JP5324999B2 - 生体光計測装置及び生体光計測方法 - Google Patents
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Description
図14は、一対の光照射部(光源)と受光部(検出部)とを備えた生体光計測装置を示している。光源では光の出力の揺らぎ、検出部では、皮膚血流変化が、各々、測定時の雑音の要因となる。このような雑音の影響を低減するために、図15に示すように、第1の検出器に加えて、第2の検出器を設けたものが、例えば特許文献1で提案されている。光源からの距離の短い第2の検出器は脳の浅い部分、距離の長い第1の検出器は深い部分の信号を検出できる。これにより、深部と浅部との信号(情報成分)を分離し、大脳皮質、つまり深部のデータ(情報成分)のみを抽出することで、皮膚血流等による不要な情報を除去できる。
図15の構成では、検出器1で、「光源出力の揺らぎ」+「皮膚血流変化」+「脳信号」を検出し、検出器2で「光源出力の揺らぎ」+「皮膚血流変化」を検出し、検出器1と検出器2の検出値の差から、「脳信号」のみを抽出する。
<被検者の測定位置の決定処理>
次に、モニタ400の画面や音声出力により、被検者が計測目的に応じた位置にプローブを装着するように装置は指示する(S302)。さらに、モニタ400により、被検者に対して、光源・検出間の距離(SD距離)の組み合わせ、または、プローブ装着部位の条件を変えた計測を複数回行うよう指示を出し(S304)、そめ計測の状態をカメラ403で記録させる(S306)。
これは、たとえば、1Hz付近にピークが見られるかどうかで、判断できる。すなわち、一般に、被検者の通常の状態における脈波は1Hz程度、呼吸は0.3Hz程度、脳活動の信号はタスクに同期し、大凡0.1Hz〜0.02Hz程度のオーダーにあるので、1Hz付近にピークが見られたら、被検者の脈波を検知できる程度にプローブの装着状態が良好であると判定できる。
この場合、被検者のプローブの装着状態が良好となったら、次に、複数準備された予備タスクから、本タスクに最も適したもの、すなわち、被検者の計測目的に対応した予備タスクを被検者に呈示する(S308)。この予備タスクに対して、光トポグラフィによる計測を行い(S310)、プローブの装着位置を変更した計測を所定回数繰り返す(S312〜S314)。そして、同期した検出信号の変化が見られるかを評価指標とし、最適な計測位置を決定する。
・すなわち、被検者の測定位置の決定に関する処理プロセスの例を示すと、
・(1)プローブ装着条件、または係数αを決定するための予備タスクを行った時の脳活動の検出結果を評価指標とし、
・(2)計測部位やSD距離を変えて複数回行う。
・(3)評価指標が最も良好であった計測部位やSD距離の条件を提示する。
・(4)あるいは、上記例に加えて、各条件で得られる評価指標をスプライン補完し、最適値を推定してもよい。
被検者の測定位置が決まったら、装置は次に、被験者固有の修正係数αの算出などの処理を行う。
(信号S)=係数α2・ (検出1)−(検出2) (2)
(信号S)=係数α3・ (検出1)−係数α4・(検出2) (3)又は
(信号S)=係数α5・ (検出1±C1)−係数α6・(検出2±C2) (4)
ただし、C1、C2は定数。
(信号S)=(検出1)−係数α・(検出2)
(信号S)からタスクに同期した脳活動変化の有無を検討する。係数αは0〜10まで0.1ステップで変えて、網羅的に探索する。
<修正係数αを用いた脳活動状態量の計測>
次に、計測、演算処理により得られた被検者の修正係数αを用いで、その被検者の脳活動状態量の計測を行う。
(信号S)=(検出1)−係数α1×(検出2)
の関係により、「脳信号」を抽出する処理の例を示している。
<既知の最適な位置、修正係数αを用いる場合>
第一の実施例において、被検者が以前に行った測定の結果得られた既知のデータを使用して同じ目的、用途で生体光計測装置を使用する場合、すなわち測定位置やタスク(簡易タスク及び正式タスク)が同じであれば、前記したキャリブレーションの一部を省略できる。換言すると、前回の既知の「最適なプローブ位置」及び「修正係数α」のデータを利用することができ、キャリブレーションによる被験者固有の最適な検出位置や、修正係数αの算出の処理は不要となる。
すなわち、前に述べた最適係数αを求めるのではなく、式(5)により、タスク中の信号とタスク前の信号の変化(比)自体を脳活動として検出する。測定の目的によっては、このように計測を行い、モニタ400に結果を表示するようにしてもよい。
