JP6211628B2 - 生体光計測装置およびそれを用いた生体光計測方法 - Google Patents
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Description
本発明は、可視光または近赤外光を用いた生体光計測装置において、信号成分に混合する皮膚血流成分等の表層成分の影響を分離、除去するための技術に関する。
光トポグラフィ法を含む、NIRSを用いた無侵襲光脳機能イメージングで得られる光検出信号および生体信号（以下、NIRS信号）においては、光を頭皮上から照射するために、頭皮における皮膚血流変動の影響を受ける可能性があるとの報告がある。このような皮膚血流の影響を考慮して、それらの成分を抽出・除去する方法が研究されている。これらの多くは複数の照射−検出器（送光器−受光器）間距離（以下、SD（Source Detector）距離）方式により深さの異なる部位からの信号成分を取得しており、これらを用いて浅い層部分の計測信号に影響が載ると思われる皮膚血流由来信号を除去しようとするものである。複数のSD距離において計測する方式を、以下ではマルチSD方式と呼ぶ。
例えば、短SD距離、長SD距離のそれぞれで頭皮と脳（灰白質）における光路長を用いて連立方程式により頭皮と脳（灰白質）における吸収係数を決定する方法がある（例えば、非特許文献２参照）。ただしこの方法では、頭部構造を2層モデルと仮定しており、さらに各層の部分平均光路長を仮定する必要があるが、被検者の光路長の推定は困難である。
また、適応フィルタを用いた引き算法が提案されており、この手法では、長SD距離における計測信号（以下、長SD信号）から短SD距離における計測信号（以下、短SD信号）に適当な係数を乗じた値を引くことで、皮膚血流由来信号を除去する（例えば、非特許文献３参照）。また、線形回帰を用いた引き算法として、短SD信号を長SD信号に線形回帰させたフィッティング信号を長SD信号から差し引くことで脳活動信号を求める方法が提案されている（例えば、非特許文献４参照）。
これに関連する技術として、以下の方法が開示されている。
特許文献２には、複数の送光プローブと、複数の受光プローブとを有する送受光部を用いて、皮膚血流等による不要な情報を除去することができる光計測装置を提供することを目的とし、複数照射−検出器ペアを、中点が等しくなるように配置し、計測を実施し、演算処理により不要な情報を除去する方法がある。また、特許文献３には、1つの光源に対して2つの検出器を用いる装置構成で、2つの検出器から得られた情報を適切に区別することによって、隣接する組織との重なり等に起因する影響なしに、脳組織自体内の状態を主に特徴づける結果を得る方法がある。さらに、特許文献４、５、６には、吸光度変化を算出し、長SD信号と短SD信号とで引き算等の演算を行う方法がある。ただし、これらの手法には、以下に述べる課題があった。
第一に、各SD距離での計測信号間における引き算等の演算における、各種係数の決め方が難しいという課題がある。このような演算において、各種係数は結果に影響するため、適切な値を設定する必要がある。また、短SD信号取得において、SD距離をしばしば10 mm 以下とし、脳血流に左右されず皮膚のみの吸収変化に左右される信号成分を取得しているため、脳・皮膚血流由来成分の振幅比が未知であり、演算における適切な係数を決めることが困難になる。皮膚の寄与と脳の寄与を含む長SD計測信号を適切に補正するためには、皮膚・脳の各寄与率および光路長比を知る必要がある。
さらに、短SD信号を長SD信号にフィッティングさせることは、皮膚血流由来信号と脳血流由来信号が独立ではない場合、つまり、皮膚血流由来信号と脳血流由来信号に相関がある場合、長SD信号から、脳血流由来信号を除去してしまう可能性を排除できない。
これらを解決する手段として、特許文献７には、複数のSD距離を用いて計測した信号から、独立成分解析を用いて算出した独立成分ごとに、SD距離依存性を用いて脳血流由来の信号成分と皮膚血流由来の信号成分に分離し、各々のSD距離における脳血流由来信号と皮膚血流由来信号を再構成する方法が開示されている。
特許文献２には、複数の送光プローブと、複数の受光プローブとを有する送受光部を用いて、皮膚血流等による不要な情報を除去することができる光計測装置を提供することを目的とし、複数照射−検出器ペアを、中点が等しくなるように配置し、計測を実施し、演算処理により不要な情報を除去する方法がある。また、特許文献３には、1つの光源に対して2つの検出器を用いる装置構成で、2つの検出器から得られた情報を適切に区別することによって、隣接する組織との重なり等に起因する影響なしに、脳組織自体内の状態を主に特徴づける結果を得る方法がある。さらに、特許文献４、５、６には、吸光度変化を算出し、長SD信号と短SD信号とで引き算等の演算を行う方法がある。ただし、これらの手法には、以下に述べる課題があった。
