本公开内容涉及磁性测量装置。
背景技术：
已知生物磁场测量是一种测量作为活体外部的磁场的根据活体的神经或肌肉的活动而产生的弱电流的方法。关于生物磁场测量，已经研发了使用超导量子干涉设备(squid)传感器阵列的系统，并且测量实际被执行为脑磁图或心磁图。
作为具体装置，例如，公开了磁性测量装置，其中多个超导磁传感器的传感器阵列被安装在传感器圆柱体的远端部分处的内表面上。在该磁性测量装置中，作为超导磁传感器，使用三轴squid传感器，其中圆柱体块装配有三个squid。以多个方向布置三轴squid传感器，从而形成传感器阵列(如，ptl1)。
技术实现要素：
技术问题
本公开内容的目的是提供能够增加信号处理速度而不降低性能的磁性测量装置。
问题解决方案
提供了磁性测量装置。磁性测量装置包括传感器阵列，其配置为检测由活体产生的磁场；电流源重新配置单元，其配置为基于从传感器阵列获得的磁场信号重构活体内部流动的电流的电流源。传感器阵列包括第一传感器，和第二传感器，第一传感器配置为检测多个方向上的磁场分量并且第二传感器配置为检测少于第一传感器的方向上的磁场分量。
发明的有益效果
根据实施方式，可能的是提供能够提高信号处理速度而不降低性能的磁性测量装置。
附图说明
[图1]图1是图解脊髓诱发的磁场测量系统的图。
[图2]图2是其中放大附接至对象的电极附近的图。
[图3]图3是图解根据实施方式的squid传感器阵列的实例的平面图。
[图4]图4是图解根据实施方式的磁性测量装置的功能方框图的实例的图。
[图5]图5是图解通过根据实施方式的信号分析单元的处理的实例的流程图。
[图6]图6是图解理想电流源重构的图。
[图7a]图7a是图解其中通过使用图3的传感器阵列重构电流源的实例的图。
[图7b]图7b是图解其中通过使用图3的传感器阵列重构电流源的实例的图。
[图8]图8是图解根据比较实施例1的squid传感器阵列的平面图。
[图9a]图9a是图解其中通过使用图8的传感器阵列重构电流源的实例的图。
[图9b]图9b是图解其中通过使用图8的传感器阵列重构电流源的实例的图。
[图10]图10是图解根据比较实施例2的squid传感器阵列的平面图。
[图11a]图11a是图解其中通过使用图10的传感器阵列重构电流源的实例的图。
[图11b]图11b是图解其中通过使用图10的传感器阵列重构电流源的实例的图。
[图12]图12是图解三轴传感器(1号)的另一布置实例的图。
[图13]图13是图解三轴传感器(2号)的另一布置实例的图。
[图14]图14是图解三轴传感器(3号)的另一布置实例的图。
具体实施方式
下面，参考附图，将描述实施方式。应当注意，在每个附图中，相同的数字指定相同的要素并且可以省略重复的描述。
(脊髓诱发的磁场测量系统)
在实施方式中，将描述实例，其中磁性测量装置被用于脊髓诱发的磁场测量系统。图1是图解脊髓诱发的磁场测量系统的图。图2是其中放大附接至对象的电极附近的图。
参考图1和图2，脊髓诱发的磁场测量系统1包括作为主元件的磁性测量装置10、低温容器20和电刺激装置30。磁性测量装置10包括squid传感器阵列11和信号处理单元12。
脊髓诱发的磁场测量系统1的一部分布置在磁屏蔽室100中。使用磁屏蔽室100，从而测量脊髓诱发的磁场，其是活体产生的弱磁场。磁屏蔽室100可以通过例如层压由为高导磁率材料的坡莫合金等制成的板和由导体诸如铜和铝制成的板构造。
磁屏蔽室100具有例如大约2.5m×3.0m×2.5m的内部空间，并且包括门110，该门110能够运输装备和仪器，并且使人能够进出。类似于磁屏蔽室100的其他部分，门110可以通过层压由为高导磁率材料的坡莫合金等制成的板和由导体诸如铜和铝制成的板构造。
应当注意，在本说明书中，高导磁率材料指其相对导磁率大于1000的材料。作为这类材料，除了坡莫合金外，可以列举铁、镍或钴的单质，铁、镍或钴的合金(包括无定形合金、粉末、纳米颗粒)，铁氧体等。
