JP2020151023A - Magnetic field detection device, magnetic field detection method, biological magnetic field measuring system, and rehabilitation technique - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁場検出装置、磁場検出方法、生体磁場計測システム、リハビリテーション手法に関する。 The present invention relates to a magnetic field detection device, a magnetic field detection method, a biomagnetic field measurement system, and a rehabilitation method.
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。 Nerve cells in the brain express brain function by generating (firing) electrical signals and their transmission. By observing the firing state, it is thought that it will be possible to study brain function and diagnose diseases. When there are nerve cells that cause abnormal firing such as epilepsy, it is possible to perform surgery to remove the abnormal nerve cells by observing the position of the nerve cells non-invasively.
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。 In addition, if the cells that cause epilepsy can be detected as accurately as possible, other nerve cells will not be unnecessarily removed, which is a great advantage for the patient. Therefore, it is desired to estimate the signal source as accurately as possible using a magnetoencephalograph.
運動野及び感覚野は、脳卒中や外傷性脳損傷によって障害を受けることがある。この箇所をターゲットにしたリハビリ、TMS(経頭蓋磁気刺激:Transcranial Magnetic Stimulation)、iPS(Induced Pluripotent Stem cells)細胞、MUSE(Multi-lineage differentiating Stress Enduring cell)細胞等を利用した再生医療、等が活発に研究されている。 The motor and sensory areas can be damaged by stroke or traumatic brain injury. Rehabilitation targeting this area, regenerative medicine using TMS (Transcranial Magnetic Stimulation), iPS (Induced Pluripotent Stem cells) cells, MUSE (Multi-lineage differentiating Stress Enduring cells) cells, etc. are active. Has been studied in.
この研究を加速させるためにも、非侵襲で活動部位を高精度に検出することの価値は高い。又、上記の治療もその効果は個人差が大きいと考えられる。その治療の進捗状態を高い精度で検出できることによって、患者のモチベーション延いては治療成績が向上すると考えられている。 In order to accelerate this research, it is highly valuable to detect active sites with high accuracy in a non-invasive manner. In addition, the effects of the above treatments are considered to vary greatly among individuals. It is thought that the motivation of patients and the treatment results will be improved by being able to detect the progress of the treatment with high accuracy.
脳において、1次運動野と1次体性感覚野は、中央溝を介して並んだ領域である。体性感覚野には、3a野や1野2野と言われる部位があり、特に3a野は溝の奥に当たり、この部分での信号を正確に捉えることが肝要である。
In the brain, the primary motor cortex and the primary somatosensory area are regions aligned through the central sulcus. The somatosensory area has parts called
特に、脳回は難しいが、脳溝によって生成された信号は、脳磁計によって捉えることができる。脳回部分で発生したダイポールによって生成される磁場は、頭皮部分で打ち消し合って検出ができないと考えられており、逆に、脳溝で生成されるダイポールが頭皮に対して水平であり、打ち消し合うことなく、検出できると考えられている。 In particular, the gyrus is difficult, but the signal generated by the sulcus can be captured by a magnetoencephalograph. It is thought that the magnetic fields generated by the dipoles generated in the gyrus part cancel each other out in the scalp part and cannot be detected. Conversely, the dipoles generated in the sulci are horizontal to the scalp and cancel each other out. It is believed that it can be detected without any problems.
脳磁計測について、例えば、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように光ポンピング磁力計を複数配置した脳磁計が知られている。この脳磁計では、光ポンピング磁力計に被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セルを設け、ポンプ光レーザ及びプローブ光レーザにより、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部に向かう方向に、ポンプ光及びプローブ光を出射する。そして、プローブ光を蒸気セルに入射させ、プローブ光をミラーにより被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部から離れる方向に反射し、フォトダイオードによりプローブ光の偏光の変化を検出する(例えば、特許文献1参照)。 Regarding magnetoencephalography, for example, a magnetoencephalograph in which a plurality of optical pumping magnetometers are arranged so as to form a helmet shape covering the head of a subject is known. In this electromagnetometer, the optical pumping magnetic field meter is provided with steam cells arranged substantially parallel to the surface of the subject's head, and is substantially perpendicular to the surface of the subject's head by a pump optical laser and a probe optical laser. Therefore, the pump light and the probe light are emitted in the direction toward the head of the person to be measured. Then, the probe light is incident on the steam cell, the probe light is reflected by the mirror in a direction substantially perpendicular to the surface of the subject's head and away from the subject's head, and the probe light is polarized by the photodiode. (See, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記の脳磁計では、プローブ光の光軸が頭部表面に平行である。プローブ光の光軸が頭部表面に平行であると、ダイポールを感度良く検出することが困難である。 However, in the above-mentioned magnetoencephalograph, the optical axis of the probe light is parallel to the surface of the head. If the optical axis of the probe light is parallel to the surface of the head, it is difficult to detect the dipole with high sensitivity.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ダイポールの検出感度を向上した磁場検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a magnetic field detection device having improved dipole detection sensitivity.
本磁場検出装置は、被検者の頭部に装着する装着部と、前記被検者の頭部の磁場を検出する光ポンピング原子磁気センサを前記装着部に固定するセンサ固定部と、を有し、前記センサ固定部に前記光ポンピング原子磁気センサを取り付けて前記装着部を前記被検者の頭部に装着したときに、前記光ポンピング原子磁気センサの光軸が、前記被検者の脳構造における中央溝の側面の法線方向に略平行に配置されるように、前記センサ固定部が前記装着部に対して位置決めされている。 This magnetic field detection device has a mounting portion to be mounted on the head of the subject and a sensor fixing portion for fixing an optical pumping atomic magnetic sensor for detecting the magnetic field of the head of the subject to the mounting portion. Then, when the optical pumping magnetic sensor is attached to the sensor fixing portion and the mounting portion is mounted on the head of the subject, the optical axis of the optical pumping magnetic sensor is the brain of the subject. The sensor fixing portion is positioned with respect to the mounting portion so as to be arranged substantially parallel to the normal direction of the side surface of the central groove in the structure.
開示の技術によれば、ダイポールの検出感度を向上した磁場検出装置を提供できる。 According to the disclosed technique, it is possible to provide a magnetic field detection device having improved dipole detection sensitivity.
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。 Hereinafter, modes for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components may be designated by the same reference numerals and duplicate description may be omitted.
[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。
[Overall configuration of biomagnetic field measurement system]
First, the overall configuration of the biomagnetic field measurement system will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating the overall configuration of the biomagnetic field measurement system.
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、刺激装置440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、刺激装置440及び表示装置480を必要に応じて有すればよい。
As shown in FIG. 1, the biomagnetic
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。
The
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。
The
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。 The MRI may be a 1.5T level MRI generally used in a human dock or the like, and the resolution may be about 1 mm. By using T1 and T2 images, one with clear contrast is adopted. In particular, it is sufficient if the sulcus structure of the brain can be clearly observed, and the structure of the blood vessels of the brain is unnecessary for this purpose. This makes it possible to compare with the standard brain and with the brain map of general brain function.
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。
When imaging the subject's head, the parts that serve as position markers such as ears and eyes are also measured. In addition, a vitamin material or the like that serves as a marker when measuring MRI is placed on the face of the subject. When measuring with the magnetic
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に設置された光ポンピング原子磁気センサ(OPM:Optically Pumped atomic Magnetometer)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。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。
The three-
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440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。
The magnetic
刺激装置440は、被検者の所定の部位に電極を装着し、電極を介して被検者に電気刺激を与える装置である。或いは、刺激装置440は、被検者の所定の部位にレーザ光を照射して刺激を与える装置であってもよい。
The
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。
The
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OPM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。
Further, the
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。
Further, the
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。
The
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。
The
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。
FIG. 2 is a diagram illustrating a hardware configuration of an information processing device. As shown in FIG. 2, the
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。
The
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。
The
[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。
[Magnetic shield]
Next, a magnetic shield box and a magnetic shield room used for biomagnetic field measurement using the magnetic
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。
The electrical signal of the brain is very weak, several pT even on the surface of the scalp. There are several tens of μT for geomagnetism and several hundred nT for noise from commercial power sources. Therefore, in order to reduce these noises, the biomagnetic field measurement using the magnetic
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。
FIG. 3 is a diagram illustrating a magnetic shield box. As shown in FIG. 3, the
刺激装置440は、例えば、レーザ光により被検者に刺激を与える装置であり、被検者の指先端部に装着可能なレーザ光照射用のホルダー545を備えている。但し、これには限定されず、刺激装置440は、例えば、電気により被検者に刺激を与える装置であってもよい。この場合、刺激装置440は、例えば、肘部の正中神経等に電気刺激を与える。刺激装置440は、例えば、体性感覚野にダイポールを発生させる刺激を被検者に与えることができる。
The
なお、磁気シールドボックス100内のノイズを低減するために、刺激装置440は、磁気シールドボックス100の外部に配置される。
In addition, in order to reduce the noise in the
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。
FIG. 4 is a diagram (No. 1) illustrating the magnetic shield room. As shown in FIG. 4, the entire body of the subject 200 may be placed in the
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。
As described above, the biomagnetic
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。
When the subject 200 fully supports the weight of the magnetic
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。
FIG. 5 is a diagram (No. 2) illustrating the magnetic shield room. As shown in FIG. 5, a biomagnetic field in which the entire body of the subject 200 is placed in the
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。
As described above, the biomagnetic
なお、磁気シールドルーム120や130を用いる場合には、被検者200へ刺激を与えるための刺激装置が発生する電気ノイズの影響を受けないようにする必要がある。そのため、例えば、長距離の光ファイバー等を使い、レーザ光による皮膚(C線維、Aσ線維等)の刺激を行う。しかし、光ファイバーの取り扱いの難しさや、正中神経等の神経を刺激することが難しいなどという課題があった。
When the
そのため、磁気シールドボックス100を用いることが好ましい。頭部のみを囲う磁気シールドボックス100を用いることで、それ以外の部分で発生したノイズが磁気シールドボックス100内のOPMセンサに届くことがない。そのため、指先や、肘部の正中神経等、大きな神経に刺激を与えることができる。これによって、体性感覚野の脳機能マッピングを高い信号強度で実施でき、高精度なマッピングが可能となる。
Therefore, it is preferable to use the
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。 The magnetic shield box for the head will be described in more detail below.
