JP4230726B2 - 生体光計測装置及び生体負荷反応計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体に照射した光が生体内を透過した光または生体内で散乱もしくは反射した光(以下、生体透過光と総称する)を用いて被検者の負荷に対する反応を計測する生体光計測装置において、被検者の負荷に対する反応の測定を、より適正化する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の生体光計測装置としては、例えば、特開平9-98972号公報等に記載されるように、異なる変調周波数の光を生成する半導体レーザと、この半導体レーザから出射された光を生体に誘導し異なる位置に照射する照射用光ファイバと、生体透過光を集光しフォトダイオードに誘導する検出用光ファイバと、照射用及び検出用光ファイバの先端部分を生体の所定位置に固定する固定部材と、フォトダイオードから出力される生体透過光強度を表す電気信号（以下、「生体透過光強度信号」と記す）から波長及び照射位置に対応する生体透過光強度信号をそれぞれ分離するロックインアンプと、このロックインアンプの出力をデジタル信号に変換するA／D変換器と、A／D変換後の生体透過光強度信号から計測点毎の酸素化へモグロビン濃度の相対変化量ΔCoxy及び脱酸素化へモグロビン濃度の相対変化量ΔCdeoxyを計算し、この相対変化量ΔCoxy、ΔCdeoxy、及び、ΔCoxyとΔCdeoxyとの総和としての全ヘモグロビン濃度の相対変化量を生体透過光強度画像（トポグラフィ画像あるいはタイムコース）として入出力部に出力する画像生成部と、装置本体の動作指示の入力及び生体透過光強度画像の表示を行う入出力部とを備えた生体光計測装置が知られてる。
【０００３】
また、このような従来の生体光計測装置において、光や音などの負荷を、一定時間ずつ一定の時間間隔で被検者に与えながら、生体透過光強度の計測を行って前述した生体透過光強度画像を生成することにより、被検者の負荷に対する反応を計測する技術が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の負荷を被検者に与えながら、生体透過光強度の計測を行う技術によれば、被検者に負荷を与える時間的パターンが一定であるために、被検者が負荷に対して慣れを生じてしまい、反応が低下して負荷に対する純粋な反応を適正に計測することができなくなってしまう場合がある。逆に、負荷によっては、負荷を繰り返し与えることにより、生体の反応が増加してしまう場合もあり、この場合にも負荷に対する純粋な反応を適正に計測することができない。
【０００５】
そこで、本発明は、生体光計測装置において、被検者の負荷に対する慣れによる反応の低下を軽減することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題達成のために、本発明は、被検体に光を照射し、被検体を通過した光または被検体で散乱もしくは反射した光を測定することにより、被検体の状態を計測する生体光計測装置を、被検体に対して負荷を与える負荷装置と、前記負荷装置によって、前記被検体に対して間欠的に負荷を繰り返し、負荷を与える期間の時間長をランダムに変動させながら与える負荷シーケンス制御装置とを備えて構成したものである。
【０００７】
このような生体透過光検出装置によれば、被検体に負荷が加わる期間の時間長がランダムに変動する。したがって、被検体は負荷が加わる時間長を予測できず、被検体の負荷に対する慣れは抑制される。これにより、負荷に対する、より適正な反応を測定することができるようになる。
【０００８】
また、本発明は、前記課題達成のために、生体光計測装置に、被検体に対して負荷を与える負荷装置と、前記負荷装置によって、前記被検体に対して間欠的に負荷を繰り返し、負荷を与えない期間の時間長をランダムに変動させながら与える負荷シーケンス制御装置とを備えたものである。
【０００９】
このような生体透過光検出装置によれば、被検体に負荷が繰り返し、負荷が加わらない期間の時間長がランダムに変動しながら加えられる。したがって、被検体は負荷が加わるタイミングを予測できず、被検体の負荷に対する慣れは抑制される。これにより、負荷に対する、より適正な反応を測定することができるようになる。
【００１０】
また、本発明は、前記課題達成のために、生体光計測装置を、被検体に対して負荷を与える負荷装置と、前記被検体に負荷を付与する複数のシーケンスを、ランダムな順序で前記負荷装置に実行させる負荷シーケンス制御装置とを備えて構成したものである。
【００１１】
このような生体透過光検出装置によれば、測定の度に、被検体に加わる負荷シーケンスの順序をランダムに変更することができる。したがって、たとえば繰り返し測定を行う場合などに、被検体が負荷の順序に対して慣れてしまって反応が低減してしまうことを抑制し、負荷に対する、より適正な反応を測定することができるようになる。
