(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
近赤外線を用いた脳活動計測装置において、
付属するコンピューターが、少なくとも入力されたMRI測定時のエコー時間（TE）及び安静時の実効横緩和時間（T2＊rest）を記録すると共に、
脳活動計測装置が測定した全ヘモグロビン量（[total-Hb]）、安静時に対する全ヘモグロビン量の変化量(△[total-Hb])、血液酸素化率の変化分（△Y）を少なくとも記録する記録手段、
これらの数値を次の数式に適用して、
△Ｓ/Ｓrest= (TE・T2＊rest)・｛２△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝
（ただし、「rest」の表示は「休止状態（安静時）」の意味であり、［total-Hb］restは「安静時の全ヘモグロビン量」、「Ｙrest」は安静時のヘモグロビンの酸素化率を示す）
該計算結果より機能的MRI（ｆMRI）信号である△Ｓ/Ｓrest (安静時のMRI信号強度に対する安静時からの変化分の比)を算出する演算手段を有する
ことを特徴とする脳活動計測装置。
【請求項２】
近赤外線を用いた脳活動計測装置において、
付属するコンピューターが、少なくとも入力されたMRI測定時のエコー時間（TE）及び安静時の実効横緩和時間（T2＊rest）を記録すると共に、
脳活動計測装置が測定した全ヘモグロビン量（[total-Hb]）、安静時に対する全ヘモグロビン量の変化量（△[total-Hb])、血液酸素化率の変化分（△Y）を少なくとも記録する記録手段、
これらの数値を次の数式に適用して、
△Ｓ/Ｓrest= (TE・T2＊rest)・｛△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝
（ただし、「rest」の表示は「休止状態（安静時）」の意味であり、［total-Hb］restは「安静時の全ヘモグロビン量」、「Ｙrest」は安静時のヘモグロビンの酸素化率を示す）
該計算結果より機能的MRI（ｆMRI）信号である△Ｓ/Ｓrest (安静時のMRI信号強度に対する安静時からの変化分の比)を算出する演算手段を有する
ことを特徴とする脳活動計測装置。
【請求項３】
近赤外線を用いた脳活動計測装置において、
付属するコンピューターによって、少なくともMRI測定時のエコー時間（TE）及び安静時の実効横緩和時間（T2＊rest）を記録すると共に、
脳活動計測装置が測定した全ヘモグロビン量（[total-Hb]）、安静時に対する全ヘモグロビン量の変化量(△[total-Hb])、血液酸素化率の変化分（△Y）を少なくとも記録し、
これらの数値を次のいずれかの数式：
△Ｓ/Ｓrest= (TE・T2＊rest)・｛２△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝
または、
△Ｓ/Ｓrest= (TE・T2＊rest)・｛△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝
（ただし、「rest」の表示は「休止状態（安静時）」の意味であり、［total-Hb］restは「安静時の全ヘモグロビン量」、「Ｙrest」は安静時のヘモグロビンの酸素化率を示す）
に適用した計算結果より、機能的MRI（ｆMRI）信号である△Ｓ/Ｓrest (安静時のMRI信号強度に対する安静時からの変化分の比)を算出する
ことを特徴とする脳活動計測方法。
【請求項４】
近赤外線を用いた脳活動計測装置に付属するコンピューターにおけるソフトウェアにおいて、
MRI測定時のエコー時間（TE）及び安静時の実効横緩和時間（T2＊rest）を記録すると共に、
脳活動計測装置によって測定され入力された全ヘモグロビン量（[total-Hb]）、安静時に対する全ヘモグロビン量の変化量(△[total-Hb])、血液酸素化率の変化分（△Y）を少なくとも記録部に記録する記録ステップと、
これらの数値を次のいずれかの数式：
△Ｓ/Ｓrest= (TE・T2＊rest)・｛２△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝
または、
△Ｓ/Ｓrest= (TE・T2＊rest)・｛△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝
（ただし、「rest」の表示は「休止状態（安静時）」の意味であり、［total-Hb］restは「安静時の全ヘモグロビン量」、「Ｙrest」は安静時のヘモグロビンの酸素化率を示す）
に適用して演算部で計算を行ない、機能的MRI（ｆMRI）信号である△Ｓ/Ｓrest (安静時のMRI信号強度に対する安静時からの変化分の比)を演算部で算出する演算ステップを有する
