JP2012100839A

JP2012100839A - 生体機能診断装置

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Publication number: JP2012100839A
Application number: JP2010251363A
Authority: JP
Inventors: Takaya Watanabe; 隆彌渡邊
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Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-11-10
Also published as: JP4829375B1

Abstract

【課題】
非侵襲計測に分類される従来のＭＥＧにない空間分解能と時間分解能を極限まで追求できるようにすること。
【解決手段】
本発明の脳神経細胞の神経活動に伴う一次的変化の磁界分布を計測する外部環境磁場を除去する磁気シールド容器に負帰還半導体レーザからなる光ポンピングＣｓ磁力計を内蔵した非接触型の生体機能診断装置を構成してなる。
【効果】
以上のとおり、本発明の生体機能診断装置は、脳神経細胞の神経活動に伴う一次的変化の磁界分布を１０^−１３Ｔ〜１０^−１４Ｔ以下の誘発脳磁界の検出ができることから、ブレインコンピュータへの転用も可能となり、その工業的価値は極めて高い
【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ金属の内で融点温度が最も低いＣｓ原子を用いた負帰還半導体レーザによる横方向光ポンピング磁力計を利用して脳神経細胞の神経活動に伴う脳磁界分布を計測する非侵襲脳機能の計測システムから構成される生体機能診断装置に関する。光ポンピング磁力計は、Ｃｓ原子に円偏光面発光レーザ光を照射して励起させ、ゼーマンエネルギー副準位にあるＣｓ原子がラ‐モア周波数の電磁波で励起され誘導放射を起こさせる。すなわち横方向光ポンピングを受けＣｓ原子が励起され、熱不平衡状態に再分布した原子の整列を壊して、発振状態に結びつける。本発明の光ポンピング磁力計は、自然界に存在する環境磁気ノイズを抑えＣｓ原子のゼーマン副準位間のエネルギー差に相当するラ‐モア周波信号の磁界を検出することにより脳磁界を測定することを可能とする。

心電図や脳波が計測できるのは、心臓や脳の中に電圧の発生源があるからである。体内で電圧が発生すれば体内に電流が流れるので、この電流にともなって人体各部から磁界が発生していることは以前から推定されており、種々の計測が試みられた。１９６４年に超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いた超高感度の磁束計が開発され、これらの微弱な磁界の計測が可能となり、それを契機として生体磁気計測の研究が盛んになった。現在では、人間の心臓、脳、肺などから発生する微弱な磁界を測定することによって病気の診断を行おうという研究が世界各国で行われている。一方、非特許文献１は、１９５７年に光ポンピング磁力計は、アルカリ金属原子に生ずるゼーマン遷移から弱磁場を検出できることが示されている。非特許文献２は、ルビジウム８５原子を用いて地球磁場を測定できる磁力計が報告されている。非特許文献４は、光のスクイジングについて横緩和レーザポンピングの超高精度化の可能性について技術的示唆に富む。これらの技術は、ＳＱＵＩＤに頼らない超高感度の磁束計の開発につながる可能性がある。非特許文献６は、非特許文献７のアルカリ金属原子であるＣｓ原子の横方向緩和によるレーザポンピングを利用したＣｓ磁力計が示されている。

神経活動により生じる電流は非常に弱い磁場を誘起し、脳磁図はこの磁場を計測したものである。しかし、この脳磁場は非常に弱く、大脳皮質活動では１０ｆＴ、人のアルファ波で１０^３ｆＴほどである。一方、市街地において生じる環境磁場ノイズとして、電車、エレベータ、自動ドアの開閉、自動車などにより、磁界の変動がある。これらの磁気ノイズは１０^−７Ｔのオーダになる。地磁気の短時間の変動はこれよりも２桁ほど小さい。極めて微弱な磁界である脳磁場は、脳活動によって生じる正味の電流であり、ある所定の位置、向き、強さを持ち、空間的広がりのない電流双極子として考えることができる。アンペールの法則から、電流双極子はその双極子のベクトル成分を軸とした磁場を生じさせる。１９６０年代後半に開発されてきたＳＱＵＩＤの検出可能な脳磁界信号は５０〜５００ｆＴで、超電導状態で使われている。ＳＱＵＩＤで脳磁界を１００Ｈｚの帯域で測った場合５０ｆＴ感度がある。感覚刺激により脳磁界は、応答時間が２５０ｍｓ位で終わってしまう。非特許文献６は、先端的な脳磁波についても高精度な信号処理による計測法が示されている。非特許文献３は、人体サイズ縦置き円筒型両端開口磁気シールドが提案されている。今後、脳磁波の測定システムについては、磁気シールドの大きさはよりコンパクトのものが望まれる。

非特許文献５に示される面発光半導体レーザは、共振器が非常に短いことから、縦モードはもともと単一モードで発振する。偏波モードについては、面発光半導体レーザのほとんどは、直線偏波であり、その偏波方向は安定しない。面発光半導体レーザの偏波モードの不安定は、過剰雑音やモード競合の原因となる。傾斜基板上に量子井戸を形成することにより容易に光学利得異方性を得ることから、円偏波特性を有する面発光半導体レーザの開発が進められている。

