JP7795396B2 - Magnetic field measurement device, magnetic field measurement method, and magnetic field measurement program - Google Patents
Magnetic field measurement device, magnetic field measurement method, and magnetic field measurement programInfo
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Description
本発明は、磁場計測装置、磁場計測方法、及び磁場計測プログラムに関する。 The present invention relates to a magnetic field measurement device, a magnetic field measurement method, and a magnetic field measurement program.
特許文献1には、空間オーバーサンプリングセンサアレイにおけるセンサノイズの抑制方法が記載されている。
[先行技術文献]
[特許文献]
特許文献1 米国特許出願公開第2019/125268号明細書
US Pat. No. 6,299,499 describes a method for suppressing sensor noise in a spatially oversampling sensor array.
[Prior art documents]
[Patent Documents]
Patent Document 1: U.S. Patent Application Publication No. 2019/125268
本発明の第1の態様においては、磁場計測装置を提供する。磁場計測装置は、各々が磁気センサを有する複数の磁気センサセルで構成される磁気センサアレイを備えてよい。磁場計測装置は、磁気センサアレイによって計測された計測データを取得する磁場取得部を備えてよい。磁場計測装置は、磁気センサアレイの一部の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第1の内部空間データを抽出し、磁気センサアレイの他の一部の磁気センサセルを含む複数の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第2の内部空間データを抽出する信号空間分離部を備えてよい。磁場計測装置は、第1の内部空間データに基づいて射影行列を算出する算出部を備えてよい。磁場計測装置は、射影行列を用いて第2の内部空間データのノイズを除去するノイズ除去部を備えてよい。 A first aspect of the present invention provides a magnetic field measurement device. The magnetic field measurement device may include a magnetic sensor array composed of a plurality of magnetic sensor cells, each having a magnetic sensor. The magnetic field measurement device may include a magnetic field acquisition unit that acquires measurement data measured by the magnetic sensor array. The magnetic field measurement device may include a signal space separation unit that extracts first internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by measurement data from a portion of the magnetic sensor cells in the magnetic sensor array, and extracts second internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by measurement data from a plurality of magnetic sensor cells including another portion of the magnetic sensor cells in the magnetic sensor array. The magnetic field measurement device may include a calculation unit that calculates a projection matrix based on the first internal space data. The magnetic field measurement device may include a noise removal unit that removes noise from the second internal space data using the projection matrix.
信号空間分離部は、磁気センサアレイの全ての磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第2の内部空間データを抽出してよい。 The signal spatial separation unit may extract second internal spatial data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by the measurement data from all the magnetic sensor cells of the magnetic sensor array.
信号空間分離部は、第1の内部空間データを抽出する磁気センサアレイの一部の磁気センサセルとは異なる他の一部の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第3の内部空間データを抽出してよい。算出部は、第1の内部空間データと第3の内部空間データとに基づいて1又は複数の射影行列を算出してよい。 The signal spatial separation unit may extract third internal spatial data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by measurement data from a portion of the magnetic sensor cells of the magnetic sensor array that is different from the portion of the magnetic sensor cells from which the first internal spatial data is extracted. The calculation unit may calculate one or more projection matrices based on the first internal spatial data and the third internal spatial data.
算出部は、第1の内部空間データにおける時間領域の基底と第3の内部空間データにおける時間領域の基底との共通部分を算出し、該共通部分に基づいて射影行列を算出してよい。 The calculation unit may calculate an intersection between a time domain basis in the first internal space data and a time domain basis in the third internal space data, and calculate a projection matrix based on the intersection.
算出部は、第1の内部空間データに基づいて第1の射影行列を算出し、第3の内部空間データに基づいて第2の射影行列を算出してよい。ノイズ除去部は、第1の射影行列を用いて第2の内部空間データのノイズの一部を除去し、第2の射影行列を用いて第2の内部空間データのノイズの他の一部を除去してよい。 The calculation unit may calculate a first projection matrix based on the first internal space data, and calculate a second projection matrix based on the third internal space data. The noise removal unit may use the first projection matrix to remove a portion of the noise in the second internal space data, and use the second projection matrix to remove another portion of the noise in the second internal space data.
第1の内部空間データと第3の内部空間データの差分を算出する減算部を備えてよい。算出部は、該差分に基づいて射影行列を算出してよい。 The system may include a subtraction unit that calculates the difference between the first internal space data and the third internal space data. The calculation unit may calculate a projection matrix based on the difference.
算出部は、第1の内部空間データを特異値分解することにより第1の内部空間データにおける時間領域の基底を算出し、該基底に基づいて射影行列を算出してよい。 The calculation unit may calculate a basis in the time domain of the first internal space data by performing singular value decomposition on the first internal space data, and calculate a projection matrix based on the basis.
磁場計測装置は、第1の内部空間データ及び第2の内部空間データについて、複数のデータの平均値をそれぞれ算出する平均処理部を更に備えてよい。算出部は、第1の内部空間データの平均値に基づいて射影行列を算出してよい。ノイズ除去部は、射影行列を用いて第2の内部空間データの平均値のノイズを除去してよい。 The magnetic field measurement device may further include an averaging processing unit that calculates the average value of multiple pieces of data for the first internal space data and the second internal space data. The calculation unit may calculate a projection matrix based on the average value of the first internal space data. The noise removal unit may use the projection matrix to remove noise from the average value of the second internal space data.
ノイズ除去部は、第2の内部空間データを射影行列によって信号空間に射影することにより、第2の内部空間データのノイズを除去してよい。磁気センサは、磁気抵抗素子を有してよい。 The noise removal unit may remove noise from the second internal space data by projecting the second internal space data into signal space using a projection matrix. The magnetic sensor may have a magnetoresistive element.
本発明の第2の態様においては、磁場計測方法を提供する。磁場計測方法は、各々が磁気センサを有する複数の磁気センサセルで構成される磁気センサアレイによって計測された計測データを取得する磁場取得段階を備えてよい。磁場計測方法は、磁気センサアレイの一部の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第1の内部空間データを抽出し、磁気センサアレイの他の一部の磁気センサセルを含む複数の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第2の内部空間データを抽出する信号空間分離段階を備えてよい。磁場計測方法は、第1の内部空間データに基づいて射影行列を算出する算出段階を備えてよい。磁場計測方法は、射影行列を用いて第2の内部空間データのノイズを除去するノイズ除去段階を備えてよい。 A second aspect of the present invention provides a magnetic field measurement method. The magnetic field measurement method may include a magnetic field acquisition step of acquiring measurement data measured by a magnetic sensor array composed of a plurality of magnetic sensor cells, each having a magnetic sensor. The magnetic field measurement method may include a signal space separation step of extracting first internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by the measurement data from a portion of the magnetic sensor cells in the magnetic sensor array, and extracting second internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by the measurement data from a plurality of magnetic sensor cells including another portion of the magnetic sensor cells in the magnetic sensor array. The magnetic field measurement method may include a calculation step of calculating a projection matrix based on the first internal space data. The magnetic field measurement method may include a noise removal step of removing noise from the second internal space data using the projection matrix.
本発明の第3の態様においては、磁場計測プログラムを提供する。磁場計測プログラムは、コンピュータを、各々が磁気センサを有する複数の磁気センサセルで構成される磁気センサアレイによって計測された計測データを取得する磁場取得部して機能させる。磁場計測プログラムは、コンピュータを、磁気センサアレイの一部の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第1の内部空間データを抽出し、磁気センサアレイの他の一部の磁気センサセルを含む複数の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第2の内部空間データを抽出する信号空間分離部として機能させる。磁場計測プログラムは、コンピュータを、第1の内部空間データに基づいて射影行列を算出する算出部として機能させる。磁場計測プログラムは、コンピュータを、射影行列を用いて第2の内部空間データのノイズを除去するノイズ除去部として機能させる。 A third aspect of the present invention provides a magnetic field measurement program. The magnetic field measurement program causes a computer to function as a magnetic field acquisition unit that acquires measurement data measured by a magnetic sensor array composed of a plurality of magnetic sensor cells, each having a magnetic sensor. The magnetic field measurement program causes the computer to function as a signal space separation unit that extracts first internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by measurement data from a portion of the magnetic sensor cells in the magnetic sensor array, and extracts second internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by measurement data from a plurality of magnetic sensor cells including another portion of the magnetic sensor cells in the magnetic sensor array. The magnetic field measurement program causes the computer to function as a calculation unit that calculates a projection matrix based on the first internal space data. The magnetic field measurement program causes the computer to function as a noise reduction unit that uses the projection matrix to reduce noise in the second internal space data.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 Note that the above summary of the invention does not list all of the necessary features of the present invention. Subcombinations of these features may also constitute inventions.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 The present invention will be described below through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the scope of the invention as claimed. Furthermore, not all of the combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.
図1は、本実施形態に係る磁場計測装置10の構成を示す。本実施形態に係る磁場計測装置10は、磁気センサアレイを用いて計測された磁場計測データによって示される磁場の空間分布から、異なる複数の内部空間データを抽出する。そして、磁場計測装置10は、内部空間データのノイズの少なくとも一部を、他の内部空間データから算出した射影行列を用いて除去する。本実施形態においては、磁場計測装置10が、人間の心臓の電気活動により生成される磁場である心磁を計測する心磁計測装置である場合を一例として説明する。しかしながら、これに限定されるものではない。磁場計測装置10は、人間以外の生体の心磁を計測するために用いられてもよいし、脳磁場等の心磁以外の生体磁場を計測するために用いられてもよい。また、磁場計測装置10は、鉄鋼材料や溶接部の表面および表面化の傷等を検出するための磁気探傷検査のために用いられてもよい。 Figure 1 shows the configuration of a magnetic field measurement device 10 according to this embodiment. The magnetic field measurement device 10 according to this embodiment extracts multiple different internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by magnetic field measurement data measured using a magnetic sensor array. The magnetic field measurement device 10 then removes at least a portion of the noise in the internal space data using a projection matrix calculated from other internal space data. In this embodiment, an example is described in which the magnetic field measurement device 10 is a magnetocardiogram measurement device that measures magnetocardiograms, which are magnetic fields generated by the electrical activity of the human heart. However, this is not limited to this. The magnetic field measurement device 10 may be used to measure magnetocardiograms of living organisms other than humans, or to measure biomagnetic fields other than magnetocardiograms, such as brain magnetic fields. The magnetic field measurement device 10 may also be used for magnetic particle testing to detect surface and subsurface defects in steel materials and welds.
磁場計測装置10は、本体部100と、情報処理部150とを備える。本体部100は、被験者の心磁をセンシングするためのコンポーネントであり、磁気センサユニット110と、ヘッド120と、駆動部125と、ベース部130と、ポール部140とを有する。 The magnetic field measurement device 10 comprises a main body 100 and an information processing unit 150. The main body 100 is a component for sensing the subject's cardiac magnetism, and includes a magnetic sensor unit 110, a head 120, a drive unit 125, a base unit 130, and a pole unit 140.
磁気センサユニット110は、心磁計測時に被験者の胸部における心臓に向かう位置に配置され、被験者の心磁をセンシングする。ヘッド120は、磁気センサユニット110を支持し、磁気センサユニット110を被験者に対向させる。駆動部125は、磁気センサユニット110およびヘッド120の間に設けられ、キャリブレーションを行う場合にヘッド120に対する磁気センサユニット110の向きを変更する。本実施形態に係る駆動部125は、図中のZ軸を中心に磁気センサユニット110を360度回転させることができる第1アクチュエータと、Z軸と垂直な軸(図中の状態においてはX軸)を中心に磁気センサユニット110を回転させる第2アクチュエータとを含み、これらを用いて磁気センサユニット110の方位角および天頂角を変更する。図中の駆動部125として示したように、駆動部125は図中のY軸方向から見るとY字形状を有し、第2アクチュエータは、磁気センサユニット110を図中X軸中心に360度回転させることができる。 The magnetic sensor unit 110 is positioned on the subject's chest facing the heart during cardiac magnetic field measurement and senses the subject's cardiac magnetic fields. The head 120 supports the magnetic sensor unit 110 and positions it facing the subject. The drive unit 125 is located between the magnetic sensor unit 110 and the head 120 and changes the orientation of the magnetic sensor unit 110 relative to the head 120 when performing calibration. The drive unit 125 in this embodiment includes a first actuator that can rotate the magnetic sensor unit 110 360 degrees around the Z axis in the figure, and a second actuator that rotates the magnetic sensor unit 110 around an axis perpendicular to the Z axis (the X axis in the state shown in the figure). These are used to change the azimuth angle and zenith angle of the magnetic sensor unit 110. As shown as the drive unit 125 in the figure, the drive unit 125 has a Y-shape when viewed from the Y axis direction in the figure, and the second actuator can rotate the magnetic sensor unit 110 360 degrees around the X axis in the figure.
ベース部130は、他の部品を支える基台であり、本実施形態においては心磁計測時に被験者が乗る台となっている。ポール部140は、ヘッド120を被験者の胸部の高さに支持する。ポール部140は、磁気センサユニット110の高さを被験者の胸部の高さに調整するべく上下方向に伸縮可能であってよい。 The base 130 is a base that supports the other components, and in this embodiment serves as a platform on which the subject stands when measuring magnetic fields. The pole 140 supports the head 120 at the height of the subject's chest. The pole 140 may be extendable in the vertical direction to adjust the height of the magnetic sensor unit 110 to the height of the subject's chest.
情報処理部150は、本体部100による計測データを処理して表示・印刷等により出力するためのコンポーネントである。情報処理部150は、PC(パーソナルコンピュータ)、タブレット型コンピュータ、スマートフォン、ワークステーション、サーバコンピュータ、または汎用コンピュータ等のコンピュータであってよく、複数のコンピュータが接続されたコンピュータシステムであってもよい。これに代えて、情報処理部150は、心磁計測の情報処理用に設計された専用コンピュータであってもよく、専用回路によって実現された専用ハードウェアであってもよい。 The information processing unit 150 is a component that processes measurement data from the main unit 100 and outputs it by display, printing, etc. The information processing unit 150 may be a computer such as a PC (personal computer), tablet computer, smartphone, workstation, server computer, or general-purpose computer, or may be a computer system in which multiple computers are connected. Alternatively, the information processing unit 150 may be a dedicated computer designed for processing information from magnetocardiography, or dedicated hardware realized by dedicated circuitry.
図2は、本実施形態に係る磁気センサユニット110の構成を示す。磁気センサユニット110は、磁気センサアレイ210およびセンサデータ収集部230を有する。磁気センサアレイ210は、複数の磁気センサセル220を有し、3軸方向の入力磁場を検出可能である。本図は、磁気センサアレイ210において、X方向、Y方向およびZ方向のそれぞれに複数の磁気センサセル220(例えば、X方向に8個、Y方向に8個、およびZ方向に2個の計128個の磁気センサセル220)が配置されている場合を示している。 Figure 2 shows the configuration of the magnetic sensor unit 110 according to this embodiment. The magnetic sensor unit 110 has a magnetic sensor array 210 and a sensor data collection unit 230. The magnetic sensor array 210 has multiple magnetic sensor cells 220 and is capable of detecting input magnetic fields in three axial directions. This figure shows a case in which the magnetic sensor array 210 has multiple magnetic sensor cells 220 arranged in each of the X, Y, and Z directions (for example, 8 magnetic sensor cells 220 in the X direction, 8 magnetic sensor cells 220 in the Y direction, and 2 magnetic sensor cells 220 in the Z direction, for a total of 128 magnetic sensor cells 220).
センサデータ収集部230は、磁気センサアレイ210に含まれる複数の磁気センサセル220に電気的に接続され(図示せず。)、複数の磁気センサセル220からのセンサデータ(検出信号)を収集して情報処理部150へと供給する。 The sensor data collection unit 230 is electrically connected to the multiple magnetic sensor cells 220 included in the magnetic sensor array 210 (not shown), collects sensor data (detection signals) from the multiple magnetic sensor cells 220, and supplies the data to the information processing unit 150.
図3は、本実施形態に係る磁気センサアレイ210における磁気センサセル220の構成を示す。複数の磁気センサセル220のそれぞれは、各々が磁気抵抗素子を有する少なくとも1つのセンサ部300を有する。本図においては、複数の磁気センサセル220のそれぞれが、3つのセンサ部300x~z(「センサ部300」と総称する。)を有し、入力磁場を3軸方向で検出可能である場合を一例として示す。しかしながら、複数の磁気センサセル220のいずれもが、3つのセンサ部300x~zを有することには限定されず、磁気センサアレイ210の少なくとも一部で、3軸方向の入力磁場を検出可能であればよい。この際、後述するように、磁気センサアレイ210によって各球面調和関数を空間サンプリングする場合、磁場における角運動量に関連した空間周波数への依存性を検出する必要がある。そのため、磁気センサアレイ210における各センサ部300の配置位置は、少なくとも、方位角方向および天頂角方向において、可能な限り偏りなく配置されているとよい。同様の理由により、磁気センサアレイ210における各センサの感磁軸についても、少なくとも、方位角方向および天頂角方向において可能な限り偏りなく配置されているとよい。センサ部300xはX軸方向に沿って配置されX軸方向の磁場を検出可能である。また、センサ部300yはY軸方向に沿って配置されY軸方向の磁場を検出可能である。また、センサ部300zはZ軸方向に沿って配置されZ軸方向の磁場を検出可能である。本図において一点鎖線で示される拡大図によって示されるように、本実施形態において、各センサ部300は、それぞれ、磁気抵抗素子の両端に磁気収束板が配置されている。したがって、各センサ部300は、磁気収束板に挟まれた狭い位置に配置された磁気抵抗素子を用いて磁場の空間分布をサンプリングすることにより、各軸方向において、空間におけるサンプリング点を明確にすることができる。各センサ部300の構成の詳細については後述する。 Figure 3 shows the configuration of the magnetic sensor cells 220 in the magnetic sensor array 210 according to this embodiment. Each of the multiple magnetic sensor cells 220 has at least one sensor unit 300, each having a magnetoresistive element. This figure illustrates an example in which each of the multiple magnetic sensor cells 220 has three sensor units 300x-z (collectively referred to as "sensor units 300") and can detect an input magnetic field in three axial directions. However, each of the multiple magnetic sensor cells 220 is not limited to having three sensor units 300x-z; it is sufficient that at least a portion of the magnetic sensor array 210 can detect an input magnetic field in three axial directions. In this case, as described below, when spatially sampling each spherical harmonic function using the magnetic sensor array 210, it is necessary to detect the dependence on spatial frequencies related to the angular momentum of the magnetic field. Therefore, it is preferable that the positions of the sensor units 300 in the magnetic sensor array 210 are arranged as evenly as possible, at least in the azimuth and zenith directions. For similar reasons, it is desirable that the magnetic sensing axes of each sensor in the magnetic sensor array 210 be arranged as evenly as possible, at least in the azimuth and zenith directions. Sensor unit 300x is arranged along the X-axis and can detect magnetic fields in the X-axis direction. Sensor unit 300y is arranged along the Y-axis and can detect magnetic fields in the Y-axis direction. Sensor unit 300z is arranged along the Z-axis and can detect magnetic fields in the Z-axis direction. As shown in the enlarged view indicated by the dashed-dotted lines in this figure, in this embodiment, each sensor unit 300 has magnetic concentrators arranged on both ends of the magnetoresistive element. Therefore, each sensor unit 300 samples the spatial distribution of the magnetic field using a magnetoresistive element arranged in a narrow position between the magnetic concentrators, thereby clearly defining the sampling points in space in each axis direction. The configuration of each sensor unit 300 will be described in detail later.
複数の磁気センサセル220は、X軸方向に沿ってΔx、Y軸方向に沿ってΔy、Z軸方向に沿ってΔzの間隔でそれぞれ等間隔に配列されている。磁気センサアレイ210における各磁気センサセル220の位置は、X方向の位置i、Y方向の位置j、およびZ方向の位置kの組[i,j,k]により表される。ここで、iは1≦i≦Nxを満たす整数であり(Nxは配列された磁気センサセル220のX方向に並べられた数を示す)、jは1≦j≦Nyを満たす整数であり(Nyは配列された磁気センサセル220のY方向に並べられた数を示す)、kは1≦k≦Nzを満たす整数である(Nzは配列された磁気センサセル220のZ方向にならべられた数を示す)。なお、上述の説明では、複数の磁気センサセル220が、各軸方向に沿って等間隔に配列されている場合を一例として示した。しかしながら、これに限定されるものではない。複数の磁気センサセル220は、例えば、X軸方向、Y軸方向、および、Z軸方向の少なくともいずれか一つの軸方向において、それぞれ異なる間隔に配列されていてもよい。 The multiple magnetic sensor cells 220 are arranged at equal intervals of Δx along the X-axis, Δy along the Y-axis, and Δz along the Z-axis. The position of each magnetic sensor cell 220 in the magnetic sensor array 210 is represented by a set [i, j, k], where i is the X-axis position, j is the Y-axis position, and k is the Z-axis position. Here, i is an integer satisfying 1≦i≦Nx (Nx indicates the number of arranged magnetic sensor cells 220 in the X-axis), j is an integer satisfying 1≦j≦Ny (Ny indicates the number of arranged magnetic sensor cells 220 in the Y-axis), and k is an integer satisfying 1≦k≦Nz (Nz indicates the number of arranged magnetic sensor cells 220 in the Z-axis). Note that the above description illustrates an example in which the multiple magnetic sensor cells 220 are arranged at equal intervals along each axis. However, this is not limiting. The multiple magnetic sensor cells 220 may be arranged at different intervals in at least one of the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction, for example.
