JP5178909B2 - インピーダンス切替型多点表面電極を用いた生体内電位の推定装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体内部の電気活動を推定する装置およびその方法に関し、特に、生体内部の電位の推定装置およびその方法に関する。

生体医工学、人間工学などでは脳内活動に伴う脳波計測、心臓拍動に伴う心電図など、皮膚電極を用いて生体内電気活動を計測することが一般的に行われている。また、大脳表面における電圧分布の推定など、計測データから生体電気活動の生体内分布を知ろうとする試みも多い。

一方、生体と所定平面との交線（閉曲線）上の各点において、表面電位を測定することができれば、その平面を通る生体の断面内の電位分布を一意に求めることができることが知られている（下記特許文献１、非特許文献１参照）。

また、生体（筋肉）に針を刺して、これを電極としてインナーマッスルの電位を測定する方法が知られている。
特開Ｈ１１−１１３８６７号公報 体内組織の非線形性を考慮した心電図逆問題の解法，電子通信学会論文誌，Vol.J68-C，pp.1038-1093，1985

しかし、脳幹部の電位変化、インナーマッスルの筋電図推定など、奥行き方向（断面方向）の電圧分布を容易に推定することはまだ実現されていない。

特許文献１または非特許文献１によれば、生体内部の電位分布を求めることは可能ではあるが、生体に多数の電極を隙間無く配置して測定することが必要であり、生体への負担が大きい。電極数が少なければ、生体への負担は軽減されるが、解像度の低い電位分布しか得ることができない。

また、内在筋（生体内部の筋肉）の電位を測定するために、生体（筋肉）に針を刺す方法でも、電位分布を得るには多くの針を刺すことが必要となり、生体の負担が多大であった。

従って、本発明の目的は、手軽に計測できる表面電極を用いて、生体内部、例えばインナーマッスルの筋電図計測を可能とする生体内電位の推定装置およびその方法を提供することにある。

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。なお、以下において括弧を付して図面の符号を記載するが、これは、本発明の理解をより容易にするためのものであって、本発明を限定するものでは無い。

本発明に係る第１の生体内電位の推定装置は、本体部（１）、測定部（２）、測定電極（ＥＭ）および接地電極（ＥＧ）を備えた生体内電位の推定装置であって、
前記測定電極および前記接地電極が、生体（５）の表面の異なる位置に配置され、
前記測定部が、前記測定電極および前記接地電極の間に配置され、且つインピーダンスを変更可能なインピーダンス切り替え装置を有し、
前記本体部が、前記インピーダンス切り替え装置のインピーダンスを所定値に設定する毎に、前記測定部を介して、前記測定電極の電位を測定し、測定電位として記録し、
前記本体部が、前記測定電位を用いて、前記生体内部の信号源の位置および電位を求める。

また、第２の生体内電位の推定装置は、上記の第１の生体内電位の推定装置において、前記信号源の位置および電位を求める際に、前記本体部が、前記測定電極を配置した位置を含む前記生体の断層画像を格子状に分割し、各格子点の周りに、該当するに組織に対応するアドミッタンスを配置し、且つ、前記インピーダンス切り替え装置のインピーダンスを含めた回路網を用い、該回路網の何れかの格子点と接地との間に信号源を配置した条件で、前記信号源の位置および電位を求める。

また、第３の生体内電位の推定装置は、上記の第２の生体内電位の推定装置において、前記信号源の位置および電位を求める際に、前記本体部が、
１Ｖの電圧を出力する単位信号源を前記格子点の１つと接地と間に配置し、前記回路網を用いて、前記単位信号源の位置および前記測定電極の位置毎に電圧伝達係数を求め、
信号源の仮の位置を指定し、該仮の位置に対応する前記電圧伝達係数および前記測定電位を用いて、該信号源の電位を求めて推定電位とし、
前記信号源の推定電位、および、前記信号源の仮の位置に対応する前記電圧伝達係数を用いて、前記電極の電位を計算し、
計算された前記電極の電位と前記測定電位との差が最小となる前記仮の位置を、信号源の位置として決定する。

また、第４の生体内電位の推定装置は、上記の第２の生体内電位の推定装置において、
前記断層画像が、３次元画像であり、
前記本体部が、前記断層画像を３次元の格子状に分割する。

