JPH08173398A - 脳機能計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】感覚刺激を呈示する手段と、被験者頭部の位置
を示すマーカ４１とを被験者頭部に固定するためのマス
ク１と、マーカ４１に対応した被験者頭部２４の位置計
測手段とを用いる。 【効果】脳機能計測手段によらず、高い精度で被験者頭
部の位置計測が可能であり、かつ、脳機能計測中の位置
計測も可能である。また、複数の脳機能計測手段にわた
る座標合わせも容易に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の脳機能計測手段
に共通した、被験者頭部の位置決め手段と刺激手段とを
備えた脳機能計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高度化した科学技術は生体情報を非侵襲
にイメージングすることを可能とした。生体情報を得る
には（１）脳電位や脳磁気のように生体が出す信号を受
動的に受け取る方法と、（２）超音波エコー装置や磁気
共鳴イメージング装置やＸ線ＣＴのようにエネルギ（例
えば、超音波，磁気，Ｘ線）を体外から与えたときに体
内から出てくる信号を受け取る方法と、（３）γカメラ
や陽電子放出コンピュータ断層装置のように体内に入れ
た放射性同位元素が放出する放射線を体外で受け取る方
法とがある。方法の違いは得られる生体情報の違いを反
映し、さらに、同じ方法であっても装置によって得られ
る生体情報は異なる。より正確な医学的な診断や生理学
的検討を行うためには、より多くの情報を集めることが
必要であり、複数の非侵襲的な計測方法による情報収集
が不可欠である。

【０００３】それら複数の情報を組み合わせて使う場合
には、まずそれぞれの計測手段で用いている空間座標を
一致させることが必要である。例えば、磁気共鳴イメー
ジング像と脳磁気計測との座標合わせを行うためには、
脳磁気計測においてナシオン（鼻前額縫合線上の正中
部）やイニオン（後頭骨の分界頂線と正中矢状面との交
点）、耳孔前点などの位置を脳磁気の座標系で計測して
おき、次にそれらの位置に磁気共鳴イメージング像に映
る脂肪などの錠剤（マーカ）をつけ、磁気共鳴イメージ
ング像を撮影する。最後に、得られた磁気共鳴イメージ
ング像からマーカの座標を読みとり、マーカの位置をも
とに、脳磁気計測座標系から磁気共鳴イメージング座標
系への、あるいは、磁気共鳴イメージング座標から脳磁
気計測座標への変換行列を作成する。磁気共鳴イメージ
ングと脳磁界計測との間で空間位置に関する生体情報を
やり取りする場合には、これらの変換行列を利用する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記の座標合わせの方
法では、磁気共鳴イメージング像の空間分解能が、脳磁
気計測における位置計測の空間分解能に比べ低いため、
座標合わせの精度はマーカの大きさ、つまり、磁気共鳴
イメージングの空間分解能に依存する。また、脳磁気計
測においても、磁気を利用した３次元ディジタイザを用
いた位置計測では脳磁気の計測中に位置を計測すること
ができない。

【０００５】本発明の目的は、脳機能計測手段によらず
被験者頭部の位置計測が高精度で可能であり、かつ、脳
機能計測中においても位置計側が可能な、被験者頭部の
位置計測手段を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題は、脳機能計測
手段とは異なる計測原理と、複数の脳機能計測手段で共
通に利用可能な形状とを有する被験者頭部の位置計測手
段を脳機能計測手段に付加することで達成される。

【０００７】

【作用】本発明における被験者頭部の位置計測では、被
験者頭部の離れた位置に固定した３個以上のマーカの３
次元位置を、光を利用したマーカ位置の計測手段により
計測する。光を用いた位置計測手段は、脳機能計測手段
に影響を与えない。

【０００８】マーカ位置の計測では、まず、マーカを被
験者頭部の３カ所以上の位置につけ、各マーカの３次元
位置を任意の座標系で計測する。その後、脳機能計測手
段に取り付けた光照射・受光手段より直進光をマーカに
照射し、同じ光照射・受光手段でその反射光を受光し
て、反射光の有無と強度とによりマーカの２次元位置を
知る。それぞれのマーカの２次元位置と、あらかじめ計
測していたマーカの相対的な位置から、脳機能計測座標
におけるマーカの３次元位置を得る。

