JP5923598B2

JP5923598B2 - 頭部血流計測用遮光具の装着のチェック方法およびチェック装置

Info

Publication number: JP5923598B2
Application number: JP2014512265A
Authority: JP
Inventors: 敦牧; 長谷川　清; 清長谷川; 木村　修; 修木村; 杉本　日出夫; 日出夫杉本
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: WO2013161070A1; JPWO2013161070A1

Description

本発明は、近赤外光などの光を用いて頭部の血流を計測する装置に用いる遮光具に関するものである。

生体内部の情報を、簡便で生体に害を与えずに計測する装置が、臨床医療や脳科学等の分野で用いられている。その中でも、特に光を用いた計測法は有効な手段である。その理由は、生体内部の酸素代謝機能は生体中の特定色素(ヘモグロビン、チトクロームａａ３、ミオグロビン等）の濃度に対応しており、これらの色素の濃度は、光の吸収量から求めることができる。また、光は取り扱いが簡便であり、さらに安全基準の範囲内での使用により生体に害を与えることがない。

このような光計測の利点により、可視から赤外の波長の光を用いて生体内部を計測する生体光計測装置が提案されている。例えば、特許文献１には、被検体に光を照射し被検体内部を透過あるいは反射した光を検出するためのプローブ装置と、プローブ装置と光制御信号および受光信号を送受し生体信号を獲得する制御演算装置とを有し、プローブ装置の複数の光照射部で、光駆動信号に基づき強度変調光を発生させ、生体に順次照射する。そして、プローブ装置の複数の光検出部で、生体を透過または反射した強度変調光をアナログの振幅変調信号として出力し、検出光量から血液循環、血行動態、ヘモグロビン変化などの生体情報を得ている。

このような生体光計測装置において、生体を透過または反射した光は微弱な光であるため、生体を透過または反射した光以外の、外部からの光が光検出器に入射するとノイズとして検出されてしまい、目的とする生体からの強度変調光を得ることができなくなる。そのため、特許文献２には、光照射プローブ本体と光検出プローブ本体とを支持するプローブ支持体を、遮光シートを含む積層した構造体とし、外光が侵入することを防ぐと共に、頭皮から反射する反射光を吸収することが記載されている。(段落［００３４］）

特開２００８−１７８５６３号公報特開２００８−２００２２６号公報

生体光計測装置を用いて頭部の血流を室外で計測する場合があるが、この場合には、太陽光が生体組織を透過して光検出器に到達し、計測信号にノイズとなったり、場合によっては検出器を飽和させてしまう。室内で計測する場合でも、白熱灯や蛍光灯の強い照明によって、同様に影響を受けてしまう。また、生体光計測装置は、被験者の視線を検出するための視線検出装置とともに用いられることがあるが、視線検出装置の特定周波数の光も、同様に、生体組織を透過して光検出器に到達し、ノイズとなったり、検出器を飽和させてしまう。

特許文献２には、光照射プローブ本体と光検出プローブ本体とを支持するプローブ支持体を、遮光シートを含む積層した構造体とし、外光が侵入することを防ぐことが記載されているが、特許文献２では、光検出器に直接入射する光を対象としており、被検体である生体組織を透過して光検出器に到達する光は、考慮されていなかった。

本発明は、これらの課題を解決し、太陽光などの外光や視線検出装置などの光が生体組織を透過して光検出器に到達してノイズなどになることを防止する、遮光具を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明では、遮光具は、頭部装着プローブの光検出器から２０ｍｍ以上、より好ましくは２５ｍｍ以上、の領域を遮光する。この構成により、太陽光などの外光や視線検出装置などの光が生体組織を透過して光検出器に到達することを防止することができる。

以下に、本発明について、その代表的な構成例を挙げる。

生体光計測装置の頭部装着プローブとともに用いられる頭部血流計測用の遮光具であって、前記遮光具は、頭部装着プローブの光検出器から２０ｍｍ以上、より好ましくは２５ｍｍ以上、の領域を遮光する遮光具であることを特徴とする。

