(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の磁場を検出する複数の検出コイルを有する磁場センサを備えた生体磁場計測装置において、
前記検出コイルのコイルバランスを求めるために複数のコイルで形成され、かつ外来磁場を人工的に発生する外来磁場人工発生手段と、
前記複数のコイルを駆動し、かつその駆動電流値を得るコイル制御・駆動手段と、
前記複数のコイルが発生した人工的な外来磁場に対する前記検出コイルの検出値から磁場計測値を得る計測手段と、
前記駆動電流値および前記磁場計測値を用いて前記検出コイルの少なくともコイルバランスを演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする生体磁場計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の発明において、
前記演算手段は、前記検出コイルの位置情報を用いて少なくとも前記コイルバランスを演算する手段である生体磁場計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の発明において、
前記複数のコイルは、この生体磁場計測装置の構造体であるデュワ、ガントリ、患者ベッド、および磁気シールドルームの内の一つまたは複数の構造体に取り付けられている生体磁場計測装置。
【請求項４】
請求項３記載の発明において、
前記複数のコイルは、前記デュワの外周表面上の既知の位置に取り付けられている生体磁場計測装置。
【請求項５】
請求項１記載の発明において、
前記複数のコイルは専用の支持体に取り付けられ、この支持体はこの生体磁場計測装置の構造体であるデュワ、ガントリ、患者ベッド、および磁気シールドルームの内の一つまたは複数の構造体に着脱自在に取り付けられている生体磁場計測装置。
【請求項６】
請求項１記載の発明において、
前記コイル制御・駆動手段は、前記複数のコイルを駆動するときの駆動電流値を指令値に制御する手段、または、前記複数のコイルを駆動したときの駆動電流値を計測する手段のいずれか一方を備える生体磁場計測装置。
【請求項７】
請求項６記載の発明において、前記演算手段は、前記検出コイルの感度も併せて演算する手段である生体磁場計測装置。
【請求項８】
請求項７記載の発明において、前記検出コイルは１次微分型グラジオメータを含む生体磁場計測装置。
【請求項９】
請求項７記載の発明において、前記検出コイルは２次微分型グラジオメータを含む生体磁場計測装置。
【請求項１０】
請求項５記載の発明において、前記コイル制御・駆動手段は、前記複数のコイルに電流を順次供給するか、または、一度に供給するかのいずれか機能を備えている生体磁場計測装置。
【請求項１１】
請求項６記載の発明において、前記演算手段は、前記検出コイルのコイルバランスに加えて当該検出コイルの位置も併せて推定演算する手段である生体磁場計測装置。
【請求項１２】
生体の磁場を検出する複数の検出コイルを有する磁場センサを備えた生体磁場計測装置において、
前記検出コイルのコイルバランスを求めるために複数のコイルで形成され、かつ外来磁場を人工的に発生する外来磁場人工発生手段と、
前記複数のコイルを駆動し、かつその駆動電流値を得るコイル制御・駆動手段と、
前記複数のコイルが発生した人工的な外来磁場および生体磁場に対する前記検出コイルの検出値から磁場計測値を得る計測手段と、
前記駆動電流値に基づく情報および前記磁場計測値を用いて前記検出コイルの感度およびコイルバランスを演算する演算手段と、
この演算手段の演算情報を少なくとも参照して前記生体磁場の磁場計測値から前記検出コイルのコイルバランスの影響を補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする生体磁場計測装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の発明において、
前記検出コイルは、同一あるいは近傍の検出位置に複数の磁場方向および磁場勾配成分の少なくとも一方を検出するピックアップコイルを配置するコイル構造を有し、
前記補正手段は、前記検出コイルによる検出チャンネルの前記感度およびコイルバランスから補正行列を算出する手段と、前記検出コイルのそれぞれの検出値に対応した前記生体磁場の磁場計測値に前記補正行列を掛けて当該検出コイルのコイルバランスの歪み分を補正した磁場計測値を演算する手段とを備える生体磁場計測装置。
【請求項１４】
請求項１２記載の発明において、
前記検出コイルは被検体の近傍の検出位置に配置して生体磁場を主に計測させる一方、
この検出コイルの検出位置よりも被検体から離れた位置に環境磁場を主に計測させるリファレンスコイルを配置し、
前記リファレンスコイルの検出値から前記検出コイルの位置での環境磁場の磁場勾配成分を求める手段を備え、
前記補正手段は、前記環境磁場の磁場勾配成分と前記検出コイルのコイルバランスとを用いて前記検出コイルによる前記生体磁場の磁場計測値に含まれるコイルバランスの影響を補正する手段である生体磁場計測装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の発明において、
前記補正手段は、前記環境磁場の磁場勾配成分を用いて、前記検出コイルによる前記生体磁場の磁場計測値の磁場成分と同じ成分の環境磁場をその磁場計測値から除く手段を含む生体磁場計測装置。
【請求項１６】
生体の磁場を検出する複数の検出コイルを有する磁場センサを備えた生体磁場計測装置において、
前記検出コイルのコイルバランスを求めるために複数のコイルで形成され、かつ外来磁場を人工的に発生する外来磁場人工発生手段と、
前記複数のコイルを駆動し、かつその駆動電流値を得るコイル制御・駆動手段と、
前記検出コイルが配置されている環境の環境磁場を検出するリファレンスコイルと、
前記検出コイルおよび前記リファレンスコイルの検出値のそれぞれから磁場計測値を得る計測手段と、
前記リファレンスコイルと前記検出コイルとによる前記磁場計測値間の相関を算出する手段と、
前記相関、前記リファレンスコイルによる磁場計測値、および前記検出コイルによる磁場計測値に基づき、当該検出コイルの生体磁場の磁場計測値からその検出コイルのコイルバランスの崩れの影響を除いた磁場計測値を演算する手段と、を備えたことを特徴とする生体磁場計測装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の発明において、
前記コイル制御・駆動手段は、前記複数のコイルに同時に電流を供給することでこれらのコイルを駆動する手段を有する生体磁場計測装置。
【請求項１８】
請求項１４または１６記載の発明において、
前記リファレンスコイルのコイルバランスを補正する手段をさらに備える生体磁場計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導量子干渉素子（Superconducting QUantum Interference Device ; SQUID）を利用して生体の脳や心臓などから発生する微弱な磁場（磁気、磁界）を計測する生体磁場計測装置に関する。とくに、本発明は、かかる生体磁場計測装置に備える磁場検出用の検出コイルの感度およびコイルバランスの推定、並びにコイルバランスの補正に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導システムの１分野として、ＳＱＵＩＤを用いた生体磁場計測装置の研究開発が盛んに行われている。この生体磁場計測装置は、例えば人体の脳から発生する微弱な脳磁界や、心臓から発生する微弱な心磁界を計測する装置である。この計測装置は、近年、検出磁界に基づき機能診断を行うことができるモダリティとして富に注目されている。
【０００３】
生体磁場計測装置は、通常、生体が発生した微弱な磁場を各検出位置にて検出コイルで検出し、この検出磁場をＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）である超伝導リングに導くように形成した磁場センサを備えている。ＳＱＵＩＤには、感度も良く、雑音もあまり発生しない点でｄｃ型のＳＱＵＩＤが好んで使用される。また、現在では、ＳＱＵＩＤの多チャンネル化が進んでいる。