本図において、センサ部300x、300y、および300zにより検出する磁場の3軸方向と、磁気センサセル220を配列する三次元の方向とが同一方向である。これにより、測定磁場の分布の各成分の把握が容易となる。また、センサ部300x、300y、および300zは、各磁気センサセル220内において、磁気センサセル220を配列する三次元方向それぞれから見て互いに重ならないように配置されている。また、本図において、センサ部300x、300y、および300zは、複数のセンサ部300の間に設けるギャップ側に一端が設けられ、他端が当該ギャップから離れるように3軸方向の各軸方向に延伸して配置されている。一例として、本図において、磁気センサセル220の正面視左下の角部に空隙(ギャップ)が設けられ、センサ部300x、300y、および300zは、一端が当該空隙に接するように設けられ、他端が当該空隙から離れるようにX軸、Y軸、およびZ軸方向の各軸方向に延伸して配置されている例を示す。本図において、センサ部300x、300y、および300zが、立方体状の磁気センサセル220の一角部から互いに垂直な3辺に沿って配置され、該一角部に空隙が設けられている。また、後に述べるセンサ部300x、300y、および300zが有するコイルまたは磁性体が、互いに重ならないように配置されていることが好ましい。これにより、測定点を明確にでき、測定磁場の各成分の把握がさらに容易となる。また、センサ部300x、300y、および300zが有する他軸感度を互いに等価なものとみなすことができる。この他軸感度は、センサ部300x、300y、および300zが有するコイル、または磁性体による相互干渉によって発生するものである。しかしながら、検出する磁場の3軸方向と磁気センサセル220を配列する三次元の方向とは異なっていてもよい。両者が異なる場合、磁気センサセル220内におけるセンサ部300の配置や、磁気センサセル220の配列方向に制約を受けることがなく、磁気センサアレイ210の設計の自由度を増すことができる。 In this diagram, the three-axis directions of the magnetic field detected by sensor units 300x, 300y, and 300z are the same as the three-dimensional direction in which the magnetic sensor cells 220 are arranged. This makes it easier to understand each component of the distribution of the measured magnetic field. Furthermore, sensor units 300x, 300y, and 300z are arranged within each magnetic sensor cell 220 so that they do not overlap each other when viewed from each of the three-dimensional directions in which the magnetic sensor cells 220 are arranged. Furthermore, in this diagram, sensor units 300x, 300y, and 300z are arranged with one end located on the gap side between multiple sensor units 300 and the other end extending in each of the three axial directions away from the gap. As an example, this figure shows an example in which a gap is provided in the lower left corner of the magnetic sensor cell 220 when viewed from the front, and the sensor units 300x, 300y, and 300z are arranged so that one end is in contact with the gap and the other end is away from the gap, extending in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. In this figure, the sensor units 300x, 300y, and 300z are arranged along three mutually perpendicular sides from one corner of the cubic magnetic sensor cell 220, with the gap provided in the corner. It is also preferable that the coils or magnetic bodies of the sensor units 300x, 300y, and 300z, described below, are arranged so as not to overlap each other. This clarifies the measurement points and makes it easier to understand each component of the measured magnetic field. Furthermore, the other-axis sensitivities of the sensor units 300x, 300y, and 300z can be considered equivalent to each other. This other-axis sensitivity is generated by mutual interference between the coils or magnetic materials of the sensor units 300x, 300y, and 300z. However, the three-axis directions of the magnetic field to be detected may differ from the three-dimensional direction in which the magnetic sensor cells 220 are arranged. When the two directions are different, there are no restrictions on the placement of the sensor units 300 within the magnetic sensor cells 220 or the arrangement direction of the magnetic sensor cells 220, increasing the degree of freedom in the design of the magnetic sensor array 210.
図4は、本実施形態に係る磁気抵抗素子を有する磁気センサの入出力特性の一例を示す。本図は、横軸が磁気センサに入力する入力磁場の大きさBを示し、縦軸が磁気センサの検出信号の大きさV_xMR0を示す。磁気センサは、例えば、巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magneto-Resistance)素子またはトンネル磁気抵抗(TMR:Tunnel Magneto-Resistance)素子等を有し、予め定められた一軸方向の磁場の大きさを検出する。 Figure 4 shows an example of the input/output characteristics of a magnetic sensor having a magnetoresistive element according to this embodiment. In this figure, the horizontal axis represents the magnitude B of the input magnetic field input to the magnetic sensor, and the vertical axis represents the magnitude V_xMR0 of the detection signal from the magnetic sensor. The magnetic sensor may have, for example, a giant magnetoresistive (GMR) element or a tunnel magnetoresistive (TMR) element, and detects the magnitude of a magnetic field in a predetermined uniaxial direction.
このような磁気センサは、入力磁場Bに対する検出信号V_xMR0の傾きである磁気感度が高く、10pT程度の微小な磁場を検出することができる。その一方で、磁気センサは、例えば、入力磁場Bの絶対値が1μT程度で検出信号V_xMR0が飽和してしまい、入出力特性の直線性が良好な範囲が狭い。そこで、このような磁気センサにフィードバック磁場を発生させる閉ループを加えると、磁気センサの直線性(または線形性と呼ぶ)を改善することができる。このような磁気センサについて次に説明する。 Such magnetic sensors have high magnetic sensitivity, which is the slope of the detection signal V_xMR0 relative to the input magnetic field B, and can detect weak magnetic fields of around 10 pT. On the other hand, with magnetic sensors, the detection signal V_xMR0 saturates when the absolute value of the input magnetic field B is around 1 μT, for example, and the range over which the linearity of the input/output characteristics is good is narrow. Therefore, adding a closed loop that generates a feedback magnetic field to such a magnetic sensor can improve the linearity (also called linearity) of the magnetic sensor. Such magnetic sensors are described below.
図5は、本実施形態に係るセンサ部300の構成例を示す。センサ部300は、複数の磁気センサセル220のそれぞれの内部に設けられ、磁気センサ520と、磁場生成部530と、出力部540とを有する。なお、センサ部300の一部、例えば増幅回路532および出力部540は、磁気センサセル220側ではなくセンサデータ収集部230側に設けられてもよい。 Figure 5 shows an example configuration of the sensor unit 300 according to this embodiment. The sensor unit 300 is provided inside each of the multiple magnetic sensor cells 220, and includes a magnetic sensor 520, a magnetic field generation unit 530, and an output unit 540. Note that part of the sensor unit 300, such as the amplifier circuit 532 and the output unit 540, may be provided on the sensor data collection unit 230 side rather than on the magnetic sensor cell 220 side.
磁気センサ520は、図4で説明した磁気センサと同様に、GMR素子またはTMR素子等の磁気抵抗素子を有する。また、磁気センサ520は、磁気抵抗素子の両端に配置された磁気収束板を有する。磁気センサ520が有する磁気抵抗素子は、感磁軸の正の方向を+X方向とした場合に、+X方向の磁場が入力すると抵抗値が増加し、-X方向の磁場が入力すると抵抗値が減少するように形成されてよい。即ち、磁気センサ520が有する磁気抵抗素子の抵抗値の変化を観測することにより、当該磁気センサ520に入力する磁場Bの大きさを検出することができる。例えば、磁気センサ520の磁気感度をSとすると、磁気センサ520の入力磁場Bに対する検出結果は、S×Bと算出できる。なお、磁気センサ520は、一例として、電源等が接続され、抵抗値の変化に応じた電圧降下を、入力磁場の検出結果として出力する。磁気センサ520の構成の詳細については後述する。 Like the magnetic sensor described in Figure 4, the magnetic sensor 520 has a magnetoresistive element such as a GMR element or a TMR element. The magnetic sensor 520 also has magnetic concentrators disposed on both ends of the magnetoresistive element. The magnetoresistive element of the magnetic sensor 520 may be configured so that, assuming the positive direction of the magnetic sensing axis is the +X direction, its resistance increases when a magnetic field is input in the +X direction and decreases when a magnetic field is input in the -X direction. In other words, by observing changes in the resistance of the magnetoresistive element of the magnetic sensor 520, the magnitude of the magnetic field B input to the magnetic sensor 520 can be detected. For example, if the magnetic sensitivity of the magnetic sensor 520 is S, the detection result of the magnetic sensor 520 in response to the input magnetic field B can be calculated as S x B. The magnetic sensor 520 is connected to a power source, for example, and outputs a voltage drop corresponding to changes in resistance as the detection result of the input magnetic field. The configuration of the magnetic sensor 520 will be described in detail later.
磁場生成部530は、磁気センサ520が検出した入力磁場を低減させるフィードバック磁場を磁気センサ520に与える。磁場生成部530は、例えば、磁気センサ520に入力する磁場Bとは逆向きで、絶対値が当該入力磁場と略同一のフィードバック磁場B_FBを発生させ、入力磁場を打ち消すように動作する。磁場生成部530は、増幅回路532と、コイル534とを含む。 The magnetic field generation unit 530 applies a feedback magnetic field to the magnetic sensor 520 that reduces the input magnetic field detected by the magnetic sensor 520. For example, the magnetic field generation unit 530 generates a feedback magnetic field B_FB that is oriented in the opposite direction to the magnetic field B input to the magnetic sensor 520 and has approximately the same absolute value as the input magnetic field, thereby operating to cancel out the input magnetic field. The magnetic field generation unit 530 includes an amplifier circuit 532 and a coil 534.
増幅回路532は、磁気センサ520の入力磁場の検出結果に応じた電流をフィードバック電流I_FBとして出力する。磁気センサ520が有する磁気抵抗素子が、少なくとも1つの磁気抵抗素子を含むブリッジ回路により構成される場合、増幅回路532の入力端子対には、ブリッジ回路の出力がそれぞれ接続される。そして、増幅回路532は、ブリッジ回路の出力に応じた電流をフィードバック電流I_FBとして出力する。増幅回路532は、例えば、トランスコンダクタンスアンプを含み、磁気センサ520の出力電圧に応じたフィードバック電流I_FBを出力する。例えば、増幅回路532の電圧・電流変換係数をGとすると、フィードバック電流I_FBは、G×S×Bと算出できる。 The amplifier circuit 532 outputs a current corresponding to the detection result of the input magnetic field of the magnetic sensor 520 as the feedback current I_FB. If the magnetic resistance element of the magnetic sensor 520 is configured as a bridge circuit including at least one magnetic resistance element, the outputs of the bridge circuit are connected to the input terminal pairs of the amplifier circuit 532. The amplifier circuit 532 then outputs a current corresponding to the output of the bridge circuit as the feedback current I_FB. The amplifier circuit 532 includes, for example, a transconductance amplifier, and outputs the feedback current I_FB corresponding to the output voltage of the magnetic sensor 520. For example, if the voltage-current conversion coefficient of the amplifier circuit 532 is G, the feedback current I_FB can be calculated as G x S x B.
コイル534は、フィードバック電流I_FBに応じたフィードバック磁場B_FBを発生させる。コイル534は、磁気センサ520が有する磁気抵抗素子および磁気抵抗素子の両端に配置された磁気収束板を取り囲むように巻かれている。コイル534は、磁気センサ520の全体にわたって均一のフィードバック磁場B_FBを発生させることが望ましい。例えば、コイル534のコイル係数をβとすると、フィードバック磁場B_FBは、β×I_FBと算出できる。ここで、フィードバック磁場B_FBは、入力磁場Bを打ち消す向きに発生するので、磁気センサ520に入力する磁場は、B-B_FBに低減されることになる。したがって、フィードバック電流I_FBは、次式のように示される。
(数1)式をフィードバック電流I_FBについて解くと、センサ部300の定常状態におけるフィードバック電流I_FBの値を算出することができる。磁気センサ520の磁気感度Sおよび増幅回路532の電圧・電流変換係数Gが十分に大きいとすると、(数1)式から次式が算出される。
出力部540は、磁場生成部530がフィードバック磁場B_FBを発生するために流すフィードバック電流I_FBに応じた出力信号V_xMRを出力する。出力部540は、例えば、抵抗値Rの抵抗性素子を有し、当該抵抗性素子にフィードバック電流I_FBが流れることによって生じる電圧降下を出力信号V_xMRとして出力する。この場合、出力信号V_xMRは、(数2)式より次式のように算出される。
以上のように、センサ部300は、外部から入力する磁場を低減させるフィードバック磁場を発生するので、磁気センサ520に実質的に入力する磁場を低減させる。これにより、センサ部300は、例えば、磁気センサ520として図4の特性を有する磁気抵抗素子を用い、入力磁場Bの絶対値が1μTを超えても、検出信号V_xMRが飽和することを防止できる。このようなセンサ部300の入出力特性を次に説明する。 As described above, the sensor unit 300 generates a feedback magnetic field that reduces the magnetic field input from outside, thereby effectively reducing the magnetic field input to the magnetic sensor 520. As a result, the sensor unit 300 can prevent the detection signal V_xMR from saturating even if the absolute value of the input magnetic field B exceeds 1 μT, for example, by using a magnetoresistive element having the characteristics shown in Figure 4 as the magnetic sensor 520. The input/output characteristics of this sensor unit 300 are described below.
図6は、本実施形態に係るセンサ部300の入出力特性の一例を示す。本図は、横軸がセンサ部300に入力する入力磁場の大きさBを示し、縦軸がセンサ部300の検出信号の大きさV_xMRを示す。センサ部300は、磁気感度が高く、10pT程度の微小な磁場を検出することができる。また、センサ部300は、例えば、入力磁場Bの絶対値が100μTを超えても、検出信号V_xMRの良好な直線性を保つことができる。 Figure 6 shows an example of the input/output characteristics of the sensor unit 300 according to this embodiment. In this figure, the horizontal axis represents the magnitude B of the input magnetic field input to the sensor unit 300, and the vertical axis represents the magnitude V_xMR of the detection signal from the sensor unit 300. The sensor unit 300 has high magnetic sensitivity and can detect a weak magnetic field of about 10 pT. Furthermore, the sensor unit 300 can maintain good linearity of the detection signal V_xMR even when the absolute value of the input magnetic field B exceeds 100 μT, for example.
即ち、本実施形態に係るセンサ部300は、例えば、入力磁場Bの絶対値が数百μT以下といった、予め定められた入力磁場Bの範囲において、当該入力磁場Bに対する検出結果が線形性を有するように構成される。このようなセンサ部300を用いることにより、例えば、心磁信号といった微弱な磁気的信号を簡便に検出することができる。 In other words, the sensor unit 300 according to this embodiment is configured so that the detection results for the input magnetic field B are linear within a predetermined range of the input magnetic field B, for example, when the absolute value of the input magnetic field B is less than several hundred μT. By using such a sensor unit 300, it is possible to easily detect weak magnetic signals, such as magnetocardiogram signals.
図7は、本実施形態に係る磁気センサ520の構成例を示す。一例として、本実施形態に係る磁気センサ520は、磁気抵抗素子702と、磁気抵抗素子702の一端および他端に配置された磁気収束板704、706を有する。磁気収束板704、706は、磁気抵抗素子702を間に挟むように配置されている。すなわち、磁気抵抗素子702の両端に磁気収束板が配置されている。図7において、正面視で感磁軸に沿って磁気抵抗素子702の右端に配置されている磁気収束板704が、感磁軸の正側に設けられた磁気収束板であり、磁気抵抗素子702の左端に配置されている磁気収束板706が、感磁軸の負側に設けられた磁気収束板である。感磁軸の負側から正側に向かって磁場が磁気収束板704、706に入力すると、磁気抵抗素子702の抵抗が増加または減少してよい。なお、感磁軸は、磁気抵抗素子702を形成する磁化固定層で固定された磁化の方向に沿っていてよい。磁気収束板704、706は、例えば鉄等の軟磁性体材料により構成される。軟磁性体材料により構成される磁気収束板704、706を磁気抵抗素子702の一端および他端に配置することにより、磁気抵抗素子702を通過する磁力線を増やすことができ、これにより磁気センサ520の感度を高めることができる。 Figure 7 shows an example configuration of the magnetic sensor 520 according to this embodiment. As an example, the magnetic sensor 520 according to this embodiment has a magnetoresistive element 702 and magnetic concentrators 704 and 706 arranged at one end and the other end of the magnetoresistive element 702. The magnetic concentrators 704 and 706 are arranged to sandwich the magnetoresistive element 702 between them. That is, the magnetic concentrators are arranged at both ends of the magnetoresistive element 702. In Figure 7, the magnetic concentrator 704, which is arranged at the right end of the magnetoresistive element 702 along the magnetic sensing axis when viewed from the front, is the magnetic concentrator arranged on the positive side of the magnetic sensing axis, and the magnetic concentrator 706, which is arranged at the left end of the magnetoresistive element 702, is the magnetic concentrator arranged on the negative side of the magnetic sensing axis. When a magnetic field is input to the magnetic concentrators 704 and 706 from the negative side to the positive side of the magnetic sensing axis, the resistance of the magnetoresistive element 702 may increase or decrease. The magnetic sensing axis may be along the direction of magnetization fixed by the magnetization fixed layer that forms the magnetoresistive element 702. The magnetic concentrators 704, 706 are made of a soft magnetic material such as iron. By placing the magnetic concentrators 704, 706, which are made of a soft magnetic material, at one end and the other end of the magnetoresistive element 702, the number of magnetic field lines passing through the magnetoresistive element 702 can be increased, thereby improving the sensitivity of the magnetic sensor 520.
なお、本図においては、磁気収束板が、磁気抵抗素子702の一端および他端の両方に配置された例を示したが、磁気収束板は磁気抵抗素子702の一端および他端のいずれか一方のみに設けられてもよい。しかしながら、磁気センサ520の感度をより高めるためには磁気抵抗素子702の一端および他端の両方に磁気収束板を設けることが好ましい。また、磁気抵抗素子702の一端および他端の両方に磁気収束板を設けると、2つの磁気収束板704および706に挟まれた狭い位置に配置される磁気抵抗素子702の位置が感磁部、すなわち、空間サンプリング点となるため、感磁部が明確となり、後述する信号空間分離(SSS:Signal Space Separation)技術との親和性をより高めることができる。このように、磁気抵抗素子702の両端に磁気収束板704および706が配置された磁気センサ520を各センサ部300に用いることにより、本実施形態に係る磁場計測装置10は、図3に示されるように、各軸方向において、両端を磁気収束板に挟まれた極めて狭い(例えば100μm以下)位置において、磁場の空間分布をサンプルすることができるので、生体磁場を計測するSQUIDコイル(~2cm)を使用して磁場の空間分布をサンプリングする場合に比べて、サンプリングの精度(位置精度)が高くなる。 Note that while this figure shows an example in which magnetic concentrators are disposed at both one end and the other end of the magnetoresistive element 702, magnetic concentrators may be disposed at only one end or the other end of the magnetoresistive element 702. However, to further increase the sensitivity of the magnetic sensor 520, it is preferable to provide magnetic concentrators at both one end and the other end of the magnetoresistive element 702. Furthermore, if magnetic concentrators are provided at both one end and the other end of the magnetoresistive element 702, the position of the magnetoresistive element 702, which is located in a narrow position sandwiched between the two magnetic concentrators 704 and 706, becomes the magnetic sensing area, i.e., the spatial sampling point. This makes the magnetic sensing area clearer, further enhancing compatibility with the signal space separation (SSS) technology described below. In this way, by using a magnetic sensor 520 in each sensor unit 300, in which magnetic concentrators 704 and 706 are arranged on both ends of a magnetoresistive element 702, the magnetic field measuring device 10 of this embodiment can sample the spatial distribution of the magnetic field at an extremely narrow position (for example, 100 μm or less) sandwiched between the magnetic concentrators on both ends in each axial direction, as shown in FIG. 3. This results in higher sampling accuracy (positional accuracy) than when sampling the spatial distribution of the magnetic field using a SQUID coil (up to 2 cm) that measures biomagnetic fields.
