JP2013533782A - 生体磁場測定における干渉信号空間を調整する方法 - Google Patents

生体磁場測定における干渉信号空間を調整する方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、マルチチャネル生体磁場測定により提供される干渉信号推定を調整する方法を導入する。いわゆる信号空間分離法(SSS)は、測定信号の計算上の分析に適用され、対象となる物体の場及び外部干渉を生じる発生源の分割を提供する。干渉を表す信号基底が推定されるとき、この干渉信号の推定は、物体が測定されない場を測定し、かつセンサアセンブリを変化させないことにより調整される。この手法で得られる干渉成分は、最も大きな干渉成分のみを含むような手法により分析される。また、算出されたSSSモデルに未だ存在せず、測定された干渉成分の干渉の形態のみが含まれることが考慮される。最終的に、信号処理及び有益な信号の分析が継続されうることにより、調整された干渉シーケンスが形成される。本発明では、不正確に機能する信号チャネルも考慮され、外部干渉と一致しうる。一実施形態では、上述したプロセスは、また、内部基底の信号、すなわち、対象となる信号に対しても行われうる。
【選択図】図1c

Description

本発明は、このような方法を適用するマルチチャネル測定装置における磁気画像化方法に関し、特に、このようなマルチチャネル測定方法の精度を向上することに関する。
特に医療研究の分野では、組織構造及び脳信号の分析に各種の画像化方法が用いられる。異なる用途において用いられる方法は、磁気共鳴画像化(MRI)、単に磁気画像化と称され、体の異なる部位に適用可能であり、脳磁図画像化(MEG)は、脳の電気的な活動により生成される磁場の測定及び分析を意味する。
画像化方法では、大きな一連の測定チャネル及び関連する測定センサが必要であることが通常である。センサは、非常に雑音が少なく、測定される物体に近接して位置する必要がある。磁場を測定する測定センサの通常の雑音レベルは、数フェムトテスラの大きさである。測定される磁束密度が非常に小さく(例えば、10...1000fTの大きさ)、測定状況において支配的な外部干渉場が1...10μΤの大きさのように磁束密度に対して非常に大きいことが測定状況の特性である。測定信号全体の異なる干渉信号の部分の推定及び測定結果からの干渉の影響の除去は、よって、マルチチャネル生体磁気測定方法において非常に重要である。
従来では、干渉は、例えば、実際の一連の測定センサからわずかに離れた位置にある、いわゆる干渉センサアセンブリを用いることにより補償されてきた。このような干渉センサは、外部干渉の一部のみを示し、測定される人体から生じる有益な信号の事実上全てではない信号を測定する。そして、干渉信号は、実際のアセンブリにより測定された信号から離れて単に減少又は射影されるだけでありうる。干渉信号方法による課題は、干渉が実際の生体磁気信号からわずかに離れて測定されることである。干渉場が均一でない場合、特に一連の測定センサの領域内で、できるだけ良好な推定を得るように、干渉場データを外挿(extrapolate)する必要がある。
他の既知の方法は、測定された干渉場情報の基底での一連の測定センサの領域における干渉を補償する磁場を生成するために、測定サイトの近傍に位置する一連のコイルを補償することを用いることである。この方法の課題は、各測定センサの領域において現れる干渉が、非均一な干渉場の場合であってもセンサに特化して消去されうるような手法で補償する場を生成することである。
第3の従来の方法は、磁気遮蔽室(MSR)内に測定センサを配置することであり、ここで、環境から生じる干渉は、非常に減衰されうる。遮蔽室は、通常、干渉信号が、このような構造で大きな周波数帯にわたって実質的に減衰されるような手法で構築された多層金属層(例えば、アルミに得る又は適切な金属合金が用いられうる)からなる。遮蔽室は、所望のサイトに固定して建設されうる。これは、非常に高額である、又は構造的に軽く、かつ所望の空間の要素から建設され、必要があれば、後に新しい場所へ移動可能である。干渉の影響を最小化する遮蔽室の課題は、遮蔽室自体の壁が、磁性材料を含みうることであり、それにより、磁気干渉信号の独立な発生源として機能しうることである。軽い遮蔽室は、付加的に振動の影響を受けやすくなり、付加的に磁気発生源をさらに生成しうる。恐らく、遮蔽室の最も重要な制限は、しかし、遮蔽室の壁が、遮蔽室内から生成される干渉を減衰しないことである。これは、特に医療のMEGの研究で非常に大きな問題となる。
測定された信号を用いた計算方法は、いわゆる信号空間分離法(Signal Space Separation method(SSS法))であり、例えば、フィンランド国特許FI115324号に説明されている。SSS法は、現在、この分野で多く用いられている。これは、発生源の位置に基づいて、マルチチャネル測定信号情報を各種の信号基底、すなわち、互いに一次独立である部分空間に分離する計算方法である。SSSは、純粋にセンサアセンブリの形状(geometry)及び自然法則に基づく。SSSの原理に基づく計算、電磁気の関係を示すマクスウェルの方程式から開始される。SSS法では、有益な発生源(脳のような)及び外部干渉発生源から生じる磁場により生成される磁場を分離することが可能である。換言すれば、級数展開は、異なるサイト位置する発生源に基づく分離を用いてSSS法で算出される。これは、求められる磁場が渦無し(irrotational)かつ発生源無し(sourceless)であるボリューム(volume)におけるマルチチャネル測定信号のための発生源モデリング法として示される。SSS法は、異なる信号発生源のタイプ又は位置についてのさらなる情報を必要としないが、信号発生源が異なるタイプの場合、また、発生源の位置及び/又は強度が変化するときに、時間の関数として検査された場合、正確に機能する。SSS法に基づく計算では、よって、センサアセンブリの形状は、重要な役割を果たす。形状(geometry)についてもまた、磁場が方向に依存する量であるため、配置に加えて、センサの一部が測定された信号の影響を受けるという事実がある。ここではセンサの較正とは、算出ロジックが、非常に正確なセンサの配置及び位置についての情報を有する、つまり、計算を用いた推定と実世界の状況とができるだけ正確に求められることを意味する。較正情報が求められたとき、有益な信号及びさらにそれに基づくより正確な分析結果についての情報をより正確に得るために、センサの較正は、計算中に観測されうる。SSS法に関しては、干渉により形成される算出された部分空間が、測定結果に基づいて生成され、この情報に基づいて、所望の生体磁気信号がより正確にアクセスされることが提示されうる。
