(57)【要約】  対象に感覚刺激を提供するための装置であって、装置は、刺激入力を示す入力信号を取得する入力部と、信号発生器と、少なくとも１つのコイルを含むコイルシステムと、ソフトウェア命令に従って動作する電気制御装置とを含む。使用において、制御装置は、入力部から入力信号を受信し、入力信号の分析を実行し、分析の結果を使用して、信号発生器に刺激信号を生成させ、刺激信号は、コイルシステムに印加され、それによって、対象のターゲット領域に刺激電磁場を生成し、刺激電磁場は、感覚ニューロンを選択的に活性化し、それによって、刺激入力に従って対象を刺激するように構成される。
2021517502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象に感覚刺激を提供するための装置であって、
（ａ）刺激入力を示す入力信号を取得する入力部と、
（ｂ）信号発生器と、
（ｃ）少なくとも１つのコイルを含むコイルシステムと、
（ｄ）ソフトウェア命令に従って動作する電気制御装置と、
を備え、前記電気制御装置は、
（ｉ）前記入力部から前記入力信号を受信し、
（ii）前記入力信号の分析を実行し、
（iii）前記分析の結果を使用して前記信号発生器に刺激信号を発生させ、前記刺激信号は前記コイルシステムに印加されて前記対象のターゲット領域に刺激電磁場を発生させ、前記刺激電磁場は前記刺激入力に従って感覚ニューロンを選択的に活性化して前記対象を刺激するように構成される、装置。
【請求項２】
前記入力部は、
（ａ）前記刺激入力を感知する入力センサと、
（ｂ）遠隔装置から前記入力信号を受信する無線トランシーバと、
を備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記入力センサは、マイクロフォンおよび撮像デバイスのうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記刺激入力は可聴であり、前記感覚ニューロンはスパイラル神経節ニューロンである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記刺激入力は視覚的であり、前記感覚ニューロンは、
（ａ）網膜神経節ニューロン、
（ｂ）視神経、
（ｃ）外側膝状核、および
（ｄ）視覚野、
の少なくとも１つである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記刺激電磁場は、前記ターゲット領域の外側の前記刺激電磁場の大きさを最小化するように生成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記刺激電磁場は、
（ａ）複数の電磁場の重ね合わせ、
（ｂ）少なくとも１つの不均一電磁場、および
（ｃ）一連の電磁場、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記コイルシステムは、
（ａ）少なくとも２つのコイル、
（ｂ）少なくとも３つのコイル、
（ｃ）少なくとも４つのコイル、
（ｄ）１０個未満のコイル、
（ｅ）８個未満のコイル、並びに
（ｆ）少なくとも１個の一次コイルおよび少なくとも１個の二次コイル、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記コイルシステムは、複数のコイルのそれぞれからの電磁場を前記ターゲット領域上に焦点を合わせるように配置されたコイル形状を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記複数のコイルのうちの異なるものは、前記ターゲット領域の異なる部分に焦点を合わせられる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記コイルシステムは、軸の周囲に円周方向に間隔をあけて配置された複数のコイルを含み、前記軸は前記ターゲット領域に位置し、前記コイルの端部が前記ターゲット領域と対向するよう前記コイルが前記軸に対して角度を有して配置されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記コイルシステムは、前記軸の位置に設けられた少なくとも１つのコイルを含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記コイルシステムは、
（ａ）円錐テーパーコイル、
（ｂ）デュアルローブコイル、
（ｃ）バタフライコイル、
（ｄ）フラットコイル、
（ｅ）スパイラルコイル、
（ｆ）ヘリカルコイル、
（ｇ）多層ヘリカルコイル、および
（ｈ）コアに巻かれたコイル、
のうちの少なくともいずれか１つである、少なくとも１つのコイルを含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも１つのコイルの少なくとも１つの巻線は、
（ａ）（ｉ）０．２ｍｍ以上、
（ii）０．５ｍｍ以上、
（iii）１ｍｍ以上、
（iv）５ｍｍ以上、
（ｖ）１０ｍｍ以上、
（vi）１．５ｍｍ未満、
（vii）１０ｍｍ未満、
（viii）１５ミリメートル未満、および
（ix）２０ミリメートル未満、
のうちの少なくとも１つの内半径、並びに、
（ｂ）（ｉ）５ｍｍ以上、
（ii）８ｍｍ以上、
（iii）１０ｍｍ以上、
（iv）２０ｍｍ以上、
（ｖ）３０ｍｍ以上、
（vi）５０ｍｍ未満、および
（vii）６０ｍｍ未満、のうちの少なくともひとつの外半径、
のうちの少なくとも１つを有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記コイルシステムは、前記ターゲット領域内に電場を生成するように構成された少なくとも１つの軸方向のコイルを含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記軸方向のコイルは、コイル形状の軸に沿って延在する複数の導体を含み、前記コイル形状は、
（ａ）円錐、
（ｂ）半球、
（ｃ）凹状の半球、
（ｄ）凸状の半球、および
（ｅ）円筒、
のうちの少なくとも１つの形状を有する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも１つのコイルは、
（ａ）（ｉ）０．００１ｍｍ２以上、
（ii）０．０１ｍｍ２以上、
（iii）０．１ｍｍ２以上、
（iv）１ｍｍ２以上、
（ｖ）５ｍｍ２以上、
（vi）１０ｍｍ２以上、
（vii）２０ｍｍ２未満、および
（viii）１５ｍｍ２未満、のうちの少なくとも１つの断面積を有する、
（ｂ）（ｉ）円形、および
（ii）長方形、のうちの少なくとも１つの断面形状を有する、並びに、
（ｃ）（ｉ）ワイヤ、
（ii）銅線、および
（iii）編組線、で作製された、
うちの少なくとも１つの導体から巻かれている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記コイルは、
（ａ）空心、
（ｂ）軟磁性複合コア、
（ｃ）絶縁磁心、
（ｄ）積層コア、
（ｅ）高透磁率磁心、および
（ｆ）金属コア、のうちの少なくとも１つのコアの周りに巻かれている、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記コアは、
（ａ）（ｉ）０．２ｍｍ以上、
（ii）０．５ｍｍ以上、
（iii）１ｍｍ以上、
（iv）５ｍｍ以上、
（ｖ）１０ｍｍ以上、
（vi）１．５ｍｍ未満、
（vii）１０ｍｍ未満、
（viii）１５ｍｍ未満、および
（ix）２０ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの半径、並びに、
（ｂ）（ｉ）０．５ｍｍ以上、
（ii）５ｍｍ以上、
（iii）１０ｍｍ以上、
（iv）１５ｍｍ以上、
（ｖ）約２０ｍｍ〜３０ｍｍ、および
（vi）４０ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの長さ、
のうちの少なくとも１つを有する請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記コアは、前記対象に最も近い前記コアの端部に近接して内向きに先細になっている、請求項１８または１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記装置は、漂遊磁界を減少させるために前記コイルシステムに隣接して配置された少なくとも１つのシールドを含む、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記少なくとも１つのシールドは、
（ａ）反磁性シールド、
（ｂ）導電性シールド、
（ｃ）各コイルに隣接して配置されたシールド、並びに、
（ｄ）各コイルに隣接して配置されたシールドであって、各シールドは、
（ｉ）０．２ｍｍ以上、
（ii）０．５ｍｍ以上、
（iii）約１ｍｍ、および
（iv）１．５ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの半径を有する開口部を含むシールド、
を含む請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記装置は、ユーザによって装着されるように構成されたハウジングを含む、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記ハウジングは、
（ａ）前記コイルシステムを収容する第１のコイルシステムハウジングと、
（ｂ）信号処理コンポーネントを収容する第２の処理コンポーネントハウジングと、
を含む請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記装置は、前記入力センサ信号を少なくとも部分的に処理する信号プロセッサを含む、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
前記信号発生器は、
（ａ）前記電気制御装置からの信号に従って制御された駆動信号を生成するドライバ回路と、
（ｂ）前記駆動信号を用いて前記刺激信号を生成する各コイルのためのトリガ回路と、
を含む請求項１〜２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記信号発生器は、前記トリガ回路が使用するための電荷を保存する高電圧容量性保存部を含む電源を含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記信号発生器は、エネルギー回収回路を含む、請求項２６または２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記装置は、前記コイルを冷却する冷却システムを含む、請求項１〜２８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３０】
前記装置は、前記対象の反応を測定する反応センサを含み、
前記電気制御装置は、
（ａ）前記少なくとも１つの刺激信号を生成するステップと、
（ｂ）前記コイルアレイ内のコイルの位置を制御するステップと、
のうちの少なくとも１つに、前記反応センサからの反応信号を使用する、請求項１〜２９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３１】
前記反応センサは、電気インピーダンス断層撮影センサを含む、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記電気インピーダンス断層撮影センサは、
（ａ）前記ターゲット領域に近接する前記対象の組織と接触する複数の電極と、
（ｂ）前記複数の電極のうちのいくつかに交流信号を印加する信号発生器と、
（ｃ）前記複数の電極のうちの他の電極上の電気信号を測定する信号センサと、
（ｄ）測定された信号に従って前記ターゲット領域のマップを生成するように構成された一つ以上のインピーダンス処理装置と、
を含む請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記マップは、
（ａ）前記少なくとも１つのコイルの位置決め、および
（ｂ）前記少なくとも１つのコイルに印加される刺激信号の制御、
のうちの少なくとも１つに使用される、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記コイルシステムは、
（ａ）前記コイルアレイによって生成された漂遊磁界を受信するように構成された受信コイルと、
（ｂ）前記受信コイルによって生成された電流を用いてバッテリを充電するために使用される充電システムと、
を含む、請求項１〜３３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３５】
前記コイルシステムは、前記受信コイルを調整する同調回路を含む、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記コイルシステムは、前記電気制御装置と通信して前記少なくとも１つの刺激信号に従って前記同調回路を制御する同調回路制御装置を含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記電気制御装置は、前記コイルシステム内の複数のコイルの各々についてそれぞれの刺激信号を生成する、請求項１〜３６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３８】
前記装置は、前記対象に感覚刺激を提供するための出力部を含む、請求項１〜３７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３９】
前記刺激入力は可聴であり、前記出力部は、前記対象に聴覚刺激を提供するためのスピーカを含む、請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記電気制御装置は、
（ａ）前記入力センサ信号を分析して一つ以上の特徴を決定し、
（ｂ）前記特徴を用いて一つ以上の刺激信号を生成する、
請求項１〜３９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４１】
可聴な感覚入力のために、前記特徴は、
（ａ）異なる周波数における音響信号の電力に関する特徴、
（ｂ）異なる周波数における音響信号の電力変化に関する特徴、
（ｃ）異なる周波数における音響信号の電力変化率に関する特徴、
（ｄ）時間領域の特徴、
（ｅ）スペクトルの特徴、
（ｆ）ケプストラムの特徴、
（ｇ）ウェーブレットの特徴、
（ｈ）周波数係数、
（ｉ）メル周波数ケプストラム係数（ＭＦＣＣ）、
（ｊ）ガンマトン周波数ケプストラム係数（ＧＦＣＣ）、
（ｋ）ＧＦＣＣデルタ、および
（ｌ）ＧＦＣＣダブルデルタ、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記電気制御装置は、前記特徴と、少なくとも１つの計算モデルとを用いて前記一つ以上の刺激信号を生成し、前記計算モデルは、前記特徴と異なる刺激信号との間の関係を具体化する、請求項４０または４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記少なくとも１つの計算モデルは、
（ａ）基準対象について、異なる特徴を用いて生成された基準刺激信号に応じて測定された基準反応、
（ｂ）前記対象について、異なる特徴を用いて生成された基準刺激信号に応じて測定された基準反応、および、
（ｃ）前記対象の３Ｄスキャンから得られた前記対象の少なくとも前記ターゲット領域のモデル、
のうちの少なくとも１つを用いて導出される、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記少なくとも１つの計算モデルは、前記基準反応および基準刺激信号に機械学習を適用することによって導出される、請求項４２または４３に記載の装置。
