JP5388511B2 - 評価機能付き生体光計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、光計測技術に関し、特に生体からの光信号を受信して、生体の情報を取得する光計測装置に関する。

光を用いて生体内部の情報を計測する生体光計測装置が、例えば特開平９−１３５８２５号公報に記載されている。生体光計測装置は、可視から赤外領域に属する波長の光を被検体に照射し、被検体内部を通過した複数信号の光を同一の光検出器で検出し、ヘモグロビン変化量を計測する装置であり、生体内の局所的ヘモグロビン変化を無侵襲的に計測可能である。このとき得られる計測信号には、目的の信号のほかに、いくつかの原因を持つ雑音信号が含まれる場合がある。特に、脳活動の計測を目的とし、光を頭皮上から照射し、頭蓋内部の脳の状態を計測する場合、光は必ず脳以外の皮膚組織など通過するため、得られる信号にそれらの組織の影響が重畳することは避けられない。

皮膚組織には、全身性血行動態変化などの全身性変化の影響があることが知られている。ここで、全身性変化とは、呼吸や心拍動の変化に伴い、全身の血流や血圧が変化することを指す。計測対象が脳活動のようにある程度、局所的な変化である場合、全身性の変化は雑音として現れる。

このような問題を解決するために、例えば３次元的に計測情報を再構成する手法が提案されている。しかし、そのためには、より多くの計測点が必要となり、また計算のための正確な頭内部構造モデルが必要となってしまう。重畳する信号が、脈波成分そのものであるような場合には、その影響は信号波形から自明であり、例えば、特開２００４−１７３７５１号公報のような手法による解決の可能性もある。しかしながら、全身性変化の影響は、生体の複雑な制御機構に関わっており、その影響を取り除くことや、その機序を定量的に表現することは非常に困難である。

特開平９−１９４０８号公報 特開２００４−１７３７５１号公報

これまでの光計測装置では、計測信号波形に現れた全身性変化の影響をオペレータが誤って脳活動と判断してしまう可能性があった。

そこで、本発明では、計測信号に及ぼす全身性変化の影響が大きいと考えられる場合に、オペレータがそれを脳活動と誤って判断しないための仕組みを備えた光計測装置を提供することを目的とする。

本発明では、生体光計測装置で計測された信号から心拍数変動など全身性変化の程度を推定し、所望の生体信号にそれ以外の生体雑音（血圧変動や心拍数変動などの全身変化の影響）が重畳している場合に、計測信号の評価を出力し、装置のオペレータにそれを報知する。

本発明の生体光計測装置は、被検体に光を照射する光照射部と、光照射部から照射され被検体内部を透過してきた光を検出する光検出部と、光検出部により得られた計測信号を元に、当該計測信号に及ぼす全身性変化の影響の大小を判定する演算部と、判定結果を出力する出力部とを有する。出力部では、その判定結果により表示部の表示状態を変化させたり、刺激・命令呈示装置を制御したりする。生体光計測装置は、典型的には、被検体に刺激あるいは課題を呈示し、刺激あるいは課題を呈示中及び呈示後の脳のヘモグロビン濃度変化波形を計測するものである。

全身性変化の影響の大小は、計測信号中の脈波から求めた心拍数変化から、あるいは心拍数変化の揺らぎから判定することができる。例えば心拍数変化に着目するとき、全身性変化の影響を判定する演算部では、まず、被検者が安静状態にあるときに光信号を取得し、記憶部に記録された光信号を用いて安静時の心拍数を抽出し、その心拍数から平均Ｍと標準偏差ＳＤを算出する。そして、非安静時に計測した光信号の変動がＭ±３ＳＤの範囲外にあるときに、その信号には全身性変化の影響が大きく重畳している可能性があると判定して出力を行う。

