(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体上の所定の照射点に光を照射するための１つまたは複数の光照射手段と、
前記被検体上に設置され、前記光照射手段により照射された光により励起され異なる発光スペクトルを有する光を発する発光体と、
前記１つまたは複数の光照射手段から照射され、前記被検体内を伝播してきた光を所定の検出点から検出するための１つまたは複数の光検出手段と、
前記１つまたは複数の光照射手段・光検出手段を制御する制御部と、
前記被検体内の光吸収特性を少なくとも算出する解析部と、を有し、
前記光照射手段と前記光検出手段のうち少なくとも一方は、前記被検体に対して非接触に配置され、
前記光照射手段及び前記光検出手段は、前記照射点と前記検出点との距離が2種類以上となるように、配置または制御され、
前記光検出手段は、前記発光体が発する光を検出可能であって、前記被検体内の異なる経路を伝播した光による複数の信号を分離して検出し、
前記解析部は、前記光検出手段で得られる前記複数の信号のうち所定の信号を選択し、
選択した信号を用いて前記被検体表面から複数種類の深さにおける光吸収特性もしくは生体成分の、変化もしくはそれらの分布を算出することを特徴とする生体計測装置。
【請求項２】
前記所定の検出点以外の位置から前記光検出手段に入射する光を遮蔽するための光遮蔽手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項３】
前記光遮蔽手段は、前記光検出手段と前記発光体との間に配置され、前記光照射手段により照射される光と同波長の光を遮蔽し、かつ、前記発光体により発せられる光と同波長の光を透過させる機能を有する波長フィルタであることを特徴とする請求項２に記載の生体計測装置。
【請求項４】
前記発光体は、少なくとも一部を前記光遮蔽手段で覆われることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項５】
前記解析部は、前記光検出手段で得られる検出波形を、前記発光体の蛍光寿命もしくはリン光寿命による応答関数を用いて逆畳み込み処理し、得られた信号を検出信号とすることを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記照射点もしくは前記検出点を随時変化させるための光学系制御機構を有することを特徴とする請求項１から５の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項７】
前記光学系制御機構は、ミラー、レンズ、ミラー駆動装置のいずれかよりなることを特徴とする請求項１から６の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項８】
前記光検出手段は、撮像器であることを特徴とする請求項１から７の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項９】
前記解析部は、前記被検体内を伝播した光が前記光検出手段へ到達する時刻を基準として、前記複数の信号から所定の信号を選択することを特徴とする請求項１から８の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項１０】
前記解析部における解析結果を表示するための表示部を有することを特徴とする請求項１から９の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項１１】
前記解析部は、前記被検体のMRIデータまたはX線CTデータを用いて、使用する計測点を選択することを特徴とする請求項１から１０の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項１２】
前記解析部は、被験者の副鼻腔分布を用いて、使用する計測点を選択することを特徴とする請求項１から１１の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項１３】
前記光照射手段は、パルス状の光を前記被検体に照射し、
前記光検出手段は、パルス光の検出波形を時間分解計測し、
前記解析部は、パルス光の所定の時間における検出強度を解析することを特徴とする請求項１から１２の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項１４】
前記被検体表面上に、前記光照射手段により照射される光を少なくとも透過させる透明層の位置を電子的制御により変化させることのできる光学特性可変手段を有することを特徴とする請求項１から１３の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項１５】
前記解析部は、検出強度が周囲の計測点の検出強度を平均した値に近い計測点を優先的に用いることを特徴とする請求項１から１４の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項１６】
前記制御部は、２次元に配置される前記発光体と所定の距離の範囲で前記照射点を変化させることを特徴とする請求項１から１５の何れか一つに記載の生体計測装置。
【請求項１７】
