JP2021194302A - 脳磁計 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサを用いて、高精度に計測可能な脳磁計を提供すること。【解決手段】脳磁計Ｍ１は、脳磁場を計測する複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａと、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれのポンプ光の方向と同一の方向、且つ頭皮に対し略平行な方向にバイアス磁場を印加するためのバイアス磁場形成用コイル１５と、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサの共鳴周波数を脳磁場の周波数帯域に調整するバイアス磁場を発生させるようにバイアス磁場形成用コイルに対する電流を決定し、決定した電流に応じた制御信号を出力する制御装置５と、制御装置により出力された制御信号に応じて、バイアス磁場形成用コイルに電流を出力するコイル電源６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、脳磁計に関する。

従来、脳磁計として、微小な脳磁場を計測するために超伝導量子干渉計（superconducting quantum interference device, SQUID）が用いられている。近年では、ＳＱＵＩＤに代わり光励起磁気センサを用いた脳磁計が研究されている。光励起磁気センサは、光ポンピングによって励起されたアルカリ金属の原子のスピン偏極を用いることで微小な脳磁場を計測する。例えば、特許文献１は光ポンピング磁力計を利用した脳磁計を開示している。

特許５８２３１９５号公報

光励起磁気センサの種類として、一軸型、ポンプ・プローブ型など様々なタイプのものが知られている。一軸型の光励起磁気センサは、ポンプ・プローブ型の光励起磁気センサと比較して感度が低い。そのため、脳磁場を高感度で測定する観点からは、ポンプ・プローブ型の光励起磁気センサが望ましい。一方、ポンプ・プローブ型の光励起磁気センサでは、脳磁場を高精度に計測するために、光励起磁気センサのポンプ光方向に加えるバイアス磁場によって決まる電子スピン磁気共鳴周波数（以下、共鳴周波数）及び感度帯域を調整する必要がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、ポンプ・プローブ型の光励起磁気センサの共鳴周波数を適切に調整することにより、目的とする周波数の脳磁場を高精度に計測可能な脳磁計を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る脳磁計は、脳磁場を計測する複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサと、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサのそれぞれのポンプ光の方向と同一の方向、且つ頭皮に対し略平行な方向にバイアス磁場を印加するためのバイアス磁場形成用コイルと、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサの共鳴周波数を脳磁場の周波数帯域に調整するバイアス磁場を発生させるようにバイアス磁場形成用コイルに対する電流を決定し、決定した電流に応じた制御信号を出力する制御装置と、制御装置により出力された制御信号に応じて、バイアス磁場形成用コイルに電流を出力するコイル電源と、を備える。

本発明の一態様に係る脳磁計では、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサのそれぞれのポンプ光と同一の方向、且つ頭皮に対し略平行な方向にバイアス磁場が印加され、複数の光励起磁気センサの共鳴周波数が脳磁場の周波数帯域に調整される。頭皮から略垂直な方向に脳磁場が生じているため、頭皮に対し略平行な方向であってポンプ光と同一の方向にバイアス磁場が印加されることによって、脳磁場に対して適切な方向にバイアス磁場を印加することができる。そして、本発明の一態様に係る脳磁計では、バイアス磁場によって複数の光励起磁気センサの共鳴周波数が脳磁場の周波数帯域に調整されるので、複数の光励起磁気センサが脳磁場の計測に適した感度に調整される。以上のように、本発明の一態様に係る脳磁計によれば、光励起磁気センサの共鳴周波数を適切に調整することによって、脳磁場を高精度に計測することができる。

バイアス磁場の方向は、被験者の体軸を中心とする同心円の方向であってもよい。このような同心円の方向のバイアス磁場は、容易且つ安定的に発生可能である。バイアス磁場が安定することにより、脳磁場を安定的に計測することができる。

バイアス磁場形成用コイルは、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサのそれぞれを個別に周回するように配置されるコイルシステムであってもよい。このような構成によれば、複数の光励起磁気センサごとにバイアス磁場が印加される。これにより、均一なバイアス磁場を精緻に印加することができる。

バイアス磁場形成用コイルは、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサに含まれる少なくとも２つ以上の光励起磁気センサを囲むように配置されるコイルシステムであってもよい。このような構成によれば、バイアス磁場形成用コイルに囲まれた２つ以上の光励起磁気センサに対し、一括でバイアス磁場が印加される。これにより、簡易な構成によって均一なバイアス磁場を効率的に印加することができる。

複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサは、頭皮に対し垂直な方向且つ同軸上に計測領域及び参照領域を有する軸型グラジオメータであってもよい。このような構成によれば、コモンモードノイズの影響が計測領域の出力結果及び参照領域の出力結果のそれぞれに示されるため、両者の出力結果の差分を取得することによってコモンモードノイズを除去することができる。これにより、脳磁場の計測精度が向上する。