方法又は装置の遮蔽因子とは、外部干渉が所望の方法又は装置により減衰されうる空間を意味する。通常のMEG装置のデフォルト設定により、約20の次数の遮蔽因子がSSS法により達する、すなわち、SSS法の算出アルゴリズムを適用するMEG装置を用いて、外部干渉は、SSS法を用いない場合と比較して、約1/20に減衰されうる。いわゆる細密な較正(fine calibration)の後、SSS法の遮蔽因子は、通常、100...150の値に増加する。
SSS法の利点は、時間及び場所に関わらず全ての干渉を観察することを含むことである。較正が各サンプルに対して独立になされるため、干渉信号が測定領域、つまり、遮蔽室の内側又は外側で変化するかどうかに関わらず、変化する状況を観察する。SSS法の課題は、上述した較正の誤差に影響を受けやすいことである、すなわち、例えば、センサの1つにより測定される信号偏移は、干渉に依存しないが、センサの位置の小さな認識されない偏移に依存する。
SSS法は、観察された干渉部分空間、つまり、測定された信号から問題中の次数を除去することによる要素を射影することに基づく、いわゆる射影法(projection method)(“信号空間射影”(“Signal Space Projection”)を意味する。SSP法の原理は、例えば、Uusitalo, Ilmoniemi: “Signal−space projection method for separating MEG or EEG into components”, Medical & Biological Engineering & Computing 135−140, 1997で説明されている。干渉信号は、通常、測定される物体が測定される空間から除去された状況で、すなわち、装置の内部に患者がいない状態で測定するためにMEG装置を設定することにより、測定されうる、この場合、環境から排他的に生じる磁気干渉信号は、その特定の試験の時点で装置のセンサにより測定されうる。この後、簡素化された手法で表される、最も重要な干渉要素(ベクトルとして考えうる)は、測定された干渉信号及び信号から求められ、有益な測定物体を含む状況での測定された信号は、前記干渉に対して直交する方向でのこの算出の後に、射影される。この場合、干渉の最も本質的な形態は、実際に測定された信号全体から除去されうる。SSP法の欠点は、主干渉の方向に完全に直交しない場合、検査中の有益な信号の一部もまた、射影されることである。射影法の別の欠点は、干渉部分空間が特定の時間の状況に基づいてのみ求められるため、干渉場における時間依存変化を観察できないことである。この場合、時間で変化する干渉発生源は、測定が再度開始された後には、正確に観察されない。SSPの利点は、センサの配置及び位置による較正誤差がこの方法により考慮されうることである。
従来技術の主な課題は、外部干渉発生源により生じる磁気干渉場が、ほぼ100番目(100th)の部分のみで減衰されうることである。減衰された場合であっても、干渉場の大きさは、通常、測定される生体磁場と比べて非常に大きい。よって、何らかの方法で生体磁気マルチチャネル測定における外部干渉の影響を減衰させる必要が未だ存在する。
既に上記で述べたように、いわゆる軽い遮蔽室の使用もまた問題を引き起こす。遮蔽室自体が磁性材料を含む可能性に加えて、軽量の遮蔽室は、また、震動してもよく、これは、新たな磁気干渉発生源を構成しうる。
本発明の目的は、特にMEG及びMRI画像化装置によりなされる測定のようなマルチチャネル測定装置によりなされる測定での外部干渉発生源の影響を効果的に除去するための新たなタイプの方法を開示することである。本発明のさらなる目的は、上述した課題を改善することである。
本発明は、マルチチャネル測定装置により測定される磁場に含まれる場の成分を調整する方法を導入し、測定装置は、一連の測定センサ及びデータ処理ロジックを含む。本方法では、2つの算出された信号部分空間は、SSS法により生成され、第1の算出された信号部分空間は、有益な信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表し、第2の算出された信号部分空間は、干渉信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表す。
本方法は、さらに、前記干渉信号のマルチチャネルの磁界が、前記有益な信号発生源なしで測定され、前記干渉信号の前記磁界からの干渉及び/又は不正確に機能する信号チャネルによる前記干渉信号の最も強い形態が求められ、前記干渉信号の前記最も強い形態を加えることにより、前記第2の算出された信号部分空間が調整され、調整された前記信号部分空間による前記SSS法の使用を継続することにより前記有益な信号が求められることを特徴とする。
本発明の一実施形態では、前記最も強い形態の干渉信号における前記干渉信号の測定された前記磁界の成分を含められ、このような成分を表すベクトルに関連する前記信号の強度が所望の閾値を超える。
本発明の一実施形態では、前記干渉信号の前記信号部分空間の測定された成分の少なくとも1つが、前記第2の算出された信号部分空間の前記成分に加えられ、生成され調整された信号部分空間の成分が一次独立な基底を共に形成するように、補完された第2の信号部分空間の成分が結合される。
本発明の一実施形態では、検査中の前記信号部分空間の成分に対して特異値分解を算出することにより結合が行われる。
本発明の一実施形態では、正確に表される信号成分及び他のチャネルから外れた不正確な信号成分を含むように不正確に機能する信号チャネルの信号が分割され、前記信号チャネルから、前記干渉信号の測定された部分空間の不正確な信号成分のみが含められる。
本発明の一実施形態では、少なくとも1つの不正確に機能する信号チャネルが、前記干渉信号の前記測定された部分空間に含まれた後に、算出された前記信号部分空間が、リスパンされる。
本発明の一実施形態では、前記第2の算出された信号部分空間に対応する手法で、行われた磁場測定に基づいて生成された前記第1の算出された信号部分空間への調整が求められる。