また、光計測装置は、計測信号から得られた計測結果を表示する表示部を有し、全身性変化の影響が所定の閾値を越えたとき、それを報知する表示を表示部に行う。このとき、全身性変化の影響が所定の閾値を越えたことを報知する表示を計測結果に重ねて行ってもよい。判定結果は、閾値と心拍数変動との関連から導出される連続値であって、その連続値に基づいて表示部の表示を変えるようにしてもよい。具体的には、例えば、閾値であるＭ±３ＳＤと心拍数Ｈの値を用い、式１のようにして、連続値Rを求めてもよい。

本発明によると、計測対象となる被検者の全身状態を付加的な装置を用いることなく推定し、計測時の信号の良し悪しを出力することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による光計測装置の概略図である。局所酸素化ヘモグロビン・脱酸素化ヘモグロビン・総ヘモグロビン変化量は、可視から赤外領域に属する波長の光を被検体頭部に照射し、被検体内部を通過した複数信号の光を同一の光検出器で検出し計測することで得られる。生体光計測装置は、波長の異なる複数の光源１０２ａ〜１０２ｄを備える。本例では、光源１０２ａ，１０２ｃは波長７８０ｎｍの光を発生し、光源１０２ｂ，１０２ｄは波長８３０ｎｍの光を発生する。光源１０２ａ，１０２ｂ（１０２ｃ，１０２ｄ）の光は、それぞれ互いに異なった周波数の発振器１０１ａ，１０１ｂ（１０１ｃ，１０１ｄ）で強度変調される。強度変調された光は、それぞれ光ファイバー１０３ａ，１０３ｂ（１０３ｃ，１０３ｄ）を通して結合器１０４ａ（１０４ｂ）で結合され、光照射用光ファイバー１０５ａ（１０５ｂ）を介して被検体である被検者１０６の頭皮上の異なる位置に照射される。光照射位置の近くには、光照射位置から等距離（ここでは３０ｍｍとする）の位置に先端が位置するように複数の受光用光ファイバー１０７ａ〜１０７ｆが設けられ、受光された光はそれぞれ受光器１０８ａ〜１０８ｆに導かれる。６本の受光用光ファイバー１０７ａ〜１０７ｆで生体通過光を受光し、受光器１０８ａ〜１０８ｆで生体通過光が光電変換される。受光手段は被検体内部で反射された光を検出し電気信号に変換するもので、受光器１０８としては光電子増倍管やフォトダイオードに代表される光電変換素子を用いる。

受光器１０８ａ〜１０８ｆで光電変換された生体通過光強度を表す電気信号（以下、生体通過光強度信号とする）は、それぞれロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｈに入力される。ここで、受光器１０８ｃ，１０８ｄは、光照射用光ファイバー１０５ａ，１０５ｂの両方から等距離にある受光用光ファイバー１０７ｃ，１０７ｄで集光される生体通過光強度を検出しているため、受光器１０８ｃ，１０８ｄからの信号を２系統に分離し、ロックインアンプ１０９ｃ，１０９ｅ及び１０９ｄ，１０９ｆに入力する。ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｄには発振器１０１ａ，１０１ｂ、ロックインアンプ１０９ｅ〜１０９ｈには発振器１０１ｃ，１０１ｄからの強度変調周波数が参照周波数として入力されている。従って、ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｄからは光源１０２ａ，１０２ｂに対する生体通過光強度信号が分離されて出力され、ロックインアンプ１０９ｅ〜１０９ｈからは光源１０２ｃ，１０２ｄに対する生体通過光強度信号が分離されて出力される。

ロックインアンプ１０９ｅ〜１０９ｈの出力である分離された各波長の通過光強度信号は、アナログ−デジタル変換器１１０でアナログ−デジタル変換された後に、演算・制御部１１１に送られる。演算・制御部１１１では通過光強度信号を使用して、各検出点の検出信号から特許文献１に説明されている手続によって酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度及び総ヘモグロビン濃度の相対変化量を演算し、複数の計測点の経時情報として記憶装置に格納する。