図8は、本実施形態に係る磁気センサ520にフィードバック磁場を発生させた時の磁束分布を示す。図8においては、図7と同じ機能および構成を有する部材に対して同じ符号を付すとともに、以下相違点を除き説明を省略する。本実施形態に係る磁気センサ520において、フィードバックコイル534にフィードバック電流が供給されると、フィードバックコイル534がフィードバック磁場を発生させることにより、本図において一点鎖線で示すような磁束の分布が発生する。このフィードバック磁場により発生する磁束は、磁気抵抗素子702に入力され磁気収束板704および706によって磁気増幅された磁場の空間分布をキャンセルするように空間分布する。このため、磁気センサ520は、本図に示すように磁気抵抗素子702の両端に磁気収束板704および706が配置されている場合には、磁気抵抗素子702の位置における磁場分布をフィードバック磁場によって正確にキャンセルすることができるため、入力磁場と出力電圧との間の線形性が高いセンサを実現することができる。 Figure 8 shows the magnetic flux distribution when a feedback magnetic field is generated in the magnetic sensor 520 according to this embodiment. In Figure 8, components having the same functions and configurations as those in Figure 7 are designated by the same reference numerals, and descriptions are omitted except for differences. In the magnetic sensor 520 according to this embodiment, when a feedback current is supplied to the feedback coil 534, the feedback coil 534 generates a feedback magnetic field, generating a magnetic flux distribution as shown by the dashed line in this figure. The magnetic flux generated by this feedback magnetic field is spatially distributed so as to cancel the spatial distribution of the magnetic field input to the magnetoresistive element 702 and magnetically amplified by the magnetic concentrators 704 and 706. Therefore, when the magnetic concentrators 704 and 706 are arranged at both ends of the magnetoresistive element 702 as shown in this figure, the magnetic field distribution at the position of the magnetoresistive element 702 can be accurately canceled by the feedback magnetic field, thereby achieving a sensor with high linearity between the input magnetic field and the output voltage.
図9は、本実施形態に係る磁気センサアレイ210における複数の磁気センサセル220の配置例を示す。図2および図3においては、説明の便宜上、磁気センサアレイ210が平面状であるように示した。しかしながら、実際には、磁気センサアレイ210は、本図に示すように、少なくとも一方向に湾曲させた曲面形状を有してよい。そして、複数の磁気センサセル220を当該曲面形状に含まれる格子点に配置されるように三次元に配列して構成されてよい。一例として、磁気センサアレイ210は、複数の磁気センサセル220を断面視円弧状に三次元に配列して構成されてよい。 Figure 9 shows an example of the arrangement of multiple magnetic sensor cells 220 in a magnetic sensor array 210 according to this embodiment. For ease of explanation, in Figures 2 and 3, the magnetic sensor array 210 is shown as being planar. However, in reality, the magnetic sensor array 210 may have a curved surface that is curved in at least one direction, as shown in this figure. The multiple magnetic sensor cells 220 may then be arranged three-dimensionally so as to be located at lattice points included in the curved surface. As an example, the magnetic sensor array 210 may be arranged three-dimensionally so as to be arranged in an arc-shaped cross section.
すなわち、複数の磁気センサセル220は、被計測体の重心を中心として、被計測体の胸部に沿うように断面視円弧状に配列されてよい。この際、各磁気センサセル220は、三次元格子空間における曲面形状に含まれる格子点にそれぞれ配置されている。なお、ここで、格子点とは、X方向、Y方向およびZ方向にそれぞれ予め定められた間隔で等間隔に設けられた格子状の点である。一例として、各磁気センサセル220は、X方向、Y方向およびZ方向のいずれか一の方向から見たときに、一の方向に直交する方向に凸を有する曲面に沿うように配置されている。本図においては、各磁気センサセル220が、Y方向から見たときに、Z軸のプラス方向に凸を有する曲面に沿うように配置されている例を示す。そして、磁気センサアレイ210は、例えば、各磁気センサセル220の各頂点が、Z軸のプラス方向に凸を有する予め定められた曲面を超えない範囲で、できる限りZ軸のマイナス方向に配置されるように、各磁気センサセル220を三次元格子空間における格子点にそれぞれ配置することで、Z軸のプラス方向に凸を有する曲面形状を形成してよい。 That is, the multiple magnetic sensor cells 220 may be arranged in a cross-sectional arc shape along the chest of the measured object, with the center of gravity of the measured object at the center. In this case, each magnetic sensor cell 220 is arranged at a lattice point included in the curved surface shape in a three-dimensional lattice space. Note that here, the lattice points are lattice-like points arranged at equal intervals at predetermined intervals in the X, Y, and Z directions. As an example, when viewed from any one of the X, Y, and Z directions, each magnetic sensor cell 220 is arranged so as to follow a curved surface that has a convex shape in a direction perpendicular to the one direction. This figure shows an example in which each magnetic sensor cell 220 is arranged so as to follow a curved surface that has a convex shape in the positive direction of the Z axis when viewed from the Y direction. The magnetic sensor array 210 may form a curved surface shape that is convex in the positive direction of the Z axis by arranging each magnetic sensor cell 220 at a lattice point in a three-dimensional lattice space so that each vertex of each magnetic sensor cell 220 is positioned as far in the negative direction of the Z axis as possible, without exceeding a predetermined curved surface that is convex in the positive direction of the Z axis.
より詳細には、本図断面視において、内側(Z軸マイナス側)の複数の磁気センサセル220、すなわち、磁気センサセル220[1,j,1]~220[8,j,1]が、符号910で示される磁気センサアレイ210の内接円の外部に配置されるように、符号915の一点鎖線で示される円弧の外部に配列される。また、外側(Z軸プラス側)の複数の磁気センサセル220、すなわち、磁気センサセル220[1,j,2]~220[8,j,2]が、符号920で示される磁気センサアレイ210の外接円の内部に配置されるように、符号925の二点鎖線で示される円弧の内部に配列される。これら内接円、外接円の中心は共通であり、後述の信号分離計算における座標原点と一致する。 More specifically, in the cross-sectional view of this figure, the multiple magnetic sensor cells 220 on the inner side (negative Z-axis side), i.e., magnetic sensor cells 220[1,j,1] to 220[8,j,1], are arranged outside the arc indicated by the dashed-dotted line 915 so as to be positioned outside the inscribed circle of the magnetic sensor array 210 indicated by the reference numeral 910. Furthermore, the multiple magnetic sensor cells 220 on the outer side (positive Z-axis side), i.e., magnetic sensor cells 220[1,j,2] to 220[8,j,2], are arranged inside the arc indicated by the dashed-double-dot line 925 so as to be positioned inside the circumscribed circle of the magnetic sensor array 210 indicated by the reference numeral 920. The centers of these inscribed and circumscribed circles are common and coincide with the coordinate origin in the signal separation calculations described below.
このように、磁気センサアレイ210は、各々が磁気センサ520を有する複数の磁気センサセル220を計測対象物の少なくとも一部を覆う面を形成するように配列して構成されてよい。特に、磁気センサアレイ210において、複数の磁気センサセル220は、一方向に湾曲させた2つの曲面の間の格子点に配置されるように三次元に配列されてよい。そして、このような曲面は、略放物線状に形成されてよい。これにより、磁気センサアレイ210は、心臓に対向する一方向だけでなく多方向にセンサ部300を配置させることができ、心磁を多方向からセンシングすることができる。また、本実施形態に係る磁気センサアレイ210は、一例として磁気センサセル220を直方体状に形成しているため、磁気センサアレイ210の形状を容易に変更することができる。すなわち、本実施形態に係る磁気センサアレイ210は、磁気センサセル220を格子点に配置して構成可能な様々な形状を採ることができ、設計の自由度が高い。したがって、磁気センサアレイ210は、本図に示すように、複数の磁気センサセル220を三次元の空間において曲面形状に含まれる格子点に配置することで、三次元の空間において曲面形状を容易に形成することができる。そして、磁場計測装置10は、被計測体の胸部が曲面の中心側に位置するように、すなわち、計測対象磁場源である心臓が曲面の中心側に位置するように磁気センサアレイ210を配置して磁場を計測する。これにより、磁場計測装置10は、計測対象磁場源である心臓に近い位置で計測した計測データを用いて信号空間分離する(後述する)ことで、高精度に計測対象磁場と外乱磁場とを分離することができる。なお、この際、磁気センサアレイ210は、曲面の曲率が被計測体の胸部周りの曲率と略同等であると、計測対象磁場源である心臓により近い位置で磁場を計測できるため、好ましい。 In this manner, the magnetic sensor array 210 may be configured by arranging multiple magnetic sensor cells 220, each having a magnetic sensor 520, to form a surface that covers at least a portion of the object to be measured. In particular, in the magnetic sensor array 210, the multiple magnetic sensor cells 220 may be arranged three-dimensionally so as to be positioned at lattice points between two curved surfaces that are curved in one direction. These curved surfaces may be formed in a substantially parabolic shape. This allows the magnetic sensor array 210 to position the sensor unit 300 not only in one direction facing the heart but also in multiple directions, thereby enabling sensing of cardiac magnetism from multiple directions. Furthermore, since the magnetic sensor array 210 according to this embodiment has the magnetic sensor cells 220 formed in a rectangular parallelepiped shape, as an example, the shape of the magnetic sensor array 210 can be easily changed. In other words, the magnetic sensor array 210 according to this embodiment can adopt various shapes that can be configured by arranging the magnetic sensor cells 220 at lattice points, providing a high degree of design freedom. Therefore, as shown in this figure, the magnetic sensor array 210 can easily form a curved surface shape in three-dimensional space by arranging multiple magnetic sensor cells 220 at lattice points included in the curved surface shape in three-dimensional space. The magnetic field measurement device 10 measures the magnetic field by arranging the magnetic sensor array 210 so that the chest of the subject is located toward the center of the curved surface, i.e., so that the heart, which is the source of the magnetic field to be measured, is located toward the center of the curved surface. This allows the magnetic field measurement device 10 to perform signal spatial separation (described below) using measurement data measured at a position close to the heart, which is the source of the magnetic field to be measured, thereby separating the magnetic field to be measured and the disturbance magnetic field with high accuracy. In this case, it is preferable that the curvature of the curved surface of the magnetic sensor array 210 is approximately the same as the curvature around the chest of the subject, as this allows the magnetic field to be measured closer to the heart, which is the source of the magnetic field to be measured.
図10は、本実施形態に係る磁場計測装置10における空間の定義の一例を示す。また、符号910で示される磁気センサアレイ210に内接する円の内側を内部空間と定義し、当該内接する円より外側を外部空間と定義する。心磁を計測するにあたって、磁場計測装置10は、計測対象物(すなわち、被計測体の心臓)が内部空間において磁気センサアレイ210によって形成される面に対向する位置となるように、磁気センサアレイ210を配置する。この際、計測対象となる心磁は、内部空間において発生する計測対象磁場Binとして定義される。 Figure 10 shows an example of the definition of space in the magnetic field measurement device 10 according to this embodiment. The area inside the circle inscribed in the magnetic sensor array 210, indicated by the reference numeral 910, is defined as the internal space, and the area outside the inscribed circle is defined as the external space. When measuring cardiac magnetism, the magnetic field measurement device 10 positions the magnetic sensor array 210 so that the object to be measured (i.e., the heart of the subject) is positioned opposite the surface formed by the magnetic sensor array 210 in the internal space. In this case, the cardiac magnetism to be measured is defined as the magnetic field to be measured Bin generated in the internal space.
ここで、磁気センサアレイ210により心磁を計測し、計測データによって示される磁場の空間分布を信号分離(ここでいう信号分離は信号空間分離と呼んでもよい)した場合に、計測対象磁場Binをその他の外乱磁場と正確に分離して取り出すことができれば、心臓の電気活動をより正確に把握することができる。しかしながら、磁場計測装置10が計測対象磁場Binを計測するにあたっては、様々な環境磁場が外乱磁場として干渉し得る。このような外乱磁場には、例えば、外部空間において発生する外部空間磁場Boutが含まれ得る。したがって、実際には、信号空間分離した計測対象磁場Binの推定値、すなわち、内部空間データ^Bin(ここで、「^」はハット(推定値)を意味する)には、心臓の電気活動により生成された計測対象磁場Binに加えて、外乱磁場として正確に分離することができずに残留してしまった干渉成分が含まれ得る。このような干渉成分には、本来、外部空間データ^Boutとして分離されるべきであった外部空間磁場Boutに起因する成分が含まれ得る。 Here, if the magnetic sensor array 210 measures the magnetic field of the heart and performs signal separation (signal separation here can also be called signal space separation) on the spatial distribution of the magnetic field indicated by the measurement data, and the magnetic field Bin can be accurately separated from other disturbance magnetic fields, the electrical activity of the heart can be more accurately understood. However, when the magnetic field measurement device 10 measures the magnetic field Bin, various environmental magnetic fields may interfere as disturbance magnetic fields. Such disturbance magnetic fields may include, for example, the external space magnetic field Bout generated in external space. Therefore, in reality, the signal-space separated estimate of the magnetic field Bin to be measured, i.e., the internal space data ^Bin (where "^" means "estimated value"), may contain, in addition to the magnetic field Bin to be measured generated by the electrical activity of the heart, interference components that could not be accurately separated as disturbance magnetic fields and remain. Such interference components may include components caused by the external space magnetic field Bout that should have been separated as external space data ^Bout.
そして、このような外部空間磁場Boutに起因する成分は、センサエラーの大きさに比例して大きくなる。ここで、磁気センサ520が磁気抵抗素子702を有する場合、磁気抵抗素子702の製造誤差等により、センサの主軸感度および他軸感度の誤差が大きくなり得る。また、磁気センサ520が磁気抵抗素子702の一端および他端の両方に配置される磁気収束板704および706を有する場合、磁気収束板704および706と、磁気抵抗素子702との間の相対位置のずれにより、センサの主軸感度および他軸感度の誤差がさらに大きくなり得る。このような理由により、磁気センサ520のセンサエラーが大きくなることに起因して、外部空間磁場Boutに起因するノイズが無視できなくなってくる。本実施形態に係る磁場計測装置10は、信号空間分離した内部空間データ^Binから、残留するノイズの少なくとも一部を除去する。 The component resulting from the external space magnetic field Bout increases in proportion to the magnitude of the sensor error. If the magnetic sensor 520 includes a magnetoresistive element 702, errors in the sensor's main axis sensitivity and other axis sensitivity may increase due to manufacturing errors in the magnetoresistive element 702, etc. Furthermore, if the magnetic sensor 520 includes magnetic concentrators 704 and 706 positioned at both ends of the magnetoresistive element 702, errors in the sensor's main axis sensitivity and other axis sensitivity may increase due to misalignment between the magnetic concentrators 704 and 706 and the magnetoresistive element 702. For these reasons, as the sensor error of the magnetic sensor 520 increases, noise resulting from the external space magnetic field Bout becomes significant. The magnetic field measuring device 10 according to this embodiment removes at least a portion of the remaining noise from the internal space data ^Bin obtained by signal space separation.
図11は、本実施形態に係る磁気センサアレイ210、センサデータ収集部230、およびセンサデータ処理部1100の構成を示す。センサデータ処理部1100は、図1の情報処理部150に含まれてよい。 Figure 11 shows the configuration of the magnetic sensor array 210, sensor data collection unit 230, and sensor data processing unit 1100 according to this embodiment. The sensor data processing unit 1100 may be included in the information processing unit 150 of Figure 1.
磁気センサアレイ210は、各々が磁気センサ520を有する複数の磁気センサセル220を計測対象物の少なくとも一部を覆う面を形成するように配列して構成される。一例として、複数の磁気センサセル220のそれぞれは、上述のとおり複数のセンサ部300x~zを有する。本図においては、磁気センサアレイ210が各次元方向に有する複数の磁気センサセル220のうち、位置[i,j,k]、[i+1,j,k]、[i,j+1,k]、および、[i,j,k+1]に関する部分を示す。 The magnetic sensor array 210 is configured by arranging multiple magnetic sensor cells 220, each having a magnetic sensor 520, to form a surface that covers at least a portion of the object to be measured. As an example, each of the multiple magnetic sensor cells 220 has multiple sensor units 300x-z as described above. This figure shows the portions of the multiple magnetic sensor cells 220 that the magnetic sensor array 210 has in each dimensional direction, relating to positions [i, j, k], [i+1, j, k], [i, j+1, k], and [i, j, k+1].
センサデータ収集部230は、複数のAD変換器1110およびクロック発生器1112を有する。複数のAD変換器1110は、磁気センサセル220の複数のセンサ部300x~zのそれぞれに対応して設けられており、対応するセンサ部300が出力するアナログの検出信号(図6のセンサ出力信号V_xMR)をデジタルの計測データ(Vx,Vy,Vz)に変換する。ここで、Vx、Vy、およびVzは、センサ部300x、300y、および300zからの検出信号をデジタルに変換した計測値(例えばデジタルの電圧値を表す)である。 The sensor data collection unit 230 has multiple AD converters 1110 and a clock generator 1112. The multiple AD converters 1110 are provided corresponding to each of the multiple sensor units 300x-z of the magnetic sensor cell 220, and convert the analog detection signal (sensor output signal V_xMR in Figure 6) output by the corresponding sensor unit 300 into digital measurement data (Vx, Vy, Vz). Here, Vx, Vy, and Vz are measurement values (e.g., digital voltage values) obtained by converting the detection signals from sensor units 300x, 300y, and 300z into digital form.
クロック発生器1112は、サンプリングクロックを発生させ、共通のサンプリングクロックを複数のAD変換器1110のそれぞれへ供給する。そして、複数のAD変換器1110のそれぞれは、クロック発生器1112から供給された共通のサンプリングクロックに応じてAD変換を行う。したがって、異なる位置に設けられた3軸のセンサ部300x~zの出力をそれぞれAD変換する複数のAD変換器1110の全てが同期動作をする。これにより、複数のAD変換器1110は、異なる空間に設けられた3軸のセンサ部300x~zの検出結果を同時にサンプリングすることができる。 The clock generator 1112 generates a sampling clock and supplies a common sampling clock to each of the multiple AD converters 1110. Each of the multiple AD converters 1110 then performs AD conversion in accordance with the common sampling clock supplied from the clock generator 1112. Therefore, all of the multiple AD converters 1110 that perform AD conversion on the outputs of the three-axis sensor units 300x-z located in different positions operate synchronously. This allows the multiple AD converters 1110 to simultaneously sample the detection results of the three-axis sensor units 300x-z located in different spaces.
センサデータ処理部1100は、複数の磁気センサセル220のそれぞれに対応して設けられた複数の磁場取得部1120、複数の較正演算部1130、複数のデータ出力部1140、基底ベクトル記憶部1150、データ記憶部1155、信号空間分離部1160、および、演算処理部1170を有する。 The sensor data processing unit 1100 has a plurality of magnetic field acquisition units 1120, each corresponding to a respective one of the plurality of magnetic sensor cells 220, a plurality of calibration calculation units 1130, a plurality of data output units 1140, a basis vector storage unit 1150, a data storage unit 1155, a signal space separation unit 1160, and a calculation processing unit 1170.
磁場取得部1120は、それぞれ対応する磁気センサセル220に接続された3つのAD変換器1110に接続され、磁気センサアレイ210を構成する複数の磁気センサセル220内のセンサ部300x~zによって計測された計測データをそれぞれ取得する。具体的に、磁場取得部1120は、AD変換器1110によってデジタルに変換されたデジタルの計測データ(Vx,Vy,Vz)を所定のタイミングTでラッチして取得するフリップフロップ等を用いて構成されてよい。 The magnetic field acquisition unit 1120 is connected to three AD converters 1110, each connected to a corresponding magnetic sensor cell 220, and acquires measurement data measured by the sensor units 300x-z in the multiple magnetic sensor cells 220 that make up the magnetic sensor array 210. Specifically, the magnetic field acquisition unit 1120 may be configured using a flip-flop or the like that latches and acquires the digital measurement data (Vx, Vy, Vz) converted by the AD converter 1110 at a predetermined timing T.
