JP6671021B2 - 神経測定において神経反応を検出するための方法およびデバイス - Google Patents

神経測定において神経反応を検出するための方法およびデバイス Download PDF

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関連出願の相互参照
この出願は、２０１３年１１月２２日に出願された豪州仮特許出願第２０１３９０４５１９号明細書の利益を主張し、同特許は、参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、刺激によって生じる神経反応などの神経反応の検出に関する。具体的には、本発明は、神経測定を得るために神経経路の最も近くに移植された１つまたは複数の電極を使用することによる複合活動電位の検出に関する。
電気神経変調は、慢性痛、パーキンソン病および片頭痛を含む各種の疾患を治療するため、ならびに、聴覚および運動機能などの機能を回復させるために使用されるかまたは使用が構想される。神経変調システムは、治療効果を生み出すために、電気パルスを神経組織に印加する。そのようなシステムは、通常、移植された電気パルス発生器と、経皮誘導伝達によって充電可能であり得るバッテリなどの電源とを備える。電極アレイは、パルス発生器に接続され、対象の神経経路の近くに位置付けされる。電極によって神経経路に印加された電気パルスは、ニューロンの脱分極を引き起こし、それにより、治療効果を達成するために、逆行性であれ、順行性であれ、その両方であれ、伝播活動電位が生成される。
例えば、慢性痛を和らげるために使用される際は、電気パルスは、脊髄の後索（ＤＣ）に印加され、電極アレイは、背側硬膜外腔に位置付けられる。このように刺激を受ける後索線維は、脊髄のその区分から脳への痛みの伝達を阻害する。
一般に、神経変調システムにおいて生成された電気刺激は、阻害または興奮効果を有する神経活動電位をトリガする。阻害効果を痛みの伝達などの望ましくないプロセスを調整するために使用するか、または、興奮効果を筋肉の収縮もしくは聴覚神経の刺激などの所望の効果を生じさせるために使用することができる。
大多数の線維間で生成された活動電位は、複合活動電位（ＣＡＰ）を形成するように総和される。ＣＡＰは、単一の線維活動電位の大多数からの反応の総和である。ＣＡＰが電気的に記録される際は、測定は、脱分極している大多数の異なる線維の結果を含む。伝播速度は、線維直径によって大部分が決定され、後根進入部（ＤＲＥＺ）および近くの後索に見られるような大有髄線維の場合は、速度は６０ｍｓ−１を超える可能性がある。同様の線維群の興奮から生成されるＣＡＰは、記録電位において、正のピークＰ１、次いで、負のピークＮ１として測定され、その後、第２の正のピークＰ２が続く。これは、個々の線維に沿って活動電位が伝播するにつれて記録電極を通過する活性化領域によって引き起こされ、典型的な３つのピークを有する反応プロファイルを生成する。刺激極性および検知電極構成に応じて、いくつかのＣＡＰの測定プロファイルは、２つの負のピークおよび１つの正のピークを有する逆極性のものであり得る。
神経測定を得るために提案される手法については、その内容が参照により本明細書に組み込まれる国際公開第２０１２／１５５１８３号において本出願人によって説明されており、また、例えば、Ｋｉｎｇ（米国特許第５，９１３，８８２号明細書）、Ｎｙｇａｒｄ（米国特許第５，７５８，６５１号明細書）およびＤａｌｙ（米国特許出願公開第２００７／０２２５７６７号明細書）によっても説明されている。
神経変調および／または他の神経刺激の効果をより良く理解するため、ならびに、例えば、神経反応フィードバックによって制御される刺激子を提供するため、刺激によるＣＡＰを正確に検出することが望ましい。誘発反応は、アーチファクトよりも後の時間に現れる際または信号対雑音比が十分に高い際は、検出はそれほど難しくはない。アーチファクトは刺激から１〜２ｍｓ後の時間に限定される場合が多く、従って、この時間窓の後に神経反応が検出されるならば、反応測定をより容易に得ることができる。これは、刺激場所から記録電極への伝播時間が２ｍｓを超えるような、刺激電極と記録電極との間に大きな距離（例えば、６０ｍｓ−１で伝導している神経の場合は１２ｃｍを超える）がある手術モニタリングにおける事例である。
しかし、後索からの反応を特徴付けるため、高い刺激電流および電極間の近接近が必要とされ、従って、そのような状況では、測定プロセスは、アーチファクトを直接克服しなければならない。しかし、神経測定において観察されるＣＡＰ信号成分は、通常、マイクロボルトの範囲の最大振幅を有するため、これは、難しいタスクであり得る。対照的に、ＣＡＰを誘発するために印加される刺激は、通常、数ボルトであり、電極アーチファクトを生じさせ、電極アーチファクトは、神経測定において、ＣＡＰ信号と同時に部分的にまたは全体的に数ミリボルトの減衰出力として現れ、はるかに小さな対象のＣＡＰ信号の分離（または検出までも）への著しい障害を提示する。
例えば、入力５Ｖの刺激の存在下で１μＶの分解能を有する１０μＶ ＣＡＰを解決するには、例えば、１３４ｄＢのダイナミックレンジを有する増幅器が必要とされ、それは、移植システムでは実用的ではない。神経反応は刺激および／または刺激アーチファクトと同時のものであり得るため、ＣＡＰ測定は、測定増幅器設計の難題を提示する。実際には、多くの非理想的な回路の態様はアーチファクトにつながり、これらの大部分が正または負の極性であり得る指数関数的に減衰する外観を有するため、それらの識別および除去は、多くの時間と労力を要するものであり得る。
この問題の困難は、移植デバイスにおけるＣＡＰ検出の実装を試みる際にさらに悪化する。典型的な移植物は、所望のバッテリ寿命を維持するため、刺激ごとに限られた数（例えば、幾百または数千）のプロセッサ命令が認められる電力予算を有する。それに従って、移植デバイスのためのＣＡＰ検出器が規則的（例えば、１秒間に１回）に使用されることになっている場合は、検出器は、好ましくは、電力予算のほんの一部のみを消費すべきであり、従って、望ましくは、そのタスクを完了するために、プロセッサ命令のうちのほんの数十のみを必要とすべきである。