複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサのそれぞれの位置における地磁気に係る磁場を計測する複数の地磁気磁場補正用磁気センサと、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサのそれぞれの位置における変動磁場を計測する複数のアクティブシールド用磁気センサと、地磁気に係る磁場を補正するための地磁気磁場補正コイルと、変動磁場を補正するためのアクティブシールドコイルと、をさらに備え、制御装置は、複数の地磁気磁場補正用磁気センサの計測値に基づいて、地磁気に係る磁場を打ち消す磁場を発生させるように地磁気磁場補正コイルに対する電流を決定し、複数のアクティブシールド用磁気センサの計測値に基づいて、変動磁場を打ち消す磁場を発生させるようにアクティブシールドコイルに対する電流を決定し、決定した電流に応じた制御信号を出力し、コイル電源は、制御装置により出力された制御信号に応じて、地磁気磁場補正コイル及びアクティブシールドコイルに電流をさらに出力してもよい。このような構成によれば、脳磁場を計測する複数の光励起磁気センサのそれぞれの位置における地磁気に係る磁場及び変動磁場が計測される。そして、本脳磁計では、地磁気に係る磁場の複数の計測値に基づいて地磁気に係る磁場を打ち消す磁場を発生させるように地磁気磁場補正コイルに対する電流が決定され、変動磁場の複数の計測値に基づいて変動磁場を打ち消す磁場を発生させるようにアクティブシールドコイルに対する電流が決定され、決定した電流に応じた制御信号が出力される。そして、制御信号に応じた電流が地磁気磁場補正コイル及びアクティブシールドコイルに出力されると、それぞれのコイルにおいて磁場が発生し、複数の光励起磁気センサの位置において、地磁気磁場補正コイルにおいて発生した磁場によって地磁気に係る磁場が打ち消され、アクティブシールドコイルにおいて発生した磁場によって変動磁場が打ち消される。このように、複数の光励起磁気センサの位置における地磁気に係る磁場及び変動磁場が打ち消されることにより、複数の光励起磁気センサは、地磁気に係る磁場の影響及び変動磁場の影響を避けた状態において脳磁場を計測することができる。このような脳磁計によれば、磁気シールドルームを使用せずに高精度に脳磁場を計測することができる。

複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ、複数の地磁気磁場補正用磁気センサ、及び複数のアクティブシールド用磁気センサは、被験者の頭部に装着されるヘルメット型の比透磁率が１に近く磁場分布を乱さない非磁性フレームに固定されていてもよい。このような構成によれば、被験者の頭部の動きに応じて、頭部に装着された非磁性フレーム及び非磁性フレームに固定された各センサが動くため、被験者の頭部が動いた場合においても、複数の光励起磁気センサの位置における地磁気に係る磁場及び変動磁場の補正、及び脳磁場の計測を適切に行うことができる。

高周波数の電磁ノイズを遮蔽するための電磁シールドをさらに備えてもよい。このような構成によれば、脳磁計では計測の対象とならない高周波数の電磁ノイズが複数の光励起磁気センサに侵入することを防止できる。これにより、複数の光励起磁気センサを安定的に動作させることができる。

本発明によれば、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサの共鳴周波数を目的とする脳磁場の周波数へ揃えることにより、高精度に計測可能な脳磁計を提供することができる。

実施形態に係る脳磁計の構成を示す概略図である。 バイアス磁場の方向を示す概要図である。 バイアス磁場形成用コイルの配置例を示す概要図である。 バイアス磁場形成用コイルの配置例に係るバイアス磁場の方向を示す概要図である。 バイアス磁場形成用コイルの他の配置例を示す概要図である。 実施形態に係る脳磁計の動作を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係る脳磁計Ｍ１の構成を示す概略図である。脳磁計Ｍ１は、磁気ノイズを打ち消す磁場を発生させながら、光ポンピングを利用して脳磁場を計測する装置である。脳磁計Ｍ１は、複数のＯＰＭ（optically pumped magnetometer）モジュール１と、複数の地磁気磁場補正用磁気センサ２と、複数のアクティブシールド用磁気センサ３と、非磁性フレーム４と、制御装置５と、コイル電源６と、一対の地磁気補正コイル７及び一対の勾配磁場補正コイル８（地磁気磁場補正コイル）と、一対のアクティブシールドコイル９と、ポンプレーザ１０と、プローブレーザ１１と、アンプ１２と、ヒータコントローラ１３と、電磁シールド１４と、バイアス磁場形成用コイル１５と、を備える。

ＯＰＭモジュール１は、ポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａと、断熱材１Ｂと、読み出し回路１Ｃと、を有する。複数のＯＰＭモジュール１は、例えば頭皮に沿って所定の間隔で配置される。

光励起磁気センサ１Ａは、光ポンピングを利用して脳磁場を計測するセンサであり、例えば１０ｆＴ〜１０ｐＴ程度の感度を有する。断熱材１Ｂは、ヒーター（不図示）によって１８０度に加熱された光励起磁気センサ１Ａの熱移動及び熱伝達を防止する。読み出し回路１Ｃは、光励起磁気センサ１Ａの検出結果を取得する回路である。光励起磁気センサ１Ａは、アルカリ金属蒸気を封入したセルにポンプ光を照射することによって、アルカリ金属蒸気を励起状態とする。励起状態のアルカリ金属蒸気はスピン偏極状態にあり、磁気を受けると、磁気に応じてアルカリ金属蒸気のスピン偏極軸の向きが変化する。そして、このスピン偏極のポンプ光に対して直交方向に照射されるプローブ光方向の成分の大きさに応じて直線偏光面が回転する。この回転角（磁気旋光角）を検出するため、読み出し回路１Ｃは、アルカリ金属蒸気を通過したプローブ光をフォトダイオードによって受光し、検出結果を取得する。読み出し回路１Ｃは、検出結果をアンプ１２に出力する。

