JP2020146408A - 磁場検出装置、生体磁場計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】生体の活動を高精度に推定する生体磁場検出システムに用いると好適な磁場検出装置を提供する。【解決手段】磁場検出装置１０Ｂは、被検者２００の頭部に装着される筐体３１と、被検者の頭部から発する磁場ベクトルを検出する複数の常温磁気センサ３０と、各々の常温磁気センサに対して設けられた、常温磁気センサの位置情報の検出に利用される位置情報検出部と、各々の常温磁気センサを筐体と機械的に連結し、各々の常温磁気センサを被検者の頭部の表面に対し一定方向に独立に移動可能とする可動機構５０と、を有する。【選択図】図２０

Description

本発明は、磁場検出装置及び生体磁場計測システムに関する。

脳の神経細胞は、電気信号の発生（発火）とのその伝達によって、脳機能を発現させる。その発火状態を観測することで、脳機能の研究、疾患の診断等が可能になると考えられている。てんかん等の異常な発火を起こす神経細胞がある場合、その神経細胞がどの位置に存在するかを非侵襲で観察することで、異常な神経細胞を摘出する手術が可能となる。

又、てんかんを起こす細胞をできるだけ正確に位置検出できれば、それ以外の神経細胞を無駄に摘出することがなくなり、患者にとってメリットが大きい。そのため、脳磁計を使い、できるだけ精度よく、信号源を推定することが望まれている。

又、てんかんの薬を飲むことによって、薬効がある場合には、その発火状態が変化することが知られている。それには個体差があることから、薬効判断に利用可能となる。

例えば、頭部全体にセンサを配置し、脳磁信号を取得してグラフ化し、薬効が起こる箇所が局在している領域を捉える検討が行われている。この局在している領域を正確に捉えることで、より精度のよい薬効判断ができる。つまりは、脳磁信号の高精度な位置推定が、薬効判断の精度を上げることになる（例えば、非特許文献１参照）。

そのため、生体の活動を高精度に推定する生体磁場検出システムに用いる磁場検出装置には、磁気センサの位置情報を高精度に検出可能な構造を備えることが求められている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、生体の活動を高精度に推定する生体磁場検出システムに用いると好適な磁場検出装置を提供することを目的とする。

本磁場検出装置は、被検者の頭部に装着される筐体と、前記被検者の頭部から発する磁場ベクトルを検出する複数の常温磁気センサと、各々の前記常温磁気センサに対して設けられた、前記常温磁気センサの位置情報の検出に利用される位置情報検出部と、各々の前記常温磁気センサを前記筐体と機械的に連結し、各々の前記常温磁気センサを前記被検者の頭部の表面に対し一定方向に独立に移動可能とする可動機構と、を有する。

開示の技術によれば、生体の活動を高精度に推定する生体磁場検出システムに用いると好適な磁場検出装置を提供できる。

生体磁場計測システムの全体構成を例示する図である。 情報処理装置のハードウェア構成を例示する図である。 磁気シールドボックスについて例示する図である。 磁気シールドルームについて例示する図（その１）である。 磁気シールドルームについて例示する図（その２）である。 頭部用の磁気シールドボックスについて説明する図である。 補助部材を例示する斜視図である。 加工前の補助部材を例示する図である。 補助部材の変形例を示す斜視図である。 磁気シールドボックスの側壁の構造を例示する図である。 ヘッドギヤ型の磁場検出装置の第１の例を示す側面図である。 ヘッドギヤ型の磁場検出装置の第１の例を示す上面図である。 ヘッドギヤ型の磁場検出装置の第２の例を示す側面図である。 ＯＰＭセンサの概略構成を例示する図である。 １つのセンサ固定部の近傍を拡大した模式図である。 マーカーとシールドと配線の位置関係を例示する図である。 マーカーについて説明する図である。 第１実施形態に係るヘッドギヤ３次元計測の手順を例示するフローチャートである。 常温磁気センサの位置の３次元計測について説明する図である。 ヘッドギヤ型の磁場検出装置の第３の例を示す側面図である。 図２０の可動機構近傍の拡大図である。 第２実施形態に係るヘッドギヤ３次元計測の手順を例示するフローチャートである。 ヘッドギヤ型の磁場検出装置の第４の例を示す側面図である。 図２３の可動機構近傍の拡大図である。 位置センサの検出システムについて説明する図である。 可動機構の他の例を示す図である。 可動機構の更に他の例を示す図である。 第３実施形態に係るヘッドギヤ３次元計測の手順を例示するフローチャートである。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

各実施形態では、ヘッドギヤを用いた生体磁場の３次元計測について説明するが、まず、各実施形態に共通する部分について説明する。

［生体磁場計測システムの全体構成］
まず、生体磁場計測システムの全体構成について説明する。図１は、生体磁場計測システムの全体構成を例示する図である。

図１に示すように、生体磁場計測システム４００は、磁場検出装置１０と、情報処理装置４１０と、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）撮像部４２０と、３次元計測部４３０と、表示装置４８０とを有する。

なお、生体磁場計測システム４００は、表示装置４８０を必要に応じて有すればよい。又、生体磁場計測システム４００は、必要に応じ、被検者の所定の部位に刺激を与える刺激装置を有してもよい。

情報処理装置４１０は、信号処理部４１１と、表示制御部４１２と、データ格納部４１３とを有する。

ＭＲＩ撮像部４２０は、被検者の頭部を撮像し、脳の３次元の構造形状のＭＲＩ画像データを生成する。ＭＲＩ撮像部４２０は、生成したＭＲＩ画像データを情報処理装置４１０に送信する。

ＭＲＩは一般的に人間ドックなどで利用されている１．５Ｔレベルのもので良く、解像度は１ｍｍ程度あればよい。Ｔ１やＴ２画像を利用することで、コントラストの明瞭なものを採用する。特に、脳の溝構造が明瞭に観察できればよく、脳の血管の構造は今回の目的には不要である。これにより、標準脳との比較や一般的な脳機能の脳地図との照らし合わせができる。

被検者の頭部を撮像する際に、耳や目等の位置マーカーになる部分も計測する。又、ＭＲＩの計測の際にマーカーとなるビタミン材等を被検者の顔面に配置する。磁場検出装置１０による計測の際には、被検者の顔面のビタミン材等のマーカー位置と同一位置に、磁気を発生させる磁気マーカーを設置する。これにより、ＭＲＩ画像と磁場検出装置１０の計測データの頭部座標とを一致させることができる。そのために、ビタミン材を添付する位置には、事前にペンなどで皮膚にマーキングしておく。

３次元計測部４３０は、被検者の頭部に装着されたヘッドギヤ型（頭部装着型）の磁場検出装置１０に設置された複数の常温磁気センサの位置を測定する。３次元計測部４３０は、センサ位置データを情報処理装置４１０に送信する。

磁場検出装置１０は、磁気マーカーの発する磁場を計測し、計測結果を情報処理装置４１０に送信する。又、磁場検出装置１０は、脳磁計測を実行し、計測結果を情報処理装置４１０に送信する。脳磁計測の際には、必要に応じて、刺激装置による刺激が被検者に与えられる。磁場検出装置１０の詳細については後述する。

情報処理装置４１０の信号処理部４１１は、様々な信号処理が可能である。信号処理部４１１は、例えば、磁場検出装置１０による磁気マーカーの発する磁場の計測結果に基づいて、磁気マーカーの位置を逆問題推定等により検出し、検出結果をデータ格納部４１３に格納する。

又、信号処理部４１１は、例えば、ＭＲＩ撮像部４２０から送信されたＭＲＩ画像データ、３次元計測部４３０から送信されたセンサ位置データ、磁気マーカーの位置の検出結果等に基づいて、磁場検出装置１０の常温磁気センサの頭部座標とＭＲＩ画像の頭部座標とを整合させ、整合結果をデータ格納部４１３に格納する。

又、信号処理部４１１は、例えば、磁場検出装置１０による脳磁計測の計測結果をデータ格納部４１３に格納する。

表示制御部４１２は、データ格納部４１３に格納された所定データを読み出し、表示装置４８０に表示用の信号を送信する。表示装置４８０は、表示制御部４１２の信号に基づいて、例えば、脳磁計測の結果を表示する。表示装置４８０は、例えば、液晶ディスプレイ等である。

データ格納部４１３は、各種プログラムや、各種プログラムが実行されることで取得される情報を格納する記憶デバイスである。

図２は、情報処理装置のハードウェア構成を例示する図である。図２に示すように、情報処理装置４１０は、主要な構成要素として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１５０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１５０２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１５０３と、Ｉ／Ｆ（Interface）１５０４と、バスライン１５０５とを有している。ＣＰＵ１５０１、ＲＯＭ１５０２、ＲＡＭ１５０３、及びＩ／Ｆ１５０４は、バスライン１５０５を介して相互に接続されている。情報処理装置４１０は、各種制御対象や各種センサ等と接続されている。情報処理装置４１０は、必要に応じ、他のハードウェアブロックを有しても構わない。

