JP4946847B2 - 光脳機能イメージング装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光を用いて複数箇所の測定部位における脳活動に関する信号値の時間変化を解析して計測する光脳機能イメージング装置に関し、さらに詳細には一般線形モデルを用いた統計的検定により信号値の時間変化を解析して計測する光脳機能イメージング装置に関する。
近年、脳の活動状況を観察するために、光を用いて簡便に無侵襲で測定する光脳機能イメージング装置が開発されている。このような光脳機能イメージング装置では、送光プローブと受光プローブとを設定間隔（チャンネル）で備える。これにより、光脳機能イメージング装置では、被検者の頭蓋表面上に配置した送光プローブにより、異なる２種類の波長λ１、λ２（例えば、７８０ｎｍと８３０ｎｍ）の近赤外光を脳に照射するとともに、頭蓋表面上に配置した受光プローブにより、脳から放出された各波長の近赤外光の強度によって信号値Ａ（λ１）、Ａ（λ２）をそれぞれ検出する。
ここで、各波長λ１、λ２の近赤外光は、頭皮組織や骨組織を透過し、かつ、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとが可視光から近赤外領域にかけて異なる分光吸収スペクトル特性を有するので、血液中のオキシヘモグロビン或いはデオキシヘモグロビンのいずれかに特に吸収される。なお、図４は、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとの分光吸収係数を示すグラフである。
ここで、各波長λ１、λ２の近赤外光は、頭皮組織や骨組織を透過し、かつ、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとが可視光から近赤外領域にかけて異なる分光吸収スペクトル特性を有するので、血液中のオキシヘモグロビン或いはデオキシヘモグロビンのいずれかに特に吸収される。なお、図４は、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとの分光吸収係数を示すグラフである。
よって、脳血流中のオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを求めるために、例えば、Modified Beer Lambert則を用いて関係式（４）（５）に示す連立方程式を作成して、この連立方程式を解いている（例えば、非特許文献１参照）。さらには、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とから総ヘモグロビンの各濃度・光路長積（[oxyHb]＋[deoxyHb]）を算出している。
Ａ（λ１）＝ＥＯ（λ１）×[oxyHb]＋Ｅｄ（λ１）×[deoxyHb]・・・（４）
Ａ（λ２）＝ＥＯ（λ２）×[oxyHb]＋Ｅｄ（λ２）×[deoxyHb]・・・（５）
ここで、ＥＯ（λｍ）は、波長λｍの光におけるオキシヘモグロビンの吸光度係数であり、Ｅｄ（λｍ）は、波長λｍの光におけるデオキシヘモグロビンの吸光度係数である。
Ａ（λ１）＝ＥＯ（λ１）×[oxyHb]＋Ｅｄ（λ１）×[deoxyHb]・・・（４）
Ａ（λ２）＝ＥＯ（λ２）×[oxyHb]＋Ｅｄ（λ２）×[deoxyHb]・・・（５）
ここで、ＥＯ（λｍ）は、波長λｍの光におけるオキシヘモグロビンの吸光度係数であり、Ｅｄ（λｍ）は、波長λｍの光におけるデオキシヘモグロビンの吸光度係数である。
また、光脳機能イメージング装置では、脳表面全体に関する脳の測定部位のオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]及び総ヘモグロビンの濃度・光路長積（[oxyHb]＋[deoxyHb]）をそれぞれ測定するために、例えば、近赤外分光分析計（以下、ＮＩＲＳと略す）等が利用されている（例えば、特許文献１参照）。
ＮＩＲＳにおいては、複数個の送光プローブと、複数個の受光プローブとを所定の配列で被検者の頭蓋表面に密着させるために、ホルダが使用される。このようなホルダとしては、例えば、頭蓋表面の形状に合わせて椀形状に成型された成型ホルダが使用される。成型ホルダには貫通孔が複数個設けられ、送光プローブと受光プローブとがそれらの貫通孔に挿入されることによって、設定間隔（チャンネル）が一定となり、頭蓋表面からＮ箇所の特定の深度の信号値Ａｎ（λ１）、Ａｎ（λ２）（ｎ＝１,２,・・,Ｎ）を得ている。なお、一般的に設定間隔（チャンネル）を３０ｍｍとしたものが用いられ、チャンネルが３０ｍｍである場合には、チャンネルの中点からの深度１５ｍｍ〜２０ｍｍの信号値Ａｎ（λ１）、Ａｎ（λ２）が得られると考えられている。すなわち、頭蓋表面から深度１５ｍｍ〜２０ｍｍの位置は脳表部位にほぼ対応し、脳表面のＮ箇所の測定部位における脳活動に関する信号値Ａｎ（λ１）、Ａｎ（λ２）が得られる。