【０００９】このとき、マーカは被験者頭部に直接つけ
るのではなく、刺激呈示手段を固定するために被験者頭
部に装着したマスクに固定する。これは、マーカを直接
被験者の頭皮に固定する手法では、頭髪や頭部の形状に
よりマーカの位置確認や、固定が困難な場合があるから
である。また、被験者頭部座標におけるマーカの位置の
計測は、脳機能計測と独立している。そのため、この位
置計測には磁気を利用した３次元ディジタイズ技術など
を利用することが可能である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例として、まず、マスク
の装着と、被験者頭部座標におけるマーカ位置の計測と
の例を説明し、次に、脳機能計測手段に磁気共鳴イメー
ジングを用いた脳機能計測の例と脳磁気計測を用いた脳
機能計測の例とを説明し、最後にこれらの脳機能計測手
段の間における座標合わせについて説明する。

【００１１】図１は、刺激呈示手段とマーカとを頭部に
固定するためのマスクの一例を示す説明図である。図に
おいて、上図は外側、下図は内側の展開図であり、１は
刺激呈示手段とマーカとを頭部に固定するためのマス
ク、２はマスクと被験者頭部の接触部となるクッショ
ン、３はマスクを被験者頭部に固定するためのマジック
テープ、４は視覚刺激を呈示するために眼の前に空間を
あけるアイキャップ、５は聴覚刺激用のエアチューブを
固定するための溝、６は視覚刺激用の光ファイバを固定
するための結合部である。

【００１２】図２は、マスクを被験者頭部に固定した状
態の一例を示す正面図と側面図である。図において、２
１は視覚刺激を刺激発生装置から被験者まで伝達するた
めの光ファイバ、２２は聴覚刺激を刺激発生装置から被
験者まで伝達するためのエアチューブ、２３は外側から
ナシオンの位置を確認するために設けた窓、２４は被験
者の頭部である。

【００１３】マスク１を被験者頭部２４に装着するに
は、光を反射せず非磁性で柔軟性があるナイロンやポリ
エステルなどの合成繊維や木綿などの繊維からなるマス
ク１を、同様な材料からなるクッション２で圧迫固定す
るように被験者の頭部に巻き付けマジックテープ３で固
定する。

【００１４】次に、被験者頭部座標におけるマーカの位
置を計測するために、マスク上につけたマーカ位置と、
被験者頭部の定点を３次元ディジタイザを用いて計測す
る。その際、マーカ位置として、脳機能計測手段のマー
カ位置計測において最も都合のよい位置の中から、同一
直線上にない３点以上を選ぶ。また、被験者頭部の定点
としては、ナシオンやイニオン、国際１０−２０法にお
ける脳波電極位置、ほくろなどの位置の中から同一直線
上にない３点以上を選ぶ。ただし、定点によってはマス
クがあるために位置計測が不可能となる場合がある。こ
のような場合には定点の位置に窓を用意しておくことも
できる。図２に示したマスクはナシオンの位置に窓を設
けたマスクの一例である。

【００１５】なお、マーカは、光を反射するアルミニウ
ムなどの金属や、光沢をもつよう樹脂コートされた物体
を用いる。マーカに金属を用いる場合には、非磁性で、
かつ、導電率が小さいかあるいはゼロの物体に、表皮効
果による電導領域の１／１０程度の厚さの金属薄膜を蒸
着させることで、磁気共鳴イメージング手段においてマ
ーカに発生するうず電流を抑止することができる。

【００１６】脳機能計測において、視覚情報を呈示する
場合には光ファイバ２１をマスク上の結合部６に固定
し、結合部６においてミラーを使って刺激の経路を直角
に曲げ、刺激が眼に当たるようにする。聴覚情報を呈示
する場合には溝５にエアチューブ２２をはめ込み、刺激
を耳孔まで伝達する。刺激を行わない場合には光ファイ
バ２１やエアチューブ２２を固定する必要はない。

