JPH01256932A - 生体内等価電流双極子の表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は生体内等価電流双極子の表示装置に係り、特に
双極子度の値を表示手段画面上に解りやすく表示する様
にした生体内等価電流双極子の表示装置に関する。

〔発明のｍ要〕

本発明は生体内等価電流双極子の表示装置に関し、生体
の体表面上に装着した複数の電極により、生体の神経活
動に晶づいて各電極に生じる電位を同時に測定し、次に
不均質媒質とした生体内の所定位置に電流双極子を仮定
し、この電流双極子によって作られる各電極位置の電位
を計算により求め、更に、各電極毎に得られた実測値と
計算値との間の二乗誤差を求め、この二乗誤差が最小と
なる電流双極子の位置とベクトル成分を求めて等価電流
双極子とし、更に上述の生体の各電極に生ずる実測値並
に、二乗誤差が最小となる電流双極子の位置との残差を
求めて、所定値以上の近似度を示す双極子度を求めて、
これら電流双極子の存在する位置を表示手段の画面上に
二重円で表示し、双極子度の値を二市円の内側円の半径
に比例させて表示することで、生体内の電気的な流れを
追跡すると共に脳内の電気的活動部位（シナプス）の大
きさの度合を一見して解る様にしたものである。

〔従来の技術〕

従来から、生体の神経活動により、体表面上に現われる
電位を測定する装置としては脳波計、筋電計、誘発電位
加算装置等が使用されている。近時、生体の神経活動に
伴って体表面上に発生する電位を計測し、生体内の活動
部位を推定する等漬水極子法が提案されている。この方
法は例えば、脳の各活動部位の細胞が刺激されると起電
力を発生して、頭皮上に電位分布を生ずる。この様な電
位分布から各部位を電気的な双極子で対応させ、この双
極子の位置とベクトル成分を上述の電位分布から演算し
て活動している脳細胞の位置を推定することによｊ１７
脳の活動状態を追跡する様にしたものである。この様な
双極子を推定する等漬水極子法に於ては、双極子が発生
する電位分布を繰返し演算する関係から、従来では電位
分布計算を行うために、例えば、頭を完全な球と仮定す
ると共に、頭蓋が−様な無限導体の中にあるものと仮定
し演算が行なわれた。更に、頭部内に均質な脳があるも
のとした均質導体球又は同心或は異心の球殻を仮定して
電位分布を演算する方法等が提案されている。

又、脳内の生理的現象の発生部位を立体的に表示する装
置として、Ｘ線ＣＴ　（コンピュータ・トモグラフ）、
ＭＲｌ＜核磁気共鳴コンぐユータ・トモグラフ）、ＰＥ
Ｔ（ポジトロン・エミッション・トモグラフ）等が利用
されている。これらＸ線ＣＴＪ？）ＭＨＩでは脳器質の
状態を視るものであり、ＰＥＴは活動している組織の代
謝の結果を視るもので、生体内の電気的情報の流れを時
々刻々追跡表示することが出来なかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

成上の従来構成による等ｌｌ１ｉ双極子法によると、生
体、例えば頭部は擬似的な球状体或は球殻状と仮定し、
無限−様媒質、即ち、脳と同じ導電率を持つ導体が頭の
外にも−様に存在すると仮定するか、又は頭部を球状体
或は球殻状と仮定し、球体内に−様な媒質、即ち脳があ
ると仮定して電位分布を演算するために二つの問題が発
生する。第１の問題は頭部内を均一の媒質としているた
めに、指定された等個我極子の位置及びベクトル成分の
精度が十分ではなくなることである。この原因を第４図
によて説明する。第４図は生体（１１として頭蓋骨を考
え、この頭蓋骨内に眼孔や耳孔の空洞部（２）を考慮し
ている。今指定された等油水蜘子として、等個我極子の
真価（３ａ）のベクトル成分方向が第５図に示す様に空
洞部（２）に向っている場合に、この等捕水梯子の計算
値（３ｂ）は空洞部（２）の影響を受けて真の位置より
空洞部（２）から遠ざかると共にそのベクトル成分は真
価より小さくなる。一方、等個我極子の真値（３ａ’）
のベクトル成分方向が空洞部（２）に平行している場合
はこの等個我極子＜３ｂ’）は空洞部（２）の影響を受
けて真の位置より空洞部（２）に近づくと共にそのベク
トル成分は真値（３ｂ’）より大きくなる。しかし、従
来の等漬水極子法ではこれらの点が考慮されないために
等捕水梯子の位置やベクトル成分の精度が劣化する問題
があった。

