末梢神経からの神経情報の検出と弁別処理

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10450156
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 星宮 望 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50005394)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加納 慎一郎 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (00282103) ; 渡邉 高志 東北大学, 大学院・工学研究科, 講師 (90250696) ; 二見 亮弘 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20156938) ; 半田 康延 未来科学技術共同研究センター, 教授 (00111790)
• Keywords: 機能的電気刺激 / カフ電極 / 弁別処理 / 多変量解析 / 神経活動電位の分類 / 階層的クラスター分析

Research Abstract

本研究では神経信号をセンサ情報として利用した閉ループ機能的電気刺激システムの構築を目的として、生体親和性と耐食性に優れた低雑音電極の開発や神経情報を取得するための時系列データの解析方法について検討してきた。今年度は、神経束から計測した神経インパルス列の弁別処理法の研究と、末梢神経のモデルの構築を行い、以下の成果を得た。
1.神経インパルスの弁別には、初めに計測データの中から神経インパルスを検出する必要があるが、臨床応用を念頭において神経線維に対する侵襲の低いカフ電極を記録電極に用いると計測信号のS/Nが低く、検出が困難な場合が多々ある。そこで検出方法として計測信号をウェーブレット変換により分解し、神経インパルスの波形情報を有する展開係数のみを用いて時系列データを再構成することを提案し、検討を行った。その結果、神経インパルスの観察が困難な計測信号からも検出が可能となり、本手法の有効性を確認した。
2.提案した解析手法の評価を行う場合、モデルなどにより作成したデータは解析結果が既知であることと、様々な条件を容易に設定可能であることの2点において計測データよりも有利である。そこで神経活動電位を発生する末梢神経のモデルを構築した。モデルの構造は神経束の中に有髄神経線維が一本だけ存在しているものとし、膜電位の変化はFH方程式により記述し、神経インパルスの伝導はケーブル解析により計算した。このモデルを用いてこれまで提案してきた解析手法の評価を行ったところ、従来法と比べて有効であることが定量的に示された。また作成したモデルを用いて検討を行ったところ、直径や細胞膜の性質が類似した神経線維が神経束の中で近接して存在していても、ランビエノードと記録電極の位置関係が異なれば、記録波形に着目することでそれらの神経線維の活動を識別できることを確認した。

Research Products

• [Publications] 中谷裕教: "低S/N信号から神経活動電位の検出を行う手法に関する検討"第39回日本ME学会大会論文集. 38・特別号. 218 (2000)
• [Publications] 大庭茂男: "インピーダンス特性によるFES用埋め込み電極評価法の臨床的検討(第2報)"第39回日本ME学会大会論文集. 38・特別号. 345 (2000)
• [Publications] H.Nakatani: "Simulation study of a method for detecting nerve action potentials from noisy neural signal"International Workshop on FES. 18-19 (2000)
• [Publications] M.Watanabe: "Fatigue properties of FES electrodes in saline solution"International Workshop on FES. 24-27 (2000)
• [Publications] 中谷裕教: "感覚単位の活動推定を目的とした神経活動電位の分類"電子情報通信学会論文誌. J83・12. 2841-2849 (2000)