【０００４】
磁場センサ（ＳＱＵＩＤセンサとも呼ばれる）は、検出チャンネル毎に、検出コイルとＳＱＵＩＤ部とを備える。各検出コイルは超伝導コイルを用いた１個または複数個のピックアップコイルで形成される。ＳＱＵＩＤ部は、インプットコイル、超伝導リング（ＳＱＵＩＤ）、およびフィードバックコイルを備える。ｄｃ型ＳＱＵＩＤの場合、超伝導リング（ＳＱＵＩＤ）のジャンクション接合部には超伝導状態が保持できなくなる程度の直流バイアス電流が流される。この状態で、ピックアップコイルが生体から検知した磁場をインプットコイルを介して超伝導リングに導くと、ジャンクション接合部には検出磁場に対して周期的に変化する電圧が発生する。ジャンクション接合部には駆動回路が電気的に接続されている。駆動回路は、かかる電圧変化を打ち消すような磁束をフィードバックコイルから超伝導リングに与える。これと共に、駆動回路はフィードバックコイルに流す電流に比例した電圧を読み出し、これを生体磁場に比例した電圧信号として出力する。
【０００５】
このように動作させる磁場センサは、液体ヘリウムなどの極低温溶液により極低温に冷却させる必要がある。この冷却を行うため、通常、真空断熱容器（デュア）が利用される。真空断熱容器には、極低温溶液が入れられるとともに磁場センサが収納され、これにより極低温冷却が行われる。
【０００６】
検出コイル（検出器とも呼ばれる）を形成するピックアップコイルには、マグネットメータ、１次微分型グラジオメータ、２次微分型グラジオメータなど、種々のタイプのものが使用される。生体磁場計測の精度を向上させる上で、このピックアップコイルのコイルバランス（ピックアップコイルの微分次数と同じ次数の磁場勾配に対する感度と、それ以下の次数の磁場勾配に対する感度との比：すなわち外来磁場の除去率）の維持は重要なファクタである。
【０００７】
従来のコイルバランスの計測法などに関する例として以下のものが知られていた。ピックアップコイルが１次微分型グラジオメータである場合、へルムホルツコイルを用いて均一な磁場を形成し、その均一磁場領域内にＳＱＵＩＤ磁束計の検出部（磁場センサ）を置いて、その検出部のピックアップコイル（１次微分型グラジオメータ）のコイルバランス（すなわち、均一磁場の除去率）を計測する方法が在る。また、ピックアップコイルが２次微分型グラジオメータである場合、１次微分型と同様にしてコイルバランスを計測し、さらに、勾配磁場発生用のコイルを用いて均一な１次勾配磁場を発生させ、その均一な１次勾配磁場空間に同検出部を置いて、その検出部のピックアップコイル（２次微分型グラジオメータ）のコイルバランス（すなわち、１次勾配磁場の除去率）を計測する方法が在る。
【０００８】
また、ピックアップコイルのコイルバランスの補正方法としては、ピックアップコイルに直列に小さなコイルを挿入して補正する方法が知られている。
【０００９】
さらに、コイルバランスの推定方法として、特開平７−１２２７８９号に記載の方法も知られている。この推定方法は、既知の位置に設置した複数の磁場発生用コイルを用いるものである。具体的には、既知の複数の位置に設置した磁場発生用コイルから磁場を発生させ、その夫々の磁場を、グラジオメータ型ピックアップコイルを有するＳＱＵＩＤ磁束計で計測するとともに、そのグラジオメータ型ピックアップコイルと同じコイル面積のマグネットメータ型ピックアップコイルを有する別のＳＱＵＩＤ磁束計で計測する。これらのＳＱＵＩＤ磁束計の計測結果から最小２乗法により、グラジオメータおよびマグネットメータ双方のピックアップの位置、方向、および感度を推定する手法である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のコイルバランスの計測法、補正法、および推定方法には以下のような種々の問題が未解決のまま残されていた。
【００１１】
（１）まず、へルムホルツコイルで均一磁場を生成してコイルバランスを計測するときの問題が在る。頭部全体を囲うように磁場センサが配置されたホールヘッドの磁束計の全ての検出チャンネルのコイルバランスを計測するには、磁場センサが占有する空間の全領域が均一磁場になるような大きなへルムホルツコイルが必要になる。
【００１２】
しかし、そのような大きなヘルムホルツコイルは生体磁場計測装置が設置される磁気シールドルームの扉から搬入することは実際上、困難である。このため、生体磁場計測装置を磁気シールドルーム内に設置した後ではコイルバランスを計測することができないという問題があつた。とくに、生体磁場計測装置の定期検査のときにコイルバランスを計測できないという、看過することのできない不都合が生じていた。また、センサ故障などのためピックアップコイルやＳＱＵＩＤ部を交換した後においてもコイルバランスを計測し直すことができないという不都合もあった。
【００１３】
（２）第２に、環境磁場の影響を低減させるときのコイルバランスの問題が在る。生体磁場を主に計測する生体磁場計測チャンネルの他に、環境磁場のみを測定するリファレンスコイルを用いて、生体磁場計測チャンネルに含まれる環境磁場の影響を低減する方法が知られている。具体的には、例えば、複数のリファレンス・チャンネルからの出力を補間して、各生体磁場計測チャンネルのピックアップコイル位置での環境磁場の値を求め、この磁場値を生体磁場検出値から減ずるものである。
【００１４】
しかし、このような環境磁場低減法にあっては、生体磁場計測チャンネルのコイルバランスの影響を考慮していないため、コイルバランスの低さに因る測定誤差を排除できていないという問題があった。
【００１５】
また、２乗平均推定法により生体磁場計測チャンネルのデータ中に含まれる環境雑音磁場を除去する方法も知られている。この方法の場合、コイルバランスの影響を除去することは可能だが、自然に存在する環境磁場を用いてリファレンス・チャンネルと生体磁場計測チャンネルとで測定される環境磁場の間の相関を計算することから、相関の計算に使用した環境磁場と大きく異なるパターンの環境磁場が混入した場合、環境磁場除去能が低下するという問題があった。
【００１６】
（３）第３にコイルバランスを補正するときの問題が在る。ピックアップコイルに直列に小さなコイルを挿入してコイルバランスを補正する方法の場合、各チャンネル毎に補正のための調整作業が必要になる。したがって、多チャンネル型の生体磁場計測装置の全ての生体計測（検出）チャンネルについて、そのコイルバランスを調整するには非常に多くの手間と時間が掛かり、計測能率が良くないという問題があった。
【００１７】
（４）第４に、前述した複数の磁場発生用コイルを用いるコイルバランスの推定法（特開平７−１２２７８９号）に関して、以下のような問題がある。
【００１８】
この推定法は、大型のコイルを設置する必要がなく、必要なときに容易にコイルバランスを計測・推定できるものの、その推定原理の性質によって、コイルバランスの計測対象であるグラジオメータのほかに、このグラジオメータと同一のコイル面積を有するマグネットメータの計測値を参照する必要があった。このため、装置が比較的大掛かりになり、また高価になる。
【００１９】
また、この推定法の場合、コイルの位置は複数の磁場発生用コイルとの相対位置関係の情報として推定されることから、これを高精度に推定しようとすれば、磁場発生用コイルの位置自体を再現性良くかつ高精度に設置する必要がある。この従来例では、複数の磁場発生用コイルは共通の支持体に設置されているから、それらのコイル間の相対位置は正確性を期することができるものの、磁場センサ本体との位置関係には各別の配慮がなされておらず、位置推定が不安定である。このため、装置全体として、コイルの位置を正確にかつ再現性良く推定することが難しく、強いてはコイルバランスの推定精度が低かった。
【００２０】
本発明は、以上のような従来技術の問題に鑑みてなされたもので、生体磁場計測装置を磁気シールドルームに設置した後でも、定期検査や保守時などの適宜なタイミングで検出コイルのコイルバランスをよりコンパクトなシステムで、より高精度に、再現性良く、且つ安定して計測、または、計測および補正することができ、これにより、コイルバランスの崩れに因る環境雑音除去能力の低下を防止し、生体磁場計測の精度を向上させることを、その１つの目的とする。