次に第２の問題は頭部はもともと球状体でないのに頭蓋
を球で近似して等個我極子を指定しているために、推定
した等捕水梯子が脳内のどの部位にあるかを特定出来な
い事である。

そして、これら等個我極子の位置を表示手段に表示する
方法は、第６図に示す様に求めた等（１１ｉ双極子（３
）の位置を例えば、頭蓋モデルである生体（１１内の電
気的興奮部位として黒点で表示し、そのベクトル成分（
２５）をベクトル表示していた。この為に求めた等価電
流双極子から発生する電極位置と実測電位がどの程度近
似しているかを見ることが出来ない欠点があった。

本発明は成上の欠点に漏み成されたものであり、本発明
の目的は生体内の電気的な情報の流れを経皮的に追跡す
る際に推定する等漬水極子の位置及びベクトル成分を高
精度に求めると共に求めた等価電流双掻子の位置から発
生する電位と、実測電位がどの程度近似しているかを表
示することで、生体の電気的活動部位が大きな拡りを持
つ場合、或は複数の活動部位がある場合などを識別する
ことが出来る様にした生体内等価電流双極子の表示装置
を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は第１図及び第４図に１例を示す様に生体（１１
に装着された複数の電極（５）の電位を同時に測定する
電位測定手段（１０）と、媒質が不均一な生体内の任意
の位置に電流双極子（３）を仮定し、電流双極子（３）
によって作られる複数の電極（５）に夫々対応する電位
を演算する演算手段（９ｂ）と、電位測定手段（１０）
の実測値と、演算手段（９ｂ）の計算値との間の二乗誤
差を演算する二乗誤差演算手段（９ｂ）と、二乗誤差演
算手段（９ｂ）から得た二乗誤差値を最小にする電流双
極子（３）の位置とベクトル成分（２５）を求めて等価
電流双極子（３）とする等通電流双極子設定手段（９ｂ
）と、電位測定手段（ｌＯ）の実測値と等通電流双極子
設定手段（９ｂ）から残差を求めて所定値以上の近似度
合を演算する近似度合演算手段（９ｂ）とを有し、近似
度合演算手段（９ｂ）により得られた等価電流双極子（
３）の存在する位置を表示手段（２２）の画面上に二重
円で表示し、双極子度（２６）の値を該二重円内の内側
円の半径に比例させて表示して成るものである。

〔作用〕

生体に装着した複数の電極の電位を測定して実測値とし
、生体内の任意の位置に電流双極子を仮定して、この電
流双極子により作られる電位を演算して計算値とし、各
電極の電位の実測値と計算値との間の二乗誤差を演算し
て、その値が最小となる電流双極子の位置を求め、実測
値と計算値との残差を求めて近似度合である双極子度を
求め、これら等価電流双極子の存在する位置を表示手段
に二重円で表示し、双極子度の値を二重円内の内側円の
半径に比例させて表示し生体内の例えば脳内のシナプス
の活動部位の大きさの度合を一見して解る様にしたもの
である。

〔実施例〕

以下、本発明の生体内等価電流双極子の表示装置の一実
施例を第１図乃至第４図について説明する。

第１図は生体Ｕ＋を頭部内の脳として、脳細胞活動状態
を追跡する場合の系統図を示すものである。

以下第１図について詳記する。

まずはじめに生体（１１体表の測定部位、例えば、頭部
の形状寸法を正確につかむために、Ｘ線−ＣＴを用いて
Ｃ’ｌ’ｌｆｉ層像（１６）を１５枚前後とり、次にこ
のＣ’ｒ断層像（１６）の二次元寸法を１枚づつデジタ
イザー（１８）のピックアップ（１７）を用いて入力ボ
ート（１４）を介しコンピュータ（９）に読み込んで、
その信号から三次元の頭部形状を求める様にする（第４
図参照）、また、三次元の８１部形状に対応させた各電
極位置をキーボード等の電極位置信号人力装置（１９）
からＸ＊　　３’ｌ　　２の三次元座標として人力する
。