ＮＩＲＳにおいては、複数個の送光プローブと、複数個の受光プローブとを所定の配列で被検者の頭蓋表面に密着させるために、ホルダが使用される。このようなホルダとしては、例えば、頭蓋表面の形状に合わせて椀形状に成型された成型ホルダが使用される。成型ホルダには貫通孔が複数個設けられ、送光プローブと受光プローブとがそれらの貫通孔に挿入されることによって、設定間隔（チャンネル）が一定となり、頭蓋表面からＮ箇所の特定の深度の信号値Ａｎ（λ１）、Ａｎ（λ２）（ｎ＝１,２,・・,Ｎ）を得ている。なお、一般的に設定間隔（チャンネル）を３０ｍｍとしたものが用いられ、チャンネルが３０ｍｍである場合には、チャンネルの中点からの深度１５ｍｍ〜２０ｍｍの信号値Ａｎ（λ１）、Ａｎ（λ２）が得られると考えられている。すなわち、頭蓋表面から深度１５ｍｍ〜２０ｍｍの位置は脳表部位にほぼ対応し、脳表面のＮ箇所の測定部位における脳活動に関する信号値Ａｎ（λ１）、Ａｎ（λ２）が得られる。
図２は、上述したようなＮＩＲＳにおける１１個の送光プローブと１２個の受光プローブとの位置関係の一例を示す平面図である。ＮＩＲＳ１１は、送光プローブ１２ａ〜１２ｋと受光プローブ１３ａ〜１３ｊとが行方向及び列方向に交互となるように正方格子状に配置された半球状のものである。なお、送光プローブ１２ａ〜１２ｋから照射された近赤外光は、隣接する受光プローブ１３ａ〜１３ｊ以外の離れた受光プローブ１３ａ〜１３ｊでも検出されるが、ここでは説明を簡単にするため、隣接する受光プローブ１３ａ〜１３ｊのみで検出されることとする。よって、合計３２（＝Ｎ）箇所の測定部位における信号値Ａｎ（λ１）、Ａｎ（λ２）（ｎ＝１,２,・・,３２）が得られることになる。
そして、合計３２箇所の測定部位における信号値Ａｎ（λ１）、Ａｎ（λ２）から、上述したように連立方程式を作成して、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを算出している。
そして、合計３２箇所の測定部位における信号値Ａｎ（λ１）、Ａｎ（λ２）から、上述したように連立方程式を作成して、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを算出している。
ところで、算出されたオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とには、脳（脳皮質）血流中のオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンからの情報と、それ以外の血流（例えば、皮膚血流等）中のオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンからの情報とが含まれており、これらを峻別する必要がある。
そこで、峻別方法として、一般線形モデル（ＧＬＭ）を用いた統計的検定手法が定着している。例えば、予め複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）（ｐ＝１,２,・・,Ｐ−１）を仮定し、得られたオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]の時間変化と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]の時間変化とを、式（１）に示す一般線形モデルＹｎ（ｔ）で表現し、一般線形モデルＹｎ（ｔ）における基本関数Ｓｐ（ｔ）の係数（偏回帰係数）βｐについて最小自乗法によりフィッティングを行うとともに、偏回帰係数βｐについて統計的検定を行い、フィッティングの妥当性を検定することにより、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]の時間変化と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]の時間変化とを表現した一般線形モデルＹｎ（ｔ）の解析を行っている。
Ｙｎ（ｔ）＝β０＋β１Ｓ１（ｔ）＋・・＋βＰ−１ＳＰ−１（ｔ）＋εｎ・・・（１）
ここで、β０は、ベースライン値であり、εｎは、残差成分（ノイズ成分を集約したもの）である。
そして、解析を行った結果を用いて、各測定部位ｎについてオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]や、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]をカラーマッピングした脳機能イメージング画像や有意チャンネル（有意性のある測定部位ｎ）の表示等を行っている。
特開２００６−１０９９６４号公報
Factors affecting the accuracy of near-infrared spectroscopy concentration calculations for focal changes in oxygenation parameters, NeuroImage 18, 865-879, 2003
そこで、峻別方法として、一般線形モデル（ＧＬＭ）を用いた統計的検定手法が定着している。例えば、予め複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）（ｐ＝１,２,・・,Ｐ−１）を仮定し、得られたオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]の時間変化と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]の時間変化とを、式（１）に示す一般線形モデルＹｎ（ｔ）で表現し、一般線形モデルＹｎ（ｔ）における基本関数Ｓｐ（ｔ）の係数（偏回帰係数）βｐについて最小自乗法によりフィッティングを行うとともに、偏回帰係数βｐについて統計的検定を行い、フィッティングの妥当性を検定することにより、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]の時間変化と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]の時間変化とを表現した一般線形モデルＹｎ（ｔ）の解析を行っている。
