WO2018030314A1 - 光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラム - Google Patents

光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラム Download PDF

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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B10/00—Other methods or instruments for diagnosis, e.g. instruments for taking a cell sample, for biopsy, for vaccination diagnosis; Sex determination; Ovulation-period determination; Throat striking implements

Definitions

  • the memory 20 is composed of, for example, a non-volatile memory, and stores the above calculation result and a program of a processing routine of an optical measurement process to be described later.
  • the probe 12 When measuring, the probe 12 is mounted on the measurement subject's head 32 and the operation unit 18 is operated to instruct the start of measurement.
  • step 102 the light intensity in the initial state is measured. That is, the LED 24 is instructed to emit light, and the light intensities I A0 and I B0 of the light received by the PD 26A and PD 26B are captured. Note that light is emitted sequentially at the first wavelength ⁇ 1 and the second wavelength ⁇ 2, and the respective light intensities I A0 and I B0 are captured.
  • the light intensities of the light received by the PD 26A and PD 26B when emitted at the first wavelength ⁇ 1 are I A0-1 and I B0-1, and the light received at the PD 26A and PD 26B when emitted at the second wavelength ⁇ 2
  • the light intensities of the obtained light are I A0-2 and I B0-2 .
  • the subscripts “A” and “B” are omitted when the symbols are not distinguished by photodiodes, and the subscripts “ ⁇ 1” and “ ⁇ 2” are omitted when the symbols are not distinguished by wavelengths. To do.
  • the amount of change ⁇ OD in absorbance is expressed by the following equation, where the light intensity in the initial state is I 0 , the light intensity in any subsequent state is I, and ln is the natural logarithm.
  • step 110 it is detected whether or not the head 32 has been pressed. Specifically, the pressure value detected by the pressure sensor 28 is acquired, and it is determined whether or not the acquired pressure value is equal to or greater than a threshold value with which it can be determined that pressure is applied to the head 32. If the pressure value is equal to or greater than the threshold value, the process proceeds to step 112. If the pressure value is less than the threshold value, the process returns to step 106.
  • the pressing force is a force that changes the blood flow only in the scalp 34, that is, a force that affects the blood flow in the scalp 34 but does not affect the blood flow in the brain 40. For example, a force of about 0.3 N is preferable.
  • the absorbance change amount ⁇ OD it is determined whether or not the head 32 is pressed based on the absorbance change amount ⁇ OD. You may do it. As described above, when the head 32 is pressed, the absorbance change ⁇ OD decreases as shown in FIGS. 4 and 5, so that the absorbance change ⁇ OD is equal to or less than a threshold at which it can be determined that pressure is applied to the head 32. It may be determined whether or not the head 32 has been pressed by determining whether or not.
  • step 126 information on the blood of the brain 40, for example, the amount of change in oxygenated hemoglobin O 2 Hb and the amount of change in deoxygenated hemoglobin HHb are calculated.
  • the light absorption coefficient change amount of the brain 40 is calculated.
  • the information regarding the blood of the brain 40 calculated as described above is output to an external device such as a display or a printer via the output unit 22.
  • the present invention is not limited to this, and one PD and two LEDs may be used. Moreover, it is good also as a structure which can adjust the distance of LED or PD as a structure which can move LED or PD.
  • the distance between the LED and the PD is set to the first predetermined distance d1 to receive the light emitted from the LED, and then the distance between the LED and the PD is set to the second predetermined distance d2 from the LED. The emitted light may be received.