【００１７】図３は本発明のうち磁気共鳴イメージング
による脳機能計測装置の一例を示す説明図である。図に
おいて、３１は静磁場を作る磁石、３２は高周波磁場を
送受信するプローブ、３３は被験者、３４は被験者を支
持するベッドである。３６はデータ収集・解析と、スラ
イス位置の決定を行うコンピュータである。

【００１８】図４はプローブ３２付近の説明図である。
４１はマーカとしてマスク表面につけたアルミの円盤で
あり、４２は光ファイバを平行に束ねてできている、マ
ーカ４１の位置を計測するための光照射・受光手段、４
３は刺激呈示手段とマーカとを頭部に固定するためのマ
スク、４４は被験者の枕である。光照射・受光手段４２
は、プローブ３２の中で互いに直交する位置あるいは対
向する位置に配置され、それらの位置は、磁気共鳴イメ
ージングの座標において既知である。図４において、光
照射・受光手段は被験者頭部の正面と左右の３カ所、マ
ーカは前頭と左右側頭の３カ所についている。

【００１９】図５は、マーカ位置の計測手段の一例を示
す構成図である。図において、５２は発光器で発生させ
たレーザ光を光照射・受光手段まで伝達する光ファイ
バ、５３はマーカ位置計測を制御するコンピュータ、５
４はコンピュータ５３から発光器と受光器とへ制御命令
を伝えるための制御線である。コンピュータ５３が行う
処理をコンピュータ３６に代行させてもよい。

【００２０】図８（ａ),（ｂ）はマーカ位置を計測する
手法を示した説明図である。図において、８１は光照射
・受光手段からの照射光と、マーカからの反射光のうち
光路が照射光と一致する成分とであり、三角のシンボル
で光が進行する向きを示している。８２はマーカからの
反射光のうち照射光の光路に一致しない成分である。

【００２１】磁気共鳴イメージング手段による脳機能計
測を行う場合には、まず、マーカ４１がついたマスク４
３を装着した被験者３３をベッド３４に横臥させ、次
に、マーカの位置、すなわち、被験者頭部の位置を計測
する。マーカ４１の位置を計測するには、光照射・受光
手段４２から光を照射する手法の違いにより、光を照射
する光ファイバを切り替えることで、照射光を走査する
方法と、すべての光ファイバから同時に光を照射する方
法がある。

【００２２】図９（ａ）は照射光を走査する方法の手順
を示すフロチャートである。以下、この手順に従って説
明する。

【００２３】照射位置選択では、次に光照射を行う位置
と光ファイバを選択し、発光器で発生させた光を選択さ
れた光ファイバ５２で伝達する。光照射では、図８
（ａ）に示すように、光照射・受光手段４２にある光フ
ァイバよりマーカ４１に向けて光を照射する。反射光の
受光では、マーカ４１からの反射光を光照射・受光手段
４２にあるすべての光ファイバで受け、その光を光ファ
イバ５２で受光器へ伝達する。なお反射光が生じるの
は、光がマーカに当たる場合のみであり、光がマスクに
当たる場合には反射光は生じない。受光器では反射光の
有無と強度をコンピュータ５３に伝える。すべての照射
位置について光照射が終了した後、コンピュータ５３で
マーカ位置の探索を行う。

【００２４】マーカ位置の探索では、反射光が存在した
ときに、光を照射していた光ファイバの２次元位置（Ｘ
ｆ，Ｙｆ）をマーカの２次元位置（Ｘｍ，Ｙｍ）として
判定し、結果を計測者に提示する。マーカが、光ファイ
バ一本あたりの照射面積に比べて大きければ、何度も反
射光を受けることになる。この場合には、反射光を返す
照射光を照射した光ファイバの２次元位置の平均や、そ
の光ファイバの２次元位置の分布の重心などにより１点
を求め、その位置をマーカの２次元位置として判定す
る。このとき、反射光の強度を重み係数として平均や重
心の計算に取り込んでもよい。

【００２５】本方法では、マーカの大きさに比べ光照射
・受光手段の受光面積を大きくする必要がある。また、
本方法では、照射光を走査するために、発光器におい
て、照射に用いる光ファイバを切り替えているが、照射
光の光路を変化させる手段を光照射・受光手段に付加す
ることで照射光を走査してもよい。