本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光具が遮光シートであり、前記遮光シートは、目部の上部および目部の側部を遮光する形状でよい。
また、本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光シートは、粘着性を備えていてもよい。
また、本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光シートは、皮膚面側にゲル状粘着剤を備えていてもよい。

また、本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光具が遮光シートであり、前記遮光シートは、目部の側面および目部の上部から頭部装着プローブの頭部側の面を含めて覆う形状でよい。
また、本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光シートには、光照射部および光検出部用の孔が設けられており、前記遮光シートは、頭部装着プローブに予めはめ込んで装着されるものでよい。

また、本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光具が、被験者の顔の前面上部および前頭部を覆う形状を備えた遮光帽でよい。
また、本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光帽は、光照射部および光検出部用の孔、並びに、目部に対応する孔を備えていてもよい。

また、本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光具が、眼鏡形状をした遮光眼鏡であり、前記遮光眼鏡には、目部の上部を遮光する上部つば部および目部の側部を遮光する側部つば部を備えていてもよい。
また、本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光眼鏡は、通常の眼鏡の上から装着できるサイズでもよい。
また、本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光眼鏡は、額部との隙間を埋めるとともに眼鏡のフレームに乗りかかる内部つば部を備えていてもよい。
また、本発明の頭部血流計測用遮光具において、前記遮光眼鏡は、遮光キャップの面ファスナーと接続する面ファスナーを備えていてもよい。

本発明の遮光具の装着のチェック方法は、生体光計測装置の頭部装着プローブとともに用いられる頭部血流計測用遮光具の装着のチェック方法であって、光検出器からの光検出信号の周波数スペクトルを測定し、表示するステップと、視線検出装置からの視線検出光のスペクトルが検出された場合に、前記遮光具の装着が不完全と判断するステップとを含むものである。

本発明の遮光具の装着のチェック装置は、生体光計測装置の頭部装着プローブとともに用いられる頭部血流計測用遮光具の装着のチェック装置であって、光検出器からの光検出信号の周波数スペクトルを測定する周波数スペクトル測定部と、測定された周波数スペクトルから、視線検出装置の視線検出光のスペクトルの有無を検出する視線検出光スペクトル検出部と、視線検出光のスペクトルが検出されるとワーニング信号を出力するワーニング信号出力部とを備えたものである。

本発明の遮光具によれば、太陽光などの外光や視線検出装置などの光が生体組織を透過して光検出器に到達することを防止することができ、ノイズや検出器の飽和を防いで、精度の高い生体光計測信号を得ることができる。また、本発明の遮光具装着のチェック方法およびチェック装置によれば、遮光具が良好に装着されているかどうかを確実にチェックすることができ、遮光具の装着を忘れたり、不完全な装着状態で計測してしまうことを防止することができる。

本発明の実施例１の遮光シートを示す図である。本発明の実施例１の遮光シートを装着した状態を示す図である。光検出器の周囲に遮光領域を設けた状態を説明する図である。本発明の実施例２の遮光シートを示す図である。本発明の実施例３の遮光帽を示す図である。本発明の実施例４の遮光眼鏡を示す図である。被験者に遮光眼鏡を装着した状態を示す図である。生体光計測の概略を示す図である。頭部装着プローブの外観を示す図である。被験者に頭部装着プローブを装着した状態を示す図である。生体光計測装置の全体構成を示す概略図である。光検出器による光の検出強度を時間軸および周波数軸で表した図である。本発明の実施例５の、遮光具装着のチェックのフローを示す図である。本発明の実施例５の、遮光具装着のチェック装置の概略ブロック図である。

