JPWO2015098155A1 - 操作教示装置および経頭蓋磁気刺激装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係る操作教示装置は、予め定められた位置及び方向に合わせるため、対象物２ｈの移動及び／又は回転の操作を行う際の操作教示に用いる操作教示装置であって、対象物の３次元形状情報を得るためのＴＯＦ式距離画像カメラ４０と、対象物から反射された投射光を受光手段が受光した受光強度の情報から得られた当該対象物の輝度画像を用いて、ＴＯＦ式距離画像カメラ４０で取得した３次元形状情報中から特徴的領域を抽出する抽出手段と、予め定められた位置及び方向での対象物の特徴領域を含む３次元形状情報と、現在の位置及び方向での対象物の特徴領域を含む３次元形状情報との偏差を算出して、操作教示のための情報を生成する生成手段と、を備えることを特徴としている。

Description

本発明は、操作教示装置、及びかかる操作教示装置を利用した経頭蓋磁気刺激装置に関する。

近年、薬物治療が必ずしも有効でない数多くの神経疾患患者に対する治療法として、経頭蓋磁気刺激療法への関心が高まっている。この経頭蓋磁気刺激療法は、患者の頭皮表面に配置した磁場発生源により脳の特定部位（例えば、脳内神経）に磁気刺激を加えることによって、治療及び／又は症状の緩和を図ることができる比較的新しい治療法であり、開頭手術が必要で患者の抵抗感が非常に強い留置電極を用いる従来の電気刺激法とは違って、非侵襲的で患者への負担が少なくて済む治療法として普及が期待されている。

かかる経頭蓋磁気刺激療法の具体的な手法としては、患者の頭皮表面近傍に位置したコイルに電流を流して、局所的に微小なパルス磁場を生じさせ、電磁誘導の原理を利用して頭蓋内に渦電流を起こすことにより、コイル直下の脳内神経に刺激を与える方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１においては、かかる方法で施した経頭蓋磁気刺激治療により難治性の神経障害性疼痛が有効に軽減され、更に、より正確な局所刺激がより高い疼痛軽減効果を実現することが確認されている。但し、最適刺激部位は個々の患者によって微妙に異なることも明らかにされている。

従って、経頭蓋磁気刺激療法によるより高い効果を得るためには、個々の患者毎に、患者頭部の最適刺激部位を如何にして特定するか、すなわち患者頭部に対する治療用コイルの正確な３次元の位置決めを如何にして行うかが重要である。尚、治療用コイルの位置が同じでも、その方位（姿勢）によって得られる効果に差が生じることも知られている。
かかる治療用コイルの位置決めについては、例えば赤外線を用いた光学式トラッキングシステムを利用して患者頭部に対する治療用コイルの位置決めを行う構成のものが公知であり（例えば、特許文献２，３参照）、既に一部には市販され臨床応用されている。

上述のように、経頭蓋磁気刺激療法で疼痛軽減効果を得るためには、患者頭部の最適刺激部位を特定し正確に脳内神経に刺激を与えなければならない。頭蓋内に存在する脳は、外側から正確な位置を把握することは難しいが、頭部ＭＲＩ画像（Magnetic Resonance Imaging）の３次元情報を用いることで、その位置を正確に把握することができる。経頭蓋磁気刺激療法の施術者（医師等）は、ＭＲＩ画像により得られた頭蓋内の３次元情報を参照しながら、光学式トラッキングシステムによる位置決め機能を利用して、患者頭部の最適刺激部位に治療用コイルを導き正確に磁気刺激を与えることが可能である。

このように経頭蓋磁気刺激療法において光学式トラッキングシステムを用いる場合、従来では、患者頭部と関連付けられた固定位置（例えば、患者が横たわるベッド）と治療用コイルとに赤外線反射マーカを設置しておき、これらマーカを検出して得られる両者の位置関係から治療用コイルの現在位置を推定し、ＭＲＩ画像により得られた頭蓋内の３次元情報を参照しながら、患者頭部の最適刺激部位に治療用コイルを導くようにしている。従って、患者頭部とＭＲＩ画像との正確な位置合わせが求められることになる。このため、患者頭部をベッドに対して固定した状態で、キャリブレーション用マーカを用いて目，耳，鼻などを指定することで、ＭＲＩ画像との正確な位置合わせが行われている。

国際公開第２００７／１２３１４７号 特開２００３−１８０６４９号公報 特開２００４−０００６３６号公報

しかしながら、前記従来の方法では、キャリブレーションを行った後に、患者がその頭部の位置及び／又は姿勢を変化させると、患者頭部とＭＲＩ画像との正確な位置合わせが損なわれることになる。従って、患者は、キャリブレーションを行った後は磁気刺激治療を終えるまでは、頭部をベッドに対して固定した状態に拘束され身動きすることが許されず、このことが、患者にとって非常に大きな負担になっていた。

また、前記特許文献１においては、上述の経頭蓋磁気刺激療法を行うと、疼痛軽減効果は、数時間程度は持続するが、数日間あるいはそれ以上持続するまでには至らないことが明らかにされている。従って、あまり時間間隔を空けずに、できれば毎日、継続的に上記療法を行うことが疼痛軽減の観点からは望ましいとされている。このような継続的な治療を、患者に過度の身体的，時間的等の様々な負担を強いること無く行えるようにするには、在宅、或いは近所のかかりつけの医院等での治療を可能とすることが理想的である。

しかしながら、上記従来のコイル位置決め用の装置やシステム等を含む経頭蓋磁気刺激装置は、一般に、熟練した専門医師等が居る比較的大規模な病院や研究機関で用いることを前提としているので、取り扱い及び操作が複雑で、使用するには熟練を要する。このため、患者あるいはその家族、又は必ずしも専門ではない近所のかかりつけの医師などが操作して治療にあたることは一般に困難である。
従って、経頭蓋磁気刺激治療を受ける患者は、やはり、治療の度に熟練した専門医師等が居る大規模な病院まで通うか、若しくは入院せざるを得ず、継続反復して治療を受けるためには、様々な面で大きな負担が強いられるのが実情であった。

この発明は、かかる実情に鑑み、経頭蓋磁気刺激療法を実施するに際して、頭部拘束による患者の負担を軽減し、また、取り扱いや操作を簡単化する上で有用な操作教示装置、及びかかる操作教示装置を利用した経頭蓋磁気刺激装置を提供することを、基本的な目的としてなされたものである。

このため、本願の第１の発明に係る操作教示装置は、予め定められた位置及び方向に合わせるため、対象物の移動及び／又は回転の操作を行う際の、操作教示に用いる操作教示装置であって、（ａ）前記対象物の表面を投射光で照射して得られた撮影画像の各画素における、発光手段から前記対象物による反射を経て受光手段に至る前記投射光の伝播距離の情報から、当該対象物の３次元形状情報を得る、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）式距離画像カメラ手段と、（ｂ）前記対象物から反射された投射光を前記受光手段が受光した受光強度の情報から得られた当該対象物の輝度画像を用いて、前記３次元形状情報中から特徴的領域を抽出する抽出手段と、（ｃ）前記予め定められた位置及び方向での前記対象物の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報と、現在の位置及び方向での前記対象物の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報との偏差を算出して、前記操作教示のための情報を生成する生成手段と、を備えることを特徴としたものである。

