JP2004337478A

JP2004337478A - 磁場計測装置

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Publication number: JP2004337478A
Application number: JP2003139754A
Authority: JP
Inventors: Akira Tsukamoto; 塚本　　晃; Koichi Yokozawa; 宏一横澤; Daisuke Suzuki; 大介鈴木; Akihiko Kandori; 明彦神鳥; Keiji Tsukada; 啓二塚田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-19
Also published as: US6853185B2; JP3642061B2; DE102004022262A1; US20040232912A1

Abstract

【課題】外来磁場をキャンセルする磁場計測装置を提供する。
【解決手段】筒型磁気シールド１の中心軸に平行な平面に、中心軸に垂直な方向の磁場信号を計測する複数の計測用磁束計３を２次元配列し、中心軸に平行な外来磁場を参照信号として計測する参照用磁束計４を、中心軸に平行な平面に垂直な面に配置する。所定の係数が乗算された参照信号を隣接する計測用磁束計３の信号の差分から差引く。
【効果】外来磁場を効率良くキャンセルし微弱な磁場を計測できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は測定対象から発生する磁場、例えば、生体の心臓や脳等から発生する微弱な磁場を、高感度な超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ、ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱＵａｎｔｕｍＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＤｅｖｉｃｅ）用いる磁束計を用いて行なう磁場計測装置に関し、特に外来磁場のキャンセルを行う磁場計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳＱＵＩＤを用いた磁場計測装置は生体の脳や心臓等から発生する磁場（以下、生体磁気と呼ぶ）の計測に用いられてきた。生体磁気のような微弱な磁場の計測では、磁場計測装置に混入してくる外来磁場を８０ｄＢ−１００ｄＢ（デシベル）以上に減衰させる必要がある。外来磁場は、送電線、走行する電車、自動車等に由来する磁気雑音が、商用電源を通して磁場計測装置に混入してくる。
【０００３】
従来の生体磁気計測装置は、パーマロイ等の強磁性体を用いる磁気シールド室の内部に置かれ、外来磁場が遮断された環境で計測を行っている。パーマロイ等の強磁性体を用いる磁気シールド室は、高価で大きく重いため、設置できる医療機関が限られている。狭い場所にも設置が容易なように、より軽量、小型の簡易な磁気シールドを使用する生体磁気計測が望まれている。
【０００４】
磁気シールドを簡易な構造にすることで装置を安価にできるが、簡易な磁気シールドでは外来磁場が完全に遮断されないため、計測された信号から外来磁場を除去、補正する必要がある。外来磁場を除去、補正する方法としては様々な方法が試みられている。外来磁場を測定するためにベクトルマグネトメータを用いる方法が一般的である。
【０００５】
生体信号計測用の磁束計と、外来磁場のｘ、ｙ、ｚ方向それぞれの成分を検出できる３軸のベクトルマグネトメータを組み合わせた１ｃｈの心磁計測装置の報告がある（非特許文献１（従来技術１）を参照）。この報告では、ベクトルマグネトメータの３つ磁束計で検出した外来磁場のｘ、ｙ、ｚ成分の信号にそれぞれ異なる３つの係数を乗算し、生体信号計測用の磁束計の出力信号から差し引く処理を行っている。この方法では３つの係数を同時に最適化する必要がある。
【０００６】
１６５個の計測用磁束計を有する脳磁場計測装置における外来磁場除去についての報告がある（非特許文献２（従来技術１）を参照）。この報告では、１５３個の計測用磁束計に対して、１２個の磁束計で構成された４組の外来磁場計測用の３軸ベクトルグラジオメータを使用して、外来磁場の影響を低減することを試みている。この方法でも複数の係数を同時に最適化する必要がある。
【０００７】
生体磁場の法線成分を計測し法線成分から接線成分を求める生体磁場計測装置は周知である（例えば、特許文献１）
【非特許文献１】
Ｋ．Ｓａｋｕｔａｅｔａｌ．，ＰｈｙｓｉｃａＣ３７８−３８１（２００２），１３９１−１３９５
【非特許文献２】
Ｖ．Ｐｉｚｚｅｌｌａｅｔａｌ．，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＢｉｏｍａｇ，２０００，２９３９−９４２
【特許文献１】
特開平１０−３０５０１９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１では、ベクトルマグネトメータで検出した外来磁場のｘ、ｙ、ｚ成分の信号にそれぞれ異なる３つの係数をかけて、生体信号計測用の磁束計の出力信号から差し引く処理を行っているが、３つの係数を決めることが難しいこと、１個の計測用磁束計に対して３つの外来磁場計測用の磁束計を必要とするため装置規模が大きくなるという課題がある。ベクトルマグネトメータを用いる従来技術２でも、補正のための３つ以上の係数を求める必要があるが、補正係数の決定は容易ではないという課題がある。
【０００９】
また、４組の外来磁場計測用の３軸ベクトルグラジオメータでは１２個の外来磁場用磁束計を必要とするため装置規模が大きくなるという課題がある。
【００１０】
本発明の目的は、簡易な筒型磁気シールドを用いて少ない参照用磁束計を使用し、外来磁場を効率良くキャンセルし微弱な磁場を計測できる磁場計測装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁場計測装置は、１つの軸方向に対するシールド性能よりも、１つの軸方向に直交する他の２方向に対するシールド性能が優れた磁気シールド、例えば、筒型磁気シールド（強磁性体から構成される磁気シールド筒型体）を使用する。以下、筒型磁気シールドの中心軸をｘ軸とする。筒型磁気シールドの内部に冷却容器が設置される。冷却容器の内側に複数の計測用磁束計を、計測用磁束計の検出コイル面に垂直な方向がｘ軸と直交する方向に配列される（図１）。計測用磁束計の磁場の検出方向はｚ軸方向成分である。これらの計測用磁束計はｚ軸に垂直な同一平面上に配置されている。
【００１２】
また、外来磁場のｘ方向成分を検出するための第１の参照用磁束計として、磁場検出方向がｘ軸方向になるように磁束計を、計測用磁束計の付近に配置する。複数の計測用磁束計及び第１の参照用磁束計はいずれも冷却容器内に設置され、液体冷媒により冷却されている。冷却容器はガントリーに保持されている。
【００１３】
それぞれの磁束計は駆動回路により制御されており、磁束計で検出した磁場に応じたアナログ信号が駆動回路から出力される。駆動回路の出力はアンプやバンドパスフィルター、ノッチフィルターを含むアナログ信号処理回路で信号処理された後に、ＡＤ変換器でデジタル信号に変換される。各磁束計により計測された信号は、解析装置（コンピュータ）に取り込まれ、解析が実行され解析結果が表示される。各磁束計により計測された信号は、計測信号を集録する装置に記憶される。
【００１４】
筒型磁気シールドのシールド性能はｚ、ｙ方向が優れているので、外来磁場のｚ成分、ｙ成分は、筒型磁気シールド内部では大きく減衰している。一方、外来磁場のｘ成分、ｙ成分は、ＳＱＵＩＤ磁束計の磁場の検出方向（ｚ方向）に直交しており、その大部分は計測用磁束計に検出されない。従って、磁気シールドで遮蔽され、かつ、ＳＱＵＩＤ磁束計の感度が低いｙ方向の外来磁場は実用上無視できる。ｚ方向の雑音は隣接して配置された検出用磁束計の出力信号の差分を算出することで大部分はキャンセルできる。また、ｚ方向の雑音は隣接しない異なる配置された検出用磁束計の出力信号の差分を算出することで大部分はキャンセルできる。上記差分はコンピュータでデータを取り込んだ後に算出できる。
【００１５】