本発明の実施例を説明する前に、生体光計測装置を用いた頭部の血流計測について説明する。図８は、頭部の血流計測の概略断面図を示す。光照射器１２から照射される近赤外光などの光は、頭皮上から頭部に入射され、計測対象である組織内を四方八方に伝搬する。頭部の計測対象領域を透過した光は、光照射器１２に近接して配置された光検出器１４で受光される。光照射器１２と光検出器１４との距離（ＳＤ距離）は、例えば３０ｍｍである。

図８には、１つの光照射器１２と２つの光検出器１４を示しているが、計測領域を拡張して、同時に多チャンネルの計測を行うために、複数の光照射器と複数の光検出器を交互に配置した計測プローブを使用する。

図９に、計測プローブの一例を示す。図９は、頭部装着プローブの正面図である。この頭部装着プローブは、被験者の頭部に装着して、前頭部の脳活動を計測するものである。光照射部１２である光源と光検出部１４である受光部とが、２段８列に交互に配置されている。

図１０は、被験者の前頭部に、図９の頭部装着プローブを装着した状態を示す図である。図１０（ａ）は、頭部装着プローブ１０を装着した状態を示す図であり、図１０（ｂ）は、頭部装着プローブを装着し、その上から遮光キャップ３０で覆った状態を示す図である。

図１１は、生体光計測装置１００に視線検出装置１５０を併用した模式図を示す。被験者の前頭部には、生体光計測装置の頭部装着プローブ１１０を装着している。頭部装着プローブは、頭部装着プローブ制御ボックス１２０に電線で接続されており、制御ボックス１２０を例えば被験者の腰部に装着する。制御ボックス１２０は、生体光計測装置制御用パソコン１３０から無線ＬＡＮ通信により制御されている。この構成により、例えば室外で計測するなど、計測環境を大きく広げる携帯機動性を実現することができる。

視線検出装置１５０は、近赤外ＬＥＤ１６０より近赤外光を被験者の目に照射し、目の網膜からの反射光を近赤外カメラ１７０で検出する。得られた撮像信号を処理装置１８０で処理することにより、被験者の視線の位置、例えば被験者が刺激呈示装置であるディスプレイ１４０上の画像を見ているかどうかなどを検出する。

動作としては、ディスプレイ１４０上に画像（刺激）を表示し、その時の、被験者の頭部の血流の状態を生体光計測装置１００で計測する。その際に、視線検出装置１５０で、被験者の視線位置を検出し、例えば被験者がディスプレイ上の画像を見て反応したかどうかなどを、併せて検出する。

このような生体光計測装置を用いた頭部の血流計測において、本件の発明者は、露出した皮膚表面から、太陽光などの外光や視線検出装置などの他の機器から放出される光が侵入し、生体内を透過してきた散乱光が光検出器に到達し、ノイズや、場合によっては検出器の飽和を引き起こすことを発見した。図８の断面図で説明すれば、太陽光や室内照明光などの外部からの光が被験者の生体内を透過し、光検出器１４に入射して、ノイズとして検出されることになる。

図３を用いて、光検出器の周りに遮光範囲を設定した場合の、光の検出強度を検討する。図３（ａ）に示すように、光検出器から半径Ｒの円形内（塗りつぶし領域）を遮光範囲とし、その周囲から無限遠を遮光範囲外とする。

図３（ｂ）は、実測された白熱灯と蛍光灯のスペクトルの一例を示す図である。破線は白熱灯と良い一致を示すプランク分布のスペクトルを、実線は蛍光灯スペクトルを示す。何れも７５０ｌｘを想定した場合の強度に換算した（１ｌｘ＝１／（６８３Ｖ(λ））Ｗ／ｍ^２）。プランク分布の方が、近赤外領域のパワーが大きい。

