JP5679629B2 - Optical brain function measuring device - Google Patents

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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Description

本発明は、被検者の頭皮上に配置した送光プローブおよび受光プローブを用いて光計測を行い、検出信号から脳活動を測定して(脳機能情報を計測して)表示する光脳機能計測装置に関する。   The present invention relates to an optical brain function that performs optical measurement using a light transmitting probe and a light receiving probe disposed on a scalp of a subject, measures brain activity from a detection signal (measures brain function information), and displays the same. It relates to a measuring device.

近赤外光は、皮膚組織や骨組織を透過し、かつ、血液中のオキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビンにより吸収される性質を有するので、近赤外光のこのような性質を利用して、非侵襲で脳活動の測定を行う近赤外光分光法(NIRS)による光脳機能計測装置が利用されている。   Near-infrared light penetrates skin tissue and bone tissue and is absorbed by oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin in blood. Optical brain function measurement device using near infrared spectroscopy (NIRS), which measures brain activity in Japan, is used.

光脳機能計測装置では、被検者の頭皮上に、所定の間隔(例えば30mm間隔)で配置された複数の送光部(送光プローブ)から二、三の異なる波長の近赤外光を照射し、脳(脳皮質)によって拡散反射された光を頭皮上の複数の受光部(受光プローブ)で受光して光計測を行う。光計測による検出信号から、送光部と受光部との中間にある測定部位でのオキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度を求める。そして、これらヘモグロビン濃度から脳活動の画像データを作成し、さらに画像データに平均化処理などの画像処理を施すことによって画面表示するようにしている。   In the optical brain function measuring apparatus, near infrared light of a few different wavelengths is emitted from a plurality of light transmitting parts (light transmitting probes) arranged at a predetermined interval (for example, 30 mm interval) on the subject's scalp. Irradiated light diffusely reflected by the brain (brain cortex) is received by a plurality of light receiving units (light receiving probes) on the scalp to perform optical measurement. From the detection signal obtained by optical measurement, the oxyhemoglobin concentration and deoxyhemoglobin concentration at the measurement site located between the light transmitting unit and the light receiving unit are obtained. Then, image data of brain activity is created from these hemoglobin concentrations, and further image processing such as averaging processing is performed on the image data to display on the screen.

光脳機能計測装置により計測される光検出信号には、脳(脳皮質)の血液からの信号とともに、それ以外の信号、例えば皮膚血流からの信号が含まれており、また、心拍、呼吸、血圧などの自律神経系の変化に伴う信号が重畳されている。   The light detection signal measured by the optical brain function measuring device includes a signal from the blood of the brain (brain cortex) and other signals, for example, a signal from the skin blood flow, and also includes heartbeat and respiration. Signals accompanying changes in the autonomic nervous system such as blood pressure are superimposed.

したがって、これらを生理学的ノイズであるとして、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの挙動から、視覚的評価によって、脳内の生理学的変化とは考えにくい信号を不必要成分(アーチファクト)として除外処理することが行われている。
しかしながら、視覚的評価により不必要成分であるかを判定する方法では、評価者による個人差が生じやすい。
不要成分であるかを峻別しやすくするための1つの方法として、光計測の際に、被験者に周期的なタスクを与え(脳賦活パラダイム)、タスクの周期に同期している信号を脳活動の信号(脳機能信号という)として扱い、他の信号をノイズとして除外することがなされている。
Therefore, these are regarded as physiological noises, and signals that are unlikely to be physiological changes in the brain are excluded as unnecessary components (artifacts) by visual evaluation based on the behavior of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin. It has been broken.
However, in the method of determining whether it is an unnecessary component by visual evaluation, individual differences among the evaluators are likely to occur.
As one method to make it easy to distinguish whether it is an unnecessary component, a periodic task is given to the subject during the optical measurement (brain activation paradigm), and a signal synchronized with the cycle of the task is detected. It is handled as a signal (referred to as brain function signal), and other signals are excluded as noise.

具体的には、被験者に、タスク、レスト、タスク、レストの状態を繰り返し与え、この間の全検出信号を収集して記憶しておき、全検出信号に対するフーリエ変換信号を算出するとともに、フーリエ変換信号からタスク、レストの周期と同期した信号を抽出する。タスクに起因する脳機能信号は、タスク、レストの周期に動機した信号として抽出することができるので、フーリエ変換信号を用いてタスクに起因する脳機能信号以外のノイズを除去した計測が行うことができる。   Specifically, the task, rest, task, and rest state are repeatedly given to the subject, all detection signals are collected and stored during this time, a Fourier transform signal is calculated for all detection signals, and the Fourier transform signal To extract the signal synchronized with the task and rest period. Since the brain function signal caused by the task can be extracted as a signal motivated by the task and rest cycle, it is possible to perform measurement by removing noise other than the brain function signal caused by the task using the Fourier transform signal. it can.

