(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体上へ光を照射する光照射器と、該光照射器から照射された生体内を伝播した通過光を検出する光検出器と、該光検出器で検出した光の強度を示す光検出信号を処理する信号処理手段と、該信号処理手段にて処理した生体計測信号を表示する表示手段から構成される生体光計測法を用いた機器において、
加速度に応じた信号を出力する加速度検出手段を備え、
前記信号処理手段は、一定以上の加速度が発生したときに発生直前の光検出信号の値を保持するとともに、処理した生体計測信号の値を保持かつ出力し続け、前記加速度が治まった時点でそのときの生体計測信号の出力値を保持していた前記生体計測信号の値までシフトして一致させて生体計測信号を継続して出力することを特徴とする生体光計測器。
【請求項２】
請求項１の装置において、
前記信号処理手段は、加速度の強度および継続時間をパターン化したテーブルデータを持ち、加速度検出手段から検出した加速度信号と比較して、光検出信号もしくは生体計測信号を制御することを特徴とする生体光計測器。
【請求項３】
請求項１の装置において、
前記信号処理手段は、加速度の急峻さに応じて急峻な動きを検出している期間と穏やかな動きを検出している期間を示す2種類の動き検出信号出力を備えることを特徴とする生体光計測器。
【請求項４】
請求項３の機器において、
前記2種類の検出信号出力は、前記加速度の強度と前記加速度の継続時間の長さ、または前記加速度の検出パターンに応じて複数段階に区分されていることを特徴とする生体光計測器。
【請求項５】
請求項１の機器において、
前記信号処理手段は、前記加速度検出手段の出力値から特定の動きを検出するための動き検出信号出力を備え、該光検出器の出力に一定以上の変化があり、かつ特定の動きを検出した場合のみ出力する信号を持つことを特徴とする生体光計測器。
【請求項６】
請求項１、３または５の機器において、
少なくとも該光照射器と該光検出器と該加速度検出手段は一体化されていることを特徴とする生体光計測機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて生体内の血流量を計測する生体光計測器に関する。また、計測結果により意思表示や他の機器を制御する制御手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体上へ光を照射する光照射器とその反射を検出する光検出器からなる生体光計測器が使用され、その検出結果を脳活動情報として利用していた。（特許文献１参照）
具体的には、光を照射する光照射器としてレーザー照射器を使用し、反射して来る透過拡散光を光検出器であるアバランシェフォトダイオードを使用する生体光計測器があり、アバランシェフォトダイオードから検出された光検出信号を増幅し、脳活動情報として利用していた。
【０００３】
これらは、生体の血液量変化，特に酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの変化を読み取っており、ヘモグロビン等の血液成分量の変化が検出光量の変化として現れることを利用している。ここで、検出光量の変化は微弱であるため、蛍光灯など外光、他の血流やランダムノイズ等の影響を除去する試みがなされている。（特許文献2、3、4参照）
また、脳活動情報については、被験者の行動、認識、知覚などに対し、ヘモグロビン変化が生じる脳部位やパターンに関して研究されており、身振りなどの運動機能を用いず脳活動情報を用いて意思を表現する試みがなされている。（特許文献5参照）
さらに、脳活動情報により機器を制御する試みもなされている。（特許文献6、7、8参照）
【特許文献１】特許3599426号公報
【特許文献２】特開2007−111101公報
【特許文献３】特開2005−198788公報
【特許文献４】特開2005−245636公報
【特許文献５】特開2002−119511公報
【特許文献６】特開2000−172407公報
【特許文献７】特許3699996号公報
【特許文献８】特許3161990号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
