JP6118512B2

JP6118512B2 - 生体光計測装置

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Publication number: JP6118512B2
Application number: JP2012150067A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　大介; 大介鈴木; 木口　雅史; 雅史木口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: US20140012136A1; JP2014012057A

Description

本発明は、光計測による生体計測装置に関するものである。

生体光計測装置として、光トポグラフィー装置と呼ばれる計測装置が知られている。この装置は、光照射を行う光源プローブと光受光を行う受光プローブを生体計測対象に多数配置し、生体内で散乱した透過光の違いを計測することにより、生体情報、たとえば、血液の流れの変化などを計測する装置である。

光源プローブと受光プローブは計測対象上に決められたプローブ間距離をとって計測対象の皮膚に配置される。生体の表面は凹凸や曲面を持つため、その凹凸を吸収するために、プローブはばね等により力を加えながら皮膚に接触しする構造となっている。生体情報の分布を計測する場合には、光源プローブと受光プローブを計測部位、例えば、頭部に多数密着するように取り付けて、各光源プローブから近赤外線を照射して各受光プローブで散乱してきた透過光の計測を行う。

この光トポグラフィー装置において、光の透過光を計測するため計測中の光源側プローブ及び受光側プローブの生体への接触状態は一定に保つ必要があった。皮膚への接触状態が変化してしまうと、組織の血流変化等に伴わない入射光の強度や受光強度の変化が生じてしまい、計測結果に雑音成分（擬似信号）として重畳してしまう懸念があった。そのため、通常、光トポグラフィーの計測の際、被験者はなるべく動かず、プローブの接触状態を変化させないように計測する。この被験者の動き等に対応するため、特許文献１には、プローブに加速度センサーを備え、加速度計で被験者の動きを計測し、許容量以上の動きを検出した場合には、その期間の計測信号に雑音が重畳しているとする補助信号を記録する方法が記載されている。また、加速度信号により動きを計測し、その動きより雑音量を算出して雑音除去を行う方法もあるが、加速度信号とプローブと皮膚との接触状態の変化は皮膚の状態や生体の組織の状態や、プローブを生体に固定する状態により大きく依存するため、加速度と雑音量が必ず再現良く相関するとは限らないことがあった。

特表2005-535408

光トポグラフィーの計測中、被験者が動いたり、姿勢を変化させてしまった場合、計測信号にプローブの接触状態の変化に起因する血流変化とは関係が無い雑音成分（擬似信号）が重畳してしまい、血流変化の計測が正確に計測できない場合があった。特に、脳血流の変化の時間応答と動きによる雑音成分の時間応答が同じような周波数帯域であった場合、信号と雑音の分離は困難であった。しかしながら、被験者に不動を強いること、また一連の計測中に、信号と分離困難な雑音を発生する虞れのある動きがあったらその計測を無効にして再計測する手法を取ることは、いずれも被験者にとって負担が大きい。したがって、これらの手法にのみ頼ることはこの種の生体計測装置の適用範囲を広める上での阻害要因となる。

そこで本発明は、被験者の動きによる計測結果の破棄、計測のやり直しの発生を軽減し、被験者にとって負担の小さい生体光計測装置を提供することを目的とする。

本発明の代表的特徴に従う生体光計測装置は、少なくとも1つのプローブにプローブと皮膚との接触圧力を検出できるセンサーを備えており、血流計測の前に、接触圧の変化したときに、計測信号にどの程度雑音信号が重畳するかを予め校正計測を行う。この圧力変化と重畳雑音信号（擬似信号）の校正結果は、被験者の皮膚の状態や、プローブを装着したときの状態によって大きく変化するため、被験者にプローブを装着するごとに校正を行う。校正計測の方法は被験者には血流の増加をさせず安静状態にして、プローブに圧力を加え、そのときの圧力信号と信号計測し、校正計測とする。プローブに圧を加える方法としては個々のプローブに直接圧を加える方法や被験者の姿勢を傾かせ、プローブが受ける重力の方向を変化させることにより、接触圧を変化させる方法などをとる。この校正計測を元に、本計測中、動きなどにより、接触圧が変化が変化し、雑音が重畳した場合でも、同時に計測している圧力信号により重畳した雑音を差し引くことにより、目的とする血流変化による信号を補正算出することができる。

