脑内电流模拟方法及其装置、以及包含脑内电流模拟装置的经颅磁刺激系统制造方法及图纸

脑内电流模拟方法包含：第一工序，提供患者的断层图像数据之中至少包含脑的一部分的头部图像数据；第二工序，形成三维脑模型，所述三维脑模型由将在第一工序中提供的头部图像数据之中构成脑的至少一个区域分割为微小元素后的各个微小多面体单位构成；第三工序，提供第一信息，所述第一信息包含通过将线圈配置在患者的头部上来对线圈施加电流而对患者的脑赋予磁刺激来观察患者针对磁刺激的反应时的条件之中的至少线圈的位置和方向的条件、对线圈施加的电流的条件和与线圈的生成磁场有关的构造的条件；第四工序，基于在第三工序中提供的第一信息和包含按照每个微小多面体单位分配的电导率的第二信息来计算在三维脑模型的各个微小多面体单位内感应的涡流或电场。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及对在脑内感应的电流或电场进行模拟的方法和装置。本专利技术还涉及编入该装置的经颅磁刺激系统。
技术介绍
经颅磁刺激为通过电磁感应在脑内产生电流或电场来刺激神经元（neuron）的手法。根据该手法，如图1、2所示那样，对置于头部的皮肤上的刺激线圈施加电流（例如，交流），由此，形成变动磁场，并且，受到该变动磁场的影响而在脑内感应与线圈电流相反方向的涡流或电场，使用该涡流或电场来刺激神经元，由此，使动作电位产生。在图3中示出刺激线圈驱动电路的一个例子。作为使瞬间的电流在线圈中产生的原理，首先，从电源（包含交流电源、电源电路、升压电路。）向电容器蓄积电荷。之后，接通半导体闸流管（thyristor），由此，在刺激线圈中流动电流。在刺激线圈与电容器的谐振电路中通过二极管流动电流之后，半导体闸流管变为关断。由此，图4所示的正弦波1周期量的电流在刺激线圈中流动。经颅磁刺激被用于以神经传导速度的测量为首的临床检查或脑功能研究。在近年来，作为神经障碍性疼痛（neuropathic pain）或帕金森病（Parkinson's disease）、抑郁症等的治疗的应用，注目磁刺激。在这样的疾病中，关于利用药剂的治疗，存在未出现效果的事例，在这样的情况下，存在通过将电极埋入脑中来对脑赋予电刺激这样的治疗法。但是，在该情况下，由于需要开颅手术，所以不期望的患者较多。因此，作为治疗法研究了反复进行不需要手术的非侵袭性的磁刺激的反复经颅磁刺激。报告了例如在难治性神经障碍性疼痛中在对大脑的初级运动皮质（primary motor cortex）进行磁刺激之后能在1天的期间左右得到除痛效果。但是，以往的磁刺激装置有约70Kg的重量，此外，为了设置而需要电气工程，因此，仅能够在设备齐备的医疗机构中利用。此外，在实际的治疗时，一边参照患者的MRI数据一边决定刺激位置，因此，需要由熟练的医疗从事者进行的治疗。在难治性神经障碍性疼痛的治疗中，在成为靶的初级运动皮质之上以1mm的单位进行线圈的定位。但是，为了继续得到除痛效果，需要每天去医疗机构。因此，进行了能够仅通过图5所示的由非医疗从事者进行的操作利用的用于在宅治疗的新的磁刺激装置的开发。现有技术文献专利文献本专利技术者们开发了图5所示的磁刺激装置，关于对8字型进行改良后的磁场产生线圈或定位，已经进行了专利申请（WO2010/147064、日本特许公开公报2012-125546）。
技术实现思路
