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JP6004430B2 - Biological light measurement device - Google Patents

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JP6004430B2
JP6004430B2 JP2012231665A JP2012231665A JP6004430B2 JP 6004430 B2 JP6004430 B2 JP 6004430B2 JP 2012231665 A JP2012231665 A JP 2012231665A JP 2012231665 A JP2012231665 A JP 2012231665A JP 6004430 B2 JP6004430 B2 JP 6004430B2
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伸二 梅山
伸二 梅山
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Description

本発明は、光を用いて脳機能を計測する生体光計測装置に関する。   The present invention relates to a biological light measurement device that measures brain function using light.

生体光計測装置として近赤外脳機能計測(fNIRS)はすでに知られており、近赤外脳機能計測(fNIRS)において多点計測を行うために、多数の入射プローブと検出プローブを頭表に配置し、入射プローブから近赤外光を脳内に照射し、検出プローブから出てくる光の輝度を計測すると、近赤外光は生体内のヘモグロビンによって吸収されるため計測輝度変化からヘモグロビン濃度変化を推定することができる。しかも、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンで光の波長に対する吸収係数が異なるため、異なる波長の近赤外光で計測を行うとオキシおよびデオキシヘモグロビン濃度の変化を求めることができ、これにより脳機能の状態を計測するものである。
正確に計測するためには、頭表に配置した多数の入射プローブと検出プローブについて、各プローブと頭表とのコンタクトが安定に保持されていることが重要である。不安定なコンタクトを検出するため、従来は、ある時間間隔のトータルヘモグロビンの変化量(特許文献1参照)や、三波長計測においてオキシおよびデオキシヘモグロビン変化を最小二乗法で求める際に出る残差(特許文献2参照)などを調べ、これらがある基準より大きく観測された場合に、そのチャンネルが不安定であるとした。
Near-infrared brain function measurement (fNIRS) is already known as a biological light measurement device, and in order to perform multipoint measurement in near-infrared brain function measurement (fNIRS), a large number of incident probes and detection probes are listed on the head. When the near-infrared light is irradiated into the brain from the incident probe and the brightness of the light emitted from the detection probe is measured, the near-infrared light is absorbed by hemoglobin in the living body. Changes can be estimated. In addition, since the absorption coefficient for light wavelength differs between oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin, changes in oxy and deoxyhemoglobin concentrations can be determined by measuring with near-infrared light of different wavelengths, which allows the state of brain function to be determined. It is to be measured.
In order to measure accurately, it is important that the contact between each probe and the head surface is stably maintained for a large number of incident probes and detection probes arranged on the head surface. In order to detect unstable contacts, conventionally, the amount of change in total hemoglobin at a certain time interval (see Patent Document 1) and the residual that occurs when oxy and deoxyhemoglobin changes are determined by the least squares method in three-wavelength measurement ( (See Patent Document 2) and the like, and when these were observed larger than a certain standard, the channel was determined to be unstable.

特開2004−261265号公報JP 2004-261265 A 特開2006−109964号公報JP 2006-109964 A

従来行われている不良コンタクトの検出では、チャンネルごとのノイズの大きさに注目している。このため、どのチャンネルに問題があるかを検出することは可能であるが、そのチャンネルを構成する入射プローブと検出プローブのどちらのプローブが問題なのかを特定することはできず、不良コンタクトの絞り込みを十分に行うことができなかった。また、あるチャンネルに問題があった場合、プローブ直下の頭髪の除去やプローブの結束の工夫などを試行錯誤しその改善を図るのであるが、この際にはそのチャンネルを構成する両方のプローブの調整を行わざるをえないため、場合によっては、問題の無い側のプローブをいじってしまい、逆にそのコンタクトを悪化させることもありえた。
さらに、不良コンタクトに起因するノイズとしては、モーションアーティファクト(体動に伴うノイズ)と計測ノイズ(ホワイトノイズ)が考えられるが、従来技術ではこれらを区別せずに扱っているため、ノイズの種類に応じてプローブ調整手法を変更するといったことができない。また、通常、モーションアーティファクトの方が、計測ノイズよりもデータに与える害が大きいが、モーションアーティファクトの大きなプローブのみ調整を行い他のプローブについては下手にいじらないといった柔軟な対応もできない。
In the conventional detection of defective contacts, attention is paid to the magnitude of noise for each channel. For this reason, it is possible to detect which channel has the problem, but it is not possible to identify which of the incident probe and the detection probe constituting the channel is the problem, and narrowing down bad contacts. Could not do enough. Also, if there is a problem with a channel, trial and error will be done to remove the hair directly under the probe and to devise a method for binding the probe. In this case, adjustment of both probes that make up the channel Therefore, in some cases, the probe on the side having no problem may be tampered with, and conversely, the contact may be deteriorated.
In addition, noise caused by defective contacts can be motion artifact (noise due to body movement) and measurement noise (white noise). The probe adjustment method cannot be changed accordingly. In general, motion artifacts cause more damage to data than measurement noise, but it is not possible to make a flexible response such that only probes with large motion artifacts are adjusted and other probes are not tampered with.

プローブコンタクトの評価として、そこでの計測光の減衰の定常的な大きさおよび減衰度の時間的なふらつきを考える。計測ノイズの大きさは減衰の定常的な大きさから定まり、モーションアーティファクトの大きさは減衰度の時間的なふらつきの大きさから定まることを示すことができる。このため、計測データから各チャンネルでの二種のノイズの大きさを求め、それらから逆にコンタクトにおける計測光の減衰の定常的な大きさおよび減衰度の時間的なふらつきを計算し、それらを当該コンタクトの計測ノイズおよびモーションアーティファクトについての評価値として用いる。ただし、チャンネルは入射プローブと検出プローブとから構成されるため、各チャンネルのノイズの大きさは二つのプローブの評価の積によって定まる。多点計測においては、プローブがいくつかのチャンネルにまたがって用いられているため、各チャンネルがどのプローブを用いているかの情報を用い、逆問題を解くことにより各プローブの評価値を求める。
各チャンネルの計測データ(吸光度データ)には、生体血流動態変化から生じる信号も含まれており、不良コンタクトの検出という点からはこの信号は邪魔である。近赤外脳機能計測の基礎法則であるModified Beer−Lambert則によれば、この信号はオキシおよびデオキシヘモグロビンの吸光係数ベクトルで張られる平面(BL平面と呼ぶ)上に分布する。モーションアーティファクトなどのノイズは、必ずしもこの平面上に無いため、吸光度データのこの平面に直交する成分(BL平面直交成分と呼ぶ)を抽出することにより、ノイズ成分だけを取り出すことができる。また、モーションアーティファクトと計測ノイズは、その周波数スペクトルが異なるため、ローパスフィルタとハイパスフィルタを組み合わせることにより、それぞれの成分のみを抽出することができる。図9に本発明の処理の流れを示す。
As the evaluation of the probe contact, the steady magnitude of the measurement light attenuation and the temporal fluctuation of the attenuation degree are considered. It can be shown that the magnitude of the measurement noise is determined from the steady magnitude of the attenuation, and the magnitude of the motion artifact is determined from the magnitude of the temporal fluctuation of the attenuation. For this reason, two kinds of noise magnitudes in each channel are obtained from the measurement data, and on the contrary, the steady magnitude of attenuation of the measurement light at the contact and the temporal fluctuation of the attenuation degree are calculated, and these are calculated. Used as an evaluation value for measurement noise and motion artifact of the contact. However, since the channel is composed of the incident probe and the detection probe, the magnitude of noise in each channel is determined by the product of the evaluation of the two probes. In multipoint measurement, since probes are used across several channels, the evaluation value of each probe is obtained by solving the inverse problem using information on which probe is used by each channel.
The measurement data (absorbance data) of each channel includes a signal resulting from a change in the blood flow of the living body, and this signal is a hindrance from the viewpoint of detecting a defective contact. According to the Modified Beer-Lambert law, which is a basic law of near-infrared brain function measurement, this signal is distributed on a plane (referred to as a BL plane) spanned by extinction coefficient vectors of oxy and deoxyhemoglobin. Since noise such as motion artifacts is not necessarily on this plane, it is possible to extract only the noise component by extracting a component orthogonal to this plane of the absorbance data (referred to as BL plane orthogonal component). In addition, since motion artifacts and measurement noise have different frequency spectra, only the respective components can be extracted by combining a low-pass filter and a high-pass filter. FIG. 9 shows a processing flow of the present invention.

