專利名稱：光學(xué)生物體測(cè)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(cè)量部位有關(guān)的表示隨時(shí)間變化的觀測(cè)信號(hào)的光學(xué)生物體測(cè)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(cè)量腦的測(cè)量部位的活動(dòng)狀況的光學(xué)腦功能成像裝置、監(jiān)視生物體中的測(cè)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(cè)量方法通過(guò)利用血紅蛋白濃度對(duì)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(jiǎn)便地測(cè)量生物體內(nèi)部。在這種光學(xué)生物體測(cè)量方法中，通過(guò)向生物體照射從可見(jiàn)光至近紅外區(qū)域的波長(zhǎng)的光，根據(jù)透過(guò)生物體而獲得的光的量來(lái)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(guò)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(guò)測(cè)量氧合血紅蛋白濃度，能夠應(yīng)用于腦活動(dòng)的觀察。氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白在從可見(jiàn)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(zhǎng)(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(kāi)發(fā)了一種具備保持件(holder)(發(fā)送接收光部)的光學(xué)測(cè)量裝置(例如參照專利文獻(xiàn)1)，該保持件具有多個(gè)送光探針和多個(gè)受光探針。在光學(xué)測(cè)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(cè)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(gè)貫通孔，通過(guò)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(cè)信號(hào))。圖2是表示保持件中的16個(gè)送光探針和16個(gè)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(jì)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(lái)自距通道的中點(diǎn)的深度為15mm 20mm的位置的光檢測(cè)信號(hào)。即， 距頭皮表面的深度為15mm 20mm的位置大致對(duì)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(shí)間變化的52個(gè)光檢測(cè)信號(hào)。此外，從送光探針12照射的光也會(huì)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(cè)到，但是在此為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，設(shè)為該光僅被相鄰的受光探針13檢測(cè)到。并且，根據(jù)通過(guò)這樣獲得的52個(gè)光檢測(cè)信號(hào)，求出52處腦表部位(#1 #52)的氧合血紅蛋白濃度(觀測(cè)信號(hào))Xn(t) (η = 1、2、…52)、脫氧血紅蛋白濃度(觀測(cè)信號(hào))，進(jìn)一步求出根據(jù)這些氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白計(jì)算出的整體血紅蛋白濃度(觀測(cè)信號(hào))。 圖3是表示通過(guò)光學(xué)生物體測(cè)量裝置顯示出52個(gè)(#1 #52)血紅蛋白濃度Xn(t)的監(jiān)視畫(huà)面的圖。此外，一個(gè)觀測(cè)信號(hào)Xn(t)的縱軸表示氧合血紅蛋白濃度，橫軸表示時(shí)間t。
另外，如圖3所示那樣顯示出的52個(gè)觀測(cè)信號(hào)Xn(t)中除了疊加有基于伴隨腦激活的血流的信號(hào)以外，還疊加有基于皮膚血流、心跳變動(dòng)、脈搏跳動(dòng)/呼吸等的變化的信號(hào)。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(guò)視覺(jué)評(píng)價(jià)嚴(yán)格區(qū)分觀測(cè)信號(hào)Xn(t)中的基于伴隨腦激活的血流的信號(hào)和除此以外的信號(hào)。例如， 僅將與任務(wù)(task)同步的信號(hào)用作腦激活信號(hào)、或者將難以視為腦內(nèi)的生理學(xué)變化的信號(hào)作為偽影(artifact)進(jìn)行處理。并且，關(guān)于隨機(jī)噪聲，增加測(cè)量的重復(fù)次數(shù)，通過(guò)累加處理來(lái)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(guò)一次線性模型 (GLM)統(tǒng)計(jì)分析觀測(cè)信號(hào)Xn(t)，并與基準(zhǔn)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算基準(zhǔn)觀測(cè)信號(hào)與觀測(cè)信號(hào)Xn(t)的相似性以及統(tǒng)計(jì)顯著性的評(píng)價(jià)量(P值)來(lái)作為統(tǒng)計(jì)結(jié)果(例如，參照專利文獻(xiàn) 2)。