JPH08299295A - 生体内複数電流双極子推定用の初期パラメータ設定方法 - Google Patents

生体内複数電流双極子推定用の初期パラメータ設定方法

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JPH08299295A
JPH08299295A JP7109734A JP10973495A JPH08299295A JP H08299295 A JPH08299295 A JP H08299295A JP 7109734 A JP7109734 A JP 7109734A JP 10973495 A JP10973495 A JP 10973495A JP H08299295 A JPH08299295 A JP H08299295A
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JP
Japan
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magnetic field
principal component
initial parameter
current
living body
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JP7109734A
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English (en)
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Naohito Shirai
直仁 白井
Shinya Kuriki
真也 栗城
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 計測した生体磁界に基づいてその磁界源であ
る電流双極子の位置,大きさ,向きを時間的に連続して
推定する収束計算の際の適切な初期パラメータを設定す
る。 【構成】 生体磁界波形から磁界源である電流双極子を
推定する時間帯を設定し、設定した時間帯から主成分分
析を施す複数の時間帯を決定し(S4)、決定した各時
間帯における計測データに対して主成分分析を施し(S
5)、主成分分析を行った各時間帯において、その固有
値が最大である固有ベクトルを第一主成分として選び
(S6)、選んだ複数の第一主成分により初期パラメー
タを設定する(S7)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、生体内における電流双
極子を推定する演算方法に関し、特に、多チャネルの超
伝導量子干渉素子(SQUID:Superconducting Quan
tum Interference Device)を用いて計測した生体磁界に
基づいて、その磁界源である電流双極子のパラメータ
(位置,大きさ,向き)を推定する際の収束計算に必要
な初期パラメータを設定する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】人間の脳における神経活動に伴って、脳
から微弱ではあるが磁界が発生する。超伝導体を用いた
超高感度の磁気センサであるSQUIDを用いることに
よって、脳から発生するこの微弱磁界を頭部表面にて非
侵襲的に計測することが可能である。そして、脳の計測
磁界の分布から磁界源としての電流双極子の初期パラメ
ータを所定時刻毎に間欠的に求め、得られた初期パラメ
ータに基づいて各時刻における電流双極子の位置,大き
さ,向きを推定する。図5は、この電流双極子のパラメ
ータ推定を行う実施状態を示す模式図である。被験者A
の頭部には、複数の一次微分グラジオメータMをその球
面上に配置しているSQUIDが被せられている。各グ
ラジオメータMからは、検出された磁界信号がCPUに
送られ、CPUにて計測磁界から電流双極子のパラメー
タを推定するようになっている。
【0003】この磁界の発生源である電流双極子につい
ての位置,大きさ,向きに関するデータは、脳における
神経活動の状態を把握するのに重要である。従って、こ
れらのデータは、脳神経手術における開頭前の手術部位
の特定または脳疾患(てんかん,脳梗塞,アルツハイマ
病など)の予知,診断,治療に対して、あるいは脳の高
次機能解明などの大脳生理学に対して、有益な情報とな
り得る。
【0004】ところで、上述したような電流双極子の推
定方法では、電流双極子の推定は可能であるが、脳の対
象領域以外の他の領域の神経活動に伴って生じる磁界
(ブレインノイズ)による影響により、時間的に不連続
な推定結果しか得られない。時間の経過とともに連続的
に変化する電流双極子を推定するためには、脳磁界を時
系列信号として捉えた初期パラメータを設定する必要が
ある。
【0005】そこで、脳磁界を時系列信号として捉え
て、主成分分析を施すことにより得られる複数の主成分
により初期パラメータを得る方法が、本発明と同一出願
人により提案されている(特開平6−311975号公報)。
この方法では、電流双極子を推定する時間帯を設定し、
当該時間帯における各チャネルの相関行列(共分散行
列)を求め、主成分分析を施すことにより、線形な相関
を抽出する方法である。電流双極子の推定時間帯に主成
分分析を施した後に、第一主成分から順に双極子性の相
関パターンになっているかを調べ、双極子性パターンで
あれば初期パラメータを設定する動作を、寄与率の累計
値が所定の閾値を超えるまで繰り返す。この方法にて複
数の電流双極子の初期パラメータを得る場合には、第一
主成分から第一電流双極子の初期パラメータを得て、第
二以降の主成分から第二以降の電流双極子の初期パラメ
ータを得ている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】主成分分析により得ら
れる第一主成分は主たる電流双極子の磁界を反映する
が、第二主成分以降は電流双極子の位置または方向など
の変化に伴う磁界変化を反映し、必ずしも従たる電流双
極子による磁界を反映しない(栗城他:Med. Img.Tech.
