WO2016110969A1 - 生体光計測装置 - Google Patents

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WO2016110969A1
WO2016110969A1 PCT/JP2015/050284 JP2015050284W WO2016110969A1 WO 2016110969 A1 WO2016110969 A1 WO 2016110969A1 JP 2015050284 W JP2015050284 W JP 2015050284W WO 2016110969 A1 WO2016110969 A1 WO 2016110969A1
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light
distance
measurement device
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biological
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司 舟根
木口　雅史
佐藤　大樹
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株式会社日立製作所
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    • A61B2562/16—Details of sensor housings or probes; Details of structural supports for sensors
    • A61B2562/164—Details of sensor housings or probes; Details of structural supports for sensors the sensor is mounted in or on a conformable substrate or carrier

Definitions

  • the present invention relates to a technique for accurately measuring in-vivo internal information such as changes in cerebral hemodynamics associated with brain activity in a biological light measurement device using visible light or near infrared light.
  • NIRS near-infrared spectroscopy
  • NIRS near-infrared spectroscopy
  • the optical path length L depends on the distance between the light irradiation position and the light detection position (hereinafter abbreviated as SD distance)
  • ⁇ CL also depends on the SD distance.
  • the amount of measurement differs between devices having different SD distances.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a method for separating signals using the difference in SD distance dependency between the skin hemodynamic signal amplitude and the deep hemodynamic signal amplitude and obtaining a signal derived from the deep hemodynamic change. 1 is disclosed. In any method, the indirect measurement amount is ⁇ CL, and the problem that the signal amplitude depends on the SD distance is not solved.
  • the probe In a biological light measurement device that can separate and remove the effects of skin blood flow inside the subject, the probe should be installed at the optimum position of the subject. It is important to set an appropriate SD distance because the blood vessel distribution on the surface layer varies from site to site and there are large individual differences.
  • the biological optical measurement device of the present invention in order to separate a signal derived from a deep (brain) hemodynamic change and a signal derived from a skin hemodynamic change, measurement by a plurality of SD distances is realized.
  • each light irradiation position and light detection position are arranged.
  • the “change amount of the logarithmic value of the detected light quantity” at each time is measured, and “the change obtained by measuring the long SD distance”
  • An inclination value (hereinafter referred to as ⁇ A diff / ⁇ d) with respect to the “difference SD distance of the measurement amount obtained by measuring a short SD distance from the amount” is defined as a measurement amount.
  • it has a means to install a probe in the optimal position of a subject, a means to set appropriate SD distance, and a means to measure SD distance.
  • FIG. 1 shows the SD distance dependency of gray matter (deep part) partial optical path length 3 and scalp partial optical path length 4 simulated by simulating a human head.
  • the horizontal axis d indicates the SD distance
  • the vertical axis L indicates the partial optical path length. From the graph of FIG. 1, there is an SD distance range 1 that can be approximated when the optical path length L deep in the deep part increases linearly with an X intercept d 0 and a slope L 0 . Further, there is an SD distance range 2 that can be approximated if the optical path length L scalp of the scalp does not change.
  • Equation 1 takes an example in which total hemoglobin is measured using the isosbestic point wavelength. The case of performing spectroscopic measurement of oxygenated hemoglobin and deoxygenated hemoglobin using light having two or more wavelengths will be described in Examples.
  • ⁇ represents a molecular extinction coefficient of total hemoglobin at the wavelength
  • ⁇ C deep and ⁇ C scalp represent changes in total hemoglobin concentration in the deep part and scalp, respectively.
  • Equation 2 the right side of Equation 2 is obtained by dividing ⁇ A diff / ⁇ d by ⁇ , and the left side of Equation 2 is a new measurement amount. That is, this new measurement amount is proportional to the product of the deep hemoglobin concentration change ⁇ C deep and L 0 , and the influence of skin blood flow ( ⁇ C scalp ⁇ L scalp ) is removed.
  • L 0 is the slope of L deep with respect to d and can be regarded as being constant, and thus is a value that does not depend on the SD distance d. However, it depends on the optical structure depending on the anatomy of the head and the distribution of optical properties.
  • the product of ⁇ C deep and L 0 can be used as an indirect measurement amount.
  • ⁇ C deep has a density dimension, but since L 0 is a slope and a dimensionless quantity, this measurement quantity has a density dimension.
  • Equation 1 it is possible to replace the ⁇ C deep ⁇ L 0 changes in the product of C deep and L 0 delta and (C deep ⁇ L 0). In other words, even if the optical structure of the head changes, the amount including it is considered as an indirect measurement amount.
  • the SD distance range where the SD distance range 1 and SD distance range 2 overlap should be about 10 mm or more and about 40 mm or less. . However, even if it is 50 mm, the linearity is not significantly impaired, and depending on the allowable accuracy of measurement, it can be 50 mm or more. However, if the SD distance is increased, the spatial resolution and the signal-to-noise ratio of the direct measurement amount are reduced. Therefore, in actual measurement, the SD distance may be selected according to the purpose. In Equation 1, the logarithmic value of the detected light quantity at one point of time 0 is used as a reference, but the average value of the logarithmic values of the detected light quantity at a plurality of times may be used as a reference.
  • the new measurement amount may be defined as a difference between oxygenated or deoxygenated hemoglobin changes measured and calculated at two types of SD distances divided by ⁇ of the corresponding hemoglobin.
  • the measurement amount is defined as an amount proportional to the change in the deep hemoglobin concentration.
  • adding an arbitrary offset value may result in a non-proportional amount. Even in that case, there is no change in the amount changing according to the change in the absorber concentration in the deep part of the subject.
  • One aspect of the present invention provides one or more light irradiation means disposed on the surface of the subject, one or more light detection means disposed on the surface of the subject, the light irradiation means, and the light detection means.
  • the holding unit is configured such that the light irradiation unit and the light detection unit can hold the SD distance so that there are two or more types.
  • Another aspect of the present invention is to hold one or more light sources that irradiate light on the surface of the subject, one or more detectors that detect light from the surface of the subject, and hold the light sources and detectors. And a holding portion made of a deformable material so that the distance between the light source and the detector can be changed.
  • the distance between the light source and the detector can be defined by the distance between the optical axis of the optical system of the light source and the center point of the detector, for example.
  • a mounting jig made of a non-stretchable member mechanically connected to the holding portion is further provided, more stable mounting is possible.
  • the change in the logarithmic value or the hemoglobin change ⁇ S1 of the light intensity measured at the SD distance d1 and the change in the logarithmic value of the light intensity measured at the SD distance d2 Of the difference between the amount or the amount of hemoglobin change ⁇ S2 with respect to the distance between the light irradiation position and the light detection position, that is, ( ⁇ S1- ⁇ S2) / (d1-d2), A value proportional to the change or a value related to a hemodynamic change in the deep part of the living body can be obtained.
  • Such processing can be executed by a computer or the like that receives data from the biological light measurement device.
  • the present invention it is possible to realize a probe holder that efficiently changes the SD distance in an apparatus that can obtain a measurement signal proportional to a change in blood dynamics in the deep part regardless of the SD distance.
  • a number for identifying a component is used for each context, and a number used in one context does not necessarily indicate the same configuration in another context. Further, it does not preclude that a component identified by a certain number also functions as a component identified by another number.
  • FIGS. 2 to 4 show arrangement examples of the light irradiation position and the light detection position of the present embodiment.
  • a signal for calculating ⁇ A diff / ⁇ d can be obtained.
  • the light source is indicated by a black circle and the photodetector is indicated by a white circle.
  • the first light irradiation position 12 and the first light detection position 13 are arranged at the SD distance d 1 to form a pair, and the second light irradiation position 16 and the light detection position 14 of the light 1 are formed. Are arranged at SD distance d 2 to form a pair.
  • the light irradiation position 12 forms a pair with both the first light detection position 13 and the second light detection position 14. That is, the light irradiated from the light irradiation position 12 is detected at both the first light detection position 13 and the second light detection position 14.
  • FIG. 5 shows an example of an apparatus configuration in this embodiment.
  • a biological light measurement apparatus that detects light that has entered light by being incident on the living body and scattered and absorbed in the living body and then emitted, the light 30 emitted from one or more light sources 101 included in the apparatus body 20 Then, the light is incident on the subject 10 through the waveguide 40.
  • the light 30 enters the subject 10 from the light irradiation position 12, passes through and propagates through the subject 10, and then is guided from the light detection positions 13 and 14 at a position away from the light irradiation position 12. 40 and is detected by a separate photodetector 102.
  • the distance between the light irradiation position 12 and the light detection position 13 is d 1 and the distance between the light irradiation position 12 and the light detection position 14 is d 2 .
  • the one or more light sources 101 are a semiconductor laser (LD), a light emitting diode (LED), or the like
  • the one or more photodetectors 102 are an avalanche photodiode (APD), a photodiode (PD), or a photoelectron.
