(57)【要約】刺激を供給するためのシステムであって、そのシステムは、それぞれが周囲組織へ特定の電流を提供することができる多数の電極を伴ったプローブ、各電極に前述の特定の電流を提供するための発生器、前述の発生器を制御して上述のプローブの周囲に望ましい電場をもたらすべく電極に電流を提供する制御装置を含む。
2013515551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲組織へ電気刺激を供給するためのシステムであって、当該システムが：
多数の電極（Ｅｉ）を伴ったプローブ（ＰＲ１；ＰＲ２）；
該周囲組織内においてフィールド分布（Ｆｉ）を得るべく前記電極（Ｅｉ）へ電気信号（Ｓｉ）を供給するための発生器（１）；および
制御装置（２）；
を含み、
該制御装置（２）が、前記発生器（１）を制御して：
第１の状態においては、第１のフィールド分布を発生させるために前記電極（Ｅｉ）へ該電気信号（Ｓｉ）の第１の分布を提供し、また、第２の状態においては、第２のフィールド分布を発生させるために該電極（Ｅｉ）へ該電気信号（Ｓｉ）の第２の分布を提供し、
前記第１の分布は該電極（Ｅｉ）との関わり合いにおいて前記第２の分布よりも対称性が高く、さらに
前記第２の状態で前記プローブ（ＰＲ１；ＰＲ２）へ供給される電気刺激電流（ＩＳｉ）の総和が前記第１の状態で該プローブ（ＰＲ１；ＰＲ２）へ供給される電気刺激電流（ＩＳｉ）の総和よりも低くなるように前記電気信号（Ｓｉ）を提供する；
ことができるように構成されている；
周囲組織へ電気刺激を供給するためのシステム。
【請求項２】
前記制御装置（２）は、生成されるフィールド分布（Ｆｉ）が前記第１の状態における該第１のフィールド分布から前記第２の状態における該第２のフィールド分布へ、またはその逆に、徐々に変化するような仕方で、前記電極（Ｅｉ）への該電気信号（Ｓｉ）を調節することができるように構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記電気信号（Ｓｉ）が、使用に際し、該電極（Ｅｉ）を通じて該周囲組織へ流れる前記電気刺激電流（ＩＳｉ）である、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記制御装置（２）が、前記第１の状態から前記第２の状態へ変化させるときに、該第１の状態および該第２の状態において前記電極（Ｅｉ）へ供給される総電力を実質的に一定に保つべく、前記電気刺激電流（ＩＳｉ）の総和を低減させることができるように構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記制御装置（２）が、前記第２の状態における該フィールド分布を前記第１の状態における該フィールド分布の境界内に保つべく、前記電気刺激電流（ＩＳｉ）の総和を低減させることができるように構成されている、請求項３記載のシステム。
【請求項６】
前記制御装置（２）が、前記第２の状態における最大の該フィールド分布（Ｆｉ）を前記第１の状態における最大の該フィールド分布（Ｆｉ）に実質的に等しく保つべく、前記電気刺激電流（ＩＳｉ）の総和を低減させることができるように構成されており、ここで、前記最大のフィールド分布（Ｆｉ）がフィールドの強さの閾値を侵すことにより定められる、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記プローブ（ＰＲ１；ＰＲ２）および前記制御装置（２）が、前記第１の状態においては該プローブ（ＰＲ１；ＰＲ２）の周りに対称的なフィールド分布（Ｆｉ）を発生させることができ、そして、前記第２の状態においては該プローブ（ＰＲ１；ＰＲ２）との関わり合いにおいて所望の方向に延びる指向性を有するフィールド分布（Ｆｉ）を発生させることができるように構成されている、請求項２記載のシステム。
【請求項８】
前記第１のフィールド分布（Ｆｉ）および前記第２のフィールド分布（Ｆｉ）が、電圧場の分布、電場の分布、活性化関数の分布、またはマルチコンパートメント・ニューロン・モデルの活性化プロフィールの分布である、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記プローブ（ＰＲ１；ＰＲ２）が細長い形状を有していて、前記多数の電極（Ｅｉ）は複数の異なる軸方向位置において該プローブ（ＰＲ１；ＰＲ２）上に円周方向に配列されており、ここで、前述の複数の異なる軸方向位置のうちの同じ１つの軸方向位置に幾つもの電極（Ｅｉ１、Ｅｉ２、Ｅｉ３、Ｅｉ４）が存在している、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
更に、前記フィールド分布（Ｆｉ）の配向を含む指向性を入力するためのユーザーインターフェース（４）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
更に、前記電極（Ｅｉ）へ供給される総電力を入力するためのユーザーインターフェース（４）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
更に、前記フィールド分布（Ｆｉ）の展開を入力するためのユーザーインターフェース（４）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
多数の電極を伴ったプローブ（ＰＲ１；ＰＲ２）を用いて周囲組織へ適用するための電気刺激を発生させる方法であって、当該方法が：
電気信号（ＳＩｉ）を発生させるステップ；
第１の状態において、第１のフィールド分布（Ｆｉ）を発生させるべく、前記電極（Ｅｉ）に対して第１の電気信号（Ｓｉ）の分布を発生させるステップ；および
第２の状態において、第２のフィールド分布（Ｆｉ）を発生させるべく、前記電極に対して第２の電気信号（Ｓｉ）の分布を発生させるステップ；
を含み、
ここで、前記第１の分布（Ｆｉ）は前記第２の分布（Ｆｉ）よりも対称性が高く、また、前記第２の状態における該電気信号（Ｓｉ）により生成される電気刺激電流（ＩＳｉ）の総和が前記第１の状態の場合よりも小さい；
電気刺激の発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は周囲組織へ電気刺激を提供するためのシステムおよび周囲組織へ電気刺激を提供する方法に関係する。
【背景技術】
【０００２】
新型の高分解能神経インターフェースは、標的組織へ向けた治療的刺激の正確な空間的ステアリング（spatial steering）を可能にする。そのような高分解能インターフェースは、通常、刺激（例えば電気パルス）を送給することができるエレメント（例えば接触子または電極）のアレイ様分布を含み、そのアレイは、通常、担体構造物（例えば細長いフレキシブルなプローブ）上に配置される。図１（Ｂ）は、脳深部電気刺激療法を目的として電気刺激を正確に送給するために使用されるそのような高分解能神経インターフェースの一例を示している。比較用に、図１（Ａ）には、脳深部電気刺激療法のための従来の低分解能神経インターフェースが同じスケールで与えられている。図１の（Ａ）および（Ｂ）に示されている電極は、それぞれ、技術的現状におけるＤＢＳリードおよび高分解能ＤＢＳアレイとも呼称される。組織内におけるそのようなフィールドの発生は、他の用途、例えば組織のアブレーションや更には治療目的以外の用途においても有用であり得ることに留意すべきである。
