(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に照射用光ファイバを介して所定の波長を有し、酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンに感応する光を照射する光照射部と、
検出用光ファイバを介して前記被検体を通過した光を検出し増幅する光検出部と、
前記光検出部で検出した信号から前記被検体内の酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビン並びに総ヘモグロビンのヘモグロビン時間変化情報を算出する信号処理部であって、前記検出信号を演算処理することにより前記時間変化情報が、前記被検体と光ファイバの端面との間に光の通過に対する障害物が存在することに起因するノイズと、前記光照射部の損傷を起因とするノイズとの少なくとも一方のノイズを判定・検出するノイズ検出手段を有した信号処理部と、
前記信号処理部によって判定・検出されたノイズ信号を、ノイズの種類を識別可能に表示する表示部、
を備えたことを特徴とする生体光計測装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記被検体と光ファイバの端面との間に光の通過に対する障害物が存在することに起因するノイズを判定・検出する第1のノイズ検出手段と、前記光照射部の損傷を起因とするノイズを判定・検出する第2のノイズ検出手段との少なくとも一方のノイズ検出手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の生体光計測装置。
【請求項３】
前記第1のノイズ検出手段は、前記検出信号の値の時間変化についての標準偏差値を演算し、求められた標準偏差値が予め定められた閾値以上であり、かつ前記光検出部における増幅率が予め定められた閾値以上である場合に、ノイズ信号であると判定することを特徴とする請求項2に記載の生体光計測装置。
【請求項４】
前記第2のノイズ検出手段は、前記酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの時間変化情報について時間相関値rを求める手段と、前記酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン及び総ヘモグロビンの時間変化情報についての標準偏差値SDoxy、SDdeoxyおよびSDtotalを求める手段とを備え、
r≦r0    かつ、
SDoxy≧S2×SDtotal    かつ、
SDdeoxy≧S3×SDtotal
(ただし、r0、S2、S3は、それぞれ予め定めた値である)
である場合に、ノイズ信号であると判定することを特徴とする請求項2に記載の生体光計測装置。
【請求項５】
前記信号処理部は、前記被検体と光ファイバとの相対的位置ズレによって、極短時間に光ファイバ開口部と被検体との間に隙間ができたことに起因するノイズを判定・検出する第3のノイズ検出手段を有することを特徴とする請求項１に記載の生体光計測装置。
【請求項６】
前記信号処理部は、前記酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン及び総ヘモグロビンの時間変化情報を時間変化グラフに変換して表示部へ出力する手段と、前記時間変化グラフへ前記ノイズの種類を識別可能とする情報を付加する手段を含むことを特徴とする請求項2に記載の生体光計測装置。
【請求項７】
前記ノイズの種類を識別可能とする情報は、時間変化グラフの背景色であることを特徴とする請求項6に記載の生体光計測装置。
【請求項８】
前記ノイズの種類を識別可能とする情報は、文字情報であることを特徴とする請求項6に記載の生体光計測装置。
【請求項９】
前記信号処理部は、前記酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン及び総ヘモグロビンの時間変化情報を時間変化グラフに変換して表示部へ出力する手段と、前記時間変化グラフへ前記ノイズの種類を識別可能とする情報を付加する手段を含むことを特徴とする請求項5に記載の生体光計測装置。
【請求項１０】
前記ノイズの種類を識別可能とする情報は、時間変化グラフの背景色であることを特徴とする請求項9に記載の生体光計測装置。
【請求項１１】
前記ノイズの種類を識別可能とする情報は、文字情報であることを特徴とする請求項9に記載の生体光計測装置。
【請求項１２】
前記光照射部は前記被検体表の複数の点に光を照射する複数の照射用光ファイバを有するとともに、前記光検出部は前記複数の照射用光ファイバとはそれぞれ異なる被検体表の点で光を検出する複数の検出用光ファイバを有し、前記信号処理部は、前記照射用光ファイバと検出用光ファイバの配置によって決まる複数の計測点の前記時間変化情報を演算するとともにノイズ判定を行い、前記複数の計測点についての前記ヘモグロビン時間変化情報を表示部の表示画面に前記計測点の位置に対応するように並べて表示させ、かつ該表示画面においてノイズ信号と判定された計測点についての表示領域にノイズ信号であることを示す識別情報を同時に表示することを特徴とする請求項1に記載の生体光計測装置。
【請求項１３】
前記信号処理部は、前記複数の計測点についての前記ヘモグロビン時間変化情報を用いてトポグラフィ像を作成し、作成されたトポグラフィ像を表示部へ出力する手段を備えたことを特徴とする請求項12に記載の生体光計測装置。
