JP3237359B2 - Life activity current source estimation method - Google Patents

Life activity current source estimation method

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、生体活動電流源の位
置,向き,大きさを推定する方法に係り、特に、最小ノ
ルム法を用いた生体活動電流源推定方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for estimating the position, orientation, and size of a biological activity current source, and more particularly to a method for estimating a biological activity current source using a minimum norm method.

【0002】[0002]

【従来の技術】生体に刺激を与えると、細胞膜を挟んで
形成されている分極が壊れて生体活動電流が流れる。こ
の生体活動電流は、脳や心臓において現れ、脳波,心電
図として記録される。また、生体活動電流によって生じ
る磁界は、脳磁図,心磁図として記録される。
2. Description of the Related Art When a living body is stimulated, the polarization formed across a cell membrane is broken and a living activity current flows. This biological activity current appears in the brain and heart, and is recorded as an electroencephalogram and an electrocardiogram. The magnetic field generated by the biological activity current is recorded as a magnetoencephalogram and a magnetocardiogram.

【0003】近年、生体内の微小な磁界を計測する装置
として、SQUID(Superconduc-ting Quantum Inter
face Device :超電導量子干渉計)を用いたセンサが開
発されている。このセンサを頭部の外側に置き、脳内に
生じた生体活動電流源である電流双極子(以下、単に電
流源とも称する)による微小磁界をそのセンサで無侵襲
に計測することができる。計測された磁界データから病
巣に関連した電流源の位置, 向き, 大きさを推定し、推
定した電流源をX線CT装置やMRI装置で得られた断
層像上に表示させて患部等の物理的位置の特定などに用
いている。
Recently, as a device for measuring a minute magnetic field in a living body, SQUID (Superconducting Quantum Inter
face Device: A sensor using a superconducting quantum interferometer) has been developed. This sensor is placed outside the head, and the sensor can non-invasively measure a small magnetic field generated by a current dipole (hereinafter simply referred to as a current source), which is a biological activity current source, generated in the brain. From the measured magnetic field data, the position, direction, and size of the current source related to the lesion are estimated, and the estimated current source is displayed on a tomographic image obtained by an X-ray CT or MRI device, and the physics of the affected part is displayed. It is used to identify the target position.

【0004】従来、電流源の推定方法の一つとして、最
小ノルム法を用いた手法がある(例えば、W.H.Kullman
n, K.D.Jandt, K.Rehm, H.A.Schlitt, W.J.Dallas and
W.E.Smith, Advances in Biomagnetism, pp.571-574, P
lenum Pless, New York, 1989) 。
Conventionally, as one of current source estimation methods, there is a method using a minimum norm method (for example, WHKullman
n, KDJandt, K. Rehm, HASchlitt, WJDallas and
WESmith, Advances in Biomagnetism, pp.571-574, P
lenum Pless, New York, 1989).

【0005】以下、図7を参照して、最小ノルム法を用
いた従来の電流源推定方法を説明する。図7に示すよう
に、被検体Mに近接してマルチチャンネルSQUIDセ
ンサ1が配備される。マルチチャンネルSQUIDセン
サ1は、デュアーと呼ばれる容器内に多数の磁気センサ
(ピックアップコイル)S1 〜Sm を液体窒素などの冷
媒に浸漬して収納している。
A conventional current source estimation method using the minimum norm method will be described below with reference to FIG. As shown in FIG. 7, a multi-channel SQUID sensor 1 is provided near the subject M. Multichannel SQUID sensor 1 is accommodated by immersing a number of magnetic sensors (pickup coil) S 1 to S m in the refrigerant such as liquid nitrogen in a container called a dewar.

【0006】一方、被検体Mの診断対象領域である例え
ば脳に、多数の格子点(1) 〜(n) を3次元に設定して各
格子点に未知の電流源(電流双極子)を仮定し、各電流
源を3次元ベトクルVPj (j=1〜n)で表す。そうす
ると、SQUIDセンサ1の各磁気センS1 〜Sm で検
出される磁界Bi 〜Bm は、次式(1) で表される。
On the other hand, a large number of grid points (1) to (n) are set three-dimensionally in, for example, the brain, which is a diagnosis target area of the subject M, and an unknown current source (current dipole) is set at each grid point. Assuming that each current source is represented by a three-dimensional vector VP j (j = 1 to n). Then, the magnetic field B i .about.B m detected by the magnetic sensor S 1 to S m of the SQUID sensor 1 is expressed by the following equation (1).

【0007】[0007]

【数1】 (Equation 1)

【0008】 式(1) において、VPj =(Pjx,Pjy,Pjz) αij=(αijx,αijy,αijz ) で表される。なお、αijは、格子点上にX,Y,Z方向
の単位大きさの電流源を置いた場合に磁気センサS1
m の各位置で検出される磁界の強さを表す既知の係数
である。
In equation (1), VP j = (P jx , P jy , P jz ) α ij = (α ijx, α ijy, α ijz ). Note that α ij is the magnetic sensors S 1 to S 1 when a current source having a unit size in the X, Y, and Z directions is placed on a grid point.
Is a known coefficient which represents the strength of the magnetic field detected by each position of the S m.

【0009】 ここで、〔B〕=(B1 ,B2 ,…,Bm ) 〔P〕=(P1x,P1y,P1z,P2x,P2y,P2z,…,
nx,Pny,Pnz) のように表すと、(1) 式は(2) 式のような線形の関係式
に書き換えられる。 〔B〕=A〔P〕 ………(2)
[B] = (B 1 , B 2 ,..., B m ) [P] = (P 1x , P 1y , P 1z , P 2x , P 2y , P 2z ,.
(P nx , P ny , P nz ), the expression (1) can be rewritten into a linear relational expression like the expression (2). [B] = A [P] (2)

【0010】(2) 式において、Aは次式(3) で表される
3n×m個の要素をもった行列である。
In the equation (2), A is a matrix having 3n × m elements represented by the following equation (3).