第１の参照用磁束計の信号に第１の所定の係数を乗算した値を前記の計測信号の差分から差し引くことで、外来磁場のｘ成分を補正し、外来磁場の影響が低減された第１の計測信号を求める演算を行なう。
【００１６】
また、本発明の磁場計測装置では、第１の参照用磁束計に加えて、第２の参照用磁束計を使用し、第２の参照用磁束計の検出コイルの中心軸と第１の参照用磁束計の検出コイルの中心軸が一致するように、第２の参照用磁束計を配置した構成とする。この場合、第１の計測信号を求めた後に、第１の計測信号から第１の参照信号と第２の参照信号の差分に第２の所定の係数を乗算した値を差し引いて、外来磁場の影響が低減された第２の計測信号を求める演算を行なう。
【００１７】
また、本発明の磁場計測装置では、第１の参照用磁束計に加えて、外来磁場のｚ方向成分を検出するための第３及び第４の参照用磁束計を計測用磁束計が配置された面と平行な面に配置し、第４の参照用磁束計を第３の参照用磁束計よりも磁気シールド筒型体の中心軸に沿った方向に離れた位置に配置した構成とする。この場合、第１の計測信号を求めた後に、第１の計測信号から第３及び第４の参照用磁束計により検出された計測信号の差分に第３の所定の係数を乗算した値を差し引いて、外来磁場の影響が低減された第３の計測信号を求める演算を行なう。
【００１８】
また、本発明の磁場計測装置では、外来磁場のｚ方向成分を検出するダイナミックレンジ圧縮信号計測用磁束計が付加され、ダイナミックレンジ圧縮信号計測用磁束計を駆動させて、外来磁場の垂直な磁場成分を検出し、ダイナミックレンジ圧縮信号として出力する計測回路を有し、複数の計測用磁束計の計測信号のそれぞれからダイナミックレンジ圧縮信号を差し引き、ダイナミックレンジが圧縮された計測用磁束計の計測信号を出力する差動アンプ回路を有する構成とする。
【００１９】
さらに、本発明の磁場計測装置では、複数の計測用磁束計を複数のブロックに分割し、それぞれのブロックごとに参照用磁束計を配置した構成とする。
【００２０】
なお、以上説明した本発明の磁場計測装置では、外来磁場のｚ成分をキャンセルするために隣接した検出用磁束計同士の差分を求めることを前提としている。そのため、最終的に計測したい信号自体も磁場そのものではなく勾配磁場となる。
【００２１】
以上の構成によれば、筒型磁気シールドを用いた磁場計測装置において、少数の参照用磁束計を用いて効率よく外来磁場の影響が低減された計測信号を取得できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下の説明では検査対象を生体とし心臓から発する磁場を計測する心磁計測装置を例にする。しかし、本発明はこの例に限定されない。例えば、一般の検査対象に含まれる磁性体の有無やその量、磁性体の分布等、磁気を検出する検査装置にも適用できる。以下の開示は、本発明の一実施例にすぎず、本発明の技術範囲を何ら限定するものではない。
【００２３】
なお、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図７、図１２、図１４の各図において、縦軸は磁場（ｎＴ）、横軸は、所定の計測時点を０とした相対時間（ｓ）を示す。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の磁場計測装置であり、円筒型磁気シールドを用いた心磁計測装置の構成例を示す図である。円筒型磁気シールド１の中心軸をｘ軸とし、ｘ軸に直交する２軸をｙ、ｚ軸とする。図１（Ａ）はｘｚ断面図、図１（Ｂ）はｙｚ断面図である。
【００２４】
横型の円筒型磁気シールド１の内部に、頭部を枕２０保持した被験者１３が横たわるベッド１４と冷却容器２とが配置されている。冷却容器２の内部の底部に複数の計測用磁束計３、第１の参照用磁束計４が配置され、液体冷媒により冷却されている。実施例１では、液体窒素温度で動作可能な高温超電導体からなる磁束計を使用し、冷却容器には液体窒素を入れて磁束計を冷却した。冷却容器２は位置合わせ機構をもつガントリー５に保持されている。
【００２５】
冷却容器２を固定するガントリー５の位置は、３軸（ｘ、ｙ、ｚ）方向の移動機構をもつガントリー位置調整機構１２により調整される。ガントリー位置調整機構１２には、ガントリー位置調整ハンドル１９が機械的に接続されており、ハンドル１９を回すことにより、ガントリー５の位置を調整できる。
【００２６】
ベッド１４は、被験者１３の頭側のベッドの２本のタイヤ付きの足１７、スライドする２本のベッドの足１５（常に、磁気シールド１の内部にある）により、保持されている。２本のタイヤ付きの足１７を床上で移動させ、２本のベッドの足１５をガイドレール１６の上でスライドさせて、ベッド１４を磁気シールド１から引き出し、あるいは、ベッド１４を磁気シールド１の内部挿入できる。ベッド１４を磁気シールド１から容易に引き出せるので、被験者１３の磁気シールド１への出入りが容易となり、ガントリー５の位置の調整を容易にできる。
【００２７】
ベッド１４、冷却用機２、ガントリー５等、磁気シールド内部に配置されるユニットはＦＲＰ（強化プラスチック）やアルミニウム等の非磁性材料で構成される。
【００２８】
複数の計測用磁束計の検出コイルは、ｚ軸に垂直なｘｙ面に平行な同一の面に配置され、検出コイルの面はｚ軸に垂直である。計測用磁束計はｚ軸方向の磁場成分を検出する。外来磁場のｘ軸方向成分を検出するための第１の参照用磁束計４を、磁場の検出方向がｘ軸方向になるように、計測用磁束計３の付近に配置する。
【００２９】
複数の計測用磁束計３、第１の参照用磁束計４の駆動動作は、駆動回路６により制御されており、各磁束計で検出された磁場の大きさに応じたアナログ信号が駆動回路６から出力される。駆動回路６の出力はアンプやバンドパスフィルター、ノッチフィルターを含むアナログ信号処理回路７で信号処理される。
【００３０】
信号線１８は、複数のケーブルで構成され、磁束計３、４から駆動回路６に検出した信号を伝達するケーブルの束と、駆動回路６から磁束計３、４にバイアス電流、フィードバック電流、ヒータ用電流を流すためのケーブルの束から構成される。信号処理回路７の出力は、ＡＤ変換器８でデジタル信号に変換され、コンピュータ９に取り込まれる。コンピュータ９では、取り込まれた信号に対して各種の信号処理を実行する。
【００３１】
外来磁場はｘ、ｙ、ｚ方向の３成分を含む。円筒型磁気シールドのシールド性能は、図１に示すｘ軸に垂直なｚ、ｙ軸方向で優れているので、外来磁場のｚ、ｙ軸方向の成分は円筒型磁気シールド内部では大きく減衰している。一方、外来磁場のｘ、ｙ方向の成分は、ＳＱＵＩＤ磁束計の磁場検出方向に直交しており、その大部分は磁束計に検出されない。従って、磁気シールドで遮蔽され、かつ、ＳＱＵＩＤ磁束計の感度が低いｙ方向の外来磁場は実用上無視できる。
【００３２】
外来磁場のｚ軸方向の成分は、隣接する検出用磁束計３の出力信号の差分を算出することで大部分はキャンセルできる。差分はコンピュータでデータを取り込んだ後に算出できる。
【００３３】
コンピュータ９は、隣接する検出用磁束計３の出力信号の差分から、第１の参照用磁束計４による計測信号に第１の所定の係数を乗算した値を差し引くことで、外来磁場のｘ軸方向成分を補正し、外来磁場の影響が低減された第１の計測信号を求める演算を行なう。
【００３４】
図２は、本発明の実施例１で使用される磁束計の構成を示す図である。図２（Ａ）は磁束計の構造を示す斜視図である。図２（Ｂ）はＳＱＵＩＤ素子の構成を示す平面図、図２（Ｃ）はＳＱＵＩＤ素子の等価回路図である。
【００３５】
高温超電導体からなるＳＱＵＩＤ素子３４はプリント基板３０に固定されている。ＳＱＵＩＤ素子３４の電極４８は、プリント基板３０のボンディングパッド３６にボンディングワイヤー３５で接続され、プリント基板の裏面に付けられたコネクタ３７につながっている。プリント基板３０にはフィードバックコイル３３が配置されている。また、トラップ磁束除去のためのヒーター３２がプリント基板３０に配置されている。劣化防止のため、ＳＱＵＩＤ素子３４はヒーター３２と共にキャップ３１で乾燥窒素により封止されている。
【００３６】