また、本願の第２の発明に係る操作教示装置は、（ａ）対象物の表面を投射光で照射して得られた撮影画像の各画素における、発光手段から前記対象物による反射を経て受光手段に至る前記投射光の伝播距離の情報から当該対象物の３次元形状情報を得るとともに、移動及び／又は回転の操作が可能に構成された、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）式の距離画像カメラ手段と、（ｂ）前記距離画像カメラに対して、（Ａ）相対的に予め定められた位置及び方向にある前記対象物の、前記３次元形状情報と、（Ｂ）現在の位置及び方向にある前記対象物の、前記３次元形状情報と、に基づいて、（１）前記予め定められた相対的位置及び相対的方向を示す、第一の指標、及び、（２）前記現在の相対的位置及び相対的方向を示す指標であって、前記予め定められた相対的位置及び相対的方向に近づくよう前記対象物又は前記距離画像カメラを相対的に移動させる操作を行うと、表示の態様が前記第一の指標の表示の態様に近づく、第二の指標、を生成する生成手段と、を備えることを特徴としたものである。

本願の第３の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置は、被験者頭部内にある特定部位に対し、頭部外にある磁場発生手段を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置であって、（ａ）前記磁場発生手段と一体で且つ移動及び／又は回転可能に設けられたカメラ手段であって、前記被験者頭部の表面を投射光で照射して得られた撮影画像の各画素における、発光手段から前記被験者頭部の表面による反射を経て受光手段に至る該投射光の伝播距離の情報から、当該被験者頭部の３次元形状情報を得る、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）式距離画像カメラ手段と、（ｂ）前記被験者頭部の表面から反射された投射光を前記受光手段が受光した受光強度の情報から得られた当該被験者頭部の輝度画像を用いて、前記３次元形状情報中から特徴的領域を抽出する抽出手段と、（ｃ）前記特定部位への磁気刺激を行う位置及び方向での前記被験者頭部の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報と、現在の位置及び方向での前記被験者頭部の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報との偏差を算出して、前記磁場発生手段と被験者頭部との相対的な位置および方向を変更操作するための教示情報を生成する生成手段と、を備えることを特徴としたものである。

この場合において、前記特徴的領域は被験者の鼻領域または耳領域であることが好ましい。

また、本願の第４の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置は、被験者頭部内にある特定部位に対し、頭部外にある磁場発生手段を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置であって、（ａ）前記磁場発生手段と一体で且つ移動及び／又は回転可能に設けられ、前記被験者頭部の表面を投射光で照射して得られた撮影画像の各画素における、発光手段から前記被験者頭部の表面による反射を経て受光手段に至る該投射光の伝播距離の情報から、当該被験者頭部の３次元形状情報を得る、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）式の距離画像カメラ手段と、（ｂ）（Ａ）前記磁場発生手段が前記特定部位への磁気刺激を行う位置及び方向にあるときの被験者頭部の、前記３次元形状情報と、（Ｂ）前記磁場発生手段が現在の位置及び方向にあるときの被験者頭部の、前記３次元形状情報とに基づいて、（１）前記磁場発生手段が前記特定部位への磁気刺激を行うときの、目標となる位置及び方向を示す、第一の指標、及び、（２）前記磁場発生手段が現在の位置及び方向にあるときの、現在の位置及び方向を示す指標であって、前記特定部位への磁気刺激を行うときの位置及び方向に近づくよう当該磁場発生手段の移動操作を行うと、表示の態様が前記第一の指標の表示の態様に近づく、第二の指標、を生成する生成手段と、を備えることを特徴としたものである。

本願の第１の発明に係る操作教示装置によれば、ＴＯＦ式距離画像カメラ手段を用いたことにより、対象物の３次元形状情報をリアルタイムで得ることができ、また、前記抽出手段を備えたことにより、前記３次元形状情報中から特徴的領域を抽出することができる。そして、前記生成手段を備えたことにより、予め定められた位置及び方向での対象物の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報と、現在の位置及び方向での前記対象物の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報との偏差を算出して、前記操作教示のための情報を生成することができる。
従って、予め定められた位置及び方向に合わせるために、対象物の移動及び／又は回転の操作を行うに際して、対象物が予め定められた位置及び方向からずれた場合でも、前記操作教示のための情報に従って、対象物を移動及び／又は回転操作するだけの簡単な操作で、対象物を容易かつ確実に予め定められた位置及び方向に合わせることができる。また、抽出手段によって抽出した特徴領域を含む３次元形状情報の偏差を算出するので、比較的高速で操作教示のための情報を得ることができる。

また、本願の第２の発明に係る操作教示装置によれば、ＴＯＦ式距離画像カメラ手段を用いたことにより、対象物の３次元形状情報をリアルタイムで得ることができる。また、前記生成手段を備えたことで、操作をする者は、第一の指標及び第二の指標の表示から、移動操作の対象物をどの方向へ動かせばよいのかを直観的に把握することができ、操作が容易になる。

本願の第３の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置によれば、ＴＯＦ式距離画像カメラ手段を用いたことにより、被験者頭部の３次元形状情報をリアルタイムで得ることができる。この場合において、前記ＴＯＦ式距離画像カメラ手段と磁場発生手段とは一体で且つ移動及び／又は回転可能であるので、両者間の位置及び方向の相対関係は常に不変であり、改めて位置及び方向を合わせる必要はない。また、前記抽出手段を備えたことにより、前記被験者頭部の３次元形状情報中から特徴的領域を抽出することができる。そして、前記生成手段を備えたことにより、被験者頭部内の前記特定部位への磁気刺激を行う位置及び方向での前記被験者頭部の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報と、現在の位置及び方向での前記被験者頭部の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報との偏差を算出して、前記磁場発生手段と被験者頭部との相対的な位置および方向を変更操作するための教示情報を生成することができる。
従って、頭部外にある磁場発生手段を被験者頭部内にある特定部位に対応した位置及び方向に導くために、前記磁場発生手段と被験者頭部との相対的な移動及び／又は回転の操作を行うに際して、前記磁場発生手段が被験者頭部の前記特定部位に対応した相対的な位置及び方向からずれた場合でも、前記操作教示のための情報に従って、前記磁場発生手段と被験者頭部とを相対的に移動及び／又は回転させるだけの簡単な操作で、前記磁場発生手段を被験者頭部の前記特定部位に対応した相対的な位置及び方向に、容易かつ確実に合わせることができる。これにより、経頭蓋磁気刺激療法を実施するに際して、頭部拘束による被験者の負担を軽減することができる。また、抽出手段によって抽出した特徴的領域を含む３次元形状情報の偏差を算出するので、比較的高速で操作教示のための情報を得ることができる。
以上のように、当該装置の使用者は、前記操作教示のための情報に従って、前記磁場発生手段と被験者頭部とを相対的に移動及び／又は回転させるだけで、従来のように特別な熟練性を要することもなく、所要の操作を行うことができる。つまり、被験者あるいはその家族、又は必ずしも専門ではない近所のかかりつけの医師などでも、比較的容易に操作して使用することができる。また、従来のような大掛かりで高価な装置を用いる必要がないので、コスト負担が小さくて済み、しかも被験者個人の自宅や比較的小規模な医院や診療所等でも設置スペースの確保が容易である。このように、本発明によれば、取り扱いや操作が簡単で、且つ、より小型で安価な磁気刺激装置を提供することができ、これにより、被験者が、自宅や近所のかかりつけの医院などで日常的に継続反復して経頭蓋磁気刺激療法を行うことが可能になる。

この場合において、被験者頭部の３次元形状情報中から抽出する特徴的領域を被験者の鼻領域または耳領域とすることにより、被験者頭部の顔形状の中でもとりわけ特徴的な領域を抽出することができ、生成手段での偏差算出の精度をより高めることができる。