下面，将详细描述脊髓诱发的磁场测量系统1和其周围部件。在磁屏蔽室100中，布置床150。进一步地，在磁屏蔽室100中，布置低温容器20，并且将用于测量、控制等的信号线61附接至低温容器20。信号线61包括用于减少磁场噪声的绞合电缆等，并且穿过磁屏蔽室100中打开的孔1001，从磁屏蔽室100被拉出，并且被连接至包括在磁性测量装置10中的信号处理单元12。
在使用脊髓诱发的磁场测量系统1的测量中，对象300仰卧在磁屏蔽室100中的床150上，并且在对象300处于休息状态时执行脊髓诱发的磁场测量。通过在对象300处于休息状态时执行测量，可能的是，不仅减少对象300的负担，而且减少由于对象300的不必要的移动而造成的对象300和测量装置之间的位置间隙，和减少来自肌肉的由肌肉拉伸产生的磁场噪声等。
低温容器20也被称为杜瓦瓶，并保留squid传感器阵列11的低温操作所需的液氦，squid传感器阵列11检测由活体产生的磁场。例如，低温容器20包括适应脊髓诱发的磁场测量的突出单元201，并且squid传感器阵列11布置在突出单元201内部的液氦内。
通过使突出单元201——squid传感器阵列11布置在其内部——从仰卧在床150上的对象下侧更靠近对象300的颈椎，可能的是，在使squid传感器阵列11更靠近测量区域时执行脊髓诱发的磁场测量。
当测量脊髓诱发的磁场时，必须通过使用电刺激有意激起神经活动。因此，将电极40附接至对象300的身体的一部分310，并施加电刺激。电极40包括正极和负极，并且被附接至信号被有效地施加到对象300的肘关节和膝关节的正中神经处的皮肤的一部分上。
用于传输刺激的信号线62被附接至电极40。信号线62包括用于减小磁场噪声的绞合电缆等。信号线62穿过在磁屏蔽室100中打开的孔1002从磁屏蔽室100被拉出，并且被连接至布置在磁屏蔽室100外的电刺激装置30。
为了激起对象300的神经活动，电刺激装置30可以使脉冲形电流在电极40的正极和负极之间流动。关于在测量脊髓诱发的磁场时的电刺激，例如，以几赫兹施加约几毫安的脉冲电流。来自被电刺激诱发的脊髓的磁场由squid传感器阵列11检测。
在脊髓诱发的磁场测量系统1中，在测量脊髓诱发的磁场时用于电刺激的电流本身是磁场噪声。具体而言，由在信号线62中从电刺激装置30流向电极40并在电极40的正极和负极之间流动的脉冲电流产生的磁场进入squid传感器阵列11并成为噪声。
通过使用绞合电缆和光学传输降低由信号线62产生的噪声。然而，不能通过使用绞合电缆和光学传输降低在电极40的正极和负极之间流动的脉冲电流产生的噪声。因此，为了减少由用于电刺激的脉冲电流所产生的噪声和更精确地测量脊髓诱发的磁场，使用磁屏蔽罩50。
例如，磁屏蔽罩50可以由诸如坡莫合金等的高导磁率材料制成。用于制成磁屏蔽罩50的材料的导磁率越高，磁屏蔽效果将越高。磁屏蔽罩50具有在其中容纳对象300的部分310的空间510。
磁屏蔽罩50通过接地线接地。优选的是，磁屏蔽罩50的形状为圆柱形从而减小由在电极40的正极和负极之间流动的脉冲电流产生的磁场。进一步地，优选的是，磁屏蔽罩50固定在床150等上，以致磁屏蔽罩50和squid传感器阵列11之间的相对位置关系不变。
(磁性测量装置)
接下来，将详细描述磁性测量装置10。图3是图解根据实施方式的squid传感器阵列的实例的平面图。如图3中所图解，squid传感器阵列11包括三轴传感器111和单轴传感器112，三轴传感器111检测三个方向上的磁场分量，并且单轴传感器112检测一个方向上的磁场分量。在squid传感器阵列11中，三轴传感器111和单轴传感器112以矩阵的形式交替地布置。
这里，作为实例，布置了35个传感器，其非限制。可以布置任何数目的传感器。应当注意，三轴传感器111是根据实施方式的第一传感器的代表性实例，并且单轴传感器112是根据实施方式的第二传感器的代表性实例。
