(57)【要約】【課題】磁気刺激における神経細胞刺激部位の推定を正確に行うことを可能とする。【解決手段】生体の神経細胞を生体外から電磁的に刺激するための刺激コイルを用いた神経細胞の磁気刺激方法において、磁気共鳴画像等を利用して対象とする神経細胞に平行な単位ベクトルを求め、該単位ベクトルと前記刺激コイルによって生体内に誘起される電界との内積としてその点での刺激量を評価し、刺激量が他の部位より大きくなる点をその条件下での神経細胞刺激部位として推定する。【選択図】図１
2005169087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の神経細胞を含む領域の画像を撮影するステップと、
前記生体の外部から刺激コイルにより前記神経細胞を電磁的に刺激し、発生した誘導電界の前記神経細胞に平行な成分を前記神経細胞の刺激量とするステップと、
前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、
を具備することを特徴とする神経細胞刺激部位の推定方法。
【請求項２】
前記誘導電界の神経細胞に平行な成分は前記神経細胞を含む表面に垂直な単位ベクトル方向の成分であることを特徴とする請求項１に記載の神経細胞刺激部位の推定方法。
【請求項３】
生体の脳の画像を撮影するステップと、
前記生体の外部から刺激コイルにより前記脳の大脳皮質を電磁的に刺激し、該大脳皮質の表面に発生した誘導電界の前記表面に垂直な成分を前記神経細胞の刺激量とするステップと、
前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、
を具備することを特徴とする神経細胞刺激部位の推定方法。
【請求項４】
生体の脳の画像を撮影するステップと、
大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップと、
前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して前記神経細胞の刺激量とするステップと、
前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、
を具備することを特徴とする神経細胞刺激部位の推定方法。
【請求項５】
生体の脳の画像を撮影するステップと、
前記生体の外部から刺激コイルにより前記脳の大脳皮質を電磁的に刺激し、該大脳皮質の表面に発生した誘導電界の前記表面に垂直な成分を前記錐体ニューロンの刺激量とするステップと、
前記誘導電界の前記脳表に平行な成分を介在ニューロンの刺激量とするステップと、
前記錐体ニューロンおよび前記介在ニューロンの刺激量の大きい部位をそれぞれの刺激部位と推定するステップと、
を具備することを特徴とする神経細胞刺激部位の推定方法。
【請求項６】
生体の脳の画像を撮影し、大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップと、
前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して前記錐体ニューロンの刺激量とするステップと、
前記錐体ニューロンの刺激量により前記誘導電界の前記表面に平行な成分を算出し介在ニューロンの刺激量とするステップと、
前記錐体ニューロンおよび前記介在ニューロンの刺激量の大きい部位をそれぞれの刺激部位と推定するステップと、
を具備することを特徴とする神経細胞刺激部位の推定方法。
【請求項７】
前記表面に垂直な単位ベクトルの算出は、
前記画像を、脳内と脳外の境界を含む画素群に分割するステップと、
前記画素群から脳表画素を特定するステップと、
前記脳表画素を中心とした行×列×段の画素からなる立方画素群を抽出し、前記立方画素群のうち脳外の画素を選択するステップと、
前記脳表画素から前記立方画素群内の前記脳外の画素に対する少なくとも１つの単位ベクトルを算出するステップと、
前記各単位ベクトルの和を正規化して前記表面に対して垂直な単位ベクトルを算出するステップと、
を具備することを特徴とする請求項４または請求項６のいずれかに記載の神経細胞刺激部位の推定方法。
【請求項８】
前記脳表画素は、前記脳外の画素に隣接する脳内の画素で構成されることを特徴とする請求項７に記載の神経細胞刺激部位の推定方法。
【請求項９】
前記立方画素群は３行×３列×３段の２７画素からなることを特徴とする請求項７に記載の神経細胞刺激部位の推定方法。
【請求項１０】
生体の脳の活動部位を取得する活動部位取得手段と、
前記活動部位に外部から磁気刺激を行い前記脳の神経細胞の刺激部位を推定する刺激部位推定手段と、
前記磁気刺激により誘発される前記生体の反応を測定する生体反応計測手段と、
を具備することを特徴とする脳機能解析装置。
【請求項１１】
前記活動部位取得手段は、前記脳の高次脳機能に関連して移動する前記脳の活動部位を取得することを特徴とする請求項１０に記載の脳機能解析装置。
【請求項１２】
前記刺激部位推定手段は、前記磁気刺激による前記脳の錐体ニューロンの刺激量を算出し、前記錐体ニューロンの刺激部位を推定することを特徴とする請求項１０に記載の脳機能解析装置。
