2016 Fiscal Year Research-status Report
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15K01397
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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) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 聴覚神経補綴 / パルス状電気刺激 / スパイク応答列 / 不規則点過程 / 最大尤度推定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、人工内耳を装着した患者への音情報伝送の質向上をめざし、現実の生理学的機能を満足する聴神経線維モデルを用いたシミュレーション実験を通じて、電気刺激波形の形状を適切に設計することである。これまでの聴覚神経補綴では、電気刺激波形の設計において評価基準が必ずしも明確でなく、統計学的及び情報理論的な切り口での評価法の開発が望まれていた。平成２７年度に調査された、正弦波的振幅変調された低レートのパルス状電気刺激に対する聴神経線維モデルのシミュレーション実験の結果を踏まえ、スパイク列を不規則点過程、特に非一様ポアソン過程でモデリングすることができるかどうか調査した。なお、本研究では、強度関数をvon Mises分布の周期関数で表現した。ここでvon Mises分布は、方位統計学においては、通常の統計学で偉大な役割を果たしているガウス分布的な位置づけにある。平成２８年度では、シミュレーション実験を通じて、聴神経線維モデルのスパイク列応答が、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非一様ポアソン過程で表現されうることを統計的検定に基づき明らかにした。このことは、電気刺激波形の形状を定量的尺度を用いて適切に設計することへの一定の見通しを与える。これらの知見を、米国フロリダ州オーランドで開催された37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society(EMBC2016)のポスターセッションで、及び大阪市で開催された8th International Workshop on Biosignal Interpretation(BSI2016)のポスターセッションで、それぞれ発表した。
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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２８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非一様ポアソン過程によって、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統計的検定に基づいて明らかにした。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、低レートのパルス状電気刺激の正弦波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５から１５％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、スパイク列のPost-Stimulus Time (PST) 度数分布が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０．７程度と望ましい値を示した。これらの条件では、Kuiper's検定によりモデル妥当性の仮説を棄却できない（危険率５％）との結果を得た。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非一様ポアソン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分布の曲線から大きく外れ、平均レートがパルス状刺激レートの２５０Hz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、２５０Hzの低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２８年度では、von Mises型非一様ポアソン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、低レートのパルス状電気刺激の成績については、一定の理解に達したと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２９年度は、これまで検討を重ねてきたvon Mises型の非一様ポアソン過程によるモデリングに基づく電気刺激波形の評価法を活用して、新しい電気刺激波形、とりわけパルス状刺激のレートを変調したときのパフォーマンス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これまで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、平成２８年度の結果でみられるように、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、レート変調型パルス状刺激波形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、レートは正弦波の振幅の大きさに従って５０Hzから１０００Hz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 |
消耗品として計上していた物品を購入する必要がなくなったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
米国の研究者のもとで研究を遂行するための旅費の一部として計上したい。
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