JP2636757B2

JP2636757B2 - ３次元電極位置・頭部モデル推定装置

Info

Publication number: JP2636757B2
Application number: JP6282047A
Authority: JP
Inventors: 敏正山崎
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-11-16
Filing date: 1994-11-16
Publication date: 1997-07-30
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: JPH08140953A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３次元電極位置・頭部
モデル推定装置において、電極位置計測に要する時間を
大幅に削減し実験者の負担を軽減する３次元電極位置・
頭部モデル推定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の３次元電極位置・頭部モデル推定
装置としては、例えば、「Ｅｌｅｃｔｒｏｅｎｃｅｐｈ
ａｌｏｇｒａｐｈｙａｎｄｃｌｉｎｉｃａｌＮｅ
ｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ、第７８巻、８５−８７
頁、１９９１年」にＪ．Ｃ．ＤｅＭｕｎｃｋ，Ｐ．Ｃ．
Ｍ．Ｖｉｊｎ，Ｈ．Ｓｐｅｋｒｅｉｊｓｅが「Ａｐｒ
ａｃｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｅｔｅｒｍ
ｉｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓ
ｏｎｔｈｅｈｅａｄ」と題して発表した論文に記
載されている装置が知られている。この装置の基本構成
を図７に示す。

【０００３】３次元電極位置推定部２２は、相異なる３
つの基準点から電極までの直線距離を用いて、三角測量
の原理に基づいて、電極位置の３次元座標値を計算す
る。３つの基準点とは、図３に示すように、左耳介・右
耳介・イニオンである。基準点から電極までの直線距離
は、直線距離計測部２１において、図８に示したノギス
を用いて、求められる。尚、３つの基準点の３次元位
置座標値を決めるために、両耳介間の直線距離（２
ｂ）、左耳介−イニオン間の直線距離（ｃ）、右耳介−
イニオン間の直線距離（ｃ）も、直線距離計算部２１で
計測しなければならない。

【０００４】頭部モデル推定部２３では、３次元電極位
置推定部２２で求められた各電極位置の３次元座標値を
利用して、頭部モデルを推定する。頭部は、頭皮・頭蓋
骨・髄液・脳の導電率の違いを考慮して、多層同心球で
近似する。この頭部モデルの最も外側を表す球モデルの
パラメータ（球の半径と中心の位置）は、各電極と球の
表面の間の距離の２乗和で定義される誤差関数を最小に
するパラメータとして求められる。

【０００５】この３次元電極位置・頭部モデル推定装置
では、直線距離計測部２１と３次元電極位置推定部２２
が物理的に直接繋がっていない。従って、直線距離計測
部２１で得られた直線距離データを３次元電極位置推定
部２２へ改めて入力し直さなければならない。直線距離
計測部２１では、ノギスを使って、各直線距離を計測し
なければならない。従って、例えば、電極数が３１であ
れば９６回（＝３１×３＋３）、電極数が６２であれば
１８９回（＝６２×３＋３）、ノギスで直線距離を計測
しなければならず、実験者は非常に煩雑な作業を強いら
れることになる。また、イニオンが基準点の１つになっ
ているので、前頭部に電極が装着されている時には、通
常のノギスでは直線距離を測るのが困難な場合がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の３次元
電極位置・頭部モデル推定装置では、直線距離計測のた
めの操作の煩雑さや直線距離データの再入力のために、
実験者に非常に煩雑な作業を強いるという問題点があっ
た。

【０００７】本発明の目的は、上記の問題点を解決する
ため直線距離計測部を電子化し、３次元電極位置推定部
と物理的に接続することにより、実験者の負担を大幅に
軽減する３次元電極位置・頭部モデル推定装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の３次元電極位置
・頭部モデル推定装置は、相異なる３つの基準点から頭
部に付けられた１つ以上の電極までの直線距離を計測す
ることにより、多チャネル脳波データから脳内活動源を
推定する等価電流双極子定位法に必要な前記電極の３次
元座標値と頭部モデルを推定する３次元電極位置・頭部
モデル推定装置において、先端に前記基準点または前記
電極のポジショニングを行う可動可能な測定ピンを有す
る軸を２つ有し、前記２つの軸は互いに同一の回転の中
心を有し、前記軸が移動し得る円周を含む面を頭皮上の
操作面として特定する頭皮上操作面特定手段と、前記頭
皮上操作面特定手段によって特定された操作平面によ
り、前記測定ピンの位置パラメータを計測して、電子化
する位置パラメータ電子化手段と、前記位置パラメータ
から、前記２つの軸の測定ピン間の直線距離を算出する
直線距離演算手段と、前記直線距離演算手段で算出され
た直線距離データの出力を制御する直線距離計測制御手
段と、前記直線距離計測制御手段で出力を制御された直
線距離データから、前記電極の３次元座標値を計算する
３次元電極位置推定手段と、前記電極の３次元座標値か
ら頭部モデルを推定する頭部モデル推定手段と、前記３
次元電極位置推定手段から出力された前記電極の３次元
座標値と、前記頭部モデル推定手段より出力された頭部
モデルを合わせて表示する推定結果表示手段と、を有し
ている。