【請求項４５】
対象に感覚刺激を提供する方法であって、
（ａ）刺激入力を示す入力信号を取得するために入力部を使用するステップと、
（ｂ）（ｉ）前記入力部から前記入力信号を受信し、
（ii）前記入力信号の分析を実行し、
（iii）前記分析の結果を使用して信号発生器に刺激信号を発生させ、前記刺激信号はコイルシステムに印加されて前記対象のターゲット領域に刺激電磁場を発生させ、前記刺激電磁場は前記刺激入力に従って感覚ニューロンを選択的に活性化して前記対象を刺激するように構成される、
ソフトウェア命令に従って動作する電気制御装置を使用するステップと、
を含む方法。
【請求項４６】
ニューロモデュレーションを実行するための装置であって、
（ａ）信号発生器と、
（ｂ）少なくとも１つの軸方向コイルを含むコイルシステムと、
（ｃ）ソフトウェア命令に従って動作する電気制御装置と、
を備え、前記電気制御装置は、
（ｉ）実行されるニューロモデュレーションを決定し、
（ii）前記信号発生器に変調信号を発生させ、前記変調信号は前記コイルシステムに印加されて対象のターゲット領域に変調電磁場を発生させ、前記変調電磁場は前記ニューロモデュレーションを実行するように構成される、装置。
【請求項４７】
前記軸方向コイルは、コイル形状の軸に沿って延在する複数の導体を含み、
前記コイル形状は、
（ａ）円錐、
（ｂ）半球、
（ｃ）凹状の半球、
（ｄ）凸状の半球、および
（ｅ）円筒、
のうちの少なくとも１つの形状を有する、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記電気制御装置は、
（ａ）入力部を介して受信される入力信号、および
（ｂ）センサから受信されるセンサ信号
のうちの少なくとも１つに従って、実行される前記ニューロモデュレーションを決定するように構成される、請求項４６または４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記入力部は、無線トランシーバモジュールを含む、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記電気制御装置は、メモリに記憶された複数の定義された変調シーケンスのうちの１つを選択するように構成される、請求項４６〜４９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５１】
前記コイルシステムは、
（ａ）２つ以上のコイル、
（ｂ）３つ以上のコイル、
（ｃ）４つ以上のコイル、
（ｄ）１０個未満のコイル、
（ｅ）８個未満のコイル、並びに、
（ｆ）１つ以上の一次コイルおよび１つ以上の二次コイル、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項４６〜５０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５２】
前記コイルシステムは、複数のコイルのそれぞれからの電磁場を前記ターゲット領域上に焦点を合わせるように配置されたコイル形状を有する、請求項４６〜５１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５３】
前記複数のコイルのうちの異なるものは、前記ターゲット領域の異なる部分に焦点が合わされる、請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記コイルシステムは、軸の周囲に円周方向に間隔をあけて配置された複数のコイルを含み、前記軸は前記ターゲット領域に位置し、前記コイルの端部が前記ターゲット領域と対向するよう前記コイルが前記軸に対して角度を有して配置されている、請求項４６〜５３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５５】
前記コイルシステムは、前記軸の位置に設けられた少なくとも１つのコイルを含む、請求項５４に記載の装置。
【請求項５６】
少なくとも１つのコイルは、
（ａ）（ｉ）０．００１ｍｍ２以上、
（ii）０．０１ｍｍ２以上、
（iii）０．１ｍｍ２以上、
（iv）１ｍｍ２以上、
（ｖ）５ｍｍ２以上、
（vi）１０ｍｍ２以上、
（vii）２０ｍｍ２未満、および
（viii）１５ｍｍ２未満、のうちの少なくとも１つの断面積を有する、
（ｂ）（ｉ）円形、および
（ii）長方形、のうちの少なくとも１つの断面形状を有する、並びに、
（ｃ）（ｉ）ワイヤ、
（ii）銅線、および
（iii）編組線、で作製された、
うちの少なくとも１つの導体から巻かれている、請求項４６〜５５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５７】
前記コイルは、
（ａ）空心、
（ｂ）軟磁性複合コア、
（ｃ）絶縁磁心、
（ｄ）積層コア、
（ｅ）高透磁率磁心、および
（ｆ）金属コア、のうちの少なくとも１つのコアの周りに巻かれている、請求項４６〜５６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５８】
前記コアは、
（ａ）（ｉ）０．２ｍｍ以上、
（ii）０．５ｍｍ以上、
（iii）１ｍｍ以上、
（iv）５ｍｍ以上、
（ｖ）１０ｍｍ以上、
（vi）１．５ｍｍ未満、
（vii）１０ｍｍ未満、
（viii）１５ｍｍ未満、および
（ix）２０ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの半径、並びに、
（ｂ）（ｉ）０．５ｍｍ以上、
（ii）５ｍｍ以上、
（iii）１０ｍｍ以上、
（iv）１５ｍｍ以上、
（ｖ）約２０ｍｍ〜３０ｍｍ、および
（vi）４０ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの長さ、
のうちの少なくとも１つを有する請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
前記装置は、漂遊磁界を減少させるために前記コイルシステムに隣接して配置された少なくとも１つのシールドを含む、請求項４６〜５８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６０】
前記少なくとも１つのシールドは、
（ａ）反磁性シールド、
（ｂ）導電性シールド、
（ｃ）各コイルに隣接して配置されたシールド、並びに、
（ｄ）各コイルに隣接して配置されたシールドであって、各シールドは、
（ｉ）０．２ｍｍ以上、
（ii）０．５ｍｍ以上、
（iii）約１ｍｍ、および
（iv）１．５ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの半径を有する開口部を含むシールド、
を含む請求項５９に記載の装置。
【請求項６１】
前記装置は、ユーザによって装着されるように構成されたハウジングを含む、請求項４６〜６０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６２】
前記ハウジングは、
前記コイルシステムを収容する第１のコイルシステムハウジングと、
信号処理コンポーネントを収容する第２の処理コンポーネントハウジングと、
を含む請求項６１に記載の装置。
【請求項６３】
前記装置は、前記入力センサ信号を少なくとも部分的に処理する信号プロセッサを含む、請求項４６〜６２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６４】
前記信号発生器は、
前記電気制御装置からの信号に従って制御された駆動信号を生成するドライバ回路と、
前記駆動信号を用いて前記刺激信号を生成する各コイルのためのトリガ回路と、
を含む請求項４６〜６３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６５】
前記信号発生器は、前記トリガ回路が使用するための電荷を保存する高電圧容量性保存部を含む電源を含む、請求項６４に記載の装置。
【請求項６６】
前記信号発生器は、エネルギー回収回路を含む、請求項６４または６５に記載の装置。
【請求項６７】
前記装置は、前記コイルを冷却する冷却システムを含む、請求項４６〜６６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６８】
前記装置は、前記対象の反応を測定する反応センサを含み、
前記電気制御装置は、
（ａ）前記少なくとも１つの刺激信号を生成するステップと、
（ｂ）前記コイルアレイ内のコイルの位置を制御するステップと、
のうちの少なくとも１つに、前記反応センサからの反応信号を使用する、請求項４６〜６７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６９】
前記反応センサは、電気インピーダンス断層撮影センサを含む、請求項６８に記載の装置。
【請求項７０】
前記電気インピーダンス断層撮影センサは、
（ａ）前記ターゲット領域に近接する前記対象の組織と接触する複数の電極と、
（ｂ）前記複数の電極のうちのいくつかに交流信号を印加する信号発生器と、
（ｃ）前記複数の電極のうちの他の電極上の信号を感知する信号センサと、
（ｄ）前記信号センサからの信号に従って前記ターゲット領域のマップを生成するように構成された一つ以上のインピーダンス処理装置と、
を含む請求項６９に記載の装置。
【請求項７１】
前記マップは、
（ａ）前記少なくとも１つのコイルの位置決め、および
（ｂ）前記少なくとも１つのコイルに印加される信号の制御、
のうちの少なくとも１つに使用される、請求項７０に記載の装置。
【請求項７２】
前記コイルシステムは、
（ａ）前記コイルアレイによって生成された漂遊磁界を受信するように構成された受信コイルと、
（ｂ）前記受信コイルによって生成された電流を用いてバッテリを充電するために使用される充電システムと、
を含む、請求項４６〜７１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７３】
前記コイルシステムは、前記受信コイルを調整する同調回路を含む、請求項７２に記載の装置。
【請求項７４】
前記コイルシステムは、前記電気制御装置と通信して前記少なくとも１つの刺激信号に従って前記同調回路を制御する同調回路制御装置を含む、請求項７３に記載の装置。
【請求項７５】
前記電気制御装置は、前記コイルシステム内の複数のコイルの各々についてそれぞれの刺激信号を生成する、請求項４６〜７４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７６】
前記変調電磁場は、前記対象の前記ターゲット領域に、
（ａ）治療的刺激、および
（ｂ）治療的阻害
のうちの少なくとも１つを提供するように構成される、請求項４６〜７５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７７】
前記ニューロモデュレーションは、パーキンソン病を治療するために構成され、
前記ターゲット領域は、
（ａ）前記対象の視床下核と、
（ｂ）前記対象の淡蒼球内節と、
（ｃ）前記対象の腹側中間核と、
（ｄ）対象の脚橋核と、
を含む、請求項４６〜７５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７８】
前記ニューロモデュレーションは、本態性振戦のための治療を提供するように構成され、前記ターゲット領域は前記対象の腹側中間核を含む、前記４６〜７５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７９】
前記ニューロモデュレーションは、前記ターゲット領域が前記対象の淡蒼球内節である、ジストニアの治療を提供するように構成される、請求項４６〜７５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８０】
前記ニューロモデュレーションは、強迫性障害の治療を提供するように構成され、
前記ターゲット領域は、
（ａ）前記対象の腹側被膜／腹側線条体、
（ｂ）前記対象の側坐核、および
（ｃ）前記対象の視床下核、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項４６〜７５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８１】
前記ニューロモデュレーションは、疼痛治療を提供するように構成され、
前記ターゲット領域は、前記対象の一次運動野である、
請求項４６〜７５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８２】
前記ニューロモデュレーションは、てんかん治療を提供するように構成され、
前記ターゲット領域は、前記対象の内部カプセルおよび視床の領域を含む、
請求項４６〜７５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８３】
前記ターゲット領域は、前記対象の脊髄を含み、
前記ニューロモデュレーションは、
（ａ）難治性慢性疼痛、
（ｂ）脊髄損傷、
（ｃ）フェイルバック症候群、
（ｄ）複合性局所疼痛症候群、
（ｅ）狭心症、
（ｆ）虚血性四肢痛、
（ｇ）腹痛、
（ｈ）難治性の疼痛状態、および
（ｉ）過活動膀胱症候群、
の少なくとも１つに対する治療を提供するように構成される、前記４６〜７５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８４】
ニューロモデュレーションを実行するための方法であって、
ソフトウェア命令に従って動作する電気制御装置を使用して、
（ａ）実行される前記ニューロモデュレーションを決定し、
（ｂ）信号発生器に変調信号を生成させ、前記変調信号は対象のターゲット領域内に変調電磁場を生成するように構成された少なくとも１つの軸方向コイルを含むコイルシステムに印加され、前記変調電磁場は前記ニューロモデュレーションを実行するように構成される、
ステップを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、聴覚刺激または視覚刺激といった感覚刺激を対象に提供するための方法および装置に関する。この方法および装置は、１つの特定の例において、感覚ニューロンを選択的に活性化するために刺激電磁場を生成することによって感覚刺激を提供する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書における、従前の刊行物（またはそれから派生した情報）への、または既知の主題への言及は、従前の刊行物（またはそれから派生した情報）または既知の主題が本明細書が関係する活動分野における共通の一般的知識の一部を形成することを、承認、許可、または任意の形態の示唆として解釈されるものではなく、また、されるべきではない。
【０００３】
ニューロモデュレーションは、現代医学において複数の用途を有する。広く知られている用途の中には、補綴、すなわち、正常な機能が損なわれた知覚、運動または認知神経機能を改善する装置、神経機構を通して疾患状態における身体の器官を調節する装置、および、末梢および中枢神経系における神経機能の研究が含まれる。これらのニューロモデュレーション技術は、ニューロンを通過するイオンの流れに影響を与え、神経における活動ポテンシャルの発火を刺激するか、または遮断する。伝統的に、ニューロモデュレーションのための主な技術は、ニューロンを横切る電位または電圧勾配を誘導する直流の使用であった。この電位勾配は、一旦十分になると、意図される効果に応じて、ニューロンが活動ポテンシャルを開始または抑制することを可能にする。この技術は、最初の人工内耳によって成功裏に実証された。別のニューロモデュレーション方法論は、磁気刺激の使用であった。経頭蓋磁気刺激装置のような装置は磁気パルスを使用して、ニューロンを横切る電場を誘導し、これは、変調に必要な電位勾配をもたらす。他のニューロモデュレーション技術は、光遺伝学、熱、音響／機械、および化学的ニューロモデュレーションを含む。