生体光計測においては、計測対象である被検体が無機物試料である場合と異なり、被検体が生体であるため、計測中に計測箇所を静止させることは困難である。被検体が動くと、被検体に接触させた計測プローブの接触位置にずれが生じ、計測データが変化する場合がある。計測プローブのずれによる計測データの変化は、生体内の情報を反映した計測データに対しては、本来の目的からするとノイズの原因のひとつとなる。現実的には、計測中に被検体を完全に静止させることはできないため、動き情報を活用して計測データの信頼性を高める必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
光検出器の物理的な動きを検出する加速度センサを用い、被験者、使用者の動きを検出し、この間の光検出信号を制御することにより被験者、使用者の動きにより発生する偽信号を除去または加工する。
【発明の効果】
【０００６】
被験者が動いたときに発生する偽信号を除去できるので、本来の脳活動情報信号を得ることができる。さらに本発明の生体光計測器は、偽信号を除去した本来の脳活動情報信号を、意思表示や機器の制御に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
可視から近赤外の光を頭皮から照射し、大脳皮質を通り頭皮に戻る光を検出し、その検出光量の変化から脳内の酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの濃度を測定し、脳活動情報を得る生体光計測装置に適用する例を以下に示す。
【０００８】
図1に生体光計測装置の計測原理を示す。頭部表面から近赤外光を照射するとこの光は拡散し脳内の活動領域に達する。このとき、近赤外光の一部は脳内血液中のヘモグロビンに吸収され、それ以外の光は他の組織による散乱と吸収を受け頭部表面に戻ってくる。活動領域では思考や運動を行ったときに血液量が変化する場所であり、活動領域が活発に活動するとその部分を流れる血液量が増加する。血液量の増加によりヘモグロビン濃度が増加するため、光の吸収量が増加することになり、頭部表面で検出される近赤外光の量は減少する。この変化量を検出することで脳活動状態を知ることができる。
【０００９】
血液中のヘモグロビンには酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンがあり、図２のように、光の波長により吸収量が異なる。よって、2種類の波長の近赤外光を脳に照射することで、それぞれの変化量を同時に測定することが可能である。また、計算課題を行っているときの前頭前野のヘモグロビン量の変化を示した例を図３に示す。
【実施例１】
【００１０】
図４に第一の実施の形態の構成を示し以下説明する。本実施例は人間の前頭葉部分のヘモグロビン量変化を計測し、これを表示する装置である。主な構成要素は、頭部に光を照射するための光照射器２、生体１からの反射光を検出する光検出器３、生体の動きを検出する加速度検出手段４、光検出器３と加速度検出手段４から信号を処理する信号処理手段５、信号処理の結果得られる生体計測信号を表示する液晶表示器６から構成される。光照射器２には近赤外LED、光検出器３にはフォトダイオード、加速度検出手段４には加速度センサなどが利用できる。
【００１１】
光照射器２は照射光制御手段５１から変調・制御される。照射光制御手段５１の出力はアンプ２１で増幅され光照射器２に入力され光となって生体１に照射される。照射された光は生体１を通過および反射する。この反射光を光検出器３で受光してアンプ３１で増幅後、Ａ／Ｄ変換器３２でアナログ信号をデジタル化して光検出信号Ｓ１として信号処理手段５に取り込む。また、加速度検出手段４の出力も同様にアンプ４１で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４２でデジタル化して加速度信号Ｓ２として信号処理手段５に入力される。信号処理手段５は検出光制御手段５２を備え、入力されたこれら二つの信号を処理して生体計測信号Ｓ３として出力され表示手段６に表示される。
【００１２】
