(57)【要約】【課題】物理的にアーチファクトを低減可能な生体磁気測定システムを提供すること。【解決手段】本生体磁気測定システムは、生体の磁気を測定する磁気測定装置と、前記生体に刺激電流を印加する電気刺激装置と、を有する生体磁気測定システムであって、前記磁気測定装置は、前記刺激電流によるアーチファクトの大きさを確認するアーチファクト確認部を含み、前記電気刺激装置は、前記アーチファクト確認部からの情報に基づいて、前記刺激電流が出力された後に、前記アーチファクトを低減するアーチファクト補償電流を出力可能である。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の磁気を測定する磁気測定装置と、
前記生体に刺激電流を印加する電気刺激装置と、を有する生体磁気測定システムであって、
前記磁気測定装置は、前記刺激電流によるアーチファクトの大きさを確認するアーチファクト確認部を含み、
前記電気刺激装置は、前記アーチファクト確認部からの情報に基づいて、前記刺激電流が出力された後に、前記アーチファクトを低減するアーチファクト補償電流を出力可能であることを特徴とする生体磁気測定システム。
【請求項２】
前記電気刺激装置は、前記アーチファクト確認部からの情報に基づいて、前記アーチファクト補償電流を自動的に調整できることを特徴とする請求項１に記載の生体磁気測定システム。
【請求項３】
前記磁気測定装置は、磁気センサと、前記刺激電流が印加された際の磁気信号を前記磁気センサから取得する磁気信号取得部と、を更に含み、
前記アーチファクト確認部は、前記磁気信号に含まれるアーチファクトの大きさを確認することを特徴とする請求項１又は２に記載の生体磁気測定システム。
【請求項４】
前記磁気信号は加算平均されていることを特徴とする請求項３に記載の生体磁気測定システム。
【請求項５】
前記刺激電流とアーチファクト補償電流は、互いに逆位相のパルス信号であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の生体磁気測定システム。
【請求項６】
生体に刺激電流を印加するステップと、
前記刺激電流によるアーチファクトの大きさを確認するアーチファクト確認ステップと、
前記アーチファクト確認ステップでの情報に基づいて、前記刺激電流が出力された後に、前記アーチファクトを低減するアーチファクト補償電流を出力するステップと、を有する生体磁気測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体磁気測定システム、生体磁気測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
神経や脳、筋肉が発生する極微弱な磁気を計測する生体磁気測定システムにおいて、安定した生体磁気を発生させる手段として神経を電気刺激する方法がある。しかし電気刺激をすることでアーチファクトが発生し、生体磁気波形を大きく乱すため、何らかのアーチファクトを低減する手段をとる必要がある。例えば、ＤＳＳＰ（Dual Signal Subspace Projection）のような信号処理技術を用いてアーチファクトを低減する手法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、信号処理技術を用いたアーチファクト低減手法は、生体から発生する磁気信号を歪ませてしまう問題があった。
【０００４】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、物理的にアーチファクトを低減可能な生体磁気測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本生体磁気測定システムは、生体の磁気を測定する磁気測定装置と、前記生体に刺激電流を印加する電気刺激装置と、を有する生体磁気測定システムであって、前記磁気測定装置は、前記刺激電流によるアーチファクトの大きさを確認するアーチファクト確認部を含み、前記電気刺激装置は、前記アーチファクト確認部からの情報に基づいて、前記刺激電流が出力された後に、前記アーチファクトを低減するアーチファクト補償電流を出力可能である。
【発明の効果】
【０００６】
開示の技術によれば、物理的にアーチファクトを低減可能な生体磁気測定システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態に係る生体磁気測定システムについて説明する図である。
【図２】被検者に取り付けた電極の近傍を拡大した図である。
【図３】生体磁気測定システムに含まれる収録装置の概略構成を例示する図である。
【図４】刺激電流の波形を例示する図である。
【図５】生体磁気測定システムに含まれる収録装置の制御部のハードウェアブロック図の例である。
