生体光計測装置および光計測方法
【課題】応答期間の取り方には任意性があり、信号に含まれるアーチファクト等のため十分な検出能力を示さない場合がある。このため、有効な検出法さらに結果の表示法を開発する必要がある。
【解決手段】タスク（刺激）列や選択された計測信号を基準信号として、その他の計測信号との位相差信号等を求め、位相同期性を数値化する。さらにその数値を統計処理し信頼度を数値化、脳活動部位や機能的結合状態を表示する。
【解決手段】タスク（刺激）列や選択された計測信号を基準信号として、その他の計測信号との位相差信号等を求め、位相同期性を数値化する。さらにその数値を統計処理し信頼度を数値化、脳活動部位や機能的結合状態を表示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、特開２０００−２３７１９４号公報に開示されるような脳機能計測の分野に関わる。
【背景技術】
【０００２】
脳機能計測の一例を図１（Ａ）、（Ｂ）によって説明する。図１（Ａ）は脳機能計測装置の概要と被験者との関係を示す図であり、図１（Ｂ）は被験者の頭部に光を照射する光照射手段の装着される位置Ｓと被験者の頭部に照射された光が透過した光を受光する受光用光ファイバーの装着される位置Ｄの配列の一例を示す図である。
【０００３】
波長の異なる複数の光源１０２ａ〜１０２ｄ（光源１０２ａと１０２ｃは、例えば、波長が７８０ｎｍ、光源１０２ｂと１０２ｄは、例えば、波長が８３０ｎｍ）と、上記複数の光源１０２ａ及び１０２ｂ（１０２ｃ及び１０２ｄ）の光をそれぞれ互いに異なった周波数で強度変調する発振器１０１ａ及び１０１ｂ（１０１ｃ及び１０１ｄ）と、強度変調された光をそれぞれ光ファイバー１０３ａ及び１０３ｂを通して結合器１０４ａで結合し、および光ファイバー１０３ｃ及び１０３ｄを通して結合器１０４ｂで結合して、これらの結合した光を光照射用光ファイバー１０５ａおよび１０５ｂを介して被験者１０６の頭皮上の異なる位置に照射する複数の光照射手段と、上記複数の光照射手段の光照射位置の近くに上記光照射位置からほぼ等距離（ここでは３０ｍｍとする）の位置に先端が位置するように設けられた複数の受光用光ファイバー１０７ａ〜１０７ｆ及びこれらのそれぞれの他端に設けられた受光器１０８ａ〜１０８ｆからなる複数の受光手段とが設けられている。
【０００４】
図１（Ａ）の例では、図１（Ｂ）に示すように、光照射用光ファイバー（Ｓと表記）１０５ａおよび１０５ｂの周りに、それぞれ３本の受光用光ファイバー（Ｄと表記）１０７ａ〜１０７ｃおよび１０７ｄ〜１０７ｆを配置して生体通過光を光ファイバーに集光し、検出する。検出された生体通過光は、それぞれ、受光器１０８ａ〜１０８ｆで光電変換される。上記受光手段は被験者の頭部の内部で反射されながら透過した光を検出し電気信号に変換するもので、受光器１０８ａ〜１０８ｆとしては光電子増倍管やフォトダイオードに代表される光電変換素子を用いる。
【０００５】
受光器１０８ａ〜１０８ｆで光電変換された生体通過光強度を表す電気信号（以下、生体通過光強度信号とする）は、それぞれ、ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｈに入力される。ここで、受光器１０８ｃ及び１０８ｄは、光照射用光ファイバー１０５ａ及び１０５ｂの両方から等距離にある受光用光ファイバー１０７ｃ及び１０７ｄで集光される生体通過光強度を検出しているため、受光器１０８ｃ及び１０８ｄからの信号を２系統に分離し、ロックインアンプ１０９ｃと１０９ｅ及び１０９ｄと１０９ｆに入力する。ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｄには発振器１０１ａ及び１０１ｂ、そして、ロックインアンプ１０９ｅ〜１０９ｈには発振器１０１ｃ及び１０１ｄからの強度変調周波数が参照周波数として入力されている。従って、ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｄからは光源１０２ａ及び１０２ｂに対する生体通過光強度信号が分離されて出力され、ロックインアンプ１０９ｅ〜１０９ｈからは光源１０２ｃ及び１０２ｄに対する生体通過光強度信号が分離されて出力される。
【０００６】
ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｈの出力である、分離された波長毎の通過光強度信号をアナログ−デジタル変換器（以下ではＡ／Ｄ変換器と記す）１１０でアナログ−デジタル変換した後に、計測制御用計算機１１１に送る。計測制御用計算機１１１では通過光強度信号を使用して、各検出点の検出信号から酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度および総ヘモグロビン濃度の相対変化量を演算し、複数の計測点の経時情報として計算機１１１内の記憶装置に格納する。ここで、総ヘモグロビン濃度変化量は酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化量の和として与えられる。
【０００７】
一方、被験者の脳機能の計測のために、被験者に所定の刺激・タスクを与えて、これに対する応答を評価する。このため、統括制御兼データ処理・結果表示用計算機１１４は、計測制御用計算機１１１に指令を送り、計測制御用計算機１１１はこれに応じて、予め準備された刺激・タスク命令シーケンスに従い、被験者に対し刺激・タスク命令呈示装置１１３を用いて刺激・タスク命令を提示する。被験者の脳における刺激・タスク命令への応答が上述したように光計測される。なお、統括制御兼データ処理・結果表示用計算機１１４と計測制御用計算機１１１とは必要な情報の交換を行う。
【０００８】
従来、刺激・タスクに対する被験者の応答を評価するには、繰り返し計測後、得られた平均応答の信号振幅をもとに信号の有意性を検定し、有意な活動領域を同定していた。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２３７１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
応答期間の取り方には任意性があり、信号に含まれるアーチファクト等のため十分な検出能力を示さない場合がある。このため、刺激・タスクに対する被験者の応答を的確に評価できる有効な検出法さらに結果の表示法を開発する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、同源の活動は位相同期するという原理に着目して、被験者の応答を評価するため、被験者に与えられた刺激・タスクと、被験者の応答結果との位相同期性に注目して活動領域を検出する。同期性は信号の振幅・位相の両面から解析される。図２（Ａ）、（Ｂ）は信号の同期性を説明する簡単な図である。図２（Ａ）は、タスク期間とレスト期間とが周期的に与えられたときに得られる結果の信号例Ａ、Ｂを示す図である。信号例Ａは、振幅同期性と位相同期性がともに満足する形の結果例であり、信号例Ｂは、振幅同期性は無いが位相同期性がある形の結果例である。図２（Ｂ）は、これを表として示したものである。
【００１２】
本発明は、被験者の応答を評価するには振幅同期性は条件として強すぎることに着目する。すなわち、被験者に与えられる刺激・タスクに対応する信号を基準信号として、被験者の応答に対応する計測信号との位相差信号等を求め、位相同期性を数値化し、さらにその数値を統計処理し信頼度を数値化して、有意なデータに基づいて脳活動部位や機能的結合状態を表示する。
【発明の効果】
【００１３】
位相同期性は信号振幅によらないため、ヒトの頭部構造の影響を受けずに脳活動部位や機能的結合をより的確な形で示すことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
刺激やタスクによって２つの信号が同期しているときには、信号間の位相差が一定であるという点に着目し、実際のデータにおいて位相差がどの程度一定であるかを検討した。
【００１５】
位相差の算出には、ヒルベルト変換を用い、得られる瞬時位相から各時刻における位相差を算出した。
【００１６】
ヒルベルト変換について説明する。実関数ｆ（ｔ）のヒルベルト変換ｇ（ｔ）、及び逆ヒルベルト変換はそれぞれ式（１）、（２）で定義される。