すなわち、本発明は、多数の入射プローブおよび検出プローブを頭表に配置し、入射プローブから3波長以上の近赤外光を脳内に照射し、検出プローブから出てくる光の輝度を計測して得られた吸光度変化から、オキシおよびデオキシヘモグロビン濃度の変化を求めることにより脳機能の状態を計測するとともに、前記吸光度変化からノイズ成分としてBL平面直交成分を抽出してプローブのコンタクト不良を検知する生体光計測装置において、ローパスフィルタとハイパスフィルタを備え、前記抽出したノイズ成分をローパスフィルタ処理した出力をモーションアーティファクトのみによるもの、前記抽出したノイズ成分をハイパスフィルタ処理した出力を計測ノイズのみによるものとして2つに分解することを特徴とする。
また、本発明は、前記生体光計測装置において、入射プローブおよび検出プローブのコンタクトにおける計測光の減衰の定常的な大きさおよび減衰度の時間的なふらつきから、吸光度変化に含まれるモーションアーティファクトや計測ノイズの大きさが定まるため、前記ローパスフィルタ処理した出力からこの逆問題を解いて各プローブのコンタクトにおける計測光の減衰度の時間的なふらつきを算出し、前記ハイパスフィルタ処理した出力からこの逆問題を解いて各プローブのコンタクトにおける計測光の減衰の定常的な大きさを算出し、これらを当該コンタクトのモーションアーティファクトおよび計測ノイズに対する評価指標として用いることを特徴とする。
また、本発明は、前記生体光計測装置において、前記算出したモーションアーティファクトに対する評価指標および計測ノイズに対する評価指標を表示するモニターを備えることを特徴とする。
また、本発明は、前記生体光計測装置において、前記算出したモーションアーティファクトに対する評価指標および計測ノイズに対する評価指標をプローブ毎に表示する表示装置を各プローブに設置したことを特徴とする。
That is, according to the present invention, a large number of incident probes and detection probes are arranged on the head surface, near-infrared light having three or more wavelengths is irradiated into the brain from the incident probes, and the luminance of light emitted from the detection probes is measured. From the change in absorbance obtained, the change in oxy and deoxyhemoglobin concentration is determined to measure the state of brain function, and the BL plane orthogonal component is extracted as a noise component from the change in absorbance to detect probe contact failure. In the biological light measurement device, a low-pass filter and a high-pass filter are provided, and the output obtained by low-pass filtering the extracted noise component is based only on motion artifacts, and the output obtained by performing high-pass filter processing on the extracted noise component is based only on measurement noise. It is characterized by being decomposed into two.
Further, the present invention provides a motion artifact and measurement included in a change in absorbance in the living body optical measurement device due to a steady magnitude of attenuation of measurement light at the contact of the incident probe and the detection probe and temporal fluctuation of the attenuation. Since the magnitude of noise is determined, the inverse problem is solved from the low-pass filtered output to calculate the temporal fluctuation of the measurement light attenuation at each probe contact, and the inverse problem is calculated from the high-pass filtered output. The steady-state magnitude of attenuation of the measurement light at the contact of each probe is calculated, and these are used as evaluation indexes for the motion artifact and measurement noise of the contact.
Further, the present invention is characterized in that the biological light measurement device further comprises a monitor for displaying an evaluation index for the calculated motion artifact and an evaluation index for measurement noise.
The present invention is also characterized in that, in the biological light measurement device, a display device for displaying the evaluation index for the calculated motion artifact and the evaluation index for measurement noise for each probe is installed in each probe.

従来行われている不良コンタクトの検出では、チャンネルごとのノイズの大きさに注目している。このため、どのチャンネルに問題があるかを検出することは可能であるが、そのチャンネルを構成する入射プローブと検出プローブのどちらが問題なのかを特定することはできず、不良コンタクトの絞り込みを十分に行うことができなかった。また、あるチャンネルに問題があった場合、そのチャンネルを構成する両方のプローブの調整を行わざるをえないが、場合によっては、問題の無い側のプローブをいじってしまい、逆にそのコンタクトを悪化させることもありえた。本発明の手法は、チャンネルではなく、どのプローブのコンタクトに問題があるかをピンポイントで示すことが可能であり、このような問題が無い。
さらに本発明の手法では、不良コンタクトから生じている問題が、モーションアーティファクトであるのか計測ノイズであるのかを示すことができる。モーションアーティファクトと計測ノイズではその原因が異なっているため、提案した手法を用いれば、プローブ調整について両者で異なったアプローチをとることが可能である。また、通常、モーションアーティファクトの方が、計測ノイズよりもデータに与える問題が大きいため、計測ノイズに関わるプローブはさわらずに、モーションアーティファクトに関わるプローブのみを調整するといった選択を行うことができる。これにより、モーションアーティファクトを生じていなかったプローブを誤っていじってしまい、逆に不安定にしてしまうといったことを避けることができる。
In the conventional detection of defective contacts, attention is paid to the magnitude of noise for each channel. For this reason, it is possible to detect which channel has a problem, but it is not possible to identify which problem is the incident probe or detection probe that constitutes the channel, and it is possible to sufficiently narrow down bad contacts. Could not do. Also, if there is a problem with a certain channel, both probes that make up that channel must be adjusted, but in some cases, the probe on the side with no problem is tampered with, and conversely the contact deteriorates. It could have happened. The method of the present invention can pinpoint which probe contact has a problem rather than a channel, and there is no such problem.
Furthermore, the method of the present invention can indicate whether the problem arising from the defective contact is a motion artifact or measurement noise. Since the causes of motion artifacts and measurement noise are different, using the proposed method, it is possible to take different approaches for probe adjustment. In addition, since the motion artifact usually gives more problems to the data than the measurement noise, it is possible to select only the probe related to the motion artifact without adjusting the probe related to the measurement noise. As a result, it is possible to avoid a situation in which a probe that has not caused a motion artifact is mistakenly tampered with and is unstable.

