JP4482660B2 - Neural cell stimulation site estimation method and brain function analysis apparatus using the same - Google Patents

Neural cell stimulation site estimation method and brain function analysis apparatus using the same Download PDF

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Description

本発明は、神経細胞刺激部位の推定方法およびそれを用いた脳機能解析装置に係り、特に磁気刺激による神経細胞刺激部位の推定方法およびそれを用いた脳機能解析装置に関する。   The present invention relates to a method for estimating a nerve cell stimulation site and a brain function analysis apparatus using the method, and more particularly to a method for estimating a nerve cell stimulation site using magnetic stimulation and a brain function analysis device using the method.

従来、コイルを用いて時間的に変化する磁界を生体に与え、生体に誘起される電界により脳や神経を刺激する方法による診断や治療が実施されている(例えば非特許文献1参照)。その概要を図11によって説明する。   2. Description of the Related Art Conventionally, diagnosis and treatment have been performed by a method in which a magnetic field that changes with time is applied to a living body using a coil, and the brain and nerves are stimulated by an electric field induced in the living body (see, for example, Non-Patent Document 1). The outline will be described with reference to FIG.

図11は、磁気刺激コイルによって誘導される電界を模式的に示した図である。   FIG. 11 is a diagram schematically showing the electric field induced by the magnetic stimulation coil.

図11において、12は頭皮に平行に置かれた刺激コイル、13は刺激コイルに流すパルス電流、14はパルス電流により誘起されるパルス磁界、15は刺激する神経細胞、16はパルス磁場により頭部に誘導される誘導電流である。   In FIG. 11, 12 is a stimulation coil placed parallel to the scalp, 13 is a pulse current flowing through the stimulation coil, 14 is a pulse magnetic field induced by the pulse current, 15 is a stimulating nerve cell, and 16 is a head due to the pulse magnetic field. This is the induced current induced in

刺激コイル12にパルス電流13を流すと、脳内にパルス磁界14が発生し、その磁界を打ち消す向きに誘導電流16が流れる。刺激コイル12の各円状コイルに同時に、お互いに逆向きのパルス電流を流すと、8字型をしたコイル12の中央直下において誘導電流が強められ、神経細胞15が刺激される。この時、神経細胞15に流れる誘導電流は、コイルすなわち頭皮に平行な面内を流れ、この誘導電流と同方向の神経細胞が最も感度よく刺激される。   When a pulse current 13 is passed through the stimulation coil 12, a pulse magnetic field 14 is generated in the brain, and an induced current 16 flows in a direction to cancel the magnetic field. When pulse currents that are opposite to each other are simultaneously applied to the circular coils of the stimulation coil 12, the induced current is strengthened immediately below the center of the 8-shaped coil 12, and the nerve cells 15 are stimulated. At this time, the induced current flowing in the nerve cell 15 flows in a plane parallel to the coil, that is, the scalp, and the nerve cell in the same direction as the induced current is stimulated with the highest sensitivity.

一方、最近では、磁気共鳴イメージング(Magnetic Resonance Imaging:MRI)による生体機能計測結果から脳神経などの活性化領域を同定する方法が実施されている。従来、MR(Magnetic Resonance)画像がもたらす情報は解剖学的なものが主であったが、近年では脳神経の活動に伴う静脈血の成分や血流量の変化を透磁率の変化などとして観測し、脳機能計測への適用が進められている。この時、静脈血の変化をMR画像から抽出し、そのデータから脳神経活性化部位を特定する必要があるが、活性化部位が脳の深部にある場合には正確な位置の特定が困難という問題点がある。   On the other hand, recently, a method for identifying an activation region such as a cranial nerve from a measurement result of a biological function by magnetic resonance imaging (MRI) has been implemented. Conventionally, information provided by MR (Magnetic Resonance) images was mainly anatomical, but in recent years, changes in venous blood and blood flow due to cranial nerve activity have been observed as changes in permeability, Application to brain function measurement is in progress. At this time, it is necessary to extract changes in venous blood from MR images and specify the cranial nerve activation site from the data, but it is difficult to specify the exact position when the activation site is deep in the brain There is a point.

これらの問題点を解消する方法として、例えば、以下に示すような方法が提案されている。   As a method for solving these problems, for example, the following methods have been proposed.

1つの方法は、MR画像からの脳神経活性化部位の同定に当たって、形態情報を含んだMR画像から神経細胞が多く存在する灰白質(大脳皮質)のみを抽出し、その画像に機能情報を含んだMR画像を三次元的に重ね合わせて活性化領域の同定精度を向上させるものである(例えば特許文献1参照。)。   One method is to extract only the gray matter (cerebral cortex) in which many nerve cells are present from the MR image including the morphological information, and to include the functional information in the image, in identifying the cranial nerve activation site from the MR image. The MR image is superimposed three-dimensionally to improve the identification accuracy of the activated region (see, for example, Patent Document 1).

また、別の方法として、その画像に機能情報を含んだMR画像を時系列的に計測し、画像のピクセル毎に磁気共鳴信号の時系列データの時間微分を求め、この時間微分データから活性化領域を同定するものである(例えば特許文献2参照。)。
Journal of Applied Physics, Vol.67, No9. May 1990 特開平9−47438 特開平8−131414
As another method, an MR image including functional information in the image is measured in time series, and time differentiation of time series data of magnetic resonance signals is obtained for each pixel of the image, and activation is performed from the time differentiation data. A region is identified (for example, see Patent Document 2).
Journal of Applied Physics, Vol.67, No9. May 1990 JP 9-47438 JP-A-8-131414

特許文献1に記載の方法は神経細胞が多く存在する灰白質(大脳皮質)のみを抽出することによって活性化領域の同定精度の向上が可能であるが、機能情報を含んだMR画像が必要であり、測定作業が煩雑になってしまう。   The method described in Patent Document 1 can improve the identification accuracy of the activated region by extracting only the gray matter (cerebral cortex) in which many nerve cells are present, but requires an MR image including functional information. Yes, the measurement work becomes complicated.

また、特許文献2に記載の方法は多くの時系列データを処理する事によって活性化領域の高精度な同定が可能であるが、時間毎の機能情報を含んだMR画像が必要であり、測定作業が煩雑になってしまう。   In addition, the method described in Patent Document 2 can identify the activated region with high accuracy by processing a lot of time-series data, but requires an MR image including functional information for each time, and measurement. Work becomes complicated.

本発明は、係る課題に鑑みてなされ、第1に、生体の神経細胞を含む領域の画像を撮影するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記神経細胞を電磁的に刺激し、発生した誘導電界の前記神経細胞に平行な成分を前記神経細胞の刺激量とするステップと、前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、を具備することにより解決するものである。   The present invention has been made in view of the problems, and firstly, the step of taking an image of a region including nerve cells of a living body and the nerve cells were generated by stimulating the nerve cells electromagnetically by a stimulation coil from outside the living body. A step of setting a component parallel to the nerve cell of an induced electric field as a stimulation amount of the nerve cell and a step of estimating a site having a large stimulation amount as a stimulation site of the nerve cell are provided. is there.

また、前記誘導電界の神経細胞に平行な成分は前記神経細胞を含む表面に垂直な単位ベクトル方向の成分であることを特徴とするものである。   The component of the induced electric field parallel to the nerve cell is a component in a unit vector direction perpendicular to the surface including the nerve cell.

第2に、生体の脳の画像を撮影するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記脳の大脳皮質を電磁的に刺激し、該大脳皮質の表面に発生した誘導電界の前記表面に垂直な成分を前記神経細胞の刺激量とするステップと、前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、を具備することにより解決するものである。   Second, a step of taking an image of a brain of a living body, and electromagnetic stimulation of the cerebral cortex of the brain by a stimulation coil from the outside of the living body so that the induced electric field generated on the surface of the cerebral cortex And a step of setting a component having a large amount of stimulation as a stimulation site of the nerve cell.

第3に、生体の脳の画像を撮影するステップと、大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して前記神経細胞の刺激量とするステップと、前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、を具備することにより解決するものである。   Third, capturing a brain image of a living body, calculating a unit vector perpendicular to the surface of the cerebral cortex, electromagnetically stimulating the cerebral cortex from outside the living body with a stimulation coil, Calculating the inner product of the induced electric field generated in the unit vector perpendicular to the surface to be the stimulation amount of the nerve cell, estimating the large stimulation amount site as the stimulation site of the nerve cell, It solves by having.