【００１２】
また、本発明は併せて、被検体に負荷を付与し、被検体の負荷に対する反応を計測する生体負荷反応計測装置であって、被検体に対して負荷を与える負荷装置と、前記被検体に負荷を付与するシーケンスを時間的にランダムに変動させながら、前記負荷装置に実行させる負荷シーケンス制御装置とを有する生体負荷反応計測装置も提供する。
【００１３】
このような生体負荷反応計測装置によれば、被検体に負荷が付与されるシーケンスが時間的に変動するので、被検体の負荷に対する慣れは抑制され、負荷に対する、より適正な反応を測定することができるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る生体光計測装置の構成を示す。
図示するように、生体光計測装置は、複数の光モジュール２を備えた光源部１、照射用光ファイバ３、検出用光ファイバ４、複数のフォトダイオード５、ロックインアンプモジュール６、A／D変換器７、制御部８、記録部９、解析部１０、タスクテーブル１１、入出力部１２、刺激装置２１を備えている。
【００１５】
なお、以下の説明では、生体光計測として、例えば被検体２０の頭部の皮膚表面から光を照射し、頭部の皮膚表面で検出された透過光から大脳内部を画像化する場合を例にとり説明を行う。ただし、本実施形態は、頭部以外の他の部位を測定対象とする場合にも、同様に適用可能である。また、透過光とは、生体を散乱／反射した光と、通過した光の双方を指している。
【００１６】
光源部１を構成する各光モジュール２は、可視から赤外の波長領域中で複数の波長、例えば78Onm及び83Onmの二波長の光をそれぞれ放射する２個の半導体レーザを備えている。ただし、これらの波長の値は他の値であって良く、波長数も２以外の値であって良い。また、光源部１においては、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。
【００１７】
光源部１に含まれる全ての半導体レーザの射出光は、それぞれ発振周波数の異なる図示しない発振器で構成される発振部により、それぞれ変調される。また、光モジュール２には、それぞれの半導体レーザから放射された２つの波長の光を1本の光ファイバ（照射用光フアイバ）に導入させる図示しない光ファイバ結合器とが備えられている。したがって、光源部１から放射される二波長光を混合した光は、各光モジュール２に各々接続される照射用光ファイバ３の先端部分から測定対象となる被検体２０の頭部に照射される。このとき、各照射用光ファイバ３は図示しない固定部材で被検体２０の頭部に対して固定され、頭部のそれぞれ異なる位置に光を照射する。
【００１８】
頭部を通過した光すなわち生体透過光は、固定部材に固定された複数の検出用光ファイバにそれぞれ集光され、各検出用光ファイバの他端に接続される光検出器であるフォトダイオード５で検出される。ここで、このフォトダイオード５としては、高感度な光計測が実現可能な周知のアバランシェフォトダイオードを用いることが望ましい。また、光検出器としては、光電子増倍管などの他の適当な光電変換素子を用いるようにしてもよい。
【００１９】
フォトダイオード５に誘導された生体透過光は電気信号（生体透過光強度信号）に変換された後、変調信号の選択的な検出回路である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６で、照射位置かつ波長に対応した生体透過光強度信号に分離される。ロックインアンプモジュール６からアナログ出力される生体透過光強度信号は、照射位置かつ波長に対応して各々設けられた複数のA／D変換器７によりそれぞれデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、波長及び照射位置毎の生体透過光強度信号であり、デジタル信号に変換された生体透過光強度信号は、記録部９に記録さる。記録部９に記録された生体透過光強度信号は、解析部１０によって解析され、解析結果が入出力部１２より出力される。刺激装置２１は、制御部８の制御に従い、被検体２０へ光や音などの負荷を付与する。
【００２０】
以下、このような生体光計測装置における、被検体２０に負荷を与えながら行う生体透過光の測定及び解析の動作について説明する。
【００２１】
図２に、制御部８が行う制御動作の手順を示す。
まず、制御部８は、測定に先立ち、図３（a）に示す計測パラメータ設定画面を、入出力部１２を介してユーザに提示する（ステップ２０１）。この計測パラメータ設定画面上で、タスクの定義と、タスクシーケンスと、タスクシーケンスの実行回数又は実行期間の設定を計測パラメータとして受け付け、受け付けた計測パラメータをタスクテーブル１１に格納する（ステップ２０２）。
【００２２】
タスクの定義としては、タスクシンボル、タスク名、タスクの時間、レストの時間の設定を受け付ける。
