JP4899121B2 - Current unit estimation method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、電流素片推定方法および装置に関し、さらに詳しくは、演算時間を短縮することが出来る電流素片推定方法および装置に関する。 The present invention relates to a current element estimation method and apparatus, and more particularly, to a current element estimation method and apparatus that can reduce the computation time.
従来、脳磁気検出装置により測定した磁場データから、脳に存在すると仮定した電流素片(等価電流双極子)の分布を推定する方法が種々提案されている(例えば、非特許文献1,非特許文献2参照。)。
また、測定磁場を発生させる複数個の電流素片を絞り込むための電流素片局在化処理方法が知られている(特許文献1参照。)。
また、脊髄の磁場を測定する生体磁気測定装置が知られている(特許文献2参照。)。
Also, a current element localization processing method for narrowing down a plurality of current elements that generate a measurement magnetic field is known (see Patent Document 1).
Also, a biomagnetism measuring device that measures the magnetic field of the spinal cord is known (see Patent Document 2).
従来の電流素片の分布を推定する方法では、電流素片の数が計算の都合上から不自然に制限されたり、電流素片の数を増やせても実際にはありそうもない局所解(例えば存在しそうもない場所に電流素片が存在しているような解)に陥ったりする等、満足な推定結果が得られない問題点があった。
また、従来の電流素片局在化処理方法では、一つの電流素片について、その位置x,y,z、電流の大きさj、電流の向きθ,ψの6つの要素の絞り込みが必要であり、電流素片をN個とすると6×N個の要素の調整が必要になり、演算時間が長くかかる問題点があった。
そこで、本発明の目的は、電流素片の数が不自然に制限されず、また、実際にはありそうもない局所解に陥ったりせず、しかも、少ない数の要素の調整により電流素片を推定することが出来る電流素片推定方法および装置を提供することにある。
In the conventional method of estimating the distribution of current segments, the number of current segments is unnaturally limited due to the convenience of calculation, or a local solution (which is unlikely to be practical even if the number of current segments is increased) For example, there is a problem that a satisfactory estimation result cannot be obtained, such as falling into a solution in which a current segment exists in a place where it is unlikely to exist.
Further, in the conventional current element localization processing method, it is necessary to narrow down six elements of the position x, y, z, the current magnitude j, and the current directions θ and ψ for one current element. In addition, if there are N current pieces, it is necessary to adjust 6 × N elements, and there is a problem that it takes a long calculation time.
Therefore, an object of the present invention is not to limit the number of current elements unnaturally, nor to fall into a local solution unlikely in practice, and to adjust current elements by adjusting a small number of elements. It is an object to provide a current segment estimation method and apparatus capable of estimating the current.
第1の観点では、本発明は、3次元空間中の滑らかな曲線を発生する曲線発生ステップと、前記曲線上に分布したN個の電流素片を発生する電流素片発生ステップと、電流素片の分布から計算される計算磁場と測定磁場の誤差が十分小さいように電流素片の要素を変更する探索ステップとを有し、前記ステップの一部または全部を繰り返して前記誤差を許容値以下とする電流素片を求めることを特徴とする電流素片推定方法を提供する。
例えば脳の磁場を測定し、その測定データを基に電流素片を推定する場合、電流素片は脳すなわち3次元ボリュームに分布して存在するため、位置や電流の大きさや方向に制限を付けることは難しい。しかし、例えば脊髄から発せられる磁場を測定し、その測定データを基に電流素片を推定する場合は、電流素片は脊髄すなわち一般にS字状をした曲線上に存在するので、位置と電流の方向に容易に制限を付けることが出来る。
そこで、上記第1の観点による電流素片推定方法では、まず3次元空間の曲線を発生する。曲線の表現は、例えばベジェ曲線やスプライン曲線などを利用できる。この曲線を例えばS字状とするなら3次曲線で近似できるから空間中の4点により曲線を規定できる。次に曲線上に分布したN個の電流素片を発生するが、曲線上の位置は1つのパラメータkで規定できる。また、電流の方向は曲線の接線方向であるから、電流素片の位置が決まれば自動的に決まり、単独に調整する必要はない。よって、一つの電流素片について、その位置kと電流の大きさjの2つの要素の絞り込みで足り、電流素片をN個とすると2×N個の要素の調整で済み、演算時間を短縮することが出来る。但し、曲線を規定する例えば4点の調整も必要であるので、従来の6×N個に比べて1/3に短縮される訳ではない。しかし、曲線を規定する点の調整は電流素片数倍(N倍)されないため、全体として演算時間を従来より確実に短縮できる。
なお、上記構成において「前記ステップの一部または全部を繰り返して」とは、曲線発生ステップは繰り返さなくて済む場合と曲線発生ステップから繰り返す必要がある場合の両方があることを意味している。
In a first aspect, the present invention provides a curve generating step for generating a smooth curve in a three-dimensional space, a current element generating step for generating N current elements distributed on the curve, and a current element. And a search step for changing the element of the current element so that the error between the calculated magnetic field calculated from the distribution of the pieces and the measured magnetic field is sufficiently small, and the error is less than the allowable value by repeating part or all of the steps. A current element estimation method is provided, characterized in that a current element is obtained.