第一に、各SD距離での計測信号間における引き算等の演算における、各種係数の決め方が難しいという課題がある。このような演算において、各種係数は結果に影響するため、適切な値を設定する必要がある。また、短SD信号取得において、SD距離をしばしば10 mm 以下とし、脳血流に左右されず皮膚のみの吸収変化に左右される信号成分を取得しているため、脳・皮膚血流由来成分の振幅比が未知であり、演算における適切な係数を決めることが困難になる。皮膚の寄与と脳の寄与を含む長SD計測信号を適切に補正するためには、皮膚・脳の各寄与率および光路長比を知る必要がある。
さらに、短SD信号を長SD信号にフィッティングさせることは、皮膚血流由来信号と脳血流由来信号が独立ではない場合、つまり、皮膚血流由来信号と脳血流由来信号に相関がある場合、長SD信号から、脳血流由来信号を除去してしまう可能性を排除できない。
これらを解決する手段として、特許文献７には、複数のSD距離を用いて計測した信号から、独立成分解析を用いて算出した独立成分ごとに、SD距離依存性を用いて脳血流由来の信号成分と皮膚血流由来の信号成分に分離し、各々のSD距離における脳血流由来信号と皮膚血流由来信号を再構成する方法が開示されている。
但し、この方法では独立成分解析を用いているため、計測信号はある期間の時系列信号である必要があった。そのため、計測後に皮膚血流由来信号と脳血流由来信号を分離する処理がなされ、計測中に結果を得ることができなかった。
本発明は、NIRS信号に含まれる、脳血流由来信号と皮膚血流由来信号を、計測中に分離、抽出することを目的とする。
本発明では、特に、同時とみなせるタイミングで計測された複数のSD距離のヘモグロビン濃度長変化の計測値を、SD距離依存性を用いて皮膚血流由来信号と脳血流由来信号成分にリアルタイムで分離することを特徴とする。
本発明によれば、脳血流由来信号および皮膚血流由来信号を、計測中にリアルタイムで分離抽出して計測を行うことが可能となる。これにより、脳血流由来信号が十分な精度で計測できない場合には、計測を中断してやり直すことができ、効率的かつ確実なデータ取得が可能となる。
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１に、本発明における装置構成の一例を示す。光を生体に入射し、生体内を散乱・吸収され伝播して出てきた光を検出できる生体光計測装置において、装置本体２０に含まれる１つまたは複数の光源１０１から照射される光３０を、導波路４０を介して、被検者１０に入射させる。光３０は、照射点１２から被検者１０内に入射し、被検者１０内を透過、伝播した後は、照射点１２とは離れた位置にある検出点１３から導波路４０を介して、１つまたは複数の光検出器１０２で検出される。SD距離は、前述のように照射点１２と検出点１３間の距離で定義される。
ここで、１つまたは複数の光源１０１は半導体レーザ（LD）や発光ダイオード（LED）等であり、１つまたは複数の光検出器はアバランシェフォトダイオード（APD）やフォトダイオード（PD）、光電子増倍管（PMT）等であれば良い。また、導波路４０は光ファイバ、ガラス、ライトガイド等であれば良い。
光源１０１は、光源駆動装置１０３により駆動され、１つまたは複数の光検出器１０２のゲインは制御・解析部１０６により制御される。制御・解析部１０６は、光源駆動装置１０３の制御も行い、入力部１０７からの条件等の入力を受ける。
光検出器１０２で光電変換した電気信号は、増幅器１０４で増幅され、アナログ−デジタル変換器１０５でアナログ−デジタル変換され、制御・解析部１０６へ送られ、処理される。
ここで、１つまたは複数の光源１０１は半導体レーザ（LD）や発光ダイオード（LED）等であり、１つまたは複数の光検出器はアバランシェフォトダイオード（APD）やフォトダイオード（PD）、光電子増倍管（PMT）等であれば良い。また、導波路４０は光ファイバ、ガラス、ライトガイド等であれば良い。
光源１０１は、光源駆動装置１０３により駆動され、１つまたは複数の光検出器１０２のゲインは制御・解析部１０６により制御される。制御・解析部１０６は、光源駆動装置１０３の制御も行い、入力部１０７からの条件等の入力を受ける。
