(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気的核スピン共鳴により生物の機能的脳活動を時間および位置的に分解して表示する方法において、
ａ）互いに相関関係になくかつ互いに直交する少なくとも２つの刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））により生物内の生理学的過程を刺激する過程と、
ｂ）核共鳴信号を励起しかつ読出すためのパルスシーケンスにより、時間および位置的に分解した核共鳴信号（ＳMR（ｔ））を発生する過程と、
ｃ）発生した核共鳴信号（ＳMR（ｔ））と、刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））に対してそれぞれ直交する相関関数（ｆorth（ｔ））との相互相関を求める過程と、
ｄ）少なくとも２つの刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））の非線形結合に帰すべき生物内の活動変化（Ｐ（τ））を検知するため相関関数（ｆorth（ｔ））を変更し、引続いて過程ｃ）での相互相関を求める過程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））が非周期的であり、かつその自己相関に可能な限り僅かな副ピークを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））として２進コードを使用することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））が生物に対し、活動に関する指令を前もって与えることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の方法。
【請求項５】
少なくとも２つの刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））の非線形結合に帰すべき生物内の活動変化（Ｐ（τ））の検知を、統計的な方法（HOS）を用いて行うことを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の方法。
【請求項６】
相関関数（ｆorth（ｔ））を、シフトレジスタを用いて変更することを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の方法。
【請求項７】
核共鳴信号を励起しかつ読出すためのパルスシーケンスと、刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））とが互いに無関係であることを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の方法。
【請求項８】
磁気的核スピン共鳴により生物の機能的脳活動を時間および位置的に分解して表示する方法において、
ａ）互いに相関関係になくかつ互いに直交する少なくとも２つの刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））により生物内の生理学的過程を刺激する過程と、
ｂ）核共鳴信号を励起しかつ読出すためのパルスシーケンスにより、時間および位置的に分解された核共鳴信号（ＳMR（ｔ））を発生する過程と、
ｃ）各刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ））に基づく生物内の活動変化（Ｐ1（τ1）、Ｐ2（τ2））を検知するため、発生した核共鳴信号（ＳMR（ｔ））と刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ））との相互相関を求める過程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ））が非周期的であり、かつその自己相関に可能な限り僅かな副ピークを有することを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ））として２進コードを使用することを特徴とする請求項８又は９記載の方法。
【請求項１１】
刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ））が、生物に対し活動に関する指令を前もって与えることを特徴とする請求項８ないし１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
核共鳴信号を励起しかつ読出すためのパルスシーケンスと、刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ））とが互いに無関係であることを特徴とする請求項８ないし１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】
磁気的核スピン共鳴により生物の機能的脳活動を時間および位置的に分解して表示する装置において、
ａ）互いに相関関係になくかつ互いに直交する少なくとも２つの刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））により生物内の生理学的過程を刺激するための関数発生器（３３、３５）と、
