(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ多重配置法を用いた脳機能計測装置であって、
被験者の頭皮に向けて光を照射する複数の光照射手段と、
前記光照射手段から照射された前記光を第１の方向に直線偏光させる第１の偏光手段と、
前記第１の偏光手段から射出された光が前記被験者の毛髪において反射されることにより生じる反射光における前記第１の方向成分を遮断する遮断手段と、
前記遮断手段を透過した光の強度を検出する検出手段とを備え、
前記検出手段は、複数の前記光照射手段から照射された前記光による複数の前記反射光の強度を検出し、
前記検出手段により検出される複数の前記反射光の強度を前記光照射手段から前記検出手段までの距離による影響がないものとするよう、前記光照射手段から照射される前記光の強度を減光する減光手段をさらに備えた脳機能計測装置。
【請求項２】
前記遮断手段は、前記反射光を前記第１の方向と直交する第２の方向に直線偏光させる第２の偏光手段である、請求項１に記載の脳機能計測装置。
【請求項３】
プローブ多重配置法を用いた脳機能計測装置による光照射・光検出方法であって、
被験者の頭皮に向けて光を照射する第１のステップと、
前記第１のステップで照射された光を第１の方向に直線偏光させる第２のステップと、
前記第２のステップにより生成された光が前記被験者の毛髪において反射されることにより生じる反射光における前記第１の方向成分を遮断する第３のステップと、
前記第３のステップにおける前記遮断により生成された光の強度を検出する第４のステップと、を有し、
前記第４のステップでは、複数の光照射手段から照射された前記光による複数の前記反射光の強度を検出手段により検出し、
前記第４のステップで検出される前記複数の前記反射光の強度を前記光照射手段から前記検出手段までの距離による影響がないものとするよう、前記光照射手段から照射される前記光の強度を減光する第５のステップをさらに有する光照射・光検出方法。
【請求項４】
前記第３のステップでは、前記反射光を前記第１の方向と直交する第２の方向に直線偏
光させる、請求項３に記載の光照射・光検出方法。
【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】
近年においては、頭部にプローブを装着して近赤外脳機能計測法（functional near-infrared spectroscopy: fNIRS）を用いることにより、脳神経の活動に伴う局所的な脳血流の変化が非侵襲的に観測されている。【０００３】
ここで、上記プローブを上記頭部の毛髪の上から装着した場合には、プローブ先端の直径が通常数ミリであるのに対して毛髪間隔が１ミリ程度であることから、プローブと頭皮の間に毛髪層が存在してある種のクッションの役割を果たすため、当該装着は不安定なものとなっている。【０００４】
そして、このようにプローブの装着が不安定な状況の下で、被験者が頭部を固定することなく計測を行った場合には、被験者の動作によるプローブのゆらぎに起因した一種のノイズであるモーション・アーティファクトを含んだデータが観測されてしまうため、非特許文献１及び２に示されているように、この種のモーション・アーティファクトを除去するための技術がいくつか提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１３６４３４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】F.Orihuela-Espina, D.R.Leff, D.R.C.James, A.W.Darzi and G.Z.Yang, “Quality control and assurance in functional near infrared spectroscopy (fNIRS) experimentation”, Phys.Med.Biol. 55(2010), pp.3701-3724
【非特許文献２】Xu.Cui, Signe.Bray, Allan.L.Reiss,“Functional near infrared spectroscopy(NIRS) signal improvement based on negative correlation between oxygenated and deoxygenated hemoglobin dynamics”, NeuroImage. 49(2010), pp.3039-3046
