JP4470681B2 - Optical biological measurement device - Google Patents
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Description
本発明は、近赤外光を用いて生体情報を計測する光生体計測装置に関する。本発明は、例えば、脳や筋肉の各部位の活動状況を非侵襲で計測し、それぞれの部位の機能を測定する近赤外光イメージング装置(脳機能測定装置など)や、生体中の各部の酸素消費量をモニタリングする生体酸素モニタとして用いられる。 The present invention relates to an optical biological measurement apparatus that measures biological information using near-infrared light. The present invention, for example, non-invasively measures the activity status of each part of the brain or muscle and measures the function of each part, such as a near-infrared imaging apparatus (such as a brain function measuring apparatus), Used as a biological oxygen monitor for monitoring oxygen consumption.
近赤外光は、皮膚組織や骨組織を透過し、かつ、血液中のオキシヘモグロビン(oxyHb)、デオキシヘモグロビン(deoxyHb)により吸収される性質を有する。また、近赤外光は、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとに対して、それぞれ異なる分光吸収スペクトル特性を有する。
近赤外光のこのような性質は、近年、脳、各種臓器、筋肉等の生体の活動状態を、非侵襲で計測する近赤外分光分析法(Near infrared spectroscopy、以下NIRSと略す)と呼ばれる計測方法に利用され、脳機能測定装置や酸素モニタとして実用されている。
Near-infrared light is transmitted through skin tissue and bone tissue and is absorbed by oxyhemoglobin (oxyHb) and deoxyhemoglobin (deoxyHb) in blood. Near-infrared light has different spectral absorption spectrum characteristics for oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin.
In recent years, this property of near-infrared light is called near infrared spectroscopy (hereinafter abbreviated as NIRS), which measures the activity state of a living body such as a brain, various organs, and muscles in a non-invasive manner. It is used as a measurement method and is practically used as a brain function measuring device or oxygen monitor.
例えば、NIRSによる脳機能測定では、図8に示すように、近赤外光源から光ファイバを介して送られてくる入射光を頭部に入射させる複数の入射プローブ51と、頭部内部を散乱し、再び頭部から放出される光を受光する複数の検出プローブ52とが用いられ、これらの入射プローブ51および検出プローブ52は、頭皮に取り付けたプローブホルダ53に固定される。この例では、プローブホルダ53に、12個の入射プローブ51と12個の検出プローブ52とが、それぞれ互いに隣接するように配置されている。 For example, in brain function measurement by NIRS, as shown in FIG. 8, a plurality of incident probes 51 that make incident light transmitted from a near-infrared light source via an optical fiber incident on the head and the inside of the head are scattered. Then, a plurality of detection probes 52 that receive light emitted from the head again are used, and these incident probes 51 and detection probes 52 are fixed to a probe holder 53 attached to the scalp. In this example, twelve incident probes 51 and twelve detection probes 52 are arranged on the probe holder 53 so as to be adjacent to each other.
そして、各入射プローブ51から近赤外光を適当なタイミングで照射し、脳(脳皮質)によって散乱反射された光を、隣接する検出プローブ52で受光する。なお、隣接する検出プローブ以外の離れた検出プローブにより受光することもできるが、ここでは説明を簡単にするため、隣接する検出部で検出する場合のみを考えている。これにより、各入射プローブ51と各検出プローブ52との中間領域が、測定チャンネル(測定感度を有する領域)となるようにして、合計36個(#1〜#36)の測定チャンネルからの吸光度の信号を検出し、取得した信号から、いわゆるmodified Lambert Beerの法則(MLB則)に基づいて、測定部位でのオキシヘモグロビン濃度(正確にはオキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]であるが、平均光路長は一定として省略している)、デオキシヘモグロビン濃度(正確にはデオキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]であるが、平均光路長は一定として省略している)、さらには、これらから算出される全ヘモグロビン濃度([oxyHb]+[deoxyHb])を算出する。これらのヘモグロビン濃度変化を、生体信号データ(脳賦活データ)として取得し、平均化処理などの画像処理を行って脳画像を形成し、図示しない表示器に表示する。 Then, near infrared light is emitted from each incident probe 51 at an appropriate timing, and light scattered and reflected by the brain (brain cortex) is received by the adjacent detection probe 52. Although light can be received by a detection probe other than the adjacent detection probe, here, in order to simplify the explanation, only the case of detection by an adjacent detection unit is considered. Accordingly, the intermediate region between each incident probe 51 and each detection probe 52 becomes a measurement channel (region having measurement sensitivity), and the absorbance of a total of 36 (# 1 to # 36) measurement channels is measured. Based on the so-called modified Lambert Beer's law (MLB law), the oxyhemoglobin concentration at the measurement site (more precisely, the change in oxyhemoglobin concentration and the average optical path length product [oxyHb]) Although the average optical path length is omitted as being constant), deoxyhemoglobin concentration (exactly the concentration change of deoxyhemoglobin / average optical path length product [deoxyHb], the average optical path length is omitted as constant) ) Further, the total hemoglobin concentration ([oxyHb] + [deoxyHb]) calculated from these is calculated. These changes in hemoglobin concentration are acquired as biological signal data (brain activation data), image processing such as averaging processing is performed, a brain image is formed, and displayed on a display (not shown).
また、NIRSによる脳機能測定では、測定中に、被検者に対し、所定のタイムスケジュールで、トレッドミル走行などの運動負荷を与えたり、思考課題によるメンタル的負荷を与えたりすることにより、運動負荷やメンタル的負荷を与えたことによる脳機能各部への影響を測定することもなされている。
図9は、トレッドミル走行によって運動負荷を与えたときの測定データに基づいて算出されたオキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、全ヘモグロビン濃度の経時変化データを、図8に示した36個の測定チャンネル(#1〜#36)ごとに、並べて画面に一覧表示したときの画面表示例である。
In brain function measurement by NIRS, during the measurement, the subject is given exercise load such as running on a treadmill or a mental load caused by a thinking task according to a predetermined time schedule. The influence on each part of the brain function by applying a load or a mental load is also measured.
FIG. 9 shows the time-dependent change data of oxyhemoglobin concentration, deoxyhemoglobin concentration, and total hemoglobin concentration calculated based on the measurement data when exercise load is applied by running the treadmill, and the 36 measurement channels shown in FIG. It is an example of a screen display when a list is displayed side by side for each (# 1 to # 36).
ところで、NIRSを用いた脳機能測定装置などの光生体計測装置では、上述したように、光を生体に入射したり、生体から光を検出したりするために、生体に向けて光を照射するための入射プローブと、生体からの光を受光する検出プローブとを、生体表面(頭皮など)に密着させている。これらプローブの生体密着部分の位置や密着状態が変化すると、検出光の光量(すなわち吸光度)が、突然不連続に変化することとなり、生体自体の変化による信号の変化とは考えられないアーチファクト(擬似信号)を含んだ吸光度信号が発生することになる。
そして、吸光度信号にアーチファクトが重畳された信号を検出プローブで検出することにより、吸光度信号に基づいて算出されるオキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、全ヘモグロビン濃度(オキシヘモグロビン濃度とデオキシヘモグロビン濃度の和)のような生体信号の経時データについても、アーチファクトの影響が重畳されてしまうようになる。
By the way, in an optical biological measurement apparatus such as a brain function measurement apparatus using NIRS, as described above, in order to make light incident on the living body or detect light from the living body, the light is irradiated toward the living body. An incident probe for detecting light from a living body and a detection probe for receiving light from the living body are closely attached to the surface of the living body (such as the scalp). When the position or contact state of the living body contact portion of these probes changes, the amount of light (that is, absorbance) of the detection light suddenly changes discontinuously, and artifacts that cannot be considered as signal changes due to changes in the living body itself (pseudo) Signal) is generated.
Then, by detecting the signal in which the artifact is superimposed on the absorbance signal with the detection probe, the oxyhemoglobin concentration, deoxyhemoglobin concentration, and total hemoglobin concentration calculated based on the absorbance signal (the sum of the oxyhemoglobin concentration and deoxyhemoglobin concentration) The influence of the artifact is also superimposed on the time-lapse data of the biological signal as described above.
このような場合、従来は、測定者の経験による視覚的評価によって、生理学的に発生しえないと考えられる不連続な信号変化や経験上不自然と思われる信号変化を、アーチファクトとして捉えていた。
しかしながら、アーチファクトが含まれているか否かの判別を、測定者の経験に基づく視覚的な評価のみで、的確に行うことは困難である。
In such cases, traditionally, the visual evaluation based on the experience of the measurer has regarded discontinuous signal changes that cannot be generated physiologically or signal changes that seem unnatural in experience as artifacts. .
