JP2018122019A - 脳機能計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は磁石を用いた脳機能計測装置に関し、特に磁気発生手段から発生した磁束が脳内を通過し、脳活動を反映した磁場信号を検知する脳機能計測装置に関する。
【解決手段】口腔部に設けられた磁気発生手段と、頭皮に設けられ、上記磁気発生手段によって発生した磁気を検出する磁気検知手段と、を備えた脳機能計測装置であって、上記磁気検知手段は、磁気発生手段から発生した磁束が脳内を通過し、脳活動を反映した磁気信号を検知することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は磁石等の磁気発生手段を用いた脳機能計測装置に関する。

近年、脳機能を計測する方法として、例えば機能的近赤外分光法（NIRS）が提案されている。この方法は、目や耳などの感覚器から取り込んだ視覚や聴覚等の情報を電気信号に変え脳に伝達する際のニューロンの情報伝達機能を脳の毛細血管を流れる酸素化ヘモグロビン（oxyHb）の変化として近赤外光を使用して計測する手法である。

特許文献１及び２はこの方法を使用して大脳皮質における脳活動を計測する脳機能計測装置を開示する。この計測装置は頭皮上に配置した光源から脳に近赤外光を照射し、この照射により生じた反射光及び散乱光を同じく頭皮上に配置した受光器によって受光し、脳の血流変化を計測する発明である。

また、脳を透過した近赤外光の計測による非侵襲的脳機能計測法として、特許文献３に係る発明が開示されている。この発明は、近赤外光の発光源を口腔内に配置し、脳底部から頭皮方向に近赤外光を照射し、頭皮上に配置した受光器によって透過光を受光し、脳の血流変化を計測する発明である。この場合、脳の深い部分を近赤外光が透過する為、より脳活動を反映した脳機能計測が可能である。

特開昭５７−１１５２３２号公報 特開昭６３−２７５３２３号公報 特開２０１０−８２３７０

しかしながら、上記特許文献１及び２に開示する計測装置では、近赤外光の光源がその反射光及び散乱光を受光する受光器と同じ頭皮上に位置する為、例えば数ｃｍ程度の距離となり、空間的な分解能が低く、脳の浅い部分の脳活動しか計測できず、例えば脳内部の深い位置の脳機能を高精度に計測することができない。また、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビン（deoxyHb）の吸光度変化を高々数秒オーダーでしか計測できず、時間的な分解能も低い。

一方、特許文献３に開示する脳機能計測装置では、近赤外光の発光源を口腔内に配置する為、発光源に近赤外光を発光させるための電源を供給しなければならず、例えばリード線や信号線を口腔に引き込んだり、電池を口腔内に置いたりする必要があり、被験者に不快感を与えると共に、計測作業が煩雑になる。また、近赤外光が脳底部に位置する為、脳底部に近い感覚器である、例えば目の角膜に悪影響を与えることも懸念される。さらに、受光器が高価であり、また受光器を頭皮に密着させなければならず、例えば髪の毛が頭皮と受光器の間に挟まると感度が低下し、この点からも計測作業が難しくなる。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、脳内部の深い位置の脳機能を高精度に計測することができると共に、被験者に不快感を与えることなく、計測作業を容易に行うことができ、角膜への影響も無い脳機能計測装置を提供するものである。また、高価な受光器も必要なく、安価な小型の磁気センサの使用が可能である。

上記課題は本発明によれば、脳底部に設けられた磁気発生手段と、頭皮に設けられ、上記磁気発生手段によって発生した磁気を検出する磁気検知手段と、を備えた脳機能計測装置であって、上記磁気検知手段は、上記磁気発生手段からの磁束が脳内を透過し、脳活動を反映した磁場信号として上記磁気検知手段に検出される脳機能計測装置を提供することによって達成できる。

また、上記磁気発生手段は、例えばネオジウム磁石等の磁石であり、上記磁気検知手段は、例えば頭皮に複数設けられた１軸磁気センサ、又は２軸磁気センサ、又は三次元磁気センサ等である。

また、上記磁気発生手段は、例えば口腔内に設けられ、又は鼻腔内に設けられ、磁気発生手段からの磁束によって、上記磁気検知手段は脳活動を反映した磁場信号を検知する。

本発明によれば、脳内部の深い位置の脳機能を高精度に計測することができ、被験者に不快感を与えることなく計測作業を容易に行い、角膜への影響も無く脳活動を計測でき、脳の機能局在の解析も可能である。また、高価な受光器も必要なく、安価な小型の磁気センサの使用も可能となる。

