(57)【要約】【課題】生体を対象とする刺激応答の計測において、計測の繰り返しが少数回でも十分な良好な加算平均信号を得る。【解決手段】低周波の生体揺らぎを抽出し、抽出された揺らぎの位相に合わせて刺激呈示を行う。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体の内部状態を計測する計測部と、前記計測部で計測された信号に含まれる生体揺らぎ成分を抽出する信号抽出部と、前記信号抽出部で抽出された生体揺らぎ成分に基づいて被検体に刺激又は命令を呈示するタイミングを決定する刺激タイミング決定部と、前記刺激タイミング決定部によって決定された時刻に刺激又は命令を与えるように制御を行う刺激・命令呈示制御部と、前記刺激・命令呈示制御部からの制御信号に従って被検査体に刺激又は命令を与える刺激・命令呈示部とを備えることを特徴とする生体計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の生体計測装置において、前記信号抽出部は、前記計測部で計測された信号の低周波数成分を抽出することを特徴とする生体計測装置。
【請求項３】
請求項２記載の生体計測装置において、前記低周波数成分は０．０１ヘルツから０．５ヘルツの間の低周波数成分を含むことを特徴とする生体計測装置。
【請求項４】
請求項１記載の生体計測装置において、前記信号抽出部は、前記計測部で計測された信号を、現在から過去に向かって設定された時間窓長Ｔ（秒）内でｎ次の多項式（ｎは３以上の整数であり、ｎとＴは、０．０１≦（ｎ−１）／２Ｔ≦０．５を満たす）によってフィッティングしたときの現在時刻の値を前記生体揺らぎ成分の現在値とすることを特徴とする生体計測装置。
【請求項５】
請求項１記載の生体計測装置において、前記刺激タイミング決定部は、前記信号抽出部で抽出された生体揺らぎ成分の位相に基づいて被検査体に刺激又は命令を呈示するタイミングを決定することを特徴とする生体計測装置。
【請求項６】
請求項１記載の生体計測装置において、前記刺激タイミング決定部は、前記信号抽出部で抽出された生体揺らぎ成分の波の山と谷の位置で交互に被検体に刺激又は命令を呈示することを特徴とする生体計測装置。
【請求項７】
請求項１記載の生体計測装置において、前記刺激タイミング決定部は、前記信号抽出部で抽出された生体揺らぎ成分の波の山の位置で被検体に刺激又は命令を呈示する回数と谷の位置で被検体に刺激又は命令を呈示する回数とが同数になるように、前記生体揺らぎ成分の波の山の位置と谷の位置で被検体に刺激又は命令を呈示することを特徴とする生体計測装置。
【請求項８】
請求項１記載の生体計測装置において、前記計測部は、被検査体の頭部表面に近赤外光を照射する光照射部と、被検査体の内部を通過した生体通過光の光強度を検出する光検出部とを備えることを特徴とする生体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、刺激又は命令に対する生体の応答を計測して、生体の情報を取得する生体計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
与えられた刺激に対する生体の応答を計測する装置において、計測信号の質は応答信号とそれ以外の揺らぎの振幅比で表すことができる。その振幅比が大きければ、信号の質はそれだけ高いということになる。揺らぎの成分の主なものは、生体に由来する揺らぎ（生体揺らぎ）と装置由来のノイズである。この信号品質を高めるために従来は、非特許文献１に記載されているように、刺激（タスク命令を含む）を周期的又はランダムに繰り返し与え、得られた応答信号を加算平均するという手段がとられていた。
【非特許文献１】
Ａ．　Ｍａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　２２，　１９９７−２００５　（１９９５）．
