JP3191862B2 - バックグラウンド脳電位の双極子推定位置固定による脳内双極子追跡装置 - Google Patents

バックグラウンド脳電位の双極子推定位置固定による脳内双極子追跡装置

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JP3191862B2
JP3191862B2 JP02423697A JP2423697A JP3191862B2 JP 3191862 B2 JP3191862 B2 JP 3191862B2 JP 02423697 A JP02423697 A JP 02423697A JP 2423697 A JP2423697 A JP 2423697A JP 3191862 B2 JP3191862 B2 JP 3191862B2
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啓一 宮本
寿夫 西条
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、脳外科手術箇所を
決定するために、ヒトの頭皮上に配置した記録電極を用
いた脳内双極子の追跡装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、癲癇等の脳外科手術においては、
異常脳波の脳内発生箇所を決定するために脳硬膜下に脳
波記録電極を挿入しておき、長期間に亙って収集した記
録電極による脳電位情報に基づいて、脳外科手術箇所を
決定していた。脳硬膜下に記録電極を挿入するためには
頭蓋骨に穴を開ける手術が必要であり、また、記録電極
による脳電位情報収集には長期間を要するので、このた
め患者への負担は大きかった。
【0003】上述した従来技術による患者の負担を軽減
させるように、記録電極による脳電位記録収集期間を短
縮させ、かつ、脳外科手術箇所の決定精度を向上させる
目的をもって、頭皮上記録電極による脳内双極子の追跡
装置が提案されていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の脳内双極子推定
位置計算は、バックグラウンド脳電位が存在する測定脳
電位をそのまま計算していたので、計算結果にバックグ
ラウンド脳電位の影響を受けることが多く、推定計算結
果は必ずしも満足すべきものではなかった。
【0005】本発明は上述した従来技術の欠陥を解消す
るためになされたものであって、バックグラウンド脳電
位自体の脳内双極子推計計算を事前に行い、このバック
グラウンド脳電位の脳内双極子が発生する電位を測定脳
電位から除去した電位で脳内双極子推定計算を行うよう
にしたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明によるバックグラ
ウンド脳電位の双極子推定位置固定による脳内双極子追
跡装置は、ヒトの頭皮上に配置した記録電極によって収
集した脳電位データをコンピュータに付帯する補助記憶
装置に格納する脳電位収集装置と、X線CTおよびMR
Iによる脳断層写真を読み取って前記補助記憶装置に格
納する頭蓋形状センサと、頭蓋形状データと記録電極の
3次元座標値を作成する手段、脳電位データおよび頭蓋
形状データと記録電極の3次元座標値を補助記憶装置に
格納する手段、4層構造での伝達行列計算を行う手段、
バックグラウンド脳電位の脳内双極子推定計算を行う手
段、測定脳電位よりバックグラウンド脳電位を除去した
残りの脳電位より脳内双極子推定計算を行う手段、この
推定計算結果を頭蓋形状データ上にスーパー・インポー
ズする手段より成る複数の手段を備えたコンピュータ
と、頭蓋形状データ上にスーパー・インポーズされた双
極子位置および電位の大きさと方向を表示する表示装置
とによって構成したものである。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照しながら説明する。図2は本発明による脳内双極子追
跡装置の構成を示すブロック図である。図2において、
頭蓋形状センサ(又はイメージ・スキャナ)1はX線C
Tによる脳断層写真およびMRIによる脳断層写真を読