較正演算部1130は、磁場取得部1120に接続され、磁場取得部1120が取得した計測データを較正パラメータを用いて較正する。較正演算部1130による計測データの較正の概要は以下のとおりである。位置[i,j,k]にある磁気センサセル220に入力される磁場をB(Bx,By,Bz)とし、センサ部300x、300y、300zによる3軸磁気センサの検出結果をV(Vx,Vy,Vz)とする。この場合、3軸磁気センサの磁気センサ特性を行列Sとすると、3軸磁気センサの検出結果Vは次式のように示すことができる。
ここで、Sxx、Syy、およびSzzは、それぞれセンサ部300x、300y、および300zの主軸方向の感度(主軸感度)を表し、Sxy、Sxz、Syx、Syz、Szx、およびSzyは他軸方向の感度(他軸感度)を表している。また、Vos,x、Vos,y、およびVos,zは、それぞれセンサ部300x、300y、および300zのオフセットを表している。ここで主軸方向とは、センサ部300x、300y、および300zが主として計測する方向であり、他軸方向とは、それらが主として計測しない方向である。磁場の計測において、主軸方向は磁場が入力されたときに磁気センサが最大の感度を示す方向(入力軸方向、感度軸方向)である。そして、他軸方向は、主軸方向と垂直な軸とする。例えば、センサ部300xがX軸方向を計測する場合、主軸方向はX軸であり、他軸方向はY軸方向およびZ軸方向である。磁気センサ520は、主軸感度のみを持つことが理想的だが、プロセス等により他軸感度を持つことがある。また、磁気センサ520は、上述した相互干渉によって発生する他軸感度も持つ。なお、センサ部300の主軸感度と他軸感度の3成分であらわされる縦ベクトルを、感度ベクトルと呼ぶ。例えばセンサ部300xの感度ベクトルnxは、(Sxx、Sxy、Sxz)の3成分で表される。この時、センサ部300xの出力は、センサへの入力磁場と、感度ベクトルnxとの内積となる。また、同様に、センサ部300yの感度ベクトルnyは、(Syx、Syy、Syz)の3成分で表され、センサ部300zの感度ベクトルnzは、(Szx、Szy、Szz)の3成分で表される。 Here, Sxx, Syy, and Szz represent the sensitivity in the main axis direction (main axis sensitivity) of sensor units 300x, 300y, and 300z, respectively, and Sxy, Sxz, Syx, Syz, Szx, and Szy represent the sensitivity in the other axis directions (other axis sensitivity). Also, Vos,x, Vos,y, and Vos,z represent the offsets of sensor units 300x, 300y, and 300z, respectively. Here, the main axis direction refers to the direction that sensor units 300x, 300y, and 300z primarily measure, and the other axis direction refers to the direction that they primarily do not measure. In measuring a magnetic field, the main axis direction is the direction in which the magnetic sensor shows maximum sensitivity when a magnetic field is input (input axis direction, sensitivity axis direction). The other axis direction is the axis perpendicular to the main axis direction. For example, when sensor unit 300x measures the X-axis direction, the main axis direction is the X-axis, and the other axes are the Y-axis and Z-axis directions. Ideally, magnetic sensor 520 only has main axis sensitivity, but it may also have other axis sensitivity depending on the process, etc. Magnetic sensor 520 also has other axis sensitivity generated by the mutual interference described above. A vertical vector represented by the three components of sensor unit 300's main axis sensitivity and other axis sensitivity is called a sensitivity vector. For example, the sensitivity vector nx of sensor unit 300x is represented by the three components (Sxx, Sxy, Sxz). In this case, the output of sensor unit 300x is the dot product of the input magnetic field to the sensor and the sensitivity vector nx. Similarly, the sensitivity vector ny of sensor unit 300y is represented by the three components (Syx, Syy, Syz), and the sensitivity vector nz of sensor unit 300z is represented by the three components (Szx, Szy, Szz).
センサ部300のそれぞれが、検出すべき入力磁場の範囲において、当該入力磁場に対する検出結果が線形性を有するので、行列Sの各要素は、入力磁場Bの大きさとは無関係な略一定の係数となる。また、センサ部300が他軸感度を有していても、当該センサ部300の検出結果が線形性を有していれば、行列Sの各要素は、入力磁場Bの大きさとは無関係な略一定の係数となる。 Since each sensor unit 300 has linearity in its detection results for the input magnetic field within the range of the input magnetic field to be detected, each element of matrix S has a substantially constant coefficient that is unrelated to the magnitude of the input magnetic field B. Furthermore, even if the sensor unit 300 has other-axis sensitivity, as long as the detection results of the sensor unit 300 are linear, each element of matrix S will have a substantially constant coefficient that is unrelated to the magnitude of the input magnetic field B.
したがって、較正演算部1130は、行列Sの逆行列S-1とオフセット(Vos,x,Vos,y,Vos,z)とを用いることで、次式のように、計測データV(Vx,Vy,Vz)を元の入力される磁場を示す磁場計測データB(Bx,By,Bz)に変換することができる。つまり、較正演算部1130は、磁場取得部1120からのデジタルの計測データVを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットを用いて較正する。これにより、較正演算部1130は、オフセット、主軸方向の感度、他軸方向の感度を補正する。なお、この変換は、センサ部300x~zが上述の磁気収束板を備えている場合も成立する。これは、磁気センサセル220がセンサ部300x~zを利用した3軸磁気センサとして構成されるためであり、線形代数を利用した変換が可能となるからである。なお、センサ部300の出力から較正演算部1130までに、ハイパスフィルタ等を備えることにより、計測データVを交流成分とする場合は、オフセットの較正は省略してもよい。すなわち、較正演算部1130は、磁場取得部1120からのデジタルの計測データVを、主軸感度、他軸感度、および、オフセットの少なくともいずれかを用いて較正してもよい。なお、これらの較正パラメータは、あらかじめ既知の直流または交流の磁場を計測することによって算出されていてよい。また、本実施形態における較正演算部1130は、各磁気センサセル220からの出力を、独立な3つのベクトルで形成される座標系として表現した成分として較正できればよく、必ずしも直交している3つのベクトルの座標系(いわゆる直交座標系)として表現した3軸成分に補正する必要はない。すなわち、すべての磁気センサセル220が同一の磁場を測定している場合に、各磁気センサセル220に対応したそれぞれの較正演算部1130は、対応する磁場取得部1120からのデジタルの計測データVを、独立な3軸成分で表現された、同一の磁場計測データBに較正してよい。
較正演算部1130は、環境磁場計測データを用いて行列Sの逆行列S-1およびオフセット(Vos,x,Vos,y,Vos,z)を算出し、磁場取得部1120により取得された磁場計測データを、これらの較正パラメータを用いて磁場計測データBに変換してデータ出力部1140に供給する。 The calibration calculation unit 1130 uses the environmental magnetic field measurement data to calculate the inverse matrix S-1 of the matrix S and the offset (Vos, x, Vos, y, Vos, z), and converts the magnetic field measurement data acquired by the magnetic field acquisition unit 1120 into magnetic field measurement data B using these calibration parameters, and supplies it to the data output unit 1140.
以上のように、各センサ部300が線形性を有するので、較正演算部1130は、略一定の係数を用いて計測データを磁場計測データBに変換することができる。すなわち、較正演算部1130が用いる略一定の係数は、環境磁場データを用いて一組の較正パラメータとして定めることができる。 As described above, because each sensor unit 300 has linearity, the calibration calculation unit 1130 can convert the measurement data into magnetic field measurement data B using approximately constant coefficients. In other words, the approximately constant coefficients used by the calibration calculation unit 1130 can be determined as a set of calibration parameters using environmental magnetic field data.
データ出力部1140は、較正演算部1130によって較正された磁場計測データBをデータ記憶部1155に供給する。 The data output unit 1140 supplies the magnetic field measurement data B calibrated by the calibration calculation unit 1130 to the data storage unit 1155.
データ記憶部1155は、データ出力部1140から供給された磁場計測データBを格納し、磁場計測データBを信号空間分離部1160に供給する。 The data storage unit 1155 stores the magnetic field measurement data B supplied from the data output unit 1140 and supplies the magnetic field measurement data B to the signal space separation unit 1160.
基底ベクトル記憶部1150は、信号空間分離部1160が磁場計測データBを信号分離するために必要な基底ベクトルを予め記憶し、これを信号空間分離部1160へ供給する。このような基底ベクトルは、各磁気センサ520の位置および磁気感度から計算されたものであってよい。 The basis vector storage unit 1150 pre-stores the basis vectors required for the signal space separation unit 1160 to perform signal separation of the magnetic field measurement data B, and supplies these to the signal space separation unit 1160. Such basis vectors may be calculated from the position and magnetic sensitivity of each magnetic sensor 520.
信号空間分離部1160は、データ記憶部1155に格納された磁場計測データBのうち、磁気センサアレイ210の異なる複数の組み合わせの磁気センサセル220からの計測データBを、当該組み合わせ毎に取得する。信号空間分離部1160は、磁気センサアレイ210の一部の磁気センサセル220からの計測データBによって示される磁場の空間分布から、第1の内部空間データを抽出し、磁気センサアレイ210の他の一部の磁気センサセル220を含む複数の磁気センサセル220からの計測データによって示される磁場の空間分布から、第2の内部空間データを抽出する。信号空間分離部1160は、第1の内部空間データを抽出する磁気センサアレイ210の一部の磁気センサセル220とは異なる他の一部の磁気センサセル220からの計測データBによって示される磁場の空間分布から、第3の内部空間データを抽出する。信号空間分離部1160は、ノイズ除去対象として、磁気センサアレイの全ての磁気センサセル220からの計測データBによって示される磁場の空間分布から、第2の内部空間データを抽出してよい。信号空間分離部1160は、抽出した内部空間データを演算処理部1170に供給する。 The signal space separation unit 1160 acquires measurement data B from multiple different combinations of magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210 from the magnetic field measurement data B stored in the data storage unit 1155 for each combination. The signal space separation unit 1160 extracts first internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by the measurement data B from some of the magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210, and extracts second internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by the measurement data from multiple magnetic sensor cells 220 including another portion of the magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210. The signal space separation unit 1160 extracts third internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by the measurement data B from another portion of the magnetic sensor cells 220 different from the portion of the magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210 from which the first internal space data was extracted. The signal space separating unit 1160 may extract second internal space data from the spatial distribution of the magnetic field indicated by the measurement data B from all the magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array as the target for noise removal. The signal space separating unit 1160 supplies the extracted internal space data to the calculation processing unit 1170.
演算処理部1170は、第1の内部空間データに基づいて射影行列を算出し、当該射影行列を用いて第2の内部空間データのノイズを除去する。演算処理部1170は、ノイズを除去した内部空間データを出力する。このような演算処理の詳細について、後述する。 The calculation processing unit 1170 calculates a projection matrix based on the first internal space data and uses the projection matrix to remove noise from the second internal space data. The calculation processing unit 1170 outputs the internal space data from which noise has been removed. Details of this calculation processing will be described later.
図12は、磁場計測装置10の一部の第1の構成例を示す。演算処理部1170は、ノイズ除去部1172及び算出部1174を有する。信号空間分離部1160は、データ記憶部1155から、磁気センサアレイ210の全ての磁気センサセル220からの計測データB、磁気センサアレイ210の偶数チャネル(偶数番目)の磁気センサセル220のみからの計測データB_A、及び磁気センサアレイ210の奇数チャネル(奇数番目)の磁気センサセル220のみからの計測データB_Bを取得する。本図は、X-Y平面で磁気センサアレイ210の一部を示し、磁気センサアレイ210のうち、対応する計測データを信号空間分離部1160により取得した磁気センサセル220を斜線で塗りつぶして示す。 Figure 12 shows a first example configuration of a portion of the magnetic field measurement device 10. The arithmetic processing unit 1170 has a noise removal unit 1172 and a calculation unit 1174. The signal space separation unit 1160 acquires, from the data storage unit 1155, measurement data B from all magnetic sensor cells 220 in the magnetic sensor array 210, measurement data B_A from only the magnetic sensor cells 220 in the even channels (even-numbered) of the magnetic sensor array 210, and measurement data B_B from only the magnetic sensor cells 220 in the odd channels (odd-numbered) of the magnetic sensor array 210. This figure shows a portion of the magnetic sensor array 210 on the X-Y plane, and the magnetic sensor cells 220 in the magnetic sensor array 210 for which corresponding measurement data has been acquired by the signal space separation unit 1160 are indicated by hatching.
信号空間分離部1160は、計測データBの信号分離を行う。信号空間分離部1160は、各磁気センサ520の位置および磁気感度に基づき、計測データによって示される磁場の空間分布、すなわち、デジタルの計測データVを較正した磁場計測データBによって示される磁場の空間分布を、内部空間データ^Binと外部空間データ^Boutとに信号分離する。例えば、信号空間分離部1160は、正規直交関数、各磁気センサ520の位置、および、磁気感度から計算された基底ベクトルに基づき、磁場の空間分布を信号分離する。この際、信号空間分離部1160は、基底ベクトルを級数展開して、磁場の空間分布を信号分離してよい。より詳細には、信号空間分離部1160は、基底ベクトルの展開係数を最小2乗法により計算してよい。なお、このような正規直交関数は球面調和関数で表現されてよい。信号分離の詳細については、後述する。このように、信号空間分離部1160は、磁場計測データBによって示される磁場の空間分布を、内部空間データ^Binと外部空間データ^Boutとに信号分離する。 The signal space separation unit 1160 performs signal separation of the measurement data B. Based on the position and magnetic sensitivity of each magnetic sensor 520, the signal space separation unit 1160 separates the spatial distribution of the magnetic field indicated by the measurement data, i.e., the spatial distribution of the magnetic field indicated by the magnetic field measurement data B obtained by calibrating the digital measurement data V, into internal space data ^Bin and external space data ^Bout. For example, the signal space separation unit 1160 performs signal separation of the spatial distribution of the magnetic field based on basis vectors calculated from orthonormal functions, the positions of each magnetic sensor 520, and the magnetic sensitivity. In this case, the signal space separation unit 1160 may perform series expansion of the basis vectors to separate the spatial distribution of the magnetic field. More specifically, the signal space separation unit 1160 may calculate the expansion coefficients of the basis vectors using the least squares method. Note that such orthonormal functions may be expressed as spherical harmonic functions. Details of signal separation will be described later. In this way, the signal space separation unit 1160 separates the spatial distribution of the magnetic field indicated by the magnetic field measurement data B into internal space data ^Bin and external space data ^Bout.
信号空間分離部1160は、計測データB_A、B_Bについても同様に、対応する磁気センサセル220の情報を用いて信号分離を行い、内部空間データ^Bin_A、^Bin_Bをそれぞれ抽出してよい。信号空間分離部1160は、信号分離した後のデータである内部空間データ^Binをノイズ除去部1172に供給し、内部空間データBin_A及び^Bin_Bを算出部1174に供給する。 The signal space separation unit 1160 may similarly perform signal separation on the measurement data B_A and B_B using information from the corresponding magnetic sensor cells 220, and extract internal space data ^Bin_A and ^Bin_B, respectively. The signal space separation unit 1160 supplies the internal space data ^Bin, which is the data after signal separation, to the noise removal unit 1172, and supplies the internal space data Bin_A and ^Bin_B to the calculation unit 1174.
算出部1174は、主成分分析等の方法を利用し、内部空間データ^Bin_Aと内部空間データ^Bin_Bとに基づいて射影行列を算出する。例えば、算出部1174は、内部空間データ^Bin_A及び内部空間データ^Bin_Bから、基底Cin_A及びCin_Bをそれぞれ算出し、基底Cin_A及びCin_Bの共通部に基づいて射影行列を算出してよい。例えば、算出部1174は、内部空間データBin_A及び^Bin_Bをそれぞれ特異値分解することにより、内部空間データBin_Aにおける時間領域の基底Cin_A、及び内部空間データBin_Aにおける時間領域の基底Cin_Bをそれぞれ算出する。内部空間データBin_Aは、計測対象の信号の成分と偶数チャネルのセンサノイズを含み、内部空間データ^Bin_Bは、計測対象の信号の成分と奇数チャネルのセンサノイズを含むため、基底Cin_Aと基底Cin_Bの共通部は、センサノイズに対応する基底が除かれた計測対象の信号成分に相当する。 The calculation unit 1174 calculates a projection matrix based on the internal space data ^Bin_A and the internal space data ^Bin_B using a method such as principal component analysis. For example, the calculation unit 1174 may calculate bases Cin_A and Cin_B from the internal space data ^Bin_A and the internal space data ^Bin_B, respectively, and calculate the projection matrix based on the common part of the bases Cin_A and Cin_B. For example, the calculation unit 1174 calculates the time domain base Cin_A for the internal space data Bin_A and the time domain base Cin_B for the internal space data Bin_A by performing singular value decomposition on the internal space data Bin_A and ^Bin_B, respectively. The internal spatial data Bin_A includes the signal components of the measurement target and the sensor noise of the even channels, and the internal spatial data ^Bin_B includes the signal components of the measurement target and the sensor noise of the odd channels. Therefore, the common part of the basis Cin_A and the basis Cin_B corresponds to the signal components of the measurement target with the basis corresponding to the sensor noise removed.
より詳細には、算出部1174は、基底Cin_Aと基底Cin_Bとの間の相関に基づいて、共通する変動成分を共通部分として算出する。この際、算出部1174は、例えば、基底Cin_Aと基底Cin_Bの共分散行列(あるいは相関行列)を特異値分解することにより、特異値の大きさから基底Cin_Aと基底Cin_Bの各基底間の相関係数を求め、相関の係数が予め定められた閾値を超える基底を共通する変動成分として抽出してよい。そして、算出部1174は、基底Cin_Aと基底Cin_Bの共通部分から射影行列Pを算出して、当該射影行列Pをノイズ除去部1172に供給する。 More specifically, the calculation unit 1174 calculates the common fluctuation component as the common part based on the correlation between the bases Cin_A and Cin_B. In this case, the calculation unit 1174 may, for example, perform singular value decomposition on the covariance matrix (or correlation matrix) of the bases Cin_A and Cin_B, determine the correlation coefficient between the bases Cin_A and Cin_B from the magnitude of the singular values, and extract the bases whose correlation coefficient exceeds a predetermined threshold as the common fluctuation component. The calculation unit 1174 then calculates a projection matrix P from the common part of the bases Cin_A and Cin_B, and supplies this projection matrix P to the noise removal unit 1172.
ノイズ除去部1172は、内部空間データ^Binを、算出部1174からの射影行列Pによって信号空間に射影することにより、内部空間データ^Binのノイズを除去する。ノイズ除去部1172は、ノイズを除去した内部空間データ^Binprojを出力してよい。このような演算処理の詳細について、後述する。 The noise removal unit 1172 removes noise from the internal space data ^Bin by projecting the internal space data ^Bin onto signal space using the projection matrix P from the calculation unit 1174. The noise removal unit 1172 may output the internal space data ^Binproj from which the noise has been removed. Details of this calculation process will be described later.
図13は、本実施形態に係る磁場計測装置10が磁場の空間分布を信号分離するフローを示す。本図において磁場計測装置10は、磁場計測データBによって示される磁場の空間分布を、内部空間データ^Binと外部空間データ^Boutとに信号分離する。 Figure 13 shows the flow of signal separation of the spatial distribution of the magnetic field by the magnetic field measurement device 10 according to this embodiment. In this figure, the magnetic field measurement device 10 separates the spatial distribution of the magnetic field indicated by the magnetic field measurement data B into internal space data ^Bin and external space data ^Bout.
ステップ1210において、基底ベクトル記憶部1150は、基底ベクトルを記憶する。一例として、基底ベクトル記憶部1150は、計測対象磁場の計測前に、球面調和関数の空間分布を持つ磁場を磁気センサアレイ210で検出したときに複数の磁気センサ520のそれぞれが出力する信号ベクトルを基底ベクトルとして記憶する。すなわち、基底ベクトルは、磁気センサアレイ210における各磁気センサ520の位置と感度ベクトルから計算によってあらかじめ算出され、基底ベクトル記憶部1150に記憶されていてよい。すなわち、基底ベクトル記憶部1150は、空間内の予め定められた点を座標原点に指定した時に球面調和関数を空間サンプリングして得られる磁場信号ベクトルを基底ベクトルとして記憶する。換言すれば、基底ベクトル記憶部1150は、空間の磁場を、球面調和関数の級数展開をもとに2つの部分空間(計測対象となる信号源を含む内部空間と外部空間)で表現した磁場信号ベクトルを、各磁気センサ520の位置と感度ベクトルから計算によって予め算出し、基底ベクトルとして記憶する。ここで、球面調和関数とは、n次元ラプラス方程式の解となる斉次多項式を単位球面に制限することで得られる関数であり、球面上での正規直交性を有する。なお、本図においては、一例として、基底ベクトル記憶部1150が基底ベクトルを記憶するステップ1210を、磁場計測装置10による磁場の空間分布を信号分離するフローにおける最初のステップとした場合について示す。しかしながら、基底ベクトル記憶部1150は、磁場計測装置10による磁場の空間分布を信号分離するフローの前に、基底ベクトルを事前に記憶しておいてもよい。また、基底ベクトル記憶部1150は、シミュレーション結果等により予め決められている信号ベクトルを基底ベクトルとして記憶してもよい。 In step 1210, the basis vector storage unit 1150 stores basis vectors. As an example, before measuring the magnetic field to be measured, the basis vector storage unit 1150 stores, as basis vectors, signal vectors output by each of the multiple magnetic sensors 520 when the magnetic sensor array 210 detects a magnetic field having a spatial distribution of spherical harmonic functions. That is, the basis vectors may be calculated in advance from the positions and sensitivity vectors of each magnetic sensor 520 in the magnetic sensor array 210 and stored in the basis vector storage unit 1150. That is, the basis vector storage unit 1150 stores, as basis vectors, magnetic field signal vectors obtained by spatially sampling spherical harmonic functions when a predetermined point in space is designated as the coordinate origin. In other words, the basis vector storage unit 1150 calculates in advance, using the positions and sensitivity vectors of each magnetic sensor 520, magnetic field signal vectors that represent the spatial magnetic field in two subspaces (an internal space including the signal source to be measured and an external space) based on a series expansion of a spherical harmonic function, and stores the calculated vectors as basis vectors. Here, a spherical harmonic function is a function obtained by restricting a homogeneous polynomial that is a solution to an n-dimensional Laplace equation to a unit sphere, and has orthonormality on the sphere. Note that, as an example, this figure shows a case where step 1210, in which the basis vector storage unit 1150 stores the basis vectors, is the first step in the flow for signal separation of the spatial distribution of the magnetic field by the magnetic field measurement device 10. However, the basis vector storage unit 1150 may store the basis vectors in advance before the flow for signal separation of the spatial distribution of the magnetic field by the magnetic field measurement device 10. The basis vector storage unit 1150 may also store signal vectors that are predetermined based on simulation results or the like as basis vectors.