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来行われているように、刺激又は命令を周期的又はランダムに繰り返し与え、得られた応答信号を加算平均するという方法は、繰り返し回数が多数であることを前提としている。その場合、加算平均信号に残るランダムな揺らぎ成分は繰り返し回数の平方根に反比例して減少する。しかし、被検査体の身体的負担等を考えると、繰り返し回数はできるだけ少なくするのが望ましい。また、被検査体が乳幼児やある種の疾患患者である場合に、多数回の繰り返し計測を行うことは、そもそも不可能である。
本発明は、このような問題点に鑑み、少い回数の計測によっても十分な信号品質を確保できる生体計測装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、生体に対する刺激応答の計測において、生体揺らぎを抽出し、抽出された生体揺らぎの位相に合わせて刺激呈示を行うことで上記課題を解決する。ここで生体揺らぎとは、計測信号中に含まれる雑音のうち、装置由来の雑音成分を除いた雑音を指す。
【０００５】
すなわち、本発明による生体計測装置は、被検査体の内部状態を計測する計測部と、計測部で計測された信号に含まれる生体揺らぎ成分を抽出する信号抽出部と、信号抽出部で抽出された生体揺らぎ成分に基づいて被検体に刺激又は命令を呈示するタイミングを決定する刺激タイミング決定部と、刺激タイミング決定部によって決定された時刻に刺激又は命令を与えるように制御を行う刺激・命令呈示制御部と、刺激・命令呈示制御部からの制御信号に従って被検査体に刺激又は命令を与える刺激・命令呈示部とを備えることを特徴とする。
【０００６】
信号抽出部は、生体揺らぎ成分として、計測部で計測された信号の低周波数成分、特に０．０１ヘルツから０．５ヘルツの間の低周波数成分を抽出する。
また、信号抽出部は、計測部で計測された信号を、現在から過去に向かって設定された時間窓長Ｔ（秒）内でｎ次の多項式（ｎは３以上の整数であり、ｎとＴは、０．０１≦（ｎ−１）／２Ｔ≦０．５を満たす）によってフィッティングしたときの現在時刻の値を生体揺らぎ成分の現在値とすることによって、計測信号から生体揺らぎ成分を抽出することができる。
【０００７】
刺激タイミング決定部は、信号抽出部で抽出された生体揺らぎ成分の位相に基づいて被検査体に刺激又は命令を呈示する。例えば、生体揺らぎ成分の波の山と谷の位置で交互に被検体に刺激又は命令を呈示する、あるいは、生体揺らぎ成分の波の山の位置で被検体に刺激又は命令を呈示する回数と谷の位置で被検体に刺激又は命令を呈示する回数とが同数になるように、生体揺らぎ成分の波の山の位置と谷の位置で被検体に刺激又は命令を呈示するのが好ましい。
【０００８】
計測部は、例えば、被検査体の頭部表面に近赤外光を照射する光照射部と、被検査体の内部を通過した生体通過光の光強度を検出する光検出部とを備え、脳内の血流状態を計測するように構成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による生体計測装置の構成例を示すブロック図である。本例の生体計測装置は、被検査体１０の内部状態を計測する計測部１１と、計測部１１において計測された信号の特定周波数帯域成分（生体揺らぎ成分）を抽出する信号抽出部１２と、信号抽出部１２において抽出された信号成分に基づいて被検体に刺激又は命令を呈示するタイミングを決定する刺激・命令タイミング決定部１３と、刺激・命令タイミング決定部１３が決定した時刻に刺激又は命令を与えるように制御を行う刺激・命令呈示制御部１４と、刺激・命令呈示制御部１４からの制御信号に従って被検査体１０に刺激又は命令を与える刺激・命令呈示部１５とから構成される。
【００１０】
