JP2005143722A - Biomagnetism measuring apparatus, program for biomagnetism measuring apparatus, recording medium for biomagnetism measuring apparatus and biomagnetism measuring method - Google Patents
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- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Abstract
Description
本発明は、被検体の関心部位内の生体活動電流の状態を把握する生体磁気計測装置、この装置に用いるプログラム、及び、このプログラムを記録した記録媒体、並びに、生体磁気計測方法に関する。 The present invention relates to a biomagnetic measurement apparatus that grasps the state of a bioactive current in a region of interest of a subject, a program used for the apparatus, a recording medium that records the program, and a biomagnetic measurement method.
生体内に生じる生体活動電流に伴って微小な生体磁気が生体から発生する。例えば、脳内の生体活動電流に伴って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脳から自然に発生する自発脳磁などがある。 A minute biomagnetism is generated from a living body in accordance with a bioactive current generated in the living body. For example, the biomagnetism that occurs in response to the bioactive current in the brain is called the magnetoencephalogram, and it naturally occurs from the brain, such as the induced magnetoencephalogram that occurs when a stimulus is applied to the living body, or the spike wave of an alpha wave or epilepsy. There are spontaneous magnetoencephalograms that occur.
近年、生体内の微小な生体磁気を計測する磁気センサとして、SQUID(Superconduc-ting Quantum 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(例えば、特許文献1参照)。このマルチチャンネルSQUIDセンサは、デュアーと呼ばれる容器内に多数個の磁気センサを液体窒素などの冷媒に浸漬して収納している。この磁気センサは、磁界を計測するコイル部と検出した磁界を電圧に変換するSQUIDセンサ部とから構成されている。 In recent years, a multi-channel SQUID sensor using a SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) has been developed as a magnetic sensor for measuring minute biomagnetism in a living body (see, for example, Patent Document 1). . This multi-channel SQUID sensor stores a large number of magnetic sensors immersed in a refrigerant such as liquid nitrogen in a container called a dewar. This magnetic sensor includes a coil unit that measures a magnetic field and a SQUID sensor unit that converts a detected magnetic field into a voltage.
このマルチチャンネルSQUIDセンサを被検体の関心部位である例えば頭部の外側に置き、脳内に生じた生体活動電流から発生する微小な生体磁気をそのマルチチャンネルSQUIDセンサ内の各磁気センサで無侵襲に計測することができる。この計測された計測生体磁気情報から被検体の関心部位の生体活動電流の発生した位置や方向などの状態を把握することができる。 This multi-channel SQUID sensor is placed outside the head, which is a region of interest of the subject, for example, and minute biomagnetism generated from bioactive current generated in the brain is non-invasively detected by each magnetic sensor in the multi-channel SQUID sensor. Can be measured. From this measured biomagnetic information, it is possible to grasp the state such as the position and direction where the bioactive current of the region of interest of the subject is generated.
従来、生体等の被検体の関心部位内に発生した生体活動電流の状態を把握するため次のように行われる。先ず、マルチチャンネルSQUIDセンサと被検体の関心部位との位置関係を捉える。この位置関係を捉える手段として、特開平5−237065号、特開平6−788925号などの種々の手法がある。 Conventionally, in order to grasp the state of the bioactive current generated in the region of interest of the subject such as a living body, the following is performed. First, the positional relationship between the multi-channel SQUID sensor and the region of interest of the subject is captured. As means for capturing this positional relationship, there are various methods such as JP-A-5-237065 and JP-A-6-788925.
次に、被検体の関心部位内の特定位置に流れる生体活動電流から発生する微小磁界に基づく生体磁気情報が、強調されるような重み係数を算出する。この重み係数は、マルチチャンネルSQUIDセンサ内に収納された磁気センサごとに算出される。この重み係数を算出する手法として、S.E.Robinson,D.F.Rose, ”Current Source Image Estimation by Spatially Filtered MGE”Biomaguetisum:Clinical aspects(1992)による手法(以下、「SF法」という)等がある。 Next, a weighting coefficient is calculated so that biomagnetic information based on a micromagnetic field generated from a bioactive current flowing at a specific position in the region of interest of the subject is emphasized. This weighting factor is calculated for each magnetic sensor housed in the multi-channel SQUID sensor. As a method for calculating the weighting coefficient, there is a method based on S.E. Robinson, D.F. Rose, “Current Source Image Estimation by Spatially Filtered MGE” Biomaguetisum: Clinical aspects (1992) (hereinafter referred to as “SF method”).
被検体の関心部位からの生体磁気を計測して得た計測生体磁気情報と、特定位置からの生体磁気だけを強調する重み係数とのたたみ込み演算を行う。これによって、関心部位内の特定位置の生体活動電流から発生した生体磁気だけが強調されるので、被検体の関心部位内の任意の位置での生体活動電流の状態を把握することができる。 A convolution operation is performed between the measured biomagnetic information obtained by measuring the biomagnetism from the region of interest of the subject and the weighting coefficient that emphasizes only the biomagnetism from the specific position. As a result, only the biomagnetism generated from the bioactive current at a specific position in the region of interest is emphasized, so that the state of the bioactive current at an arbitrary position in the region of interest of the subject can be grasped.