本明細書に含まれている文書、行為、材料、デバイス、物品または同様のものについての論考は、単に、本発明のための文脈を提供するためのものである。これらの事項のいずれかまたはすべてが、先行技術基盤の一部を形成するか、あるいは、この出願の各請求項の優先日前に存在していたために、本発明に関連する分野において共通の一般的な知識であったことの承認として受け取ってはならない。
この明細書全体を通じて、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語または「備える、含む（「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」）」などのその変形語は、述べられる要素、整数もしくはステップ、または、要素、整数もしくはステップ群の包含を含意するが、他の任意の要素、整数もしくはステップ、または、要素、整数もしくはステップ群の除外は含意しないと理解されよう。
この明細書では、要素がオプションのリスト「の少なくとも１つ」であり得るという言明は、要素が、リストされるオプションのいずれか１つでも、リストされるオプションのうちの２つ以上の任意の組合せでもあり得ると理解されたい。
第１の態様によれば、本発明は、神経測定において神経反応が存在するかどうかを検出するために、アーチファクトの存在下で得られた神経測定を処理するための方法であって、
１つまたは複数の検知電極から神経測定を得るステップと、
フィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップであって、フィルタテンプレートが、窓によって振幅変調された交流波形の少なくとも３つの半周期を含む、ステップと、
相関の出力から、神経測定において神経反応が存在するかどうかを決定するステップと
を含む方法を提供する。
第２の態様によれば、本発明は、神経測定において神経反応が存在するかどうかを検出するために、アーチファクトの存在下で得られた神経測定を処理するための移植可能デバイスであって、
１つまたは複数の検知電極から神経測定を得るための測定回路と、
フィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるように構成されたプロセッサであって、フィルタテンプレートが、窓によって振幅変調された交流波形の少なくとも３つの半周期を含む、プロセッサであり、相関の出力から、神経測定において神経反応が存在するかどうかを決定するようにさらに構成される、プロセッサと
を備えるデバイスを提供する。
窓は、三角窓を含み得る。三角窓は、以下の、すなわち、
Ｌが奇数の場合：
１≦ｎ≦（Ｌ＋１）／２に対して、ｗ（ｎ）＝２ｎ／（Ｌ＋１）
（Ｌ＋１）／２＋１≦ｎ≦Ｌに対して、ｗ（ｎ）＝２−２ｎ／（Ｌ＋１）
Ｌが偶数の場合：
１≦ｎ≦Ｌ／２に対して、ｗ（ｎ）＝（２ｎ−１）／Ｌ
Ｌ／２＋１≦ｎ≦Ｌに対して、ｗ（ｎ）＝２−（２ｎ−１）／Ｌ
の係数ｗ（ｎ）を含む長さＬの標準の三角窓であり得る。より好ましくは、三角窓は、サ
ンプル１およびＬが０であるバートレット窓であり、本明細書における三角窓との記載は
、標準の三角窓と、上記で説明されるようなバートレット窓の両方を包含し、他の実質的
に三角形のまたはテント形状の窓関数も包含することが意図されることを理解されたい。
あるいは、窓は、バートレット窓、ハニング窓、矩形窓、または、適切なベータ値のカイ
ザーベッセル窓を含み得る。
本発明の好ましい実施形態では、フィルタテンプレートは、交流波形の４つの半周期を含む。得られた神経測定に対して相関させるために使用される、どこか予期される３つのピークを有するＣＡＰ反応のような形状の３つのピークを有するテンプレートを含む一致フィルタは、雑音が白色である際にＳＮＲを最適化できるが、アーチファクトは白色雑音ではなく、そのような３つのピークを有する一致フィルタは、アーチファクトの存在下でのＣＡＰ検出ではそれほど最適には実行できないことをそのような実施形態は認識している。
フィルタテンプレートは、三角窓によって振幅変調されることによって修正された正弦波の４つの半周期を含み得、従って、４つの交流ピークを含む。あるいは、フィルタテンプレートは、三角窓内に振幅を収めることによって修正された余弦波の４つの半周期を含み得、従って、５つの交流ピークを含む。そのようなフィルタテンプレートの逆（すなわち、異極性を有する）は、いくつかの実施形態において採用することができる。代替の実施形態の交流波形は、非正弦曲線であり得るが、好ましくは、連続曲線であり、いくつかの実施形態では、４つの半周期を含むが、神経反応のプロファイルに似ている場合がある。
従って、本発明は、アーチファクト拒絶が改善されたフィルタテンプレートの選択に備える。本発明は、別個の時定数を有する２つの指数関数の総和としてアーチファクトをかなり正確にモデル化でき、バートレットフィルタテンプレート窓がｅｘのテイラー展開の最初の３つの項（すなわち、ＤＣ、線形および二次の項）を拒絶するため、本発明のそのような実施形態は、アーチファクト拒絶を容易にすることを認識している。
第３の態様によれば、本発明は、神経測定において神経反応が存在するかどうかを検出するために、アーチファクトの存在下で得られた神経測定を処理するための方法であって、
１つまたは複数の検知電極から神経測定を得るステップと、
第１の時間オフセットにおいて、第１の測定値ｍ１を生成するために、第１のフィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップであって、第１のフィルタテンプレートが、第１の位相の交流波形を含む、ステップと、
第１の時間オフセットにおいて、第２の測定値ｍ２を生成するために、第２のフィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップであって、第２のフィルタテンプレートが、第１の位相に対して９０度のオフセットが設けられた第２の位相の交流波形を含む、ステップと、
第１の時間オフセットから１８０度の非整数倍のところにあるオフセットである第２の時間オフセットにおいて、第３の測定値ｍ３を生成するために、第１のフィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップと、