以三轴传感器111可以同时检测三个方向上的磁场的方式配置三轴传感器111，三个方向包括x方向、y方向和垂直于测量表面(xy平面)的方向，x方向是squid传感器阵列11的测量表面(图3中图解的表面)的较长侧方向，y方向是测量表面的较短侧方向。例如，三轴传感器111可以通过具有在圆柱形构件中彼此垂直布置的一个同轴差分测向线圈(coaxialdifferencepick-upcoil)(用于检测z方向上的磁场)和两个平面差分测向线圈(用于检测xy方向上的磁场)来实现。
以单轴传感器112仅能检测垂直于squid传感器阵列11的测量表面(xy平面)的z方向上的磁场的方式配置单轴传感器112。例如，单轴传感器112可以通过具有在圆柱形构件中的一个同轴差分测向线圈(用于检测z方向上的磁场)来实现。
应当注意，可能的是以单轴传感器112仅能检测x方向上的磁场，或者单轴传感器112仅能检测y方向上的磁场的方式配置单轴传感器112。然而，实验证实，当以单轴传感器112仅能检测z方向上的磁场的方式配置单轴传感器112时，在下面所描述的电流源重构中获得最优选的结果。
图4是图解根据实施方式的磁性测量装置的功能方框图的实例的图。如图4中图解，从squid传感器阵列11输出的磁场信号被发送至信号处理单元12。信号处理单元12包括信号获取单元121和信号分析单元122。进一步地，信号分析单元122包括伪像(artifact)去除单元1221和电流源重构单元1222。
信号获取单元121将从squid传感器阵列11输出的磁场信号转换成信号分析单元122可用的形式。例如，通过信号获取单元121，从squid传感器阵列11输出的模拟磁场信号被转换为数字磁场信号。
信号分析单元122的伪像去除单元1221基于从squid传感器阵列11获得的磁场信号去除伪像。换句话说，伪像去除单元1221基于从信号获取单元121发送的数字磁场信号去除伪像。
进一步地，信号分析单元122的电流源重构单元1222基于从squid传感器阵列11获得的磁场信号重构在活体内部流动的电流的电流源。换句话说，电流源重构单元1222基于已经去除了伪像的数字磁场信号重构在活体内部流动的电流的电流源。
应当注意，信号分析单元122可以包括，例如，中央处理单元(cpu)、只读存储器(rom)、主存储器等。在这种情况下，信号分析单元122的各种功能可以通过使存储在rom等中的程序读入主存储器并由cpu执行来实现。
图5是图解通过根据实施方式的信号分析单元122的处理的实例的流程图。如图5中所图解，首先，在步骤s101中，信号分析单元122的伪像去除单元1221经由信号获取单元121获取当通过电极40施加电刺激时由squid传感器阵列11检测到的磁场信号(称为磁场信号a)。应当注意，伪像去除单元122可以对磁场信号a执行平均、基线校正、移动平均等的处理。
接下来，在步骤s102中，信号分析单元122的伪像去除单元1221从磁场信号a中去除伪像。这里，伪像意思是除目标外与所获得的磁场信号混合的噪声分量。
为了去除伪像，例如，在图2中所图解的电极40的附近布置仅测量(理想地)伪像的伪像测量电极，进一步地，伪像去除单元1221经由信号获取单元121获取当通过用于伪像测量的电极施加电刺激时由squid传感器阵列11检测的磁场信号(被称为磁场信号b)，用于去除伪像。进一步地，伪像去除单元1221通过对磁场信号a和b应用矩阵奇异值分解(svd)的方法去除伪像。此时，必须检测多个方向上的磁场。
进一步地，也已经研究了一种方法，其中仅从磁场信号a去除伪像，而不包括用于伪像测量的电极(不获取磁场信号b)。在该方法中，通过使用在不同时间测量的多个磁场信号a执行矩阵运算来去除伪像。