【請求項１３】
前記刺激部位推定手段は、前記磁気刺激による前記脳の介在ニューロンの刺激量を算出し、前記介在ニューロンの刺激部位を推定することを特徴とする請求項１２に記載の脳機能解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、神経細胞刺激部位の推定方法およびそれを用いた脳機能解析装置に係り、特に磁気刺激による神経細胞刺激部位の推定方法およびそれを用いた脳機能解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コイルを用いて時間的に変化する磁界を生体に与え、生体に誘起される電界により脳や神経を刺激する方法による診断や治療が実施されている（例えば非特許文献１参照）。その概要を図１１によって説明する。
【０００３】
図１１は、磁気刺激コイルによって誘導される電界を模式的に示した図である。
【０００４】
図１１において、１２は頭皮に平行に置かれた刺激コイル、１３は刺激コイルに流すパルス電流、１４はパルス電流により誘起されるパルス磁界、１５は刺激する神経細胞、１６はパルス磁場により頭部に誘導される誘導電流である。
【０００５】
刺激コイル１２にパルス電流１３を流すと、脳内にパルス磁界１４が発生し、その磁界を打ち消す向きに誘導電流１６が流れる。刺激コイル１２の各円状コイルに同時に、お互いに逆向きのパルス電流を流すと、８字型をしたコイル１２の中央直下において誘導電流が強められ、神経細胞１５が刺激される。この時、神経細胞１５に流れる誘導電流は、コイルすなわち頭皮に平行な面内を流れ、この誘導電流と同方向の神経細胞が最も感度よく刺激される。
【０００６】
一方、最近では、磁気共鳴イメージング（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ：ＭＲＩ）による生体機能計測結果から脳神経などの活性化領域を同定する方法が実施されている。従来、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）画像がもたらす情報は解剖学的なものが主であったが、近年では脳神経の活動に伴う静脈血の成分や血流量の変化を透磁率の変化などとして観測し、脳機能計測への適用が進められている。この時、静脈血の変化をＭＲ画像から抽出し、そのデータから脳神経活性化部位を特定する必要があるが、活性化部位が脳の深部にある場合には正確な位置の特定が困難という問題点がある。
【０００７】
これらの問題点を解消する方法として、例えば、以下に示すような方法が提案されている。
【０００８】
１つの方法は、ＭＲ画像からの脳神経活性化部位の同定に当たって、形態情報を含んだＭＲ画像から神経細胞が多く存在する灰白質（大脳皮質）のみを抽出し、その画像に機能情報を含んだＭＲ画像を三次元的に重ね合わせて活性化領域の同定精度を向上させるものである（例えば特許文献１参照。）。
【０００９】
また、別の方法として、その画像に機能情報を含んだＭＲ画像を時系列的に計測し、画像のピクセル毎に磁気共鳴信号の時系列データの時間微分を求め、この時間微分データから活性化領域を同定するものである（例えば特許文献２参照。）。
【非特許文献１】Journal of Applied Physics, Vol.67, No9. May 1990
【特許文献１】特開平９−４７４３８
【特許文献２】特開平８−１３１４１４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の方法は神経細胞が多く存在する灰白質（大脳皮質）のみを抽出することによって活性化領域の同定精度の向上が可能であるが、機能情報を含んだＭＲ画像が必要であり、測定作業が煩雑になってしまう。
【００１１】
また、特許文献２に記載の方法は多くの時系列データを処理する事によって活性化領域の高精度な同定が可能であるが、時間毎の機能情報を含んだＭＲ画像が必要であり、測定作業が煩雑になってしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、係る課題に鑑みてなされ、第１に、生体の神経細胞を含む領域の画像を撮影するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記神経細胞を電磁的に刺激し、発生した誘導電界の前記神経細胞に平行な成分を前記神経細胞の刺激量とするステップと、前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、を具備することにより解決するものである。
【００１３】
また、前記誘導電界の神経細胞に平行な成分は前記神経細胞を含む表面に垂直な単位ベクトル方向の成分であることを特徴とするものである。
【００１４】
第２に、生体の脳の画像を撮影するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記脳の大脳皮質を電磁的に刺激し、該大脳皮質の表面に発生した誘導電界の前記表面に垂直な成分を前記神経細胞の刺激量とするステップと、前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、を具備することにより解決するものである。