【０００３】
ＤＢＳリードを取り巻く脳組織の電位は、Ｅｄｓｂｅｒｇ  Ｌ．による「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ」（Ｊ．Ｗｉｌｅｙ、Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ：ｐｐ．１４０−１４６、２００８年、ＩＳＢＮ−１３  ９７８０４７０２７０８５１）で開示されているように、有限要素法（ＦＥＭ）を用いて算出することができる。
【０００４】
ＤＢＳ電極により発生される電位Ｖは、Ｂｒｏｎｚｉｎｏ  Ｊ．によるＢｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ２００６年、第Ｉ巻、セクションＩＩＩ、第２０章、ｐｐ．１−３、ＣＲＣ．１、ＩＳＢＮ−１３  ９７８０８４９３０４６１３で開示されているように、ポアソン方程式：
【０００５】
【数１】
2013515551.tif 000003
【０００６】
［式中、∇２はラプラス演算子であり、Ｊｉは電流源であり、σは電気伝導度である］
を解くことにより得られる。
【０００７】
ＤＢＳ活性化体積を推定するために活性化関数（ＡＦ）計算することができる。一般的に、ＡＦは、Ｒａｔｔａｙ  Ｆ．による「Ｔｈｅ  ｂａｓｉｃ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｎｅｒｖｏｕｓ  ｓｙｓｔｅｍ（神経系を電気刺激するための基本的機構）」（Ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ  Ｖｏｌ．８９、Ｎｏ．２、ｐｐ．３３５−３４６、１９９９年）で開示されているように、ニューロンエレメントを脱分極させるための駆動力を定量化する。
【０００８】
ＭｃＩｎｔｙｒｅ  Ｃ．Ｃ．、Ｓ．Ｍｏｒｉらによる「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ａｎｄ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇ  ｉｎｆｌｕｅｃｅ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｂｙ  ｄｅｅｐ  ｂｒａｉｎ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｓｕｂｔｈａｌａｍｉｃ  ｎｕｃｌｅｕｓ（視床下核の脳深部刺激により発生される電場および刺激作用）」（Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｎｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ  Ｖｏｌｕｍｅ  １１５  Ｉｓｓｕｅ  ３、ｐｐ．５８９−５９５、２００４年３月）で開示されているように、刺激体積の推定は活性化関数分布（activation function distribution）を閾値化することにより実現され、この閾値化は、より一層広範な計算モデリングを用いて算出される活性化組織体積の良好な一次的推定をもたらすことが示されている。上述の活性化関数は、外部ポテンシャルの離散化二次空間導関数（discretized second spatial derivative）を取ることにより得られる。例えばｚ−軸方向に配向されたエレメントの場合、活性化関数は：
【０００９】
【数２】
2013515551.tif 000004
【００１０】
［式中、ステップ長さ（step length）Δｚ＝０．５ｍｍは有髄線維に対する典型的なノード間長さ(inter-node length)である］
として計算される。活性化は活性化関数が特定の閾値と交差したときに起こり、前述の特定の閾値は、言い換えれば、刺激パラメーター（最も顕著な例として、パルス持続時間）、線維特性および相対的な線維−電極配向に依存性である。
【００１１】
臨床診療の場において、ある与えられた刺激配置構成で有害な副作用が生じるときには、刺激フィールドのリポジショニングが考慮されるであろう。臨床医は、そのような副作用の原因である領域を避けて刺激フィールドをステアリングすることによって、副作用を回避するのと同時に良好な治療効果を維持しようとするであろう。現行の臨床診療においては、刺激フィールドを変位させるための通常の方法は、刺激を送給するための接触子として別の接触子を選定することによるものである。この方法はすぐさま刺激フィールドを２−３ｍｍ変位させるため、これはかなり粗い方法である。電流ステアリング技術および／またはもっと高度な分解能を有する刺激アレイにより、刺激フィールド変位の更に一層微細な制御を達成することができる。
【００１２】
電流ステアリングは、刺激フィールドを変位させるための方法として当技術分野において公知である。手短に説明すると、その方法は、２つ以上の個数の接触子間における電流送給のバランスを取ることから成っている。例えば、Ｂｕｔｓｏｎ，Ｃ．Ｒ．およびＭｃＩｎｔｙｒｅ  Ｃ．Ｃ．による「Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｔｏ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｔｈｅ  ｖｏｌｕｍｅ  ｏｆ  ｔｉｓｓｕｅ  ａｃｔｉｖａｔｅｄ  ｄｕｒｉｎｇ  ｄｅｅｐ  ｂｒａｉｎ  ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ（脳深部刺激により活性化される組織の体積を制御するための電流ステアリング）」（Ｂｒａｉｎ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ  １（１）：ｐｐ．７−１５、２００８年）は、技術的現状におけるＤＢＳリードを用いる電流ステアリングを利用して、どのようにして刺激体積を調整することができるのかを示している（図２参照）。この例においては、総刺激電流が２つの隣接した電極に分配され、それら２つの電極間における電流のバランスに依存して、異なる活性化プロフィールがもたらされる。図２は、左から右へ：ＤＢＳ電極、単一の電極の活性化から始まってそれらＤＢＳ電極の２つの隣接した電極の活性化で終了する一連のフィールド輪郭（field contour）；を示している。図２から明らかなように、２つの接触子間における電流のバランスを取ることにより、活性化体積をシフトさせることが可能である。
【００１３】
ＵＳ第２００７／０２０３５３９号は、図１の（Ｂ）に示されている高分解能ＤＢＳ−アレイを用いる電流ステアリングについて開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、高分解能プローブを伴ったシステムにおいて、フィールドステアリングを容易に適用できるようにすることである。具体的には、本発明の目的は、必要以上に消費される電力を増大させることなく、高分解能プローブを用いる電流ステアリングを適用するシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様は、請求項１で特許請求されているように、周囲組織へ電気刺激をもたらすためのシステムを提供する。本発明の第２の態様は、請求項１３で特許請求されているように、多数の電極を伴ったプローブを用いて周囲組織へ適用するための電気刺激を発生させる方法を提供する。種々の有利な実施形態が従属クレームで定められている。
