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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6936405
(24)【登録日】2021年8月30日
(45)【発行日】2021年9月15日
(54)【発明の名称】磁場計測装置
(51)【国際特許分類】
A61B 5/242 20210101AFI20210906BHJP
G01R 33/09 20060101ALI20210906BHJP
G01R 33/02 20060101ALI20210906BHJP
【ＦＩ】
A61B5/242
G01R33/09
G01R33/02 R
G01R33/02 L
【請求項の数】11
【全頁数】42
(21)【出願番号】特願2020-563345(P2020-563345)
(86)(22)【出願日】2019年12月25日
(86)【国際出願番号】JP2019050826
(87)【国際公開番号】WO2020138170
(87)【国際公開日】20200702
【審査請求日】2020年11月27日
(31)【優先権主張番号】特願2018-243253(P2018-243253)
(32)【優先日】2018年12月26日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】303046277
【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】岡武 茂樹
(72)【発明者】
【氏名】森安 嘉貴
(72)【発明者】
【氏名】益田 征典
(72)【発明者】
【氏名】中村 威信
【審査官】
門田 宏
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１２／０３２９６２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１７−５１６００（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１７−７２４５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１７−１９１０３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１９−２１５３２２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ａ６１Ｂ ５／２４２ − ５／２４８
Ｇ０１Ｒ ３３／０９
Ｇ０１Ｒ ３３／０２
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の磁気センサセルを有し、三次元空間内の複数の箇所において３軸方向の入力磁場を検出可能な磁気センサアレイと、
測定対象磁場を含む前記入力磁場に基づく計測データを取得する計測データ取得部と、
前記計測データ取得部が取得した前記計測データを較正する計測データ演算部と、
を備え、
前記計測データ演算部は、
前記計測データ演算部における較正の精度を示す指標を算出する指標算出部と、
前記指標算出部が算出した前記指標に基づいて、故障を判定する故障判定部と、
を有し、
前記複数の磁気センサセルのそれぞれは、
磁気センサと、
出力信号を出力する出力部と、
を有する
磁場計測装置。
測定対象磁場を含む前記入力磁場に基づく計測データを取得する計測データ取得部と、
前記計測データ取得部が取得した前記計測データを較正する計測データ演算部と、
を備え、
前記計測データ演算部は、
前記計測データ演算部における較正の精度を示す指標を算出する指標算出部と、
前記指標算出部が算出した前記指標に基づいて、故障を判定する故障判定部と、
を有し、
前記複数の磁気センサセルのそれぞれは、
磁気センサと、
出力信号を出力する出力部と、
を有する
磁場計測装置。
【請求項2】
前記複数の磁気センサセルのそれぞれは、前記出力信号に応じた大きさで、前記磁気センサ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発生させる第１の磁場生成部を更に有し、
前記出力部は、前記第１の磁場生成部が前記フィードバック磁場を発生するために流すフィードバック電流に応じた前記出力信号を出力する、
請求項１に記載の磁場計測装置。
前記出力部は、前記第１の磁場生成部が前記フィードバック磁場を発生するために流すフィードバック電流に応じた前記出力信号を出力する、
請求項１に記載の磁場計測装置。
【請求項3】
前記磁気センサのそれぞれは、磁気抵抗素子と前記磁気抵抗素子の両端に配置された二つの磁気収束板とを含み、前記磁気抵抗素子は、二つの前記磁気収束板に挟まれた位置に配置される、請求項２に記載の磁場計測装置。
【請求項4】
前記第１の磁場生成部は、前記磁気抵抗素子および二つの前記磁気収束板を取り囲むように、前記磁気センサが検出対象とする磁場の軸方向に沿って巻かれている第１のコイルを含む、請求項３に記載の磁場計測装置。
【請求項5】
前記複数の磁気センサセルのそれぞれは、前記磁気センサが検出する入力磁場に含まれる環境磁場を低減させるキャンセル磁場を発生させる第２の磁場生成部を更に含み、
前記第２の磁場生成部は、前記磁気抵抗素子および二つの前記磁気収束板を取り囲むように、前記磁気センサが検出対象とする磁場の軸方向に沿って巻かれている第２のコイルを含む、請求項３または４に記載の磁場計測装置。
前記第２の磁場生成部は、前記磁気抵抗素子および二つの前記磁気収束板を取り囲むように、前記磁気センサが検出対象とする磁場の軸方向に沿って巻かれている第２のコイルを含む、請求項３または４に記載の磁場計測装置。
【請求項6】
前記複数の磁気センサセルのそれぞれは、前記磁気センサと、前記第１の磁場生成部と、前記出力部とをそれぞれ含む３つのセンサ部を有し、磁場を前記３軸方向で検出可能である、請求項２から５のいずれか一項に記載の磁場計測装置。
【請求項7】
前記計測データ演算部は、前記計測データから生成した磁場計測データによって示される前記入力磁場の空間分布を、正規直交関数の空間分布を持つ磁場を前記磁気センサアレイで検出したときに前記磁気センサ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信号分離する信号空間分離部を更に有し、
前記指標算出部は、前記信号空間分離部が信号分離した結果に基づいて、前記指標を算出する、請求項１または６に記載の磁場計測装置。
前記指標算出部は、前記信号空間分離部が信号分離した結果に基づいて、前記指標を算出する、請求項１または６に記載の磁場計測装置。
【請求項8】
前記指標算出部は、前記計測データから生成した前記複数の磁気センサセルにおける磁場計測データの統計に基づいて、前記指標を算出する、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁場計測装置。
【請求項9】
前記計測データ演算部は、前記指標算出部が算出した前記指標を出力する指標出力部を更に有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁場計測装置。
【請求項10】
前記計測データ演算部は、前記指標算出部が算出した前記指標に基づいて、前記計測データを再較正する、請求項１から９のいずれか一項に記載の磁場計測装置。
【請求項11】
前記磁気センサアレイは、曲面状に配置される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁場計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁場計測装置に関する。【背景技術】
【0002】
従来、複数のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子をアレイ状に配列したセンサプラットフォームボードを用いて被験者の頭部または胸部から発せられる磁場を計測する磁場計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１ 特開２０１２−１５２５１４号公報
【解決しようとする課題】
【0003】
従来の磁場計測装置では、磁場の検出方向に一対の磁気検出素子を積層させ、外乱磁場に対しては一対の磁気検出素子間での計測結果の大きさが同じとなる一方で、測定対象磁場に対しては一対の磁気検出素子間での計測結果の大きさが異なる、との原理に基づいて外乱磁場を抑制し、測定対象磁場を計測していた。しかしながら、例えば、心臓の電気活動により生成される微弱な生体磁場（「心磁」と示す。）を計測して心臓の状態をより精密に検査する等、磁場をより高精度に計測することができる磁場計測装置を実現することが望まれる。【一般的開示】
【0004】
上記課題を解決するために、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、複数の磁気センサセルを有し、三次元空間内の複数の箇所において３軸方向の入力磁場を検出可能な磁気センサアレイを備えてよい。磁場計測装置は、測定対象磁場を含む入力磁場に基づく計測データを取得する計測データ取得部を備えてよい。磁場計測装置は、計測データ取得部が取得した計測データを較正する計測データ演算部を備えてよい。計測データ演算部は、計測データ演算部における較正の精度を示す指標を算出する指標算出部を有してよい。計測データ演算部は、指標算出部が算出した指標に基づいて、故障を判定する故障判定部を有してよい。複数の磁気センサセルのそれぞれは、磁気センサを有してよい。複数の磁気センサセルのそれぞれは、出力信号を出力する出力部を有してよい。【0005】
複数の磁気センサセルのそれぞれは、出力信号に応じた大きさで、磁気センサ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発生させる第１の磁場生成部を更に有し、出力部は、第１の磁場生成部がフィードバック磁場を発生するために流すフィードバック電流に応じた出力信号を出力してよい。【0006】
計測データ演算部は、計測データから生成した磁場計測データによって示される入力磁場の空間分布を、正規直交関数の空間分布を持つ磁場を磁気センサアレイで検出したときに磁気センサ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信号分離する信号空間分離部を更に有してよい。指標算出部は、信号空間分離部が信号分離した結果に基づいて、指標を算出してよい。【0007】
指標算出部は、計測データから生成した複数の磁気センサセルにおける磁場計測データの統計に基づいて、指標を算出してよい。【0008】
計測データ演算部は、指標算出部が算出した指標を出力する指標出力部を更に有してよい。【0009】
計測データ演算部は、指標算出部が算出した指標に基づいて、計測データを再較正してよい。【0010】
磁気センサのそれぞれは、磁気抵抗素子と磁気抵抗素子の両端に配置された二つの磁気収束板とを含んでよい。磁気抵抗素子は、二つの磁気収束板に挟まれた位置に配置されてよい。【0011】
第１の磁場生成部は、磁気抵抗素子および二つの磁気収束板を取り囲むように、磁気センサが検出対象とする磁場の軸方向に沿って巻かれている第１のコイルを含んでよい。【0012】
複数の磁気センサセルのそれぞれは、磁気センサが検出する入力磁場に含まれる環境磁場を低減させるキャンセル磁場を発生させる第２の磁場生成部を更に含んでよい。第２の磁場生成部は、磁気抵抗素子および二つの磁気収束板を取り囲むように、磁気センサが検出対象とする磁場の軸方向に沿って巻かれている第２のコイルを含んでよい。【0013】
複数の磁気センサセルのそれぞれは、磁気センサと、第１の磁場生成部と、出力部とをそれぞれ含む３つのセンサ部を有し、磁場を３軸方向で検出可能であってよい。【0014】
磁気センサアレイは、曲面状に配置されてよい。【0015】
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。【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本実施形態に係る心磁計測装置１０の構成を示す。
【図2】本実施形態に係る磁気センサユニット１１０の構成を示す。
【図3】本実施形態に係る磁気センサアレイ２１０中の磁気センサセル２２０の構成および配置を示す。
【図4】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。
【図5】本実施形態に係るセンサ部３００の構成例を示す。
【図6】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。
【図7】本実施形態に係る磁気センサ５２０の構成例を示す。