また、分析手法の一つとして「観測信号は、各信号元からの独立な信号が線形に混合された信号である」との仮定の下で、複数の検出信号に対し、独立性の基準とその基準を満たすためのアルゴリズムを用いた演算を行うことにより、検出信号から信号元の独立な信号を推定する独立成分分析が知られている(非特許文献1、非特許文献2)。そして、この独立成分分析を、光脳機能計測装置の光検出信号に適用することにより、脳機能信号以外のその他の独立な発生源(心拍など)のノイズ信号を除外する方法が提案されている(特許文献1参照)。
特開2006−280421号公報 L,Molgedey and H.G.Shuster,Separation of a mixture of independent signals using time delayed correlations,Phys. Rev. Lett., Vol.72, No.23, PP3634−3637, 1994 J.CARDOSO and A.SOULOUMIAC,JACOBI ANGLES FOR SIMULTAEOUS DIAGONALIZATION, SIAM, J. MATRIX ANAL. APPL., Vol.17, No.1, PP.161−164,1996
In addition, as one of the analysis methods, under the assumption that "the observation signal is a signal in which independent signals from each signal source are linearly mixed", the independence criteria are set for a plurality of detection signals. Independent component analysis in which an independent signal of a signal source is estimated from a detection signal by performing an operation using an algorithm for satisfying the standard is known (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2). Then, by applying this independent component analysis to the light detection signal of the optical brain function measuring device, a method for excluding noise signals of other independent sources (such as heartbeats) other than the brain function signal has been proposed. (See Patent Document 1).
JP 2006-280421 A L, Molgedey and H. G. Shuster, Separation of a mixture of independent signals using time delayed correlations, Phys. Rev. Lett., Vol.72, No.23, PP3634-3637, 1994 J. CARDOSO and A. SOULOUMIAC, JACOBI ANGLES FOR SIMULTAEOUS DIAGONALIZATION, SIAM, J. MATRIX ANAL. APPL., Vol.17, No.1, PP.161-164, 1996

検出信号に、脳活動に起因する脳機能信号以外の生理学的信号(心拍、呼吸、脈拍などを発生源とする信号)が重畳されている場合、これまでは、そのような付随信号は脳機能信号の計測には不要なノイズであるとして、いかにしてノイズを除去するかについて注力されてきた。
上述した付随信号は、生理学的ノイズと考える場合は除去することが望ましいが、別の観点からみると、生理学的情報が含まれた付随信号であるとも考えられる。
When physiological signals other than brain function signals resulting from brain activity (signals originating from heartbeat, respiration, pulse, etc.) are superimposed on the detection signal, until now, such accompanying signals have been Since it is unnecessary noise for signal measurement, it has been focused on how to remove the noise.
The above-mentioned accompanying signal is desirably removed when considered as physiological noise, but from another viewpoint, it can also be considered as an accompanying signal including physiological information.

そこで、本発明は脳機能信号以外の生理学的な付随信号をノイズと見ることなく、これら付随信号も含めて解析することにより、脳機能信号から新たな知見を得ることができるようにした光脳機能計測装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention does not view physiological accompanying signals other than brain function signals as noise, but also analyzes these accompanying signals, so that an optical brain can be obtained from brain function signals. It aims at providing a function measuring device.

上記課題を解決するためになされた本発明の脳機能計測装置は、送光プローブと受光プローブとからなる複数のプローブ対を被験者の頭皮上に配置し、送光プローブから測定光を照射し、脳によって拡散反射された光を受光プローブで検出し、検出信号から脳活動を測定する光脳機能計測装置であって、以下の構成を備えている。すなわち、本装置では、各プローブ対に対応して定まる複数の測定部位からの時系列状の検出信号を取得する信号検出部と、取得した検出信号、または、検出信号に基づいて算出したヘモグロビン濃度に関する時系列状信号を観測信号として記憶する観測信号記憶制御部と、観測信号を所定の単位時間幅ごとに区分し、区分された観測信号のそれぞれに対してフーリエ変換、独立分分析、主成分分析のいずれかの解析演算を行うことにより単位時間幅ごとの区分解析信号を取得する区分解析信号取得部と、区分解析信号を表示する区分解析信号表示制御部とを備えるようにしている。 The brain function measuring device of the present invention made to solve the above problems, a plurality of probe pairs consisting of a light transmitting probe and a light receiving probe are arranged on the subject's scalp, and irradiated with measuring light from the light transmitting probe, An optical brain function measuring apparatus that detects light diffusely reflected by the brain with a light receiving probe and measures brain activity from the detection signal, and has the following configuration. That is, in this apparatus, a signal detection unit that acquires time-series detection signals from a plurality of measurement sites determined corresponding to each probe pair, and the acquired detection signal or hemoglobin concentration calculated based on the detection signal and observed signal storage control unit for storing a time series like signal as an observed signal related to dividing the observed signal for each predetermined unit time width, a Fourier transform for each of the segmented observed signals, independently Ingredient analysis, the main A section analysis signal acquisition unit that acquires a section analysis signal for each unit time width by performing any analysis operation of component analysis and a section analysis signal display control section that displays the section analysis signal are provided.