タスクシンボル[Task symbol]はタスクを表す記号であり、タスク名[Task name]はタスクで被検体２０に与える負荷の種別を表し、タスクの時間は負荷を被検体２０に与える時間を表し、レストの時間は被検体２０に負荷を与えた時間の後に設ける負荷を被検体２０に与えない時間を表す。
【００２３】
ここで、本実施形態では、レストの時間として固定値またはランダム値の設定を受け付ける。図中、[Rest F/R]はレストの時間を固定値とするかランダム値とするかを表し、ユーザによって[F/R]にFが設定された場合は、固定値の設定を図中の[s/s-s]への秒設定により受け付ける。また、ユーザによって[F/R]にRが設定された場合には、ランダム値の範囲の設定を図中の[s/s-s]への秒範囲の設定により受け付ける。図示した例では、レスト時間の秒範囲として３０秒から８０秒が設定され、実際の計測時には、レストの時間として３０秒から８０秒の間のランダムに選択された時間が用いられることを表している。
【００２４】
次に、タスクシーケンス[Task sequence]は、定義されたタスクをどのような順序で実行するかの設定をタスクシンボル列の記述により受け付ける。図示した例では、タスクシンボルAのみのタスクの実行がタスクシーケンス[Task sequence]として設定されている。
【００２５】
タスクシーケンスの実行回数又は実行期間の設定は、タスクシーケンスの実行回数[Repeat count]または総実行時間[Total Measure Time]のいずれかの一方の記述を受け付けることにより行う。実行回数[Repeat count]に数値が記述された場合、この数値は、タスクシーケンスをその数値分の回数繰り返し実行すべきことを表す。また、総実行時間[Total Measure Time]に時間が記述された場合、この時間は、タスクシーケンスの実行開始後、その時間が経過するまでタスクシーケンスを繰り返し実行すべきことを表している。
【００２６】
制御部８は、このようにして、計測パラメータ設定画面で計測パラメータを受け付けると、これをタスクテーブル１１に格納し、後に、設定された計測パラメータに従った測定を行うために用いる。
次に、制御部８は、図３（b）に示す解析パラメータ設定画面を入出力部１２を介してユーザに提示し（ステップ２０３）、解析パラメータ設定画面上で、計測パラメータ設定画面で定義された各タスクにつき、解析パラメータとして、解析対象期間と加算回数との設定を受け付ける。そして、受け付けた解析パラメータをタスクテーブル１１に格納する（ステップ２０４）。
【００２７】
すなわち、制御部８は、解析パラメータ設定画面に、計測パラメータ設定画面で定義された各タスクのタスクシンボル[Task symbol]と、タスク最小レスト時間[Task Minimum Rest]と、加算回数[Accumulation Time]を表示する。タスク最小レスト時間[Task Minimum Rest]としては、対応するタスクのレスト時間として固定値を受け付けた場合にはその固定値を、対応するタスクのレスト時間としてランダム値を受け付けた場合には受け付けたランダム値の範囲の最小値を表示する。加算回数[Accumulation Time]としては、計測パラメータ設定画面で設定された実行回数をディフォルト値として表示すると共に、ユーザの入力に従って加算回数の設定を受け付ける。
【００２８】
さらに、このような解析パラメータ設定画面において、制御部８は解析対象期間としては[Pre]、[Relax]、[Post]の３つの期間の長さの設定を受け付ける。[Pre]にはタスクにおいて負荷を与える直前の時間の長さを、[Relax]にはタスクにおいて負荷を与えた直後の時間の長さを、[Post]にはタスクにおいて負荷を与えた後[Relax]に設定した時間経過後からの時間の長さを設定する。
ここで、ユーザは、[Pre]、[Relax]、[Post]の３つの期間の長さの総和が、表示されたレストの時間以下となるように設定する。
【００２９】
このようにして解析パラメータ設定画面において各タスクについて受け付けた解析パラメータは、制御部８によってタスクテーブル１１に格納され、後に測定した生体透過光を解析するために用いられる。
ここで、以上計測パラメータと解析パラメータとの関係を図４(a)、(b)に示す。
【００３０】
図中(a)は、計測パラメータに従った負荷の被検体２０に対する付与シーケンスを表しており、計測パラメータが示すタスクシーケンスとタスクの定義に従ってタスクが順次連続的に実行される。これは、計測パラメータに設定された実行回数分の回数または測定開始後に計測パラメータに設定された総実行時間が経過するまで繰り返される。そして、各タスクの実行期間では負荷が被検体２０に対して付与される。また、タスクとタスクの間は、レスト時間であり、このレスト時間の時間長は、レスト時間の直前のタスクのレスト時間として固定値が設定されている場合にはタスク毎に固定時間長さとなるが、レスト時間の直前のタスクのレスト時間としてランダム値が設定された場合には同じタスクに対するレスト時間であっても、タスクの実行毎に、設定されたランダム値の範囲の間の、一様乱数を用いて選択された異なった時間長さとなる。
