(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発生した光を生体頭部に誘導し、照射する光照射用光ファイバと、生体を通過した光を集光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先端側で保持し生体頭部の所定位置に夫々固定し、その後端側にマーカ部材を保持する複数のプローブと、
当該プローブが固定された状態を撮影出来る撮像部と、
当該撮像された画像を処理する演算部と、記憶部とを備え、
前記演算部は、前記撮像部により撮像された前記プローブが固定された状態の画像を基に、前記マーカの先端部重心とマーカ軸方向を算出してマーカ方向ベクトルを求め、当該マーカ方向ベクトルと、前記記憶部にあらかじめ記憶されたマーカ先端部重心と計測点との距離情報から、マーカベクトルを導出し、計測点の位置情報を導出することを特徴とする生体光計測システム。
【請求項２】
請求項１に記載の生体光計測システムにおいて、
前記マーカは、マーカ軸よりも後端部形状が大きなマーカ端部を備えることを特徴とする生体光計測システム。
【請求項３】
請求項２に記載の生体光計測システムにおいて、
前記マーカ軸の長さが、隣接するマーカ軸と異なることを特徴とする生体光計測システム。
【請求項４】
請求項２に記載の生体光計測システムにおいて、
前記マーカ軸にマーカ軸の色とは異なる色の目印を備えることを特徴とする生体光計測システム。
【請求項５】
請求項１に記載の生体光計測システムにおいて、導出したプローブと被検体とが接する位置が複数の位置である場合に、それぞれの距離が所定の範囲を超える場合に警告を発する提示部を備えることを特徴とする生体光計測システム。
【請求項６】
発生した光を生体頭部に誘導し、照射する光照射用光ファイバと、生体を通過した光を集光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先端側で保持し生体頭部の所定位置に夫々固定するプローブとを少なくとも有する生体計測装置を用いた測定位置計測方法において、
前記プローブの夫々は、その後端側にマーカ部材を保持しており、
当該プローブが固定された状態の画像を基に、前記マーカの先端部重心とマーカ軸方向を算出してマーカ方向ベクトルを求め、当該マーカ方向ベクトルと、あらかじめ記憶されたマーカ先端部重心と計測点との距離情報から、マーカベクトルを導出し、計測点の位置情報を導出することを特徴とする測定位置計測方法。
【請求項７】
発生した光を生体頭部に誘導し、照射する光照射用光ファイバと、生体を通過した光を集光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先端側で保持し生体頭部の所定位置に夫々固定し、その後端側にマーカ部材を保持する複数のプローブと、
当該プローブが固定された状態が撮影された画像を読み取る読取部と、
当該撮像された画像を処理する演算部と、記憶部とを備え、
前記演算部は、前記撮像部により撮像された前記プローブが固定された状態の画像を基に、前記マーカの先端部重心とマーカ軸方向を算出してマーカ方向ベクトルを求め、当該マーカ方向ベクトルと、前記記憶部にあらかじめ記憶されたマーカ先端部重心と計測点との距離情報から、マーカベクトルを導出し、計測点の位置情報を導出することを特徴とする生体光計測装置。
【請求項８】
請求項７に記載の生体光計測装置において、
前記マーカは、マーカ軸よりも後端部形状が大きなマーカ端部を備えることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項９】
請求項８に記載の生体光計測装置において、
前記マーカ軸の長さが、隣接するマーカ軸と異なることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の生体光計測装置において、
前記マーカ軸にマーカ軸の色とは異なる色の目印を備えることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項１１】