前記光照射手段より照射される光は、ヘモグロビンの等吸収点の波長で、かつ２種以上の異なる波長であることを特徴とする請求項１から１６の何れか一つに記載の生体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光または近赤外光を用い、光源及び検出器が被検体に対して非接触の生体光計測装置において、生体内部の光吸収特性、生体成分の変化、組織の構造を計測するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外分光法（NIRS）を用いた脳機能計測装置は、医療用および研究用機器として、あるいは、教育効果・リハビリ効果の確認、家庭における健康管理、商品モニタ等の市場調査に用いることができる。また、同様の手法により組織酸素飽和度計測や筋肉の酸素代謝計測に用いることができる。更に、果実の糖度計測を始め、一般の吸収分光装置にも用いることができる。
【０００３】
従来のNIRSを用いた脳機能計測装置には、ヒトの脳の表層付近の局所的血液動態変化を無侵襲的に画像化する光トポグラフィ法（Optical Topography: OT）がある。特許文献１、非特許文献１には、可視から赤外領域に属する波長の光を被検体に照射し、被検体内部を通過した光を数cm離れた点から光検出器で検出しヘモグロビン濃度変化量（または、ヘモグロビン濃度と光路長の積の変化量）を計測し、２次元に画像化する方法である光トポグラフィ法が開示されている。光トポグラフィ法は、核磁気共鳴画像法（Magnetic resonance imaging: MRI）、ポジトロン断層撮影法（Positron emission tomography: PET）等の脳機能計測技術に比較し被験者に対する拘束性が低いという特徴を持つ。臨床現場において、言語機能や視覚機能の計測、てんかん発作時の発作焦点脳部位の決定等に用いられている。
【０００４】
光トポグラフィ法を含む、NIRSを用いた無侵襲光脳機能イメージングで得られる光検出信号および生体信号（以下、NIRS信号）においては、2次元に限らず3次元的に血流変化分布を再構成する方法（拡散光トモグラフィ（Diffuse Optical Tomography: DOT））が非特許文献２において報告されている。
【０００５】
また、脳活動賦活課題遂行時のNIRS信号には、計測時に血圧を変動させる課題を使用した場合等、計測条件に依存して、脳由来の信号以外にも皮膚血流の影響が含まれることが非特許文献３等の各種研究で報告されている。そのように皮膚血流の影響を誘発する可能性のある計測条件においては、皮膚血流等の表層成分を考慮し、脳活動と分離計測することが重要となる。
【０００６】
従来の光脳機能計測においては、複数の光源（Source）−検出器（Detector）間距離（以下、SD距離）での計測データを解析する方法（以下、マルチSD方式）を用いた3次元再構成や表層信号除去手法が特許文献２、非特許文献４等において各種提案されている。
マルチSD方式での計測を実現するためには、計測点数の増加及びマルチSDプローブ配置が必要である。ここでは、光源（照射手段）、検出器（光検出手段）を合わせてプローブと呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平9-019408号公報
【特許文献２】米国特許第5902235号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】A. Maki et al.，“Spatial and temporal analysis of human motor activity using noninvasive NIR topography，”Medical Physics 22，1997-2005（1995）
【非特許文献２】R. Endoh， M. Fujii and K. Nakayama， "Depth-Adaptive Regularized Reconstruction for Reflection Diffuse Optical Tomography，" Optical Review 15(1)， 51-56 (2008)
【非特許文献３】O. Vassend and S. Knardahl，"Personality，affective response，and facial blood flow during brief cognitive task，" Int J Psychophysiol 55(3)，265-278 (2005)
【非特許文献４】Q. Zhang，G. E. Strangman and G. Ganis，"Adaptive filtering to reduce global interference in non-invasive NIRS measures of brain activation: How well and when does it work?，" NeuroImage 45(3)，788-794 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
生体光計測における従来の接触型プローブ構造では、プローブの物理的寸法の制約のため、計測点の間隔を数mm以下にはできないことから計測点数が制限されてしまう。さらに照射位置及び検出位置が固定されるため、それらを計測中に随時変化させることが難しかった。また、極端な小型化および部品点数増加は製作コストを増加させるという問題があった。たとえ小型化等を行いプローブ間隔を数mm以下に小さく配置したとしても、光は生体内を多重散乱するため、プローブ間隔の高精細化は必ずしも空間分解能の向上には比例しない。