【０００４】
世界保健機関は、世界中に約４億６，６００万人の人々が障害性難聴に苦しんでいると推定している。さらに、聴覚装置の現在の生産は、この世界的なニーズの１０％しか満たさない。難聴患者には、難聴の種類や程度によって異なる装置が処方される。難聴患者の聴力を可能にするために現在市販されている４つのタイプの装置がある。これらには、補聴器、骨導補聴器、中耳注入、人工内耳などがある。これらは、重度から非常に重度の感音難聴に苦しむ患者に処方される。
【０００５】
これに関して、聴覚システムは、外耳または耳介が音を外耳道に送る３つの部分から構成される。音響振動は次に、中耳の鼓膜上に向かい、小骨と呼ばれる３つの小さな骨を通して増幅される。次いで、小骨は、内耳に配置された蝸牛に振動を伝達する。蝸牛は、カタツムリの殻に似たスパイラル臓器である。蝸牛の内部は皮質の器官であり、有毛細胞を含んでいる。これらの有毛細胞は、音の振動を感知し、それらに付着したスパイラル神経節ニューロンに伝達される活動ポテンシャルに変換する。スパイラル神経節細胞はそのとき束状になって聴神経を形成する。
【０００６】
中耳に問題がある場合、患者は伝音難聴に苦しむ。内耳またはその後の脳内の聴覚処理経路に問題がある場合、患者は感音難聴に苦しむ。
【０００７】
人工内耳は、患者の有毛細胞が機能していないが、スパイラル神経節ニューロンがまだ機能している場合に処方される。この場合、人工内耳は、蝸牛の内側に配置され、スパイラル神経節ニューロンを脱分極させて一連の活動ポテンシャルまたはスパイクをもたらす電流を注入する。これらのスパイクは脳に運ばれ、聴覚情報として処理される。
【０００８】
「Cochlear Implants: System Design, Integration, and Evaluation」（Fan-Gang Zeng, Senior Member, IEEE, Stephen Rebscher, William Harrison, Xiaoan Sun, Haihong FengによるIEEE Reviews In Biomedical Engineering, VOL. 1, 2008）に記載されているように、人工内耳システムは、複数の部品に分解することができる。第１に、フックとバッテリーケースとともに耳の後ろに配置された外部プロセッサは、環境から音を拾うためにマイクロフォンを使用する。これらの音波は、アナログ信号からデジタル信号に変換され、その後処理されて高周波（ＲＦ）信号に符号化される。このＲＦ信号は、ヘッドピース内のアンテナに送られる。耳の後ろの皮膚の下に配置される内部レシーバに引き付けられる磁石によって、ヘッドピースは、適所に保持される。密閉された刺激装置は、能動電子回路を含む。能動電子回路は、ＲＦ信号から電力を引き出し、それをデコードし、それを電流に変換し、それらを、蝸牛に通じるワイヤに沿って送る。次いで、ワイヤの端部および蝸牛の内側の電極は、送られた電気信号に従って聴覚神経を刺激する。
【０００９】
人工内耳は、医師が耳の後ろを切開し、頭蓋の側頭骨の内側にドリルで穴をあけ、頭蓋の下に内部受信機を入れ、蝸牛の内側に電極を入れる侵襲性の高い手術が必要である。この手術は患者に感染、顔面麻痺、回転性めまい、味覚消失、耳鳴、挿入外傷、および麻酔に関連する他のリスクのような複数のリスクを与える。さらに、その手術は、残存聴力を破壊し、このことは、患者の聴力が手術後に悪化するか、少なくとも何らかの解決を失う危険性があることを意味する。このことの更なる結果は、手術が可逆的でないことであり、これは、一時的な聴力喪失の場合のような一時的な使用ができないこと、または、例えば仮想現実適用または同様のものにおける使用のために、デバイスとの直接的なインターフェースを可能にするための使用ができないことを意味する。
【００１０】
経頭蓋磁気刺激（ＴＭＳ）は、抗うつ療法に使用される。経頭蓋磁気刺激はまた、脳の様々な領域の機能性のマッピング、耳鳴の治療、パーキンソン病、アルツハイマー病の治療、また、最近では網膜ニューロンを刺激するために使用されている。
【００１１】
J. Y. Shin、J.-H. A の「Electrodeless, Non-Invasive Stimulation of Retinal Neurons Using Time-Varying Magnetic Fields」（IEEE Sensors Journal, vol.16, no.24, pp.88832-8840,2016）には、時間的に変化する磁場を使用することによる外科的に非侵襲的な網膜刺激方法が記載されている。網膜刺激は、時間的に変化する磁場を用いて網膜神経節細胞上に渦電流を誘導することによって達成される。刺激装置は、電圧源、電圧ブースター、トリガ回路、ドライバ回路、蓄積キャパシターバンク、および刺激コイルを使用して開発される。
【００１２】
米国特許出願公開第２００７０２６０１０７号明細書には、脳または脊髄との所定の位置における定位経頭蓋磁気刺激（ｓＴＭＳ）のためのシステムが記載されており、アレイ中の選択されたコイルが同時にパルス化される特定の構成に配置された電磁石のアレイを組み込む。機能的ＭＲＩまたは他の画像技術によって実証された病巣の活性化は、罹患した神経領域の位置を特定するために使用することができる。指定されたターゲットの位置を決定するために、撮像技術を利用することもできる。
【００１３】
米国特許出願公開第２００８００４６０５３号明細書には、生物学的組織において集束電流を生成するための装置が記載されている。この装置は、組織の領域を横切って電場を発生させることができる電源と、その電場に対して組織の誘電率を変化させ、それによって変位電流を発生させるための手段とを含む。誘電率を変更する手段は、化学源、光源、機械源、熱源、または電磁源であってもよい。
【００１４】
米国特許出願公開第ＵＳ２００９／０１５６８８４号明細書には、経頭蓋磁気刺激（ＴＭＳ）を用いた特定の神経学的および精神医学的疾患の治療には、特定のパルスパラメータを用いて特定の神経解剖学的構造を標的とする必要があることが記載されている。本明細書には、ＴＭＳ電磁石とターゲットとの間の非ターゲット領域への影響を最小限に抑えながら、脳深部のターゲット領域を選択的に刺激するようにＴＭＳ電磁石を位置決めして電力供給する方法が記載されている。これらの構成の使用は、物理的な、空間的なおよび／または時間的な加重の組み合わせを含み得る。時間的な加重を達成するための具体的なアプローチを詳述する。
【００１５】
米国特許第８，９７２，００４号明細書には、電力源と、透磁性トロイダルコアと、コアの周りに巻かれたコイルとを備える、標的組織へのエネルギーの送達による病状の非侵襲的治療のための装置およびシステムが記載されている。コイルおよびコアは、連続的な電気的な導電性媒体に埋め込まれる。導電性媒体は、任意の角度で配置された患者のターゲット身体の表面の輪郭に一致する形状を有するように適合されている。導電性媒体はいくつかの開示された方法のいずれかによってその表面に適用され、コイルが患者内に電流および／または電場を誘導し、それによって、患者内の組織および／または１つ以上の神経線維を刺激するように、電荷のパルスを電源がコイルに供給する。本発明は、長い神経に平行に配置することができる効果の細長い電場を形成する。一実施形態において、装置は互いに隣接して位置する２つのトロイダルコアを備える。
【００１６】
米国特許出願公開第２０１１／００２９０４４号明細書には、哺乳動物に物理的に接触することなく哺乳動物の特性を感知するように構成されたセンサデバイスを含むシステムが記載されている。システムはまた、感知された哺乳動物の特性を示す信号を生成するように構成された信号発生器を含む。このシステムは、さらに、感知された哺乳動物の特性を示す信号に応じて、哺乳動物の神経系成分を調節するように動作可能な刺激を出力するように構成されたニューロモデュレーション装置を記載する。
【００１７】
米国特許出願公開第２０１３／０２４５４８６号明細書には、患者の頸部内に位置する迷走神経の可能性がある神経を非侵襲的に電気的に刺激することにより、片頭痛のような病状を治療する装置および方法が記載されている。好ましい実施形態は、患者が自分の状態を自己治療することを可能にする。開示された方法は、装置が首に正しく配置されていること、および刺激の振幅および他のパラメータが実際に治療波形で迷走神経を刺激することを保証する。これらの方法は、患者の喉頭の特性、瞳孔直径、眼内の血流、皮膚電位および／または心拍変動を測定することを含む。
【００１８】
ＴＭＳにおける主要な課題は、コイルデザインであり、特に、頭皮に隣接する脳などの他の領域での刺激を最小限に抑えつつ、より深い神経組織を適切に刺激できるコイルを作り出すことである。この課題は、磁場がコイルから離れた距離の二乗に反比例するといった電磁場を支配する非常に物理的な法則によってもたらされる。ＴＭＳコイルのいくつかの一般的な設計は、円形コイル、８の字形コイル、Ｃコアコイル、クラウンコイル、およびＨコイルを含む。コイル設計の適合性は、用途によって異なる。表面レベルの皮質刺激のために、円形および８の字形コイルが使用され、後者はより良好な焦点性を提供する。脳深部刺激（ＤＢＳ）プロトコルでは、Ｃコア、クラウン、およびＨコイルのような、より大きなコイル設計が使用される。Ｃコアコイルはまた、それらの中に高透磁率鉄心を含み、これは、次に、領域を強化し、加熱を低減し、頭皮刺激を最小限にする。
【発明の概要】
【００１９】
広範な一形態において、本発明の一態様は、対象に感覚刺激を提供するための装置を提供することを目的とし、前記装置は、刺激入力を示す入力信号を取得する入力部と、信号発生器と、少なくとも１つのコイルを含むコイルシステムと、ソフトウェア命令に従って動作する電気制御装置と、を備え、前記電気制御装置は、前記入力部から前記入力信号を受信し、前記入力信号の分析を実行し、前記分析の結果を使用して、前記信号発生器に刺激信号を発生させ、前記刺激信号は前記コイルシステムに印加されて前記対象のターゲット領域に刺激電磁場を発生させ、前記刺激電磁場は前記刺激入力に従って感覚ニューロンを選択的に活性化して前記対象を刺激するように構成される。
【００２０】
一実施形態において、前記入力部は、前記刺激入力を感知する入力センサと、遠隔装置から前記入力信号を受信する無線トランシーバとを含む。
【００２１】
一実施形態において、前記入力センサは、マイクロフォンおよび撮像デバイスのうちの少なくとも１つを含む。
【００２２】
一実施形態において、前記刺激入力は可聴であり、前記感覚ニューロンはスパイラル神経節ニューロンである。
【００２３】
一実施形態において、前記刺激入力は視覚的であり、前記感覚ニューロンは、網膜神経節ニューロン、視神経、外側膝状核、および視覚野、の少なくとも１つである。
【００２４】
一実施形態において、前記刺激電磁場は、前記ターゲット領域の外側の前記刺激電磁場の大きさを最小化するように生成される。
【００２５】
一実施形態において、前記刺激電磁場は、複数の電磁場の重ね合わせ、少なくとも１つの不均一電磁場、および一連の電磁場、のうちの少なくとも１つを含む。
【００２６】
一実施形態において、前記コイルシステムは、少なくとも２つのコイル、少なくとも３つのコイル、少なくとも４つのコイル、１０個未満のコイル、８個未満のコイル、並びに少なくとも１つの一次コイルおよび少なくとも１つの二次コイル、のうちの少なくとも１つを含む。
【００２７】
一実施形態において、前記コイルシステムは、複数のコイルのそれぞれからの電磁場をターゲット領域上に焦点を合わせるように配置されたコイル形状を有する。
【００２８】
一実施形態において、複数のコイルのうちの異なるものは、前記ターゲット領域の異なる部分に焦点が合わされる。
【００２９】
一実施形態において、前記コイルシステムは、軸の周囲に円周方向に間隔をあけて配置された複数のコイルを含み、前記軸は前記ターゲット領域に位置し、前記コイルの端部が前記ターゲット領域と対向するよう前記コイルが前記軸に対して角度を有して配置されている。
【００３０】
一実施形態において、前記コイルシステムは、前記軸に位置する少なくとも１つのコイルを含む。
【００３１】
一実施形態において、前記コイルシステムは、円錐テーパーコイル、デュアルローブコイル、バタフライコイル、フラットコイル、スパイラルコイル、ヘリカルコイル、多層ヘリカルコイル、および、コアに巻かれたコイル、のうちの少なくともいずれか１つである、少なくとも１つのコイルを含む。
【００３２】
一実施形態において、少なくとも１つのコイルの少なくとも１つの巻線は、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、１．５ｍｍ未満、１０ｍｍ未満、１５ｍｍ未満、および２０ｍｍ未満のうちの少なくとも１つの内半径、並びに、５ｍｍ以上、８ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、２０ｍｍ以上、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ未満、および６０ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの外半径、のうちの少なくとも１つを有する。
【００３３】
一実施形態において、前記コイルシステムは、前記ターゲット領域内に電場を生成するように構成された少なくとも１つの軸方向のコイルを含む。
【００３４】
一実施形態において、前記軸方向のコイルは、コイル形状の軸に沿って延在する複数の導体を含み、前記コイル形状は、円錐、半球、凹状の半球、凸状の半球、および円筒、のうちの少なくとも１つの形状を有する。
【００３５】
一実施形態において、少なくとも１つのコイルは、０．００１ｍｍ２以上、０．０１ｍｍ２、０．１ｍｍ２以上、１ｍｍ２以上、５ｍｍ２以上、１０ｍｍ２以上、２０ｍｍ２未満、および１５ｍｍ２未満、の少なくとも１つの断面積を有する、円形および長方形の少なくとも１つの断面形状を有する、並びに、ワイヤ、銅線、および編組線で作製された、うちの少なくとも１つの導体から巻かれている。
【００３６】
一実施形態において、前記コイルは、空芯、軟磁性複合コア、絶縁磁心、積層コア、高透磁率磁心、および金属コアのうちの少なくとも１つのコアの周りに巻かれる。
【００３７】
一実施形態において、前記コアは、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、１．５ｍｍ未満、１０ｍｍ未満、１５ｍｍ未満、および２０ｍｍ未満のうちの少なくとも１つの半径、並びに、０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、１５ｍｍ以上、約２０ｍｍ〜３０ｍｍ、および４０ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの長さ、のうちの少なくとも１つを有する。
【００３８】
一実施形態において、前記コアは、前記対象に最も近い前記コアの端部に近接して内向きに先細になっている。
【００３９】
一実施形態において、前記装置は、漂遊磁界を減少させるために前記コイルシステムに隣接して配置された少なくとも１つのシールドを含む。
【００４０】
一実施形態において、前記少なくとも１つのシールドは、反磁性シールド、導電性シールド、各コイルに隣接して配置されたシールド、並びに、各コイルに隣接して配置されたシールドであって、各シールドは０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、約１ｍｍ、および１．５ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの半径を有する開口部を含むシールド、を含む。
【００４１】
一実施形態において、前記装置は、ユーザによって装着されるように構成されたハウジングを含む。
【００４２】