【請求項１４】
前記ノイズ検出部は、ノイズ信号を検出した場合、操作者に再計測を促す表示を前記表示部に表示させることを特徴とする請求項1に記載の生体光計測装置。
【請求項１５】
操作者が操作指令を入力する入力部を備え、前記再計測を促す表示に対し前記入力部から再計測を実行する指令が入力されると、再計測を実行することを特徴とする請求項14に記載の生体光計測装置。
【請求項１６】
前記信号処理部は、ノイズ信号が計測された計測点について本来計測されたと考えられる信号を、隣接する複数の計測点の正常信号を用いて補間演算により算出する手段を備えたことを特徴とする請求項12に記載の生体光計測装置。
【請求項１７】
前記信号処理部は、前記ノイズ検出部が複数の計測点のうち、ノイズ信号と判定された計測点の前記ヘモグロビン時間変化情報を除外して正常な信号のみを用いてトポグラフィ像を作成することを特徴とする請求項12に記載の生体光計測装置。
【請求項１８】
前記信号処理部は、前記ノイズ検出部が複数の計測点のうち、ノイズ信号と判定された計測点の前記ヘモグロビン時間変化情報を、前記補間演算手段によって求められた信号に置き換えてトポグラフィ像を作成することを特徴とする請求項16に記載の生体光計測装置。
【請求項１９】
前記信号処理部は、前記被検体の前記ヘモグロビン時間変化情報を用いて疾患判定を行う疾患判定部を有し、該疾患判定部は、前記ノイズ検出部によって検出されたノイズ信号を除外して正常な信号のみを用いて疾患判定を行うことを特徴とする請求項12に記載の生体光計測装置。
【請求項２０】
前記信号処理部は、前記被検体の前記ヘモグロビン時間変化情報を用いて疾患判定を行う疾患判定部を有し、該疾患判定部は、前記ノイズ検出部によって検出されたノイズ信号を前記補間演算手段によって求められた信号に置き換えて疾患判定を行なうことを特徴とする請求項16に記載の生体光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内に光を照射して、生体内で反射や散乱された光を受光することにより、生体内の情報を計測する生体光計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体光計測装置は、被検体である生体に可視光から赤外光の範囲にある光を照射し、生体内部を通過した反射光・散乱光を検出することにより、生体内部における血液循環・血行動態およびヘモグロビン量の変化を、被検体に対して低拘束で、かつ害を与えずに簡便に計測できる装置であり、光トポグラフィ装置という名称で知られている。【０００３】
この生体光計測装置は、例えば頭部を計測対象とする場合には、被検体へ生理的刺激を与えた時に脳内血管へ流入する血液中のモグロビン変化によりもたらされる脳の活性化状態や、てんかん発作の局所焦点同定等に用いられている。【０００４】
非特許文献1には、近赤外線による脳血流マッピング法により、運動・言語課題遂行時の脳内ヘモグロビン量変化を測定することが報告されている。この報告によれば、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増加量は高々5％程度に過ぎないことが開示されている。これはPET(ポジトロン  エミッション  トモグラフィ)等の他の計測方法によっても確認されている。【０００５】
このように、生理的刺激における脳内ヘモグロビン変化量は高々5％程度であるが、生体光計測装置によって計測されるノイズ信号は、脳内ヘモグロビン変化量に換算すると50％以上の非常に大きな値を示すことがある。これらのノイズ信号には、脳機能活動に伴う血液量変化を示す信号はほとんど含まれておらず、診断上の大きな妨げとなる。【０００６】
特許文献1には、計測中の被検者の体の動きや、装着している光照射部および光検出部のズレなどによって、被検体と光ファイバ開口部との間に、極短時間に隙間が生じることに起因するスパイク的なノイズ信号(スパイクノイズ信号と称する)を検出し、除去する手法が記載されている。スパイクノイズ信号と正常信号との判別は、信号強度の微分値が所定の閾値以上かどうかにより判断している。
【特許文献１】WO 03/002004号公報
【非特許文献１】CLINICAL NUEROSCIENCE vol.17，No.11，1999-11
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したようにヘモグロビン変化信号に混在するノイズ信号を検出することは、臨床的診断を行う上で非常に重要である。上記特許文献1に記載されているスパイクノイズ検出方法は、計測中に被検者が動いたことにより、または光ファイバに不測の加重が作用することにより、被検者の体表と光ファイバの開口部に極短時間に隙間ができたことなどに起因して発生する急峻なスパイクノイズを検出可能であるが、ノイズの種類にはスパイクノイズ以外にも低S/Nノイズやミラーノイズ等がある。特許文献1に記載されているスパイクノイズ検出手法は、低S/Nノイズやミラーノイズには対応することができない。【０００８】
本発明の目的は、低S/Nノイズ信号又はミラーノイズ信号を判別することのできる生体光計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成される。すなわち、本発明の生体光計測装置は、
被検体に照射用光ファイバを介して所定の波長を有し、酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンに感応する光を照射する光照射部と、
