JP2023034042A - Brain measuring device and brain measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、脳計測装置及び脳計測方法に関する。 The present invention relates to a brain measurement device and a brain measurement method.
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検出することで微小な磁場を計測する。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。また、最近では、脳磁計とMRI(Magnetic Resonance Imaging)装置とを、SQUIDを用いて融合しようとする研究もおこなわれている(下記非特許文献1参照)。
Conventionally, a superconducting quantum interference device (SQUID) has been used as a magnetoencephalograph to measure minute brain magnetic fields. In recent years, magnetoencephalographs using optically excited magnetic sensors instead of SQUIDs have been studied. An optically excited magnetic sensor measures a small magnetic field by detecting by using the spin polarization of alkali metal atoms excited by optical pumping. For example,
ここで、脳磁計による計測は、脳磁場よりも強い磁気ノイズの影響を避けるために、地磁気を含む磁気ノイズを低減した状態で行う必要がある。一方で、MRIによる計測は、静磁場及び傾斜磁場等を発生させた状態で行う必要がある。脳磁計及びMRI装置を一体化させた装置を実現しようとする場合には、磁気ノイズの低減と静磁場及び傾斜磁場等の印加とを効率よく実現することが求められる。 Here, in order to avoid the influence of magnetic noise stronger than the brain magnetic field, magnetoencephalography measurement must be performed in a state in which magnetic noise including geomagnetism is reduced. On the other hand, MRI measurement must be performed in a state in which a static magnetic field, a gradient magnetic field, and the like are generated. When trying to realize an apparatus in which a magnetoencephalograph and an MRI apparatus are integrated, it is required to efficiently reduce magnetic noise and apply a static magnetic field, a gradient magnetic field, and the like.
本実施形態は上記実情に鑑みてなされたものであり、脳磁計測及びMRI計測を効率よく実現できる脳計測装置及び脳計測方法を提供することを目的とする。 The present embodiment has been made in view of the above circumstances, and aims to provide a brain measurement apparatus and a brain measurement method that can efficiently realize magnetoencephalography and MRI measurement.
実施形態の一態様に係る脳計測装置は、脳磁場を計測する複数の光励起磁気センサと、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及び変動磁場を計測する複数の補正用磁気センサと、地磁気及び変動磁場を補正するための補正コイルと、を有する脳磁計と、静磁場を印加するための静磁場コイルと、傾斜磁場を印加するための傾斜磁場コイルと、所定の周波数の送信パルスを送信し、送信パルスの送信によって生じた核磁気共鳴信号を検出する送受信コイルと、を有するMRI装置と、脳磁場の計測時には、複数の補正用磁気センサによる地磁気の計測値及び変動磁場の計測値に基づいて、補正コイルに供給する電流を制御し、MR画像の計測時には、静磁場コイル及び傾斜磁場コイルに供給する電流を制御して静磁場及び傾斜磁場を制御し、送受信コイルの出力を基にMR画像を生成する制御装置と、を備える。 A brain measurement device according to an aspect of an embodiment includes: a plurality of optically excited magnetic sensors that measure brain magnetic fields; a plurality of corrective magnetic sensors that measure geomagnetism and varying magnetic fields at respective positions of the plurality of optically excited magnetic sensors; and a correction coil for correcting the fluctuating magnetic field, a magnetoencephalograph having a static magnetic field coil for applying a static magnetic field, a gradient magnetic field coil for applying a gradient magnetic field, and transmitting a transmission pulse of a predetermined frequency and a transmission/reception coil for detecting a nuclear magnetic resonance signal generated by the transmission of the transmission pulse; Based on the output of the transmission/reception coil, the current supplied to the correction coil is controlled, and when measuring an MR image, the current supplied to the static magnetic field coil and the gradient magnetic field coil is controlled to control the static magnetic field and the gradient magnetic field. a controller for generating MR images.
或いは、実施形態の他の態様に係る脳計測方法は、脳磁場を計測する複数の光励起磁気センサと、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及び変動磁場を計測する複数の補正用磁気センサと、地磁気及び変動磁場を補正するための補正コイルと、を有する脳磁計と、静磁場を印加するための静磁場コイルと、傾斜磁場を印加するための傾斜磁場コイルと、所定の周波数の送信パルスを送信し、送信パルスの送信によって生じた核磁気共鳴信号を検出する送受信コイルと、を有するMRI装置と、を用いた脳計測方法であって、脳磁場の計測時には、複数の補正用磁気センサによる地磁気の計測値及び変動磁場の計測値に基づいて、補正コイルに供給する電流を制御し、MR画像の計測時には、静磁場コイル及び傾斜磁場コイルに供給する電流を制御して静磁場及び傾斜磁場を制御し、受信コイルの出力を基にMR画像を生成する。 Alternatively, a brain measurement method according to another aspect of the embodiment includes a plurality of optically-excited magnetic sensors that measure brain magnetic fields, and a plurality of corrective magnetic sensors that measure geomagnetism and varying magnetic fields at respective positions of the plurality of optically-excited magnetic sensors. , a correction coil for correcting the geomagnetism and the fluctuating magnetic field, a magnetoencephalograph having a static magnetic field coil for applying a static magnetic field, a gradient magnetic field coil for applying a gradient magnetic field, and transmitting a predetermined frequency and a transmitting/receiving coil for transmitting a pulse and detecting a nuclear magnetic resonance signal generated by the transmission of the transmitted pulse, wherein a brain magnetic field is measured using a plurality of correction magnets. The current supplied to the correction coil is controlled based on the measured value of the geomagnetism and the measured value of the fluctuating magnetic field by the sensor. A gradient magnetic field is controlled and an MR image is generated based on the output of the receiving coil.
上記一態様あるいは他の態様によれば、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及び変動磁場が計測される。そして、脳磁場の計測時には、地磁気の計測値及び変動磁場の計測値に基づいて補正コイルを流れる電流が制御され、補正コイルにおいて磁場が発生する。その結果、複数の光励起磁気センサの位置において、補正コイルにおいて発生した磁場によって地磁気及び変動磁場が補正される。複数の光励起磁気センサの位置における地磁気及び変動磁場が補正されることにより、複数の光励起磁気センサが、地磁気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。 According to the above aspect or another aspect, the geomagnetism and the fluctuating magnetic field are measured at respective positions of the plurality of optically-excited magnetic sensors that measure brain magnetic fields. When the brain magnetic field is measured, the current flowing through the correction coil is controlled based on the measured value of the geomagnetism and the measured value of the fluctuating magnetic field, and a magnetic field is generated in the correction coil. As a result, the geomagnetism and the fluctuating magnetic field are corrected by the magnetic fields generated in the correction coils at the positions of the plurality of optically excited magnetic sensors. By correcting the geomagnetism and the fluctuating magnetic field at the positions of the plurality of optically excited magnetic sensors, the plurality of optically excited magnetic sensors can measure brain magnetic fields while avoiding the effects of the geomagnetism and the fluctuating magnetic field.
一方で、上記一態様あるいは他の態様によれば、MR画像の計測時には、静磁場コイル及び傾斜磁場コイルを流れる電流が制御されることにより静磁場及び傾斜磁場が印加され、送信パルスの送信によって生じた核磁気共鳴信号が検出される。その結果、送受信コイルの出力を基にMR画像を計測することができる。 On the other hand, according to the above aspect or another aspect, when measuring an MR image, the static magnetic field and the gradient magnetic field are applied by controlling the current flowing through the static magnetic field coil and the gradient magnetic field coil, and by transmitting the transmission pulse, Resulting nuclear magnetic resonance signals are detected. As a result, an MR image can be measured based on the output of the transmission/reception coil.
このような脳計測装置及び脳計測方法によれば、同一の装置を用いて脳磁計測及びMRI計測を効率よく実現できる。特に、MRI計測において、超電導静磁場コイルが不要となり、脳磁場計測時の磁気ノイズの低減のための磁気シールドルームも不要となり、SQUIDを使用する場合に必要となる液体ヘリウム等の冷却剤も不要となり、小型化及び低コスト化が可能となる。さらには、同一の被験者を対象に同一の装置を用いて脳磁場計測及びMRI計測を順次実施できるので、両計測結果のレジストレーションエラーを低減することができる。 According to such a brain measurement device and brain measurement method, magnetoencephalography and MRI measurement can be efficiently realized using the same device. In particular, MRI measurement does not require a superconducting static magnetic field coil, a magnetic shield room for reducing magnetic noise during brain magnetic field measurement is not required, and coolant such as liquid helium required when using SQUID is not required. As a result, miniaturization and cost reduction are possible. Furthermore, since brain magnetic field measurement and MRI measurement can be sequentially performed on the same subject using the same apparatus, registration errors in both measurement results can be reduced.
補正コイルは、地磁気を補正するための地磁気補正コイルと、変動磁場を補正するための変動磁場補正コイルと、を有してもよい。制御装置は、地磁気の計測値に基づいて、地磁気を打ち消す磁場を発生させるように地磁気補正コイルに対する電流を決定し、変動磁場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変動磁場補正コイルに対する電流を決定してもよい。このような構成では、場合によっては地磁気補正コイルと静磁場コイルとを共用することができるので、この場合には装置のさらなる小型化及びさらなる低コスト化が可能となる。かかる構成によれば、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。また、10μTオーダーの強度を有する地磁気を補正するための地磁気補正コイルの巻き数、及び10nTオーダーの強度を有する変動磁場を補正するための変動磁場補正コイルの巻き数をそれぞれ最適化することができるので、地磁気及び変動磁場を精度よく補正することができる。 The correction coils may include a geomagnetism correction coil for correcting geomagnetism and a fluctuating magnetic field correction coil for correcting a fluctuating magnetic field. Based on the measured value of the geomagnetism, the control device determines a current for the geomagnetism correction coil so as to generate a magnetic field that cancels the geomagnetism, and based on the measured value of the varying magnetic field, varies so as to generate a magnetic field that offsets the varying magnetic field. A current to the magnetic field correction coil may be determined. In such a configuration, the geomagnetism correction coil and the static magnetic field coil can be shared depending on the situation, so in this case, further miniaturization and further cost reduction of the device are possible. According to such a configuration, brain magnetic fields can be measured with high accuracy without using a magnetically shielded room. In addition, it is possible to optimize the number of turns of the geomagnetism correction coil for correcting the geomagnetism having an intensity of the order of 10 μT and the number of turns of the fluctuating magnetic field correction coil for correcting the fluctuating magnetic field having an intensity of the order of 10 nT. Therefore, geomagnetism and fluctuating magnetic fields can be accurately corrected.
