WO2001019252A1

WO2001019252A1 - Instrument biologique de mesure de lumiere

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Publication number: WO2001019252A1
Application number: PCT/JP2000/006282
Authority: WO
Inventors: Shingo Kawasaki; Noriyoshi Ichikawa; Fumio Kawaguchi
Original assignee: Hitachi Medical Corporation
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2001-03-22
Also published as: US7228166B1

Description

明細書生体光計測装置この発明は、光を用いて生体内部の血行やヘモグロビン変化等の情報を計測する生体光計測装置に関し、特に形態画像との合成画像表示機能を備えた生体光計測装置に関する。

背景技術

生体内部の血液循環 ·血行動態やへモグロビン変化を、簡便且つ非侵襲的に計測できる装置として、可視から赤外領域の波長の光を生体に照射し、生体から反射された光を検出することにより生体内部を計測する装置が提案されている（例えば特開平 9 一 9 8 9 7 2号公報、特開平 9 一 1 4 9 9 0 3号公報）

この生体光計測装置を臨床に応用することによって、例えば頭部を計測対象とする場合、脳のへモグロビン変化の活性化状態及び局所的な脳内出血を測定することが可能であり、また脳内のヘモグロビン変化に関連した、運動、感覚さらには思考に及ぶ高次脳機能等を計測することも可能である。例えば、 Eiji

Watanabe (MEDIX V0L30) によって、てんかん発作時の局所脳血流変化（てんかん焦点）を光計測装置（光トポグラフィ装置）で捉えることが報告されている。しかし従来の光計測装置では、脳の局所的なヘモグロビン変化を、光照射器、光検出器の配列を示す 2次元平面上に表示しているため、光照射器および光検出器と被検体頭部との 3次元的位置関係が明らかでないため、へモグロビン変化が脳のどの領域において生じているのかを特定するのが困難であった。従って例えば前掲のてんかん焦点の測定結果を臨床応用する場合にも、外科手術において切除する脳部位の特定が困難であった。

発明の開示

そこで本発明は、被検体を光計測する際の光照射器、光検出器の装着位置を 3 次元的に明らかにし、光計測によって得られた情報を、 M R、 C Tなどの 3次元的形態画像上に、または測定対象の外形形状をその輪郭と複数の楕円とで表わしたワイヤーフレーム画像上に、正確な位置関係のもとに画像化することが可能な光計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の生体光計測装置は、複数の光照射位置（照射位置）から被検体に対し光を照射する光照射手段と、前記複数の光照射位置から照射され被検体内部を通過した光を、前記複数の光照射位置近傍に設置された複数の検出位置（集光位置）で検出する光検出手段と、前記光検出手段で検出された検出位置毎の光量を用いて前記被検体内部の生体情報を表すトポグラフィ画像を作成する信号処理手段とを備えた生体光計測装置において、前記信号処理手段は、他の画像診断装置で作成された前記被検体の形態画像データを入力する手段と、前記光照射位置及び光検出位置と被検体に設けられた基準点との位置関係を表す位置情報を入力する手段と、前記位置情報に基づき光照射位置及び光検出位置を前記形態画像データ上に配置すると共に、前記座標データに基づき作成した 3次元トポグラフィ画像を前記 3次元形態画像上に配置し、表示する手段とを備えてレヽる。

また、前記信号処理手段は、 3次元形態画像において被検体表面から所定の深さの内部に前記トポグラフィ画像を配置するようにした。

また、前記信号処理手段は、被検体の 3次元ワイヤーフレーム画像を作成し、その上に前記照射位置及び検出位置をプロットし、その上に 3次元トポグラフィ画像を重ねて表示する手段を備えた。

本発明の生体光計測装置において、形態画像データは、例えば、 X線 C T装置や M R I装置などによつて予め計測したものであり、この際、被検体上に少なくとも 1つの基準点を設定し、この基準点のデータを含むことが好ましい。また位置情報は、例えば、機械式或いは磁気勾配型等の 3次元位置検出装置によって計測した 3次元座標データであり、光照射位置、光検出位置及び前記基準点の位置情報を含む。

信号処理手段は、形態画像上の基準点と、基準点の座標データとを一致させることにより、光照射位置及び光検出位置を形態画像デ一タ上に配置し、またトポダラフィ画像を形態画像データ上に配置することができる。