次に図５を用いて具体的な処理について説明する。図５は脳の前頭前野部分を計測中に一瞬眉が動いたときの状態を示したものである。波形ａはそのときの加速度検出手段４から得られた加速度の変化、波形ｂは検出光制御手段５２の出力値で、眉の動きによって影響を受け偽信号を含んだヘモグロビンの変化量のグラフ、波形ｃは検出光制御手段５２によって偽信号を除去した補正後のヘモグロビンの変化量のグラフである。グラフの横軸はいずれも時間で、同座標位置は同じ時間を示している。眉がぴくっと一瞬動くとき、加速度は急峻な変化となって現れる。また、この変化に同期してヘモグロビン量の変化に大きな波形の変化が見られる。ところで、ヘモグロビン量の変化は数秒から数十秒という比較的ゆっくりした周期で現れるのに対し、眉が動いた場合の加速度変化は１秒以内の変化である。よって、この時波形ｂに現れたような偽信号は本来の脳活動信号ではないため取り除くことが望ましい。よって、このとき検出光制御手段５２は急峻な加速度の立ち上がりを検知した際、その時のヘモグロビン量を記憶し、記憶した値を出力し続け、加速度がゼロに戻った時点でこのときのヘモグロビン量の値に出力を切り替えるという制御を行えばよい。このような処理をすることにより、波形ｃに示すような偽信号のないヘモグロビン量の変化のグラフを得ることができる。なお、補正の仕方として、リアルタイムで表示する必要がない場合など処理時間に余裕がある場合は、急峻な加速度を検出した瞬間のヘモグロビンの量を記憶し、加速度がゼロに戻ったときのヘモグロビンの量で平的に均補間することも可能である。また、加速度の状態に応じて制御を開始する加速度強度やゼロを判定するレベルを変えることで、補正の効果を変えられることは言うまでもない。
【実施例２】
【００１３】
次に第二の実施の形態を示す。第一の実施例と同様に頭部の前頭前野を測定した時の例で説明する。図６は頭を大きく動かした際のヘモグロビン量の変化を示したグラフの一部である。一般に生体光計測器では頭部に器具を付けて測定する。よって、首を縦横に大きく振る場合などには器具が大きくずれる場合があり、図６に示すように大きな偽信号が発生する。グラフ中の点線は偽信号が発生しない場合の予想軌跡であり、偽信号が小さければ、図５で示したように比較的連続性を保つことができる。しかし、図６のように、加速度が治まっても器具の位置ずれなどにより、ヘモグロビン量が加速度発生の瞬間の値に戻らない場合もある。このような現象を回避するために、第二の実施例では検出光制御手段５２にヘモグロビンのずれを補正する機能を備えた。
【００１４】
時刻ｔにおける光検出信号をS1(t)、生体計測信号をS3(t)とすると、検出光制御手段５２は一定以上の強さの加速度が発生した時刻t0で入力信号である光検出信号Ｓ１（t0）のレベルと生体計測信号Ｓ３（t0）の値を保持し、偽信号を含む生体計測信号Ｓ３（t）に換えてS3(t0)の値を出力し続ける。加速度がゼロに近づき平常状態に戻ったと判断した時点t1で生体計測信号S3(t1)を読み取り、S3(t1)−S3(t0)をオフセットとして保持し、時刻ｔ１以降の生体計測信号S3(t)を取り込む度にオフセット分を常に減算して出力値とする。オフセット減算により、生体計測信号Ｓ３（ｔ）は連続性を保った値を出力し続けることができる。
【００１５】
ところで、ヘモグロビン量は光検出信号の対数値を加減算することにより求められる。そのため、上述の生体計測信号のオフセットS3(t1)−S3(t0)に換えて、S1(t1)／S1(t0)を求め、この値でS1(t)を除算しても良い。または、あらかじめ光検出信号S1を対数値ｌｏｇ（Ｓ１）に変換しておき、オフセットをlog(S1(t1))−log(S1(t0))として、オフセットを減算して出力しても良い。
【実施例３】
【００１６】
上述の光検出信号Ｓ１および生体計測信号Ｓ３の処理方法において、偽信号を除去するためにデータテーブルを使う例を以下に示す。図７は第三の実施の形態の構成を示したものであり、今まで述べてきた実施例の構成に対して、信号処理手段５の検出光制御手段５２の入力データに比較テーブル５３を加えた構成となっている。
【００１７】
