光生物测量装置及使用光生物测量装置的分析方法
【专利摘要】本发明是一种光生物测量装置1，包括：送受光部30，具有多个送光探针12、多个受光探针13及参考探针14；第二观测信号获取部25，获取第二观测信号，所述第二观测信号表示关于脑活动的经时变化；第一观测信号获取部24，获取第一观测信号，所述第一观测信号表示关于皮肤血流的经时变化；以及分析用控制部40，基于第一观测信号及第二观测信号，而制作去除对象成分去除观测信号；且分析用控制部40包括：第二混合矩阵制作部44，利用独立成分分析而将多个第二观测信号分离为第二混合矩阵与多个第二独立成分信号的乘积；去除对象第二独立成分信号决定部46，使用第一观测信号，从多个第二独立成分信号中抽出去除对象第二独立成分信号；以及再构建部47，通过将去除对象第二观测信号去除，而制作多个去除对象成分去除观测信号。
【专利说明】光生物测量装置及使用光生物测量装置的分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光生物测量装置及使用光生物测量装置的分析方法，其使用光 来获取表示关于测定部位的经时变化的观测信号。尤其是本发明可用作光脑功能成像 (imaging)装置或氧监控器（monitor)，所述光脑功能成像装置使用近红外光以非侵扰的 方式对脑部的测定部位的活动状况进行测量，所述氧监控器对生物中的测定部位的耗氧量 进行监控。
【背景技术】
[0002] 近年来，为了观察脑部的活动状况，而开发出使用光来简便且非侵扰地进行测定 的光脑功能成像装置。此种光脑功能成像装置中，利用配置于被检者的头皮表面上的送光 探针（probe)，而将不同的3种波长ApA2、A3(例如，780nm、805nm、830nm)的近红外光 向脑部照射，且利用配置于头皮表面上的受光探针，分别检测从脑部放出的各波长Ai、A2、 入3的近红外光的强度变化（受光量信息）AA(Xi)、AA(A2)、AA(入3)。
[0003] 而且，为了根据如此获得的受光量信息AA(h)、AA(X2)、AA(A3)，来求出脑 血流中的氧合血红蛋白（oxyhemoglobin)的浓度变化?光路长度的乘积[oxyHb]、脱氧血 红蛋白（deoxyhemoglobin)的浓度变化?光路长度的乘积[deoxyHb]，例如，使用改进型比 尔?朗伯（ModifiedBeerLambert)定律而制定关系式（1)、关系式（2)、关系式（3)所示 的联立方程式，并对该联立方程式求解。此外，根据氧合血红蛋白的浓度变化?光路长度的 乘积[oxyHb]、与脱氧血红蛋白的浓度变化?光路长度的乘积[deoxyHb]来算出总血红蛋白 的浓度变化?光路长度的乘积（[0xyHb] + [deoxyHb])。
[0004] AA(A =E0 (Aj) X [oxyHb] +Ed (AX [deoxyHb] --? (1)
[0005]AA(入 2) =E。（入 2) X [oxyHb] +Ed (入 2) X [deoxyHb]... (2)
[0006]AA(入 3) =E。（入 3) X [oxyHb] +Ed (入 3) X [deoxyHb]... (3)
[0007] 另外，EjAm)为波长Am的光下的氧合血红蛋白的吸光度系数，EdUm)为波长 入m的光下的脱氧血红蛋白的吸光度系数。
[0008] 此处，对送光探针与受光探针之间的距离（通道（channel))和测定部位的关系进 行说明。图8是表示一对送光探针及受光探针与测定部位的关系的图。送光探针12被压 抵到被检者的头皮表面的送光点T，并且受光探针13被压抵到被检者的头皮表面的受光点 R。而且，从送光探针12照射光，并且使从头皮表面放出的光入射到受光探针13。此时，从 头皮表面的送光点T照射的光中的通过香蕉形状（测定区域）的光到达头皮表面的受光点 R〇
