DE19633200C2

DE19633200C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Biomagnetismus

Info

Publication number: DE19633200C2
Application number: DE19633200A
Authority: DE
Inventors: Shoichi Okamura; Akira Arakawa; Shigeki Kajihara
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1996-08-17
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2016-08-18
Also published as: US5752514A; DE19633200A1; JP3473210B2; JPH0966037A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von sehr kleinen Magnetfeldern, die durch bioelektrische Stromquellen in dem Körper einer un tersuchten Person oder eines Patienten erzeugt werden, und zum Bestimmen der bioelektrischen Stromquellen auf der Basis von Daten der Messung.

Mit den Entwicklungen der letzten Zeit in der Supraleiter technik werden Biomagnetismus-Meßvorrichtungen, die hoch empfindliche Flußmesser, genannt SQUID (supraleitende Quan teninterfacevorrichtung), verwenden, als eine Art von Vor richtung zur Verwendung in der medizinischen Diagnose im plementiert. Man geht davon aus, daß diese Biomagnetismus- Meßvorrichtungen nützlich bei der Aufklärung der Funktionen des Gehirns und bei der Diagnostizierung von Krankheiten der Kreislauforgane sein werden.

Die Biomagnetismus-Meßvorrichtung wird verwendet, um aus Daten gemessener Magnetfelder und mittels eines Kleinste- Quadrate- oder Kleinste-Norm-Verfahrens Positionen, Orien tierungen und Stärken von bioelektrischen Stromquellen in einem Koordinatensystem zu ermitteln, in dem Flußmesser als Bezug dienen (Jukka Sarvas "Basic mathematical and elec tromagnetic concepts of the biomagnetic inverse problem", Phys. Med. Biol., 1987, Bd. 32, Nr. 1, 11-22, gedruckt im UK).

Ein so erhaltenes Magnetoenzephalogramm kann mit medizi nischen Bildern kombiniert werden, wie z. B. MRI-Bildern, die mit einer Kernspinresonanz-Bildgebungsvorrichtung (MRI- Vorrichtung) aufgenommen worden sind, oder Röntgenbildern, die mit einer radiographischen CT-Vorrichtung aufgenommen worden sind, um einen physikalische Ort einer Krankheit oder dgl. in dem lebenden Körper zu bestimmen. Es ist wich tig, Informationen über die Position von bioelektrischen Strömen in dem auf den Flußmessern basierenden Koordinaten system, und ihre Positionsbeziehung mit den medizinischen Bildern zu erfassen.

Zu diesem Zweck werden Magnetfeldgeneratoren, die Posi tionsanzeigesonden genannt werden, in geeigneten Positionen auf der Kopfoberfläche angeordnet, wie z. B. nahe der Na senwurzel oder unter den Ohren. Die folgenden Verfahren sind zur Bestimmung einer Ortsbeziehung zwischen den bio elektrischen Stromquellen und der untersuchten Person vor geschlagen worden:

1. S. Ahlfors et al., "MAGNETOMETER POSITION INDICATOR FOR MULTI CHANNEL MEG", Advances in Biomagnetism, herausgegeben von S. J. Wiliamson et al., Plenum Press, New York 693-696, 1989;
2. Neuromag-122 Preliminary Technical Data (vorläufige technische Daten), August 1991;
3. "Method and Apparatus for Measuring Biomagnetism" (Ja panische Patentveröffentlichung (ungeprüft) Nr. H1-503603); und
4. "Position Detector for a Biomagnetic Field Measuring Apparatus" (Japanische Patentveröffentlichung (geprüft) Nr. H5-55126).

Bei diesen Verfahren werden drei oder mehr Sendespulen auf die Körperoberfläche einer untersuchten Person geklebt. Zuerst wird ein Gleichstrom an die erste Sendespule ange legt. Ein durch die erste Sendespule erzeugtes Magnetfeld wird durch eine Vielzahl von Flußmessern detektiert, deren gegenseitige Positionsbeziehung bekannt ist. Die Position der ersten Sendespule relativ zu der Gruppe von Flußmessern wird aus der Stärke des an die Sendespule angelegten Stro mes, den jeweils durch die Flußmesser detektierten Feld stärken und der Positionsbeziehung unter den Flußmessern bestimmt. Der Vorgang wird sukzessive auf die zweite und die folgenden Sendespulen angewendet, um die Positionen aller Sendespulen zu bestimmen, wodurch die Position der untersuchten Person relativ zu der Gruppe von Flußmessern bestimmt wird.

Jedoch sind drei Stadien des Vorgangs erforderlich, um die Position jeder Sendespule zu bestimmen. Diese sind (1) Bestimmen einer geeigneten Stromstärke, um eine durch die Flußmesser detektierbare Feldstärke zu erzeugen, (2) Anle gen des bestimmten geeigneten Stromes an die Sendespule und (3) Detektieren des durch die Sendespule erzeugten Magnet feldes. Bei den herkömmlichen Verfahren müssen diese Vor gänge entsprechend der Anzahl der auf den Körper der unter suchten Person Sendespulen geklebten Sendespulen wiederholt werden, und nicht weniger als ein Mehrfaches von zehn Se kunden vergeht bei dem Bestimmen der Position der unter suchten Person. Dies führt zu dem Nachteil, daß eine lange Untersuchungszeit zum Messen der bioelektrischen Stromquel len nötig ist.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus Fuchs M., et al.: Coordinate System Matching for Neuromagnetic and Morphological Reconstruction Overlay, in: IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 42, 1995, S. 416-420, bekannt. Dort werden zur Genauigkeitssteuerung digitale Lock-In-Verstärkungstechniken verwen det.

