JP4817808B2 - 生体光計測装置 - Google Patents

Description

本発明は生体内部の情報を光で計測する装置に関し、特に複数の光照射手段と複数の受光手段を交互に配置し、多点計測を行う生体光計測装置に関する。

生体光計測装置は、可視から近赤外領域の波長の光を生体に照射し、生体から反射された光を検出することで生体内部を無侵襲に計測する。このような生体光計測では、光源（光照射手段）と光検出器（受光手段）を３０mm間隔で配置することにより、頭蓋骨の内側での脳活動に伴う体内代謝物質（例えば酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン）の濃度変化を計測できることが知られている。この計測方法により、生体内代謝物質の濃度変化を画像化するためには、サンプリング点を多点とする計測方法が必要である。

特許文献１、特許文献２には、複数の光照射位置から光を照射するとともに複数の光検出位置で検出し、光照射位置と光検出位置との間に位置する複数のサンプリング点の光計測を行い、これら複数のサンプリング点を含む領域を画像化する装置が提案されている。光照射位置と光検出位置は、格子の格子点上に交互に配置される。このような配置を実現するため、光源に接続された複数の光ファイバ先端と光検出器に接続された複数の光ファイバ先端を検査対象に固定するためのプローブが用いられる。

プローブとしては、光照射位置と光検出位置が縦、横同数の格子に配置された正方格子状のものや、縦方向と横方向で光照射位置と光検出位置の数が異なる長方形状のものがある。長方形状のプローブは、例えば、言語野と前頭葉を同時に覆うことができ、高次脳機能の活動状態の連携を容易に把握することをできるため、実用性が高い。例えば図９に示すような、縦に３点、横に５点配置された３×５のプローブでは、光照射器と検出器を３０mm間隔で配置した場合、２２点のサンプリング点で６×１２cmの領域を計測できる。

上述した生体内代謝物質の濃度変化を画像化する際、画像の精度を向上するためには、サンプリング点を高密度化することが必要となる。しかし光照射位置と検出位置を格子点上に交互に配置した従来のプローブでは、所定の深度の生体内代謝物質濃度を計測する場合、その深度により光照射位置と検出位置との間隔が決まるので、サンプリング点間の間隔を狭めることが困難である。図９に示すプローブではサンプリング点の間隔は３０mmとなる。

一方、深度の異なる部位を計測するために正方格子状のプローブについて、２枚のプローブを重ねた配置とし、深度に応じて光照射位置と検出位置との組み合わせを異ならせて計測することが提案されている（特許文献３）。この配置を利用して同一の深度の測定においてサンプリング点の増加を図ることは可能であるが、特許文献３では長方形状のプローブについては考慮されていない。
特開平９−１９４０８号公報 特開平９−１４９９０３号公報 特開２００１−１７８７０８号公報

本発明は、長方形状のプローブについて、サンプリング点を増加させ高密度な計測を可能にする最適な配置を提供するとともに、このようなプローブを用いることにより高密度計測が可能であり、高い空間分解能の画像を表示することができ、実用性の高い生体光計測装置を提供することを目的とする。

本発明の生体光計測装置は、光源部と、光源部からの光を検査体の複数の位置に照射するための光照射手段および前記検査体からの通過光を複数の位置で検出する受光手段とを配置したプローブと、受光手段からの光を検出し、通過光に対応する信号を出力する光検出部と、前記光検出部からの信号を用いて前記検査体の画像を作成する処理部と、前記光源部、光検出部および処理部を制御する制御部とを備え、前記プローブは、前記光照射手段と受光手段とを長方形の格子の格子点上に交互に配置した第１および第２のプローブを、一方の光照射手段と受光手段との間に他方の光照射手段または受光手段が位置するように、互い長辺方向にずらした配置を有し、前記光源部および光検出部は、第１および第２のプローブに対応した二系統からなり、前記処理部はこれら二系統から得られた信号をともに用いて前記検査体の画像を作成するものである。

本発明の生体光計測装置において、制御部は、二系統の光源部および光検出部を切り替え制御する。
また生体光計測装置において、好適には、処理部はこれら二系統から得られた時系列信号をともに用いて検査体の動画を作成する。この場合、処理部は、例えば、二系統から得られた信号の極小値または極大値を算出し、極小値または極大値となる位置を前記検査体の動画上に表示する。

また本発明の生体光計測装置用プローブは、複数の光照射手段と複数の受光手段を検査体上に配置するための生体光計測装置用プローブであって、光照射手段と受光手段を、長方形の格子の格子点に交互に配置し、さらに長方形の長辺方向に隣接する光照射手段と受光手段との略中央部に、別の光照射手段または受光手段を追加し、追加された光照射手段および受光手段が交互の配置となるように配置したことを特徴とする。

