JP2019515757A - 生体磁場を測定するための装置 - Google Patents

Abstract

生体磁場を測定する装置に関する。改良された生体磁場測定装置、特に臨床診療において信頼性の高い生体磁場測定を可能にする生体磁場測定装置を提供することを目的とする。センサ平面内にアレイに配置された複数の磁場センサを備える、生体磁場測定用の装置を提供し、複数の磁場センサは、磁場の第１の成分を測定するように設計され構成された複数の第１の磁場センサと、磁場の第２の成分を測定するように設計され構成された複数の第２の磁場センサと、磁場の第３の成分を測定するように設計され構成された複数の第３の磁場センサとで構成され、磁場の第１の成分、第２の成分、および第３の成分は互いに直交しており、センサ平面に直角な方向から見て、第１の磁場センサおよび第２の磁場センサは基本的に中央に配置され、第３の磁場センサは基本的に第１および第２の磁場センサの周りに配置される。【選択図】図２

Description

本発明は生体磁場を測定する装置に関する。

生体磁場を測定するための装置は良く知られている。例えば筋肉または神経組織によって生成された、微弱な生体磁場を測定するための、そのような装置の例には心磁計および脳磁計があり、それぞれ心臓および脳の電気的活動によって生成される非常に弱い磁場を測定する。生体磁場測定装置は、例えば特許文献１、２、３、４、５、または６に記載されている。心磁図法（ＭＣＧ）および脳磁図法（ＭＥＧ）は、例えば被検体の心臓または脳の異常状態を検査するために使用される確立された非侵襲的方法である。

例えば、ベクトル心磁計システムを使用した生体磁場測定装置を改良する試みがいくつかあった（例えば、非特許文献１、２、３、４、特許文献２を参照のこと）。

米国特許第５，１１３，１３６号 米国特許第５，６４４，２２９号 米国特許第６，２３０，０３７Ｂ１号 米国特許第６，４２４，８５３Ｂ１号 米国特許第６，８４２，６３７Ｂ２号 米国特許第７，１９４，１２１Ｂ２号

Ｔｈｉｅｌ ｅｔ ａｌ． ２００５，Ｔｈｅ ３０４ ＳＱＵＩＤｓ ｖｅｃｔｏｒ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｂｉｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｂｅｒｌｉｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｓｈｉｅｌｄｅｄ Ｒｏｏｍ ２，Ｂｉｏｍｅｄ． Ｔｅｃｈｎｉｋ（Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）５０，１６９−１７０ Ｓｃｈｎａｂｅｌ ｅｔ ａｌ． ２００４，Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ ａ ＳＱＵＩＤ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ，Ｎｅｕｒｏｌｏｇｙ ＆ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｎｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ ２００４：６７ Ｊａｚｂｉｎｓｅｋ ｅｔ ａｌ．，２０００，Ｃａｒｄｉａｃ ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ ｖｅｃｔｏｒ ＭＦＭ ａｎｄ ＢＳＰＭ ｏｆ ｆｒｏｎｔ ａｎｄ ｂａｃｋ ｔｈｏｒａｘ，Ｉｎ：Ｎｅｎｏｎｅｎ Ｊ，Ｉｌｍｏｎｉｅｍｉ ＲＪ，Ｋａｔｉｌａ Ｔ，（ｅｄ．），Ｂｉｏｍａｇ２０００，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １２ｔｈ Ｉｎｔ Ｃｏｎｆ ｏｎ Ｂｉｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ；２０００ Ａｕｇ １３−１７；Ｅｓｐｏｏ，Ｆｉｎｌａｎｄ；Ｅｓｐｏｏ：Ｈｅｌｓｉｎｋｉ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；２００１，５８３−６ Ｄｒｕｎｇ，Ｄ．，１９９５，Ｔｈｅ ＰＴＢ ８３−ＳＱＵＩＤ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｂｉｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｃｌｉｎｉｃ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔ ５，２１１２−２１１７，ｄｏｉ：１０．１１０９／７７．４０３０００ Ｆａｇａｌｙ，Ｒ．Ｌ．，２００６，Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．７７，１０１１０１，ｄｏｉ：１０．１ ０６３／ １．２３５ ４５４５