刺激・命令は、被検査体にとって受動的なもの（例えば音を聞く、図形を見る）を刺激と呼び、被検査体の能動的な行為を要求する場合（例えば音を聞き図形を見て、判断しボタンを押す）を命令と呼んで区別する。また、計測にはさまざまな態様が考えられる。例えば、計測対象としては、脳波、血流量、血中の酸化化及び脱酸素化ヘモグロビン濃度、総ヘモグロビン濃度、脳内局所磁場、血中放射性物質濃度、プロトン緩和時間、筋電位、皮膚電位等を用いることができ、計測手段としては、脳波計、電流計、光計測装置、磁気共鳴装置、脳磁計、ＰＥＴ（陽電子放射撮像装置）、ｆＭＲＩ（機能的核磁気共鳴画像化装置）、筋電位計、皮膚電位計（心電図計測装置）等を用いることができる。
【００１１】
以下に、新生児における脳活動の光計測に本発明を適用する場合の例について説明する。まず、図２によって装置概要を説明する。
波長７８０ｎｍの近赤外光を発生する光源１０２ａ，１０２ｃ及び波長８３０ｎｍの近赤外光を発生する光源１０２ｂ，１０２ｄは、発振器１０１ａ〜１０１ｄによって、それぞれ互いに異なる周波数で駆動される。異なる周波数で強度変調された光源１０２ａ及び１０２ｂからの光は、光ファイバー１０３ａ，１０３ｂを通って結合器１０４ａで結合され、光照射用光ファイバー１０５ａを介して被検体である被検者１０６の頭皮上の一点に照射される。他の光源１０２ｃ及び１０２ｄからの光は、光ファイバー１０３ｃ，１０３ｄを通って結合器１０４ｂで結合され、光照射用光ファイバー１０５ｂを介して被検者１０６の頭皮上の他の点に照射される。
【００１２】
光照射用光ファイバー１０５ａ，１０５ｂによる光照射位置の近くには、光照射位置から等距離（ここでは３０ｍｍとする）の位置に先端が位置するように複数の受光用光ファイバー１０７ａ〜１０７ｆが配置され、各受光用光ファイバーの後端にはそれぞれ光電子増倍管やフォトダイオード等の受光器１０８ａ〜１０８ｆが設けられている。６本の受光用光ファイバー１０７ａ〜１０７ｆで、生体通過光が受光され、受光された生体通過光は、それぞれ受光器１０８ａ〜１０８ｆによって光電変換される。なお、受光用光ファイバー１０７ａ〜１０７ｆにより受光される光には反射光と透過光があるが、ここでは両者を含め生体内を通過したのち受光された光を生体通過光という。
【００１３】
受光器１０８ａ〜１０８ｆで光電変換された生体通過光強度を表す電気信号（以下、生体通過光強度信号とする）は、それぞれロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｈに入力される。ここで、受光器１０８ｃ及び１０８ｄは、光照射用光ファイバー１０５ａ及び１０５ｂの両方から等距離にある受光用光ファイバー１０７ｃ及び１０７ｄで集光される生体通過光強度を検出しているため、受光器１０８ｃ及び１０８ｄからの信号を２系統に分離し、ロックインアンプ１０９ｃと１０９ｅ及び１０９ｄと１０９ｆに入力する。ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｄには発振器１０１ａ及び１０１ｂ、そして、ロックインアンプ１０９ｅ〜１０９ｈには発振器１０１ｃ及び１０１ｄからの強度変調周波数が参照周波数として入力されている。従って、ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｄからは光源１０２ａ及び１０２ｂに対する生体通過光強度信号が分離されて出力され、ロックインアンプ１０９ｅ〜１０９ｈからは光源１０２ｃ及び１０２ｄに対する生体通過光強度信号が分離されて出力される。
【００１４】
ロックインアンプ１０９ｅ〜１０９ｈの出力である分離された各波長毎の生体通過光強度信号は、アナログ−デジタル変換器１１０でアナログ−デジタル変換した後に、計測制御用計算機１１１に送られる。計測制御用計算機１１１では生体通過光強度信号を使用して、各検出点の検出信号から、例えば上記非特許文献１に説明されている手続によって、酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度及び総ヘモグロビン濃度の相対変化量を演算し、複数の計測点の経時情報として記憶装置に格納すると同時に、予め選ばれたチャンネルの計測信号１１２がフィルタリング計算用計算機１１３に送られる。