ここで、「ヘモグロビン濃度の関する時系列な信号」とは、たとえば、光計測を行ったときの光吸収信号から算出される「オキシヘモグロビン濃度信号」「デオキシヘモグロビン濃度信号」「全ヘモグロビン濃度信号」である。
また、「所定の単位時間幅」とは、予め設定したり後から設定したりすることが可能な時間幅であり、この単位時間幅ごとに1つの区分解析信号が取得されることになる。
Here, “time-series signal related to hemoglobin concentration” means, for example, “oxyhemoglobin concentration signal”, “deoxyhemoglobin concentration signal”, “total hemoglobin concentration signal” calculated from the light absorption signal when optical measurement is performed. It is.
Further, the “predetermined unit time width” is a time width that can be set in advance or can be set later, and one division analysis signal is acquired for each unit time width.

本発明では、観測信号記憶制御部によって記憶される時系列状の観測信号には、脳機能信号と、それ以外の生理学的な付随信号(心拍、呼吸、脈拍などを発生源とする信号)が含まれているものとして把握する。区分解析信号取得部が、時系列状の観測信号を、設定された単位時間幅ごとに区分し、区分された観測信号のそれぞれに対してフーリエ変換、独立分分析、主成分分析のいずれかの解析演算を行うことにより、単位時間幅ごとの区分解析信号を取得する。取得された区分解析信号には、それぞれの単位時間幅における付随信号が含まれている。したがって、区分解析信号表示制御部が区分解析信号を表示することにより、対応する時間区分ごとの付随信号を周波数成分信号、独立成分信号、主成分信号として観測することができる。 In the present invention, the time-series observation signals stored by the observation signal storage control unit include a brain function signal and other physiological accompanying signals (signals that originate from heartbeat, respiration, pulse, etc.). Assuming it is included. Classification analysis signal acquisition unit, time series like the observed signal, and classified by the unit set time width, a Fourier transform for each of the segmented observed signals, independently Ingredient analysis, one of the principal component analysis By performing the analysis operation, a segmented analysis signal for each unit time width is acquired. The acquired segment analysis signal includes an accompanying signal in each unit time width. Therefore, when the segment analysis signal display control unit displays the segment analysis signal, the accompanying signal for each corresponding time segment can be observed as a frequency component signal, an independent component signal, and a principal component signal.

本発明によれば、時間区分ごとの周波数成分信号、独立成分信号、主成分信号を得ることができる。これにより、脳機能信号と各時点での付随信号との関係を計測することができるようになり、脳活動と付随信号との関係の時間変化を把握できるようになる。   According to the present invention, it is possible to obtain a frequency component signal, an independent component signal, and a principal component signal for each time segment. As a result, the relationship between the brain function signal and the accompanying signal at each time point can be measured, and the temporal change in the relationship between the brain activity and the accompanying signal can be grasped.

上記発明において、被験者にタスクを与えて計測する際のタスク期間に関する情報を受信するタスク期間情報入力部をさらに備え、区分解析信号取得部は、タスク期間よりも短い単位時間幅で、かつ、タスク期間の開始時点に同期させて観測信号を区分するようにしてもよい。
これにより、タスクによる脳活動への影響を測定する際に、タスク中の変化を時間区分して計測することができる。
In the above invention, it further comprises a task period information input unit for receiving information on a task period when measuring by giving a task to the subject, the classification analysis signal acquisition unit has a unit time width shorter than the task period, and a task The observation signal may be divided in synchronization with the start time of the period.
Thereby, when measuring the influence of the task on the brain activity, the change during the task can be measured by time division.

また、上記発明において、区分解析信号取得部が行う解析演算がフーリエ変換であり、区分解析信号表示制御部は周波数軸とパワー軸とによる区分解析信号の二次元表示を単位時間幅ごとに時系列的に並べた三次元表示を行うようにしてもよい。
また、上記発明において、区分解析信号取得部が行う解析演算がフーリエ変換であり、区分解析信号表示制御部は、区分解析信号を表示する際に、周波数軸と時間軸との二次元表示上にパワーをカラー表示または輝度表示するようにしてもよい。
これらによれば、周波数ごとに分解された付随信号の動的な変化を視覚的に確認できる。
In the above invention, the analysis operation performed by the segmented analysis signal acquisition unit is Fourier transform, and the segmented analysis signal display control unit performs two-dimensional display of the segmented analysis signal by the frequency axis and the power axis in time series for each unit time width. Alternatively, a three-dimensional display arranged side by side may be performed.
In the above invention, the analysis operation performed by the segmented analysis signal acquisition unit is Fourier transform, and the segmented analysis signal display control unit displays the segmented analysis signal on a two-dimensional display of the frequency axis and the time axis. The power may be displayed in color or luminance.
According to these, the dynamic change of the accompanying signal decomposed | disassembled for every frequency can be confirmed visually.

この場合、各測定部位の表示を画面上で並べて行うようにしてもよい。これにより、脳活動の変化を測定部位ごと二次元的に確認することができる。   In this case, the measurement sites may be displayed side by side on the screen. Thereby, the change in brain activity can be confirmed two-dimensionally for each measurement site.

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図1は、本発明の光脳機能計測装置の構成を示すブロック図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the optical brain function measuring apparatus of the present invention.

