JP5633464B2

JP5633464B2 - 光脳機能計測装置

Info

Publication number: JP5633464B2
Application number: JP2011096449A
Authority: JP
Inventors: 井上　芳浩; 芳浩井上
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: JP2012223523A

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、脳機能を測定する光脳機能計測装置に関する。

近赤外光は、皮膚組織や骨組織を通過し、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、非侵襲で脳活動を測定できる近赤外光分析法（Near infrared spectroscopy、以下ＮＩＲＳと略す）を用いた経頭蓋的測定技術が、例えば特許文献１や特許文献２、特許文献３等で知られている。

ＮＩＲＳでは、被検者の頭皮上から近赤外光を照射し、脳皮質内を通過した光を頭皮上で受光して検出する。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には、高い波長純度と光強度のある半導体レーザが用いられ、ＮＩＲＳの検出器には、高感度な光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードが用いられている。そして近赤外光光源から発せられる照射光を被検者の測定部位に送り、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が用いられている。

図７は、従来のＮＩＲＳを用いた脳機能計測装置を説明するための模式図である。
装置本体３１の近赤外光光源３２からコネクタ（図示せず）を介して延出された送光用光ファイバ３３の先端に送光プローブ３４が取り付けられ、装置本体３１の光検出器３５からコネクタ（図示せず）を介して延出された受光用光ファイバ３６の先端に受光プローブ３７が取り付けられている。被検者４１の頭部にプローブ取付用の多数のソケット（取付孔）４２を備えたホルダ４３が頭皮に密着して被せられ、このソケットに送光プローブ３４と受光プローブ３７とを互いに近接する位置で対をなすように取り付ける。そして、近赤外光光源３２から送光用光ファイバ３３を介して送られてきた近赤外光を送光プローブ３４から被検者４１の頭皮に照射し、脳皮質内を通過した光を受光プローブ３７で受光して受光用光ファイバ３６を介して装置本体３１の光検出器３５に送られる。光検出器３５で検出されたアナログ信号はアナログ／デジタル変換器３８でデジタル電気信号に変換されてデータ解析部３９でデータを解析して画像処理され、モニタ等の表示装置４０で表示されるようになっている。
なお、近赤外光光源３２や光検出器３５を駆動させるための電気は、配線４５を用いて電気的に接続された外部電源４４から取得される。また、近赤外光光源３２や光検出器３５には、多数の送光用光ファイバ３３や受光用光ファイバ３６が接続されるためのコネクタが形成されている。

特開２００３−３２２６１２号公報特開２００６−２４７２５３号公報特開２００８−２８９７１０号公報

しかし、従来の脳機能計測装置では、被検者の頭部と装置本体とを接続する送、受光用の光ファイバは、束になるとかなりの重量があるため、中間部がたるむと荷重がプローブに負荷されてプローブがホルダのソケットから外れたり、あるいは被検者の頭部に直接的に荷重が負荷されて被検者に不快感を与えたりするなどの弊害が生じていた。そのため、光ファイバの中間部を束ねて天井から吊すなどの工夫が必要となり、その作業が面倒であるとともに準備にかなりの時間を必要としていた。また、歩行などの運動時の脳活動を測定する場合には、光ファイバで移動範囲が制限されるため、被検者の自由な動きが妨げられるといった問題点があった。

そこで、本発明は、送、受光プローブから装置本体に接続する光ファイバをなくして、光ファイバの存在による弊害や測定時の被検者の拘束を解消するとともに、上記した従来課題を解決する新規な光脳機能計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明では次のような技術的手段を講じた。すなわち、本発明の光脳機能計測装置は、被検者の頭部に近赤外光を照射し、当被検者の脳内を通過した光を計測することにより脳の活動を計測する光脳機能計測装置において、被検者の頭部に被せられたホルダのソケットに取り付けられる送光プローブ並びに受光プローブと、装置本体とからなり、前記送光プローブは、近赤外光を被検者の頭部に照射する発光素子と、発光素子を制御する制御部と、前記制御部を介して前記発光素子を制御するための信号を前記装置本体と通信する無線機能部と、電源となる電池とを備え、前記受光プローブは、被検者の脳内を通過した光を検出する光センサと、光センサで検出した光情報を収集するデータ収集部と、データを装置本体に送信する無線機能部と、電源となる電池とを備え、前記装置本体は、送光プローブ並びに受光プローブと通信する無線通信部と、これら送、受光プローブを無線で制御する制御部と、受光プローブより受信したデータを解析処理するデータ解析部とを備える構成とした。