Speziell ist ein Vorschlag gemacht worden, die Superposition auf MRI-Bildern zu erleichtern, indem eine erhöhte Anzahl von Sendespulen verwendet wird (Japanische Patentveröffentlichung (ungeprüft) Nr. H8-98821). Jedoch erfordert ein solches Verfahren eine noch längere Zeit zum Bestimmen der Position der unter suchten Person.

Diese Erfindung ist mit Bezug auf den obengenannten Stand der Technik gemacht worden, und ihre Aufgabe ist, ein Biomagnetismus-Meßverfahren und eine Bioma gnetismus-Meßvorrichtung zur Verfügung zu stellen zum Bestimmen einer Positi onsbeziehung einer untersuchten Person mit Flußmessern innerhalb einer kurzen Zeit.

Diese Aufgabe wird gemäß dieser Erfindung gelöst durch ein Biomagnetismus- Meßverfahren nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet.

Bei dem obigen Verfahren gemäß dieser Erfindung werden Positionen der Sende spulen relativ zu der Vielzahl von Flußmessern durch gleichzeitiges Inschwingungversetzen der Sendespulen mit verschiedenen Frequenzen berechnet. Vergli chen mit dem Verfahren, bei dem die Sendespulen nachein ander in Schwingung versetzt werden, kann das Verfahren gemäß dieser Erfindung schnell die Positionen der Sendespu len messen, d. h. Positionen der untersuchten Person relativ zu der Vielzahl von Flußmessern. Insbesondere unterliegt eine Verarbeitungszeit kaum Veränderungen, sogar wenn zahl reiche Sendespulen verwendet werden, um eine schnelle und genaue Messung von bioelektrischen Stromquellen zu verwirk lichen. Nachdem Positionen der Sendespulen relativ zu den Flußmessern und Positionen der bioelektrischen Stromquellen relativ zu den Flußmessern gemessen worden sind, ermöglicht die Beziehung zwischen diesen Positionen die Identifizie rung der Positionen der bioelektrischen Stromquellen rela tiv zu den Sendespulen oder relativ zu der untersuchten Person.

Die Positionen der Sendespulen können z. B. aus Felddaten bestimmt werden, die durch nur einmaliges gleichzeitiges Inschwingungversetzen der Sendespulen erhalten werden. Um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, können die Posi tionen der Sendespulen aus Mittelwerten von Felddaten be stimmt werden, die durch mehrmaliges gleichzeitiges In schwingungversetzen der Sendespulen erhalten worden sind.

Der Schritt des Analysierens von Frequenzen der mit den Flußmessern gemessenen Felddaten und des Berechnens der von den Sendespulen herrührenden Feldstärken für einzelne Fluß messer kann durchgeführt werden, um Feldstärken von Fre quenzen, die den Sendespulen zugeordneten Frequenzen ent sprechen, als die von den Sendespulen herrührenden Feld stärken zu bestimmen. Ferner werden vorzugsweise Feldstär ken, die Maximalwerte in Frequenzbereichen haben, die den Sendespulen zugeordnete Frequenzen einschließen, als die von den Sendespulen herrührenden Feldstärken bestimmt. Dann können die von den Sendespulen herrührenden Feldstärken mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, sogar wenn leichte Va riationen bei Oszillationsfrequenzen der Sendespulen auf treten.

Der Schritt des Berechnens der Positionen der Sendespulen relativ zu den Flußmessern aus den berechneten Feldstärken kann auf der Basis einer Methode der kleinsten Quadrate zur Berechnung der Positionen der Sendespulen vorgenommen wer den.

Das Verfahren gemäß dieser Erfindung kann ferner aufweisen den Schritt des Identifizierens von Positionen der bioelek trischen Stromquellen auf einem medizinischen Bild einer interessierenden Region der untersuchten Person, auf der Basis der Positionen der Sendespulen relativ zu den Fluß messern und den Positionen der bioelektrischen Stromquellen relativ zu den Flußmessern. Dies ist nützlich für diagno stische und andere Zwecke, bei denen die Positionen der bioelektrischen Stromquellen auf einem medizinischen Bild einer interessierenden Region der untersuchten Person erkannt werden. In diesem Fall werden die Sendespulen an Positionen angebracht, die Positionen von Markern entsprechen, die an der interessierenden Region angebracht werden, bevor das medizinische Bild von der interessierenden Region aufgenommen wird, wobei die Positionen der bioelektrischen Stromquellen auf dem medizinischen Bild identifiziert werden, indem die bestimmten Positionen der Sendespulen zu den Positionen der Marker auf dem medizinischen Bild jeweils in Bezug gesetzt werden.

Bei einem weiteren Aspekt dieser Erfindung ist eine Biomagnetismus- Meßvorrichtung gemäß Anspruch 9 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei der obigen Vorrichtung gemäß dieser Erfindung liefert die Stromversorgungs einheit Wechselströme verschiedener Frequenzen an die einzelnen Sendespulen. Die Flußmesser detektieren Magnetfelder, die durch die Sendespulen erzeugt werden. Die Felderkennungseinheit führt eine Frequenzanalyse von Felddaten durch, die von den Flußmessern aufgenommen worden sind, um von den einzelnen Sendespulen herrührende Feldstärken für die einzelnen Flußmesser zu erkennen. Der Feldanaly sator berechnet Positionen der Sendespulen relativ zu den Flußmessern aus den Feldstärken, die für die jeweiligen Sendespulen erkannt worden sind.

Die Sendespulen sind nicht auf einen besonderen Typ beschränkt. Zum Beispiel kann jede Sendespule durch Druckme tall auf einem isolierenden Halter oder durch Wickeln eines Metalldrahtes um einen Spulenkörper hergestellt werden.

Die Stromversorgungseinheit kann z. B. eine Vielzahl von Wechselstromquellen (AC-Quellen), eine Vielzahl von jeweils mit einer der AC-Quellen verbundenen Verstärkern und eine Steuereinheit zum Steuern von Oszillationsfrequenzen der AC-Quellen und von Verstärkungsgraden der Verstärker auf weisen.