また、本願の第４の発明に係る経頭蓋磁気刺激装置によれば、ＴＯＦ式距離画像カメラ手段を用いたことにより、被験者頭部の３次元形状情報をリアルタイムで得ることができる。この場合において、前記ＴＯＦ式距離画像カメラ手段と磁場発生手段とは一体で且つ移動及び／又は回転可能であるので、両者間の位置及び方向の相対関係は常に不変であり、改めて位置及び方向を合わせる必要はない。また、前記生成手段を備えたことで、操作を行う者は、第一の指標及び第二の指標の表示から、被験者頭部やＴＯＦ式距離画像カメラ手段という移動操作の対象物をどの方向へ動かせばよいのかを直観的に把握することができるので、操作が容易なものとなり、経頭蓋磁気刺激装置を在宅や開業医外来などで治療に用いる場合の障壁を小さくすることができる。
従って、頭部外にある磁場発生手段を被験者頭部内にある特定部位に対応した位置及び方向に導くために、前記磁場発生手段と被験者頭部との相対的な移動及び／又は回転の操作を行うに際して、前記磁場発生手段が被験者頭部の前記特定部位に対応した相対的な位置及び方向からずれた場合でも、前記第一の指標及び第二の指標の表示に従って、前記磁場発生手段と被験者頭部とを相対的に移動及び／又は回転させるだけの簡単な操作で、前記磁場発生手段を被験者頭部の前記特定部位に対応した相対的な位置及び方向に、容易かつ確実に合わせることができる。これにより、経頭蓋磁気刺激療法を実施するに際して、頭部拘束による被験者の負担を軽減することができる。
以上のように、当該装置の使用者は、前記第一の指標及び第二の指標の表示に従って、前記磁場発生手段と被験者頭部とを相対的に移動及び／又は回転させるだけで、従来のように特別な熟練性を要することもなく、所要の操作を行うことができる。つまり、被験者あるいはその家族、又は必ずしも専門ではない近所のかかりつけの医師などでも、比較的容易に操作して使用することができる。また、従来のような大掛かりで高価な装置を用いる必要がないので、コスト負担が小さくて済み、しかも被験者個人の自宅や比較的小規模な医院や診療所等でも設置スペースの確保が容易である。このように、本発明によれば、取り扱いや操作が簡単で、且つ、より小型で安価な磁気刺激装置を提供することができ、これにより、被験者が、自宅や近所のかかりつけの医院などで日常的に継続反復して経頭蓋磁気刺激療法を行うことが可能になる。

本発明の一実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置の模式的な構成図である。 図１の装置による磁気刺激治療を行う前に、「正解姿勢」での位置合わせ用データを取得する工程を説明するためのフローチャートである。 図１の装置を用いて行う磁気刺激治療の流れを説明するためのフローチャートである。 図１の装置が備えるＴＯＦカメラで計測した表面形状データの一例を示す図である。 図４の表面形状データから抽出された顔形状データの一例を示す図である。 図５の顔形状データから抽出された「正解姿勢」での位置合わせ用データの一例を示す図である。 「現在姿勢」での位置合わせ用データの一例を示す図である。 図１の装置が備えるＴＯＦカメラで得られた反射輝度画像に対して顔認識処理を行って検出された鼻領域を示す図である。 図８の鼻周辺領域のみを抽出して得られた点群データを示す図である。 図１の装置の画像モニタ部が表示する教示情報の一例を示す図である。 前記画像モニタ部が表示する教示情報の一例を示す図である。 ＩＣＰアルゴリズムを用いた位置合わせ方法を説明するための模式図である。 前記位置合わせ方法を説明するための模式図である。 図１の装置の精度評価に用いた実験装置を示す模式的な構成図である。 図１４の一部を拡大して示す拡大図である。 前記実験装置を用いた精度評価結果を説明する図である。 前記精度評価結果を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、経頭蓋磁気刺激療法に適用した場合を例にとって、添付図面を参照しながら説明する。尚、本発明に係る画像データ処理装置は、被験者（例えば、患者や検査受検者など）の頭部以外の部位に対し、種々の疾患治療用磁気刺激療法を施す場合にも有効に適用し得るものである。

［経頭蓋磁気刺激装置の構成の概要］
図１は、本実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置の構成の概要を模式的に示す説明図である。この経頭蓋磁気刺激装置１は、被験者２の頭部２ｈ内の特定部位（最適刺激部位）に磁気刺激を加えて治療を行なうためのものである。
図１に示すように、経頭蓋磁気刺激装置１（以下、適宜、単に「装置」と略称する）は、その主要な構成として、画像モニタ部１０，装置本体ユニット２０，磁気刺激コイル３０（以下、適宜、「治療用コイル」、或いは、単に「コイル」と略称する），ＴＯＦカメラ４０及びヘルメット５０を備えている。

前記ＴＯＦカメラ４０は、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト：飛行時間計測）式距離画像カメラであり、対象物の表面を投射光で照射して得られた撮影画像の各画素における、発光手段から対象物表面による反射を経て受光手段に至る前記投射光の伝播距離の情報から、対象物の３次元形状情報を得ることができる。ＴＯＦカメラ４０は、要するに、投射光が対象物に反射して帰還するまでの時間を測定することで、視野内の全ての物体までの距離、すなわちカメラの視野に映っている物体の表面形状をリアルタイムに取得できるカメラであり、計測した表面形状データは点群データとして出力される。

例えば、スイス国チューリヒ市のＭＥＳＡイメージング社は、「ＳＲ４０００」なる商品名の装置を市場に導入している。この装置では、測定対象物である被写体をＣＣＤなど固体撮像素子を用いた撮像手段で撮影し、同じく投光手段から被写体へ投射された光が反射して固体撮像素子の一つ一つの画素（ピクセル）に到達した際に、投射してから画素へ到達するまでの時間を、投射光と画素到達光との光の位相差により検知し、この結果、撮像画面内の一つ一つの画素内に結像した被写体ポイントの距離が算出される。

このようなＴＯＦカメラ４０を用いることで、近距離でも対象物表面の３次元形状をリアルタイムで測定することができる。また、対象物表面の３次元形状をリアルタイムに得ると同時に、対象物の表面から反射された投射光を前記受光手段が受光した受光強度の情報から、反射輝度画像をリアルタイムに得ることもできる。

本実施形態では、前記ＴＯＦカメラ４０は、所定の強度及び剛性を備えた保持アーム５２の一端に固定され、この保持アーム５２の他端はヘルメット５０に固定されている。つまり、ＴＯＦカメラ４０は、保持アーム５２を介してヘルメット５０に一体的に固定されている。また、磁気刺激コイル３０も、ヘルメット５０表面の所定箇所に一体的に固定されている。従って、磁気刺激コイル３０とＴＯＦカメラ４０とは、ヘルメット５０が移動すると一体として移動し、両者３０，４０間の位置及び方向の相対的な関係は常に一定である。

そして、被験者２がヘルメット５０を頭部２ｈに装着すると、その装着具合（つまり、頭部２ｈに対するヘルメット５０の装着姿勢）に応じて、被験者頭部２ｈの最適刺激部位と磁気刺激コイル３０との（つまり、ＴＯＦカメラ４０との）間の位置及び方向の相対的な関係が定まる。従って、被験者２がヘルメット５０の装着具合を調節することにより、被験者頭部２ｈの最適刺激部位に対応する磁気刺激コイル３０の（ＴＯＦカメラ４０の）相対的な位置及び方向を調節することができる。