上記構成の生体光計測装置により、局所的な血流やへモグロビン変化を生じている部位を形態画像上で確認することができる。従って、例えばてんかん手術などでは、局所的なへモグ口ビン変化が生じている焦点部位を形態画像上で確認しながら、焦点部位だけを正確に除去することができる。これにより、脳の損傷を最小限に抑えることができ、必要以上の身体機能麻痺の危険を回避できる。

またトポグラフィ画像を形態画像上に配置するに際し、トポグラフィ画像を被検体表面から所定の深さの内部に位置するように配置することで光計測している部位の位置、例えば脳表面上の位置を正確に表示することができる。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の生体光計測装置の実施形態を示すプロック図。

図 2は、図 1の生体光計測装置の光照射部の詳細を示す図。

図 3は、光照射位置および検出位置の配置の一実施例を示す図。

図 4は、光照射位置および検出位置の配置の他の実施例を示す図。

図 5は、 4光照射位置および検出位置の配置のさらに他の実施例を示す図。

図 6は、図 1の生体光計測装置の光検出部の詳細を示す図。

図 7は、本発明の生体光計測装置の処理の一実施例を示すフ口一図。

図 8 A， 8 Bは、図 7の処理において作成されるトポグラフィ画像および画像処理を説明する図。

図 9は、本発明の生体光計測装置で表示される画像の一例を示す図。

図 1 0は、本発明の生体光計測装置で表示される画像をプリントアウトした図。図 1 1は、他の実施例を示すフロー図。

図 1 2は、他の実施例で表示される画像の一例を示す図。

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の生体光計測装置の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図 1は、本発明の生体光計測装置の一実施形態を示す構成図で、この光計測装置は、主として被検体 9に光を照射するための光照射部 1 0と、被検体 9を透過した光を検出する光検出部 2 0と、光照射部 1 0及び光検出部 2 0の駆動を制御するとともに光検出部 2 0が検出した光量に基づき被検体 9の生体情報を表すトポグラフィ画像を作成する信号処理部 3 0とを備えている。

光照射部 1 0は、複数の光モジュール 2からなる光源部 1と、光モジュール 2 が発光する光を変調するための発振部 3と、各光モジュール 2に接続された光フアイバ 4とを備えている。本実施例では、光源部 1は 4個の光モジュール 2を備え、各光モジュールはそれぞれ 2種の異なる波長の光を発光する場合を説明する力光モジュールの数およびそれが発光する光の種類（数）はこれらに限定されない。

光源部 1の詳細を図 2に示す。図示するように個々の光モジュール 2は、二個の半導体レーザ 1 1 a、 l i bと、これら半導体レーザ 1 1 a、 1 1 bの駆動回路 1 2 a、 1 2 bとを備える。半導体レーザ 1 1 a、 l i bは、可視から赤外の波長領域の異なる波長の光を照射する。波長は測定する対象によって異なるが、例えばへモグロビン変化を測定する場合、酸素を持っている赤血球によく吸収される 7 8 0 n m及び酸素を持っている赤血球によく吸収される 8 3 0 n mの二波長の光を放射する。尚、光源部 1は、半導体レーザの代りに発光ダイォードを用いることも可能である。

発振部 3は、光モジュール 2の半導体レーザの数に対応して、発振周波数の異なる 8個の発振器で構成される。

半導体レーザ駆動回路 1 2 a、 1 2 bでは、半導体レーザ 1 1 a、 l i bに対して直流バイアス電流を印加すると共に、発振器によりそれぞれ異なる周波数 f l a、 f 1 bを印加することで、半導体レーザ 1 1 a、 l i bから放射される光に変調を与える。変調は、正弦波によるアナログ変調を用いても、それぞれ異なる時間間隔の矩形波によるデジタル変調を用いてもよい。