Jeder der bei dieser Erfindung verwendeten Flußmesser weist vorzugsweise eine Sondenspule und eine mit dieser verbun dene supraleitende Quanteninterfacevorrichtung auf.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner einen Bild speicher zum Speichern medizinischer Bilder einer inter essierenden Region der untersuchten Person aufweisen, wobei der Feldanalysator so betrieben werden kann, daß er die Positionen der bioelektrischen Stromquellen auf den medizi nischen Bildern identifiziert, indem er die berechneten Positionen der Sendespulen in Bezug setzt zu den Markern auf den medizinischen Bildern.

Vorzugsweise, ist eine Anzeige vorgesehen zum Anzeigen, in Superposition, der aus dem Bildspeicher gelesenen medizini schen Bilder und der Positionen der durch den Feldanalysa tor identifizierten bioelektrischen Stromquellen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner einen Stimula tor aufweisen zum Anwenden wenigstens eines Stimulus aus der Gruppe von Licht- und Schallstimuli und elektrischen Stimuli auf die untersuchte Person.

Im folgenden wird eine kurze Beschreibung der Zeichnungen gegeben. Zum Zweck der Erläuterung der Erfindung sind in den Zeichnungen mehrere Formen gezeigt, die gegenwärtig bevorzugt werden, wobei jedoch wohlverstanden sein soll, daß die Erfindung nicht auf die genauen gezeigten Anordnun gen und Instrumentarien beschränkt ist.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht einer Bio magnetismus-Meßvorrichtung zeigt, die eine Ausführungsform dieser Erfindung darstellt;

Die Fig. 2A und 2B sind perspektivische Ansichten, die Beispiele von Sendespulen zeigen;

Fig. 3 ist eine Ansicht, die eine Konstruktion einer Strom versorgungseinheit zeigt;

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das die Arbeitsweise der er findungsgemäßen Vorrichtung zeigt;

Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das die Arbeitsweise einer Magnetfelderkennungseinheit zeigt;

Die Fig. 6A und 6B sind Ansichten, die ein durch einen Flußmesser detektiertes Signal bzw. Frequenzkomponenten des Signals zeigen, wie sie sich durch eine Fourier-Transforma tion ergeben;

Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das die Arbeitsweise eines Feldanalysators zeigt;

Fig. 8 ist eine erläuternde Ansicht eines Verfahrens zur Ermittlung von bioelektrischen Stromquellen; und

Fig. 9 ist eine weitere erläuternde Ansicht eines Verfah rens zur Ermittlung von bioelektrischen Stromquellen.

Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung wird im folgenden im Detail unter Bezug auf die Fig. 1 bis 9 be schrieben.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Übersicht einer Bio magnetismus-Meßvorrichtung zeigt, die eine Ausführungsform dieser Erfindung darstellt. In Fig. 1 weist eine Sensorein heit 1 eine Vielzahl hochempfindlicher Flußmesser S1-Sm auf, von denen jeder aus einer Sondenspule und einer SQUID gebildet ist und sich zusammen mit einem Kühlmittel in einem Dewar befindet. Die Sensoreinheit 1 wird vor der Detektion von bioelektrischen Stromquellen nahe dem Kopf einer untersuchten Person M plaziert.

Sendespulen C1-Cn werden an charakteristischen Positionen zur Identifizierung der untersuchten Person M angebracht, wie z. B. nahe der Nasenwurzel oder unter den Ohren. Wie in Fig. 2A gezeigt ist, kann jede Sendespule C eine Basis 31 haben, die aus einem isolierenden Material wie z. B. Keramik gebildet ist, und einen Spulenbereich 32, der aus einem Druckmetall auf der Basis 31 geformt ist. Alternativ kann, wie in Fig. 2B gezeigt ist, jede Sendespule C' einen Spu lenkörper 33 haben, auf den ein Metalldraht 34 aufgewickelt ist.

Eine Stromversorgungseinheit 11 gibt gleichzeitig Wechsel ströme verschiedener Frequenzen und mit individuell be stimmten Stärken an die einzelnen Sendespulen C1-Cn aus. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, weist die Stromversorgungsein heit 11 eine Vielzahl von AC-Quellen AC1-ACn auf, ferner Verstärker AMP1-AMPn, die mit den AC-Quellen AC1-ACn ver bunden sind, und Stromausgänge out1-outn, die mit den Ver stärkern AMP1-AMPn verbunden sind. Die Stromausgänge out1- outn sind jeweils mit den Sendespulen C1-Cn verbunden. Oszillationsfrequenzen der AC-Quellen AC1-ACn und Verstär kungsgrade der Verstärker AMP1-AMPn sind individuell ein gestellt durch eine Erfassungssteuereinheit 5, die Teil eines Computers 6 ist. Die Erfassungssteuereinheit 5 führt auch eine Ein-Aus-Steuerung der AC-Quellen AC1-ACn durch.

Eine Datenerfassungseinheit 2 empfängt AC-Felddaten, die durch die Sendespulen C1-Cn produziert und durch die Fluß messser S1-Sm gemessen werden, und gibt die Daten nach einer Analog/Digital-Umwandlung an eine Magnetfelderken nungseinheit 3 aus, die Teil des Computers 6 ist.

Der Computer 6 weist die prinzipiellen Funktionen auf, die gemessenen Felddaten zu analysieren und den Betrieb der Stromversorgungseinheit 11 und anderer Komponenten zu steu ern. Grob beschrieben ist der Computer 6 in die Felderken nungseinheit 3, einen Feldquellenanalysator 4 und die Er fassungssteuereinheit 5 unterteilt.