従来の光トポグラフィーの計測では計測中、計測部位が傾いたり、動いたりすると、雑音成分（擬似信号）が重畳し、本来目的とする血流変化に伴う信号が雑音成分に埋もれてしまい、判断できなくなってしまうことがあったが、本方法により、計測中、被験者の動きなどが発生しても、その期間の信号を有効に計測できる。

また、被験者の動きが伴う条件での計測では、動きとは同期しない負荷を被験者に定期的に与えて、その計測結果を加算平均することにより、動きによる雑音成分を除去する方法が取られるが、その場合、複数回計測するため、計測時間が長くなってしまうが、本方法により、加算回数が少なくなる、もしくは加算平均が必要なくなり、短時間で計測を行うことができる。

実施例の生体光計測装置の全体構成示した斜視図である。実施例のプローブおよび計測制御回路のブロック回路図である。実施例の光源プローブの縦断面を示す断面図である。実施例の受光プローブの縦断面を示す断面図である。実施例の計測手順の流れ図である。圧力データによるトポグラフィー信号の雑音除去の実例を示す波形図である。 3軸の圧力センサーを備えた受光プローブの水平断面を示す断面図である。ルップアップテーブルにより雑音成分を導出する変形例の計測手順の流れ図である。

以下、図１から図８を参照して、この実施の形態に係る光計測装置を具体的に説明する。この実施の形態に係る光計測装置は、脳内のある部位が活動をすると、それに伴って、その部位に酸素を送る為の血液量が増大することを利用して、生体内の局所的な血液動態変化を計測する装置である。具体的には、頭皮上から近赤外光を照射し、この近赤外光が血液中のヘモグロビンによる散乱を計測することで、大脳の表面付近の血液量の変化を計測し、それを２次元的なマップ等に表わすなどして簡便に脳の働きを観察することができる。ここで、近赤外光とは、可視光より波長の長い領域の電磁波である。

先ず、図１は計測システム全体を示した斜視図である。光学計測装置は測定対象3の血液量の変化を計測する。光学計測装置の本体１には複数の計測制御回路６を備える。複数の光源プローブ4および受光プローブ5が信号ケーブル7を介して計測制御回路の本体１と接続される。さらに本体１には制御線ケーブル8を介してデータ収録制御装置2が接続され、以上により計測システムが構成される。

測定対象の血液変化を計測するには各プローブを測定対象の皮膚に当てて測定を行う。計測制御回路6は光源の強度、発光タイミング制御、受光センサーの数値変換、プローブと皮膚との接触圧を計る圧力センサーの数値化などを行う。光学計測装置は計測制御回路と接続されたデータ収録制御装置2により制御される。計測制御回路とデータ収録制御装置との接続は制御線ケーブル8ではなく無線方式による接続でも良い。

図２は１チャネル分の光学計測装置を示した図である。１つの計測領域に対して光源プローブ4と受光プローブ5がペアになり計測される。ペアとなるプローブの少なくとも一方に圧力センサーが装備され、計測中のプローブと皮膚との接触圧力を計測できる構成となっている。図示の例では、光源プローブ4に圧力センサー9-1を装備し、受光プローブ5にも圧力センサー9-2を装備した構成を示す。また広い領域の面内分布を計測する場合、ペアのローブが複数配置され計測する構成をとることができるが、この場合、１つのプローブに圧力センサーを装備する構成、1つのペアの両プローブに圧力センサーを装備する構成、全プローブに圧力センサーを装備する構成とすることができる。

各プローブは、計測制御回路６より、制御される。マイクロコンピュータ23で生成する変調された光制御信号は緩衝器25-1を介して光源プローブ4に出力される。受光プローブ5の光検出信号は、信号増幅器20-1、同調検出器24およびバンドパスフィルター21-1を介してマイクロコンピュータ23に伝達される。同調検出器24では、クロック22の出力する参照信号に基づき光検出信号を同期検波する。圧力センサー9-1および9-2からの圧力検出信号はそれぞれ信号増幅器20-2とフィルター21-2、信号増幅器20-3とフィルター21-3を経由してマイクロコンピュータ23に伝達される。またマイクロコンピュータ23は、光検出信号と圧力検出信号をデジタル変換して取り込み、緩衝器25-2を介してデータ収録制御装置２へ伝える。