  • a multiplier tube (PMT) or the like may be used.
  • the waveguide 40 may be an optical fiber, glass, light guide, or the like.
  • the light source 101 is driven by a light source driving device 103, and one or a plurality of photodetector outputs are amplified by an amplifier 104, then analog-digital converted by an analog-digital converter 105, and an analysis unit 110 uses the value.
  • the processed result is displayed on the display unit 109 and stored in the storage unit 108.
  • the control unit 106 controls the light source driving device 103 based on an input of conditions and the like from the input unit 107 and data in the storage unit 108.
  • the analysis unit 110 performs analysis based on the signal detected by the photodetector 102. Specifically, each of the deep oxygenated hemoglobin and the deep deoxygenated hemoglobin is obtained by receiving the digital signal obtained by conversion by the analog-digital converter 105 and performing the following calculation based on the digital signal. , ( ⁇ C oxy L 0 ) deep and ( ⁇ C deoxy L 0 ) deep are obtained.
  • Equation 2 can be expressed as follows.
  • Equation 4 Equation 4 below.
  • the matrix on the right side of the right side of Equation 4 is a matrix having ⁇ A diff / ⁇ d as an element to be used in the case of two-wavelength measurement.
  • control unit 106 has been described on the assumption that the driving of the light source 101, the gain control of the photodetector 102, and the signal processing from the analog-digital converter 105 are all performed, but each has a separate control unit. Furthermore, the same function can be realized by having means for integrating them.
  • the calculation is performed after digital conversion here, the calculation may be performed in an analog manner using a logarithmic amplifier or a differential amplifier.
  • light is propagated between the light source 101 and the photodetector 102 and the subject 10 using the optical waveguide 40, but the light source and the detector may be directly brought into contact with the living body. In this embodiment, the case where a light source having two wavelengths is used has been described.
  • the same calculation can be performed for three or more wavelengths.
  • a plurality of sets may be measured, imaged, and displayed on the display unit 109.
  • the case where there are a plurality of light detectors for one light irradiator has been described, but the same configuration is also possible using a plurality of light irradiators for one light detector. An effect is obtained.
  • a plurality of sets having different SD distances may be used without sharing the light irradiator and the photodetector between the sets. However, the number of components can be reduced by sharing the light irradiator and the light detector between the groups.
  • the conventional apparatus requires a control means for stabilizing the output light amount of the light source, that is, a circuit for detecting a part of the output light amount and performing negative feedback control.
  • FIG. 6 shows an example of a probe holder using different members in the forehead portion and other parts as a method for realizing the measurement with the probe arrangement described above.
  • the forehead portion of the subject 10 includes a “probe holder made of a plastic material or a stretchable member” 505, and a “probe holder made of a non-stretchable member” 504 is provided in a portion other than the forehead including the back of the head. Is provided.
  • the probe 11 is a light source or a light detector, and in the forehead portion, in order to remove the influence of skin blood flow, measurement is performed in a multi-distance arrangement having a plurality of SD distances. Adjust the SD distance to use.
  • a probe holder 504 made of a non-stretchable member is provided to facilitate position adjustment and fixing to a reference point where the probe is applied from the temporal region to the occipital region.
  • a probe holder 502 made of a plastic material and a probe holder 71 made of a non-stretchable member are mechanically connected to each other to form an integral probe holder.
  • the probe holder 505 made of a plastic material or a stretchable member, or “SD distance measuring means (scale) for measuring the mutual distance (or SD distance) of the probes 11 fixed in the holding portion 501”
  • the non-stretchable member ”503 is placed at or near the contact with the probe holder 505 made of the plastic material or the stretchable member.
  • the SD distance set by visual observation can be efficiently measured, and the measured SD distance and the difference between the SD distances can be used for analysis in the analysis unit 110.
  • the probe holder 505 is formed of, for example, a rubber material having uniform elasticity, the distance between the probes can be easily adjusted because the distance between the probes is approximately even when the probe holder 505 is attached to the subject's head.
  • the probe holder 71 may be a mounting jig without mounting a probe. Further, the probe holder 71 and the mounting jig can also be used.
  • the skin blood flow effect separation method described in Patent Document 3, Non-Patent Document 1, etc., or the multi-distance ICA (MD-ICA) method is applied. Also good.
  • the deep signal is extracted by the MD-ICA method or other methods, the amount depending on the optical path length may be measured, so the arrangement of multi-distance and single distance is mixed as in this probe configuration.
  • the deep signal obtained by using a method such as the MD-ICA method is converted into data of an arbitrary SD distance. Note that in the case of analyzing only the relative change, not the absolute value information of the amplitude, it is not necessary to convert the indirect measurement amount ⁇ C deep ⁇ L 0 described above into another measurement amount.
  • the conversion method to the arbitrary SD distance when the deep part extraction signal is measured as an amount depending on the optical path length follows, for example, the following procedure.
  • the gray matter partial optical path length SD shown in FIG. Considering the distance dependency it is expressed by the following formula 6.
  • the amplitude of the deep signal (the deep absorption amount change signal) is converted using the partial optical path length of the gray matter. Even if a measurement amount that depends on the SD distance or the partial optical path length is obtained in the data of a measuring device measured at different SD distances, this conversion formula can also be used for one type of SD data (for example, SD distance 30 mm). That is, data measured at an arbitrary first SD distance can be converted into data at an arbitrary second SD distance.
  • Such conversion processing may be performed by a single computer, or any part of the input device, the output device, the processing device, and the storage device may be configured by another computer connected via a network. .
  • Data measured at the first SD distance is input from an input device, and arithmetic processing is performed by software using a processing device and a storage device.
  • functions equivalent to those configured by software can be realized by hardware such as FPGA (Field Programmable Gate Array) and ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
  • FIG. 7 shows an example of a cap-shaped probe cap 70.
  • a probe guide 72 for changing the SD distance by manually or automatically adjusting each light irradiation position 12 or light detection position 13, or the corresponding light irradiator and the position of the light detector is provided.
  • the probe guide 72 is, for example, a slider that slidably holds the light irradiator and the light detector, and can move the light irradiation position 12 and the light detection position 13 along the probe guide 72.
  • FIG. 8 shows another example of the probe holder fixing method.
  • a probe guide 72 is installed on the probe holder 71.
  • the light irradiation position 12 and the light detection position 13 can be moved along the probe guide 72.
  • the probe holder 71 is fixed to the subject 10 by being connected to the stretchable probe band 73 and the non-stretchable probe band 74.
  • a stretchable probe band 73 and a non-stretchable probe band 74 are combined. If all the bands are made stretchable, there is a possibility that the holding of the probe holder at the reference position in the subject 10 may become unstable, but by combining the stretchable probe band 73 and the non-stretchable probe band 74, The non-stretchable probe band can be easily fixed at the reference position in the subject 10.
  • the center of the lower end of the non-stretchable probe band 74 can be installed at the position of Oz on the back of the head.
  • the stretchable probe band 73 expands and contracts to expand the head It is possible to absorb the difference in shape and size.
  • the relative position from the reference point on the stretchable probe band 73 changes depending on the subject 10, but the relative position from the reference point on the non-stretchable probe band 74 does not change.
  • This configuration has an effect that the probe holder 71 can be efficiently fixed in a clear place with respect to the reference position.
  • FIG. 9 shows a configuration example of a support member for fixing the probe holder at the reference position as an example of another probe fixing method.
  • the probe is placed in line with the reference point on the scalp.
  • the reference point is determined in accordance with, for example, the International 10-20 method, which is an electrode arrangement method in electroencephalogram measurement.
  • the reference position adjusting probe support member 78 is arranged along the sagittal plane and the coronal plane with respect to the subject 10, and the holding portion 501 is fixed by the “probe and probe band fixing jig” 79.
  • it is connected and fixed to a probe holder 71 (not shown).
  • a reference position adjustment probe support member 78 is provided with a position adjustment guide 77, and the position of the holding portion 501 can be adjusted and fixed by a "probe and probe band fixing jig" 79. Accordingly, the holding unit 501 or the probe holder 71 can be fixed to the subject 10 according to the head size of the subject 10.
  • the light irradiation position 12 and the light detection position 13 can be moved along the probe guide 72.
  • the “probe and probe band fixing jig” 79 may be arranged at equal intervals.
  • the SD distance varies depending on the shape and size of the head of the subject 10, and the SD distance may vary on the frontal side and the occipital side even for the same subject, but is described in this specification.
  • the tissue deep absorption change signal can be appropriately acquired.
  • This configuration has an effect that the probe can be appropriately adjusted to the reference position in the subject 10 and the probe holder can be arranged without changing the number of measurement points between the subjects.
  • the holder 501 may be replaced with the probe holder 71.
  • FIG. 10 shows a probe holder 71 for fixing the probe using the probe pressing pressure.