Ｙｎ（ｔ）＝β０＋β１Ｓ１（ｔ）＋・・＋βＰ−１ＳＰ−１（ｔ）＋εｎ・・・（１）
ここで、β０は、ベースライン値であり、εｎは、残差成分（ノイズ成分を集約したもの）である。
そして、解析を行った結果を用いて、各測定部位ｎについてオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]や、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]をカラーマッピングした脳機能イメージング画像や有意チャンネル（有意性のある測定部位ｎ）の表示等を行っている。
しかしながら、送光プローブ１２から受光プローブ１３まで各波長λ１、λ２の近赤外光が通過する光路長の長さには、近赤外光の散乱度合等による波長依存性がある。つまり、同一の送光プローブ１２と受光プローブ１３との組み合わせ（例えば、送光プローブ１２ａと受光プローブ１３ａ）によって信号値Ａｎ（λｍ）を得ても、波長λ１の光と波長λ２の光とが通過した光路長の長さは異なっている。したがって、上述したように連立方程式を作成して、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを求めても、この連立方程式においては、異なる２種類の波長λ１、λ２の光が同一距離を通過したことを前提としているので、クロストークを引き起こし、その結果、正確なオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とが求められないという問題があった。
また、上述したようなＮＩＲＳ１１によって、合計３２箇所の測定部位における信号値Ａｎ（λ１）、Ａｎ（λ２）（ｎ＝１,２,・・,３２）を得るためには、例えば、送光プローブ１２ａに波長λ１の光を０．１５秒間送光させ、次に、送光プローブ１２ｂに波長λ１の光を０．１５秒間送光させるように、送光プローブ１２ａから送光プローブ１２ｋまで順番に波長λ１の光を送光させ、さらに、送光プローブ１２ａから送光プローブ１２ｋまで順番に波長λ１の光を送光させた後には、同様にして送光プローブ１２ａから送光プローブ１２ｋまで順番に波長λ２の光を送光させている。つまり、ある時間の脳表面全体に関する脳機能イメージング画像を観察するときには、送光プローブ１２ａが波長λ１の光を送光した時間と、送光プローブ１２ｋが波長λ２の光を送光した時間との差が大きくなりすぎるという問題があった。このことは、さらに送光プローブの個数を増やした場合には大きな問題となっていた。
さらに、光脳機能イメージング装置の構成において、送光プローブ１２から波長λ１の光と波長λ２の光とを照射させるとともに、受光プローブ１３で波長λ１の光と波長λ２の光とを検出させるようにする必要があるため、光脳機能イメージング装置構造が複雑になり、コストも増大するという問題があった。このことは、さらに送光プローブや受光プローブの個数を増やした場合には、大きな問題となっていた。
そこで、本発明は、装置構造が複雑にならずかつコストも増大せず、さらに、光計測方法における照射する光による波長依存性によって生じる問題をなくして、正確な統計的検定を行うことができる光脳機能イメージング装置を提供することを目的とする。
さらに、光脳機能イメージング装置の構成において、送光プローブ１２から波長λ１の光と波長λ２の光とを照射させるとともに、受光プローブ１３で波長λ１の光と波長λ２の光とを検出させるようにする必要があるため、光脳機能イメージング装置構造が複雑になり、コストも増大するという問題があった。このことは、さらに送光プローブや受光プローブの個数を増やした場合には、大きな問題となっていた。
そこで、本発明は、装置構造が複雑にならずかつコストも増大せず、さらに、光計測方法における照射する光による波長依存性によって生じる問題をなくして、正確な統計的検定を行うことができる光脳機能イメージング装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本発明の光脳機能イメージング装置は、被検者の頭蓋表面に配置される複数個の送光プローブ、当該頭蓋表面に配置される複数個の受光プローブからなる送受光部と、前記送光プローブは頭蓋表面に光を照射するとともに、前記受光プローブは頭蓋表面から放出される光の強度を検出するように制御することで、前記被検者の脳表面のＮ箇所の測定部位における脳活動に関する信号値Ａｎ（ｎ＝１,２,・・,Ｎ）の時間変化Ｘｎ（ｔ）をそれぞれ得る送受光部制御部と、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）（ｐ＝１,２,・・,Ｐ−１）と、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）の係数となる偏回帰係数βｐとを用いた一般線形モデル（ＧＬＭ）により、信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）を、下記式（１）に示す一般線形モデルＹｎ（ｔ）で表現する一般線形モデル作成部と、一般線形モデルＹｎ（ｔ）における偏回帰係数βｐについて検定を行うためのｔ値を算出するｔ値算出部と、算出されたｔ値に基づいて、一般線形モデルＹｎ（ｔ）の有意性を検定するｔ検定部とを備える光脳機能イメージング装置であって、信号値Ａｎは、下記式（２）に示す電圧値比、又は、下記式（３）に示す吸光度であり、１種類の設定波長の光を送光プローブに送光する発光部を備え、前記送受光部制御部は、前記発光部によって送光プローブから１種類の設定波長の光を頭蓋表面に照射させて、前記受光プローブで１種類の設定波長の光の強度を検出させることで、信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）を得るようにしている。