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。
FIG. 6 is a diagram illustrating a magnetic shield box for the head. As shown in FIG. 6, the
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。
The cancel
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。
FIG. 7 is a perspective view illustrating an auxiliary member. The
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。
By preparing a plurality of
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。
FIG. 8 is a diagram illustrating an auxiliary member before processing. The
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。
The
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。
The conventional shield member uses a material obtained by crystallizing a metal such as permalloy, and is very hard. On the other hand, the
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。
FIG. 9 is a perspective view showing a modified example of the auxiliary member. A bellows-shaped
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。
In the bellows-shaped
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。
The side wall of the
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。
Specifically, as shown in FIG. 10, a structure in which a plurality of pairs in which one layer of amorphous metal foil 658 (Finemet) is adhered to
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。
With the structure as shown in FIG. 10, it is lighter in weight and can exhibit high shielding performance as compared with the case where Finemet is simply laminated. In the example of FIG. 10, there are 6 pairs of
(ヘッドギヤ型の磁場検出装置_水泳キャップ型)
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。
(Head gear type magnetic field detector_swimming cap type)
First, the magnetic field detection device according to the first embodiment will be described. The magnetic
図11は、ヘッドギヤ型の磁場検出装置の例を示す側面図である。図11を参照すると、磁場検出装置10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、OPMセンサ30が固定されている。
FIG. 11 is a side view showing an example of a head gear type magnetic field detection device. Referring to FIG. 11, the magnetic
磁場検出装置10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。ベース21は、本発明に係る装着部の代表的な一例である。
In the magnetic
磁場検出装置10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し、利用の際に被検者が適切なサイズを選択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。
It is preferable that the magnetic
磁場検出装置10において、ベース21及びセンサ固定部22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。
In the magnetic
(OPMセンサ)
OPM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。OPM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。
(OPM sensor)
The
OPMセンサ30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。
As the
ここで、OPMセンサ30について、より詳しく説明する。図12は、OPMセンサの概略構成を例示する図である。図12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、Y0軸方向又はZ0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、Y0軸方向又はZ0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。
Here, the
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。 Therefore, by comparing the intensity of the laser beam detected by the photodetector when the magnetic field is not generated with the intensity of the laser beam detected by the photodetector when the magnetic field is generated. , The magnitude of the magnetic field can be calculated. A coil is wound around the gas cell, and an appropriate alternating current is applied.
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、X0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、Y0軸方向、Z0軸方向とおく。 In this way, the OPM sensor can detect the magnetic field in the direction substantially orthogonal to the incident direction (light propagation direction) of the laser beam. In the present embodiment, the incident direction substantially parallel to the direction of the laser beam, and X 0 axis direction, placing the incident direction and a direction substantially orthogonal laser beams, respectively, Y 0 axis direction, the Z 0 axis.
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。 The gas cell is arranged at a position of about 6 mm from the surface of the housing, for example, and detects a magnetic field at this location. Hereinafter, when it is described as a gas cell, it has a meaning as a detection position.
OPMセンサ30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。
By using the
(センサ固定部)
図13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13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。
(Sensor fixing part)
FIG. 13 is an enlarged schematic view of the vicinity of one sensor fixing portion. As shown in FIG. 13, the
筒状部221は、OPM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、OPM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。
The
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10のベース21に固定できる。
A through
センサ固定部22は、OPMセンサ30を固定できるように設計されている。OPM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、OPMセンサ30には、配線35が接続されている。
The
例えば、センサ固定部22にOPM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OPM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OPMセンサ30を押し込むだけで、設置作業が完了する。
For example, a mechanism can be adopted in which the
なお、OPMセンサ30の数が64個と多いため、磁場検出装置10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OPMセンサ30を取り付け、その後に、OPMセンサ30が固定された磁場検出装置10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。
Since the number of
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10のベース21に固定することが好ましい。
In actual measurement, body movement is the largest artifact, including breathing and heartbeat. Although the artifact cannot be removed, the
体動等の影響によって、磁場検出装置10がずれないように、磁場検出装置10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。
It is necessary to tighten the magnetic
なお、各々のOPMセンサ30の上面側(ベース21から遠い方の側)には、OPM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OPM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。
A
図14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14では、センサ固定部22の図示は省略されている(以降の図についても同様の場合がある)。図14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、OPMセンサ30の上面に配置されている。
FIG. 14 is a diagram illustrating the positional relationship between the marker, the shield, and the wiring. Note that in FIG. 14, the
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OPMセンサ30からできるだけ離すことが望ましい。OPMセンサ30がOPMセンサである場合、ガスセル31を有するため、配線35をガスセル31からできるだけ離すことが望ましい。
Further, the
配線35は、64個のOPM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14のようにOPM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OPM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。
The number of
(OPMセンサの位置検出)
図15は、マーカーについて説明する図である。ここでは、各々のOPMセンサ30に3点のマーカー40を設置する例を示す。
(Position detection of OPM sensor)
FIG. 15 is a diagram illustrating a marker. Here, an example in which three
図15に示すように、各々のOPM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OPMセンサ30に4点以上のマーカー40を設置してもよい。
As shown in FIG. 15, three
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(OPM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。
The
1つのOPM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。
By installing three
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、OPMセンサ30の位置(x、y、z、Θx、Θy、Θz)は、OPMセンサ30の筐体の下面30bの重心位置である。
Further, since the center of gravity of the
なお、マーカーとは、OPMセンサ30の位置を示す部材であり、3次元計測部430がOPMセンサ30の位置を測定する際に、OPM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OPMセンサ30の位置を測定する際に、OPM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。
The marker is a member indicating the position of the
例えば、図15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。
For example, in FIG. 15, if there is a protrusion on the
(センサ固定部の固定位置)
センサ固定部22は、センサ固定部22にOPMセンサ30を取り付けてベース21を被検者の頭部に装着したときに、OPMセンサ30の光軸が、被検者の脳構造における中央溝の側面の法線方向に略平行に配置されるように、装着部21に対して位置決めされている。
(Fixed position of sensor fixing part)
In the
例えば、ベース21に、ベース21を被検者の頭部に装着する際の左右方向を示すマークが付されており、センサ固定部22にOPMセンサ30を取り付けたときに、OPMセンサ30の光軸が、マークが示す左右方向に垂直な方向を向くように、センサ固定部22がベース21に対して位置決めされている。
For example, the
或いは、ベース21は、被検者の視界を確保するための開口部を備え、ベース21の中心から開口部の開口方向に向かうベクトルとOPMセンサ30の光軸とが略平行に配置されるように、センサ固定部22がベース21に対して位置決めされていてもよい。
Alternatively, the
なお、被検者200の脳構造における中央溝の側面の法線方向と略平行は方向は、言い換えると、被検者200の脳構造における中央溝から発生するダイポールの方向と略平行な方向である。ここで、略平行は、完全に平行な場合のみでなく、ダイポールの方向に対してOPMセンサ30の光軸の方向が±5度ずれた場合も含むものとする。
It should be noted that the direction substantially parallel to the normal direction of the side surface of the central groove in the brain structure of the subject 200 is, in other words, a direction substantially parallel to the direction of the dipole generated from the central groove in the brain structure of the subject 200. is there. Here, the substantially parallel means not only the case where the beam is completely parallel, but also the case where the direction of the optical axis of the
このように、OPMセンサ30の光軸が、被検者の脳構造における中央溝の側面の法線方向に略平行に配置されることで、ダイポールの検出感度を向上できる。すなわち、生体磁場計測システム400は、運動野と体性感覚野を隔てる中央溝に最適化したシステムであり、中央溝からのダイポールを感度良く検出できる。
As described above, the optical axis of the
図16は、脳構造を説明する図であり、人間の顔を左側面から視たものである。図16において、Xは深さ方向、Yは顔の前後方向、Zは顔の左右方向(左右の耳同士を結ぶ方向)である。 FIG. 16 is a diagram for explaining the brain structure, which is a view of a human face from the left side. In FIG. 16, X is the depth direction, Y is the front-back direction of the face, and Z is the left-right direction of the face (the direction connecting the left and right ears).