第２の時間オフセットにおいて、第４の測定値ｍ４を生成するために、第２のフィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップと、
神経測定において神経反応が存在するかどうかを検出するために、ｍ１〜ｍ４を処理するステップと
を含む方法を提供する。
第４の態様によれば、本発明は、神経測定において神経反応が存在するかどうかを検出するために、アーチファクトの存在下で得られた神経測定を処理するためのデバイスであって、
１つまたは複数の検知電極から神経測定を得るための測定回路と、
プロセッサであって、
第１の時間オフセットにおいて、第１の測定値ｍ１を生成するために、第１のフィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップであって、第１のフィルタテンプレートが、第１の位相の交流波形を含む、ステップと、
第１の時間オフセットにおいて、第２の測定値ｍ２を生成するために、第２のフィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップであって、第２のフィルタテンプレートが、第１の位相に対して９０度のオフセットが設けられた第２の位相の交流波形を含む、ステップと、
第１の時間オフセットから１８０度の非整数倍のところにあるオフセットである第２の時間オフセットにおいて、第３の測定値ｍ３を生成するために、第１のフィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップと、
第２の時間オフセットにおいて、第４の測定値ｍ４を生成するために、第２のフィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップと、
神経測定において神経反応が存在するかどうかを検出するために、ｍ１〜ｍ４を処理するステップと
を行うように構成されたプロセッサと
を備えるデバイスを提供する。
第３および第４の態様のいくつかの実施形態では、第１のフィルタテンプレートは、虚数のＤＦＴ出力を作成するために反対称であり得、第２のフィルタテンプレートは、実数のＤＦＴ出力を作成するために対称であり得る。
第３および第４の態様のいくつかの実施形態では、第２の時間オフセットは、第１の時間オフセットから９０度または２７０度のオフセットである。
第３および第４の態様のいくつかの実施形態では、第１および／または第２のフィルタテンプレートは各々が、三角窓によって振幅変調された交流波形の４つの半周期を含む。例えば、第１のフィルタテンプレートは、三角窓によって振幅変調された正弦波形の４つの半周期を含み、第２のフィルタテンプレートは、三角窓によって振幅変調された余弦波形の４つの半周期を含む。あるいは、本発明の第３および第４の態様のいくつかの実施形態における第１および第２のフィルタテンプレートの交流波形は、カイザーベッセル窓（例えば、β＝６を有する）によって振幅変調することができる。
本発明の第１から第４までの態様は、神経測定とのフィルタテンプレートの相関の実行は、通常、プロセッサ命令のうちのほんの数十のみを必要とするという点で、移植デバイスに関連して適用される際にさらに有利であり、従って、例えば、幾百のプロセッサ命令を必要とする二重指数関数的な一致フィルタ手法と比較して、典型的な移植物の電力予算の適切なほんの一部のみを消費する。本発明の第１から第４までの態様の好ましい実施形態では、事前に定義された最適な時間遅延で、相関の単一のポイントのみが計算される。
本発明の第１から第４までの態様のいくつかの実施形態は、信号対アーチファクト比が１より大きい際に、神経測定とフィルタテンプレートとの間の相互相関の第１または単一のポイントを生成すべきである最適な時間遅延を効率的に決定するための方法であって、
神経反応とフィルタテンプレートとの間の近似時間遅延で、神経測定のＤＦＴの基本周波数の実数および虚数部分を演算するステップと、
実数および虚数部分によって定義された位相を計算するステップと、
基本周波数に対して、計算された位相をπ／２に変更するために必要とされる時間調整を計算するステップと、
近似時間遅延と時間調整との総和として最適な時間遅延を定義するステップと
を含む方法を提供することができる。
本発明の第３および第４の態様の他の実施形態は、神経測定とフィルタテンプレートとの間の相互相関の第１または単一のポイントを生成すべきである最適な時間遅延を効率的に決定するための方法であって、
第１の時間オフセットにおいて、第５の測定値ｍ５を生成するために、第３のフィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップであって、第３のフィルタテンプレートが、第１のフィルタテンプレートの周波数の２倍の第３の位相の交流波形を含む、ステップと、
第２の時間オフセットにおいて、第６の測定値ｍ６を生成するために、第３のフィルタテンプレートに対して神経測定を相関させるステップと、
ｍ５およびｍ６から、第１の時間オフセットと第２の時間オフセットとの間のアーチファクトの減衰を決定するステップと
を含む方法を提供することができる。
次いで、最適な時間遅延を使用して、神経測定とフィルタテンプレートとの間の相互相関を生成すべきである単一のポイントを定義することができる。最適な時間遅延は、例えば、神経反応の検出の毎回の試みの前もしくは時折、例えば、１秒間隔で、または、ユーザの姿勢の変化の検出に応答して、規則的に計算することができる。
基本周波数は、ＣＡＰの３つの位相の周波数および／またはフィルタテンプレートの４つの周期の周波数であり得る。
フィルタテンプレートの長さは、好ましくは、フィルタテンプレートが、神経測定が評価されるサンプリングレートにおいて典型的な神経反応の持続時間の４／３である多くのフィルタポイントを含むように選択される。
好ましい実施形態では、測定は、本出願人による国際公開第２０１２／１５５１８３号の教示に従って得られる。さらなる好ましい実施形態では、検出器出力は、例えば、その内容が参照により本明細書に組み込まれる、本出願人による国際公開第２０１２／１５５１８８号の教示と併せて、神経変調を制御するために閉ループフィードバック回路において使用される。