【００１０】
また、ある計測点において頭部における局所的な髪の毛、ほくろ、しみ等の影響で光量が減少し信号対雑音比が低下した場合でも、接触構成では計測点数が少ないため、その計測点での計測データを使わざるを得なかった。さらに、光源または検出器の不具合等のために、光源安定性、照射パワー、検出器感度等が特定の計測点で変化してしまった場合に、信号対雑音比の低下の原因が脳活動由来なのか装置由来なのかの即座の判別が難しいことがあった。
【００１１】
本発明の目的は、上記課題を解決するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本願発明の一例としては、生体光計測装置において、被検体上の所定の照射点に光を照射するための１つまたは複数の光照射手段と、前記１つまたは複数の光照射手段から照射され、前記被検体内を伝播してきた光を所定の検出点から検出するための１つまたは複数の光検出手段と、前記所定の検出点以外の位置から前記光検出手段に入射する光を遮蔽するための光遮蔽手段と、前記１つまたは複数の光照射手段・光検出手段を制御する制御部と、前記被検体内の光吸収特性を少なくとも算出する解析部を有し、前記光照射手段と前記光検出手段のうち少なくとも一方は、前記被検体に対して非接触に配置され、前記光照射手段及び前記光検出手段は、前記照射点と前記検出点との距離が2種類以上となるように、配置または制御され、前記光検出手段は、前記被検体内の異なる経路を伝播した光による複数の信号を分離して検出し、前記解析部は、前記光検出手段で得られる前記複数の信号のうち所定の信号を選択し、選択した信号のみを用いて前記被検体表面から複数種類の深さにおける光吸収特性もしくは生体成分の、変化もしくはそれらの分布を算出する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被験者頭部等の浅部及び深部における生体成分の分布を計測することが可能となり、所望とする計測部位の情報を高精度に計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の装置構成を示す図。
【図２】解析のフローチャート。
【図３】有限要素法により光学パラメータを算出するときのフローチャート。
【図４】血液量分布の平面表示を示す図。
【図５】血液量分布の立体表示を示す図。
【図６】装置光学系略図。
【図７】ＳＤ距離と光子透過率との関係を示す図。
【図８】光照射のフローチャート。
【図９】数１の内容を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
前述した目的を達成するための具体的構成の一例を以下に示し、その後、図面を用いて詳細を示すこととする。
【００１６】
本実施例における生体計測装置は、被験者に対して少なくとも一方が非接触な光源及び光検出器を備え、波長変換のための発光体を被験者の皮膚表面に設置し、表面反射光等の不要光を波長フィルタにより遮蔽する。波長フィルタは、励起光を遮蔽し、発光体から発せられる蛍光を透過させる機能を持つ。さらに、光学系を駆動することにより照射点、検出点を随時移動させ、スキャン計測を実施する。
この方法で、使用する光源、光検出器の数を少なくできると同時に、スキャン計測により、計測点を増やすことができ、さらに複数の照射点−検出点間距離における計測を実現し、これらの大量の計測点における計測データから適当な計測点データのみを選択し、頭部血流量変化の浅部成分、深部成分を分離するための解析を行う。
【００１７】
これにより、光照射手段と光検出手段の少なくとも一方を非接触構成としたスキャン計測により計測点を容易に増加できるとともに、複数の異なる深さにおける血流変化の1次元、2次元的分布もしくは3次元的分布を計測できる。また、解析時において使用する計測点を選択することができる。さらに、非接触構成では同じ光源・検出器ペア数で複数の計測点が得られるので、光源及び検出器の不具合等により特定の計測点のみがそれらの不具合の影響を受けるということが無く、計測点間で光源安定性、照射パワー、検出器感度等の条件をより容易に統一することができる。
【実施例１】
【００１８】
図１に、本実施例における装置構成図を示す。光を生体に入射し、生体内を散乱・吸収され伝播して出てきた光を検出する生体光計測装置３０は、１つまたは複数の光源１０１、光源駆動装置１０３、レンズ系２０３、光学系駆動部２０４からなる送光用ビームトラッキング装置２１０を備える。送光用ビームトラッキング装置２１０は、１つまたは複数の光源１０１から照射される光４０を、レンズ系２０３を介して、被験者１０に入射させる。ここで１つまたは複数の光源１０１からは生体透過性の高い可視から近赤外光の２波長、例えば、730 nm付近の波長と800 nm付近の２波長が照射される。さらに、生体透過後の光をロックイン検出するために、光４０は、適当な周波数で強度変調を施される。
【００１９】
光源１０１は、光源駆動装置１０３により駆動され、１つまたは複数の光検出器１０２のゲインは制御・解析部１０４により制御される。制御・解析部１０４は、光源駆動装置１０３の制御も行い、入力部１０５からの計測条件、被験者情報等の入力を受ける。レンズ系２０３は、被験者１０上での照射点及び検出点を随時変化させるために、光学系駆動部２０４により駆動される。光学系駆動部２０４は、制御・解析部１０４により制御される。
【００２０】
