(57)【要約】  本発明は、脳の活動をより精度良く計測するための装置及び方法を提供することを目的とする。  本目的を実現するため、本発明は被験者の頭皮に向けて光を照射する光源プローブ（２０）と、被験者の頭部内組織を経由して頭皮から射出される光の強度を検出する検出器プローブ（２２）と、光源プローブ（２０）と検出器プローブ（２２）を支持すると共に、光源プローブ（２０）と検出器プローブ（２２）との間で頭皮を覆うように配設され、上記頭皮から射出される光に対する反射率を変化させるホルダ（２４）とを備えた脳機能計測装置を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の頭皮に向けて光を照射する光照射手段と、  前記被験者の頭部内組織を経由して前記頭皮から射出される光の強度を検出する検出手段と、  前記光照射手段と前記検出手段を支持する支持手段と、  前記光照射手段と前記検出手段との間で前記頭皮を覆うように配設され、前記頭皮から射出される光に対する反射率を変化させる反射率制御手段とを備えた脳機能計測装置。
【請求項２】
前記支持手段は、前記反射率制御手段を兼ねる、請求項１に記載の脳機能計測装置。
【請求項３】
前記支持手段は、調光素子である、請求項１又は２に記載の脳機能計測装置。
【請求項４】
前記支持手段は、シャッタである、請求項１又は２に記載の脳機能計測装置。
【請求項５】
光照射手段を用いて、被験者の頭皮に向けて光を照射する第１のステップと、  検出手段を用いて、前記被験者の頭部内組織を経由して前記頭皮から射出される光の第１の強度を検出する第２のステップと、  前記光照射手段と前記検出手段との間で前記頭皮を覆うように配設された反射率制御手段の前記頭皮から射出される光に対する反射率を変化させ、前記頭皮から射出される光の第２の強度を検出する第３のステップと、  前記第１の強度と前記第２の強度から前記頭部内組織における物理量の変化を算出する第４のステップとを有する脳機能計測方法。
【請求項６】
前記光は、近赤外光である請求項５に記載の脳機能計測方法。
【請求項７】
前記頭部内組織における物理量は、前記頭部内組織を流れる血液中において酸素と結合若しくは離脱したヘモグロビン濃度である請求項５に記載の脳機能計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、脳の機能を計測するための装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  近年、生体透過性が比較的高い近赤外光を用いて頭皮上から非侵襲的に脳活動を計測する機能的近赤外分光法（functional near-infrared spectroscopy: fNIRS）と、この方法を用いた測定装置が普及し利用されている。【０００３】  これは、脳の神経活動に伴って生じる局所脳血流変化における血液中の酸素化若しくは脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を各分子種の分光特性の違いに基づいて推定する方法であり、本方法を採用した装置である。【０００４】  この方法若しくは装置によれば、頭皮上に入射プローブと検出プローブを配置して両プローブ間の計測点、すなわちチャネルを構成し、ヘモグロビンの濃度変化に起因する吸光度の変化を計測することができる。【０００５】  従来から市販されている上記装置の問題点は、吸光度変化に局所脳血流変化以外に起因する信号成分が混在してしまうことであった。これに対し、本願に係る発明者は、特許文献１において、頭部の表層組織よりも深部に位置する脳組織での血流変動を抽出する方法として多重配置法を提案した。また、同発明者は、特許文献２において、脳機能活動で生じる血流変動にのみ特徴的な信号変動を抽出する方法として血流動態分離法を提案した。【０００６】  さらに、同発明者は、非特許文献１において、多重配置法と血流動態分離法の双方を同時に適用した実験例により、抽出波形が非常によく一致することを確認し、両方法の有用性を実証した旨を開示した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５１８２８５６号公報
