专利名称：光学生物体测量装置以及分析方法
技术领域：
本发明涉及一种利用光获取与测量部位有关的表示随时间变化的观测信号的光学生物体测量装置以及分析方法。特别地，本发明被用作利用近红外光非侵袭地测量脑的测量部位的活动状况的光学脑功能成像装置、监视生物体中的测量部位的氧消耗量的氧监视器。
背景技术：
已知如下一种光学生物体测量方法通过利用血红蛋白浓度对应于生物体内部的氧代谢功能的性质，以非侵袭的方式简便地测量生物体内部。在这种光学生物体测量方法中，通过向生物体照射从可见光至近红外区域的波长的光，根据透过生物体而获得的光的量来求出血红蛋白浓度。并且，血红蛋白与氧结合而形成氧合血红蛋白，另一方面，血红蛋白与氧分离而形成脱氧血红蛋白。还已知，在脑内，通过血流再分配作用激活的部位被提供氧，与氧结合得到的氧合血红蛋白浓度增加。因此，通过测量氧合血红蛋白浓度，能够应用于脑活动的观察。氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在从可见光至近红外区域的区域内具有不同的分光吸收谱特性，因此使用不同的两种波长(例如780nm和850nm)的近红外光，能够分别求出氧合血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度。因此，开发了一种具备保持件(holder)(发送接收光部)的光学测量装置(例如参照专利文献1)，该保持件具有多个送光探针和多个受光探针。在光学测量装置中，利用配置在被检体的头皮表面上的送光探针向脑照射近红外光，并且利用配置在头皮表面上的受光探针检测从脑放出的近红外光的光量。另外，在保持件上设置有多个贯通孔，通过将送光探针和受光探针插入到这些贯通孔中，使得送光探针与受光探针之间的距离(通道)固定， 能够从距头皮表面特定深度的多处脑部位获得光量(光检测信号)。图2是表示保持件中的16个送光探针和16个受光探针的位置关系的平面图。在保持件11中，送光探针12和受光探针13以在行方向和列方向上交替的方式配置成正方格子状。保持件11是考虑到头皮与脑之间的距离而设计的，因此如果被检体是成人，则使用将送光探针12与受光探针13之间的距离(通道)设为30mm的保持件。在通道是30mm的情况下，认为能够获得来自距通道的中点的深度为15mm 20mm的位置的光检测信号。即， 距头皮表面的深度为15mm 20mm的位置大致对应于脑表部位，能够获得与52处脑表部位 (#1 #52)有关的表示随时间变化的52个光检测信号。此外，从送光探针12照射的光也会被相邻的受光探针13以外的相距较远的受光探针13检测到，但是在此为了简化说明，设为该光仅被相邻的受光探针13检测到。并且，根据通过这样获得的52个光检测信号，求出52处脑表部位(#1 #52)的氧合血红蛋白浓度(观测信号)Xn(t) (η = 1、2、…52)、脱氧血红蛋白浓度(观测信号)，进一步求出根据这些氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白计算出的整体血红蛋白浓度(观测信号)。 图3是表示通过光学生物体测量装置显示出52个(#1 #52)血红蛋白浓度Xn(t)的监视画面的图。此外，一个观测信号Xn(t)的纵轴表示氧合血红蛋白浓度，横轴表示时间t。