請求項７に記載の生体光計測装置において、導出したプローブと被検体とが接する位置が複数の位置である場合に、それぞれの距離が所定の範囲を超える場合に警告を発する提示部を備えることを特徴とする生体光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体光計測において、生体計測部位における計測位置を測定する装置、方法、システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、可視から赤外の波長の光を生体に照射し、生体を通過した光を検出することにより、生体内部(例えば頭部内)を簡便に、且つ生体に対して非侵襲で計測する装置が例えば、特許文献１等に開示されている。
当該特許文献１では、異なる変調周波数の光を発生する変調半導体レーザと、発生した光を生体頭部に誘導し、照射する照射用光ファイバと、生体を通過した光を集光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頭部の所定位置に固定する計測プローブと、検出用ファイバから出力される生体通過光強度を表す電気信号から波長及び照射位置に対応する反射光強度をそれぞれ分離するロックインアンプと、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変換後の生体通過光強度信号から計測点毎の酸化及び還元ヘモグロビン濃度の相対変化量を計算し、この相対変化量を生体通過光強度画像（トポグラフィ画像）として表示する技術について開示されている。
【０００３】
また計測時において、座位あるいは立位を保持することが難しい生体に対して、検査対象である被検体頭部が動いた時に照射用及び検出用光ファイバと頭皮との接触位置の位置ずれを抑制する技術について、例えば特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−９８９７２号公報
【特許文献２】特許第４４８４３７３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jasper HH (1958) The ten-twenty electrode system of the International Federation. Electroencephalography and clinical Neurophysiology 10:371-375.
【非特許文献２】Spatial registration of multichannel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. Singh AK, Okamoto M, Dan H, Jurcak V, Dan I. Neuroimage. 2005; 27(4):842-51.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば特許文献１にあるような、生体頭部を非侵襲的に頭皮上から計測するような計測方法では、計測対象の形状（例えば頭部形状）に合わせて計測機器を配置することになる。したがって、計測機器を配置した位置（計測位置）は、計測対象によって異なる。
または、手作業で計測機器を配置した場合は、誤差が生じてしまう。
さらに、計測対象を傷つけないために計測機器に柔軟性を持たせている場合は、計測機器と計測対象との接触状態が不安定になるため、計測位置は計測の度に検討することが必要である。
【０００７】
そこで、被検体頭部に目印を設けることで再現性を持たせることも可能であるが、通常頭部には毛髪があり、頭部に直接マーキングすることは容易ではなく、心理的抵抗も大きい。
【０００８】
これに対し、計測機器自体に目印を付加し、上記の課題を解決する手段が考えられる。しかし、計測機器が保持具などによって覆われてしまっている場合、外観から計測機器の位置を観測することは不可能となってしまう。
【０００９】
特に、計測対象が生体のようが柔軟性を持っているものの場合、計測機器にも柔軟性を持たせ、計測機器と計測対象との接触状態を向上させ、良好な結果を得ようとする場合が多い。例えば、特許文献２にある装置では、計測機器の先端部にバネ機構を用いることで計測対象との接触状態を良好に保っている。このバネ機構のため、計測機器（この場合はプローブ）はバネ機構を有する保持具（この場合はプローブホルダ）によって覆われており、計測機器の正確な位置は不明である。