被検体の関心部位内の多数の位置について、生体活動電流の状態を捉えれば、被検体の関心部位全体に発生している生体活動電流の状態を把握することができる。この生体活動電流を、X線CT(Computerized Tomography)装置やMRI(Magnetic Resonance Imaging)装置等で得られた被検体の関心部位の断層画像上に重ねて表示させることで、関心部位の断層画像上の生体活動電流の状態を把握することができる。
しかしながら、従来は、SF法により計測した(オリジナル)生体データ信号を平均加算し、加算した生体信号からその脳電源の活動強度変化のみを計算していただけで、分析を何ら行っていないため、脳活動の原因となる脳の信号伝達経路と相互作用(脳内ネットワーク)を特定することが困難であった。 However, in the past, since the (original) biological data signal measured by the SF method is averaged and only the activity intensity change of the brain power source is calculated from the added biological signal, no analysis is performed. It was difficult to identify brain signaling pathways and interactions (intra-brain networks) that cause activity.
本発明は上述した事情を鑑みてなされたものであり、被検体の関心部位に近接配備した複数個の磁気センサによって、上記被検体の関心部位内に流れる生体活動電流に伴って発生する生体磁気を計測し、この計測で得られた計測生体磁気データに基づいて、被検体の関心部位内に流れる生体活動電流の状態を把握するに際して、関心部位における活動の原因となる信号伝達経路と相互作用(生体の関心部位における情報処理経路を示すネットワーク)を特定することにより、関心部位の情報処理がどのような経路をたどって行われているかを解析することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and biomagnetism generated by a plurality of magnetic sensors arranged in proximity to a region of interest of a subject along with a biological activity current flowing in the region of interest of the subject. , And based on the measured biomagnetic data obtained by this measurement, when grasping the state of the bioactive current flowing in the region of interest of the subject, the signal transmission path and the interaction causing the activity in the region of interest An object is to analyze what route the information processing of the region of interest is performed by specifying (network indicating the information processing route in the region of interest of the living body).
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、被検体の関心部位に近接配備した複数個の磁気センサによって、前記関心部位内に流れる生体活動電流に伴って発生する生体磁気を計測し、この計測で得られた計測生体磁気データに基づいて、前記関心部位内に流れる生体活動電流の状態を把握する生体磁気計測装置であって、前記計測生体磁気データに基づいて前記生体活動電流の活動変化を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出した活動変化に基づいて、その活動の原因となる前記関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定する同定手段と、を備えたことを特徴とする生体磁気計測装置である。 In order to achieve the above-mentioned object, the invention according to claim 1 measures biomagnetism generated in accordance with a biological activity current flowing in the region of interest by a plurality of magnetic sensors arranged close to the region of interest of the subject. The biomagnetic measuring device grasps the state of the bioactive current flowing in the region of interest based on the measured biomagnetic data obtained by this measurement, and the bioactive current is calculated based on the measured biomagnetic data. A calculation means for calculating an activity change; and an identification means for identifying a signal transmission path and an interaction in the region of interest that causes the activity based on the activity change calculated by the calculation means. It is the biomagnetic measuring device characterized.
ここで、「算出手段」としては、例えば、Spatial Filter法(minimum norm型)やwiener型等の空間フィルター法を生脳磁図に適用して算出する。また、「同定手段」としては、例えば、多変量自己回帰モデルを適用して同定(推定)する。 Here, as the “calculation means”, for example, a spatial filter method such as Spatial Filter method (minimum norm type) or wiener type is applied to the live magnetoencephalogram. As the “identification means”, for example, identification (estimation) is performed by applying a multivariate autoregressive model.
特に、前記同定手段は、請求項2において、前記算出手段によって算出した活動変化に対して多変量自己回帰モデルを適用することにより、前記活動の原因となる前記関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定することを特徴とする。
In particular, the identification unit applies a multivariate autoregressive model to the activity change calculated by the calculation unit according to
請求項3に係る発明は、被検体の関心部位に近接配備した複数個の磁気センサによって、前記関心部位内に流れる生体活動電流に伴って発生する生体磁気を計測し、この計測で得られた計測生体磁気データに基づいて、前記関心部位内に流れる生体活動電流の状態を把握する、コンピュータ制御の生体磁気計測装置で用いられるプログラムであって、前記計測生体磁気データに基づいて前記生体活動電流の活動変化を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出した活動変化に基づいて、その活動の原因となる前記関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定する同定手段と、を前記コンピュータに実現させるための生体磁気計測装置用プログラムである。
The invention according to
ここで、本発明における「プログラム」とは、コンピュータによる処理に適した命令の順番付けられた列からなるものをいい、コンピュータのHD(Hard Disk)、CD−RW等にインストールされているものや、CD−ROM、DVD、FD、半導体メモリ、コンピュータのHDD等の各種記録媒体に記録されているものや、インターネット等の外部ネットワークを介して配信されるものも含まれる。 Here, the “program” in the present invention means an ordered sequence of instructions suitable for processing by a computer, such as those installed in a computer's HD (Hard Disk), CD-RW, etc. , Recorded on various recording media such as CD-ROM, DVD, FD, semiconductor memory, and computer HDD, and distributed via an external network such as the Internet.
特に、前記同定手段は、請求項4において、前記算出手段によって算出した活動変化に対して多変量自己回帰モデルを適用することにより、前記活動の原因となる前記関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定することを特徴とする。
In particular, the identification unit applies a multivariate autoregressive model to the activity change calculated by the calculation unit according to
また、請求項5に係る発明は、請求項3又は4に記載の生体磁気計測装置用プログラムを記録したことを特徴とする、前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体である。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the computer-readable recording medium on which the biomagnetism measuring device program according to the third or fourth aspect is recorded.