ＣＰＵ１５０１は、情報処理装置４１０の各機能を制御する。記憶手段であるＲＯＭ１５０２は、ＣＰＵ１５０１が情報処理装置４１０の各機能を制御するために実行するプログラムや、各種情報を記憶している。記憶手段であるＲＡＭ１５０３は、ＣＰＵ１５０１のワークエリア等として使用される。又、ＲＡＭ１５０３は、所定の情報を一時的に記憶できる。Ｉ／Ｆ１５０４は、他の機器等と接続するためのインターフェイスであり、例えば、外部ネットワーク等と接続される。

情報処理装置４１０は、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、所定の機能を実行するよう設計されたＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＤＳＰ（digital signal processor）、ＦＰＧＡ（field programmable gate array）、ＳＯＣ（System on a chip）、又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）であってもよい。又、情報処理装置４１０は、回路モジュール等であってもよい。

［磁気シールド］
次に、磁場検出装置１０を用いた生体磁場計測に用いる磁気シールドボックス、磁気シールドルームについて説明する。

脳の電気信号は、頭皮表面でも数ｐＴと、非常に微弱である。地磁気で数十μＴ、商業電源のノイズでも数１００ｎＴは存在する。そこで、これらのノイズを低減するために、磁場検出装置１０を用いた生体磁場計測は、下記のような磁気シールドボックス内や磁気シールドルーム内で行われる。

図３は、磁気シールドボックスについて例示する図である。図３に示すように、磁気シールドボックス１００は、可搬型であり、被検者２００の頭部のみを囲う形状である。磁気シールドボックス１００は、被検者２００が座位で生体磁場計測を行うものであり、椅子１１５を含めて可搬性を持たせるために、車輪１１７を備えている。磁気シールドボックス１００に加え、被検者２００の体部を囲う磁気シールドボックス１１０を配置してもよい。図３の例では、体部の磁気シールドボックス１１０は椅子１１５を含めてシールドを行う構造としている。

図４は、磁気シールドルームについて例示する図（その１）である。図４に示すように、磁気シールドルーム１２０内に被検者２００の体全体を入れて生体磁場計測を行ってもよい。なお、図４では被検者２００が座った状態であるが、この状態で、磁場検出装置１０の筐体を上部支柱１２５によって上方に吊り上げることができる。

このように、生体磁場計測システム４００は、被検者２００を座った状態に保持する保持部となる椅子や支柱等を有し、磁場検出装置１０の筐体は、保持部に設けられた上部支柱１２５等によって吊り上げられてもよい。

磁場検出装置１０の重さを被検者２００が全て支えると、頭部に荷重がかかることで、首等の筋肉が緊張し、ノイズの発生要因となる。磁場検出装置１０を上部支柱１２５で支えることで、被検者２００には荷重がかからない。又、被検者２００の頭部の重さも支持できるため、被検者２００は自身の頭部の重さを支持することなく、首の筋肉を緊張させることはない。その結果、ノイズの発生要因を除去できる。

図５は、磁気シールドルームについて例示する図（その２）である。図５に示すように、磁気シールドルーム１３０内に被検者２００の体全体を入れて、かつ磁気シールドルーム１３０内に配置されたベッド１３５に被検者２００が横になった状態で生体磁場計測を行うことができる。

このように、生体磁場計測システム４００は、被検者２００を仰向けに寝た状態に保持する保持部となるベッド１３５等を有してもよい。

座った状態では、てんかんや脳卒中等の重篤な患者の計測が困難である。重篤な患者が無理をして座った場合、頭部を安定して静止させることが困難であるため安静状態とはならず、正しい計測ができない。又、大量の筋肉信号ノイズが発生する。

筋肉の信号は、骨格筋等を筋細胞が発生させる磁場であり、一般的に数ｐＴを超える大きなものとなる。脳神経の磁場信号は１００ｆＴ程度であるため、ノイズとしては除去が難しい。

特に、眼球や首等の頭部に設置した常温磁気センサに近い部分の筋肉の信号が、最も大きなノイズとなる。又、頭皮にも筋肉が存在しており、その筋肉は、常温磁気センサと脳の神経細胞の間に存在することから、ノイズとしても大きい。

頭皮に存在する筋肉細胞は、繊維状であり、その繊維方向に向けて、電流が流れることが推定される。これは一般的な太ももなどの骨格筋では知られている。常温磁気センサは、頭部に配置されており、その繊維状に発生する信号を検出できる。そのため、その信号は、通常の脳神経のとは異なることを検出して除去可能ではあるが、計算コストが大きくなりできるだけ低減する方法を選択することが望まれる。

生体磁場計測システム４００では、被検者が仰向けに寝た状態でも容易に磁場計測ができるため、このような問題を解消し、重篤な患者の磁場計測が可能である。

以下では、頭部用の磁気シールドボックスについて、更に詳しく説明する。

図６は、頭部用の磁気シールドボックスについて説明する図である。図６に示すように、頭部用の磁気シールドボックス１００は、略円筒状であり、被検者２００の頭部を出し入れするための開閉部１０１を有する開閉式の構造である。被検者２００の首が通る部分には略円形状の開口部１０２が設けられており、開口部１０２の近傍にはキャンセルコイル１０３を設置している。

キャンセルコイル１０３は、地磁気レベルの数μＴに対抗する磁場を発生させるために、例えば、１０ターンとして、数1０ｍＡで電流が流せるような配線とする。磁気シールドボックス１００は、被検者２００の頭部を囲える程度の大きさであればよく、例えば、直径が３００ｍｍ、長さ（高さ）が４００ｍｍ程度である。開口部１０２は、できるだけ狭い方が残留磁場を低減できる。そのため、被検者２００に合わせて、被検者２００の首周りに取り付けるための、磁気シールドの補助部材を準備することが好ましい。

図７は、補助部材を例示する斜視図である。図７（ａ）に示す補助部材６５０は、中央に首を挿入する挿入穴６５１が設けられたドーナッツ状の部材である。補助部材６５０は、柔軟な材料から形成されている。挿入穴６５１の直径はφ１である。図７（ｂ）に示す補助部材６５０は、図７（ａ）と同様の構造であるが、挿入穴６５１の直径φ２が直径φ１よりも小さく形成されている。

このように、挿入穴６５１の直径が異なる複数の補助部材６５０を準備することで、被検者２００の首と挿入穴６５１の内壁との隙間を小さくできるため、外界から磁気シールドボックス１００の内部に入り込むノイズを大幅に低減できる。その結果、磁気シールドボックス１００のシールド性能を向上できる。もちろん、３種類以上の補助部材６５０を準備してもよい。

図８は、加工前の補助部材を例示する図である。補助部材６５０は、例えば、図８に示すような可撓性のアモルファス金属箔６５３の短冊と弾性体６５５の短冊とを積層した積層物を円環状に変形させた構造である。

アモルファス金属箔６５３は、例えば、数１０μｍ程度の厚さである。アモルファス金属箔６５３としては、例えば、日立金属製のファインメット（商標）を用いることができる。弾性体６５５は、例えば、化学繊維を織り込んだ布のようなものや、ゴムのようなものや、発泡スチロールのような軽量なもの等、様々な選択肢があるが、被検者の首に接触することもあり、弾力性のある布を選択することが好ましい。アモルファス金属箔６５３と弾性体６５５を順次積層することで、基材となる弾性体６５５の間にアモルファス金属箔６５３が保持された柔軟な構造を形成できる。

従来のシールド部材は例えばパーマロイのように金属を結晶化した材料を利用しており、非常に硬い。それに対し、アモルファス金属箔６５３は、薄くとも透磁率は非常に高く、そのシールド性能が高い。アモルファス金属箔６５３は、アモルファス化した高温状態から急激に冷やすことで、結晶化することなくアモルファス状態を維持したまま硬化する。急激に冷やすために、数１０μｍ程度の薄いものが形成できる。

図９は、補助部材の変形例を示す斜視図である。図９に示すような蛇腹状の補助部材６５０Ａを用いてもよい。磁気シールドボックス１００の開口部１０２近傍に蛇腹状の補助部材６５０Ａを設けることで、挿入穴６５１に首を挿入する際に、補助部材６５０Ａが首に習う形で変形できる。これにより、被検者の肉体的ストレスが低減できると共に、被検者の個体差を吸収できる。

なお、蛇腹状の補助部材６５０Ａは、例えば、アモルファス金属箔６５３と弾性体６５５との積層物を複数組作製し、各組の積層物の一方側のみを固定し、他方側をフリーにすることで形成できる。

磁気シールドボックス１００の側壁は、可搬性をできるだけ上げるため、又、重量をできるだけ低減するために、一般的な高透磁率のパーマロイを使うことなく、アモルファス金属箔をＰＥＴフィルム基盤材料で挟み込んだファインメット（商標）を利用することが好ましい。

具体的には、図１０に示すように、厚さが１０ｍｍ程度の発泡スチロール６５７にアモルファス金属箔６５８（ファインメット）を１層接着したペアを複数ペア積層した構造が挙げられる。隣接するアモルファス金属箔６５８の間隔Ｌは、例えば、１ｍｍである。

