JP2009034404A - Method and apparatus for detecting brain function - Google Patents
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Description
本発明は、ローレンツ力を用いた脳機能検出方法および装置並びに生体情報検出装置に関するものである。 The present invention relates to a brain function detection method and apparatus using a Lorentz force, and a biological information detection apparatus.
脳機能の計測方法としては、従来から、機能的MRI(fMRI)、脳電図(EEG)、脳磁図(MEG)などの非浸襲方法が用いられている。fMRIは時間分解能が秒のオーダであり、またEEG、MEGは時間分解能が数十msであるが、空間分解能は数cmである。 Conventionally, as a method for measuring brain function, non-invasion methods such as functional MRI (fMRI), electroencephalogram (EEG), magnetoencephalogram (MEG) and the like are used. fMRI has a time resolution on the order of seconds, and EEG and MEG have a time resolution of several tens of ms, but a spatial resolution of several centimeters.
脳の信号の流れは数msから数百msで進んでおり、上記のような方法では脳機能の時間的な働き、相互作用(connectivity)などを調べるには限界がある。このことは脳に限らず一般の生体組織に係る情報についても言える。 The flow of brain signals proceeds in a few ms to a few hundred ms, and there is a limit in investigating temporal functions of brain functions, connectivity, and the like by the above-described methods. This is true not only for the brain but also for information relating to general living tissue.
従って本発明の目的は、脳内での神経信号の流れに関する情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる脳機能検出方法および装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、脳に限定しない一般の生体組織に係る情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる生体情報検出装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a brain function detection method and apparatus capable of detecting information related to the flow of nerve signals in the brain with high spatial or temporal resolution. Another object of the present invention is to provide a biological information detection apparatus capable of detecting information related to a general biological tissue not limited to the brain with high spatial and temporal resolution.
上記目的は、脳内の測定したい機能部位に焦点を与えた超音波を磁場中の被験者の頭から与え、被験者に対して五感に関わる少なくとも1つの刺激を与え、前記超音波に関連して発生する電磁波を被験者の頭において検知し、前記検知した信号に基づいて脳内での神経信号の流れに関する情報を得る脳機能検出方法により達成される。 The purpose is to apply an ultrasound focused on a functional site to be measured in the brain from the head of the subject in a magnetic field, to give at least one stimulus related to the five senses to the subject, and to generate in relation to the ultrasound. This is achieved by a brain function detection method in which an electromagnetic wave to be detected is detected in the head of a subject and information on the flow of a nerve signal in the brain is obtained based on the detected signal.
また上記目的は、磁場を発生するための磁石と、超音波を送出するための振動子と、前記超音波に関連して発生する電磁波を検知するための電磁波センサーと、刺激を与えるための刺激発生装置とを備え、前記電磁波センサーにより検知した信号に基づいて脳内での神経信号の流れに関する情報を得る脳機能検出装置により達成される。 In addition, the object is to provide a magnet for generating a magnetic field, a vibrator for transmitting ultrasonic waves, an electromagnetic wave sensor for detecting electromagnetic waves generated in association with the ultrasonic waves, and a stimulus for applying stimulation. And a brain function detection device that obtains information on the flow of a nerve signal in the brain based on a signal detected by the electromagnetic wave sensor.
さらに上記他の目的は、磁場を発生するための磁石と、超音波を送出するための振動子と、前記超音波に関連して発生する電磁波を検知するための電磁波センサーとを備え、イオンを含む生体組織で前記超音波に関連して発生する電磁波を前記電磁波センサーにより検知することにより、前記生体組織に係る情報を得る生体情報検出装置により達成される。 Still another object is to provide a magnet for generating a magnetic field, a vibrator for transmitting ultrasonic waves, and an electromagnetic wave sensor for detecting electromagnetic waves generated in association with the ultrasonic waves, This is achieved by a biological information detection device that obtains information related to the biological tissue by detecting electromagnetic waves generated in relation to the ultrasonic waves in the biological tissue that is included by the electromagnetic wave sensor.
本発明によれば、脳内での神経信号の流れに関する情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる脳機能検出方法および装置を得ることができる。また、脳に限定しない一般の生体組織に係る情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the brain function detection method and apparatus which can detect the information regarding the flow of the nerve signal in a brain with high resolution spatially or temporally can be obtained. In addition, it is possible to detect information related to a general biological tissue not limited to the brain with high spatial and temporal resolution.