专利技术要解决的课题在经颅磁刺激疗法中，利用在脑内的目标部位感应的涡流来刺激神经元。关于该涡流的强度或分布，考虑通过线圈的构造或特性、施加电流等的磁场生成能力和线圈相对于患者的位置来决定。但是，使用电极等来实测在磁治疗中的对象患者的脑内实际生成的涡流并不是现实的。因此，根据利用线圈生成的磁场分布，进行了通过模拟来解析在脑内感应的涡流的尝试。到此为止的脑内涡流分布模拟为使用了标准模型的计算，为将脑看作同样的导体来求取电流分布的模拟。但是，关于实际的脑，大小或形状按照每个患者个人而不同，并且，电导率根据组织而不同，因此，患者个别的电流强度分布的计算是困难的，并且，模拟计算自身也复杂且需要时间的方面为问题。用于解决课题的方案因此，本专利技术的目的在于确立方法、装置，所述方法、装置通过使用对从各个患者的断层像提取出脑形状的脑模型和线圈进行模型化而在决定任意的脑模型与线圈的位置关系之后进行涡流解析的手法，从而以极其接近实测值的正确度对在想要进行经颅磁刺激治疗的患者的脑内生成的涡流的大小或分布进行模拟。在该手法中，优选的是，在电磁场解析中利用标量势有限差分法（Scalar Potential Finite Difference）（以下，称为“SPFD法”。）。根据该手法，能够利用模拟观察伴随着刺激线圈的装配位置的电流强度分布，能够在实际上未施加刺激的情况下验证刺激强度和刺激部位处的涡流强度或线圈相对于想要施加刺激的部位的最适合位置。此外，通过使用SPFD法，从而与以往的有限元法（finite element method）相比，大幅度地时间缩短成为可能，因此，在医生的研究、治疗中效率高的应付成为可能。进而，根据疾病选定最适合的感应电流分布的线圈的情况也变得容易，治疗上的意义较大。在脑内的涡流分布的解析中，不使用在市售的涡流解析软件中使用的有限元法而使用SPFD法，将包含脑的解析对象的立体分割为微小元素的微小多面体单位（例如，立方体），求取在各个微小多面体单位中产生的涡流。独自开发了使用了SPFD法的解析用的软件（程序）。在本专利技术的实施时，当然也可以使用有限元法等其他的模拟算法，但是，使用SPFD法的原始软件的优点为以下这3个。第一优点为以下这样的优点：在使用了有限元法的市售的软件中，分割模型的元素数目被限制为100万左右，但是，在原始软件中没有元素数目的限制。能够任意地指定分割数目、体素尺寸（voxel size），因此，能够将模型分割为更微细的元素，能够进行微细的解析。第二优点是不需要制作空气层。市售的软件需要在脑模型的周围制作配合脑模型的网格（mesh）的空气层，但是，本专利技术仅制作脑模型，因此，解析用模型的制作所需要的时间大幅度地变短。关于第三优点，可举出：通过改变计算手法，从而将计算时间缩短为市售的软件的约1/20。以下，说明用于解析的SPFD法的细节。根据法拉第定律（Faraday's law），在脑内感应的电场E和外部磁通量密度B满足数式（1）。[数式1]。当以满足数式（2）和（3）的方式选择磁矢量势A和电标量势φ时，根据这些势得到的电场和磁场满足式（1）。[数式2]。[数式3]。在此，数式（3）的总电场E如式（4）至（6）所示那样能够分解为源自矢量势的电场E1和源自标量势的电场E2。。在数式（5）中，从第一行向第二行的变形根据毕奥·萨伐尔定律（Biot-Savart law）。式中的μ0为真空的导磁率，r为空间的位置矢量，r’为磁场产生线圈上的位置矢量，I（r’）为位置r’处的线圈电流。源自矢量势的电场E1仅根据线圈的绕线形状和电流决定，能够使用数式（5）来比较容易地计算。源自标量势的磁场E2依赖于被实验者的头部形状，为了对其进行求取，需要SPFD法或有限元法等高度的数值解析手法。也与总电场E同样地，需要使用高度的数值解析手法来求取。当将数式（3）和欧姆定律（Ohm's law）的数式（7）带入到电流连续的数式（8）中时，得到数式（9）。。在数式（7）中，J表示感应电流密度，σ表示生物的电导率。关于数式（9），当进行8个微小多面体单位所共有的接点处的离散化时，数式（9）式变为数式（10）。。在数式（10）中，φn为接点n处的电标量势，An为将接点0与接点n连结的体素的边n所平行的外部磁矢量势的分量中边的中心处的值，ln为边n的长度，Sn为边n的电导（conductance）。将an设为与边n垂直的长方体的面的面积，将σn设为以边n相接的4个长方体的平均电导率，将数式（11）应用到数式（10）中，解开方程式，由此，求取电标量势。