ｂ）時間および位置的に分解された核共鳴信号（ＳMR（ｔ））を発生するＭＲ設備（３２、３４）と、
ｃ）ＭＲ設備（３２、３４）を用いて得た核共鳴信号（ＳMRｔ））と、刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））に対し各々直交する相関関数（ｆorth（ｔ））との相互相関を求める相互相関計算ユニット（３６）と、
ｄ）相関関数（ｆorth（ｔ））を変更するための制御ユニット（３７）と、
ｅ）少なくとも２つの刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））の非線形結合に帰すべき生物（３１）内の活動変化（Ｐ（τ））を検知するための評価装置（３９）と
を含むことを特徴とする装置。
【請求項１４】
刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））が非周期的であり、かつその自己相関に可能な限り僅かな副ピークを有することを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））として２進コードが使用されることを特徴とする請求項１３又は１４記載の装置。
【請求項１６】
関数発生器（３３、３５）が生物（３１）に対し活動に関する指令を前もって与えることを特徴とする請求項１３ないし１５の１つに記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも２つの刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））の非線形結合に帰すべき生物内の活動変化（Ｐ（τ））の検知が統計的な方法（HOS）を用いて行われることを特徴とする請求項１３ないし１６の１つに記載の装置。
【請求項１８】
評価装置（３９）および相関計算ユニット（３６）がプロセス計算機又はパーソナルコンピュータであることを特徴とする請求項１３ないし１７の１つに記載の装置。
【請求項１９】
核共鳴信号を励起しかつ読出すためのパルスシーケンスと、刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））とが互いに無関係であることを特徴とする請求項１３ないし１８の１つに記載の装置。
【請求項２０】
磁気的核スピン共鳴により生物の機能的脳活動を時間および位置的に分解して表示する装置において、
ａ）互いに相関関係になくかつ互いに直交する少なくとも２つの刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））により生物内の生理学的過程を刺激するための関数発生器（３３、３５）と、
ｂ）時間および位置的に分解された核共鳴信号（ＳMR（ｔ））を発生するＭＲ設備（３２、３４）と、
ｃ）ＭＲ設備（３２、３４）を用いて得た核共鳴信号（ＳMRｔ））と、刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））との相互相関を求める相関計算ユニット（３６）と、
ｄ）少なくとも２つの刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））の非線形結合に帰すべき生物（３１）内の活動変化（Ｐ（τ））を検知する評価装置（３９）と
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２１】
刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））が非周期的であり、かつその自己相関に可能な限り僅かな副ピークを有することを特徴とする請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））として２進コードが使用されることを特徴とする請求項２０又は２１記載の装置。
【請求項２３】
関数発生器（３３、３５）が生物（３１）に対し、活動に関する指令を前もって与えることを特徴とする請求項２０ないし２２の１つに記載の装置。
【請求項２４】
核共鳴信号を励起しかつ読出すためのパルスシーケンスと、刺激関数（ｆs1（ｔ）、ｆs2（ｔ）、ｆsn（ｔ））とが互いに無関係であることを特徴とする請求項２０ないし２３の１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生物内の活動変化を検知するため磁気的核共鳴を用いて得た核共鳴信号を時間および位置的に分解して評価するための、生物内に少なくとも２つの刺激関数の使用の下に生理学的な過程を刺激する装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
刺激により惹起される人間の大脳皮質内の脳活動を核スピントモグラフにより検知できることが確認された。この種の実験は、例えば視覚的な刺激により、また指運動による一次モーターコーテックスの周りの刺激により実行された。機能的な脳検査は他の技術、例えばPET（陽子放出トモグラフィ）又はEEGによっても実行される。しかし核スピントモグラフィによれば、はるかに良い位置的な分解能が得られる。
【０００３】