另外，如图3所示那样显示出的52个观测信号Xn(t)中除了叠加有基于伴随脑激活的血流的信号以外，还叠加有基于皮肤血流、心跳变动、脉搏跳动/呼吸等的变化的信号。因此，医生等观察者为了能够容易地诊断是否产生了脑缺血等病情，通过视觉评价严格区分观测信号Xn(t)中的基于伴随脑激活的血流的信号和除此以外的信号。例如， 仅将与任务(task)同步的信号用作脑激活信号、或者将难以视为脑内的生理学变化的信号作为伪影(artifact)进行处理。并且，关于随机噪声，增加测量的重复次数，通过累加处理来去除。另外，作为容易地诊断是否产生了脑缺血等病情的其它方法，通过一次线性模型 (GLM)统计分析观测信号Xn(t)，并与基准观测信号进行比较，计算基准观测信号与观测信号Xn(t)的相似性以及统计显著性的评价量(P值)来作为统计结果(例如，参照专利文献 2)。专利文献1 日本特开2006-109964号公报专利文献2 日本特开2003-265442号公报
发明内容
发明要解决的问题然而，在如上所述的视觉评价中，在将行走等运动作为任务的情况下测量被检体的脑活动时，心跳数发生变化，基于皮肤血流的变化的信号也与任务同步，因此如果仅将与任务同步的信号用作脑激活信号，则有时无法正确地诊断是否产生了脑缺血等病情。另外，在如上所述的统计分析中，关于观测信号Xn(t)可以获知相似性以及评价量 (P值)，但是观测信号Xnα)处于除了叠加有基于伴随脑激活的血流的信号以外还叠加有基于皮肤血流、心跳变动、脉搏跳动/呼吸等的变化的信号的状态，因此有时无法正确地诊断是否产生了脑缺血等病情。因此，本发明的目的在于提供一种能够从观测信号中去除与不必要成分对应的信号的光学生物体测量装置以及分析方法。用于解决问题的方案为了解决上述问题而完成的本发明的光学生物体测量装置具备发送接收光部， 其具有配置在被检体的皮肤表面上的多个送光探针和配置在该皮肤表面上的多个受光探针；发送接收光部控制部，其进行控制使得上述送光探针向皮肤表面照射光，并且上述受光探针检测从皮肤表面放出的光，由此获取与上述被检体中的测量部位有关的表示随时间变化的观测信号；以及运算部，其通过从上述观测信号中去除与不必要成分对应的信号，来生成不必要成分去除观测信号，其中，上述运算部具备混合矩阵生成部，其通过独立成分分析将多个观测信号分离为混合矩阵与多个独立成分信号之积；功率谱计算部，其通过对作为时间和强度的函数的多个独立成分信号进行傅立叶变换，来生成作为频率和强度的函数的多个变换独立成分信号，由此分别计算各变换独立成分信号中的规定的频带的功率谱； 以及不必要成分信号决定部，其通过将各变换独立成分信号中的规定的频带的功率谱分别与阈值进行比较，来从多个独立成分信号中找出与不必要成分对应的独立成分信号。在此，“观测信号”可以是由受光探针检测出的光检测信号，也可以是根据光检测信号计算出的氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、整体血红蛋白浓度。另外，“与不必要成分对应的信号”是指除了基于伴随脑激活的血流的信号以外的信号，例如是指基于皮肤血流的信号、基于心跳变动的信号、基于脉搏跳动/呼吸的信号寸。并且，“规定的频带”是指预先设定的任意的频带，例如，作为“规定的频带”，设定表示皮肤血流的频带(o. 03Hz 0. 15Hz)、表示心跳变动的频带(0. 15Hz 0. 5Hz)、表示脉搏跳动/呼吸的频带(0. 8Hz 2. OHz)等。根据本发明的光学生物体测量装置，发送接收光部控制部进行控制使得送光探针向皮肤表面照射光，并且使受光探针检测从皮肤表面放出的光，由此获取与N个测量部位有关的N个观测信号Xn(t)。此外，观测信号Xn(t)中除了叠加有基于伴随脑激活的血流的信号以外，还叠加有基于皮肤血流、心跳变动、脉搏跳动/呼吸等的变化的信号。因此，运算部从观测信号Xn⑴中去除与不必要成分对应的信号。首先，混合矩阵生成部如用下述式(1)所示那样通过独立成分分析(ICA)将N个观测信号Xn(t)分离为 NXN的混合矩阵与N个独立成分信号之积。[式1]