光検出器１０２で光電変換した電気信号は、増幅器１０４で増幅され、アナログ−デジタル変換器１０５でアナログ−デジタル変換され、制御・解析部１０６へ送られ、処理される。
制御・解析部１０６では、光源駆動装置または/および光検出器を制御する制御部と、光検出器で得られる信号を解析する解析部を有し、光検出器１０２で検出された信号に基づき解析を実行する。具体的には、アナログ−デジタル変換器１０５で変換して得られたデジタル信号を受け当該デジタル信号をもとに、例えば非特許文献１に記載されている方法に基づいて、検出光量変化もしくは吸光度変化から、酸素化、脱酸素化ヘモグロビン濃度長変化（oxy-Hb、deoxy-Hb）を算出する。ここで、濃度長変化とは濃度と光路長の積の変化量である。
ここでは、制御・解析部１０６は光源１０１の駆動、光検出器１０２のゲイン制御、アナログ−デジタル変換器１０５からの信号処理を全て行うことを想定して記述したが、それぞれ別個の制御部を有し、さらにそれらを統合する手段を有することでも同機能を実現できる。
また、受光量検出信号およびこれらを用いて算出された酸素化または脱酸素化ヘモグロビン濃度長変化信号は、記憶部１０８に保存され、解析結果および／または保存データに基づいて表示部１０９で計測結果を表示することが可能である。
送光器５０、受光器６０は、図１に記載していないが、送光器５０は、例えば光源１０１側の導波路４０を含み、被検者１０に接触あるいは接触に近い状態で設置され、受光器６０は、例えば光検出器１０２側の導波路４０を含み、被検者１０に接触あるいは接触に近い状態で設置される。このとき、被検者１０上においては、各受光器が受光する光が、灰白質、頭皮をともに伝播するよう、各々の送光器５０、受光器６０が配置される。
ここでは、制御・解析部１０６は光源１０１の駆動、光検出器１０２のゲイン制御、アナログ−デジタル変換器１０５からの信号処理を全て行うことを想定して記述したが、それぞれ別個の制御部を有し、さらにそれらを統合する手段を有することでも同機能を実現できる。
また、受光量検出信号およびこれらを用いて算出された酸素化または脱酸素化ヘモグロビン濃度長変化信号は、記憶部１０８に保存され、解析結果および／または保存データに基づいて表示部１０９で計測結果を表示することが可能である。
送光器５０、受光器６０は、図１に記載していないが、送光器５０は、例えば光源１０１側の導波路４０を含み、被検者１０に接触あるいは接触に近い状態で設置され、受光器６０は、例えば光検出器１０２側の導波路４０を含み、被検者１０に接触あるいは接触に近い状態で設置される。このとき、被検者１０上においては、各受光器が受光する光が、灰白質、頭皮をともに伝播するよう、各々の送光器５０、受光器６０が配置される。
次に、脳血流由来信号と皮膚血流由来信号の分離抽出法について説明する。以下では、NIRS計測で得られるヘモグロビン濃度長変化のうち、振幅の大きな酸素化ヘモグロビン濃度長変化（oxy-Hb）のみに脳血流由来について述べるが、酸素化ヘモグロビン濃度長変化（deoxy-Hb）もしくは総ヘモグロビン濃度長変化（oxy-Hb + deoxy-Hb）を用いても良い。単にヘモグロビン濃度長変化と表記した場合は、 これらの総称を意味し、どれでも良い。
図２に、マルチSD方式の計測断面図の例を示す。送光器５０から照射される光３０は、頭皮上から入射され、組織内において四方八方に伝播する。受光器６０を図２に示すようにSD距離15 mmと30 mmに配置した場合には、SD距離15 mmの受光器６０で受光する光３０は、SD距離30 mmの受光器６０で受光する光３０に比べて、平均的に浅い部分を透過する。なお、SD距離は、10mm程度よりも大きくなるように設定する。
図３は、モンテカルロシミュレーションにより求めた、SD距離と、頭皮および灰白質の部分平均光路長との関係を示す図で、（ａ）は頭皮の、（ｂ）は灰白質の関係を示す。横軸はSD距離[mm]、縦軸は頭皮および灰白質の部分平均光路長[mm]である。頭皮の部分光路長にはSD距離依存性は見られないが、灰白質には線形的なSD距離依存性が見られる。頭皮の部分平均光路長がばらついているのは、シミュレーションの計算光子数が少なく、結果が収束していないためである。NIRS信号強度は血流変化が生じる部位の部分光路長に比例する（非特許文献１参照）ので（当該部分光路において一様な血流変化を仮定）、図３より、SD距離が大きくなると、酸素化ヘモグロビン濃度長変化信号における脳血流由来成分は大きくなるが、皮膚血流由来成分は変化しないことがわかる。本発明では、このSD距離に対する信号振幅の変化量、すなわち、勾配（傾き）に着目する。