Ｙｎ（ｔ）＝β０＋β１Ｓ１（ｔ）＋・・＋βＰ−1 ＳＰ−1（ｔ）＋εｎ・・・（１）
ここで、β０は、ベースライン値であり、εｎは、残差成分である。
Ａｎ＝Ｖｎ／Ｖｎ０・・・（２）
Ａｎ＝−ｌｏｇ（Ｖｎ／Ｖｎ０）・・・（３）
ここで、Ｖｎは、測定部位ｎにおいて検出された光の強度を示す測定電圧値であり、Ｖｎ０は、測定部位ｎにおける予め設定された基準電圧値である。
Ｙｎ（ｔ）＝β０＋β１Ｓ１（ｔ）＋・・＋βＰ−1 ＳＰ−1（ｔ）＋εｎ・・・（１）
ここで、β０は、ベースライン値であり、εｎは、残差成分である。
Ａｎ＝Ｖｎ／Ｖｎ０・・・（２）
Ａｎ＝−ｌｏｇ（Ｖｎ／Ｖｎ０）・・・（３）
ここで、Ｖｎは、測定部位ｎにおいて検出された光の強度を示す測定電圧値であり、Ｖｎ０は、測定部位ｎにおける予め設定された基準電圧値である。
ここで、「基準電圧値」とは、例えば、照射する光の強度によって予め設定された電圧値や、被検者の安静時を予め測定することにより得られた測定電圧値等のことをいう。
本発明の光脳機能イメージング装置によれば、送受光部制御部は、送光プローブから１種類の設定波長の光を頭蓋表面に照射させて、受光プローブで１種類の設定波長の光の強度を検出させることで、Ｎ箇所の測定部位における信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）をそれぞれ得る。なお、本発明では、設定波長以外の光を照射しない。よって、連立方程式を作成して、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを求めることをしない。これにより、クロストークを引き起こすことをなくすことができ、正確な統計的検定を行うことができるようになる。
そして、一般線形モデル作成部は、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）と、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）の係数となる偏回帰係数βｐとを用いた式（１）に示す一般線形モデル（ＧＬＭ）により、信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）を一般線形モデルＹｎ（ｔ）で表現する。
Ｙｎ（ｔ）＝β０＋β１Ｓ１（ｔ）＋・・＋βＰ−1 ＳＰ−1（ｔ）＋εｎ・・・（１）
すなわち、一般線形モデルＹｎ（ｔ）を、幾つかの基本関数Ｓｐ（ｔ）（ｐ＝１,２,・・,Ｐ−１）の線形和でフィッティングできるものとし、フィッティングできなかった残差成分εｎが正規分布Ｎ（０，σ）しているものとする。
本発明の光脳機能イメージング装置によれば、送受光部制御部は、送光プローブから１種類の設定波長の光を頭蓋表面に照射させて、受光プローブで１種類の設定波長の光の強度を検出させることで、Ｎ箇所の測定部位における信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）をそれぞれ得る。なお、本発明では、設定波長以外の光を照射しない。よって、連立方程式を作成して、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを求めることをしない。これにより、クロストークを引き起こすことをなくすことができ、正確な統計的検定を行うことができるようになる。
そして、一般線形モデル作成部は、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）と、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）の係数となる偏回帰係数βｐとを用いた式（１）に示す一般線形モデル（ＧＬＭ）により、信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）を一般線形モデルＹｎ（ｔ）で表現する。
Ｙｎ（ｔ）＝β０＋β１Ｓ１（ｔ）＋・・＋βＰ−1 ＳＰ−1（ｔ）＋εｎ・・・（１）
すなわち、一般線形モデルＹｎ（ｔ）を、幾つかの基本関数Ｓｐ（ｔ）（ｐ＝１,２,・・,Ｐ−１）の線形和でフィッティングできるものとし、フィッティングできなかった残差成分εｎが正規分布Ｎ（０，σ）しているものとする。
そして、式（１）で表される測定部位ごとの信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）の一般化線形モデルＹｎ（ｔ）を行列表現すると、下記式（６）（あるいは式（６’））のようになる。
ここで、Ｙは、信号値ベクトルであり、βは、偏回帰係数ベクトルであり、Ｇは、計画行列であり、εは、残差ベクトルである。
