JP3635332B2 - 頭部装着具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高次の脳機能を的確に計測するための脳高次機能計測方法、及びこの計測方法で用いられる頭部装着具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、脳の活動を非侵襲的に計測し脳機能を解析する方法が考えられ、その方法を実現する装置やシステムが種々開発されてきている。例えば、機能的核磁気共鳴法（ｆＭＲＩ；functional magnetic resonance imaging）、近赤外線分光法（ＮＩＲＳ；near-infrared spectroscopy）等が脳機能の計測方法の代表例である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ｆＭＲＩ法は、脳における血流中のデオキシヘモグロビン（Deoxy-Hb）値の変動に基づくＭＲＩの信号強度の変化を測定し、それを画像化することによって局所的な脳の活動を観測するというＢＯＬＤ効果を基礎的原理としており、ｍｍオーダーという極めて高い空間分解能で得られた脳の機能画像から賦活部位を特定するものである。一方、ＮＩＲＳ法は、被験者の頭部に照射用プローブ（光ファイバ）を通じて所定波長の近赤外線パルス光を照射し、それに対応して脳で反射した近赤外線を、数十ミリ秒という高い時間分解能で検出用プローブ（光ファイバ）を通じて検出する方法である。具体的には、皮膚組織や骨組織を透過し且つ脳の血管における血液中のオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンに吸収される波長の近赤外線を利用して、この近赤外線を被験者の頭部に装着したホルダに接続したプローブを介して伝達することで、血液中のオキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度及びそれらの総和である総ヘモグロビン濃度を測定し、これらの経時的な濃度変化から導き出される脳内の血行動態変化によって、運動中又は静止状態における被験者の脳活動を高い時間分解能で計測し、或いは画像化する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
マーカス・ライケル（Marcus E. Raichle）著，「ブリーフ ヒストリー オブ ヒューマン ファンクショナル ブレイン マッピング（A Brief History of Human Functional Brain Mapping）」，（米国），「ブレイン マッピング ザ システム（Brain Mapping The System）」収録，アカデミック・プレス（Academic Press），２０００年，ｐ．６４−６５
【特許文献１】
特願２００２−１２８１０７明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ｆＭＲＩ法は、上述のように空間分解能に優れている反面、頭部全体をスキャンするためせいぜい１〜２秒で１枚の画像を撮影することができず時間分解能に劣っており、また被験者をほぼ閉塞された装置内に収容し、その装置内で脳活動を計測するため、例えば被験者の体を動かしながら運動中における脳活動を計測することは困難であるという不具合を有している。また現在では、ｆＭＲＩの基本原理とされているＢＯＬＤ効果自体が見直されつつあるという問題もある。一方、ＮＩＲＳ法は、上述のように時間分解能に優れており、被験者を拘束又は非拘束の何れの状態でも観測できる反面、プローブの装着位置に依存して観測しなければならないために空間分解能についてはせいぜい数ｃｍオーダーという低い性能しか有していない。
【０００６】
このような問題に基づき、ｆＭＲＩ法とＮＩＲＳ法とを単に組み合わせれば、すなわち、両方法の計測結果を照合すれば、それぞれの欠点を補い合い、時間分解能にも空間分解能にも優れた脳機能の計測結果が得られるのではないかとも考えられるが、そもそも両方法で得られる結果が常に対応しているかは不明であるので、単に両方法を組み合わせただけでは決して好ましい結果が得られるわけではない。
【０００７】
そこで本発明は、以上のような問題に鑑みて、ｆＭＲＩ法とＮＩＲＳ法の長所を活かし、且つ両方法による結果を確実に対応付けることができる脳の高次機能計測を行うに際し、この計測方法に用いるのに適した頭部装着具を提供することを主目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る頭部装着具は、被験者の脳高次機能を計測するに際して、少なくとも核磁気共鳴法によって被験者の頭部構造画像を得る頭部構造画像取得工程において当該被験者の頭部に被せて用いられる頭部装着具であって、混練した２種混合型の歯科用ゴム質弾性印象材、又は熱変形樹脂材料のいずれかの型取り材を柔軟な状態で被験者の頭部に貼り付けて硬化させ当該被験者ごとに頭部の形状を型取った装着具本体と、硬化前の型取り材に所定間隔で複数埋設され近赤外分光法で利用するマーカーとからなることを特徴としている。
【０００９】
このような頭部装着具を使用すれば、頭部構造画像取得工程では、頭部装着具を被った被験者の頭部構造画像、すなわち、被験者の頭部全体及び脳の形状がマーカーと共に表された画像をＭＲＩ法によって得ることができる。また、脳高次機能の計測においては、頭部装着具を適切に作成する必要がある。そのためには、各被験者ごとに対応した当該被験者専用の頭部装着具を作成することが望ましいといえる。すなわち、頭部及び脳の形状は被験者ごとに異なるので、汎用の頭部装着具を使用したのでは正確を期すことが難しいが、本発明によれば、被験者ごとに対応したオーダーメイドの頭部装着具を作成することができる。なお、柔らかい型取り材であっても、ある程度（例えば５ｍｍ以上）の厚みを持たせれば独立して使用することも可能である。