図３は、モンテカルロシミュレーションにより求めた、SD距離と、頭皮および灰白質の部分平均光路長との関係を示す図で、（ａ）は頭皮の、（ｂ）は灰白質の関係を示す。横軸はSD距離[mm]、縦軸は頭皮および灰白質の部分平均光路長[mm]である。頭皮の部分光路長にはSD距離依存性は見られないが、灰白質には線形的なSD距離依存性が見られる。頭皮の部分平均光路長がばらついているのは、シミュレーションの計算光子数が少なく、結果が収束していないためである。NIRS信号強度は血流変化が生じる部位の部分光路長に比例する（非特許文献１参照）ので（当該部分光路において一様な血流変化を仮定）、図３より、SD距離が大きくなると、酸素化ヘモグロビン濃度長変化信号における脳血流由来成分は大きくなるが、皮膚血流由来成分は変化しないことがわかる。本発明では、このSD距離に対する信号振幅の変化量、すなわち、勾配（傾き）に着目する。
ここで、脳血流由来信号と皮膚血流由来信号の分離抽出手法について述べる。図４は、図３で示したシミュレーション結果をモデル化した皮膚血流由来信号および脳血流由来信号である。横軸がSD距離 [mm]、縦軸がヘモグロビン濃度長変化を表す。これらのモデルは、数１および数２のように記述できる。
ヘモグロビン濃度長変化の計測信号は、これらの和として、数３のように表される。
なお、ここでｙはヘモグロビン濃度長変化、ｘはSD距離、xs0はx切片、a、ｃは傾き，皮膚血流由来のヘモグロビン濃度長変化である。 SD距離の異なる複数のヘモグロビン濃度長変化値が、同時とみなされるタイミングで観測されるため、xs0を与え、これらの信号を用いて数３に従って線形回帰すれば、その時刻tにおけるa(t)とc(t)が得られる。これらを数１と数２に代入すれば、その時刻の皮膚血流由来信号振幅値と任意のSDにおける脳血流由来信号振幅値が求まる。よって、これを観測値が得られる度に繰り返せば、皮膚血流由来信号の時系列信号と脳血流由来信号の時系列信号が得られる。 この時、xs0は光が脳に達することができる最短のSD距離に相当し、時刻によらず一定とみなすことができる。このように本発明では、ある計測時刻の信号として対応付けられて計測された複数の計測信号を、計測信号のSD距離依存性を用いて、計測時刻に対応した皮膚血流由来信号または/および脳血流由来信号を算出する。Xs0の値は、被験者本人の頭部構造を用いてモンテカルロシミュレーションで求めてもよい。或いは、標準的な頭部構造を用いてモンテカルロシミュレーションで得られた値、または経験的に得られた値を予め設定しておいてもよい。また、外部入力により任意の値を設定するようにしてもよい。更に、皮膚を圧迫するなどして皮膚血流を止めて複数のSD距離で脳活動を計測することにより、xs0を実測して設定してもよい。
例えば、SD距離が15 mmと30 mmの２種類の計測を行う場合について説明する。時刻tにおいて、30 mmのSD距離で計測された酸素化ヘモグロビン濃度長変化がy30、15 mmのSD距離で計測された酸素化ヘモグロビン濃度長変化がy15であった場合、時刻tにおける傾きa(t)は数４となる。
（数４）
a(t)=(y30(t)-y15(t))/(30-15)
SD距離30 mmで計測された酸素化ヘモグロビン濃度長変化の時刻(t)における脳血流由来信号振幅値は、a(t)*(30-xs0)であり，皮膚血流由来信号振幅値はc(t)である。これらの値を数５，数６に代入すれば，時刻ｔにおける脳寄与率と皮膚寄与率を求めることができる。脱酸素化ヘモグロビン濃度長変化についても同様に、時刻ｔにおける脳血流由来信号振幅値、皮膚血流由来信号振幅値、脳寄与率、および皮膚寄与率を求めることができる。
a(t)=(y30(t)-y15(t))/(30-15)
SD距離30 mmで計測された酸素化ヘモグロビン濃度長変化の時刻(t)における脳血流由来信号振幅値は、a(t)*(30-xs0)であり，皮膚血流由来信号振幅値はc(t)である。これらの値を数５，数６に代入すれば，時刻ｔにおける脳寄与率と皮膚寄与率を求めることができる。脱酸素化ヘモグロビン濃度長変化についても同様に、時刻ｔにおける脳血流由来信号振幅値、皮膚血流由来信号振幅値、脳寄与率、および皮膚寄与率を求めることができる。
