專利名稱：光學(xué)生物體測量裝置以及分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光獲取與測量部位有關(guān)的表示隨時間變化的觀測信號的光學(xué)生物體測量裝置以及分析方法。特別地，本發(fā)明被用作利用近紅外光非侵襲地測量腦的測量部位的活動狀況的光學(xué)腦功能成像裝置、監(jiān)視生物體中的測量部位的氧消耗量的氧監(jiān)視器。
背景技術(shù)：
已知如下一種光學(xué)生物體測量方法通過利用血紅蛋白濃度對應(yīng)于生物體內(nèi)部的氧代謝功能的性質(zhì)，以非侵襲的方式簡便地測量生物體內(nèi)部。在這種光學(xué)生物體測量方法中，通過向生物體照射從可見光至近紅外區(qū)域的波長的光，根據(jù)透過生物體而獲得的光的量來求出血紅蛋白濃度。并且，血紅蛋白與氧結(jié)合而形成氧合血紅蛋白，另一方面，血紅蛋白與氧分離而形成脫氧血紅蛋白。還已知，在腦內(nèi)，通過血流再分配作用激活的部位被提供氧，與氧結(jié)合得到的氧合血紅蛋白濃度增加。因此，通過測量氧合血紅蛋白濃度，能夠應(yīng)用于腦活動的觀察。氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白在從可見光至近紅外區(qū)域的區(qū)域內(nèi)具有不同的分光吸收譜特性，因此使用不同的兩種波長(例如780nm和850nm)的近紅外光，能夠分別求出氧合血紅蛋白濃度和脫氧血紅蛋白濃度。因此，開發(fā)了一種具備保持件(holder)(發(fā)送接收光部)的光學(xué)測量裝置(例如參照專利文獻(xiàn)1)，該保持件具有多個送光探針和多個受光探針。在光學(xué)測量裝置中，利用配置在被檢體的頭皮表面上的送光探針向腦照射近紅外光，并且利用配置在頭皮表面上的受光探針檢測從腦放出的近紅外光的光量。另外，在保持件上設(shè)置有多個貫通孔，通過將送光探針和受光探針插入到這些貫通孔中，使得送光探針與受光探針之間的距離(通道)固定， 能夠從距頭皮表面特定深度的多處腦部位獲得光量(光檢測信號)。圖2是表示保持件中的16個送光探針和16個受光探針的位置關(guān)系的平面圖。在保持件11中，送光探針12和受光探針13以在行方向和列方向上交替的方式配置成正方格子狀。保持件11是考慮到頭皮與腦之間的距離而設(shè)計的，因此如果被檢體是成人，則使用將送光探針12與受光探針13之間的距離(通道)設(shè)為30mm的保持件。在通道是30mm的情況下，認(rèn)為能夠獲得來自距通道的中點(diǎn)的深度為15mm 20mm的位置的光檢測信號。即， 距頭皮表面的深度為15mm 20mm的位置大致對應(yīng)于腦表部位，能夠獲得與52處腦表部位 (#1 #52)有關(guān)的表示隨時間變化的52個光檢測信號。此外，從送光探針12照射的光也會被相鄰的受光探針13以外的相距較遠(yuǎn)的受光探針13檢測到，但是在此為了簡化說明，設(shè)為該光僅被相鄰的受光探針13檢測到。并且，根據(jù)通過這樣獲得的52個光檢測信號，求出52處腦表部位(#1 #52)的氧合血紅蛋白濃度(觀測信號)Xn(t) (η = 1、2、…52)、脫氧血紅蛋白濃度(觀測信號)，進(jìn)一步求出根據(jù)這些氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白計算出的整體血紅蛋白濃度(觀測信號)。 圖3是表示通過光學(xué)生物體測量裝置顯示出52個(#1 #52)血紅蛋白濃度Xn(t)的監(jiān)視畫面的圖。此外，一個觀測信號Xn(t)的縱軸表示氧合血紅蛋白濃度，橫軸表示時間t。
另外，如圖3所示那樣顯示出的52個觀測信號Xn(t)中除了疊加有基于伴隨腦激活的血流的信號以外，還疊加有基于皮膚血流、心跳變動、脈搏跳動/呼吸等的變化的信號。因此，醫(yī)生等觀察者為了能夠容易地診斷是否產(chǎn)生了腦缺血等病情，通過視覺評價嚴(yán)格區(qū)分觀測信號Xn(t)中的基于伴隨腦激活的血流的信號和除此以外的信號。例如， 僅將與任務(wù)(task)同步的信號用作腦激活信號、或者將難以視為腦內(nèi)的生理學(xué)變化的信號作為偽影(artifact)進(jìn)行處理。并且，關(guān)于隨機(jī)噪聲，增加測量的重復(fù)次數(shù)，通過累加處理來去除。