【００３１】
図中(b)は、解析パラメータに従った各解析対象期間を表したものであり、各負荷の被検体２０に対する付与期間の直前の解析パラメータで指定された[Pre]の時間長さの期間（以下、「プレ期間」と記す）と、各負荷の被検体２０に対する付与期間（以下、「タスク期間」と記す）と、各負荷の被検体２０に対する付与期間直後の解析パラメータで指定された[Relax]の時間長さの期間（以下、「リラックス期間」と記す）と、その直後の解析パラメータで指定された[Post]の時間長さの期間（以下、「ポスト期間」と記す）とが、それぞれ、異なる系統の解析対象期間となる。すなわち、タスクの種別（タスクシンボルに対応）毎に、そのタスクに対するプレ期間に計測された生体透過光信号は解析パラメータが示す加算回数分加算され、その平均が求められる。または、解析パラメータに加算回数が設定されていない場合には実際の計測回数分加算され、その平均が求められる。同様に、そのタスクのタスク期間、リラックス期間、ポスト期間毎に、計測された生体透過光信号は、加算回数分または実際の計測回数分加算され、その平均が求められる。そして、タスク毎に、タスクに対するプレ、タスク、リラックス、ポストの各期間の各々について加算平均された生体透過光信号が、各々解析される。
【００３２】
ここで、図４(a)、(b)より理解されるように、解析パラメータで定義されるタスクに対するプレ期間は、計測パラメータでタスクに対して定義されるレスト期間外にある。したがって、タスクシーケンスが同じタスクの繰り返しを示す場合でない場合、あるタスクに対するプレ期間が、その前のタスクのタスク期間に重なる場合があるが、これは、ユーザが、このようにプレ期間がタスク期間と重ならないように、計測パラメータと解析パラメータを設定することにより避けられる。
【００３３】
制御部８は、以上のようにしてタスクテーブル１１に計測パラメータと解析パラメータを格納した後に、ユーザから計測開始を指示されると（ステップ２０６）、解析部１０の解析処理を起動し（ステップ２０６）、タスクテーブル１１に格納された計測パラメータに従って刺激装置２１による被検体２０の負荷の、図４(a)に示したような付与シーケンスを制御しながら、所定時間間隔（たとえば、0.1秒間隔）による生体透過光の計測動作を行わせ、計測された生体透過光強度信号を記録部９に格納していく（ステップ２０７）。この際、レスト時間としてランダム値が設定された各タスクに対して、それぞれ一様乱数の乱数系列を生成し、レスト時間としてランダム値が設定されたタスクに対するレスト時間は、当該タスクの実行毎に、対応する乱数系列を用いて、ランダム値の範囲内でランダムに決定する。なお、このランダムなレスト時間の決定は、計測開始前に測定において行われるタスクの全てについて予め決定しておくようにしてもよいし、計測を実行しながら、順次、次のタスクのレスト時間を算出していくようにしてもよい。
【００３４】
また、制御部８は、実行したタスクの実行の時間的な履歴を、後に解析部１０においてタスクによって負荷が被検体２０に付与されたタスクの時間やレスト期間と、記録部９に格納した生体透過光強度信号の対応とを識別できるようにタスクテーブル１１に格納する。
【００３５】
一方、解析処理が起動された解析部１０は、計測が開始されると、タスクテーブル１１に格納された解析パラメータと、タスクの実行履歴に従って解析を行なう。すなわち、記録部９に格納された生体透過光強度信号について、タスク毎に、図４(b)に示されるようなプレ期間、タスク期間、リラックス期間、ポスト期間ごとの加算平均を求めて酸素化へモグロビン濃度や脱酸素化へモグロビン濃度を解析する。そして解析結果を、トポグラフィ画像、タイムコースなどの形態で入出力部１２に表示する。解析部１０は、このような生体透過光強度信号の解析、トポグラフィ画像、タイムコース表示等を、生体透過光の測定と並行してリアルタイムで行う。
【００３６】
以上、タスクのレスト時間をランダムに設定可能とした場合を説明したが、これと併せて、または、これに代えて、タスクの時間、すなわち、被検体２０に負荷を与える期間をランダムに設定可能としてもよい。
【００３７】
この場合には、まず図３(a)に示した計測パラメータ設定画面上で、レストの時間と同様に、タスクの時間をランダム値とする設定と、ランダム値の範囲の設定を受け付けるようにし、ランダム値とすることを受け付けたタスクについて受け付けたランダム値の範囲内でタスクの実行ごとにランダムにタスクの時間を決定していく。この場合、図４(c)に示すように、タスクの実行毎に、タスクの時間が変動する。そこで、解析の対象とするタスク期間は、図４(d)に示すように、図４(c)のタスクの時間の先頭から、そのタスクのタスクの時間の設定されたランダム値の範囲の最小値分の時間が経過するまでの期間とするようにする。