図５に、計測のフローチャートを示す。計測開始後には、被験者情報や各種計測条件を設定する（Ｓ３０１）。各種計測条件とは、たとえば、計測時間、計測回数、アラートを出すべき皮膚寄与率の閾値などである。更に、プローブ装着やゲイン調整など（Ｓ３０２）の計測準備を実施する。尚、Ｓ３０１とＳ３０２の順序は逆でもよい。その後、計測信号取得開始（Ｓ３０３）して、すべての計測点で計測時刻tにおけるヘモグロビン濃度長変化信号を計測する（Ｓ３０４）。続いて、これらの信号を用いて皮膚血流由来信号と脳血流由来信号の分離・抽出 および皮膚寄与率または脳寄与率の計算（Ｓ３０５）を実施し、それらを表示する（Ｓ３０６）。皮膚寄与率をあらかじめ設定した閾値と比較して（Ｓ３０７）、閾値を超えていた場合にはアラートを出力する（Ｓ３０８）。予め設定した計測時間または計測回数を達成したか、或いはユーザにより計測中止が指示されたかなどにより計測終了するかを判断し（Ｓ３０９）、終了しない場合には、Ｓ３０４からＳ３０９までを繰り返す。
次に、実際のプローブ配置での計測において以上の手法を適用した場合について説明する。図６に、ヒト頭部に対するプローブ配置例を示す。本プローブは、前額部、側頭部、頭頂部、後頭部、を含めた全頭に設置可能である。図７に、従来技術（例えば、非特許文献１参照）における格子状プローブ配置（ａ）および計測点配置（ｂ）を示す。この配置においては、通常送光器５０と受光器６０の間隔が約30 mmで、その略中点を計測点１１ａとする。「□」、「■」、「●」はそれぞれ、送光器、受光器、計測点を表す。この配置では、全計測点１１ａにおいてSD距離が30 mmとなる。SD距離60 mmでの組み合わせでの計測も可能であるが、信号対雑音比（SNR）が小さくなり、現実的ではない。
図８に、2倍密度プローブ配置（ａ）と計測点配置（ｂ）を示す。プローブ配置に関しては特許文献８に開示されている。この配置は、図７の格子状プローブ配置をx軸上で15 mmずらして重ねた配置となっている。「□」、「■」、「●」、「△」はそれぞれ、送光器５０、受光器６０、SD距離30 mmの計測点１１a、SD距離15 mmの計測点１１を表す。
ここで、皮膚血流由来信号の抽出のために、複数のSD距離の計測点における計測信号を使用する。同じSD距離の計測信号のみを用いて補間によりマッピングした場合、例えばSD距離が15−20 mm程度であれば、皮膚を含む浅い部分由来信号の寄与の大きいマップが得られる。
ここで、SD距離によっては、同じSD距離における信号のみでイメージングしようとすると、計測点数が少ないために分解能が低くなる場合がある。図８の例ではSD距離15 mmの計測点はSD距離30 mmの計測点に比べて計測点数が少なく、従って分布密度が小さい。このように分布密度の小さいSD距離の計測信号でも、SD距離30 mmの計測点の信号から分離しようとする信号（脳血流由来信号、皮膚血流由来信号）を抽出するためには効果がある。よって計測点数が少なくても有効な計測データになり得る。
ここで、皮膚血流由来信号の抽出のために、複数のSD距離の計測点における計測信号を使用する。同じSD距離の計測信号のみを用いて補間によりマッピングした場合、例えばSD距離が15−20 mm程度であれば、皮膚を含む浅い部分由来信号の寄与の大きいマップが得られる。
ここで、SD距離によっては、同じSD距離における信号のみでイメージングしようとすると、計測点数が少ないために分解能が低くなる場合がある。図８の例ではSD距離15 mmの計測点はSD距離30 mmの計測点に比べて計測点数が少なく、従って分布密度が小さい。このように分布密度の小さいSD距離の計測信号でも、SD距離30 mmの計測点の信号から分離しようとする信号（脳血流由来信号、皮膚血流由来信号）を抽出するためには効果がある。よって計測点数が少なくても有効な計測データになり得る。
図９に、全頭計測型の光脳機能計測装置９０を用いた実験構成図を示す。局所脳血液量(酸素化ヘモグロビン・脱酸素化ヘモグロビン・総ヘモグロビン濃度長変化)は、光脳機能計測装置９０において、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波長の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。計測期間中に、被検者１０に対して、刺激・命令提示装置４１５により、適当な刺激・命令を与えることも可能である。刺激・命令提示装置４１５は、計算機４１２より、制御信号４１４により制御される。