比較テーブル５３の例を図８に示す。比較テーブル５３は縦軸に加速度の強度、横軸に加速度の継続時間、これらによって示される座標面には偽信号に対する補正量が記述されている。本例では補正量を１から５の5段階で示しており、数字が大きいほど補正すべき量が多い。例えば、加速度の継続時間がゼロに近く強度が強い部分は、加速度が急峻であることを示す部分であり、加速度の強度が強くなるほど補正すべき量も多くなっていることがわかる。逆に強度がゼロに近く継続時間が長い場合は、人間が揺れているようなゆっくりとした変化があったことを示す部分である。穏やかな動きの場合は生体光計測に与える影響が少ないため補正量は少なくなっている。補正の精度はサンプリングの周期とテーブルの分割数で決めることができる。また、人間に対する測定は一般に着座状態で行われるものであり、その際動ける距離は数十センチ程度である。よって、加速度の継続時間には限界があり、このような測定時の特徴を反映させて比較テーブル５３を作ればテーブル量の節約や精度向上策として有効である。実施例１から２で述べたような加速度発生時の値を保持する方法では直線補間しかできないが、本例のようにテーブルを使って状態に応じた補正量を決めることで細かく信号を補正することができる。
【実施例４】
【００１８】
図９は第四の実施の形態を示す構成図である。動き検出信号出力を備えた検出処理手段５５は、生体計測信号Ｓ３の他に急峻な動きを検出したことを示す急峻な動き検出信号Ｓ４と、穏やかな動きを検出したことを示す穏やかな動き検出信号Ｓ５のふたつの状態表示信号を持つものである。さらに、動きを判定するために動きの状態を比較するための状態判断テーブル５４を備えた構造となっている。この構成の装置は、図１０に例を示すような形状をしており、少なくとも光照射器２と光検出器３と加速度センサ４は一体化されている。従来の生体光計測器は、脳活動状態のみを出力する装置であるが、加速度センサ等の加速度検出手段４と組み合わせることで意思表示装置として使用できるようにしたものが本実施例である。
【００１９】
ふたつの状態を示す信号は加速度検出手段４からの信号と図１１に示す状態判断テーブル５４を使って生成する。状態判断テーブル５４は縦軸に加速度の強度、横軸に加速度の継続時間を示したものである。これらの組み合わせをいくつかのブロックに分け、どの領域にあるかによって現在の状態を判断する。本例では加速度の強度と継続時間の組み合わせを１６のエリアに区切り、例えば領域１、領域２、領域３のいずれかにあれば急峻な動き検出信号Ｓ４を、領域４、領域５のいずれかにあれば穏やかな動き検出信号Ｓ５を出力するという制御を行う。
【００２０】
以上は本実施例の基本的な動作を示すものであるが、例えば、状態判断テーブル５４で上記領域以外すべてを使うことも考えられる。また、動きを急峻と判断するエリアと穏やかと判断するエリアとの境界は任意に設定可能であるし、急峻と言ってもその強さには幅を持たせることも可能である。すなわち、急峻な動き検出信号は、急峻と判断するエリアのうち強度が弱い範囲にあるときのみ出力するということも可能となる。言い換えると特定の動作をした場合にのみ信号を出力するように設定することができる。
【００２１】
また、これら検出信号は多値化することも可能で、上の例では領域１、領域２などのどの領域にあるかによって、出力値を変えることもできる。これらを応用することで、強度を現すためのレバーの代わりに使うことも考えられ、脳活動状態とあわせて利用することで、ゲームなどの新しい分野でのインタフェース装置として応用することが考えられる。
【００２２】
また、これら動きを検出する信号は、強度のみならず加速度の検出パターンから特定の動作時に出力する信号として利用することも可能である。  
【実施例５】
【００２３】
図１２に第五の実施の形態の構成図を示す。構成は図９に示す第四の実施の形態に意思判定手段５６を追加したものとなっている。意思判定手段５６により一定以上の脳活動状態が検出され、さらに特定の強度の加速度が検出された場合に意思検出信号Ｓ６を出力するというものである。
【００２４】
