(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に所定の波長の光を照射する発光部と、前記光の照射を受けて前記被検体を通過する光を検出する光検出部と、前記光検出部で検出した光信号を解析し、前記被検体における血流情報を含む生体情報を作成する信号処理部とを備えた生体光計測装置において、
前記信号処理部は、
時間軸に沿って得られる前記光信号から、所定の時間長さの区間の前記光信号を抽出し、複数の区間データを作成する手段と、
抽出した区間データのうちスパイク状ノイズ成分を含む区間データを検出する手段と、
前記スパイク状ノイズ成分を含む区間データを前記複数の区間データから除去するとともに、除去されなかった区間データを用いて加算平均処理し、所定の時間長さの区間データを作成する手段と
を含む生体光計測装置。
【請求項２】
前記スパイク状ノイズ成分を含む区間データを検出する手段は、区間データに含まれる各信号についてその微分値を求め、前記微分値が所定の閾値以上である信号を含む区間データを、スパイク状ノイズ成分を含む区間データとして特定することを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
【請求項３】
前記スパイク状ノイズ成分を含む区間データを検出する手段は、区間データに含まれる各信号について、それ以前に計測した信号の平均値との差を求め、前記差が所定の閾値以上である信号を含む区間データを、スパイク状ノイズ成分を含む区間データとして特定することを特徴とする請求項１記載の生体光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、生体光計測装置に関し、特にその信号処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体光計測装置は、所定の波長の光を生体に照射し、生体を透過した光の光量の変化を計測することにより、生体内部の血液循環、血行動態、ヘモグロビン変化等の情報を得るものであり、特に、複数の光照射部と受光部とを配置して、比較的広い範囲の血流情報をトポグラフィとして得るようにした生体光計測装置は、例えばてんかん発作の局所焦点同定など脳の機能の研究や臨床への応用が期待されている。
【０００３】
その一つの応用として、近赤外線脳血流マッピング法と呼ばれる方法により、運動・言語課題推敲時の脳内ヘモグロビン変化が報告されている（CLINICAL NUEROSCHENCE Vol.17,No.11,1999-11）。この方法では、脳内ヘモグロビン変化を捉えるために、各課題を複数回試行し、加算平均を算出している。これは、運動・言語課題などの生理的刺激で得られる脳内ヘモグロビン変化が高々５％程度しかないためである。
【０００４】
このように生体光計測で計測するヘモグロビン変化量は数％のオーダーであるのに対し、体動等によって生じる光信号の変化量は50％以上に達し、スパイク的なノイズとして計測すべき光信号に重畳されて計測される。このようなスパイク状のノイズは、単独の計測データにおいては、急峻なピークとなって現れるため、目視によって見分けることは可能であるが、前述のように加算平均によってヘモグロビン量を求める場合には、ピーク値が平均化されて計測データに重畳されるため、計測データと見分けにくく、正確な診断の妨げとなっていた。
【０００５】
従来、一般に生体光計測においてノイズが混入したデータを処理するためには、計測データから目視によってノイズを認識し、加算平均ヘモグロビン結果から除去する以外に方法がなかったが、このような作業は、データ表示のリアルタイム性を著しく阻害し、またスパイク状ノイズについては、前述の理由から目視によっても除去することが困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、ノイズ成分の特性を把握し、その特性によってノイズ成分を認識し、求めようとする計測結果からノイズ成分を自動的に除去することが可能な生体光計測装置を提供することを目的とする。また本発明は、信頼性の高い計測結果を速やかに取得し、また表示することが可能であり、これによって診断や研究に有用な情報を提供することができる生体光計測装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の生体光計測装置は、被検体に所定の波長の光を照射する発光部と、前記光の照射を受けて前記被検体を通過する光を検出する光検出部と、前記光検出部で検出した光信号を解析し、前記被検体における血流等の生体情報を作成する信号処理部とを備えた生体光計測装置において、
前記信号処理部は、検出した光信号に混入するノイズ成分を検出する手段および光信号からノイズ成分を除去する手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の生体光計測装置は、信号処理部にノイズ成分の有無を検出するとともに測定した光信号からノイズ成分を含む信号を除去する手段を備えたことにより、従来目視によって行われた作業を自動化し、速やかに正確な計測結果を表示することができる。