【特許文献２】特許第５６４１３５５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Yamada T., Umeyama S., and Matsuda K., “Separation of fNIRS Signals into Functional and Systemic Components Based on Differences in Hemodynamic Modalities,” PLOS ONE, 7, e50271 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  しかし、上記の多重配置法では、各チャネルにおいて測定値を得るために、検出プローブのみならず参照プローブも必要とするため、測定装置の製造コストが高くなると共に、当該測定装置は頭部に装着しづらくなるという問題がある。【００１０】  また、このような問題を解決した上記の血流動態分離法でも、前提となる脳機能活動に伴う血流動態のあり方が、疾病状態下や他の脳領野でも同様であるかは検証されていないため、リハビリテーション中の脳疾患患者を対象とする場合などにも有効であるか否かは明らかでないという問題がある。【００１１】  本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、脳の活動をより精度良く計測するための装置及び方法を提供することを目的とする。    
【課題を解決するための手段】
【００１２】  上記課題を解決するため、本発明は被験者の頭皮に向けて光を照射する光照射部と、被験者の頭部内組織を経由して頭皮から射出される光の強度を検出する検出部と、光照射部と検出部を支持する支持部と、光照射部と検出部との間で頭皮を覆うように配設され、上記頭皮から射出される光に対する反射率を変化させる反射率制御部とを備えた脳機能計測装置を提供する。【００１３】  また、上記課題を解決するため、本発明は光照射部を用いて、被験者の頭皮に向けて光を照射する第１のステップと、検出部を用いて、被験者の頭部内組織を経由して頭皮から射出される光の第１の強度を検出する第２のステップと、光照射部と検出部との間で頭皮を覆うように配設された反射率制御手段の上記頭皮から射出される光に対する反射率を変化させ、頭皮から射出される光の第２の強度を検出する第３のステップと、第１の強度と第２の強度から頭部内組織における物理量の変化を算出する第４のステップとを有する脳機能計測方法を提供する。
【発明の効果】
【００１４】  本発明によれば、脳の活動をより精度良く計測するための装置及び方法を提供すること    ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る脳機能計測装置１の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示された検知部３の構成を示す断面図である。
【図３】図２に示されたホルダ２４の第１構成例を示す断面図である。
【図４】図２に示されたホルダ２４の第２構成例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る脳機能計測方法を示すフローチャートである。
【図６】図５に示された脳機能計測方法を説明するための断面図である。
【図７】図２に示されたホルダ２４の第３構成例を示す断面図である。
【図８】図７に示されたシャッタ５０の構成を示す平面図である。
【図９】図２に示されたホルダ２４の第４構成例を示す図である。
【図１０】図２に示されたホルダ２４の第５構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】  以下において、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。  図１は、本発明の実施の形態に係る脳機能計測装置１の全体構成を示すブロック図である。図１に示されるように、脳機能計測装置１は、計測端末２と検知部３とを備え、計測端末２は制御部１０、データ計測部１１、記憶部１２、操作部１３、表示部１４、及び光源部１５を含む。
【００１７】  ここで、検知部３と光源部１５とは光照射用ワイヤ５により接続され、検知部３とデータ計測部１１とはデータ用ワイヤ７により接続される。また、検知部３は制御部１０に接続される。
【００１８】  制御部１０は、データ計測部１１、記憶部１２、操作部１３、表示部１４、及び光源部１５に接続され、記憶部１２はさらにデータ計測部１１及び表示部１４に接続される。また、表示部１４は操作部１３にも接続される。
【００１９】  上記のような構成を有する脳機能計測装置１は、酸素運搬時と非運搬時のヘモグロビンが近赤外領域での分光吸収特性を異にするという性質を利用したものであり、具体的には、頭皮上に置かれた検知部３において、図２に示されるように、所定の距離だけ隔てて光源プローブ２０と検出プローブ２２が固定され、光源プローブ２０から強度Ｉ０で射出され頭部内の生体組織中を伝搬して検出プローブ２２に入射する破線で示された近赤外光の強度の時間変化（吸光度の時間変化）を計測することによって、酸素運搬時におけるオキシヘモグロビンと非運搬時におけるデオキシヘモグロビンの本組織中での変化量を推定するものである。
