KR101944030B1

KR101944030B1 - 근적외 뇌 기능 계측 장치 및 계측법

Info

Publication number: KR101944030B1
Application number: KR1020177023705A
Authority: KR
Inventors: 도루 야마다; 신지 우메야마
Original assignee: 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 상교기쥬츠 소고켄큐쇼
Priority date: 2015-02-16
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2019-04-17
Also published as: KR20170107072A; CN107205732B; JPWO2016132989A1; WO2016132989A1; US10939851B2; EP3260049A1; US20180028098A1; JP6381168B2; EP3260049A4; EP3260049B1; CN107205732A

Abstract

검출기 잡음(noise) 평준화가 간단한 다채널 근적외 뇌 기능 계측 장치를 제공한다.
사전에, 모든 광 감쇠기의 투과율을 1로 설정하고 모든 광원 강도를 안전하게 조사(照射)할 수 있는 최대 광량으로 설정하고 각각의 강의 광원 프로브 i의 실효 입사 광량과 그 중의 최소의 실효 입사 광량 및 최대의 실효 입사 광량을 구하고, 광원 프로브 측의 광 감쇠기 i의 투과율 a_i를, [최소의 실효 입사 광량/광원 프로브 i의 실효 입사 광량]으로 변경함으로써 실효 입사 광량을 평준화하고, 또한 모든 광원 강도를 W=[최대의 실효 입사 광량/ 최소의 실효 입사 효율]배로 변경하고, 검출기 프로브 j의 실효 검출 효율과 그 중의 최소의 실효 검출 효율을 구하고, 검출기 프로브 측의 광 감쇠기 j의 투과율 a_j를, [최소의 실효 검출 효율/검출기 프로브 j의 실효 검출 효율]로 변경함으로써 실효 검출 효율을 평준화해 두도록 제어하여 모든 채널 k 사이의 검출기 잡음을 평준화한 근적외 뇌 기능 계측 장치.

Description

근적외 뇌 기능 계측 장치 및 계측법

본 발명은, 근적외 뇌 기능 계측 장치 및 계측법에 관한 것이다.

근적외 뇌 기능 계측법(functional near-infrared spectroscopy, 이하 약칭하여 「fNIRS」로 기재하는 경우가 있음)은, 혈액중의 헤모글로빈이 산소 운반시(옥시헤모글로빈)과 비운반시(데옥시헤모글로빈)에 근적외 영역에서의 광 흡수 특성이 다른 것을 이용하여, 뇌신경 활동에 따라 변화되는 옥시, 데옥시 헤모글로빈의 동태를 계측하는 방법이며, 비침습(non-invasive)으로 뇌 기능 활동을 검출하는 중요한 방법의 하나로 간주되고 있다. 통상, 두피(頭皮) 상으로부터 서로 30mm 떨어진 위치에서 광원과 검출기를 배치한다. 광원으로부터 표층 조직을 거쳐서 뇌조직에까지 복수의 파장의 근적외광을 침투시키고, 두표(頭表)의 검출기로 되돌아간 광의 광량과 헤모글로빈의 분광 흡수 특성에 기초하여 각 상태의 헤모글로빈의 변화량을 계량한다. 이러한 광원·검출기는 프로브로 불리우며, 이렇게 배치되어 계측에 제공되는 광원-검출기의 페어(pair)는 채널로 불리운다.

이 계측에 있어서, 프로브와 생체 조직의 밀착은 대단히 중요하다. 프로브는 통상 몇 밀리의 윈도우 직경을 가지는 한편, 인간 두부(頭部)의 모발부에서는, 성인이라도 약 1밀리의 간격으로 모발이 자라고 있으므로, 윈도우의 바로 아래의 모발을 모두 배제하여 프로브를 두피에 밀착시키는 것은 실제로는 곤란하다. 이로 인해, 두피와 프로브의 사이에는 반드시 광 감쇠가 생기고, 이 광 감쇠는 프로브의 바로 아래의 모발 다과(多寡)나 프로브와 두피의 밀착도에 따라 상이하다. 이 때문에, 이러한 프로브를 다수 병렬적으로 배치하여 행하는 다채널 계측으로는, 채널마다 검출되는 광량이 크게 상이한 경우가 자주 있다.