ここで、本発明における「記録媒体」とは、上記コンピュータで上記各手段を機能させるためのプログラムの読み取りに使用することができればよく、情報を媒体の物理的特性を利用してどのように記録するか等の物理的な記録方法には依存しない。例えばFD(Flexible Disk)、CD−ROM(R,RW)(Compact Disc Read Only Memory (CD Recordable,CD Rewritable))、DVD−ROM(RAM,R,RW)(Digital Versatile Disk Read Only Memory(DVD Random Acess Memory,DVD Recordable,DVD Rewritable))、半導体メモリ、MO(Magneto Optical Disk)、MD(Mini Disk)、磁気テープ等が該当する。 Here, the “recording medium” in the present invention is only required to be used for reading a program for causing the computer to function the above means, and how information is recorded using physical characteristics of the medium. It does not depend on the physical recording method such as For example, FD (Flexible Disk), CD-ROM (R, RW) (Compact Disc Read Only Memory (CD Recordable, CD Rewritable)), DVD-ROM (RAM, R, RW) (Digital Versatile Disk Read Only Memory (DVD Random) Acess Memory, DVD Recordable, DVD Rewritable)), semiconductor memory, MO (Magneto Optical Disk), MD (Mini Disk), magnetic tape, and the like.
また、請求項6に係る発明は、関心部位に近接配備した複数個の磁気センサによって、前記関心部位内に流れる生体活動電流に伴って発生する生体磁気を計測し、この計測で得られた計測生体磁気データに基づいて、前記関心部位内に流れる生体活動電流の状態を把握する生体磁気計測方法であって、前記計測生体磁気データに基づいて前記生体活動電流の活動変化を算出する算出ステップ(S7参照)と、前記算出ステップによって算出した活動変化に基づいて、その活動の原因となる前記関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定する同定ステップ(S7参照)と、を実行することを特徴とする生体磁気計測方法である。
The invention according to
なお、この請求項6に係る方法に関しては、上記請求項1に係る生体磁気計測装置を用いれば実行することができるが、この装置を用いることに限るものではない。
The method according to
特に、前記固定ステップは、請求項7において、前記算出ステップによって算出した活動変化に対して多変量自己回帰モデルを適用することにより、前記活動の原因となる前記関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定することを特徴とする。
In particular, in the fixing step according to
なお、この請求項7に係る方法に関しても、上記請求項2に係る生体磁気計測装置を用いれば実行することができるが、この装置を用いることに限るものではない。
The method according to
以上説明したように本発明によれば、計測生体磁気データに基づいて生体活動電流の活動変化を算出し、この算出した活動変化に基づいて、その活動の原因となる関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定することにより、関心部位における活動の原因となる信号伝達経路と相互作用を特定し、生体における関心部位の情報処理がどのような経路をたどって行われているかを解析することができるという効果を奏する。 As described above, according to the present invention, the activity change of the life activity current is calculated based on the measured biomagnetic data, and the signal transmission path in the region of interest causing the activity is calculated based on the calculated activity change. Identifying the interaction and identifying the signal transmission path and interaction that cause the activity in the region of interest, and analyzing the route of information processing of the region of interest in the living body There is an effect that can be.
以下、本発明の一実施形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
個々の生体信号を平均加算し、平均加算生体信号から、脳電源を同定(推定)する空間フィルターを求め、この空間フィルターをさらに生(未加算)の生体信号に掛けることにより、未加算の脳電源活動を求める。脳電源活動の変動が得られる事により、多変量自己回帰モデルを適用する事が意味を持つことになる。 An average of individual biological signals is added, and a spatial filter for identifying (estimating) the brain power source is obtained from the average added biological signal, and this spatial filter is further applied to the raw (non-added) biological signal, thereby obtaining an unadded brain. Seeking power activity. Applying a multivariate autoregressive model makes sense because of fluctuations in brain power activity.
多変量自己回帰モデルを同定し、モデルのパラメータから伝達特性を特定する応答関数を算出し、各脳部位の間の信号伝達経路と相互作用を解析する。 A multivariate autoregressive model is identified, a response function specifying transfer characteristics is calculated from the parameters of the model, and a signal transmission path and interaction between each brain region are analyzed.
本実施形態の主旨は、脳部位の信号伝達経路と相互作用を解析するために、脳磁計測器(マルチチャンネルSQUIDセンサ)から得られたデータに対して、多変量自己回帰モデルを適用したことにある。これは世界レベルで新しい解析手法である。 The main point of this embodiment is that a multivariate autoregressive model is applied to data obtained from a magnetoencephalograph (multi-channel SQUID sensor) in order to analyze signal transmission paths and interactions in the brain region. It is in. This is a new analysis method at the world level.
一般に脳磁計を用いた信号からは、脳電源の同定のみを行う。脳電源の同定のみだと、脳活動の変動状態を把握するのは困難である。また、脳磁計から直接得られたデータには多変量自己回帰モデルを適用する意味はない。本出願人は、脳磁計から得られた生の脳磁図に、空間フィルター法を適用し、生の脳電源活動を得た。そのデータが得られることで、それらのデータの変動に対し、多変量自己回帰モデルを適用することが可能になり、結果的に信号伝達経路と相互作用を同定することができた。 In general, only a brain power source is identified from a signal using a magnetoencephalograph. It is difficult to grasp the fluctuation state of brain activity only by identifying the brain power source. There is no point in applying the multivariate autoregressive model to data obtained directly from the magnetoencephalograph. The present applicant applied the spatial filter method to the raw magnetoencephalogram obtained from the magnetoencephalograph to obtain the raw brain power supply activity. By obtaining the data, it became possible to apply the multivariate autoregressive model to the fluctuation of those data, and as a result, the signal transduction pathway and the interaction could be identified.