被験者２が前記ヘルメット５０を装着した状態で、ＴＯＦカメラ４０を用いて被験者２の顔形状を計測することにより、この計測した顔形状から、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び方向の相対的な関係を推定することができる。この位置及び方向の相対的な関係は、すなわち、被験者２がヘルメット５０をどのような装着姿勢で着用しているかを表している。前述のように、ヘルメット５０の特定の位置には磁気刺激コイル３０が固定されており、磁気刺激コイル３０とＴＯＦカメラ４０との間の位置及び方向の相対的な関係は常に一定であるので、磁気刺激コイル３０が被験者２の脳の正しい部位（最適刺激部位）を刺激する際のＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔の位置及び方向が得られるヘルメット５０の装着姿勢を「正解姿勢」とし、この「正解姿勢」を記録しておく。

その後、被験者２がヘルメット５０を装着し直した後、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び方向の相対的な関係を表すヘルメット５０の現在の装着姿勢を「現在姿勢」として測定する。そして、後述するように、「正解姿勢」と「現在姿勢」との間の距離を計算し、この距離が規定範囲を越える場合には、磁気刺激治療を行うことなく、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び姿勢の相対的な関係について、変化させるべき方向を画像モニタ部１０のモニタ画面１２上で指示する。被験者２はモニタ画面１２の指示に従い、ヘルメット５０の装着具合を調節してＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び方向の相対的な関係を変化させ、再度「現在姿勢」を測定する。この操作を、「正解姿勢」と「現在姿勢」との間の距離が規定範囲内の値となるまで繰り返して実行することで、磁気刺激コイル３０を正しい位置に誘導することができる。

前記画像モニタ部１０は、ＣＲＴ画面もしくは液晶画面等のモニタ画面１２を備え、画像情報を表示する機能を有している。パーソナルコンピュータの画像表示部を用いても勿論よい。この画像モニタ部１０のモニタ画面１２には、前述のように、「正解姿勢」と「現在姿勢」との間の距離が規定範囲を越える場合には、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び姿勢の相対的な関係について、変化させるべき方向が表示される。磁気刺激治療の施術者（不図示）は、モニタ画面１２の表示を見ながら、「正解姿勢」と「現在姿勢」との間の距離が規定範囲内になるように、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び方向の相対的な関係を調節した上で、適切な磁気刺激治療を行なう。

装置本体ユニット２０は、以下のような各構成を、一体に、または一部を別体に保持するものであって、保持される各構成は下記のものを含んでいる。尚、これら各構成は説明の便宜上、複数の構成に分けたものであって、実施にあたっては、パーソナルコンピュータに実装された実行ソフトとして実現しても勿論構わない。
装置本体ユニット２０に含まれる画像表示制御部２１は、教示情報生成部２３からの入力などに基づいて、画像モニタ部１０に表示させるべき各種の画像の表示制御を行うものである。また、磁気刺激コイル制御部２２は、磁気刺激コイル３０に印加する磁束生成電流のオン／オフおよび電流を制御するものである。

磁気刺激コイル３０を被験者頭部２ｈ内の最適刺激部位に適切に近接させた状態で、図示しない操作部を操作して前記磁気刺激コイル制御部２２を作動させることにより、所定強度の磁束を印加して被験者頭部２ｈの脳内に誘起電流を生じさせ、最適刺激部位に磁気刺激を与える磁気刺激治療を行なうことができる。

教示情報生成部２３には、予め取得された「正解姿勢」での顔形状データに基づく位置合わせ用データを読み出し可能に保持されている。この「位置合わせ用データ」については後述する。尚、この「正解姿勢」での顔形状データ及びこれに基づく位置合わせ用データは、教示情報制御部２３に付設された若しくは装置本体ユニット２０の外部に付設されたメモリ装置に、読み出し可能に保持されていてもよい。

また、教示情報生成部２３には、ＴＯＦカメラ４０から「現在姿勢」での顔形状データが入力され、この「現在姿勢」での顔形状データに基づいて、位置合わせ用データが取得される。教示情報生成部２３では、この「現在姿勢」での位置合わせ用データと前記「正解姿勢」での位置合わせ用データとが位置合わせされ、「正解姿勢」と「現在姿勢」との間の距離が計算される。そして、その距離が規定範囲を越える場合には、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び方向の相対的な関係について、「正解姿勢」と「現在姿勢」との間の距離が規定範囲内になるように、変化させるべき方向を教示する教示情報が生成され、その教示情報データが画像モニタ部１０に出力される。

以上の画像表示制御部２１，磁気刺激コイル制御部２２及び教示情報生成部２３は、それぞれ所要の制御回路および演算回路等を備えて構成されている。ただし、前述のように、本装置による制御は、パーソナルコンピュータに実装された実行ソフトとして実現してもよく、この場合には、本装置は、プログラムされたコンピュータによって、或いは、記録媒体に記録されたプログラムを読み込んで実行するコンピュータによって、後述する所要の制御や制御のための演算を行うものである。また、コンピュータを利用して後述する所要の制御や演算を実行するためのプログラム、更には、かかる制御や演算に必要なデータ類についても、少なくともその一部を、例えば本装置と通信可能に連繋した外部サーバに保持させておき、装置側からの要求に応じて、その都度必要なプログラムやデータ類をダウンロードすることにより、コンピュータを利用して所要の制御や演算を実行する、ように構成することもできる。

次に、図１に示す構成を備えた前記経頭蓋磁気刺激装置１の基本的な動作について、具体的に説明する。尚、以下の説明では、画像処理の具体的な算法など、データを処理する手順や方法を主眼として説明を行うので、図１を用いて先に説明をした本装置１の各構成の機能や動作として直接言及されない場合がある。しかし、その場合でも、これら説明がなされる機能や動作は、図１に図示した経頭蓋磁気刺激装置１の機能や動作として実現されているため、装置１のどの構成に対応するかは容易に特定が行なえるものである。

磁気刺激治療を実施するに先立って、磁気刺激コイル３０が被験者頭部２ｈの最適刺激部位を刺激する際のＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔の位置及び方向に対応する「正解姿勢」について、顔形状データを計測し、この計測データに基づいて位置合わせ用データを取得し、記録しておく必要がある。図２は、「正解姿勢」での位置合わせ用データを取得する工程を説明するフローチャートである。この工程は、例えば、専門の医師等が病院で行う初期診療時などに行われることが好ましい。

システムの作動が開始されると、先ず、ステップ＃１１で被験者２がヘルメット５０を装着し、次に、ステップ＃１２で、医師が、被験者２のヘルメット５０の装着具合を見ながら、また、被験者２が除痛効果（あるいは刺激の効果）を感じる領域での被験者２の反応等を参照しながら、「正解姿勢」を探索し、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との相対的な位置及び方向が「正解姿勢」に到達したか否かが継続的に判定される（ステップ＃１３）。
そして、「正解姿勢」に到達してステップ＃１３での判定結果がＹＥＳになると、医師からのトリガー入力（図示しないスイッチ：ＯＮ）により、教示情報生成部２３を介してＴＯＦカメラ４０が作動し、その時点での（つまり「正解姿勢」での）顔形状データが計測される（ステップ＃１４）。

前述のように、ＴＯＦカメラは視野内の物体の表面形状データをリアルタイムに計測できるカメラであり、計測した表面形状データは、例えば図４に示すように点群データとして出力される。こうして得られた点群データには、背景などの対象以外のデータやノイズが含まれている。このため、距離情報・カメラ感度の信頼度情報を利用したマスキングとデータの時間平均によるノイズ除去を行う。これらの処理によって、例えば図５に示すような顔形状のみのデータを抽出することができる。