(a)得られた時系列信号に対し、バンドパスフィルタで脈、呼吸、脳活動の帯域の各信号を抽出してから、最適係数を導出する。前記したように、被検者の通常の状態における脈波は1Hz程度、呼吸は0.3Hz程度、タスクに同期した脳活動の信号は0.1Hz〜0.02Hz程度のオーダーにある。そこで、上記周波数帯域の異なる3種類のバンドパスフィルタを用いて、前記各実施例で得られた(検出1)、(検出2)の時系列信号を周波数帯域ごとに分離し、脳活動の信号の帯域に相当する信号のみを利用して、修正係数αを求めるようにするようにしてもよい。
すなわち、被検者として年齢、性別などに応じた標準的なモデルを設定し、モデルシュミレーションにより測定部位にごとの最適な係数αを求めてデータベースを作成し、被検者の測定目的に応じた最適のモデルのデータを取得し、第二の実施例の、S305の予め各被検者に共通する汎用的な最適修正係数αの代わりに用いて、脳活動の情報を得るようにしてもよい。
の関係により、「脳信号」を抽出する処理し、この「脳信号」の「絶対値」を直接モニタに表示する。雑音の影響は低減しているので、たとえばこの「脳信号」から得られる「信号の減少」は、脳活勤の低下に関係しているとみなしてもよい。
Claims (19)
- 光源と、該光源からの光を被検体に照射して当該被検体からの光を受光する検出器と、当該検出された信号を元に脳機能を計測する演算装置と、被験者にタスクを提示するタスク提示部とを有する生体光計測装置であって、
前記光源及び前記検出器は、所定距離離れた位置に配置され第一の検出経路を形成する少なくとも一組の光源及び検出器と、前記所定距離よりも短い位置に配置され第二の検出経路を形成する少なくとも一組の光源及び検出器とを備え、
前記被験者によって実行される正式なタスク応答と同期した脳活動の変化として、前記第一の検出経路から得られる第一検出信号と前記第二の検出経路から得られる第二検出信号を各々検出する信号計測機能と、
前記被験者に対する予備のタスク提示により、前記第一検出信号、前記第二検出信号に含まれる雑音成分の振幅を最適化する修正係数として、前記被験者に最適な計測位置において、前記予備のタスクを繰り返し行った時に、最も多い回数の有意差が認められたものを探索し、そのときの係数αを当該被験者に固有の最適な修正係数αとして算出し、記録する機能と、
前記正式なタスクに応答した前記第一検出信号と前記第二検出信号及び前記最適な修正係数αから、振幅の最適化された前記第一検出信号と前記第二検出信号との差分の信号を求め、該差分の信号に基づき脳活動の変化の算出を行う機能とを備えている
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
前記複数の検出器は、前記光源から所定距離離れた位置に配置される第一検出器と、当該第一検出器よりも前記光源近傍に配置される第二検出器とを少なくとも備え、
前記演算装置は、前記検出器を装着した前記被験者に対する予備のタスク提示により、前記第一検出信号、前記第二検出信号に含まれる雑音成分の振幅を最適化する修正係数として、当該被験者に固有の前記最適な修正係数αを算出し、
前記被験者によって実行される正式タスク応答と同期した脳活動の変化として、前記第一検出器から得られる第一検出信号と前記第二検出器から得られる第二検出信号を検出し、該正式タスク応答の前記第一検出信号と前記第二検出信号に対して前記修正係数αが乗算され振幅の最適化された前記差分の信号を求め、該差分の信号に基づき脳活動変化の算出を行う
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
1組の前記光源に対して距離の異なる少なくとも2組の前記検出器を有するプローブを備えており、
該プローブ上における前記各検出器、または前記光源の位置を移動することにより、前記第一の検出経路若しくは前記第二の検出経路の距離を変更可能である
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
1組の前記光源に対して距離の異なる少なくとも2組の前記検出器を有するプローブを備えており、
該プローブ上における前記各検出器、または前記光源の位置を移動することにより、前記第一の検出経路若しくは前記第二の検出経路の距離を変更可能である
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
1組の前記光源に対して距離の異なる少なくとも2組の前記検出器を有するプローブを備えており、
前記被検者に対して、光源・検出間の距離(SD距離)の組み合わせ、または、プローブ装着部位の条件を変えた計測を複数回行う機能と、
該計測の状態をカメラで記録し、プローブ装着部位を国際10−20法で特定する機能を有する
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
