JPH05337094A - 生体磁界の無雑音測定のためのシステムおよび方法 - Google Patents

生体磁界の無雑音測定のためのシステムおよび方法

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JPH05337094A
JPH05337094A JP5041586A JP4158693A JPH05337094A JP H05337094 A JPH05337094 A JP H05337094A JP 5041586 A JP5041586 A JP 5041586A JP 4158693 A JP4158693 A JP 4158693A JP H05337094 A JPH05337094 A JP H05337094A
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JP
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noise
gradiometer
reference system
dipole
biomagnetic
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JP5041586A
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John A Mallick
ジョン・アンドリュー・マリック
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General Electric Co
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    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/022Measuring gradient

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  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生体磁界を測定している領域の外側からの磁
界による雑音を抑圧する。 【構成】 磁界勾配を表す第一の信号を発生する少なく
とも1個の一次センサ勾配計100を生体磁気源130
の近くに配置し、干渉磁界およびその一次勾配を測定す
る基準系120を該勾配計の近くに配置し、勾配計およ
び基準系からの信号を組み合わせて、雑音を除去した信
号を発生する相殺手段150を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、その中で生体磁界を測
定している領域の外側から発する磁界による雑音を抑圧
するためのシステムおよび方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】脳、心臓のような生体発生源からの磁界
は大きさが背景地球磁界に比べて約7桁から8桁小さ
い。このような小さい磁界の測定は超伝導量子干渉装置
(SQUID:Superconducting Qu
antum Interference Devic
e)およびそれに結合された電子回路を使用して行うこ
とができる。しかし、背景地磁気雑音の抑圧に多少注意
を払わないと、より小さな生体信号はこの背景地磁気雑
音によって圧倒されるのが普通である。背景地磁気雑音
の抑圧には、二つの方法がある。第一の方法では、磁気
干渉を排除するかまたは測定領域のまわりに磁気干渉を
「向ける」高導電性や高透磁率の材料の閉じた小室を使
用して、所望の発生源およびセンサを干渉磁界から遮へ
いする。この方法により良好な結果が得られ、商用の生
体磁気システムはこの技術を用いる。しかし、このよう
な遮へいされた小室の構成は、材料としても不動産とし
ても高価である。
【0003】第二の方法では、所望の磁界に対する感度
に比べて干渉磁界に対する感度がずっと小さいセンサを
構成することにより干渉磁界を抑圧する。このようなセ
ンサは勾配計と呼ばれる。磁界のある高次の勾配(また
は空間導関数)に対して敏感であるように設計されるか
らである。この方式が利用している事実は、生体磁気源
に比べて磁気干渉源がセンサからずっと離れているの
で、それらの磁気勾配がより小さい(少なくとも勾配計
コイルの「有限差」により測定した場合)ということで