【００１７】
【数１】
【００１８】
計測信号を実関数ｆ（ｔ）とし、ヒルベルト変換を用いて解析信号Ｚ（ｔ）を式（３）で定義する。
【００１９】
【数２】
【００２０】
これを局座標表示すると、式（４）、（５）および（６）となる。
【００２１】
【数３】
【００２２】
具体的アルゴリズムでは、解析信号Ｚ（ｔ）を、計測信号ｆ（ｔ）の片側フーリエ変換として求める。すなわち、負の周波数に対するものは０とする。解析信号を近似させるため、計測信号ｆ（ｔ）のＦＦＴを計算し、負の周波数に対応するＦＦＴ係数をゼロに置き換え、その結果について逆ＦＦＴ計算を行い、解析信号Ｚ（ｔ）を求める。
【００２３】
詳細に説明すると、つぎの４ステップのアルゴリズムを使用する。入力データの数はｎとする。
第１ステップ：入力データのＦＦＴを計算し、その結果をベクトルｙに格納する。
第２ステップ：２．要素ｈ（ｉ）が、つぎの値をもつベクトルｈを作成する。
ｉ＝１，（ｎ／２）＋１に対して、１
ｉ＝２，３，---，（ｎ／２）に対して、２
ｉ＝（ｎ／２）＋２，---，ｎに対して、０
第３ステップ：ｙとｈの要素単位の積を計算する。
第４ステップ：第３ステップで得られたデータ列の逆ＦＦＴを計算し、結果から最初ｎ個の要素を解析信号Ｚ（ｔ）として出力する。
【００２４】
位相差がどの程度一定であるといえるかを客観的に判断するために統計的検討を行う。位相差の分布を［−π、π］の範囲でＮｂ個のビンのヒストグラムで表し、統計的指標としてＳＩ（Synchronization Index）を式（７）、（８）および（９）のように定義し、求めた。
【００２５】
【数４】
【００２６】
式（８）に現れるｐｉはｉ番目のビンに位相差が存在する確率を表す。
【００２７】
位相差の分布が完全に均一、つまり全く位相同期性がない場合は、Ｓ＝Ｓｒａｎｄｏｍとなるため、ＳＩ＝０である。完全に同期している場合は、ＳＩ＝１である。実際の計測データは多種のノイズ成分を含んでいるので、ＳＩ＝１または０のような極端な結果が得られることはきわめて稀である。中間的な場合，位相同期性があると考えるべきかどうかを統計的に判断する。
【００２８】
そのための手法として、ここではサロゲートデータ法を用いる。サロゲートデータ法とは次のような検定のための枠組みのことである。
１．元のデータから統計的性質の明確なデータを多数生成する（乱数を利用）。
２．そのランダムデータに対し問題となっている指標を計算する。
３．多数の指標に対する標本値をもとに，元のデータに関する指標の検定を行う。
【００２９】
サロゲートデータとして、例えば無記憶ランダム過程で信号と同じフィルタリングを施されたものを用いる。５０個のサロゲートデータから得られた統計的指標としてのＳＩの分布が正規分布（平均値０．２２３６、標準偏差０．０２１９）である場合、有意水準１％の閾値として、ＳＩ＞０．２８００を用いることができる。さらに、同期状態の時間変化を検討するために、短い（数百点程度のデータを含む）時間窓を設定し、その期間での統計的指標としてのＳＩを求め、時間窓の中心時刻のＳＩとし、時間窓を一定時間ごとにずらしていくことで、ＳＩの時間変化を求めることも可能である。
【００３０】
（実施例１）
図３は実施例１における生体計測装置の構成を示すブロック図である。本装置２１０は図１に示す計測制御用計算機１１１の計測機能を示す部分に対応する。Ａ／Ｄ変換器１１０とのインタフェース２０１、一連の処理を行うＣＰＵ２０２、プログラムやデータを格納する記憶装置２０３、外部機器２０５とのインタフェース２０４、およびこれらを接続するバス２０６から構成される。また、バス２０６には表示手段２１１、キーボード２１２およびポインティングデバイス（例えばマウス）２１３が接続され、計測制御用計算機１１１のオペレータによるデータの入力あるいは解析結果のオペレータへの提示のために使用される。ここでは、記憶装置２０３に記憶されるプログラムとして、信号に必要なフィルタリングを施すフィルタリングプログラム、フィルタリングされた信号群あるいは外部信号から位相同期性を解析する位相同期性解析プログラム、位相同期性解析の結果から神経活動を検出する活動検出プログラム、検出された神経活動を分かりやすい形でユーザに提示するための画像化プログラムを備えるものとされている。検出結果は表示手段２１１に表示される。記憶装置２０３に保存されたプログラムは中央演算処理装置２０２によって解釈され実行される。
【００３１】
図４は、実施例１で得られた位相同期性解析結果の一例を説明する図である。
【００３２】
図４（Ａ）は、プローブの構成例を示す図である。被験者の頭部に装着するプローブは、光照射用光ファイバーＳと受光用光ファイバーＤとを交互に配置し、光照射用光ファイバーＳと受光用光ファイバーＤとの間に１−２４で示す計測チャンネルが形成されるようにして、視覚刺激に対する総ヘモグロビン量変化の計測ができるようにした状態を説明する図である。プローブの備える光照射用光ファイバーＳと受光用光ファイバーＤの数は、装着する位置、あるいは、被験者の頭の大きさ等を考慮して、適宜選択できる。被験者に対する視覚刺激は１６×１６の赤黒のチェッカボード刺激とした。赤黒の交代周波数は８ヘルツとした。レスト期間を２０秒、刺激（タスク）期間を１８秒とし、これを６回繰り返した。
【００３３】
図４（Ｂ）は、総ヘモグロビン量変化の計測結果の位相同期性を評価した結果を示す図である。横軸にチャンネルの番号を、縦軸に各チャンネルのＳＩ値（Synchronization Index）を採って、繰り返し数６回のＳＩ値の平均値を○で示し、また、折れ線で統計的基準値（有意確率１％）を示した特性図である。したがって、この例では、チャンネル１，２，４，５，６，８および１０から、チェッカボード刺激に同期したと評価し得る信号が得られていることになる。
【００３４】
図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の結果を図式表示した図であり、有意確率１％で評価して有意な１，２，４，５，６，８および１０チャンネルについて、チャンネル番号を表示し、有意でないチャンネルは黒のドットで塗りつぶした四角で、計測用ファイバーの位置は白抜きの四角で表した。図４（Ｃ）から、プローブ上部に対応する頭部の位置で脳活動が活発であったことが検出されたことが分かる。
【００３５】
図４（Ｄ）は、比較のために、同一の計測結果から、従来のように刺激期間中の信号振幅をもとに検定した結果を、図４（Ｃ）と同様に表した図である。ただし、信号振幅をもとにした検定では１％の有意水準では検出できず、５％の有意水準を用いた。図４（Ｃ）と比べるとプローブの大部分に対応する頭部の位置で脳活動が活発であったような表示となっている。このことから、本発明による方が、感度良く、局在した活動を検出していることが分かる。
【００３６】
図４（Ｅ）は、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）の結果をユーザに、より分かりやすい形で図式表示する場合の表示例を示す図であり、検出結果を評価する有意水準を段階的に変更した結果を等高線として表示に関連付けたものである。すなわち、本発明の実施例１では、有意水準を０．００１，０．００５，０．０１および０．０５としたとき、活動領域を、図示したような等高線で表すことができる。図４（Ｃ）に示す検出結果が、有意水準０．０１の等高線に対応する。この等高線を良く知られている画像化プログラムによって、色の濃淡で表示するものとすれば、ユーザは、活動領域を可視化された形で見ることができる。
【００３７】
図４（Ｆ）は、図４（Ｄ）の結果を、図４（Ｃ）に対応して図式表示した例を示す図である。先にも述べたように、従来の、信号振幅をもとにした検定では１％の有意水準では検出できず、この例では、２％、５％の有意水準を用いた結果として表示した。この例では、等高線は２本しか得られないので、表示は散漫なものとならざるを得ない。
【００３８】
（実施例２）