意思判定手段５６は動き検出信号出力を備えた検出光制御手段５５が出力する、生体計測信号Ｓ３、急峻な動き検出信号Ｓ４、穏やかな動き検出信号Ｓ５の３種類の信号から意思を判定する。図１３に意思検出信号Ｓ６を生成する動きを説明する図を示す。図１３の波形bはある思考をしたときのヘモグロビン量の変化を示したグラフである。変化量に閾値を設定し一定のレベル以上の変化があった期間を判定する。波形aは首を２回振ったときの加速度を示したものであり、説明の都合でヘモグロビン量の状態位置別に(1)から(3)に同じ波形を記述したものである。この例では、一定の閾値以上のヘモグロビン量でかつ首を振るという大きな加速度が検出された場合のみ、一定の幅の意思検出信号Ｓ６を発生させるものとなっている。
【００２５】
このとき、意思の有無を検出する際に加速度信号Ｓ２から特定の動作を判定することも可能である。例えば、首を縦に振る、首を横に振るという動作や首を２回続けてふるなどの決まった動きをしたときの加速度信号Ｓ２をパターン化しテーブル化しておき、一定以上の脳活動状態でかつ特定の動作を検出したときだけ、意思検出信号Ｓ６を出力するというような動作をさせることも可能である。
【００２６】
以上のように機能する装置によれば、脳の活動状態が活発になった状態での動作を検出することが可能となり、単に動いてしまったのかそれとも思考を伴って身体も動かしたのかを判定することができる。障害者など身体を使った表現が不自由な人の意思表示装置としての精度を向上することができる。
【００２７】
また、このような用途を考えた場合、確実に意思表示する目的で利用するならば、短時間な意思反応に対しては、意思検出信号Ｓ６を一定時間以上の幅の出力信号に時間伸張させることも有効である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、生体光計測装置に適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】生体光計測器を用いた時の頭内光伝播の様子を示す模式図。
【図２】酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの吸収スペクトルを示す図。
【図３】計算課題実施時のヘモグロビン変化を示す図。
【図４】第一の実施の形態の構成図。
【図５】第一の実施の形態の動作説明図。
【図６】第二の実施の形態の動作説明図。
【図７】第三の実施の形態の構成図。
【図８】比較テーブルの例。
【図９】第四の実施の形態の構成図。
【図１０】第四の実施の形態の実現例。
【図１１】状態判断テーブルの例。
【図１２】第五の実施の形態の構成図。
【図１３】第五の実施の形態の動作説明図。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・生体
２・・・光照射器
３・・・光検出器
４・・・加速度検出手段
５・・・信号処理手段
６・・・表示手段
７・・・装置本体
５１・・・照射光制御手段
５２・・・検出光制御手段
５３・・・比較テーブル
５４・・・状態判断テーブル
５５・・・動き検出信号出力を備えた検出光制御手段
５６・・・意思判定手段
Ｓ１・・・光検出信号
Ｓ２・・・加速度信号
Ｓ３・・・生体計測信号
Ｓ４・・・急峻な動き検出信号
Ｓ５・・・穏やかな動き検出信号
Ｓ６・・・意思検出信号
１０１・・・光照射器
１０２・・・光検出器
１０３・・・頭内拡散光の伝播の様子
１０４・・・脳脊髄液
１０５・・・頭皮
１０６・・・頭蓋骨
１０７・・・灰白質
１０８・・・白質
【図１】
0005135029.tif 000002
【図２】
0005135029.tif 000003
【図３】
0005135029.tif 000004
【図４】
0005135029.tif 000005
【図５】
0005135029.tif 000006
【図６】
0005135029.tif 000007
【図７】
0005135029.tif 000008
【図８】
0005135029.tif 000009
【図９】
0005135029.tif 000010
【図１０】
0005135029.tif 000011
【図１１】
0005135029.tif 000012
【図１２】
0005135029.tif 000013
【図１３】
0005135029.tif 000014