【００１０】
特に、頭部構造画像取得工程においてマーカーごと頭部の構造画像を撮影する際と、脳機能の計測時とで頭部装着具にずれが生じると、計測結果に影響を及ぼすことになる。この不具合を簡便に防止するためには、装着具本体に、被験者の鼻又は耳の何れか一方又は両方に対応する位置決め部を、硬化前の型取り材によって形成することが好ましい。また、マーカーには、ＭＲＩ法により撮影される構造画像に映り込み、且つ入手が容易なものが望まれるので、脂肪球、例えば脂溶性の粒状物を適用することが好適である。このようなマーカーとして特に入手が容易なものには、ビタミンＤの錠剤が挙げられる。
【００１１】
さらに、型取り材を被験者の頭部に直接貼り付けたのでは、硬化後に被験者の頭部から取り外しにくくなる。しかしながら、型取り材によって可能な限り被験者の頭部の形状を的確に写し取る必要がある。この両方を満たすようにするには、装着具本体を、被験者の頭部に予め被せた食品用ラップフィルム等の柔軟なフィルム上に前記型取り材を貼り付けて形成することが有効となる。このようにすることで、従来のように被験者の頭部の形を石膏等で型取った後に、この石膏等の型から樹脂製の頭部装着具を作成していたという二度手間を省き、短時間で簡単に頭部装着具を作成することができる。
【００１２】
さらに本発明は、装着具本体に、近赤外分光法で利用する光プローブをさらに取り付けてなり、被験者の脳機能を近赤外分光法に基づくＮＩＲＳ計測によって計測する際にも、マーカー及び光プローブを取り付けた装着具本体を被験者の頭部に装着して使用されるものとすることができる。特に光プローブの取付位置は、機能的核磁気共鳴法に基づく被験者の脳機能を計測するｆＭＲＩ計測により得られる脳機能画像と、前記マーカー取付後であって前記光プローブ取付前の装着具本体を被験者に被せて行われる頭部構造画像取得工程で得られる頭部構造画像とを３次元的に合成して脳機能及び構造を同時に表した３次元合成画像に基づいて特定することが望ましい。
【００１３】
すなわち、ｆＭＲＩ計測において、まず、ｆＭＲＩ法によって得られた脳機能画像に基づいて、被験者に所定の刺激を与えた場合の脳の概略的な賦活部位を特定しておく。また、このｆＭＲＩ計測工程の前又は後に行われる頭部構造画像取得工程では、頭部装着具を被った被験者の頭部構造画像、すなわち上述の通り、被験者の頭部全体及び脳の形状がマーカーと共に表された画像をＭＲＩ法によって得ておく。そして、３次元画像を合成する工程において、先に得ておいた脳機能画像と頭部構造画像とをコンピュータ処理により一つの画像に合成し、頭部構造画像中に脳の賦活部位を表す。そうすることで、賦活部位に対応するマーカーを高精度の空間分解能で特定することができるので、光プローブ取り付ける際は、特定されたマーカーの近傍に光プローブを取り付けて、最後にＮＩＲＳ計測の工程において、その賦活部位における血流中のヘモグロビン（Ｈｂ，オキシヘモグロビン（ oxy-Hb ）及びデオキシヘモグロビン（ deoxy-Hb ）の総量）の経時的変化等の脳機能を高精度の時間分解能で計測することができる。したがって、ｆＭＲＩ法による脳の賦活部位の特定と、その賦活部位におけるＮＩＲＳ法による血流中のＨｂ変化に基づく脳機能の経時的変化を確実に対応付けて、両方法の長所を十分に活用できることになる。
【００１４】
特に光プローブを取り付ける工程においては、３次元合成画像に含まれる脳機能画像に基づいて判別された脳の賦活部位に対応するマーカーを、当該３次元合成画像に含まれる頭部構造画像に基づいて判別された装着具本体上のマーカーから特定し、装着具本体上における前記特定されたマーカーの近傍に光プローブを取り付けることが望ましい。
【００１５】
この場合、光プローブは、近赤外線の照射用光プローブと脳で反射する近赤外線の受光用光プローブとを対をなして前記装着具本体に取り付けられるものとすることで、賦活部位におけるＮＩＲＳ法による血流中のＨｂ変化の計測を有用なものとすることができる。ここで、照射用光プローブと受光用光プローブとは、対応するマーカーを挟んで所定距離離間させて配置するのが適切である。さらに、照射用光プローブと受光用光プローブとの前記離間距離又は配置方向は、脳の賦活部位の形状、装着具本体の物理的条件、他の近隣の光プローブとの位置関係、或いは脳光伝播の理論解析結果に基づいて決定するとよい。さらに、ｆＭＲＩ計測工程により特定された脳の賦活部位におけるＮＩＲＳ計測工程による計測の正確性をより向上するためには、頭部装着具を作成するに際して、マーカーを装着具本体に所定間隔で万遍なく複数埋設することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１７】
この実施形態は、ｆＭＲＩ法とＮＩＲＳ法とを適切に組み合わせた脳高次機能計測方法において用いられる頭部装着具ＨＣである。ここでまず、頭部装着具ＨＣを用いて行われる脳高次機能計測方法について説明すると、この方法は、図１に示すように大別して、ｆＭＲＩ計測工程Ｓ１と、頭部装着具作成工程Ｓ２と、頭部構造画像取得工程Ｓ３と、３次元画像合成工程Ｓ４と、光プローブ取付工程Ｓ５と、ＮＩＲＳ計測工程Ｓ６の合計６工程からなる。
【００１８】