実施例２は、刺激・タスク命令シーケンスとして、被験者に野球の実況放送の録音を聞かせながら、自分がバッターとして立っている様子を想像するという課題を試行してもらったときの活動の評価に関する。図５（Ａ）は実施例２のプローブの構成例と配置を模視的に示すとともに、位相同期性の評価結果を示す図である。図に卵形の線で示す図は頭を上からみた図をイメージし、上部に三角で示す図形は鼻が見えていることをイメージした図である。前頭部、左右側頭部および後頭部にプローブ１、プローブ２，３およびプローブ４を配置する。プローブ１およびプローブ２，３は、それぞれ２２の計測チャンネルを得られるようにプローブを構成し、プローブ４は２４の計測チャンネルを得られるようにプローブを構成した。
（Ａ）は実施例２のプローブの構成例と配置を模視的に示すとともに、位相同期性の結果を示す図、（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す結果を、図４（Ｅ）で示したのと同様に、可視化して頭を上からみた図をイメージ上に表示した図である。
【００３９】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す結果を、図４（Ｅ）で示したのと同様に、可視化して頭を上からみた図をイメージ上に表示した図である。この結果から、録音の聴解に伴う左右側頭下部（聴覚野）での活動、バッティングのイメージ化による後頭上部（視覚野）での活動、前頭部で運動のモデル形成準備による活動、具体的な運動モデルの形成による左右側頭上部（運動野）での活動が生じたことが明らかになった。
【００４０】
この例でも、本発明によれば、活動領域が明確に検出できるから、被験者の能活動の評価をより厳密に行うことができる。
【００４１】
（実施例３）
ところで、実施例２では、被験者の脳活動の結果を録音の聴解を基準信号として評価したものであるが、得られた結果の位相同期性の高さを評価して、高い位相同期性を示すチャンネルの信号を基準信号として評価することにより、より脳活動の動作領域を厳密に評価することができる。
【００４２】
実施例３では、まず、基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルを評価する。図６は基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルを評価を示す図である。この例では、プローブ２の第１０チャンネルが最も高い位相同期性を示している例である。
【００４３】
そこで、プローブ２の第１０チャンネルの信号を基準チャンネルとして、録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性を評価する。図７は、録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性を評価した結果を有意水準１％で判定した結果を示す図である。図５と比較すると、同じ計測結果を対象として解析した結果であるが、基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルを基準信号に選ぶことにより、より局在化した活動領域を検出できたことが分かる。図５と図７とを対比すると、基準チャンネルを変えて評価した結果、プローブ１では第１３チャンネルが位相同期性無とされ、プローブ２では、第１５チャンネルが位相同期性有、第１８チャンネルが位相同期性無とされ、プローブ３では、第４チャンネルおよび第１４チャンネルが位相同期性無、第１１チャンネルが位相同期性有とされ、プローブ４では、第１３チャンネルおよび第１６チャンネルが位相同期性無とされたことが分かる。この結果、図７（B）に示すように、図５（Ｂ）に示されるような可視情報よりも、より限定された領域での活動が認識できる。
【００４４】
（実施例４）
ところで、脳活動は、脳の領域の全範囲で同時に起こる分けではなく、脳のある領域の脳活動が、他の領域の脳活動を誘引するといった、時系列な動作であることが知られている。実施例３では、前記実施例２の実験結果を時系列な脳活動の動作として評価する実験を行った例である。
【００４５】
図８は、図６に示した基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルについての応答の速さを示す図である。ここでは、刺激・タスク命令シーケンスとしての基準信号である録音の波形とこれに対応した応答波形を表示するのは難しいので、図２で説明した刺激・タスク命令シーケンスに対する応答の形で模擬的に表示した。横軸は時間、縦軸は信号の大きさである。図９は、録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性を評価し、結果を有意水準１％で判定した結果を示す図７に応答の速さ情報を表示した図である。
【００４６】
図８を検討すると、プローブ２、チャンネル１０が最も応答が速い。これを、図９では、プローブ２、チャンネル１０のブロックにドットを付して表示した。次いで、プローブ２、チャンネル５およびプローブ３、チャンネル９の応答が早い。すなわち、これらに代表されるプローブ２およびプローブ３に示すＳ１の領域の応答が最も早い。次いで、プローブ１、チャンネル６およびプローブ１、チャンネル１０の応答が早い。すなわち、プローブ１に示すＳ２の領域の応答が２番目に早い。次いで、プローブ４、チャンネル５およびプローブ４、チャンネル４の応答が早い。すなわち、プローブ４に示すＳ３の領域の応答が３番目に早い。最後に、プローブ３、チャンネル５、プローブ３、チャンネル１１、プローブ２、チャンネル１２およびプローブ２、チャンネル１２の応答が４番目に早い。すなわち、プローブ２およびプローブ３に示すＳ４の領域の応答が４番目に早い。
【００４７】
この結果から、まず、録音の聴解に伴う左右側頭下部（聴覚野）での活動が図９の領域Ｓ１に表れることが分かる。次いで、前頭部で運動のモデル形成準備による活動が図９の領域Ｓ２に表れることが分かる。続いて、バッティングのイメージ化による後頭上部（視覚野）での活動が図９の領域Ｓ３１に表れることが分かる。最後に、具体的な運動モデルの形成による左右側頭上部（運動野）での活動が図９の領域Ｓ４に表れていることが分かる。
【００４８】
図８からも分かるように、ここで言う早い、遅いというのは、比較の問題であって、時間の大きさで言えば、高々、秒オーダの程度にすぎないものである。しかし、これを、上述したように、応答の早さに対応したグループ分けをして、ユーザの目に見える形で表示をすれば、被験者の脳活動を動的に可視化して表示することができる。
【００４９】
図１０は被験者の脳活動を動的に可視化して表示する一例を示す図である。Ｓ１は、図９の領域Ｓ１に対応する表示であり、左右側頭下部（聴覚野）での活動領域をドットを付した丸で表示した。ここで、丸の面積、形は位相同期性の高い計測チャンネルの位置と数に対応させる。以下同様である。Ｓ２は、図９の領域Ｓ２に対応する表示であり、前頭部で運動のモデル形成準備による活動領域をドットを付した丸で表示した。Ｓ３は、図９の領域Ｓ３に対応する表示であり、バッティングのイメージ化による後頭上部（視覚野）での活動領域をドットを付した丸で表示した。Ｓ４は、図９の領域Ｓ４に対応する表示であり、具体的な運動モデルの形成による左右側頭上部（運動野）での活動領域をドットを付した丸で表示した。「全体」は、Ｓ１からＳ４の表示を総合したものであり、図７（Ｂ）に示す図と同じである。
【００５０】
Ｓ１からＳ４の表示を、ユーザの見易い早さの動画として、Ｓ１からＳ４まで、順次表示手段２１１に順次表示すれば、ユーザは、あたかも、被験者の脳活動の領域が移動しているのを、リアルタイムで見ているように感じることができる。動画的な表示の後、「全体」を表示させて、全体的な脳活動の状態を評価することができる。
【００５１】
活動の生じる速さは、各部位で観測される平均的位相差の値から判断される。位相差が小さいほど活動が早く生じている。
【００５２】
（実施例５）
脳活動の時間的な変化を動画的に検討するには、先に述べたように、同期状態の時間変化を検討するために、短い（数百点程度のデータを含む）時間窓を設定し、その期間での統計的指標としてのＳＩを求め、時間窓の中心時刻のＳＩとし、時間窓を一定時間ごとにずらしていくことで、ＳＩの時間変化を求めることでも実現できる。例えば、時間窓を一定時間ごとにずらしてＳＩの時間変化を求め、これを基礎として計測領域の位相同期性を評価し、この結果を、例えば、図７に示すような表示での時間変化として表示するものとすることができる。このような手法によれば、位相差の変化を敏感に捉えることができ、脳における複数の機能を脳の部位がいかなる時間的関連を持って活動しているかを正確に提示することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