Ｗ.Ｅ.ＢｅｌｌａｎｄＡ.Ｌ.Ｂｌｏｏｍ, "ＯｐｔｉｃａｌＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＭａｇｎｅｔｉｃｉｎＡｌｋａｌｉＭｅｔａｌＶａｐｏｒ", ｐｐ.１５５９―１５６５，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ, ｖｏｌ. １０７, Ｎｏ.６, １９５７小林春洋、小早川正樹、鷹觜紀雄、"ルビジウム磁力計"、日本電気技報、１１５頁‐１２２頁、Ｎｏ．７９、１９６６笹田一郎、Ｅ．Ｐａｐｅｒｎｏ、小出裕之、"人体サイズ縦置き円筒型両端開口磁気シールドの製作及び評価"、九州大学大学院総合理工学研究科報告、第２１巻第４号、３２７頁−３３２頁、平成１２年３月北川勝浩、山本喜久、"光のスクイジング"、レーザ研究、第１５巻、第１０号、７５３頁−７６３頁、昭和６２年１０月伊賀健一、小山二三夫、"面発光レーザの基礎と応用"、共立出版、１９９９年６月中川脩一、吉田隆、小林肇、"２１世紀の電子計測"、実教出版、１９９４年４月Ｓ．Ｇｒｏｅｇｅｒ，Ｇ．Ｂｉｓｏｎ，ａｎｄＡ.Ｗｅｉｓ，"ＤｅｓｉｇｎａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＬａｓｅｒ―ＰｕｍｐｅｄＣｓ―ＭａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅＰｌａｎｎｅｄＵＣＮＥＤＭＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔＰＳＩ"，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｎｄａｒｄｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１１０，Ｎｏ．３，ｐｐ.１７９―１８３，Ｍａｙ―Ｊｕｎｅ２００５

本発明は、従来のＭＥＧにない空間分解能と時間分解能を極限まで追求できるように、脳神経細胞の神経活動に伴う一次的変化の脳磁界分布を光ポンピングＣｓ磁力計で計測できるようにすることである。生体磁気などの微小磁界の測定には，外部磁界の影響を低減するための磁気シールドが必要となる。外乱磁界の主なものは、地磁気（〜３２μＴ）、環境磁界（〜１００ｎＴ）である。一方、生体磁気としては、０．１Ｈｚ〜３０Ｈｚを主要帯域とする心磁界（〜１００ｐＴ）、誘発脳磁界（〜１００ｆＴ）である。また、磁気ノイズは１／ｆ的な特性を持つ。生体磁気、特に誘発脳磁界計測のためには、環境磁界を約１０^６分の１に低減する必要がある。１次微分型ＳＱＵＩＤ磁束計で約１００分の１、信号処理でＳ／Ｎを数倍高めることを考えても、磁気シールドによって、５，０００〜１０，０００分の１程度に低減しなければならない。本発明の非接触型の生体機能診断装置で使用する光ポンピングＣｓ磁力計は、１０^−１３Ｔ〜１０^−１４Ｔレベルの誘発脳磁界の検出を可能にすることができる。

本発明は、アルカリ金属蒸気としてのＣｓ原子と、緩和気体（Ｎe，Ａｒ，Ｋｒ，Ｎ_２）が封入されてなるガスセルの入射窓から光ポンピングとして円偏光面発光半導体レーザ光または面発光半導体レーザ光と１/４波長板とから構成されてなる円偏光を有する面発光半導体レーザ光を照射し、ガスセルの出射窓から光ポンピング波長を受光する受光器を設置して半導体レーザ負帰還ループを構成する。ガスセルは、励振コイルと出力コイルを設けて磁気変調器とする。これらエレメント（負帰還面発光半導体レーザ、ガスセル、磁気変調器、光検出器）を脳磁場検出用窓が設けられてなるアクティブキャンセル機能を有する振動磁場シールド容器内に内蔵した非侵襲脳機能磁力計システムを構成することを特徴とする生体機能診断装置である。具体的には、アルカリ金属とのＣｓ原子に、ネオンを緩和気体としたガスセルの動作温度を２８℃〜３８℃に加熱し、ガスセル中にラーマン遷移周波数で変調された発光波長８５２．１ｎｍの面発光半導体レーザ光をガスセル中を通過させて横方向レーザポンピングし、受光したレーザ光を検出し負帰還ループを構成することで、標準量子限界を越えた光ポンピングを達成することができ高精度に脳磁界を測定可能である。ガスセルに形成される磁気変調器は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて製作する。本発明は、頭部の所定部位に配置される微小電極やトランスポンダ用近赤外光源やリーダ用光検出器のインターコネクション接続を印刷回路により形成されたシステムから構成されてなる。

以上説明したように、本発明の生体機能診断装置は、脳神経細胞の神経活動に伴う一次的変化の磁界分布を負帰還半導体レーザの横方向光ポンピングによるＣｓ磁力計で脳磁界を測定する。このＣｓ磁力計は、振動磁場を印加した磁気シェイキング容器内に収納されていることから外部磁場の影響を極力小さくできるので、１０^−１３Ｔ〜１０^−１４Ｔ以下の誘発脳磁界の検出が可能となる。本発明の生体機能診断装置は、非接触型の生体機能診断装置の応用としてブレインコンピュータへの転用も可能であることから、その工業的価値は極めて高い。