まず、ｆＭＲＩ計測工程Ｓ１では、通常のｆＭＲＩ計測方法どおり、被験者にＭＲＩ装置の中で所定のタスクを行わせて、脳ＢＲ全体の活動状態の撮像を行う。図２は、前記タスクの一例として、被験者の左右の目に異なる画像を見せることで生ずる「両眼視野闘争」試験を行わせた結果、得られた脳機能画像ＩＭＧｆである。ＭＲＩ装置内では、被験者ＴＰの体が固定されているので、被験者ＴＰの両目に異なる画像を見せるための眼鏡（図７参照）をかけさせておく。なお、脳機能画像ＩＭＧｆは三次元画像として得られるが、同図はそのうち被験者ＴＰの脳ＢＲを右側方から見た状態を示している。同図の脳機能画像ＩＭＧｆにおいて、色を附した部位が当該被験者の脳ＢＲの賦活部位ＡＰであり、色が濃い部分においてより高い活動を行ったことが示されている。すなわちこのｆＭＲＩ計測工程Ｓ１では、所定の刺激によって活動する脳ＢＲの賦活部位ＡＰの概略的な位置を把握できることになる。その際、脳機能画像ＩＭＧｆの表示にあたって賦活部位ＡＰの表示面積は、閾値を適宜定めることで変更することができるが、通常、閾値として用いる統計上の検定値（ｐ値）を大きくすると賦活部位ＡＰの表示面積が小さくなり、逆にｐ値を小さくすると賦活部位ＡＰの表示面積は大きくなる。
【００１９】
頭部装着具作成工程Ｓ２では、後述するＮＩＲＳ計測工程６において被験者の頭部に被せるための頭部装着具ＨＣを作成する。図３を参照して具体的に説明すると、まず同図（ａ）に示すように、被験者ＴＰの頭部に薄く柔軟な樹脂フィルム（ここでは例えば食品ラップフィルム）ＦＭを被せておく。そして、歯科用の２種混合型ゴム質弾性印象材を練り混ぜた型取り材ＲＳを、その硬化前に上述した樹脂フィルムＦＭの上から頭部に沿って約５ｍｍ以上の厚さで延ばした状態でしばらく静置し硬化させることで、被験者ＴＰの頭部の形に対応したオーダーメイドの頭部装着具ＨＣを形成する。すなわち、硬化後の型取り材ＲＳがそのまま頭部装着具ＨＣとなる。その際、後に被験者ＴＰがこの頭部装着具ＨＣを被るときに適正な位置決めがなされるように、被験者ＴＰの両耳の前後を挟む位置と鼻の上部を上方から包囲する位置に、型取り材ＲＳによって位置決め部ＨＣｐ１、ＨＣｐ２を形成しておく。また、型取り材が硬化する前に、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、頭部装着具ＨＣに粒状のマーカーＭＫを埋め込んでおく。マーカーＭＫとしては脂肪球が好ましいので、本実施形態では市販のビタミンＤ錠剤（脂溶性の物質）を用いている。なお、マーカーＭＫは、頭部装着具ＨＣの厚みを貫通するように埋め込まれるが、可能な限り頭部装着具ＨＣ全体に亘って万遍なく配置する。
【００２０】
頭部構造画像取得工程Ｓ３では、上述した頭部装着具作成工程Ｓ２で作成された頭部装着具ＨＣを頭部に被せた状態で、被験者ＴＰの頭部をＭＲＩ装置にて撮像し、頭部構造画像ＩＭＧｓを得る。図４に、この工程Ｓ３で得られた頭部構造画像ＩＭＧｓを示す。同図（ａ）は、被験者ＴＰの頭部を右斜め前方から見た状態、同図（ｂ）は被験者ＴＰの頭部を（ａ）の状態よりもさらに右側方から見た状態、同図（ｃ）は被験者ＴＰの頭部を右後ろ上方から見た状態、同図（ｄ）は被験者ＴＰの頭部を後方から見た状態をそれぞれ三次元画像として表したものであり、これらの各画像は１つの頭部構造画像ＩＭＧｓを３次元的に異なる方向から見た状態を示したものである。各頭部構造画像ＩＭＧｓには、被験者ＴＰの頭部（顎から上）の頭皮ＳＫ、脳ＢＲ、及びマーカーＭＫが映っている。特にマーカーＭＫは、頭皮ＳＫからやや浮上した状態で撮像される。
【００２１】
３次元画像合成工程Ｓ４では、上述したｆＭＲＩ計測工程Ｓ１で得られた脳機能画像ＩＭＧｆと、頭部構造画像取得工程Ｓ３で得られた頭部構造画像ＩＭＧｓとを合成して、脳機能及び構造を同時に表した３次元合成画像ＩＭＧｆｓを作成する。具体的に説明すると、脳機能画像ＩＭＧｆと頭部構造画像ＩＭＧｓはいずれも同一の被験者ＴＰの脳の画像を含んでいるため、この脳の形状を基準にして一方の画像を固定しておくとともに他方の画像を移動させ、脳の画像同士を一致させる。この処理は、例えば汎用の統計計算プログラム（一例として、ロンドン大学による統計計算パッケージＳＰＭ）を利用することで簡単に行うことができる。このようにして脳の形状を一致させた両画像ＩＭＧｆ、ＩＭＧｓをレンダリングソフト（例えばＡｎａｌｙｚｅソフトウェア）で重ね合わせて頭皮ＳＫ及びマーカーＭＫを含めてレンダリング処理を行い、一つの３次元合成画像ＩＭＧｆｓを得ることができる。図５（ａ）〜（ｄ）に、図４（ａ）〜（ｄ）に示した頭部構造画像ＩＭＧｓに対応する被験者ＴＰの３次元合成画像ＩＭＧｆｓを示す。すなわち、この３次元合成画像ＩＭＧｆｓでは、被験者ＴＰの頭部（脳ＢＲ、頭皮ＳＫ）の構造とともに、頭部装着具ＨＣ上のマーカーＭＫと、脳ＢＲの賦活部位ＡＰが同一画像上に表現されている。
【００２２】
光プローブ取付工程Ｓ５は、先の３次元画像合成工程Ｓ４で得た３次元合成画像ＩＭＧｆｓに基づいて、脳ＢＲの賦活部位ＡＰに最も近いマーカーＭＫを選び出し、図６（ａ）に示すようにそのマーカーＭＫを挟む２箇所に印（同図ではｘ印）を付けておき、この印を付けた箇所に後述のＮＩＲＳ計測工程Ｓ６で利用する一対の光ファイバからなる光プローブＰＲ１、ＰＲ２を同図（ｂ）に示すように取り付ける。これら対をなす光プローブのうち一方は近赤外線パルス光を照射するための照射用プローブＰＲ１であり、他方は脳ＲＢで反射した近赤外線を検出する検出用プローブＰＲ２である。また、本実施形態においては、これら照射用プローブＰＲ１と検出用プローブＰＲ２とを、１つのマーカーＭＫを挟んで約２ｃｍの間隔で頭部装着具ＨＣに埋め込むようにしているが、この他に、マーカーＭＫの物理的な位置、脳ＢＲの賦活部位ＡＰの位置や形状、他の近隣する光プローブとの位置関係、或いは脳光伝播の理論解析結果等を適宜加味して、各光プローブＰＲ１、ＰＲ２の頭部装着具ＨＣへの埋め込み位置を決定することもできる。
【００２３】