さて、統計的検定を行うため、Ｙの推定値
と、βの推定値
とを用いて、下記式（７）のように書けるものとする。
さて、統計的検定を行うため、Ｙの推定値
と、βの推定値
とを用いて、下記式（７）のように書けるものとする。
このとき、
が最小になる条件を用いて、
を求める（最小自乗法）。
が最小になる条件を用いて、
を求める（最小自乗法）。
この時、ｔ値は、以下で与えられる。
ここで、β＝０（βj＝０）という仮定（帰無仮説）のもとでｔ検定を行う。この場合、ｔ値は下記式（８）によって求められる。
ここで、ｃは、コントラストベクトルであり、例えば、
のｔ値を得たい場合は、ｃ＝（０,１,０,０,,,０）となり、
のｔ値を得たい場合は、ｃ＝（０,０,１,０,,,０）となる。
また、各信号値Ａｎが独立と見なせる場合は、次式のとおりとなる。
のｔ値を得たい場合は、ｃ＝（０,１,０,０,,,０）となり、
のｔ値を得たい場合は、ｃ＝（０,０,１,０,,,０）となる。
また、各信号値Ａｎが独立と見なせる場合は、次式のとおりとなる。
そして、ｔ検定部は、有意水準を設定し（例えば、５％と設定）し、β＝０（βj＝０）という仮定（帰無仮説）の結果、ｔ値が５％の棄却域に入るか否かを、式（８）で求めたｔ値で検定する。このようにして、
の各成分
の検定を行う。
その後、各測定部位ｎについてのｔ検定結果を用いて、信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）をカラーマッピングした脳機能イメージング画像（ｔ値マップ）を作成したり、有意チャンネル（有意性のある測定部位ｎ）を表示したりすることになる。これにより、脳活動（脳の変化）があった測定部位ｎを正確に観察することができる。
の各成分
の検定を行う。
その後、各測定部位ｎについてのｔ検定結果を用いて、信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）をカラーマッピングした脳機能イメージング画像（ｔ値マップ）を作成したり、有意チャンネル（有意性のある測定部位ｎ）を表示したりすることになる。これにより、脳活動（脳の変化）があった測定部位ｎを正確に観察することができる。
以上のように、本発明の光脳機能イメージング装置によれば、１種類の設定波長の光のみを用いるので、装置構造が複雑にならずかつコストも増大しない。さらに、連立方程式を作成して、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを求めることをしないので、光計測方法における照射する光による波長依存性によって生じる問題をなくして、正確な統計的検定を行うことができる。したがって、脳活動（脳の変化）があった測定部位ｎを正確に観察することができる。
（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、本発明の光脳機能イメージング装置は、前記設定波長は、オキシヘモグロビンの分光吸収係数と、デオキシヘモグロビンの分光吸収係数との等吸収点である８０５ｎｍであるようにしてもよい。
本発明の光脳機能イメージング装置によれば、総ヘモグロビンの濃度・光路長積をカラーマッピングした脳機能イメージング画像を作成することができる。さらに、総ヘモグロビンの濃度・光路長積の変化があった測定部位ｎを正確に観察することができる。
また、本発明の光脳機能イメージング装置は、前記設定波長は、オキシヘモグロビンの分光吸収係数と、デオキシヘモグロビンの分光吸収係数との等吸収点である８０５ｎｍであるようにしてもよい。
本発明の光脳機能イメージング装置によれば、総ヘモグロビンの濃度・光路長積をカラーマッピングした脳機能イメージング画像を作成することができる。さらに、総ヘモグロビンの濃度・光路長積の変化があった測定部位ｎを正確に観察することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
図１は、本発明の一実施形態である光脳機能イメージング装置の構成を示すブロック図である。光脳機能イメージング装置１は、送受光部１１と発光部２と光検出部３と光脳機能イメージング装置１全体の制御を行う制御部（コンピュータ）２０とにより構成される。
図２は、送受光部１１の一例を示す平面図である。
送受光部１１は、１１個の送光プローブ１２ａ〜１２ｋと１０個の受光プローブ１３ａ〜１３ｊとを有し、送光プローブ１２ａ〜１２ｋと受光プローブ１３ａ〜１３ｊとが行方向及び列方向に交互となるように正方格子状に配置された半球状のものである。なお、送光プローブ１２と受光プローブ１３との間の最短距離（チャンネル）は、３０ｍｍである。また、１１個の送光プローブ１２ａ〜１２ｋは、１種類の設定波長（例えば、８０５ｎｍ）の近赤外光を出射するものであり、一方、１０個の受光プローブ１３ａ〜１３ｊは、１種類の設定波長（例えば、８０５ｎｍ）の近赤外光の量（強度）を検出するものである。
そして、送受光部１１は、被検者の頭部に装着されることになる。
図２は、送受光部１１の一例を示す平面図である。
送受光部１１は、１１個の送光プローブ１２ａ〜１２ｋと１０個の受光プローブ１３ａ〜１３ｊとを有し、送光プローブ１２ａ〜１２ｋと受光プローブ１３ａ〜１３ｊとが行方向及び列方向に交互となるように正方格子状に配置された半球状のものである。なお、送光プローブ１２と受光プローブ１３との間の最短距離（チャンネル）は、３０ｍｍである。また、１１個の送光プローブ１２ａ〜１２ｋは、１種類の設定波長（例えば、８０５ｎｍ）の近赤外光を出射するものであり、一方、１０個の受光プローブ１３ａ〜１３ｊは、１種類の設定波長（例えば、８０５ｎｍ）の近赤外光の量（強度）を検出するものである。