本発明に係る第１の生体内電位の推定方法は、本体部（１）、測定部（２）、測定電極（ＥＭ）および接地電極（ＥＧ）を備え、
前記測定電極および前記接地電極が、生体（５）の表面の異なる位置に配置され、
前記測定部が、前記測定電極および前記接地電極の間に配置され、且つインピーダンスを変更可能なインピーダンス切り替え装置（ＶＲ）を有する装置を用いて生体内電位を推定する方法であって、
前記本体部が、前記インピーダンス切り替え装置のインピーダンスを所定値に設定する第１ステップと、
前記本体部が、前記インピーダンスが前記所定値に設定された状態で、前記測定部を介して、前記測定電極の電位を測定し、測定電位として記録する第２ステップと、
前記本体部が、前記測定電位を用いて、前記生体内部の信号源の位置および電位を求める第３ステップとを含み、
前記本体部が、前記第１ステップおよび第２ステップを繰り返し実行する。

また、第２の生体内電位の推定方法は、上記の第１の生体内電位の推定方法において、
前記第３ステップが、
前記本体部が、前記測定電極を配置した位置を含む前記生体の断層画像を格子状に分割し、各格子点の周りに、該当するに組織に対応するアドミッタンスを配置し、前記インピーダンス切り替え装置のインピーダンスを含む回路網を生成する第４ステップと、
前記本体部が、前記回路網の何れかの格子点と接地との間に信号源を配置した条件で、前記信号源の位置および電位を求める第５ステップとを含む。

また、第３の生体内電位の推定方法は、上記の第２の生体内電位の推定方法において、
前記第５ステップが、
前記本体部が、１Ｖの電圧を出力する単位信号源を前記格子点の１つと接地と間に配置し、前記回路網を用いて、前記単位信号源の位置および前記測定電極の位置毎に電圧伝達係数を求める第６ステップと、
前記本体部が、信号源の仮の位置を指定し、該仮の位置に対応する前記電圧伝達係数および前記測定電位を用いて、該信号源の電位を求めて推定電位とする第７ステップと、
前記本体部が、前記信号源の推定電位、および、前記信号源の仮の位置に対応する前記電圧伝達係数を用いて、前記電極の電位を計算する第８ステップと、
前記本体部が、計算された前記電極の電位と前記測定電位との差が最小となる前記仮の位置を、信号源の位置として決定する第８ステップとを含む。

また、第４の生体内電位の推定方法は、上記の第２の生体内電位の推定方法において、
前記断層画像が、３次元画像であり、
前記第４ステップにおいて、前記本体部が、前記断層画像を３次元の格子状に分割する。

本発明によれば、外部の抵抗値を変更することによって、比較的少ない表面電極を用いても、生体内部の電位分布の推定に使用することができる十分な数の表面電位データを測定することが可能となる。

また、本発明によれば、断層画像を用いて決定した回路網を使用することによって、生体内部の信号源の位置およびその電位を推定することができる。従って、生体内部の２次元的または３次元的な電位分布を得ることができる。さらに、時系列に測定した電位データを使用することによって、生体内部の電位分布の時間変化を推定することができる。

例えば、インナーマッスルの電位分布を得ることができるので、生体が運動している状態で、表面電位を測定すれば、運動中にインナーマッスルが使用されているか否か、使用されている場合には、その程度を判断することが可能になる。

また、本発明によれば、使用する表面電極の数を、従来よりも少なくすることができるので、生体への負担を軽減することができる。

本発明の実施の形態に係る生体内電位の推定装置の概略構成を示すブロック図である。 測定部２の内部構成の概要を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る生体内電位の推定装置の動作を示すフローチャートである。 人体胸部の断層撮像画像である。 断層撮像画像のメッシュ分割を説明するための図である。 図５の部分拡大図にアドミッタンスを配置した図である。 信号源および測定電極の位置を説明する図である。 体幹周囲４点に測定電極を配置して得られた電位データを示す図である。 図８の測定データを用いて４つの信号源の電位を推定した結果を示す図である。 図９の結果を用いて求めた生体内部の電位分布を３次元的に表示した図である。 体幹周囲８点に測定電極を配置して得られた電位データを示す図である。 図１１の測定データを用いて４つの信号源の電位を推定した結果を示す図である。

符号の説明

１ 本体部
１１ 演算処理部（ＣＰＵ）
１２ 一時記憶部（ＲＡＭ）
１３ 記録部
１４ 通信ＩＦ部
１５ 測定ＩＦ部
１６ 入出力ＩＦ部
１７ 内部バス
２ 測定部
３ 操作部
４ 表示部
５ 生体
６ イメージング装置
ＶＲ インピーダンス切り替え装置
ＥＭ 測定電極
ＥＧ 接地電極
Ａ アンプ
ＳＷ スイッチ
Ｚ１〜Ｚｎ 抵抗素子