【0011】[0011]

【数2】 (Equation 2)

【0012】ここで、Aの逆行列をA- で表すと、
〔P〕は次式(4) で表される。 〔P〕=A- 〔B〕 ………(4)
Here, when the inverse matrix of A is represented by A ,
[P] is represented by the following equation (4). (P) = A - (B) ......... (4)

【0013】(4) 式で表される連立方程式は、式の個数
m(磁気センサS1 〜Sm の個数で、例えば数10〜数
100)よりも、未知数の個数n(各格子点に仮定され
る電流源の個数で、例えば数100〜数1000)であ
るので、解が求まらない。そこで、ベクトル〔P〕のノ
ルム|〔P〕|を最小にするという条件を付加する。そ
うすると、上式(4)は次式(5) のように表される。 〔P〕=A+ 〔B〕 ………(5) ここで、A+ は次式(6) で表される一般逆行列である。 A+ =At (AAt -1 ………(6) ただし、At はAの転置行列である。
The simultaneous equation represented by the equation (4) is obtained by comparing the number m of equations (the number of magnetic sensors S 1 to S m , for example, several 10 to several hundred) with the number n of unknowns (for each grid point). Since the number of assumed current sources is, for example, several hundred to several thousand), no solution is obtained. Therefore, a condition is added to minimize the norm | [P] | of the vector [P]. Then, the above equation (4) is expressed as the following equation (5). [P] = A + [B] (5) where A + is a generalized inverse matrix expressed by the following equation (6). A + = A t (AA t ) -1 ......... (6) However, A t is the transpose matrix of A.

【0014】上式(5) を解いて各格子点上の電流源VPj
の方向,大きさを推定し、その中で値の最も大きなもの
を真の電流源に近いものとしている。これが、最小ノル
ム法による電流源推定方法の原理である。
By solving the above equation (5), the current sources VP j on each grid point
Are estimated, and the one having the largest value among them is assumed to be close to the true current source. This is the principle of the current source estimation method using the minimum norm method.

【0015】しかし、上述した最小ノルム法では格子点
が配置された全ての位置に電流源を仮定するので、空間
的に解の自由度が高くなり、誤った解を求めてしまう原
因となっている。
However, in the above-mentioned minimum norm method, since current sources are assumed at all positions where the grid points are arranged, the degree of freedom of the solution increases spatially, which may cause an erroneous solution to be obtained. I have.

【0016】そこで、『磁場源はいくつかの局所領域に
存在する電流源で構成される』いう仮定に基づき、解が
存在する可能性の低い格子点をより高い格子点の付近に
集めて空間的な制約を加え、解の自由度を下げること
で、より真の解に近い解を求めるという手法(以下、格
子点移動最小ノルム法という)が、本発明者らによって
提案されている(富田 定、梶原茂樹、近藤泰志、吉田
佳一、山本真司、大津崇、八巻直一、賀戸 久:第8回
日本生体磁気学会大会論文集、Vol.6, pp.86-89, 1993
) 。以下、この格子点移動最小ノルム法について説明
する。
Therefore, based on the assumption that the magnetic field source is composed of current sources existing in several local regions, grid points having a low possibility of having a solution are gathered near higher grid points to obtain a space. The present inventors have proposed a method of obtaining a solution that is closer to the true solution by lowering the degree of freedom of the solution by adding a general constraint (hereinafter referred to as a lattice point moving minimum norm method) (Tomita) Sada, Shigeki Kajiwara, Yasushi Kondo, Keiichi Yoshida, Shinji Yamamoto, Takashi Otsu, Naoichi Yakimaki, Hisashi Kato: Transactions of the 8th Annual Meeting of the Japanese Society of Biomagnetism, Vol. 6, pp. 86-89, 1993
). Hereinafter, the grid point moving minimum norm method will be described.

【0017】格子点移動最小ノルム法では、j番目の格
子点上に解が存在する確度を次式(7) で表す。
In the grid point moving minimum norm method, the probability that a solution exists on the j-th grid point is expressed by the following equation (7).

【0018】[0018]

【数3】 (Equation 3)

【0019】上式(7) において、Vrj ,VPj はj番目の
格子点の位置ベクトルとその格子点上の最小ノルム解で
あり、nは格子点数である。式(7) の第1項は、格子点
上の電流源の強度を表し、第2項は格子点付近の電流源
の密集度を表す。また、β,γは経験的パラメータであ
って、例えば、上述した各磁気センサで得られたデータ
から作成された等磁界線図などに基づき、適宜に定めら
れる。式(7) の第2項は、電流源の個々の強度は小さい
が多数が密集しているような場合に、それらの格子点
が、密集度は低いが個々の強度が強い他の格子点に従属
してしまうのを避けるために付け加えられている。式
(7) で与えられる確度が高いほど、その格子点付近に解
が存在する可能性が高いことを表している。
In the above equation (7), Vr j and VP j are the position vector of the j-th grid point and the minimum norm solution on the grid point, and n is the number of grid points. The first term of equation (7) represents the intensity of the current source on the grid point, and the second term represents the density of the current source near the grid point. Further, β and γ are empirical parameters, and are appropriately determined based on, for example, an isomagnetic field map created from data obtained by the above-described magnetic sensors. The second term of equation (7) is that if the individual current sources have small intensities but a large number are dense, those lattice points will be replaced by other lattice points with low density but strong individual intensities. Added to avoid subordination. formula
The higher the accuracy given by (7), the higher the possibility that a solution exists near that grid point.

【0020】次に、式(7) の値が大きい格子点の付近に
他の格子点を移動させるが、電流源は複数の位置に存在
するか、あるいは、空間的に拡がって存在する可能性も
ある。そこで、格子点をいくつかのグループに分割し、
各グループ内で格子点の移動を行う。各格子点をグルー
プ分けするために、次式(8) で表されるグループ関数を
用いる。
Next, another grid point is moved to a position near a grid point having a large value of the equation (7). However, there is a possibility that the current source is located at a plurality of positions or is spread spatially. There is also. So, we divide the grid points into several groups,
Move the grid points within each group. In order to group each grid point, a group function represented by the following equation (8) is used.

