JP5072469B2 - 脳機能解析装置 - Google Patents

Description

本発明は、頭部に装着されて脳機能を解析する脳機能解析装置に関し、さらに詳細には経頭蓋磁気刺激の下での脳の機能を計測する脳機能解析装置に関する。

脳機能の無侵襲計測装置として脳波計（ＥＥＧ）、脳磁計（ＭＥＧ）や磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ；magnetic resonance imaging）装置を用いた脳機能計測（ｆＭＲＩ：functional ＭＲＩ）がある。ｆＭＲＩ計測は、磁気を用いて脳内の循環血液中の酸素化ヘモグロビン濃度の変化を画像として観察するもので、脳機能の解析に大きく貢献しているものであるが、被験者の拘束が大きく、計測に用いられる機器は大型で非常に高価であり、しかも機器全体を大がかりな磁気シールドで覆う必要があるなど、多くの制約がある。

また、近年では、例えば特許文献１並びに特許文献２に示すような機能的近赤外分光法（ｆＮＩＲＳ：functional near-infrared spectroscopy）と呼ばれる無侵襲的脳機能計測法が確立されている。これは近赤外光により組織の酸素化ヘモグロビンや脱酸素化ヘモグロビンの増減を体表（頭表）から光学的に計測するものであって、被験者は拘束されず運動しながら計測することができ、通常の環境下で使用することができ、ｆＭＲＩでは不可能であった計測が可能となるなど、多くの利点を備えている。

一方、安全な脳機能検査法や治療法として、例えば特許文献３に記載されているように、経頭蓋磁気刺激法（ＴＭＳ：transcranial magnetic stimulation）がある。このＴＭＳとは、頭皮上に置いたコイル（例えば８の字コイル）に電流を流すことにより磁界を発生させ、その誘導電流が脳表に発生することで、刺激部位の神経機能を一時的に興奮或いは抑制させる方法であり、繰り返し刺激を与えることで、うつ病、パーキンソン病、脊髄小脳変性症などの治療に効果があることが判明している。
特開２００７−５４３７６号公報 特開２００１−８７２５０号公報 特開２００６−２５５３１４号公報

脳機能の研究や脳治療の観点から、ＴＭＳにより磁気刺激を与えながら脳機能を計測することが望まれている。しかしながらｆＭＲＩやＥＥＧ、ＭＥＧにより脳の同時計測を行うことは、これらの計測手段では計測に磁場を利用するので、ＴＭＳで発生する磁場により脳機能計測に支障をきたすことから、実際上、共存は困難であった。
また、ＴＭＳにより脳刺激を与える場合、これまでＴＭＳのコイルを置く場所は実際の脳活動に基づいて決めることはできなかった。そのため、時間的に変動する脳活動に追従して最善の刺激部位を決めることができなかった。また、刺激中の脳機能を計測することができないため、脳活動をモニタしながら脳活動に同期して刺激を与えたり、刺激直後の脳活動の変化を調べるなどの能動的な脳機能解析を実現することができなかった。

そこで本発明は、上記の課題を解決し、ＴＭＳにより脳刺激を与えるとともに、同時に脳機能の変化を検査することができ、また、時間的に変動する脳活動に追従して最善の磁気刺激部位や磁気刺激時期を決めることができる脳機能解析装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するためになされた本発明の脳機能解析装置は、ｆＮＩＲＳ（近赤外分光法）により脳機能測定を行う脳機能計測部と、ＴＭＳ（経頭蓋磁気刺激）を与える脳刺激部と、ｆＮＩＲＳによる脳機能測定とＴＭＳによる脳刺激とを並行して行う制御部とを備え、ＴＭＳによる脳刺激を加える位置やタイミングをｆＮＩＲＳにより特定し、または、ＴＭＳにより脳刺激が加えられた位置をｆＮＩＲＳにより特定するようにしている。
すなわち、本発明の脳機能解析装置は、近赤外分光法（ｆＮＩＲＳ）による脳機能計測／解析機能と、経頭蓋磁気刺激法（ＴＭＳ）による脳刺激機能とを同時に使用し、ｆＮＩＲＳによる脳機能測定の結果に基づいて、ＴＭＳによる経頭蓋磁気刺激の加える位置やタイミングの特定を行う。また、逆にＴＭＳにより経頭蓋刺激が加えられたときの変化のｆＮＩＲＳで検出し、ＴＭＳの刺激箇所を正確に特定する。

