記録する（Ｓ１１１）。その後、計測が継続されるか否かが判断され（Ｓ１１２）、計測が継続される場合にはＳ１０４以降のステップが繰り返される。

例えばＳ１０４において「右手指を動かしてください」というタスクが提示されたときに、Ｓ１０５において被検体９０が間違えて左手指の動作を開始したとする。この場合、制御部４０は、画像データのフレーム間の相関値が被検体９０の左手部分に相当する関心領域Ｒ２において動作判定基準値以下になったことを検出することにより、被検体９０の左手指が動き始めたことを検出できる。このように、被検体９０が提示されたタスクと異なる動作を行った場合でも、被検体９０の実際の動作に基づいて、動作部位、動作開始時刻Ｔ１’及び動作終了時刻Ｔ２’が記録される。

また、制御部４０は、画像データの連続するフレーム間の相関値の代わりに、画像データの連続するフレーム間の差分値を算出して被検体９０の動作検出に利用しても良い。この場合、被検体９０の関心領域Ｒ１に相当する部分が動いていないとき、関心領域Ｒ１の画像データの連続するフレーム間の差分値は小さい。被検体９０が右手指の動作を開始すると、関心領域Ｒ１における差分値は上昇する。制御部４０は、関心領域Ｒ１における差分値が所定の動作判定基準値以上になったことを検出することにより、被検体９０の右手指が実際に動き始めたことを検出する。また、被検体９０が右手指の動作を実際に終了すると、関心領域Ｒ１の画像データの連続するフレーム間の差分値は低下する。制御部４０は、関心領域Ｒ１における差分値が動作判定基準値未満になったことを検出することにより、被検体９０の右手指が実際に止まったことを検出する。

以上の説明では、生体光計測装置１は、被検体９０の動作の検出及び記録をリアルタイムで行っているが、被検体９０の画像データを計測データと共に記録部５０に一旦記録して、被検体９０の動作の検出及び記録を後処理で行っても良い。この場合、計測終了後に、関心領域及び動作判定基準値を設定し、上述の方法と同様に動作開始時刻及び動作終了時刻を検出して計測データに関連付けて記録する。

また、本実施の形態に係る生体光計測装置１は、被検体９０の安静状態での生体光計測において、体動を検出して計測データに関連付けて記録することができる。例えば、被検体９０の安静状態における脳循環動態等を生体光計測する場合、被検体９０の頭部が動くことにより生じる計測データの変動が、偽データとして計測データの解析に影響を及ぼすことがある。生体光計測装置１によれば、被検体９０の撮影画像のうち被検体９０の頭部に相当する領域を関心領域として設定することにより、生体光計測中の被検体９０の頭部の動きを検出して、被検体９０の動作部位、動作時刻、動作の大きさなどを計測データに関連付けて記録部５０に記録することができる。したがって、例えば被検体９０の頭部の所定の許容範囲を超える動きが検出された時刻の計測データを解析から除外することで、体動に伴う偽データの影響を排除することができる。

更に、本実施の形態に係る生体光計測装置１は、被検体９０の歩行訓練やリハビリテーション等において、例えば被検体９０の肘の動きや各手指の動き等の動作を検出して、被検体９０の動作を脳機能の計測結果と関連付けて定量的又は定性的に解析することができる。

以上説明した実施の形態においては、状態情報取得部３０のビデオカメラ３１が撮影した被検体９０の画像を、被検体９０の状態情報として利用している。しかしながら、被検体９０の状態情報は画像情報に限定されない。例えば、状態情報取得部３０のマイクロフォン３２が被検体９０の発する音波を収集して出力する音声信号を、被検体９０の状態情報として利用しても良い。この場合、制御部４０は、例えば被検体９０の発する音声が検出された時刻を動作開始時刻Ｔ１’、被検体９０の発する音声がある一定期間以上途切れた時刻を動作終了時刻Ｔ２’、として計測データに関連付けて記録部５０に記録する。このとき、被検体９０の音声及び指示出力部８０からの指示音声の少なくとも一方について、予め周波数成分を分析して特徴を認識しておくことにより、制御部４０は、マイクロフォン３２が出力する音声信号から被検体９０の音声に関する情報を抽出することができる。また、被検体９０の発する音波を被検体９０の状態情報として利用する際には、被検体９０へのタスクの提示を音波以外の媒体によって行うこととしても良い。更に、制御部４０は、被検体９０の発する音声についてテキスト変換処理や構文解析処理を行うことにより、被検体９０の発する言語と脳活動の計測結果とを関連付けて解析することができる。

また、生体光計測装置１は、被検体９０の状態情報を取得する装置として、被検体９０の体温、脳波、筋電位、心電、脈、呼吸、発汗等を検知する装置を備え、これらの装置が取得した被検体９０の状態情報に基づいて被検体９０の状態変化を検出しても良い。

図１は本発明の実施の形態による生体光計測装置の構成を示す概略構成図である。図２は本発明の実施の形態による生体光計測装置を用いた生体光計測方法を示すフローチャートである。図３は被検体の関心領域が設定された画面表示例を示す概念図である。図４は動作指示時刻と動作時刻との時間差及び計測データを模式的に示すグラフである。

符号の説明

１…生体光計測装置、１０…光照射部、１１…光源部、１２…発振部、１２−１−ａ〜１２−ｎ−ｂ…発振器、１３−１〜１３−ｎ…光モジュール、１４ａ，１４ｂ…半導体レーザ、１５ａ，１５ｂ…半導体レーザ駆動回路、１６ａ，１６ｂ…レンズ、１７ａ，１７ｂ…光ファイバ、１８…光ファイバ結合器、１９−１〜１９−ｎ…照射用光ファイバ、２０…光計測部、２１−１〜２１−ｍ…検出用光ファイバ、２２−１〜２２−ｍ…フォトダイオード、２３…ロックインアンプモジュール、２４…アナログデジタル変換器、２５…プローブ、３０…状態情報取得部、３１…ビデオカメラ、３２…マイクロフォン、４０…制御部、５０…記録部、６０…表示部、７０…入力部、８０…指示出力部、８１…スピーカ、８２…ディスプレイ、９０…被検体

Claims

被検体に対して光を照射する光照射部と、
前記光のうち前記被検体の内部において反射された反射光を計測して計測データを出力する光計測部と、
前記被検体の状態情報として、前記被検体を撮影して動画像データを取得する状態情報取得部と、
前記動画像データに基づいて、前記被検体の画像を表示する表示部と、
前記表示部に表示された前記画像において関心領域を設定する関心領域設定部と、
前記動画像データの連続する複数のフレームから、前記関心領域に相当する動画像データを抽出し、各々のフレームに含まれる前記関心領域に相当する動画像データ間の相関値又は差分値を算出し、その相関値又は差分値に基づいて被検体部位の動作開始時刻及び／又は動作終了時刻を検出する状態変化検出部と、
前記計測データと前記状態変化検出部が検出した動作開始時刻及び／又は動作終了時刻とを互いに関連付けて記録する計測データ記録部と、
備えることを特徴とする生体光計測装置。
前記状態情報取得部は、前記被検体が発する音波を収集して音波データを出力する音波データ出力部を更に備え、
前記状態情報は、前記音波データを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
前記状態情報取得部は、
前記被検体が発する音波を収集して音波データを出力する音波データ出力部と、
前記音波データを解析して所定の周波数の音波データを抽出する音波データ抽出部と、を更に備え、
前記状態情報は、前記音波データ抽出部により抽出された前記音波データを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。