However, it is difficult to accurately determine whether or not artifacts are included only by visual evaluation based on the experience of the measurer.
そのため、アーチファクトを判定する方法として、生体信号の単位時間あたりの変化率を算出し、予め定めた基準値と比較することにより、基準値よりも変化率が大きければ、体動によるアーチファクトを含んでいると判断し、基準値よりも大きくなければ体動は起こっていないと判断し、状況に応じて、生体信号レベルをシフトすることにより、アーチファクトの影響を除去することが開示されている(特許文献1参照)。
上述したように、生体信号の単位時間あたりの変化率を算出する方法を用いれば、生体信号にアーチファクトが含まれているかを、定量的に判定することが一応可能である。
しかしながら、実際に、この方法を用いて判定した場合であっても、信号のなかには、生体信号と考えられるが、信号が元の値に戻りきらない判定困難なデータも出現することがある。
As described above, if a method of calculating the rate of change per unit time of a biological signal is used, it is possible to determine quantitatively whether the biological signal includes an artifact.
However, even if it is actually determined using this method, some of the signals are considered to be biological signals, but there are cases where it is difficult to determine data in which the signals do not return to their original values.
例えば、運動負荷を与えながら、計測を行っている場合に、体動にともなって、入射プローブ51や検出プローブ52(図8参照)に位置ずれが生じた場合には、位置ずれが生じた時点で階段状の変化が生じるため、検出信号の単位時間あたりの変化率をモニタすることで、アーチファクトとして容易に判定することができる。
しかしながら、運動負荷によって汗が徐々に発生し、入射プローブ51または検出プローブ52の光路に汗が入り込んで影響をおよぼす場合には、急激な変化が発生することがないため、階段状の変化が見られないアーチファクトとなる。
このような急激な変化が見られないアーチファクトは、汗に起因するものだけではなく、その他の原因によっても生じることがあり(原因が不明の場合もある)、その場合は、検出信号の単位時間あたりの変化率をモニタする方法では、アーチファクトと判定することが困難であった。
For example, when measurement is performed while applying an exercise load, if a positional shift occurs in the incident probe 51 or the detection probe 52 (see FIG. 8) due to body movement, the time when the positional shift occurs Since a staircase-like change occurs, it can be easily determined as an artifact by monitoring the rate of change of the detection signal per unit time.
However, when the sweat is gradually generated by the exercise load and the sweat enters the optical path of the incident probe 51 or the detection probe 52 and affects it, a sudden change does not occur. It becomes an artifact that cannot be done.
Artifacts that do not show such a sudden change can be caused not only by sweat but also by other causes (the cause may be unknown), in which case the unit time of the detection signal In the method of monitoring the rate of change per hit, it was difficult to determine an artifact.
そこで、本発明は、検出した信号が、アーチファクトを含まない生体信号であるか、生体信号にアーチファクトが含まれている混合信号であるかの判定を的確に行うことができる光生体計測装置を提供することを目的とする。
また、アートファクトが含まれる生体信号である場合に、どの時点でアーチファクトが含まれるようになったかを、的確に判断することができる光生体計測装置を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention provides an optical biological measurement apparatus that can accurately determine whether a detected signal is a biological signal that does not include an artifact or a mixed signal that includes an artifact in the biological signal. The purpose is to do.
It is another object of the present invention to provide an optical biological measurement apparatus that can accurately determine at which point an artifact is included when the biological signal includes an artifact.
上記課題を解決するためになされた本発明の光生体計測装置は、光を照射して生体内を散乱させ、生体内から再放出された光を検出することにより検出光に基づいて生体に関する情報を得る光生体計測装置であって、生体内に光を照射する入射プローブと生体内から再放出された光を検出する検出プローブとにより、少なくとも3つの異なる波長λn(但し、n≧3)にて吸光度変化量を測定して測定吸光度変化量ΔAm(λn)を取得する光学測定部と、オキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]およびデオキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積 [deoxyHb]と、吸光度変化量ΔAとの間の関係式(LB)を利用して、前記測定吸光度変化ΔAm(λn)に基づいて、最小自乗法により、オキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]を算出する濃度変化量・平均光路積演算部と、算出したオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]に基づいて、再度、関係式(LB)を利用して、計算により計算吸光度変化量ΔAc(λn)を算出する計算吸光度変化量演算部と、測定吸光度変化量ΔAm(λn)と計算吸光度変化量ΔAc(λn)とに基づいて残差自乗和D、または、残差自乗和率Eを算出する残差自乗和/残差自乗和率演算部と、残差自乗和D、または、残差自乗和率Eを、基準値Rと比較することにより、アーチファクトを含むか否かの判定を行う判定部とを備えるようにしている。 The optical biometric device of the present invention made to solve the above-mentioned problems is information on a living body based on detection light by irradiating light, scattering inside the living body, and detecting light re-emitted from inside the living body. And an optical probe for irradiating light into the living body and a detection probe for detecting light re-emitted from the living body, at least three different wavelengths λ n (where n ≧ 3) Optical measurement unit that measures the change in absorbance and obtains the measured change in absorbance ΔAm (λ n ), the amount of change in oxyhemoglobin concentration / average optical path length [oxyHb], and the amount of change in deoxyhemoglobin concentration / average optical path Using the relational expression (LB) between the long product [deoxyHb] and the absorbance change ΔA, based on the measured absorbance change ΔAm (λn), the oxyhemoglobin concentration change / average light is calculated by the least square method. Path length product [oxyHb], deoxyhemoglobin concentration change amount / average optical path length product [deoxyHb] concentration change amount / average optical path product calculation unit, calculated oxyhemoglobin concentration change amount / average optical path length product [oxyHb], Based on the deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [deoxyHb], again using the relational expression (LB), a calculated absorbance change calculation unit that calculates a calculated absorbance change ΔAc (λn); Residual square sum / residual square sum ratio for calculating residual square sum D or residual square sum ratio E based on measured absorbance change amount ΔAm (λ n ) and calculated absorbance change amount ΔAc (λ n ) An arithmetic unit and a determination unit for determining whether or not an artifact is included by comparing the residual sum of squares D or the residual sum of squares ratio E with a reference value R are provided.
ここで、関係式(LB)は、modified Lambert-Beerの法則が成立するとして、次式(1)で定義されるものである。
ΔA(λn)=E0(λn)×[oxyHb]+Ed(λn)×[deoxyHb] ・・・・(1)
ただし、E0(λn)はオキシヘモグロビンの吸光度係数、Ed(λn)はデオキシヘモグロビンの吸光度係数である。
Here, the relational expression (LB) is defined by the following expression (1) on the assumption that the modified Lambert-Beer law holds.
ΔA (λ n ) = E 0 (λ n ) × [oxyHb] + E d (λ n ) × [deoxyHb] (1)
Here, E 0 (λ n ) is the absorbance coefficient of oxyhemoglobin, and E d (λ n ) is the absorbance coefficient of deoxyhemoglobin.
なお、[oxyHb]はオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積であり、[deoxyHb]はデオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積であるが、光吸収量の変化が小さい条件では、平均光路長を一定として扱うことができるので、その場合、(1)式は、[oxyHb]をオキシヘモグロビン濃度変化量、[deoxyHb]をデオキシヘモグロビン濃度変化量として扱うことができるので、かかる場合も一形態として含まれるものとする。 [OxyHb] is the oxyhemoglobin concentration change / average optical path length product, and [deoxyHb] is the deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product. Can be treated as constant. In that case, equation (1) can treat [oxyHb] as the oxyhemoglobin concentration change amount and [deoxyHb] as the deoxyhemoglobin concentration change amount. Shall be included.
また、残差自乗和Dは、次式(2)で定義される。
D=(ΔAm(λ1)−ΔAc(λ1))2+(ΔAm(λ2)−ΔAc(λ2))2+・・・+(ΔAm(λn)−ΔAc(λn))2 ・・・・(2)
また、残差自乗和率Eは、次式(3)で定義される。
E=D/((ΔAm(λ1))2+(ΔAm(λ2))2+・・・+(ΔAm(λn))2)
・・・・(3)
The residual sum of squares D is defined by the following equation (2).