ある。双極子状の干渉源が150フィート以上離れてい
れば、二次の勾配計はその干渉を臨床品質の磁気遮へい
された室のほんの数分の一のコストで、それと同程度減
衰する。
【0004】都合の悪いことに、完全な勾配計を作るこ
とはできない。線を巻いたコイルの特定の機械的な構成
を使用して勾配計が作られるからである。理想的な勾配
計の性能を得るために、アライメントが非常に重要であ
る。たとえば、「作られたときの」二次の勾配計は多分
一次および零次の磁界にも応答する。これは「共通モー
ド応答」と呼ばれる。共通モード応答を最小にするため
に超伝導トリムタブが勾配計のまわりに機械的に配置さ
れるが、これらの調整は長たらしくて、時間とともに変
化しやすい。機械的トリム調整のもう一つの問題は、次
世代の生体磁気計に見られるような多数の(20個より
多い)勾配計があると、すぐに手に負えなくなるという
ことである。
【0005】したがって、平衡とトリムの操作に伴う困
難無しに遠くからの磁気干渉を更により良く抑圧するよ
うに高次の勾配計応答を達成するため、従来の勾配計を
改善しなければならない。
【0006】
【発明の目的】したがって、本発明の一つの目的は周囲
の発生源からの干渉無しに生体信号を測定するシステム
および方法を提供することである。本発明のもう一つの
目的は時間とともに変化する干渉磁界に応動するように
実時間で有効な、このようなシステムおよび方法を提供
することである。
【0007】更にもう一つの目的は組み立ての容易な比
較的簡単な構成要素を使用する、このようなシステムを
提供することである。
【0008】
【発明の概要】本発明の上記および他の目的は、一次セ
ンサ勾配計、該勾配計の近くに配置された基準系、勾配
計および基準系からの信号を相殺することにより雑音を
除去した信号を作成するための手段をそなえた生体磁気
測定用のシステムを設けることにより達成される。セン
サ位置での雑音磁界は、基準系の測定から決定される三
つの「等価」双極子を使用して推定される。事実上の勾
配計応答は、実際の勾配計応答から勾配計での雑音磁束
差を減算することにより計算される。この事実上の勾配
計応答は生体磁界に対する、雑音を除去した所望の応答
である。
【0009】本発明の新規な特徴は特許請求の範囲に明
確に記載されているが、本発明の構成および内容は本発
明の他の目的および特徴とともに、図面を参照した以下
の詳細な説明から、より良く理解され、評価される筈で
ある。
【0010】
【詳しい説明】図1は本発明の概略図である。主検知素
子100は一次勾配計群である。一次勾配計群の基線d
(コイル間の距離)は、生体磁気源130に最も近い検
知コイルと生体磁気源自体との間の距離より幾分か大き
くなるように選定される。生体磁気源130からの磁界
はr-2に比例するので、その生体磁気源に対する勾配計
の応答は勾配計より磁気計の応答に似たものとなる。た
とえば、勾配計の基線は5cmであり、生体磁気源に対
する距離が2cmである場合には、遠方コイルにより遮
断される磁束は近傍コイルによって遮断される磁束のほ
ぼ(2/7)2 すなわち10%未満となる。磁気干渉源
が勾配計の基線に比べて大きい距離の所に配置されてい
るとすれば、勾配計の応答はほぼ、干渉磁界の一次勾配
に勾配計基線を乗算したものとなる。
【0011】
【数7】
【0012】ここでNはコイル当たりの巻数であり、A
はコイルの面積である。殆どの干渉源は磁気双極子によ
って表すことができる。これらの磁気双極子は磁界強度
がr-3に比例しているので、その勾配がr-4に比例し、
より高次の勾配の大きさはより早く減衰する。センサ勾
配計100より上、したがって生体磁気源から更に遠く
に、基準系120が配置されている。基準系は空間内の
一点に於ける「雑音」磁界の測定値およびそれの一次勾
配を供給する。磁界の三つのベクトル成分があるので、
3個の直交磁気計が必要とされる。勾配テンソルの9個
の成分があるが、測定点では磁界がソレノイド状(▽・
B=0)であり、保存性(▽×ベクトルB=0)である
ので、5個の勾配成分だけを測定すればよい。したがっ
て基準系120には、3個の磁気計および5個の一次勾
配計が含まれている。
【0013】基準系120は雑音源のモデルを作成する
ために必要とされるデータを供給する。詳しく述べる
と、モデルは空間内の3個の双極子、すなわちx−y平
面内のz方向の双極子、z−x平面内のy方向の双極
子、およびy−z平面内のx方向の双極子で構成され
