JP3839202B2 - 生体光計測装置及びこの装置を機能させるためのプログラム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
光の散乱体、特に生体内部の情報を光を用いて画像計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体内部の血液循環・血行動態及び酸素代謝を、簡便に、被検体（被験者）に対して低拘束でかつ生体に害を与えずに計測する装置が臨床医学及び脳科学などの分野で大いに望まれている。例えば頭部を計測対象とすると、脳梗塞・脳内出血・痴呆症などの脳疾患、さらには思考・言語・運動などの高次脳機能の計測などが具体的なニーズとして挙げられる。また、このような計測対象は頭部に限らず、胸部では心筋梗塞などの心臓疾患・腹部では腎臓・肝臓などの内臓疾患に対する予防診断が、さらには手足の筋肉における酸素代謝計測なども挙げることができる。
【０００３】
ここで、計測対象を頭部として考えた場合、脳内の疾患もしくは高次脳機能の計測において、疾患部または脳機能領域を明確に特定する必要がある。そのためには、頭部の画像計測が重要となる。
【０００４】
もちろん、この画像計測の重要性は、頭部だけに限らず胸部，腹部等についても言えることである。
【０００５】
この重要性を示す例としては、脳機能の画像計測装置として、ポジトロンエミッション断層像撮影装置（ＰＥＴ）および機能的核磁気共鳴断層像撮影装置（ｆＭＲＩ）および脳磁場計測装置（ＭＥＧ）が現在広く用いられている状況を挙げることができる。これらの装置は、脳内の活動領域を画像として計測可能という利点がある一方、装置が大型でその扱いが非常に煩雑という欠点が存在する。例えば、これらの装置の設置には専用の大きな部屋が必要となり、もちろん装置を他の部屋に頻繁に移動させることは現実的に困難である。さらに、計測中、被験者は装置内部で固定姿勢を長時間強いられるため、被験者に対する拘束性は非常に高く、肉体的および精神的にも苦痛を強いることになる。また、装置の保守管理を行う専任者も必要になることから、装置の運用には莫大な費用を要する。
【０００６】
一方、生体内部の血液循環・血行動態及び酸素代謝を、簡便に、被験者に対して低拘束でかつ生体に害を与えずに（無侵襲性）計測する方法として、光計測は非常に有効な手段である。その第１の理由は、生体の血液循環と酸素代謝は、生体中の特定色素（ヘモグロビン，チトクローム，ミオグロビン等）の濃度及び濃度変化に対応し、これらの色素濃度は、可視から赤外領域の波長の光吸収量から求められることが挙げられる。この血液循環及び酸素代謝は、生体内器官の正常及び異常、さらには高次脳機能に関する脳の活性化に対応している。また、光計測が有効である第２の理由としては、半導体レーザ・発光ダイオード及びフォトダイオード関連技術により、装置の小型・簡便化が実現できることが挙げられる。さらに、柔軟性の高い光ファイバを計測に利用することで、計測中における頭部固定が不要となり、被験者への拘束性が非常に小さくなり、肉体的および精神的な苦痛も大幅に低減できる。さらに第３の理由として、安全基準範囲内の光強度により生体に害を与えないことが挙げられる。
【０００７】
またこれらの特徴以外にも、実時間計測及び生体中の色素濃度定量化などについて、前述のＰＥＴ，ｆＭＲＩ，ＭＥＧには無い利点を光計測は有している。このような光計測の利点を利用して、可視から赤外領域の波長の光を生体に照射し、生体から反射された光を検出することで生体内部を計測する装置が、例えば特開昭57−115232号あるいは特開昭63−275323号に記載されている。さらに、光計測により生体を画像化する装置が、特開平7−79935号，特開平9−19408号及び特開平9−149903号に記載されている。また、この光を用いた生体の画像計測の有用性は、例えば、アツシ・マキ(Atsushi Maki）他による「無侵襲近赤外光トポグラフィによるヒト脳活動の時空間解析（Spatial and temporal analysis of human moter activity using noninvasive NIR topography）」，１９９５年，メディカルフィジックス，第２２巻，第１９９７〜２００５頁（Medical physics，２２，１９９７(１９９５)）に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
光による生体の無侵襲画像計測では、複数部位からの光照射および複数部位からの光検出が必要となる。この場合、さらに高精度および高感度な光計測を実現させるために、半導体レーザやフォトダイオードなどの光学半導体素子に対して、変調印加・変調計測，温度制御，光出力制御，温度補償などの付加的な回路等が必要になる。そのため、このような光学半導体素子を被検体に直接接触させることは困難となる。このような計測を現実的に可能にするためには、多数の光ファイバを用いた光照射および光検出が必要となる。しかし、前記特開平7−79935号では、計測の用いる多くの光ファイバに対して、個々の光ファイバを被検体にどのような配置で装着して画像計測を行うかについて開示されていない。
【０００９】
一方、特開平9−19408号および特開平9−149903号および前記メディカルフィジックス引用文献では、光により生体を画像化するために、被検体における光ファイバの効率的かつ具体的な配置方法が開示されている。この方法によれば、例えば頭部において、ある限られた領域として一辺が６cmの正方形面を計測しようとすると、４個所の照射位置それぞれに照射用の光ファイバが４本、５個所の検出位置それぞれに検出用の光ファイバが５本、合計９本の光ファイバが必要となる。ここで、隣接する照射・検出位置の中点を計測位置としているため、合計１２箇所の計測位置が設定されている。臨床医学や脳科学などでは、広い領域において脳の活動を計測することが望まれている。照射位置および検出位置の配置方法を応用して、さらに一辺が１２cmの正方形面を計測しようとすれば、照射光ファイバ１２本、検出光ファイバ１３、合計２５本の光ファイバの装着が必要となる。さらに計測領域の拡大には、装着する光ファイバの数もさらに増加し、場合によっては１００本を超えることになる。前述の公知例では、光による無侵襲な生体画像計測における計測原理の一部を示すものであり、操作者に対する効率的な光ファイバ装着のための表示や機能について、何ら開示されていない。
【００１０】
このような多数の光ファイバを被検体に装着する際に、光ファイバを無秩序に被検体に配置することはできない。まず、少なくとも、照射位置には光源に接続した照射用の光ファイバを装着し、検出位置には光検出器に接続した検出用の光ファイバを装着する必要がある。さらに、個々の照射用および検出用の光ファイバに対しても、どの光源からの光が被検体のどの部位に照射され、どの検出器が被検体のどの部位からの光を検出しているかの情報が明らかになっていないと、正確な画像が作成されなくなる。従って、全ての照射位置および検出位置に対して、装着されるべき光ファイバは一意的に決定されている必要がある。この場合、どの光ファイバを被検体のどの部位に配置すべきを的確に判断し、迅速に作業を行うことは、装着する光ファイバが数１０本から１００本にもなると、操作者にとって非常に困難となる。例えば、装着すべき位置毎に、光ファイバを１本ずつ探しながら作業していると、光ファイバ全部の装着にかなりの時間を要し、計測効率が低下するだけでなく、操作者および被検体（被験者）の肉体的および精神的な疲労が増加することになる。以上のことから、本発明が解決しようとする第一の課題は、光による生体の無侵襲画像計測において、多数の光ファイバ装着に効率的な装置を提供することである。
【００１１】
本発明で解決しようとする第二の課題は、多数の光ファイバを装着した画像計測において、信頼性の高い計測を実現することである。この信頼性を左右する検出信号レベルの状態および状態変化を効果的に表示する装置を提供する。以下、この課題の具体例を示す。
【００１２】
前述の特開平9−149903 号に記載の装置では、ヘモグロビンなどの生体中に含まれる色素濃度変化の画像計測に必要な、複数位置・複数波長での多チャンネル計測を同時に実行している。この同時計測は、生体計測、特に脳機能計測で求められる高い時間分解能を実現するために必要である。この公知例に記載されている装置の概略を図４に示す。この装置では、複数の照射位置から被検体に光が同時に照射され、複数の検出位置で光を同時に検出する構成となっている。この図４では、複数波長計測の言及は省略されているが、原理的にこの装置構成の応用で実現できる。この場合、光強度が照射位置毎に異なる周波数で変調されている。例えば、図４における照射位置１，２，３，４から照射される光の変調周波数をそれぞれｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４とする。従って、これらの変調周波数が各照射位置に対応した位置情報となっている。ここで、検出位置１で検出した光は、これらの変調光を全て含んでいるが、フォトダイオードからの出力を、ロックインアンプ等のフィルター回路で個々の変調周波数信号を選択的に計測することで、位置情報に関する光計測信号を分離計測することができる。例えば、この検出位置１に対応したフォトダイオードで検出された変調ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４に対して、おのおのの検出信号レベルをＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４とすると、それぞれの周波数で同期されている各ロックインアンプの出力では個々の信号が完全に分離されている。その結果、計測信号間の干渉すなわちクロストークがなく、効率的な多チャンネル同時計測が実現できている。
