(57)【要約】【課題】少ないチャンネル数で全脳を計測し、脳状態の異常を判断することが可能な生体情報計測装置を提供する。【解決手段】位置センサを内蔵した非固定式プローブにより、走査しながら全脳の計測を行い、蓄積した血流分布画像から平均的な血流分布画像を算出し、この平均的な血流分布画像とのずれから脳状態の異常を判断する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体に光を照射する少なくともひとつの光照射手段と、前記生体を通過した通過光を検出する少なくともひとつの光検出手段と、特定の基準位置を規定する基準位置規定手段と、前記基準位置に対する前記光照射手段および前記光検出手段の相対位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段が検出した前記相対位置と前記光検出手段が検出した計測信号とから、血流分布を算出する演算手段とを具備することを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項２】
生体に光を照射する少なくともひとつの光照射手段と、前記生体を通過した通過光を検出する少なくともひとつの光検出手段と、特定の基準位置を規定する基準位置規定手段と、前記基準位置に対する前記光照射手段および前記光検出手段の距離および傾きを検出する位置検出手段と、前記位置検出手段が検出した前記距離および前記傾きと前記光検出手段が検出した計測信号とから、血流分布を算出する演算手段とを具備することを特徴とする生体情報計測装置。
【請求項３】
前記基準位置に対する、生体表面の特定位置の相対位置を検出する特定位置検出手段と、前記血流分布上に前記特定位置を表示する表示手段とを具備することを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報計測装置。
【請求項４】
前記光検出手段の検出した光信号のレベルを呈示する信号レベル呈示手段を具備することを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報計測装置。
【請求項５】
前記生体に外部刺激を与える刺激呈示手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報計測装置。
【請求項６】
前記血流分布を蓄積するデータ保存手段と、前記データ保存手段に蓄積された血流分布から、平均血流分布を算出する第１の演算手段と、前記平均血流分布と前記血流分布との比較演算を行う第２の演算手段とを具備することを特徴とする請求項１または２に記載の生体情報計測装置。
【請求項７】
前記データ保存手段は、計測時刻に応じた時間帯毎に前記血流分布を蓄積するデータ保存手段であり、前記第１の演算手段は、計測時刻に応じた時間帯毎に前記平均血流分布を算出する演算手段であり、前記第２の演算手段は、計測時刻に応じた時間帯毎に前記平均血流分布と前記血流分布との比較演算を行う演算手段であることを特徴とする請求項６に記載の生体情報計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いて生体の代謝物質濃度もしくはその濃度変化を計測する生体光計測装置に係わり、特に、少ないチャンネル数で全脳を計測し、脳状態の異常を判断することが可能な、生体情報計測装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
可視から近赤外領域の波長の光を用いた生体計測は、簡便かつ生体に害を与えずに生体の酸素代謝機能を測定可能であるため、臨床医療できわめて有用である。生体の酸素代謝機能は、生体中の特定色素（ヘモグロビン、ミオグロビン、チトクロームａａ３）の酸素化状態（通常、酸素飽和度もしくは酸化度と呼ばれる）に対応する。これらの色素はそれぞれ酸素化状態により可視から近赤外領域の波長で光吸収スペクトルが変化するため、各々の色素の酸素化状態は光の吸収量から求められる。また、光は光ファイバにより扱いが簡便であり、さらに安全基準の範囲内での使用により生体に害を与えない。
【０００３】
このような光計測の利点を利用して、可視から近赤外の波長の光により酸素代謝機能を測定する生体光計測装置が、たとえば特開昭５７−１１５２３２号もしくは特開昭６３−２７５３２３号に記載されている。
【０００４】
また、脳活動に伴う大脳皮質での血液量変化、あるいはヘモグロビン濃度変化を多点で計測し、その血液量変化、あるいはヘモグロビン濃度変化を動画像や静止画像として表示する技術が、メディカル・フィジクス（Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ），  ｖｏｌ．２２，  Ｎｏ．１２，  ｐｐ１９９７−２００５（１９９５）に記載されている。
【０００５】
