JP3735668B2

JP3735668B2 - 脳機能測定装置及び脳機能測定方法

Info

Publication number: JP3735668B2
Application number: JP2002343195A
Authority: JP
Inventors: 哲宮内
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: EP1426871A1; JP2004173887A; US20040116791A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＲＩ装置を利用して脳機能を測定する脳機能測定装置に関するものである。
【従来の技術】
ｆＭＲＩの代表的な測定原理であるＢＯＬＤコントラストは、ＭＲＩ装置を用いて脳内の血液中酸素量の変化に伴う磁化率効果の変動を検出し脳神経細胞の活動の状態を計測するもので、被験者に課せられたパラダイム（実行課題）の周期と局所の血液動態分布の変化に伴い発生するＭＲＩ信号強度の変化との相関性を探し出し、それを神経興奮を間接的に表現するものとして検出する。
【０００２】
具体的にｆＭＲＩでは、特許文献１に示すように、被検者にある課題（映像を見せる、音を聞かせる、指運動をさせる、言葉に関する問題を解かせるなど）を行わせながら、一定の時間間隔で連続的にＭＲＩ装置による断層撮影を行う。その課題の実行と、画像を構成するひとつひとつの画素（ピクセル又はボクセル）の信号強度の関連性を比較する。課題と関連して信号強度が変化する部分では、課題を表す参照関数と相関が認められるが、関連しない部分は、ただのノイズとなって検出される。課題と信号強度の変化の関連性は、統計的に有意性が認められるかどうかで判定する。
【特許文献１】
特開平09-117430号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように被験者に課題を与える方法では測定の難しい脳機能部位が存在することが知られている。例えば視床や被殻、脳橋と称されている部分である。かかる部位は睡眠時における記憶処理に関連しているのではないかと近時考えられつつある部位であるが、上述したように活動測定が難しいため、その検証が難しいとされている。もちろん睡眠時の脳機能をＰＥＴを用いて測定した例はあるが、記憶処理に関連した目的ではないうえ、ＰＥＴはＭＲＩ装置に比べて時間分解能が極めて悪く、細かく分類した睡眠ステージ毎に記憶処理と関連した脳機能を測定することは難しい。
【０００４】
またｆＭＲＩによる測定では、測定の際にＭＲＩ装置内で被験者が頭部を動かすと測定の誤りを生じるため、頭部を動かすことなく課題を行わなければならず、被験者に大きな負担を与える場合がある。さらに脳機能に何らかの障害を抱えるものにとっては、そのような課題をすること自体に無理がある場合もある。
【０００５】
そこで本発明は、ＭＲＩ装置による測定と並行して別に被験者の生体信号を検出可能な生体信号検出手段を設け、その生体信号の時系列データとＭＲＩ強度信号の変化との相関に基づいて脳機能部位測定を行うことにより、被験者に何ら課題を与えることなく、例えば眠ってもらうだけで脳機能測定を行えるようにしたものであって、被験者への負担を軽減するとともに、従来の方法では測定し得なかった脳機能部位の測定を可能ならしめ、脳研究における例えば記憶処理分野に関して新たな可能性を提供することをその主たる課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明にかかる脳機能測定装置は、図１に示すように被験者の生体信号をＭＲＩ装置による脳の測定と並行して検出する生体信号検出手段と、その生体信号の時系列データと前記ＭＲＩ装置から出力されるＭＲＩ信号強度の変化との相関に基づいて、前記生体信号において所定のイベントが発生している状態と前記所定のイベントが発生していない状態とのそれぞれにおけるＭＲＩ信号強度を取得して、その差分をとり、前記所定のイベントが発生している状態での脳が機能している部位を算出する機能部位算出手段とを備えたものである。なおここで「並行」とは、ほぼ同時という概念を含む。
【０００７】