【００１３】
しかし、このような計測から最終的に画像を得る場合、個々の信号に対してそれぞれ高い計測精度が必要とされる。例えば、これらの検出信号の中で、計測精度すなわちＳ／Ｎが顕著に低い信号があれば、画像上でその信号に相当する計測部位の信頼性が著しく低下する。このことにより、画像そのものの信頼性までもが低下してしまうことになる。そのため、すべての検出信号についてＳ／Ｎのバランスが取れた精度の高い計測が必要となる。しかし従来の装置では、この計測精度に関して以下の課題が存在している。
【００１４】
生体内部の状態は、通常、光学的に不均一であり、大きな血管など、光吸収体であるヘモグロビンが大量に存在する部位に照射位置もしくは検出位置が配置された場合、光の減衰が著しくなり該当検出信号レベルが顕著に低下する。このように、検出信号レベルが、ある特定の計測チャンネルで低下する他の要因として、計測に用いる光ファイバの端面が光学的に汚れている場合、また、光ファイバが途中で折れるなどして破損している場合、さらに光ファイバと被験者頭部の皮膚との間に髪がはさまれるなどの光ファイバ装着状態に問題が生じている場合なども挙げることができる。
【００１５】
このように、一部に検出信号レベルが顕著に低下していて、全体として検出信号レベルのアンバランスが生じる場合、どのように計測のＳ／Ｎが影響を受けるかを以下に述べる。
【００１６】
通常、フォトダイオードなどの光検出器のショットノイズは、検出器に到達する全光量、すなわち検出光強度の総和の平方根に比例する。ここで、図４における検出位置１で計測される検出信号レベルＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４において、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の信号レベルが同程度（Ｉ１〜Ｉ２〜Ｉ３）で、Ｉ４の信号レベルのみが１桁程度小さい場合（Ｉ１≫Ｉ４）を考える。この状況は、照射位置４付近に大きな血管がある場合、もしくはこの照射位置４における光ファイバ装着に問題が生じている場合を想定している。この場合、フォトダイオードによるノイズは、主に検出光強度の総和（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）の平方根に比例する。そのため、もともと信号レベルの弱いＩ４が、強い信号レベルのＩ１，Ｉ２，Ｉ３の影響を強く受けて、Ｓ／Ｎの著しい低下を被ってしまう。この現象をさらに詳しく説明するために、Ｉ４の信号レベルは変わらず、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の信号レベルがさらに大きくなった場合を考える。この場合、Ｉ４については信号レベルすなわちＳは変化しないが、ノイズレベルであるＮが増加することになる。結果としてＩ４については信号のＳ／Ｎがさらに劣化してしまう。一方、信号レベルの強いＩ１，Ｉ２，Ｉ３についてはＳ／Ｎは向上する。従って、このように１個の光検出器で複数の光信号を検出する場合、計測信号間に著しいＳ／Ｎの差異が生じることになる。
【００１７】
また、この計測では、さらに次の課題も生じる。例えば前述におけるＩ１，Ｉ２，Ｉ３など、多くの強い検出光信号が含まれる場合、光検出器及びロックインアンプなど検出器のダイナミックレンジの有限性のため、これら検出光の総和がダイナミックレンジを超えてしまう場合がある。このダイナミックレンジは、通常、計測器の線形応答性が保証される範囲で規定される。しかし、このダイナミックレンジを信号レベルが超えた場合でも、検出器からは有限なある値が出力される場合がある。しかしこの場合の値は、計測の信頼性が非常に低いものとなっている。
【００１８】
以上述べたように、検出信号レベル間に大きな差異が生じると、信号のＳ／Ｎが各信号毎に大きく異なる。これらの信号を用いて画像化すると、画像の信頼性が低下してしまう。また、これらの信号で、強い検出光信号がある場合、検出器のダイナミックレンジを超え、計測の信頼性そのものが損なわれてしまう。
【００１９】
そこで、本発明が解決しようとする第二の課題は、光による生体の無侵襲画像化で、高時間分解能を実現する複数位置・複数波長の多チャンネル同時計測において、信頼性の高い計測装置を提供することである。この信頼性を低下させる計測信号のアンバランスの原因となる光ファイバの汚れ・破損または光ファイバの装着状態に問題がある場合、装着している数１０本から１００本程度の多数の光ファイバに対して、該当光ファイバおよびその位置を探し出すことは通常困難である。そこで本発明では、この光ファイバおよびその装着に問題がある場合、該当光ファイバを簡単・明瞭に、かつ効果的に表示することで、この装着の問題解決を操作者にとって容易にする装置を提供することである。
【００２０】
さらに本発明で解決すべき第三の課題は、計測中においても、常に信頼性の高い計測を持続させることである。
【００２１】
例えば頭部の計測中において、血液量の変化などの著しい生理的な変化、または光ファイバを装着しているプローブなどが不意に装着ずれを起こすなどの要因により、検出信号レベルが著しく変化する場合がある。その結果、検出信号レベルが計測器のダイナミックレンジの所定範囲を外れてしまった場合、計測の有効性が失われてしまう可能性がある。また、被検体の生理的な状態によっては、繰り返し計測することが難しい場合があり、計測を開始したら、信頼性高く実行・完了する必要がある。そのための装置を提供することが第三の解決すべき課題である。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
前記第一の課題を解決するために、被検体への光の照射位置と被検体からの光の検出位置、また、これら照射位置と検出位置との空間的な配置で決定する計測位置について、これらの相対的な位置関係および検出信号の状態もしくは状態の変化を表示部で示す。この表示部において、照射位置および検出位置および計測位置をそれぞれ図形要素として示し、これら図形要素を特定の枠状の図形内に配置し、検出信号の状態もしくは状態変化もしくは状態の単位時間あたりの変動を、表示部における図形要素の色もしくはパターンの変化として識別して表示する。この識別表示方法は、光による生体の無侵襲画像計測特有である。また、被検体への光照射手段および被検体からの光検出手段もしくはこれらの手段を被検体に装着するプローブに表示素子を含み、これら表示素子と、表示部の図形要素とが連動して作用する。さらに、操作者に対してこれら照射位置および検出位置および計測位置の空間配置の理解を容易にするために、被検体の形状もしくは被検体内部の情報を示す画像上に照射位置および検出位置および計測位置を示す図形要素を重ねあわせて表示する。
【００２３】
さらに第二の課題を解決するために、複数位置・複数波長での多チャンネル同時計測の本計測を実行する前に、予め予備計測として、照射位置および波長毎に被検体に順次光を照射し、検出光の信号レベルを各照射位置および波長毎に計測する。さらに、各照射部位および波長毎で計測した各検出信号レベル間の差を、所定の範囲内とするように、各検出信号レベルの増幅もしくは各照射部位および波長毎に照射する光の強度レベルを独立に変化させる。また、各計測器に係る各検出信号レベルの総和が、所定の範囲内とするよう各信号レベルの増幅もしくは光強度レベルを変化させる。
【００２４】
また、各照射部位もしくは波長毎に準備計測として予め光を照射する際に、各照射光強度をゼロレベルから連続的に所定の強度レベルまで上昇させ、この光強度の変化に対する検出信号レベルを連続的に検出する。この際、照射光の強度レベルに対する検出信号レベルの反応が非線形になる場合、照射光の強度レベルを所定のレベルまで減ずる。この一連の予備計測フローにおいて、検出信号レベルが所定の範囲から外れている場合、該当照射位置および検出位置および計測位置を、表示部における各図形要素の色もしくはパターンの変化として示す。また、該当照射位置および検出位置を、光照射手段および光検出手段およびプローブの表示素子でも表示する。
【００２５】
さらに第三の課題を解決するために、ヘモグロビンなどの生体中の色素計測を実行している本計測で、検出信号レベルが所定範囲から外れる場合、該当照射位置および検出位置および計測位置を、表示部における図形要素の色もしくはパターンの変化で示す。また、該当照射位置および検出位置を、光照射手段および光検出手段およびプローブの表示素子で表示する。この検出信号レベルが、所定範囲からさらに外れる場合、該当検出信号に係る増幅器の増幅率もしくは該当照射光の光強度レベルを、ある所定の割合で自動的に変化させる。
【００２６】
