(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、前記光源部からの光を被検体の複数の照射位置に照射するとともに照射された光が生体を透過した光又は生体から反射した光を受光するプローブと、前記プローブが受光した光を計測位置毎の光強度として計測する光計測部と、前記光計測部が測定した光強度に対応する信号を用いて測定領域内のヘモグロビン変化信号を算出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、時系列的に得られたヘモグロビン変化信号から、当該ヘモグロビン変化信号の統計的有意性を判定する評価量を求める手段を備え、各計測位置毎に、統計的有意性を示す検定関数を求め、各計測位置の検定関数の合計を前記評価量として求めることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項２】
光源部と、前記光源部からの光を被検体の複数の照射位置に照射するとともに照射された光が生体を透過した光又は生体から反射した光を受光するプローブと、前記プローブが受光した光を計測位置毎の光強度として計測する光計測部と、前記光計測部が測定した光強度に対応する信号を用いて測定領域内のヘモグロビン変化信号を算出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、時系列的に得られたヘモグロビン変化信号から、当該ヘモグロビン変化信号の統計的有意性を判定する評価量を求める手段を備え、各計測位置毎に、統計的有意性を示す検定関数を求め、検定関数の値が有意と判定される計測位置の数を前記評価量として求めることを特徴とする生体光計測装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、時系列的に得られたヘモグロビン信号を所定の時間幅で切り出した複数のサンプルとし、これら複数のサンプルの平均値及び標準偏差から検定統計量（Ｔ値）及び／又は有意確率（Ｐ値）を求め、これらＴ値又はＰ値を所定の基準を用いて０又は１を値とする検定関数に変換し、各計測位置について得た検定関数を合算したものを評価量と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４】
前記信号処理部は、前記所定の基準として、被検体に対しタスク無負荷の状態で計測したヘモグロビン変化信号から求めたＰ値の最小値を用いることを特徴とする請求項３に記載の生体光計測装置。
【請求項５】
前記信号処理部は、複数の領域について同時に計測したヘモグロビン変化信号について、それぞれヘモグロビン変化信号の統計的有意性を判定する評価量を求める手段と、前記評価量に基き、複数の領域のうち統計的に有意な変化を生じている領域を判定する手段とを備えた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６】
請求項１ないし５いずれか１項記載の生体光計測装置であって、前記信号処理部は、前記評価量又は前記評価量に基き判定した結果を表示する手段を備えたことを特徴とする生体光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光を用いて生体内部情報を計測する生体光計測装置に関し、特に計測結果の信頼性の向上を図った生体光計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体光計測装置は、光源から特定波長の光を被検体に照射し、被検体を透過した光或いは被検体の表層で反射した光を受光素子で検出し、その光量から血液循環、血行動態、ヘモグロビン変化などの生体情報を得る装置である。近年、このような光計測を利用して、複数の測定点を含む領域を検査し、その領域についての生体情報、具体的にはヘモグロビン動向を画像として表示したり、脳の活性領域などを計測するようにした光トポグラフィ装置が提案され、実用化されている（特開平9-98972号、特開平9-149903号など）。また生体光計測の臨床的な応用として、例えば頭部を計測対象とする場合、てんかん患者の焦点位置を同定する技術や麻酔深度を定量化する技術なども提案されている（特願2001-107070号など）。
【０００３】
例えば麻酔深度の定量化においては、麻酔前と麻酔中のヘモグロビン濃度から麻酔効果の指標である麻酔深度を算出し、麻酔中に表示する。また活性領域の測定では、被検体に光刺激やタッピング等の所定のタスクを与え、タスク実行前のヘモグロビン濃度に対するタスク実行中のヘモグロビン濃度の変化から脳の活性領域を特定する。このように、これら生体光計測における計算や判定は、ヘモグロビン変化信号の大きさに基づいている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般にヘモグロビン変化信号は微弱であるのに対し、装置の光源や光ファイバに起因して無視できないノイズや誤差成分が生じる場合がある。このため必ずしも上記計算や判定を精度よく行うことができず、その結果は誤診の可能性を内包している。
