(57)【要約】【課題】  精度の高さとＢＯＬＤ効果に関する評価が得られるように、光計測データでｆＭＲＩデータを補正する方法及び装置を提供すること。【解決手段】  ｆＭＲＩによる計測に基づき、神経活動に伴う脳内血行動態を求める測定において、ｆＭＲＩによる計測部位と略同一の部位に近赤外線を照射し、その反射を受光して、複数波長の吸光度変化を求める光計測を、ｆＭＲＩによる計測と略同時に行ない、ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化を、光計測による全ヘモグロビンの変化と対照して、ｆＭＲＩによるデータを補正する。神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少を示せば、ＢＯＬＤ効果の物理的説明に矛盾しないと判断し、神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少と、酸素化ヘモグロビンの増加を示せば、生理学的説明の加味されたＢＯＬＤ効果に矛盾しないと判断してもよい。【選択図】  図６
2005137433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｆＭＲＩによる計測に基づき、神経活動に伴う脳内血行動態を求める測定において、
ｆＭＲＩによる計測部位と略同一の部位に近赤外線を照射し、その反射を受光して、複数波長の吸光度変化を求める光計測を、ｆＭＲＩによる計測と略同時に行ない、
ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化を、光計測による全ヘモグロビンの変化と対照して、
ｆＭＲＩによるデータを補正する
ことを特徴とする光計測データによるｆＭＲＩデータの補正方法。
【請求項２】
神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少を示せば、ＢＯＬＤ効果の物理的説明に矛盾しないと判断する
請求項１に記載の光計測データによるｆＭＲＩデータの補正方法。
【請求項３】
神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少と、酸素化ヘモグロビンの増加を示せば、生理学的説明の加味されたＢＯＬＤ効果に矛盾しないと判断する
請求項２に記載の光計測データによるｆＭＲＩデータの補正方法。
【請求項４】
ｆＭＲＩによる計測に基づき、神経活動に伴う脳内血行動態を求める測定において、
統計処理と少なくとも数秒の間隔でのＴ２＊強調画像が撮影可能なｆＭＲＩ装置と、
そのｆＭＲＩ装置による計測部位と略同一の部位に近赤外線を照射し、その反射を受光して、複数波長の吸光度変化を求める光計測を、ｆＭＲＩによる計測と略同時に実行可能な光計測装置と、
ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化を、光計測による全ヘモグロビンの変化と対照して、ｆＭＲＩによるデータを補正する演算手段とを備える
ことを特徴とする光計測データによるｆＭＲＩデータの補正装置。
【請求項５】
神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少を示せば、ＢＯＬＤ効果の物理的説明に矛盾しない旨を出力する出力手段を備える
請求項４に記載の光計測データによるｆＭＲＩデータの補正装置。
【請求項６】
神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少と、酸素化ヘモグロビンの増加を示せば、生理学的説明の加味されたＢＯＬＤ効果に矛盾しない旨を出力する出力手段を備える
請求項５に記載の光計測データによるｆＭＲＩデータの補正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、神経活動に伴う脳内血行動態を求める測定において、光計測データによってｆＭＲＩデータを補正する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ｆＭＲＩ（機能的磁気共鳴イメージング装置）は、脳研究の強力なツールとなっている。ｆＭＲＩの基礎には、ＢＯＬＤ（Blood Oxygenation Level Dependant）効果と呼ばれる現象がある。
ＢＯＬＤ効果は、物理的には、常磁性体である脱酸素化ヘモグロビン（deoxyＨｂ）のように磁場を乱す物質の変動が原因になっている。常磁性体が減少すると、磁場の均一度が上がり、その結果としてＴ２＊信号が増大する。このＢＯＬＤ効果によるＴ２＊信号を統計処理した統計値を表示したものがｆＭＲＩ画像である。
【０００３】
一方、波長８００ｎｍ付近の近赤外線を用いたイメージングシステムに基づく光計測装置によって、脱酸素化ヘモグロビン、酸素化ヘモグロビン（oxyＨｂ）、並びに、両者の和である全ヘモグロビン（totalＨｂ）それぞれの変化を測定し、血行動態変化に関する画像を得ることができる。
【０００４】
このようなｆＭＲＩや光計測の従来技術としては、例えば、
【非特許文献１】臨床精神医学講座、ｐ．４７〜７８、中山書店、加藤俊徳、２０００年７月
【特許文献１】特開平９−２３８９１４号
【特許文献２】特開２００３−２７５１９１号などに開示されている。