光励起磁気センサ１Ａは、例えば軸型グラジオメータ（Gradiometer）であってもよい。軸型グラジオメータは、被験者の頭皮（計測箇所）に対し垂直な方向且つ同軸上に計測領域及び参照領域を有する。計測領域とは、例えば、軸型グラジオメータが脳磁場を計測する箇所のうち、被験者の頭皮に最も近接する箇所である。参照領域とは、例えば、軸型グラジオメータが脳磁場を計測する箇所のうち、被験者の頭皮から離れた方向に対し、計測領域から所定の距離（例えば３ｃｍ）の箇所である。軸型グラジオメータは、計測領域及び参照領域において計測したそれぞれの結果をアンプ１２に出力する。ここで、コモンモードノイズが含まれる場合には、その影響が計測領域の出力結果及び参照領域の出力結果のそれぞれに示される。コモンモードノイズは、計測領域の出力結果及び参照領域の出力結果の差分を取得することによって除去される。コモンモードノイズを除去することにより、例えば１ｐＴの磁気ノイズ環境下で計測した場合、光励起磁気センサ１Ａは１０ｆＴ／√Ｈｚ程度の感度を得ることができる。

地磁気磁場補正用磁気センサ２は、光励起磁気センサ１Ａに対応する位置において、地磁気に係る磁場を計測するセンサであり、例えば１ｎＴ〜１００μＴ程度の感度を有するフラックスゲートセンサにより構成される。光励起磁気センサ１Ａに対応する位置とは、光励起磁気センサ１Ａが配置された領域の周辺（近傍）の位置である。地磁気磁場補正用磁気センサ２は、光励起磁気センサ１Ａに一対一で対応して設けられていてもよいし、一対多（複数の光励起磁気センサ１Ａに対して１台の地磁気磁場補正用磁気センサ２）で対応して設けられていてもよい。地磁気磁場補正用磁気センサ２は、地磁気に係る磁場として例えば地磁気及び地磁気の勾配磁場（以下、単に「勾配磁場」という。）を計測し、計測値を制御装置５に出力する。地磁気磁場補正用磁気センサ２の計測値は、向き及び大きさを有するベクトルにより表され得る。地磁気磁場補正用磁気センサ２は、計測及び出力を、所定の時間間隔で継続して行ってもよい。

アクティブシールド用磁気センサ３は、光励起磁気センサ１Ａに対応する位置において、変動磁場を計測するセンサであり、例えば数百Ｈｚ以下の周波数帯域で１００ｆＴ〜１０ｎＴ程度の感度を有し、光励起磁気センサ１Ａとは異なる光励起磁気センサにより構成される。光励起磁気センサ１Ａに対応する位置とは、光励起磁気センサ１Ａが配置された領域の周辺（近傍）の位置である。アクティブシールド用磁気センサ３は、光励起磁気センサ１Ａに一対一で対応して設けられていてもよいし、一対多（複数の光励起磁気センサ１Ａに対して１台のアクティブシールド用磁気センサ３）で対応して設けられていてもよい。アクティブシールド用磁気センサ３は、変動磁場として例えば２００Ｈｚ以下のノイズ（交流）成分の磁場を計測し、計測値を制御装置５に出力する。アクティブシールド用磁気センサ３の計測値は、向き及び大きさを有するベクトルにより表され得る。

非磁性フレーム４は、脳磁場の計測対象である被験者の頭皮の全域を覆うフレームであり、グラファイト等の比透磁率が１に近く磁場分布を乱さない非磁性体材料により構成される。非磁性フレーム４は、例えば被験者の頭皮の全域を囲み、被験者の頭部に装着されるヘルメット型のフレームとすることができる。非磁性フレーム４には、被験者の頭皮に近接するように複数の光励起磁気センサ１Ａが固定されている。さらに、非磁性フレーム４には、複数の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれの位置における地磁気に係る磁場を計測可能なように地磁気磁場補正用磁気センサ２が固定され、複数の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれの位置における変動磁場を計測可能なようにアクティブシールド用磁気センサ３が固定されている。変動磁場は位置による磁場強度のばらつきが静磁場よりも少ないため、非磁性フレーム４には地磁気磁場補正用磁気センサ２の数よりもアクティブシールド用磁気センサ３の数が少なくなるように固定されていてもよい。

制御装置５は、地磁気磁場補正用磁気センサ２及びアクティブシールド用磁気センサ３から出力された計測値に基づいて、各種コイルに対する電流を決定し、電流を出力するための制御信号をコイル電源６に出力する装置である。制御装置５は、複数の地磁気磁場補正用磁気センサ２の計測値に基づいて、地磁気に係る磁場を打ち消す磁場を発生させるように、地磁気磁場補正コイルである地磁気補正コイル７及び勾配磁場補正コイル８に対する電流を決定する。また、制御装置５は、複数のアクティブシールド用磁気センサ３の計測値に基づいて、変動磁場を打ち消す磁場を発生させるようにアクティブシールドコイル９に対する電流を決定する。制御装置５は、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａの共鳴周波数を脳磁場の周波数帯域に調整するバイアス磁場を発生させるようにバイアス磁場形成用コイル１５に対する電流を決定する。制御装置５は、決定した電流に応じた制御信号をコイル電源６に出力する。

具体的には、制御装置５は、複数の地磁気磁場補正用磁気センサ２の計測値の平均値がゼロに近似するように（結果として、光励起磁気センサ１Ａの位置における地磁気に対し逆向き且つ同程度の大きさの磁場が発生するように）、地磁気補正コイル７に対する電流を決定する。制御装置５は、決定した地磁気補正コイル７の電流に応じた制御信号（静磁場補正用制御信号）をコイル電源６に出力する。

また、制御装置５は、複数の地磁気磁場補正用磁気センサ２の計測値の平均値からの偏差が最小になるように（結果として、光励起磁気センサ１Ａの位置における勾配磁場に対し逆向き且つ同程度の大きさの磁場が発生するように）、勾配磁場補正コイル８に対する電流を決定する。制御装置５は、決定した勾配磁場補正コイル８の電流に応じた制御信号（静磁場補正用制御信号）をコイル電源６に出力する。