D = (ΔAm (λ 1 ) −ΔAc (λ 1 )) 2 + (ΔAm (λ 2 ) −ΔAc (λ 2 )) 2 +... + (ΔAm (λ n ) −ΔAc (λ n )) 2 (2)
The residual square sum ratio E is defined by the following equation (3).
E = D / ((ΔAm (λ 1 )) 2 + (ΔAm (λ 2 )) 2 +... + (ΔAm (λ n )) 2 )
.... (3)
この発明によれば、光生体計測装置の光学測定部は、入射プローブから生体内に測定光を照射するとともに、入射プローブから離れた位置に取り付けた検出プローブにより、生体内を散乱(透過)し再放出された光を検出し、吸光度変化量を測定する。このとき、少なくとも3つの異なる波長λn(但し、n≧3)にて、吸光度変化量を測定し、測定吸光度変化量ΔAm(λn)を取得する。 According to this invention, the optical measurement unit of the optical biological measurement apparatus irradiates the living body with the measurement light from the incident probe and scatters (transmits) the living body by the detection probe attached at a position away from the incident probe. The re-emitted light is detected and the amount of change in absorbance is measured. At this time, the absorbance change amount is measured at at least three different wavelengths λ n (where n ≧ 3), and the measured absorbance change amount ΔAm (λ n ) is acquired.
測定を始めてからの吸光度変化量は、吸収変化が小さい場合は、modified Lambert Beerの法則(MLB則)が成立し、吸光度変化ΔAと吸収体の濃度変化と、平均光路長との間に上述した(1)式が成立する。 The amount of change in absorbance from the start of measurement is the case where the modified Lambert Beer's law (MLB rule) is established when the change in absorption is small, and is described above between the absorbance change ΔA, the absorber concentration change, and the average optical path length. (1) Formula is materialized.
したがって、例えば、3つの近赤外波長(λ1、λ2、λ3)で吸光度を測定すると、そのとき、測定吸光度変化量ΔAm(λ1)、ΔAm(λ2)、ΔAm(λ3)は、次式(4)で与えられる。
ΔAm(λ1)=E0(λ1)×[oxyHb]+Ed(λ1)×[deoxyHb]
ΔAm(λ2)=E0(λ2)×[oxyHb]+Ed(λ2)×[deoxyHb]
ΔAm(λ3)=E0(λ3)×[oxyHb]+Ed(λ3)×[deoxyHb]
・・・(4)
Therefore, for example, when the absorbance is measured at three near infrared wavelengths (λ 1 , λ 2 , λ 3 ), the measured absorbance change amounts ΔAm (λ 1 ), ΔAm (λ 2 ), ΔAm (λ 3 ) Is given by the following equation (4).
ΔAm (λ 1 ) = E 0 (λ 1 ) × [oxyHb] + E d (λ 1 ) × [deoxyHb]
ΔAm (λ 2 ) = E 0 (λ 2 ) × [oxyHb] + E d (λ 2 ) × [deoxyHb]
ΔAm (λ 3 ) = E 0 (λ 3 ) × [oxyHb] + E d (λ 3 ) × [deoxyHb]
... (4)
濃度変化量・平均光路積演算部は、オキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]およびデオキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積 [deoxyHb]と、吸光度変化量ΔAとの間の関係式(LB)を利用して、前記測定吸光度変化ΔAm(λn)に基づいて、最小自乗法により、オキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]を算出する。すなわち、3つ(あるいはそれ以上)の異なる波長で測定した結果、未知数は、オキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]およびデオキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積 [deoxyHb]の2つであるのに対し、方程式が3つ(あるいはそれ以上)与えられることになるので、方程式を同時に満たす解が1つに決まらないことから、最小自乗法により最適な解を求めるようにする。 The concentration change / average optical path product calculation unit calculates the difference between the oxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [oxyHb] and deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [deoxyHb] and the absorbance change ΔA. Based on the measured absorbance change ΔAm (λn) using the relational expression (LB), the oxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [oxyHb], deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length by the least square method Calculate the product [deoxyHb]. That is, as a result of measuring at three (or more) different wavelengths, the unknowns are the concentration variation / average optical path length product [oxyHb] of oxyhemoglobin and the concentration variation / average optical path length product [deoxyHb] of deoxyhemoglobin. Since there are three (or more) equations for two, there is no single solution that satisfies the equations at the same time, so the least square method is used to find the optimal solution. .
その結果、[oxyHb]および[deoxyHb]は、次式(5)の形の解で表すことができる。
[oxyHb] =K11ΔAm(λ1)+K12ΔAm(λ2)+K13ΔAm(λ3)
[deoxyHb]=K21ΔAm(λ1)+K22ΔAm(λ2)+K23ΔAm(λ3)
・・・(5)
As a result, [oxyHb] and [deoxyHb] can be expressed by a solution of the following formula (5).
[oxyHb] = K 11 ΔAm (λ 1 ) + K 12 ΔAm (λ 2 ) + K 13 ΔAm (λ 3 )
[deoxyHb] = K 21 ΔAm (λ 1 ) + K 22 ΔAm (λ 2 ) + K 23 ΔAm (λ 3 )
... (5)
ここで、K11〜K23の値は、E0(λ1)、E0(λ2)、E0(λ3)、Ed(λ1)、Ed(λ2)、Ed(λ3)の値から定まる値、すなわち、測定波長(λ1、λ2、λ3)を決定することで求まる値である。
例えば、λ1=780nm、λ2=805nm、λ3=830nmとした場合は、Matcher S. J. らにより、E0(λ1)〜Ed(λ3)は、以下のように求められている。
E0(780)=0.7360、E0(805)=0.8973、E0(830)=1.0507
Ed(780)=1.1050、Ed(805)=0.8146、Ed(830)=0.7804
(Matcher S. J., Elwell C.E., et al. Performance comparison of several published tissue near-infrared spectroscopy algorithms. Analytical Biochemistry 227:54-68(1995))
この値を用いて、最小自乗法による演算を行うことによって、K11〜K23の値は、以下のように求められる。
K11=−1.4887、K12=0.5970、K13=1.4847
K21=1.8545、K22=−0.2394、K23=−1.0947
以上の計算により、算出されたオキシヘモグロビン濃度変化・平均光路長積[oxyHb]およびデオキシヘモグロビン濃度変化・平均光路長積[deoxyHb]は、生体(例えば脳)の活動データを示す生体信号として、利用することになる。
Here, the values of K 11 to K 23 are E 0 (λ 1 ), E 0 (λ 2 ), E 0 (λ 3 ), E d (λ 1 ), E d (λ 2 ), E d ( A value determined from the value of λ 3 ), that is, a value determined by determining the measurement wavelengths (λ 1 , λ 2 , λ 3 ).
For example, when λ 1 = 780 nm, λ 2 = 805 nm, and λ 3 = 830 nm, E 0 (λ 1 ) to E d (λ 3 ) are obtained as follows by Matcher SJ et al.
E 0 (780) = 0.7360, E 0 (805) = 0.8973, E 0 (830) = 1.0507
E d (780) = 1.1050, E d (805) = 0.8146, E d (830) = 0.7804
(Matcher SJ, Elwell CE, et al. Performance comparison of several published tissue near-infrared spectroscopy algorithms. Analytical Biochemistry 227: 54-68 (1995))
By using this value and performing an operation by the method of least squares, the values of K 11 to K 23 are obtained as follows.
K 11 = −1.4888, K 12 = 0.5970, K 13 = 1.4847
K 21 = 1.8545, K 22 = −0.2394, K 23 = −1.0947
Based on the above calculations, the calculated oxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [oxyHb] and deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [deoxyHb] are used as biological signals indicating the activity data of the living body (for example, the brain). Will do.
続いて、計算吸光度変化量演算部、残差自乗和/残差自乗和率演算部、判定部により、算出された[oxyHb]および[deoxyHb]に、アーチファクトが含まれているか否かの判定を定量的に行うための演算処理を行う。 Subsequently, the calculated absorbance change amount calculation unit, residual sum of squares / residual sum of squares ratio calculation unit, and determination unit determine whether or not the calculated [oxyHb] and [deoxyHb] include an artifact. Arithmetic processing is performed to perform quantitatively.