従って、本発明は、フィルタテンプレートが、アーチファクトと実質的に直交し、誘発反応と一致する一致フィルタのものに近い反応とのドット積を有するならば、神経測定とフィルタテンプレートのドット積を計算することによって誘発反応の振幅を測定できることを認識している。フィルタテンプレートは、好ましくは、ＤＣを拒絶し、一次信号（一定の傾きを有する信号）を拒絶し、アーチファクトなどの指数関数的にまたは同様に減衰する低周波信号を拒絶する。フィルタは、好ましくは、刺激のすぐ後に発生した信号に対して動作できるように構成される。
４つの極値部分がアーチファクトの拒絶と雑音利得との間の最適なトレードオフを提供しているが、本発明の代替の実施形態は、より多くのまたはより少ない極値部分を含むフィルタテンプレートを有効に採用することができる。そのような実施形態では、フィルタテンプレートは、例えば、正弦曲線二項変換（ＳＢＴ）から導き出される１つまたは複数の基底関数を含み得る。３つまたは５つの極値部分を有するフィルタテンプレートを含む実施形態では、ＤＣおよびテイラー展開のランプ成分をより良く拒絶し、従って、アーチファクトをより良く拒絶するため、窓は、好ましくは、例えば、三角ピークというよりむしろ、ＳＢＴによって返されるような平らな中央部分を含む。本発明のいくつかの実施形態は、複数の同一のフィルタテンプレート要素であるが、時間がシフトされたものを使用することができる。これらが直交ではないとしても、複合テンプレートを作成する逐次近似法は、より良い近似を提供することができる。それに加えてまたはその代替として、いくつかの実施形態は、異なる周波数のテンプレート、異なるオフセットのテンプレートおよび／または異なる数の極値部分のテンプレートの総和であるテンプレートを使用することができる。
ここでは、添付の図面を参照して、本発明の例を説明する。
本発明の実装に適した移植可能デバイスを示す。 漸増に応答して刺激制御をもたらすためのフィードバックコントローラの概略図である。 本発明の一実施形態による神経反応検出器を示す。 図３ａの実施形態の修正バージョンを示す。 図３の検出器で使用されるフィルタテンプレートの振幅プロファイルと、コサインフィルタテンプレートおよびバートレット窓とを示す。 誘発反応が移り変わるというフィルタテンプレートの能力を示す。 アーチファクトを阻止するというフィルタテンプレートの能力を示す。 窓関数を掛け合わせたＤＦＴの複素項を演算するためのハードウェアを示す。 誘発反応検出器の臨床フィッティング手順の効果を示す。 指数関数の時定数への指数関数のＤＦＴ項の位相の依存性を示す。 ２つの指数関数としてモデル化される際にアーチファクトからのみ生じる、それぞれの時刻における、検出器出力ベクトル成分を示す。 ２つの指数関数としてモデル化されたアーチファクトからおよび誘発反応から生じる、それぞれの時刻における、検出器出力ベクトル成分を示す。 ＣＡＰを測定するための４ポイント測定技法を示す。 指数関数的な推定および減算を示す。 誘発反応とサンプリング窓との間の相対位相が知られていない時のための６ポイント検出のためのシステムを示す。 ６ポイント検出のための代替の実施形態を示す。 ３つ、４つおよび５つの極値部分を有するそれぞれのフィルタテンプレートの生成を示す。 図１５の手法から導き出された、４つおよび３つの極値部分を有するフィルタテンプレートのポイント値をそれぞれ示す。
図１は、本発明の実装に適した移植可能デバイス１００を示す。デバイス１００は、移植制御ユニット１１０を備え、移植制御ユニット１１０は、神経刺激の印加を制御し、多数の電極の各々からの刺激によって誘発された神経反応の測定を得るための測定プロセスを制御する。制御ユニット１１０は、療法マップを定義するデータを含むルックアップテーブルを格納するための記憶メモリ（または他の記憶装置、図示せず）を含み、印加された刺激レジームと所望の神経反応との間の関係を提示する。デバイス１００は、電極１２２の３×８のアレイから成る電極アレイ１２０をさらに備え、電極１２２の各々は、刺激電極もしくは検知電極またはその両方として選択的に使用することができる。
図２は、漸増に基づいて、制御ユニット１１０によって実装されたフィードバックコントローラの概略図である。そのようなフィードバック制御の重要なコンポーネントは、漸増推定器２１０であり、漸増推定器２１０は、簡単な形態では、脊髄電位（ＳＣＰ）増幅器による神経測定出力において神経反応が存在するかどうかを検出するという難しい操作、または、より複雑な形態では、そのような神経反応の振幅を決定するという難しい操作のタスクが課せられる。
この実施形態における誘発ＣＡＰ測定は、国際公開第２０１２／１５５１８３号で提示される神経反応測定技法の使用によって行われる。
図３ａは、本発明の一実施形態による神経反応検出器３００を示す。ＳＣＰ増幅器によって得られた神経測定のデジタル化されたサンプリング済みの形態は、入力３０２として取り入れられる。フィルタテンプレート３０４は、バートレット窓３１０で正弦波３０８を変調することによって３０６で作成される。代替の実施形態では、テンプレートは、この方法で事前に定義され、単に、制御ユニット１１０内のメモリまたは同様のものから回収されることになる。神経測定３０２の適切な窓とフィルタテンプレート３０４とのドット積は、３１２、３１４で計算され、単一値のスカラである検出器出力３１６が生成される。検出器３００は、例えば、相関器が比較のために頂点間ＥＣＡＰ検出器とほぼ同じ結果を生成できるように、利得項「ａ」を加えることによって、図３ｂに示されるように修正することができる。
図４は、図３の検出器３００で使用されるフィルタテンプレート３０４の振幅プロファイルを示す。図４は、正弦波３０８を振幅変調するために使用されるバートレット窓３１０をさらに示す。以下の論考を支援するため、図４は、バートレット窓３１０によって振幅変調された余弦波を含む追加のフィルタテンプレート４０２も示す。図４のｘ軸上では、使用されるサンプリングレートにおいて、フィルタテンプレートは各々が大体２ｍｓの時間（この実施形態で予期される神経反応の持続時間の４／３である）をカバーするように、フィルタテンプレート３０４および４０２は各々が十分な数のポイントを含むことが述べられている。