図３は光源プローブ4の縦断面図を示す。光源プローブ4はプローブケース10、稼動部11、光源12、光ガイド121、光源駆動回路13、ばね14、圧力センサー9-1、押さえ板15、信号ケーブル7から構成される。稼動部11はばね14により押さえられている。これに伴い、光源12および先端がプローブケース4から突出した光ガイド121もばね14の反発力で押圧されている。この構造により、プローブケース14を図では省略された装着用の部材により測定対象3に装着した時、の凹凸を吸収して光ガイド121の先端を所定の圧力の範囲内で検査対象３の皮膚に圧着させることが可能となる。圧力センサー9-1はプローブケース10と押さえ板15との間に配置され、稼動部11によりばね14が押し込まれると、そのときの圧力、すなわち光ガイド121と検査対象との接触圧力を計測することが可能となる。押さえ板15は、稼動部11とプローブケース10との圧力が均一に加わるように配置されている。

図４は受光プローブ5の縦断面図を示す。受光プローブ5はプローブケース10、稼動部11、受光センサー16、光ガイド161、受光センサー回路17、ばね14、圧力センサー9-2、押さえ板15、信号ケーブル7から構成される。光源プローブ4の各部分と同様な構造、同様な機能をもつ部分には図３と同一の符号を付した。つまり受光プローブでは、稼働部11、受光センサー16、光ガイド161がばね14により押さえられている。上述した光源プローブと全く同様に、測定対象の頭部の凹凸を吸収して光ガイド161が所定の圧力範囲で頭部に圧着する。また光ガイド161と検査対象の接触圧力が圧力センサーで計測される構造となっている。

図５は実施例における校正計測、本計測の手順を示した流れ図である。まず、S101では被験者にプローブを装着させ、計測できる体制をとる。次に、S102では校正計測、すなわち校正データの収録を行う。このとき、各プローブに力を加え、その該当するチャネルの校正データを計測する。本計測時に被験者の動きなどによりプローブの接触圧力（プローブの光ガイドの先端と皮膚とが接触する圧力）が変化する範囲を十分に含むように、プローブに加える力を順次変化させ、各接触圧力に対応する光トポグラフィー出力を校正データとして収録する。この校正計測中、被験者は血流変化を伴わないように安静にしながら計測を行う。このようにして得る光トポグラフィー出力は、被験者の脳活動を反映したものではなく、専らプローブの接触圧力に依存する信号であり、脳血流信号の計測に混入する疑似信号と見なせる。以上の校正データ収録は、S103にて、計測に必要な計測点において校正に用いる近似式の導出に十分なデータが揃ったと判定されるまで、接触圧力を変えながら繰り返し行う。次にS104では収録された校正データ（圧力と擬似信号の組）を用いて、入力変数を圧力とした時、出力が擬似信号となる関数（圧力校正近似式）を決定する。

ここで求める関数は、１次から５次関数で示される多項式関数である。代表的には２次多項式関数で圧力に対応する疑似信号を適切に近似できる。この場合、S104の処理は、（数１）の式の係数A、B、Cを収録された校正データにより求める処理となる。

T = A + Bｘ+ Cｘ² ・・・（数１）
ただし、ｘは圧力値、Tがトポグラフィー信号値（疑似信号）である。

次にS105では、決定した圧力校正近似式を、被験者情報、計測構成情報などとセットにして記録する。以上の校正データの収録及び近似式の導出並びに記録はデータ収録制御装置２で行われる。