【００２０】  また、図２に示されるように、互いに離れた光源プローブ２０と検出器プローブ２２との間には、頭皮を覆うように配設されて光源プローブ２０と検出器プローブ２２を支持するホルダ（支持部）２４が備えられる。
【００２１】  ここで、ホルダ２４は、外部から制御することにより光の反射率を任意に変化させることのできるデバイスにより構成され、頭皮から射出される光の生体組織における経路を変化させる機能を奏するものである。具体的には、例えば特許第５１６６３４７号公報の図７及び図８に示された調光デバイスが採用されるため、以下においては本調光デバイスについて説明する。
【００２２】  図３は、図２に示されたホルダ２４の第１構成例を示す断面図である。図３に示されるホルダ２４は、雰囲気制御器３０とシール部材３１，３２、ガラス板３３，３４、調光層３５、触媒層３６、及びガス充填室３７とを備える。
【００２３】  ここで、一方のガラス板３３の上には順次調光層３５、触媒層３６が形成され、シール部材３１，３２で封止されることにより触媒層３６と他方のガラス板３４との間にガス充填室３７が設けられる。そして、ガス充填室３７には予めアルゴンガスが封入される。
【００２４】  また、制御部１０から供給される制御信号Ｓｃにより制御される雰囲気制御器３０により、ガス充填室３７において水素、及び、酸素若しくは空気が給排気される。
【００２５】  このような構成を有する調光デバイスにおいて、水素がガス充填室３７に供給されると調光層３５が水素化されて透明状態になり、酸素若しくは空気がガス充填室３７に供給されると調光層３５が脱水素化されて反射状態になる。従って、雰囲気制御器３０が、供給された制御信号Ｓｃに応じてガス充填室３７の雰囲気を制御することにより、透明状態と反射状態の両状態を可逆的に制御することができる。
【００２６】  図４は、図２に示されたホルダ２４の第２構成例を示す断面図である。図４に示されるように、他の構成例においては、ガラス板３３，３４、調光層３５、触媒層３６の他、透明電極４１，４２が備えられ、透明電極４１と触媒層３６との間には電解液４３が満たされる。
【００２７】  そして、制御部１０から供給される制御信号Ｓｃにより制御される電源により、二つの透明電極４１，４２間に電圧が印加される。
【００２８】  このような構成を有する調光デバイスにおいて、透明電極４２へ透明電極４１に対して負の電圧を印加すると調光層３５が水素化されて透明状態となり、逆に正の電圧を印加すると調光層３５が脱水素化されて反射状態になる。従って、両透明電極４１，４２間の電圧が制御信号Ｓｃに応じて制御されることにより、透明状態と反射状態の両状態を可逆的に制御することができる。
【００２９】  以下において、以上のような構成を有する脳機能計測装置１を用いた脳機能計測方法について、図５を参照しつつ詳しく説明する。
【００３０】  最初にステップＳ１において、光照射手段を用いて、被験者の頭皮に向けて光を照射する。ここで、光照射手段としては、例えば、図１に示された制御部１０により制御される光源部１５、光照射用ワイヤ５、及び光源プローブ２０が採用される。
【００３１】  次に、ステップＳ２において、検出手段を用いて、被験者の頭部内組織を経由して頭皮から射出される光の第１の強度を検出する。ここで、検出手段としては、例えば、図２に示された検出器プローブ２２、図１に示されたデータ用ワイヤ７、及びデータ計測部１１が採用される。
【００３２】  図２においては、光源プローブ２０から被験者の頭部内組織へ入射された光のうち、灰白質を通過して頭皮から検出器プローブ２２へ射出される光と、減衰しながら頭皮内を進んで頭皮から検出器プローブ２２へ射出される光だけが破線で図示されているが、頭部内組織を進む光は種々の経路をとりうる。なお、図６においても同様である。
【００３３】  次に、ステップＳ３において、互いに離れた光照射手段と検出手段との間で頭皮を覆うように配設され、光照射手段と検出手段とを支持する支持手段の上記光に対する反射率を変化させ、頭皮から射出される光の第２の強度を検出する。ここで、支持手段としては、例えば、図２に示されたホルダ２４が採用される。また、反射率を変化させるための手段としては、例えば、図１に示された制御部１０が採用される。
【００３４】  以下において、ホルダ２４の反射率を０パーセント（透過状態）として上記光の第１の強度を検出し、ホルダ２４の反射率を１００パーセント（反射状態）に変化させて上記光の第２の強度を検出した場合を一例として説明する。