環境光として、照度１５０，３００，５００，７５０ｌｘの白熱灯スペクトルおよび蛍光灯スペクトルを仮定した。そして、生体の光透過性を考慮して、検出器には可視光カットフィルタ（７００ｎｍ未満の透過率が０．１％、７００ｎｍ以上の透過率が９０％）を設け、かつ円形の遮光を施す条件で、遮光の半径を１０〜３０ｍｍまで５ｍｍ刻みに設定したときに、検出器に混入する外乱光（白熱灯および蛍光灯の光）の光電変換後の電流値を、拡散方程式の近似解を活用し、ヘモグロビンの吸光スペクトルを参照して計算によって求めた。また、生体光計測装置と同じ４．０ｍＷの照射光が検出器に到達する光量を求め、計算された外乱光強度と比較した。表１にその計算結果を示す。計測に用いる２波長の合計光強度は約23.0E-10[A]であり、外乱光はその１０％以下の強度であることが望ましい。表１において、受光レベルで外乱光が２波長の合計光強度の１０％を下回る場合に太字で示した。

外乱光の混入がこの光量以下となる遮光範囲は、照度によらず、白熱灯では２５ｍｍ以上、蛍光灯下では２０ｍｍ以上となった。

したがって、光検出器から２０ｍｍ以上の領域を、より好ましくは２５ｍｍ以上の領域を遮光すれば、生体内を透過してきた散乱光による、ノイズ等の影響を防止することができる。

図１に、本発明の実施例１の遮光シートから成る遮光具を示す。この遮光シートは、前頭部に装着される頭部装着プローブとともに用いられるものである。図１（ａ）に、遮光シート２０の正面から見た平面図を示し、図１（ｂ）に、頭部装着プローブ１０とともに、遮光シート２０を被験者に装着した状態の側面図を示す。本実施例の遮光シートは、目を覆わないように、被験者の前頭部および目の側部を覆うような形状をしている。図３に関して説明したように、遮光シートの幅は、光検出器から２０ｍｍ以上、好ましくは２５ｍｍ以上を遮光する幅を有する必要がある。

遮光シートは被験者の皮膚に密着することが好ましく、そのために、粘着性を備え、例えば皮膚側の面にゲル状の粘着物質を形成して、皮膚に貼り付くように構成する。あるいは、ゴムなどで後部から引っ張ることにより、皮膚面に密着するようにしてもよい。

図２（ａ）には、粘着遮光シート２０を取り付けた上に、頭部装着プローブ１０を装着した状態を示している。また、図２（ｂ）には、さらに頭部装着プローブ１０を遮光キャップ３０で覆った状態を示す。粘着遮光シート２０と遮光キャップ３０とは一部がオーバーラップするように配置することにより、外部からの光の入射を確実に防止することができる。

本実施例によれば、光検出器から２０ｍｍ以上を覆うような幅の遮光シートとすることにより、外部からの光の入射を防ぎ、ノイズを低減した計測を行うことができる。

図４に、本発明の実施例２の遮光シートから成る遮光具を示す。この遮光シート４０は、目の上部から、頭部装着プローブ１０の頭部側の面を含めて、頭部装着プローブの後部まで覆う形状を備えている。図４（ａ）に、遮光シート４０の正面から見た平面図を示し、図４（ｂ）に、頭部装着プローブ１０とともに、遮光シート４０を被験者に装着した状態の側面図を示す。図に示すように、遮光シートは、頭部装着プローブの光照射部および光検出器の位置に対応して、光照射部および光検出器を通すための孔４５を備えている。また、実施例１の遮光シートと同様に、目部の側部も覆う形状を備えている。遮光シートの素材としては、伸縮性があり遮光効果のある素材を使用しても良い。例えば、ウェットスーツ素材(片面または両面生地付き）。図３に関して説明したように、光検出器から遮光シートの目の上部の縁までの距離ｄ、或いは、光検出器から遮光シートの後部の縁までの距離ｄ’は、２０ｍｍ以上、好ましくは２５ｍｍ以上の幅を有する必要がある。

