JP2001120511A - 生体信号計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】センサの個数が発生源全個数より多い場合や、
ノイズレベルが大きい場合にも、正確な信号解析結果を
得ることができる生体信号計測装置を実現する。 【解決手段】この発明の装置は、ＳＱＵＩＤセンサ１か
らの原磁気検出信号の生体信号成分とノイズ成分の間を
成分間相互依存解消部５で無相関化した上で、予備処理
部４で予め求めた独立成分の個数になるように、磁気検
出信号を磁気信号分解部６で独立成分に分解する。その
後、ノイズ成分の独立成分は独立成分自体の状態のみに
基づく判定に従って取り除かれ、非ノイズ独立成分によ
り信号解析用の磁気検出信号が復元される。センサの個
数と（磁気）発生源の個数の関係や、ノイズレベルの如
何にかかわらず、磁気検出信号を独立成分に適正に分解
し、磁気検出信号に含まれるノイズ成分が的確に除去さ
れ、正確な信号解析結果が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、脳磁計や脳波計
などの生体信号計測装置に係り、特に生体信号測定用の
センサにより得られた検出信号からノイズ成分を除去
し、脳内活動を推定するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体内に流れる生体活動電流により微小
な生体磁気（生体磁界）が生体から発生する。例えば、
脳から発生する生体磁気は脳磁と呼ばれ、生体に刺激を
与えることにより発生する誘発脳磁や、α波やてんかん
のスパイク波のように自然に発生する自発脳磁などがあ
る。

【０００３】近年、生体から出る微小な生体磁気を測定
できる磁束計として、ＳＱＵＩＤ（Superconducing Qua
ntum Interference Device：超電導量子干渉計）を用い
たマルチチャンネルＳＱＵＩＤセンサが開発されてい
る。マルチチャンネルＳＱＵＩＤセンサは、デュアーと
呼ばれる容器内に多数個のＳＱＵＩＤセンサを液体窒素
などの冷媒に浸漬・収納した構成となっている。

【０００４】このマルチチャンネルＳＱＵＩＤセンサ
（以下、適宜「磁束計」と略記）を備えた生体信号計測
装置、つまり生体磁気計測装置の場合、磁束計を被検体
の関心部位である例えば頭部の傍らに置くと、頭部内に
生じた生体活動電流源から発生する微小な生体磁気が磁
束計内の各ＳＱＵＩＤセンサで無侵襲で測定されて磁気
検出信号として出力されるとともに、ＳＱＵＩＤセンサ
からの磁気検出信号に基づいて生体磁気解析が行われ
て、生体活動電流源の状態（例えば、位置や向き或いは
大きさ等）を把握することができるという構成になって
いる（例えば特開平７−３２７９４３号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
生体磁気計測装置には、各ＳＱＵＩＤセンサによって検
出された磁気検出信号に含まれるノイズ成分を十分に除
去することが難しいという問題がある。測定対象である
生体磁気は非常に微弱であることから生体活動電流源以
外の別の磁気発生源から出る（環境ノイズとも称するよ
うな）ノイズ磁気の混入が避けられない。したがって、
各ＳＱＵＩＤセンサからの磁気検出信号には混入するノ
イズ磁気によるノイズ成分が含まれており、磁気検出信
号からノイズ成分を十分に除去しなければ、生体磁気の
正確な解析はおぼつかないことになる。

【０００６】そこで、生体磁気測定用のＳＱＵＩＤセン
サとは別のノイズ磁気検出専用の磁気センサでノイズ磁
気だけを同時に測定することにより得られたノイズ磁気
検出信号を利用し、生体磁気測定用のＳＱＵＩＤセンサ
の磁気検出信号に含まれているノイズ成分を除去する補
正処理を行うようなことも提案されてはいる。

【０００７】この場合、ノイズ磁気検出専用の磁気セン
サと生体磁気測定用のＳＱＵＩＤセンサとは設置位置が
異なっており、ノイズ磁気検出専用の磁気センサで得る
ノイズ磁気検出信号は、生体磁気測定用のＳＱＵＩＤセ
ンサの磁気検出信号に含まれているノイズ成分と正確に
対応しているわけではないので、ノイズ磁気検出専用の
磁気センサで得たノイズ磁気検出信号に基づき、生体磁
気測定用のＳＱＵＩＤセンサの磁気検出信号に含まれて
いるノイズ成分を推定することになる。しかし、ノイズ
磁気が複雑な様相を呈するものであることなどから、空
間的に異なる位置のノイズ成分を正確に求めることは非
常に難しく、その結果、生体磁気測定用のＳＱＵＩＤセ
ンサの磁気検出信号からノイズ成分を十分に除去するこ
とは、やはり望めない。

【０００８】そこで、本出願人は、磁気検出信号のノイ
ズ成分に対処すべく検討を重ねた結果、いわゆるＩＣＡ
（独立成分分析）手法に従って、複数個のセンサにより
検出された原検出信号（観測信号）を、生体活動の各電
流源とその他の各信号源ごとの独立成分に分解した上
で、各独立成分について各独立成分自体の状態のみに基
づきノイズ成分であるか否かを判定し、ノイズ成分と判
定された独立成分は除いた後、残りの非ノイズ独立成分
によって検出信号を各々の情報源毎に分離して復元する
構成を備えた点を特徴とする生体信号計測装置を、先に
特願平１１−１７３８３９号として提案している。この
出願人の先願に係る生体信号計測装置は、ノイズ検出専
用のセンサを別途に設けずとも、ノイズ成分が十分に除
去された生体信号解析用の復元検出信号に基づいて正確
な信号解析が可能である。