【００３５】  まず、ホルダ２４が透過状態にあるときは、図２に示されるように、光源プローブ２０から頭部内組織へ入射された光のうち頭皮を伝搬する光の一部は検出器プローブ２２へ到達することなく空中へ放射され、再び本組織に戻ることはない。そして、組織内を進む光はこのような散逸の他、吸収、若しくは散乱されて、上記のように減衰された光が検出器プローブ２２に受光されることになる。
【００３６】  一方、ホルダ２４が反射状態にあるときは、図６に示されるように、頭皮を進む光の進路が図２に示された場合と異なり、ホルダ２４での反射により頭部内に再入射した光が頭部内組織により吸収、若しくは散乱される。従って、ホルダ２４が透過状態にあるときに検出器プローブ２２へ入射する光の経路と、ホルダ２４が反射状態にあるときに検出器プローブ２２へ入射する光の経路とは相当程度に異なるものと考えられる。
【００３７】  次に、ステップＳ４において上記光の第１の強度と第２の強度から、頭部内組織における物理量の変化を算出する。以下において、一例として、上記物理量が、頭部内における局所脳血流変化における酸素化若しくは脱酸素化ヘモグロビンの濃度である場合について詳しく説明する。
【００３８】  人の頭部は、図２や図６に示されるように、頭皮、頭蓋骨、髄液、大脳灰白質、大脳白質など、光学的特性が異なる組織からなる多層構造を持つ。このため、上記の脳機能計測装置１で計測される吸光度Ａの変化は以下の式で表される。
【００３９】
【数１】
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【００４０】  ここで、λは入射光の波長、ｌ（エル）は各組織層での部分実効光路長、μは吸収係数、添え字のｓｃ、ｓｋ、ｃｓｆ、ｇｍ、ｗｍはそれぞれ頭皮、頭蓋骨、髄液、灰白質、白質の組織層を示す。この中で、頭蓋骨、髄液では光吸収の時間変化が少ない。また、白質は他の組織に比べて部分実効光路長が極端に小さな値をとることが分かっている。このため、式（１）の主要項を抽出した以下のような近似式を用いることができる。
【００４１】
【数２】
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【００４２】  頭皮及び大脳灰白質で生じる血流変化は数秒程度の緩和時間を持つ過渡的応答を示すが、図２や図６に示したホルダ２４の透過状態と反射状態の切り替えをこれよりも十分に素早く行うことにより、ほぼ同一の血流状態において、以下のような二つの測定を実現できる。
【００４３】
【数３】
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【００４４】  そして、式（３）に示された連立方程式を解くことにより、以下の式（４）に示されるように、大脳灰白質由来の血流変化Δμλgmを頭皮由来の血流変化Δμλscから分離して抽出することが可能となる。
【００４５】
【数４】
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【００４６】  このようにして得られた各測定波長でのΔμλgmを用いて、局所脳血流変化における酸素化若しくは脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を以下のように計算できる。
【００４７】
【数５】
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【００４８】  ここで、Ｏ，Ｄは酸素化若しくは脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化、εＨ，λは各状態におけるヘモグロビンの波長λにおける分子吸光係数、行列の肩付き添え字＋は本行列の逆行列若しくは一般化逆行列であることを示す。
【００４９】  なお、以上のような本発明の実施の形態に係る脳機能計測方法は、図２及び図６に示されたホルダ２４として、機械的シャッタを用いて光の反射率を変化させるような脳機能計測装置を用いることによっても実現することができる。
【００５０】  すなわち、このような脳機能計測装置を用いる場合には、制御信号Ｓｃに応じて機械的シャッタを閉じることにより上記の反射状態を実現することができ、同信号に応じてシャッタを開けることにより上記の透過状態を実現することができる。
【００５１】  一例として、上記機能を実現する機械的シャッタとして、図７及び図８に示されたシャッタ５０が使用される。図７及び図８に示されるように、シャッタ５０は光源プローブ２０と検出器プローブ２２の間隔を半径とする円板からなり、透明なホルダ２４に格納される。  ここで、シャッタ５０は、半円部分の反射部５１において下面が光を反射するよう鏡面加工され、残りの半円部分の透過部５２において光を透過する。