Die Felderkennungseinheit 3 analysiert Frequenzen der Feld daten, die von der Datenerfassungseinheit 2 ausgegeben wer den, um Feldstärken zu berechnen, die individuell durch die Sendespulen C1-Cn geliefert und durch die Flußmesser S1-Sm gemessen werden.

Der Feldanalysator 4 berechnet Positionen der Sendespulen C1-Cn jeweils relativ zu den Flußmessern S1-Sm aus Daten der Feldstärken, die durch die Sendespulen C1-Cn geliefert und durch die Felderkennungseinheit 3 für die jeweiligen Flußmesser S1-Sm berechnet werden. Die berechneten Positio nen der Sendespulen C1-Cn werden in Bezug zu speziellen Punkten nahe der Nasenwurzel oder unter den Ohren der un tersuchten Person M auf MRI-Bildern gesetzt, die von einem Bildspeicher 7 ausgelesen werden. Informationen bezüglich anschließend gemessenen bioelektrischen Stromquellen werden auf einem Monitor 9 dargestellt, und zwar superpositioniert auf MRI-Bildern auf der Basis von der durch den Feldanaly sator 4 gefundenen Positionsbeziehung. Diese Informationen werden in einem externen Speicher 8 abgespeichert, wie z. B. einer MOD (magnetooptischen Platte), oder an einen Drucker 10 ausgegeben, je nachdem wie es erforderlich ist.

Die Erfassungssteuereinheit 5 führt außer dem Steuern der Stromversorgung durch die Stromversorgungseinheit 11 Steue rungen zum Anweisen eines Stimulators 12 durch, die unter suchten Person M mit Licht, Schall oder Elektrizität zu stimulieren.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform wird nun mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben, die ein Flußdiagramm einer Arbeits weise des Computers 6 zeigt.

Zuerst weist die Erfassungssteuereinheit 5 die Stromversor gungseinheit 11 an, gleichzeitig Wechselströme verschiede ner Frequenzen f1-fn und mit individuell bestimmten Stärken A1-An an die Sendespulen C1-Cn auszugeben. Das heißt, die Erfassungssteuereinheit 5 legt Oszillationsfrequenzen und Verstärkungsgrade für die einzelnen in Fig. 3 gezeigten AC- Quellen AC1-ACn und Verstärker AMP1-AMPn fest und weist die AC-Quellen AC1-ACn an, die Wechselströme auszugeben (Schritt S1).

Die Frequenz fi hat hier einen Einstellbereich, der durch eine Abtastfrequenz im Zeitbereich der Analog/Digital-Um wandlung in der Datenerfassungseinheit 2 bestimmt ist. Eine maximale Frequenz fmax in dem Einstellbereich wird durch die folgende auf einem Theorem des Abtastens basierende Gleichung beschrieben:

fmax = fs/2,

wobei fs die Abtastfrequenz im Zeitbereich der Analog/ Digital-Wandlung ist.

Andererseits müssen die Frequenzen zum gleichzeitigen Anle gen der Ströme an die Sendespulen C1-Cn wenigstens Inter valle fpitch dazwischen aufweisen, die durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

fpitch = fs/Nsamp,

wobei Nsamp die Anzahl der Abtastpunkte ist.

Zum Beispiel beträgt, wenn 1000 Abtastungen mit einer Ab tastfrequenz von 1 kHz gemacht werden, ein minimaler unter scheidbarer Frequenzunterschied (= fpitch) zwischen den AC- Quellen 1000 Hz/1000 = 1 Hz.

Daher wird eine maximal verwendbare Anzahl von Sendespulen Nmax durch die folgende Gleichung beschrieben:

Nmax = fmax/fpitch = Nsamp/2.

Als nächstes werden Felddaten verschiedener Frequenzen, die gleichzeitig von den Sendespulen C1-Cn produziert werden, durch die einzelnen Flußmesser S1-Sm detektiert. Die Daten erfassungseinheit 2 führt eine Analog/Digital-Umwandlung der Felddaten durch. Dann analysiert die Felderkennungs einheit 3 die Frequenzen, wodurch die Felddaten gemessen werden, die von den Sendespulen C1-Cn produziert und durch die Flußmesser S1-Sm detektiert werden (Schritt S2).

Das heißt, die Felddaten verschiedener Frequenzen, die gleichzeitig von den Sendespulen C1-Cn produziert werden, werden so detektiert, daß ein Flußmesser Sj die folgenden Felddaten Mj detektiert:

Mj = Σ Bi . nj,

wobei nj ein Normalenvektor der Sondenspule in dem Flußmes ser Sj ist und Bi ein Feldvektor ist, der durch die Sen despule Cj in der Position der Sondenspule in dem Flußmes ser Sj gegeben ist.

Eine Weise, in der die Felderkennungseinheit 3 das detek tierte Feld Mj unter den von den Sendespulen C1-Cn produ zierten Feldern identifiziert, wird nun mit Bezug auf das in Fig. 5 gezeigte Flußdiagramm beschrieben.

Zuerst werden die durch den Flußmesser Sj detektierten Felddaten Mj, wie sie in Fig. 6A gezeigt sind, einer Fourier-Transformation unterzogen (Schritt S21). Die durch den Flußmesser Sj detektierten Felddaten Mj stellen ein zusammengesetztes Magnetfeld dar, das durch die Sendespulen C1-Cn erzeugt ist, wobei einzelne Frequenzen gezielt vari iert sind. Daher stellen die Daten nach der Fourier-Trans formation, wie sie in Fig. 6B gezeigt sind, Ausgangssignale vorbestimmter Stärken dar, die den Frequenzen f1-fn ent sprechen, die an die jeweiligen Sendespulen C1-Cn angelegt worden sind. Als nächstes werden jeweils Signalstärken Mj1- Mjn für die Frequenzkomponenten f1-fn bestimmt, um dadurch Felddaten zu erhalten, die durch die Sendespulen C1-Cn geliefert werden (Schritt S22).