仮に、計測機器の位置が、保持具の形状と計測対象との位置関係から推定できる可能性があったとしても、特に頭部を計測対象とした場合には、毛髪あるため、正確な計測対象の位置推定が困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで本発明では、上記課題を解決するための一例としては、発生した光を生体頭部に誘導し、照射する光照射用光ファイバと、生体を通過した光を集光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先端側で保持し生体頭部の所定位置に夫々固定するプローブとを少なくとも有する生体計測装置を用いた測定位置計測方法において、前記プローブの夫々は、その後端側にマーカ部材を保持しており、当該プローブが固定された状態の画像を基に、前記マーカの先端部重心とマーカ軸方向を算出してマーカ方向ベクトルを求め、当該マーカ方向ベクトルと、あらかじめ記憶されたマーカ先端部重心と計測点との距離情報から、マーカベクトルを導出し、計測点の位置情報を導出することを特徴とする。
【００１１】
また他の一例としては、生体光計測システムにおいて、発生した光を生体頭部に誘導し、照射する光照射用光ファイバと、生体を通過した光を集光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先端側で保持し生体頭部の所定位置に夫々固定し、その後端側にマーカ部材を保持する複数のプローブと、当該プローブが固定された状態を撮影出来る撮像部と、当該撮像された画像を処理する演算部と、記憶部とを備え、前記演算部は、前記撮像部により撮像された前記プローブが固定された状態の画像を基に、前記マーカの先端部重心とマーカ軸方向を算出してマーカ方向ベクトルを求め、当該マーカ方向ベクトルと、前記記憶部にあらかじめ記憶されたマーカ先端部重心と計測点との距離情報から、マーカベクトルを導出し、計測点の位置情報を導出することを特徴とする。
【００１２】
またさらに他の一例としては、生体光計測装置において、発生した光を生体頭部に誘導し、照射する光照射用光ファイバと、生体を通過した光を集光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先端側で保持し生体頭部の所定位置に夫々固定し、その後端側にマーカ部材を保持する複数のプローブと、当該プローブが固定された状態が撮影された画像を読み取る読取部と、当該撮像された画像を処理する演算部と、記憶部とを備え、前記演算部は、前記撮像部により撮像された前記プローブが固定された状態の画像を基に、前記マーカの先端部重心とマーカ軸方向を算出してマーカ方向ベクトルを求め、当該マーカ方向ベクトルと、前記記憶部にあらかじめ記憶されたマーカ先端部重心と計測点との距離情報から、マーカベクトルを導出し、計測点の位置情報を導出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明を用いることにより、計測機器(プローブ)と計測位置とを結ぶ直線のベクトルを画像処理によって求めることが可能となり、あらかじめ設定しておいた目印と計測機器最下部との距離から、正確な計測位置を得ることができるので、再現性の高い計測を実行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】マーカ付プローブの概略図である。
【図２】マーカ付プローブの構成例を示す図である。
【図３】マーカ付プローブの別構成例を示す図である。
【図４】マーカ付プローブの別構成例を示す図である。
【図５】実施例の作業フローを示すフロー図である。
【図６】マーカから計測点を導出する流れを示す模式図である。
【図７】計測点の位置ずれを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施例を図面を用いて説明する。以下では生体(被検体)計測部位を頭部として例示するが、頭部に限らず光透過性を有する生体部位であれば計測可能である。
【実施例１】
【００１６】
本実施例では頭表から脳活動に伴う血行動態変化を計測する光トポグラフィ装置で用いられる光ファイバプローブを計測機器の例として説明する。図１は本実施例の光ファイバプローブの構成図の例である。ここでは、光ファイバを用いた照射部、受光部について説明するが、LED等の照射手段を用いることも可能である。
【００１７】
光ファイバプローブ（１０５）はプローブホルダ（１０２）により保持されている。計測では、計測対象となる被験者の頭部に、ホルダ保持具（１０４）をキャップなどにより固定し、そこにプローブホルダ（１０２）を挿入し固定する。