(実施形態1)
光脳機能計測装置10は、測定光学系11と、信号検出部12と、観測信号記憶制御部13と、区分解析信号表示制御部14と、区分解析信号表示制御部15と、表示部16と、入力装置17と、メモリ18とを備えている。このうち、測定信号検出部12と、観測信号記憶制御部13と、区分解析信号表示制御部14と、区分解析信号表示制御部15は、CPU、ROM、RAM等で構成されるコンピュータ20およびソフトウェアにより構成されている。
(Embodiment 1)
The optical brain function measuring apparatus 10 includes a measurement optical system 11, a signal detection unit 12, an observation signal storage control unit 13, a segment analysis signal display control unit 14, a segment analysis signal display control unit 15, and a display unit 16. The input device 17 and the memory 18 are provided. Among these, the measurement signal detection unit 12, the observation signal storage control unit 13, the segment analysis signal display control unit 14, and the segment analysis signal display control unit 15 are a computer 20 and software including a CPU, a ROM, a RAM, and the like. It is comprised by.

測定光学系11は、複数の送光プローブおよび複数の受光プローブからなる。送光プローブはレーザ光源からの光(ヘモグロビン濃度を算出するための3種類の波長光(波長776、804、828nm))を脳に向けて照射し、受光プローブは脳によって拡散反射した光をプローブ端の検出器に導く。各プローブは格子状ホルダによって、頭皮上で送光プローブと受光プローブとが交互に配置されることで、隣接する送光プローブと受光プローブとのプローブ対の中間位置がそれぞれ測定部位となる。
図示しないタイミング制御回路により送光プローブによる光照射と受光プローブによる光検出との制御が行われることで、プローブ対による検出動作が行われる。測定部位の数については特に制限はないが、本実施形態では図1に示されるように配置することで測定部位が24箇所設定されるものとして説明する。
The measurement optical system 11 includes a plurality of light transmitting probes and a plurality of light receiving probes. The light transmitting probe irradiates light from the laser light source (three kinds of wavelength light (wavelengths 776, 804, 828 nm) for calculating the hemoglobin concentration) toward the brain, and the light receiving probe probes the light diffusely reflected by the brain. Lead to end detector. Each probe is alternately arranged with light transmitting probes and light receiving probes on the scalp by a lattice-like holder, so that the intermediate positions of the probe pairs of the adjacent light transmitting probes and light receiving probes are the measurement sites.
The detection operation by the probe pair is performed by controlling the light irradiation by the light transmitting probe and the light detection by the light receiving probe by a timing control circuit (not shown). Although there is no restriction | limiting in particular about the number of a measurement site | part, In this embodiment, it demonstrates as a measurement site | part being set as shown in FIG.

信号検出部12は、測定光学系11を制御して各測定部位からの検出信号X(t)、X(t)、・・・、X(t)、(n=24)を検出する制御を行う。それぞれの検出信号は、検出開始から検出終了までの時系列状の信号である。各検出信号は最小0.25秒間隔でサンプリングされ、開始から終了までの時系列長さは10秒〜10分程度である。 The signal detection unit 12 controls the measurement optical system 11 to detect detection signals X 1 (t), X 2 (t),..., X n (t), (n = 24) from each measurement site. Control. Each detection signal is a time-series signal from the detection start to the detection end. Each detection signal is sampled at a minimum interval of 0.25 seconds, and the time series length from the start to the end is about 10 seconds to 10 minutes.

観測信号記憶制御部13は、検出された各測定部位からの時系列状の検出信号を、観測信号としてメモリ18に記憶する制御を行う。あるいは、検出信号から算出したオキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、トータルヘモグロビン濃度の少なくともいずれかの時系列信号を算出し、これを観測信号としてメモリ18に記憶する制御を行ってもよい。   The observation signal storage control unit 13 performs control to store the detected time-series detection signals from the respective measurement sites in the memory 18 as observation signals. Alternatively, control may be performed in which at least one time series signal of oxyhemoglobin concentration, deoxyhemoglobin concentration, and total hemoglobin concentration calculated from the detection signal is calculated and stored in the memory 18 as an observation signal.

区分解析信号取得部14は、記憶した観測信号(検出信号あるいはヘモグロビン濃度信号)を、所定の単位時間幅ごとに区分し、区分された観測信号のそれぞれに対して、フーリエ変換による解析演算を行うことにより単位時間幅ごとの区分解析信号を取得する演算を行う。   The segmented analysis signal acquisition unit 14 classifies the stored observation signal (detection signal or hemoglobin concentration signal) for each predetermined unit time width, and performs an analysis operation by Fourier transform on each of the segmented observation signals. As a result, an operation for obtaining a segmented analysis signal for each unit time width is performed.

区分解析信号表示制御部15は、得られた区分解析信号を画面表示する制御を行う。   The division analysis signal display control unit 15 performs control to display the obtained division analysis signal on the screen.

次に光脳機能計測装置10の動作について説明する。
図2は光脳機能計測装置10による計測動作の動作フローの一例を示すフローチャートである。最初はタスクを与えずに脳活動の測定を行う場合を説明する。
Next, the operation of the optical brain function measuring apparatus 10 will be described.
FIG. 2 is a flowchart showing an example of the operation flow of the measurement operation by the optical brain function measuring apparatus 10. First, a case where brain activity is measured without giving a task will be described.