以下、本発明の実施例を図面にそって説明するが、その前にまず本発明の原理について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the principle of the present invention will be described.
本発明では、脳機能を検出するために静磁場と超音波を用いる。被験者を静磁場環境に置いて、測定したい機能部位に超音波の焦点を与え、一定周波数で機能組織内のイオン(陽イオンと陰イオン)に振動を与える。ここで、測定可能な機能部位は、大脳皮質など神経細胞及び神経線維のイオンが存在する部位であれば場所は問わないが、超音波の減衰を考えると視覚野、聴覚野、感覚野など脳の表面に位置している機能部位が測定しやすいといえる。 In the present invention, a static magnetic field and ultrasonic waves are used to detect brain function. The subject is placed in a static magnetic field environment, an ultrasonic focus is applied to the functional site to be measured, and vibrations are applied to ions (cations and anions) in the functional tissue at a constant frequency. Here, the functional site that can be measured is not limited as long as it is a site where nerve cells and nerve fiber ions exist such as cerebral cortex, but considering the attenuation of ultrasound, the brain such as visual cortex, auditory cortex, sensory cortex, etc. It can be said that the functional part located on the surface of the surface is easy to measure.
通常の細胞内外のイオンは陽イオンと陰イオンが混じっているので、電位的には中性または弱い電位を保つ。また、細胞の活動がなければ静止電位を維持する。一方、磁場とイオンの運動により、ローレンツ力がイオンに働く。イオンに与えられる物理的な動きは同じ方向であるが、ローレンツ力は陽イオンと陰イオンとで正反対になる。したがって、磁場または振動のない環境では陽イオンと陰イオンが混じっていて電気的に中性であっても、ローレンツ力により局所的に通常の状態より大きい電位が発生する。また、イオンを振動させることにより、その電位が振動周波数によって変わるので、電磁波(電磁場)が発生することになる。 Since normal ions inside and outside the cell are mixed with cations and anions, they are neutral or weak in potential. If there is no cell activity, the resting potential is maintained. On the other hand, Lorentz force acts on the ions due to the motion of the magnetic field and ions. The physical motion imparted to the ions is in the same direction, but the Lorentz force is exactly opposite for cations and anions. Therefore, in an environment without a magnetic field or vibration, even if cations and anions are mixed and are electrically neutral, a Lorentz force locally generates a higher potential than the normal state. In addition, when the ions are vibrated, the electric potential varies depending on the vibration frequency, so that an electromagnetic wave (electromagnetic field) is generated.
発生した電磁波を脳表で、誘導コイルまたは電極などを有する検出器で測定する。その信号周波数及び振幅は与えた超音波信号に依存する。このような状態で、その機能部位が処理をしていると予想される、ある特定の刺激を与える。そうするとその刺激によって当該部位が賦活される。その部位の賦活すなわち神経の活動によって、その組織内のイオンの状態が変化し、刺激が無い時の定常的な電磁波波形に変化が起きる。そして、その変化は検出器により検出される。これにより、脳内での神経信号の流れに関する情報を空間的かつ時間的に高い分解能で検出することができる。 The generated electromagnetic wave is measured on the brain surface with a detector having an induction coil or an electrode. Its signal frequency and amplitude depend on the applied ultrasonic signal. In such a state, a specific stimulus is given that is expected to be processed by the functional site. Then, the part is activated by the stimulation. Activation of the part, that is, nerve activity changes the state of ions in the tissue, and changes the steady electromagnetic wave waveform when there is no stimulation. The change is detected by a detector. This makes it possible to detect information related to the flow of nerve signals in the brain with high spatial and temporal resolution.