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態に関して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る生体内電位の推定装置（以下、単に「推定装置」とも記す）の概略構成を示すブロック図である。本推定装置は、本体部１、測定部２と、操作部３、および、表示部４を備えている。

本体部１は、例えば、コンピュータであり、演算処理部（以下、ＣＰＵと記す）１１、一時記憶部（以下、ＲＡＭと記す）１２、記録部（例えば、ハードディスクドライブ）１３、通信インタフェース部（以下、通信ＩＦ部と記す）１４、測定インタフェース部（以下、測定ＩＦ部と記す）１５、入出力インタフェース部（以下、入出力ＩＦ部と記す）１６、及び、内部バス１７を備えている。

ＣＰＵ１１は、通信ＩＦ部１４を介して、イメージング装置６から画像データを受信する。通信ＩＦ部１４は、シリアル又はパラレルインタフェース（ＲＳ−２３２Ｃ、ＧＰＩＢなど）の形態で、イメージング装置６に直接接続されていても、ネットワーク（ＬＡＮ、イントラネット、インターネットなど）を介して、イメージング装置６に接続されていてもよい。

また、ＣＰＵ１１は、測定ＩＦ部１５を介して、測定部２を制御し、測定データを受信する。また、ＣＰＵ１１は、入出力ＩＦ部１６を介して、操作部３が操作される状況に応じた情報を取得し、処理結果などを表示部４に表示する。操作部３は、例えば、コンピュータ用のキーボード、マウスなどであり、ＣＰＵ１１に対する指示やデータを入力するための手段である。表示部４は、例えば、液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイである。入出力ＩＦ部１６は、ビデオメモリおよびＤＡ変換器を備え、表示部４のビデオ方式に応じたアナログ信号を出力することによって、所定の映像を表示部４に表示する。本体部１を構成する各部間でのデータ交換は、内部バス１７を介して行われる。

測定部２は、心電図、筋電図などの、生体５の皮膚表面の電位を測定する装置であり、生体５に接続されるインピーダンス切り替え装置を備えている。測定部２の内部構成の概要を、図２に示す。図２において、生体５の皮膚表面には、測定電極ＥＭと接地電極ＥＧとが配置されている。測定電極ＥＭは１つに限らず複数であってもよい。測定電極ＥＭと接地との間には、インピーダンス切り替え装置ＶＲが配置されている。インピーダンス切り替え装置ＶＲは、制御ラインを介して、測定ＩＦ部１５から制御信号を供給され、制御信号に応じてインピーダンスを変更することができる。一例として、図２には、複数の抵抗素子Ｚ１〜Ｚｎ（抵抗素子の抵抗値が無限大、即ち抵抗素子が接続されていない場合も含む）が並列に配置されている。制御信号に応じてスイッチＳＷが切り替えられ、複数の抵抗素子Ｚ１〜Ｚｎのうちの１つが選択されて、選択された抵抗素子が測定ラインと接地ラインとの間に接続される。測定電極ＥＭからの信号は、測定ライン上の生体計測用アンプＡを介して、測定ＩＦ部に入力される。スイッチＳＷは、測定電圧の時間変化を無視できる程度に十分短い時間（生体電位の変化を考慮すれば、約１μｓ以下、望ましくは約０．１μｓ以下）で切り替えられることが必要であり、高速のマルチプレクサなどを使用することができる。なお、複数の測定電極ＥＭを使用する場合、測定電極ＥＭ毎にインピーダンス切り替え装置ＶＲ、測定ラインおよびアンプＡを備えており、各インピーダンス切り替え装置ＶＲの構成は同じであっても、異なっていてもよい。例えば、各インピーダンス切り替え装置ＶＲの内部の抵抗素子の数や抵抗素子の値が異なっていてもよい。

イメージング装置６は、生体５の２次元断層画像を生成することができる装置であり、例えば、ＭＲＩ、Ｘ線ＣＴ、超音波ＣＴなどの装置である。撮像された画像データは、イメージング装置６から伝送され、通信ＩＦ部１４を介して記録部１３に記録される。

このように構成された本推定装置は、生体５の表面電位を測定部２によって測定し、測定された電位データと、別途にイメージング装置６によって撮像された断層画像（生体５の表面電位を測定する位置を含む）とを用いて、生体５内部の電位を推定する。