【００１６】
本発明の第１の態様に従って周囲組織へ電気刺激をもたらすためのシステムは、多数の電極を伴ったプローブを含んでいる。発生器は、周囲組織においてあるフィールド分布を得るための複数の電極への電気信号を供給する。前述の発生器を制御する制御装置は、第１の状態においては、第１のフィールド分布を発生させるべく、上述の複数の電極に対して第１の電気信号の分布をもたらし、そして第２の状態においては、第２のフィールド分布を発生させるべく、それらの電極に第２の電気信号の分布をもたらす。前述の第１の電気信号の分布は、上述の複数の電極との関わり合いにおいて、前述の第２の電気信号の分布よりも対称性が高く、そして、第２の状態における電気信号により引き起こされる電気刺激電流の総量は第１の状態の場合よりも小さい。非対称性が比較的高い分布において相対的に小さい総電流量を有することにより、本システムによって引き込まれる電力の過剰な程に大きな増大を防止することができる。特に、本システムへの電力がバッテリーによって供給されている場合には、大き過ぎる電力排出は、バッテリーがあまりにも早く枯渇してしまう状態を引き起こすであろう。その逆に、電気信号の分布を比較的対称性が高くなるように選定する場合、または電気信号の分布が比較的対称性の高い分布に変換される場合には、バッテリーがあまりにも早く使い果たされてしまう状態を引き起こすことなく、総電流量を増大させることが可能である。
【００１７】
複数の電極との関わり合いにおける電気信号の最も対称性の高い分布は、例えば電極アレイを構成しているすべての電極に同一の電流を供給することにより、電極の活性化が相互に同一である場合に得られる。このようにして、この分布の対称性は、電極アレイの実際の形状とは無関係に定めることができる。一方、結果としてもたらされるフィールド分布の形状は、アレイの実際の形状に依存する。それらの電極を活性化する電気信号が異なった状態になるとすぐに、その電気信号の分布は非対称になる。それらの電極の活性化が異なれば異なる程、この電気信号の分布も一層非対称性が高くなり、結果としてもたらされるフィールド分布は、電気信号が対称的に分配されている間に生じるフィールドから一層逸脱した状態になる。
【００１８】
同じようにして、（複数の電極との関わり合いにおける）対称的なフィールド分布状態は、この文脈において、すべての電極が相互に完全に同じように活性化されたときに得られるフィールド分布を意味する。結果としてもたらされるフィールド分布はある形状を有し、その形状は複数の電極から成るアレイの形状によって決まる。もし図１の（Ｂ）のプローブが使用される場合、それらの電極へ供給されるすべての電流が同一であるならば、そのフィールドは真に回転対称性を有したフィールドになるであろう。すべての電極を相互に完全に同じようには活性化しないことにより、例えばそれらの電極のうちの少なくとも１つに異なる電流を供給することにより、作り出されるフィールドの形状は、相互に等しい活性化によって得られる形状から逸脱し、比較的対称性に乏しいものになる。そのような不均一な活性化は、特定方向のフィールドにおけるフィールドの指向性を得るべく、当初の対称的なフィールドとの関係から見たある変化をもたらすことができる。更に、それらの電極のうちの一部が全く活性化されていない状況が更に一層対称性に乏しい状態をもたらすことも想定される。例えば、図１の（Ｂ）に示されているプローブとの関わり合いにおいて、電極環（rings of electrodes）が活性化されていない状況も更に一層非対称性の高い分布状態であり、これは更に一層非対称性の高いフィールド分布をもたらす。電気信号の分布の対称性または電極アレイの形状との関わり合いにおけるフィールドの対称性が乏しくなるようなすべての状況においては、その電極アレイへ供給される総電流は低減されるはずである。
【００１９】
１つの実施形態においては、本制御装置は、作り出されるフィールドが上述の第１の状態における第１の分布から上述の第２の状態における第２の分布へと徐々に変化するような仕方で、それらの電極へ供給される電気信号を調節する。プローブが組織内に位置付けされたときにそのフィールド分布を徐々に変化させることにより、起こり得る望ましくない副作用が最小限度に抑制される。もしフィールド分布が速く変化し過ぎた場合には、患者は、その変化が許容し難いものであることを適切なタイミングで指摘することができなくなる。
【００２０】
１つの実施形態においては、本制御装置は、上述の第１の状態および上述の第２の状態において電極へ供給される総電力が実質的に一定に保たれるような仕方で、第１の状態から第２の状態に変えるときの総電気刺激電流量を低減する。このようにして、バッテリーから引き込まれる電力は実質的に一定に維持され、望ましくない急速なバッテリーの枯渇が防止される。例えば、バッテリーの所望寿命時間に応じて、電流は２５％より上に増大し得ないようにすることができ、更には５％より上に増大し得ないようにすることができる。
【００２１】
１つの実施形態においては、本制御装置は、上述の第２の状態におけるフィールド分布を上述の第１の状態におけるフィールド分布の境界内に維持すべく、総電気刺激電流量を低減する。別の実施形態においては、本制御装置は、上述の第２の状態における最大のフィールド分布が上述の第１の状態における最大のフィールド分布と実質的に同等になるような仕方で、総電気刺激電流量を低減する。前述の最大のフィールド分布は、フィールドの強さの特定の閾値を侵すことにより定められる。従って、電気刺激電流は、上述の第２の状態におけるフィールドの強さが、指向性が変化するだけで、どの場所においても上述の第１の状態におけるフィールドの強さよりも大きくなることがないような仕方で制御される。
【００２２】
１つの実施形態においては、本制御装置は、第１の状態においては、プローブの周囲で対称的なフィールド分布を発生させ、第２の状態においては、プローブとの関わり合いにおいて望ましい方向に延びる指向性を持ったフィールド分布を発生させる。
【００２３】
１つの実施形態においては、上述の第１のフィールド分布および第２のフィールド分布は、マルチコンパートメント・ニューロン・モデルの電圧場の分布、電場の分布、活性化関数の分布、または活性化プロフィールの分布である。
【００２４】
１つの実施形態においては、本プローブは細長い形状を有していて、多数の電極が複数の異なる軸方向位置においてそのプローブ上に円周方向に配列されており、そこでは、幾つもの電極が前述の複数の異なる軸方向位置のうちの同じ１つの軸方向位置に存在している。そのような高分解能ＤＢＳプローブは、組織内に配置し、高精度で所望のフィールド分布を発生させるのに特に適しているものと思われる。
【００２５】
本発明のこれらの態様および他の態様は以降で記述されている実施形態から明確に理解することができ、またそれらの実施形態を参照することにより明瞭化されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１の（Ａ）は技術的現状における低分解能ＤＢＳリードを示しており、（Ｂ）は技術的現状における高分解能ＤＢＳ−アレイを示している。