また、制御装置５は、複数のアクティブシールド用磁気センサ３の計測値の平均値がゼロに近似するように（結果として、光励起磁気センサ１Ａの位置における変動磁場に対し逆向き且つ同程度の大きさの磁場が発生するように）、アクティブシールドコイル９に対する電流を決定する。制御装置５は、決定したアクティブシールドコイル９の電流に応じた制御信号（変動磁場補正用制御信号）をコイル電源６に出力する。

また、制御装置５は、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａの共鳴周波数が脳磁場の周波数帯域（例えば、数〜数百Ｈｚの間）に含まれる周波数となるようにバイアス磁場形成用コイル１５に対する電流を決定する。特に、約１６〜３０Ｈｚのβ波、約４０〜８０Ｈｚのγ波、約数百Ｈｚのhigh-γ波等を選択的に計測する場合、制御装置５は、それぞれの周波数帯域に共鳴周波数が含まれるように、各々３.６ｎＴ、８．６ｎＴ、２８．５ｎＴのバイアス磁場が形成されるようにバイアス磁場形成用コイル１５に対する電流を決定する。制御装置５は、決定したバイアス磁場形成用コイル１５の電流に応じた制御信号（バイアス磁場印加用制御信号）をコイル電源６に出力する。

また、制御装置５は、アンプ１２から出力された信号を利用して、光励起磁気センサ１Ａが検出した磁気に関する情報を得る。光励起磁気センサ１Ａが軸型グラジオメータである場合、制御装置５は、計測領域の出力結果及び参照領域の出力結果の差分を取得することによって、コモンモードノイズを除去してもよい。なお、制御装置５は、ポンプレーザ１０及びプローブレーザ１１の照射タイミング、照射時間等の動作を制御してもよい。

制御装置５は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えて構成されている。かかる制御装置５としては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートフォン、タブレット端末などが挙げられる。制御装置５は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより機能する。

コイル電源６は、制御装置５から出力された制御信号に応じて、所定の電流を地磁気補正コイル７、勾配磁場補正コイル８、アクティブシールドコイル９、及びバイアス磁場形成用コイル１５のそれぞれに出力する。具体的には、コイル電源６は、地磁気補正コイル７に係る制御信号に応じて、地磁気補正コイル７に電流を出力する。コイル電源６は、勾配磁場補正コイル８に係る制御信号に応じて、勾配磁場補正コイル８に電流を出力する。コイル電源６は、アクティブシールドコイル９に係る制御信号に応じて、アクティブシールドコイル９に電流を出力する。コイル電源６は、バイアス磁場形成用コイル１５に係る制御信号に応じて、バイアス磁場形成用コイル１５に電流を出力する。

地磁気補正コイル７は、光励起磁気センサ１Ａの位置における地磁気に係る磁場のうち、地磁気の磁場を補正するためのコイルである。地磁気補正コイル７は、コイル電源６から供給される電流に応じて磁場を発生させて、地磁気のキャンセリングを行う。地磁気補正コイル７は、例えば、一対の地磁気補正コイル７Ａ及び７Ｂを有する。一対の地磁気補正コイル７Ａ及び７Ｂは、光励起磁気センサ１Ａを挟むように（例えば被験者の左右に）配置される。一対の地磁気補正コイル７Ａ及び７Ｂは、コイル電源６から供給される電流に応じて、光励起磁気センサ１Ａの位置における地磁気に対し逆向き且つ同程度の大きさの磁場を発生させる。磁場の方向は、例えば、一方の地磁気補正コイル７Ａから他方の地磁気補正コイル７Ｂに向かう。光励起磁気センサ１Ａの位置における地磁気は、地磁気補正コイル７により発生する逆向きで同程度の大きさの磁場によって打ち消される。このようにして、地磁気補正コイル７は、光励起磁気センサ１Ａの位置における地磁気を補正する。

勾配磁場補正コイル８は、光励起磁気センサ１Ａの位置における地磁気に係る磁場のうち、勾配磁場を補正するためのコイルである。勾配磁場補正コイル８は、コイル電源６から供給される電流に応じて磁場を発生させて、勾配磁場のキャンセリングを行う。勾配磁場補正コイル８は、例えば、一対の勾配磁場補正コイル８Ａ及び８Ｂを有する。一対の勾配磁場補正コイル８Ａ及び８Ｂは、光励起磁気センサ１Ａを挟むように（例えば被験者の左右に）配置される。一対の勾配磁場補正コイル８Ａ及び８Ｂは、コイル電源６から供給される電流に応じて、光励起磁気センサ１Ａの位置における勾配磁場に対し逆向き且つ同程度の大きさの磁場を発生させる。磁場の方向は、例えば、一方の勾配磁場補正コイル８Ａから他方の勾配磁場補正コイル８Ｂに向かう。光励起磁気センサ１Ａの位置における勾配磁場は、勾配磁場補正コイル８により発生する逆向き且つ同程度の大きさの磁場によって打ち消される。このようにして、勾配磁場補正コイル８は、光励起磁気センサ１Ａの位置における勾配磁場を補正する。