【図６】生体磁気測定システムに含まれる収録装置の制御部の機能ブロック図の例である。
【図７】図４の刺激電流により生体から得られる磁気信号を例示する図である。
【図８】アーチファクトを低減するアーチファクト補償電流を例示する図である。
【図９】図８の刺激電流及びアーチファクト補償電流により生体から得られる磁気信号を例示する図である。
【図１０】生体磁気測定方法を例示するフローチャートである。
【図１１】アーチファクト補償電流の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、実施の形態の説明を行う。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【０００９】
（第１実施形態）
（生体磁気測定システム）
図１は、本実施形態に係る生体磁気測定システムについて説明する図である。図２は、被検者に取り付けた電極の近傍を拡大した図である。
【００１０】
図１を参照すると、生体磁気測定システム１は、主要な構成要素として、磁気測定装置１０と、低温容器２０と、電気刺激装置３０とを有している。
【００１１】
磁気測定装置１０は、生体の磁気を測定する装置であって、磁気センサ１１と、センサ保持具１２と、収録装置１３とを備える。
【００１２】
磁気センサ１１は、生体磁気を検知する。生体磁気は一般的に数十ｆＴ〜数ｐＴ程度と極めて微弱であるため、磁気センサ１１として高感度な磁気センサが用いられる。磁気センサ１１の具体例としては、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）、原子磁気センサ、ダイヤモンド窒素空孔中心、磁気抵抗センサ、磁気インピーダンスセンサ等が挙げられる。本実施形態では、一例として、磁気センサ１１として一次のグラジオメータ構成の３軸ＳＱＵＩＤを用いる。
【００１３】
生体磁気測定システム１では、磁気測定装置１０の複数の磁気センサ１１を所望の位置に配置し、又、磁気センサ１１と測定部位との相対位置がずれないようにセンサ保持具１２が用いられる。本実施形態では磁気センサ１１を超電導状態になる温度まで冷やすために、センサ保持具１２は断熱機構を有している。
【００１４】
磁気センサ１１からの出力は収録装置１３に送られ記録される。図３に示すように、収録装置１３は、回路部６０と、制御部７０とを有している。回路部６０は、例えば、磁気センサ１１を駆動するＦＬＬ（Flux Locked Loop）回路、信号処理回路、アナログデジタル変換回路、データ収録回路等が含まれる。
【００１５】
生体磁気測定システム１の一部は磁気シールドルーム１００内に配置されている。磁気シールドルーム１００を利用するのは、生体から発生する微弱な磁界である生体磁気を測定するためである。磁気シールドルーム１００は、例えば、高透磁率材料であるパーマロイ等からなる板材と、銅やアルミニウム等の導電体からなる板材の積層により形成できる。
【００１６】
磁気シールドルーム１００は、例えば、２．５ｍ×３．０ｍ×２．５ｍ程度の大きさの内部空間を有し、装置器具の搬送や、人の出入りを可能とする扉１１０を備えている。扉１１０は、磁気シールドルーム１００の他の部分と同様に、高透磁率材料であるパーマロイ等からなる板材と、銅やアルミニウム等の導電体からなる板材の積層により形成できる。
【００１７】
なお、本明細書において、高透磁率材料とは、比透磁率が１０００より大きい材料を指す。このような材料としては、パーマロイ以外に鉄、ニッケル、コバルトの単体や、その合金（アモルファス合金や紛体、ナノ粒子を含む）、フェライト等を挙げることができる。
【００１８】
以下、生体磁気測定システム１及びその周辺部について、より詳しく説明する。磁気シールドルーム１００内には、ベッド１５０が設置されている。又、磁気シールドルーム１００内には、低温容器２０が設置されており、低温容器２０には測定や制御等に用いる信号線６１が取り付けられている。信号線６１は、磁気ノイズを低減するためにツイストケーブル等により形成され、磁気シールドルーム１００に開けられた孔１００１を通して、磁気シールドルーム１００の外へ引き出され、収録装置１３と接続されている。
【００１９】
生体磁気測定システム１を用いた測定では、磁気シールドルーム１００内に置かれたベッド１５０に、被検者３００が仰向けで横たわり、安静な状態で生体磁気の測定が行われる。安静な状態で測定が行われることで、被検者３００への負担が少ないのみでなく、被検者３００の不必要な動きによる測定装置との位置ずれや、筋肉の緊張により生じる筋肉からの磁気ノイズ等を低減できる。
【００２０】