図16に示すように、顔正面(矢印方向)に対し垂直に、すなわち左右の耳同士を結ぶZ方向に、中央溝300が存在している。なお、図16において、301は運動野、302は体性感覚野、303は前頭葉、304は頭頂葉、305はブローカ野、306は側頭葉、307はウェルニッケ野、308は後頭葉、309は視覚野、310は小脳、311は脳幹をそれぞれ示している。
As shown in FIG. 16, the
頭部表面の法線方向に脳の皮質の発火電流のベクトルがあることが知られ、その発火電流をここではダイポールと記す。図17に示すように、ダイポールDiの発生方向は中央溝300に垂直である。
It is known that there is a vector of the firing current of the cerebral cortex in the normal direction of the surface of the head, and the firing current is referred to as a dipole here. As shown in FIG. 17, the generation direction of the dipole Di is perpendicular to the
図18(a)に示すように、脳表面には凹凸が存在し、凸部が脳回320であり、凹部が脳溝321である。図18(b)に示すように、脳回320と脳溝321には、それぞれ表面の法線方向(各矢印の方向)にダイポールが発生する。Di1は脳溝321のダイポールであり、Di2は脳回320のダイポールである。
As shown in FIG. 18A, there are irregularities on the surface of the brain, the convex portion is the
図19に示すように、脳溝321のダイポールDi1は、OPMセンサ30により頭皮の部分で検出できる。これに対し、図20に示すように、脳回320のダイポールDi2は、頭皮表面で打ち消し合うためOPMセンサ30では検出ができない。
As shown in FIG. 19, the dipole Di1 of the
脳溝321に発生したダイポールDi1によって発生する磁場を正確に捉えるには、ダイポールDi1のベクトル方向を正確に捉える必要がある。図21に示すように、OPMセンサ30は、光軸と垂直な2軸、ここでは、光軸OAをX0、その垂直方向をY0及びZ0としたときに、検出される磁場のベクトルは、Y0、Z0である。OPMセンサ30の光軸OAをダイポールDi1のベクトル方向と略平行にすることで、頭皮面で発生した磁場分布をベクトル情報を含めた分布として検出できる。
In order to accurately capture the magnetic field generated by the dipole Di1 generated in the
図22に示す断面図のように、OPMセンサ30の光軸OAを頭部表面200Aと水平にすることで、距離が30mm程度離れた個所では、深さ方向(Z0方向)にも磁場強度を持つことになる。このZ0方向の強度は、発火してダイポールを形成している位置からの距離情報として有効である。
By making the optical axis OA of the
図23は、具体的な深さ方向の定量化方法を例示する図である。ダイポールが発生する位置を脳表と仮定する。これは体性感覚野等のように電気信号が脳表面に投影されるようなタスクの場合に有効である。脳表面を規定することで、MRI画像等から、おおよその深さZkを推定できる。深さZkが決まれば、図23に示すように、隣接するOPMセンサ30を仮定すると、Ly2とLy3のおおよその位置を検出できる。詳細は下記の通りである。
FIG. 23 is a diagram illustrating a specific quantification method in the depth direction. The position where the dipole occurs is assumed to be the brain surface. This is effective for tasks such as the somatosensory area where electrical signals are projected onto the brain surface. By defining the brain surface, an approximate depth Zk can be estimated from an MRI image or the like. Once the depth Zk is determined, as shown in FIG. 23, assuming the
図23では、発火位置Dを中心に磁場が同心円状に形成されている。LS1は、OPMセンサ30_1の位置において、磁場M2に垂直に引かれた垂線である。また、LS2は、OPMセンサ30_2の位置において、磁場M3に垂直に引かれた垂線である。垂線LS1と垂線LS2との交点が、発火位置Dとなる。 In FIG. 23, the magnetic fields are formed concentrically around the ignition position D. LS1 is a perpendicular line drawn perpendicular to the magnetic field M2 at the position of the OPM sensor 30_1. Further, LS2 is a perpendicular line drawn perpendicular to the magnetic field M3 at the position of the OPM sensor 30_2. The intersection of the perpendicular line LS1 and the perpendicular line LS2 is the ignition position D.
発火位置Dから、OPMセンサ30_1とOPMセンサ30_2とを結ぶ線分LS3に下した垂線LS4により、OPMセンサ30_1とOPMセンサ30_2との距離LyがLy2とLy3に分けられる。このとき、Ly2とLy3は、θとφとZkとで表現できる。 The distance Ly between the OPM sensor 30_1 and the OPM sensor 30_2 is divided into Ly2 and Ly3 by the perpendicular line LS4 drawn from the ignition position D to the line segment LS3 connecting the OPM sensor 30_1 and the OPM sensor 30_2. At this time, Ly2 and Ly3 can be expressed by θ, φ, and Zk.
すなわち、OPMセンサ30_1及び30_2の検出データのピーク値ZnとYnとの比「Zn/Yn」を求めると、tanφ=Z2/Y2、tanθ=Z3/Y3である。また、Ly2×tanφ=Zk、Ly3×tanθ=Zk、Ly2+Ly3=Lyである。Z2/Y2、Z3/Y3、Ly2、Ly3、及びLyは全て既知であるから、これの値から発火位置の深さ方向の距離Zkを算出できる。 That is, when the ratio "Zn / Yn" of the peak values Zn and Yn of the detection data of the OPM sensors 30_1 and 30_2 is obtained, tanφ = Z2 / Y2 and tanθ = Z3 / Y3. Further, Ly2 × tanφ = Zk, Ly3 × tanθ = Zk, Ly2 + Ly3 = Ly. Since Z2 / Y2, Z3 / Y3, Ly2, Ly3, and Ly are all known, the distance Zk in the depth direction of the ignition position can be calculated from these values.
図24及び図25は、OPMセンサ30の光軸がダイポールDi1の方向と略垂直になるように固定した比較例である。この場合、図24に示すように、頭部のレイアウトを90°回転し、中央溝300を横から見ると、OPMセンサ30が検出できるZ0Y0平面上の磁場ではなく、X0方向への磁場となる。そのため、OPMセンサ30では磁場を検出できない。これでは、高感度な検出が望めない。
24 and 25 are comparative examples in which the optical axis of the
このことは、図25に示すようにOPMセンサ30をアレイ状に並べた場合も同様である。この場合、中央溝300に垂直に発生したダイポールDi1について、アレイ状に並べた何れのOPMセンサ30も略同一方向の磁場ベクトルMを検出する。つまり、磁場ベクトルMを検出しても、ダイポールDi1の位置を推定することは不可能である。
This also applies when the
一方、本実施形態では、図26に示すように、OPMセンサ30の光軸がダイポールDi1の方向と略平行になるように固定する。そのため、図26の配置では、各OPMセンサ30は、それぞれの箇所で角度の違う磁場ベクトルMを検出可能である。この磁場ベクトルを観察することで、おおよそのダイポールDi1の発生位置を検出可能である。
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 26, the optical axis of the
つまり、ダイポールDi1の位置がある程度決まっている中央溝300の付近では、最適なOPMセンサ30の配置が一意に決まっている。それが、中央溝300の側面の法線に対して略平行な方向に(ダイポールDi1の方向と略平行な方向)にOPMセンサ30の光軸を合わせてアレイ状に配置することである。このことは、従来は発見されていない、本発明者らが初めて見出した事実である。
That is, in the vicinity of the
(OPMセンサのレイアウト)
図27に示すように、複数のOPMセンサ30を配置する場合にも、全てのOPMセンサ30の光軸が中央溝300の側面の法線に対して略平行な方向に(ダイポールDi1の方向と略平行な方向)になるように配置する。
(Layout of OPM sensor)
As shown in FIG. 27, even when a plurality of
このとき、図28に示すように、隣接するOPMセンサ30ではY0方向にクロストークが発生する。具体的には、隣接するOPMセンサ30間のY0方向の距離が20mm程度になるとクロストークが発生する。従って、隣接するOPMセンサ30間のY0方向の距離はある程度開ける必要がある。
At this time, as shown in FIG. 28, crosstalk occurs in the adjacent Y 0 In
これに対し、X0方向はクロストークが発生しないことから、隣接するOPMセンサ30間のX0方向の距離を短くすることが可能である。これらを考慮すると、例えば、図27において、X1=20mm、Y1=30mmとすることができる。
In contrast, X 0 direction from the cross-talk is not generated, it is possible to shorten the distance X 0 direction between
このように、磁場検出装置10において、OPMセンサ30が複数配列されている場合、隣接するOPMセンサ30のOPMセンサ30の光軸に平行な方向の距離X1が、光軸に垂直な方向の距離Y1よりも小さくなるように、OPMセンサ30を配列することが好ましい。
In this way, when a plurality of
すなわち、センサ固定部22は、センサ固定部22にOPMセンサ30を取り付けてベース21を被検者の頭部に装着したときに、隣接するセンサ固定部22のOPMセンサ30の光軸に平行な方向の距離が、光軸に垂直な方向の距離よりも小さくなるように、ベース21に対して位置決めされていることが好ましい。
That is, when the
距離X1を短くすることで、ダイポールDi1の推定精度が向上する。これは、中央溝300の位置には個人差があり、外部の位置合わせでは、10mm程度の誤差が生じるためである。X1が20mmであれば、多少ずれたとしても、どちらかのOPMセンサ30に中央溝300の一部がかかる可能性が高い。又、X0方向にはクロストークがないため、OPMセンサ30の大きさとセンサ固定部22の大きさで決まる最小距離に近づけることができる。
By shortening the distance X1, the estimation accuracy of the dipole Di1 is improved. This is because the position of the
又、図29に示すように、本実施形態で狙っている灰白質は、頭部表面200Aから約30mmである。この場合、例えば、Y1=15mmにすると、図29のように磁場ベクトルがほとんど違わない位置にOPMセンサ30が配置され、ノイズによって逆問題推定の精度を下げてしまう。