従来、信号と信号の相互作用を同定する手段としては、相互相関、コヒーレンシによる手法が殆どである。それらは元々フィードフォワード系で入力と雑音が独立であることを仮定した上で適用できる手法である。脳活動の変動は一つの閉じたフィードバック系と仮定されるのは自然で、そのような系に対する相関解析はかなりおおざっぱな適用で、細かい相互関係はつかみにくい。多変量自己回帰モデルを適用するメリットは、閉じた系の中で起きている現象に対し、個々のサブシステム間の開ループ応答を算出でき、ある信号から信号への伝達特性に基づいた相互作用を確認できることにある。 Conventionally, as means for identifying a signal-signal interaction, most of the methods are based on cross-correlation and coherency. They are methods that can be applied on the assumption that the input and noise are independent in the feedforward system. It is natural that fluctuations in brain activity are assumed to be a closed feedback system, and the correlation analysis for such a system is a rather rough application, and it is difficult to grasp the detailed correlation. The advantage of applying a multivariate autoregressive model is that it can calculate the open-loop response between individual subsystems for phenomena occurring in a closed system, and the interaction based on the transfer characteristics from one signal to another It is to be able to confirm.
以下、図面を用いて、上記発明の実施の形態を具体的に示した実施例を説明する。 Hereinafter, examples specifically showing the embodiment of the invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る生体磁気計測装置の一実施例の概略構成を示したブロック図である。図中、符号2は磁気シールドルームであり、この磁気シールドルーム2内に被検体Mが仰臥されるベッド3と、被検体Mの例えば脳に近接配備され、脳内に生じた生体活動電流源による微小磁界を無侵襲に計測するためのマルチチャンネルSQUIDセンサ1とが設けられている。上述したように、マルチチャンネルSQUIDセンサ1は、デュアー内に多数の磁気センサが冷媒に浸漬して収納されている。本実施例において、各磁気センサは被検体Mの脳を球体と仮定した場合に、その半径方向の磁界成分を検出する一対のコイルでそれぞれ構成されている。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an embodiment of a biomagnetic measuring apparatus according to the present invention. In the figure,
マルチチャンネルSQUIDセンサ1で検出された磁界データは、データ変換ユニット4に与えられてデジタルデータに変換された後、データ収集ユニット5に集められる。刺激装置6は、被検体Mに電気的刺激(あるいは音、光刺激など)を与えるためのものである。ポジショニングユニット7は、マルチチャンネルSQUIDセンサ1を基準とした3次元座標系に対する被検体Mの位置関係を把握するための装置である。例えば、被検体Mの複数個所に小コイルを取り付け、これらの小コイルにポジショニングユニット7から給電する。そして、各コイルから発生した磁界をマルチチャンネルSQUIDセンサ1で検出することにより、マルチチャンネルSQUIDセンサ1に対する被検体Mの位置関係を把握する。なお、SQUIDセンサ1に対する被検体Mの位置関係を把握するための手法は、これ以外に、デュワーに投光器を取り付けて光ビームを被検体Mに照射して両者の位置関係を把握するものや、あるいは、特開平5−237065号、特開平6−788925号などに開示された種々の手法が用いられる。
The magnetic field data detected by the
データ解析ユニット8は、データ収集ユニット5に集められた磁界データに基づいて、被検体Mの診断対象領域内における電流源の同定や解析等の処理を行う装置である。また、このデータ解析ユニット8は、コンピュータ等によって構成されており、このコンピュータに同定や解析等の処理を実行させるための生体磁気計測装置用プログラム(p)が記録されている。なお、このプログラム(p)の記録、インストール作業は、生体磁気計測装置(データ解析ユニット8)で読み取り可能であって、上記プログラム(p)が記録されているCD−ROM等の記録媒体を利用することによって行うことも可能である。
The
また、データ解析ユニット8に関連して設けられた光磁気ディスク9には、例えばX線CT装置やMRI装置で得られた断層画像が記憶されており、データ解析ユニット8で同定された電流源が、これらの断層像上に重ね合わされてカラーモニタ10に表示されたり、或いはカラープリンタ11に印字出力されるようになっている。なお、X線CT装置やMRI装置で得られた断層画像は、図1に示したLAN(Local Area Network)等の通信回線12を介してデータ解析ユニット8に直接伝送するように構成してもよい。
A magneto-
上述したように、マルチチャンネルSQUIDセンサ1を基準とした3次元座標系に対する被検体Mの位置関係を測定して記憶するとともに、マルチチャンネルSQUIDセンサ1で被検体Mの診断対象領域である例えば脳内の生体活動電流源からの微小磁界を計測して、その磁界データをデータ収集ユニット5に集めた後、データ解析ユニット8で電流源の同定処理が、以下のようなプロセスで実行される。
As described above, the positional relationship of the subject M with respect to the three-dimensional coordinate system based on the
以下、生体磁気計測装置で行われる各部の処理を図2のフローチャートを参照して説明する。 Hereinafter, the process of each part performed by the biomagnetic measurement apparatus will be described with reference to the flowchart of FIG.