計算吸光度変化量演算部は、算出したオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]に基づいて、再度、modified Lambert-Beerの法則である(1)の関係式を利用して、計算により計算吸光度変化量ΔAc(λn)を算出する。
例えば、上述したように、3つの近赤外波長(λ1、λ2、λ3)で吸光度を測定したときは、計算吸光度変化量ΔAc(λ1)、ΔAc(λ2)、ΔAc(λ3)は、次式(4)で与えられる。
ΔAc(λ1)=E0(λ1)×[oxyHb]+Ed(λ1)×[deoxyHb]
ΔAc(λ2)=E0(λ2)×[oxyHb]+Ed(λ2)×[deoxyHb]
ΔAc(λ3)=E0(λ3)×[oxyHb]+Ed(λ3)×[deoxyHb]
・・・(6)
Based on the calculated change in oxyhemoglobin concentration / average optical path length product [oxyHb] and deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [deoxyHb], the calculated absorbance change amount calculation unit again uses the modified Lambert-Beer law. The calculated absorbance change ΔAc (λn) is calculated by calculation using the relational expression (1).
For example, as described above, when the absorbance is measured at three near infrared wavelengths (λ 1 , λ 2 , λ 3 ), the calculated absorbance change amounts ΔAc (λ 1 ), ΔAc (λ 2 ), ΔAc (λ 3 ) is given by the following equation (4).
ΔAc (λ 1 ) = E 0 (λ 1 ) × [oxyHb] + E d (λ 1 ) × [deoxyHb]
ΔAc (λ 2 ) = E 0 (λ 2 ) × [oxyHb] + E d (λ 2 ) × [deoxyHb]
ΔAc (λ 3 ) = E 0 (λ 3 ) × [oxyHb] + E d (λ 3 ) × [deoxyHb]
... (6)
残差自乗和/残差自乗和率演算部は、光学測定部による測定で取得した測定吸光度変化量ΔAm(λn)と、上記(6)式で算出した計算吸光度変化量ΔAc(λn)とに基づいて、(2)式で示される残差自乗和D、または、これを規格化し(3)式で示される残差自乗和率Eを算出する。
残差自乗和を算出するのは、以下の理由による。すなわち、濃度変化量・平均光路積演算部が(5)式の計算を行う際に、上述したように最小自乗法を用いているが、これは、(2)式の残差自乗和の値が最小になるように、[oxyHb]および[deoxyHb]の値を算出していることを意味する。したがって、残差自乗和を利用すれば、算出した[oxyHb] [deoxyHb]の値の最小自乗誤差の大きさを、定量的に判断することができることになる。
そして、体動にともなう急激な変化が生じるアーチファクトであれ、その他の急激な変化が生じない場合のアーチファクトであれ、その原因に関わらず、アーチファクトの影響の大きさは、最小自乗誤差の大きさの変化として現れる。
The residual sum of squares / residual sum of squares ratio calculation unit is a measured absorbance change amount ΔAm (λ n ) obtained by measurement by the optical measurement unit and a calculated absorbance change amount ΔAc (λ n ) calculated by the above equation (6). Based on the above, the residual sum of squares D expressed by the expression (2) or the residual sum of squares ratio E expressed by the expression (3) is calculated.
The residual sum of squares is calculated for the following reason. That is, when the density change amount / average optical path product calculation unit calculates the equation (5), the least square method is used as described above. This is the value of the residual sum of squares of the equation (2). This means that the values of [oxyHb] and [deoxyHb] are calculated so that is minimized. Therefore, if the residual sum of squares is used, the magnitude of the least square error of the calculated [oxyHb] [deoxyHb] value can be determined quantitatively.
Regardless of the cause, whether it is an artifact that causes a sudden change due to body movement or an artifact that does not cause any other sudden change, the magnitude of the effect of the artifact is the magnitude of the least square error. Appears as a change.
そこで、判定部が、判定のために予め設定した基準値Rと、残差自乗和D(あるいは残差自乗和率E)とを比較する。これにより、定量的に、信号にアーチファクトが含まれるか否かを判定する。 Therefore, the determination unit compares the reference value R set in advance for determination with the residual sum of squares D (or residual sum of squares ratio E). Thereby, it is quantitatively determined whether or not an artifact is included in the signal.
本発明によれば、アーチファクトが含まれていない生体信号であるか、アーチファクトが含まれている生体信号であるかを、定量的に、かつ、精度よく判定することができる。特に、階段的な変化が見られないような、一見しただけでは生体信号と考えられるが、変化後に信号が元の値に戻らないような信号の場合でも、定量的に判定できる。 According to the present invention, it is possible to quantitatively and accurately determine whether a biological signal does not include an artifact or a biological signal that includes an artifact. In particular, it can be considered as a biological signal at first glance where no stepwise change is seen, but even in the case of a signal where the signal does not return to its original value after the change, it can be quantitatively determined.
(課題を解決するためのその他の手段および効果)
上記発明において、光学測定部は、時々刻々、測定吸光度変化量ΔAm(λn)を取得するとともに、濃度変化量・平均光路積演算部、計算吸光度変化量演算部、残差自乗和/残差自乗和率演算部、判定部が、取得した測定吸光度変化量ΔAm(λn)に基づいて経時的に算出、判定を行い、さらに、判定部によりアーチファクトを含む判定がなされた場合にアーチファクト発生時点を記憶するアーチファクト発生時記憶部を備えるようにしてもよい。
これによれば、光学測定部が、時々刻々変化する吸光度信号を経時的に測定し、測定した吸光度信号に基づいて、濃度変化量・平均光路積演算部、計算吸光度変化量演算部、残差自乗和/残差自乗和率演算部、判定部がそれぞれ動作して、アーチファクトが含まれるか否かの判定を経時的に行う。そして、判定部によりアーチファクトを含む判定がなされた場合に、アーチファクト発生時記憶部がアーチファクト発生時点を記憶するので、生体信号の経時的な変化において、アーチファクトが含まれるようになった時点を決定することができる。
したがって、測定者が測定結果を検討する際に、アーチファクトが発生する時点までのデータのみを採用したり、アーチファクト発生時点以後のデータについては、適当は補間を行って生体信号を利用したりすることができるようになる。
(Other means and effects to solve the problem)
In the above invention, the optical measurement unit obtains the measured absorbance change amount ΔAm (λ n ) from time to time, and the concentration change amount / average optical path product calculation unit, calculated absorbance change amount calculation unit, residual sum of squares / residual When the sum of squares calculation unit and determination unit perform calculation and determination over time based on the acquired measured absorbance change amount ΔAm (λ n ), and when the determination unit determines that the artifact is included, the time when the artifact occurs May be provided with a storage unit for generating artifacts.
According to this, the optical measurement unit measures the absorbance signal that changes from time to time, and based on the measured absorbance signal, the concentration change amount / average optical path product calculation unit, the calculated absorbance change amount calculation unit, the residual The sum of squares / residual sum of squares ratio calculation unit and determination unit operate to determine whether or not artifacts are included over time. Then, when the determination unit determines that the artifact is included, the artifact generation time storage unit stores the artifact generation time point, so that the time point at which the artifact is included in the temporal change of the biological signal is determined. be able to.
Therefore, when the measurer examines the measurement results, only the data up to the time when the artifact occurs will be used, or the data after the time when the artifact will be used should be appropriately interpolated to use the biological signal. Will be able to.
また、光生体計測装置は、さらに表示部および表示部の表示内容を制御する表示制御部とを備え、表示制御部は、経時的に算出されるオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]、これら2つの和である全ヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[totalHb]の少なくともいずれかを、経時的データとして表示部に表示するとともに、判定部によりアーチファクトを含む判定がなされた場合に、アーチファクト発生時記憶部に記憶されたアーチファクト発生時点を参照して、表示した経時的データにおけるアーチファクトを含む領域を表示する制御を行うようにしてもよい。
これによれば、オキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]、全ヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[totalHb]の少なくともいずれかの経時データが、表示部に表示されるとともに、アーチファクトが含まれると判定された場合には、アーチファクトを含む領域と含まない領域とが識別可能に表示されるので、測定者は、アーチファクトの影響の有無を考慮しながら、測定結果を検討することができる。
The optical biological measurement apparatus further includes a display unit and a display control unit that controls display contents of the display unit, and the display control unit includes an oxyhemoglobin concentration change amount / average optical path length product [oxyHb ], Deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [deoxyHb], and the total of these two, total hemoglobin concentration change / average optical path length product [totalHb], is displayed on the display unit as time-dependent data At the same time, when the determination unit determines that the artifact is included, the control is performed to display the area including the artifact in the displayed temporal data with reference to the artifact generation time stored in the artifact generation storage unit. May be.