図５ａは、アーチファクトの不在下での誘発反応５０２、４つの極値部分を有するフィルタテンプレート３０４およびそのスライディングドット積または相互相関５０４を示す。この場合もやはり、反応５０２が３つの極値部分を含むのに対して、フィルタテンプレート３０４が、４つの極値部分を含み、反応５０２の予期される長さの４／３であることが述べられている。スライディングドット積５０４で見られるように、誘発反応５０２は、フィルタテンプレート３０４によって検出器３００の出力に実質的に移り変わる。対照的に、図５ｂは、純粋なアーチファクト５０６との４つの極値部分を有するフィルタテンプレート３０４の相関５０８を示し、アーチファクトがフィルタテンプレート３０４によって実質的に阻止されるかまたは激しく減衰し、従って、検出器３００の出力に移り変わらないことを示す。この実施形態では、予期される神経反応が移り変わる際の４つの極値部分を有するフィルタテンプレート３０４の性能は、一致フィルタのものの２ｄＢ内にあるが、アーチファクト拒絶はかなり改善されている。
例えば、１０ｋＨｚでサンプリングする際、２ｍｓの窓で２０のサンプルが得られ、その結果、完全な相互相関を決定するには４００回の乗算／加算演算が必要とされることが述べられている。それに従って、単一のポイントは、１０ｋＨｚで２ｍｓの窓をサンプリングする際は２０のサンプルのみを必要とするため、測定された神経反応とフィルタテンプレートとの間の完全な相互相関を計算するよりむしろ、本実施形態は、さらに、検出器３００の出力３１６のような相関の単一のポイントのみの計算に備える。神経反応の到達時刻または神経測定３０２内のその位置は先験的には知られていないことに留意した上で、相関の単一のポイントを計算すべき、神経測定とテンプレートフィルタとの間の最適な時間遅延またはオフセットを決定することが必要である。目的は、曲線５０４のピークでの単一のポイントを計算し、他を計算しないことである。この目的のために、本実施形態は、以下に留意することによって、最適な時間遅延を効率的に決定する。
ＤＦＴは、
Figure 0006671021
によって定義される。
方程式（１）およびこの文書の残りの部分では、周波数領域信号は大文字で表され、時間領域信号は小文字を使用する。スペクトル分析のためにＤＦＴを使用する際は、データに窓Ｗ（ｎ）を掛けることが普通であり、従って、これは、以下のようになる。
Figure 0006671021
これは、従来の大きさおよび位相項で表現することができ、窓関数を掛け合わせたＤＦＴ項の大きさは、
Figure 0006671021
であり、窓関数を掛け合わせたＤＦＴ項の位相は、
Figure 0006671021
である。
Figure 0006671021
の１つの項を演算するために使用されるハードウェア６００は、図６に示される。特に、図４に示されるサインテンプレート３０４およびコサインテンプレート４０２が回路６００で使用される。この構成を前の方程式と比較すると、第３の項は、
Figure 0006671021
であり、フィルタテンプレート３０４（図３）を使用する検出器３００は、窓関数を掛け合わせたＤＦＴの第３の項の虚数部分を演算することが述べられている。従って、検出器３００の出力への言及は、窓関数を掛け合わせたＤＦＴの第３の項の虚数部分であるものと理解すべきであり、これは、本発明の以下のさらなる改良点を理解する上で重要である。
また、これは、図７に示されるように、臨床フィッティング手順の間に時間遅延が調整されると起こることへの洞察も提供する。図７ｂは、三角窓および単一の極値部分を有する反応を示すが、これは、表現を分かり易くするためのものであり、４つの極値部分を有するフィルタテンプレート３０４および３つの極値部分を有する反応５０２をそれぞれ表すことを意図する。時間領域においてオフセットまたは遅延をスライドすること（図７ｂ）によって異なる時間遅延調整を探究することにより、測定の座標系が回転する（図７ａ）。誘発反応位相が図７ａの虚数軸と位置合わせされると、検出器３００の出力は、その最大値にある。また、これは、この位相にある際（すなわち、相関器出力が最大値であり、スペクトル成分の実数部分が０である際）、問題の演算上効率的な解も提示し、従って、図３で描写されるようなその計算を回避し、プロセッササイクルを節約することができる。検出器３００の出力は、虚数軸への（複素）誘発反応の投射である。
完全な相互相関を、窓を横切る誘発反応スライド（図７ｂ）と見なす際は、図７ａの誘発反応ベクトルは、原点の周りを少なくとも２回完全に３６０度回転し、従って、比較的急速に変化する。しかし、図７ｂの下部で示されるように、誘発反応および窓の畳み込みの振幅は、比較的ゆっくり変化する。それに従って、本実施形態は、誘発反応を虚数軸と位置合わせし、従って、相関器出力におけるピークを見出すための迅速な技法が、以下を行うことであることを認識している。
１．窓と信号Ｓ（ｔ）を大まかに位置合わせする。
２．虚数（サイン）および実数（コサイン）項を計算する。
ａ．Ｉ＝Ｓ（ｔ）．Ｗ（ｔ）．ｓｉｎ（１ＫＨｚ．２π．ｔ）および
ｂ．Ｑ＝Ｓ（ｔ）．Ｗ（ｔ）．ｃｏｓ（１ＫＨｚ．２π．ｔ）
３．ａｔａｎ（Ｑ／Ｉ）を使用してｙ軸に対する角度を見出す。
４．テンプレートが固定された既知の周波数を有するため、サイン項をその最大値に設定するために必要な時間シフトを計算する。
５．新しい遅延に対する虚数（サイン）および実数（コサイン）項を計算する。コサイン項は、サイン項よりはるかに小さいはずであり、方法がうまくいったことが確認される。
そのような実施形態は、特に、ピークを見出すために変動遅延の探検を必要とする臨床プロセスと比較して有利であり得る。
本実施形態は、本発明の第３および第４の態様をさらに組み込み、アーチファクト５０６を異なる時定数の２つの指数関数の総和としてうまくモデル化できることを認識している。各指数成分は、電圧および時間値を有し、
Figure 0006671021
をもたらし、式中、υｉおよびτｉは、各成分に対して定数である。
以下の式
Figure 0006671021
が成り立つ場合は、その窓関数を掛け合わせたＤＦＴ Ｅ’ｋを考慮することができ、それに対し、各項は、大きさおよび位相を有し、項Ｅ’２は、図６の複素相関器６００で計算することができる。
何らかの信号
Figure 0006671021