補正コイルは、地磁気の勾配を補正するための地磁気勾配補正コイルを有してもよい。制御装置は、地磁気の計測値に基づいて、地磁気の勾配を打ち消す磁場を発生させるように地磁気勾配補正コイルに対する電流を決定してもよい。このような構成では、場合によっては地磁気勾配補正コイルと傾斜磁場コイルとを共用することができるので、この場合には装置のさらなる小型化及びさらなる低コスト化が可能となる。また、補正コイルに対する電流の制御によって一様の磁場補正(0次補正)が行われ、更に、地磁気勾配補正コイルに対する電流の制御によって各光励起磁気センサの位置の違いを考慮した地磁気の勾配の補正(1次補正)が行われる。このようにして、地磁気及び地磁気の勾配が段階的に打ち消されることにより、地磁気を精度よく補正することができる。 The correction coil may comprise a geomagnetic gradient correction coil for correcting the geomagnetic gradient. The controller may determine a current to the geomagnetic gradient correction coil to generate a magnetic field that counteracts the geomagnetic gradient based on the geomagnetism measurements. In such a configuration, the geomagnetic gradient correction coil and the gradient magnetic field coil can be shared depending on the case, so in this case, further miniaturization and further cost reduction of the device are possible. Further, uniform magnetic field correction (zero-order correction) is performed by controlling the current to the correction coil, and furthermore, the gradient of the geomagnetism is corrected by controlling the current to the geomagnetic gradient correction coil, taking into account the difference in the position of each optically excited magnetic sensor. (primary correction) is performed. In this manner, the geomagnetism and the gradient of the geomagnetism are canceled step by step, so that the geomagnetism can be accurately corrected.
補正コイルは、変動磁場の勾配を補正するための変動磁場勾配補正コイルを有してもよい。制御装置は、変動磁場の計測値に基づいて、変動磁場の勾配を打ち消す磁場を発生させるように変動磁場勾配補正コイルに対する電流を決定してもよい。この場合、補正コイルに対する電流の制御によって一様の変動磁場補正(0次補正)が行われ、更に、変動磁場勾配補正コイルに対する電流の制御によって各光励起磁気センサの位置の違いを考慮した変動磁場の勾配の補正(1次補正)が行われる。このようにして、変動磁場及び変動磁場の勾配が段階的に打ち消されることにより、変動磁場を精度よく補正することができる。 The correction coil may comprise a varying magnetic field gradient correction coil for correcting the gradient of the varying magnetic field. The controller may determine a current to the varying magnetic field gradient correction coil to generate a magnetic field that cancels the gradient of the varying magnetic field based on the measured value of the varying magnetic field. In this case, uniform fluctuation magnetic field correction (0th-order correction) is performed by controlling the current to the correction coil, and furthermore, by controlling the current to the fluctuation magnetic field gradient correction coil, the fluctuation magnetic field considering the difference in the position of each photoexcited magnetic sensor. is corrected (primary correction) for the gradient of . In this manner, the varying magnetic field and the gradient of the varying magnetic field are canceled step by step, so that the varying magnetic field can be corrected with high accuracy.
補正コイルは、複数の光励起磁気センサを挟んで配置される一対のコイルによって構成されてもよい。この場合、一対の補正コイルに挟まれた複数の光励起磁気センサの位置における地磁気及び変動磁場が効果的に補正される。これにより、簡易な構成によって地磁気及び変動磁場を適切に補正することができる。 The correction coil may be composed of a pair of coils arranged with a plurality of optically-excited magnetic sensors interposed therebetween. In this case, the geomagnetism and the fluctuating magnetic field at the positions of the plurality of optically excited magnetic sensors sandwiched between the pair of correction coils are effectively corrected. As a result, it is possible to appropriately correct the geomagnetism and the fluctuating magnetic field with a simple configuration.
補正用磁気センサは、地磁気の計測値をDC成分として出力し、変動磁場の計測値をAC成分として出力するフラックスゲートセンサであってもよい。フラックスゲートセンサのダイナミックレンジには、10μTオーダーの強度を有する地磁気、及び10nTオーダーの強度を有する特定周波数(例えば商用周波数)の変動磁場が含まれ得る。特定周波数の変動磁場は、変動磁場の中でも特に大きな磁場である。このようなフラックスゲートセンサによれば、地磁気及び特定周波数の変動磁場を好適に計測することができる。 The correction magnetic sensor may be a fluxgate sensor that outputs a measured value of geomagnetism as a DC component and outputs a measured value of a varying magnetic field as an AC component. The dynamic range of a fluxgate sensor may include geomagnetic fields with strengths on the order of 10 μT and fluctuating magnetic fields at specific frequencies (eg, commercial frequencies) with strengths on the order of 10 nT. The fluctuating magnetic field of a specific frequency is a particularly large magnetic field among fluctuating magnetic fields. Such a fluxgate sensor can suitably measure geomagnetism and a varying magnetic field of a specific frequency.
送受信コイルは、送信パルスを送信する送信コイルと、核磁気共鳴信号を検出する受信コイルと、を有していてもよい。この場合、例えば測定対象に近い場所に受信コイルを配置することができると共に、送信コイルを受信コイルとは異なる場所に配置することができる等、設計の自由度が向上する。また、小型の受信コイルを複数配置して測定対象を囲む場合、受信コイルの感度を向上した上で、ノイズを低減することができる。 The transmit/receive coils may include transmit coils for transmitting transmit pulses and receive coils for detecting nuclear magnetic resonance signals. In this case, for example, the receiving coil can be placed at a location close to the object to be measured, and the transmitting coil can be placed at a different location from the receiving coil, thereby improving the degree of freedom in design. Moreover, when a plurality of small receiving coils are arranged to surround the object to be measured, the sensitivity of the receiving coils can be improved and noise can be reduced.
送受信コイルは、送信パルスを送信するためのコイルと、核磁気共鳴信号を検出するためのコイルとを兼ねていてもよい。この場合、装置のさらなる小型化及びさらなる低コスト化が可能となる。 The transmission/reception coil may serve as both a coil for transmitting transmission pulses and a coil for detecting nuclear magnetic resonance signals. In this case, it is possible to further reduce the size and cost of the device.
送受信コイルは、螺旋状に形成され、測定対象を囲むように配置されていてもよい。この場合、測定対象に近い場所に送受信コイルを配置することができるため、MRI計測の精度を高めることができる。 The transmitting/receiving coil may be spirally formed and arranged so as to surround the object to be measured. In this case, since the transmitting/receiving coil can be placed near the object to be measured, the accuracy of MRI measurement can be improved.
複数の光励起磁気センサは、測定対象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。この場合、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。 The plurality of optically-excited magnetic sensors may be axial gradiometers having a measurement region and a reference region coaxially and perpendicularly to the object to be measured. In this case, since the influence of common mode noise is shown in the output result of the measurement area and the output result of the reference area, the common mode noise can be removed by obtaining the difference between the two output results. This improves the measurement accuracy of the brain magnetic field.
送受信コイルに電気的に接続され、送受信コイルを流れる電流を基に磁気信号を出力する出力コイルと、出力コイルによって出力された磁気信号を検出する別の光励起磁気センサと、をさらに備えてもよい。制御装置は、別の光励起磁気センサによって検出された磁気信号を基にMR画像を生成してもよい。このような構成によれば、fTオーダーの高い感度を有した別の光励起磁気センサによって信号を受信できるので、MR画像計測の精度を高めることができる。また、mTオーダーの静磁場が印加された送受信コイルとは離れた位置に別の光励起磁気センサを配置するので、静磁場の影響を受けることなく、センサの感度帯域を調整することが可能である。 An output coil that is electrically connected to the transmission/reception coil and outputs a magnetic signal based on a current flowing through the transmission/reception coil, and another optically excited magnetic sensor that detects the magnetic signal output by the output coil. . The controller may generate an MR image based on magnetic signals detected by another optically-excited magnetic sensor. According to such a configuration, the signal can be received by another photoexcited magnetic sensor having a high sensitivity of fT order, so that the accuracy of MR image measurement can be improved. In addition, since another photoexcitation magnetic sensor is placed at a position away from the transmitting and receiving coil to which a static magnetic field of mT order is applied, it is possible to adjust the sensitivity band of the sensor without being affected by the static magnetic field. .
複数の光励起磁気センサは、0~200Hzの範囲に含まれる周波数に感度を有するようにバイアス磁場が印加されるように構成されてもよい。別の光励起磁気センサは、20kHz~500kHzの範囲に含まれる周波数に感度を有するようにバイアス磁場が印加されるように構成されてもよい。このような構成により、脳磁場の計測の感度を高めると同時に、MRI計測の精度も高めることができる。 The plurality of optically excited magnetic sensors may be configured to have a bias magnetic field applied such that they are sensitive to frequencies in the range of 0-200 Hz. Another optically excited magnetic sensor may be configured to have a bias magnetic field applied such that it is sensitive to frequencies in the range of 20 kHz to 500 kHz. With such a configuration, the sensitivity of brain magnetic field measurement can be enhanced, and at the same time, the accuracy of MRI measurement can be enhanced.