Further, as shown in FIG. 29, the gray matter targeted in this embodiment is about 30 mm from the
一方、頭部表面200Aから灰白質までの距離(約30mm)に対し、Y1=30mmという、ほぼ同じ距離に合わせることで、隣接するOPMセンサ30が異なる磁場ベクトルを検出可能となり、ノイズによって逆問題推定の精度を下げてしまうことを防止できる。なお、センサ固定部22は、センサ固定部22にOPMセンサ30を取り付けてベース21を被検者の頭部に装着したときに、光軸に垂直な方向に隣接するOPMセンサ30間によってグラジオメーターを構成することが好ましい。
On the other hand, by adjusting the distance from the
磁場検出装置10では、中央溝300に形成されるダイポールDi1の方向が、OPMセンサ30の光軸とほぼ同方向である可能性が高いので、それによって生成される磁場は、垂直方向の相違が発生しやすい。これは、磁場ベクトルの方向が隣接するOPMセンサ30で30mm程度離れることで、Z0方向(頭皮の法線方向)の信号の相違が顕著になるからである。
In the magnetic
これに対し、光軸と平行な方向(X0)の隣接間では顕著な相違が生まれない。又、光軸と平行な方向(X0)の場合、中央溝300が、OPMセンサ30の直下にはなく、隣接するOPMセンサ30間に配置される可能性があり、ダイポールDi1の位置が、隣接するOPMセンサ30に対し、ほぼ同等の距離になることがある。その時には、脳からの信号を、外部のノイズを勘違いして、除去してしまうことになる。
On the other hand, there is no significant difference between adjacent objects in the direction parallel to the optical axis (X 0 ). Further, in the case of the direction parallel to the optical axis (X 0 ), the
又、図27に示したように、光軸と垂直な方向(Y0)の方が、隣接するOPMセンサ30間の距離が大きい。しかし、距離が大きくても、複数のOPMセンサ30にかかる大局的な大きなノイズに対する除去効果が大きく、かつ、脳信号を間違って除去する可能性が低い。ノイズ低減の観点から、隣接するOPMセンサ30間の距離は、OPMセンサ30と灰白質間の距離よりも大きいことが好ましい。
Further, as shown in FIG. 27, the distance between the
ところで、一般的にSQUIDセンサは液体ヘリウムのデュワーに配置するため、信号源からの距離が大きい。SQUIDセンサのコイルは、頭皮から垂直に上がってくる磁場を検出する方向に向いている。一般的に吸い込み個所と掃出し箇所を同定して、その中間箇所にダイポールが存在するといったイメージでの位置検出となる。これは、SQUIDセンサと信号源が離れ、そのベクトル方向の変化が緩慢になっていることも要因である。例えば、SQUIDセンサで3軸方向を検出する試みもあるが、磁場ベクトルが緩慢であるため、有用性を発揮できていない。 By the way, since the SQUID sensor is generally arranged in the dewar of liquid helium, the distance from the signal source is large. The coil of the SQUID sensor is oriented in the direction of detecting the magnetic field rising vertically from the scalp. Generally, the suction point and the sweep point are identified, and the position is detected with the image that a dipole exists in the middle point. This is also due to the fact that the SQUID sensor and the signal source are separated from each other and the change in the vector direction is slow. For example, there is an attempt to detect the triaxial direction with a SQUID sensor, but it has not been useful because the magnetic field vector is slow.
これに対して、OPMセンサ30は、液体ヘリウムのデュワーが不要であり、OPMセンサ30から頭皮までの距離がSQUIDセンサよりも30mm程度小さい。脳幹等の深い部分に対しては、30mmという距離はそれほど影響力がないが、白灰質等の頭皮に近い位置に対しては影響力が大きい。
On the other hand, the
例えば、中央溝300等の深い溝では、その位置は頭部表面200Aから20mm程度と考えられる。脳の中央部は頭部表面200Aから100mm程度であり、側頭葉では200mm程度である。例えば、OPMセンサ30の場合、OPMセンサ30から白灰質までの距離は25mm程度、脳幹までの距離は105mm程度である。
For example, in a deep groove such as the
一方、SQUIDセンサの場合、SQUIDセンサから白灰質までの距離は55mm程度、脳幹までの距離は135mm程度となる。比で考えると、白灰質の場合にはOPMセンサ30の方が2.2倍近いが、脳幹には1.3倍近い。磁場強度は距離の二乗で効くので、その差は大きい。
On the other hand, in the case of the SQUID sensor, the distance from the SQUID sensor to the white matter is about 55 mm, and the distance to the brain stem is about 135 mm. In terms of ratio, the
又、図30に示すように、前頭筋303のような筋肉も大きなノイズ源となる。頭部表面200Aとの距離が大きいSQUIDセンサ30Xは、OPMセンサ30よりもノイズの影響を受けやすい。
Further, as shown in FIG. 30, muscles such as the
図31に示すように、OPMセンサ30は、SQUIDセンサ30Xよりも、頭部表面200Aとの距離が近いため、ベクトル方向の変化が鋭敏である。つまり、OPMセンサ30を用いることで、初めて、磁場ベクトルを扱う価値が出てきたと言える。これは発明者らが初めて見出した効果である。OPMセンサ30を用いて、推定エリアを白灰質に限定することで、高精度な検出が可能となる。
As shown in FIG. 31, since the
図29を参照して説明したように、信号源である灰白質よりも隣接するOPMセンサ30間の距離が短いと、ベクトルでの変化が小さく、ノイズに埋もれてしまい価値がない。図27を参照して説明したように、隣接するOPMセンサ30間の距離が短いと、例えば、30mm以下になると、内部にあるコイルが隣接するOPMセンサに干渉しあい、クロストークが発生する。
As explained with reference to FIG. 29, if the distance between the
つまり、必要以上に隣接するOPMセンサ30間の距離を短くすると信号源推定精度が悪化する。ここでは、白灰質までの距離が、約30mm程度あるので、センサ間距離が15mmであると、ベクトルが約45°に傾き、顕著に検出できる。しかし、それ以上値近づいても、それほど変化がない。又、クロストークが発生するのが20mm前後である。これらから、隣接するOPMセンサ30の間の距離が、OPMセンサ30と灰白質との間の距離よりも大きいことが好ましいといえる。
That is, if the distance between the
すなわち、センサ固定部22は、センサ固定部22にOPMセンサ30を取り付けてベース21を被検者の頭部に装着したときに、隣接するセンサ固定部22の間の距離が、センサ固定部22と被検者の脳構造における灰白質との間の距離よりも大きくなるように、ベース21に対して位置決めされていることが好ましい。
That is, when the
リハビリなどの運動野や体性感覚野をターゲットした場合、脳表の灰白質、特に中央溝を狙うことが望まれる。ブロードマンの脳地図の「3野b」がリハビリの感覚では重要であり、これが中央溝300の側壁に一致する。この部分を狙うには、約30mmという頭皮からの距離になり、隣接するOPMセンサ間の距離の最適値となる。
When targeting motor areas such as rehabilitation and somatosensory areas, it is desirable to target the gray matter on the brain surface, especially the central sulcus. Brodmann's brain map "field b" is important in the sense of rehabilitation, which coincides with the side wall of the
そのため、センサ固定部22は、センサ固定部22にOPMセンサ30を取り付けてベース21を被検者の頭部に装着したときに、OPMセンサ30が、被検者の中央溝のブロードマン領域3b野の直上に配置されるように、ベース21に対して位置決めされていることが好ましい。
Therefore, when the
磁場検出装置のOPMセンサ30によって、脳の賦活領域(神経細胞の発火が起きた領域)を検出することが可能である。しかし、信号が非常に弱くかつノイズが大きいため、空間分解能を向上させるためには、信号をできるだけ大きくする必要がある。MRIによって、解剖学的に理解されている、指の先端、皮膚からの情報を投影されるブロードマン領域3b野が、最も大きな神経細胞の発火があることが期待される。被検者のMRI画像を指標にして、OPMセンサ30の配置を決める。
The
又、ブロードマン領域3b野は中央溝300の側壁の最も広いエリアを覆っていることが多い。つまり、中央溝300の側面をターゲットにしたOPMセンサ30を配置とすることで最も感度を高くできる。
In addition, the Brodmann area 3b often covers the widest area of the side wall of the
又、ブロードマン領域3b野は、指の先端の皮膚からの刺激を最も顕著に示すエリアであることが知られている。この指の皮膚に刺激を与えられる手法として、レーザ光がある。レーザ光によって、C線維刺激やAσ線維刺激を行いSQUIDセンサの脳磁計で計測した結果がよく知られている。これに関しては、例えば、非特許文献である『日本ペインクリニック学会誌Vol11No1(2004)p1(柿木隆介)』に詳細が述べられている。レーザ光を利用することで、磁場的なノイズを発生することなく、かつ皮膚刺激を与えることができる。ブロードマン領域3b野である指先端に繰り返し刺激を与え平均化することで、非常にきれいな信号を得ることができる。 Further, it is known that the Brodmann area 3b area is the area where the irritation from the skin at the tip of the finger is most prominent. There is a laser beam as a method of stimulating the skin of the finger. It is well known that C fiber stimulation and Aσ fiber stimulation are performed by laser light and measured by a magnetoencephalograph of a SQUID sensor. This is described in detail in, for example, the non-patent document "Journal of the Japan Pain Clinic Society Vol11 No1 (2004) p1 (Ryusuke Kakigi)". By using the laser beam, it is possible to give skin irritation without generating magnetic field noise. A very clean signal can be obtained by repeatedly stimulating and averaging the fingertips in the Brodmann area 3b area.