低温容器２０はデュワーとも称され、生体から発生する磁気を検出する磁気センサ１１の極低温動作に必要な液体ヘリウムを保持している。低温容器２０は、例えば、生体磁気の測定に適するように突起部２０１を備えており、突起部２０１の内部の液体ヘリウム中に磁気センサ１１が設置されている。
【００２１】
内部に磁気センサ１１が設置された突起部２０１を、ベッド１５０に仰向けとなった被検者３００の下側から頚椎に近づけることで、磁気センサ１１を測定部位に近づけた状態で生体磁気の測定を行うことができる。
【００２２】
生体磁気を測定する際には、電気刺激により意図的に神経活動を起こす必要がある。そこで、図２に示すように被検者３００の体の一部分３１０に電極４０を取り付け、電気刺激が印加される。電極４０は、陽極と陰極の２つを備え、被検者３００の肘関節部や膝関節部分の正中神経等に効率的に信号を印加できる箇所の皮膚上に取り付けられる。
【００２３】
電極４０には、刺激を送るために信号線６２が取り付けられている。信号線６２は、磁気ノイズを低減するためにツイストケーブル等により形成されている。信号線６２は、磁気シールドルーム１００に開けられた孔１００２を通して、磁気シールドルーム１００の外へ引き出され、磁気シールドルーム１００の外に設置された電気刺激装置３０に接続されている。
【００２４】
電気刺激装置３０は、生体に刺激電流等を印加する装置である。電気刺激装置３０は、電気刺激したい部位に装着できる電極４０を有し、被検者３００の神経活動を起こすために、パルス状の刺激電流を電極４０の陽極−陰極間に流すことができる。
【００２５】
具体的には、電気刺激装置３０は、例えば図２の位置に電極４０を装着した状態で、生体磁気測定時に、例えば図４に示すパルス状の刺激電流を発生し、電極４０の陽極−陰極間に印加する。このときの刺激電流は、例えば、数Ｈｚ〜２０Ｈｚ程度の頻度で周期的に印加される。電気刺激装置３０による電気刺激で誘発された生体磁気は磁気センサ１１で検出されるが、検出される生体磁気は振幅が小さいため、例えば、電気刺激と同期して加算平均される。
【００２６】
図５は、生体磁気測定システムに含まれる収録装置の制御部のハードウェアブロック図の例である。図５に示すように、制御部７０は、主要な構成要素として、ＣＰＵ７１と、ＲＯＭ７２と、ＲＡＭ７３と、Ｉ／Ｆ７４と、バスライン７５とを有している。ＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３、及びＩ／Ｆ７４は、バスライン７５を介して相互に接続されている。制御部７０は、各種制御対象や各種センサ等と接続されている。制御部７０は、必要に応じ、他のハードウェアブロックを有しても構わない。
【００２７】
ＣＰＵ７１は、制御部７０の各機能を制御する。記憶手段であるＲＯＭ７２は、ＣＰＵ７１が制御部７０の各機能を制御するために実行するプログラムや、各種情報を記憶している。記憶手段であるＲＡＭ７３は、ＣＰＵ７１のワークエリア等として使用される。又、ＲＡＭ７３は、所定の情報を一時的に記憶できる。Ｉ／Ｆ７４は、他の機器等と接続するためのインターフェイスであり、例えば、外部ネットワーク等と接続される。
【００２８】
制御部７０は、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、所定の機能を実行するよう設計されたＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ＤＳＰ（digital signal processor）、ＦＰＧＡ（field programmable gate array）、ＳＯＣ(System on a chip)、又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）であってもよい。又、制御部７０は、回路モジュール等であってもよい。
【００２９】
図６は、生体磁気測定システムに含まれる収録装置の制御部の機能ブロック図の例である。図６に示すように、制御部７０は、主要な機能ブロックとして、磁気信号取得部７１０と、アーチファクト確認部７２０と、電流値調整部７３０とを備えている。制御部７０は、必要に応じ、他の機能ブロックを有しても構わない。
【００３０】
磁気信号取得部７１０は、電気刺激装置３０により刺激電流が生体に印加された際の磁気信号を磁気センサ１１から取得し、例えば、ＲＡＭ７３に格納する機能を有する。又、磁気信号取得部７１０は、電気刺激装置３０による電気刺激と同期して取得した磁気信号を加算平均する機能を有する。
【００３１】
アーチファクト確認部７２０は、刺激電流によるアーチファクトの大きさを確認する。具体的には、アーチファクト確認部７２０は、磁気信号取得部７１０が磁気センサ１１から取得した磁気信号に含まれるアーチファクトの大きさを確認する機能を有する。ここで、アーチファクトとは、取得した磁気信号に混在している目的以外の雑音成分である。