ＳＱＵＩＤ素子３４はＳＱＵＩＤ４４（超伝導リング４９、２つのジョセフソン接合４６、スリット型ホール４５）と検出コイル４３が同じ薄膜上に作製されており、ＳＱＵＩＤ３４と検出コイル４３が直接結合した直接結合型マグネトメータである。実施例１で使用したＳＱＵＩＤ素子３４は、１５ｍｍ×１５ｍｍのＳｒＴｉＯ_３（１００）バイクリスタル基板４０（傾角３６．８゜）上に形成されたＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙ（ＹＢＣＯ）高温超電導体の直接結合型のマグネトメータである。使用した磁束計の７７Ｋでの典型的な磁場換算白色雑音は５０から１００ｆＴ／Ｈｚ^１／２の間であった。
【００３７】
バイクリスタル基板４０は、２つの異なる方位の単結晶が張り合わされた構造を持つ基板であり、張り合わせ面には結晶粒界４１ができている。バイクリスタル基板４０上に高温超伝導体の超伝導薄膜４２をエピタキシャル成長させることで、結晶粒界４１に沿って、超伝導薄膜にも結晶粒界が形成される。高温超伝導体では結晶粒界４１がジョセフソン接合特性を示すため、結晶粒界４１の上に超伝導リング４９を作製することにより、超伝導リング４９に２つのジョセフソン接合４６をもつＳＱＵＩＤ４４を作製できる。超伝導リング４９の内側のスリット型ホール４５の長さを変化させて調整、作製することにより、ＳＱＵＩＤ４４の特性を決める重要な設計パラメーターである超伝導リング４９のインダクタンスを、最適な値に設定する。
【００３８】
検出コイル４３は超伝導材料で形成される閉ループであり、検出コイルのホール４７は閉ループを規定する。検出コイルには検出コイルに鎖交する磁束に比例して遮蔽電流が流れる。直接結合型磁束計では、遮蔽電流がＳＱＵＩＤ４４の超電導リング４９に直接流れ、検出磁場が検出される。
【００３９】
図３（Ａ）は、本発明の実施例１における磁束計の配置を示す図である。
【００４０】
実施例１では、計測用磁束計３として９個の図２（Ａ）に示す磁束計２１を使用した。計測用磁束計３は、円筒型磁気シールド１の中心軸（ｘ軸）に平行に配置されるＦＲＰ製の第１の面を規定する板６１に、３×３の配列で下側から取付けられている。隣接した検出用磁束計の中心同士の間隔は３０ｍｍである。外来磁場のｘ軸方向成分を検出するための第１の参照用磁束計４は、板６１に垂直な第２の面を規定する板６３に配置されている。第１の参照用磁束計４は図２（Ａ）で示す磁束計２１と同じ構造をもつ。
【００４１】
各磁束計のコネクター３７は、板６１に配置されるコネクター６６に結合され、コネクター６６に信号線６７が接続されている。これらの磁束計は図１に示す冷却容器２の内部に配置され、液体窒素により冷却されている。信号線６７は冷却容器２の上部から引き出された後、図１に示すように、磁気シールドの内壁に平行になるようにガントリー固定用の柱１１に沿って、シールドの外に引き出され駆動回路６に接続される。
【００４２】
図４（Ａ）は、本発明の実施例における測定回路の構成を示す図である。
【００４３】
点線内の複数の計測用磁束計７１は、板６１に取付けられた一群の計測用磁束計３を示す。冷却部分７３を表す点線の部分は冷却容器２の内側に配置されている。駆動回路６からの出力信号はアナログ信号処理回路７で帯域０．１Ｈｚ〜８０Ｈｚの適度に増幅された信号に処理され、後段の１６ビットのＡＤ変換器８によりデジタル信号に変換され、コンピュータ９に記録される。第１の参照用磁束計４からの信号も同様の処理を行いコンピュータ９に記録される。
【００４４】
以下、実際の計測手順を説明する。被験者１３は、磁場を発生する時計やベルト等を取り外し、磁気シールド１から引き出された状態のベッド１４に仰向けに寝る。ガントリー５の位置を調整して冷却容器２の底部を被験者の胸部に合わせる。ベッド１４を磁気シールド１に押し込む。この状態で、すべての磁束計のプリント基板３０に固定されたヒーター３２に数十ｍＡの電流を３０秒から６０秒間流し、トラップ磁束を除去する。ヒータの電流を切り、約１分待った後、心臓から発生する心磁の計測を２分間行い、９個の検出用磁束計と１個の参照用磁束計が検出した信号を計測する。
【００４５】
以下、計測した信号に対する外来磁場のキャンセル方法について説明する。図３（Ａ）に示したように、実施例１では計測用磁束計を３×３の２次元アレイで配置しているが、ここでは一般的な表現として、Ｎ×Ｍ個の計測用磁束計を使用した場合について説明する。ｎ行ｍ列目の計測用磁束計をＳＱＵＩＤ（ｍ，ｎ）、ＳＱＵＩＤ（ｍ，ｎ）により検出され、出力される計測信号をＢ（ｍ，ｎ）と表記することにする。また、第１の参照用磁束計をＲｅｆ（１）、Ｒｅｆ（１）により検出され出力される第１の参照信号をＢ（ｒｅｆ，１）と表記する。計測用磁束計ＳＱＵＩＤ（ｍ，ｎ）の位置における、生体からの磁場ベクトル、外来磁場ベクトルをそれぞれ、Ｓ（ｍ，ｎ）、Ｅ（ｍ，ｎ）とし、（数１）、（数２）で定義する。
Ｓ（ｍ，ｎ）＝（Ｓｘ（ｍ，ｎ），Ｓｙ（ｍ，ｎ），Ｓｚ（ｍ，ｎ）） …（数１）
Ｅ（ｍ，ｎ）＝（Ｅｘ（ｍ，ｎ），Ｅｙ（ｍ，ｎ），Ｅｚ（ｍ，ｎ）） …（数２）
（数１）、（数２）の右辺の各項はそれぞれ、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の成分を示す。円筒型磁気シールドの中心軸をｘとしているので、円筒型磁気シールドでは円筒軸に垂直なｚ、ｙ方向のシールド率がｚ方向より高く、（数３）、（数４）を仮定できる。
Ｅｘ（ｍ，ｎ）＞＞Ｅｚ（ｍ，ｎ） …（数３）
Ｅｘ（ｍ，ｎ）＞＞Ｅｙ（ｍ，ｎ） …（数４）
ＳＱＵＩＤ（ｍ，ｎ）の検出コイル面の法線ベクトルをＨ（ｍ，ｎ）＝（Ｈｘ（ｍ，ｎ）、Ｈｙ（ｍ，ｎ）、Ｈｚ（ｍ，ｎ））、とすると、ＳＱＵＩＤ（ｍ，ｎ）により計測され出力される計測信号Ｂ（ｍ，ｎ）は、（数５）と表される。外来の雑音ではなく、ＳＱＵＩＤ磁束計そのものの雑音と駆動用回路が持つ雑音を合わせて磁束計ＳＱＵＩＤ（ｍ，ｎ）の固有雑音Ｎ（ｍ，ｎ）と定義する。また、駆動回路やアナログ信号処理回路において、増幅器が含まれる場合、計測信号は増幅されて出力されるが、ここでは取扱を簡単にするため増幅器のゲインは１と仮定する。また、（数６）を満たすものとする。

計測用磁束計は磁場の検出方向がｚ軸方向になるように配置されているので、理想的な場合は、Ｈ（ｍ，ｎ）＝（０，０，１）となり、ｚ方向以外の外来磁場は検出されない。しかし、ＳＱＵＩＤ磁束計を固定する際の取付け誤差等により、すべてのＳＱＵＩＤ磁束計をｘｙ平面に対して完全に平行に配置すること困難であり、実際のＳＱＵＩＤ磁束計はｘｙ平面に対してある小さな角度をもって配置されていると考えるのが妥当である。この場合、（数７）、（数８）、（数９）を仮定できる。
Ｈｚ（ｍ，ｎ）〜１ …（数７）
Ｈｘ（ｍ，ｎ）＜＜１ …（数８）
Ｈｙ（ｍ，ｎ）＜＜１ …（数９）
マルチチャンネルの心磁計で計測した心磁の信号の解析には、計測した磁場と等価な電流分布として２次元画像化して表示・解析する方法（電流アローマップ法）を用いた。電流アローマップ法では、ある点での磁場に等価な電流ベクトルをｘｙ平面に投影した２次元電流ベクトルｉは（数１０）で近似できる。
ｉ∝（ΔＢｚ／Δｘ，−ΔＢｚ／Δｙ） …（数１０）
ここでＢｚは磁場のｚ軸方向成分である。電流ベクトルを求めるのに必要な量はｚ方向の磁場のｘ方向の磁場勾配（ΔＢｚ／Δｘ）とｚ方向の磁場のｙ方向の磁場勾配（ΔＢｚ／Δｙ）であり、それぞれＳｚ（ｍ，ｎ）−Ｓｚ（ｍ＋１，ｎ）、Ｓｚ（ｍ，ｎ）−Ｓｚ（ｍ，ｎ＋１）である。磁場勾配Ｓｚ（ｍ，ｎ）−Ｓｚ（ｍ＋１，ｎ）は、隣接した検出用磁束計の差分Ｂ（ｍ，ｎ）−Ｂ（ｍ＋１，ｎ）により求めることができる。ｘ方向に隣接した検出用磁束計の差分をＢ（ｍ，ｎ）−Ｂ（ｍ＋１、ｎ）をｘ（ｍ，ｎ）、ｙ方向に隣接した検出用磁束計の差分をＢ（ｍ，ｎ）−Ｂ（ｍ，ｎ＋１）をｙ（ｍ，ｎ）と定義する。即ち、ｘ方向の隣接した検出用磁束計の差分は（数１１）となる。

以下、ｘ方向の隣接した検出用磁束計の差分を例にして説明するが、ｙ方向の隣接した検出用磁束計の差分についても同様の考え方で本発明を適用できる。ＳＱＵＩＤ（ｍ，ｎ）の検出コイル面の法線ベクトルＨ（ｍ，ｎ）はｘｙ平面に対してほぼ垂直であるので、法線ベクトルＨ（ｍ，ｎ）、Ｈ（ｍ＋１，ｎ）のｚ成分はそれぞれ、（数１２）、（数１３）で近似できる。
Ｈｚ（ｍ，ｎ）〜１ …（数１２）
Ｈｚ（ｍ＋１，ｎ）〜１ …（数１３）