According to this, at least one of oxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [oxyHb], deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [deoxyHb], total hemoglobin concentration change / average optical path length product [totalHb] If the measured time data is displayed on the display and it is determined that the artifact is included, the area including the artifact and the area not including the artifact are displayed in a distinguishable manner. The measurement results can be examined while considering the presence or absence of
また、上記発明において、光生体計測装置は、表示部および表示部の表示内容を制御する表示制御部とをさらに備え、光学測定部は、複数の入射プローブと複数の検出プローブとを有し、入射プローブと検出プローブとの組み合わせによって定まる複数の測定チャンネルについて、それぞれの測定チャンネルの吸光度変化量を測定して複数の測定吸光度変化量ΔAm(λn)を取得し、取得した複数の測定吸光度変化量ΔAm(λn)に対して、濃度変化量・平均光路積演算部、計算吸光度変化量演算部、残差自乗和/残差自乗和率演算部、判定部が、アーチファクトを含むか否かを判定するための演算、判定を行い、表示制御部は、表示部に複数の測定チャンネルのデータを並べて表示するとともに、判定部の判定結果に基づいてアーチファクトを含む測定チャンネルと含まない測定チャンネルとを識別可能に表示する制御を行うようにしてもよい。
これによれば、複数の測定チャンネルからのデータが並べて表示され、さらに、アーチファクトを含む測定チャンネルと含まない測定チャンネルとを識別する識別記号が表示されるので、アーチファクトが含まれる場合に、アーチファクトが含まれる測定チャンネルの位置関係を検討することで、そのアーチファクトの発生原因(例えば、入射プローブが原因か、検出プローブが原因かの識別)を特定することが容易になる。
In the above invention, the optical biological measurement apparatus further includes a display unit and a display control unit that controls display contents of the display unit, and the optical measurement unit includes a plurality of incident probes and a plurality of detection probes, For a plurality of measurement channels determined by the combination of the incident probe and the detection probe, the absorbance change amount of each measurement channel is measured to obtain a plurality of measurement absorbance change amounts ΔAm (λ n ), and the obtained plurality of measurement absorbance changes are obtained. Whether the concentration change amount / average optical path product calculation unit, the calculated absorbance change amount calculation unit, the residual sum of squares / residual sum of squares ratio calculation unit, and the determination unit include an artifact with respect to the amount ΔAm (λ n ) The display control unit displays the data of a plurality of measurement channels side by side on the display unit and determines the artifact based on the determination result of the determination unit. And a measurement channel that does not contain a measurement channel including bets may perform control to identifiably displayed.
According to this, since the data from a plurality of measurement channels are displayed side by side, and the identification symbol for identifying the measurement channel including the artifact and the measurement channel not including the artifact is displayed, the artifact is displayed when the artifact is included. By examining the positional relationship of the included measurement channels, it becomes easy to identify the cause of the artifact generation (for example, identification of whether the incident probe is the cause or the detection probe is the cause).
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施形態である光生体計測装置の構成を示す図であり、より具体的には、オキシヘモグロビン濃度やデオキシヘモグロビン濃度から脳活動状態を測定する脳機能測定装置の構成を示す図である。この光生体計測装置は、主として、光学測定部10、光生体計測装置全体の制御を行う制御部20、アプリケーションプログラムや測定データを記憶する記憶部30、設定画面や測定結果を表示する表示部40とから構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical biometric device according to an embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 1 shows a configuration of a brain function measuring device that measures a brain activity state from oxyhemoglobin concentration or deoxyhemoglobin concentration. FIG. This optical biological measurement apparatus mainly includes an optical measurement unit 10, a control unit 20 that controls the entire optical biological measurement device, a storage unit 30 that stores application programs and measurement data, and a display unit 40 that displays setting screens and measurement results. It consists of.
光学測定部10は、光源12、複数の送光ファイバ13、送光ファイバに接続される複数の入射プローブ14により形成される入射部15と、複数の検出プローブ16、複数の検出プローブに接続される受光ファイバ17、検出器18により形成される検出部19とからなる。
光源12は、発光波長が異なる3つのレーザ光源が用いられ、例えば、λ1(780nm)、λ2(805nm)、λ3(830nm)の3波長の光が、図示しない切替え機構により選択的に発光するように構成されている。
入射プローブ14は、送光ファイバ13を介して送られてくる光が頭部へ入射するように、先端が頭皮に密着する状態にしてプローブホルダ53により固定してある。
検出プローブ16についても、同様であり、プローブ先端が頭皮に密着する状態にしてプローブホルダ53により固定してある。そして、検出プローブ16により検出した光は、検出器18に送られるようにしてある。検出器18には、フォトマルチプライヤ、フォトダイオードなどの受光素子が用いられている。
The optical measurement unit 10 is connected to the light source 12, the plurality of light transmission fibers 13, the incident unit 15 formed by the plurality of incident probes 14 connected to the light transmission fiber, the plurality of detection probes 16, and the plurality of detection probes. A light receiving fiber 17 and a detector 19 formed by a detector 18.
As the light source 12, three laser light sources having different emission wavelengths are used. For example, light having three wavelengths of λ 1 (780 nm), λ 2 (805 nm), and λ 3 (830 nm) is selectively selected by a switching mechanism (not shown). It is configured to emit light.
The incident probe 14 is fixed by the probe holder 53 so that the tip is in close contact with the scalp so that the light transmitted through the light transmission fiber 13 is incident on the head.
The same applies to the detection probe 16, and the probe tip 53 is fixed to the scalp by the probe holder 53. The light detected by the detection probe 16 is sent to the detector 18. For the detector 18, a light receiving element such as a photomultiplier or a photodiode is used.
なお、入射プローブ14と検出プローブ16とは、互いに隣接するように配置されており、隣接する入射プローブ14と検出プローブ16とにより挟まれた中間領域が、測定チャンネル(感度を有する領域)となるようにしてある。
そして、後述する光学測定部制御部21による制御により、一対の入射プローブ14と検出プローブ16の組み合わせが選択され、その組み合わせにより定められる測定チャンネル(図8の♯1〜♯36)のひとつについての測定が行われる。このとき、互いに光が干渉しないような組み合わせを選択することで、複数の測定チャンネルを同時に測定してもよい。
検出器18で受光した信号(吸光度信号)は、増幅器36、A/D変換器37を介して、制御部20に送られる。
The incident probe 14 and the detection probe 16 are arranged so as to be adjacent to each other, and an intermediate region sandwiched between the adjacent incident probe 14 and the detection probe 16 becomes a measurement channel (a region having sensitivity). It is like that.
Then, a combination of a pair of incident probe 14 and detection probe 16 is selected by control by an optical measurement unit control unit 21 described later, and one of measurement channels (# 1 to # 36 in FIG. 8) determined by the combination is selected. Measurement is performed. At this time, a plurality of measurement channels may be measured simultaneously by selecting a combination that does not cause light interference with each other.
A signal (absorbance signal) received by the detector 18 is sent to the control unit 20 via the amplifier 36 and the A / D converter 37.
制御部20は、CPUにより構成され、記憶部30に記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実行する。
この制御部20を、実行する機能に基づいて分けると、光学測定部制御部21、濃度変化量・平均光路積演算部22、計算吸光度変化量演算部23、残差自乗和/残差自乗和率演算部25、判定部25、表示制御部26とに分類することができる。
The control unit 20 includes a CPU and executes various functions by executing programs stored in the storage unit 30.
When the control unit 20 is divided based on the function to be executed, the optical measurement unit control unit 21, the concentration change / average optical path product calculation unit 22, the calculated absorbance change calculation unit 23, the residual square sum / residual square sum. They can be classified into a rate calculation unit 25, a determination unit 25, and a display control unit 26.
光学測定部制御部21は、脳活動信号のマッピングデータをとるために、光学測定部10の複数の入射プローブ14と複数の検出プローブ16から、適当なタイミングで、順次、一対の入射プローブ14aと検出プローブ16aの組み合わせを選択し、適当なタイミングで入射プローブ14aから送光し、検出プローブ16aで受光する動作を行うことで、対応する測定チャンネル(#1〜#36)についての吸光度信号を採取する制御を行う。 The optical measurement unit control unit 21 sequentially receives a pair of incident probes 14a from the plurality of incident probes 14 and the plurality of detection probes 16 of the optical measurement unit 10 at appropriate timing in order to obtain mapping data of brain activity signals. By selecting the combination of the detection probes 16a, transmitting light from the incident probe 14a at an appropriate timing, and receiving light by the detection probe 16a, the absorbance signal for the corresponding measurement channel (# 1 to # 36) is collected. Control.