For example, when the magnetic field of the brain is measured and the current element is estimated based on the measurement data, the current element is distributed in the brain, that is, in a three-dimensional volume, so the position and the magnitude and direction of the current are limited. It ’s difficult. However, for example, when a magnetic field emitted from the spinal cord is measured and the current element is estimated based on the measured data, the current element is present on the spinal cord, ie, a generally S-shaped curve. You can easily limit the direction.
Therefore, in the current unit estimation method according to the first aspect, first, a curve in a three-dimensional space is generated. For example, a Bezier curve or a spline curve can be used for the expression of the curve. If this curve is, for example, S-shaped, it can be approximated by a cubic curve, so the curve can be defined by four points in space. Next, N current pieces distributed on the curve are generated, and the position on the curve can be defined by one parameter k. Further, since the direction of the current is the tangential direction of the curve, it is automatically determined when the position of the current element is determined, and does not need to be adjusted independently. Therefore, it is sufficient to narrow down the two elements of the position k and the current magnitude j for one current element, and if the number of current elements is N, adjustment of 2 × N elements is sufficient, and the calculation time is shortened. I can do it. However, since it is necessary to adjust, for example, four points that define the curve, it is not reduced to 1/3 compared to the conventional 6 × N. However, since the adjustment of the points that define the curve is not multiplied by the number of current segments (N times), the overall calculation time can be reliably shortened as compared with the conventional method.
In the above configuration, “repeating part or all of the steps” means that there are both cases where the curve generation step does not need to be repeated and where the curve generation step needs to be repeated.
第2の観点では、本発明は、前記第1の観点による電流素片推定方法において、前記探索ステップにおいて、前記電流の大きさだけを変更することを特徴とする電流素片推定方法を提供する。
上記第2の観点による電流素片推定方法では、例えば曲線上に均等に分布したN個の電流素片を発生することとし、それら位置は動かさないで、電流の大きさだけを変更して探索する。これにより、さらに演算時間を短縮できる。
In a second aspect, the present invention provides the current unit estimation method according to the first aspect, wherein only the magnitude of the current is changed in the searching step. .
In the current element estimation method according to the second aspect, for example, N current elements that are evenly distributed on the curve are generated, and the position is not moved, but only the magnitude of the current is changed and the search is performed. To do. Thereby, the calculation time can be further shortened.
第3の観点では、本発明は、前記第1または第2の観点による電流素片推定方法において、前記測定磁場が、脊髄から発される磁場であることを特徴とする電流素片推定方法を提供する。
上記第3の観点による電流素片推定方法では、脊髄から発される磁場のデータを基に電流素片を推定するが、脊髄は一般にS字状をした曲線であるから、本発明を好適に適用できる。
In a third aspect, the present invention provides the current unit estimation method according to the first or second aspect, wherein the measurement magnetic field is a magnetic field emitted from a spinal cord. provide.
In the current element estimation method according to the third aspect, the current element is estimated based on the magnetic field data generated from the spinal cord. Since the spinal cord is generally an S-shaped curve, the present invention is preferably used. Applicable.
第4の観点では、本発明は、3次元空間中の滑らかな曲線を発生する曲線発生手段と、前記曲線上に分布したN個の電流素片を発生する電流素片発生手段と、電流素片の分布から計算される計算磁場と測定磁場の誤差が十分小さいように電流素片の要素を変更する探索手段とを有し、前記手段の一部または全部を繰り返し作動させて前記誤差を許容値以下とする電流素片を求めることを特徴とする電流素片推定装置を提供する。
上記第4の観点による電流素片推定装置では、前記第1の観点による電流素片推定方法を好適に実施できる。
In a fourth aspect, the present invention provides a curve generating means for generating a smooth curve in a three-dimensional space, a current element generating means for generating N current elements distributed on the curve, and a current element. Search means for changing the element of the current element so that the error between the calculated magnetic field calculated from the distribution of the pieces and the measurement magnetic field is sufficiently small, and the error is allowed by operating part or all of the means repeatedly. Provided is a current unit estimation apparatus that obtains a current unit that is equal to or less than a value.