次に、頭部（１）に例えば２１個前後の電極群（５）を
装着して脳内神経活動に基づく電位を電位測定手段（ｌ
Ｏ）で測定する。電極（５）からの測定電位は増幅器価
）及びマルチプレクサ（７）を介してアナログ−デジタ
ル変換１１　（Ａ／Ｄ）　＜ｓ＋に供給され、デジタル
化された測定電位は入力ボート（１４）を介してコンピ
ュータ（９）に供給される。コンピュータ（９）内ニは
制御部（９ａ）と演算部（９ｂ）を有し、アドレスバス
（ｌｌａ）及びデータバス（ｌｌｂ）はＲＯＭ（１２）
　、　ＲＡＭ　（１３）　、人力ボート（１４）、出方
ボート（１５）に接続されている。上記ＲＯＭ（１２）
及びＲＡＭ　　（１３）は信号処理に必要なプログラム
を記憶すると共にデジタイザー（１８）、電極位置信号
人力装置（１９）　、電位測定手段（１ｏ）からのデー
タを記憶する記憶手段である。コンピュータ（９）の演
算部（９ａ）には演算手段と等価電流双極子設定手段並
に近似度合演算手段とを有する。入力ボート（１４）に
は等漬水梯子を求めるプログラム等が格納された外部記
憶装置（２０）が接続され、出力ボート（１４）にはコ
ンピュータ（９）の演算結果を表示するＣ　Ｒ’ｒ等の
表示手段（２２）と表示手段（２２）に表示されたデー
タや波形を記録するプリンタ（２１）が接続されている
。

上述の構成に於ける、本例の動作を第２図のフロチャー
トにより説明する。

第２図に於いて、図示しないが電源を“オン″して本例
の生体内等価電流双極子表示装置（２３）を第１ステツ
プＳ　”ｒ　１に示す様に初期状態に設定する。次の第
２ステツプＳ　Ｔ　２では後述する各種演算用のプログ
ラム及び信号処理用のプログラム等を外部記憶装置（２
０）から読み出してコンピュータ（９）内のＲＡＭ（１
３）に格納する。この様なプログラムはコンピュータ（
９）内の不揮発性メモリであるＲＯＭ（１２）内に予め
記憶して置けば第２ステツプＳＴ２は不要となる。

次の第３ステツプＳＴ３では例えば生体（１）である頭
部形状寸法を入力する。頭蓋形状寸法計測の１例として
ｘ　ｉｓ　ｃ　’ｒを用いて１人の人間についてスライ
ス間隔１５Ｍ１１で１５枚程度のＣＴＷｒＪ’ｉｌ像（
１６）を作る。このＣＴ断層像（１６）は各個人毎に頭
蓋の周長９幅９前後方向の長さ等の数棟のパラメータを
測定し、数種類用意した標準モデルに当はめる方法をと
る様にすれば一人一人のＤＩ蓋を計測するためにＣ′ｒ
断層像をとる手間が省けて計測がより簡単になる。勿論
−人一人の頭蓋を計測してもよい、この様にスライスし
た１５枚のＣ′ｒ断層像（１６）の二次元画像上を各断
層像（１６）についてピックアップ（１７）で取り出し
てデジタイザー（１８）を使って入力ボート（１４）か
らコンビエータ（９）に入力し、ＲＡＭ（１３）に記憶
する。この場合にスライスを三次元的に積み重ねて行く
ときに、「ずれ」が生じない様にスライス断面と垂直な
３本の直線の交点を各スライスに指定して置くを可とす
る。

この様に入力された頭部形状寸法に基づいて、第４ステ
ツプＳＴ４ではコンピュータ（９）は補間計算をして頭
蓋の三次元データに変換する。

次の第５ステツプＳＴｓでは生体（１）の頭部に載置し
た２１個前後の電極（５）位置を第４ステツプＳＴ４で
得た三次元の頭部形状に対応させるために第１図に示す
キーボード等の電極位置信号入力装置（１９）からｘ＋
　　７１　　Ｚ軸の三次元座標として入力し・コンピュ
ータ（９）内のＲＡＭ（１３）に格納する。