複数の光励起磁気センサ、複数の補正用磁気センサ、及び受信コイルは、被験者の頭部に装着されるヘルメット型の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及び受信コイルが動くため、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及び変動磁場の補正、脳磁場の計測、及びMRI計測を適切に行うことができる。その結果、両計測のレジストレーションエラーを抑えることができる。 The plurality of optically excited magnetic sensors, the plurality of correction magnetic sensors, and the receiving coil may be fixed to a helmet-shaped non-magnetic frame worn on the subject's head. According to such a configuration, the non-magnetic frame attached to the head and the sensors and receiving coils fixed to the non-magnetic frame move according to the movement of the subject's head, so that the subject's head moves. Even in this case, correction of geomagnetism and fluctuating magnetic fields, brain magnetic field measurement, and MRI measurement can be performed appropriately at the positions of a plurality of optically excited magnetic sensors. As a result, registration errors in both measurements can be suppressed.
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による脳磁場の計測を安定的に動作させることができる。一方、MRI計測では、信号領域である20kHz~500kHz帯のノイズの侵入を防ぐことができる。 An electromagnetic shield for shielding high-frequency electromagnetic noise may be further provided. According to such a configuration, it is possible to prevent high-frequency electromagnetic noise, which cannot be measured by a magnetoencephalograph, from entering the plurality of optically-excited magnetic sensors. As a result, brain magnetic field measurement can be stably operated by a plurality of optically-excited magnetic sensors. On the other hand, in MRI measurement, it is possible to prevent the intrusion of noise in the signal range of 20 kHz to 500 kHz.
本発明によれば、脳磁計測及びMRI計測を効率よく実現可能な脳計測装置及び脳計測方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the brain measuring device and brain measuring method which can implement|achieve magnetoencephalography and MRI measurement efficiently can be provided.
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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
図1は、実施形態に係る脳計測装置M1の構成を示す概略図である。脳計測装置M1は、被験者を対象に脳磁場の計測及びMR(Magnetic Resonance)画像の計測を行う装置である。脳計測装置M1は、複数のOPM(optically pumped magnetometer)モジュール1、複数の補正用磁気センサ2、非磁性フレーム3、一対の地磁気補正コイル6、一対の地磁気勾配補正コイル7、一対の変動磁場補正コイル8、及び一対の変動磁場勾配補正コイル9を有する脳磁計モジュールと、送信コイル21と、受信コイル22と、OPMモジュール23、及び出力コイル24、を有するMRIモジュール(MRI装置)とを備える。さらに、脳計測装置M1は、制御装置4と、コイル電源5と、ポンプレーザ10と、プローブレーザ11と、アンプ12A,12Bと、ヒータコントローラ13と、電磁シールド14と、励起コイルコントローラ15と、を備える。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a brain measurement device M1 according to an embodiment. The brain measurement device M1 is a device that measures brain magnetic fields and MR (Magnetic Resonance) images of a subject. The brain measurement device M1 includes a plurality of OPM (optically pumped magnetometer)
以下の説明においては、被験者の頭部の中心軸におおよそ平行な向きをZ軸方向とし、Z軸に垂直な方向であって、互いに垂直な方向をX軸方向及びY軸方向とする。 In the following description, the direction approximately parallel to the central axis of the subject's head is defined as the Z-axis direction, and the directions perpendicular to the Z-axis and perpendicular to each other are defined as the X-axis direction and the Y-axis direction.
OPMモジュール1は、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、測定対象(例えば頭皮)に沿って所定の間隔で配置される。
The
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、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、アルカリ金属を励起状態とする。励起状態のアルカリ金属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原子のスピン偏極軸の傾きが変化する。このスピン偏極軸の傾きは、ポンプ光とは別に照射されるプローブ光によって検出される。なお、光励起磁気センサ1Aは、0~200Hzの範囲に含まれる周波数の磁場に感度を有るようにポンプ光の照射方向に所定のバイアス磁場が印加されるように構成される。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12Aに出力する。
The optically excited
光励起磁気センサ1Aは、例えば軸型グラジオメータ(Gradiometer)としてもよい。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12A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。
The optically excited
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、地磁気及び変動磁場を計測する。補正用磁気センサ2は、例えば数pT~100μT程度の感度を有するフラックスゲートセンサである。フラックスゲートセンサのダイナミックレンジには、10μTオーダーの強度を有する地磁気、及び10nTオーダーの強度を有する特定周波数(例えば50Hz又は60Hzの商用周波数)の変動磁場が含まれ得る。特定周波数の変動磁場は、変動磁場の中でも特に大きな磁場である。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。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台の補正用磁気センサ2)で対応して設けられていてもよい。
The correction
図2に示されるように、補正用磁気センサ2は、地磁気及び変動磁場の計測値を分岐して制御装置4に出力する。補正用磁気センサ2は、地磁気の計測値をDC(直流)成分として出力し、変動磁場の計測値をAC(交流)成分として出力する。補正用磁気センサ2と制御装置4との間の配線が分岐されることによって、ラインL1とラインL2とが形成されている。ラインL2には、補正用磁気センサ2側から近い順にコンデンサC(キャパシタ)とアンプAとが配置されている。コンデンサCはDC成分をカット(遮断)する。アンプAは補正用磁気センサ2の出力からDC成分がカットされたAC成分を増幅する。DC成分は、ラインL1を介して制御装置4に出力される。AC成分は、ラインL2上で増幅された後、制御装置4に出力される。AC成分はラインL1上にも残るが、DC成分と比較して微弱であるためDC成分への影響は無視できる。あるいは、AC成分を遮断し、且つDC成分のみを通過させるローパスフィルタをラインL1上に設けてもよい。補正用磁気センサ2の各計測値は、制御装置4内で向き及び大きさを有するベクトルにより表され得る。制御装置4は、複数の補正用磁気センサ2による地磁気の計測値に基づいて、地磁気の勾配(以下、「地磁気勾配」という。)を算出する。また、制御装置4は、複数の補正用磁気センサ2による変動磁場の計測値に基づいて、変動磁場の勾配(以下、「変動磁場勾配」という。)を算出する。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。
As shown in FIG. 2 , the correction
図1に戻り、非磁性フレーム3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3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3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3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及び変動磁場を計測可能なように補正用磁気センサ2が固定されている。加えて、非磁性フレーム3内の複数の光励起磁気センサ1Aの被験者の頭皮側には、MR画像計測のために核磁気共鳴信号を検出するための受信コイル22が固定されている。この受信コイル22は、後述するプロトンの核磁気共鳴信号を検出して電流に変換する。核磁気共鳴信号の検出感度を向上させるためには、受信コイル22は、光励起磁気センサ1Aの被験者の頭部の頭皮に近い側に設けられることが好ましい。
Returning to FIG. 1, the
送信コイル21は、MR画像計測時に、被験者の頭部に、所定周波数(例えば、約300kHz)のRFパルス(送信パルス)を照射するコイルである。この送信コイル21は、例えば、非磁性フレーム3の外部の被験者の頭部の上方に配置される。
The
出力コイル24は、受信コイル22の両端にケーブルを介して電気的に接続され、受信コイル22の両端を流れる電流を受けて、その電流を再び磁気信号に変換して出力する。
The
OPMモジュール23は、OPMモジュール1と同様に、光励起磁気センサ23Aと、断熱材23Bと、読み出し回路23Cと、を有する。OPMモジュール23は、例えば、非磁性フレーム3の外部において、出力コイル24と共に、後述する静磁場を遮蔽する磁気シールド25内に収納されて配置される。磁気シールド25は、比透磁率が1より大きな例えばミューメタル等により構成される。
The
光励起磁気センサ23Aは、光ポンピングを利用して磁気信号を計測するセンサである。なお、光励起磁気センサ23Aは、20kHz~500kHzの範囲に含まれる周波数の磁場に感度を有るようにポンプ光の照射方向に所定のバイアス磁場が印加されるように構成される。例えば、プロトンが発する電磁波の300kHzの周波数に感度を有するように約40μTのバイアス磁場が印加される。読み出し回路23Cは、光励起磁気センサ23Aによる検出結果をアンプ12Bに出力する。
The optically excited
図3には、OPMモジュール23の構成の具体例を示している。光励起磁気センサ23Aは、計測する磁場によって偏極の方向が変化するアルカリ金属を含むガスが封入された長手状のセル26と、セル26の全体を所定温度(例えば、180度)に加熱するヒータ27と、偏光ビームスプリッタ28と、光検出器29とを含む。このセル26には、その内部の長手方向に沿って、外部からポンプ光LPが導入されるとともに、長手方向に垂直な方向に沿って、その長手方向において複数に分割(例えば、四分割)された交差領域26Aのそれぞれに対して、外部からのプローブ光LBが分岐されて照射される。これらの交差領域26Aを透過したプローブ光LBは、それぞれの交差領域26Aに対応して設けられた偏光ビームスプリッタ28及び光検出器29によって、その磁気旋光角度が検出される。すなわち、偏光ビームスプリッタ28は、プローブ光LBを互いに直交する2つの直線偏光成分に分離し、光検出器29は、内蔵する2つのPD(フォトダイオード)を用いて2つの直線偏光成分の強度を検出し、検出した強度の比を基にプローブ光LBの磁気旋光角度を検出する。OPMモジュール23には、回路ボード30がさらに設けられており、この回路ボード30内の読み出し回路23Cを経由して、それぞれの交差領域26Aごとに検出したプローブ光LBの磁気旋光角度を出力する。