本発明の第2の態様によれば、本発明の着想は、磁場を測定し、かつ前記磁場に含まれる場の成分を調整するように構成されるマルチチャネル測定装置を含む。前記測定装置は、一連の測定センサと、SSS法により、第1の算出された信号部分空間が有益な信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表し、第2の算出された信号部分空間が干渉信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表す2つの算出された信号部分空間を生成するように構成されるデータ処理ロジックと、を含む。
前記測定装置は、さらに、前記有益な信号発生源なしで前記干渉信号のマルチチャネルの磁界を測定するように構成され、前記データ処理ロジックは、さらに、前記干渉信号の前記磁界からの干渉及び/又は不正確に機能する信号チャネルによる前記干渉信号の最も強い形態を求め、前記干渉信号の前記最も強い形態を加えることにより、前記第2の算出された信号部分空間を調整し、調整された前記信号部分空間による前記SSS法の使用を継続することにより前記有益な信号を求めるように構成されることを特徴とする。
本発明の一実施形態では、前記データ処理ロジックは、さらに、前記最も強い形態の干渉信号における前記干渉信号の測定された前記磁界の成分を含めるステップであって、このような成分を表すベクトルに関連する前記信号の強度が所望の閾値を超える、ように構成される。
本発明の一実施形態では、前記データ処理ロジックは、さらに、前記干渉信号の前記信号部分空間の測定された成分の少なくとも1つを、前記第2の算出された信号部分空間の前記成分に加え、生成され調整された信号部分空間の成分が一次独立な基底を共に形成するように、補完された第2の信号部分空間の成分を結合するように構成される。
本発明の一実施形態では、前記データ処理ロジックは、さらに、検査中の前記信号部分空間の成分に対して特異値分解を算出することにより結合を行うように構成される。
本発明の一実施形態では、前記データ処理ロジックは、さらに、正確に表される信号成分及び他のチャネルから外れた不正確な信号成分を含むように不正確に機能する信号チャネルの信号を分割し、前記信号チャネルから、前記干渉信号の測定された部分空間の不正確な信号成分のみを含むように構成される。
本発明の一実施形態では、前記データ処理ロジックは、さらに、少なくとも1つの不正確に機能する信号チャネルが、前記干渉信号の前記測定された部分空間に含まれた後に、算出された前記信号部分空間をリスパンするように構成される。
本発明の一実施形態では、前記データ処理ロジックは、さらに、前記第2の算出された信号部分空間に対応する手法で、行われた磁場測定に基づいて生成された前記第1の算出された信号部分空間への調整を求めるように構成される。
本発明の第3の態様によれば、本発明の着想は、さらに、マルチチャネル測定装置により測定された磁界に含まれる場の成分を調整するコンピュータプログラムであって、前記測定装置は、一連の測定センサ及びデータ処理ロジックを含む。前記コンピュータプログラムは、前記データ処理ロジックを実行したときに、SSS法により、第1の算出された信号部分空間が有益な信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表し、第2の算出された信号部分空間が干渉信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表す2つの算出された信号部分空間を生成するステップを実行するように構成されるプログラムコードを含む。
特徴的なフィーチャーとして、前記コンピュータプログラムは、さらに、前記有益な信号発生源なしで前記干渉信号のマルチチャネルの磁界を測定するステップと、前記干渉信号の前記磁界からの干渉及び/又は不正確に機能する信号チャネルによる前記干渉信号の最も強い形態を求めるステップと、前記干渉信号の前記最も強い形態を加えることにより、前記第2の算出された信号部分空間を調整するステップと、調整された前記信号部分空間による前記SSS法の使用を継続することにより前記有益な信号を求めるステップと、を実行するように構成される。
本発明の一実施形態では、前記コンピュータプログラムは、データ処理ロジック読み取り可能な媒体に記憶される。
本発明の最も重要な利点の1つは、MEG測定で一般的に使用されるSSS法の遮蔽因子が本発明により、通常、最適化されたデフォルトの設定での150から、約1000まで改善されうることである。これは、外部干渉の除去における追加の減衰が重要であり、干渉が非常に高い強度での状況で特に強調される。実際には、本発明の効果は、測定及び計算アルゴリズムを強化することにより厚くなるかのようなMEG測定構成を取り囲む遮蔽室を製造することと比較されることができ、振動することが少なくなるように安定化されることもできる。別の利点は、広い周波数帯での本方法により、有益な信号の測定結果における良好な精度が達成されることであり、例えば、0から2kHzの測定帯域が実際に使用され、これに関連して、約1/milの精度であり、高い周波数まで到達しうる。本発明の実践では、例えば、306個のチャネルを較正するような困難は無く、本発明の方法は、簡素かつ効果的な手法で較正誤差の除去を行う。本発明のさらに別の利点は、SSS法の良好な特性が、新規で類を見ない手法で射影方法の有利な特徴と組み合わせられることである。
図1aは、本発明に係る方法の第1の例をフローチャートの形態で示す。 図1bは、本発明に係る方法の第2の例をフローチャートの形態で示す。 図1cは、本発明に係る方法の第3の例をフローチャートの形態で示す。 図2aは、測定された物体が、測定状況に存在する、MEG装置の測定配置の一例を示す。 図2bは、干渉として考慮される発生源のみが測定される、MEG装置の測定配置の一例を示す。 図2cは、測定及び算出から得られる結果のさらなる処理の一例を示す。 図3aは、MEG測定で処理される干渉部分空間での本発明の効果の簡素化された例を図示する。 図3bは、MEG測定で処理される有益な信号部分空間での本発明の効果の簡素化された例を図示する。
本発明の目的は、マルチチャネル測定装置により行われる測定方法を調整するステップを導入することであり、より詳細には、測定結果に現れる干渉により生じる部分空間を求めることであり、それによって、従来よりも明確に精度の高い、対象の有益な信号を求めることである。