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、非特許文献１及び２に示された技術は、ある信号の変動をモーション・アーティファクトと判断する基準が測定理論の観点から必ずしも明確に基礎付けられたものとは言えないため、手法や採用機種毎に、また、プローブのゆらぎ方によってもモーション・アーティファクトを除去できる効果がまちまちであるという問題があった。【０００８】
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、簡易な構成若しくは方法により、脳機能計測の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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手段と、光照射手段から照射された光を第１の方向に直線偏光させる第１の偏光手段と、第１の偏光手段から射出された光が被験者の毛髪において反射されることにより生じる反射光における上記第１の方向成分を遮断する遮断手段と、遮断手段を透過した光の強度を検出する検出手段とを備えた脳機能計測装置を提供する。【００１０】
また、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第１のステップと、第１のステップで照射された光を第１の方向に直線偏光させる第２のステップと、第２のステップにより生成された光が被験者の毛髪において反射されることにより生じる反射光における第１の方向成分を遮断する第３のステップと、第３のステップにおける遮断により生成された光の強度を検出する第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】
【００１１】
本発明によれば、簡易な構成若しくは方法により、脳機能計測の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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に含まれる光源プローブと検出プローブの二次元的配置パターン例を説明するための図である。
【図３】検知部３に配設された図２に示される検出プローブＰＤ１と光源プローブＬＤ２，ＬＤ１２の断面構造を示す図である。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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の構成を示す図である。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。
【００１４】
そして、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。
【００１５】
また、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。
【００１６】
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分光吸収特性が異なる性質を利用すべく、検知部３に所定間隔で配設された光源プローブと検出プローブを頭皮上に固定し、生体組織中を伝搬してきた各波長の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観測組織中での変化量を推定するものである。
【００１７】
図２は、図１に示された検知部３に含まれる光源プローブと検出プローブの二次元的配置パターン例を説明するための図である。
図２に示されるように、任意の検出プローブＰＤ１を中心として、水平方向には左から順に、光源プローブＬＤ１４，ＬＤ４，ＬＤ２，ＬＤ１２が配置され、このうち光源プローブＬＤ１２，ＬＤ１４はそれぞれ検出プローブＰＤ１から距離Ｌ２の位置とされ、光源プローブＬＤ２，ＬＤ４はそれぞれ検出プローブＰＤ１から距離Ｌ１の位置とされる。
【００１８】
また、検出プローブＰＤ１を中心として、垂直方向には上から順に、光源プローブＬＤ１１，ＬＤ１，ＬＤ３，ＬＤ１３が配置され、このうち光源プローブＬＤ１１，ＬＤ１３はそれぞれ検出プローブＰＤ１から距離Ｌ２の位置とされ、光源プローブＬＤ１，ＬＤ３はそれぞれ検出プローブＰＤ１から距離Ｌ１の位置とされる。
【００１９】
なお、光源プローブと検出プローブの二次元的配置は、相互の位置を入れ替えることによっても同じ機能を実現するものとされる。