従って、（数１１）の右辺の第３項が求めるべき磁場勾配Ｓｚ（ｍ，ｎ）−Ｓｚ（ｍ＋１，ｎ）になる。この求めるべき磁場勾配Ｓｚ（ｍ，ｎ）−Ｓｚ（ｍ＋１，ｎ）に対して、（数１１）の右辺の第１項から第２項で表される心磁信号のｘ軸方向成分とｙ軸方向成分の影響は実用上無視できると考えられる。なぜなら、法線ベクトルＨ（ｍ，ｎ）、Ｈ（ｍ＋１，ｎ）のｙ軸方向成分、ｚ軸方向成分がほぼゼロに近いためである。
【００４６】
磁束計の固有雑音はジョセフソン接合の接合特性や駆動回路に用いられるプリアンプ回路の雑音レベル等に依存するため、各々の磁束計で若干異なる。しかし、通常、固有雑音がある程度揃った磁束計を用いてシステムを構成するので、磁束計の固有雑音をその平均的な値をＮａｖｅで代表させることができる。各々の磁束計で固有雑音同士に相関がないため（数１１）の右辺の第７項は、√２・Ｎａｖｅとなる。以上の仮定により、ｘ方向に隣接した検出用磁束計の差分ｘ（ｍ，ｎ）は（数１４）のように表される。

次に外来磁場について考える。隣接した磁束計の位置での外来磁場はかなり相関が強いことが期待できる。そこで、外来磁場の相関は強く、隣接した磁束計の位置での外来磁場を正確に計測し、その差分を求めれば外来磁場を実用上十分なレベルにまで低減できると仮定する。即ち、（数１５）、（数１６）、（数１７）を仮定する。
Ｅｘ（ｍ，ｎ）＝Ｅｘ（ｍ＋１，ｎ） …（数１５）
Ｅｙ（ｍ，ｎ）＝Ｅｙ（ｍ＋１，ｎ） …（数１６）
Ｅｚ（ｍ，ｎ）＝Ｅｚ（ｍ＋１，ｎ） …（数１７）
実施例１では、円筒型磁気シールドの内径８００ｍｍに対して、隣接した検出用磁束計の中心同士の間隔は３０ｍｍであり、上記の仮定は十分妥当である。この仮定に基づき、ｘ方向の隣接した検出用磁束計の差分ｘ（ｍ，ｎ）は、（数１８）のように表される。

（数１８）の右辺の第５項で表される外来磁場のｚ軸方向成分は、（数１２）及び（数１３）の関係から十分小さいと考えられるので無視できる。さらに、（数１８）の第４項で表される外来磁場のｙ軸方向成分は、（数４）及び（数９）の関係から、（数１８）の第３項で表される外来磁場のｘ軸方向成分よりも十分小さいと考えられる。従って、（数１８）に含まれる主たる外来磁場成分は第３項で表される外来磁場のｘ軸方向成分であり、外来磁場のｘ軸方向成分を補正することで外来磁場を効率よく実用的なレベルに低減できる。
【００４７】
本発明では（数１８）の第３項で表される外来磁場のｘ軸方向成分を補正するために第１の参照用磁束計を用いる。参照用磁束計ＳＱＵＩＤ（Ｒｅｆ，１）の位置での外来磁場ベクトル（Ｅ（Ｒｅｆ，１））を（数２０）とする。
Ｅ（Ｒｅｆ，１）＝（Ｅｘ（Ｒｅｆ，１），Ｅｙ（Ｒｅｆ，１），Ｅｚ（Ｒｅｆ，１）） …（数１９）
なお、参照用磁束計は生体から離れた位置にあるので生体からの磁場は無視できると仮定する。円筒型磁気シールドでは円筒軸（ｘ軸）に垂直なｙ、ｚ方向のシールド率がｘ方向より高いので、（数２０）、（数２１）が成り立つ。
Ｅｘ（Ｒｅｆ，１）＞＞Ｅｙ（Ｒｅｆ，１） …（数２０）
Ｅｘ（Ｒｅｆ，１）＞＞Ｅｚ（Ｒｅｆ，１） …（数２１）
参照用磁束計の法線ベクトルＨ（Ｒｅｆ，１）を（数２２）とする。
Ｈ（Ｒｅｆ，１）＝（Ｈｘ（Ｒｅｆ，１）、Ｈｙ（Ｒｅｆ，１）、Ｈｚ（Ｒｅｆ，１）） …（数２２）
また、（数２３）を満たすものとする。
Ｈｘ（Ｒｅｆ，１）^２＋Ｈｙ（Ｒｅｆ，１）^２＋Ｈｚ（Ｒｅｆ，１）^２＝１ …（数２３）
参照用磁束計の法線ベクトルＨ（Ｒｅｆ，１）がほぼｘ軸に平行となっているので、（数２４）、（数２５）、（数２６）を仮定できる。
Ｈｙ（Ｒｅｆ，１）＜＜１ …（数２４）
Ｈｚ（Ｒｅｆ，１）＜＜１ …（数２５）
Ｈｘ（Ｒｅｆ，１）〜１ …（数２６）
参照用磁束計により検出される参照信号をＢ（Ｒｅｆ，１）、固有雑音をＮａｖｅとすると（数２７）が成立する。

（数２０）、（数２１）、（数２４）、（数２５）の関係を考慮すると（数２７）は（数２８）と近似できる。
Ｂ（Ｒｅｆ，１）＝Ｈｘ（Ｒｅｆ，１）・Ｅｘ（Ｒｅｆ，１）＋Ｎａｖｅ …（数２８）
Ｅｘ（ｍ，ｎ）とＥｘ（Ｒｅｆ，１）の相関が良いと仮定し、第１の補正係数Ａｘ（ｍ，ｎ）を参照用磁束計の信号Ｂ（Ｒｅｆ，１）に乗じて補正を行うことで、ｘ方向の隣接した検出用磁束計の差分信号ｘ（ｍ，ｎ）に含まれる外来磁場のｚ方向成分を補正できる。補正された第１の計測信号をＣｘ（ｍ，ｎ）とすると、Ｃｘ（ｍ，ｎ）は（数２９）となるので、第１の補正係数Ａｘ（ｍ，ｎ）を（数３０）となるように選ぶことで、外来磁場の影響が低減された計測信号（数３１）を取得できる。

（数３０）で表されるＡｘ（ｍ，ｎ）は（数８）、（数２６）から１より十分小さな値となるので、補正された第１の計測信号に対する参照用磁束計の固有雑音による雑音の増加はわずかである。実際には（数３０）に含まれるＨｘ（ｍ，ｎ）、Ｈｘ（ｍ＋１，ｎ）、Ｈｘ（Ｒｅｆ，１）を正確に測定することが困難なため、第１のの補正係数Ａｘ（ｍ，ｎ）は以下の方法で予め決定した値を用いた。ある時間範囲（通常、６０秒間とした）でのＢ（ｍ，ｎ）、Ｂ（ｍ＋１，ｎ）、Ｂ（Ｒｅｆ，１）を計測し、その時間平均値をＢａｖｅ（ｍ，ｎ）、Ｂａｖｅ（ｍ＋１，ｎ）、Ｂａｖｅ（Ｒｅｆ，１）を求めた。次に、（数３２）で計算される値の二乗和が、ある時間範囲で最小になるようにＡｘ（ｍ，ｎ）を決定した。

なお、この方法は一例であり、Ａｘ（ｍ，ｎ）の値は他のアルゴリズムを用いて決定してもかまわない。また、実施例１では予め決定された第１の補正係数を使用して解析を行ったが、測定の都度、実際の測定信号に対して第１の補正係数を求めることも可能である。
【００４８】
以上、ｘ方向の差分を例にとって説明を行ったが、ｙ方向の差分ｙ（ｍ，ｎ）は（数３３）で表され、ｙ方向の差分に対しても第１の補正係数Ａｙ（ｍ，ｎ）として（数３４）を用いてｘ方向の外来磁場を補正することで、外来磁場の影響が低減された計測信号（数３５）を取得できる。

図５は、本発明の実施例１の磁場計測装置で測定した心磁波形の一例を示す図である。図５（Ａ）は実施例１による外来磁場の補正を実行しなかった場合の磁場波形、図５（Ｂ）は実施例１による外来磁場の補正を実行した場合の磁場波形を示す。
【００４９】
帯域は０．１Ｈｚ〜８０Ｈｚで、５０、１００、１５０Ｈｚのアナログノッチフィルターも併用した。サンプリング周波数は１ｋＨｚである。図５（Ａ）は上から順に、隣接した磁束計からの信号の差分であるＸ（１，１）、Ｘ（２，１），Ｙ（２，１）の時間波形を示している。差分信号には目的とする心磁の波形も観察されているが、外来磁場の影響を受けて、大きく変動している。図５（Ｂ）は実施例１の方法を用いて、外来磁場を補正した結果Ｃｘ（１，１）、Ｃｘ（２，１），Ｃｙ（２，１）である。大きな変動をほぼ完全に除去できており、実施例１の効果を確認できる。
【００５０】
本実施例では３×３の配置でその効果を確認しているが、４×４以上の大きな規模の磁束計の配列に対しても同様の効果を期待できる。
（実施例２）
外来磁場の大きさは装置の設置場所に大きく依存する。例えば、線路の近くやエレベータの近くでは外来磁場が大きく変動する。
【００５１】
図６は、本発明の実施例２の磁場計測装置で測定した心磁波形の一例を示す図である。図６（Ａ）は実施例２による外来磁場の補正を実行しなかった場合の磁場波形、図６（Ｂ）は実施例２による外来磁場の補正を実行した場合の磁場波形を示す。
【００５２】
図６（Ａ）は、電車の線路から３０ｍ程度の離れた位置にある建物の内部に心磁計（磁場計測装置）を設置して計測を行った場合の、計測用磁束計の出力信号（Ｂ（１，１）、Ｂ（２，１））の波形である。帯域は０．１Ｈｚ〜８０Ｈｚで、５０、１００、１５０Ｈｚのアナログノッチフィルターも併用した。電車が通過した場合に大きな外部磁場の変動が起こったため、計測信号が後段のＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジを越え、飽和している。この問題は、１６ビットＡＤ変換器の代わりに、入力ダイナミックレンジが広い２４ビットＡＤ変換器を用いることで解決可能であるが、高価なため好ましくない。実施例２ではダイナミックレンジ圧縮用の信号を用いて、ＡＤ変換器入力前に計測信号を圧縮することで、この問題を解決する。
【００５３】
図３（Ｂ）は、本発明の実施例２の磁束計の配置を示す図である。図３（Ｂ）は、冷却容器２の内部に設置される磁束計の配置を示す。図３（Ｂ）に示す構成は、図３（Ａ）で説明した実施例１の構成に、圧縮信号用磁束計６９を付加した構成である。圧縮信号用磁束計６９は、板６１と平行な第３の面を規定する板６５に、圧縮信号用磁束計６９の磁場検出方向が、板６５に対して垂直になるように固定されている。板６１と板６５は、非磁性材料でできた４本の柱６８により平行に固定される。実施例２では、板６１と板６５の距離を６０ｍｍとした。