図１０のような構造により、単純にファインメットを積層した場合に比べ、軽量で、かつ高いシールド性能を発揮できる。なお、図１０の例では発泡スチロール６５７とアモルファス金属箔６５８が６ペアであるが、これには限定されない。

〈第１実施形態〉
（ヘッドギヤ型の磁場検出装置_短冊型）
まず、第１実施形態に係る磁場検出装置について説明する。第１実施形態に係る磁場検出装置１０は、被検者の頭部に装着するヘッドギヤ型の磁場検出装置である。

ヘッドギヤは、子供用から大人用まで、例えば、１０種類程度を頭囲の大きさ別に準備することが好ましい。例えば、大人用には、帽子の種類と同様に、小さい方から、Ｓ、Ｍ、Ｌ、２Ｌ、及び３Ｌの５種類を準備する。具体的には、例えば、被検者の頭部の形状を考慮し、頭囲２ｃｍ刻みで作り分ける。

ヘッドギヤの素材は、例えば、ポリエステル等の化学繊維である。ヘッドギヤ及びセンサ固定部等の全ての部材には、反射光が小さくなるように、３次元カメラに映る可能性がある部分に、つや消し処理を施すことが好ましい。これにより、３次元カメラに映りにくくなり、ノイズ成分を低減できる。

ヘッドギヤは、柔軟性があり、接触面には起毛させた柔らかな繊維が触れるように工夫されている。又、ヘッドギヤは、センサがしっかり固定されるように、センサ固定部がポリカーボネイト等の樹脂で成形されている。センサの位置が計測中に移動しないように、ヘッドギヤには適切な硬さがあり、かつ、設置する際には柔軟にある程度、個体差がある人の頭部形状に倣うような機能を有している。

図１１は、ヘッドギヤ型の磁場検出装置の第１の例を示す側面図である。図１２は、ヘッドギヤ型の磁場検出装置の第１の例を示す上面図である。図１１及び図１２を参照しながら、ヘッドギヤ型の磁場検出装置１０について、より具体的に説明する。

図１１及び図１２を参照すると、磁場検出装置１０は、頭頂部１１と、複数の経線短冊１２と、複数の緯線リング１３と、ベルト１４と、複数の軸１５とを有する短冊型である。複数の経線短冊１２と複数の緯線リング１３とが互いに交差するように配置されて、磁場検出装置１０の骨組みがなされている。経線短冊１２及び緯線リング１３のそれぞれの素材は、例えば、厚さ１ｍｍ程度、幅１０ｍｍ程度のポリカーボネイトである。なお、経線短冊１２及び緯線リング１３の個数は、必要に応じ、任意に決定できる。

各経線短冊１２は、一端が略円形の頭頂部１１の外周付近に固定されており、他方は頭頂部１１から下方に垂らして全体として半球体の一部を形成するように放射状に配置されている。各経線短冊１２は、経線短冊１２自体が、例えば、直径２０ｃｍ程度の曲率を持っており、この曲率は応力をかけることによって１０%程度の変形が可能である。

経線短冊１２の剛体によって、磁場検出装置１０は、多少の振動があっても、形状が変形することがない。又、首にかけるベルト１４によって、経線短冊１２の他端側が下方に引き下げられる。この応力によって、経線短冊１２の曲率は１０%程度変形し、被検者２００の頭部の形状にしっかりフィットできる。

円形のリング状である各緯線リング１３は、経線短冊１２を横断するように所定間隔で配置され、それぞれの経線短冊１２と固定されている。固定部分は可動できる機構となっている。具体的には、略縦方向に配置された経線短冊１２と略横方向に配置された緯線リング１３の交差する部分の中央部に互いが回転できるような軸１５を有し、約１０°程度の回転が可能である。

磁場検出装置１０の左右は、耳の付近に先端（下端）が位置するように作製されている。磁場検出装置１０の前後は、眉の付近に先端（下端）が位置するように作製されている。磁場検出装置１０には、複数のセンサ固定部（後述）が設置されている。センサ固定部は、例えば、隣接する軸１５の間に配置できる。センサ固定部の個数は、特に限定されないが、例えば、５０〜８０個程度設けることができる。以降、一例として、センサ固定部の個数は６４個とする。

（ヘッドギヤ型の磁場検出装置_水泳キャップ型）
図１３は、ヘッドギヤ型の磁場検出装置の第２の例を示す側面図である。図１３を参照すると、磁場検出装置１０Ａは、被検者の頭部に装着する磁場検出装置であって、メッシュ状のベース２１の表面にセンサ固定部２２を設置した水泳キャップ型である。センサ固定部２２は、例えば、ほぼ等間隔に、約３０ｍｍピッチで縦横に配置される。各々のセンサ固定部２２には、常温磁気センサ３０が固定されている。

磁場検出装置１０Ａにおいて、ベース２１は、例えば、細いゴム繊維をベースに編まれており、１.５倍近く伸び縮みするゴム弾性を有している。これによって、被検者２００の頭部の形状にしっかりフィットできる。又、磁場検出装置１０Ａにも、例えば、１０タイプの大きさを準備し、利用の際に被検者が適切なサイズを選択する。

（常温磁気センサ）
常温磁気センサ３０は、被検者の頭部から発する磁場ベクトルを検出するセンサである。常温磁気センサ３０において、樹脂製の筐体及び配線は黒である。これは３次元計測の際の反射光を少なくするためである。常温磁気センサ３０としては、例えば、光ポンピング原子磁気センサ（ＯＰＭ：Optically Pumped atomic Magnetometer）を使用できる。以下、光ポンピング原子磁気センサをＯＰＭセンサと称する場合がある。

ＯＰＭセンサとしては、例えば、Ｑｕｓｐｉｎ社製のＧｅｎ２．０を使用できる。Ｇｅｎ２．０の外形寸法は、１２ｍｍ×１６ｍｍ×２４ｍｍの直方体であり、この上面から約１０ｍｍ幅の配線が出されている。

ここで、ＯＰＭセンサについて、より詳しく説明する。図１４は、ＯＰＭセンサの概略構成を例示する図である。図１４に示すように、ＯＰＭセンサは、ルビジウム原子のガスセルに、レーザビームを入射し、ガスセルを透過したレーザビームを、光検出器で検出する。ガスセルを透過するレーザビームは、Ｙ_０軸方向又はＺ_０軸方向に発生した磁場の大きさに応じて、吸収されるため、Ｙ_０軸方向又はＺ_０軸方向に磁場が発生すると、光検出器で検出されるレーザビームの強度は低下する。

このため磁場が発生していない状態で、光検出器で検出されたレーザビームの強度と、磁場が発生している状態で、光検出器で検出されたレーザビームの強度とを対比することで、磁場の大きさを算出できる。なお、ガスセルの周囲には、コイルが巻かれており、適切な交流電流が印加される。

このように、ＯＰＭセンサは、レーザビームの入射方向（光伝播方向）と略直交する方向の磁場を検出できる。本実施形態では、レーザビームの入射方向と略平行な方向を、Ｘ_０軸方向とし、レーザビームの入射方向と略直交する方向を、それぞれ、Ｙ_０軸方向、Ｚ_０軸方向とおく。

ガスセルは、例えば、筐体表面から約６ｍｍの位置に配置されており、この箇所の磁場を検出する。以下、ガスセルと記した場合、検出位置としての意味合いを持つ。

常温磁気センサ３０としてＯＰＭセンサを用いることで、高感度な磁場検出が可能となる。すなわち、ＭＩ（Magneto-Impedance element）センサやＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）センサ等では実現できない神経の磁場信号を検出できる。

（センサ固定部）
図１５は、１つのセンサ固定部の近傍を拡大した模式図である。図１５に示すように、センサ固定部２２は、筒状部２２１と、ヘッドギヤ固定部２２２と、センサ固定ピン２２３とを有している。センサ固定部２２の筒状部２２１、ヘッドギヤ固定部２２２、及びセンサ固定ピン２２３は、例えば、ポリカーボネイト等の樹脂によって成形加工されたものである。

筒状部２２１は、常温磁気センサ３０の形状に合わせて形成された筒状の部分であり、常温磁気センサ３０が挿入される。筒状部２２１の長手方向の一方の側には、筒状部２２１の外周側に突出するヘッドギヤ固定部２２２が設けられている。なお、筒状部２２１の外周面を囲むように、シールド２５を設けることが好ましい。

ヘッドギヤ固定部２２２には、ビス挿入用の貫通孔２２４が形成されている。センサ固定部２２は、例えば、貫通孔２２４に挿入された２本のプラスチック製のビス２３Ａ及び２３Ｂにより、回転による変動がないように磁場検出装置１０Ａのベース２１に固定できる。

センサ固定部２２は、常温磁気センサ３０を固定できるように設計されている。常温磁気センサ３０は、例えば、センサ固定ピン２２３によってセンサ固定部２２に固定できる。なお、常温磁気センサ３０には、配線３５が接続されている。

例えば、センサ固定部２２に常温磁気センサ３０を押し込み、ある程度挿入されたところで、センサ固定ピン２２３が自動的に常温磁気センサ３０に引っかかる機構を採用できる。この場合、センサ固定部２２に単に常温磁気センサ３０を押し込むだけで、設置作業が完了する。