このことにより、被験者にじっとしてもらう（例えば眠る）だけで被験者から得られる生体信号にのみ基づいて脳機能を測定することができる。したがって、被験者になんら外部からの課題を与えることがなく、測定に際しての負担を大きく軽減できるとともに、病気や脳に何らかの障害を抱えるものであっても、無理なく脳機能測定が可能となる。
【０００８】
さらに、生体信号として脳波等を測定し覚醒水準を検出するようにすれば、従来測定が難しいとされていた視床や被殻等の特定部位の活動を測定することが可能となる。しかも、かかる部位は記憶処理に密接に関連すると言われている部位であることから、記憶障害やアルツハイマ、パーキンソン病等の客観的な診断や、記憶メカニズムの解明等に新たな可能性を提供し得る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
本実施形態に係る脳機能測定装置は、図２に示すように、被験者Ｍの生体信号をＭＲＩ装置４による脳の測定と並行して検出し出力する生体信号検出手段１と、その生体信号の時系列データから生体に発生しているイベントの識別判断を行うことを支援するイベント判断支援手段２と、前記生体信号の時系列データと前記ＭＲＩ装置４から出力されるＭＲＩ信号強度の変化との相関に基づいて、所定のイベントが発生している状態での脳機能部位を算出する機能部位算出手段３とを少なくとも備えたものである。なお、本実施形態においてイベント判断支援手段２及び機能部位算出手段３を、ＣＰＵ、記憶装置等を備えたパソコン等の情報処理装置ＰＣによって構成してある。
【００１１】
各部を詳述する。
【００１２】
ＭＲＩ装置４は、強力な磁場のなかに被験者Ｍを置き、それに電波を加え，水および脂肪の構成原子である水素原子核を共鳴させることで被験者Ｍの内部断面構造を画像化するものである。本ＭＲＩ装置４は、１回のスキャン（約４秒間）で脳を４×４×５ｍｍのボクセルに分割し、各ボクセルからそれぞれＭＲＩ信号を出力するものである。また約４秒間のスキャンを行った後、約４秒間のスキャン休止期を設けて１周期を約８秒間とし、これを５００回（約６７分間）繰り返すように設定している。
【００１３】
生体信号検出手段１は、例えば脳波計であり、脳波を検出してＥＥＧ信号として出力するものである。本実施形態ではさらに心電計５を設けており、その心電計５から出力されるＥＣＧ信号を利用することによって、前記ＥＥＧ信号に重畳する心拍の影響を排除すべく構成している。
【００１４】
イベント判断支援手段２は、前記ＥＥＧ信号を受け付けるＥＥＧ信号受付部２１と、前記ＥＣＧ信号を受け付けるＥＣＧ信号受付部２２と、ＭＲＩ装置４からの信号を受け付ける装置信号受付部５と、前記ＥＥＧ信号に重畳する心拍ノイズやＭＲＩ装置４の動作に伴い発生する装置ノイズを除去するノイズ除去部２３と、ノイズを除去したＥＥＧ信号の周波数分析を行い種々の態様で出力する周波数分析部２４とを備えている。
【００１５】
前記ノイズ除去部２３は、図３に示すように、生のＥＥＧ信号（ＥＥＧ原信号）に心拍ノイズやコンプレッサノイズが重畳していることから、前記ＥＥＧ原信号を予め多数加算しその平均をとることにより生成した心拍ノイズパターンやコンプレッサノイズパターンを、受け付けたＥＣＧ信号やコンプレッサ動作信号に同期させて前記ＥＥＧ原信号から減算し、これらの影響を排除するものである。また、前記ＭＲＩ装置４のスキャン信号に基づいてスキャン中に受け付けたＥＥＧ信号を無視し、スキャン休止期のＥＥＧ信号のみを有効化する機能も有する。スキャン中は、大きな磁場が発生しその誘導起電力に起因するノイズでＥＥＧ信号が意味をなさないものになるためである。すなわち結果的には、脳波検出と、ＭＲＩ装置４による測定とが交互に（４秒毎に）行われることと等価になる。このノイズ除去部２３により整形されたＥＥＧ信号時系列データの一例を図４に示す。なお、この脳波計１は４チャンネルのものであるため、図４においては４つのデータが並列表記してある
【００１６】