濃度変化量・平均光路積演算部22は、オキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]およびデオキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積 [deoxyHb]と、吸光度変化量ΔAとの間の関係式である(1)式を利用して、測定吸光度変化ΔAm(λ=780、805、830nm)に基づいて、最小自乗法により、オキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]((5)式)、および、全オキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[totalHb](=[oxyHb]+[deoxyHb])を算出する演算を行う。 The concentration change / average optical path product calculation unit 22 calculates the difference between the oxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [oxyHb] and deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [deoxyHb] and the absorbance change ΔA. Based on the measured absorbance change ΔAm (λ = 780, 805, 830 nm) using the relational expression (1), the oxyhemoglobin concentration change amount / average optical path length product [oxyHb], Calculation to calculate deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [deoxyHb] (equation (5)) and total oxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [totalHb] (= [oxyHb] + [deoxyHb]) I do.
なお、光吸収量の変化が小さいときは、簡略化のため、平均光路長を一定として扱うことができる。この場合(1)式において、平均光路長は省略でき、[oxyHb]をオキシヘモグロビン濃度変化量、[deoxyHb]をデオキシヘモグロビン濃度変化量として扱うことができる。通常の測定では、この条件が満たされている。本実施形態でも、平均光路長は一定であるとして以後の説明では、これを省略することとする。 When the change in the amount of light absorption is small, the average optical path length can be treated as constant for simplification. In this case, in the equation (1), the average optical path length can be omitted, and [oxyHb] can be treated as an oxyhemoglobin concentration change amount and [deoxyHb] as a deoxyhemoglobin concentration change amount. In normal measurements, this condition is met. Also in this embodiment, the average optical path length is assumed to be constant, and this will be omitted in the following description.
計算吸光度変化量演算部23は、算出したオキシヘモグロビン濃度変化量[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量[deoxyHb]に基づいて、(1)式を利用して、計算により計算吸光度変化量ΔAc(λn)を算出する演算を行う((6)式)。 The calculated absorbance change calculator 23 calculates the calculated absorbance change ΔAc (λn) using the formula (1) based on the calculated oxyhemoglobin concentration change [oxyHb] and deoxyhemoglobin concentration change [deoxyHb]. ) Is calculated (formula (6)).
残差自乗和/残差自乗和率演算部24は、光学測定部11による測定により取得した測定吸光度変化量ΔAm(λn)と、(6)式で算出した計算吸光度変化量ΔAc(λn)とに基づいて、残差自乗和D((2)式)を算出し、さらに、これを規格化した残差自乗和率E((3)式)を算出する。 Residual square sum / residual square sum arithmetic operation part 24 includes a measurement amount of change in absorbance ΔAm obtained by measurement by the optical measuring unit 11 (λ n), (6 ) formula in the calculated calculated absorbance variation ΔAc (λ n ) To calculate a residual sum of squares D (formula (2)), and further calculate a normalized residual sum of squares ratio E (formula (3)).
判定部25は、予め実験的に求めて設定した基準値Rと、残差自乗和D(あるいは残差自乗和率E)とを大小比較して、アーチファクトを含むか否かを判定する演算を行う。この基準値Rは、アーチファクトを含む信号と含まない信号の測定データから、統計的に求めるのが好ましいが、測定者の経験に基づいて適当な値を任意に設定することもできる。 The determination unit 25 compares the reference value R obtained experimentally in advance with the residual sum of squares D (or residual square sum ratio E) to determine whether or not an artifact is included. Do. The reference value R is preferably obtained statistically from the measurement data of the signal including the artifact and the signal not including the artifact, but an appropriate value can be arbitrarily set based on the experience of the measurer.
表示制御部26は、表示部40に表示する画面の制御を行う。表示の一形態として、算出したオキシヘモグロビン濃度変化量[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量[deoxyHb]を、生体信号(脳活動信号)の経時データとして表示する。この表示において、後述するアーチファクト発生時記憶部27に、アーチファクト発生時のデータが記憶されている場合は、測定した生体信号の経時データを表示するとともに、アーチファクトの発生時点にマークを表示したり、発生時点以降の経時データの色を変えたりする。
また、複数の測定チャンネルについての経時データを並べて表示する(図9参照)。この場合に、アーチファクト発生時のデータが記憶されている測定チャンネルについては、該当する経時データの背景色を他のチャンネルの背景色と異なる色にしたり、該当する経時データを太枠で囲んだりして、目立つようにする。
The display control unit 26 controls the screen displayed on the display unit 40. As one form of display, the calculated oxyhemoglobin concentration change amount [oxyHb] and deoxyhemoglobin concentration change amount [deoxyHb] are displayed as time-dependent data of a biological signal (brain activity signal). In this display, when the data at the time of artifact occurrence is stored in the artifact occurrence time storage unit 27 to be described later, the time-lapse data of the measured biological signal is displayed, and a mark is displayed at the time of occurrence of the artifact, Change the color of the time-lapse data after the point of occurrence.
Further, the time-lapse data for a plurality of measurement channels are displayed side by side (see FIG. 9). In this case, for the measurement channel in which the data at the time of occurrence of the artifact is stored, the background color of the corresponding time-lapse data may be different from the background color of other channels, or the corresponding time-lapse data may be surrounded by a thick frame. And make it stand out.
記憶部30は、HDDなどの記憶装置により構成され、制御に必要なアプリケーションプログラムを記憶する。また、測定したデータを随時、記憶し、後に利用するために保存する。さらに、アーチファクト発生時記憶部27が形成されており、判定部25により、アーチファクトが含まれるとの判定がなされたときは、その発生時点を記憶する。 The storage unit 30 is configured by a storage device such as an HDD, and stores application programs necessary for control. The measured data is stored as needed and saved for later use. Further, an artifact occurrence storage unit 27 is formed, and when the determination unit 25 determines that an artifact is included, the generation point is stored.
表示部40は、フラットパネル、液晶パネルなどで構成され、表示制御部26による制御の下で、経時データや設定画面が表示できるようにしてある。 The display unit 40 is configured by a flat panel, a liquid crystal panel, and the like, and can display time-lapse data and a setting screen under the control of the display control unit 26.
次に、上記装置の動作について、図2のフローチャートを用いて説明する。
まず、各測定チャンネル(#1〜#36)について、3つの異なる波長にて、測定により、吸光度変化量(ΔAm)を採取する(s101)。
続いて、測定吸光度変化量(ΔAm)を用いて、平均光路長は一定として最小自乗法により、(5)式による計算を行い、オキシヘモグロビン濃度変化量[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量[deoxyHb]を算出し、さらに全ヘモグロビン濃度変化量[totalHb]を算出する(s102)。
Next, the operation of the above apparatus will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, for each measurement channel (# 1 to # 36), an absorbance change amount (ΔAm) is collected by measurement at three different wavelengths (s101).
Subsequently, using the measured absorbance change amount (ΔAm), the average optical path length is constant, and the calculation according to the equation (5) is performed by the least square method, and the oxyhemoglobin concentration change amount [oxyHb], deoxyhemoglobin concentration change amount [deoxyHb ] And the total hemoglobin concentration change amount [totalHb] is calculated (s102).
続いて、(6)式による計算を行い、計算吸光度変化量(ΔAc)を算出する(s103)。
さらに、測定吸光度変化(ΔAm)と計算吸光度変化(ΔAc)とに基づいて、残差自乗和D((2)式)、残差自乗和率E((3)式)を算出する(s104)。
Subsequently, a calculation according to the equation (6) is performed to calculate a calculated absorbance change amount (ΔAc) (s103).
Further, based on the measured absorbance change (ΔAm) and the calculated absorbance change (ΔAc), the residual sum of squares D (formula (2)) and the residual sum of squares ratio E (formula (3)) are calculated (s104). .
そして、残差自乗和D、残差自乗和率Eと、基準値R(閾値)との比較を行い(S105)、比較の結果、設定した基準値Rより小さいときは、アーチファクトが含まれていないと判定され、何も対策がとられることなく、通常の表示が行われる(S106)。
比較の結果、基準値Rより大きいときは、アーチファクトが含まれていると判定され、アーチファクトが発生したチャンネルであることを示す背景色で表示し、また、経時データを表示しているときは、経時データのなかでアーチファクトが発生している領域の色を変えたり、マークをつけたりして目立つように表示する(S107)。
Then, the residual sum of squares D and the residual sum of squares ratio E are compared with a reference value R (threshold value) (S105). If the result of the comparison is smaller than the set reference value R, an artifact is included. The normal display is performed without taking any countermeasures (S106).