ここで、１つまたは複数の光源１０１は半導体レーザや発光ダイオード等、１つまたは複数の光検出器はアバランシェフォトダイオードやフォトダイオード等であれば良い。光学系駆動部２０４は、ミラー、レンズ、ミラー駆動装置等からなるものでよく、例えば、2軸のガルバノミラーとｆθ（エフシータ）レンズからなる。
【００２１】
送光用ビームトラッキング装置２１０より照射された光は、被験者１０内を伝播・散乱し、被験者１０の表面上の入射点とは離れた位置において検出可能である。このとき、光が被験者１０内で散乱しながら伝播し、入射点付近のあらゆる場所から検出可能となるため、光検出器１０２が被験者１０に対し非接触となり表面から離れていると、特定の場所から出た光を選択的に受光することは困難である。
【００２２】
さらに、送光器６０が非接触の場合には、表面反射光が強くそれを受光してしまう恐れもある。そのために通常は光検出器１０２あるいは光検出器と光学的に結合された光ファイバを被験者１０に接触させて設置し、光検出器１０２直下からの光を選択して受光する必要がある。
【００２３】
そこで本実施例では、このような空間フィルタリングによる選択的受光ではなく、被験者１０の表面上に設置される発光体２０７を用いる。発光体２０７から離れた位置にある照射点に照射された光は、被験者１０内部を伝播し、発光体２０７を励起して、励起光とは異なる波長を持つ蛍光８０を発生させる。光源１０１が発する波長は発光体２０７を励起し得る波長である必要があるが、ここで用いた730 nm付近の波長と800 nm付近の２波長はともに条件を満たすものとする。検出側では、発光体２０７の表面で被験者１０と接触していない面を波長フィルタ２０８で覆う。発光体２０７の表面では蛍光８０の所定の光路のみ波長フィルタで覆えば良く、その他の面で被験者１０と接触していない面はアルミニウム等、適当な遮光材でよい。尚、発光体２０７において被験者１０と接触する面は、少なくとも励起光を透過させる部材で覆う必要があるが、ここでの励起光である730 nmと800 nm付近の波長の光を透過させる部材として、例えば石英等を使用すれば良い。さらに、波長フィルタ２０８は、光検出器１０２の直前、つまり光検出器１０２と発光体２０７との間で、光検出器１０２への光路全体を覆うように配置する。波長フィルタ２０８は、光源１０１により照射される光と同波長（スペクトル）の光を遮蔽し、かつ、発光体２０７により発せられる光と同波長（スペクトル）の光を透過させる機能を有する。よって波長フィルタ２０８は、被験者１０の表面で反射した励起光や、被験者１０の浅部のみを伝播し照射点近傍の被験者表面から放射された励起光による迷光等、所定の検出点以外から光検出器１０２に入射する光を遮蔽し、光検出器１０２が蛍光８０のみを受光することが可能となる。これにより、被験者１０内部を伝播・散乱した光でかつ所定のSD距離（例えば、３０ｍｍ）に相当する光を選択的に受光することができる。
【００２４】
受光側は、発光体２０７が発する蛍光８０を受光するため、波長フィルタ２０８、レンズ系２０３、光学系駆動部２０４、光検出器１０２、増幅器１０６、アナログ−デジタル変換器１０７を含む受光用ビームトラッキング装置２２０を備える。光検出器１０２で光電変換した電気信号は、増幅器１０６で増幅され、アナログ−デジタル変換器１０７でアナログ−デジタル変換され、制御・解析部１０４へ送られる。
【００２５】
本発明の生体計測装置では、照射点及び検出点を、送光用ビームトラッキング装置２１０及び受光用ビームトラッキング装置２２０により、随時変化させることが可能である。マルチSD方式による計測を実現するために、送光用ビームトラッキング装置２１０、受光用ビームトラッキング装置２２０の少なくとも一方により照射点または検出点を移動させて、計測する。検出点を移動させる場合は、検出点が発光体２０７上を移動するため、あらかじめ発行体２０７を被験者１０上に適切に配置する必要がある。配置法としては、直線形状、平行線形状、同心円形状、点形状、三角形形状、等が考えられる。直線形状の場合は、一軸のスキャン及びラスタースキャンを行うことができ、広い範囲を計測範囲とすることができるという効果がある。平行線形状の場合は、一度の照射で同時に２点以上の異なるSD距離での計測ができ、さらに、広い範囲を計測範囲とすることができるという効果がある。同心円形状の場合は、照射点を同心円形状の中心に設定することで、照射点を固定させて周囲の複数のSD距離における計測を実現できるという効果がある。点形状の場合は、照射点の軌跡を各種設計可能である。例えば、点形状、直線形状、同心円形状等にできる。検出点を固定でき、他の点からの蛍光の影響を考慮する必要が無いため、システムを簡素化できるという効果がある。三角形形状の場合は、点形状の効果に加え、画像計測した場合に、三角形の形状及び大きさから、装置を基準とした被験者１０の相対位置座標及び姿勢角を算出できるという効果がある。
【００２６】
各々のSD距離の配置で検出された光検出信号は、各々被験者１０内の異なる経路を伝播した光の検出信号であり、制御・解析部において各々が分離して解析される。SD距離の異なる計測点における各々の照射光が異なる経路を伝播したことは、光強度もしくは時間分解検出波形等から確認することができる。つまり、光強度が大きいほど、生体内での吸収量が小さく伝播経路が短いことを示し、時間分解波形から、平均伝播時間が求まるが、伝播時間の違いは伝播距離・経路の違いを意味する。
【００２７】