【００５４】
図４（Ｂ）は、本発明の実施例２の測定回路の構成を示す図である。図４（Ｃ）は、本発明の実施例２の別の測定回路の構成を示す図である。
【００５５】
図４（Ｂ）に示すように、計測信号をＡＤ変換器８に入力する前に、差動アンプ回路７９を通して、それぞれの計測信号から圧縮信号用磁束計６９で計測された圧縮信号を差し引く構成となっている。計測用磁束計と圧縮信号用磁束計は磁場の検出方向が同じで、内径８００ｍｍの磁気シールドに比べ相対的に近い位置に設置されており、計測用磁束計で検出される外来磁場と圧縮信号用磁束計６９で計測された圧縮信号には強い相関がある。
【００５６】
従って、計測信号から圧縮信号用磁束計６９で計測された圧縮信号を差し引くことで外来磁場による変動を数分の１から数十分の１まで軽減できる。図６（Ｂ）に示す信号波形Ｂ（１，１）、Ｂ（２，１）は、電車が通過中に測定した計測信号から圧縮信号用磁束計６９で圧縮計測された信号を差し引いた信号を、１６ビットのＡＤ変換器を通してコンピュータに取り込んだデータである。計測された信号の変動幅はＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジを越えることなく、コンピュータに取り込まれている。
【００５７】
図６（Ｂ）の下方の２つの信号波形は２つの磁束計の出力信号の差分データＸ（１，１）、第１の参照信号による補正を行ったデータＣｘ（１，１）である。実施例２での圧縮信号用磁束計６９で計測された信号は、隣接した磁束計の信号の差分を求める際にキャンセルされるため差分データには残らないことが特徴である。
【００５８】
また、実施例１と同様に、補正を行うことにより、差分データｘ（１，１）に残っている外来磁場による変動が補正後のデータＣｘ（１，１）では除去されており、圧縮信号用磁束計６９で計測された圧縮信号を計測回路に入れても、実施例２では外来磁場の低減効果は影響を受けないことがわかる。
【００５９】
以上の結果から、外来磁場の変動が大きな場合にも、外来磁場が低減された計測信号を取得できることを確認できる。
【００６０】
なお、実施例２では計測回路として、図４（Ｂ）の回路構成を使用したが、この構成は一例であり、差動アンプ回路７９の配置場所については様々な構成が可能である。例えば、図４（Ｃ）に示すように、駆動回路６の後段に磁束計の感度補正のためのゲイン可変アンプ８０を設置し、差動アンプ回路７９の後段に図示しないアンプ・フィルター回路を設置することでも同様の結果が得られる。
（実施例３）
実施例１の装置構成で心磁計測を行った場合、装置の設置場所によっては数Ｈｚ程度の周波数の雑音が残る場合が確認された。
【００６１】
図７は、本発明の実施例３の磁場計測装置で測定した心磁波形の一例を示す図である。図７の上段の磁場波形は、外来磁場の補正を行う前の差分データＸ（１，１）、図７の中段の磁場波形は、第１の参照信号による補正を行った後の差分データＣｘ（１，１）である。実施例１で述べた第１の参照信号による補正を行うことで大きな外来磁場による変動を除去できているが、図７に矢印で示す位置に５Ｈｚ程度の小さな振動成分が残っている。この小さな振動成分の発生原因は完全には把握できていないが、床の振動や冷却容器の振動等が原因として考えられる。実施例３では、この小さな振動成分を除去するために、実施例１の磁場計測装置の構成に第２の参照用磁束計を付加した構成とした。
【００６２】
図８（Ａ）は、本発明の実施例３の磁束計の配置を示す図である。図８（Ａ）は、冷却容器２の内部に設置される磁束計の配置を示す。図３（Ａ）に示す実施例１の構成に、第２の参照用磁束計８２を付加した構成となっている。第２の参照用磁束計８２は図２に示した磁束計と同じ構造をもつ。
【００６３】
第２の参照用磁束計８２は、第１の参照用磁束計４が配置されている板６３に平行な第４の面を規定する板８１に配置されている。実施例３では、板６３と板８１の間隔を４０ｍｍとした。第１の参照用磁束計４の検出コイルの中心軸と第３の参照用磁束計８２の検出コイルの中心軸とが一致するように、第３の参照用磁束計８２が第４の面を規定する板８１に固定されている。
【００６４】
実施例３では、第１の参照用磁束計４と第３の参照用磁束計８２で同軸型の１次のグラジオメータを構成し、第１の参照信号による補正を行った後の差分データに対して、この１次のグラジオメータの信号を用いてさらに雑音の補正を行なう。具体的には、第１の参照信号で補正された差分データから、第１の参照用信号と第２の参照用信号の差分に所定の第２の補正係数が乗算された値を差し引くことで、外来磁場が一層軽減された計測信号Ｄｘ（ｍ，ｎ）、Ｄｙ（ｍ，ｎ）（（数３６）、（数３７））を取得できる。
Ｄｘ（ｍ，ｎ）＝Ｃｘ（ｍ，ｎ）−βｘ（ｍ，ｎ）・（Ｂ（ｒｅｆ，１）−Ｂ（ｒｅｆ，２）） …（数３６）
Ｄｙ（ｍ，ｎ）＝Ｃｙ（ｍ，ｎ）−βｙ（ｍ，ｎ）・（Ｂ（ｒｅｆ，１）−Ｂ（ｒｅｆ，２）） …（数３７）
ここで、βｘ（ｍ，ｎ）、βｙ（ｍ，ｎ）は第２の補正係数、Ｂ（ｒｅｆ，１）、Ｂ（ｒｅｆ，２）はそれぞれ第１の参照用磁束計と第２の参照用磁束計によって検出された第１、第２の参照信号である。第２の補正係数βｘ（ｍ，ｎ）、βｙ（ｍ，ｎ）は第１の補正係数と同様に最小自乗法により、計測信号の変動が最小となる値を選び使用する。また、実施例３では予め決定された第２の補正係数を使用して解析を行うが、測定の都度、実際の測定信号に対して第２の補正係数を求めることも可能である。
【００６５】
図９（Ａ）は、本発明の実施例３の測定回路の構成を示す図である。
図４（Ａ）に示した実施例１の回路構成に、第２の参照用磁束計８２とこれに対応する駆動回路６やアナログ信号処理回路７が付加された構成となっている。図７の下段の磁場波形データＤｘ（１，１）は、第１の参照信号による補正を行った後に、上述の１次のグラジオメータの信号を用いて補正を行った結果である。第１の参照信号による補正では除去できなかった５Ｈｚ程度の周期の変動の大部分を除去できており、実施例３の効果を確認できる。
（実施例４）
図８（Ｂ）は、本発明の実施例４の磁束計の配置を示す図である。図８（Ｂ）は、冷却容器２の内部に設置される磁束計の配置を示す。図８（Ａ）で説明した実施例３の構成に、圧縮信号用磁束計６９が追加された構成となっている。圧縮信号用磁束計６９は図３（Ｂ）に示した実施例２と同じ位置に取付けた。実施例４の磁場計測装置の構成では、実施例３の磁場計測装置に実施例２で述べた圧縮信号用磁束計６９と作動アンプ回路７９が付加された構成となっている。実施例２で述べたように、圧縮信号用を使用することで計測信号がＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジを超過することを防ぐことが可能である。
【００６６】
図９（Ｂ）は、本発明の実施例４の測定回路の構成を示す図である。図９（Ａ）に示した実施例３の計測回路に、圧縮信号用磁束計６９とその駆動回路が追加され、計測信号をＡＤ変換器８に入力する前に差動アンプ回路７９を通して、計測信号から圧縮信号用磁束計６９で計測された圧縮信号を差し引く構成となっている。また、差動アンプ回路の前にはゲイン可変アンプ８０が挿入されている。実施例４ではゲイン可変アンプを使用して、各磁束計の感度補正を行った。
【００６７】
このように、圧縮信号用磁束計６９を追加することで実施例２と同じように、計測信号がＡＤ変換器の入力ダイナミックレンジを超過すること防止できる。
【００６８】
なお、実施例４では計測回路として、図９（Ｂ）の回路構成を使用したが、この構成は一例であり、差動アンプ回路やゲイン可変アンプの位置については様々な構成が可能である。
（実施例５）
実施例３で述べたように、装置の設置場所によっては数Ｈｚ程度の周波数の雑音が残る場合がある。実施例５では実施例３とは異なる構成の１次グラジオメータによる補正について検討した。
【００６９】
図１０（Ａ）は、本発明の実施例５の磁場計測装置の構成を示す図、図１０（Ｂ）は、本発明の実施例５における磁束計の配置を示す図である。
【００７０】