[0009] 另外，光脑功能成像装置中，为了分别测定关于脑部的多处测定部位的氧合血红 蛋白的浓度变化?光路长度的乘积[oxyHb]、脱氧血红蛋白的浓度变化?光路长度的乘积 [deoxyHb]及总血红蛋白的浓度变化?光路长度的乘积（[oxyHb] + [deoxyHb])，而利用例如 近红外光谱分析仪等。
[0010] 此种近红外光谱分析仪中，为了使8个送光探针12与8个受光探针13以规定的 排列方式接触于被检者的头皮表面，而使用支架（holder)(送受光部）130。图9是表示插 入有8个送光探针与8个受光探针的支架130的一例的平面图。
[0011] 送光探针12"?送光探针12T8与受光探针13K1?受光探针13K8以沿纵方向为4个 及沿横方向为4个进行交替的方式配置。此时，送光探针12T1?送光探针12 T8与受光探针 13K1?受光探针13K8之间的间隔（通道）即第二设定距离r2为30mm。由此，获得关于脑部 的24处测量位置的受光量信息AA2n〇J、AA2n(X2)、AA2n〇 3)(n= 1、2、…、24)。
[0012] 而且，通过以规定时间间隔At获得24个受光量信息AA2n(h)、AA2n(入2)、 AA2n(A3)，而使用关系式（1)、关系式（2)、关系式（3)来求出氧合血红蛋白的浓度变 化?光路长度的乘积[oxyHb]的经时变化（第二观测信号）Xn(t)、脱氧血红蛋白的浓度变 化?光路长度的乘积[deoxyHb]的经时变化（第二观测信号）Yn(t)及总血红蛋白的浓度 变化?光路长度的乘积（[0xyHb] + [de0XyHb])的经时变化（第二观测信号）Zn(t)(n= 1、 2、…、24)〇
[0013] 图5是表示显示有24个氧合血红蛋白的浓度变化?光路长度的乘积[oxyHb]的 经时变化（第二观测信号）Xn(t)的监控画面的图。另外，1个第二观测信号Xn(t)的纵轴 表示氧合血红蛋白的浓度变化?光路长度的乘积[oxyHb]，横轴表示时间t。
[0014]另外，如图5所示，所显示的24个第二观测信号Xn(t)中，除重叠有基于伴随脑活 化的血流的信号以外，也重叠有基于皮肤血流、心跳变动、或脉搏?呼吸等的变化的信号。
[0015] 因此，公开了如下生物光测量方法：将第二观测信号Xn(t)中基于伴随脑活化的血 流的信号与除此以外的信号严加区别，以便易于诊查出是否产生脑缺血等症状（例如，参 考专利文献1)。此种生物光测量方法包括：步骤（a)，基于N个检测位置的观测信号Xn(t)， 利用独立成分分析（Independentcomponentsanalysis，ICA)且基于下述式（4)而获得 NXN的混合矩阵与N个独立成分信号5"(〇;步骤（b)，如下述式（5)所示，在NXN的混合 矩阵中的相当于去除对象成分的列向量（vector)中代入0 ;以及步骤（c)，计算NXN的去 除对象成分去除混合矩阵与N个独立成分信号Sn(t)的乘积，而求出N个去除对象成分去 除观测信号Xn'（t)。
[0016][数1]
【权利要求】
1. 一种光生物测量装置，包括：送受光部，具有多个送光探针、多个受光探针及参考探 针，所述送光探针配置于被检者的头皮表面上，所述受光探针在所述头皮表面上，配置于与 所述送光探针以第二设定距离r2隔开的位置，所述参考探针在所述头皮表面上，配置于与 所述送光探针或所述受光探针以第一设定距离rl隔开的位置，所述第一设定距离rl短于 第二设定距离r2 ; 第二观测信号获取部，通过获取从所述送光探针到所述受光探针的第二受光量信息 AA2,而获取第二观测信号，所述第二观测信号表示送受光探针间距离r2的光路长度的生 物信号； 第一观测信号获取部，通过获取从所述送光探针或所述受光探针到所述参考探针的第 一受光量信息AA1，而获取第一观测信号，所述第一观测信号表示送受光探针间距离rl的 光路长度的生物信号；以及 分析用控制部，基于所述第一观测信号及所述第二观测信号，而制作去除对象成分去 除观测信号；所述光生物测量装置的特征在于： 所述分析用控制部包括：第二混合矩阵制作部，利用独立成分分析而将多个第二观测 信号分离为第二混合矩阵与多个第二独立成分信号的乘积； 去除对象第二独立成分信号决定部，使用所述第一观测信号，从多个第二独立成分信 号中找出去除对象第二独立成分信号；以及 再构建部，通过将去除对象第二独立成分信号从所述第二观测信号中去除，而制作多 个去除对象成分去除观测信号。