上記受光プローブのデータ収集部で取得したデータは、一定量蓄積して装置本体に送信するようにしてもよく、順次リアルタイムで装置本体に送信するようにしてもよい。

本発明によれば、送光プローブや受光プローブが電池をそれぞれ備えるため、発光素子や光センサを駆動することができる。さらに、近赤外光の照射や検出したデータの送受信を行うことができるため、従来のような送、受光プローブと装置本体とを接続する光ファイバをなくすことができる。これにより、光ファイバの存在による測定時の被検者への拘束をなくすことができるとともに、被検者に対する送、受光プローブの装着を短時間で容易にでき、かつ、装置全体をシンプルに構成することができるといった効果がある。
また、送光プローブと受光プローブとの取り付け数を簡単に増加・減少することができる。そして、装置本体も送光プローブと受光プローブと光ファイバを用いて接続される必要がないので、光ファイバを接続するためのコネクタを設ける必要がないため、小型化することができる。

本発明の光脳機能計測装置において、ホルダを被検者の頭部に装着した状態を示す説明図である。ホルダの一部と、送、受光プローブを示す斜視図である。送、受光プローブの外観を示す斜視図である。送光プローブの概略的な断面図である。受光プローブの概略的な断面図である。本発明の光脳機能計測装置の構成を示すブロック図である。従来の光脳機能計測装置を示す模式図である。

以下において、本発明に係る光脳機能計測装置を、図１〜図６に示した実施例に基づいて詳細に説明する。図１はホルダを被検者の頭部に装着した状態を示す説明図であり、図２はホルダの一部を示す斜視図であり、図３は送、受光プローブの外観を示す斜視図であり、図４は送光プローブの概略的な断面図であり、図５は受光プローブの概略的な断面図であり、図６は本発明の光脳機能計測装置の構成を示すブロック図である。

本発明に係る光脳機能計測装置は、被検者１の頭部に被せられたホルダ２のソケット３に取り付けられる送光プローブＡ並びに受光プローブＢと、装置本体Ｃとから構成されている。ホルダ２は、被検者１の頭部の形態に合わせて密着して被せることができるように、柔軟なシート材や変形可能な部材で形成されている。

送光プローブＡは、ホルダ２のソケット３に着脱可能に差し込まれる円柱状（例えば、外径１０ｍｍ）の差込み部４を備え、内部にレンズ５ａと、制御基板６と、電源となるボタン型電池７とを備えている。
また、制御基板６には、近赤外光を被検者１の頭部に照射する発光素子（例えば、７８０ｎｍの近赤外光を出射するＬＥＤと、８３０ｎｍの近赤外光を出射するＬＥＤ）５ｂと、発光素子５ｂを駆動する光源駆動回路８と、光源駆動回路８を制御する制御回路９と、装置本体Ｃと通信する無線機能部１０とが搭載され、制御基板６は、ボタン型電池７と接続端子７ａを介して電気的に接続されている。

受光プローブＢは、ホルダ２のソケット３に着脱可能に装着される円柱状（例えば、外径１０ｍｍ）の差込み部１１を備え、内部にレンズ１２ａと、データ収集基板１３と、電源となるボタン型電池１４とを備えている。
また、データ収集基板１３には、被検者１の脳内を通過した光を検出する光センサ（例えば、フォトダイオード）１２ｂと、光センサ１２ｂで検出したアナログ信号を増幅するアンプ１５と、増幅したアナログ信号をデジタル電気信号に変換するアナログ／デジタル変換器１６と、デジタル電気信号を収集するデータ収集回路１７と、装置本体Ｃと通信する無線機能部１８と、メモリモジュール（図示せず）とが搭載され、データ収集基板１３は、ボタン型電池１４と接続端子１４ａを介して電気的に接続されている。

前記した送光プローブＡ並びに受光プローブＢのボタン型電池７、１４は、各プローブに対して交換ができるように装着されている。また、ボタン型電池７、１４は、充電可能となっていてもよく、１個のボタン型電池７、１４でなく２個のボタン型電池７、１４が装着されるようにしてもよい。さらに、ボタン型電池７、１４でなく太陽電池が取り付けられていてもよい。

さらに、前記装置本体Ｃは、送光プローブＡ並びに受光プローブＢと通信する無線通信部１９と、これら送、受光プローブＡ、Ｂを無線で制御する制御部２０と、受光プローブＢより受信したデータを解析し画像処理するデータ解析部２１と、画像処理されたデータを表示するモニタ等の表示装置２２とから構成されている。また、装置本体Ｃを駆動させるための電気は、配線２５を用いて電気的に接続された外部電源２４から取得される。