【００２１】
また、本発明は、複数のリファレンスコイルの検出値を用いて生体磁場計測チャンネルの計測値に含まれる環境磁場の影響を低減させる場合、コイルバランスの影響に因る測定誤差を減らすことを、別の目的とする。
【００２２】
さらに、本発明は、２乗平均推定法により生体磁場計測チャンネルのデータ中に含まれる環境雑音磁場を除去するときに、相関計算に使用した環境磁場とは大幅に異なるパターンの環境磁場が混入した場合でも、環境磁場除去能力を十分に発揮させることを、別の目的とする。
【００２３】
さらに、本発明は、多チャンネルの生体磁場計測チャンネルを有する生体磁場計測装置であっても、従来のような調整ための手間を各別に必要とせず、ピックアップコイルのコイルバランスの影響を自動的に補正できるようにすることを、別の目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成させるため、本発明の主要な特徴によれば、生体の磁場を検出する複数の検出コイルを有する磁場センサを備えた生体磁場計測装置において、前記検出コイルのコイルバランスを求めるために複数のコイルで形成され、かつ外来磁場を人工的に発生する外来磁場人工発生手段と、前記複数のコイルを駆動し、かつその駆動電流値を得るコイル制御・駆動手段と、前記複数のコイルが発生した人工的な外来磁場に対する前記検出コイルの検出値から磁場計測値を得る計測手段と、前記駆動電流値および前記磁場計測値を用いて前記検出コイルの少なくともコイルバランスを演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２５】
これにより、従来のへルムホルツコイルなどを用いたコイルバランス計測方法が大きな形状のコイルを必要としたため、生体磁場計測装置を設置した後にコイルバランスを計測することが事実上、困難だったのに対し、本発明によれば、複数のコイルを適宜に小形に形成できるので、生体磁場計測装置を設置した後の保守、点検時などのときに、容易にコイルバランスを計測できる。
【００２６】
また、上記装置において、前記複数のコイルは、この生体磁場計測装置の構造体であるデュワ、ガントリ、患者ベッド、および磁気シールドルームの内の一つまたは複数の構造体に取り付けることができる。例えば、前記複数のコイルは、前記デュワの外周表面上の既知の位置に取り付けることができる。さらに、上記装置において、前記複数のコイルは専用の支持体に取り付けられ、この支持体はこの生体磁場計測装置の構造体であるデュワ、ガントリ、患者ベッド、および磁気シールドルームの内の一つまたは複数の構造体に着脱自在に取り付けられるという構造を採用することもできる。
【００２７】
このため、従来は、コイルバランスを計測するためには専用の大型のコイルを生体磁場計測装置を囲むように設置しなければならず、装置設置後のコイルバランス計測は事実上、困難だった。しかし、本発明の構造を用いれば、特別な外来磁場発生装置を用いる必要が無い。また、外来磁場人工発生手段としての小形の複数のコイルは生体磁場計測装置に常に設置されているので、必要なときに容易にコイルバランスの計測を行うことができる。
【００２８】
また、上記装置において、前記複数のコイルを駆動しかつその駆動電流値を得るコイル制御・駆動手段と、前記複数のコイルが発生した人工的な外来磁場に対する前記検出コイルの検出値から磁場計測値を得る計測手段と、前記駆動電流値および前記磁場計測値を用いて前記検出コイルの少なくともコイルバランスを演算する演算手段とを備えることもできる。この態様の場合、好ましくは、前記演算手段は、前記検出コイルの感度も併せて演算する手段である。例えば、前記検出コイルは１次微分型グラジオメータを含む。また例えば、前記検出コイルは２次微分型グラジオメータを含む。
【００２９】
また、前記コイル制御・駆動手段は、前記複数のコイルに電流を順次供給するか、または、一度に供給するかのいずれか機能を備えている。後者の場合、各検出コイルで検出される出力値がなるべく直交するように外来磁場人工発生手段を成す各コイルに流す電流量が設定される。この結果、複数のコイル全てに一度に電流を供給する方が、一度に１つのコイルのみに電流を流すよりもコイルバランスの計測精度が向上する。
【００３０】
さらに、好ましくは、前記演算手段は、前記検出コイルのコイルバランスに加えて当該検出コイルの位置も併せて推定演算する手段とすることである。つまり、感度とコイルバランスのほかに、検出コイル位置も推定パラメータにされる。検出コイル位置と検出コイル出力の関係は非線型であるから、磁場源推定アルゴリズムには非線型最適化手法が使用される。感度、コイルバランスの計測と検出コイル位置の計測とを同時に行うことで、検出コイル位置が不正確なために発生する感度・コイルバランスの推定精度の劣化、または、コイルバランスの影響による検出コイルの位置推定精度の劣化が改善される。また、上述した外来磁場人工発生手段としての複数のコイルの設置法と組み合わせれば、特別な磁場発生手段を用意する必要が無いというメリットがある。
【００３１】
さらに、好ましくは、前記複数のコイルを駆動しかつその駆動電流値を得るコイル制御・駆動手段と、前記複数のコイルが発生した人工的な外来磁場および生体磁場に対する前記検出コイルの検出値から磁場計測値を得る計測手段と、前記駆動電流値に基づく情報および前記磁場計測値を用いて前記検出コイルの感度およびコイルバランスを演算する演算手段と、この演算手段の演算情報を少なくとも参照して前記生体磁場の磁場計測値から前記検出コイルのコイルバランスの影響を補正する補正手段とを備えることである。この場合、前記検出コイルは、同一あるいは近傍の検出位置に複数の磁場方向および磁場勾配成分の少なくとも一方を検出するピックアップコイルを配置するコイル構造を有し、前記補正手段は、前記検出コイルによる検出チャンネルの前記感度およびコイルバランスから補正行列を算出する手段と、前記検出コイルのそれぞれの検出値に対応した前記生体磁場の磁場計測値に前記補正行列を掛けて当該検出コイルのコイルバランスの歪み分を補正した磁場計測値を演算する手段とを備えることができる。これにより、コイルバランスの影響による生体磁場検出精度の劣化を低減できる。
【００３２】
さらに好ましい１つの態様は、前記検出コイルは被検体の近傍の検出位置に配置して生体磁場を主に計測させる一方、この検出コイルの検出位置よりも被検体から離れた位置に環境磁場を主に計測させるリファレンスコイルを配置し、前記リファレンスコイルの検出値から前記検出コイルの位置での環境磁場の磁場勾配成分を求める手段を備え、前記補正手段は、前記環境磁場の磁場勾配成分と前記検出コイルのコイルバランスとを用いて前記検出コイルによる前記生体磁場の磁場計測値に含まれるコイルバランスの影響を補正する手段として構成することである。
【００３３】
これにより、リファレンスコイルの出力値から、各生体磁場検出コイルの位置の環境雑音磁場を求める従来周知の方法（例えば２乗平均推定法）により、各生体磁場検出コイルの位置における各種磁場勾配成分が求められる。この各種磁場勾配成分と生体磁場検出コイルのコイルバランスの計測値とを用いて、生体磁場検出コイルに含まれるコイルバランスの影響が補正される。その後、例えば上述と同様の方法で各生体磁場検出コイルに含まれるコイルバランスの影響が補正される。
【００３４】
生体磁場検出コイルのみでコイルバランスを補正する場合、補正できる磁場成分が生体磁場検出コイルの各チャネルが測定する磁場成分のみに限られるが、本発明によればリファレンスコイルで測定する磁場成分に対応するコイルバランスの影響も補正できるようになるため、補正できる磁場成分が生体磁場検出コイルの測定点毎にコイルバランスの影響を補正するよりも広範囲の磁場成分のコイルバランスの補正を行うことができ、測定精度が格段に向上する。
【００３５】
