JP4403453B2 - 頭表座標を脳表座標に変換する方法と、その変換データを利用する経頭蓋的脳機能測定装置 - Google Patents
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Description
MRI等の撮像により脳画像が存在する場合でも、任意の頭表上の点とその直下の脳表上の点を対応させる基本的方法は確立されておらず、正確な投影法の開発が望まれている。
Towle, V. L., Bolanos, J., Suarez, D., Tan, K., Grzeszczuk, R., Levin, D. N., Cakmur, R., Frank, S. A. and Spire, J. P. 1993. The spatial location of EEG electrodes: locating the best-fitting sphere relative to cortical anatomy. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 86: 1-6. Lagerlund, T. D., Sharbrough, F. W., Jack, C. R. Jr., Erickson, B. J., Strelow, D. C., Cicora, K. M. and Busacker, N. E. 1993. Determination of 10-20 system electrode locations using magnetic resonance image scanning with markers. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 86: 7-14.
本発明の第3の目的は、経頭蓋的脳機能測定装置において測定データを脳表上に正確に表示できるようにすることである。
脳と頭表の構造には個人差があるため、本発明の方法で頭表上の点と脳表上の点に対応化がなされた場合でも、異なる被験者間において、経頭蓋的脳機能測定・刺激法で得られたデータを統合するためには、複数被験者間でのデータ統合を可能とできることが望ましい。
そのような標準脳としては、当該分野で一般的に用いられているMNI(Montreal Neurological Institute)座標やTalairach座標を利用するのが好ましいが、他の座標系を用いることもできる
本発明において、上記の3次元頭部画像上での任意の頭表点を脳表へ投影する方法は、任意の脳表点を頭表上に投影する際にも応用可能であり、この工程をソフトウェア・プログラムとして実行することもできる。
本発明において、上記の3次元頭部画像上での任意の頭表点を脳表へ投影する方法を用いて、頭表と脳表の距離分布を得ることも可能である。
好ましい光計測装置の一例は、送光点と受光点とを頭表面上にそれぞれ複数個ずつ配置したマルチチャンネル光計測装置である。
照射点と検出点とが離れている場合、その検出点が検出する脳表上の位置に対応する頭表面上の位置は照射点と検出点の2点を結ぶ直線の中央の位置とすることができる。
本発明の経頭蓋的脳機能測定装置の他の好ましい態様は、プローブにおける照射点と検出点との距離が、本発明の方法により求められた頭表と脳表間の距離分布に基づいて、照射点からの電磁波又は放射線が脳の表面で相互作用して検出点で検出される感度が最大になるように設定されているものである。
このようにして本発明に基づくソフトウェア・プログラムによれば、3次元頭部画像が得られる場合でも得られない場合でも、頭表上の点を脳表上へ投影することが可能となる。3次元頭部画像撮像なしで、任意の頭表位置を脳表上に投影する方法はこれまでなく、本発明は全く新規な効果をもたらすものである。これまでにもNIRS測定データの2次元マップを脳表上に表現するソフトウェア・プログラムは存在していたが、2次元マップにおける各ピクセルを3次元座標上のボクセルに正確に対応付ける方法には基づいておらず、本発明はより正確な脳機能画像解析を実現する上で、極めて有効である。
ただし、送光点4に発光素子を配置したり、受光点6に受光素子を配置してもよい。
送光点4と受光点6は頭表面上に配置される。頭表面上の基準点の位置座標と、それぞれの基準点の位置の直下にある脳表面上の位置座標がデータとしてデータ処理装置18に保持されている。一対の送光点4と受光点6において、送光点4から照射された光が脳表面で反射し受光点6で受光されたとき、その脳表面上の点はその一対の送光点4と受光点6点を結ぶ頭表面上の点の直下の点である。その脳表面上の点の座標は、データ処理装置18において頭表面上の基準点の位置座標とその直下にある脳表面上の位置座標との関係を示すデータデータを基にして求められる。
いま、MRI画像データが3次元の画素値データとして用意されているものとする。まず、MRI画像データから脳表及び頭表の輪郭となる部分を抽出する。次に、各々の画素値データを座標データに変換して3次元の数値データのリストを得る。さらに、脳表輪郭の座標データについて、脳表輪郭を包み込む、凸包フィッティングを行う。この凸包について、頭表上の任意の点から最小距離を持つような凸包上の点を検索して、線分で結ぶ。この結果得られた最小距離を持つ線分を脳表方向に延長して直線を得る。さらにまた、上記で得られた脳表輪郭の座標データを参照して、この直線と最も近接する脳表輪郭点を探索する。この探索の結果得られた脳表輪郭点を、任意の頭表点に対応する脳表投影点として決定する