頭皮上に測定光学系11をセットして、送光プローブと受光プローブとによって光計測を行い、0.25秒間隔で検出信号X(t)、(n=1〜24)を採取する(S101)。
計測開始時から計測終了時まで採取した全ての検出信号X(t)を、観測信号として、メモリ18に逐次記憶する(S102)。
続いて、予め初期設定してある単位時間幅、あるいは、観測信号を記憶させてから入力装置17によって適宜設定した単位時間幅(例えば10秒間隔)で、検出信号X(t)を時間区分し、個々の区分された観測信号に対し、フーリエ変換による解析演算を行うことにより、単位時間幅ごとのフーリエ変換データ(F(X(t)))を算出し、算出結果を区分解析信号として取得する(S103)。
The measurement optical system 11 is set on the scalp, optical measurement is performed with a light transmitting probe and a light receiving probe, and detection signals X n (t) and (n = 1 to 24) are collected at intervals of 0.25 seconds ( S101).
All the detection signals X n (t) collected from the start of measurement to the end of measurement are sequentially stored in the memory 18 as observation signals (S102).
Subsequently, the detection signal X n (t) is divided into time intervals with a unit time width that is initially set in advance or with a unit time width that is appropriately set by the input device 17 after the observation signal is stored (for example, at intervals of 10 seconds). Then, Fourier transform data (F (X n (t))) for each unit time width is calculated by performing an analysis operation by Fourier transform on each of the divided observation signals, and the calculation result is used as the divided analysis signal. (S103).

続いて、算出された区分解析信号を、表示装置16上に表示する(S104)。このとき、図3に示すように、測定部位(CH1〜CH24)ごとに、周波数軸とパワー軸とによる区分解析信号の二次元表示を、単位時間幅ごとに時系列的に並べた三次元表示を行う。
このように表示することにより、1区間の区分解析信号からは、当該区間に対応する時点の周波数分解されたパワースペクトルが得られるので、当該時点における付随信号の影響を観測することができる。例えば、呼吸(10〜20回/分)や心拍(60〜75回/分)に関連する情報は、これに対応する周波数の付随信号が重畳されるので、そのような付随信号が区分解析信号の二次元表示に現れていれば呼吸や心拍の影響が信号に含まれていることが把握できる。さらに、周波数軸とパワー軸とによる二次元表示を、単位時間幅ごとに時系列的に並べて三次元表示することにより、付随信号の時間変化を動的に表示することができ、被験者の状態の時間変化が視覚化できる。
Subsequently, the calculated division analysis signal is displayed on the display device 16 (S104). At this time, as shown in FIG. 3, for each measurement site (CH1 to CH24), a three-dimensional display in which two-dimensional display of the division analysis signal by the frequency axis and the power axis is arranged in time series for each unit time width. I do.
By displaying in this way, the frequency-resolved power spectrum at the time corresponding to the section can be obtained from the section analysis signal of one section, so that the influence of the accompanying signal at the time can be observed. For example, information related to breathing (10 to 20 times / minute) and heartbeat (60 to 75 times / minute) is superimposed with an accompanying signal having a frequency corresponding to the information. If it appears in the two-dimensional display, it can be understood that the influence of respiration and heartbeat is included in the signal. Furthermore, by displaying the two-dimensional display with the frequency axis and the power axis in a time-series manner for each unit time width and displaying it three-dimensionally, the time change of the accompanying signal can be dynamically displayed, and the state of the subject can be displayed. Visualize changes over time.

また、図4に示すように、1つの測定部位ごと、当該部位の区分解析信号に基づいて、周波数軸と時間軸との二次元表示上に、スペクトルパワーをカラー表示または輝度表示することもできる。このように表示することにより、付随信号に変化がある場合に視覚的な把握が容易になる。   In addition, as shown in FIG. 4, the spectral power can be displayed in color or luminance on a two-dimensional display of the frequency axis and the time axis based on the division analysis signal of each measurement site for each measurement site. . Displaying in this way facilitates visual grasp when there is a change in the accompanying signal.

(実施形態2)
次に、タスクを与えて脳活動の測定を行う場合を説明する。図5は、第二の実施形態である光脳機能計測装置30である。図1で説明した光脳機能計測装置10と同じ部分については、同符号を付すことにより説明を省略する。光脳機能計測装置30では、光脳機能計測装置10の構成に、タスク期間情報入力部31が付加されている。
タスク期間情報入力部31は、外部機器の使用によって被験者にタスクを与えながら計測する際のタスク期間に関する情報を受信する。たとえば外部機器として、歩行用トレッドミル(不図示)を使用する場合は、トレッドミルの外部出力信号を、タスク期間情報入力部31に入力し、メモリ17に記憶しておく。この外部出力信号により、光脳機能計測装置30側で、トレッドミルのタスク期間、レスト期間が把握できるようになる。
(Embodiment 2)
Next, a case where a task is given and brain activity is measured will be described. FIG. 5 shows an optical brain function measuring apparatus 30 according to the second embodiment. About the same part as the optical brain function measuring apparatus 10 demonstrated in FIG. 1, description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting a same sign. In the optical brain function measuring device 30, a task period information input unit 31 is added to the configuration of the optical brain function measuring device 10.
The task period information input unit 31 receives information on a task period when measurement is performed while giving a task to a subject by using an external device. For example, when a treadmill for walking (not shown) is used as an external device, an external output signal of the treadmill is input to the task period information input unit 31 and stored in the memory 17. With this external output signal, the task period and rest period of the treadmill can be grasped on the optical brain function measuring device 30 side.