この場合、前記補正手段は、前記環境磁場の磁場勾配成分を用いて、前記検出コイルによる前記生体磁場の磁場計測値の磁場成分と同じ成分の環境磁場をその磁場計測値から除く手段を含むこともできる。これにより、コイルバランスの補正した上で、さらに従来法などを用いて生体磁場検出コイルと同一の磁場成分の環境磁場が除去される。コイルバランスの補正のほかに、生体磁場検出コイルと同一の磁場成分の環境磁場が除去されるので、コイルバランスの補正のみを行うよりも生体磁場の測定精度が確実に向上するという効果がある。
【００３６】
さらに好適な１つの態様として、前記複数のコイルを駆動しかつその駆動電流値を得るコイル制御・駆動手段と、前記検出コイルが配置されている環境の環境磁場を検出するリファレンスコイルと、前記検出コイルおよび前記リファレンスコイルの検出値のそれぞれから磁場計測値を得る計測手段と、前記リファレンスコイルと前記検出コイルとによる前記磁場計測値間の相関を算出する手段と、前記相関、前記リファレンスコイルによる磁場計測値、および前記検出コイルによる磁場計測値に基づき、当該検出コイルの生体磁場の磁場計測値からその検出コイルのコイルバランスの崩れの影響を除いた磁場計測値を演算する手段とを備えることができる。例えば、前記コイル制御・駆動手段は、前記複数のコイルに同時に電流を供給することでこれらのコイルを駆動する手段を有する。
【００３７】
以上のように、本発明によれば、外来磁場人工発生手段として小形の複数のコイルを装置に付随さえて備えることを基本的特徴とし、これに伴って、磁場センサの検出コイルの感度、コイルバランスを高精度に且つ安定して、しかも小形のシステムで計測するとともに、検出コイルの検出値より求められた生体磁場計測値からコイルバランスの崩れの影響を高精度に補正することができる。したがって、コイルバランスの崩れに起因した環境磁場雑音除去の誤差が少なくなり、その除去能力が向上し、生体磁場の計測精度を確実に向上させることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００３９】
第１の実施の形態
第１の実施の形態を図１〜図１１を参照して説明する。
【００４０】
図１に、本発明の実施形態に係る生体磁場計測装置としての多チャンネル型ｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計の全体構成を概略的に示す。この磁束計は、検出チャンネル毎に１個または複数個のピックアップコイルで形成される検出コイルとＳＱＵＩＤ部とを有する磁場センサを収納するとともに外来磁場を人工的に発生させるコイルを装備した真空断熱容器１１と、この容器内の磁場センサを駆動するとともに当該センサの検出信号を処理し、その一方で、外来磁場発生コイルを駆動する駆動処理部１２とを備える。
【００４１】
真空断熱容器１１は、その外側に位置する外容器２１と、この外容器２１の内側に同心状に配置された内容器２２と、両方の容器を密閉する蓋体２３とを備える。外容器２１および内容器２２は例えばＧＦＲＰ，ＣＦＲＰなどのＦＲＰ（強化プラスチック）を主材料として形成されている。内容器２２は外容器２１よりも小径でかつ浅く形成されており、両容器間の隙間は真空断熱層ＡＬになっている。内容器２２には液体ヘリウムなどの極低温溶液が充填される。
【００４２】
内容器２２の底面には、ピックアップコイル巻装用およびＳＱＵＩＤ部実装用のボビンＢが複数個配設される。具体的には、各ボビンＢの上部側面にはＳＱＵＩＤチップ２５が装着され、このＳＱＵＩＤチップ２５に磁気的に結合する検出コイルを成すピックアップコイル２６がそのボビン下側に巻装されている。ＳＱＵＩＤチップ２５は、ジョセフソン接合を２個有する超伝導リング（ＳＱＵＩＤ）のほか、このリングに磁気結合するインプットコイル、フィードバックコイル（図示せず）をＳＱＵＩＤ回路として備えるとともに、このＳＱＵＩＤ回路から出力端子、直流バイアス供給端子、およびフィードバック回路端子（図示せず）を取り出したチップであり、極低温で超伝導状態となって磁場検出するものである。インプットコイルはピックアップコイルに接続される。
【００４３】
ピックアップコイル２６はＮｂＴｉなどの部材から成る超伝導コイルであり、マグネットメータ、１次微分グラジオメータ、２次微分グラジオメータなど種々のタイプのものを採用できる。なお、ピックアップコイルには上述した巻装型のコイルのみならず、別の種々の方法で形成することができる。例えば、ピックアップコイルとして、スパッタリング、塗装、多層基板化などによる一体型の平面コイルを使用することもできる。また、このピックアップコイルは、ボビンＢに超伝導体を成膜し、この超伝導体膜をエッチング法などの手法によりパターニングすることで形成してもよい。また、フレキシブル基板などの基材にパターニングされたピックアップコイルを、ボビンに巻き付けることもできる。
【００４４】
ＳＱＵＩＤチップ２５，…，２５の端子に接続した超伝導または常伝導のリード線は容器外に引き出される。引き出されたリード線は、各検出（磁場計測）チャンネル毎に、駆動処理部１２の後述する駆動回路に電気的に接続される。
【００４５】
また真空断熱容器１１の外表面、すなわち外容器２１の外周面の既知の複数の位置には、図１、２に示すように、外来磁場を人工的に（疑似的に）発生させる複数のコイル２８，…，２８を配設してある。この外来磁場発生コイル２８，…，２８をこのように容器表面に配設する理由は、容器内部のピックアップコイル２６，…，２６から相当に離れた空間位置を比較的容易に確保できることに拠る。本実施形態の場合、外来磁場発生コイル２８，…，２８は容器外周上の既知で一定間隔の位置に分布・配設してある。このコイル２８，…，２８のそれぞれは、小形のソレノイドコイル（例えばコイル半径５０ｃｍ以下）に形成され、例えば図３に示すように、各コイル配設位置においてｘ軸、ｙ軸、ｚ軸周りに巻かれ、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向それぞれに磁場検出感度を有する３つのコイル２８ｘ，２８ｙ，２８ｚから成る。
【００４６】
一方、駆動処理部１２は、検出チャンネル毎に設けられる駆動回路３４1 ，…，３４n およびＡ／Ｄ変換器３５1 ，…，３５n を備えるとともに、磁場源解析／推定などのデータ処理を所望のアルゴリズム（例えば、リードフィールド行列法、準ニュートン法、共役勾配法など）で実施するデータ処理器３６を備える。
【００４７】
駆動回路３４1 ，…，３４n のそれぞれは、ＳＱＵＩＤチップ２５の超伝導リングに直流バイアス電流を供給するとともに、例えば、この超伝導リングのジョセフソン接合の電圧が変化しないように磁束フィードバックを掛ける、いわゆるＦＬＬ（flux locked loop）操作を行う。このときのフィードバック信号が被検体の計測磁場の強度に対応した信号となるので、駆動回路３４1 ，…，３４n はこのフィードバック信号を検出電圧信号として検出チャンネル毎に後段のＡ／Ｄ変換器３５1 ，…，３５n に出力する。検出信号はＡ／Ｄ変換器３５1 ，…，３５n によりデジタル信号に変換され、データ処理器３６のコンピュータ３６Ａに送出される。コンピュータ３６Ａにより、磁場源（電流源）の空間的位置（分布）、大きさ、向きなどの推定解析が実行される。
【００４８】
駆動処理部１２はさらに、複数の外来磁場発生コイル２８，…，２８に外来磁場を発生させるための電流を供給するコイル電源３８と、外来磁場の人工発生制御を行う外来磁場コントローラ３９とを備える。外来磁場コントローラ３９は一例としてはＣＰＵ、メモリを主要素とするコンピュータを備えており、例えば、この生体磁場計測装置の磁場センサ（ピックアップコイル、ＳＱＵＩＤ部）の交換毎に、または、定期検査毎に、生体磁場計測に先立って、所定の外来磁場発生の処理を実行する。この実行の制御情報はコイル電源３８に送られ、コイル電源３８がコイル２８，…，２８のそれぞれを順次または同時に駆動できるようになっている。
【００４９】