ここで、総ヘモグロビン濃度変化量は、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化量の和として与えられる。また、「チャンネル」とは、計測位置と計測化学種（酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、総ヘモグロビンのいずれかを指す）の組み合わせをいう。フィルタリング計算用計算機１１３においては、以下に説明するように多項式フィッティングを利用したフィルタリングによって特定周波数帯域の揺らぎ成分を抽出し、その揺らぎの波の山と谷の位置で刺激・命令を呈示するように制御信号１１４を刺激・命令呈示装置１１５に送る。
【００１５】
図３に、本実施例による刺激タイミングの例を従来装置による場合と比較して示す。図中の矩形波形は、刺激が与えられている時間を示している。刺激として、１７秒間の聴覚刺激を与えた。従来装置では、１つの刺激を与えたのち次の刺激を与えるまでの時間は、レスト期間として２５秒から３５秒の間でランダムに選ばれる。一方、本実施例では低周波数揺らぎの波の山と谷の位置で刺激呈示が行われる。
【００１６】
低周波数揺らぎの抽出は、フィルタリング計算用計算機１１３において行われる。乳児においても成人同様、主要な生体揺らぎは０．１Ｈｚ付近に分布する（Ｈ．　Ｏｂｒｉｇ　ｅｔ　ａｌ．，　ＮｅｕｒｏＩｍａｇｅ　１２，　６２３−６３９　（２０００））。このような低周波数揺らぎを周波数領域における通常のフィルタリングによって抽出すると、遅延の影響を無視できない。そこで本実施例においては、フィルタリングを予め設定された時間窓で多項式フィッティングを用いることでその欠点を克服した。
【００１７】
図４は、多項式フィッティングの説明図である。Δｔはサンプリング間隔で、本実施例の場合０．１秒である。τΔｔはフィッティングに使用するデータの間隔で、本実施例の場合０．１秒、すなわち、すべてのサンプリング点を用いた。Ｔは時間窓長で、本実施例では１５秒とした。多項式の次数は３次とした。多項式の次数を高くすることと時間窓長Ｔを短くすることはフィルタリングに同じ効果を持つ。多項式の次数を高くする、あるいは時間窓長Ｔを短くすると、抽出される生体揺らぎの周波数は高い方へシフトする。
【００１８】
抽出信号成分の典型的周波数は「（多項式次数−１）／２Ｔ」で与えられる（単位はヘルツ）。また本発明の目的に照らして、この典型的周波数は０．０１ヘルツから０．５ヘルツの範囲にあることが望ましい。それは刺激応答信号の周波数成分が高々１ヘルツであること、刺激（タスク）期間が典型的に数十秒程度であること、及び、上記文献：Ｈ．　Ｏｂｒｉｇ　ｅｔ　ａｌ．，　ＮｅｕｒｏＩｍａｇｅ　１２，　６２３−６３９　（２０００）に述べられているように、重要な低周波数揺らぎがこの範囲に存在するからである。図４の例では時刻ｔの計測信号に対するフィルタリングを行っている。時間窓長Ｔ内の計測データｘ（ｓ）に対し、次式のように３次の多項式をあてはめる（ｔ−Ｔ≦ｓ≦ｔ）。
【００１９】
ｘ（ｓ）＝ａｓ３＋ｂｓ２＋ｃｓ＋ｄ
最小二乗法でこれらの係数を決定し、それらの推定値を＜ａ＞，＜ｂ＞，＜ｃ＞，＜ｄ＞とすると、現在時刻ｔでの平滑化信号、一次微分値、二次微分値の推定値は、それぞれ次のように表される。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
図４において、現在時刻ｔの大きな白抜きの丸は計測信号値を、大きな黒丸は平滑化信号値を表す。平滑化信号値は、抽出された低周波数揺らぎの現在時刻ｔでの推定値である。また、小さな黒丸はフィッティングに用いたデータを、小さな白抜きの丸はフィッティングに用いないデータを表す。
【００２２】