計測対象である生体は柔軟性があり、また形状が不均一であるため、接触状態を最適に保つために、ばね機構（１０３）によりプローブ（１０５）は常に一定の圧力で計測対象に接している。しかし、計測プローブ（１０５）と計測対象との結合状態は非常に弱いものである。このために、プローブ（１０５）が接している計測対象の位置（１０６）（以降、計測点とする）は不確定性が高くなってしまう。
そこで本実施例では、プローブ（１０５）の後端にマーカ（１０１）を取り付けることとする。マーカ（１０１）はプローブ（１０５）の先端位置を外見から推定可能なように、プローブ先端部への方向を示し、さらにプローブ先端部までの距離を推定可能とする。
【００１８】
具体的なマーカ付プローブの形状の例を図２〜４に示す。
図２ではマーカの先端部（２０１）は球状であり、その下部にプローブ後端と接続されたプローブ軸（２０２）がある。プローブはホルダ（２０２）によりおおわれており、内部の状態は不明である。これをキャップ（２０４）に装着して用いる。
【００１９】
図３では隣接したプローブにおいて、一方のマーカ軸（３０１）の長さが隣接したマーカ軸と異なる長さで構成されており、写真撮影時に両者のプローブが重なり合ってしまった場合でも個別に認識を可能とするものである。
【００２０】
図４はマーカ軸（６０２）に色の異なる目印（６０５）を設置したものである。これにより、マーカ後端（６０１）とプローブ先端の計測点とを結ぶベクトルの算出精度を高めることも可能である。なぜならば、目印（６０５）はマーカ後端（６０１）とプローブ先端を結ぶ直線上にあるはずであり、この拘束条件を加えるによって推定精度が高まる。
また、目印（６０５）の色を変える代わりに、形状を変化させても良い。例えば目印位置に三角錐を備えることによりプローブ軸が重なった場合でも認識が可能となる。
【００２１】
この計測装置は、図５に示すようなフローで用いられる。装置の電源を入れ、計測用プローブを被験者に装着した後、プローブを含むような画像を静止画または動画像として、撮像部(デジタルカメラ等)で撮影する。
撮影は位置を変え、すべてのプローブが複数回撮影されるように行う。
この時、撮影位置の変更について詳しい情報が正確に求められる場合はそれらの情報を用いるが、撮影位置の変更の情報がない場合は、撮影された2枚以上の画像から推定する。マーカ位置推定は三角測量の要領で算出することができる。しかし、撮影時の位置情報が得られない場合には、画像中の寸法や位置関係の実測値が既知のものを手掛かりとして、位置情報を推定する。
画像処理ではまず、色の閾値処理によりマーカ画像を抽出する。このとき、色の閾値処理のみではマーカ画像の抽出が困難な場合は、手動での調整を可能としても良い。
【００２２】
次に、図６に示すように、マーカ形状から先端部重心（７０１）とマーカ軸方向（７０２）を求め、マーカ方向ベクトル（７０３）を求める。具体的にはパターンマッチングなどの手法を用いる。
ここで、図では先端部は球状であるが、三角柱など、3次元的な形状認識を考慮した別の形状のものを用いてもよい。つぎに、あらかじめ記録しておいたマーカ先端部重心（７０１）と計測点（７０６）との距離から、マーカベクトル（７０５）を導出し、計測点（７０６）の位置を導出する。
これを全てのプローブに対し行い、結果を３次元モデルとして画面に表示する。
この際、視認性を高めるために実際の写真画像を３次元化し、背景として重ねて表示しても良い。通常の光トポグラフィ計測では、プローブは複数を同時に用いて計測する。
そして、それぞれのプローブ同士の隣接関係をあらかじめ決めてから計測を行う。
そこで、このプローブ同士の隣接関係を記録した隣接情報と、全プローブの導出した計測点をと比較し、画像処理が行われていない、不良計測点がある場合は警告を出し、写真の再撮影を促す。ここで、隣接情報とはプローブ間距離がある所定範囲に収まるという拘束条件を意味する。
なぜならば、図７に示すように、理想的な計測点（４０５）を実際の計測点とする場合には、プローブは補助線（４０１）に完全に沿って設置されている必要があるが、キャップ（４０２）と頭部（４０４）との位置関係は柔軟な固定法であるがゆえに不定性があり、頭表面法線ベクトル（４０３）と垂直に設置することは困難だからである。現実には理想の計測点（５０２）とは少しずれた計測点（５０１）を計測点としてしまうからである。