いま、MRI画像データが3次元の画素値データとして用意されているものとする。まず、MRI画像データから脳表及び頭表の輪郭となる部分を抽出する。次に、各々の画素値データを座標データに変換して3次元の数値データを得る。さらに、頭表輪郭の座標データについて、頭表上の任意の点に対する接平面を求める。この接平面に対する法線を生成する。さらにまた、上記で得られた脳表輪郭の座標データを参照して、この法線と最も近接する脳表輪郭点を探索する。この探索の結果得られた脳表輪郭点を、任意の頭表点に対応する脳表投影点として決定する。
いま、MRI画像データが3次元の画素値データとして用意されているものとする。また、脳の内部参照点の位置が座標データとして用意されているものとする。まず、MRI画像データから脳表及び頭表の輪郭となる部分を抽出する。次に、各々の画素値データを座標データに変換して3次元の数値データを得る。さらに、頭表輪郭の座標データについて、頭表上の任意の点と脳の内部参照点とを結ぶ線分を求める。上記で得られた脳表輪郭の座標データを参照して、この線分と最も近接する脳表輪郭点を探索する。この探索の結果得られた脳表輪郭点を、任意の頭表点に対応する脳表投影点として決定する。
脳活性データとしては10名の被験者のリンゴの皮むき時における前頭前野の酸化ヘモグロビン濃度変化を用いた。NIRSの測定プローブの装着位置と国際10−20システムの19基準点に対しての相対位置を計測しておき、NIRS測定プローブの頭表上における位置を得た。
また、表1で示したデータを参照すれば、当該領域においては、5mmから10mmの空間精度で投影法が有効であるという情報が得られ、得られた結果について、空間誤差を検討することが可能となった。
6 受光点
12 プローブ
18 データ処理装置
14 光源
16 検出器
20 表示装置
Claims (14)
- 頭表位置の複数のマーカーの画像データと脳表面画像の画像データを用い、極小距離探索法により前記データにおける3次元頭部画像上の前記マーカーの頭表上での位置をその直下の脳表位置に投影して投影点の3次元座標位置を求めるステップを備えたことを特徴とする頭表座標を脳表座標に変換する方法。
- 前記画像データは、頭表位置に設置した複数のマーカーと脳表面画像とを同時に撮像して得られたものである請求項1に記載の方法。
- 複数の被験者について求めた脳表座標を標準脳に正規化するステップをさらに備えた請求項1又は2に記載の方法。
- 前記各マーカーは、頭表位置に実際に設置したものではなく、頭部形態情報から算出して仮想的に設置したものである請求項1から3のいずれかの方法。
- 頭表上の基準点となる位置の直下の脳表位置を請求項1から4のいずれかの方法により予め求めておくとともに、頭表上の基準点との相対的位置から頭表上の任意の点または点の集合の座標を算出し、それらの脳表上の投影点または点の集合を求める方法。
- 頭表上の基準点となる位置の直下の脳表位置を請求項1から4のいずれかの方法により予め求めておくとともに、複数の被験者についてのデータからそれらの基準点の脳表上投影点の確率分布を求めておき、それらの基準点を基にして頭表上の任意の点を脳表上に投影した脳表座標とその標準偏差を求めることを特徴とする方法。
- 頭表座標と請求項1から5のいずれかの方法により求めた脳表座標から頭表と脳表間の距離分布を求める距離分布測定方法。
- 請求項1から7に記載の方法を実現するソフトウェアプログラム。
- 被検体の頭表面から内部に電磁波又は放射線を照射する照射点と、その照射された電磁波又は放射線と脳との相互作用を前記頭表面上で検出する検出点とを備えたプローブと、前記プローブの検出点が検出した信号をもとに脳の状態を解析するデータ処理装置とを備えた経頭蓋的脳機能測定装置において、
前記データ処理装置は、請求項1から6のいずれかに記載の方法により頭表座標を脳表座標に変換したデータをもって頭表面上の位置を脳表座標に変換する座標変換部を備え、前記検出点が検出した信号による解析データを、前記照射点と検出点とにより定まる頭表面上の位置を前記座標変換部により脳表座標に変換するとともに、前記検出点が検出した信号による解析データを変換された脳表座標上に表示するものであることを特徴とする経頭蓋的脳機能測定装置。 - 前記経頭蓋的脳機能測定装置は光計測装置であり、前記プローブは光を照射する送光点と被検体中を透過及び/又は反射した後に外部に放出される光を受光する受光点とを備えている請求項9に記載の経頭蓋的脳機能測定装置。
- 前記送光点と受光点とを頭表面上にそれぞれ複数個ずつ配置したマルチチャンネル光計測装置である請求項10に記載の経頭蓋的脳機能測定装置。
- 前記送光点から被検体に照射される光は近赤外領域の光である請求項10又は11に記載の経頭蓋的脳機能測定装置。
- 前記照射点と検出点とにより定まる頭表面上の位置はそれらの2点を結ぶ直線の中央の位置である請求項9から12のいずれかに記載の経頭蓋的脳機能測定装置。
- 被検体の頭表面から内部に電磁波又は放射線を照射する照射点と、その照射された電磁波又は放射線と脳との相互作用を前記頭表面上で検出する検出点とを備えたプローブと、前記プローブの検出点が検出した信号をもとに脳の状態を解析するデータ処理装置とを備えた経頭蓋的脳機能測定装置において、
前記プローブにおける照射点と検出点との距離は、請求項7により求められた頭表と脳表間の距離分布に基づいて、照射点からの電磁波又は放射線が脳の表面で相互作用して検出点で検出される感度が最大になるように設定されていることを特徴とする経頭蓋的脳機能測定装置。
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