第６ステツプＳＴｓでは第１図に示す様に生体（１）で
ある頭部に２１個前後の電極群（５）を載置し・脳内神
経活動に基づく電位測定が行なわれる。この様に測定さ
れた神経活動の電位は電気刺激、光刺激、音刺激等の種
々の刺激に対する誘発電位、或は刺激を加えない状態で
の神経活動の電位であってもよく、測定値は増＠器価）
→マルチプレクサ（７）−Ａ　／　Ｄ　（８１を介して
入力ボート（１４）からコンピュータ（９）にデジタル
データとして供給され、ＲＡＭ（１３）上に格納される
。

第７ステツプＳＴｖでは神経活動の電位のうちから１サ
ンプルクロツクの電位を取り出しコンピュータ（９）に
指定する。

次の第８ステツプＳＴｓでは電流双極子を頭蓋内の所定
位置に置いたと仮定したときの指定した電極（５）位置
の伝達行列をコンビエータ（９）の演算手段（９ｂ）が
演算し、電流双極子が発生する各電極位置の電位を計算
する。−船釣に神経活動電位の発生源を電流双極子と仮
定したときその電流双極子により頭皮上に発生する電位
Ｖｃは（１）式で表される。

Ｖｃ　＝Ａ　（ｒ）　　・ｐ　・・・（１）ただし、ｐ
：電流双極子のベクトル成分、ｒ：電流双極子の位置、 Ａ　（ｒ）　　：電極の数をＭとするとＭ行３列の伝達
行列（双極子の位置 ｒの関数） である。

ここで頭蓋内の脳を無限−様の媒質と考えた場合に仮定
した電流双極子から発生する電位をφ。

とし、この電位から第３図に示す様に生体（１）として
の頭蓋骨内に眼孔、耳孔等の空洞部（２）及び脳（２４
）を考えた不均質媒体の電位に変換することを考える。

第３図に於いて、 ′Ｐｏ　：脳、空洞以外の組織における電位ｖ１　：脳
内における電位 ｖ２　：空洞内における電位 Ｖｏｕｔ：頭蓋外における電位 Ω０　；脳、空洞以外の組織の領域 Ω１　：脳の領域 Ω２　：空洞の領域 Ωｏｕｔ：９１蓋外の領域 σ０　：脳、空洞以外の組織の導電率 σ１　：脳の導電率 σ２　：空洞の導電率 σｏｕｔ　：頭蓋外の導電率 ｓｏ、Ｓ１ｒ　　３２　　：各領域との境界とすると、
電流双極子を領域Ω１内に置き、この領域が無限−様媒
質であると仮定したときのこの電流双極子から発生する
電位をφ。とすると、φ〜は式■で与えられる ここでσ１は無限−様媒質である脳の導電率ｒ請は電橋
取付位置 領域をΩとし領域内に電流湧き出し口がある場合その領
域内ではポアソンの方程式で電位を記述できる。即ち領
域Ω内で Ｖ”ボーーー　　　　　　　　　・・・・・（３）σ ここでσは導電率 ｌは電流湧き出しの強さ φは電位 このポアソンの式は境界要素法では解きにくいので、次
の式を定義する。

この式（４を用いればポアソンの方程式は次のラプラス
の式となり、境界要素法で解けることになる。

式（５）の境界条件として、四つの領域の境界５ｏｎＳ
Ｌ、Ｓ２上では電位及び電流密度が等しいので次の式が
成立する。

以上式（５）と価）を境界要素法を用いて解くことによ
り、不均質媒質における電位が求まる。

次の第９ステツプＳＴｓでは第６ステツプＳ′ｒεで測
定した神経活動の測定電位（ｖ−とする）から直接電流
双極子を求めるのは困難なので次に述べる方法で電流双
極子を求める。

上述の測定電位Ｖ−と（１１式で求めた不均質媒質での
電位Ｖｃとの二乗誤差をＳとするとＳは（７）式％式％ ここでｔは転置行列である。

この二乗誤差Ｓを最小とするような電流双極子の位置ｒ
とベクトル成分ｐを求める。電流双極子の位置「を任意
に固定したとき（７）式を最小にするベクトルｐは（１
）式とから次の様に求まる。