【０００５】
このようなｆＭＲＩや光計測は、簡便かつ非侵襲で脳機能を検査できる利点があるが、ｆＭＲＩの計測の原理的な面や、光計測による脳機能イメージングデータの有効性については、議論すべき点が依然残されている。
また、従来技術では、ｆＭＲＩと光計測とは独立に扱われ、両者のデータについて比較検討し適宜補正する考慮はなされていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、神経活動に伴う脳内血行動態を求める測定において、ｆＭＲＩデータと光計測データを比較検討し、光計測データによってｆＭＲＩデータを補正する方法と装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の補正方法は、ｆＭＲＩによる計測に基づき、神経活動に伴う脳内血行動態を求める測定において、ｆＭＲＩによる計測部位と略同一の部位に近赤外線を照射し、その反射を受光して、複数波長の吸光度変化を求める光計測を、ｆＭＲＩによる計測と略同時に行ない、ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化を、光計測による全ヘモグロビンの変化と対照して、ｆＭＲＩによるデータを補正することを特徴とする。
【０００８】
ここで、神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少を示せば、ＢＯＬＤ効果の物理的説明に矛盾しないと判断してもよい。
【０００９】
神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少と、酸素化ヘモグロビンの増加を示せば、生理学的説明の加味されたＢＯＬＤ効果に矛盾しないと判断してもよい。
【００１０】
本発明の補正装置は、ｆＭＲＩによる計測に基づき、神経活動に伴う脳内血行動態を求める測定において、統計処理と少なくとも数秒の間隔でのＴ２＊強調画像が撮影可能なｆＭＲＩ装置と、そのｆＭＲＩ装置による計測部位と略同一の部位に近赤外線を照射し、その反射を受光して、複数波長の吸光度変化を求める光計測を、ｆＭＲＩによる計測と略同時に実行可能な光計測装置と、ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化を、光計測による全ヘモグロビンの変化と対照して、ｆＭＲＩによるデータを補正する演算手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
ここで、神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少を示せば、ＢＯＬＤ効果の物理的説明に矛盾しない旨を出力する出力手段を設けてもよい。
【００１２】
神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少と、酸素化ヘモグロビンの増加を示せば、生理学的説明の加味されたＢＯＬＤ効果に矛盾しない旨を出力する出力手段を設けてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、ｆＭＲＩによるデータが光計測によるデータで補正されるので、ＢＯＬＤ効果との整合性評価や、ｆＭＲＩデータの精度向上に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ＭＲＩは、傾斜磁場の中に配置した生体に対してパルスを与えてスピンを倒し、そのスピンが戻ってくる様子を測定することを基本としたシステムである。設定によって、臨床的に意味のある様々なパラメータを画像化することが可能である。得られる画像には、Ｔ１強調画像、Ｔ２強調画像、Ｔ２＊強調画像、プロトン密度画像などがある。これらの構造画像に対して、機能画像を与えるものがｆＭＲＩである。ｆＭＲＩは、臨床用ＭＲＩ装置に、高速撮影のシークエンスと統計処理ソフトウエアを備えることで実現される。
【００１５】
ｆＭＲＩの測定にはＴ２＊強調画像を使う。一般に、常磁性体など磁場を乱す物質が多いとＴ２＊信号強度は小さくなり、このことがＢＯＬＤ効果の物理的な基礎となっている。
このオリジナルのＢＯＬＤ効果の拡大解釈として、生理的な機序が次のように考えられている。すなわち、脳の神経活動によって酸素が代謝されて、脱酸素化ヘモグロビン量が増加する。その酸素不足分を補うため、酸素を含んだ酸素化ヘモグロビンが流入する。その結果、脱酸素化ヘモグロビンの割合が減少する。常磁性体である脱酸素化ヘモグロビンの割合が減少することによって、ＭＲＩのＴ２＊信号が大きくなる。
脱酸素化ヘモグロビンに着目すると、最初は脳活動によって増加するが、結果的に酸素化ヘモグロビンの流入によって減少する。物理学的には、非磁性体である酸素化ヘモグロビンの変化は、ＭＲＩ信号に影響を与えないと言えるため、ｆＭＲＩの信号強度増加は、この最終的な脱酸素化ヘモグロビン割合の減少によって引き起こされる。
【００１６】
他方、近赤外線によってヘモグロビンを測定する光計測装置としては、近赤外分光法（Near-Infrared Spectroscopy）を基礎とした反射型のシングルチャンネルＮＩＲＳ装置などが、簡便かつ無侵襲であり有用である。生体に近赤外線（700〜900nm）を照射し、その透過・反射光から生体内の酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を検出する手法がＮＩＲＳである。