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Abstract

光学的測定装置は、表層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象に照射された光のうち表層を通過した光を受光するように光の照射位置から第１の所定距離だけ離間した第１位置で受光すると共に、表層及び深層を通過した光を受光するように照射位置から第２の所定距離だけ離間した第２位置で受光し、表層の血流に変化を与える前後で第１位置及び第２位置で受光された光の吸光度の変化量に基づいて補正係数を算出し、表層の血流に変化を与えた後に第２位置で受光された光の吸光度の変化量と、補正係数と、表層及び深層の血流に変化を与えた後に第２位置で受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、深層の吸光度の変化量を演算する。

Description

光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラム
　本発明は、光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラムに係り、特に、人体の深層組織の光の吸光度について測定する光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラムに関する。
　従来の近赤外分光法（ＮＩＲＳ：ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による脳計測では、頭皮（表層）の血液の情報が重畳するため、脳（深層）だけの信号を取得するためには、表情や温度を変えない等の多くの制限があった。脳計測の際には頭部を動かさないことや周囲温度を一定にする必要があるため、車載計測や日常的動作を伴う計測で正確度が低下する、という問題があった。
　皮膚の影響を補正する手法として、皮膚の光路長を平均的な値を用いて補正する手法（非特許文献１参照）や、独立成分分析で皮膚の信号を抽出し、それを差し引く方法（非特許文献２参照）等があるが、皮膚の光路長の個人差に起因する誤差により、適用できる対象が極めて限定的な補正法となっていた。
　また、生体を圧迫することと光計測を組み合わせた技術として、皮膚を圧迫してその計測値から末梢動脈機能を評価する技術が提案されている（特許文献１参照）。また、光源部と検出部とを頭部に押し付ける板ばね部を有する脳機能測定装置が提案されている（特許文献２参照）。
国際公開２０１５／１３４２４５号パンフレット 特開２０１０－１６７０３９号公報 Fabbri F, Sassaroli A, Henry ME et al: Optical measurements of absorption changes in two-layered diffusive media. Phys. Med. Biol. 49(2004) 1183-1201. Funane T, Atsumori H, Ktura T et al: Quantitative evaluation of deep and shallow tissue layer's contribution to fNIRS signal using multi-distance optodes and independent component analysis. NeuroImage 85 (2014) 150-165.
　しかしながら、表層の影響を補正して深層の情報を測定する技術は未だ提案されていない。
　本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、表層の影響を精度良く補正して深層の情報を測定することができる光学的測定装置、光学的測定方法、及び光学的測定プログラムを得ることを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る光学的測定装置は、少なくとも表層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象に光を照射する発光部と、前記発光部から発光された光のうち前記表層を通過した光を受光するように前記発光部から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、前記発光部から発光された光のうち前記表層及び深層を通過した光を受光するように前記発光部から第２の所定距離だけ離間した位置で受光する受光部と、前記表層の血流に変化を与える前後で前記第１の所定距離だけ離間した位置で前記受光部により受光された光の吸光度の変化量と、前記表層の血流に変化を与える前後で前記第２の所定距離だけ離間した位置で前記受光部により受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、補正係数を算出する算出部と、前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、前記算出部により算出された補正係数と、に基づいて、前記深層の吸光度の変化量を演算する演算部と、を備える。