検出用光ファイバを介して前記被検体を通過した光を検出し増幅する光検出部と、
前記光検出部で検出された信号から前記被検体内の酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビン並びに総ヘモグロビンのヘモグロビン時間変化情報を算出する信号処理部であって、前記検出信号を演算処理することにより前記時間変化情報が、前記被検体と光ファイバの端面との間に光の通過に対する障害物が存在することに起因するノイズと、前記光照射部の損傷を起因とするノイズとの少なくとも一方のノイズを判定・検出するノイズ検出手段を有した信号処理部と、
前記信号処理部によって判定・検出されたノイズ信号を、ノイズの種類を識別可能に表示する表示部、
を備えて構成される。【００１０】
前記ノイズ検出手段は、前記被検体と光ファイバの端面との間に光の通過に対する障害物が存在することに起因するノイズを判定・検出する第1のノイズ検出手段と、前記光照射部の損傷を起因とするノイズを判定・検出する第2のノイズ検出手段とから構成される。【００１１】
そして、第1のノイズ検出手段においては、前記検出信号の値の時間変化についての標準偏差値を演算し、求められた標準偏差値が予め定められた閾値以上であり、かつ前記光検出部における増幅率が予め定められた閾値以上である場合に、ノイズ信号であると判定する。【００１２】
また、第2のノイズ検出手段においては、前記酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンの時間変化情報について時間相関値rを求める手段と、前記酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン及び総ヘモグロビンの時間変化情報についての標準偏差値SDoxy、SDdeoxyおよびSDtotalを求める手段とを備え、
r≦r0      かつ、
SDoxy≧S2×SDtotal    かつ、
SDdeoxy≧S3×SDtotal
(ただし、r0、S2、S3は、それぞれ予め定められた値である)
である場合に、ノイズ信号であると判定する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第1の実施形態の生体光計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図1に示す生体光計測装置の照射用光ファイバと検出用光ファイバの配置と計測点(チャンネル)との関係を示す図である。
【図３】図1に示す生体光計測装置で検出信号から求めたヘモグロビン変化量信号の波形を示すグラフである。
【図４】図1に示す生体光計測装置のヘモグロビン変化量信号波形の表示画面例を示す図である。
【図５】本発明の生体光計測装置の全体の動作を示すフローチャートである。
【図６】図5に示すフローチャート中のステップ303における低S/Nノイズ信号の判定手順を示すフローチャートである。
【図７】図5に示すフローチャート中のステップ303におけるミラーノイズ信号の判定手順を示すフローチャートである。
【図８】図6に示すフローチャート中のステップ502で算出された標準偏差値SDを各チャンネルについて示すグラフである。
【図９】図6に示すフローチャート中のステップ503で取得された可変アンプのゲイン値を各チャンネルについて示すグラフである。
【図１０】ミラーノイズの波形例を示す図である。
【図１１】図4に示すヘモグロビン変化量信号波形の表示画面において低S/Nノイズ信号チャンネルの表示例を示す説明図である。
【図１２】図4に示すヘモグロビン変化量信号波形の表示画面においてミラーノイズチャンネルの表示例を示す説明図である。
【図１３】本発明の第2の実施形態の生体光計測装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
先ず、本発明の第1の実施形態の生体光計測装置の全体構成を、図1のブロック図を用いて説明する。なお、本実施の形態では、図示の都合上、図1および図2では12箇所の計測点(チャンネル)1〜12について同時に計測を行う12チャンネルの装置を示し、図4、図11および図12では24チャンネルの装置の表示例について示しているが、本発明は任意の数の計測チャンネルを備えた生体光計測装置へ適用可能である。【００１５】
本発明の生体光計測装置は、図1に示すように光照射モジュール10と、光検出モジュール20と、CPUを備えた演算制御部30とを有しており、演算制御部30には、取得データを格納するための記録部40と、表示部50と、操作者からの指示を受け付ける入力部60が接続されている。上記構成において、各ユニットは演算制御部30に設けられたCPUを介して演算、グラフや画像の作成、判定動作を行うようになっている。【００１６】
光照射モジュール10には、レーザモジュール101〜104と、これらにそれぞれ接続されたレーザ駆動回路111〜114と、レーザ駆動回路111〜114を制御する制御回路115とが配置されている。レーザモジュール101〜104はそれぞれが、波長780nmと830nmの光を発する2個の半導体レーザを含んでいる。そして、レーザ駆動回路111〜114は、それぞれが接続されたレーザモジュールに対して所定の周波数および電流密度の駆動電流を供給することにより、各レーザモジュールが他のレーザモジュールに対してそれぞれ異なる変調周波数で変調された、所定の強度の光を発光させる。なお、レーザモジュール101〜104は波長が780nmと830nmとの組合せに限定されるものではない。【００１７】