生体内で酸素を運搬しているのは殆どヘモグロビンなので，生体内における酸素の需要供給の状態を知ることができる。
【００１７】
図１は、機能的ＮＩＲＳ（ｆＮＩＲ）装置のプローブを示す説明図である。
脳局所の活性化を測定するには、測定ポイント数が多い方が好ましいので、送受光の光ファイバー（１１）（１２）をマトリックス状に配置することで測定ポイント数を増やしてマルチチャンネル化し、脳表面の機能画像を得ている。
【００１８】
波長８００ｎｍ付近の近赤外線を用いて、生体の酸素の状態を推定するに当たっては、次を基本的な仮定としている。すなわち、光の信号変化量を対数変換したものと、吸収体濃度変化との間に線形関係が成立する。これは、分光学で光吸収量を測定して濃度を推定する際に使われるmodified Lambert Beer則に基づいている。ある波長の光吸収変化は、酸素化ヘモグロビン量変化と脱酸素化ヘモグロビン量変化、及び、散乱などその他の原因による変化の線形和である。複数波長の計測値によって、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンに関する２つの未知数を計算する。
【００１９】
散乱体中の光伝播は一般に、ポルツマンの輸送方程式を近似した拡散方程式によって記述される。その無限媒体での定常状態の解によれば、光は、吸収と散乱の積の平方根により指数的に減衰することがわかるので、上記の最初の仮定は、この指数曲線を直線で近似したものとみなすことができる。
そのため、精度良く測定するためには、その近似した直線の傾きを正しく決定することが好ましい。
【００２０】
神経活動に伴って血行動態が変動する様子は、ヘモダイナミックレスポンスファンクション（ＨＲＦ）として記述される。
脳活動は、ニューロンの電気信号によって引き起こされるから、本来はこのニューロンを調べなければならないのだが非侵襲でそれを測定することは困難である。そのため、ｆＭＲＩや近赤外線を使って血行状態変動を計測しているのだが、それらは電気信号とＨＲＦとのコンポルーションを見ていることにほかならない。
【００２１】
本発明によるｆＭＲＩ装置には、統計処理と少なくとも数秒の間隔でのＴ２＊強調画像が撮影可能な装置が設けられ、光計測装置には、そのｆＭＲＩ装置による計測部位と略同一の部位に近赤外線を照射し、その反射を受光して、複数波長の吸光度変化を求める光計測を、ｆＭＲＩによる計測と略同時に実行可能な装置が設けられる。そして、演算装置では、ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化が、光計測による全ヘモグロビンの変化と対照されて、ｆＭＲＩによるデータが補正される。
本発明では、ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化を、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの変動のみならず、光計測による全ヘモグロビンの変化と対照する点に特徴がある。これは、本発明者が、Ｔ２＊信号の変化が、光計測による全ヘモグロビンの変化に呼応するとの知見を得たことによる。
なお、ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化を、光計測による全ヘモグロビンの変化と対照補正する方法は、平均や統計処理をはじめ、従来公知の数学的演算が適宜利用できる。
【００２２】
ここで、神経活動の開始時には、物理学的には、脱酸素化ヘモグロビンが減少し、生物学的には、更に酸素化ヘモグロビンが増加するので、光計測によるデータが脱酸素化ヘモグロビンの減少・酸素化ヘモグロビンの増加を示せば、ＢＯＬＤ効果の物理的説明・生物学的説明に矛盾しない旨を出力してもよい。
【００２３】
実験例
ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化と光計測によるヘモグロビンの変化との対応関係を示すため、以下の実験例では、脳よりもダイナミックな変化を起こさせることが可能な腕を対象にした。
平常状態の平均血圧が１２０ｍｍＨｇ程度の被験者の上腕部を、カフによって圧迫した。圧迫は、動脈が開き静脈が閉塞する１００ｍｍＨｇと、動脈及び静脈が閉塞する２００ｍｍＨｇとの２通りで行い、測定開始から継続し、５分後に開放した。光計測部位は、カフと肘との間である。
【００２４】
図２及び３は、それぞれ１００ｍｍＨｇと２００ｍｍＨｇで圧迫した場合の光計測データを示すグラフである。
グラフより、１００ｍｍＨｇでの圧迫では、酸素化ヘモグロビン及び脱酸素化ヘモグロビンが増加し、全ヘモグロビンが増加したのに対し、２００ｍｍＨｇでの圧迫では、酸素化ヘモグロビンが減少する一方脱酸素化ヘモグロビンが増加し、全ヘモグロビンは増加するが変動量は少なかった。
このような一連の実験から、低圧迫条件及び高圧迫条件共に、脱酸素化ヘモグロビンの変動はほぼ同じであり、酸素化ヘモグロビンは逆向きに変化し、全ヘモグロビンに関しては、変化の向きが同じであり、変動量は低圧迫条件下の方が大きかった。