ことを特徴とするコンピューターソフトウエア。
【請求項５】
ｆMRI及び近赤外線を用いて並行して脳活動の計測を行ない、
該ｆMRI測定による信号強度を経時的に表示するｆMRI信号強度表示手段、
該近赤外線測定による細静脈でのヘモグロビンの変化を表示する近赤外線細静脈ヘモグロビン変化表示手段、
該近赤外線測定による毛細静脈血管でのヘモグロビンの変化を表示する近赤外線毛細静脈血管ヘモグロビン変化表示手段とを有する
請求項１または２に記載の脳活動計測装置。
【請求項６】
脳活動計測において、
チェッカーボードの反転による視覚刺激を与えて、
少なくともｆMRI信号（（△Ｓ/Ｓ）rest）、酸素化ヘモグロビン([oxy-Hb]及び △[oxy-Hb])、脱酸素化ヘモグロビン([deoxy-Hb]及び△[deoxy-Hb])及び全ヘモグロビン量([total-Hb] (= [oxy-Hb]+[deoxy-Hb])及び△[total-Hb] (=△[oxy-Hb]+ △[deoxy-Hb]))のいずれかを測定して、脳機能解析に用いる
請求項３に記載の脳活動計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴撮像装置（以下、ＭＲＩ）を用いた脳活動計測（以下、ｆＭＲＩ（functional MRI））及び、近赤外線等の光を用いた脳活動活動手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒト生体機能の非侵襲計測には、生体の電気的活動を計測する方法（ＭＥＧ，ＥＥＧ）と血行動態を計測する方法（ｆＭＲＩ、ＮＩＲＳ）がある。ｆＭＲＩの目的は、高い空間分解能を有する特徴を持ち、活性化領域を抽出して脳の機能分布を把握すること、及び活性化領域での信号変化率を観察することである。この信号変化率の測定から、特定の刺激に対する脳活動の解明等の研究目的に使用することができる。特に、脳活動計測においては活動部位の同定の常用手段として使用されている。
【０００３】
ｆＭＲＩでの信号変化の原理は、循環血液中の脱酸素ヘモグロビン量の変化に基づく磁性の変化により、生体中の自由水の可動プロトンの実効横緩和時間（Ｔ２*）の変化することを利用している。例えば、ヘモグロビンの鉄原子に酸素が結合すると、酸素化ヘモグロビン（動脈血に相当する）となり磁性が消失し、生体中の自由水の可動プロトンの実効横緩和時間（Ｔ２*）が大きくなる。ｆＭＲＩで計測されるパラメーター（△Ｓ／Ｓ）restは、このＴ２*の変化を反映している。MRIで実効横緩和とよばれるＴ２緩和は、横磁化成分が減衰していく過程を示す時定数であり、理想的な均一磁場で得られる信号を意味する。しかし実際は磁場の不均一性があるために信号はＴ２よりも速く減衰するため、この実際の信号をＴ２*（ティーツースター）とあらわしてＴ２とは区別している。ｆＭＲＩはＴ２*の信号変化を捉えるものである。
【０００４】
仮に、視覚や音響等などにより脳を刺激すると、大脳皮質の神経細胞が興奮し、酸素を消費する。これにより、局所的に脱酸素ヘモグロビン量が増加する。次いで、活性化領域では酸素消費量が増加しているので、動脈血の流入による血流及び血液量が増加する。すなわち、活性化領域中では、酸化ヘモグロビンの増加による磁気的性質の変化と血流及び血液量の変化とが同時に発生し、これらはｆＭＲＩの信号に影響する。
このように、Ｔ２*は、血流・血液量・血液の酸素化状態のパラメーターが相互に依存し合った結果として得られるものであり、ｆＭＲＩの解釈が複雑となり、混乱を生じていた。しかし、本来要求されている生理的情報は、これらの要因をそれぞれ分離した血流・血液量・血液の酸素化状態のパラメーターであるが、ｆＭＲＩのみではその分離が不可能である。
【０００５】
このような事項に対して、従来は、計算モデルに必要な血液量や血液の酸素化状態は実測値ではなく、文献値をもとにある仮定値を代入し定性的な推移を予想していた。従って、このようなｆＭＲＩの信号推定モデルが提唱されているのみで、情報源が細動脈領域又は、毛細血管領域であるかを同定したり、また、ｆＭＲＩの信号変化から、血流、血液量、血液の酸素化状態のパラメーターを分離して評価することができなかった。
【０００６】