波長の異なる複数の光源４０２ａ〜４０２ｄ（２種の波長であれば、例えば光源４０２ａと４０２ｃは６９５nm、光源４０２ｂと４０２ｄは８３０nm）と、複数の光源４０２ａ及び４０２ｂ（４０２ｃ及び４０２ｄ）の光を、駆動信号ライン４１６ａ及び４１６ｂ（４１６ｃ及び４１６ｄ）を通して、それぞれ互いに異なった周波数で強度変調するための変調器または発振器４０１ａ及び４０１ｂ（４０１ｃ及び４０１ｄ）と、強度変調された光をそれぞれ光ファイバ４０３ａ及び４０３ｂ（４０３ｃ及び４０３ｄ）を通して結合する結合器４０４ａ（４０４ｂ）からの光を、送光用光ファイバ４０５ａ（４０５ｂ）を介して被検者１０の頭皮上に照射する複数の光照射手段と、複数の光照射手段の光照射位置の近くに光照射位置からあらかじめ設定した距離（例えば、15 mmおよび30 mm）の位置に先端が位置するように受光用光ファイバ４０７ａ、４０７ｂのそれぞれに設けられた受光器４０８ａ、４０８ｂからなる複数の受光手段とが設けられている。受光用光ファイバ４０７ａ、４０７ｂで、生体通過光を光ファイバに集光し、それぞれ受光器４０８ａ、４０８ｂで生体通過光が光電変換され、増幅される。ここで、送光用光ファイバ４０５ａ、４０５ｂと受光用光ファイバ４０７ａ、４０７ｂの先端には、それぞれ光ファイバを保持し被検者１０に適切に設置するための送光用プローブ５０１ａ、５０１ｂ、受光用プローブ５０２ａ、５０２ｂがある。また、複数のプローブを保持するためにプローブホルダ５０３を被検者１０に固定する。
受光手段は被検者１０内部で反射、透過した光を検出し電気信号に変換するもので、受光器４０８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。図９では２種の波長を用いるときを説明しているが、３種以上の波長を使用することも可能である。また、簡単のために図８では光照射手段、受光手段を各々２個ずつ配置しているが、本実施例では、マルチSD配置である必要があるため、図示されない複数の受光手段が存在する。
受光器４０８ａ、４０８ｂで光電変換された生体通過光強度を表す電気信号は、それぞれロックインアンプ４０９ａ〜４０９ｄに入力される。ロックインアンプ４０９ａ〜４０９ｄには、発振器[変調器]４０１ａ及び４０１ｂ（４０１ｃ及び４０１ｄ）からの参照信号４１７ａ〜４１７ｄも入力されている。例えば４０９ａ、４０９ｂでは光源４０２ａと４０２ｃの、６９５nmの光が分離されて出力され、ロックイン処理により取り出し、４０９ｃ、４０９ｄでは光源４０２ｂと４０２ｄの、８３０nmの光が分離されて出力される。このとき図９では、簡単のため計測点は送光用プローブ５０１ａと受光用プローブ５０２ａ間、送光用プローブ５０１ｂと受光用プローブ５０２ｂ間の２点を想定している。同様な構成により、送光用プローブ５０１ａと受光用プローブ５０２ｂ間、送光用プローブ５０１ｂと受光用プローブ５０２ａ間の２点を計測点とすることもできる。
ロックインアンプ４０９ａ〜４０９ｄの出力である分離された各波長の通過光強度信号をアナログ−デジタル変換器４１０でアナログ−デジタル変換した後に、計測制御用計算機４１１に送られる。計測制御用計算機４１１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非特許文献１等に説明されている良く知られた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長変化および総ヘモグロビン濃度長変化を演算し、複数の計測点における経時情報として記憶装置に格納する。尚、ここではロックイン処理を行ってからアナログ−デジタル変換を行う例を記載したが、受光器からの信号を増幅・アナログ−デジタル変換した後に、ロックイン処理をデジタル的に行うことも可能である。また、複数の光を変調方式により分離する実施例を記載したが、これに限定されず、例えば、複数の光を照射するタイミングを時間的にずらすことで複数光を弁別する時分割方式を用いることも可能である。この場合、タイミングのずれ時間は、ヘモグロビン濃度長値が変化しないと近似できるように十分短く設定すれば、同時刻の計測値として扱うことができる。
受講器の飽和を避けるために、照射や検出のタイミングをずらす場合でも同様にして同時刻とみなせるヘモグロビン濃度長変化値を計測できる。
受講器の飽和を避けるために、照射や検出のタイミングをずらす場合でも同様にして同時刻とみなせるヘモグロビン濃度長変化値を計測できる。
計算機４１２は入力部、解析部、記憶部、抽出部からなり、計測制御用計算機４１１で演算された結果を解析部で解析する。入力部では、外部から解析条件等の設定を入力する。尚、計算機４１２が表示機能を有する場合、表示部４１３は無くても良い。解析部の解析結果は記憶部で記憶される。抽出部では解析部で解析された信号から被検者１０の局所脳血行動態に関する情報を抽出する。抽出部で抽出された被検者１０の局所脳血行動態に関する情報は表示部４１３で表示される。図９では計測制御用計算機４１１と計算機４１２は別個に描かれているが、一つの計算機としてもよい。