以上述べたいくつかの課題の解決においては、前述の表示および計測を実行させるためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２８】
図５は、本発明の実施例における光計測装置の要部を示す構成図である。本実施例では、例えば頭皮上から光を照射・検出することにより大脳内部を画像化する実施形態を、照射用の光ファイバが４本（４箇所の照射位置）、検出用の光ファイバが５本（５箇所の照射位置）、計測チャンネルの個数すなわち計測位置が１２の場合で示す。この照射・検出位置の数は、本発明の要点を簡潔に示すための例であり、光ファイバの合計が例えば１００本を超えるような場合でも、もちろん実施可能である。また本発明は、計測対象として頭部に限らず他の部位、さらには生体以外の液体，固体，気体などにも実施可能である。
【００２９】
光源部１は、４個の光モジュール２から構成されている。各光モジュールは、可視から赤外の波長領域中で複数の波長、例えば７８０ｎｍ及び８３０ｎｍの二波長の光をそれぞれ放射する二個の半導体レーザから構成されている。これらの二波長の値は、７８０ｎｍと８３０ｎｍに限定されるものではなく、また、波長数も二波長に限定されるものではない。この光源部１については、半導体レーザの代わりに発光ダイオードを用いてもよい。この光源部１に含まれる全ての半導体レーザ８個は、発振周波数の異なる８個の発振器で構成されている発振部３により、それぞれ発光する光強度が変調される。
【００３０】
ここで、光モジュール２内の構成を、光モジュール２（１）を例にして図６で説明する。光モジュール２（１）内には、半導体レーザ３（１−ａ），３（１−ａ）、及びこれら半導体レーザの駆動回路４（１−ａ），４（１−ｂ）、が含まれている。ここで、括弧内の文字については、数字は含まれる光モジュール番号を、ａ，ｂはそれぞれ波長７８０ｎｍ，８３０ｎｍを表す記号を示している。これらの半導体レーザ駆動回路４（１−ａ），４（１−ｂ）では、半導体レーザ３（１−ａ），３（１−ｂ）に対して直流バイアス電流を印加すると共に、発振器３によりそれぞれ異なる周波数ｆ（１−ａ），ｆ（１−ｂ）もそれぞれ印加することで、半導体レーザ３（１−ａ），３（１−ｂ）から放射される光に変調を与える。この変調として、本実施例では正弦波によるアナログ変調の場合を示すが、もちろん、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よい。これら光は、それぞれの半導体レーザごとに集光レンズ５により光ファイバ６に個々に導入される。個々の光ファイバに導入された二波長の光は、各光モジュールごとに光ファイバ結合器７により１本の光ファイバ、たとえば照射用光ファイバ８−１内に導入される。各光モジュールごとに、二波長の光が照射用光ファイバ８−１から８−４内に導入される。これらの光ファイバの構造を、照射用光ファイバ８−１を例にして図７に示す。照射用光ファイバ８−１の先端には、光ファイバ支持部３１があり、この支持部には表示素子３２が取り付けられている。この表示素子としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いてもよい。この光ファイバ８−１と平行して細い電気信号ケーブル３３が平行して配置されている。この光ファイバとしては、例えば直径１mm程度の太さのものを用い、電気信号ケーブルとしては、例えば太さが０.１mm 程度のものを用いる。これらの照射用光ファイバから被検体９への光照射には、プローブ２１を用いる。このプローブとしては、例えば図８に示すようなヘルメットもしくはキャップ形状のものを利用する。このプローブ２１には、例えば厚さ２mm程度の熱可塑性プラスティクシートを基盤とする。被検体には、例えばゴムひも４１により、このプローブを装着する。このプローブの構造を、図９を用いて説明する。プローブ基盤５１には、被検体に光を照射・検出する複数の位置毎に穴を開けておく。この穴には、光ファイバホルダ５２を配置する。この光ファイバホルダ５２は、中空状のホルダ本体５２，ナットネジ５３，光ファイバ支持部固定ネジ５４から構成されている。このホルダ５２の内部に光ファイバおよび光ファイバ支持部を挿入することで、被検体表面に光ファイバ端面を軽く接触させて、固定ネジ５４で固定する。また、この光ファイバホルダ５２には、表示素子５５が取り付けられている。この表示素子としては、ＬＥＤを用いてもよい。
【００３１】
これら照射用光ファイバにより、被検体９の表面上の異なる４個所の照射位置から光が照射される。被検体から反射された光は、被検体表面上の５個所の検出位置に配置されている検出光ファイバ１０−１〜１０−５で検出される。これら検出用光ファイバの先端構造も、照射用光ファイバと同様に、光ファイバ支持部および表示素子が取り付けられている。また、検出用光ファイバも、照射用光ファイバと同様に、プローブ２１において光ファイバホルダ５２に固定される。
【００３２】
ここで、被検体表面における、照射位置１〜４及び検出位置１〜５の幾何学的配置例を図１および図２に示す。本実施例では、照射・検出位置を交互に正方格子上に配置する。この時、隣接する照射・検出位置の中点を計測位置とすると、この場合、隣接する照射・検出位置の組合せが１２通り存在するため、計測位置数すなわち計測チャンネルが１２個となる。この光照射・検出位置配置としては、例えば特開平9−149903号及びユウイチ・ヤマシタ(Yuichi Yamashita）他による「近赤外光トポグラフィ計測システム：散乱媒体中に局在する吸収体の画像化（Near-infrared topographic measurement system：Imaging of absorbers localized in a scattering medium）」，１９９６年，レヴューオブサイエン ティフィックインスツルメント，第６７巻，第７３０〜７３２頁（Rev. Sci. Instrum.，６７，７３０(１９９６)）に記載されている。ここで、隣接する照射及び検出位置間隔を３cmに設定すると、各検出位置で検出された光は、皮膚，頭蓋骨を通過して大脳の情報を有していることが、例えばピィー・ダブル・マコーミック（P.W.McCormic）他による「赤外光の大脳内部の浸透（Intracerebral penetration of infrared light）」，１９９２年，ジャーナルオブニューロサージェリ，第７６巻，第３１５〜３１８頁（J.Neurosurg．，３３，３１５(１９９２)）により報告されている。
【００３３】
以上のことから、この照射検出位置の配置で１２計測チャンネルを設定すれば、全体として６cm×６cmの領域における大脳の計測が可能となる。この実施例では、簡単のために計測チャンネルが１２の場合を示しているが、格子状に配置する光照射位置及び光検出位置の数をさらに増加させることにより、計測チャンネルをさらに増加させて、計測領域を拡大する事も容易に可能である。例えば、図３では４０チャンネルの同配置を示している。また、照射・検出位置配置は正方格子状に限定するものではなく、さらに、隣接する照射及び検出位置間隔は３cmに限定するものではない。このような配置形状および間隔は、計測部位等に応じて適宜変化させてもよい。
【００３４】
図５において、それぞれの検出用光ファイバ１０−１〜１０−５で捉えられた反射光は、検出用光ファイバ毎に独立に５個の光検出器たとえばフォトダイオード１１−１〜１１−５で検出する。このフォトダイオードとしては、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望ましい。また、光検出器として光電子増倍管を用いてもよい。これらのフォトダイオードで光信号が電気信号に変換された後、変調信号の選択的な検出回路、例えば複数のロックインアンプから構成されるロックインアンプモジュール１２で、照射位置かつ波長に対応した変調信号を選択的に検出する。この実施例では、アナログ変調の場合に対応する変調信号検出回路としてのロックインアンプを示しているが、デジタル変調を用いた場合、変調信号検出としてデジタルフィルターもしくはデジタルシグナルプロセッサを用いる。
【００３５】
ここで、図２の「検出位置１」における検出信号、すなわちフォトダイオード１１−１による検出信号を例にして変調信号分離の具体例を示す。ここで、図１０に示すロックインアンプモジュール１２の構成図を用いて説明する。「検出位置１」では、隣接した「光照射位置１」，「光照射位置２」，「光照射位置３」，「光照射位置４」から照射された光、すなわち図２における「計測位置４」，「計測位置６」，「計測位置７」，「計測位置９」を計測対象とする。ここで、フォトダイオード１１−１で検出された光は、「照射位置１」，「照射位置２」，「照射位置３」，「照射位置４」で照射された各二波長の光に対応する変調周波数ｆ（１−ａ），ｆ（１−ｂ），ｆ（２−ａ），ｆ（２−ｂ），ｆ（３−ａ），ｆ（３−ｂ），ｆ（４−ａ），ｆ（４−ｂ）、の８個の信号を含んでいる。そこで、フォトダイオード１１−１の出力信号を８個所に分配し、それぞれ、これら８個の変調周波数を参照信号としている８個のロックインアンプ１３−１〜１３−８で計測する。これら各メックインアンプへの入力信号は、増幅器１４及びスイッチ１５を介している。ここで、例えばロックインアンプ１３−１では参照信号の周波数がｆ（１−ａ）のため、フォトダイオード１１−１で検出された光に対して、「照射位置１」で照射された波長７８０ｎｍの光、すなわち光の変調周波数がｆ（１−ａ）の光のみを選択的に検出することができる。