本発明によれば、サンプリング点をもっとも効率よく高密度化したプローブが提供される。このプローブを用いることにより、被検体の比較的広い領域について位置精度の画像を得ることができる。また動画表示において、高精度に領域の変化の様子を表示することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の生体光計測装置の全体概要を示すブロック図、図２はその外観を示す図である。この生体光計測装置は、被検体５０の頭部の皮膚表面から光を照射し、頭部の皮膚表面で検出された通過光で大脳内部を画像化する装置で、図１に示すように、主として光源部１０と、光検出部２０と、制御部３０とを備えている。

光源部１０は、二系統１０Ａ、１０Ｂからなり、それぞれ可視から赤外の波長領域中の所定の波長の光を出力する半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１から出力される光に、光の照射位置によって異なる変調を与える光モジュール１２とを備えている。図では半導体レーザ１１は一つしか示されていないが、通常で、複数の波長、例えば７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの二波長の光をそれぞれ放射する２個の半導体レーザ１１が用いられる。ただし二波長の値は、７８０ｎｍと８３０ｎｍとに限定されるものではなく、波長数も二波長に限定されるものではない。また半導体レーザ１１の代わりに発光ダイオードを用いてもよい。

半導体レーザ１１からの光は、発振周波数の異なる発振器で構成される発振部（図示せず）により変調される。変調の方式は、本実施の形態では正弦波によるアナログ変調を採用しているが、これに限定されることはなく、それぞれ異なる時間間隔の矩形波によるデジタル変調を用いてもよい。光モジュール１２には、それぞれの半導体レーザから放射された７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの波長の光を１本の光ファイバ（照射用光ファイバ１３）に導入させる図示しない光ファイバ結合器が備えられている。

照射用光ファイバ１３の先端は、図２に概略を示すように、検出用光ファイバ２１の先端とともに、所定の位置関係となるように光ファイバ固定部材４１に固定されている。また被検体５０に装着される計測プローブ４０には、光ファイバ固定部材４１に固定された光ファイバ先端を受け入れるソケットが配置されている。この計測プローブ４０を被検体５０の頭部に装着し、光ファイバ固定部材４１に固定された光ファイバ先端をソケットに嵌着することにより、頭部の皮膚表面に照射用光ファイバ１３および検出用光ファイバ２１の各先端を接触させることができる。本発明の生体光計測装置は、後述するが、この光ファイバ固定部材４０における照射用光ファイバ１３と検出用光ファイバ２１の配置に特徴があり、上述した二系統の光源部１０Ａ、１０Ｂに対応する二系統の配置を組み合わせた配置となっている。

光検出部２０も、光源部１０および光ファイバ先端の配置に対応した二系統２０Ａ、２０Ｂからなり、それぞれ、各検出用光ファイバ２１の他端に接続され、生体通過光は電気信号（生体通過光強度信号）に変換する光検出器２２と、変調信号を選択的に検出する弁別回路２３と、弁別回路２３の出力をＡ/Ｄ変換するＡ/Ｄ変換器２４とを備えている。光検出器２２として、本実施例では、フォトダイオード２２を用いている。フォトダイオード１１としては、例えば高感度な光計測が実現可能な周知のアバランシェフォトダイオードが望ましい。ただし光検出器としては、フォトダイオードのほか、光電子増倍管等の光電変換素子を用いることができる。また弁別回路２３としては、例えば複数の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が用いられる。ロックインアンプモジュールにおけるロックインアンプ数は、プローブのサンプリング点と同数かそれより多い。［サンプリング点の数］×［用いた光の波長の数（ここでは二波長）］がチャンネル数となる。

照射用光ファイバ１３から頭部に照射され、頭部を通過した光すなわち生体通過光は、検出用光ファイバ２１でそれぞれ集光され、フォトダイオード２２で検出された後、ロックインアンプモジュール２３で、照射位置且つ波長に対応した変調信号が選択的に検出される。ロックインアンプモジュール２３から出力される変調信号は、波長及び照射位置に対応する生体通過強度信号にそれぞれ分離されたものである。ロックインアンプモジュール２３からアナログ出力される生体通過光強度信号は、Ａ／Ｄ変換器(アナログデジタル変換器）２４によりそれぞれデジタル信号に変換される。

