2020 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 – 2022-03-31
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| Keywords | 聴覚系神経補綴 |
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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、現段階では最適な条件を見出せるまでに至っていない。令和２年度は、令和元年度での成果を踏まえて、電気刺激の消費電力、エネルギー節約の観点からパルス状刺激波形のパルスレートやパルス振幅を最小値に制限するべく、von Mises型自己励起不規則点過程によるスパイク列モデリングに基づく電気刺激波形の評価法を用いて、パルスレート・振幅同時変調のパルス状電気刺激のパルスレートと神経スパイク列への情報エンコーディングの性質を表す統計量（発火レート、ベクトル強度）との関係を再度調査した。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、ある周波数の正弦波で変調し、聴神経線維モデルに与えた時のスパイク応答について調査を進めた。その結果、ある特定のパルスレート、振幅値と変調度が適切な発火レートとベクトル強度をもたらすことが見出された。このことは、消費電流を抑えながらも、パルスレート・振幅同時変調方式が音響情報を人工内耳装着者により良く伝送できるであろうことを示唆する。これらの知見を、virtualで開催された42nd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society(EMBC2020)のポスターセッションで発表した。また、2020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２」（zoomを用いたvirtual開催）において口頭発表した。
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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
令和２年度では、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、スパイク列の観測から推定された統計量（発火レート、ベクトル強度）とパルスレートの最高値との関係を明らかにした。更に、パルス状電気刺激の振幅変調度も変化させながら発火レート、ベクトル強度を推定し、電気刺激のパラメータと神経スパイク統計量の間の関係に一定の理解を得た。具体的には、正弦波の変調周波数を５５Hz、振幅変調度を１０％に、またパルス振幅値を閾値が超えるように適切に設定して、パルスレートの最低値を５０Hzとし最高値を５００Hzから５０００Hzまで増加させていくと、２０００Hz周辺まで発火レートが上昇し、２５００Hz周辺で発火レートが最大値をとり、更に増加させると発火レートが減少するという、いわゆる共振現象が観測されることがわかった。振幅変調度を増加させて１２、１６、２０、２４％に設定しても同様の現象が観測されたが、聴神経の発火レートの標準値に照らして、振幅変調度を１６％に設定することが適切であるとの結果を得た。一方、ベクトル強度については、パルスレートの最大値を変化させても、概ね一定の０．８程度の値をとった。これらのことから、パルスレートの最高値を５０００Hzに設定することは消費電流の節約の観点でも必ずしも得策ではなく、２５００Hz程度に設定することが、適切であることがわかった。それゆえ、令和２年度では、発火レートに関する共振現象の存在とそれに伴うパルスレートの最高値の適切な設定値と、適切な振幅変調度が示唆され、情報エンコーディングの性質を表す神経スパイク統計量に基づいて評価されたパルスレート・振幅同時変調方式の成績については、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３年度は、令和２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スパイク列モデルのパラメータを用いて適切に決定されたパルスレートの最高値を持つパルスレート・振幅同時変調の刺激波形と、単純なパルス振幅変調の刺激波形の消費電流を定量的に比較し、消費電流の節約の観点でパルスレート・振幅同時変調方式の優位性を明らかにしていきたい。なぜなら、パルス状刺激波形のパルスレートやパルス振幅をできるだけ小さく制限し、消費電流を節約することは、神経線維組織へのダメージを抑えるだけでなく、電源バッテリーの小型化にも繋がり、電気刺激波形の設計理念に照らし根本的な課題として位置づけられているからである。更に、形状が大きいスピーチプロセッサを装着することが人工内耳使用者に社会的な側面で恥辱や汚名を感じさせるとの報告があり、消費電流を節約できれば、スピーチプロセッサをカナル型イヤホンのサイズに小型化させ、ひいては生体内に埋め込めるようなものが開発できるかも知れないからである。なお、パルスレート・振幅同時変調の刺激波形は、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ため、正弦波の振幅が小さいときには消費電流を抑えられそうであるが、単純なパルス振幅変調の刺激波形は常時同じパルスレートであるため消費電流を抑えることが難しいことは直感的に理解できるかも知れない。それゆえ、今後は、どの程度の電流抑制比率かを定量的に把握することが課題となるであろう。このような消費電流の節約の観点も考慮された電気刺激波形の設計理念に基づき、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べく、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 |
令和２年度は、新型コロナ感染拡大により、当初予定していた米国カリフォルニア大学アーバイン校での研究打ち合わせ、実験の遂行のための出張が中止となったため、旅費として計上されていた予算を執行することができなかった。令和３年度も出張が叶わない場合、研究計画を一部変更し、計算機シミュレーションを用いて研究成果をより向上させるべく、物品購入のために予算を活用する予定である。
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