そして、送受光部１１は、被検者の頭部に装着されることになる。
発光部２は、コンピュータ２０から入力された駆動信号により１１個の送光プローブ１２ａ〜１２ｋのうちから選択される１個の送光プローブに１種類の設定波長の近赤外光を送光する。なお、本実施形態では、設定波長（例えば、８０５ｎｍ）以外の光を照射する必要がないので、従来の光脳機能イメージング装置のように異なる２種類の波長の近赤外光を送光する構成が設けられていない。
光検出部３は、１０個の受光プローブ１３ａ〜１３ｊで受光した１種類の設定波長の近赤外光の強度を検出することにより、測定電圧値Ｖｎをコンピュータ２０に出力する。なお、各送光プローブ１２ａ〜１２ｋから照射された近赤外光は、隣接する受光プローブ１３ａ〜１３ｊ以外の離れた受光プローブ１３ａ〜１３ｊでも検出されるが、ここでは説明を簡単にするため、隣接する受光プローブ１３ａ〜１３ｊのみで検出されることとする。よって、１１個全ての送光プローブ１２ａ〜１２ｋから近赤外光が送光されたときには、合計３２箇所の測定部位（チャンネル番号１〜３２）における測定電圧値Ｖｎが得られることとする。
光検出部３は、１０個の受光プローブ１３ａ〜１３ｊで受光した１種類の設定波長の近赤外光の強度を検出することにより、測定電圧値Ｖｎをコンピュータ２０に出力する。なお、各送光プローブ１２ａ〜１２ｋから照射された近赤外光は、隣接する受光プローブ１３ａ〜１３ｊ以外の離れた受光プローブ１３ａ〜１３ｊでも検出されるが、ここでは説明を簡単にするため、隣接する受光プローブ１３ａ〜１３ｊのみで検出されることとする。よって、１１個全ての送光プローブ１２ａ〜１２ｋから近赤外光が送光されたときには、合計３２箇所の測定部位（チャンネル番号１〜３２）における測定電圧値Ｖｎが得られることとする。
コンピュータ２０においては、ＣＰＵ２１を備え、さらに、メモリ２５と、モニタ画面２３ａ等を有する表示装置２３と、入力装置２２であるキーボード２２ａやマウス２２ｂとが連結されている。
また、ＣＰＵ２１が処理する機能をブロック化して説明すると、発光部２及び光検出部３を制御する送受光部制御部４と、一般線形モデル作成部３１と、ｔ値算出部３２と、ｔ検定部３３とを有する。さらに、メモリ２５は、測定した時間ｔと信号値Ａｎとを記憶する信号値記憶部５１を有する。
また、ＣＰＵ２１が処理する機能をブロック化して説明すると、発光部２及び光検出部３を制御する送受光部制御部４と、一般線形モデル作成部３１と、ｔ値算出部３２と、ｔ検定部３３とを有する。さらに、メモリ２５は、測定した時間ｔと信号値Ａｎとを記憶する信号値記憶部５１を有する。
送受光部制御部４は、発光部２に駆動信号を出力する発光制御部４２と、光検出部３から測定電圧値Ｖｎを受信することにより、信号値Ａｎを信号値記憶部５１に記憶させる光検出制御部４３とを有する。
発光制御部４２は、送光プローブ１２に１種類の設定波長の近赤外光を送光させる駆動信号を発光部２に出力する制御を行うものである。例えば、まず、送光プローブ１２ａに８０５ｎｍの光を０．１５秒間送光させ、次に、送光プローブ１２ｂに８０５ｎｍの光を０．１５秒間送光させるように、送光プローブ１２ａから送光プローブ１２ｋまで順番に８０５ｎｍの光を送光させる駆動信号を発光部２に出力する。
光検出制御部４３は、光検出部３から測定電圧値Ｖｎを受信することにより、式（３）を用いて信号値Ａｎを算出して、信号値Ａｎを信号値記憶部５１に記憶させる制御を行うものである。例えば、送光プローブ１２ａから送光された８０５ｎｍの光を受光プローブ１３ａ、１３ｄで検出した測定電圧値Ｖ１、Ｖ７を受信し、次に、送光プローブ１２ｂから送光された８０５ｎｍの光を受光プローブ１３ａ、１３ｂ、１３ｅで検出した測定電圧値Ｖ２、Ｖ３、Ｖ９を受信するように、１１個の送光プローブ１２ａ〜１２ｋから送光した８０５ｎｍの光を受光プローブ１３ａ〜１３ｊで検出した測定電圧値Ｖｎを受信する。そして、式（３）を用いて信号値Ａｎを算出して、信号値Ａｎを信号値記憶部５１に記憶させる。
Ａｎ＝−ｌｏｇ（Ｖｎ／Ｖｎ０）・・・（３）
ここで、Ｖｎは、測定部位ｎにおいて検出された光の強度を示す測定電圧値であり、Ｖｎ０は、測定部位ｎにおける予め設定された基準電圧値である。
発光制御部４２は、送光プローブ１２に１種類の設定波長の近赤外光を送光させる駆動信号を発光部２に出力する制御を行うものである。例えば、まず、送光プローブ１２ａに８０５ｎｍの光を０．１５秒間送光させ、次に、送光プローブ１２ｂに８０５ｎｍの光を０．１５秒間送光させるように、送光プローブ１２ａから送光プローブ１２ｋまで順番に８０５ｎｍの光を送光させる駆動信号を発光部２に出力する。
光検出制御部４３は、光検出部３から測定電圧値Ｖｎを受信することにより、式（３）を用いて信号値Ａｎを算出して、信号値Ａｎを信号値記憶部５１に記憶させる制御を行うものである。例えば、送光プローブ１２ａから送光された８０５ｎｍの光を受光プローブ１３ａ、１３ｄで検出した測定電圧値Ｖ１、Ｖ７を受信し、次に、送光プローブ１２ｂから送光された８０５ｎｍの光を受光プローブ１３ａ、１３ｂ、１３ｅで検出した測定電圧値Ｖ２、Ｖ３、Ｖ９を受信するように、１１個の送光プローブ１２ａ〜１２ｋから送光した８０５ｎｍの光を受光プローブ１３ａ〜１３ｊで検出した測定電圧値Ｖｎを受信する。そして、式（３）を用いて信号値Ａｎを算出して、信号値Ａｎを信号値記憶部５１に記憶させる。