本発明の生体機能診断装置は、脳神経細胞の神経活動に伴う一次的変化の磁界分布を測定するための負帰還半導体レーザによる横方向光ポンピングＣｓ磁力計であり、頭部の所定の部位に配置する。この光ポンピング磁力計は計測用脳磁場解放型のアクティブ磁気シールドに収納され、磁気シェイキング交流磁場を印加するための電磁界接続となるインターコネクションは印刷回路により作製されるＭＥＭＳシステムから構成される。本発明の生体機能診断装置は、超小型、軽量、フレキシブル、ワイヤレスであることも大きな特長であり、まさしく頭部にジャストフィトする非接触型の生体機能診断装置である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の生体機能診断装置の根幹をなす負帰還半導体レーザ光ポンピングＣｓ磁力計である。光ポンピングを行う半導体レーザは、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１に下部電極、量子ドット１０２であるＤＢＲ反射鏡、ＡｌＯ_２、量子ドット活性層、ＤＢＲ反射鏡、ポリイミド、上部電極からなる面発光半導体レーザである。量子ドット活性層からなる面発光半導体レーザは、２０℃〜５０℃の温度範囲で出力特性は極めて安定である。面発光半導体レーザから射出された直線偏光のレーザ光１０３は、１／４波長板１０４を通過後、円偏光に偏波面が変えられ、ガスセル１０５に入射し、吸収ガスセル中のセシウム１３３原子を加熱励起する。発振波長８５２．１ｎｍの円偏光面発光半導体レーザの出力が１ｍＷあれば、レーザ照射時点でガスセル内のセシウム１３３原子分子と緩和気体のネオンガスは、約３３℃に加熱される。円偏光面発光半導体レーザの照射は、ガスセル１０５中のセシウム１３３原子の横方向緩和が起こり、緩和時間は２４ｍｓとなる。ガスセル１０５内のセシウム１３３原子の蒸気中を通過する半導体レーザ光１０３の発振波長８５２．１ｎｍは、８５２．１ｎｍ：Ｄ_１線に対し６^２S_1/2⇔６^２Ｐ_1/2に遷移する。ガスセルを通過したレーザ光は高速動作のアバランシェホトダイオードの光検出器１０６で電気信号に変えられる。受光したレーザ光を検出し負帰還ループ１１０を構成することで、標準量子限界を越えた光ポンピングを達成することができる。同時に光検出器１０６からの電気信号は、増幅器１０７と移相器１０８を経てセルに巻かれた出力コイルに入る。ガスセルに巻かれた磁気変調器は、励振コイルに周波数ｆの交流磁界と脳磁界検出用の出力コイルからなる。この変調コイルによる電磁界は反転分布からの誘導放射となる。このエネルギー差が脳磁界の磁束密度に相当し、磁界によってできるゼーマン分離をラーモア周波信号１０９として脳磁界を高精度に計測できることになる。ラーモア周波信号１０９は、０Ｈｚ〜４０Ｈｚのアナログ低域通過フィルタを通し、サンプリング周波数８０ＨｚでＡ／Ｄ変換され脳磁気画像信号として画像処理を行う。これらエレメント（負帰還面発光半導体レーザ、１／４波長板、ガスセル、磁気変調器、光検出器）を脳磁場検出用窓が設けられてなるアクティブキャンセル機能を有する振動磁場シールドステンレス容器１１１内に収納する。磁気シェイキングとして、磁性体の磁壁を絶えず振動的な運動状態に保っておくために、周波数を１ｋＨｚとし、振動磁場シールドステンレス容器の表面に設けた２層の厚さ０．１ｍｍのパーマロイテープ１１２に０．１Ａの交流磁界をかける。本発明のチャンネル１個の外形形状は、４．０ｍｍ×３．５ｍｍ×３．０ｍｍである。

図２は、負帰還面発光半導体レーザの出力特性２０１である。ガスセル内のセシウム１３３原子の蒸気中を通過する半導体レーザ光の発振波長８５２．１ｎｍは、８５２．１ｎｍ：Ｄ_１線に相当し、６^２S_1/2⇔６^２Ｐ_1/2へ遷移する。ガスセルを通過したレーザ光は、検出器で電気信号に変えられる。受光したレーザ光を検出し負帰還ループを構成することで、標準量子限界を越えた半導体レーザによる横方向のポンピングを達成することができる。光ポンピングレーザの強度を高めることで、磁気共鳴線の帯域幅は横緩和時間と反比例の関係にあり、帯域幅を狭めることで横緩和時間が長くなり磁場応答感度も増すことになる。

図３は、被測定磁場である脳磁場Ｈ３０１と光軸とのなす角をθ３０２とし光軸３０３とすれば、その信号強度はｓｉｎθ×ｃｏｓθの方向依存性がある。脳磁場の信号強度は、θ＝４５°を中心にして、両側へ離れるにつれて弱くなる。

図４は、Ｃｓ原子にネオンを緩和気体としたガスセルの動作温度を２８℃〜４６℃に加熱し、ガスセル中にラーマン遷移周波数で変調された発光波長８５２．１ｎｍの面発光半導体レーザ光をガスセル中を通過させてレーザポンピングした時のネオンの封止圧と緩和時間の関係を表す。Ｃｓ原子の融点２８．４℃に近い温度である２８℃の時に緩和時間が最低となる。