本実施例の遮光シートの取り付けは、遮光シートを頭部装着プローブの当てパッドに予めはめ込んで装着することにより、容易に取り付けることができる。

本実施例では、遮光シートの上から頭部装着プローブを取り付けるため、遮光シートの皮膚への取り付け手段は必ずしも必要ないが、実施例１と同様に、遮光シートの皮膚面側に粘着性を持たせても良い。

図５に、本発明の実施例３の遮光帽から成る遮光具を示す。この遮光帽５０は、顔の前面上部および前頭部を覆う形状を備えるとともに、目部に対応する位置に孔５３を形成している。また、実施例２と同様に、頭部装着プローブの光照射部および光検出器の位置に対応して、光照射部および光検出器を通すための孔５５を備えている。

図６に、本発明の実施例４の遮光眼鏡からなる遮光具を示す。この遮光眼鏡は、頭部装着プローブを装着した状態で、眼鏡と同様に装着することにより、外部からの光を遮光するものである。通常の眼鏡の上から使用できるサイズとしてもよい。

図６（ａ）（ｂ）は、遮光眼鏡の斜視図を示し、図６（ｃ）は、遮光眼鏡の正面図を、図６（ｄ）は、通常の眼鏡を掛けた上から遮光眼鏡を装着した状態の、側面図を示す。遮光眼鏡６０は、上部の遮光つば部６２を備えており、遮光キャップ３０の上から遮光眼鏡を装着した際に、上部の遮光つば部６２が遮光キャップ３０とオーバーラップするように構成する。視線検出装置による下方からの近赤外線照射と、被験者の必要な視界は確保し、視界の両側および上部は遮光する。そして、目部の開口部は極力小さくするとともに、側部の遮光つば部６４などにより横および目尻下部も極力遮光する構造とする。

遮光眼鏡の内側には、内部のつば部６６を備えている。この内部のつば部により、眼鏡の使用を可能にするための額部との隙間を埋めるとともに、下方からの侵入光を遮り、また、眼鏡６８のフレームに乗っかかるようにしてずり落ちを防止することができる。また、本遮光眼鏡６０と遮光キャップ３０とを面ファスナーで接続できるようにすることにより、更に、ずり落ちを防止することができる。

図７（ａ）に、生体光計測装置の頭部装着プローブを装着し、その上から遮光キャップ３０を装着し、本実施例の遮光眼鏡６０を装着した状態を示す。また、図７（ｂ）に、通常の眼鏡６８を使用し、その上から本実施例の遮光眼鏡６０を装着した状態を示す。遮光眼鏡を眼鏡の上から使用できるサイズとすることにより、眼鏡使用時でも、非使用時でも本実施例の遮光眼鏡を使用することができる。

実施例５は、生体光計測装置を用いて頭部血流の計測に先立って、被験者が実施例１〜４などの遮光具を装着しているか否か、遮光具の装着が十分であるかどうかのチェック方法およびチェック装置に関するものである。

図１１に示す視線検出装置１５０では、近赤外ＬＥＤ１６０から特定の周波数の光を被験者に照射し、目の網膜からの反射を近赤外カメラ１７０で撮影することにより、被験者の視線の位置を検出している。そのため、視線検出装置からの光を頭部装着プローブの光検出器で検出すると、特定の周波数のノイズとして表れるため、単に光の強度を時間軸で測定しても、視線検出装置からの光を遮光具で遮光しているか否かを検出することが困難である。

図１２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、光検出器による光の検出強度を時間軸ｔおよび周波数軸ｆで表したものである。図１２（ａ）に示すように、時間軸上で光の強度を見ても視線検出装置からの光が混入しているか明らかでないが、図１２（ｂ）に示すように、周波数スペクトルとして表示すると、視線検出装置の光の周波数にスペクトルのピークが表れる。このスペクトルのピークが表れるか否かを見ることにより、視線検出装置からの光が混入していることを検出し、遮光具の装着を忘れていたり、装着の不良をチェックすることができる。