第4に、生体の脳の画像を撮影するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記脳の大脳皮質を電磁的に刺激し、該大脳皮質の表面に発生した誘導電界の前記表面に垂直な成分を前記錐体ニューロンの刺激量とするステップと、前記誘導電界の前記脳表に平行な成分を介在ニューロンの刺激量とするステップと、前記錐体ニューロンおよび前記介在ニューロンの刺激量の大きい部位をそれぞれの刺激部位と推定するステップと、を具備することにより解決するものである。   Fourth, a step of taking an image of the brain of a living body, and electromagnetic stimulation of the cerebral cortex of the brain by a stimulation coil from the outside of the living body, and perpendicular to the surface of the induced electric field generated on the surface of the cerebral cortex A step of setting a stimulus component of the pyramidal neuron as a stimulus amount, a step of setting a component parallel to the brain surface of the induced electric field as a stimulus amount of the interneuron, and a large stimulus amount of the cone neuron and the interneuron And a step of estimating each part as a stimulation part.

第5に、生体の脳の画像を撮影し、大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して前記錐体ニューロンの刺激量とするステップと、前記錐体ニューロンの刺激量により前記誘導電界の前記表面に平行な成分を算出し介在ニューロンの刺激量とするステップと、前記錐体ニューロンおよび前記介在ニューロンの刺激量の大きい部位をそれぞれの刺激部位と推定するステップと、を具備することにより解決するものである。   Fifth, taking an image of the brain of a living body, calculating a unit vector perpendicular to the surface of the cerebral cortex, and electromagnetically stimulating the cerebral cortex from the outside of the living body with a stimulation coil, and generating on the surface Calculating an inner product of the induced electric field and a unit vector perpendicular to the surface to obtain a stimulus amount of the pyramidal neuron, and calculating a component parallel to the surface of the induced electric field by the stimulus amount of the pyramidal neuron And the step of setting the stimulation amount of the interneuron and the step of estimating the pyramidal neuron and the region where the stimulation amount of the interneuron is large as the respective stimulation site.

また、前記表面に垂直な単位ベクトルの算出は、前記画像を、脳内と脳外の境界を含む画素群に分割するステップと、前記画素群から脳表画素を特定するステップと、前記脳表画素を中心とした行×列×段の画素からなる立方画素群を抽出し、前記立方画素群のうち脳外の画素を選択するステップと、前記脳表画素から前記立方画素群内の前記脳外の画素に対する少なくとも1つの単位ベクトルを算出するステップと、前記各単位ベクトルの和を正規化して前記表面に対して垂直な単位ベクトルを算出するステップと、を具備することを特徴とするものである。   The unit vector perpendicular to the surface may be calculated by dividing the image into a pixel group including a boundary between the brain and the brain, identifying a brain surface pixel from the pixel group, and the brain surface. Extracting a cubic pixel group consisting of pixels in a row × column × stage centered on the pixel, selecting a pixel outside the brain from the cubic pixel group, and the brain in the cubic pixel group from the brain surface pixel Calculating at least one unit vector for an outer pixel; and calculating a unit vector perpendicular to the surface by normalizing a sum of the unit vectors. is there.

また、前記脳表画素は、前記脳外の画素に隣接する脳内の画素で構成されることを特徴とするものである。   Further, the brain surface pixels are constituted by pixels in the brain adjacent to the pixels outside the brain.

また、前記立方画素群は3行×3列×3段の27画素からなることを特徴とするものである。   The cubic pixel group includes 27 pixels of 3 rows × 3 columns × 3 stages.

第6に、生体の脳の活動部位を取得する活動部位取得手段と、前記活動部位に外部から磁気刺激を行い前記脳の神経細胞の刺激部位を推定する刺激部位推定手段と、前記磁気刺激により誘発される前記生体の反応を測定する生体反応計測手段と、を具備することにより解決するものである。   Sixth, active part acquisition means for acquiring the active part of the brain of the living body, stimulation part estimation means for estimating the stimulation part of the brain neurons by externally stimulating the active part, and the magnetic stimulation It solves by comprising the biological reaction measuring means which measures the reaction of the said induced | generated biological body.

また、前記活動部位取得手段は、生体の脳の高次脳機能に関連して移動する前記脳の活動部位を取得することを特徴とするものである。   The active site acquisition means acquires the active site of the brain that moves in relation to higher brain functions of the brain of the living body.

また、前記刺激部位推定手段は、前記磁気刺激による前記脳の錐体ニューロンの刺激量を算出し、前記錐体ニューロンの刺激部位を推定することを特徴とするものである。   The stimulation site estimation means calculates the stimulation amount of the brain cone neuron by the magnetic stimulation and estimates the stimulation site of the cone neuron.

また、前記刺激部位推定手段は、前記磁気刺激による前記脳の介在ニューロンの刺激量を算出し、前記介在ニューロンの刺激部位を推定することを特徴とするものである。   The stimulation site estimation means calculates a stimulation amount of the brain interneuron by the magnetic stimulation, and estimates the stimulation site of the interneuron.

つまり本発明では、生体機能計測結果から脳神経などの活性化領域を同定する方法の問題点を解消し、磁気刺激によって刺激される部位が、比較的簡単な作業で高精度に特定できる方法を提供することにある。   In other words, the present invention eliminates the problems of the method of identifying the activation region such as the cranial nerve from the biological function measurement result, and provides a method that allows the site stimulated by the magnetic stimulation to be identified with high accuracy by a relatively simple operation. There is to do.

また本発明の更なる目的は、脳活動部位を高精度に同定することにより情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等の判定、機能障害部位の特定等にとって重要なデータを提供するための脳機能計測システムに適用可能な、磁気による脳の刺激部位を高精度に同定する方法を提供することにある。   A further object of the present invention is to identify brain activity sites with high accuracy to provide data important for determination of emotion expression processes, memory recall processes, cognitive processes, etc., identification of dysfunctional sites, etc. An object of the present invention is to provide a method for identifying a brain stimulation site with magnetism with high accuracy, which can be applied to a function measurement system.

本発明の神経細胞刺激部位の推定方法によれば、第1に、磁気刺激用コイルによって生体内部に誘起される電界と神経細胞方向の単位ベクトルとの内積としてその点での刺激量とするため、正確な刺激量の推定が可能となる。又、その刺激量が他の部位より大きくなる点をその条件下での刺激部位として推定するため、従来法に比べ正確な刺激部位の推定が可能となる。   According to the method for estimating a nerve cell stimulation site of the present invention, first, in order to obtain a stimulation amount at that point as an inner product of an electric field induced in a living body by a magnetic stimulation coil and a unit vector in the nerve cell direction. This makes it possible to accurately estimate the amount of stimulation. Further, since the point at which the amount of stimulation is greater than other sites is estimated as the stimulation site under that condition, it is possible to estimate the stimulation site more accurately than in the conventional method.

第2に、磁気刺激用コイルによって大脳皮質部に誘起される電界と大脳皮質表面に垂直な単位ベクトルとの内積としてその点での刺激量を評価し、刺激量が他の部位より大きくなる点をその条件下での大脳皮質刺激部位として推定するため、従来法に比べ、正確な脳の神経細胞の刺激部位の推定が可能となる。   Secondly, the amount of stimulation at that point is evaluated as the inner product of the electric field induced in the cerebral cortex by the magnetic stimulation coil and the unit vector perpendicular to the surface of the cerebral cortex, and the amount of stimulation becomes larger than other regions. Is estimated as a cerebral cortical stimulation site under that condition, so that it is possible to estimate the stimulation site of the brain neurons more accurately than in the conventional method.

第3に、磁気刺激用コイルによって大脳皮質部に誘起される電界と大脳皮質表面に垂直な単位ベクトルとの内積としてその点での刺激量を評価し、刺激量が他の部位より大きくなる点をその条件下での大脳皮質刺激部位として推定する際に、磁気共鳴画像の画素の濃淡から脳表面の画素を抽出し、ついで該脳表面画素を中心とした3×3×3(=27)画素の立方体画素群を抽出し、前記脳表面画素を除いた26個の画素について、その濃淡からそれが脳内であるか脳外であるかを判定し、前記脳表面画素から脳外と判定された全画素へのベクトル群を計算し、該ベクトル群の和ベクトルを求め、該和ベクトル方向の単位長さベクトルとして前記脳表面画素に垂直な単位ベクトルとする。これにより、簡便に大脳皮質の刺激部位を推定することができる。   Third, the amount of stimulation at that point is evaluated as the inner product of the electric field induced in the cerebral cortex by the magnetic stimulation coil and the unit vector perpendicular to the surface of the cerebral cortex, and the amount of stimulation becomes larger than other regions. Is estimated as a cerebral cortical stimulation site under the above conditions, the brain surface pixels are extracted from the density of the pixels of the magnetic resonance image, and then 3 × 3 × 3 (= 27) centering on the brain surface pixels A cubic pixel group of pixels is extracted, and for the 26 pixels excluding the brain surface pixels, whether or not they are in the brain or outside the brain is determined from the shading, and determined to be outside the brain from the brain surface pixels A vector group for all the pixels is calculated, a sum vector of the vector group is obtained, and a unit length vector in the sum vector direction is set as a unit vector perpendicular to the brain surface pixel. Thereby, the stimulation site | part of a cerebral cortex can be estimated simply.