Die Prozesse der Schritte S21-S22 werden für alle Flußmes ser S1-Sm (Schritt S23) wiederholt, um Felddaten zu erhal ten, die durch die Sendespulen C1-Cn geliefert und durch die Flußmesser S1-Sm detektiert werden.

Anschließend berechnet der Feldanalysator 4 die Positions beziehung der Sendespulen C1-Cn mit den Flußmessern S1-Sm aus den Felddaten, die von den Sendespulen C1-Cn produziert und durch die Flußmesser S1-Sm detektiert worden sind, und aus den bekannten an die Sendespulen C1-Cn gelieferten Stromstärken (Schritt S3).

Eine Weise, in der die Positionen der Sendespulen C1-Cn relativ zu den Flußmessern S1-Sm detektiert werden, wird im folgenden mit Bezug auf das Flußdiagramm der Fig. 7 be schrieben, das eine Arbeitsweise des Feldanalysators 4 zeigt. In diesem Beispiel werden die Positionen der Sende spulen C1-Cn durch eine Methode der kleinsten Quadrate aus einer Gruppe von detektierten Feldstärken Mj1-Mjn bestimmt, die den einzelnen Sendespulen C1-Cn zugeordnet sind.

Zuerst benutzt der Feldanalysator 4 Felddaten, die von der ersten verwendeten Sendespule C1 produziert worden sind (Schritt S31), und legt eine angenommene Position der Sen despule C1 fest (Schritt S32). Dann berechnet der Feldana lysator 4 eine Gruppe von angenommenen Feldstärken, die durch die Flußmesser S1-Sm detektiert werden, wenn die Sendespule C1 in der angenommenen Position ist (Schritt S33). Der Feldanalysator 4 bestimmt eine Summe von Quadra ten von Differenzen zwischen den entsprechenden Gliedern (d. h. Differenzen zwischen entsprechenden durch die Fluß messer detektierten Feldstärken) der Gruppe von angenom menen Feldstärken und der Gruppe von tatsächlich detektier ten Feldstärken M11-Mm1. Diese Quadratsumme wird als Qua dratdifferenz bezeichnet (Schritt S34).

Anschließend wird die bestimmte Quadratdifferenz mit einem vorbestimmten Kriterium verglichen (Schritt S35). Wenn die Quadratdifferenz größer ist als das vorbestimmte Kriterium, wird die angenommene Position der Sendespule in einer Rich tung bewegt, um die Quadratdifferenz zu verringern (S36). Eine Quadratdifferenz wird für eine dadurch neu erhaltene angenommene Position bestimmt. Der obige Vorgang wird wie derholt, bis die Quadratdifferenz kleiner ist als das Kri terium (Schritte S33-S36).

Wenn die gefundene Quadratdifferenz kleiner ist als das vorbestimmte Kriterium, betrachtet der Feldanalysator 4 die angenommene Position als eine tatsächliche Position der Sendespule C1 und geht zur zweiten Sendespule C2 über (Schritt S38). Der obige Vorgang wird für alle Sendespulen C1-Cn in bezug auf die Flußmesser S1-Sm wiederholt (Schrit te S32-S37).

Wenn die Positionen der Sendespulen C1-Cn relativ zu den Flußmessern S1-Sm bestimmt sind, wird ein zum Messen der bioelektrischen Stromquellen benötigter Vorgang durchge führt. Das heißt, der Stimulator 12 wird zuerst betätigt, um die untersuchte Person M mit Licht, Schall oder Elek trizität zu stimulieren, damit bioelektrische Ströme in dem Körper der untersuchten Person M erzeugt werden (Schritt S4 in Fig. 4).

In Folge detektieren die Flußmesser S1-Sm schwache Magnet felder, die durch die bioelektrischen Ströme hervorgerufen werden, die durch den angewendeten Stimulus erzeugt worden sind. Die resultierenden Daten werden durch die Datenerfas sungseinheit 2 an den Feldanalysator 4 ausgegeben, um die Positionen der bioelektrischen Stromquellen relativ zu den Flußmessern S1-Sm zu berechnen (Schritt S5).

Verschiedene Methoden sind zum Berechnen von Positionen der bioelektrischen Stromquellen relativ zu den Flußmessern S1- Sm vorgeschlagen worden, wie z. B. die Methode der kleinsten Norm und der kleinsten Quadrate. Wenngleich jede dieser Me thoden benutzt werden kann, wird ein Stromquellen ermit telndes Verfahren im folgenden beschrieben, das auf der Methode der kleinsten Norm basiert.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird die Sensoreinheit 1 nahe der untersuchten Person M angeordnet. In der Sensoreinheit 1 sind Flußmesser S1-Sm angeordnet.

Andererseits ist eine Vielheit von Gitterpunkten 1-n in einer zu diagnostizierenden Region, z. B. dem Gehirn, der untersuchten Person M festgelegt. Unbekannte Stromquellen (Stromdipole) werden für die jeweiligen Gitterpunkte an genommen, die durch dreidimensionale Vektoren VPj (j = 1 bis n) dargestellt sind. Dann detektieren die Flußmesser S1-Sm Magnetfelder B1-Bm, die durch die folgenden Gleichun gen (1) beschrieben werden:

In den Gleichungen (1) ist VPj = (Pjx, Pjy, Pjz) und αij = (αijx, αijy, αijz).

αij ist ein bekannter Koeffizient, der die Intensität eines in der Position jedes Flußmesser S1-Sm detektierten Magnet feldes repräsentiert, wobei die Stromquellen in Einheits größen in X-, Y- und Z-Richtung auf den Gitterpunkten ange ordnet sind.