図５は、ラーモア周波信号の０Ｈｚ〜４０Ｈｚを通過させるアナログ低域通過フィルタである。アナログ信号はサンプリング周波数８０ＨｚのＦＩＲ法による低域通過フィルタで処理される。この低域通過フィルタでは、周波数４３Ｈｚ以上の信号は６０ｄＢ以上に抑圧されている。この低域通過フィルタを通過した信号は、Ａ／Ｄ変換され脳磁波の画像信号として画像処理される。

図６は、ラーモア周波信号を処理するパイプライン方式の２スップ形Ａ−Ｄ変換器である。高速・高分解能のＡ−Ｄ変換を実現する。入力信号６０１は、トラック／ホールド（Ｔ／Ｈ）回路でサンプリングされ、アナログ信号電圧値としてパイプラインＴ／Ｈ６０２として保持される。６０３は、タイミングコントロール部である。ＡＤＡ６０４は、電圧値をプリＡ−Ｄ変換器でｍビットのディジタル値に変換された後、再びＤ−Ａ変換器でアナログ信号に変換される。このアナログ信号とトラック／ホールド回路で保持されたアナログ電圧値をアナログディレイラインによって遅らせたアナログ信号との差を求める。残差アンプ６０５は、この差の電圧をメインＡ−Ｄ変換器６０６でｍビットのディジタル値に変換する。この２つのＡ−Ｄ変換器の出力を合わせてｍ＋ｎビットのＡ−Ｄ変換値を得る。ＡＤＡとメインＡ−Ｄからの信号は、エラー補正器６０７に入る。エラー補正器６０７からの信号は、ディジタル出力６０８となる。アナログディレイラインは、プリＡ−Ｄ変換器とそれに続くＤ−Ａ変換器の動作遅れ時間を補償するために必要である。

図７は、脳磁界を測定する際の外部環境磁界の抑圧方法としたときの磁気シェイキングである。磁気シェイキングとは、磁性体の磁壁７０１を絶えず振動的な運動状態に保っておくために、磁性体にある程度以上の大きな交流磁界をかけることをいう。この磁気シェイキングの機構は、磁壁の移動量と磁気エネルギーの関係を用いて説明する。磁壁のエネルギーｅは、磁壁の移動量ｓの関数で、磁壁の受ける復元力はｄｅ/ｄｓで表される。磁気シールドで最も重要な透磁率の大きさは、磁壁に加わる単位磁界あたりの圧力に対して、磁壁がどれだけ大きく移動するかで決まる。磁壁の復元力を正弦関数と一次関数の和で模式的に表すと、シェイキング磁界のみがかかった状態では磁壁は定常的に、例えばａｂｃｄのループ上を回っている。７０２は、巡回距離（Ｔｒａｖｅｌｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ）である。この状態でさらに、ｆ点とｂ点の差程度の小さな圧力Δｐ(= 2 Ｉｓ ΔＨ、Ｉｓは飽和磁化)に相当する、シェイキング磁界よりも周波数の低い小振幅の磁界ΔＨがかけられると、ループは容易に数サイクル分移動してｅｆｇｈの状態に変化する。これは、磁気シェイキングのもとで微小磁界に対する増分透磁率が飛躍的に増大することになる。

図８は、シナプス伝達の際に約５０，０００のニューロンの樹状突起で起きるイオン電流の効果を示している。周波数を横軸にして、アルファ波８０１とベータ波８０２の脳磁場の強さを表している。

図９は、測定された光子統計を表す。半導体レーザに負帰還をかける前はポアソン分布９０２より広かった光子数分布９０３が、半導体レーザの負帰還によって、コヒーレンス状態の半分しか持たないサブポアソン分布９０１となる。半導体レーザに負帰還をかけことで、出力の信号光の相互位相変調が利用できることになる。

図１０は、半導体レーザに負帰還をかけた出力光を直接検波したときの光電流雑音レベルを精密に測定した結果である。通常の励起法１００１では、コヒーレント状態の標準量子限界１００３に漸近するが、自己バイアスでポンプ揺らぎを抑圧すると１００２となり、標準量子限界を越える。

本発明の生体機能診断装置の負帰還半導体レーザからなる光ポンピングＣｓ磁力計である。本発明の生体機能診断装置の面発光半導体レーザの出力特性である。本発明の生体機能診断装置のＣｓ光ポンピング磁力計の脳磁波の方位感度である。本発明の生体機能診断装置のＣｓ光ポンピング磁力計のガスセルの横方向の緩和時間である。本発明のラーモア信号処理用低域通過フィルタである。本発明のラーモア信号処理用Ａ／Ｄ変換回路である。本発明の磁気シェイキングである。脳磁界である２種類の脳波を周波数を横軸にして、脳磁場の強さを示す。本発明の負帰還半導体レーザの出力特性である。本発明の負帰還半導体レーザの量子限界である。