Ａｎ＝−ｌｏｇ（Ｖｎ／Ｖｎ０）・・・（３）
ここで、Ｖｎは、測定部位ｎにおいて検出された光の強度を示す測定電圧値であり、Ｖｎ０は、測定部位ｎにおける予め設定された基準電圧値である。
一般線形モデル作成部３１は、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）（ｐ＝１,２,・・,Ｐ）と、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）の係数となる偏回帰係数βｐとを用いた一般線形モデル（ＧＬＭ）により、信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）を、式（１）に示す一般線形モデルＹｎ（ｔ）で表現する制御を行うものである。
Ｙｎ（ｔ）＝β０＋β１Ｓ１（ｔ）＋・・＋βＰ−1 ＳＰ−1（ｔ）＋εｎ・・・（１）
ここで、β０は、ベースライン値であり、εｎは、残差成分（ノイズ成分を集約したもの）である。
Ｙｎ（ｔ）＝β０＋β１Ｓ１（ｔ）＋・・＋βＰ−1 ＳＰ−1（ｔ）＋εｎ・・・（１）
ここで、β０は、ベースライン値であり、εｎは、残差成分（ノイズ成分を集約したもの）である。
ｔ値算出部３２は、下記式（８）に基づいて、偏回帰係数βｐについて検定を行うためのｔ値を算出する制御を行うものである。
ここで、ｃは、コントラストベクトルであり、例えば、
のｔ値を得たい場合は、ｃ＝（０,１,０,０,,,０）となり、
のｔ値を得たい場合は、ｃ＝（０,０,１,０,,,０）となる。
ｔ検定部３３は、予め設定した有意水準（５％と設定）に対し、β＝０という仮定（帰無仮説）の結果、ｔ値算出部３２で算出されたｔ値が５％の棄却域に入るか否かを検定する演算を行い、各測定部位ｎについてのｔ検定結果を用いてｔ値マップ（ｔマッピングデータ）を作成するとともに、有意チャンネル（有意性のある測定部位ｎ）を表示する制御を行うものである。
のｔ値を得たい場合は、ｃ＝（０,１,０,０,,,０）となり、
のｔ値を得たい場合は、ｃ＝（０,０,１,０,,,０）となる。
ｔ検定部３３は、予め設定した有意水準（５％と設定）に対し、β＝０という仮定（帰無仮説）の結果、ｔ値算出部３２で算出されたｔ値が５％の棄却域に入るか否かを検定する演算を行い、各測定部位ｎについてのｔ検定結果を用いてｔ値マップ（ｔマッピングデータ）を作成するとともに、有意チャンネル（有意性のある測定部位ｎ）を表示する制御を行うものである。
次に、光脳機能イメージング装置１による計測方法について説明する。図３は、光脳機能イメージング装置１による計測方法の一例について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、披検者の頭蓋表面に送受光部１１を配置する。
次に、ステップＳ１０２の処理において、発光制御部４２及び光検出制御部４３は、発光部２に駆動信号を出力するとともに、光検出部３から測定電圧値Ｖｎを受信する。
次に、ステップＳ１０２の処理において、光検出制御部４３は、式（３）を用いて信号値Ａｎを算出して、信号値Ａｎを信号値記憶部５１に記憶させる。
まず、ステップＳ１０１の処理において、披検者の頭蓋表面に送受光部１１を配置する。
次に、ステップＳ１０２の処理において、発光制御部４２及び光検出制御部４３は、発光部２に駆動信号を出力するとともに、光検出部３から測定電圧値Ｖｎを受信する。
次に、ステップＳ１０２の処理において、光検出制御部４３は、式（３）を用いて信号値Ａｎを算出して、信号値Ａｎを信号値記憶部５１に記憶させる。
次に、ステップＳ１０４の処理において、一般線形モデル作成部３１は、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）（ｐ＝１,２,・・,Ｐ−１）と、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）の係数となる偏回帰係数βｐとを用いた一般線形モデル（ＧＬＭ）により、信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）を、式（１）に示す一般線形モデルＹｎ（ｔ）で表現する。
次に、ステップＳ１０５の処理において、ｔ値算出部３２は、式（８）に基づいて、偏回帰係数βｐについて検定を行うためのｔ値を算出する。
次に、ステップＳ１０６の処理において、ｔ検定部３３は、予め設定した有意水準（５％と設定）に対し、β＝０という仮定（帰無仮説）の結果、ｔ値算出部３２で算出されたｔ値が５％の棄却域に入るか否かを検定する演算を行い、各測定部位ｎについてのｔ検定結果を用いてｔ値マップ（ｔマッピングデータ）を作成するとともに、有意チャンネル（有意性のある測定部位ｎ）を表示する。
最後に、ステップＳ１０６の処理が終了したときには、本フローチャートを終了させる。
次に、ステップＳ１０５の処理において、ｔ値算出部３２は、式（８）に基づいて、偏回帰係数βｐについて検定を行うためのｔ値を算出する。
次に、ステップＳ１０６の処理において、ｔ検定部３３は、予め設定した有意水準（５％と設定）に対し、β＝０という仮定（帰無仮説）の結果、ｔ値算出部３２で算出されたｔ値が５％の棄却域に入るか否かを検定する演算を行い、各測定部位ｎについてのｔ検定結果を用いてｔ値マップ（ｔマッピングデータ）を作成するとともに、有意チャンネル（有意性のある測定部位ｎ）を表示する。