典型的な方法で核スピントモグラフィを用いて実行される実験は所謂fRMI-BOLD実験である。その際、BOLDはBlood  Oxigenation  Dependent（血液酸素含有量に依存する）を意味する。刺激に基づく組織内の活動は一時的な酸素不足を、組織を囲む血液内に発生する。これはオーガニズムスにより検出される。周囲の血管を介して新しい酸素が供給される。こうして組織内の急な活動の際に先ず酸素含有量の短時間の軽い低下が生じ、それにオーガニズムスの調節反応の結果として血液中の酸素含有量が長時間にわたり減衰する明らかな過振動が続く。局所的な血液酸素含有量のこの時間的な変化が、fRMI（機能的な磁気共鳴トモグラフィ）BOLD実験の際に核スピントモグラフを用いて測定かつ局所化される。このような局所的な血液酸素濃度の時間的経過の例を図４に示す。
【０００４】
実時間でのデータ取得に関しては、核共鳴技術における取得速度の制限に基づき時間分解能も制限される。従って、機能的な撮像のためのデータ取得を、刺激により開始することが提案されている。その際、刺激に応じ完全な像データセットに対して必要な生データの一部分のみが取得される。従って、データ取得を、脳活動を始動するタスクの周期的な反復と同期化することが提案された。比較可能な方法は、既に心臓運動の“フィルム撮影”のために使用されている。
【０００５】
機能的撮像の問題は、刺激又は脳活動により生ずる信号変化を他の信号変化、例えば運動により惹起される信号変化から分離することにある。そのため特に、各画素に対し、刺激関数と、得られた時間的信号経過との相関係数を計算することが提案された。その際刺激関数として、周期的に反復し、休止時間により隔てられる刺激が使用される。しかし周期的な刺激関数は多くの欠点を有する。
−周期的な擾乱プロセス（例えば心拍、呼吸）を活動信号から分離できず、“生理学的なノイズ”として現れる。反復周期の整数倍の遅延を持つプロセスは同様に正しく認識されない。この実験の延長は、これらの場合のいずれにおいてもより良い擾乱抑制に通じない。
−さらに周期的な刺激関数は不均等な周波数スペクトルを持つ。従って若干のスペクトル構成要素は刺激により弱くしか励起されず、又は全く励起されない。このことは系統的な誤りをシステム同定に、即ち数学的モデルのパラメータの決定に導入してしまう。
【０００６】
上記問題の解決のためドイツ特許第195 29 639号明細書は、患者の機能的な脳活動を時間および位置的に分解して表示する方法を提案する。その際、刺激関数により生理学的な過程が患者内に生起される。刺激関数は非周期的であり、かつ自己相関関数に可能な限り僅かな副ピークを有する。核共鳴信号を励起し読出すためのパルスシーケンスにより時間および位置的に分解された核共鳴信号が得られ、像情報に変換される。こうして得られた情報と刺激関数との時間的な相関により、時間および位置的に分解された患者内の活動変化が検知される。
【０００７】
必要なＭＲデータは、時間および位置的な分解を考慮に入れて可能な限り速く取得せねばならない。従って先ず第１に速いパルスシーケンスが使用される。現在の技術による最も速いＭＲ撮像シーケンスは、所謂EPI(Echo  Planer  Imaging)シーケンスである。しかしこのシーケンスは実行案でしかなく、例えばターボスピンエコーシーケンス、FISP又はFLASHシーケンスのような他の速いパルスシーケンスも考察の対象となる。
【０００８】
EPIシーケンスでは先ず高周波パルスが入射される。同時に、高周波パルスの周波数スペクトルおよび層選択勾配の強さに関係して検査対象物の唯一の層が励起されるように、層選択勾配が作用する。層選択勾配の正の部分パルスに負の部分パルスが続き、それによって正の部分パルスにより惹起されるデフェージングが再び取り消される。
【０００９】
層選択勾配の負の部分パルスと同時に、２つのプリフェージングパルスが位相コーディング方向又は読出し方向に入射される。
【００１０】
続いて交互の極性を有する読出し勾配が入射される。読出し勾配の交互の符号により核共鳴信号は常に再びリフェージングをされ、その際、読出し勾配の各部分パルスの下に信号が生ずる。
【００１１】
信号は、位相を信号から信号へと、信号間の小さい位相コード化パルスにより進めることによって、それぞれ相異なって位相コード化される。
【００１２】
信号は位相判別をして復調され、かつラスター内でディジタル化される。信号毎に、得たディジタル値が生データマトリックスの行内に書込まれる。EPI法の最も速い変形例、所謂“シングルショットEPI”では、単一励起後に、像に対する完全な生データセットを作成するに十分な多くの信号が取得される。像は公知の方法で生データマトリックスから二次元のフーリエ変換で得られる。
【００１３】
機能的な撮像のためには、信号の位置的な分解だけでなく時間的な分解も行わなければならない。そのため、次々と異なる時点に対応する像データが得られるように、シーケンスが可能な限り速く反復される。
【００１４】
像データセットの最小の要素は画素と呼ばれる。機能的な撮像では、一般に従来通常の核スピントモグラフィ像の際よりも荒い分解能、例えば２５６×２５６画素の典型的な分解能で済ますことができる。
【００１５】
