JP2003254899A - 生体光計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小な血流変動を高精度で計測できる生体光
計測装置を提供する。 【解決手段】 生体光計測装置の信号処理部は、計測点
毎に得られた計測信号について、その計測点と関連する
光照射位置及び検出位置に限定した変動率との関係式を
元に、補正後の計測値と変動率とを変数とする行列演算
式を作成し（402）、最小二乗法によって補正後の計測
値の絶対値を最小とする変動率gを求める（403）。この
変動率ｇを用いて上記関係式から最適に補正された計測
値を算出する（404）。これにより変動の種類によら
ず、光照射位置及び検出位置に限定した変動率の影響を
排除した信号を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は生体内部の情報を
光を用いて計測する生体光計測装置に関し、特に複数の
計測位置からの検出光を用いて、これら計測位置を含む
領域の計測を行う生体光計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体光計測装置は、光源から特定波長の
光を被検体に照射し、被検体を透過した光或いは被検体
で反射した光を受光素子で検出し、その光量から血液循
環、血行動態、ヘモグロビン変化などの生体情報を得る
装置である。近年、光ファイバを利用して、複数の計測
位置を含む領域を検査し、その領域についての生体情
報、具体的にはヘモグロビン動向を画像として表示する
ようにした光トポグラフィ装置が提案され、実用化され
ている（特開平9-98972号、特開平9-149903号など）。

【０００３】このような生体光計測装置の臨床応用とし
て、例えば頭部を計測対象とした脳内ヘモグロビン変化
の活性化状態及び局所的な脳内出血の測定等が挙げられ
る。脳内のヘモグロビン変化に関連して、運動、感覚さ
らには思考に及ぶ高次脳機能等を計測することも可能で
ある。これら計測は、光照射及び検出のための複数の光
ファイバ先端を所定の配列に配置したプローブを被検者
に装着することにより行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような生体光計測
装置を用いた脳機能計測は、脳活動に伴う微小な血流変
化による光学変化を計測するものであるため、計測系の
微小な変動や頭皮へのプローブ接触の変化による光学変
化の影響を受けやすく、それによって計測信号の精度が
低下するという問題があった。

【０００５】また計測信号に混入する変動誤差の原因
は、例えば光源であるレーザー光の変動やプローブの位
置ずれ、接触状態の変化など種々であり、これらの影響
を全体として低減することは困難であった。そこで本発
明は、被検者の動きや計測装置の変動の影響を排除し、
高精度の脳機能計測を行うことが可能な生体光計測装置
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の生体光計測装置では、計測される信号が特
定の光照射位置と受光位置の変動率の影響を受けること
を利用し、複数の計測信号値とこれら変動率との関連性
を利用して、光照射位置と受光位置に限定される変動誤
差を算出し、変動誤差の影響を排除した計測信号を得
る。

【０００７】即ち、本発明の生体光計測装置は、被検体
の複数の光照射位置に光を照射するための光源部と、前
記複数の光照射位置に対し所定の位置に配置された複数
の検出位置で、前記被検体からの透過光を受光し、複数
の計測位置の計測信号に変換する光計測部と、前記光計
測部からの計測信号を処理し、前記複数の計測位置を含
む領域の生体情報を得る信号処理部とを備えた生体光計
測装置において、前記信号処理部は、前記複数の計測信
号に含まれる、光照射位置と検出位置に限定される変動
誤差の相関に基き、前記変動誤差を算出し、前記計測信
号を補正する手段を備えたことを特徴とする。

【０００８】具体的には、補正する手段は、補正後の信
号値及び変動誤差を変数とする行列演算式を作成し、補
正後の信号値の絶対値を最小にする変動誤差を算出す
る。変動誤差の算出方法としては、例えば、最小二乗法
を用いることができる。

【０００９】このような本発明の生体光計測装置によれ
ば、光源部の光強度の変動や、被検体の動きによる光照
射位置や検出位置の位置ずれや、接触面の微小な変化な
ど、光照射位置と検出位置に限定される変動誤差を排除
することができ、これにより脳機能に伴う微小な血流変
動を高精度で計測することができる。

【００１０】また本発明の生体光計測装置は、光照射位
置と検出位置に限定される変動誤差を、補正後の信号値
の絶対値を最小にするように決定するので、光の周波数
特性や変動誤差の種類によらず補正を行うことができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の生体光計測装置
を、図面に示す実施形態に基づきさらに説明する。

【００１２】図１は、本発明の生体光計測装置の全体概
要を示す図である。この生体光計測装置は、所定の波長
の光を被検体9の検査部位に照射するための光源部10
と、被検体の検査部位を透過した光或いは検査部位で反
射、散乱した光（以下、まとめて透過光という）を検出
する受光素子を備えた光計測部20と、光計測部20からの
信号に基づき血中ヘモグロビン量などを表す生体信号を
作成し、画像化し表示する信号処理部30とを備えてい
る。