なお、常温磁気センサ３０の数が６４個と多いため、磁場検出装置１０Ａをマネキン等の設置場所に固定して各センサ固定部２２に常温磁気センサ３０を取り付け、その後に、常温磁気センサ３０が固定された磁場検出装置１０Ａのベース２１を被検者２００の頭部に装着する手順が好ましい。

実際の計測の際には、呼吸や心拍等を含めて、体動が最も大きなアーチファクトとなる。アーチファクトは除去できないが、その影響ができるだけ小さくなるように、被検者２００の頭部、ベース２１、及びセンサ固定部２２が１つの剛体となるように、センサ固定部２２を磁場検出装置１０Ａのベース２１に固定することが好ましい。

体動等の影響によって、磁場検出装置１０Ａがずれないように、磁場検出装置１０Ａのゴム弾性による締め付けはある程度強くする必要がある。しかし、あまり強すぎると、頭皮への圧迫があり、被検者２００に不快な思いをさせると同時に、皮膚表面の筋肉繊維からの筋電がノイズとなる問題も起きる。適切な締め付けが重要なファクターである。

なお、各々の常温磁気センサ３０の上面側（ベース２１から遠い方の側）には、常温磁気センサ３０の位置測定に用いるマーカー４０が設置されている。マーカー４０は、各々の常温磁気センサ３０に２個以上設置されていることが好ましく、３個以上設置されていることがより好ましい。

図１６は、マーカーとシールドと配線の位置関係を例示する図である。なお、図１６では、センサ固定部２２の図示は省略されている。図１６に示すように、マーカー４０は、３次元計測の際に３次元カメラによる観察を可能とするために、最も上の面に配置される必要がある。ここでは、マーカー４０は、常温磁気センサ３０の上面に配置されている。

又、配線３５は、電気信号が流れることよって、ノイズを発生させる。そのため、頭皮及び常温磁気センサ３０からできるだけ離すことが望ましい。常温磁気センサ３０がＯＰＭセンサである場合、ガスセル３０１を有するため、配線３５をガスセル３０１からできるだけ離すことが望ましい。

配線３５は、６４個の常温磁気センサ３０の各々に接続されているため本数が多く、又、シールドルームの外まで出すために、数ｍと非常に長い。配線３５は、例えば、図１６のように常温磁気センサ３０の上端面に合わせて這わせることができる。配線３５と常温磁気センサ３０との間には、シールド２５を設けることが好ましい。シールド２５としては、例えば、ファインメット等を用いることができる。

（常温磁気センサの位置検出）
図１７は、マーカーについて説明する図である。ここでは、各々の常温磁気センサ３０に３点のマーカー４０を設置する例を示す。

図１７に示すように、各々の常温磁気センサ３０の筐体の上面３０ａには、３点のマーカー４０が、上面３０ａの法線方向から視たときに（すなわち、被検者の頭部の表面の法線方向から視たときに）、３角を形成するように配置されている。１つの常温磁気センサ３０に４点以上のマーカー４０を設置してもよい。

マーカー４０は、どちらからの光も散乱させる完全散乱体であることが好ましい。マーカー４０は、先端側（常温磁気センサ３０の上面３０ａから離れる側）に、例えば直径４ｍｍの半球部分を有する。

１つの常温磁気センサ３０の筐体の上面３０ａに３点のマーカー４０を設置することで、３か所のｘ、ｙ、ｚの位置座標のデータから、筐体の６軸（ｘ、ｙ、ｚ、Θｘ、Θｙ、Θｚ）のデータへ変換できる。３か所のマーカー４０の位置座標を（ｘ１、ｙ１、ｚ１）、（ｘ２、ｙ２、ｚ２）、（ｘ３、ｙ３、ｚ３）とすると、この３点によって形成される３角面４０Ｔを定義できる。又、３角面４０Ｔの法線ベクトルＶが定義でき、これが（Θｘ、Θｙ、Θｚ）となる。

又、３角面４０Ｔの重心が定義できるために、（ｘ、ｙ、ｚ）の位置座標を得ることができる。３つマーカー４０の位置座標からセンサの６次元データ（ｘ、ｙ、ｚ、Θｘ、Θｙ、Θｚ）を得る方法は、データの数が最小ですむため計算コストを最小限にできる。但し、常温磁気センサ３０の位置（ｘ、ｙ、ｚ、Θｘ、Θｙ、Θｚ）は、常温磁気センサ３０の筐体の下面３０ｂの重心位置である。

なお、マーカーとは、常温磁気センサ３０の位置を示す部材であり、３次元計測部４３０が常温磁気センサ３０の位置を測定する際に、常温磁気センサ３０のセンサ位置データを取得するために使用する。このような目的で使用可能であれば、マーカーという名称でない部材であっても、本実施形態に係るマーカーに含まれる。又、他の機能を有する部材あっても、３次元計測部４３０が常温磁気センサ３０の位置を測定する際に、常温磁気センサ３０のセンサ位置データを取得するために使用可能であれば、名称の如何を問わず本実施形態に係るマーカーに含まれる。

例えば、図１７において、上面３０ａに突起物があり、それに２つのマーカー４０を追加して実質的に３つのマーカーとして使用可能であれば、この突起物もマーカーである。

（ヘッドギヤ３次元計測）
次に、ヘッドギヤを用いた３次元計測の手順について説明する。図１８は、第１実施形態に係るヘッドギヤ３次元計測の手順を例示するフローチャートである。

まず、ステップＳ１では、医師等は、マーカーとなるビタミン材等を被検者の顔面に配置する。その後、医師等がＭＲＩ撮像部４２０を操作し、ＭＲＩ撮像部４２０は、被検者の頭部を撮像して脳の３次元の構造形状のＭＲＩ画像データを生成する。ＭＲＩ撮像部４２０は、生成したＭＲＩ画像データを情報処理装置４１０に送信する。なお、ＭＲＩ撮像部４２０は、被検者の耳や目等の位置マーカーになる部分も撮像する。又、ＭＲＩ撮像部４２０は、計測の前に配置したマーカーとなるビタミン材等も撮像する。なお、ビタミン材等を配置する位置には、事前にペン等で皮膚にマーキングしておく。

次に、ステップＳ２では、医師等は、被検者に磁気マーカーを設置する。具体的には、ステップＳ１で配置したマーカーとなるビタミン材等と同じ位置（事前にペン等で皮膚にマーキングした位置）に、磁気を発生させる磁気マーカーを設置する。

次に、ステップＳ３では、医師等は、被検者の頭囲を計測し、適切な大きさのヘッドギヤ型の磁場検出装置１０又は１０Ａを選択する。ここでは、磁場検出装置１０Ａを選択したものとする。なお、この時点では、磁場検出装置１０Ａの各センサ固定部２２に常温磁気センサ３０は設置されていない。

次に、ステップＳ４では、医師等は、選択した磁場検出装置１０Ａを被検者の頭部に装着し、磁場検出装置１０Ａの中央部に設置しているマーカーが眉間中央になること目視で確認する。次に、ステップＳ５では、磁場検出装置１０Ａの各センサ固定部２２に常温磁気センサ３０を設置する。

但し、上記のステップＳ４及びＳ５に代えて、磁場検出装置１０Ａの各センサ固定部２２に常温磁気センサ３０を取り付け、その後に、常温磁気センサ３０が固定された磁場検出装置１０Ａを被検者２００の頭部に装着してもよい。

次に、ステップＳ６では、医師等が３次元計測部４３０を操作し、３次元計測部４３０は、被検者の頭部に装着された磁場検出装置１０Ａに設置された複数の常温磁気センサ３０の位置を測定する。３次元計測部４３０は、各常温磁気センサ３０に設置された複数のマーカー４０を撮像することで常温磁気センサ３０の位置を測定する。３次元計測部４３０は、センサ位置データを情報処理装置４１０に送信する。

常温磁気センサ３０の位置（マーカー４０の位置）の３次元計測には、モーションキャプチャ用の複数台の３次元カメラを用いる手法や、静止形状用のハンディーなステレオカメラタイプを用いる手法等、いくつもの手法が存在する。例えば、ハンディーなステレオカメラタイプを用いる手法であるＡｒｔｅｃ社製のＥｖａを選択できる。Ｅｖａは、解像度が０．５ｍｍで角度範囲３０°×２１°であり、重量が０．８５ｋｇと軽い。

例えば、図１９に示すように、被検者２００の頭部の周囲に複数のステレオカメラ２５０を配置し、常温磁気センサ３０の位置の３次元計測を行う。常温磁気センサ３０に３か所のマーカー４０を設置する場合、常温磁気センサ３０が６４個あると、マーカー４０は１９２個となる。ステレオカメラ２５０で複数個所から計測することで、配線３５等が邪魔で計測できないマーカー４０はなくなる。

次に、ステップＳ７では、医師等は、磁気マーカーのコイルに特定周波数の電流を流す。そして、磁場検出装置１０Ａは、磁気マーカーの発する磁場を計測し、計測結果を情報処理装置４１０に送信する。