図３は、本推定装置による生体内電位の推定機能を示すフローチャートである。以下、図３に従って、生体内電位を推定する機能を、より具体的に説明する。

なお、以下においては、特に断らない限り、ＣＰＵ１１が行う処理として説明する。ＣＰＵ１１は、通信ＩＦ部１４、測定ＩＦ部１５、入出力ＩＦ部１６を介してデータを取得して記録部１３に記録する。そして、ＣＰＵ１１は、適宜記録部１３からデータをＲＡＭ１２に読み出し、所定の処理を行った後、その結果を記録部１３に記録する。また、ＣＰＵ１１は、操作部３の操作を促す画面データや処理結果を表示する画面データを生成し、入出力ＩＦ部１６を介して、これらの画像を表示部４に表示する。

また、上記したように、イメージング装置６によって撮像された断面画像データ（ＭＲＩデータ）が、記録部１３に記録されているとする。記録されている画像データは、測定電極が配置される位置を通る断面画像である。また、測定電極の数及びその位置は予め決定されており、インピーダンス切り替え装置の選択可能な抵抗値も予め決定されている。

ステップＳ１において、測定部２を使用して、生体５の表面電位を測定し、記録部１３に記録する。具体的には、測定ＩＦ部１５を介して、各インピーダンス切り替え装置ＶＲに制御信号を送信して抵抗値を設定した後に、各測定ラインの信号をＡＤ変換し、得られたデジタルデータを時刻ｔのデータとして、記録部１３に記録する。その後、測定信号が変化しないうちに、新たに制御信号を各インピーダンス切り替え装置ＶＲに送信して抵抗値を新たに設定した後に、同様に各測定ラインから信号を取得し、時刻ｔのデータとして記録する。このように、測定信号が変化しないうちに、制御信号を変更して、複数のインピーダンス切り替え装置ＶＲの抵抗値の組合せを変更し、電位の測定を繰り返す。これによって、電極ＥＭiとインピーダンス切り替え装置ＶＲiの抵抗値Ｚjとの組（ｉ，Ｚj）毎に、時刻ｔにおける測定データを得ることができる。例えば、電極の数をｎs、各インピーダンス切り替え装置の設定可能な抵抗値の数をｎrとすると、ｎs×ｎr個の時刻ｔにおける測定データを得ることができる。

さらに、測定信号が変化する時間（Δｔ）間隔で、上記と同様の測定を所定時間（Ｔ）繰り返すことによって、電極とインピーダンス切り替え装置の抵抗値との組（ｉ，Ｚｊ）毎に、所定時間Ｔにわたる時間間隔Δｔの時系列データを得ることができる。なお、後述の説明から分かるように、インピーダンス切り替え装置ＶＲを備えることによって、少ない測定電極ＥＭでも生体内部の電位を求めることができるのが本発明の特徴である。

ステップＳ２において、記録部１３から、画像データを読み出す。ここでは、画像データがＭＲＩ画像データであり、図４に示す人体胸部の断層撮像画像であるとする。図４では、各組織が異なる輝度で表示されており、従って導電率に応じた輝度で表示されている。中央付近の最も黒い部分が心臓中の血液であり、その周囲に心筋があり、左右に肺があり、それらの周囲に骨格筋がある。骨は白色で表示されている。なお、カラー画像を使用してもよい。

ステップＳ３において、ステップＳ２で取得した画像を格子状に分割し、格子点の周りに各組織に対応するアドミッタンスが配置された回路網を決定し、その回路網を表すアドミッタンス行列を決定する。例えば、図５（楕円は生体の外周を概念的に表す）に示すように、画像全体を等間隔に、縦方向にＭ分割し、横方向にＮ分割する（例えば、縦５０分割、横７５分割）。そして、図６（図５の部分拡大図）に示すように、各格子点に、その周りの４辺の位置に対応する組織のアドミッタンスが接続された回路網を作成する。図６は、心筋と肺との境界部分を拡大した図であり、中央の格子点の周りに、心筋に対応する１つのアドミッタンスY_heartと、肺に対応する３つのアドミッタンスY_lungとが接続されている。

各組織のアドミッタンスは、公知の生体の導電率から求めることができる。例えば、骨格筋、肺、骨、脂肪、血液、心筋の導電率（Ｓ／ｍ）として、それぞれ０．１２、０．０８、０．２１、０．０１、０．５、０．１が公知であり、これらの導電率を用いて、メッシュの長さから各アドミッタンスを求めることができる。なお、生体外部の導電率は、例えば０（抵抗値が無限大、アドミッタンスは０）とする。従って、ステップＳ２で読み出したＭＲＩ画像の同じ輝度で表された部分に、同じ導電率を割当てて、メッシュの長さと乗算して、各メッシュ部分のアドミッタンスを得ることができる。よって、各メッシュの場所のアドミッタンスを決定することができ、これを、行列（アドミッタンス行列）として記録部１３に記録する。例えば、縦をＭ分割し、横をＮ分割する場合、Ｍ−１行Ｎ−１列のアドミッタンス行列が得られる。なお、容量成分は考慮せず、アドミッタンスは実数である。