【図8】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9】本実施形態に係るセンサ部３００の他の構成例を示す。
【図10】本実施形態に係る磁気センサ５２０の構成の具体例を示す。
【図11】本具体例に係る磁気センサ５２０において、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣを変えた場合の磁気増幅率のシミュレーション結果を示す。
【図12】本具体例に係る磁気センサ５２０において、磁気収束板長さＬ＿ＦＣを変えた場合の磁気増幅率のシミュレーション結果を示す。
【図13】本具体例に係る磁気センサ５２０において、磁気収束板厚さＴ＿ＦＣを変えた場合の磁気増幅率のシミュレーション結果を示す。
【図14】本具体例に係る磁気センサ５２０において、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣを一定として、磁気収束板長さＬ＿ＦＣ／磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣを変えた場合の、磁気増幅率のシミュレーション結果を示す。
【図15】本具体例に係る磁気センサ５２０において、磁気収束板長さＬ＿ＦＣを一定として、磁気収束板長さＬ＿ＦＣ／磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣを変えた場合の、磁気増幅率のシミュレーション結果を示す。
【図16】本実施形態に係る磁気センサ５２０を、磁気センサアレイ２１０における複数の磁気センサセル２２０のセンサ部３００に適用した例を示す。
【図17】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１７００の構成を示す。
【図18】本実施形態に係る心磁計測装置１０が磁場の空間分布を信号分離するフローを示す。
【図19】本実施形態に係る心磁計測装置１０が、指標εを算出して指標εに基づいた制御を行うフローを示す。
【図20】本実施形態の変形例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１７００の構成を示す。
【図21】本変形例に係る心磁計測装置１０がＮ次の勾配磁場を算出するフローを示す。
【図22】本変形例に係る心磁計測装置１０により得られる１次の勾配磁場分布の一例を示す。
【図23】本変形例に係る心磁計測装置１０により得られる２次の勾配磁場分布の一例を示す。
【図24】本変形例に係る心磁計測装置１０が、指標εを算出して指標εに基づいた制御を行うフローを示す。
【図25】本実施形態の変形例に係る心磁計測装置１０が曲面状に配置された磁気センサアレイ２１０を用いて心磁を計測する例を示す。
【図26】本実施形態の変形例に係る心磁計測装置１０が閉曲面状に配置された磁気センサアレイ２１０を用いて心磁を計測する例を示す。
【図27】本実施形態に係る磁気センサアレイ２１０の変形例を示す。
【図28】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２２００の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【0017】
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。【0018】
図１は、本実施形態に係る心磁計測装置１０の構成を示す。心磁計測装置１０は、磁場計測装置の一例であって、磁気抵抗素子を用いて、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。また、心磁計測装置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。【0019】
心磁計測装置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。【0020】
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。【0021】
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。【0022】
情報処理部１５０は、本体部１００により計測した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、専用回線によって実現された専用ハードウェアであってもよい。【0023】
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、三次元空間内の複数の箇所において３軸方向の入力磁場を検出可能である。本図において、磁気センサアレイ２１０は、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）が平面状に配置されている。【0024】
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。【0025】
図３は、本実施形態に係る磁気センサアレイ２１０中の磁気センサセル２２０の構成および配置を示す。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、三次元空間内の複数の箇所において３軸方向の入力磁場を検出可能であればよい。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。【0026】
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、３つのセンサ部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ず、かつ、３つのセンサ部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ことが好ましい。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。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。例えば、検出する磁場の３軸方向としてＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に代えて、極座標系のｒ軸、θ軸、およびφ軸を用いてもよい。また、磁気センサセル２２０を配列する三次元の方向として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に代えて、極座標系のｒ軸、θ軸、およびφ軸を用いてもよい。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。また、磁気センサセル２２０の角部にギャップを設けることなく、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが設けられてもよい。この場合、磁気センサセル２２０を小さく構成することができ、このため、このような複数の磁気センサセル２２０を有する磁気センサアレイ２１０を小型化することが可能となる。【0027】
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。【0028】
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。【0029】
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、第１の磁場生成部５３０と、出力部５４０と、を含む。なお、センサ部３００の一部、例えば第１の増幅回路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。【0030】
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のそれぞれは、磁気抵抗素子と磁気抵抗素子の両端に配置された二つの磁気収束板とを含み、磁気抵抗素子は、二つの磁気収束板に挟まれた位置に配置される。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。【0031】
第１の磁場生成部５３０は、出力部５４０が出力する出力信号に応じた大きさで、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発生させ、磁気センサ５２０に与える。第１の磁場生成部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。第１の磁場生成部５３０は、第１の増幅回路５３２と、第１のコイル５３４とを含む。【0032】
第１の増幅回路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、第１の増幅回路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、第１の増幅回路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。第１の増幅回路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、第１の増幅回路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。【0033】
第１のコイル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。第１のコイル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二つの磁気収束板を取り囲むように、磁気センサ５２０が検出対象とする磁場の軸方向に沿って巻かれている。第１のコイル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、第１のコイル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】
【0034】
（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および第１の増幅回路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。【数2】
【0035】
出力部５４０は、第１の磁場生成部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。【数3】
【0036】
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に示した非線形性であり、動作磁場範囲が狭い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。【0037】
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の良好な線形性を保つことができる。【0038】
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、心磁信号のように微弱な磁気的信号を簡便に検出することができる。【0039】
図７は、本実施形態に係る磁気センサ５２０の構成例を示す。本図において、磁気センサ５２０は、磁気抵抗素子７１０と、磁気抵抗素子７１０の両端に配置された磁気収束板７２０および７３０とを有する。磁気収束板７２０および７３０は、磁気抵抗素子７１０を間に挟むように、磁気抵抗素子７１０の両端に配置されている。本図において、磁気収束板７２０は、感磁軸に沿って磁気抵抗素子７１０の負側に設けられ、磁気収束板７３０は、感磁軸に沿って磁気抵抗素子７１０の正側に設けられている。なお、ここで、感磁軸は、磁気抵抗素子７１０を形成する磁化固定層において固定された磁化の方向に沿っていてよい。また、感磁軸の負側から正側に向かって磁場が入力されると、磁気抵抗素子７１０の抵抗は増加または減少してよい。磁気収束板７２０および７３０は、例えばパーマロイ等の透磁率の高い材料により形成される。そして、磁気センサ５２０が本図に示すように構成される場合、第１のコイル５３４は、磁気抵抗素子７１０と、磁気抵抗素子７１０の両端に配置された磁気収束板７２０および７３０との断面を取り囲むように、磁気センサ５２０が検出対象とする磁場の軸方向に沿って巻かれている。また、磁気センサ５２０は、１つの磁気センサ５２０内に複数の磁気抵抗素子７１０を有する場合、磁気抵抗素子およびその両端に配置された磁気収束板を含む組を複数有してもよい。その場合、磁気抵抗素子およびその両端に配置された磁気収束板を含む組を１つのコイルで取り囲むように第１のコイル５３４が巻かれてもよい。【0040】