Mit [B] = (B1, B2, ... Bm) und [P] = (P1x, P1y, P1z, ... Pnx, Pny, Pnz) können die Gleichungen (1) als die folgende lineare Beziehung (2) umgeschrieben werden:

[B] = A [P] (2)

In der Gleichung (2) ist A eine Matrix mit 3n × m Elemen ten, die durch die folgende Gleichung beschrieben wird:

Wenn die inverse Matrix von A mit A^- bezeichnet wird, wird [P] durch die folgende Gleichung (4) beschrieben:

[P] = A^- [B] (4)

Die Methode der kleinsten Norm basiert auf der Vorausset zung, daß die Anzahl von Unbekannten 3n (wobei die Größen in X-, Y- und Z-Richtung der für die Gitterpunkte angenom menen Stromquellen berücksichtigt sind) größer ist als die Anzahl von Gleichungen m (die Anzahl der Flußmesser S1-Sm). Dieses Verfahren findet Lösungen für Stromquellen [P], indem die Bedingung angewendet wird, daß die Norm |[P]| der Stromquellen [P] minimiert wird. Die Lösungen könnten gleichförmig erhalten werden durch Gleichsetzen der Anzahl der Gleichungen m und der Anzahl von Unbekannten 3n, aber solche Lösungen wären sehr instabil. Aus diesem Grunde wird die Methode der kleinsten Norm angewendet.

Bei Anwendung der Bedingung, daß die Norm |[P]| von Strom quellen [P] minimiert wird, wird die obige Gleichung (4) als die folgende Gleichung (5) umgeschrieben:

[P] = A⁺[B] (5),

wobei A⁺ eine allgemeine inverse Matrix ist, die durch die folgende Gleichung (6) beschrieben wird

A⁺ = A^t(AA^t)^-1 (6),

wobei A^t eine transponierte Matrix von A ist.

Die Orientierungen und Größen der Stromquellen VPj an den jeweiligen Gitterpunkten werden durch Lösen der obigen Gleichung (5) ermittelt. Die Stromquelle mit dem größten Wert wird als die der wahren Stromquelle am nächsten kom mende angesehen.

Um die Leistungsfähigkeit der Methode der kleinsten Norm, die Position zu finden, zu verbessern, können die Kleinste- Norm-Lösungen wiederholt ermittelt werden, während die Gitterpunkte weiter unterteilt werden.

Fig. 9 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der in Fig. 8 gezeigten Gitterpunkte N. Bezugszeichen J in Fig. 9 be zeichnet den Gitterpunkt, der die Stromquelle aufweist, die durch die obige Methode der kleinsten Norm als nahe der wahren Stromquelle ermittelt worden ist. Eine Gruppe von feiner verteilten Gitterpunkten M (dargestellt durch kleine schwarze Punkte) ist zusätzlich um diesen Gitterpunkt J herum ausgewählt worden. Die oben beschriebene Technik wird auf die neu gewählte Gruppe von Gitterpunkten M angewendet, die innerhalb der anfangs gewählten Gruppe von Gitterpunk ten liegt, um eine Stromquelle zu ermitteln, die noch näher an der wahren Stromquelle liegt.

Nachdem die Positionen der Sendespulen C1-Cn relativ zu den Flußmessern S1-Sm und die Positionen der bioelektrischen Stromquellen relativ zu den Flußmessern S1-Sm wie oben be schrieben bestimmt worden sind, wird ein MRI-Bild, das von der untersuchten Person vorher aufgenommen worden ist, aus dem Bildspeicher 7 ausgelesen. Informationen, die die bio elektrischen Stromquellen zeigen, werden auf dem Monitor 9 in Überlagerung des MRI-Bildes angezeigt (Schritt S6).

Ein Verfahren zum Anzeigen der Informationen, die die bio elektrischen Ströme in Superposition in einer vorbestimmten Position auf dem MRI-Bild zeigen, wird im folgenden be schrieben. Zuerst werden Marker zur MRI-Bildaufnahme an Positionen angebracht, an denen die Sendespulen C1-Cn an gebracht werden sollen. Dadurch erscheinen die angebrachten Marker auf einem aufgenommenen MRI-Bild. Um bioelektrische Stromquellen zu messen, werden die Marker entfernt, die Sendespulen C1-Cn stattdessen angebracht, und die Positio nen der Sendespulen C1-Cn werden identifiziert. Folglich werden die Positionen der Sendespulen C1-Cn auf dem MRI- Bild bestimmt, indem die Positionen der Sendespulen zu den Positionen der auf dem MRI-Bild erscheinenden Marker in Beziehung gesetzt werden. Auf diese Weise werden Positionen von bioelektrischen Stromquellen auf dem MRI-Bild identifi ziert.

Die obige Berechnung liefert verbesserte Ergebnisse, wenn die Sendespulen im wesentlichen kreisförmige Spulenbereiche haben und keine Schwankungen in bezug auf die Spulenberei chen aller Sendespulen auftreten.

Bei der vorhergehenden Ausführungsform werden Positionen der Sendespulen relativ zu den Sendespulen aus Felddaten bestimmt, die von einem einzigen Oszillationsvorgang erhal ten werden. Diese Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern kann Mittelwerte von Felddaten verwenden, die aus einer Vielzahl von Oszillationsvorgängen erhalten worden sind, um jegliche Instabilitäten der AC-Quellen zu kompen sieren.

Bei der vorhergehenden Ausführungsform werden Signalstär ken, die zu den von der jeweiligen Sendespule ausgesandten Frequenzen gehören, aus Fourier-transformierten Felddaten erhalten. Eine maximale Signalstärke innerhalb eines Be reiches, der den Sendespulen zugeordnete Frequenzen ein schließt, z. B. innerhalb eines Frequenzbereiches, der durch Mittelung von den Sendespulen auf gegenüberliegenden Seiten zugeordneten Frequenzen bestimmt ist, kann als ein detek tiertes Feld einer Sendespule betrachtet werden.