FIG. 3 shows a specific example of the configuration of the
出力コイル24は、磁気シールド25内において、上記のような構成のOPMモジュール23のセル26の各交差領域26Aに対向するように固定される。このような構成により、受信コイル22によって検出される電磁場BINを基に出力コイル24によって生成される磁気信号BOUTが、アルカリ金属原子のスピン偏極軸の傾きに応じて変化するプローブ光LBの磁気旋光角度を基に検出される。ここで、図3の例では、交差領域26Aの分割数が4つとされているが、任意の数に変更されてよい。また、セル26が並列に複数個設けられて、交差領域26Aが2次元的に配列されて(例えば、4×4=16個で)設けられてもよい。
The
図1に戻り、制御装置4は、脳磁場の計測時には、複数の補正用磁気センサ2による地磁気の計測値及び変動磁場の計測値に基づいて、補正コイルに供給する電流を制御する。すなわち、制御装置4は、地磁気の計測値及び変動磁場の計測値に基づいて、地磁気及び変動磁場を打ち消す磁場を発生させるように補正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コイル電源5に出力する。補正コイルは、地磁気及び変動磁場を補正するためのコイルである。補正コイルは、地磁気補正コイル6、地磁気勾配補正コイル7、変動磁場補正コイル8及び変動磁場勾配補正コイル9を含む。
Returning to FIG. 1, the
具体的には、制御装置4は、複数の補正用磁気センサ2による地磁気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6に対する電流を決定する。制御装置4は、決定した地磁気補正コイル6の電流に応じた制御信号(地磁気補正用の制御信号)をコイル電源5に出力する。
Specifically, the
また、制御装置4は、補正用磁気センサ2による地磁気の計測値について、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の位置における地磁気勾配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)、地磁気勾配補正コイル7に対する電流を決定する。制御装置4は、決定した地磁気勾配補正コイル7の電流に応じた制御信号(地磁気勾配補正用の制御信号)をコイル電源5に出力する。
In addition, the
さらに、制御装置4は、複数の補正用磁気センサ2による変動磁場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)、変動磁場補正コイル8に対する電流を決定する。制御装置4は、決定した変動磁場補正コイル8の電流に応じた制御信号(変動磁場補正用の制御信号)をコイル電源5に出力する。
Furthermore, the
さらに、制御装置4は、補正用磁気センサ2による変動磁場の計測値について、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の位置における変動磁場勾配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)、変動磁場勾配補正コイル9に対する電流を決定する。制御装置4は、決定した変動磁場勾配補正コイル9の電流に応じた制御信号(変動磁場勾配補正用の制御信号)をコイル電源5に出力する。
Furthermore, the
また、制御装置4は、アンプ12A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4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4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。
In addition, the
また、制御装置4は、MR画像の計測時には、静磁場及び傾斜磁場の印加用のコイルとしてそれぞれ動作する地磁気補正コイル6及び地磁気勾配補正コイル7に供給する電流を決定し、電流を出力するための制御信号をコイル電源5に出力する。すなわち、制御装置4は、静磁場として、被験者の頭部に所定の強度(例えば、7mT)のX軸方向の磁場を印加するように、地磁気補正コイル6に流す電流を決定する。また、制御装置4は、傾斜磁場として、X軸方向磁場勾配(dBx/dX)、Y軸方向磁場勾配(dBx/dY)、及びZ軸方向磁場勾配(dBx/dZ)を選択的に決定し、地磁気勾配補正コイル7に流す電流を決定する。これによって、MR画像においてスライスする位置を決定し、位相エンコード及び周波数エンコードによりスライス面内の位置のエンコードをすることができる。なお、制御装置4は、MR画像の計測時には、低周波のノイズを除去する変動磁場補正コイル8及び変動磁場勾配補正コイル9には電流を供給しないように、制御信号を出力する。
Further, the
さらに、制御装置4は、MR画像の計測時には、励起コイルコントローラ15に対して、送信コイル21に供給する電力を制御する制御信号を出力することによって、所定の周波数(例えば、静磁場の強度が7mTの場合は約300kHz)の送信パルスを被験者の頭部に照射するように制御する。その結果、スライス面(静磁場及び傾斜磁場によって選択された面)のプロトンが共鳴してスピンが傾く。その後、制御装置4は、送信コイル21の電力をオフに制御する。これにより、OPMモジュール23の出力を基に、スピンが戻る様子を計測することでMR画像を取得することができる。より具体的には、制御装置4は、公知のスピンエコーシーケンスあるいはグラディエントエコーシーケンスなどを用いて、周波数と位相で位置をエンコードしてプロトンからの核磁気共鳴信号を計測し、高速フーリエ変換を用いてその計測結果をMR画像に変換する。
Furthermore, when measuring an MR image, the
制御装置4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4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4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。
The
コイル電源5は、制御装置4から出力された制御信号に応じて、所定の電流を補正コイルのそれぞれに出力する。具体的には、コイル電源5は、地磁気補正コイル6に係る制御信号に応じて、地磁気補正コイル6に電流を出力する。コイル電源5は、地磁気勾配補正コイル7に係る制御信号に応じて、地磁気勾配補正コイル7に電流を出力する。コイル電源5は、変動磁場補正コイル8に係る制御信号に応じて、変動磁場補正コイル8に電流を出力する。コイル電源5は、変動磁場勾配補正コイル9に係る制御信号に応じて、変動磁場勾配補正コイル9に電流を出力する。
The
励起コイルコントローラ15は、送信コイル21に電気的に接続され、制御装置4から出力された制御信号に応じて、所定周波数の送信パルスを照射するように送信コイル21に電力を供給する。
The
地磁気補正コイル6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ためのコイルである。地磁気補正コイル6は、コイル電源5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6は、例えば、一対の地磁気補正コイル6A及び6Bを有する。一対の地磁気補正コイル6A及び6B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6A及び6Bは、コイル電源5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、X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向である。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6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6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。
The
また、地磁気補正コイル6は、MR画像計測時にX軸方向の静磁場を発生させるための静磁場コイルとしての役割を有する。地磁気補正コイル6は、コイル電源5から供給される電流に応じて所定の強度の静磁場を発生させる。
The
地磁気勾配補正コイル7は、光励起磁気センサ1Aの位置における地磁気の勾配を補正するためのコイルである。地磁気勾配補正コイル7は、コイル電源5から供給される電流に応じて磁場を発生させて、勾配のキャンセリングを行う。地磁気勾配補正コイル7は、例えば、一対の地磁気勾配補正コイル7A及び7Bを有する。一対の地磁気勾配補正コイル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。一対の地磁気勾配補正コイル7A及び7Bは、コイル電源5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、X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向である。光励起磁気センサ1Aの位置における勾配は、地磁気勾配補正コイル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。このようにして、地磁気勾配補正コイル7は、光励起磁気センサ1Aの位置における勾配を補正する。
The geomagnetic
また、地磁気勾配補正コイル7は、MR画像計測時に傾斜磁場を発生させるための傾斜磁場コイルとしての役割を有する。地磁気勾配補正コイル7は、コイル電源5から供給される電流に応じて、X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向に選択的な勾配を有する傾斜磁場を発生させる。
The geomagnetic
変動磁場補正コイル8は、光励起磁気センサ1Aの位置における変動磁場を補正するためのコイルである。変動磁場補正コイル8は、コイル電源5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。変動磁場補正コイル8は、例えば、一対の変動磁場補正コイル8A及び8Bを有する。一対の変動磁場補正コイル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。一対の変動磁場補正コイル8A及び8Bは、コイル電源5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、X軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向である。光励起磁気センサ1Aの位置における変動磁場は、変動磁場補正コイル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、変動磁場補正コイル8は、光励起磁気センサ1Aの位置における変動磁場を補正する。
The fluctuating magnetic
変動磁場勾配補正コイル9は、光励起磁気センサ1Aの位置における変動磁場勾配を補正するためのコイルである。変動磁場勾配補正コイル9は、コイル電源5から供給される電流に応じて磁場を発生させて、変動磁場勾配のキャンセリングを行う。変動磁場勾配補正コイル9は、例えば、一対の変動磁場勾配補正コイル9A及び9Bを有する。一対の変動磁場勾配補正コイル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。一対の変動磁場勾配補正コイル9A及び9Bは、コイル電源5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勾配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、一方の変動磁場勾配補正コイル9Aから他方の変動磁場勾配補正コイル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勾配は、変動磁場勾配補正コイル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、変動磁場勾配補正コイル9は、光励起磁気センサ1Aの位置における変動磁場勾配を補正する。
The fluctuating magnetic field
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、及び光励起磁気センサ23Aのそれぞれに入射する。
The
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、及び光励起磁気センサ23Aのそれぞれに入射する。
The
アンプ12A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4に出力する機器又は回路である。
The
アンプ12Bは、OPMモジュール23(具体的には、読み出し回路23C)からの出力結果の信号を増幅して、制御装置4に出力する機器又は回路である。
The
ヒータコントローラ13は、光励起磁気センサ1Aのセル及び光励起磁気センサ23Aのセルを加熱するためのヒータ、及びそれぞれの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。
The
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、OPMモジュール1,23、送信コイル21、受信コイル22、出力コイル24、補正用磁気センサ2、非磁性フレーム3、地磁気補正コイル6、地磁気勾配補正コイル7、変動磁場補正コイル8、及び変動磁場勾配補正コイル9を囲むように配置される。この電磁シールド14により、MR画像計測時に、計測周波数である300kHz帯のノイズが受信コイル22に入射しノイズが上昇することを防ぐことができる。また、脳磁場計測時に、高周波ノイズが光励起磁気センサ1Aに入射して動作が不安定になることを防ぐことができる。
The
次に、図4及び図5を参照しながら、実施形態に係る脳計測装置M1を用いた脳計測方法について説明する。図4及び図5は、脳計測装置M1の動作を示すフローチャートである。 Next, a brain measurement method using the brain measurement device M1 according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 and 5 are flowcharts showing the operation of the brain measurement device M1.
