(57)【要約】【課題】  脳内での神経信号の流れに関する情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる脳機能検出方法および装置を提供する。【解決手段】  脳機能検出装置は、静磁場環境を生成するための磁場発生磁石１、超音波を発生するための超音波発生装置２、超音波発生装置２からの電気信号を超音波に変換して送出する振動子３、与えられた超音波に関連して被験者９の発生する電磁波を検知するための電磁波センサー４、電磁波センサー４により検知した電磁波信号を増幅する信号増幅器５、および被験者９に刺激を与えるための刺激発生装置６、刺激発生装置６からの刺激として例えば画像を表示するモニター７を備える。【選択図】図１
2009034404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脳内の測定したい機能部位に焦点を与えた超音波を磁場中の被験者の頭から与え、被験者に対して五感に関わる少なくとも１つの刺激を与え、前記超音波に関連して発生する電磁波を被験者の頭において検知し、前記検知した信号に基づいて脳内での神経信号の流れに関する情報を得ることを特徴とする脳機能検出方法。
【請求項２】
磁場を発生するための磁石と、超音波を送出するための振動子と、前記超音波に関連して発生する電磁波を検知するための電磁波センサーと、刺激を与えるための刺激発生装置とを備え、前記電磁波センサーにより検知した信号に基づいて脳内での神経信号の流れに関する情報を得ることを特徴とする脳機能検出装置。
【請求項３】
磁場を発生するための磁石と、超音波を送出するための振動子と、前記超音波に関連して発生する電磁波を検知するための電磁波センサーとを備え、イオンを含む生体組織で前記超音波に関連して発生する電磁波を前記電磁波センサーにより検知することにより、前記生体組織に係る情報を得ることを特徴とする生体情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ローレンツ力を用いた脳機能検出方法および装置並びに生体情報検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
脳機能の計測方法としては、従来から、機能的ＭＲＩ（ｆＭＲＩ）、脳電図（ＥＥＧ）、脳磁図（ＭＥＧ）などの非浸襲方法が用いられている。ｆＭＲＩは時間分解能が秒のオーダであり、またＥＥＧ、ＭＥＧは時間分解能が数十ｍｓであるが、空間分解能は数ｃｍである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
脳の信号の流れは数ｍｓから数百ｍｓで進んでおり、上記のような方法では脳機能の時間的な働き、相互作用（ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ）などを調べるには限界がある。このことは脳に限らず一般の生体組織に係る情報についても言える。
【０００４】
従って本発明の目的は、脳内での神経信号の流れに関する情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる脳機能検出方法および装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、脳に限定しない一般の生体組織に係る情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる生体情報検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、脳内の測定したい機能部位に焦点を与えた超音波を磁場中の被験者の頭から与え、被験者に対して五感に関わる少なくとも１つの刺激を与え、前記超音波に関連して発生する電磁波を被験者の頭において検知し、前記検知した信号に基づいて脳内での神経信号の流れに関する情報を得る脳機能検出方法により達成される。
【０００６】
また上記目的は、磁場を発生するための磁石と、超音波を送出するための振動子と、前記超音波に関連して発生する電磁波を検知するための電磁波センサーと、刺激を与えるための刺激発生装置とを備え、前記電磁波センサーにより検知した信号に基づいて脳内での神経信号の流れに関する情報を得る脳機能検出装置により達成される。
【０００７】
さらに上記他の目的は、磁場を発生するための磁石と、超音波を送出するための振動子と、前記超音波に関連して発生する電磁波を検知するための電磁波センサーとを備え、イオンを含む生体組織で前記超音波に関連して発生する電磁波を前記電磁波センサーにより検知することにより、前記生体組織に係る情報を得る生体情報検出装置により達成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、脳内での神経信号の流れに関する情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる脳機能検出方法および装置を得ることができる。また、脳に限定しない一般の生体組織に係る情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例を図面にそって説明するが、その前にまず本発明の原理について説明する。