权利要求
1.一种光学生物体测量装置，其特征在于，具备发送接收光部，其具有配置在被检体的皮肤表面上的多个送光探针和配置在该皮肤表面上的多个受光探针；发送接收光部控制部，其进行控制使得上述送光探针向皮肤表面照射光，并且上述受光探针检测从皮肤表面放出的光，由此获取与上述被检体中的测量部位有关的表示随时间变化的观测信号；以及运算部，其通过从上述观测信号中去除与不必要成分对应的信号，来生成不必要成分去除观测信号，其中，上述运算部具备混合矩阵生成部，其通过独立成分分析将多个观测信号分离为混合矩阵与多个独立成分信号之积；功率谱计算部，其通过对作为时间和强度的函数的多个独立成分信号进行傅立叶变换，来生成作为频率和强度的函数的多个变换独立成分信号，由此分别计算各变换独立成分信号中的规定的频带的功率谱；以及不必要成分信号决定部，其通过将各变换独立成分信号中的规定的频带的功率谱分别与阈值进行比较，来从多个独立成分信号中找出与不必要成分对应的独立成分信号。
2.根据权利要求1所述的光学生物体测量装置，其特征在于，上述运算部还具备不必要成分去除混合矩阵生成部，其根据由上述不必要成分信号决定部找出的与不必要成分对应的独立成分信号，生成将0代入到上述混合矩阵中的与不必要成分对应的列向量而得到的不必要成分去除混合矩阵；以及不必要成分去除观测信号生成部，其通过将不必要成分去除混合矩阵与多个独立成分信号相乘，来生成多个不必要成分去除观测信号。
3.根据权利要求1或2所述的光学生物体测量装置，其特征在于，上述规定的频带是从由表示皮肤血流的频带、表示心跳变动的频带以及表示脉搏跳动 /呼吸的频带构成的群中选择的至少一个频带。
4.一种分析方法，通过使用具备发送接收光部和发送接收光部控制部的光学生物体测量装置来从观测信号中去除与不必要成分对应的信号，由此生成不必要成分去除观测信号，该发送接收光部具有配置在被检体的皮肤表面上的多个送光探针和配置在该皮肤表面上的多个受光探针，该发送接收光部控制部进行控制使得上述送光探针向皮肤表面照射光，并且上述受光探针检测从皮肤表面放出的光，由此获取与上述被检体中的测量部位有关的表示随时间变化的上述观测信号，其中，该分析方法的特征在于，包括以下步骤混合矩阵生成步骤，通过独立成分分析将多个观测信号分离为混合矩阵与多个独立成分信号之积；以及不必要成分信号决定步骤，通过将各变换独立成分信号中的规定的频带的功率谱分别与阈值进行比较，来从多个独立成分信号中找出与不必要成分对应的独立成分信号。
全文摘要
提供一种能够从观测信号中去除与不必要成分对应的信号的光学生物体测量装置。具备从观测信号中去除与不必要成分对应的信号来生成不必要成分去除观测信号的运算部(5)的光学生物体测量装置(1)的特征在于，运算部(5)具备混合矩阵生成部(51)，其通过独立成分分析将多个观测信号分离为混合矩阵与多个独立成分信号之积；功率谱计算部(52)，其通过对作为时间和强度的函数的多个独立成分信号进行傅立叶变换，来生成作为频率和强度的函数的多个变换独立成分信号，并分别计算各变换独立成分信号中的规定的频带的功率谱；以及不必要成分信号决定部(53)，其通过将各变换独立成分信号中的规定的频带的功率谱分别与阈值进行比较，来从多个独立成分信号中找出与不必要成分对应的独立成分信号。
文档编号A61B10/00GK102333489SQ201080009449
公开日2012年1月25日 申请日期2010年1月12日 优先权日2009年3月19日
发明者石川亮宏 申请人:株式会社岛津制作所