刺激・命令呈示装置１１５には、演算・制御部１１１から送信される制御信号１１４に従って、被検者への刺激あるいは課題が呈示される。生体光計測装置は、刺激・命令呈示装置１１５に呈示された刺激あるいは課題に応答している被検者の前頭下部領域の局所ヘモグロビン濃度の変化を測定する。

図２は、T. Suto et al., Multichannel near-infrared spectroscopy in depression and schizophrenia: Cognitive brain activation study, Biological Psychiatry, 55, 501-511 (2004)に報告されている疾患毎の群平均波形の特徴パターンを示すものである。言語想起を伴う語流暢課題を被検者に負荷すると、健常者では前頭下部領域のヘモグロビン変化が大で課題終了後に単調に減少する特徴が見られる。これに対して、統合失調症ではヘモグロビン変化が中で課題終了後に波形が再上昇する特徴が、うつ病ではヘモグロビン変化が小さいという特徴が、双極性障害ではヘモグロビン変化が大で課題後半にピークを迎える特徴が見られる。従って、言語想起を伴う語流暢課題を被検者に負荷して前頭下部領域で計測した局所ヘモグロビン濃度の変化波形を観察することにより、精神疾患患者の診断支援を行うことができる。

しかし、呼吸や心拍動の変化に伴い、全身の血流や血圧が変化する全身性変化が被検者に大きく現れているときに計測を行うと、その全身性変化に起因する信号が計測対象である脳活動に起因する信号と比較して無視できない大きさになる。その結果、計測波形が意味のないものになり、診断支援としての役割を果たさなくなったり、誤った診断支援情報を診断者に与える恐れがある。本発明は、生体光計測装置に、全身性変化の大きさを監視し、診断支援に影響を与えるほど大きな全身性変化が検知されたとき、警告を発生したり、計測そのものを無効にする機能を持たせるものである。

最初に、被検者の心拍数から、計測波形に与える全身性変化の影響を判定する例について説明する。得られた局所ヘモグロビン濃度の変化信号には心臓の拍動に関連した脈波成分が存在する。そこで、計測信号を帯域０．４〜１．５Ｈｚのバンドパスフィルタに通し、脈波成分を抽出する。そして、脈波のピークから、ピーク間時間を検出し、その逆数を６０倍すると一般的な心拍数（１分間の拍動数）となる。心拍数が高い場合には全身性の影響が大きいと考えられる。従って、心拍数が100以上の場合に、全身性変化の影響が大きいと判定する。

しかし、心拍数には個人差があるため、安静状態での心拍数からの変化を判定基準とすることも有用である。まず安静状態にある被検者（計測対象）を計測する。この計測の目的は、その被検者の安静時における心拍数とそのばらつきを知ることであるので、１０秒程度以上の期間があることが望ましい。図３に、安静状態で計測した局所の酸素化ヘモグロビン濃度変化を示す。この計測結果から、信号中に見られる約１Ｈｚの脈波成分２０１から、心拍数を抽出する。たとえば微分値からピーク２０２，２０３，２０４を検出し、各ピーク間の時間差２０５，２０６を平均化し、安静時の心拍周期としてもよい。あるいは、脈波成分を含む計測信号に対しヒルベルト変換を行い、得られる位相情報について、位相が０となる点をピークとし、各ピーク間の時間差を平均化し心拍周期を求めてもよい。また、各時間差の標準偏差を求め、安静時の心拍数のばらつきＳＤを計算する。計算結果は、安静時の心拍数及びその標準偏差として、演算・制御部１１１に記憶しておく。

この安静時心拍の情報に基づき、演算・制御部１１１は、計測信号に含まれる全身性変化の影響を評価する。計測信号に見られる脈波の連続した２つのピークから心拍数を算出し、それが安静時心拍の平均値±３ＳＤの範囲外にある場合には、演算・制御部１１１は全身性変化の影響が強いと判定し、出力部に対し出力を行う。

次に、全身性変化の影響の程度の出力形式について説明する。全身性変化の影響の程度の判断は、２値（影響あり、なし）としてもよいし、影響の強弱を連続的な値として出力してもよい。

