JPWO2004066836A1 - 脳磁界計測装置とその使用方法 - Google Patents

Abstract

脳磁界計測装置の低雑音、高感度を実現する。高温超伝導体磁気シールド装置を使用した脳磁界計測装置の床上設置に際し除振手段を講じてノイズの発生を回避し、そして高温超伝導体磁気シールドとＳＱＵＩＤ磁束計との相対移動を排除して例え不可避的な微振動が生じてもＳＱＵＩＤ磁束計が感知する変動成分はトラップした静磁気から生じないようにした。

Description

本発明は脳が働くとき脳の神経に流れる神経電流がつくる地球磁場の一億分の一程度の弱い磁場を計測する脳磁界計測装置とその使用方法に係るものである。
ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ：超伝導量子干渉デバイス）を液体ヘリウムに漬けて極低温下で脳磁界センサとして作動させると、そのような微弱な磁場を検出できる。これにより脳神経ネットワークの様子を観察することができ、脳の働き（記憶、学習、注意など）を調べたり、脳障害（注意欠陥、自閉症、学習障害、精神分裂症など）の診断に利用することができる。

ＳＱＵＩＤを液体ヘリウムに漬けて極低温下で脳磁界センサとして使用した脳磁界計測装置は本発明者により開発され、実施されている。
図５を参照する。この従来の脳磁界計測装置１は中空の円筒状真空熱絶縁構造体１１と、循環冷却装置１２と、極低温容器１３と、頂部包囲体１４とを備えている。真空熱絶縁構造体１１は高温超伝導体の第１の包囲体１１１と高透磁率磁性体の第２の包囲体１１２とを二重壁内に収容し、中空円筒状の構造となっている。循環冷却装置１２は真空熱絶縁構造体１１の二重壁の空間に冷却媒体を循環させる。極低温容器１３は円筒状真空熱絶縁構造体１１内に配置され、真空熱絶縁構造体１１に固定されている。頂部包囲体１４は金属良導体（電磁波遮蔽）と磁性材料（磁場遮蔽）の二重構造の包囲体（内部は中空）となって真空熱絶縁構造体１１の頂部に嵌合している。
極低温容器１３の下方に被検者の頭部を包囲する頭部収容域１３１が限定されており、そして極低温容器１３の内部で頭部収容域１３１の周囲にＳＱＵＩＤ磁気センサ１５が支持部材２０に配置されている。この極低温容器１３には極低温媒体を充填している。
真空熱絶縁構造体１１を床上に据え付け、それの下方開口に非磁性体の椅子１７を配置する。真空熱絶縁構造体１１の頂部に磁性材料の頂部包囲体１４を嵌合させたのは頂部から電磁波と地磁気が侵入するのを防ぐためである。
上述の従来技術を示す文献としては以下のものがある。
特開平１０−３１３１３５ 「高温超伝導体磁気シールドを用いた全頭型ＳＱＵＩＤ脳磁界計測装置」 大田 浩、 セラミックス３５（２０００）Ｎｏ．２、特集 脳とセラミックス 脳の機能解明、診断、治療に活躍するセラミックス″Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ＳＮＳ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ＳＱＵＩＤＯｓ″ｂｙ Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｏｈｔａ ｅｔ ａｌ，″ＰＨＹＳＩＣＡ Ｃ″３５２（２００１）１８６−１９０

ところがこの脳磁界計測装置の設置に当たっては、その床からの振動を完全に遮断することが絶対の要件であり、そのため余程堅固な基礎であって、しかも周囲の振動環境が理想的でなければ既存の建造物内に脳磁界計測装置を据え付けることができないことが判明した。また新しく建屋を施工するときも振動環境に留意し、その基礎施工に多額の費用をかけなければならないという問題があった。
図６を参照する。堅固な基礎を持つ既存の建物内に設置した脳磁界計測装置の１５個のＳＱＵＩＤ磁気センサ１５からの信号を時間軸に沿って記録したものである。このグラフに見られるように被検者の脳磁界を計測していない状態で大きなノイズ信号が現れるが、当初はそのノイズの原因が床から伝わってくる恒常的な極めて僅かな振動によるものであることが認識されなかったのである。
真空熱絶縁構造体１１と極低温容器１３とを拡大して示した図７と図８とを参照する。高温超伝導体（ビスマス・ストロンチューム・カルシューム・銅の酸化物：ＢＳＣＣＯ）の第１の包囲体１１１を液体窒素温度付近まで低下（１０３Ｋ以下）させると、この高温超伝導体の内側の空間には磁力線が外部から入り込むことはできなくなる。しかし、真空熱絶縁構造体１１の内部空間には第１の包囲体１１１の温度を低下させる前に既に地球磁場の磁束が入り込んでおり、その磁束が第１の包囲体１１１にピン止めされて、トラップされている。この状態では極低温容器１３が第１の包囲体１１１に対して縦方向に移動しても（図７）、横方向に移動しても（図８）ＳＱＵＩＤ磁気センサ１５を横切るピン止めされている静磁界の磁力線の成分は変り（図７、図８の破線で表された磁束と移動したセンサとの位置関係参照）、これがノイズ信号となって現れる。
本発明の目的は、低雑音、高感度の脳磁界計測装置を提供することである。さらに、本発明の別の目的はこの脳磁界計測装置の使用方法を提供することである。