本実施形態の脳機能計測装置を説明する図である。 ＰＣの構成を説明する図である。 ＰＣのディスプレイに表示される磁気センサの検出波形を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本実施形態の脳機能計測装置を説明する図である。同図において、脳機能計測装置１は人の脳底部２に設けられた磁石３、この磁石３による磁気を検知する磁気センサ４、及び磁気センサ４によって検知した情報に基づいて脳機能を計測する制御部５で構成されている。

ここで、磁石３は、例えばネオジウム磁石（Neodymium magnet）であり、人の脳６の脳底部２に設けられおり、例えば不図示のマウスピースに取り付けられ、被験者が測定の際当該マウスピースを嵌めることによって容易に脳底部２の所定位置に設置することができる。また、使用する磁石３はネオジウム磁石に限定されるものではなく、磁束密度が高く、小型化が可能な永久磁石あるいは電磁石であれば適用できる。

磁気センサ４は頭皮７上に配置され、同図では単一の磁気センサ４として示しているが、例えば規格化された脳機能計測に必要な複数個所（例えば、１９カ所）に配置する。この磁気センサ４の設置は、例えば貼着、覆着等の各種方法によって取り付け可能である。本例ではこの磁気センサ４として、例えばリニア出力磁気センサを使用し、頭皮７上の夫々の設置位置の磁場信号を検知し、検知した磁場信号を電圧信号（電圧値）に変換して制御部５に送る。

制御部５はＡ/Ｄコンバータ８及びパーソナルコンピュータ（ＰＣ）９で構成され、Ａ/Ｄコンバータ８は上記磁気センサ４から出力された電圧信号（電圧値）を対応するデジタル信号に変換し、ＰＣ９に出力する。ＰＣ９はＡ/Ｄコンバータ８を介して入力するデジタル信号に基づいて対応する頭皮上の位置の磁気センサ４が検知する情報に基づいて被験者の脳機能を計測し、脳機能の解析処理を行う。

ここで、ＰＣ９は図２に示す構成であり、ＣＰＵ１０、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２等で構成され、ＣＰＵ１０はＲＯＭ１１に記録されたシステムプログラムに従って処理を行い、例えばＰＣ９に接続されたハードディスク１２に上記磁気センサ４によって検知した頭皮上の複数個所の磁場情報を記憶し、この情報に基づいて被験者の脳機能解析や脳機能局在の解析を行う。

また、ＰＣ９には通信回線１３が接続され、脳機能計測を行う際、被験者に刺激信号を送信する。さらに、ＰＣ９のディスプレイ１４には上記信号に基づいて磁気センサ４によって検知した波形情報が表示される。

次に、上記構成の脳機能計測装置１を使用して被験者の脳機能の計測処理を説明する。先ず、前述のように磁石３が取り付けられた、例えばマウスピースを被験者が口に入れ、磁石３を図１に示す脳底部２の所定位置にセットする。この状態で磁石３から、例えば０．１テスラ程度の磁束が発生し、被験者の脳内には脳底部２から放射状に広がる磁場が形成される。尚、０．１テスラ程度の磁場の形成であれば、脳に悪影響を及ぼすことはない。

次に、ＰＣ９から通信回線１３を介して刺激信号を被験者に送信し、予め設定された刺激を与え、同時に磁気センサ４が検知する磁場信号を受信する。磁石３によって形成される磁束は上記のように磁石３が位置する脳底部２から放射状に広がり、海馬や大脳皮質等の脳内部のあらゆる位置を透過し、その先に位置する磁気センサ４に達する。この間、脳内部のニューロンや毛細血管は受ける刺激によって影響され、磁気センサ４の配設位置によってレベルの異なる磁場信号を検知する。
また、刺激を行なわなくても、定常的な脳活動を計測することも可能であり、精神状態や感覚、運動等に関連する脳活動を計測、解析することができる。

したがって、頭皮上に配置された磁気センサ４は配設された位置によって異なる磁場信号を受信し、ＰＣ９に当該磁場信号に基づく情報を送信する。ＰＣ９は頭皮上に配置された磁気センサ４（例えば、１９カ所に設置された磁気センサ４）の全てから情報を受信し、これらの情報に基づいて脳機能の計測を行う。

図３はＰＣ９のディスプレイ１４に表示される磁気センサ４の磁場信号の波形図である。同図において、横軸は前述の刺激信号を出力した後の時間経過を示し、縦軸は受信する磁場の強度変化を磁場信号として示す。尚、横軸のStimは刺激信号を出力したタイミングを示す。