【0021】[0021]

【数4】 (Equation 4)

【0022】上式(8) は、j番目の格子点がi番目の格
子点に与える影響度を表している。αは式(8) の関数の
形状を決定するパラメータであって、例えば、上述した
β,γと同様に経験的に適宜に設定される。
The above equation (8) represents the degree of influence of the j-th grid point on the i-th grid point. α is a parameter that determines the shape of the function of equation (8), and is appropriately set empirically, for example, similarly to β and γ described above.

【0023】格子点がグループ分けされる例を図8に示
す。同図において、横軸は格子点の位置ベクトル、縦軸
はグループ関数であり、A,B,Cは格子点、φA ,φ
B ,φC は各格子点A,B,Cのグループ関数である。
格子点Aについて格子点Bが最大の影響度を与えると
き、格子点Aは格子点Bに従属することとする。したが
って、格子点AとBは同一のグループに属する。一方、
格子点Cについて最大の影響度を与えるのは格子点C自
身であるので、格子点Cは格子点A,Bとは別のグルー
プに属する。このようにして格子点群を複数個のグルー
プに分割する。
FIG. 8 shows an example in which grid points are grouped. In the figure, the horizontal axis is a position vector of a grid point, the vertical axis is a group function, A, B, and C are grid points, φ A , φ
B and φ C are group functions of the lattice points A, B and C.
When the lattice point B has the largest influence on the lattice point A, the lattice point A is assumed to be subordinate to the lattice point B. Therefore, grid points A and B belong to the same group. on the other hand,
Since the lattice point C itself has the greatest influence on the lattice point C, the lattice point C belongs to a different group from the lattice points A and B. In this way, the grid point group is divided into a plurality of groups.

【0024】格子点をグループ分けした後、各グループ
内の最大の存在確度をもつ格子点へ同一グループに属す
る他の格子点を移動させ、再び最小ノルム解を求める。
このときの各格子点の移動距離は極微小距離であり、例
えば、各格子点間距離に予め定められた係数を作用させ
ることにより決定される。以上の操作を繰り返し行うこ
とにより、解をいくつかの局所領域に収束させていく。
After the grid points are divided into groups, the other grid points belonging to the same group are moved to the grid point having the highest probability of existence in each group, and the minimum norm solution is obtained again.
The moving distance of each lattice point at this time is a very small distance, and is determined by, for example, applying a predetermined coefficient to the distance between each lattice point. By repeating the above operation, the solution is made to converge on some local regions.

【0025】以上が格子点移動最小ノルム法の原理であ
り、図9,図10に格子点群がグループ分けされていく
様子を模式的に示す。図9において、Nは最初に設定さ
れた格子点群、N1 ,N2 は格子点群Nをグループ分け
して移動させることにより得られた新たな格子点群であ
る。また、図10のN3 ,N4 ,N5 、およびN6 ,N
7 は、格子点群N1 ,N2 をさらにグループ分けするこ
とに基づいて得られた格子点群である。
The above is the principle of the grid point moving minimum norm method. FIGS. 9 and 10 schematically show how grid points are grouped. In FIG. 9, N is a lattice point group initially set, and N 1 and N 2 are new lattice point groups obtained by moving the lattice point group N in groups. Further, N 3 , N 4 , N 5 , N 6 , N
Reference numeral 7 denotes a lattice point group obtained based on further dividing the lattice point groups N 1 and N 2 into groups.

【0026】[0026]

【発明が解決しようとする課題】格子点移動最小ノルム
法は、より真の解に近い解を求めることができる点で優
れた手法ではあるが、次のような新たな問題が明らかに
なった。
Although the grid point moving minimum norm method is excellent in that a solution closer to a true solution can be obtained, the following new problem has been clarified. .

【0027】すなわち、格子点移動最小ノルム法では、
α,β,γというパラメータが経験的に適宜に設定され
る必要がある。これらのパラメータは、電流源の位置、
大きさ、方向などに依存しているので、上述したように
等磁界線図を用いて各パラメータの値を適宜に設定する
ことは、特に経験の浅いオペレータでは容易でなく、と
もすればパラメータの設定が不適切になり、真の解から
外れた結果が得られることがある。
That is, in the grid point moving minimum norm method,
The parameters α, β, and γ need to be appropriately set empirically. These parameters are the location of the current source,
Since it depends on the size, direction, etc., it is not easy for an inexperienced operator to appropriately set the values of the respective parameters using the isomagnetic field map as described above. Incorrect settings can result in results that deviate from the true solution.

【0028】この発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたものであって、上記のパラメータα,β,γのう
ち、特に、各格子点上の移動に関連したパラメータ(移
動パラメータ)αの設定を不要にして、電流源を容易か
つ精度よく推定することができる生体活動電流源推定方
法を提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of such circumstances, and among the above-mentioned parameters α, β, γ, particularly, a parameter (movement parameter) α related to movement on each grid point. It is an object of the present invention to provide a method for estimating a biological activity current source that can easily and accurately estimate a current source without setting.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明者は鋭意研究の結果、移動パラメータαを決
定する基準として、最小ノルム法で求められた解のノル
ムに着目した。格子点移動最小ノルム法では、各繰り返
しにおいて格子点を移動させて最小ノルム解を求めてい
るので、解のノルムは毎回変化している。そこで、移動
パラメータαにいろいろな値を設定してシミュレーショ
ンによる推定を行い、解のノルムの変化の様子を調べ
た。センサは図2に模式的に示したベクトル計測ピック
アップコイルを用いた。センサのチャンネルは13×3
の39チャンネルでコイルピッチは37.5mm、半径
117mmの球面上に各コイルの軸心が球の中心を向く
ように配置した。ただし、磁界の接線成分には体積電流
の影響があるので、電流源が発生する磁界は、球モデル
を用いて計算し体積電流の影響を考慮した(J.Sarvas,
Phys. Med. Biol., vol.32, pp11-22, 1987)。
Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the present inventors have made intensive studies and focused on the norm of the solution obtained by the minimum norm method as a criterion for determining the movement parameter α. In the lattice point moving minimum norm method, the minimum norm solution is obtained by moving the lattice point in each iteration, so the norm of the solution changes every time. Therefore, various values were set for the movement parameter α, estimation was performed by simulation, and changes in the norm of the solution were examined. As the sensor, a vector measurement pickup coil schematically shown in FIG. 2 was used. 13 × 3 sensor channels
In the 39 channels, the coils were arranged on a spherical surface having a coil pitch of 37.5 mm and a radius of 117 mm such that the axis of each coil was directed toward the center of the sphere. However, since the tangential component of the magnetic field is affected by the volume current, the magnetic field generated by the current source is calculated using a spherical model and the effect of the volume current is considered (J.Sarvas,
Phys. Med. Biol., Vol.32, pp11-22, 1987).

