JPH0342897B2

JPH0342897B2 -

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Publication number: JPH0342897B2
Application number: JP62285728A
Authority: JP
Priority date: 1987-11-12
Filing date: 1987-11-12
Publication date: 1991-06-28
Also published as: JPH01126949A

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追跡装置に係
り、特に生体の神経活動を電流双極子に置換し、
この置換によつて体表上に投影される電位分布か
ら逆に電流双極子の発生源に関する情報を得るよ
うにした等価電流双極子追跡装置に関する。

〔発明の概要〕

本発明は生体内等価電流双極子追跡装置に関
し、生体の体表面上に装着した複数の電極によ
り、生体の神経活動に基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
子によつ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、生体内の電気的な情報の流
れを追跡す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つ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価
双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
することにより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価双極
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、頭蓋が一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（コンピユータ・トモ
グラフ）、MRI（核磁気共鳴コンピユータ・トモ
グラフ）、PET（ポジトロン・エミツシヨン・ト
モグラフ）等が利用されている。これらＸ線CT
やMRI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つた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

叙上の従来構成による等価双極子法によると、
生体、例えば頭部は擬似的な球状体或は球殻状と
仮定し、無限一様媒質、即ち、脳と同じ導電率を
持つ導体が頭の外にも一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
内に一様な媒質、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、
指定された等価双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１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。今指定された等価双極子とし
て、等価双極子の真値３ａのベクトル成分方向が
第４図に示す様に空洞部２に向つている場合に、
この等価双極子の計算値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値より小さくなる。一方、
等価双極子の真値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価双極子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、従来の等価双極子法ではこれ
らの点が考慮されないために等価双極子の位置や
ベクトル成分の精度が劣化する問題があつた。

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価双極子を指定してい
るために、推定した等価双極子が脳内のどの部位
にあるかを特定出来ない事である。

本発明は叙上の欠点に鑑み成されたものであ
り、本発明の主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価双極子の
位置及びベクトル成分を高精度に求められる生体
内等価電流双極子追跡装置を得るにある。

本発明の他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、等価双極子から生体
活動部位を時々刻々表示し得る生体内等価電流双
極子追跡用表示装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は第１図に１例を示す様に生体１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
位置に電流双極子を仮定し、電流双極子によつて
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９ｂとを有するもので
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、この位置の電流双
極子を等価双極子としたものである。

〔実施例〕

以下、本発明の生体内等価電流双極子追跡装置
の一実施例を第１図乃至第３図について説明す
る。

第１図は生体１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１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CT断層像１６を15枚前後とり、次に
このCT断層像１６の二次元寸法を１枚づつデジ
タイザー１８のピツクアツプ１７を用いて入力ポ
ート１４を介しコンピユータ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。
また、三次元の頭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入力装置１９から
ｘ、ｙ、ｚの三次元座標として入力する。

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
１０で測定する。電極５からの測定電位は増幅器
６及びマルチプレクサ７を介してアナログ−デジ
タル変換器（Ａ／Ｄ）８に供給され、デジタル化
された測定電位は入力ポート１４を介してコンピ
ユータ９に供給される。コンピユータ９内には制
御部９ａと演算部９ｂを有し、アドレスバス１１
ａ及びデータバス１１ｂはROM１２、RAM１
３、入力ポート１４、出力ポート１５に接続され
ている。上記ROM１２及びRAM１３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、電極位置信号入力装置１９、電位測定
手段１０からのデータを記憶する記憶手段であ
る。コンピユータ９の演算部９ａには演算手段と
等価電流双極子設定手段とを有する。入力ポート
１４には等価双極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、出力ポート
１４にはコンピユータ９の演算結果を表示する
CRT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憶するプリンタ２０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
ローチヤ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追跡装置２３を
第１ステツプST₁に示す様に初期状態に設定す
る。次の第２ステツプST₂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２０から読み出してコンピユータ９
内のRAM１３に格納する。この様なプログラム
はコンピユータ９内の不揮発性メモリである
ROM１２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線CTを用いて１人の人間についてス
ライス間隔15mmで15枚程度のCT断層像１６を作
る。このCT断層像１６は各個人毎に頭蓋の周長、
幅、前後方向の長さ等の数種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頭蓋を計測するために
CT断層像をとる手間が省けて計測がより簡単に
なる。勿論一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CT断層像１６の二次
元画像上を各断層像１６についてピツクアツプ１
７で取り出してデジタイザー１８を使つて入力ポ
ート１４からコンピユータ９に入力し、RAM１
３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ではコンピユータ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ST₅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、ｙ、ｚ軸の三次元座標として入力し、コ
ンピユータ９内のRAM１３に格納する。

第６ステツプST₆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つ
てもよく、測定値は増幅器６→マルチプレクサ７
→Ａ／Ｄ８を介して入力ポート１４からコンピユ
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ST₇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ユ
ータ９に指定する。

次の第８ステツプST₈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ピユータ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。一般的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γの関数）である。