み取り、読み取った写真情報をコンピュータ3に付帯す
る補助記憶装置4に格納させるものであり、脳電位収集
装置2はヒトの頭皮上に配置した記録電極によって収集
された脳電位データをコンピュータ3に付帯する補助記
憶装置4に格納させるものである。コンピュータ3は、
頭蓋形状センサ(又はイメージ・スキャナ)1および脳
電位収集装置2からの各種情報を補助記憶装置4に格納
する手段、前記各種情報に基づいて頭蓋形状データと記
録電極の3次元座標値を作成する手段、4層構造での伝
達行列計算を行う手段、バックグラウンド脳電位の脳内
双極子推定計算を行う手段、測定脳電位よりバックグラ
ウンド脳電位を除去した残りの脳電位より脳内双極子推
定計算を行う手段、この推定計算結果である双極子位置
と電位の大きさと方向を頭蓋形状データ上にスーパー・
インポーズする手段とによって構成した。また、表示装
置5は頭蓋形状データ上にスーパー・インポーズされた
双極子位置および電位の大きさと方向を表示するもので
ある。
【0008】以下、本発明の脳内双極子追跡装置を用い
て、バックグラウンド脳電位の影響を除去した脳内双極
子位置を推定して表示させる手順を、図1を参照しなが
ら説明する。
【0009】ステップ1(S1 )において、頭蓋形状セ
ンサ(又はイメージ・スキャナ)1が読み取った写真情
報を用いて頭蓋形状(頭皮、頭蓋骨の内と外、脳実質)
データを作成し、補助記憶装置4に格納する。頭蓋底か
ら頭頂までOMラインに平行に撮影した2〜3mm幅のX
線CT断層写真およびMRI断層写真を頭蓋形状センサ
(又はイメージ・スキャナ)1によって読み込み、読み
込まれた断層写真を階調変換して2値化し、2値化した
画像データの周辺をトレースして境界を座標数値化し、
頭蓋各部形状データを作成する。頭蓋各部形状の内容と
しては、三角形ワイヤ・メッシュで形状を現すため、各
三角形の頂点の3次元座標値とその座標値の結線情報で
構成され、補助記憶装置4に格納する。座標系原点はO
Mラインを含む平面上に置き、座標系原点を通る垂直線
をZ軸とし、座標系原点におけるOMラインを含む平面
上にX軸とY軸を設ける。この作成作業は、1被験者に
対して1度必要であり、その実施例を図3〜図4に示
す。
【0010】ステップ2(S2 )において、記録電極位
置を座標数値化する。ステップ1(S1 )においてコン
ピュータ3に読み込んだX線CT写真上のヒトの頭皮上
の記録電極位置を3次元座標化し、補助記憶装置4に格
納する。ヒトの頭皮上に配置した記録電極位置を図5に
示す。
【0011】ステップ3(S3 )において、ヒトの頭皮
上に配置してある記録電極によって収集した脳電位デー
タを補助記憶装置4に格納する。
【0012】ステップ4(S4 )において、4層構造
(頭皮、頭蓋骨の内と外、脳実質)での伝達行列の計算
を行う。境界要素法を用いて双極子位置の推定計算を行
うため、ステップ1(S1 )、ステップ2(S2 )で求
めた数値データを用いて伝達行列を計算するが、その詳
細は後述する。この計算は1被験者に対して1度行う必
要がある。
【0013】ステップ5(S5 )において、バックグラ
ウンド脳電位による双極子推定計算を行う。ステップ4
(S4 )における伝達行列計算結果と、ステップ3(S
3 )における記録脳電位データとによって、バックグラ
ウンド脳電位の脳内双極子推定計算を行う。この計算
は、1被験者に対して1度行う必要があり、その実施例
を図6に示す。
【0014】ステップ6(S6 )において、バックグラ
ウンド脳電位を除去した測定電位より脳内双極子推定計
算を行う。ステップ3(S3 )における記録脳電位、ス
テップ4(S4 )における伝達行列計算結果、およびス
テップ5(S5 )におけるバックグラウンド脳電位によ
る双極子推定計算結果を基に、バックグラウンド脳電位
として推定脳電位より除去した残りの測定脳電位に基づ
いて脳内双極子推定計算(1双極子、2双極子)を行
う。ステップ5(S5 )において計算された1双極子と
2双極子の位置とベクトルを(1)式で示し、ステップ
4(S4 )で計算された伝達行列をAとすると、これら
の双極子により頭皮に発生する電位は(2)式によって
表わせる。
【0015】
【数1】