BL平面(平面P)の説明図である。It is explanatory drawing of BL plane (plane P). 実測に用いたfNIRS多点計測を説明するための図である。(a)は高密度プローブ配置を示しており、黒丸が入射プローブ、白丸が検出プローブであり、線が各チャンネルを表す。入射プローブ、検出プローブがそれぞれ16個あり、これらから44チャンネルが構成されている。(b)は高密度プローブを頭部に装着したところを説明した図である。It is a figure for demonstrating fNIRS multipoint measurement used for actual measurement. (a) shows a high-density probe arrangement, black circles are incident probes, white circles are detection probes, and lines represent each channel. There are 16 incident probes and 16 detection probes, and 44 channels are formed from these probes. (b) is the figure explaining the place which mounted | wore the high-density probe on the head. 図3の(a)(b)(c)はそれぞれ被験者ABCに対応し、図2で『*』を付したch−20で計測されたものであり、左側の図は吸光度変化(780nm)を示し、右側の図はBL平面直交成分を示した図である。(A), (b), and (c) in FIG. 3 correspond to the subject ABC, and are measured with ch-20 marked with “*” in FIG. 2, and the left figure shows the change in absorbance (780 nm). The figure on the right side shows the BL plane orthogonal component. 図4は、図3の直交成分をカットオフ周波数0.1Hzのローパスフィルタおよび1.0Hzのハイパスフィルタで処理した結果を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing a result of processing the orthogonal component of FIG. 3 with a low-pass filter with a cutoff frequency of 0.1 Hz and a high-pass filter with 1.0 Hz. 図5は被験者Bの計測結果であり、(a)は得られた各チャンネルの吸光度データからBL平面直交成分を求め、その大きさ(分散)をマップとして表示した図である。さらに、この成分をローパスフィルタ(0.1Hz)およびハイパスフィルタ(1.0Hz)を用いて処理した後、その、各チャンネルでの大きさ(分散)をやはりマップとして表示したものが(b)および(c)である。FIG. 5 shows the measurement result of the subject B. FIG. 5A is a diagram in which the BL plane orthogonal component is obtained from the obtained absorbance data of each channel, and the size (dispersion) is displayed as a map. Further, after processing this component using a low-pass filter (0.1 Hz) and a high-pass filter (1.0 Hz), the magnitude (variance) of each channel is also displayed as a map (b) and (c). 図6(a)はローパスフィルタの出力から求めたα1〜α32を示す図であり、図6(b)はハイパスフィルタの出力から求めたβ1〜β32を示す図である。FIG. 6A is a diagram showing α 1 to α 32 obtained from the output of the low-pass filter, and FIG. 6B is a diagram showing β 1 to β 32 obtained from the output of the high-pass filter. 図7は被験者Aの計測結果であり、(a)は得られた各チャンネルの吸光度データからBL平面直交成分を求め、その大きさ(分散)をマップとして表示した図である。さらに、この成分をローパスフィルタ(0.1Hz)およびハイパスフィルタ(1.0Hz)を用いて処理した後、その、各チャンネルでの大きさ(分散)をやはりマップとして表示したものが(b)および(c)である。FIG. 7 shows the measurement result of the subject A. FIG. 7A is a diagram in which the BL plane orthogonal component is obtained from the obtained absorbance data of each channel, and the magnitude (variance) is displayed as a map. Further, after processing this component using a low-pass filter (0.1 Hz) and a high-pass filter (1.0 Hz), the magnitude (variance) of each channel is also displayed as a map (b) and (c). 図8は被験者Cの計測結果であり、(a)は得られた各チャンネルの吸光度データからBL平面直交成分を求め、その大きさ(分散)をマップとして表示した図である。さらに、この成分をローパスフィルタ(0.1Hz)およびハイパスフィルタ(1.0Hz)を用いて処理した後、その、各チャンネルでの大きさ(分散)をやはりマップとして表示したものが(b)および(c)である。FIG. 8 shows the measurement result of the subject C. FIG. 8A is a diagram in which the BL plane orthogonal component is obtained from the obtained absorbance data of each channel, and the magnitude (dispersion) is displayed as a map. Further, after processing this component using a low-pass filter (0.1 Hz) and a high-pass filter (1.0 Hz), the magnitude (variance) of each channel is also displayed as a map (b) and (c). 本発明における計測データの処理の流れの概略を示した図である。It is the figure which showed the outline of the flow of a measurement data process in this invention.

近赤外脳機能計測(fNIRS)において基本となるModified Beer−Lambert則は、波長による光路長の違いを無視すると次式で与えられる。   The modified Beer-Lambert rule, which is fundamental in the near-infrared brain function measurement (fNIRS), is given by the following equation when the difference in optical path length depending on the wavelength is ignored.

Figure 0006004430
Figure 0006004430

ここで、ΔAiεHbO,λiεHbR,λiは波長λiについての吸光度変化、オキシおよびデオキシヘモグロビンのモル吸光係数であり、ΔHbOとΔHbRはオキシおよびデオキシヘモグロビンの濃度変化、Lは光路長である。この式から、オキシおよびデオキシヘモグロビン濃度の変化によって生じる吸光度変化は、測定に用いた波長に対するオキシおよびデオキシヘモグロビンのモル吸光係数ベクトル

Figure 0006004430

Figure 0006004430
が張る平面P上にあることがわかる(図1参照)。ここでは、この平面PをBL平面と呼ぶ。このため、計測信号中にヘモグロビン濃度変化とは異なる波長依存性を持つ何らかの吸光度変化(ノイズ、アーティファクト)がある場合、3波長以上の計測光を用いることにより、そのような吸光度変化を、Pに直交する成分として検出することが可能である。本論文では、このような直交成分をBL平面直交成分と呼ぶこととする。一方、2波長計測の場合には、どのような吸光度変化もそれをヘモグロビン濃度の変化に帰することが可能であるため、このような検出はできない。このためm≧3である必要があり、本論ではm=3とする。
モル吸光係数行列を
Figure 0006004430
とすると、吸光度変化aの平面Pに対する直交成分hは次のように求められる。 Where ΔA i , ε HbO , λi , ε HbR , λi are absorbance changes for wavelength λ i , molar absorption coefficient of oxy and deoxyhemoglobin, ΔHbO and ΔHbR are concentration changes of oxy and deoxyhemoglobin, and L is the optical path It is long. From this equation, the change in absorbance caused by changes in oxy and deoxyhemoglobin concentrations is the molar extinction coefficient vector of oxy and deoxyhemoglobin with respect to the wavelength used for the measurement.
Figure 0006004430
When
Figure 0006004430
As shown in FIG. Here, this plane P is called a BL plane. For this reason, if there is any absorbance change (noise, artifact) having a wavelength dependency different from the hemoglobin concentration change in the measurement signal, such absorbance change can be converted to P by using measurement light of three wavelengths or more. It is possible to detect as orthogonal components. In this paper, such orthogonal components are referred to as BL plane orthogonal components. On the other hand, in the case of two-wavelength measurement, any change in absorbance can be attributed to a change in hemoglobin concentration, and thus such detection cannot be performed. For this reason, it is necessary that m ≧ 3, and m = 3 in this discussion.
Molar extinction coefficient matrix
Figure 0006004430
Then, the orthogonal component h with respect to the plane P of the absorbance change a is obtained as follows.

Figure 0006004430
Figure 0006004430

ここで、E+はEの擬似逆行列である。3波長を用いる場合には、上式は次のように書ける。 Here, E + is a pseudo inverse matrix of E. When using three wavelengths, the above equation can be written as:

Figure 0006004430
Figure 0006004430

ここで、uはEの特異値分解をE=USVTとしたときのUの第3列ベクトル(特異値に対応していないベクトル)とする。この式から分かるように、ベクトルhの各成分は、その大きさが異なるだけで同じ時系列となるため、スカラー量としてのBL平面直交成分hを次式で定義して用いる。 Here, u is the third column vector of U (vector not corresponding to the singular value) when the singular value decomposition of E is E = USV T. As can be seen from this equation, the components of the vector h have the same time series except for their magnitudes. Therefore, the BL plane orthogonal component h as a scalar quantity is defined by the following equation and used.