【0030】頭部を半径80mmの球と仮定して、各磁
気センサはZ軸を中心として対称配置した(図11
(a)参照)。球の表面からセンサまでの距離は37m
mとした。電流源は、 位置〔mm〕 モーメント〔nAm〕 ( 20,0,50) (0,10,0) (−20,0, 5) (0,10,0) という2個の電流双極子を置いた。
Assuming that the head is a sphere having a radius of 80 mm, the magnetic sensors are arranged symmetrically about the Z axis (FIG. 11).
(A)). The distance from the surface of the sphere to the sensor is 37m
m. The current source has two current dipoles of position [mm] moment [nAm] (20, 0, 50) (0, 10, 0) (-20, 0, 5) (0, 10, 0). Was.

【0031】移動パラメータαが0.3と0.5のとき
のノルムの変化を図4に示す。図4の横軸は繰り返し回
数、縦軸は解のノルムである。またそれらの推定結果を
図5に示す。αが0.3のときは、図4(a)に示すよ
うに解のノルムが発散し、図5(a)のように異なった
推定結果になる。一方、αが0.5のときは、図4
(b)に示すように解のノルムは収束し、図5(b)の
ように正しい推定結果が得られる。
FIG. 4 shows changes in the norm when the movement parameter α is 0.3 and 0.5. The horizontal axis in FIG. 4 is the number of repetitions, and the vertical axis is the norm of the solution. FIG. 5 shows the estimation results. When α is 0.3, the norm of the solution diverges as shown in FIG. 4A, resulting in a different estimation result as shown in FIG. 5A. On the other hand, when α is 0.5, FIG.
As shown in FIG. 5B, the norm of the solution converges, and a correct estimation result is obtained as shown in FIG.

【0032】このことから、各繰り返しにおいて、解の
ノルムを最小にする格子点移動パラメータαを求め、こ
のパラメータを用いて各格子点の移動を行えば良いこと
がわかる。
From this, it can be seen that in each iteration, a grid point movement parameter α that minimizes the norm of the solution is obtained, and the movement of each grid point may be performed using this parameter.

【0033】以上の知見に基づいてなされたこの発明
は、次のような構成を採る。すなわち、この発明は、生
体活動電流によって生じる磁界を複数個の磁気センサで
検出することによって、前記生体活動電流源の位置,大
きさ,方向の何れかを含む物理量を推定するにあたり、
被検体内に多数の格子点を設定し、各格子点上の未知の
電流源と前記各磁気センサによって計測された磁界デー
タとの関係式を、前記各格子点の電流源を要素としたベ
クトルのノルムを最小にするという条件を付加すること
によって解いて、各電流源の物理量を求める手法(最小
ノルム法)を用いた生体活動電流源推定方法において、
(a)被検体内に多数の格子点を設定し、各格子点上の
未知の電流源と、生体活動電流によって生じる磁界を複
数個の磁気センサで検出して得られた磁界データとの関
係式を前記最小ノルム法により解いて各格子点上の電流
源を求める第1過程と、(b)前記第1過程で得られた
各格子点の電流源の物理量に基づいて前記各格子点に電
流源が存在する確度を求める第2過程と、(c)前記第
2過程で求められた確度に基づき、前記格子点群を複数
個のグループに分割するための関数(グループ関数)の
形状を決定するパラメータ(移動パラメータ)を、最小
ノルム法によって得られた解のノルムを最小にするとい
う条件に従って最適化する第3過程と、(d)前記第2
過程で求められた確度と前記第3過程で最適化された移
動パラメータとによって定まるグループ関数を使って、
前記格子点群を複数個のグループに分割する第4過程
と、(e)分割された各格子点群のそれぞれにおいて最
大の大きさをもつ電流源が存在する格子点の付近に他の
格子点を移動させて格子点群を再配置する第5過程と、
(f)前記再配置された各格子点上の電流源を前記最小
ノルム法を用いて求める第6過程と、を備えたものであ
る。
The present invention based on the above findings has the following configuration. That is, the present invention estimates a physical quantity including any of the position, size, and direction of the biological activity current source by detecting a magnetic field generated by the biological activity current with a plurality of magnetic sensors.
A large number of grid points are set in the subject, and the relational expression between the unknown current source on each grid point and the magnetic field data measured by each of the magnetic sensors is a vector having the current source at each grid point as an element. In the biological activity current source estimation method using a method (minimum norm method) of solving by adding a condition that minimizes the norm of
(A) The relationship between an unknown current source on each grid point and magnetic field data obtained by detecting a magnetic field generated by a biological activity current with a plurality of magnetic sensors by setting a large number of grid points in the subject. A first step of solving a formula by the minimum norm method to obtain a current source on each grid point; and (b) calculating each of the grid points based on the physical quantity of the current source at each grid point obtained in the first step. A second step of determining the accuracy of the presence of the current source; and (c) determining the shape of a function (group function) for dividing the grid point group into a plurality of groups based on the accuracy determined in the second step. A third step of optimizing parameters to be determined (moving parameters) according to a condition that a norm of a solution obtained by a minimum norm method is minimized; and (d) the second step.
Using a group function determined by the accuracy obtained in the process and the movement parameter optimized in the third process,
A fourth step of dividing the grid point group into a plurality of groups, and (e) other grid points near the grid point where the current source having the largest size exists in each of the divided grid point groups. A fifth process of rearranging the grid point group by moving
(F) a sixth step of obtaining a current source on each of the rearranged grid points by using the minimum norm method.