ＮＩＲＳ計測工程Ｓ６では、以上のように作成され光プローブＰＲ１、ＰＲ２が埋め込まれた頭部装着具ＨＣを被験者ＴＰの頭部に鼻及び耳の位置決め部ＨＣｐ１、ＨＣｐ２で位置合わせして被せ、この状態で、ｆＭＲＩ計測工程Ｓ１で与えたのと同様の刺激を被験者ＴＰに与える。すなわち本実施形態では、上述したとおり、被験者ＴＰの両目に異なる画像を見せた際の脳ＢＲの賦活状態を観察する「両眼視野闘争試験」におけるＮＩＲＳ計測を行う。そのために、図７に示すような眼鏡ＧＲを被験者ＴＰにかけさせて、その状態でＮＩＲＳ計測装置Ｍの光源（図示省略）から照射用プローブＰＲ１を通じて被験者ＴＰの頭部に赤外線パルス光を照射し、脳ＢＲで反射した赤外線を検出用プローブＰＲ２を通じて計測装置Ｍで受光して、被験者ＴＰの脳の血管中における血液のオキシヘモグロビン（ｏｘｙＨｂ）濃度、デオキシヘモグロビン（ｄｅｏｘｙＨｂ）濃度の経時的変化を計測する。赤外線のサンプリング時間の間隔は、数十ミリ秒とするとよい。
【００２４】
ここで、図８｛（ａ）は脳ＢＲの平面図、（ｂ）は脳ＢＲの左側面図、（ｃ）は脳ＢＲの右側面図｝に、脳機能画像ＩＭＧｆに基づく被験者ＴＰの脳ＢＲにおける賦活部位（１〜１０）を示し、図９に、各賦活部位ＡＰにおけるオキシヘモグロビン（ｏｘｙＨｂ）の経時的濃度変化（実線）及びデオキシヘモグロビン（ｄｅｏｘｙＨｂ）の経時的濃度変化（破線）を示す。これらの結果から、両眼視野闘争試験において目を通じて脳ＢＲに刺激が与えられると、高く賦活された脳の部位（図８において色の濃い賦活部位ＡＰ）で、血液中のオキシヘモグロビン（ｏｘｙＨｂ）濃度が高くなるという、ｆＭＲＩ計測による結果とＮＩＲＳ計測による結果との極めて高い相関関係が認められた。したがって、ｆＭＲＩ計測による脳ＢＲの賦活部位ＡＰと、ＮＩＲＳ計測による脳内血液中のヘモグロビン（ｏｘｙＨｂ、ｄｅｏｘｙＨｂ）濃度変化との高い相関関係が認められたので、本実施形態の脳高次機能計測方法によれば極めて高い精度の空間分解能と時間分解能で脳の高次機能の計測が可能であり、本実施形態は非常に有用な脳高次機能計測方法であるといえる。
【００２５】
なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、頭部装着具の具体的構成や、頭部装着具を利用して行われる脳高次機能計測方法の各工程における具体的な方法は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、以上に詳述したように、脳高次機能の計測に際し、被験者の頭部に被せることで被験者へ多大な負担を掛けることなく計測精度を向上することができる頭部装着具である。そして、この頭部装着具は、ｆＭＲＩ計測により予め被験者の脳機能画像を得ておくとともに、被験者ごとの頭部装着具を作成してそれを被った状態でＭＲＩ装置で頭部構造画像を得ておき、これら脳機能画像と頭部構造画像とを３次元合成して３次元合成画像を作成し、この３次元合成画像に基づいて頭部装着具において脳機能画像から把握される脳の賦活部位に近い箇所に光プローブを取り付けて、この頭部装着具を被った状態でＮＩＲＳ計測を行う際に用いる場合に特に適したものであるといえる。したがって、本発明によれば、ｆＭＲＩ計測に基づく高い空間分解能とＮＩＲＳ計測による高い時間分解能とを両立させて、被験者に与えられた刺激による脳の賦活部位における脳機能の計測を極めて高い精度で行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る一実施形態である頭部装着具を用いて行われる脳高次機能計測方法の一例における各工程を示すフロー図。
【図２】 同実施形態のｆＭＲＩ計測工程で得られる脳機能画像例を示す図。
【図３】 同実施形態の頭部装着具作成工程を示す図。
【図４】 同実施形態の頭部構造画像取得工程で得られる頭部構造画像例を示す図。
【図５】 同実施形態の脳機能画像と頭部構造画像とを合成した３次元合成画像例を示す図。
【図６】 同実施形態の光プローブ取付工程を示す図。
【図７】 同実施形態のＮＩＲＳ計測工程を示す図。
【図８】 同実施形態における両眼視野闘争試験における脳の賦活部位を示す図。
【図９】 同両眼視野闘争試験におけるＮＩＲＳ計測結果を脳の賦活部位に対応して示す図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高次の脳機能を的確に計測するための脳高次機能計測方法、及びこの計測方法で用いられる頭部装着具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、脳の活動を非侵襲的に計測し脳機能を解析する方法が考えられ、その方法を実現する装置やシステムが種々開発されてきている。例えば、機能的核磁気共鳴法（ｆＭＲＩ；functional magnetic resonance imaging）、近赤外線分光法（ＮＩＲＳ；near-infrared spectroscopy）等が脳機能の計測方法の代表例である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ｆＭＲＩ法は、脳における血流中のデオキシヘモグロビン（Deoxy-Hb）値の変動に基づくＭＲＩの信号強度の変化を測定し、それを画像化することによって局所的な脳の活動を観測するというＢＯＬＤ効果を基礎的原理としており、ｍｍオーダーという極めて高い空間分解能で得られた脳の機能画像から賦活部位を特定するものである。一方、ＮＩＲＳ法は、被験者の頭部に照射用プローブ（光ファイバ）を通じて所定波長の近赤外線パルス光を照射し、それに対応して脳で反射した近赤外線を、数十ミリ秒という高い時間分解能で検出用プローブ（光ファイバ）を通じて検出する方法である。具体的には、皮膚組織や骨組織を透過し且つ脳の血管における血液中のオキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンに吸収される波長の近赤外線を利用して、この近赤外線を被験者の頭部に装着したホルダに接続したプローブを介して伝達することで、血液中のオキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度及びそれらの総和である総ヘモグロビン濃度を測定し、これらの経時的な濃度変化から導き出される脳内の血行動態変化によって、運動中又は静止状態における被験者の脳活動を高い時間分解能で計測し、或いは画像化する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