一実施形態において、前記ハウジングは、前記コイルシステムを収容する第１のコイルシステムハウジングと、信号処理コンポーネントを収容する第２の処理コンポーネントハウジングとを含む。
【００４３】
一実施形態において、前記装置は、前記入力センサ信号を少なくとも部分的に処理する信号プロセッサを含む。
【００４４】
一実施形態において、前記信号発生器は、前記電気制御装置からの信号に従って制御された駆動信号を発生するドライバ回路と、前記駆動信号を用いて前記刺激信号を生成する各コイルのためのトリガ回路とを含む。
【００４５】
一実施形態において、前記信号発生器は、前記トリガ回路が使用するための電荷を保存する高電圧容量性保存部を含む電源を含む。
【００４６】
一実施形態において、前記信号発生器は、エネルギー回収回路を含む。
【００４７】
一実施形態において、前記装置は、前記コイルを冷却する冷却システムを含む。
【００４８】
一実施形態において、前記装置は、前記対象の反応を測定する反応センサを含み、前記電気制御装置は、前記少なくとも１つの刺激信号を生成するステップと、前記コイルアレイ内のコイルの位置を制御するステップと、のうちの少なくとも１つに、前記反応センサからの反応信号を使用する。
【００４９】
一実施形態において、前記反応センサは、電気インピーダンス断層撮影センサを含む。
【００５０】
一実施形態において、前記電気インピーダンス断層撮影センサは、前記ターゲット領域に近接する前記対象の組織と接触する複数の電極と、前記複数の電極のうちのいくつかに交流信号を印加する信号発生器と、前記複数の電極のうちの他の電極上の電気信号を測定する信号センサと、測定された信号に従って前記ターゲット領域のマップを生成するように構成された一つ以上のインピーダンス処理装置とを含む。
【００５１】
一実施形態において、前記マップは、前記少なくとも１つのコイルの位置決め、および前記少なくとも１つのコイルに印加される刺激信号の制御、のうちの少なくとも１つに使用される。
【００５２】
一実施形態において、前記コイルシステムは、前記コイルアレイによって生成された漂遊磁界を受信するように構成された受信コイルと、前記受信コイルによって生成された電流を用いてバッテリを充電するために使用される充電システムとを含む。
【００５３】
一実施形態において、前記コイルシステムは、前記受信コイルを調整する同調回路を含む。
【００５４】
一実施形態において、前記コイルシステムは、前記電気制御装置と通信して前記少なくとも１つの刺激信号に従って前記同調回路を制御する同調回路制御装置を含む。
【００５５】
一実施形態において、前記電気制御装置は、前記コイルシステム内の複数のコイルの各々についてそれぞれの刺激信号を生成する。
【００５６】
一実施形態において、前記装置は、前記対象に感覚刺激を提供するための出力部を含む。
【００５７】
一実施形態において、前記刺激入力は可聴であり、前記出力部は、前記対象に聴覚刺激を提供するためのスピーカを含む。
【００５８】
一実施形態において、前記電気制御装置は、前記入力センサ信号を分析して一つ以上の特徴を決定し、前記特徴を用いて一つ以上の刺激信号を生成する。
【００５９】
一実施形態において、可聴な感覚入力のために、前記特徴は、異なる周波数における音響信号の電力に関する特徴、異なる周波数における音響信号の電力変化に関する特徴、異なる周波数における音響信号の電力変化率に関する特徴、時間領域の特徴、スペクトルの特徴、ケプストラムの特徴、ウェーブレットの特徴、周波数係数、メル周波数ケプストラム係数（ＭＦＣＣ）、ガンマトン周波数ケプストラム係数（ＧＦＣＣ）、ＧＦＣＣデルタ、ＧＦＣＣダブルデルタ、のうちの少なくとも１つを含む。
【００６０】
一実施形態において、前記電気制御装置は、前記特徴と一つ以上の計算モデルとを用いて前記一つ以上の刺激信号を生成し、前記計算モデルは、前記特徴と異なる刺激信号との間の関係を具体化する。
【００６１】
一実施形態において、前記少なくとも１つの計算モデルは、基準対象について、異なる特徴を用いて生成された基準刺激信号に応じて測定された基準反応、前記対象について、異なる特徴を用いて生成された基準刺激信号に応じて測定された基準反応、および、前記対象の３Ｄスキャンから得られた前記対象の少なくとも前記ターゲット領域のモデル、のうちの少なくとも１つを用いて導出される。
【００６２】
一実施形態において、前記少なくとも１つの計算モデルは、前記基準反応および基準刺激信号に機械学習を適用することによって導出される。
【００６３】
広範な一形態において、本発明の一態様は、対象に感覚刺激を提供するための方法を提供することを目的とし、前記方法は、刺激入力を示す入力信号を取得するために入力部を使用するステップと、前記入力部から前記入力信号を受信し、前記入力信号の分析を実行し、前記分析の結果を使用して信号発生器に刺激信号を発生させ、前記刺激信号はコイルシステムに印加されて前記対象のターゲット領域に刺激電磁場を発生させ、前記刺激電磁場は前記刺激入力に従って感覚ニューロンを選択的に活性化して前記対象を刺激するように構成される、ソフトウェア命令に従って動作する電気制御装置を使用するステップと、を含む。
【００６４】
広範な一形態において、本発明の一態様は、ニューロモデュレーションを実行するための装置を提供することを目的とし、前記装置は、信号発生器と、少なくとも１つの軸方向コイルを含むコイルシステムと、ソフトウェア命令に従って動作する電気制御装置とを備え、前記電気制御装置は、実行されるニューロモデュレーションを決定し、前記信号発生器に変調信号を発生させ、前記変調信号は前記コイルシステムに印加されて対象のターゲット領域に変調電磁場を発生させ、前記変調電磁場は前記ニューロモデュレーションを実行するように構成される。
【００６５】
一実施形態において、前記軸方向コイルは、コイル形状の軸に沿って延在する複数の導体を含み、前記コイル形状は、円錐、半球、凹状の半球、凸状の半球、および円筒のうちの少なくとも１つの形状を有する。
【００６６】
一実施形態において、前記電気制御装置は、入力部を介して受信される入力信号、およびセンサから受信されるセンサ信号のうちの少なくとも１つに従って、実行される前記ニューロモデュレーションを決定するように構成される。
【００６７】
一実施形態において、前記入力部は、無線トランシーバモジュールを含む。
【００６８】
一実施形態において、前記電気制御装置は、メモリに記憶された複数の定義された変調シーケンスのうちの１つを選択するように構成される。
【００６９】
一実施形態において、前記コイルシステムは、２つ以上のコイル、３つ以上のコイル、４つ以上のコイル、１０個未満のコイル、８個未満のコイル、並びに、１つ以上の一次コイルおよび１つ以上の二次コイル、のうちの少なくとも１つを含む。
【００７０】
一実施形態において、前記コイルシステムは、複数のコイルのそれぞれからの電磁場を前記ターゲット領域上に焦点を合わせるように配置されたコイル形状を有する。
【００７１】
一実施形態において、前記複数のコイルのうちの異なるものは、前記ターゲット領域の異なる部分に焦点が合わされる。
【００７２】
一実施形態において、前記コイルシステムは、軸の周囲に円周方向に間隔をあけて配置された複数のコイルを含み、前記軸は前記ターゲット領域に位置し、前記コイルの端部が前記ターゲット領域と対向するよう前記コイルが前記軸に対して角度を有して配置されている。
【００７３】
一実施形態において、前記コイルシステムは、前記軸に位置する少なくとも１つのコイルを含む。
【００７４】
一実施形態において、少なくとも１つのコイルは、０．００１ｍｍ２以上、０．０１ｍｍ２以上、０．１ｍｍ２以上、１ｍｍ２以上、５ｍｍ２以上、１０ｍｍ２以上、２０ｍｍ２未満、および、１５ｍｍ２未満のうちの少なくとも１つの断面積を有する、円形、および長方形のうちの少なくとも１つの断面形状を有する、並びに、ワイヤ、銅線、および編組線で作製された、うちの少なくとも１つの導体から巻かれている。
【００７５】
一実施形態において、前記コイルは、空芯、軟磁性複合コア、絶縁磁心、積層コア、高透磁率磁心、および金属コア、のうちの少なくとも１つコアの周りに巻かれている。
【００７６】
一実施形態において、前記コアは、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、１．５ｍｍ未満、１０ｍｍ未満、１５ｍｍ未満、および２０ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの半径、並びに、０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、１５ｍｍ以上、約２０ｍｍ〜３０ｍｍ、および４０ｍｍ未満のうちの少なくとも１つの長さ、のうちの少なくとも１つを有する。
【００７７】
一実施形態において、前記装置は、漂遊磁界を減少させるためにコイルシステムに隣接して配置された少なくとも１つのシールドを含む。
【００７８】
一実施形態において、前記少なくとも１つのシールドは、反磁性シールド、導電性シールド、各コイルに隣接して配置されたシールド、並びに、各コイルに隣接して配置されたシールドであって、各シールドは、０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ以上、約１ｍｍ、および１．５ｍｍ未満、のうちの少なくとも１つの半径を有する開口部を含むシールド、を含む。
【００７９】
一実施形態において、前記装置は、ユーザによって装着されるように構成されたハウジングを含む。
【００８０】
一実施形態において、前記ハウジングは、前記コイルシステムを収容する第１のコイルシステムハウジングと、信号処理コンポーネントを収容する第２の処理コンポーネントハウジングと、を含む。
【００８１】
一実施形態において、前記装置は、前記入力センサ信号を少なくとも部分的に処理する信号プロセッサを含む。
【００８２】
一実施形態において、前記信号発生器は、前記電気制御装置からの信号に従って制御された駆動信号を発生するドライバ回路と、前記駆動信号を用いて前記刺激信号を生成する各コイルのためのトリガ回路とを含む。
【００８３】
一実施形態において、前記信号発生器は、前記トリガ回路が使用するための電荷を保存する高電圧容量性保存部を含む電源を含む。
【００８４】
一実施形態において、前記信号発生器は、エネルギー回収回路を含む。
【００８５】
一実施形態において、前記装置は、前記コイルを冷却する冷却システムを含む。
【００８６】
一実施形態において、前記装置は、前記対象の反応を測定する反応センサを含み、前記電気制御装置は、前記少なくとも１つの刺激信号を生成するステップと、前記コイルアレイ内のコイルの位置を制御するステップと、のうちの少なくとも１つに、前記反応センサからの反応信号を使用する。
【００８７】
一実施形態において、前記反応センサは、電気インピーダンス断層撮影センサを含む。
【００８８】
一実施形態において、前記電気インピーダンス断層撮影センサは、前記ターゲット領域に近接する前記対象の組織と接触する複数の電極と、前記複数の電極のうちのいくつかに交流信号を印加する信号発生器と、複数の電極のうちの他の電極上の信号を感知する信号センサと、前記信号センサからの信号に従って前記ターゲット領域のマップを生成するように構成された一つ以上のインピーダンス処理装置と、を含む。
【００８９】
一実施形態において、前記マップは、前記少なくとも１つのコイルの位置決め、および前記少なくとも１つのコイルに印加される信号の制御、のうちの少なくとも１つに使用される。
【００９０】
一実施形態において、前記コイルシステムは、前記コイルアレイによって生成された漂遊磁界を受信するように構成された受信コイルと、前記受信コイルによって生成された電流を用いてバッテリを充電するために使用される充電システムと、を含む。
【００９１】
一実施形態において、前記コイルシステムは、前記受信コイルを調整する同調回路を含む。
【００９２】
一実施形態において、前記コイルシステムは、前記電気制御装置と通信して前記少なくとも１つの刺激信号に従って前記同調回路を制御する同調回路制御装置を含む。
【００９３】
一実施形態において、前記電気制御装置は、前記コイルシステム内の複数のコイルの各々についてそれぞれの刺激信号を生成する。
【００９４】
一実施形態において、前記変調電磁場は、前記対象のターゲット領域に、治療的刺激、および治療的阻害のうちの少なくとも１つを提供するように構成される。
【００９５】
一実施形態において、前記ニューロモデュレーションは、パーキンソン病を治療するために構成され、前記ターゲット領域は、前記対象の視床下核と、前記対象の淡蒼球内節と、前記対象の腹側中間核と、前記対象の脚橋核と、を含む。
【００９６】
一実施形態において、前記ニューロモデュレーションは、本態性振戦のための治療を提供するように構成され、前記ターゲット領域は、前記対象の腹側中間核を含む。
【００９７】
一実施形態において、ニューロモデュレーションは、前記ターゲット領域が前記対象の淡蒼球内節である、ジストニアに対する治療を提供するように構成される。
【００９８】
一実施形態において、前記ニューロモデュレーションは、強迫性障害の治療を提供するように構成され、前記ターゲット領域は、前記対象の腹側被膜／腹側線条体、前記対象の側坐核、および前記対象の視床下核、のうちの少なくとも１つを含む。
【００９９】
一実施形態において、ニューロモデュレーションは、疼痛治療を提供するように構成され、前記ターゲット領域は、前記対象の一次運動野である。
【０１００】
一実施形態において、ニューロモデュレーションは、てんかん治療を提供するように構成され、前記ターゲット領域は、前記対象の内部カプセルおよび視床の領域を含む。
【０１０１】
一実施形態において、前記ターゲット領域は、前記対象の脊髄を含み、前記ニューロモデュレーションは、難治性慢性疼痛、脊髄損傷、フェイルバック症候群、複合性局所疼痛症候群、狭心症、虚血性四肢痛、腹痛、難治性の疼痛状態、および過活動膀胱症候群、の少なくとも１つに対する治療を提供するように構成される。
【０１０２】
広範な一形態において、本発明の一態様は、ニューロモデュレーションを実行するための方法を提供することを目的とし、前記方法は、ソフトウェア命令に従って動作する電気制御装置を使用して、実行される前記ニューロモデュレーションを決定し、信号発生器に変調信号を生成させ、前記変調信号は対象のターゲット領域に変調電磁場を生成するように構成された少なくとも１つの軸方向コイルを含むコイルシステムに印加され、前記変調電磁場は前記ニューロモデュレーションを実行するように構成される、ステップを含む。
【０１０３】
本発明の広範な形態およびそれらのそれぞれの特徴は、関連しておよび／または独立して使用されることができ、別個の広範な形態への言及は限定することを意図しないことが理解される。さらに、本方法の特徴は、システムまたは装置を使用して実行することができ、システムまたは装置の特徴は、本方法を使用して実施することができることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
本発明の様々な例および実施形態を、添付の図面を参照して以下に説明する。
【０１０５】
【図１】図１は、対象に感覚刺激を提供するための装置の一例の概略図である。
【０１０６】
【図２】図２は、対象に感覚刺激を提供するための方法の一例のフローチャートである。
【０１０７】
【図３】図３は、対象に感覚刺激を提供するための装置の特定の例の概略図である。
【０１０８】
【図４Ａ】図４Ａは、可聴感覚刺激を提供するための装置の物理的構成の一例の概略図である。
【０１０９】
【図４Ｂ】図４Ｂは、可聴感覚刺激を提供するための装置の物理的構成のさらなる例の概略図である。
【０１１０】
【図５Ａ】図５Ａは、視覚的感覚刺激を提供するための装置の物理的構成の一例の概略図である。
【０１１１】
【図５Ｂ】図５Ｂは、対象に視覚刺激を提供するための装置の物理的構成の第２の例の概略図である。