【００１０】
本発明では、脳機能を検出するために静磁場と超音波を用いる。被験者を静磁場環境に置いて、測定したい機能部位に超音波の焦点を与え、一定周波数で機能組織内のイオン（陽イオンと陰イオン）に振動を与える。ここで、測定可能な機能部位は、大脳皮質など神経細胞及び神経線維のイオンが存在する部位であれば場所は問わないが、超音波の減衰を考えると視覚野、聴覚野、感覚野など脳の表面に位置している機能部位が測定しやすいといえる。
【００１１】
通常の細胞内外のイオンは陽イオンと陰イオンが混じっているので、電位的には中性または弱い電位を保つ。また、細胞の活動がなければ静止電位を維持する。一方、磁場とイオンの運動により、ローレンツ力がイオンに働く。イオンに与えられる物理的な動きは同じ方向であるが、ローレンツ力は陽イオンと陰イオンとで正反対になる。したがって、磁場または振動のない環境では陽イオンと陰イオンが混じっていて電気的に中性であっても、ローレンツ力により局所的に通常の状態より大きい電位が発生する。また、イオンを振動させることにより、その電位が振動周波数によって変わるので、電磁波（電磁場）が発生することになる。
【００１２】
発生した電磁波を脳表で、誘導コイルまたは電極などを有する検出器で測定する。その信号周波数及び振幅は与えた超音波信号に依存する。このような状態で、その機能部位が処理をしていると予想される、ある特定の刺激を与える。そうするとその刺激によって当該部位が賦活される。その部位の賦活すなわち神経の活動によって、その組織内のイオンの状態が変化し、刺激が無い時の定常的な電磁波波形に変化が起きる。そして、その変化は検出器により検出される。これにより、脳内での神経信号の流れに関する情報を空間的かつ時間的に高い分解能で検出することができる。
【００１３】
ここで空間分解能は、使う超音波の周波数によって決まるが、生体の軟組織の伝播速度を１５００ｍ／ｓと考えた時、例えば、１ＭＨｚの超音波を使えば約１．５ｍｍの空間分解能を得ることができる。より高い周波数の超音波を使えば１ｍｍ以下の空間分解能を得ることができる。ただし、周波数が高くなると信号の減衰が大きくなるので、超音波振動子を分散配置するなど超音波の照射方法の工夫が必要である（例えば、“Ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ａｂｓｏｒｂｉｎｇ  ａｎｄ  ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒｓ：  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｔｈｅ  ｓｋｕｌｌ”  Ｍ．  Ｔａｎｔｅｒ  ｅｔ  ａｌ  Ｊ．  Ａｃｏｕｓｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  １０３  （５）  ｐｐ．  ２４０３−２４１０）。
【００１４】
また、刺激を開始した時点から電磁波が変化するまでの時間が、その機能部位に信号が到達するまでにかかった時間（ｌａｔｅｎｃｙ  ｔｉｍｅ）になる。これが時間分解能である。超音波の周波数を変化することで、数百マイクロ秒までの時間分解能を得ることができ、脳内の信号の流れを正確に検出することができる。すなわち、生体の軟組織での音波の伝播速度は約１５００ｍ／ｓとして計算すると１５００ｍｍ／ｍｓとなり、頭の表皮から中心までの往復距離を３００ｍｍとすると超音波は約２００マイクロ秒で１往復をする。すなわち、２００マイクロ秒より遅い時間で起こる変化を検知することができる。以下、本発明に係る脳機能検出方法を説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る脳機能検出装置の一実施例を示すブロック図である。本実施例では、図示のように、静磁場環境を生成するための磁場発生磁石１、超音波を発生するための超音波発生装置２、超音波発生装置２からの電気信号を超音波に変換して送出する振動子３、与えられた超音波に関連して被験者９の発生する電磁波を検知するための電磁波（電磁場）センサー４、電磁波センサー４により検知した電磁波信号を増幅する信号増幅器５、および被験者９に刺激を与えるための刺激発生装置６、刺激発生装置６からの刺激として例えば画像を表示するモニター７を備える。コンピュータ８は、超音波発生装置２、信号増幅器５および刺激発生装置６に接続され、超音波発生装置２に対しては超音波発生に係る指令を出し、刺激発生装置６に対しては刺激発生に係る指令を出し、また信号増幅器５により得られた信号を記録する。
【００１６】