このような磁気センサ５２０において、感磁軸の負側から正側に磁場が入力されると、透磁率の高い材料で形成された磁気収束板７２０および７３０が磁化されることにより、本図において破線で示すような磁束の分布が発生する。すると、磁気収束板７２０および７３０が磁化されることにより発生する磁束は、二つの磁気収束板７２０および７３０の間に挟まれた磁気抵抗素子７１０の位置を通過することとなる。このため、磁気抵抗素子７１０の位置における磁束密度は、磁気収束板７２０および７３０を配置することによって大幅に増加させることができる。また、本図のように、磁気収束板７２０および７３０に挟まれた狭い位置に配置された磁気抵抗素子７１０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、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。【0041】
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、第１のコイル５３４にフィードバック電流が供給されると、第１のコイル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７１０に入力され磁気収束板７２０および７３０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７１０の両端に磁気収束板７２０および７３０が配置されている場合には、磁気抵抗素子７１０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。【0042】
図９は、本実施形態に係るセンサ部３００の他の構成例を示す。図９においては、図５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。本図におけるセンサ部３００は、入力磁場Ｂから、入力磁場Ｂの大部分を占める環境磁場成分をキャンセルし、入力磁場Ｂに含まれる微小成分である心磁成分を高い分解能で検出する。本図において、センサ部３００はさらに、電流ＤＡ変換器９１０および第２の磁場生成部９２０を更に含む。【0043】
電流ＤＡ変換器９１０は、デジタル値をアナログ電流に変換するＤＡコンバータである。電流ＤＡ変換器９１０は、入力磁場の各軸成分を検出した結果をデジタル信号で受け取り、当該デジタル信号に対応する電流値を第２の磁場生成部９２０に供給する。ここで、電流ＤＡ変換器９１０は、例えば、磁気センサアレイ２１０を用いて入力磁場Ｂを検出した場合に得られる複数のｘ軸成分Ｂｘの平均値から算出された値を、ｘ軸成分のデジタル信号として受け取ってよい。同様に、電流ＤＡ変換器９１０は、磁気センサアレイ２１０を用いて入力磁場Ｂを検出した場合に得られる複数のｙ軸成分Ｂｙの平均値から算出された値、および、ｚ軸成分Ｂｚの平均値から算出された値を、それぞれ、ｙ軸成分のデジタル信号、および、ｚ軸成分のデジタル信号として受け取ってよい。【0044】
第２の磁場生成部９２０は、電流ＤＡ変換器９１０に接続され、電流ＤＡ変換器９１０から供給された電流値に応じた大きさで、入力磁場Ｂの大部分を占める環境磁場を低減させるキャンセル磁場Ｂ＿Ｅｎｖを発生させ、それを磁気センサ５２０に与える。第２の磁場生成部９２０は、例えば、環境磁場とは逆向きで、絶対値が当該環境磁場と略同一のキャンセル磁場Ｂ＿Ｅｎｖを発生させ、環境磁場を打ち消すように動作する。第２の磁場生成部９２０は、第２の増幅回路９２２と、第２のコイル９２４とを含む。【0045】
第２の増幅回路９２２は、電流ＤＡ変換器９１０および第２のコイル９２４に接続され、電流ＤＡ変換器９１０から供給された電流値に応じた電流をキャンセル電流Ｉ＿Ｃｏｍｐとして出力する。【0046】
第２のコイル９２４は、一端が第２の増幅回路９２２に接続され、他端が接地されている。第２のコイル９２４は、第２の増幅回路９２２から供給されたキャンセル電流Ｉ＿Ｃｏｍｐに応じたキャンセル磁場Ｂ＿Ｅｎｖを発生させる。第２のコイル９２４は、磁気センサ５２０が有する磁気抵抗素子７１０および磁気抵抗素子７１０の両端に配置された二つの磁気収束板７２０および７３０を取り囲むように、磁気センサ５２０が検出対象とする磁場の軸方向に沿って巻かれている。第２のコイル９２４は、磁気センサ５２０の全体にわたって均一のキャンセル磁場Ｂ＿Ｅｎｖを発生させることが望ましい。例えば、第２のコイル９２４のコイル係数をβ２とすると、キャンセル磁場Ｂ＿Ｅｎｖは、β２×Ｉ＿Ｃｏｍｐと算出できる。ここで、キャンセル磁場Ｂ＿Ｅｎｖ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＿Ｅｎｖに低減されることになる。【0047】
なお、第１のコイル５３４に加えて、当該第２のコイル９２４を、磁気抵抗素子７１０および磁気抵抗素子７１０の両端に配置された二つの磁気収束板７２０および７３０に巻く場合には、第１のコイル５３４および第２のコイル９２４の２本を並列に磁気抵抗素子７１０および磁気収束板７２０、７３０に巻いてよい。【0048】
複数の磁気センサセル２２０のそれぞれは、磁気センサ５２０として本図に示すような磁気センサ５２０を採用することにより、磁気センサが検出する入力磁場に含まれる環境磁場を低減させるキャンセル磁場を発生させる第２の磁場生成部を更に含んでよい。これにより、心磁計測装置１０の磁気センサアレイ２１０は、各軸方向について、入力磁場Ｂの大部分を占める環境磁場が、キャンセル磁場Ｂ＿Ｅｎｖで減殺された合成磁場を検出するので、入力磁場Ｂの微小成分である心磁成分を高い分解能で検出することができる。【0049】
図１０は、本実施形態に係る磁気センサ５２０の構成の具体例を示す。図１０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。本図において、磁気抵抗素子７１０は、磁化自由層１０１０および磁化固定層１０２０を有する。一般に、磁気抵抗素子７１０は、絶縁体の薄膜層を二つの強磁性体層で挟み込んだ構造である。磁化自由層１０１０は、二つの強磁性体層のうち、磁化方向が外部磁界に応じて変化する層である。また、磁化固定層１０２０は、二つの強磁性体層のうち、磁化方向が外部磁界に対して変化しない層である。【0050】
本具体例において、磁気抵抗素子７１０は、磁化自由層１０１０が下部に配置され、磁化自由層１０１０の上部に絶縁体の薄膜層（図示せず）を介して磁化固定層１０２０が配置される、いわゆるボトムフリー構造の磁気抵抗素子である。ボトムフリー構造の磁気抵抗素子は、磁化自由層１０１０を比較的広い面積で形成することができるため、高い磁気感度を得ることができる。【0051】
また、本具体例において、磁気センサ５２０は、磁気抵抗素子７１０の上部に絶縁層（図示せず）を介して磁気収束板７２０および７３０が、磁気抵抗素子７１０を中央に挟むようにその両端に配置されている。これにより、磁気抵抗素子７１０は、磁気収束板７２０および７３０に挟まれた狭い空間に配置される。【0052】
ここで、本図において、磁化自由層１０１０における感磁軸方向に沿った長さを磁化自由層長さＬ＿Ｆｒｅｅと定義する。また、磁化自由層１０１０における上面視で感磁軸方向に垂直な軸に沿った長さを磁化自由層幅Ｗ＿Ｆｒｅｅと定義する。また、磁化固定層１０２０における感磁軸方向に沿った長さを磁化固定層長さＬ＿Ｐｉｎと定義する。また、磁化固定層１０２０における上面視で感磁軸方向に垂直な軸に沿った長さを磁化固定層幅Ｗ＿Ｐｉｎと定義する。また、磁気収束板の外側の一端から磁化自由層の外側の一端までの感磁軸方向に沿った長さ（本図において、磁気収束板７２０の左端から右端までの感磁軸方向に沿った長さ、および、磁気収束板７３０の右端から左端までの感磁軸方向に沿った長さ）を磁気収束板長さＬ＿ＦＣと定義する。また、磁気収束板における上面視で感磁軸方向に垂直な軸に沿った長さを磁気収束板幅Ｗ＿ＦＣと定義する。また、磁気収束板における側面視で感磁軸方向に垂直な軸に沿った長さを磁気収束板厚さＴ＿ＦＣと定義する。また、二つの磁気収束板７２０および７３０の感磁軸方向に沿った間隔（本図において、磁気収束板７２０の右端から磁気収束板７３０の左端までの感磁軸方向に沿った長さ）を磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣと定義する。また、磁化自由層１０１０の厚み方向の中心から磁気収束板の底面までの、側面視で感磁軸方向に垂直な軸に沿った間隔を磁気収束板高さＨ＿ＦＣと定義する。【0053】
図１１は、本具体例に係る磁気センサ５２０において、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣを変えた場合の磁気増幅率のシミュレーション結果を示す。本図において、横軸は磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣをμｍ単位で示し、縦軸は磁気増幅率を示す。ここで、本シミュレーションにおいて、磁化自由層長さＬ＿Ｆｒｅｅは１００μｍ、磁化自由層幅Ｗ＿Ｆｒｅｅは１４０μｍ、磁化固定層長さＬ＿Ｐｉｎは４０μｍ、磁化固定層幅Ｗ＿Ｐｉｎは２０μｍ、磁気収束板幅Ｗ＿ＦＣは３００μｍ、磁気収束板高さＨ＿ＦＣは０．６μｍとした。これらのパラメータについては以下に示すシミュレーションにおいても全て共通の値とした。本シミュレーションにおいては、さらに、磁気収束板長さＬ＿ＦＣは１０ｍｍとし、磁気収束板厚さＴ＿ＦＣは１０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、および１００μｍとしてシミュレーションを行った。【0054】
本図に示されるように、磁気センサ５２０は、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣを狭めるほど磁気増幅率が高くなっている。ここで、磁化自由層長さＬ＿Ｆｒｅｅが１００μｍであるので、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣが１００μｍである場合、側面視において、磁気収束板の側面と磁化自由層１０１０の側面が揃う（すなわち、図１０において、磁気収束板７２０の右端と磁化自由層１０１０の左端、および、磁気収束板７３０の左端と磁化自由層１０１０の右端が側面視で揃う）こととなる。本シミュレーション結果によれば、磁気センサ５２０は、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣが１００μｍよりも小さい場合に、磁気増幅率がさらに高くなっている。したがって、磁気センサ５２０は、磁気抵抗素子７１０の両端に配置される磁気収束板７２０および７３０の感磁軸方向の間隔（磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣ）が、磁気抵抗素子７１０の磁化自由層１０１０の感磁軸方向の長さ（磁化自由層長さＬ＿Ｆｒｅｅ）よりも小さいと、より高い磁気増幅率を得られるので好ましい。また、磁気センサ５２０は、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣを磁化固定層長さＬ＿Ｐｉｎ（４０μｍ）よりも小さくしてもよい。すなわち、磁気センサ５２０は、磁気収束板が上面視で磁化固定層の一部と重複するように磁気収束板を配置してもよい。【0055】
図１２は、本具体例に係る磁気センサ５２０において、磁気収束板長さＬ＿ＦＣを変えた場合の磁気増幅率のシミュレーション結果を示す。本図において、横軸は磁気収束板長さＬ＿ＦＣをｍｍ単位で示し、縦軸は磁気増幅率を示す。本シミュレーションにおいては、磁気収束板厚さＴ＿ＦＣは１０μｍ、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣは２０μｍとしてシミュレーションを行った。【0056】
本図に示されるように、磁気センサ５２０は、磁気収束板長さＬ＿ＦＣを長くするほど磁気増幅率が高くなっている。これは、透磁率の高い材料で形成された磁気収束板を長くするほど、発生する磁束が増えるためであるといえる。したがって、磁気センサ５２０は、磁気抵抗素子７１０の両端に磁気収束板を設けるにあたって、設計上可能な限り磁気収束板の感磁軸方向の長さ（磁気収束板長さＬ＿ＦＣ）を大きくすると、より高い磁気増幅率を得られるので好ましい。具体的に、磁気収束板の感磁軸方向の長さ（磁気収束板長さＬ＿ＦＣ）は１ｍｍ以上であると、高い磁気増幅効果が得られるので好ましい。特に、本図に示されるように、磁気センサ５２０は、磁気収束板長さＬ＿ＦＣが１０ｍｍより小さい範囲では磁気増幅率の増加効果が高い。また、磁気収束板長さＬ＿ＦＣが１０ｍｍ以上であれば、１００倍以上の磁気増幅率が得られる。したがって、心磁計測において、微弱な心磁をより正確に検出するために、磁気収束板の感磁軸方向の長さ（磁気収束板長さＬ＿ＦＣ）は１０ｍｍ以上であるとより好ましい。【0057】