　本発明の第２の態様は、前記測定対象は生体の一部であり、前記表層は頭皮であり、前記深層は脳である。
　本発明の第３の態様は、前記演算部は、前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量から、前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量に前記補正係数を乗算した値を減算することにより、前記深層の吸光度の変化量を演算する。
　本発明の第４の態様は、前記発光部は、異なる複数の波長で前記測定対象に光を照射し、前記受光部は、前記複数の波長の光を受光し、前記算出部は、前記複数の波長毎に前記補正係数を算出し、前記演算部は、前記複数の波長毎に前記深層の吸光度の変化量を演算し、演算した前記複数の波長毎の前記深層の吸光度の変化量に基づいて、前記深層の血液に関する情報を算出する。
　本発明の第５の態様は、前記受光部は、前記発光部から前記第１の所定距離だけ離間した第１の受光部と、前記発光部から前記第２の所定距離だけ離間した第２の受光部と、を含む。
　本発明の第６の態様に係る光学的測定方法は、少なくとも表層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象に光を照射し、発光された光のうち前記表層を通過した光を受光するように光の照射位置から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、発光された光のうち前記表層及び深層を通過した光を受光するように前記照射位置から第２の所定距離だけ離間した位置で受光し、前記表層の血流に変化を与える前後で前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、前記表層の血流に変化を与える前後で前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、補正係数を算出し、前記表層の血流に変化を与えた後に前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、算出された補正係数と、前記表層及び前記深層の血流に変化を与えた後に前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、前記深層の吸光度の変化量を演算する。
　本発明の第７の態様に係る光学的測定プログラムは、コンピュータに、少なくとも表層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象に光を照射するステップと、発光された光のうち前記表層を通過した光を受光するように光の照射位置から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、発光された光のうち前記表層及び深層を通過した光を受光するように前記照射位置から第２の所定距離だけ離間した位置で受光するステップと、前記表層の血流に変化を与える前後で前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、前記表層の血流に変化を与える前後で前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、補正係数を算出するステップと、前記表層の血流に変化を与えた後に前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、算出された補正係数と、前記表層及び前記深層の血流に変化を与えた後に前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、前記深層の吸光度の変化量を演算するステップと、を含む処理を実行させる。
　本発明によれば、表層の影響を精度良く補正して深層の情報を測定することができる、という効果を有する。
光学的測定装置の概略構成図である。 プローブが頭部に装着された状態を示す図である。 光学的測定処理のフローチャートである。 吸光度の変化量を示す線図である。 吸光度の変化量を示す線図である。 総ヘモグロビンの変化量を示す線図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
　本実施形態では、一例として、近赤外光分光法（ＮＩＲＳ：ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて、人間の脳内における血液に関する情報、例えばヘモグロビン濃度の変化量を測定する場合について説明する。