Figure 0006004430
Figure 0006004430

BL平面直交成分を生じさせる要因としては、次のようなものが考えられる。
(1)モーションアーティファクト
プローブは基本的に毛髪に乗っているため、体動によりプローブ先端と皮膚間の距離が変化したり、プローブの頭表に対する角度が変化したりすると、それに伴ってコンタクトでの計測光の減衰が変化し、それが吸光度変化となって観測される。また、毛髪が動くことによって、毛髪による計測光の吸収、反射の状況が変化し、これが吸光度変化に繋がることも考えられる。このような要因により生じるアーティファクトはモーションアーティファクトと呼ばれる。モーションアーティファクトは体動に起因するため、比較的低い周波数成分を持つものと考えられる。
(2)計測ノイズ
主に検出プローブにおける光電変化に伴って生じるホワイトノイズ。これは、各波長について無相関に生じるため、ヘモグロビン濃度変化では説明できない。吸光度は光強度の対数から計算されるため、各チャンネルの吸光度変化に含まれる計測ノイズの大きさは、検出プローブで検出される計測光の強度に反比例する。このため、入射プローブにしろ検出プローブにしろ、コンタクトでの光の減衰の大きなプローブがあれば、それが関係するチャンネルの計測ノイズは大きく観測される。
The following factors can be considered as factors causing the BL plane orthogonal component.
(1) Motion artifact Since the probe is basically on the hair, if the distance between the tip of the probe and the skin changes due to body movement, or if the angle of the probe with respect to the head surface changes, the contact with the probe changes accordingly. The attenuation of the measurement light changes, and this is observed as a change in absorbance. Moreover, when the hair moves, the state of absorption and reflection of measurement light by the hair changes, which may lead to a change in absorbance. Artifacts caused by such factors are called motion artifacts. Since the motion artifact is caused by body movement, it is considered to have a relatively low frequency component.
(2) Measurement noise White noise mainly caused by photoelectric change in the detection probe. Since this occurs uncorrelated with each wavelength, it cannot be explained by changes in hemoglobin concentration. Since the absorbance is calculated from the logarithm of the light intensity, the magnitude of the measurement noise included in the absorbance change of each channel is inversely proportional to the intensity of the measurement light detected by the detection probe. For this reason, if there is a probe with a large attenuation of light at the contact, regardless of whether it is an incident probe or a detection probe, the measurement noise of the channel related to the probe is greatly observed.

先に述べたように、コンタクトの変化により計測光の強度に変化が生じ、それがモーションアーティファクトとなる。また、コンタクトでの計測光の定常的な減衰の強弱により、計測ノイズの大きさに差が生じる。これらモーションアーティファクト、計測ノイズの様相には、プローブと頭表間のコンタクトのあり方が直接関係しているため、ここではコンタクトでの計測光の減衰についてのいくつかの定義を与える。
入射プローブあるいは検出プローブのコンタクトにおける計測光の減衰度をr(t)(0≦r(t)≦1、r(t)が小さいほど減衰が大きい)として、r(t)を次のように二つの成分に分解する。
As described above, the change in the contact causes a change in the intensity of the measurement light, which becomes a motion artifact. Further, the magnitude of the measurement noise varies due to the steady attenuation of the measurement light at the contact. These aspects of motion artifacts and measurement noise are directly related to the way the contact between the probe and the head surface, so here we give some definitions for the attenuation of the measurement light at the contact.
Assume that the attenuation of the measurement light at the contact of the incident probe or the detection probe is r (t) (0 ≦ r (t) ≦ 1, and the smaller r (t) is, the greater the attenuation), and r (t) is as follows: Decomposes into two components.

Figure 0006004430
Figure 0006004430

ここでr0は定常的な減衰の大きさを示しており、また

Figure 0006004430
はr0のまわりでの減衰度のふらつきを示している。
Figure 0006004430
の平均を0とする。
fNIRSの各チャンネルは一対の入射プローブと検出プローブで構成されるため、そのチャンネルで観測される計測ノイズの平均的な大きさは、入射プローブと検出プローブにおける定常的な減衰の大きさの積によって定まる。r0が小さいコンタクト(弱いコンタクトと呼ぶ)では平均的に計測光が強く減衰するため、関係するチャンネルには大きな計測ノイズが惹起されることになる。この意味から、計測ノイズに関する各コンタクトの評価をr0(あるいはlogr0)の大きさを用いて行うことができ、そのような評価値で測られるコンタクトの特性をコンタクトの弱さと呼ぶ。
同様に、入射プローブおよび検出プローブにおける減衰のふらつきの積によって、モーションアーティファクトの時間的変化が定まる。
Figure 0006004430
の大きさ(分散)が大きいコンタクト(不安定なコンタクトと呼ぶ)を含むチャンネルでは、体動等によるノイズが強く観測されることになる。このため、計測ノイズの場合と同様に、モーションアーティファクトに関する各コンタクトの評価を
Figure 0006004430
(あるいは
Figure 0006004430
)の分散を用いて行うことができ、そのような評価値で測られるコンタクトの特性をコンタクトの不安定性と呼ぶ。 Where r 0 represents the steady decay magnitude, and
Figure 0006004430
Indicates the fluctuation of the degree of attenuation around r 0 .
Figure 0006004430
The average of is assumed to be 0.
Since each channel of fNIRS is composed of a pair of incident probe and detection probe, the average magnitude of measurement noise observed in that channel depends on the product of the steady attenuation magnitudes of the incident probe and detection probe. Determined. A contact with a small r 0 (referred to as a weak contact) attenuates the measurement light strongly on average, which causes a large measurement noise in the related channel. In this sense, each contact regarding measurement noise can be evaluated using the magnitude of r 0 (or logr 0 ), and the contact characteristic measured with such an evaluation value is referred to as contact weakness.
Similarly, the product of the attenuation wander at the entrance and detection probes determines the temporal variation of the motion artifact.
Figure 0006004430
In a channel including a contact having a large size (dispersion) (called an unstable contact), noise due to body movement or the like is strongly observed. For this reason, as in the case of measurement noise, each contact is evaluated for motion artifacts.
Figure 0006004430
(Or
Figure 0006004430
The contact characteristic measured by such an evaluation value is called contact instability.

fNIRSによる脳活動多点計測においては、入射プローブおよび検出プローブがいくつかのチャンネルにまたがって用いられる。このため、計測データのノイズが、どのプローブに起因するのかを判別することが必要である。ここでは、上記で定めたBL平面直交成分を手がかりとして、各プローブコンタクトの不安定性/弱さを評価する手法を提案する。   In multi-point measurement of brain activity by fNIRS, an incident probe and a detection probe are used across several channels. For this reason, it is necessary to determine to which probe the noise of the measurement data originates. Here, a method for evaluating the instability / weakness of each probe contact using the BL plane orthogonal component defined above as a clue is proposed.

(プローブ配置行列)
入射プローブおよび検出プローブが、各チャンネルをどのように構成しているかをプローブ配置行列として定義する。
入射プローブおよび検出プローブの個数をそれぞれMsとMd、チャンネルの総数をNとする。入射プローブ i(1≦i≦Ms)と検出プローブ j(Ms+1≦j≦Ms+Md)がチャンネルk(1≦k≦N)を構成するとすると、プローブ配置行列GはN×(Ms+Md)行列であり、その要素gは次のように定められる。
(Probe arrangement matrix)
It is defined as a probe arrangement matrix how the incident probe and the detection probe configure each channel.
Let M s and M d be the number of incident probes and detection probes, respectively, and N be the total number of channels. If the incident probe i (1 ≦ i ≦ M s ) and the detection probe j (M s + 1 ≦ j ≦ M s + M d ) constitute a channel k (1 ≦ k ≦ N), the probe arrangement matrix G is N × ( M s + M d ) matrix, and its element g is determined as follows.