【００３６】
他のロックインアンプにおいても同様に、特定の照射位置かつ波長の光をそれぞれ選択的に検出することができる。以下同様にして、他の検出位置で検出された光、すなわち他のフォトダイオード１１−２〜１１−５からの検出信号についても、それぞれ隣接した照射位置及び波長に対応する変調周波数に対して個々にロックイン検出を行うことにより、全ての計測位置及び波長に対する検出光量を同時に計測することが可能となる。この実施例で示している１２個の計測位置及び二波長の場合、計測する信号数は２４となるため、ロックインアンプモジュール１２では合計２４個のロックインアンプを含んでいる。
【００３７】
これらロックインアンプ１３−１から１３−２４のアナログ出力信号は、２４チャンネルのアナログデジタル変換器１６によりそれぞれデジタル信号に変換される。これらの計測は、制御部１７により制御されている。さらに計測された信号は、記録部１８で記録される。また、これら記録された信号は処理部１９において、各計測位置ごとに二波長の検出光量を用いて、脳活動に伴う酸素化ヘモグロビン濃度変化及び脱酸素化ヘモグロビン濃度変化、さらにはこれらヘモグロビン濃度の総和としての全ヘモグロビン濃度変化を計測する。この計測方法および画像化方法としては、例えば、特開平9−19408号及び前述アツシ・マキ(Atsushi Maki）他による「無侵襲近赤外光トポグラフィによるヒト脳活動の時空間解析（Spatial and temporal analysis of human moter activity using noninvasive NIR topography）」，１９９５年，メディカルフィジックス，第２２巻，第１９９７〜２００５頁（Medical physics，２２，１９９７(１９９５)）に記載されている方法を利用する。得られた画像は、表示部２０において表示する。この画像としては、表示部２０において、図１１に示されているような等高線図（９１）の他に、白黒濃淡画像，色彩による識別画像、または、三次元的な鳥瞰図画像でもよい。
【００３８】
ここで、制御部１７と処理部１９とは、パーソナルコンピュータとして一体化していてもよい。また、記録部１８は、パーソナルコンピュータの一部として含まれるメモリー，ハードディスクやさらに、フロッピィーディスクドライブなどの各種記録ドライブなどから構成されている。また、この記録部１８には、フロッピィーディスクなどの記録媒体２３でアクセス可能である。表示部２０の一部を成すモニタとしては、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスクプレイでもよい。また、制御部１７には、操作部２４が接続され、操作部には種々の情報の入力および出力を実行したりデータの追加や削除を行うキーボードやマウス等を含む。また、この制御部１７は、各光ファイバ支持部に含まれる表示素子をコントロールする光ファイバ表示コントローラ２２と、プローブの光ファイバホルダに含まれるプローブ表示コントローラ２５を制御する。
【００３９】
ここで、計測を始める前に、多数の光ファイバを頭部に装着する手順を示す。この装着に先立ち、表示部２０において、図１２に示す計測配置（光ファイバ配置）モードの選択画面が表示される。ここでは、光ファイバ配置について予めプログラムとして用意しているいくつかの既成モードの他に、フリーモードの選択（１０２）も用意する。このフリーモードでは、光照射及び検出位置などの配置を自由に設定することができる。
【００４０】
ここで、この図１２において、例えば１２チャンネルモード（１０１）を選択すると、図１に示す光ファイバ装着画面が表示される。この画面では、例えば四角形の大きな枠状の図形（１１１）の内部にいくつかの表示要素が配置されている。ここでは、照射光ファイバの配置位置を黒丸の表示要素（１１２）として、また、検出光ファイバの位置配置を白丸の図形要素（１１３）として示し、計測位置を四角の図形要素（１１４）で示している。これらの図形要素の相対的配置は、実際の光ファイバ配置に対する相似が望ましいが、必ずしも相似の必要はない。これらの各図形要素の内部には、それぞれの照射もしくは検出位置に一対一に対応する光ファイバの番号を示す記号、例えば数字が記入されている。ここで、各図形要素を、照射および検出および計測位置として明確に区別するために、例えば照射位置番号を赤色で、また、検出位置番号を青色で、計測位置番号を黒色で表示しても良い。もちろん、ここで用いる図形要素および各番号は、ここで述べたものに限定されるものではない。また、各表示要素の配置図において、スケールバー（１１５）を表示する。
【００４１】
ここで、被検体における照射，検出，計測位置関係を明確に表示するため、図１３に示すように、被検体の形状を示す画像または線画（１２１）に、照射・検出位置などの図形要素群１２２に重ね合わせて表示してもよい。また、被検体における各照射・検出位置などを特定するために、これらの位置の被検体における座標を示す数値を入力する（１２３）。この数値としては、例えば、右耳から、左耳から、そして、解剖学的にナジオン（鼻根点：額と鼻との境界）と呼ばれる位置から、それぞれ頭皮に沿った距離とすることで、頭部上の座標を数値として一意的にかつ簡単に示すことができる。またこの際に、被検体の計測部位の大きさを示すため、例えば左右耳間の直線距離および頭皮上距離、およびナジオンとイニオン（後頭部における正中線上にある解剖学的な位置）間の直線距離および頭皮上距離も入力する（１２４）。
【００４２】
また、このような被検体の外部形状を示す画像の他に、内部形状、例えば解剖学的な大脳の構造を示す画像を用いてもよい。例えば、図１４に示すように、ＭＲＩ画像，ＣＴ画像，超音波画像等の内部形状画像（１３１）に、照射・検出位置などの図形要素群１３２に重ね合わせて表示してもよい。ここで、図１５に示すように、図１のように図形要素のみの表示（１４１）、および、図１３のような外部形状と図形要素との重ね合せ表示（１４２）を、一つの表示画面上に並べて表示してもよい。
【００４３】
ここで、例えば表示部２０で表示されている図１の画面上で、照射光ファイバ８−１（照射位置１）に相当する図形要素を操作部で選択すると（例えばマウスで該当図形要素をクリックすると）、この該当図形要素の背景色が黒色から例えば桃色に変化し、図７に示されている照射用光ファイバ番号８−１の先端の支持部３１に取り付けた表示素子３２が点灯し、この光ファイバが、さきほど選択した図形要素に対応して装着すべき光ファイバであることを表示する。この場合、図形要素の桃色は、装着中を意味する状態である。また、この図１の画面上における照射用光ファイバ８−１の図形要素の選択により、プローブ２１に配置している光ファイバホルダ５２における表示素子でも、該当光ファイバホルダで点灯し、装着すべき光ファイバ及びプローブにおいてこの光ファイバが装着されるべき位置が共に明示される。これにより、該当光ファイバを、所定位置に操作者が間違いなくかつ迅速にすなわち効率的に装着することが可能になる。この光ファイバの装着が終了すると、次に、例えば検出用光ファイバ１０−１（検出位置１）の図形要素を、図１の画面上で選択する。そうすると、まず、照射用光ファイバ８−１を示す図形要素内の背景色が、例えば桃色から空色に変化する。この空色は、装着終了の状態を示す。そして、検出用光ファイバ１０−１に相当する図形要素の背景色が桃色に変化すると共に、該当検出用光ファイバ１０−１の先端の表示素子が点灯して、また、プローブ２１における該当光ファイバホルダ５２の表示素子が点灯する。もちろん、ここで述べた各図形要素の変化は、前述の色変化に限定されるものではなく、識別可能な色であればどのような色でも構わない。また、色の変化だけではなく、各図形要素において、このような装着状態などの変化を斜線，網掛けなどのパターンの変化として示してもよい。以下、同様にして、すべての光ファイバの装着が終了すれば、図１の表示画面のＯＫボタン（１１６）を選択する。クローズボタン（１１７）を選択すると、一つ前の画面、この場合、計測配置モード選択画面へと戻る。
【００４４】
このＯＫボタン（１１６）の選択により、各図形要素の背景色などは当初のものに戻り、下記に示す準備計測が実行される。準備計測が実行中は、表示画面上に図１６に示すような、準備計測実行中の表示（１５１）が示される。この準備計測は、キャンセルボタン（１５２）で取り消すことができる。この準備計測は、本格的なヘモグロビン等の濃度変化の計測、すなわち本計測の前に実行する。
【００４５】
この準備計測全体の概要を示すフローチャートを図１７に示す。この図１７中における各処理の詳細を以下で説明する。
【００４６】
（ステップ１：環境設定）
環境設定の処理の詳細を図１８に示すフローチャートで述べる。
【００４７】
（ステップ１−１）
制御部１７により光源部１の駆動回路４を制御して、すべての半導体レーザの光出力をゼロレベルにすると共に、ロックインアンプモジュール１２内の増幅器１４のゲインをある一定値、例えば１に設定する。また、増幅器の後の各スイッチ１５をオフにすることで、この増幅器からの信号が各ロックインアンプに入力せずに、直接アナログデジタル変換器１６に入力するように設定する。