すなわち、外部磁場コントローラ３９は、ＣＰＵのソフトウエア処理に拠り電流の目標値を演算し、この目標値に応じた制御信号をコイル電源３８に送出する。コイル電源３８は、制御信号に表されている電流目標値に基づき定電流制御を実行し、外来磁場発生コイル２８，…，２８に供給する電流値を目標値に一致させる。これにより、外来磁場発生コイル２８，…，２８の駆動電流を、指令された目標値に正確に制御することができる。なお、コイル電源３８は予め電流目標値の情報を記憶しておくことができ、この電流目標値に基づき例えば定電流制御を行う。この場合、外部磁場コントローラ３９は駆動タイミングなどを知らせる制御信号のみをコイル電源３８に送出するようにすればよい。
【００５０】
このように外部磁場コントローラ３９およびコイル電源３８は、コイル駆動電流を正確に目標値に制御する、例えばソフトウエア処理に基づく手段を備えている。
【００５１】
また、外来磁場コントローラ３９は、コイル電源３８が各コイル２８に供給した電流値をデータ処理器３６に送出できるようになっている。具体的には、外部磁場コントローラ３９が電流目標値を指令した場合、その電流目標値をデータ処理器３６に出力するようにソフトウエア処理が設定されている。一方、コイル電源３８が予め電流目標値の情報を記憶している場合、その情報を読み出すことにより電流値を求め、その電流値をデータ処理器３６に出力するようにソフトウエア処理が設定されている。データ処理器３６は、前述した生体磁場源の推定・解析のほか、外来磁場コントローラ３９から与えられる電流計測値およびＳＱＵＩＤ磁束計としての磁束計測値に基づき、各ピックアップコイル２６のコイルバランスおよび磁束計感度（単に感度という）を計算できるようになっている。
【００５２】
なお、上述の構成において、外来磁場を人工的に発生させるコイル２８，…，２８の設置位置は、上述したような真空断熱容器の外周表面上の既知位置に限定されるものではない。それらのコイル２８，…，２８は例えば、ガントリ、患者ベッド、磁気シールドルーム、電磁シールドルームなどの固定構造物の既知位置に設置するようにしてもよい。このコイル２８，…，２８を磁気シールドルームや電磁シールドルームに設置する場合、コイルをそれらのルームの外壁側、内壁側のいずれに取り付けてもよい。
【００５３】
この生体磁場計測装置のコイルバランスの計測動作を説明する。
【００５４】
外来磁場コントローラ３９は、コイル電源３８に、例えば、目標電流値の制御信号を送り、各外来磁場発生コイル２８に順次、目標値に正確に制御されたコイル電流を流すように指令する。同時に、外来磁場コントローラは、コイル電源３８から各コイル２８に供給される電流を割り出す（演算する）。この電流値はデータ処理器３６に送られる。
【００５５】
外来磁場発生コイル２８，…，２８のそれぞれを順次駆動すると、その駆動の度に、真空断熱容器１１を取り巻く雰囲気中に外来磁場分布が人工的に発生する。この外来磁場分布はその発生の都度、容器内部の磁場センサの各ピックアップコイル（検出コイル）２６，…，２６により検出される。このため、駆動回路３４1 ，…，３４n から外来磁場の検出値に対応した電圧信号が個別に出力され、この電圧値がデジタル値としてデータ処理器３６に出力される。
【００５６】
このように、データ処理器３６には、外来磁場コントローラ３９から各コイル２８への供給電流値が与えられ、磁場センサを検出部とする検出系から各コイル２８に拠る外来磁場の計測値が与えられる。そこで、データ処理器３６は、各検出チャンネルのコイルバランス（ピックアップコイルの微分次数と同じ次数の磁場勾配に対する感度と、それ以下の次数の磁場勾配に対する感度の比：すなわち環境雑音磁場の除去率）および、磁束計感度（入力磁場当たりの出力電圧値）を計算する。この計算法の具体的な手法は、後の項で詳細に説明する。
【００５７】
磁束計感度の計算のためには、各外来磁場発生コイル２８の発生磁場の強度を知る必要があるが、この発生磁場の大きさ及び向きは、外来磁場コントローラ３９から与えれる電流値と各コイル２８の巻き数および形状の情報とからデータ処理器３６において算出される。
【００５８】
このように、各外来磁場発生コイル２８に流す電流は、外来磁場コントローラ３９およびコイル電源３８の共働して、指定値になるよう制御されているから、各外来磁場発生コイルのコイル電流値は既知である。このため、データ処理器３６は各外来磁場発生コイルの発生磁場を正確に演算することができるので、上述したコイルバランスと感度の推定精度を従来例に係るシステムよりも格段に向上させることができる。
【００５９】
上述した構成および動作において、容器外周面に設けた複数のコイル２８，…，２８が外来磁場人工発生手段を形成し、コイル電源３８および外来磁場コントローラ３９がコイル制御手段およびコイル電流計測手段を形成し、データ処理器３６がコイルバランス演算手段および感度演算手段の機能を有している。したがって、これらの手段とＳＱＵＩＤ磁束計との機能的または磁気的な関わり具合は、模式的には図４のように表される。
【００６０】
［感度、又は、感度およびコイルバランスの具体的な演算方法］
（１）ピックアップコイルが１次微分型グラジオメータである場合
ピックアップコイルを１次微分型グラジオメータで構成する場合、図５に示すように、Ｎ個の外来磁場発生コイル２８，…，２８の位置をｘ1 ，ｘ2 ，…，ｘN 、その電流値をＩ1 ，Ｉ2 ，…，ＩN 、着目した１つのピックアップコイルに鎖交する磁場Ｂ1 ，Ｂ2 、そのコイル中心位置ｒ1 ，ｒ2 とする。
【００６１】
【数１】
0003651540.tif 000002
【数２】
0003651540.tif 000003
と表される。
【００６２】
【外１】
0003651540.tif 000004
【００６３】
【数３】
0003651540.tif 000005
となる。
【００６４】
そこで、図５の１次微分型グラジオメータの出力Ｖは磁束一電圧間の伝達係数をａ、コイルｊの面積をΑj 、コイルｊの中心点での磁場をＢj として、
【数４】
0003651540.tif 000006
となる。ここで、ａはピックアップコイルを鎖交する磁束から出力電圧への変換係数。ｂ1 ，ｂ2 は１次微分グラジオメータの第１のコイルと第２のコイルの出力電圧への変換係数である。
【００６５】
【数５】
0003651540.tif 000007
として
【数６】
0003651540.tif 000008
と表される。従って感度αは
【数７】
0003651540.tif 000009
の式で表される。
【００６６】
また、一様の環境雑音磁場（外来磁場の一つ）に対するコイルバランスβ0 は
【数８】
0003651540.tif 000010
で表される。
【００６７】
上式を係数ｂ1 ，ｂ2 について解くと、
【数９】
0003651540.tif 000011
【００６８】
また、ｉ番目の外来磁場発生コイルに電流を流したときの出力電圧値Ｖi は
【数１０】
0003651540.tif 000012
と表される。上の連立方程式を最小２乗法など公知の方法を用いて解くことで、感度αおよびコイルバランスβ0 を求めることができる。
【００６９】
（２）ピックアップコイルがマグネットメータである場合
ピックアップコイルをマグネットメータで構成する場合を説明する。このマグネットメータに用いる記号を図６に示す（複数の外来磁場発生用コイルのコイル位置および電流値は図５参照。）
ｊ番目のマグネットメータの出力Ｖは磁束一電圧間の伝達係数をａ、そのコイルｊの面積をＡj 、コイルｊの中心点での磁場をＢj として、
【数１１】
0003651540.tif 000013
と表される。従って、感度αは
【数１２】
0003651540.tif 000014
である。ｉ番目の外来磁場発生コイルに電流を流したときの出力電圧値Ｖi は
【数１３】
0003651540.tif 000015
である。上の連立方程式を最小２乗法など、公知の方法で解いて、感度αを求めることができる。
【００７０】
（３）ピックアップコイルが２次微分型グラジオメータである場合
ピックアップコイルを２次微分型グラジオメータで構成する場合を説明する。この２次微分型グラジオメータに用いる記号を図７に示す（複数の外来磁場発生コイルのコイル位置および電流値は図５参照。）。
【００７１】
ｊ番目の２次微分型グラジオメータの出力Ｖは磁束一電圧間の伝達係数をａ、そのコイルｊの面積をΑj 、コイルｊの中心点での磁場をＢj として、