Figure 0006004430
Figure 0006004430

(プローブコンタクト不良により生じるBL平面直交成分)
入射プローブ i(1≦i≦Ms)と検出プローブ j(Ms+1≦j≦Ms+Md)がチャンネルk(1≦k≦N)を構成するとする。計測ノイズは主に検出プローブでの光電変換ノイズであるため、チャンネルkで計測される光Ik(t)に対して検出プローブ jでの光電変換ノイズnj(t)が重畳しているとすると、チャンネルkでの吸光度変化は
(BL plane orthogonal component caused by probe contact failure)
Assume that the incident probe i (1 ≦ i ≦ M s ) and the detection probe j (M s + 1 ≦ j ≦ M s + M d ) constitute a channel k (1 ≦ k ≦ N). Since measurement noise is mainly photoelectric conversion noise at the detection probe, if photoelectric conversion noise n j (t) at detection probe j is superimposed on light I k (t) measured at channel k, Then, the absorbance change in channel k is

Figure 0006004430
Figure 0006004430

である。検出プローブノイズの大きさが計測光の大きさに比較して十分小さい(nj(t)≪Ik(t))とすると、これは、 It is. If the magnitude of the detection probe noise is sufficiently smaller than the magnitude of the measurement light (n j (t) << I k (t)),

Figure 0006004430
Figure 0006004430

と近似できる。右辺第2項が計測ノイズであり、その大きさが計測光の強度に反比例することがわかる。
次に、コンタクトi、jでの計測光の減衰を、(5)式に従いそれぞれ

Figure 0006004430
とする。入射プローブ iからの入力光の強度をIi、チャンネルkの生体における減衰をRk(t)とすると、 Can be approximated. It can be seen that the second term on the right side is measurement noise, and its magnitude is inversely proportional to the intensity of the measurement light.
Next, the attenuation of the measurement light at contacts i and j, respectively, according to equation (5)
Figure 0006004430
And When the intensity of the input light from the incident probe i is I i and the attenuation in the living body of the channel k is R k (t),

Figure 0006004430
Figure 0006004430

であるから、 Because

Figure 0006004430
Figure 0006004430

となる。ここで第1項は組織でのヘモグロビン変化に伴う吸光度変化であり、第2項はコンタクトのふらつきが吸光度変化に与える影響、第3項は計測ノイズを示している。
計測に用いる3波長について上式を考え、(4)式を用いてBL平面直交成分を求める。(13)式の第1項はヘモグロビン変化に伴う吸光度変化であるから直交成分は0となり無視できる。コンタクトでの計測光の減衰が波長によらないとすると、BL平面直交成分hk(t)は次式で与えられる。
It becomes. Here, the first term is a change in absorbance associated with a change in hemoglobin in the tissue, the second term is the effect of the fluctuation of the contact on the absorbance change, and the third term is the measurement noise.
Considering the above equation for the three wavelengths used for measurement, the BL plane orthogonal component is obtained using equation (4). Since the first term of equation (13) is the change in absorbance associated with the change in hemoglobin, the orthogonal component is 0 and can be ignored. If the attenuation of the measurement light at the contact does not depend on the wavelength, the BL plane orthogonal component h k (t) is given by the following equation.

Figure 0006004430
Figure 0006004430

右辺第1項がモーションアーティファクトに関する項、第2項が計測ノイズに関する項である。ここで   The first term on the right side is a term related to motion artifacts, and the second term is a term related to measurement noise. here

Figure 0006004430
Figure 0006004430

であり、1は全ての要素を1とする列ベクトルとする。 1 is a column vector in which all elements are 1.

(コンタクトの不安定性評価)
モーションアーティファクトに関する項hmotion,k(t)について、(14)式から次式が得られる。ここで両辺の平均を0とした。
(Evaluation of contact instability)
For the term h motion, k (t) relating to the motion artifact, the following equation is obtained from the equation (14). Here, the average of both sides was set to zero.

Figure 0006004430
Figure 0006004430

motion,k(t)を全てのkについてまとめたベクトルをhmotion(t)とし、また

Figure 0006004430
として、これをすべてのi(1≦i≦Ms+Md)についてまとめたベクトルをd(t)とすると Let h motion, k (t) be a vector summarizing all k, and let h motion (t)
Figure 0006004430
Assuming that d (t) is a vector in which all i (1 ≦ i ≦ M s + M d ) are combined

Figure 0006004430
Figure 0006004430

と書ける。Gはプローブ配置行列である。これから   Can be written. G is a probe arrangement matrix. from now on

Figure 0006004430
Figure 0006004430

と求められる。各probeのコンタクトの不安定性を各di(t)の分散で評価し、これをまとめたベクトルをαと書く。 Is required. The instability of the contact of each probe is evaluated by the variance of each d i (t), and a vector summarizing this is written as α.

(コンタクトの弱さ評価)
計測ノイズに関する項hnoise,k(t)について、(14)式から次式が得られる。
(Contact weakness assessment)
For the term h noise, k (t) relating to measurement noise, the following equation is obtained from equation (14).

Figure 0006004430
Figure 0006004430

各検出プローブで観測される定常的なノイズの大きさを考えるため、

Figure 0006004430
とし、また生体での減衰についても各チャンネルおよび波長で等しくRk,λ(t)=R0と仮定する。入射プローブからの入力光の強度も入射プローブおよび波長によらず一定I0とする。さらに、各検出プローブでのノイズnj,λ(t)の大きさも、検出プローブおよび波長によらず一定σn 2であり、波長間で独立であると仮定する。これらの仮定から、c2(t)の分散は
Figure 0006004430
となるため、hnoise,k(t)の分散を
Figure 0006004430
とすると、次式が得られる。 To consider the steady noise level observed with each detection probe,
Figure 0006004430
It is also assumed that attenuation in the living body is equal for each channel and wavelength as R k, λ (t) = R 0 . The intensity of input light from the incident probe is also constant I 0 regardless of the incident probe and wavelength. Furthermore, it is assumed that the magnitude of noise n j, λ (t) at each detection probe is constant σ n 2 regardless of the detection probe and wavelength, and is independent between wavelengths. From these assumptions, the variance of c 2 (t) is
Figure 0006004430
Therefore, the variance of h noise, k (t)
Figure 0006004430
Then, the following equation is obtained.

Figure 0006004430
Figure 0006004430

Figure 0006004430
はi、jに依存しないため、ri,0、rj,0のスケールを問題としない場合には、
Figure 0006004430
とできる。
Figure 0006004430
Is independent of i and j, so if the scale of r i, 0 and r j, 0 is not a problem,
Figure 0006004430
And can.

ここで、両辺の対数をとると、   Here, taking the logarithm of both sides,

Figure 0006004430
Figure 0006004430

logσnoise,kをすべてのkについてまとめたベクトルをsnoiseとし、また、βi=logri,0として、これを全てのi(1≦i≦Ms+Md)についてまとめたベクトルをβとすると Let s noise be a vector summarizing logσ noise, k for all k, and let β i = logri i, 0 be a vector summarizing all i (1 ≦ i ≦ M s + M d ) as β. Then

Figure 0006004430
Figure 0006004430

と書ける。これから   Can be written. from now on

Figure 0006004430
Figure 0006004430

と求められる。βiが小さなプローブほどコンタクトが弱い。 Is required. The smaller the β i, the weaker the contact.