【００４８】
（ステップ１−２）
すべての半導体レーザからの光出力がゼロの状態で、各フォトダイオードからの直流出力を迷光レベルとして計測する。
【００４９】
（ステップ１−３）
各迷光レベルが、ある所定の範囲を超えている場合、そのフォトダイオードに対応する検出位置を表示部２０で表示する。この表示例を図１９に示す。表示画面上に、迷光レベルが所定範囲を超えている旨を文字により表示すると共に（１６１）、計測位置配置図面においても、該当検出位置を示す画面要素の背景色を、所定の迷光レベルを超えた部分を黄色で表示する。例えば図１９では、「検出位置２」で所定の迷光レベルを超えた場合として、背景色黄色の代わりに、便宜上斜線で示した例を表示している（１６２）。
【００５０】
（ステップ１−４）
操作者に、図１９に示されるように計測室内の照明レベルや光ファイバの装着状況についての再考を促し、測定者が図１９における画面で再試行（１６３）を選択すればステップ１−２に戻る。再試行を選択せずに続行（１６４）を選択すれば、ステップ１−５へ進む。
【００５１】
（ステップ１−５）
検出位置を示す変数をｙとし、各フォトダイオード１１−ｙに対応する迷光レベル値をＩｓ(ｙ)として記録部１８で記録する。
【００５２】
（ステップ２：光順次照射）
光逐次照射の処理の詳細を図２０に示すフローチャートで述べる。
【００５３】
（ステップ２−１）
ロックインアンプモジュール１２内の各スイッチ１５をオンにし、増幅器１４からの出力信号が各ロックインアンプに入力するようにする。
【００５４】
（ステップ２−２）
変数ｎに数値１を代入する。
【００５５】
（ステップ２−３）
照射位置ｎ、ここではｎ＝１の場合、図３における「照射位置１」に照射する波長７８０ｎｍの半導体レーザ３（１−ａ）に関する駆動回路４（１−ａ）及び発振器３を制御し、この半導体レーザからの光出力をゼロレベルから、ある設定値まで連続的もしくは離散的に上昇させる。ここで、「照射位置１」に隣接する「検出位置１，２，３」それぞれに対応するフォトダイオード１１−１〜１１−３に接続されて、かつ、半導体レーザ３（１−ａ）の変調周波数ｆ（１−ａ）と同じ周波数で同期している該当ロックインアンプにおける検出信号もそれぞれ同時に計測する。この時、光源部の光出力レベル変化に対する、各ロックインアンプ検出信号レベルの反応が、全てフォトダイオード及びロックインアンプの線形反応の範囲内すなわちダイナミックレンジの範囲内であることを確認する。ここで、検出信号レベルの一つでも、このダイナミックレンジを超えて線形性が失われていた場合、半導体レーザ３（１−ａ）からの光出力設定値を所定レベルまで低下させて、再度同様な操作を繰り返す。
【００５６】
この際の、半導体レーザの光強度レベルと各ロックインアンプからの検出信号レベルを共に記録する。例えば照射位置を示す変数をｘ、検出位置を示す変数をｙ、さらに波長を示す文字変数をｚとして、光強度レベルをＰ(ｘ,ｚ）、検出信号レベルをＩ(ｘ,ｙ,ｚ)とする。このｚとしては、波長７８０ｎｍの場合は文字ａを、波長８３０ｎｍの場合は文字ｂを代入することになる。
【００５７】
その後、この半導体レーザの光出力をゼロとする。
【００５８】
引き続き照射位置ｎ、ここでｎ＝１の場合、「照射位置１」に照射する波長８３０ｎｍの半導体レーザ３（１−ｂ）に関しても、上記波長７８０ｎｍの場合と同様な操作を行う。
【００５９】
次に、ｎを１加算して、ｎが照射位置の数、すなわち４以下であれば、半導体レーザ３(ｎ−ｂ）及び３(ｎ−ｂ）に対してさらに同様な操作を順次繰り返す。
【００６０】
（ステップ３：検出信号のバランス指標計算）
検出信号のバランス指標計算の処理の詳細を図２１に示すフローチャートで述べる。
【００６１】
（ステップ３−１）
変数ｎに数値１を代入する。
【００６２】
（ステップ３−２）
ステップ２−３で導入した光強度レベルＰ(ｘ,ｚ）及び検出信号レベルをＩ(ｘ,ｙ,ｚ）を初期条件として、これらの仮想操作用変数としてＰｖ(ｘ,ｚ）及びＩｖ(ｘ,ｙ,ｚ）を設定する。
【００６３】
（ステップ３−３）
検出位置ｎに対応するフォトダイオード１１−ｎ、例えばｎ＝１の場合フォトダイオード１１−１で検出される迷光以外の検出信号レベルＩｖ(１,１,ａ），Ｉｖ(１,１,ｂ），Ｉｖ(２,１,ａ），Ｉｖ(２,１,ｂ），Ｉｖ(３,１,ａ），Ｉｖ(３,１,ｂ），Ｉｖ(４,１,ａ），Ｉｖ(４,１,ｂ）の平均値をＩｍ(ｎ)、すなわちＩｍ(１)とし、この平均値に対する各検出信号レベルの比率をバランス指標として計算する。このバランス指標としては、照射位置ｘ，検出位置ｙ，波長ｚの３変数を用いてＶ(ｘ,ｙ,ｚ）で示す。例えば検出信号レベルＩｖ(１,１,ａ）に対するバランス指標Ｖ(１,１,ａ）は、Ｉｖ(１,１,ａ)／Ｉｍ(１)となる。
【００６４】
この指標の意味として、Ｖ(ｘ,ｙ,ｚ)の値が１であればその該当信号レベルは平均であることを示し、１を超えると信号レベルが強い傾向を、１を下回ると信号レベルが弱い傾向を示している。同一フォトダイオードからの全ての信号において、バランス指標が全て１であれば、バランスの取れた検出レベルであることを示し、１を大きく超えたもの及びゼロに近いものが混在していれば、検出信号レベルが強いアンバランスであることを示している。
【００６５】
次に、ｎを１を加算して、ｎが検出位置の数、ここでは５以下であれば検出位置ｎに対するフォトダイオード１１−ｎに対して同様な処理を行い、全ての検出信号レベルに対してバランス指標を計算する。
【００６６】
（ステップ３−４）
ステップ３−３で計算した全てのバランス指標Ｖ(ｘ,ｙ,ｚ)を、それらの値に従ってグループ分けを行う。例えば、Ｖ(ｘ,ｙ,ｚ）が１.５以上のＡグループ、１.５から０.５までのＢグループ、０.５から０.２までのＣグループ、さらには０.２ 以下のＤグループとする。検出信号レベルのアンバランスは、通常、計測部位または光ファイバ装着状況など、特定の光照射もしくは検出位置に関して生じる場合が多い。従って、Ｃ及びＤグループには光ファイバを同じくするものが多く含まれることになる。この照射・検出位置を求めると共に、Ａグループに属する光照射・検出位置を抽出する。
【００６７】
（ステップ４：検出信号バランス化（光強度レベル増加））
検出信号バランス化（光強度レベル増加）処理の詳細を図２２に示すフローチャートで述べる。
【００６８】
（ステップ４−１）
バランス指標のグループ分けで、Ｄグループに分類されるＶ(ｘ,ｙ,ｚ)が含まれる場合、該当する照射位置及び検出位置または該当計測位置を表示部２０で表示する。この表示例を図２３に示す。表示画面上に、検出信号レベルが所定範囲より低い旨を文字により表示する（１７１）と共に、光ファイバ位置配置図面においても、該当照射位置及び該当検出位置を示す画面要素の背景色を、Ｄグループの場合は黄色で表示する。例えば図２３では、「検出位置２」および照射位置１に係る検出信号レベルが所定のレベルより低い場合として、背景色黄色の代わりに、便宜上斜線で示した例を表示している（１７２）。
【００６９】
また、このような表示は、該当照射位置と該当検出位置とで一意的に求められる計測位置を示す図形要素の背景色で示しても良い。
【００７０】
（ステッフ４−２）
操作者に、図２３に示すように、該当照射位置および検出位置における光ファイバの再装着についての再試行を促し、操作者が再試行ボタン（１７３）を選択すればステップ１に戻る。継続ボタン（１７４）を選択すれば、ステップ４−３へ進む。
【００７１】
（ステップ４−３）
バランス指標のグループ分けで、ＤおよびＣグループに分類されるＶ(ｘ,ｙ,ｚ)が含まれない場合ステップ６へ進む。
【００７２】
（ステップ４−４）
ＤおよびＣグループのバランス指標に該当する照射位置からの仮想操作用光強度レベルＰｖ(ｘ,ｚ）をある一定幅で増加させ、増加させた値にＰｖ(ｘ,ｚ）の値を置き換える。
【００７３】
（ステップ４−５）
ステップ４−４で増加したＰｖ(ｘ,ｚ）の照射位置に該当する全ての仮想操作用検出信号レベルＩｖ(ｘ,ｙ,ｚ)について、Ｐｖ(ｘ,ｚ）の増加率に比例した値でそれぞれ置き換えると共に、全てのＶ(ｘ,ｙ,ｚ)についても再計算を行い新たな値に置き換える。
【００７４】
（ステップ４−６）
新たなバランス指標に対して、グループ分けを再度実行する。
【００７５】
（ステップ４−７）
ＣおよびＤグループに該当するＶ(ｘ,ｙ,ｚ)が含まれない場合、ステップ６へ進む。
【００７６】
（ステップ４−８）
所定の上限値に達したＰｖ(ｘ,ｚ）が存在する場合、ステップ５へ移動する。所定の上限値に達していない場合、ステップ４−４に戻り同様な操作をさらに繰り返す。
【００７７】
（ステップ５：検出信号バランス化（光強度レベル減少））
検出信号バランス化（光強度レベル減少）処理の詳細を図２４に示すフローチャートで述べる。
【００７８】
（ステップ５−１）
バランス指標のグループ分けで、Ａグループに分類されるＶ(ｘ,ｙ,ｚ)が含まれない場合、ステップ６へ進む。
【００７９】
（ステップ５−２）
Ａグループのバランス指標に該当する照射位置からの仮想操作用光強度レベルＰｖ(ｘ,ｚ）をある一定幅で減少させ、減少させた値にＰｖ(ｘ,ｚ）の値を置き換える。