As a result of comparison, when the value is larger than the reference value R, it is determined that the artifact is included, and the background color indicating that the artifact is generated is displayed in a background color. In the time-lapse data, the color of the area where the artifact is generated is changed, or a mark is given to display it conspicuously (S107).
次に、生体信号データ(脳賦活データ)におけるアーチファクト判定例について説明する。生体信号データを採取する際に、トレッドミル歩行による運動付加を与えた。運動負荷は、速度が3km/hの歩行タスクであり、30秒のレスト、90秒のタスク、30秒のレスト(合計150秒)のタイムコースにしたがうものである。
測定チャンネルは、図8に示したものと同様の配置となるように設定し、合計36個のチャンネルで信号を採取した。測定終了後に、36個の測定チャンネルからの生体信号データは、並べて表示された(図9参照)。
以下に、これらのチャンネルで採取した信号のなかから典型的な信号データについて説明する。
Next, an example of artifact determination in biological signal data (brain activation data) will be described. When collecting biosignal data, exercise was added by treadmill walking. The exercise load is a walking task with a speed of 3 km / h, and follows a time course of a 30-second rest, a 90-second task, and a 30-second rest (total 150 seconds).
The measurement channels were set to have the same arrangement as that shown in FIG. 8, and signals were collected from a total of 36 channels. After the measurement, the biological signal data from the 36 measurement channels were displayed side by side (see FIG. 9).
In the following, typical signal data from signals collected in these channels will be described.
図3(a)は、アーチファクトを含まない典型的な脳賦活データ信号([oxyHb]と[deoxyHb])であり、図3(b)は、これに対応する残差自乗和率E((3)式参照)である。また、図4(a)は、アーチファクトを含んでいるときの典型的な脳賦活データ信号であり、図4(b)は、これに対応する残差自乗和率Eである。また、図5(a)は、脳賦活データ信号であると考えるが、タスク終了後に信号が元の値まで戻らない、視覚的評価ではアーチファクトを含むか否かを判定することが困難な中間的な脳賦活データ信号であり、図5(b)は、これに対応する残差自乗和率Eである。 FIG. 3A is a typical brain activation data signal ([oxyHb] and [deoxyHb]) that does not include artifacts, and FIG. 3B shows a residual sum of squares ratio E ((3 ) Refer to equation). FIG. 4A shows a typical brain activation data signal when an artifact is included, and FIG. 4B shows a residual sum of squares ratio E corresponding thereto. Further, FIG. 5 (a) is considered to be a brain activation data signal, but the signal does not return to the original value after the task is finished, and it is difficult to determine whether or not an artifact is included in visual evaluation. FIG. 5B shows the residual sum of squares ratio E corresponding to the brain activation data signal.
図3(a)の典型的な脳賦活データの場合は、残差自乗和率Eが、ほぼ10−6以下(図3(b)参照)となっているのに対し、図4(a)のアーチファクトが含まれる賦活データの場合は、残差自乗和率Eが脳賦活信号値の変化に対応して増大し、10−4以上となっている(図4(b)参照)。また、図5(a)の中間的な脳賦活データの場合は、100秒以降に残差自乗和率Eが急激に増加し(したがって90秒のときはアーチファクトが含まれていない)、残差自乗和Eが増加後は10−3以上となっている。
例えば、90秒の時点における図4(a)、図5(a)の具体的には、0.0005、0.00006であった。
したがって、残差自乗和率Eにより、アーチファクトを含むか否かを判定しようとする場合には、上記データから、基準値Rを0.00006よりも大きく、0.0005よりも小さい値を選ぶこととし、例えば0.0001程度に設定することにより、Rがこれより小さいときにはアーチファクトが含まれていないと判定できるようにする。
In the case of the typical brain activation data of FIG. 3A, the residual sum of squares ratio E is approximately 10 −6 or less (see FIG. 3B), whereas FIG. In the case of activation data including this artifact, the residual sum of squares ratio E increases corresponding to the change in the brain activation signal value and is 10 −4 or more (see FIG. 4B). Further, in the case of the intermediate brain activation data in FIG. 5A, the residual sum of squares E rapidly increases after 100 seconds (thus, no artifact is included at 90 seconds). After the square sum E increases, it is 10 −3 or more.
For example, the specific values in FIGS. 4A and 5A at the time of 90 seconds were 0.0005 and 0.00006.
Therefore, when it is determined whether or not artifacts are included based on the residual square sum ratio E, the reference value R is selected from the above data to a value larger than 0.00006 and smaller than 0.0005. For example, 0.0001 By setting the degree, it is possible to determine that the artifact is not included when R is smaller than this.
このようにして、Rを設定した以後は、設定したRを基準値としてアーチファクトの有無が判定される。そして残差自乗和率Eが基準値Rを超える場合は、脳賦活データの該当する領域の色を変えた表示がなされることにより、アーチファクトの有無が明確に見えるようになる。
また、36個の測定チャンネルからの脳賦活データを、並べて表示画面に表示したときは(図9参照)、基準値Rを超えたチャンネルは、脳賦活データの背景色が変えられて表示される。図9の表示例によれば、例えば、#2、#3、#8、#9の4つの測定チャンネルについて、異なる背景色で表示される。この結果、これら4つチャンネルの測定の際に共通して使用されていた特定の入射プローブ14が位置ずれしたものと、簡単に判断することができるようになる。
In this way, after setting R, the presence or absence of an artifact is determined using the set R as a reference value. When the residual sum of squares ratio E exceeds the reference value R, the presence or absence of an artifact can be clearly seen by changing the color of the corresponding area of the brain activation data.
When brain activation data from 36 measurement channels are displayed side by side on the display screen (see FIG. 9), channels exceeding the reference value R are displayed with the background color of the brain activation data changed. . According to the display example of FIG. 9, for example, four measurement channels # 2, # 3, # 8, and # 9 are displayed with different background colors. As a result, it is possible to easily determine that the specific incident probe 14 used in common in the measurement of these four channels is displaced.
図4(a)、図5(a)における90秒の時点の値を用いて、modified Lambert Beerの法則(MLB則)((6)式)を、プロットしたときの解のデータを図6、図7に示す。
図6、図7に見られる3本の直線は、(6)式の3つの方程式それぞれに対応し、2本の直線の交点は、(6)式の3つの式うち、2つの方程式を用いて解いた場合の解を示している。このときの2つの方程式は、3通りの組み合わせを取りうるので、交点が3つ、すなわち解が3つできることになる。
この交点のばらつきが小さい場合は、MLB則に合致した、すなわち、アーチファクトの影響がない脳賦活信号であることになる。一方、ばらつきが大きい場合は、脳賦活信号だけではなく、アートファクトが含まれた信号であることになる。なお、ばらつきが大きい場合は、残差自乗和率Eが大きくなる。
The modified Lambert Beer's law (MLB law) (Equation (6)) is plotted using the value at the time of 90 seconds in FIG. 4 (a) and FIG. 5 (a). FIG. As shown in FIG.
The three straight lines shown in FIGS. 6 and 7 correspond to the three equations (6), respectively, and the intersection of the two straight lines uses two of the three equations (6). It shows the solution when solved. Since the two equations at this time can take three combinations, there are three intersections, that is, three solutions.
When the variation of the intersection is small, the brain activation signal is consistent with the MLB rule, that is, has no influence of the artifact. On the other hand, when the variation is large, the signal includes not only the brain activation signal but also the artifact. When the variation is large, the residual sum of squares ratio E becomes large.
図6と図7を比較すると、明らかに図7の場合の方が交点のばらつきが小さく、MLBの法則に合致した(アーチファクトの影響がない)脳賦活信号であることになる。図5(a)の90秒後のデータには、アーチファクトが含まれていないことがわかる。一方、図6の場合は、MLB則からかなり大きく外れており、脳賦活信号だけではなく、アートファクトが含まれた信号であることになる。 When FIG. 6 is compared with FIG. 7, the variation in the intersection is clearly smaller in the case of FIG. 7, and the brain activation signal conforms to the MLB law (no influence of the artifact). It can be seen that the data after 90 seconds in FIG. 5A does not include artifacts. On the other hand, in the case of FIG. 6, the MLB rule is significantly different from the MLB rule, and the signal includes not only the brain activation signal but also the artifact.