脳機能の受けた障害の評価および脳機能に障害を受けた人の回復状態の評価に有用であり、リハビリのサポートに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】（Ａ）は脳機能計測装置の概要と被験者との関係を示す図であり、（Ｂ）は被験者の頭部に光を照射する光照射手段の装着される位置Ｓと被験者の頭部に照射された光が透過した光を受光する受光用光ファイバーの装着される位置Ｄの配列の一例を示す図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は信号の同期性を説明する簡単な図であり、（Ａ）は、タスク期間とレスト期間とが周期的に与えられたときに得られる結果の信号例Ａ、Ｂを示す図、（Ｂ）は、これを表として示したものである。
【図３】実施例１における生体計測装置の構成を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）−（Ｆ）は、実施例１で得られた位相同期性解析結果の一例を説明する図であり、（Ａ）は、プローブの構成例を示す図、（Ｂ）は、総ヘモグロビン量変化の計測結果の位相同期性を評価した結果を示す図、（Ｃ）は、図４（Ｂ）の結果を図式表示した図、（Ｄ）は、比較のために、同一の計測結果から、従来のように刺激期間中の信号振幅をもとに検定した結果を、図４（Ｃ）と同様に表した図、（Ｅ）は、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）の結果をユーザに、より分かりやすい形で図式表示する場合の表示例を示す図、（Ｆ）は、図４（Ｄ）の結果を、図４（Ｃ）に対応して図式表示した例を示す図である。
【図５】（Ａ）は実施例２のプローブの構成例と配置を模視的に示すとともに、位相位相同期性の評価結果を示す図、（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す結果を、図４（Ｅ）で示したのと同様に、可視化して頭を上からみた図をイメージ上に表示した図である。
【図６】基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルを評価を示す図である。
【図７】録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性を評価した結果を有意水準１％で判定した結果を示す図である。
【図８】図６に示した基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルについての応答の速さを示す図である。
【図９】録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性を評価し、結果を有意水準１％で判定した結果を示す図７に応答の速さ情報を表示した図である。
【図１０】被験者の脳活動を動的に可視化して表示する一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０１…発振器、１０２…光源、１０３…光ファイバー、１０４…結合器、１０５…光ファイバー、１０６…計測対象（被験者）、１０７…受光用光ファイバー、１０８…受光器、１０９…ロックインアンプ、１１０…アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、１１１…計測制御用計算機、１１２…刺激・タスク命令シーケンス、１１３…刺激・タスク命令呈示装置、１１４…統括制御兼データ処理・結果表示用計算機、２１０…本装置、２０１，２０４…インタフェース、２０２…ＣＰＵ、２０３…プログラムやデータを格納する記憶装置、２０６…バス、２１１…表示手段、２１２…キーボード、２１３…ポインティングデバイス。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、特開２０００−２３７１９４号公報に開示されるような脳機能計測の分野に関わる。
【背景技術】
【０００２】
脳機能計測の一例を図１（Ａ）、（Ｂ）によって説明する。図１（Ａ）は脳機能計測装置の概要と被験者との関係を示す図であり、図１（Ｂ）は被験者の頭部に光を照射する光照射手段の装着される位置Ｓと被験者の頭部に照射された光が透過した光を受光する受光用光ファイバーの装着される位置Ｄの配列の一例を示す図である。
【０００３】
波長の異なる複数の光源１０２ａ〜１０２ｄ（光源１０２ａと１０２ｃは、例えば、波長が７８０ｎｍ、光源１０２ｂと１０２ｄは、例えば、波長が８３０ｎｍ）と、上記複数の光源１０２ａ及び１０２ｂ（１０２ｃ及び１０２ｄ）の光をそれぞれ互いに異なった周波数で強度変調する発振器１０１ａ及び１０１ｂ（１０１ｃ及び１０１ｄ）と、強度変調された光をそれぞれ光ファイバー１０３ａ及び１０３ｂを通して結合器１０４ａで結合し、および光ファイバー１０３ｃ及び１０３ｄを通して結合器１０４ｂで結合して、これらの結合した光を光照射用光ファイバー１０５ａおよび１０５ｂを介して被験者１０６の頭皮上の異なる位置に照射する複数の光照射手段と、上記複数の光照射手段の光照射位置の近くに上記光照射位置からほぼ等距離（ここでは３０ｍｍとする）の位置に先端が位置するように設けられた複数の受光用光ファイバー１０７ａ〜１０７ｆ及びこれらのそれぞれの他端に設けられた受光器１０８ａ〜１０８ｆからなる複数の受光手段とが設けられている。
【０００４】
図１（Ａ）の例では、図１（Ｂ）に示すように、光照射用光ファイバー（Ｓと表記）１０５ａおよび１０５ｂの周りに、それぞれ３本の受光用光ファイバー（Ｄと表記）１０７ａ〜１０７ｃおよび１０７ｄ〜１０７ｆを配置して生体通過光を光ファイバーに集光し、検出する。検出された生体通過光は、それぞれ、受光器１０８ａ〜１０８ｆで光電変換される。上記受光手段は被験者の頭部の内部で反射されながら透過した光を検出し電気信号に変換するもので、受光器１０８ａ〜１０８ｆとしては光電子増倍管やフォトダイオードに代表される光電変換素子を用いる。
【０００５】
受光器１０８ａ〜１０８ｆで光電変換された生体通過光強度を表す電気信号（以下、生体通過光強度信号とする）は、それぞれ、ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｈに入力される。ここで、受光器１０８ｃ及び１０８ｄは、光照射用光ファイバー１０５ａ及び１０５ｂの両方から等距離にある受光用光ファイバー１０７ｃ及び１０７ｄで集光される生体通過光強度を検出しているため、受光器１０８ｃ及び１０８ｄからの信号を２系統に分離し、ロックインアンプ１０９ｃと１０９ｅ及び１０９ｄと１０９ｆに入力する。ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｄには発振器１０１ａ及び１０１ｂ、そして、ロックインアンプ１０９ｅ〜１０９ｈには発振器１０１ｃ及び１０１ｄからの強度変調周波数が参照周波数として入力されている。従って、ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｄからは光源１０２ａ及び１０２ｂに対する生体通過光強度信号が分離されて出力され、ロックインアンプ１０９ｅ〜１０９ｈからは光源１０２ｃ及び１０２ｄに対する生体通過光強度信号が分離されて出力される。
【０００６】
ロックインアンプ１０９ａ〜１０９ｈの出力である、分離された波長毎の通過光強度信号をアナログ−デジタル変換器（以下ではＡ／Ｄ変換器と記す）１１０でアナログ−デジタル変換した後に、計測制御用計算機１１１に送る。計測制御用計算機１１１では通過光強度信号を使用して、各検出点の検出信号から酸素化ヘモグロビン濃度、脱酸素化ヘモグロビン濃度および総ヘモグロビン濃度の相対変化量を演算し、複数の計測点の経時情報として計算機１１１内の記憶装置に格納する。ここで、総ヘモグロビン濃度変化量は酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化量の和として与えられる。
【０００７】