【００８０】
（ステップ５−３）
ステップ５−２で減少したＰｖ(ｘ,ｚ）の照射位置に該当する全ての仮想操作用検出信号レベルＩｖ(ｘ,ｙ,ｚ)について、Ｐｖ(ｘ,ｚ）の減少率に比例した値でそれぞれ置き換えると共に、全てのＶ(ｘ,ｙ,ｚ)についても再計算を行い新たな値に置き換える。
【００８１】
（ステップ５−４）
新たなバランス指標に対して、グループ分けを再度実行する。
【００８２】
（ステップ５−５）
ＣおよびＤグループに該当するＶ(ｘ,ｙ,ｚ)が含まれない場合、ステップ６へ進む。
【００８３】
（ステップ５−６）
所定の下限値に達したＰｖ(ｘ,ｚ）が存在する場合、ステップ６へ移動する。所定の下限値に達していない場合、ステップ５−１に戻り同様な操作をさらに繰り返す。
【００８４】
（ステップ６：最終調整）
最終調整の処理の詳細を図２５で示すフローチャートで述べる。
【００８５】
（ステップ６−１）
変数ｎに数値１を代入する。
【００８６】
（ステップ６−２）
検出位置ｎに対応するフォトダイオード１１−ｎ、例えばｎ＝１の場合フォトダイオード１１−１で検出される迷光レベル値をＩｓ(１)および検出信号レベルＩｖ(１,１,ａ），Ｉｖ(１,１,ｂ），Ｉｖ(２,１,ａ），Ｉｖ(２,１,ｂ），Ｉｖ(３,１,ａ），Ｉｖ(３,１,ｂ），Ｉｖ(４,１,ａ），Ｉｖ(４,１,ｂ）の総和をＩｔ(ｙ)、すなわち検出位置ｎが１の場合Ｉｔ(１)とし、この値がフォトダイオードのダイナミックレンジを超えている場合、Ｉｔ(１)がこのダイナミックレンジの上限値となるように該当検出信号レベルＩｖ(ｘ,ｙ,ｚ)を均一の比率で減ずると共に、減じたＩｖ(ｘ,ｙ,ｚ)に係るＰｖ(ｘ,ｚ）、さらにそのＰｖ(ｘ,ｚ）に係る他のＩｖ(ｘ,ｙ,ｚ)についても同じ比率で減ずる。
【００８７】
（ステップ６−３）
次に、ｎを１加算して、ｎが検出位置の数、すなわち５以下であれば、検出位置ｎに対してさらに同様な操作を順次繰り返す。
【００８８】
（ステップ６−４）
全ての仮想操作用変数Ｉｖ(ｘ,ｙ,ｚ)に対する全平均Ｉtmを計算する。
【００８９】
（ステップ６−５）
全てのＩｖ(ｘ,ｙ,ｚ)の検出信号レベルがＩtmになるように、ロックインアンプモジュール１２内の個々の増幅器１４の増幅率を独立に変化する。ここで、個々のＩｖ(ｘ,ｙ,ｚ)に係る増幅器の増幅率をＧ(ｘ,ｙ,ｚ)とする。
【００９０】
（ステップ６−６）
個々のロックインアンプに入力するＩｔ(ｙ)とＧ(ｘ,ｙ,ｚ)との積が、ロックインアンプのダイナミックレンジを超えていれば、該当ロックインアンプに係るＧ(ｘ,ｙ,ｚ)を、Ｉｔ(ｙ)とＧ(ｘ,ｙ,ｚ)との積がこのダイナミックレンジの上限値となるように該当Ｇ(ｘ,ｙ,ｚ)を減ずる。
【００９１】
（ステップ６−７）
このステップの時点における各照射位置および各波長におけるＰｖ(ｘ,ｚ）の値に従い、実際に光源部１における全ての半導体レーザから光を同時に照射する。
【００９２】
（ステップ６−８）
各ロックインアンプからの個々の実際の検出信号レベルが、Ｉｖ(ｘ,ｙ,ｚ)とＧ(ｘ,ｙ,ｚ)との積を中心とした所定の範囲から外れていれば、操作者にその旨を表示する。この表示例を図２６に示す。表示画面上に、検出信号レベルが所定範囲を外れている旨を文字により表示する（１８１）と共に、光ファイバ位置配置図面においても、該当照射位置及び該当検出位置を示す画面要素の背景色を黄色で表示する。例えば図２６では、検出位置２および照射位置１に係る検出信号レベルが所定範囲を外れている低い場合として、背景色黄色の代わりに、便宜上斜線で示した例を表示している（１８２）。
【００９３】
また、このような表示は、該当照射位置と該当検出位置とで一意的に求められる計測位置を示す図形要素の背景色で示しても良い。その場合、操作者が準備計測の再試行（１８３）を選択すればステップ１に戻る。また、続行ボタン（１８４）を選択すれば、ステップ７へ進む。
【００９４】
（ステップ７：最終確認）
最終確認の処理の詳細を図２７で示す。
【００９５】
（ステップ７−１）
ステップ６−８における光照射，光検出の状態を、ある一定期間、例えば３０秒間、保ったまま計測を実行する。もちろんこの期間は３０秒に限ったものではない。
【００９６】
この間の全ての検出信号レベルＩ(ｘ,ｙ,ｚ)を所定のサンプリング間隔、例えば０.１秒ごとに計測する。このサンプリング間隔も０.１秒に限ったものではない。
【００９７】
（ステップ７−２）
この一定期間中における各検出信号レベルの時間的な変動、例えば標準偏差を計算し、その標準偏差値が所定の範囲を超えている場合には、その信号に係る照射位置および検出位置を表示部２０で表示する。この表示例を図２８に示す。表示画面上に、検出信号レベルの変動が所定範囲から外れている旨を文字により表示する（１９１）と共に、計測位置配置図面においても、該当照射位置及び該当検出位置を示す画面要素の背景色を例えば黄色で表示する。さらに、該当信号に係る変調周波数も、該当図形要素近傍に合わせて表示する（１９３）。このように変動が所定範囲から外れる場合、本発明による光計測装置の周辺に、係る周波数を発生する他装置が存在する可能性が高く、不要な他装置の電源等をオフにして、再試行ボタン（１９４）を押すことで再び、ステップ７−１の変動計測を実行する。また、この再試行に対しても、変動が変化しない場合、係る半導体レーザ，光検出器、増幅器もしくはロックインアンプ等が動作不良を生じている可能性もあり、必要に応じて予備機器に取り替えることもできる。
【００９８】
この場合、操作者が準備計測の再スタート（１９６）を選択すればステップ１に戻る。例えば図２８では、「検出位置２」および「照射位置１」に係る検出信号レベルが所定範囲を外れている低い場合として、背景色黄色の代わりに、便宜上斜線で示した例を表示している（１９２）。
【００９９】
（ステップ７−３）
Ｐｖ(ｘ,ｚ）値およびＧ(ｘ,ｙ,ｚ)値を記録部１８で記録する。
【０１００】
これで準備計測を終えて、Ｐｖ(ｘ,ｚ）値およびＧ(ｘ,ｙ,ｚ)値の値を利用して引き続き本計測を行う。以上の準備計測において、各半導体レーザの光強度レベルの変化は、発振器および駆動回路４からの印加電流を制御部１７で制御することで行う。また、この光強度レベルの変化は、印加電流の変化に限らず、半導体レーザから被検体までの光路中に可変の光減衰フィルタを導入することで実行することもできる。
【０１０１】
本計測の間、例えば図２９に示す計測表示画面部分（２０１）のように、操作者が時間基準セッテイングボタン２０２を選択した時刻を基準として、各計測信号の相対値変化率、もしくは酸素化，脱酸素化，全ヘモグロビン濃度変化を実時間もしくは時間的なフィルタリングを経てトポグラフィ画像として表示する。どの変化を表示するかは、チェック項目表示２０３の項目を選択する。この表示基準ボタンが選択されない場合、基準時刻は本計測が開始した時刻となる。また、照射位置，検出位置，計測位置を、位置重ね合わせボタン２０４の選択により、トポグラフィ画像と重ね合わせて表示することも可能となる。ここで、ストップボタン（２０５）の選択により、計測を中止することができる。また、図３０に示すように、図２９で示した計測画像（２１１）と、被検体外部形状を示す画像（または被検体内部の構造をあらわす画像）と計測位置の図形要素と計測画像とを重ね合わせた表示（２１２）を並べて示してもよい。
【０１０２】
また、本計測中において、被検体における著しい生理的な変化、または、プローブなどの不意の装着ずれなどの要因により検出信号レベルが著しく変化した場合、表示部２０で下記の方法で表示する。
【０１０３】
まず検出信号レベルがある所定の値よりも小さくなった場合を図３１の表示において説明する。図３１において、信号レベルが低下した旨を示す文字が表示（２２１）され、該当照射位置及び検出位置及び計測位置を示す図形要素の背景色が、例えば黄色に変化する。この表示がこの状態に変化しても、本計測自体は何ら影響されることなく続行している。この計測条件を維持して計測を続行する場合は、特に新たな操作を加える必要がない。例えば図３１では、検出位置２および照射位置１に係る検出信号レベルが低下した場合として、背景色黄色の代わりに、便宜上斜線で示した例を表示している（２２４）。
【０１０４】
ここで、図３１に示されているゲイン向上ボタン（２２２）を一回押すごとに、該当信号に係る増幅器の増幅率が所定間隔で向上する。また、図３１に示されている光強度向上ボタン（２２３）を一回押すごとに該当信号に係る半導体レーザの光強度が所定の間隔で向上する。検出信号が所定のレベルに達したら、信号レベルの低下を示す文字および該当照射位置及び検出位置及び計測位置を示す図形要素の背景色は元に戻る。また、ゲイン向上ボタンおよび光強度向上ボタンが押されるごとに、変化した信号番号および変化した値を記録する。
【０１０５】
次に、検出信号レベルがある所定の値よりも大きくなった場合を図３２の表示画面において説明する。図３２において、信号レベルが増大した旨を示す文字（２３１）が表示され、該当照射位置及び検出位置及び計測位置を示す図形要素の背景色が、例えばオレンジ色に変化する。この表示がこの状態に変化しても、本計測自体は何ら影響されることなく続行している。この計測条件を維持して計測を続行する場合は、特に新たな操作を加える必要がない。例えば図３２では、検出位置２および照射位置１に係る検出信号レベルが増加した場合として、背景色オレンジ色の代わりに、便宜上斜線で示した例を表示している（２３４）。
