(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
MEG等から取得され、脳神経活動に一次的に関連づけられる信号である神経活動信号の時系列データと、MRI装置から得られるMR信号の変動データとの相関を分析し、その結果に基づいて脳機能を測定するものであって、
前記神経活動信号の時系列データから、予め定めたoxyHbレスポンス関数を介してoxyHb濃度の時系列データを算出するoxyHb濃度算出部と、
前記脳神経活動の時系列データから、予め定めたdeoxyHbレスポンス関数を介してdeoxyHb濃度の時系列データを算出するdeoxyHb算出部と、
前記oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度の時系列データを少なくともパラメータとして、前記MR信号の変動データとの相関を比較し得る比較データを算出する比較データ算出部とを備えていることを特徴とする脳機能測定装置。
【請求項２】
前記oxyHbレスポンス関数が、神経活動信号のoxyHb濃度に対する空間変動影響を表す空間変動関数をさらに含むものであり、
前記deoxyHbレスポンス関数が、神経活動信号のdeoxyHb濃度に対する空間変動影響を表す空間変動関数をさらに含むものである請求項１記載の脳機能測定装置。
【請求項３】
MEG等から取得され、脳神経活動に一次的に関連づけられる信号である神経活動信号の時系列データと、MRI装置から得られるMR信号の変動データとの相関を分析し、その結果に基づいて脳機能を測定する脳機能測定装置に適用されるものであって、
前記神経活動信号の時系列データから、予め定めたoxyHbレスポンス関数を介してoxyHb濃度の時系列データを算出するoxyHb濃度算出部と、
前記脳神経活動の時系列データから、予め定めたdeoxyHbレスポンス関数を介してdeoxyHb濃度の時系列データを算出するdeoxyHb算出部と、
前記oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度の時系列データを少なくともパラメータとして、前記MR信号の変動データとの相関を比較し得る比較データを算出する比較データ算出部としての機能を前記脳機能測定装置に備えさせることを特徴とする脳機能測定プログラム。
【請求項４】
MEG等から取得され、脳神経活動に一次的に関連づけられる信号である神経活動信号の時系列データと、MRI装置から得られるMR信号の変動データとの相関に基づいて脳の機能部位を特定するものであって、
前記神経活動信号の時系列データから、予め定めた第１oxyHbレスポンス関数を介して、光吸収変化から測定し得るoxyHb濃度の時系列データを算出するとともに、予め定めた第２oxyHbレスポンス関数を介して、光散乱変化から測定し得るoxyHb濃度の時系列データを算出するoxyHb濃度算出部と、
前記神経活動信号の時系列データから、予め定めた第１deoxyHbレスポンス関数を介して、光吸収変化から測定し得るdeoxyHb濃度の時系列データを算出するとともに、予め定めた第２deoxyHbレスポンス関数を介して、光散乱変化から測定し得るdeoxyHb濃度の時系列データを算出するdeoxyHb濃度算出部と、
前記oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度の各時系列データをパラメータとして、前記MR信号の変動データとの相関を比較し得る比較データを算出する比較データ算出部とを備えていることを特徴とする脳機能測定装置。
【請求項５】
前記各oxyHbレスポンス関数が、神経活動信号のoxyHb濃度に対する空間変動影響を表す空間変動関数をさらに含むものであり、
前記各deoxyHbレスポンス関数が、神経活動信号のdeoxyHb濃度に対する空間変動影響を表す空間変動関数をさらに含むものである請求項４記載の脳機能測定装置。
【請求項６】
MEG等から取得され、脳神経活動に一次的に関連づけられる信号である神経活動信号の時系列データと、MRI装置から得られるMR信号の変動データとの相関を分析し、その結果に基づいて脳機能を測定する脳機能測定装置に適用されるものであって、
前記神経活動信号の時系列データから、予め定めた第１oxyHbレスポンス関数を介して、光吸収変化から測定し得るoxyHb濃度の時系列データを算出するとともに、予め定めた第２oxyHbレスポンス関数を介して、光散乱変化から測定し得るoxyHb濃度の時系列データを算出するoxyHb濃度算出部と、