另外，作為容易地診斷是否產(chǎn)生了腦缺血等病情的其它方法，通過一次線性模型 (GLM)統(tǒng)計分析觀測信號Xn(t)，并與基準(zhǔn)觀測信號進(jìn)行比較，計算基準(zhǔn)觀測信號與觀測信號Xn(t)的相似性以及統(tǒng)計顯著性的評價量(P值)來作為統(tǒng)計結(jié)果(例如，參照專利文獻(xiàn) 2)。專利文獻(xiàn)1 日本特開2006-109964號公報專利文獻(xiàn)2 日本特開2003-265442號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題然而，在如上所述的視覺評價中，在將行走等運(yùn)動作為任務(wù)的情況下測量被檢體的腦活動時，心跳數(shù)發(fā)生變化，基于皮膚血流的變化的信號也與任務(wù)同步，因此如果僅將與任務(wù)同步的信號用作腦激活信號，則有時無法正確地診斷是否產(chǎn)生了腦缺血等病情。另外，在如上所述的統(tǒng)計分析中，關(guān)于觀測信號Xn(t)可以獲知相似性以及評價量 (P值)，但是觀測信號Xnα)處于除了疊加有基于伴隨腦激活的血流的信號以外還疊加有基于皮膚血流、心跳變動、脈搏跳動/呼吸等的變化的信號的狀態(tài)，因此有時無法正確地診斷是否產(chǎn)生了腦缺血等病情。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠從觀測信號中去除與不必要成分對應(yīng)的信號的光學(xué)生物體測量裝置以及分析方法。用于解決問題的方案為了解決上述問題而完成的本發(fā)明的光學(xué)生物體測量裝置具備發(fā)送接收光部， 其具有配置在被檢體的皮膚表面上的多個送光探針和配置在該皮膚表面上的多個受光探針；發(fā)送接收光部控制部，其進(jìn)行控制使得上述送光探針向皮膚表面照射光，并且上述受光探針檢測從皮膚表面放出的光，由此獲取與上述被檢體中的測量部位有關(guān)的表示隨時間變化的觀測信號；以及運(yùn)算部，其通過從上述觀測信號中去除與不必要成分對應(yīng)的信號，來生成不必要成分去除觀測信號，其中，上述運(yùn)算部具備混合矩陣生成部，其通過獨(dú)立成分分析將多個觀測信號分離為混合矩陣與多個獨(dú)立成分信號之積；功率譜計算部，其通過對作為時間和強(qiáng)度的函數(shù)的多個獨(dú)立成分信號進(jìn)行傅立葉變換，來生成作為頻率和強(qiáng)度的函數(shù)的多個變換獨(dú)立成分信號，由此分別計算各變換獨(dú)立成分信號中的規(guī)定的頻帶的功率譜； 以及不必要成分信號決定部，其通過將各變換獨(dú)立成分信號中的規(guī)定的頻帶的功率譜分別與閾值進(jìn)行比較，來從多個獨(dú)立成分信號中找出與不必要成分對應(yīng)的獨(dú)立成分信號。在此，“觀測信號”可以是由受光探針檢測出的光檢測信號，也可以是根據(jù)光檢測信號計算出的氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、整體血紅蛋白濃度。另外，“與不必要成分對應(yīng)的信號”是指除了基于伴隨腦激活的血流的信號以外的信號，例如是指基于皮膚血流的信號、基于心跳變動的信號、基于脈搏跳動/呼吸的信號寸。并且，“規(guī)定的頻帶”是指預(yù)先設(shè)定的任意的頻帶，例如，作為“規(guī)定的頻帶”，設(shè)定表示皮膚血流的頻帶(o. 03Hz 0. 15Hz)、表示心跳變動的頻帶(0. 15Hz 0. 5Hz)、表示脈搏跳動/呼吸的頻帶(0. 8Hz 2. OHz)等。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)生物體測量裝置，發(fā)送接收光部控制部進(jìn)行控制使得送光探針向皮膚表面照射光，并且使受光探針檢測從皮膚表面放出的光，由此獲取與N個測量部位有關(guān)的N個觀測信號Xn(t)。此外，觀測信號Xn(t)中除了疊加有基于伴隨腦激活的血流的信號以外，還疊加有基于皮膚血流、心跳變動、脈搏跳動/呼吸等的變化的信號。因此，運(yùn)算部從觀測信號Xn⑴中去除與不必要成分對應(yīng)的信號。首先，混合矩陣生成部如用下述式(1)所示那樣通過獨(dú)立成分分析(ICA)將N個觀測信號Xn(t)分離為 NXN的混合矩陣與N個獨(dú)立成分信號之積。[式1]