全身性変化の影響の強弱を連続的な値として出力する例を図４に示す。これは、人の顔を模した表示例である。額の部分に脳活動の表示部３０１がある。脳活動の表示部３０１には局所酸素化ヘモグロビン濃度変化を表示する。脳活動の表示部３０１を覆うように配置した顔面全体の図形３０２が、全身性変化の影響の表示部である。図４（ａ）は、全身性変化の影響がない場合の表示例であり、額の表示部３０２は顔面図形３０１の影響を受けない。図４（ｂ）は全身性変化の影響が少しある場合の表示例であり、額の表示部３０４は顔面図形３０３の影響を受けており、図４（ｂ）の表示部３０２よりも認識しにくくなっている。図４（ｃ）は全身性変化の影響が強くある場合の表示例であり、額の表示部３０６は顔面図形３０５の影響を強く受けており、額の表示部３０６の変化は認識が非常に困難、又は認識不能になっている。例えば、心拍数Ｈが、安静時の平均心拍数Ｍとその標準偏差ＳＤに対し、

を満たすときは、式１により、全身性変化の指標Ｒは、Ｒ＝０となるので表示は図４（ａ）の様になる。また、心拍数Ｈが

を満たすときは、表示は図４（ｂ）の様になる。ただし、このとき心拍数Ｈが３ＳＤに近づくほど、その表示は図４（ｃ）に近い表示時に連続的に変化していく。最終的に、

を満たすときには、表示は図４（ｃ）になる。心拍数Ｈが３ＳＤを超えた場合でも、表示は図４（ｃ）とする。この表示例の場合、全身性変化の影響が強いときは、計測結果を認識しにくくすることで、オペレータが誤った計測情報を読みとれないようにしている。

全身性変化の影響の程度の判断を２値とする場合、全身性変化の影響がないときには図４（ａ）のような表示とし、影響があるときには図４（ｃ）のような表示としてもよい。

図４の表示方法は、顔面図形に表示するドットの大きさで全身性変化の大きさを表し、全身性変化の表示部３０１，３０３，３０５と脳活動変化の表示部３０２，３０４，３０６とを重ねて表示した例であったが、別の表示手法として、全身性変化の表示として、ドットの大きさのかわりに、表示の色や濃さを表現してもよい。

また、例えば、全身性変化の影響の表示に、半透明の表現を用いてもよい。全身性変化の影響の強弱と、表示部３０２の透明度を関連付けてもよい。これら表示演算は、全身性変化が大きいときに脳活動変化の表示を見えにくくする、あるいは見えなくすることを目的とするものである。

出力の形式について、図５に示すように、計測結果の表示画面に明示的に警告を表示するようにしてもよい。図５（ａ）は、計測結果の表示上に警告を重ねて表示するもので、明示的な警告表示に加えて、脳活動変化の表示を認識困難な状態にするものである。図５（ｂ）は、計測結果の表示に重ならないように、画面上部に警告を表示する例である。この場合、脳活動変化の表示の認識性を損なうことなく、オペレータに対して明示的な警告を行うことができる。これは、全身性変化の影響を受けた状態での脳活動変化を確認したい場合には有効である。

全身性変化の影響が大きいときの出力は、刺激・命令呈示装置１１５への制御信号の出力としてもよい。例えば、被検者に対し何らかの刺激（音声、映像、味覚、吸気の二酸化炭素濃度調整など）や指示（「運動を開始」、「運動を停止」など）を呈示し、それに対応した脳活動を計測しようとする場合においては、全身性変化の影響が強い場合には正確な計測が困難になる。そこで、全身性変化の影響が強いと判断される場合には、演算・制御部１１１は、刺激や指示を呈示する刺激・命令呈示装置１１５に対し、その呈示を行わない、或いは、全身性変化の影響が大きくならない程度の呈示を行うように制御信号を調整する。