Vol. 11, No. 4, September 1993)。従って、第一主
成分は電流双極子推定の初期パラメータの設定に用いる
ことができるが、第二主成分以降は初期パラメータの設
定に用いることができない場合が多いので、磁界源とし
ての複数の電流双極子の推定を行う際の初期パラメータ
の設定にこの方法を適用することは最適ではないことが
判明した。
【0007】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、生体磁界の発生源である複数の電流双極子の位
置,大きさ,向きを時間的に連続して推定できるような
適切な初期パラメータを設定することが可能である生体
内複数電流双極子推定の収束計算に用いる初期パラメー
タ設定方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る生体内複数
電流双極子推定用の初期パラメータ設定方法は、超伝導
量子干渉素子を用いて計測した生体磁界波形に基づい
て、生体磁界の磁界源である生体内の複数の電流双極子
を収束計算にて推定する際の初期パラメータを設定する
方法であって、複数の超伝導量子干渉素子にて計測した
生体磁界波形から電流双極子を推定する時間帯を設定
し、設定した時間帯から、複数の計測データ間の共分散
行列を導出してその共分散行列の固有値及び固有ベクト
ルを求める主成分分析を施す複数の時間帯を決定し、決
定した時間帯における計測データに主成分分析を施し、
この主成分分析により得られる、固有値が最大となる固
有ベクトルとしての複数の第一主成分により前記初期パ
ラメータを設定することを特徴とする。
【0009】
【作用】本発明では、設定した電流双極子の推定時間帯
から複数の時間帯を選択し、選択した各時間帯の計測デ
ータに主成分分析を施して得られる複数の第一主成分か
ら複数の初期パラメータを設定する。よって、時間的相
関が最も高くて電流双極子による磁界を反映する第一主
成分のみから、複数の初期パラメータを設定するので、
生体磁界を時系列信号として捉えた初期パラメータを提
供でき、かつ、複数の信号源を推定する際の初期パラメ
ータとして適当な値を与えることができる。この結果、
各電流双極子について時間的に連続した推定結果が得ら
れる。
【0010】
【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図面に基づ
いて説明する。なお、以下の実施例では、脳磁界を計測
する場合の例について説明する。
【0011】まず、各電流双極子におけるパラメータに
ついて説明する。1個の電流双極子には、その3次元的
位置,大きさ,向きの6種類のパラメータが存在する。
電流双極子が作る磁界を計算する際には、球モデルを想
定する。球の半径方向の電流双極子は球の外部に磁界を
発生しないので、その向きについては球の径方向に対す
る垂直成分のみを考慮すれば良い。従って、球モデルの
場合、各電流双極子のパラメータは以下の5種類とす
る。これらの5種類のパラメータを図2に模式的に示
す。 r,θ,φ:電流双極子を極座標で表した空間的位置 q:電流双極子の大きさ α:電流双極子の向き(球の経線との角度)
【0012】図1は、本発明の生体内複数電流双極子推
定用の初期パラメータ設定方法の手順を示すフローチャ
ートであり、脳磁界における初期パラメータ設定の例を
表している。以下、このフローチャートに従って設定手
順を説明する。
【0013】まず、計測対象である被験者の頭部を球と
見なして、その中心座標及び半径r 0 を求め、有限時間
長にわたって、図5に示すようにSQUIDを用いて、
被験者の脳磁界をn点で計測する(ステップS1)。そ
して、得られたn本の脳磁界波形を、基線を合わせて一
括表示する(ステップS2)。表示された波形から電流
双極子を推定する時間帯を決定し、その時間帯をm分割
する(ステップS3)。時刻Tk におけるj番目のSQ
UIDで得られる計測磁界をBmj (Tk )とする(j
=1,2,…,n, k=1,2,…,m)。
【0014】波形データから電流双極子の数Dを決定
し、その数だけ主成分分析を行う時間帯(Tpsa 〜Tpe
a )(a=1,2,…,D)を決定する(ステップS
4)。各々の時間帯に含まれるTk をTag とし、その
数をmpa とする(g=1,2,…,mpa )。
【0015】それぞれの時間帯で得られた(mpa ×
n)個の脳磁界データに対して主成分分析を施す(ステ
ップS5)。すなわち、個々のSQUIDで得られた脳
磁界間の共分散行列σaを導出し、共分散行列の固有値
λai ,固有ベクトルvai (i=1,2,…,n)を
求める。なお、共分散行列の各要素σapqは具体的には
以下のように求める。
【0016】
【数1】
【0017】主成分分析を行ったそれぞれの時間帯にお
いて、求めた固有ベクトルvai の中で、その固有値λ
i が最大のものを選ぶ(ステップS6)。固有値が最
大である選び出した固有ベクトルを第一主成分va0
呼び、これをもとに、各々について初期パラメータ(r
a ,θa ,φa ,qa ,αa )を設定する(ステップS
7)。初期パラメータの設定は次のように行う。
【0018】a番目の時間帯のデータに主成分分析を施
した結果の第一主成分va0 (a=1,2,…,D)の
すべての値における最大値及び最小値とこれらの最大
値,最小値を示す計測点(2点)の位置とに注目し、こ
の2点の位置,磁界強度により、各パラメータの初期値