マーカス・ライケル（Marcus E. Raichle）著，「ブリーフ ヒストリー オブ ヒューマン ファンクショナル ブレイン マッピング（A Brief History of Human Functional Brain Mapping）」，（米国），「ブレイン マッピング ザ システム（Brain Mapping The System）」収録，アカデミック・プレス（Academic Press），２０００年，ｐ．６４−６５
【特許文献１】
特願２００２−１２８１０７明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ｆＭＲＩ法は、上述のように空間分解能に優れている反面、頭部全体をスキャンするためせいぜい１〜２秒で１枚の画像を撮影することができず時間分解能に劣っており、また被験者をほぼ閉塞された装置内に収容し、その装置内で脳活動を計測するため、例えば被験者の体を動かしながら運動中における脳活動を計測することは困難であるという不具合を有している。また現在では、ｆＭＲＩの基本原理とされているＢＯＬＤ効果自体が見直されつつあるという問題もある。一方、ＮＩＲＳ法は、上述のように時間分解能に優れており、被験者を拘束又は非拘束の何れの状態でも観測できる反面、プローブの装着位置に依存して観測しなければならないために空間分解能についてはせいぜい数ｃｍオーダーという低い性能しか有していない。
【０００６】
このような問題に基づき、ｆＭＲＩ法とＮＩＲＳ法とを単に組み合わせれば、すなわち、両方法の計測結果を照合すれば、それぞれの欠点を補い合い、時間分解能にも空間分解能にも優れた脳機能の計測結果が得られるのではないかとも考えられるが、そもそも両方法で得られる結果が常に対応しているかは不明であるので、単に両方法を組み合わせただけでは決して好ましい結果が得られるわけではない。
【０００７】
そこで本発明は、以上のような問題に鑑みて、ｆＭＲＩ法とＮＩＲＳ法の長所を活かし、且つ両方法による結果を確実に対応付けることができる脳の高次機能計測を行うに際し、この計測方法に用いるのに適した頭部装着具を提供することを主目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る頭部装着具は、被験者の脳高次機能を計測するに際して、少なくとも核磁気共鳴法によって被験者の頭部構造画像を得る頭部構造画像取得工程において当該被験者の頭部に被せて用いられる頭部装着具であって、混練した２種混合型の歯科用ゴム質弾性印象材、又は熱変形樹脂材料のいずれかの型取り材を柔軟な状態で被験者の頭部に貼り付けて硬化させ当該被験者ごとに頭部の形状を型取った装着具本体と、硬化前の型取り材に所定間隔で複数埋設され近赤外分光法で利用するマーカーとからなることを特徴としている。
【０００９】
このような頭部装着具を使用すれば、頭部構造画像取得工程では、頭部装着具を被った被験者の頭部構造画像、すなわち、被験者の頭部全体及び脳の形状がマーカーと共に表された画像をＭＲＩ法によって得ることができる。また、脳高次機能の計測においては、頭部装着具を適切に作成する必要がある。そのためには、各被験者ごとに対応した当該被験者専用の頭部装着具を作成することが望ましいといえる。すなわち、頭部及び脳の形状は被験者ごとに異なるので、汎用の頭部装着具を使用したのでは正確を期すことが難しいが、本発明によれば、被験者ごとに対応したオーダーメイドの頭部装着具を作成することができる。なお、柔らかい型取り材であっても、ある程度（例えば５ｍｍ以上）の厚みを持たせれば独立して使用することも可能である。
【００１０】
特に、頭部構造画像取得工程においてマーカーごと頭部の構造画像を撮影する際と、脳機能の計測時とで頭部装着具にずれが生じると、計測結果に影響を及ぼすことになる。この不具合を簡便に防止するためには、装着具本体に、被験者の鼻又は耳の何れか一方又は両方に対応する位置決め部を、硬化前の型取り材によって形成することが好ましい。また、マーカーには、ＭＲＩ法により撮影される構造画像に映り込み、且つ入手が容易なものが望まれるので、脂肪球、例えば脂溶性の粒状物を適用することが好適である。このようなマーカーとして特に入手が容易なものには、ビタミンＤの錠剤が挙げられる。
【００１１】
さらに、型取り材を被験者の頭部に直接貼り付けたのでは、硬化後に被験者の頭部から取り外しにくくなる。しかしながら、型取り材によって可能な限り被験者の頭部の形状を的確に写し取る必要がある。この両方を満たすようにするには、装着具本体を、被験者の頭部に予め被せた食品用ラップフィルム等の柔軟なフィルム上に前記型取り材を貼り付けて形成することが有効となる。このようにすることで、従来のように被験者の頭部の形を石膏等で型取った後に、この石膏等の型から樹脂製の頭部装着具を作成していたという二度手間を省き、短時間で簡単に頭部装着具を作成することができる。