应当注意，在例如，“removalofstimulus-inducedartifactsinfunctionalspinalcordimaging”(taishiwatanabe,yuyakawabata,daiukegawa,shigenorikawabata,yoshiakiadachimemberieee,kensukesekihara,fellowieee)中公开了去除伪像的详细方法。
接下来，在步骤s103中，信号分析单元122的电流源重构单元1222基于已经去除了伪像的数字磁场信号执行电流源的重构，该电流源为磁场产生源。
电流源的重构可以通过，例如，使用空间滤波器方法来执行。具体地，通过使用格拉姆矩阵g和导联场矩阵(leadfieldmatrix)l，获得的磁场信号b(t)的位置(r)的电流密度的权重矩阵w(r)被定义为w(r)＝g-1l(r)。可以根据传感器与重构表面之间的位置关系计算导联场矩阵。格拉姆矩阵被用于定义滤波器的特性并且已经提出各种格拉姆矩阵。进一步地，通过对磁场信号b(t)应用权重矩阵w(r)，可以获得重构的电流密度s(r,t)。
应当注意，在例如，“array-gainconstraintminimum-normspatialfilterwithrecursivelyupdatedgrammatrixforbiomagneticsourceimaging”(isamukumihashiandkensukesekihara,fellow,ieee)和“functionalimagingofspinalcordelectricalactivityfromitsevokedmagneticfield”(tomoyasato,yoshiakiadachi,member,ieee,masakitomori,senichiishii,shigenorikawabata,andkensukesekihara,fellow,ieee)中公开了电流源重构的详细方法。
接下来，在步骤s104中，信号分析单元122的电流源重构单元1222将电流源重构的结果输出到显示器等。理想的是重构在活体中的神经细胞中流动的电流的电流源如图6中所图解。在图6中，箭头的方向指示电流流动方向，并且箭头的长度指示电流的大小。如图6中所图解，理想的是包括两个输出电流(图6中的上和下)和两个返回电流(图6中的右和左)的四个电流的峰看起来是均匀。
图7是图解通过使用图3的传感器阵列重构电流源的实例的图。如图7a和图7b中所图解，在其中使用squid传感器阵列11的情况下，以非常接近图6的方式重构电流源，并且因此可以看出，squid传感器阵列11展示出足够的性能。应当注意，图7a图解了从刺激开始约10ms后的数据，并且图7b图解了自图7a0.025ms后的数据(同样可以适用于后面将描述的图9a和9b以及图11a和11b)。
(比较)
接下来，将通过包括比较实施例来描述磁性测量装置10的独特效果，图8是图解根据比较实施例1的squid传感器阵列的平面图。如图8中所图解，在根据比较实施例1的squid传感器阵列11p中，以矩阵的形式仅布置三轴传感器111。
图9a和图9b是图解通过使用图8的传感器阵列来重构电流源的实例的图。如图9a和图9b中所图解，在其中使用squid传感器阵列11p的情况下，以非常接近图6的方式重构电流源，并且因此可以看出，squid传感器阵列11p展示出足够的性能。
图10是图解根据比较实施例2的squid传感器阵列的平面图。如图10中所图解，在根据比较实施例2的squid传感器阵列11q中，以矩阵的形式仅布置单轴传感器112。
图11a和图11b是图解通过使用图10的传感器阵列来重构电流源的实例的图。如图11a和图11b中所图解，在其中使用squid传感器阵列11q的情况下，以非常不同于图6的方式重构电流源，并且因此可以看出，不能从squid传感器阵列11q获得足够的性能。