レーザモジュール101〜104のそれぞれには、2個の半導体レーザが発する光を混合して伝搬し、被検体17の被計測部位まで導き、出射端面からその光を出射する照射用光ファイバ311〜314が接続されている。照射用光ファイバ311〜314の出射端面は、プローブホルダ226によって被検体17の体表面上に密着して接触するように配置される。【００１８】
プローブホルダ226には、4本の照射用光ファイバ311〜314の出射端面の位置に対して交互に位置するように5本の検出用光ファイバ321〜325が配置される。検出用光ファイバ321〜325の入射端面もプローブホルダ226によって被検体17の体表上に密着して接触するように配置される。【００１９】
照射用光ファイバ311〜314の端面から被検体17に向かって出射された光は、被検体17の12個の計測点1〜12を通過し、検出用光ファイバ321〜325の端面に入射し、検出用光ファイバ321〜325の内部へ伝搬される。なお、照射用光ファイバ311〜314の出射端面および検出用光ファイバ321〜325の入射端面の配置マトリクスは、図2では12チャンネル計測の場合を図示しているため3×3であるが、24チャンネル計測を行う場合には4×4の配置マトリクスとなり、照射用光ファイバと検出用光ファイバとは8本ずつがプローブホルダへ配置される。【００２０】
光検出モジュール20は、アバランシェフォトダイオード201〜205と、ロックインアンプ211〜215と、A/D変換器221〜232と、連続可変アンプ241〜252とを有している。アバランシェフォトダイオード201〜205は、検出用光ファイバ321〜325によって伝搬された光をそれぞれ電圧信号に変換する。ロックインアンプ211〜215は、フォトダイオード201〜205から出力される信号の変調周波数に基づいて、12個の計測点1〜12についての信号を分離して取り出す。フォトダイオード201〜205のうち、検出用光ファイバ321，322，324，325の光が入力されるフォトダイオード201，202，203，205へ接続されるロックインアンプ211，212，214，215はそれぞれ2つの信号を出力し、検出用光ファイバ323の光が入力されるフォトダイオード203は4つの信号を出力する。この理由は、図2に示す照射用光ファイバ311〜314と検出用光ファイバ321〜325と計測点1〜12の配置において、各検出用光ファイバがそれ自身に隣接する計測点の信号を取り込むようにしているためである。ロックインアンプ211〜215から出力された計測点1〜12についての出力信号はそれぞれ、A/D変換器221〜232によってディジタル信号に変換される。【００２１】
連続可変アンプ241〜252は、A/D変換器221〜232から受け取った計測点1〜12についての出力信号の強度に応じて、それぞれ増幅率を設定する。これにより、計測点1〜12の出力信号をそれぞれ予め定められた所定の信号強度まで増幅し、演算制御部30に受け渡す。【００２２】
演算制御部30は、ヘモグロビン変化量演算部31と像生成部342とメモリ33とノイズ検出部34を有している。ヘモグロビン変化量演算部31は、可変アンプ241〜252から受け取った2波長の信号から各計測点1〜12の酸化ヘモグロビン変化量ΔＣoxyおよび還元ヘモグロビン変化量ΔＣdeoxyを下式(1)、(2)の連立方程式を解くことにより求める。さらに、酸化ヘモグロビン変化量ΔＣoxyおよび還元ヘモグロビン変化量ΔＣdeoxyから式(3)により総ヘモグロビン量ΔＣtotalを求める。これらの演算はCPUによって実行される。
−ln(Ｉact(780)/Ｉbase(780))＝εoxy(780)ΔＣoxyＬ＋εdeoxy(780)ΔＣdeoxyＬ … (1)
−ln(Ｉact(830)/Ｉbase(830))＝εoxy(830)ΔＣoxyＬ＋εdeoxy(830)ΔＣdeoxyＬ … (2)  
ΔＣtotal＝ΔＣoxy＋ΔＣdeoxy … (3)
ただし、式(1)および式(2)において、Ｉact(λ)およびＩbase(λ)はそれぞれ、タスク実行時および安静時の波長λnmの信号強度(光検出モジュール100の出力)、εoxy(λ)およびεdeoxy(λ)はそれぞれ、波長λnmにおける酸素化および脱酸素化ヘモグロビンの分子吸光係数、Lは光路長である。なお、以下の説明において、ヘモグロビン変化量とは、酸化ヘモグロビン変化量ΔＣoxy、還元ヘモグロビン変化量ΔＣdeoxyおよび総ヘモグロビン変化量ΔＣtotalを総称したものを意味する。【００２３】
求められた酸化ヘモグロビン変化量ΔＣoxy、還元ヘモグロビン変化量ΔＣdeoxyおよび総ヘモグロビン変化量ΔＣtotalから、図3に示したようにチャンネル(計測点)毎に時間軸についてのヘモグロビン変化量(mMmm)の波形グラフデータがヘモグロビン変化量演算部31によって作成される。すなわち、12個のグラフデータが作成され、作成された各チャンネル(計測点)についてのグラフデータは表示部50へ出力され、図2に示す1〜12の計測点の配置に対応した配列で表示部50の表示画面50aに表示される。なお、図4は照射用光ファイバと検出用光ファイバとを4×4配置マトリクスとして24チャンネル計測を行う構成の場合についての計測結果をグラフ表示した例を示している。なお、求めたヘモグロビン変化量のデータや、ヘモグロビン変化量グラフ等はメモリ33に格納される。【００２４】