【００１５】
第３に、生体の脳の画像を撮影するステップと、大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して前記神経細胞の刺激量とするステップと、前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、を具備することにより解決するものである。
【００１６】
第４に、生体の脳の画像を撮影するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記脳の大脳皮質を電磁的に刺激し、該大脳皮質の表面に発生した誘導電界の前記表面に垂直な成分を前記錐体ニューロンの刺激量とするステップと、前記誘導電界の前記脳表に平行な成分を介在ニューロンの刺激量とするステップと、前記錐体ニューロンおよび前記介在ニューロンの刺激量の大きい部位をそれぞれの刺激部位と推定するステップと、を具備することにより解決するものである。
【００１７】
第５に、生体の脳の画像を撮影し、大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して前記錐体ニューロンの刺激量とするステップと、前記錐体ニューロンの刺激量により前記誘導電界の前記表面に平行な成分を算出し介在ニューロンの刺激量とするステップと、前記錐体ニューロンおよび前記介在ニューロンの刺激量の大きい部位をそれぞれの刺激部位と推定するステップと、を具備することにより解決するものである。
【００１８】
また、前記表面に垂直な単位ベクトルの算出は、前記画像を、脳内と脳外の境界を含む画素群に分割するステップと、前記画素群から脳表画素を特定するステップと、前記脳表画素を中心とした行×列×段の画素からなる立方画素群を抽出し、前記立方画素群のうち脳外の画素を選択するステップと、前記脳表画素から前記立方画素群内の前記脳外の画素に対する少なくとも１つの単位ベクトルを算出するステップと、前記各単位ベクトルの和を正規化して前記表面に対して垂直な単位ベクトルを算出するステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１９】
また、前記脳表画素は、前記脳外の画素に隣接する脳内の画素で構成されることを特徴とするものである。
【００２０】
また、前記立方画素群は３行×３列×３段の２７画素からなることを特徴とするものである。
【００２１】
第６に、生体の脳の活動部位を取得する活動部位取得手段と、前記活動部位に外部から磁気刺激を行い前記脳の神経細胞の刺激部位を推定する刺激部位推定手段と、前記磁気刺激により誘発される前記生体の反応を測定する生体反応計測手段と、を具備することにより解決するものである。
【００２２】
また、前記活動部位取得手段は、生体の脳の高次脳機能に関連して移動する前記脳の活動部位を取得することを特徴とするものである。
【００２３】
また、前記刺激部位推定手段は、前記磁気刺激による前記脳の錐体ニューロンの刺激量を算出し、前記錐体ニューロンの刺激部位を推定することを特徴とするものである。
【００２４】
また、前記刺激部位推定手段は、前記磁気刺激による前記脳の介在ニューロンの刺激量を算出し、前記介在ニューロンの刺激部位を推定することを特徴とするものである。
【００２５】
つまり本発明では、生体機能計測結果から脳神経などの活性化領域を同定する方法の問題点を解消し、磁気刺激によって刺激される部位が、比較的簡単な作業で高精度に特定できる方法を提供することにある。
【００２６】
また本発明の更なる目的は、脳活動部位を高精度に同定することにより情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等の判定、機能障害部位の特定等にとって重要なデータを提供するための脳機能計測システムに適用可能な、磁気による脳の刺激部位を高精度に同定する方法を提供することにある。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の神経細胞刺激部位の推定方法によれば、第１に、磁気刺激用コイルによって生体内部に誘起される電界と神経細胞方向の単位ベクトルとの内積としてその点での刺激量とするため、正確な刺激量の推定が可能となる。又、その刺激量が他の部位より大きくなる点をその条件下での刺激部位として推定するため、従来法に比べ正確な刺激部位の推定が可能となる。
【００２８】
第２に、磁気刺激用コイルによって大脳皮質部に誘起される電界と大脳皮質表面に垂直な単位ベクトルとの内積としてその点での刺激量を評価し、刺激量が他の部位より大きくなる点をその条件下での大脳皮質刺激部位として推定するため、従来法に比べ、正確な脳の神経細胞の刺激部位の推定が可能となる。
【００２９】