本発明の原理の基本は、従来技術で導入され、上記でまとめられた、信号空間分離、すなわち、SSS法である。1つの典型的な例で測定される数量は、磁場であり、すなわち、この場合に使用される用途は、magnetoencephalographic、すなわち、MEG、装置である。SSS法では、中心となる考え方は、マックスウェルの方程式及びセンサアセンブリについての情報を用いることにより、測定された信号の一部が、測定センサの内側から生じる対象の生体磁気信号であり、一部が、センサの外側から生じる外部干渉であることを示す結果を算出することができることである。すなわち、磁気多極モーメント、つまり、信号成分の重みは、有益な信号の一次独立な信号基底において、及び、同様に、干渉信号により形成される信号基底において、結果として算出されうる。リアルタイム方法となるには、SSSは、現在の支配的な干渉状況に適合する、つまり、SSSは、時間内に生じる、測定されたボリュームの内側又は外側の信号発生源の変化に関わらず、実際の支配的な磁場を常に測定する。SSSによりもたらされる結果は、しかし、上述した較正誤差により影響される、つまり、測定センサの感度、配置及び位置の不正確さ(想定した配置及び位置情報を実際の配置及び位置情報と比較する)が、SSS法によりもたらされる結果に直接影響する。
本発明の一実施形態では、測定されたマルチチャネル信号は、先ず、従来から行われているようなSSS法での計算により処理される。この処理は、計算で求められる干渉により形成される信号部分空間である点で行われる。本発明は、ここで、従来技術で可能なものよりも非常に正確に実際の支配的な干渉空間に対応するような手法で、この推定された干渉空間の微調整に携わる。比喩的にいうと、干渉部分空間を示す“ベクトル”は、その方向に対してわずかに変化する。すなわち、新たな干渉成分は、算出された干渉部分空間に加えられ、ここで、合計値として表現される新たな干渉成分は、以前よりも非常に良くなった実際の支配的な干渉場情報に対応することが言える。さらに別の言い方で表現すると、従来技術の方法により得られる干渉モデルは、実際には存在するにもかかわらず、ある形態又は干渉の形態が欠如する点で不完全である。本発明は、この点において、この干渉モデルを改善することを目的とする。
以下の実施例では、306個のチャネルの信号セットを有する、つまり、使用されるMEG装置は、306個の測定チャネルを有するものと仮定する。SSS法により動作において、場の成分は、所望の次数までの測定結果から算出される。場の成分は、各成分を生じる磁場の発生源の配置に基づいて分離されうる。発生源は、センサアセンブリの内側(脳信号)であってもよく、又はアセンブリのかなり外側(外部干渉発生源)であってもよい。
従来技術の一実施形態では、いわゆる上述した体積間での中間領域(intermediate space)の状態にある干渉発生源を分離することがさらに可能であり、ここで、一連の測定センサに非常に近接した状態にある対象とならない発生源は、検査に含まれる。いわゆる中間領域(intermediate space)の実施形態は、フィンランド国特許出願公開FI20050445号に記載されている。
SSS法による動作において、測定センサは、磁気発生源を含まない体積(volume)に位置づけられる。実際には、最も近接する信号発生源からのセンサの距離は、少なくとも2から4cmの大きさであり、ここで、一連のセンサにより測定される磁場及び所望の次数までのその勾配は、非常に整然と振る舞う、つまり、急激な局所的変化は生じない。すなわち、当該次数は、生体磁場の自由度を示し、かつ、振幅がセンサのノイズレベルを超える次数まで求められうる。
以下では、原点は、測定センサにより形成される領域の中心、つまり、脳信号の測定位置における頭部の中心と仮定される。測定ボリュームは、同心球殻により検査されうる、ここで、その半径は、適切に選択される。分割は、例えば、全ての有益な磁気発生源、つまり、MEG測定の場合、検査中の患者の頭部が最も遠い球殻内に位置づけられるような手法でなされうる。次に、測定装置自体のセンサは、最も遠い球殻の外側の層に配置され、さらに、この層で発見されない磁気発生源を扱う。主に無限遠まで延びると定義されてもよい第3のボリュームに位置づけられるこの層は、外部磁気干渉の全ての発生源である。
場に関するポテンシャルは、いわゆる球面関数を適用するラプラスの方程式への解として解かれうる。このポテンシャルは、第1の級数展開が原点で発散し、第2の級数展開が無限大で発散する二つの級数展開の合計値として形成されうる。これは、第1の級数展開が、センサアセンブリ内の生体磁気発生源である磁気発生源に特徴付けられ、第2の級数展開が、最も外側に位置づけられる外部干渉発生源又は第3のボリュームに特徴付けられることを意味する。
この後、測定された磁場は、測定された信号全体が二つの一次結合の合計であるような手法で信号ベクトルにより表現され、二つの一次結合の両方は、適切な基底ベクトルで表される。数学的な表現では、
これは、行列の形態を与え:
上記の表記では、Siは、生体磁気信号を示す一連の基底ベクトルを示し、Soutは、それぞれ、干渉信号を示す一連の基底ベクトルを示す。表記Xi及びxoutは、場ベクトルΦを提供するために各Sの重み付け係数を事実上意味するいわゆる多極モーメントを示す。SSS基底の次数、つまり、基底ベクトルの数は、以下のように求められうる:
例えば、Lin=8及びLout=3ではn=95となる。N>n(Nはチャネルの数)のとき、一次独立なSSS基底が得られ、所望のボリュームの全ての測定可能な磁気信号をカバーする。
分離は、有益な信号基底をもたらし、干渉信号基底は、一義的であり、結果として推定された有益な信号となる。
ここで、PIは、Sの一般逆行列、すなわち、数学的な表現では、SP1=(SS)−1を意味する。
xの精度は、Sの条件数及び一連のセンサの較正精度に依存する。これは、SSS法がセンサアセンブリの形状についての直接情報に基づくためである。この後、生体磁気及び干渉発生源に対応する信号は、以下の手法で再構成される。
ここで、φin及びφoutは、それぞれ、測定される物体又は外部干渉により生じる場ベクトルであり、各Sは、基底ベクトル又は部分空間を示し、各xは、多極モーメント、つまり、異なる基底ベクトルに対する事実上の重み付け係数である。