半導体レーザ 1 1 a、 1 1 bが放射する光は、それぞれ半導体レーザ 1 1 a、 1 1 bに接続された集光レンズ 5により光ファイバ 6に個々に導入される。個々の光ファイバ 6に導入された二波長の光は、各光モジュールごとに光フアイバ結合器 7により 1本の光ファイバ、即ち照射用光ファイバ 4内に導入される。一端が光ファィバ結合器 7に接続された照射用光フアイバ 4の他端は、後述する検出部 2 0の検出用光ファイバ 8とともに、所定の配置となるように図示しない装着具に固定され、被検体に装着される。これら光ファイバの端面は被検体表面上に軽く接触しており、照射用光ファィバ 4の他端から被検体 9の表面上の異なる 4個所の照射位置から照射され、被検体から反射された光を、被検体表面上の 5個所の検出位置に配置された検出用光ファイバ 8で検出するようになっている。装着具に装着された光ファイバの端部はプローブと呼ばれる。また光：バを被検体に装着するための装着具は、ベルト状やヘルメット状など検査対象に応じて種々の形状とすることができ、例えば特開平 9 一 1 4 9 9 0 3号公報に記載されているような生体光計測装置において公知のものを用いることができる。図 3に照射位置および検出位置の配置の一例を示す。図示する例では、 4本の照射用光ファイバ 4に対応して 4つの照射位置 R 1〜R 4が示され、これら照射位置 R 1〜R 4は、検出位置 D 1〜D 5と交互に正方格子上に配置されている。この時、隣接する照射位置と検出位置との中点を計測位置とすると、この場合、隣接する照射位置と検出位置との組合せが 1 2通り存在するため、計測位置数すなわち計測チャンネルが 1 2個となる。

隣接する照射位置と検出位置の間隔は特に限定されず、計測部位等に応じて適宜変化させることができるが、 3 c mに設定した場合に各検出位置で検出された光は、皮膚、頭蓋骨を通過して大脳の情報を有していることが報告されている (例えばピィー ·ダブル ·マコーミック（P. W. cCormic) 他による「赤外光の大脳内部の浸透 (Intracerebral penetration of infrared l ight) 」（1 9 9 2 年，ジャーナルォブニューロサージエリ，第 7 6卷，第 3 1 5〜 3 1 8頁））。従って上述した照射検出位置の配置で 1 2計測チヤンネルを設定することにより、全体として 6 c m X 6 c mの領域における大脳の計測が可能となる。

尚、図示する実施例では、簡単のために計測チャンネルが 1 2の場合を示しているが、格子状に配置する光照射位置及び光検出位置の数をさらに増加させることにより、計測チャンネルをさらに増加させて、計測領域を拡大することも可能である。他の実施例として、図 4に 2 4チャンネル計測における光照射 ·検出配置を、図 5に 4 0チャンネルの同配置を示す。

図 6は検出部 2 0の詳細を示す図である。検出部 2 0は、光検出器 2 1 と検出回路 2 2からなる。図には、各検出位置に対応する複数（ここでは 5本）の検出用光ファイバ 8のうちの 1本が接続された検出部のみを示しているが、各検出位置に対応する複数（ここでは 5本）の検出用光ファイバ 8にそれぞれ光検出器 2 1と検出回路 2 2， AZ D変換器 2 6からなる検出部 2 0が接続されている。各光検出器 2 1は、光信号を電気信号に変換するもので、検出用光ファイバに入射した光を、その光量に比例した電気信号に変換し、検出回路 2 2に送る。このような光検出器 2 1 として、例えばフォトダイオードや光電子増倍管が用いられる。特に高感度な光計測が実現できるアバランシェフォトダイオードが望ましレ、。

検出回路 2 2は、変調信号を選択的に検出する回路、例えば複数のロックインアンプ（lock- in Amp) 2 3 - 1 , 2 3— 2 · · · と増幅器 2 4及びスィッチ 2 5から構成されるロックインアンプモジュールからなり、照射位置かつ波長に対応した変調信号を選択的に検出する。例えば図 3の検出位置 D 1の検出回路の場合、それと隣接する照射位置 R 1〜R 4から照射される各二波長の光に対応する変調周波数 f l a、 f l b、 f 2 a , f 2 b、 f 3 a、 f 3 b、 f 4 a及び f 4 bの 8個の信号を検出するために、これら変調周波数を参照信号として用いる 8 個の口ックインアンプ 2 3—；！〜 2 3— 8を備える。口ックインアンプ 2 3 - 1 は変調周波数 f 1 aの参照信号を用いて、照射位置 R 1から照射された波長 7 8 O n m、変調周波数 f 1 aの光を選択的に検出する。同様にロックインアンプ 2 3 - 2は変調周波数 f 1 bの参照信号を用いて、照射位置 R 1から照射された波長 8 3 0 n m、変調周波数 f 1 bの光を選択的に検出する。これにより検出位置 D 1と照射位置 R 1との間の計測位置について二波長の光に対応する 2つの信号を取り出すことができる。検出位置 D 1と照射位置 R 2〜R 4との間の計測位置についても同様にロックインアンプ 2 3— 3〜2 3— 8から取り出すことができる。