【０００５】
そこで本発明は、生体光計測によって得られた信号に統計的処理を加えることによって結果の信頼性を高め、精度よい計測を行う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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の生体光計測装置は、光源部と、前記光源部からの光を被検体の複数の照射位置に照射するとともに照射された光が生体を透過した光又は生体から反射した光を受光するプローブと、前記プローブが受光した光を計測位置毎の光強度として計測する光計測部と、前記光計測部が測定した光強度に対応する信号を用いて測定領域内のヘモグロビン変化信号を算出する信号処理部とを備えた生体光計測装置において、信号処理部は、時系列的に得られたヘモグロビン変化信号から、当該ヘモグロビン変化信号の統計的有意性を判定する評価量を求める手段を備えたものである。
【０００７】
この生体光計測装置では、ヘモグロビン変化信号について統計的有意性を判定することにより、その判定結果又は統計的に有意と判定されたヘモグロビン信号を用いて信頼性の高い診断を行うことができる。
【０００８】
本発明の生体光計測装置で算出する評価量は、各計測位置毎に求めた、統計的有意性を示す検定関数の合計として求めることができる。生体光計測では、測定領域で変化が起こっているか否かのみを診断する場合が多いので、測定領域に含まれる各計測位置の検定関数の合計として有意性を判定することにより、簡便に且つ高精度の診断が可能となる。
【０００９】
さらに具体的には、評価量は、例えば、時系列的に得られたヘモグロビン信号を所定の時間幅で切り出した複数のサンプルとし、これら複数のサンプルの平均値及び標準偏差から検定統計量（Ｔ値）及び／又は有意確率（Ｐ値）を求め、これらＴ値又はＰ値を所定の基準を用いて０又は１を値とする検定関数に変換し、各計測位置について得た検定関数を合算したものを評価量とすることができる。ここで、所定の基準として、例えば、被検体に対しタスク無負荷の状態で計測したヘモグロビン変化信号から求めたＰ値の最小値を用いることができる。
【００１０】
また本発明の生体光計測装置は、信号処理部が、複数の領域について同時に計測したヘモグロビン変化信号について、それぞれヘモグロビン変化信号の統計的有意性を判定する評価量を求める手段と、前記評価量に基き複数の領域のうち、統計的に有意な変化を生じている領域を判定する手段とを備える。
これにより、例えば右脳と左脳の活性を精度良く且つ容易に比較することが可能となる。
【００１１】
さらに本発明の生体光計測装置は、信号処理部の演算により得られた評価量或いは評価量を用いた判定結果を表示する手段を備えているものである。
尚、本明細書において、「測定領域(或いは単に領域という場合もある)」はプローブによって計測される複数の計測点或いは計測位置を含む所定の広さの領域を意味する。また計測点或いは計測位置は、一つの光照射位置とそれと隣接する受光位置との中間の位置を意味する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の生体光計測装置を、図面に示す実施形態に基づきさらに説明する。
【００１３】
図１は、本発明の生体光計測装置の全体概要を示す図である。
この生体光計測装置101は、所定の波長の光を発生する光源部102と、被検体の検査部位を透過した光或いは検査部位で反射、散乱した光（以下、まとめて透過光という）を検出する105と、光源部102からの光を被検体の検査部位に誘導する照射用光ファイバ103と、検査部位からの透過光を光計測部105〜107に誘導する受光用光ファイバ103と、これら光ファイバの各先端を被検体の検査部位(測定領域)に当接させるために、各先端を着脱自在に固定する装着具（プローブ）104と、光計測部105〜107で計測した信号をもとに血中ヘモグロビン量などを表すヘモグロビン変化信号を作成し、画像化する信号処理部108とを備えている。
【００１４】
光源部102は、可視光から赤外の波長領域内の所定の波長、例えば780nmや830nmなどの光を放射する半導体レーザ等の発光素子と、発光素子からの光に電気的に変調を与える変調器とを備えている。
【００１５】
光計測部は、受光用光ファイバ103が誘導する光を光量に対応する電気信号に変換する光電変換素子105と、光電変換素子105からの電気信号を入力し、照射位置及び波長に対応した変調信号を選択的に検出するためのロックインアンプ106と、ロックインアンプ106からの信号をA/D変換するＡ/Ｄ変換器107とからなる。光電変換素子としては、例えばアバランシェフォトダイオードが使用される。Ａ/Ｄ変換器107の出力は、信号処理部108に送られる。