こうして計測された「正解姿勢」での顔形状データに基づいて、前述の「現在姿勢」との位置合わせを行うための位置合わせ用データを取得する（ステップ＃１５）。本実施形態では、「正解姿勢」と「現在姿勢」とがどれだけ異なっているかをＩＣＰアルゴリズム（後述するように、反復計算により対応点関の距離を最小化するような剛体変換パラメータを求める手法）による位置合わせを用いて求めるが、ステップ＃１４で取得した顔形状データをそのまま利用した場合、データ数が多すぎるため計算に時間がかかる、更には、形状の範囲が広すぎるため誤った局所解に陥りやすい、という問題が存在する。

この問題を解消するために、顔の中でもとりわけ特徴的な領域である鼻及びその周辺の領域（以下、「鼻領域」と称する）を特徴的領域とし、ステップ＃１４で得られた顔形状データから特徴的領域である鼻領域の形状データのみを抽出し、この抽出した鼻領域の形状データを「正解姿勢」での位置合わせ用データとして取得する。この位置合わせ用データの一例を図６に示す。尚、この鼻領域の代わりに、やはり特徴的な領域である耳及びその周辺の領域（以下、「耳領域」と称する）を特徴的領域としてもよい。こうして得られた「正解姿勢」での位置合わせ用データは、教示情報制御部２３、或いはそれに付設されたメモリ装置、若しくは装置本体ユニット２０の外部に付設されたメモリ装置などに読み出し可能に格納され（ステップ＃１６）、「正解姿勢」での位置合わせ用データを取得する工程が終了する。

本実施形態では、被験者２の顔形状データから鼻領域の形状データのみを抽出するに際して、画像処理ライブラリであるＯｐｅｎＣＶの実装による顔認識機能を用いて、自動的に抽出するようにしている。
前記ＴＯＦカメラ４０は、３次元表面形状をリアルタイムに得ると同時に、モノクロの反射輝度画像をリアルタイムに得ることができる。この反射輝度画像に対して顔認識処理を行うことで、図８に示すように鼻領域を検出することができる。その後、図５の顔形状点群に対して、図８の円で囲まれている領域のみを抽出する処理を行うこと、図９に示すように鼻周辺領域のみを抽出した点群データを得ることができる。

＜ＩＣＰ（Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｃｌｏｓｅｓｔ Ｐｏｉｎｔ）アルゴリズム＞
本実施形態では、前述のように、「正解姿勢」と「現在姿勢」とがどれだけ異なっているかをＩＣＰアルゴリズムによる位置合わせを用いて求めるようにしている。次に、このＩＣＰアルゴリズムについて、その概略を説明する。
ＩＣＰアルゴリズムとは、１９９２年にＢｅｓｌ等により提案された手法で（Ｐ．Ｊ．Ｂｅｓｌ ａｎｄ Ｎ．Ｄ．ＭｃＫａｙ：”Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ３−Ｄ Ｓｈａｐｅｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌ．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌ，ｖｏｌ. １４，Ｎｏ．２，ｐｐ．２３９−２５６（１９９２−２））、反復計算により対応点間の距離を最小化するような剛体変換パラメータを求める手法であり、この手法によれば、対応が未知の点群どうしを高精度に一致させることができる。

本実施形態では、ＩＣＰアルゴリズムは、ソフトウェアライブラリＶＴＫ（Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ Ｋｉｔ）の機能を用いて実装されており、実行することにより、剛体変換パラメータとして下記の回転行列Ｒと平行移動ベクトルｔとが得られる。
このＩＣＰアルゴリズムを用いて、「正解姿勢」の時点で計測した鼻領域形状点群と、「現在姿勢」で計測した鼻領域形状点群の位置合わせを行うことにより、「正解姿勢」と「現在姿勢」がどれだけ異なっているか（ずれているか）を算出する。その結果、「現在姿勢」の点群をどちらにどれだけ動かせば「正解姿勢」の点群と一致するかを表す平行移動ベクトルｔと回転行列Ｒの変換パラメータ（剛体変換パラメータ）を得ることができるのである。

ここで得られる剛体変換パラメータはつまり、「現在姿勢」と「正解姿勢」がどれだけずれているかを表している。そこで、得られた剛体変換パラメータから、「現在姿勢」を「正解姿勢」に近付けるために、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び方向の相対的な関係について、変化させるべき方向を計算し、例えば図１０に示すように、画像モニタ部１０のモニタ画面１２に表示させるようにしている。

この図１０の例では、例えば赤色の円形Ｃ１がＴＯＦカメラ４０に、例えば緑色の円形Ｃ２が被験者２の顔（特徴的領域）に、それぞれ対応しており、両者Ｃ１，Ｃ２を結ぶ線分Ｌ１２の方向が互いに移動させるべき方向を示している。従って、モニタ画面１２中の線分Ｌ１２が短くなり、最終的には２つの円形Ｃ１，Ｃ２が重なるように、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び方向の相対的な関係を（つまり、ヘルメット５０の装着姿勢を）変化させればよいことになる。

３次元空間内の２点ｒ_１，ｒ_２間のユークリッド距離ｄは、下記の式（数１）のように表すことができる。

ここで、Ｎ個の点ａ_iからなる点群Ａと、Ｍ個の点ｂ_ｊからなる点群Ｂの２つの点群が存在するものとする（次式（数２）及び図１２参照）。

点群Ａに含まれる点ａ_ｉと点群Ｂとの距離を、点群Ｂに含まれる点の中で最も距離の近い点との距離と定義し（次式（数３）及び図１３参照）、点群Ａの各点ａ_ｉと点群Ｂとの距離ｄ（ａ_ｉ，Ｂ）を求める。

点ａ_ｉに対応する点をｍ_ｉ∈Ｂとすると、剛体変換パラメータである回転行列Ｒ，平行移動ベクトルｔは、次式（数４）に示す誤差関数Ｅ（Ｒ，ｔ）を最小化することで求めることができる。

以上の処理を纏めると、次の手順で位置合わせ剛体変換パラメータを求めることができることになる。
（ｉ）点群Ａの各点ａ_ｉにおける点群Ｂとの最近点ｍ_ｉを求める。
（ｉｉ）誤差Ｅを最小にする剛体変換パラメータを求める。
（ｉｉｉ）点群Ａを求められたパラメータ（Ｒ，ｔ）を用いて変換する。
（ｉｖ）誤差Ｅが閾値以下であれば反復計算を終了する。それ以外の場合には、（ｉ）に戻って、同様のステップを繰り返して実行する。

本発明の実施にあたっては、上述の剛体変換パラメータの決定方法は例示にすぎず、距離最小の点を近似計算の出発とする点や、数４に示す誤差計算方法を、他の方法に転換することが可能である。３次元空間における剛体の位置姿勢（６自由度）の一致度合い、すなわち誤差の大きさ、が数値評価できる方法であれば、他の如何なる方法によっても構わない。このことは、以後の記載においても同様である。

次に、本実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置１を用いて行う磁気刺激治療について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。この磁気刺激治療は、被験者２自身あるいはその家族等が自宅で行う在宅治療として行うことも可能である。尚、在宅治療時には、図２のフローチャートで説明された工程で得られた「正解姿勢」での位置合わせ用データが、経頭蓋磁気刺激装置１の教示情報制御部２３内の或いはそれに付設されたメモリ装置、若しくは装置本体ユニット２０の外部に付設されたメモリ装置などに読み出し可能に格納されているものとする。

システムの作動が開始されると、先ず、ステップ＃２１で被験者２がヘルメット５０を装着し、次に、ステップ＃２２で、その装着状態での（つまり「現在姿勢」での）顔形状データが計測される。この「現在姿勢」での顔形状データの計測は、図２のステップ＃１４で行った「正解姿勢」での顔形状データの計測と同様にして行われる。つまり、ＴＯＦカメラで計測した表面形状データ（点群データ）に距離情報・カメラ感度の信頼度情報を利用したマスキングとデータの時間平均によるノイズ除去処理を行って、顔形状のみのデータが抽出される。