を取り、相関が何らかの任意の時刻Ｔによって実行される信号のポイントをシフトした場合、
Figure 0006671021
が成り立つ（式中、ｃは、何らかの定数である）ため。
従って、単一の指数関数のＤＦＴ項の位相は、フィルタテンプレート３０４に対して図８に示されるように、指数関数の時定数に依存する。しかし、本実施形態は、各ＤＦＴ項の位相が時間遅延によって変化しないことを認識している。
図９は、２つの指数関数としてモデル化される際にアーチファクトからのみ生じるフィルタ出力ベクトル成分を示す。第１の時刻では、図９ａに示されるように、Ａ２およびＢ２は、２つのアーチファクト位相ベクトルである。これらは、全アーチファクト９０２を生成するために、ベクトル加法を使用して加えることができる。従って、検出器３００は、このベクトルの虚数部分である出力９０４（すなわち、ｙ軸への９０２の投射）を生成する。時間が経過するにつれて、２つのベクトルの長さは、時定数が異なるため異なるレートで、Ｂ２は急速に減衰し、Ａ２はゆっくり減衰しながら、指数関数的に減少する。しかし、方程式（８）に従って、位相は変わらないままであり、図９ｂに示される状況をもたらす。ここでは、全アーチファクトベクトルは９１２であり、それは、各指数成分からの異なる相対寄与が９０２に対してわずかに変化した位相のものであることに起因する。従って、検出器３００は、出力９１４を生成する。
図１０ａおよび１０ｂは、２つの指数関数としてモデル化されたアーチファクトからおよび誘発反応から生じる、それぞれの時刻における、検出器出力ベクトル成分を示す。図１０ａに示される第１の時刻ｔでは、Ｖ１およびＶ２は、２つのアーチファクト位相ベクトルであり、ＣＡＰは、誘発反応ベクトルである。これらは、全アーチファクト１００２を生成するために、ベクトル加法を使用して加えることができる。従って、検出器３００は、このベクトルの虚数部分である出力１００４（すなわち、ｙ軸への１００２の投射）を生成する。後の時刻ｔ＋ｄｔでは、２つのアーチファクトベクトルの長さは、時定数が異なるため異なるレートで、Ｖ２は急速に減衰し、Ｖ１はゆっくり減衰しながら、指数関数的に減少した。しかし、図１０ｂに示されるように、方程式（８）に従って、位相は変わらないままである。対照的に、誘発反応ベクトルＣＡＰの振幅は、図７ｂに関連して論じられるように、比較的ゆっくり変化するが、図７ａに関連して論じられるように、位相の変化を受ける。従って、図１０ｂに示されるように、ＣＡＰベクトルは、著しい振幅変化を受けることなく回転する。従って、ある瞬間（図１０ａ）には、ＣＡＰベクトルは、Ｖ２に直交し得、後の時刻（図１０ｂ）には、Ｖ２と一直線になり得る。
２つの指数項としてアーチファクトをモデル化する際は、実際のアーチファクトの測定から、第１の（低速）指数項の時定数τ１が、一般的には３００μｓ〜３０ｍｓの範囲、より一般的には５００μｓ〜３ｍｓ、そして、最も一般的には約１ｍｓであり、第２の（高速）指数項の時定数τ２が、一般的には６０〜５００μｓの範囲、より一般的には１００〜３００μｓ、そして、最も一般的には約１５０μｓであることが決定されている。
本発明の第３および第４の態様を利用するこの実施形態の方法は、図１１ａに示されるように、１周期の１／４にだけ分離された時点で誘発反応の２つの複素測定を行うことに依存する。測定のタイミングは、図７に関連して上記で説明される方法で最適化され、その結果、第１の測定値（ｍ１およびｍ２）は、純粋な虚数の誘発反応寄与を有し（すなわち、誘発反応はサイン相関器３０４と位置合わせされる）、第２の測定値（ｍ３およびｍ４）は、純粋な実数である（すなわち、コサイン４０２と位置合わせされる）。これは、４つの測定値ｍ１〜ｍ４をもたらす。４つの未知数（アーチファクトの大きさ、誘発反応の大きさ、アーチファクトの位相および高速指数の時定数）がある。アーチファクトの低速指数成分は、フィルタテンプレート３０４によってうまく拒絶され、従って、省略することができる。サインおよびコサイン相関器へのアーチファクト寄与は、定率を有することが知られている。簡単な代数を使用することで、未知数を除外することができる。従って、神経測定において存在するいかなるＣＡＰも以下の通り計算することができ、
Figure 0006671021
式中、
Figure 0006671021
である。
図１１ｂは、実数および虚数検出器出力上のこれらの４つの測定値ｍ１〜ｍ４の場所を示す。
ｋを知っていることで、τおよび高速アーチファクト指数の評価も可能になる。
Figure 0006671021
アーチファクトに対する高速指数項の電圧を見出すため、１．０に正規化される、その時定数の指数入力に対して検出器から予期されるものである指数関数のＤＦＴをさらに計算することができる。
Figure 0006671021
次いで、高速アーチファクト項の推定は、以下の通りである。
Figure 0006671021
上記を計算すると、図１２に示されるように、推定指数を減ずることによって信号のＳＡＲを改善することが可能である。
測定データでこのアルゴリズムを実装することにおける困難は、一度に２つの信号（すなわち、誘発反応および高速指数）を測定することであり、各々は、他方の雑音源を形成する。一般的には、誘発反応の位相は正確には知られておらず、これは、図１１ｂに誤差をもたらす。誘発反応が指数より大きく、誘発反応の位相が知られていない際は、指数推定アルゴリズムは、解を常に見出すとは限らず、従って、本実施形態は、これらの状況のための第２の推定方法をさらに提供する。このさらなる推定方法は、入力として使用される代わりに誘発反応の位相を計算できるようにするために、追加の相関を加えることによって上記のアルゴリズムを拡張できることを認識している。
サンプリング窓への誘発反応の相対位相（θ）が知られていない際は、図１１の提案は、５つの未知数および４つの測定値を有し、従って、未知数を見出すことはできない。図１３に示されるように、あと２つのＤＦＴポイントを加えることにより、これを克服することができる。これらの追加のポイント（ｍ５およびｍ６）は、誘発反応が直交する、誘発反応の基本波の半分に等しい周波数で評価される。従って、これらの２つの追加のポイントにより、ｋの評価が可能になる。
Figure 0006671021