【０００９】

【作用】本発明は、電子化された直線距離データを生成
する直線距離計測手段と３次元電極位置推定手段が物理
的に繋がっている。このことにより直線距離データの計
測に要する時間を大幅に削減でき、実験者の負担を大幅
に軽減することが可能となる。

【００１０】

【実施例】本発明の３次元電極位置・頭部モデル推定装
置の一実施例を図１に示す。この３次元電極位置・頭部
モデル推定装置は、頭皮上の電極や基準点の任意の２点
を通る大円を含む操作平面を特定する頭皮上操作面特定
部１１と、頭皮上操作面特定部１１によって特定された
操作平面内の任意の点の位置を表す２つの位置パラメー
タを計測して電子化する位置パラメータ電子化部１２
と、位置パラメータ電子化部１２より出力された頭皮上
の任意の２点に関する位置パラメータからその２点間の
直線距離を算出する直線距離演算部１３と、直線距離演
算部１３で算出された直線距離に関する信号の出力を制
御する直線距離計測制御部１４と、直線距離制御部１４
より出力された電極や基準点に関する直線距離データに
基づいて電極の３次元座標値を計算する３次元電極位置
推定部１５と、３次元電極位置推定部１５より出力され
た電極の３次元座標値から頭部モデルを推定する頭部モ
デル推定部１６と、３次元電極位置推定部１５より出力
された電極の３次元座標値と頭部モデル推定部１６より
出力された頭部モデルを表示する推定結果表示部１７
と、直線距離計測制御部１４に計測の開始／終了に関す
る信号及び、電極数に関する信号１８１を出力して直線
距離計測の制御を行い、３次元電極位置推定部１５へ電
極の３次元座標値の計算の開始に関する信号１８２を出
力して電極の３次元座標値の計算の制御を行い、頭部モ
デル推定部１６に頭部モデル推定の開始に関する信号１
８３を出力して頭部モデル推定の制御を行い、推定結果
表示部１７に結果表示の開始に関する信号１８４を出力
して結果表示の制御を行う３次元電極位置・頭部モデル
推定制御部１８とを有している。

【００１１】頭皮上の任意の２点間の直線距離の計測
は、頭皮上操作面特定部１１と２つの位置パラメータ電
子化部１２と直線距離演算部１３と直線距離計測制御部
１４によって実行される。

【００１２】頭皮表面を球で近似出来ると仮定すれば、
頭皮上の任意の２点は、近似的に、これら２点を通る大
円上にあると考えて良い。従って、頭皮上の２点は、こ
の大円を含む平面内に存在し、平面内での位置を表す何
らかの位置パラメータの２つ、例えば、直交座標系の座
標値あるいは極座標系の座標値のみで、その位置を特定
することが出来る。即ち、頭皮上操作面特定部１１は頭
皮上での操作平面を上記大円に限定する手段であり、位
置パラメータ電子化部１２は上記大円を含む操作平面内
で、頭皮上の任意の２点の位置パラメータ２つを電子化
する手段である。

【００１３】直線距離演算部１３は、位置パラメータ電
子化部１２で電子化された頭皮上の任意の２点に対する
位置パラメータからその２点間の直線距離を算出する。
頭皮上操作面特定部１１で操作平面が特定されているの
で、その平面を定義する座標系、例えば、直交座標系あ
るいは極座標系に応じて、簡単にその直線距離を求める
ことが可能である。

【００１４】直線距離計測制御部１４は、３次元電極位
置・頭部モデル推定制御部１８より出力される直線距離
計測の開始／終了に関する信号や電極数に関する信号１
８１に基づいて、直線距離演算部１３より出力される直
線距離に関する信号の出力を制御する。