前記周波数分析部２４は、前記ノイズ除去部２３でノイズ等を除去し整形したＥＥＧ信号についてＦＦＴによる周波数分析を行い、図５に示すように、所定時間帯における周波数をパラメータとしたパワースペクトルを表示出力したり、あるいは図６、図７に示すように所定周波数帯域毎にその波の現れる頻度の時間推移を表示出力したりするものである。そしてそのことによって、生体に発生しているイベントの識別判断を可能ならしめる。本実施形態でのイベントとは、脳波に現れる特徴的な周波数の波であり、被験者Ｍの覚醒水準を示すものである。覚醒水準は、例えば覚醒ステージ、睡眠ステージ１（入眠期及び軽眠初期）、睡眠ステージ２（軽眠期）、睡眠ステージ３（中等度睡眠期）、睡眠ステージ４（深眠期）、ステージＲＥＭに分類されるところ、各ステージで特徴的な波（イベント）が出現するため、前記周波数分析部２４での出力によって、覚醒水準を判断することができる。例えば前記睡眠ステージ１では、覚醒ステージでは現れない４〜６Ｈｚ近傍の除波が出現する。また、ステージ２になると、１２〜１４Ｈｚ近傍の紡錘波（スピンドル）やＫ−複合が出現する。覚醒水準の判断は人が行ってもよいし、自動的に処理するようにしてもよい。
【００１７】
機能部位算出手段３は、例えばオペレータにより指定された所定イベントが発生している状態（例えば睡眠ステージ１）と所定イベントが発生していない状態（例えば覚醒ステージ）とのそれそれにおける各ボクセルのＭＲＩ信号強度を取得するとともに、その状態変化との相関において各ボクセルのＭＲＩ信号強度の変化に有意性の認められるものについてその差分をとり、所定イベントが発生している状態での脳機能部位を特定するものである。
【００１８】
次にこの脳機能測定装置の動作について図８〜図１０を参照して説明する。
【００１９】
まず脳波計を装着した被験者ＭにＭＲＩ装置４内に入って眠ってもらう。そして被験者Ｍが覚醒状態から眠りにつく課程で、ＭＲＩ装置４による所定期間（４秒間）のスキャンを所定周期（８秒）で５００回行う。かかるスキャンによるＭＲＩ信号は、情報処理装置ＰＣのＭＲＩ信号受付部６で受信され（ステップＳ０１）、時間情報と対にして所定記憶領域（ＭＲＩ信号格納部Ｄ２）に格納される（ステップＳ０２）。
【００２０】
一方、脳波計によって検出された被験者Ｍの脳波は、ＥＥＧ信号として継続的に前記情報処理装置ＰＣに送信される。このとき心電計５からも心拍波形を表すＥＣＧ信号が前記情報処理装置ＰＣに送信される。
【００２１】
しかして情報処理装置ＰＣでは、ＥＥＧ信号受付部２１が前記ＥＥＧ信号を、ＥＣＧ信号受付部２２が前記ＥＣＧ信号を、装置信号受付部がＭＲＩ装置４からの装置信号をそれぞれ受け付ける（ステップＳ１１、Ｓ１２）。そしてノイズ除去部２３が前記ＥＥＧ信号に重畳する心拍ノイズやＭＲＩ装置４の動作に伴い発生する装置ノイズを除去し、あるいはスキャン中のＥＥＧ信号を無視することにより、ＥＥＧ信号を整形する（ステップＳ１３）。そのＥＥＧ信号は時間情報と対にして所定の記憶領域（ＥＥＧ信号格納部Ｄ１）に格納される（ステップＳ１４）。その後、周波数分析部２４が、ノイズを除去したＥＥＧ信号の周波数分析を行い（ステップＳ１５）、オペレータから要求された種々の態様で出力（例えばグラフ表示）する（ステップＳ１６）。
【００２２】
次にこの表示をみたオペレータが、所定イベントの発生している状態、例えばスピンドルが出現している状態（睡眠ステージ２）の脳機能画像出力を要求すると（ステップＳ２１）、機能部位算出手段３がこれを受け付け、その際の各ボクセルのＭＲＩ信号強度を前記ＭＲＩ信号格納部Ｄ２から取得するとともに、所定イベントが発生していない状態（例えば覚醒ステージ）での各ボクセルのＭＲＩ信号強度をやはり前記ＭＲＩ信号格納部Ｄ２から取得する（ステップＳ２２）。そしてその状態変化との相関において各ボクセルのＭＲＩ信号強度の変化に有意性の認められるものについてその差分をとり（ステップＳ２３）、スピンドルが出現している状態での脳機能部位を特定し画像出力する（ステップＳ２４）。
【００２３】
しかしてかかる脳機能測定装置により得られた結果の一例を示す。
【００２４】
シータ波が優位となりスピンドルが出現している状態（睡眠ステージ２）での覚醒期と比較した脳機能部位を画像として図１１に示す。この図１１から、視床や脳橋、大脳基底核における被殻等に活動がみられることがわかる。かかる部位は、記憶の処理と密接に関係していると言われているところであり、覚醒期にはその活動を非常に測定しにくい部位である。一方、近時、浅い睡眠の時に覚醒時の経験が脳内で処理されて長期記憶の方に転送されるという仮説がたてられており、この睡眠ステージ２において記憶処理に関連する部位に活発な活動がみられると言うことは、その仮説に沿ったものであるという点で非常に興味深い。