ステップＳ４において、生体５の内部に、電圧１Ｖの１つの信号源を配置する格子点を指定する。図７は、位置（ｘｓ，ｙｓ）に信号源が配置されていることを示す。ここでは、信号源の電圧Ｖｓ＝１（Ｖ）である。なお、上記したように、測定電極の数およびその位置（ｘe，ｙe）は、予め決定されている。

ステップＳ５において、ステップＳ４で指定された位置（ｘs，ｙs）に１Ｖの信号源が配置された条件（図６参照）で伝達係数行列Ｃを決定し、ステップＳ４で指定された信号源の位置（ｘs，ｙs）を表す情報と対応させて記録部１３に記録する。このとき、ステップＳ４で信号源を配置した格子点以外の格子点は、全て接地されているとする。

所定の位置（ｘs，ｙs）に電位Ｖsの信号源を配置し、等価回路網解析法（修正接点方程式）を解くことによって、各測定電極が配置される位置（ｘe，ｙe）における電位Ｖeは式１のように表現できる。なお、等価回路網解析法（修正接点方程式）は公知であるので説明を省略する。
Ｖe（ｘe，ｙe）＝Ｃ（Ｙ）×Ｖs （式１）
ここで、Ｖeは測定電極の位置（ｘe，ｙe）における電位、Ｃ（Ｙ）はアドミッタンスＹによる電圧伝達係数である。

従って、Ｖs＝１とすることにより、Ｃ（Ｙ）＝Ｖe（ｘe，ｙe）となり、位置（ｘs，ｙs）に信号源を配置したときの、電極の位置（ｘe，ｙe）に関する電圧伝達係数Ｃ（Ｙ）を求めることができる。このことは、信号源が1つ、且つ測定電極が1つの場合、測定電極の電位Ｖeから、式１によって信号源電位Ｖｓを推定できることを意味する。ここで、Ｃ（Ｙ）は、外部に接続される抵抗値（インピーダンス切り替え装置の抵抗値）も考慮されている。

信号源が複数（ｎ個）あり、測定電極が１つの場合、位置（ｘsi，ｙsi）に配置されるｉ番目（ｉ＝１〜ｎ）の信号源の電位をＶsiとすると、重ね合わせの原理により、測定電極の電位Ｖeは式２で表される。
Ｖe＝Ｃ1×Ｖs1＋Ｃ2×Ｖs2＋・・・＋Ｃn×Ｖsn （式２）
これは、未知数（Ｖsi）がｎ個なのに対して、条件式が１つなので解くことができない。
信号源電位Ｖsiを求めるためにはｎ箇所で電位を計測する、即ち、異なる位置に配置されたｎ個の測定電極で電位を計測する必要がある。

一般に、計測電極の数をｎe、信号源の数をｎsとすると、ｎe＝ｎs＝ｎであれば、各信号源の電位Ｖsiは一意に決まり、式３で与えられる。ステップＳ５の処理は、式３中の伝達係数行列Ｃを求めることである。

なお、ｎe＜ｎsとなると各信号源の電位Ｖsiを推定することは不可能である。従って、従来では、必要な数の電極を使用して測定が成されていた。これに対して、本発明では、インピーダンス切り替え装置ＶＲを備えることによって、電極の数を増やすことなく、条件式を増やすことが可能である。

ステップＳ６において、ステップＳ４で指定された格子点以外に、生体５の内部に信号源を配置できる格子点が存在するか否かを判断し、存在すれば、ステップＳ４に戻り、既に指定された格子点以外の格子点を、信号源を配置する格子点として指定し、再びステップＳ５の処理を実行する。従って、生体５の内部に信号源を配置できる格子点がなくなるまで、ステップＳ４〜Ｓ６が繰り返される。その結果、生体５の内部に１つの信号源を配置した格子点（ｘsi，ｙsi）、電極の位置（ｘej，ｙej）、および、抵抗部ＶＲkの抵抗値の組（セット）毎に、伝達係数行列Ｃが求められる。

ステップＳ６の条件を満たす場合、ステップＳ７に移行し、生体５の内部に、複数の信号源（ｍ個、各電圧Ｖsj（ｊ＝１〜ｍ）は未知）の各々を配置する格子点の位置（ｍ個）の組を指定する。

ステップＳ８において、ステップＳ７で配置されたｍ個の信号源の位置に対応する伝達係数Ｃij（ステップＳ５で得られた値）と、ｎ個の測定データＶeiとを記録部から読み出し、これらと式４を用いて、未知である各信号源の電位を求める。