【０１１２】
【図６】図６は、対象に感覚刺激を提供するための方法の特定の例のフローチャートである。
【０１１３】
【図７】図７は、モデルを生成する方法の一例のフローチャートである。
【０１１４】
【図８Ａ】図８Ａは、コイルによって生成される照射野に対する反磁性シールドの影響を示す概略的なポジティブおよびネガティブ画像である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、コイルによって生成される照射野に対する反磁性シールドの影響を示す概略的なポジティブおよびネガティブ画像である。
【０１１５】
【図９Ａ】図９Ａは、一例のコイルシステム構成の概略図である。
【０１１６】
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａのコイルシステムを用いて対象に発生させた電場を示す概略図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ａのコイルシステムを用いて対象に発生させた電場を示す概略図である。
【０１１７】
【図１０Ａ】図１０Ａは、代替コイルシステム構成の一例の概略図である。
【０１１８】
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａのコイルシステムによって生成される電磁場を示す概略的なポジティブおよびネガティブ画像である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図１０Ａのコイルシステムによって生成される電磁場を示す概略的なポジティブおよびネガティブ画像である。
【０１１９】
【図１１Ａ】図１１Ａは、コイルシステム構成のさらなる例、および結果として生じる電磁場の模式的なポジティブ画像およびネガティブ画像である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、コイルシステム構成のさらなる例、および結果として生じる電磁場の模式的なポジティブ画像およびネガティブ画像である。
【０１２０】
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ａおよび図１１Ｂのコイルシステム構成について、蝸牛において生成された電流密度を示す模式的なポジティブおよびネガティブ画像である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、図１１Ａおよび図１１Ｂのコイルシステム構成について、蝸牛において生成された電流密度を示す模式的なポジティブおよびネガティブ画像である。
【０１２１】
【図１２Ａ】図１２Ａは、コイルシステム構成のさらなる例、および結果として生じる電磁場の模式的なポジティブおよびネガティブ画像である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、コイルシステム構成のさらなる例、および結果として生じる電磁場の模式的なポジティブおよびネガティブ画像である。
【０１２２】
【図１３Ａ】図１３Ａは、例示的な円錐軸方向コイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、例示的な円錐軸方向コイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、例示的な円錐軸方向コイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【０１２３】
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、複数の円錐軸方向のコイルを含むコイルアレイによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【図１３Ｅ】図１３Ｅは、複数の円錐軸方向のコイルを含むコイルアレイによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【０１２４】
【図１３Ｆ】図１３Ｆは、円錐軸方向のコイルのさらなる例によって生成される電磁場の一例を示す模式図である。
【０１２５】
【図１４Ａ】図１４Ａは、例示的な凹曲軸方向のコイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、例示的な凹曲軸方向のコイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【０１２６】
【図１５】図１５は、例示的な凸曲軸方向のコイルによって生成される電磁場の一例を示す模式図である。
【０１２７】
【図１６Ａ】図１６Ａは、高透磁率コアを用いる例示的な円筒状軸方向コイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、高透磁率コアを用いる例示的な円筒状軸方向コイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【０１２８】
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、高透磁率コアを用いない例示的な円筒状軸方向コイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【図１６Ｄ】図１６Ｄは、高透磁率コアを用いない例示的な円筒状軸方向コイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【０１２９】
【図１６Ｅ】図１６Ｅは、高透磁率コアを用いない例示的な円錐形軸方向コイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【図１６Ｆ】図１６Ｆは、高透磁率コアを用いない例示的な円錐形軸方向コイルによって生成される電磁場の例を示す模式図である。
【０１３０】
【図１７Ａ】図１７Ａは、円筒状の軸方向コイルを含むコイルアレイの一例によって、蝸牛に発生する電磁場の一例を示す概略図である。
【０１３１】
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、図１７Ａのコイルアレイによって蝸牛に生成される電磁場の例を示す概略図である。
【０１３２】
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、使用中の図１７Ａのコイルアレイの概略側面図である。
【０１３３】
【図１７Ｄ】図１７Ｄは、使用中の図１７Ａのコイルアレイの概略正面図である。
【０１３４】
【図１８Ａ】図１８Ａは、図１７Ａのコイルアレイを組み込んだヘッドセットの一例の概略斜視図である。
【０１３５】
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、図１８Ａのヘッドセットのための制御装置の例の概略斜視図である。
【０１３６】
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、使用中の図１８Ａのヘッドセットの概略側面図である。
【０１３７】
【図１９Ａ】図１９Ａは、漂遊磁界リカバリーシステムの例の概略図である。
【０１３８】
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、漂遊磁界リカバリーシステムを組み込んだ、対象に感覚刺激を提供するための装置の特定の例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０１３９】
次に、図１を参照して、対象に感覚刺激を与えるための装置の一例を説明する。
【０１４０】
本例において、本装置は、刺激入力を示す入力信号を取得する入力部１０１を含む。入力部の性質は、好ましい実装形態に応じて変わり、多種多様な異なる入力部を使用することができる。一例として、入力部は、刺激入力を感知するように動作するセンサの形態であり、例えば、マイクロフォンまたはイメージングデバイスを使用して、可聴または視覚刺激入力を捕捉する。あるいは、入力部は、以下でより詳細に説明するように、携帯電話などといった遠隔装置から入力信号を受信するトランシーバとすることができる。
【０１４１】
本装置は、１つ以上のコイル１１１を含んでいるコイルシステムに結合された信号発生器１０７を含む。信号発生器の性質は、好ましい実装形態に応じて変わるが、一例において、信号発生器は、コイルに印加される変化する電流信号を発生するように構成された電流源である。これは、増幅器または同様のものを含むことができ、または、以下により詳細に説明するように、コイルを通して放電することができる容量性保存を含むことができる。コイルシステムの構成は、提供されるべき感覚刺激に応じて変化するが、一般的にこれは、任意で、それぞれのコア上に提供される、スパイラル、複数層ヘリカルコイルなどといった複数のコイルを含み、さらなる例は以下でより詳細に説明される。
【０１４２】
本装置は、さらに、一般的にメモリ等に記憶されたソフトウェア命令に従って動作し、入力部１０１から入力信号を受信し、生成された信号を制御するように動作する電気制御装置１０３を含む。
【０１４３】
電気制御装置の性質は、好適な実装形態に応じて変化するが、一例として、電気制御装置は、入力部から受信した入力信号を処理し、入力信号を分析し、信号発生器を制御することができる集積回路または同様のものである。しかしながら、制御装置は、マイクロプロセッサ、マイクロチッププロセッサ、論理ゲート構成、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）といった実装論理に任意で関連付けられるファームウェア、または任意の他の電子デバイス、システムまたは構成といった任意の電子処理デバイスであってもよいことも理解されるのであろう。
【０１４４】
次に、図２を参照して、図１の装置の動作例を説明する。
【０１４５】
本例において、ステップ２００では、入力信号は、知覚入力を感知することによって、またはコンピュータシステム、携帯電話等といった遠隔装置から知覚入力を示す信号を受信することによって、入力部１０１によって得られる。
【０１４６】
ステップ２１０で、制御装置１０３は、入力信号を分析して、コイルシステムによって生成される必要がある場（複数可）を確認する。実行される分析の性質は、好ましい実装形態に応じて変化するが、一般的にこれは異なる周波数における信号の電力に関する特徴のような、信号中の特定の特徴を識別することを含み、これらは次に、ステップ２２０において、信号発生器を制御するために直接的または間接的に使用され、それによって、信号に一つ以上の刺激信号を生成させる。
【０１４７】
次にステップ２３０で、刺激信号がコイルシステムに印加され、コイルシステムに刺激電磁場を発生させる。この点に関して、刺激電磁場は、対象のターゲット領域において発生され、それがターゲット領域において感覚ニューロンを活性化するのに十分なほど強力であり、それによって刺激入力に応じて対象を刺激する。
【０１４８】
さらに、コイルシステムによって生成される磁場に対する適切な制御は、感覚ニューロンの個々のグループを標的とするための刺激磁場の局在化を可能にし、次いで、異なる反応が得られることを可能にする。例えば、これは、蝸牛と同様の方法で、人工内耳の異なるニューロンを刺激するために使用することができ、それによって、異なる可聴刺激を再生することができる。
【０１４９】
従って、上記のアプローチは、対象のターゲット領域において必要とされる強度の刺激場を使用して、感覚ニューロンを非侵襲的に刺激するために電磁場を使用する。
【０１５０】
この点に関して、コイルによって生成される磁場は、ビオ・サバールの法則によって与えられる：
【数１】
2021517502.tif 000003
【０１５１】
ここでＢは、電流Ｉを運ぶコイルによって生成される磁束密度であり、μは、物体の透磁率であり、Ｒは、電線から磁場が計算される点までの変位ベクトルである。
【０１５２】
電流は、コイル内に誘導され、コイルは、標的とされている組織の上方に配置され、磁場の変化をもたらす。その後、変化する磁場は、ファラデーの法則で与えられる電場をつくる：
【数２】
2021517502.tif 000004
【０１５３】
組み合わせると、２つの方程式は、次のようになる：
【数３】
2021517502.tif 000005
【０１５４】
ここで、Ｈは、磁場強度である。磁場は、磁気ベクトルポテンシャルを用いて計算することもできる：
【数４】
2021517502.tif 000006
【０１５５】
ここで、Ａは磁気ベクトルポテンシャルである。式は次のようになる：
【数５】
2021517502.tif 000007
【０１５６】
ここで、
【数６】
2021517502.tif 000008
は、静電ポテンシャルであり、ラプラス方程式
【数７】
2021517502.tif 000009
を満たす。
【０１５７】
誘導電界は、２つの部分に分割することができる。
【数８】
2021517502.tif 000010
および
【数９】
2021517502.tif 000011
である。
第１の式は、コイルによって誘導される磁場であり、第２の式は、組織界面における電荷の蓄積による磁場である。
【０１５８】
ニューロンは、一般的にイオンチャンネルと呼ばれる埋め込まれたタンパク質構造をその中に含有する脂質二重層膜を含有する。これらのイオンチャンネルは、細胞内環境（細胞質）を細胞外環境に接続するゲートウェイとして作用する。これら２つの環境は、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｃｌ−や他の有機イオンのような多くの荷電イオン種を含有しており、その濃度は、イオンの種類や細胞内外での存在に応じて変化する。これらの異なる濃度に起因して、細胞外液と細胞質との間に、結果として生じる電位差が存在する。一般的に、脂質二重層の細胞外側に正電荷が蓄積し、その細胞質側に負電荷が蓄積する。これにより両側間に電位差が生じ、細胞質は、細胞外液より６０〜７０ｍＶ程度低い。これらのイオン濃度と電位差は、ニューロンが受動的、すなわち静止状態にある場合のものであり、この電位差を平衡電位と呼ぶ。イオンＸのこの平衡電位は、ネルンスト方程式によって与えられる。
【数１０】
2021517502.tif 000012
【０１５９】
ここで、Ｒは、気体定数であり、Ｔは、ケルビンで与えられる温度であり、ｚは、イオンの価数であり、Ｆは、ファラデー定数であり、
【数１１】
2021517502.tif 000013
および
【数１２】
2021517502.tif 000014
は、それぞれ細胞の外部および内部のイオンの濃度である。
【０１６０】
ネルンスト方程式からの表現は、一つのタイプのイオン種による膜電位への寄与のみを提供する。組み合わせるとき、多種多様なイオン種によるポテンシャルは、ゴールドマン方程式によって与えられる。
【数１３】
2021517502.tif 000015
【０１６１】
ここで、
【数１４】
2021517502.tif 000016
は、速度ｃｍ／ｓの単位であり、そのイオンに対する膜の透過性を示す。
【０１６２】
イオンチャネルは、電圧、機械的力、光、および特定の有機分子のような多種多様なトリガーのために開閉することができ、それらの開閉は、活動ポテンシャルと呼ばれる神経伝達の基本信号を含む。例えば、巨大イカ軸索の閾値は−７０ｍＶの静止電位の正の側にあり、すなわち、０ｍＶに向かって移動する必要がある。
【０１６３】
いったん閾値に達すると、ナトリウムチャンネルが開き、ニューロンのさらなる脱分極を導く。これは、膜電位における急激な上昇を結果として起こす。これは、カリウムチャンネルが開くことを誘発し、細胞質中により多くのカリウムイオンが存在するため、カリウムイオンの流出が存在し、これは、細胞を再び分極させる。ナトリウムチャンネルとカリウムチャンネルの閉鎖の間には遅れがあり、その結果、細胞は過分極し、すなわち−７０ｍＶ未満になる。その後、イオンポンプを介して静止膜電位に戻る。イオンチャンネル開閉のこのカスケードは、活動ポテンシャルと呼ばれる膜電位の独特の波形をもたらす。