実施例５では図１０（Ａ）に示すように、円筒磁気シールドの中心軸が床面に対して垂直になるように配置された縦型円筒磁気シールド１０１を使用した。被験者１３はベッドに仰臥する代わりに椅子１０４に軽く腰掛けた状態で心磁計測を行う。椅子１０４及びガントリー１０２に固定された冷却容器１０３は上下移動機構を有し、被験者の胸部の最適な位置に計測用磁束計の位置を合わせることができる。
【００７１】
椅子１０４、ガントリー１０２等は非磁性材料で作られている。ＦＲＰで作製された冷却容器１０３はＬ字型をなしており、その上部から信号線６７が取り出されている。信号線は磁気シールドの内壁に取付けられた駆動回路６に接続され、駆動回路６から出力された信号は磁気シールドの内壁に沿って配置された信号線を通って磁気シールド外部に置かれたアンプ・フィルターユニット７に接続されている。また、冷却容器１０３の上部に取付けられた角度調整用つまみ１０５を回すことで、第１の磁束計の角度を微調整できる。
【００７２】
図１０（Ｂ）は冷却容器１０３の内部に設置される磁束計の配置を示す図である。図３（Ａ）で説明した実施例１の構成に、第３の参照用磁束計８５、第４の参照用磁束計８６、第１の参照用磁束計４の方向を微調整するための角度調整機構１０７を付加した構成となっている。第３の参照用磁束計８５は、板６１に平行な板６５に配置される。
第４の参照用磁束計８６は板６５に、ｘ方向に第３の参照用磁束計８５から３０ｍｍ離れた位置に配置している。
【００７３】
角度調整機構１０７は、非磁性材料のワイヤー１０６を介して角度調整用つまみ１０５に接続されており、角度調整用つまみ１０５を回すことにより、板６３を板６１に対して回転させて、第１の参照用磁束計４の検出コイルの面の方向を微調整できる。
【００７４】
第１の参照用磁束計４で検出される外来磁場、即ち、第１の参照信号が最も大きくなるように、第１の参照用磁束計４の角度を調整することで、第１の参照信号に乗算される第１の補正係数はより小さな値となる。その結果、（数３１）で示される補正されたデータに対する第１の参照用磁束計の固有雑音の影響が一層低減される。なお、図１０（Ｂ）に示した磁束計のユニットは、複数の計測用磁束計３が取付けられている第１の面を規定する板６３が、図１０（Ａ）に示す円筒磁気シールドの中心軸と平行になるように配置される。
【００７５】
実施例５では、第３の参照用磁束計と第４の参照用磁束計で平面型の１次のグラジオメータを構成し、実施例１で述べた第１の参照信号による補正を行った後の差分データに対して、この１次のグラジオメータの信号を用いてさらに雑音の補正を行なう。つまり、実施例３で使用した同軸型の１次グラジオメータの代わりに、平面型の１次のグラジオメータを使用した構成である。
【００７６】
（数３８）、（数３９）に示すように、第１の参照信号で補正された差分データから、第３の参照用信号と第４の参照用信号の差分に所定の第３の補正係数が乗算された値を差し引くことで外来磁場が一層軽減された計測信号Ｆｘ（ｍ，ｎ）、Ｆｙ（ｍ，ｎ）を取得ができる。ここで、γｘ（ｍ，ｎ）、γｙ（ｍ，ｎ）は第３の補正係数、Ｂ（ｒｅｆ，３）、Ｂ（ｒｅｆ，４）はそれぞれ第３の参照用磁束計、第４の参照用磁束計の信号である。第３の補正係数は第１、第２の補正係数と同様に最小自乗法により、計測信号の変動が最小となる値を選び使用する。
Ｆｘ（ｍ，ｎ）＝Ｃｘ（ｍ，ｎ）−γｘ（ｍ，ｎ）・（Ｂ（ｒｅｆ，３）−Ｂ（ｒｅｆ，４）） …（数３８）
Ｆｙ（ｍ，ｎ）＝Ｃｙ（ｍ，ｎ）−γｙ（ｍ，ｎ）・（Ｂ（ｒｅｆ，３）−Ｂ（ｒｅｆ，４）） …（数３９）
図１１（Ａ）は、本発明の実施例５の測定回路の構成を示す図である。図４（Ａ）に示した実施例１の回路構成に、第３の参照用磁束計８５、第４の参照用磁束計８６、これらに対応する駆動回路６やアナログ信号処理回路７が付加された構成をとる。
【００７７】
図１２は、本発明の実施例５の磁場計測装置で測定した心磁波形の例を示す図である。図１２の上段の磁場波形データは隣接した計測用磁束計の差分データＸ（１，１）である。差分データＸ（１，１）は、外来磁場のため波形が大きく変動している。図１２の中段の磁場波形データは、第１の参照信号による補正を行った磁場波形Ｃｘ（１，１）である。磁場波形Ｃｘ（１，１）では大きな変動成分は除去されているが、図１２に矢印で示した位置に８Ｈｚ程度の周期性の雑音が残っている。図１２の下段の磁場波形データは、図２の中段の磁場波形Ｃｘ（１，１）（第１の参照信号による補正を行った波形）から第３の参照用信号及び第４の参照用信号の差分に所定の第３の係数をかけた値を差し引いた結果を示す磁場波形Ｆｘ（１，１）である。８Ｈｚ程度の周期性の雑音の大部分が除去できていることを確認できる。
（実施例６）
実施例６は、実施例５の磁場計測装置に、実施例２、実施例４で述べた圧縮信号を使用した例である。実施例２、実施例４では圧縮信号計測用の磁束計を設置したが、図１０（Ａ）に示す実施例５の構成のように、計測用磁束計と同じ磁場検出方向の磁束計として第３の参照用磁束計８５、第４の参照用磁束計８６が設置されている。実施例６では、第３の参照用磁束計８５の計測信号を圧縮信号として使用する。そのため、実施例６では、冷却容器２の内部に設置される磁束計の配置は、図１０（Ａ）に示した実施例５の配置と同じである。
【００７８】
図１１（Ｂ）は、本発明の実施例６の測定回路の構成を示す図である。駆動回路６から出力された第３の参照用磁束計８５の計測信号を分岐して差動アンプ回路７９に接続することで、第３の参照用磁束計８５の計測信号を圧縮信号として使用できる。その結果、計測用磁束計の出力信号から第３の参照用磁束計８５の計測信号が差し引かれた信号が、後段のＡＤ変換器により取り込まれる構成になっている。
【００７９】
実施例６の構成によっても、実施例２、実施例４と同様に、ＡＤ変換器の入力部分で信号がダイナミックレンジを超過することなく心磁波形を計測できる。
（実施例７）
実施例７では３６個の計測用磁束計が６×６の配列で配置された磁場計測装置による心磁計測を行った。実施例７の磁場計測装置の全体の構成は図１と同じ構造であるが、大型の冷却容器を使用し、図３（Ｂ）に示した実施例２で用いた３×３配列の計測用磁束計、第１の参照用磁束計、圧縮信号用磁束計からなるブロックを２×２の配置で４組並べた構成とした。
【００８０】
図１３は、本発明の実施例７における計測用磁束計の配置の例を示す図であり、冷却容器２の内部に設置される磁束計の配置を示す図である。同じブロック内の磁束計の計測信号間の差分データを補正する場合は、各ブロックに配置された第１の磁束計で計測した第１の参照信号を使用する。差分をとる磁束計が２つのブロックにまたがった場合は、２つのブロックそれぞれの第１の参照信号の平均値を参照信号として使用する。また、圧縮信号用磁束計として、４つの圧縮信号用磁束計６９のうちの１つを使用する。なぜなら、差分を求める時に圧縮信号を完全にキャンセルするためには、全く同じ圧縮信号を使用する必要があるためである。実施例７では、各ブロックの中心に配置された圧縮信号用磁束計の１つを用いるが、もちろん、圧縮信号用磁束計を全体の中心部に配置してもかまわない。また、計測回路は図４（Ｃ）の回路を４倍に拡張した構成とした。ただし、前述したように圧縮信号用磁束計は１系統である。
【００８１】
実施例７の構成により、実施例２で示した結果と同じように外来磁場の影響が低減された心磁波形を６×６配列の計測用磁束計で取得できる。
（実施例８）
実施例８では、実施例７で用いた６×６配列の計測用磁束計をもつ磁気計測装置を使用した。心磁信号の強度は心臓の位置や大きさ等に依存するため、個人差が大きい。そのため、心房の活動により発生するピーク（Ｐ波）が弱い場合、十分なＳ／Ｎ比で計測できない場合がある。実施例１から実施例７では、隣接して配置された２つの計測用磁束計の差分を求めていたが、ＳＮ比が悪くＰ波をうまく計測できない場合には、隣接した計測用磁束計よりもさらに離れて配置された位置の計測用磁束計との差分を求めることで、ＳＮ比が改善され明瞭なＰ波を計測できる。
【００８２】
図１４は、本発明の実施例８の磁場計測装置で測定した心磁波形の例を示す図である。図１４には、隣接した磁束計（ＳＱＵＩＤ（１，１）とＳＱＵＩＤ（２，１）、間隔３０ｍｍ）で測定した心磁波形の例（上段）と、より離れた磁束計（ＳＱＵＩＤ（１，１）とＳＱＵＩＤ（３，１）、間隔６０ｍｍ）で測定された心磁波形の例（下段）を示す。