次に、干渉により形成され、かつSSS法により推定される場の部分φoutは、検査時に取得される。これまでは、この干渉空間は、信号全体から除去されるだけであり、センサアセンブリの較正が完璧だと仮定する、つまり、各センサの配置及び位置についての正確な情報が取得可能である。実際には較正誤差が常に存在するため、現実に好ましく対応する微調整されたφoutの可能性を有する。
よって、式(10)に基づいて算出された干渉部分空間を有する場合、この推定された干渉部分空間は、以下のように本発明の一実施形態で調整されうる。簡略化のために、例えば、15の計算された、306次ベクトル(bim)を有し、このステップでは、例えば、干渉部分空間への5つの306次ベクトルが加えられることができ、ここで、新たに合計された基底は微調整された干渉部分空間を示す。これら5つのベクトルの各々が、干渉部分空間に加えられた“小さな偏移(small deviation)”を示すということができる。原理上は、同様の調整もまた、センサアセンブリの内側の基底ベクトルになされうるが、干渉部分空間の調整は、実際には、より重要な肯定である。なぜなら、干渉信号は、通常、有益な信号よりも感度が高いためである。
干渉ベクトル、つまり、加えられる小さな偏移は、例えば、射影方法の工程と同様の手法で測定された信号から求められうる。すなわち、較正誤差又はいくつかの他の理由が測定された信号から求められるため、最も強い干渉形態は、SSSにより求められるような、算出された干渉モデルには現れない。この測定は、実際に測定される物体なしでなされる、すなわち、例えば、MEG測定は、患者が磁気遮蔽室に存在しない場合に行われうる。このように、いわゆる空の部屋に含まれる磁気部分空間は、正確に測定されうる。実際には、一連のベクトルが取得され、ゼロのノルムからは非常に大きく異なるものが取り上げられる。このステップは、例えば、既知の数学的処理である特異値分解を求めることにより行われうる。
上述した、加えられる干渉ベクトルの別のタイプの例としては、動作不能なチャネルの誤差信号の算出及びその影響の除去が述べられうる。このような誤差信号は、単に306次ベクトルとして干渉基底に加えられ、既知の不十分なチャネルは、1の値を有し、他のチャネルは、0の値を有する。この場合、不十分なチャネル及び他のチャネルから独立なチャネルに特有な誤差信号は、式中の加算されたベクトルによりモデル化され、他のチャネルは、いかなる信号バイアスも有さない。この処理は、また、不十分なチャネルにより提供される取り得る正確な信号の部分を損なわないという利点を有する。
さらに、干渉ベクトルの合計された基底が、冗長なベクトル、つまり、例えば、互いに一次従属な二つの同じベクトル又は二つの干渉成分ベクトルを有していないことが重要である。一次従属なベクトルが含まれる場合、さらに計算が不安定になる、つまり、解が一義的でない、又は全く無い。このステップでは、算出された干渉基底及び測定された干渉基底の結合は、合計された干渉ベクトルのセットが一次従属基底を形成するような手法でさらに処理される。同時に、干渉ベクトルの数は、通常、SSS干渉基底のベクトルの数と射影法により延長された干渉基底のベクトルの数との間の数を有するように低減されうる。
ベクトルの数を特定するために、例えば、10個の306次干渉ベクトルがSSS演算により生成されうる。この後、例えば、実質的にゼロから外れる5個の干渉ベクトルが射影法により求められる。その後、これらの二つのベクトルは、SSS基底の二つの干渉ベクトルにより冗長であることが観察される。最終的に、306*13の大きさを有する干渉ベクトル行例が得られ、従来の方法により求めることができたものよりも実際の支配的な干渉空間に対応して著しく良くなる。
図1aは、簡略化したフローチャートとしての本発明に係る方法のステップの一例を示す。使用される磁場のための測定装置は、例えば、磁気遮蔽室の内部に配置されるMEG測定装置であり、大きな一連の測定センサ、つまり、MEG測定装置に接続される測定チャネルを有する。先ず、ステップ11では、一連の測定センサの形状(配置及び位置)及び自然法則(電磁気のマックスウェルの方程式)に基づく計算上の分析がなされ、これは、上記で説明した従来の信号空間分離法(SSS法)に対応する。このステップの結果、算出された基底ベクトルは、一連のセンサの内側の信号発生源及び一連のセンサの外側に対して得られる。すなわち、後に測定される磁場を示す場の成分は、二つの部分、つまり、一方が一連のセンサの内側のボリュームの発生源から展開される磁場のみを含み、他方が一連のセンサの外側から生じる干渉場の成分を含む級数展開に分離されうる。これらの場の成分は、算出された有益な信号基底及び算出された干渉信号基底によって現されうる。
この後、ステップ12では、マルチチャネル磁場測定は、いわゆる空の部屋により含まれる磁場を求めるために、患者、つまり、測定される物体無しで行われる。このように、一般の干渉空間、つまり、患者の脳信号を除く他の全ての信号発生源は、一連の測定センサの領域における磁場を測定することにより求められる。ステップ13では、測定によって、外部干渉に対応する信号基底は、測定結果から生成される。この後、A 11においてSSS法により得られたNの長さの干渉ベクトル及びB 12において空の部屋の測定により得られたNの長さの干渉ベクトルは、検査のために分離されうる。先ず、ベクトルのノルム(幾何学的な長さ、つまり、拡張された意味における信号成分の振幅)は、B干渉ベクトルから検査され、それらの干渉ベクトルのみが、ノルムが所望の閾値を超える場合に、さらなる処理のために選択される。このように、実質的にゼロから外れる、つまり、干渉部分空間の成分が測定に非常に大きな影響を与えるそれらの成分のみが選択される。このスクリーニングの後、干渉基底Bの本質的な成分は、干渉基底Aのベクトル14と比較される。これは、ベクトル対の間での線形従属を検査することによりなされ、発見された場合、このようなベクトルは、共に合算され、冗長なベクトルは、干渉基底から除去される。上記の手法で処理することにより、干渉ベクトルの数は、低減されうるが、一連の干渉ベクトルにより含まれる情報内容は、低減されない。