こうして計測された「現在姿勢」での顔形状データに基づいて、前述の「正解姿勢」との位置合わせを行うための位置合わせ用データを取得する（ステップ＃２３）。この「現在姿勢」での位置合わせ用データの取得は、図２のステップ＃１５で行った「正解姿勢」での位置合わせ用データの取得と同様にして行われる。つまり、ステップ＃２２で得られた顔形状データから特徴的領域である鼻領域の形状データのみを抽出し、この抽出した鼻領域の形状データを「現在姿勢」での位置合わせ用データとして取得する。この「現在姿勢」での位置合わせ用データの一例を図７に示す。

次に、前述のＩＣＰアルゴリズムを用いて、教示情報制御部２３内の或いはそれに付設されたメモリ装置、若しくは装置本体ユニット２０の外部に付設されたメモリ装置などから読み出された「正解姿勢」での位置合わせ用データと、「現在姿勢」での位置合わせ用データとを位置合わせする（ステップ＃２４）。つまり、「正解姿勢」と「現在姿勢」との間の距離を算出し（ステップ＃２５）、この算出距離が規定値以下であるか否かを判定する（ステップ＃２６）。算出距離が規定値を越える場合には（ステップ＃２６：ＮＯ）、磁気刺激治療を行うことなく、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び方向の相対的な関係について、変化させるべき方向を画像モニタ部１０のモニタ画面１２上で指示する（ステップ＃２７）。

前述のように、このモニタ画面１２上には、ＴＯＦカメラ４０及び被験者２の顔が前述した「正解姿勢」からどの方向にどのくらいの大きさで偏差しているか、を示す指標として、被験者２の頭部２ｈのある決められた一点から見た現状姿勢でのＴＯＦカメラ４０の位置を例えば赤色の円形Ｃ１で示し、同じく被験者２頭部の同じ一点から見た正解姿勢でのＴＯＦカメラ４０の位置を例えば緑色の円形Ｃ２で表示（図１０参照）している。
そして、２つの指標Ｃ１，Ｃ２を結ぶ線分Ｌ１２の向きは、「現在姿勢」を「正解姿勢」に近づけるために、ＴＯＦカメラ４０、被験者２の顔の相対的な位置を移動させるべき移動方向を、線分Ｌ１２の長さは同じく移動させるべき移動距離を示している。

また、２つの指標Ｃ１とＣ２を円形で表示している理由は、３次元空間内におけるこれらＴＯＦカメラ４０の位置を表現しているためである。すなわちＴＯＦカメラ４０が被験者２の頭部２ｈに近いと例えば、指標Ｃ１，Ｃ２の円形も大きく表示されるようにしている。位置合わせの状況により、ＴＯＦカメラ４０（あるいはＴＯＦカメラ４０が一体に固定されたヘルメット５０）を前後方向にずらすなどして調整すれば２つの指標Ｃ１，Ｃ２が同じ大きさになり、３次元位置として「現在姿勢」でのＴＯＦカメラの位置を、「正解姿勢」でのＴＯＦカメラ４０の位置に一致させることが可能になる。

位置合わせの具体的な操作は、被験者２の頭部２ｈを現状の位置に止めておき、指標C２を動かして、指標Ｃ１と重なり大きさも一致して見えるように、ＴＯＦカメラ４０（言い換えればヘルメット５０）を動かすように実施される。
あるいは、ＴＯＦカメラ４０と一体になったヘルメット５０を現状の位置に止めておき、被験者２の顔（頭）を動かせば指標Ｃ１を指標Ｃ２に近づけることができるので、同様に位置合わせの操作として実施される。

被験者２の顔を動かして「正解姿勢」に近づけようとする場合、顔の移動に伴い表示画面内の赤色の円形Ｃ１が移動するので、被験者２などの操作を行う者は、線分Ｌ１２上を赤色の円形Ｃ１が移動して緑色の円形Ｃ２へ近づくように、顔を移動させる。
あるいは、ＴＯＦカメラ４０を動かして「正解姿勢」に近づけようとする場合、ＴＯＦカメラ４０の移動に伴い同様にして表示画面内の赤色の円形Ｃ１が移動するので、同じく線分Ｌ１２上を赤色の円形Ｃ１が移動して緑色の円形Ｃ２へ近づくように操作を行う。あるいはこれらの操作を併用してもよい。

ところで、「正解姿勢」に応じた緑色の円形Ｃ２は、本実施例では表示画面１２の中央に表示され、一方、「現在姿勢」に応じた赤色の円形Ｃ１は、被験者２から見たＴＯＦカメラ４０の位置及び方向を変更操作することで画面１２内の表示の位置や大きさが変化するとともに、「現在姿勢」が「正解姿勢」に一致すると円形Ｃ１が円形Ｃ２と同じく画面１２の中央に表示がされるのであるから、円形Ｃ１の表示の仕方（態様）は、現在のＴＯＦカメラ４０と顔との相対的な位置及び方向が変わることにより、画面１２内での表示位置や表示の大きさが変化することになる。
更に、「現在姿勢」が移動操作に応じて「正解姿勢」に近づくと、円形Ｃ１の表示の態様である画面１２内の表示位置や表示の大きさが円形Ｃ２に近づくことになる。

本発明の実施にあたっては、上記の実施例に限定されることなく、様々な態様が考えられ、例えば「正解姿勢」に近づくと、指標Ｃ１の表示色や形状が指標Ｃ２に近づくようにしてもよい。また、操作の教示を画面表示に限ることなく、音声など他の伝達手段にて行ってもよい。
なお、上記に用いた「移動」とは、被験者２の顔と、ＴＯＦカメラ４０との相対的な位置および方向を変化させる動作、すなわち被験者２の顔とＴＯＦカメラ４０いずれか一方あるいは双方の、位置の移動、および回転の操作を含めて用いている。

このようにして、被験者２あるいはその家族等は、モニタ画面１２中の線分Ｌ１２が短くなり、最終的には２つの円形Ｃ１，Ｃ２が重なるように、ＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び方向の相対的な関係を（つまり、ヘルメット５０の装着具合を）変化させる。
なお、上記の実施態様では、「正解姿勢」となるように指標としての円形Ｃ１と円形Ｃ２を最終的に重ねているが、円形Ｃ１と円形Ｃ２を重ねずに、ある特定の位置関係によって「正解姿勢」を表示する態様であってもよい。

被験者２あるいはその家族等はモニタ画面１２の指示に従い、ヘルメット５０の装着具合を調節してＴＯＦカメラ４０と被験者２の顔との間の位置及び方向の相対的な関係を変化させた後（ステップ＃２８）、ステップ＃２２に戻って再度「現在姿勢」でのデータを計測する。このステップ＃２２からステップ＃２６までの各ステップを、「正解姿勢」と「現在姿勢」との間の距離が規定値以下（ステップ＃２６：ＹＥＳ）となるまで繰り返して実行することで、磁気刺激コイル３０を正しい位置に誘導することができる。