これらの装置は、光照射部および受光部からなるプローブ、データ処理部、記憶部、表示部、計測全体を制御する制御部などから構成される。近赤外光は毛髪に含まれる色素によっても吸収されるため、光照射部および受光部は毛髪を避けるように取り付けることが望ましい。このため、プローブは慎重に選択した計測部位に固定して用いられる。
【０００６】
これに対し、非固定式の光計測用プローブが、特開２００１−２３８９６８号公報で提案されている。この装置は酸素代謝機能の計測を目的としたものではなく、プローブヘッド内部のレーザダイオードから皮膚表面にレーザを照射し、拡大レンズで拡大した皮膚表面の画像をＣＣＤカメラで観察するものである。
【０００７】
また、特開平７−２２７３８８号公報においては、光照射部、受光部、データ処理部、記憶部、表示部、および計測全体を制御する制御部を一体化した生体光計測装置が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述した生体光計測装置および光計測用プローブには、以下のような課題が存在する。
【０００９】
前述の生体光計測装置は、病院等で使用されることを想定しており、一般家庭や仕事場、外出先など、病院外で使用するには装置規模が大きい。特開平７−２２７３８８号公報で述べられている生体光計測装置は、小型化を実現するものではあるが、年々計測領域が広くなる傾向にあり、チャンネル数の増加に伴う装置の大型化は避けられない。
【００１０】
また、前述の生体光計測装置を用いた計測では、脳に対する外的あるいは内的な刺激の有無による、血液量変化やヘモグロビン濃度変化を計測する方法が一般的であり、特定の脳活動状態における血流分布画像そのものから、脳状態の異常を判断する工夫がなされていない。
【００１１】
また前述の特開２００１−２３８９６８号公報で提案されている光計測用プローブは、皮膚表面の画像計測を目的としたものであり、計測部位の位置に関する情報を取得する手段は設けられていない。このため、計測信号の発生部位の特定や、固定式のプローブで取得した画像との比較が困難であるという問題点を有する。
【００１２】
本発明は、計測領域の増大に伴う装置の大型化を回避し、計測データの位置情報の取得が可能な、生体情報計測装置を提供することを目的としてなされたものである。
【００１３】
また本発明は、特定の脳活動状態における血流分布画像そのものから、脳状態の異常を判断することが可能な、生体情報計測装置を提供するためになされたものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、以下のような解決手段により、前記の課題を解決する。
【００１５】
特定の基準位置に対する光照射手段および光検出手段の相対位置を検出し、計測信号の発生部位を特定する。これによりプローブを固定せず、動かしながら信号を計測することが可能となり、前記相対位置と計測信号とから、血流分布を算出することができる。また、プローブを動かしながら計測することにより、少ないチャンネル数で広い領域を計測できるので、計測領域の増大に伴う装置の大型化を回避することができる。
【００１６】
また、前記位置検出手段は、生体表面の特定位置の相対位置を検出し、血流分布上に前記特定位置を表示する。これにより、固定式プローブで取得した計測データとの比較が容易となる。
【００１７】
また、前記血流分布を、データ保存手段に蓄積した平常状態の血流分布と比較することにより、平常状態に対する脳状態の異常を判断することができる。
【００１８】
また、上記構成に加えて外部刺激を与える刺激呈示手段を設けることにより、計測時の脳活動状態を統制し、前記脳状態の異常を判断する際の精度を高めることができる。
【００１９】
さらに、前記平常状態の血流分布を、計測時刻に応じた時間帯毎に蓄積することにより、脳状態の日内変動の影響を低減することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は従来のプローブ配置を示す図である。入射点１０１と検出点１０２は、シェル１０３上に交互に配置されている。シェル１０３は固定具１０４によって被験者１０５の頭部に装着される。計測の間に装着位置がずれないように、入射点１０１および検出点１０２は固定されている。
【００２１】
ランプ、発光ダイオード、半導体レーザ等から照射される測定光は、入射用光ファイバ（図示略）を通って入射点１０１から被験者１０５に入射される。被験者１０５の頭部内の大脳皮質部分を伝播した光は、検出点１０２に接続された検出用光ファイバ（図示略）を通ってフォトダイオード、光電子増倍管等の光照射器（図示略）に送られ、検出される。
【００２２】
検出される光の強度は、大脳皮質内の血流状態に依存して変動するので、光が伝播してきた大脳皮質内の血液の増減が計測できる。検出信号は光が伝播してきた部分全ての血流情報を反映しているが、便宜上入射点１と検出点２のほぼ中点をサンプリング点とし、計測された信号値は前記サンプリング点の血流情報とする。複数セットの入射・検出点を設け、複数のサンプリング点の計測信号から血流分布画像を得ることができる。