1組の前記光源に対して距離の異なる少なくとも2組の前記検出器を有するプローブを備えており、
前記プローブの装着状態が良好となってから、複数準備された前記予備タスクから、前記被検者の計測目的に対応した予備タスクを被検者に提示し、これに対して、同期した信号変化が見られるかを評価指標とし、前記被験者に最適な計測位置を決定する
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
前記第一検出信号を検出1、前記第二検出信号を検出2としたとき、
(信号S)=(検出1)−修正係数α・(検出2)
の関係から前記脳活動の信号Sを求める
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
制御装置と、前記被検体の頭部などに装着されるプローブと、カメラ付モニタ兼タスク呈示部とを備えており、
前記制御装置は、前記プローブにより前記被検体に照射し、検出した光信号を処理して、ヘモグロビン変化量等の情報を数値やトポグラフィとして、前記カメラ付モニタ兼タスク呈示部に表示する
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
1組の前記光源に対して距離の異なる少なくとも2組の前記検出器を有するプローブを備えており、
前記プローブの装着状態が良好となってから、複数準備された予備タスクから、被検者の計測目的に対応した前記予備タスクを前記被検者に提示し、
前記光源と前記検出器の距離に応じて、検出光量がどの程度の値であるかについて、予め得られた検出光量のデータを利用して、プローブ装着状態の良否を判定する
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
1組の前記光源に対して距離の異なる少なくとも2組の前記検出器を有するプローブを備えており、
前記プローブの装着状態が良好となってから、複数準備された予備タスクから、被検者の計測目的に対応した予備タスクを被検者に提示し、
前記被検者の脈波が妥当な範囲で観測されるか否かに基づいて、前記プローブ装着状態の良否を判定する
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
1組の前記光源に対して距離の異なる少なくとも2組の前記検出器を有するプローブを備えており、
前記プローブの装着状態が良好となってから、検出された時系列信号に対し、バンドパスフィルタで脈、呼吸、脳活動に対応する帯域の各信号を周波数帯域ごとに分離し、前記脳活動の信号の帯域に相当する信号のみを利用して、前記修正係数αを求める
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項1において、
1組の前記光源に対して距離の異なる少なくとも2組の前記検出器を有するプローブを備えており、
前記複数の検出器は、前記光源から所定距離離れた位置に配置される第一検出器と、当該第一検出器よりも前記光源近傍に配置される第二検出器と、前記第1と前記第2の検出器のほぼ中間点に位置する補正用の第3の検出器を備え、
前記3点からの検出信号があらかじめ設定された規定の関係にあるとき、前記プローブの装着状態が良好な状態にあると判定し、
予備のタスク提示により、前記第一検出信号、前記第二検出信号に含まれる雑音成分の振幅を最適化する修正係数として、当該被験者に固有の最適な修正係数αを算出し、
該修正係数αが乗算され振幅の最適化された前記第一検出信号と前記第二検出信号との差分の信号を求め、該差分の信号に基づき脳活動変化の算出を行う
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 光源と、該光源からの光を被検体に照射して当該被検体からの光を受光する検出器と、当該検出された信号を元に脳機能を計測する演算装置と、被験者にタスクを提示するタスク提示部とを有する生体光計測装置であって、
前記光源及び前記検出器は、所定距離離れた位置に配置され第一の検出経路を形成する少なくとも一組の光源及び検出器と、前記所定距離よりも短い位置に配置され第二の検出経路を形成する少なくとも一組の光源及び検出器とを備え、
前記演算装置は、複数の被験者に対しするタスク提示により、前記第一検出信号、前記第二検出信号に含まれる雑音成分の振幅を最適化する修正係数として、当該複数の被験者に共通する汎用の最適な修正係数αのデータを有しており、
前記汎用の最適な修正係数αのデータは、予め、複数の被験者に対する予備のタスク提示により、前記第一検出信号、前記第二検出信号に含まれる雑音成分の振幅を最適化する修正係数として、前記各被験者に対し、測定目的毎に同じ測定部位において前記予備のタスクを繰り返し行った時に、最も多い回数の有意差が認められたものを探索し、そのときの係数αを汎用の最適な修正係数αとして算出し、記録してデータベース化したものであり、