  • Each probe (light source or light detector) 12 is arranged on a probe guide 72, and an optical fiber 61 is connected thereto.
  • the probe guide 72 has a groove 65 formed in the probe holder 71, and a protrusion formed on the probe 12 is fitted into the groove 65 of the probe guide. Accordingly, the probe 12 is configured to be able to move on the probe guide 72 without dropping.
  • the probe 12 is moved on the probe guide 72 within the movable range 66. It is possible to adjust the distance between the probes and the SD distance.
  • the SD distance can be measured visually or with a camera or the like by a non-stretchable member 503 having an SD distance measuring means (scale or the like).
  • the probe holder 71 When the probe holder 71 is installed on the subject 10, the probe holder 71 is pressed against the subject 10 by the tensile force 63, and a pressing pressure 62 from the probe 12 to the subject 10 is generated. Since this pressing pressure is also applied to the probe guide 72, the frictional force 64 between the protrusion of the probe 12 and the groove 65 of the probe guide 72 increases, the probe is fixed on the probe guide 72, and the position on the probe holder 71 is Fixed.
  • the tensile force 63 it is conceivable to form the probe holder 73 with a stretchable member such as rubber. Alternatively, it is conceivable to attach a stretchable member such as rubber to the probe holder 72 having no stretchability and use the tensile force of rubber. With the above configuration, there is an effect that the measurement operator can easily adjust and fix the probe.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration in which the probe is fixed by bending the probe holder 71. This configuration is applicable to the configurations of FIGS.
  • FIG. 11A is a plan view when the probe holder 71 is not curved
  • FIG. 11B is an elevational view when the probe holder 71 is not curved.
  • the probe 11 can move along the probe guide 72.
  • the probe fixing member 84 connected to the probe 11 is fitted in the groove 85 in the probe holder, so that the probe 11 can be stably slid along the probe guide 72.
  • FIG. 11 (c) is an elevation view when the probe holder 71 is curved. Since the probe holder 71 is curved, a contact portion is generated between the probe fixing member 84 and the groove 85 in the probe holder, and a contact resistance (mechanical frictional force) is generated. Therefore, the probe 11 is fixed. It will be.
  • the contact resistance can be adjusted, for example, by selecting a material with high flexibility such as plastic for the probe holder 71 and selecting a material with low flexibility such as metal for the probe fixing member 84.
  • This configuration utilizes the fact that the probe holder 71 is bent when the probe holder 71 is fixed to the subject 10 or the curvature is changed, and the probe is automatically fixed at that time. It is unnecessary. Accordingly, there is an effect that the probe 11 can be switched between non-fixed and fixed with a simple configuration.
  • the method for fixing the probe is not limited to the above, and the material and structure may be selected so that the position of the probe can be fixed by utilizing the frictional force between the probe, the probe holder, and the subject.
  • the fixing method using the frictional force has an effect that the operation is simpler than using the adhesive or other methods.
  • FIG. 12 shows a probe holder having a two-row arrangement for measuring an area centered on the forehead portion.
  • the light irradiation position 12 and the light detection position 13 are arranged on the probe holder 71 installed on the subject 10 so that the SD distance can be measured by a plurality of combinations.
  • the light irradiation position 12 and the light detection position 13 are movable along the probe guide 72.
  • a magnetic sensor 75 is disposed on the probe holder 71, and by measuring the magnetic field from the magnetic field generating means 76, the relative positional relationship between the magnetic sensors in the three-dimensional space can be acquired.
  • the entire probe holder 71 may be made of an elastic member so that the SD distance can be changed.
  • positions the magnetic sensor 75 on the probe holder 71 was shown, it is good also as a structure which measures the position of each probe directly by being embedded in each probe. With this configuration, the probe position can be estimated by a magnetic sensor, and the SD distance can be measured by spacing the probes.
  • FIG. 13 shows an example of the SD distance setting screen.
  • This image shows an example in which an information processing device including an input / output device, a processing device, and a storage device is used, and information measured by the SD distance measuring means is input to the input device and displayed on the output device.
  • the SD distance 82 measured by the SD distance measuring means is described in the column corresponding to the column indicating the corresponding light source number 80 and the row indicating the detector number 81. For a light source / detector pair whose SD distance exceeds a predetermined range or is not used or measured depending on the setting, a symbol 83 indicating a light source / detector pair that is not measured is described.
  • the means for measuring the SD distance is, for example, a circuit parameter between the positions of the light irradiation means and the light detection means, in particular, the voltage applied to the resistance value.
  • the groove 65 of the probe guide 72 shown in FIG. 10 is formed of a conductor having a predetermined resistance, and the resistance value between the probe 12 and a detection electrode (not shown) can be measured. Since the resistance value has a one-to-one correspondence with the SD distance, there is an effect that it can be easily electrically checked. At this time, it is necessary to have a circuit for measuring the resistance between each light irradiation means and the light detection means.
  • the means for measuring the SD distance may be configured by a position marker on the holding unit or the mounting jig and a camera or video for imaging the position marker.
  • the position marker can be detected from the captured image by a known image processing technique, and the position can be measured.
  • This configuration is non-contact and can realize the SD distance measurement by a simple means such as a position marker, and can be used in combination with the existing means for measuring the SD distance. This has the effect of improving the accuracy of SD distance measurement.
  • Example 1 detection signals measured at two different SD distances d 1 and d 2 were mainly used.
  • the calculation when the three SD distances d 1 , d 2 , and d 3 are used as a set will be described.
  • Three photodetectors are arranged at positions of SD distances d 1 , d 2 , and d 3 for one light irradiator.
  • the combination of two is d 1 -d 2 , d 2 -d 3 , and d 1 -d 3 , so there are three combinations for each sub-set.
  • ⁇ A diff [t] / ⁇ d is obtained.
  • the measured values at three SD distances are plotted on a graph with d as the horizontal axis and ⁇ A diff as the vertical axis, and the slope ( ⁇ A diff / ⁇ d) is obtained, and a value obtained by dividing this by ⁇ is defined as a measured value ⁇ C deep [t] ⁇ L 0 of the set.
  • This case also has the effect of reducing the measurement error as in the fourth embodiment.
  • FIG. 15 shows another example.
  • FIG. 14 illustrates a case where d 1 , d 2 , and d 3 are different, but some of them may have the same value as shown in FIG.
  • the reliability of ⁇ A diff at d 2 is improved, and the measurement error is reduced. Further, even when four or more SD distances are used as a set, the same calculation can be performed.
  • Photodetector 13, 14, 15 are arranged from the light irradiator 12 in the position apart SD distance d 1, d 2, d 3 , to form four pairs surrounded by a broken line.
  • FIG. 16 shows that the number of photodetectors is not shared by the photodetectors 14 not being arranged on the same straight line as the other photodetectors but sharing the same distance from different light irradiators.
  • ⁇ A diff is information between the light irradiation position and the light detection position farthest from it Can be regarded as reflecting. Therefore, the approximate midpoint between the light detection position and the light irradiation position with the longest SD distance in the group can be represented as the measurement point 401 of the group.
  • the measurement values ⁇ C deep ⁇ L 0 at the measurement points (+ intersections) obtained for each group in this way are interpolated between the measurement points as necessary, and displayed in the same manner as in the past.
  • the measurement point 401 and the position of the photodetector 14 overlap each other because it is illustrated for the case where the photodetector 15 is arranged at the midpoint between the light irradiator 12 and the photodetector 13.
  • the detector 15 is not necessarily arranged at the midpoint, and in this case, the positions of the measurement point 401 and the photodetector 15 do not match.
  • the light irradiation position and light of the set having the longest SD distance among at least two sets of light irradiation position and light detection position used for obtaining the value proportional to the change in the absorber concentration of the subject.
  • the approximate midpoint of the detection position is used. Can be saved.
  • FIG. 17 is used to explain an embodiment of the arrangement of the light irradiator and the light detector of the biological measurement apparatus of the present invention.
  • the light irradiator 12 and the photodetectors 13 and 14 are coupled by a holding unit 501 made of a stretchable mechanism or member, and the SD distance is extended and contracted according to the shape of the head of the subject.
  • the marker 502 By aligning the marker 502 to the subject's nasal root and aligning another marker not shown in the occipital nodule, the light irradiation position and the light detection position are divided into positions obtained by dividing the head circumference along the subject's head shape. Can be arranged.
  • the earlobe and the center of the median are used in addition to the nasal root and the occipital nodule.
  • the embodiment described above it is possible to realize a probe holder that efficiently changes the SD distance in an apparatus that can obtain a measurement signal proportional to a change in blood dynamics in the deep part regardless of the SD distance.
  • the light irradiation position and the light detector position are coupled by a non-stretchable member so that the distance does not change. Therefore, for subjects with different head sizes and shapes, the brain area measured by the measurement position is shifted, so the relative position relationship between the light irradiation position, the light detection position, and the external index of the subject head is measured. In some cases, additional work was performed to estimate the brain area to be measured.