次に、ステップ1220において、信号空間分離部1160は、磁気センサアレイ210によって計測され、較正演算部1130によって較正された磁場計測データBを、データ記憶部1155から取得する。 Next, in step 1220, the signal space separation unit 1160 acquires the magnetic field measurement data B measured by the magnetic sensor array 210 and calibrated by the calibration calculation unit 1130 from the data storage unit 1155.
また、ステップ1230において、信号空間分離部1160は、ステップ1210において基底ベクトル記憶部1150が基底ベクトルとして記憶した信号ベクトルを、基底ベクトル記憶部1150から取得する。なお、本フローにおいて、ステップ1220とステップ1230とはどちらが先に行われてもよい。 Furthermore, in step 1230, the signal space separation unit 1160 obtains from the basis vector storage unit 1150 the signal vectors that were stored as basis vectors by the basis vector storage unit 1150 in step 1210. Note that in this flow, either step 1220 or step 1230 may be performed first.
ステップ1240において、信号空間分離部1160は、ステップ1220において取得した磁場計測データBによって示される磁場の空間分布を、ステップ1230において取得した信号ベクトルを基底ベクトルとして利用して級数展開する。そして、信号空間分離部1160は、級数展開によって得られたベクトルから、磁場の空間分布を内部空間データ^Bin(計測対象磁場の推定値)と外部空間データ^Bout(外乱磁場の推定値)とに信号分離する。なお、正規直交関数は球面調和関数であってよい。また、信号空間分離部1160は、信号分離するにあたって、基底ベクトルの級数展開係数を最小2乗法により計算する。以下、これについて詳細に説明する。 In step 1240, the signal space separation unit 1160 performs a series expansion on the spatial distribution of the magnetic field indicated by the magnetic field measurement data B acquired in step 1220, using the signal vector acquired in step 1230 as a basis vector. Then, from the vector obtained by the series expansion, the signal space separation unit 1160 performs signal separation on the spatial distribution of the magnetic field into internal space data ^Bin (an estimated value of the magnetic field to be measured) and external space data ^Bout (an estimated value of the disturbance magnetic field). Note that the orthonormal function may be a spherical harmonic function. Furthermore, when performing signal separation, the signal space separation unit 1160 calculates the series expansion coefficients of the basis vectors using the least squares method. This is explained in detail below.
静磁場B(r)は、ラプラス方程式ΔV(r)=0を満たすポテンシャルV(r)を用いて、次式のように、ポテンシャルV(r)の空間勾配(gradient)として求められる。ここで、rは座標原点からの位置を表す位置ベクトルであり、Δはラプラシアンであり、μは透磁率であり、∇はベクトル微分演算を表す演算子である。
そして、ラプラス方程式の解は、一般に、正規直交関数系である球面調和関数Yl,m
(θ,φ)を使った級数展開の形での解を持つため、ポテンシャルV(r)は次式で表すことができる。ここで、|r|は位置ベクトルrの絶対値(座標原点からの距離)であり、θおよびφは球座標における2つの偏角であり、lは方位量子数であり、mは磁気量子数であり、αおよびβは多極モーメントであり、LinおよびLoutはそれぞれ被験者から見て磁気センサアレイ210の手前の空間と奥の空間のそれぞれについての級数の数である。方位量子数lは正の整数をとり、磁気量子数mは-lから+lまでの整数をとる。すなわち、例えばlが1のとき、mは-1、0、および1であり、例えばlが2のとき、mは-2、-1、0、1、および2である。なお、磁場においては単磁極が存在しないことから、(数7)において方位量子数lは、0からではなく1から始まっている。(数7)における第1項は、座標原点からの距離に反比例する項であり、被験者から見て磁気センサアレイ210の手前の空間に存在するポテンシャルを示している。また、(数7)における第2項は、座標原点からの距離に比例する項であり、被計測体から見て磁気センサアレイ210の奥の空間に存在するポテンシャルを示している。
Since the solution is in the form of a series expansion using (θ, φ), the potential V(r) can be expressed as follows: where |r| is the absolute value of the position vector r (distance from the coordinate origin), θ and φ are two argument angles in spherical coordinates, l is the azimuthal quantum number, m is the magnetic quantum number, α and β are multipole moments, and L in and L out are the series numbers for the space in front of and behind the magnetic sensor array 210, respectively, as seen from the subject. The azimuthal quantum number l is a positive integer, and the magnetic quantum number m is an integer between -l and +l. That is, for example, when l is 1, m is -1, 0, and 1, and when l is 2, m is -2, -1, 0, 1, and 2. Note that because there are no single magnetic poles in a magnetic field, the azimuthal quantum number l in (Equation 7) starts from 1, not 0. The first term in (Equation 7) is a term inversely proportional to the distance from the coordinate origin, and represents the potential existing in the space in front of the magnetic sensor array 210 as seen from the subject. The second term in (Equation 7) is a term proportional to the distance from the coordinate origin, and represents the potential existing in the space behind the magnetic sensor array 210 as seen from the object being measured.
したがって、(数6)および(数7)によれば、静磁場B(r)は、次式で表すことができる。ここで、(数8)における第1項は、被計測体から見て磁気センサアレイ210の手前の空間に存在する磁場源、すなわち、心臓の電気活動が作る心磁場(計測対象磁場)を示している。また、(数8)における第2項は、被計測体から見て磁気センサアレイ210の奥の空間に存在する磁場源が作る外乱磁場を示している。
球面調和関数を使った級数展開の形でラプラス方程式の解を表した場合、その一般解は無限級数となるが、生体磁場を計測するのに十分なSNR(信号ノイズ比、すなわち、外乱磁場及びセンサノイズに対する計測対象磁場信号の比)が得られればよく、実際には10項程度の級数で表せば十分であると言われている。また、脳磁計における信号空間分離の級数については、Lin=8、Lout=3前後が一般的に利用されている。したがって、本実施形態においても、LinおよびLoutは、上記と同程度の値を用いればよい。しかしながら、LinおよびLoutの値は、これに限定されるものではなく、外乱磁場を十分抑制し計測対象磁場だけを算出するのに十分な、いかなる数値であってもよい。 When the solution to Laplace's equation is expressed in the form of a series expansion using spherical harmonics, the general solution is an infinite series. However, as long as an SNR (signal-to-noise ratio, i.e., the ratio of the magnetic field signal to be measured to the disturbance magnetic field and sensor noise) sufficient for measuring biomagnetic fields is obtained, it is said that a series of around 10 terms is sufficient in practice. Furthermore, for signal spatial separation in magnetoencephalography, Lin = 8 and Lout = 3 are generally used. Therefore, in this embodiment, Lin and Lout can be values similar to those above. However, the values of Lin and Lout are not limited to these and can be any numerical values sufficient to sufficiently suppress the disturbance magnetic field and calculate only the magnetic field to be measured.
ここで、磁気センサアレイ210に用いられている全部でN個のセンサに対し、al,mおよびbl,mを次式のように定義する。ここで、n1、n2、・・・nNは、各センサ部の感度ベクトルである。なお、このal,mおよびbl,mは磁気センサセル220の個数を(センサ部300x、y、およびzがあるため)3倍した数の次元を持つベクトルとなる。つまり、全センサ数の次元を持つベクトルとなる。一例として、このベクトル(al,m、bl,m)は、各磁気センサセル220の出力から、較正演算部1130における補正がなされたデータを用いて計算される。このように、センサ部300x、y、およびzの主軸方向の感度と他軸方向の感度補正(補正された感度ベクトル)を含めて計算されたal,mおよびbl,mの値は基底ベクトル記憶部1150に記憶される。基底ベクトル記憶部1150が、磁気感度(主軸感度、他軸感度)の補正を含めて計算されたal,mおよびbl,mの値を記憶する本実施形態に係る磁場計測装置10は、動作時に、磁場取得部1120によって取得されたデータに対して較正演算部1130における補正を行うことで、各磁気センサセル220の磁気感度(主軸感度、他軸感度)の補正を行うことが可能となる。また別の一例として、基底ベクトル記憶部1150が、磁気感度(主軸感度、他軸感度)の補正がなされていない(補正されてない感度ベクトルによる)既定のal,mおよびbl,mの値を記憶している場合は、各磁気センサセル220の出力から、較正演算部1130において、(数5)のように、各センサ部の既定の感度ベクトルに一致するように磁気感度の補正がなされたデータに変換し、データ出力部1140へと出力し、その後、信号空間分離部1160での演算が実施される。
このようにal,mおよびbl,mを定義したので、ある時刻にそれぞれの磁気センサセル220において出力されるセンサ出力ベクトルΦは、以下の式で表すことができる。
さらに、Sin、Sout、Xin、およびXoutをそれぞれ次のように定義する。すなわち、Sinを、l=1からl=Linまで、各lにおいてm=-lからlまでの整数をとった時の各ベクトルaを順に列に並べた、計Lin×(Lin+2)列のベクトルと定義する。また、Soutを、l=1からl=Loutまで、各lにおいてm=-lからlまでの整数をとった時の各ベクトルbを順に列に並べた、計Lout×(Lout+2)列のベクトルと定義する。また、Xinを、l=1からl=Linまで、各lにおいてm=-lからlまでの整数をとった時の各多極モーメントαl,mを順に列に並べたベクトルを転置した、計Lin×(Lin+2)行のベクトルと定義する。また、Xoutを、l=1からl=Linまで、各lにおいてm=-1からlまでの整数をとった時の各多極モーメントβl,mを順に列に並べたベクトルを転置した、計Lout×(Lout+2)行のベクトルと定義する。
そうすると、センサ出力ベクトルΦは、次式に示すように、行列Sと縦ベクトルXの内積の形で表すことができる。ここで、行列Sは、基底ベクトルを示し、例えば、ステップ1230において、信号空間分離部1160が基底ベクトル記憶部1150から取得したものである。また、縦ベクトルXは、基底ベクトルに係る係数を示す。
本実施形態に係る信号空間分離部1160は、ステップ1240において、この(数12)で得られたセンサ出力ベクトルΦのモデル式に基づいて、次式を用いてΦ=SXを最小2乗近似で満たす縦ベクトルXを決定する。これにより、信号空間分離部1160は、ステップ1240において、磁場の空間分布を解くことができる。つまり、信号空間分離部1160は、磁場の空間分布を推定できるようになる。すなわち、信号空間分離部1160は、数12におけるセンサ出力ベクトルΦを磁場計測データBとして、計測対象磁場Binを内部空間データ^Bin=SinXin、外乱磁場を外部空間データ^Bout=SoutXoutとして推定できる。この際、信号空間分離部1160は、外部空間データ^Boutの大きさが予め定められた範囲を超える場合に、計測対象磁場Binを高精度に推定できない旨の警告を出してもよい。これにより、磁場計測装置10は、装置が故障している場合や、計測対象磁場Binを高精度に推定することができない程大きな外乱磁場が存在している場合等の状況において、計測対象磁場Binを計測してしまうことを事前に防止することができる。この場合に、信号空間分離部1160は、例えば、SoutXoutの各成分のいずれかの大きさが予め定められた閾値を超える場合に外乱磁場の大きさが予め定められた範囲を超えると判断してもよいし、SoutXoutの各成分の大きさの和や平均が予め定められた閾値を超える場合に外乱磁場の大きさが予め定められた範囲を超えると判断してもよい。
信号空間分離部1160は、計測データB_A及びB_Bについても、ステップ1210-ステップ1240と同様に信号分離を行い、内部空間データ^Bin_A及び^Bin_Bをそれぞれ抽出してよい。信号空間分離部1160は、計測データB、B_A、及びB_Bの各々について並列に信号分離を行ってもよく、また、順に信号分離を行ってもよい。ここで^Bin_A及び^Bin_Bは、それぞれ偶数チャネル、奇数チャネルのセンサに対応するデータのみで構成してもよいが、除外したチャネルのデータについても、補完して作成してよい。例えば、偶数チャネルを使用した内部空間データ^Bin_Aにおいて、基底ベクトルにかかる係数Xin、Xoutは偶数チャネルのみのデータを元に計算されるが、Sinには奇数チャネルを含む全チャネルの基底ベクトルを加えることで、全てのチャネルの内部空間データを推定することが可能である。 The signal space separation unit 1160 may also perform signal separation on the measurement data B_A and B_B in the same manner as in steps 1210-1240, extracting the internal spatial data ^Bin_A and ^Bin_B, respectively. The signal space separation unit 1160 may perform signal separation on each of the measurement data B, B_A, and B_B in parallel, or may perform signal separation sequentially. Here, ^Bin_A and ^Bin_B may be composed only of data corresponding to the sensors of the even and odd channels, respectively, or may be created by complementing the data of excluded channels. For example, for internal spatial data ^Bin_A using even channels, the coefficients Xin and Xout multiplied by the basis vectors are calculated based on data from only the even channels, but by adding the basis vectors of all channels, including the odd channels, to Sin, it is possible to estimate the internal spatial data of all channels.
そして、信号空間分離部1160は、ステップ1240において信号分離した後のデータである内部空間データ^Bin、^Bin_A、及び^Bin_Bを演算処理部1170へ供給する。 Then, the signal space separation unit 1160 supplies the internal space data ^Bin, ^Bin_A, and ^Bin_B, which are the data after signal separation in step 1240, to the calculation processing unit 1170.
これにより、本実施形態に係る磁場計測装置10によれば、各々が磁気センサ520を有する複数の磁気センサセル220を計測対象物の少なくとも一部を覆う面を形成するように配列して構成される磁気センサアレイ210を用いて計測された磁場計測データによって示される磁場の空間分布を、内部空間データ^Bin、^Bin_A、及び^Bin_Bと外部空間データ^Boutとに信号分離することができる。ここで、複数のセンサ部300がそれぞれ磁気収束板を有するので、センサ部300の磁気感度を高めるとともに、空間サンプリング点を明確化することができ、信号空間分離技術との親和性をより高めることができる。 As a result, the magnetic field measurement device 10 according to this embodiment can separate the spatial distribution of the magnetic field indicated by the magnetic field measurement data measured using the magnetic sensor array 210, which is configured by arranging multiple magnetic sensor cells 220, each having a magnetic sensor 520, to form a surface that covers at least a portion of the object being measured, into internal space data ^Bin, ^Bin_A, and ^Bin_B and external space data ^Bout. Here, since each of the multiple sensor units 300 has a magnetic concentrator, the magnetic sensitivity of the sensor unit 300 can be increased and the spatial sampling points can be clarified, further enhancing compatibility with signal spatial separation technology.
図14は、本実施形態に係る磁場計測装置10が、信号空間分離した内部空間データ^Binから、残留したノイズを除去するフローの一例を示す。 Figure 14 shows an example of a flow in which the magnetic field measuring device 10 according to this embodiment removes residual noise from the internal space data ^Bin after signal space separation.
ステップ1310において、演算処理部1170は、内部空間データ^Bin、^Bin_A、及び^Bin_Bを、信号空間分離部1160から時系列データとして取得する。つまり、演算処理部1170は、信号空間分離部1160が磁場計測データBから各時刻t1、t2、・・・tnにおいてそれぞれ信号分離して抽出された内部空間データ^Bin、^Bin_A、及び^Bin_Bを取得する。ここで内部空間データ^Bin、^Bin_A、及び^Bin_Bは、それぞれ縦方向が計測データを取得した各磁気センサセル220に相当し、横方向が各時刻に相当する行列となる。 In step 1310, the calculation processing unit 1170 acquires the internal space data ^Bin, ^Bin_A, and ^Bin_B as time-series data from the signal space separation unit 1160. In other words, the calculation processing unit 1170 acquires the internal space data ^Bin, ^Bin_A, and ^Bin_B extracted by the signal space separation unit 1160 through signal separation from the magnetic field measurement data B at each time t1, t2, ... tn. Here, the internal space data ^Bin, ^Bin_A, and ^Bin_B are each a matrix whose vertical direction corresponds to each magnetic sensor cell 220 from which measurement data was acquired and whose horizontal direction corresponds to each time.
ステップ1320において、磁場計測装置10は、内部空間データ^Bin_A及び^Bin_Bにおける時間領域の基底Cin_A及びCin_Bをそれぞれ算出する。例えば、算出部1174は、内部空間データ^Bin_A及び^Bin_Bをそれぞれ特異値分解することにより、時間領域の基底Cin_A及びCin_Bを算出する。より詳細には、算出部1174は、次式により、時間領域の基底Cin_A及びCin_Bをそれぞれ算出する。すなわち、算出部1174は、ある時間領域における内部空間データ^Bin_Aの転置行列をフロベニウスノルムで除算して正規化し、特異値分解をかける。そして、算出部1174は、特異値分解後の左特異ベクトルUin_Aを、内部空間データ^Bin_Aにおける時間領域の基底Cin_Aとして算出する。同様に、算出部1174は、ある時間領域における内部空間データ^Bin_Bの転置行列をフロベニウスノルムで除算して正規化し、特異値分解をかける。そして、算出部1174は、特異値分解後の左特異ベクトルUin_Bを、外部空間データ^Bin_Bにおける時間領域の基底Cin_Bとして算出する。
ステップ1330において、磁場計測装置10は、内部空間データ^Bin_Aにおける時間領域の基底Cin_A及び^Bin_Bにおける時間領域の基底Cin_Bの間で、主成分分析の手法などを元に、相関の強い基底を算出する。例えば、算出部1174は、基底Cin_A及びCin_Bの共分散行列(あるいは相関行列)を特異値分解し、その特異値の大きさにより基底Cin_A及びCin_B間の相関の係数を算出する。このような相関係数は、心磁信号等の基底Cin_A及びCin_Bに共通する時間変化に相当する基底間では1に近くなり(強い相関)、ランダムノイズ等に相当する基底間では0に近くなる(無相関)。 In step 1330, the magnetic field measuring device 10 calculates a basis with a strong correlation between the time domain basis Cin_A in the internal space data ^Bin_A and the time domain basis Cin_B in ^Bin_B, based on techniques such as principal component analysis. For example, the calculation unit 1174 performs singular value decomposition on the covariance matrix (or correlation matrix) of the bases Cin_A and Cin_B, and calculates the coefficient of correlation between the bases Cin_A and Cin_B based on the magnitude of the singular value. Such a correlation coefficient is close to 1 (strong correlation) between bases corresponding to time changes common to the bases Cin_A and Cin_B of magnetocardiogram signals, etc., and close to 0 (uncorrelated) between bases corresponding to random noise, etc.
