脳機能計測技術の高度化と応用

金沢工業大学

バイオ・化学部

応用バイオ学科
教授 樋口 正法
２０１９年８月２０日
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新技術の概要
高感度磁気センサの応用として脳磁計や超低磁場MRIがある。本技術はこれらの応用をさらに高度化する技術であり、従来不可能であった人工内耳装用者の脳磁図計測や勾配磁場による画像歪みを補正する技術である。これまでにない新たな脳機能計測技術に発展する可能性を秘めている。

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発表内容
1.脳磁計と高感度磁気センサ（SQUID）
2.新技術その１:変則二次微分型グラジオメータ（１） 人工内耳と脳磁計測（２）試作センサと評価実験
3.新技術その２：磁気センサ座標系による磁気共鳴画像の再構
成（１）再構成原理（２）勾配磁場歪みの補正
4.新技術の応用例
31. 脳磁計と高感度磁気センサ（SQUID）

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脳磁計（MEG）とは、MEG: MagnetoEncephaloGraphy
等磁場線図

磁力線

頭表面

神経興奮部位5磁場の大きさと種類-4磁場の大きさ （Ｔ テスラ）

10 T
(1 Gauss)

地磁気10-6 T

都市磁気雑音1億分の１

10-9 T

心臓（QRS波）
10-12 T

自発脳磁(α波)
誘発脳磁10-15 TSQUIDの最小磁場分解能6超伝導量子干渉素子(SQUID)（SQUID：Superconducting Quantum InterferenceDevice)
マイスナー効果とジョセフソン効果を利用した高感度な磁気センサ
約0.5mm超伝導リングジョセフソン接合

拡大図
SQUDの顕微鏡写真SQUIDの基本構造

ジョセフソン接合
約４μm□
7脳磁計装置超伝導センサ

液体ヘリウム製品化された脳磁計装置

液体ヘリウム容器（デュワ）の断面図8脳磁場計測例
聴覚誘発脳磁場

脳磁場波形

磁場分布

神経活動源推定結果
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2.新技術その１:変則二次微分型グラジオメータ（１） 人工内耳と脳磁計測（２）試作センサと評価実験

10人工内耳と脳磁計測
・ 人工内耳は感音性難聴で補聴器が有効でない人に適用されるもので、蝸牛内の聴神経を直接電気刺激することによって聴力を回復させる装置である。
・人工内耳には外部ユニットを固定するために磁石が内蔵されている。
・人工内耳は幼児にも適用され、その聞こえの評価が課題となる。
・聞こえの評価手段として脳磁計測が期待される。

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人工内耳計測の問題点
磁石の強磁場が脳磁計に与える影響
Same side to the CI device
CI inner device

magnet500pT
Range of AD converter

0pT-500pT0s

Some MEG sensors were unlocked.
4s

Opposite side to the CI device
500pT
Same side

Opposite side0pT
CI inner device

Ear tube

計測風景

Synchronized with blood pulse-500pT0s4s

観測波形

注：通常は脳磁計に磁石を近づけてはいけない。
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例えるならば、「白昼に星を見つける」
太陽がなければ磁石がなければ13従来型脳磁計センサの構成と特性

磁場強度

B1-B2x近距離
脳磁場源

B2信号：大遠距離
磁気ノイズ源
信号：小xSQUID

B1検出コイル距離
磁場源からの距離と磁場強度の関係

脳磁計用磁気センサ（1次微分型グラジオメータ）
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検出コイルと出力特性
各種検出コイルの出力特性
B1-B2

B1SQUID

610マグネトメータ
1次微分型

510B22次微分型
変則2次（a=9mm,b=41mm)
変則2次（a=16mm, b=34mm)

410

B1検出コイル

B1マグネトメータ

1次微分型
グラジオメータ

B1-2*B2+B3B３B2
B12次微分型
グラジオメータ

B1-2*B2+B3210110010−1B３B2B1コイル出力

31010baa≠b変則2次微分型
グラジオメータ−210020406080

100

120

140160180200

磁場源からの距離(mm)

磁気センサ

神経電流

人工内耳の磁石

距離a,bを調節することにより感度極限センサを実現することができる。
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試作システムType A, Type B combined irregular 2ndgradiometer
Type B

16 34

Type A941

マルチセンサType B irregular 2nd gradiometer

16 34

シングルセンサ

センサ配列
マルチセンサ：１２本
シングルセンサ：８本

試作システム外観16

磁石装着時の聴覚誘発磁場計測
CIユニットType B脳磁検出センサ

センサ

Type A
CIユニット側

リファレンスセ
ンサ

計測風景
観測波形群
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ノイズ除去処理例
レファレンスの重み付き引き算（CALM,Fixed Range）