例えば、指を動かしたときの脳活動を計測する場合を考える。このとき、指を動かす速度（タイミング）は、刺激・命令呈示装置１１５から点滅する光で視覚的に与える。この点滅の速度を最適にするために、全身性変化の影響が大きい場合には点滅の速度を遅くしていき、全身性変化の影響が十分に小さくなったところで、点滅の速度を決定する。この場合の刺激強度は、速さであったが、与える刺激や指示によって刺激強度の指標は異なるので、それぞれの刺激強度の最適化にこの方法を用いることができる。例えば、音声の刺激強度の一つには音圧があり、吸気の二酸化炭素濃度調整では、二酸化炭素濃度が刺激強度となる。また、全身性変化の影響が大きくなった時点で、計測を中断したい場合も考えられる。その場合は、全身性変化が予め設定した閾値を超えた時点で計測中止の信号を刺激。命令呈示装置１１５へ出力する。

上記実施例では、頭部の計測を例に挙げたが、例えば腹部を計測部位とし、内臓の血行動態変化を計測対象としてもよい。

本発明による光計測装置の概略図。 疾患毎の群平均波形の特徴パターンを示す図。 安静状態で計測した局所酸素化ヘモグロビン濃度変化の図。 全身性変化の影響の強弱を連続的な値として出力する例を示す図。 計測結果の表示画面に明示的に警告を表示する例を示す図。

符号の説明

１０１ 発振器
１０２ 光源
１０３ 光ファイバー
１０４ 結合器
１０５ 光ファイバー
１０６ 被検者
１０７ 受光用光ファイバー
１０８ 受光器
１０９ ロックインアンプ
１１０ アナログ・デジタル変換器
１１１ 演算・制御部
１１３ 表示部
１１４ 制御信号
１１５ 刺激・命令呈示装置
２０１ 脈波成分を含む計測波形
３０１ 脳活動の表示部
３０２ 全身性変化の影響の表示部

Claims (9)

1. 被検体頭部に光を照射する光照射部と、
   前記光照射部から照射され被検体内部を透過してきた光を検出する光検出部と、
   前記光検出部により得られた脳活動に関する計測信号を元に、当該計測信号に及ぼす全身性変化の影響の大小を判定する演算部と、
   前記判定結果を出力する出力部と
   を有することを特徴とする生体光計測装置。
2. 請求項１記載の生体光計測装置において、前記全身性変化の影響の大小を、前記計測信号中の脈波から求めた心拍数変化から判定することを特徴とする生体光計測装置。
3. 請求項２記載の生体光計測装置において、前記演算部は安静時の被検体の心拍数の平均Ｍと標準偏差ＳＤを記憶しており、前記計測信号から算出される心拍数がＭ±３ＳＤの範囲を超えたとき、前記全身性変化の影響が大きいと判定することを特徴とする生体光計測装置。
4. 請求項１記載の生体光計測装置において、前記全身性変化の影響の大小を、安静時の被検体の心拍数の平均Ｍと現在の心拍数Ｈとの差分値から判定することを特徴とする生体光計測装置。
5. 請求項１記載の生体光計測装置において、前記全身性変化の影響が所定の閾値を超えたとき、それを示す信号を出力することを特徴とする生体光計測装置。
6. 請求項１記載の生体光計測装置において、前記計測信号から得られた計測結果を表示する表示部を有し、前記全身性変化の影響が所定の閾値を超えたとき、それを報知する表示を前記表示部に行うことを特徴とする生体光計測装置。
7. 請求項６記載の生体光計測装置において、前記報知する表示を前記計測結果に重ねて行うことを特徴とする生体光計測装置。
8. 請求項２記載の生体光計測装置において、前記判定結果は、閾値と心拍数の変動との関連から導出される連続値Ｒとして求められることを特徴とする生体光計測装置。
9. 請求項１記載の生体光計測装置において、被検者への刺激あるいは課題を呈示する刺激・命令呈示部を有し、前記判定結果により前記刺激・命令呈示部を制御することを特徴とする生体光計測装置。

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