Diese Erfindung kann in anderen speziellen Formen ausge führt werden, ohne von ihrem Wesen und ihren wesentlichen Eigenschaften abzuweichen, und demgemäß sollte eher auf die Ansprüche Bezug genommen werden als auf die vorhergehende Beschreibung, da sie den Umfang der Erfindung aufzeigen.

Bezugszeichenliste Fig. 1

1

Sensoreinheit

2

Datenerfassungseinheit

3

Magnetfelderkennungseinheit

4

Feldquellenanalysator

5

Erfassungssteuereinheit

6

Computer

7

Bildspeicher

8

Externer Speicher

9

Monitor

10

Drucker

11

Stromversorgungseinheit

12

Stimulator
C1-CnSendespulen (an die Oberfläche der untersuchten Person)
MUntersuchte Person
S1-SmFlußmesser

Fig. 4

S1Wechselstrom an die Sendespulen C1-Cn anlegen
S2Daten erfassen und Frequenzen analysieren
S3Positionen der Sendespulen relativ zu den Flußmes sern berechnen
S4Untersuchte Person M mit Licht, Schall usw. stimu lieren
S5Daten erfassen und bioelektrische Stromquellen er mitteln
S6Bioelektrische Stromquellen auf MRI-Bild anzeigen

Fig. 5

S21Felddaten Fourier-transformieren
S22Signalstärken entsprechend den an die Sendespulen angelegten Frequenzen messen
S23Signalverarbeitung für alle Sendespulen beendet?

Fig. 7

S32In Form einer Annahme die Position der i-ten Sende spule bestimmen
S33Angenommenes Feld der i-ten Sendespule in der virtu ellen Position ermitteln
S34Quadratdifferenz zwischen angenommenem und tatsäch lichem Feld bestimmen
S35Quadratdifferenz kleiner als das Kriterium?
S36Angenommene Position in eine Richtung bewegen, um die Quadratdifferenz zu verringern
S37Für alle Sendespulen vorgenommen?

Claims

1. Biomagnetismus-Meßverfahren zum Messen von in dem Körper einer unter suchten Person durch bioelektrische Stromquellen erzeugten schwachen Magnetfel dern mit einer Vielzahl von Flußmessern und zum Bestimmen wenigstens von Posi tionen der bioelektrischen Stromquellen auf Basis erhaltener Daten des Feldes, wo bei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bestimmen von Positionen einer Vielzahl von an der untersuchten Person angebrachten Sendespulen relativ zu den Flußmessern; und
Messen von in dem Körper einer untersuchten Person durch bioelektrische Stromquellen erzeugten, schwachen Magnetfeldern mit den Flußmessern und Be stimmen von Positionen der bioelektrischen Stromquellen relativ zu den Flußmes sern auf Basis erhaltener Daten des Feldes;
wobei der Schritt des Bestimmens der Positionen der Vielzahl von Sendespulen ein schließt:
gleichzeitiges Anlegen von Wechselströmen unterschiedlicher Frequenz an die an der untersuchten Person angebrachten Sendespulen, wobei an jede Sende spule ein Wechselstrom bestimmter Frequenz angelegt wird;
Messen von schwachen Magnetfeldern, die durch die mit den Wechselströ men versehenen Sendespulen erzeugt werden, mit den Flußmessern;
Analysieren von Frequenzen von mit den Flußmessern gemessenen Felddaten und Berechnen von von den Sendespulen herrührenden Feldstärken für einzelne der Flußmesser; und
Berechnen von Positionen der Sendespulen relativ zu den Flußmessern aus den berechneten Feldstärken.

2. Biomagnetismus-Meßverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Positionen der Sendespulen aus Felddaten bestimmt werden, die durch nur einmaliges gleichzeitiges In schwingungversetzen der Sendespulen erhalten werden.

3. Biomagnetismus-Meßverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Positionen der Sendespulen aus Mittelwerten von Felddaten bestimmt werden, die durch mehrmaliges gleichzeitiges Inschwingungversetzen der Sendespulen erhalten worden sind.

4. Biomagnetismus-Meßverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Analysierens von Frequenzen der mit den Flußmessern gemessenen Felddaten und des Berechnens der von den Sendespulen herrührenden Feldstärken für ein zelne Flußmesser durchgeführt wird, um Feldstärken von Frequenzen, die den Sendespulen zugeordneten Frequenzen entsprechen, als die von den Sendespulen herrührenden Feldstärken zu bestimmen.

5. Biomagnetismus-Meßverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Analysierens von Frequenzen der mit den Flußmessern gemessenen Felddaten und des Berechnens der von den Sendespulen herrührenden Feldstärken für ein zelne Flußmesser durchgeführt wird, um Feldstärken, die Maximalwerte in Frequenzbereichen haben, die den Sende spulen zugeordnete Frequenzen einschließen, als die von den Sendespulen herrührenden Feldstärken zu bestimmen.