ステップ1340において、磁場計測装置10は、内部空間データ^Bin_Aにおける時間領域の基底Cin_A及び内部空間データ^Bin_Bにおける時間領域の基底Cin_Bに共通する変動成分を共通部Lとして抽出する。例えば、算出部1174は、相関の係数が予め定められた閾値を超える部分を共通部とみなして抽出する。算出部1174は、このようにして、内部空間データ^Bin_Aにおける時間領域の基底Cin_Aと、外部空間データ^Bin_Bにおける時間領域の基底Cin_Bとの間の相関の強さに基づいて、相関の強い基底を共通する変動成分として抽出する。なお、予め定められた閾値は、高く設定し過ぎると信号成分の基底が除かれ心磁信号が減衰する恐れがあり、低く設定し過ぎるとノイズの基底まで含まれるので、適切な値に設定することが好ましい。
このように、演算処理部1170は、内部空間データ^Bin_Aにおける時間領域の基底Cin_A及び内部空間データ^Bin_Bにおける時間領域の基底Cin_Bを主成分分析することにより、共通部Lを抽出する。しかしながら、これに限定されるものではない。演算処理部1170は、主成分分析に代えて、例えば、独立成分分析等、異なる手法により共通する変動成分を共通部Lとして抽出してもよい。 In this way, the calculation processing unit 1170 extracts the common part L by performing principal component analysis on the time domain basis Cin_A in the internal space data ^Bin_A and the time domain basis Cin_B in the internal space data ^Bin_B. However, this is not limited to this. Instead of principal component analysis, the calculation processing unit 1170 may extract the common fluctuation component as the common part L using a different method, such as independent component analysis.
ステップ1350において、磁場計測装置10は、基底Cin_A及びCin_Bの共通部Lから射影行列Pを算出する。より詳細には、算出部1174は、次式により、信号空間への射影演算(SSP:Signal Space Projection)のための射影行列Pを算出する。なお、次式において、Pは、射影行列を示し、Lは、抽出した共通部を示している。
ステップ1360において、磁場計測装置10は、内部空間データ^Binからノイズを除去する。例えば、演算処理部1170は、内部空間データ^Binに射影行列Pを乗算することで、内部空間データ^Binを計測対象の信号空間に射影する。より詳細には、演算処理部1170は、次式によりノイズを除去する。なお、次式において、^BinprojはSSPによりノイズが除去された後の内部空間データを示す。
本実施形態に係る磁場計測装置10によれば、射影行列Pはノイズが除かれた信号成分の基底Lから計算されるため、内部空間データ^Binの信号成分のみが射影され、センサノイズの成分を効率よく除去できる。 In the magnetic field measuring device 10 according to this embodiment, the projection matrix P is calculated from the basis L of the signal components from which noise has been removed, so only the signal components of the internal space data ^Bin are projected, enabling the sensor noise components to be efficiently removed.
図15は、本実施形態に係る磁場計測装置10の一部の第2の構成例を示す。本図は、X-Y平面で磁気センサアレイ210の一部を示し、磁気センサアレイ210のうち、対応する計測データを信号空間分離部1160により取得した磁気センサセル220を斜線で塗りつぶして示す。本図において、第2の構成例の磁場計測装置10の信号空間分離部1160及び演算処理部1170を示し、他の構成は、図1から図11の磁場計測装置10と同様であってよい。第2の構成例の磁場計測装置10は、共通部の抽出を行わずに、2つの射影行列を算出して、2回の射影演算を行う。第2の構成例の磁場計測装置10は、他の構成及び動作について第1の構成例の磁場計測装置10と同様であってよい。以下、第1の構成例の磁場計測装置10と異なる構成及び動作について主に述べる。 Figure 15 shows a second configuration example of a portion of the magnetic field measurement device 10 according to this embodiment. This figure shows a portion of the magnetic sensor array 210 in the X-Y plane, with magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210 for which corresponding measurement data has been acquired by the signal space separation unit 1160 indicated by hatching. This figure shows the signal space separation unit 1160 and the calculation processing unit 1170 of the magnetic field measurement device 10 of the second configuration example, and the other configuration may be similar to that of the magnetic field measurement device 10 of Figures 1 to 11. The magnetic field measurement device 10 of the second configuration example does not extract common parts, but calculates two projection matrices and performs two projection calculations. The magnetic field measurement device 10 of the second configuration example may be similar in other configuration and operation to the magnetic field measurement device 10 of the first configuration example. Below, the configuration and operation that differ from the magnetic field measurement device 10 of the first configuration example will be mainly described.
算出部1174は、内部空間データ^Bin_Aに基づいて射影行列P1を算出し、内部空間データ^Bin_Bに基づいて射影行列P2を算出する。例えば、算出部1174は、ステップ1320と同様に、内部空間データ^Bin_Aを特異値分解することにより、内部空間データ^Bin_Aにおける時間領域の基底Cin_Aを算出する。そして、算出部1174は、基底Cin_Aから射影行列P1を算出する。なお、次式において、P1は、射影行列を示し、L1は、基底Cin_Aを示している。
さらに、算出部1174は、ステップ1320と同様に、内部空間データ^Bin_Bを特異値分解することにより、内部空間データ^Bin_Bにおける時間領域の基底Cin_Bを算出する。そして、算出部1174は、基底Cin_Bから射影行列P2を算出する。なお、次式において、P2は、射影行列を示し、L2は、基底Cin_Bを示している。
算出部1174は、算出した射影行列P1及びP2をノイズ除去部1172に供給する。 The calculation unit 1174 supplies the calculated projection matrices P1 and P2 to the noise removal unit 1172.
ノイズ除去部1172は、射影行列P1を用いて内部空間データ^Binのノイズの一部を除去し、射影行列P2を用いて内部空間データ^Binのノイズの他の一部を除去する。ノイズ除去部1172は、内部空間データ^Binに射影行列P1を乗算して、内部空間データ^Binを偶数チャネルの計測対象の信号空間に射影することにより、内部空間データ^Binに含まれる奇数チャネルのセンサノイズを除去することができる。さらに、ノイズ除去部1172は、内部空間データ^Binに射影行列P2を乗算して、内部空間データ^Binを奇数チャネルの計測対象の信号空間に射影することにより、内部空間データ^Binに含まれる偶数チャネルのセンサノイズを除去することができる。なお、ノイズ除去部1172は、内部空間データ^Binに射影行列P1及びP2のいずれを先に適用してもよい。このようにノイズ除去部1172は、複数回に分けてノイズ除去を行うことができる。ノイズ除去部1172は、ノイズを除去した内部空間データ^Binprojを出力してよい。またL1およびL2は、基底Cin_Aと基底Cin_Bの全てを使用してもよいが、内部空間データ^Bin_Aと内部空間データ^Bin_Bを特異値分解した際の、特異値の大きな信号に対応する基底を残し、特異値の小さなノイズに対応する基底は除いて算出してもよい。この場合も特異値の小さな基底を除くことは、ノイズ低減に好適となるが、除きすぎると信号成分の減衰を招くため、適当な閾値を設定し計算することが望ましい。 The noise removal unit 1172 removes a portion of the noise in the internal spatial data ^Bin using the projection matrix P1, and removes another portion of the noise in the internal spatial data ^Bin using the projection matrix P2. The noise removal unit 1172 multiplies the internal spatial data ^Bin by the projection matrix P1 and projects the internal spatial data ^Bin onto the signal space of the even-numbered channel measurement target, thereby removing the odd-numbered channel sensor noise contained in the internal spatial data ^Bin. Furthermore, the noise removal unit 1172 multiplies the internal spatial data ^Bin by the projection matrix P2 and projects the internal spatial data ^Bin onto the signal space of the odd-numbered channel measurement target, thereby removing the even-numbered channel sensor noise contained in the internal spatial data ^Bin. Note that the noise removal unit 1172 may first apply either the projection matrix P1 or P2 to the internal spatial data ^Bin. In this way, the noise removal unit 1172 can perform noise removal in multiple stages. The noise removal unit 1172 may output the internal spatial data ^Binproj with noise removed. Furthermore, L1 and L2 may use all of the bases Cin_A and Cin_B, or may be calculated by retaining bases corresponding to signals with large singular values when singular value decomposition is performed on the internal spatial data ^Bin_A and the internal spatial data ^Bin_B, and excluding bases corresponding to noise with small singular values. In this case, too, removing bases with small singular values is advantageous for noise reduction, but removing too many will result in attenuation of signal components, so it is desirable to set an appropriate threshold value when performing calculations.
図16は、本実施形態に係る磁場計測装置10の一部の第3の構成例を示す。本図は、X-Y平面で磁気センサアレイ210の一部を示し、磁気センサアレイ210のうち、対応する計測データを信号空間分離部1160により取得した磁気センサセル220を斜線で塗りつぶして示す。本図において、第3の構成例の磁場計測装置10の信号空間分離部1160及び演算処理部1170を示し、第3の構成例の他の構成は、図1から図11の磁場計測装置10と同様であってよい。第3の構成例の磁場計測装置10は、共通部の抽出を行わずに、3つの射影行列を算出して、3回の射影演算を行う。第3の構成例の磁場計測装置10は、他の構成及び動作について第1の構成例の磁場計測装置10と同様であってよい。以下、第1の構成例の磁場計測装置10と異なる構成及び動作について主に述べる。 Figure 16 shows a third configuration example of a portion of the magnetic field measurement device 10 according to this embodiment. This figure shows a portion of the magnetic sensor array 210 in the X-Y plane, with magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210 for which corresponding measurement data has been acquired by the signal space separation unit 1160 indicated by hatching. This figure shows the signal space separation unit 1160 and the calculation processing unit 1170 of the magnetic field measurement device 10 of the third configuration example, and other configurations of the third configuration example may be similar to those of the magnetic field measurement device 10 of Figures 1 to 11. The magnetic field measurement device 10 of the third configuration example does not extract common parts, but calculates three projection matrices and performs three projection calculations. The magnetic field measurement device 10 of the third configuration example may be similar in other configurations and operations to the magnetic field measurement device 10 of the first configuration example. Below, the configurations and operations that differ from those of the magnetic field measurement device 10 of the first configuration example will be mainly described.
信号空間分離部1160は、磁気センサアレイ210によって計測され、較正演算部1130によって較正された磁場計測データを異なる4つの組み合わせで、データ記憶部1155から取得する。例えば、信号空間分離部1160は、磁気センサアレイ210の全ての磁気センサセル220からの計測データB、磁気センサアレイ210の磁気センサセル220のうち、3列毎に異なる1列をとばした磁気センサセル220からの計測データB_A、B_B,及びB_Cをそれぞれデータ記憶部1155から取得する。具体的には、信号空間分離部1160は、磁気センサアレイ210の磁気センサセル220のうち、2,3,5,6,8・・・列目の磁気センサセル220からの計測データB_Aを取得し、1,3,4,6,7・・・列目の磁気センサセル220からの計測データB_Bを取得し、1,2,4,5,7、8・・・列目の磁気センサセル220からの計測データB_Cを取得してよい。信号空間分離部1160は、計測データB、B_A、B_B,及びB_Cについて、図13のステップ1210~1240と同様に信号分離をそれぞれ行い、内部空間データ^Bin、^Bin_A、^Bin_B、及び^Bin_Cを抽出する。信号空間分離部1160は、内部空間データ^Binをノイズ除去部1172へ供給し、内部空間データ^Bin_A、^Bin_B、及び^Bin_Cを算出部1174へ供給する。 The signal space separation unit 1160 acquires from the data storage unit 1155 four different combinations of magnetic field measurement data measured by the magnetic sensor array 210 and calibrated by the calibration calculation unit 1130. For example, the signal space separation unit 1160 acquires from the data storage unit 1155 measurement data B from all magnetic sensor cells 220 in the magnetic sensor array 210, and measurement data B_A, B_B, and B_C from magnetic sensor cells 220 in the magnetic sensor array 210, skipping one different column every three columns. Specifically, the signal space separation unit 1160 may acquire measurement data B_A from the magnetic sensor cells 220 in the second, third, fifth, sixth, eighth, and so on columns among the magnetic sensor cells 220 in the magnetic sensor array 210, acquire measurement data B_B from the magnetic sensor cells 220 in the first, third, fourth, sixth, seventh, and so on columns, and acquire measurement data B_C from the magnetic sensor cells 220 in the first, second, fourth, fifth, seventh, eighth, and so on columns. The signal space separation unit 1160 performs signal separation on the measurement data B, B_A, B_B, and B_C, respectively, in the same manner as in steps 1210 to 1240 of FIG. 13 , and extracts internal space data ^Bin, ^Bin_A, ^Bin_B, and ^Bin_C. The signal space separation unit 1160 supplies the internal spatial data ^Bin to the noise removal unit 1172, and supplies the internal spatial data ^Bin_A, ^Bin_B, and ^Bin_C to the calculation unit 1174.
算出部1174は、ステップ1320及び第2の構成例の磁場計測装置10と同様に、内部空間データ^Bin_Aに基づいて射影行列P1を算出し、内部空間データ^Bin_Bに基づいて射影行列P2を算出する。さらに算出部1174は、ステップ1320と同様に、内部空間データ^Bin_Cを特異値分解することにより、内部空間データ^Bin_Cにおける時間領域の基底Cin_Cを算出する。そして、算出部1174は、基底Cin_Cから射影行列P3を算出する。なお、次式において、P3は、射影行列を示し、L3は、基底Cin_Cを示している。
算出部1174は、算出した射影行列P1,P2、及びP3をノイズ除去部1172に供給する。 The calculation unit 1174 supplies the calculated projection matrices P1, P2, and P3 to the noise removal unit 1172.
ノイズ除去部1172は、射影行列P1,P2、及びP3を用いて内部空間データ^Binのノイズを除去する。例えば、ノイズ除去部1172は、射影行列P1の射影演算により、内部空間データ^Binについて、射影行列P1の算出に用いられていない磁気センサセル220のセンサノイズ(すなわち、計測データ^Binに含まれる、1,4,7,・・・列目の磁気センサセル220からのノイズ)を除去する。ノイズ除去部1172は、射影行列P2の射影演算により、内部空間データ^Binについて、射影行列P2の算出に用いられていない磁気センサセル220のセンサノイズ(すなわち、計測データ^Binに含まれる、2,5,8,・・・列目の磁気センサセル220からのノイズ)を除去する。ノイズ除去部1172は、射影行列P3の射影演算により、内部空間データ^Binについて、射影行列P3の算出に用いられていない磁気センサセル220のセンサノイズ(すなわち、計測データ^Binに含まれる、3,6,8,・・・列目の磁気センサセル220からのノイズ)を除去する。ノイズ除去部1172は、内部空間データ^Binに射影行列P1,P2、及びP3をそれぞれ乗算してノイズを除去することができる。なお、内部空間データ^Binに対する射影行列P1,P2、及びP3の射影演算の順序は限定されない。ノイズ除去部1172は、ノイズを除去した内部空間データ^Binprojを出力してよい。 The noise removal unit 1172 removes noise from the internal space data ^Bin using the projection matrices P1, P2, and P3. For example, the noise removal unit 1172 removes sensor noise from the magnetic sensor cells 220 not used in calculating the projection matrix P1 (i.e., noise from the magnetic sensor cells 220 in the first, fourth, seventh, etc. columns included in the measurement data ^Bin) using a projection calculation of the projection matrix P1. The noise removal unit 1172 removes sensor noise from the magnetic sensor cells 220 not used in calculating the projection matrix P2 (i.e., noise from the magnetic sensor cells 220 in the second, fifth, eighth, etc. columns included in the measurement data ^Bin) using a projection calculation of the projection matrix P2. The noise removal unit 1172 removes sensor noise from the magnetic sensor cells 220 not used in calculating the projection matrix P3 from the internal space data ^Bin (i.e., noise from the magnetic sensor cells 220 in the third, sixth, eighth, etc. columns included in the measurement data ^Bin) through a projection calculation of the projection matrix P3. The noise removal unit 1172 can remove noise by multiplying the internal space data ^Bin by the projection matrices P1, P2, and P3, respectively. Note that the order of the projection calculation of the projection matrices P1, P2, and P3 on the internal space data ^Bin is not limited. The noise removal unit 1172 may output the internal space data ^Binproj from which noise has been removed.
図17は、本実施形態に係る磁場計測装置10の一部の第4の構成例を示す。本図は、X-Y平面で磁気センサアレイ210の一部を示し、磁気センサアレイ210のうち、対応する計測データを信号空間分離部1160により取得した磁気センサセル220を斜線で塗りつぶして示す。本図において、第4の構成例の磁場計測装置10の信号空間分離部1160及び演算処理部1170を示し、第4の構成例の他の構成は、図1から図11の磁場計測装置10と同様であってよい。第4の構成例の磁場計測装置10は、共通部の抽出を行わずに、磁気センサアレイ210の一部の磁気センサセル220の計測データから抽出された内部空間データのノイズを、磁気センサアレイ210の他の一部の磁気センサセル220の計測データから算出された射影行列で除去する。第4の構成例の磁場計測装置10は、他の構成及び動作について第1の構成例の磁場計測装置10と同様であってよい。以下、第1の構成例の磁場計測装置10と異なる構成及び動作について主に述べる。 Figure 17 shows a fourth configuration example of a portion of the magnetic field measurement device 10 according to this embodiment. This figure shows a portion of the magnetic sensor array 210 in the X-Y plane, with the magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210 for which corresponding measurement data has been acquired by the signal space separation unit 1160 indicated by hatching. This figure shows the signal space separation unit 1160 and the calculation processing unit 1170 of the magnetic field measurement device 10 of the fourth configuration example, and other configurations of the fourth configuration example may be similar to those of the magnetic field measurement device 10 of Figures 1 to 11. The magnetic field measurement device 10 of the fourth configuration example does not extract common parts, but removes noise in the internal space data extracted from the measurement data of some of the magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210 using a projection matrix calculated from the measurement data of other magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210. The magnetic field measurement device 10 of the fourth configuration example may be similar in other configuration and operation to the magnetic field measurement device 10 of the first configuration example. Below, we will mainly describe the configuration and operation that differ from the magnetic field measurement device 10 of the first configuration example.
信号空間分離部1160は、データ記憶部1155から、磁気センサアレイ210の偶数チャネル(偶数番目)の磁気センサセル220のみからの計測データB_A、及び磁気センサアレイ210の奇数チャネル(奇数番目)の磁気センサセル220のみからの計測データB_Bを取得する。信号空間分離部1160は、計測データB_A及びB_Bについて、図13のステップ1210-1240と同様に、内部空間データ^Bin_A及び^Bin_Bをそれぞれ抽出してよい。信号空間分離部1160は、内部空間データ^Bin_Aをノイズ除去部1172へ供給し、内部空間データ^Bin_Bを算出部1174へ供給する。 The signal space separation unit 1160 acquires measurement data B_A from only the magnetic sensor cells 220 in the even channels (even-numbered) of the magnetic sensor array 210, and measurement data B_B from only the magnetic sensor cells 220 in the odd channels (odd-numbered) of the magnetic sensor array 210, from the data storage unit 1155. The signal space separation unit 1160 may extract internal spatial data ^Bin_A and ^Bin_B from the measurement data B_A and B_B, respectively, in the same manner as steps 1210-1240 of FIG. 13. The signal space separation unit 1160 supplies the internal spatial data ^Bin_A to the noise removal unit 1172 and supplies the internal spatial data ^Bin_B to the calculation unit 1174.
算出部1174は、ステップ1320及び第2の構成例の磁場計測装置10と同様に、内部空間データ^Bin_Bに基づいて射影行列P2を算出する。算出部1174は、射影行列P2をノイズ除去部1172に供給する。 The calculation unit 1174 calculates the projection matrix P2 based on the internal space data ^Bin_B, similar to step 1320 and the magnetic field measuring device 10 of the second configuration example. The calculation unit 1174 supplies the projection matrix P2 to the noise removal unit 1172.
ノイズ除去部1172は、射影行列P2を用いて内部空間データ^Bin_Aのノイズを除去する。例えば、ノイズ除去部1172は、射影行列P2の射影演算により、内部空間データ^Bin_Aについて、射影行列P2の算出に用いられていない偶数チャネルの磁気センサセル220のセンサノイズを除去する。ノイズ除去部1172は、内部空間データ^Bin_Aに射影行列P2を乗算してノイズを除去することができる。ノイズ除去部1172は、ノイズを除去した内部空間データ^Binprojを出力してよい。 The noise removal unit 1172 removes noise from the internal space data ^Bin_A using the projection matrix P2. For example, the noise removal unit 1172 removes sensor noise from the magnetic sensor cells 220 of the even channels that are not used in calculating the projection matrix P2 from the internal space data ^Bin_A through a projection operation using the projection matrix P2. The noise removal unit 1172 can remove noise by multiplying the internal space data ^Bin_A by the projection matrix P2. The noise removal unit 1172 may output the internal space data ^Binproj from which the noise has been removed.