ｐ−（Ａｔ　Ａ）−”・Ａｔ　・■−・・・・（８）ベ
クトル成分ｐをこの様に選んだとき、二乗誤差Ｓは電流
双極子の位置ｒだけの関数としてＳｏ　ｍＶｔａｔ　・
　（ＥＭ　−Ａ　（ＡｔＡ）−’Ａ’　）Ｖ＊　＝（９
１ここでＥＭはＭ次の単位行列である。

次の第１０ステツプ５ＴＩＯでは二乗誤差Ｓｏを最小に
する電流双極子の位置ｒを求め、二乗誤差が基準値以下
であるか否かの判断がコンピュータ（９）で成される。

この二乗誤差が基準以上である場合はシンプレックス法
によって電流双極子の位置を第１１ステツプ５Ｔｔｔに
示す様に移動させて、第８ステツプＳＴｓに戻して二乗
誤差の値が収束する迄この動作を繰り返す、尚上述のシ
ンプレックス法は非線形最適化手法の一つであり、反復
計算を行なうことによって近似解を求めるものである。

この反復計算を行なうとき、例えば頭蓋内に正四面体を
設定し、正四面体の四つの頂点位置に等漬水挽子を仮定
し、その等捕水極子が発生する頭皮上の電橋位置での電
位と、実測電位との二乗誤差を各等価双極子ごとに計算
し、そのうちで一番大きな二乗誤差の値をもつｍ点を、
二乗誤差が小さくなる方向へ移動させる。このときどこ
へ移動させるかのアルゴリズムは（１０）式にのっとっ
て行われる。

ここでＸは四面体の頂点位置 ｘｈは二乗誤差が最大となる頂点位置 Ｘｎ＋はｘｈを除いた全頂点での重心 α、β、γは定数 Ｘｒ、Ｘｅ、Ｘｃは上記式での計算後の値この三つの式
を計算しながら、四面体の各頂点を、二乗誤差が小さく
なる方へ移動させ、停止条件を満足したところで停止す
る。この停止したときの位置が、最終的に求まった位置
と決定する。

この様に二乗誤差の値が収束して“ＹＩＡＳ″の状態に
なり基準値以下になったら、第１２ステツプ５Ｔ１２の
様にその位置の電流双極子を等捕水極子として、位置を
ＲＡＭ（１３）等のメモリに記憶させる。

次に、第１２ステツプ５Ｔ１２で決定した位置の等油水
楊子の第８式に示すベクトル成分ｐを第１３ステツプ５
Ｔ１３に示す様にコンピュータ（９）の演算部（９ｂ）
で演算する。

次の第１４ステツプ５Ｔ１４では実測された電位に対し
て電流双極子から求めた電位がどの程度近似しているか
の程度を表す双極予震ｄを計算する。

この双極予震ｄは（１１）式で求められる。

ここでＭは電極の数である。

次にこの双極予震ｄの値を予め決めておき、限界値以上
か否かを第１５ステツプ５Ｔ１ｓで判断する。

例えば双橋予震ｄの限界値を８０％以上とし、８０％以
上のものは有効とし、８０％以下では第７ステツプＳ　
Ｔ　Ｔに戻し次の時点のサンプリング値を指定する。双
極予震ｄが８０％以上であれば第１６ステツプＳ　Ｔｔ
ｃに示す様に、図形形成をコンピュータ（９）が行なう
。この図形は第４図に示す様にＣ′ｒ断層像（１６）か
ら求めた三次元の頭部形状（生体（１））内に等捕水極
子（３）の位置を二重内で表示する。本例の場合、水掻
予震（２６）は赤色の内周円で表され、（２６ａ）が限
界値の８０％の双極予震を示すものとすれば（２６ｂ）
は１００％の双極予震を示し、（２６ｃ）は９５％の双
掻予震を示すと云う様に白色の外周円から成り立つ等捕
水極子（３）内の円の半径に比例して双極予震ｄを形成
させる。ベクトル成分（２５）はモーメントを示し第１
３ステツプで求めたベクトル成分であり、必要に応じて
等漬水極子位置に付加する。この様に図形成形を行なっ
た後に第１７ステツプＳ　Ｔ　１７で示す様に双極子位
置、ベクトル成分並に双極予震ｄを表示手段（２２）上
に表示させることで第４図に示す様な表示が成される。