In the current unit estimation apparatus according to the fourth aspect, the current unit estimation method according to the first aspect can be suitably implemented.
第5の観点では、本発明は、前記第5の観点による電流素片推定装置において、前記探索手段は、電流の大きさだけを変更することを特徴とする電流素片推定装置を提供する。
上記第5の観点による電流素片推定装置では、前記第2の観点による電流素片推定方法を好適に実施できる。
In a fifth aspect, the present invention provides the current unit estimation apparatus according to the fifth aspect, wherein the search means changes only the magnitude of the current.
In the current unit estimation apparatus according to the fifth aspect, the current unit estimation method according to the second aspect can be suitably implemented.
第6の観点では、本発明は、前記第4または第5の観点による電流素片推定装置において、前記測定磁場が、脊髄から発される磁場であることを特徴とする電流素片推定装置を提供する。
上記第6の観点による電流素片推定装置では、前記第3の観点による電流素片推定方法を好適に実施できる。
In a sixth aspect, the present invention provides the current unit estimation apparatus according to the fourth or fifth aspect, wherein the measurement magnetic field is a magnetic field emitted from a spinal cord. provide.
In the current unit estimation apparatus according to the sixth aspect, the current unit estimation method according to the third aspect can be suitably implemented.
本発明の電流素片推定方法および装置によれば、電流素片の数が不自然に制限されず、また、実際にはありそうもない局所解に陥ったりせず、しかも、少ない数の要素の調整により電流素片を推定することが出来る。すなわち、演算時間を短縮できる。 According to the current element estimation method and apparatus of the present invention, the number of current elements is not unnaturally limited, and does not fall into a local solution that is unlikely to be practical, and a small number of elements. It is possible to estimate the current segment by adjusting. That is, the calculation time can be shortened.
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the drawings. Note that the present invention is not limited thereby.
図1は、本発明の実施例1に係る電流素片推定装置100を示す構成図である。
この電流素片推定装置100は、被検体Hの脊髄hから発生する生体磁気の磁場データを生体磁気測定装置Aを介して収集するデータ収集部1と、収集した磁場データから電流素片の分布を推定する電流素片推定処理部2と、推定した電流素片を視覚化して表示する表示部3とを具備している。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a current unit estimation apparatus 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
The current element estimation apparatus 100 includes a data collection unit 1 that collects biomagnetic field data generated from the spinal cord h of the subject H via the biomagnetism measurement apparatus A, and a distribution of current elements from the collected magnetic field data. Current segment
図2は、電流素片推定装置100による電流素片推定処理の手順を示すフロー図である。
ステップS1では、データ収集部1は、例えば図3に矢印で示すごとき3次元空間の磁場ベクトルで表される磁場データを得る。
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of current unit estimation processing by the current unit estimation device 100.
In step S1, the data collection unit 1 obtains magnetic field data represented by a magnetic field vector in a three-dimensional space, for example, as indicated by an arrow in FIG.
ステップS2では、電流素片推定処理部2は、予め設定しておいた探索空間(電流素片が存在すると考えられる、なるべく小さな空間)中にベジェ曲線を規定する始点Q0,制御点Q1,…および終点QRをランダムに設定する。例えば図4に示すように、始点Q0,制御点Q1,Q2および終点Q3を設定する。
ステップS3では、電流素片推定処理部2は、始点Q0,制御点Q1,…および終点QRからR次ベジェ曲線を発生する。例えば図5に示すように、始点Q0,制御点Q1,Q2および終点Q3から3次ベジェ曲線Bを発生する。
In step S2, the current element
In step S3, the current element
ステップS4では、R次ベジェ曲線上にランダムに分布させてN個の電流素片J1〜JNを発生する。例えば図6に示すように、8個の電流素片J1〜J8を発生する。
R=3とした場合の3次ベジェ曲線では、電流素片Jnの位置xn,yn,znは次式で表される。
xn=(1−kn)3x0+3kn(1−kn)2x1+3kn2(1−kn)x2+kn3x3
yn=(1−kn)3y0+3kn(1−kn)2y1+3kn2(1−kn)y2+kn3y3
zn=(1−kn)3z0+3kn(1−kn)2z1+3kn2(1−kn)z2+kn3z3
ここで、knはR次ベジェ曲線上における電流素片Jnの位置を表すパラメータであり、0≦kn≦1である。
また、点Qrの位置座標をxr,yr,zrとする。例えば始点Q0の位置座標はx0,y0,z0である。
なお、3次ベジェ曲線については、例えば櫻井恵三他著「図形処理入門 −CAD/CGへのアプローチ」朝倉書店、2002年、第59頁〜第61頁“2.4.2 ベジェ曲線”に記載がある。
In step S4, N current pieces J1 to JN are generated randomly distributed on the R-order Bezier curve. For example, as shown in FIG. 6, eight current pieces J1 to J8 are generated.
