JP2006247253A - 近赤外脳機能イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 送光ファイバ、受光ファイバの取付作業が容易な近赤外脳機能イメージング装置を提供する。
【解決手段】 近赤外光源２１、光検出器３１、被験者の頭部に近赤外光を照射するための送光ファイバ５３、検出光を伝送して光検出器３１に導くための受光ファイバ５４、ファイバ取付孔５２が形成され、送光ファイバ５３および受光ファイバ５４をファイバ取付孔５２に挿入することにより、一端が頭皮に接触するように固定するファイバホルダ５１とを備え、検出光に基づいて脳機能に関する画像を形成する近赤外脳機能イメージング装置１０において、照明用光源２２、３２を設けるとともに、この照明用光をファイバホルダ５１に取り付ける側とは反対の送光ファイバ端および受光ファイバ端から送光ファイバおよび受光ファイバを介して送るようにする
【選択図】図１

Description

本発明は、近赤外光を用いて脳の活動を非侵襲で計測し、脳機能を測定する近赤外光脳機能イメージング装置に関する。

近赤外線は、皮膚組織や骨組織を透過し、かつ、血液中のオキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビンにより吸収される性質を有する。近赤外光のこのような性質を利用して、近年、非侵襲で脳活動の測定を行うことができる、近赤外分光分析法（Near infrared spectroscopy、以下ＮＩＲＳと略す）を用いた経頭蓋的測定技術が利用されている。
ＮＩＲＳでは、被験者の頭皮上から近赤外線を照射し、脳（脳皮質）によって拡散反射された光を頭皮上で受光し、検出する。この検出光により、測定部位でのオキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、さらにはこれらから算出される全ヘモグロビン濃度を求める。そしてヘモグロビン濃度の変化から脳の活動データを計測し、取得した脳活動データに平均化処理などの画像処理を行って画像化するものである。

一般に、ＮＩＲＳに用いる近赤外光光源は、波長純度と光強度とが要求されるため、半導体レーザを用いている。また、ＮＩＲＳの検出器には、高感度な光電子増倍管（ＰＭＴ）やアバランシェフォトダイオードを用いている。そして、光源から発せられる照射光を測定部位に送り、また、測定部位からの検出光を検出器に送るために、送光用、受光用の光ファイバを用いている。

ＮＩＲＳにより脳の活動状態（脳機能）を測定する場合、送光ファイバ、受光ファイバのそれぞれの先端を、頭皮に密着させる。このとき、送光ファイバと受光ファイバとを頭皮上で所定の間隔で配置し、保持しておく必要があることから、図４に示すように、それぞれの送光ファイバ５３、受光ファイバ５４を取り付ける位置に、ファイバ取付孔５２が形成されたファイバホルダ５１が用いられている。そしてファイバ取付孔５２に、送光ファイバ５３、受光ファイバ５４の先端を固定するようにして測定がなされる（例えば特許文献１参照）。

ＮＩＲＳによる測定では、送光ファイバ５３により頭皮から近赤外線を照射したり、受光ファイバ５４により頭皮から検出光を検出したりする場合に、毛髪の処理が問題となる。毛髪自体は、光をほとんど通さないため、送光ファイバ５３の照射口や受光ファイバ５４の検出口と頭皮との間に毛髪が存在すると、毛髪によって測定光あるいは検出光が遮られてしまい、測定精度が大きく低下したり、あるいは、計測できなくなったりする。それゆえ、送光ファイバ５３、受光ファイバ５４の先端面を頭皮に接触させるときには、慎重に毛髪をかき分けて、頭皮との間に毛髪が入らないようにして取り付ける必要がある。

図３は、ファイバホルダに送光ファイバ、受光ファイバを取り付ける状態を模式的に説明する図である。図３（ａ）に示すように、ファイバホルダ５１（この図ではファイバホルダ５１の一部のみを図示）にはファイバ取付孔５２が形成されている。ファイバ取付孔５２の上方には、ファイバ取付孔５２に挿入する直前の送光ファイバ５３（あるいは受光ファイバ５４）の先端部分と、ガイド５７とが、配置してある。この送光ファイバ５３の先端部分は、測定光を導波するファイバ本体５５と、ファイバ本体５５を保護、補強するために、ファイバ本体５５の外周を円筒状に被覆する樹脂層５６とが一体に形成されている。この樹脂層５６により、送光ファイバ５３の先端部分は、曲がらないようにしている。樹脂層５６は、製作、加工の容易さから、ファイバ本体５５の形状と同様に、断面が円形にしてある。