【００１３】光源部10は、複数（図では４つ）の光モジ
ュール11からなり、各光モジュール11は、可視光から赤
外の波長領域内の所定の波長、例えば780nmや830nmの二
波長の光を放射する二個の半導体レーザを備えている。
また光源部10は、発振周波数の異なる複数の発振器で構
成される発振部12を備えている。これにより半導体レー
ザに、それぞれ異なる変調を与える。尚、光源としては
半導体レーザの代わりに発光ダイオードを用いても良
い。また使用する波長も上記の二波長に限らず、計測す
べき対象（通常、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグ
ロビンであるが、それ以外の化学種も対象となる）に応
じて波長を異ならせても良い。

【００１４】二波長の半導体レーザを用いた光モジュー
ル11の構成を図２に示す。図示するように、光モジュー
ル11は二個の半導体レーザ13a、13b（a、bは二波長の光
に対応する）と、その駆動回路14a、14bと、集光レンズ
15と、光ファイバ16、光結合器17と、光ファイバ18とを
備えている。半導体レーザ13a、13bは、駆動回路14a、1
4bにより直流バイアス電流が印加されるとともに発振器
12によりそれぞれ異なる周波数が印加されることによ
り、それぞれ異なる周波数で変調された光を放射する。
尚、本実施形態では、正弦波によるアナログ変調として
いるが、それぞれ異なる時間間隔の矩形波によるデジタ
ル変調を用いても良い。

【００１５】半導体レーザ13a、13bからの光は、それぞ
れ集光レンズ15により光ファイバ16に導入され、さらに
光結合器17により二波長の光を混合して１本の照射用光
ファイバ18に導入される。即ち、各光モジュール11毎
に、それぞれ異なる周波数で変調された二波長の光が照
射用光ファイバ18に導入される。

【００１６】照射用光ファイバ18と受光用光ファイバ19
の先端は、被検者9に装着するために、例えばプラスチ
ック製の装着具（プローブ）に固定される。プローブに
はこれら光ファイバ先端が係合するソケットが形成され
ており、その先端をソケットに係合することにより光フ
ァイバ先端を所定の配列となるように配置できる。

【００１７】先端の配列の一例を図３に示す。この例で
は、白丸で示す４本の照射用光ファイバ18の先端と、黒
丸で示す５本の受光用光ファイバ19の先端とが交互に正
方格子の交点に配置している。照射用光ファイバ18先端
から、その照射位置によって周波数が異なる二波長の光
が照射され、被検者9の頭部表面で反射或いは透過した
光は、照射用光ファイバ18に隣接する受光用光ファイバ
19で検出されることになる。従って、光計測では、互い
に隣接する照射用光ファイバ18と受光用光ファイバ19と
の間の点を計測していることになり、この間の点が計測
点となる。図示する例では、同図（ｂ）に１〜１２の番
号で示すように、１２の計測点が存在する。尚、図３で
は３×３の正方格子の交点に光ファイバ先端を配置した
例を示したが、マトリックスサイズはこれに限定されず
４×４、５×５などを採用しても良い。

【００１８】光計測部20は、図１に示すように、各受光
用光ファイバ19に接続され、受光用光ファイバ19が誘導
する光を光量に対応する電気信号に変換するフォトダイ
オード等の光電変換素子21と、光電変換素子21からの電
気信号を入力し、照射位置及び波長に対応した変調信号
を選択的に検出するためのロックインアンプ等の変調信
号検出回路22と、変調信号検出回路22からの信号をA/D
変換するＡ/Ｄ変換器23とを備えている。

【００１９】光電変換素子21としては光電子増倍管を用
いても良い。またフォトダイオード21を用いる場合に
は、高感度な光計測が実現できるアバランシェフォトダ
イオードが好適である。変調信号検出回路22は、照射位
置と波長に対応した変調信号を選択的に検出するもの
で、図示する実施形態のようにアナログ変調の場合には
ロックインアンプ22を使用する。デジタル変調の場合に
はデジタルフィルターやデジタルシグナルプロセッサを
用いる。またこの実施形態では照射光として二波長の光
を用い、12の計測点が存在するので、計測する信号数
（チャンネル数）は24であり、ロックインアンプモジュ
ールとして合計24個のロックインアンプを備える。計測
チャンネル毎に検出された信号はＡ/Ｄ変換器23でデジ
タル信号に変換され、信号処理部30に送られる。

【００２０】信号処理部30は、光計測部20からの信号を
処理し、血中ヘモグロビンの変化量や変化量に含まれる
種々の誤差を補正する計算等を行う演算部31と、演算部
31の演算結果や演算に必要なデータなどを記憶する記憶
部32と、計測信号のタイムコースや演算結果であるトポ
グラフィ画像を表示する表示部33とを備えている。