図１３は、本具体例に係る磁気センサ５２０において、磁気収束板厚さＴ＿ＦＣを変えた場合の磁気増幅率のシミュレーション結果を示す。本図において、横軸は磁気収束板厚さＴ＿ＦＣをμｍ単位で示し、縦軸は磁気増幅率を示す。本シミュレーションにおいては、磁気収束板長さＬ＿ＦＣは１０ｍｍ、磁気収束板厚さＴ＿ＦＣは１０μｍ、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣは２０μｍとしてシミュレーションを行った。【0058】
本図に示されるように、磁気センサ５２０は、磁気収束板厚さＴ＿ＦＣを厚くしていくと、ある点まで磁気増幅率は増加していき、その後、磁気増幅率が減少していく傾向にある。これは、ある点までは透磁率の高い材料で形成された磁気収束板を厚くするほど、発生する磁束が増えるため磁気増幅率が増加し、ある点を過ぎると、その磁気増幅効果よりも磁気収束板の厚み方向の中心が磁気抵抗素子７１０から遠ざかり、磁気収束板により収束させた磁束が磁気抵抗素子７１０を通過しにくくなる影響が強くなるためといえる。したがって、磁気収束板の厚さ（磁気収束板厚さＴ＿ＦＣ）は、概ね１００μｍ以内であると、より高い磁気増幅効果が得られるので好ましい。【0059】
図１４は、本具体例に係る磁気センサ５２０において、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣを一定として、磁気収束板長さＬ＿ＦＣ／磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣを変えた場合の、磁気増幅率のシミュレーション結果を示す。本図において、横軸は磁気収束板長さＬ＿ＦＣを磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣで割った値を示し、縦軸は磁気増幅率を示す。本シミュレーションにおいては、磁気収束板厚さＴ＿ＦＣは１０μｍ、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣは２０μｍとしてシミュレーションを行った。【0060】
図１４に示されるように、磁気センサ５２０は、磁気収束板長さＬ＿ＦＣ／磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣが大きくなるほど磁気増幅率が高くなっている。これは、図１１において磁気収束間隔Ｇ＿ＦＣが小さくなるほど磁気増幅率が高くなること、および、図１２において磁気収束板長さＬ＿ＦＣが長くなるほど磁気増幅率が高くなることを反映しているといえる。本図に示されるように、磁気センサ５２０は、磁気収束板の感磁軸方向の長さ（磁気収束板長さＬ＿ＦＣ）が、磁気抵抗素子７１０の両端に配置される磁気収束板７２０および７３０の感磁軸方向の間隔（磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣ）の１０倍より大きいと、高い磁気増幅効果が得られるので好ましい。特に、磁気センサ５２０は、磁気抵抗素子７１０の両端に配置される磁気収束板７２０および７３０の感磁軸方向の間隔（磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣ）が、磁気抵抗素子７１０の磁化自由層１０１０の感磁軸方向の長さ（磁化自由層長さＬ＿Ｆｒｅｅ）よりも小さく、磁気収束板の感磁軸方向の長さ（磁気収束板長さＬ＿ＦＣ）が、磁気抵抗素子７１０の磁化自由層１０１０の感磁軸方向の長さの１０倍より大きいと、より高い磁気増幅効果が得られるのでより好ましい。さらに、磁気センサ５２０は、図１１のシミュレーション結果から磁化自由層長さが１００μｍである場合、磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣが１００μｍより小さいことがより好ましく、図１２のシミュレーション結果から１０ｍｍ以上であることがより好ましいことが示されており、これらを踏まえて、磁気収束板の感磁軸方向の長さ（磁気収束板長さＬ＿ＦＣ）が、磁気抵抗素子７１０の両端に配置される磁気収束板７２０および７３０の感磁軸方向の間隔（磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣ）の１００倍以上であると、より高い磁気増幅率を得られるのでより好ましい。このように、磁気センサ５２０は、磁気収束板長さＬ＿ＦＣと磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣとを適切に設計することにより、高い磁気増幅率を実現することができる。【0061】
図１５は、本具体例に係る磁気センサ５２０において、磁気収束板長さＬ＿ＦＣを一定として、磁気収束板長さＬ＿ＦＣ／磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣを変えた場合の、磁気増幅率のシミュレーション結果を示す。本図において、横軸は磁気収束板長さＬ＿ＦＣを磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣで割った値を示し、縦軸は磁気増幅率を示す。本シミュレーションにおいては、磁気収束板長さＬ＿ＦＣは１０ｍｍとし、磁気収束板厚さＴ＿ＦＣは１０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、および１００μｍとしてシミュレーションを行った。【0062】
図１６は、本実施形態に係る磁気センサ５２０を、磁気センサアレイ２１０における複数の磁気センサセル２２０のセンサ部３００に適用した例を示す。図１６においては、図３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。本図において、複数の磁気センサセル２２０は、３つのセンサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚにおける磁気センサ５２０として図７に示す構成例に係る磁気センサ５２０を用いる。複数の磁気センサセル２２０は、それぞれのセンサ部３００に磁気抵抗素子７１０の両端に磁気収束板７２０および７３０が配置された磁気センサ５２０を用いることにより、上述したような磁気増幅効果を得るとともに、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。【0063】
また、心磁計測装置１０は、複数の磁気センサセル２２０のそれぞれのセンサ部３００における磁気センサ５２０として、磁気収束板長さＬ＿ＦＣと磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣとが最適化された磁気センサ５２０を用いることにより、例えば１００倍を超える磁気増幅率を実現することができ、心磁計測において、微弱な心磁をより正確に検出することが可能となる。【0064】
さらに、本図に示すように、複数の磁気センサセル２２０における３軸の磁気センサであるセンサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚは、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の三次元方向それぞれから見て、互いに重ならず、かつ、３軸の磁気センサの間に設けるギャップに一端が設けられ、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。本図に示すように、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は、以下の点で好ましい。まず、互いに重ならない配置により、サンプリング点をさらに明確にでき、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、線形代数の較正演算が容易となる。なお、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。複数の磁気センサセル２２０のそれぞれのセンサ部３００をこのような構成とすることにより、心磁計測装置１０は、心磁計測において、微弱な心磁をより正確に検出することが可能となる。他の一例として、磁気センサセル２２０の角部にギャップを設けることなく、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが設けられてもよい。この場合、磁気センサセル２２０を小さく構成することができ、このため、このような複数の磁気センサセル２２０を有する磁気センサアレイ２１０を小型化することが可能となる。【0065】
また、磁気センサアレイ２１０は、複数の磁気センサセル２２０が互いに最近接させる形で配置されている。心磁計測装置においては、心磁の空間分布を計測することによって心臓における電気活動を検出するため、隣接する磁気センサセル２２０は、互いに近接して配置されていることが望ましく、例えば、虚血性心不全の診断などで用いられる場合には、必要な空間分解能を得るために、感磁軸方向に隣接するセンサ部の間隔（本図におけるＬ）を３ｃｍ以下とすることが望ましい。【0066】
このような限られた間隔の中でも高い磁気感度を得るために、複数の磁気センサセル２２０のセンサ部３００は、磁気収束板の感磁軸方向の長さＬ＿ＦＣをできるだけ大きくすることが望ましい。より詳細には、二つの磁気収束板の感磁軸方向の長さと、二つの磁気収束板の感磁軸方向の間隔の和が、感磁軸方向に隣接するセンサ部の間隔の半分より大きくなるように（すなわち、２×磁気収束板長さＬ＿ＦＣ＋磁気収束板間隔Ｇ＿ＦＣ＞０．５×Ｌを満たすように）、各センサ部３００における磁気センサ５２０を設計すると、限られた間隔の中でも高い磁気感度を得ることができるため、好ましい。【0067】
一般に、このように各センサ部３００を接近して配置すると、各３軸センサの間での相互の磁気干渉が無視できなくなるが、本実施形態に係る心磁計測装置１０によれば、後述するように各３軸センサ自身の磁気感度誤差（Ｘ、Ｙ、およびＺ軸での主軸感度のミスマッチ、および、他軸感度）だけでなく、隣接するセンサ部からの磁気干渉も含めて補正することが可能である。【0068】
図１７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１７００の構成を示す。【0069】
磁気センサアレイ２１０は、複数の磁気センサセル２２０を有する。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を有してよい。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。【0070】
センサデータ収集部２３０は、複数のＡＤ変換器１７１０およびクロック発生器１７１２を有する。複数のＡＤ変換器１７１０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Ｖ（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）である。【0071】
クロック発生器１７１２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１７１０のそれぞれへ供給する。そして、複数のＡＤ変換器１７１０のそれぞれは、クロック発生器１７１２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１７１０の全てが同期動作をする。これにより、複数のＡＤ変換器１７１０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。【0072】
センサデータ処理部１７００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計測データ取得部１７２０、および、計測データ演算部１７２１を有する。計測データ演算部１７２１は、複数の較正演算部１７３０、複数のデータ出力部１７４０、基底ベクトル記憶部１７５０、信号空間分離部１７６０、指標算出部１７７０、指標出力部１７８０、および、故障判定部１７９０を有する。【0073】
計測データ取得部１７２０は、測定対象磁場（例えば、心臓の電気活動により発生する心磁）を含む入力磁場に基づく計測データを取得する。計測データ取得部１７２０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１７１０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、計測データ取得部１７２０は、ＡＤ変換器１７１０によってデジタルに変換された計測データＶ（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を所定のタイミングＴでラッチするフリップフロップ等を用いて構成されてよい。【0074】