第３に、磁気刺激用コイルによって大脳皮質部に誘起される電界と大脳皮質表面に垂直な単位ベクトルとの内積としてその点での刺激量を評価し、刺激量が他の部位より大きくなる点をその条件下での大脳皮質刺激部位として推定する際に、磁気共鳴画像の画素の濃淡から脳表面の画素を抽出し、ついで該脳表面画素を中心とした３×３×３（＝２７）画素の立方体画素群を抽出し、前記脳表面画素を除いた２６個の画素について、その濃淡からそれが脳内であるか脳外であるかを判定し、前記脳表面画素から脳外と判定された全画素へのベクトル群を計算し、該ベクトル群の和ベクトルを求め、該和ベクトル方向の単位長さベクトルとして前記脳表面画素に垂直な単位ベクトルとする。これにより、簡便に大脳皮質の刺激部位を推定することができる。
【００３０】
第４に、脳表の全体について、錐体ニューロンおよび介在ニューロンの刺激量がそれぞれ大きくなる部位を、同時に求めることができる。つまり、ある磁気刺激に対する錐体ニューロンの刺激部位と、介在ニューロンの刺激部位を同時に推定することができる。
【００３１】
第５に、大脳皮質表面に垂直な単位ベクトルと大脳皮質部神経細胞を電磁的に刺激するための刺激コイルによって頭部に誘起される電界との内積としてその点での刺激量を評価し、刺激量が他の部位より大きくなる点をその条件下での大脳皮質刺激部位として推定するため、従来法に比べ正確な刺激部位の推定が可能となり、情動発現過程、認知過程等の判定、機能障害部位の特定等にとって重要なデータを提供する事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
脳などの神経細胞が多く存在する部位を磁気刺激する場合において、刺激部位を正確に特定する方法を考案した。
【００３３】
本発明の手法は、例えば脳、脊髄、末梢神経等の神経細胞の刺激部位を推定する場合に有効である。脳、脊髄、末梢神経のＭＲ画像から末梢神経や脊髄の表面の各画素について神経線維（神経細胞）方向に沿った単位ベクトル群を求め、磁気刺激で誘導される電界との内積を求めることにより誘導電界の神経線維方向の成分が高くなる部位を刺激部位として推定することができる。
【００３４】
図１から図１０を参照し、本発明の実施形態について説明する。
【００３５】
図１は、磁気刺激における神経細胞刺激部位の推定方法の手順を示すフローチャートである。
【００３６】
本実施形態の神経細胞の刺激部位の推定方法は、図１のごとく、生体の神経細胞を含む領域の画像を撮影するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記神経細胞を電磁的に刺激し、発生した誘導電界の前記神経細胞に平行な成分を前記神経細胞の刺激量とするステップと、前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、から構成される。
【００３７】
第１ステップ：生体の神経細胞を含む領域の画像を撮影するステップ（図１（１））。
【００３８】
脳、脊髄、末梢神経など神経細胞を多く含む領域表面のＭＲ画像を撮影する。脳の場合は大脳皮質（脳表面）であり、脊髄および末梢神経などでは主に損傷により神経細胞が断裂部位、末端部位、神経細胞同士が接続しているシナプスの部位などである。
【００３９】
第２ステップ：生体の外部から刺激コイルにより前記神経細胞を電磁的に刺激し、発生した誘導電界の神経細胞に平行な成分を神経細胞の刺激量とするステップ（図１（２）〜（４））。
【００４０】
神経細胞を多く含む領域表面のＭＲ画像に基づき、単位画素毎に神経細胞の長軸方向に平行な単位ベクトルの分布を計算する（図１（２））。
【００４１】
その後、生体外からの磁気刺激により、生体内の神経細胞を多く含む表面に誘導される電界分布を求める（図１（３））。
【００４２】
更に、誘導される電界と、神経細胞の長軸方向に平行な単位ベクトルとの内積により誘導電界の神経細胞の長軸方向に平行な成分の分布を計算し、神経細胞の刺激量を算出する（図１（４））。
【００４３】
第３ステップ：刺激量の大きい部位を神経細胞の刺激部位と推定するステップ（図１（５））。
【００４４】
外部からの磁気刺激の影響を受けた部位は、集中的に誘導電界の値が大きくなると考えられる。従って、誘導電界の神経細胞の長軸方向に平行な成分が、他の部位より大きくなった部位を、神経細胞の刺激部位と推定する。
【００４５】
以下、第１の実施形態として図２から図７を参照し、脳の場合を例にとり具体的に説明する。
【００４６】
第１の実施形態の神経細胞刺激部位の推定方法は、生体の脳の画像を撮影するステップと、大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して前記神経細胞の刺激量とするステップと、前記刺激量の大きい部位を前記神経細胞の刺激部位と推定するステップと、から構成される。
【００４７】
第１ステップ：生体の脳の画像を撮影するステップ（図１（１））。
【００４８】
まず、ＭＲＩにより被験者のＭＲ画像を取得する。図２は脳の水平断面のＭＲ画像を示す図であり、図２（Ａ）は取得した１枚のＭＲ画像１である。図示のごとく、ＭＲ画像１はグレースケールの情報をもつ２次元画像で構成されている。脳の３次元画像は、ＭＲ画像１のような頭部の水平断層像を一定間隔（例えば約１ｍｍ間隔）で撮影し、連続的に取得することによって構築される。