この様に双極予震は求めた双極子位置及びベクトル成分
の電位と実測値の電位がどの程度近似しているかを表す
もので、脳内の電気的興奮電位が一個所に局在している
様な、例えば脳内の電気的活動部位が大きな拡りを持つ
場合或は複数の活動部位が動作しているとき、これを単
一の等捕水極子で近似すると近似度が悪くなるために必
要なものである。

本例は上述の様な制御動作が成されるが、これら制御動
作を要約すれば、ＭＭ内のある位置に電流双極子を仮定
し、その電流双極子から各々の電極位置に生ずる電位を
（１１式を用いて計算する。そして各々の電極で実測さ
れた電位Ｖｍと電流双極子から計算された電位Ｖｃとの
二乗誤差ＳＯを計算する。次に電流双極子の位置を少し
ずらし前記と同様に二乗誤差を求める。この様にして電
流双極子の位置を少しずつ変えていきながら二乗誤差が
最小になる位置をみつけ、そこを電流双極子の位置と決
める。又、実測電位に対して電流双極子から求めた電位
の近似度合を示す双極予成を求めて、電流双極子位置と
双掻予震をＣＲＴ上に表示させる様にして、神経活動状
態を追跡出来る様にしたものである。

面、上記実施例では特定の時刻に於ける等漬水掻子の位
置と双極子度ｄ並にベクトル成分を求める場合を説明し
たが、いくつかの時点の等漬水極子と双極予成を求めて
メモリに記憶させ、これらを同一画面上に同時に表示す
ることで等（山水極子と双極予成の経時変化を追跡する
ことも出来、その他、上述の実施例に限定されることな
く本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能で
ある。

〔発明の効果〕

本発明は紙上の如く構成させたので生体内の電流双極子
や双極予成の早い動きや位置を正確に追跡可能となる。

又、体表面電位の発生源と考えられている生体内の異常
部位のみならず正常機能状態の下で外界からの刺激（光
、音、電気、特定の質問または投薬）によって特に興奮
する部位などに関する情報を追跡することによって例え
ば脳内での情報処理過程を解明する場合に表示手段を一
見するだけで等個人極子位置、双極予成が解る効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の生体内等価電流双極子表示装置の１例
を示す系統図、第２図は第１図のフロチャート例、第３
図は不均質媒質を説明する頭部模式図、第４図は本発明
の表示手段の双極子位置及び双極予震表示方法を示す模
式図、第５図は不均質媒体の影響を説明するための頭部
模式図、第６図は従来の表示手段の双極子位置表示方法
を示す模式図である。 （１）は生体、（２）は空洞部、（５）は電極、（９）
はコンピュータ、（１０）は電位測定手段、（１８）は
デジタイザ、（１９）は電極位置信号入力装置、（２２
）は表示手段、（２３）は生体内等価電流双極子表示装
置、（２４）は脳、（２６）は双極予成である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 生体に装着された複数の電極の電位を同時に測定する電
   位測定手段と、 生体内の任意の位置に電流双極子を仮定し、該電流双極
   子によって作られる上記複数の電極に夫々対応する電位
   を演算する演算手段と、 上記電位測定手段の実測値と、上記演算手段の計算値と
   の間の二乗誤差を演算する二乗誤差演算手段と、 上記二乗誤差演算手段から得た二乗誤差値を最小にする
   電流双極子の位置とベクトル成分を求めて等価電流双極
   子とする等価電流双極子設定手段と、 上記電位測定手段の実測値と上記等価電流双極子設定手
   段から残差を求めて所定値以上の近似度を演算する近似
   度演算手段とを有し、 上記近似度演算手段により得られた等価電流双極子の存
   在する位置を表示手段の画面上に二重円で表示し、双極
   子度の値を該二重円の内側円の半径に比例させて表示し
   て成ることを特徴とする生体内等価電流双極子の表示装
   置。