アクティブシールドコイル９は、光励起磁気センサ１Ａの位置における変動磁場を補正するためのコイルである。アクティブシールドコイル９は、コイル電源６から供給される電流に応じて磁場を発生させて、変動磁場のキャンセリングを行う。アクティブシールドコイル９は、例えば、一対のアクティブシールドコイル９Ａ及び９Ｂを有する。一対のアクティブシールドコイル９Ａ及び９Ｂは、光励起磁気センサ１Ａを挟むように（例えば被験者の左右に）配置される。一対のアクティブシールドコイル９Ａ及び９Ｂは、コイル電源６から供給される電流に応じて、光励起磁気センサ１Ａの位置における変動磁場に対し逆向き且つ同程度の大きさの磁場を発生させる。磁場の方向は、例えば、一方のアクティブシールドコイル９Ａから他方のアクティブシールドコイル９Ｂに向かう。光励起磁気センサ１Ａの位置における変動磁場は、アクティブシールドコイル９により発生する逆向き且つ同程度の大きさの磁場によって打ち消される。このようにして、アクティブシールドコイル９は、光励起磁気センサ１Ａの位置における変動磁場を補正する。

ポンプレーザ１０は、ポンプ光を生成するレーザ装置である。ポンプレーザ１０から出射されたポンプ光は、ファイバ分岐により、複数の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれに入射する。

プローブレーザ１１は、プローブ光を生成するレーザ装置である。プローブレーザ１１から出射されたプローブ光は、ファイバ分岐により、複数の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれに入射する。

アンプ１２は、ＯＰＭモジュール１（具体的には、読み出し回路１Ｃ）からの出力結果の信号を増幅して、制御装置５に出力する機器又は回路である。

ヒータコントローラ１３は、光励起磁気センサ１Ａのセルを加熱するためのヒータ（不図示）、及びセルの温度を計測する熱電対（不図示）と接続される調温装置である。ヒータコントローラ１３は、熱電対からセルの温度情報を受信し、当該温度情報に基づいてヒータの加熱を調整することにより、セルの温度を調整する。

電磁シールド１４は、高周波数（例えば、１０ｋＨｚ以上）の電磁ノイズを遮蔽するシールド部材であり、例えば金属糸を編み込んだメッシュ、又はアルミニウム等の非磁性金属板等により構成される。電磁シールド１４は、光励起磁気センサ１Ａ、地磁気磁場補正用磁気センサ２、アクティブシールド用磁気センサ３、非磁性フレーム４、地磁気補正コイル７、勾配磁場補正コイル８、アクティブシールドコイル９、及びバイアス磁場形成用コイル１５を囲むように配置される。

バイアス磁場形成用コイル１５は、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれのポンプ光の方向と同一の方向、且つ頭皮に対し略平行な方向にバイアス磁場を印加するためのコイルである。バイアス磁場形成用コイル１５は、コイル電源６から供給される電流に応じてバイアス磁場を発生させる。バイアス磁場形成用コイル１５は、例えば、０．７〜３０ｎＴのバイアス磁場を発生させる。

図２は、バイアス磁場の方向を示す概要図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、被験者の頭部に非磁性フレーム４が装着された状態であることを示す。バイアス磁場の方向は、被験者の頭皮に対し、略平行な方向（頭皮から垂直方向に発生する脳磁場に対し垂直方向）であり、例えば図２（ａ）で示されるように、被験者の体軸ＡＸを中心とする同心円の方向Ｄである。同心円の方向Ｄの向きは逆方向でもよい。このような同心円の方向Ｄのバイアス磁場は、容易且つ安定的に印加することが可能である。また、バイアス磁場の方向は、例えば図２（ｂ）で示されるように、頭頂部を起点とする放射状の方向Ｄ´であってもよい。複数の光励起磁気センサ１Ａは、それぞれのポンプ光の方向とバイアス磁場の方向Ｄ又はＤ´とが同一方向となるように配置される。

図３は、バイアス磁場形成用コイル１５の配置例を示す概要図である。図３は、被験者の頭部に非磁性フレーム４が装着された状態であることを示す。図３において、バイアス磁場形成用コイル１５は、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれを個別に周回するように配置されるコイルシステムである。バイアス磁場形成用コイル１５が示す矢印は電流の向きである。隣り合う複数の光励起磁気センサ１Ａとの間でバイアス磁場の影響を避けるため、複数の光励起磁気センサ１Ａは、一定の間隔で配置されてもよい。光励起磁気センサ１Ａが軸型グラジオメータである場合、バイアス磁場形成用コイル１５は、軸型グラジオメータの計測領域の磁場強度と参照領域の磁場強度とが同一となるようにバイアス磁場を発生させる。

図４は、バイアス磁場形成用コイル１５の配置例に係るバイアス磁場の方向を示す概要図である。図４は、図３で示した配置例について、被験者の上側から被験者の頭部を見た場合の図であることを示す。バイアス磁場形成用コイル１５は、複数の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれを個別に周回するように配置されるが、簡略化するために光励起磁気センサ１Ａ（ＯＰＭモジュール１）の両端に接した箇所のみ示されている。このようなバイアス磁場形成用コイル１５により発生するバイアス磁場の方向は、被験者の体軸ＡＸを中心とする同心円の方向Ｄである。同心円の方向Ｄの向きは逆方向でもよい。複数の光励起磁気センサ１Ａごとに配置されたバイアス磁場形成用コイル１５は、互いに協調して均一なバイアス磁場を印加してもよい。