  • the light irradiation position and the light detector position can be arranged relative to the subject head shape.
  • the position of the brain area can be estimated by the relative position with the external index of the subject's head, according to the present embodiment, it is possible to easily estimate which area of the brain the measurement position corresponds to. Furthermore, by standardizing the measurement position based on the external index, there is an effect that the measurement data obtained at the same relative position can be compared and calculated regardless of the head shape of the subject.
  • the EEG places the measurement position at a relative position based on the external index, whereas the NIRS optical probe needs to be placed at an absolute position with a fixed SD distance.
  • the placement positions of the electroencephalogram electrode and the optical probe interfere with each other, making the placement difficult, and the positional relationship between the electroencephalogram and the NIRS measurement position is different for each subject.
  • the interference can be prevented. There is an effect that simultaneous measurement of the above becomes easy.
  • the arrangement of the light irradiation position and the light detector position that goes around the head has been described, but the light irradiation position and the light detector position are similarly arranged in the whole head or partial measurement of the head. Can be configured.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • the present invention can be used for a biological light measuring device using visible light or near infrared light.

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Abstract

被検体表面上に配置される１つまたは複数の光照射手段と、被検体表面上に配置される１つまたは複数の光検出手段と、光照射手段と前記光検出手段を保持するための保持部と、保持部を前記被検体に装着するための装着冶具と、光照射手段と前記光検出手段との距離で定義されるSD距離を変化させる手段とを有する生体光計測装置である。保持部は、光照射手段と光検出手段が、SD距離が２種類以上となるように保持することが可能な構成である。

Description

生体光計測装置
　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、脳活動に伴う脳血液動態変化などの生体内部情報を精度良く測定する技術に関する。
　近赤外分光法（near-infrared spectroscopy: NIRS）を用いた脳機能計測装置は、医療用および研究用機器として、あるいは教育効果・リハビリ効果の確認、家庭における健康管理、商品モニタ等の市場調査に用いることができる。また、同様の手法により組織酸素飽和度計測や筋肉の酸素代謝計測に用いることができる。さらに、果実の糖度計測を始め、光散乱体を測定対象とした一般の吸収分光装置にも用いることができる。
　従来の近赤外分光法（NIRS）を用いた脳機能計測では、ヒトの脳の表層付近の局所的血液動態変化を無侵襲的に観測するために、可視から赤外領域に属する波長の光を被検体に照射し、光照射位置から数cm離れた位置で被検体内部を通過した光量を測定し、修正ランバートベール式を用いてヘモグロビン濃度と光路長の積の変化量（以下、ΔCLと略す）を計測する。つまり、NIRS計測では、生体を透過して検出された光量変化が直接測定量であり、ΔCLが間接測定量である。臨床現場においてこの方法を用いて、言語機能や視覚機能などの計測が行われている。
　光路長Lは光照射位置・光検出位置間距離（以下、SD距離と略す）に依存するため、ΔCLもSD距離に依存する。そのため、SD距離の異なる装置間で測定量が異なるという問題があった。逆に言えば、測定データを比較するためには、SD距離が同じになるように光照射位置・光検出位置を配置する必要があった。そのため、頭部形状や頭部寸法が異なる被験者間では脳の測定位置がずれるという問題があった。
　更に、光を頭皮上から照射するために、頭皮における皮膚血液動態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SD距離で測定を実施し、長SD距離における計測信号から短SD距離における計測信号に適当な係数を乗じた値を引くことで、皮膚血液動態由来信号を除去することが多い（例えば、特許文献１、２）。また、皮膚血液動態信号振幅と深部血液動態信号振幅のSD距離依存性が異なることを利用してこれらを分離し、深部血液動態変化に由来する信号を得る方式が、特許文献３及び非特許文献１に開示されている。いずれの方式においても、間接測定量はΔCLであり、信号振幅はSD距離に依存するという問題は解決されていない。
　また、これまで、可とう性もしくは伸縮性を有するプローブは各種提案されているが、SD距離によらない、深部血液動態変化を反映する測定値を解析するための測定手段として、SD距離を変化及び測定することができるプローブに関する技術は開示されていない。
米国特許第7072701 B2号明細書 米国特許第5349961号明細書 WO 2012005303 A1号明細書
T. Funane、 H. Atsumori、 T. Katura、 A. N. Obata、 H. Sato、 Y. Tanikawa、 E. Okada and M. Kiguchi、 "Quantitative evaluation of deep and shallow tissue layers' contribution to fNIRS signal using multi-distance optodes and independent component analysis、" NeuroImage 85(1)、 150-165 (2014)
　被検体内部の皮膚血流影響を分離・除去可能な生体光計測装置において、プローブを被検体の最適な位置に設置すること。表層の血管分布が部位で異なり、個人差が大きいため、適切なSD距離を設定することが重要である。
　上記課題を解決するため、本発明の生体光計測装置においては、深部（脳）血液動態変化由来の信号と皮膚血液動態変化由来の信号を分離するために、複数のSD距離による計測を実現するよう、各々の光照射位置および光検出位置が配置される。２つのSD距離において、ある条件またはある時刻における検出光量の対数値を基点として、各時刻における「検出光量の対数値の変化量」を測定し、「長SD距離の計測によって得られた前記変化量から短SD距離の計測によって得られた前記計測量の差分SD距離」に対する傾き値（以下、ΔAdiff/Δdと記す）を測定量とする。そして、これを実現するため、プローブを被検体の最適な位置に設置する手段、もしくは、適切なSD距離を設定する手段、及びSD距離を測定する手段を有する。
　本発明において前提とする原理を以下に詳細に説明する。
　図１は、ヒト頭部を模擬して灰白質（深部）の部分光路長３と頭皮の部分光路長４のSD距離依存性を計算したものである。横軸dがSD距離、縦軸Lが部分光路長を示す。図１のグラフより、深部の光路長Ldeepは、X切片d0、傾きL0を持って線形に増加すると近似できるSD距離の範囲１が存在する。また、頭皮の光路長Lscalpは変化しないと近似できるSD距離の範囲２が存在する。
　よって、SD距離の範囲１とSD距離の範囲２が重なるSD距離の範囲においては、SD距離dで測定された受光強度の時間変化をI[d、t]とおくと、時刻0を基点とした吸光度変化ΔA[d、t]は、修正ランバートベール式により以下の数１のように書ける。尚、ここでは本発明の原理の説明を簡単にするために、数１は等吸収点波長を用いて総ヘモグロビンを計測する場合を例にする。2波長以上の光を用いて、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンを分光計測する場合については、実施例にて説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、εは当該波長における総ヘモグロビンの分子吸光係数、ΔCdeep、ΔCscalpは、それぞれ深部および頭皮における総ヘモグロビン濃度変化を表す。