【００１２】
さらに本発明は、装着具本体に、近赤外分光法で利用する光プローブをさらに取り付けてなり、被験者の脳機能を近赤外分光法に基づくＮＩＲＳ計測によって計測する際にも、マーカー及び光プローブを取り付けた装着具本体を被験者の頭部に装着して使用されるものとすることができる。特に光プローブの取付位置は、機能的核磁気共鳴法に基づく被験者の脳機能を計測するｆＭＲＩ計測により得られる脳機能画像と、前記マーカー取付後であって前記光プローブ取付前の装着具本体を被験者に被せて行われる頭部構造画像取得工程で得られる頭部構造画像とを３次元的に合成して脳機能及び構造を同時に表した３次元合成画像に基づいて特定することが望ましい。
【００１３】
すなわち、ｆＭＲＩ計測において、まず、ｆＭＲＩ法によって得られた脳機能画像に基づいて、被験者に所定の刺激を与えた場合の脳の概略的な賦活部位を特定しておく。また、このｆＭＲＩ計測工程の前又は後に行われる頭部構造画像取得工程では、頭部装着具を被った被験者の頭部構造画像、すなわち上述の通り、被験者の頭部全体及び脳の形状がマーカーと共に表された画像をＭＲＩ法によって得ておく。そして、３次元画像を合成する工程において、先に得ておいた脳機能画像と頭部構造画像とをコンピュータ処理により一つの画像に合成し、頭部構造画像中に脳の賦活部位を表す。そうすることで、賦活部位に対応するマーカーを高精度の空間分解能で特定することができるので、光プローブ取り付ける際は、特定されたマーカーの近傍に光プローブを取り付けて、最後にＮＩＲＳ計測の工程において、その賦活部位における血流中のヘモグロビン（Ｈｂ，オキシヘモグロビン（ oxy-Hb ）及びデオキシヘモグロビン（ deoxy-Hb ）の総量）の経時的変化等の脳機能を高精度の時間分解能で計測することができる。したがって、ｆＭＲＩ法による脳の賦活部位の特定と、その賦活部位におけるＮＩＲＳ法による血流中のＨｂ変化に基づく脳機能の経時的変化を確実に対応付けて、両方法の長所を十分に活用できることになる。
【００１４】
特に光プローブを取り付ける工程においては、３次元合成画像に含まれる脳機能画像に基づいて判別された脳の賦活部位に対応するマーカーを、当該３次元合成画像に含まれる頭部構造画像に基づいて判別された装着具本体上のマーカーから特定し、装着具本体上における前記特定されたマーカーの近傍に光プローブを取り付けることが望ましい。
【００１５】
この場合、光プローブは、近赤外線の照射用光プローブと脳で反射する近赤外線の受光用光プローブとを対をなして前記装着具本体に取り付けられるものとすることで、賦活部位におけるＮＩＲＳ法による血流中のＨｂ変化の計測を有用なものとすることができる。ここで、照射用光プローブと受光用光プローブとは、対応するマーカーを挟んで所定距離離間させて配置するのが適切である。さらに、照射用光プローブと受光用光プローブとの前記離間距離又は配置方向は、脳の賦活部位の形状、装着具本体の物理的条件、他の近隣の光プローブとの位置関係、或いは脳光伝播の理論解析結果に基づいて決定するとよい。さらに、ｆＭＲＩ計測工程により特定された脳の賦活部位におけるＮＩＲＳ計測工程による計測の正確性をより向上するためには、頭部装着具を作成するに際して、マーカーを装着具本体に所定間隔で万遍なく複数埋設することが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１７】
この実施形態は、ｆＭＲＩ法とＮＩＲＳ法とを適切に組み合わせた脳高次機能計測方法において用いられる頭部装着具ＨＣである。ここでまず、頭部装着具ＨＣを用いて行われる脳高次機能計測方法について説明すると、この方法は、図１に示すように大別して、ｆＭＲＩ計測工程Ｓ１と、頭部装着具作成工程Ｓ２と、頭部構造画像取得工程Ｓ３と、３次元画像合成工程Ｓ４と、光プローブ取付工程Ｓ５と、ＮＩＲＳ計測工程Ｓ６の合計６工程からなる。
【００１８】
まず、ｆＭＲＩ計測工程Ｓ１では、通常のｆＭＲＩ計測方法どおり、被験者にＭＲＩ装置の中で所定のタスクを行わせて、脳ＢＲ全体の活動状態の撮像を行う。図２は、前記タスクの一例として、被験者の左右の目に異なる画像を見せることで生ずる「両眼視野闘争」試験を行わせた結果、得られた脳機能画像ＩＭＧｆである。ＭＲＩ装置内では、被験者ＴＰの体が固定されているので、被験者ＴＰの両目に異なる画像を見せるための眼鏡（図７参照）をかけさせておく。なお、脳機能画像ＩＭＧｆは三次元画像として得られるが、同図はそのうち被験者ＴＰの脳ＢＲを右側方から見た状態を示している。同図の脳機能画像ＩＭＧｆにおいて、色を附した部位が当該被験者の脳ＢＲの賦活部位ＡＰであり、色が濃い部分においてより高い活動を行ったことが示されている。すなわちこのｆＭＲＩ計測工程Ｓ１では、所定の刺激によって活動する脳ＢＲの賦活部位ＡＰの概略的な位置を把握できることになる。その際、脳機能画像ＩＭＧｆの表示にあたって賦活部位ＡＰの表示面積は、閾値を適宜定めることで変更することができるが、通常、閾値として用いる統計上の検定値（ｐ値）を大きくすると賦活部位ＡＰの表示面積が小さくなり、逆にｐ値を小さくすると賦活部位ＡＰの表示面積は大きくなる。
【００１９】