이러한 상황에 대하여, 현재 시판되고 있는 다채널 fNIRS 장치로는, 처음에 임시 계측을 행하고, 광량이 모자란 채널에서는 검출기 신호를 적절한 크기까지 증폭하는 교정 처리를 행한다. 이는 계측에 있어서 A/D 컨버터의 분해능을 효율적으로 사용하기 위한 것이 그 목적이다. 원 신호는, 광량과 잡음(noise)으로 구성되어 있지만, 원 신호를 증폭하는 정도가 채널마다 상이하므로, 이 교정 처리를 거쳐서 얻어진 신호는 채널마다 상이한 크기의 잡음 성분(잡음 분산)을 가지게 된다. 예를 들면, 광전자 증배관을 검출기에 사용한 장치로는, 통상의 교정 처리 범위인 인가 전압 700V와 1000V의 사이에는 암(暗)전류에 유래하는 잡음의 크기는 20배 정도나 다르다. 이 때문에, 실제의 계측 실행에 앞서, 광량이 모자라고 잡음이 큰 채널의 프로브의 바로 아래의 모발을 정성스럽게 배제하는 작업을 몇 번이나 반복하며, 그렇게 하더라도 어떤 단계에서 타협하여 데이터 채취를 개시하게 된다. 이 작업은 다채널 fNIRS 계측에 있어서 수고와 시간이 걸리는 보틀넥이 되고 있다. 또한, 프로브 장착에 대한 실험자의 숙련도, 피험자나 계측 부위의 모발량, 색깔 등에 의해 계측 데이터의 품질이 크게 좌우되는 결과를 낳아 왔다(특허 문헌 1, 비특허문헌 1 참조).

또한 이러한 신호 강도 교정의 방법은, 이하에 기재한 바와 같이 신호의 통계 분석 시에 큰 장해가 되고 있다. 다채널 fNIRS 장치의 일반적인 운용 형태로서, 어느 정도의 퍼짐을 가지는 면적에 걸쳐서 복수의 채널로 뇌 기능 활동을 계측해 두고, 사후적으로 그 계측 영역 내의 어떤 부위에서 활동이 현저했는지 조사하는 방법이 많이 사용되고 있다. 한편, 정통적인 통계 분석 방법의 대부분은, 표본집단끼리 동일한 분산을 가지는 것을 전제로 하여 설계되고 있다. 이 때문에, 채널마다 신호중의 잡음 분산이 현저하게 다른 fNIRS 계측 데이터에 대하여 엄격한 통계 분석을 적용할 수 없으며, 결과적으로, 다채널 데이터의 정량적 비교를 위한 통계학적 기반은 아직 정비되어 있지 않다.

일본공개특허 제2014-83069호 공보

S. Umeyama and T. Yamada, "Detection of an unstable and/or a weak probe contact in a multichannel functional near-infrared spectroscopy measurement ", Journal of Biomedical Optics, 18 (4), O47003, 2013.

본 발명에서는, 이러한 다채널 fNIRS 계측에서의 곤란, 즉, 프로브 장착 작업의 번잡성, 채널 사이에서의 데이터 잡음의 다과 문제를 해결한다. 구체적으로는, 잡음 분산을 모든 계측 채널 사이에서 평준화하고, 또한, 생체에 있어서 안전한 범위 내의 입사 광량 증대에 의해 이것을 최소화하는 체계적인 방법을 제안한다.

전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 두표에 배치되는 n개의 광원 프로브 i, 1≤i≤n 및 m개의 검출기 프로브 j, n+1≤j≤n+m과, 각각의 광원으로부터 파장 λ의 광을 투과율 a_i로 각각의 강의 광원 프로브 i에 도입하는 광 감쇠기 i와, 각각의 검출기 프로브 j에서 검출한 파장 λ의 광을 투과율 a_j로 계측 데이터부로 보내는 광 감쇠기 j와, 상기 계측 데이터부에서 받은 검출 데이터를 처리하여 광원 프로브 i와 검출기 프로브 j에 의해 구성되는 N개의 채널 k, 1≤k≤N에서의 옥시헤모글로빈 및 데옥시헤모글로빈의 분광 흡수 특성에 기초한 계측광의 흡광도 변화로부터 뇌 기능 활동을 검출하는 제어 수단을 구비한 근적외 뇌 기능 계측 장치로서,

상기 제어 수단은, 사전에,

(1) 모든 광 감쇠기의 투과율을 1로 설정하고 모든 광원 강도를 안전하게 조사할 수 있는 최대 광량으로 설정하여 각각의 강의 광원 프로브 i의 실효 입사 광량과 그 중의 최소의 실효 입사 광량 및 최대의 실효 입사 광량을 구하고,

광원 프로브 측의 광 감쇠기 i의 투과율 a_i를, 상기 최소의 실효 입사 광량을 광원 프로브 i의 실효 입사 광량으로 나눗셈한 값으로 변경함으로써 실효 입사 광량을 평준화하고,