專利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)2006-109964號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開(kāi)2003-265442號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問(wèn)題然而，在如上所述的視覺(jué)評(píng)價(jià)中，在將行走等運(yùn)動(dòng)作為任務(wù)的情況下測(cè)量被檢體的腦活動(dòng)時(shí)，心跳數(shù)發(fā)生變化，基于皮膚血流的變化的信號(hào)也與任務(wù)同步，因此如果僅將與任務(wù)同步的信號(hào)用作腦激活信號(hào)，則有時(shí)無(wú)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(jì)分析中，關(guān)于觀測(cè)信號(hào)Xn(t)可以獲知相似性以及評(píng)價(jià)量 (P值)，但是觀測(cè)信號(hào)Xnα)處于除了疊加有基于伴隨腦激活的血流的信號(hào)以外還疊加有基于皮膚血流、心跳變動(dòng)、脈搏跳動(dòng)/呼吸等的變化的信號(hào)的狀態(tài)，因此有時(shí)無(wú)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(cè)信號(hào)中去除與不必要成分對(duì)應(yīng)的信號(hào)的光學(xué)生物體測(cè)量裝置以及分析方法。用于解決問(wèn)題的方案為了解決上述問(wèn)題而完成的本發(fā)明的光學(xué)生物體測(cè)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(gè)送光探針和配置在該皮膚表面上的多個(gè)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(cè)從皮膚表面放出的光，由此獲取與上述被檢體中的測(cè)量部位有關(guān)的表示隨時(shí)間變化的觀測(cè)信號(hào)；以及運(yùn)算部，其通過(guò)從上述觀測(cè)信號(hào)中去除與不必要成分對(duì)應(yīng)的信號(hào)，來(lái)生成不必要成分去除觀測(cè)信號(hào)，其中，上述運(yùn)算部具備混合矩陣生成部，其通過(guò)獨(dú)立成分分析將多個(gè)觀測(cè)信號(hào)分離為混合矩陣與多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)之積；功率譜計(jì)算部，其通過(guò)對(duì)作為時(shí)間和強(qiáng)度的函數(shù)的多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，來(lái)生成作為頻率和強(qiáng)度的函數(shù)的多個(gè)變換獨(dú)立成分信號(hào)，由此分別計(jì)算各變換獨(dú)立成分信號(hào)中的規(guī)定的頻帶的功率譜； 以及不必要成分信號(hào)決定部，其通過(guò)將各變換獨(dú)立成分信號(hào)中的規(guī)定的頻帶的功率譜分別與閾值進(jìn)行比較，來(lái)從多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)中找出與不必要成分對(duì)應(yīng)的獨(dú)立成分信號(hào)。在此，“觀測(cè)信號(hào)”可以是由受光探針檢測(cè)出的光檢測(cè)信號(hào)，也可以是根據(jù)光檢測(cè)信號(hào)計(jì)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(duì)應(yīng)的信號(hào)”是指除了基于伴隨腦激活的血流的信號(hào)以外的信號(hào)，例如是指基于皮膚血流的信號(hào)、基于心跳變動(dòng)的信號(hào)、基于脈搏跳動(dòng)/呼吸的信號(hào)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(dòng)的頻帶(0. 15Hz 0. 5Hz)、表示脈搏跳動(dòng)/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(cè)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(cè)從皮膚表面放出的光，由此獲取與N個(gè)測(cè)量部位有關(guān)的N個(gè)觀測(cè)信號(hào)Xn(t)。此外，觀測(cè)信號(hào)Xn(t)中除了疊加有基于伴隨腦激活的血流的信號(hào)以外，還疊加有基于皮膚血流、心跳變動(dòng)、脈搏跳動(dòng)/呼吸等的變化的信號(hào)。因此，運(yùn)算部從觀測(cè)信號(hào)Xn⑴中去除與不必要成分對(duì)應(yīng)的信號(hào)。首先，混合矩陣生成部如用下述式(1)所示那樣通過(guò)獨(dú)立成分分析(ICA)將N個(gè)觀測(cè)信號(hào)Xn(t)分離為 NXN的混合矩陣與N個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)之積。[式1]