　図１には、光学的測定装置１０の概略構成を示した。同図に示すように、光学的測定装置１０は、プローブ１２、制御部１６、操作部１８、メモリ２０、及び出力部２２を含んで構成されている。
　プローブ１２は、ＬＥＤ（発光ダイオード）２４、２つのＰＤ（フォトダイオード）２６Ａ、２６Ｂ、及び圧力センサ２８が、例えば可撓性を有する平板状の部材（例えばゴム性の部材等）３０に設けられた構成である。
　図２に示すように、プローブ１２は、例えば被測定者の頭部３２内に光を当てるために被測定者の頭部３２に接触させる。頭部３２は、表層としての頭皮３４、頭蓋骨３６、脳脊髄液３８、及び深層としての脳４０で構成される。
　ＬＥＤ２４は、本実施形態では一例としてピーク波長が第１の波長λ１、第２の波長λ２の２波長の発光ダイオードである。第１の波長λ１、第２の波長λ２は、水の吸収が少ない波長、具体的には９００ｎｍ以下の波長で、かつ、脱酸素化ヘモグロビンＨＨｂと酸素化ヘモグロビンＯ２Ｈｂの吸収スペクトルが交差する位置の波長である約８０５ｎｍから略等距離にある波長に設定される。本実施形態では一例として第１の波長λ１が７７０ｎｍ、第２の波長λ２が８３０ｎｍである。
　図１に示すように、ＬＥＤ２４とＰＤ２６Ａとは、第１の所定距離ｄ１だけ離間して配置されており、ＬＥＤ２４とＰＤ２６Ｂとは第２の所定距離ｄ２だけ離間して配置されている。
　第１の所定距離ｄ１は、ＬＥＤ２４から発光された光が、頭部３２の表層、すなわち頭皮３４を通ってＰＤ２６Ａに到達するような距離に設定される。本実施形態では、第１の所定距離ｄ１は一例として４ｍｍとするが、これに限られるものではない。
　また、第２の所定距離ｄ２は、ＬＥＤ２４から発光された光が、頭部３２の深層、すなわち脳４０を通ってＰＤ２６Ｂに到達するような距離に設定される。本実施形態では、第２の所定距離ｄ２は一例として３５ｍｍとするが、これに限られるものではない。
　圧力センサ２８は、圧力センサ２８が設けられた位置に加えられた圧力を検出する。圧力センサ２８により検出された圧力の変化を検出することにより、プローブ１２が頭部３２に押し付けられたか否かを検出することができる。
　制御部１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含んだコンピュータで構成される。制御部１６は、後述する光学的測定処理を実行する。この光学的測定処理では、ＬＥＤ２４を発光させ、ＰＤ２６Ａ、２６Ｂで受光した光の光強度に基づいて、頭皮３４の影響を除去して脳４０の光の吸光度を算出し、算出結果に基づいて脳４０のヘモグロビン濃度を算出する。算出結果は、出力部２２を介して例えばディスプレイやプリンタ等の外部装置に出力される。
　メモリ２０は、例えば不揮発性のメモリで構成され、上記の算出結果や、後述する光学的測定処理の処理ルーチンのプログラムが予め記憶される。
　次に、本実施形態の作用として、制御部１６で実行される測定処理について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。なお、この処理は、光学的測定装置１０の電源がオンされると実行される。
　測定する際には、プローブ１２を被測定者の頭部３２に装着し、操作部１８を操作することにより、測定開始を指示する。
　ステップ１００では、操作部１８の操作により測定開始が指示されたか否かを判断し、測定開始が指示された場合にはステップ１０２へ移行する。
　ステップ１０２では、初期状態の光強度を測定する。すなわち、ＬＥＤ２４に発光を指示し、ＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂで受光した光の光強度ＩＡ０、ＩＢ０を取り込む。なお、第１の波長λ１、第２の波長λ２で順次発光させ、それぞれの光強度ＩＡ０、ＩＢ０を取り込む。以下では、第１の波長λ１で発光した場合のＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂで受光した光の光強度をＩＡ０－１、ＩＢ０－１とし、第２の波長λ２で発光した場合のＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂで受光した光の光強度をＩＡ０－２、ＩＢ０－２とする。なお、以下では、符号をフォトダイオードで区別しない場合は添え字の「Ａ」、「Ｂ」を省略し、符号を波長で区別しない場合は添え字の「－１」、「－２」を省略する。
　ステップ１０４では、ステップ１０２で測定した光強度ＩＡ０－１、ＩＢ０－１、ＩＡ０－２、ＩＢ０－２を初期状態の光強度としてメモリ２０に記憶させる。