2. 根据权利要求1所述的光生物测量装置，其特征在于：在所述送受光部，配置有多个 参考探针； 所述分析用控制部包括：第一混合矩阵制作部，利用独立成分分析而将多个第一观测 信号分离为第一混合矩阵与多个第一独立成分信号的乘积；以及 去除对象第一独立成分信号决定部，从多个第一独立成分信号中找出去除对象第一独 立成分信号；且 所述去除对象第二独立成分信号决定部分别算出去除对象第一独立成分信号与各第 二独立成分信号的相关系数，将所述相关系数成为阈值以上的第二独立成分信号设为去除 对象第二独立成分信号。
3. 根据权利要求2所述的光生物测量装置，其特征在于：所述去除对象第一独立成分 信号决定部在所述第一混合矩阵中从各行向量中分别找出成为最大的最大混合系数，并基 于各列向量中的最大混合系数的存在个数，而找出所述去除对象第一独立成分信号。
4. 根据权利要求2所述的光生物测量装置，其特征在于：所述去除对象第一独立成分 信号决定部在所述第一混合矩阵中从各行向量中分别找出成为阈值以上的阈值混合系数， 并基于各列向量中的阈值混合系数的存在个数，而找出所述去除对象第一独立成分信号。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的光生物测量装置，其特征在于：所述再构建部 制作去除对象成分去除混合矩阵，所述去除对象成分去除混合矩阵是在所述第二混合矩阵 中的对应于去除对象第二独立成分信号的列向量中代入0而成，且 将所述去除对象成分去除混合矩阵与多个第二独立成分信号进行积算，借此，制作多 个去除对象成分去除观测信号。
6.-种分析方法，使用光生物测量装置，基于第一观测信号及第二观测信号而制作去 除对象成分去除观测信号，所述光生物测量装置包括：送受光部，具有多个送光探针、多个 受光探针及参考探针，所述送光探针配置于被检者的头皮表面上，所述受光探针在所述头 皮表面上，配置于与所述送光探针以第二设定距离r2隔开的位置，所述参考探针在所述头 皮表面上，配置于与所述送光探针或所述受光探针以第一设定距离rl隔开的位置，所述第 一设定距离rl短于第二设定距离r2 ; 第二观测信号获取部，通过获取从所述送光探针到所述受光探针的第二受光量信息 AA2,而获取所述第二观测信号，所述第二观测信号表示送受光探针间距离r2的光路长度 的生物信号；以及 第一观测信号获取部，通过获取从所述送光探针或所述受光探针到所述参考探针的第 一受光量信息AA1，而获取所述第一观测信号，所述第一观测信号表示送受光探针间距离 rl的光路长度的生物信号；所述分析方法的特征在于包括： 第二混合矩阵制作步骤，利用独立成分分析而将多个第二观测信号分离为第二混合矩 阵与多个第二独立成分信号的乘积； 去除对象第二独立成分信号决定步骤，使用所述第一观测信号，从多个第二独立成分 信号中找出去除对象第二独立成分信号；以及 再构建步骤，通过将去除对象第二独立成分信号从所述第二观测信号中去除，而制作 多个去除对象成分去除观测信号。
【文档编号】A61B5/1455GK104507396SQ201280074911
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2012年7月27日 优先权日:2012年7月27日
【发明者】石川亮宏, 井上芳浩 申请人:株式会社岛津制作所