【００２３】
図２は、本発明による生体情報計測装置に用いられるプローブの一例である。光源２０１および２０２から発生した入射光は、通孔２０３を通って被験者頭部に照射される。前記光源２０１および２０２にはレーザダイオードなどを用いる。異なる波長の入射光を用いることにより、血液中に含まれる酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの濃度情報を得ることもできる。前記入射光の波長は、たとえば８３０ｎｍおよび７８２ｎｍとする。
【００２４】
被験者頭部内の大脳皮質部分を伝播した光は、通孔２０６を通って光検出器２０７に到達し、光検出信号として検出される。通孔２０３、２０６は近赤外光に対する吸光係数が低い色を呈するプラスティック等の材料で埋められており、光が通孔外に漏れないように、遮光板２０４、２０８によって覆われている。通孔２０３、２０６および遮光板２０４、２０８からなる先端部は、脱着部２０５および２０９によって本体に固定されており、使い捨ても可能である。
【００２５】
位置センサ２１０、２１１には、たとえばホール素子などが用いられ、入射点や検出点などの位置情報を取得する。前記位置情報および前記光検出器２０７によって検出された光検出信号は、制御部２１２、外部装置接続端子２１４を通って外部に送られる。前記照射および検出は制御部２１２によって制御されており、前記位置情報と光検出信号との対応付けも行う。前記装置の駆動に必要な電源は、電池２１３によって供給される。本実施例では、プローブ内に光源、検出器、制御部が一体化した装置の例について述べたが、外部の制御装置から光ファイバーを通して入射および検出を行ってもよい。
【００２６】
図３は、本発明によって位置情報を取得する場合を示している。位置センサ３０２はプローブ３０１に内蔵されており、位置情報を取得すべき入射点および検出点に近接して配置される。前記入射点および検出点が複数ある場合には、各々の入射点および検出点に対応する位置センサを配置する。
【００２７】
本実施例では、前記位置センサとしてホール素子を用いる場合について述べる。この場合、被験者の首や腰など、動きの少ない部位に、磁石３０３、３０４を装着し、位置計測における基準位置とする。前記基準位置はひとつでよい。光検出器２０７で検出した光検出信号および、前記位置センサで計測した前記位置情報はコントローラ３０５に送られる。前記光検出信号および前記位置情報に基づく血流画像の算出は、コントローラ３０５で行ってもよい。あるいは、通信手段を介して前記光検出信号および前記位置情報を遠隔地のサーバーに送り、前記サーバーにおいて前記血流分布画像の算出を行ってもよい。
【００２８】
図４は、本発明による位置情報の算出方法を説明する図である。本実施例においてもホール素子を用いて位置情報を取得する場合について述べる。また簡単のため、２次元の位置情報を算出する例を説明する。
【００２９】
磁石４０１は、図３における磁石３０３あるいは３０４に相当し、位置情報取得における基準位置を示している。ホール素子４０２および４０３は前記位置情報を取得すべき入射点あるいは検出点の近傍に、互いに直交する向きに配置されている。磁石４０１から発生した磁束がホール素子４０２および４０３を貫くと、前記ホール素子に直交する磁束成分が電気信号に変換されて検出される。従って、前記磁石と前記ホール素子との距離および傾きの変化によって、前記電気信号が変化する。
【００３０】
ホール素子４０２および４０３の位置は、前記プローブの位置に応じて変化するため、この位置変化に伴って磁石４０１とホール素子４０２、４０３との距離および傾きが変化する。ホール素子４０２によって検出される磁束成分４０４、およびホール素子４０３によって検出される磁束成分４０５を用い、ピタゴラスの定理によって、位置情報を与える磁束成分４０６が算出される。３次元の位置情報を取得する場合には、互いに直交する向きに配置された３個のホール素子を用いればよい。
【００３１】
本実施例では、ひとつの入射点あるいは検出点の位置情報を取得するために、複数のホール素子を用いる。このため、各ホール素子の位置は同一ではないので、算出される位置情報は正確ではない。しかし、ホール素子の大きさは一辺が２ｍｍ程度であり、光計測の空間分解能は散乱の影響により数ｃｍ程度であるため、この程度のずれであれば、あまり問題にはならない。
【００３２】
本実施例で述べてきたプローブによって計測した血流分布画像と、従来技術で用いられている固定式のプローブによって計測した血流分布画像を比較する場合、両画像間において位置の対応付けがなされている必要がある。
【００３３】