計測データ演算部１７２１は、計測データ取得部１７２０が取得した計測データを較正する。例えば、較正演算部１７３０は、計測データ取得部１７２０に接続され、計測データ取得部１７２０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１７３０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計測データ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３軸センサ磁気感度行列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。【数4】
【0075】
ここで、Ｓｘｘ、Ｓｙｙ、Ｓｚｚは、それぞれセンサ部３００ｘ、３００ｙ、３００ｚの主軸方向の感度を表し、Ｓｘｙ、Ｓｘｚ、Ｓｙｘ、Ｓｙｚ、Ｓｚｘ、Ｓｚｙは他軸方向の感度を表している。また、Ｖｏｓ，ｘ、Ｖｏｓ，ｙ、Ｖｏｓ，ｚは、それぞれセンサ部３００ｘ、３００ｙ、３００ｚの主軸方向のオフセットを表している。【0076】
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、３軸センサ磁気感度行列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、３軸センサ磁気感度行列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。【0077】
したがって、較正演算部１７３０は、３軸センサ磁気感度行列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）を元の入力された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。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。【数5】
【0078】
較正演算部１７３０は、環境磁場計測データを用いて３軸センサ磁気感度行列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、計測データ取得部１７２０により取得された計測データＶ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１７４０に供給する。【0079】
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１７３０は、略一定の係数を用いて計測データＶ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１７３０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。【0080】
データ出力部１７４０は、較正演算部１７３０によって較正された磁場計測データＢを信号空間分離部１７６０に供給する。【0081】
基底ベクトル記憶部１７５０は、信号空間分離部１７６０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１７６０へ供給する。【0082】
信号空間分離部１７６０は、計測データＶから生成した磁場計測データＢ、例えば、較正演算部１７３０が計測データＶを較正して生成した磁場計測データＢによって示される入力磁場の空間分布を、正規直交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信号分離する。この際、信号空間分離部１７６０は、信号分離に必要な基底ベクトルを、基底ベクトル記憶部１７５０から取得する。そして、信号空間分離部１７６０は、基底ベクトル記憶部１７５０から取得した基底ベクトルを用いて、磁場計測データＢによって示される磁場の空間分布を、測定対象磁場である心磁と外乱磁場とに信号分離し、外乱磁場を抑制して心磁を算出し、これを出力する。【0083】
指標算出部１７７０は、計測データ演算部１７２１、例えば、較正演算部１７３０における較正の精度を示す指標εを算出する。指標算出部１７７０は、信号空間分離部１７６０に接続され、信号空間分離部１７６０が信号分離した結果に基づいて、指標εを算出する。これについては後述する。【0084】
指標出力部１７８０は、指標算出部１７７０に接続され、指標算出部１７７０が算出した指標εを出力する。この際、指標出力部１７８０は、例えば、指標εを表示部に表示させてもよいし、指標εをネットワークを介して他の装置に供給してもよい。また、指標出力部１７８０は、本図に示すように、指標εを故障判定部１７９０に供給する。【0085】
故障判定部１７９０は、指標算出部１７７０が算出した指標εに基づいて、心磁計測装置１０の故障を判定する。【0086】
図１８は、本実施形態に係る心磁計測装置１０が磁場の空間分布を信号分離するフローを示す。ステップ１８１０において、基底ベクトル記憶部１７５０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１７５０は、心磁の計測前に、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、基底ベクトル記憶部１７５０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。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１７５０が基底ベクトルを記憶するステップ１８１０を、心磁計測装置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１７５０は、心磁計測装置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１７５０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。【0087】
次に、ステップ１８２０において、信号空間分離部１７６０は、磁気センサアレイ２１０によって計測され、較正演算部１７３０によって較正された磁場計測データＢを、データ出力部１７４０から取得する。【0088】
また、ステップ１８３０において、信号空間分離部１７６０は、ステップ１８１０において基底ベクトル記憶部１７５０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１７５０から取得する。なお、本フローにおいて、ステップ１８２０とステップ１８３０とはどちらが先に行われてもよい。【0089】
ステップ１８４０において、信号空間分離部１７６０は、ステップ１８２０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１８３０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１７６０は、級数展開によって得られたベクトルから、磁場の空間分布を測定対象磁場と外乱磁場とに信号分離する。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１７６０は、信号分離するにあたって、基底ベクトルの係数を最小２乗法により計算する。【0090】
そして、ステップ１８５０において、信号空間分離部１７６０は、ステップ１８４０において信号分離した結果に基づいて、外乱磁場を抑制して測定対象磁場である心磁だけを算出して出力し、処理を終了する。以下、これについて詳細に説明する。【0091】
静磁場Ｂ（ｒ）は、ラプラス方程式Δ・Ｖ（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。【数6】
【0092】
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、被験者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。【数7】
【0093】
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磁場源、すなわち、心臓の電気活動が作る心磁（測定対象磁場）を示している。また、（数８）における第２項は、被験者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。【数8】
【0094】
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測定対象磁場信号の比）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程度でよいと言われている。したがって、本実施形態においても、Ｌｉｎ＝８、Ｌｏｕｔ＝３の場合を一例として説明する。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測定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。【0095】
ここで、各磁気センサセル２２０におけるセンサ部３００ｘ、ｙ、およびｚの感磁軸方向と磁気感度を表すベクトルを、それぞれ、ｎｘ、ｎｙ、およびｎｚとし、添字ｔを転置行列として、ａｌ，ｍおよびｂｌ，ｍを次式のように定義する。すなわち、ａｌ，ｍおよびｂｌ，ｍを、センサ部３００ｘ、ｙ、およびｚの感磁軸方向と磁気感度を表す各ベクトル）ｎｘ、ｎｙ、ｎｚと、三次元のベクトル信号である球面調和関数との内積を成分として有するベクトルとして定義する。これは、各磁気センサセル２２０において、球面調和関数を直交座標系でサンプリングすることを意味している。なお、このａｌ，ｍおよびｂｌ，ｍは磁気センサセル２２０の個数を３倍した数の次元を持つベクトルとなる。また、各センサ部３００の感磁軸方向と磁気感度を表す各ベクトルｎｘ、ｎｙ、ｎｚは、先述した主軸方向の感度、および、他軸方向の感度と対応したベクトルでよい。ｎｘは、Ｓｘｘ、Ｓｘｙ、Ｓｘｚに対応してよい。ｎｙは、Ｓｙｘ、Ｓｙｙ、Ｓｙｚに対応してよい。ｎｚは、Ｓｚｘ、Ｓｚｙ、Ｓｚｚに対応してよい。例えば、図２９に示す変形例のように、計測データ演算部１７２１は、較正演算部１７３０に代えて、基底ベクトル較正部１７７１を有してもよい。このような構成において、基底ベクトル較正部１７７１は、指標算出部１７７０によって算出された指標εに基づいて、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を含めてａｌ，ｍおよびｂｌ，ｍを計算することによって基底ベクトルを較正し、基底ベクトル記憶部１７５０は、較正された基底ベクトルであるａｌ，ｍおよびｂｌ，ｍを記憶する。本変形例に係る心磁計測装置１０の信号空間分離部１７６０は、動作時に、基底ベクトル記憶部１７５０に記憶されている、較正された基底ベクトルであるａｌ，ｍおよびｂｌ，ｍを用いて、上述したように、磁場計測データＢによって示される磁場の空間分布を、測定対象磁場である心磁と外乱磁場とに信号分離し、外乱磁場を抑制して心磁を算出し、これを出力する。このようにして算出された心磁は、各磁気センサセル２２０の磁気感度（主軸感度、他軸感度）の補正が行われている。【数9】
【0096】
そうすると、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。【数10】
【0097】
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α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β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。【数11】
【0098】
そうすると、センサ出力ベクトルΦは、次式に示すように、基底ベクトル行列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、基底ベクトル行列Ｓは、基底ベクトルを示し、例えば、ステップ１８３０において、信号空間分離部１７６０が基底ベクトル記憶部１７５０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。【数12】
【0099】
本実施形態に係る信号空間分離部１７６０は、ステップ１８４０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＝Ｓ・Ｘを最小２乗近似で満たす縦ベクトル＾Ｘ（ここで、「＾Ｘ」は、（数１３）における左辺を示し、Ｘのハット（推定値）を意味するものとする。）を決定する。これにより、信号空間分離部１７６０は、ステップ１８４０において、磁場の空間分布を解くことができる。この際、信号空間分離部１７６０は、外乱磁場の大きさが予め定められた範囲を超える場合に、測定対象磁場である心磁を高精度に計測できない旨の警告を出してもよい。これにより、心磁計測装置１０は、装置が故障している場合や、測定対象磁場を高精度に計測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、心磁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１７６０は、例えば、＾Ｘｏｕｔ・Ｓｏｕｔ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、＾Ｘｏｕｔ・Ｓｏｕｔ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。【数13】