【０１６４】
神経刺激の場合、刺激方法は、活動ポテンシャルを誘発することを目的とする。電気的および電磁的刺激の場合、ニューロン組織の活性化は、ニューロンとそれを取り囲む電場との間の相互作用による。神経線維を横切る電場は、脂質二重層を横切るさらなる電荷の蓄積を引き起こす。これは、電位差につながり、一旦、閾値に達すると、活動ポテンシャルの開始につながる。電流ベースの刺激の場合、刺激電流による膜を横切るこの電圧変化は、以下の式によって与えられる：
【数１５】
2021517502.tif 000017
【０１６５】
ここで、Ｖは、電圧、Ｉｉｏｎは、適切な膜モデルから計算できるイオン電流、Ｉｓｔｉｍｕｌｕｓ−は、活性化電流、Ｃｍは、膜静電容量である。電場に関して、ニューロン構造は、ホジキン・ハクスレーモデルによってモデル化でき、それらの反応は、ケーブル方程式によって研究できる。
【数１６】
2021517502.tif 000018
【０１６６】
ここで、
【数１７】
2021517502.tif 000019
は、誘導電場の軸方向成分であり、
Ｖは、膜貫通電圧であり、
【数１８】
2021517502.tif 000020
は、ケーブルの空間定数であり、
【数１９】
2021517502.tif 000021
は、その時間定数である。
【０１６７】
しかしながら、この方程式は、イオンチャンネルダイナミクスを考慮に入れていない。そのために、この式は以下のように変更することができる。
【数２０】
2021517502.tif 000022
【０１６８】
ここで
【数２１】
2021517502.tif 000023
であるとき、ａは、軸索半径であり、ｇｘは、イオンＸに対するイオンチャンネルの伝導力である。
【０１６９】
神経方程式において、Ａ（ベクトルポテンシャル）の値は、適切に構成されたコイルシステムを使用することによって最大化される。
【０１７０】
したがって、例えば、可聴である知覚入力の場合、蝸牛の体液が高度に分散性であるため、蝸牛の内側では、電場は高くない。この分散は、それらの高い導電率のために起こる。その結果、人工内耳に類似した機構内で、聴覚神経線維を刺激することができる電流が蝸牛内に存在するが、電流源は、外科手術によって蝸牛内に配置された電極によって注入される電流の代わりに、体外から発生する電磁場を変化させることになる。
【０１７１】
従って、上述の装置は、対象のターゲット領域に刺激電磁場を発生させるためにコイルシステムを利用することによって作動する。この場は、感覚ニューロンを選択的に活性化し、それによって刺激入力に従って対象を刺激する。コイルシステムを対象の外部に設けることができるため、これにより、インプラントされた装置を必要とせずに対象の感覚刺激が可能になる。これは、一時的な使用を可能にすること、残留感覚知覚を損なうことを回避することなどを含み、インプラントされた装置に関連する欠点のいくつかを回避する。
【０１７２】
本技術は、網膜神経節ニューロン、視神経、外側膝状核または視覚野を刺激することにより視覚感覚入力を生成することを含み、広範囲の異なる応用において使用することができる。同様に、可聴である知覚入力は、スパイラル神経節ニューロンを刺激することによって達成することができる。嗅球のニューロンを適切に刺激して嗅覚異常（嗅覚障害）のある対象の嗅覚を誘発すること、味覚経路のニューロンを刺激して味覚を誘発すること、平衡関連疾患を経験している人の前庭ニューロンを刺激することによっても同様の嗅覚刺激を発生させることができた。本装置は、触覚を誘発するために体性感覚皮質上で使用することもできる。
【０１７３】
以下により詳細に記載されるように、装置は、より一般的に神経刺激を提供するように適合され得、そして感覚刺激に限定されないこともまた理解される。
【０１７４】
ここで、いくつかのさらなる特徴を説明する。
【０１７５】
前述したように、入力部は、聴覚または視覚刺激入力を感知するマイクまたは撮像装置などの入力センサを含むことができ、味覚、臭いまたはタッチ入力を感知するために他の適切なセンサが使用される。
【０１７６】
代わりとして、スマートフォン、コンピュータシステムなどといった遠隔装置から入力信号を受信する、Ｗｉ−ＦｉまたはＢｌｕｅｔｏｏｔｈトランシーバといったワイヤレストランシーバを提供することができる。これを使用すると、ノイズの多い環境で音を検出したり、環境ノイズを迂回したり、ユーザがリモートデバイスから直接音信号を受信できるようにする試みに関連する問題を回避できる。これは、対象が電話会話に参加したり、音楽を聴いたりすることを可能にするために、可聴である背景で使用することができる。同様の技術は例えば、プレゼンテーション、仮想現実供給等といったコンピュータコンテンツに基づく直接的な視覚刺激を可能にするために、他の感覚入力にも使用することができる。
【０１７７】
一般的に、コイルシステムは、刺激電磁場を最適化するために、また、好ましくはターゲット領域内の磁場強度を最大化しつつ、ターゲット領域外の刺激電磁場の大きさが最小化されるように浮遊磁場を最小化するために構成される。これが達成される方法は、好ましい実装に応じて変化するが、これは一般的に少なくとも２つのコイル、少なくとも３つのコイル、少なくとも４つのコイル、および任意で１０個未満または８個未満のコイルを含み、任意で一つ以上の一次コイルおよび一つ以上の二次コイルを含むコイルシステムを使用することを含む。しかし、これは必須ではなく、任意の数のコイルを使用することができることが理解されよう。
【０１７８】
複数のコイルの使用は、刺激電磁場が複数の電磁場の重ね合わせを使用して生成されることを可能にし、複数の電磁場の各々は、それぞれのコイル、または所与のコイル内のそれぞれの巻線を使用して生成される。場の重ね合わせを使用することは、それぞれの個々の場が、より低い大きさを有することを可能にし、十分に強い刺激電磁場により、場が重なり合い、建設的に干渉するターゲット領域においてのみ生成されるので、特に有利である。しかしながら、不均一な電磁場を生成する、および／または一連の電磁場を生成するなどといった、場生成のための他の技術を使用することができる。後者の場合、場は、急速な配列で発生させることができ、そのため、ターゲット領域の電場は、さらなる場が印加される前に完全には減衰せず、電場は、結合して必要な活性化ポテンシャルを発生させる。
【０１７９】
本コイルシステムはさらに、ターゲット領域上の各コイルからの電磁場を焦点を合わせるように配置されたコイル形状を有する。これは、一般的にターゲット領域に位置する軸の周りに円周方向に間隔を置いて配置された複数のコイルを設けることを含み、コイルの端部がターゲット領域に対向するように、コイルが軸に対して一つの角度で配置される。さらに中心コイルを軸の位置に設けることもできる。この構成は、ターゲット領域の方向および深さにおける刺激電磁場の強度を最大化する。しかしながら、追加的におよび／または代替的に、複数のコイルのうちの異なるコイルをターゲット領域の異なる部分に焦点を合わせることができ、どのコイルが起動されるかに応じて異なる感覚反応をトリガすることができることも理解されるのであろう。
【０１８０】
一例において、コイルがハウジングに移動可能に取り付けられ、コイル位置を動的に制御することを可能にし、これにより、例えば着用者に対するウェアラブルデバイスの動きを弱めるために、場がターゲット領域に集中することを確実にすることができる。さらに、および／または代替として、コイルの位置および向きを含む物理的構成は、一般的にコイルが対象のターゲット領域に正確に焦点を合わされた刺激電磁場を生成することを確実にするために、対象の３Ｄスキャン、インピーダンス断層撮影マッピングなどに基づいて決定される。
【０１８１】
電磁場の強度および焦点は、形状、巻線数、およびワイヤ直径を含む、個々の各コイルの幾何学的形状にも依存する。
【０１８２】
コイルは、一般的にコアに巻かれたスパイラルの多層ヘリカルコイルを含むが、コイルシステムの特定の構成およびターゲット領域の位置に応じて、異なる構成のコイルを使用することができる。例えば、コイルは、背中合わせの先細りコイル、８つのコイルの図形、バタフライコイル、フラットコイル、スパイラルコイル、ヘリカルコイル、多層ヘリカルコイルなどといった、二重ローブコイルを含む円錐形コイルを先細りさせたコイルを含むことができる。コイルは、空芯、軟鉄または磁性複合コア、金属コア、絶縁または積層コア、高透磁率（一般的に１００００Ｈ／ｍ以上）等といったコアに巻くことができる。コアは、結果として生じる電磁場に焦点を当てるおよび／または強化するように作用することができ、強固に焦点を当てる場を生成するために、通常、少なくとも０．２ｍｍ、少なくとも０．５ｍｍ、約１ｍｍおよび１．５ｍｍ未満、ならびに少なくとも０．５ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１０ｍｍ、少なくとも１５ｍｍ、約２０〜３０ｍｍおよび４０ｍｍ未満の長さを有する。
【０１８３】
一例において、少なくとも１つのコイルの少なくとも１つの巻線は、少なくとも０．２ｍｍ、少なくとも０．５ｍｍ、少なくとも１ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１０ｍｍ、一般的には１．５ｍｍ未満、１０ｍｍ未満、１５ｍｍ未満、および２０ｍｍ未満である内半径を有する。同様に、コイルは、一般的に少なくとも５ｍｍ、少なくとも８ｍｍ、少なくとも１０ｍｍ、少なくとも２０ｍｍ、少なくとも３００ｍｍ、５０ｍｍ未満、および一般的には６０ｍｍ未満の外側半径を有する。これらの寸法は、全体的なコイル寸法が過度に大きくなり、結果として生じるコイルシステムを使用する観点から非実用的になるのを避け、一方で、所要の電界強度を提供するのに適していることが分かった。
【０１８４】
別の例において、本コイルシステムが少なくとも１つの軸方向コイルを含む。軸方向コイルは、一般的にコイル形状の軸線に沿って延在する複数の導体を含み、その軸線に少なくとも部分的に非平行な方向に延在する戻り経路を有し、その結果、コイルは、ターゲット領域内に電場を生成する。具体的には、この配置のコイルの場合、生成される主な場は、コイル軸と一直線に並んだコイルから外向きに延びる電場であり、これはターゲット領域において、より焦点を合わされるおよび／またはより高い強度の磁場を生成するのを助けることができる。従って、ターゲット領域と整列した軸を有するコイルを位置決めすることによって、これを用いてターゲット領域内に電場を作ることができる。
【０１８５】
コイル軸方向コイルは、一般的にコイル幾何学形状の軸線に沿って延在する複数の導体を含み、コイル幾何学形状は、円錐、半球、凹状半球、凸面半球または円筒である形状を有し、例は、以下により詳細に説明される。
【０１８６】
コイルは、少なくとも０．００１ｍｍ２、少なくとも０．０１ｍｍ２、少なくとも０．１ｍｍ２、少なくとも１ｍｍ２、少なくとも５ｍｍ２、少なくとも１０ｍｍ２、約０．０５ｍｍ２、２０ｍｍ２未満、および１５ｍｍ２未満の少なくとも１つの断面積を有する導線から巻き取られる。それ自体の導体の断面積は、電界強度にほとんど影響を及ぼさないが、より小さな断面積の導体を使用すると、巻線の数が多くなり、結果として生じる電磁場の強度が増大する可能性がある。しかしながら、導体が必要な電流を流すことができるようにすることで、これをバランスさせる必要がある。加えて、導体は、円形または矩形形状を有することができ、後者は、所与の巻線構成に対して導体密度を最大化するのを補助することができる。導体は、ワイヤ、銅ワイヤ、編組リッツワイヤ等といった編組ワイヤから作ることができる。
【０１８７】
さらなる例において、コアは、対象に最も近いコアの端部のほぼ内側に向かって先細りすることができ、これは生成された電磁場をさらに焦点を合わせるのを助けることができ、次いで、漂遊磁界を最小限に抑えるのを助けることができる。さらなる集束は、コイルシステムに隣接して配置された反磁性材料または導電材料から形成されたシールドの使用を通して得ることができる。シールドは、単一のシールドを含むことができるが、より一般的にアレイ内の各コイルに対してそれぞれのシールドを含み、シールドは、各コイルに隣接して配置され、少なくとも０．２ｍｍ、少なくとも０．５ｍｍ、約１ｍｍおよび１．５ｍｍ未満の半径を有する開口部を含む。シールドはまた、外部の漂遊磁界を減少させるために使用され得、これは、装置の有用性を補助し得る。
【０１８８】
さらなる例において、漂遊磁界は、電界からエネルギーを回収することによって減衰させることができ、この電界は次に、例えばバッテリを充電することによって、装置に少なくとも部分的に電力を供給するために使用することができる。この例において、システムは、コイルアレイによって生成された漂遊磁界を受信するように構成された受信コイルと、受信コイルによって生成された電流を使用してバッテリを充電するために使用される充電システムとをさらに含む。
【０１８９】
受信コイルが漂遊磁界からエネルギーを除去する能力は、受信コイルのインピーダンスおよびコイルアレイによって生成される場の周波数に依存するだろう。したがって、一例において、本システムは、受信コイルを調整し、それによって、漂遊磁界からのエネルギーの回復を最適化する同調回路を含む。１つの好ましい構成において、本システムは、電気制御装置と通信する同調回路制御装置を含む。この例において、同調回路制御装置は、少なくとも１つの刺激信号に従って同調回路を制御し、その結果、受信コイルおよび関連する回路は、コイルアレイによって現在生成されている場に対して最適化される。
【０１９０】
上述の構成は、十分に強いおよび焦点を合わせた電磁場を生成するが、物理的な観点からは過度に大きくないコイルをもたらし、これらを対象が着用されるハウジング内に快適に収容することを可能にすることが見出された。
【０１９１】
本装置は、一般的にユーザによって着用されるように構成されたハウジングをさらに含む。一例において、ハウジングは、コイルシステムを収容する第１のコイルシステムハウジングと、制御装置といった信号処理構成要素と、充電式または交換式バッテリといった電源とを収容する第２の処理構成要素ハウジングとを含む２つの部分で形成される。
【０１９２】
ハウジングは、一般的に水または他の汚染物質の侵入を防ぐために密封され、快適さのために対象に適合するように構成されてもよい。例えば、刺激可聴反応のためのシステムの場合、ハウジングは、一対のヘッドホンと同様のフォームファクタを有することができ、耳に快適に装着するためのクッションを含むことができ、耳に装置をしっかりと位置決めするために、ストラップ、ヘッドバンド、および／または両面接着テープといった固定手段を含むことができる。
【０１９３】
本システムはまた、例えばフィルタリング等を実行するために、入力信号を少なくとも部分的に処理するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含むことができ、これは、後続のダウンストリーム処理を低減するのに役立つことができる。
【０１９４】
コイルによって誘導される電磁場は、ニューロンの刺激に直接関与する。電磁パルスは、頭蓋骨を通過しなければならないため、これはコイルから出る強力な電磁場に対する必要条件を作り出す。従って、一例において、信号発生器は、制御装置からの信号に従って制御された駆動信号を発生する駆動回路と、駆動信号を用いて刺激信号を発生する各コイルのためのトリガ回路とを含む。トリガ回路は、大電流がトリガ回路によってコイルに放電されることができるように、電荷を保存する高電圧容量性保存部に結合することができる。一例において、容量性ストレージは、２ｋＶまで充電することができ、任意で７．５ｋＶまでの電圧定格を有する。この高電圧の結果として、コイルを流れる電流は、数ミリ秒以内に最大８０００Ａに達することができ、それによって、高強度の電磁場を発生させることができるが、コイルの設計によっては、より低い電流を使用することができることが理解されるのであろう。