る。これらの双極子は測定された磁界に対する「最良の
はめ込み」に過ぎず、物理的な双極子を表すものではな
いので、ここでは「等価」双極子と呼ぶ。
【0014】双極子の大きさM、および位置(x,y,
z)のパラメータは下記のように基準系測定値から決め
ることができる。z双極子の場合、
【0015】
【数8】
【0016】y双極子の場合、
【0017】
【数9】
【0018】x双極子の場合、
【0019】
【数10】
【0020】Bxy,Bxz,Byzは独立でないので、双極
子パラメータが矛盾無く決められるようにいくつかの付
加的な拘束が必要とされた。使用される拘束の組は発見
的な(heuristic)アルゴリズムに従って得ら
れた。x−y平面のz方向の双極子は磁界勾配
【0021】
【数11】
【0022】によって決定され、それらに寄与する。し
かし、ベクトルBの回転の無い性質は、y−z平面のx
方向の双極子によって
【0023】
【数12】
【0024】も決まるということを意味する。同様なこ
とは
【0025】
【数13】
【0026】およびz−x平面のy方向の双極子につい
ても言える。一般に言えることであるが、各回転導関数
には3個の等価双極子の中のある2個の等価双極子から
の寄与があり、それらを分離する独特の方法は無い。等
価双極子の位置を決める式に対する回転導関数の寄与
は、影響を受ける双極子が作る磁界の大きさによって重
み付けされる。たとえば、x−y平面のz方向の双極子
の場合、双極子決定式(2)−(4)で量Bzx
【0027】
【数14】
【0028】に置き換えられた。残りの回転導関数に対
しても同様の置き換えが行われた。式(2)−(4)を
使用してこれらの3個の等価双極子が決定されれば、主
検知勾配計での雑音磁界を推定することができる。等価
雑音双極子の大きさと位置が与えられれば、磁気双極子
の式を使って次のように検知勾配計での磁界を計算する
ことができる。
【0029】
【数15】
【0030】但し、ベクトルrp およびベクトルrq
それぞれ検知コイルおよび等価双極子に対する位置ベク
トルである。検知コイルの寸法および方向を使用して勾
配計コイルの磁束を計算する方法は知られている。基準
系の発散導関数出力
【0031】
【数16】
【0032】は等価雑音双極子が供給する外挿された磁
界に対する簡単な線形補正として使用される。これらの
補正は次式に従って作成される。
【0033】
【数17】
【0034】補正は双極子の外挿された磁界に付加され
る。図2に示すように、基準系210はx、y、および
zを規定する原点(0,0,0)に配置されている。基
準系210の8個の成分で得られる測定値に基づいて、
3個の「等価」双極子212、214、および216が
計算される。3個の双極子は干渉磁界を生じる干渉源に
対する近似である。ベクトル220は式(5)のベクト
ルrq であり、これは基準系210から一つの等価双極
子212に向かう位置ベクトルである。図2にはベクト
ル230も示されている。ベクトル230は式(5)の
ベクトルrp である。ベクトル230は基準系210か
ら勾配計240の一つのコイルに向かう位置べクトルで
ある。式(5)は一つの双極子による一つのコイルでの
磁界を与えるので、両方の勾配計コイルに対する3個の
等価双極子の影響を明らかにするため、存在する各勾配
計に対してこの式を6回使用しなければならない。
【0035】勾配計240の一つのコイルを通る磁束は
雑音磁束と(生体磁気源からの)所望の信号磁束との合
計である。前に説明したように、式(5)ならびにコイ
ルの面積と方向の知識から雑音磁束を計算することがで
きる。測定された合計磁束からこの雑音磁束を減算すれ
ば、所望の生体磁界だけによる磁束が結果として得られ
る。勾配計はそれの2個のコイルの間の磁束の差を測定
するので、勾配計240の事実上の勾配計出力(生体磁
気源だけに対して勾配計応答がどうなるか)は次のよう
に計算される。
【0036】 事実上の勾配計出力=物理的な勾配計出力−[コイル2の雑音磁束−コイル1 の雑音磁束] (6) 再び図1を参照して説明する。物理的な勾配計信号11
0(式(6)の物理的な勾配計出力)が相殺手段150
に与えられる。相殺手段150は簡単な電子回路とする
ことができる。信号160は式(6)の括弧内の部分で
あり、これを信号110から減算することにより雑音を
除去した信号140(式(6)の「事実上の」勾配計出
力)が得られる。
【0037】本発明の特定の実施例を図示し、説明して