【００２１】次に信号処理部30の演算部31における信号
の補正処理について図４を参照して説明する。これらの
補正処理手順は予めプログラムとして信号処理部30に組
み込まれている。尚、以下の説明では、計測信号のうち
一波長の信号について説明するが他の波長の信号につい
ても同様の手順で補正処理を行う。

【００２２】まず、光計測部20から信号処理部30に入力
される計測信号Ｓ1〜Ｓ12の信号値と、外部要因による
変動率とを含む関係式から、行列演算式を算出する（ス
テップ401、402）。外部要因としては光源部10の光強度
の変動や計測プローブ（光ファイバ）先端の接触位置や
角度の変動等があり、これら外部要因による変動率は計
測プローブに限定される変動であり、この変動率をｇ1
〜ｇ9で表す。一つの計測信号を考えたとき、その信号
は光照射位置及び検出位置の各１点からの影響を受ける
ため、これら外部要因の影響を取り除いた脳機能による
変動成分ST1〜ST12は、次式（１）で表すことができ
る。

【００２３】

【数１】 式中、iは１〜12の計測チャンネル番号であり、n、mはS
iが関連する格子点の番号である。この式（１）の対数
をとると、

【数２】 となり、これをさらに

【数３】 に置き換えると、これらの変数を用いた行列演算式
（４）ができる。

【００２４】

【数４】 式（４）中、Ａは格子点と計測点の関係から導き出され
るマトリックスで、１と０を要素とする。具体的には、
図５に示すように、一つの計測点の計測信号をそれと関
連する二つの格子点の変動率につなげるための、サイズ
１２×９（計測点数×格子点数）のマトリックスであ
る。式（４）中のＸは、補正後の計測値の対数を示して
いる。

【００２５】次に、この行列演算式をもとに補正が最適
になされた場合の変動率ｇの対数ｚ（log(ｇ)）を求め
る。即ち、補正が最適になされている場合、Ｘはｚを変
数とするときにその絶対値最小を示すことになる。そこ
でＸの二乗値を計算し、最小二乗法で最適なＺを求め
る。こうして求めたｚから変動率ｇを求め（ステップ40
3）、これを用いて、式（２）を計算すると最適な補正
の行われた計測値Stiが求まる（ステップ404）。

【００２６】このように本実施形態によれば、各光照射
位置及び検出位置に限定した変動率の相関を利用して、
最適な補正を行うことができる変動率を見出しているの
で、計測値の周波数特性や変動の種類によらず、最適な
補正が行われた計測値を求めることができる。

【００２７】尚、上記実施形態では最小二乗法によって
最適な補正項を求める場合を説明したが、最適な補正項
を求める数学的手法は各プローブの独立した変位を求め
る手法であれば最小二乗法に限らず採用することができ
る。

【００２８】このように補正した計測信号をもとに、例
えば酸素化ヘモグロビン濃度変化、脱酸素化ヘモグロビ
ン濃度変化、全ヘモグロビン濃度変化を計算し（図４、
ステップ405）、通常の生体光計測における信号処理と
同様に、例えば時系列的な変化を表示するタイムコース
のグラフとして表示したり、計測点毎のヘモグロビン変
化量を等高線状の線画やそれに彩色した画像（トポグラ
フィ画像）として表示することができる。また濃度変化
の数値から、脳機能について種々の判定を行うことも可
能である。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、脳機能に伴う微小な血
流変化を高精度で計測することが可能な生体光計測装置
が提供される。また本発明によれば、変動誤差の種類に
拘わりなく変動誤差の影響を最小にした計測を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される生体光計測装置の概要を示
す図

【図２】光モジュールの詳細を示す図

【図３】光照射位置と検出位置との配列の一例を示す図

【図４】信号処理部が行う補正処理手順の一例を示す図

【図５】信号処理部が行う補正処理で使用する行列演算
式の一例を示す図

【符号の説明】

10・・・光源部、18・・・照射用光ファイバ、19・・・
受光用光ファイバ、20・・・光計測部、30・・・信号処
理部、31・・・演算部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体の複数の光照射位置に光を照射す
   るための光源部と、前記複数の光照射位置に対し所定の
   位置に配置された複数の検出位置で、前記被検体からの
   透過光を受光し、複数の計測位置の計測信号に変換する
   光計測部と、前記光計測部からの計測信号を処理し、前
   記複数の計測位置を含む領域の生体情報を得る信号処理
   部とを備えた生体光計測装置において、 前記信号処理部は、前記複数の計測信号に含まれる、光
   照射位置と検出位置に限定される変動誤差の相関に基
   き、前記変動誤差を算出し、前記計測信号を補正する手
   段を備えたことを特徴とする生体光計測装置。
2. 【請求項２】 前記補正する手段は、補正後の信号値及
   び変動誤差を変数とする行列演算式を作成し、補正後の
   信号値の絶対値を最小にする変動誤差を算出することを
   特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
3. 【請求項３】 前記変動誤差を最小二乗法により算出す
   ることを特徴とする請求項２に記載の生体光計測装置。