【０１９５】
本装置は、コイルを通る放電に続いて迅速な再充電を可能にするエネルギ回収回路を含むことができる。電力供給回路は、コンデンサバンクのコイル内への放電を可能にするためのスイッチとして実行するＭＯＳＦＥＴｓ、サイリスタおよびＩＧＢＴのような電力電子部品を含むことができ、１００ｍｓ未満で最大５００Ｊのエネルギーを伝達することができる。本装置はまた、刺激信号パルスの形状を可能にする回路を含むことができる。
【０１９６】
一例において、信号発生器は、コイルを冷却する冷却システムを含む。冷却システムは、任意の適切な形態とすることができ、コイルから熱を伝導する放射フィンなどといった受動冷却システムを含むことができ、および／またはコイルに隣接して設けられた冷却パイプを通して熱伝達媒体を循環させる液体ベースの冷却システムを含むことができる。
【０１９７】
本装置は、対象における反応を測定する反応センサを含むことができ、制御装置は、反応センサからの反応信号に従って、刺激信号を生成するか、またはコイルの位置を制御する。したがって、本センサは、刺激信号を動的に調節すること、またはアレイ内のコイルの位置を調節するためにアクチュエータを制御することを含んでいるシステムの動作を改善するのを助けるフィードバックを提供するために使用することができる。反応センサの性質は、好ましい実装に応じて変化することができ、結果として生じる電場または電磁場を感知するためのセンサ、ニューロン反応を感知するセンサ、例えば刺激入力に対する反応を確認するためのユーザ入力コマンドを受信するセンサなどを含むことができる。
【０１９８】
一例において、反応センサは、ターゲット領域内またはその周囲の組織インピーダンスを測定する電気インピーダンス断層撮影センサを含む。一例において、インピーダンス断層撮影センサは、ターゲット領域に近接する対象の組織と接触する複数の電極と、複数の電極のうちのいくつかに交流信号を印加する信号発生器とを含む。信号センサは、複数の電極のうちの他の電極上の電気信号を測定するために使用され、一つ以上のインピーダンス処理装置は、測定された信号に従ってターゲット領域のマップを生成するように構成されたものを分析するために提供される。このようなインピーダンスマップの生成は、従来技術として知られており、したがって、詳細には説明しない。いずれにせよ、一旦、作成されると、マップは、少なくとも一つのコイルを位置決めするために、および／または少なくとも一つのコイルに印加される刺激信号を制御するために使用され得、それによって、システムの動作を最適化する。
【０１９９】
同じ刺激信号を各コイルに印加することができるが、より一般的に制御装置は、複数のコイルの各々に対してそれぞれの刺激信号を生成し、それによって、重ね合わされた場に対する追加の制御を提供し、感覚ニューロンの活性化に対するより洗練された制御を可能にし、次いで、感覚刺激の質を改善する。具体的にこれは、各コイルに印加される刺激信号の大きさ、周波数、および／または位相を調整することを含むことができ、結果として生じる刺激電磁場のパラメータを調整することを可能にする。特に、これは結果として生じる刺激の場のための異なる焦点を調節するために使用され得、これは次に、蝸牛内の異なるニューロンが活性化されることを可能にし、次に、異なる可聴反応が誘導されることを可能にする。同様のアプローチは、他の刺激入力に対しても使用され得ることが理解されるであろう。
【０２００】
さらに、装置は、対象に感覚刺激を提供するための出力を含むことができる。例えば、可聴刺激入力の場合、出力は、スピーカを含むことができ、ユーザに音を再生することができる。これは、刺激装置プロセスの有効性、および感覚入力を正確に知覚する対象の能力を増加させることができる任意の残留感覚能力を利用するために実行することができる。
【０２０１】
制御装置が信号発生器を制御する方法は、好ましい実装に応じて変わるであろう。一般的には、制御装置が入力信号を分析して、一つ以上の特徴を決定し、次いで、これらの特徴は、信号発生器を制御し、刺激信号を生成するために使用される。
【０２０２】
この特徴は、選択された特徴に応じて、既知の技術を使用して抽出することができる。一例において、特徴は、異なる周波数における音響信号のパワーに関連する特徴、異なる周波数における音響信号のパワーの変化に関連する特徴、異なる周波数における音響信号のパワーの変化率に関連する特徴、時間領域特徴、スペクトル特徴、ケプストラム特徴、ウェーブレット特徴、周波数係数、メル周波数ケプストラム係数（ＭＦＣＣ）およびガンマトーン周波数ケプストラム係数（ＧＦＣＣ）、ＧＦＣＣデルタおよびＧＦＣＣダブルデルタ特徴のうちの任意の一つ以上の特徴を含むことができる。しかしながら、他の技術と同様に、他の特徴を使用することができることが理解されるであろう。
【０２０３】
また他の信号の前処理は、音響信号をスケーリングによって前処理するために、例えば、特徴を強調または非強調するために、または、例えば、信号をノイズ特徴に調整するためにホワイトノイズを追加することによって、実行可能であることが理解されよう。
【０２０４】
また異なる特徴および関連する処理は、他の刺激入力のために使用され得ることも理解されるであろう。例えば、視覚刺激の場合において、Ｐｅｒｏｎａ−Ｍａｌｉｋ拡散といった異方性拡散技術を用いて、画像コンテンツの重要な部分に影響を与えることなく画像ノイズを減少させることができるだろう。隠れマルコフモデルは、多変量信号を添加したサブセットに分離するために使用することができ、点広がり関数、適応フィルタリング、線形フィルタリングなどを使用する画像回復も使用することができる。さらに、ニューラルネットワーク、画素化、主成分分析、自己組織化マップ、およびウェーブレット分析も使用することができる。
【０２０５】
画像に埋め込まれた信号の検出処理のために、パターン認識は、変換方法、特徴相関、整合フィルタリング等を用いて実行され得る。人間の視覚予測圧縮のための画像を効率的に表現するために、直交分解とフーリエ表現を用いることができた。エッジ抽出といった他の符号化技術、およびオブジェクト認識のためのパターン特徴コードは、空間構造のために使用されることができる。更に、視覚システムは、翻訳、サイズ変動および回転のために、不変性コード、円形調和分解、対数極座標法等のといった特徴を用いることができる。
【０２０６】
一例において、制御装置は、特徴および少なくとも１つの計算モデルを使用して、一つ以上の刺激信号を生成する。この場合、計算モデルは、特徴と異なる刺激信号との間の関係を具体化し、様々な方法で導出することができる。例えば、本システムは、異なる特徴を使用して生成された参照刺激信号に反応して、一つ以上の参照とする対象、または対象について測定された参照反応を検査することができる。さらに、および／または代替として、本システムは、対象の３Ｄスキャンから得られた対象の少なくともターゲット領域のモデルを検査することができ、それによって、対象のターゲット領域内の刺激場の正確なターゲットを可能にする。
【０２０７】
したがって、一例において、参照反応が参照刺激信号に反応して、複数の対象および／または現在の対象から収集され、これらは異なる特徴と相関することが理解されるであろう。これは、異なる刺激信号の効果が理解されることを可能にし、その結果、異なる刺激信号が異なる入力信号に基づいて適用され得、それによって、所与の刺激入力について、必要とされる感覚反応が対象内で誘導されることを可能にする。１つの特定の例において、ベースモデルは、一般的な母集団の反応に基づいて確立することができ、次いで、これは例えば、検査の結果、ならびに対象からのフィードバックを考慮に入れて、対象ごとにカスタマイズされ、そして、結果として得られる場は、特定の対象に対して最適化される。
【０２０８】
モデルの導出は、適切な統計解析を用いて手動で行うことができるが、実際には機械学習アルゴリズムを用いてモデルを導出する。特に、これは一般的に異なる刺激信号について得られた基準反応を利用することによって実行され、これは計算モデルを訓練するために使用され、その結果、モデルは所望の刺激反応を生成するために使用されるべき刺激信号を反映する。実行されるモデルおよびトレーニングの性質は、任意の適切な形態であり得、任意の一つ以上の決定木学習、ランダムフォレスト、ロジスティック回帰、関連付けまたは学習、人工ニューロンネットワーク、深い学習、誘導論理プログラミング、サポートベクトルマシン、クラスタリング、ベイズネットワーク、強化学習、表現学習、類似性および距離学習、遺伝的アルゴリズム、ルールベースの機械学習分類子システムなどを含み得る。このようなスキームは既知のため、これらについてはこれ以上詳細には説明しない。
【０２０９】
前述したように、上記の構成は、対象への感覚刺激の提供を参照して説明されてきたが、本装置は、ニューロモデュレーションをより広範に提供するために使用され得る。この点に関して、ニューロモデュレーションを提供する能力は、ターゲット領域において、より焦点を合わせた、および／またはより高い強度の場を生成し得る軸コイルを使用するとき、強化される。
【０２１０】
本例において、本装置は、再び、信号発生器と、少なくとも１つの軸方向コイルを含むコイルシステムとを含むことができ、これは一般的にコイル形状の軸に沿って延在する複数の導体を含み、任意で、円錐、半球、凹状半球、凸面半球、円柱などの形状のコイル形状を有する。ニューロモデュレーションが実行されることを決定し、次いで、信号発生器に変調信号を生成させ、その変調信号がコイルシステムに印加されて、それによって、対象のターゲット領域内に変調電磁場を生成し、その変調電磁場が、ニューロモデュレーションを実行するように構成される電気制御装置を提供することができる。
【０２１１】
したがって、この例において、本装置は、刺激入力を示す入力信号を取得する入力部を必ずしも必要とせず、そうでなくても、図１に関して上述した装置とほぼ同様であり、図２のステップ２００および２１０に関して上述したように、入力信号を受信し、分析する必要がないにもかかわらず、ほぼ同様に動作することが理解されよう。
【０２１２】
代わりに、実行されるべきニューロモデュレーションは、他の方法で決定することができる。例えば、ワイヤレストランシーバモジュールといった入力部は、コンピュータシステム、スマートフォン等といった遠隔処理デバイスによってニューロモデュレーションを実行されることを可能にするために、使用される。別の例において、これは、センサから受信したセンサ信号、またはユーザインターフェースを介して提供されたユーザ入力に基づいて実行され得、感知されたパラメータまたはユーザ入力がニューロモデュレーションを起こすことを可能にする。一つの特定の例において、制御装置は、例えば、感知されたパラメータに基づいて、記憶に格納された複数の定義された変調配列のうちの一つを選択するように構成することができ、デバイスが異なる配列でプログラムされることを可能にし、必要に応じて適切な配列が選択される。
【０２１３】
本装置は、前述したものと同様の特徴を含むことができる。例えば、本装置は、コイルアレイ内に複数のコイルを使用することができ、コイルシステムは、複数のコイルのそれぞれからの電磁場をターゲット領域および／またはターゲット領域の異なる部分に焦点を合わせるように配置されたコイル形状を含む。
【０２１４】
本コイルシステムは、軸の周囲に円周方向に間隔をあけて配置された複数のコイルを含むことができ、軸はターゲット領域に位置し、コイルの端部がターゲット領域と対向するようコイルが軸に対して角度を有して配置されており、任意で、軸の位置に設けられた１つのコイルを含む。
【０２１５】
コイルは、様々な異なる断面積を有する導体から巻くことができ、ワイヤ、銅線、編組線などから作ることができる。コイルは、空芯、軟磁性複合コア、絶縁磁心、積層コア、高透磁率磁心、金属コアまたはその他のコアといったコアの周りに巻くことができる。
【０２１６】
本装置は、漂遊磁界を減少させるためにコイルシステムに隣接して配置された少なくとも１つのシールドを含むことができ、および／または漂遊磁界からエネルギーを回収するためのエネルギー回収システムを含むことができる。
【０２１７】
本装置は、ユーザによって装着されるために構成されたハウジングを含んでよい。
【０２１８】
本装置は、制御装置からの信号に従って制御された駆動信号を生成する駆動回路と、駆動信号を用いて刺激信号を生成する各コイルのためのトリガ回路とを有する信号発生器を含むことができる。信号発生器は、トリガ回路が使用するための電荷を蓄える高電圧容量性蓄電部を含む電源を含むことができ、エネルギー回収回路が任意で設けられる。
【０２１９】
本システムは、コイルを冷却する冷却システムを含んでもよい。
【０２２０】
本装置はまた、インピーダンス断層撮影センサといった応答センサを含むことができ、この応答センサは、対象における応答を測定し、これを使用して、刺激信号、および／または、コイルアレイ内のコイルの位置を制御することを可能にする。これは、上述したことと同様の方法で動作することができることが理解されるであろう。
【０２２１】
こういった装置は、治療的刺激および／または治療的阻害を含む、一連の異なる神経調節を提供するために使用され得る。
【０２２２】
例えば、本装置は、パーキンソン病を治療するために構成することができ、この場合、ターゲット領域は、一般的に対象の視床下核、対象の淡蒼球内節、対象の腹側中間核または対象の脚橋核を含む。
【０２２３】
本態性振戦に対する治療を提供する場合、ターゲット領域は、一般的に対象の腹側中間核を含むが、ジストニアに対する治療を提供することは、対象の淡蒼球内節を刺激することを含むことができる。
【０２２４】
強迫性障害の治療を提供するために、ターゲット領域は、一般的に対象の腹側被膜／腹側線条体、対象の側坐核または対象の視床下核を含む。
【０２２５】
疼痛治療を提供するためにターゲット領域は、対象の一次運動野であるが、てんかん治療のためのターゲット領域は、対象の内包および視床の領域を含む。
【０２２６】
代わりに、ターゲット領域は、神経調節が治療抵抗性慢性疼痛、脊髄損傷、破損した背部症候群、複雑局所疼痛症候群、狭心症、虚血性四肢痛、腹痛、難治性疼痛状態または過活動膀胱症候群をもたらすように構成される対象の脊髄を、含むことができる。
【０２２７】
追加の、および／または代わりの他の治療が提供されてもよいことも理解されるだろう。
【０２２８】
次に、図３〜図５Ｂを参照して、装置の物理的構成のより詳細な例を説明し、最初に、図３を参照して、機能の構成要素について説明する。
【０２２９】
本実施例において、機能の構成要素は、一般的にマイクロフォン、ビデオカメラなどといった入力部３０１を含む。入力部３０１は、一般的に入力信号のデジタル化、周波数フィルタリングの実行といった特定の信号処理動作を実行するために構成された集積回路であるデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）３０２に結合される。次に、処理された信号は、マイクロプロセッサなどといった電子処理装置である制御装置３０３に出力される。制御装置３０３は、一般的に制御装置３０３による実行のためのソフトウェア命令を保存するメモリ３１２に結合され、制御装置３０３が信号を処理し、システムの動作を制御することを可能にする。
【０２３０】
本装置はさらに、バッテリ３１３または無線電源といった電源に結合された電源回路３０４を含み、電力をデジタル信号プロセッサ３０２、制御装置３０３、ドライバ回路３０７、および電圧ブースター３０５に分配することができる。バッテリ３１３は、誘導性または他の充電システムに結合することができ、必要に応じてバッテリを充電することができる。電圧ブースター３０５は、キャパシタ３０６に結合され、このキャパシタは、電荷を蓄電するように動作し、これをトリガ回路３０８によって使用して、コイルシステム３１１に印加される電流を生成することができる。