【０００９】
本発明の生体光計測装置において、ノイズ成分の検出は、時系列的に得られる光信号についてその微分値を求め、微分値が所定の閾値以上であるときにノイズと判断することにより行うことができる。このように微分値で判定することにより、体動等によって混入するスパイク状ノイズを効果的に検出することができ、スパイク状ノイズによる影響を排除することができる。
【００１０】
また本発明の生体光計測装置において、信号処理部は、時間軸に沿って得られる光信号から、所定の時間長さの区間の光信号を抽出し、複数の区間データを作成する手段と、抽出した区間データのうちノイズ成分を含む区間データを検出・除去する手段と、前記複数の区間データのうち除去されなかった区間データを用いて加算平均処理し、所定の時間長さの区間データを作成する手段とを含む。
【００１１】
ノイズ成分が埋没しやすい加算処理による計測データについて、予めノイズ成分を検出し、そのノイズ成分を含む加算処理対象データを除去することにより、加算処理の信頼性を向上し、正確な計測データを得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の生体光計測装置を、所定の領域におけるヘモグロビン量変化を画像として表示する光トポグラフィ装置に適用した実施形態に基づき説明する。
この光トポグラフィ装置は、被検体に脳活動を伴う運動・言語などの課題（以下、タスクという）を課した場合の脳内ヘモグロビン変化（酸素化ヘモグロビン濃度変化、脱酸素化ヘモグロビン濃度変化、全ヘモグロビン濃度変化）を計測し、計測位置毎の変化として表示する機能を有している。
【００１３】
図１は、本発明が適用される光トポグラフィ装置の全体構成を示す図で、この装置は、図示するように、被検体100の所定の領域に光を照射するとともに当該領域を透過した光を複数の検出位置毎に検出し、位置情報を含む生体情報を光信号として取り出す光照射・検出部101と、検出した光信号を処理して、ヘモグロビン変化量等の情報を数値やトポグラフィとして表示するための信号処理部101とを備えている。
【００１４】
光照射・検出部101は、さらに、所定波長の光、具体的には近赤外光を発生する光照射部102と、被検体100を透過した光を検出し、電気信号に変換する光検出部10５と、光照射部102及び光検出部105に連結された光ファイバ103と、光ファイバ103の先端を所定の配列で支持し、被検体100に接触させるためのプローブ104と、光検出部10５からの電気信号をロックイン検出するロックインアンプ106と、ロックインアンプ106の出力を増幅する連続可変アンプ107と、Ａ/Ｄ変換器とを備えている。光検出器105としては、フォトダイオード、特に高感度な光計測が実現できるアバランシェフォトダイオードを用いることが好ましい。
【００１５】
図では照射光ファイバ103及び検出光ファイバ103は、1本のみを示しているが、実際にはそれぞれ複数本からなり、その先端が互いに交互にプローブ104の格子点に配置されている。この光ファイバの数に対応して、光照射部102は、複数の周波数で変調された光を発生する。またロックインアンプ106は、これら複数の変調周波数を参照周波数として、照射位置および波長に対応した変調信号を選択的に検出する。これによって各計測位置（照射光ファイバ先端と検出光ファイバ先端との間の位置）毎の光信号を検出することができる。
【００１６】
連続可変アンプ107は、各チャンネルからの信号レベルをそろえるために設けられる。また図示していないが、信号レベルをそろえた後の信号は、各チャンネルごとに時間積分した後、サンプルホールド回路で保持した後、Ａ/Ｄ変換器に送出される。
【００１７】
信号処理部108は、光照射・検出部101から送られるデジタル信号を一時的に記憶するメモリ109と、この信号を用いてヘモグロビン濃度変化等の種々の演算、解析を行うＣＰＵ110と、ＣＰＵ110における演算結果を格納する記憶装置111と、演算結果を、例えばヘモグロビン変化量を等高線状の線図や着色された画像として表示する表示部112と、ＣＰＵ110に計測に必要な条件や被検体情報などの種々の情報をインプットするための入力装置(図示せず)とを備えている。
【００１８】
信号処理部108は、光トポグラフィ装置の光照射・検出部101と一体のものであってもよいが、汎用のパーソナルコンピュータ等上で実現することも可能である。
【００１９】
ここでＣＰＵ110は、タスクを課す前と後における光量の変化の演算、複数回の計測値の加算平均計算の他に、光量の変化曲線におけるノイズを検出し、ノイズ成分を変化曲線から除去する機能を備えている。この機能については後述する。
【００２０】