そして、区分解析信号取得部14は、取得した観測信号を区分する際に、タスク期間よりも短い単位時間幅で、かつ、タスク期間の開始時点に同期させて観測信号を区分する制御を行う。この単位時間幅は例えば初期値が10秒であり、予め設定されている。もしもタスク期間が短い場合のように、設定を変えた方が望ましい場合には、エラー表示などが行われ、適切な単位時間幅の再設定を促すようにしてある。
そして、例えば図6に示すように、タスク、レスト、タスク、レストが50秒ずつ繰り返される場合に、単位時間幅10秒でタスク期間を区分するとともに、タスクの開始時期に合わせる。
このように区分することで、タスクが与えられた開始時点と同期して時間区分を区切ることになり、タスクを与えてからの時間変化を単位時間幅ごと正確に区分して観測することができる。
And the division | segmentation analysis signal acquisition part 14 performs control which classifies an observation signal in synchronism with the start time of a task period with a unit time width shorter than a task period, when dividing the acquired observation signal. The unit time width has an initial value of 10 seconds, for example, and is set in advance. If it is desirable to change the setting, such as when the task period is short, an error display is performed to prompt the user to reset the appropriate unit time width.
Then, for example, as shown in FIG. 6, when the task, rest, task, and rest are repeated every 50 seconds, the task period is divided into unit time widths of 10 seconds and matched with the task start time.
By dividing in this way, the time division is divided in synchronization with the start time when the task is given, and the time change after giving the task can be accurately divided and observed for each unit time width. .

(実施形態3)
以上の実施形態では、区分解析信号取得部14が解析演算としてフーリエ変換を行い、単位時間幅ごとの周波数分析を行うようにした。本実施形態ではフーリエ変換による周波数分析に代えて、独立成分分析を行うようにしている。すなわち、区分解析信号取得部14が独立成分分析の手法による解析演算を行う。
(Embodiment 3)
In the above embodiment, the segmented analysis signal acquisition unit 14 performs Fourier transform as an analysis operation, and performs frequency analysis for each unit time width. In this embodiment, independent component analysis is performed instead of frequency analysis by Fourier transform. That is, the segmented analysis signal acquisition unit 14 performs an analysis operation using an independent component analysis technique.

独立成分分析は、以下の(1)式で関係付けられた観測信号ベクトル(実施形態1での各検出信号Xn(t)が観測信号ベクトルの成分となる)、混合行列、独立成分信号ベクトルを用いて、観測信号ベクトルから、混合行列と独立成分信号とを推定する演算手法である。   Independent component analysis is performed using an observation signal vector (each detection signal Xn (t) in Embodiment 1 is a component of the observation signal vector), a mixing matrix, and an independent component signal vector that are related by the following equation (1). This is a calculation method for estimating a mixing matrix and an independent component signal from an observation signal vector.

混合行列Aが既知であれば、(1)式の混合行列Aの逆行列を求めることによって、独立成分信号ベクトルSの各成分は容易に求められるが、一般には、混合行列Aも未知であるため、それらを求めるために、様々なアルゴリズムが提案されている。例えば、既述のように非特許文献1、2において提案されている。   If the mixing matrix A is known, each component of the independent component signal vector S can be easily obtained by obtaining the inverse matrix of the mixing matrix A in the equation (1), but generally the mixing matrix A is also unknown. Therefore, various algorithms have been proposed to obtain them. For example, as described above, it is proposed in Non-Patent Documents 1 and 2.

したがって、(1)式から上記文献による公知の独立成分分析の手法を行うことにより、独立性の基準とその基準を満たすためのアルゴリズムを用いた演算を行うことで、観測信号ベクトルから、元の独立信号ベクトルおよび混合行列を推定することができる。ところで、これまで独立成分分析は観測信号全体に対して行われてきた。   Therefore, by performing a known independent component analysis method according to the above-mentioned document from the equation (1) and performing an operation using an independence criterion and an algorithm for satisfying the criterion, the original signal can be obtained from the observed signal vector. Independent signal vectors and mixing matrices can be estimated. By the way, independent component analysis has been performed on the entire observation signal so far.