(刺激装置)
磁気計測は、自発信号を検出する方法もあるが、本実施形態では、刺激装置440を用い、外部から被検者に刺激を与え、その時に生成される誘発信号を検出する。刺激装置440が被検者に与える刺激としては、例えば、電気刺激やレーザ刺激等が挙げられる。
(Stimulator)
In the magnetic measurement, there is also a method of detecting a spontaneous signal, but in the present embodiment, the
本実施形態では、例えば、正中神経に電気刺激を入れる方法を用いる。正中神経の電気刺激には、例えば、日本光電製の「筋電図、誘発電位検査装置MEB9400シリーズ ニューロパックS1」を利用できる。 In this embodiment, for example, a method of applying electrical stimulation to the median nerve is used. For electrical stimulation of the median nerve, for example, "electromyogram, evoked potential tester MEB9400 series Neuropack S1" manufactured by Nihon Kohden can be used.
刺激部位は、手首の位置や肘の部分などが良く利用されるが、本実施形態では、一例として肘の部分とする。肘の部分を選択することで、刺激部位を磁気シールドボックスの外に設置できるため、ノイズが低減できる。 The position of the wrist and the elbow portion are often used as the stimulation site, but in the present embodiment, the elbow portion is used as an example. By selecting the elbow part, the stimulation part can be installed outside the magnetic shield box, so noise can be reduced.
又、誘発刺激の電流量を決定する際に参考になる誘発電流量をモニターするために、指の位置に表面電極パッドを設置し、その信号を検出することが好ましい。この際、筋肉の収縮が起きることによるアーチファクトを避けるために、活動電位閾値以下の刺激強度とすることが好ましい。 Further, in order to monitor the amount of evoked current that can be used as a reference when determining the amount of evoked stimulus current, it is preferable to install a surface electrode pad at the position of the finger and detect the signal. At this time, in order to avoid artifacts due to muscle contraction, it is preferable that the stimulation intensity is equal to or lower than the action potential threshold.
(解析方法(逆問題推定))
次に、計測した結果から、賦活領域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。順問題計算では、被検者の頭部モデルを仮定して、頭部モデルの任意の位置にダイポールを発生させ、OPMセンサ30の位置で生成される磁場を計算する。
(Analysis method (inverse problem estimation))
Next, a method of estimating the activation region from the measurement results will be described. As a forward problem calculation, an electromagnetic field simulation of a magnetic field distribution in which dipoles are installed at arbitrary locations can be performed. In the forward problem calculation, assuming the head model of the subject, a dipole is generated at an arbitrary position of the head model, and the magnetic field generated at the position of the
ここで、順問題計算とは、脳内の活動源と頭部モデルを仮定して、頭皮上で計測されるであろう磁場の理論値を計算することである。順問題計算では、被検者の頭部モデルを仮定して、頭部モデルの任意の位置にダイポールを発生させ、OPMセンサ30の位置で生成される磁場を計算する。すなわち、脳の任意の位置にダイポールを仮定して、そのダイポールが生成する磁場がOPMセンサ30の位置でどのような磁場になるかを計算する。この際、OPMセンサ30は被検者の頭部の磁場をベクトルとして検出し、順問題計算では、OPMセンサ30の位置で生成される磁場をベクトルとして計算する。
Here, the forward problem calculation is to calculate the theoretical value of the magnetic field that will be measured on the scalp, assuming the activity source in the brain and the head model. In the forward problem calculation, assuming the head model of the subject, a dipole is generated at an arbitrary position of the head model, and the magnetic field generated at the position of the
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MRI等による事前情報によって得られた白質、白灰質、脳髄液、頭蓋骨、筋肉層、及び頭皮の形状を頭部モデルとしてモデル化する。そして、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。 In the electromagnetic field simulation, the Biot-Savart equation may be calculated according to the position of the current. At this time, the shapes of white matter, white matter, cerebral spinal fluid, skull, muscle layer, and scalp obtained by prior information such as MRI of the head are modeled as a head model. Then, the magnetic permeability is introduced into each part as a parameter, and the magnetic permeability distribution of the head model is set. This makes it possible to simulate the magnetic field distribution generated when an electric current flows through a nerve.
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。感度分布は、磁場を検出する工程で検出されたOPMセンサ30のそれぞれのベクトルの磁場が、被検者の脳内のどの位置から発生したダイポールからの影響をどの程度の割合で感じるかをプロットしたものである。
As a result of this simulation, the sensitivity distribution is obtained from the calculation result of the forward problem. The sensitivity distribution plots the rate at which the magnetic field of each vector of the
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。又、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。 Let φ (rs) be the magnetic field at the rs position formed by the dipole generated at the position rs. At this time, since the dipole is generated by having the directionality, φ (rs) has the vector information of the direction. φ (rs) is a vector value. Further, for example, if the observed value at the position rd where the OPM sensor is arranged is φ (rd), this is also a vector value having a directional component of the magnetic field.
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。 The following equation (1) that connects these two variables is defined. Further, the equation (2) can be obtained by modifying the equation (1).
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。 Here, A (r) is a sensitivity and can be described as a distribution including the position dependence of r. A (r) has vector information.
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、今回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。 The sensitivity distribution of a general magnetoencephalograph is defined by a scalar, and converting this into a vector is an advantage of using the OPM sensor this time, and because the amount of information is enormous, the accuracy of inverse problem estimation is improved. improves. Once this sensitivity distribution is determined, the observed value (magnetic field vector) detected by the generated dipole and OPM sensor can be calculated. A simple description of this is given by the following equation (3).
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。 Here, X is a magnetic field vector defined by the position and direction of the dipole, A (r) is the sensitivity distribution, and the magnetic field measurement result at that time is Y. Y is a function of the position and the magnetic field vector, and means the magnetic field observation value at the position of the OPM sensor.
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。 In the inverse problem estimation, the reverse is performed, that is, X, which is the position and direction of the dipole, is estimated using the observed value Y. In general, an inverse problem estimation method called L2 norm regularization is used. In this method, X that minimizes the cost function C of the following equation (4) is calculated.
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。上記逆問題推定によって、高い精度でダイポールの位置を推定できる。 Here, Y is the observed value, A is the sensitivity distribution, and λ is the regularization coefficient. As a result, if the observed value (magnetic field distribution) can be measured, the current distribution at that time can be estimated. A detailed inverse problem estimation method is described in, for example, Japanese Patent No. 3730646. The position of the dipole can be estimated with high accuracy by the above inverse problem estimation.
(生体磁場計測の手順)
図32は、生体磁場計測システム400を用いた生体磁場計測の手順を示すフローチャートの一例である。
(Procedure for measuring biomagnetic field)
FIG. 32 is an example of a flowchart showing a procedure of biomagnetic field measurement using the biomagnetic
まず、ステップS11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。
First, in step S11, the doctor or the like arranges a vitamin material or the like as a marker on the face of the subject. After that, a doctor or the like operates the
次に、ステップS12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。 Next, in step S12, the doctor or the like installs a magnetic marker on the subject. Specifically, a magnetic marker that generates magnetism is installed at the same position as the vitamin material or the like that serves as the marker arranged in step S1 (position marked on the skin with a pen or the like in advance).