次に、ステップＳ８では、信号処理部４１１は、磁場検出装置１０Ａによる磁気マーカーの発する磁場の計測結果に基づいて、磁気マーカーの位置を逆問題推定等により検出し、検出結果をデータ格納部４１３に格納する。

次に、ステップＳ９では、信号処理部４１１は、ＭＲＩ撮像部４２０から送信されたＭＲＩ画像データに含まれるビタミン材等の位置と、３次元計測部４３０から送信されたセンサ位置データと、磁気マーカーの位置の検出結果とに基づいて、磁場検出装置１０Ａの常温磁気センサ３０の頭部座標とＭＲＩ画像の頭部座標とを整合させ、整合結果をデータ格納部４１３に格納する。

次に、ステップＳ１０では、目的である磁場検出装置１０Ａによる脳磁計測を実施する。計測の合間に、磁場検出装置１０Ａは磁気マーカーの位置を検出し、被検者の頭部と常温磁気センサ３０との位置がずれていないことを確認する。

（脳波計と脳磁計）
従来の脳波計は、白灰質の表面近傍のトポグラフ的な情報を得ることを主目的としているため、センサ部（電極）の電位のスカラー量だけを検出している。つまり、従来の脳波計で計測される電場はベクトル情報がなく、強度情報のみであった。

これに対し、脳磁計ではダイポールの位置を３次元的に推定することが主目的である。つまり、脳波計と脳磁計とは目的が異なるため、脳磁計ではセンサ部の磁場のベクトル量を検出することが望まれる。但し、ここで、磁場ベクトルとは、磁場の強度及びその方向の情報を検出することを意味している。

本実施形態に係る磁場検出装置は、磁場のベクトル情報を検出する常温磁気センサ３０を有している。そして、常温磁気センサ３０に、例えば３つのマーカー４０が設置されている。そのため、マーカー４０を３次元計測することで、それぞれの３次元位置情報を得ることができる。この相対値より３つのマーカー４０によって形成される３角面４０Ｔを定義でき、更に３角面４０Ｔの法線ベクトルＶが定義できる。これにより、常温磁気センサ３０の６次元情報（ｘ、ｙ、ｚ、Θｘ、Θｙ、Θｚ）を得ることが可能となる。その結果、逆問題推定（後述）における推定精度を飛躍的に向上できる。

（マーカーの個数について）
以上のように、１つの常温磁気センサ３０には３つ以上のマーカー４０を設置することが好ましい。しかし、１つの常温磁気センサ３０に２つのマーカー４０を設置する場合にも、以下に示すような一定の効果が得られる。

すなわち、１つの常温磁気センサ３０に２つのマーカー４０が設置されていることにより、軸と位置とが定義できる。

例えば、常温磁気センサ３０を支柱等により被検者の頭部の頭皮と略垂直方向に移動可能に構成し、常温磁気センサ３０が移動する軸上に２つのマーカー４０を設置することが考えられる。この２つのマーカーと設計図により、既知の距離に常温磁気センサ３０の計測部を定義できる。例えば、常温磁気センサ３０がＯＰＭセンサであれば、レーザ光の光軸でアルカリ金属が封入されているガスセルの中央点が計測部である。

つまり、マーカー４０が２点あれば、計測点が定義できる。又、マーカーが２か所設置されていることにより、常温磁気センサ３０が移動できる方向軸を定義できる。この方向軸に対し、垂直に移動できるようにスライドのガイドが付いた筐体を頭部に装着することで、そのスライド方向に移動する常温磁気センサ３０の位置を特定できる。

汎用性を持たせるように、筐体は頭部の大きい人に合わせて作り、常温磁気センサ３０をスライドさせることで、被検者２００の頭部に合わせる。これにより、常に、被検者２００の頭部にフィットした位置に常温磁気センサ３０を配置できる。また、２つのマーカー４０の位置を３次元カメラで検出することで、常温磁気センサ３０の位置も正確に測長可能となる。正確な常温磁気センサ３０の位置が分かることで、常温磁気センサ３０が検出した脳磁信号から、その信号源がどの位置にあるのかを正確に推定できる。

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、第１実施形態とは異なるヘッドギヤ型の磁場検出装置の例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

（ヘッドギヤ型の磁場検出装置_筐体型）
図２０は、ヘッドギヤ型の磁場検出装置の第３の例を示す側面図である。図２０を参照すると、磁場検出装置１０Ｂは、被検者の頭部に装着する磁場検出装置であって、筐体３１と、常温磁気センサ３０と、可動機構５０と、マーカー４１とを有している。筐体３１は、例えば、厚さ１０ｍｍ程度の樹脂製の変形しない剛体で形成されている。筐体３１の内側は、被検者の頭部全体を覆う形になっている。マーカー４１は、常温磁気センサ３０の位置情報の検出に利用される位置情報検出部の代表的な一例である。

図２１は、図２０の可動機構近傍の拡大図である。図２０及び図２１を参照すると、筐体３１には、1つの常温磁気センサ３０に１つの割合で可動機構５０（シリンダー）が設けられている。可動機構５０は、固定部５０１と、支柱５０２と、支柱受け５０３と、ゴムパッキン５０４とを有するシリンダーである。

可動機構５０において、円筒形の固定部５０１が筐体３１の外面に固定されている。固定部５０１は、圧力調整弁５０５を介して圧縮空気が導入される内部空間を有している。固定部５０１の内部空間の長手方向の略中央部には、可動部である細長状の支柱５０２が挿入されている。

支柱５０２は、固定部５０１の内部空間の筐体３１側に設けられた支柱受け５０３、及び内部空間の略中央に設けられたゴムパッキン５０４に支持されている。支柱受け５０３は、摺動性が良い非磁性体の材料によりに成形されいる。例えば、支柱５０２及び支柱受け５０３は、チタン等の非磁性体の金属等で作製され、グリース等を適切に添加することで摺動性を得ている。

支柱５０２の一端は、固定部５０１の上面から筐体３１の外側に突出し、突出部の先端には、常温磁気センサ３０の位置測定に用いるマーカー４１が設置されている。支柱５０２の他端は、筐体３１を貫通して、筐体３１の内面から突出し、突出部の先端には常温磁気センサ３０が固定されている。なお、筐体３１の外面にも複数のマーカー４１が設置されており、筐体３１の位置及び回転角の６次元のデータを取得可能である。

各々の常温磁気センサ３０は、筐体３１の内側（すなわち、被検者の頭部と対向する側）に配置されている。常温磁気センサ３０及びマーカー４１は、支柱５０２と共に筐体３１の外面に対して垂直な方向に移動する。つまり、支柱５０２及び常温磁気センサ３０の筐体３１に対する相対位置を反映して、マーカー４１の位置が決まる。又、支柱受け５０３の存在により、支柱５０２は１軸方向にしか移動しない。

筐体３１、常温磁気センサ３０、マーカー４１、及び支柱５０２等の３次元の設計図データは、情報処理装置４１０のデータ格納部４１３に記録されている。支柱５０２の１軸のベクトル方向も、筐体３１の設計図データの一部として、情報処理装置４１０のデータ格納部４１３に記録されている。

圧力調整弁５０５を介して固定部５０１の内部空間に圧縮空気が導入されると、支柱５０２は被検者の頭部側に押し出される。これにより、押し出された支柱５０２の先端に設けられた常温磁気センサ３０が被検者の頭部に密着する。

このとき、常温磁気センサ３０は、被検者の頭部から抗力を受ける。この抗力によって被検者の頭部に痛みが出ない程度に、かつ、頭部を支えられる程度に、圧縮空気の空気圧を圧力調整弁５０５で微調整する。各々の常温磁気センサ３０は、被検者の頭部に略同一圧力で接触可能である。ここで、略同一圧力とは、被検者の頭部に痛みが出ずに頭部を支えられる状態を維持できる程度であれば、各々の常温磁気センサの圧力がばらつく場合も含む意図である。

（ヘッドギヤ３次元計測）
図２２は、第２実施形態に係るヘッドギヤ３次元計測の手順を例示するフローチャートである。図２２に示すように、磁場検出装置１０Ｂを用いた３次元計測の手順については、磁場検出装置１０Ａの場合（図１８参照）とほぼ同一である。但し、磁場検出装置１０Ｂでは、１つの常温磁気センサ３０に対し、１つのマーカー４１が設けられた点が異なる。又、常温磁気センサ３０は予め磁場検出装置１０Ｂに装着されているため、図１８に示すステップＳ５は存在しない。

すなわち、図２２のステップＳ９では、信号処理部４１１は、ＭＲＩ撮像部４２０から送信されたＭＲＩ画像データに含まれるビタミン材等の位置と、３次元計測部４３０から送信されたマーカー４１の位置データと、データ格納部４１３に記録されている筐体３１、常温磁気センサ３０、及びマーカー４１の３次元の設計図データと、磁気マーカーの位置の検出結果とに基づいて、磁場検出装置１０Ｂの常温磁気センサ３０の頭部座標とＭＲＩ画像の頭部座標とを整合させ、整合結果をデータ格納部４１３に格納する。図２２に示す手法では、図１８に示す手法と比べて計測の誤差を大幅に低減できる。