脳機能を測定するに際して、図１並びに図２に示すように、被検者１の頭部に被せられたホルダ２の測定部位にあるソケット３に、送、受光プローブＡ、Ｂを互いに近接する位置で対をなすように取り付ける。図面では便宜上、一対の送、受光プローブＡ、Ｂのみを示したが、実際には複数対の送、受光プローブが取り付けられる。
装置本体Ｃからの無線による指示により、送、受光プローブＡ、Ｂが起動すると、発光素子５ｂから被検者の頭部に近赤外光が所定のタイミングと時間幅とで照射され、当被検者の脳内を通過した光は、光センサ１２ｂで所定のタイミングと時間幅とで検出される。検出されたアナログ信号は、アンプ１５で増幅されてアナログ／デジタル変換器１６に送られてデジタル電気信号に変換され、データ収集回路１７で順次収集される。収集されたデータは一定量ごとにまとめられて無線機能部１８で装置本体Ｃに送信される。このとき、送信するデータが、どの受光プローブＢから送信されたものであるかが装置本体Ｃで区別されるように、シリアル番号等と一緒に送信されるようになっている。

装置本体Ｃの無線通信部１９で受信した受光プローブＢからのデータは、従来の近赤外光分析法を利用した光脳機能計測装置と同様に、データ解析部２１でデータ解析されて画像処理され、画像処理されたデータは表示装置２２で画像表示される。

上記のように、本発明に係る光脳機能計測装置では、送光プローブＡや受光プローブＢがボタン型電池７、１４をそれぞれ備えている。また、近赤外光の照射や検出したデータの送受信を行うため、従来のような送、受光プローブと装置本体とを接続する光ファイバをなくすことができる。これにより、光ファイバの存在による測定時の拘束をなくすことができるとともに、被検者への送、受光プローブの装着を短時間で容易にでき、かつ、装置全体をシンプルに構成することができる。また、送光プローブと受光プローブとの取り付け数を簡単に増加・減少することができる。そして、装置本体も送光プローブと受光プローブと光ファイバを用いて接続される必要がないので、光ファイバを接続するためのコネクタを設ける必要がないため、小型化することができる。

なお、上記実施例では、受光プローブＢのデータ収集回路１７に光センサ１２ｂで取得したデータを一定量ごとにまとめて装置本体Ｃに送信するようにしたが、データを順次リアルタイムで装置本体Ｃに送信するようにしてもよい。
また、１個の送光プローブＡに１個のボタン型電池７を備えるとともに１個の受光プローブＢに１個のボタン型電池１４を備えるような構成を示したが、１個の送光プローブＡと１個の受光プローブＢとに１個のボタン型電池を備えるとともに、１個の送光プローブＡと１個の受光プローブＢとを配線で電気的に接続するような構成としてもよい。
さらに、装置本体Ｃを駆動させるための電気は、配線２５を用いて電気的に接続された外部電源２４から取得されるような構成を示したが、装置本体Ｃにバッテリ等が内蔵されているような構成としてもよい。

以上本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態に特定されるものでなく、本発明の目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明は、被検者の頭部に近赤外光を照射し、当被検者の脳内を通過した光を計測することにより近赤外光分光法を用いて脳の活動を計測する光脳機能計測装置に好適に利用することができる。

Ａ送光プローブ
Ｂ受光プローブ
Ｃ装置本体
１被検者
２ホルダ
３ソケット
５ｂ発光素子
７電池
９制御部
１０送光プローブの無線機能部
１２ｂ光センサ
１４電池
１８受光プローブの無線機能部
１９装置本体の無線通信部
２０装置本体の制御部
２１データ解析部
２２表示装置

Claims

被検者の頭部に近赤外光を照射し、当被検者の脳内を通過した光を計測することにより脳の活動を計測する光脳機能計測装置において、
被検者の頭部に被せられたホルダのソケットに取り付けられる送光プローブ並びに受光プローブと、装置本体とからなり、
前記送光プローブは、近赤外光を被検者の頭部に照射する発光素子と、発光素子を制御する制御部と、前記制御部を介して前記発光素子を制御するための信号を前記装置本体と通信する無線機能部と、電源となる電池とを備え、
前記受光プローブは、被検者の脳内を通過した光を検出する光センサと、光センサで検出した光情報を収集するデータ収集部と、データを装置本体に送信する無線機能部と、電源となる電池とを備え、
前記装置本体は、送光プローブ並びに受光プローブと通信する無線通信部と、これら送、受光プローブを無線で制御する制御部と、受光プローブより受信したデータを解析処理するデータ解析部とを備えることを特徴とする光脳機能計測装置。
前記受光プローブの無線機能部は、受光プローブの識別情報を含むデータを装置本体に送信する請求項１に記載の光脳機能計測装置。
前記受光プローブのデータ収集部で取得したデータを一定量蓄積して装置本体に送信するようにした請求項１または請求項２のいずれかに記載の光脳機能計測装置。
前記受光プローブのデータ収集部で取得したデータを順次リアルタイムで装置本体に送信するようにした請求項１または請求項２のいずれかに記載の光脳機能計測装置。