一方で、近赤外光を用いた脳活動計測(近赤外分光法（NIRS）)では、脳組織の光吸収特性の変化がもたらす情報を得ることができる。近赤外線は、赤外線（約700〜3000nm）の中でも、可視光領域（約400〜700nm）に最も近い波長領域のことを指す。波長800nm前後の近赤外線は高い生体透過性を持ち、近赤外領域の光（700〜1500nm）は高い生体透過性を持ち、頭皮上から投光した光は脳組織を通過し、生体組織が反射体となり頭皮上からの受光が可能である。近赤外分光法は、この領域において血液中のヘモグロビンが特徴的な吸収バンドを持つことを利用して、生体組織中の血液の酸素化ヘモグロビン（oxy-Hb)、脱酸素化ヘモグロビン(deoxy-Hb)及び全ヘモグロビン（[total-Hb]）の変化を連続的に検出できる特徴を有する。また、局所脳血液量（rCBV）の変化を扱える計測法として確立されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明では、MRIで得られた信号と近赤外線を用いた脳機能解析から、fMRI信号である（△Ｓ／Ｓ）restを求めること、並びに、当該信号が細静脈や毛細血管等の如何なる部位の信号かを判断する手段を提供することに寄与する手段を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の脳活動計測装置は、近赤外線を用いた脳活動計測装置において、付属するコンピューターが、少なくとも入力されたMRI測定時のエコー時間（TE）及び安静時の実効横緩和時間（T2*rest）を記録すると共に、脳活動計測装置が測定した全ヘモグロビン量（[total-Hb]）、安静時に対するヘモグロビン変化量([△Hb])、血液酸素化率の変化分（[△Y]）を少なくとも記録する記録手段、これらの数値を次の数式に適用して、△Ｓ/Ｓrest= (TE・T2*rest)・｛２△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝（ただし、「rest」の表示は「休止状態（安静時）」の意味であり、［total-Hb］restは「安静時の全ヘモグロビン量」、「Ｙrest」は安静時のヘモグロビンの酸素化率を示す）該計算結果より機能的MRI（ｆMRI）信号である△Ｓ/Ｓrest (安静時のMRI信号強度に対する安静時からの変化分の比)を算出する演算手段を有することを特徴とする。
同様に、本発明の脳活動計測方法は、近赤外線を用いた脳活動計測装置において、付属するコンピューターで、少なくとも入力されたMRI測定時のエコー時間（TE）及び安静時の実効横緩和時間（T2*rest）を記録すると共に、脳活動計測装置が測定した全ヘモグロビン量（[total-Hb]）、安静時に対するヘモグロビン変化量([△Hb])、血液酸素化率の変化分（[△Y]）を少なくとも記録し、これらの数値を次のいずれかの数式に適用して、△Ｓ/Ｓrest= (TE・T2*rest)・｛２△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝または、△Ｓ/Ｓrest= (TE・T2*rest)・｛△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝（ただし、「rest」の表示は「休止状態（安静時）」の意味であり、［total-Hb］restは「安静時の全ヘモグロビン量」、「Ｙrest」は安静時のヘモグロビンの酸素化率を示す）該計算結果より機能的MRI（ｆMRI）信号である△Ｓ/Ｓrest (安静時のMRI信号強度に対する安静時からの変化分の比)を算出することを特徴とする。
また、本発明のコンピューターソフトウエアは、近赤外線を用いた脳活動計測装置に付属するコンピューターにおいて、少なくとも入力されたMRI測定時のエコー時間（TE）及び安静時の実効横緩和時間（T2*rest）を記録すると共に、脳活動計測装置が測定した全ヘモグロビン量（[total-Hb]）、安静時に対するヘモグロビン変化量([△Hb])、血液酸素化率の変化分（[△Y]）を少なくとも記録する記録部と、これらの数値を次のいずれかの数式に適用して、Ｓ/Ｓrest= (TE・T2*rest)・｛２△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝または、△Ｓ/Ｓrest= (TE・T2*rest)・｛△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝（ただし、「rest」の表示は「休止状態（安静時）」の意味であり、［total-Hb］restは「安静時の全ヘモグロビン量」、「Ｙrest」は安静時のヘモグロビンの酸素化率を示す）該計算結果より機能的MRI（ｆMRI）信号である△Ｓ/Ｓrest (安静時のMRI信号強度に対する安静時からの変化分の比)を算出する演算部を有することを特徴とする
【０００９】
前記数式部分が、（△Ｓ／Ｓ）rest= (TE・T2*rest)・｛２△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝の場合は、ｆMRI信号が細静脈を反映している時に使用され、又は当該式に当てはまる時は細静脈を反映している。これらの意味・定義は以下で同じである。
