2018 Fiscal Year Research-status Report
人工内耳におけるパルスレートと振幅が同時に変調された電気刺激波形の最適設計
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18K10692
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| Research Institution | Kanto Gakuin University |
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Principal Investigator |
簔 弘幸 関東学院大学, 理工学部, 教授 (50190715)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 聴覚神経補綴 / パルスレート・振幅同時変調 / 聴神経線維モデル / 自己励起型不規則点過程 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題の目的は、人工内耳装着者に音響情報を最も伝えやすくする電気刺激波形を見出すことである。これまで、聴神経を適切に制御する電気刺激の候補として、パルスレートと振幅が同時に変調された双極二相性パルス状波形を提案している。しかしながら、それらのパラメータの組み合わせは複雑であるがゆえ、現段階では最適な条件を見出せるまでに至っていなかった。平成３０年度は、von Mises型自己励起不規則点過程に基づく計算機シミュレーションを用いて、パルスレート・振幅同時変調方式の電気刺激波形に対する聴神経モデルのスパイク列統計量を調査した。とりわけ、パルス振幅の変調度の変動範囲と聴神経線維のスパイク応答の統計量（発火レートとベクトル強度）との関係に焦点をあて、調査を進めた。その結果、パルス振幅だけを変調する方式と比較して、より小さな振幅変調度のときでさえも、より大きな発火レートを作り出せることが見出された。、このことは、パルス振幅変調方式のときよりも、効率よくスパイク発火を惹起させることを示唆する。これらの知見を、米国ハワイ州ホノルルで開催された40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society(EMBC2018)のポスターセッションで発表した。また、2018年度 統計数理研究所 共同研究集会「生体信号・イメージングデータ解析に基づく医療・健康データ科学の展開」（立川市）において、「聴覚系神経補綴における最適電気刺激波形の設計」と題して、及び、日本生体医工学会専門別研究会 生体信号計測・解釈研究会（第59回）（早稲田大学、新宿区）において、「von Mises型自己励起点過程におけるパラメータの最尤推定：神経の不応期特性の推定」と題して、口頭発表した。
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| 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３０年度では、von Mises分布の周期関数で表現される強度関数で特徴づけられた自己励起不規則点過程によって、聴神経線維モデルのスパイク列応答が表現されうることを明らかにした。また、それらの知見に基づき、計算機シミュレーションを用いて、パルスレート・振幅同時変調のパルス状電気刺激の振幅変調度を変化させながら、スパイク列の観測からvon Mises分布のパラメータを推定し、電気刺激のパラメータとvon Mises分布のパラメータの間の関係に一定の理解を得た。変調度を８から１６％まで上昇すると、それに伴い平均スパイク発火が上昇した。また、自己励起不規則点過程によるスパイク列のモデリングによって不応期特性の除去された、周期分布がvon Mises分布に適切にフィットするとともに、位相固定性を示すVector Strength (VS)も０．８程度と望ましい値を示した。これらのことは、スパイク列を周期的なvon Mises分布の強度過程を持つ自己励起不規則点過程で表現できることを示唆する。ところが、変調度を２０％に上昇させると、PST度数分布がvon Mises分布の曲線から外れはじめ、平均レートがパルス状刺激レートの５０００Hzに近づいて、スパイク列に適切に情報を符号化できないことがわかった。すなわち、５０００Hzの高レートでは適切な数のスパイクを発火できずにダイナミックレンジが乏しく、更に変調度が高くなると、位相固定性も失われ情報伝送能力が著しく低下するということである。それゆえ、平成３０年度では、von Mises型自己励起不規則点過程で電気刺激に対するスパイク列が表現されうることが確認されたと共に、パルスレート・振幅同時変調のパルス状電気刺激の振幅変調度に関する成績については、一定の理解に達したと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度は、平成３０年度で得られた成果を踏まえて、von Mises型自己励起不規則点過程によるモデリングに基づく電気刺激波形の評価法に加え、これまで検討を重ねてきた情報理論的尺度に基づくパフォーマンスの評価法も活用して、パルスレート・振幅同時変調のパルス状電気刺激のレートの最低値と最高値を広範囲に変化させたときのスパイク列への情報エンコーディングの性質を調査していきたい。なぜなら、パルス状刺激波形のレートについては過去の研究では一般に定数として扱われてきており、高レートの場合と低レートの場合とで人工内耳装着者の臨床心理実験の結果にばらつきがみられ、適切なレートの値を決定する方法はよくわかっていなかったという背景があるからである。また、過去の知見でみられるように、低いレートの場合では適切な数のスパイクを発火させることができずにダイナミックレンジに乏しいということも、パルスレート・振幅同時変調型パルス状刺激波形のレートについて調査をすすめる動機付けの一要因である。具体的には、正弦波によってパルス状刺激波形のパルスレートと振幅の両者を様々な変調度の正弦波で変調し、聴神経線維モデルに与えた時のスパイク応答を調査する。なお、パルスレートは正弦波の振幅の大きさに従って５０Hzから５０００Hzまでの間で設定された最低レートから最大レートまで変動させるが、直感的には、正弦波の振幅が小さい時にはパルス状刺激は疎で、大きい時にはパルス状刺激は密となるようなイメージである。そのようなパルス状刺激波形に対する聴神経線維モデルのスパイク列応答の観測から、von Mises分布のパラメータを最尤推定し、刺激波形パラメータとの関係を明らかにしていきたい。また、情報理論的切り口で、スパイク列応答が健常者のそれに近づけられるようなパルス状電気刺激波形の特徴を調査していきたい。
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| Causes of Carryover |
平成３０年度に出席した国際会議、及び海外出張において廉価な航空券を調達したことにより差額が生じたと考えられる。令和元年度では、この差額を今後の国際会議での発表に、及び海外出張での研究成果をより向上させるべく、活用する予定である。
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