JP5119726B2 - 生体計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、可視または赤外光を頭部に照射し、非侵襲的に脳の血液動態を計測することにより脳活動を観察する装置に関する。

可視から近赤外の波長の光を用いて生体組織中の血液動態を非侵襲的に計測または観察する技術は広く知られており、組織中の酸素代謝状態を計測したり、脳の血液動態を計測して脳活動状態を観察する装置が実現され、医学分野や産業分野に応用されている。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計測する装置が、例えば特開昭５７−１１５２３２号、特開昭６３−２６０５３２号、特開昭６３−２７５３２３号に記載されている。また、これを小型簡便化した装置については、特開平９−１４０７１５、特願２００２−１５０１２３に開示されている。

特開昭５７−１１５２３２ 特開昭６３−２６０５３２ 特開昭６３−２７５３２３ 特開平９−１４０７１５ 特願２００２−１５０１２３

光を用いて生体、特に脳の血液動態を計測する装置としては一人の被験者を計測することしかできず，同時に複数の被験者の脳活動を計測することは困難であった。たとえば，ある製品を使用するときの脳活動を計測することにより，その製品の使い勝手や効果を評価する場合，同じ条件下で多くの被験者のデータを取得する必要がある。この場合，計測のスループットを上げるためには，同時に多くの被験者を計測することが必要となる。多数の装置を用意し，条件を統制して個別に計測したデータを統計解析するには手間とコストがかかる。
本発明の目的は，多数の被験者の脳活動を同時に計測するための装置を提供することにある。

光を用いて生体の血液動態を計測する計測端末と、複数の計測端末を制御しデータ取得と解析表示を行う集中制御装置を設ける。

脳血液動態を計測して脳の活動状態を観測する場合、被験者に音声や画像などの刺激を提示したり、計算課題などのタスクをさせて、それに伴う血液動態の変化を計測する必要がある。この刺激提示やタスクのタイミング提示を共通にし，一つのシステムで多くの被験者のデータを計測することができれば，計測条件の統制が容易になり，かつデータ管理やその統計解析も容易に実現できるため、計測に要する時間やコストを低減できる。更に，複数の被験者の脳活動が同時計測できれば，被験者間の相互作用，たとえば会話時や集団行動時の脳活動を観測できるという効果がある。

本発明の１実施例を，図１を用いて説明する。本発明のシステムは複数の計測端末100と、それを集中制御する集中制御装置200からなる。図２に示すように、計測端末100は，頭皮上から光を照射，検出するための複数のプローブ101と，検出光量データを取得し外部記憶媒体113に蓄積する計測制御部111と，集中制御装置と通信を行う無線通信部112と、電池114より構成される。図ではプローブ101上に光源102と光検出器103を配した構成のものを示しているが、光源や検出器は計測制御部に配置し、プローブとの間は光ファイバを用いて光伝送する構成としてもよい。また、すべて或いは一部の機能をプローブ101上に配置してもよい。照射光強度，計測時間，計測シーケンスなどの動作条件はコンパクトフラッシュ（登録商標）カードなどの外部記憶媒体中113に書き込まれ，これに従って計測端末は動作する。集中制御装置200は，複数の計測端末を制御し，その計測データを管理、演算、表示する。集中制御装置200は無線ＬＡＮのアクセスポイント機能を有し，計測端末はその無線ＬＡＮに収容されている。複数の集中制御装置が近接して存在する場合に、互いの混信を避けるためにはSSIDやMACアドレス制限など無線ＬＡＮの機能を用いて分離することができる。

図３を用いて、本発明の生体計測装置200を用いて脳活動を計測する手順について説明する。

集中制御装置200には、制御すべき計測端末100が識別記号を用いて登録されており、リスト表示される。各計測端末の無線の通信状態や動作状態などは、集中制御装置のディスプレイでモニタできる。また、ユーザは、リストの中から計測に使用する計測端末を任意に指定でき、指定された計測端末に対して制御が行われる。
計測端末の動作条件の指定は，計測端末の外部記憶媒体を取り外して集中制御装置に内臓されたドライブ装置に挿入して直接書き込むか、集中制御装置から無線通信を用いて計測端末の外部記憶媒体に書き込む。無線を用いた場合は，計測開始前に各計測端末の動作条件を一括して制御することが容易になる。集中制御装置は，すべての計測端末に同じ動作条件，あるいは計測端末毎に異なる動作条件を指定することができる。
一つの計測端末で得られる各測定部位の信号強度を揃えるために、光源の強度や検出系の増幅率をあらかじめ調整する。これを自動利得調整と呼ぶ。