【００５２】  このような構成を有するシャッタ５０は、制御信号Ｓｃに応じて光源プローブ２０の周りに回転され、光源プローブ２０と検出器プローブ２２の間の頭皮が透過部５２で覆われるときには、図２に示されるように頭部内組織へ入射された光の一部が空中へ放射される一方、反射部５１で覆われるときには、図６及び図７に示されるように当該光は空中へ放射されることなく反射部５１の下面で反射される。
【００５３】  なお、上記機械的シャッタとしては、図７及び図８に示されたシャッタ５０の替わりに、下面が鏡面加工された扇形の板をホルダ２４内において光源プローブ２０の周りに可動させるような構成としても良い。このような構成を有するシャッタを用いた場合、制御信号Ｓｃに応じて当該板が光源プローブ２０と検出器プローブ２２の間の頭皮を覆う位置に置かれたときには、図６及び図７に示されるように、当該光は空中へ放射されることなく当該下面で反射される一方、同信号に応じて当該板が光源プローブ２０と検出器プローブ２２の間の頭皮を覆わない位置に置かれたときには、図２に示されるように、頭部内組織へ入射された光の一部が空中へ放射される。
【００５４】  また、上記機械的シャッタとしては、ホルダ２４内に格納され、下面が鏡面加工された複数の遮蔽板が中心に向かって重なるようにせり出すことにより光を遮蔽する開閉型シャッタを用いても良い。このような構成を有するシャッタを用いた場合、制御信号Ｓｃに応じてシャッタが閉じられたときには、図６及び図７に示されるように、当該光は空中へ放射されることなく当該下面で反射される一方、同信号に応じてシャッタが開かれたときには、図２に示されるように、頭部内組織へ入射された光の一部が空中へ放射される。
【００５５】  なお、上記において、頭部内組織へ入射された光の一部が図２に示されるように空中へ放射される状態は、ホルダ２４自体がホルダ２４を透過しようとする光を全て吸収することによっても実現できる。
【００５６】  従って、例えば、図８に示されたシャッタ５０は、その透過部５２を透明材質で構成するほか、表面を黒色に塗装するようにしてもよい。
【００５７】  また、図２に示されたホルダ２４については、上記いずれの構成例においても、頭皮から射出される光に対する反射率を変化させる部分が、光源プローブ２０及び検出器プローブ２２を支持する構成となっている。すなわち、これらの構成要素は一体となっているが、必ずしも一体でなくても良いため、以下において具体例を示す。
【００５８】  図９は、図２に示されたホルダ２４の他の構成例を示す図であり、上方から見た平面構成と横から見た断面構成を示すものである。図９に示された構成例では、支持部材６０が光源プローブ２０及び検出器プローブ２２を支持すると共に、支持部材６０の下層において、上記シャッタ５０に相当する二つの扇型からなる反射部５１が光源プローブ２０を中心に回転する。
【００５９】  このことから、光源プローブ２０と検出器プローブ２２の間の領域を反射部５１が覆った場合と、そうでない場合とで検出器プローブ２２により検出される光量が異なることになる。
【００６０】  従って、頭皮から射出される光に対する反射率を変化させる反射部５１を光源プローブ２０及び検出器プローブ２２を支持する支持部材６０と別体としても、これまでに説明した上記ホルダ２４と同様な作用効果を得ることができる。
【００６１】  さらに、図１０に示されるように、図９に示された反射部５１に替えて、光源プローブ２０と検出器プローブ２２の各間に図３や図４に示された調光デバイス７０を配設することによっても、同様な作用効果を得ることができる。
【００６２】  以上より、図１に示された本発明の実施の形態に係る脳機能計測装置１、及び図５に示された本発明の実施の形態に係る脳機能計測方法によれば、頭皮における血流による影響を受けることなく頭部の光学的性質と解剖学的形態のみに基づき、脳機能活動に由来する血流変化のみを、簡易な装置若しくは方法によって精度よく測定することができる。
【符号の説明】
【００６３】１  脳機能計測装置、１０  制御部、１１  データ計測部、１５  光源部、２０  光源プローブ、２２  検出器プローブ、２４  ホルダ（支持部）、５０  シャッタ、５１  反射部、５２  透過部、６０  支持部材、７０  調光デバイス。 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2017154596.tif 000019
2017154596.tif 000020
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