【0016】
【数2】
【0017】測定電位をVmeasとし、各記録電極での計
算電位をVcal1,Vcal2とすると、バックグラウンド脳
電位を除去した脳電位Vusは(3)式によって表わせ
る。
【0018】
【数3】
【0019】このバックグラウンド脳電位除去後の脳電
位Vusと、前記伝達行列Aを用いてVusに対する1双極
子又は2双極子の位置を求める。双極子推定計算は、記
録電極での記録値と計算電位との二乗誤差Sを最小にす
る1双極子又は2双極子における双極子位置およびベク
トルを求めるものであって、二乗誤差Sは(4)式によ
って求められる。
【0020】
【数4】
【0021】図6におけるバックグラウンド脳電位の双
極子推定位置Aを固定した計算結果より得た双極子推定
位置Bを図7に、Bを固定した計算結果より得たAを図
8に示す。
【0022】ステップ7(S7 )において、ステップ6
(S6 )の計算結果をステップ1(S1 )で作成した頭
蓋形状データにスーパー・インポーズし、表示装置5に
表示する。この表示例を図9に示す。
【0023】次に、ステップ4(S4 )における伝達行
列計算について説明する。4層構造(頭皮、頭蓋骨の内
と外、脳実質)での伝達行列計算は、境界要素法を用い
て行列方程式を解くことによって行われるが、前提条件
は次の通りである。 脳実質領域Ω1 、その導電率をσ1 頭蓋骨の内側領域をΩ2 、その導電率をσ2 頭蓋骨の外側領域をΩ3 、その導電率をσ3 頭皮領域をΩ4 、その導電率をσ4 また、脳内の起電力電位uを発生する双極子は領域Ω1
のみに発生し、電位uは領域Ω1 、Ω2 、Ω3 、Ω4
でラプラス方程式を満足し、この起電力uが導電率σ1
内の無限一様媒質中で発生する電位をu′とすると、
(u−u′)は領域Ω1 内でラプラス方程式を満足する
ものとし、この前提条件に基づいて境界要素法の関係式
を求めると、領域Ω1 〜Ω4 内において(5)式が成立
する。
【0024】
【数5】
【0025】電位および電流密度の法線成分の連続性か
ら(6)式が成立するので、u1 〜u3 およびq1 〜q
3 を(7)式のように定義し、(7)式を(5)式に代
入すると(8)式が得られる。
【0026】
【数6】
【0027】
【数7】
【0028】
【数8】
【0029】(8)式を変形して(9)式を求め、
(9)式における係数行列を(10)式のように定義する
と、(11)式のように記述できる。
【0030】
【数9】
【0031】
【数10】
【0032】
【数11】
【0033】(11)式において、q2 とq3 に注目する
と(12)式が求められる。
【0034】
【数12】
【0035】次に、u2 ,q4 が与えられるとu3 が確
定するから、(Z33−Y33)は可逆であり、(13)式が
成立する。
【0036】
【数13】
【0037】(13)式を(12)式に代入し、u1 とq4
を指定するとu2 が確定するから(14)式が成立する。
【0038】
【数14】
【0039】次に、(11)式においてq1 に注目し、
(14)式を代入すると(15)式が得られる。
【0040】
【数15】
【0041】(15)式を(5)式の第1行に代入すると
(16)式と(17)式が得られる。
【0042】
【数16】
【0043】
【数17】
【0044】電位の基準を任意に選べることに対応し行
列Hは特異であるため、解を得るためにMoore-Penrose
の一般逆行列を使用すると、(16)式の解は(18)式の
通りとなる。従って、u1 が既知となると、頭皮表面電
位はu1 とq4 を用いて表現することができる。
【0045】
【数18】
【0046】また、(11)式においてu4 に注目すると
(19)式が得られる。
【0047】
【数19】
【0048】(19)式に(13)式と(14)式を代入する
と(20)式が得られる。
【0049】
【数20】
【0050】(20)式に(18)式を代入すると(21)式
が得られ、頭表面における電位をusとすると(22)式
が得られる。
【0051】
【数21】
【0052】
【数22】
【0053】空気中の導電率は通常0であるから、(2
2)式から(23)式が得られる。
【0054】