【０００９】しかしながら、先願の生体信号計測装置で
も、原検出信号の数（即ちセンサの個数）が、各生体活
動電流源（信号源）と、その他のノイズ源などを含む各
発生源（信号源）とを合計した発生源全個数より大幅に
多い場合や、ノイズレベルが大きい（Ｓ／Ｎ比が低い）
場合は、独立成分への分解が適正に行われないという問
題がある。センサの個数が発生源全個数より大幅に多い
場合は、分解後は一つの独立成分だけに纏まっているは
ずの成分が複数の独立成分に分割されたり、またノイズ
レベルが大きい場合は、分解後は単独の成分のみからな
るはずの独立成分が複数の独立成分を含んでいて、独立
成分への分解が適正には行われず、信号解析の信頼度が
悪くなるという不都合がある。

【００１０】この発明は、上記の事情に鑑み、センサの
個数が発生源全個数より多い場合や、ノイズレベルが大
きい場合であっても、独立成分への分解が適正に行われ
て正確な信号解析結果を得ることができる生体信号計測
装置を提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、この発明に係る生体信号計測装置は、被検体の診断
対象領域において生体活動電流源により生じる微小な生
体信号を測定する複数個のセンサを備えた生体信号計測
装置において、前記複数個のセンサにより検出された検
出信号における独立成分の個数を求出する独立成分個数
求出手段と、前記複数個のセンサにより検出された検出
信号において生体活動電流源による生体信号成分とノイ
ズ成分との相互依存性を解消する（生体信号成分とノイ
ズ成分との間を無相関化する）成分間相互依存解消手段
と、生体信号成分とノイズ成分との相互依存性が解消さ
れた検出信号を前記独立成分個数求出手段により求出し
た個数の数の独立成分に分解する信号分解手段と、この
信号分解手段により分解された独立成分の中のノイズ成
分を独立成分自体の状態のみに基づいて判定して取り除
くノイズ成分除去手段と、各非ノイズ独立成分に基づき
検出信号を復元する信号復元手段と、復元された各検出
信号の各々の独立成分に対応する脳内の活動（位置、方
向、強さ）を得る信号解析手段とを備えている。

【００１２】〔作用〕次に、この発明の生体信号計測装
置により生体信号の計測を行う時のノイズ成分の除去作
用について説明する。この発明の装置により生体信号計
測を実行する際は、先ず複数個のセンサが被検体の診断
対象領域の直ぐ傍にセットされて、各センサによって例
えば生体活動電流源により発生する微小な生体磁気が複
数個のセンサにより各々測定されて原検出信号として出
力される。

【００１３】そして、原検出信号における独立成分の個
数が独立成分個数求出手段により求出されるとともに、
成分間相互依存解消手段により、原検出信号において生
体活動電流源による生体信号成分とノイズ成分との相互
依存性が解消される（つまり生体信号成分とノイズ成分
との間が無相関化される）。ついで、信号分解手段によ
り、生体信号成分とノイズ成分との相互依存性が解消さ
れた検出信号は、独立成分個数求出手段により予め求出
した個数の数の独立成分に分解される。その後、ノイズ
成分除去手段により、各独立成分の中のノイズ成分が各
独立成分自体の状態のみに基づいて判定されて取り除か
れてから、信号復元手段によってノイズ成分が除去され
た残りの非ノイズ独立成分に基づき検出信号（復元検出
信号）が復元されて信号解析手段へ送出される。そし
て、信号解析手段によって、復元検出信号に基づいて生
体解析が行われ、個々の生体信号の場所と活動波形が的
確に把握される。

【００１４】この発明の装置では、出願人の先願に係る
発明の装置と同様、統計的に独立性の高い複数の信号に
分解する独立成分分析（ＩＣＡ：Independence Compone
nt Analysis)手法に従って、センサにより検出された原
検出信号（観測信号）が生体活動の各電流源とその他の
各発生源ごとの独立成分に分解された上で、各独立成分
について各独立成分自体の状態のみに基づきノイズ成分
であるか否かが判定される。ノイズ成分と判定された独
立成分が除かれた後、残りの各非ノイズ独立成分によっ
て検出信号が復元される。その結果、ノイズ検出専用の
センサを別途に設けずとも、生体信号測定用のセンサで
得られた信号だけで、ノイズ成分が十分に除去された生
体信号解析用の復元検出信号が各成分に分解した形で得
られる。

