JP4363899B2 - 脳の磁気刺激のターゲティング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の前文に記載の方法、及び請求項１２の前文に記載の装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の方法及び装置は、生体組織の測定及び研究に用いられ、そして組織を電磁気的に刺激することによる治療法に用いられる。
【０００３】
適切な電界によって、人間の脳、及びその周辺の神経あるいは筋肉を刺激することができる。磁気刺激では、可変磁界によって電界を無痛かつ安全に誘導する。磁気刺激では、導電材料製のコイルを目標（ターゲット）組織上に位置決めする。このコイルに、持続時間が通常100〜1000μsである強力な電流パルスを導く。このコイルの周辺に大きさが３テスラまでの変動磁界が発生して、ファラデーの法則によれば、この磁界がコイル近傍の導電性の組織に電界を誘導する。この磁界及び電界は、コイルからの距離が増加するにつれて急激に弱まる。刺激当たっては、コイルを目標のできるだけ近くに位置決めする。
【０００４】
磁気刺激に使用するコイルは通常50〜100mmの径を有し、そして銅線を10〜30回集中的に巻いて構成される。このコイルは例えば円形または八角形にすることができる。このコイルは強磁性のコアを有することもできる。刺激電界の形状及びパワーはとりわけ、コイルの形状、及び目標に対するコイルの位置に依存する。目標組織の幾何学的形状及び導電率も、刺激電界の特性に強く影響する。刺激される組織内の電界の向きも、組織のどの部分が最も強く刺激されるかに影響する。
【０００５】
磁気刺激はいくつかの異なる目的に使用することができる。例えば、手の動きを制御する脳皮質の第１体性感覚領域に電界が当たれば、短い遅延の後に、手の筋肉の収縮を検出することができる。このことは、脳と筋肉との間の神経の機能性を特定する際に利用することができる。例えば、ある作業中に脳を刺激することによって、脳の正常動作を妨害することができ、これにより、当該作業を実行するために脳のどの部分が重要であるのかを特定することができる。磁気刺激が、うつ病を患っている患者に対する治療効果を有することも報告されている。
【０００６】
いくつかの磁気刺激の応用では、脳皮質の所定部分を刺激することが目的である。磁気刺激の所望の効果が検出されるまで、コイルを手動で、異なる位置、異なる姿勢に置くことによって、適切な位置を見つける。この後には、検査全体を通してコイルを同一位置に保つ。頭部に対して位置決めしたコイルによって脳のどの位置を刺激したかを、刺激後に知ることができる、ということが往々にして必要になる。同様に、測定した生物学的あるいは心理的反応の大きさと刺激位置との関係を規定することが必要である。このことは、例えば脳の研究において必要であり、脳の研究では、脳の機能を特定するために、刺激とその効果との関係を検討している。
【０００７】
従来技術によれば、コイルを頭部上の適切な位置に置くことによって、磁気刺激のターゲティング（目標合わせ）を行う。コイルの位置は、頭部上で選択した、例えば耳道のような固定点から頭部の中心位置までの距離を測定することによって規定する。この位置は、例えば右手の親指の筋肉に検出可能な収縮を生じさせるようなコイルの位置について規定することもできる。従来技術によれば、コイル及び頭部に測位センサを取り付けて、頭部に対するコイルの位置を測位することも可能である。従来技術によれば、被験者あるいは患者の頭部で撮影した磁気画像を用いて、磁気画像中に位置する解剖学的構造に対するコイルの位置を示すこともできる。こうした応用はとりわけ、Ruohonen & Ilimoniemi, Medical & Biological Engineering & Computing, 36:297-301, 1996なる刊行物に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の欠点は、コイルの種類が異なれば、異なる種類の電磁界が頭部内に誘導される、ということにある。電磁界の効果が最大となる位置は、コイルの形状に応じて5cmまで変動し得る。従来技術による方法では、脳内に誘導される電界は一般にコイルの中心点の下方にある、ということについての考慮がなされていない。従来技術による方法は、コイルを頭部に対して傾斜させた場合には、コイルの位置が同じままであっても頭部内の磁界が大幅に変化する、ということも考慮していない。
【０００９】
従来技術による方法における第２の欠点は、脳の種々の部分に当たる刺激磁界の大きさが未知である、ということにある。脳皮質のいくつかの部分が刺激されると、容易に検出可能な生理的効果が生じない。従って、これらの脳皮質の領域内に所望の大きさの刺激を生じさせることが課題となる。刺激の強さは脳皮質からコイルまでの距離に大きく依存し、１ミリメートルの距離差でさえも、脳皮質上への磁界の刺激力を大幅に変化させ得る。頭皮の表面から皮質までの距離が人によって異なる、という問題も存在する。