第4に、脳表の全体について、錐体ニューロンおよび介在ニューロンの刺激量がそれぞれ大きくなる部位を、同時に求めることができる。つまり、ある磁気刺激に対する錐体ニューロンの刺激部位と、介在ニューロンの刺激部位を同時に推定することができる。   Fourthly, for the entire brain surface, it is possible to simultaneously obtain a region where the amount of stimulation of the pyramidal neurons and interneurons increases. That is, it is possible to simultaneously estimate the stimulation site of a pyramidal neuron and the stimulation site of an interneuron for a certain magnetic stimulation.

第5に、大脳皮質表面に垂直な単位ベクトルと大脳皮質部神経細胞を電磁的に刺激するための刺激コイルによって頭部に誘起される電界との内積としてその点での刺激量を評価し、刺激量が他の部位より大きくなる点をその条件下での大脳皮質刺激部位として推定するため、従来法に比べ正確な刺激部位の推定が可能となり、情動発現過程、認知過程等の判定、機能障害部位の特定等にとって重要なデータを提供する事ができる。   Fifth, the amount of stimulation at that point is evaluated as the inner product of the unit vector perpendicular to the surface of the cerebral cortex and the electric field induced in the head by the stimulation coil for electromagnetically stimulating cerebral cortex neurons, Since the point where the amount of stimulation is greater than other regions is estimated as the cerebral cortical stimulation site under that condition, it is possible to estimate the stimulation site more accurately than the conventional method, and the judgment and function of emotion expression process, cognitive process, etc. It is possible to provide data that is important for identifying the faulty part.

脳などの神経細胞が多く存在する部位を磁気刺激する場合において、刺激部位を正確に特定する方法を考案した。   We have devised a method for accurately identifying the stimulation site when magnetically stimulating a site where many nerve cells such as the brain are present.

本発明の手法は、例えば脳、脊髄、末梢神経等の神経細胞の刺激部位を推定する場合に有効である。脳、脊髄、末梢神経のMR画像から末梢神経や脊髄の表面の各画素について神経線維(神経細胞)方向に沿った単位ベクトル群を求め、磁気刺激で誘導される電界との内積を求めることにより誘導電界の神経線維方向の成分が高くなる部位を刺激部位として推定することができる。   The technique of the present invention is effective when estimating stimulation sites of nerve cells such as the brain, spinal cord, and peripheral nerve. By obtaining a unit vector group along the nerve fiber (nerve cell) direction for each pixel on the surface of the peripheral nerve and the spinal cord from MR images of the brain, spinal cord, and peripheral nerve, and calculating the inner product with the electric field induced by magnetic stimulation A site where the component of the induced electric field in the nerve fiber direction is high can be estimated as the stimulation site.

図1から図10を参照し、本発明の実施形態について説明する。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、磁気刺激における神経細胞刺激部位の推定方法の手順を示すフローチャートである。   FIG. 1 is a flowchart showing a procedure of a method for estimating a nerve cell stimulation site in magnetic stimulation.

本実施形態の神経細胞の刺激部位の推定方法は、図1のごとく、生体の神経細胞を含む領域の画像を撮影するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記神経細胞を電磁的に刺激し、発生した誘導電界の前記神経細胞に平行な成分を前記神経細胞の刺激量とするステップと、前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、から構成される。   As shown in FIG. 1, the method for estimating the stimulation site of a nerve cell according to the present embodiment includes a step of taking an image of a region including a nerve cell of a living body and electromagnetically stimulating the nerve cell from outside the living body by a stimulation coil. The step of setting a component parallel to the nerve cell of the generated induced electric field as the stimulation amount of the nerve cell, and the step of estimating the portion having the large stimulation amount as the stimulation site of the nerve cell are configured.

第1ステップ:生体の神経細胞を含む領域の画像を撮影するステップ(図1(1))。   First step: a step of taking an image of a region including nerve cells of a living body (FIG. 1 (1)).

脳、脊髄、末梢神経など神経細胞を多く含む領域表面のMR画像を撮影する。脳の場合は大脳皮質(脳表面)であり、脊髄および末梢神経などでは主に損傷により神経細胞が断裂部位、末端部位、神経細胞同士が接続しているシナプスの部位などである。   An MR image of the surface of a region containing many nerve cells such as the brain, spinal cord and peripheral nerve is taken. In the case of the brain, it is the cerebral cortex (brain surface), and in the spinal cord and peripheral nerves, the nerve cells are mainly ruptured due to damage, terminal sites, synaptic sites where the nerve cells are connected, and the like.

第2ステップ:生体の外部から刺激コイルにより前記神経細胞を電磁的に刺激し、発生した誘導電界の神経細胞に平行な成分を神経細胞の刺激量とするステップ(図1(2)〜(4))。   Second Step: Steps of electromagnetically stimulating the nerve cell from outside the living body by a stimulation coil and setting a component parallel to the nerve cell of the generated induced electric field as a nerve cell stimulation amount (FIGS. 1 (2) to (4) )).

神経細胞を多く含む領域表面のMR画像に基づき、単位画素毎に神経細胞の長軸方向に平行な単位ベクトルの分布を計算する(図1(2))。   Based on the MR image of the surface of the region containing many nerve cells, the distribution of unit vectors parallel to the long axis direction of the nerve cells is calculated for each unit pixel (FIG. 1 (2)).

その後、生体外からの磁気刺激により、生体内の神経細胞を多く含む表面に誘導される電界分布を求める(図1(3))。   Then, the electric field distribution induced | guided | derived to the surface containing many nerve cells in the living body by magnetic stimulation from outside the living body is obtained (FIG. 1 (3)).

更に、誘導される電界と、神経細胞の長軸方向に平行な単位ベクトルとの内積により誘導電界の神経細胞の長軸方向に平行な成分の分布を計算し、神経細胞の刺激量を算出する(図1(4))。   Furthermore, the distribution of components parallel to the long axis direction of the induced electric field is calculated by the inner product of the induced electric field and the unit vector parallel to the long axis direction of the nerve cell, and the stimulation amount of the nerve cell is calculated. (FIG. 1 (4)).

第3ステップ:刺激量の大きい部位を神経細胞の刺激部位と推定するステップ(図1(5))。   3rd step: The step which estimates the site | part with a large stimulation amount as the stimulation site | part of a nerve cell (FIG. 1 (5)).

外部からの磁気刺激の影響を受けた部位は、集中的に誘導電界の値が大きくなると考えられる。従って、誘導電界の神経細胞の長軸方向に平行な成分が、他の部位より大きくなった部位を、神経細胞の刺激部位と推定する。   It is considered that the value of the induced electric field is intensively increased at the site affected by the external magnetic stimulation. Therefore, the part where the component of the induced electric field parallel to the long axis direction of the nerve cell is larger than the other part is estimated as the stimulation part of the nerve cell.

以下、第1の実施形態として図2から図7を参照し、脳の場合を例にとり具体的に説明する。   Hereinafter, with reference to FIGS. 2 to 7 as the first embodiment, the case of the brain will be described as an example.

第1の実施形態の神経細胞刺激部位の推定方法は、生体の脳の画像を撮影するステップと、大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して前記神経細胞の刺激量とするステップと、前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、から構成される。   The method for estimating a nerve cell stimulation site according to the first embodiment includes a step of taking an image of a brain of a living body, a step of calculating a unit vector perpendicular to the surface of the cerebral cortex, and a stimulation coil from the outside of the living body. Electromagnetically stimulating the cerebral cortex, calculating an inner product of an induced electric field generated on the surface and a unit vector perpendicular to the surface to obtain a stimulation amount of the nerve cell; And a step of estimating a nerve cell stimulation site.

第1ステップ:生体の脳の画像を撮影するステップ(図1(1))。   1st step: The step which image | photographs the image of the brain of a biological body (FIG. 1 (1)).