本発明は、生体信号に、アーチファクトが含まれているか否かの判定を、的確に行うことができる光生体計測装置を製造する際に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used when manufacturing an optical biological measurement apparatus that can accurately determine whether or not an artifact is included in a biological signal.
10:光学測定部
12:光源
14:入射プローブ
15:入射部
16:検出プローブ
18:検出器
19:検出部
20:制御部
21:光学測定制御部
22:濃度変化量・平均光路長積演算部
23:計算吸光度変化量演算部
24:残差自乗和/残差自乗和率演算部
25:判定部
26:表示制御部
27:アーチファクト発生時記憶部
30:記憶部
40:表示部
10: Optical measurement unit 12: Light source 14: Incident probe 15: Incident unit 16: Detection probe 18: Detector 19: Detection unit 20: Control unit 21: Optical measurement control unit 22: Density change amount / average optical path length product calculation unit 23: Calculated absorbance change amount calculation unit 24: Residual sum of squares / residual sum of squares ratio calculation unit 25: Determination unit 26: Display control unit 27: Artifact occurrence storage unit 30: Storage unit 40: Display unit
Claims (4)
生体内に光を照射する入射プローブと生体内から再放出された光を検出する検出プローブとにより、少なくとも3つの異なる波長λn(但し、n≧3)にて吸光度変化量を測定して測定吸光度変化量ΔAm(λn)を取得する光学測定部と、
オキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]およびデオキシヘモグロビンの濃度変化量・平均光路長積 [deoxyHb]と、吸光度変化量ΔAとの間の関係式(LB)を利用して、前記測定吸光度変化ΔAm(λn)に基づいて、最小自乗法により、オキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]を算出する濃度変化量・平均光路積演算部と、
算出したオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]に基づいて、再度、関係式(LB)を利用して、計算により計算吸光度変化量ΔAc(λn)を算出する計算吸光度変化量演算部と、
測定吸光度変化量ΔAm(λn)と計算吸光度変化量ΔAc(λn)とに基づいて残差自乗和D、または、残差自乗和率Eを算出する残差自乗和/残差自乗和率演算部と、
残差自乗和D、または、残差自乗和率Eを、基準値Rと比較することにより、アーチファクトを含むか否かの判定を行う判定部とを備えたことを特徴とする光生体計測装置。
ここで、
関係式(LB);
ΔA(λn)=E0(λn)×[oxyHb]+Ed(λn)×[deoxyHb]
ただし、E0(λn)はオキシヘモグロビンの吸光度係数、Ed(λn)はデオキシヘモグロビンの吸光度係数
残差自乗和D;
D=(ΔAm(λ1)−ΔAc(λ1))2+(ΔAm(λ2)−ΔAc(λ2))2+・・・+(ΔAm(λn)−ΔAc(λn))2
残差自乗和率E;
E=D/((ΔAm(λ1))2+(ΔAm(λ2))2+・・・+(ΔAm(λn))2) An optical biometric device that obtains information about a living body based on detection light by irradiating light to scatter inside the living body and detecting light re-emitted from within the living body,
The absorbance measured by measuring the amount of change in absorbance at at least three different wavelengths λn (where n ≧ 3) with an incident probe that irradiates light into the living body and a detection probe that detects light re-emitted from the living body. An optical measurement unit for obtaining a change amount ΔAm (λn);
Using the relational expression (LB) between the concentration change amount / average optical path length product [oxyHb] and deoxyhemoglobin concentration change amount / average optical path length product [deoxyHb] of oxyhemoglobin and the absorbance change amount ΔA, Based on the measured absorbance change ΔAm (λn), the oxyhemoglobin concentration change amount / average optical path length product [oxyHb], deoxyhemoglobin concentration change amount / average optical path length product [deoxyHb] are calculated by the least square method. An average optical path product calculation unit;
Based on the calculated oxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [oxyHb] and deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [deoxyHb], using the relational expression (LB) again, the calculated absorbance change is calculated. A calculated absorbance change amount calculation unit for calculating an amount ΔAc (λ n );
Residual sum of squares / residual sum of squares ratio calculation to calculate residual square sum D or residual sum of squares ratio E based on measured absorbance change amount ΔAm (λn) and calculated absorbance change amount ΔAc (λ n ) And
An optical biological measurement apparatus comprising: a determination unit that determines whether or not an artifact is included by comparing a residual square sum D or a residual square sum ratio E with a reference value R .
here,
Relational expression (LB);
ΔA (λ n ) = E 0 (λ n ) × [oxyHb] + E d (λ n ) × [deoxyHb]
Where E 0 (λ n ) is the absorbance coefficient of oxyhemoglobin, E d (λ n ) is the absorbance coefficient residual sum of squares D of deoxyhemoglobin;
D = (ΔAm (λ 1 ) −ΔAc (λ 1 )) 2 + (ΔAm (λ 2 ) −ΔAc (λ 2 )) 2 +... + (ΔAm (λ n ) −ΔAc (λ n )) 2
Residual square sum ratio E;
E = D / ((ΔAm (λ 1 )) 2 + (ΔAm (λ 2 )) 2 +... + (ΔAm (λ n )) 2 )
さらに、判定部によりアーチファクトを含む判定がなされた場合にアーチファクト発生時点を記憶するアーチファクト発生時記憶部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の光生体計測装置。 The optical measurement unit obtains the measured absorbance change ΔAm (λ n ) from time to time, and also calculates the concentration change / average optical path product calculation unit, calculated absorbance change calculation unit, residual sum of squares / residual sum of squares ratio. Part, the determination part performs calculation and determination over time based on the obtained measured absorbance change amount ΔAm (λ n ),
The optical biological measurement apparatus according to claim 1, further comprising an artifact generation time storage unit that stores an artifact generation time when determination including an artifact is made by the determination unit.
表示制御部は、経時的に算出されるオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[oxyHb]、デオキシヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[deoxyHb]、これら2つの和である全ヘモグロビン濃度変化量・平均光路長積[totalHb]の少なくともいずれかを、経時的データとして表示部に表示するとともに、判定部によりアーチファクトを含む判定がなされた場合に、アーチファクト発生時記憶部に記憶されたアーチファクト発生時点を参照して、前記経時的データにおけるアーチファクトを含む領域が識別可能なように表示する制御を行うことを特徴とする請求項2に記載の光生体計測装置。 The optical biological measurement device further includes a display unit and a display control unit that controls display contents of the display unit,
The display control unit calculates oxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [oxyHb], deoxyhemoglobin concentration change / average optical path length product [deoxyHb], and the total hemoglobin concentration change that is the sum of these two,・ At least one of the average optical path length product [totalHb] is displayed as time-dependent data on the display unit, and when the determination unit determines that the artifact is included, the artifact generation time point stored in the storage unit when the artifact is generated The optical living body measurement apparatus according to claim 2, wherein control is performed so that a region including an artifact in the temporal data is displayed so as to be identified.
光学測定部は、複数の入射プローブと複数の検出プローブとを有し、入射プローブと検出プローブとの組み合わせによって定まる複数の測定チャンネルについて、それぞれの測定チャンネルの吸光度変化量を測定して複数の測定吸光度変化量ΔAm(λn)を取得し、
取得した複数の測定吸光度変化量ΔAm(λn)に対して、濃度変化量・平均光路積演算部、計算吸光度変化量演算部、残差自乗和/残差自乗和率演算部、判定部が、アーチファクトを含むか否かを判定するための演算、判定を行い、
表示制御部は、表示部に複数の測定チャンネルのデータを並べて表示するとともに、判定部の判定結果に基づいてアーチファクトを含む測定チャンネルと含まない測定チャンネルとを識別可能に表示する制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の光生体計測装置。
The optical biological measurement device further includes a display unit and a display control unit that controls display contents of the display unit,
The optical measurement unit has a plurality of incident probes and a plurality of detection probes. For a plurality of measurement channels determined by the combination of the incident probe and the detection probe, a plurality of measurements are performed by measuring the amount of change in absorbance of each measurement channel. Obtain the change in absorbance ΔAm (λ n )
For a plurality of measured absorbance change amounts ΔAm (λ n ) acquired, a concentration change / average optical path product calculation unit, a calculated absorbance change calculation unit, a residual square sum / residual square sum rate calculation unit, and a determination unit , Perform calculations to determine whether or not to include artifacts,
The display control unit displays the data of the plurality of measurement channels side by side on the display unit, and performs control to display the measurement channel including the artifact and the measurement channel not including the identification channel based on the determination result of the determination unit. The optical biological measurement apparatus according to claim 1, wherein
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