ここで空間分解能は、使う超音波の周波数によって決まるが、生体の軟組織の伝播速度を1500m/sと考えた時、例えば、1MHzの超音波を使えば約1.5mmの空間分解能を得ることができる。より高い周波数の超音波を使えば1mm以下の空間分解能を得ることができる。ただし、周波数が高くなると信号の減衰が大きくなるので、超音波振動子を分散配置するなど超音波の照射方法の工夫が必要である(例えば、“Focusing and steering through absorbing and aberration layers: Application to ultrasonic propagation through the skull” M. Tanter et al J. Acoust. Soc. Am. 103 (5) pp. 2403−2410)。 Here, the spatial resolution is determined by the frequency of the ultrasonic wave to be used. When the propagation speed of the soft tissue of the living body is considered to be 1500 m / s, for example, if a 1 MHz ultrasonic wave is used, a spatial resolution of about 1.5 mm can be obtained. it can. If higher frequency ultrasonic waves are used, a spatial resolution of 1 mm or less can be obtained. However, since the signal attenuation increases as the frequency increases, it is necessary to devise an ultrasonic irradiation method such as dispersive arrangement of ultrasonic transducers (for example, “Focusing and steering through ablating and aberration layers: Application to ultrasonic”). propagation through the skull "M. Tanter et al J. Acoust. Soc. Am. 103 (5) pp. 2403-2410).
また、刺激を開始した時点から電磁波が変化するまでの時間が、その機能部位に信号が到達するまでにかかった時間(latency time)になる。これが時間分解能である。超音波の周波数を変化することで、数百マイクロ秒までの時間分解能を得ることができ、脳内の信号の流れを正確に検出することができる。すなわち、生体の軟組織での音波の伝播速度は約1500m/sとして計算すると1500mm/msとなり、頭の表皮から中心までの往復距離を300mmとすると超音波は約200マイクロ秒で1往復をする。すなわち、200マイクロ秒より遅い時間で起こる変化を検知することができる。以下、本発明に係る脳機能検出方法を説明する。 In addition, the time from when the stimulation is started until the electromagnetic wave changes is the time taken for the signal to reach the functional site (latency time). This is the time resolution. By changing the frequency of the ultrasonic wave, a time resolution up to several hundred microseconds can be obtained, and the flow of signals in the brain can be accurately detected. That is, the propagation speed of the sound wave in the soft tissue of the living body is 1500 mm / ms when calculated as about 1500 m / s, and when the reciprocation distance from the epidermis of the head to the center is 300 mm, the ultrasonic wave makes one reciprocation in about 200 microseconds. That is, it is possible to detect a change that occurs in a time slower than 200 microseconds. Hereinafter, a brain function detection method according to the present invention will be described.
図1は、本発明に係る脳機能検出装置の一実施例を示すブロック図である。本実施例では、図示のように、静磁場環境を生成するための磁場発生磁石1、超音波を発生するための超音波発生装置2、超音波発生装置2からの電気信号を超音波に変換して送出する振動子3、与えられた超音波に関連して被験者9の発生する電磁波を検知するための電磁波(電磁場)センサー4、電磁波センサー4により検知した電磁波信号を増幅する信号増幅器5、および被験者9に刺激を与えるための刺激発生装置6、刺激発生装置6からの刺激として例えば画像を表示するモニター7を備える。コンピュータ8は、超音波発生装置2、信号増幅器5および刺激発生装置6に接続され、超音波発生装置2に対しては超音波発生に係る指令を出し、刺激発生装置6に対しては刺激発生に係る指令を出し、また信号増幅器5により得られた信号を記録する。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a brain function detection apparatus according to the present invention. In this embodiment, as shown in the figure, a magnetic
本例の刺激発生装置6は、刺激として画像をモニター7に表示するものであるが、これに限定されない。測定したい機能部位に応じて、画像以外の視覚による刺激でも良いし、また視覚以外の他の感覚、すなわち聴覚、触覚、嗅覚、味覚でもよい。刺激発生装置6は、これらの五感に係る刺激を少なくとも1つ発生するものとすることができる。
Although the stimulus generator 6 of this example displays an image on the
本実施例の動作は次のとおりである。まず、磁場発生磁石1による静磁場環境に被験者9を置く。被験者9の頭の表皮に振動子3と電磁波センサー4を設置する。超音波発生装置2は、コンピュータ8の指令に従って、所望の周波数と超音波の焦点を与える脳内の特定の位置(機能部位)に関する信号を作成し、これを振動子3に出力する。一方、刺激発生装置6は、コンピュータ8の指令に従って被験者9に対して光や音などの所望の刺激(本例ではモニター7に表示される画像)を与える。電磁波センサー4は、磁石1と振動子3によって与えられた振動によって発生する電磁波を検出する。検出された電磁波信号は信号増幅器5で増幅され、脳内での神経信号の流れに関する情報としてコンピュータに記録される。コンピュータに記録された情報は所定の処理を経て、図示しない表示装置に表示することができる。脳内での神経信号の流れに関する情報は、例えば次のようにして検出される。
The operation of this embodiment is as follows. First, the subject 9 is placed in a static magnetic field environment by the magnetic
図2は、超音波発生装置2からの信号により振動子3から発生する超音波入力信号の一例を示す図である。横軸はミリ秒(ms)で、本例の超音波入力信号の周波数は100KHzである。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an ultrasonic input signal generated from the
図3は、刺激発生装置6からの刺激としてモニター7に表示される画像信号の一例を示す図である。本例では、画像刺激開始時間を0として、画像信号を10msの期間だけ与えたものである。10msの期間だけ画像を見せることで、その間、視覚野の神経細胞に活動を起こさせる。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an image signal displayed on the
図4は、電磁波センサー4により検知した電磁波信号の一例を示す図である。横軸はミリ秒(ms)で、本例の電磁波信号の周波数は100KHzである。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an electromagnetic wave signal detected by the electromagnetic wave sensor 4. The horizontal axis is milliseconds (ms), and the frequency of the electromagnetic wave signal in this example is 100 KHz.