しかし、生体磁場測定装置を、例えば感度および信号品質の観点で改善することに対する要求は依然としてある。

従って、本発明の目的は、改良された生体磁場測定装置、特に臨床診療において信頼性の高い生体磁場測定を可能にする生体磁場測定装置を提供することである。

この問題を解決するために、本発明は、センサ平面内にアレイに配置された複数の磁場センサを備える、生体磁場測定用の装置を提供し、複数の磁場センサは、磁場の第１の成分を測定するように設計され構成された複数の第１の磁場センサと、磁場の第２の成分を測定するように設計され構成された複数の第２の磁場センサと、磁場の第３の成分を測定するように設計され構成された複数の第３の磁場センサとで構成され、磁場の第１、第２、および第３の成分は互いに直交しており、センサ平面に直角な方向から見て、第１の磁場センサおよび第２の磁場センサは基本的に中央に配置され、第３の磁場センサは基本的に第１および第２の磁場センサの周りに配置されるような形態で配置されている。

本発明の生体磁場測定装置のセンサ配置と構成は、例えば心臓または脳から生じる、弱い生体磁場の高感度、およびロバストな測定を可能にすることが見出された。本発明の装置は、磁場ソース、例えば心臓または脳の小さな変化に特に敏感である。従って、本発明の装置は、例えば、電流／磁気モーメントの小さな変化が特に関心の対象である状態、例えば、孤立性左前下行枝冠状動脈疾患（「ＬＡＤ疾患」）の検査に特に好適である。本発明の装置はまた、より良い逆解性能、すなわち、ソース内の電流または磁気モーメントの、測定された磁場データからの、より正確な再構成をもたらす。更に、本発明の装置は、ソース、例えば心臓の中心に対するオフセットに比較的鈍感であり、本発明の装置は特に臨床環境での使用に好適となっている。

用語「生体磁場」は、細胞、組織または器官、例えば心臓もしくは脳の組織内の電流によって生成される磁場に関する。

用語「磁場センサ」は本発明で使用する場合、（生体）磁場を測定することができるセンサを意味する。ＳＱＵＩＤ（「超伝導量子干渉素子：ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅｓ」、例えば、非特許文献５を参照のこと）がセンサとして好ましい。用語「１軸磁場センサ」、「２軸磁場センサ」または「３軸磁場センサ」は、磁場の３つの直交成分（ｘ、ｙ、ｚ）のうちの１つ、２つ、または３つのみを測定する磁場センサを意味する。すなわち「３軸磁場センサ」は例えば、磁場成分を３つの全ての次元において測定する磁場センサである。用語「２軸磁場センサ」は、磁場の直交するｘとｙ成分、ｘとｚ成分、またはｙとｚ成分を測定する、少なくとも２つの磁力計またはグラジオメータで構成されているセンサを包含する。同様に、用語「３軸磁場センサ」は、磁場の直交するｘ、ｙ、およびｚ成分を測定する、少なくとも３つの磁力計またはグラジオメータで構成されているセンサを包含する。

用語「センサ平面」は、センサ、特に、センサの磁場検知素子、例えば検出コイルが置かれている平面に関する。用語「センサ平面」は、厳密に数学的な概念において平面を定義することは意図しておらず、すなわち２次元構造であるが、センサが配置されている２次元または３次元の（仮想）レイヤに関する。多くの場合、センサ平面は基本的にｘ−ｙ平面と平行である。

磁場に関連して、用語「第１の成分」、「第２の成分」または「第３の成分」は、磁場の直交成分を意味する。むしろ、用語、（例えば第１の成分に対し）「ｘ成分」、（例えば第２の成分に対し）「ｙ成分」、および（例えば第３の成分に対し「ｚ成分」も使用して良い。この用語は直交磁場成分の任意のセットの成分を意味し、この用語の、例えば人体の、例えば平面または軸に対する、特定の意味に限定されない。特に、用語「ｘ成分」および「ｙ成分」は好ましくは、それぞれ、体表、例えば人体の胸部の前面もしくは背面、または頭蓋表面によって形成されるか、またはそれに平行な平面（ｘ−ｙ平面）の、ｘ軸およびｙ軸方向の磁場成分を指す。用語「ｚ成分」は好ましくは、特にｚ軸方向、すなわちｘ−ｙ平面に直角な方向の成分に関する。人間の心臓の磁場を測定する場合、ｘ軸への参照は好ましくは右−左軸の参照に対応し、ｙ軸の参照は好ましくは頭−足の軸の参照に対応し、ｚ軸の参照は好ましくは腹背軸の参照に対応し、ここで「右」、「左」、「頭」、「足」、および「腹背」は人間の体に関する。