制御・解析部１０４では、光検出器１０２で検出された信号に基づき解析を実行する。具体的には、アナログ−デジタル変換器１０７で変換して得られたデジタル信号を受け当該デジタル信号をもとに、各々のSD距離の計測点における検出光量もしくは透過率を算出し、前記被験者１０の頭部における血液量変化（特に、酸素化・脱酸素化ヘモグロビン変化もしくは総ヘモグロビン変化）もしくは透過率分布を解析し、当該解析結果を画像構成部１０８に送る。血液量及びヘモグロビン変化の算出方法は、modified Beer-Lambert則に基づき、非特許文献１等に記載された方法を用いる。
【００２８】
このとき、制御・解析部１０４は、複数の計測点の光検出信号のうち、適当な計測点の信号を選択して解析できる。つまり、極端に信号対雑音比の低いデータ、及び周辺の計測点と非連続的な透過率のデータ、髪の毛やほくろ等によるアーチファクト、等を排除することが可能となる。例えば、検出強度が近傍の計測点の検出強度を平均した値に近い計測点を優先的に選択して解析に用いる等の処理でも良い。この処理は、近傍の計測点に対して計測値が極端に高いもしくは低い値になっておらず、連続的に線形増加または線形減少または一定の値を取る点を選択する処理であり、アーチファクトである可能性が低い計測点を選択できるという効果がある。また、目視により、不要なデータと判断された計測点のデータを排除する手動の方法でも良い。この方法は、被験者に固有の波形の特徴に応じた解析が可能となるという効果がある。非接触構成でない場合には、計測点数が限られ、このような計測点の選択が困難となるが、非接触構成では連続的なデータ取得が可能となるため、解析に有効な計測点を選択することが可能となる。また、計測点の選択には、被験者１０のMRIデータまたはX線CTデータを用いて、適当な基準によって選択する手法でもよい。例えば、頭骨の薄い部分や、副鼻腔（特に、前頭洞）の無い部分は、照射した光が灰白質に比較的通りやすい場所であるため、当該部位の計測点を優先的に解析すること等が可能となる。この方法は、取得したい生体データを高い信号対雑音比で効率的に取得できるという効果がある。
【００２９】
複数のSD距離の計測データから、深部及び浅部信号へ分離する手法としては、各種報告されているが、長SD距離データから、短SD距離データを適当な係数を掛けて減算する方法、もしくは非特許文献４等に記載された方法を用いる。または、被験者のMRI、X線CT等の構造データに基づいた光伝播モンテカルロシミュレーション結果との比較から、各部位の吸収係数及び散乱係数を決定しても良い。この方法は、被験者の実際の頭部構造データに基づいた解析法のため、より精度の高い結果が得られるという効果がある。または、一様散乱体を仮定した拡散方程式による手法や、有限要素法による拡散方程式の数値解法により吸収係数及び散乱係数を決定しても良い。この方法は、各種光伝搬解析に用いられており、一般にモンテカルロシミュレーションよりも計算負荷が小さく、処理を高速にできるという効果がある。
【００３０】
図２に、複数のSD距離の計測データから、深部及び浅部信号へ分離し、浅部信号を除去し深部の脳由来信号のみを抽出するまでの一連の解析のフローチャートを示す。
（Ｓ２０１）マルチSD配置での非接触多点計測を実施。このステップでは、所定の軌跡を移動する照射点へ光を入射し、所定の軌跡を移動する検出点から光を検出する。検出点は発光体２０７上を移動し、照射点は、検出点からあらかじめ決めたSD距離となるように、所定の軌跡をたどる。
（Ｓ２０２）ノイズを多く含む計測点及び不連続点を除き、解析に使用する計測点を選択する。このステップでは、被験者１０が課題を行っていない、つまり安静時の各計測点での計測データの標準偏差もしくは標準誤差の大きさ等から、ノイズの量を見積もる。標準偏差もしくは標準誤差が大きい場合は、ノイズが大きいと判断される。尚、これ以外の方法でも、周波数解析や目視等により不要計測点を判断しても良い。
（Ｓ２０３）短SD距離計測信号を参照信号として、長SD距離計測信号から、浅部由来成分、深部由来成分を抽出する。このステップでは、例えば、短SD距離計測信号の定数倍を長SD距離計測信号に線形回帰させたフィッティング信号を長SD距離計測から差し引く等の処理でも良い。
（Ｓ２０４）浅部由来信号を除去し、深部由来信号のみを再構成し、表示する。このステップでは、前ステップで求めた深部由来信号のみを用いて、2次元もしくは3次元で表示する。
【００３１】
図３に、有限要素法により光学パラメータを算出するときのフローチャートを示す。
（Ｓ３０１）モデル入力（光学パラメータ分布推定値・各層厚み推定値）。
（Ｓ３０２）有限要素法により順問題を解く。
（Ｓ３０３）順問題結果と計測データ（光学パラメータ分布）を比較し、距離を算出。
（Ｓ３０４）距離を最小化する光学パラメータ分布を探索。
【００３２】
以上のような解析により、制御・解析部１０４は、被験者１０表面から複数種類の深さにおける光吸収特性の分布及び変化を算出することが可能となる。さらに必要に応じて、被験者１０の表層部分における血流量変化の影響を分離・除去することができる。
【００３３】
画像構成部１０８において被験者１０の血液量変化もしくは透過率分布を、１次元あるいは２次元あるいは３次元の画像として構成し、表示部１０９で結果が表示される。図４に、血液量分布の平面表示、図５に血液量分布の立体表示を示す。
【００３４】
上記構成により、検出光量あるいは透過率の空間分布から、生体内部の血液量変化、特に酸素化・脱酸素化ヘモグロビン変化を計測することが可能となる。
【００３５】