次にこのような構成における光トポグラフィ装置の動作及び信号処理部が行う処理について説明する。
【００２１】
被検体100の頭部(例えば、両側頭部)にプローブ104を装着した状態で、被検体100に間歇的なタスクを課すとともに、光照射部102より光を照射し、その光が被検体100を透過した光を光検出部105で検出する。この透過光は、生体中の特定色素、例えばヘモグロビンによって一部吸収され、ヘモグロビン濃度を反映した光量となる。そしてタスクを課した状態と、タスクを課していない状態とでは、脳内血流に変化を生じることに対応してヘモグロビン量が変動する。
【００２２】
このようなヘモグロビン量の変動に対応する光量の変動は、各検出位置毎に、光検出部105において電気信号に変換され、ロックインアンプでロックイン検出されることにより、各計測位置の信号として信号処理部108に入力される。信号処理部108に入力された信号はメモリ109に格納された後、ＣＰＵ110においてヘモグロビン濃度に対応する信号（ヘモグロビン信号）に変換される。
【００２３】
次にＣＰＵ110が行う処理を図２を参照して説明する。
【００２４】
まずＣＰＵ110は、各チャンネル毎に、検出光量をもとにヘモグロビン濃度を次式（１）〜（３）の演算により求め、ヘモグロビン信号を生成する（ステップ201）。即ち、各計測位置における波長λの検出光量Ｒ（λ）は近似的に式（１）で示される。同様にタスク実行時の検出光量Ｒｓ（λ）は、式（２）で示される。
【００２５】
【数１】
0004642279.tif 000002
【００２６】
式中、Ｒ0（λ）は照射光量、εoxy（λ）、εdeoxy（λ）は波長λにおける酸素化及び脱酸素化ヘモグロビンの分子吸光係数、Ｃoxy、Ｃdeoxyは酸素化及び脱酸素化ヘモグロビン濃度、ｄは大脳皮質の活動領域での実効的な光路長、α(λ)はヘモグロビン以外の色素による光吸収による減衰、ｓ（λ）は組織による光散乱による減衰を示す。上付き文字「ｓ」はタスク実行時の値であることを示している。
【００２７】
ここで、タスク実行時と非実行時においてα(λ)、ｓ（λ）は変化しないと考えられるので、式（２）から式（１）を差し引くことにより、式（３）により、ヘモグロビン量の変化を得ることができる。
【００２８】
【数２】
0004642279.tif 000003
【００２９】
尚、ΔＣoxy、ΔＣdeoxy、ΔＣtotalを独立に求める場合には、最低２つの波長について、式（３）左辺を求め、この２波長についての連立方程式を解くことにより、それぞれの濃度変化を求めることができる。
【００３０】
次に、ＣＰＵ110は、上述のように求めたヘモグロビン信号（例えば全ヘモグロビン変化量に対応するヘモグロビン信号）を用いて、複数のタスク実行区間に相当するデータを加算平均し、タスク実行時のヘモグロビン変化を求める（ステップ205）。加算平均の様子を図３に示す。
【００３１】
図示するようにＣＰＵ110は、時系列データであるヘモグロビン信号301から、タスク実行区間を含む所定の時間長さのデータを切り出し、タスク回数分のデータ302（以下、区間抽出データという）を得る。区間抽出データ302を抽出する処理は、タスクの実行を管理する計測系のクロックに基づいて行うことができる。
すなわち、被検体に一定の間隔でタスクを実行させるためにクロックが用いられるが、このクロックに従い、時系列データを取り始める時刻と取り終わる時刻を設定することにより、タスク実行区間の前後の所定時間を含む長さのデータを切り出すことができる。
【００３２】
ＣＰＵ110は、このように抽出した複数の区間抽出データ302を加算し、タスク回数で除することにより、加算平均したデータ303を得る。しかし、ここで、いずれかのデータに体動等に起因するスパイク状のノイズが混入していると、このノイズの影響で加算平均したデータが大きく変化し、診断に有効なデータを得ることができない。そこで加算平均処理に先立って、ＣＰＵ110は、ヘモグロビン信号に含まれるノイズ成分を検出し、ノイズ成分を含むタスク実行区間のデータを加算平均で用いないように除去する処理を行う（ステップ202〜204）。
【００３３】
これを図４を参照して説明する。図４は、ヘモグロビン信号を時間軸についてプロットしたグラフを示すものである。図示するように、ヘモグロビン信号は、図中402〜406で示すタスク実行区間には大きな値になる。しかし、タスク実行区間406では、体動等に起因するスパイク状のノイズが重畳されているため、このようなタスク実行区間406のデータを含めて加算平均したヘモグロビン信号は、図中407で示すように矩形のノイズ成分を含むことになり、正確なヘモグロビン変化を表す曲線を得ることができない。
【００３４】
このようなノイズを含むタスク実行区間のデータを加算平均に用いないようにするために、ＣＰＵ110は、各ヘモグロビン信号について微分値を求め、微分値が予め定めた閾値を越えているヘモグロビン信号を含むタスク実行区間を特定する（ステップ202）。