　ステップ１０６では、ステップ１０２と同様に、任意状態の光強度を測定する。すなわち、ＬＥＤ２４を第１の波長λ１、第２の波長λ２で順次発光させ、それぞれの光強度ＩＡ、ＩＢを取り込む。以下では、第１の波長λ１で発光した場合のＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂで受光した光の光強度をＩＡ－１、ＩＢ－１とし、第２の波長λ２で発光した場合のＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂで受光した光の光強度をＩＡ－２、ＩＢ－２とする。
　ステップ１０８では、ステップ１０２、１０６で測定した光強度に基づいて、第１の波長λ１の吸光度の変化量ΔＯＤＡ－１、ΔＯＤＢ－１、第２の波長λ２の吸光度の変化量ΔＯＤＡ－２、ΔＯＤＢ－２を算出する。
　吸光度の変化量ΔＯＤは、初期状態の光強度をＩ０、その後の任意の状態における光強度をＩ、ｌｎを自然対数として、次式で表される。
ΔＯＤ＝ｌｎ（Ｉ０／Ｉ）　　　　・・・（１）
　従って、第１の波長λ１の吸光度の変化量ΔＯＤＡ－１は、上記（１）式のＩ０にＩＡ０－１を、ＩにＩＡ－１を代入することにより算出できる。第１の波長λ１の吸光度の変化量ΔＯＤＢ－１、第２の波長λ２の吸光度の変化量ΔＯＤＡ－２、ΔＯＤＢ－２についても同様に上記（１）式を用いて算出できる。
　ここで、頭部３２に圧力を加えた場合、圧力を加える前後で吸光度の変化量ΔＯＤは変化する。一例として、図４には、頭部３２を軽く数回圧迫した場合に、ＰＤ２６Ａで受光した第１の波長λ１の吸光度の変化量ΔＯＤＡ－１、第２の波長λ２の吸光度の変化量ΔＯＤＡ－２を示した。図４に示すように、頭部３２を押下しているｔ期間は、吸光度の変化量ΔＯＤＡが低下しているのが判る。
　また、図５には、頭部３２を軽く数回圧迫した場合に、ＰＤ２６Ｂで受光した第１の波長λ１の吸光度の変化量ΔＯＤＢ－１、第２の波長λ２の吸光度の変化量ΔＯＤＢ－２を示した。図５に示すように、頭部３２を押下しているｔ期間は、吸光度の変化量ΔＯＤＢが低下しているのが判る。
　ユーザーは、操作部１８を操作して測定開始を指示してから、ステップ１０８までの処理が終了する程度の時間の経過後、例えば数秒経過後に、プローブ１２を例えば数秒程度軽く押圧し、頭部３２に圧力を加える。なお、ビープ音等を鳴らす等して頭部３２に押圧するタイミングをユーザーに報知するようにしてもよい。
　そして、ステップ１１０では、頭部３２が押圧されたか否かを検出する。具体的には、圧力センサ２８により検出された圧力値を取り込み、取り込んだ圧力値が、頭部３２に圧力が加えられたと判定できる閾値以上であるか否かを判定する。そして、圧力値が閾値以上の場合はステップ１１２へ移行し、圧力値が閾値未満の場合はステップ１０６へ戻る。なお、押圧する力は、頭皮３４内でのみ血流が変化する程度の力、すなわち、頭皮３４内の血流には影響するが、脳４０内の血流には影響しない程度の力であることが好ましく、例えば０．３Ｎ程度の力が好ましい。
　なお、圧力センサ２８により検出された圧力値に基づいて頭部３２が押圧されたか否かを判定するのではなく、吸光度の変化量ΔＯＤに基づいて頭部３２が押圧されたか否かを判定するようにしてもよい。前述したように、頭部３２を押下すると、図４、５に示したように吸光度の変化量ΔＯＤが低下するので、吸光度の変化量ΔＯＤが頭部３２に圧力が加えられたと判定できる閾値以下であるか否かを判定することにより、頭部３２が押圧されたか否かを判定するようにしてもよい。
　ステップ１１２では、押圧後の光強度をステップ１０２と同様に測定する。すなわち、ＬＥＤ２４を第１の波長λ１、第２の波長λ２で順次発光させ、それぞれの光強度Ｉ’Ａ、Ｉ’Ｂを取り込む。以下では、第１の波長λ１で発光した場合のＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂで受光した光の光強度をＩ’Ａ－１、Ｉ’Ｂ－１とし、第２の波長λ２で発光した場合の押圧後におけるＰＤ２６Ａ、ＰＤ２６Ｂで受光した光の光強度をＩ’Ａ－２、Ｉ’Ｂ－２とする。
　ステップ１１４では、ステップ１０６、１１２で測定した光強度に基づいて、押圧前後における第１の波長λ１の吸光度の変化量ΔＯＤ’Ａ－１、ΔＯＤ’Ｂ－１、第２の波長λ２の吸光度の変化量ΔＯＤ’Ａ－２、ΔＯＤ’Ｂ－２を算出する。
　具体的には、押圧前後における第１の波長λ１の吸光度の変化量ΔＯＤ’Ａ－１は、上記（１）式のＩ０に押圧前のＩＡ－１を、Ｉに押圧後のＩ’Ａ－１を代入することにより算出できる。押圧前後における第１の波長λ１の吸光度の変化量ΔＯＤ’Ｂ－１、第２の波長λ２の吸光度の変化量ΔＯＤ’Ａ－２、ΔＯＤ’Ｂ－２についても同様に上記（１）式を用いて算出できる。
　ステップ１１６では、ステップ１１４で算出した押圧前後における吸光度の変化量ΔＯＤ’Ａ、ΔＯＤ’Ｂに基づいて、補正係数Ｋを算出する。具体的には次式により補正係数Ｋを算出する。
Ｋ＝ＬＢ／ＬＡ＝ΔＯＤ’Ｂ／ΔＯＤ’Ａ　　・・・（２）