前記数式部分が、（△Ｓ／Ｓ）rest= (TE・T2*rest)・｛△Ｙ/(1―Ｙrest) ―△[total-Hb]/［total-Hb］rest｝の場合は、特定の刺激に対して脳の毛細血管のヘモグロビンが変化する場合に用いることができる。
【００１０】
上記本発明により、MRIの構造画像及び近赤外線を用いた計測法から、従来はfMRIでしか得られないfMRI信号（△Ｓ／Ｓ）restを自動的に算出することができる。
また、得られたfMRI信号が如何なる成分であるかを定めることができる。すなわち、fMRI信号は全ヘモグロビン量、酸化ヘモグロビン量等が反映され、また、細静脈若しくは毛細血管のいずれかの部位を反映するか定めることができる。
【００１１】
さらに、ｆMRI及び近赤外線を用いて並行して脳活動の計測を行ない、該ｆMRI測定による信号強度を経時的に表示するｆMRI信号強度表示手段、該近赤外線測定による細静脈でのヘモグロビンの変化を表示する近赤外線細静脈ヘモグロビン変化表示手段、該近赤外線測定による毛細静脈血管でのヘモグロビンの変化を表示する近赤外線毛細静脈血管ヘモグロビン変化表示手段とを有する装置で構成してもよい。すると、その表示により、ｆMRI信号と近赤外線で得られた信号を同画面で表示等することにより、ｆMRI信号が近赤外線で得られた信号のいずれに帰属するか判断することができる。上記の細静脈若しくは毛細静脈血管でのヘモグロビンの変化は上記式により算出させて行う。
【００１２】
また、脳活動計測においては、チェッカーボードの反転による視覚刺激を与えて、少なくともｆMRI（（△Ｓ／Ｓ）rest）信号、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビン及び全ヘモグロビン量のいずれかを測定するようにしてもよい。チェッカーボードの反転による視覚刺激は0.5Hz又は14Hzの視覚刺激とすることで、fMRI及び近赤外線での測定脳後頭部の生体情報の変化が大きくなり、測定に適している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明では、ｆＭＲＩの信号変化が脳循環・代謝の変化に伴うヘモグロビンの磁性変化を反映しているのに対して、近赤外光を用いた脳活動計測(近赤外分光法（NIRS）)では、脳組織の光散乱特性の変化がもたらす情報を得ることができる。近赤外線は、赤外線（約700〜3000nm）の中でも、可視光領域（約400〜700nm）に最も近い波長領域のことを指す。波長800nm前後の近赤外線は高い生体透過性を持ち、頭皮上から投光した近赤外線は脳組織を通過し、さらに頭皮上からの受光が可能である。近赤外分光法は、この領域において血液中のヘモグロビンが特徴的な吸収バンドを持つことを利用して、生体組織中の血液の酸素化ヘモグロビン（oxy-Hb)、脱酸素化ヘモグロビン(deoxy-Hb)及び全ヘモグロビン（[total-Hb]）の変化を連続的に検出できる特徴を有する。また、局所脳血液量（rCBV）の変化を扱える計測法として確立されている。
そこで、本発明ではｆＭＲＩの測定と並行して、NIRSの測定を行い、赤外分光法によるｆＭＲＩの信号変化を帰属する手段を提供する。
【００１４】
【実施例】
実験条件として、ヒト視覚野賦活時におけるｆＭＲＩにより得られた血行動態の変化を、本発明の方法により、NIRSにより得られる結果で補足できることを、実施例として示した。被験者は健常成人男性を６名（２４歳〜４３歳）を対象にｆＭＲＩの測定と平行して、NIRSの測定を行う。視覚刺激はコンピューターのモニター上に写し出されるチェッカーボード（刺激周波数：0.5,1.4,4.7及び14Hzで点滅させる）を用いた。実験では４種類の刺激周波数を擬似ランダムに計１６回提示した（測定時間は約１６分間）（図１）。
図１の上段は、視覚刺激の休止状態と刺激状態のモニター表示を示したものである。図１の下段は、実験の条件を示したものであり、ランダムに視覚刺激の強度が変化していることが示される。また、視覚刺激のヘルツ（Hz）は、チェッカーボードの反転の速さから定めたものである。
【００１５】
近赤外分光法による脳活動測定は、ＣＷ型近赤外分光装置を用いた。測定部位は、視覚野を含む後頭部（７cm×７cmの領域）を近赤外マッピング装置（OPTIM-A、柳田結集型特別グループ、通信総合研究所、１９９９）を用いて、ヘモグロビンパラメーターの測定を行った。測定チャンネルは、４×４の１６チャンネルであり（図２）、測定波長は、７７６nm、８０４nm、８２８nmと４００msの間隔で順次測定した。ヘモグロビンパラメーターは、以下の式１で表せるModified Beer-Lambert法により算出した。