　SD距離d1で測定したΔA[d1、t]とSD距離d2で測定したΔA[d2、t]の差をとり、「SD距離の差」とεとの積で割ると以下の数２が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、数２の右辺は、ΔAdiff/Δｄをεで割ったものであり、数２の左辺が新しい測定量となる。つまり、この新たな測定量は、深部ヘモグロビン濃度変化ΔCdeepとL0の積に比例し、皮膚血流の影響（ΔCscalp・Lscalp）は除去されている。L0はLdeepのdに対する傾きであり、一定であると見なせるため、SD距離ｄには依存しない値である。但し、頭部の解剖学的構造と光学特性の分布に依存した光学的構造に依存する。
　本発明者らの検討によれば、ΔCdeepとL0の積を間接測定量とすることができる。ΔCdeepは濃度の次元を有するが、L0は傾きであり無次元量であるため、本測定量は濃度の次元を有する。また、数１において、ΔCdeep・L0をCdeepとL0の積の変化Δ（Cdeep・L0）と置き換えることができる。つまり、仮に頭部の光学的構造が変化した場合でも、それを含んだ量を間接測定量と考えるということである。
　Ldeepが灰白質であるとした場合には、図１よりSD距離の範囲１とSD距離の範囲２が重なるSD距離の範囲は、約10 mm以上約40 mm以下とすればよいことがわかる。但し、50 mmとしても直線性が大きく損なわれるわけではないので、測定の許容精度によっては50 mmまたはそれ以上とすることも可能である。但し、SD距離を長くすると空間分解能や直接測定量の信号対雑音比が低下する。よって、実際の測定では、目的に応じてSD距離を選択すればよい。尚、数１では、ある1点の時刻0における検出光量の対数値を基準としたが、複数の時刻における検出光量の対数値の平均値を基準としてもよい。
　尚、数１において総ヘモグロビン変化を算出することを想定したが、頭皮及び灰白質（深部）における酸素化ヘモグロビン変化もしくは脱酸素化ヘモグロビン変化を算出する式を用いてもよい。また、前記新たな測定量として、2種類のSD距離において測定・算出した酸素化もしくは脱酸素化ヘモグロビン変化の差を、該当するヘモグロビンのεで割ったものとして定義してもよい。また、ここでは深部ヘモグロビン濃度変化に比例する量として測定量を定義したが、任意のオフセット値を加算することで、比例しない量になることもある。その場合でも被検体深部の吸収体濃度変化に応じて変化する量であることに変わりは無い。
　本発明の一側面は、被検体表面上に配置される１つまたは複数の光照射手段と、被検体表面上に配置される１つまたは複数の光検出手段と、光照射手段と光検出手段を保持するための保持部と、保持部を被検体に装着するための装着冶具と、光照射手段と光検出手段との距離で定義されるSD距離を変化させる手段とを有する。保持部は、光照射手段と光検出手段が、SD距離が２種類以上となるように保持することが可能な構成である。また、好ましくは、SD距離を計測する手段をさらに備えると便利である。
　本発明の他の側面は、被検体表面に光を照射する１つまたは複数の光源と、被検体表面からの光を検出する１つまたは複数の検出器と、光源と検出器を保持するとともに、光源と検出器との距離を変化させることができるように、変形可能な素材で構成された保持部とを有する。光源と検出器との距離は、例えば、光源の光学系の光軸と検出器の中心点の間の距離で定義することができる。また、好ましくは、保持部と機械的に接続される非伸縮性の部材からなる装着冶具をさらに備えると、さらに安定した装着が可能となる。
　上記の生体光計測装置によって測定したデータを用いると、SD距離ｄ１において測定された光強度の対数値の変化量もしくはヘモグロビン変化量ΔＳ１と、SD距離ｄ２において測定された光強度の対数値の変化量もしくはヘモグロビン変化量ΔＳ２とのそれぞれの差分値の、光照射位置・光検出位置間距離に対する傾き値、つまり、（ΔＳ１－ΔＳ２）／（ｄ１－ｄ２）を用いて、生体深部の吸収体濃度変化に比例した値、もしくは生体深部のヘモダイナミックな変化に関連する値を求めることができる。このような処理は、上記の生体光計測装置からデータを受信するコンピュータ等で実行することができる。
　本発明によれば、SD距離によらずに深部の血液動態変化に比例した測定信号を得ることができる装置において、効率的にSD距離を変化させるプローブホルダを実現できる。
　上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
部分光路長とSD距離の関係を示すグラフ図 光照射位置と光検出位置の組の配置例の平面図 光照射位置と光検出位置の組の配置例の平面図 光照射位置と光検出位置の組の配置例の平面図 装置構成の一例のブロック図 前額部とそれ以外の部位で異なる部材を用いるプローブホルダの例を示す斜視図 帽子形状のプローブキャップの例を示す側面図 プローブホルダ固定方法の例 プローブホルダを基準位置に固定するための支持部材構成例を示す斜視図 プローブ押し付け圧を利用してプローブを固定するためのプローブホルダ を示す二面図 プローブホルダの湾曲によりプローブを固定する構成を示す二面図 前額部を中心とした領域を測定するための2列配列を有するプローブホルダを示す斜視図 SD距離測定結果画面を示す平面図 ΔCdeep[t]・L0を求めるための補助グラフ図 ΔCdeep[t]・L0を求めるための補助グラフ図 光照射位置と光検出位置と計測点の関係を示す平面図 ヒト計測のための光照射位置と光検出位置配置手段を示す斜視図
　以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
　以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。
　また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。
　図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
　本明細書で引用した刊行物、特許および特許出願は、そのまま本明細書の説明の一部を構成する。
　図２から図４に、本実施例の光照射位置と光検出位置の配置例を示す。このような構成を用いて、ΔAdiff/Δdを計算するための信号を得ることができる。各図では、光源を黒丸で、光検出器を白丸で示している。
　図２では、第１の光照射位置１２と第１の光検出位置１３がSD距離d1で配置されて対を形成しており、第２の光照射位置１６と光１の光検出位置１４がSD距離d2で配置されて対を形成している。
　図３では、光照射位置１２は第１の光検出位置１３と第２の光検出位置１４の両方と対を形成している。つまり、光照射位置１２から照射された光は第１の光検出位置１３と第２の光検出位置１４の両方で検出される。
　図４では、逆に、第１の光照射位置１２と第２の光照射位置１６から別々に照射された光が１個の光検出位置１３で検出されている。図２から図４で示したように、光照射位置と光検出位置が直線に配置されることが望ましいが、血液動態変化がほぼ一定とみなせる領域では、異なる方向に配置されたSD距離の異なる光検出位置を用いることもできる。ここでは、２種類のSD距離を組として用いる場合について説明したが、3種類以上のSD距離の場合でも同様に配置することができる。
　図５に、本実施例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す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、光照射位置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、光照射位置１２と離れた位置にある光検出位置１３および１４から導波路４０を介して、別々の光検出器１０２で検出される。光照射位置１２と光検出位置１３間の距離をd1および光照射位置１２と光検出位置１４間の距離をd2とする。
　ここでは光検出位置が２つの場合を図示しているが、光検出位置は３個以上あってもよい。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１０２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出力は増幅器１０４により増幅後、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、その値を用いて解析部１１０で処理された結果が表示部１０９で表示されるとともに、記憶部１０８に保存される。制御部１０６は、入力部１０７からの条件等の入力や記憶部１０８のデータに基づき、光源駆動装置１０３の制御を行う。
　解析部１１０では、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、以下の演算により、深部の酸素化ヘモグロビンと深部の脱酸素化ヘモグロビンについて、それぞれ、(ΔCoxyL0)deepと(ΔCdeoxyL0)deepを求める。光源１０１の出力として、２つの波長λ1とλ2を用いた場合、数２は以下のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここでそれぞれのパラメータの下付のoxy、deoxyは、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンに相当するパラメータであることを表し、εの上付のλ1、λ2はそれぞれの波長におけるヘモグロビン分子吸光係数を表す。数３をΔCdeepL0について解くと、以下の数４が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　数４の右辺の右側の行列が、2波長計測の場合に用いられるべきΔAdiff/Δdを要素とする行列である。
　ここでは、制御部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、また、ここでは、デジタル変換した後に演算を行ったが、対数増幅器や差動増幅器を用いてアナログ的に演算してもよい。また、ここでは光源１０１および光検出器１０２と被検者１０の間は光導波路４０を用いて光を伝播させたが、光源や検出器を直接、生体に接触させる構成としてもよい。本実施例では、2波長の光源を用いた場合について説明したが、１波長の場合、３波長以上の場合についても同様な演算が可能である。また、本実施例は一つの組についての説明であったが、従来の装置と同様に、複数の組について測定を実施し、画像化し、表示部１０９において表示してもよい。また、本実施例では、１個の光照射器に対して複数の光検出器がある場合について説明したが、１個の光検出器に対して複数の光照射器を用いる構成としても同様の効果が得られる。また、組の間で光照射器と光検出器を共有することなく、SD距離が異なる複数の組を用いても構わない。但し、組間で光照射器と光検出器を共有することにより、部品数の低減が可能となる。
