专利名称：生物光学测量仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生物光学测量仪器，更具体地，涉及一种用于生物光学测量的信号处理。
背景技术：
生物光学测量仪器是一种利用将预定波长的光照射活体并测量穿过活体透射出的光的变化量来获取诸如活体内血液循环、血液循环动态及血红蛋白变化之类信息的仪器，特别地，希望设计一种生物光学测量仪器，用于以特征图的形式获取比较大区域血流信息，例如，用于诸如在癫痫中风时局部中心识别之类的大脑功能研究和临床应用研究。
作为临床应用的例子，在WATANABE Eiju的“利用近红外光的脑血流映射方法(Brain Blood Stream Mapping Method Using Near-infraredLight)”(CLINICAL NUEROSCIENCE Vol.17，No.11，1999-11，P1280-1281，Cyugaiigakusya)中，报道了通过使用上述被称作利用近红外光的大脑血流映射方法的方法，在执行运动和语言任务时，大脑血红蛋白变化的测量结果。在此方法中，为了捕获大脑的血红蛋白变化，在对各个任务执行了多次检测之后，计算各个值的平均值。因为通过诸如运动和语言任务之类的生理学刺激获取的大脑血红蛋白变化最多约为5％，所以执行这种求和及平均计算以提高S/N比率。
用这些生物光仪器测量出的由血红蛋白导致的光信号变化量只有几个百分比，与此相反，由身体移动引起的光信号变化量达到超过50％，它们以尖峰状噪声的形式叠加在被测光信号上。在不需要求和及平均的单个测量数据情况下，由于会出现一个陡峭的峰点，可以利用目测法将尖峰状噪声分离出去，不过在通过上述求和及平均计算来确定血红蛋白变化量的情况下，由于将噪声导致的峰值进行了平均并叠加到测量数据上，这就很难将噪声与实际的测量数据分离，妨碍了准确的诊断。
在常规的生物光学测量中，为了处理包含有噪声的测量数据，只有通过目测法识别噪声并将对应于噪声的部分从血红蛋白变化量平均的结果中剔除的方法，而这种方法极大地阻碍了实时数据显示性能。
因此，本发明的目的是提供一种生物光学测量仪器及其方法，其中允许通过利用噪声分量表现出陡峭尖峰的特性来检测包含有噪声分量的测量数据，并通过计算自动地将包含有噪声分量的光信号部分从要被确定的测量结果中剔除，而不依赖于目测法。
此外，本发明的另一个目的是提供一种生物光学测量仪器及其方法，其中允许快速地获取高可靠性的测量结果，并由此为研究和诊断提供有价值的信息。
发明内容
实现上述目的的本发明生物光学测量仪器包括光产生部件，用于用具有预定波长的光照射研究对象；光检测部件，用于检测从光产生部件射出并透射过研究对象的光；信号处理部件，用于分析光检测部件检测出的光信号并生成(prepare)包括研究对象的血流的生物信息，其中信号处理部件包括用于检测被检测光信号中包含的噪声分量的装置和用于将包含有检测出的噪声分量的光信号部分从光信号中剔除的装置。
所以，根据本发明的生物光学测量仪器，通过提供用于检测在被检测光信号中存在和不存在噪声分量的装置以及用于将包含有噪声分量的光信号部分从检测的光信号中剔除的装置，自动地执行通常通过目测法执行的剔除包含有噪声分量的光信号部分的工作，这样允许快速地显示准确的测量结果。
此外，在本发明的生物光学测量仪器中，能够以确定在一定时间过程中获取的光信号的差值并在该差值超过预定阈值时判断噪声存在的方式执行光信号中噪声分量的检测。通过使用该差值进行的判断，可以有效地检测出包含的由研究对象预定的身体移动引起的尖峰状噪声，并除去尖峰状噪声导致的影响。
此外，在本发明的生物光学测量仪器中，信号处理部件包括用于从沿时间轴获取的光信号中提取出多个具有预定时间间隔的段中的光信号并从各个提取出的光信号中生成段数据的装置、用于从提取和生成的段数据中检测并剔除包含有噪声分量的段数据的装置、用于利用多个数据段中的未剔除的段数据执行求和及平均处理并生成具有预定时间间隔的平均段数据的装置。