【0034】[0034]

【作用】この発明の作用は次のとおりである。第1過程
で推定された電流源は、真の電流源ではないが、それに
近い電流源である。そこで、推定された電流源が存在す
る格子点の付近に他の格子点群を移動して、適切な格子
点配置を再構成して最小ノルム解を求めれば、格子点の
数を増やすことなく、電流源の推定精度を上げることが
できる。ただし、真の電流源が複数個存在した場合、各
格子点をどの格子点に近づけるかが問題になる。そこ
で、第2過程では、各格子点に電流源が存在する確度を
求める。次の第3過程では、格子点を分割移動させるた
めのグループ関数の形状を決定する移動パラメータを、
最小ノルム解のノルムを最小にするという条件に従って
最適化する。第4過程では最適化された移動パラメータ
によって定まったグループ関数を使って、格子点群を複
数個のグループに分割する。そして、第5過程で、分割
された格子点群ごとに、最大の大きさをもつ電流源が存
在する格子点の付近に他の格子点を移動させる。第6過
程では、再配置された各格子点上の電流源を前記最小ノ
ルム法で求める。以上の処理を繰り返し実行することに
より、真の電流源が複数個あっても、各電流源が容易か
つ精度よく推定される。
The operation of the present invention is as follows. The current source estimated in the first step is not a true current source, but a current source close thereto. Therefore, if another grid point group is moved to the vicinity of the grid point where the estimated current source is located, the appropriate grid point arrangement is reconstructed and the minimum norm solution is obtained, without increasing the number of grid points. In addition, the estimation accuracy of the current source can be improved. However, when there are a plurality of true current sources, it is important to determine which grid point is closer to each grid point. Therefore, in the second process, the accuracy of the existence of the current source at each grid point is determined. In the next third step, a movement parameter for determining the shape of a group function for dividing and moving a grid point is defined as:
Optimization is performed according to the condition that the norm of the minimum norm solution is minimized. In a fourth step, the group of grid points is divided into a plurality of groups using a group function determined by the optimized movement parameters. Then, in the fifth step, for each divided grid point group, another grid point is moved to the vicinity of the grid point where the current source having the maximum size exists. In the sixth step, a current source on each of the rearranged grid points is obtained by the minimum norm method. By repeatedly performing the above processing, even if there are a plurality of true current sources, each current source is easily and accurately estimated.

【0035】[0035]

【実施例】以下、図1のフローチャートを参照して本発
明の一実施例を説明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the flowchart of FIG.

【0036】まず、図7で説明したと同様に、被検体M
に近接配備されたマルチチャンネルSQIDセンサ1に
よって、被検体Mからの微小磁界の直交する3方向成分
を同時に計測(ベクトル計測)する(ステップN1)。
ただし、ここで用いられるマルチチャンネルSQIDセ
ンサ1の磁気センサ(ピックアップコイル)S1 〜Sm
は、直交する3方向にそれぞれ検出感度をもった3つの
ピックアップコイルから構成されている。この種のピッ
クアップコイルとして、例えば3軸型のグラジオメータ
がある。グラジオメータは、ピックアップコイルを、互
いに逆巻きのコイルに2分することにより、一様な磁界
をキャンセルし、勾配を有する磁界のみを検出するよう
にしたものである。
First, as described with reference to FIG.
, The orthogonal three-directional components of the minute magnetic field from the subject M are simultaneously measured (vector measurement) by the multi-channel SQID sensor 1 (step N1).
However, the magnetic sensors (pickup coils) S 1 to S m of the multi-channel SQID sensor 1 used here.
Is composed of three pickup coils each having detection sensitivity in three orthogonal directions. As this type of pickup coil, for example, there is a triaxial gradiometer. In the gradiometer, the pickup coil is divided into two oppositely wound coils, thereby canceling a uniform magnetic field and detecting only a magnetic field having a gradient.

【0037】図2に3軸型のグラジオメータの構成を模
式的に示す。ピックアップコイルLX ,LY ,LZ は、
それぞれX方向,Y方向,Z方向の磁界成分を検出す
る。3軸型のグラジオメータの構成は特に限定しない
が、例えば、立方体状のコア材の6面に直交するように
3軸コイルを取り付けたものや、特開平4−30158
1号公報に開示されたような、耐低温性の可撓性材料が
円筒状に巻回され、その可撓性材料の表面に、所定の幅
をあけて互いに平行で、かつ逆巻きに相互接続された超
電導体薄膜製のコイル対が、互いの角度を相違させて3
対形成されてなる3軸型グラジオメータなどが用いられ
る。
FIG. 2 schematically shows a configuration of a triaxial gradiometer. The pickup coils L X , L Y , L Z are:
The magnetic field components in the X, Y, and Z directions are detected. The configuration of the triaxial gradiometer is not particularly limited. For example, a triaxial gradiometer having a triaxial coil mounted so as to be orthogonal to six surfaces of a cubic core material, and Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei.
No. 1, the low temperature resistant flexible material is wound in a cylindrical shape, and the flexible material is interconnected on the surface of the flexible material at a predetermined width in parallel with each other and in reverse winding. The superconducting thin-film coil pairs are set at different angles from each other.
A triaxial gradiometer or the like formed as a pair is used.

【0038】次に、図7に示した従来例と同様に、診断
対称領域である例えば脳内に3次元の格子点群Nを均等
に設定する(ステップN2)。
Next, similarly to the conventional example shown in FIG. 7, a three-dimensional lattice point group N is set evenly in, for example, the brain, which is a diagnostic symmetric region (step N2).

【0039】そして、上述した最小ノルム法を用いて、
各格子点の電流源(最小ノルム解)を求める(ステップ
N3)。
Then, using the minimum norm method described above,
A current source (minimum norm solution) at each grid point is obtained (step N3).