１０１ｐ型ＧａＡｓ基板
１０２量子ドット
１０３レーザ光
１０４１／４波長板
１０５ガスセル
１０６光検出器
１０７増幅器
１０８移相器
１０９ラーモア周波信号
１１０負帰還ループ
１１１ステンレス容器
１１２パーマロイテープ
２０１負帰還面発光半導体レーザの出力特性
３０１脳磁場H
３０２方位角θ
３０３光軸
４０１ネオンの封止圧力と緩和時間
５０１ＦＩＲ低域通過フィルタ
６０１入力信号
６０２パイプラインＴ／Ｈ
６０３タイミングコントロール部
６０４ＡＤＡ
６０５残差アンプ
６０６メインＡ−Ｄ変換器
６０７エラー補正器
６０８ディジタル出力
７０１磁性体の磁壁
７０２Ｔｒａｖｅｌｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ
８０１アルファ波
８０２ベータ波
９０１サブポアソン分布
９０２ポアソン分布
９０３光子数分布
１００１通常の励起法
１００２自己バイアスによるポンプ揺らぎの抑圧
１００３標準量子限界

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の生体機能診断装置の根幹をなす光ポンピング磁力計である。光ポンピングを行う半導体レーザは、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１に下部電極、量子ドット１０２であるＤＢＲ反射鏡、ＡｌＯ_２、量子ドット活性層、ＤＢＲ反射鏡、ポリイミド、上部電極からなる面発光半導体レーザである。量子ドット活性層からなる面発光半導体レーザは、２０℃〜５０℃の温度範囲で出力特性は極めて安定である。面発光半導体レーザから射出された直線偏光のレーザ光１０３は、１／４波長板１０４を通過後、円偏光に偏波面が変えられ、ガスセル１０５に入射し、吸収ガスセル中のセシウム１３３原子を加熱励起する。発振波長８５２．１ｎｍの円偏光面発光半導体レーザの出力が１ｍＷあれば、レーザ照射時点でガスセル内のセシウム１３３原子分子と緩和気体のネオンガスは、約３３℃に加熱される。円偏光面発光半導体レーザの照射は、ガスセル１０５中のセシウム１３３原子の横方向緩和が起こり、緩和時間が２４ｍｓとなる。ガスセル１０５内のセシウム１３３原子の蒸気中を通過する半導体レーザ光１０３の発振波長８５２．１ｎｍは、８５２．１ｎｍ：Ｄ_１線に対し６^２Ｓ_1/2⇔６^２Ｐ_1/2遷移を起こす。ガスセルを通過したレーザ光を高速動作のアバランシェホトダイオードの光検出器１０６で電気信号に変えられる。受光したレーザ光を検出し、負帰還ループ１１０を構成することで、標準量子限界を越えた光ポンピングを達成することができる。同時に光検出器１０６からの電気信号は、増幅器１０７と移相器１０８を経てセルに巻かれた出力コイルに入る。ガスセル１０５に巻かれた変調コイルからなる磁気変調器は、永久磁石１１６が発生する磁界の中にある。この磁気変調器による磁界は、Ｈａｎｌｅ効果として、頭部１１３内のシナプス電流１１４により起こる電子の歳差運動による磁界１１５をラーモア周波信号１０９として脳磁界を検出することができる。ラーモア周波信号１０９は、ＤＣ〜４０Ｈｚのアナログ低域通過フィルタを通し、サンプリング周波数８０ＨｚでＡ／Ｄ変換され脳磁気画像信号として画像処理を行う。これらエレメント（負帰還面発光半導体レーザ、１／４波長板、ガスセル、磁気変調器、光検出器）を脳磁場検出用窓が設けられてなるアクティブキャンセル機能を有する振動磁場シールドステンレス容器１１１内に収納する。
磁気シェイキングとして、磁性体の磁壁を絶えず振動的な運動状態に保っておくために、周波数を１ｋＨｚとし、振動磁場シールドステンレス容器の表面に設けた２層の厚さ０．１ｍｍのパーマロイテープ１１２に０．１Ａの交流磁界をかける。本発明の１つのチャンネルの外形形状は、４．０ｍｍ×４．０ｍｍ×４．０ｍｍである。

１０１ｐ型ＧａＡｓ基板
１０２量子ドット
１０３レーザ光
１０４１／４波長板
１０５ガスセル
１０６光検出器
１０７増幅器
１０８移相器
１０９ラーモア周波信号
１１０負帰還ループ
１１１ステンレス容器
１１２パーマロイテープ
１１３頭部
１１４シナプス電流
１１５脳磁界
１１６永久磁石

本発明は、アルカリ金属のうちで融点温度が最も低いＣｓ原子ガスを用いた光ポンピング磁力計を利用して脳神経細胞の神経活動に伴う脳磁界分布を計測する非侵襲脳機能の計測システムから構成される生体機能診断装置に関する。光ポンピング磁力計は、Cs原子ガスに円偏光面発光レーザ光を照射して励起し、ゼーマンエネルギー副準位にある原子がラ‐モア周波数の電磁波で励起され誘導放射を起こさせる。すなわち光ポンピングを受け原子が励起され、熱不平衡状態に再分布した原子の整列を壊して、発振状態に結びつける。本発明の光ポンピング磁力計は、自然界に存在する環境ノイズを抑え原子のゼーマン副準位間のエネルギー差に相当するラ‐モア周波信号の磁界を検出することにより脳磁界を測定することを可能とする。