図５は、前記位置の対応付けを行うために、血流分布画像上に特定位置を表示する実施例を説明する図である。特定位置５０１〜５０３は、たとえば両耳の上や眉間とし、予め指定しておく。プローブ５０４に内蔵された、特定位置検出用の位置センサ５０５を特定位置５０１〜５０３に接触させ、前記特定位置の位置情報を計測する。前記光検出信号から算出された血流分布画像を表示する際に、前記血流分布画像上に、前記特定位置を表示する。固定式プローブを用いて計測した光検出信号から、血流分布画像を算出する場合には、前記固定式プローブの装着位置と前記特定位置との対応付けは容易である。
【００３４】
このように、特定位置の位置情報を取得し、血流分布画像との位置の対応付けを行うことにより、固定式プローブで取得した血流分布画像との比較が可能となる。
【００３５】
図６は、脳状態の異常を判断するための画像を算出する実施例を説明する図である。血流分布画像６０１は、データ保存手段に計測時刻の時間帯別に蓄積される。蓄積された前記血流分布画像６０１に基づいて、前記時間帯別に算出された平均血流分布画像６０２が、前期データ保存手段に保存される。さらに、計測直後の血流分布画像６０１と平均血流分布画像６０２との差分画像６０３が、前記時間帯別に算出され、前記データ保存手段に蓄積される。
【００３６】
前記において、差分画像の画素値の総和が予め設定した閾値を超えた場合、脳状態に異常が生じたと判断する。あるいは、算出直後の前記差分画像と、前記蓄積された差分画像との加算平均画像６０４を算出し、前記加算平均画像６０４の画素値の総和が予め設定した閾値を超えた場合、脳状態に異常が生じたと判断する。
【００３７】
本実施例では、計測時間帯別に平均血流分布画像および差分画像を算出する例を述べたが、このような分類を行わなくてもよい。また、計測時間帯別ではなく、計測直前直後のイベントによってカテゴリー分けしてもよい。前記イベントは、たとえば、食事や排便、睡眠などである。
【００３８】
以上の実施例においては、位置情報を検出する位置センサとしてホール素子を用いる場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえばロータリーエンコーダとジャイロセンサを組み合わせてもよい。また、血流分布画像ではなく、酸素化ヘモグロビン濃度分布画像および、脱酸素化ヘモグロビン濃度分布画像を用いてもよい。
【００３９】
上記生体情報計測装置において、血流分布画像の変化から脳状態の異常を検出するためには、計測条件をできるだけ一定に保つことが望ましい。特に、計測時の脳活動状態を再現させることが大切である。このため、本発明による生体情報計測装置は、生体に視覚刺激、聴覚刺激、感覚刺激等の外部刺激を与える刺激呈示手段を備える。
【００４０】
たとえば、前記刺激呈示手段はディスプレイ上に特定の画像を表示し、被験者は上記画像を注視しながら前記血流分布画像を計測する。あるいは、前記刺激呈示手段はスピーカから特定の音声を発生し、被験者は上記音声を聞きながら前記血流分布画像を計測する。このように、被験者が外部刺激に集中することにより、計測時の脳活動状態の再現性を高めることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、チャンネル数を少なくしても広範囲にわたって光による生体情報計測が可能であり、一般家庭や職場、外出先での全脳計測が可能になる。また、脳の健康状態などのモニタが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のプローブ配置を示す説明図。
【図２】本発明の一実施例による生体情報計測装置のプローブの概略図。
【図３】本発明の一実施例における位置情報を取得する手段の説明図。
【図４】本発明の一実施例による位置情報の算出方法の説明図。
【図５】血流分布画像上に特定位置を表示して位置の対応付けを行う実施例の説明図。
【図６】本発明の実施例において脳状態の異常を判断する画像を算出する方法の説明図。
【符号の説明】
１０１…入射点、１０２…検出点、１０３…シェル、１０４…固定具、１０５…被験者、２０１，２０２…光源、２０３，２０６…通孔、２０４，２０８…遮光板、２０５，２０９…脱着部、２０７…光検出器、２１０，２１１…位置センサ、２１２…制御部、２１３…電池、２１４…外部装置接続端子、３０１…くし型プローブ、３０２…位置センサ、３０３，３０４…磁石、３０５…コントローラ、４０１…磁石、４０２，４０３…ホール素子、４０４，４０５…ホール素子によって検出される磁束成分、４０６…位置情報を与える磁束成分、５０１〜５０３…特定位置、５０４…プローブ、５０５…位置センサ、６０１…時間帯毎の血流分布画像、６０２…時間帯毎の平均血流分布画像、６０３…時間帯毎の血流分布と平均血流分布との差分画像、６０４…差分画像の加算平均の画像。
【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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