【００２６】図９（ｂ）はすべての光ファイバから同時
に光を照射する方法の手順を示すフロチャートである。
以下、この手順に従って説明する。

【００２７】本方法では、球形のマーカをマスクにつけ
た後、発光器で発生させた光を光ファイバ５２で伝達す
る。光照射では、図８（ｂ）に示すように、光照射・受
光手段４２にあるすべての光ファイバよりマーカ４１に
向けて光を同時に照射する。反射光の受光では、マーカ
４１から返ってきた反射光を光照射・受光手段で受け、
その光を光ファイバ５２で受光器へ伝達する。受光器で
は反射光の有無と強度をコンピュータ５３に伝え、コン
ピュータ５３でマーカ位置の探索を行う。

【００２８】マーカ位置の探索では、反射光が最大とな
る光ファイバの２次元位置（Ｘｆ，Ｙｆ）をマーカの２
次元位置（Ｘｍ，Ｙｍ）として判定し、結果を計測者に
提示する。本方法でマーカ位置が判定できるのは、マー
カを球形とすることで、マーカ球の法線と照射光の光路
とが一致する場合に反射光が最大となるからである。た
だし、反射光を受光した複数の光ファイバのうち、少な
くともその一部で反射光の強度差が小さいあるいは無い
場合には、その一部の光ファイバの２次元位置の平均
や、その光ファイバの２次元位置の分布の重心などによ
り１点を求め、その位置をマーカの２次元位置として判
定する必要がある。

【００２９】本方法を用いる場合には、マーカが、光フ
ァイバ一本あたりの照射面積に比べて十分小さいことが
必要である。また、光ファイバにコリメータを備えるこ
とで、反射光が光照射・受光手段に入射する角度を制限
し、計測精度の改善を行うことが可能である。

【００３０】前述の方法により得られた、マーカ４１の
２次元位置の計測結果と、マスクの装着時に調べたマー
カ位置より計算したマーカ相互の距離とから、マーカの
３次元位置を求める。次に、求めたマーカの３次元位置
と、マスク装着時に調べたマーカ位置とから、被験者頭
部座標と磁気共鳴イメージング手段の座標との変換行列
を求める。この変換行列は３次元の座標変換における回
転と平行移動の要素からできており、このような行列と
して、例えば、アフィン変換の行列がある。この行列を
用いて、被験者頭部の座標を磁気共鳴イメージングの座
標へ変換するか、磁気共鳴イメージングの座標を被験者
頭部の座標へ変換することで、二つの座標を一致させ
る。

【００３１】さらに、脳機能計測中においてマーカ位置
の計測を行うことで、被験者頭部の位置ずれを検出する
ことができる。

【００３２】視覚刺激を呈示する際には、図２に示すよ
うに、マスクに視覚刺激を伝達する光ファイバ２１を固
定し、視覚刺激発生装置で発生させた刺激を被験者に呈
示する。あるいは、被験者の眼前に発光ダイオードを配
置し、発光のタイミングを制御することによって、刺激
を呈示することも可能である。いずれの場合も、マスク
によって視覚刺激以外の光は遮光されており、計測装置
の周辺を遮光する必要はない。また、聴覚刺激を行う場
合にはエアチューブ２２をマスクに固定し、刺激発生装
置で発生させた刺激を被験者に呈示する。マスクの内側
のクッション２に吸音材を用いることで遮音することも
できる。

【００３３】図６は本発明のうちＳＱＵＩＤ磁束計を用
いた脳磁場計測装置の一例を示す説明図である。図にお
いて、６０は地磁気や周囲の装置が発生する磁場を遮蔽
する磁気遮蔽室、６１はＳＱＵＩＤデュワー、６２はＳ
ＱＵＩＤデュワーを支持するガントリ、６３は被験者、
６４は被験者を支持するベッド、６６はデータ収集・解
析を行うコンピュータ、６７は光照射・受光手段４２を
固定するためにベッドに立てた固定具である。ＳＱＵＩ
Ｄデュワー６１には超伝導材料で作られたＳＱＵＩＤ及
び検出コイルとそれらを保持するインサートが内部に格
納され、超伝導材料の臨界温度以下に内部を保つ冷媒と
して液体ヘリウムが満たされている。