【0100】
そして、ステップ１８５０において、信号空間分離部１７６０は、ステップ１８４０において決定した縦ベクトルを用いて、＾Ｘｏｕｔ・Ｓｏｕｔを減少させて外乱磁場成分、すなわち、（数８）における第２項の成分を抑制した結果を出力する。信号空間分離部１７６０は、＾Ｘｉｎ・Ｓｉｎだけを結果として出力することで、外乱磁場成分を抑制して、測定対象磁場である心磁成分、すなわち、（数８）における第１項の成分だけを出力してもよい。【0101】
これにより、本実施形態に係る心磁計測装置１０によれば、複数の磁気センサセル２２０を有し、三次元空間内の複数の箇所において３軸方向の入力磁場を検出可能な磁気センサアレイ２１０を用いて計測された磁場計測データＢによって示される磁場の空間分布を、測定対象磁場である心磁と外乱磁場とに信号分離することができる。また、心磁計測装置１０は、外乱磁場成分を抑制して心磁成分だけを出力するので、心磁をより高精度に計測することができる。また、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。さらに、心磁計測装置１０が較正演算部１７３０を有する場合には、高精度な較正（主軸感度ミスマッチ、他軸感度、およびオフセット等）を実現でき、複数のセンサ部３００のキャリブレーション誤差を、信号空間分離段階で処理するのではなく、その前段で低減させることができるので、より高精度に測定対象磁場成分を取り出すことができる。【0102】
図１９は、本実施形態に係る心磁計測装置１０が、指標εを算出して指標εに基づいた制御を行うフローを示す。ステップ１９１０において、較正演算部１７３０は、上述の（数５）に基づいて、計測データＶを較正して磁場計測データＢを生成する。そして、較正演算部１７３０は、磁場計測データＢをデータ出力部１７４０を介して信号空間分離部１７６０へ供給する。【0103】
ステップ１９２０において、信号空間分離部１７６０は、磁場計測データＢによって示される入力磁場の空間分布を、図１８のフローに従って、信号分離する。そして、信号空間分離部１７６０は、信号分離した結果を指標算出部１７７０へ供給する。この際、信号空間分離部１７６０は、信号分離した結果として、例えば、センサ出力ベクトルΦ、基底ベクトル行列Ｓ、および、縦ベクトル＾Ｘを指標算出部１７７０へ供給してよい。【0104】
ステップ１９３０において、指標算出部１７７０は、信号空間分離部１７６０が信号分離した結果に基づいて、計測データ演算部１７２１、例えば、較正演算部１７３０における較正の精度を示す指標εを算出する。指標算出部１７７０は、例えば、次式に示すように、センサ出力ベクトルΦから、基底ベクトル行列Ｓと縦ベクトル＾Ｘとの内積を減算して指標εを算出してよい。すなわち、指標算出部１７７０は、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を、最小２乗法を用いて基底ベクトル行列Ｓ＝［Ｓｉｎ，Ｓｏｕｔ］によって張られる部分空間へマッピングした際の誤差を、ベクトルの成分ごとに算出し、これを指標εとする。そして、指標算出部１７７０は、算出した指標εを指標出力部１７８０へ供給する。【数14】
【0105】
次に、指標出力部１７８０は、指標εを表示部に表示させる。そして、指標出力部１７８０は、指標εを故障判定部１７９０に供給する。この際、指標出力部１７８０はさらに、指標εをネットワークを介して他の装置に供給してもよい。【0106】
ステップ１９４０において、故障判定部１７９０は、指標εが予め定められた基準の範囲内であるか否か判定する。故障判定部１７９０は、例えば、次式に示すように、指標の２乗が、予め定められた閾値Ｅ＿Ｔｈの２乗未満であるか否か判定する。すなわち、故障判定部１７９０は、指標εのベクトルの大きさが予め定められた閾値Ｅ＿ｔｈ未満であるか否か判定する。【数15】
【0107】
ここで、指標εは、磁気センサアレイ２１０が有する複数の磁気センサセル２２０内に含まれるセンサ部３００の数に対応するベクトルの成分からなる。故障判定部１７９０は、例えば、複数の成分ごとの指標を算出し、それらの平均が予め定められた基準の範囲内であるか否か判定してよい。これに代えて、故障判定部１７９０は、算出した複数の成分ごとの指標のうち、大きさが最大となる成分の指標、大きさが最小となる成分の指標、および、複数の成分の中央値のいずれかが予め定められた基準の範囲内であるか否か判定してもよい。【0108】
そして、故障判定部１７９０は、指標εが予め定められた基準の範囲内であると判定した場合、較正演算部１７３０において精度よく較正されたと判断して処理を終了する。すなわち、故障判定部１７９０は、較正演算部１７３０において精度よく較正されているので、心磁計測装置１０の計測結果が、信頼性が高いものであると判断し、さらなる処理を要求しない。【0109】
一方、ステップ１９４０において、指標εが予め定められた基準の範囲内でないと判定した場合、故障判定部１７９０は、ステップ１９５０において、較正演算部１７３０における較正回数が予め定められた回数以内であるか否か判定する。【0110】
そして、較正回数が予め定められた回数以内でなかったと判定された場合、ステップ１９６０において、故障判定部１９６０は、心磁計測装置１０に故障が生じているものと判定して処理を終了する。この際、故障判定部１９６０は、心磁計測装置１０に故障が生じている旨を表示部に表示、または、音で報知してもよい。また、故障判定部１９６０は、ステップ１９４０において算出したベクトルの成分ごとの指標から、心磁計測装置１０の故障箇所を推定して、それを出力してもよい。この際、故障判定部１９６０は、予め定められた基準の範囲内にないと判定された指標に対応する磁気センサセル２２０やセンサ部３００を特定する情報を出力してよい。また、故障判定部１９６０は、例えば、ベクトルの成分ごとの指標を、対応する磁気センサセル２２０やセンサ部３００にマッピングした指標マップを出力してもよい。【0111】
一方、ステップ１９５０において、較正回数が予め定められた回数以内であると判定された場合、故障判定部は、較正演算部１７３０に対して、計測データを再較正する旨を指示する。そして、ステップ１９７０において、較正演算部１７３０は、較正パラメータを変更して、処理をステップ１９１０に戻し、変更された較正パラメータを用いて再較正を行い、処理を継続する。この際、較正演算部１７３０は、例えば、環境磁場の計測を再び行って、センサ部３００の主軸感度、他軸感度、および、オフセットを再調整して較正パラメータを変更してもよい。【0112】
なお、図１９のフローは、被験者が心磁計測装置１０の計測位置にいる場合に行われてもよいし、被験者が心磁計測装置１０の計測位置に来る前に事前に行われてもよい。この場合、故障判定部は、被験者がいる場合といない場合とで、故障判定に用いる閾値Ｅ＿Ｔｈを異なる値に設定してもよい。【0113】
このように、本実施形態に係る心磁計測装置１０は、計測データ演算部１７２１、例えば、較正演算部１７３０における較正の精度を示す指標εを算出し、指標εに基づいた制御を行う。これにより、本実施形態に係る心磁計測装置１０によれば、較正演算部１７３０において精度よく較正されたかどうかを把握することができる。また、本実施形態に係る心磁計測装置１０によれば、指標εを表示することで、心磁計測装置１０の計測結果の信頼性をユーザに知らせることができる。また、本実施形態に係る心磁計測装置１０によれば、指標εに基づいて心磁計測装置１０の故障を判定し、故障箇所を推定することができる。また、本実施形態に係る心磁計測装置によれば、計測データ演算部１７２１、例えば、較正演算部１７３０が、指標算出部１７７０が算出した指標εに基づいて、計測データＶを再較正するので、精度よく較正された状態で心磁を計測することができる。【0114】
図２０は、本実施形態の変形例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１７００の構成を示す。図２０においては、図１７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。本図において、計測データ演算部１７２１は、基底ベクトル記憶部１７５０および信号空間分離部１７６０に代えて、勾配磁場演算部２０００を有する。また、指標算出部１７７０は、信号空間分離部１７６０に代えて、データ出力部１７４０に接続されている。【0115】
勾配磁場演算部２０００は、データ出力部１７４０から供給された磁場計測データＢを用いて勾配磁場を算出する。本変形例において、勾配磁場演算部２０００は、３軸方向の全ての磁場に対して三次元の全ての方向についての勾配磁場を算出する。これによって、より詳細な勾配磁場分布を得ることができる。これに代えて、勾配磁場演算部２０００は、３軸方向の一部の磁場に対してのみ勾配磁場を算出してもよい。また、勾配磁場演算部２０００は、三次元方向の一部の方向についてのみ勾配磁場を算出してもよい。これにより、必要な勾配磁場成分のみを算出することができ、勾配磁場演算部２０００における演算処理の負荷を低減できる。【0116】
また、本変形例においては、検出する磁場の３軸方向と磁気センサセル２２０を配列する三次元方向とが同一方向である。これにより、後に示す勾配磁場の分布図において勾配磁場の各成分の把握が容易となる。これに代えて、検出する磁場の３軸方向と磁気センサセル２２０を配列する三次元方向とが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。【0117】
勾配磁場演算部２０００は、複数の磁気センサセル２２０のうちの隣接する磁気センサセル２２０間で計測された磁場計測データＢを用いて隣接する磁気センサセル２２０間の磁場の差分を算出することで、すなわち磁場計測データＢの差分を算出することで、勾配磁場を算出する。勾配磁場演算部２０００は、複数の隣接する磁気センサセル２２０間で計測された磁場計測データＢを用いて２次以上の勾配磁場を算出してもよい。【0118】
図２１は、本変形例に係る心磁計測装置１０がＮ次の勾配磁場を算出するフローを示す。ステップ２１１０において、勾配磁場演算部２０００は、ｎに１を代入する。ステップ２１２０において、勾配磁場演算部２０００は、各位置における磁気センサセル２２０により計測された磁場計測データＢを取得する。ここで、位置［ｉ，ｊ，ｋ］の磁気センサセル２２０により計測された磁場計測データを次の（数１６）式のように表記する。【数16】
【0119】
ステップ２１３０において、勾配磁場演算部２０００は、磁気センサアレイ２１０に含まれる隣接する各磁気センサセル２２０間の磁場計測データＢを用いて磁場の１次の差分を算出することで、１次の勾配磁場を算出する。勾配磁場演算部２０００は、Ｘ軸方向についての１次の勾配磁場を、磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間で計測された磁場計測データを用いて次式により算出する。【数17】
【0120】
すなわち、勾配磁場演算部２０００は、磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］におけるＸ軸の磁場計測データＢｘｉ＋１，ｊ，ｋから磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］におけるＸ軸の磁場計測データＢｘｉ，ｊ，ｋを減算して磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の磁場計測データのＸ軸成分の差分を算出し、これを磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の距離Δｘで除すことで、位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場計測データのＸ軸成分に対するＸ軸方向についての１次の勾配磁場を算出する。【0121】
同様に、勾配磁場演算部２０００は、磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］におけるＹ軸の磁場計測データＢｙｉ＋１，ｊ，ｋから磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］におけるＹ軸の磁場計測データＢｙｉ，ｊ，ｋを減算して磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の磁場計測データのＹ軸成分の差分を算出し、これを磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の距離Δｘで除すことで、位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場計測データのＹ軸成分に対するＸ軸方向についての１次の勾配磁場を算出する。【0122】