演算制御部30の像生成部32は、ヘモグロビン変化量演算部31が演算したヘモグロビン変化量を用いて被計測部位のトポグラフィ像を公知の方法によって生成し、表示部50に表示させる。また、疾患判定部35は、特許文献2に記載されている公知の手法により、ヘモグロビン変化量演算部31が演算したヘモグロビン変化量のパターンを所定のテンプレートと比較することによって疾患の種類を判定する。
【特許文献２】特開2003-275191号公報
【００２５】
演算制御部30に配置されているノイズ検出部34は、ヘモグロビン変化量演算部31にて演算された各チャンネル(計測点)についてのヘモグロビン変化量信号がノイズ信号であるか否かを判定する。本実施の形態では、ヘモグロビン変化信号が低S/Nノイズ信号、ミラーノイズ信号であるか否か、およびスパイクノイズ信号が含まれていないかをそれぞれ判定する。【００２６】
ここでいう低S/Nノイズ信号は、照射用光ファイバ311〜314の出射端面や検出用光ファイバ321〜325の入射端面の開口が被検体の皮膚を除く光に対する障害物、例えば被検体の髪の毛等で覆われてしまった場合のように、フォトダイオード201〜205でほとんど光が検出されない場合に計測信号に現れる高周波ノイズ信号である。そして、この低S/Nノイズ信号は、例えば図4に示すグラフにおけるチャンネル1〜10のように現れる。【００２７】
ミラーノイズ信号は、異なる波長の半導体レーザを2個内蔵するレーザモジュール101〜104のうち片方の半導体レーザが破損又は不良となったとか、半導体レーザ駆動回路が動作不良を起こした等を含む光照射部の損傷を原因として、片方の波長の光のみがフォトダイオード201〜205で検出された場合に現れるノイズである。つまり片方の波長の光照射系が破損または正常に動作しなくなると、ヘモグロビン変化量演算部31は、上記式(1)および式(2)に含まれる2つのＩact(780)の値およびＩact(830)の値の一方が0に近い値となるので、式(1)および式(2)の連立方程式の解であるΔＣoxy、ΔＣdeoxyを1つの値から算出することとなる。したがって、酸化ヘモグロビン変化量ΔＣoxyが増加すると、還元ヘモグロビンΔＣdeoxyが減少し、酸化ヘモグロビンΔＣoxyが減少すると還元ヘモグロビンΔＣdeoxyが増加するという鏡像(ミラー)関係が計算結果に現れ、計算結果が正しいヘモグロビン変化量を示さなくなることからミラーノイズ信号の判定がなされ得る。【００２８】
スパイクノイズ信号は、計測中に被検者の体の動きや、装着している照射用光ファイバ311〜314の出射端面や検出用光ファイバ321〜325の入射端面が被検体表面に対しズレを起こす等によって、被検体と光ファイバ開口部との間に隙間が極短時間に生じたことを原因とするスパイク状のノイズ信号である。【００２９】
次に、本生体光計測装置の動作を図5のフローを用いて説明する。演算制御部30が、光照射モジュール10を動作させることにより、照射用光ファイバ311〜314から被検体17に光が照射され、検出用光ファイバ321〜325によって生体内を通過した光の一部が取り出される。取り出された光は光検出モジュール20によって電気的に信号処理され、被検体17の所定部位におけるヘモグロビンの時間変化量が計測される(ステップ301)。
なお、計測期間中に、操作者が被検体17に対して安静、タスク実行、および休息を順次指示することにより、図3に示すように安静区間、タスク実行区間および休息区間について信号が取得される。取得された信号は、ヘモグロビン変化量演算部31によって上述のようにヘモグロビン変化量に変換され、図4に示すように各チャンネルのヘモグロビン変化量の時間変化グラフが表示部50の表示画面50aに表示される。また、ヘモグロビン変化量演算部31によってヘモグロビン変化量に変換されたデータは、メモリ33へ記憶される。(ステップ３０２)。【００３０】
次に、ノイズ検出部34において後述する処理によりノイズの判定が行われる(ステップ303)。すなわち、このステップ303においては、ノイズ検出部34は演算制御部30のメモリ33から読み出された各チャンネルのヘモグロビン変化量データについて、ノイズであるか否か、またはノイズが含まれているか否かの判定を行なう。そして、特定のチャンネルの信号がノイズである、または特定のチャンネルの信号にノイズが含まれていると判定されたときには、ノイズ検出部34はそのデータへノイズであるか、またはノイズが含まれていることを示す符号、例えばフラグを付与する。それに基づいて、像生成部32は、ノイズであるかまたはノイズを含む信号を表示しているグラフへ、操作者がノイズであると認識できるような後述する表示態様を適用して表示を行なう。【００３１】
そして、ノイズと判定されたチャンネルのヘモグロビン変化量信号は除外して、または使用せずに、像生成部32においてトポグラフィ像が生成され、表示部50に表示される(ステップ304)。【００３２】
次いで、疾患判定部35において、ノイズであると判定されたチャンネルのヘモグロビン変化量情報を除外して、または使用せずに、正常チャンネルのヘモグロビン変化量から被検体17について疾患判定が行なわれ、その結果が表示部50に表示される(ステップ305)。【００３３】