図18は、本実施形態に係る磁場計測装置10の一部の第5の構成例を示す。本図は、X-Y平面で磁気センサアレイ210の一部を示し、磁気センサアレイ210のうち、対応する計測データを信号空間分離部1160により取得した磁気センサセル220を斜線で塗りつぶして示す。本図において、第5の構成例の磁場計測装置10の信号空間分離部1160及び演算処理部1170を示し、第5の構成例の他の構成は、図1から図11の磁場計測装置10と同様であってよい。第5の構成例の磁場計測装置10は、信号空間分離部1160とノイズ除去部1172及び算出部1174との間に平均処理部1165を備え、内部空間データの平均値を用いてノイズ除去を行う。第5の構成例の磁場計測装置10は、平均処理部1165以外は、他の構成及び動作について第1の構成例の磁場計測装置10と同様であってよい。以下、第1の構成例の磁場計測装置10と異なる構成及び動作について主に述べる。 Figure 18 shows a fifth configuration example of a portion of the magnetic field measurement device 10 according to this embodiment. This figure shows a portion of the magnetic sensor array 210 in the X-Y plane, with magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210 for which corresponding measurement data has been acquired by the signal space separation unit 1160 indicated by hatching. This figure shows the signal space separation unit 1160 and the calculation processing unit 1170 of the magnetic field measurement device 10 of the fifth configuration example, and other configurations of the fifth configuration example may be similar to those of the magnetic field measurement device 10 of Figures 1 to 11. The magnetic field measurement device 10 of the fifth configuration example includes an averaging processing unit 1165 between the signal space separation unit 1160 and the noise removal unit 1172 and calculation unit 1174, and performs noise removal using the average value of the internal spatial data. Other than the averaging processing unit 1165, the magnetic field measurement device 10 of the fifth configuration example may be similar in configuration and operation to the magnetic field measurement device 10 of the first configuration example. Below, configurations and operations that differ from the magnetic field measurement device 10 of the first configuration example will be mainly described.
平均処理部1165は、内部空間データ^Bin、^Bin_A、及び^Bin_Bについて、複数のデータの平均値をそれぞれ算出する。平均処理部1165は、信号空間分離部1160から供給される、時間軸で連続する複数の内部空間データを移動平均して平均値を算出し、ノイズ除去部1172に供給してよい。あるいは、平均処理部1165は、時間軸で連続する内部空間データ^Bin、^Bin_A、及び^Bin_Bを、特定の区間ごとにデータを分割し、各データを加算平均してよい。例えば、時間t1~t1000、t1001~t2000など1000サンプルごとの区間に分割し、時間t1とt1001のデータの平均,t2とt1002のデータの平均,・・・,t1000とt2000のデータの平均として平均値を出し、ノイズ除去部1172に供給してよい。平均処理部1165は、内部空間データ^Bin、^Bin_A、及び^Bin_Bについて、それぞれ複数個のデータの平均値を算出することで、ノイズをより抑制することができる。 The averaging processing unit 1165 calculates the average value of multiple pieces of data for the internal spatial data ^Bin, ^Bin_A, and ^Bin_B. The averaging processing unit 1165 may calculate the average value by taking a moving average of multiple pieces of internal spatial data that are continuous on the time axis and supplied from the signal spatial separation unit 1160, and supply the average value to the noise reduction unit 1172. Alternatively, the averaging processing unit 1165 may divide the internal spatial data ^Bin, ^Bin_A, and ^B that are continuous on the time axis into specific intervals and perform an arithmetic average of each piece of data. For example, the data may be divided into intervals of 1,000 samples each, such as time t1 to t1000, t1001 to t2000, etc., and averaged as the average of the data between times t1 and t1001, the average of the data between t2 and t1002, ..., the average of the data between t1000 and t2000, and supplied to the noise reduction unit 1172. The averaging processing unit 1165 can further suppress noise by calculating the average value of multiple pieces of data for each of the internal space data ^Bin, ^Bin_A, and ^Bin_B.
図14のステップ1310-1360と同様に、算出部1174は、内部空間データの平均値^Bin_A及び^Bin_Bに基づいて射影行列Pを算出し、ノイズ除去部1172は、射影行列Pを用いて内部空間データの平均値^Binのノイズを除去する。ノイズ除去部1172は、ノイズを除去した内部空間データ^Binprojを出力してよい。また、平均処理部1165は、ノイズ除去部1172の後段に設けることも可能である。 Similar to steps 1310-1360 in FIG. 14, the calculation unit 1174 calculates a projection matrix P based on the internal space data average values ^Bin_A and ^Bin_B, and the noise removal unit 1172 removes noise from the internal space data average value ^Bin using the projection matrix P. The noise removal unit 1172 may output the internal space data ^Binproj from which the noise has been removed. The averaging processing unit 1165 may also be provided subsequent to the noise removal unit 1172.
図19は、本実施形態に係る磁場計測装置10の一部の第6の構成例を示す。本図は、X-Y平面で磁気センサアレイ210の一部を示し、磁気センサアレイ210のうち、対応する計測データを信号空間分離部1160により取得した磁気センサセル220を斜線で塗りつぶして示す。本図において、第6の構成例の磁場計測装置10の信号空間分離部1160及び演算処理部1170を示し、第6の構成例の他の構成は、図1から図11の磁場計測装置10と同様であってよい。第6の構成例の磁場計測装置10は、信号空間分離部1160と算出部1174との間に減算部1176を備え、信号空間分離部1160からのデータの減算結果を用いて射影行列Pを算出する。第6の構成例の磁場計測装置10は、他の構成及び動作について第1の構成例の磁場計測装置10と同様であってよい。以下、第1の構成例の磁場計測装置10と異なる構成及び動作について主に述べる。 Figure 19 shows a sixth example configuration of a portion of the magnetic field measurement device 10 according to this embodiment. This figure shows a portion of the magnetic sensor array 210 in the X-Y plane, with magnetic sensor cells 220 of the magnetic sensor array 210 for which corresponding measurement data has been acquired by the signal space separation unit 1160 indicated by hatching. This figure shows the signal space separation unit 1160 and the calculation processing unit 1170 of the magnetic field measurement device 10 of the sixth example configuration, and other configurations of the sixth example configuration may be similar to those of the magnetic field measurement device 10 of Figures 1 to 11. The magnetic field measurement device 10 of the sixth example configuration includes a subtraction unit 1176 between the signal space separation unit 1160 and the calculation unit 1174, and calculates the projection matrix P using the subtraction results from the signal space separation unit 1160. The magnetic field measurement device 10 of the sixth example configuration may be similar in other configuration and operation to the magnetic field measurement device 10 of the first example configuration. Below, the configuration and operation that differ from those of the magnetic field measurement device 10 of the first example configuration will be mainly described.
減算部1176は、信号空間分離部1160から供給される内部空間データ^Bin_Aと内部空間データ^Bin_Bの差分^Bin_A-Bを算出する。内部空間データ^Bin_Aは、計測対象の信号成分と偶数チャネルのセンサノイズを含み、内部空間データ^Bin_Bは、計測対象の信号成分と奇数チャネルのセンサノイズを含む。従って、差分^Bin_A-Bは、計測対象の信号成分が除去され、センサノイズを示すデータとなる。減算部1176は、当該差分^Bin_A-Bを算出部1174に供給する。 The subtraction unit 1176 calculates the difference ^Bin_A-B between the internal spatial data ^Bin_A and internal spatial data ^Bin_B supplied from the signal space separation unit 1160. The internal spatial data ^Bin_A includes the signal component of the measurement target and sensor noise of the even channel, while the internal spatial data ^Bin_B includes the signal component of the measurement target and sensor noise of the odd channel. Therefore, the difference ^Bin_A-B is data indicating sensor noise, with the signal component of the measurement target removed. The subtraction unit 1176 supplies this difference ^Bin_A-B to the calculation unit 1174.
算出部1174は、減算部1176からの差分^Bin_A-Bに基づいて基底Cin_Aを算出する。算出部1174は、図14のステップ1310-1320と同様に、差分^Bin_A-Bを特異値分解することにより、差分^Bin_A-Bにおける時間領域の基底Cin_A-Bを算出する。ここで、基底Cin_A-Bは、ノイズ成分に対応する基底ベクトルである。 The calculation unit 1174 calculates the basis Cin_A based on the difference ^Bin_A-B from the subtraction unit 1176. Similar to steps 1310-1320 in FIG. 14, the calculation unit 1174 calculates the time-domain basis Cin_A-B for the difference ^Bin_A-B by singular value decomposition of the difference ^Bin_A-B. Here, the basis Cin_A-B is a basis vector corresponding to the noise component.
算出部1174は、図14のステップ1350と同様に、基底Cin_A-Bから射影行列Pを算出する。(数16)において、L=Cin_A-Bとして射影行列Pを算出することができる。算出部1174は、射影行列Pをノイズ除去部1172に供給する。 The calculation unit 1174 calculates the projection matrix P from the basis Cin_A-B, similar to step 1350 in FIG. 14. In (Equation 16), the projection matrix P can be calculated as L = Cin_A-B. The calculation unit 1174 supplies the projection matrix P to the noise removal unit 1172.
ノイズ除去部1172は、射影行列Pを用いて内部空間データ^Binからノイズを除去する。ここで、射影行列Pは、ノイズ成分のデータから算出されたものであるため、射影行列Pを用いて、ノイズ空間と直交する計測対象の信号空間に内部空間データ^Binを射影するために、次式のように射影演算を行う。なお、次式において、Iは単位行列を示す。ノイズ除去部1172は、ノイズを除去した内部空間データ^Binprojを出力してよい。
図20は、本実施形態に係る第6の構成例の磁場計測装置10においてノイズを除去する前における内部空間データ^Binの測定結果を示す。測定はファントムコイルの模擬心磁信号について、300個のセンサを使用し1ミリ秒間隔で4000点サンプルし信号空間分離により内部空間データ^Binを算出した。本図において、横軸は時間を示しており、縦軸はノイズを除去する前における内部空間データ^Binの大きさについて、一部のセンサのデータを取り出し示している。本図に示すように、内部空間データ^Binには、心磁信号(R波)に重畳してセンサに由来する大きなノイズ(本図においてノイズとし矢印でしめす)が残留していることが分かる。このような大きなノイズはGMR、TMRといった磁気抵抗素子において、磁壁が不純物などでトラップされることで発生する、バルクハウゼンジャンプと呼ばれるノイズである。 Figure 20 shows the measurement results of the internal spatial data ^Bin before noise removal in the magnetic field measurement device 10 of the sixth configuration example according to this embodiment. The measurement was performed using 300 sensors, sampling 4,000 points at 1-millisecond intervals for a simulated magnetic field signal from a phantom coil, and calculating the internal spatial data ^Bin through signal spatial separation. In this figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the magnitude of the internal spatial data ^Bin before noise removal, showing data extracted from some sensors. As shown in this figure, it can be seen that the internal spatial data ^Bin contains large sensor-derived noise (indicated by arrows in this figure) superimposed on the magnetic field signal (R-wave). This large noise is called Barkhausen jump noise, and occurs when domain walls are trapped by impurities in magnetoresistive elements such as GMR and TMR.
図21は、本実施形態に係る第6の構成例の磁場計測装置10において、ノイズを除去した後における内部空間データ^Binprojの測定結果を示す。内部空間データ^Bin、および^Bin_A、^Bin_B、をそれぞれ偶数チャネルと奇数チャネルのデータを元に算出した。また^Bin_A、^Bin_Bの除外したチャネルのデータについては、前述のように除外したチャネルの基底ベクトルを計算時に加えることで補完して出力した。^Bin_A-Bの時間領域の基底Cin_A-Bは、^Bin_A-Bを特異値分解したうちの、特異値の大きな順より上位5個(全300個)の基底を抽出し、射影行列Pの算出を行った。本図において、横軸は時間を示しており、縦軸はノイズを除去した後における内部空間データ^Binprojの大きさを示している。本図に示すように、バルクハウゼンジャンプによるノイズが射影演算により除去できていることが分かる。なお、本実施形態に係る他の構成例の磁場計測装置10についても、同様にノイズ除去効果が確認された。 Figure 21 shows the measurement results of the internal space data ^Binproj after noise removal in the magnetic field measurement device 10 of the sixth configuration example according to this embodiment. The internal space data ^Bin, ^Bin_A, and ^Bin_B were calculated based on the data of the even and odd channels, respectively. Furthermore, the data of the excluded channels of ^Bin_A and ^Bin_B were complemented and output by adding the basis vectors of the excluded channels during calculation, as described above. The time-domain basis Cin_A-B of ^Bin_A-B was calculated by extracting the top five (300 total) singular value-decomposition bases of ^Bin_A-B in order of largest singular value, and then calculating the projection matrix P. In this figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the magnitude of the internal space data ^Binproj after noise removal. As shown in this figure, it can be seen that noise due to Barkhausen jumps was successfully removed by the projection operation. Similar noise removal effects were also confirmed for magnetic field measurement devices 10 with other configuration examples related to this embodiment.
上述のとおり、信号空間分離処理を実行するにあたって、信号空間分離で抽出された内部空間データ^Binにはセンサに由来するノイズが残留する。このようなノイズを除去するべく、例えば、信号空間分離で抽出された内部空間データ^Binから、特異値分解により射影行列を算出し、当該射影行列を内部空間データ^Binに適用する方法が考えられる。しかし、内部空間データ^Binに残留したセンサノイズは、当該内部空間データ^Binと同じ信号空間に入っているため、射影演算によりノイズ成分を効果的に分離することはできない。 As mentioned above, when performing signal space separation processing, noise originating from the sensor remains in the internal space data ^Bin extracted by signal space separation. To remove such noise, one possible method is to calculate a projection matrix from the internal space data ^Bin extracted by signal space separation using singular value decomposition, and then apply this projection matrix to the internal space data ^Bin. However, because the sensor noise remaining in the internal space data ^Bin is in the same signal space as the internal space data ^Bin, it is not possible to effectively separate the noise components using a projection operation.
また、例えば、信号空間分離前の計測データBから、特異値分解により射影行列を算出し、当該射影行列をデータBに適用し、その後、計測データBに信号空間分離を行う方法が考えられる。しかし、信号空間分離前のデータには、生体磁場信号とセンサノイズが微小(ピコテスラ)であるのに対し、はるかに大きい環境磁場(マイクロテスラ)が含まれているため、特異値分解により信号とセンサノイズの基底を分離しようとしても、環境磁場の基底以外は正確に算出できない。従って、信号とセンサノイズの基底を分離して算出し、射影演算によるセンサノイズを除去する処理は困難である。 Another possible method is to calculate a projection matrix from measurement data B before signal space separation using singular value decomposition, apply this projection matrix to data B, and then perform signal space separation on measurement data B. However, the data before signal space separation contains a much larger environmental magnetic field (microtesla) while the biomagnetic signal and sensor noise are tiny (picotesla). Therefore, even if you try to separate the bases of the signal and sensor noise using singular value decomposition, it is not possible to accurately calculate anything other than the bases of the environmental magnetic field. Therefore, it is difficult to separate and calculate the bases of the signal and sensor noise and then remove the sensor noise using a projection operation.
これに対して、本実施形態に係る磁場計測装置10によれば、磁気センサアレイ210の異なる組み合わせの磁気センサセル220から、複数のデータのセットを取得して信号空間分離した後に、1つのデータのセットから射影行列を算出し、他のデータのセットをノイズ除去対象とする。これにより、信号に含まれるノイズと射影行列に含まれるノイズを分離して、ノイズ除去を行うことができ、センサノイズの除去性能をより向上させることができる。磁場計測装置10は、ノイズを除去した内部空間データ^Binprojを用いて、心磁計測に関する各種の表示をディスプレイ等に表示させてよい。 In contrast, according to the magnetic field measuring device 10 of this embodiment, multiple data sets are acquired from different combinations of magnetic sensor cells 220 in the magnetic sensor array 210, and signal space separation is performed. Then, a projection matrix is calculated from one data set, and other data sets are subjected to noise removal. This makes it possible to separate noise contained in the signal from noise contained in the projection matrix and perform noise removal, thereby further improving sensor noise removal performance. The magnetic field measuring device 10 may use the internal space data ^Binproj from which noise has been removed to display various displays related to magnetocardiography on a display or the like.
なお、信号成分から射影行列を算出する第1-5の構成例の磁場計測装置10は、センサの1/fノイズ等より小さなノイズの除去により好適であり、ノイズ成分から射影行列を算出する第6の構成例の磁場計測装置10は、バルクハウゼンジャンプ等のより大きなノイズの除去により好適である。また、磁場計測装置10は、第1-5の構成例の演算処理部1170のうちの複数を備えてよく、第1-5の構成例における演算を同時に行い、得られた複数種類の内部空間データ^Binprojの平均値等を算出して、当該平均値を内部空間データ^Binprojとして出力してよい。また、演算処理部1170で用いられる内部空間データを取得する磁気センサセル220は、磁気センサアレイ210の全ての磁気センサセル220の中から選択されてもよく、又は、磁気センサアレイ210の一部の磁気センサセル220の中から選択されてもよい。 Note that the magnetic field measurement device 10 of the first to fifth configuration examples, which calculates a projection matrix from signal components, is more suitable for removing noise smaller than the 1/f noise of the sensor, while the magnetic field measurement device 10 of the sixth configuration example, which calculates a projection matrix from noise components, is more suitable for removing larger noise such as Barkhausen jumps. The magnetic field measurement device 10 may also include multiple of the arithmetic processing units 1170 of the first to fifth configuration examples, and may simultaneously perform the calculations of the first to fifth configuration examples, calculate the average value of the multiple types of internal space data ^Binproj obtained, and output the average value as the internal space data ^Binproj. The magnetic sensor cells 220 that acquire the internal space data used by the arithmetic processing unit 1170 may be selected from all of the magnetic sensor cells 220 in the magnetic sensor array 210, or may be selected from a portion of the magnetic sensor cells 220 in the magnetic sensor array 210.
本発明の様々な実施形態は、フローチャートおよびブロック図を参照して記載されてよく、ここにおいてブロックは、(1)操作が実行されるプロセスの段階または(2)操作を実行する役割を持つ装置のセクションを表わしてよい。特定の段階およびセクションが、専用回路、コンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプログラマブル回路、および/またはコンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプロセッサによって実装されてよい。専用回路は、デジタルおよび/またはアナログハードウェア回路を含んでよく、集積回路(IC)および/またはディスクリート回路を含んでよい。プログラマブル回路は、論理AND、論理OR、論理XOR、論理NAND、論理NOR、および他の論理操作、フリップフロップ、レジスタ、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、プログラマブルロジックアレイ(PLA)等のようなメモリ要素等を含む、再構成可能なハードウェア回路を含んでよい。 Various embodiments of the present invention may be described with reference to flowcharts and block diagrams, where the blocks may represent (1) stages of a process in which operations are performed or (2) sections of apparatus responsible for performing the operations. Particular stages and sections may be implemented by dedicated circuitry, programmable circuitry supplied with computer-readable instructions stored on a computer-readable medium, and/or a processor supplied with computer-readable instructions stored on a computer-readable medium. Dedicated circuitry may include digital and/or analog hardware circuitry and may include integrated circuits (ICs) and/or discrete circuits. Programmable circuitry may include reconfigurable hardware circuitry including logical AND, logical OR, logical XOR, logical NAND, logical NOR, and other logical operations, flip-flops, registers, memory elements such as field programmable gate arrays (FPGAs), programmable logic arrays (PLAs), etc.
コンピュータ可読媒体は、適切なデバイスによって実行される命令を格納可能な任意の有形なデバイスを含んでよく、その結果、そこに格納される命令を有するコンピュータ可読媒体は、フローチャートまたはブロック図で指定された操作を実行するための手段を作成すべく実行され得る命令を含む、製品を備えることになる。コンピュータ可読媒体の例としては、電子記憶媒体、磁気記憶媒体、光記憶媒体、電磁記憶媒体、半導体記憶媒体等が含まれてよい。コンピュータ可読媒体のより具体的な例としては、フロッピー(登録商標)ディスク、ディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリメモリ(ROM)、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ(EPROMまたはフラッシュメモリ)、電気的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ(EEPROM)、静的ランダムアクセスメモリ(SRAM)、コンパクトディスクリードオンリメモリ(CD-ROM)、デジタル多用途ディスク(DVD)、ブルーレイ(RTM)ディスク、メモリスティック、集積回路カード等が含まれてよい。 A computer-readable medium may include any tangible device capable of storing instructions that are executed by a suitable device, such that the computer-readable medium having instructions stored thereon comprises an article of manufacture, including instructions that can be executed to create means for performing the operations specified in the flowchart or block diagram. Examples of computer-readable media may include electronic storage media, magnetic storage media, optical storage media, electromagnetic storage media, semiconductor storage media, etc. More specific examples of computer-readable media may include floppy disks, diskettes, hard disks, random access memory (RAM), read-only memory (ROM), erasable programmable read-only memory (EPROM or flash memory), electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), static random access memory (SRAM), compact disc read-only memory (CD-ROM), digital versatile disc (DVD), Blu-ray (RTM) disc, memory stick, integrated circuit card, etc.