【００４９】
図２（Ｂ）は図２（Ａ）の一部の画素群２を模式的に表した拡大図である。このように、脳と脳でない部分の境界の画素群２を抽出すると、脳（脳内）と脳でない部分（脳外）は画素の色の濃淡により区別することができる。図２のＭＲ画像１および画素群２では、脳以外の部分は白色で表しているが、通常のＭＲＩ画像では、脳でない部分は黒に近い色となる。本実施形態では以下脳外を白色、脳内を黒色でそれぞれ表示する。
【００５０】
図３は、脳外と脳内の境界を含む画素群２を示す図である。本実施の形態では、ＭＲＩにより取得したＭＲ画像１を、所定の単位（例えば約１ｍｍ×１ｍｍ）の画素に分割し、脳内と脳外の境界を含む画素群２を抽出する。神経細胞は、大脳皮質の表面に対してほぼ垂直に配列していることが知られている。そこで本実施形態では、神経細胞の方向を特定するために大脳皮質、すなわち脳表の特定を行い、脳表に対して垂直な方向を神経細胞の方向とする。脳表はＭＲ画像を基に脳内および脳外を判別することにより特定できる。従って、ＭＲ画像から脳内および脳外を含む画素群２を抽出する。
【００５１】
そして、画素群２から脳表画素を特定する。脳表画素の特定は、任意の脳内画素２１を選択し、その脳内画素２１の周囲にある画素の色の濃淡により、その脳内画素２１が脳表であるか否かを判断する。脳表を特定するためには任意の脳内画素２１に対して上下の画素にも着目する必要がある。そのため本実施の形態では、上下に所定の間隔（例えば約１ｍｍ）で連続する３枚のＭＲ画像を用いて脳表画素を特定する。
【００５２】
図４は画素群２を上下に連続して３枚抽出した画素群３である。画素群Ａ、Ｂ、Ｃは脳内と脳外の境界を含む上下に連続する連続する３枚のＭＲ画像の一部分であり、例えば任意の６×６の画素からなる画素群から構成されている。その画素群Ａ、Ｂ、Ｃの中から任意の脳内画素２１（黒色）を選択し、脳内画素２１の周囲にある計２６個の画素のうち１画素でも白色の画素が存在した場合、その画素を脳表画素２３とする。
【００５３】
図４は、脳外と脳内の境界を含む画素群の上下に連続した画素群を示す図である。例えば、図４に示す画素群Ｂの５行４列目の脳内画素２１（Ｂ［４］［３］と表記する。以下同様）を選択する（尚ここではハッチングで示す）。その脳内画素２１と隣接する画素は、画素群ＡでＢ［４］［３］の上方に位置するＡ［４］［３］を中心とした３×３（＝９）画素と、画素群ＢでＢ［４］［３］を中心とした３×３（＝９）画素のうち、Ｂ［４］［３］を除いた８画素と、画素群ＣでＢ［４］［３］の下方に位置するＣ［４］［３］を中心とした３×３（＝９）画素の合計２６画素である。そのうちＡ［３］［２］、Ａ［３］［３］、Ａ［４］［４］、Ｂ［３］［３］、Ｂ［３］［４］、Ｂ［４］［４］、Ｃ［３］［３］、Ｃ［４］［４］が白色であるため、Ｂ［４］［３］は脳表画素２３と見なすことができる。
【００５４】
そして、脳表画素２３を中心とした行×列×段の画素からなる立方画素群２５を抽出し、立方画素群２５のうち脳外画素２２を特定する。
【００５５】
例えばＢ［４］［３］の脳表画素２３を中心とした３×３×３（＝２７）画素の立方画素群２５を抽出する。立方画素群２５の中で、Ａ［３］［２］、Ａ［３］［３］、Ａ［４］［４］、Ｂ［３］［３］、Ｂ［３］［４］、Ｂ［４］［４］、Ｃ［３］［３］、Ｃ［４］［４］が白色であるため、これらの画素が１つの脳表画素２３に対する脳外画素２２として特定される。
【００５６】
第２ステップ：大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップ（図１（２））。
【００５７】
図５は脳表画素２３から脳外画素２２へのベクトルを示す図である。前述のごとく、神経細胞は大脳皮質の表面に対して垂直に配列している。そこで、本実施形態では、大脳皮質、すなわち脳表に対して垂直な方向を特定するため、立方画素群２５から脳表画素２３を除いた２６個の画素について、その濃淡からそれが脳内であるか脳外であるかを判定する。そして、脳表画素２３から脳外と判定された全ての画素へのベクトルを計算し、１つまたは複数のベクトル方向の単位ベクトル４または単位ベクトル群４を算出する。そして、単位ベクトルまたは単位ベクトル群４の和を正規化して、大脳皮質の表面（脳表）に垂直な単位ベクトル２６を算出する。
【００５８】
図６は、脳表に垂直な単位ベクトル２６を示す図である。脳表に垂直な単位ベクトル２６は、算出した各単位ベクトル群の和ベクトルを求め、この和ベクトル方向の単位ベクトルとして求める。そしてこれを繰り返し、脳の表面の全域にわたって、脳表に垂直な単位ベクトル２６の分布を計算する。
【００５９】
第３ステップ：  前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルと前記誘導電界との内積を算出して前記神経細胞の刺激量とする（図１（３）（４））。
【００６０】
ここでは磁気刺激により生体内に誘導される電界分布を計算する。
【００６１】
図７は、生体外から磁気刺激コイルなどを用いて大脳皮質、すなわち脳表を刺激した場合の誘導電界および神経細胞を模式的に示した図である。
【００６２】