つまり、図２２に示す手法では、データ格納部４１３に、マーカー４１の位置の３次元情報、筐体３１の６次元情報があれば、設計図データより、常温磁気センサ３０の６次元情報を得ることができる。これは筐体３１に設置された全ての常温磁気センサ３０について当てはまる。

このように、本実施の形態に係る磁場検出装置１０Ｂは、被検者の頭部に装着される筐体３１と、被検者の頭部から発する磁場ベクトルを検出する複数の常温磁気センサ３０と、常温磁気センサ３０の位置測定に用いるマーカー４１と、各々の常温磁気センサ３０を筐体３１と機械的に連結し、各々の常温磁気センサ３０を被検者の頭部の表面に対し一定方向に独立に移動可能な可動機構５０とを有している。そして、マーカー４１は、可動機構５０に取り付けられ、常温磁気センサ３０との相対位置を変えずに常温磁気センサ３０と共に一定方向に移動可能である。

そして、情報処理装置４１０の信号処理部４１１は、磁場検出装置１０Ｂの筐体３１とマーカー４１と常温磁気センサ３０との相対位置が分かる設計図をデータ格納部４１３に収録している。そして、信号処理部４１１は、マーカー４１から得られる情報に基づいた常温磁気センサ３０と筐体３１と被検者との相対位置と、データ格納部４１３に収録している設計図とに基づいて、常温磁気センサ３０の回転軸方向を含む６次元のデータを計算する。

すなわち、本実施の形態では、剛体によって形成され変化しない筐体３１を利用して、筐体３１によって複数の常温磁気センサ３０の移動方向を規定し、移動する軸を１軸に変換している。具体的には、筐体３１の３次元設計データをデータ格納部４１３に記録しておく。又、筐体３１の形状のみならず、各常温磁気センサ３０の移動軸のベクトル情報を全てデータ格納部４１３に記録しておく。つまり、筐体３１の位置が決まれば、各常温磁気センサ３０の移動ベクトルが決定される。

これにより、常温磁気センサ３０は１つのマーカー４１のみを備えていれば良く、そのマーカー４１の３次元の位置情報だけで、常温磁気センサ３０の回転軸を含む６次元情報を取得可能となる。

常温磁気センサ３０に３つのマーカー４０を設置する手法では、３つのマーカー４０の３次元位置情報、合計で９つのデータを誤差なく検出する必要がある。１つでも誤差が生じると、常温磁気センサ３０の６次元データの全てに誤差が影響し、ロバストの弱い計測手法となる。本実施の形態に係る手法では、このような問題を解消できる。

（解析方法（逆問題推定））
次に、常温磁気センサ３０がＯＰＭセンサであり、計測した結果から、賦活エリアを推定する手法について説明する。順問題計算として、ダイポールを任意箇所に設置した磁場分布の電磁場シミュレーションを行うことができる。電磁場シミュレーションは、ビオサバールの方程式を電流の位置に合わせて計算すればよい。この際に、頭部の形状をＭＲＩによって計測して、頭皮、頭蓋骨、脳髄液、灰白質、白質のそれぞれの部位に透磁率をパラメターとして導入し、頭部モデルの透磁率分布を設定する。これによって、神経に電流が流れた際に発生する磁界分布をシミュレーションできる。このシミュレーションの結果、順問題計算結果から感度分布を求める。

位置ｒｓに生成されたダイポールによって形成されるｒｓ位置での磁場をφ（ｒｓ）とする。この時、ダイポールはその方向性をもつことによって、生成されるため、φ（ｒｓ）は方向のベクトル情報を持つ。φ（ｒｓ）はベクトル値である。また、例えば、ＯＰＭセンサが配置されている位置ｒｄにおける、観測値をφ（ｒｄ）とすると、これも磁場の方向成分をもつベクトル値となる。

この２つの変数を結びつける以下の式（１）を定義する。又、式（１）を変形すると式（２）が得られる。

ここで、Ａ（ｒ）は感度であり、ｒの位置依存性を含めた分布として記述できる。Ａ（ｒ）は、ベクトル情報を持つものである。

一般的な脳磁計の感度分布はスカラーで定義されており、これをベクトルに変換したことが、常温磁気センサ３０としてＯＰＭセンサを用いた利点であり、情報量が膨大になるために、逆問題推定の精度が向上する。この感度分布が決定されれば、発生したダイポールとＯＰＭセンサが検出される観測値（磁場ベクトル）が計算できる。このことを簡単に記述すると、以下の式（３）となる。

ここで、Ｘはダイポールの位置と方向によって定義付けられる磁場ベクトルであり、Ａ（ｒ）が感度分布、そのときの磁場計測結果がＹである。Ｙは位置と磁場ベクトルの関数であり、ＯＰＭセンサの位置での磁界観測値を意味する。

逆問題推定では、この逆を行い、つまりは観測値Ｙを利用してダイポールの位置及び方向であるＸを推定する。一般的には、Ｌ２ノルム正則化という逆問題の推定手法を利用する。この手法では、以下に示す式（４）のコスト関数Ｃを最小にするＸを算出する。

ここで、Ｙは観測値、Ａは感度分布、λは正則化係数である。これにより、観測値（磁場分布）が計測できれば、その時の電流分布を推測できる。詳細な逆問題推定方法は、例えば、特許第３７３０６４６号等に記載されている。

〈第３実施形態〉
第３実施形態では、第１実施形態とは異なるヘッドギヤ型の磁場検出装置の他の例を示す。なお、第３実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

（ヘッドギヤ型の磁場検出装置_エアシリンダ式）
図２３は、ヘッドギヤ型の磁場検出装置の第４の例を示す側面図である。図２３を参照すると、磁場検出装置１０Ｃは、被検者の頭部に装着する磁場検出装置であって、筐体３２と、常温磁気センサ３０と、位置センサ４３と、可動機構６０とを有している。筐体３２は、例えば、厚さ１０ｍｍ程度の樹脂製の変形しない剛体で形成されている。筐体３２の内側は、被検者の頭部全体を覆う形になっている。位置センサ４３は、常温磁気センサ３０の位置情報の検出に利用される位置情報検出部の代表的な一例である。

図２４は、図２３の可動機構近傍の拡大図である。図２３及び図２４を参照すると、筐体３２には、１つの常温磁気センサ３０に１つの割合で可動機構６０が設けられている。

可動機構６０において、円筒形等の固定部６０１の略中央部には、可動部である細長状の支柱６０２が挿入されている。固定部６０１及び支柱６０２により、１軸の圧空シリンダーを構成している。

固定部６０１と筐体３２との間には、支柱６０２が挿通された位置センサ４３が設置されている。位置センサ４３は、常温磁気センサ３０と筐体３２との相対位置を検出するセンサである。

支柱６０２の一端は固定部６０１の上面から突出している。支柱６０２の他端は、筐体３２を貫通して、筐体３２の内面から突出し、突出部の先端には常温磁気センサ３０及び断熱シート６５が順次固定されている。但し、断熱シート６５は、必要に応じて設ければよい。

各々の常温磁気センサ３０は、筐体３２の内側（すなわち、被検者の頭部と対向する側）に配置されている。常温磁気センサ３０は、支柱６０２と共に筐体３２の外面に対して垂直な方向に移動する。支柱６０２は、筐体３２の外面に対して垂直な１軸方向にしか移動しない。固定部６０１及び支柱６０２を含む１軸の圧空シリンダーの圧力によって、常温磁気センサ３０を常に頭部に接触させることができる。各々の常温磁気センサ３０は、被検者の頭部に略同一圧力で接触可能である。

ここで、常温磁気センサ３０、支柱６０２、位置センサ４３、可動機構６０のセットを、センサセットと呼ぶ。センサセットは、例えば、頭部に６４か所設置する。センサセット間の距離は、例えば、約３０ｍｍに、ほぼ等間隔にする。筐体３２と頭部の距離は５０ｍｍ程度の空間を作るように設計できる。この５０ｍｍの空間の間で、常温磁気センサ３０の位置が可動する。

被検者の頭部の大きさによって異なるが、子供のような小さな頭部にも適応できるように、支柱６０２のストロークは５０ｍｍ程度、最大で筐体３２から１００ｍｍ程度まで届くように設計することが好ましい。

可動できる支柱６０２がどの程度の移動をしたかを定量化するために位置センサ４３を配置しており、例えば、０．５ｍｍ単位で移動量を数値化する。筐体３２は、被検者の体重を支えることができるように、頑強な構造物によって形成されている。ベースとなる部分は、例えば、ポリカーボネイトである。

計測の際には、例えば、被検者が座椅子に座り、その背もたれと筐体３２とを接続して一体化する。被検者は、自分の体重を背もたれに預けつつ、頭部は、筐体３２内の常温磁気センサ３０に預ける体勢となる。そのため、後頭部に当たる常温磁気センサ３０の圧力は、頭部にかかるの重力を支えるだけの抗力が必要となる。この抗力の調整をしないと、常温磁気センサ３０が押し込まれてしまい、柔軟に変化できなくなる。