心電図や脳波が計測できるのは、心臓や脳の中に電圧の発生源があるからである。体内で電圧が発生すれば体内に電流が流れるので、この電流にともなって人体各部から磁界が発生していることは以前から推定されており、種々の計測が試みられた。これまで生体磁気計測は、１９６４年に登場した超伝導素子のＳＱＵＩＤの独壇場であるが、ＳＱＵＩＤは、外部からの振動や衝撃に弱い。また装置そのものも高価である。ところが、今から４６年前、超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いた超高感度の磁束計が開発され、これらの微弱な磁界の計測が可能となり、それを契機として生体磁気計測の研究が盛んになった。現在では、人間の心臓、脳、肺などから発生する微弱な磁界を測定することによって病気の診断を行おうという研究が世界各国で行われている。一方、非特許文献１は、１９５７年に光ポンピング磁力計は、アルカリ金属原子に生ずるゼーマン遷移から弱磁場を検出できることが示されている。非特許文献２は、ルビジウム８５原子を用いて地球磁場を測定できる磁力計が報告されている。非特許文献４は、光のスクイジングについて横緩和レーザポンピングの超高精度化の可能性について技術的示唆に富む。これらの技術は、ＳＱＵＩＤに頼らない超高感度の磁束計の開発につながる可能性がある。非特許文献６は、非特許文献７のアルカリ金属原子であるＣｓ原子の横方向緩和によるレーザポンピングを利用したＣｓ磁力計が示されている。

Ｗ.Ｅ.ＢｅｌｌａｎｄＡ.Ｌ.Ｂｌｏｏｍ, "ＯｐｔｉｃａｌＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＭａｇｎｅｔｉｃｉｎＡｌｋａｌｉＭｅｔａｌＶａｐｏｒ", ｐｐ.１５５９―１５６５，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ, ｖｏｌ. １０７, Ｎｏ.６, １９５７小林春洋、小早川正樹、鷹觜紀雄"ルビジウム磁力計"日本電気技報、１１５頁‐１２２頁、Ｎｏ．７９、１９６６笹田一郎、Ｅ．Ｐａｐｅｒｎｏ、小出裕之、"人体サイズ縦置き円筒型両端開口磁気シールドの製作及び評価"、九州大学大学院総合理工学研究科報告、第２１巻第４号、３２７頁−３３２頁、平成１２年３月北川勝浩、山本喜久、"光のスクイジング"レーザ研究、第１５巻、第１０号、７５３頁−７６３頁、昭和６２年１０月伊賀健一、小山二三夫、"面発光レーザの基礎と応用"、共立出版、１９９９年６月中川脩一、吉田隆、小林肇"２１世紀の電子計測"、実教出版、１９９４年４月Ｓ．Ｇｒｏｅｇｅｒ，Ｇ．Ｂｉｓｏｎ，ａｎｄＡ.Ｗｅｉｓ" ＤｅｓｉｇｎａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＬａｓｅｒ―ＰｕｍｐｅｄＣｓ―ＭａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅＰｌａｎｎｅｄＵＣＮＥＤＭＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔＰＳＩ"，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔａｎｄａｒｄｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１１０，Ｎｏ．３，ｐｐ.１７９―１８３，Ｍａｙ―Ｊｕｎｅ２００５

本発明は、従来のＭＥＧにない空間分解能と時間分解能を極限まで追求できるように、脳神経細胞の神経活動に伴う一次的変化の脳磁界分布を光ポンピング磁力計で計測できるようにすることである。生体磁気などの微小磁界の測定には，外部磁界の影響を低減するための磁気シールドが必要となる。外乱磁界の主なものは、地磁気（〜３２μＴ）、環境磁界（〜１００ｎＴ）である。一方、生体磁気としては、０．１Ｈｚ〜３０Ｈｚを主要帯域とする心磁界（〜１００ｐＴ）、誘発脳磁界（〜１００ｆＴ）である。また、磁気ノイズは１／ｆ的な特性を持つ。生体磁気、特に誘発脳磁界計測のためには、環境磁界を約１０^６分の１に低減する必要がある。１次微分型ＳＱＵＩＤ磁束計で約１００分の１、信号処理でＳ／Ｎを数倍高めることを考えても、磁気シールドによって、５，０００〜１０，０００分の１程度に低減しなければならない。本発明の非接触型の生体機能診断装置で使用する光ポンピング磁力計は、１０^−１３Ｔ〜１０^−１４Ｔレベルの誘発脳磁界の検出を可能にすることができる。

本発明は、アルカリ金属蒸気としてＣｓ原子と、緩和気体（Ｎe，Ａｒ，Ｋｒ，Ｎ_２）が封入されてなるガスセルの入射窓から光ポンピングとして円偏光面発光半導体レーザ光または面発光半導体レーザ光と１/４波長板とから構成されてなる円偏光を有する面発光半導体レーザ光を照射し、前記ガスセルの出射窓から光ポンピング波長を受光する受光器を設置して半導体レーザ負帰還ループを形成し、前記ガスセルには励振コイルと出力コイルを設けて磁気変調器とし、前記エレメント（負帰還面発光半導体レーザ、ガスセル、磁気変調器、光検出器）を脳磁場検出用窓が設けられてなる磁場シールド容器内に内蔵した非侵襲脳機能磁力計システムを構成することを特徴とする生体機能診断装置である。具体的には、アルカリ金属としてＣｓ原子にネオンを緩和気体としたガスセルの動作温度を２８℃〜３８℃に加熱し、ガスセル中にラーマン遷移周波数で変調された発光波長８５２．１ｎｍの面発光半導体レーザ光をガスセル中を通過させて横方向レーザポンピングし、受光したレーザ光を検出し負帰還ループを構成することで、標準量子限界を越えた光ポンピングを達成することができ高精度に脳磁界を測定する。ガスセルに形成される磁気変調器は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて製作する。本発明は、頭部の所定部位に配置される微小電極やトランスポンダ用近赤外光源やリーダ用光検出器のインターコネクション接続を印刷回路により形成されたシステムから構成されてなる。