この課題を解決するため本発明では、先ず設置した床からの振動を完全に遮断する。振動が完全に遮断されれば、図７、図８を参照して説明したような状態を回避することができるからである。すなわち、図５に示した脳磁界計測装置の真空熱絶縁構造体を除振支持体を介して床上に支持することにより真空熱絶縁構造体への振動の伝達を阻止する。本発明の実施例によればこの除振支持体は床からの振動を吸収する振動吸収手段と床からの振動を検知してフイードバック制御により振動を相殺する除振機構とを備えている。
また、前記の課題を解決するため本発明では磁気センサを高温超伝導体の第１の包囲体に対して両者が相対的に移動することがないよう固定することにより図７、図８を参照して説明したようなトラップされた静磁界をセンサが横切って静磁界の変化分をセンサが拾ってノイズを発生するという事態を回避している。図７における一点鎖線で表現した部分は縦方向に極低温容器が振動によって移動した状態を誇張して示している。極低温容器と真空熱絶縁体構造体（高温超伝導体の第１の包囲体）とが一点鎖線で表したように一体となって移動すれば、センサとトラップされた静磁界との位置関係は移動の前後を通して不変であり（同図で一点鎖線の磁束とセンサとの位置関係（移動後）と破線の磁束とセンサとの位置関係（移動前）とは不変となっている）、センサを横断する磁束に変化分は現れない。実施例ではそのための固定手段として真空熱絶縁構造体の内壁と極低温容器の外壁との間隙を埋める第１の枕構造体を使用している。また、極低温容器の内部で磁気センサより上方に超伝導体キャップを配置して上方からの磁界の侵入を阻止している場合には、その超伝導体キャップと極低温容器の内壁との間隙を埋める第２の枕構造体を使用する。この第２の枕構造体は極低温容器の最下端近くに配置されている。最下端が振動による振れが最大となるからである。
この固定手段と上述の除振支持体との両方を装備することにより、除振支持体によっても除けなかった床からの僅かな振動が脳磁界計測装置に伝わっても磁気センサと真空熱絶縁構造体とが同じ移動（振動）をすることによって円筒状空間内のトラップされている静磁気は磁気センサに対して静止したままであって、磁気センサにノイズが生することはない。
また、本発明はこのような脳磁界計測装置の操作方法を提供するものであり、その方法では、中空の熱絶縁真空構造体の下方開口を磁性体で塞ぎ（それにより地磁気を中空空間に捕捉することを回避）、前記の第１の包囲体の温度を液体窒素温度付近まで低下させ（それによりＳＱＵＩＤセンサが地磁気を捕捉して作動しなくなるような事態を回避）、前記の極低温容器に液体ヘリウムを充填するか、熱伝導による間接冷却により極低温に冷却し、そして前記の極低温容器内に配置されたＳＱＩＤ磁気センサにより脳磁界を計測する。