【００１５】そして、この発明の装置の場合、加えて、
独立成分に分解される前に、原検出信号における生体活
動電流源による生体信号成分とノイズ成分との間が無相
関化されるので、ハイレベルの（大きい）ノイズ成分で
あっても、独立成分の分解の際にノイズ成分が生体信号
成分の側に紛れ込み難くなっていて、分解後は単独の成
分のみからなるはずの独立成分が複数の独立成分を含む
未独立状態となる心配がない。また、独立成分の分解は
予め求出しておいた原検出信号の独立成分の個数の独立
成分に検出信号が分解されるので、センサの個数が発生
源全個数より大幅に多い場合であっても、検出信号の分
解個数が事前に十分に絞られていて、分解後は一つの独
立成分だけに纏まっているはずの成分が複数の独立成分
に分割されてしまう心配もない。すなわち、この発明で
は、センサの個数が発生源全個数より大幅に多い場合
や、ノイズレベルが大きい場合であっても、検出信号の
独立成分への分解は適正に行われるのである。

【００１６】

【発明の実施の形態】続いて、この発明の一実施例を図
面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る生体信
号計測装置の一例である生体磁気計測装置の全体構成を
示すブロック図である。

【００１７】実施例の生体磁気計測装置は、図１に示す
ように、被検体（患者）Ｍの診断対象領域において生体
活動電流源により生じる微小な生体磁気を測定するマル
チチャンネルＳＱＵＩＤセンサ１と、マルチチャンネル
ＳＱＵＩＤセンサ１で得られる出力データ（出力信号）
を適宜に変換・収集して原磁気検出信号として出力する
データ変換収集部２と、データ変換収集部２から送られ
てくる原磁気検出信号のノイズ成分除去処理や生体磁気
解析処理などを行う信号処理部３とを備えている。

【００１８】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微小な生体磁気の測定に適
した多数のＳＱＵＩＤセンサ１ａが縦横にアレイ状に配
列された形で液体窒素などの冷媒に浸漬・収納されてい
る構成になっている。実施例装置のマルチチャンネルＳ
ＱＵＩＤセンサ１には、１２８チャンネル分のＳＱＵＩ
Ｄセンサ１ａが配備されており、各チャンネルの１回当
たりの生体磁気の測定時間は例えば５１２ｍｓｅｃ（ミ
リ秒）である。なお、多数のＳＱＵＩＤセンサ１ａがこ
の発明における複数個のセンサに相当する。

【００１９】また、マルチチャンネルＳＱＵＩＤセンサ
１の後段のデータ変換収集部２は、各ＳＱＵＩＤセンサ
１ａの出力信号をディジタル信号に変換して収集し、こ
れを原磁気検出信号として信号処理部３へ送り込む。実
施例装置の場合、原磁気検出信号は１２８行５１２列の
行列形態の信号として扱われる構成となっている。つま
り、各ＳＱＵＩＤセンサ１ａの出力信号を１ｋＨのサン
プリング周期（１ミリ秒間隔）で５１２回続けて取り込
み、データ数５１２個の原磁気検出信号を、１２８チャ
ンネル分得ており、原磁気検出信号は１２８行５１２列
の行列の形態で扱われることになるのである。したがっ
て、原磁気検出信号の行列における行数や列数は、ＳＱ
ＵＩＤセンサ１ａのチャンネル数や出力信号のサンプリ
ング回数に応じて変わることになる。

【００２０】信号処理部３は、この発明の生体磁気計測
装置における特徴的な構成部分であって、原磁気検出信
号に基づいて原磁気検出信号における独立成分の個数ｍ
₀ 、および後で信号処理に用いる後述の二つの変換行列
Ｗp ，Ｗq を予め先に求出する予備処理部４と、原磁気
検出信号において生体活動電流源による生体信号成分と
ノイズ成分との相互依存性を解消する成分間相互依存解
消部５と、生体信号成分とノイズ成分との相互依存性が
解消された磁気検出信号を複数の独立成分に分解する磁
気信号分解部６と、磁気信号分解部６により分解された
独立成分の中のノイズ成分を独立成分自体の状態のみに
基づいて判定して取り除くノイズ成分除去部７と、ノイ
ズ成分が除去された残りの非ノイズ独立成分に基づき元
の磁気検出信号の形へ戻して各成分毎の復元磁気検出信
号として個別に出力する磁気信号復元部８とを備えてい
るとともに、磁気信号復元部８からの復元磁気検出信号
に基づいて生体磁気解析を行う磁気解析部９を備えてい
る他、生体内の分極（ダイポール）を破壊して生体活動
電流を流すための刺激を被検体Ｍ（生体）に与えるため
の刺激付与部ＤＴなどを備えている。以下、この信号処
理部３の各部構成を、より詳しく説明する。

【００２１】すなわち、予備処理部４は、計測実行に伴
って得られる１２８行５１２列の行列形態の原磁気検出
信号Ｂにおける独立成分の個数ｍ₀ を求出する演算を行
うのに加え、成分間相互依存解消部５で用いるFactor L
oading Matrix の疑似逆行列としてのｍ₀ 行１２８列の
第１変換行列Ｗp 、および、磁気信号分解部６で用いる
Rotation Matrix（回転行列）としてのｍ₀ 行１２８列
の第２変換行列Ｗq とを求める演算を行うよう構成され
ている。独立成分の個数ｍ₀ や各変換行列Ｗp，Ｗq を
求める演算プロセスは後で具体的に説明する。