同図に示すように、本例の脳機能計測装置１によれば、刺激を与えてから短時間（例えば、４５ｍｓ）で磁場信号がピークに達し、当該磁気センサ４が設置された脳の部分が刺激を受けていることをリアルタイムで判別することができる。この信号波形は体性感覚誘発電位に相当し、ある位置の磁気センサ４の磁場信号に基づく結果であり、頭皮上の全ての磁気センサ４の検知結果を同様に得ることができる。したがって、これらの情報を使用してＰＣ９は被験者の脳機能計測をリアルタイムで行うことができる。
尚、図３に示す計測波形は、例えば生体のある部分に一定の時間間隔で、所定幅の信号を所定回与えた場合の結果である。

したがって、本例によれば極めて短時間で脳機能の計測を行うことができ、高時間分解能の脳機能計測装置を実現することができる。

また、本例によれば磁石３は脳底部２に配置され脳の深部から大脳皮質に渡って脳機能の計測を行うことができ、より正確な脳活動を高精度に計測することができる。したがって、本例によれば磁場信号が大きい磁気センサに最も近い脳の部位を脳活動部位として特定することにより、脳活動の局在を高精度で計測することができ、高空間分解能の脳機能計測装置の実現も可能となる。

また、本例の脳機能計測装置１は近赤外光を使用しないので、近赤外光の発光源を口腔内に配置する為、発光源に近赤外光を発光させる為のリード線や信号線を口内に引き込む必要がなく、被験者に不快感を与えることもない。被験者は磁石３が取り付けられた、例えばマウスピースを口に嵌めるだけでよく、計測作業も容易である。

また、本例の脳機能計測装置１は近赤外光を使用しないので、近赤外光を使用する際の角膜への悪影響を防止することができる。すなわち、図１に示すように磁石３を設置する脳底部２の近傍には感覚器（目）も位置し、ここに近赤外光の光源を設置した場合、角膜に悪影響を与える可能性があり、本例によればその心配も回避することができる。

また、本実施形態の脳機能計測装置によれば、磁気センサ４を頭皮上に制限なく配置できるので、高い感度を有する磁気センサ４を高密度で配置することもでき、透過後の磁束を漏れなく磁気センサ４に検出させることができる。このことによっても、脳６のあらゆる位置で生じた活動を検出でき、より高精度の脳機能計測装置を提供することが可能である。

また、従来例で使用する受光器に比べて、本実施形態において使用する磁石３は安価である。さらに、従来例で使用する受光器のように頭皮に密着させる必要はなく、例えば髪の毛が頭皮と磁気センサ４の間に挟まっていても感度が低下することなく、磁場信号を受信でき、計測作業も容易になる。

尚、上記本実施形態の説明では磁石３を口腔内に配置したが、例えば鼻腔内に磁石（例えば、磁石１５）配置してもよい。このようにしても、脳の深部から大脳皮質に渡って脳機能の計測を行うことができ、正確な脳活動を高精度に計測することができる。

また、上記実施形態の説明では０．１テスラ程度の磁束密度の磁石を使用して説明したが、０．１テスラに限定される訳ではない。また、例えば透磁率の高い珪素系の材料を使用して磁石３を加工することによって、脳方向への磁束密度を高め、より磁力が小さく、小型化した磁石を使用することも可能となる。

さらに、磁気センサ４として三次元磁気センサを使用することもでき、更に高精度な脳活動部位の推定を可能とすることができる。

１・・・脳機能計測装置
２・・・脳底部
３・・・磁石
４・・・磁気センサ
５・・・制御部
６・・・脳
７・・・頭皮
８・・・Ａ/Ｄコンバータ
９・・・ＰＣ
１０・・ＣＰＵ
１１・・ＲＯＭ
１２・・ＲＡＭ
１３・・通信回線
１４・・ディスプレイ
１５・・・磁石

Claims (6)

1. 脳底部に設けられた磁気発生手段と、
   頭皮に設けられ、前記磁気発生手段によって発生した磁気を検知する磁気検知手段と、を備えた脳機能計測装置であって、
   前記磁気検知手段は、前記磁気発生手段から発生した磁束が脳内を通過し、脳活動を反映した磁気信号を検知することを特徴とする脳機能計測装置。
2. 前記磁気発生手段はネオジウム磁石であることを特徴とする請求項１に記載の脳機能計測装置。
3. 前記磁気検知手段は前記頭皮に複数設けられた磁気センサであることを特徴とする請求項１、又は２に記載の脳機能計測装置。
4. 前記磁気検知手段は前記頭皮に複数設けられた三次元磁気センサであることを特徴とする請求項１、又は２に記載の脳機能計測装置。
5. 前記磁場発生手段は口腔内に設けられていることを特徴とする請求項１、２、３、又は４に記載の脳機能計測装置。
6. 前記磁場発生手段は鼻腔内に設けられていることを特徴とする請求項１、２、３、又は４に記載の脳機能計測装置。

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