そして、５つの項ａ、ｂ、ｋ、θおよびｃを次々と見出すことができる。測定窓と誘発反応との間の何らかの位相θに対し、
ｍ１＝ａ＋ｃ ｓｉｎθ
ｍ２＝ｂ＋ｃ ｃｏｓθ
ｍ３＝ａｋ＋ｃ ｃｏｎθ
ｍ４＝ｂｋ＋ｃ ｓｉｎθ （１５）
であり、従って、
Figure 0006671021
である。
位相はゆっくり変化し、従って、θを知っている時点で、サンプリング窓の減衰を調整し、次いで、図１１の４ポイントアルゴリズムに戻ることが可能である。
図１３の６ポイント技法の実装を考慮する際は、いくつかの実施形態では、特に、最小数の乗算演算を使用するためにＦＦＴが因数分解されている場合は、ＦＦＴの方がＤＦＴより速くこれを演算することが述べられている。ＤＦＴ長の良い選択は１６であり得、
Figure 0006671021
として因数分解される。この因数分解に対し、Ｆ２演算間の回転因子は自明なものであり、従って、必要な唯一の複素乗算は中央のものである。
図１４は、６つの測定ポイントを利用する代替の実施形態を示す。
誘発反応が終了した後に計算を実行することにより、低速指数を測定できることがさらに述べられている。
脊椎の誘発反応（３つの位相を有する）は、およそ１ｍｓ要する。３０ＫＨｚのサンプルレートまたは３３μｓの単間隔を採用する実施形態では、誘発反応は、３０サンプル近く要する。結果的に、そのような実施形態では、４つの位相を有するフィルタテンプレートは、およそ４０のタップ値またはデータポイントを含む。代替の実施形態では、代替のサンプリングレートを使用するかまたはより速いもしくはより遅いＣＡＰを測定すると、フィルタ長は、相応に、より多くのまたはより少ないフィルタタップを含み得る。
先行の実施形態は、４つの半周期を含むフィルタテンプレートに関連して説明してきたが、それにもかかわらず、本発明の代替の実施形態は、より多くのまたはより少ない極値部分を含むフィルタテンプレートを有効に採用することができる。従って、本発明は、極値部分の場合は理想的な数が４つであることを認識している。これは、２つの極値部分を有するフィルタ（等しい第１および第２の極値部分を有し、従って、信号対アーチファクト比がより悪い信号の早期部分の方により重点を置く）とは対照的である。さらに、奇数の極値部分を有するフィルタは、良いアーチファクト拒絶特性を有さない傾向がある。その上、仮に６つの極値部分を有するフィルタまたはより高い偶数の極値部分を有するフィルタを使用するならば、３つの極値部分を有する神経反応と比較して窓は広くなり過ぎ、相関時間の少なくとも半分は単に雑音を眺めているだけとなる。問題が多いアーチファクトのほとんどは最初の２つの極値部分にあるため、６つの極値部分を有するフィルタは、４つの極値部分を有するフィルタより悪いアーチファクト拒絶を提供する傾向がある。従って、４つの極値部分は、アーチファクト拒絶と雑音利得との間の最適なトレードオフを提供する。
それにもかかわらず、本発明の代替の実施形態は、より多くのまたはより少ない極値部分を含むフィルタテンプレートを有効に採用することができる。ここでは、本発明の他の実施形態のテンプレートの数学的な特性について説明する。「テンプレート」という用語は、ＥＣＡＰを検出するために相関を介して使用されるフィルタを指すために使用される。テンプレートは、１つまたは複数のウェーブレットまたは基底関数を含み得るか、あるいは、他の何らかの方法によって導き出すことができ、ＥＣＡＰを優先的に通過させるように構成されるが、アーチファクトを優先的に阻止するかまたはアーチファクトと直交するように構成される。図１５ａは、本発明のさらなる実施形態による正弦曲線二項式ベクトルを示す。図１５ｂは、３つの極値部分、４つの極値部分および５つの極値部分を有するテンプレートの生成を示す。ＳＢＴの顕著な特性は、同じ長さのその基底関数が直交することである。図１５の最大５つの極値部分を有するテンプレートを生成するために使用される方法は、より多くの数の極値部分に拡大できることを理解されたい。３つまたは５つの極値部分を有するフィルタテンプレートの場合、窓は三角ではないが、両方の場合において平らな中央部分を有し、５つの極値部分の場合は、窓は上下する区分直線を有することがさらに述べられている。従って、本実施形態によって提案された３つの極値部分を有するフィルタテンプレート窓は、三角ではないが、上部が平らな窓であり、３つの極値部分を有するフィルタテンプレートの三角窓と比較してアーチファクト拒絶を著しく改善することが分かっている。
すなわち、正弦曲線二項式変換（ＳＢＴ）の重要な特性は、多項式信号を拒絶するその能力である。ｎ次のＳＢＴテンプレートが使用される場合は、それは、最大ｎ次までのテイラー級数のすべての項を拒絶する。
図１６ａは、図１５の教示に従って生成された、４つの極値部分を有する３２ポイントのフィルタテンプレートのポイント値を示す。図１６ｂは、図１５の教示に従って生成された、３つの極値部分を有する３３ポイントの、特に、上部が平らな窓を有するフィルタテンプレートのポイント値を示す。
さらに、４つの半周期のコサインテンプレート４０２に対する図４の例に留意して、３つ、５つまたはそれ以上の極値部分を有するコサインテンプレートを同様に生成できることを理解されたい。
先行の実施形態は、三角窓を使用したフィルタテンプレートの造りについてさらに説明する。三角窓は、バートレット、ハニング、矩形、および、各種のベータ値のカイザーベッセルより優れている。４つの極値部分を有する三角テンプレートの性能は、最適化されたオフセットに対して一致フィルタの２ｄＢ内にあり得る。それにもかかわらず、代替の実施形態は、有益な効果のために三角窓以外の窓を利用することができ、従って、そのような実施形態は本発明の範囲内にある。
その上、説明される実施形態は、反応検出のためにＳＢＴの単一の項を使用するが、本発明は、この方法に可能な拡張があることをさらに認識している。従って、本発明のいくつかの実施形態は、複数の同一のテンプレートであるが、時間がシフトされたものを使用することができる。これらが直交ではないとしても、複合テンプレートを作成する逐次近似法は、より良い近似を提供することができる。それに加えてまたはその代替として、いくつかの実施形態は、異なる周波数のテンプレート、異なるオフセットのテンプレートおよび／または異なる数の極値部分のテンプレートの総和であるテンプレートを使用することができる。