【００２２】一方、成分間相互依存解消部５は、生体信
号成分とノイズ成分との相互依存性を解消する処理とし
て、第１変換行列Ｗp と原磁気検出信号Ｂとの積（Ｗp
Ｂ）を求める行列演算を行うよう構成されている。この
演算は原磁気検出信号Ｂに対してＦＡ手法によるSpheri
ng処理を施すことに相当する。（Ｗp Ｂ）はｍ₀ 行５１
２列の行列となる。他方、磁気信号分解部６は、成分間
相互依存解消後の磁気検出信号である（Ｗp Ｂ）をｍ₀
個の独立成分に分解する処理として、第２変換行列Ｗq
と（Ｗp Ｂ）との積〔Ｗq （Ｗp Ｂ）〕を求める行列演
算を行うよう構成されている。この演算はＩＣＡ手法に
よるRotation処理を施すことに相当している。磁気信号
分解部６による行列演算の結果、〔Ｗq （Ｗp Ｂ）〕は
ｍ₀ 行５１２列のＩＣＡ（独立成分分析）信号Ｘとな
る。なお、原磁気検出信号Ｂの独立成分の個数ｍ₀ は、
発生源全個数であって、また変換行列Ｗp ，Ｗq の行数
ともなっている。

【００２３】続いて、第１変換行列Ｗp および独立成分
の個数ｍ₀ を求める演算プロセスを説明する。実施例装
置の予備処理部４の場合、第１変換行列Ｗp と個数ｍ₀
は、ＦＡ（Factor Analysis ＝因子分析）手法に従って
求められる。ＦＡ手法の場合、先ず次の（１）式のよう
に、原磁気検出信号Ｂと、Factor Loading Matrix （因
子負荷量行列）Ａ（＝Ｗp ^-1）とが、原磁気検出信号Ｂ
の行列と同一行列構成の因子ベクトルｆおよび外乱ε
（独自因子分散行列）を介して関係づけられるよう設定
される。因子ベクトルｆは生体信号成分に相当し、εは
ノイズ成分に相当する。 Ｂ＝Ａｆ＋ε ・・・（１） 因子負荷量行列Ａは、センサの数と同じ行数（１２８
行）と因子の数と同じ列数（ｍ列）の行列である。そし
て、ＦＡ手法では統計処理で因子負荷量行列Ａを求出す
ることになるが、例えば次の（２）式で示すＭＬＥ(Max
ｉmum LikelihoodEstimate)評価関数Ｌ（Ａ，σ）を用
いる方法が考えられる。

【００２４】 Ｌ（Ａ，σ） ＝−｛tr〔Ｃ（σ＋ＡＡ^T ）^-1〕＋Log det(σ＋ＡＡ^T ）＋128Log2 π｝ ・・・（２） 但し、σはεに対応する対角行列，trはトレース（対角
要素の和），Ｃは原磁気検出信号Ｂの相関行列の平均値
（Σ_i=1 ^N ＢＢ^T ／Ｎ：（但し、Ｎはサンプリング数，
Ｂ^T はＢの転置行列），Ａ^T はＡの転置行列，det は行
列式の値である。そして、ＭＬＥ評価関数Ｌ（Ａ，σ）
が最大となる時のＡ_M ，σ_M が求める行列として決定さ
れる。なお、ＭＬＥ評価関数Ｌ（Ａ，σ）の値を求出す
るのには、例えばニューラルネットワーク法に属するＥ
Ｍアルゴリズムを用いる方法が考えられる。

【００２５】一方、第１変換行列Ｗp の行数でもある独
立成分の個数ｍ₀ は、次の（３）式で示すＭＤＬ評価関
数が用いられる。 ＭＤＬ＝−Ｌ（Ａ_M ，σ_M ）＋（ LogＮ）÷Ｎ×｛128(m+1)-m(m-1)/2 ｝ ・・・（３） この（３）式において、ｍ＝１，ｍ＝２，・・・, ｍ＝
(1/2)｛2 ×128 −√(8×128 ＋1)｝の時の各ＭＤＬ評
価関数の値を個々に求めて、ＭＤＬ値が最小値となる時
のｍを、独立成分の個数ｍ₀ と決定して因子負荷量行列
Ａを完成させた後、完成した１２８行ｍ₀ 列の因子負荷
量行列Ａを逆行列へ変換することにより、ｍ₀ 行１２８
列の第１変換行列Ｗp を求出する。

【００２６】つまり、上の（１）式に示すように、第１
変換行列Ｗp の元である因子負荷量行列Ａは、原磁気検
出信号Ｂを生体信号成分に相当する因子ベクトルｆと、
ノイズ成分に相当する外乱εとに別かれていることを前
提として設定されているので、逆に第１変換行列Ｗp で
原磁気検出信号Ｂを乗算処理（Ｗp Ｂ）することによ
り、原磁気検出信号Ｂにおいて生体信号成分とノイズ成
分の間の相互依存性を解消（無相関化）することができ
るのである。このように、原磁気検出信号が独立成分に
分解される前に、原磁気検出信号における生体活動電流
源による生体信号成分とノイズ成分との間が無相関化さ
れていれば、大きなノイズ成分であっても独立成分の分
解の際に生体信号成分の側にノイズ成分が紛れ込み難く
なり、また、分解後は単独の成分のみからなるはずの独
立成分が複数の独立成分を含む未独立状態となる心配が
なく、Ｓ／Ｎ比が低い場合でも、磁気検出信号の独立成
分への分解は適正になされる。