【００２０】
ここで、上記のように配置された光源プローブＬＤ１〜ＬＤ４，ＬＤ１１〜ＬＤ１４と検出プローブＰＤ１の先端にはそれぞれ、後述するように偏光手段としての直線偏光フィルムが装着される。
【００２１】
なお、直線偏光フィルムとしては、近赤外光領域で良好な偏光特性を持った、例えば、金属性のワイヤグリッド構造をシート上に構築したワイヤグリッドフィルム（ＷＧＦ）などが使用される。
【００２２】
そして、本直線偏光フィルムによる偏光方向は、図中の両矢印で示されるように、光源プローブＬＤ１〜ＬＤ４，ＬＤ１１〜ＬＤ１４については垂直方向、検出プローブＰＤ１については水平方向とされ、互いに直交する方向とされる。
【００２３】
図３は、検知部３に配設された図２に示される検出プローブＰＤ１と光源プローブＬＤ２，ＬＤ１２の断面構造を示す図である。なお、図３は、検知部３が図１に示されるように頭部、すなわち頭皮に生えた毛髪上にセットされた状態を図示したものである。
【００２４】
図３に示されるように、筒状体をなす検出プローブＰＤ１には検出器２１が格納され、同じく筒状体をなす光源プローブＬＤ２，ＬＤ１２にはそれぞれ光源２２が格納される。
なお、光源２２は、図１に示された光源部１５から発せられた光の放出体とされる他、それ自体を発光体とする構成も考えられる。また、検出器２１は、それ自体を光検出素子とする他、図１に示されたデータ計測部１１に光を導いたのちに強度を計測する構成も考えられる。
【００２５】
また、同図に示されるように、検出プローブＰＤ１の先端には上記筒状体の主軸を法線とする断面を覆うように上記の直線偏光フィルムＰ１が装着され、同様に、光源プローブＬＤ２，ＬＤ１２の先端にはそれぞれ直線偏光フィルムＰ２，Ｐ３が装着される。
【００２６】
さらに、同図に示されるように、光源プローブＬＤ２の先端には、直線偏光フィルムＰ２と重ねて減光フィルタＮＤが装着される。
【００２７】
以下において、図４を参照しつつ、図１〜図３に示された脳機能計測装置１の動作を説明する。
ステップＳ１において、光源プローブＬＤ２，ＬＤ１２にそれぞれ含まれた光源２２から被験者の頭皮に向けて光を照射する。なお、本照射はユーザによる操作部１３に対する操作に応じて、制御部１０が制御する。
【００２８】
ステップＳ２において、ステップＳ１で照射された光を、光源プローブＬＤ２，ＬＤ１２の先端にそれぞれ装着された直線偏光フィルムＰ２，Ｐ３の偏光方向により定まる第１の方向に直線偏光させる。
【００２９】
このようにして直線偏光された光の一部が、図３に示されるように、頭皮の上に存在する毛髪層で一度反射されて検出プローブＰＤ１内の検出器２１に入射することにより、検出信号の一部が生成される。以下において、このようにして検出器２１に入射された光を直接反射光成分と呼ぶ。
【００３０】
一方、毛髪での反射を多数回繰り返した後に検出器２１に入射した光によっても検出信号の一部が生成される。以下において、このようにして検出器２１に入射された光を多重反射光成分と呼ぶ。
【００３１】
直接反射光成分は、偏光状態が保存しているという性質を持ち、生体組織による散乱や多重反射による減衰を受けないので光強度が強い一方、光源２２と検出器２１との間の距離が大きくなるほど急激に弱くなる傾向を持つ。
【００３２】
これに比して、多重反射光成分の偏光状態は自然光化しており、強度は小さく、光源２２と検出器２１との間の距離による違いは直接反射光ほど大きくはない。
【００３３】
近赤外脳機能計測でモーション・アーティファクトが生じる一因として、生体組織を経ないこれら二種類の反射光成分がプローブの揺らぎに伴って時間変化することが挙げられる。とりわけ、被験者を非拘束で計測する場合には、このようなモーション・アーティファクトを完全に回避することは困難である。
【００３４】
近年、近赤外脳機能計測法の信頼性をより高めるために、近距離に配置した光源プローブと検出プローブからなる一つないし複数のプローブペアでも同時に計測を行い、それらの情報に基いて脳組織層に由来する信号成分を抽出する多重配置計測法（multidistance measurement）が採用されている。
【００３５】
これらは光源プローブと検出プローブ間の距離が短い場合には、頭の深部組織まで到達しない光が検出される性質を利用して、近距離の上記ペアから得られた検出信号を参照することにより、脳組織たる深部組織に応じた信号（深部信号）を抽出する手法である。
【００３６】