【０１０６】
ここで、図３２に示されているゲイン減少ボタン（２３２）を一回押すごとに、該当信号に係る増幅器の増幅率が所定間隔で下降する。また、図３２に示されている光強度減少ボタン（２３３）を一回押すごとに該当信号に係る半導体レーザの光強度が所定の間隔で低下する。検出信号が所定のレベルに達したら、信号レベルの増大を示す文字および該当照射位置及び検出位置及び計測位置を示す図形要素の背景色は元に戻る。また、ゲイン減少ボタンおよび光強度減少ボタンが押されるごとに変化した信号番号および変化した値を記録する。また、前記オレンジ色の点灯状態が継続し、さらにある所定の信号レベル、例えば入力該当Ａ／Ｄコンバータのダイナミックレンジ上限に近接した場合、このオレンジ色の点灯が点滅に変化し、さらに所定期間この点灯が継続した場合、自動的に該当信号レベルに係る増幅器の増幅率を所定の比率、例えば５０％低下させる。このような、増幅率および光強度の変化、また、ゲイン減少ボタンおよび光強度減少ボタンが押されるごとに変化した信号番号および変化した値を記録する。
【０１０７】
さらに、検出信号レベルの著しい変化の場合、このような表示部における図形要素の変化だけではなく、光ファイバおよびプローブにおける該当表示素子において表示してもよい。
【０１０８】
ここで述べた本計測中における検出信号レベルの変化に対する表示について、検出信号レベルの変化に限定されるものではなく、例えば本計測中におけるヘモグロビンもしくはチトクロームもしくはミオグロビンなどの色速濃度変化であってもよい。
【０１０９】
また、この実施例で述べた表示および計測を実行させるためのプログラムは、コンピュータに読み取り可能な媒体、例えばハードディスクやフロッピーディスクやＣＤ−ＲＯＭなどに記録されている。なお本発明の実施は、この実施例で示した準備計測のフローに限定されるものではない。
【０１１０】
以上のように、本発明にかかわる光計測装置及び記録媒体並びに光計測方法は、次の構成を含んで構成される。
【０１１１】
被検体への光の照射位置と被検体からの光の検出位置、または、照射位置と検出位置との空間的な配置で決定される計測位置について、これらの相対的な位置関係を表示すると共に検出信号の状態もしくは状態の変化を示す表示部を含む。
【０１１２】
複数波長について検出信号の状態もしくは状態の変化を示す表示部を含む。
【０１１３】
照射位置および検出位置および計測位置を図形要素として示し、これら図形要素が特定された図形内に配置されている。
【０１１４】
被検体における照射位置および検出位置および計測位置間の距離を示すスケールバーが表示されている。
【０１１５】
検出信号の状態もしくは状態変化もしくは状態の単位時間あたりの変動を、表示部内で色もしくはパターンもしくは記号もしくは文字として表示する。
【０１１６】
検出信号の状態もしくは状態変化もしくは状態の単位時間あたりの変動を表示部における照射位置および検出位置および計測位置を示す図形要素の色もしくはパターンの変化として表示する。
【０１１７】
被検体の外部形状もしくは内部形状を示す画像上に、照射位置および検出位置および計測位置を示す図形要素を重ねあわせて表示する。
【０１１８】
被検体の形状、および被検体における照射位置および検出位置および計測位置を数値で示す座標情報を表示する。
【０１１９】
被検体への光照射手段および被検体からの光検出手段、およびこれらの手段を被検体に装着するプローブに表示素子を含み、これら表示素子が表示部の図形要素の表示と連動して作用する。
【０１２０】
検出信号の状態は、検出光強度もしくは被検体内部の状態である。
【０１２１】
被検体内部の状態は、ヘモグロビンもしくはチトクロームもしくはミオグロビンの濃度もしくは濃度変化である。
【０１２２】
表示部において選択された照射位置もしくは検出位置の図形要素と、光照射手段および光検出手段およびプローブにおける表示素子とを対応させて表示する。
【０１２３】
光照射手段および光検出手段として光ファイバを用い、これら光照射手段および光検出手段およびプローブに発光素子を含む。
【０１２４】
被検体への光の照射位置と被検体からの光の検出位置、また照射位置と検出位置との空間的な配置で決定される計測位置について、これらの相対的な位置関係を表示し、表示された照射位置および検出位置のいずれかの部位を指定したときに、被検体への照射光用のもしくは被検体からの検出光用の光ファイバの内、該当の部位に対応して設定された光ファイバを識別する。
【０１２５】
光を被検体に照射する以前の状態における迷光を検出してこの迷光信号レベルを計測し、特定した迷光信号レベルについて、検出位置を示す図形要素に識別表示を行う。
【０１２６】
照射によって被検体内部を通過した光を検出して電気信号に変換し、この電気信号に基づいて計測位置について検出信号を生成し、これら検出信号の信号レベルを計測して信号レベルに応じて照射位置および検出位置を示す図形要素に識別表示を行う。
【０１２７】
照射位置について複数波長の光を個別に照射し、その照射によって被検体内部を通過した光を検出して電気信号に変換し、この電気信号に基づいて計測位置について波長毎の検出信号を生成し、これら検出信号の信号レベルを計測して照射位置，検出位置および計測位置を示す図形要素に識別表示を行う。
【０１２８】
計測した迷光信号レベルに応じて照射位置，検出位置および計測位置を示す図形要素に識別表示を行う。
【０１２９】
迷光信号レベルが所定の範囲を外れたときに、被検体への照射光用もしくは被検体からの検出光用の光ファイバの内、該当の部位に対応して設定された光ファイバを識別する。
【０１３０】
複数の検出レベルをそれぞれ増幅器により独立に増幅し、各照射位置について光の照射強度レベルを独立に変化させる。
【０１３１】
複数の検出レベルをそれぞれ増幅器により独立に増幅し、各照射位置および各波長について光の照射強度レベルを独立に変化させる。
【０１３２】
検出信号レベル間の差が所定の範囲に入るように前記増幅器における増幅率および光照射レベルを変化させる。
【０１３３】
検出信号レベルが所定範囲から外れているときに、該当の照射位置，検出位置および計測位置を示す図形に識別表示を行う。
【０１３４】
増幅器による増幅率もしくは光の照射レベルが所定範囲から外れているときに、該当の照射位置，検出位置および計測位置を示す図形に識別表示を行う。
【０１３５】
識別表示を行ったときに、被検体への照射光用もしくは被検体からの検出用の光ファイバの内、該当の部位に対応して設定された光ファイバを識別する。
【０１３６】
該当の検出信号についての増幅器の増幅率もしくは該当の照射光の光強度レベルを所定の割合で変化させる。
【０１３７】
増幅率および光強度レベルの変化した値および変化した時刻に相当する時間データ、並びに変化した計測信号に割り当てられた番号を記録する。
【０１３８】
被検体への光の照射位置と被検体からの光の検出位置、また照射位置と検出位置との空間的な配置で決定される計測位置を求めるプログラム、これらの位置の相対的な位置関係を表示するためのプログラムおよび検出信号の状態もしくは状態の変化を示す表示を行うためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を含む。
【０１３９】
検出信号の状態もしくは状態の変化を示す表示を行うためのプログラムは、迷光信号を計測させ、迷光信号レベルを特定させるためのプログラム、検出信号を計測させ、検出信号レベルを特定させるためのプログラム、各照射位置について光の照射レベルを変化させるためのプログラム、照射位置，検出位置および計測位置を示す図形に識別表示を行わせるプログラム、および識別表示を行ったときに、被検体への照射光用もしくは被検体からの検出用の光ファイバの内、該当の部位に対応して設定された光ファイバを識別させるためのプログラムとを含んでいる。
【０１４０】
光による生体の無侵襲画像計測方法において、被検体への光の照射位置と被検体からの光の検出位置、または照射位置と検出位置との空間的な配置で決定される計測位置について、これらの相対的な位置関係を表示し、表示された照射位置および検出位置のいずれかの位置を指定し、被検体への照射光用のもしくは被検体からの検出光用の光ファイバの内、該当の位置に対応して設定された光ファイバを識別し、識別された光ファイバを被検体の所定の位置に装着するようにした。
【０１４１】
【発明の効果】
多数の光ファイバを被検体に装着して計測する装置において、操作者にとって、どの光ファイバをどの部位に配置すべきかを的確に判断し、迅速に作業が実行できる。
【０１４２】
さらに、時間分解能を高く保つ複数波長・複数位置での多チャンネル同時計測において、計測の信頼性の高い装置を提供すると共に、被検体に対して光ファイバの装着状態に問題が生じている場合に、多数の装着光ファイバに対して、該当問題光ファイバおよびその位置を明瞭に表示することで、操作性の高い装置が提供される。
【０１４３】