【００３８】
また、以上の実施形態においては、タスクシーケンスでタスクの実行順序の設定を受け付けたが、このタスクシーケンスで実行するタスクの実行順序もランダムに設定可能としてもよい。すなわち、制御部８は、計測パラメータ設定画面上で、タスクシーケンスにランダムが設定された場合には、タスクシーケンスの実行の各回を、計測パラメータ設定画面で定義されたタスクをランダムな順序で実行するものとして処理するようにする。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、タスクのレスト時間、タスクの時間、タスクの実行順序をランダム化することができ、これにより被検者の刺激に対する慣れを防止して、被検者の刺激に対する反応の低下或いは増加を抑制することができる。
【００４０】
なお、以上の実施形態において、解析部１０によるリアルタイムな解析を行わない場合には、解析パラメータ設定画面による解析パラメータの受付は、測定終了後に行うようにしてもよい。
本実施例では、同種のタスク毎にプレ、タスク、リラックス、ポストの各々の加算平均をとった後、タスク負荷時の反応を求めたが、一回毎にプレ、ポストからタスク負荷時の反応を求め、それをタスク種別毎に加算平均しても良い。
また、以上では、タスクに対して定義したレストの時間を、そのタスクの後の期間として、そのタスクのリラックス期間、そのタスクのポスト期間、そのタスクの次のタスクのプレ期間の解析に用いる期間としたが、これはタスクに対して定義したレストの時間を、そのタスクの前後に分割して配置し、そのタスクのプレ期間、そのタスクのリラックス期間、そのタスクのポスト期間の解析に用いる期間とするようにしても良い。この場合には、タスクに対して定義したレストの時間のうち、そのタスクの解析パラメータとして設定されたプレ期間の時間長分の期間を、タスクの期間の前の期間として配置し、残りをタスクの期間の後の期間として配置するようにすれば良い。
【００４１】
また、本発明は、生体光計測装置のみならず、生体である被検体２０に負荷を付与して、その反応を計測する任意の装置に同様に適用可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、生体光計測装置において、負荷が連続することによる負荷に対する反応の低下や増加を抑制し、より正確な反応の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る生体光計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る生体光計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に係る生体光計測装置の表示画面を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る生体光計測装置の動作シーケンス例を示す図である。
【符号の説明】
１…光源部、２…光モジュール、３…照射用光ファイバ、４…検出用光ファイバ、５…フォトダイオード、６…ロックインアンプモジュール、７…A/D変換器、８…制御部、９…記録部、１０…解析部、１１…タスクテーブル、１２…入出力部、２１…刺激装置、２０…被検体

Claims (4)

1. 被検体に光を照射し、被検体を通過した光または被検体で散乱もしくは反射した光を測定することにより、被検体の状態を計測する生体光計測装置であって、
   被検体に対して負荷を与える負荷装置と、
   前記負荷の種別、被検体に負荷を与えるタスク時間および被検体に負荷を与えないレスト時間で定義される複数のタスクを設定するとともに、各タスクを示す記号であるタスクシンボルの列により前記タスクの実行順序をシーケンスとして設定するシーケンス設定手段と、
   前記シーケンスに基づいて、前記複数のタスクをランダムな順序で前記負荷装置に実行させるシーケンス制御装置とを有す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、
   前記シーケンス制御手段は、前記シーケンスの実行回数を受け付け、当該実行回数に達するまで前記シーケンスを繰り返すことを特徴とする生体光計測装置。
3. 請求項１に記載の生体光計測装置であって、
   前記シーケンス制御装置は、前記シーケンスの実行時間を受け付け、当該実行時間が経過するまで前記シーケンスを繰り返すことを特徴とする生体光計測装置。
4. 請求項１ないし３いずれか１項に記載の生体光計測装置であって、
   さらに、前記シーケンスを繰り返すことにより測定した生体透過光について、各タスクのタスク時間における測定結果の加算平均を求め、当該加算平均を用いて酸素化ヘモグロビン及び／又は脱酸素化ヘモグロビンを解析する手段を備えたことを特徴とする生体光計測装置。

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