【図２】図２は、技術的現状による一定総電流方式のフィールドステアリングを示しており、低分解能ＤＢＳリードでのＡＦ輪郭を伴って描かれている。
【図３】図３は、１つの「好適な」方向および３つの「他の」方向を伴った、図１の（Ｂ）にスケッチされているプローブの上面図を示している。
【図４】図４は、図３に示されているプローブの電極へ供給される電気信号を発生させるためのシステムの概略的なブロック図を示している。
【図５】図５の（Ａ）および（Ｂ）は、組織との関わり合いにおいて刺激フィールドを正確に位置付けするためにフィールド−ステアリング技術の使用を可能にする高分解能ＤＢＳ−アレイを示している。
【図６】図６の（Ａ）および（Ｂ）は一定積算総電流方式によりＡＦ−プロフィールにもたらされるフィールド−ステアリングの効果を示しており、図６の（Ｃ）は、図６（Ａ）および（Ｂ）の電流−ステアリングの実施例での電力消費のグラフを示している。
【図７】図７の（Ａ）および（Ｂ）は電流制限が適用された場合のＡＦ−プロフィールにもたらされる電流−ステアリングの効果を示しており、図７の（Ｃ）は、図７の（Ａ）および（Ｂ）の電流−ステアリングの実施例での電力消費のグラフを示している。
【図８】図８の（Ａ）および（Ｂ）はフィールド分布の展開を明示している。
【図９】図９は接線方向における一定の刺激展開を示している。
【図１０】図１０は、任意の方向に配列された線維の特定のセクションに沿ったフィールドの指向性に無関係の刺激展開を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
異なる図面において同一の参照番号を有しているアイテムは、同じ構造上の特性および同じ機能を有しているか、または同じ信号であることに留意すべきである。そのようなアイテムの機能および／または構造が既に説明されている場合には、その詳細な記述においてそのアイテムの説明を繰り返し行う必要性はない。
【００２８】
図１の（Ａ）は技術的現状における低分解能ＤＢＳリードを示しており、図１の（Ｂ）は技術的現状における高分解能ＤＢＳ−アレイを示している。どちらのＤＢＳプローブも細長い円筒状の支持構造物であり、その上に複数の電極Ｅｉが黒色の領域で表わされている。
【００２９】
低分解能ＤＢＳリードＰＲ１を描いた図１の（Ａ）においては４つの電極Ｅ１〜Ｅ４が示されており、それらの電極は支持構造物上において円周方向に配列されている。この低分解能ＤＢＳリードＰＲ１は、４つの電極Ｅ１〜Ｅ４よりも少ない個数の電極、または４つよりも多い個数の電極を有していてもよい。駆動されると、これらの電極Ｅ１〜Ｅ４は、それぞれ、周囲組織への電気刺激電流ＩＳ１〜ＩＳ４を供給する。これらの電極は集合的にＥｉとも呼称され、また、それらの電気刺激電流は集合的にＩＳｉとも呼称される。
【００３０】
図１の（Ｂ）には高分解能ＤＢＳ−アレイＰＲ２が示されており、そこでは、４つの電極Ｅｉから成る電極グループが支持構造物に沿って軸方向に配置されている。それら４つの電極Ｅｉは支持構造物の円周の周りに等距離で位置付けられている。しかしながら、電極Ｅｉのどのような他の配分も利用することができる。例えば、１つのグループ内における電極Ｅｉの個数は４つよりも少数もしくは多数であってもよく、および／または１つのグループ内における電極Ｅｉは等距離でない様式で位置付けされていてもよい。また、複数のグループ内における電極Ｅｉの個数が異なっていてもよい。更に、グループ間の距離が異なっていてもよい。また、上述の支持構造物はあらゆる適切な形状を有していてよい。以降の説明では、電極ＥｉはエレメントＥｉとも呼称される。
【００３１】
高分解能ＤＢＳ−アレイＰＲ２のエレメントＥｉの個数が多数であるということは、膨大な数の刺激を送給するための組み合わせを発生させることができるということを意味している。これらすべての組み合わせを試験することは事実上不可能である。プローブＰＲ２の長さに沿って配列された電極Ｅｉに対して当技術分野において公知の電流ステアリング法を利用することにより、この問題を大幅に簡素化することができる。高分解能インターフェースのステアリングに関する機能性を利用する１つの方法は、プローブＰＲ２の外周との関わり合いにおける好適な方向へ向けて総刺激電流を徐々にシフトさせることよるものである。１つ以上の刺激用エレメントＥｉ（すなわち、前述の外周に沿って配列された電極）が「好適な」方向として定められ、そして１つ以上のエレメントＥｉが「他の」方向として定められる。好ましくは、前述の「好適な」エレメントおよび「他の」エレメントは、一緒になって、例えば円筒状のプローブＰＲ２の外周をカバーする対称な配列を構成する。
【００３２】
図２は、低分解能ＤＢＳリードでのＡＦ輪郭を伴って描かれた、技術的現状による一定総電流方式のフィールドステアリングを示している。図２は、左から右へ：ＤＢＳ電極ＰＲ１、ならびにその電極Ｅ１およびＥ２における異なるステアリング電流比での一連のフィールド輪郭Ｆ１〜Ｆ６；を示している。電極Ｅ１およびＥ２に対するステアリング電流の比はフィールド輪郭の上側に示されている。ステアリング電流の総積算量は一定に保たれている。Ｆ１は一方の電極Ｅ１のみを活性化した状態でのフィールド輪郭を示しており、Ｆ６は両方の電極Ｅ１およびＥ２が等しく活性化されたときのフィールド輪郭を示している。この実施例の場合には、総刺激電流は２つの隣接した電極Ｅ１およびＥ２に分配される。これら２つの電極Ｅ１およびＥ２に供給される電流のバランスに依存して異なる活性化プロフィールがもたらされ、ひいては活性化体積がシフトされる。
【００３３】
図３は、１つの「好適な」方向および３つの「他の」方向の指示を伴った、図１の（Ｂ）にスケッチされているプローブの上面図を示している。図３は、図１の（Ｂ）の実施例の如くエレメントＥｉが正方アレイで配列されているケースでの軸方向上面図を与えている；そこには、ＰＤで表わされている１つの「好適な」方向とＯＤで表わされている３つの「他の」方向が示されている。エレメントのアレイは、所望のフィールド分布に依存して、エレメントＥｉのあらゆる他の適切な配列形状を有していてよい。
【００３４】
電流−ステアリング技術に従って、我々は、電流−ステアリングを以下のように数式的に実施することができる：
我々は刺激用エレメントＥｉに隣接した組織へ総刺激電流Ｉｎｏｍｉｎａｌを流し、その総刺激電流は、全てを合わせて刺激の送給に使用されるｎｔｏｔａｌエレメントＥｉを構成するｎｏｔｈｅｒ「他の」エレメントＥＯおよびｎｐｒｅｆ「選択的な」エレメントＥＰに分配される。
【００３５】
対称（無ステアリング）モードの場合、「他の」エレメントおよび「選択的な」エレメントはそれぞれ（平均して）以下の電流：
【００３６】
【数３】
2013515551.tif 000005
【００３７】
を受ける。
【００３８】
我々は、それぞれの「選択的な」エレメントＥＰが（平均して）以下の電流：
【００３９】
【数４】
2013515551.tif 000006
【００４０】
を受け、そして、それぞれの「他の」エレメントＥＯが（平均して）以下の電流：
【００４１】
【数５】
2013515551.tif 000007
【００４２】