【００３４】図７は固定具６７付近の説明図である。光
照射・受光手段４２は固定具６７の中で、互いに直交す
る位置あるいは対向する位置に配置され、それらの位置
は、脳磁気計測座標において既知である。図７におい
て、光照射・受光手段は被験者頭部の正面と背面，頭頂
の３カ所、マーカは前頭と後頭，頭頂の３カ所について
いる。なお、被験者の頭部全体を計測領域とする全頭型
のＳＱＵＩＤ磁束計を用いる場合には、ＳＱＵＩＤデュ
ワーに光照射・受光手段を設置することができる。

【００３５】脳磁気計測手段による脳機能計測を行う場
合には、まず、マーカ４１がついたマスク４３を装着し
た被験者６３をベッド６４に横臥させ、次に、マーカの
位置すなわち被験者頭部の位置を計測する。マーカ４１
の位置を計測する手法は、磁気共鳴イメージングの場合
と同様である。

【００３６】マスク装着時に調べたマーカの３次元位置
と、光照射・受光手段により計測したマーカの３次元位
置とから、マスク装着時の被験者頭部座標と脳磁気計測
手段の座標との変換行列を求める。

【００３７】さらに、脳機能計測中においてマーカ位置
の計測を行うことで、被験者頭部の位置ずれを検出する
ことができる。

【００３８】視覚刺激あるいは聴覚刺激を行う場合、磁
気共鳴イメージングと同様な手法で行うことができる。

【００３９】磁気共鳴イメージング手段による脳機能計
測結果と、脳磁気計測手段による脳機能計測結果とを重
ね合わせる場合、それぞれの座標系を一致させる必要が
ある。本実施例で述べた、磁気共鳴イメージング手段と
脳磁気計測手段の場合には、被験者頭部とそれぞれの計
測手段との変換行列を組み合わせることで、容易に行う
ことができる。また、それぞれの手段による脳機能計測
を行う間にマスクの着脱を行っても、マスク装着時に被
験者頭部の定点を計測し直すだけで、同じ被験者頭部座
標を用いることができる。

【００４０】以上、磁気共鳴イメージングと脳磁気計測
について実施例を述べたが、ＰＥＴやＳＰＥＣＴによる
脳機能計測においても同様な手法で位置決めおよび刺激
呈示が可能である。

【００４１】

【発明の効果】本発明により、脳機能計測手段によら
ず、高い精度で被験者頭部の位置計測が可能であり、か
つ、脳機能計測中の位置計測も可能である。また、複数
の脳機能計測手段の間における座標合わせも容易に行う
ことができる。さらに、刺激呈示手段が脳機能計測手段
とは独立であり、計測装置によらず、同じ刺激を呈示す
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】刺激呈示手段とマーカとを頭部に固定するため
のマスクの一例を示す説明図。