そして、「正解姿勢」と「現在姿勢」との間の距離が規定値以下（ステップ＃２６：ＹＥＳ）となって磁気刺激コイル３０が正しい位置に誘導されると、図１１に示すように、画像モニタ部１０のモニタ画面１２には、誘導工程の終了を表す例えば黄色の単一の円形Ｃ３が表示され、誘導工程が終了する（ステップ＃２９）。
このようにして磁気刺激コイル３０が正しい位置及び方向に誘導された状態で、磁気刺激治療が行われる（ステップ＃３０）。すなわち、被験者２自身あるいはその家族等は、前記磁気刺激コイル制御部２２を作動させて、磁気刺激コイル３０から所定強度の磁束を印加して被験者２の頭部２ｈの脳内に誘起電流を生じさせ、最適刺激部位に磁気刺激を加える。

本願発明実施例の経頭蓋磁気治療装置１は、上記のような操作教示を行うようにしたので、操作を行う者は、被験者２の顔やＴＯＦカメラ４０という移動操作の対象物をどの方向へ動かせばよいのか、表示画面１２から直観的に把握することができるので、操作が容易なものとなり、経頭蓋磁気刺激装置１を在宅や開業医外来などで治療に用いる場合の障壁が小さく、普及拡大が進む効果が発揮される。
また、操作の対象物が被験者２の顔、ＴＯＦカメラ４０と複数あるよう構成したので、被験者２の疾患の病態、すなわち脳卒中などの後遺症から肢体の運動能力がどのくらい低下しているか、利き手がどちらであるか、介助者が存在するか、などの諸条件に合わせて、顔とＴＯＦカメラ４０のどちらを移動させるか、あるいは双方を移動させるか、選択が可能であるため操作性に大きな自由度が生じて、同様に治療装置使用の障壁を小さなものとして普及拡大を促進する効果がある。

そして、所定の治療効果が得られて（或いは所定時間が経過して）磁気刺激治療が終了するまで（ステップ＃３１：ＮＯ）、磁気刺激治療が継続して行われ、磁気刺激治療が終了すると（ステップ＃３１：ＹＥＳ）、装置１の作動が停止されるようになっている。

以上、説明したように、本実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置１においては、ＴＯＦカメラ４０を用いたことにより、被験者頭部２ｈの３次元形状情報をリアルタイムで得ることができる。この場合において、前記ＴＯＦカメラ４０と磁気刺激コイル３０とは一体で且つ移動及び／又は回転可能であるので、両者間４０，３０の位置及び方向の相対関係は常に不変であり、改めて位置及び方向を合わせる必要はない。また、被験者頭部２ｈの３次元形状情報中から顔形状の特徴的領域（例えば鼻領域）を抽出して「正解姿勢」及び「現在姿勢」での位置合わせ用データを取得し、両データに基づいて「正解姿勢」と「現在姿勢」との偏差を算出して、磁気刺激コイル３０と被験者頭部２ｈとの相対的な位置および方向を変更操作するための教示情報を生成し、画像モニタ部１０のモニタ画面１２に表示することができる。

従って、頭部外にある磁気刺激コイル３０を被験者頭部２ｈ内にある特定部位に対応した位置及び方向に導くために、磁気刺激コイル３０と被験者頭部２ｈとの相対的な移動及び／又は回転の操作を行うに際して、ヘルメット５０の装着姿勢がずれて磁気刺激コイル３０が被験者頭部２ｈの前記特定部位に対応した相対的な位置及び方向からずれた場合でも、モニタ画面１２の表示情報に従って、ヘルメット５０の装着姿勢を調節して磁気刺激コイル３０と被験者頭部２ｈとを相対的に移動及び／又は回転させるだけの簡単な操作で、磁気刺激コイル３０を被験者頭部２ｈの前記特定部位に対応した相対的な位置及び方向に、容易かつ確実に合わせることができる。これにより、経頭蓋磁気刺激療法を実施するに際して、頭部拘束による被験者２の負担を軽減することができる。また、被験者頭部２ｈの３次元形状情報中から顔形状の特徴的領域を抽出して３次元形状情報の偏差を算出するので、比較的高速で操作教示のための情報を得ることができる。

以上のように、当該装置１の使用者は、モニタ画面１２に表示された操作教示のための情報に従って、ヘルメット５０の装着姿勢を調節して磁気刺激コイル３０と被験者頭部２ｈとを相対的に移動及び／又は回転させるだけで、従来のように特別な熟練性を要することもなく、所要の操作を行うことができる。つまり、被験者２あるいはその家族、又は必ずしも専門ではない近所のかかりつけの医師などでも、比較的容易に操作して使用することができる。また、従来のような大掛かりで高価な装置を用いる必要がないので、コスト負担が小さくて済み、しかも被験者個人の自宅や比較的小規模な医院や診療所等でも設置スペースの確保が容易である。このように、本発明によれば、取り扱いや操作が簡単で、且つ、より小型で安価な経頭蓋磁気刺激装置１を提供することができ、これにより、被験者２が、自宅や近所のかかりつけの医院などで日常的に継続反復して経頭蓋磁気刺激療法を行うことが可能になる。

次に、本実施形態に係る経頭蓋磁気刺激装置１による磁気刺激コイル３０の誘導精度を調べるために、被験者２とヘルメット５０との間の位置及び方向の調節精度を調べる実験を行った。図１４は、この精度評価に用いた実験装置を示す模式的な構成図である。また、図１５は、図１４の一部を拡大して示す拡大図である。

これらの図に示すように、本実験では、ヘルメット５０の頂部に真直した保持ロッド６１が固定され、この固定部分はアーム状支持部材６５の端末部に結合されている。つまり、ヘルメット５０及び保持ロッド６１の全体が、支持部材６５によって支持されている。前記保持ロッド６１の一側（被験者２の正面側）に、当該ロッド６１に沿ってスライド調節可能な継手６２及び多関節型の保持アーム６３を介して、ＴＯＦカメラ４０が取り付けられている。つまり、ＴＯＦカメラ４０は、保持アーム６３，継手６２及び保持ロッド６１を介して、ヘルメット５０に対して一体的に固定されている。なお、保持ロッド６１の他側（被験者２の背面側）には、ＴＯＦカメラ４０の重量とバランスを取るために、重錘（バランサー）６４が取り付けられている。

本実験では、前記ＴＯＦカメラ４０として、スイス国ＭＥＳＡ社製のＳｗｉｓｓＲａｎｇｅｒ ＳＲ４０００を用いた。このＴＯＦカメラ４０は、その前面の中央に受光部４２を備え、この受光部４２の周囲に複数の発光部４４が設けられている。尚、図１に示した装置１で用いられるＴＯＦカメラ４０も同様の構成を備えたものである。

図１では、装置１の構成を説明するに際して、便宜上、画像モニタ部１０と装置本体ユニット２０とが別体のものとして描かれているが、実際には、図１４に示されるように、両者１０，２０が一体化されて所謂パーソナルコンピュータ（ＰＣ）７０を構成することが好ましい。このように構成することで、経頭蓋磁気刺激装置１がコンパクトになり、設置スペースも小さくて済み、在宅で用いるのにより好適なものとなる。前記ＴＯＦカメラ４０は、パーソナルコンピュータ７０の装置本体ユニット２０に、信号授受可能に接続されている。

また、本実験では、被験者２とヘルメット５０との間の相対的な位置及び姿勢の関係を正確に測定するために、ＮＤＩ社製ポラリス（Ｐｏｌａｒｉｓ Ｖｉｃｒａ）を利用した。ポラリス・システムは、高性能な光学式３Ｄ計測システムであり、赤外線反射マーカの３次元位置を高精度で測定することができる。図１５に示すように、被験者２とヘルメット５０のそれぞれにポラリス用マーカ６８，６９を貼付し、２つのマーカ６８，６９間の相対的な位置及び姿勢の関係から誘導の精度を調べた。