【数１４】
0003651540.tif 000016
【数１５】
0003651540.tif 000017
と表される。従って、感度αは
【数１６】
0003651540.tif 000018
となる。一様の環境雑音磁場（外来磁場の１つ）に対するコイルバランスβ0 は
【数１７】
0003651540.tif 000019
となる。１次勾配を持つ環境雑音磁場（外来磁場の１つ）に対するコイルバランスβ1 は
【数１８】
0003651540.tif 000020
である。上式をｂ1,ｂ2,ｂ3 について解くと、
【数１９】
0003651540.tif 000021
であるので、ｉ番目の外来磁場発生コイルに電流を流したときの出力電圧値Ｖi は、
【数２０】
0003651540.tif 000022
と表される。上の連立方程式を最小２乗法など、公知の方法を用いて解くことにより、感度α、コイルバランスβ0 ，β1 を算出することができる。
【００７２】
また、上式のような定式化による感度およびコイルバランスの算出法に代わる方法として、α，β0 ，β1 を縦に並べたべクトルを推定するように定式化することも可能である（この方法は１次微分型グラジオメータについても同様に適用できる）。
【００７３】
以上の生体磁場計測装置により感度、コイルバランスを推定するときの精度の評価結果を説明する。
【００７４】
各種のタイプ（マグネットメータ、１次微分グラジオメータおよび２次微分グラジオメータ）のピックアップコイルに座標系を図８に示す如く設定し、それらのピックアップコイルの空間位置を図９に示す如く仮定する。このとき外来磁場発生コイルの空間位置を図１０に示す如く仮定する。下記の誤差要因を加味してピックアップコイルと鎖交する磁場を計算し(100回）、感度、コイルバランスの推定を行い、推定値の標準偏差を求めた。
【００７５】
【外２】
0003651540.tif 000023
【００７６】
以上の設定に基づく、感度およびコイルバランスの推定精度の評価結果は図１１（ａ）〜（ｃ）に示す通りであった。
【００７７】
このように、本実施形態に係る生体磁場計測装置によれば、磁場センサを内部に設ける真空断熱容器の外周上の複数の既知位置それぞれに小形の外来磁場発生コイルを設けるというコンパクトな外来磁場の人工発生構造を採用している。そして、このコイルを時系列的に順次駆動して外来磁場を次々と発生させたときそれぞれの正確に指令値に制御されたコイル供給電流値と磁場センサの出力電圧とを使って、磁場センサのピックアップコイルの感度およびコイルバランスを安定して且つ高精度に推定でき、これらの推定値を磁場計測に活用することができる。
【００７８】
第２の実施の形態
第２の実施の形態を図１２に基づき説明する。
【００７９】
この実施形態の生体磁場計測装置は、とくに、外来磁場発生コイルの別の設置構造を提供するものである。ここで、前述の実施形態における構成要素と同一または同等な機能の要素には同一符号を用い、説明を省略または簡略化する。
【００８０】
図１２に示すように、外来磁場発生コイル２８，…，２８を専用の支持体５０に取り付ける。この支持体５０は、デュア、ガントリ、患者ベッド、および磁気シールドルームの内の一つまたは複数のものに着脱自在に取り付けるようになっている。支持体５０は、柱状のポール５０ａと、このポールを支持するベース５０ｂとを備える。コイル２８，…，２８はポール５０ａの既定に位置に取り付けられている。また、ベース５０ｂには、ポール５０ａの鉛直性を調整するための長さ調整可能な調整部材５０ｅが取り付けられている。ポール５０ａには、その傾きを測定する重り５０ｗｔが内部に取り付けられ、この重りの位置を窓５０ｗｄから観察できるようになっている。このような支持体５０を生体磁場計測装置本体の所定の位置に設置し、鉛直性を調整し、外来磁場発生コイル２８，…，２８を生体磁場計測装置本体に対して既知の位置に設置することができる。
【００８１】
この生体磁場計測装置によっても、前述したものと同等の作用効果を得ることができ、また、複数の外来磁場発生コイルの設置位置の自由度を大幅に上げることができる。
【００８２】
第３の実施の形態
第３の実施の形態を説明する。
【００８３】
この実施形態の生体磁場計測装置では、前述の実施形態のように設置した複数の外来磁場発生コイルを一度に駆動して（すなわち、一度に複数の外来磁場発生コイルに電流を流して）電流値の最適化を図るものである。その他の構成は前述の実施形態のものと同一である。
【００８４】
ここで、前述の実施形態のコイル駆動についての、さらに改善を要する点について説明する。前述の実施形態で採用していたように、１回に一つの外来磁場発生コイルに電流を流す場合、一般に、感度およびコイルバランスの演算は
【数２１】
0003651540.tif 000024
【外３】
0003651540.tif 000025
【００８５】
この方程式は外来磁場発生コイルの数や配置に影響を受け、その条件如何によっては演算結果が好ましくないものとなることがある。つまり、外来磁場発生コイルに流す電流値や出力電圧の測定誤差、外来磁場発生コイルの位置精度を高くした場合でも、求めた感度やコイルバランスの精度が悪くなることがある。とくに、２次微分グラジオメータのコイルバランスを求めるときに、このことが当てはまる。
【００８６】
この問題を改善するため、本実施形態では複数の外来磁場発生コイル全部に一度に電流を流して計測した情報から感度やコイルバランスを求めるようにする。この電流駆動は、生体磁場計測装置の外来磁場コントローラ３９およびコイル電源３８によって行うものである。
【００８７】
【外４】
0003651540.tif 000026
【００８８】
【数２２】
0003651540.tif 000027
【００８９】
Μ＝ＮかつＦが可逆になるように外来磁場発生コイルの数や向きを選ぶとき、ｋをスカラーとして、
【数２３】
0003651540.tif 000028
【数２４】
0003651540.tif 000029
となり、各計測における出力電圧の値から直接、感度やコイルバランスを計算することが可能になる。
【００９０】
Μ≠Ｎの場合は、行列Ｆを
【数２５】
0003651540.tif 000030
のように特異値分解し、Ｄの対角要素上の特異値を全て逆数で置き換えた行列
Ｄ′を用いて
【数２６】
0003651540.tif 000031
【数２７】
0003651540.tif 000032
【数２８】
0003651540.tif 000033
本実施形態によれば、外来磁場発生コイルの数や配置によっては悪条件となり易い連立方程式を解く必要が無いので、感度やコイルバランスの測定精度を向上さえることができる。
【００９１】
第４の実施の形態
本発明の第４の実施の形態を説明する。この実施形態に係る生体磁場計測装置は、感度やコイルバランスの推定と同時に、検出コイルの位置も推定するようにしたものである。
【００９２】
前述した実施形態において、感度やコイルバランスを推定することは前述したように連立１次方程式
【数２９】
0003651540.tif 000034
を解くことに帰着する。行列Ｆは検出コイルの位置と向きに依存するので、上式は
【数３０】
0003651540.tif 000035
【外５】
0003651540.tif 000036
【数３１】
0003651540.tif 000037
【数３２】
0003651540.tif 000038
【外６】
0003651540.tif 000039
【数３３】
0003651540.tif 000040
に代入して感度とコイルバランスも同時に求めることができる。
【００９３】
これにより、検出コイル位置が不正確なことに因り発生する感度やコイルバランスの推定精度の低下、コイルバランスの影響に因る検出コイルの位置推定精度の低下などを改善できる。
【００９４】
第５の実施の形態
本発明の第５の実施の形態を図１３および図１４を参照して説明する。この実施形態の生体磁場計測装置は、とくに、複数種類のピックアップコイルを備えた検出コイルのコイルバランス補正方法を改善したものである。
【００９５】