一方、被験者の脳機能の計測のために、被験者に所定の刺激・タスクを与えて、これに対する応答を評価する。このため、統括制御兼データ処理・結果表示用計算機１１４は、計測制御用計算機１１１に指令を送り、計測制御用計算機１１１はこれに応じて、予め準備された刺激・タスク命令シーケンスに従い、被験者に対し刺激・タスク命令呈示装置１１３を用いて刺激・タスク命令を提示する。被験者の脳における刺激・タスク命令への応答が上述したように光計測される。なお、統括制御兼データ処理・結果表示用計算機１１４と計測制御用計算機１１１とは必要な情報の交換を行う。
【０００８】
従来、刺激・タスクに対する被験者の応答を評価するには、繰り返し計測後、得られた平均応答の信号振幅をもとに信号の有意性を検定し、有意な活動領域を同定していた。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２３７１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
応答期間の取り方には任意性があり、信号に含まれるアーチファクト等のため十分な検出能力を示さない場合がある。このため、刺激・タスクに対する被験者の応答を的確に評価できる有効な検出法さらに結果の表示法を開発する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、同源の活動は位相同期するという原理に着目して、被験者の応答を評価するため、被験者に与えられた刺激・タスクと、被験者の応答結果との位相同期性に注目して活動領域を検出する。同期性は信号の振幅・位相の両面から解析される。図２（Ａ）、（Ｂ）は信号の同期性を説明する簡単な図である。図２（Ａ）は、タスク期間とレスト期間とが周期的に与えられたときに得られる結果の信号例Ａ、Ｂを示す図である。信号例Ａは、振幅同期性と位相同期性がともに満足する形の結果例であり、信号例Ｂは、振幅同期性は無いが位相同期性がある形の結果例である。図２（Ｂ）は、これを表として示したものである。
【００１２】
本発明は、被験者の応答を評価するには振幅同期性は条件として強すぎることに着目する。すなわち、被験者に与えられる刺激・タスクに対応する信号を基準信号として、被験者の応答に対応する計測信号との位相差信号等を求め、位相同期性を数値化し、さらにその数値を統計処理し信頼度を数値化して、有意なデータに基づいて脳活動部位や機能的結合状態を表示する。
【発明の効果】
【００１３】
位相同期性は信号振幅によらないため、ヒトの頭部構造の影響を受けずに脳活動部位や機能的結合をより的確な形で示すことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
刺激やタスクによって２つの信号が同期しているときには、信号間の位相差が一定であるという点に着目し、実際のデータにおいて位相差がどの程度一定であるかを検討した。
【００１５】
位相差の算出には、ヒルベルト変換を用い、得られる瞬時位相から各時刻における位相差を算出した。
【００１６】
ヒルベルト変換について説明する。実関数ｆ（ｔ）のヒルベルト変換ｇ（ｔ）、及び逆ヒルベルト変換はそれぞれ式（１）、（２）で定義される。
【００１７】
【数１】
【００１８】
計測信号を実関数ｆ（ｔ）とし、ヒルベルト変換を用いて解析信号Ｚ（ｔ）を式（３）で定義する。
【００１９】
【数２】
【００２０】
これを局座標表示すると、式（４）、（５）および（６）となる。
【００２１】
【数３】
【００２２】
具体的アルゴリズムでは、解析信号Ｚ（ｔ）を、計測信号ｆ（ｔ）の片側フーリエ変換として求める。すなわち、負の周波数に対するものは０とする。解析信号を近似させるため、計測信号ｆ（ｔ）のＦＦＴを計算し、負の周波数に対応するＦＦＴ係数をゼロに置き換え、その結果について逆ＦＦＴ計算を行い、解析信号Ｚ（ｔ）を求める。
【００２３】
詳細に説明すると、つぎの４ステップのアルゴリズムを使用する。入力データの数はｎとする。
第１ステップ：入力データのＦＦＴを計算し、その結果をベクトルｙに格納する。
第２ステップ：２．要素ｈ（ｉ）が、つぎの値をもつベクトルｈを作成する。
ｉ＝１，（ｎ／２）＋１に対して、１
ｉ＝２，３，---，（ｎ／２）に対して、２
ｉ＝（ｎ／２）＋２，---，ｎに対して、０
第３ステップ：ｙとｈの要素単位の積を計算する。
第４ステップ：第３ステップで得られたデータ列の逆ＦＦＴを計算し、結果から最初ｎ個の要素を解析信号Ｚ（ｔ）として出力する。
【００２４】
位相差がどの程度一定であるといえるかを客観的に判断するために統計的検討を行う。位相差の分布を［−π、π］の範囲でＮｂ個のビンのヒストグラムで表し、統計的指標としてＳＩ（Synchronization Index）を式（７）、（８）および（９）のように定義し、求めた。
【００２５】
【数４】
【００２６】
式（８）に現れるｐｉはｉ番目のビンに位相差が存在する確率を表す。
【００２７】
位相差の分布が完全に均一、つまり全く位相同期性がない場合は、Ｓ＝Ｓｒａｎｄｏｍとなるため、ＳＩ＝０である。完全に同期している場合は、ＳＩ＝１である。実際の計測データは多種のノイズ成分を含んでいるので、ＳＩ＝１または０のような極端な結果が得られることはきわめて稀である。中間的な場合，位相同期性があると考えるべきかどうかを統計的に判断する。
【００２８】
そのための手法として、ここではサロゲートデータ法を用いる。サロゲートデータ法とは次のような検定のための枠組みのことである。
１．元のデータから統計的性質の明確なデータを多数生成する（乱数を利用）。
２．そのランダムデータに対し問題となっている指標を計算する。
３．多数の指標に対する標本値をもとに，元のデータに関する指標の検定を行う。
【００２９】
サロゲートデータとして、例えば無記憶ランダム過程で信号と同じフィルタリングを施されたものを用いる。５０個のサロゲートデータから得られた統計的指標としてのＳＩの分布が正規分布（平均値０．２２３６、標準偏差０．０２１９）である場合、有意水準１％の閾値として、ＳＩ＞０．２８００を用いることができる。さらに、同期状態の時間変化を検討するために、短い（数百点程度のデータを含む）時間窓を設定し、その期間での統計的指標としてのＳＩを求め、時間窓の中心時刻のＳＩとし、時間窓を一定時間ごとにずらしていくことで、ＳＩの時間変化を求めることも可能である。
【００３０】
（実施例１）
図３は実施例１における生体計測装置の構成を示すブロック図である。本装置２１０は図１に示す計測制御用計算機１１１の計測機能を示す部分に対応する。Ａ／Ｄ変換器１１０とのインタフェース２０１、一連の処理を行うＣＰＵ２０２、プログラムやデータを格納する記憶装置２０３、外部機器２０５とのインタフェース２０４、およびこれらを接続するバス２０６から構成される。また、バス２０６には表示手段２１１、キーボード２１２およびポインティングデバイス（例えばマウス）２１３が接続され、計測制御用計算機１１１のオペレータによるデータの入力あるいは解析結果のオペレータへの提示のために使用される。ここでは、記憶装置２０３に記憶されるプログラムとして、信号に必要なフィルタリングを施すフィルタリングプログラム、フィルタリングされた信号群あるいは外部信号から位相同期性を解析する位相同期性解析プログラム、位相同期性解析の結果から神経活動を検出する活動検出プログラム、検出された神経活動を分かりやすい形でユーザに提示するための画像化プログラムを備えるものとされている。検出結果は表示手段２１１に表示される。記憶装置２０３に保存されたプログラムは中央演算処理装置２０２によって解釈され実行される。
【００３１】
図４は、実施例１で得られた位相同期性解析結果の一例を説明する図である。
【００３２】
図４（Ａ）は、プローブの構成例を示す図である。被験者の頭部に装着するプローブは、光照射用光ファイバーＳと受光用光ファイバーＤとを交互に配置し、光照射用光ファイバーＳと受光用光ファイバーＤとの間に１−２４で示す計測チャンネルが形成されるようにして、視覚刺激に対する総ヘモグロビン量変化の計測ができるようにした状態を説明する図である。プローブの備える光照射用光ファイバーＳと受光用光ファイバーＤの数は、装着する位置、あるいは、被験者の頭の大きさ等を考慮して、適宜選択できる。被験者に対する視覚刺激は１６×１６の赤黒のチェッカボード刺激とした。赤黒の交代周波数は８ヘルツとした。レスト期間を２０秒、刺激（タスク）期間を１８秒とし、これを６回繰り返した。