基于所求取的电标量势，使用数式（3）、（7）来求取涡流密度。。如上面叙述那样，在本模拟方法中，通过利用SPFD法，从而能够共同解析依赖于被实验者的头部形状的总电场E和涡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脑内电流模拟方法，其中，包含：第一工序，提供患者的断层图像数据之中至少包含脑的一部分的头部图像数据；第二工序，形成三维脑模型，所述三维脑模型由将在所述第一工序中提供的所述头部图像数据之中构成所述脑的至少一个区域分割为微小元素后的各个微小多面体单位构成；第三工序，提供第一信息，所述第一信息包含通过将线圈配置在所述患者的头部上来对所述线圈施加电流而对所述患者的脑赋予磁刺激来观察患者针对所述磁刺激的反应时的条件之中的至少所述线圈的位置和方向的条件、对所述线圈施加的电流的条件和与所述线圈的生成磁场有关的构造的条件；以及第四工序，基于在所述第三工序中提供的所述第一信息和包含按照每个所述微小多面体单位分配的电导率的第二信息来计算在所述三维脑模型的所述各个微小多面体单位内感应的涡流或电场。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.14 JP 2014-0269271.一种脑内电流模拟方法，其中，包含：第一工序，提供患者的断层图像数据之中至少包含脑的一部分的头部图像数据；第二工序，形成三维脑模型，所述三维脑模型由将在所述第一工序中提供的所述头部图像数据之中构成所述脑的至少一个区域分割为微小元素后的各个微小多面体单位构成；第三工序，提供第一信息，所述第一信息包含通过将线圈配置在所述患者的头部上来对所述线圈施加电流而对所述患者的脑赋予磁刺激来观察患者针对所述磁刺激的反应时的条件之中的至少所述线圈的位置和方向的条件、对所述线圈施加的电流的条件和与所述线圈的生成磁场有关的构造的条件；以及第四工序，基于在所述第三工序中提供的所述第一信息和包含按照每个所述微小多面体单位分配的电导率的第二信息来计算在所述三维脑模型的所述各个微小多面体单位内感应的涡流或电场。2.根据权利要求1所述的脑内电流模拟方法，其中，包含第五工序，在所述第五工序中，视觉地显示在所述第四工序中计算的涡流或电场的分布。3.根据权利要求1或2所述的脑内电流模拟方法，其中，所述各个微小多面体单位被分配为具有灰质、白质和脑脊髓液的任一个的电导率。4.根据权利要求1~3的任一项所述的脑内电流模拟方法，其中，所述第一信息包含所述电流的电流值或电压值的至少任一个。5.根据权利要求1~4的任一项所述的脑内电流模拟方法，其特征在于，在所述第四工序中，通过标量势有限差分法进行所述涡流或电场的计算。6.根据权利要求1~5的任一项所述的脑内电流模拟方法，其中，对所述线圈施加的电流为交流或脉动电流。7.一种脑内电流模拟装置，其中，包含：第一单元，提供患者的断层图像数据之中至少包含脑的一部分的头部图像数据；第二单元，形成三维脑模型，所述三维脑模型由将由所述第一单元提供的所述头部图像数据之中构成所述脑的至少一个区域分割为微小元素后的各个微小多面体单位构成；第三单元，提供第一信息，所述第一信息包含通过将线圈配置在所述患者的头部上来对所述线圈施加电流而对所述患者的脑赋予磁刺激来观察患者针对所述磁刺激的反应时的条件之中的至少所述线圈的位置和方向的条件、对所述线圈施加的电流的条件和与所述线圈的生成磁场有关的构造的条件；以及第四单元，基于由所述第三单元提供的所述第一信息和包含按照每个所述微小多面体单位分配的电导率的第二信息来计算在所述三维脑模型的所述各个微小多面体单位内感...

【专利技术属性】
技术研发人员：斋藤洋一，关野正树，泷山善弘，山本启太，
申请(专利权)人：国立大学法人东京大学，国立大学法人大阪大学，
类型：发明
国别省市：日本;JP