脳の神経細胞（錐体細胞または錐体ニューロン）８は脳表７に対して垂直に並んでいることが知られている。また、神経細胞８を電界で刺激する場合、神経細胞８の長軸方向の電界成分の大きさが刺激量となり、神経細胞８の端において興奮が起こることが知られている。
【００６３】
つまり、外部の磁気刺激コイル５により磁気刺激を行うと、脳表７を始点として磁気刺激コイル５によって電界（誘導電界）６が誘起されるので、この分布を計算する（図１（３））。
【００６４】
そして、本実施形態では図５および図６に示したような方法によって求めた各脳表に対して垂直な単位ベクトル２６と磁気刺激コイル５によって誘起された電界６との内積を計算し、電界６の脳表７に垂直な成分９を算出し、その分布を求める。そして、電界の脳表に垂直な成分９をその位置での刺激量とする（図１（４））。
【００６５】
尚、図７は、模式的に脳の断面を描いたものであり、磁気刺激コイル５の位置は頭皮（脳表７）に平行である必要はない。頭皮上のどこにどのような向きで磁気刺激コイル５を置いても脳内に電界６は生じるので、磁気刺激コイル５の位置は限定されるものではない。
【００６６】
第４ステップ：  刺激量の大きい部位を神経細胞の刺激部位と推定する（図１（５））。
【００６７】
脳表７の全ての部位、すなわち全ての脳表画素２３について電界の脳表に垂直な成分９を算出する。そして磁気刺激において誘導電界６の脳表７に垂直な成分９の内、他の部位より大きい成分１０が算出された脳表７の部位を、刺激部位１１として推定する。
【００６８】
次に、図８から図９を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。
【００６９】
図８は、大脳皮質を示す模式断面図である。大脳皮質の構造は、図８の如く他の部位への入出力の働きをする神経細胞（錐体ニューロン）８と、錐体ニューロン８同士の情報をシナプスを介してやりとりする介在ニューロン２８からなっている。錐体ニューロン８は上記のごとく脳表７にほぼ垂直に平行しており、介在ニューロン２８は脳表７にほぼ平行に走行している。
【００７０】
第１の実施形態では、脳表に垂直な単位ベクトル２６を求め、外部からの磁気刺激により誘起された電界６との内積を、その脳表画素２３における神経細胞（錐体ニューロン）８の刺激量とした。つまり、脳表７にほぼ垂直に並んだ錐体ニューロン８の刺激量の大きい部位を刺激部位と推定するものである。
【００７１】
第２の実施形態では、錐体ニューロン８の刺激量を求めると共に、脳の情報処理において重要な働きをしている介在ニューロン２８の刺激量も求め、刺激部位を推定するものである。
【００７２】
図９は、脳表における錐体ニューロン８および介在ニューロン２８と誘導電界Ｅ、さらに磁気刺激により誘導される電界Ｅの脳表７に垂直な成分（以下電界垂直成分Ｅｖと称する）、磁気刺激により誘導される電界Ｅの脳表７に平行な成分（以下、電界平行成分Ｅｐと称する）との関係を２次元的に示した模式断面図である。
【００７３】
ここで、誘導電界Ｅは図７の電界６であり、電界垂直成分Ｅｖは図７の電界６の脳表７に垂直な成分９である。また、電界平行成分Ｅｐは、図７において黒細線で示される電界６の脳表７に平行な成分２０である。
【００７４】
本実施形態では電界垂直成分Ｅｖは錐体ニューロン８に平行に、電界平行成分Ｅｐは介在ニューロン２８に平行に走行していると考え、これらの刺激量を個別に算出することで神経細胞の刺激部位をより詳細に推定することができる。
【００７５】
第１の実施形態では脳表の全てにわたり電界垂直成分Ｅｖを算出した。つまり電界垂直成分Ｅｖを計算した脳表７の各脳表画素において、電界垂直成分Ｅｖおよび電界Ｅより電界平行成分Ｅｐを算出できる。従ってこれらの値の大きい部位を求めることにより錐体ニューロン８のみならず、介在ニューロン２８についても刺激部位を推定することができる。
【００７６】
以下、図１のフロー図を参照して、具体的に説明する。
【００７７】
第２の実施形態の神経細胞部位の推定方法は、生体の脳の画像を撮影し、大脳皮質の表面に垂直な単位ベクトルを算出するステップと、前記生体の外部から刺激コイルにより前記大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して前記神経細胞の錐体ニューロンの刺激量とするステップと、前記錐体ニューロンの刺激量により前記誘導電界の前記表面に平行な成分を算出し前記神経細胞の介在ニューロンの刺激量とするステップと、前記錐体ニューロンおよび前記介在ニューロンの刺激量の大きい部位をそれぞれの刺激部位と推定するステップと、から構成される。
【００７８】
第１ステップおよび第２ステップは、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００７９】
第３ステップ：生体の外部から刺激コイルにより脳の大脳皮質を電磁的に刺激し、前記表面に発生した誘導電界と前記表面に垂直な単位ベクトルとの内積を算出して神経細胞の錐体ニューロンの刺激量とする。
【００８０】