【００３３】
図４（Ｂ）は、総ヘモグロビン量変化の計測結果の位相同期性を評価した結果を示す図である。横軸にチャンネルの番号を、縦軸に各チャンネルのＳＩ値（Synchronization Index）を採って、繰り返し数６回のＳＩ値の平均値を○で示し、また、折れ線で統計的基準値（有意確率１％）を示した特性図である。したがって、この例では、チャンネル１，２，４，５，６，８および１０から、チェッカボード刺激に同期したと評価し得る信号が得られていることになる。
【００３４】
図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の結果を図式表示した図であり、有意確率１％で評価して有意な１，２，４，５，６，８および１０チャンネルについて、チャンネル番号を表示し、有意でないチャンネルは黒のドットで塗りつぶした四角で、計測用ファイバーの位置は白抜きの四角で表した。図４（Ｃ）から、プローブ上部に対応する頭部の位置で脳活動が活発であったことが検出されたことが分かる。
【００３５】
図４（Ｄ）は、比較のために、同一の計測結果から、従来のように刺激期間中の信号振幅をもとに検定した結果を、図４（Ｃ）と同様に表した図である。ただし、信号振幅をもとにした検定では１％の有意水準では検出できず、５％の有意水準を用いた。図４（Ｃ）と比べるとプローブの大部分に対応する頭部の位置で脳活動が活発であったような表示となっている。このことから、本発明による方が、感度良く、局在した活動を検出していることが分かる。
【００３６】
図４（Ｅ）は、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）の結果をユーザに、より分かりやすい形で図式表示する場合の表示例を示す図であり、検出結果を評価する有意水準を段階的に変更した結果を等高線として表示に関連付けたものである。すなわち、本発明の実施例１では、有意水準を０．００１，０．００５，０．０１および０．０５としたとき、活動領域を、図示したような等高線で表すことができる。図４（Ｃ）に示す検出結果が、有意水準０．０１の等高線に対応する。この等高線を良く知られている画像化プログラムによって、色の濃淡で表示するものとすれば、ユーザは、活動領域を可視化された形で見ることができる。
【００３７】
図４（Ｆ）は、図４（Ｄ）の結果を、図４（Ｃ）に対応して図式表示した例を示す図である。先にも述べたように、従来の、信号振幅をもとにした検定では１％の有意水準では検出できず、この例では、２％、５％の有意水準を用いた結果として表示した。この例では、等高線は２本しか得られないので、表示は散漫なものとならざるを得ない。
【００３８】
（実施例２）
実施例２は、刺激・タスク命令シーケンスとして、被験者に野球の実況放送の録音を聞かせながら、自分がバッターとして立っている様子を想像するという課題を試行してもらったときの活動の評価に関する。図５（Ａ）は実施例２のプローブの構成例と配置を模視的に示すとともに、位相同期性の評価結果を示す図である。図に卵形の線で示す図は頭を上からみた図をイメージし、上部に三角で示す図形は鼻が見えていることをイメージした図である。前頭部、左右側頭部および後頭部にプローブ１、プローブ２，３およびプローブ４を配置する。プローブ１およびプローブ２，３は、それぞれ２２の計測チャンネルを得られるようにプローブを構成し、プローブ４は２４の計測チャンネルを得られるようにプローブを構成した。
（Ａ）は実施例２のプローブの構成例と配置を模視的に示すとともに、位相同期性の結果を示す図、（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す結果を、図４（Ｅ）で示したのと同様に、可視化して頭を上からみた図をイメージ上に表示した図である。
【００３９】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す結果を、図４（Ｅ）で示したのと同様に、可視化して頭を上からみた図をイメージ上に表示した図である。この結果から、録音の聴解に伴う左右側頭下部（聴覚野）での活動、バッティングのイメージ化による後頭上部（視覚野）での活動、前頭部で運動のモデル形成準備による活動、具体的な運動モデルの形成による左右側頭上部（運動野）での活動が生じたことが明らかになった。
【００４０】
この例でも、本発明によれば、活動領域が明確に検出できるから、被験者の能活動の評価をより厳密に行うことができる。
【００４１】
（実施例３）
ところで、実施例２では、被験者の脳活動の結果を録音の聴解を基準信号として評価したものであるが、得られた結果の位相同期性の高さを評価して、高い位相同期性を示すチャンネルの信号を基準信号として評価することにより、より脳活動の動作領域を厳密に評価することができる。
【００４２】
実施例３では、まず、基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルを評価する。図６は基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルを評価を示す図である。この例では、プローブ２の第１０チャンネルが最も高い位相同期性を示している例である。
【００４３】
そこで、プローブ２の第１０チャンネルの信号を基準チャンネルとして、録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性を評価する。図７は、録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性を評価した結果を有意水準１％で判定した結果を示す図である。図５と比較すると、同じ計測結果を対象として解析した結果であるが、基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルを基準信号に選ぶことにより、より局在化した活動領域を検出できたことが分かる。図５と図７とを対比すると、基準チャンネルを変えて評価した結果、プローブ１では第１３チャンネルが位相同期性無とされ、プローブ２では、第１５チャンネルが位相同期性有、第１８チャンネルが位相同期性無とされ、プローブ３では、第４チャンネルおよび第１４チャンネルが位相同期性無、第１１チャンネルが位相同期性有とされ、プローブ４では、第１３チャンネルおよび第１６チャンネルが位相同期性無とされたことが分かる。この結果、図７（B）に示すように、図５（Ｂ）に示されるような可視情報よりも、より限定された領域での活動が認識できる。
【００４４】
（実施例４）
ところで、脳活動は、脳の領域の全範囲で同時に起こる分けではなく、脳のある領域の脳活動が、他の領域の脳活動を誘引するといった、時系列な動作であることが知られている。実施例３では、前記実施例２の実験結果を時系列な脳活動の動作として評価する実験を行った例である。
【００４５】
図８は、図６に示した基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルについての応答の速さを示す図である。ここでは、刺激・タスク命令シーケンスとしての基準信号である録音の波形とこれに対応した応答波形を表示するのは難しいので、図２で説明した刺激・タスク命令シーケンスに対する応答の形で模擬的に表示した。横軸は時間、縦軸は信号の大きさである。図９は、録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性を評価し、結果を有意水準１％で判定した結果を示す図７に応答の速さ情報を表示した図である。
【００４６】
図８を検討すると、プローブ２、チャンネル１０が最も応答が速い。これを、図９では、プローブ２、チャンネル１０のブロックにドットを付して表示した。次いで、プローブ２、チャンネル５およびプローブ３、チャンネル９の応答が早い。すなわち、これらに代表されるプローブ２およびプローブ３に示すＳ１の領域の応答が最も早い。次いで、プローブ１、チャンネル６およびプローブ１、チャンネル１０の応答が早い。すなわち、プローブ１に示すＳ２の領域の応答が２番目に早い。次いで、プローブ４、チャンネル５およびプローブ４、チャンネル４の応答が早い。すなわち、プローブ４に示すＳ３の領域の応答が３番目に早い。最後に、プローブ３、チャンネル５、プローブ３、チャンネル１１、プローブ２、チャンネル１２およびプローブ２、チャンネル１２の応答が４番目に早い。すなわち、プローブ２およびプローブ３に示すＳ４の領域の応答が４番目に早い。