【００１６】
信号処理部108は、汎用のパーソナルコンピュータ等に構築することができ、光計測部からの信号を記録するメモリ109と、光計測部からの信号をもとにヘモグロビン変化信号を作成する中央演算処理装置（ＣＰＵ）110、ＣＰＵ110における演算処理に必要な条件やパラメータを記憶するとともに演算結果を記録するハードディスク111、ヘモグロビン変化信号をもとにヘモグロビン量などの変化や分布を表す画像等を表示するモニタ112を備えている。
【００１７】
ＣＰＵ110は、上述したヘモグロビン変化信号の計算において、以下述べるような統計的評価量の計算を行う。この評価量は、計測されたヘモグロビンの変化が有意なものか否か、つまり何らかの変化が生じているか否かの判定に用いられる。
【００１８】
次に上述のような構成における生体光計測装置を用いた生体光計測について、脳活動の賦活判定を例に説明する。図２に、信号処理部108における処理のフローチャートを示す。
【００１９】
まず、図１に示すプローブ104を被検体頭部に装着した状態で、近赤外光を照射するとともに生体からの透過光を計測する。この際、脳の誘発反応を生じさせる刺激、例えば光刺激を等間隔で連続して与える（ステップ201）。これによって計測された計測位置毎の光強度は、ＣＰＵ110において、図３（a）に示すようなヘモグロビン変化信号301に変換される。なお、図３は複数の計測位置のうちの一つの位置（ｊ番目）におけるヘモグロビン信号を示すものであり、図中、四角で囲ったタスクは上述の刺激を意味する。
【００２０】
図３（a）に示すように、タスク時には、信号強度が高くなっていることが認められるが、この変化は微弱であり、ノイズにまぎれやすい。逆に、信号強度に変化がない計測位置についてもノイズによって信号強度が変化する場合がある。そこで、次に時系列的に得られるヘモグロビン変化信号をタスク試行時毎に切り出し（ステップ201）、有意性判断のための評価量を求める。図３（b）は、タスク毎に切り出したヘモグロビン信号302を示す。
【００２１】
評価量の計算では、まずタスク試行時毎に切り出されたヘモグロビン信号について、タスク開始時点を基準とした同一潜時ｔにおける信号値ｍj,t,n(jは、測定位置、tは時間、nは何番目のタスク試行かを表す)の平均値Ｍj,t及び標準偏差Ｓj,tを次式により求める（ステップ202）。
【００２２】
【数１】
0003952275.tif 000002
次にこれら平均値及び標準偏差から、次式により、検定統計量Ｔ値（Ｔj,t）を求め、さらにＴ値から有意確率Ｐ値を求める（ステップ203）。
【００２３】
【数２】
0003952275.tif 000003
【００２４】
Ｐ値は、自由度ｎ-１のＴ分布において確率変数ｔが｜Ｔj,t｜以上もしくは｜Ｔj,t｜以下となる確率Ｐj,tであり、この値が少ないほど、何かが起こっている可能性が高いことを示す。これらＴ値、Ｐ値を全ての計測位置について行う。各計測位置について求めたＰ値を図４に示す。
【００２５】
一方、タスク試行前に計測されたデータを用いて上述の方法と同様に、各測定位置毎にＰ値を求める（ステップ204）。そしてこのＰ値の最小値を基準αとして、タスク試行中に計測したデータの有意性を判定する（ステップ205）。即ち、タスク試行前に計測されたデータのＰ値の最小値は、装置性能に起因する検出限界つまりノイズと判断し、Ｐ値がこの最小値以下である潜時のデータを有意と判定する。具体的には、図４に示すグラフにおいて点線で示す基準α（タスク試行前Ｐ値の最小値）を超える場合を０、最小値以下を１とする。図５にこのように二値化した判定結果を示す。図示するように、この判定結果は、ＰがＰ＞αのときに０、Ｐ≦αのときに１の値をとる関数である。これを判定関数λと呼ぶ。
【００２６】
次に、各潜時において、この判定結果が１(即ち、Ｐ値が基準値以下)である計測位置の個数（計測チャンネル数）を求める（ステップ206、207）。これは、図５に示す各計測位置についての判定関数を合算することと同義である。こうして求めた計測チャンネル数をこの計測の評価量とし、
１）評価量が０である潜時においては、脳活動の賦活が検出されなかった
２）評価量が０以外の潜時においては、何らかの脳活動の賦活が検出されたと判定する。
【００２７】
