| 研究課題/領域番号 |
19H04438
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
奈良 高明 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (80353423)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 逆問題 / 核磁気共鳴画像 / 脳磁場 / 導電率 / 神経電流源 |
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| 研究実績の概要 |
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．
導電率推定に関して，昨年度は観測可能な磁場から，それに双対な電場成分を計算で求めることで，導電率を推定する手法を開発した．今年度は，磁場の全成分が利用可能な場合に電場の全成分を復元する方法，これを用いて導電率を推定する手法を開発した．これにより，体の中心で電場の一成分がほぼゼロになってしまい不安定になる問題が解消されることを示した．
また提案手法は人体内部の機械特性推定に対しても適用可能であることを示した．
MEGに関して，昨年度，局所的活動源と背景活動源が同時に存在するときに両者を分離して推定する反復計算法を開発した．しかしながら，本交互推定法では収束が保証されておらず，初期解次第で局所最適解に陥ることが数値実験で確認された．そこで本年度は，背景活動もパラメトリックに表現し，局所・背景活動源双方を同時に推定する手法を開発した．まず被験者のMRIデータに基づき，被験者の脳を球面に写す写像を構成する．その上で，局所的電流源は球面上の円領域で，背景電流源は球面調和関数で表現する異種ソースモデルを導出した．円領域は中心と半径の3パラメタで，また背景電流源は球面調和関数の展開係数で表現可能であり，パラメタ推定により局所・背景電流源を分離して推定できる．
数値シミュレーションにより，背景電流源が強い場合でも局在電流源の位置を安定して推定できることを示した．さらに，てんかんの実データに対して提案手法を適用し，頭蓋内電極による推定結果と符号する推定結果が得られた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
導電率推定に関して，もしも磁場全成分を入力として用いることができれば，人体内部の電場全成分が計算でき，導電率が安定に推定できることが示された．これは導電率推定にとって大きな成果といえる．磁場の計測可能な成分から計測不能な成分を如何に推定するかについては次年度の課題である．
MEG逆問題に関して，当初，局所的電流源と背景活動源を分離するために，パラメトリック法とイメージング法を交互に適用することを検討した．しかしながら一年目に開発した交互推定法では，初期解次第で局所最適解に陥りうることが数値実験により示された．そこで二年目には，球面調和関数を用いて背景活動源もパラメトリックに表現するという新たなソースモデルを導入した．このモデルを用いることで，局所・背景電流源の双方がある場合でも推定可能であることが数値実験，および，てんかん焦点同定の実データ解析に対し有効であることが示された．ただし，球面調和関数の展開次数の決定には任意性があり，これは次年度の課題である．以上から，研究はおおむね順調に進展しているといえる．
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| 今後の研究の推進方策 |
導電率推定に関して，MRIを用いて計測可能な磁場の正回転成分から，磁場の全成分を復元する手法を開発する．ここでは，今年度，電場の復元を行う際に用いたヘルムホルツ分解を用いる．これが完成すれば，まず磁場全成分を復元し，今年度開発した電場および電気特性を復元する手法の入力とすることで，人体内全領域における安定した導電率推定が可能になると考えられる．
MEG逆問題に関して，背景活動源をパラメトリックに表現した際の次数や適切な基底の選定について，体系的な数値実験により検証する．ただし，球面調和関数の基底数を増やした場合，そのすべてをパラメータとして推定するのはやはり困難になることが予想される．そこで背景活動源を皮質表面節点上の電流源で表し，その電流密度に統計モデルを仮定することで，局所・背景電流源を同時に推定するモデルについても併せて検討する．
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