図５は、バイアス磁場形成用コイル１５の他の配置例を示す概要図である。図５は、被験者の頭部に非磁性フレーム４が装着された状態であることを示す。図５において、バイアス磁場形成用コイル１５は、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａに含まれる少なくとも２つ以上の光励起磁気センサ１Ａを囲むように配置されるコイルシステムである。バイアス磁場形成用コイル１５は、らせん状に被験者の頭部の周りに配置され（例えば２０周程度）、直列に接続される。図２では、簡略化するために２周分のコイルのみ例示している。バイアス磁場形成用コイル１５が示す矢印は電流の向きである。このようなバイアス磁場形成用コイル１５により発生するバイアス磁場の方向は、被験者の体軸ＡＸを中心とする同心円の方向Ｄである。同心円の方向Ｄの向きは逆方向でもよい。バイアス磁場形成用コイル１５は、囲んでいる複数の光励起磁気センサ１Ａに対し、均一なバイアス磁場を印加する。

次に、図６を参照しながら、実施形態に係る脳磁計Ｍ１を用いた脳磁場測定方法について説明する。図６は、脳磁計Ｍ１の動作を示すフローチャートである。

地磁気磁場補正用磁気センサ２は、静磁場である、地磁気に係る磁場を計測する（ステップＳ１１）。地磁気磁場補正用磁気センサ２は、光励起磁気センサ１Ａのそれぞれの位置において、地磁気及び勾配磁場を計測し、計測値を制御装置５に出力する。

制御装置５及びコイル電源６は、地磁気補正コイル７に対する電流を制御する（ステップＳ１２）。制御装置５は、地磁気磁場補正用磁気センサ２の計測値に基づいて、光励起磁気センサ１Ａの位置における地磁気に対し逆向き且つ同程度の磁場を発生させるように、地磁気補正コイル７に対する電流を決定する。より具体的には、制御装置５は、例えば複数の地磁気磁場補正用磁気センサ２の計測値の平均値がゼロに近似するように、地磁気補正コイル７に対する電流を決定する。制御装置５は、決定した電流に応じた制御信号をコイル電源６に出力する。コイル電源６は、制御装置５により出力された制御信号に応じて、所定の電流を地磁気補正コイル７に出力する。地磁気補正コイル７は、コイル電源６から供給される電流に応じて磁場を発生させる。光励起磁気センサ１Ａの位置における地磁気は、地磁気補正コイル７により発生する、逆向き且つ同程度の大きさの磁場によって打ち消される。

制御装置５及びコイル電源６は、勾配磁場補正コイル８に対する電流を制御する（ステップＳ１３）。制御装置５は、地磁気磁場補正用磁気センサ２の計測値に基づいて、光励起磁気センサ１Ａの位置における勾配磁場に対し逆向き且つ同程度の大きさの磁場を発生させるように、勾配磁場補正コイル８に対する電流を決定する。より具体的には、制御装置５は、例えば複数の地磁気磁場補正用磁気センサ２の計測値の平均値からの偏差が最小になるように、勾配磁場補正コイル８に対する電流を決定する。制御装置５は、決定した電流に応じた制御信号をコイル電源６に出力する。コイル電源６は、制御装置５により出力された制御信号に応じて、所定の電流を勾配磁場補正コイル８に出力する。勾配磁場補正コイル８は、コイル電源６から供給される電流に応じて磁場を発生させる。光励起磁気センサ１Ａの位置における勾配磁場は、勾配磁場補正コイル８により発生する逆向き且つ同程度の大きさの磁場によって打ち消される。

制御装置５は、補正後の静磁場（地磁気に係る磁場）の計測値が基準値以下であるかどうかを判定する（ステップＳ１４）。補正後の静磁場の計測値とは、地磁気補正コイル７及び勾配磁場補正コイル８によって静磁場が補正された後、地磁気磁場補正用磁気センサ２により計測された値である。基準値は、光励起磁気センサ１Ａが正常に動作する磁場の大きさであり、例えば１ｎＴとすることができる。静磁場の計測値が基準値以下ではない場合（ステップＳ１４において「ＮＯ」）、ステップＳ１１に戻る。静磁場の計測値が基準値以下である場合（ステップＳ１４において「ＹＥＳ」）、ステップＳ１５に進む。

アクティブシールド用磁気センサ３は、変動磁場を計測する（ステップＳ１５）。アクティブシールド用磁気センサ３は、光励起磁気センサ１Ａのそれぞれの位置において、変動磁場を計測し、計測値を制御装置５に出力する。

制御装置５及びコイル電源６は、アクティブシールドコイル９に対する電流を制御する（ステップＳ１６）。制御装置５は、アクティブシールド用磁気センサ３の計測値に基づいて、光励起磁気センサ１Ａの位置における変動磁場に対し逆向き且つ同程度の大きさの磁場を発生させるように、アクティブシールドコイル９に対する電流を決定する。より具体的には、制御装置５は、例えば複数のアクティブシールド用磁気センサ３の計測値の平均値がゼロに近似するように、アクティブシールドコイル９に対する電流を決定する。制御装置５は、決定した電流に応じた制御信号をコイル電源６に出力する。コイル電源６は、制御装置５により出力された制御信号に応じて、所定の電流をアクティブシールドコイル９に出力する。アクティブシールドコイル９は、コイル電源６から供給される電流に応じて磁場を発生させる。光励起磁気センサ１Ａの位置における変動磁場は、アクティブシールドコイル９により発生する逆向き且つ同程度の大きさの磁場によって打ち消される。

制御装置５は、補正後の変動磁場の計測値が基準値以下であるかどうかを判定する（ステップＳ１７）。補正後の変動磁場の計測値とは、アクティブシールドコイル９によって変動磁場が補正された後、アクティブシールド用磁気センサ３によって計測された値である。基準値は、脳磁場を計測することができるノイズレベルであり、例えば１ｐＴとすることができる。変動磁場の計測値が基準値以下ではない場合（ステップＳ１７において「ＮＯ」）、ステップＳ１５に戻る。変動磁場の計測値が基準値以下である場合（ステップＳ１７において「ＹＥＳ」）、ステップＳ１８に進む。