まず、非磁性フレーム3を被験者に装着させた状態で脳磁場の計測が開始されると、補正用磁気センサ2は、地磁気を計測する(ステップS11)。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、地磁気を計測し、地磁気の計測値を制御装置4に出力する。制御装置4は、複数の補正用磁気センサ2による地磁気の計測値に基づいて、地磁気勾配を算出する。
First, when the brain magnetic field measurement is started with the
制御装置4及びコイル電源5は、地磁気補正コイル6に対する電流を制御する(ステップS12)。制御装置4は、補正用磁気センサ2による地磁気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6に対する電流を決定する。より具体的には、制御装置4は、例えば複数の補正用磁気センサ2による地磁気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6に対する電流を決定する。制御装置4は、決定した電流に応じた制御信号をコイル電源5に出力する。コイル電源5は、制御装置4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6に出力する。地磁気補正コイル6は、コイル電源5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6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。
The
制御装置4及びコイル電源5は、地磁気勾配補正コイル7に対する電流を制御する(ステップS13)。制御装置4は、補正用磁気センサ2による地磁気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、地磁気勾配補正コイル7に対する電流を決定する。より具体的には、制御装置4は、例えば補正用磁気センサ2による地磁気の計測値について、平均値からの偏差が最小になるように、地磁気勾配補正コイル7に対する電流を決定する。制御装置4は、決定した電流に応じた制御信号をコイル電源5に出力する。コイル電源5は、制御装置4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勾配補正コイル7に出力する。地磁気勾配補正コイル7は、コイル電源5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は、地磁気勾配補正コイル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。
The
制御装置4は、補正後の地磁気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)。補正後の地磁気の計測値とは、地磁気補正コイル6及び地磁気勾配補正コイル7によって地磁気が補正された後の、補正用磁気センサ2による地磁気の計測値である。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。地磁気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。地磁気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。
The
補正用磁気センサ2は、変動磁場を計測する(ステップS15)。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、変動磁場を計測し、変動磁場の計測値を制御装置4に出力する。制御装置4は、複数の補正用磁気センサ2による変動磁場の計測値に基づいて、変動磁場勾配を算出する。
The correction
制御装置4及びコイル電源5は、変動磁場補正コイル8に対する電流を制御する(ステップS16)。制御装置4は、補正用磁気センサ2による変動磁場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、変動磁場補正コイル8に対する電流を決定する。より具体的には、制御装置4は、例えば複数の補正用磁気センサ2による変動磁場の計測値の平均値がゼロに近似するように、変動磁場補正コイル8に対する電流を決定する。制御装置4は、決定した電流に応じた制御信号をコイル電源5に出力する。コイル電源5は、制御装置4により出力された制御信号に応じて、所定の電流を変動磁場補正コイル8に出力する。変動磁場補正コイル8は、コイル電源5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、変動磁場補正コイル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。
The
制御装置4及びコイル電源5は、変動磁場勾配補正コイル9に対する電流を制御する(ステップS17)。制御装置4は、補正用磁気センサ2による変動磁場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勾配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、変動磁場勾配補正コイル9に対する電流を決定する。より具体的には、制御装置4は、例えば補正用磁気センサ2による変動磁場の計測値について、平均値からの偏差が最小になるように、変動磁場勾配補正コイル9に対する電流を決定する。制御装置4は、決定した電流に応じた制御信号をコイル電源5に出力する。コイル電源5は、制御装置4により出力された制御信号に応じて、所定の電流を変動磁場勾配補正コイル9に出力する。変動磁場勾配補正コイル9は、コイル電源5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勾配は、変動磁場勾配補正コイル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。
The
制御装置4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S18)。補正後の変動磁場の計測値とは、変動磁場補正コイル8によって変動磁場が補正された後の、補正用磁気センサ2による変動磁場の計測値である。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1nT未満、より具体的には10pT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S18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S18において「YES」)、ステップS19に進む。
The
光励起磁気センサ1Aは、脳磁場を計測する(ステップS19)。制御装置4は、取得した計測結果を所定の出力先に出力する。所定の出力先とは、制御装置4のメモリ、ハードディスク等の格納装置、ディスプレイ等の出力装置のほか、通信インターフェイスを介して接続された端末装置等の外部装置であってもよい。ここまでに光励起磁気センサ1Aの位置における地磁気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、地磁気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。
The optically excited
図5に移って、非磁性フレーム3を被験者に装着させたままの状態で引き続きMR画像の計測が開始されると、制御装置4は、静磁場の印加用の地磁気補正コイル6に供給する電流を決定し、制御信号をコイル電源5に出力することにより被験者の頭部におけるX軸方向の静磁場の生成を制御する(ステップS20)。次に、制御装置4は、傾斜磁場の生成用の地磁気勾配補正コイル7に供給する電流を決定し、制御信号をコイル電源5に出力することによりX軸方向磁場勾配(dBx/dX)の生成を制御する(ステップS21)。同時に、制御装置4は、励起コイルコントローラ15に対して送信コイル21に供給する電力を制御する制御信号を出力して、送信パルスを被験者の頭部に照射させるように制御する(ステップS22)。これにより、所定のスライス面のプロトンが励起される。
Referring to FIG. 5, when measurement of MR images is started with the
さらに、制御装置4は、傾斜磁場の生成用の地磁気勾配補正コイル7に供給する電流を決定し、制御信号をコイル電源5に出力することにより、スライス面上におけるY軸方向磁場勾配(dBx/dY)の生成を制御する(ステップS23)。これにより、位相エンコードが行われる。そして、制御装置4は、傾斜磁場の生成用の地磁気勾配補正コイル7に供給する電流を決定し、制御信号をコイル電源5に出力することにより、スライス面上におけるZ軸方向磁場勾配(dBx/dZ)の生成を制御する(ステップS24)。これにより、周波数エンコードが行われる。
Furthermore, the
それと同時に、OPMモジュール23によって、受信コイル22及び出力コイル24を介して、プロトンからの核磁気共鳴信号が検出され、その検出結果が出力され、それに伴って、制御装置4は、核磁気共鳴信号データを取得する(ステップS25)。その後、制御装置4は、他のスライス面に関する核磁気共鳴信号データを取得するかを判定する(ステップS26)。判定の結果、他のスライス面に関する核磁気共鳴信号データを取得する場合(ステップS26において「YES」)、ステップS21に処理を戻す。一方で、他のスライス面に関する核磁気共鳴信号データを取得しない場合(ステップS26において「NO」)、それまで取得した核磁気共鳴信号データをフーリエ変換することによりMR画像を取得する(ステップS27)。制御装置4は、取得したMR画像を所定の出力先に出力する。所定の出力先とは、制御装置4のメモリ、ハードディスク等の格納装置、ディスプレイ等の出力装置のほか、通信インターフェイスを介して接続された端末装置等の外部装置であってもよい。
At the same time, the
図6は、他の実施形態に係る脳計測装置M2の構成を示す概略図である。脳計測装置M2は、脳計測装置M1と比較して、受信コイル22が省略されている点で異なる。さらに、脳計測装置M2は、送受信スイッチSWを備える。脳計測装置M2において、送信コイル21Aは、送信パルスを送信するための送信コイルと、核磁気共鳴信号を検出するための受信コイルとを兼ねる送受信コイルである。すなわち、送信コイル21Aは、受信コイル22としての役割をさらに有する。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a brain measurement device M2 according to another embodiment. The brain measurement device M2 differs from the brain measurement device M1 in that the receiving
送受信スイッチSWは、励起コイルコントローラ15と送信コイル21Aとを接続する配線を介して、励起コイルコントローラ15及び送信コイル21Aと電気的に接続されている。また、送受信スイッチSWは、出力コイル24とも、配線を介して電気的に接続されている。送受信スイッチSWは、送信コイル21Aの接続先を、励起コイルコントローラ15と出力コイル24との間で切り替える。具体的には、送受信スイッチSWが励起コイルコントローラ15側に切り替えられた場合、送受信スイッチSWは、励起コイルコントローラ15と送信コイル21Aとを電気的に接続する。一方、送受信スイッチSWが出力コイル24側に切り替えられた場合、送受信スイッチSWは、送信コイル21Aと出力コイル24とを電気的に接続する。送受信スイッチSWの設定は、制御装置4によって切り替えられる。
The transmission/reception switch SW is electrically connected to the
送受信スイッチSWが励起コイルコントローラ15側に切り替えられた場合、励起コイルコントローラ15は、送受信スイッチSWを介して送信コイル21Aに電気的に接続される。励起コイルコントローラ15は、制御装置4から出力された制御信号に応じて、所定周波数の送信パルスを照射するように送信コイル21Aに電力(電流C1)を供給する。その後、制御装置4は、送信コイル21Aの電力をオフに制御し、送受信スイッチSWを出力コイル24側に切り替える。
When the transmission/reception switch SW is switched to the
送受信スイッチSWが出力コイル24側に切り替えられた場合、送信コイル21Aは、送受信スイッチSWを介して出力コイル24に電気的に接続される。送信コイル21Aは、プロトンの核磁気共鳴信号を検出して電流C2に変換する。送信コイル21Aは、電流C2を出力コイル24に出力する。出力コイル24は、送信コイル21Aからの電流C2を受けて、その電流C2を再び磁気信号に変換して出力する。
When the transmission/reception switch SW is switched to the
図7は、他の実施形態に係る脳計測装置M3の構成を示す概略図である。脳計測装置M3は、脳計測装置M2における送信コイル21Aの代わりに、送受信コイルとして送信コイル21Bを備える。送信コイル21Bは、螺旋状に形成され、測定対象を囲むように配置されている。送信コイル21Bは、例えば非磁性フレーム3内における被験者の頭皮側に固定されている。送信コイル21Bは、脳計測装置M2における送信コイル21Aと同様の機能を有する。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of a brain measurement device M3 according to another embodiment. The brain measurement device M3 includes a
次に、図8を参照しながら、実施形態に係る脳計測装置M2又はM3を用いた脳計測方法について説明する。図8は、脳計測装置M2又はM3の動作を示すフローチャートである。脳計測装置M2又はM3における脳磁場の計測時の動作は、脳計測装置M1と同様であるため説明を省略する。また、脳計測装置M1の動作と異なる点のみ説明する。 Next, a brain measurement method using the brain measurement device M2 or M3 according to the embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a flow chart showing the operation of the brain measurement device M2 or M3. Since the operation of the brain measurement device M2 or M3 when measuring the brain magnetic field is the same as that of the brain measurement device M1, the description is omitted. Also, only points different from the operation of the brain measurement device M1 will be described.