本例の刺激発生装置６は、刺激として画像をモニター７に表示するものであるが、これに限定されない。測定したい機能部位に応じて、画像以外の視覚による刺激でも良いし、また視覚以外の他の感覚、すなわち聴覚、触覚、嗅覚、味覚でもよい。刺激発生装置６は、これらの五感に係る刺激を少なくとも１つ発生するものとすることができる。
【００１７】
本実施例の動作は次のとおりである。まず、磁場発生磁石１による静磁場環境に被験者９を置く。被験者９の頭の表皮に振動子３と電磁波センサー４を設置する。超音波発生装置２は、コンピュータ８の指令に従って、所望の周波数と超音波の焦点を与える脳内の特定の位置（機能部位）に関する信号を作成し、これを振動子３に出力する。一方、刺激発生装置６は、コンピュータ８の指令に従って被験者９に対して光や音などの所望の刺激（本例ではモニター７に表示される画像）を与える。電磁波センサー４は、磁石１と振動子３によって与えられた振動によって発生する電磁波を検出する。検出された電磁波信号は信号増幅器５で増幅され、脳内での神経信号の流れに関する情報としてコンピュータに記録される。コンピュータに記録された情報は所定の処理を経て、図示しない表示装置に表示することができる。脳内での神経信号の流れに関する情報は、例えば次のようにして検出される。
【００１８】
図２は、超音波発生装置２からの信号により振動子３から発生する超音波入力信号の一例を示す図である。横軸はミリ秒（ｍｓ）で、本例の超音波入力信号の周波数は１００ＫＨｚである。
【００１９】
図３は、刺激発生装置６からの刺激としてモニター７に表示される画像信号の一例を示す図である。本例では、画像刺激開始時間を０として、画像信号を１０ｍｓの期間だけ与えたものである。１０ｍｓの期間だけ画像を見せることで、その間、視覚野の神経細胞に活動を起こさせる。
【００２０】
図４は、電磁波センサー４により検知した電磁波信号の一例を示す図である。横軸はミリ秒（ｍｓ）で、本例の電磁波信号の周波数は１００ＫＨｚである。
【００２１】
図４に示す電磁波信号の波形より、刺激開始から５０ｍｓ後の電磁波信号に抑制（または変化）が現れていることが分かる。これにより、測定部位までの信号の伝播時間が５０ｍｓであることを推定することができる。このように、刺激開始時点と記録された電磁波信号の変化時点までの時間から、例えば、目から測定部位に到達するまでにかかった時間を求めることができるのである。
【００２２】
図４に示すように、刺激開始から５０ｍｓ後に電磁波信号に変化が現れる理由は、刺激がないときのイオンの分極状態が、刺激による神経細胞の活動によって起きる、細胞膜内外へのイオンの移動によって変わるからである。ここでは、イオンの移動が分極の直角方向に移動することを仮定した。また、この例では１００ＫＨｚの超音波入力を用いたため約１５ｍｍの空間分解能が得られるが、より高い周波数のものを使えば、より高い分解能を得ることが出来る。
【００２３】
以上により、脳内での神経信号の流れに関する情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる。また、上記脳機能検出装置と同様な構成により生体情報検出装置を得ることができる。この場合、刺激発生装置は必ずしも必要とせず、イオンを含む生体組織に一定の磁場と超音波を与え、その超音波に関連して生体組織で発生する電磁波を一定時間計測する。例えば、生体組織の神経活動による電位の変化が電磁波に反映されるので、収集した電磁波から神経活動による成分を抽出する。必要に応じて刺激発生装置を用いることもできる。これにより、生体組織に係る情報を空間的あるいは時間的に高い分解能で検出することができる。ここで生体組織に係る情報とは、例えば、ｉｎ  ｖｉｔｒｏ（生体条件外）での神経細胞の情報伝達、正常組織と異常組織との相異、あるいは運動神経(脊髄神経)からの筋肉への信号伝達に係る情報などである。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、ローレンツ力を用いた脳機能検出方法および装置並びに生体情報検出装置に関するものであり、産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る脳機能検出装置の一実施例を示すブロック図である。
【図２】超音波発生装置からの信号により振動子から発生する超音波入力信号の一例を示す図である。
【図３】刺激発生装置からの刺激としてモニターに表示される画像信号の一例を示す図である。
【図４】電磁波センサーにより検知した電磁波信号の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  磁場発生磁石
２  超音波発生装置
３  振動子
４  電磁波センサー
５  信号増幅器
６  刺激発生装置
７  モニター
８  コンピュータ
９  被験者
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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