さらに、実際の計測中における検出信号レベルを常にモニタし、検出信号レベルが信号入力デバイスのダイナミックレンジの所定範囲を外れそうになった場合、その検出信号に係る照射位置および検出位置などを表示すると共に、検出信号レベルを自動的調整する機構を有することで、効率的な計測装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例における基本画面構成の例を示す図である。
【図２】１２チャンネル計測に対する照射位置および検出位置の配置例を示す図である。
【図３】４０チャンネル計測に対する照射位置および検出位置の配置例を示す図である。
【図４】従来の高時間分解計測装置の要点を示す概要図である。
【図５】本発明による実施例におけるの装置の基本構成を示すブロック図である。
【図６】実施例における光モジュール内の構成図である。
【図７】実施例における光ファイバの先端構造を示す図である。
【図８】実施例におけるプローブ装着状況を示す図である。
【図９】実施例におけるプローブと光ファイバの装着時の構造を示す図である。
【図１０】実施例におけるロックインアンプモジュール内の構成である。
【図１１】実施例における計測結果の表示例を示す図である。
【図１２】実施例における計測モード選択画面の例を示す図である。
【図１３】実施例における被検体外部形状画像に計測位置配置等を重ねあわせた画面の例を示す図である。
【図１４】実施例における被検体外部形状画像に計測位置配置等を重ねあわせた画面の例を示す図である。
【図１５】実施例における被検体外部形状画像に計測位置配置等を重ねあわせた画面と、基本画面構成の例とを並べて表示した例を示す図である。
【図１６】実施例における準備計測の実行中の例を示す図である。
【図１７】実施例における準備計測全体の概要を示すフローチャートである。
【図１８】実施例における準備計測のステップ１における環境設定処理の詳細を示すフローチャートである。
【図１９】実施例における準備計測中の高迷光レベルを示す図である。
【図２０】実施例における準備計測のステップ２における光順次照射処理の詳細を示すフローチャートである。
【図２１】実施例における準備計測のステップ３における検出信号バランス指標計算処理の詳細を示すフローチャートである。
【図２２】実施例における準備計測のステップ４における検出信号バランス化（光強度レベル増加）処理の詳細を示すフローチャートである。
【図２３】実施例における準備計測中の低信号レベルを示す図である。
【図２４】実施例における準備計測のステップ５における検出信号バランス化（光強度レベル減少）処理の詳細を示すフローチャートである。
【図２５】実施例における準備計測のステップ６における最終調整処理の詳細を示すフローチャートである。
【図２６】実施例における準備計測中のレンジオーバーを示す図である。
【図２７】実施例における準備計測のステップ７における最終確認処理の詳細を示すフローチャートである。
【図２８】実施例における準備計測中の高計測ゆらぎ信号を示す図である。
【図２９】実施例における本計測中の計測画面を示す図である。
【図３０】実施例における本計測中の計測画面および被検体外部形状画像に計測画像を重ねあわせた画面の例を示す図である。
【図３１】実施例における本計測中の低計測信号レベルを示す図である。
【図３２】実施例における本計測中の高計測信号レベルを示す図である。
【符号の説明】
１…光源部、２…光モジュール、３…発振部、３（１−ａ）〜３（１−ｂ）…半導体レーザ、４（１−ａ）〜４（１−ｂ）…駆動回路、５…集光レンズ、６…光ファイバ、７…光ファイバ結合器、８−１〜８−４…照射用光ファイバ、９…被検体、１０−１〜１０−５…検出用光ファイバ、１１−１〜１１−５…フォトダイオード、１２…ロックインアンプモジュール、１３−１…ロックインアンプ、１４…増幅器、１５…スイッチ、１６…アナログデジタル変換器、１７…制御部、１８…記録部、１９…処理部、２０…表示部、２１…プローブ、２２…光ファイバ表示コントローラ、２３…記録媒体、２４…操作部、２５…プローブ表示コントローラ、３１…光ファイバ支持部、３２…表示素子、３３…電気信号ケーブル、４１…ゴムひも、５１…プローブ基盤、５２…光ファイバホルダ、５３…ナットネジ、５４…光ファイバ支持部固定ネジ、５５…表示素子。

Claims (16)

1. 可視から赤外領域における複数波長の光を被検体の複数部位に照射する複数の光照射手段、前記被検体内部を通過した光を前記被検体の複数部位で検出する複数の光検出手段および前記被検体への光の照射位置、前記被検体からの光の検出位置および前記照射位置と前記検出位置との空間的な配置で決定される計測位置の相対的な位置関係を表示する表示部を有することを特徴とする生体光計測装置。
2. 前記複数の光検出手段により検出された検出信号値、前記検出信号値の変化量および前記検出信号値の単位時間あたりの変化量を表示する表示部を有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. 前記検出信号値、前記検出信号値の変化量または前記検出信号値の単位時間あたりの変化量のうち少なくとも一つが所定の範囲を外れたとき、
   該当する前記照射位置、前記検出位置または前記計測位置を表示する手段を有することを特徴とする請求項２記載の生体光計測装置。
4. 前記検出信号値、検出信号値の変化量および検出信号値の単位時間あたりの変動値は、色、パターン、記号または文字として表示することを特徴とする請求項２または３記載の生体光計測装置。
5. 前記複数の光照射手段および前記複数の光検出手段の配置の選択画面を表示する表示部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一に記載の生体光計測装置。
6. 前記被検体の頭部の外部形状もしくは内部形状を示す画像上に、前記照射位置、検出位置および計測位置を重ねて表示することを特徴とする請求項１から５のいずれか一に記載の生体光計測装置。
7. 前記光照射手段、前記光検出手段またはこれらを被検体に装着するプローブに表示素子を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一に記載の生体光計測装置。
8. 可視から赤外領域における複数波長の光を被検体の複数部位に照射する複数の光照射手段、
   前記被検体内部を通過した光を前記被検体の複数部位で検出する複数の光検出手段、前記被検体への光の照射位置、前記被検体からの光の検出位置および前記照射位置と前記検出位置との空間的な配置で決定される計測位置の相対的な位置関係を表示する表示部、および迷光信号レベルを計測する計測手段を有することを特徴とする生体光計測装置。
9. 前記迷光信号は前記光照射手段からの光照射を受ける前における、前記光検出手段から得られる信号であることを特徴とする請求項８記載の生体光計測装置。
10. 前記表示部は、迷光信号レベルの計測結果を表示するものであることを特徴とする請求項８または９のいずれか一に記載の生体光計測装置。
11. 前記複数の光検出手段のうち少なくとも一つの光検出手段において前記迷光信号レベルが所定の範囲を外れたとき、その光検出手段の位置を表示する手段を有することを特徴とする請求項８から１０のいずれか一に記載の生体光計測装置。
12. 可視から赤外領域における複数波長の光を被検体の複数部位に照射する複数の光照射手段、
    前記被検体内部を通過した光を前記被検体の複数部位で検出する複数の光検出手段、
    前記被検体への光の照射位置、前記被検体からの光の検出位置および前記照射位置と前記検出位置との空間的な配置で決定される計測位置の相対的な位置関係を表示する表示部を有し、
    前記複数の光検出手段により検出された検出信号のレベルを、検出位置ごとにそれぞれ独立に増幅することが可能な増幅器を有するか、
    または前記複数の光照射手段ごとに、光照射強度のレベルを独立に制御する手段を有することを特徴とする生体光計測装置。
13. 前記増幅器の増幅率または前記光照射強度のレベルを所定の割合で変化させる手段を有することを特徴とする請求項１２記載の生体計測装置。
14. 前記増幅器の増幅率または前記光照射強度のレベルを上昇させ、
    検出信号値の変化が非線形となった場合、
    前記増幅率または前記光照射強度のレベルを減少させる手段を有することを特徴とする請求項１２記載の生体計測装置。
15. 前記増幅器による増幅率または前記光照射強度のレベルが所定の範囲から外れたとき、
    該当する照射位置、検出位置または計測位置を表示する手段を有する請求項１２記載の生体光計測装置。
16. 可視から赤外領域における複数波長の光を被検体の複数部位に照射し前記被検体内部を通過した光を前記被検体の複数部位で検出することで、前記被検体内部を計測する光計測装置に使用されるプログラムであって、
    コンピュータに、
    前記被検体への光の照射位置、前記被検体からの光の検出位置および前記照射位置と前記検出位置との空間的な配置で決定される計測位置について、これらの相対的な位置関係を表示部に表示させ、
    前記複数の光検出手段により検出された検出信号値、前記検出信号値の変化量および前記検出信号値の単位時間あたりの変化量を表示部に表示させるためのプログラム。

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