In the cubic Bezier curve when R = 3, the positions xn, yn, zn of the current element Jn are expressed by the following equations.
xn = (1-kn) 3 x0 + 3kn (1-kn) 2 x1 + 3kn 2 (1-kn) x2 + kn 3 x3
yn = (1-kn) 3 y0 + 3kn (1-kn) 2 y1 + 3kn 2 (1-kn) y2 + kn 3 y3
zn = (1-kn) 3 z0 + 3kn (1-kn) 2 z1 + 3kn 2 (1-kn) z2 + kn 3 z3
Here, kn is a parameter representing the position of the current element Jn on the R-order Bezier curve, and 0 ≦ kn ≦ 1.
Further, the position coordinates of the point Qr are assumed to be xr, yr, zr. For example, the position coordinates of the starting point Q0 are x0, y0, z0.
The cubic Bezier curve is described in, for example, Keizo Sakurai et al., “Introduction to Graphic Processing-Approach to CAD / CG”, Asakura Shoten, 2002, pp. 59-61, “2.4.2 Bezier Curve”. .
電流素片Jnの電流の方向は接線ベクトルの方向であり、次式で表される。
xn’=−3(1−kn)2x0+3(3kn−1)(1−kn)x1+3kn(2−3kn)x2+3kn2x3
yn’=−3(1−kn)2y0+3(3kn−1)(1−kn)y1+3kn(2−3kn)y2+3kn2y3
zn’=−3(1−kn)2z0+3(3kn−1)(1−kn)z1+3kn(2−3kn)z2+3kn2z3
The current direction of the current element Jn is the direction of the tangent vector, and is expressed by the following equation.
xn '= - 3 (1- kn) 2 x0 + 3 (3kn-1) (1-kn) x1 + 3kn (2-3kn)
yn '= - 3 (1- kn) 2 y0 + 3 (3kn-1) (1-kn) y1 + 3kn (2-3kn) y2 +
zn '= - 3 (1- kn) 2 z0 + 3 (3kn-1) (1-kn) z1 + 3kn (2-3kn) z2 +
電流素片Jnの電流の大きさjnは、ありえそうな範囲内でランダムに定める。 The current magnitude jn of the current element Jn is determined randomly within a possible range.
ステップS5では、電流素片推定処理部2は、図7に示すように、N個の電流素片J1〜JNが発生させる磁気ベクトル(図7の矢印)を例えばビオサバールの式より算出する。
ステップS6では、電流素片推定処理部2は、公知の評価関数を用いて磁場データ(図3)と計算磁場(図7)の誤差を計算し、誤差が十分小さくないならステップS7へ進み、誤差が十分小さいならステップS11へ進む。
In step S5, as shown in FIG. 7, the current element
In step S6, the current element
ステップS7では、電流素片推定処理部2は、誤差が小さくなる見込みがあるか否かを判定し(例えば、ステップS6を通った回数が1万回未満なら誤差が小さくなる見込みがあると判定し、1万回以上なら誤差が小さくなる見込みがないと判定する)、見込みがあるならステップS8へ進み、見込みがないならステップS2に戻って曲線を規定する点の設定からやり直す。
In step S7, the current element
ステップS8では、電流素片推定処理部2は、ランダムに一つの電流素片Jnを選択する。
ステップS9では、電流素片推定処理部2は、変更するパラメータを選択する。すなわち、電流素片Jnの位置を表すパラメータknおよび電流の大きさjnを選択するか、又は、電流の大きさjnだけを選択する。
ステップS10では、電流素片推定処理部2は、選択した電流素片Jnの、選択したパラメータを、公知の最適化方法を用いて、誤差を小さくする方向に、少し変更する。そして、ステップS5に戻る。
In step S8, the current element
In step S9, the current element
In step S10, the current element
上記ステップS2〜S10を十分な回数繰り返すことにより、誤差が十分小さくなる電流素片Jnの分布が定まる。 By repeating the above steps S2 to S10 a sufficient number of times, the distribution of current segments Jn with a sufficiently small error is determined.