用語「ソース」は本明細書で使用する場合、生体磁場（単数または複数）のソース、例えば心臓または脳を意味する。この用語は参照点ソース、すなわち、心臓、または脳、または心臓もしくは脳の組織の、あらゆる電気的活動および／または磁気的活動のソースとして取られる点への参照を包含する。

用語「逆解」は逆問題への解答を意味する。当業者はこの問題、および逆解を発見する方法、すなわち逆問題を解決する方法に精通している。本発明との関係において、用語「逆解」は、例えば、心臓または脳の活動（すなわち、ソースは心臓または脳であり、特に心臓であり、その「ソース空間」における実際の電気および／または磁気活動）を、「センサ空間」、すなわち心臓または脳の外側で測定されたデータで、再構成する方法を意味する。

用語「逆解性能」は、所与のソースに対して測定された磁場データから計算された、そのソースに対する逆解の品質に関する。「逆解性能」は、例えば、所与の電流ソースを取り／シミュレートし、ソースに対するフォワード解を計算し、フォワード解を、測定された、またはシミュレートされた、ソースの磁場データから計算された逆解と比較することにより評価することができる。

用語「被検体」は本明細書で使用する場合、好ましくは脊椎動物、更に好ましくは哺乳類、および最も好ましくは人間を意味する。

磁場センサが特定の成分、すなわち磁場の第１、第２、および第３の成分（ｘ、ｙ、またはｚ成分）を測定するように設計および構成されるという表現は、磁場センサが、磁場の対応する成分のみが測定される形態で構成され適合されることを意味する。このことは、磁場センサが、磁場の他の成分の一方または両方を測定することが可能な形態で構成されていることを排除しない。従って、例えば、検出器が測定する磁場成分を必要に応じて変更できるように、磁場センサは、３つの磁場成分の各々を検出するための磁力計またはグラジオメータを備えるように構成されても良い。磁場センサが、例えば、生体磁場のｘ成分を測定するように設計および構成されるという表現は従って、磁場センサが、磁場のｙおよび／またはｚ成分も測定することができるように造られていても良いが、ｘ成分を測定するためだけに構成されていることを意味する。そのような構成は、例えば対応するスイッチを介して、またはソフトウェアを介して確立することができる。

本発明によると、生体磁場の異なる成分を測定し、特定の形態で空間的に配置されている、磁場センサの３つの部分またはグループがある。磁場センサの第１のグループは生体磁場の第１の成分（ｘ成分）を測定し、磁場センサの第２のグループは生体磁場の第２の成分（ｙ成分）を測定し、磁場センサの第３のグループは生体磁場の第３の成分（ｚ成分）を測定する。第１、第２、および第３の磁場センサは、センサ平面に直角な方向から見て、第１の磁場センサおよび第２の磁場センサが基本的に中央に配置され、第３の磁場センサが基本的に第１および第２の磁場センサの周りに配置されるような形態で配置されている。既に述べたように、第１、第２、および第３の磁場センサは全て、磁場の他の成分の一方または両方を測定することも、もしそのように構成されていれば、可能なような形態で構成され得る。しかし、本発明によると、磁場センサの第１のグループは生体磁場のｘ成分を測定するように構成され、これに対して磁場の磁場センサの第２および第３のグループは生体磁場のｙおよびｚ成分を測定するように構成されている。複数の磁場センサは、好ましくは適切なハウジング、例えば従来技術で知られているようにデュワー瓶内に含まれる。

本発明の生体磁場測定装置の好ましい実施形態では、生体磁場の第１の成分（ｘ成分）を測定する第１の磁場センサの数は、生体磁場の第２の成分（ｙ成分）を測定する第２の磁場センサの数に等しい。