ステップS1(関心部位の位置を検出)
まず、頭部に装着された図示しない複数個の小コイルにポジショニング部3から電流を供給する。そして、各小コイルから発生した磁界を磁気センサS1〜Smで検出する。データ変換ユニット4は、この検出された磁界をデジタル変換して、コイル位置情報としてデータ収集ユニット5に送る。
Step S1 (detects the position of the region of interest)
First, a current is supplied from the
ステップS2(伝達関数を導出)
データ解析ユニット8は、データ収集ユニット5に送られてきたコイル位置情報に基づいて、被検体Mと磁気センサS1〜Smとの位置関係を求める。この位置関係を求める手法は、従来と同様に最小自乗法を用いて算出することができる。磁気センサS1〜Smと被検体Mとの位置関係が求まると、データ解析ユニット8は、例えば、図3に示すように被検体Mの関心部位内における任意の位置を原点Oとする3次元の座標系を設定する。この座標系において、被検体Mの関心部位内の例えば特定位置Pxから発生した生体磁気が磁気センサS1〜Smまで伝達する度合いを示す伝達関数を導出する。
Step S2 (derived transfer function)
The
データ解析ユニット8は、図3に示すように、原点Oからの距離rの特定位置Pxに生体活動電流が存在する場合に、特定位置Pxから磁気センサSiまでの間の生体磁気の伝達の度合いを示す伝達関数Gi(r)を次のようにして導出する。例えば、特定位置Pxに生体活動電流J(r)(J(r)は電流密度を示す)が存在する場合に磁気センサSiで検出される生体磁気は、ビオ・サバールの法則から次式(1)で表すことができる。
式(1)において、μ0は真空中の透磁率であり、riは原点Oから磁気センサSiまでの距離であり、eiは磁気センサSiのコイル面を通過する単位法線ベクトルである。したがって、Biは、i番目の磁気センサで検出される磁束密度を示す。上記式(1)を変形して次式(2)、(3)を導く。
式(2)に示すように、磁束密度Biは、生体活動電流J(r)とGi(r)との内積を積分した式で表すことができる。上記式(3)で示すGi(r)が、特定位置Pxから磁気センサSiまでの伝達関数である。なお、被検体Mの関心部位内の特定位置Pxの原点Oからの距離rや磁気センサS1〜Smまでの距離の具体的な数値を式(3)に示す伝達係数Gi(r)に代入して算出した値が、本実施例における、関心部位内の特定位置から各磁気センサまでの伝達係数である。以下、被検体Mの関心部位内の特定位置Pxについて、伝達関数Gi(r)を用いて説明する。 As shown in Expression (2), the magnetic flux density Bi can be expressed by an expression obtained by integrating the inner product of the life activity currents J (r) and Gi (r). Gi (r) shown in the above equation (3) is a transfer function from the specific position Px to the magnetic sensor Si. It should be noted that specific numerical values of the distance r from the origin O of the specific position Px within the region of interest of the subject M and the distances from the magnetic sensors S1 to Sm are substituted into the transfer coefficient Gi (r) shown in the equation (3). The value calculated in this way is the transmission coefficient from the specific position in the region of interest to each magnetic sensor in this embodiment. Hereinafter, the specific position Px within the region of interest of the subject M will be described using the transfer function Gi (r).
ステップS3(重み係数算出式を導出)
被検体Mの関心部位全体からの生体磁気を計測して得た計測生体磁気情報の中から、特定位置Pxから発生した生体磁気だけを強調できれば、関心部位内のあらゆる位置に存在する生体活動電流の状態を正確に把握することができる。つまり、特定位置Pxから磁気センサS1〜Smにまで伝達してくる伝達関数Gi(r)に重み付けをすれば、この伝達関数Gi(r)に基づいて伝達する生体磁気が強調されることとなる。そこで、データ解析ユニット8は、δ関数(単位大きさの電流)で表される電流δ(r)を特定位置Pxに仮想的に設定する。さらに、この電流δ(r)と、特定位置Pxから磁気センサS1〜Smまでの伝達関数Gl(r)〜Gm(r)の総和とを等しくするような重み係数Wiを含む、次式(4)で表される評価関数fを設定する。なお、この電流δ(r)を3軸方向の任意の方向に設定することで、被検体Mの関心部位内に発生した生体活動電流の任意の方向成分を強調することができる。
If only the biomagnetism generated from the specific position Px can be emphasized from the measured biomagnetism information obtained by measuring the biomagnetism from the entire region of interest of the subject M, the bioactive current existing at every position within the region of interest Can be accurately grasped. That is, if the transfer function Gi (r) transmitted from the specific position Px to the magnetic sensors S1 to Sm is weighted, the biomagnetism transmitted based on the transfer function Gi (r) is emphasized. . Therefore, the
次に、この評価関数fを最小にするような重み係数Wiを算出するために、式(4)を微分変形することで、次式(5)に示す線形方程式を導き出す。 Next, in order to calculate the weighting coefficient Wi that minimizes the evaluation function f, the linear equation shown in the following equation (5) is derived by differentially transforming the equation (4).
W=Γ-1B・・・(5)
式(5)において、Wは重み係数Wiを要素とする行列、Γ-1はΓij=∫Gi(r)Gj(r)dr3を要素とする行列、BはB=∫Gi(r)δ(r)dr3を要素とする行列を示す。
W = Γ-1B (5)
In equation (5), W is a matrix having weighting factor Wi as an element, Γ-1 is a matrix having Γij = ∫Gi (r) Gj (r) dr3, and B is B = ∫Gi (r) δ ( r) Indicates a matrix whose elements are dr3.