本実施形態では、単位時間幅ごとに時間区分した観測信号Xn(t)に対して、独立成分分析を行い、単位時間幅ごとの独立成分信号S(t)を推定する演算を行う。これにより、時間区分ごとの独立成分信号Sn(t)および混合行列Aが得られる。
したがって、演算によって得られた独立成分信号番号ごとに、各時間区分の独立成分信号を、横軸が周波数軸に代わる時間軸、縦軸がパワー軸として二次元表示する。そして、時間区分ごとの変化を視覚化するために、図3と同様に、この二次元表示を時間区分ごと時系列的に並べた三次元表示を行う。
この場合の表示は、図3におけるチャンネル番号を独立成分番号に変え、周波数時間軸を時間軸に変えたものとなる。
In the present embodiment, an independent component analysis is performed on the observation signal Xn (t) divided in time for each unit time width, and an operation for estimating the independent component signal S n (t) for each unit time width is performed. Thereby, the independent component signal Sn (t) and the mixing matrix A for each time segment are obtained.
Therefore, for each independent component signal number obtained by the calculation, the independent component signal of each time section is two-dimensionally displayed with the horizontal axis representing the time axis instead of the frequency axis and the vertical axis representing the power axis. Then, in order to visualize the change for each time section, a three-dimensional display in which the two-dimensional display is arranged in time series for each time section is performed as in FIG.
The display in this case is obtained by changing the channel number in FIG. 3 to the independent component number and changing the frequency time axis to the time axis.

これにより、それぞれの独立成分信号を、時間区分して表示することができ、独立成分の時間変化を把握することができる。なお、各独立成分信号に対応させて、当該時間区分の混合行列Aを表示させることもできる。混合行列Aは観測信号を形成する独立成分信号の重み係数であるので、独立成分信号の寄与の大小を把握することができる。
混合行列Aをカラー表示化することもできる。その場合は混合行列Aの各列成分が、各独立成分信号の各観測信号に対する重み成分となっていることを利用する。すなわち混合行列Aの各列成分を観測信号の空間配置に対応させた空間マップを作成し、これをカラー表示して図3(横軸が時間軸、縦軸がパワー軸)に対応させて、並べて表示する。そして空間マップの時間推移を表示する。これにより各独立成分に各観測信号がどのように寄与しているかの空間マップを時間変化させて表示することができる。
Thereby, each independent component signal can be displayed by time division, and the time change of the independent component can be grasped. Note that the mixing matrix A of the time segment can be displayed in correspondence with each independent component signal. Since the mixing matrix A is a weighting coefficient of the independent component signal forming the observation signal, the magnitude of the contribution of the independent component signal can be grasped.
The mixing matrix A can be displayed in color. In this case, it is utilized that each column component of the mixing matrix A is a weight component for each observation signal of each independent component signal. That is, a spatial map in which each column component of the mixing matrix A is made to correspond to the spatial arrangement of the observation signal is created, and this is color-displayed so as to correspond to FIG. 3 (the horizontal axis is the time axis and the vertical axis is the power axis) Display side by side. And the time transition of the space map is displayed. As a result, it is possible to display a spatial map of how each observation signal contributes to each independent component with time variation.

(実施形態4)
実施形態3では、区分解析信号取得部14が解析演算として独立成分分析を行うようにしたが、本実施形態では、独立成分分析に代えて、主成分分析を行うようにする。すなわち、区分解析信号取得部14が主成分分析の手法による解析演算を行う。
(Embodiment 4)
In the third embodiment, the classification analysis signal acquisition unit 14 performs the independent component analysis as the analysis calculation. However, in this embodiment, the principal component analysis is performed instead of the independent component analysis. That is, the segmented analysis signal acquisition unit 14 performs an analysis operation using a principal component analysis technique.

主成分分析での演算方法は独立成分分析と類似している。上記の(1)式と同様の式で関係付けられた観測信号ベクトルXn(t)、行列A、主成分信号ベクトルSn(t)を用いるが、観測信号ベクトルXn(t)から、行列Aと主成分信号ベクトルSn(t)とを推定する際に、独立性の基準とその基準を満たすためのアルゴリズムを用いて解くのではなく、固有値問題として分散が最大となる条件で解く点が異なるだけであって、それ以外は同じである。主成分分析の解法自体はよく知られている。   The calculation method in the principal component analysis is similar to the independent component analysis. The observation signal vector Xn (t), the matrix A, and the principal component signal vector Sn (t) related by the same expression as the above expression (1) are used. From the observation signal vector Xn (t), the matrix A and When the principal component signal vector Sn (t) is estimated, it is not solved by using an independence criterion and an algorithm for satisfying the criterion, but only in that the eigenvalue problem is solved under a condition that maximizes the variance. The rest is the same. The solution of principal component analysis itself is well known.

したがって、(1)式から公知の主成分分析手法を行うことにより、分散最大となる演算を行うことで、観測信号ベクトルXn(t)から、元の主成分信号ベクトルSn(t)および行列Aを推定することができる。   Therefore, by performing a calculation that maximizes the variance by performing a known principal component analysis method from the equation (1), the original principal component signal vector Sn (t) and the matrix A are calculated from the observed signal vector Xn (t). Can be estimated.