　補正係数Ｋは、波長毎に算出する。すなわち、上記（２）式のΔＯＤ’ＡにΔＯＤ’Ａ－１を、ΔＯＤ’ＢにΔＯＤ’Ｂ－１を代入することにより、第１の波長λ１における補正係数Ｋ１を算出することができる。同様に、上記（２）式のΔＯＤ’ＡにΔＯＤ’Ａ－２を、ΔＯＤ’ＢにΔＯＤ’Ｂ－２を代入することにより、第２の波長λ２における補正係数Ｋ２を算出することができる。
　ここで、ＬＡは、頭皮３４内におけるＬＥＤ２４からＰＤ２６Ａまでの平均光路長であり、ＬＢは、頭皮３４内におけるＬＥＤ２４からＰＤ２６Ｂまでの平均光路長である。図２に示すように、ＬＥＤ２４から発光された光のうち、或る光ＬＡ１は頭皮３４内を通ってＰＤ２６Ａに到達し、或る光ＬＡ２は頭蓋骨３６まで到達してからＰＤ２６Ａに到達する。従って、平均光路長ＬＡは、ＬＥＤ２４から発光され、様々な経路を通ってＰＤ２６Ａに到達した光のうち、頭皮３４内を通る光の光路長の平均値である。すなわち、平均光路長ＬＡは、図２のハッチングで示された領域４２Ａを通る光の光路長の平均値である。
　同様に、図２に示すように、ＬＥＤ２４から発光された光のうち、或る光ＬＢ１は頭皮３４内を通ってＰＤ２６Ｂに到達し、或る光ＬＢ２は脳４０まで到達してからＰＤ２６Ｂに到達する。従って、平均光路長ＬＢは、ＬＥＤ２４から発光され、様々な経路を通ってＰＤ２６Ｂに到達した光のうち、頭皮３４内を通る光の光路長の平均値である。すなわち、平均光路長ＬＢは、図２のハッチングで示された領域４２Ｂを通る光の光路長の平均値である。
　そして、平均光路長ＬＡとＬＢとの比は、押圧前後の吸光度の変化量ΔＯＤ’ＡとΔＯＤ’Ｂとの比に等しいため、上記（２）式が成立する。なお、頭皮３４の散乱係数や吸収係数は個人によって異なり、これらが異なると補正係数Ｋも異なる。従って、個人によって補正係数Ｋの値は異なる。
　ステップ１１８では、頭部３２への押圧が終了したか否かを検出する。具体的には、圧力センサ２８により検出された圧力値を取り込み、取り込んだ圧力値が、頭部３２に圧力が加えられていないと判定できる閾値以下であるか否かを判定する。そして、圧力値が閾値以下の場合はステップ１２０へ移行し、圧力値が閾値より大きい場合は閾値以下になるまで待機する。
　ステップ１２０では、ステップ１０６と同様に、任意状態の光強度を測定する。
　ステップ１２２では、ステップ１０８と同様に、ステップ１０２、１２０で測定した光強度に基づいて、吸光度の変化量ΔＯＤＡ、ΔＯＤＢを算出する。
　ステップ１２４では、ステップ１２２で算出した吸光度の変化量ΔＯＤＡ、ΔＯＤＢと、ステップ１１６で算出した補正係数Ｋと、に基づいて、頭皮３４の影響を除去した脳４０の吸光度の変化量ΔＯＤ”Ｂを算出する。具体的には、次式によりΔＯＤ”Ｂを算出する。
ΔＯＤ”Ｂ＝ΔＯＤＢ－Ｋ×ΔＯＤＡ　　　・・・（３）
　頭皮３４の影響を除去した脳４０の吸光度の変化量ΔＯＤ”Ｂは、波長毎に算出する。すなわち、上記（３）式のΔＯＤＡにΔＯＤＡ－１を、ΔＯＤＢにΔＯＤＢ－１を、ＫにＫ１を代入することにより、第１の波長λ１におけるΔＯＤ”Ｂ－１を算出することができる。同様に、上記（３）式のΔＯＤＡにΔＯＤＡ－２を、ΔＯＤＢにΔＯＤＢ－２を、ＫにＫ２を代入することにより、第２の波長λ２におけるΔＯＤ”Ｂ－２を算出することができる。
　ステップ１２６では、脳４０の血液に関する情報、例えば酸素化ヘモグロビンＯ２Ｈｂの変化量、脱酸素化ヘモグロビンＨＨｂの変化量を算出する。まず、脳４０の光の吸収係数変化量を算出する。
　頭皮３４の影響を除去した脳４０の吸光度の変化量ΔＯＤ”Ｂは、次式でも表すことができる。
ΔＯＤ”Ｂ＝ΔμＢ×ＬＣ　　　・・・（４）
　ここで、ΔμＢは、脳４０の光の吸収係数変化量を表す。また、ＬＣは、脳４０の平均光路長であり、ＬＥＤ２４から発光されてＰＤ２６Ｂに到達した光の光路長の中で脳４０のみを通る光の光路長の平均値である。上記（４）式をΔμＢの式で表すと次式のようになる。
ΔμＢ＝ΔＯＤ”Ｂ／ＬＣ　　　・・・（５）
　上記（５）式のΔＯＤ”Ｂに第１の波長λ１における上記（３）式で求めたΔＯＤ”Ｂ－１を、ＬＣに第１の波長λ１における平均光路長ＬＣ－１を代入することにより、第１の波長λ１における吸収係数変化量ΔμＢ－１を算出することができる。同様に、上記（５）式のΔＯＤ”Ｂに第２の波長λ２における上記（３）式で求めたΔＯＤ”Ｂ－２を、ＬＣに第２の波長λ２における平均光路長ＬＣ－２を代入することにより、第２の波長λ２における吸収係数変化量ΔμＢ－２を算出することができる。
　なお、第１の波長λ１における平均光路長ＬＣ－１は、層状モデルを用いた光輸送理論に基づく理論解析により算出できる。同様に、第２の波長λ２における平均光路長ＬＣ－２は、層状モデルを用いた光輸送理論に基づく理論解析により算出できる。