次に、ステップS13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を選択する。なお、この時点では、磁場検出装置10の各センサ固定部22にOPMセンサ30は設置されていない。
Next, in step S13, the doctor or the like measures the head circumference of the subject and selects a head gear type magnetic
次に、ステップS14では、医師等は、選択した磁場検出装置10を被検者の頭部に装着し、磁場検出装置10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を目視で確認する。
Next, in step S14, the doctor or the like visually attaches the selected magnetic
次に、ステップS15では、磁場検出装置10の各センサ固定部22にOPMセンサ30を設置する。
Next, in step S15, the
但し、上記のステップS14及びS15に代えて、磁場検出装置10の各センサ固定部22にOPMセンサ30を取り付け、その後に、OPMセンサ30が固定された磁場検出装置10を被検者200の頭部に装着してもよい。
However, instead of steps S14 and S15 described above, the
上記の何れの場合も、ステップS16の磁場を検出する工程では、OPMセンサ30の光軸が、被検者の脳構造における中央溝の側面の法線方向に略平行に配置されるように、磁場検出装置10のベース21が被検者の頭部に装着されている。
In any of the above cases, in the step of detecting the magnetic field in step S16, the optical axis of the
OPMセンサ30が、被検者の中央溝のブロードマン領域3b野の直上に配置されるように、磁場検出装置10のベース21が被検者の頭部に装着されていることが好ましい。この際、被検者に刺激を与え、最も強い信号が得られる位置にOPMセンサ30を配置してもよい。
It is preferable that the
次に、ステップS16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。
Next, in step S16, a doctor or the like applies a current having a specific frequency to the coil of the magnetic marker. Then, the magnetic
次に、ステップS17では、信号処理部411は、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。
Next, in step S17, the
次に、ステップS18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10のOPMセンサ30の頭部座標とMRI画像の頭部座標とを整合させ、脳モデルを作製してデータ格納部413に格納する。
Next, in step S18, the
次に、ステップS31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10に設置された複数のOPMセンサ30の位置を測定する。3次元計測部430は、各OPM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OPM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。
Next, in step S31, a doctor or the like operates the three-
OPM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。 For 3D measurement of the position of the OPM sensor 30 (position of the marker 40), there are various methods such as a method using a plurality of 3D cameras for motion capture and a method using a handy stereo camera type for a stationary shape. Exists. For example, Eva manufactured by Artec, which is a method using a handy stereo camera type, can be selected. Eva has a resolution of 0.5 mm, an angle range of 30 ° × 21 °, and a weight of 0.85 kg.
例えば、図33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、OPMセンサ30の位置の3次元計測を行う。OPMセンサ30に3か所のマーカー40を設置する場合、OPM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。
For example, as shown in FIG. 33, a plurality of
次に、ステップS19では、信号処理部411は、ステップS31で取得したセンサ位置データに基づいて、全てのOPMセンサ30の位置を割り出す。そして、信号処理部411は、OPMセンサ30の位置とステップS11で取得したMRI画像データとに基づいて、順問題を計算する。
Next, in step S19, the
次に、ステップS20では、信号処理部411は、それぞれのOPMセンサ30、かつ、それぞれのベクトル方向に対して、感度分布を1ずつ算出し、算出結果をデータ格納部413に格納する。一般的な脳磁計では、この感度分布及び順問題はスカラー量で計算されている。本実施形態では、感度分布及び順問題をベクトル量で計算する点が従来の手法とは大きく異なる。
Next, in step S20, the
次に、ステップS32では、医師等は、情報処理装置410を操作することで、磁場計測開始の指示を入力する。これにより、磁場検出装置10は、被検者の脳磁計測を開始し、
計測結果を情報処理装置410に送信する。情報処理装置410は、磁場検出装置10から入手した計測結果をデータ格納部413に格納する。
Next, in step S32, the doctor or the like inputs an instruction to start magnetic field measurement by operating the
The measurement result is transmitted to the
次に、ステップS33では、医師等は、磁場検出装置10による脳磁計測の途中で、刺激装置440の電極を被検者200の肘等に装着し、刺激装置440を操作して被検者200の肘等への刺激を開始する。医師等は、刺激装置440の電極を被検者200の指先に装着し、被検者200に刺激を与えてもよい。なお、この間も、磁場検出装置10は被検者の脳磁計測を継続し、計測結果を情報処理装置410に送信している。
Next, in step S33, the doctor or the like attaches the electrode of the
次に、ステップS34では、医師等は、所定時間が経過後、刺激装置440を操作して被検者200への刺激を終了する。
Next, in step S34, the doctor or the like operates the
ステップS35では、医師等は、情報処理装置410を操作することで、磁場計測終了の指示を入力する。これにより、磁場検出装置10は、被検者の脳磁計測を終了する。磁場検出装置10の計測結果は、全てデータ格納部413に格納されている。
In step S35, the doctor or the like inputs an instruction to end the magnetic field measurement by operating the
なお、磁場検出装置10による脳磁計測の途中で被検者200に刺激を与えているため、刺激を加えたときと、加えていないときの差分を検出できる。
Since the subject 200 is stimulated during the magnetoencephalography measurement by the magnetic
次に、ステップS21では、信号処理部411は、ステップS20で得た感度分布の算出結果とステップS35で得た磁場検出装置10の計測結果をデータ格納部413から読み出し、逆問題推定を実施して、脳の賦活している領域(賦活領域)を検出する。そして、情報処理装置410は、賦活領域の検出結果をデータ格納部413に格納しデータ収録を行う。
Next, in step S21, the
ステップS21の逆問題推定工程では、事前情報によって得られた白質、白灰質、脳髄液、頭蓋骨、筋肉層、及び頭皮の形状をモデル化すると共に、推定するダイポールの位置を白灰質に限定し、被検者がタスク(運動)を実施した際の信号を記録収録して、信号に基づいて信号源を推定してもよい。この場合、推定するダイポールの位置を白灰質に限定することで、高精度な検出が可能となる。 In the inverse problem estimation step of step S21, the shapes of white matter, white matter, cerebrospinal fluid, skull, muscle layer, and scalp obtained by prior information are modeled, and the position of the estimated dipole is limited to white matter. The signal when the subject performs the task (exercise) may be recorded and recorded, and the signal source may be estimated based on the signal. In this case, by limiting the estimated dipole position to white matter, highly accurate detection becomes possible.
次に、ステップS22では、表示制御部412は、データ格納部413に格納された賦活領域の検出結果のデータを読み出し、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、賦活領域の検出結果を表示する。
Next, in step S22, the
本実施形態では、OPMセンサ30の検出がベクトルであり、感度分布もベクトルであるから、スカラーに比べはるかに情報量が多く、賦活領域の検出精度を向上できる。賦活領域を表示させ、リハビリの場合にはその状態を見ることで被検者にフィードバックを行え、効率的なリハビリが可能となる。なお、脳磁計測の合間に、磁気マーカーでの位置を検出し、頭部と磁場検出装置10との位置がずれていないことを確認することが好ましい。
In the present embodiment, since the detection of the
このように、本実施形態では、信号源として推定される位置から発生される磁場分布を、従来の強度分布だけではなく、ベクトル分布に拡張している。 As described above, in the present embodiment, the magnetic field distribution generated from the position estimated as the signal source is extended not only to the conventional intensity distribution but also to the vector distribution.
具体的には、ダイポールを仮定した際に、その周辺に生成される磁場分布を単純なビオサバールの式から導く。このダイポールの位置を、計算に用いる領域の全てのボクセルに対して出現したことを仮定して、各々の計測値における感度の分布を示したものが感度分布となる。 Specifically, when a dipole is assumed, the magnetic field distribution generated around it is derived from a simple Biot-Savart equation. Assuming that the position of this dipole appears for all voxels in the region used for calculation, the sensitivity distribution shows the distribution of sensitivity in each measured value.
この感度分布も、それぞれの検出位置に対して導く際には、スカラーではなく、それぞれの位置でのベクトル(つまりは、X、Y、Z)の3つの感度分布を持つことになる。つまり、情報量としては3倍となる。この感度分布をベクトル別に保有し、それを有効に利用するためには、検出値もベクトルで検出する必要がある。情報量が3倍になることで、検出精度を向上できる。 This sensitivity distribution also has three sensitivity distributions of vectors (that is, X, Y, Z) at each position instead of a scalar when deriving for each detection position. That is, the amount of information is tripled. In order to hold this sensitivity distribution for each vector and make effective use of it, it is necessary to detect the detected value as well. By triple the amount of information, the detection accuracy can be improved.
(ニューロリハビリテーション)
上記の説明から明らかなように、生体磁場計測システム400は、OPMセンサ30の逆問題推定を利用した賦活領域推定システムとして利用できる。以下では、この賦活領域推定システムを利用したリハビリについて記す。一般的に脳機能を計測してリハビリを行う手法は、ニューロリハビリテーションと呼ばれている。その詳細は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構のホームページ等で公開されているため、ここでは割愛する。
(Neurorehabilitation)
As is clear from the above description, the biomagnetic
例えば、脳卒中による後遺症で手指の曲げ伸ばしが困難な重度の麻痺患者に、OPMセンサ30を設置して、脳の賦活領域を検出する。患者が頭の中で手指を動かそうとイメージすることによって、脳の運動を司る部分の神経細胞が発火し、賦活領域が発生する。その手指を伸ばす筋肉の収縮が認められる。
For example, the
一般的に、脳の中央溝付近に患部がある場合には、運動機能に障害が生じている。しかし、脳の可塑性から、その周辺に代替機能は形成される。代替機能が成熟されていない場合には、イメージですることで賦活領域が非常に広範囲にあり、かつ再現性が低いことが知られている。 Generally, when the affected area is near the central sulcus of the brain, motor function is impaired. However, due to the plasticity of the brain, alternative functions are formed around it. It is known that when the alternative function is not matured, the activation area is very wide and the reproducibility is low by the image.