制御部３０は、２系統の光検出部２０Ａ、２０Ｂからそれぞれ入力される生体通過光強度信号（デジタル信号）を記録する記録部３２と、記録部３２から各検出位置の生体通過光強度信号を読み出し、脳活動に伴う酸素化ヘモグロビン濃度変化、脱酸素化ヘモグロビン濃度変化、ヘモグロビン濃度総量などを計算するとともに、複数の計測位置の経時情報を表すグラフや分布画像を作成する処理部３１、処理結果の表示やユーザーによる指令の入力などを行う入出力部３３を備えている。処理部３１における処理に必要なデータや処理前後のデータも記録部３２に記録される。なお各検出位置の生体通過光強度信号から酸素化及び脱酸素化ヘモグロビン濃度変化並びにヘモグロビン濃度総量を計算する方法については、文献１及び文献２に記載されている。

制御部３０は、上述した信号の処理のほか、光源部１０および光検出部２０による計測を制御する。制御は、入出力部３３を介して送られる指令に基づく、計測の開始、終了、繰り返し計測の場合の間隔などのほか、２系統の光源部１０および光検出部２０の切り替え制御を含む。光源部１０および光検出部２０を切り替え制御するため、制御部３０には、光源部１０Ａ、１０Ｂにオンオフ制御信号を送るとともにそれと同期して光検出部２０Ａ、Ｂからの信号の取り込みを切り換える切り換え手段（シーケンサ）３５が備えられている。

次に本発明のプローブ、照射用光ファイバ１３と検出用光ファイバ２１の配置について説明する。図３にプローブ400の一例を示す。図中、●は照射用光ファイバの先端（すなわち光照射器）、○は検出用光ファイバの先端（すなわち受光器）を表し、それらの中間の四角はサンプリング点を表している。

本実施の形態のプローブ400は、図３（ｃ）に示すように、２つの３×５のプローブ401Ａ、401Ｂ（図（ａ）、（ｂ））を互いに半ピッチ（隣接する光ファイバ間の間隔を１ピッチとする）長辺方向にずらし、一方の光ファイバ先端位置が他方のサンプリング点位置にくるように重ねた配置を有している。すなわち縦横２つの配列方向のうち横方向（長手方向）の配列密度が縦方向の配列密度の倍となっている。このプローブ400のプローブ401Ａに相当する部分は、光源部の第１系統１０Ａおよび光検出部の第１系統２０Ａに接続され、プローブ401Ｂに相当する部分は、光源部の第２系統１０Ｂおよび光検出部の第２系統２０Ｂに接続される。

次に本実施の形態の生体光計測装置の動作を説明する。
生体光計測は、プローブを被検体の頭部に装着し、例えば被検体に言語発生や指先のタッピングなどの課題を与えながら、頭部表面に光を照射し、受光器で光を検出する。このような課題を与え、課題負荷前後の信号を差分することにより脳活動に伴うヘモグロビン濃度変化を計測ことができる。通常、課題は一定の休止期間を置いて繰り返し行なわれ、１回の課題負荷と休止とを含む期間を計測単位として、複数回計測を繰り返し、複数回の計測で得られた信号の統計処理等を行う。

本実施の形態の生体光計測装置では、このような生体光計測を制御部３０により光源部の第１系統１０Ａと第２系統１０Ｂとを所定の周波数（時間間隔）で切り換えながら、行う。切り替えの時間間隔は、特に限定されないが、それぞれのＯＮ時に各光検出部から十分な信号が取得できる時間（例えば数ミリ秒）とする。上述したように１回の課題負荷と休止とを含む期間を計測単位として計測を繰り返す場合には、計測の繰り返し単位と同じにしてもよい。また一方をＯＮにした時の光量が他方に影響を与えないために、一定の休み時間を設けてもよい。

切り替え制御の様子を図４に示す。図示するように、第１系統１０Ａと第２系統１０Ｂは時分割でオンオフ制御され、第１系統１０Ａがオンの間は、第１系統の光検出部２０Ａからの生体通過光強度信号のみを取り込み、第２系統１０Ｂがオンの間は、第２系統の光検出部２０Ｂからの生体通過光強度信号のみを取り込む。例えば、第１系統１０Ａが駆動され、プローブ400の部分401Ａから頭部表面に光が照射されると、部分401Ａの受光器のみならず部分401Ｂの受光器にも生体通過光が検出されることになるが、この光は、光照射器と受光器との間隔が異なるサンプリング点から得られる光であり、異なる深度からの情報であり、目的とする計測にとってはノイズとなる。第１系統１０Ａがオンの間は、第２系統の光検出部２０Ｂからの生体通過光強度信号を取り込まず、第２系統１０Ｂがオンの間は、第１系統の光検出部２０Ａからの生体通過光強度信号を取り込まないことにより、ノイズの混入を防止できる。