又、抗力が強すぎると、後頭葉の部分に置かれている常温磁気センサ３０の支柱６０２が沈まないために、後頭葉の逆の位置にある前頭部に反発力がかかり、前頭部の支柱６０２が押し込まれてしまい、柔軟な変化ができなくなる可能性がある。これは左右でも同様で、対称に抗力を発生させないと、バランスが崩れることになる。

つまりは、後頭部、前頭部ともに同等の抗力で押し込まないと、全体のバランスが取れなくなる。特に、前頭部と後頭部には、頭部の体重の重力がかかるため、バランスをとるのが難しいが、調整は可能である。

（断熱シート）
常温磁気センサ３０がＯＰＭセンサである場合、一般的にガスセルを１５０℃程度に加熱していることから、常温磁気センサ３０の表面は４５℃程度と高温である。そのため、常温磁気センサ３０の表面は頭部に接触させないことが好ましい。

磁場検出装置１０Ｃにおいて、常温磁気センサ３０の被検者の頭部側に断熱シート６５を配置してもよい。この場合、磁場検出装置１０Ｃを被検者の頭部に装着すると、常温磁気センサ３０と頭部との間に断熱シート６５が配置される。

断熱シート６５は、例えば、グラスファイバーを芯材とした「ビクラス」（クラボウ製）を採用できる。この材料は、０．００２５Ｗ／ｍ・Ｋ〜０．００６０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を実現している。これは、空気の約１０倍、硬質ウレタン断熱材の約８倍、グラスウールの約１５倍の断熱性能に相当する。

常温磁気センサ３０の表面温度を低下させるような冷却機構を作るとガスセルの温度が低下してしまい、高感度の磁場検出ができなくなる。一方、常温磁気センサ３０をできるだけ頭部に接触させ一定圧力を加えることで、高精度な磁場検出及び頭部形状検出が可能となるため、頭部と常温磁気センサ３０との距離を広げることは好ましくない。

上記の断熱シート６５を用いることで、常温磁気センサ３０の表面が５０℃だとしたとき、１ｍｍの厚さで、面積が１０ｍｍ角であっても、常温磁気センサ３０が１０Ｗの熱源であれば、全く影響がない。これによって、被検者は熱い思いをすることなく、快適に計測が可能となる。又、一定圧力を頭部に与えることも可能となる。すなわち、一定圧力を頭部に与えつつ、熱による不具合を低減できる。

（ヘッドギヤのセンサ位置計測）
次に位置センサ４３について説明する。位置センサ４３は、支柱６０２の移動量を０．１ｍｍ程度の精度で検出することを目的に配置されている。支柱６０２の移動を検出することは、すなわち常温磁気センサ３０の位置を検出することである。常温磁気センサ３０の位置を６４個全て検出することで、ＭＲＩ画像と、頭皮の面情報で位置を合わせこむことができる。

又、筐体３２にあけられている支柱６０２を通す支柱穴は支柱受けとして機能するが、支柱受けは摺動性をよくするために、適当な硬度の組み合わせで設計することが好ましい。但し、磁場ノイズが発生するために、金属製のものは極力避けるが、チタン等の非磁性体であれば硬度も高い金属製品を素材として選択できる。又、樹脂の硬度を適切に選ぶことで摺動性を確保できる。又、筐体３２における支柱穴の位置は、設計時に記録しておき、筐体３２に対してその相対位置は不変である。

常温磁気センサ３０の位置は、その支柱穴の対して垂直に線形に移動することを定義することで、支柱６０２の移動距離すなわち、１次元のデータで常温磁気センサ３０の位置の３次元及び回転軸の３次元、計６次元のデータを組み込むことができる。

今まで、３次元画像から常温磁気センサ３０の位置及び回転軸の６軸データを取得する際に、膨大なデータから変換していた。これによって、計測及び計算に費やす時間が多かった。これに対し、本実施形態では、計測するのは１次元であるが、それを６次元に拡張できるため、計測及び計算のコストを大幅に低減できる。又、例えば、計測中の体動等で、多少の移動があっても、短時間で計測し直しができる。

位置センサ４３としては、例えば、磁気式エンコーダーや光学式エンコーダーが挙げられる。磁気式エンコーダーは、低コストに実装でき、精度が０．１ｍｍ程度あり、大きさも１０ｍｍ程度と小さい。又、位置センサ４３として、光学式エンコーダーを使用してもよい。光学式エンコーダーは、Ｉ^２Ｃ等の通信によってマイコン等からの制御が容易である。

例えば、図２５に示すように、複数の位置センサを１つのＭＵＸ（マルチプレクサ）によって情報処理装置４１０に切り替えて出力し、制御及び記録を行うことができる。図２５では、一例として、ＭＵＸ１５１が１０個の位置センサ（位置センサ４３_１〜４３_１０）を切り替えて情報処理装置４１０に出力する。同様に、ＭＵＸ１５２〜１５７の各々が１０個の位置センサを切り替えて情報処理装置４１０に出力する。ＭＵＸ１５１〜１５７は情報処理装置４１０によって制御され、全ての位置センサのデータを情報処理装置４１０に集約できる。

情報処理装置４１０は、全ての位置センサに供給する電源を制御してもよい。これにより、位置センサが発生させるノイズを低減できる。すなわち、常温磁気センサ３０は数十ｆＴを検出する精度である。常温磁気センサ３０の近傍に、位置センサ４３が駆動していると、それだけでノイズとなる。不要なときに位置センサの電源を切る方法を採用することで、位置センサの発するノイズを低減できる。なお、位置センサによる検出は、常温磁気センサ３０が計測を行わないタイミングで実施する。

図２６は、可動機構の他の例を示す図である。図２６に示すように、可動機構７０は、固定部７０１と、支柱７０２と、支柱受け７０３と、ゴム製Ｏリング７０４とを有するゴム式の可動機構である。

固定部７０１と筐体３２との間には、支柱７０２が挿通された位置センサ４３が設けられている。支柱７０２の一端には横方向両側に延伸するゴム固定部７０２ａが設けられており、固定部７０１の下方（筐体３１側）には横方向両側に延伸するゴム固定部７０２ｂが設けられており、両者の間にゴム製Ｏリング７０４が引っかけられている。支柱７０２の他端は、筐体３２を貫通して、筐体３２の内面から突出し、突出部の先端には常温磁気センサ３０が固定されている。

ゴムは非磁性での可動機構として有効である。ゴム製Ｏリング７０４として、市販のＯリングを利用し、その硬さ、強度を様々選別して利用できる。又、頭部の後頭部や前頭部等の圧力のバランスを調整できる。後頭部には重力がかかるため、例えば、１０％程度強度を上げる等の調整が可能である。各々の常温磁気センサ３０は、被検者の頭部に略同一圧力で接触可能である。

図２７は、可動機構の更に他の例を示す図である。図２７に示すように、可動機構５０Ａは、図２１に示す可動機構５０を変形した構造であり、支柱５０２の一端はゴムパッキン５０４よりも上側には突出していない。そして、可動機構５０とは異なり、マーカー４１を備えていなく、代わりに位置センサ４３を備えている。又、支柱５０２の他端は、筐体３２を貫通して、筐体３２の内面から突出し、突出部の先端には常温磁気センサ３０が固定されている。

可動機構５０Ａは、圧空式の一般的なエアシリンダであり、汎用品として低コストなものが市販されている。磁場ノイズが少ない樹脂製のエアシリンダを選定することが好ましい。エアシリンダの抗力は、圧力空気によって微調整可能である。

又、図２１の可動機構５０と同様に、それぞれのセンサセットに圧力調整弁５０５が設置されている。これにより、それぞれのセンサセットの抗力を個別に調整可能である。例えば、前頭部と後頭部では頭部の重力にかかる力が異なるため、個別に調整することが望まれる。これを統制することで、各々の常温磁気センサ３０は、被検者の頭部に略同一圧力で接触可能である。

（ヘッドギヤ３次元計測）
図２８は、第３実施形態に係るヘッドギヤ３次元計測の手順を例示するフローチャートである。図２８に示すように、磁場検出装置１０Ｃを用いた３次元計測の手順については、磁場検出装置１０Ｂの場合（図２２参照）とほぼ同一である。但し、図２２に示すステップＳ６がステップＳ１１に置換されている。

ステップＳ１１では、信号処理部４１１は、磁場検出装置１０Ｃの位置センサ４３からの情報を収集する。次に、図２２と同様にステップＳ７及びＳ８を実行する。

次に、ステップＳ９では、信号処理部４１１は、ＭＲＩ撮像部４２０から送信されたＭＲＩ画像データに含まれるビタミン材等の位置と、ステップＳ１１で収集した位置センサ４３からの情報と、磁気マーカーの位置の検出結果とに基づいて、磁場検出装置１０Ｃの常温磁気センサ３０の頭部座標とＭＲＩ画像の頭部座標とを整合させ、整合結果をデータ格納部４１３に格納する。

次に、ステップＳ１０では、目的である磁場検出装置１０Ｃによる脳磁計測を実施する。計測の合間に、磁場検出装置１０Ｃは磁気マーカーの位置を検出し、被検者の頭部と常温磁気センサ３０との位置がずれていないことを確認する。