送光ファイバ５３の先端部分の外側には、ガイド５７が設けてあり、ガイド５７の中心に設けた貫通孔に、送光ファイバ５３の先端部分（すなわちファイバ本体５５と樹脂層５６）が通してある。送光ファイバ５３の先端は、外力が加わらない状態でガイド５７の先端よりも突出するようにしてあり、送光ファイバ５３の軸方向に力が加わると、送光ファイバ５３のガイド５７より突出した部分が、ガイド５７の貫通孔内に押し込まれるようになっている。
なお、ガイド５７の貫通孔内には、図示しないコイルばねが取り付けてあり、送光ファイバ５３への軸方向の力に対して付勢力が働くようにしてある。これにより、再び外力が加わらなくなると、送光ファイバ５３の先端は、再び突出するようになっている。

ガイド５７の外径とファイバ取付孔５２の内径とは、ほぼ一致するようにしてあり、送光ファイバ５３の先端をファイバ取付孔５２に挿入し、押し込んでいくと、まず、送光ファイバ５３の突出した先端部分が頭皮に接触する。さらに押し込んでいくと、ガイド５７の先端が頭皮に接触するようになる。このとき、送光ファイバ５３の先端は、頭皮からの抗力によりガイド５７の貫通孔内に押し込まれている。

このときに、毛髪が、頭皮と送光ファイバ５３の先端（特にファイバ本体５５部分の先端）との間に入り込まないように、ファイバ取付孔５２の中央からかき分ける作業を行う。すなわち、ファイバホルダ５１を頭皮に取り付けた状態では、図３（ｂ）に示すように、ファイバ取付孔５２内には、毛髪Ｋがいずれかの方向に沿って並んでいる。これを、耳掻き棒のような形状をした器具を用いてかき分け、図３（ｃ）に示すように、ファイバ取付孔５２の中央部分に、毛髪Ｋのない領域Ｓを形成した上で、送光ファイバ５３をファイバ取付孔５２に挿入する。受光ファイバ５４の取り付けについても同様である。
特開２００３−３２２６１２号公報

ファイバ取付孔５２に、送光ファイバ５３、受光ファイバ５４を固定する場合の毛髪Ｋをかき分ける作業は、ファイバ取付孔５２の孔内で行うことになる。
しかしながら、ファイバ取付孔５２の直径は１０ｍｍ以下しかなく、ファイバ取付孔５２の中に存在する毛髪Ｋは、ファイバホルダ５１の影の影響で見にくく、かき分け作業が困難である。
また、たとえ、耳掻き棒のような器具を用いてファイバ取付孔５２内の毛髪Ｋを上手にかき分けたとしても、その後、すぐに送光ファイバ５３、受光ファイバ５４を取り付けないと、かき分けた毛髪Ｋが再び元に戻ってしまうことになる。

さらに、毛髪Ｋをかき分ける際には、毛髪Ｋの復元力を考慮して、実際にかき分けが必要な領域よりも十分に大きい領域をかき分けておかなければならない。
これらの理由により、ファイバ取付の準備作業には、大変な手間と時間を要することになる。

ＮＩＲＳの技術進歩に伴い、今後ますます測定ポイント数を増加したいという要望が増え、そのために、ファイバホルダ５１へのファイバ取付本数は、さらに増大する可能性がある。ファイバ取付本数が増大するにつれ、ファイバ取付用孔５２の孔径を小さくする必要があり、ますます取付孔５２内の毛髪が見にくくなり、取付作業が困難となり、取付時間を要することになる。このことは、ファイバを取り付ける作業者の負担のみならず、被験者にも長時間の負担を強いることにある。