これにより第１系統１０Ａの駆動時には、プローブ400の部分401Ａから頭部表面に光が照射され、図３の部分401Ａに示されたサンプリング点から生体通過光強度信号が計測される。第２系統１０Ｂの駆動時には、プローブ400の部分401Ｂから頭部表面に光が照射され、図３の部分401Ｂに示されたサンプリング点から生体通過光強度信号が計測される。部分401Ａのサンプリング点と部分401Ｂのサンプリング点とは、互いに半ピッチずれているので、これらを合わせたものは図３（ｄ）に示すように、４０のサンプリング点が高密度で配置されているのに等しい。隣接するファイバ間の距離（１ピッチ）が３０cmであるとすると、高密度領域は６３（１０．５×６）cm²の範囲となり、この領域で高空間分解能の情報が得られる。

光検出部２０Ａ、２０Ｂからの生体通過光強度信号は、順次、記録部３２に記録される。処理部３１は、連続して計測された光検出部２０Ａの生体通過光強度信号と、光検出部２０Ｂからの生体通過光強度信号とを一組として、各位置における酸素化ヘモグロビン濃度変化、脱酸素化ヘモグロビン濃度変化、ヘモグロビン濃度総量などを計算し、複数の計測位置の経時情報を表すグラフや分布画像を作成する。分布画像は、ヘモグロビン濃度変化の値が同じ位置を線で結び等高線状に表示したもの（トポグラフィ）や、ヘモグロビン濃度変化を諧調表示したものである。図５にトポグラフィ表示の一例を示す。図示する例では脳の形態画像に重畳してトポグラフィを表示している。脳の形態画像は、別の撮像装置で対象とする被検体の画像を撮像したものでもよいし、一般的な形態画像をひな型として持っていてもよい。これら形態画像とトポグラフィとの位置合わせについては、公知の手法（例えば特開平９−１９４０８号公報に記載された手法など）が用いられる。このような表示において、等高線の形状或いは諧調表示の色から、極小値或いは極大値を持つ位置を知ることができ、課題と結びついた脳の活動部位の判定や、活動部位の異常などの判定を行うことができる。

なお図５の表示例は、入出力部３３のディスプレイの一例である。この実施の形態では、処理部３１で作成された分布画像501のほかに、被検体情報、タイムコース、設定されているパラメータなどを表示する表示部502が設けられ、またユーザーインターフェイスとして、計測の開始、一時停止、終了、処理部における処理などの指令を入力するためのボタンやプローブの設定やパラメータの設定を行うためのボタン503などが表示されている。

本実施の形態の生体光計測装置では、プローブとして２つの長方形状プローブを長辺方向にずらして重ねた配置のプローブを用いると共に、それを切り替え駆動することにより、１つのプローブと同じ領域を効率よく高密度化することができるので、分布画像の精度を上げることができ、上述した判定に有効な情報を得ることができる。なお、分布画像を作成するに際し、必要に応じてサンプリング点と隣接するサンプリング点の値を用いた補間を採用し、さらに高密度化することも可能である。

次に比較例として、２つの長方形状プローブを短辺方向にずらして重ねた配置のプローブについて説明する。図６は比較例のプローブ500（図（a））とそのサンプリング点（図（ｂ））を示す。このプローブ600も、２つの３×５のプローブ401Ａ、401Ｂを互いに半ピッチずらして重ねていることは、本実施の形態のプローブと同様である。しかしずらす方向が短辺方向である点でプローブ400とは異なる。

この場合には、長辺方向の一端部に位置するサンプリング点は、高密度化に寄与しないことになるので、本実施の形態のプローブ400に比べ効率が低下する。具体的には、隣接するファイバ間の距離（１ピッチ）が３０cmであるとすると、高密度領域は５４（１２×９）cm²、サンプリング点は３６点となる。この比較例からも本実施の形態のプローブにより効率よく高密度化できることがわかる。

次に本実施の形態のプローブを用いた生体光計測装置の第２の実施の形態を、図面を参照して説明する。図７は第２の実施の形態の動作のフローを示す図、図８は表示例を示す図である。

この生体光計測装置も、構成は図１に示す生体光計測装置と同じであり、二系統の光源部１０及び光検出部２０を切り換えて、高密度領域を計測することも同様である。ただしこの生体光計測装置は、処理部３１が動画表示機能を備えている。動画表示機能とは、時系列で生体通過光強度信号の計測と分布画像の作成・表示更新を繰り返し、分布画像の経時的変化を動画として表示する機能である。