を受けるような仕方で、刺激送給の非対称性を定量化する電流−ステアリング・バランス・パラメーターβを定める。
【００４３】
結果として、送給される総電流ｎｏｔｈｅｒ＊ｉｏｔｈｅｒ＋ｎｐｒｅｆ＊ｉｐｒｅｆ＝Ｉｎｏｍｉｎａｌは一定のままであるが、電流送給プロフィールは、対称な配列からすべての電流が「選択的な」部位ＥＰへ与えられる状況へ、電流−ステアリング・バランス・パラメーターβを０から１まで高めることにより徐々にシフトされる。また、電流−ステアリング・バランス・パラメーターβ＞１のケース、すなわち、反対極性の電流が「他の」部位ＥＯに与えられる場合も可能であり、このときには、刺激体積の更なる変位がもたらされる。ＢｕｔｓｏｎおよびＭｃＩｎｔｙｒｅ（２００８年）（もっと前の箇所で言及されている）から採った実施例はｎｏｔｈｅｒ＝ｎｐｒｅｆ＝１のケースに相当していることに注意が必要である。
【００４４】
図４は、図３に示されているプローブの電極へ供給される電気信号を発生させるためのシステムの概略的なブロック図を示している。発生器１は、図１の（Ｂ）および図３に示されている高分解能ＤＢＳ−アレイの電極Ｅｉへ電気信号Ｓｉ１〜Ｓｉ４（集合的にＳｉと呼ぶ）を供給する。制御装置２は、組織内において所望のフィールド分布Ｆｉを得るべく、発生器１を制御して電極Ｅｉへ特定の電気信号Ｓｉの分配をもたらす。電源３は発生器１および制御装置２へ電力を供給する。ユーザーインターフェース４は、所望のフィールド分布Ｆｉの入力または現存するフィールド分布Ｆｉの所望の変更の入力を可能にすべく、制御装置へのユーザー入力を受信する。例えば、ユーザーは、フィールド分布Ｆｉの指向性の変更を指示することができる。埋め込みされた電極を有する患者が臨床環境にない場合には、この電源３はバッテリーである。そのバッテリーは明確に定められたある期間の間使用できることが重要である。それ故、バッテリーがこの期間内に枯渇してしまう場合には非常に厄介である。更に、概して電力を少ししか消費しないことが有利である。生成されたフィールドをもっと非対称性が高くなるように変更するときには、電気信号Ｓｉは、前述の非対称性の方向における組織内の電流がもっと大きくなるような仕方で、それらの電気信号のうちの１つがもっと大きくなるように変更されなければならない。これは電力消費を増大させる。本発明の１つの態様においては、そのフィールドの非対称性が高められるときには、組織内で発生される総電流が低減される。１つの実施形態においては、電気信号Ｓｉは、フィールドＦｉの指向性が変更されるときに、組織へ供給される電力、ひいてはバッテリー３から求められる電力は実質的に一定に保たれる。
【００４５】
図５の（Ａ）および（Ｂ）は、高分解能ＤＢＳ−アレイが、フィールド−ステアリング技術を使用し、その組織との関わり合いにおいて刺激フィールドＦｉを正確に位置付けすることを可能に成す様子を示している。電流−ステアリングと高分解能リードＰＲ２とを組み合わせることにより、非常に正確な刺激ステアリングを実施することができる。例えば、刺激の対称的な送給が副作用をもたらしかねないケース、例えば特定の方向／領域における刺激が有害な不所望の副作用をもたらし得るある構造物の活性化を生じるため、結果として副作用を引き起こしかねないケースを代償することができるような仕方で、ステアリングを実施することができる。刺激をステアリングすることに関する選択肢を有することにより、それらの構造物への望ましくない刺激の送給を回避することができる。
【００４６】
図５（Ａ）は、結果としてＦＳで表わされている対称的なフィールド分布をもたらす良好な標的カバレージを得るべく対称刺激モード使用される、領域ＳＴＮの中央に最適な状態で配置されたプローブＰＲ２を示している。この場合、技術的現状のプローブＰＲ１の場合と同等な結果が達成されよう。図５（Ｂ）は次善的に最適な状態で配置されたプローブＰＲ２での場合を示しており、破線内の領域ＦＡがカバーされるような仕方でフィールド−ステアリング技術を適用すれば、領域ＳＴＮを充分にカバーすることができる。技術的現状のプローブＰＲ１の場合には、そのようなプローブは円Ｃ１内の領域をカバーすることになるため、前述の如き結果を達成することができず、次善的に最適な標的カバレージおよび／または隣接する構造物ＣＩへの漏れが起こる。
【００４７】
図６の（Ａ）および（Ｂ）は一定積算総電流方式によりＡＦ−プロフィールにもたらされるフィールド−ステアリングの効果を示しており、図６の（Ｃ）は、図６（Ａ）および（Ｂ）の電流−ステアリングの実施例での電力消費のグラフを示している。図６（Ａ）および（Ｂ）はともに、その断面が図３に示されているプローブＰＲ２の軸に垂直な二次元のｘｙ平面におけるフィールド分布を示している。図６（Ａ）は、対称的なフィールド分布ＦＳ１が矢印で指示されているとおりのｘ−軸に沿った直交方向の指向性を持ったフィールド分布ＦＡ１に変えられる様子を示している。図６（Ｂ）は、対称的なフィールド分布ＦＳ１が矢印で指示されているとおりの斜め方向に指向性を持ったフィールド分布ＦＡ２に変えられる様子を示している。図６（Ｃ）は、実線ＮＰ１における図６（Ａ）の電流−ステアリングの実施例および破線ＮＰ２における図６（Ｂ）の電流−ステアリングの実施例での電流−ステアリング・バランス・パラメーターβの関数としての正規化電力消費のグラフを示している。
【００４８】
上述の式（４）および（５）に従って電流−ステアリング・バランス・パラメーターβを増大させた場合には、刺激領域は、「他の」方向から徐々に離れる方向に移動し、同時に、矢印で指示されている「選択的な」方向に変位する。更に、ステアリングを増強する（βを増大させる）と、本システムの電力消費は大幅に上昇する。
【００４９】
従って、上述の電流ステアリングは以下の作用を示す：
（ａ）従来の電流ステアリングを適用したときには、電力消費が大幅に増大する；
（ｂ）刺激の展開は好適な方向に増大する。
【００５０】
作用（ａ）は、電力消費の増大が刺激装置のバッテリー運転時間にマイナスの影響を及ぼすため、緩和されるべきである。しかしながら、ある与えられた設定での副作用を低減することを目的としてステアリングが適用されるため、作用（ｂ）も緩和されるべきであり、特定の方向における展開の増大は別の構造物を望ましくない状態で励起してしまうリスクをもたらし、その不所望の励起は潜在的に他の／新たな副作用を導く可能性がある。例えば図５（Ｂ）を見ながら説明すると、そこでは、電流−ステアリングが領域ＣＩ（内包）から離れる方向にフィールドを移動させたが、同時に、領域ＺＩへの展開のシフトがもたらされ、これは望ましくない場合があり得る。
【００５１】
それ故、本発明は、電力消費が低減されおよび／または刺激フィールド展開の変位が起こりにくい刺激−フィールドステアリングのためのシステムおよび方法を提供しようとするものである。
【００５２】
本発明によれば、周囲組織へ電気刺激を供給するための本システムは、多数の電極を伴ったプローブを含んでいる。発生器は、その周囲組織内においてあるフィールド分布を得るべく、それらの電極に電気信号を提供する。制御装置は、第１の状態においては、第１のフィールド分布を発生させるべく、電気信号の第１の分布が上述の複数の電極に供給され、そして、第２の状態においては、第２のフィールド分布を発生させるべく、電気信号の第２の分布がそれらの電極に供給されるような仕方で、前述の発生器を制御する。前述の第１のフィールド分布は第２のフィールド分布よりも対称性が高く、そして、第２の状態における電気信号により引き起こされる電気刺激電流の総量は第１の状態の場合よりも小さい。