そこで、本発明は、ファイバホルダ内での毛髪の処理を容易に行えるようにして、ファイバの取付作業を比較的簡単、かつ、短時間に行えるようにした近赤外光イメージング装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の近赤外脳機能イメージング装置は、近赤外光源、光検出器、近赤外光源から発する測定光を伝送して被験者の頭部に照射するための送光ファイバ、被験者の頭部を散乱・透過した検出光を伝送して光検出器に導くための受光ファイバ、複数のファイバ取付孔が形成され、送光ファイバおよび受光ファイバをファイバ取付孔に挿入することにより、送光ファイバの一端および受光ファイバの一端が頭皮に接触するように固定するファイバホルダとを備え、測定光を被験者の頭部に照射することにより得られた検出光に基づいて脳機能に関する画像を形成する近赤外脳機能イメージング装置において、ファイバ取付孔を照らす照明用光源を設けるとともに、この照明用光をファイバホルダに取り付ける側とは反対の送光ファイバ端および受光ファイバ端から送光ファイバおよび受光ファイバを介して送るようにする。

この発明によれば、近赤外光を頭部に照射する際に、送光ファイバの一端を頭皮に接触するようにして固定するとともに、頭皮からの検出光を光検出器に導く際に、受光ファイバの一端を頭皮に接触するようにして固定する。送光ファイバと受光ファイバとを頭皮に接触するために、ファイバホルダに設けられたファイバ取付孔に送光ファイバの一端と受光ファイバの一端とを挿入するが、このときに照明用光源を点灯し、この照明用光をファイバホルダに取り付ける側とは反対の送光ファイバ端および受光ファイバ端から送光ファイバおよび受光ファイバを介して孔内に送るようにする。

これにより、送光ファイバや受光ファイバをファイバホルダのファイバ取付孔に挿入する際に、送光ファイバ、受光ファイバを取付孔に近づけるようにして照明用光で照らすことができ、孔内を見やすくして毛髪の状態を確かめながら、毛髪をかき分けることができる。さらに、毛髪のかき分けができた時点で、すぐにファイバを取付孔に挿入することができるので、毛髪が復元力によって元の位置に戻るまでに、ファイバを頭皮に接触させることができる。

また、受光ファイバが、検出光を光検出器に導く状態と、照明用光をファイバ取付孔に導く状態とを切り替える光路切替機構をさらに備えるようにすれば、受光ファイバをファイバホルダに取り付ける際に照明用光をファイバ取付孔に導くことができる一方で、取り付け後に検出光を検出器に導く際に、受光ファイバが途中で分岐していないので、受光ファイバを通過する検出光をすべて検出器に導くことができ、受光効率を落とすことなく、検出することができる。

また、送光ファイバおよび受光ファイバのファイバホルダに取り付ける側の先端に、毛髪をかき分けるための扁平部を形成するようにすれば、送光ファイバや受光ファイバ自体の先端部分を、毛髪をかき分けるための器具として用いることができる。これにより、ファイバの先端を、ファイバ取付孔に近づけた状態で照明用光を照らしつつ、この扁平部で毛髪をかき分ける。かき分けができたら、そのまま、ファイバをファイバ取付孔に押し込むことにより、毛髪が元の位置に戻るまでにファイバを固定することができる。

以下、本発明の近赤外脳機能イメージング装置について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態である近赤外脳機能イメージング装置の概略構成を示す図である。この近赤外脳機能イメージング装置１０は、主として、光源部１１と、送光ファイバ部１２と、ファイバホルダ部１３と、検出部１４と、受光ファイバ部１５とから構成される。

光源部１１は、異なる波長（例えば７８０ｎｍ、８０５ｎｍ、８３０ｎｍ）の近赤外光を発生する半導体レーザＬＤ１、ＬＤ２、ＬＤ３からなる近赤外光源２１と、白色ＬＥＤあるいはタングステンランプからなる白色光源２２と、図示しない制御部からの制御命令により、近赤外光源２１や白色光源２２の点灯、消灯を切り替える光源部ドライバ２３とからなる。この白色光源２２は、送光ファイバ部１２から照明用光を送るときに用いられる。