以上説明したように、本発明の生体機能診断装置は、脳神経細胞の神経活動に伴う一次的変化の磁界分布を光ポンピングによる脳磁界測定部の一部を解放した磁気容器で測定するものであり、１０^−１３Ｔ〜１０^−１４Ｔ以上の誘発脳磁界の検出が可能となる生体機能診断装置を実現できる。本発明の生体機能診断装置は、非接触型の生体機能診断装置の応用としてブレインコンピュータへの転用も可能であることから、その工業的価値は極めて高い。

本発明の生体機能診断装置は、脳神経細胞の神経活動に伴う一次的変化の磁界分布を頭部の所定部位に配置される光ポンピング磁力計である。この光ポンピング磁力計を計測用脳磁場解放型の磁気シールドに収納している。本発明の生体機能診断装置は、超小型、軽量、フレキシブル、ワイヤレスであることも大きな特長であり、まさしく頭部にジャストフィトする非接触型の生体機能診断装置である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の生体機能診断装置の根幹をなす光ポンピング磁力計である。光ポンピングを行う半導体レーザは、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１に下部電極、量子ドット１０２であるＤＢＲ反射鏡，ＡｌＯ_２、量子ドット活性層、ＤＢＲ反射鏡、ポリイミド、上部電極からなる面発光半導体レーザである。量子ドット活性層からなる面発光半導体レーザは、２０℃〜５０℃の温度範囲で出力特性は極めて安定である。面発光半導体レーザから射出された直線偏光のレーザ光１０３は、１／４波長板１０４を通過後、円偏光に偏波面が変えられ、ガスセル１０５に入射し、吸収ガスセル中のセシウム１３３原子を加熱励起する。発振波長８５２．１ｎｍの円偏光面発光半導体レーザの出力が１ｍＷあれば、レーザ照射時点でガスセル内のセシウム１３３原子分子と緩和気体のネオンガスは、約３３℃に加熱される。円偏光面発光半導体レーザの照射は、ガスセル１０５中のセシウム１３３原子の横方向緩和が起こり、緩和時間が２４ｍｓとなる。ガスセル１０５内のセシウム１３３原子の蒸気中を通過する半導体レーザ光１０３の発振波長８５２．１ｎｍは、８５２．１ｎｍ：Ｄ_１線に対し６^２S_1/2⇔６^２Ｐ_1/2遷移を起こす。ガスセルを通過したレーザ光を高速動作のアバランシェホトダイオードの光検出器１０６で電気信号に変えられる。受光したレーザ光を検出し負帰還ループ１１０を構成することで、標準量子限界を越えた光ポンピングを達成することができる。同時に光検出器１０６からの電気信号は、増幅器１０７と移相器１０８を経てセルに巻かれた出力コイルに入る。ガスセルに巻かれた磁気変調器は、励振コイルに周波数ｆの交流磁界と脳磁界検出用の出力コイルからなる。この変調コイルによる電磁界は反転分布からの誘導放射となる。このエネルギー差が脳磁界の磁束密度に相当し、磁界によってできるゼーマン分離をラーモア周波信号１０９として脳磁界を計測できることになる。ラーモア周波信号１０９は、ＤＣ〜４０Ｈｚのアナログ低域通過フィルタを通し、サンプリング周波数８０ＨｚでＡ／Ｄ変換され脳磁気画像信号として画像処理を行う。これらエレメント（負帰還面発光半導体レーザ、１／４波長板、ガスセル、磁気変調器、光検出器）を脳磁場検出用窓が設けられてなる磁場シールドステンレス容器１１１内に収納する。磁場シールドステンレス容器の表面に設けた２層の厚さ０．１ｍｍのパーマロイテープ１１２である。発明の１つのチャンネルの外形形状は、４．０ｍｍ×３．５ｍｍ×３．０ｍｍである。

図２は、負帰還面発光半導体レーザの出力特性２０１である。ガスセル内のセシウム１３３原子の蒸気中を通過する半導体レーザ光の発振波長８５２．１ｎｍは、８５２．１ｎｍ：Ｄ_１線に相当し、６^２S_1/2⇔６^２Ｐ_1/2遷移を起こす。ガスセルを通過したレーザ光は、検出器で電気信号に変えられる。受光したレーザ光を検出し負帰還ループを構成することで、標準量子限界を越えた半導体レーザによる横方向のポンピングを達成することができる。光ポンピングレーザの強度を高めることで、磁気共鳴線の帯域幅は横緩和時間と反比例の関係にあり、帯域幅を狭めることで横緩和時間が長くなり磁場応答感度も増すことになる。