【００２７】次に、第２変換行列Ｗq を求める演算プロ
セスを説明する。実施例装置の予備処理部４の場合、第
２変換行列Ｗq はＩＣＡ手法に従って求められる。第２
変換行列Ｗq は、無相関化された磁気検出信号をｍ₀ 個
の独立成分に分解するものであって、先に求出した第１
変換行列Ｗp と原磁気検出信号Ｂ並びに次の（４）式に
従って求出される。 Σ_k=1 ^r Σ_{i NO j}｜（Ｗq Ｍ_k Ｗq ^T ）_ij｜² ・・（４） 即ち、この（４）式の値（対角要素の和）を最小にする
時のＷq が求めるｍ₀行１２８列の第２変換行列Ｗq と
して求出される。但し、Ｗq ^T はＷq の転置行列，（Ｗ
q Ｍ_k Ｗq ^T ）_ijは行列（Ｗq Ｍ_k Ｗq ^T ）のｉｊ成
分，「ｉ ＮＯ ｊ」はｉ≠ｊ，Ｍ_k は次の（５）式で
示す通りのものである。 Ｍ_k ＝〈Ｗp Ｂ（ｔ）Ｗp Ｂ（ｔ＋τ_k ）〉 ・・（５） 但し、τ_k はデータサンプリングの時間差であって、ｋ
＝１，・・・，ｒであり、具体的には，１ｍｓｅｃ，２
ｍｓｅｃ，・・・，ｒｍｓｅｃである。また、〈 〉は
アンサンブル平均であることを示す。

【００２８】実施例装置の磁気信号分解部６は、独立成
分の分解の際、予め求出しておいた個数ｍ₀ の独立成分
に原磁気検出信号を分解するので、センサの個数が発生
源全個数より大幅に多い場合であっても、検出信号の分
解個数が事前に十分に絞られていて、分解後は一つの独
立成分だけに纏まって含まれているはずの成分が複数の
独立成分に分割されてしまう心配がなく、磁気検出信号
の独立成分への分解は適正になされる。

【００２９】また、実施例装置の場合、磁気信号分解部
６は、同一事象についてＩＣＡ信号Ｘを複数回繰り返し
求めて加算平均する構成にもなっている。なお、実施例
の装置の場合、ＩＣＡ信号Ｘを加算平均する代わりに、
予備処理部４で原磁気検出信号Ｂを加算平均することも
できるよう構成されている。ここでの繰り返し回数は、
数回〜数百回までの間の適宜の回数が選ばれる。この構
成により、例えば、音を聞いた時の脳の反応を検査する
場合、ＩＣＡ信号Ｘまたは原磁気検出信号Ｂの加算平均
処理によって、目の筋肉から発生する（スパイク波的
な）磁気や脳から定常的に発生するα波による磁気の
他、量子ノイズなどの不要成分を除去できる。なお、逆
に、目の筋肉から発生する磁気や脳から定常的に発生す
るα波による磁気を残したい場合には、加算平均の繰り
返し回数を少なくするか、或いは加算平均しないように
すればよい。

【００３０】続いて、ノイズ成分除去部７より後段の構
成を具体的に説明する。ノイズ成分除去部７は、磁気信
号分解部６によって求められたＩＣＡ信号Ｘにおけるｍ
₀ 個の各独立成分についてノイズ成分であるか否かを先
ず判別する。実施例装置の場合、ＩＣＡ信号Ｘの各行ベ
クトルについて、全測定時間５１２ｍｓｅｃのうち測定
開始から被検体に刺激付与部ＤＴにより刺激が与えられ
る時点までの非検査対象区間（例えば０〜１００ｍｓｅ
ｃ）の標準偏差値Ｍａと、刺激付与部ＤＴにより刺激が
与えられた時点以降の検査対象区間（例えば１００ｍｓ
ｅｃ〜５１２ｍｓｅｃ）の標準偏差値Ｍｂの比Ｍａ／Ｍ
ｂを求め、これが一定値以上の場合、その行ベクトルに
対応する独立成分はノイズ成分であると判別し、一定値
未満の場合、その行ベクトルに対応する独立成分は真の
信号成分（生体信号成分）であると判別するように構成
されている。

【００３１】非ノイズ独立成分（生体信号成分）を決定
づける生体磁気は、刺激付与部ＤＴにより刺激が与えら
れた時点以降に発生するので、行ベクトルの要素は刺激
が与えられた時点以降に大きくなる。逆に、ノイズ成分
に対応するノイズ磁気は、刺激付与部ＤＴにより刺激が
与えられた時点以降とは直接関係がなく、行ベクトルの
要素は刺激が与えられた時点の前後で変化が少ない。し
たがって、非検査対象区間の標準偏差値Ｍａと検査対象
区間の標準偏差値Ｍｂの比Ｍａ／Ｍｂについては、真の
信号成分である独立成分の方の比Ｍａ／Ｍｂは小さく、
ノイズ独立成分の方の比Ｍａ／Ｍｂは大きくなり、比Ｍ
ａ／Ｍｂの大小を監視することで独立成分がノイズ成分
であるか否かの判別が可能となる。