上述した比較から、Bの数を元来含む、測定された干渉基底の部分空間、つまり、C干渉部分空間の線形従属な成分が結果として得られ、これは、15において、Aの数を含む算出された干渉ベクトルのセットへの補完として加えられうる。このように、上述した表記により、現実に対してより明確に対応する干渉空間、つまり、大きさ(N, A+C)を有する行列が得られる。この後、16において、磁場測定の分析は、望み通りに継続されうる。これは、例えば、最終的な結果として生体磁場が得られることを示す正確な信号情報のような従来技術としてSSS法の使用を継続することによりなされうる。これは、各場成分が展開される脳のそれらの位置についての正確な情報を得るためとして、このような手法で発生源モデリングを行うようにさらに継続されうる。最終的に、患者の状態に関する診断は、専門家による脳信号の位置及び強度情報から最善の状態で決定されうる。
図1bは、次に、本発明の第2の実施例をフローチャートの形態で示す。この例では、第1のステップ11は、図1aの例と同一である。この後、本発明の着想が用いられ、しかし、上記ではない他のタイプ、すなわち、どういうわけか、他のチャネルの干渉信号独立を含む、又はそうでなければ正常に機能しない、個々のチャネルを求めるために用いられる。ステップ12’では、このようなチャネル及びそれによって表される正確でない干渉成分は、ここで、求められる。この後、いわゆる空の部屋の測定は、また、図1aのステップ12において、上記で説明したようになされうる。13’では、測定チャネルで実際に現れる誤差信号と測定された外部干渉信号とが合計されたとき、合計干渉基底が生成されうる。このステップの後、18において、SSS信号部分空間の基底ベクトルをリスパン(respan)することが好ましい。その後、図1aと同様に、ステップ14から16を続けることが可能である。この処理では、不十分な個々の測定チャネルにより含まれる誤差は、外部干渉の場合のように検査から除去されうる。
図1cは、次に、一連のセンサの内側の調整と共に、干渉基底の調整を含む本発明の第3の実施例を示す。この例では、第1のステップ11は、前述した実施形態と同一、つまり、二つの異なる信号基底は、先ず、SSS法により生成される。この後、12’’では、測定装置の一連のセンサが患者の頭部を囲むときに、実際の測定が行われうる。ここで、磁場についての情報は、実際の臨床測定に基づいて得られ、磁場の一部分は、外部干渉であり、それらの一部分は、脳から生じる生体磁気信号であり、その振幅(amplitude)は、干渉よりも小さな数十の次数であってもよい。ステップ13’’では、測定された信号は、有益な信号を含む信号基底、及び残り、つまり、外部干渉を含む信号基底に分けられうる。この後、図1bによる追加が、測定された干渉空間になされうる、つまり、不十分なチャネルの情報、又は不正確に動作するチャネルにより含まれる干渉成分は、17において、含まれうる(このステップは基本的に図1bのステップ12’と同様である)。このステップの後、図1bの例のように、18において、SSS信号基底のベクトルを再度張る(respan)することが好ましい。
ここで、13’’において、内部及び外部基底の測定された成分と共に、ステップ11において、内部及び外部基底の算出された成分を有する。ステップ14から15の前述した例の工程に対応して、ここで、ステップ19aにおける有益な信号基底の調整、及びステップ19bにおける外部干渉基底の調整の両方又は一方がなされる。このように、一連のセンサの内部及び外部基底は、必要な場合に、現実により好ましく対応するようなこのような手法で両方が調整されうる。最後に、16において、信号の分析は、上述したように続けられうる。
図2aは、次に、患者の頭部23から生じる生体磁気信号が通常測定される状況におけるMEG測定のための構成を示す。実際のMEG装置21は、測定チャネルとして機能するセンサ22が遮蔽室20の内側のヘルメット形状のセンサアセンブリ22’として配置され、センサ22から測定装置21への接続が遮蔽室の壁を通じて伝えられるように、磁気遮蔽室の外側に配置されうる。本発明の一実施形態では、306個のセンサ、つまり、測定チャネルが存在する。当然ながら、他の個数の測定チャネルもまた使用することができる。測定は、上記で示したように行われ、支配的な信号を示す信号24が結果として得られる。この状況では、センサ22は、患者の頭部、患者の頭部又は例えば、心臓のような他の部位の可能な干渉発生源、及び他の外部干渉発生源から生じる対象となる信号を観測する。その結果、24において、全ての測定された有益な信号成分及び全ての測定された内部及び外部干渉成分が得られる。
図2bは、次に、いわゆる空の部屋の場合、つまり、測定される離れた物体又は患者なしに対応する測定状況を示す。空部屋の測定は、実際の患者の測定の前又は後で行われることができ、測定構成に関連する他の変数がこれらの測定の間にできるだけ同じであることを維持することにできる限り注意を払う。装置は、図2aと同様であり、磁気遮蔽室20に配置されるセンサアセンブリ22’と、遮蔽室の外側でデータ処理を行うMEG装置21と、を含む。測定チャネルを通じて、MEG装置は、ここで、遮蔽室(検査時の患者以外)の外側の発生源、遮蔽室自体又は遮蔽室の外側から生じる外部干渉発生源により生じうる全ての干渉信号についての情報を生成する。上記の得られた信号情報は、ベクトルのセット、つまり、行列形態として表現されうる。図2cは、次に、得られたベクトルのセット、つまり、行列のさらなる処理の一つの好ましい原理を示す。ステップ11では、N * Aの大きさを有する、算出された干渉信号行列が求められ、ステップ24又は25では、N*Bの大きさを有する測定ベースの干渉信号行列が求められる。次に、A 算出されたベクトルは、B 測定されたベクトルと比較される。26aでは、B 測定されたベクトルから、これらの重要な成分、つまり、ほとんどゼロから外れ、これは、Aベクトルが選ばれることにより既に求められた干渉部分空間を調整する。非常に新規な干渉成分のサーチであるステップ26aは、また、新規な干渉成分がベクトルセットAに一次従属であることを含む。必要な場合には、一次従属ベクトルは、合計基底が生成されるときに、合計される。ステップ27aの最終的な結果のように、調整された干渉空間を示す新たな行列が得られ、大きさはN*Cであり、ここで、A≦C≦A+Bとなる。このように、ステップ27aにおける実際の干渉を非常に正確に示す一連の干渉信号が得られ、ここで、信号処理は、ステップ28において、希望通りに続けられうる。