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)生物體測量裝置，其特征在于，具備發(fā)送接收光部，其具有配置在被檢體的皮膚表面上的多個送光探針和配置在該皮膚表面上的多個受光探針；發(fā)送接收光部控制部，其進(jìn)行控制使得上述送光探針向皮膚表面照射光，并且上述受光探針檢測從皮膚表面放出的光，由此獲取與上述被檢體中的測量部位有關(guān)的表示隨時間變化的觀測信號；以及運(yùn)算部，其通過從上述觀測信號中去除與不必要成分對應(yīng)的信號，來生成不必要成分去除觀測信號，其中，上述運(yùn)算部具備混合矩陣生成部，其通過獨(dú)立成分分析將多個觀測信號分離為混合矩陣與多個獨(dú)立成分信號之積；功率譜計算部，其通過對作為時間和強(qiáng)度的函數(shù)的多個獨(dú)立成分信號進(jìn)行傅立葉變換，來生成作為頻率和強(qiáng)度的函數(shù)的多個變換獨(dú)立成分信號，由此分別計算各變換獨(dú)立成分信號中的規(guī)定的頻帶的功率譜；以及不必要成分信號決定部，其通過將各變換獨(dú)立成分信號中的規(guī)定的頻帶的功率譜分別與閾值進(jìn)行比較，來從多個獨(dú)立成分信號中找出與不必要成分對應(yīng)的獨(dú)立成分信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)生物體測量裝置，其特征在于，上述運(yùn)算部還具備不必要成分去除混合矩陣生成部，其根據(jù)由上述不必要成分信號決定部找出的與不必要成分對應(yīng)的獨(dú)立成分信號，生成將0代入到上述混合矩陣中的與不必要成分對應(yīng)的列向量而得到的不必要成分去除混合矩陣；以及不必要成分去除觀測信號生成部，其通過將不必要成分去除混合矩陣與多個獨(dú)立成分信號相乘，來生成多個不必要成分去除觀測信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)生物體測量裝置，其特征在于，上述規(guī)定的頻帶是從由表示皮膚血流的頻帶、表示心跳變動的頻帶以及表示脈搏跳動 /呼吸的頻帶構(gòu)成的群中選擇的至少一個頻帶。
4.一種分析方法，通過使用具備發(fā)送接收光部和發(fā)送接收光部控制部的光學(xué)生物體測量裝置來從觀測信號中去除與不必要成分對應(yīng)的信號，由此生成不必要成分去除觀測信號，該發(fā)送接收光部具有配置在被檢體的皮膚表面上的多個送光探針和配置在該皮膚表面上的多個受光探針，該發(fā)送接收光部控制部進(jìn)行控制使得上述送光探針向皮膚表面照射光，并且上述受光探針檢測從皮膚表面放出的光，由此獲取與上述被檢體中的測量部位有關(guān)的表示隨時間變化的上述觀測信號，其中，該分析方法的特征在于，包括以下步驟混合矩陣生成步驟，通過獨(dú)立成分分析將多個觀測信號分離為混合矩陣與多個獨(dú)立成分信號之積；以及不必要成分信號決定步驟，通過將各變換獨(dú)立成分信號中的規(guī)定的頻帶的功率譜分別與閾值進(jìn)行比較，來從多個獨(dú)立成分信號中找出與不必要成分對應(yīng)的獨(dú)立成分信號。
全文摘要
提供一種能夠從觀測信號中去除與不必要成分對應(yīng)的信號的光學(xué)生物體測量裝置。具備從觀測信號中去除與不必要成分對應(yīng)的信號來生成不必要成分去除觀測信號的運(yùn)算部(5)的光學(xué)生物體測量裝置(1)的特征在于，運(yùn)算部(5)具備混合矩陣生成部(51)，其通過獨(dú)立成分分析將多個觀測信號分離為混合矩陣與多個獨(dú)立成分信號之積；功率譜計算部(52)，其通過對作為時間和強(qiáng)度的函數(shù)的多個獨(dú)立成分信號進(jìn)行傅立葉變換，來生成作為頻率和強(qiáng)度的函數(shù)的多個變換獨(dú)立成分信號，并分別計算各變換獨(dú)立成分信號中的規(guī)定的頻帶的功率譜；以及不必要成分信號決定部(53)，其通過將各變換獨(dú)立成分信號中的規(guī)定的頻帶的功率譜分別與閾值進(jìn)行比較，來從多個獨(dú)立成分信號中找出與不必要成分對應(yīng)的獨(dú)立成分信號。
文檔編號A61B10/00GK102333489SQ201080009449
公開日2012年1月25日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者石川亮宏 申請人:株式會社島津制作所