ステップS21の処理と同時に、制御装置4は、送受信スイッチSWを励起コイルコントローラ15側に切り替え、励起コイルコントローラ15に対して送受信に供給する電力(電流C1)を制御する制御信号を出力して、送信パルスを被験者の頭部に照射させるように制御する(ステップS32)。これにより、所定のスライス面のプロトンが励起される。
Simultaneously with the processing of step S21, the
ステップS24の処理と同時に、制御装置4は、送受信スイッチSWを出力コイル24側に切り替える。OPMモジュール23から、送受信コイル及び出力コイル24を介して、プロトンからの核磁気共鳴信号の検出結果が出力され、それに伴って、制御装置4は、核磁気共鳴信号のデータを取得する(ステップS35)。
[作用効果]
次に、上述した実施形態に係る脳計測装置の作用効果について説明する。
Simultaneously with the processing of step S24, the
[Effect]
Next, the effects of the brain measurement device according to the above-described embodiment will be described.
本実施形態に係る脳計測装置M1、M2及びM3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及び変動磁場が計測される。そして、脳磁場の計測時には、地磁気の計測値及び変動磁場の計測値に基づいて補正コイルを流れる電流が制御され、補正コイルにおいて磁場が発生する。その結果、複数の光励起磁気センサ1Aの位置において、補正コイルにおいて発生した磁場によって地磁気及び変動磁場が補正される。複数の光励起磁気センサ1Aの位置における地磁気及び変動磁場が補正されることにより、複数の光励起磁気センサ1Aが、地磁気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。
According to the brain measurement devices M1, M2, and M3 according to the present embodiment, the geomagnetism and the varying magnetic field are measured at respective positions of the plurality of optically-excited
一方で、上記一態様あるいは他の態様によれば、MR画像の計測時には、地磁気補正コイル6(静磁場コイル)及び地磁気勾配補正コイル7(傾斜磁場コイル)を流れる電流が制御されることにより静磁場及び傾斜磁場が印加され、送信パルスの送信によって生じた核磁気共鳴信号が検出される。その結果、送受信コイルの出力を基にMR画像を計測することができる。 On the other hand, according to the above aspect or another aspect, during measurement of an MR image, currents flowing through the geomagnetic correction coil 6 (static magnetic field coil) and the geomagnetic gradient correction coil 7 (gradient magnetic field coil) are controlled to generate a static magnetic field. A magnetic field and a gradient magnetic field are applied and nuclear magnetic resonance signals produced by transmission of the transmit pulse are detected. As a result, an MR image can be measured based on the output of the transmission/reception coil.
このような脳計測装置及び脳計測方法によれば、同一の装置を用いて脳磁計測及びMRI計測を効率よく実現できる。特に、MRI計測において、光励起磁気センサを用いるためにSQUIDに比較して感度の高い周波数帯を広く調整できるので、印加する静磁場の強度、即ちプロトンの共鳴周波数の制限が少ない。SQUIDが低い共鳴周波数、即ち低い静磁場でしか動作しないために必要となるプリポーラライズコイルが不要となり、SQUIDを使用する場合に必要となる液体ヘリウム等の冷却剤も不要となる。さらには、MRIにおいて計測する信号の周波数も比較的高いので、MRI計測時及び脳磁場計測時の磁気ノイズの低減のための磁気シールドルームも不要となる。その結果、装置の小型化及び低コスト化が可能となる。加えて、プリポーラライズに必要な時間は計測時間と同程度なので、本実施形態では計測時間も1/2に短くすることができる。 According to such a brain measurement device and brain measurement method, magnetoencephalography and MRI measurement can be efficiently realized using the same device. In particular, in MRI measurement, since a photoexcited magnetic sensor is used, it is possible to adjust a wider frequency band with higher sensitivity compared to SQUID, so there are few restrictions on the strength of the static magnetic field to be applied, that is, the resonance frequency of protons. A pre-polarization coil, which is necessary because the SQUID operates only at a low resonance frequency, that is, a low static magnetic field, is unnecessary, and a coolant such as liquid helium, which is necessary when using the SQUID, is also unnecessary. Furthermore, since the frequency of signals measured in MRI is relatively high, a magnetic shield room for reducing magnetic noise during MRI measurement and brain magnetic field measurement is not required. As a result, it is possible to reduce the size and cost of the device. In addition, since the time required for prepolarization is about the same as the measurement time, the measurement time can also be shortened to 1/2 in this embodiment.
さらには、本実施形態では、地磁気補正コイル6に流す電流のオン/オフによって容易に静磁場をオン/オフできるので、脳磁場計測とMRI計測とを短時間で切り替えることができる。これにより、同一の被験者を対象に同一の装置を用いて脳磁場計測及びMRI計測を順次実施できるので、両計測結果のレジストレーションエラーを低減することができる。
Furthermore, in this embodiment, the static magnetic field can be easily turned on/off by turning on/off the current flowing through the
このように、本実施形態によれば、MRI計測を低磁場で行えるので特別な部屋を必要としないし、T1コントラストも高めることができる。また、変動磁場補正コイル8を用いることで、脳磁計測を磁気シールドルームで行う必要はない。そのため、同一の装置で脳磁計測とMRI計測を実現することができ、被験者が椅子等に座った状態で両計測を順次行うことができる。また、装置の低コスト化が可能であり、被験者を車両等に乗せた状態での計測も可能となる。その結果、うつ病、統合失調症などの精神疾患、認知症なでの神経変性疾患の診断に寄与できる。
Thus, according to this embodiment, MRI measurement can be performed in a low magnetic field, so a special room is not required, and T1 contrast can be enhanced. Moreover, by using the fluctuating magnetic
ここで、脳計測装置M1は、静磁場の印加用として、地磁気補正コイル6、傾斜磁場の印加用として、地磁気勾配補正コイル7とを用いている。これにより、脳磁計測用の地磁気補正用のコイルとMRI計測用のコイルとを共用することができるので、装置のさらなる小型化及びさらなる低コスト化が可能となる。
Here, the brain measurement device M1 uses a
また、本実施形態では、脳磁計測時に、複数の光励起磁気センサ1Aの位置における地磁気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、地磁気の影響及び変動磁場の影響を確実に避けた状態において脳磁場を計測することができる。その結果、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。このような作用は被験者の頭部が動いても実現することができる。
In addition, in the present embodiment, the geomagnetism and the varying magnetic field at the positions of the plurality of optically excited
補正コイルは、地磁気を補正するための地磁気補正コイル6と、変動磁場を補正するための変動磁場補正コイル8と、を有している。制御装置4は、地磁気の計測値に基づいて、地磁気を打ち消す磁場を発生させるように地磁気補正コイル6に対する電流を決定し、変動磁場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変動磁場補正コイル8に対する電流を決定する。このような構成では、場合によっては地磁気補正コイル6と静磁場コイルとを共用することができるので、この場合には装置のさらなる小型化及びさらなる低コスト化が可能となる。かかる構成によれば、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。
The correction coils include a
補正コイルは、地磁気の勾配を補正するための地磁気勾配補正コイル7を有している。制御装置は、地磁気の計測値に基づいて、地磁気の勾配を打ち消す磁場を発生させるように地磁気勾配補正コイル7に対する電流を決定する。このような構成では、場合によっては地磁気勾配補正コイル7と傾斜磁場コイルとを共用することができるので、この場合には装置のさらなる小型化及びさらなる低コスト化が可能となる。また、補正コイルに対する電流の制御によって一様の磁場補正(0次補正)が行われ、更に、地磁気勾配補正コイル7に対する電流の制御によって各光励起磁気センサ1Aの位置の違いを考慮した地磁気の勾配の補正(1次補正)が行われる。このようにして、地磁気及び地磁気の勾配が段階的に打ち消されることにより、地磁気を精度よく補正することができる。
The correction coil has a geomagnetic
補正コイルは、変動磁場の勾配を補正するための変動磁場勾配補正コイル9を有している。制御装置4は、変動磁場の計測値に基づいて、変動磁場の勾配を打ち消す磁場を発生させるように変動磁場勾配補正コイル9に対する電流を決定してもよい。この場合、補正コイルに対する電流の制御によって一様の変動磁場補正(0次補正)が行われ、更に、変動磁場勾配補正コイル9に対する電流の制御によって各光励起磁気センサ1Aの位置の違いを考慮した変動磁場の勾配の補正(1次補正)が行われる。このようにして、変動磁場及び変動磁場の勾配が段階的に打ち消されることにより、変動磁場を精度よく補正することができる。
The correction coil has a varying magnetic field
補正コイルは、複数の光励起磁気センサ1Aを挟んで配置される一対のコイルによって構成されている。この場合、一対の補正コイルに挟まれた複数の光励起磁気センサ1Aの位置における地磁気及び変動磁場が効果的に補正される。これにより、簡易な構成によって地磁気及び変動磁場を適切に補正することができる。
The correction coil is composed of a pair of coils arranged with a plurality of optically-excited
補正用磁気センサ2は、地磁気の計測値をDC成分として出力し、変動磁場の計測値をAC成分として出力するフラックスゲートセンサである。フラックスゲートセンサのダイナミックレンジには、10μTオーダーの強度を有する地磁気、及び10nTオーダーの強度を有する特定周波数(例えば商用周波数)の変動磁場が含まれ得る。特定周波数の変動磁場は、変動磁場の中でも特に大きな磁場である。このようなフラックスゲートセンサによれば、地磁気及び特定周波数の変動磁場を好適に計測することができる。
The correction
脳計測装置M1は、送信パルスを送信する送信コイル21と、核磁気共鳴信号を検出する受信コイル22と、を有している。この場合、例えば測定対象に近い場所に受信コイル22を配置することができると共に、送信コイル21を受信コイル22とは異なる場所に配置することができる等、設計の自由度が向上する。また、小型の受信コイル22を複数配置して測定対象を囲む場合、受信コイル22の感度を向上した上で、ノイズを低減することができる。
The brain measurement device M1 has a
脳計測装置M2及びM3の送受信コイルは、送信パルスを送信するためのコイルと、核磁気共鳴信号を検出するためのコイルとを兼ねている。この場合、装置のさらなる小型化及びさらなる低コスト化が可能となる。 The transmitting/receiving coils of the brain measurement devices M2 and M3 serve both as coils for transmitting transmission pulses and as coils for detecting nuclear magnetic resonance signals. In this case, it is possible to further reduce the size and cost of the device.