このとき、測定データは、同時刻における、測定電極とインピーダンス切り替え装置の抵抗値との組毎のデータである。即ち、上記の式４において、測定データＶe1〜Ｖenの数ｎは、測定電極の数をｎeとし、抵抗値の数をｎrとすれば、ｎ＝ｎe×ｎrの関係がある。また、信号源の数ｍは、ｎ＞ｍであるとする。つまり、未知数である信号源の電位の数よりも、測定データの数が多い。従って、ステップＳ７で位置が指定された信号源の電位Ｖsj（ｊ＝１〜ｍ）の推定値は、最小二乗法を用いて決定する。決定された推定値は、ｍ個の信号源の位置の組と対応させて、記録部１３に記録される。

ステップＳ９において、ステップＳ８で得られた各信号源の電位の推定値を用いて、評価関数の値を求める。即ち、式４から各測定電極の測定電位Ｖei（ｉ＝１〜ｎ）を計算し、計算値と実測値との差ΔＶi（ｉ＝１〜ｎ）を求め、差の二乗を全ての測定電極について加算（Σ_iΔＶi²）する。得られた評価関数の値は、ステップＳ７で指定されたｍ個の信号源の位置の組と対応させて、記録部１３に記録される。

ステップＳ１０において、ステップＳ７で指定されたｍ個の格子点の組以外に、生体５の内部に信号源を配置できる格子点の組が存在するか否かを判断し、存在すれば、ステップＳ７に戻り、既に指定されたｍ個の格子点の組以外の格子点の組を指定して指定し、再びステップＳ８〜Ｓ９の処理を実行する。従って、生体５の内部に信号源を配置できる格子点の組がなくなるまで、ステップＳ７〜Ｓ１０が繰り返される。その結果、生体５の内部に信号源を配置したｍ個の格子点（ｘsi，ｙsi）の組毎に、評価関数の値が求められる。

ステップＳ１０の条件を満たす場合、ステップＳ１１に移行して、ステップＳ９で記録した評価関数の値を記録部から読み出し、その中の最小値を求める。そして得られた最小値に対応するｍ個の信号源の位置の組を、最終的な信号源の位置として決定する。

以上の処理によって、所定の時刻ｔでの測定データを用いて、信号源の位置およびその電位を求めることができる。

従って、所定期間にわたって時系列の電位データが測定されている場合、各時刻毎の測定データを用いて、上記のステップＳ７〜Ｓ１１の処理を繰り返せば、各信号源の電位を時系列データとして求めることができる。なお、このとき、異なる時刻の測定データを使用した場合、ステップＳ７〜Ｓ１１を繰り返せば、信号源の位置が変化する可能性がある。その場合には、時刻ｔ毎に信号源の位置及び電位が推定される。しかし、計算時間を短縮するには、例えば、所定時刻の測定データ（例えば、測定開始時の測定データ）を用いて決定された信号源の位置を固定して、その後の測定データを使用するときには、信号源の位置を求めるためのステップＳ９、Ｓ１１の処理を省略すればよい。

このように、信号源の位置およびその電位を求めることができれば、断層画像を元に決定した回路網から、生体内部の各位置の電位、即ち電位分布を求めることができる。

上記したように、本発明の１つの特徴は、生体外部にインピーダンス切り替え装置を配置し、このインピーダンスを変更しながら、比較的少ない測定電極で生体表面の電位を測定することにある。そして、第２の特徴は、そのようにして得られた表面電位データを用いて、生体内部の信号源の位置および電位を推定することにある。

従って、上記では図２の測定部２および図３のフローチャートを用いて、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されず、種々変更して実施することが可能である。

例えば、図２では、インピーダンス切り替え装置ＶＲが複数の抵抗素子を備える場合を説明したが、これに限定されない。インピーダンスを変更することができればよく、容量性素子や、抵抗及び容量の両者を含む素子を使用してもよい。

また、本発明によって多数の生体表面の電位を得ることができれば、生体内部の信号源の位置および電位を推定する方法は、種々の方法が可能である。

また、上記では、ステップＳ７〜Ｓ１１において、ｍ個の信号源の可能な全ての位置の組について評価関数を求めた後、評価関数の値の最小値を求めたが、これに限定されない。例えば、複数の信号源の位置のうちの１つだけ（信号源ｊ1）を変化させて、評価関数の値が最小となる信号源ｊ1の位置を決定して固定し、次に別の信号源ｊ2（ｊ2≠ｊ1）を同様に変化させて、評価関数の値が最小となる信号源ｊ2の位置を決定して固定するという処理を、繰り返して、各信号源の位置を決定してもよい。その場合、ｍ個の信号源の可能な全ての組について処理する場合よりも、計算時間が短くなる。なお、得られた信号源の位置を仮の位置として、それらの近傍範囲で再度変化させて、評価関数の値を求め、その最小値を求めて、信号源の位置を最終的に決定してもよい。