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)生物體測(cè)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(gè)送光探針和配置在該皮膚表面上的多個(gè)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(cè)從皮膚表面放出的光，由此獲取與上述被檢體中的測(cè)量部位有關(guān)的表示隨時(shí)間變化的觀測(cè)信號(hào)；以及運(yùn)算部，其通過(guò)從上述觀測(cè)信號(hào)中去除與不必要成分對(duì)應(yīng)的信號(hào)，來(lái)生成不必要成分去除觀測(cè)信號(hào)，其中，上述運(yùn)算部具備混合矩陣生成部，其通過(guò)獨(dú)立成分分析將多個(gè)觀測(cè)信號(hào)分離為混合矩陣與多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)之積；功率譜計(jì)算部，其通過(guò)對(duì)作為時(shí)間和強(qiáng)度的函數(shù)的多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，來(lái)生成作為頻率和強(qiáng)度的函數(shù)的多個(gè)變換獨(dú)立成分信號(hào)，由此分別計(jì)算各變換獨(dú)立成分信號(hào)中的規(guī)定的頻帶的功率譜；以及不必要成分信號(hào)決定部，其通過(guò)將各變換獨(dú)立成分信號(hào)中的規(guī)定的頻帶的功率譜分別與閾值進(jìn)行比較，來(lái)從多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)中找出與不必要成分對(duì)應(yīng)的獨(dú)立成分信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)生物體測(cè)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(hào)決定部找出的與不必要成分對(duì)應(yīng)的獨(dú)立成分信號(hào)，生成將0代入到上述混合矩陣中的與不必要成分對(duì)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(cè)信號(hào)生成部，其通過(guò)將不必要成分去除混合矩陣與多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)相乘，來(lái)生成多個(gè)不必要成分去除觀測(cè)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)生物體測(cè)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(dòng)的頻帶以及表示脈搏跳動(dòng) /呼吸的頻帶構(gòu)成的群中選擇的至少一個(gè)頻帶。
4.一種分析方法，通過(guò)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(cè)量裝置來(lái)從觀測(cè)信號(hào)中去除與不必要成分對(duì)應(yīng)的信號(hào)，由此生成不必要成分去除觀測(cè)信號(hào)，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(gè)送光探針和配置在該皮膚表面上的多個(gè)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(cè)從皮膚表面放出的光，由此獲取與上述被檢體中的測(cè)量部位有關(guān)的表示隨時(shí)間變化的上述觀測(cè)信號(hào)，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(guò)獨(dú)立成分分析將多個(gè)觀測(cè)信號(hào)分離為混合矩陣與多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)之積；以及不必要成分信號(hào)決定步驟，通過(guò)將各變換獨(dú)立成分信號(hào)中的規(guī)定的頻帶的功率譜分別與閾值進(jìn)行比較，來(lái)從多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)中找出與不必要成分對(duì)應(yīng)的獨(dú)立成分信號(hào)。
全文摘要
提供一種能夠從觀測(cè)信號(hào)中去除與不必要成分對(duì)應(yīng)的信號(hào)的光學(xué)生物體測(cè)量裝置。具備從觀測(cè)信號(hào)中去除與不必要成分對(duì)應(yīng)的信號(hào)來(lái)生成不必要成分去除觀測(cè)信號(hào)的運(yùn)算部(5)的光學(xué)生物體測(cè)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(guò)獨(dú)立成分分析將多個(gè)觀測(cè)信號(hào)分離為混合矩陣與多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)之積；功率譜計(jì)算部(52)，其通過(guò)對(duì)作為時(shí)間和強(qiáng)度的函數(shù)的多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，來(lái)生成作為頻率和強(qiáng)度的函數(shù)的多個(gè)變換獨(dú)立成分信號(hào)，并分別計(jì)算各變換獨(dú)立成分信號(hào)中的規(guī)定的頻帶的功率譜；以及不必要成分信號(hào)決定部(53)，其通過(guò)將各變換獨(dú)立成分信號(hào)中的規(guī)定的頻帶的功率譜分別與閾值進(jìn)行比較，來(lái)從多個(gè)獨(dú)立成分信號(hào)中找出與不必要成分對(duì)應(yīng)的獨(dú)立成分信號(hào)。
文檔編號(hào)A61B10/00GK102333489SQ201080009449
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:株式會(huì)社島津制作所