【００１５】３次元電極位置推定部１５は、直線距離計
測制御部１４から出力された相異なる３つの基準点から
電極までの直線距離データに関する信号を用いて、三角
測量の原理に基づいて、各電極位置の３次元座標値を計
算する。３つの基準点とは、図３に示すように、左耳介
・右耳介・イニオンである。しかしながら、これら３点
である必要性は全く無い。例えば、イニオンの代わり
に、図３に示すような点Ｇでも良い。尚、３つの基準点
の３次元位置座標値を決めるために、両耳介間の直線距
離（２ｂ）、左耳介−点Ｇ間の直線距離（ｄ′₃）、右
耳介−点Ｇ間の直線距離（ｄ′₂）も、予め、頭皮上操
作面特定部１１、位置パラメータ電子化部１２、直線距
離演算部１３で計測しておく。

【００１６】頭部モデル推定部１６では、３次元電極位
置推定部１５で求められた各電極位置の３次元座標値を
利用して、頭部モデルを推定する。頭部は、頭皮・頭蓋
骨・髄液・脳の導電率の違いを考慮して、多層同心球で
近似する。この頭部モデルの最も外側を表す球モデルの
パラメータ（球の半径と中心の位置）は、各電極と球の
表面の間の距離の２乗和で定義される誤差関数を最小に
するパラメータとして求められる。この誤差関数を最小
化するために、最適化手法を利用することが出来る。

【００１７】また、頭部モデルを推定する方法として、
多層同心球で近似する方法の他に、例えば、ＭＲＩ（Ｍ
ａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＩｍａｇｉｎ
ｇ：核磁気共鳴像）から、頭部の各層（頭皮、頭蓋骨、
髄液、脳）の境界線を抽出し、これらを立体的に再構成
して作られる頭部リアル形状モデルを利用することも可
能である。

【００１８】推定結果表示部１７は、３次元電極位置推
定部１５で得られた電極の３次元座標値と頭部モデル推
定部１６で得られた頭部モデルを、同一の座標系に重ね
て表示する（図６参照）。

【００１９】３次元電極位置・頭部モデル推定制御部１
８は、直線距離計測制御部１４へ計測の開始／終了に関
する信号及び電極数に関する信号１８１を出力して距離
計測の制御を行い、３次元電極位置推定部１５へ電極位
置推定の開始に関する信号１８２を出力して電極位置推
定の制御を行い、頭部モデル推定装置１６へ頭部モデル
推定の開始に関する信号１８３を出力して頭部モデル推
定の制御を行い、推定結果表示部１７へ結果表示の開始
に関する信号１８４を出力して結果表示の制御を行う。

【００２０】次に本発明を用いて、頭皮上に装着された
３１個の電極の３次元座標値と頭部モデルを推定する一
例を説明する。

【００２１】例えば、頭皮上操作面特定部１１として、
図４に示すようなアーム方式の装置を用いる。２つの軸
Ｆ５１と軸Ｍ５２は同一の回転の中心Ｏを有し、これら
２つの軸が移動し得る円周を含む面が頭皮上の操作面１
１１（図２参照）として特定される。この操作面１１１
を、回転の中心Ｏを原点とする直交座標系（ｘ，ｙ）で
表現する。この時、軸Ｆ５１に取り付けられた固定側測
定ピン５３と軸Ｍ５２に取り付けられた可動側測定ピン
５４によってポジショニングされた頭皮上の任意の２点
Ｐ_F１１２とＰ_M１１３（図２参照）の座標値は、それ
ぞれ、Ｐ_F：（Ａ，０）（１）Ｐ_M：（（Ａ−Δｒ）ｃｏｓΔθ，（Ａ−Δｒ）ｓｉｎΔθ）（２）で与えられる。但し、Ａは原点Ｏと点Ｐ_F１１２の間の
距離、Δθは軸Ｆ５１と軸Ｍ５２がなす角度、Δｒは点
Ｐ_F１１２と点Ｐ_M１１３の間の半径方向の距離の差、
とする。従って、点Ｐ_F１１２と点Ｐ_M１１３の間の直
線距離は

【００２２】

【数１】

【００２３】で与えられる。

【００２４】Ａの値は、固定側測定ピン５３が軸Ｆ５１
に固定されているので、既知として良い。Δθは、位置
パラメータ電子化部１２として、例えば、原点Ｏに取り
付けられたロータリ・エンコーダ５５により、電位信号
として計測することが出来る。Δｒは、位置パラメータ
電子化部１２として、例えば、可動側測定ピン５４に取
り付けられたポテンショ・メータ５６により、電位信号
として計測することが出来る。こうして、直線距離演算
部１３は（３）式の計算を実行することが可能となる。

【００２５】計算された（３）式の値を、３次元電極位
置推定部１５として、例えば、日本電気（株）製ＥＷＳ
４８００等のワークステーションへ、ＲＳ２３２Ｃを介
して、送信するかどうかは、直線距離計測制御部１４と
して、例えば、押しボタンスイッチ５７のＯＮ／ＯＦＦ
で制御する。尚、位置パラメータ電子化部１２のデバイ
ス・ドライバー、位置パラメータに関する電位信号の通
信、直線距離の演算に必要な電位信号の処理は既存の電
子回路によって実現出来る。