(hk(t)のhmotion,k(t)およびhnoise,k(t)への分解)
コンタクトの不安定性/弱さを評価するには、BL平面直交成分hk(t)をモーションアーティファクト hmotion,k(t)および計測ノイズhnoise,k(t)に分解する必要がある。このため、hk(t)に対してローパスフィルタおよびハイパスフィルタを適用する。hnoise,k(t)はホワイトノイズであるからローパスフィルタでの出力は非常に小さくなるが、hmotion,k(t)は体動に伴い生成する成分であるから、ローパスフィルタではあまり大きな影響を受けない。結果として、ローパスフィルタの出力をhmotion,k(t)として用いることができる。一方、ハイパスフィルタの出力にはhmotion,k(t)はほとんど含まれない。hnoise,k(t)にはコンタクトのふらつきに伴って変動する成分もあるが、これもハイパスフィルタの出力にほとんどふくまれない。このため、ハイパスフィルタの出力をhnoise,k(t)として用いることができる。
このような処理によって定まるhmotion,k(t)およびhnoise,k(t)は、その絶対的な大きさ(スケール)が正しくないかもしれないため、それから推定されるコンタクトの不安定性/弱さに関する評価値も、そのスケールが正しくないかもしれない。しかし、多数のコンタクトの中から比較的不安定であったり、弱いコンタクトを識別するためには、その絶対的な大きさ評価は不要であり、各コンタクト間の相対的な評価値がわかれば十分であるため、このような処理で問題は無い。
(Decomposition of h k (t) into h motion, k (t) and h noise, k (t))
In order to evaluate the instability / weakness of the contact, it is necessary to decompose the BL plane orthogonal component h k (t) into motion artifact h motion, k (t) and measurement noise h noise, k (t). For this reason, a low-pass filter and a high-pass filter are applied to h k (t). Since h noise, k (t) is white noise, the output of the low-pass filter is very small. However, since h motion, k (t) is a component generated with body movement, the low-pass filter has a very large effect. Not receive. As a result, the output of the low-pass filter can be used as h motion, k (t). On the other hand, h motion, k (t) is hardly included in the output of the high-pass filter. h noise, k (t) also includes a component that varies with the fluctuation of the contact, but this is hardly included in the output of the high-pass filter. For this reason, the output of the high-pass filter can be used as h noise, k (t).
H motion, k (t) and h noise, k (t) determined by such processing may not be correct in absolute magnitude (scale), so contact instability / weakness estimated from it The scale of the evaluation value may not be correct. However, in order to identify relatively unstable or weak contacts from a large number of contacts, it is not necessary to evaluate the absolute size, and it is sufficient if the relative evaluation value between each contact is known. Therefore, there is no problem with such processing.

(不安定/弱いプローブコンタクトの識別)
各プローブコンタクトの不安定性およびその弱さはαおよびβの大きさで評価できる。しかし、実際の実験現場においては一度にたくさんのプローブコンタクトの点検・修正を行うことは困難であるため、コンタクトの中でも特に大きな不安定性/弱さを有するコンタクトを識別し、優先的に点検・修正することが、速やかに良好な計測を実現する上で効率的である。このため、αi、βiが次のような基準を満たすコンタクトiを、特に大きな不安定性/弱さを有するコンタクトとして選択する。
(Identification of unstable / weak probe contacts)
The instability and weakness of each probe contact can be evaluated by the magnitude of α i and β i . However, since it is difficult to inspect and correct a large number of probe contacts at the same time in an actual experiment site, a contact with particularly large instability / weakness is identified among the contacts, and inspection and correction are given priority. It is efficient to quickly realize good measurement. Therefore, a contact i in which α i and β i satisfy the following criteria is selected as a contact having a particularly large instability / weakness.

Figure 0006004430
Figure 0006004430

ここで、μα、σαはαiの、μβ、σβはβiの平均および標準偏差とする。tα、tβはどれほどの多さのコンタクトを選択するかを定めるパラメータである。 Here, μ α and σ α are α i , and μ β and σ β are the average and standard deviation of β i . t α and t β are parameters that determine how many contacts are selected.

本発明者らが用いたfNIRS多点計測のための高密度プローブ配置の例を図2(a)に示す。黒丸が入射プローブ、白丸が検出プローブであり、線が各チャンネルを表す。入射プローブ、検出プローブがそれぞれ16個あり、これらから44チャンネルが構成されている。これを頭部に装着する際には、プローブ配置中央部をEEG10−20systemのCz positionに合わせる(図2(b)参照)。NIRS装置は島津製作所製OMM−3000を用いた。計測光は780nm,805nm,830nmの3波長である。計測のサンプリング間隔は0.13秒であり、計測器からの出力のフィルタリングは行っていない。
被験者(A,B,C)について、このプローブ配置を用いて計測を行った。各被験者について手のひら全体を開いたり閉じたりすることを左右交互に行う課題を行い、その際の吸光度変化を測定した。実験は産業技術総合研究所人間工学実験委員会の承認の下で行われた。
得られた吸光度変化から、(4)式を用いてBL平面直交成分を求めた。典型的と思われる、その一部を図3右側に示す。これはいずれもch−20(図2(a)で『*』を付したチャンネル)で計測されたものであり、図3(a)(b)(c)が被験者A,B,Cに対応する。グレーで彩色された部分は課題を遂行した期間を示している。(b)では計測時間全体にわたるゆっくりとしたドリフトが観測されており、(c)では全体にわたって、大きく急激な変動が見られる。一方、各チャンネルにはホワイトノイズと思われる計測ノイズが乗っているが、その大きさは被験者によって異なり、被験者A、Bでは比較的大きく、被験者Cでは極めて小さいことが分かる。対応するもとの吸光度変化(780nm)を同図左側に示しているが、そこに見られるヘモグロビン濃度変化に由来すると思われる吸光度変化は、右側の直交成分においてはほとんど観測されない。
図3に見られるモーションアーティファクトと計測ノイズを分離するため、直交成分をフィルターで処理した。カットオフ周波数0.1Hzのローパスフィルタおよび1.0Hzのハイパスフィルタで処理した結果を図4に示す。ローパスフィルタで処理したもの(図4左側)がモーションアーティファクトを、ハイパスフィルタで処理したもの(図4右側)が計測ノイズを示し、それぞれ良好に分離できていることがわかる。
以上の結果から、次のようにして各プローブコンタクトの不安定性/弱さの評価を行う。まず、fNIRSイメージングによって得られた全てのチャンネルの吸光度変化から、(4)式を用いてBL平面直交成分を求め、さらにそれにローパスフィルタ(0.1Hz)とハイパスフィルタ(1.0Hz)を適用する。ローパスフィルタの出力を(19)式のhcontact,k(t)として用いることによりdi(t)を求め、これの各要素の分散αiを各プローブコンタクトの不安定性の評価とする。また、ハイパスフィルタの各チャンネル出力の標準偏差の対数をsnoise,kとして用いることによりβiを求め、これの各要素を各プローブコンタクトの弱さの評価とする。
An example of a high-density probe arrangement for fNIRS multipoint measurement used by the present inventors is shown in FIG. A black circle is an incident probe, a white circle is a detection probe, and a line represents each channel. There are 16 incident probes and 16 detection probes, and 44 channels are formed from these probes. When this is mounted on the head, the center portion of the probe arrangement is matched with the Cz position of the EEG 10-20 system (see FIG. 2 (b)). As the NIRS apparatus, OMM-3000 manufactured by Shimadzu Corporation was used. The measurement light has three wavelengths of 780 nm, 805 nm, and 830 nm. The sampling interval of measurement is 0.13 seconds, and the output from the measuring instrument is not filtered.
The test subjects (A, B, C) were measured using this probe arrangement. For each subject, the task of alternately opening and closing the entire palm was performed, and the change in absorbance at that time was measured. The experiment was conducted with the approval of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology ergonomics experiment committee.
From the obtained change in absorbance, the BL plane orthogonal component was determined using equation (4). A portion of what appears to be typical is shown on the right side of FIG. These are all measured with ch-20 (channel marked with “*” in FIG. 2A), and FIGS. 3A, 3B, and 3C correspond to subjects A, B, and C. To do. The part colored in gray indicates the period during which the task was performed. In (b), a slow drift over the entire measurement time is observed, and in (c) a large and abrupt fluctuation is observed throughout. On the other hand, although measurement noise which seems to be white noise is on each channel, the magnitude varies depending on the subject, and it is understood that subjects A and B are relatively large and subject C is extremely small. The corresponding original absorbance change (780 nm) is shown on the left side of the figure, but the absorbance change that seems to be derived from the hemoglobin concentration change seen there is hardly observed in the right-hand orthogonal component.
In order to separate the motion artifacts and measurement noise seen in FIG. 3, the orthogonal component was processed with a filter. FIG. 4 shows the results of processing with a low-pass filter having a cutoff frequency of 0.1 Hz and a high-pass filter having a 1.0 Hz. The one processed with the low-pass filter (left side in FIG. 4) shows the motion artifact, and the one processed with the high-pass filter (right side in FIG. 4) shows the measurement noise.
From the above results, the instability / weakness of each probe contact is evaluated as follows. First, the BL plane quadrature component is obtained from the change in absorbance of all the channels obtained by fNIRS imaging using equation (4), and a low-pass filter (0.1 Hz) and a high-pass filter (1.0 Hz) are applied thereto. . By using the output of the low-pass filter as h contact, k (t) in the equation (19), d i (t) is obtained, and the variance α i of each element is used as an evaluation of the instability of each probe contact. Further, β i is obtained by using the logarithm of the standard deviation of each channel output of the high-pass filter as s noise, k , and each element thereof is used as an evaluation of the weakness of each probe contact.