【００３２】すなわち、ノイズ成分除去部７は、ノイズ
成分（の中でも特に環境ノイズと称するようなノイズ成
分）であると判別されたものを除去する。ノイズ成分の
除去は、ノイズ成分と判別された独立成分に対応する行
ベクトルを０に置換することにより行われる。ノイズ成
分除去部７によるノイズ成分除去に伴ってＩＣＡ信号Ｘ
はＩＣＡ信号Ｘａとなる。

【００３３】磁気信号復元部８は、ノイズ成分除去部７
で求められたＩＣＡ信号Ｘａと、ＩＣＡ（独立成分分
析）行列としての第２変換行列Ｗq の逆行例である１２
８行ｍ ₀ 列の逆ＩＣＡ行列Ｗq ^-1とを用いて、１２８行
５１２列の復元磁気検出信号Ｂａを求める演算を行う。
つまり、磁気信号復元部８において、Ｗq ^-1Ｘａなる行
列演算が行われて、原磁気検出信号Ｂからノイズ成分が
十分に除去された復元磁気検出信号Ｂａ（＝Ｗq ^-1Ｘ
ａ）が求められるのである。

【００３４】なお、磁気信号復元部８においては、独立
信号源ごとに磁気検出信号を復元することも可能であ
る。つまり、この場合には、ノイズ成分除去部７で求め
られたＩＣＡ信号Ｘａの中で、復元独立成分に対応する
行ベクトルのみを残し、その他の要素を全て『０』に置
換したＩＣＡ信号Ｘａ’を用いてＷq ^-1Ｘａ’なる演算
を各独立成分毎に行うことにより、復元磁気検出信号Ｂ
ａを求めることもできるのである。

【００３５】そして、磁気解析部９は、復元磁気検出信
号Ｂａに基づいて生体磁気解析を行う。具体的には、復
元磁気検出信号Ｂａの１ダイポール解析の結果、生体活
動電流源の重心位置分布が求められたり、復元磁気検出
信号ＢａのSpatial Filterの結果、生体活動電流源の空
間分布が求められたりして、生体活動電流源の状態が把
握できる。

【００３６】実施例装置によれば、ＩＣＡ（独立成分分
析）手法に従って、原磁気検出信号Ｂが、各磁気発生源
ごとの独立成分に分解された上で、各独立成分について
各独立成分自体の状態のみに基づきノイズ成分であるか
否かが判定され、ノイズ成分と判定された独立成分が除
かれた後、非ノイズ独立成分に従って磁気検出信号が復
元されており、ノイズ磁気検出専用の磁気センサを別途
に設けずとも、生体磁気測定用の磁気センサで得られた
信号だけで、ノイズ成分が十分に除去された生体磁気解
析用の復元磁気検出信号が容易に得られている。

【００３７】なお、実施例装置の信号処理部３は、コン
ピュータおよびその制御プログラム等を中心に構成され
ているものである。

【００３８】さらに、実施例装置は、解析結果を画面に
映し出す表示モニタ１０および解析結果をシートに印刷
して出力するプリンター１１といった出力機器類を備え
ており、必要に応じて磁気解析部９で得られた生体活動
電流源の重心位置や空間分布を表示モニタ１０に表示さ
せたり、プリンター１１で印刷させたりできる構成にも
なっている。

【００３９】続いて、以上に詳述した構成を有する実施
例の生体磁気計測装置により、生体磁気の計測を行う時
の装置動作を、図面を参照しながら具体的に説明する。
図２は実施例装置による生体磁気の計測実行の様子を経
時的に示すフローチャートであり、図３はＩＣＡ信号Ｘ
の一部を示すグラフである。なお、以下の測定の場合、
図３に示すように、測定開始から１００ｍｓｅｃ経過し
た時点ＴＭで被検体Ｍに「絵」を見せて被検体Ｍの後頭
部側大脳内下方寄りに生体活動電流源が集中して生じる
ような刺激を付与した。また、計測現場は、ノイズレベ
ルが相当に高くてＳ／Ｎ比は低い状況にある。

【００４０】〔ステップＳ１〕被検体Ｍの傍らに１２８
チャンネルＳＱＵＩＤセンサ１をセットして、測定を所
定回数繰り返し実行することにより、１２８行５１２列
の原磁気検出信号Ｂが信号処理部３へ所定回数繰り返し
入力される。

【００４１】〔ステップＳ２〕予備処理部４により、原
磁気検出信号Ｂが加算平均されるとともに、加算平均さ
れた原磁気検出信号Ｂに基づき原磁気検出信号Ｂの独立
成分の個数ｍ₀ と第１，第２の両変換行列Ｗp ，Ｗq が
求出される。ここでは独立成分の個数ｍ₀ は１９であ
り、変換行列Ｗp ，Ｗq は１９行１２８列となった。原
磁気検出信号Ｂの加算平均処理によって、不規則的に発
生するノイズ成分や量子ノイズなどの不要成分除去が可
能となる。

【００４２】〔ステップＳ３〕成分間相互依存解消部５
により、Ｗp Ｂなる行列演算が行われることで、原磁気
検出信号Ｂにおいて生体信号成分とノイズ成分との間が
無相関化される。