各計測端末の光源の点灯、消灯や自動利得調整の実行、計測開始，終了，あるいはタイミングマーカの挿入は，すべての計測端末に同時に，あるいは各計測端末に個別に，無線を用いて集中制御装置から制御信号を送信することもできる。特に、自動利得調整は、プローブの装着具合に応じて個別に再実行が必要となる。自動利得調整に成功した計測端末は、計測準備完了状態で待機し、不成功となった計測端末について自動利得調整を再実行する。全ての計測端末が計測準備完了状態になってから計測開始するが、未完了の計測端末が存在する段階でもユーザが計測開始を強制的に実行できる。これにより、準備完了とできない計測端末を除外する、あるいは不十分な状態でも計測を実行できるようにすることで、全体の計測の効率を向上できる。ここで，タイミングマーカとは，たとえば刺激の開始や終了のタイミングを記録したものであり，これを用いて，繰り返し計測の平均処理や，他被験者とのデータ比較を行うことができる。

各計測端末の光源の点灯、消灯、自動利得調整の実行、計測開始，終了，あるいはタイミングマーカの挿入は，計測端末に内臓された時計を用いて，あらかじめ設定された時刻にバッチ処理として行うこともできる。但し、計測端末の内臓時計の時刻あわせは，あらかじめ集中制御装置により無線で行う。また、各計測端末の光源の点灯、消灯、自動利得調整の実行、計測開始，終了，あるいはタイミングマーカの挿入は、計測端末に配置されたボタンを用いてマニュアルで行うことも可能である。また、計測端末に用意された外部入力端子より入力された外部入力信号により行うこともできる。外部に設けた刺激提示装置からのタイミング信号をトリガとして、計測端末にタイミングマーカを送信する場合のフローチャートの例を図４に示す。

これらの制御を、無線、バッチ処理、マニュアル、外部信号のどの方法で行うかは、集中制御装置にてユーザがあらかじめ指定する。無線やバッチ処理や外部信号制御を行う場合には、マニュアル動作のためのボタンを無効にする。但し，計測中断が必要になったときのために，終了機能は無効にしないこともできる。

各計測端末で取得したデータ，およびタイミングマーカ，サンプリング時刻などは，外部記憶媒体に記録される。各計測端末は、計測中に、全データ，或いはあらかじめ動作条件として指定された一部のデータを無線通信により集中制御装置に送信することもできる。これによりユーザは、集中制御装置を用いてリアルタイムでデータを監視することもできる。また，計測後に無線通信を用いて各計測端末に保存された計測データを集中制御装置が取得することもできる。

計測終了時には、取得されたデータは外部記憶媒体に自動的に保存される。
計測端末は携帯可能にするため，電池で動作する。動作時間を長くするために，集中制御装置から各種動作設定を行った後，或いは計測開始命令を無線で送信した後，計測端末の無線を切る機能を有する。更に，計測終了後に無線通信を自動的に復帰して，集中制御装置に計測終了を報告するように設定することも可能である。

本発明の集中制御装置200の表示方法を，図５を用いて説明する。
集中制御装置200は，すべての計測端末から送られてきたデータのうち，任意の一部のデータ400を表示する機能を有する。たとえば，一つの計測端末を用いて，一人の被験者の複数の計測位置の光透過度の変化を計測するが，集中制御装置では，複数の被験者の同じ計測位置，たとえば言語野領域の血液動態変化を，同時に表示することができる。これにより，被験者間の脳活動状態の比較が容易にできる。また，一人，或いは複数の被験者の全計測位置を表示するように切り替えることも可能である。図では取得したデータから演算により求めた、ヘモグロビン濃度の時間変化を描画しているが、その分布図としてもよい。

本発明の別の集中制御装置の表示方法を，図６を用いて説明する。脳活動を統計的に調べるためには，複数の被験者のデータの平均を求めることが多い。各計測端末から送信されたデータを平均処理して，計測部位ごとに被験者間の平均信号を表示する。このとき、標準偏差を表示することも可能である。また，被験者をグループに分け，グループごとに異なる刺激を与え，グループごとに脳活動信号の平均信号を求めることにより，刺激の違いによる脳活動の違いを統計的に比較することができる。脳活動状態は被験者によるばらつきが大きく，このような統計処理が必要となる場合が多い。従来は，これらの統計処理は計測後の解析により行っていたが，本発明では，計測端末をグループに分け，必要に応じてその動作条件を変えて設定し，計測中に各グループの平均信号を比較することができるため，計測中に統計結果を得ることができる。実際には、ヘモグロビン濃度変化を示す画像を、グループ毎に平均化して表示したり、グループ間の差を表示したりする。また、p値やt値などを表示してもよい。図６の左図は、いずれも酸素化ヘモグロビン濃度分布を示しており、左図は言語刺激を与えたグループＡの被験者の平均画像であり、中央は純音刺激を与えた被験者グループＢの平均画像である。これらを比較することにより、純音刺激を対照とした言語刺激に対する応答領域が判明する。右図のようにこれらの差を表示すればより明確となる。図６は、リアルタイムに得られる動画として表示できるので、計測プロトコルをチェックしながら統計比較の結果をモニタすることができる。このように計測中に統計処理結果やその比較が可能になると，時間短縮ができるだけでなく，結果を見ながら計測の不具合をチェックしたり，計測プロトコルや与える刺激を変更することができるという効果がある。図では取得したデータから演算により求めた、ヘモグロビン濃度の変化量の分布図を描画しているが、興味のある計測部位の時系列グラフとしてもよい。