送光ファイバ部１２は、一端側が、近赤外光源２１の３つの半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ３および白色光源２２に接続された複数のファイバ線からなり、各ファイバ線にはそれぞれの光源からの光が導入されるようにしてある。各ファイバ線は、途中で１つに束ねられ、束ねたものを、実質的に一本の送光ファイバ５３としてある。あるいは各ファイバ線を光コネクタで結合し、途中で一本のファイバに結合してもよい。そして、頭皮に接する側の他端は、図３で説明したものと同様の構成にしてある。すなわち、ファイバ本体５５と、ファイバ本体５５を被覆する樹脂層５６とが一体に形成され、さらにこの樹脂層５６の外側にガイド５７が設けられている。

ガイド５７の中心に設けた貫通孔に、送光ファイバ５３の先端（ファイバ本体５５と樹脂層５６）が通してある。送光ファイバ５３の先端も、図３と同様であり、外力が加わらない状態でガイド５７の先端よりも突出するようにしてあり、軸方向に力が加わると、突出部分が、ガイド５７の貫通孔内に押し込まれるようになっている。
なお、ガイド５７の貫通孔内には、図示しないコイルばねが取り付けてあり、送光ファイバ５３への軸方向の力に対して付勢力が働くようにしてある。これにより、再び外力が加わらなくなると、送光ファイバ５３の先端は、再び突出するようになっている。

ファイバホルダ部１３についても、図３で示したものと同じであり、ファイバ取付孔５２が形成されたファイバホルダ５１からなる。ファイバ取付孔５２は、１０ｍｍ以下の直径を有しており、ガイド５７が挿入されることにより、送光ファイバ５３や受光ファイバ５４が固定できるようにしてある。

検出部１４には、検出光を検出するための光電子増倍管からなる光検出器３１と、白色ＬＥＤあるいはタングステンランプからなる白色光源３２と、図示しない制御部からの制御命令により、光検出器３１や白色光源３２を駆動する検出部ドライバ３３を備えている。この白色光源３２は、受光ファイバ部１５へ照明用光を送るための光源として用いられる。

受光ファイバ部１５は、一本の受光ファイバ５４で構成される。受光ファイバ５４の頭皮に接触させる側の端部は、基本的に送光ファイバ部１３と同様であるので、説明を省略する。
一方、受光ファイバ部１５の検出部１４側の端部には、検出部１４の光検出器３１に検出光を送るときの位置と、白色光源３２からの照明用光をファイバホルダ部１３の取付孔５２に送るときの位置とを切り替える光路切替機構３４を備えている。
この光路切替機構３４には、受光ファイバ５４の端部の位置を切り替える機械的スイッチを用いることができる。

なお、本実施形態では、受光ファイバ５４を分岐せずに、一本のファイバ線で構成することによって、検出光をすべて光検出器３１に送ることができるようにしているが、多少、受光効率が落ちることを許容するのであれば、光路切替機構３４を用いることなく、受光ファイバ５４を分岐して光検出器３１および白色光源３２に光路を接続するようにしてもよい。

次に、この近赤外脳機能イメージング装置１０における送光ファイバ５３や受光ファイバ５４の取り付け動作について説明する。
まず、近赤外脳機能イメージング装置１０による測定を行う被験者に、送光ファイバ５３、受光ファイバ５４を取り付ける作業を行う。
被験者の頭部形状を計測し、送光ファイバ５３、受光ファイバ５４を所望の位置に取り付けることができるように、ファイバホルダ５１のファイバ取付孔５２の位置を、所望の位置に合わせるように取り付ける。

続いて、送光ファイバ５３をファイバ取付孔５２に取り付けるときは、光源部２１の白色光源２２を点灯した上で、送光ファイバ５３の頭皮側の端部をファイバ取付孔５２に近づけていく。送光ファイバ５３から出射される照明用光をファイバ取付孔５２の中に入れる。これにより、ファイバ取付孔５２内が照らされるので、毛髪の状態が見えやすくなり、毛髪をかき分ける器具を用いて、ファイバ取付孔５２内の毛髪を端の方にかき分ける。
毛髪をかき分けることができた状態で、ファイバ取付孔５２に近づけてあった送光ファイバ５３の先端を、そのままファイバ取付孔５２に挿入する。