【００４３】〔ステップＳ４〕磁気信号分解部６によ
り、Ｗq （Ｗp Ｂ）なる行列演算が行われることによ
り、磁気検出信号が１９個の独立成分に分解されてＩＣ
Ａ信号Ｘが求められる。図３には１９個の独立成分のう
ち９個分の独立成分ＩＣＡ１〜ＩＣＡ９を図示する。

【００４４】〔ステップＳ５〕ノイズ成分除去部７によ
って、ＩＣＡ信号Ｘにおける各独立成分がノイズ成分で
あるか否かが判定されて、ノイズ成分と判定された独立
成分は除かれ、ＩＣＡ信号Ｘａが求められる。例えば、
図３の場合、独立成分ＩＣＡ８，ＩＣＡ９は電源などに
よるノイズ成分として除かれる。

【００４５】〔ステップＳ６〕磁気信号復元部８によっ
てＷq ^-1Ｘａなる行列演算が行われて復元磁気検出信号
Ｂａが求められる。

【００４６】〔ステップＳ７〕得られた復元磁気検出信
号Ｂａに従って磁気解析部９によりSpatial Filter法に
準拠した生体磁気解析処理が行われ、被検体Ｍの大脳内
における生体活動電流源の空間分布が求められるととも
に、表示モニタ１０やプリンター１１により解析結果が
出力されて、計測は終了となる。

【００４７】図４は解析処理で得られた結果を示す図で
あって、被検体Ｍの後頭部側大脳内における生体活動電
流源の発生状況を示す模式図である。図４の場合、各矢
印がが各生体活動電流源に相当し、矢印の長さは電流源
の強度に比例し、矢印の方向が電流源の向きを示す。長
い矢印が集中している箇所に真の電流源が存在している
と推定される。また、図５は、図４の中に一点鎖線で示
す９個の各ポイント（１０，１０）〜（１２，１２）に
対応する解析電流源の時間変化を示すグラフである。例
えば，図４と図５は、図４のポイント（１２，１２）の
解析電流源は図５の（１２，１２）の直ぐ右のグラフが
示すという対応付けになっている。図４の各グラフは横
軸が時間，縦軸が電流源強度を示し、略中央の縦直線が
刺激付与後１００ｍｓｅｃ経過した時点を示す。

【００４８】なお、図６は従来装置により得られた解析
結果を示す図であって、図４と同様、被検体Ｍの後頭部
側大脳内における生体活動電流源の発生状況を示す模式
図である。また、図７は、図５と同様の９個のポイント
に対応する従来装置の各解析電流源の時間変化を示すグ
ラフである。

【００４９】実施例装置による解析結果は、図４に示す
ように、生体活動電流源が後頭部側大脳内下方寄りによ
く集中して発生しており、被検体Ｍに加えられた刺激に
よく対応した正確な解析結果が得られている。また、復
元磁気検出信号も、正確な結果に呼応して、図５に示す
ように、刺激付与から検出信号強度が最大となる予定時
点である１００ｍｓｅｃ経過後の位置にピークが単一で
出現するという適正な波形となっている。

【００５０】これに対して、従来装置の場合、図６に示
すように、生体活動電流源が後頭部側大脳内略中央近傍
に二つに別れる感じで非集中的に発生しており、被検体
Ｍに加えられた刺激と対応しておらず、解析結果は不正
確である。また、従来装置の場合、解析電流源の時間変
化も、図７に示すように、刺激付与から検出信号強度が
最大となる予定時点である１００ｍｓｅｃ経過後の位置
以外のところにも、顕著なピークが出現するという不適
正な波形となっている。従来装置の場合、センサの個数
が１２８個と電流源１９個（独立成分の個数に相当）よ
り大幅に多く、またＳ／Ｎ比が低いために、独立成分へ
の分解が適正に行われず、正確な解析結果が得られない
と推察される。

【００５１】しかし、図５および図６の結果から分かる
ように、実施例装置によれば、センサの個数が１２８個
と電流源１９個より大幅に多くても、またＳ／Ｎ比が低
くても、磁気検出信号において生体信号成分とノイズ成
分の間を無相関化するとともに、予め求めた独立成分の
個数ｍ₀ の独立成分に磁気検出信号を分解することによ
り、磁気検出信号の独立成分への分解が適正に行われる
ので、正確な解析結果を得ることができるのである。

【００５２】この発明は、上記実施の形態に限られるこ
とはなく、下記のように変形実施することができる。

【００５３】（１）実施例装置では、ＩＣＡ信号Ｘの独
立成分における非検査対象区間の標準偏差値Ｍａと検査
対象区間の標準偏差値Ｍｂの比Ｍａ／Ｍｂに基づき独立
成分がノイズ成分であるか否かを判別する構成であった
が、ＩＣＡ信号Ｘの独立成分の信号強度に基づき独立成
分がノイズ成分であるか否かを判別する構成の装置が、
変形例として挙げられる。例えば１ｐＴ（ピコテスラ）
以上のものはノイズと判別する。但し、この変形例の場
合、判定対象の独立成分の信号強度は正規化された値で
はなく、生の磁場強度に対応する値に変換される必要が
ある。