検出位置 D 2〜D 5の場合には、隣接する照射位置は 2つしかないので、ロックインアンプ 2 3の数は二波長に対応して 4個でよく、 4個のロックインアンプによって 1つの検出位置と 2つの照射位置との間の 2つの計測位置についてそれぞれ 2つの信号を取り出す。従って、図 3に示す照射 ·検出位置配列の場合には、全体で 2 4個のロックインアンプによって 1 2の計測位置についてそれぞれ 2系統の信号を取り出すことができる。

ロックインアンプ 2 3— 1， 2 3 - 2 , · · 'の出力は、アナログデジタル変換器 2 6によりそれぞれデジタル信号に変換されて、信号処理部 3 0に送られる: この実施例では、アナログ変調の場合に対応する変調信号検出回路としてロックインアンプを示しているが、デジタル変調を用いた場合には、変調信号検出としてデジタルフィルターもしくはデジタルシグナルプロセッサを用いる。

信号処理部 3 0は、図 1に示すように上述した光照射部 1 0及び光検出部 2 0 を制御する制御部 3 1と、光検出部 2◦で計測した信号やその計算結果等を記録する記録部 3 2と、予め記憶されたへモグロビンの検量線等を用いてデジタル変換された計測信号を計算しトポグラフィ画像を作成する処理部 3 3と、トボグラフィ画像等を表示する表示部 3 4を備え、更に M R Iや X線 C T装置などの画像診断装置 4 1及び 3次元位置検出装置 4 2からのデータを入力する入力部 4 0が備えられている。画像診断装置 4 1からの 3次元形態画像データおよび 3次元位置検出装置 4 2からの 3次元座標データは、直接或いは記録媒体を介して入力部 4 0に転送される。

尚、各計測位置ごとに二波長の検出光量を用いて、脳活動に伴う酸素化へモグロビン濃度変化、脱酸素化ヘモグロビン濃度変化、さらにはこれらヘモグロビン濃度総量としての全へモグロビン濃度変化を計算し、それをトポグラフィ画像として表示部に表示する手法は、例えば特開平 9一 1 9 4 0 8号公報やアツシ，マキ（Atsushi Maki) 他による「無侵襲近赤外光トポグラフィ画像によるヒト脳活動の時空間解析 (Spatial and temporal analysi s of human motor activity using noninvasive NIR topography) 」、 1 9 9 5年及びメデイカノレフィジックス、第 2 2卷、第 1 9 9 7— 2 0 0 5頁に記載されている。本発明でも計測信号の計算には、これらの方法を採用することができる。

形態画像データは、本発明の生体光計測装置による計測に先立って同じ被検体を M R Iや X線 C T装置など画像診断装置 4 1で撮影することにより得たものであり、被検体上に設定された特定の基準点、好ましくは 3点以上の基準点のデータを含む。このような基準点は、被検体に所定の基準点マーカを貼りつけた状態で撮影することにより設定することができる。基準点マーカとしては、例えば C Tでは金属球や金属箔等の X線を吸収材料からなる小片を用いることができ、また M R Iでは核磁気共鳴において測定対象核種（典型的には水素）と異なる挙動を示す物質、例えば脂溶性薬を充填したカプセル等を用いることができる。このように画像データに基準点を含ませることにより、後述する 3次元座標データとの位置合せが可能となり、また生体光計測で得られるトポグラフィ画像を形態画像上に配置することが可能となる。基準点マーカを付ける位置は特に限定されなレ、が、被検体の計測部位近傍に、例えば脳計測の場合、左耳位置、右耳位置、鼻のくぼみ位置（ナジオン）の 3点に貼りつける。

画像データに基準点を含ませる他の実施例として、入力させた画像データ上に後から基準点、例えば鼻の位置、左右耳の位置をマニュアルで指定するようにしてもよい。

3次元位置検出装置 4 2は、被検体が生体光計測装置の装着具（光照射用ファィバと光検出用ファイバを固定した装着具）を装着し且つ上述した基準点マーカを付けた状態で、各プローブの位置（光照射位置、光検出位置）および基準点マ一力貼りつけ位置を検出し、 3次元座標データとして出力する。このような 3次元位置検出装置 4 2として、機械式、磁気勾配型、光学式などがあり、いずれを採用してもよい。