6. Biomagnetismus-Meßverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Berechnens von Positionen der Sendespu len relativ zu den Flußmessern aus berechneten Feld stärken die folgenden auf einer Methode der kleinsten Quadrate basierenden Schritte aufweist:
Bestimmen, in Form einer Annahme, einer Position einer ersten Sendespule einer Vielzahl von Sendespulen;
Berechnen angenommener durch die Flußmesser detektier ter Feldstärken, wenn sich die erste Sendespule in der angenommenen Position befindet;
Berechnen einer Quadratdifferenz, die eine Quadratsumme von Differenzen zwischen entsprechenden Werten der an genommenen Feldstärken und detektierter von der ersten Sendespule herrührender Feldstärken ist, die durch Ana lysieren von Frequenzen von tatsächlich durch die Fluß messer gemessenen Felddaten erhalten worden sind;
Vergleichen der Quadratdifferenz mit einem vorgegebenen Kriterium;
Bewegen der angenommenen Position der ersten Sendespule in einer Richtung, um die Quadratdifferenz zu verrin gern, wenn die Quadratdifferenz größer ist als das Kri terium, Berechnen einer Quadratdifferenz auf der Basis einer neuen angenommenen Position und Wiederholen des obigen Vorgangs, bis die Quadratdifferenz auf einen Wert unterhalb des Kriteriums verringert ist;
Identifizieren der angenommenen Position als die Posi tion der ersten Sendespule, wenn die Quadratdifferenz kleiner ist als das Kriterium; und
Bestimmen, in Form einer Annahme, einer Position einer zweiten Sendespule nach dem Identifizieren der Position der ersten Sendespule, Identifizieren einer Position der zweiten Sendespule durch einen Prozess ähnlich dem obigen und anschließendes Identifizieren der Positionen aller verbleibenden Sendespulen.

7. Biomagnetismus-Meßverfahren nach Anspruch 1, das ferner aufweist den Schritt des Identifizierens von Positionen der bioelektrischen Stromquellen auf einem medizini schen Bild einer interessierenden Region der untersuch ten Person, auf der Basis der Positionen der Sendespu len relativ zu den Flußmessern und der Positionen der bioelektrischen Stromquellen relativ zu den Flußmes sern.

8. Biomagnetismus-Meßverfahren nach Anspruch 7, bei dem die Sendespulen in Positionen angebracht werden, die Positionen von Markern entsprechen, die in der inter essierenden Region angebracht werden, bevor das medi zinische Bild von der interessierenden Region aufgenom men wird, wobei die Positionen der bioelektrischen Stromquellen auf dem medizinischen Bild identifiziert werden, indem die bestimmten Positionen der Sendespulen zu den Positionen der Marker auf dem medizinischen Bild jeweils in Bezug gesetzt werden.

9. Biomagnetismus-Meßvorrichtung zum Messen von in dem Körper einer un tersuchten Person (M) durch bioelektrische Stromquellen (C1-Cn) erzeugten schwa chen Magnetfeldern mit einer Vielzahl von Flußmessern (S1-Sm) und zum Bestim men wenigstens von Positionen der bioelektrischen Stromquellen (C1-Cn) auf Basis erhaltener Daten des Feldes, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Vielzahl von an der untersuchten Person anbringbaren Sendespulen (C1- Cn);
Stromversorgungsmittel (11) zum Abgeben von Wechselströmen verschiede ner Frequenz an die einzelnen Sendespulen (C1-Cn), wobei jede Sendespule (C1- Cn) mit einem Wechselstrom bestimmter Frequenz versorgt wird;
eine Vielzahl von Flußmessern (S1-Sm) zum Messen von Magnetfeldern, die durch die mit den Wechselströmen versehenen Sendespulen (C1-Cn) erzeugt wer den,
Felderkennungsmittel (3) zum Analysieren von Frequenzen von durch die Flußmesser (S1-Sm) gelieferten Felddaten und zum Erkennen der von den Sendespulen (C1-Cn) herrührenden Feldstärken für die jeweiligen Flußmesser (S1- Sm); und
Feldanalysiermittel (4) zum Berechnen von Positionen der Sendespulen rela tiv zu den Flußmessern aus den Feldstärken, die für die Sendespulen erkannt wor den sind.

10. Biomagnetismus-Meßvorrichtung nach Anspruch 9, bei der jede Sendespule (C1-Cn) durch Druckmetall auf einem isolieren den Halter hergestellt ist.

11. Biomagnetismus-Meßvorrichtung nach Anspruch 9, bei der jede Sendespule (C1-Cn) durch Wickeln eines Metalldrahtes um einen Spulenkörper hergestellt ist.

12. Biomagnetismus-Meßvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Stromversorgungsmittel (11) aufweisen:
eine Vielzahl von Wechselstromquellen;
eine Vielzahl von jeweils mit einer der Wechselstrom quellen verbundenen Verstärkern; und
Steuermittel zum Steuern von Oszillationsfrequenzen der Wechselstromquellen und von Verstärkungsgraden der Ver stärker.

13. Biomagnetismus-Meßvorrichtung nach Anspruch 9, bei der jeder Flußmesser (S1-Sm) eine Sondenspule und eine mit dieser verbundene supraleitende Quanteninterfacevorrichtung aufweist.

14. Biomagnetismus-Meßvorrichtung nach Anspruch 9, die fer ner Bildspeichermittel (7) zum Speichern medizinischer Bil der einer interessierenden Region der untersuchten Per son (M) aufweist, wobei die Feldanalysiermittel (4) so betrie ben werden können, daß sie die Positionen der bioelek trischen Stromquellen auf den medizinischen Bildern identifizieren, indem sie die berechneten Positionen der Sendespulen (C1-Cn) in Bezug setzen zu den Markern auf den medizinischen Bildern.

15. Biomagnetismus-Meßvorrichtung nach Anspruch 14, die ferner Anzeigemittel (9, 10) aufweist zum Anzeigen, in Super position, der aus den Bildspeichermitteln (7) gelesenen medizinischen Bilder und der Positionen der durch die Feldanalysiermittel identifizierten bioelektrischen Stromquellen (C1-Cn).

16. Biomagnetismus-Meßvorrichtung nach Anspruch 9, die fer ner Stimulationsmittel (12) aufweisen zum Anwenden wenig stens eines Stimulus aus der Gruppe von Licht- und Schallstimuli und elektrischen Stimuli auf die unter suchte Person.