図１は、本発明の脳磁気計測装置の実施例の略図である。
図２は、本発明の脳磁気計測装置の実施例の平面図である。
図３は、本発明の脳磁気計測装置の実施例のノイズ信号を示すグラフである。
図４は、本発明の脳磁気計測装置で計測した脳磁界を示す。
図５は、従来の脳磁気計測装置の実施例の略図である。
図６は、従来の脳磁気計測装置のノイズ信号を示すグラフである。
図７は、縦方向の振動の前後における磁気センサと高温超伝導体シールドとの磁界に対する位置関係を示す。
図８は、横方向の振動の前後における磁気センサと高温超伝導体シールドとの磁界に対する位置関係を示す。
発明を実施するための好ましい形態
図１を参照する。既に図５を参照して説明したように脳磁界計測装置１は、高温超伝導体の第１の包囲体１１１と高透磁率磁性体の第２の包囲体１１２とを二重壁内に収容している中空の円筒状真空熱絶縁構造体１１と、この真空熱絶縁構造体１１の二重壁の空間に冷却媒体を循環させる循環冷却装置１２と、円筒状真空熱絶縁構造体１１内に固定されている極低温容器１３と、真空熱絶縁構造体１１の頂部に嵌合する頂部包囲体１４とを備えている。
極低温容器１３の下方に被検者の頭部を包囲する頭部収容域１３１を限定しており、極低温容器１３の内部で頭部収容域１３１の周囲にＳＱＵＩＤ磁気センサ１５を配置し、そして極低温容器１３の内部で磁気センサ１５より上方に超伝導体キャップ１３２を配置し、そして極低温容器１３に極低温媒体を充填している。この超伝導体キャップ１３２は鉛、ＭｇＢ_２、ＢＳＣＣＯからつくられる。
磁気センサ１５を高温超伝導体の第１の包囲体１１１に対して両者が相対的に移動することがないよう固定する固定手段は、真空熱絶縁構造体１１の内壁と極低温容器１３の外壁との間隙を埋める第１の枕構造体２２と超伝導体キャップ１３２と極低温容器１３の内壁との間隙を埋める第２の枕構造体２１とを備え、この第２の枕構造体２１は極低温容器１３の最下端近くに配置されている。第２の枕構造体２２の一例として、極低温容器１３の最下端近くに固定した枕２２を、真空熱絶縁構造体１１の内壁に沿って配置した二本のレール（図示せず）上に滑動するように載せて、極低温容器１３を真空熱絶縁構造体１１の頂部へ向かって引き出せるようにした。
真空熱絶縁構造体１１を除振支持体１６が床上に支持している。図２に見るように除振支持体１６は支持脚１６４に対して床上４個所に配置されており、それぞれ床からの振動を吸収する振動吸収手段１６１と床からの振動を検知してフイードバック制御により振動を相殺するアクチブ除振機構１６２とを備えている。振動吸収手段としては防振ゴムもしくはエア・サスペンションを使用する。
この支持体１６は上下機構１６３も含んでおり、この上下機構１６３は脳磁界計測装置（重量約１トン）を運搬可能としたときは取り外せるようにする。
真空熱絶縁構造体１１の頂部に頂部包囲体１４を嵌合させている。頂部から電磁波や地磁気が侵入するのを防ぐためであり、超伝導体キャップ１３２を配置したのはそれでも頂部から侵入した地磁気からＳＱＩＤ磁気センサ１５を遮蔽するためである。この実施例ではセンサの超伝導体支持部材２０は被検者の頭を包囲するヘルメット状になっているが、この形は円筒軸に直交する磁気成分を遮蔽するには好都合である。
真空熱絶縁構造体１１の内壁と極低温容器１３の外壁との間隙を埋める第１の枕構造体２２と超伝導体キャップ１３２と極低温容器１３の内壁との間隙を埋める第２の枕構造体２１とを介して真空熱絶縁構造体１１に対して極低温容器１３を固定することによりＳＱＵＩＤ磁気センサ１５と真空熱絶縁構造体１１の第１の包囲体１１１との間での相対的移動を回避する。これにより、床から僅かな振動が脳磁界計測装置１に伝わってもＳＱＵＩＤ磁気センサ１５と円筒状真空熱絶縁構造体１１（第１の包囲体１１１）とが同じ移動（振動）をすることによって円筒状空間内の静磁気はＳＱＵＩＤ磁気センサ１５に対して変化分を生じることはなく、それ故、磁気センサ１５にノイズを発生させることはない。
このような脳磁気計測装置は以下のようにして操作する。先ず、中空の円筒状絶縁１１の下方開口を磁性体で塞いで地磁気の侵入を防ぐ。次いで、第１の包囲体１１１の温度を循環冷却装置１２により液体窒素温度付近まで低下させて（超伝導体臨界温度１００Ｋ以下）外部からの磁束の侵入を遮断する。これによりＳＱＵＩＤ磁気センサ１５が磁束を捕捉して不作動となる事態を回避する。極低温容器１３に液体ヘリウムを充填してＳＱＩＤ磁気センサにより脳磁界を計測する。液体ヘリウムの充填に換えて熱伝導による間接冷却によって極低温に冷却してもよい。