【００１０】
第３の問題は、例えば、１本の親指の筋肉に最大の筋肉反応を生じさせるように、コイルを位置決めする位置及びコイルの姿勢を求める際に、いくつかの異なる時点において、操作者（オペレータ）がコイルを正確に同一箇所に設置することが困難であるか、あるいはほとんど不可能である、ということにある。何分か、あるいは何十分かに及ぶ期間中、正確に同じ位置を刺激しようとする際には、コイルを頭部あるいは頭皮に固着することができないので、頭部に対するコイルの位置または姿勢が容易に変化し得る。従って、刺激磁界が同一であるか否か、及び実験（試験）期間全体を通して刺激磁界が同一箇所にあるか否かを、操作者が知る方法が存在しない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コイル及び頭部の位置データの双方にもとづくものであり、これらのデータをデータシステムに転送して、これらのデータを利用することによって、三次元空間における装置の動作を制御するための視覚的なモデルを作成する。この動作は、少なくともほぼリアルタイム（実時間）で行うことが好ましい
【００１２】
より詳細には、本発明による方法は請求項１の特徴部分に記載した事項によって特徴付けられる。
【００１３】
本発明による装置は、請求項１２の特徴部分に記載した事項によって特徴付けられる。
【００１４】
本発明を利用することによって、大きな利点が得られる。
１つの利点は、操作者が動作を精密に計画して、これにより、磁気刺激によって誘導される電界を、操作者が所望する脳皮質内の正確な点において最強にして、かつ、この電界の向きを所望の向きにすることができる。
【００１５】
本発明による方法における第２の利点は、刺激と、測定あるいは検出した反応との間の依存関係を規定することが可能である、ということにある。例えば、最も強力な電界が目標（ターゲット）とする脳皮質内の点の所に測定した反応を示すように、図を描画することが可能になる。測定した反応の大きさは、電界のパワーをあらわす係数によって修正して示すこともできる。反応は、刺激のパワーあるいは刺激が当たる領域を規定する際のフィードバック（帰還）として用いることもできる。
【００１６】
第３の利点は、異なる日にち、あるいは異なる年でも、同一人物の脳皮質の同一領域を、正確に同一の電界を用いて、容易かつ高い信頼性で刺激することができる、ということにある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
従って本発明の説明はコンピュータ制御の方法を参照して行い、この方法では、操作者を対話的に案内（ガイド）して、操作者が選択した脳内の目標（ターゲット）点をコイルが最も強力に刺激するように、コイルの位置及び傾斜角を正確に位置決めする。一般に、目標点は磁気反応の画像から選択することもでき、目標点はコンピュータのディスプレイ上で選択することができる。操作者は、電界が目標に当たるような所望の向きを選択することもできる。
【００１８】
目標点は、その点の座標をコンピュータ・プログラムに入力することによって、演算データにもとづいて選択することもできる。目標点は、例えば磁気刺激によって事前に位置を定めた関数とすることもできる。本発明による方法では、コイルに対する頭部の位置を１秒間、数回測定して、コイルの位置を操作者に対して、数値的あるいは図形的に（グラフィックで）表示する。その瞬間にコイルの位置から刺激パルスが放出されるような場合には、コンピュータは同時に、コイルによって脳内に発生した電界の推定値を計算する。電界は操作者に対して数値的及び図形的に表示する。コイルを頭部の最上に移動させれば、これによりディスプレイは、コイルが発生する刺激磁界の脳内における特性のリアルタイム推定値を表示する。操作者にリアルタイムで与えられるデータにもとづいて、操作者はコイルを、事前に定めた位置及び姿勢に設定することができる。
【００１９】
本発明による方法は、刺激パルス後に毎回、刺激される（頭部のような）組織に対するコイルの位置及び姿勢が記録可能であることを含む。実験の進行中、あるいは実験後に、コイルの位置、及び刺激パルスによって発生した電界の位置を、操作者に対してコンピュータのディスプレイ上に表示する。提供されたデータにもとづいて、操作者は、実験中に与えた各刺激が所望の目標に当たっているか否かを確認することができる。
【００２０】
本発明による方法では、脳の一部分を磁気刺激によって刺激しながら、刺激コイルの位置と心理的反応とを同時に測定する。操作者が刺激パルスを与えると、コイルの位置を記録して、脳内に発生した電界の推定値を、分布、強度、及び向きを含めて計算する。この計算結果より、図解的な図面、あるいは他の図形的表現を描画して、電界の分布及び強度、並びに生理的反応との関係を示す。
【００２１】
図１に、視覚化した画像を例示的に示す。この図では、コイルを頭皮上に位置決めした点、及びコイルによって脳皮質内に生じる効果が最大の点を円１で表わす。円環内の灰色（グレー）の色調は、測定した生理的反応の大きさを、関連するコイルの箇所と共に表わす。こうした図示の方法は、一組のレベル曲線の描画、あるいは数値の数字表現とすることができる。図２に、同じ測定点を脳２の表面上に示す。