データ解析ユニット8は、予めオペレータによって図示しない入力手段によって入力された、生体磁気を測定するときに重畳するノイズに相当する値、例えば、λIを上記式(4)のΓに加算する。λは入力されたノイズの大きさを示し、Iは単位行列を示す。λIを加算後の線形方程式を重み係数算出式Wとして次式(6)に示す。
The
W=(Γ+λI)-1B・・・(6)
上記値λIをΓに加算することで、行列Γの解が極めて零に近い値になる場合であっても、行列(Γ+λI)の解は零よりも離れた値となる。つまり、正則化された行列(Γ+λI)は、いわゆる行列の性質が安定した状態となる。データ解析ユニット8は、この重み係数算出式Wをデータ解析ユニット8内の図示していないメモリ(m)に記憶する。ステップS3は、本発明における所定値加算手段の機能に相当する。
W = (Γ + λI) −1B (6)
By adding the value λI to Γ, the solution of the matrix (Γ + λI) becomes a value farther from zero even when the solution of the matrix Γ is very close to zero. That is, the regularized matrix (Γ + λI) is in a state in which the so-called matrix property is stable. The
ステップS4(生体磁気を計測)
データ解析ユニット8は重み係数算出式Wの導出が終了すると、刺激装置6に刺激開始の指示をする。刺激装置6は、被検体Mに刺激を与えて、関心部位内に生体活動電流を生じさせる。被検体Mの関心部位からは、この生体活動電流に伴って微小磁界が発生する。データ変換ユニット4は、磁気センサS1〜Smで各々検出された生体磁気をデジタル変換後、計測生体磁気情報M1〜Mmとしてデータ収集ユニット5に送る。
Step S4 (Measure biomagnetism)
When the derivation of the weight coefficient calculation formula W is completed, the
ステップS5(重み係数を算出)
データ解析ユニット8は、オペレータから予め指定されている被検体Mの指定位置P1〜Pnの3次元座標上の位置を重み係数算出式Wに代入して、各指定位置P1〜Pnからの生体磁気を強調するための重み係数を算出する。例えば、指定位置P1については、各磁気センサS1〜Smの計測生体磁気情報に重み付けをするための重み係数P1W1〜P1Wmが求まる。同様にして、指定位置P2〜Pnについても重み係数P2W1〜P2Wm,…,PnW1〜PnWmが求まる。この重み係数を、メモリ(m)に記憶する。
Step S5 (calculates a weighting factor)
The
ステップS6(重み係数を重畳)
データ解析ユニット8は、指定位置Pk(k=1〜n)の重み係数PkW1〜PkWmをメモリ(m)から呼び出すとともに、この重み係数PkW1〜PkWmを、データ収集ユニット5に収集された計測生体磁気情報M1〜Mmにそれぞれ重畳する。これによって、指定位置Pkからの生体磁気だけが強調された強調生体磁気情報DPk1〜DPkmが求まる。さらに、強調生体磁気情報DPk1〜DPkmの総和を算出することで、指定位置Pkにおける強調された生体活動電流Dkを算出することができる。ステップS6で行われる計算は、次式(7)で表される。
Step S6 (superimpose weighting factor)
The
Dk=Σ(PkWm・Mm)・・・(7)
式(7)による強調生体磁気情報の算出を指定位置P1〜Pnについて行うことで、各指定位置P1〜Pnでの生体活動電流D1〜Dnが求まる。
Dk = Σ (PkWm · Mm) (7)
The bioactive currents D1 to Dn at the designated positions P1 to Pn are obtained by performing the calculation of the enhanced biomagnetic information by the expression (7) for the designated positions P1 to Pn.
ステップS7(多変量自己回帰モデル解析)
データ解析ユニット8は、上記ステップS1〜S6によって得た平均加算脳磁データから脳活動変化を計算する。すなわち、Spatial Filter法(minimum norm型)等の空間フィルター法を生脳磁図に適用し、未加算の脳電源活動を求める。次に、この生脳電源活動に、後述の多変量自己回帰モデル(VAR:Vectror AutoRegressive model)解析を適用し、活動の原因となる関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定(推定)する。
Step S7 (multivariate autoregressive model analysis)
The
なお、上記ステップS1〜S6においては、空間フィルター法の一例としてSF(minimum norm型)を用いたが、これに限らず、Wiener型などの空間フィルター法を用いた後でも、多変量自己回帰モデル解析を行うことができる。 In steps S1 to S6, SF (minimum norm type) is used as an example of the spatial filter method. However, the present invention is not limited to this, and a multivariate autoregressive model is used even after using a spatial filter method such as Wiener type. Analysis can be performed.
ステップS8(結果表示・印刷)
ステップS7で求めた解析結果をカラーモニタ10に表示したり、又はカラープリンタ11で印刷する。
Step S8 (result display / print)
The analysis result obtained in step S7 is displayed on the color monitor 10 or printed by the
続いて、実験方法を図4及び図5に示し、実験結果を図6に示す。 Subsequently, the experimental method is shown in FIGS. 4 and 5, and the experimental result is shown in FIG.
境界を接する2つのランダムドット領域が互いに反対方向に動くという視覚刺激(SM)を提示した場合に、その境界上に実際には存在しない輪郭が認知されるという現象(動きによる輪郭認知)が生じる。これを主観的輪郭と呼び、この主観的輪郭を導出することにより刺激に対する脳活動を計測し、多変電量自己回帰モデルを用いて解析した。解析の結果では、SM刺激でV5(第5次視覚野)からV2/3(第2次、第3次視覚野)への信号伝達が他の相互作用に比して最も強い。これは動きによる輪郭認知が、V5とV2/3の相互作用により行われていることを示す。常にドットが一定方向に動く順応刺激を与えると、V5からV2/3に対する信号伝達が顕著に減少することにより、多変量自己回帰モデル解析の妥当性を確認した。 When a visual stimulus (SM) in which two random dot regions that touch the boundary move in opposite directions is presented, a phenomenon that a contour that does not actually exist on the boundary is recognized (contour recognition by movement) occurs. . This was called the subjective contour, and the brain activity to the stimulus was measured by deriving the subjective contour, and analyzed using a multivariate autoregressive model. As a result of the analysis, the signal transmission from V5 (5th visual cortex) to V2 / 3 (2nd and 3rd visual cortex) by SM stimulation is the strongest compared to other interactions. This indicates that the contour recognition by movement is performed by the interaction between V5 and V2 / 3. When an adaptation stimulus in which the dots always move in a certain direction was given, the signal transmission from V5 to V2 / 3 was remarkably reduced, confirming the validity of the multivariate autoregressive model analysis.