図５は、ドイツ特許第195 29 639号明細書による従来の技術による方法の進行の概要を示す。その際、核共鳴信号ＡMR（ｋ）を励起しかつ読出すためのパルスシーケンスと刺激関数ｆS1（ｋ）とは互いに無関係に進行する。これらの双方はシステム・人間／磁気共鳴トモグラフ５１に作用し、また図示しない中央の制御計算機によりクロックされるが、例えば刺激関数ｆS1（ｋ）によるパルスシーケンスＡMR（ｋ）の始動は行われない。パルスシーケンスＡMR（ｋ）に基づき生データセットＳMR（ｋ）が、またこれらから再び二次元のフーリエ変換５２により像データセットＢ（ｔ）が取得される。生データマトリックスＳMR（ｋ）内の各要素又は像データマトリックスＢ（ｔ）内の各画素に対し、時間的な信号経過が得られる。続いてこの信号経過ＳMR（ｋ）又はＢ（ｔ）と刺激関数ｆS1（ｋ）との間の相互相関５４が行われる。刺激関数ｆS1（ｋ）は前もって遅延τを持つ適当な遅延要素５３を通過する。本方法の実行のため、生データセットＳMR（ｋ）又は像データセットＢ（ｔ）との相互相関がフーリエ変換５２の前に行われるか、後に行われるかはどちらでもよいことである。
【００１６】
上記の欠点を避けるため、刺激関数ｆS1（ｋ）は周期的であってはならず、かつその自己相関関数の副ピークを考慮に入れて最適化されていなければならない。例えば適当な２進コードが考慮の対象になる。
【００１７】
このようなコードの自己相関関数内での副ピークの最小化は、平らなパワースペクトルおよび擾乱源の関数の長さと共に増大する最適な抑制と等しい意義がある。さらに自己相関関数内の副ピークの最小化に非周期性が反映する。このような刺激関数と各画素に対しMRデータから取得される時間に関係する関数との相互相関により、MRデータから刺激の影響が抽出される。例えば運動（呼吸、心拍、脈動するCSF）による擾乱プロセスは相互相関の際に殆ど無くなる。
【００１８】
相互相関の結果P1（τ）は各々の画素に対してモニターの上に表示される。図６には各画素に対する信号の時間的経過の概要を示す。既に図５に関連して説明したように、相関解析により刺激関数とそれにより開まる脳活動との間の関連が確立される。この相関解析の結果P1（τ）は、次いで画素毎にモニター上に表示される。その際特定の脳領域、即ち対応する画素を選び出し、かつこれらの脳領域に対し相関解析の結果を考察することができる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、多数の刺激関数に帰すべき、考察される生物内の活動変化を検知し、かつそれらを開始する刺激関数に正しく対応付ける多くの並列の刺激関数によりfMRI実験を実行することを可能とする方法を提供することである。さらに本発明の課題は、この方法を実行するための装置を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明の請求項１、８、１３および２０に記載の方法および装置により解決される。本発明の実施例は従属請求項に記載されている。
【００２１】
本発明の１つの形態によれば、磁気的核スピン共鳴により生物の機能的脳活動を時間および位置的に分解して表示するための方法において、
ａ）少なくとも２つの相関関係になくかつ互いに直交する刺激関数により生物内の生理学的過程を刺激する過程と、
ｂ）核共鳴信号を励起しかつ読出すためのパルスシーケンスにより、時間および位置的に分解された核共鳴信号を発生する過程と、
ｃ）各刺激関数に帰すべき生物内の活動変化を検知するため発生された核共鳴信号と刺激関数との相互相関を求める過程と
を含むことを特徴とする方法が提案される。
【００２２】
少なくとも２つの刺激関数が相関せず、かつ互いに直交するので、核共鳴信号と刺激関数との後続の時間的な相関を利用して、刺激関数の１つに帰すべき生物内の線形の活動変化を一義的に特定の刺激関数に対応付けることができる。信号の伝搬時間差をなくすため、刺激関数は適当な遅延要素を通過する。
【００２３】
こうして、本発明の方法により、多くのfMRI実験を同時に、即ちfMRI実験が検査すべき生物内の生理学的な過程の際に少なくとも２つの刺激関数により刺激され、実験の相互の擾乱なしに実行できる。この結果、実験を実行するのに必要な時間と、その際にかかるコストの大幅な節減とにつながる。
【００２４】
本発明の第２の形態によれば、磁気的核スピン共鳴により生物の機能的脳活動を時間および位置的に分解して表示する方法において、
ａ）互いに相関関係になくかつ互いに直交する少なくとも２つの刺激関数により生物内の生理学的過程を刺激する過程と、
ｂ）核共鳴信号を励起しかつ読出すためのパルスシーケンスにより、時間および位置的に分解された核共鳴信号を発生する過程と、
ｃ）発生した核共鳴信号と、刺激関数に対してそれぞれ直交する相関関数との相互相関を求める過程と、
ｄ）少なくとも２つの刺激関数の非線形結合に帰すべき生物内の活動変化を検知するため相関関数を変更し、引続いて過程ｃ）での相互相関を求める過程と
を含むことを特徴とする方法が提案される。
【００２５】