ここでは生体内の計測成分としてヘモグロビン変化を仮定したが、他の成分についても同様に実施可能である。例えば、チトクロムオキシダーゼ、ミオグロビン、脂肪、水等であってもよい。また、ここでは光の検出方式としてロックイン検出について述べたが、時分割方式、符号変調方式等、他の方式であってもよい。
【００３６】
発光体２０７としては、例えば図９に示された数１の化合物であり、波長730 nｍ及び800 nm付近の波長の光で励起することにより波長1.0μｍ程度の蛍光を発する。励起光の波長は生体内の透過性が比較的高い波長帯であるため、光源１０１から照射した光４０は被験者１０の頭部に入射され、大脳皮質内を伝播し発光体２０７を励起する。蛍光強度は励起光強度に比例するため、蛍光強度を受光器１０２で計測することにより、皮膚、大脳皮質、頭骨等の頭部組織における光の吸収変化、血流量変化等が観測できる。
【００３７】
ここで用いた発光体２０７は、波長730 nｍ及び800 nｍ近傍の可視及び近赤外光で励起することができるため、生体内物質の光吸収変化を計測するために適している。その他の発光材料の場合でも、被検体の光吸収情報を得るために使用する波長で励起し発光する材料であればよく、蛍光以外にも、リン光、ラマン散乱光などを用いても良い。
【００３８】
また、発光体２０７を用いた計測では、蛍光寿命の存在のため励起から発光までに時間遅れが生じ、発光体２０７が発する蛍光の時間波形と、励起光の時間波形とは一般に異なる。発光体２０７が発する蛍光は、励起光と蛍光応答関数とを畳み込み処理した波形である。したがって、蛍光寿命により定まる蛍光応答関数が既知であれば、蛍光応答関数を用いて蛍光波形を、数値演算等により逆畳み込み処理すれば、励起光波形を得ることができる。蛍光寿命が十分に短い場合には、この処理の効果は小さいが、蛍光寿命が長い場合、逆畳み込み処理して得られた励起光波形を用いることにより、解析における精度を向上させることが可能となる。
【００３９】
また、ここで用いた波長フィルタ２０８は、波長730 nｍ及び800 nｍ近傍の励起光を遮蔽し、波長1.0μｍ近傍の蛍光のみを通すものであれば良く、InP（インジウムリン）製のフィルタ等で良い。波長フィルタ２０８は発光体２０７の直上および受光系のレンズ系２０３あるいは光検出器１０２への入射直前の場所に設置する。それにより、被験者１０内部を透過してきた光以外の迷光により発光体２０７が励起されるのを防ぎ、かつ、送光側での光の照射点からの直接の反射光を光検出器１０２が受光してしまうことを防ぐことができる。また、被験者１０の位置や動きを検出するための目印２０５を省略し、発光体２０７を目印として用いてもよい。発光体２０７を目印として用いることで、目印２０５の位置の追跡が不要となり、制御・解析部１０４における計算の負荷が軽減されると同時に、部品点数を減らしシステムを単純化することが可能となる。
【００４０】
発光体２０７の形状としては、被験者１０の表面の特定の１点からの検出光を受光するために、例えば小型セル形状とすれば良いが、１次元あるいは２次元的に分布させることにより、１次元あるいは２次元的な検出光量分布を計測可能となる。例えば発光体２０７はバンド形状でも、被験者１０に対して粘着するための接着面を有する構造でも良い。このような構造とすることで、被験者１０は発光体２０７を快適に身に付けることが可能となり、被験者１０への計測時の負担を軽減することができる。
【００４１】
図６に、装置光学系略図を示す。この図では、装置本体３０からの光４０が被験者１０に照射され、さらに約３０ｍｍ離れた検出点に設置してある発光体２０７を励起し、発せられた蛍光８０が発光体２０７の直上の波長フィルタ２０８と、装置本体３０の検出部直前の波長フィルタ２０８を透過して装置本体３０に検出される場合の装置光学系の略図を示している。発光体２０７が一次元的に配置されている。照射点と検出点が同時にSD距離を一定に保ちながら移動した場合、等しいSD距離の透過率データが効率良く取得できる。あるいは、１つの照射点に対して検出点を発光体２０７上でスキャンすることにより、複数SD距離の計測を行うことが可能である。さらに照射点を少しずつ移動させることにより、広範囲で複数SD距離での透過率データを取得でき、深さ方向で空間分解能を高めた計測を行いたい場合には有効である。このとき、照射点のスキャン方法により、発光体２０７周辺部のあらゆる組み合わせでの計測位置あるいはSD距離の計測が可能である。例えば、発光体２０７が直線上に１次元的に配置されていれば、照射点は所定のSD距離を保ったまま、発光体分布に対して平行にスキャンする、あるいは発光体分布に対して垂直方向にスキャンする等、各種スキャン方法およびスキャンの軌跡を設計できる。また、受光側は、十分な感度があれば、スキャンせずに撮像管、撮像器、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等で発光体２０７全体を撮像してもよい。撮像する構成により、受光側の処理が高速になると同時に、スキャン機構が不要となることから、装置を単純化し小型化することができるという効果がある。また、計測中に被験者１０と本装置との相対位置が変化するような場合には、受光系を被験者１０の相対位置及び姿勢を検出するための被験体認識用センサ２０１として用いることができるという効果がある。
【００４２】
このように、光源１０１と光検出器１０２をともに非接触とすることで、被験者１０の運動や姿勢の制限が低減され、特に被験者１０がヒトの場合には被験者１０の快適性を増し、より自然な計測が実現できるという効果がある。さらに、心臓の拍動等に伴う皮膚血管の拡張・収縮により光源１０１あるいは光検出器１０２に伝導する振動等の影響を低減することが可能である。