【００２５】
上記と同一条件で圧迫を行ない、光計測と同じ部位に関して、上部、中央部、下部をＭＲＩで計測した。
図４及び５は、それぞれ１００ｍｍＨｇと２００ｍｍＨｇで圧迫した場合のＴ２＊信号強度を示すグラフである。
【００２６】
図６は、下部について、１００ｍｍＨｇと２００ｍｍＨｇでの圧迫結果を取り出して比較させたグラフである。
従来の知見通り、ｆＭＲＩが脱酸素化ヘモグロビンの変化を主に測定するものであれば、図２及び３の光計測による上記結果と同様に、図６においても、１００ｍｍＨｇと２００ｍｍＨｇの圧迫実験で同様の波形変化を示すはずである。
しかし、図８から明らかなように、Ｔ２＊信号の波形には、次の特徴が認められた。すなわち、低圧迫と高圧迫とで、変動の様子が異なる。変化の向きは同様であるが、変動量は低圧迫条件下の方が大きい。
【００２７】
以上のような検討から、本発明者は、ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変動は、光計測による全Ｈｂの変動と同様に振る舞うことを見出した。ＭＲＩはもともとプロトンからの信号をとるものであるから、酸素状態の変動よりも、水の動きを含めた全体の変動に敏感であると考えることでこの現象は理解できた。
なお、２００ｍｍＨｇの圧力で５分間血流を止めるような酸素状態の変動が、脳で生じるとは考えにくい。本実験例は、境界条件の決定において重要な意味をもつものであり、実際の脳における酸素状態の変動は、グラフの最初の部分（血流停止当初）に相当すると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によると、精度の高さとＢＯＬＤ効果に関する評価の得られたｆＭＲＩデータが得られるので、正確な脳機能研究や脳疾病検査などに利用でき、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ｆＮＩＲ装置のプローブを示す説明図
【図２】１００ｍｍＨｇで圧迫した場合の光計測データを示すグラフ
【図３】２００ｍｍＨｇで圧迫した場合の光計測データを示すグラフ
【図４】１００ｍｍＨｇで圧迫した場合のｆＭＲＩによるＴ２＊信号を示すグラフ
【図５】２００ｍｍＨｇで圧迫した場合のｆＭＲＩによるＴ２＊信号を示すグラフ
【図６】腕下部について、１００ｍｍＨｇと２００ｍｍＨｇ圧迫での差異を示すＴ２＊信号のグラフ
【符号の説明】
【００３０】
１０  脳
１１、１２  光ファイバープローブ
【図１】
2005137433.tif 000003
【図２】
2005137433.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年1月28日(2005.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｆＭＲＩによる計測に基づき、神経活動に伴う脳内血行動態を求める測定において、
ｆＭＲＩによる計測部位と略同一の部位に近赤外線を照射し、その反射を受光して、複数波長の吸光度変化を求める光計測を、ｆＭＲＩによる計測と略同時に行ない、
ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化を、光計測による全ヘモグロビンの変化と対照して、
ｆＭＲＩによるデータを補正して、脳機能解析に用いる
ことを特徴とする光計測データによるｆＭＲＩデータの補正方法。
【請求項２】
神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少を示せば、ＢＯＬＤ効果の物理的説明に矛盾しないと判断する
請求項１に記載の光計測データによるｆＭＲＩデータの補正方法。
【請求項３】
神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少と、酸素化ヘモグロビンの増加を示せば、生理学的説明の加味されたＢＯＬＤ効果に矛盾しないと判断する
請求項２に記載の光計測データによるｆＭＲＩデータの補正方法。
【請求項４】
ｆＭＲＩによる計測に基づき、神経活動に伴う脳内血行動態を求める測定において、
統計処理と少なくとも数秒の間隔でのＴ２＊強調画像が撮影可能なｆＭＲＩ装置と、
そのｆＭＲＩ装置による計測部位と略同一の部位に近赤外線を照射し、その反射を受光して、複数波長の吸光度変化を求める光計測を、ｆＭＲＩによる計測と略同時に実行可能な光計測装置と、
ｆＭＲＩによるＴ２＊信号の変化を、光計測による全ヘモグロビンの変化と対照して、ｆＭＲＩによるデータを補正して、脳機能解析に用いる演算手段とを備える
ことを特徴とする光計測データによるｆＭＲＩデータの補正装置。
【請求項５】
神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少を示せば、ＢＯＬＤ効果の物理的説明に矛盾しない旨を出力する出力手段を備える
請求項４に記載の光計測データによるｆＭＲＩデータの補正装置。
【請求項６】
神経活動の開始時における光計測によるデータが、脱酸素化ヘモグロビンの減少と、酸素化ヘモグロビンの増加を示せば、生理学的説明の加味されたＢＯＬＤ効果に矛盾しない旨を出力する出力手段を備える
請求項５に記載の光計測データによるｆＭＲＩデータの補正装置。