多変量自己回帰モデル解析の説明
多変量自己回帰モデル解析は、フィードバック関係のあるサブシステムからの出力値に対して、相互関係を明らかにするために、多変量自己回帰モデルを適用する手法である。この手法は、下記参考文献1等に記載されているが、ここで、概略を説明する。
Description of multivariate autoregressive model analysis Multivariate autoregressive model analysis is a technique that applies multivariate autoregressive models to output correlations from subsystems that have feedback relationships. . This technique is described in the following
多変量間の相互関係を調べるには、通常開ループ系における自己相関と相互相関からシステム特性を同定する方法が主流である。しかし、実際の系にフィードバック関係が存在する場合、入力と雑音が独立である事を仮定している従来の解析手法だと正確な応答特性やコヒーレンシなどを算出するのは困難である。その問題を解決すべき手法が本実施例で適用された多変量自己回帰モデルによる解析である。以下に解析の理論を簡単に説明する。 In order to investigate the interrelationship between multivariate, the main method is to identify system characteristics from autocorrelation and cross-correlation in an open loop system. However, when there is a feedback relationship in an actual system, it is difficult to calculate an accurate response characteristic, coherency, etc. with a conventional analysis method that assumes that the input and noise are independent. The technique that should solve the problem is the analysis by the multivariate autoregressive model applied in this embodiment. The analysis theory is briefly explained below.
図7に簡単なフィードバック系をあげる。各サブシステムからの出力χ1,χ2をそれぞれの入力で表すと
となる。Ψ1、Ψ2はインパルス応答関数、u1、u2はノイズ源を示す。フィードバック系であるため、それぞれのサブシステムを駆動するノイズ源はサブシステムからの出力とは独立ではない。その場合の応答特性は正しい最小二乗同定値として得られなくなる。そこで、ノイズ源を無相関にする、すなわち白色化する必要があり、以下の式(12)で表すことにする。
ε1,ε2は白色雑音である。 ε 1 and ε 2 are white noises.
これらを用いてそれぞれの出力について整理すると、以下のような多変量自己回帰モデルの式(13)を得る。
これらの自己回帰係数を用いて式(11)で表したインパルス応答関数を表すと、
となり、これは開ループのインパルス応答関数に相当する。この応答関数が、フィードバック系におけるサブシステム間の相互関係を直接示すものとなる。多変量自己回帰係数の算出は、Yule-Walker法を用いた(参考文献1参照)。これらの理論を基礎としたフィードバック解析のためのおおまかなプログラムは、下記参考文献2によって、フォートラン言語で公開されているが、本実施例に対応付け、以下のような工夫を施した:
1.データ解析の一連の流れを、「データの読み込み、情報量基準による多変量自己回帰モデルの同定、モデルのパラメータから開閉ループインパルス応答の算出」という構成にまとめ、生体信号解析装置として機能させるためにMatlab言語(Math Work社により開発された科学技術計算のためのプログラム言語)で書いた。
This corresponds to an open loop impulse response function. This response function directly indicates the interrelationship between subsystems in the feedback system. The multivariate autoregressive coefficient was calculated using the Yule-Walker method (see Reference 1). A rough program for feedback analysis based on these theories is published in the Fortran language according to
1. To integrate a series of data analysis flows into a configuration of "data reading, identification of multivariate autoregressive model based on information criterion, calculation of open / closed loop impulse response from model parameters", and to function as a biological signal analyzer Written in the Matlab language (a programming language for scientific and technical calculations developed by Math Work).
2.注目したい脳活動領域で得られるデータは頭部球面上に多数あるため、各野ごとにデータの平均値を求め、その値を各野の代表点のデータとして、モデルを適用した(上記実施例では、V1,V2/3,V5においてそれぞれの代表点を算出し、3変量間の相互関係を調べた)。 2. Since there are a lot of data on the sphere of the head that you want to focus on on the head sphere, the average value of the data was calculated for each field, and the model was applied using that value as the representative point data for each field. Then, the respective representative points were calculated for V1, V2 / 3, and V5, and the correlation between the three variables was examined).
参考文献1
尾崎統、北川源四郎(1998).「時系列解析の方法」朝倉書店
参考文献2
M. Ishiguro, H. kato, H. Akaike(1999), ARDOCK, An Auto-regressive Model Analyzer Cumputer Science Monographas No. 30, The Institute of statistical Mathematics
以上説明したように、従来はSQUIDセンサ1で計測したオリジナルデータを加算平均してランダムノイズを落とすことにより、結果的に周期的なデータ信号を見出し、その後にSF法を適用して脳外の計測磁場を求めることにより脳の活動強度(最終結果)を導出していた。これに対し、本実施例では、SQUIDセンサ1で計測したオリジナルデータを加算平均せずにSF法を適用し、その後に多変量自己回帰モデルを適用することにより、ランダムノイズに埋もれている周期的な(一定周期傾向を持った)データ信号を積極的に取り出すことで(最終結果)、脳内ネットワークである信号伝達経路と相互作用を特定することができる。
Ozaki Osamu, Kitagawa Genshiro (1998). "Method of time series analysis"
M. Ishiguro, H. kato, H. Akaike (1999), ARDOCK, An Auto-regressive Model Analyzer Cumputer Science Monographas No. 30, The Institute of statistical Mathematics
As described above, conventionally, by adding and averaging the original data measured by the
なお、従来、計測したオリジナルデータを加算平均した理由は、脳から出ている磁場よりも空間環境等によるランダムノイズの方が非常に大きいため、ランダムノイズを落とすための加算平均を行うことで、ランダムノイズに埋もれていた周期的なデータ信号を見出すためである。 In addition, conventionally, the reason for adding and averaging the measured original data is that the random noise due to the spatial environment is much larger than the magnetic field coming out of the brain, so by performing the averaging to reduce the random noise, This is to find a periodic data signal buried in random noise.