図３は、被測定磁場である脳磁場H３０１と光軸とのなす角をθ３０２とし光軸３０３とすれば、その信号強度はＳｉｎθ×Ｃｏｓθの方向依存性がある。脳磁場の信号強度は、θ＝４５°を中心にして、両側へ離れるにつれて弱くなる。

図５は、ラーモア周波信号のＤＣ〜４０Ｈｚを通過させるアナログ低域通過フィルタである。アナログ信号はサンプリング周波数８０ＨｚのＦＩＲ法による低域通過フィルタで処理される。この低域通過フィルタでは、周波数４３Ｈｚ以上の信号は６０ｄＢ以上に抑圧されている。この低域通過フィルタを通過した信号は、Ａ／Ｄ変換され脳磁波の画像信号として画像処理される。

図７は、シナプス伝達の際に約５０，０００のニューロンの樹状突起で起きるイオン電流の効果を示している。周波数を横軸にして、アルファ波７０１とベータ波７０２の脳磁場の強さを表している。

図８は、測定された光子統計を表す。半導体レーザに負帰還をかける前はポアソン分布８０２より広かった光子数分布８０３が、半導体レーザの負帰還によって、コヒーレンス状態の半分しか持たないサブポアソン分布８０１となる。半導体レーザに負帰還をかけことで、出力の信号光の相互位相変調が利用できることになる。

図９は、半導体レーザに負帰還をかけた出力光を直接検波したときの光電流雑音レベルを精密に測定した結果である。通常の励起法９０１では、コヒーレント状態の標準量子限界９０３に漸近するが、自己バイアスでポンプ揺らぎを抑圧すると９０２となり、標準量子限界を越える。

本発明の生体機能診断装置のＣｓ光ポンピング磁力計である。本発明の生体機能診断装置で使われる他の面発光半導体レーザの出力特性である。本発明の生体機能診断装置のＣｓ光ポンピング磁力計の脳地波の方位感度である。本発明の生体機能診断装置のＣｓ光ポンピング磁力計のガスセルの横方向の緩和時間である。本発明のラーモア信号処理用低域通過フィルタである。本発明のラーモア信号処理用Ａ／Ｄ変換回路である。脳磁界である２種類の脳波を周波数を横軸にして、脳磁場の強さを示す。本発明の負帰還半導体レーザの出力特性である。本発明の負帰還半導体レーザの量子限界である。

１０１ｐ型ＧａＡｓ基板
１０２量子ドット
１０３レーザ光
１０４１／４波長板
１０５ガスセル
１０６光検出器
１０７増幅器
１０８移相器
１０９ラーモア周波信号
１１０負帰還ループ
１１１ステンレス容器
１１２パーマロイテープ
２０１負帰還面発光半導体レーザの出力特性
３０１脳磁場H
３０２方位角θ
３０３光軸
４０１ネオンの封止圧力と緩和時間
５０１ＦＩＲ低域通過フィルタ
６０１入力信号
６０２パイプラインＴ／Ｈ
６０３タイミングコントロール部
６０４ＡＤＡ
６０５残差アンプ
６０６メインＡ−Ｄ変換器
６０７エラー補正器
６０８ディジタル出力
７０１アルファ波
７０２ベータ波
８０１サブポアソン分布
８０２ポアソン分布
８０３光子数分布
９０１通常の励起法
９０２ポンプ揺らぎの抑圧
９０３標準量子限界

Claims

アルカリ金属蒸気としてのＣｓ原子と緩和気体（Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｎ_２）が封入されてなるガスセルの入射窓から横方向光ポンピングとして円偏光面発光半導体レーザ光または面発光半導体レーザ光と１/４波長板とから構成されてなる円偏光を有する面発光半導体レーザ光を照射し、前記ガスセルの出射窓から光ポンピング波長を受光する受光器を設置して半導体レーザ負帰還ループを形成し、前記ガスセルには励振コイルと出力コイルを設けて磁気変調器とし、前記エレメント（負帰還面発光半導体レーザ、ガスセル、磁気変調器、光検出器）を脳磁場検出用窓が設けられてなるアクティブキャンセル機能を有する振動磁場シールド容器内に内蔵した非侵襲脳機能磁力計システムを構成することを特徴とする生体機能診断装置。
アルカリ金属蒸気としてのＣｓ原子と緩和気体としてＮｅが封入されてなるガスセルの動作温度を２８℃〜３８℃に加熱した状態で、前記ガスセル中に発光波長８５２．１ｎｍの面発光半導体レーザ光で横方向光ポンピングすることを特徴とする請求項第１項に記載された生体機能診断装置。
頭部の所定部位に配置されるＣｓ磁力計からなる計測器において、ラーモア周波信号の０Ｈｚから４０Ｈｚの周波数域を低域通過フィルタを通した信号にパイプライン方式のＡ／Ｄ変換器で信号処理することを特徴とする請求項第１項に記載された生体機能診断装置。
頭部の所定部位に配置されるＣｓ磁力計からなる計測器をアクティブキャンセル機能振動磁場シールド容器内に配置し、前記アクティブキャンセル機能振動磁場シールド容器間のインターコネクション接続を印刷回路により形成したことを特徴とする請求項第１項に記載された生体機能診断装置。