つまり、代替機能が成熟する過程で、賦活領域の局所化及び再現性の向上が望まれる。この方針を元に、賦活領域に対し、点数を付けて、その点数を随時被検者へ、情報提供する。これによって、被検者は毎回指を動かすイメージをする際に、そのイメージの良し悪しを知ることができる。このフィードバックかける行為が、リハビリテーションを飛躍的に効率的にする。 That is, it is desired to localize the activation region and improve the reproducibility in the process of maturing the alternative function. Based on this policy, points will be given to the activation area, and the points will be provided to the subjects at any time. As a result, the subject can know the quality of the image when he / she makes an image of moving his / her finger each time. This act of giving feedback makes rehabilitation dramatically more efficient.
図34は、本実施形態に係るリハビリテーション手法を例示するフローチャートである。図34のステップS41は、被検者が運動する工程である。まず、医師等は、磁場検出装置10を被検者の頭部に装着し、被検者に運動を促す。そして、被検者が運動を開始する。なお、ここでいう運動は、運動が困難な被検者が運動をイメージすることも含む。
FIG. 34 is a flowchart illustrating the rehabilitation method according to the present embodiment. Step S41 in FIG. 34 is a step in which the subject exercises. First, a doctor or the like attaches the magnetic
ステップS42では、前述の図32に示した中の必要なステップを実行し、信号処理部411は、ステップS41の運動によって変化する脳の賦活領域を逆問題推定する。そして、表示装置480は、表示制御部412の信号に基づいて、賦活領域の検出結果を表示する。
In step S42, the necessary steps shown in FIG. 32 described above are executed, and the
次に、ステップS43では、医師等は、ステップS42の賦活領域が適切な領域であるか否かを判断する。 Next, in step S43, the doctor or the like determines whether or not the activation region in step S42 is an appropriate region.
ステップS43で、医師等が、ステップS42で推定された賦活領域が適切な領域であると判断した場合(YESの場合)には、ステップS44に移行し、ステップS43での判断結果を被検者へ伝達した後に、再度ステップS41〜S43を繰り返す。 If the doctor or the like determines in step S43 that the activation region estimated in step S42 is an appropriate region (YES), the process proceeds to step S44, and the determination result in step S43 is used as the subject. After transmitting to, steps S41 to S43 are repeated again.
一方、ステップS43で、医師等が、ステップS42で推定された賦活領域が適切な領域でないと判断した場合には、ステップS43での判断結果を被検者に伝達せずに、再度ステップS41〜S43を繰り返す。 On the other hand, if the doctor or the like determines in step S43 that the activation region estimated in step S42 is not an appropriate region, the determination result in step S43 is not transmitted to the subject, and steps S41 to S41 to 2 again. Repeat S43.
一般的な脳波計を利用したニューロリハビリテーションでは、被検者が運動するタイミングのみを検出するレベルであり、効果が限定的である。又、fMRIを利用したニューロリハビリテーションは賦活領域を高精度に検出できることで、正しい位置の賦活領域が否かを判断できるため、高い効果が上がっているという報告もある。 In neurorehabilitation using a general electroencephalograph, the effect is limited because it is a level that detects only the timing at which the subject exercises. In addition, it has been reported that neurorehabilitation using fMRI is highly effective because it can detect the activation region with high accuracy and can determine whether or not the activation region is at the correct position.
しかし、fMRIは大きな装置に体を入れるために、行動が限定的であり、頭部を動かすことが検出精度を低下させる。又、fMRIは脳血流変化であるため、2次信号となり、応答速度が悪く、神経細胞の発火から、血流変化の賦活までは、10sec以上かかることが知られている。 However, since fMRI puts the body in a large device, the behavior is limited, and moving the head reduces the detection accuracy. Further, since fMRI is a change in cerebral blood flow, it becomes a secondary signal, the response speed is poor, and it is known that it takes 10 seconds or more from the firing of nerve cells to the activation of the change in blood flow.
刺激に対するフィードバック反応も非常に遅く、有効なフィードバックとはならない。又、データを平均化するにも、1分間の刺激が1期間程度となり、情報量が不足する。そのため、脳波計のように神経細胞の1次信号を検出する数100msec程度の応答速度を持ち、かつ、fMRIレベルの賦活領域検出の高い空間分解能(1mm程度)が求められていた。SQUIDセンサによる脳磁計は空間分解能と応答速度を兼ね備えるが、被検者への拘束が高く、頭部や体を動かすことができない。 The feedback response to the stimulus is also very slow and does not provide effective feedback. Also, even when averaging the data, the stimulation for 1 minute is about 1 period, and the amount of information is insufficient. Therefore, it has been required to have a response speed of about several hundred msec for detecting a primary signal of a nerve cell like an electroencephalograph, and a high spatial resolution (about 1 mm) for detecting an activated region at an fMRI level. The magnetoencephalograph using the SQUID sensor has both spatial resolution and response speed, but it is highly constrained to the subject and cannot move the head or body.
これに対して、図34に示す本実施形態に係るリハビリテーション手法では、OPMセンサ30を有する磁場検出装置10を被検者の頭部に装着するだけであるため、体を容易に動かすことが可能である。特に脳の中央溝にある運動野を高感度に検出することが可能である。
On the other hand, in the rehabilitation method according to the present embodiment shown in FIG. 34, since the magnetic
被検者の静止状態において、中央溝付近に、13〜30Hzのβ波が存在している場合、被検者が運動を始めると、そのβ波が弱まる。この現象はβERD(Event-Related Desynchronization:事象関連脱同期)と呼ばれている。このβERDの発生したエリアを、賦活領域を呼ぶ。 In the stationary state of the subject, when a β wave of 13 to 30 Hz is present near the central groove, the β wave weakens when the subject starts exercising. This phenomenon is called βERD (Event-Related Desynchronization). The area where this βERD is generated is called an activation area.
賦活領域は、脳卒中等を起こした人間の脳では、適切なエリアに発生させることができない。本来であれば、中央溝付近に局在しているが、脳の機能に問題がある場合には、複数個所、かつ広い範囲に賦活領域が広がってしまう。 The activation region cannot be generated in an appropriate area in the human brain that has suffered a stroke or the like. Originally, it is localized near the central sulcus, but if there is a problem with brain function, the activation area will spread to multiple locations and a wide range.
そこで、本実施形態では、局在化を一つの指標として、被検者にフィードバックをかける。つまりは、できるだけ局在したエリアに賦活領域を発生させた場合にのみ、正しいという指標を被検者へ提供する。 Therefore, in the present embodiment, feedback is given to the subject using localization as an index. In other words, the index of correctness is provided to the subject only when the activation region is generated in the localized area as much as possible.
これによって、例えば、指を動かすというタスクにおいて、指を動かすことが可能でも、脳の賦活領域が広い範囲である場合には、これは脳をうまく使えていない状態だと判断する。その結果、より局在化した脳機能だけで指を動かせるようになる。 As a result, for example, in the task of moving a finger, if the finger can be moved but the activation area of the brain is a wide range, it is determined that the brain is not being used well. As a result, the fingers can be moved only by more localized brain functions.
このように、磁場検出装置10は、簡易に被検者に装着でき、非常に高い空間分解能で生体磁場を検出できる。又、磁場検出装置10を装着した被検者は、体を容易に動かすことができる。これらにより、高い効果が期待できるリハビリテーションシステムを実現できる。
As described above, the magnetic
(治療(薬効)判断)
iPS細胞を移植する方法やTMS等による脳卒中後の治療方法が近年目覚ましく発達してきている。又、最近では、リハビリ効果を促進する新薬「エドネルピク・マレアート」やAMPA受容体シナプス移行促進作用をもつ化合物の発見等、新薬が開発されている。
(Treatment (medicinal effect) judgment)
In recent years, methods for transplanting iPS cells and methods for treating post-stroke by TMS and the like have been remarkably developed. Recently, new drugs have been developed, such as the discovery of a new drug "Ednerpic maleate" that promotes rehabilitation effect and a compound that promotes AMPA receptor synaptic translocation.
これらの治療には、それぞれ効果が実感できるまでに時間がかかり、副作用がある場合などはその期間治療がつらく、途中での離脱が起きる。又、時間をかけて治療しても、相性の悪い治療薬では治療成果が十分得られない場合も考えられる。 Each of these treatments takes time to realize the effect, and if there are side effects, the treatment is difficult during that period, and withdrawal occurs in the middle. In addition, even if the treatment takes a long time, it is possible that the therapeutic results cannot be sufficiently obtained with the therapeutic agents that are incompatible with each other.