本発明の方法を適用し、ヘモグロビン濃度長変化信号を、脳血流由来信号、皮膚由来成分に分離、抽出しながら計測する場合の表示例を図１０に示す。計測信号１７１が、対応する計測位置に配置されて表示され、ヘモグロビン濃度長変化信号値が取得されるのに従って、脳血流由来信号、皮膚由来成分への分離、抽出がリアルタイムで実施され，各波形表示が更新される。皮膚寄与率が、あらかじめ設定しておいた閾値を超えた計測信号にはアラート１７２を出す。元信号、脳血流由来信号、皮膚血流由来信号の表示方法選択のチェックボックス１７３では、表示する計測信号を選択し、目的に合わせた表示方法を実現できる。また、図１０には描いていないが、酸素化ヘモグロビン濃度長変化、脱酸素化ヘモグロビン濃度長変化、総ヘモグロビン濃度長変化を選択可能としても良い。このように、皮膚寄与率が大きすぎる場合にリアルタイムでアラートを出すことにより、計測のやり直しなどの対応が迅速にできるようになる。ここでは、画面表示のアラートの例を示したが、音声や文字などによるアラートを用いても良い。また、皮膚寄与率をアラート表示の基準としたが、脳寄与率を用いても良い。
複数の送光器５０、受光器６０を２次元に配置して、脳血流由来信号および皮膚血流由来信号をイメージング計測する場合の表示例を、図１１に示す。これは、全頭計測型の光脳機能計測装置による計測中の表示例である。前頭部、頭頂部、左右側頭部、後頭部の各々の、酸素化ヘモグロビン濃度長変化（oxy-Hb）マップ３０１が表示されている。振幅値は、グレースケールバー３０２に示される濃淡で表される。また、脳由来信号、皮膚由来信号、SD距離30 mmの通常表示とするかどうかを、ラジオボタン３０４で選択可能である。また、図１２に、両成分の2次元データの比較表示の例を示す。上図が脳血流由来信号、下図が皮膚血流由来信号である。ラジオボタン３１４でSD距離を切り替えることができる。脳血流由来信号および皮膚血流由来信号の、分布状況を一目で確認することが可能となる。
皮膚寄与率と脳寄与率について説明する。
皮膚寄与率と脳寄与率について説明する。
図１０から１２では、分離信号を表示したが、脳寄与率、または皮膚寄与率を同様に表示してもよい。これにより当該被検者の部位毎の皮膚血流由来信号成分および脳血流由来信号成分の寄与率の分布状況を把握できるようになり、例えば最適なタスク選択に利用することが可能となる。
本発明により、可視光または近赤外光を用いたヒト頭部光計測装置において、計測信号から目的に応じて脳血流由来および皮膚血流由来成分をリアルタイムで分離、抽出でき、ヒト脳機能計測の精度および再現性を向上させることができる。
１０：被検者
１１：計測点
１１a：計測点（SD = 30 mm）
１１c：計測点（SD = 15 mm）
１２：照射点
１３：検出点
２０：装置本体
３０：光
５０：送光器
６０：受光器
９０：光脳機能計測装置
１０１：光源
１０２：光検出器
１０３：光源駆動装置
１０４：増幅器
１０５：アナログ−デジタル変換器
１０６：制御・解析部
１０７：入力部
１０８：記憶部
１０９：表示部
１７１：計測信号
１７２：アラート
１７３：元信号、脳血流由来、皮膚血流由来信号表示方法選択のチェックボックス
３０１：酸素化ヘモグロビン濃度長変化（oxy-Hb）マップ
３０２：グレースケールバー
３０４：ラジオボタン
３１４：ラジオボタン
４０１：発振器（変調器）
４０２：光源
４０３：光ファイバ
４０４：結合器
４０５：送光用光ファイバ
４０７：受光用光ファイバ
４０８：受光器（増幅器含む）
４０９：ロックインアンプ
４１０：アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
４１１：計測制御用計算機
４１２：計算機
４１３：表示部
４１４：制御信号
４１５：刺激・命令呈示装置
４１６：光源駆動信号
４１７：発振器（変調器）からの参照信号
５０１：送光用プローブ
５０２：受光用プローブ
５０３：プローブホルダ。
１１：計測点
１１a：計測点（SD = 30 mm）
１１c：計測点（SD = 15 mm）
１２：照射点
１３：検出点
２０：装置本体
３０：光
５０：送光器
６０：受光器
９０：光脳機能計測装置
１０１：光源
１０２：光検出器
１０３：光源駆動装置
１０４：増幅器
１０５：アナログ−デジタル変換器
１０６：制御・解析部
１０７：入力部
１０８：記憶部
１０９：表示部
１７１：計測信号
１７２：アラート
１７３：元信号、脳血流由来、皮膚血流由来信号表示方法選択のチェックボックス
３０１：酸素化ヘモグロビン濃度長変化（oxy-Hb）マップ