また、画像の分割方法は任意であり、処理時間との関係で決定すればよい。例えば、等間隔ではなく、一部の部位を他の部位よりも細かく分割してもよい。また、分割線（セルの隣接する辺）が直交していなくてもよく、斜め方向に分割してもよい。

また、測定対象の生体の部位は、頭部、胸部、腕、脚など、生体の表面電位を測定可能なあらゆる部位であってよい。

また、上記では、生体内の所定の２次元平面を推定の対象としたが、３次元の回路網を作成すれば、３次元の電位分布を求めることができる。その場合、上記と同様に、３次元ＭＲＩ画像を３軸方向に格子状に分割して、各位置の組織に対応する導電率から得られるアドミッタンスを、格子点の周りに（６個）配置することによって、３次元アドミッタンス行列を決定することができる。そして、３次元空間中の所定の格子点に信号源を配置して、上記と同様の処理を行えば、信号源の位置および電位を求めることができ、従って３次元の電位分布を求めることができる。

また、生体の外部にインピーダンス切り替え装置を配置する場合に限定されず、その代わりに、または、それに加えて、生体の接地電極の位置を変化させて電位を測定してもよい。

以下に実施例を示し、本発明の特徴をより明確に示す。図８に、体幹周囲４点に測定電極を配置して、各測定電極から得られた時系列データ（横軸が時間、縦軸が電位）を示す。中央の断層画像の上下左右に配置した測定データは、それぞれ胸、背中、左脇、右脇に配置した測定電極から得られたデータである。

図８の測定データを用いて、上記の図３を用いて説明した処理に従って、４つの信号源の電位を推定した結果を図９に示す。なお、ここでは計算時間を短くするために、４つの信号源の位置を固定（図９の断層画像の白抜きの丸印）して、信号源の電位を求めた。従って、信号源の位置を変更する処理は行っていない。なお、これらの信号源の位置は、心電図のＲ波と呼ばれるピーク値が体前面部において大きく計測されることから決定した（同じような位置に仮定している論文も知られている）。実際には心臓における発火位置（信号源の位置）は移動することが知られているので、信号源の位置も未知数として求めることが望ましい。

得られたグラフを断層画像の周囲に配置して示す。各信号源の電位のグラフを、電極からの引き出し線で示す。なお、断層画像の右側のグラフは、右下のグラフを縦軸方向に拡大したグラフである。

図１０は、図９の結果（信号源の電位）およびその前提とした回路網を用いて、生体内部の電位分布を求め、３次元的に表示したものである。座標軸は右側の図に示す。

このように、表面電位の測定データから、生体内部の信号源の電位を推定することができ、電位分布を求めることができた。図９の断層画像の右側のグラフからは、心臓の拍動による影響が少ない筋電図が得られた。なお、信号源の位置を予め固定したが、その位置が正確でない可能性があるので、誤差が最小になるように推定電位を決定した。

図１１に、体幹周囲８点に測定電極（ｃｈ１〜ｃｈ８）を配置して、各測定電極から得られた時系列データ（横軸が時間、縦軸が電位）を示す。中央の断層画像の左右に配置した測定データは、左上から左下までが、順にｃｈ１〜ｃｈ４の測定データであり、右上から右下までが、順にｃｈ５〜ｃｈ８の測定データである。

図１１の測定データを用いて、実施例１と同様に、４つの信号源（位置は固定）の電位を推定した結果を図１２に示す。断層画像の周囲に配置されたグラフの意味は、図９と同様である。

このように、表面電位の測定データから、生体内部の信号源の電位を推定することができ、電位分布を求めることができた。図１２の断層画像の右側のグラフは、図９の断層画像の右側のグラフと比較すると、心臓の拍動による影響がより少ない筋電図が得られた。

なお、実施例２では、８個の電極を配置して実験したが、実施例１と同様に４個の電極を配置し、外部に異なる抵抗を接続して測定したデータを用いれば、図１２と同様に信頼性の高い推定結果を得ることができる。

本発明によれば、外部の抵抗値を変更することによって、比較的少ない表面電極を用いても、生体内部の電位分布の推定に使用することができる十分な数の表面電位データを測定することが可能となる。また、本発明によれば、断層画像を用いて決定した回路網を使用することによって、生体内部の信号源の位置およびその電位を推定することができる。