【００５３】
組織内におけるフィールド分布の対称性が低く成されたときの組織内における電気刺激電流の総量を減少させることにより、図６の（Ａ）〜（Ｃ）に示されているマイナスの影響が緩和される。対称性の低いフィールドで総電流量が減少するのであれば、電力の増大は少なくなり、更には電力を一定に保つことも可能であり、また、上述の展開も少なくなるであろう。総電流量は、更に、非対称的なフィールドによってカバーされる体積が最大限になるが、その体積が尚も対称的なフィールドを適用したときにカバーされる体積の境界内となるような仕方で制御することができる。従って、本発明は、刺激−フィールドステアリング機能を持ったシステムを提供し、そこでは、刺激フィールドのステアリングは、複数の刺激用エレメントグループ間で送給される電流のバランスを変え（「ステアリング」し）、これにより、「アンバランスさ」が高められた状態では、送給される総電流がある適切なアルゴリズムに従って自動的に低減されるように成すことにより達成される。
【００５４】
上で検討されているように刺激用エレメントＥｉのグループが２つの場合、これは以下のように数式で表わすことができる：
それぞれの「選択的な」エレメントＥＰは（平均して）以下の電流：
【００５５】
【数６】
2013515551.tif 000008
【００５６】
を受け、そして、それぞれの「他の」エレメントＥＯは（平均して）以下の電流：
【００５７】
【数７】
2013515551.tif 000009
【００５８】
を受ける［式中、その関数は０≦ｆ（β）＜１である］。従って、ｆ（β）は、電流−ステアリング・バランス・パラメーターβを適用することによって電流が再分配された後の電流レベルを調節するための関数である。幾つかの適用形態ではｆ（β）は一定であり得るが、一方、別の適用形態ではｆ（β）は実際に電流−ステアリング・バランス・パラメーターβの関数であり得る。代替的な表現においては、上述の式は以下のように書き表わすことができる：
それぞれの「選択的な」エレメントＥＰは（平均して）以下の電流：
【００５９】
【数８】
2013515551.tif 000010
【００６０】
を受け、そして、それぞれの「他の」エレメントＥＯは（平均して）以下の電流：
【００６１】
【数９】
2013515551.tif 000011
【００６２】
を受ける［式中、その関数はｇ（β）＜１である］。ここで、ｇ（β）は上でｆ（β）が果たしたのと同様に電流レベルを調節する機能を果たす。
【００６３】
関数ｆ（β）は、種々の異なる要件、例えば一定の電力消費、または選択的方向における一定範囲の刺激送給などに対して最適化することができる。ｆ（β）＝０のケースは、ステアリングパラメーターに関わりなく、選択的な部位ＥＰ（エレメントまたは電極とも呼ばれる）に一定の電流が送給されている状態を意味していることに留意すべきである。
【００６４】
上述の実施例において、本発明にとって、すべての選択的なエレメントＥＰが同一の電流を受けることは必要不可欠なことではなく、また、すべての他のエレメントＥＯが同一の電流を受けることも必要不可欠なことではない。その電流の分布状態は、発生させるべきフィールドＦｉの所望の指向性との関係において最適に選定することができる。
【００６５】
本発明の様々な態様の例証として、以下で数多くの実施形態が与えられる。
【００６６】
図７（Ａ）および（Ｂ）は電流制限が適用された場合の電流−ステアリングがＡＦ−プロフィールに及ぼす効果を示しており、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）および（Ｂ）の電流−ステアリングの実施例での電力消費のグラフを示している。図７（Ａ）および（Ｂ）のどちらにおいても、二次元的な領域が直交ｘｙ系で示されている。垂直軸はｍｍ単位でのｙ−軸を表現しており、水平軸はｍｍ単位でのｘ−軸を表現している。プローブＰＲ２は原点（０、０）に位置付けされており、４つの電極Ｅｉ１〜Ｅｉ４はプローブＰＲ２の表面に対称的に配列されている。図７（Ａ）は、対称的なフィールド分布でのＡＦプロフィールＦＳ１とｘ−軸に沿った指向性を有する非対称的なフィールド分布でのＡＦプロフィールＡＦ３とを示している。図７（Ｂ）は、それぞれ、対称的なフィールド分布でのＡＦプロフィールＦＳ１と、ｘ−軸またはｙ−軸と平行でないある方向に指向性を有する非対称的なフィールド分布でのＡＦプロフィールＡＦ４を示している。このＡＦ分布はフィールド分布とも呼ばれることに留意すべきである。図７（Ａ）および（Ｂ）のどちらにも、患者の脳に埋め込みされた６４個の刺激用エレメントのアレイを伴ったＤＢＳ装置ＰＲ２が与えられている。更に、ＤＢＳ装置ＰＲ２の刺激パラメーターを制御するためのＵＩ（図４のユーザーインターフェース４）が設けられている。このＵＩ４は「ステアリング」を制御することを可能にするエレメントを有しており、また、「刺激展開」を制御することを可能にするエレメントを有している。１つの例として、ユーザーは、合計で８個の電極から成る２つの隣接した環を選択し、そして、互いに上述の２つの「選択的な」電極ＥＰと「他の」電極ＥＯとしての６個の他の電極を定める。開始ポイントとして、図７（Ａ）および（Ｂ）において対称的なフィールド分布に属する円ＦＳ１内の領域によって指示されているように、３ｍｍの一様な刺激展開が用いられる。ＵＩで「ステアリング」−機能を制御するときには、我々は、選択的な方向における刺激の展開がステアリングパラメーターの関数として一定である（３ｍｍに固定されたままである）状態を達成したいと考える。様々なシミュレーションから、我々は、もし我々がｆ（β）＝１／３を取る場合、または同等にｇ（β）＝（１−０．５β）を取る場合にはこれを達成できることが分かる。同様に、ｎｏｔｈｅｒ＝４およびｎｐｒｅｆ＝４に対して、我々は、ｆ（β）＝０．５、または同等にｇ（β）＝（１−０．２５β）で、選択的な方向における一定の刺激展開を達成できることが分かる。１つの付加的な効果として、我々は、その電力消費が従来の電流−ステアリングの場合よりもずっと少ないことに気付く。これは、電極Ｅｉへ供給される電流Ｓｉがステアリングを適用するときには低減されるという事実の結果である。図７（Ａ）は直交方向の非対称なフィールド分布ＡＦ３を示しており、図７（Ｂ）は斜め方向の非対称なフィールド分布ＡＦ４を示している。図７（Ｃ）は、両方の状況における電流−ステアリング・バランス・パラメーターβの関数としての正規化電力ＮＰを示している。破線ＮＰ３は図７（Ａ）に示されている斜め方向の非対称なフィールド分布での電力を表わしており、実���ＮＰ４は図７（Ｂ）に示されている直交方向の非対称なフィールド分布での電力を表わしている。
【００６７】
一定電力モードの実施形態
大きな対極板をも提供するパルス発生器１に６４−エレメントの刺激用プローブＰＲ２が接続されているものと仮定する。この刺激用プローブの６４×６４行列Ｒはインピーダンス測定技術を用いることにより決定される。対角線エレメントＲｎ、ｎは電極ｎから対極板までの電気インピーダンスを反映しており、非対角線エレメントＲｍ、ｎはエレメントｍとエレメントｎとの間での電気インピーダンスに相当する。この抵抗行列は、６４個のエレメントに送給される刺激電流ｉ１．．．ｉ６４（図１（Ｂ）の電気刺激電流ＩＳｉ）の分布に関連したエレメント電圧ｖｉ（図４の電気信号Ｓｉ）の１×６４ベクトルを計算することを可能にする：