ｆＮＩＲＳでは、脳機能測定を行うために測定光を送受するための送受光部（送受光プローブ）とそれらを支持するホルダとを頭部表面に密着させているため、ＴＭＳのコイルを同時に頭部表面近傍に配置することが困難であったため、これまでＴＭＳによる脳刺激とｆＮＩＲＳによる計測とは同時に並行して行われることはなかった。ＴＭＳ用のコイルの位置をｆＮＩＲＳの送受光部を避けるようにして頭部に接近させたり（例えば８の字コイルの孔部分にｆＮＩＲＳの送受光部を挿入）、あるいはｆＮＩＲＳの送受光部やホルダの厚さを薄くして接近させたりすることにより、ｆＮＩＲＳの送受光部やホルダを頭部に装着した状態でＴＭＳ用のコイルによる脳刺激を加えるようにして、ＴＭＳによる脳刺激の下でｆＮＩＲＳによる脳機能計測を行うようにする。

本発明によれば、ｆＮＩＲＳのプローブを装着したままで、ＴＭＳによる磁気刺激が加えられている最中あるいは刺激前後の脳機能の変化をｆＮＩＲＳによって詳細に計測することができ、例えば大脳皮質の各部位同士の連関、役割を詳細に調べることができる。また、ＴＭＳのコイルを被験者頭部に置いて脳の疾患部位または機能低下部位に磁気刺激を与えることにより、その部位の治療，回復を促進させることができる。この際、ｆＮＩＲＳにより、脳機能低下部位や疾患部位を的確に計測できるので、その部位をねらってピンポイントで的確にＴＭＳによる磁気刺激を与えることができる。また、ｆＮＩＲＳによる脳活動計測結果をディスプレイ上でモニタしながら脳活動に同期して刺激を与えたり、刺激直後の脳活動の変化も調べることができるので、効果的な磁気刺激による治療を行うことができる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
上記発明において、脳刺激部のＴＭＳを与えるためのコイルは制御部からの位置制御信号に基づいて移動するロボットアームにより支持され、制御部はｆＮＩＲＳにより測定された脳機能信号に基づいてロボットアームを移動するようにしてもよい。
これによれば、ｆＮＩＲＳにより計測された脳機能信号に基づいてロボットアームを移動し、所望の位置に適確にコイルを位置決めすることができるので、ＴＭＳによる影響と、計測された脳機能との関連性を適確に調べることができる。

以下、本発明にかかる脳機能解析装置について図面に基づき説明する。
図１に示すように、脳機能解析装置Ａは、ｆＮＩＲＳによる計測を行う脳機能計測部１１と、ＴＭＳによる脳刺激を与える脳刺激部１２と、脳機能計測部１１および脳刺激部１２を同時に並行して制御する制御部１０とを備えた装置本体１を有している。制御部１０はコンピュータ装置で構成され、ｆＮＩＲＳ、ＴＭＳに必要な制御が行われる。

脳機能計測部１１には、頭部に測定光を送受する複数本の送受光用光ファイバ２が接続してあり、これら光ファイバ２の先端には光ファイバ固定部３が形成され、被験者５の頭部に装着されたホルダ４に固定できるようにしてある。

ホルダ４は、図２、図３に示すように、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリアセタールなどの樹脂材料で形成された網目構造の支持体４ａと、この支持体４ａの交差部分に設けられたソケット４ｂとから構成され、このソケット４ｂに光ファイバ２の取付部３を挿入して光ファイバ２を取り付けることができるように構成されている。ソケット４ｂならびに光ファイバ固定部３はその厚みを薄く形成して、ロボットアーム６先端のコイル７を頭部に接近させることができるように形成されている。なお、前記支持体４ａは網目構造に代えて柔軟なシート材で形成してもよい。

脳刺激部１２は、位置制御可能なロボットアーム６が接続され、ロボットアーム６の先端には、頭部にＴＭＳによる磁気刺激を与えるための８の字状のコイル７が取り付けられている。コイル７は、局所的に磁場を発生させるループコイル、或いはループコイルと永久磁石並びにコアーとの組み合わせから構成され、脳刺激部１２からの信号によりコイル７に供給される電流を調整することにより、脳に与える磁気刺激の強弱が制御される。
ロボットアーム６は、予め被験者の頭部に対して位置合わせをしておくことにより、図示しない駆動機構により、コイル７の位置を正確に頭部近傍の任意の位置に制御できるようにしてある。

また、脳機能解析装置Ａの操作画面や検出結果を表示するディスプレイ８、入力装置９が装置本体１に接続してあり、これらを用いて操作者が装置を操作するようにしてある。さらにＭＲＩデータ等が参照できるように外部データ取込部１３が設けられ、必要に応じて、予めＭＲＩ画像診断装置で撮影したＭＲＩ画像データ等が読み込まれることにより、脳機能解析装置Ａによる測定データと連動させて使用することができるようにしてある。