【数23】
【0055】従って、q4 =0とすると、(16) 式と
(18)式より(24)式が得られ、(24)式から(25)式
が得られる。
【0056】
【数24】
【0057】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による脳内
双極子の追跡装置によると、バックグラウンド脳電位自
体の脳内双極子推定計算を事前に行い、このバックグラ
ウンド脳電位の脳内双極子が発生する電位を測定脳電位
から除去した電位で脳内双極子推定計算を行うので、推
定精度が大きく向上し、脳機能の研究分野、脳障害等の
治療機関などでの利用分野が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による双極子推定方法の手順を示すフロ
ーチャート。
【図2】本発明による脳内双極子追跡装置の構成を示す
ブロック図。
【図3】頭蓋骨の内側立体形状。
【図4】脳実質の立体形状。
【図5】頭皮上の記録電極位置。
【図6】バックグラウンド脳電位の2双極子計算結果
例。
【図7】双極子推定位置Aを固定して計算して得た双極
子推定位置B。
【図8】双極子推定位置Bを固定して計算して得た双極
子推定位置A。
【図9】頭蓋形状へのスーパー・インポーズした表示
例。
【符号の説明】
1 頭蓋形状センサ(又はイメージ・スキャナ) 2 脳電位収集装置 3 コンピュータ(又はパソコン、ワークステーショ
ン) 4 補助記憶装置 5 表示装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西条 寿夫 富山県射水郡小杉町南太閤山2−2 富 山医科薬科大学職員宿舎 5−303 (72)発明者 岡本 良夫 神奈川県川崎市高津区下作延227−7 (56)参考文献 特開 平8−257004(JP,A) 特開 平8−140953(JP,A) 特開 平2−180242(JP,A) 特開 平1−256931(JP,A) 特開 平1−256932(JP,A) 特開 平7−194566(JP,A) 特開 平4−35642(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) A61B 5/0476

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ヒトの頭皮上に配置した記録電極によっ
    て収集した脳電位データをコンピュータに付帯する補助
    記憶装置に格納する脳電位収集装置と、 X線CTおよびMRIによる複数の脳断層写真を読み取
    り、読み取った写真情報を前記補助記憶装置に格納する
    頭蓋形状センサと、 前記頭蓋形状センサが読み取った複数のX線CT写真情
    報およびMRI写真情報から構築した頭蓋形状データを
    作成すると共に、前記X線CT写真情報から3次元座標
    化した記録電極の3次元座標値を作成する手段と、 前記記録電極によって収集した脳電位データおよび前記
    頭蓋形状データと記録電極の3次元座標値とを前記補助
    記憶装置に格納する手段と、 前記頭蓋形状データと記録電極の3次元座標値とに基づ
    いて脳4層構造での伝達行列計算を行う手段と、 前記伝達行列計算結果と記録脳電位とに基づいてバック
    グラウンド脳電位の脳内双極子推定計算を行う手段と、 さらに、前記記録脳電位、伝達行列計算結果および前記
    バックグラウンド脳電位の脳内双極子推定計算結果に基
    づいて、バックグラウンド脳電位として測定脳電位より
    除去した残りの脳電位より脳内双極子推定計算を行う手
    段と、 この推定計算結果を頭蓋形状データ上にスーパー・イン
    ポーズする手段と、 より成る複数の手段を備えたコンピュータと、 前記頭蓋形状データ上にスーパー・インポーズされた双
    極子の位置および電位の大きさと方向を表示する表示装
    置と、 によって構成したことを特徴とするバックグラウンド脳
    電位の双極子推定位置固定による脳内双極子追跡装置。
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