　光照射器の出力光量が時間変化する場合、それをI0[t]とし、従来の間接測定量ΔCLを用いて数１を記述すると以下の式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　光照射器の出力光量が時間変化する場合は、数５の右辺第１項と第２項が存在するために、ΔCLの変化として計測されてしまうことがわかる。よって、従来装置では、光源の出力光量を安定化させるための制御手段、つまり、出力光量の一部を検出して負帰還制御をかける回路などが必要であった。本発明で前提としている解析方法において、特に一つの光照射器に対して複数の光検出器を用いる構成とした場合には、たとえ数５のように照射光量変化があっても、ΔA[d1、t]とΔA[d2、t]の差をとることにより、照射光量の項（I0[0]およびI0[t]）が消えて、数２が得られる。これは、間接測定量ΔCdeep・L0は照射光強度が変動してもその影響を受けないことを意味する。よって、一つの光照射器に対して複数の光検出器を用いる構成とすることにより、光源出力の雑音や揺らぎを打ち消すことができ、計測精度が向上する上、従来必要であった光源の出力光量を安定化する制御手段が不要となり、装置の小型化、低コスト化が可能になるという効果がある。また、本方法及び本方法を実現するプローブホルダを用いることにより、頭の大きさが異なる被験者にも、計測したい場所へプローブを設置でき、皮膚血流信号除去に必要な解析を実施できる。既存の高密度プローブは製作者によってSD距離が統一されているとは限らないが、そのような場合でも皮膚血流信号除去法が適用可能となる。さらに、これまで、SD距離が異なっている場合には振幅を比較することは困難であったが、SD距離の差を用いた補正により、計測点間において振幅が比較可能となるという効果がある。
　図６に、以上説明したプローブ配置での測定を実現する方法として、前額部とそれ以外の部位で異なる部材を用いるプローブホルダの例を示す。被験者１０の前額部には「可塑性素材もしくは伸縮性のある部材でできたプローブホルダ」５０５を備え、後頭部を含む前額以外の部位には「伸縮性の無い部材でできたプローブホルダ」５０４を備える。
　プローブ１１は光源もしくは光検出器であり、前額部においては皮膚血流影響を除去するために、複数のSD距離を有するマルチディスタンス配置で測定することになるため、本実施例記載の方法を用いるために、SD距離を調整する。
　後頭部等、有髪（有毛）部位においては、皮膚血流影響が相対的に小さいため、ここでは皮膚血流影響を分離しないシングルディスタンス（単一SD距離）での測定を行う。プローブを側頭部から後頭部にかけた基準点への位置調整及び固定を容易にするため、伸縮性の無い部材でできたプローブホルダ５０４を備える。可塑性素材でできたプローブホルダ５０２と伸縮性の無い部材でできたプローブホルダ７１は、互いに機械的に接続され、一体のプローブホルダを形成する。さらに、可塑性素材もしくは伸縮性のある部材でできたプローブホルダ５０５、もしくは保持部５０１において固定されるプローブ１１の互いの距離（もしくはSD距離）を測定するための「SD距離測定手段（目盛）を有する非伸縮性の部材」５０３が、前記可塑性素材もしくは伸縮性のある部材でできたプローブホルダ５０５に接触もしくは接触に近い位置で設置される。
　これにより、目視によって設定されたSD距離を効率的に測定でき、測定されたSD距離、及びSD距離の差を用いて解析部１１０における解析に用いることができる。プローブホルダ５０５を例えば、均一の伸縮性を有するゴム素材で形成すると、被験者頭部に装着した際に、プローブ間隔がおおよそ均等に伸縮するため、間隔調整が簡単である。なお、プローブホルダ７１にはプローブを搭載せず、装着治具とすることもできる。また、プローブホルダ７１と装着治具を兼用とすることもできる。
　尚、マルチディスタンス計測における浅部、深部信号の抽出は、特許文献３、非特許文献１等に記載される皮膚血流影響分離法、もしくはmulti-distance ICA（MD-ICA）法を適用しても良い。MD-ICA法、もしくはその他の方法により深部信号を抽出する場合には、光路長に依存する量が測定される場合があるため、本プローブ構成のような、マルチディスタンスとシングルディスタンスの配置が混在する場合に、各々の計測点のデータを比較可能とするには、１種のSD距離のデータに換算する必要がある。その場合、MD-ICA法等の方法を用いて得られた深部信号を、任意のSD距離のデータに変換する。尚、振幅の絶対値情報でなく相対的な変化のみを解析する場合には、上で述べた間接測定量ΔCdeep・L0を、別の測定量に換算する必要はない。
　ここで、深部抽出信号が光路長に依存する量として測定される場合の、任意SD距離への換算方法は、例えば以下の手順に従う。SD距離dAで測定された深部吸収量変化の信号変化ΔSAを、SD距離dBで得られると想定される値ΔSBに換算するには、図１に示す灰白質部分光路長のSD距離依存性を考慮すると、以下の数６で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　つまり、灰白質の部分光路長に比例することを想定するため、灰白質の部分光路長を用いて深部信号（深部の吸収量変化信号）の振幅を換算する。この換算式により、異なるSD距離で測定された計測装置のデータにおいて、SD距離、もしくは部分光路長に依存する測定量が得られた場合においても、1種のSDのデータ（例えば、SD距離30 mm）に換算できる。すなわち、任意の第一のSD距離において計測したデータを、任意の第二のSD距離におけるデータに換算することができる。このような換算処理は、単体のコンピュータで行ってもよいし、あるいは、入力装置、出力装置、処理装置、記憶装置の任意の部分が、ネットワークで接続された他のコンピュータで構成されてもよい。第一のSD距離において計測したデータを入力装置から入力し、処理装置、記憶装置を用いて、ソフトウェアにより演算処理する。あるいは、ソフトウエアで構成した機能と同等の機能は、FPGA（Field Programmable Gate Array）、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）などのハードウエアでも実現できる。
　これまで、脳上の基準位置を複数の被検者において同じ場所に固定することが難しいことがあったが、以上の構成により、異なるSD距離が混在していても、適切に深部の吸収変化を取得できる。このため、プローブ位置及び計測点を、複数の被検者間で同じ場所、基準位置に固定できるようになるという効果がある。また、例えば同時に他の装置を用いる測定の場合には、他のプローブ（例えば、脳波用プローブ）と干渉しない位置に、NIRS用プローブを設置できるという効果がある。さらに、「可塑性素材もしくは伸縮性のある部材でできたプローブホルダ」５０５が可塑性（塑性変形性）である場合には、変形後に反発力がかからないので被検者１０に固定するのが容易であるという効果がある。
　図7に、帽子形状のプローブキャップ７０の例を示す。手動または自動で各々の光照射位置１２もしくは光検出位置１３、もしくはそれらに対応する光照射器、光検出器の位置を調節することでSD距離を変化させるためのプローブガイド７２を備える。プローブガイド７２は例えば、光照射器や光検出器をスライド可能に保持するスライダーであり、光照射位置１２及び光検出位置１３を、プローブガイド７２に沿って移動させることができる。プローブガイド７２が搭載されるプローブキャップ７０を、帽子形状とすることで、装着が容易であり、頭部へ固定しやすいという効果がある。
　図８に、また、プローブホルダ固定方法の他の例を示す。プローブホルダ７１上にプローブガイド７２が設置される。プローブガイド７２に沿って光照射位置１２、及び光検出位置１３を移動できる。
　プローブホルダ７１は、伸縮性プローブバンド７３及び非伸縮性プローブバンド７４と接続されることにより被検者１０に固定される。図８では、伸縮性プローブバンド７３と非伸縮性プローブバンド７４を組み合わせている。バンドを全て伸縮性にしてしまうと、プローブホルダの被検者１０における基準位置への保持が不安定になる可能性があるが、伸縮性プローブバンド７３と非伸縮性プローブバンド７４を組み合わせることで、非伸縮性プローブバンドを被検者１０における基準位置に固定を容易にすることができる。例えば、国際10-20電極配置法において後頭部のOzの位置に非伸縮性プローブバンド７４の下端中央を設置することができる。
　被検者毎に頭部形状、サイズは異なるので、その違いがあった場合でもプローブホルダを基準位置に対して一定の位置に設置するために、伸縮性プローブバンド７３は伸縮することにより頭部形状・サイズの違いを吸収することが可能である。この場合、伸縮性プローブバンド７３上の、基準点からの相対位置は被検者１０に依存して変化するが、非伸縮性プローブバンド７４上の基準点からの相対位置は変化しない。本構成は、プローブホルダ７１を基準位置に対して明確な場所に効率的に固定できるという効果がある。
　図９に、他のプローブ固定方法の例として、プローブホルダを基準位置に固定するための支持部材構成例を示す。
　プローブを頭皮上の基準点に合わせて設置することを考える。基準点は、例えば脳波測定における電極配置法である国際10-20法に従って定める。基準点へ固定するため、基準位置調整用プローブ支持部材７８が被検者１０に対して矢状面、冠状面に沿って配置され、「プローブ、兼プローブバンド固定冶具」７９によって保持部５０１、もしくは図示されていないプローブホルダ７１、に接続され、固定される。
　基準位置調整用プローブ支持部材７８には位置調整ガイド７７が設けられ、「プローブ、兼プローブバンド固定冶具」７９により、保持部５０１の位置を調整して固定することができる。これにより、被検者１０の頭部サイズに合わせて、保持部５０１、もしくはプローブホルダ７１を被検者１０に固定できる。