在这种情况下，可以认为，不足的伪像去除可能是不足性能的原因。换句话说，因为必须检测多个方向上的磁场从而去除伪像，所以优选的是包括三轴传感器111并且可以认为仅包括单轴传感器112是不足够的。
如上所述，当squid传感器阵列仅包括单轴传感器时，squid传感器阵列不能充分地执行电流源重构。另一方面，当squid传感器阵列仅包括三轴传感器时，在性能方面可能不存在问题，但是，如相关领域中所描述，出现了处理时间问题。下面将详细描述。
通常，当通过使用许多信号计算信号源时，使用许多矩阵运算。例如，在伪像去除中，包括其中为传感器数目的大小的矩阵计算奇异值的过程。当假设传感器的数目是m时，通过使用svd方法为m×m矩阵计算奇异值。
此时，即使使用快速方法，计算量也将为o(m2)并且当使用一般方法时，计算量将为o(m3)。换句话说，当传感器的数目m为1/2时，计算量将减少到1/4至1/8(处理速度将提高4至8倍)。应当注意，快速方法在例如“recentdevelopmentsofthemdlvsalgorithmforcomputingmatrixsingularvalues”(instituteformathematicalscienceskokyuproceedings,no.1594vol.,2008,136-148)中公开。
进一步地，在电流源重构中，计算格拉姆矩阵g的逆矩阵。当重构点的数目为n时，g为m×n矩阵。因此，类似于伪像去除的情况，当传感器的数目m为1/2时，计算量将减少到1/4至1/8(处理速度将提高4到8倍)。
如上所述，通常，在矩阵彼此的计算中，计算量将为o(m2)至o(m3)，并且因此通过减少传感器的数目可以显著提高处理速度。
应当注意，通过使用三轴传感器，在多个方向上检测磁场变得可能，并且大大提高了伪像去除的性能。然而，在伪像去除中，不必须需要高的传感器密度。重要的是传感器以适当的密度布置在宽范围内。
另一方面，在电流源重构中，不必须需要测量三个方向上的分量。可能的是通过使用仅z方向上的单轴传感器来执行电流源重构。然而，必须在一定程度上增加传感器密度，从而详细地识别电流源位置。
换句话说，为了提高电流源重构的分辨率，必须在一定程度上增加传感器密度，但仅使用单轴传感器就足够了。另一方面，鉴于伪像去除，必须使用三轴传感器，但不必须需要高密度传感器布置。
因此，在squid传感器阵列11中，布置伪像去除所需的最少数目的三轴传感器，并且其他传感器是单轴传感器。根据图7a、7b和图9a、9b之间的比较明显的是，与其中使用squid传感器阵列11p(参考图8)的情况相比，即使当使用squid传感器阵列11(参考图3)时，性能也不降低。
进一步地，通过使用squid传感器阵列11，与其中使用squid传感器阵列11p的情况相比，信号处理速度大大提高。具体而言，图3中的信号数目是三轴传感器111×18+单轴传感器112×17＝71。另一方面，图8中的信号数目为三轴传感器111×35＝105。
换句话说，当使用squid传感器阵列11时，计算量为o(m2)至o(m3)，并且与其中使用squid传感器阵列11p的情况相比，信号数目的比是71/105。因此，处理时间(计算量)为0.45至0.31，并且因此，可能的是使处理时间少于一半(处理速度超过两倍)。
由信号处理单元12执行的伪像去除和电流源重构的计算必须在从获得磁场信号到执行检查的有限时间内进行。从上述观点来看，当建立脊髓诱发的磁场测量系统1等时，处理速度的提高将是很大的优势。
进一步地，如果存在处理时间的余地，则可能增加信号的数目。可能的是在相同的处理时间内将传感器的数目增加两倍或三倍。可能的是通过具有布置在相同尺寸的传感器阵列上的更多(更薄)的传感器来提高电流源位置的检测精度。进一步地，通过具有布置在较宽尺寸的传感器阵列上的更多的传感器，可以搜索更宽面积中的电流源。