まず、MRIにより被験者のMR画像を取得する。図2は脳の水平断面のMR画像を示す図であり、図2(A)は取得した1枚のMR画像1である。図示のごとく、MR画像1はグレースケールの情報をもつ2次元画像で構成されている。脳の3次元画像は、MR画像1のような頭部の水平断層像を一定間隔(例えば約1mm間隔)で撮影し、連続的に取得することによって構築される。   First, an MR image of a subject is acquired by MRI. FIG. 2 is a diagram showing an MR image of a horizontal section of the brain, and FIG. 2 (A) is an acquired MR image 1. As shown in the figure, the MR image 1 is composed of a two-dimensional image having gray scale information. A three-dimensional image of the brain is constructed by continuously acquiring horizontal tomographic images of the head like the MR image 1 at regular intervals (for example, at intervals of about 1 mm).

図2(B)は図2(A)の一部の画素群2を模式的に表した拡大図である。このように、脳と脳でない部分の境界の画素群2を抽出すると、脳(脳内)と脳でない部分(脳外)は画素の色の濃淡により区別することができる。図2のMR画像1および画素群2では、脳以外の部分は白色で表しているが、通常のMRI画像では、脳でない部分は黒に近い色となる。本実施形態では以下脳外を白色、脳内を黒色でそれぞれ表示する。   FIG. 2B is an enlarged view schematically showing a part of the pixel group 2 in FIG. As described above, when the pixel group 2 at the boundary between the brain and the non-brain portion is extracted, the brain (inside the brain) and the non-brain portion (outside the brain) can be distinguished by the color density of the pixels. In the MR image 1 and the pixel group 2 in FIG. 2, the parts other than the brain are shown in white, but in the normal MRI image, the parts other than the brain have a color close to black. In the present embodiment, the outside of the brain is displayed in white and the inside of the brain is displayed in black.

図3は、脳外と脳内の境界を含む画素群2を示す図である。本実施の形態では、MRIにより取得したMR画像1を、所定の単位(例えば約1mm×1mm)の画素に分割し、脳内と脳外の境界を含む画素群2を抽出する。神経細胞は、大脳皮質の表面に対してほぼ垂直に配列していることが知られている。そこで本実施形態では、神経細胞の方向を特定するために大脳皮質、すなわち脳表の特定を行い、脳表に対して垂直な方向を神経細胞の方向とする。脳表はMR画像を基に脳内および脳外を判別することにより特定できる。従って、MR画像から脳内および脳外を含む画素群2を抽出する。   FIG. 3 is a diagram showing the pixel group 2 including the boundary between the outside of the brain and the inside of the brain. In the present embodiment, the MR image 1 acquired by MRI is divided into pixels of a predetermined unit (for example, about 1 mm × 1 mm), and the pixel group 2 including the boundary between the brain and the brain is extracted. It is known that neurons are arranged almost perpendicular to the surface of the cerebral cortex. Therefore, in this embodiment, the cerebral cortex, that is, the brain surface is specified in order to specify the direction of the nerve cell, and the direction perpendicular to the brain surface is set as the direction of the nerve cell. The brain surface can be specified by discriminating inside and outside the brain based on the MR image. Therefore, the pixel group 2 including inside and outside the brain is extracted from the MR image.

そして、画素群2から脳表画素を特定する。脳表画素の特定は、任意の脳内画素21を選択し、その脳内画素21の周囲にある画素の色の濃淡により、その脳内画素21が脳表であるか否かを判断する。脳表を特定するためには任意の脳内画素21に対して上下の画素にも着目する必要がある。そのため本実施の形態では、上下に所定の間隔(例えば約1mm)で連続する3枚のMR画像を用いて脳表画素を特定する。   Then, a brain surface pixel is specified from the pixel group 2. The brain surface pixel is identified by selecting an arbitrary intracerebral pixel 21 and determining whether the intracerebral pixel 21 is a brain surface based on the color density of the pixels around the intracerebral pixel 21. In order to specify the brain surface, it is necessary to pay attention to the upper and lower pixels with respect to an arbitrary intracerebral pixel 21. For this reason, in the present embodiment, the brain surface pixels are specified using three MR images that are continuous in a vertical direction at a predetermined interval (for example, about 1 mm).

図4は画素群2を上下に連続して3枚抽出した画素群3である。画素群A、B、Cは脳内と脳外の境界を含む上下に連続する連続する3枚のMR画像の一部分であり、例えば任意の6×6の画素からなる画素群から構成されている。その画素群A、B、Cの中から任意の脳内画素21(黒色)を選択し、脳内画素21の周囲にある計26個の画素のうち1画素でも白色の画素が存在した場合、その画素を脳表画素23とする。   FIG. 4 shows a pixel group 3 in which three pixel groups 2 are extracted continuously in the vertical direction. Pixel groups A, B, and C are a part of three consecutive MR images including the boundary between the brain and the outside of the brain, and are composed of, for example, a pixel group composed of arbitrary 6 × 6 pixels. . When an arbitrary intracerebral pixel 21 (black) is selected from the pixel groups A, B, and C, and at least one pixel out of a total of 26 pixels around the intracerebral pixel 21 exists, The pixel is a brain surface pixel 23.

図4は、脳外と脳内の境界を含む画素群の上下に連続した画素群を示す図である。例えば、図4に示す画素群Bの5行4列目の脳内画素21(B[4][3]と表記する。以下同様)を選択する(尚ここではハッチングで示す)。その脳内画素21と隣接する画素は、画素群AでB[4][3]の上方に位置するA[4][3]を中心とした3×3(=9)画素と、画素群BでB[4][3]を中心とした3×3(=9)画素のうち、B[4][3]を除いた8画素と、画素群CでB[4][3]の下方に位置するC[4][3]を中心とした3×3(=9)画素の合計26画素である。そのうちA[3][2]、A[3][3]、A[4][4]、B[3][3]、B[3][4]、B[4][4]、C[3][3]、C[4][4]が白色であるため、B[4][3]は脳表画素23と見なすことができる。   FIG. 4 is a diagram illustrating a pixel group that is continuous above and below a pixel group that includes a boundary between the outside of the brain and the inside of the brain. For example, the brain pixel 21 in the fifth row and the fourth column of the pixel group B shown in FIG. 4 (denoted as B [4] [3]; the same applies hereinafter) is selected (here, hatched). The pixels adjacent to the brain pixel 21 are 3 × 3 (= 9) pixels centered on A [4] [3] located above B [4] [3] in the pixel group A, and the pixel group. Among 3 × 3 (= 9) pixels centered on B [4] [3] in B, 8 pixels excluding B [4] [3] and B [4] [3] in pixel group C This is a total of 26 pixels of 3 × 3 (= 9) pixels centered on C [4] [3] located below. Among them, A [3] [2], A [3] [3], A [4] [4], B [3] [3], B [3] [4], B [4] [4], C Since [3] [3] and C [4] [4] are white, B [4] [3] can be regarded as the brain surface pixel 23.

そして、脳表画素23を中心とした行×列×段の画素からなる立方画素群25を抽出し、立方画素群25のうち脳外画素22を特定する。   Then, a cubic pixel group 25 made up of rows × columns × stages centered on the brain surface pixel 23 is extracted, and the extra-cerebral pixel 22 in the cubic pixel group 25 is specified.

例えばB[4][3]の脳表画素23を中心とした3×3×3(=27)画素の立方画素群25を抽出する。立方画素群25の中で、A[3][2]、A[3][3]、A[4][4]、B[3][3]、B[3][4]、B[4][4]、C[3][3]、C[4][4]が白色であるため、これらの画素が1つの脳表画素23に対する脳外画素22として特定される。   For example, a cubic pixel group 25 of 3 × 3 × 3 (= 27) pixels around the B [4] [3] brain surface pixels 23 is extracted. Among the cubic pixel group 25, A [3] [2], A [3] [3], A [4] [4], B [3] [3], B [3] [4], B [ 4] [4], C [3] [3], and C [4] [4] are white, and thus these pixels are specified as extra-brain pixels 22 for one brain surface pixel 23.

第2ステップ:大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップ(図1(2))。   Second step: a step of calculating a unit vector perpendicular to the surface of the cerebral cortex (FIG. 1 (2)).

図5は脳表画素23から脳外画素22へのベクトルを示す図である。前述のごとく、神経細胞は大脳皮質の表面に対して垂直に配列している。そこで、本実施形態では、大脳皮質、すなわち脳表に対して垂直な方向を特定するため、立方画素群25から脳表画素23を除いた26個の画素について、その濃淡からそれが脳内であるか脳外であるかを判定する。そして、脳表画素23から脳外と判定された全ての画素へのベクトルを計算し、1つまたは複数のベクトル方向の単位ベクトル4または単位ベクトル群4を算出する。そして、単位ベクトルまたは単位ベクトル群4の和を正規化して、大脳皮質の表面(脳表)に垂直な単位ベクトル26を算出する。   FIG. 5 is a diagram showing a vector from the brain surface pixel 23 to the extra-cerebral pixel 22. As described above, the nerve cells are arranged perpendicular to the surface of the cerebral cortex. Therefore, in the present embodiment, in order to specify the cerebral cortex, that is, the direction perpendicular to the brain surface, the 26 pixels excluding the brain surface pixel 23 from the cubic pixel group 25 are used in the brain from the density. Determine whether it is outside the brain. Then, vectors from the brain surface pixels 23 to all pixels determined to be outside the brain are calculated, and one or a plurality of unit vectors 4 or unit vector groups 4 in the vector direction are calculated. Then, the unit vector 26 or the unit vector group 4 is normalized to calculate a unit vector 26 perpendicular to the surface of the cerebral cortex (brain surface).