前記神経活動信号の時系列データから、予め定めた第１deoxyHbレスポンス関数を介して、光吸収変化から測定し得るdeoxyHb濃度の時系列データを算出するとともに、予め定めた第２deoxyHbレスポンス関数を介して、光散乱変化から測定し得るdeoxyHb濃度の時系列データを算出するdeoxyHb濃度算出部と、
前記oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度の各時系列データをパラメータとして、前記MR信号の変動データとの相関を比較し得る比較データを算出する比較データ算出部とを前記脳機能測定装置に備えさせることを特徴とする脳機能測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、血行動態変動と脳神経活動との相関から脳の活動部位を測定する脳機能測定装置等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
脳機能測定（機能的磁気共鳴イメージング、以下fMRIという）で得られる情報は、脳の神経活動に付随して起こるoxyHbの増加を反映した二次的なものであり、HRF（hemodynamic response function）と称される時間項を含む一定の波形を有した関数によって神経活動と関係づけられている（非特許文献１、２参照）。実際の解析例を説明すると、まずfMRIの元の信号であるT2*信号の変動とHRFとの畳み込み積分を計算することによってHRFに相当する信号を強調して取り出す時間的な処理を行い、その後、ランダムフィールド理論による空間的な処理、及び、統計検定を経て、fMRIの脳機能画像を得ている。
【０００３】
【非特許文献１】
Buchel, C., Holmes, A. P., Rees, G. and Friston, K. J. (1998). Characterizing stimulus-response functions using nonlinear regressors in parametric fMRI experiments. Neuroimage 8, 140-148.
【非特許文献２】
Clark, V. P. (2002). Orthogonal Polynomial Regression for the Detection of Response Variability in Event-Related fMRI. NeuroImage 17, 344-363.
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記HRFは（物理量であるＴ２*の変動）と（生体の神経活動電位）との比であり、その単位が生理学的に明確な意味を持たない。加えて脳神経活動であるニューロン発火から血行動態が変動するまでの過程は完全に解明されているわけではなく、前記HRFという時間関数のみでニューロン発火と血行動態変動とを関連づけることが適切であるかどうかは疑問である。事実、「HRFは脳の部位等により異なる」という結果が近年報告されており、前記HRFという一定の波形を有した時間関数による脳機能測定では、刺激や部位によっては正確な脳機能測定を為し得ないおそれがあることは十分に考えられる。
【０００５】
また、今後、ニューロン発火から血行動態変動までの過程を解明していくにあたって、前述したように生理学的に明確な意味を持たないHRFという単一関数では、前記T2*信号の変動の原因となるdeoxyHbの変動が、果たして血流の変動によるものなのか、あるいはdeoxyHb濃度の変動によるものなのか等を深く追求していくことはできず、このままではfMRIを用いた脳研究のさらなる発展を阻害することにもなりかねない。
【０００６】
そこで、本発明は、神経活動とfMRIで得られる情報との関係を、種々のパラメータからなりしかもそれらがより生理学的に意味のある関数、すなわち少なくともoxyHb濃度及びdeoxyHb濃度という血液状態の関数を介して示すことによって前記問題点を解決し、脳研究に対する新たな可能性を切り開くとともに、究極的には脳機能のより正確な把握を可能にすべく図ったものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、図１に示すように、本発明にかかる脳機能測定装置１は、MEG等から取得され、脳神経活動に一次的に関連づけられる信号である神経活動信号の時系列データと、MRI装置から得られるMR信号の変動データとの相関を分析し、その結果に基づいて脳機能を測定するものであって、
前記神経活動信号の時系列データから、予め定めたoxyHbレスポンス関数を介してoxyHb濃度の時系列データを算出するoxyHb濃度算出部２と、
前記脳神経活動の時系列データから、予め定めたdeoxyHbレスポンス関数を介してdeoxyHb濃度の時系列データを算出するdeoxyHb算出部３と、