次に、ノイズ検出部34におけるステップ303の処理について、図6、図7を用いて詳しく説明する。先ず、ノイズ検出部34において、図6のフローチャートに示した処理により各チャンネルのヘモグロビン変化量信号が低S/Nノイズ信号かどうかが判定される。この処理は、低S/Nノイズ信号は、正常チャンネル11〜24の信号と比較すると周波数が高く、しかも安静区間においてもタスク実行区間とあまり変わらない波形を示すことに着目して、低S/Nノイズ信号であるかどうかを判定するものである。このような波形となるのは、フォトダイオード201〜205の出力信号値が小さいために、連続可変アンプ221〜225において大きな増幅率(ゲイン値)で増幅されることに起因している。【００３４】
ヘモグロビン変化量信号が低S/Nノイズ信号かどうかを判定するために、ノイズ検出部34は、ヘモグロビン変化量演算部31またはメモリ33から各チャンネルのヘモグロビン変化量信号波形データを取得する(ステップ501)。なお、ノイズ検出部34へヘモグロビン変化量信号をヘモグロビン変化量演算部31またはメモリ33から供給することとしたが、どちらからヘモグロビン変化量信号を供給するかは、ノイズ検出部34の構成による判定速度や、最終結果が表示されるまでのリアルタイム性を考慮して決めることが可能である。【００３５】
ステップ501に次いで、取得した各チャンネルの酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、および総ヘモグロビン変化量の信号波形データのそれぞれについて、予め設定されている安静区間の標準偏差値SDを演算する(ステップ502)とともに、各チャンネルに設けられている可変アンプ241〜252へ、信号計測中に設定されていたゲイン値を取得する(ステップ503)。【００３６】
ノイズ検出部34は、各チャンネルの酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンおよび総ヘモグロビン変化量の前記各標準偏差値SDのうちの少なくとも1つが所定の閾値S0以上であり、かつ、前記可変アンプのゲイン値AMPが所定の閾値A0以上であるという判定条件を満たすチャンネルを探索し(ステップ504)、前記判定条件を満たすチャンネルの信号は低S/Nノイズ信号と判定する(ステップ505)。一方、前記標準偏差値SDが所定値S0未満であるか、及び/または、可変アンプのゲイン値AMPが所定値A0未満であるチャンネルの信号は低S/Nノイズ信号ではないと判定する(ステップ506)。閾値S0およびA0は、予め実験により定めた値を固定値として判定アルゴリズムへ組み込んでおくことが可能であるし、被検者の髪の毛の量や骨厚等に応じて、操作者が図1の入力部60から任意の値を入力できるように装置を構成することも可能である。なお、本実施形態では、標準偏差値SDの閾値S0及び可変アンプのゲイン値AMPの閾値A0として、本発明の発明者が実験的に決めた固定値S0=0.02、A0=3000を低S/Nノイズ信号の判定基準値として用いている。【００３７】
図8および図9に、1〜24チャンネルのヘモグロビン変化量グラフが図4に示すような各波形である場合を例にとって求めた安静区間の標準偏差値SDとそのときの可変アンプのゲイン値AMPについて示す。図4と図8、図9とを対比させて参照すると、波形の乱れが大きいチャンネル1〜10は標準偏差値SDが上記判定値0.02以上であり、可変アンプのゲイン値AMPが上記判定値3000以上である。すなわち、低S/Nノイズ信号であるチャンネル1〜10は、正常チャンネル11〜24と比較すると標準偏差値SDおよび可変アンプのゲイン値が明らかに大きい傾向を示す。よって、標準偏差の閾値S0、可変アンプのゲイン値の閾値A0を適切な設定値(例えばS0=0.02、A0=3000)に設定することにより、計測チャンネルの出力信号が低S/Nノイズ信号であるか否かを判定することができることが解る。【００３８】
次に、図6のステップ505、ステップ506に続いて、ノイズ検出部34において図7のフローチャートの処理によりミラーノイズの判定がなされる。ミラーノイズ信号は、図10(a)にその一例を示している。図10(a)にミラーノイズの信号波形を示しているが、ミラーノイズは信号波形の変化が緩やかであり、酸化ヘモグロビン変化量信号と還元ヘモグロビン変化量信号とが鏡像関係にある。このため、総ヘモグロビン変化量は、0に近い値を示す。そこで、酸化ヘモグロビン変化量と還元ヘモグロビン変化量との類似性を示す時間相関値rと、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンおよび総ヘモグロビンの変化量の標準偏差値から波形の安定度とを求めることによりミラーノイズの判定がなされる。なお、図10(b)は、図10(a)の波形に基づいて、安静区間の標準偏差値SDと、可変アンプのゲイン値AMPと、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの時間相関値rと、全計測期間についての酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン及び総ヘモグロビンの標準偏差値を演算した結果を示している。ここに時間相関値rの求め方は各種文献にて知られているので、詳細な説明は省略する。【００３９】
図7のフローにおいて、先ず、各チャンネルの出力信号について、安静区間とタスク実行区間と安静区間とからなる全計測期間内の所定の計測期間について酸化ヘモグロビン変化量ΔＣoxyの波形と、還元ヘモグロビン変化量ΔＣdeoxyの波形との時間相関値rを算出する(ステップ601)。なお、前記所定の計測期間としては、信号波形の特徴が最も現れている期間、例えばタスク実行区間が良く、この計測期間は、ノイズ検出部34におけるミラーノイズ判定アルゴリズムに組み込むことができる。また、操作者が所望の時間範囲を入力部60から任意に指定入力できるように装置を構成することも可能である。【００４０】