【００４７】
この結果から、まず、録音の聴解に伴う左右側頭下部（聴覚野）での活動が図９の領域Ｓ１に表れることが分かる。次いで、前頭部で運動のモデル形成準備による活動が図９の領域Ｓ２に表れることが分かる。続いて、バッティングのイメージ化による後頭上部（視覚野）での活動が図９の領域Ｓ３１に表れることが分かる。最後に、具体的な運動モデルの形成による左右側頭上部（運動野）での活動が図９の領域Ｓ４に表れていることが分かる。
【００４８】
図８からも分かるように、ここで言う早い、遅いというのは、比較の問題であって、時間の大きさで言えば、高々、秒オーダの程度にすぎないものである。しかし、これを、上述したように、応答の早さに対応したグループ分けをして、ユーザの目に見える形で表示をすれば、被験者の脳活動を動的に可視化して表示することができる。
【００４９】
図１０は被験者の脳活動を動的に可視化して表示する一例を示す図である。Ｓ１は、図９の領域Ｓ１に対応する表示であり、左右側頭下部（聴覚野）での活動領域をドットを付した丸で表示した。ここで、丸の面積、形は位相同期性の高い計測チャンネルの位置と数に対応させる。以下同様である。Ｓ２は、図９の領域Ｓ２に対応する表示であり、前頭部で運動のモデル形成準備による活動領域をドットを付した丸で表示した。Ｓ３は、図９の領域Ｓ３に対応する表示であり、バッティングのイメージ化による後頭上部（視覚野）での活動領域をドットを付した丸で表示した。Ｓ４は、図９の領域Ｓ４に対応する表示であり、具体的な運動モデルの形成による左右側頭上部（運動野）での活動領域をドットを付した丸で表示した。「全体」は、Ｓ１からＳ４の表示を総合したものであり、図７（Ｂ）に示す図と同じである。
【００５０】
Ｓ１からＳ４の表示を、ユーザの見易い早さの動画として、Ｓ１からＳ４まで、順次表示手段２１１に順次表示すれば、ユーザは、あたかも、被験者の脳活動の領域が移動しているのを、リアルタイムで見ているように感じることができる。動画的な表示の後、「全体」を表示させて、全体的な脳活動の状態を評価することができる。
【００５１】
活動の生じる速さは、各部位で観測される平均的位相差の値から判断される。位相差が小さいほど活動が早く生じている。
【００５２】
（実施例５）
脳活動の時間的な変化を動画的に検討するには、先に述べたように、同期状態の時間変化を検討するために、短い（数百点程度のデータを含む）時間窓を設定し、その期間での統計的指標としてのＳＩを求め、時間窓の中心時刻のＳＩとし、時間窓を一定時間ごとにずらしていくことで、ＳＩの時間変化を求めることでも実現できる。例えば、時間窓を一定時間ごとにずらしてＳＩの時間変化を求め、これを基礎として計測領域の位相同期性を評価し、この結果を、例えば、図７に示すような表示での時間変化として表示するものとすることができる。このような手法によれば、位相差の変化を敏感に捉えることができ、脳における複数の機能を脳の部位がいかなる時間的関連を持って活動しているかを正確に提示することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
脳機能の受けた障害の評価および脳機能に障害を受けた人の回復状態の評価に有用であり、リハビリのサポートに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】（Ａ）は脳機能計測装置の概要と被験者との関係を示す図であり、（Ｂ）は被験者の頭部に光を照射する光照射手段の装着される位置Ｓと被験者の頭部に照射された光が透過した光を受光する受光用光ファイバーの装着される位置Ｄの配列の一例を示す図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は信号の同期性を説明する簡単な図であり、（Ａ）は、タスク期間とレスト期間とが周期的に与えられたときに得られる結果の信号例Ａ、Ｂを示す図、（Ｂ）は、これを表として示したものである。
【図３】実施例１における生体計測装置の構成を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）−（Ｆ）は、実施例１で得られた位相同期性解析結果の一例を説明する図であり、（Ａ）は、プローブの構成例を示す図、（Ｂ）は、総ヘモグロビン量変化の計測結果の位相同期性を評価した結果を示す図、（Ｃ）は、図４（Ｂ）の結果を図式表示した図、（Ｄ）は、比較のために、同一の計測結果から、従来のように刺激期間中の信号振幅をもとに検定した結果を、図４（Ｃ）と同様に表した図、（Ｅ）は、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）の結果をユーザに、より分かりやすい形で図式表示する場合の表示例を示す図、（Ｆ）は、図４（Ｄ）の結果を、図４（Ｃ）に対応して図式表示した例を示す図である。
【図５】（Ａ）は実施例２のプローブの構成例と配置を模視的に示すとともに、位相位相同期性の評価結果を示す図、（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す結果を、図４（Ｅ）で示したのと同様に、可視化して頭を上からみた図をイメージ上に表示した図である。
【図６】基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルを評価を示す図である。
【図７】録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性を評価した結果を有意水準１％で判定した結果を示す図である。
【図８】図６に示した基準信号となる録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性の高い計測チャンネルについての応答の速さを示す図である。
【図９】録音の聴解に対応して得られた信号から位相同期性を評価し、結果を有意水準１％で判定した結果を示す図７に応答の速さ情報を表示した図である。
【図１０】被験者の脳活動を動的に可視化して表示する一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０１…発振器、１０２…光源、１０３…光ファイバー、１０４…結合器、１０５…光ファイバー、１０６…計測対象（被験者）、１０７…受光用光ファイバー、１０８…受光器、１０９…ロックインアンプ、１１０…アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、１１１…計測制御用計算機、１１２…刺激・タスク命令シーケンス、１１３…刺激・タスク命令呈示装置、１１４…統括制御兼データ処理・結果表示用計算機、２１０…本装置、２０１，２０４…インタフェース、２０２…ＣＰＵ、２０３…プログラムやデータを格納する記憶装置、２０６…バス、２１１…表示手段、２１２…キーボード、２１３…ポインティングデバイス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の頭部表面上の複数部位に入射光を入射させ、入射光を入射部位から所定の距離だけ離れた複数部位で通過光量を検出するとともに、被験者に対して予め準備された刺激・タスク命令シーケンスを提示して、前記刺激・タスク命令シーケンスを基準位相信号とし、検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該位相同期性指標の所定のしきい値以上の検出された通過光量の信号のみを被験者の脳活動の計測値とすることを特徴とする光計測方法。
【請求項２】