図2cは、本発明の取り得る第2の実施形態を破線で示し、ここで、示された着想は、また、有益な信号基底、つまり、内部基底の調整に適用される。この場合、SSS法により生成された有益な信号の生成された部分空間及び測定から得られた有益な信号の部分空間は、検査時に取り込まれる。算出された内部基底が性格に現実と対応していないため、算出された基底に存在しない成分は、26bにおいて、測定された内部基底から検索される。この後、SSSから得られた算出された基底は、新たな成分で補完されうる。同時に、支配的な成分は、合計された基底のベクトルが、結合の後に互いに一次独立であるように、結合される。現実により対応させるための干渉基底の上述した調整は、実際にはより大きくなるが、この原理による内部基底の調整もまた問題になりうる。外部及び/又は内部基底に対する調整がステップ27a−bでなされたとき、信号処理及び分析は、ステップ28において、例えば、SSS法から既知の手段により、正常に続けられうる。
図3a及び3bは、3次元のxyz座標で示されるような例によるMEG測定結果での本発明の効果を示す。測定された信号を示すベクトルは、実際にはN次元(NはMEG装置のチャネルの数)であるが、この例でのベクトルは、3次元座標に切り捨てられており、ベクトル点は、明確さの向上のために二次元平面に投影されている。測定された信号が上述した手法で処理されるとき、有益な脳信号を示す信号ベクトルが求められ、“Φ_brain_signal”のように図で示される。それに応じて、干渉発生源により生じ、かつSSS法により分離された、算出された場の部分は、“Φ_interf_SSS_calc”として示される。上述した二つの信号点の相互の振幅(mutual amplitude)比は、示唆的なだけであり、これは、実際の測定状況での干渉信号が有益な信号よりも数十程度大きいためである。図の下部の点は、xy面に射影されたときの信号部分空間の射影点を示す。
信号部分空間での本発明の効果は、ベクトル“Φ_interf_real”により簡素な手法で示されうることである。この新たなベクトルは、ステップ26a及び27aによって図2cで示される。このベクトルは、本発明により調整された部分空間を示し、干渉ベクトルΦ_interf_SSS_calcよりも実際の状況に近い状態を示す。本発明の効果は、よって、調整、つまり、追加の成分が、例えば、空の部屋の測定又は不十分に機能するチャネルを求めることによる干渉に対して算出又は求められ、そのベクトルは、代数的に表され:
この追加の成分は、元の算出された干渉部分空間ベクトルに合算され、それにより、調整された干渉部分空間を得る。
最後に、所望のさらなる計算は、特に、干渉場ベクトルとしてΦ_interf_realを用いて行われる。追加した成分の“方向”は、基本的には任意であり、つまり、従来の射影方法との実質的な違いは、任意の特定の実質的な干渉の“方向”であること、又は最も大きな干渉成分は、測定された信号全体から除去されないが、全体の干渉空間の振幅及び方向は、実際の測定、つまり、例えば、空の部屋の測定に基づいて変更される。
図3bは、次に、ベクトルにより示される、図2cの破線で示される実施形態の分岐に対応する実装を示す。ここで、検査の物体は、内部基底、つまり、有益な信号により形成される信号部分空間である。内部基底の一部がSSS処理の後に分離されてからの測定結果は、ベクトル“Φ_brain_signal_calc”により図3bに表される。この後、図2cの上述した実施形態のステップ26bから26bは、振幅及び方向について変更した有益な信号部分空間により示されることができ、簡素化されたベクトル“Φ_brain_signal_real”により表される。図3bの状況は、検査時での個別の期間を示すのみであり、これは、実際の状況が動的に連続的に変化するためである。最終的な結果として、この実施形態での調整された信号ベクトルが得られ、その数式は以下のように示される:
変更された有益な信号及び/又は干渉信号基底のためのさらなる処理は、この所望の手法、例えば、さらなるSSS法による処理の後になされうる。
本発明のために提示される方法のステップは、MEG装置のデータ処理ロジック、つまり、通常、装置のプロセッサで実行されうるコンピュータプログラムとして適用可能な部分で実行されうる。この装置は、メモリ又は他の記憶媒体を含んでもよく、コンピュータプログラム、データ入力及び方法により要求される他のパラメータ及び測定から得られる結果は、記憶されうる。
本発明は、上記に示した例示的な実施形態にだけ限定されず、特許請求の範囲により規定される発明の着想の範囲内で多くの変更が可能である。

Claims (16)

  1. マルチチャネルの測定装置により測定される磁場に含まれる場の成分を調整する方法であって、前記測定装置は、一連の測定センサ及びデータ処理ロジックを含み、前記方法は、
    SSS法により、第1の算出された信号部分空間が有益な信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表し、第2の算出された信号部分空間が干渉信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表す2つの算出された信号部分空間を生成するステップを含み、
    前記方法は、さらに、
    前記有益な信号発生源なしで前記干渉信号のマルチチャネルの磁界を測定するステップと、
    前記干渉信号の前記磁界からの干渉及び/又は不正確に機能する信号チャネルによる前記干渉信号の最も強い形態を求めるステップと、
    前記干渉信号の前記最も強い形態を加えることにより、前記第2の算出された信号部分空間を調整するステップと、
    調整された前記信号部分空間による前記SSS法の使用を継続することにより前記有益な信号を求めるステップと、含むことを特徴とする方法。
  2. 前記方法は、さらに、前記最も強い形態の干渉信号における前記干渉信号の測定された前記磁界の成分を含めるステップであって、このような成分を表すベクトルに関連する前記信号の強度が所望の閾値を超える、ステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記方法は、さらに、
    前記干渉信号の前記信号部分空間の測定された成分の少なくとも1つを、前記第2の算出された信号部分空間の前記成分に加えるステップと、
