2016 Fiscal Year Research-status Report

複合電気刺激による感覚要素の抽出に基づく感覚表現マッピングの実現と応用手法の開発

Research Project

Project/Area Number	16K21355
Research Institution	Kyorin University
Principal Investigator	瀬野晋一郎杏林大学, 保健学部, 講師 (70439199)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	疼痛 / 電気刺激 / CPT / 周波数
Outline of Annual Research Achievements	痛み感覚はマクギル疼痛質問表で提案されるように多数の言語表現が存在し、我々自身も日常生活の中で経験している。このうち、鋭い感覚や鈍い感覚は２種類の神経線維（Aδ線維とC線維）が誘発に関与する。しかし、痛みに関する他の言語表現と神経線維の関連性は不明であり、触圧覚の伝達を介するAβ線維も疼痛感覚の表現に一部関わっている可能性も考えられる。本研究は、３種類の神経線維（Aβ線維、Aδ線維およびC線維）の正弦波電流刺激に対する周波数特性を活かして、神経線維を単独であるいは複合的に刺激可能なシステムを開発して、痛みに関連する感覚の質を電気刺激により具体的に表現することを試みた。平成２８年度は測定システムの設計および開発を重点的に実施した。３種類の神経線維のうち、Aβ線維は2000 Hz付近、Aδ線維は250 Hz付近、C線維は5Hz付近にそれぞれ良好な発火応答を示す。これらの特性を活かして、測定用刺激電流は発振器モジュールでそれぞれの周波数パターンとなる正弦波信号を構築した。本システムでは、周波数を固定した各正弦波刺激に対する知覚感度（Current Perception Threshold;CPT）を測定して、得られた閾値信号を１倍、1.5倍、２倍、３倍、４倍の５段階で増幅可能な設計とした。これらの増幅信号は単独で出力させることや、複合的な信号として２つまたは３つの周波数パターンを組合せて同時に出力させることが可能である。試作システムを利用して３種類の周波数に対する知覚感度の測定や、２つまたは３つの周波数を組み合わせた複合刺激により痛み感覚に類似した感覚の質を誘発させることは十分可能であった。この結果、試作システムは新たな主観的な疼痛評価の１つになり得るかもしれない。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 平成２８年度は、３種類の正弦波刺激電流を利用した痛みに関連する感覚の再現・評価を具現化するために、システムの設計および試作を中心に行った。３パターンの刺激電流に関して、本研究では５Hz、２５０Hzおよび２０００Hzを基本とし、これらの周波数は市販の発振器モジュールを利用して構築した。発振器モジュールは既知の抵抗とコンデンサーの組み合わせから目的とする周波数を容易に設定することが可能である。本システムの試作段階では周波数を３パターンに固定したが、研究目的に合わせてこれらの周波数を容易に変更可能な設計に工夫した。本システムは、３種類の正弦波電流刺激を組み合わせることで複合的な刺激パターンを構築して、これを経皮的に通電して痛み感覚に関連する言語的表現を再現する。システムの試作段階では被験者の電気的な安全性確保を考慮してラジコン用DCバッテリーによる電源駆動を計画していたが、予備実験の結果、電源不足により疼痛痛覚の誘発に至らなかった。したがって、現行モデルのシステムでは駆動電源としてバッテリー電源からAC１００Vへ変更した。ただし、商用交流と生体の間を完全に絶縁するために、アイソレーション電源を介して試作システムへ電源供給する仕組みとした。以上より、本研究の初年度以内に実測可能な段階までシステムを完成することができた。数名の被験者を対象に電気刺激による疼痛感覚の誘発を試みた結果、試作システムによる痛み感覚に類似した感覚の質を具体的に誘発させることが確認でき、新たな課題を発見した。例えば、同一刺激パターンでも被験者ごとで誘発される感覚の大きさや質が異なる点や、実用可能な複合刺激量は知覚感度のおよそ２倍までが限度であり、それ以上増幅した刺激は許容限界を超える可能性が確認できた。
Strategy for Future Research Activity	本研究では、３種類の正弦波電流刺激を組み合わせて経皮的に負荷することで、従来より多用される痛み感覚の言語的表現に対応した感覚を誘発して、痛みあるいは、かゆみ、違和感などの質を分類評価できると考えている。試作システムを利用した基礎実験の結果より、平成２９年度はシステムの更なる改良と疼痛感覚の言語的分類に関して以下の課題を挙げ、解決手段を検討する。１．平成２８年度に試作した測定システムは、すべての操作を測定者自らが行う必要があった。具体的に、刺激電流の出力や複合刺激パターンの構築、刺激波形の記録やインピーダンス値および電流値の計算などが挙げられる。特に、刺激電流の出力に対する増減量のコントロールは問題であった。測定者は、事前に決めたプロトコルに従い、正確な実験を実施したが、一定間隔で刺激量を連続的に増減させる操作は難しく、今後は電流刺激の負荷量はコンピュータによる自動制御の設計が必要であると考えている。また、現行システムにおける刺激量の増幅は５段階と限定していたが、複雑でかつ多数存在する疼痛感覚の言語的表現を再現するならば、より多段階で微小な増幅に変更を必要とする可能性もあり、デジタル回路を利用して増幅率の変化を256段階に改良することを予定している。２．電気刺激により誘発される痛み感覚はマクギル疼痛質問表を利用して主観的評価を分析した。しかし、３種類の刺激周波数と知覚感度に対する増幅率の組合せから疼痛質問表の中の言語的表現を分類するまでには至らなかった。次年度は、より多くの組合せパターンについてデータ収集と分析を行い、電気刺激による疼痛感覚の言語的表現の対応表を完成させたい。また、得られたデータより疼痛感覚の分類評価が困難な場合は、疼痛質問表の改良も検討したい。
Causes of Carryover	平成２８年度は主に測定システムの設計および開発を計画して、消耗品として装置本体の筐体、電源電圧、パワーオペアンプ、発振器などの電子回路や、備品として刺激波形の確認などを目的としたデジタル・オシロスコープを購入した。システムの製作は、おおむね順調に進行して、基礎実験の結果をフィードバックしながら改良を続けた結果、一部の消耗品が年度期限内で納期が間に合わなかったため執行が未処理となった。また、一部の消耗品は、すでに所有する既存品を利用した結果、平成２８年度の交付金を僅かに未使用となり、すべての執行に至らなかった。
Expenditure Plan for Carryover Budget	今年度の未使用金は、年度末に購入・納期された未処理の消耗品に割り当てて執行する。また、残りの交付金は、次年度における試作システムの改良を予定しているコンピュータの自動制御化に関わる電子部品やコンピュータの購入に必要な費用として一部割り当てることを計画している。