【００３５】
ヘモグロビン信号を用いて、微分値を求めるステップ202では、対象とするヘモグロビン信号Ｖｎ以前に計測した複数のヘモグロビン信号Ｖｎ-1の平均値とヘモグロビン信号Ｖｎとの差Ｔを求める。即ち、次式（４）を計算する。
【００３６】
【数３】
0004642279.tif 000004
【００３７】
図５に示すように、タスク実行時、非実行時を含めてヘモグロビン量の変化は、数％以内であるが、体動等によって生ずるノイズ502はスパイク状であって通常のヘモグロビン変化量の範囲をはるかに超えている。
【００３８】
そこでヘモグロビン信号値と、それ以前のヘモグロビン信号の平均値との差Ｔが閾値以上か否かを判断する（ステップ203）。閾値は、ヘモグロビン量の通常の変化量を超える適当な値を選択することができ、例えば、0.5とすることができる。閾値は、ＣＰＵ110における処理プログラムに固定値として予め設定しても良いし、ユーザーが任意に設定できるようにしてもよい。上記判断の結果、差Ｔ（絶対値）が閾値よりも大きい場合には、そのヘモグロビン信号にはノイズが重畳されていると判断し、そのヘモグロビン信号を含む区間抽出データを削除する（ステップ204）。これによって、ノイズ成分を含むデータをその後の加算平均処理（ステップ205）の対象から除去する。
【００３９】
その後、前述したように、削除されなかった複数の区間抽出データを加算平均し、タスク時のヘモグロビン変化を表すデータを得る。上記処理202〜205後に得られた加算平均結果を図６に示す。図４の407との比較からも明らかなように、タスクによるヘモグロビン増加を正確に反映したヘモグロビン曲線を得ることができる。
【００４０】
このようなヘモグロビン曲線は、計測位置毎に得られる。表示部112は、これを計測位置毎にグラフとして表示するとともに、ヘモグロビン変化の二次元画像を示すトポグラフィとして表示する。これによりタスク等の刺激による脳の変化部位を特定したり、タスクの種類による変化の違いなど、診断上に重要な情報を正確に知ることができる。この場合、目視によるノイズ除去を行う必要がないので、リアルタイムで計測データを表示することが可能である。
【００４１】
以上、本発明の生体光計測装置の一実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、計測信号を所定の時間長の区間毎のデータとして抽出し、加算平均する場合を説明したが、単独の計測信号についてノイズ成分を除去する場合にも本発明を適用することができる。
【００４２】
また上記実施例では閾値以上のヘモグロビン変化を検出して、このヘモグロビン信号を含む区間抽出データを加算平均処理から除去するようにしたが、ノイズを加算平均から除去する方法はこの方法に限定されない。
【００４３】
例えば、ステップ202においてヘモグロビン値の微分値（平均値との差）Ｔが閾値より大きいと判断された場合に、このヘモグロビン信号を除去するとともに、差Ｔが閾値以下である直近の両側のヘモグロビン信号値を用いて補間し、この抽出区間データも加算平均処理に加えることも可能である。抽出区間データ数が少ない場合には、ＳＮの劣化を防ぐために、この方法が有利である。
【００４４】
またヘモグロビン値は、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン、ヘモグロビン総量のいずれでもよい。さらに生体光計測によって計測可能な物質であれば、ヘモグロビン以外の物質、例えばチトクロームa、a3やミオグロビン等についても同様に適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、計測すべき信号に重畳されるノイズ成分を自動的に検出し、計測データから除去するようにしたので、正確な計測結果を得ることができる。
特に、ノイズ成分を検出するために、信号値の微分値を用いたことにより、スパーク状のノイズであって信号値の加算平均処理時に大きな影響を与えるノイズを効果的に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される生体光計測装置の全体構成を示す図。
【図２】信号処理部における処理フローを示す図。
【図３】本発明の生体光計測装置における加算平均処理を説明する図。
【図４】ノイズの影響を説明する図。
【図５】微分処理を説明する図。
【図６】処理後の計測データを示す図。
【符号の説明】
101・・・光照射・検出部
108・・・信号処理部（ＰＣ）
110・・・ＣＰＵ
112・・・モニタ（表示部）
【図１】
0004642279.tif 000005
【図２】
0004642279.tif 000006
【図３】
0004642279.tif 000007
【図４】
0004642279.tif 000008
【図５】
0004642279.tif 000009
【図６】
0004642279.tif 000010