【００２３】
また、隣接したプローブ同士の距離は計測対象の深さに応じて定められるものである。そこで、隣接マーカ間距離を算出し、所定の範囲を超える場合には呈示部において警告を出す。ここで警告は表示装置に警告表示をさせる、もしくは音声で警告することも可能である。
このとき、所定のプローブ間距離は頭表と大脳皮質までの距離が計測点ごとに異なることを考慮して、個別に設定可能としても良い。また、MRI画像などがある場合は、自動的に最適なプローブ間距離を算出して用いても良い。警告画面では、プローブの調整すべき方向と距離を矢印の向きと長さをプローブ位置に重ねて表示することで視認性を高めることもできる。警告の表示後、必要であればプローブの再装着を促す。
【実施例２】
【００２４】
実施例１の機能に加えて、計測点が実際の脳表のどの位置に対応しているかを知ることは、計測結果を理解する上で重要である。それに対し、非特許文献１では、被検体における頭部ランドマークの３次元位置を求め、あらかじめ記録しておいた標準脳座標における、前記被検体におけるランドマークに対応するランドマークの位置情報と比較し、実際の座標系を変換することにより、計測点の脳表上での位置を推定する方法が提案されている。  具体的には、頭部基準点とは、非特許文献２に示される国際10-20法に基づく基準点などを指す。
本発明による位置決定手法を用いることによって、上記内容を簡便に実現することが可能となる。具体的には、プローブのマーカに対する画像処理と同様に、これらの頭部基準点に設置されたマーカから基準点の座標を算出する。算出結果を３次元画像として画面に表示することにより利用者の視認性を高めることができる。
【００２５】
そして、あらかじめ定めてある標準脳座標系における頭部基準点の座標を用い、実際の頭部基準点に対応する標準脳頭部基準点との変換行列を算出する。具体的には、複数の3次元座標を対応する複数の3次元座標へ変換する変換行列を最小二乗法などにより求める。この変換はAffine変換と呼ばれる変換である。または、非線形な変換方法を用い、変換パラメータを用いても良い。このようにして得られた変換演算パラメータを用い、プローブマーカから算出した計測点座標を変換し、標準脳座標上での計測点を算出する。
標準脳座標系で示された座標は、脳機能領野との対応付けがあらかじめなされているものであるから、実際の計測点がどの脳機能領野上にあるかを導出することが可能である。上記の変換方法は、非特許文献２に詳細が記されている。
【００２６】
また、実際の計測では光を照射するプローブと光を検出プローブとの中点が計測点とされるため、2つのプローブ先端として求めた計測点の中点を真の計測点として用いても良い。
【００２７】
そして、被験者に配置されたプローブがどの脳機能領野を計測対象としているかを画面に表示することで、利用者の視認性を高めることができる。さらに、プローブをどのように移動すれば別の機能領野を計測対象とすることができるかを、移動方向の矢印と領野名とで表示しても良い。
【符号の説明】
【００２８】
１０１  マーカ部
１０２  プローブホルダ部
１０３  バネ部
１０４  プローブ保持キャップ部
１０５  プローブ部
１０６  計測点
２０１  マーカ後端部
２０２  マーカ軸部
２０３  プローブホルダ部
２０４  プローブ保持キャップ部
３０１  短いマーカ軸部
６０１  マーカ後端部
６０２  マーカ軸部
６０３  プローブホルダ部
６０４  プローブ保持キャップ部
６０５  色の異なるプローブ軸目印部
７０１  マーカ後端重心位置
７０２  マーカ軸算出位置
７０３  マーカ方向ベクトル
７０４  マーカベクトル
７０５  計測点
４０１  マーカ軸補助線
４０２  プローブ保持キャップ部
４０３  頭表面法線ベクトル
４０４  頭部被検体
４０５  計測点
５０１  算出されたずれのある計測点
５０２  計測点
【図５】
0005470231.tif 000002
【図６】
0005470231.tif 000003
【図１】
0005470231.tif 000004
【図２】
0005470231.tif 000005
【図３】
0005470231.tif 000006
【図４】
0005470231.tif 000007
【図７】
0005470231.tif 000008