図4に示す電磁波信号の波形より、刺激開始から50ms後の電磁波信号に抑制(または変化)が現れていることが分かる。これにより、測定部位までの信号の伝播時間が50msであることを推定することができる。このように、刺激開始時点と記録された電磁波信号の変化時点までの時間から、例えば、目から測定部位に到達するまでにかかった時間を求めることができるのである。
It can be seen from the waveform of the electromagnetic wave signal shown in FIG. 4 that suppression (or change) appears in the
図4に示すように、刺激開始から50ms後に電磁波信号に変化が現れる理由は、刺激がないときのイオンの分極状態が、刺激による神経細胞の活動によって起きる、細胞膜内外へのイオンの移動によって変わるからである。ここでは、イオンの移動が分極の直角方向に移動することを仮定した。また、この例では100KHzの超音波入力を用いたため約15mmの空間分解能が得られるが、より高い周波数のものを使えば、より高い分解能を得ることが出来る。
As shown in FIG. 4, the reason why a change appears in the
以上により、脳内での神経信号の流れに関する情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる。また、上記脳機能検出装置と同様な構成により生体情報検出装置を得ることができる。この場合、刺激発生装置は必ずしも必要とせず、イオンを含む生体組織に一定の磁場と超音波を与え、その超音波に関連して生体組織で発生する電磁波を一定時間計測する。例えば、生体組織の神経活動による電位の変化が電磁波に反映されるので、収集した電磁波から神経活動による成分を抽出する。必要に応じて刺激発生装置を用いることもできる。これにより、生体組織に係る情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる。ここで生体組織に係る情報とは、例えば、in vitro(生体条件外)での神経細胞の情報伝達、正常組織と異常組織との相異、あるいは運動神経(脊髄神経)からの筋肉への信号伝達に係る情報などである。 As described above, information related to the flow of nerve signals in the brain can be detected with high spatial or temporal resolution. In addition, a biological information detection apparatus can be obtained with the same configuration as the brain function detection apparatus. In this case, the stimulus generator is not necessarily required, and a certain magnetic field and ultrasonic waves are applied to the biological tissue containing ions, and electromagnetic waves generated in the biological tissue in relation to the ultrasonic waves are measured for a certain period of time. For example, since a change in potential due to nerve activity of the living tissue is reflected in the electromagnetic wave, a component due to nerve activity is extracted from the collected electromagnetic wave. A stimulus generator can also be used as needed. As a result, information relating to the living tissue can be detected with high spatial or temporal resolution. Here, information related to biological tissue is, for example, information transmission of nerve cells in vitro (outside biological conditions), a difference between normal tissue and abnormal tissue, or a signal from a motor nerve (spinal nerve) to muscles Information related to transmission.
本発明は、ローレンツ力を用いた脳機能検出方法および装置並びに生体情報検出装置に関するものであり、産業上の利用可能性がある。 The present invention relates to a brain function detection method and apparatus using Lorentz force and a biological information detection apparatus, and has industrial applicability.
1 磁場発生磁石
2 超音波発生装置
3 振動子
4 電磁波センサー
5 信号増幅器
6 刺激発生装置
7 モニター
8 コンピュータ
9 被験者
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