【0040】次に、各格子点上に電流源が存在する確度
を、次式(9) により求める(ステップN4)。 Q(Vrj ) =|VPj | ………(9)
Next, the accuracy of the existence of the current source on each grid point is determined by the following equation (9) (step N4). Q (Vr j ) = | VP j | ……… (9)

【0041】本実施例において、ステップN1で磁界の
直交する3方向成分を同時にベクトル計測し、またステ
ップN4で各格子点上に電流源が存在する確度を式(7)
の第2項を含まない式(9) によって求めた理由は次のと
おりである。
In the present embodiment, in step N1, three orthogonal components of the magnetic field are simultaneously vector-measured, and in step N4, the accuracy of the presence of the current source on each grid point is calculated by equation (7).
The reason obtained by the equation (9) that does not include the second term is as follows.

【0042】一般に、生体内の電流源によって生じる磁
界を検出する各磁気センサは図11(a)の示すよう
に、各磁気センサSのコイル軸芯が、被検体Mを球体と
した場合、その半径方向に向けられて配置されている。
各磁気センサS内には、図11(b)に示すように、一
対のコイルL1 ,L2 が球体の半径方向(図11(b)
ではZ方向)に向けられているで、検出される磁界デー
タはZ方向成分だけである。つまり、本来、直交する3
方向X,Y,Zの成分をもつ磁界を、そのZ方向成分だ
け検出しているので、検出された磁界データは、相互の
独立性が低く、空間分解能が低いものであった。結果、
式(7) の第2項、すなわち、格子点付近の電流源の密度
が各格子点上の解の存在確度Qに与える影響が大きかっ
たと考えられる。
Generally, as shown in FIG. 11 (a), each magnetic sensor for detecting a magnetic field generated by a current source in a living body has a structure in which the coil axis of each magnetic sensor S is a sphere of the subject M. They are arranged radially.
As shown in FIG. 11B, a pair of coils L 1 and L 2 are provided in each magnetic sensor S in the radial direction of the sphere (FIG. 11B).
In the Z direction), the detected magnetic field data is only the Z direction component. In other words, 3
Since a magnetic field having components in the directions X, Y, and Z is detected only in the Z direction, the detected magnetic field data has low mutual independence and low spatial resolution. result,
It is considered that the second term in the equation (7), that is, the density of the current source near the lattice point has a large effect on the existence probability Q of the solution on each lattice point.

【0043】一方、生体体の電流源によって生じた磁界
をベクトル計測すると、被検体からの磁界の直交する3
方向成分X,Y,Zが検出されるので、計測された磁界
データ間の独立性が増し、結果、空間分解能が向上す
る。そのため、式(7) の第2項を考慮にいれなくても、
第1項のみによって、各格子点上の解の存在確度Qが精
度よく得られると考えられる。
On the other hand, when the magnetic field generated by the current source of the living body is vector-measured, three orthogonal magnetic fields from the subject are obtained.
Since the directional components X, Y, and Z are detected, the independence between the measured magnetic field data is increased, and as a result, the spatial resolution is improved. Therefore, even without considering the second term of equation (7),
It is considered that the existence probability Q of the solution on each grid point can be accurately obtained by only the first term.

【0044】本実施例のように、被検体からの磁界をベ
クトル計測するとともに、各格子点上の電流源の存在確
度を式(9) により求めることより、式の第2項に含ま
れた経験的なパラメータβ,γを設定する必要がなくな
り、それだけ電流源の推定を容易かつ正確に行うことが
できる。図5において説明したシミュレーションと同じ
条件で、ベクトル計測と半径方向計測との各磁界データ
に式(9) をそれぞれ適用することによって電流源のシミ
ュレーションによる推定を行った。
As in the present embodiment, the magnetic field from the subject is vector-measured and the accuracy of the presence of the current source on each grid point is determined by equation (9), which is included in the second term of the equation. There is no need to set empirical parameters β and γ, and the current source can be easily and accurately estimated. Under the same conditions as the simulation described in FIG. 5, the current source was estimated by simulation by applying Equation (9) to each magnetic field data of vector measurement and radial measurement.

【0045】その結果を図3に示す。同図(a)はベク
トル計測された磁界データに基づく電流源の推定結果、
同図(b)は半径方向計測に基づく推定結果である。図
中、○印は設定された電流源の位置、矢印群は推定され
た電流源である。図3から明らかなように、ベクトル計
測された磁界データに対して、上述した式(9) を適用し
て電流源を推定する実施例手法によれば電流源が正しく
推定され、半径方向計測された磁界データに対して式
(9) を適用した場合は電流源が正しく推定されてない。
FIG. 3 shows the results. FIG. 9A shows the estimation result of the current source based on the magnetic field data measured by the vector.
FIG. 7B shows an estimation result based on the measurement in the radial direction. In the figure, the circles indicate the set positions of the current sources, and the arrows indicate the estimated current sources. As is apparent from FIG. 3, according to the embodiment method of estimating the current source by applying the above-described equation (9) to the vector-measured magnetic field data, the current source is correctly estimated and measured in the radial direction. Equation for the magnetic field data
When (9) is applied, the current source is not correctly estimated.

【0046】ただし、本発明は、必ずしもこのような手
法に限定されるものでなく、先に提案された格子点移動
最小ノルム法のように、ステップN1では、1軸型のグ
ラジオメータを用いて磁界の半径方向成分をのみを計測
し、また、ステップN4では式(7) を用いて各格子点上
の電流源の存在確度を求めるようにしてもよい。この手
法によれば、パラメータβ,γの経験的設定を避けがた
いが、後述する移動パラメータαの自動調整を用いるこ
とにより、その分、電流源の推定の容易化および精度の
向上は図ることができる。
However, the present invention is not necessarily limited to such a method, and a single-axis type gradiometer is used in step N1 as in the previously proposed minimum grid point moving norm method. Only the radial component of the magnetic field may be measured, and in step N4, the accuracy of the existence of the current source on each grid point may be obtained using equation (7). According to this method, empirical setting of the parameters β and γ is inevitable, but by using the automatic adjustment of the movement parameter α described later, the estimation of the current source can be made easier and the accuracy can be improved accordingly. Can be.