【００４３】
尚、１つまたは複数の光検出器１０２で受光する光量は、SD距離により大きく変化する。例えば、典型的な脳モデルを用いた光伝播モンテカルロシミュレーション結果等によれば、図７に示すように、SD距離１０ｍｍのときの検出光量は、SD距離３０ｍｍのときに比べ１００倍以上となる。図７はＳＤ距離と光子透過率との関係を示す図であり、横軸はSD距離、縦軸は光子透過率を示す。よって、光源の出力パワー・検出器の増幅率（ゲイン）をSD距離に応じて変化させることが好ましい。したがって、複数の光源を１つずつ順次点灯させ、SD距離に応じて光源の出力パワーを変化させ、さらに必要に応じて、検出器のゲインを随時変化させる。このように、光検出器感度とダイナミックレンジに応じて、光源１０１の出力強度を調整する必要があり、事前にテスト計測を行って設定するか、もしくは経験的に得られている出力強度の値を設定しておく。このような計測は１波長でも、２つ以上の波長でも実施可能である。この方法により、検出器の飽和を防ぎ、検出可能なＳＤ距離範囲の広い計測が可能となり、さらに、様々な光学特性値が分布する広範囲の生体組織の計測を行うことが可能となる。
【００４４】
以上の実施例では、変形例を除いて被験者１０が静止しているかまたは照射点及び検出点が固定される場合について述べたが、一般の計測においては、被験者１０と生体光計測装置３０との相対的な位置関係は変動し得る。そのように被験者１０が静止していない場合にも、生体光計測装置３０は、被験者１０の所定の位置へ光４０を照射し、所定の位置からの蛍光８０を受光する必要がある。よって、本発明の生体計測装置は、照射点及び検出点の座標を認識するために、被検体認識用センサ２０１と画像解析部２０２を有する。
【００４５】
被検体認識用センサ２０１により得られた画像は画像解析部２０２で解析され、被験者１０の座標（装置本体３０に対する相対位置）および被験者１０上レーザ照射点座標が算出される。被験者１０が装置本体３０に対して静止していれば、画像の座標と被験者１０上の座標系が一対一に対応するため、被験者１０上のレーザ照射点座標を容易に算出できる。被験者１０が静止していない場合には、被験者１０上に目印２０５あるいは慣性センサ２０６を設置することを必要とする。慣性センサ２０６を有する場合には、センサ出力を無線等の通信手段で装置本体３０内の制御・解析部１０４等へ送信するための手段がさらに必要となる。あるいは慣性センサ２０６が記憶部を有している場合には、時刻とセンサデータを保持しておいて、計測終了後にオフラインで解析に加えることも可能である。被験者１０上の目印２０５を用いて被験者１０の動きを検出するためには、ＣＣＤイメージセンサ等から成る被検体認識用センサ２０１で撮像したときに、形状と大きさから被検体の相対座標を認識し得る目印である必要がある。形状としては、例えば左右非対称な多角形形状等で良い。この形状を用いることにより、撮像された目印の形状及び大きさから、相対座標が算出可能となる。
【００４６】
あるいは、被検体認識用センサ２０１を複数有し、被験者１０上に設置された複数の目印２０５を、複数のイメージセンサを用いて撮像することにより、被験者１０の相対座標を決定する手法でも良い。この構成は、目印２０５が複数あり、それらが平面的ではなく３次元的に配置されている場合に、各目印２０５と各イメージセンサ間の距離が異なり、焦点が合わない目印２０５が存在する場合にも、複数のイメージセンサの情報を用いることで、高精度に被験者１０の相対座標を決定することができるという効果がある。
【００４７】
さらに装置本体３０に対する相対位置を計算し、必要に応じて光学系駆動部２０４を作動させ、ミラー・レンズ等のレンズ系２０３を駆動することで照射点及び検出点を変化させる。ここで、光学系駆動部２０４とは、例えば電動モータ・ＭＥＭＳ等で構成される。
【００４８】
図８に、本発明における光照射のフローチャートを示す。
（Ｓ８０１）被検体認識用センサにより画像を取得。
（Ｓ８０２）被検体上の目印の形状と大きさから、装置に対する被検体座標の決定。
（Ｓ８０３）装置に対する被検体の相対座標を算出。
（Ｓ８０４）被検体座標上での光照射点の軌跡を、装置座標に変換。
（Ｓ８０５）光照射点を制御するために光学系駆動部を作動させ、光学系を調整し、焦点を合わせる。
（Ｓ８０６）光照射開始。
【００４９】
装置に対する被検体座標系の動きは常にリアルタイムで検出され、さらに同時に装置光源からの光入射状況から、最適な光照射方向を算出し、その光照射方向に照射されるようにする。この安全機構により、被験者１０が誤って動いてしまった場合等に照射光が被験者１０の眼に入るということが無くなり、より安全性が高くなる。さらに、偶発的に照射光が被験者１０の眼に入ることで被験者に不快感を与えることが無く、より快適な計測を実現できるという効果がある。
【００５０】
本実施例により、送光器が送光用ビームトラッキング装置を有して被験者に対して非接触となることで、光の照射点をより容易にかつ高速に変えることが可能になる。検出器の位置が固定の場合でも、光の照射点が移動することで、多くの計測点での計測が可能となる。
【００５１】