尚，すべての計測端末のデータが同時に得られる保証はないので，データを時間的にずらしたり、リサンプリングを行ったりして、タイミングマーカを基準として被験者間の平均処理や比較処理を行う。

これまでは，無線通信で計測端末から計測中に送信されてきたデータについて記述したが，計測後に無線で取得したデータ，或いは計測後に外部記憶媒体を介して取得したデータについても同様の処理ができる。

本発明の計測データの管理方法について説明する。

各計測端末と集中制御装置は個別の識別記号を有する。計測時には，計測ごとに，計測識別記号，たとえば集中制御装置から計測開始命令を送信した日時を用いて作製した番号などを設定する。この計測識別記号は，計測端末によらず共通であり、集中制御装置により作製し、関連する計測端末の外部記憶媒体に動作情報として計測前に記録する。計測データとその計測に対応した計測端末動作条件，および被験者名、コメント、計測の説明などのユーザ入力情報は，対応する計測識別記号と，計測端末識別記号，および集中制御装置識別記号を用いて管理する。これにより，複数の計測端末や複数のシステムの存在に起因して複雑になるデータを管理できる。これらの情報は、計測端末ごとに各計測端末の外部記憶媒体に保存管理されると共に、集中制御装置にて一元管理される。

これまでは、計測端末として光を用いて脳活動を計測する装置について説明したが、心拍、心電、呼吸、血圧、加速度など他の計測機能を有する装置を、同じ形式でＬＡＮ内に内包すれば、複合的に生体情報を得ることができる。

長時間の脳活動モニタや脳血流モニタを行う場合に、被験者の条件を取得し、それに応じてデータを分類、取捨選択する必要がある。そのため計測端末100に位置計測装置や、加速度計や、画像撮影装置を内蔵し、集中制御装置200を用いて、各被験者の位置関係や動きを取得する。集中制御装置では、これらの情報を用いて、被験者が静止している状態の脳血液動態のデータを抽出し、解析、表示する。これにより、運動に伴う脳血流の変動を除外することができる。また、特定の被験者が近くにいる場合の脳血液動態のデータを抽出し、解析、表示することもできる。これにより、被験者間の相互作用の強さの統制が可能となる。

実施例２に記載したグループ処理の別の実施例について説明する。実施例２では最初からグループを分けていたが、各計測端末から集中制御装置に送信された各計測端末の属性をもちいて、ダイナミカルにグループ分けをすることもできる。前記属性には、性別、年齢、体重、既往歴、あらかじめ行った試験結果などの被験者情報、または実施例２の方法を用いて取得した脈拍や血圧などの被験者の生理的情報、実施例３の方法を用いて取得した被験者位置情報などである。これにより、属性ごと、或いは複数の属性の組み合わせでグループを作製し、グループの違いによる脳活動の違いを実施例２で示した方法を用いて表示することで、属性と脳活動の関係性をリアルタイムで知ることができ、更にその結果に応じて提示刺激や計測条件を即時に変更、修正することができる。 この処理は、集中制御装置にあらかじめ用意した処理ルーチンにて行うが、画面から手操作で変更してもよい。また、グループによる差が一番大きくなるように提示刺激や計測条件を最適化することも可能である。

本発明の装置を用いる場合は、一人の験者が複数の被験者を相手として指示を出したり、質問に答えたりすることがある。つまり、験者は、時には特定の被験者と個別に、また時には被験者全員と同時にコミュニケーションをとる必要がある。計測端末100と集中制御装置200に音声通信機能、または文字通信機能を設けることにより、これを容易に実現できる。また、この音声通信機能や文字通信機能、更には画像通信機能は、被験者への刺激提示手段とすることもできる。

医療、研究機器として、或いは、教育効果の確認、家庭における健康管理、商品モニタなどの市場調査に用いることができる。

計測端末と集中制御装置。 プローブと計測端末。 計測準備および計測時の集中制御装置のフローチャート。 計測中の集中制御装置のフローチャート。 血液動態データ表示の１例。 血液動態分布のグループ比較図の１例。

符号の説明

100…計測端末、101…プローブ、102…光源、103…光検出器、111…計測制御部、112…無線通信部、113…外部記憶媒体、114…電池、200…集中制御装置、400…データ。

Claims (1)

1. 被験者の特定部位にそれぞれ可視光または赤外光を照射、検出してそれぞれの被験者の生体の内部情報を取得する複数の計測端末と、前記計測端末を制御しデータの取受を行う集中制御装置からなる生体計測装置であって、前記計測端末に外部記憶媒体を有し、それぞれの計測端末は前記外部記憶媒体中にある情報に応じて計測を実施し、被験者に与える刺激の開始や終了のタイミングを記録するタイミングマーカを計測データに挿入し、計測データを前記外部記憶媒体に蓄積し、前記集中制御装置が、無線を用いて前記外部記憶媒体中のデータを取得するか、前記外部記憶媒体を介してデータを取得し、各データに挿入されたタイミングマーカを基準に被験者間の平均処理または比較処理を行うことを特徴とする生体計測装置。

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