ステップS11では、電流素片推定処理部2は、図8に示すように、磁場データとN個の電流素片Jnの分布とを視覚化して表示する。
In step S11, as shown in FIG. 8, the current element
実施例1の電流素片推定装置100によれば、電流素片Jnの数Nが不自然に制限されず、また、実際にはありそうもない局所解に陥ったりせず、しかも、少ない数の要素の調整により電流素片Jnを推定することが出来る。すなわち、演算時間を短縮できる。 According to the current unit estimation apparatus 100 of the first embodiment, the number N of current units Jn is not unnaturally limited, and does not fall into a local solution that is unlikely to be practical, and a small number The current element Jn can be estimated by adjusting the elements. That is, the calculation time can be shortened.
図2のステップS2において、1回目は始点Q0,制御点Q1,…および終点QRをランダムに設定するが、2回目以後のステップS2では直前の始点Q0,制御点Q1,…および終点QRを少しだけ変化させて、曲線を徐々に変化させていってもよい。 In step S2 of FIG. 2, the start point Q0, the control point Q1,... And the end point QR are set randomly at the first time, but the immediately preceding start point Q0, control point Q1,. It is also possible to change the curve gradually.
図2のステップS2において、1回目に探索空間の中央を貫通するような直線上に始点Q0,制御点Q1,…および終点QRを設定し、2回目以後のステップS2では直前の始点Q0,制御点Q1,…および終点QRを少しだけ変化させて、曲線を徐々に変化させていってもよい。 In step S2 of FIG. 2, the start point Q0, the control point Q1,... And the end point QR are set on a straight line that passes through the center of the search space for the first time. The curve may be gradually changed by slightly changing the points Q1,... And the end point QR.
MRI画像やX線画像などで脊髄の形状・位置を予め探知しておき、図2のステップS2において、1回目は探知した脊髄の形状・位置に応じて始点Q0,制御点Q1,…および終点QRを設定し、2回目以後のステップS2では直前の始点Q0,制御点Q1,…および終点QRを少しだけ変化させて、曲線を徐々に変化させていってもよい。 The shape and position of the spinal cord are detected in advance using an MRI image, an X-ray image, etc., and in step S2 in FIG. 2, the first time is the start point Q0, the control point Q1,. QR may be set, and in the second and subsequent steps S2, the curve may be gradually changed by slightly changing the immediately preceding start point Q0, control point Q1,.
図2のステップS4において、曲線上に均等に分布させてN個の電流素片J1〜JNを発生してもよい。 In step S4 in FIG. 2, N current pieces J1 to JN may be generated by being evenly distributed on the curve.
図2のステップS4において、複数の磁気センサからの磁場信号情報を用いてリードフィールド法により電流素片Jnの大きさjnを決定してもよい。
なお、リードフィールド法については、例えば Matti Hamalainen et al "Magnetoencephalography - theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain" Review of Modern Physics Vol.65 No.2, April 1993, p.413 - 498 に記載されている。
In step S4 of FIG. 2, the magnitude jn of the current element Jn may be determined by the lead field method using magnetic field signal information from a plurality of magnetic sensors.
Regarding the lead field method, for example, Matti Hamalainen et al "Magnetoencephalography-theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain" Review of Modern Physics Vol.65 No.2, April 1993, p.413-498 It is described in.
3次ベジェ曲線を用いる代わりに、3次スプライン曲線や2次ベジェ曲線などを用いてもよい。
これらの曲線については、例えば櫻井恵三他著「図形処理入門 −CAD/CGへのアプローチ」朝倉書店、2002年、“2.4 自由曲線”に記載がある。
Instead of using a cubic Bezier curve, a cubic spline curve, a quadratic Bezier curve, or the like may be used.
These curves are described in, for example, Keizo Sakurai et al., “Introduction to Graphic Processing-Approach to CAD / CG”, Asakura Shoten, 2002, “2.4 Free Curves”.
例えば、脊髄から発せられる磁場を生体磁気測定装置により測定したデータから、脊髄に存在すると仮定した電流素片の分布を推定するのに利用できる。 For example, it can be used to estimate the distribution of current segments assumed to exist in the spinal cord from data obtained by measuring a magnetic field generated from the spinal cord with a biomagnetic measuring device.
1 データ収集部
2 電流素片推定処理部
3 表示部
100 電流素片推定装置
A 生体磁気測定装置
H 被検体
h 脊髄
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