前記oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度の時系列データを少なくともパラメータとして、前記MR信号の変動データとの相関を比較し得る比較データを算出する比較データ算出部４とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
このようなものであれば、ニューロン発火という神経活動から、oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度が時間的かつ空間的に変動し、その結果T2*信号が変動するという、より生理学的な過程に近いと考えられる仮定の下、神経活動信号とT2*信号の変動データとの相関を判断するようにしていることから、従来のHRFという一定の時間関数による脳機能測定では全く測定し得なかった刺激や部位等に対して、新たな測定結果をもたらし得る。
【０００９】
またこのように多くのパラメータによって神経活動信号とT2*信号の変動データとを結びつけているため、今後行われるであろう種々の実験や研究結果に対応できる発展性の高い脳機能測定装置１を提供できる。
【００１０】
さらにその演算過程において、oxyHb濃度とdeoxyHb濃度との変動が算出されるため、そのことから逆に、ニューロン発火から血行動態変動までの過程を解明していく研究の一助にもなりうる。
【００１１】
血液状態の時間変動に加えて、空間変動の関数も組み込むことで、より正確な把握を可能にするには、前記oxyHbレスポンス関数が、神経活動信号のoxyHb濃度に対する空間変動影響を表す空間変動関数をさらに含むものであり、前記deoxyHbレスポンス関数が、神経活動信号のdeoxyHb濃度に対する空間変動影響を表す空間変動関数をさらに含むものであることが望ましい。
【００１２】
本装置１による脳機能測定において必要な予め定めておくべき各レスポンス関数を簡単な方法で特定するには、図２に示すように、前記神経活動信号の時系列データから、予め定めた第１oxyHbレスポンス関数を介して、光吸収変化から測定し得るoxyHb濃度の時系列データを算出するとともに、予め定めた第２oxyHbレスポンス関数を介して、光散乱変化から測定し得るoxyHb濃度の時系列データを算出するoxyHb濃度算出部２と、前記神経活動信号の時系列データから、予め定めた第１deoxyHbレスポンス関数を介して、光吸収変化から測定し得るdeoxyHb濃度の時系列データを算出するとともに、予め定めた第２deoxyHbレスポンス関数を介して、光散乱変化から測定し得るdeoxyHb濃度の時系列データを算出するdeoxyHb濃度算出部３と、前記oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度の各時系列データをパラメータとして、前記MR信号の変動データとの相関を比較し得る比較データを算出する比較データ算出部４とを備えているものが好ましい。
【００１３】
このようなものであれば、各レスポンス関数を特定するにあたって、近赤外分光法（NIRS）で実際に測定したoxyHb濃度及びdeoxyHb濃度と、演算過程で算出されるoxyHb濃度及びdeoxyHb濃度とが一致するように設定すればよいため、その信頼性を向上させることができる。また近赤外分光法（NIRS）は測定が容易であるという利点を有するため、本装置１と組み合わせたシステムとし、被験者毎に前記各レスポンス関数を設定し、より正確な脳機能測定を行うようにすることも無理なくできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
本実施形態に係る脳機能測定装置１は、図３に示すように、脳神経活動に一次的に関連づけられる信号である神経活動信号の時系列データと、MRI装置から得られるMR信号であるT2*信号の変動データとの相関をoxyHb濃度とdeoxyHb濃度の関数を介して分析し、その結果に基づいて脳機能を測定するものであり、より具体的には、前記神経活動信号の時系列データからoxyHb濃度に関する時系列データを算出するoxyHb濃度算出部２と、前記脳神経活動の時系列データからdeoxyHb濃度に関する時系列データを算出するdeoxyHb濃度算出部３と、前記oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度に関する時系列データをパラメータとして、前記T2*信号の変動データとの相関を比較し得る比較データを算出する比較データ算出部４とを備えてなる。
【００１６】