図6は、脳表に垂直な単位ベクトル26を示す図である。脳表に垂直な単位ベクトル26は、算出した各単位ベクトル群の和ベクトルを求め、この和ベクトル方向の単位ベクトルとして求める。そしてこれを繰り返し、脳の表面の全域にわたって、脳表に垂直な単位ベクトル26の分布を計算する。   FIG. 6 is a diagram showing a unit vector 26 perpendicular to the brain surface. The unit vector 26 perpendicular to the brain surface is obtained as a unit vector in the direction of the sum vector by obtaining a sum vector of the calculated unit vector groups. This is repeated, and the distribution of unit vectors 26 perpendicular to the brain surface is calculated over the entire surface of the brain.

第3ステップ: 前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルと前記誘導電界との内積を算出して前記神経細胞の刺激量とする(図1(3)(4))。   Third step: The cerebral cortex is electromagnetically stimulated from outside the living body by a stimulation coil, and an inner product of an induced electric field generated on the surface, a unit vector perpendicular to the surface, and the induced electric field is calculated, and the nerve It is set as the amount of cell stimulation (FIGS. 1 (3) and (4)).

ここでは磁気刺激により生体内に誘導される電界分布を計算する。   Here, the electric field distribution induced in the living body by magnetic stimulation is calculated.

図7は、生体外から磁気刺激コイルなどを用いて大脳皮質、すなわち脳表を刺激した場合の誘導電界および神経細胞を模式的に示した図である。   FIG. 7 is a diagram schematically showing an induced electric field and nerve cells when a cerebral cortex, that is, a brain surface is stimulated from outside the living body using a magnetic stimulation coil or the like.

脳の神経細胞(錐体細胞または錐体ニューロン)8は脳表7に対して垂直に並んでいることが知られている。また、神経細胞8を電界で刺激する場合、神経細胞8の長軸方向の電界成分の大きさが刺激量となり、神経細胞8の端において興奮が起こることが知られている。   It is known that brain neurons (cone cells or cone neurons) 8 are arranged perpendicular to the brain surface 7. In addition, when the nerve cell 8 is stimulated with an electric field, it is known that the magnitude of the electric field component in the long axis direction of the nerve cell 8 becomes a stimulation amount, and excitement occurs at the end of the nerve cell 8.

つまり、外部の磁気刺激コイル5により磁気刺激を行うと、脳表7を始点として磁気刺激コイル5によって電界(誘導電界)6が誘起されるので、この分布を計算する(図1(3))。   That is, when magnetic stimulation is performed by the external magnetic stimulation coil 5, an electric field (induced electric field) 6 is induced by the magnetic stimulation coil 5 starting from the brain surface 7, and this distribution is calculated (FIG. 1 (3)). .

そして、本実施形態では図5および図6に示したような方法によって求めた各脳表に対して垂直な単位ベクトル26と磁気刺激コイル5によって誘起された電界6との内積を計算し、電界6の脳表7に垂直な成分9を算出し、その分布を求める。そして、電界の脳表に垂直な成分9をその位置での刺激量とする(図1(4))。   In this embodiment, the inner product of the unit vector 26 perpendicular to each brain surface obtained by the method as shown in FIGS. 5 and 6 and the electric field 6 induced by the magnetic stimulation coil 5 is calculated. The component 9 perpendicular to the brain surface 7 of 6 is calculated, and its distribution is obtained. Then, the component 9 perpendicular to the brain surface of the electric field is set as the stimulation amount at that position (FIG. 1 (4)).

尚、図7は、模式的に脳の断面を描いたものであり、磁気刺激コイル5の位置は頭皮(脳表7)に平行である必要はない。頭皮上のどこにどのような向きで磁気刺激コイル5を置いても脳内に電界6は生じるので、磁気刺激コイル5の位置は限定されるものではない。   FIG. 7 schematically shows a cross section of the brain, and the position of the magnetic stimulation coil 5 does not have to be parallel to the scalp (brain surface 7). Since the electric field 6 is generated in the brain no matter where and on the scalp the magnetic stimulation coil 5 is placed, the position of the magnetic stimulation coil 5 is not limited.

第4ステップ: 刺激量の大きい部位を神経細胞の刺激部位と推定する(図1(5))。   Fourth step: A site having a large amount of stimulation is estimated as a nerve cell stimulation site (FIG. 1 (5)).

脳表7の全ての部位、すなわち全ての脳表画素23について電界の脳表に垂直な成分9を算出する。そして磁気刺激において誘導電界6の脳表7に垂直な成分9の内、他の部位より大きい成分10が算出された脳表7の部位を、刺激部位11として推定する。   The component 9 perpendicular to the brain surface of the electric field is calculated for all parts of the brain surface 7, that is, all the brain surface pixels 23. Then, the part of the brain surface 7 in which the component 10 greater than the other parts among the components 9 perpendicular to the brain surface 7 of the induced electric field 6 in the magnetic stimulation is estimated as the stimulation part 11.

次に、図8から図9を参照して本発明の第2の実施形態について説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図8は、大脳皮質を示す模式断面図である。大脳皮質の構造は、図8の如く他の部位への入出力の働きをする神経細胞(錐体ニューロン)8と、錐体ニューロン8同士の情報をシナプスを介してやりとりする介在ニューロン28からなっている。錐体ニューロン8は上記のごとく脳表7にほぼ垂直に平行しており、介在ニューロン28は脳表7にほぼ平行に走行している。   FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the cerebral cortex. As shown in FIG. 8, the structure of the cerebral cortex is composed of nerve cells (cone neurons) 8 that perform input and output to other parts, and interneurons 28 that exchange information between the cone neurons 8 via synapses. ing. As described above, the pyramidal neuron 8 is substantially parallel to the brain surface 7, and the interneuron 28 runs substantially parallel to the brain surface 7.

第1の実施形態では、脳表に垂直な単位ベクトル26を求め、外部からの磁気刺激により誘起された電界6との内積を、その脳表画素23における神経細胞(錐体ニューロン)8の刺激量とした。つまり、脳表7にほぼ垂直に並んだ錐体ニューロン8の刺激量の大きい部位を刺激部位と推定するものである。   In the first embodiment, a unit vector 26 perpendicular to the brain surface is obtained, and the inner product with the electric field 6 induced by the external magnetic stimulation is used as the stimulation of the nerve cell (cone neuron) 8 in the brain surface pixel 23. The amount. That is, a region where the stimulation amount of the pyramidal neurons 8 arranged substantially perpendicular to the brain surface 7 is large is estimated as a stimulation region.

第2の実施形態では、錐体ニューロン8の刺激量を求めると共に、脳の情報処理において重要な働きをしている介在ニューロン28の刺激量も求め、刺激部位を推定するものである。   In the second embodiment, the stimulation amount of the pyramidal neuron 8 is obtained, and the stimulation amount of the interneuron 28 that plays an important role in information processing of the brain is also obtained, and the stimulation site is estimated.

図9は、脳表における錐体ニューロン8および介在ニューロン28と誘導電界E、さらに磁気刺激により誘導される電界Eの脳表7に垂直な成分(以下電界垂直成分Evと称する)、磁気刺激により誘導される電界Eの脳表7に平行な成分(以下、電界平行成分Epと称する)との関係を2次元的に示した模式断面図である。   FIG. 9 is a diagram showing a component perpendicular to the brain surface 7 of the electric field E induced by the pyramidal neurons 8 and the interneurons 28 and the interneurons 28 in the brain surface and the magnetic stimulation (hereinafter referred to as an electric field vertical component Ev). It is the schematic cross section which showed two-dimensionally the relationship with the component (henceforth electric field parallel component Ep) parallel to the brain surface 7 of the induced electric field E. FIG.