図３に本発明にしたがって製作した脳磁気計測装置の１５の磁気センサからのノイズ信号を時間軸に沿って表した。図６のグラフと対比すればノイズが殆ど消滅していることが明らかに認められる。図４に１２８個の磁気センサ１５により測定した脳磁気の磁界パターンを示す（濃淡により磁界強度を表す）。これにより時々刻々変化する脳の働く様子を視認できる。

Claims (7)

1. 高温超伝導体の第１の包囲体と高透磁率磁性体の第２の包囲体とを二重壁内に収容している中空の真空熱絶縁構造体と、この真空熱絶縁構造体の二重壁の空間に冷却媒体を循環させる循環冷却装置と、前記の真空熱絶縁構造体内に配置した極低温容器と、この極低温容器の内部に配置したＳＱＵＩＤ磁気センサと、前記の真空熱絶縁構造体の頂部に嵌合する磁性材料の頂部包囲体とを備え、前記の極低温容器の下方に限定した人体の頭部を包囲する頭部収容域の周囲で、前記の極低温容器の内部に前記のＳＱＵＩＤ磁気センサを配置した脳磁界計測装置において、
   前記の中空の真空熱絶縁構造体を床上に支持する除振支持体を備えたことを特徴とする脳磁界計測装置。
2. 前記の除振支持体は床からの振動を吸収する振動吸収手段と床からの振動を検知してフィードバック制御により振動を相殺する除振機構とを備える請求項１に記載の脳磁界計測装置。
3. 高温超伝導体の第１の包囲体と高透磁率磁性体の第２の包囲体とを二重壁内に収容している中空の真空熱絶縁構造体と、この真空熱絶縁構造体の二重壁の空間に冷却媒体を循環させる循環冷却装置と、前記の真空熱絶縁構造体内に配置した極低温容器と、この極低温容器の内部に配置したＳＱＵＩＤ磁気センサと、前記の真空熱絶縁構造体の頂部に嵌合する磁性材料の頂部包囲体とを備え、前記の極低温容器の下方に限定した人体の頭部を包囲する頭部収容域の周囲で、前記の極低温容器の内部に前記のＳＱＵＩＤ磁気センサを配置した脳磁界計測装置において、
   前記の磁気センサを前記の高温超伝導体の第１の包囲体に対して両者が相対的に移動することがないよう固定する固定手段を備えたことを特徴とする脳磁界計測装置。
4. 前記の固定手段は前記の真空熱絶縁構造体の内壁と前記の極低温容器の外壁との間隙を埋める第１の枕構造体を備える請求項３に記載の脳磁界計測装置。
5. 前記の極低温容器の内部で前記の磁気センサより上方に超伝導体キャップを配置し、前記の固定手段は前記の真空熱絶縁構造体の内壁と前記の極低温容器の外壁との間隙を埋める第１の枕構造体と前記の超伝導体キャップと前記の極低温容器の内壁との間隙を埋める第２の枕構造体とを備え、この第２の枕構造体は前記の極低温容器の最下端近くに配置されている請求項３に記載の脳磁界計測装置。
6. 前記の中空の真空熱絶縁構造体の下方開口に非磁性体の椅子を配置した請求項１、２、３、４もしくは５に記載の脳磁界計測装置。
7. 高温超伝導体の第１の包囲体と高透磁率磁性体の第２の包囲体とを二重壁内に収容している中空の真空熱絶縁構造体と、この真空熱絶縁構造体の二重壁の空間に冷却媒体を循環させる循環冷却装置と、前記の真空熱絶縁構造体内に配置され、真空熱絶縁構造体に固定されている極低温容器と、前記の真空熱絶縁構造体の頂部に嵌合する磁性材料の頂部包囲体とを備えた脳磁界計測装置の使用方法において、
   前記の中空の真空熱絶縁構造体の下方開口を磁性体で塞ぎ、
   前記の第１の包囲体の温度を液体窒素温度付近まで低下させ、
   前記の極低温容器に液体ヘリウムを充填するか、または熱伝導による間接冷却によって極低温に冷却し、そして
   前記の極低温容器内に配置されたＳＱＩＤ磁気センサにより脳磁界を計測することを特徴とする脳磁界計測装置の使用方法。

Images