Claims (8)

1. 本体部、測定部、測定電極および接地電極を備えた生体内電位の推定装置であって、
   前記測定電極および前記接地電極が、生体の表面の異なる位置に配置され、
   前記測定部が、前記測定電極および前記接地電極の間に配置され、且つインピーダンスを変更可能なインピーダンス切り替え装置を有し、
   前記本体部が、前記インピーダンス切り替え装置のインピーダンスを所定値に設定する毎に、前記測定部を介して、前記測定電極の電位を測定し、測定電位として記録し、
   前記本体部が、前記測定電位を用いて、前記生体内部の信号源の位置および電位を求める生体内電位の推定装置。
2. 前記信号源の位置および電位を求める際に、前記本体部が、前記測定電極を配置した位置を含む前記生体の断層画像を格子状に分割し、各格子点の周りに、該当するに組織に対応するアドミッタンスを配置し、且つ、前記インピーダンス切り替え装置のインピーダンスを含めた回路網を用い、該回路網の何れかの格子点と接地との間に信号源を配置した条件で、前記信号源の位置および電位を求める請求項１記載の生体内電位の推定装置。
3. 前記信号源の位置および電位を求める際に、前記本体部が、
   １Ｖの電圧を出力する単位信号源を前記格子点の１つと接地と間に配置し、前記回路網を用いて、前記単位信号源の位置および前記測定電極の位置毎に電圧伝達係数を求め、
   信号源の仮の位置を指定し、該仮の位置に対応する前記電圧伝達係数および前記測定電位を用いて、該信号源の電位を求めて推定電位とし、
   前記信号源の推定電位、および、前記信号源の仮の位置に対応する前記電圧伝達係数を用いて、前記電極の電位を計算し、
   計算された前記電極の電位と前記測定電位との差が最小となる前記仮の位置を、信号源の位置として決定する請求項２記載の生体内電位の推定装置。
4. 前記断層画像が、３次元画像であり、
   前記本体部が、前記断層画像を３次元の格子状に分割する請求項２記載の生体内電位の推定装置。
5. 本体部、測定部、測定電極および接地電極を備え、
   前記測定電極および前記接地電極が、生体の表面の異なる位置に配置され、
   前記測定部が、前記測定電極および前記接地電極の間に配置され、且つインピーダンスを変更可能なインピーダンス切り替え装置を有する装置を用いて生体内電位を推定する方法であって、
   前記本体部が、前記インピーダンス切り替え装置のインピーダンスを所定値に設定する第１ステップと、
   前記本体部が、前記インピーダンスが前記所定値に設定された状態で、前記測定部を介して、前記測定電極の電位を測定し、測定電位として記録する第２ステップと、
   前記本体部が、前記測定電位を用いて、前記生体内部の信号源の位置および電位を求める第３ステップとを含み、
   前記本体部が、前記第１ステップおよび第２ステップを繰り返し実行する生体内電位の推定方法。
6. 前記第３ステップが、
   前記本体部が、前記測定電極を配置した位置を含む前記生体の断層画像を格子状に分割し、各格子点の周りに、該当するに組織に対応するアドミッタンスを配置し、前記インピーダンス切り替え装置のインピーダンスを含む回路網を生成する第４ステップと、
   前記本体部が、前記回路網の何れかの格子点と接地との間に信号源を配置した条件で、前記信号源の位置および電位を求める第５ステップとを含む請求項５記載の生体内電位の推定方法。
7. 前記第５ステップが、
   前記本体部が、１Ｖの電圧を出力する単位信号源を前記格子点の１つと接地と間に配置し、前記回路網を用いて、前記単位信号源の位置および前記測定電極の位置毎に電圧伝達係数を求める第６ステップと、
   前記本体部が、信号源の仮の位置を指定し、該仮の位置に対応する前記電圧伝達係数および前記測定電位を用いて、該信号源の電位を求めて推定電位とする第７ステップと、
   前記本体部が、前記信号源の推定電位、および、前記信号源の仮の位置に対応する前記電圧伝達係数を用いて、前記電極の電位を計算する第８ステップと、
   前記本体部が、計算された前記電極の電位と前記測定電位との差が最小となる前記仮の位置を、信号源の位置として決定する第８ステップとを含む請求項６記載の生体内電位の推定方法。
8. 前記断層画像が、３次元画像であり、
   前記第４ステップにおいて、前記本体部が、前記断層画像を３次元の格子状に分割する請求項６記載の生体内電位の推定方法。

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