(2) 모든 광원 강도를 W배, 단 W= [상기 최대의 실효 입사 광량/상기 최소의 실효 입사 효율]만큼 증대하여 변경하고, 검출기 프로브 j의 실효 검출 효율과 그 중의 최소의 실효 검출 효율을 구하고,

검출기 프로브 측의 광 감쇠기 j의 투과율 a_j를, 상기 최소의 실효 검출 효율을 검출기 프로브 j의 실효 검출 효율로 나눗셈한 값으로 변경함으로써 실효 검출 효율을 평준화해 두도록 제어함으로써, 옥시헤모글로빈의 검출기 잡음 분산 및 데옥시헤모글로빈의 검출기 잡음 분산을 모든 채널 k 사이에서 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, n개의 광원 프로브 i, 1≤i≤n 및 m개의 검출기 프로브 j, n+1≤j≤n+m를 두표에 배치하고, 각각의 강의 광원으로부터 파장 λ의 광을 광 감쇠기 i를 통하여 투과율 a_i로 각각의 강의 광원 프로브 i에 도입하고, 각각의 검출기 프로브 j에서 검출한 파장 λ의 광을 광 감쇠기 j를 통하여 투과율 a_j로 계측 데이터부로 보내고, 상기 계측 데이터부에서 받은 검출 데이터를 처리하여 광원 프로브 i와 검출기 프로브 j에 의해 구성되는 N개의 채널 k, 1≤k≤N에서의 옥시헤모글로빈 및 데옥시헤모글로빈의 분광 흡수 특성에 기초한 계측광의 흡광도 변화로부터 뇌 기능 활동을 검출하는 근적외 뇌 기능 계측 방법으로서,

모든 광원 프로브 i 및 모든 검출기 프로브 j를 두표에 장착하고, 모든 광 감쇠기의 투과율을 1로 설정하고, 모든 광원 강도를 안전하게 조사할 수 있는 최대 광량으로 설정하고 각각의 강의 광원 프로브 i의 실효 입사 광량과 그 중의 최소의 실효 입사 광량 및 최대의 실효 입사 광량을 구하는 공정과,

광원 프로브 측의 광 감쇠기 i의 투과율 a_i를, 상기 최소의 실효 입사 광량을 광원 프로브 i의 실효 입사 광량으로 나눗셈한 값으로 변경함으로써 실효 입사 광량을 평준화하는 공정과,

모든 광원 강도를 W배, 단 W= [상기 최대의 실효 입사 광량/상기 최소의 실효 입사 효율]만큼 증대하여 변경하고, 검출기 프로브 j의 실효 검출 효율과 그 중의 최소의 실효 검출 효율을 구하는 공정과,

검출기 프로브 측의 광 감쇠기 j의 투과율 a_j를, 상기 최소의 실효 검출 효율을 검출기 프로브 j의 실효 검출 효율로 나눗셈한 값으로 변경함으로써 실효 검출 효율을 평준화하는 공정에 의해,

사전에 옥시헤모글로빈의 검출기 잡음 분산 및 데옥시헤모글로빈의 검출기 잡음 분산을 모든 채널 k 사이에서 맞춘 것을 특징으로 한다.

종래의 근적외 뇌 기능 계측 장치에, 광원과 광원 프로브 i의 사이에 광 감쇠기 i를 설치하고 또한 검출기 프로브 j와 계측 데이터부의 사이에 광 감쇠기 j를 설치하고, 제어 장치에 의해 사전에, 광원 프로브 측의 광 감쇠기 i의 투과율 a_i를 설정 변경함으로써 실효 입사 광량을 평준화하고, 다음으로, 검출기 프로브 측의 광 감쇠기 j의 투과율 a_j를 설정 변경함으로써 실효 검출 효율을 평준화하는 것만으로 옥시헤모글로빈의 검출기 잡음 분산 및 데옥시헤모글로빈의 검출기 잡음 분산을 모든 채널 k 사이에서 맞출 수 있다.

도 1은, 본 발명의 근적외 뇌 기능 계측 장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는, 본 발명에서의 광조사 프로브(광원 프로브)와 광검출 프로브(검출기 프로브)의 배치 예와 그 프로브 배치 행렬을 설명한 도면이다.