送受信コイル(送信コイル21B)は、螺旋状に形成され、測定対象を囲むように配置されている。この場合、測定対象に近い場所に送受信コイルを配置することができるため、MRI計測の精度を高めることができる。
The transmitting/receiving coil (transmitting
複数の光励起磁気センサ1Aは、測定対象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。この場合、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。
The multiple optically-excited
脳計測装置M1は送信コイル21に、脳計測装置M2,M3は、送受信コイル(それぞれ送信コイル21A,21B)に電気的に接続され、受信コイル22または送受信コイルを流れる電流を基に磁気信号を出力する出力コイル24と、出力コイル24によって出力された磁気信号を検出する別の光励起磁気センサ23Aと、をさらに備えている。脳計測装置M1,M2,M3の制御装置4は、別の光励起磁気センサ23Aによって検出された磁気信号を基にMR画像を生成する。このような構成によれば、fTオーダーの高い感度を有した別の光励起磁気センサ23Aによって信号を受信できるので、MR画像計測の精度を高めることができる。また、mTオーダーの静磁場が印加された送信コイルとは離れた位置に別の光励起磁気センサ23Aを配置するので、静磁場の影響を受けることなく、センサの感度帯域を調整することが可能である。
The brain measuring device M1 is electrically connected to the transmitting
複数の光励起磁気センサ1Aは、0~200Hzの範囲に含まれる周波数に感度を有するようにバイアス磁場が印加されるように構成されている。別の光励起磁気センサ23Aは、20kHz~500kHzの範囲に含まれる周波数に感度を有するようにバイアス磁場が印加されるように構成されている。このような構成により、脳磁場の計測の感度を高めると同時に、MRI計測の精度も高めることができる。
A plurality of optically-excited
また、複数の光励起磁気センサ1A、複数の補正用磁気センサ2、及び受信コイル22は、被験者の頭部に装着されるヘルメット型の非磁性フレーム3に固定されている。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3及び非磁性フレーム3に固定された各補正用磁気センサ2及び受信コイル22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及び変動磁場の補正、脳磁場の計測、及びMRI計測を適切に行うことができる。その結果、両計測のレジストレーションエラーを抑えることができる。
Moreover, the plurality of optically excited
さらに、脳計測装置M1,M2,M3は、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をさらに備えている。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による脳磁場の計測を安定的に動作させることができる。それとともに、MRIの計測周波数である300kHz帯のノイズが受信コイル22に入射しMRI計測におけるノイズが上昇することも防止できる。
[変形例]
以上、本開示の実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。本開示はその要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
Furthermore, the brain measurement devices M1, M2, and M3 are further provided with an
[Modification]
The above has been described in detail based on the embodiments of the present disclosure. However, the present disclosure is not limited to the above embodiments. Various modifications can be made to the present disclosure without departing from the gist thereof.
実施形態では、補正用磁気センサ2が計測値を分岐して制御装置4に出力する構成を有していたが、補正用磁気センサ2が計測値を分岐しないで制御装置4に出力する構成であってもよい。このような構成では、制御装置4は、補正用磁気センサ2から出力された計測値に基づき、DC成分とAC成分とを抽出し、それぞれの成分を地磁気の計測値及び変動磁場の計測値として取得してもよい。この場合、分岐のための配線を省略することができる。
In the embodiment, the magnetic sensor for
補正用磁気センサ2は、地磁気を計測するフラックスゲートセンサと、変動磁場を計測する光励起磁気センサであってもよい。当該光励起磁気センサは、脳磁場を計測する光励起磁気センサ1Aとは別のセンサである。光励起磁気センサは、フラックスゲートセンサ等よりも感度が高いので、変動磁場を高精度に計測することができる。その結果、変動磁場及び変動磁場勾配をより精緻に補正することができる。
The correction
地磁気補正コイル6は、一対の地磁気補正コイル6A及び6Bを有するものとして説明したが、OPMモジュール1(光励起磁気センサ1A)ごとに三つのコイルシステムとして配置してもよい。この場合、制御装置4は、光励起磁気センサ1Aの位置における地磁気の三方向(x軸、y軸、及びz軸)の成分に対し逆向きで且つ同程度の大きさの磁場を発生させるように、地磁気補正コイル6に対する電流を決定する。制御装置4は、三つのコイルシステムとして配置された地磁気補正コイル6のそれぞれに係る決定した電流に応じた制御信号をコイル電源5に出力する。このような構成によれば、地磁気の補正のための消費電力を比較的小さくすることができる。
Although the
変動磁場補正コイル8は、一対の変動磁場補正コイル8A及び8Bを有するものとして説明したが、OPMモジュール1(光励起磁気センサ1A)ごとに三つのコイルシステムとして配置してもよい。この場合、制御装置4は、光励起磁気センサ1Aの位置における変動磁場の三方向(x軸、y軸、及びz軸)の成分に対し逆向きで且つ同程度の大きさの磁場を発生させるように、変動磁場補正コイル8に対する電流を決定する。制御装置4は、三つのコイルシステムとして配置された変動磁場補正コイル8のそれぞれに係る決定した電流に応じた制御信号をコイル電源5に出力する。このような構成によれば、変動磁場の補正のための消費電力を比較的小さくすることができる。
The fluctuating magnetic
光励起磁気センサ1Aは、1つの筐体内に複数の測定箇所を有してもよい。この場合、測定箇所同士の間隔を狭くすることが可能となり、高い空間分解能で脳磁場を計測することができる。
The optically excited
また、制御装置4は、MR画像の計測時には、地磁気に係る勾配の補正を行うように地磁気勾配補正コイル7を流れる電流を設定してもよいし、地磁気に係る勾配の補正を行わないように設定してもよい。勾配磁場の大きさは数μT程度であり静磁場に比較して2桁程度低いため、MR画像の取得時には補正を行わなくても精度を高く維持することができる。
Further, when measuring MR images, the
また、上記実施形態の脳計測装置M1は、光励起磁気センサ23Aは省かれていてもよく、受信コイル22からの出力を制御装置4がアンプを介して直接検出するような構成であってもよい。
Further, the brain measurement device M1 of the above embodiment may omit the optically excited
また、光励起磁気センサ1Aは、ポンプ光及びプローブ光を用いるポンプ&プローブ型には限定されず、ポンプ光及びプローブ光を兼ねる円偏光の光を用いるゼロフィールド型の光励起磁気センサであってもよい。このゼロフィールド型では、セルに光を照射するとともに周期的なバイアス磁場を印加して磁場をロックイン検出し、ゼロ磁場からのずれを脳磁場として計測することができる。
Further, the optically excited
また、上記実施形態の脳計測装置M1では、非磁性フレーム3の位置が光学的に計測可能にされていてもよい。例えば、非磁性フレーム3の下端部に周囲に120度間隔で取り付けられたマーカと、非磁性フレーム3に対向するカメラとを設け、カメラを用いてヘルメットの位置変動を計測可能としてもよい。この計測結果をMRI計測時に利用することができる。例えば、制御装置4が、計測結果を用いて、地磁気勾配補正コイル7と受信コイル22との相対位置を計算して、MR画像を較正することができる。その結果、被験者の頭部が変動しても解像度の高いMR画像を取得することができる。これは、幼児などの頭部を固定することが困難な被験者のMRI計測に有用な構成である。なお、脳磁計測の際には、頭部の位置がずれてもずれた状態での光励起磁気センサ1Aの位置での磁場がゼロになるように補正されるので、非磁性フレーム3の位置を計測する必要性は低いが、非磁性フレーム3の位置情報をゼロ磁場生成に利用してもよい。
Further, in the brain measurement device M1 of the above embodiment, the position of the
図9~図11は、変形例に係る脳計測装置M4~M6を示す図である。脳計測装置M4~M6は、脳計測装置M1~M3とそれぞれ比較して、変動磁場補正コイル8、及び変動磁場勾配補正コイル9が省略されている点で異なる。地磁気補正コイル6は、DC電流によって地磁気を補正すると共に、AC電流成分を重畳させて、変動磁場を補正してもよい。すなわち、地磁気補正コイル6は、変動磁場補正コイル8としての役割をさらに有してもよい。同様に地磁気勾配補正コイル7には、DC電流によって磁場勾配を補正すると共に、AC電流成分を重畳させて変動磁場勾配を補正してもよい。すなわち、地磁気勾配補正コイル7は、変動磁場勾配補正コイル9としての役割をさらに有してもよい。このような脳計測装置M4~M6によれば、脳計測装置M1~M3と同様の理由により、同一の装置を用いて脳磁計測及びMRI計測を効率よく実現できる。また、補正コイルの数の増加を抑制することができるため、簡易な構成によって地磁気及び変動磁場を適切に補正することができる。
9 to 11 are diagrams showing brain measurement devices M4 to M6 according to modifications. The brain measurement devices M4 to M6 differ from the brain measurement devices M1 to M3 in that the fluctuating magnetic
M1~M6…脳計測装置、1A,23A…光励起磁気センサ、2…補正用磁気センサ、3…非磁性フレーム、4…制御装置、5…コイル電源、6…地磁気補正コイル、7…地磁気勾配補正コイル、8…変動磁場補正コイル、9…変動磁場勾配補正コイル、14…電磁シールド、21,21A,21B…送信コイル、22…受信コイル、24…出力コイル。
M1 to M6...brain measuring device, 1A, 23A...light-excited magnetic sensor, 2...correction magnetic sensor, 3...non-magnetic frame, 4...control device, 5...coil power supply, 6...geomagnetic correction coil, 7...geomagnetic gradient correction Coils 8... fluctuating magnetic
Claims (22)
前記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及び変動磁場を計測する複数の補正用磁気センサと、
前記地磁気及び変動磁場を補正するための補正コイルと、を有する脳磁計と、
静磁場を印加するための静磁場コイルと、
傾斜磁場を印加するための傾斜磁場コイルと、
所定の周波数の送信パルスを送信し、前記送信パルスの送信によって生じた核磁気共鳴信号を検出する送受信コイルと、を有するMRI装置と、
脳磁場の計測時には、前記複数の補正用磁気センサによる前記地磁気の計測値及び前記変動磁場の計測値に基づいて、前記補正コイルに供給する電流を制御し、
MR画像の計測時には、前記静磁場コイル及び前記傾斜磁場コイルに供給する電流を制御して前記静磁場及び前記傾斜磁場を制御し、前記送受信コイルの出力を基にMR画像を生成する制御装置と、
を備える脳計測装置。 a plurality of optically excited magnetic sensors that measure brain magnetic fields;
a plurality of correction magnetic sensors for measuring geomagnetism and varying magnetic fields at respective positions of the plurality of optically excited magnetic sensors;
a magnetoencephalograph having a correction coil for correcting the geomagnetism and the fluctuating magnetic field;
a static magnetic field coil for applying a static magnetic field;
a gradient magnetic field coil for applying a gradient magnetic field;
an MRI apparatus having a transmitting/receiving coil for transmitting a transmission pulse of a predetermined frequency and detecting a nuclear magnetic resonance signal generated by the transmission of the transmission pulse;
when measuring the brain magnetic field, controlling the current supplied to the correction coil based on the measured values of the geomagnetism and the measured values of the varying magnetic field by the plurality of correction magnetic sensors;