　このとき、プローブガイド７２に沿って光照射位置１２及び光検出位置１３を移動可能である。例えば、「プローブ、兼プローブバンド固定冶具」７９の間にて等間隔で配置しても良い。ここでは、被検者１０の頭部形状、サイズによりSD距離が変わることになり、さらに、同じ被検者であっても前頭側、後頭側においてSD距離は変わり得るが、本明細書に述べた方法により適切に組織深部吸収変化信号を取得可能となる。
　この構成により、被検者１０における基準位置に、プローブを適切に合わせることができ、被検者間において計測点数を変えずにプローブホルダを配置できるという効果がある。尚、本明細書内の記載において、保持部５０１はプローブホルダ７１に置き換えて考えても良い。
　図１０に、プローブ押し付け圧を利用してプローブを固定するためのプローブホルダ７１を示す。この構成は図７～図８の構成に適用可能である。各々のプローブ（光源もしくは光検出器）１２は、プローブガイド７２上に配置され、光ファイバ６１が接続されている。例えば、プローブガイド７２はプローブホルダ７１に形成された溝部６５を有し、プローブ１２に形成される突起部が、プローブガイドの溝６５にはめこまれる。これにより、プローブ１２がプローブガイド７２上を、脱落することなく移動できるように構成される。プローブホルダ７１を被験者１０に設置する前は、プローブ１２の突起部とプローブガイド７２の溝６５間の摩擦力（６４）が小さいため、可動域６６の範囲でプローブ１２をプローブガイド７２上で動かすことが可能で、プローブ間の距離及びSD距離を調整することが可能である。SD距離は、SD距離測定手段（目盛等）を有する非伸縮性の部材５０３により目視もしくはカメラ等により測定可能である。
　プローブホルダ７１を被験者１０に設置時、引張力６３により、プローブホルダ７１は被験者１０に押し付けられ、プローブ１２から被検者１０への押し付け圧６２が生じる。この押し付け圧がプローブガイド７２へもかかるため、プローブ１２の突起部とプローブガイド７２の溝６５間の摩擦力６４が増加し、プローブガイド７２上においてプローブは固定され、プローブホルダ７１上の位置が固定される。引張力６３を得るためには、プローブホルダ７３をゴムなどの伸縮性の部材で形成することが考えられる。あるいは、伸縮性のないプローブホルダ７２に、ゴムなどの伸縮性部材を取り付け、ゴムによる引張力を利用することが考えられる。上記の構成により、測定のオペレータは容易にプローブを調整、固定することが可能となるという効果がある。
　図１１は、プローブホルダ７１の湾曲によりプローブを固定する構成を示す図である。この構成は図７～図８の構成に適用可能である。図１１(a)はプローブホルダ７１が湾曲していない場合の平面図、図１１(b)はプローブホルダ７１が湾曲していない場合の立面図である。プローブ１１はプローブガイド７２に沿って移動できる。このとき、プローブホルダ内の溝８５内に、プローブ１１に接続されたプローブ固定用部材８４がはまることにより、プローブ１１を、プローブガイド７２に沿って安定的にスライドすることが可能となる。このプローブ固定用部材８４とプローブホルダ内の溝８５の間には若干の隙間があり、このため、プローブ１１は固定されずにスライドすることが可能となっている。
　図１１(c)は、プローブホルダ７１が湾曲した場合の立面図である。プローブホルダ７１が湾曲することにより、プローブ固定用部材８４とプローブホルダ内の溝８５の間で接触する部分が生じ、接触抵抗（機械的な摩擦力）が発生するため、プローブ１１は固定されることとなる。接触抵抗は、例えばプローブホルダ７１にプラスチックなど可とう性の大きな材質を選択し、プローブ固定用部材８４に金属など可とう性の小さな材質を選択するなどして調整することができる。この構成は、プローブホルダ７１が被検者１０に固定するときに湾曲する、もしくは曲率を変化させることを利用し、そのときにプローブが自動で固定するようにしているため、電磁気的な制御が不要である。これにより、簡易な構成によりプローブ１１の非固定と固定を切り替えることが可能とすることができるという効果がある。
　プローブの固定方法は上記に限られるものではなく、プローブ、プローブホルダ、および被検体の間の摩擦力を利用することで、プローブの位置が固定できるように、材料や構造を選択すればよい。摩擦力を利用した固定方法は、粘着剤その他の方法を利用するより、操作が簡単である効果がある。
　図１２に、前額部を中心とした領域を測定するための2列配列を有するプローブホルダを示す。被検者１０上に設置される前記プローブホルダ７１に、光照射位置１２、光検出位置１３が、SD距離が複数の組み合わせで測定可能なように配置される。光照射位置１２、光検出位置１３は、プローブガイド７２に沿って移動可能である。
　さらに、プローブホルダ７１上には、磁気センサ７５が配置され、磁場発生手段７６からの磁場を測定することで、3次元空間における磁気センサ間の相対的位置関係を取得可能である。ここでは、プローブホルダ７１全体を伸縮性部材で構成し、SD距離が変化できる構成としても良い。磁気センサ７５をプローブホルダ７１上に配置する例を示したが、各プローブ内に埋め込むことで、各々のプローブの位置を直接測定する構成としても良い。この構成により、磁気センサによるプローブ位置推定が可能となり、プローブの間隔をすることで、SD距離測定が可能となる。
　図１３に、SD距離設定画面の例を示す。この画像は、入出力装置、処理装置、記憶装置からなる情報処理装置を用い、入力装置にSD距離測定手段で測定された情報を入力し、出力装置に表示させた例を示す。SD距離測定手段により測定されたSD距離８２が、該当する光源番号８０を示す列、検出器番号８１を示す行に対応する欄に記載される。SD距離が所定の範囲を超えるもの、もしくは設定により不使用もしくは計測しない光源・検出器ペアについては、計測しない光源・検出器ペアを示す記号８３が記載される。 
　本実施例に示す磁気センサによる方法以外にも、SD距離を計測する手段は、例えば、各々の光照射手段及び光検出手段の位置の間にある回路パラメータ、特に、抵抗値に負荷される電圧、をアナログ―デジタル変換する回路であってもよい。例えば、図１０のプローブガイド７２の溝６５を所定抵抗の導電体で構成し、プローブ１２と図示しない検出電極の間の抵抗値を測定することができる。抵抗値がSD距離に1対1に対応するため、電気的に容易に調べることができるという効果がある。このとき、各々の光照射手段及び光検出手段の間の抵抗を測定するための回路を有することが必要となる。
　さらに、SD距離を計測する手段は、保持部もしくは装着冶具上における位置マーカと、位置マーカを撮像するためのカメラもしくはビデオからなる構成としても良い。撮像した画像から、公知の画像処理技術により位置マーカを検出し、位置を測定できる。本構成は非接触で、かつ位置マーカという簡易な手段によりSD距離測定を実現でき、既存の前記SD距離を計測する手段に加えて、併用することもできる。これにより、SD距離の測定の精度を向上させることができるという効果がある。
　本発明の別の実施例について説明する。実施例１では、異なる2つのSD距離d1およびd2において測定した検出信号を主に用いた。ここでは、3つのSD距離d1、d2、d3を組として用いた場合の演算について述べる。一つの光照射器につきSD距離d1、d2、d3の位置に光検出器を3個配置する。これらの3個の光検出器のうち2個の組み合わせは、d1－d2、d2－d3、d1－d3の3種類であるので、それぞれの副次的組について、3つのΔAdiff[t]／Δdが得られる。これら3つの平均値を、当該組の測定値ΔCdeep[t]・L0とする。これにより、測定誤差を減らすことができる。ここでは、3つのSD距離について説明したが、4つ以上のSD距離を組として用いた場合でも同様に計算することができる。ここで、それぞれの副次的組のΔdは同じ値でもよいし、異なる値でもよい。また、複数の組がある場合、それぞれの組のΔdは同じ値でもよいし、異なる値でもよい。
　本実施例では、３個のSD距離d1、d2、d3を組として用いた場合の別の演算について述べる。
　図１４に示すようにそれぞれの時刻ｔごとに、dを横軸とし、ΔAdiffを縦軸としたグラフ上に３つのSD距離における測定値をプロットして、線形回帰によりその傾き（ΔAdiff/Δd）を求め、これをεで除した値を当該組の測定値ΔCdeep[t]・L0とする。この場合も、実施例４と同様に測定誤差を低減する効果がある。
　図１５は別の例である。図１４では、d1、d2、d3が異なる場合が描かれているが、図１５に示すようにその一部が同じ値を有しても構わない。図１５の場合は、d2におけるΔAdiffの信頼度が向上し、測定誤差を低減する効果がある。また、4つ以上のSD距離を組として用いた場合でも同様に計算することができる。
　ΔCdeep・L0の測定値を画像化する方法について図１６を用いて説明する。光照射器１２からSD距離d1、d2、d3だけ離れた位置に光検出器１３、１４、１５が配置され、破線で囲まれた４個の組を形成している。
　図１６は、光検出器１４を他の光検出器と同じ直線上に配置せず、異なる光照射器からの距離が同じになるようにして組間で共有することにより、光検出器の数を減らしている例である。組内の光照射位置と光検出位置の間の領域では、皮膚血液動態も脳血液動態もそれぞれ均一であるとしているため、ΔAdiffは光照射位置とそこから最も遠い光検出位置の間の情報を反映しているとみなせる。そこで、組内でSD距離の最も長い光検出位置と光照射位置との略中点を、当該組の計測点４０１として代表させることができる。このようにして組毎に得られた計測点（＋の交差点）における測定値ΔCdeep・L0を、必要に応じて計測点間を補間して、従来と同様に画像表示する。ここで、計測点４０１と光検出器１４の位置が重なっているが、これは光検出器１５が光照射器１２と光検出器１３の中点に配置された場合について図示したためであり、光検出器１５は必ずしも当該中点に配置される必要はなく、その場合には計測点４０１と光検出器１５の位置は一致しない。
　以上のように、被検体の吸収体濃度変化に比例した値を求めるために使用した少なくとも２組の光照射位置と光検出位置の組のうち、SD距離が最も長い組の光照射位置と光検出位置の概中点を、前記吸収体濃度変化に比例した値の計測点として、吸収体濃度変化に比例した値またはその時間波形を表示または画像化する手段を用いることで、ハードウエア量を節約することができる。