なお、この脳機能測定装置１は、ハードウェアとしてＣＰＵや記憶装置、入出力装置等を備えており、前記記憶装置に記憶させた所定のプログラムにしたがって、前記ＣＰＵ等が動作することにより、前記各部としての機能を発揮するように構成している。
【００１７】
しかして前記oxyHb濃度算出部２では、前記神経活動信号の時系列データと、予め定めたoxyHbレスポンス関数との畳み込み積分とを行うことにより、oxyHb濃度が算出されるようにしてある。
【００１８】
また、前記deoxyHb濃度算出部３では、oxyHb濃度算出部２同様、前記神経活動信号の時系列データと、予め定めたdeoxyHbレスポンス関数との畳み込み積分とを行うことにより、deoxyHb濃度が算出されるようにしてある。
【００１９】
より詳細に説明すると、神経活動信号の時系列データとは、例えば時間tと位置座標及び向きr（三次元座標と三次元ベクトル）とをパラメータとして表されるダイポール（ニューロン発火が生じる電流源）強度Dipole(r,t)のことであり、MEG等から所定の演算により求めることができる。
【００２０】
一方、この実施形態では、前記oxyHbレスポンス関数として、第１oxyHbレスポンス関数と第２oxyHbレスポンス関数とを用意しており、また前記deoxyHbレスポンス関数として、第１deoxyHbレスポンス関数と、第２deoxyHbレスポンス関数とを用意している。
【００２１】
第１oxyHbレスポンス関数及び第１deoxyHbレスポンス関数は、いずれも、近赤外分光法（NIRS）等を利用して測定した場合の光吸収度から求められるoxyHb濃度及びdeoxyHb濃度に対応するものであり、第２oxyHbレスポンス関数及び第２deoxyHbレスポンス関数は、近赤外分光法（NIRS）、パルス光を用いた時間分解計測法、強度変調光を用いた周波数領域の光計測法等を利用して測定した場合の光散乱変化から求められるoxyHb濃度及びdeoxyHb濃度に対応するものである。
【００２２】
ここではまず第１oxyHbレスポンス関数及び第１deoxyHbレスポンス関数について説明する。
【００２３】
第１oxyHbレスポンス関数は、
HRF_abs_n2oxyHb(t)  x  Vol_abs_n2oxyHb(t)t・・・（１）
で表されるもので、予め所定の記憶領域に例えば数値列として格納してある。もちろん演算式として格納しておいてもよい。
ここで、HRF_abs_n2oxyHb(t)  は、神経活動と、前記光吸収変化から求め得るoxyHb濃度(mol/l)の変動との関係を表す時間変動関数である。
またVol_abs_n2oxyHb(t)  は、神経活動と、前記光吸収変化に関するoxyHbの体積(mm3)の時間変動との関係、すなわち神経活動によってoxyHb濃度が空間的にどのように影響を受けるかを表す空間変動関数である。
なおVol_abs_n2oxyHb(t)t  は、Vol_abs_n2oxyHb(t)の転置行列を示す。
【００２４】
同様に第１deoxyHbレスポンス関数は、
HRF_abs_n2deoxyHb(t)  x  Vol_abs_n2deoxyHb(t)t・・・（２）
で表されるものである。各関数は前記第１oxyHbレスポンス関数のものに準ずるため説明は省略する。
【００２５】
第２oxyHbレスポンス関数及び第２deoxyHbレスポンス関数については、前記式（１）及び（２）におけるabsをscatに置き換えて同様に表されるものであるため、説明を省略する。
【００２６】
このような各レスポンス関数が規定されている条件の下、この実施形態での前記oxyHb濃度算出部２は、光吸収に関するoxyHb濃度の時系列データoxyHb_abs(t)を、
oxyHb_abs(t) =
Dipole(r,t) conv { HRF_abs_n2oxyHb(t)  x  Vol_abs_n2oxyHb(t)t }・・・（３）
なる式から算出するとともに、
光散乱に関するoxyHb濃度の時系列データoxyHb_scat(t)を
oxyHb_scat(t) =
Dipole(r,t) conv { HRF_scat_n2oxyHb(t)  x  Vol_scat_n2oxyHb(t)t }・・・（４）
なる式から算出する。
【００２７】
また、前記deoxyHb濃度算出部３は、光吸収に関するdeoxyHb濃度の時系列データdeoxyHb_abs(t)を、
deoxyHb_abs(t) =   Dipole(r,t) conv { HRF_abs_n2deoxyHb(t)  x  Vol_abs_n2deoxyHb(t)t }・・・（５）
なる式から算出するとともに、
光散乱に関するdeoxyHb濃度の時系列データdeoxyHb_scat(t)を
