Identification of neural curren source domains by combining the non-invasimeasurement of the conductivity and magnetoencephalography

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H04438
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 奈良 高明 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (80353423)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 逆問題 / 磁気共鳴画像 / 脳磁場 / 導電率 / 神経電流源

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，第一に，Magnetic Resonance(MR)を用い，頭部の導電率分布を非侵襲で計測する手法を確立すること，第二に，これに基づき，脳回や脳溝をまたぐ神経電流源に対し，その領域形状を推定する脳磁場(Magnetoencephalography:MEG)逆問題解法を開発すること，以上二点である．
第一の導電率推定に関して，体内電磁場が満たすべき物理法則をみたすよう，電場ベクトルと電気特性を更新しながら推定していく反復解法を導出した．収束を理論的に保証するとともに，数値シミュレーションおよび生体を模擬したファントムを用いて実験的に検証した．観測不能な磁場成分に関しては生体構造を用いた数値シミュレーションを併用する手法も提案した．
第二のMEGに関して，昨年度，推定対象である局所活動源に加え，背景活動もパラメトリックに表現し，両者を同時に推定する手法を開発した．ただし問題点として背景活動を表現するパラメタ数に制限がつき，様々な背景活動を必ずしもよく表現できないことが明らかになってきた．そこで，局所活動源はパラメトリックに表現し，背景活動源は皮質メッシュ上の電流分布をイメージングモデルで表現する異種ソースモデルを開発した．局所活動源と背景活動源が同時に存在する場合，従来のパラメトリックモデルだけでは局所活動源位置がずれて推定されてしまうこと，従来のイメージングモデルだけでは局所活動源が分散してしまうこと，提案の異種ソースモデルでは両者が分離して推定可能なことを数値シミュレーションで示した．さらに，てんかんの実データに対して提案手法を適用し，側頭葉前部のてんかん焦点と，後頭部付近に広がる背景活動源を分離して推定できることを示した．

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] Heterogeneous source model for magnetoencephalography: Combination of a parametric and an imaging approach for separation of a focal source and background activities (2022)
  • Author(s): T. Nara, T. Yang, K. Kabashima, A. Hashizume, K. Iida, and K. Kurisu
  • Organizer: BIOMAG 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inverse source problem for Poisson’s equation for identification of an epileptic focus from magnetic field measurements (2022)
  • Author(s): T. Nara
  • Organizer: Theoretical and Numerical Trends in Inverse Problems and Control for PDEs, and Hamilton-Jacobi Equation: a French-Italian-Japanese Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] MRIを用いた電気特性再構成に向けた磁場の拘束条件を考慮した補間 (2022)
  • Author(s): 前田賢士郎, 江田尚弘, 宮廻裕樹, 長谷川圭介, 奈良高明
  • Organizer: 第39回センシングフォーラム 計測部門大会
• [Presentation] MRIを用いた人体内部の弾性率再構成 -ヘルムホルツ分解による非圧縮波の抽出- (2022)
  • Author(s): 中井透子, 江田尚弘, 宮廻裕樹, 長谷川圭介, 奈良高明
  • Organizer: 第39回センシングフォーラム
• [Presentation] 異種ソースモデルに基づく局所的神経電流原推定 －てんかん焦点同定への応用 (2022)
  • Author(s): 奈良高明, 楊天宇, 橋詰顕, 飯田幸治, 栗栖薫
  • Organizer: 日本応用数理学会 2022年度年会
• [Presentation] 異種ソースモデルに基づく脳磁場逆問題解法-パラメトリック解法とイメージング解法の融合- (2022)
  • Author(s): 奈良高明, 楊天宇, 橋詰顕, 飯田幸治, 栗栖薫
  • Organizer: 第37回生体磁気学会大会
• [Presentation] 生体電磁気逆問題への数理的アプローチ：脳磁場逆問題および人体内部電気特性再構成 (2022)
  • Author(s): 奈良高明
  • Organizer: 第14回医用生体電磁気学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 非計測磁場推定に基づく人体内部の電気特性再構成 (2022)
  • Author(s): 江田尚弘, 奈良高明
  • Organizer: 第14回医用生体電磁気学シンポジウム
• [Presentation] 脳磁図逆問題における最尤推定を用いた背景神経活動源の影響の除去 (2021)
  • Author(s): 楊天宇, 奈良高明
  • Organizer: 第38回センシングフォーラム
• [Remarks] 逆問題の直接解法，脳磁場逆問題：てんかん焦点同定への応用
  • URL: http://www.inv.ipc.i.u-tokyo.ac.jp/naratheme.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置及び情報処理方法 (2022)
  • Inventor(s): 奈良高明,伏見幹史,江田尚弘,新誠一,藤田博之,山形仁,矢野亨治
  • Industrial Property Rights Holder: 奈良高明,伏見幹史,江田尚弘,新誠一,藤田博之,山形仁,矢野亨治
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2022-009328
• [Patent(Industrial Property Rights)] INFORMATION PROCESSING APPARATUS AND INFORMATION PROCESSING METHOD (2022)
  • Inventor(s): 奈良高明,伏見幹史,江田尚弘,新誠一,藤田博之,山形仁,矢野亨治
  • Industrial Property Rights Holder: 奈良高明,伏見幹史,江田尚弘,新誠一,藤田博之,山形仁,矢野亨治
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: EFS ID 44848938
  • Overseas