就其中可能隐藏了噪声分量的、通过求和及平均处理获取的测量数据而言，在本发明中预先检测出噪声分量并且将包含有噪声分量的段数据从用于求和及平均处理的对象中剔除，由此，增强了求和及平均处理的可靠性并能够获得准确的测量数据。
图1所示为用于以图像形式显示血红蛋白变化量的仪器的整体构造框图，并表示了一种应用本发明的生物光学测量仪器；图2所示为由图1中信号处理装置执行的本发明处理流程图；图3所示为对图1中信号处理装置执行求和及平均处理进行说明的示意图；图4A所示为如图1所示仪器测量的在执行任务时和不执行任务(休息)时，血红蛋白信号沿时间轴的变化；图4B用于说明在求和及平均处理中噪声的影响，并表示了将全部血红蛋白信号段求和及平均处理的结果，其中每一个信号段都包括任务执行段且具有预定的时间间隔；图5用于说明本发明的差处理并表示了在整个测量时期血红蛋白信号的变化率；图6所示为根据本发明剔除了包含噪声分量段数据以及将剩余血红蛋白信号求和并平均的处理结果。
具体实施例方式
下面，将基于实施例对本发明的生物光学测量仪器进行说明，该实施例中将本发明应用于在一幅图像的预定区域显示血红蛋白变换量的仪器。此仪器具有以下功能当将诸如运动或语言之类引起大脑活跃的任务交给研究对象时，测量大脑中血红蛋白量的变化(氧化血红蛋白浓度变化、去氧血红蛋白浓度变化以及总血红蛋白浓度变化)并显示出在每一个测量位置的变化。
图1为一种应用本发明的仪器的整体构造，如图所示，本发明配备了光照射及检测部件101，该部件向研究对象100的预定区域照射光、在多个检测位置中的每一个检测透射过预定区域的光并取出包括光信号中的位置信息的生物信息；信号处理部件108，用于处理检测出的光信号并以诸如数值和特征图的形式显示血红蛋白的变化信息、氧饱和度以及细胞色素浓度。
光照射和检测部件101配备有光照射部件102，用于产生预定波长的光线，具体为近红外光；光检测部件105，用于检测透射过研究对象100的光并将检测的光转换为电信号；探测器104，用于以预定的排列把持住分别与光照射部件102和光检测部件105相连的光纤103a和103b的顶端，并使光纤接触到研究对象100；锁定放大器106，用于锁定检测来自光检测部件105的电信号；连续可变放大器107，用于放大锁定放大器106的输出；以及图中未示出的A/D转换器。光检测部件105优选的是使用光电二极管，特别是可以实现高灵敏度光学测量的雪崩光电二极管。
图中所示为一个单片的照射光纤103a和检测光纤103b，不过，每一片光纤都由多个光纤构成，例如以3×3模式或4×4模式构成，且这些光纤的顶端交替地排列于探测器104的格点上，这样每一对照射和检测光纤就构成了一个通道。根据照射光纤的数目，光照射部件102产生用多个频率调制的光。进一步，锁定放大器106利用多个作为参考频率的调制频率，选择性地检测对应于照射位置和波长的调制信号。由此，可以检测到各个测量位置(在照射光纤的顶端和检测光纤顶端之间的位置)的光信号。
连续可变放大器107用于校平来自各个通道的信号。此外，尽管图中未示出，还要将每一个通道的校平信号进行时间合成并在采样保持电路保持之后，发送到A/D转换器。
信号处理部件108具有存储器109，用于暂时存储光照射和检测部件101发送的数字信号；CPU110，用于执行各种计算并利用数字信号分析例如血红蛋白浓度变化；另一个存储器111，用于存储CPU110的计算结果；显示部件112，用于显示计算结果，例如以诸如轮廓线之类单线图或彩色图像来显示血红蛋白量的变化；以及图中未示出的输入部件，用于向CPU输入诸如必要的测量条件、研究对象信息之类的各种信息。