【0047】ステップN4で各格子点上の電流源の存在
確度が求められると、ステップN5に進んで、格子点群
を分割移動させるために式(8) で定義したグループ関数
中の移動パラメータαを最適化する。ここでは、次式(1
0)で表される評価関数fを使って、移動パラメータαの
最適化を行う。
When the accuracy of the existence of the current source on each grid point is determined in step N4, the process proceeds to step N5, where the movement parameter α in the group function defined by equation (8) is used to divide and move the group of grid points. To optimize. Here, the following equation (1
The optimization of the movement parameter α is performed using the evaluation function f represented by (0).

【0048】[0048]

【数5】 (Equation 5)

【0049】式(10)において、VPj (α)は、移動パラ
メータαを用いて格子点の移動を行い、最小ノルム法に
より求められた解であり、したがって、評価関数fは解
のノルムである。また、nは格子点数を表す。
In equation (10), VP j (α) is a solution obtained by moving the lattice points using the movement parameter α and obtained by the minimum norm method. Therefore, the evaluation function f is the norm of the solution. is there. N represents the number of grid points.

【0050】ステップN5〜ステップN7では、予め数
通りのパラメータα1 ,α2 ,α3,…を与えておき、
それらのパラメータを用いて格子点を仮に移動させてみ
て、各々の最小ノルム解を求める。そして、これらの最
小ノルム解を式(10)に与えて評価関数f(α1 ),f
(α2 ),f(α3 ),…の各値を求め、その値が最小
となるパラメータを移動パラメータαとして採用する。
これに伴い、採用された移動パラメータαに基づいて格
子点を移動させて得られた最小ノルム解が採用され、他
のパラメータに基づく最小ノルム解は捨てられる。
In steps N5 to N7, several parameters α 1 , α 2 , α 3 ,.
By temporarily moving the grid points using these parameters, the respective minimum norm solutions are obtained. Then, these minimum norm solutions are given to equation (10), and the evaluation functions f (α 1 ), f
The values of (α 2 ), f (α 3 ),... Are determined, and the parameter having the minimum value is adopted as the movement parameter α.
Accordingly, the minimum norm solution obtained by moving the lattice point based on the adopted movement parameter α is adopted, and the minimum norm solution based on other parameters is discarded.

【0051】そして、ステップN8において、前回のス
テップN4〜ステップN7の処理によって求められた解
のノルム(評価関数の値fL-1 )と、今回の解のノルム
(評価関数の値fL )の変化量Δfを求める。この解の
ノルムの変化量Δfが予め定められた値以下であれば、
繰り返し処理を終了し、そうでなけば、ステップN4に
戻り、解のノルムの変化量Δfが予め定められた値以下
になるまで、ステップN4〜N7の処理を繰り返し実行
する。
In step N8, the norm of the solution (value f L-1 of the evaluation function) obtained by the previous processing of steps N4 to N7 and the norm of the current solution (value f L of the evaluation function) Is obtained. If the amount of change Δf of the norm of this solution is equal to or less than a predetermined value,
If not, the process returns to step N4 to repeatedly execute the processes of steps N4 to N7 until the change amount Δf of the norm of the solution becomes equal to or less than a predetermined value.

【0052】本実施例の手法によれば、経験的なパラメ
ータα,β,γを必要としないだけでなく、最小ノルム
解のノルムを、繰り返し処理の停止条件としているので
(ステップN8)、適切な繰り返し回数で電流源の推定
処理を停止することもできる。
According to the method of this embodiment, not only the empirical parameters α, β, and γ are not required, but also the norm of the minimum norm solution is used as a condition for stopping the repetitive processing (step N8). The current source estimation process can be stopped at an appropriate number of repetitions.

【0053】<シミュレーション>移動パラメータαを
自動調整する手法の有効性を確認するためにシミュレー
ションを行った。ピックアップコイルは図2に示したベ
クトル計測コイルを球面上に19点設定した。したがっ
て、チャンネル数は19×3の57チャンネルとした。
これを、コイルピッチ25mmで半径131mmの球面
上に設定した。また、頭部を半径80mmの球とし、磁
界計算は体積電流の効果を考慮して行った。センサはZ
軸を中心として対称に配置し、頭部の球からセンサまで
の距離は36mmとした。電流源は複数の電流双極子を
設定した。
<Simulation> A simulation was performed to confirm the effectiveness of the method of automatically adjusting the movement parameter α. As the pickup coil, the vector measurement coil shown in FIG. 2 was set at 19 points on the spherical surface. Therefore, the number of channels is set to 57 channels of 19 × 3.
This was set on a spherical surface with a coil pitch of 25 mm and a radius of 131 mm. The head was a sphere with a radius of 80 mm, and the calculation of the magnetic field was performed in consideration of the effect of the volume current. Sensor is Z
They were arranged symmetrically about the axis, and the distance from the sphere on the head to the sensor was 36 mm. The current source set multiple current dipoles.

【0054】頭部球内に大脳皮質を想定し、3個の電流
双極子をその上に設定した。各電流双極子の位置とモー
メントは、次のとおりである。 位置〔mm〕 モーメント〔nAm〕 (-27.08, 4.78, 47.63) (-8.53, 1.50, -5.00) (-27.08, -4.78, 47.63) (-8.53, -1.50, -5.00) ( 4.91,-56.08, 32.50) ( 0.44, -4.98, -8.66)
Assuming the cerebral cortex in the head sphere, three current dipoles were set thereon. The position and moment of each current dipole are as follows. Position [mm] Moment [nAm] (-27.08, 4.78, 47.63) (-8.53, 1.50, -5.00) (-27.08, -4.78, 47.63) (-8.53, -1.50, -5.00) (4.91, -56.08, 32.50) (0.44, -4.98, -8.66)