【００３２】
電流値調整部７３０は、電気刺激装置３０を制御して、電気刺激装置３０が発生するパルス状の電流の振幅（パルス高さ）や時間（パルス幅）を調整する機能を有する。
【００３３】
例えば、電気刺激装置３０が、図２の位置に電極４０を装着した状態で、図４に示すパルス状の刺激電流を発生し、電極４０の陽極−陰極間に印加した場合を考える。この場合、例えば、図７に示す磁気信号が得られる。図７では、複数のセンサから得られた磁気信号を重畳して表示している。
【００３４】
図７に示すように、０ｍｓの時刻のとき電気刺激がされ、そのアーチファクトが７ｍｓ程度まで続いている。電気刺激装置３０による電気刺激で誘発された磁気信号が３ｍｓ〜１３ｍｓに出てくるため、磁気信号の最初の部分がアーチファクトとオーバーラップしてしまう。
【００３５】
アーチファクトの発生は、電極４０と被検者３００の刺激部位との間の寄生容量に依る。すなわち、電気刺激した際に、電極４０と被検者３００の刺激部位との間の寄生容量に電荷がチャージする。この電荷が所定の時定数で拡散する際に発生する電流が磁気ノイズ（アーチファクト）となり、生体磁気測定に悪影響を及ぼす。
【００３６】
図８は、アーチファクトを低減するアーチファクト補償電流を例示する図である。図８では、刺激電流Ａを印加した直後に、刺激電流Ａとは逆位相のパルス信号であるアーチファクト補償電流Ｂを印加している。これにより、寄生容量にチャージした電荷を強制的に引き抜くことができる。その結果、拡散する電荷の数が低下し、アーチファクトによる悪影響も低減できる。この手法はアーチファクトを物理的に（すなわち、信号処理の手法を用いることなく）減少させているため、信号処理による生体磁気信号の歪みが発生しない。
【００３７】
アーチファクト補償電流Ｂの振幅及びパルス幅は、刺激電流Ａの振幅及びパルス幅と同じでなくても良い。すなわち、アーチファクト補償電流Ｂの振幅は刺激電流Ａの振幅とは独立に調整でき、アーチファクト補償電流Ｂのパルス幅は刺激電流Ａのパルス幅とは独立に調整できる。
【００３８】
アーチファクト補償電流Ｂの振幅及びパルス幅を適当な値に調整することで、図９に示すとおり、アーチファクトの収束を早め、生体磁気信号を見やすくできる。図７と比較すると、改善効果は明らかである。
【００３９】
図１０は、生体磁気測定方法を例示するフローチャートであり、アーチファクト補償電流の調整方法を中心に説明する。まず、ステップＳ１では、電流値調整部７３０は、ＲＡＭ７３に格納されているアーチファクト補償電流Ｂの振幅及びパルス幅の値を読み出す。そして、刺激電流Ａ（固定値）及びアーチファクト補償電流Ｂの波形（例えば、図８の波形）に相当する情報を電気刺激装置３０に入力し、電気刺激装置３０は被検者に電流刺激を与える。なお、電流値調整部７３０は、刺激電流Ａ（例えば、図４の波形）に相当する情報を電気刺激装置３０に入力し、電気刺激装置３０は被検者に刺激電流Ａのみによる電流刺激を与えてもよい。
【００４０】
次に、ステップＳ２では、磁気信号取得部７１０は、磁気センサ１１から電流刺激時の磁気信号を取得し、ＲＡＭ７３に格納する。このとき、磁気信号取得部７１０は、電気刺激装置３０による電気刺激と同期して取得した磁気信号を加算平均してもよい。
【００４１】
次に、ステップＳ３では、アーチファクト確認部７２０は、磁気信号取得部７１０が磁気センサ１１から取得してＲＡＭ７３に格納した磁気信号を読み出し、読み出した磁気信号におけるアーチファクトの大きさを確認する。具体的には、アーチファクト確認部７２０は、例えば、磁気信号の所定区間（例えば、電気刺激がされた時刻から１ｍｓ後から５ｍｓ後までの間）の磁気信号の値を積算する。
【００４２】
或いは、アーチファクト確認部７２０は、特定のチャネルの磁気センサ１１の特定の時刻（例えば、電気刺激がされた時刻から１ｍｓ後から５ｍｓ後までの間）の振幅に基づいてアーチファクトの大きさを確認してもよい。又、アーチファクト確認部７２０は、特定のチャネルの磁気センサ１１の所定区間（例えば、電気刺激がされた時刻から１ｍｓ後から５ｍｓ後までの間）の積算値に基づいてアーチファクトの大きさを確認してもよい。これらの場合、特定のチャネルは単一でも複数でも全てでもよい。
【００４３】
次に、ステップＳ４では、アーチファクト確認部７２０は、磁気信号の積算値が所定の閾値Ｔｈ以下か否かを判断する。
【００４４】
ステップＳ４で磁気信号の積算値が所定の閾値Ｔｈよりも大きいと判断された場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ５へ移行する。ステップＳ５では、電流値調整部７３０は、アーチファクト補償電流Ｂの振幅及び／又はパルス幅を調整し、調整後のアーチファクト補償電流Ｂの振幅及び／又はパルス幅の値をＲＡＭ７３に格納する（ＲＡＭ７３の値を更新する）。その後、再びステップＳ１に移行し、上記と同様の処理を繰り返す。