しかし、毛髪での反射光に関しては、直接反射光成分を特に大きく含む光に応じて近距離のプローブペアで得られる信号が生成されることになるため、モーション・アーティファクトに起因した上記信号の変動が残存する。
【００３７】
ここで、毛髪で反射される光の全て、ないしは直接反射光成分のみでも低減する技術があれば、多重配置計測法において深部信号の抽出のみならず、毛髪で反射される光におけるモーション・アーティファクトを除去できることになる。
【００３８】
そこで、ステップＳ３では、毛髪表面では光が鏡面反射するために直接反射した光の偏光状態が自然光化せずに保存される性質を利用して、直線偏光フィルムＰ２，Ｐ３の偏光方向（第１の方向）と直交する方向（第２の方向）を偏光方向とする直線偏光フィルムＰ１を、図３に示されるように検出プローブＰＤ１の先端に装着することによって、ステップＳ２により生成された光が被験者の頭部において反射されることにより生じる反射光における第１の方向成分を遮断する。
【００３９】
そして、ステップＳ４において、検出器２１がステップＳ３での遮断により生成された光の強度を検出する。なお、検出器２１で検出された光の強度は、制御部１０により制御されるデータ計測部１１により計測され、得られたデータは記憶部１２に記憶され、表示部１４に表示される。
【００４０】
ところで、頭皮下の脳組織に入射した光は生体組織が高散乱体であるため、光伝搬の過程で多重散乱を起こし、自然光化した後に検出プローブＰＤ１に達することになる。そして、図３に示された直線偏光フィルムＰ１により１／２に強度減衰した光が検出器２１で検出される。
【００４１】
従って、ステップＳ４における検出では、毛髪反射による直接反射光成分のみを選択的に取り除くことができることになる。
【００４２】
なお、ステップＳ４での検出においては、図３に示された検出器２１についてみると、光源プローブＬＤ２から照射された光の反射光（以下「第１の反射光」という。）のみならず光源プローブＬＤ１２から照射された光の反射光（以下「第２の反射光」という。）を同時に検出することになる。
【００４３】
このとき、検出器２１で検出される反射光の強度は照射元の光源プローブが近くに位置するほど大きなものとなるが、検出器２１との距離はそれぞれ光源プローブＬＤ１２が距離Ｌ２、光源プローブＬＤ２が距離Ｌ１であり、図２及び図３に示されるように、距離Ｌ１の方が短く光源プローブＬＤ２の方が光源プローブＬＤ１２よりも検出器２１に近接した位置にあるため、第１の反射光の強度は第２の反射光の強度よりも大きなものとなる。
【００４４】
このため、データ計測部１１で計測される検出信号から、光源プローブＬＤ２，ＬＤ１２から検出器２１までの距離に起因する影響を取り除き第１の反射光と第２の反射光の強度を正規化するため、図３に示されるように光源プローブＬＤ２の先端には直線偏光フィルムＰ２に重ねて減光フィルタＮＤが装着される。
【００４５】
これによって、光源プローブＬＤ２から照射される直線偏光された光の強度が減じられることにより、第１の反射光と第２の反射光の強度が正規化され、光源プローブＬＤ２，ＬＤ１２から検出器２１までの距離による影響のない検出信号を得ることができる。
【００４６】
なお、検出器２１までの距離が等しい光源プローブには同じ機能を持った減光フィルタＮＤが装着されるため、検出器２１からの距離が距離Ｌ１である光源プローブＬＤ２に装着された減光フィルタＮＤは、例えば図２においては、検出器２１までの距離が同じ距離Ｌ１である光源プローブＬＤ１，ＬＤ３，ＬＤ４の先端にも装着される。
【００４７】
以上より、本発明の実施の形態に係る脳機能計測装置１、及び図４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、簡易な構成若しくは手順によって上記の直接反射光成分を除去してモーション・アーティファクトを低減させることにより、脳組織に由来した血流変化の計測における信頼性の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１    脳機能計測装置
１０    制御部
１１    データ計測部
１５    光源部
２１    検出器
２２    光源
ＬＤ１〜ＬＤ４，ＬＤ１１〜ＬＤ１４    光源プローブ
ＰＤ１    検出プローブ
Ｐ１〜Ｐ３    直線偏光フィルム
ＮＤ    減光フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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