在该仪器中可以将信号处理部件108与光照射及检测部件102集成构造在一起，不过，可选地，可以利用通用个人计算机来实现信号处理部件108。
不同于依据交给研究对象任务前后血红蛋白的变化量来计算光变化量以及执行在多次测量中得到的测量值的求和及平均计算的功能，CPU110检测出包含于光变化量曲线中的噪声并将包含有噪声分量的这部分测量值从变化曲线中剔除，下文将对此功能进行说明。
现在，将对具有上述构造的仪器以及信号处理部件1 08执行的操作进行说明。
在探测器104附于研究对象100的头部(例如头部前方)的条件下，当间歇地交给研究对象100任务时，从光照射部件102照射光线且光检测部件105检测出透射过研究对象100的光。其中一部分透射光被活体内的特定色素吸收，例如血红蛋白，并表示了反映血红蛋白浓度的光数量。此外，由于取决于是否有任务的条件，大脑中的血流在改变，则血红蛋白量也相应改变。
光检测部件105在每一个检测位置检测取决于血红蛋白量变化的光变化量并将其转换为电信号，将该电信号经锁定放大器106锁定检测后作为在各个测量点的信号输入到信号处理部件108。将输入到信号处理部件108的信号存储于存储器109，然后在CPU110中将其转换为与血红蛋白浓度对应的信号(血红蛋白信号)。
现在，参考图2对CPU110执行的处理进行说明。
首先，CPU110根据下列方程(1)～(3)(参考Atsushi MAKI等，“Visualizing human motor activity by using non-invasive opticaltopography”(Frontiers Med.Biol.Vol.7，No.4 pp285-297(1996)))，通过计算确定出基于检测出光量的每一个通道的血红蛋白浓度，并产生血红蛋白信号(步骤201)。即利用方程(1)近似地表示在各个测量位置检测出的波长为λ的光量R(λ)。同样，利用方程(1)可以表示出执行任务时刻检测到的光量RS(λ)；-lnR(λ)R0(λ)=ϵoxy(λ)Coxyd+ϵdeoxy(λ)Cdeoxyd+α(λ)+s(λ)---(1)]]>-lnRS(λ)R0(λ)=ϵoxy(λ)CoxySd+ϵdeoxy(λ)CdeoxySd+α(λ)+s(λ)---(2)]]>在方程中，R0(λ)为照射光量，εoxy(λ)和εdeoxy(λ)分别为波长为λ时氧化血红蛋白和去氧血红蛋白的分子消光系数(extinction coefficient)，Coxy和Cdeoxy分别为氧化血红蛋白和去氧血红蛋白的浓度，d为大脑皮层活动区域的光有效传播长度，α(λ)为除血红蛋白之外其他色素吸收光导致的衰减，并且s(λ)表示由组织(tissue)散射光所导致的衰减。上标“S”表示执行任务期间的值。
这里，考虑到在执行任务期间以及非执行任务期间α(λ)和s(λ)均没有变化，从方程(2)减去方程(1)，根据下列方程(3)可以得到血红蛋白的变化量；-lnRS(λ)R(λ)=ϵoxy(λ)ΔCoxy+ϵdeoxy(λ)ΔCdeoxy---(3)]]>这里，ΔCoxy=(CoxyS-Coxy)d]]>ΔCdeoxy=(CdeoxyS-Cdeoxy)d]]>ΔCtotal＝ΔCoxy+Cdeoxy此外，当分别确定ΔCoxy、ΔCdeoxy和ΔCtotal时，针对至少两个波长确定方程左边部分，并通过求解针对两个波长的联立方程，可以确定出各自的浓度变化。
接着，利用上述确定的血红蛋白信号(例如对应于总血红蛋白量的血红蛋白信号)，CPU110执行与多个任务执行段对应的数据求和及平均并确定在执行任务期间的血红蛋白变化(步骤205)。