【００２２】
図３及び図４に示すように、本発明は、頭部３に対するコイル４の位置及び向きにもとづくものであり、これらの位置及び向きは位置決め装置７を用いて精密に測定する。より詳細には、頭部の姿勢及び位置を測定する位置センサ５を被験者の頭部に取り付ける。頭部３上の固定点（のうちの少なくとも３つ）に対するセンサ５の位置を、位置決め装置７で測定することによって特定する。頭部の磁気画像から対応する固定点を求めて、これにより、位置センサと磁気画像との間の座標変換を行うことができる。ここで、第２の位置センサ５を取り付けたコイル４を頭部３の最上に置いて、位置センサ５に対するコイル４の位置及び姿勢を精密に規定することができる。前述した座標変換を用いて、磁気画像中で任意に選択した点に対するコイル４の位置及び姿勢を示すことが可能になる。例えば赤外光を反射するボール（球）６を位置センサとして作用させることができる。赤外光のパルスをボール６に向けて送ると、これらのボールが赤外光を反射する。適度に精密な測定装置７を用いることによって、反射光、及びボールの位置を検出することが可能である。少なくとも３個のボールが一群となって存在し、かつ、これらのボールの互いに対する位置が既知であれば、これらのボールの群の正確な位置及び姿勢を特定することができる。この種の測定装置は、少なくともカナダ国のNorthern Digital社より入手可能である。センサ５の位置及び姿勢のデータを、位置決め装置７からコンピュータ８に転送して、例えばディスプレイ９上に適切なフォーマット（書式）で表現する。ディスプレイ９はもちろん、慣例の陰極線管、液晶ディスプレイ、プラズマ・ディスプレイ、等のあらゆる種類のディスプレイとすることができる。表示に色を用いれば、表示画像の表現の質が向上する。
【００２３】
コイル４の位置センサ５はコイル４に固着すべきものであり、そしてコイルの構造に対する位置センサ５の正確な位置及び姿勢が既知であるべきである。センサ５の位置及び姿勢は、同じ位置決め装置７を用いて、コイルを既知の姿勢及び位置にもっていくことによって規定することができる。そして位置決め装置７を用いて、コイルに取り付けたセンサ５の、位置決め装置に対する位置及び姿勢を特定することができ、そしてコイル４に対するセンサ５の位置を計算することができる。
【００２４】
刺激パルスの特性、及び頭部３に対するコイル４の位置及び姿勢が既知であれば、脳内に誘導される電界を精密に計算することができる。電界Ｅはベクトルであり、これは既知の方法で計算することができ、瞬時ｔについて次式のようになる。
Ｅ(Ｘ,Ｙ,Ｚ,ｔ)＝−∂Ａ(Ｘ,Ｙ,Ｚ,ｔ)/∂ｔ−▽Ｖ(Ｘ,Ｙ,Ｚ,ｔ)
【００２５】
上記の、コイルのベクトル・ポテンシャルＡは、電磁界を扱っている文献に従って計算する。この計算は、コイルの幾何学的形状、姿勢、及び点Ｘ,Ｙ,Ｚに対する位置についてのデータ、及びコイルに通す電流パルスの特性についてのデータを必要とする。ラプラス方程式の解が▽²Ｖ＝０であるので、電気的ポテンシャルＶも、文献より既知の方法を用いて計算することができる。この式を解くには、頭部の導電率の幾何学的分布の知識を必要とする。最も重要な計算結果は、計算に要素法を用いること、及び磁気画像から導出した頭部の異なる点における導電率を用いることによって得られる。
【００２６】
本発明は、電界の計算とコイルの位置決めとを組み合わせることによって、コイルを容易かつ正確に、頭部の最上点に置くことができる、ということにもとづくものであり、頭部の最上点では、最大の磁気刺激を所望の目標点にターゲティング（目標合わせ）することができる。本発明は本質的にコンピュータ・プログラムに関連するものであり、このプログラムを利用すれば、装置の操作者が磁気画像内で対話的に目標点を設定することができる。それと同時に、このコンピュータ・プログラムは対話型であり、コイルの位置、及びコイルが発生する電界の強度が最大となる点を、図形的に、あるいは数値で視覚化する。
【００２７】
立体定位のターゲティングでは、コンピュータが操作者を案内して、コイルを頭上で移動させて、コイルが脳内に発生する電界が、操作者が予め選択した目標点で最強になるような位置及び姿勢にコイルをもっていく。位置決めシステムを用いてコイルをリアルタイムで位置決めし、そしてコイルが発生する電界もリアルタイムで計算する場合には、操作者は、目標点で最大刺激を得るためにコイルを移動及び傾斜させるべき向きを、図解的かつ対話的に視認することができる。
【００２８】
これに対応して、検出可能あるいは測定可能な生物学的あるいは生理的反応が刺激によって生じる点の精密な図を形成することができる。こうした反応は、例えば運動の脳皮質の刺激によって生じる電気的な筋肉の反応である。磁気刺激を用いて、特定作業中に脳の活動を妨害すれば、この刺激が関連する作業を妨害する程度を可視化することができる。
【００２９】