【００６８】
【数１０】
2013515551.tif 000012
【００６９】
その電力消費は次のドット積により得られる：
【００７０】
【数１１】
2013515551.tif 000013
【００７１】
一定電力ステアリングモードにおいては、ドット積ＩＴ・ＲＴ・Ｉは一定に保たれる。
【００７２】
例えば、４つの電極Ｅｉの対称的な配列では、その電力消費は：
【００７３】
【数１２】
2013515551.tif 000014
【００７４】
として算出され、ｉ１、ｉ２、ｉ３、ｉ４に対してそれぞれｉｐ、ｉｏ、ｉｏ、ｉｏの代入後：
【００７５】
【数１３】
2013515551.tif 000015
【００７６】
となり、ここで、項Ｔｐｐ、Ｔｏｏ、Ｔｐｏは式（１２）の幾つかのＲｉｊ項の総和である。
【００７７】
発生されるフィールドが対称的である対称モードにおいては、ｉｐ＝ｉｏ＝ｉｓｙｍを維持し、その結果、以下の公称電力がもたらされる：
【００７８】
【数１４】
2013515551.tif 000016
【００７９】
非対称モードにおいて、ｉｏ＝ｉｓｙｍ・（１−β）およびｉｐ＝ｉｓｙｍ・ｆ（β）を維持するものと仮定し、更に、この非対称モードにおける電力が対称モードでの電力に等しくなければならないものと仮定すると、その場合：
【００８０】
【数１５】
2013515551.tif 000017
【００８１】
となる。
【００８２】
これは、βの関数である未知のｉｐを伴った２階方程式である。そのような方程式の解をプロットし、その後、二次（またはもっと高次）の多項式でフィッティングすることができる。このようにして、その多項式の係数を容易に決定することができる。
【００８３】
二次の多項式フィッティングで：
【００８４】
【数１６】
2013515551.tif 000018
【００８５】
と判明した。もしも更に一層一定した電力が求められる場合には、もちろん、その電流−ステアリング・バランス・パラメーターβの関数をもっと正確に定めることが可能であろう。４つより多くの電極が関与している場合には、解かれるべきその方程式はもっと複雑になるが、標準的な代数法を実行することにより、その電流−ステアリング・バランス・パラメーターβの関数を見出すことができる。
【００８６】
別の実施例において、４つの部位Ｅｉ（例えば、部位または電極Ｅｉ１〜Ｅｉ４）のある与えられた対称的な刺激プロフィールでは、それぞれが電流Ｉｎｏｍｉｎａｌ／４を受けることとなり、すなわち、これは、電流ベクトル［Ｉｎｏｍｉｎａｌ／４、Ｉｎｏｍｉｎａｌ／４、Ｉｎｏｍｉｎａｌ／４、Ｉｎｏｍｉｎａｌ／４、０、．．．０］および上述の式により計算される関連する電圧ベクトルに相当する。その電力消費は：
【００８７】
【数１７】
2013515551.tif 000019
【００８８】
として算出される。
【００８９】
同様に、我々は：
【００９０】
【数１８】
2013515551.tif 000020
【００９１】
を計算することができる。
【００９２】
次に、我々は特定の方向への電流ステアリング、すなわち、刺激用エレメントＥｉ１に関係した方向への電流ステアリングを果たしたいと望んでいるものと仮定する。このときには、選択的なエレメントＥｉ１は、電流：
【００９３】
【数１９】
2013515551.tif 000021
【００９４】
を受け、ここで、式中のｉ１は式（８）のｉｐｒｅｆと合致し、そして刺激用エレメントＥｉ２、Ｅｉ３およびＥｉ４は、それぞれ、電流：
【００９５】
【数２０】
2013515551.tif 000022
【００９６】
を受け、これにより、ｉ２、ｉ３およびｉ４は式（９）のｉｏｔｈｅｒと合致し、そして、そこでは先に説明されているとおりの理由により、β＞０でｇ（β）＜１である。これで今や我々は、以下の積定数：
【００９７】
【数２１】
2013515551.tif 000023
【００９８】
を得るために必要なｇ（β）を計算することができる。
【００９９】
これは：
【０１００】
【数２２】
2013515551.tif 000024
【０１０１】
を導く。
【０１０２】
上述の実施例は、ｎｏｔｈｅｒ電極およびｎｐｒｅｆ電極を伴ったケースへ一般化することができる。
【０１０３】
一定刺激展開モードの実施形態
刺激展開を決定する（シミュレーションする）１つの方法はいわゆる活性化関数ＡＦを評価することによるものであり、その活性化関数ＡＦは組織Ｖｔ内における刺激電圧３Ｄプロフィールの離散二次空間導関数である（式（２）参照）。我々が特定の方向への一定した刺激展開を達成しようとしているのであれば、これは、フィールドＦｉの指向性をステアリングするときに、特定の方向および特定のポイントにおける活性化関数ＡＦが一定のまま留まるように条件設定することにより（大凡）達成される。
【０１０４】
図８（Ａ）および（Ｂ）はフィールド分布の展開を明示している。図８（Ａ）および（Ｂ）のどちらの場合にも、直交ｘｙ系において二次元的な領域が示されている。垂直軸はｍｍ単位でのｙ−軸を表わしており、水平軸はｍｍ単位でのｘ−軸を表わしている。プローブＰＲ２が原点（０、０）に位置付けされており、そして４つの電極Ｅ１〜Ｅ４がそのプローブＰＲ２の表面に対称的に配列されている。図８（Ａ）は対称的な領域ＦＳ１とｘ−軸に沿った指向性を有する非対称的な領域ＡＦ３とを示している。図８（Ｂ）は対称的な領域ＦＳ１とｘ−軸またはｙ−軸に対して平行でないある方向に指向性を有する非対称的な領域ＡＦ４とを示している。濃い黒色の実線ＦＩは最も遠い位置に在る活性化されるべき線維を指示している。ＦＳ１またはＡＦ４により示されている領域を横断する全ての線維が活性化されることとなることに留意しなければならない。
【０１０５】
図８（Ａ）および（Ｂ）に示されている領域は図７（Ａ）および（Ｂ）に示されている領域と似ているが、それらの領域は全く同じである必要はない。図７（Ａ）および（Ｂ）には、活性化関数ＡＦの等値線が示されている。その活性化関数ＡＦは、神経エレメントが活性化されることになるか否かの粗い近似である。従って、図７（Ａ）および（Ｂ）では、それらの領域内のすべての線維が活性化されることになるのかどうか、また、それらの領域の外側のすべての線維が活性化されないのかどうかは確かではない。それとは対照的に、図８（Ａ）および（Ｂ）に示されている領域は、図８（Ａ）および（Ｂ）の領域内のすべての線維が活性化され、一方、これらの領域の外側の線維は活性化されない状態となるように、経験的に決定され、または前述のＡＦよりももっと正確なモデルを用いて決定される。
【０１０６】