図１３は、遮光具装着のチェックのフローを示す図である。チェックを開始する（Ｓ１３０１）と、先ず、光検出器からの信号強度により、光の強度を測定する（Ｓ１３０２）。太陽光や蛍光灯などの照明光の場合は、検出光の強度が基準値よりも大である場合（Ｓ１３０３）は、遮光具を装着していない、或いは、装着が不完全と判断して、「外光が影響しています。」などのワーニングを表示する（Ｓ１３０４）。Ｓ１３０３で検出光の強度が基準値より小さい場合に、光検出器からの検出信号のスペクトルを測定し、表示する（Ｓ１３０５）。視線検出装置からの視線検出光のスペクトルが検出された場合（Ｓ１３０６）は、視線検出光の遮光が不十分と判断して、「外光が影響しています。」などのワーニングを表示する（Ｓ１３０４）。Ｓ１３０６で視線検出光のスペクトルを検出しない場合は、遮光具の装着に不備は無いと判断して、計測を進める（Ｓ１３０７）。

図１４に、遮光具装着のチェック装置の概略ブロック図を示す。遮光具装着チェック装置２００は、周波数スペクトル測定部２０２、視線検出光スペクトル検出部２０４およびワーニング信号出力部２０８を備えている。光検出器からの光検出信号は、周波数スペクトル測定部２０２に入力され、周波数スペクトルが測定される。視線検出光スペクトル検出部２０４では、測定された周波数スペクトルから、視線検出装置の視線検出光のスペクトルの有無を検出する。視線検出光のスペクトルが検出されると、遮光具を装着していない、或いは装着が不完全であり、遮光が不十分であると判断して、ワーニング信号出力部２０６からワーニング信号を出力する。ワーニング信号に基づいて、遮光不良のワーニングを出す。例えば、表示部２０８に、「外光が影響しています。」などのワーニングを表示する。ワーニングとしては、他の方法として、ランプを点滅させてもよいし、音で警報してもよい。

図１３に示す遮光具装着のチェック方法、或いは、図１４に示す遮光具装着のチェック装置によれば、遮光具の装着のし忘れ、或いは、遮光具装着の不良をチェックすることができ、遮光具を確実に装着した状態で生体光計測を行うことができる。

１０頭部装着プローブ
１２光照射部
１４光検出器
２０遮光シート
３０遮光キャップ
４０遮光シート
４５光照射部および光検出部用孔
５０遮光帽
５３目部用孔
５５光照射部および光検出部用孔
６０遮光眼鏡
６２上部遮光つば部
６４側部遮光部
６６内側つば部
６８眼鏡
１００生体光計測装置
１１０頭部装着プローブ
１２０頭部装着プローブ制御ボックス
１３０生体光計測装置制御用パソコン
１４０ディスプレイ
１５０視線検出装置
１６０近赤外ＬＥＤ
１７０近赤外カメラ
１８０処理装置
２００遮光具装着チェック装置
２０２周波数スペクトル測定部
２０４視線検出光スペクトル検出部
２０６ワーニング信号出力部
２０８表示部

Claims

生体光計測装置の頭部装着プローブとともに用いられる頭部血流計測用遮光具の装着のチェック方法であって、
光検出器からの光検出信号の周波数スペクトルを測定し、表示するステップと、
視線検出装置からの視線検出光のスペクトルが検出された場合に、前記遮光具の装着が不完全と判断するステップと
を含む遮光具の装着のチェック方法。
生体光計測装置の頭部装着プローブとともに用いられる頭部血流計測用遮光具の装着のチェック装置であって、
光検出器からの光検出信号の周波数スペクトルを測定する周波数スペクトル測定部と、
測定された周波数スペクトルから、視線検出装置の視線検出光のスペクトルの有無を検出する視線検出光スペクトル検出部と、
視線検出光のスペクトルが検出されるとワーニング信号を出力するワーニング信号出力部と
を備えた遮光具の装着のチェック装置。