S106以降は本計測に入る。脳血液動態変化の計測では、刺激を被験体に与える、もしくは被験体に何らかの負荷を課する等を実行し、それに対する脳の局所的な状態変化を光トポグラフィー信号から得る波形により観察することがよく行われる。ここで云う本計測は、屡々このような刺激付与や課題実行を伴う計測である。S107では、この本計測の光トポグラフィー信号のデータと、計測中のプローブ接触圧力のデータとを取得して記録する。本計測では計測中、随時、計測データから圧力データより近似される雑音成分を除去する方法と、計測データと圧力データを記録しておき、計測終了後、計測データから近似式を用いて雑音成分を除去する方法とがある。S108ではデータ収録制御装置2に設定された処理モードが前者の方法に従う処理（リアルタイム処理）か否かを判定する。判定がリアルタイム処理の場合はS109ではデータ収録制御装置2にて、圧力検出値を先に決定した圧力校正近似式に代入して疑似信号の値を推定し、計測で得た光検出信号値から疑似信号推定値を減算して雑音成分を除去した光トポグラフィー信号のデータを得る。また、そのデータが示す応答波形をデータ収録制御装置2に表示する。S108の判定がリアルタイム処理でない場合は、S110にて伝達された光検出信号値が示す応答波形をそのまま表示する。なお、随時雑音成分を除去する方法を取るとき、近似式を計測制御回路に反映させて、雑音除去をしたデータを記録する方法や、データ収録制御装置において近似式により導出した雑音成分を除去して記録する方法がある。

図６は実際に圧力センサーから得られた受光プローブの圧力信号をもとに２次多項式関数を圧力校正近似式として算出し、トポグラフィー信号から雑音成分を除去した例を示す図である。図中、横軸は時間、縦軸はトポグラフィー信号強度と、プローブの圧力値である。ともに単位は任意となっている。実線26で示されているのが、雑音成分を除去する前のトポグラフィー信号を示す。丸実線27で示されているのがプローブの接触圧力値である。星実線28で示されているのが圧力から換算した疑似信号（雑音成分）を除去したトポグラフィー信号である。この例では、（数１）の多項式関数を圧力校正近似式として用いた。収録した校正データにより導出した係数の値は、A = 0.93420, B = -0.181892, C = -0.023618 であった。

以上に述べた実施例では、光源プローブもしくは受光プローブに装備された圧力センサーは被験者の表皮に対して垂直方向の接触圧力を検出していた。しかし、被験者の動きに起因して、被験者に押しあてるように装着されたプローブにかかる圧力の変化は、垂直方向だけでなく、横方向の圧力変化もある。プローブの光検出信号はこの横方向の圧力変化にも影響される。そこで、垂直方向の圧力検出器に加えて水平方向２軸の圧力検出器をプローブに設けて合計３軸の圧力を検出するようにした変形が有効である。図７はこのような３軸の圧力を検出して校正データを蓄積し、また３軸方向の圧力で疑似信号を推定して
トポグラフィー信号の校正を行う変形例に用いる受光プローブの構造を示す。図７はプローブの軸に垂直な水平断面を示す断面図である。プローブケース10の内部で、図に現れないばね（図４を参照）で垂直方向に押圧されている稼働部11は、ばね14-2とｘ方向圧力センサー18に挟まれ、またばね14-3とｙ方向圧力センサー19に挟まれてプローブケースの内部に配備される。図４に示したのと同様な光ガイドの先端にかかる横方向の圧力はｘ方向圧力センサー18、ｙ方向圧力センサー19で検出される。上述の（数１）を拡張した多項式関数、すなわち垂直方向接触圧力とｘ方向圧力とｙ方向圧力とを変数とする多項式関数の係数を校正計測の結果により特定すれば、３軸方向の圧力で疑似信号を推定する多項式が得られる。

図８は校正計測、本計測の手順の変形例を示した流れ図である。この例では、S201〜S203の計測準備と校正計測による校正データ収録までの手順は図５のS101〜S103と全く同様である。次にS204では圧力校正近似式を導出するのに代えて、校正計測でのプローブの接触圧力と光トポグラフィー出力の検出値を表に記録する。詳しくは、これらの校正データを最小分解圧力値ごとに順番に並べ変えて圧力と疑似信号の変換表として記録する。このとき、各プローブに力を加え、その該当するチャネルの校正データを計測する。このとき、計測中、動きなどにより変化する圧力に相当する力が十分に含まれるはんいで、加える力を変化させ、校正データを収録する。このとき、各プローブに個別に力を加える方法や、被験者の姿勢を多数方向に変化させることにより対応する方法がある。このとき、被験者は血流変化を伴わないように安静にしながら校正計測を行う。図７では圧力センサーに対応する校正データ表として記録し、S203〜S210に示す本計測の手順も図５のS104〜S111の手順と基本的には同様である。ただしS208での光検出信号からの雑音成分の除去の段階で具体的な方法が異なる。すなわちS208では、本計測でのプローブ接触圧力の検出値と校正データ表に記録された圧力を比較し、校正データ表に記録された圧力のうち、接触圧力の検出値に一番近い圧力に対応する疑似信号の値を読み出し、光検出信号の値から読み出した疑似信号の値を差し引いて校正を行う。この様に、図８の手順では、圧力校正近似式にプローブ接触圧力を代入して雑音成分を推定し、校正するのに代えて、ルックアップテーブル方式で雑王成分の推定を行う。脳活動を適切に表す血液動態の波形を得るためには、図５の手順に比べてより細かい接触圧力の変化幅で校正計測を行って校正データ表を準備しておく必要がある。。