そして本実施形態では、単位時間幅ごとに時間区分した観測信号Xn(t)に対して、主成分分析を行い、単位時間幅ごとの主成分信号S(t)を算出する演算を行う。
これにより、時間区分ごとの主成分信号Sn(t)および混合行列Aが得られる。
したがって、演算によって得られた主成分信号番号ごとに、各時間区分の主成分信号を、横軸が時間軸、縦軸がパワー軸として二次元表示する。そして、時間区分ごとの変化を視覚化するために、図3と同様に、この二次元表示を時間区分ごと時系列的に並べた三次元表示を行う。
In this embodiment, the principal component analysis is performed on the observation signal Xn (t) time-divided for each unit time width, and the calculation for calculating the main component signal S n (t) for each unit time width is performed.
Thereby, the principal component signal Sn (t) and the mixing matrix A for each time segment are obtained.
Therefore, for each principal component signal number obtained by the calculation, the principal component signal of each time segment is displayed two-dimensionally with the horizontal axis as the time axis and the vertical axis as the power axis. Then, in order to visualize the change for each time section, a three-dimensional display in which the two-dimensional display is arranged in time series for each time section is performed as in FIG.

本発明は、脳活動を測定するための光脳機能測定装置に利用することができる。   The present invention can be used for an optical brain function measuring device for measuring brain activity.

本発明の一実施形態である光脳機能計測装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the optical brain function measuring device which is one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態である光脳機能計測装置の計測動作を示すフローチャート。The flowchart which shows the measurement operation | movement of the optical brain function measuring device which is one Embodiment of this invention. 本発明の光脳機能計測装置による計測結果の表示例を示す図。The figure which shows the example of a display of the measurement result by the optical brain function measuring apparatus of this invention. 本発明の光脳機能計測装置による計測結果の表示例を示す図。The figure which shows the example of a display of the measurement result by the optical brain function measuring apparatus of this invention. 本発明の他の一実施形態である光脳機能計測装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the optical brain function measuring apparatus which is other one Embodiment of this invention. タスクを与えたときに行われる時間区分の一例を示す図。The figure which shows an example of the time division performed when a task is given.

符号の説明Explanation of symbols

10:光脳機能計測装置
11:測定光学系
12:信号検出部
13:観測信号記憶制御部
14:区分解析信号取得部
15:区分解析信号表示制御部
10: Optical brain function measuring device 11: Measurement optical system 12: Signal detection unit 13: Observation signal storage control unit 14: Classification analysis signal acquisition unit 15: Classification analysis signal display control unit

Claims (3)

送光プローブと受光プローブとからなる複数のプローブ対を被験者の頭皮上に配置し、
送光プローブで測定光を照射し脳によって拡散反射された光を受光プローブにより検出することで、検出信号から脳活動を測定する光脳機能計測装置であって、
各プローブ対に対応して定まる複数の測定部位からの時系列状の検出信号を取得する信号検出部と、
前記検出信号、または、この検出信号に基づいて算出したヘモグロビン濃度に関する時系列状信号を、観測信号として記憶する観測信号記憶制御部と、
前記観測信号を所定の単位時間幅ごとに区分し、区分された観測信号のそれぞれに対して独立成分分析による解析演算を行うことにより単位時間幅ごとの区分解析信号を取得する区分解析信号取得部と、
前記区分解析信号を表示する区分解析信号表示制御部と、
被験者にタスクを与えて計測する際のタスク期間に関する情報を受信するタスク期間情報入力部とを備え、
前記区分解析信号取得部は、タスク期間よりも短い単位時間幅で、かつ、タスク期間の開始時点に同期させて前記観測信号を区分することを特徴とする光脳機能計測装置。
A plurality of probe pairs consisting of a light transmitting probe and a light receiving probe are arranged on the subject's scalp,
An optical brain function measuring device that measures brain activity from a detection signal by irradiating measurement light with a light transmitting probe and detecting light diffusely reflected by the brain with a light receiving probe,
A signal detection unit for acquiring time-series detection signals from a plurality of measurement sites determined corresponding to each probe pair;
An observation signal storage control unit that stores the detection signal or a time-series signal related to the hemoglobin concentration calculated based on the detection signal, as an observation signal;
A division analysis signal acquisition unit that divides the observation signal into predetermined unit time widths and acquires a division analysis signal for each unit time width by performing an analysis operation by independent component analysis for each of the divided observation signals. When,
A section analysis signal display control unit for displaying the section analysis signal;
A task period information input unit for receiving information on a task period when measuring by giving a task to a subject;
The optical brain function measuring apparatus characterized in that the division analysis signal acquisition unit classifies the observation signal in a unit time width shorter than the task period and in synchronization with the start time of the task period.
前記区分解析信号表示制御部は時間軸とパワー軸とによる区分解析信号の二次元表示を単位時間幅ごとに時系列的に並べた三次元表示を行うことを特徴とする請求項1に記載の光脳機能計測装置。The said division | segmentation analysis signal display control part performs the three-dimensional display which arranged the two-dimensional display of the division | segmentation analysis signal by a time axis and a power axis in time series for every unit time width. Optical brain function measuring device. 各測定部位ごとの表示を画面上で並べて行う請求項2に記載の光脳機能計測装置。The optical brain function measuring apparatus according to claim 2, wherein the display for each measurement site is arranged on the screen.
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