a control device that controls currents supplied to the static magnetic field coil and the gradient magnetic field coil to control the static magnetic field and the gradient magnetic field when measuring an MR image, and generates an MR image based on the output of the transmission/reception coil; ,
A brain measurement device with
前記制御装置は、前記地磁気の計測値に基づいて、前記地磁気を打ち消す磁場を発生させるように前記地磁気補正コイルに対する電流を決定し、前記変動磁場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変動磁場補正コイルに対する電流を決定する、
請求項1に記載の脳計測装置。 The correction coil includes a geomagnetism correction coil for correcting the geomagnetism and a fluctuating magnetic field correction coil for correcting the fluctuating magnetic field,
The control device determines a current for the geomagnetism correction coil so as to generate a magnetic field that cancels the geomagnetism based on the measured value of the geomagnetism, and a magnetic field that cancels the varying magnetic field based on the measured value of the varying magnetic field. determining a current to the fluctuating magnetic field correction coil to generate
The brain measurement device according to claim 1.
前記制御装置は、前記地磁気の計測値に基づいて、前記地磁気の勾配を打ち消す磁場を発生させるように前記地磁気勾配補正コイルに対する電流を決定する、
請求項1又は2に記載の脳計測装置。 The correction coil has a geomagnetic gradient correction coil for correcting the gradient of the geomagnetism,
The controller determines a current to the geomagnetic gradient correction coil based on the measured value of the geomagnetism so as to generate a magnetic field that cancels the gradient of the geomagnetism.
The brain measuring device according to claim 1 or 2.
前記制御装置は、前記変動磁場の計測値に基づいて、前記変動磁場の勾配を打ち消す磁場を発生させるように前記変動磁場勾配補正コイルに対する電流を決定する、
請求項1~3のいずれか1項に記載の脳計測装置。 The correction coil has a variable magnetic field gradient correction coil for correcting the gradient of the variable magnetic field,
The controller determines a current to the varying magnetic field gradient correction coil based on the measured value of the varying magnetic field so as to generate a magnetic field that cancels the gradient of the varying magnetic field.
The brain measurement device according to any one of claims 1 to 3.
前記出力コイルによって出力された前記磁気信号を検出する別の光励起磁気センサと、をさらに備え、
前記制御装置は、前記別の光励起磁気センサによって検出された前記磁気信号を基に前記MR画像を生成する、
請求項1~10のいずれか1項に記載の脳計測装置。 an output coil that is electrically connected to the transmission/reception coil and that outputs a magnetic signal based on the current flowing through the transmission/reception coil;
and another optically excited magnetic sensor that detects the magnetic signal output by the output coil,
The controller generates the MR image based on the magnetic signal detected by the another optically-excited magnetic sensor.
The brain measurement device according to any one of claims 1 to 10.
前記別の光励起磁気センサは、20kHz~500kHzの範囲に含まれる周波数に感度を有するようにバイアス磁場が印加されるように構成される、
請求項11に記載の脳計測装置。 The plurality of optically excited magnetic sensors are configured to be applied with a bias magnetic field so as to be sensitive to frequencies in the range of 0 to 200 Hz,
wherein said another optically excited magnetic sensor is configured to have a bias magnetic field applied such that it is sensitive to frequencies included in the range of 20 kHz to 500 kHz;
The brain measurement device according to claim 11.
前記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及び変動磁場を計測する複数の補正用磁気センサと、
前記地磁気及び変動磁場を補正するための補正コイルと、を有する脳磁計と、
静磁場を印加するための静磁場コイルと、
傾斜磁場を印加するための傾斜磁場コイルと、
所定の周波数の送信パルスを送信し、前記送信パルスの送信によって生じた核磁気共鳴信号を検出する送受信コイルと、を有するMRI装置と、を用いた脳計測方法であって、
脳磁場の計測時には、前記複数の補正用磁気センサによる前記地磁気の計測値及び前記変動磁場の計測値に基づいて、前記補正コイルに供給する電流を制御し、
MR画像の計測時には、前記静磁場コイル及び前記傾斜磁場コイルに供給する電流を制御して前記静磁場及び前記傾斜磁場を制御し、前記受信コイルの出力を基にMR画像を生成する、
脳計測方法。 a plurality of optically excited magnetic sensors that measure brain magnetic fields;
a plurality of correction magnetic sensors for measuring geomagnetism and varying magnetic fields at respective positions of the plurality of optically excited magnetic sensors;
a magnetoencephalograph having a correction coil for correcting the geomagnetism and the fluctuating magnetic field;
a static magnetic field coil for applying a static magnetic field;
a gradient magnetic field coil for applying a gradient magnetic field;
and a transmission/reception coil for transmitting a transmission pulse of a predetermined frequency and detecting a nuclear magnetic resonance signal generated by the transmission of the transmission pulse, and an MRI apparatus comprising:
when measuring the brain magnetic field, controlling the current supplied to the correction coil based on the measured values of the geomagnetism and the measured values of the varying magnetic field by the plurality of correction magnetic sensors;
When measuring an MR image, controlling the current supplied to the static magnetic field coil and the gradient magnetic field coil to control the static magnetic field and the gradient magnetic field, and generating an MR image based on the output of the receiving coil;
Brain measurement method.
前記地磁気の計測値に基づいて、前記地磁気を打ち消す磁場を発生させるように前記地磁気補正コイルに対する電流を決定し、前記変動磁場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変動磁場補正コイルに対する電流を決定する、
請求項15に記載の脳計測方法。 The correction coil includes a geomagnetism correction coil for correcting the geomagnetism and a fluctuating magnetic field correction coil for correcting the fluctuating magnetic field,
Based on the measured value of the geomagnetism, a current for the geomagnetism correction coil is determined so as to generate a magnetic field that cancels the geomagnetism, and based on the measured value of the varying magnetic field, a magnetic field that cancels the varying magnetic field is generated. determining a current to the fluctuating magnetic field correction coil;
The brain measurement method according to claim 15.
前記地磁気の計測値に基づいて、前記地磁気の勾配を打ち消す磁場を発生させるように前記地磁気勾配補正コイルに対する電流を決定する、
請求項15又は16に記載の脳計測方法。 The correction coil has a geomagnetic gradient correction coil for correcting the gradient of the geomagnetism,
determining a current to the geomagnetic gradient correction coil based on the measured value of the geomagnetism to generate a magnetic field that cancels the gradient of the geomagnetism;
The brain measurement method according to claim 15 or 16.
前記変動磁場の計測値に基づいて、前記変動磁場の勾配を打ち消す磁場を発生させるように前記変動磁場勾配補正コイルに対する電流を決定する、
請求項15~17のいずれか1項に記載の脳計測方法。 The correction coil has a variable magnetic field gradient correction coil for correcting the gradient of the variable magnetic field,
determining a current to the varying magnetic field gradient correction coil based on the measured value of the varying magnetic field so as to generate a magnetic field that cancels the gradient of the varying magnetic field;
The brain measurement method according to any one of claims 15-17.
22. The brain measurement method according to claim 21, wherein said transmitting/receiving coil is spirally formed and arranged so as to surround an object to be measured.
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