本発明の生体磁場測定装置の特定の好ましい実施形態では、第１の磁場センサの各々と第２の磁場センサは、両方が基本的にソースの同一位置における磁場成分を測定するように、空間的に関連している。本発明の生体磁場測定装置の、この実施形態では、第１および磁場センサは、生体磁場のｘおよびｙ成分を測定するセンサ対を形成する。センサ対は同一のハウジング内に含まれても良く、従って２Ｄセンサ、すなわち２つの（またはそれより多い）１Ｄセンサを組み合わせて、生体磁場の２つの成分、この場合はｘおよびｙ成分、を測定するセンサ、を形成しても良い。上述のように、３Ｄセンサ、すなわち３つの１Ｄセンサを組み合わせているが、生体磁場のｘおよびｙ成分だけを測定するように構成されたセンサ、を使用することもできる。

磁場センサのアレイは、センサ平面に直角な方向から見た時に、断面または覆われた領域に関して、いくつかの形状、例えば、基本的に円形、楕円形、多角形、または矩形の形状を有することができる。いずれにせよ、磁場センサの第１および第２のグループは中央に配置され、磁場センサの第３のグループは周辺部に配置される。本発明による生体磁場測定装置の好ましい実施形態では、（ａ）磁場センサのアレイは、センサ平面に直角な方向から見た時に、基本的に円形であり、（ｂ）第１の磁場センサおよび第２の磁場センサは、アレイの基本的に円形の領域内の中央に配置され、（ｃ）第３の磁場センサは、基本的に第１および第２の磁場センサの周りの円形の領域内に配置される。

本発明による生体磁場測定装置は、任意の好適な数の磁場センサを、例えば３２個、６４個、１０２個、またはより多数の磁場センサを有しても良い。好ましくは、第１および第２の磁場センサの数は第３の磁場センサの数よりも多い。好ましくは、第１および第２の磁場センサの数と、第３の磁場センサの数の比率は、約２〜５：１、好ましくは２．５〜４：１または２．５〜３：１である。

一実施形態では、本発明による生体磁場測定装置は、例えば６４個の磁場センサを備えても良く、２４個の第１の磁場センサおよび２４個の第２の磁場センサがアレイの基本的に円形の部分内の中央に配置され、１６個の第３の磁場センサが、基本的に第１の磁場センサおよび第２の磁場センサを含む円形の領域の周りの円形の領域内に配置される。

以下では、本発明を、例示のみを目的として、実施例および添付の図面を用いて、より詳細に説明する。

従来技術によるセンサ配置の概略図 本発明の一実施形態によるセンサ配置の概略図 比較のセンサ配置（本発明によらない）の例の概略図 比較のセンサ配置（本発明によらない）の例の概略図

図１は従来技術の６４チャネル生体磁場測定装置によるセンサ配置を示す。参照番号２を付した、点線輪郭を有する円は、磁場ソース、ここでは心臓上の測定点を表す。測定点において心臓によって生成される生体磁場のｚ成分を測定する磁場センサ３が、基本的に円形のアレイ１で配置されている。従来技術の装置の６４個の磁場センサ３は全て１つのタイプ、すなわち生体磁場のｚ成分のみを測定するタイプである。

図２は、６４チャネル生体磁場測定装置、この場合ＭＣＧのための、本発明の一実施形態によるセンサ配置を示す。比較のために、図１の従来技術の装置の６４個の測定点２もここに示している。２４個の第１の磁場センサ４、および２４個の第２の磁場センサ５は、アレイ１の基本的に円形の領域６内に配置されている。２４個の第１の磁場センサ４の各々は、対応する第２の磁場センサ５と関連付けられており、このようにして形成されたセンサ対が、同一の測定点において生体磁場のｘおよびｙ成分を測定するようになっている。生体磁場のｚ成分を測定する１６個の第３の磁場センサ３は、第１の磁場センサ４および第２の磁場センサ５の周囲、またその周辺部の、基本的に円形または環状の領域７内に配置されている。

図３および図４は、比較の目的で使用される、２つの他のセンサ構成（本発明によらない）を示す。図３には、全てのセンサが中央の円形の領域６の断面にわたって分配されたセンサ構成が示される。この配置は、中央の円形の領域６内の四角形の角における磁場のｚ成分のみを測定する４個のセンサと、ｘ、ｙ、およびｚ成分をそれぞれ、対応する２０の測定点において測定する、３×２０個のセンサとからなる。図４は、６４の測定点２の各々が、６４個の磁場センサのうちの１つに関連する配置を示し、６４個のセンサのうちの１８個が磁場のｘ成分を測定し、１７個のセンサが磁場のｙ成分を測定し、２９個のセンサが磁場のｚ成分を測定する。