　図１７を用いて、本発明の生体計測装置の光照射器と光検出器の配置についての一実施例を説明する。光照射器１２と光検出器１３、１４は伸縮性のある機構または部材でできた保持部５０１で結合されており、被験者の頭部形状に応じてSD距離が伸縮して配置される。マーカ５０２を被験者の鼻根に位置あわせし、後頭結節に図示されていない別のマーカを合わせることにより、被験者の頭部形状に沿って頭周を分割した位置に光照射位置と光検出位置を配置することができる。外的指標としては、一般に鼻根や後頭結節の他に耳朶や正中中心部などが用いられる。
　以上説明した実施例によれば、SD距離によらずに深部の血液動態変化に比例した測定信号を得ることができる装置において、効率的にSD距離を変化させるプローブホルダを実現できる。光照射手段や光検出手段として通常使用される光ファイバや光学素子を厳密な距離で配置する必要がなくなり、また、配置の自由度が高くなる。よって、被験者の頭部寸法や頭部形状によらず、計測すべき脳の位置にあわせた配置を提供することができる。さらに、SD距離の異なる装置または測定条件間で測定結果を比較することができるという効果がある。
　従来の装置では、SD距離を一定とするために光照射位置と光検出器位置は距離が変わらないように伸縮性のない部材で結合されていた。そのため、頭部の大きさや形状が異なる被験者では、計測位置がずれることにより計測される脳領野がずれるので、光照射位置と光検出位置と被験者頭部の外的指標の相対的位置関係を測定して計測される脳領野を推定するという追加作業がなされることがあった。本発明ではSD距離を一定とする必要がないため、被験者頭部形状に対して相対的位置に光照射位置や光検出器位置を配置することができる。脳の領野の位置は、被験者頭部の外的指標との相対的位置で推定できるため、本実施例によると計測位置が脳のどの領野に相当するかを容易に推定できるという効果がある。更に、外的指標を基にして計測位置を標準化することにより、被験者の頭部形状によらず同じ相対位置で得られた測定データを比較、演算することができるという効果もある。
　また、脳波との同時計測において、脳波は外的指標を基準にした相対位置に計測位置を配置するのに対し、NIRSの光プローブはSD距離を固定した絶対位置への配置が必要となるため、脳波電極と光プローブの配置位置が干渉して配置が困難になる上、被験者毎に脳波とNIRSの計測位置の位置関係がずれるという問題があった。光照射位置や光検出器位置の配置を、脳波電極配置に一般的に使用される国際１０-２０法などと同じ、またはこれらに準拠することにより、前記干渉を防ぐことができ、脳波とNIRSの同時計測が容易になるという効果がある。本実施例では頭部を一周する光照射位置や光検出器位置の配置について説明したが、頭部全体、或いは頭部の部分的な計測においても同様に光照射位置や光検出器位置の配置を構成することができる。
　本明細書において単数形で表される構成要素は、特段文脈で明らかに示されない限り、複数形を含むものとする。
　本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　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利用可能である。
　１：灰白質の部分光路長が線形の範囲
　２：頭皮の部分光路長が一定の範囲
　３：灰白質の部分光路長
　４：頭皮の部分光路長
１０：被検者
１１：プローブ（光源もしくは光検出器）
１２：プローブまたは光照射位置
１３：光検出位置
１４：光検出位置
１５：光検出位置
１６：光照射位置
２０：装置本体
３０：光
４０：光導波路
５０：光照射器
６０：光検出器
６１：光ファイバ
６２：押し付け圧を示す矢印
６３：引張力を示す矢印
６４：プローブとプローブホルダ間の摩擦力を示す矢印
６５：プローブガイドもしくはプローブホルダ内の溝
６６：プローブ可動域を示す矢印
７０：プローブキャップ
７１：プローブホルダ
７２：プローブガイド
７３：伸縮性プローブバンド
７４：非伸縮性プローブバンド
７５：磁気センサ
７６：磁場発生手段
７７：位置調整ガイド
７８：基準位置調整用プローブ支持部材
７９：プローブ、兼プローブバンド固定冶具
８０：光源番号
８１：検出器番号
８２：SD距離
８３：計測しない光源・検出器ペアを示す記号
８４：プローブ固定用部材
８５：プローブホルダ内の溝
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：制御部
１０７：入力部
１０８：記憶部
１０９：表示部
１１０：解析部
４０１：計測点
５０１：保持部
５０２：マーカ
５０３：SD距離測定手段（目盛等）を有する非伸縮性の部材
５０４：伸縮性の無い部材でできたプローブホルダ 
５０５：可塑性素材もしくは伸縮性のある部材でできたプローブホルダ

Claims (15)

  1. 　被検体表面上に配置される１つまたは複数の光照射手段と、
    　前記被検体表面上に配置される１つまたは複数の光検出手段と、
    　前記光照射手段と前記光検出手段を保持するための保持部と、
    　前記保持部を前記被検体に装着するための装着冶具と、
    　前記光照射手段と前記光検出手段との距離で定義されるSD距離を変化させる手段と、
    を有し、
    　前記保持部は、前記光照射手段と前記光検出手段が、前記SD距離が２種類以上となるように保持することが可能な構成であることを特徴とする生体光計測装置。
  2. 　請求項１に記載の生体光計測装置であって、
    　前記SD距離を計測する手段を有する、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  3. 　請求項２に記載の生体光計測装置であって、
    　前記SD距離を計測する手段として、前記保持部上に表示される、あるいは前記保持部に隣接して配置される、SD距離を目視計測するための目盛を備える、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  4. 　請求項２に記載の生体光計測装置であって、
    　前記SD距離を計測する手段は、磁気的センサ、光学的センサ、及び電気的センサのうち少なくとも一つを用いる、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  5. 　請求項１に記載の生体光計測装置であって、
    　前記被検体として人間の頭部を対象とし、
    　前記保持部は前記被検体の前額部側に配置され、
    　前記装着冶具は前記被検体の後頭部側に配置される、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  6. 　請求項１に記載の生体光計測装置であって、
    　前記保持部は、可とう性、もしくは伸縮性を有する部材、もしくは塑性変形素材からなる、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  7. 　請求項１に記載の生体光計測装置であって、
    　前記装着冶具は非伸縮性の部材からなる、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  8. 　請求項１に記載の生体光計測装置であって、
    　前記保持部は、前記SD距離を変化させる手段として、前記光照射手段および光検出手段の少なくとも一つをスライドさせるスライダーを有する、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  9. 　請求項１に記載の生体光計測装置であって、
    　前記保持部において、前記被検体へ押し付ける向きに発生する圧力の変化に起因する、前記光照射手段及び光検出手段と、前記保持部との間に生じる摩擦力の変化によって、
    　前記光照射手段及び光検出手段の位置を固定する、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  10. 　請求項１に記載の生体光計測装置であって、
    　前記保持部の形状変化によって、前記光照射手段及び前記光検出手段の位置を固定する、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  11. 　被検体表面に光を照射する１つまたは複数の光源と、
    　前記被検体表面からの光を検出する１つまたは複数の検出器と、
    　前記光源と前記検出器を保持するとともに、前記光源と前記検出器との距離を変化させることができるように、変形可能な素材で構成された保持部とを有する、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  12. 　請求項１１に記載の生体光計測装置であって、
    　前記変化させたSD距離を測定するための測定手段を備え、
    　前記測定手段は、
    　前記保持部に隣接して配置された、SD距離を計測するための目盛を有する非伸縮性部材である、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  13. 　請求項１１に記載の生体光計測装置であって、
    　前記保持部は装着治具と機械的に接続されており、
    　前記装着冶具は非伸縮性の部材からなる、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  14. 　請求項１２に記載の生体光計測装置であって、
    　前記被検体として人間の頭部を対象とし、
    　前記保持部は前記被検体の前額部に配置され、
    　前記装着冶具は前記被検体の後頭部に配置される、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
  15. 　被検体表面に光を照射する１つまたは複数の光源と、
    　前記被検体表面からの光を検出する１つまたは複数の検出器と、
    　前記光源と前記検出器を保持するとともに、前記光源と前記検出器との距離を変化させることができるように、前記光源と前記検出器の少なくとも一つの位置を可動とする保持部と、
    　前記前記光源と前記検出器の距離を測定するための測定手段を有する、
    　ことを特徴とする生体光計測装置。
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