进一步地，由于结构的复杂性，与单轴传感器112相比，三轴传感器111的产率非常差，由此，与单轴传感器112相比，三轴传感器111是昂贵的。换句话说，当为了更高分辨率的电流源重构增加三轴传感器111的传感器密度时，传感器阵列的价格变得非常昂贵。
通过使用squid传感器阵列11，与其中使用squid传感器阵列11p的情况相比，三轴传感器111的使用数目减少了大约一半，并且因此，在降低成本方面，squid传感器阵列11具有很大的优势。
应当注意，三轴传感器111和单轴传感器112的布置可以被适当地确定，例如，三轴传感器111可以仅布置在周围，如在图12中所图解的squid传感器阵列11r中，或三轴传感器111可以仅布置在中心，如在图13中所图解的squid传感器阵列11s中。
然而，为了获得良好的性能，优选的是三轴传感器111和单轴传感器112以如下方式布置，在布置三轴传感器111和单轴传感器112的区域中，任何行或任何列包括三轴传感器111和单轴传感器112。
例如，如图14中所图解的squid传感器阵列11t所示，在布置三轴传感器111和单轴传感器112的区域中的每行和每列中，在相邻的三轴传感器之间布置有两个单轴传感器。可选地，在布置三轴传感器111和单轴传感器112的区域中的每列和每行中，可以在相邻的三轴传感器111之间布置三个或更多个单轴传感器。
为了获得进一步更好的性能，如图3中所图解，在布置三轴传感器111和单轴传感器112的区域中，优选地尽可能均匀地(以规则间隔)布置三轴传感器111。
应当注意，上面已经描述了单轴传感器对于提高电流源重构的分辨率是足够的；从去除伪像观点需要三轴传感器；并且因此，优选的是布置任意混合的两种传感器。然而，通过使用双轴传感器(在xyx方向的任意两个方向上检测磁场分量的传感器)可能获得一定水平的效果。
例如，双轴传感器和单轴传感器可以被任意混合和布置，三轴传感器和双轴传感器可以被任意混合和布置，或者三轴传感器、双轴传感器和单轴传感器可以被任意混合和布置。
换句话说，可能的是，通过至少布置在多个方向上检测磁场分量的第一传感器和在少于第一传感器的方向上检测磁场分量的第二传感器的混合，在去除伪像、保证电流源重构的性能和提高信号处理速度中获得一定水平的效果。
已经描述了优选实施方式。然而，实施方式不限于如上所描述，并且各种修改和替换可适用于上述实施方式而不背离权利要求的范围。
例如，在上述实施方式中，在磁性测量装置中，图解了其中使用squid传感器以形成传感器阵列的实例，其不限于使用squid传感器。在根据实施方式的磁性测量装置中，作为用于形成传感器阵列的传感器，可以使用例如原子磁强计(amm元件)、磁阻元件(mr元件)、磁阻抗元件(mi传感器)等。可选地，在根据实施方式的磁性测量装置中，可以布置上述传感器的混合。
进一步地，在上文中，图解了实例，其中根据实施方式的磁性测量装置用于但不限于脊髓诱发的磁场测量系统(脊髓量计)，用于检测作为磁场的在脊髓中行进的神经中流动的电流。可以在例如脑磁图或心磁图中使用根据实施方式的磁性测量装置。
本申请基于2015年9月10日提交的日本优先权申请号2015-178756和2016年7月8日提交的日本优先权申请号2016-136182并要求其优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。
参考标记列表
1脊髓诱发的磁场测量系统
10磁性测量装置
11squid传感器阵列
12信号处理单元
20低温容器
30电刺激装置
40电极
50磁屏蔽罩
61、62信号线
100磁屏蔽室
110门
111三轴传感器
112单轴传感器
121信号获取单元
122信号分析单元
150床
201突出单元
300对象
310对象身体的一部分
510空间
1001、1002孔
1221伪像去除单元
1222电流源重构单元
引用列表
专利文献
[ptl1]日本专利号4834076