実験では、先ず、被験者２にヘルメット５０を装着させ、「正解姿勢」を設定する。この「正解姿勢」において、被験者２の鼻領域形状をＴＯＦカメラ４０で測定し、ポラリス用マーカ６８，６９の相対的な位置及び方向の関係をポラリスで測定する。その後、被験者２がヘルメット５０を装着し直し、この「現在姿勢」について同様の測定を行う。そして、「現在姿勢」が「正解姿勢」と一致するまで被験者２の顔とカメラを動かし、両者が一致して誘導が終了すると、その誘導終了後のマーカの位置関係をポラリスで測定する。このような試行を１０回繰り返し、２つのポラリス用マーカ６８，６９間の距離と方向の変化角度を計測し、この計測データに基づいて、誘導終了後の被験者２とヘルメット５０の装着姿勢が「正解姿勢」と比較して目標範囲内にあるか否かによって精度を評価するようにした。

磁気刺激治療を行う際の有効精度は、頭蓋内部で直径６ｍｍ程度、磁気刺激を行う際の姿勢変化角度は５度程度とされている。よって、目標精度は、距離の誤差が６ｍｍ以下、角度の誤差は５度以下とした。

実験結果を図１６（マーカ間の距離）及び図１７（マーカ間の姿勢変化角度）に示す。これらのグラフから分かるように、全試行を通じて、距離の誤差および角度の誤差は共に、目標精度（直径６ｍｍ及び５度）内に収まっている。また、距離の誤差は平均１．５４ｍｍ、標準偏差１．４０であった。更に、角度の誤差は平均２．０４度、標準偏差１．０２度であった。

この実験結果より、距離の誤差・角度の誤差は、全試行を通じて目標精度を満たしており、また、平均値・標準偏差についても良好な結果が得られており、本システムは、磁気刺激治療が必要とする精度を満たしていることが確かめられた。

尚、以上の説明は、全て、磁気刺激用コイルにより被験者の脳内神経に磁気刺激を加えて神経障害性の疼痛を緩和する経頭蓋磁気刺激療法に用いる場合についてのものであったが、本発明は、かかる場合に限定されるものではなく、他の磁気刺激用途においても、有効に適用できるものである。

このように、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更や設計上の改良等を行い得るものであることは、言うまでもない。

本発明は、経頭蓋磁気刺激療法を実施するに際して、頭部拘束による患者の負担を軽減し、また、取り扱いや操作を簡単化する上で有用な操作教示装置として、及びかかる操作教示装置を利用した経頭蓋磁気刺激装置として、有効に利用することができる。

１ 経頭蓋磁気刺激装置
２ 被験者
２ｈ 被験者の頭部
１０ 画像モニタ部
１２ モニタ画面
２０ 装置本体ユニット
２１ 画像表示制御部
２２ 磁気刺激コイル制御部
２３ 教示情報生成部
３０ 磁気刺激コイル
４０ ＴＯＦカメラ
４２ 受光部
４４ 発光部
５０ ヘルメット
６８，６９ ポラリス用マーカ
７０ パーソナルコンピュータ

Claims (6)

1. 予め定められた位置及び方向に合わせるため、対象物の移動及び／又は回転の操作を行う際の、操作教示に用いる操作教示装置であって、
   前記対象物の表面を投射光で照射して得られた撮影画像の各画素における、発光手段から前記対象物による反射を経て受光手段に至る前記投射光の伝播距離の情報から、当該対象物の３次元形状情報を得る、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）式距離画像カメラ手段と、
   前記対象物から反射された投射光を前記受光手段が受光した受光強度の情報から得られた当該対象物の輝度画像を用いて、前記３次元形状情報中から特徴的領域を抽出する抽出手段と、
   前記予め定められた位置及び方向での前記対象物の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報と、現在の位置及び方向での前記対象物の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報との偏差を算出して、前記操作教示のための情報を生成する生成手段と、を備えることを特徴とする操作教示装置。
2. 対象物の表面を投射光で照射して得られた撮影画像の各画素における、発光手段から前記対象物による反射を経て受光手段に至る前記投射光の伝播距離の情報から当該対象物の３次元形状情報を得るとともに、移動及び／又は回転の操作が可能に構成された、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）式の距離画像カメラ手段と、
   前記距離画像カメラに対して、（Ａ）相対的に予め定められた位置及び方向にある前記対象物の、前記３次元形状情報と、（Ｂ）現在の位置及び方向にある前記対象物の、前記３次元形状情報と、に基づいて、
   （１）前記予め定められた相対的位置及び相対的方向を示す、第一の指標、及び、
   （２）前記現在の相対的位置及び相対的方向を示す指標であって、前記予め定められた相対的位置及び相対的方向に近づくよう前記対象物又は前記距離画像カメラを相対的に移動させる操作を行うと、表示の態様が前記第一の指標の表示の態様に近づく、第二の指標、
   を生成する生成手段と、を備えることを特徴とする操作教示装置。
3. 被験者頭部内にある特定部位に対し、頭部外にある磁場発生手段を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置であって、
   前記磁場発生手段と一体で且つ移動及び／又は回転可能に設けられたカメラ手段であって、前記被験者頭部の表面を投射光で照射して得られた撮影画像の各画素における、発光手段から前記被験者頭部の表面による反射を経て受光手段に至る該投射光の伝播距離の情報から、当該被験者頭部の３次元形状情報を得る、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）式距離画像カメラ手段と、
   前記被験者頭部の表面から反射された投射光を前記受光手段が受光した受光強度の情報から得られた当該被験者頭部の輝度画像を用いて、前記３次元形状情報中から特徴的領域を抽出する抽出手段と、
   前記特定部位への磁気刺激を行う位置及び方向での前記被験者頭部の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報と、現在の位置及び方向での前記被験者頭部の前記特徴領域を含む前記３次元形状情報との偏差を算出して、前記磁場発生手段と被験者頭部との相対的な位置および方向を変更操作するための教示情報を生成する生成手段と、を備えることを特徴とする経頭蓋磁気刺激装置。
4. 前記特徴的領域が前記被験者の鼻領域であることを特徴とする、請求項３に記載の経頭蓋磁気刺激装置。
5. 前記特徴的領域が前記被験者の耳領域であることを特徴とする、請求項３に記載の経頭蓋磁気刺激装置。
6. 被験者頭部内にある特定部位に対し、頭部外にある磁場発生手段を用いて磁気刺激を加えるための経頭蓋磁気刺激装置であって、
   前記磁場発生手段と一体で且つ移動及び／又は回転可能に設けられ、前記被験者頭部の表面を投射光で照射して得られた撮影画像の各画素における、発光手段から前記被験者頭部の表面による反射を経て受光手段に至る該投射光の伝播距離の情報から、当該被験者頭部の３次元形状情報を得る、ＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）式の距離画像カメラ手段と、
   （Ａ）前記磁場発生手段が前記特定部位への磁気刺激を行う位置及び方向にあるときの被験者頭部の、前記３次元形状情報と、（Ｂ）前記磁場発生手段が現在の位置及び方向にあるときの被験者頭部の、前記３次元形状情報とに基づいて、
   （１）前記磁場発生手段が前記特定部位への磁気刺激を行うときの、目標となる位置及び方向を示す、第一の指標、及び、
   （２）前記磁場発生手段が現在の位置及び方向にあるときの、現在の位置及び方向を示す指標であって、前記特定部位への磁気刺激を行うときの位置及び方向に近づくよう当該磁場発生手段の移動操作を行うと、表示の態様が前記第一の指標の表示の態様に近づく、第二の指標、
   を生成する生成手段と、を備えたことを特徴とする経頭蓋磁気刺激装置。

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