ここで、誘導電界Eは図7の電界6であり、電界垂直成分Evは図7の電界6の脳表7に垂直な成分9である。また、電界平行成分Epは、図7において黒細線で示される電界6の脳表7に平行な成分20である。   Here, the induced electric field E is the electric field 6 in FIG. 7, and the electric field vertical component Ev is a component 9 perpendicular to the brain surface 7 of the electric field 6 in FIG. The electric field parallel component Ep is a component 20 parallel to the brain surface 7 of the electric field 6 indicated by a black thin line in FIG.

本実施形態では電界垂直成分Evは錐体ニューロン8に平行に、電界平行成分Epは介在ニューロン28に平行に走行していると考え、これらの刺激量を個別に算出することで神経細胞の刺激部位をより詳細に推定することができる。   In this embodiment, it is considered that the electric field vertical component Ev runs parallel to the pyramidal neuron 8 and the electric field parallel component Ep runs parallel to the interneuron 28, and the stimulation amount of the nerve cell is calculated by individually calculating these stimulation amounts. The site can be estimated in more detail.

第1の実施形態では脳表の全てにわたり電界垂直成分Evを算出した。つまり電界垂直成分Evを計算した脳表7の各脳表画素において、電界垂直成分Evおよび電界Eより電界平行成分Epを算出できる。従ってこれらの値の大きい部位を求めることにより錐体ニューロン8のみならず、介在ニューロン28についても刺激部位を推定することができる。   In the first embodiment, the electric field vertical component Ev is calculated over the entire brain surface. That is, in each brain surface pixel of the brain surface 7 where the electric field vertical component Ev is calculated, the electric field parallel component Ep can be calculated from the electric field vertical component Ev and the electric field E. Accordingly, by obtaining a site having a large value, it is possible to estimate a stimulation site not only for the pyramidal neuron 8 but also for the interneuron 28.

以下、図1のフロー図を参照して、具体的に説明する。   Hereinafter, a specific description will be given with reference to the flowchart of FIG.

第2の実施形態の神経細胞部位の推定方法は、生体の脳の画像を撮影し、大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して前記神経細胞の錐体ニューロンの刺激量とするステップと、前記錐体ニューロンの刺激量により前記誘導電界の前記表面に平行な成分を算出し前記神経細胞の介在ニューロンの刺激量とするステップと、前記錐体ニューロンおよび前記介在ニューロンの刺激量の大きい部位をそれぞれの刺激部位と推定するステップと、から構成される。   The method for estimating a nerve cell site according to the second embodiment includes a step of taking a brain image of a living body, calculating a unit vector perpendicular to the surface of the cerebral cortex, and using the stimulation coil from the outside of the living body to stimulate the cerebral cortex. Stimulating electromagnetically, calculating an inner product of an induced electric field generated on the surface and a unit vector perpendicular to the surface to obtain a stimulation amount of the pyramidal neuron of the nerve cell, and a stimulation amount of the pyramidal neuron Calculating a component parallel to the surface of the induced electric field to obtain a stimulation amount of the interneuron of the nerve cell, and estimating a stimulation area of the pyramidal neuron and the interneuron as a stimulation area Steps.

第1ステップおよび第2ステップは、第1の実施形態と同様であるので説明は省略する。   Since the first step and the second step are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

第3ステップ:生体の外部から刺激コイルにより脳の大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して神経細胞の錐体ニューロンの刺激量とする。   Third step: The cerebral cortex of the brain is electromagnetically stimulated by a stimulation coil from outside the living body, and the inner product of the induced electric field generated on the surface and the unit vector perpendicular to the surface is calculated to calculate the pyramidal neuron of the neuron. The amount of stimulation.

第1の実施形態と同様に、脳表7の各脳表画素23における誘導電界Eの分布を計算する(図1(3))。そして誘導電界Eと大脳皮質表面(脳表)に垂直な単位ベクトルの内積により、各脳表画素23に発生した誘導電界Eの、脳表7に垂直な成分(電界垂直成分)Evの分布を算出し、錐体ニューロン8の刺激量を得る。これを繰り返し、全ての脳表7について、電界垂直成分Evの分布を算出する(図1(4))。   Similar to the first embodiment, the distribution of the induced electric field E in each brain surface pixel 23 of the brain surface 7 is calculated (FIG. 1 (3)). Then, by the inner product of the induced electric field E and the unit vector perpendicular to the surface of the cerebral cortex (brain surface), the distribution of the component (electric field vertical component) Ev perpendicular to the brain surface 7 of the induced electric field E generated in each brain surface pixel 23 is obtained. The amount of stimulation of the cone neuron 8 is obtained by calculation. This is repeated, and the distribution of the electric field vertical component Ev is calculated for all brain surfaces 7 (FIG. 1 (4)).

第4ステップ:錐体ニューロンの刺激量により誘導電界の脳表に平行な成分を算出し神経細胞の介在ニューロンの刺激量とする。   Fourth step: A component parallel to the brain surface of the induced electric field is calculated based on the stimulation amount of the pyramidal neurons, and is set as the stimulation amount of the interneuron of the nerve cell.

誘導電界Eの脳表に平行な成分(電界平行成分)Epは、誘導電界Eおよび電界垂直成分Evにより以下の式で表わされる。   A component (electric field parallel component) Ep parallel to the brain surface of the induced electric field E is expressed by the following expression by the induced electric field E and the electric field vertical component Ev.

Ep=(|E|−|Ev|(1/2)
これにより、脳表7全体にわたって電界平行成分Epを計算してその分布を求め、介在ニューロン28の刺激量を求める。
Ep = (| E | 2 − | Ev | 2 ) (1/2)
Thus, the electric field parallel component Ep is calculated over the entire brain surface 7 to obtain the distribution thereof, and the stimulation amount of the interneuron 28 is obtained.

第5ステップ:錐体ニューロンおよび介在ニューロンの刺激量の大きい部位をそれぞれの刺激部位と推定する。   Fifth step: Sites with large amounts of stimulation of cone neurons and interneurons are estimated as the respective stimulation sites.

錐体ニューロン8の刺激量が他の部位より大きい部位を特定し、錐体ニューロン8の刺激部位と推定する。また同様に介在ニューロン28の刺激量が他の部位より大きい部位を特定し、介在ニューロンの刺激部位28と推定する(図1(5)参照)。   A region where the amount of stimulation of the pyramidal neuron 8 is larger than the other region is specified, and the region is estimated as the stimulation region of the pyramidal neuron 8. Similarly, a part where the stimulation amount of the interneuron 28 is larger than the other part is specified, and the part is estimated as the stimulation part 28 of the interneuron (see FIG. 1 (5)).

ここで、電界垂直成分Evの大きい部位が必ずしも電界水平成分Epが大きい部位とは限らない。本実施形態では、脳表7の全体について、錐体ニューロン8および介在ニューロン28の刺激量がそれぞれ大きくなる部位を、同時に求めることができる。つまり、ある磁気刺激に対する錐体ニューロン8の刺激部位と、介在ニューロン28の刺激部位を同時に推定することができる。   Here, a portion where the electric field vertical component Ev is large is not necessarily a portion where the electric field horizontal component Ep is large. In the present embodiment, with respect to the entire brain surface 7, it is possible to simultaneously obtain a region where the stimulation amounts of the pyramidal neuron 8 and the interneuron 28 are increased. That is, it is possible to simultaneously estimate the stimulation site of the pyramidal neuron 8 and the stimulation site of the interneuron 28 for a certain magnetic stimulation.

従って、磁気刺激により刺激される脳の入出力部位と情報処理に関与する部位を分けて推定することができ、脳の機能を解析する上で大変有用となる。   Therefore, it is possible to estimate separately the input / output part of the brain stimulated by magnetic stimulation and the part involved in information processing, which is very useful for analyzing the function of the brain.

以上の推定方法による効果を運動野を例に説明する。運動野においては運動の指令が腕や足に出て行く出口が錐体ニューロン8である。そしてその指令の出口の錐体ニューロン8同士は脳表7に平行に走っている介在ニューロン28を通して情報をやりとりしており、協調動作などの複雑な運動命令は、この複雑に結合した介在ニューロン28網によりつくられていると考えられる。   The effect of the above estimation method will be described using a motor area as an example. In the motor area, the cone neuron 8 is the exit from which the motion command goes out to the arm or leg. The pyramidal neurons 8 at the exit of the command communicate with each other through interneurons 28 that run parallel to the brain surface 7, and complex motor commands such as coordinated motions are transmitted to these complexly coupled interneurons 28. It is thought that it is made by the net.