【００５４】（２）また、ＩＣＡ信号Ｘの独立成分の周
波数に基づき独立成分がノイズ成分であるか否かを判別
する構成の装置も、変形例として挙げられる。例えば、
ＩＣＡ信号ＸにＦＦＴをかけて一番支配的な周波数を求
め、例えば１００Ｈｚ以上であればノイズと判別する。

【００５５】（３）さらに、実施例を含めて前述した三
つのノイズ成分判別方式の二つあるいは三つの方式を併
用して独立成分がノイズ成分であるか否かを判別する構
成の装置も、変形例として挙げられる。

【００５６】また、上述した実施例では、脳磁計による
生体磁気計測装置を例に採って説明したが、脳波計など
を用いた生体信号計測装置であっても同様の効果を得る
ことができる。

【００５７】

【発明の効果】以上に詳述したように、この発明の生体
信号計測装置によれば、所謂ＩＣＡ（独立成分分析）手
法に従って、複数個のセンサにより検出された原検出信
号（観測信号）は、生体活動の各電流源とその他の各信
号源ごとの独立成分に分解された上で、各独立成分につ
いて各独立成分自体の状態のみに基づきノイズ成分であ
るか否かが判定され、ノイズ成分と判定された独立成分
が除かれた後、残りの非ノイズ独立成分によって検出信
号が各々の情報源毎に分離して復元される。したがっ
て、ノイズ検出専用のセンサを別途に設けずとも、生体
信号測定用のセンサで得られた信号だけで、ノイズ成分
が十分に除去された生体信号解析用の復元検出信号が容
易に得られる。その結果、復元生体検出信号に基づいて
行われる信号解析も正確なものとなる。

【００５８】加えて、この発明の生体信号計測装置によ
れば、独立成分に分解される前に、原検出信号における
生体活動電流源による生体信号成分とノイズ成分との間
が無相関化される構成を備えているので、大きなノイズ
成分であっても、独立成分の分解の際にノイズ成分が生
体信号成分の側に紛れ込み難くなる。また、分解後は単
独の成分のみからなるはずの独立成分が複数の独立成分
を含む未独立状態となる心配がなくなる。さらに、予め
求出しておいた独立成分の個数に等しい個数の独立成分
に原検出信号が分解されるので、センサの個数が発生源
全個数より大幅に多い場合であっても、検出信号の分解
個数が事前に十分に絞られていて、分解後は一つの独立
成分だけに纏まって含まれているはずの成分が複数の独
立成分に分割されてしまう心配がなくなる。したがっ
て、センサの個数が発生源全個数より大幅に多い場合
や、ノイズレベルが大きい場合でも、検出信号の独立成
分への分解は適正になされることから、正確な信号解析
が行われることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る生体磁気計測装置の全体構成を示
すブロック図である。

【図２】実施例装置による生体磁気の計測実行の様子を
経時的に示すフローチャートである。

【図３】実施例装置により得られたＩＣＡ信号Ｘの一部
を示すグラフである。

【図４】実施例装置により解析された後頭部側大脳内の
生体活動電流源の発生状況を示す模式図である。

【図５】実施例装置により計測された後頭部側大脳内の
特定の９ポイントに対応する解析電流源の時間変化を示
すグラフである。

【図６】従来装置により解析された後頭部側大脳内の生
体活動電流源の発生状況を示す模式図である。

【図７】従来装置により計測された後頭部側大脳内の特
定の９ポイントに対応する解析電流源の時間変化を示す
グラフである。

【符号の説明】

１ …マルチチャンネルＳＱＵＩＤセンサ １ａ …ＳＱＵＩＤセンサ ２ …データ変換収集部 ３ …信号処理部 ４ …予備処理部 ５ …成分間相互依存解消部 ６ …磁気信号分解部 ７ …ノイズ成分除去部 ８ …磁気信号復元部 ９ …磁気解析部 Ｍ …被検体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 外山 啓介 京都市上京区河原町通広小路上ル梶井町 465 京都府立医科大学内 (72)発明者 池田 思朗 東京都板橋区成増１−７−４ ライオンズ マンション成増219 Ｆターム(参考） 4C027 AA10 CC00 DD03

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検体の診断対象領域において生体活動電
   流源により生じる微小な生体信号を測定する複数個のセ
   ンサを備えた生体信号計測装置において、前記複数個の
   センサにより検出された検出信号における独立成分の個
   数を求出する独立成分個数求出手段と、前記複数個のセ
   ンサにより検出された検出信号において生体活動電流源
   による生体信号成分とノイズ成分との相互依存性を解消
   する（生体信号成分とノイズ成分との間を無相関化す
   る）成分間相互依存解消手段と、生体信号成分とノイズ
   成分との相互依存性が解消された検出信号を前記独立成
   分個数求出手段により求出した個数の数の独立成分に分
   解する信号分解手段と、この信号分解手段により分解さ
   れた独立成分の中のノイズ成分を独立成分自体の状態の
   みに基づいて判定して取り除くノイズ成分除去手段と、
   各非ノイズ独立成分に基づき検出信号を復元する信号復
   元手段と、復元された各検出信号の各々の独立成分に対
   応する脳内の活動（位置、方向、強さ）を得る信号解析
   手段とを備えていることを特徴とする生体信号計測装
   置。