新生児に対し、無刺激下で低周波数揺らぎを抽出し、低周波数揺らぎの波の山と谷の位置を検出した例を図５に示す。図中、上部の細実線は計測信号を、太実線は平滑化信号、すなわち、抽出された低周波数揺らぎを表す。下部の破線は一次微分値、矩形波は二次微分値の符号を表している。実線矢印は検出された揺らぎの波の山の位置を、破線矢印は検出された揺らぎの波の谷の位置を示す。
【００２３】
ここで用いられた刺激・命令呈示装置の制御アルゴリズムを図６に従って説明する。まず、ターゲットチャンネル、多項式次数、加算データ長（刺激応答の信号の長さ）、時間窓長、多項式フィティングに使用するデータ間隔、繰り返し回数ｎｒｅｐ（刺激・命令呈示を行う回数）２種類の閾値δ，ε（＞０）を入力する。実際に行った刺激・命令呈示の回数をｎｒとし、ｎｒ＝ｎｒｅｐとなったところで制御を終了する。計測信号から多項式フィッティングを行い、低周波数揺らぎ（生体揺らぎ）、その１次微分値、２次微分値を推定する。ｎｒが偶数（０を含む）で、かつ、揺らぎの波が山の位置にあるとき、あるいは、ｎｒが奇数で、かつ、揺らぎの波が谷の位置にあるとき、刺激・命令呈示をするための制御信号１１４が刺激・命令呈示装置１１５に送られる。このときｎｒをインクリメントしてｎｒ＝ｎｒ＋１とし、制御を続け、ｎｒ＝ｎｒｅｐとなるまで繰り返す。
【００２４】
なお、計測信号が逐次計測制御用計算機１１１から送られているとき、揺らぎの波の山の位置にあるか、谷の位置にあるかを判定するには次のアルゴリズムを用いた。すなわち、１次微分値の絶対値が閾値δより小さく、かつ２次微分値が−εより小さいとき山の位置と判定し、１次微分値の絶対値が閾値δより小さく、かつ２次微分値がεより大きいとき谷の位置と判定する。本実施例では閾値としてδ＝０．０５、ε＝０．００５を用いた。また、ここでは山と谷を交互に選ぶようにしたが、必ずしも山と谷を交互に選ぶ必要はなく、繰り返し回数の半分を山に割り当て残りの半分を谷に割り当てることで同様の効果が得られる。ベースラインは、山の位置では上に凸になりやすく、谷の位置では下に凸になりやすい。山と谷を同数回足し合わせることによって、互いにキャンセルしあい、結果として平坦なベースラインが得られるというわけである。
【００２５】
本実施例の計測では、左右側頭部の各箇所（計６箇所：１から６の番号で示す）で酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度の相対変化が求められる。計測開始後１０秒の生体通過光強度を基準に、これらの変化量が計算される。ここでは計測信号１１２として計測箇所１の酸素化ヘモグロビン濃度変化を選択し、刺激繰り返し回数１０回とした場合の結果の例を図７に示す。ここではターゲットチャンネルに対して本発明の効果が示されている。効果は平坦になることが望ましい、ベースライン変動の標準偏差で評価している。図３（ｂ）に示した方法に従って刺激呈示を行う本発明による方が、図３（ａ）に示した方法で刺激呈示を行う従来法よりもベースライン変動の標準偏差が小さくなることが分かる。
【００２６】
図８は、他のチャンネルのベースライン変動に対する影響を示す図である。横軸はチャンネル番号を表し、縦軸はベースライン変動の標準偏差を表す。実線は本実施例の結果を表し、破線は従来例の結果を表す。他の計測箇所での酸素化ヘモグロビン濃度変化については、チャンネル２ｏ，３ｏ，４ｏ，５ｏ，６ｏにおける２つの数値の比較から明らかなように本実施例では従来例に比較してベースライン変動が十分抑制されており、脱酸素化ヘモグロビン濃度変化についても従来と比べて遜色ない結果を与えることが分かる。
【００２７】
他のチャンネルをターゲットとして選んでも、このような傾向は変わらなかった。例えばターゲットチャンネルとして１ｄを選ぶと、図９に示すように、今度はターゲットチャンネル１ｄでの十分な効果に加えて、他の計測箇所での脱酸素化ヘモグロビン濃度変化についても十分な効果が得られ、酸素化ヘモグロビン濃度変化については従来と比べて遜色ない結果を与える傾向が認められた。総ヘモグロビン濃度変化をターゲットチャンネルとして選ぶと、これらの２つの傾向の平均化された効果が得られることが認められた。また複数のターゲットチャンネルを予め選び、ある決まった順番で変更することや、全チャンネルから複数のチャンネルを選びその平均値を監視し、刺激・命令呈示タイミングの制御に用いることも可能である。