基準点を磁気勾配型で測定する場合は、磁気発生装置を被検体の後ろに置いて、そこからの距離情報を位置情報として入力する。

それぞれの基準点及びプローブの上に入力装置を当てがつて各点の位置情報を入力し、 X， Y , Z座標軸情報とペン形入力装置の角度情報を入力する。

3次元位置検出装置としては「渡辺英寿： "ニューロナビゲータ現状と将来" 、先端医療、 V o l . 5， N o . 2， p p . 7 6〜7 8， 1 9 9 8」に記載のニュ —口ナビゲータと称される位置検出手段を用いることもできる。

処理部 3 3は、これら形態画像データおよび座標データを入力し、形態画像データ上の基準点と、基準点に対応する座標データとが合致するように、光照射位置および光検出位置の座標を拡大或いは縮尺する。

次に以上のような構成の生体光計測装置を用いた生体光計測の実施例を図 7を参照して説明する。この実施例では頭部を計測部位とし、脳表面のヘモグロビン変化を計測し、 3次元トポグラフィ画像を作成する場合を説明する。

まず生体光計測に先立って、 M R、 C T装置等により被検体の 3次元画像を作成する。この際、被検体の計測部位近傍の 3点に基準点マーカを付けて撮影する (ステップ 7 0 1、 7 0 2 ) 。作成された 3次元画像データは、入力部 4 0から信号処理部 3 0の記録部 3 2に転送される。

次に基準点マーカを付けた被検体の頭部に、生体光計測用の装着具を装着し、 3次元位置検出装置で基準点の位置、光照射位置及び光検出位置を実空間座標を測定する（ステップ 7 0 3、 7 0 4 ) 。 3次元位置検出装置で測定した 3次元座標データは、入力部 4 0から信号処理部 3 0の記録部 3 2に転送される。

処理部 3 3は、 3次元画像上の基準点に、 3次元位置検出装置で測定した基準点の実空間座標を拡大、縮小、距離補正を行ないながら合わせ込む（7 0 5 ) 。次いで合わせ込まれた基準点の距離補正率に基づき、光照射位置および光検出位置の実空間座標の距離補正を行ない、画像データ上に描画する（7 0 6 ) 。この状態で被検体の生体光計測を開始する（7 0 7 ) 。即ち、光照射位置からそれぞれ所定の変調周波数で変調された二波長の光を照射するとともに、隣接する光検出位置において、被検体を透過した光を検出する。これによつて光照射位置と光検出位置との間の計測位置毎に透過光量に対応する信号が得られる。信号処理部 3 0はこの光量から予め記録されたへモグロビン検量線を用いて計測位置毎のヘモグロビン変化を求め、図 8 Aに示すような等量線（量が等しい点をつないて線で表示したグラフ）或いは階調表示又は色調表示したものを作成する。計測位置を 2次元的に配列した平面にこの等量線或いは階調表示（色調表示）を描画したものがトポグラフィ画像 8 1であり、これは従来の生体光計測において作成するものと同様である。尚、図 8 Aにおいて 8 2、 8 4は光照射位置、 8 3は光検出位置をそれぞれ示している。

次に信号処理部 3 0は、この 2次元トボグラフィ画像を 3次元トポグラフィ画像とするために、 2次元トポグラフィ画像の距離補正を行なう。距離補正とは、距離が遠い場合には 2次元トポグラフィ画像の信号値が低いため、信号を増大する大きな重みの Dを掛合わせ、距離が近い場合には信号値が高いため、信号を減少させる小さな重みの Dをかけ合せる処理であり、これにより距離補正の行われた正確なトポグラフィ画像を作成する。ここで 2次元トポグラフィ画像データ H bは、光照射位置および光検出位置間の距離を一定値 c (例えば 3 O mm) として計算表示されたものであるので、この処理では、 3次元位置検出器で測定された正確な光照射位置および光検出位置間の距離 dを用いて、次式（1 ) により距離補正された新データ H b ' を求める。

H b ' = H b X D ( 1 )

式中、 D (Di stance) は D = d / cを表す。

このように距離補正された 2次元トボグラフィ画像をステップ 7 0 6で描画した光照射位置および光検出位置に合わせることにより、 3次元トポグラフィ画像が描画できる（7 0 8 ) 。この際、必要に応じてスプライン補間等を行なう。ステップ 7 0 8で作成された 3次元トポグラフィ画像は、計測表面、即ち頭表面に沿ったものであるが、既に述べたように、各検出位置で検出された光は、皮膚、頭蓋骨を通過して大脳の情報を有するものであり、脳表面の情報として表示されることが好ましレ、。このためステップ 7◦ 9では、ステップ 7 0 8で得られた 3次元トポグラフィ画像を頭表面の法線方向に所定の深さに落とし込むという処理を行なう。この頭表面から脳表面までの距離は、その被検体の画像データから算出してもよいし、経験的に知られた値を用いることも可能である。