前記被験者によって実行されるタスク応答と同期した脳活動の変化として、前記第一の検出経路から得られる第一検出信号と前記第二の検出経路から得られる第二検出信号を各々検出し、
前記汎用の最適な修正係数α及び前記第一検出信号、前記第二検出信号から、振幅の最適化された前記第一検出信号と前記第二検出信号との差分の信号を求め、
該差分の信号に基づき脳活動の変化の算出を行う
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項13において、
前記複数の検出器は、前記光源から所定距離離れた位置に配置される第一検出器と、当該第一検出器よりも前記光源近傍に配置される第二検出器とを少なくとも備え、
前記演算装置は、複数の被験者に対しする前記タスク提示により、前記第一検出信号、前記第二検出信号に含まれる雑音成分の振幅を最適化する修正係数として、当該複数の被験者に共通する汎用の最適な修正係数αのデータを記憶装置に保持しており、
前記被験者によって実行されるタスク応答と同期した脳活動の変化として、前記第一検出器から得られる第一検出信号と前記第二検出器から得られる第二検出信号に基づき当該脳活動変化の算出を行い、
前記被験者によって実行される前記タスク応答と同期した前記第一検出器から得られる第一検出信号と前記第二検出器から得られる第二検出信号の検出を行い、
該修正係数αが乗算され振幅の最適化された前記第一検出信号と前記第二検出信号との差分の信号を求め、
該差分の信号に基づき脳活動変化の算出を行う
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項13において、
前記演算装置は、前記修正係数として、当該複数の被験者に共通する有意水準5%の領域のデータを前記汎用の最適な修正係数αのデータとして記憶装置に保持しており、
前記第一検出信号を検出1、前記第二検出信号を検出2としたとき、
(信号S)=(検出1)−修正係数α・(検出2)
の関係から前記脳活動の信号Sを求める
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項15において、
有意水準5%の領域のデータは、
前記光源と前記検出1との距離を8mmとし、前記光源と前記検出2との距離を16mmから32mmの領域として、
前記修正係数αが、1.7〜2.4の範囲である
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 光源と、該光源からの光を被検体に照射して当該被検体からの光を受光する検出器と、当該検出された信号を元に脳機能を計測する演算装置と、被験者にタスクを提示するタスク提示部とを有する生体光計測装置を用いた生体光計測方法であって、
前記光源及び前記検出器は、所定距離離れた位置に配置され第一の検出経路を形成する少なくとも一組の光源及び検出器と、前記所定距離よりも短い位置に配置され第二の検出経路を形成する少なくとも一組の光源及び検出器とを備え、
前記被験者によって実行される正式なタスク応答と同期した脳活動の変化として、前記第一の検出経路から得られる第一検出信号と前記第二の検出経路から得られる第二検出信号を各々検出し、
前記被験者に対する予備のタスク提示により、前記第一検出信号、前記第二検出信号に含まれる雑音成分の振幅を最適化する修正係数として、前記被験者に最適な計測位置において、前記予備のタスクを繰り返し行った時に、最も多い回数の有意差が認められたものを探索し、そのときの係数αを当該被験者に固有の最適な修正係数αとして算出し、
前記正式なタスクに応答した前記第一検出信号と前記第二検出信号及び前記最適な修正係数αから、振幅の最適化された前記第一検出信号と前記第二検出信号との差分の信号を求め、
該差分の信号に基づき脳活動の変化の算出を行う
ことを特徴とする生体光計測方法。 - 請求項17において、
1組の前記光源に対して距離の異なる少なくとも2組の前記検出器を有するプローブを備えており、
前記プローブの装着状態が良好となってから、複数準備された前記予備タスクから、前記被検者の計測目的に対応した前記予備タスクを前記被検者に提示し、これに対して、同期した信号変化が見られるかを評価指標とし、前記被験者に最適な計測位置を決定する
ことを特徴とする生体光計測方法。 - 請求項17において、
前記最適な修正係数αに基づき、
(信号S)=(検出1)−修正係数α・(検出2)
の関係から前記脳活動の信号Sを求める、
ことを特徴とする生体光計測方法。
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