受光ファイバ５４をファイバ取付孔５２に取り付けるときは、検出部１４の白色光源３２を点灯して、上記と同様の動作を行う。
以上の動作により、送光ファイバ５３、受光ファイバ５４を取り付ける際に、取り付けようとするそのファイバ自身が発する照明用光によりファイバ取付孔５２を照らすことができるので、毛髪が見やすくなり、また、毛髪をかき分け作業を終えるとほぼ同時に、ファイバ取付孔５２に押し込むことができる。

図２は、本発明の他の一実施形態である送光ファイバ（または受光ファイバ）を説明する図である。この送光ファイバ５３ａは、図１および図３で説明した送光ファイバ５３において、樹脂層５６（図３）の先端に、菱形形状の扁平部５６ａが形成してある。この扁平部５６ａの形状は、長円あるいは楕円状であってもよい。要するに毛髪をかき分けやすいように、円筒状ではなく、平たい形状に変形してある。
扁平部５６ａは、円筒状に形成した樹脂層５６の先端部を機械加工することにより形成することができる。

このように樹脂層５６の先端に、扁平部５６ａを形成することにより、扁平部５６ａを用いて毛髪を容易にかき分けることができる。すなわち、送光ファイバ５３ａの先端の一部をファイバ取付孔５２に入れて、ファイバ本体５５から照明用光を照らしながら、扁平部５６ａの長手方向を毛髪の方向に合わせる。そして扁平部５６ａ自身で毛髪をかき分ける動作を行うようにする。これにより、送光ファイバ５３ａ自身で毛髪を除去し、ファイバ取付孔５２の中央部分の毛髪が除去できたら、直ちに、その送光ファイバ５３ａを押しこむようにする。
これにより、毛髪が元の位置に復元する前に、ファイバ本体５５を頭皮に接触させることができる。

本発明は、送光ファイバ、受光ファイバの取り付け作業が容易な近赤外脳機能イメージング装置の製作に利用することができる。

本発明の一実施形態である近赤外脳機能イメージング装置の構成を示すブロック図。 本発明の他の一実施形態である近赤外脳機能イメージング装置で用いる送光ファイバの先端形状を示す図。 近赤外脳機能イメージング装置における送光ファイバ（受光ファイバ）とファイバホルダ部との取り付け作業を説明する図。 近赤外脳機能イメージング装置のファイバホルダと送光ファイバ、受光ファイバとの使用状態を説明する図。

符号の説明

１０：近赤外脳機能イメージング装置。
１１：光源部
１２：送光ファイバ部
１３：ファイバホルダ部
１４：検出部
１５：受光ファイバ部
２１：近赤外光源
２２：白色光源
３１：光検出器
３２：白色光源
３４：光路切替機構
５１：ファイバホルダ
５２：ファイバ取付孔
５３、５３ａ：送光ファイバ
５４、５４ａ：受光ファイバ
５５：ファイバ本体（送光ファイバ）
５６：樹脂層
５６ａ：扁平部
５７：ガイド

Claims (3)

1. 近赤外光源、光検出器、近赤外光源から発する測定光を伝送して被験者の頭部に照射するための送光ファイバ、被験者の頭部を散乱・透過した検出光を伝送して光検出器に導くための受光ファイバ、複数のファイバ取付孔が形成され、送光ファイバおよび受光ファイバをファイバ取付孔に挿入することにより、送光ファイバの一端および受光ファイバの一端が頭皮に接触するように固定するファイバホルダとを備え、被験者の頭部に測定光を照射することにより得られた検出光に基づいて脳機能に関する画像を形成する近赤外脳機能イメージング装置において、
   ファイバ取付孔を照らす照明用光源を設けるとともに、この照明用光をファイバホルダに取り付ける側とは反対の送光ファイバ端および受光ファイバ端から送光ファイバおよび受光ファイバを介して送るようにすることを特徴とする近赤外脳機能イメージング装置。
2. 受光ファイバは、検出光を光検出器に導く状態と、照明用光をファイバ取付孔に導く状態とを切り替える光路切替機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の近赤外脳イメージング装置。
3. 送光ファイバおよび受光ファイバのファイバホルダに取り付ける側の先端に、毛髪をかき分けるための扁平部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の近赤外脳イメージング装置。
   

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