다채널 fNIRS 계측에서의 채널간 통계 비교의 곤란은, 검출되는 광량의 다과에 따라 신호 증폭율을 변경하기 때문에 신호중의 외형상의 잡음 분산이 상이하게 되는 것이 문제의 본질인 것으로 여겨, 본 발명자들은, 각각의 프로브에 개별적으로 광 감쇠기를 도입하고, 광량을 증감시킴으로써 잡음 분산의 크기를 제어함으로써 해결하고자 했다. 그러나, 복수의 광원 프로브와 복수의 검출기 프로브가 복잡하게 공용되는 다채널 계측에 있어서는, 1개의 광 감쇠기의 조정은 관계되는 복수의 채널의 잡음 분산 크기에 영향을 미친다. 이에 본 발명자들은, 복수의 광 감쇠기를 조정하기 위한 체계적인 방법을 정식화(定式化)하고, 이로써, 최대 조사 광량이 생체에 있어서 안전한 기준을 넘지 않는 범위에서, 어떠한 채널 배치에 있어서도, 채널 사이에서 균등하면서 또한 최소화된 잡음 분산을 실현하는 계측 장치 및 계측 방법을 제공한다.

상기를 달성하기 위해 필요한 근적외 뇌 기능 계측 장치의 구성을 도 1에 나타낸다. 본 장치의 검지부(檢知部)는 n개의 광원 프로브와 m개의 검출기 프로브로 구성된다. 한 쌍의 광원 프로브와 검출기 프로브가 하나의 채널을 구성한다. 장치의 전체 채널수를 N으로 한다. 광원 프로브에는 근적외 뇌 기능 계측 장치 본체의 광원부로부터 2개의 파장(λ₁, λ₂)의 광이 도입되고, 이들 광은 생체 조직을 통과한 후, 검출기 프로브를 통하여 근적외 뇌 기능 계측 장치 본체의 광계측부에 있는 검출기에서 계측된다. 계측된 데이터는 그 후, 데이터 처리/기록/표시부에서 처리가 행해진다. 통상의 근적외 뇌 기능 계측 장치가 가지는 여러 기능에 더하여, 본장치의 데이터 처리부는 계측 데이터에 기초하여 후술하는 방법에 따라 실효 입사 광량과 실효 검출 효율을 연산하는 기능을 가진다. 표시부는 그 결과를 실시간으로 표시하는 기능을 가진다. 또한, 종래 장치와 상이한 장비로서, 광원 프로브와 광원의 사이 및 검출기 프로브와 검출기의 사이에 각각 광 감쇠기를 가진다. 이 광 감쇠기는 본체의 제어부에 의해 지정된 투과율의 값에 따라, 입력광의 강도를 적절하게 감쇠시켜 출력하는 기능을 가진다. 전술한 바와 같이 근적외 뇌 기능 계측에서는 파장이 상이한 복수의 광을 사용하여 계측을 행하지만, 본 발명에서는, 파장 의존 특성을 가지지 않는 광 감쇠기를 각각의 프로브에 대하여 1개씩 도입한다.

먼저, 계측에 있어서 광원부로부터 나온 각각의 파장의 광이 검지부의 검출기에 회수되는 전체 과정에서 발생하고 있는 광량 손실에 대하여 고려한다. n개의 광원 프로브와 m개의 검출기 프로브로 이루어지고, 한 쌍의 광원 프로브와 검출기 프로브가 하나의 채널을 구성하고, 장치의 전체 채널수를 N으로 하면, 광원 프로브 i(1≤i≤n) 및 검출기 프로브 j(n+1≤i≤n+m)에 의해 구성되는 채널 k(1≤k≤N)의 파장 λ의 계측광의 흡광도 변화는 하기 식(1)으로 표현할 수 있는 것으로 알려져 있다(본 발명자들에 의한 상기 특허 문헌 1의 식(13) 혹은 비특허문헌 1의 식(12) 참조).

[수식 1]

여기서, ΔA_k,λ(t)는 채널 k의 흡광도 변화, R_k,λ(t)는 채널 k에서의 조직 투과율, I_k,λ는 광원 프로브 i로부터의 입사 광량, n_j,λ(t)는 검출기 프로브 j에서의 계측 시에 검출기에서 발생하는 잡음을 나타낸다. 또한, 광원 프로브/검출기 프로브와 두피의 사이에서 광 감쇠에 따른 투과율의 시간 변화를

로 나타내고, 어떤 평균

를 중심으로 하여 변동 패턴

로 요동하고 있는 것으로 했다(특허 문헌 1, 비특허문헌 1 참조). 또한, 광원 프로브에 접속된 광 감쇠기 i의 파장 λ에서의 투과율을 a_i(1≤i≤n, 0≤a_i≤1), 검출기 프로브에 접속된 광 감쇠기 j의 파장 λ에서의 투과율을 a_j(n+1≤j≤n+m, 0≤a_j≤1)로 나타낸다.