頭部装着具作成工程Ｓ２では、後述するＮＩＲＳ計測工程６において被験者の頭部に被せるための頭部装着具ＨＣを作成する。図３を参照して具体的に説明すると、まず同図（ａ）に示すように、被験者ＴＰの頭部に薄く柔軟な樹脂フィルム（ここでは例えば食品ラップフィルム）ＦＭを被せておく。そして、歯科用の２種混合型ゴム質弾性印象材を練り混ぜた型取り材ＲＳを、その硬化前に上述した樹脂フィルムＦＭの上から頭部に沿って約５ｍｍ以上の厚さで延ばした状態でしばらく静置し硬化させることで、被験者ＴＰの頭部の形に対応したオーダーメイドの頭部装着具ＨＣを形成する。すなわち、硬化後の型取り材ＲＳがそのまま頭部装着具ＨＣとなる。その際、後に被験者ＴＰがこの頭部装着具ＨＣを被るときに適正な位置決めがなされるように、被験者ＴＰの両耳の前後を挟む位置と鼻の上部を上方から包囲する位置に、型取り材ＲＳによって位置決め部ＨＣｐ１、ＨＣｐ２を形成しておく。また、型取り材が硬化する前に、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、頭部装着具ＨＣに粒状のマーカーＭＫを埋め込んでおく。マーカーＭＫとしては脂肪球が好ましいので、本実施形態では市販のビタミンＤ錠剤（脂溶性の物質）を用いている。なお、マーカーＭＫは、頭部装着具ＨＣの厚みを貫通するように埋め込まれるが、可能な限り頭部装着具ＨＣ全体に亘って万遍なく配置する。
【００２０】
頭部構造画像取得工程Ｓ３では、上述した頭部装着具作成工程Ｓ２で作成された頭部装着具ＨＣを頭部に被せた状態で、被験者ＴＰの頭部をＭＲＩ装置にて撮像し、頭部構造画像ＩＭＧｓを得る。図４に、この工程Ｓ３で得られた頭部構造画像ＩＭＧｓを示す。同図（ａ）は、被験者ＴＰの頭部を右斜め前方から見た状態、同図（ｂ）は被験者ＴＰの頭部を（ａ）の状態よりもさらに右側方から見た状態、同図（ｃ）は被験者ＴＰの頭部を右後ろ上方から見た状態、同図（ｄ）は被験者ＴＰの頭部を後方から見た状態をそれぞれ三次元画像として表したものであり、これらの各画像は１つの頭部構造画像ＩＭＧｓを３次元的に異なる方向から見た状態を示したものである。各頭部構造画像ＩＭＧｓには、被験者ＴＰの頭部（顎から上）の頭皮ＳＫ、脳ＢＲ、及びマーカーＭＫが映っている。特にマーカーＭＫは、頭皮ＳＫからやや浮上した状態で撮像される。
【００２１】
３次元画像合成工程Ｓ４では、上述したｆＭＲＩ計測工程Ｓ１で得られた脳機能画像ＩＭＧｆと、頭部構造画像取得工程Ｓ３で得られた頭部構造画像ＩＭＧｓとを合成して、脳機能及び構造を同時に表した３次元合成画像ＩＭＧｆｓを作成する。具体的に説明すると、脳機能画像ＩＭＧｆと頭部構造画像ＩＭＧｓはいずれも同一の被験者ＴＰの脳の画像を含んでいるため、この脳の形状を基準にして一方の画像を固定しておくとともに他方の画像を移動させ、脳の画像同士を一致させる。この処理は、例えば汎用の統計計算プログラム（一例として、ロンドン大学による統計計算パッケージＳＰＭ）を利用することで簡単に行うことができる。このようにして脳の形状を一致させた両画像ＩＭＧｆ、ＩＭＧｓをレンダリングソフト（例えばＡｎａｌｙｚｅソフトウェア）で重ね合わせて頭皮ＳＫ及びマーカーＭＫを含めてレンダリング処理を行い、一つの３次元合成画像ＩＭＧｆｓを得ることができる。図５（ａ）〜（ｄ）に、図４（ａ）〜（ｄ）に示した頭部構造画像ＩＭＧｓに対応する被験者ＴＰの３次元合成画像ＩＭＧｆｓを示す。すなわち、この３次元合成画像ＩＭＧｆｓでは、被験者ＴＰの頭部（脳ＢＲ、頭皮ＳＫ）の構造とともに、頭部装着具ＨＣ上のマーカーＭＫと、脳ＢＲの賦活部位ＡＰが同一画像上に表現されている。
【００２２】
光プローブ取付工程Ｓ５は、先の３次元画像合成工程Ｓ４で得た３次元合成画像ＩＭＧｆｓに基づいて、脳ＢＲの賦活部位ＡＰに最も近いマーカーＭＫを選び出し、図６（ａ）に示すようにそのマーカーＭＫを挟む２箇所に印（同図ではｘ印）を付けておき、この印を付けた箇所に後述のＮＩＲＳ計測工程Ｓ６で利用する一対の光ファイバからなる光プローブＰＲ１、ＰＲ２を同図（ｂ）に示すように取り付ける。これら対をなす光プローブのうち一方は近赤外線パルス光を照射するための照射用プローブＰＲ１であり、他方は脳ＲＢで反射した近赤外線を検出する検出用プローブＰＲ２である。また、本実施形態においては、これら照射用プローブＰＲ１と検出用プローブＰＲ２とを、１つのマーカーＭＫを挟んで約２ｃｍの間隔で頭部装着具ＨＣに埋め込むようにしているが、この他に、マーカーＭＫの物理的な位置、脳ＢＲの賦活部位ＡＰの位置や形状、他の近隣する光プローブとの位置関係、或いは脳光伝播の理論解析結果等を適宜加味して、各光プローブＰＲ１、ＰＲ２の頭部装着具ＨＣへの埋め込み位置を決定することもできる。
【００２３】
ＮＩＲＳ計測工程Ｓ６では、以上のように作成され光プローブＰＲ１、ＰＲ２が埋め込まれた頭部装着具ＨＣを被験者ＴＰの頭部に鼻及び耳の位置決め部ＨＣｐ１、ＨＣｐ２で位置合わせして被せ、この状態で、ｆＭＲＩ計測工程Ｓ１で与えたのと同様の刺激を被験者ＴＰに与える。すなわち本実施形態では、上述したとおり、被験者ＴＰの両目に異なる画像を見せた際の脳ＢＲの賦活状態を観察する「両眼視野闘争試験」におけるＮＩＲＳ計測を行う。そのために、図７に示すような眼鏡ＧＲを被験者ＴＰにかけさせて、その状態でＮＩＲＳ計測装置Ｍの光源（図示省略）から照射用プローブＰＲ１を通じて被験者ＴＰの頭部に赤外線パルス光を照射し、脳ＢＲで反射した赤外線を検出用プローブＰＲ２を通じて計測装置Ｍで受光して、被験者ＴＰの脳の血管中における血液のオキシヘモグロビン（ｏｘｙＨｂ）濃度、デオキシヘモグロビン（ｄｅｏｘｙＨｂ）濃度の経時的変化を計測する。赤外線のサンプリング時間の間隔は、数十ミリ秒とするとよい。
【００２４】