図２に示す本発明の実施形態によるセンサ構成を有するＭＣＧを、図１に示す構成による従来技術のセンサ構成を有するＭＣＧ設定、および図３および図４のセンサ構成をそれぞれ有するＭＣＧ設定と比較した。心臓の前面領域上の電流双極子パターンの小さな変化をシミュレートした。従来技術の６４チャネルＭＣＧは、心臓上で２９８の双極子を算出した。

その結果、小さな変化を説明するためには、本発明のセンサ構成（図２）、および図３による構成が、従来技術（図１）による構成、および図４による構成よりも優れていることを示した。

更に、異なるセンサ配置の逆解性能を評価した。順モデルが所与のソースから計算され、測定された磁場データから逆解が計算された。オリジナルソースと逆解を比較することにより、本発明によるセンサ構成（図２）および図３によるセンサ構成が、従来技術によるセンサ構成および図４によるセンサ構成よりも、優れた逆解性能を有することが示された。

心臓の中心からのオフセットの観点で、比較したセンサ構成のロバストネスが評価された。この目的のために、ｘ方向（右側から左側）への位置オフセットがシミュレートされた。従来技術のセンサ構成が、本発明によるセンサ構成および図４によるセンサ構成よりも大きな角度誤差を有することが示された。

要約すると、図２による本発明のセンサ構成を有するＭＣＧは、従来技術と比較して、感度およびロバストネスの観点で優れていることが示された。

Claims (7)

1. センサ平面内にアレイ（１）に配置された複数の磁場センサ（３、４、５）を備える、生体磁場を測定するための装置であって、前記複数の磁場センサ（３、４、５）は、前記磁場の第１の成分を測定するように設計され構成された複数の第１の磁場センサ（４）と、前記磁場の第２の成分を測定するように設計され構成された複数の第２の磁場センサと（５）、前記磁場の第３の成分を測定するように設計され構成された複数の第３の磁場センサ（３）とで構成され、前記磁場の前記第１の成分、前記第２の成分、および前記第３の成分は互いに直交しており、前記センサ平面に直角な方向から見て、前記第１の磁場センサ（４）および前記第２の磁場センサ（５）は基本的に中央に配置され、前記第３の磁場センサ（３）は、基本的に前記第１の磁場センサ（４）および前記第２の磁場センサ（５）の周りに配置されている
   ことを特徴とする生体磁場測定装置。
2. 第１の磁場センサ（４）の数は第２の磁場センサ（５）の数と等しい
   請求項１に記載の生体磁場測定装置。
3. 前記第１の磁場センサ（４）の各々と第２の磁場センサ（５）は、両方が基本的にソースの同一位置における前記磁場成分を測定するように、空間的に関連している
   請求項２に記載の生体磁場測定装置。
4. 磁場センサ（３、４、５）の前記アレイ（１）は、前記センサ平面に直角な方向から見て、基本的に円形、楕円形、矩形または多角形の形状を有する
   請求項１ないし３のいずれかに記載の生体磁場測定装置。
5. （ａ）磁場センサ（３、４、５）の前記アレイ（１）は、前記センサ平面に直角な方向から見て、基本的に円形であり、（ｂ）前記第１の磁場センサ（４）および前記第２の磁場センサ（５）は、前記アレイの基本的に円形の領域（６）内の中央に配置され、（ｃ）前記第３の磁場センサ（３）は、基本的に前記第１の磁場センサ（４）および前記第２の磁場センサ（５）の周りの円形の領域（７）内に配置されている
   請求項４に記載の生体磁場測定装置。
6. ６４個の磁場センサ（３、４、５）を備え、２４個の第１の磁場センサ（４）および２４個の第２の磁場センサ（５）が前記アレイの基本的に円形の部分内の中央に配置され、１６個の第３の磁場センサ（３）が、基本的に前記第１の磁場センサ（４）および前記第２の磁場センサ（５）を含む前記円形の領域（６）の周りの円形の領域（７）内に配置される
   請求項５に記載の生体磁場測定装置。
7. 前記生体磁場測定装置は心磁計である
   請求項１ないし６のいずれかに記載の生体磁場測定装置。

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