被験者BのfNIRS多点計測について、得られた各チャンネルの吸光度データからBL平面直交成分を求め、その大きさ(分散)をマップとして表示したものが図5(a)である。また、この成分をローパスフィルタ(0.1Hz)およびハイパスフィルタ(1.0Hz)を用いて処理した後、その、各チャンネルでの大きさ(分散)をやはりマップとして表示したものが図5(b)および(c)である。図5(a)で示されるノイズが、このようなフィルター処理により図5(b)(c)に示す2種の成分にうまく分離できていることがわかる。
次に、ローパスフィルタの出力を(19)式のhmotion,k(t)として用いることによりdi(t)を求め、これの各要素の分散αiを求めると、図6(a)のように求まる。α1〜α16が入射プローブコンタクトの、α17〜α32が検出プローブコンタクトの不安定性を示している。値が大きい方が不安定性が高い。図から分かるように、このデータにおいては、α14が突出して大きく、14番の入射プローブが不安定であることが分かる。
また、ハイパスフィルタの出力の標準偏差の対数をsnoise,kとして用いることによりβiを求めると図6(b)のように求まる。β1〜β16が入射プローブコンタクトの、β17〜β32が検出プローブコンタクトの弱さを示している。この場合には、値が小さい方がコンタクトが弱い。図から分かるように、コンタクトの弱さについては突出して評価が悪いコンタクトは無いが、いくつかのコンタクト(β10 、β18 、β21)が悪い評価を与えられている。
上述の定義に従い、特に大きな不安定性/弱さを有するコンタクトを選択し、それらを図5のマップ(b)(c)に白いマークで書き込んだ。丸いマークは入射プローブコンタクトであり、四角いマークは検出プローブコンタクトである。ここでtα=tβ=1.5とした。結果として、効果的に不安定性/弱さを有するコンタクトを選択できている。
最後に、他の被験者のfNIRS多点計測データ2例についても、同様の処理を施した結果を図7および図8に示す(tα=tβ=1.5)。図7、8はそれぞれ被験者AおよびCの結果である。いずれの場合も良好な結果が得られている。被験者Cの場合は、総じて安定性は悪いが、弱いコンタクトは非常に少ないことが分かる。
FIG. 5A shows the BL plane orthogonal component obtained from the absorbance data of each channel obtained for the fNIRS multipoint measurement of the subject B, and the magnitude (variance) displayed as a map. Also, after processing this component using a low-pass filter (0.1 Hz) and a high-pass filter (1.0 Hz), the magnitude (variance) of each channel is also displayed as a map as shown in FIG. ) And (c). It can be seen that the noise shown in FIG. 5A is successfully separated into two types of components shown in FIGS. 5B and 5C by such filter processing.
Next, d i (t) is obtained by using the output of the low-pass filter as h motion, k (t) in equation (19), and the variance α i of each element is obtained. It is obtained as follows. α 1 to α 16 indicate instability of the incident probe contact, and α 17 to α 32 indicate instability of the detection probe contact. The higher the value, the higher the instability. As can be seen, in this data, large alpha 14 protrudes, it can be seen that the 14th of the incident probe is unstable.
Further, when β i is obtained by using the logarithm of the standard deviation of the output of the high-pass filter as s noise, k , it is obtained as shown in FIG. β 1 to β 16 indicate the weakness of the incident probe contact, and β 17 to β 32 indicate the weakness of the detection probe contact. In this case, the smaller the value, the weaker the contact. As can be seen from the figure, there are no poorly evaluated contacts for contact weakness, but some contacts (β 10 , β 18 , β 21 ) are given bad evaluation.
According to the above definition, contacts with particularly large instabilities / weaknesses were selected and written with white marks on the maps (b) and (c) of FIG. The round mark is the incident probe contact, and the square mark is the detection probe contact. Here, t α = t β = 1.5. As a result, contacts with instability / weakness can be selected effectively.
Finally, the results of performing the same processing for two examples of fNIRS multipoint measurement data of other subjects are shown in FIGS. 7 and 8 (t α = t β = 1.5). 7 and 8 show the results of subjects A and C, respectively. In either case, good results have been obtained. In the case of subject C, the stability is generally poor, but it can be seen that there are very few weak contacts.