【００４５】
ステップＳ４で磁気信号の積算値が所定の閾値Ｔｈ以下であると判断された場合（ＹＥＳの場合）は、アーチファクト補償電流Ｂの調整は終了する。以降の測定において、アーチファクト補償電流Ｂの振幅及びパルス幅はＲＡＭ７３に最後に格納された値が使用される。
【００４６】
このようにして、生体磁気測定システム１では、アーチファクト確認部７２０からの情報に基づいて、アーチファクト補償電流Ｂを自動的に調整できる。なお、図１０のフローに従って、予めアーチファクト補償電流Ｂの振幅及びパルス幅の最適値を求めておき、その値を固定値として用いてもよい。この場合には、アーチファクト補償電流Ｂの調整は自動的には行われない。
【００４７】
このように、生体磁気測定システム１において、磁気測定装置１０は、電気刺激装置３０からの刺激電流によるアーチファクトの大きさを確認するアーチファクト確認部７２０を含んでいる。そして、電気刺激装置３０は、アーチファクト確認部７２０からの情報に基づいて、刺激電流Ａが出力された後に、アーチファクトを低減するアーチファクト補償電流Ｂを出力可能である。
【００４８】
刺激電流Ａが出力された後にアーチファクト補償電流Ｂを出力することで、寄生容量にチャージした電荷を強制的に引き抜くことができるため、拡散する電荷の数が低下し、アーチファクトによる悪影響を低減できる。アーチファクト補償電流Ｂの振幅及びパルス幅を適当な値に調整することで、アーチファクトの収束を早め、生体磁気信号を見やすくできる。この手法はアーチファクトを物理的に減少させているため、信号処理による生体磁気信号の歪みが発生しない点で好適である。
【００４９】
なお、生体磁気測定システム１は、例えば、電気刺激によって誘発される脊髄、末梢神経、筋肉、脳からの磁場を測定する際に用いることができる。
【００５０】
（第１実施形態の変形例）
第１実施形態の変形例では、第１実施形態とは異なる刺激電流の波形を示す。なお、第１実施形態の変形例において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００５１】
刺激電流Ａを印加した後アーチファクト補償電流Ｂの印加が終了するまで時間は、１ｍｓ以内であることが好ましい。すなわち、刺激電流Ａの立ち上がりからアーチファクト補償電流Ｂの立ち上がりまでの総時間は、１ｍｓ以内であることが好ましい。総時間が１ｍｓ以内であれば、寄生容量にチャージした電荷を強制的に引き抜く効果を十分に発揮させることができる。
【００５２】
総時間が１ｍｓ以内であれば、電流刺激波形は図８の波形には限定されず、例えば、図１１のような波形であってもよい。図１１では、刺激電流Ａとアーチファクト補償電流Ｂとの間に、電流を印加しない時間Ｃが設定されている。
【００５３】
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【００５４】
１  生体磁気測定システム
１０  磁気測定装置
１１  磁気センサ
１２  センサ保持具
１３  収録装置
２０  低温容器
３０  電気刺激装置
４０  電極
６０  回路部
７０  制御部
７１０  磁気信号取得部
７２０  アーチファクト確認部
７３０  電流値調整部
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００５５】
【非特許文献１】Kensuke Sekihara, "Dual signal subspace projection (DSSP): a novel algorithm for removing large interference in biomagnetic measurements", Journal of Neural Engineering, 11 April 2016
【図１】
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【図２】
2020142020.tif 000004
【図３】
2020142020.tif 000005
【図４】
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【図５】
2020142020.tif 000007
【図６】
2020142020.tif 000008
【図７】
2020142020.tif 000009
【図８】
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【図９】
2020142020.tif 000011
【図１０】
2020142020.tif 000012
【図１１】
2020142020.tif 000013