コンピュータ可読命令は、アセンブラ命令、命令セットアーキテクチャ(ISA)命令、マシン命令、マシン依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、またはSmalltalk(登録商標)、JAVA(登録商標)、C++等のようなオブジェクト指向プログラミング言語、および「C」プログラミング言語または同様のプログラミング言語のような従来の手続型プログラミング言語を含む、1または複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで記述されたソースコードまたはオブジェクトコードのいずれかを含んでよい。 The computer-readable instructions may include either assembler instructions, instruction set architecture (ISA) instructions, machine instructions, machine-dependent instructions, microcode, firmware instructions, state-setting data, or source or object code written in any combination of one or more programming languages, including object-oriented programming languages such as Smalltalk®, JAVA®, C++, etc., and conventional procedural programming languages such as the "C" programming language or similar programming languages.
コンピュータ可読命令は、汎用コンピュータ、特殊目的のコンピュータ、若しくは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサまたはプログラマブル回路に対し、ローカルにまたはローカルエリアネットワーク(LAN)、インターネット等のようなワイドエリアネットワーク(WAN)を介して提供され、フローチャートまたはブロック図で指定された操作を実行するための手段を作成すべく、コンピュータ可読命令を実行してよい。プロセッサの例としては、コンピュータプロセッサ、処理ユニット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ等を含む。 The computer-readable instructions may be provided to a processor or programmable circuitry of a general-purpose computer, special-purpose computer, or other programmable data processing apparatus, either locally or over a local area network (LAN), a wide area network (WAN) such as the Internet, etc., which executes the computer-readable instructions to create means for performing the operations specified in the flowcharts or block diagrams. Examples of processors include computer processors, processing units, microprocessors, digital signal processors, controllers, microcontrollers, etc.
図22は、本発明の複数の態様が全体的または部分的に具現化されてよいコンピュータ9900の例を示す。コンピュータ9900にインストールされたプログラムは、コンピュータ9900に、本発明の実施形態に係る装置に関連付けられる操作または当該装置の1または複数のセクションとして機能させることができ、または当該操作または当該1または複数のセクションを実行させることができ、および/またはコンピュータ9900に、本発明の実施形態に係るプロセスまたは当該プロセスの段階を実行させることができる。そのようなプログラムは、コンピュータ9900に、本明細書に記載のフローチャートおよびブロック図のブロックのうちのいくつかまたはすべてに関連付けられた特定の操作を実行させるべく、CPU9912によって実行されてよい。 Figure 22 shows an example of a computer 9900 in which aspects of the present invention may be embodied, in whole or in part. Programs installed on the computer 9900 may cause the computer 9900 to function as or perform operations associated with an apparatus or one or more sections of the apparatus according to embodiments of the present invention, and/or to perform a process or steps of a process according to embodiments of the present invention. Such programs may be executed by the CPU 9912 to cause the computer 9900 to perform specific operations associated with some or all of the blocks in the flowcharts and block diagrams described herein.
本実施形態によるコンピュータ9900は、CPU9912、RAM9914、グラフィックコントローラ9916、およびディスプレイデバイス9918を含み、それらはホストコントローラ9910によって相互に接続されている。コンピュータ9900はまた、通信インターフェイス9922、ハードディスクドライブ9924、DVD-ROMドライブ9926、およびICカードドライブのような入/出力ユニットを含み、それらは入/出力コントローラ9920を介してホストコントローラ9910に接続されている。コンピュータはまた、ROM9930およびキーボード9942のようなレガシの入/出力ユニットを含み、それらは入/出力チップ9940を介して入/出力コントローラ9920に接続されている。 The computer 9900 according to this embodiment includes a CPU 9912, RAM 9914, a graphics controller 9916, and a display device 9918, which are interconnected by a host controller 9910. The computer 9900 also includes input/output units such as a communications interface 9922, a hard disk drive 9924, a DVD-ROM drive 9926, and an IC card drive, which are connected to the host controller 9910 via an input/output controller 9920. The computer also includes legacy input/output units such as a ROM 9930 and a keyboard 9942, which are connected to the input/output controller 9920 via an input/output chip 9940.
CPU9912は、ROM9930およびRAM9914内に格納されたプログラムに従い動作し、それにより各ユニットを制御する。グラフィックコントローラ9916は、RAM9914内に提供されるフレームバッファ等またはそれ自体の中にCPU9912によって生成されたイメージデータを取得し、イメージデータがディスプレイデバイス9918上に表示されるようにする。 The CPU 9912 operates according to programs stored in the ROM 9930 and RAM 9914, thereby controlling each unit. The graphics controller 9916 retrieves image data generated by the CPU 9912 into a frame buffer or the like provided in the RAM 9914 or into itself, and causes the image data to be displayed on the display device 9918.
通信インターフェイス9922は、ネットワークを介して他の電子デバイスと通信する。ハードディスクドライブ9924は、コンピュータ9900内のCPU9912によって使用されるプログラムおよびデータを格納する。DVD-ROMドライブ9926は、プログラムまたはデータをDVD-ROM9901から読み取り、ハードディスクドライブ9924にRAM9914を介してプログラムまたはデータを提供する。ICカードドライブは、プログラムおよびデータをICカードから読み取り、および/またはプログラムおよびデータをICカードに書き込む。 The communication interface 9922 communicates with other electronic devices via a network. The hard disk drive 9924 stores programs and data used by the CPU 9912 in the computer 9900. The DVD-ROM drive 9926 reads programs or data from the DVD-ROM 9901 and provides the programs or data to the hard disk drive 9924 via the RAM 9914. The IC card drive reads programs and data from an IC card and/or writes programs and data to an IC card.
ROM9930はその中に、アクティブ化時にコンピュータ9900によって実行されるブートプログラム等、および/またはコンピュータ9900のハードウェアに依存するプログラムを格納する。入/出力チップ9940はまた、様々な入/出力ユニットをパラレルポート、シリアルポート、キーボードポート、マウスポート等を介して、入/出力コントローラ9920に接続してよい。 The ROM 9930 stores therein boot programs and the like that are executed by the computer 9900 upon activation, and/or programs that depend on the hardware of the computer 9900. The input/output chip 9940 may also connect various input/output units to the input/output controller 9920 via parallel ports, serial ports, keyboard ports, mouse ports, etc.
プログラムが、DVD-ROM9901またはICカードのようなコンピュータ可読媒体によって提供される。プログラムは、コンピュータ可読媒体から読み取られ、コンピュータ可読媒体の例でもあるハードディスクドライブ9924、RAM9914、またはROM9930にインストールされ、CPU9912によって実行される。これらのプログラム内に記述される情報処理は、コンピュータ9900に読み取られ、プログラムと、上記様々なタイプのハードウェアリソースとの間の連携をもたらす。装置または方法が、コンピュータ9900の使用に従い情報の操作または処理を実現することによって構成されてよい。 The programs are provided on a computer-readable medium such as a DVD-ROM 9901 or an IC card. The programs are read from the computer-readable medium, installed on the hard disk drive 9924, RAM 9914, or ROM 9930, which are also examples of computer-readable media, and executed by the CPU 9912. The information processing described in these programs is read by the computer 9900, resulting in cooperation between the programs and the various types of hardware resources described above. An apparatus or method may be configured by implementing information manipulation or processing in accordance with the use of the computer 9900.
例えば、通信がコンピュータ9900および外部デバイス間で実行される場合、CPU9912は、RAM9914にロードされた通信プログラムを実行し、通信プログラムに記述された処理に基づいて、通信インターフェイス9922に対し、通信処理を命令してよい。通信インターフェイス9922は、CPU9912の制御下、RAM9914、ハードディスクドライブ9924、DVD-ROM9901、またはICカードのような記録媒体内に提供される送信バッファ処理領域に格納された送信データを読み取り、読み取られた送信データをネットワークに送信し、またはネットワークから受信された受信データを記録媒体上に提供される受信バッファ処理領域等に書き込む。 For example, when communication is performed between the computer 9900 and an external device, the CPU 9912 may execute a communication program loaded into the RAM 9914 and instruct the communication interface 9922 to perform communication processing based on the processing described in the communication program. Under the control of the CPU 9912, the communication interface 9922 reads transmission data stored in a transmission buffer processing area provided in the RAM 9914, hard disk drive 9924, DVD-ROM 9901, or a recording medium such as an IC card, and transmits the read transmission data to the network, or writes received data received from the network to a reception buffer processing area or the like provided on the recording medium.
また、CPU9912は、ハードディスクドライブ9924、DVD-ROMドライブ9926(DVD-ROM9901)、ICカード等のような外部記録媒体に格納されたファイルまたはデータベースの全部または必要な部分がRAM9914に読み取られるようにし、RAM9914上のデータに対し様々なタイプの処理を実行してよい。CPU9912は次に、処理されたデータを外部記録媒体にライトバックする。 The CPU 9912 may also cause all or necessary portions of a file or database stored on an external recording medium such as a hard disk drive 9924, a DVD-ROM drive 9926 (DVD-ROM 9901), an IC card, etc. to be read into the RAM 9914, and perform various types of processing on the data in the RAM 9914. The CPU 9912 then writes the processed data back to the external recording medium.
様々なタイプのプログラム、データ、テーブル、およびデータベースのような様々なタイプの情報が記録媒体に格納され、情報処理を受けてよい。CPU9912は、RAM9914から読み取られたデータに対し、本開示の随所に記載され、プログラムの命令シーケンスによって指定される様々なタイプの操作、情報処理、条件判断、条件分岐、無条件分岐、情報の検索/置換等を含む、様々なタイプの処理を実行してよく、結果をRAM9914に対しライトバックする。また、CPU9912は、記録媒体内のファイル、データベース等における情報を検索してよい。例えば、各々が第2の属性の属性値に関連付けられた第1の属性の属性値を有する複数のエントリが記録媒体内に格納される場合、CPU9912は、第1の属性の属性値が指定される、条件に一致するエントリを当該複数のエントリの中から検索し、当該エントリ内に格納された第2の属性の属性値を読み取り、それにより予め定められた条件を満たす第1の属性に関連付けられた第2の属性の属性値を取得してよい。 Various types of information, such as various types of programs, data, tables, and databases, may be stored on the recording medium and may undergo information processing. The CPU 9912 may perform various types of processing on data read from RAM 9914, including various types of operations, information processing, conditional judgment, conditional branching, unconditional branching, information search/replacement, etc., as described throughout this disclosure and specified by the program's instruction sequence, and write the results back to RAM 9914. The CPU 9912 may also search for information in files, databases, etc. on the recording medium. For example, if multiple entries, each having an attribute value of a first attribute associated with an attribute value of a second attribute, are stored on the recording medium, the CPU 9912 may search for an entry that matches a condition specified by the attribute value of the first attribute from among the multiple entries, read the attribute value of the second attribute stored in the entry, and thereby obtain the attribute value of the second attribute associated with the first attribute that satisfies a predetermined condition.
上で説明したプログラムまたはソフトウェアモジュールは、コンピュータ9900上またはコンピュータ9900近傍のコンピュータ可読媒体に格納されてよい。また、専用通信ネットワークまたはインターネットに接続されたサーバーシステム内に提供されるハードディスクまたはRAMのような記録媒体が、コンピュータ可読媒体として使用可能であり、それによりプログラムを、ネットワークを介してコンピュータ9900に提供する。 The programs or software modules described above may be stored on computer-readable media on or near the computer 9900. Recording media such as a hard disk or RAM provided within a server system connected to a dedicated communications network or the Internet can also be used as computer-readable media, thereby providing the programs to the computer 9900 via the network.
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 The present invention has been described above using embodiments, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It will be clear to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the claims that such modifications and improvements can also be included within the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process, such as operations, procedures, steps, and stages, in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, specifications, and drawings is not specifically stated as "before," "prior to," or the like, and it should be noted that processes can be performed in any order, unless the output of a previous process is used in a subsequent process. Even if the operational flow in the claims, specifications, and drawings is described using "first," "next," etc. for convenience, this does not mean that it is necessary to perform the processes in that order.
10 磁場計測装置
100 本体部
110 磁気センサユニット
120 ヘッド
125 駆動部
130 ベース部
140 ポール部
150 情報処理部
210 磁気センサアレイ
220 磁気センサセル
230 センサデータ収集部
300 センサ部
520 磁気センサ
530 磁場生成部
532 増幅回路
534 コイル
540 出力部
702 磁気抵抗素子
704、706 磁気収束板
1100 センサデータ処理部
1110 AD変換器
1112 クロック発生器
1120 磁場取得部
1130 較正演算部
1140 データ出力部
1150 基底ベクトル記憶部
1155 データ記憶部
1160 信号空間分離部
1165 平均処理部
1170 演算処理部
1172 ノイズ除去部
1174 算出部
1176 減算部
9900 コンピュータ
9901 DVD-ROM
9910 ホストコントローラ
9912 CPU
9914 RAM
9916 グラフィックコントローラ
9918 ディスプレイデバイス
9920 入/出力コントローラ
9922 通信インターフェイス
9924 ハードディスクドライブ
9926 DVD-ROMドライブ
9930 ROM
9940 入/出力チップ
9942 キーボード
10 Magnetic field measurement device 100 Main body 110 Magnetic sensor unit 120 Head 125 Driving unit 130 Base unit 140 Pole unit 150 Information processing unit 210 Magnetic sensor array 220 Magnetic sensor cell 230 Sensor data collection unit 300 Sensor unit 520 Magnetic sensor 530 Magnetic field generation unit 532 Amplification circuit 534 Coil 540 Output unit 702 Magnetic resistance element 704, 706 Magnetic flux concentrator 1100 Sensor data processing unit 1110 AD converter 1112 Clock generator 1120 Magnetic field acquisition unit 1130 Calibration calculation unit 1140 Data output unit 1150 Basis vector storage unit 1155 Data storage unit 1160 Signal space separation unit 1165 Averaging processing unit 1170 Arithmetic processing unit 1172 Noise removal unit 1174 Calculation unit 1176 Subtraction unit 9900 Computer 9901 DVD-ROM
9910 Host controller 9912 CPU
9914 RAM
9916 Graphics controller 9918 Display device 9920 Input/output controller 9922 Communication interface 9924 Hard disk drive 9926 DVD-ROM drive 9930 ROM
9940 Input/Output Chip 9942 Keyboard
Claims (12)
前記磁気センサアレイによって計測された計測データを取得する磁場取得部と、
前記磁気センサアレイの一部の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第1の内部空間データを抽出し、前記磁気センサアレイの他の一部の磁気センサセルを含む複数の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第2の内部空間データを抽出する信号空間分離部と、
前記第1の内部空間データに基づいて射影行列を算出する算出部と、
前記射影行列を用いて前記第2の内部空間データのノイズを除去するノイズ除去部と
を備える、磁場計測装置。 a magnetic sensor array including a plurality of magnetic sensor cells each having a magnetic sensor;
a magnetic field acquisition unit that acquires measurement data measured by the magnetic sensor array;
a signal space separation unit that extracts first internal spatial data from a spatial distribution of a magnetic field indicated by measurement data from a portion of magnetic sensor cells of the magnetic sensor array, and extracts second internal spatial data from a spatial distribution of a magnetic field indicated by measurement data from a plurality of magnetic sensor cells including another portion of magnetic sensor cells of the magnetic sensor array;
a calculation unit that calculates a projection matrix based on the first internal space data;
a noise removal unit that removes noise from the second internal space data using the projection matrix.
請求項1に記載の磁場計測装置。 The magnetic field measuring device according to claim 1 , wherein the signal spatial separation unit extracts the second internal spatial data from a spatial distribution of the magnetic field indicated by measurement data from all magnetic sensor cells of the magnetic sensor array.
前記算出部は、前記第1の内部空間データと前記第3の内部空間データとに基づいて1又は複数の前記射影行列を算出する
請求項1又は2に記載の磁場計測装置。 the signal space separation unit extracts third internal space data from a spatial distribution of a magnetic field indicated by measurement data from a portion of magnetic sensor cells different from the portion of magnetic sensor cells of the magnetic sensor array from which the first internal space data is extracted;
The magnetic field measuring device according to claim 1 , wherein the calculation unit calculates one or more of the projection matrices based on the first internal space data and the third internal space data.
請求項3に記載の磁場計測装置。 The magnetic field measuring device according to claim 3 , wherein the calculation unit calculates a common part between a basis of the time domain in the first internal space data and a basis of the time domain in the third internal space data, and calculates the projection matrix based on the common part.
前記ノイズ除去部は、前記第1の射影行列を用いて前記第2の内部空間データのノイズの一部を除去し、前記第2の射影行列を用いて前記第2の内部空間データのノイズの他の一部を除去する
請求項3に記載の磁場計測装置。 the calculation unit calculates a first projection matrix based on the first internal space data and calculates a second projection matrix based on the third internal space data;
4. The magnetic field measuring device according to claim 3, wherein the noise removal unit removes a part of the noise in the second internal space data using the first projection matrix and removes another part of the noise in the second internal space data using the second projection matrix.
前記算出部は、該差分に基づいて前記射影行列を算出する
請求項3に記載の磁場計測装置。 a subtraction unit that calculates a difference between the first internal space data and the third internal space data,
The magnetic field measuring device according to claim 3 , wherein the calculation unit calculates the projection matrix based on the difference.
請求項1から6のいずれか一項に記載の磁場計測装置。 7. The magnetic field measuring device according to claim 1, wherein the calculation unit calculates a basis of a time domain of the first internal space data by performing singular value decomposition on the first internal space data, and calculates a projection matrix based on the basis.
前記算出部は、前記第1の内部空間データの平均値に基づいて前記射影行列を算出し、
前記ノイズ除去部は、前記射影行列を用いて前記第2の内部空間データの平均値のノイズを除去する
請求項1から7のいずれか一項に記載の磁場計測装置。 an averaging processing unit that calculates an average value of a plurality of data for the first internal space data and the second internal space data,
the calculation unit calculates the projection matrix based on an average value of the first internal space data;
The magnetic field measuring device according to claim 1 , wherein the noise removal unit removes noise from an average value of the second internal space data by using the projection matrix.
請求項1から8のいずれか一項に記載の磁場計測装置。 The magnetic field measuring device according to claim 1 , wherein the noise removal unit removes noise from the second internal space data by projecting the second internal space data onto a signal space using the projection matrix.
請求項1から9のいずれか一項に記載の磁場計測装置。 The magnetic field measuring device according to claim 1 , wherein the magnetic sensor includes a magnetoresistive element.
前記磁気センサアレイの一部の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第1の内部空間データを抽出し、前記磁気センサアレイの他の一部の磁気センサセルを含む複数の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第2の内部空間データを抽出する信号空間分離段階と、
前記第1の内部空間データに基づいて射影行列を算出する算出段階と、
前記射影行列を用いて前記第2の内部空間データのノイズを除去するノイズ除去段階と
を備える、磁場計測方法。 a magnetic field acquisition stage for acquiring measurement data measured by a magnetic sensor array configured with a plurality of magnetic sensor cells each having a magnetic sensor;
a signal spatial separation step of extracting first internal spatial data from a spatial distribution of a magnetic field indicated by measurement data from a portion of magnetic sensor cells of the magnetic sensor array, and extracting second internal spatial data from a spatial distribution of a magnetic field indicated by measurement data from a plurality of magnetic sensor cells including another portion of magnetic sensor cells of the magnetic sensor array;
a calculation step of calculating a projection matrix based on the first internal space data;
a noise reduction step of reducing noise in the second internal space data using the projection matrix.
各々が磁気センサを有する複数の磁気センサセルで構成される磁気センサアレイによって計測された計測データを取得する磁場取得部と、
前記磁気センサアレイの一部の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第1の内部空間データを抽出し、前記磁気センサアレイの他の一部の磁気センサセルを含む複数の磁気センサセルからの計測データによって示される磁場の空間分布から、第2の内部空間データを抽出する信号空間分離部と、
前記第1の内部空間データに基づいて射影行列を算出する算出部と、
前記射影行列を用いて前記第2の内部空間データのノイズを除去するノイズ除去部と
して機能させる、磁場計測プログラム。 Computer,
a magnetic field acquisition unit that acquires measurement data measured by a magnetic sensor array configured with a plurality of magnetic sensor cells each having a magnetic sensor;
a signal space separation unit that extracts first internal spatial data from a spatial distribution of a magnetic field indicated by measurement data from a portion of magnetic sensor cells of the magnetic sensor array, and extracts second internal spatial data from a spatial distribution of a magnetic field indicated by measurement data from a plurality of magnetic sensor cells including another portion of magnetic sensor cells of the magnetic sensor array;
a calculation unit that calculates a projection matrix based on the first internal space data;
a magnetic field measurement program that causes the magnetic field measurement program to function as a noise removal unit that removes noise from the second internal space data by using the projection matrix.
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