【００８３】
図１４の上段、下段の何れのデータも、外来磁場を除去した後のデータであり、外来磁場による大きな変動成分は除去されている。より離れた磁束計（ＳＱＵＩＤ（１，１）とＳＱＵＩＤ（３，１）、間隔６０ｍｍ）で測定された心磁波形（下段）では、図中の矢印の部分にＰ波のピークが観察されている。このように、本発明の外来磁場の除去方法は、隣接した磁束計以外の組み合わせにも適用可能である。
【００８４】
以上説明した実施例１から実施例８では、高温超電導体の薄膜一体型直接結合マグネトメータを使用したが、低温超電導体のマグネトメータを使用することもできる。例えば、図１５（Ａ）に示すような、Ｎｂ−Ｔｉ線で作られた検出コイルが、薄膜多層プロセスでＳＱＵＩＤ上に層間絶縁膜を介して形成された入力コイルに接続されたＮｂ系超電導体のマグネトメータを使用できる。
【００８５】
マグネトメトリック検出コイル１２１には磁場に比例した遮蔽電流が流れ、遮蔽電流は入力コイル１２２により磁束に変換されＳＱＵＩＤ１２４に伝達される。ＳＱＵＩＤ１２４は、磁束を検出し、電圧信号に変換する超電導素子である。ＳＱＵＩＤ１２４を駆動するためのフィードバック磁束は、フィードバックコイル１２３によって供給される。駆動回路１２５は、非線型な出力電圧信号を持つＳＱＵＩＤ１２４を制御し、ＳＱＵＩＤが検出した磁場に比例した電圧信号を出力する電子回路である。駆動回路１２５の出力信号は、信号線１２６を介して後段の信号処理回路に伝達される。
【００８６】
また、計測用磁束計として、図１５（Ｂ）に示す微分型検出コイルを具備した同軸型グラジオメータを用いることもできる。２つの面積が等しいループに鎖交した磁束の差分に比例する遮蔽電流が流れる１次のグラジオメトリック検出コイル１２７を使用する。検出コイル１２７には、磁場勾配に比例した遮蔽電流が流れる。
【００８７】
図１５に示した磁束計は一例であり、各種の構造の磁束計を使用することが可能であるが、圧縮信号計測用の磁束計は計測用磁束計と同じ構造の磁束計が適している。また、円筒型磁気シールドの中心軸方向の磁場成分を検出する第１の参照用磁束計は、グラジオメータではなくマグネトメータが適している。
【００８８】
【発明の効果】
本発明の磁場計測装置によれば、簡易な筒型磁気シールドを用いて少ない参照用磁束計を使用し、外来磁場を効率良くキャンセルし微弱な磁場を検出できる。また、参照用の磁束計の数が少ないため回路規模が小さく低コストで装置を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の磁場計測装置の構成例を示す図。
【図２】本発明の実施例１で使用される磁束計の構成を示す図。
【図３】本発明の実施例における磁束計の配置を示す図。
【図４】本発明の実施例における測定回路の構成を示す図。
【図５】本発明の実施例１の磁場計測装置で測定した心磁波形の一例を示す図。
【図６】本発明の実施例２の磁場計測装置で測定した心磁波形の一例を示す図。
【図７】本発明の実施例３の磁場計測装置で測定した心磁波形の一例を示す図。
【図８】本発明の実施例における磁束計の配置を示す図。
【図９】本発明の実施例における測定回路の構成を示す図。
【図１０】本発明の実施例５の磁場計測装置の構成を示す図。
【図１１】本発明の実施例の測定回路の構成を示す図。
【図１２】本発明の実施例５の磁場計測装置で測定した心磁波形の一例を示す図。
【図１３】本発明の実施例７における計測用磁束計の配置の例を示す図。
【図１４】本発明の実施例８の磁場計測装置で測定した心磁波形の例を示す図。
【図１５】本発明を適用できる磁束計の別の構成を示す図。
【符号の説明】
１…円筒型磁気シールド、２、１０３…冷却容器、３…計測用磁束計、４…第１の参照用磁束計、５、１０２…ガントリー、６、７４、１２５…駆動回路、７…アナログ信号処理回路、８、７６…ＡＤ変換器、９、７７…コンピュータ、１１…ガントリー固定用の柱、１２…ガントリー位置調整機構、１３…被験者、１４…ベッド、１５…スライドするベッドの足、１６…ガイドレール、１７…タイヤ付きベッドの足、１８、６７、１２６…信号線、１９…ハンドル、２０…枕、２１…磁束計、３０…プリント基板、３１…保護キャップ、３２…ヒーター、３３…フィードバックコイル、３４…ＳＱＵＩＤ素子、３５…ボンディングワイヤー、３６…ボンディングパッド、３７…コネクタ、４０…バイクリスタル基板、４１…結晶粒界、４２…超伝導薄膜、４３…検出コイル、４４、１２４…ＳＱＵＩＤ、４５…スリット型ホール、４６…ジョセフソン接合、４７…検出コイルのホール、４８…電極、４９…超伝導リング、６１…第１の面を規定する板、６３…第２の面を規定する板、６５…第３の面を規定する板、６６…コネクター、６８…柱、６９…圧縮信号用磁束計、７１…一群の計測用磁束計、７３…冷却部分、７９…差動アンプ回路、８０…ゲイン可変アンプ、８１…第４の面、８２…第２の参照用磁束計、１０１…縦置き円筒型磁気シールド１０４…椅子、１０５…角度調整用つまみ、１０６…ワイヤー、１０７…角度調整機構、１２１…マグネトメトリック検出コイル、１２２…入力コイル、１２３…フィードバックコイル、１２７…１次のグラジオメトリック検出コイル。

Claims

強磁性体から構成される磁気シールド筒型体を具備する磁気シールド装置と、ＳＱＵＩＤと検出コイルとを具備し生体から発する磁場の前記磁気シールド筒型体の中心軸に垂直な磁場成分を検出する２次元に配置された複数の計測用磁束計と、ＳＱＵＩＤと検出コイルとを具備し外来磁場の前記中心軸に平行な磁場成分を検出する第１の参照用磁束計と、複数の前記計測用磁束計の前記検出コイルの面が前記中心軸に平行になるように、複数の前記計測用磁束計を前記中心軸に近い第１の面に２次元に配置し、前記第１の参照用磁束計の前記検出コイルの面が前記第１の面に垂直になるように、前記参照用磁束計を前記第１の面に垂直な第２の面上の前記第１の面から離れた位置に配置し、複数の前記計測用磁束計及び前記第１の参照用磁束計を収納して冷却する冷却容器と、前記磁気シールド筒型体の内側に前記冷却容器を保持するガントリーと、前記複数の計測用磁束計及び前記第１の参照用磁束計を駆動させて、前記垂直な磁場成分及び前記平行な磁場成分を検出し、計測信号及び第１の参照信号として出力する計測回路と、前記計測信号を集録する装置と、前記計測信号の解析を行ない解析結果を表示する解析装置とを有し、前記解析装置は、異なる位置に配置される２つの前記計測用磁束計により検出された前記計測信号の差分から、前記第１の参照用磁束計により検出された前記第１の参照信号に第１の所定の係数を乗算した値を差し引いて、前記外来磁場の影響が低減された第１の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
請求項１に記載の磁場計測装置において、前記第１の面と平行で前記第１の面よりも前記磁気シールド筒型体の中心軸から離れた位置の第３の面上に配置される磁束計であり、ＳＱＵＩＤと検出コイルとを具備し前記外来磁場の前記中心軸に垂直な磁場成分を検出するダイナミックレンジ圧縮信号計測用磁束計と、前記ダイナミックレンジ圧縮信号計測用磁束計を駆動させて前記垂直な磁場成分を検出し、ダイナミックレンジ圧縮信号として出力する計測回路と、複数の前記計測用磁束計の計測信号のそれぞれから前記ダイナミックレンジ圧縮信号を差し引き、ダイナミックレンジが圧縮された前記計測用磁束計の計測信号を出力する差動アンプ回路とを有し、前記集録する装置は、複数のダイナミックレンジが圧縮された前記計測用磁束計の計測信号と参照用磁束計の計測信号を集録し、前記解析装置は、ダイナミックレンジが圧縮された異なる前記計測用磁束計の計測信号の差分から、前記参照用磁束計により検出された前記参照信号に第１の所定の係数を乗算した値を差し引いて、前記外来磁場の影響が低減された第１の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
請求項１に記載の磁場計測装置において、複数の前記計測用磁束計を複数のブロックに分割し、各前記ブロック毎に前記第１の参照用磁束計が配置され、前記解析装置は、各前記ブロック毎に前記外来磁場の影響が低減された第１の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