图3所示为获取均值的方式。如图所示，CPU110从表示了时间过程数据的血红蛋白信号301中截取具有预定间隔C的数据，例如40秒，该数据包含有执行任务段B，例如10秒，并得到对应着任务次数的数据302(下文中称之为提取段数据)，例如5次。可以基于管理执行任务的测量系统的时钟来执行取出提取段数据302的处理。即为了使研究对象在预定时间间隔执行任务，使用了时钟，所以遵循着时钟，当设置了数据获取时间过程时刻和结束时刻时，在执行任务段前后就可以截取出包括预定间隔A的预定波长数据，例如15秒。
CPU110将以上述方式提取出的多个提取段数据302求和并除以任务次数的总和，由此可以得到平均段数据303。不过，如果在任意提取段数据中包含有身体移动引起的尖峰状噪声，噪声的影响会导致平均段数据的明显变化，这妨碍了获取用于诊断的有效数据。所以，在求和及平均处理之前，CPU110检测出包含于血红蛋白信号中的噪声分量并将包含有噪声分量的提取段数据剔除，这样就不会将其用于求和及平均处理(步骤202～204)。
参考图4A和4B对上述进行说明。图4A所示为通过沿时间轴分割血红蛋白信号401而形成的图。如图所示，在图中的任务执行段402～406，血红蛋白信号401的值较大。不过，在任务执行段406，由于叠加了身体移动导致的尖峰状噪声，如图4B中的407所示，由包括此任务执行段406的数据平均得到的血红蛋白信号中包含有陡峭地变化的噪声分量，所以，不能得到表示了正确血红蛋白变化的曲线。
为了不将这种包含有噪声的任务执行段的数据用于平均，CPU110确定用于各个血红蛋白信号的差值并指出包含有其差值超出预定值的血红蛋白信号的任务执行段(步骤202，203)。
在步骤202，利用血红蛋白信号，和在目标血红蛋白信号Vn之前测量得到的多个血红蛋白信号Vn-1的均值和血红蛋白信号Vn之差T来确定血红蛋白信号差值。即根据下列方程(4)来执行计算；T=Vn-1iΣVn-i---(4)]]>如图5所示，在任务执行期间及非任务执行期间血红蛋白变化量501均在几个百分点之内，然而，诸如身体移动之类引起的尖峰状噪声502远远超出了正常血红蛋白变化量的范围。
所以，判断目标血红蛋白信号值与之前血红蛋白信号的均值之差T是否超出了阈值(步骤203)。可以选择超出血红蛋白正常变化量的适当值作为阈值，例如为0.5。可以预先在CPU110中将一个常数设置为用于处理程序阈值或者由用户可选地、临时设定。作为上述判断的结果，当差T(绝对值)大于阈值时，认为有噪声叠加在血红蛋白信号上，则删除包含有该血红蛋白信号的提取段数据(步骤204)。由此，将包含有噪声分量的提取段数据从之后用于求和及平均处理的对象中剔除。
接着，如上所述，将没有被删除的提取段数据进行平均并得到表示任务执行时刻血红蛋白变化的数据。步骤202～205之后得到的平均结果用图6中的503表示。与图4B中的407相比明显不同，可以得到正确地反映了执行任务引起血红蛋白增加的血红蛋白变化曲线503。
在每一个测量位置均可得到这种血红蛋白变化曲线。显示部件112以图表的格式显示各个测量位置的这些曲线以及以特征图的形式显示血红蛋白变化的二维图像。所以，可以正确地得到诊断上的重要信息，例如诸如任务和依据任务种类变化的差异之类的刺激引起的大脑中指定的变化部分。在本实施例中，由于消除了依靠目测法进行的常规噪声剔除，可以实时显示测量数据。
上述中，作为本发明生物光学测量仪器的例子，对该仪器的一种以图像格式显示血红蛋白变化量的实施例进行了说明。本发明并不限制于本实施例并且可以用各种方式进行修改。例如，尽管在上述实施例中提取了每一个具有预定时间间隔段的测量信号作为数据并将数据平均，当用于单一测量信号剔除包含噪声分量部分时，也可以应用本发明。
此外，尽管在本实施例中检测出了大于阈值的血红蛋白信号并从求和及平均处理中剔除了包含有这种血红蛋白信号的提取段数据，但从求和及平均处理中剔除噪声的方法并不限于上述方法。
例如，当在步骤202判断出血红蛋白信号的差值(与均值之差)T大于阈值时，剔除该血红蛋白信号并以临近两侧差值T小于阈值的血红蛋白信号内插替换被剔除的血红蛋白信号值，且这种内插提取段数据可以用于求和及平均处理。当提取段数据数目比较少时，上述方法的优势在于可以防止S/N的退化。