ここで、図８｛（ａ）は脳ＢＲの平面図、（ｂ）は脳ＢＲの左側面図、（ｃ）は脳ＢＲの右側面図｝に、脳機能画像ＩＭＧｆに基づく被験者ＴＰの脳ＢＲにおける賦活部位（１〜１０）を示し、図９に、各賦活部位ＡＰにおけるオキシヘモグロビン（ｏｘｙＨｂ）の経時的濃度変化（実線）及びデオキシヘモグロビン（ｄｅｏｘｙＨｂ）の経時的濃度変化（破線）を示す。これらの結果から、両眼視野闘争試験において目を通じて脳ＢＲに刺激が与えられると、高く賦活された脳の部位（図８において色の濃い賦活部位ＡＰ）で、血液中のオキシヘモグロビン（ｏｘｙＨｂ）濃度が高くなるという、ｆＭＲＩ計測による結果とＮＩＲＳ計測による結果との極めて高い相関関係が認められた。したがって、ｆＭＲＩ計測による脳ＢＲの賦活部位ＡＰと、ＮＩＲＳ計測による脳内血液中のヘモグロビン（ｏｘｙＨｂ、ｄｅｏｘｙＨｂ）濃度変化との高い相関関係が認められたので、本実施形態の脳高次機能計測方法によれば極めて高い精度の空間分解能と時間分解能で脳の高次機能の計測が可能であり、本実施形態は非常に有用な脳高次機能計測方法であるといえる。
【００２５】
なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、頭部装着具の具体的構成や、頭部装着具を利用して行われる脳高次機能計測方法の各工程における具体的な方法は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、以上に詳述したように、脳高次機能の計測に際し、被験者の頭部に被せることで被験者へ多大な負担を掛けることなく計測精度を向上することができる頭部装着具である。そして、この頭部装着具は、ｆＭＲＩ計測により予め被験者の脳機能画像を得ておくとともに、被験者ごとの頭部装着具を作成してそれを被った状態でＭＲＩ装置で頭部構造画像を得ておき、これら脳機能画像と頭部構造画像とを３次元合成して３次元合成画像を作成し、この３次元合成画像に基づいて頭部装着具において脳機能画像から把握される脳の賦活部位に近い箇所に光プローブを取り付けて、この頭部装着具を被った状態でＮＩＲＳ計測を行う際に用いる場合に特に適したものであるといえる。したがって、本発明によれば、ｆＭＲＩ計測に基づく高い空間分解能とＮＩＲＳ計測による高い時間分解能とを両立させて、被験者に与えられた刺激による脳の賦活部位における脳機能の計測を極めて高い精度で行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る一実施形態である頭部装着具を用いて行われる脳高次機能計測方法の一例における各工程を示すフロー図。
【図２】 同実施形態のｆＭＲＩ計測工程で得られる脳機能画像例を示す図。
【図３】 同実施形態の頭部装着具作成工程を示す図。
【図４】 同実施形態の頭部構造画像取得工程で得られる頭部構造画像例を示す図。
【図５】 同実施形態の脳機能画像と頭部構造画像とを合成した３次元合成画像例を示す図。
【図６】 同実施形態の光プローブ取付工程を示す図。
【図７】 同実施形態のＮＩＲＳ計測工程を示す図。
【図８】 同実施形態における両眼視野闘争試験における脳の賦活部位を示す図。
【図９】 同両眼視野闘争試験におけるＮＩＲＳ計測結果を脳の賦活部位に対応して示す図。
Claims (11)
- 被験者の脳高次機能を計測するに際して、少なくとも核磁気共鳴法によって被験者の頭部構造画像を得る頭部構造画像取得工程において当該被験者の頭部に被せて用いられる頭部装着具であって、
混練した２種混合型の歯科用ゴム質弾性印象材、又は熱変形樹脂材料のいずれかの型取り材を柔軟な状態で被験者の頭部に貼り付けて硬化させ当該被験者ごとに頭部の形状を型取った装着具本体と、硬化前の型取り材に所定間隔で複数埋設され近赤外分光法で利用するマーカーとからなることを特徴とする頭部装着具。 - 前記装着具本体に、被験者の鼻又は耳の何れか一方又は両方に対応する位置決め部を、硬化前の型取り材によって形成している請求項１記載の頭部装着具。
- 前記マーカーは、脂肪球である請求項１又は２記載の頭部装着具。
- 前記装着具本体は、被験者の頭部に予め被せた食品用ラップフィルム等の柔軟なフィルム上に前記型取り材を貼り付けて形成したものである請求項１、２又は３記載の頭部装着具。
- 前記装着具本体に、近赤外分光法で利用する光プローブをさらに取り付けてなり、被験者の脳機能を近赤外分光法に基づくＮＩＲＳ計測によって計測する際にも、前記マーカー及び光プローブを取り付けた装着具本体を被験者の頭部に装着して使用されるものである請求項１、２、３又は４記載の頭部装着具。
- 前記光プローブの取付位置は、機能的核磁気共鳴法に基づく被験者の脳機能を計測するｆＭＲＩ計測により得られる脳機能画像と、前記マーカー取付後であって前記光プローブ取付前の装着具本体を被験者に被せて行われる頭部構造画像取得工程で得られる頭部構造画像とを３次元的に合成して脳機能及び構造を同時に表した３次元合成画像に基づいて特定されるものである請求項５記載の頭部装着具。
- 前記光プローブの取付位置はさらに、前記３次元合成画像に含まれる脳機能画像に基づいて判別された脳の賦活部位に対応するマーカーを、当該３次元合成画像に含まれる頭部構造画像に基づいて判別された装着具本体上のマーカーから特定し、その特定されたマーカーの近傍に設定したものである請求項６記載の頭部装着具。
- 前記光プローブは、近赤外線の照射用光プローブと脳で反射する近赤外線の受光用光プローブとを対をなして前記装着具本体に取り付けられるものである請求項７記載の頭部装着具。
- 前記照射用光プローブと受光用光プローブとは、前記賦活部位に対応して特定されたマーカを挟んで所定距離離間させて配置している請求項８記載の頭部装着具。
- 照射用光プローブと受光用光プローブとの前記離間距離又は配置方向を、脳の賦活部位の形状、装着具本体の物理的条件、他の近隣の光プローブとの位置関係、或いは脳光伝播の理論解析結果に基づいて決定している請求項９記載の頭部装着具。
- 前記マーカーを装着具本体に所定間隔で万遍なく複数埋設している請求項１乃至１０の何れかに記載の頭部装着具。
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