一方、多変量自己回帰モデルを適用する際に、計測したオリジナルデータを加算平均しない理由は、加算平均することで伝達特性に関連している重要な情報までランダムノイズに含めてしまうことになり、情報落ちする可能性があるからである。そのために、加工しない生のデータに多変量自己回帰モデルを適用する。また、タスクとして与えられた刺激毎に多数回分ほど解析したデータ信号はランダムノイズに埋もれたままであるが、分析結果のデータ信号は一定の周期(ある程度同じような脳の活動傾向)を持っているため、このデータ信号のみを積極的にランダムノイズから取り出すことができる。 On the other hand, when applying the multivariate autoregressive model, the reason for not averaging the measured original data is to include important information related to transfer characteristics in random noise by averaging. This is because information may be lost. To do so, we apply a multivariate autoregressive model to raw data that is not processed. In addition, the data signal analyzed many times for each stimulus given as a task remains buried in random noise, but the data signal of the analysis result has a certain period (a somewhat similar brain activity tendency). Therefore, only this data signal can be positively extracted from random noise.
以上説明したように本実施例によれば、計測した生体磁気データにSF法を適用して生体活動電流の活動変化を算出し、この算出した活動変化に多変量自己回帰モデルを適用して、その活動の原因となる前記関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定することにより、脳の情報処理が脳内のどのような経路をたどって処理されているかを解析することができるという効果を奏する。 As described above, according to this embodiment, the SF method is applied to the measured biomagnetic data to calculate the activity change of the life activity current, and the multivariate autoregressive model is applied to the calculated activity change. By identifying the signal transmission path and interaction in the region of interest that causes the activity, it is possible to analyze what path in the brain the information processing of the brain is processed through Play.
なお、上記実施例では、人間の脳におけるネットワーク解析を行ったが、これに限るものではなく、脳以外の関心部位や、人体以外の生体(動物の生体等)の関心部位におけるネットワーク解析を行ってもよい。 In the above embodiment, the network analysis in the human brain is performed. However, the present invention is not limited to this, and the network analysis is performed in a region of interest other than the brain or a region of interest other than a human body (animal body, etc.). May be.
1 マルチチャンネルSQUIDセンサ
2 磁気シールドルーム
3 ベッド
4 データ変換ユニット
5 データ収集ユニット
6 刺激装置
7 ポジショニングユニット
8 データ解析ユニット
10 カラーモニタ
11 カラーモニタ
12 通信回線
M 被検体
(m) (データ解析ユニット4内の)メモリ
S1〜Sm 磁気センサ
DESCRIPTION OF
(m) Memory S1 to Sm magnetic sensor (in data analysis unit 4)
Claims (7)
前記計測生体磁気データに基づいて前記生体活動電流の活動変化を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出した活動変化に基づいて、その活動の原因となる前記関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定する同定手段と、
を備えたことを特徴とする生体磁気計測装置。 A plurality of magnetic sensors arranged in proximity to the region of interest of the subject measures the biomagnetism generated along with the bioactive current flowing in the region of interest, and based on the measured biomagnetic data obtained by this measurement, A biomagnetism measuring device for grasping the state of the bioactive current flowing in the region of interest,
Calculating means for calculating an activity change of the bioactive current based on the measured biomagnetic data;
Identification means for identifying a signal transmission path and an interaction in the region of interest that causes the activity based on the activity change calculated by the calculation means;
A biomagnetism measuring device comprising:
前記計測生体磁気データに基づいて前記生体活動電流の活動変化を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出した活動変化に基づいて、その活動の原因となる前記関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定する同定手段と、
を前記コンピュータに実現させるための生体磁気計測装置用プログラム。 A plurality of magnetic sensors arranged in proximity to the region of interest of the subject measures the biomagnetism generated along with the bioactive current flowing in the region of interest, and based on the measured biomagnetic data obtained by this measurement, A program used in a computer-controlled biomagnetic measurement device for grasping the state of a bioactive current flowing in the region of interest,
Calculating means for calculating an activity change of the bioactive current based on the measured biomagnetic data;
Identification means for identifying a signal transmission path and an interaction in the region of interest that causes the activity based on the activity change calculated by the calculation means;
A program for a biomagnetism measuring apparatus for causing the computer to realize the above.
前記計測生体磁気データに基づいて前記生体活動電流の活動変化を算出する算出ステップと、
前記算出ステップによって算出した活動変化に基づいて、その活動の原因となる前記関心部位での信号伝達経路及び相互作用を同定する同定ステップと、
を実行することを特徴とする生体磁気計測方法。 A plurality of magnetic sensors arranged in proximity to the region of interest of the subject measures the biomagnetism generated along with the bioactive current flowing in the region of interest, and based on the measured biomagnetic data obtained by this measurement, A biomagnetic measurement method for grasping a state of a bioactive current flowing in the region of interest,
A calculation step of calculating an activity change of the bioactive current based on the measured biomagnetic data;
An identification step for identifying a signal transmission path and interaction in the region of interest based on the activity change calculated by the calculation step;
The biomagnetism measuring method characterized by performing.
The identifying step identifies a signal transmission path and interaction in the region of interest causing the activity by applying a multivariate autoregressive model to the activity change calculated in the calculating step. The biomagnetic measurement method according to claim 6.
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