請求項２に記載の磁場計測装置において、複数の前記計測用磁束計を複数のブロックに分割し、各前記ブロック毎に、前記第１の参照用磁束計が配置され、前記解析装置は、各前記ブロック毎に前記外来磁場の影響が低減された第１の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
強磁性体から構成される磁気シールド筒型体を具備する磁気シールド装置と、ＳＱＵＩＤと検出コイルとを具備し生体から発する磁場の前記磁気シールド筒型体の中心軸に垂直な磁場成分を検出する２次元に配置された複数の計測用磁束計と、ＳＱＵＩＤと検出コイルとを具備し外来磁場の前記中心軸に平行な磁場成分を検出する第１及び第２の参照用磁束計と、前記複数の計測用磁束計の前記検出コイルの面が前記中心軸に平行になるように、前記複数の計測用磁束計を前記中心軸に近い第１の面に２次元に配置し、前記第１の参照用磁束計の前記検出コイルの面が前記第１の面に垂直になるように、前記第１の参照用磁束計を前記第１の面に垂直な第２の面上の前記第１の面から離れた位置に配置し、前記第２の面と平行に離れた第４の面上に、前記第２の参照用磁束計の前記検出コイルの中心軸と前記第１の参照用磁束計の前記検出コイルの中心軸が一致するように前記第２の参照用磁束計を配置し、前記複数の計測用磁束計、前記第１及び第２の参照用磁束計を収納して冷却する冷却容器と、前記磁気シールド筒型体の内側に前記冷却容器を保持するガントリーと、前記複数の計測用磁束計及び前記第１、第２の参照用磁束計を駆動させて、前記垂直な磁場成分及び前記平行な磁場成分を検出し、計測信号及び第１、第２の参照信号として出力する計測回路と、前記計測信号及び参照信号を集録する装置と、前記計測信号の解析を行ない解析結果を表示する解析装置とを有し、前記解析装置は、異なる位置に配置される２つの前記計測用磁束計により検出された前記計測信号の差分から、前記第１の参照用磁束計により検出された前記第１の参照信号に第１の所定の係数を乗算した値を差し引いて第１の補正された計測信号を求め、前記第１の補正された計測信号から、前記第１の参照信号と前記第２の参照信号の差分に第２の所定の係数を乗算した値を差し引いて、前記外来磁場の影響が低減された第２の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
請求項５に記載の磁場計測装置において、前記第１の面と平行で前記第１の面よりも前記磁気シールド筒型体の中心軸から離れた位置の第３の面上に配置される磁束計であり、ＳＱＵＩＤと検出コイルとを具備し外来磁場の前記中心軸に垂直な磁場成分を検出するダイナミックレンジ圧縮信号計測用磁束計と、前記ダイナミックレンジ圧縮信号計測用磁束計を駆動させて、前記垂直な磁場成分を検出しダイナミックレンジ圧縮信号として出力する計測回路と、複数の前記計測用磁束計の計測信号のそれぞれから前記ダイナミックレンジ圧縮信号を差し引く差動アンプ回路とを有し、前記集録する装置は、複数の前記計測用磁束計の計測信号から前記ダイナミックレンジ圧縮信号が差し引かれた後の圧縮された計測信号と前記第１及び第２の参照信号を集録し、前記解析装置は、ダイナミックレンジが圧縮された、異なる前記計測用磁束計の計測信号の差分から、前記第１の参照用磁束計により検出された前記第１の参照信号に第１の所定の係数を乗算した値を差し引いて、前記外来磁場の影響が低減された第１の補正された計測信号を求め、前記第１の補正された計測信号から前記第１の参照信号と前記第２の参照信号の差分に第２の所定の係数を乗算した値を差し引いて、前記外来磁場の影響が低減された第２の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
請求項５に記載の磁場計測装置において、複数の前記計測用磁束計を複数のブロックに分割し、各前記ブロック毎に前記第１、第２の参照用磁束計が配置され、前記解析装置は、各前記ブロック毎に前記外来磁場の影響が低減された第２の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
請求項６に記載の磁場計測装置において、複数の前記計測用磁束計を複数のブロックに分割し、各前記ブロック毎に、前記第１、第２の参照用磁束計が配置され、前記解析装置は、各前記ブロック毎に前記外来磁場の影響が低減された第２の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
強磁性体から構成される磁気シールド筒型体を具備する磁気シールド装置と、ＳＱＵＩＤと検出コイルとを具備し生体から発する磁場の前記磁気シールド筒型体の中心軸に垂直な磁場成分を検出する２次元に配置された複数の計測用磁束計と、ＳＱＵＩＤと検出コイルとを具備し外来磁場の前記中心軸に平行な磁場成分を検出する第１の参照用磁束計と、ＳＱＵＩＤと検出コイルとを具備し外来磁場の前記中心軸に垂直な磁場成分を検出する第３及び第４の参照用磁束計と、前記複数の計測用磁束計の前記検出コイルの面が前記中心軸に平行になるように、前記複数の計測用磁束計を前記中心軸に近い第１の面に２次元に配置し、前記第１の参照用磁束計の前記検出コイルの面が前記第１の面に垂直になるように、前記第１の参照用磁束計を前記第１の面に垂直な第２の面上の前記中心軸から離れた位置に配置し、前記第３及び第４の参照用磁束計を前記第１の面と平行で前記中心軸から離れた位置の第３の面上に検出コイルの面が前記第３の面と平行になるように配置し、前記第４の参照用磁束計を前記第３の参照用磁束計よりも前記磁気シールド筒型体の前記中心軸方向に離れた位置に配置し、前記複数の計測用磁束計、前記第１、第３及び第４の参照用磁束計を収納して冷却する冷却容器と、前記磁気シールド筒型体の内側に前記冷却容器を保持するガントリーと、前記複数の計測用磁束計及び前記第１、第３、第４の参照用磁束計を駆動させて前記垂直な磁場成分及び前記平行な磁場成分を検出し、計測信号及び第１、第３、第４の参照信号として出力する計測回路と、前記計測信号及び第１、第３、第４の参照信号を集録する装置と、集録した信号の解析を行ない解析結果を表示する解析装置とを有し、前記解析装置は、異なる位置に配置される２つの前記計測用磁束計により検出された前記計測信号の差分から、前記第１の参照信号に第１の所定の係数を乗算した値を差し引いて第１の補正された計測信号を求め、前記第１の計測信号から前記第３及び前記第４の磁束計により検出された前記計測信号の差分に第３の所定の係数を乗算した値を差し引いて、前記外来磁場の影響が低減された第３の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
請求項９に記載の磁場計測装置において、複数の前記計測用磁束計の計測信号のそれぞれから前記第３の参照用磁束計の計測信号を差し引く差動アンプ回路を有し、前記集録する装置は、複数の前記計測用磁束計の計測信号から前記第３の参照用磁束計の計測信号が差し引かれたダイナミックレンジが圧縮された複数の前記計測用磁束計の計測信号を集録し、前記解析装置は、前記計測用磁束計の計測信号から前記第３の参照用磁束計の計測信号が差し引かれた前記ダイナミックレンジが圧縮された、異なる計測用磁束計の計測信号の差分から、前記第１の磁束計により検出された前記第１の参照信号に第１の所定の係数を乗算した値を差し引いて第１の補正された計測信号を求め、前記第１の計測信号から前記第３の参照信号と前記第４の参照信号の差分に第３の所定の係数を乗算した値を差し引いて、前記外来磁場の影響が低減された第３の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
請求項９に記載の磁場計測装置において、複数の前記計測用磁束計を複数のブロックに分割し、各前記ブロック毎に前記第１、第３、第４の参照用磁束計が配置され、前記解析装置は、各前記ブロック毎に前記外来磁場の影響が低減された第３の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。
請求項１０に記載の磁場計測装置において、複数の前記計測用磁束計を複数のブロックに分割し、各前記ブロック毎に、前記第１、第３、第４の参照用磁束計が配置され、前記解析装置は、各前記ブロック毎に前記外来磁場の影響が低減された第３の補正された計測信号を求める演算を行なうことを特徴とする磁場計測装置。