少なくとも２つの刺激関数が相関せず、かつ互いに直交しており、さらに相関関数も刺激関数に対して直交するので、本発明によれば、核共鳴信号と刺激関数に対し各々直交する共通の相関関数との時間的な相関を利用して、刺激関数の組み合わせに基づく生物内のより高い次数の活動変化を検知できる。その際相関関数は、必ずしも単一の特定の関数ではなく、上記条件を満足する関数の一群として生ずる。刺激関数に対し各々直交する相関関数の相関の際、線形作用は抑制されるので、相関の後に得られる信号は２つ又はより多くの刺激関数の非線形結合にのみ基づくものである。結果に結び付く相関関数は後験的に判っているので、刺激関数のどの組み合わせが生物内で測定された活動変化を生じたかの帰納的推理が行える。さらに、例えば検査される生物の意図せざる運動のような擾乱信号が除かれる。信号の伝搬時間差を除くため、ここでも相関関数を、適当な遅延要素を通過させる。こうして本発明の方法により、より高い次数の作用、即ち多くの刺激（＝刺激関数）の同時存在に応答し、かつこうして直接的な刺激には応答しない脳機能（所謂より高い次数の脳機能）に基づく生物内の活動変化を、機能的な磁気共鳴トモグラフィを用いて検知できる。脳領域が、例えば２つの刺激が同時に存在する際にのみ応答する場合、刺激の非線形な結合とも呼ばれる。
【００２６】
両方法において、本発明で用いる刺激関数が非周期的で、かつその自己相関に可能な限り僅かな副ピークを持つのが望ましい。そうすれば信号の時間的な相関により、特に心拍又はパルスシーケンスに基づく周期的な擾乱信号を除ける。
【００２７】
具体的には、本発明では刺激関数として２進コードを使用するとよい。これは特に刺激関数が生物に、活動に関する指令を前以て与えるときに有利である。
【００２８】
２進コードは生物の簡単な刺激を可能とする（明白な信号作用関係、例えば“光信号の際に小指を動かす”）。さらに、公知の方法で容易に刺激関数と直交する関数を導き出せる。
【００２９】
核共鳴信号を励起しかつ読出すパルスシーケンスと、刺激関数との反作用を除くため、本発明では、パルスシーケンスと刺激関数とを互いに無関係にする。
【００３０】
２つの刺激の非線形な結合を検知する場合、本発明は、少なくとも２つの刺激関数の非線形結合に基づく生物内の活動変化の検知を、統計的な方法を用いて実行する。その際、相互相関の結果は、例えば“higher  order  statistics”のような適当な統計的な方法を用いてさらに評価される。これらの方法は、特に信号内の非線形な項の検出および評価のために適している。
【００３１】
２つの刺激の非線形結合を検知するには、相関関数が主要な役割を演ずる。本発明では、シフトレジスタを用いて相関関数を変更する。シフトレジスタを用いて、全てが個々の刺激関数に各々直交する適当な一群の関数を通過させる。
【００３２】
本発明の第３および第４の形態では、上記の方法を実行する装置を開示する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図１ないし６により本発明を一層詳細に説明する。
【００３４】
本発明を実現するfMRI実験の一般的な構成を以下に簡潔に説明する。
【００３５】
図３による概要図に相応し、患者３１が、基本磁界を発生する磁石３２内に入れられる。この磁石３２は、図を見易くするために図示しない基本磁界発生のための内蔵物と、高周波信号の送信と受信のための高周波アンテナとを有する。勾配コイルと高周波アンテナは、プロセッサユニット３４と接続されている。ＭＲ設備の機能は、その構成が本質的に従来通常の設備と一致しているので、周知であると仮定している。
【００３６】
パルス発生器３５から刺激関数が発生され、それにより例えば光発生器３３が駆動される。しかし例えば電気的な刺激も使えるし、又は患者が、例えば光学的な信号により、刺激関数に相応して運動を行うよう促される。プロセッサユニット３４により取得されたＭＲデータおよびパルス発生器３５内で発生された刺激関数は、相関計算ユニット３６内で相互の相関を求められる。こうして得られたデータは、プロセス計算機３９内でさらに編集され、モニター３８上に表示される。その際、像信号への磁気共鳴トモグラフの出力信号の変換は、公知の方法で二次元フーリエ変換を用いて行われる。
【００３７】
プロセッサユニット３４、相関計算ユニット３６およびパルス発生器３５は、中央の制御計算機３７により制御される。
【００３８】
この構成により、患者／生物内で刺激関数を用いて生理学的過程を刺激し、かつ患者／生物内の刺激関数の結果としての活動変化を検知するfMRI実験が実行可能である。
【００３９】
図１は相互の擾乱なしに多くのfMRI実験を並列的に、同時に実行するための本発明による方法の進行の概要を示す。
【００４０】
患者体内に生理学的過程を引起こすため、人間／MRシステム１１（MRは磁気共鳴トモグラフを表す）が、相関関係になくかつ互いに直交する２つの刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）により励起される。システム１１の出力端に、詳細は示さない内部処理ステップに従い、核共鳴信号ＳMR（ｔ）が得られる。これら核共鳴信号ＳMR（ｔ）は、２つの別々の相互相関１４、１５内で各々刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）の１つとの時間的な相関を求められる。システムに付随する伝搬時間差を等化するため、刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）は先ず各々遅延τ1、τ2を持つ適当な遅延回路１２、１３を通過する。両方の相互相関１４、１５の出力端に生ずる信号Ｐ1（τ1）、Ｐ2（τ2）は各刺激、即ち各刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）に基づく人間／患者内の活動変化を示す。