制御装置５及びコイル電源６は、バイアス磁場形成用コイル１５に対する電流を制御する（ステップＳ１８）。制御装置５は、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａの共鳴周波数を脳磁場の周波数帯域に調整するバイアス磁場を発生させるようにバイアス磁場形成用コイル１５に対する電流を決定する。制御装置５は、決定した電流に応じた制御信号をコイル電源６に出力する。コイル電源６は、制御装置５により出力された制御信号に応じて、所定の電流をバイアス磁場形成用コイル１５に出力する。バイアス磁場形成用コイル１５は、コイル電源６から供給される電流に応じてバイアス磁場を発生させる。

光励起磁気センサ１Ａは、脳磁場を計測する（ステップＳ１９）。ここまでに光励起磁気センサ１Ａの位置における静磁場（地磁気に係る磁場）及び変動磁場が所定の基準値以下になるように打ち消されているため、光励起磁気センサ１Ａは、静磁場（地磁気に係る磁場）の影響及び変動磁場の影響を避けた状態で脳磁場を計測することができる。また、複数の光励起磁気センサ１Ａが脳磁場の計測に適した感度になるとともに、当該感度が複数の光励起磁気センサ１Ａの間で揃えられる。これにより、高精度に計測可能な脳磁計を提供することができる。

［作用効果］
次に、上述した実施形態に係る脳磁計の作用効果について説明する。

本実施形態に係る脳磁計Ｍ１は、脳磁場を計測する複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａと、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれのポンプ光の方向と同一の方向、且つ頭皮に対し略平行な方向にバイアス磁場を印加するためのバイアス磁場形成用コイル１５と、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサの共鳴周波数を脳磁場の周波数帯域に調整するバイアス磁場を発生させるようにバイアス磁場形成用コイルに対する電流を決定し、決定した電流に応じた制御信号を出力する制御装置５と、制御装置により出力された制御信号に応じて、バイアス磁場形成用コイルに電流を出力するコイル電源６と、を備える。

本実施形態に係る脳磁計Ｍ１では、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれのポンプ光と同一の方向、且つ頭皮に対し略平行な方向にバイアス磁場が印加され、複数の光励起磁気センサ１Ａの共鳴周波数が脳磁場の周波数帯域に調整される。頭皮から略垂直な方向に脳磁場が生じているため、頭皮に対し略平行な方向であってポンプ光と同一の方向にバイアス磁場が印加されることによって、脳磁場に対して適切な方向にバイアス磁場を印加することができる。そして、本実施形態に係る脳磁計Ｍ１では、バイアス磁場によって複数の光励起磁気センサ１Ａの共鳴周波数が脳磁場の周波数帯域に調整されるので、複数の光励起磁気センサ１Ａが脳磁場の計測に適した感度に調整される。以上のように、本実施形態に係る脳磁計Ｍ１によれば、光励起磁気センサ１Ａの共鳴周波数を適切に調整することによって、脳磁場を高精度に計測することができる。

バイアス磁場の方向は、被験者の体軸を中心とする同心円の方向であってもよい。このような同心円の方向のバイアス磁場は、容易且つ安定的に印加することが可能である。バイアス磁場が安定することにより、脳磁場を安定的に計測することができる。

バイアス磁場形成用コイル１５は、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれを個別に周回するように配置されるコイルシステムであってもよい。このような構成によれば、複数の光励起磁気センサ１Ａごとにバイアス磁場が印加される。これにより、均一なバイアス磁場を精緻に印加することができる。

バイアス磁場形成用コイル１５は、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａに含まれる少なくとも２つ以上の光励起磁気センサ１Ａを囲むように配置されるコイルシステムであってもよい。このような構成によれば、バイアス磁場形成用コイル１５に囲まれた２つ以上の光励起磁気センサ１Ａに対し、一括でバイアス磁場が印加される。これにより、簡易な構成によって均一なバイアス磁場を効率的に印加することができる。

複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａは、頭皮に対し垂直な方向且つ同軸上に計測領域及び参照領域を有する軸型グラジオメータであってもよい。このような構成によれば、コモンモードノイズの影響が計測領域の出力結果及び参照領域の出力結果のそれぞれに示されるため、両者の出力結果の差分を取得することによってコモンモードノイズを除去することができる。これにより、脳磁場の計測精度が向上する。