이 식(1)의 우변의 제1항은 조직에서의 헤모글로빈량 변화에 따른 흡광도 변화이며, 제2항은 체동(體動) 등에 의해 발생하는 베이스라인 변동이다. 또한 제3항은 광검출기로부터의 계측 잡음에 기인하는 잡음이며, 본 명세서에서는 이것을 검출기 잡음이라고 한다. 지금, 검출기 잡음을 관측하기 위하여 하이패스 필터로 신호를 여과하는 것을 고려한다. 이 때, 프로브·두피 사이의 투과율

의 요동이나 조직 투과율 R_k,λ(t)의 동요은 완만하므로 여과되어, 각각 일정값

이 된다. 이 때, 채널 k의 검출기 잡음의 크기 h_k,λ(t)는 이하와 같이 나타낼 수 있다.

[수식 2]

여기서, 2개의 관측 파장에서의 옥시, 데옥시헤모글로빈의 몰 흡수 계수 행렬을

로 하고, 그 역행렬을

로 나타내면, 관측되는 옥시헤모글로빈의 시간 변화에 포함되는 검출기 잡음 유래의 잡음 성분 h_oxy,k(t)는 하기 식(3)이 된다.

[수식 3]

모든 검출기에서 발생하는 잡음은 백색 잡음(white noise)으로 상정(想定)할 수 있고, 검출 소자의 개체 사이(j)나 동일 개체의 파장 사이(λ)에서도 이 성질은 동일한 것으로 간주할 수 있으므로, 모든 n_j,λ1(t), n_j,λ2(t)는 독립이며 등분산이다. 이것의 표준편차를 σ_n이라 하면, 검출기 잡음 h_oxy,k(t)의 분산은 하기 식(4)과 같이 관측될 것이다.

[수식 4]

마찬가지로 데옥시헤모글로빈의 잡음 분산은 아기 식(5)이 된다.

[수식 5]

여기서, J_k,λ는 채널 k에서의 파장 λ의 관측 광량이며, 하기 식(6)으로 나타낸다.

[수식 6]

관측되는 검출기 잡음 분산 σ² _oxy,k나 σ² _doxy,k를 채널 사이에서 맞추는 것을 이하에서는 잡음의 평준화라고 한다. 이것을 실현하는 것이 본 발명의 목적이다.

지금, 2개의 파장에서의 관측 광량의 비교 β_k를 하기 식(7)과 같이 정하면,

[수식 7]

상기 식(4), 식(5)은 하기 식(8), 식(9)과 같이 나타낼 수 있다.

[수식 8]

[수식 9]

상기 식(7)의 β_k를 구성하는 I_i,λ2/I_i,λ1는 각 파장의 광원 강도의 설정에 의해 결정되는 상수이다. 또한, r_i,0,λ2/r_i,0,λ1나 r_j,0,λ2/r_j,0,λ1는 두피·프로브 사이의 공기중에서의 광투과율의 파장 의존성을 의미하고, 프로브 개소(箇所)에 의존하지 않는 상수로 간주할 수 있다. 따라서, β_k는 채널 위치에 의존하지 않는 상수이다. 또한 u_xy도 사용 파장과 헤모글로빈의 분광 흡수 특성에 의해 결정되는 상수이므로, 결국, 식(8), 식(9)의 분모는 모두 상수가 되며, 잡음을 평준화하기 위해서는, 관측 광량 J_k,λ1 또는 J_k,λ2가 채널 사이에서 동일하게 되도록 광 감쇠기의 투과율 a_i, a_j를 조정하면 되는 것을 알 수 있다. 실제 조정 작업에서는, 관측 광량은 프로브·두피 사이나 조직의 투과율의 요동의 영향을 받지만, 적절한 대역의 로패스 필터를 통과시킨 후의 광량을 계측함으로써, 그 영향은 용이하게 배제할 수 있다. 이 조정에 의해 옥시, 데옥시헤모글로빈의 잡음은 동시에 평준화된다.

그러나, 다채널의 근적외 뇌 기능 계측에서는, 통상 1개의 광원 프로브는 인접하는 복수의 채널의 계측에 제공된다. 또한, 검출기 프로브에 대하여도 이러한 사정은 동일하다. 이 때문에, 주목한 채널의 관측 광량을 변경하기 위하여 관련되는 광 감쇠기를 조절함으로써 인접하는 채널의 관측 광량도 변화되는 경우가 매우 자주 발생할 수 있다. 이렇게 복잡하게 연동하는 조건 하에서, 모든 채널의 관측 광량을 동일하게 하는 작업은 겉보기와는 달리 용이하지는 않다.