【0055】移動パラメータαを自動調整しながら、格
子点移動最小ノルム法で電流源推定を行った結果を図6
に示す。同図のように、設定どおり正しい位置付近に電
流源が推定されている。本手法で電流源推定を行った場
合、真の電流源が単一の電流双極子であっても、電流双
極子分布として解が得られるが、推定された電流双極子
のモーメントを積算すると、設定した電流双極子のモー
メント値とほぼ一致しており、本手法の有効性を確認す
ることができた。
FIG. 6 shows the result of current source estimation by the grid point moving minimum norm method while automatically adjusting the moving parameter α.
Shown in As shown in the figure, the current source is estimated near the correct position as set. When current source estimation is performed by this method, a solution can be obtained as a current dipole distribution even if the true current source is a single current dipole, but when the estimated current dipole moment is integrated, The moment value of the set current dipole was almost the same, confirming the effectiveness of this method.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明によれば、格子点移動最小ノルム法において、各格子
点上に電流源が存在する確度に基づき、前記格子点群を
複数個のグループに分割するためのグループ関数の形状
を決定する移動パラメータを、最小ノルム解のノルムを
最小にするという条件に従って自動的に調整しているの
で、従来のように移動パラメータを経験的に設定する必
要がなく、それだけ、電流源の推定を容易かつ精度よく
行うことができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, in the grid point moving minimum norm method, the grid point group is divided into a plurality of grid points on the basis of the probability that a current source exists on each grid point. Since the movement parameters that determine the shape of the group function for dividing into groups are automatically adjusted according to the condition that the norm of the minimum norm solution is minimized, the movement parameters are set empirically as before. It is not necessary, and the current source can be easily and accurately estimated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例のフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart of an embodiment.

【図2】ベクトル計測ピックアップコイルの模式図であ
る。
FIG. 2 is a schematic diagram of a vector measurement pickup coil.

【図3】ベクトル計測と半径方向計測とのシミュレーシ
ョン結果を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing simulation results of vector measurement and radial measurement.

【図4】移動パラメータの値に応じた解のノルムの変化
を示す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a change in a norm of a solution according to a value of a movement parameter.

【図5】移動パラメータの値に応じたシミュレーション
の結果を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a result of a simulation according to a value of a movement parameter.

【図6】実施例の処理のシミュレーションの結果を示す
図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a result of a simulation of a process according to the embodiment;

【図7】従来の最小ノルム法の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of a conventional minimum norm method.

【図8】格子点移動最小ノルム法における格子点のグル
ープ分けの説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram of grouping of grid points in the grid point moving minimum norm method.

【図9】格子点を分割移動させた様子を示した図であ
る。
FIG. 9 is a diagram showing a state where a grid point is divided and moved.

【図10】格子点をさらに分割移動させた様子を示した
図である。
FIG. 10 is a diagram showing a state where a grid point is further divided and moved.

【図11】一般的な磁気センサの配置とその構成を示し
た図である。
FIG. 11 is a diagram showing an arrangement of a general magnetic sensor and its configuration.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…マルチチャンネルSQIDセンサ S1 〜Sm …磁気センサ N…最初の格子点群 N1 〜N7 …分割格子点群 LX ,LY ,LZ …ベクトル計測ピックアップコイル1 ... Multichannel SQID sensor S 1 to S m ... magnetic sensor N ... first grid point group N 1 to N 7 ... splitting grating point group L X, L Y, L Z ... vector measurement pickup coil

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 生体活動電流によって生じる磁界を複数
個の磁気センサで検出することによって、前記生体活動
電流源の位置,大きさ,方向の何れかを含む物理量を推
定するにあたり、被検体内に多数の格子点を設定し、各
格子点上の未知の電流源と前記各磁気センサによって計
測された磁界データとの関係式を、前記各格子点の電流
源を要素としたベクトルのノルムを最小にするという条
件を付加することによって解いて、各電流源の物理量を
求める手法(最小ノルム法)を用いた生体活動電流源推
定方法において、(a)被検体内に多数の格子点を設定
し、各格子点上の未知の電流源と、生体活動電流によっ
て生じる磁界を複数個の磁気センサで検出して得られた
磁界データとの関係式を前記最小ノルム法により解いて
各格子点上の電流源を求める第1過程と、(b)前記第
1過程で得られた各格子点の電流源の物理量に基づいて
前記各格子点に電流源が存在する確度を求める第2過程
と、(c)前記第2過程で求められた確度に基づき、前
記格子点群を複数個のグループに分割するための関数
(グループ関数)の形状を決定するパラメータ(移動パ
ラメータ)を、最小ノルム法によって得られた解のノル
ムを最小にするという条件に従って最適化する第3過程
と、(d)前記第2過程で求められた確度と前記第3過
程で最適化された移動パラメータとによって定まるグル
ープ関数を使って、前記格子点群を複数個のグループに
分割する第4過程と、(e)分割された各格子点群のそ
れぞれにおいて最大の大きさをもつ電流源が存在する格
子点の付近に他の格子点を移動させて格子点群を再配置
する第5過程と、(f)前記再配置された各格子点上の
電流源を前記最小ノルム法を用いて求める第6過程と、
を備えたことを特徴とする生体活動電流源推定方法。
1. A method for estimating a physical quantity including any one of a position, a size, and a direction of the biological activity current source by detecting a magnetic field generated by the biological activity current with a plurality of magnetic sensors. A large number of grid points are set, and the relational expression between the unknown current source on each grid point and the magnetic field data measured by each of the magnetic sensors is minimized with the norm of the vector having the current source at each grid point as an element. In the biological activity current source estimating method using a method (minimum norm method) for obtaining a physical quantity of each current source by adding a condition of (a), a number of grid points are set in the subject. An unknown current source on each grid point and a relational expression between magnetic field data obtained by detecting a magnetic field generated by a biological activity current with a plurality of magnetic sensors by solving the minimum norm method on each grid point. Current source (B) a second step of determining the accuracy of the current source at each grid point based on the physical quantity of the current source at each grid point obtained in the first step; and (c) Based on the accuracy obtained in the second step, a parameter (moving parameter) for determining a shape of a function (group function) for dividing the grid point group into a plurality of groups was obtained by a minimum norm method. A third step of optimizing according to the condition of minimizing the norm of the solution, and (d) using a group function determined by the accuracy obtained in the second step and the movement parameter optimized in the third step A fourth step of dividing the grid point group into a plurality of groups, and (e) another grid near the grid point where the current source having the largest size exists in each of the divided grid point groups. Move the point to the case A fifth step of repositioning the point cloud, a sixth process of obtaining by using the minimum norm method a current source on the grid points which are the rearranged (f),
A living activity current source estimating method, comprising:
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