Type B

Type B

Type A

Type A

加算平均（１００回）波形

処理結果

機械学習やディープラーニングを使った処理も検討中
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磁石なしデータとの比較
N100m
黒：磁石あり赤：磁石なし514

磁石なしAEF(31ポイントスムージン処理あり）

磁石ありAEF(31ポイントスムージン処理あり）

従来型脳磁計センサでは不可能だった人工内耳装用者の脳磁計測の可能性
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：２重グラジオメータおよび脳磁場測定装置• 出願番号 ：特許第5224486号• 出願人：金沢工業大学• 発明者：樋口正法、河合淳、小山大介

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3. 新技術その２：磁気センサ座標系による磁気共鳴画像の再構成（１）再構成原理（２）勾配磁場歪みの補正

21脳磁計と組み合わせた超低磁場MRI装置
MEG sensors

Dewer

Liquidhelium

MEG system

脳磁計

MRI用コイルセット

AB

CDA
DC

B
磁化分布画像とセンサ配置例

多点磁場計測におけるMR画像の違い
22磁気センサ座標系によるMR画像再構成原理

xyz

Bm

Bmyz

(Bmy2 + Bmz2)1/2

回転磁気ダイポールの磁場強度分布

相似パターン

LCR
ピクセルL

ピクセルC

ピクセルR

MR画像群の代表ピクセルのコントラスト分布23勾配磁場誤差による画像歪みの補正
磁化分布画像

位相エンコーディング

１次勾配+誤差

周波数エンコーディング

誤差なし再構成画像

１次勾配誤差（２次勾配）

周波数エンコーディング用勾配磁場

誤差あり再構成画像
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補正結果

各センセ画像の総和画像

補正画像

閾値を下げすぎ閾値を上げすぎ25

勾配磁場の直交性が悪い場合の画像歪み

αGyGx

歪み画像
（α=30度）補正画像
閾値をちょっと下げすぎ26

均一ファントムの画像補正マップによる方法
ｃｈ0

ｃｈ92

撮影
（勾配磁場歪みあり）

均一ファントム(磁化モーメント一定）

各ピクセル位置の推定

(x,y)

(i,j)

位置座標

画像ピクセルの配列番号補正されたファントム画像
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適用例
ch0

ゲイン補正マトリックス(ch0)ゲイン補正画像位置補正

ch92

ゲイン補正マトリックス(ch92)

ゲイン補正画像
位置補正

静磁場コイルや勾配磁場コイルの自由度を高くすることができる
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：座標変換装置、座標変換方法
及び座標変換プログラム• 出願番号 ：特願2018-018710• 出願人：金沢工業大学
• 発明者
：樋口正法

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4.新技術の応用例

30新たな脳機能可視化装置（超低磁場機能的磁気共鳴画像装置：ULF-fMRI）
高磁場fMRI→代謝（血流量）を反映した画像
ULF-ｆMRI→神経活動を直接反映した画像

ULF-fMRIの原理図

Current Off

Current On (12mA)
ULF-fMRIの原理実験例

ULF-fMRI用磁場制御シーケンス例31

脳信号制御による工学システムの開発ツール
EEG device, small microphone array, image sensor(op on)・・・・・・・・・

・・・

Cheers!

BluetoothHeadphone
Microphone array

Mobile terminal device

EarphoneEEG devicey(t):Brain signal
Calculate coherencevalue2Mixer

選択的聴取のためのスマート補聴器

C=x(t): Sound envelope

Gain control

XYX ×Y32

ブレイン・クローニングのための開発ツール

クローニングされた脳モデル
認知症や発達障害の脳研究に役立つ可能性

DNAに基礎を置く生物が長距離の宇宙旅行をするのは難しい。
（中略）
もっと簡単で、すでにほぼ私たちの手中にある方法は、宇宙に機械を送ることだ。
ホーキング、『ビッグ・クエスチョン＜人類の難問＞に答えよう」、宇宙に広まるのは機械的生命なのか？ より

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企業への期待・新たな脳機能計測装置の開発を考えている企業には、本技術が参考になるものと思われる。
・脳波などの脳信号を用いた工学システムの企画や商品化に興味がある企業との共同研究を希望

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お問い合わせ先
⾦沢⼯業⼤学
産学連携局 産学連携東京分室
新川 実、高田 理尋
ＴＥＬ
ＦＡＸ
e-mail

０３－５７７７ － １９６４
０３－５７７７ － １９６５
iuctky@mlist.kanazawa-it.ac.jp

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