本発明のいくつかの実施形態の利益は、いくつかの実施形態では、検出器が、検出器出力を生成するために複数の神経測定を必要とすることなく、単一の神経測定に基づいて出力を生成することである。従って、そのような実施形態は、検出器出力を利用するフィードバック制御ループの迅速な応答時間を提供することができる。
当業者であれば、広範囲にわたって説明される本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、特定の実施形態に示されるように、本発明に対する多くの変形形態および／または変更形態を作成できることが理解されよう。従って、本実施形態は、あらゆる点において、制限的なものではなく、例示的なものと見なすべきである。
１００ 移植可能デバイス
１１０ 移植制御ユニット
１２０ 電極アレイ
１２２ 電極
２１０ 漸増推定器
３００ 神経反応検出器
３０２ 入力
３０４ フィルタテンプレート
３０８ 正弦波
３１０ バートレット窓
３１６ 検出器出力
４０２ フィルタテンプレート
５０２ 誘発反応
５０４ 相互相関
５０６ アーチファクト
６００ ハードウェア
９０２ 全アーチファクト
９０４ 出力
９１２ 全アーチファクトベクトル
９１４ 出力
１００２ 全アーチファクト
１００４ 出力

Claims (15)

  1. 神経測定において神経反応が存在するかどうかを検出するために、アーチファクトの存在下で得られた前記神経測定を処理する移植可能デバイスの作動方法であって、前記移植可能デバイスが、
    １つまたは複数の検知電極から神経測定を得るステップと、
    フィルタテンプレートに対して前記神経測定を相関させるステップであって、前記フィルタテンプレートが、窓によって振幅変調された交流波形の少なくとも３つの半周期を含む、ステップと、
    前記相関の出力から、前記神経測定において神経反応が存在するかどうかを決定するステップと
    を実行する、方法。
  2. 前記窓が三角窓を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記三角窓が、以下のような、すなわち、
    Ｌが奇数の場合：
    １≦ｎ≦（Ｌ＋１）／２に対して、ｗ（ｎ）＝２ｎ／（Ｌ＋１）
    （Ｌ＋１）／２＋１≦ｎ≦Ｌに対して、ｗ（ｎ）＝２−２ｎ／（Ｌ＋１）
    Ｌが偶数の場合：
    １≦ｎ≦Ｌ／２に対して、ｗ（ｎ）＝（２ｎ−１）／Ｌ
    Ｌ／２＋１≦ｎ≦Ｌに対して、ｗ（ｎ）＝２−（２ｎ−１）／Ｌ
    のような係数ｗ（ｎ）を含む長さＬの標準の三角窓である、請求項２に記載の方法。
  4. 前記三角窓が、サンプル１およびＬが０であるバートレット窓である、請求項２に記載の方法。
  5. 前記窓が、ハニング窓、矩形窓またはカイザーベッセル窓のうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記窓が、正弦曲線二項変換から導き出される１つまたは複数の基底関数を含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記フィルタテンプレートが、交流波形の４つの半周期を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記フィルタテンプレートが、前記窓によって振幅変調されることによって修正された正弦波の半周期を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記フィルタテンプレートが、前記窓によって振幅変調されることによって修正された余弦波の半周期を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記相関の単一のポイントのみが計算される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記相関の前記単一のポイントが、事前に定義された最適な時間遅延で計算される、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記移植可能デバイスが、信号対アーチファクト比が１より大きい際に、前記神経測定とフィルタテンプレートとの間の相互相関の第１または単一のポイントを生成すべきである前記最適な時間遅延を決定するステップをさらに実行する方法であって、前記最適な時間遅延を決定するステップが、
    前記神経反応と前記フィルタテンプレートとの間の近似時間遅延で、前記神経測定のＤＦＴの基本周波数の実数および虚数部分を演算するステップと、
    前記実数および虚数部分によって定義された位相を計算するステップと、
    前記フィルタテンプレートの基本周波数に対して、前記計算された位相をπ／２に変更するために必要とされる時間調整を計算するステップと、
    前記近似時間遅延と前記時間調整との総和として前記最適な時間遅延を定義するステップと
    を行うことによるものである、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記最適な時間遅延が、神経反応の検出の毎回の試みの前に再計算される、請求項１１または１２に記載の方法。
  14. 前記最適な時間遅延が、ユーザの姿勢の変化の検出に応答して再計算される、請求項１１または１２に記載の方法。
  15. 神経測定において神経反応が存在するかどうかを検出するために、アーチファクトの存在下で得られた前記神経測定を処理するための移植可能デバイスであって、
    １つまたは複数の検知電極から神経測定を得るための測定回路と、
    フィルタテンプレートに対して前記神経測定を相関させるように構成されたプロセッサであり、前記フィルタテンプレートが、窓によって振幅変調された交流波形の少なくとも３つの半周期を含む、プロセッサであって、前記相関の出力から、前記神経測定において神経反応が存在するかどうかを決定するようにさらに構成される、プロセッサと
    を備える、デバイス。
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