【００４１】
２つの刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）は相関関係になくかつ互いに直交するので、核共鳴信号ＳMR（ｔ）と刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）との時間的な相関に基づき、刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）の１つに基づく人間／患者内の線形の活動変化を一義的に特定の刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）に対応付けることができる。こうして本発明の方法によって、２つのfMRI実験を同時に、相互の擾乱なしに実行できる。それにより従来技術と比べて、実験を行うのに必要な時間と、その際にかかるコストとの大幅な節減が可能である。
【００４２】
本発明による方法は、図３に示す装置により実現される。その際、人間／ＭＲシステム１１は、患者３１、磁石３２およびプロセッサユニット３４から成る組み合わせに相当する。システム５１は、刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）をパルス発生器３５と、１つ又はそれ以上の光発生器３３とを用いて発生する。核共鳴信号ＳMR（ｔ）と刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）との相互相関１４、１５は相関計算ユニット３６内で行われる。遅延回路１２、１３はパルス発生器３５内で実現してもよい。例えばプロセス計算機３９内で行われるフーリエ変換の後に、こうして得たデータがモニター３８の上に表示される。プロセッサユニット３４、相関計算ユニット３６およびパルス発生器３５の制御は、ここでも中央の制御計算機３７により行われる。
【００４３】
図２は、磁気的核スピン共鳴により、所謂より高い次数の活動変化、即ちより多くの刺激が同時に存在する際にのみ応答する患者内の活動変化を検知することを可能とする本発明による方法の進行の概要を示す。
【００４４】
患者内の生理学的刺激過程を開始するため、人間／MRシステム２１が相関関係になくかつ互いに直交する多くの刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）、ｆSn（ｔ）により励起される。本発明で用いる刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）、ｆSn（ｔ）は非周期的であり、かつその自己相関に可能な限り僅かな副ピークを有する。この実施例では刺激関数として２進コードを使用する。患者と磁気共鳴トモグラフとを含むシステム２１の出力端に核共鳴信号ＳMR（ｔ）が得られる。これら核共鳴信号ＳMR（ｔ）は相互相関２３内で、刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）、ｆSn（ｔ）に対し各々直交する相関関数ｆorth（ｔ）との相互相関を求められる。信号の伝搬時間差を除くため、相関関数ｆorth（ｔ）は遅延τを持つ適当な遅延要素を通過する。相関関数ｆorth（ｔ）とは、個々の刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）、ｆSn（ｔ）に各々直交する一群の関数から成る任意の関数である。それは公知の数学的方法を用いて求められる。類似の関数を決定する試みは“Advanced  Methods  of  Physiological  System  Modeling”（第３巻、V.Z.Marmarelis編、ニューヨーク、Plenum、第８７〜１１０頁；１９９４）の出版物、Ethan A.Benardete およびJonathan D.Victor “An  extension  of  the  m-sequence  technique  for  the  analysis  of  Multi-input  Nonlinear  systems”に記載されている。勿論一群の適当な関数は他の方法でも導出できる。一群の適当な相関関数ｆorth（ｔ）は、例えばシフトレジスタを通過し、こうして相関関数ｆorth（ｔ）が変更される。
【００４５】
少なくとも２つの刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）、ｆSn（ｔ）が相関関係になくかつ互いに直交しており、かつ相関関数ｆorth（ｔ）も刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）、ｆSn（ｔ）に対しそれぞれ直交するので、本発明に従い、核共鳴信号ＳMR（ｔ）と相関関数ｆorth（ｔ）の１つとの時間的な相関を利用して相互相関２３の出力端に、刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）、ｆSn（ｔ）の組み合わせに基づくより高い次数の活動変化を人間／MRシステム２１に描出する信号Ｐ（τ）が得られる。相関２３における線形の作用は、刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）、ｆSn（ｔ）に対して各々直交する相関関数ｆorth（ｔ）により抑制されるので、得られた有意義な信号Ｐ（τ）は２つ又はそれ以上の多くの刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）、ｆSn（ｔ）の非線形の結合のみに基づくものである。