ステップ 7 0 9で行なう処理を図 8 Bに示す。図 8 Bは被検体の頭部 8 5と大脳 8 6を横から見た状態を模式的に示しており、ステップ 7 0 8で得られたトポグラフィ画像は被検体の頭表面 8 7に描画されているが、これを図中矢印で示す法線方向に移動することにより脳表面 8 8上にトポグラフィ画像を描画する。このように 3次元トポグラフィ画像と形態画像を合成したものを表示する（7 1 0 ) 。

以上の生体光計測において得られる画像の一例を図 9に示す。ここでは形態画像として、脳のみを 3次元画像表示し、頭部形状は表示を見やすくする意味で 3 次元フレーム表示しているが、もちろん頭部形状を含む全体を 3次元表示してもよい。

この実施例は左脳と右脳に図 3に示す配置のプローブを装着した場合を示しており、各ブローブの光照射位置 9 1と光検出位置 9 2が表示され、これに対応する脳表面 9 3の位置にステップ 7 0 9の処理で得られた 3次元トポグラフィ画像 9 4が表示される。図中、 9 5は光照射位置 9 1 と光検出位置 9 2の画像上の位置を合わせるための基準点であり、この例では左耳位置、右耳位置、鼻のくぼみ位置（ナジオン）の 3点である。このような画像により、各プローブ（光照射/光検出位置）の正確な装着位置を知ることができるとともに、脳のどの領域において局所的なへモグロビン変化が生じているのかを正確に知ることができる。

図 1 0に実際の表示例をプリントアウトしたものを示す。トポグラフィ画像が 3次元表示された脳表面上に重ねて表示されている。数値は光照射装置と検出位置を示す。

へモグロビン濃度変化量の小さい領域を青で表示し、へモグロビン濃度変化量の大きい領域を赤で示すようにしている。

図 1 1はワイヤーフレーム画像上にトポグラフィ画像を重ねて表示する実施例のフローチャートである。

図示しない入力手段からのトポグラフィ画像の生成指示により、制御部 3 1は、頭部形状に係わる 3次元位置情報 2 0 1、並びに照射用及び検出用光ファィバ 4， 8と被検体 9との接触位置に係わる 3次元位置情報 2 0 2を、記録部 3 2力ゝら処理部 3 3に出力する。ただし、 3次元位置情報 2 0 1は、被検体 9の外形形状を特定するために計測された全ての基準位置の座標情報である。

処理部 3 3は、まず、被検体 9の計測部位である頭部の形状を計測した 3次元位置情報 2 0 1から頭部の 3次元ワイヤーフレーム画像を生成する。具体的には、基準位置として測定した 4点（左耳位置、右耳位置、鼻のくぼみ位置（ナジォン）、後頭部（ィニオン） ) の座標を用いて、 X Y Z座標系による放物線近似を行うことによって、頭部形状のワイヤーフレーム画像を生成する。