尚、本実施例では光源１０１及び検出器１０２がともに被験者１０（被験者１０に接触している物体も含む）に対して非接触の場合について説明したが、光源１０１と検出器１０２のいずれか一方が被験者１０（被験者１０に接触している物体も含む）に対して接触の構成の場合でも、非接触の送光側または受光側のビームトラッキング機構により、複数のSD距離配置でのスキャン計測を実施可能であるため、本発明は同様に適用可能である。
【００５２】
以上の実施例では、発光体２０７を用いて波長変換を行うことで、波長フィルタリングにより、表面反射光等の励起光由来の不要光を遮蔽する方法について述べたが、光源１０１が、パルス状の光を被験者１０に照射し、光検出器１０２が、パルス光の検出波形を時間分解計測し、被験者１０内を伝播した光が光検出器１０２へ到達する時刻を基準として、被験者１０内の深部を伝播した光の信号のみを選択する方法でも良い。つまり、光検出器１０２へ早期に到達した光は、表面反射光及び浅い部分を伝播した光であると考えられるため、解析に使用しない等の処置を行うことが可能となる。パルス光の検出には、ストリークカメラ等を用いれば良い。このような時間フィルタリングの方法は、光検出器１０２の直前に機械式シャッターを備えて、不要な時刻に光検出器１０２へ到達する光を遮蔽する方法でも良い。この構成により、波長フィルタ２０８を用いずに、表面反射光及び浅い部分を伝播した光を分離、除去することができる。さらに、被験者１０表面上に、光源１０１により照射される光を少なくとも透過させる透明層の位置を電子的制御により変化させることのできる光学特性可変手段を配置する方法でも良い。これにより、照射側は、パワーが十分であれば、照射点を制御する送光側の光学系駆動部を無くして一様照射にすることができる。また、受光側は、被験者１０上に分布する発光体２０７上で透明層を可変させることで、検出点以外の発光体２０７からの光の受光を防ぐことができるという効果がある。また、照射側、受光側ともに、装置が単純化される上、電子制御で透明層を高速に移動させることにより、より高速なスキャン計測及び大量データ取得が期待できるという効果がある。
【００５３】
SD距離が等しい条件でも、光の波長が異なる場合、一般に組織の光学特性は波長依存性を有するため、異なる波長に対して吸収係数、散乱係数は異なる。よって波長が大きく異なる複数の光を同じ照射点に入射したときには、各々の波長の光は、異なる平均光路を伝播する。近赤外領域においては、波長が短いほど生体組織の散乱係数が大きいことが報告されており（例えば、S. J. Matcher、 M. Cope and D. T. Delpy、 "In vivo measurements of the wavelength dependence of tissue-scattering coefficients between 760 and 900nm measured with time-resolved spectroscopy、" APPLIED OPTICS 36(1)、 386-396 (1997)、fig. 6）、散乱係数が大きいほど、深部に到達しにくいため、数cm離れた位置において反射型配置（光源と検出器が対面に向きあわず、平行に同方向を向いているプローブ配置）において検出する場合、検出光のうち浅部伝播光を占める割合が大きくなる。一方、ヘモグロビンの等吸収点の波長は、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの吸収係数が等しくなる波長であり、１波長のみの検出光量変化から、総ヘモグロビン変化を計測できる波長である。ヘモグロビンの等吸収点は、800 nm付近に1つ、及び500-600nm付近に複数存在しており、これらの２つ以上の波長を同時に共通の照射点に照射し、共通の検出点から検出することで、各波長に対応した組織深度における総ヘモグロビン変化を計測可能となる。この装置構成により、用いる波長数が少なく、スキャンが不要になることから装置的にも単純化され、より低コストで、浅部・深部の分離計測を実現できるという効果がある。ここで、ヘモグロビンの等吸収点の波長を用いない場合でも、複数の異なる波長帯において、近傍の波長を複数使用することで、各波長帯で吸収分光法により他の生体成分を推定するということも可能である。例えば、600 nm近傍で2波長、800 nm近傍で2波長を使用すれば良い。これにより、総ヘモグロビンに限らず、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン等、複数波長での計測を要する生体成分の計測も可能となる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  被験者
３０  装置本体
４０  光
８０  蛍光
１０１  １つまたは複数の光源
１０２  １つまたは複数の光検出器
１０３  光源駆動装置
１０４  制御・解析部
１０５  入力部
１０６  増幅器
１０７  アナログ−デジタル変換器
１０８  画像構成部
１０９  表示部
２０１  被検体認識用センサ
２０２  画像解析部
２０３  レンズ系
２０４  光学系駆動部
２０５  目印
２０６  慣性センサ
２０７  発光体
２０８  波長フィルタ
２１０  送光用ビームトラッキング装置
２２０  受光用ビームトラッキング装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図４】
0005658993.tif 000008
【図５】
0005658993.tif 000009
【図７】
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