脳の磁気刺激では、誘導電界により錐体ニューロン8も介在ニューロン28も同時に刺激される。第2の実施形態により、電界垂直成分Evの大きい値と、電界水平成分Epの大きい値を個別に算出し、それぞれを錐体ニューロン8の刺激部位、介在ニューロン28の刺激部位を推定することにより、錐体ニューロン8が刺激されている部位と介在ニューロン28が刺激されている部位をそれぞれ個別に知ることができる。   In the magnetic stimulation of the brain, the pyramidal neuron 8 and the interneuron 28 are simultaneously stimulated by the induced electric field. According to the second embodiment, a large value of the electric field vertical component Ev and a large value of the electric field horizontal component Ep are individually calculated, and the stimulation part of the pyramidal neuron 8 and the stimulation part of the interneuron 28 are estimated respectively. Thus, it is possible to individually know the site where the pyramidal neuron 8 is stimulated and the site where the interneuron 28 is stimulated.

これにより、錐体ニューロン8により運動の指令の出口を推定し、介在ニューロン28によりその指令に対して複雑な運動命令(運動情報)がどこでどのように修飾されているかを推定することができると考えられる。   Thereby, the exit of the motion command can be estimated by the pyramidal neuron 8, and it can be estimated where and how the complex motion command (motion information) is modified for the command by the interneuron 28. Conceivable.

次に、図10を参照して、本発明の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は上記の推定方法を用いた脳機能解析装置である。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The third embodiment is a brain function analysis apparatus using the above estimation method.

図10は、脳機能解析装置40を説明する図であり、図10(A)は脳機能解析装置40の機能ブロック図を示し、図10(B)は脳の活動部位を説明する模式図を示す。   10A and 10B are diagrams for explaining the brain function analysis apparatus 40. FIG. 10A shows a functional block diagram of the brain function analysis apparatus 40, and FIG. 10B shows a schematic diagram explaining the active site of the brain. Show.

脳機能解析装置40は、活動部位取得手段401と、刺激部位推定手段402と、生体反応計測手段403とを少なくとも有する。   The brain function analysis apparatus 40 includes at least an active site acquisition unit 401, a stimulation site estimation unit 402, and a biological reaction measurement unit 403.

活動部位取得手段401は、情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等の生体の脳の高次脳機能に関連して移動する脳の活動部位を取得する手段である。例えば機能的核磁気共鳴イメージングや、脳磁界計測装置、脳波計などの脳機能計測装置である。これらの装置を用いることにより図10(B)に示す如く、情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して活動する脳17の活動部位の移動18が特定できる。つまりこれらの装置は、脳の自発的活動部位の移動を時間を追って調べることができる。   The active part acquisition means 401 is a means for acquiring an active part of the brain that moves in relation to higher brain functions of the living brain such as an emotion expression process, a memory recall process, and a cognitive process. For example, functional nuclear magnetic resonance imaging, brain magnetic field measuring devices, brain function measuring devices such as electroencephalographs. By using these devices, as shown in FIG. 10B, it is possible to specify the movement 18 of the active region of the brain 17 that is active in relation to the emotion expression process, the memory recall process, the cognitive process, and the like. In other words, these devices can investigate the movement of the spontaneous activity site of the brain over time.

しかし、これだけでは脳の活動部位はわかってもその活動部位がどのような機能を持っているか詳細に知ることはできない。そこで、脳の活動部位を狙って磁気刺激を行い、そのとき生じる現象を観察することにより、その部位がどのような機能を持っているか、推測することができる。つまり、脳機能計測装置401にて脳の活動部位を計測した後、脳の磁気刺激を行い、刺激部位推定手段402により神経細胞の刺激部位19を推定することにより、刺激部位19の機能を解析することができる。   However, even with this alone, it is impossible to know in detail what function the active site has even if the active site of the brain is known. Therefore, by performing magnetic stimulation aiming at the active site of the brain and observing the phenomenon that occurs at that time, it is possible to estimate what function the site has. That is, after measuring the brain activity site with the brain function measuring device 401, the brain is magnetically stimulated, and the stimulation site estimation unit 402 estimates the nerve cell stimulation site 19, thereby analyzing the function of the stimulation site 19. can do.

刺激部位推定手段402は、上記の第1の実施形態の神経細胞の刺激部位推定方法により、生体の脳17に限定的に外部からの磁気刺激を与えた際に情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して移動18する、神経細胞の刺激部位19を推定する手段である。あるいは、上記の第2の実施形態の神経細胞の刺激部位推定方法により、錐体ニューロンおよび介在ニューロンの刺激部位19をそれぞれ推定する手段である。   The stimulation site estimation means 402 uses the nerve cell stimulation site estimation method according to the first embodiment to apply an emotional expression process, a memory recall process, and a magnetic stimulation from the outside to the brain 17 of the living body. It is a means for estimating a stimulation site 19 of a nerve cell that moves 18 in relation to a cognitive process or the like. Alternatively, it is a means for estimating the stimulation site 19 of the pyramidal neuron and the interneuron by the method for estimating the stimulation site of the nerve cell of the second embodiment.

具体的には、刺激部位推定手段402は、磁気刺激装置等により磁気刺激を行った際の脳17の神経細胞(錐体ニューロン)の刺激量を算出し、神経細胞の刺激部位19を推定する。また、磁気刺激による脳17の介在ニューロンの刺激量を算出し、介在ニューロンの刺激部位を推定する。   Specifically, the stimulation site estimation unit 402 calculates the stimulation amount of nerve cells (cone neurons) in the brain 17 when magnetic stimulation is performed by a magnetic stimulation device or the like, and estimates the stimulation site 19 of the nerve cells. . Also, the amount of stimulation of interneurons of the brain 17 by magnetic stimulation is calculated, and the stimulation site of the interneurons is estimated.

生体反応計測手段403は、磁気刺激により誘発される生体の反応(現象)を調べる装置である。例えば、磁気刺激により誘発される運動を調べる筋電計や、記憶に関連する脳の部位を磁気刺激したときの正答率の変化を調べる装置(記憶するべきものをどれだけ正確に記憶できたかという正答率等で評価を行う)等、解析すべき事象(現象)を計測するための装置を適宜選択する。   The biological reaction measuring means 403 is a device for examining a biological reaction (phenomenon) induced by magnetic stimulation. For example, an electromyograph that examines the movements induced by magnetic stimulation, or a device that examines the change in the correct answer rate when magnetically stimulating a brain region related to memory (how accurately you can memorize what you should memorize) A device for measuring an event (phenomenon) to be analyzed, such as an evaluation based on a correct answer rate, is appropriately selected.

このように、機能的核磁気共鳴イメージング、脳磁界計測等の脳機能計測装置401と組み合わせて、情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して活動する脳17の部位の移動18を特定する。そして、第1または第2の実施形態の手法を用いて限定的に情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して活動する部位19の磁気刺激を行い、誘発される筋電図等の生体の反応を調べることにより脳機能を詳しく調べる装置を構築することができる。   In this way, in combination with the brain function measuring device 401 such as functional nuclear magnetic resonance imaging and brain magnetic field measurement, the movement 18 of the part of the brain 17 that is active in relation to the emotion expression process, memory recall process, cognitive process, etc. Identify. Then, using the method of the first or second embodiment, the electromyogram induced by performing magnetic stimulation of the part 19 that is active in relation to the emotion expression process, the memory recall process, the cognitive process, etc. By examining the reaction of the living body, a device for examining brain function in detail can be constructed.

以上、本実施形態では脳の神経細胞の推定方法を例に説明したが、これに限らず脊髄、末梢神経の神経細胞の刺激部位を推定する場合に有効である。すなわち脊髄、末梢神経のMRI画像から末梢神経や脊髄の表面の各画素について神経線維方向に沿った単位ベクトル群を求め、磁気刺激で誘導される電界との内積を求めることにより誘導電界の神経線維方向の成分が他の部位より高くなる部位を刺激部位として推定することができる。脊髄や末梢神経は、脳と異なり、ケーブル状の形態になっているが、損傷により神経線維が断裂した部位、神経線維の末端部位、神経線維同士が接続しているシナプスの部位におけるMRI画像から各画素について神経線維方向に沿った単位ベクトル群を求め、磁気刺激で誘導される電界との内積を求めることにより誘導電界の神経線維方向の成分が最高となる部位を刺激部位として推定することができる。
As described above, in the present embodiment, the method for estimating brain neurons is described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and is effective in estimating the stimulation site of nerve cells in the spinal cord and peripheral nerves. That is, a unit vector group along the nerve fiber direction is obtained from the MRI images of the spinal cord and peripheral nerve for each pixel on the surface of the peripheral nerve and the spinal cord, and the inner fiber with the electric field induced by magnetic stimulation is obtained to obtain the nerve fiber of the induced electric field. A site where the direction component is higher than other sites can be estimated as a stimulation site. Unlike the brain, the spinal cord and peripheral nerves have a cable-like shape, but from MRI images at sites where nerve fibers have been ruptured due to injury, nerve fiber end sites, and synapse sites where nerve fibers are connected For each pixel, a unit vector group along the nerve fiber direction is obtained, and by calculating the inner product with the electric field induced by magnetic stimulation, a part where the component of the induced electric field in the nerve fiber direction is highest can be estimated as the stimulation part. it can.