かかる検出コイルとして、本実施形態の装置は、マグネットメータ、１次微分型グラジオメータ、および２次微分型グラジオメータで構成されたコイル群（図１３参照）を３組用いて１つの検出コイルを形成した例を挙げる。この検出コイルのｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向にそれぞれ設置したコイル群のコイルバランスを補正する。
【００９６】
一般にΝ種類のピックアップコイルを用いる場合、それぞれのコイルをＣ1,...,ＣN のように表す。上記の９種類のピックアップコイルを用いる場合、Ν＝９である。また、Ｃi のピックアップコイルが検出する磁場成分をＢi の様に記す（ｉ＝１…Ｎ）。また、Ｃi のＢj 成分に対する感度をαi j とする（ｊ＝１…Ｎ）。αi j は前述した第１の実施形態の手法によって計測してもよいし、従来周知の方法を用いて計測してもよい。第１の実施形態を用いて計測した場合、例えば、ｘ軸方向成分を計測する２次微分型コイルの感度がα、１次勾配成分に対するコイルバランスがβ1 であった場合、ｘ軸成分２次勾配磁場に対する感度はαとし、ｘ軸成分１次勾配磁場に対する感度はαβ1 とする。また、マグネットメータ型コイルの１次、２次勾配成分に対する感度は０と仮定してもよいし、仮想的に２次微分型グラジオメータと考えて２次微分型グラジオメータのコイルバランス測定法を用いて算出してもよい。同様に、ｘ軸方向のマグネットメータやグラジオメータのｙ軸方向成分に対する感度も０と仮定してもよいし、仮想的にｙ軸方向成分を測定するマグネットメータやグラジオメータと考えて、各勾配成分に対する感度を計算してもよい。
【００９７】
コイルＣi の出力Ｖi は各磁場成分の大きさＢj とそれぞれの磁場成分に対する感度αi j の積の総和であるので、下記のような連立１次方程式が成立する。
【００９８】
【数３４】
0003651540.tif 000041
【００９９】
各磁場成分Ｂj は上記の連立１次方程式を解いて求めることができる。形式的には逆行列を用いて次のように表されるが、実際に計算を行う際にはＬＵ分解法など数値計算上の種々の手法を用いることができる。
【０１００】
【数３５】
0003651540.tif 000042
【０１０１】
上記の方法によりコイルバランス補正の機能を備えた生体磁場計測装置の機能ブロック図を図１４に示す（前述した図４に対応）。
【０１０２】
第６の実施の形態
本発明の第６の実施の形態を図１５参照して説明する。この実施形態の生体磁場計測装置は、検出コイルを成すベクトル型ピックアップコイルのコイルバランスを補正するようにしたものである。
【０１０３】
図１５のようなｘ軸方向の磁場のｚ方向の勾配を計測するコイルをＣ1 、ｙ軸方向の磁場のｚ方向の勾配を計測するコイルをＣ2 、ｚ軸方向の磁場のｚ方向の勾配を計測するコイルをＣ3 とし、それぞれに対応する磁場成分をＢ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 にとれば、前述の第５の実施形態と同様の方法を用いてコイルバランスの崩れによる歪みを補正することができる。このように、本法によるコイルバランス補正法（前述した第５の実施形態で説明したコイルバランス補正法）は、任意のΝ種類のピックアップコイルを用いる磁場センサを搭載した装置に適用することができる。例えば、図６に示したマグネットメータと図７に示した２次微分グラジオメータとを用いた検出コイルを搭載した装置に適用することができる。また例えば、図８に示した複数種類のピックアップコイルから成る検出コイルを複数用いる磁場センサを搭載した装置にも適用することができる。
【０１０４】
第７の実施の形態
本発明の第７の実施の形態を図１６、１７を参照して説明する。この実施形態の生体磁場計測装置は、単一の勾配次数からなる検出コイルのコイルバランスが崩れているときに、そのコイルバランスの崩れに因る測定誤差を補正（コイルバランスの補正）する手法に関する。
【０１０５】
図１６には、この実施形態に係る真空断熱容器１１内のコイル配置を概念的に示す。同図に示すように、この容器１１内には、その被検体に近い側に、生体磁場を主に計測する複数個の生体磁場計測用の検出コイルが配置され、また、被検体に対して検出コイルよりも離れた位置に、環境磁場を主に計測する複数個のリファレンスコイルが配置されている。各検出コイルは、単一の勾配次数のピックアップコイルにより構成されている。例えば、この検出コイルは１つの１次微分型ピックアップコイルから成る。
【０１０６】
リファレンスコイルのそれぞれは検出コイルよりも低い次数の磁場勾配も計測するように構成される。例えば、リファレンスコイルとして、磁場のｘ，ｙ，ｚ成分それぞれを計測するマグネットメータと１次微分型グラジオメータとが備えられている。このような構造の複数のリファレンスコイル（リファレンスチャンネル）のそれぞれは、前述した第５又は第６の実施形態で説明した手法を用いて、そのコイルバランスが補正されている。各生体磁場計測用検出コイル（生体磁場計測チャンネル）の感度およびコイルバランスは、前述した第１の実施形態で説明した手法または従来の手法を用いて測定されているものとする。
【０１０７】
以下の説明では他のタイプのグラジオメータを用いる場合や複数の検出コイルからなる一般の場合について説明する。
【０１０８】
生体磁場計測用検出コイルはそれそれＮ種類の磁場成分Βi （ｉ=1..N)を測定するピックアップコイルからなる。この検出コイルがそれぞれ１つのピックアップコイルから成る場合、Ｎ＝１である。また、リファレンスコイルの出力を用いて、検出コイルの位置におけるＲ種類の磁場成分が、例えば補間を用いる従来法により求められているとする。リファレンスチャネルより求めたＲ個の磁場成分をΒN+j (j＝1..R) とすると、生体磁場計測用検出コイルのΝ個の出力Ｖi は以下の式のように表される。
【０１０９】
【数３６】
0003651540.tif 000043
【０１１０】
上式中の行列の各成分は第５の実施形態における手法と同じように計測することができる。コイルバランスの影響が補正された各磁場成分Ｂj は上記の連立１次方程式を解いて求めることができる。磁場成分Ｂj は形式的には
【数３７】
0003651540.tif 000044
【０１１１】
と表される。
【０１１２】
さらに、各生体磁場計測用検出コイルの位置での、この検出コイルと同じ磁場勾配成分の環境磁場の値をリファレンスコイルの出力値から、例えば従来法を用いて求め、この求めた値を検出コイルによる測定値から減ずる演算処理を付加することが望ましい。
【０１１３】
かかる一連の補正方法のフローチャートを図１７に示す。
【０１１４】
第８の実施の形態
本発明の第８の実施の形態を図１８参照して説明する。この実施形態の生体磁場計測装置は、簡略的な２乗平均推定を用いる生体磁場計測用検出コイルのコイルバランス補正方法を実施する。とくに、先の第７の実施形態に組み合わせて好適に実施することができる方法である。つまり、第７の実施形態においてリファレンスコイルの出力値から検出コイルの位置での環境磁場の値を推定するときに２乗平均推定を用いる場合、以下に説明する簡略法を用いることができる。
【０１１５】
この簡略化した２乗平均推定によるコイルバランス補正機能を搭載した生体磁場計測装置の機能ブロック図を図１８に示す。
【０１１６】
このコイルバランス補正法にあっては、生体磁場の計測に先立ち、予めリファレンスコイルと生体磁場検出コイルの測定値間の相関Ｒを相関計算手段により計算する。相関計算手段はデータ処理器３６にソフトウエア上の処理として達成される。この相関計算は次のような手順で行われる。
【０１１７】
外来磁場人工発生手段に含まれる複数のコイル２８，…，２８により第１の実施形態のときと同様に人工的な磁場分布が発生される（この磁場発生の制御は相関計算用制御手段により実行される）。リファレンスコイルと生体磁場検出コイルにより外来磁場人工発生手段で発生させた磁場が計測される（図１８には、リファレンスコイルと生体磁場検出コイルに対するＳＱＵＩＤおよびＳＱＵＩＤ駆動手段の図示は省略している）。相関計算用制御手段に指令を受けた相関計算手段により、リファレンスコイルと生体磁場検出コイルの計測値とに基づき次式による計算が行われる。