此外，血红蛋白信号值可以是任意量的氧化血红蛋白、去氧血红蛋白以及总血红蛋白。而且，本发明同样可以应用于除血红蛋白之外其他允许生物光学测量的物质变化的测量，诸如细胞色素a、a3以及肌红蛋白。
根据本发明，由于通过计算可以自动地检测出叠加于被测量信号上的噪声分量而无需依赖目测法以及从测量数据中剔除包含有噪声分量的段数据，由此可以得到准确的测量数据。特别地，为了检测被测量数据中的噪声分量，由于使用了信号值的差值，可以有效地剔除明显影响信号值求和及平均处理的尖峰状噪声。
权利要求
1.一种生物光学测量仪器，包括光产生部件，用于用具有预定波长的光照射研究对象；光检测部件，用于检测从光产生部件照射并透射过研究对象的光；信号处理部件，用于分析光检测部件检测出的光信号并生成包括研究对象的血流的生物信息，其特征在于信号处理部件包括用于检测包含于被检测光信号中的噪声分量的装置和用于将包含有检测的噪声分量的光信号段从光信号中剔除的装置。
2.根据权利要求1所述的生物光学测量仪器，其特征在于用于检测噪声分量的装置确定在一定时间内获取的光信号的差值并当该差值超过预定阈值时，判断出在该光信号中的对应部分包含有噪声分量。
3.根据权利要求1或2所述的生物光学测量仪器，其特征在于噪声分量为尖峰状。
4.根据权利要求1至3其中之一所述的生物光学测量仪器，其特征在于信号处理部件包括用于从沿时间轴获取的光信号中提取多个具有预定时间间隔的段中的光信号并从各个提取出的光信号生成段数据的装置；用于从提取和生成的段数据中检测并剔除包含有噪声分量的段数据的装置；用于利用多个段数据中未剔除的段数据执行求和及平均处理并生成具有预定时间间隔的平均段数据的装置。
5.根据权利要求1至4其中之一所述的生物光学测量仪器，其特征在于具有预定波长的光为近红外光。
6.根据权利要求4所述的生物光学测量仪器，其特征在于具有预定时间间隔的段包括研究对象的任务执行段。
7.一种生物光学测量方法，包括第一步骤，在多个具有预定间隔的时刻从研究对象的第一位置用具有预定波长的光照射该研究对象并在研究对象的第二位置测量作为包含有生物信息的透射光信号数据的透射光；以及第二步骤，将测量的预定时间间隔的透射光信号数据求和并确定透射光信号数据的均值；进一步包括，第三步骤，确定预定时间间隔内各个透射光信号数据与各个有关透射光信号数据之前预定时间间隔的透射光信号数据均值的差值；以及第四步骤，将确定的差值超出预定阈值的预定时间间隔中的透射光信号数据从之后用于透射光信号数据平均计算的对象中排除出去。
8.根据权利要求7所述的生物光学测量方法，其特征在于具有预定波长的光为近红外光。
9.根据权利要求7所述的生物光学测量方法，其特征在于具有预定时间间隔的段包括研究对象的任务执行段。
10.根据权利要求7所述的生物光学测量方法，其特征在于包括生物信息的透射光信号数据是与氧化血红蛋白、去氧血红蛋白或总血红蛋白相关的血红蛋白浓度信号。
全文摘要
在生物光学测量仪器中，当通过向研究对象照射光并处理由检测透射光得到的光信号来显示研究对象预定区域的生物变化时，提取了具有预定时间间隔的多个段的光信号，从各个提取的光信号中生成段数据并将生成的段数据求和及平均，在生成预定时间间隔平均段数据之前，根据提取的光信号的差值确定包含有噪声分量的光信号段并将该包含有噪声分量的光信号段数据从平均操作中排除出去，由此，提供了一种可以通过计算自动地剔除包含有噪声分量段数据而无需依赖目测法的生物光学测量仪器，以快速得到高可靠测量结果并同时显示。
文档编号A61B5/145GK1520274SQ0281297
公开日2004年8月11日 申请日期2002年6月28日 优先权日2001年6月28日
发明者川崎真护 申请人:株式会社日立医药