次に、上記所定計測期間内における酸化ヘモグロビン変化量、還元ヘモグロビン変化量、および総ヘモグロビン変化量についての標準偏差値SDoxy，SDdeoxy、およびSDtotalを算出する(ステップ602)。【００４１】
相関値rは、絶対値が1に近いほど両波形が相似であることを示し、正の符号である場合は波形の向きが同じ、負である場合には波形の向きが反転していることを示している。そこで求めた相関値rが-1に近い値かどうかを、所定値r0との比較(r≦r0)により調べる。さらに、標準偏差値SDoxy，SDdeoxy、およびSDtotalから下式(4)および(5)により安定度を調べる(ステップ603)。
SDoxy≧Ｓ2×SDtotal … (4)
SDdeoxy≧Ｓ3×SDtotal … (5)
ここに、S2およびS3は、乗算数値であり、ここではアルゴリズム内に予め定めた値として設定されても良いし、これらの数値は操作者が入力部60から任意の数値を入力して設定することも可能である。また、S2及びS3は等しい数値、例えばS2=S3=4のような数値を用いても良いし、異なる値としても良い。同様に、上記r0については、ここでは、r0=-0.9を予め定めた値として用いた例を示すが、-1に近い他の数値、-0.8等に可変設定することも可能である。【００４２】
上記相関値判定式r≦r0であり、かつ、安定度を示す式(4)および式(5)を両方満たしている場合には、そのチャンネルの出力信号はミラーノイズであると判定され(ステップ604)、一方、相関値の相関値判定式r≦r0を満たさないか、または、式(4)および式(5)の少なくとも一方を満たさない場合には、そのチャンネルの出力信号はミラーノイズではないと判定される(ステップ605)。図10(a)に示す波形信号に関して計算した図10(b)に示す数値を上記判定基準に当てはめると、この波形はミラーノイズであると判定される。【００４３】
低S/Nノイズ及び/又はミラーノイズの判定結果は、図11及び図12のようにそれぞれ表示部50へ操作者が認識できるような態様で表示されることが望ましい。低S/Nノイズ及び/又はミラーノイズであることを操作者へ認識させる態様には、いくつかの態様が考えられる。その1つの態様としては、低S/Nノイズ及び/又はミラーノイズと判定されたチャンネルのグラフの背景を着色することが挙げられる。このケースでは、低S/Nノイズのチャンネルとミラーノイズのチャンネルとは表示画面上で区別できるように、矩形のグラフ領域内の背景色を変えて表示すると良い。さらに他の態様としては、図11及び図12に示すように、低S/Nノイズ及び/又はミラーノイズであると判定されたチャンネルのグラフの近傍にノイズの種類を表す識別記号や文字を、例えば、低S/Nノイズと判定されたチャンネルについては、一例として低S/Nノイズ(Low S/N Noise)の略記に相当する「LSN」と、またミラーノイズと判定されたチャンネルについては、ミラーノイズ(Mirror Noise)の略記に相当する「MN」と、付加表示すると良い。これらの表示態様は、予めソフトウェアに表示プログラムを組み込んでおくことで、容易に実現可能である。【００４４】
また、ノイズ検出部34は、スパイクノイズについても、ヘモグロビン変化量信号が急峻かどうかを、各チャンネルの全計測期間にわたって、信号値の時間変化についての微分値が所定値以上の部分があるかを調べることにより判定する。この判定手法は、例えば本願出人が本願に先立って出願し、既に出願公開されている前述の特許文献1(WO 03/002004号公報)にて公知の手法であるので、詳しい説明は省略する。なお、スパイクノイズであると判定されたチャンネルについても図11および図12に示す低S/Nノイズ及び/又はミラーノイズの判定結果の表示法と同様のグラフの背景色による識別表示法を採用することができる。なお、低S/Nノイズとミラーノイズとスパイクノイズとの3つが同一計測期間に同時に出現した場合には、それぞれの背景色を異なるようにすると良い。そして、背景色を異ならせるだけでは識別が困難と思われる場合には、スパイクノイズ(Spike Noise)の略記に相当する「SPN」なる文字をグラフの近傍に表示すると良い。【００４５】
以上説明した表示法を採用することにより、操作者は低S/Nノイズとミラーノイズとスパイクノイズのチャンネルを容易に把握することができる。【００４６】
以上説明した3種類のノイズ判定結果の表示は、光ファイバ311〜314、321〜325の端面が被検体17の髪の毛に覆われている(低S/Nノイズ)状態や、レーザモジュール内の2個の半導体レーザのうちの片方が動作不良を起こしているか又は破損している(ミラーノイズ)状態や、計測中に被検体が動いたか又は被検体と光ファイバの接触にズレを生じた(スパイクノイズ)状態を示しているので、操作者はそれぞれの状態に応じた処置を講ずることができる。すなわち、低S/Nノイズと判定されたチャンネルについては照射用光ファイバ又は検出用光ファイバと被検体の間に挟みこまれた髪の毛を除去することを必要とし、ミラーノイズと判定されたチャンネルについては半導体レーザの交換又は駆動回路の点検を必要とし、スパイクノイズと判定されたチャンネルがある場合には、被検者へ静止状態を保つように指示する必要があることを、操作者が認識できる。【００４７】