次に、脳機能解析装置Ａによる測定動作の一例について説明する。ホルダ４を、図１に示すように、被験者５の頭部に装着し、ｆＮＩＲＳ計測用の光ファイバ２を固定する。
続いて、図４、図５に示すように、コイル７を頭部近傍の適当な位置にセットする。ファイバ固定部３やソケット４ｂの厚みを薄くしてあるので、コイル７を頭部表面に近づけることができ、ＴＭＳによる磁気刺激を与えることができる。

この状態で、制御部１０により、ＴＭＳにより小さな脳刺激を与えたり、刺激を停止したりするとともに、ｆＮＩＲＳによる計測を同時並行して行う。これにより、ＴＭＳによる脳刺激が与えられた脳位置に対応して、ｆＮＩＲＳ計測データ上に信号が現れるので、光ファイバ２の位置とコイル７の位置との位置関係を求める。コイル７の位置を移動して同様の操作を複数の異なる位置で行うことで、光ファイバ２とコイル７（ロボットアーム６）との位置の正確な対応付けを行うことができる。

光ファイバ２とコイル７（ロボットアーム６）との位置が対応付けられると、続いて、通常のｆＮＩＲＳによる脳機能検査を行い、被験者の脳の疾患部位または機能低下部位を検出する。
続いて、検出された位置にコイル７がセットされるようにロボットアーム６を移動させ、ＴＭＳによる通常の脳刺激を与える。これにより、疾患部位や機能低下部位に正確に位置を合わせた状態で、ＴＭＳによる脳刺激を与えることができる。
そして、ＴＭＳによる脳刺激を与えたときのｆＮＩＲＳ計測結果を、ディスプレイ８によってモニタし続けることにより、そのＴＭＳによる影響を観察することができる。

また、脳活動をモニタし続け、ｆＮＩＲＳ信号に何等かの変化が発生したときに、その脳活動に同期して刺激を与えたり、刺激直後の脳活動の変化も調べたりすることができ、効果的な磁気刺激による治療や研究を行うことができる。

また、本発明に係る脳機能解析装置では、予め取得した被験者の磁気共鳴画像（ＭＲＩ）等をディスプレイ８に表示させることにより、この画像を参照しながらｆＮＩＲＳによる脳機能計測位置とＴＭＳによる脳刺激位置とを関係付けて解析することができる。

以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施例に限られるものではない。例えば、従来からの送受光プローブ８の字形のコイル７を用いる場合には、コイル７の孔部分に光ファイバ２を挿入するようにして頭部表面に近づけてもよい（取り付け時に一時的にファイバ固定部３をホルダから外す）。

本発明は、脳機能の解明や、脳機能の疾患部位の磁気刺激による治療のための脳機能計測／解析装置として利用できる。

本発明にかかる脳機能解析装置の概略的な構成図。 本発明におけるホルダ部分の平面図。 図２において送受光プローブと電極を取り付けた状態を示す断面図。 ホルダにＴＭＳ用コイルを接近させたときの一例を示す側面図。 ホルダに光ファイバとＴＭＳ用コイルを取り付けて同時測定を行うときの一例を示す側面図。

符号の説明

Ａ 脳機能解析装置
１ 装置本体
２ 光ファイバ
３ 光ファイバ固定部
４ ホルダ
６ ロボットアーム
７ コイル
８ ディスプレイ
９ キーボード

Claims (2)

1. 近赤外測定を送受するための送受光部及び該送受光部を支持するホルダを有するｆＮＩＲＳ（近赤外分光法）により脳機能測定を行う脳機能計測部と、磁気発生コイルを有しＴＭＳ（経頭蓋磁気刺激）を与える脳刺激部と、前記ｆＮＩＲＳによる脳機能測定と前記ＴＭＳによる脳刺激とを並行して行う制御部とを備えるとともに、前記コイルを前記送受光部を避けて前記脳機能計測部の上側に配置して、前記脳機能計測部を頭部に装着したときこれに接近させ、又は前記送受光部若しくはホルダの厚さを薄くして前記コイルを前記脳機能計測部の上側に配置して、前記脳機能計測部を頭部に装着したときこれに接近させることにより、前記送受光部及び前記ホルダを頭部に装着した状態で前記コイルによる脳刺激を加え、前記ＴＭＳによる脳刺激の下で前記脳機能計測部による脳機能計測を行うことを特徴とする脳機能解析装置。
   
2. ＴＭＳによる脳刺激を与えるため頭部近傍に配置されるコイルは制御部からの位置制御信号に基づいて移動するロボットアームにより支持され、制御部はｆＮＩＲＳにより測定された脳機能信号に基づいてロボットアームを移動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。

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