　そして、第１の波長λ１における吸収係数変化量ΔμＢー１及び第２の波長λ２における吸収係数変化量ΔμＢ－２に基づいて、酸素化ヘモグロビンＯ２Ｈｂの変化量ΔＯ２Ｈｂ及び脱酸素化ヘモグロビンＨＨｂの変化量ΔＨＨｂを算出する。また、酸素化ヘモグロビンＯ２Ｈｂの変化量ΔＯ２Ｈｂと脱酸素化ヘモグロビンＨＨｂの変化量ΔＨＨｂを足し合わせることにより、総ヘモグロビンの変化量ΔＨｂを算出する。酸素化ヘモグロビンＯ２Ｈｂの変化量ΔＯ２Ｈｂ及び脱酸素化ヘモグロビンＨＨｂの変化量ΔＨＨｂの算出については、種々公知の算出方法を用いることができる。
　上記のように算出した脳４０の血液に関する情報は、出力部２２を介して例えばディスプレイやプリンタ等の外部装置に出力する。
　ステップ１２８では、操作部１８の操作により測定終了が指示されたか否かを判断し、測定終了が指示された場合には本ルーチンを終了し、測定終了が指示されていない場合はステップ１２０へ移行してステップ１２０～１２６の処理を繰り返す。
　図６には、頭部３２に外乱（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が加えられた場合に、上記のようにして補正係数Ｋで補正して算出した総ヘモグロビンＨｂの変化量ΔＨｂ（Ａｆｔｅｒ）、補正係数Ｋで補正せずに算出した総ヘモグロビンＨｂの変化量ΔＨｂ（Ｂｅｆｏｒｅ）と、を示した。
　図６に示すように、補正係数Ｋで補正しない場合、外乱（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）の影響によって総ヘモグロビンＨｂの変化量ΔＨｂ（Ｂｅｆｏｒｅ）が低下してしまっている。これは、頭皮３４の影響を除去できていないためである。
　これに対し、本実施形態のように補正係数Ｋで補正した場合、総ヘモグロビンＨｂの変化量ΔＨｂ（Ａｆｔｅｒ）は、外乱（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）の影響によって総ヘモグロビンＨｂの変化量ΔＨｂ（Ｂｅｆｏｒｅ）はほとんど変化していない。このように、脳４０の吸光度をユーザー固有の補正係数Ｋで補正し、補正した吸光度を用いて酸素化ヘモグロビン等の脳４０内の血液に関する情報を算出することにより、頭皮３４の影響を除去して脳４０内の血液に関する情報を精度良く算出することができる。
　なお、本実施形態では、人の脳内のヘモグロビン濃度等を測定する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば他の部位の筋肉のヘモグロビン濃度等を測定する場合にも適用可能である。この場合、頭皮に代えて皮膚を表層とし、脳に代えて筋肉を深層とし、プローブ１２を測定対象の部位に装着して図３に示す処理を実行すればよい。
　また、本実施形態では、頭皮３４の血流に変化を与えるのに頭部３２を押圧する場合について説明したが、これに限らず、頭部３２に熱を与えることにより頭皮３４の血流に変化を与えるようにしてもよい。
　また、本実施形態では、ＰＤを二つ設けた構成の場合について説明したが、これに限らず、ＰＤを一つとし、ＬＥＤを二つとしてもよい。また、ＬＥＤ又はＰＤを移動可能な構成として、すなわちＬＥＤとＰＤとの距離を調整可能な構成としてもよい。この場合、ＬＥＤとＰＤとの距離を第１の所定距離ｄ１に設定してＬＥＤから発光された光を受光し、その後ＬＥＤとＰＤとの距離を第２の所定距離ｄ２に設定してＬＥＤから発光された光を受光するようにすればよい。
　本実施形態に係る光学的測定装置１０を用いることにより、温度の変化の大きい車内や、表情変化・視認動作を伴うような日常的な活動時であっても、表層（頭皮）の影響を受けにくい脳計測が可能となるため、従来よりも計測の適用範囲を大きく広げることができる。
　光による脳計測は、機能的近赤外分光法（functional near infrared spectroscopy)として広く普及しつつあるが、常に表層の影響の有無が測定値の信頼性を左右する要因となっている。本実施形態に係る光学的測定装置１０によれば、測定値から得られる知見の信頼性や正確度の面で優位となる。さらに、頭皮の血流が外乱によって変化する状態でも精度良く頭皮の影響を除去して測定できるようになるため、利便性の面でも優位となる。
１０ 光学的測定装置
１２ プローブ
１６ 制御部
１８ 操作部
２０ メモリ
２２ 出力部
２４ ＬＥＤ
２６Ａ、２６Ｂ ＰＤ
２８ 圧力センサ
３２ 頭部
３４ 頭皮
３６ 頭蓋骨
３８ 脳脊髄液
４０ 脳

Claims (7)

  1. 　少なくとも表層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象に光を照射する発光部と、
    　前記発光部から発光された光のうち前記表層を通過した光を受光するように前記発光部から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、前記発光部から発光された光のうち前記表層及び深層を通過した光を受光するように前記発光部から第２の所定距離だけ離間した位置で受光する受光部と、