이에 본 발명에서는, 광원 측과 검출기 측을 나누어서 생각하여, (1) 두부 조직에 실제로 입사하는 광량(이하, 실효 입사 광량이라고 함)을 모든 광원 프로브에 걸쳐서 동일하게 하는 조작, 및 (2) 두부 조직으로부터 나온 광을 실제로 검출할 수 있는 효율(이하, 실효 검출 효율이라고 함)을 모든 검출기 프로브에 걸쳐서 동일하게 하는 조작을 통하여 이것을 실현한다. 이 때문에, 어떤 채널에서의 실효 입사 광량 및 실효 검출 효율을 추정하는 방법을 먼저 정식화(定式化)하고, 다음으로, 이들의 추정량의 실시간 모니터링에 기초하여, 검출기 잡음을 평준화하는 구체적인 수속에 대하여 설명한다.

관측 광량은 상기 식(6)에 나타낸 바와 같이, 각 변수의 곱의 관계식으로 나타낸다. 이 식의 로그를 취함으로써 각 변수의 선형 합의 관계식으로서 이하와 같이 기술할 수 있다.

[수식 10]

다만,

[수식 11]

여기서, 식(10)의 제1항의

가 실효 입사 광량을, 제2항의

가 실효 검출 효율을 나타내고 있다.

다음으로, 계측 채널과 이것을 구성하는 프로브의 관계를 본 발명자들에 의한 상기 특허 문헌 1 및 비특허문헌 1에 따라서 프로브 배치 행렬로 불리우는 행렬로 표현한다. 프로브 배치 행렬

는 N×(n+m)의 행렬이며, 광원 프로브 i와 검출기 프로브 j가 채널 k를 구성할 때, 그 요소를

[수식 12]

로 정의한다.

는 각 fNIRS 장치에서 채용하고 있는 채널/프로브 배치에 따라 상이하며, 예를 들면, 2개의 광원 프로브, 2개의 검출기 프로브를 사용하여 도 2의 a와 같이 4개의 채널을 구성한 경우에

는 도 2의 b와 같이 된다. 어떠한 규모·패턴의 채널/프로브 배치라도, 여기에 대응하여

는 반드시 1개만 정해지며, 또한

의 의사 역행렬(pseudo inverse matrix)

도 여기에 대응하여 반드시 1개만 정해진다. 이 프로브 배치 행렬

를 사용하면, 임의의 채널에 대한 상기 식(7)의 수식은 하기 행렬 연산으로 정리된다.

[수식 13]

여기서

는 관측 광량의 로그 logJ_k,λ, (1≤k≤N)를 요소로 하는 열 벡터이며, 실측에 의해 제공된다. 한편,

는 추정하고자 하는 실효 입사 광량에 대한 항

단 (1≤i≤n), 및 실효 검출 효율에 대한 항

단 (n+1≤j≤n+m), 을 요소로 하는 이하의 열 벡터이다.

[수식 14]

식(13)의 좌측으로부터

를 곱하는 것에 의해,

의 특수해가 이하와 같이 구해진다.

[수식 15]

상기 식 14)와 식(15)의 비교로부터 이하의 관계를 얻을 수 있다.

[수식 16]

[수식 17]

따라서, 실효 입사 광량과 실효 검출 효율은 각각

단 (1≤i≤n), 과

단 (n+1≤j≤n+m), 로서 추정할 수 있다. 여기서, 실효 입사 광량

는 a_j의 조정에 대하여 독립이며, 실효 검출 효율

는 a_i의 조정에 대하여 독립이므로, 관측 광량 J_k,λ 그 자체를 평준화할 때와 같은 프로브 네트워크를 통하여 서로의 조정이 서로 간섭하는 곤란을 회피하여, 평준화를 달성할 수 있다. 그리고, 실효 입사 광량과 실효 검출 효율을 나타내는 식에는 미정 계수 C₁, C₂가 포함되지만, 본 발명에서는, 이하에서 나타내는 바와 같이, 이들 계수를 결정하지 않고 평준화 수속을 완수할 수 있다.

(엄밀하게는, 식(14), 식(15)을 지수화하여 식(16), 식(17)을 유도할 때, C₁, C₂와는 별도로 새롭게 스케일 상수가 생기므로, 이 상수의 프로브 사이에서의 일의성(uniqueness)을 논의해 둘 필요가 있다. 결론적으로, 이 상수는 임의의 프로브 네트워크 내의 모든 프로브에 대하여 일의인 것으로 상정할 수 있다.

이하 (i)∼(iv)에서 상세하게 설명한다.

(i) 부정 연립방정식의 일반해는, 특수해와 동반 방정식

의 해의 합으로 표현할 수 있다.

(ii) 의사 역행렬

를 사용하여

를 고려하면,

이므로,

는

의 특수해이다.

(iii) 다음으로, 동반 방정식

을 고려한다.

광원 프로브의 수를 n, 검출기 프로브의 수를 m으로 하고, 하기

를 이 동반 방정식의 해로 한다.