本発明により光トポグラフィー計測の波形に混入する雑音成分を有効に排除でき、もって計測にかけられる被験者の動きの許容度が増して被験者の負担を軽減できるので、この種の装置の適用が促進されることが期待される

1 光学計測装置本体
2 データ収録制御装置
3 被験者
4 光源プローブ
5 受光プローブ
6 計測制御回路
7 信号ケーブル
8 制御線ケーブル
9-1、9-2 圧力センサー
10 プローブケース
11 稼動部
12 光源
13 光源駆動回路
14、14-2、14-3 ばね
15 押さえ板
16 受光センサー
17 受光センサー回路
18 x軸圧力センサー
19 y軸圧力センサー
20-1、20-2、20-3 信号増幅器
21-1、21-2、21-3 バンドパスフィルター
22 クロック
23 マイクロコンピュータ
24 同調検出器
25-1、25-2 緩衝器
26 雑音成分が含まれるトポグラフィー信号
27 圧力信号
28 ２次の多項式関数で補正式を求め、雑音成分を除去したトポグラフィー信号

Claims

計測対象に適用され、光源からの照射光の経路となる第１の光ガイドを前記計測対象に表皮に圧着する機構を有する光源プローブと、
前記計測対象に適用され、前記計測対象からの受光センサーに至る光の経路となる第２の光ガイドを前記計測対象の表皮に圧着する機構を有する受光プローブと、
前記光源の駆動を制御し、かつ前記受光センサーからの光検出信号を取り込む計測制御回路とを備え、前記計測対象の内部を散乱して透過した光の強度変化から前記計測対象の内部情報を測定する生体光計測装置において、
少なくとも前記光源プローブ及び前記受光プローブの一方に、前記第１、第２の光ガイドのうちの該当するものの前記計測対象への接触圧力を検出する圧力センサーを備え、
かつ、事前の校正計測時に前記圧力センサーから得る前記接触圧力の複数の値に対して、前記受光センサーの光検出信号の値をそれぞれ対応付け、それら値の組を校正データとして収録し、かつ本計測時の前記受光センサーの検出信号値から前記校正データに基づく疑似信号の推定値を差し引いて雑音成分を除去した前記計測対象内部の動態変化を示すデータとするデータ収録制御装置を備え、
前記データ収録制御装置は、前記校正データに基づき、接触圧力から疑似信号を換算する圧力校正近似式を決定し、本計測時の光計測信号の検出値から、前記圧力校正近似式に前記光計測信号の検出値の検出時点の接触圧力の検出値を代入して得る疑似信号の推定値を差し引き、
前記圧力校正近似式は接触圧力を変数とする多項式であり、前記校正データに基づいて多項式の係数が決定されて該圧力校正近似式が特定されることを特徴とする生体光計測装置。
前記データ収録制御装置は、校正計測時に前記圧力センサーから得る前記接触圧力の複数の値と、対応する前記受光センサーの光検出信号の値との組を校正データ表に保存し、前記校正データ表に記録された接触圧力の値のうち前記光計測信号の検出値の検出時点の接触圧力にもっとも近い値の接触圧力に対応する光検出信号の値を読み出して前記疑似信号の推定値とする請求項１に記載の生体光計測装置。
前記光源プローブ及び前記受光プローブの一方には、前記光ガイドにかかる水平方向の圧力を検出する水平圧力センサーを更に備え、前記圧力センサー及び前記水平圧力センサーの出力の種々の値に対して校正データを取得することを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。