    　前記表層の血流に変化を与える前後で前記第１の所定距離だけ離間した位置で前記受光部により受光された光の吸光度の変化量と、前記表層の血流に変化を与える前後で前記第２の所定距離だけ離間した位置で前記受光部により受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、補正係数を算出する算出部と、
    　前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、前記算出部により算出された補正係数と、に基づいて、前記深層の吸光度の変化量を演算する演算部と、
    　を備えた光学的測定装置。
  2. 　前記測定対象は生体の一部であり、前記表層は頭皮であり、前記深層は脳である
    　請求項１記載の光学的測定装置。
  3. 　前記演算部は、前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量から、前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量に前記補正係数を乗算した値を減算することにより、前記深層の吸光度の変化量を演算する
    　請求項１又は請求項２記載の光学的測定装置。
  4. 　前記発光部は、異なる複数の波長で前記測定対象に光を照射し、
    　前記受光部は、前記複数の波長の光を受光し、
    　前記算出部は、前記複数の波長毎に前記補正係数を算出し、
    　前記演算部は、前記複数の波長毎に前記深層の吸光度の変化量を演算し、演算した前記複数の波長毎の前記深層の吸光度の変化量に基づいて、前記深層の血液に関する情報を算出する
    　請求項１～３の何れか１項に記載の光学的測定装置。
  5. 　前記受光部は、前記発光部から前記第１の所定距離だけ離間した第１の受光部と、前記発光部から前記第２の所定距離だけ離間した第２の受光部と、を含む
    　請求項１～４の何れか１項に記載の光学的測定装置。
  6. 　少なくとも表層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象に光を照射し、
    　発光された光のうち前記表層を通過した光を受光するように光の照射位置から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、発光された光のうち前記表層及び深層を通過した光を受光するように前記照射位置から第２の所定距離だけ離間した位置で受光し、
    　前記表層の血流に変化を与える前後で前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、前記表層の血流に変化を与える前後で前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、補正係数を算出し、
    　前記表層の血流に変化を与えた後に前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、算出された補正係数と、前記表層及び前記深層の血流に変化を与えた後に前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、前記深層の吸光度の変化量を演算する
    　光学的測定方法。
  7. 　コンピュータに、
    　少なくとも表層及び深層を含む複数の層で形成された測定対象に光を照射するステップと、
    　発光された光のうち前記表層を通過した光を受光するように光の照射位置から第１の所定距離だけ離間した位置で受光すると共に、発光された光のうち前記表層及び深層を通過した光を受光するように前記照射位置から第２の所定距離だけ離間した位置で受光するステップと、
    　前記表層の血流に変化を与える前後で前記第１の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、前記表層の血流に変化を与える前後で前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、補正係数を算出するステップと、
    　前記表層の血流に変化を与えた後に前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、算出された補正係数と、前記表層及び前記深層の血流に変化を与えた後に前記第２の所定距離だけ離間した位置で受光された光の吸光度の変化量と、に基づいて、前記深層の吸光度の変化量を演算するステップと、
    　を含む処理を実行させるための光学的測定プログラム。
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