を以下のようにして決定する。
【0019】
【数2】
【0020】θa ,φa :2点間の中点の座標から決定 αa :2点間を結んだ線に垂直な方向とし、2点間にお
ける磁界の符号を満たす向き qa :以上の4種のパラメータにて決まる位置,向きに
電流双極子を設置した場合に、2点の磁界強度を満たす
大きさ
【0021】以上のように、本発明では、複数の各時間
帯において得られる第一主成分に基づいて、複数の電流
双極子の初期パラメータを設定している。第一主成分は
時間的相関が最も高く電流双極子による磁界を反映する
ので、この第一主成分を用いることにより、第2電流双
極子以降についても適切な初期パラメータを設定でき
る。
【0022】次に、本発明における初期パラメータ設定
の具体例について、図3,図4を参照して説明する。S
QUIDの総数(計測点数)が37個である脳磁計で計測
した磁界の一括表示を図3に示している。設定した推定
時間帯(図3中A)において磁界のピークが2つあるの
で、電流双極子の数を2個と決定する(D=2)。ここ
では、時間帯Aを前後半2分割した時間帯A1,A2を
主成分分析を施す時間帯として決定し、それぞれの時間
帯A1,A2における計測データに主成分分析を施す。
その主成分分析結果の第一主成分について等磁界線を描
いたものを図4(a),(b)に示す。図4(a),
(b)はそれぞれ時間帯A1,A2における等磁界線を
示している。また、図4(a),(b)において、実
線,破線はそれぞれ磁界の湧き出し,磁界の吸い込みを
示し、太い実線は磁界が0であることを示し、また●は
計測点を示す。
【0023】それぞれの第一主成分から最大値,最小値
を示す計測点(図4(a),(b)で点L:最大値を示
す計測点,点S:最小値を示す計測点)を求め、これら
の両点のデータに基づいて1つずつ電流双極子の初期パ
ラメータを設定する(図4(a),(b)中のQa,Q
b)。
【0024】
【発明の効果】以上のように、本発明の生体内複数電流
双極子推定用の初期パラメータ設定方法では、設定した
電流双極子の推定時間帯から複数の時間帯を選択して主
成分分析を施し、得られた複数の第一主成分からの複数
の初期パラメータを設定するので、生体磁界を時系列信
号として捉えた初期パラメータを提供でき、かつ、複数
の電流双極子を推定する際の初期パラメータとして適当
な値を与えることができる。この結果、本発明を利用す
れば、各電流双極子について時間的に連続した推定結果
が得られ、神経活動が複雑である脳内の電流双極子につ
いてより正確なデータを得ることができ、脳疾患部位の
特定または脳の高次機能の解明に対して有効な情報を提
供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る生体内複数電流双極子推定用の初
期パラメータ設定方法の手順を示すフローチャートであ
る。
【図2】電流双極子の5個のパラーメータを示す模式図
である。
【図3】本発明の具体例を説明するための計測磁界波形
図である。
【図4】本発明の具体例を示すための主成分分析結果の
第一主成分の等磁界線図である。
【図5】SQUIDを用いて脳磁界の電流双極子のパラ
メータ推定を行う実施状態を示す模式図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超伝導量子干渉素子を用いて計測した生
    体磁界波形に基づいて、生体磁界の磁界源である生体内
    の複数の電流双極子を収束計算にて推定する際の初期パ
    ラメータを設定する方法であって、複数の超伝導量子干
    渉素子にて計測した生体磁界波形から電流双極子を推定
    する時間帯を設定し、設定した時間帯から、複数の計測
    データ間の共分散行列を導出してその共分散行列の固有
    値及び固有ベクトルを求める主成分分析を施す複数の時
    間帯を決定し、決定した時間帯における計測データに主
    成分分析を施し、この主成分分析により得られる、固有
    値が最大となる固有ベクトルとしての複数の第一主成分
    により前記初期パラメータを設定することを特徴とする
    生体内複数電流双極子推定用の初期パラメータ設定方
    法。
JP7109734A 1995-05-08 1995-05-08 生体内複数電流双極子推定用の初期パラメータ設定方法 Pending JPH08299295A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6073040A (en) * 1997-01-20 2000-06-06 Nec Corporation Electrophysiological activity estimation method
US6226544B1 (en) 1997-06-13 2001-05-01 Nec Corporation Living body internal active source estimation apparatus

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6073040A (en) * 1997-01-20 2000-06-06 Nec Corporation Electrophysiological activity estimation method
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