【００２５】
このように本実施形態によれば、被験者Ｍに眠ってもらうだけで脳機能を測定することができる。したがって、被験者Ｍに何ら課題を与えることがなく、測定に際しての負担を大きく軽減でき、例えば病気や脳に何らかの障害を抱えるものであっても、無理なく脳機能の測定が可能となる。
【００２６】
また上述したように、従来測定が難しいとされていた視床や被殻等の特定部位の活動を測定することが可能となり、しかもその部位が記憶に密接に関連している部位であることから、記憶メカニズムの解明や、記憶にかかる疾患、例えばアルツハイマ、パーキンソン病等の客観的な診断に新たな可能性を提供し得る。
【００２７】
なお本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば生体信号として脳波を検出したが、その他の生体信号でも構わない。例えば筋電信号や（ＥＭＧ）や眼電位（ＥＯＧ）を単独あるいは併用する等してもよい。このことにより、生体状態の変化をより細分化して知ることができ、それに応じた脳機能の変化をより詳細に解明することが可能となる。
【００２８】
また、測定にあたって前記実施形態ではＭＲＩ装置４のスキャンと脳波検出とを交互に行うようにしていたが、スキャン中のＥＥＧに重畳するノイズをキャンセルできるのであれば、スキャンと脳波検出を全く同時に行ってもよい。
【００２９】
さらに、イベント判断支援手段２を設けず、オペレータがイベントの指定さえ行えば、後はすべて全自動でそのイベントが発生している状態での脳機能画像を出力するようにしてもよい。
【００３０】
その他本発明は、上記図示例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、被験者に例えば眠ってもらうだけで脳機能を測定することができる。したがって、被験者に何ら課題を与えることを必要とせず、測定に際しての負担を大きく軽減でき、例えば病気や脳に何らかの障害を抱えるものであっても、無理なく脳機能の測定が可能となる。
【００３２】
また上述したように、従来測定が難しいとされていた視床や被殻等の特定部位の活動を測定することが可能となり、しかもその部位が記憶に密接に関連している部位であることから、記憶メカニズムの解明や、記憶にかかる疾患、例えばアルツハイマ、パーキンソン病等の客観的な診断に新たな可能性を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の全体構成図。
【図２】本発明の一実施形態における脳機能測定装置の全体機能概略図。
【図３】同実施形態におけるノイズの重畳したＥＥＧ信号を示す時系列データ。
【図４】同実施形態における整形したＥＥＧ信号を示す時系列データ。
【図５】同実施形態においてＥＥＧ信号を解析して得られた所定期間内でのパワースペクトル。
【図６】同実施形態における周波数帯域毎の脳波出現頻度時系列データ。
【図７】同実施形態における周波数帯域毎の脳波出現頻度時系列データ。
【図８】同実施形態における脳機能測定装置の動作を示すフローチャート。
【図９】同実施形態における脳機能測定装置の動作を示すフローチャート。
【図１０】同実施形態における脳機能測定装置の動作を示すフローチャート。
【図１１】同実施形態の脳機能測定装置で得られた脳機能画像の一例。
【符号の説明】
１・・・生体信号検出手段
３・・・機能部位算出手段
４・・・ＭＲＩ装置
Ｍ・・・被験者

Claims

被験者の生体信号をＭＲＩ装置による脳の測定と並行して検出する生体信号検出手段と、その生体信号の時系列データと前記ＭＲＩ装置から出力されるＭＲＩ信号強度の変化との相関に基づいて、前記生体信号において所定のイベントが発生している状態と前記所定のイベントが発生していない状態とのそれぞれにおけるＭＲＩ信号強度を取得して、その差分をとり、前記所定のイベントが発生している状態での脳が機能している部位を算出する機能部位算出手段とを備えた脳機能測定装置。
前記所定イベントが覚醒水準を識別するためのものである請求項１記載の脳機能測定装置。
前記生体信号検出手段が、生体信号として脳波を検出するものである請求項１又は２記載の脳機能測定装置。
生体信号検出手段による生体信号検出と、ＭＲＩ装置による脳測定とを交互に行うようにしている請求項１、２又は３記載の脳機能測定装置。