    生成され調整された信号部分空間の成分が一次独立な基底を共に形成するように、補完された第2の信号部分空間の成分を結合するステップと、を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記方法は、さらに、検査中の前記信号部分空間の成分に対して特異値分解を算出することにより結合を行うステップを含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. 前記方法は、さらに、
    正確に表される信号成分及び他のチャネルから外れた不正確な信号成分を含むように不正確に機能する信号チャネルの信号を分割するステップと、
    前記信号チャネルから、前記干渉信号の測定された部分空間の不正確な信号成分のみを含めるステップと、を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記方法は、さらに、少なくとも1つの不正確に機能する信号チャネルが、前記干渉信号の前記測定された部分空間に含まれた後に、算出された前記信号部分空間をリスパンするステップを含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 前記方法は、さらに、前記第2の算出された信号部分空間に対応する手法で、行われた磁場測定に基づいて生成された前記第1の算出された信号部分空間への調整を求めるステップ含むことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 磁場を測定し、かつ前記磁場に含まれる場の成分を調整するように構成されるマルチチャネル測定装置であって、
    一連の測定センサ(22)と、
    SSS法により、第1の算出された信号部分空間が有益な信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表し、第2の算出された信号部分空間が干渉信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表す2つの算出された信号部分空間を生成するように構成されるデータ処理ロジックと、を含み、
    前記マルチチャネル測定装置は、さらに、前記有益な信号発生源なしで前記干渉信号のマルチチャネルの磁界を測定するように構成され、
    前記データ処理ロジックは、さらに、
    前記干渉信号の前記磁界からの干渉及び/又は不正確に機能する信号チャネルによる前記干渉信号の最も強い形態を求め、
    前記干渉信号の前記最も強い形態を加えることにより、前記第2の算出された信号部分空間を調整し、
    調整された前記信号部分空間による前記SSS法の使用を継続することにより前記有益な信号を求めるように構成されることを特徴とする測定装置。
  9. 前記測定装置の前記データ処理ロジックは、さらに、前記最も強い形態の干渉信号における前記干渉信号の測定された前記磁界の成分を含めるステップであって、このような成分を表すベクトルに関連する前記信号の強度が所望の閾値を超える、ように構成されることを特徴とする請求項8に記載の測定装置。
  10. 前記測定装置の前記データ処理ロジックは、さらに、
    前記干渉信号の前記信号部分空間の測定された成分の少なくとも1つを、前記第2の算出された信号部分空間の前記成分に加え、
    生成され調整された信号部分空間の成分が一次独立な基底を共に形成するように、補完された第2の信号部分空間の成分を結合するように構成されることを特徴とする請求項8又は9に記載の測定装置。
  11. 前記測定装置の前記データ処理ロジックは、さらに、検査中の前記信号部分空間の成分に対して特異値分解を算出することにより結合を行うように構成されることを特徴とする請求項10に記載の測定装置。
  12. 前記測定装置の前記データ処理ロジックは、さらに、
    正確に表される信号成分及び他のチャネルから外れた不正確な信号成分を含むように不正確に機能する信号チャネルの信号を分割し、
    前記信号チャネルから、前記干渉信号の測定された部分空間の不正確な信号成分のみを含めるように構成されることを特徴とする請求項8から11のいずれか一項に記載の測定装置。
  13. 前記測定装置の前記データ処理ロジックは、さらに、少なくとも1つの不正確に機能する信号チャネルが、前記干渉信号の前記測定された部分空間に含まれた後に、算出された前記信号部分空間をリスパンするように構成されることを特徴とする請求項12に記載の測定装置。
  14. 前記測定装置の前記データ処理ロジックは、さらに、前記第2の算出された信号部分空間に対応する手法で、行われた磁場測定に基づいて生成された前記第1の算出された信号部分空間への調整を求めるように構成されることを特徴とする請求項8から13のいずれか一項に記載の測定装置。
  15. マルチチャネル測定装置により測定された磁界に含まれる場の成分を調整するコンピュータプログラムであって、前記マルチチャネル測定装置は、一連の測定センサ及びデータ処理ロジックを含み、
    前記コンピュータプログラムは、前記データ処理ロジックを実行したときに、SSS法により、第1の算出された信号部分空間が有益な信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表し、第2の算出された信号部分空間が干渉信号の一次独立な信号基底の信号成分のベクトルを表す2つの算出された信号部分空間を生成するステップを実行するように構成されるプログラムコードを含み、
    前記コンピュータプログラムは、さらに、
    前記有益な信号発生源なしで前記干渉信号のマルチチャネルの磁界を測定するステップと、
    前記干渉信号の前記磁界からの干渉及び/又は不正確に機能する信号チャネルによる前記干渉信号の最も強い形態を求めるステップと、
    前記干渉信号の前記最も強い形態を加えることにより、前記第2の算出された信号部分空間を調整するステップと、
    調整された前記信号部分空間による前記SSS法の使用を継続することにより前記有益な信号を求めるステップと、を実行するように構成されることを特徴とするコンピュータプログラム。
  16. 前記コンピュータプログラムは、データ処理ロジック読み取り可能な媒体に記憶されることを特徴とする請求項15に記載のコンピュータプログラム。
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