複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれの位置における地磁気に係る磁場を計測する複数の地磁気磁場補正用磁気センサ２と、複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれの位置における変動磁場を計測する複数のアクティブシールド用磁気センサ３と、地磁気に係る磁場を補正するための地磁気磁場補正コイルと、変動磁場を補正するためのアクティブシールドコイル９と、をさらに備え、制御装置５は、複数の地磁気磁場補正用磁気センサ２の計測値に基づいて、地磁気に係る磁場を打ち消す磁場を発生させるように地磁気磁場補正コイルに対する電流を決定し、複数のアクティブシールド用磁気センサ３の計測値に基づいて、変動磁場を打ち消す磁場を発生させるようにアクティブシールドコイル９に対する電流を決定し、決定した電流に応じた制御信号を出力し、コイル電源６は、制御装置５により出力された制御信号に応じて、地磁気磁場補正コイル及びアクティブシールドコイル９に電流をさらに出力してもよい。このような構成によれば、脳磁場を計測する複数の光励起磁気センサ１Ａのそれぞれの位置における地磁気に係る磁場及び変動磁場が計測される。そして、本脳磁計Ｍ１では、地磁気に係る磁場の複数の計測値に基づいて地磁気に係る磁場を打ち消す磁場を発生させるように地磁気磁場補正コイルに対する電流が決定され、変動磁場の複数の計測値に基づいて変動磁場を打ち消す磁場を発生させるようにアクティブシールドコイル９に対する電流が決定され、決定した電流に応じた制御信号が出力される。そして、制御信号に応じた電流が地磁気磁場補正コイル及びアクティブシールドコイル９に出力されると、それぞれのコイルにおいて磁場が発生し、複数の光励起磁気センサ１Ａの位置において、地磁気磁場補正コイルにおいて発生した磁場によって地磁気に係る磁場が打ち消され、アクティブシールドコイル９において発生した磁場によって変動磁場が打ち消される。このように、複数の光励起磁気センサ１Ａの位置における地磁気に係る磁場及び変動磁場が打ち消されることにより、複数の光励起磁気センサ１Ａは、地磁気に係る磁場の影響及び変動磁場の影響を避けた状態において脳磁場を計測することができる。このような脳磁計Ｍ１によれば、磁気シールドルームを使用せずに高精度に脳磁場を計測することができる。

複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ１Ａ、複数の地磁気磁場補正用磁気センサ２、及び複数のアクティブシールド用磁気センサ３は、被験者の頭部に装着されるヘルメット型の比透磁率が１に近く磁場分布を乱さない非磁性フレーム４に固定されていてもよい。このような構成によれば、被験者の頭部の動きに応じて、頭部に装着された非磁性フレーム４及び非磁性フレーム４に固定された各センサが動くため、被験者の頭部が動いた場合においても、複数の光励起磁気センサ１Ａの位置における地磁気に係る磁場及び変動磁場の補正、及び脳磁場の計測を適切に行うことができる。

高周波数の電磁ノイズを遮蔽するための電磁シールド１４をさらに備えてもよい。このような構成によれば、脳磁計Ｍ１では計測の対象とならない高周波数の電磁ノイズが複数の光励起磁気センサ１Ａに侵入することを防止できる。これにより、複数の光励起磁気センサ１Ａを安定的に動作させることができる。

１Ａ…光励起磁気センサ、２…地磁気磁場補正用磁気センサ、３…アクティブシールド用磁気センサ、４…非磁性フレーム、５…制御装置、６…コイル電源、７…地磁気補正コイル、８…勾配磁場補正コイル、９…アクティブシールドコイル、１４…電磁シールド、１５…バイアス磁場形成用コイル。

Claims (8)

1. 脳磁場を計測する複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサと、
   前記複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサのそれぞれのポンプ光の方向と同一の方向、且つ頭皮に対し略平行な方向にバイアス磁場を印加するためのバイアス磁場形成用コイルと、
   前記複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサの共鳴周波数を脳磁場の周波数帯域に調整するバイアス磁場を発生させるように前記バイアス磁場形成用コイルに対する電流を決定し、決定した電流に応じた制御信号を出力する制御装置と、
   前記制御装置により出力された前記制御信号に応じて、前記バイアス磁場形成用コイルに電流を出力するコイル電源と、
   を備える、脳磁計。
2. 前記バイアス磁場の方向は、被験者の体軸を中心とする同心円の方向である、請求項１記載の脳磁計。
3. 前記バイアス磁場形成用コイルは、前記複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサのそれぞれを個別に周回するように配置されるコイルシステムである、請求項１又は２記載の脳磁計。
4. 前記バイアス磁場形成用コイルは、前記複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサに含まれる少なくとも２つ以上の前記光励起磁気センサを囲むように配置されるコイルシステムである、請求項１又は２記載の脳磁計。
5. 前記複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサは、前記頭皮に対し垂直な方向且つ同軸上に計測領域及び参照領域を有する軸型グラジオメータである、請求項１〜４のいずれか一項記載の脳磁計。
6. 前記複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサのそれぞれの位置における地磁気に係る磁場を計測する複数の地磁気磁場補正用磁気センサと、
   前記複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサのそれぞれの位置における変動磁場を計測する複数のアクティブシールド用磁気センサと、
   前記地磁気に係る磁場を補正するための地磁気磁場補正コイルと、
   前記変動磁場を補正するためのアクティブシールドコイルと、
   をさらに備え、
   前記制御装置は、前記複数の地磁気磁場補正用磁気センサの計測値に基づいて、前記地磁気に係る磁場を打ち消す磁場を発生させるように前記地磁気磁場補正コイルに対する電流を決定し、前記複数のアクティブシールド用磁気センサの計測値に基づいて、前記変動磁場を打ち消す磁場を発生させるように前記アクティブシールドコイルに対する電流を決定し、決定した電流に応じた制御信号を出力し、
   前記コイル電源は、前記制御装置により出力された前記制御信号に応じて、前記地磁気磁場補正コイル及び前記アクティブシールドコイルに電流をさらに出力する、
   請求項１〜５のいずれか一項記載の脳磁計。
7. 前記複数のポンプ・プローブ型の光励起磁気センサ、前記複数の地磁気磁場補正用磁気センサ、及び前記複数のアクティブシールド用磁気センサは、被験者の頭部に装着されるヘルメット型の比透磁率が１に近く磁場分布を乱さない非磁性フレームに固定されている、請求項６記載の脳磁計。
8. 高周波数の電磁ノイズを遮蔽するための電磁シールドをさらに備える、請求項６又は７記載の脳磁計。
   
   

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