임의의 해로부터 광원 프로브 i, 검출기 프로브 j에 의해 구성되는 채널 k의 관측량 J_k,λ를 재구성하는 것을 고려하면, 식(6), 식(11)으로부터

가 되어야 한다. 이것을 만족시키기 위해서는 동반 방정식의 해에 있어서

가 성립되지 않으면 안된다. 즉,

(여기서 c는 임의의 상수).

그런데, 광원 프로브 i를 공유하는 별도의 채널 k'에 있어서도 동일한 요청이 있으므로, 이것에 대한 검출기 프로브를 j'로 하면

가 성립되지 않으면 되지 않으므로

가 성립한다. 마찬가지로 검출기 프로브 j를 공유하는 채널 사이에 있어서는,

가 성립한다.

따라서, 광원 프로브나 검출기 프로브를 공유하도록 채널 구성된 프로브 네트워크 내에 있어서는, 모든 광원 프로브 i, 검출기 프로브 j에 대하여

가 된다.

(iv) 이상으로부터,

의 일반해는, c를 어떤 상수로 하여

로 기재할 수 있다. 이러한 사실은, 본 발명의 방법에 의해 추정된 실효 입사 광량이나 실효 검출 효율에 포함되는 스케일 상수가 프로브 사이에서 일의의 값을 가지며, 따라서, 이들을 프로브 사이에서 상호 비교할 수 있는 것을 보증한다.

본 발명의 근적외 뇌 기능 계측 장치에서의 검출기 잡음 평준화에 대하여 설명한다. 상기 측정 장치에서, 생체에 대한 광조사의 안전 가이드 라인에 따라 광원 프로브로부터 사출할 수 있는 최대 광량을 I_safe로 한다. 이 때, 광원 프로브의 실효 입사 광량 중의 최대값

조차 I_safe 이하인 것은 자명하다. 이

에 모든 광원 프로브의 실효 입사 광량을 동일하게 하는 것이, 생체 안전성을 유지하면서 계측 S/N이 가장 양호한 잡음 평준화 상태를 실현하는 방법이다. 다만, 이 평준화를 달성한 상태에 있어서는 광원 프로브로부터 사출되는 광량이 I_safe를 넘는 경우도 있을 수 있다. 따라서, 이 조정 상태인 채로 프로브를 두표로부터 이탈하거나, 모발이 적은 두피부로 시프트하면, 과대 광량 조사가 발생할 수 있다. 이것을 피하는 것이 안전상 더욱 필요하게 된다. 이상을 고려한 검출기 잡음의 평준화 및 계측의 수속을 이하에서 설명한다.

1. 프로브를 두부에 장착한 후, 장치의 모든 광 감쇠기의 투과율을 1로 설정하고, 모든 광원 강도를 I_safe로 한다.

2. 1.의 설정에서, 어느 파장 λ를 선택하고, 식(16), 식(17)에 의해 각 프로브의

즉 실효 입사 광량과 실효 검출 효율

를 추정한다.

3. 광원 프로브 측의 각 광 감쇠기의 투과율 a_i를 하기 식(18)

[수식 18]

과 같이 설정하고, 실효 입사 광량

을 평준화한다.

4. 다음으로, 모든 광원 강도를 하기 식(19)에서 정해지는 W배만큼 증대시킨다.

[수식 19]

5. 검출기 프로브 측의 각 광 감쇠기의 투과율 a_j를 하기 식(20)

[수식 20]

와 같이 설정하고, 실효 검출 효율

를 평준화한다.

6. 상기의 설정에 의해 옥시헤모글로빈 및 데옥시헤모글로빈의 검출기 잡음의 평준화가 달성된다. 이 설정을 유지한 상태에서 데이터 계측을 행한다.

7. 계측 종료와 동시에 1.의 상태로 복귀시키거나, 혹은 모든 광원 출력을 차단한다. 그리고, 식(18)∼식(20)에 나타내 바와 같이, 상기한 모든 과정 1.∼7.에 있어서 미정 계수 C₁, C₂에 관계없이 수속을 행할 수 있다.

[산업상 이용가능성]

상기 설명에서는 근적외 뇌 기능 계측 장치의 검출기 잡음 평준화에 대하여 설명하였으나, 광원 프로브와 검출기 프로브를 공유하도록 채널 구성된 프로브 네트워크를 사용하는 경우라면 적용 가능하다.