本発明による実施例の代案は、操作者がコンピュータ・プログラムを利用して、磁気画像から目標点を探索する、というものである。その後に、コンピュータが自動的に、磁気画像から頭皮の表面の座標、及び目標点までの距離が最小になる頭皮上の点を求める。そして、コイルの焦点が頭皮上の関連する点に一致するようにコイルを設定すべきである。ここで焦点とは、コイル上の点のうち、コイルを頭部の最上に置いた際に、下方に最強の電流を発生する点のことであり、焦点は既知の方法に従って計算することによって容易に規定することができる。例えば、八角形のコイルの焦点はその中心点であることが知られている。焦点が所望の位置に移動するようにコイルを傾斜させるべく、操作者を案内することもできる。
【００３０】
第２の代案実施例は、装置がロボットを含み、このロボットがコイルを自動的に所定点にもっていき、コイルをこの所定点に設定すると、操作者が規定した目標点にコイルが最大刺激を生じさせる、というものである。
【００３１】
あるいはまた、脳皮質内に誘導された電界の大きさを操作者に対して示す代わりに、電界が最大である点のみを操作者に対して示すことができる。これに加えて、関連する電界の大きさも表示することができる。
【００３２】
本願では、「少なくともほぼ実時間の動作」とは、ディスプレイ９を利用して、コイルの位置を容易に図示して微調整することができるような、装置の動作速度のことを称する。実際に、この種の動作における遅延は最大でも２、３秒にしかなり得ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による頭部の画像を示す図である。
【図２】 本発明による脳の画像を示す図である。
【図３】 本発明による方法における、コイルの位置を示す上面図である。
【図４】 本発明によるシステムの図式的な側面図である。
【符号の説明】
２ 脳
３ 頭部
４ コイル
５ 位置センサ
６ ボール
７ 位置決め装置
８ コンピュータ
９ ディスプレイ

Claims (7)

1. 電磁的刺激を人間の脳上にターゲティングする装置であって、
   局所的に強力な電磁的最大値を有するパルス的な電磁界を発生する手段(4)と、
   前記電磁界の前記電磁的最大値を、脳上にターゲティングする手段と、
   脳内に発生する電磁界の分布、向き、及び強度を規定する手段と、
   前記刺激によって生じる生理的あるいは生物学的反応を測定する手段と
   を具えた電磁的刺激のターゲティング装置において、
   脳の位置を三次元空間内で規定して、前記脳の位置のデータをデータシステム内に受信する手段(5,6,7)と、
   前記電磁界の位置データを受信する手段(7)と、
   前記電磁界の位置を脳(2)の位置と共に、同じ三次元座標内に、リアルタイムでモデル化する手段(8)と、
   前記データシステムを利用して、前記電磁界の位置データ及び脳の位置データの図形的表現を形成する手段(9)と
   を具えていることを特徴とする電磁的刺激のターゲティング装置。
2. 前記装置が脳の導体モデルを形成する手段(8)を具え、前記モデルが、脳内に発生する誘導電界を計算するために使用可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 生理的あるいは生物学的反応の大きさあるいは質を、前記電磁界の最大値が位置する点に関連付けて表示する手段を具えていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記装置がコイル較正素子を具え、該コイル較正素子を利用し、かつ位置決め装置を使用することによって、前記電磁界を発生するための任意の幾何学的形状のコイルに取り付けた位置決め素子の、前記コイルに対する正確な位置及び姿勢を特定することが可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 磁気画像から、脳(2)内の所望の点を指示する手段と、
   頭部内の目標点において最大の刺激を発生するために、前記電磁界を発生するコイル(4)の頭部(3)に対する最適な位置及び傾斜角を計算する手段と、
   対話型のコンピュータ・プログラムによって操作者を案内して、前記コイル(4)を前記最適な位置及び姿勢にもっていく手段と
   を具えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 人間の頭皮上にあり、かつ操作者がＭＲ画像から規定した脳皮質内の目標点に最も近い点を、対称な八角形の前記コイルの最適な位置として規定したことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記電磁界を発生するためのコイルの最適な位置、姿勢、及び／または刺激強度を計算する際に、測定した生理的反応の大きさあるいは質をフィードバックとして用いるための手段を具えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。

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