【００２６】３次元電極位置推定部１５は、相異なる３
つの基準点から電極までの直線距離を用いて、三角測量
の原理に基づき、電極位置の３次元座標値を計算する。
３つの基準点とは、図３に示すように、左耳介・右耳介
・点Ｇである。各基準点から３１個の各電極までの直線
距離（ｄ₃：左耳介−点Ｐ間の直線距離、ｄ₂：右耳介
−点Ｐ間の直線距離、ｄ₄：点Ｇ−点Ｐ間の直線距離）
は、頭皮上操作面特定部１１と、位置パラメータ電子化
部１２と、直線距離演算部１３と、直線距離計測制御部
１４によって求められる。尚、点Ｇの位置は、正中線上
で、頭頂部あるいは前頭部が望ましいと考えられる。

【００２７】また、３つの基準点の３次元位置座標値を
決めるために、予め、両耳介間の直線距離（２ｂ）、左
耳介−イニオン間の直線距離（ｃ）、右耳介−イニオン
間の直線距離（ｃ）、点Ｇ−イニオン間の直線距離
（ｄ′₁）、左耳介−点Ｇ間の直線距離（ｄ′₃）、右
耳介−イニオン間の直線距離（ｄ′₂）も、頭皮上操作
面特定部１１と、位置パラメータ電子化部１２と、直線
距離演算部１３と、直線距離計測制御部１４によって計
測される。

【００２８】３次元電極位置推定部１５における具体的
な演算は以下の通りである。電極位置Ｐの座標（ｘ，
ｙ，ｚ）は、

【００２９】

【数２】

【００３０】とする。

【００３１】頭部モデル推定部１６として、例えば、日
本電気（株）製ＥＷＳ４８００等のワークステーション
を用いる。頭部モデル推定部１６は、３次元電極位置推
定部１５で推定された電極の３次元位置データにフィッ
トする球

【００３２】

【外１】

【００３３】を見つける。但し、

【００３４】

【外２】

【００３５】は球の中心、Ｒは球の半径とする。

【００３６】

【外３】

【００３７】を、３次元電極位置推定部１５で推定され
たｉ番目の電極位置を表すベクトルとする。この

【００３８】

【外４】

【００３９】と

【００４０】

【外５】

【００４１】が共に図３に示す座標系で与えられている
とすれば、

【００４２】

【数３】

【００４３】は球の中心からｉ番目の電極位置へ向かう
ベクトルとなる。従って、球の中心に関して、各電極位
置と球面の間の距離の２乗和として定義される誤差関数
Ｈ

【００４４】

【数４】

【００４５】を最小にするパラメータ

【００４６】

【外６】

【００４７】を求めれば良い。但し、Ｉは電極数（本実
施例では３１）とする。上記の原理を図５に例示した。
Ｈの最小値は、最適化手法として、例えば、Ｓｉｍｐｌ
ｅｘ法を使えば、簡単に求めることが出来る。尚、Ｓｉ
ｍｐｌｅｘ法の具体的なプログラミングは、例えば、
「Ｂｙｔｅ、Ｍａｙ、３４０−３６２頁、１９８４年」
にＭ．Ｓ．Ｃａｃｅｃｉ，Ｗ．Ｐ．Ｃｈａｃｈｅｒｉｓ
が「Ｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｓｔｏｄａｔａ」
と題して発表した論文に詳しい。

【００４８】推定結果表示部１７として、例えば、日本
電気（株）製ＥＷＳ４８００等のワークステーションを
用いる。図６は、３次元電極位置推定部１５の推定結果
と頭部モデル推定部１６の推定結果の表示を例示した図
であり、ワークステーションに接続されたＣＲＴディス
プレイの表示画面の一実施例である。頭部モデル推定部
１６で推定された球に関する、３次元電極位置推定部１
５で推定された電極位置は、推定された球の中心

【００４９】

【外７】

【００５０】の値を用いて、（１６）式によって与えら
れる。

【００５１】図６において、３つの円はいずれも、頭部
モデル推定部１６で推定された頭部モデルである球の投
影図であり、左上、右上、右下の順に、側面図、後頭部
から見た図、上から見た図を表している。また、図６に
表した各点は、（１６）式に従って変換された電極の位
置を各円に投影したものである。

