JP3876322B2 - 非侵襲脳活動計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、頭皮上から脳へ近赤外線を照射し、その反射を受光して検出された光強度変化から、脳の血液状態変化を求める非侵襲脳活動計測システムにおいて、皮膚血流に起因する誤差要因を捨象して精度を高める脳活動計測方法に関する。

脳の非侵襲計測システムとしては、神経活動に由来する信号を得る脳波（ＥＥＧ）と脳磁図（ＭＥＧ）、及び、血行動態変動に由来する信号を得る機能的磁気共鳴イメージング（ｆＭＲＩ）、近赤外分光イメージング（ＮＩＲＳ）が既に使われている。脳の高次機能の研究にあたっては、これらの計測システムの長所短所を見極めた上で種々の計測データを統合して解釈する必要がある。
本発明者は、
Ｈ．Ｅｄａ ｅｔ ａｌ． ＭＲＩ ｂａｓｅｄ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， ＮｅｕｒｏＩｍａｇｅ， １３，６，１１３， ２００１で、実際の頭部構造を取り込んだ光伝播解析システムに関して報告している。

また、本発明者は、ＭＲＩ構造画像を直接取り込んで三次元のメッシュを作成するシステムを採用し、あえて同じ大きさの立方体のボクセルを使うことで、計算の効率化と５０万個以上のボクセルの扱いを可能にし、
江田英雄、他．脳への光伝播及び電磁場の理論解析システムの研究．生体医工学第４１刊特別号．２００３では、そのシステムに電磁場を解析するソルバを組み込み、種々の信号を同じｐｒｅ−ｐｏｓｔによって統合的に理論解析することを可能にしたことも報告している。

波長８００ｎｍ付近の近赤外線を用いたイメージングシステムに基づく光計測装置によって、脱酸素化ヘモグロビン、酸素化ヘモグロビン（oxyＨｂ）、並びに、両者の和である全ヘモグロビン（totalＨｂ）それぞれの変化を測定し、血行動態変化に関する画像を得ることができる。

このような光計測は、簡便かつ非侵襲で脳機能を検査できる利点があるが、光計測による脳機能イメージングデータの有効性については、議論すべき点が依然残されている。
従来技術では、脳からの反射が、全て脳の血液状態変化を示しているものとして扱われていた。頭皮の皮膚血流による影響などは考慮されていなかった。

しかし、本発明者は、頭皮の皮膚血流が変化し光計測データに影響を及ぼしているとの知見を得た。

そこで、本発明は、頭皮上から脳へ近赤外線を照射し、その反射を受光して検出された光強度変化から、脳の血液状態変化を求める光計測システムにおいて、皮膚血流に起因する誤差要因を捨象して精度を高められる非侵襲脳活動計測方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の非侵襲脳活動計測方法は、頭皮上から脳へ近赤外線を照射し、その反射を照射位置と異なる位置で受光し、検出された光強度変化から脳の血液状態変化を求める非侵襲脳活動計測システムにおいて、ドップラー血流計を用いて、頭皮の皮膚血流を求め、前記近赤外線によるデータ成分から、このドップラー血流計による皮膚血流に起因するデータ成分を減算して補正することを特徴とする。

ここで、放射温度計を用いて、頭皮の温度を求め、温度変化が所定の閾値より大きい場合には、皮膚血流変化による誤差要因があることを指標するようにしてもよい。

また、少なくとも頭部を固定して被験者の姿勢を一定に保つホルダーを用い、特定の姿勢による測定結果への影響を予め求めておき、前記近赤外線によるデータ成分から、この特定姿勢に起因するデータ成分を減算して補正し、精度向上に寄与させてもよい。

本発明によると、姿勢や情動等によって変化する皮膚血流に起因する誤差要因を捨象できるので、高精度に脳活動を計測することができる。

本発明者は、脳のダイナミックな活動を解明することを目的として、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの等吸収点である波長８０５ｎｍ付近の近赤外線を用いた脳活動イメージングシステムを開発している。これまで、近赤外光計測法と脳活動の画像化に関してや、実際のヒト頭部構造を取り込んだ脳への光伝播理論解析に関して報告してきている。
近赤外分光画像を用いた視覚野、運動野、言語野などの知見は、近年多く発表されている。光脳活動計測システムの特徴は、光ファイバーなどを用いて頭皮上から光を照射して、その照射位置と異なる位置で光強度を検出し、検出された光強度変化から脳の血液状態変化を算出する点にある。

光脳活動計測システムとしては、例えば、７８０、８０５、８３０ｎｍ、半値幅５ｎｍ、波長指定±１０ｎｍ、マルチモード発振の半導体レーザー光源、サイドオン型の光電子増倍管を使った検出器、多成分ガラスバンドル光ファイバーを使った導光路などを用いたものが利用できる。

頭皮部分に照射された光は、皮膚、頭蓋骨、髄液などを経て脳へ到達して、脳の情報を拾ってから逆の順に頭皮まで到達して検出される。
そのため、この照射と検出の光路上に存在する部位、特に頭皮部分の皮膚血流のヘモグロビン変動は、近赤外分光画像の誤差になりうる。

図１は、酸素モニタを用いて、逆転漢字を筆記するタスクを行う際の前頭葉を計測し、そのヘモグロビン変化を示したグラフである。
２６０秒時点で、被験者の姿勢を前傾に変えたことによって、波形が大きく変わっている。
皮膚血流の変化をもたらすタスクには、このような姿勢変化の他に、呼吸や心拍数の変化といった自律神経の働きや、動作、情動変化などがある。