【図２】マスクを被験者頭部に固定した状態の一例を示
す説明図。

【図３】磁気共鳴イメージングによる脳機能計測装置の
一例を示す説明図。

【図４】図３におけるプローブ３２付近の説明図。

【図５】マーカ位置の計測手段の一例を示す説明図。

【図６】ＳＱＵＩＤ磁束計を用いた脳磁場計測装置の一
例を示す説明図。

【図７】図６における固定具６７付近の説明図。

【図８】マーカの位置計測の手法を示す説明図。

【図９】マーカの位置計測の手順を示すフロチャート。

【符号の説明】

１…マスク、２４…被験者の頭部、４１…マーカ、４２
…光照射・受光手段、５２…マーカ位置計測用の光ファ
イバ、５３…コンピュータ、５４…制御線。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被験者頭部の位置を示すマーカと、前記マ
   ーカに対応した被験者頭部の位置計測手段と、脳機能を
   計測するための一つ以上の手段とを備えたことを特徴と
   する脳機能計測装置。
2. 【請求項２】請求項１において、感覚刺激を呈示する手
   段と、被験者頭部に前記感覚刺激を呈示する手段と前記
   マーカとを固定するためのマスクとを備えた脳機能計測
   装置。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記脳機能計
   測手段として、磁気共鳴イメージング手段を備えた脳機
   能計測装置。
4. 【請求項４】請求項１または２において、前記脳機能計
   測手段として、脳磁気計測手段を備えた脳機能計測装
   置。
5. 【請求項５】請求項１または２において、前記脳機能計
   測手段として、ガンマ線を計測する手段を備えた脳機能
   計測装置。
6. 【請求項６】請求項１または２において、光を反射しや
   すい光沢や色を有する物体からなる、前記マーカと、光
   を反射しづらい物体からなる前記マスクと、前記マーカ
   へ光を照射し、前記マーカで反射した光を受光する光照
   射・受光手段を有する位置計測手段とを備えた脳機能計
   測装置。
7. 【請求項７】請求項１または２において、非磁性、か
   つ、低導電率の物体の表面を、光沢をもつ物体で覆った
   構造をもつマーカを備えた脳機能計測装置。
8. 【請求項８】請求項６または７において、前記マーカ
   と、前記マスクと、前記光照射・受光手段とを備え、前
   記光照射・受光手段による光照射位置を２次元平面内で
   変えながら、前記マスクの表面につけた前記マーカから
   の反射光を前記光照射・受光手段で受け、光照射位置毎
   に前記マーカからの反射光の有無を調べ、前記反射光が
   存在した場合の光照射位置を前記マーカの２次元位置と
   して判定する位置計測手段を備えた脳機能計測装置。
9. 【請求項９】請求項６または７において、球形を成した
   マーカと、前記マスクと、前記光照射・受光手段とを備
   え、前記光照射・受光手段から前記マスクへ光照射が可
   能なすべての位置へ、同時に光を照射し、最も大きな反
   射光を受けた受光手段の位置を前記マーカの２次元位置
   として判定する位置計測手段を備えた脳機能計測装置。
10. 【請求項１０】請求項８において、前記マーカからの反
    射光が複数の光照射位置で観測された場合に、前記光照
    射位置の２次元座標の平均あるいは２次元分布の重心か
    ら１点を定める手段を備えた脳機能計測装置。
11. 【請求項１１】請求項８において、前記マーカからの反
    射光が複数の光照射位置で観測された場合に、反射光の
    強度を重み係数として用いた、前記光照射位置の２次元
    座標の平均あるいは、前記光照射位置の２次元分布の重
    心から１点を定める手段を備えた脳機能計測装置。
12. 【請求項１２】請求項９において、前記光照射・受光手
    段の少なくとも一方にコリメータを備えた脳機能計測装
    置。
13. 【請求項１３】請求項６において、前記光照射・受光手
    段を複数個備え、ある１個の前記光照射・受光手段が、
    少なくとも他の１個の前記光照射・受光手段とほぼ直交
    して配置されている脳機能計測装置。
14. 【請求項１４】請求項８において、前記光照射・受光手
    段より得られた３個以上のマーカの２次元座標と前記マ
    ーカの相対的な位置とから、被験者頭部の座標系と脳機
    能計測手段の座標系との座標変換行列を求める手段を備
    えた脳機能計測装置。
15. 【請求項１５】刺激光を発生させる手段と、前記刺激光
    を発生させる手段で発生した光を伝達する光ファイバ
    と、前記光ファイバを被験者の目に固定する手段とから
    なる刺激手段を備えた脳機能計測装置。
16. 【請求項１６】請求項１または２において、被験者の眼
    前に配置され、刺激光を発生させるダイオードと、前記
    ダイオードの動作を制御するための手段からなる刺激手
    段を備えた脳機能計測装置。
17. 【請求項１７】請求項１または２において、刺激音を発
    生させる手段と、前記刺激音を発生させる手段で発生し
    た音を伝達するエアチューブと、前記エアチューブを被
    験者の耳に固定する手段とからなる刺激手段を備えた脳
    機能計測装置。