第１の実施形態と同様に、脳表７の各脳表画素２３における誘導電界Ｅの分布を計算する（図１（３））。そして誘導電界Ｅと大脳皮質表面（脳表）に垂直な単位ベクトルの内積により、各脳表画素２３に発生した誘導電界Ｅの、脳表７に垂直な成分（電界垂直成分）Ｅｖの分布を算出し、錐体ニューロン８の刺激量を得る。これを繰り返し、全ての脳表７について、電界垂直成分Ｅｖの分布を算出する（図１（４））。
【００８１】
第４ステップ：錐体ニューロンの刺激量により誘導電界の脳表に平行な成分を算出し神経細胞の介在ニューロンの刺激量とする。
【００８２】
誘導電界Ｅの脳表に平行な成分（電界平行成分）Ｅｐは、誘導電界Ｅおよび電界垂直成分Ｅｖにより以下の式で表わされる。
【００８３】
Ｅｐ＝（｜Ｅ｜２−｜Ｅｖ｜２）（１／２）
これにより、脳表７全体にわたって電界平行成分Ｅｐを計算してその分布を求め、介在ニューロン２８の刺激量を求める。
【００８４】
第５ステップ：錐体ニューロンおよび介在ニューロンの刺激量の大きい部位をそれぞれの刺激部位と推定する。
【００８５】
錐体ニューロン８の刺激量が他の部位より大きい部位を特定し、錐体ニューロン８の刺激部位と推定する。また同様に介在ニューロン２８の刺激量が他の部位より大きい部位を特定し、介在ニューロンの刺激部位２８と推定する（図１（５）参照）。
【００８６】
ここで、電界垂直成分Ｅｖの大きい部位が必ずしも電界水平成分Ｅｐが大きい部位とは限らない。本実施形態では、脳表７の全体について、錐体ニューロン８および介在ニューロン２８の刺激量がそれぞれ大きくなる部位を、同時に求めることができる。つまり、ある磁気刺激に対する錐体ニューロン８の刺激部位と、介在ニューロン２８の刺激部位を同時に推定することができる。
【００８７】
従って、磁気刺激により刺激される脳の入出力部位と情報処理に関与する部位を分けて推定することができ、脳の機能を解析する上で大変有用となる。
【００８８】
以上の推定方法による効果を運動野を例に説明する。運動野においては運動の指令が腕や足に出て行く出口が錐体ニューロン８である。そしてその指令の出口の錐体ニューロン８同士は脳表７に平行に走っている介在ニューロン２８を通して情報をやりとりしており、協調動作などの複雑な運動命令は、この複雑に結合した介在ニューロン２８網によりつくられていると考えられる。
【００８９】
脳の磁気刺激では、誘導電界により錐体ニューロン８も介在ニューロン２８も同時に刺激される。第２の実施形態により、電界垂直成分Ｅｖの大きい値と、電界水平成分Ｅｐの大きい値を個別に算出し、それぞれを錐体ニューロン８の刺激部位、介在ニューロン２８の刺激部位を推定することにより、錐体ニューロン８が刺激されている部位と介在ニューロン２８が刺激されている部位をそれぞれ個別に知ることができる。
【００９０】
これにより、錐体ニューロン８により運動の指令の出口を推定し、介在ニューロン２８によりその指令に対して複雑な運動命令（運動情報）がどこでどのように修飾されているかを推定することができると考えられる。
【００９１】
次に、図１０を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は上記の推定方法を用いた脳機能解析装置である。
【００９２】
図１０は、脳機能解析装置４０を説明する図であり、図１０（Ａ）は脳機能解析装置４０の機能ブロック図を示し、図１０（Ｂ）は脳の活動部位を説明する模式図を示す。
【００９３】
脳機能解析装置４０は、活動部位取得手段４０１と、刺激部位推定手段４０２と、生体反応計測手段４０３とを少なくとも有する。
【００９４】
活動部位取得手段４０１は、情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等の生体の脳の高次脳機能に関連して移動する脳の活動部位を取得する手段である。例えば機能的核磁気共鳴イメージングや、脳磁界計測装置、脳波計などの脳機能計測装置である。これらの装置を用いることにより図１０（Ｂ）に示す如く、情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して活動する脳１７の活動部位の移動１８が特定できる。つまりこれらの装置は、脳の自発的活動部位の移動を時間を追って調べることができる。
【００９５】
しかし、これだけでは脳の活動部位はわかってもその活動部位がどのような機能を持っているか詳細に知ることはできない。そこで、脳の活動部位を狙って磁気刺激を行い、そのとき生じる現象を観察することにより、その部位がどのような機能を持っているか、推測することができる。つまり、脳機能計測装置４０１にて脳の活動部位を計測した後、脳の磁気刺激を行い、刺激部位推定手段４０２により神経細胞の刺激部位１９を推定することにより、刺激部位１９の機能を解析することができる。
【００９６】
刺激部位推定手段４０２は、上記の第１の実施形態の神経細胞の刺激部位推定方法により、生体の脳１７に限定的に外部からの磁気刺激を与えた際に情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して移動１８する、神経細胞の刺激部位１９を推定する手段である。あるいは、上記の第２の実施形態の神経細胞の刺激部位推定方法により、錐体ニューロンおよび介在ニューロンの刺激部位１９をそれぞれ推定する手段である。