また本実施形態では、像生成部32が、ステップ304において、ノイズチャンネルの信号を除いた信号を用いてトポグラフィ像を生成するため、ノイズの影響を受けない精度の良いトポグラフィ像が表示部50へ表示されるので、操作者は、被検体の状態を的確に把握することができる。また、本実施形態では、疾患判定部35が、ステップ305において、ノイズチャンネルの信号を除いた信号を用いて疾患判定をするため、ノイズの影響を受けることなく精度良く疾患判定することができる。【００４８】
つぎに、本発明の第2の実施形態の生体光計測装置について説明する。
第2の実施形態の生体光計測装置は、ノイズ検出部34Aは、ノイズと判定したチャンネル(計測点)のヘモグロビン変化量信号波形を、周囲のチャンネルの信号波形から補間演算により生成する機能を有する。他の構成は、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。【００４９】
ノイズ検出部34Aは、図13のステップ303において第1の実施形態と同様にノイズ判定並びに表示を行なった後、トポグラフィ像を生成し表示部50へそれを表示する前に、操作者にノイズチャンネルの信号波形を補間演算により生成するかどうかを尋ねるための表示をする(ステップ1301)。【００５０】
この表示に対して操作者が、これに対して補間することを入力部60から指示した場合には、ノイズチャンネルの酸化ヘモグロビン変化量及び還元ヘモグロビン変化量を周囲の正常信号波形を用いて補間演算により生成する。そして補間演算によって求められた信号波形を当該チャンネルの表示位置へノイズ信号波形と入れ替えて表示する(ステップ1302)。【００５１】
次いで、像生成部32は、正常チャンネルのヘモグロビン変化量信号と、前記補間で生成されたヘモグロビン変化量信号を用いて、トポグラフィ像を生成し(ステップ1305)、疾患判定部35は、正常チャンネルのヘモグロビン変化量信号と、前記補間で生成されたヘモグロビン変化量信号を用いて、疾患判定を行う(ステップ1306)。【００５２】
一方、ステップ1301において操作者が補間しないことを入力部60から指示した場合には、ノイズ検出部34は、プローブホルダ226を再装着して光ファイバ311〜314、321〜325の端面の被検体17への接触状態を改善し、再計測をするかどうかを尋ねる表示をする(ステップ1303)。【００５３】
この表示に対して操作者が、再装着しないことを選択した場合には、ノイズ検出部34は、ノイズチャンネルの波形を除去し(ステップ1304)、像生成部32及び疾患判定部35は、正常チャンネルのヘモグロビン変化量信号のみを用いて、トポグラフィ像を生成し、疾患判定を行う(ステップ1305)。なお、トポグラフィ像は、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン及び総ヘモグロビンのそれぞれについて、時間変化量を2次元分布像としたもので、それぞれのトポグラフィ像は、同一画面上へ同時に表示するか、または選択的に表示することができる。【００５４】
ステップ1303における表示に対応して、操作者がプローブホルダ226の装着のし直し(光ファイバ311〜314、321〜325の端面と被検体との接触状態の改善を含む。)を行なうことを選択した場合には、ステップ301に戻り、プローブホルダ226が再装着後に、操作者によって入力部60へ入力された再計測実行操作によって再計測が行われる。【００５５】
このように、第2の実施形態では、操作者の選択によりノイズチャンネルの信号波形を補間演算で生成することができ、像生成や疾患判定にあまり影響がない局所的なノイズの場合には、計測のやり直しをすることなく補間データを用いて像生成および疾患判定をすることができるという効果がある。【００５６】
なお、上述の第1および第2の実施形態では、低S/Nノイズとミラーノイズとスパイクノイズとを全て判定・検出できるようにした実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は低S/Nノイズとミラーノイズとの少なくとも一方のノイズを判定・検出できるように変形することが可能であって、必要に応じて第1のノイズ検出手段と、第2のノイズ検出手段と、第3のノイズ検出手段を2つ以上適宜組み合わせることが可能である。【００５７】
また、上述の第1および第2の実施形態では、所定の時間範囲の信号波形によってノイズ判定を行い、ノイズ波形を除去する場合には、そのチャンネルの波形全体を除去して像生成および疾患判定を行うように装置が構成されているが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。本発明は、例えば、全計測期間を複数の時間区間に分割して各区間についてノイズ判定を行い、正常信号の区間がある場合には、その区間の信号は除去せず、像生成および疾患判定に使用するように装置構成を変形することも可能である。【００５８】
また、上記実施形態では、演算制御部にCPUを設けて、各ユニットにおける演算、グラフ作成、画像形成、判定を行なうようにしたが、各ユニットへマイクロプロセッサを設けるようにしても良い。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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