図２は、座位で、力み、息止め、暗算のタスクを行ない、被験者の前額部を、酸素モニタによる光計測と、ドップラー血流計とで同時に光計測した結果を示すグラフである。
近赤外線としては、７８０、８０５、８３０ｎｍの３波長で計測し、ドップラー血流計では、６７０ｎｍで計測した。
同様に、図３は、座位４５°前傾で書く姿勢、９０°前傾、起立、立位４５°前傾、９０°前傾のタスクを行ない、被験者の前額部を、酸素モニタによる光計測と、ドップラー血流計とで同時に光計測した結果を示すグラフである。

いずれのグラフからもわかるように、近赤外分光画像波形とドップラー血流計波形とが相関を示した。
ドップラー血流計は皮膚血流を計測するものであるから、この結果は脳活動を示す近赤外線による光計測データに、皮膚血流が影響を及ぼしていることを示している。
このため、ドップラー血流計を用いて、頭皮部分における皮膚血流も求め、近赤外線による光計測データから、このドップラー血流計による皮膚血流に起因するデータ成分を減算することによって、光計測データを補正することができる。

ドップラー血流計は、レーザー光が照射された表皮部分で毛細血管レベルの組織の血流量を連続的に測定する装置であり、接触式のものも非接触式のものも利用できる。
ドップラー血流計は、ドップラー効果、すなわちレーザー光が赤血球のように動いている物体に衝突し、そこで散乱される際に受ける周波数変化を利用している。プローブの先端のトランスミッター等から照射されたレーザー光は、組織へ浸透し散乱や屈折を繰り返すうちに吸収されるが、赤血球に衝突した光はドップラーシフトする。そのため、体細胞によって散乱された光は、赤血球でドップラーシフトされた光と、静止組織で散乱されドップラーシフトしていない光の混合となる。
このような散乱光は、受光ファイバーでピックアップされフォトディテクター等へ導かれ電気信号に変換される。その電気信号は、信号処理回路を介してリニアライザーに送られ、運動している血球濃度と血流速度との積である血流量として出力表示される。

心理的負荷によって顔色が変わりうることが意味するように、測定する部位の皮膚の状態が近赤外分光画像に影響を及ぼしていることもある。
そのため、皮膚から放射されてくる遠赤外線を非接触で測定する放射温度計を用いて頭皮部分の温度を求め、その温度変化が所定の閾値より大きい場合には、皮膚血流変化による誤差要因があることを指標するようにしてもよい。

被験者の姿勢が皮膚血流に影響を与えるので、予め姿勢の作用を求めておくことが好ましい。
すなわち、従来公知のヘッドギアと一脚との構成物など、少なくとも頭部を固定して被験者の姿勢を一定に保つホルダーを用い、被験者の特定の姿勢に依存する測定結果への影響を予め求め、近赤外線による光計測データからこの特定姿勢に起因するデータ成分を減算して、光計測データを補正するようにしてもよい。

本発明によると、ドップラー血流計を併用することで、姿勢や情動等によって変化する皮膚血流に起因する誤差要因を捨象し、高精度に脳活動を計測することができるので、正確な脳機能研究や脳疾病検査などに利用でき、産業上利用価値が高い。

姿勢変化に伴う前頭葉のヘモグロビン変化を示すグラフ 座位で、力み、息止め、暗算のタスクを行ない、被験者の前額部を、酸素モニタによる光計測とドップラー血流計とで同時に光計測した結果を示すグラフ 座位４５°前傾で書く姿勢、９０°前傾、起立、立位４５°前傾、９０°前傾のタスクを行ない、被験者の前額部を、酸素モニタによる光計測とドップラー血流計とで同時に光計測した結果を示すグラフ

Claims (3)

1. 頭皮上から脳へ近赤外線を照射する手段と、その反射を照射位置と異なる位置で受光する手段と、検出された光強度変化から脳の血液状態変化を求める演算手段を有する非侵襲脳活動計測システムにおいて、
   前記非侵襲脳活動計測システムにおける演算部は、
   ドップラー血流計を用いて得られた頭皮部分における皮膚血流と、前記近赤外線による光計測データとを入力され、
   光計測データから得られる脱酸素化ヘモグロビンまたは酸素化ヘモグロビン量から、ドップラー血流計による皮膚血流から得られる脱酸素化ヘモグロビンまたは酸素化ヘモグロビン量を減算して、光計測データを補正して出力する
   ことを特徴とする非侵襲脳活動計測方法。
2. 前記非侵襲脳活動計測システムにおける演算部は、
   放射温度計を用いて得られた頭皮部分における温度を入力され、
   その温度変化が所定の閾値より大きい場合には、皮膚血流変化による誤差要因があることを出力する
   請求項１に記載の非侵襲脳活動計測方法。
3. 前記非侵襲脳活動計測システムにおける演算部は、
   少なくとも頭部を固定して被験者の姿勢を一定に保つホルダーを用いて得られた被験者の特定の姿勢に依存する測定結果への影響を予め入力され、
   前記近赤外線による光計測データから、この特定姿勢に起因するデータ成分を減算して、光計測データを補正して出力する
   請求項１または２に記載の非侵襲脳活動計測方法。
   

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