本発明の磁気刺激における神経細胞刺激部位の推定方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the estimation method of the nerve cell stimulation site | part in the magnetic stimulation of this invention. 脳のMRI画像である。It is an MRI image of the brain. 本発明の脳外と脳内の境界を含む画素群を示す図である。It is a figure which shows the pixel group containing the boundary between the brain outside of this invention, and a brain. 本発明の脳外と脳内の境界を含む画素群の上下に連続した画素群を示す図である。It is a figure which shows the pixel group which followed the upper and lower sides of the pixel group containing the boundary between the brain outside of this invention, and a brain. 本発明の脳表画素から脳外画素に向かうベクトルを示す図である。It is a figure which shows the vector which goes from a brain surface pixel of this invention to an extracerebral pixel. 本発明の脳表に垂直な単位ベクトルを示す図である。It is a figure which shows a unit vector perpendicular | vertical to the brain surface of this invention. 本発明の脳表の誘導電界および神経細胞を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the induction electric field and nerve cell of the brain surface of this invention. 本発明の大脳皮質を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the cerebral cortex of this invention. 本発明の脳表の誘導電界を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the induction electric field of the brain surface of this invention. 本発明の(A)脳機能解析装置を示すブロック図、(B)は脳の活動部位を説明する模式図である。FIG. 2A is a block diagram showing a brain function analysis apparatus according to the present invention, and FIG. 2B is a schematic diagram for explaining an active part of the brain. 磁気刺激コイルによって誘導される電界を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the electric field induced | guided | derived by a magnetic stimulation coil.

符号の説明Explanation of symbols

1 脳の水平断面のMRI画像
2 脳外と脳内の境界を含む画素群
3 上下に連続する3枚の脳の水平断面のMRI画像
4 脳表画素から脳外と判定された画素へ向かうベクトル(群)
5 磁気刺激コイル
6、E 磁気刺激により誘導される電界
7 脳表
8 神経細胞(錐体細胞、錐体ニューロン)
9、Ev 磁気刺激により誘導される電界の脳表に垂直な成分
10 磁気刺激により誘導される電界の脳表に垂直な成分のうち他の部位より大きい成分
11 磁気刺激において刺激部位と推定される部位
12 磁気刺激コイル
13 磁気刺激コイル内に流すパルス電流
14 パルス磁界
15 神経細胞
16 誘導電界
17 脳
18 脳の情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して活動する部位の移動
19 脳の情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して活動する部位の限定的な磁気刺激部位
20、Ep 磁気刺激により誘導される電界の脳表に平行な成分
21 脳内画素
22 脳外画素
23 脳表画素
25 立方画素群
26 脳表に垂直な単位ベクトル
28 介在ニューロン
40 脳機能解析装置
401 活動部位取得手段
402 刺激部位推定手段
403 生体反応計測手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 MRI image of horizontal cross section of brain 2 Pixel group including boundary between outside and inside of brain 3 MRI image of 3 horizontal cross sections of brain continuously up and down 4 Vector heading from brain surface pixels to pixels determined to be outside brain (group)
5 Magnetic stimulation coil 6, E Electric field induced by magnetic stimulation 7 Brain surface 8 Nerve cells (cone cells, cone neurons)
9. Ev Component perpendicular to the brain surface of the electric field induced by magnetic stimulation 10 Component greater than other parts of the component perpendicular to the brain surface of the electric field induced by magnetic stimulation 11 Presumed as the stimulation site in the magnetic stimulation Region 12 Magnetic Stimulation Coil 13 Pulse Current 14 Flowing in Magnetic Stimulation Coil 15 Pulsed Magnetic Field 15 Nerve Cell 16 Induced Electric Field 17 Brain 18 Movement of Region Active in Relation to Emotional Expression Process, Memory Recall Process, Cognitive Process, etc. 19 Brain Limited magnetic stimulation part 20 of the part that is active in relation to the emotional expression process, memory recall process, cognitive process, etc., component parallel to the brain surface of the electric field induced by Ep magnetic stimulation 21 Intracerebral pixel 22 Extracerebral Pixel 23 Brain surface pixel 25 Cubic pixel group 26 Unit vector perpendicular to the brain surface 28 Interneuron 40 Brain function analysis device 401 Active site acquisition means 402 Stimulation site estimation means 03 biological reaction measurement means

Claims (6)

生体の脳の活動部位を取得する活動部位取得手段と、  An activity site acquisition means for acquiring an activity site of a brain of a living body;
前記活動部位に外部から磁気刺激を行い、前記脳の画像を撮影し、該画像を分割して脳内画素と脳外画素の境界を含む立方画素群を抽出し、前記脳内画素の周囲にある画素の色の濃淡により一の脳表画素を特定し、該脳表画素を中心とする立方画素群において前記脳表画素から全ての前記脳外画素への単位ベクトル又は単位ベクトル群を算出し、これらの和を正規化して前記脳の表面の全域にわたって該表面に垂直な単位ベクトルの分布を計算して前記脳の神経細胞の刺激部位を推定する刺激部位推定手段と、  Magnetically stimulate the active site from the outside, take an image of the brain, divide the image to extract a group of cubic pixels including a boundary between brain pixels and extra-cerebral pixels, and around the brain pixels One brain surface pixel is specified by the color density of a certain pixel, and a unit vector or a unit vector group from the brain surface pixel to all the extra-brain pixels is calculated in a cubic pixel group centered on the brain surface pixel. Normalizing these sums and calculating the distribution of unit vectors perpendicular to the surface over the entire surface of the brain to estimate the stimulation site of neurons in the brain;
前記磁気刺激により誘発される前記生体の反応を測定する生体反応計測手段と、  A biological reaction measuring means for measuring a response of the living body induced by the magnetic stimulation;
を具備することを特徴とする脳機能解析装置。The brain function analysis apparatus characterized by comprising.
前記脳内画素と脳外画素の境界を含む立方画素群において該脳内画素の周囲にある画素のうち1画素以上に淡色の画素が存在した場合に該淡色の画素を前記脳表画素と特定することを特徴とする請求項1に記載の脳機能解析装置。  In a cubic pixel group including a boundary between the intracerebral pixel and the extracerebral pixel, if a light color pixel exists in one or more pixels around the intracerebral pixel, the light color pixel is identified as the brain surface pixel. The brain function analysis apparatus according to claim 1. 前記立方画素群は3行×3列×3段の27画素からなることを特徴とする請求項1に記載の脳機能解析装置。  The brain function analysis apparatus according to claim 1, wherein the cubic pixel group includes 27 pixels of 3 rows x 3 columns x 3 stages. 前記活動部位取得手段は、前記脳の高次脳機能に関連して移動する前記脳の活動部位を取得することを特徴とする請求項1に記載の脳機能解析装置。  The brain function analysis apparatus according to claim 1, wherein the active site acquisition unit acquires the active site of the brain that moves in relation to a higher brain function of the brain. 前記刺激部位推定手段は、前記脳の表面に垂直な単位ベクトルの分布から前記磁気刺激により誘導される電界の前記脳の表面に垂直な成分を算出して前記脳の錐体ニューロンの刺激量を算出し、前記錐体ニューロンの刺激部位を推定することを特徴とする請求項1に記載の脳機能解析装置。  The stimulation site estimation means calculates a component perpendicular to the surface of the brain of an electric field induced by the magnetic stimulation from a distribution of unit vectors perpendicular to the surface of the brain, and calculates a stimulation amount of the pyramidal neurons of the brain. The brain function analysis apparatus according to claim 1, wherein the brain function analysis device calculates and estimates a stimulation site of the pyramidal neuron. 前記刺激部位推定手段は、前記脳の表面に垂直な単位ベクトルの分布から前記磁気刺激により誘導される電界の前記脳の表面に平行な成分を算出して前記磁気刺激による前記脳の介在ニューロンの刺激量を算出し、前記介在ニューロンの刺激部位を推定することを特徴とする請求項5に記載の脳機能解析装置。  The stimulation site estimation means calculates a component parallel to the brain surface of an electric field induced by the magnetic stimulation from a distribution of unit vectors perpendicular to the brain surface, and calculates an interneuron of the brain by the magnetic stimulation. The brain function analysis apparatus according to claim 5, wherein a stimulation amount is calculated and a stimulation site of the interneuron is estimated.
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