処理部 3 3は、照射用及び検出用光ファイバ 4， 8の先端部分と被検体 9との接触位置に係わる 3次元位置情報 2 0 2である光照射位置（照射位置）及び光検出位置（集光位置）の 3次元位置情報に基づいて、計測部位である頭部の 3次元ワイヤーフレーム画像を生成（構成）する（ステップ 2 0 3 ) 。この後、処理部 3 3は、生成された 3次元ワイヤーフレーム画像上における光照射位置及び光検出位置を特定し、プロットする（ステップ 2 0 4 ) 。次に、処理部 3 3は、従来と同様の手順、すなわち、光照射位置と光検出位置との距離が全て設計距離である 3 O mmとして、 2次元トポグラフィ画像を生成する（ステップ 2 0 5 ) 。このステップ 2 0 5では、例えば、図 3に示すように、頭部に合わせて光照射位置及び光検出位置が間隔 3 O mmで正方格子状に配列されているものとし、それぞれ隣接する光照射位置と光検出位置との中間位置である 1 2個の計測位置において、脳に対する刺激が加えられていない時と脳に刺激が加えられている時との酸素化へモグロビン濃度変化及び脱酸素化へモグロビン濃度変化並びにへモグロビン濃度総量の変化を求める。次に、各計測位置におけるこれらヘモグロビン濃度変化の値を、例えば、 3次スプライン補間により画像化し、この画像をトボグラフィ画像とする。なお、ヘモグロビン濃度変化の値から 3次スプライン補間によりトポグラフィ画像を得る時の詳細については、特開平 9一 9 8 9 7 2号公報及び特開平 9一 1 4 9 9 0 3号公報に記載されているので、詳細な説明は省略する。次に、処理部 3 3は、読み込んだ光照射位置及び光検出位置 2 0 2からそれぞれ隣接する光照射位置及び光検出位置の 3次元空間における距離 dを各計測位置毎に計算する。このとき本実施の形態では、計測位置数は 1 2個となるので、計算によって算出された光照射位置及び光検出位置の 3次元空間における距離 dも 1 2個となる。次に、処理部 3 3は、 2次元の光照射位置及び光検出位置に基づいた 2次元トポグラフィ画像 Hb data (original)を式（1 ) に従って補正し、 3 次元の光照射位置及び光検出位置に基づいたトポグラフィ画像 Hb data (new)を生成する（ステップ 2 0 6 ) 。

次に、処理部 3 3は、補正後のトポグラフィ画像をステップ 2 0 3で生成したワイヤーフレーム画像に沿ったトポグラフィ画像に変換する。具体的には、トポグラフィ画像を構成する各画素の画素値を、頭部ワイヤフレーム画像の座標に合わせて 3次元補間を行うことにより、 3次元トポグラフィ画像へ変換する。

この後に、処理部 3 3は、ワイヤーフレーム画像にトポグラフィ画像を重ねた 3次元画像を生成し、表示部 3 4の表示面上に表示させる（ステップ 2 0 7 ) 。従って、本発明の生体光計測装置では、被検体 9のワイヤ一フレーム画像に沿つたトポグラフィ画像を生成することができる。

図 1 2はワイヤーフレーム画像上に表示された 3次元トポグラフィ画像の一例を示す図である。ただし、本実施例では、刺激によるヘモグロビン濃度変化量の小さい領域を青色で示し、濃度変化量の大きい領域を赤色で示し、その中間部分を青色と赤色との中間色で表示するようにしている。ワイヤーフレーム画像に重ねて表示される数字は、計測位置のチャンネル番号すなわち光照射位置及び光検出位置を示す。

図 1 2から明らかなように、ワイヤーフレーム画像上に、計測結果である 3次元トポグラフィ画像と光照射位置及び光検出位置の表示を行うことができるので、照射用光ファイバ及び検出用光ファイバと被検体 9との接触位置を正確に把握することが可能となる。その結果、被検体 9のどの位置でへモグロビン濃度がどのように変化しているかを容易に把握することが可能となり、診断効率を向上させることができる。

なお、本実施例では、まず、計測時における光ファイバの設計間隔で各計測位置毎に酸素化及び脱酸素化へモグロビン濃度変化並びにへモグロビン濃度総量を計算し、その後に、 3次元計測された光ファイバ位置から計算された光ファイバ間隔で、各計測位置毎に酸素化及び脱酸素化へモグ口ビン濃度変化並びにへモグロビン濃度総量を補正する構成としたが、これに限定されることはなく、例えば、まず、 3次元計測された光フアイバ位置から計測時における光フアイバ間隔を計算し、この計算された光ファイバ間隔に基づいて、各計測位置毎に酸素化及び脱酸素化へモグロビン濃度変化並びにへモグロビン濃度総量を計算してもよいことはいうまでもない。

以上、被検体の頭部の光計測を例にして本発明の光生体計測装置の動作を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば図 7に示すフローにおいて、光計測のステップ 7 0 7から画像表示までのステップ 7 1 0を繰り返し行ない、時系列的に連続する画像を得るようにしてもよい。この場合、特定の計測部位についてヘモグロビン変化を形態画像とは別にグラフ或いは数値で表示することも可能である。

また形態画像の表示方法としては、所定の軸の回りに画像を回転したり、所望の部位を拡大する機能を持たせることも可能である。さらに計測対象は頭部に限らず他の部位、さらには生体以外にも適用することが可能である。