この測定方法・計算方法により、△oxy-Hb（酸素化ヘモグロビン変化量）、△deoxy-Hb（脱酸素化ヘモグロビン変化量）、△total Hb（全ヘモグロビン変化量）を算出することができる。
【式１】
0003740527.tif 000002
【００１６】
一方、ｆＭＲＩによる脳活動の計測と解析については、(1)装置は、Siemens VISION(Germany),1.5T System、(2)撮像法は、GER-EPI法、(3)撮像パラメーターは、TR 3.9sec,TE 55.24msec, FA 90 degree、(4)スライスは、Axialスライス 32（厚さmm／１枚、間隔 0mm)、(5)ピクセルサイズ 4mm×4mm×4mm (Fov 256mm×256mm Matrix 64×64)である。解析は、(6)Motion CorrectionはAIR3.0、(7)AVS/Express、(8)構造画像と機能画像の重ね合わせは、Analyze PC2.5(Mayo Fundation)及びＳＰＭ９９を使用した。
【００１７】
測定は、ＭＲＩ装置の被験者の頭部を乗せる部分に、近赤外分光法で測定することができるように近赤外マッピング装置のプローブを置いた。ここで、本発明による方法は、ｆＭＲＩの測定と同時でもよく、また、同条件下でｆＭＲＩの測定の前後でNIRSの測定を行ってもよい。NIRSの測定は、CW型近赤外分光装置、時間分解型近赤外分光装置、又は周波数領域を使った強度変調型を用いることが挙げられる。
【００１８】
測定結果は、NIRSの測定とｆＭＲＩの測定で、上述の条件による実験では、活動部位の検出については両測定とも、同じ領域が活動されていることが示された。次に、NIRSの測定では、視覚刺激に伴う後頭部ヘモグロビンの変化は、図３のグラフに示したように、0.5Hz及び14Hzの刺激で全ヘモグロビン量及び酸素化ヘモグロビン量の増加が大きいことが示された。
【００１９】
一方、ｆＭＲＩの測定では、図４に示すように1.4Hz及び4.7Hzで大きな信号強度が見られた。グラフ横軸は時間（秒）を表し、縦軸は当該活動部位の信号強度を表している。Correlation Coefficient（相関係数）はボックススカーフィッチングで、信号変化がタスク負荷にどれだけマッチしているのか相関を出したものであり、ｒが0.75以上であれば、相関が有ると示される。
【００２０】
また、図４では、fMRI信号と近赤外線を用いた測定（NIRS）の結果を同画面で表示したものである。ヘモグロビンパラメーターの測定は上述のように、７７６nm、８０４nm、８２８nmと４００msの間隔で順次測定した。ヘモグロビンパラメーターは、前記のModified Beer-Lambert法により算出した。上記式である（△Ｓ／Ｓ）rest= (TE・Ｒ2*rest)・｛２△Ｙ/(1―Ｙrest) ― △［total-Hb］/［total-Hb］rest｝（第１式）若しくは、（△Ｓ／Ｓ）rest= (TE・Ｒ2*rest)・｛△Ｙ/(1―Ｙrest) ― △［total-Hb］/［total-Hb］rest｝（第２式）に、これらヘモグロビンパラメーター等を代入して計算した。絶対値のヘモグロビン量は、時間分解型近赤外分光装置を用いることが適している。第１式は、細静脈での信号が反映される場合、第２式は、毛細血管での信号が反映される場合である。図４のfMRI信号はそのままのデータを表示し、細静脈と毛細血管の信号は、個々のヘモグロビンパラメーターを上記式に従って代入して算出されたグラフである。結果は２人の実験で同様の結果が得られ、本実施例では、ｆMRI信号は細静脈の信号が反映されていること、近赤外線の測定からｆMRI信号を算出できたことが示された。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、MRIの構造画像のデータ及び近赤外線の測定結果より、fMRIの測定でしか得られないfMRI信号強度（（△Ｓ／Ｓ）rest）を算出することができる。また、fMRI信号強度（（△Ｓ／Ｓ）rest）及び近赤外線の測定結果より、その信号の帰属部位が細静脈又は毛細血管であるかを判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】被験者に視覚刺激を与える手順を示す説明図
【図２】近赤外線を生体に照射及び受光するファイバー先端部を示す説明図
【図３】各視覚刺激におけるfMRI信号強度を示したグラフ
【図４】甲及び乙のfMRI及び近赤外線測定から算出したfMRI信号（細静脈・毛細血管）を経時的に示したグラフ
【図１】
0003740527.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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