まず処理部３１は、二系統の光検出部２０Ａ、２０Ｂから生体通過光強度信号を取り込み、これらを一組として分布画像を作成し、表示する（ステップ701、702）。ここで複数の位置から得られる生体通過光強度信号のうち、例えば最大値である位置を脳活動部位の中心位置とし、画像上に表示する（ステップ703）。中心位置の求め方は、例えば特開２００５−２３７６１８号公報に記載されている方法を採用することができる。また中心位置の表示方法は、例えば対応する画素値を最大値とする或いは他の部分と異なる色を重畳する。最大値である位置が複数あり、それが隣接している場合には、その中心を中心位置とする。このような中心位置の算出を、分布画像を更新する度に行い、新たに求めた中心位置Ｐと従前の中心位置Ｐ’とを結ぶ線を表示する（ステップ704）。この線も最初に中心位置を表示する場合と同じ表示方法で表示できる。

分布画像の更新毎に線をつなげていくことにより、図８に示すように、動画上に脳の活動部位に当たる中心位置の遷移の様子（履歴）が線として描出される。この遷移の様子は、広い範囲を高密度で計測した情報に基づいて作成されているので、位置精度が高く診断に有用な情報となる。
なお脳の活動履歴を表示するためには、最大値ではなく、極小値を用いることも可能である。また中心位置の求め方も上述した手法に限らず、例えば加重平均を用いるなど適宜変更することが可能である。

以上、本発明の生体光計測装置を、頭部計測を例に説明したが、本発明は測定対象として頭部に限らず他の部位、さらには人体以外の生体あるいは生体以外にも適用可能である。また、光照射位置及び光検出位置の数をさらに増加させることにより、計測チャンネルの個数を増加させることが可能であり、計測領域を拡大させることも可能となる。

本発明の生体光計測装置の全体概要を示すブロック図 生体光計測装置の外観を示す図 本発明の生体光計測装置用プローブの一実施の形態を示す図 本発明の生体光計測装置における光源部および光検出部の切り替え制御を説明する図 本発明の生体光計測装置の表示画面の一例を示す図 比較例のプローブを示す図 本発明の生体光計測装置の他の実施の形態の動作を示す図 本発明の生体光計測装置の表示画面の他の例を示す図 従来の長方形の生体光計測装置用プローブを示す図

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂ・・・光源部、２０、２０Ａ、２０Ｂ・・・光検出部、３０・・・制御部、３１・・・処理部、３２・・・記録部、３３・・・入出力部、４０、400・・・プローブ、５０・・・被検体。

Claims (4)

1. 光源部と、光源部からの光を検査体の複数の位置に照射するための光照射手段および前記検査体からの通過光を複数の位置で検出する受光手段とを配置したプローブと、受光手段からの光を検出し、通過光に対応する信号を出力する光検出部と、前記光検出部からの信号を用いて前記検査体の画像を作成する処理部と、前記光源部、光検出部および処理部を制御する制御部とを備えた生体光計測装置において、
   前記プローブは、前記光照射手段と受光手段とを、第一の方向の格子点の数が第一の方向と直交する第二の方向の格子点の数より多い、長方形の格子の格子点上に交互に配置した第１及び第２のプローブからなり、前記第１および第２のプローブを、一方の前記第一の方向に配列した光照射手段と受光手段との間に、他方の前記第一の方向に配列した光照射手段または受光手段が位置するように、ずらした配置を有し、
   前記光源部および光検出部は、第１および第２のプローブに対応した二系統からなり、
   前記処理部はこれら二系統から得られた時系列信号をともに用いて前記検査体の動画を作成するとともに、二系統から得られた信号の極小値または極大値を算出し、極小値または極大値となる位置の履歴を前記検査体の動画上に表示することを特徴とする生体光計測装置。
2. 請求項１に記載の生体光計測装置において、
   前記処理部は、極小値または極大値となる位置の履歴を、位置の遷移を表す線で描出することを特徴とする生体光計測装置。
3. 請求項１記載の生体光計測装置において、
   前記処理部は、最大値となる位置が複数ある場合に、それら複数の位置の中心位置を最大値となる位置とすることを特徴とする生体光計測装置。
4. 生体光計測装置で複数の位置で計測した生体通過光強度信号から求めた分布画像の表示方法であって、
   時系列で得られる生体通過強度信号から分布画像を作成し、表示更新を繰り返し動画として表示するステップと、
   前記複数の位置のうち、信号強度が最大値または最小値である位置を求めるステップと、
   前記分布画像を作成する度に、前記最大値または最小値である位置を再計算し、位置の変化の履歴を前記動画上に表示するステップと、
   を含むことを特徴とする生体光計測装置における分布画像表示方法。

Images