このように、本実施の形態に係る磁場検出装置１０Ｃは、被検者の頭部に装着される筐体３２と、被検者の頭部から発する磁場ベクトルを検出する複数の常温磁気センサ３０と、常温磁気センサ３０と筐体３２との相対位置を検出する位置センサ４３と、各々の常温磁気センサ３０を筐体３２と機械的に連結し、各々の常温磁気センサ３０を被検者の頭部の表面に対し一定方向に独立に移動可能な可動機構５０Ａ、６０、又は７０とを有している。

磁場検出装置１０Ｃでは、各々の常温磁気センサ３０が被検者に略同一圧力で接触可能である。磁場検出装置１０Ｃを被検者の頭部に装着した際に、常温磁気センサ３０がしっかり頭部を押し付けることにより、頭皮近傍に常温磁気センサ３０を安定して設置できる。毛髪などの柔らかいものはしっかり押し込め、髪の毛がカメラ計測等の邪魔にもならない。

又、一般的な脳磁計の場合、脳内の微小な電磁場をとらえるため、皮膚の筋肉信号や、眼球の筋肉、首の筋肉等の収縮によっておきる信号がノイズとなる。一定の力で頭皮に接触していることによって、頭部の皮膚の下層に存在している筋肉が緊張をしない。一般に一部だけがセンサに接して、頭部の重力を一部のエリアにだけ集中させると、その部分にはうっ血が起き、筋肉の緊張が起きる。これによって、筋肉の電気信号が発生し、計測時のノイズになることがある。特に、首にかかる緊張がないので、首の筋肉におけるノイズを低減できる。

なお、例えば、磁場の計測にＳＱＵＩＤセンサを用いる場合、液体Ｈｅでの冷却が必要で、大きなデュアの内部にセンサが配置されており、被検者に接触することは難しかった。又、脳波計等では、頭部に水泳帽のような形で、センサを設置している場合には、そのセンサの重みや皮膚の筋肉の動きによって、センサ位置がずれてしまう課題がある。

特に、センサ間の距離などが変化してしまうと脳の神経細胞のどの部分で発火したか、又は、どの部分に賦活エリアが存在するか、を検出する「ダイポール推定」に誤差が生じる。

従来の脳波計では電気的なインピーダンスが、頭皮や頭蓋骨等によって大きく異なることから、精度の良いダイポール推定は不可能であった。しかし、常温磁気センサの場合には、磁気的インピーダンスや透磁率が、空気や頭部の皮膚、頭蓋骨等とほぼ同一なので、ダイポール推定が高精度にできる。

そのために、常温磁気センサにおいて、頭部における位置やセンサ間の相対位置等が正確に配置されていることが重要となる。又、脳波計は電場を検出するため、皮膚と界面のインピーダンスを低減するために、クリーム等を塗る必要があり、頭皮との密着させる必要があった。

しかし、脳磁計が検出する磁場は、インピーダンスが上がらないため、毛髪の上に設置可能である。この方法では、ゴムの圧力は不均一であり、しっかり圧力のかかる位置と、かからない位置とが発生してしまう。特に側頭部には圧力がかからない。しっかり、頭髪を一定圧力で押し込まないと、髪の毛が間に入り込み、頭部の形状と異なる位置に常温磁気センサが設置される可能性がある。

又、３次元計測の場合も、マーカーに髪の毛がかかり、計測不良が起き、精度よくセンサの位置が検出できないという不具合があった。又、頭部の筋肉の影響は、ＳＱＵＩＤセンサよりも、ＯＰＭセンサの方が頭皮に近く影響が大きい。筋肉は緊張すると筋電を発生し大きなノイズとなる。筋肉を緊張させない計測が望まれていた。本実施形態に係る磁場検出装置により、このような問題を解決できる。

又、磁場検出装置１０Ｃは、位置センサ４３を備えている。頭部が移動する時には首等に大きな筋力の収縮が存在し、その筋肉の収縮は筋電を発生して磁場ノイズとなるが、位置センサ４３によって、磁場ノイズが発生したタイミングを知ることができる。これにより、磁場ノイズの発生したデータを部分的に排除する等、アーチファクトの除去が可能となる。

頭部における常温磁気センサ３０の位置及び常温磁気センサ３０間の相対位置が正確に検知されていることが、正確なダイポール推定には必須である。常温磁気センサ３０と筐体３２との相対位置を常にモニタリングすることで、正確なダイポール推定が可能となる。

ＳＱＵＩＤセンサとは異なり、常温磁気センサ３０は被検者の頭部の任意の箇所に配置できるが、逆に、常温磁気センサ３０の位置は被検者によってバラバラになる。これは常温磁気センサ３０の長所であり弱点でもある。磁場検出装置１０Ｃが位置センサ４３を備えることで、この問題を解消できる。

以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 磁場検出装置
１１ 頭頂部
１２ 経線短冊
１３ 緯線リング
１４ ベルト
１５ 軸
２１ ベース
２２ センサ固定部
２３Ａ ビス
２５ シールド
３０ 常温磁気センサ
３１、３２ 筐体
３５ 配線
４０、４１ マーカー
４３ 位置センサ
５０、５０Ａ、６０、７０ 可動機構
６５ 断熱シート
２２１ 筒状部
２２２ ヘッドギヤ固定部
２２３ センサ固定ピン
２２４ 貫通孔
２５０ ステレオカメラ
３０１ ガスセル
４００ 生体磁場計測システム
４１０ 情報処理装置
４１１ 信号処理部
４１２ 表示制御部
４１３ データ格納部
４２０ ＭＲＩ撮像部
４３０ ３次元計測部
４８０ 表示装置
５０１ 固定部
５０２ 支柱
５０３ 支柱受け
５０４ ゴムパッキン
５０５ 圧力調整弁
６０１、７０１ 固定部
６０２、７０２ 支柱
７０２ａ、７０２ｂ ゴム固定部
７０３ 支柱受け
７０４ ゴム製Ｏリング

NeuroImage 179 （2018） 582-595

Claims (13)

1. 被検者の頭部に装着される筐体と、
   前記被検者の頭部から発する磁場ベクトルを検出する複数の常温磁気センサと、
   各々の前記常温磁気センサに対して設けられた、前記常温磁気センサの位置情報の検出に利用される位置情報検出部と、
   各々の前記常温磁気センサを前記筐体と機械的に連結し、各々の前記常温磁気センサを前記被検者の頭部の表面に対し一定方向に独立に移動可能とする可動機構と、を有する磁場検出装置。
2. 各々の前記常温磁気センサは、前記筐体の前記被検者の頭部と対向する側に配置されている請求項１に記載の磁場検出装置。
3. 前記位置情報検出部は、前記常温磁気センサの位置を示すマーカーであり、
   前記マーカーは、１つの前記常温磁気センサに対して１つ設けられ、前記常温磁気センサとの相対位置を変えずに前記常温磁気センサと共に前記一定方向に移動可能である請求項１又は２に記載の磁場検出装置。
4. 前記位置情報検出部は、前記常温磁気センサと前記筐体との相対位置を検出する位置センサである請求項１又は２に記載の磁場検出装置。
5. 前記常温磁気センサの前記被検者の頭部側に断熱シートを配置した請求項１乃至４の何れか一項に記載の磁場検出装置。
6. 被検者の頭部に装着する磁場検出装置であって、
   前記被検者の頭部から発する磁場ベクトルを検出する複数の常温磁気センサと、
   前記常温磁気センサの位置を示すマーカーと、を有し、
   各々の前記常温磁気センサに２個以上の前記マーカーが設置されている磁場検出装置。
7. 各々の前記常温磁気センサに３個以上の前記マーカーが設置されている請求項６に記載の磁場検出装置。
8. ３個の前記マーカーが前記被検者の頭部の表面の法線方向から視たときに３角を形成するように配置されている請求項７に記載の磁場検出装置。
9. 被検者の頭部に装着する磁場検出装置であって、
   前記被検者の頭部から発する磁場ベクトルを検出する複数の常温磁気センサと、
   前記常温磁気センサの位置を示すマーカーと、を有し、
   各々の常温磁気センサが前記被検者の頭部に略同一圧力で接触可能である磁場検出装置。
10. 前記常温磁気センサが光ポンピング原子磁気センサである請求項１乃至９の何れか一項に記載の磁場検出装置。
11. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の磁場検出装置と、情報処理装置と、を含む生体磁場計測システムであって、
    前記情報処理装置は、
    前記磁場検出装置の前記筐体と前記位置情報検出部と前記常温磁気センサとの相対位置が分かる設計図を収録するデータ格納部と、
    前記位置情報検出部から得られる情報に基づいた前記常温磁気センサと前記筐体との相対位置と、前記設計図とに基づいて、前記常温磁気センサの回転軸方向を含む６次元のデータを計算する信号処理部と、を有する生体磁場計測システム。
12. 前記被検者を仰向けに寝た状態に保持する保持部を有する請求項１１に記載の生体磁場計測システム。
13. 前記被検者を座った状態に保持する保持部を有し、
    前記筐体は、前記保持部に設けられた支柱によって吊り上げられている請求項１１に記載の生体磁場計測システム。