【００４６】
刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）、ｆSn（ｔ）と、信号Ｐ（τ）を生み出す後験的に知り得る相関関数ｆorth（ｔ）との時間的経過を考慮に入れ、刺激関数のどの組み合わせが生物内の測定された活動変化に基づくかの帰納的推理が行われる。こうして本発明の提案する方法により、より高い次数の作用、即ち多くの刺激が同時に存在する際に応答する作用を検知することが可能である。この場合、刺激の非線形な結合とも呼ばれる。
【００４７】
この実施例では、相互相関２３の出力信号P（τ）内に含まれる非線形の項は統計的な方法２４（HOS＝higher  order  statistics）を用いて抑制される。信号内の非線形の項を評価するこの方法は出版物“Introducing  higher  order  statistics（HOS）  for  the  detection  of  non-linearities”（UK  Nonlinear  News、１９９５年９月）、“Non-linearity  detection  for  condition  monitoring  using  higher  order  statistics”および“The  higher  order  statistics  of  speech  signals゛(゛Techniques  for  Speech  Signal  Processing  and  their  Applications”に関するIEEEコロキューム、ロンドン、１９９４年６月１日に発表；Digest  No．１９９４／１３８  ｐ７／１〜７／６）に開示されている。これら３つの論文の主著者はJ.W.A.FackrellおよびS.McLaughlinである。
【００４８】
実験の評価を簡単化するため、相互相関の結果を相互相関図として表示すると有利である。これは、公知の方法で、相互相関の出力端に得られる信号の二次元のフーリエ変換により行われる。この表示形態は得られたデータの直観性を顕著に高め、かつ結果の迅速かつ正確な評価を可能とする。
【００４９】
本発明による方法は、図３の装置で実行できる。ここで人間／MRシステム２１は患者３１、磁石３２およびプロセッサユニット３４から成る組み合わせに相当する。刺激関数ｆS1（ｔ）、ｆS2（ｔ）を、システム５１はパルス発生器３５と、１つ又はそれ以上の光発生器３３とを用いて励起する。勿論音響的、熱的および／又は電動的な発生器も使用できる。核共鳴信号ＳMR（ｔ）と相関関数ｆorth（ｔ）との相互相関２３は、相関計算ユニット３６内で行われる。相関関数ｆorth（ｔ）はプロセッサユニット３４（又は中央の制御計算機３７）内で導き出され、かつ変更される。遅延回路２２はパルス発生器３５（又は相関計算ユニット３６）内で実現される。例えばプロセス計算機３９内で行われるフーリエ変換の前又は後に、相互相関２３内で取得された信号Ｐ（τ）は、データをモニター３８上に表示する前に、プロセス計算機３９内で統計的な方法によりさらに処理される。プロセッサユニット３４、相関計算ユニット３６およびパルス発生器３５の制御は、ここでも中央の制御計算機３７により行われる。勿論プロセス計算機３９の制御も中央の制御計算機３７により行われる。
【００５０】
本発明で説明する方法および装置により、多くの並列な刺激関数を有するfMRI実験を実行することができる。考察する生物内の多数の刺激関数に基づく活動変化を検知し、かつこれらの活動変化を、それらを開始する刺激関数に正しく対応付けることが可能である。
【００５１】
より正確に言えば、本発明が提案する方法および装置により、多くの個々のfMRI実験を同時に並列に実行することも、所謂より高い次数の脳機能、即ち直接的な刺激には応答しない脳機能を検出することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の第１実施例の概要図。
【図２】本発明方法の第２実施例の概要図。
【図３】機能的な撮像のためのＭＲ設備の構成を示す概要図。
【図４】組織内での急な活動時周囲の血液における血中酸素含有量の経過を示す概要図。
【図５】従来方法の概要図。
【図６】個々の画素内の信号経過を示す概要図。
【符号の説明】
１１、２１  人間／MRシステム
１２、１３、２２  遅延回路
１４、１５、２３  相互相関
２４  統計的な方法
３１  患者
３２  磁石
３３  光発生器
３４  プロセッサユニット
３５  パルス発生器
３６  相関計算ユニット
３７  制御計算機
３８  モニター
３９  プロセス計算機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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