評価量算定結果の一例を図６に示す。本例は、麻酔時と非麻酔時に被検体に光刺激（タスク）を呈示し、そのとき測定されたヘモグロビン変化信号について有意性を判定したものであり、図中601は非麻酔時、602は麻酔時を示している。図示するように、麻酔時に計測されたヘモグロビン信号からタスク中に統計的有意と判定された計測位置の個数に比べ、非麻酔時に計測されたヘモグロビン変化信号からタスク中に統計的有意と判定された計測位置の個数は、明らかに増加している。これにより麻酔時に測定領域の活動が行われていないことが統計的に有意であると判定でき、信頼性の高い診断を行うことができる。
【００２８】
また、このような判定結果を、図６に示すようなグラフとして、モニタ(図１、112)に表示することにより（ステップ208）、容易に視覚的に判定を行うことができる。
【００２９】
このように本実施形態によれば、複数の計測位置についてそれぞれ求めたＴ値、Ｐ値から、その測定で得られた計測データ（ヘモグロビン変化信号）の統計的有意性を判断する機能を加えたことにより、その判定結果自体を用いて信頼性の高い診断(例えば何らかの脳の賦活の有無の診断)を行うことができる。この場合、生体光計測の目的が、測定領域で何らかの変化があることを診断することであれば、この判定結果の表示のみで変化の有無を高い信頼性を持って診断することができる。また、ヘモグロビン変化信号を用いて麻酔深度の算出等の演算を行う場合には、この判定結果で有意性があると判定されたヘモグロビン変化信号のみを用いることにより正確で誤差の少ない演算が可能となる。
【００３０】
尚、以上の実施形態では、統計的な処理を行うためのサンプルの切り出し方として、ヘモグロビン変化信号をタスク試行時毎に切り出した場合を説明したが、例えば図７（a）に示すように、同一反応を行っていると考えられる所定の時間幅（Ｔ2−Ｔ1）を切り出してもよい。この場合には、データのサンプリング周波数をｆ[Hz]、Ｔ1〜Ｔ2間の測定時間点数をＫ（＝（Ｔ2−Ｔ1）/ｆ）とすると、次式により、平均値Ｍj、標準偏差Ｓjを求めることができる。
【００３１】
【数３】
0003952275.tif 000004
その後、検定統計量Ｔ値、有意確率Ｐ値を求めることは前述の実施形態と同様である。
【００３２】
また図７（ｂ）に示すように、所定の時間長内に、複数の区間を設定し、各々の区間において平均値、標準偏差を求めることも可能である。この場合には、タスク試行時に生じている事象をさらに詳細に観察することが可能になる。
【００３３】
また以上の実施形態では、複数の計測位置をカバーする一つの領域について、その領域を計測したデータの統計的有意性を判定する場合を説明したが、本発明は、例えば、図８に示すように、右脳と左脳の対比など、複数の領域(測定領域１、測定領域２)について脳活性を比較する場合にも適用することが可能である。
【００３４】
その場合、複数の領域についてそれぞれ上述のように評価量（統計的有意と判定された計測位置の個数）を求め、さらにこの評価量について、Ｔ値(或いはＰ値)を用いた差の検定を行ってもよい。図８は、検定の結果を示すもので、801は測定領域１にのみ顕著な活動が生じた場合、802は測定領域１、２ともに顕著な活動が認められなかった場合を示している。
【００３５】
このように右脳と左脳の活性の違いを判定する技術は、例えば「”Non-invasive assessment of language dominance with near-infrared spectroscopic mapping”、Eiju Watanabe ら, Neuroscience Letters Vol.256, pp.49-52, 1998」に記載された言語優位半球の決定などに応用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、信頼性の高い診断を行うことが可能な生体光計測装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の生体光計測装置の全体概要を示す図
【図２】本発明の生体光計測装置による計測データ処理のフローを示す図
【図３】ヘモグロビン変化信号とその統計的処理の手順を示す図
【図４】各計測位置におけるＰ値算出結果の一例を示す図
【図５】各計測位置におけるＰ値から求めた検定関数を示す図
【図６】最終的な評価量の表示例を示す図
【図７】ヘモグロビン変化信号からサンプルを切り出す方法の他の実施例を示す図
【図８】本発明を適用した複数の領域の計測例を示す図
【符号の説明】
102・・・光源部、103・・・光ファイバ、105・・・光電変換素子（光計測部）、108・・・信号処理部、110・・・中央演算処理装置（ＣＰＵ）
【図１】
0003952275.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003952275.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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