そこで、治療を開始し始めて、わずかな変化でも捉えることができれば、その後の長い治療期間も我慢することができる。つまりは、脳の変化を、極わずかでも検出できることによって、治療成績が飛躍的に改善する可能性がある。磁場検出装置10により、脳の中央溝付近に脳神経活動のわずかな変化を捉えることが可能である。
Therefore, if you can start treatment and catch even a slight change, you can put up with the long treatment period after that. In other words, the ability to detect even the slightest changes in the brain has the potential to dramatically improve treatment outcomes. The magnetic
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。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, they are not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications and substitutions are made to the above-mentioned embodiments and the like without departing from the scope described in the claims. Can be added.
10 磁場検出装置
21 ベース
22 センサ固定部
23A ビス
25 シールド
30 OPMセンサ
31 ガスセル
35 配線
40 マーカー
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
300 中央溝
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
10
Claims (16)
前記被検者の頭部の磁場を検出する光ポンピング原子磁気センサを前記装着部に固定するセンサ固定部と、を有し、
前記センサ固定部に前記光ポンピング原子磁気センサを取り付けて前記装着部を前記被検者の頭部に装着したときに、前記光ポンピング原子磁気センサの光軸が、前記被検者の脳構造における中央溝の側面の法線方向に略平行に配置されるように、前記センサ固定部が前記装着部に対して位置決めされている磁場検出装置。 The attachment part to be attached to the subject's head and
It has a sensor fixing portion that fixes an optical pumping atomic magnetic sensor that detects a magnetic field on the head of the subject to the mounting portion.
When the optical pumping atomic magnetic sensor is attached to the sensor fixing portion and the mounting portion is attached to the subject's head, the optical axis of the optical pumping atomic magnetic sensor is in the brain structure of the subject. A magnetic field detection device in which the sensor fixing portion is positioned with respect to the mounting portion so as to be arranged substantially parallel to the normal direction of the side surface of the central groove.
前記センサ固定部に前記光ポンピング原子磁気センサを取り付けて前記装着部を前記被検者の頭部に装着したときに、隣接する前記センサ固定部の間の距離が、前記センサ固定部と前記被検者の脳構造における灰白質との間の距離よりも大きくなるように、前記センサ固定部が前記装着部に対して位置決めされている請求項1乃至3の何れか一項に記載の磁場検出装置。 Having a plurality of the sensor fixing portions,
When the optical pumping atomic magnetic sensor is attached to the sensor fixing portion and the mounting portion is mounted on the head of the subject, the distance between the adjacent sensor fixing portions is the distance between the sensor fixing portion and the subject. The magnetic field detection according to any one of claims 1 to 3, wherein the sensor fixing portion is positioned with respect to the mounting portion so as to be larger than the distance from the gray matter in the examiner's brain structure. apparatus.
前記センサ固定部に前記光ポンピング原子磁気センサを取り付けて前記装着部を前記被検者の頭部に装着したときに、隣接する前記センサ固定部の前記光ポンピング原子磁気センサの光軸に平行な方向の距離が、前記光軸に垂直な方向の距離よりも小さくなるように、前記センサ固定部が前記装着部に対して位置決めされている請求項1乃至4の何れか一項に記載の磁場検出装置。 Having a plurality of the sensor fixing portions,
When the optical pumping atomic magnetic sensor is attached to the sensor fixing portion and the mounting portion is attached to the head of the subject, the sensor fixing portion is parallel to the optical axis of the optical pumping atomic magnetic sensor. The magnetic field according to any one of claims 1 to 4, wherein the sensor fixing portion is positioned with respect to the mounting portion so that the distance in the direction is smaller than the distance in the direction perpendicular to the optical axis. Detection device.
前記センサ固定部に前記光ポンピング原子磁気センサを取り付けて前記装着部を前記被検者の頭部に装着したときに、光軸に垂直な方向に隣接する前記光ポンピング原子磁気センサ間によってグラジオメーターを構成する請求項1乃至5の何れか一項に記載の磁場検出装置。 Having a plurality of the sensor fixing portions,
When the optical pumping atomic magnetic sensor is attached to the sensor fixing portion and the mounting portion is attached to the head of the subject, a gradiometer is provided between the optical pumping atomic magnetic sensors adjacent to each other in a direction perpendicular to the optical axis. The magnetic field detection device according to any one of claims 1 to 5, which comprises the above.
前記刺激装置は、レーザ光により前記被検者に刺激を与える装置であり、前記被検者の指先端部に装着可能なレーザ光照射用のホルダーを備えている生体磁場計測システム。 A biomagnetic field measurement system including the magnetic field detection device according to any one of claims 1 to 6 and a stimulator that stimulates a subject.
The stimulator is a device that stimulates the subject with a laser beam, and is a biomagnetic field measurement system including a holder for laser light irradiation that can be attached to the finger tip of the subject.
前記刺激装置は、前記磁気シールドボックスの外部に配置される請求項7又は8に記載の生体磁場計測システム。 It has a magnetic shield box that covers only the subject's head.
The biomagnetic field measurement system according to claim 7 or 8, wherein the stimulator is arranged outside the magnetic shield box.
前記磁場を検出する工程では、前記光ポンピング原子磁気センサの光軸が、前記被検者の脳構造における中央溝の側面の法線方向に略平行に配置されるように、前記装着部が前記被検者の頭部に装着されている磁場検出方法。 It has a step of detecting the magnetic field of the head of the subject who wears the mounting part to which the optical pumping atomic magnetic sensor is fixed.
In the step of detecting the magnetic field, the mounting portion is arranged so that the optical axis of the optical pumping atomic magnetic sensor is arranged substantially parallel to the normal direction of the side surface of the central groove in the brain structure of the subject. A magnetic field detection method worn on the subject's head.
前記磁場を検出する工程での検出結果と前記順問題計算工程での計算結果とに基づいて、前記ダイポールの位置を推定する逆問題推定工程と、を有し、
前記磁場を検出する工程では、前記光ポンピング原子磁気センサは前記被検者の頭部の磁場をベクトルとして検出し、
前記順問題計算工程では、前記光ポンピング原子磁気センサの位置で生成される磁場をベクトルとして計算する請求項10又は11に記載の磁場検出方法。 Assuming the head model of the subject, a dipole is generated at an arbitrary position of the head model, and a magnetic field generated at the position of the optical pumping atomic magnetic sensor is calculated.
It has an inverse problem estimation step of estimating the position of the dipole based on the detection result in the step of detecting the magnetic field and the calculation result in the forward problem calculation step.
In the step of detecting the magnetic field, the optical pumping atomic magnetic sensor detects the magnetic field of the subject's head as a vector.
The magnetic field detection method according to claim 10 or 11, wherein in the forward problem calculation step, the magnetic field generated at the position of the optical pumping atomic magnetic sensor is calculated as a vector.
事前情報によって得られた白質、白灰質、脳髄液、頭蓋骨、筋肉層、及び頭皮の形状をモデル化すると共に、推定する前記ダイポールの位置を白灰質に限定し、前記被検者がタスクを実施した際の信号を記録収録して、前記信号に基づいて信号源を推定する請求項12に記載の磁場検出方法。 In the inverse problem estimation process,
The shape of the white matter, white matter, cerebral spinal fluid, skull, muscle layer, and scalp obtained by prior information is modeled, the estimated position of the dipole is limited to white matter, and the subject performs the task. The magnetic field detection method according to claim 12, wherein a signal is recorded and recorded, and a signal source is estimated based on the signal.
前記位置を検出する工程よりも前に、前記被検者に刺激を与え、最も強い信号が得られる位置に前記光ポンピング原子磁気センサを配置する請求項10乃至14の何れか一項に記載の磁場検出方法。 It has a step of detecting the position where the optical pumping atomic magnetic sensor is arranged.
The invention according to any one of claims 10 to 14, wherein the optical pumping atomic magnetic sensor is arranged at a position where the subject is stimulated and the strongest signal is obtained prior to the step of detecting the position. Magnetic field detection method.
前記賦活領域が適切な領域であるか否かを判断する第2工程と、を有し、
前記第2工程で前記賦活領域が適切な領域であると判断した場合には、前記第2工程での判断結果を前記被検者に伝達した後に、再度前記第1工程及び前記第2工程を繰り返し、
前記第2工程で前記賦活領域が適切な領域でないと判断した場合には、前記第2工程での判断結果を前記被検者に伝達せずに、再度前記第1工程及び前記第2工程を繰り返すリハビリテーション手法。 The mounting portion to which the optical pumping atomic magnetic sensor was fixed was attached to the head so that the optical axis of the optical pumping atomic magnetic sensor was arranged substantially parallel to the normal direction of the side surface of the central groove in the brain structure. The first step of estimating the activation area of the brain, which changes depending on the movement of the subject, as a reverse problem,
It has a second step of determining whether or not the activation region is an appropriate region.
When it is determined in the second step that the activation region is an appropriate region, the determination result in the second step is transmitted to the subject, and then the first step and the second step are performed again. repetition,
When it is determined in the second step that the activation region is not an appropriate region, the first step and the second step are performed again without transmitting the determination result in the second step to the subject. Repeated rehabilitation technique.
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