各チャンネルは一対の入射プローブおよび検出プローブで構成されるため、あるチャンネルのノイズが大きい場合、その原因はそのチャンネルを構成する入射プローブおよび検出プローブのどちらか、あるいは両者にある。当該チャンネルだけを見た場合には、どこに原因があるかはわからないが、それらのプローブが関わるチャンネルを総合的に見ることにより、原因となるプローブを特定することが可能となる。例えば、図5(a)のch18(入射プローブS6および検出プローブD2から構成されるチャンネル)は大きなノイズを示すチャンネルであるが、そのノイズが主に計測ノイズに由来するものであることが、直交成分をフィルターで分解し、それぞれの分散を計算することによって分かる(図5(b)(c)参照)。また、ノイズの原因となっているのは主に検出プローブD2であることも図5(c)を見ることによって分かる。確かに、検出プローブD2が関与するチャンネル(D2周囲のチャンネル)は比較的大きなノイズを示しているが、入射プローブS6が関与するチャンネルはch18以外には大きなノイズを示していない。このように、チャンネル全体のノイズを分析的/総合的に調べることにより、問題のあるプローブをピンポイントで検出することが可能となった。
不安定あるいは弱いプローブコンタクトが検出された場合には、該当プローブと頭皮の間にある毛髪をできるだけ排除したり、ファイバの纏め方やプローブホルダの頭部への固定方法についての再点検を行うことにより、プローブの安定化を図る。その後、再度本手法を適用することにより、この修正がうまくいったかどうかを確認する。このようなサイクルを何度か繰り返すことにより、コンタクト全体を安定したものに収束させることができる。
従来行われている不良コンタクトの検出では、チャンネルごとのノイズの大きさに注目している。このため、どのチャンネルに問題があるかを検出することは可能であるが、そのチャンネルを構成する入射プローブと検出プローブのどちらが問題なのかを特定することはできず、不良コンタクトの絞り込みを十分に行うことができなかった。また、あるチャンネルに問題があった場合、そのチャンネルを構成する両方のプローブの調整を行わざるをえないが、場合によっては、問題の無い側のプローブをいじってしまい、逆にそのコンタクトを悪化させることもありえた。本発明の手法は、チャンネルではなく、どのプローブのコンタクトに問題があるかをピンポイントで示すことが可能であり、このような問題が無い。
さらに本発明の手法では、不良コンタクトから生じている問題が、モーションアーティファクトであるのか計測ノイズであるのかを示すことができる。モーションアーティファクトと計測ノイズではその原因が異なっているため、提案した手法を用いれば、プローブ調整について両者で異なったアプローチをとることが可能である。また、通常、モーションアーティファクトの方が、計測ノイズよりもデータに与える問題が大きいが、計測ノイズに関わるプローブはさわらずに、モーションアーティファクトに関わるプローブのみを調整するといった選択を行うことができる。これにより、モーションアーティファクトを生じていなかったプローブを誤っていじってしまい、逆に不安定にしてしまうといったことを避けることができる。
検出された不安定あるいは弱いプローブコンタクトの位置は計測装置のモニターに表示することが一番簡単である。しかしこの場合、検出されたプローブ位置の確認はモニターで行い、一方、プローブの修正は被験者のそばに移動して行う必要があり、コンタクト全体の安定化のためには、モニターとプローブ間を何度も行き来しなければならず、手間がかかる。一方、各プローブにそのコンタクトの不安定性、弱さを表示できるLEDなどのデバイスを附置できれば、問題のあるプローブの位置を実験者に直観的に表示することが可能である。こうすることにより、問題のあるプローブの位置が一目でわかるため、コンタクト全体の安定化処理を迅速に進めることができる。
Since each channel is composed of a pair of incident probes and detection probes, when noise in a certain channel is large, the cause is in one or both of the incident probe and detection probe constituting the channel. When only the channel is viewed, it is not known where the cause is, but it is possible to identify the cause probe by comprehensively viewing the channels related to those probes. For example, ch18 in FIG. 5A (channel composed of the incident probe S6 and the detection probe D2) is a channel that shows a large noise, but it is orthogonal that the noise is mainly derived from measurement noise. It can be found by decomposing the components with a filter and calculating the respective variances (see FIGS. 5B and 5C). Further, it can be seen from FIG. 5C that the noise is mainly caused by the detection probe D2. Certainly, the channel related to the detection probe D2 (channel around D2) shows relatively large noise, but the channel related to the incident probe S6 shows no significant noise other than ch18. As described above, it is possible to pinpoint a problematic probe by examining the noise of the entire channel analytically and comprehensively.
If unstable or weak probe contact is detected, remove the hair between the probe and the scalp as much as possible, and recheck how to bundle the fibers and how to fix the probe holder to the head. To stabilize the probe. After that, by applying this method again, it is confirmed whether or not this correction was successful. By repeating such a cycle several times, the entire contact can be converged to a stable one.
In the conventional detection of defective contacts, attention is paid to the magnitude of noise for each channel. For this reason, it is possible to detect which channel has a problem, but it is not possible to identify which problem is the incident probe or detection probe that constitutes the channel, and it is possible to sufficiently narrow down bad contacts. Could not do. Also, if there is a problem with a certain channel, both probes that make up that channel must be adjusted, but in some cases, the probe on the side with no problem is tampered with, and conversely the contact deteriorates. It could have happened. The method of the present invention can pinpoint which probe contact has a problem rather than a channel, and there is no such problem.
Furthermore, the method of the present invention can indicate whether the problem arising from the defective contact is a motion artifact or measurement noise. Since the causes of motion artifacts and measurement noise are different, using the proposed method, it is possible to take different approaches for probe adjustment. In general, motion artifacts have a greater problem with data than measurement noise, but it is possible to select only adjustment of probes related to motion artifacts without regard to probes related to measurement noise. As a result, it is possible to avoid a situation in which a probe that has not caused a motion artifact is mistakenly tampered with and is unstable.
It is easiest to display the position of the detected unstable or weak probe contact on the monitor of the measuring device. In this case, however, the position of the detected probe must be confirmed by the monitor, while the correction of the probe needs to be performed near the subject, and in order to stabilize the entire contact, there is nothing between the monitor and the probe. You have to come and go again and again. On the other hand, if a device such as an LED capable of displaying the instability and weakness of the contact can be attached to each probe, the position of the problematic probe can be intuitively displayed to the experimenter. By doing this, the position of the problematic probe can be known at a glance, so that the stabilization process for the entire contact can be rapidly advanced.

Claims (4)

多数の入射プローブおよび検出プローブを頭表に配置し、入射プローブから3波長以上の近赤外光を脳内に照射し、検出プローブから出てくる光の輝度を計測して得られた吸光度変化から、オキシおよびデオキシヘモグロビン濃度の変化を求めることにより脳機能の状態を計測するとともに、前記吸光度変化からノイズ成分としてBL平面直交成分を抽出してプローブのコンタクト不良を検知する生体光計測装置において、
ローパスフィルタとハイパスフィルタを備え、前記抽出したノイズ成分をローパスフィルタ処理した出力をモーションアーティファクトのみによるもの、前記抽出したノイズ成分をハイパスフィルタ処理した出力を計測ノイズのみによるものとして2つに分解することを特徴とする生体光計測装置。
Absorbance change obtained by arranging many incident probes and detection probes on the head, irradiating the brain with near-infrared light of 3 wavelengths or more from the incident probes, and measuring the luminance of the light emitted from the detection probes From the measurement of the state of brain function by determining the change in oxy and deoxyhemoglobin concentration from the above, in the biological light measurement device that detects the contact failure of the probe by extracting the BL plane orthogonal component as a noise component from the absorbance change,
A low-pass filter and a high-pass filter are provided, and the output obtained by low-pass filtering the extracted noise component is decomposed into two as a result of only the motion artifact, and the output of the extracted noise component as a high-pass filter is decomposed into two. A biological light measuring device characterized by the above.
入射プローブおよび検出プローブのコンタクトにおける計測光の減衰の定常的な大きさおよび減衰度の時間的なふらつきから、吸光度変化に含まれるモーションアーティファクトや計測ノイズの大きさが定まるため、前記ローパスフィルタ処理した出力からこの逆問題を解いて各プローブのコンタクトにおける計測光の減衰度の時間的なふらつきを算出し、前記ハイパスフィルタ処理した出力からこの逆問題を解いて各プローブのコンタクトにおける計測光の減衰の定常的な大きさを算出し、これらを当該コンタクトのモーションアーティファクトおよび計測ノイズに対する評価指標として用いることを特徴とする請求項1に記載の生体光計測装置。   Since the magnitude of motion artifacts and measurement noise included in the change in absorbance are determined from the steady magnitude of the attenuation of the measurement light and the temporal fluctuation of the attenuation at the contact of the incident probe and the detection probe, the low-pass filter processing is performed. The inverse problem is solved from the output to calculate the temporal fluctuation of the attenuation of the measurement light at the contact of each probe, and the inverse problem is solved from the output of the high-pass filter to solve the attenuation of the measurement light at the contact of each probe. The living body light measurement apparatus according to claim 1, wherein a steady size is calculated and used as an evaluation index for motion artifacts and measurement noise of the contact. 前記算出したモーションアーティファクトに対する評価指標および計測ノイズに対する評価指標を表示するモニターを備えることを特徴とする請求項2に記載の生体光計測装置。   The biological light measurement apparatus according to claim 2, further comprising a monitor that displays an evaluation index for the calculated motion artifact and an evaluation index for measurement noise. 前記算出したモーションアーティファクトに対する評価指標および計測ノイズに対する評価指標をプローブ毎に表示する表示装置を各プローブに設置したことを特徴とする請求項2に記載の生体光計測装置。   The living body light measurement apparatus according to claim 2, wherein a display device that displays the evaluation index for the calculated motion artifact and the evaluation index for measurement noise for each probe is installed in each probe.
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