deoxyHb_scat(t) =   Dipole(r,t) conv { HRF_scat_n2deoxyHb(t)  x  Vol_scat_n2deoxyHb(t)t }・・・（６）
なる式から算出する。
ここでconvは畳み込み積分を表す。
【００２８】
一方、前記比較データ算出部４は、前記oxyHb濃度算出部２及びdeoxyHb濃度算出部３において、式（３）〜式（６）から求めた各時系列データoxyHb_abs(t)、deoxyHb_abs(t)、oxyHb_scat(t)、deoxyHb_scat(t)の線形和により、前記T2*信号の変動データとの相関を比較し得る比較データT2*_CALを算出する。
【００２９】
具体的には、比較データT2*_CALを
0003709443.tif 000002
なる式から算出する。
ここでA〜Dは係数であり、その値は例えばT2*を目標値とする重回帰演算を施すことにより設定する。
【００３０】
このように本実施形態によれば、ニューロン発火という神経活動から、oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度が時間的かつ空間的に変動し、その結果T2*信号が変動するという、より生理学的な過程に近いと考えられる仮定の下、神経活動信号とT2*信号の変動データとの相関を、oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度を介在させて判断するようにしていることから、従来のHRFという一定の波形を有した時間関数による脳機能測定では全く測定し得なかった刺激や部位に対して、新たな測定結果をもたらし得る。
【００３１】
またこのように多くのパラメータによって神経活動信号とT2*信号の変動データとを結びつけているため、今後行われるであろう種々の実験や研究結果に対応できる発展性の高い脳機能測定装置１を提供できる。
【００３２】
さらにその演算過程において、oxyHb濃度とdeoxyHb濃度との変動が算出されるため、そのことから逆に、ニューロン発火から血行動態変動までの過程を解明していく研究の一助にもなりうる。
【００３３】
加えて、本装置による脳機能測定において必要な予め定めておくべき各レスポンス関数は、近赤外分光法（NIRS）で実際に測定したoxyHb濃度及びdeoxyHb濃度と、演算過程で算出されるものとが一致するように設定可能であるため、信頼度の非常に高いものとなる。具体的には、既にかなりの部分で解明されている脳の低次機能を利用して予め設定しておけばよい。
【００３４】
また、この近赤外分光法（NIRS）は測定が容易であるという利点を有するため、本装置１と組み合わせたシステムとし、被験者毎に前記各レスポンス関数を設定してより正確な脳機能測定を行うようにすることも無理なくできる。
【００３５】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えばoxyHb濃度及びdeoxyHb濃度を、前記実施形態のように近赤外分光法（NIRS）に対応させるべく光の吸収と散乱に関する形式で算出する必要はなく、その他の形式で算出するようにしても構わない。
【００３６】
その他本発明は、上記図示例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明は、神経活動信号とT2*信号の変動データとの相関を、oxyHb濃度及びdeoxyHb濃度を介在させて求めるという、より生理学的な過程に近いものであると考えられるため、従来のHRFという一定の波形を有した時間関数による脳機能測定では全く測定し得なかった刺激や部位に対して、新たな測定結果をもたらし得る。
【００３８】
また多くのパラメータによって神経活動信号とT2*信号の変動データとを結びつけているため、今後行われるであろう種々の実験や研究結果に対応できる発展性の高い脳機能測定装置を提供できるうえ、その演算過程において、oxyHb濃度とdeoxyHb濃度との変動が算出されるため、そのことから逆に、神経活動であるニューロン発火から血行動態変動までの過程を解明していく研究の一助にもなりうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に係る発明の機能構成を示す模式的機能構成図。
【図２】請求項４に係る発明の機能構成を示す模式的機能構成図。
【図３】本発明の一実施形態における脳機能測定装置の機能構成を示す模式的機能構成図。
【符号の説明】
１・・・脳機能測定装置
２・・・oxyHb濃度算出部
３・・・deoxyHb算出部
４・・・比較データ算出部
【図１】
0003709443.tif 000003
【図２】
0003709443.tif 000004
【図３】
0003709443.tif 000005