【００５２】３次元電極位置・頭部モデル推定制御部１
８として、例えば、日本電気（株）製ＥＷＳ４８００等
のワークステーションを用いる。３次元電極位置・頭部
モデル推定制御部１８は、直線距離計測制御部１４へ計
測の開始／終了に関する信号及び電極数に関する信号１
８１を出力して直線距離計測の制御を行い、３次元電極
位置推定部１５へ電極位置推定の開始に関する信号１８
２を出力して電極位置の推定を行い、頭部モデル推定部
１６へ頭部モデル推定の開始に関する信号１８３を出力
して頭部モデル推定の制御を行い、推定結果表示部１７
へ結果表示の開始に関する信号１８４を出力して結果表
示の制御を行う。これら制御信号１８１〜１８４の送信
は、電極数の入力を除いて、ワークステーションに接続
されたＣＲＴディスプレイ上に、各制御内容用のメニュ
ー画面を設定し、マウス操作により、簡単に実行／中止
等の制御を実現出来る。また、電極数の設定はキーボー
ド入力等によって可能となる。

【００５３】

【発明の効果】本発明を用いることにより、電極位置計
測に要する時間を大幅に削減することが出来る。

【００５４】実施例で述べた３１個の電極位置計測を例
に取る。従来の装置では、ノギスで各直線距離の計測を
９６回行い、各数値を紙等に書き取らなければならない
ので、直線距離計測だけでも２〜３時間を要していた。
本発明では、直線距離計測の部分が電子化され、直線距
離計測の制御が押しボタン１つで行えるので、各距離計
測に数秒しかかからない。例えば、１０秒かかったとし
ても、９６０秒＝１６分であり、２０分弱で終了する。
電極数が増えれば増える程、この効果は顕著である。更
に、直線距離計測部が、３次元電極位置推定部や頭部モ
デル推定部に、物理的に繋がっていて、ワークステーシ
ョン１台でこれらの機能をすべて実現出来、自動化され
ている。従って、実験者の負担を大幅に軽減することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図。

【図２】本発明の頭皮上操作面を例示する図。

【図３】頭部を定義する座標系を例示する図。

【図４】本発明の直線距離計測部を例示する図。

【図５】本発明の頭部モデル推定部の原理を例示する
図。

【図６】本発明の推定結果表示部の表示結果を例示する
図。

【図７】従来例を示すブロック図。

【図８】従来の直線距離計測部（ノギス）を例示する
図。

【符号の説明】

１１頭皮上操作面特定部１２位置パラメータ電子化部１３直線距離演算部１４直線距離計測制御部１５３次元電極位置推定部１６頭部モデル推定部１７推定結果表示部１８３次元電極位置・頭部モデル推定部２１直線距離計測部２２３次元電極位置推定部２３頭部モデル推定部５１軸Ｆ５２軸Ｍ５３固定側測定ピン５４可動側測定ピン５５ロータリ・エンコーダ５６ポテンショメータ５７押しボタンスイッチ１１１頭皮上操作面１１２点Ｐ_F １１３点Ｐ_M １８１計測の開始／終了及び電極数に関する信号１８２電極位置推定の開始に関する信号１８３頭部モデル推定の開始に関する信号１８４結果表示の開始に関する信号２００左耳介２０１右耳介２０２イニオン

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】相異なる３つの基準点から頭部に付けられ
た１つ以上の電極までの直線距離を計測することによ
り、多チャネル脳波データから脳内活動源を推定する等
価電流双極子定位法に必要な前記電極の３次元座標値と
頭部モデルを推定する３次元電極位置・頭部モデル推定
装置において、先端に前記基準点または前記電極のポジショニングを行
う可動可能な測定ピンを有する軸を２つ有し、前記２つ
の軸は互いに同一の回転の中心を有し、前記軸が移動し
得る円周を含む面を頭皮上の操作面として特定する頭皮
上操作面特定手段と、前記頭皮上操作面特定手段によって特定された操作面に
より、前記測定ピンの位置パラメータを計測して、電子
化する位置パラメータ電子化手段と、前記位置パラメータから、前記２つの軸の測定ピン間の
直線距離を算出する直線距離演算手段と、前記直線距離演算手段で算出された直線距離データの出
力を制御する直線距離計測制御手段と、前記直線距離計測制御手段で出力を制御された直線距離
データから、前記電極の３次元座標値を計算する３次元
電極位置推定手段と、前記電極の３次元座標値から頭部モデルを推定する頭部
モデル推定手段と、前記３次元電極位置推定手段から出力された前記電極の
３次元座標値と、前記頭部モデル推定手段より出力され
た頭部モデルを合わせて表示する推定結果表示手段と、を有することを特徴とする３次元電極位置・頭部モデル
推定装置。