ここで頭蓋内の脳を無限一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２
４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、 Ψ₀：脳、空洞以外の組織における電位 Ψ₁：脳内における電位 Ψ₂：空洞内における電位 Ψout：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：頭蓋外の領域 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 s₀、s₁、s₂：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
領域が無限一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 φ∞＝Ｐ／4πσ₁・rm−ｒ／｜rm−ｒ｜³ ……(2) ここでσ₁は無限一様媒質である脳の導電率 rmは電極取付位置領域をΩとし領域内に電流湧き出し口がある場
合その領域内ではボアソンの方程式で電位を記述
できる。即ち領域Ω内で ▽²φ＝−Ｉ／σ ……(3) ここでσは導電率Ｉは電流湧き出しの強さ φは電位このボ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。

φ₀≡Ψ₀−φ∞ φ₁≡Ψ₁−φ∞ φ₂≡Ψ₂−φ∞ φout≡Ψout−φ∞ ……(4) 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。

▽²φ₀＝０ ▽²φ₁＝０ ▽²φ₂＝０ ▽φout＝０ ……(5) 式(5)の境界条件として、四つの領域の境界S₀、
S₁、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。

ここでｎは外向きの法線を表わす。

以上式(5)と(6)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ST₉では第６ステツプST₆で
測定した神経活動の測定電位（Vm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Vmと(1)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
で表される。

Ｓ＝（Vm−Vc）^t・（Vm−Vc） ……(7) 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ｒ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＝（A^tＡ）^-1・A^t・Vm ……(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 S₀＝Vm^t・（E_M−Ａ（A^tＡ）^-1・A^t）Vm……(9) ここでE_MはＭ次の単位行列として求まる。

次の第10ステツプST₁₀では二乗誤差S₀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定がコンピユータ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
ツクス法によつて電流双極子の位置を第11ステツ
プST₁₁に示す様に移動させて、第８ステツプ
ST₈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。尚上述のシンプレツクス法は非線形
最適化手法の一つであり、反復計算を行なうこと
によつ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価双極子を仮
定し、その等価双極子が発生する頭皮上の電極位
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
差の値をもつ頂点を、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)式にのつとつて行われる。

Xr＝（１＋α）Xm−αXh Xe＝γXr＋（１−γ）Xm Xc＝βXh＋（１−β）Xm ……(10) 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 Xm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、最終的に求まつた位置と決定する。

この様に二乗誤差の値が収束して“YES”の
状態になり基準値以下になつたら、第12ステツプ
ST₁₂の様にその位置の電流双極子を等価双極子
として、位置をRAM１３等のメモリに記憶させ
る。

次に、第12ステツプST₁₂で決定した位置の等
価双極子の第８式に示すベクトル成分ｐを第13ス
テツプST₁₃に示す様にコンピユータ９の演算部
９ｂで演算する。

次の第14ステツプST₁₄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子度ｄを計算する。
この双極子度ｄは(11)式で求められる。

ここでＭは電極の数である。

次にこの双極子度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ST₁₅で判断する。
例えば双極子度ｄの限界値を90％以上とし、90％
以上のものは有効とし、90％以下では第７ステツ
プST₇に戻し次の時点のサンプリング値を指定す
る。双極子度ｄが90％以上であれば第16ステツプ
ST₁₆に示す様に、表示手段のCRT２２上に電流
双極子の位置とベクトル成分を三次元で表した頭
部の図形内に表示する。

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、頭蓋内のある位置に電
流双極子を仮定し、その電流双極子から各々の電
極位置に生じる電位を(1)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S₀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子度を求め
て、電流双極子を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。

尚、上記実施例では特定の時刻に於ける等価双
極子の位置と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価双極子を求めてメモ
リに記憶させ、これらを同一画面上に同時に表示
することで等価双極子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〕

本発明は叙上の如く構成させたので生体内の電
流双極子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）によつ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つて例えば脳内での情報処
理過程を解明できる。更に頭部寸法を入力する場
合、標準モデルパターンを使用すれば被検者に対
し、無侵襲で安全に生体内の測定を行うことがで
きる。即ち、Ｘ線CTやPET等の様にＸ線を照射
したり、放射生物質を投与する必要がない等の特
長を有する。

【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追跡装
置の１例を示す系統図、第２図は第１図のフロチ
ヤート例、第３図は不均質媒質を説明する頭部模
式図、第４図は不均質媒体の影響を説明するため
の頭部模式図である。１は生体、２は空洞部、５は電極、９はコンピ
ユータ、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追跡装置、２４
は脳である。

Claims

【特許請求の範囲】１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、媒質が不均一な生体内の任意の位置に電流双極
子を仮定し、該電流双極子によつて作られる上記
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
とを有することを特徴とする生体内等価電流双極
子追跡装置。２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
電流双極子によつ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
合を演算する近似度合演算手段とを有し、上記近似度合演算手段により得られた等価電流
双極子の位置並にベクトル成分を表示手段に表示
して成ることを特徴とする生体内等価電流双極子
追跡用表示装置。