本発明は、 3次元形態画像上にトボグラフィ画像を表示することが最も効果的であるが、 2次元形態画像にトポグラフィ画像を表示することも本発明の範囲に含まれる。本発明の生体光計測装置によれば、 3次元トボグラフィ画像を作成し、これを被検体の 3次元画像上に表示可能にしたので、生体光計測によって得られる情報、例えば局所的なへモグロビン変化を、それが生じている部位との関係で正確に知ることができる。

産業上の利用可能性

本発明による表示結果を F MR I， PET, S PECT等の他の脳機能の解析結果と容易に比較できるようにすることで、更に診断精度を向上させることが可能になる。

Claims

請求の範囲

1. 複数の光照射位置から被検体に対し光を照射する手段と、前記複数の光照射位置から照射され、前記被検体内部を通過した光を前記複数の光照射位置近傍に設置された複数の検出位置で検出する光検出手段と、前記光検出手段で検出された検出位置毎の光量を用いて前記被検体内部の生態情報を表わすトポグラフィ画像を作成する信号処理手段とを備えた生体光計測装置において、

前記信号処理手段は、

前記光照射位置及び光検出位置と前記被検体に設けられた基準点との位置関係を表わす 3次元座標データを設定する手段と、

前記 3次元座標データに基づいて 3次元トポグラフィ画像を作成する手段と、前記光照射位置及び光検出位置との位置関係を示す前記 3次元座標データと前記被検体の 3次元形態画像の 3次元座標データとを合わせて前記 3次元トボグラフィ画像と前記形態画像との合成画像を作成し表示する手段

とを含むことを特徴とした生体光計測装置。

2. 請求項 1の生体光計測装置において、前記信号処理手段は、更に、前記 3 次元形態画像において、前記被検体の表面から所定の深さの内部に前記 3次元トポグラフィ画像を配置する手段を含むことを特徴とした生体光計測装置。

3. 請求項 1の生体光計測装置は更に、前記被検体の 3次元形態画像データを入力する手段を含む。

4. 請求項 1の生体光計測装置において、前記信号処理手段は、前記形態画像として、前記被検体のワイヤーフレーム画像を作成する手段を含む。

5. 請求項 1の生体光計測装置において、前記形態画像は、断層画像を含む。

6. 請求項 5の生体光計測装置にぉレ、て、前記形態画像は C T画像を含む。

7. 請求項 5の生体光計測装置において、前記形態画像は M R I画像を含む。

8. 複数の光照射位置から被検体に対し光を照射する手段と、前記複数の光照射位置から照射され、前記被検体内部を通過した光を、前記複数の光照射位置近傍に設置された複数の検出位置で検出する光検出手段と、前記光検出手段で検出された検出位置毎の光量を用いて前記被検体内部の生態情報を表わすトポグラフィ画像を作成する信号処理手段とを備えた生体光計測装置のトポグラフィ画像の生成方法は、

前記光照射位置及び光検出位置と前記被検体に設けられた基準点との位置関係を表わす 3次元座標データを設定するステップと、

前記 3次元座標データに基づいて 3次元トポグラフィ画像を作成するステップと、

前記光照射位置及び光検出位置との位置関係を示す前記 3次元座標データと前記被検体の 3次元形態画像の 3次元座標データとを合わせて前記 3次元トボグラフィ画像と前記形態画像との合成画像を作成し表示するステップ

とを含むことを特徴としたトボグラフィ画像の生成方法。

9. 請求項 8のトポグラフィ画像の生成方法において、前記表示するステップは、前記 3次元形態画像において、前記被検体の表面から所定の深さの内部に前記 3次元トポグラフィ画像を配置して表示するステツプを含むことを特徴としたトポグラフィ画像の生成方法。

10. 請求項 8のトポグラフィ画像の生成方法において、前記形態画像上に前記光照射位置及び光検出位置を配置するステップは、前記形態画像上に指定された基準点と、該基準点に対応する 3次元座標データとが合致する様に、前記光照射位置及び光検出位置の座標を拡大又は縮小するステップを含む。

11. 請求項 8のトポグラフィ画像の生成方法において、前記形態画像は断層画像を含む。

12. 請求項 8のトポグラフィ画像の生成方法において、前記形態画像は C T画像を含む。

13. 請求項 8のトポグラフィ画像の生成方法において、前記形態画像は M R I 画像を含む。

14. 請求項 8のトポグラフィ画像の生成方法は更に、前記被検体の 3次元形態画像として、前記被検体のワイヤーフレーム画像を作成するステップを含む。