【００２８】
次に、成人の被験者に対して左側頭部に、図１０の配置図に示すように光ファイバーを配置し、本発明に係る装置によって脳の言語関連機能を光によって計測した。図中Ｓは光源用ファイバーの位置を、図中Ｄは受光用ファイバーの位置を表す。また、Ｓ−Ｄ間にある四角で囲まれた番号は計測位置を示す。
【００２９】
隣り合うＳ−Ｄ間の距離は３０ミリメートル、用いた光源の波長は７８１ｎｍ及び８３２ｎｍである。上記実施例において述べたように光計測によって計測位置における酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、総ヘモグロビンの相対的濃度変化を知ることができる。図１０のファイバー配置は、ｆＭＲＩ（機能的核磁気共鳴画像化装置）等によって言語機能関連部位と確かめられている位置を含むように設定した。言語課題実行中に計測位置３において顕著な酸素化ヘモグロビンの増加が見られた。そこで計測位置３における酸素化ヘモグロビンに対応するチャンネルをターゲットチャンネルとした。
【００３０】
被験者に与えられた言語課題はしりとりであり、その時間は４０秒間、レスト状態は４０秒間で、「あいうえお」を繰り返すようにした。５回の繰り返しを従来装置と本発明の装置で行い、ターゲットチャンネルに対して得られた加算平均応答信号の信号雑音振幅比を比較した。フィルタリングの条件は、時間窓長２０秒、多項式次数５とした。閾値は上記実施例と同じ値を用いた。その結果、従来装置では信号雑音振幅比＝１．２、本発明に係る装置では信号雑音振幅比＝２．５となり、本発明の効果が示された。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によると、生体に対する刺激応答の計測において、高い信号品質を確保することができ、特に少数回の繰り返し計測の場合、周期的又はランダムな刺激呈示に比べ、信号品質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による生体計測装置の構成例を示すブロック図。
【図２】脳活動の光計測に適用した本発明の生体計測装置の概略構成図。
【図３】刺激・命令呈示タイミングの説明図。
【図４】多項式フィッティングの説明図。
【図５】多項式フィッティングを用いた低周波数揺らぎの波の山と谷の位置の検出例を示す図。
【図６】刺激・命令呈示装置の制御アルゴリズムを示す図。
【図７】加算平均信号とそのベースラインを示す図。
【図８】計測箇所１の酸素化ヘモグロビン濃度変化に対応するチャンネルをターゲットチャンネルとした場合の各チャンネルにおける加算平均信号ベースラインの標準偏差を示す図。
【図９】計測箇所１の脱酸素化ヘモグロビン濃度変化に対応するチャンネルをターゲットチャンネルとした場合の各チャンネルにおける加算平均信号ベースラインの標準偏差。
【図１０】光照射用及び受光用光ファイバーの配置図。
【符号の説明】
１０１：発振器、１０２：光源、１０３：光ファイバー、１０４：結合器、１０５：光ファイバー、１０６：計測対象（被検者）、１０７：受光用光ファイバー、１０８：受光器、１０９：ロックインアンプ、１１０：アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、１１１：計測制御用計算機、１１２：計測信号、１１３：フィルタリング計算用計算機、１１４：制御信号、１１５：刺激・命令呈示装置
【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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