３０２：グレースケールバー
３０４：ラジオボタン
３１４：ラジオボタン
４０１：発振器（変調器）
４０２：光源
４０３：光ファイバ
４０４：結合器
４０５：送光用光ファイバ
４０７：受光用光ファイバ
４０８：受光器（増幅器含む）
４０９：ロックインアンプ
４１０：アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
４１１：計測制御用計算機
４１２：計算機
４１３：表示部
４１４：制御信号
４１５：刺激・命令呈示装置
４１６：光源駆動信号
４１７：発振器（変調器）からの参照信号
５０１：送光用プローブ
５０２：受光用プローブ
５０３：プローブホルダ。
Claims (6)
- 被検体に光を照射するための１つまたは複数の光照射手段と、
前記１つまたは複数の光照射手段から前記被検体上の照射点に照射され、被検体内を伝播してきた光を前記被検体上の検出点において検出するための複数の光検出手段と、
前記複数の光検出手段で得られる信号に基づきヘモグロビン濃度長変化信号を解析する解析部と、
前記解析部での解析結果を表示するための表示部とを有し、
前記光照射手段と前記光検出手段の各々は、前記被検体上における、前記照射点と前記検出点間の距離として定義されるSD距離が少なくとも２種以上であって、かつ、前記SD距離が10 mmよりも大きくなるように前記被検体上に配置され、
前記解析部は、前記光照射手段と前記光検出手段との組み合わせにより、ある計測時刻の信号として対応付けられて計測されたSD距離の異なる複数の計測信号を、
ｙ＝ａ（ｘ−ｘｓ０）＋ｃ
なお、ここでｙはヘモグロビン濃度長変化信号、ｘはSD距離、ｘｓ０はｘ切片、ａは傾き、ｃは皮膚血流由来信号である、
に従って線形回帰することにより、
前記計測時刻に対応した皮膚血流由来信号および脳血流由来信号の少なくとも一方を算出する
ことを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項１に記載の生体光計測装置において、
皮膚血流由来信号と脳血流由来信号の少なくとも一方の、時間波形または強度分布図またはその両方を計測中に表示することを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項１に記載の生体光計測装置において、
皮膚血流由来信号の振幅値と脳血流由来信号の振幅値の和に対する皮膚血流由来信号の振幅値の割合を示す皮膚寄与率か、皮膚血流由来信号の振幅値と脳血流由来信号の振幅値の和に対する脳血流由来信号の振幅値の割合を示す脳寄与率の少なくとも一方の、時間波形または強度分布図またはその両方を計測中に表示することを特徴とする生体光計測装置。 - 請求項３に記載の生体光計測装置において、
前記皮膚寄与率があらかじめ設定した閾値を超えた場合、あるいは前記脳寄与率があらかじめ設定した閾値を下回った場合に警告を出力することを特徴とする生体光計測装置。 - 前記複数の光検出手段は、少なくとも２種の波長の光を照射する前記複数の光照射手段からの信号を、異なるタイミングで検出することを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
- 被検体に光を照射するための１つまたは複数の光照射手段と、前記１つまたは複数の光照射手段から前記被検体上の照射点に照射され、被検体内を伝播してきた光を前記被検体上の検出点において検出するための複数の光検出手段と、前記複数の光検出手段で得られる信号に基づきヘモグロビン濃度長変化信号を解析するための解析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、
前記光照射手段と前記光検出手段の各々を、前記被検体上における、前記照射点と前記検出点間の距離として定義されるSD距離が少なくとも２種以上あって、かつ、前記SD距離が10 mmよりも大きくなるように前記被検体上に配置するステップと、
前記光照射手段と前記光検出手段との組み合わせにより、ある計測時刻の信号として対応付けられて計測されたSD距離の異なる複数の計測信号を、
ｙ＝ａ（ｘ−ｘｓ０）＋ｃ
なお、ここでｙはヘモグロビン濃度長変化信号、ｘはSD距離、ｘｓ０はｘ切片、ａは傾き、ｃは皮膚血流由来信号である、
に従って線形回帰することにより、
前記計測時刻に対応した皮膚血流由来信号および脳血流由来信号を算出するステップとを備えたことを特徴とする生体光計測方法。
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