同様に、勾配磁場演算部２０００は、磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］におけるＺ軸の磁場計測データＢｚｉ＋１，ｊ，ｋから磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］におけるＺ軸の磁場計測データＢｚｉ，ｊ，ｋを減算して磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の磁場計測データのＺ軸成分の差分を算出し、これを磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間の距離Δｘで除すことで、位置［ｉ，ｊ，ｋ］における磁場計測データのＺ軸成分に対するＸ軸方向についての１次の勾配磁場を算出する。【0123】
また、勾配磁場演算部２０００は、Ｘ軸方向についての１次の勾配磁場と同様に、Ｙ軸方向についての１次の勾配磁場を、磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ＋１，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間で計測された磁場計測データを用いて次式により算出する。【数18】
【0124】
また、勾配磁場演算部２０００は、Ｘ軸方向についての１次の勾配磁場と同様に、Ｚ軸方向についての１次の勾配磁場を、磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ＋１］と磁気センサセル２２０［ｉ，ｊ，ｋ］との間で計測された磁場計測データを用いて次式により算出する。【数19】
【0125】
勾配磁場演算部２０００は、（数１７）〜（数１９）式の演算により、３軸の磁場計測データに対して三次元方向について、以下の１次の勾配磁場を得ることができる。なお、勾配磁場演算部２０００は、各磁気センサセル２２０間の距離Δｘ＝Δｙ＝Δｚを１単位として１次の勾配磁場を算出してもよい。この場合、勾配磁場演算部２０００は、磁場計測データの差分を１次の勾配磁場としてみなすことができる。【数20】
【0126】
ステップ２１４０において、勾配磁場演算部２０００は、ｎがＮに等しいか否か判定する。ｎがＮに等しい場合、勾配磁場演算部２０００は、処理を終了する。ステップ２１４０において、ｎがＮに等しくない場合、勾配磁場演算部２０００は、処理をステップ２１５０へ進め、ｎを１インクリメントする。そして、勾配磁場演算部２０００は、処理をステップ２１６０へ進める。【0127】
ステップ２１６０において、勾配磁場演算部２０００は、磁場のｎ−１次の勾配磁場を用いてｎ次の勾配磁場を算出する。一例として、勾配磁場演算部２０００は、２次の勾配磁場の算出前のステップ２１３０において、（数１７）式に加えて、Ｘ軸方向についての１次の勾配磁場として磁気センサセル２２０［ｉ＋２，ｊ，ｋ］と磁気センサセル２２０［ｉ＋１，ｊ，ｋ］との間で計測された磁場計測データを用いて、位置［ｉ＋１，ｊ，ｋ］における１次の勾配磁場を次式により算出済みである。【数21】
【0128】
そこで、２次の勾配磁場を算出する場合のステップ２１６０において、勾配磁場演算部２０００は、（数１７）式および（数２１）式で算出した１次の勾配磁場を用いて次式によりＸ軸方向についての２次の勾配磁場を算出する。【数22】
【0129】
すなわち、勾配磁場演算部２０００は、位置［ｉ＋１，ｊ，ｋ］におけるＸ軸方向についての１次の勾配磁場から位置［ｉ，ｊ，ｋ］におけるＸ軸方向についての１次の勾配磁場を減算した値を、Ｘ軸方向における隣接する磁気センサセル２２０間の距離ΔＸで除すことで、Ｘ軸方向についての２次の勾配磁場を算出する。【0130】
勾配磁場演算部２０００は、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向についてもＸ軸方向と同様の演算により、２次の勾配磁場を算出することができる。次に、勾配磁場演算部２０００は、処理をステップ２１４０へ戻し、以下処理を繰り返す。これにより、勾配磁場演算部２０００は、隣接する磁気センサセル２２０間で計測された磁場計測データを用いて３軸の磁場計測データに対して３次元方向についてのｎ次の勾配磁場を取得することができる。【0131】
ここで、Ｎ＝１の場合、勾配磁場演算部２０００は、Δｘ＝Δｙ＝Δｚが十分小さいとして、ステップ２１３０で得られた（数２０）式で与えられる１次の勾配磁場を以下のように表すことができる。【数23】
【0132】
Ｎ＝２の場合、勾配磁場演算部２０００は、１次の勾配磁場と本図のフローにより以下の２次の勾配磁場を取得する。【数24】
【0133】
Ｎが２より大きい場合、勾配磁場演算部２０００は、１次および２次の勾配磁場と本図のフローにより以下のｎ次の勾配磁場を取得する。【数25】
【0134】
このように、本変形例の心磁計測装置１０によれば、（数２３）、（数２４）、（数２５）式に示されるように、３軸の磁場計測データに対して三次元方向についての勾配磁場をもれなく得ることができる。また、本変形例の心磁計測装置１０によれば、隣接する磁気センサセル２２０間の磁場からの演算となるので、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のみの２次以上の勾配磁場だけでなく、∂２Ｂ／∂ｘ∂ｙ、∂２Ｂ／∂ｙ∂ｚ、∂２Ｂ／∂ｚ∂ｘのような、異なる軸方向に偏微分した形式に相当する勾配磁場成分も得られる。【0135】
図２２は、本変形例に係る心磁計測装置１０により得られる１次の勾配磁場分布の一例を示す。図２３は、本変形例に係る心磁計測装置１０により得られる２次の勾配磁場分布の一例を示す。これらの図は、（Ｘ，Ｙ）＝（０，−５ｃｍ）の点にＸ＝５ｍｍ、Ｙ＝０．５ｍｍ、Ｚ＝０．５ｍｍの磁石をＮ極がＸ軸の正方向を向くように配置し、（Ｘ，Ｙ）＝（０，５ｃｍ）の点にＸ＝５ｍｍ、Ｙ＝０．５ｍｍ、Ｚ＝０．５ｍｍの磁石をＮ極がＸ軸の負方向を向くように配置し、３０ｃｍ×３０ｃｍの平面を１ｃｍ間隔の格子点で、磁石の置かれた面から高さＺ＝１ｃｍで心磁計測装置１０によって計測した場合の勾配磁場分布を示す。これらの図において、各座標におけるドット密度は任意単位における勾配磁場の大きさを示しており、ドット密度が小さい方が勾配磁場が大きいことを表している。図２２は、この条件によって得られた１次の勾配磁場分布のうちの∂Ｂｘ／∂ｘ成分を示した図であり、図２３は、この条件によって得られた２次の勾配磁場分布のうちの∂２Ｂｘ／∂ｘ２成分を示した図である。【0136】
図２２および図２３に示すように、本変形例に係る心磁計測装置１０によれば、算出した勾配磁場を可視化した勾配磁場分布を得ることができる。なお、本図においては、１次の勾配磁場分布については∂Ｂｘ／∂ｘ成分、２次の勾配磁場分布については∂２Ｂｘ／∂ｘ２成分のみを一例として示したが、心磁計測装置１０は、他の勾配成分や３次以上の勾配磁場についても同様に勾配磁場分布を得ることができる。【0137】
図２４は、本変形例に係る心磁計測装置１０が、指標εを算出して指標εに基づいた制御を行うフローを示す。図２４においては、図２１と同じステップ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。本図においては、ステップ１９２０およびステップ１９３０に代えて、ステップ２４００を有する。【0138】
ステップ２４００において、指標算出部１７７０は、計測データから生成した複数の磁気センサセル２２０における磁場計測データの統計、例えば、較正演算部１７３０が計測データを較正して生成した複数の磁気センサセル２２０における磁場計測データの統計に基づいて、指標εを算出する。例えば、指標算出部１７７０は、次式により、複数の磁気センサセル２２０における磁場計測データの平均値を計算する。すなわち、指標算出部１７７０は、複数の磁気センサセル２２０におけるそれぞれの磁場計測データの総和を、磁気センサセル２２０の個数で除算することで、磁場計測データの平均値を計算する。【数26】
【0139】
そして、指標算出部１７７０は、次式により、複数の磁気センサセル２２０のそれぞれにおける指標εを算出する。すなわち、指標算出部１７７０は、磁気センサセル２２０のそれぞれにおける磁場計測データから、（数２６）により計算した磁場計測データの平均値を減算することで、複数の磁気センサセル２２０のそれぞれにおける指標εを算出する。【数27】
【0140】
なお、上述の説明では、磁場計測データの平均値からの差に基づいて指標εを算出する場合について説明したが、これに限定されるものではない。指標算出部１７７０は、例えば、磁気センサセル２２０のそれぞれにおける磁場計測データから、平均値に代えて、中央値を減算することで、複数の磁気センサセル２２０のそれぞれにおける指標εを算出してもよい。一般に、平均値は外れ値の影響を受けやすい。したがって、指標算出部１７７０は、平均値に代えて中央値を用いることで、外れ値の影響を低減した指標εを算出してもよい。このように、指標算出部１７７０は、複数の磁気センサセル２２０における磁場計測データの、様々な統計に基づいて、指標εを算出してよい。【0141】
このように、本変形例に係る心磁計測装置１０は、磁場計測データに基づいて指標εを算出するので、図１８に示すフローのような複雑な演算を要する信号分離処理を行わずに、指標εを算出することができる。【0142】
図２５は、本実施形態の変形例に係る心磁計測装置１０が曲面状に配置された磁気センサアレイ２１０を用いて心磁を計測する例を示す。本変形例において、磁気センサアレイ２１０は、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１２個、Ｙ方向に８個、およびＺ方向に２個の計１９２個の磁気センサセル２２０）が曲面状に配置されている。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。磁気センサアレイ２１０は、曲面状の被験者の胸部周りに沿って巻かれる。すなわち、磁気センサアレイ２１０は、被験者の胸部周りの曲率と略同等の曲率を有する曲面状に配置される。したがって、磁気センサアレイ２１０は、被験者の正面中央部がＺ軸のプラス方向に突出するような曲面となり、ここでは、このような曲面を凸を有する曲面と表現している。この際、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。【0143】
そして、本変形例において、心磁計測装置１０は、被験者の胸部が曲面の中心側に位置するように、すなわち、測定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を配置して心磁を計測する。これにより、心磁計測装置１０は、測定対象磁場源である心臓に近い位置で計測した磁場計測データＢを用いて信号空間分離することで、高精度に測定対象磁場と外乱磁場とを分離することができる。同様の理由により、心磁計測装置１０は、高精度に磁場の勾配分布を取得することができる。なお、この際、磁気センサアレイ２１０は、曲面の曲率が被験者の胸部周りの曲率と略同等であると、測定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。【0144】
図２６は、本実施形態の変形例に係る心磁計測装置１０が閉曲面状に配置された磁気センサアレイ２１０を用いて心磁を計測する例を示す。本変形例において、磁気センサアレイ２１０は、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１６個、Ｙ方向に８個、およびＺ方向に４個の計５１２個の磁気センサセル２２０）が閉曲面状に配置されている。各磁気センサセル２２０は、三次元格子空間における閉曲面形状に含まれる格子点にそれぞれ配置されている。本変形例においても、磁気センサアレイ２１０は、図２５と同様、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た複数の磁気センサセル２２０を有する。本変形例において、磁気センサアレイ２１０は、さらに、当該一の方向に直交する方向に凹を有する曲面に沿うように配置された複数の磁気センサセル２２０を有する。そして、磁気センサアレイ２１０は、凸を有する曲面形状と凹を有する曲面形状とを合わせて閉曲面形状を形成する。一例として、本図においては、磁気センサアレイ２１０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た複数の磁気センサセル２２０と、Ｚ軸のプラス方向に凹を有する曲面に沿うように配置された複数の磁気センサセル２２０とを有し、Ｚ軸のプラス方向に凸を有する曲面形状と凹を有する曲面形状とを合わせて閉曲面形状を形成する例を示す。【0145】