最後に、ステップＳ１０６の処理が終了したときには、本フローチャートを終了させる。
以上のように、光脳機能イメージング装置１によれば、オペレータは、各測定部位ｎのｔ値分布、有意か否かの判定結果を確認することができる。また、１種類の設定波長の光のみを用いるので、装置構造が複雑にならずかつコストも増大しない。さらに、連立方程式を作成して、オキシヘモグロビンの濃度・光路長積[oxyHb]と、デオキシヘモグロビンの濃度・光路長積[deoxyHb]とを求めることをしないので、光計測方法における照射する光による波長依存性によって生じる問題をなくして、正確な統計的検定を行うことができる。したがって、総ヘモグロビンの濃度・光路長積の変化があった測定部位ｎを正確に観察することができる。
（他の実施形態）
（１）上述した光脳機能イメージング装置１では、１１個の送光プローブ１２ａ〜１２ｋと１０個の受光プローブ１３ａ〜１３ｊとを有する送受光部１１を示したが、異なる数、例えば９個の送光プローブと９個の受光プローブとを有する送受光部としてもよい。
（２）上述した光脳機能イメージング装置１では、Ａｎ＝−ｌｏｇ（Ｖｎ／Ｖｎ０）を用いて信号値を算出する構成を示したが、Ａｎ＝Ｖｎ／Ｖｎ０を用いて信号値を算出する構成としてもよい。
（１）上述した光脳機能イメージング装置１では、１１個の送光プローブ１２ａ〜１２ｋと１０個の受光プローブ１３ａ〜１３ｊとを有する送受光部１１を示したが、異なる数、例えば９個の送光プローブと９個の受光プローブとを有する送受光部としてもよい。
（２）上述した光脳機能イメージング装置１では、Ａｎ＝−ｌｏｇ（Ｖｎ／Ｖｎ０）を用いて信号値を算出する構成を示したが、Ａｎ＝Ｖｎ／Ｖｎ０を用いて信号値を算出する構成としてもよい。
本発明は、一般線形モデルを用いた統計的検定により信号値の時間変化を解析して計測する光脳機能イメージング装置に利用することができる。
１：光脳機能イメージング装置
２：発光部
４：送受光部制御部
１１：送受光部
１２：送光プローブ
１３：受光プローブ
３１：一般線形モデル作成部
３２：ｔ値算出部
３３：ｔ検定部
２：発光部
４：送受光部制御部
１１：送受光部
１２：送光プローブ
１３：受光プローブ
３１：一般線形モデル作成部
３２：ｔ値算出部
３３：ｔ検定部
Claims (2)
- 被検者の頭蓋表面に配置される複数個の送光プローブ、当該頭蓋表面に配置される複数個の受光プローブからなる送受光部と、
前記送光プローブは頭蓋表面に光を照射するとともに、前記受光プローブは頭蓋表面から放出される光の強度を検出するように制御することで、前記被検者の脳表面のＮ箇所の測定部位における脳活動に関する信号値Ａｎ（ｎ＝１,２,・・,Ｎ）の時間変化Ｘｎ（ｔ）をそれぞれ得る送受光部制御部と、
複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）（ｐ＝１,２,・・,Ｐ−１）と、複数の基本関数Ｓｐ（ｔ）の係数となる偏回帰係数βｐとを用いた一般線形モデル（ＧＬＭ）により、信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）を、下記式（１）に示す一般線形モデルＹｎ（ｔ）で表現する一般線形モデル作成部と、
一般線形モデルＹｎ（ｔ）における偏回帰係数βｐについて検定を行うためのｔ値を算出するｔ値算出部と、
算出されたｔ値に基づいて、一般線形モデルＹｎ（ｔ）の有意性を検定するｔ検定部とを備える光脳機能イメージング装置であって、
信号値Ａｎは、下記式（２）に示す電圧値比、又は、下記式（３）に示す吸光度であり、
１種類の設定波長の光を送光プローブに送光する発光部を備え、
前記送受光部制御部は、前記発光部によって送光プローブから１種類の設定波長の光を頭蓋表面に照射させて、前記受光プローブで１種類の設定波長の光の強度を検出させることで、信号値Ａｎの時間変化Ｘｎ（ｔ）を得ることを特徴とする光脳機能イメージング装置。
Ｙｎ（ｔ）＝β０＋β１Ｓ１（ｔ）＋・・＋βＰ−1 ＳＰ−1（ｔ）＋εｎ・・・（１）
ここで、β０は、ベースライン値であり、εｎは、残差成分である。
Ａｎ＝Ｖｎ／Ｖｎ０・・・（２）
Ａｎ＝−ｌｏｇ（Ｖｎ／Ｖｎ０）・・・（３）
ここで、Ｖｎは、測定部位ｎにおいて検出された光の強度を示す測定電圧値であり、Ｖｎ０は、測定部位ｎにおける予め設定された基準電圧値である。 - 前記設定波長は、オキシヘモグロビンの分光吸収係数と、デオキシヘモグロビンの分光吸収係数との等吸収点である８０５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光脳機能イメージング装置。
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| JP2004337625A (ja) * | 2004-07-15 | 2004-12-02 | Hitachi Ltd | 生体光計測用プローブ |
| JP4561524B2 (ja) * | 2005-08-08 | 2010-10-13 | 株式会社島津製作所 | 信号解析装置および信号解析方法 |
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