【０１１８】
【数３８】
0003651540.tif 000045
【０１１９】
【外７】
0003651540.tif 000046
【０１２０】
【外８】
0003651540.tif 000047
【０１２１】
【数３９】
0003651540.tif 000048
【０１２２】
以上の補正方法は基本的には第７の実施形態のものと同等であるが、第７の実施形態の補正方法をそのまま実行するときの様な複雑な計測、計算手順が不要で、簡略化した手法となる。その一方で、補正については第７の実施形態のものと同等の効果を得ることができる。
【０１２３】
【外９】
0003651540.tif 000049
【０１２４】
また、外来磁場発生コイル一つずつに単位電流を流したときのリファレンスチャネルの出力ベクトルを横に並べた行列をＬ、Ｌのムーアペンローズ一般逆行列をＬ+ とし、
【数４０】
0003651540.tif 000050
【外１０】
0003651540.tif 000051
以上、上述した実施形態によれば、外来磁場発生コイルを生体磁場計測装置の構造体に、または、着脱可能な既知の位置に取り付けており、この外来磁場発生コイルの発生磁場の計測値とその理論値との差がなるべく小さくなるように、線形または非線形の推定理論を用い、コイルバランスおよびそのほかの値（磁場センサの位置、向き、感度）を推定している。この推定に際し、とくに、以下の利点を発揮できる。
【０１２５】
すなわち、外来磁場発生コイルに流す電流を正確に指令値に制御し、または、外来磁場発生コイルに流した電流を正確に認識（計測）するようにしている。このため、外来磁場発生コイルが発生する磁場を正確に計算することができ、異なる複数の位置に設置した外来磁場発生コイルの発生磁場に対する計測値の違いからグラジオメータのコイルバランスと感度などのその他のパラメータとを分離して推定することができる。したがって、従来技術で見られた、グラジオメータと同じ面積を有するマグネットメータを備えるという構成を採用する必要がなく、装置をその分、小形にかつ安価に製造することができる。
【０１２６】
また、外来磁場発生コイルを生体磁場計測装置の構造体に、または、着脱可能な既知の位置に取り付けているので、この外来磁場発生コイルを再現性良くかつ高精度に設置可能である。これにより、磁場センサ（ピックアップコイル）それぞれの位置を高精度に推定できる。
【０１２７】
さらに、コイルバランスの補正手段（測定したコイルバランスを用いて補正する手段、または、リファレンスコイルの計測値と生体磁場計測チャンネルの計測値と相関を用いてコイルバランスを補正する手段）を有している。このため、コイルバランスの崩れに因る計測値の歪みを低減させることができ、閑居磁場雑音除去能力が格段に向上し、したがって、生体磁場の計測精度をも確実に向上させることができる。
【０１２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る生体磁場計測装置によれば、外来磁場人工発生手段として、従来使用していたヘルムホルツコイルよりも小形の複数のコイルを装置に付随させて備え、これに伴って、磁場センサの検出コイルの感度、コイルバランスを安定して且つ高精度に計測するととともに、検出コイルの検出値より求められた生体磁場計測値からコイルバランスの崩れの影響を高精度に補正することができる。したがって、コイルバランスの崩れに起因した環境磁場雑音除去の誤差が少なくなり、その除去能力が向上し、生体磁場の計測精度を確実に向上させることができる。
【０１２９】
また、生体磁場計測装置を磁気シールドルームに設置した後でも、定期検査や保守時（ＳＱＵＩＤ素子を交換するとき）などの適宜なタイミングでピックアップコイルのコイルバランスを計測（あるいは計測し直し）、または、計測および補正することができ、これにより、コイルバランスの崩れに因る環境雑音除去能力の低下を防止できる。また、複数のリファレンスコイルの検出値を用いて生体磁場計測チャンネルの計測値に含まれる環境磁場の影響を低減させる場合、コイルバランスの影響に因る測定誤差を減らすことができる。さらに、２乗平均推定法により生体磁場計測チャンネルのデータ中に含まれる環境雑音磁場を除去するときに、相関計算に使用した環境磁場とは大幅に異なるパターンの環境磁場が混入した場合でも、環境磁場除去能力を十分に発揮させることができる。以上により、生体磁場計測の精度を従来よりも格段に向上させることができる。
【０１３０】
さらに、多チャンネルの生体磁場計測チャンネルを有する生体磁場計測装置であっても、従来のような調整ための手間を各別に必要とせず、ピックアップコイルのコイルバランスの影響を自動的に補正できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る生体磁場計測装置の概略構成を示す図。
【図２】第１の実施形態における外来磁場発生コイルの設置状況を示す模式図。
【図３】各設置位置における外来磁場発生コイルの一例を説明する図。
【図４】第１の実施形態における機能的および磁気的な関わりを示すブロック図。
【図５】ピックアップコイルが１次微分型グラジオメータであるときの記号の取り方を説明する図。
【図６】ピックアップコイルがマグネットメータであるときの記号の取り方を説明する図。
【図７】ピックアップコイルが２次微分型グラジオメータであるときの記号の取り方を説明する図。
【図８】種々のタイプのピックアップコイルに対して設定した座標系の図。
【図９】感度およびコイルバランスの推定精度の評価を行ったときのピックアップコイルの位置を示す表図。
【図１０】感度およびコイルバランスの推定精度の評価を行ったときの外来磁場発生コイルの位置を示す表図。
【図１１】感度およびコイルバランスの推定精度の評価を示す表図。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る外来磁場発生コイルの別の設置構造を示す概略図。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る検出コイルに搭載される３個のコイル群の内の１つのコイル群を示す図。
【図１４】第５の実施形態に係る生体磁場計測装置の主要部の機能ブロック図。
【図１５】本発明の第６の実施形態に係るベクトル型検出コイルの配置状況を示す図。
【図１６】本発明の第７の実施形態に係る検出コイルおよびリファレンスコイルの配置状況を示す概念図。
【図１７】第７の実施形態のコイルバランス補正方法の概要を示すフローチャート。
【図１８】本発明の第８の実施形態に係る生体磁場計測装置の主要機能ブロック図。
【符号の説明】
１１  真空断熱容器（デュア）
１２  駆動処理部
２５  ＳＱＵＩＤチップ
２６  検出コイル
２８  外来磁場発生コイル
３４  駆動回路
３５  Ａ／Ｄ変換器
３６  データ処理器
３８  コイル電源
３９  外来磁場コントローラ
５０  支持体
Ｂ  ボビン
【図１】
0003651540.tif 000052
【図２】
0003651540.tif 000053
【図３】
0003651540.tif 000054
【図４】
0003651540.tif 000055
【図５】
0003651540.tif 000056
【図６】
0003651540.tif 000057
【図７】
0003651540.tif 000058
【図８】
0003651540.tif 000059
【図９】
0003651540.tif 000060
【図１０】
0003651540.tif 000061
【図１１】
0003651540.tif 000062
【図１２】
0003651540.tif 000063
【図１３】
0003651540.tif 000064
【図１４】
0003651540.tif 000065
【図１５】
0003651540.tif 000066
【図１６】
0003651540.tif 000067
【図１７】
0003651540.tif 000068
【図１８】
0003651540.tif 000069