被験者の頭部表面上の複数部位に入射光を入射させ、入射光を入射部位から所定の距離だけ離れた複数部位で通過光量を検出するとともに、被験者に対して予め準備された刺激・タスク命令シーケンスを提示して、前記刺激・タスク命令シーケンスを基準位相信号とし、検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該位相同期性指標から前記基準位相信号に対する最も位相同期性の高い通過光量の信号を第２の基準位相信号として、該第２の基準位相信号と前記検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該第２の基準位相信号に対する位相同期性指標の所定のしきい値以上の検出された通過光量の信号のみを被験者の脳活動の計測値とすることを特徴とする光計測方法。
【請求項３】
被験者の頭部表面上の複数部位に入射光を入射させる手段と、
前記入射光を入射部位から所定の距離だけ離れた複数部位で通過光量を検出する手段と、
被験者に対して予め準備された刺激・タスク命令シーケンスを提示する手段と、
前記刺激・タスク命令シーケンスを基準位相信号とし、検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該位相同期性指標の所定のしきい値以上の検出された通過光量の信号のみを被験者の脳活動の計測値として出力する手段と、
前記出力手段の出力を表示する手段と、
よりなることを特徴とする光計測装置。
【請求項４】
前記脳活動の計測値として出力する手段が、前記刺激・タスク命令シーケンスを基準位相信号とし、検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該位相同期性指標から前記基準位相信号に対する最も位相同期性の高い通過光量の信号を第２の基準位相信号として、該第２の基準位相信号と前記検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該第２の基準位相信号に対する位相同期性指標の所定のしきい値以上の検出された通過光量の信号のみを被験者の脳活動の計測値とする手段となされた請求項３記載の光計測装置。
【請求項５】
被験者の頭部表面上の複数部位に入射光を入射させる手段と、
前記入射光を入射部位から所定の距離だけ離れた複数部位で通過光量を検出する手段と、
被験者に対して予め準備された刺激・タスク命令シーケンスを提示する手段と、
前記刺激・タスク命令シーケンスを基準位相信号とし、検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該位相同期性指標の所定のしきい値以上の検出された通過光量の信号のみを被験者の脳活動の計測値として出力するとともに、該計測値に対応した信号を被験者の頭部を模した表示上に計測位置に対応させて表示する手段と、
よりなることを特徴とする光計測装置。
【請求項６】
前記計測位置に対応させた表示が、前記位相同期性指標の所定のしきい値の段階に応じた複数の等高線に対応した表示とされる請求項５記載の光計測装置。
【請求項７】
前記計測位置に対応させた表示が、前記刺激・タスク命令シーケンスへの応答の速さに応じてグループ化された計測位置を、応答の速さに応じた動画として表示するものである請求項５記載の光計測装置。
【請求項８】
前記位相同期性指標が短い時間窓における信号値で評価され、該時間窓を一定時間ごとにずらして得られた位相同期性指標を基礎として計測領域の位相同期性を評価し、各時間窓での位相同期性指標の所定のしきい値に応じた計測位置を表示して、位相同期性指標の所定のしきい値に応じた計測位置の時間変化を表示するものである請求項５記載の光計測装置。
【請求項１】
被験者の頭部表面上の複数部位に入射光を入射させ、入射光を入射部位から所定の距離だけ離れた複数部位で通過光量を検出するとともに、被験者に対して予め準備された刺激・タスク命令シーケンスを提示して、前記刺激・タスク命令シーケンスを基準位相信号とし、検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該位相同期性指標の所定のしきい値以上の検出された通過光量の信号のみを被験者の脳活動の計測値とすることを特徴とする光計測方法。
【請求項２】
被験者の頭部表面上の複数部位に入射光を入射させ、入射光を入射部位から所定の距離だけ離れた複数部位で通過光量を検出するとともに、被験者に対して予め準備された刺激・タスク命令シーケンスを提示して、前記刺激・タスク命令シーケンスを基準位相信号とし、検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該位相同期性指標から前記基準位相信号に対する最も位相同期性の高い通過光量の信号を第２の基準位相信号として、該第２の基準位相信号と前記検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該第２の基準位相信号に対する位相同期性指標の所定のしきい値以上の検出された通過光量の信号のみを被験者の脳活動の計測値とすることを特徴とする光計測方法。
【請求項３】
被験者の頭部表面上の複数部位に入射光を入射させる手段と、
前記入射光を入射部位から所定の距離だけ離れた複数部位で通過光量を検出する手段と、
被験者に対して予め準備された刺激・タスク命令シーケンスを提示する手段と、
前記刺激・タスク命令シーケンスを基準位相信号とし、検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該位相同期性指標の所定のしきい値以上の検出された通過光量の信号のみを被験者の脳活動の計測値として出力する手段と、
前記出力手段の出力を表示する手段と、
よりなることを特徴とする光計測装置。
【請求項４】
前記脳活動の計測値として出力する手段が、前記刺激・タスク命令シーケンスを基準位相信号とし、検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該位相同期性指標から前記基準位相信号に対する最も位相同期性の高い通過光量の信号を第２の基準位相信号として、該第２の基準位相信号と前記検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該第２の基準位相信号に対する位相同期性指標の所定のしきい値以上の検出された通過光量の信号のみを被験者の脳活動の計測値とする手段となされた請求項３記載の光計測装置。
【請求項５】
被験者の頭部表面上の複数部位に入射光を入射させる手段と、
前記入射光を入射部位から所定の距離だけ離れた複数部位で通過光量を検出する手段と、
被験者に対して予め準備された刺激・タスク命令シーケンスを提示する手段と、
前記刺激・タスク命令シーケンスを基準位相信号とし、検出された通過光量の信号との位相同期性指標を求め、該位相同期性指標の所定のしきい値以上の検出された通過光量の信号のみを被験者の脳活動の計測値として出力するとともに、該計測値に対応した信号を被験者の頭部を模した表示上に計測位置に対応させて表示する手段と、
よりなることを特徴とする光計測装置。
【請求項６】
前記計測位置に対応させた表示が、前記位相同期性指標の所定のしきい値の段階に応じた複数の等高線に対応した表示とされる請求項５記載の光計測装置。
【請求項７】
前記計測位置に対応させた表示が、前記刺激・タスク命令シーケンスへの応答の速さに応じてグループ化された計測位置を、応答の速さに応じた動画として表示するものである請求項５記載の光計測装置。
【請求項８】
前記位相同期性指標が短い時間窓における信号値で評価され、該時間窓を一定時間ごとにずらして得られた位相同期性指標を基礎として計測領域の位相同期性を評価し、各時間窓での位相同期性指標の所定のしきい値に応じた計測位置を表示して、位相同期性指標の所定のしきい値に応じた計測位置の時間変化を表示するものである請求項５記載の光計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２０８３６（Ｐ２００６−２０８３６Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０１６０８（Ｐ２００４−２０１６０８）
【出願日】平成１６年７月８日（２００４．７．８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月８日（２００４．７．８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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