そして、本変形例において、心磁計測装置１０は、被験者の胸部を閉曲面で囲むように、すなわち、測定対象磁場源である心臓を閉曲面で囲む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、心磁計測装置１０は、心臓の電気活動により被験者の前方に生成される心磁に加えて、被験者の後方に生成される心磁を計測し、前方および後方で計測した磁場計測データＢを用いて信号空間分離することで、より高精度に測定対象磁場と外乱磁場とを分離することができる。同様の理由により、心磁計測装置１０は、高精度に磁場の勾配分布を取得することができる。なお、本変形例においても、図２５と同様、磁気センサアレイ２１０は、曲面の曲率が被験者の胸部周りの曲率と略同等であると、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。【0146】
また、これまでに述べた心磁計測装置１０は、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を用いて信号源を推定することができる。一般に、生体という体積導体内に能動電流が発生すると、これから流出し、またこれに戻る体積電流が導体内に広く分布する。心臓の任意の位置ｒ１における全電流密度をＪ（ｒ１）、透磁率をμとすると、計測位置ｒにおける磁束密度Ｂ（ｒ）は、ビオ・サバールの法則を用いて次式のように表すことができる。【数28】
【0147】
ここで、（数２８）に基づけば、センサ出力ベクトルΦは、次式に示すように、係数行列Ｌと電流密度ベクトルＪとの内積として表すことができる。【数29】
【0148】
心磁計測装置１０は、センサ出力ベクトルΦの値、および、その値が計測された位置を取得することができるので、次式に示すように、当該センサ出力ベクトルΦと係数行列Ｌの逆行列との内積により、電流密度ベクトルＪを算出することができる。これにより、本実施形態に係る心磁計測装置１０によれば、センサ出力ベクトルΦに基づいて電流密度ベクトルＪを算出するので、計測された磁場からその磁場を発生させた信号源、すなわち、心臓の電気活動によって生成された電流を推定することができる。【数30】
【0149】
図２７は、本実施形態に係る磁気センサアレイ２１０の変形例を示す。図２７においては、図１６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。本図において、磁気センサアレイ２１０が有する複数の磁気センサセル２２０のそれぞれは、角部に空隙（ギャップ）を設けることなく、センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが設けられている。このように、複数の磁気センサセル２２０のそれぞれは、センサ部３００をこのように配置しても、各センサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の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することができる。このような配置とすることにより、複数のセンサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚを磁気センサセル２２０内に分散して配置することができ、１つの角部に複数のセンサ部３００ｘ、３００ｙ、および３００ｚが集中して配置されることを防ぐことができる。本実施形態に係る心磁計測装置１０は、このようにセンサ部３００が配置された磁気センサアレイ２１０を用いて計測データを取得してもよい。【0150】
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。【0151】
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。【0152】
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、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。【0153】
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。【0154】
図２８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２２００の例を示す。コンピュータ２２００にインストールされたプログラムは、コンピュータ２２００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２２００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２２００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、ＣＰＵ２２１２によって実行されてよい。【0155】
本実施形態によるコンピュータ２２００は、ＣＰＵ２２１２、ＲＡＭ２２１４、グラフィックコントローラ２２１６、およびディスプレイデバイス２２１８を含み、それらはホストコントローラ２２１０によって相互に接続されている。コンピュータ２２００はまた、通信インターフェイス２２２２、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ２２２６、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２２２０を介してホストコントローラ２２１０に接続されている。コンピュータはまた、ＲＯＭ２２３０およびキーボード２２４２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２２４０を介して入／出力コントローラ２２２０に接続されている。【0156】
ＣＰＵ２２１２は、ＲＯＭ２２３０およびＲＡＭ２２１４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２２１６は、ＲＡＭ２２１４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ＣＰＵ２２１２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２２１８上に表示されるようにする。【0157】
通信インターフェイス２２２２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２２２４は、コンピュータ２２００内のＣＰＵ２２１２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２２２６は、プログラムまたはデータをＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１から読み取り、ハードディスクドライブ２２２４にＲＡＭ２２１４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。【0158】
ＲＯＭ２２３０はその中に、アクティブ化時にコンピュータ２２００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２２００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２２４０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２２２０に接続してよい。【0159】
プログラムが、ＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１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２２２４、ＲＡＭ２２１４、またはＲＯＭ２２３０にインストールされ、ＣＰＵ２２１２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２２００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２２００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。【0160】
例えば、通信がコンピュータ２２００および外部デバイス間で実行される場合、ＣＰＵ２２１２は、ＲＡＭ２２１４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２２２２に対し、通信処理を命令してよい。通信インターフェイス２２２２は、ＣＰＵ２２１２の制御下、ＲＡＭ２２１４、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１、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。【0161】
また、ＣＰＵ２２１２は、ハードディスクドライブ２２２４、ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ２２２６（ＤＶＤ−ＲＯＭ２２０１）、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ＲＡＭ２２１４に読み取られるようにし、ＲＡＭ２２１４上のデータに対し様々なタイプの処理を実行してよい。ＣＰＵ２２１２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。【0162】
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。ＣＰＵ２２１２は、ＲＡＭ２２１４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ＲＡＭ２２１４に対しライトバックする。また、ＣＰＵ２２１２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、ＣＰＵ２２１２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。【0163】
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２２００上またはコンピュータ２２００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２２００に提供する。【0164】
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、請求の範囲の記載から明らかである。また、本発明を実施の形態として、磁場計測装置が心磁計測装置であるとして説明したが、心磁計測装置に限定されるものでなく、人間の心臓以外の臓器の電気活動により生成される磁場を計測する装置（例えば消化器系の医療診断におけるトモグラフィーで使用される装置）であってよい。【0165】
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。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。【符号の説明】
【0166】
１０ 心磁計測装置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 第１の磁場生成部
５３２ 第１の増幅回路
５３４ 第１のコイル
５４０ 出力部
７１０ 磁気抵抗素子
７２０、７３０ 磁気収束板
９１０ 電流ＤＡ変換器
９２０ 第２の磁場生成部
９２２ 第２の増幅回路
９２４ 第２のコイル
１０１０ 磁化自由層
１０２０ 磁化固定層
１７００ センサデータ処理部
１７１０ ＡＤ変換器
１７１２ クロック発生器
１７２０ 計測データ取得部
１７２１ 計測データ演算部
１７３０ 較正演算部
１７４０ データ出力部
１７５０ 基底ベクトル記憶部
１７６０ 信号空間分離部
１７７０ 指標算出部
１７７１ 基底ベクトル較正部
１７８０ 指標出力部
１７９０ 故障判定部
２０００ 勾配磁場演算部
２２００ コンピュータ
２２０１ ＤＶＤ−ＲＯＭ
２２１０ ホストコントローラ
２２１２ ＣＰＵ
２２１４ ＲＡＭ
２２１６ グラフィックコントローラ
２２１８ ディスプレイデバイス
２２２０ 入／出力コントローラ
２２２２ 通信インターフェイス
２２２４ ハードディスクドライブ
２２２６ ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ
２２３０ ＲＯＭ
２２４０ 入／出力チップ
２２４２ キーボード