【００９７】
具体的には、刺激部位推定手段４０２は、磁気刺激装置等により磁気刺激を行った際の脳１７の神経細胞（錐体ニューロン）の刺激量を算出し、神経細胞の刺激部位１９を推定する。また、磁気刺激による脳１７の介在ニューロンの刺激量を算出し、介在ニューロンの刺激部位を推定する。
【００９８】
生体反応計測手段４０３は、磁気刺激により誘発される生体の反応（現象）を調べる装置である。例えば、磁気刺激により誘発される運動を調べる筋電計や、記憶に関連する脳の部位を磁気刺激したときの正答率の変化を調べる装置（記憶するべきものをどれだけ正確に記憶できたかという正答率等で評価を行う）等、解析すべき事象（現象）を計測するための装置を適宜選択する。
【００９９】
このように、機能的核磁気共鳴イメージング、脳磁界計測等の脳機能計測装置４０１と組み合わせて、情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して活動する脳１７の部位の移動１８を特定する。そして、第１または第２の実施形態の手法を用いて限定的に情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して活動する部位１９の磁気刺激を行い、誘発される筋電図等の生体の反応を調べることにより脳機能を詳しく調べる装置を構築することができる。
【０１００】
以上、本実施形態では脳の神経細胞の推定方法を例に説明したが、これに限らず脊髄、末梢神経の神経細胞の刺激部位を推定する場合に有効である。すなわち脊髄、末梢神経のＭＲＩ画像から末梢神経や脊髄の表面の各画素について神経線維方向に沿った単位ベクトル群を求め、磁気刺激で誘導される電界との内積を求めることにより誘導電界の神経線維方向の成分が他の部位より高くなる部位を刺激部位として推定することができる。脊髄や末梢神経は、脳と異なり、ケーブル状の形態になっているが、損傷により神経線維が断裂した部位、神経線維の末端部位、神経線維同士が接続しているシナプスの部位におけるＭＲＩ画像から各画素について神経線維方向に沿った単位ベクトル群を求め、磁気刺激で誘導される電界との内積を求めることにより誘導電界の神経線維方向の成分が最高となる部位を刺激部位として推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の磁気刺激における神経細胞刺激部位の推定方法の手順を示すフローチャートである。
【図２】脳のＭＲＩ画像である。
【図３】本発明の脳外と脳内の境界を含む画素群を示す図である。
【図４】本発明の脳外と脳内の境界を含む画素群の上下に連続した画素群を示す図である。
【図５】本発明の脳表画素から脳外画素に向かうベクトルを示す図である。
【図６】本発明の脳表に垂直な単位ベクトルを示す図である。
【図７】本発明の脳表の誘導電界および神経細胞を示す模式断面図である。
【図８】本発明の大脳皮質を示す模式断面図である。
【図９】本発明の脳表の誘導電界を示す模式断面図である。
【図１０】本発明の（Ａ）脳機能解析装置を示すブロック図、（Ｂ）は脳の活動部位を説明する模式図である。
【図１１】磁気刺激コイルによって誘導される電界を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１    脳の水平断面のＭＲＩ画像
２    脳外と脳内の境界を含む画素群
３    上下に連続する３枚の脳の水平断面のＭＲＩ画像
４    脳表画素から脳外と判定された画素へ向かうベクトル（群）
５    磁気刺激コイル
６、Ｅ    磁気刺激により誘導される電界
７    脳表
８    神経細胞（錐体細胞、錐体ニューロン）
９、Ｅｖ    磁気刺激により誘導される電界の脳表に垂直な成分
１０  磁気刺激により誘導される電界の脳表に垂直な成分のうち他の部位より大きい成分
１１  磁気刺激において刺激部位と推定される部位
１２  磁気刺激コイル
１３  磁気刺激コイル内に流すパルス電流
１４  パルス磁界
１５  神経細胞
１６  誘導電界
１７  脳
１８  脳の情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して活動する部位の移動
１９  脳の情動発現過程、記憶想起過程、認知過程等に関連して活動する部位の限定的な磁気刺激部位
２０、Ｅｐ  磁気刺激により誘導される電界の脳表に平行な成分
２１  脳内画素
２２  脳外画素
２３  脳表画素
２５  立方画素群
２６  脳表に垂直な単位ベクトル
２８  介在ニューロン
４０  脳機能解析装置
４０１  活動部位取得手段
４０２  刺激部位推定手段
４０３  生体反応計測手段
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005169087.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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