線維ＦＩの活性化は神経エレメントの数学的モデルにより予測される。幾つかの数学的モデルは活性化関数ＡＦまたはＡｘｏｎケーブルモデルである。しかしながら、神経エレメントの活性化を表わすあらゆる他の数学的モデルも代わりに使用することができよう。図８（Ａ）および（Ｂ）に示されている接線方向線維ＦＩは、生成されるフィールド分布Ｆｉによって尚も活性化される、プローブＰＲ２から最も遠く離れた位置に存在する線維である。図８（Ａ）および（Ｂ）はどちらも、対称的なフィールド分布が非対称的な分布に変えられる場合（従って、指向性を有するフィールド分布に変えられる場合）の実施例を示している。その展開は、フィールドＦｉによって活性化される最も遠く離れた位置に在る線維ＦＩである同一の図示線維ＦＩであるため、一定に保たれている。その指向性と反対側の方向では、活性化フィールドＦｉは対称的なフィールドＦＳ１との関係において小さくなることに留意しなければならない。
【０１０７】
図９は、接線方向における一定の刺激展開を示している。図９の左側の部分には図３のプローブＰＲ２が示されている。１つの実施例として、我々は刺激用プローブ（垂直な線Ｌ１で示されている）へ接線方向に走るニューロンエレメントｎ−１、ｎ、ｎ＋１に対してｎで指示されているポイントまで一定の刺激展開を達成しようとしている場合を考えよう。点線Ｌ２は、相当する（仮想的な）刺激プロフィールのインプレッションを与えている。
【０１０８】
この特定の位置ｎおよびニューロンエレメントｎ−１、ｎ、ｎ＋１のこの特定の配向に対して選択的な方向で一定の刺激展開を達成するということは、ステアリング条件下において、活性化関数ＡＦ＝Ｖｎ−１＋Ｖｎ＋１−２＊Ｖｎを位置ｎにおいて一定のまま留まった状態にしなければならないことを意味している。我々は制御するためのパラメーターを２つ（すなわち、βとｆ（β）（またはｇ（β）））しか持っていないため、これを一般的に達成することはできない（我々は第３の制御パラメーターを必要とするであろう）。しかしながら、この特定の目下の実施例に対しては、我々はこの問題の対称性を利用することができ、解が存在する。Ｖｎ−１＝Ｖｎ＋１であるため、我々は、活性化関数として：
【０１０９】
【数２３】
2013515551.tif 000025
【０１１０】
を得る。
【０１１１】
電圧場は、個々の刺激用エレメントＥｉを通じて注入される電流に線形的に関係している。それぞれ、エレメントＥｉ１を通じる単位電流送給からもたらされるノードｎおよびｎ＋１での電圧増分としてのΦｎ、１およびΦｎ＋１、１を定めることとしよう。Φ値はシミュレーション（例えばＦＥＭモデル）または測定（例えば刺激を与えている間に行われる侵襲的なマイクロ−レコーディング）から得られることに留意する必要がある。同様に、我々は、それ以外の刺激用エレメントＥｉ２〜Ｅｉ４に対してそのような電圧増分を得ることができる。その結果、我々は、活性化関数として：
【０１１２】
【数２４】
2013515551.tif 000026
【０１１３】
を得、この活性化関数が、ステアリング条件下において、公称値ＡＦｎｏｍｉｎａｌに固定された状態のまま保たれることとなる。この例を取り（我々はステアリング補正でｆ（β）を用いる）、且つ、幾つかの代数計算の後、これは：
【０１１４】
【数２５】
2013515551.tif 000027
【０１１５】
と書き換えることができる。
【０１１６】
再度述べると、これは、エレメントＥｉ１に関わるΦ値（およびそれらの差分）が、それ以外のエレメントＥｉ２〜Ｅｉ４と比べたときに、エレメントＥｉ１に対するそれらの一層近い近接性により比較的大きいため、１よりも小さい。ポイントｎがプローブＰＲ２から無限に遠く離れて位置付けられる極限においては、ｋの値は１に漸近する。
【０１１７】
この実施例は、刺激電圧を一定に保たなければならないという状況下において、＞２の刺激電流振幅およびＮ＞２の位置を許容することにより、更に一般化することができることは明らかであろう。
【０１１８】
図１０は、任意の方向に配列された線維の特定のセクションに沿ったフィールドの指向性に無関係な刺激展開を示している。ここで、１つの実施例として、その状況を線維ＦＩの任意の方向に関して考察する。線維ＦＩの該当するセクションが数字５、６および７で指示されている。更に、この実施例においては、プローブは参照記号Ｅｉ１〜Ｅｉ４で指示されている４つの円周方向に配列された電極を有しており、それらの電極は次の以降の説明ではインデックス１〜４で表わされている。式（１０）により、プローブＰＲ２が挿入されている組織内における電極Ｅｉでの電圧と電流ＩＳｉとの間の関係は、この実施例では：
【０１１９】
【数２６】
2013515551.tif 000028
【０１２０】
であり、ここで式中のｉ５、ｉ６およびｉ７はゼロに等しい。
【０１２１】
この線維のポイント６での活性化関数ＡＦは：
【０１２２】
【数２７】
2013515551.tif 000029
【０１２３】
である。
【０１２４】
選択的な電極ＥＰにより供給される電流がｉｐであり、且つ、他の電極ＥＯにより供給される電流がｉｏであると仮定すると、その活性化関数ＡＦは：
【０１２５】
【数２８】
2013515551.tif 000030
【０１２６】
と書き表わすことができる。
【０１２７】
もしその展開が対称的なフィールド分布ＦＳ１（そこではｉｐ＝ｉｏ＝ｉｓｙｍである）での場合および非対称的なフィールド分布ＡＦ３またはＡＦ４（そこではｉｏ＝（１−β）ｉｓｙｍである）での場合と等しくなければならないならば、その対称的なフィールド分布ＦＳ１では：
【０１２８】
【数２９】
2013515551.tif 000031
【０１２９】
が保持され、そして、非対称的なフィールド分布ＡＦ３またはＡＦ４では、式（２７）および（２８）により：
【０１３０】
【数３０】
2013515551.tif 000032
【０１３１】
が保持される。
【０１３２】
上で述べられている実施形態は、本発明を限定するのではなく、本発明を例証するものであり、当業者であれば、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、多くの代替的な実施形態を設計できることに留意すべきである。例えば、プローブＰＲ１およびＰＲ２はあらゆる形状を有していてよく、また、電極Ｅｉは、特定の望ましいフィールド分布Ｆｉを発生させるのに適したあらゆる配置構成を有していてよい。
【０１３３】
添付の請求項において、丸括弧の間に入っているあらゆる参照記号はその請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。また、動詞「〜を含む」およびそれの活用形は、請求項で述べられているもの以外のエレメントやステップの存在を排除するものではない。更に、エレメントに先行する冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数のそのようなエレメントの存在を除外するものではない。本発明は幾つかのはっきりと区別可能なエレメントを含むハードウェアにより実行されてよく、また、適切にプログラミングされたコンピューターにより実行されてもよい。幾つもの手段を列挙している装置クレームにおいて、これらの手段のうちの幾つかが同一アイテムのハードウェアによって具体化されてよい。特定の方策が相互に異なる従属クレームにおいて引用されているという単なる事実は、利益を得るためにこれらの方策の組み合わせを使用することができないということを指し示しているのではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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