きたが、熟練した当業者が変形および変更を考えつき得
ることは明らかである。したがって、本発明の趣旨と範
囲内に入るこのような変形および変更をすべて包含する
ように、特許請求の範囲を記述してある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による生体磁気測定システムの概略構成
図である。
【図2】本発明により等価双極子を「はめ込んだ」、三
次元空間内の本発明の要素の概略構成図である。
【符号の説明】
100 センサ勾配計 110 物理的な勾配計信号 120 基準系 130 生体磁気源 140 雑音を除去した信号 150 相殺手段 160 雑音磁束差信号 210 基準系 240 勾配計

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 生体磁界の無雑音測定のための方法に於
    いて、 磁界勾配を表す第一の信号を発生する少なくとも1個の
    一次センサ勾配計を生体磁気源の近くに配置するステッ
    プ、 干渉磁界およびその一次の勾配を測定する基準系を上記
    勾配計の近くに配置するステップ、 上記基準系に対する各平面x−y、x−z、y−zの磁
    気双極子として上記干渉磁界を表すステップ、 上記基準系から上記勾配計コイルまでの位置ベクトルを
    ベクトルrp 、上記基準系から上記磁気双極子までの位
    置ベクトルをベクトルrq として、次の磁気双極子の式 【数1】 を使って、上記勾配計のコイルでの上記磁気干渉による
    雑音の推定値を計算するステップ、 上記基準系で測定された一次勾配 【数2】 を使って、上記推定値に対して線形補正を行うステッ
    プ、 上記勾配計のコイルに於ける雑音磁束を計算して、上記
    勾配計に対する雑音磁束勾配を表す第二の信号を発生す
    るステップ、および上記第一の信号と上記第二の信号の
    差を求めることにより、無雑音勾配計出力を表す信号を
    得るステップを含むことを特徴とする生体磁界の無雑音
    測定方法。
  2. 【請求項2】 上記基準系が3個の磁気計および5個の
    一次勾配計を含んでいる請求項1記載の生体磁界の無雑
    音測定方法。
  3. 【請求項3】 上記干渉磁界を表す上記ステップが、次
    式に従ってx−y平面のz方向の双極子を計算するステ
    ップ、 【数3】 次式に従ってx−z平面のy方向の双極子を計算するス
    テップ、 【数4】 次式に従ってy−z平面のx方向の双極子を計算するス
    テップ 【数5】 が含まれる請求項2記載の生体磁界の無雑音測定方法。
  4. 【請求項4】 上記線形補正ステップは次式 【数6】 に従って上記雑音推定値に対する線形補正を行う請求項
    3記載の生体磁界の無雑音測定方法。
  5. 【請求項5】 生体磁界測定システムに於いて、 少なくとも1個の一次センサ勾配計、 3個の磁気計および5個の一次勾配計を含む、上記勾配
    計の近くに配置された基準系、および上記勾配計および
    上記基準系の作成する信号を相殺することにより、雑音
    を除去した信号を発生する相殺手段を含むことを特徴と
    する生体磁界測定システム。
  6. 【請求項6】 上記相殺手段がアナログ回路である請求
    項5記載の生体磁界測定システム。
  7. 【請求項7】 上記相殺手段がコンピュータソフトウェ
    アである請求項5記載の生体磁界測定システム。
  8. 【請求項8】 上記相殺手段がディジタル回路である請
    求項5記載の生体磁界測定システム。
JP5041586A 1992-03-13 1993-03-03 生体磁界の無雑音測定のためのシステムおよび方法 Withdrawn JPH05337094A (ja)

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US07/850,725 US5187436A (en) 1992-03-13 1992-03-13 Noise cancellation method in a biomagnetic measurement system using an extrapolated reference measurement
US850725 1992-03-13

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