Claims

두표(頭表)에 배치되는 n개의 광원 프로브 i(1≤i≤n) 및 m개의 검출기 프로브 j(n+1≤j≤n+m)와, 각각의 광원으로부터 파장 λ의 광을 투과율 a_i로 각각의 상기 광원 프로브 i에 도입하는 광 감쇠기 i와, 각각의 상기 검출기 프로브 j에서 검출한 파장 λ의 광을 투과율 a_j로 계측 데이터부로 보내는 광 감쇠기 j와, 상기 계측 데이터부에서 받은 검출 데이터를 처리하여 상기 광원 프로브 i와 상기 검출기 프로브 j에 의해 구성되는 N개의 채널 k(1≤k≤N)에서의 옥시헤모글로빈 및 데옥시헤모글로빈의 분광 흡수 특성에 기초한 계측광의 흡광도 변화로부터 뇌 기능 활동을 검출하는 제어 수단을 포함하는 근적외 뇌 기능 계측 장치로서,
상기 제어 수단은, 사전에,
(1) 모든 광 감쇠기의 투과율을 1로 설정하고 모든 광원 강도를 안전하게 조사(照射)할 수 있는 최대 광량으로 설정하고 각각의 상기 광원 프로브 i의 실효 입사 광량과 그 중의 최소의 실효 입사 광량 및 최대의 실효 입사 광량을 구하고,
광원 프로브 측의 상기 광 감쇠기 i의 투과율 a_i를, 상기 최소의 실효 입사 광량을 상기 광원 프로브 i의 실효 입사 광량으로 나눗셈한 값으로 변경함으로써 실효 입사 광량을 평준화하고,
(2) 모든 광원 강도를 W배(단 W=[상기 최대의 실효 입사 광량/상기 최소의 실효 입사 광량])만큼 증대하여 변경하고, 상기 검출기 프로브 j의 실효 검출 효율과 그 중의 최소의 실효 검출 효율을 구하고,
검출기 프로브 측의 상기 광 감쇠기 j의 투과율 a_j를, 상기 최소의 실효 검출 효율을 상기 검출기 프로브 j의 실효 검출 효율로 나눗셈한 값으로 변경함으로써 실효 검출 효율을 평준화해 두도록 제어함으로써, 옥시헤모글로빈의 검출기 잡음(noise) 분산 및 데옥시헤모글로빈의 검출기 잡음 분산을 모든 채널 k 사이에서 맞춘,
근적외 뇌 기능 계측 장치.
n개의 광원 프로브 i(1≤i≤n) 및 m개의 검출기 프로브 j(n+1≤j≤n+m)를 두표에 배치하고, 각각의 광원으로부터 파장 λ의 광을 광 감쇠기 i를 통하여 투과율 a_i로 각각의 상기 광원 프로브 i에 도입하고, 각각의 상기 검출기 프로브 j에서 검출한 파장 λ의 광을 광 감쇠기 j를 통하여 투과율 a_j로 계측 데이터부에 보내고, 상기 계측 데이터부에서 받은 검출 데이터를 처리하여 상기 광원 프로브 i와 상기 검출기 프로브 j에 의해 구성되는 N개의 채널 k(1≤k≤N)에서의 옥시헤모글로빈 및 데옥시헤모글로빈의 분광 흡수 특성에 기초한 계측광의 흡광도 변화로부터 뇌 기능 활동을 검출하는 근적외 뇌 기능 계측 방법으로서,
모든 광원 프로브 i 및 모든 검출기 프로브 j를 두표에 장착하고, 모든 광 감쇠기의 투과율을 1로 설정하고, 모든 광원 강도를 안전하게 조사할 수 있는 최대 광량으로 설정하고 각각의 상기 광원 프로브 i의 실효 입사 광량과 그 중의 최소의 실효 입사 광량 및 최대의 실효 입사 광량을 구하는 공정;
광원 프로브 측의 상기 광 감쇠기 i의 투과율 a_i를, 상기 최소의 실효 입사 광량을 상기 광원 프로브 i의 실효 입사 광량으로 나눗셈한 값으로 변경함으로써 실효 입사 광량을 평준화하는 공정;
모든 광원 강도를 W배(단 W=[상기 최대의 실효 입사 광량/상기 최소의 실효 입사 광량])만큼 증대하여 변경하고, 상기 검출기 프로브 j의 실효 검출 효율과 그 중의 최소의 실효 검출 효율을 구하는 공정; 및
검출기 프로브 측의 상기 광 감쇠기 j의 투과율 a_j를, 상기 최소의 실효 검출 효율을 상기 검출기 프로브 j의 실효 검출 효율로 나눗셈한 값으로 변경함으로써 실효 검출 효율을 평준화하는 공정;에 의해,
사전에 옥시헤모글로빈의 검출기 잡음 분산 및 데옥시헤모글로빈의 검출기 잡음 분산을 모든 채널 k 사이에서 맞춘,
근적외 뇌 기능 계측 방법.