【０２３１】
対象の脳内の電場を測定することによって、対象の応答信号を測定するセンサ３０９が設けられ、結果として生じる応答信号は、制御装置３０３に戻される前に信号プロセッサ３１０によって処理され、それにより、システムの動作を調整して性能を最適化することができるようにフィードバックを提供する。
【０２３２】
制御装置３０３は、信号プロセッサ３０２、３１０を制御し、駆動制御信号をドライバ３０７に送り、これにより、トリガ回路３０８が選択的に起動され、刺激信号がコイルに印加される。
【０２３３】
本装置は、それぞれの感覚器官に印加される刺激を生成するために、スピーカ（図示せず）といった増幅器および出力口をさらに含むことができ、任意の残留感覚が可能な範囲で利用されることを可能にする。したがって、可聴刺激装置の場合、受信した可聴信号の増幅版を対象の耳に印加することができ、その結果、対象は、その残留聴覚およびその感覚神経の直接刺激の両方に基づいて可聴感覚応答を知覚する。
【０２３４】
ここで、可聴感覚刺激のための物理的構成の一実施例を、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明する。
【０２３５】
本例において、本装置は、コイルシステム３１１および入力部３０１を収容する第１のハウジング４２１を含む。第１のハウジング４２１は、一般的にはユーザが着用することができる一対のヘッドホンまたは同様のものである形状因子である。制御装置、信号発生器などを含む電気部品を収容する第２のハウジング４２２が設けられている。第２のハウジング４２２内の構成要素は、リード４２３を介してコイルシステム内のコイル３１１に電気的に結合される。本構成は、制御エレクトロニクスがコイルを遠隔に保持し、それにより、コイルおよび処理エレクトロニクスによって生成される熱および電磁場による干渉を回避することが理解されるであろう。使用中に、装置は外耳４３１上に配置されることができ、外耳道４３２、中耳４３３、および蝸牛４３４は、図に示したように設けられ、その結果、コイルは、生成された刺激照射野を、蝸牛内のスパイラル神経節神経に向けることができる。
【０２３６】
代替例において、第２のハウジング４２２は、図４Ｂの配置に示されるように、外部耳の後ろに適合するように成形される。
【０２３７】
視覚刺激を提供するためのシステムの一例は、図５Ａおよび図５Ｂに示されている。
【０２３８】
本例において、本システムは、一対のメガネに似た形状因子を有するフレーム５２４上に取り付けられたカメラ５０１の形状の入力部を含む。第１のコイルシステムハウジング５２１は、眼の前方においてフレーム５２４から下方に突出することができ、それにより、網膜神経節神経５３５が刺激されることを可能にする。ここでも、処理用エレクトロニクスは、リード５２３を介して接続された第２の別々のハウジング５２２内に取り付けることができ、または図５Ｂに示すように、メガネのフレーム内に一体化することができる。
【０２３９】
ここで、図６を参照して、本装置を制御するための例示的なプロセスをより詳細に説明する。
【０２４０】
本例において、ステップ６００で、入力信号が得られる。入力信号は、入力部３０１から取得され、処理のために信号プロセッサ３０２および制御装置３０３に渡される。特に信号プロセッサ３０２は、一般的には例えば、デジタル化およびフィルタリングを実行し、任意で、ステップ６１０で信号のスペクトル電力特徴を決定するために、信号の前処理を実行するであろう。任意の適切な特徴を使用することができるが、一例において、オーディオ信号処理、特に人間の音声分析において広く知られているＭＦＣＣ特徴が使用される。しかしながら、他の信号処理技術および特徴が、視覚刺激といった他の種類の刺激に使用され得ることが理解されるであろう。
【０２４１】
特徴を生成するプロセスは通常、フィルタバンクを使用して、信号の周波数スペクトルを、必要に応じて調整され得る複数の重複バンドに分割し、次いで、各フィルタバンドに対する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）振幅の加重和に基づいて対数エネルギーを計算することを含む。ケプストラム係数を計算する最終段階として、離散コサイン変換（ＤＣＴ）を対数エネルギーの配列に適用し、それによりフィルタの数に等しい複数のケプストラム係数を得る。ＤＣＴは、低次のＤＣＴ係数に埋め込まれているスペクトルに関する最も重要な情報をもたらす標準的な直交変換技術である。注意すべきことであるが、ＤＣＴ係数は、スペクトル全体にわたるエネルギー変動を捕捉する。例えば、第１のＤＣＴ係数は、全ての対数エネルギーの和である。離散ハートレイまたはヒルベルト変換といった他の変換を使用することができ、ＤＣＴへの言及は、限定を意図するものではないことを理解されたい。
【０２４２】
ステップ６２０において、制御装置３０３は、メモリ３１２に格納された計算モデルに特徴を適用し、モデルの出力は、ステップ６３０において駆動制御信号を決定するために使用され、駆動制御信号は、次にステップ６４０において駆動信号を生成するドライバ回路３０７に転送される。駆動信号は、トリガ回路３０８を起動するために使用され、次いで、ステップ６５０で刺激信号を生成するためにキャパシタ３０６を放電する。刺激信号は、一般的には定義された位相、周波数、および大きさを有し、これらはコイルに印加され、それによって必要な刺激電磁場を生成し、特に、対象において必要な刺激応答を生成するように磁場の焦点を制御することを可能にする。応答信号は、ステップ６６０で応答センサ３０９によって測定され、次いで、これは制御装置３０３に転送され、制御装置３０３が、ステップ６７０で様々な設定の動的調整を実行することを可能にし、例えば、不十分な刺激が得られた場合に生成される信号の大きさを制御するか、または例えば、対象上のコイルシステムのハウジングの物理的位置の変化に適応するように、照射野の焦点を調整する。
【０２４３】
上述したアプローチにおいて、入力信号特徴のそれぞれの組が与えられた場合、生成されるべき刺激信号を決定するために、一つ以上の計算モデルが使用される。次に、このようなモデルを生成するプロセスの一例を、図７を参照して説明する。
【０２４４】
本例において、参照刺激信号は、ステップ７００で異なる特徴に基づいて生成され、これらはステップ７１０で基準となる対象に適用される。ステップ７２０で、基準の応答が決定され、応答センサを使用してこれらを測定するか、および／または対象に問い合わせることによって、被験者が知覚する感覚応答を理解する。
【０２４５】
ステップ７３０で、モデルが選択され、ステップ７４０で、特徴、印加された信号、および応答に基づいて、モデルが学習される。本モデルは、それぞれの特徴を有する入力部に対応する所望の刺激応答をもたらす特徴と刺激信号との間の関係を決定するために使用される。これは、刺激信号が、入力信号から導出された１つ以上の特徴に基づいて生成されることを可能にする。実行されるモデルおよびトレーニングの性質は、任意の適切な形態であってよく、決定ツリー学習、ランダムフォレスト、ロジスティック回帰、関連付け規則学習、人工ニューラルネットワーク、ディープラーニング、誘導論理プログラミング、サポートベクトルマシン、クラスタリング、ベイズネットワーク、強化学習、表現学習、類似性および距離学習、遺伝的アルゴリズム、規則ベースのマシン学習、学習分類システムなどのうちの任意の一つ以上を含むことができる。このようなスキームは既知であるため、これらについてはこれ以上詳細に説明しない。
【０２４６】
単にモデルを生成することに加えて、本プロセスは一般的には学習されたモデルの識別性能を評価するために、ステップ７５０で、モデルをテストすることを含む。このようなテストは、一般的にはモデルの偏りを回避するために、基準データのサブセット、および特にモデルを学習するために、使用されるモデルに異なる基準の応答を使用して実行される。本テストは、計算モデルが十分な精度を提供することを保証するために使用される。
【０２４７】
モデルが精度要求を満たす場合、モデルは、刺激信号を生成する際に使用され得ることが理解されるであろう。そうでなければ、本プロセスはステップ７３０に戻り、異なる特徴および／またはモデルが選択されることを可能にし、次いで、必要とされる識別能力が得られるまで、学習およびテストが必要に応じて繰り返される。
【０２４８】
前述したように、コイルシステムはまた、一般的に高導電性金属のシートで覆われ、アレイ内のコイルのワイヤ部品の近くにあるため、頭部内の他のニューロンが刺激されないようにシールドする。シールドは、アレイ全体の縁、または各コイルの周囲のいずれかとすることができる。
【０２４９】
図８Ａおよび図８Ｂは、コイル８１１．１上の超伝導体シート８１１．２の形態のシールドの反磁性効果を示し、これは、コイルから発する磁界がシールド８１１．２の開口部にどのように焦点を合わせるかを示す。これは、次に、対象内に、より焦点を合わさった照射野をもたらし、特に、異なるコイルからの照射野が関連するセンサ神経に向けて高度に標的化されることを可能にする。シールドは、超伝導体、反磁性材料などから作ることができ、一例として、ビスマスなどから作られる。
【０２５０】
蝸牛に刺激電磁場を生成するための第１の例のコイルシステム構成は、図９Ａに示されている。
【０２５１】
本例において、コイルシステムは、単一の軸方向コイル９１１．１を含む５つのコアに巻かれたコイルおよび４つの円周方向に間隔をあけたコイル９１１．２を含み、それぞれが、蝸牛に面している。非コア巻き表面コイル９１１．３は、コアに巻かれたコイルの外周の周りで頭蓋骨に対して提供される。本設計は、図９Ｂおよび９Ｃに示されるように、蝸牛神経における適切なレベルの刺激（刺激のための約５Ｖ／ｍのピーク電場）をもたらし、これは、蝸牛神経のシミュレートされた横断面に示される。
【０２５２】
しかしながら、本設計は、皮質においても有意な周辺野をもたらす。皮質における場のピーク値は、約２５Ｖ／ｍであり、これは一般的には１００〜１５０Ｖ／ｍを必要とする皮質ニューロンにおいて活動ポテンシャルを開始するのに十分ではないが、漂遊磁界の減少が、なお好ましい。
【０２５３】
さらなる例は、図１０Ａ〜図１０Ｃに示される。
【０２５４】
本コイル配置は、強磁性コアと共にスパイラルへリックス巻きを有し、単一の軸方向コイル１０１１．１を含む５つのコイルシステムおよびそれぞれが蝸牛に面する４つの円周方向に間隔をあけたコイル１０１１．２を使用する。図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、本コイルの幾何学的形状のために周辺領域にも高磁場があり、これは理想的ではない。
【０２５５】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、有限要素計算シミュレーションに基づく３つのコイルの理想的な位置決めを示す。
【０２５６】
３つのコイル１１１１は、互いに６０度の角度で配置され、上部のより明るい部分は、同じＸＹ平面上にある２つのコイルによって表され、蝸牛は、白い四角１１３４によって強調されている。それぞれのコイルは、０．２５ｍｍの小さな直径を有するワイヤ巻線から形成され、スパイラル構成で巻き付けられ、ヘリカル構成上に延在され、多層ヘリカルコイルを形成する。コイルの中心は、直径１ｍｍの高透磁率材料を持つコアである。
【０２５７】
観察され得るように、誘導された電場は、蝸牛の周りで最も高い。これは、表面場が頭部の内部のより深いレベルで、それらよりも高い従来のＴＭＳコイルの欠点を克服する。この集束は、それぞれのコイルからの電磁場の重畳により可能である。
【０２５８】
図１１Ｃおよび図１１Ｄは、図１１Ａおよび図１１Ｂのコイル配置により、蝸牛に誘導される電流レベルを示す。これらの図は、蝸牛の横断面を頂部から見たものであり、Ｊ分布の最大における蝸牛の電流レベルは、螺旋神経節神経に活動ポテンシャルを誘発するのに十分であり、したがって聴覚につながることを示している。
【０２５９】
焦点の変化は、アレイ内の１つ以上のコイルにおける電流の位相、振幅、または周波数を制御することによって達成されることができ、それによって、蝸牛内の異なる神経が刺激されることを可能にし、したがって、異なる刺激応答が達成されることを可能にする。
【０２６０】
視覚刺激を送達する際に使用するためのさらなる例示的な配置は、図１２Ａおよび１２Ｂに示される。
【０２６１】
本実施例において、コイル配置は、単一の中央一次コイル１２１１．１および一次コイル１２１１．１の周りに円周方向に間隔をあけて配置された複数のより小さい二次コイル１２１１．２を使用して、網膜神経節細胞１２３４を刺激するための照射野を生成する。
【０２６２】
上述したように、一例において、一つ以上の軸方向コイルを使用することができる。この点に関し、軸方向コイルは、上述したより伝統的なヘリカルコイル構成によって生成される磁界の代わりに、コイルから電場を生成して焦点を合わせるように設計される。前の設計と同様に、それは、活動ポテンシャルを導く電場であり、したがって、電場の直接生成は、状況によって、より効果的であり得る。
【０２６３】
この点で、深部脳ターゲット領域については、ヘリカルコイルが主に、空気とほぼ同じである生物学的組織の比透磁率、および接触している２つの媒体の表面間の相互作用における磁界の垂直成分が同じままであることに起因して、より効果的であり得ることに留意されたい。その結果、一般的に磁界の減衰が少なくなり、深部脳ターゲットにおいてより高い誘導電場もたらされる。対照的に、電場は、異なる誘電特徴を有する２つの表面の境界を通過するにつれて、電場の法線成分が変化することにより、より速く減衰する傾向がある。
【０２６４】
したがって、ヘリカルコイルおよび軸方向コイルは、異なる目的のために交換できるように使用されてもよいことが理解されるだろう。例えば、軸方向コイルは、浅いターゲット領域を刺激するために、より効果的であり、一方、ヘリカルコイルは、深いターゲット領域を刺激するために、より効果的である。
【０２６５】
軸方向コイルに関する限り、コイルは、コイル形状の軸に沿って、またはそれに隣接して通過するコイル巻線から形成された複数の導体を含み、巻線は、軸に沿って延在する電流要素を最大にし、戻り経路を軸から離れるように逸らすために、コイル形状の周囲を通って延在する。
【０２６６】
電場を支配する基本方程式は電場であり、次式で与えられる：
【数２２】
2021517502.tif 000024
【０２６７】
前述の分析と併せて考察すると、これは次のようになる：
【数２３】
2021517502.tif 000025
【０２６８】
ここで、
【数２４】
2021517502.tif 000026
は、コイル巻線の長さ要素であり、
【数２５】
2021517502.tif 000027
は、電場の測定点からのこの要素の距離である。
【０２６９】
したがって、軸方向コイルは、コイルの軸に沿った
【数２６】
2021517502.tif 000028
要素の最大化を可能にし、これは、軸方向に強い電場を生成する。ループを完了するために戻る巻線の部分は、それらからの負の成分
【数２７】
2021517502.tif 000029
の集束性および低減を最適化するように配置される。
【０２７０】
本コイル設計は、ヘリカルコイルによって生成される磁場にその分布において類似する電場を生成する。従って、刺激電場を集中させることが最適な設計である。また、本装置の一実施形態が、ヘリカル巻線を有するコイル（暫定として言及された全ての構成）と、軸方向巻線を有するコイルとの組み合わせを利用することも可能である。
【０２７１】
シミュレーションは、１ｍｍ２より小さい領域上の焦点を示した。このコイル設計は、皮質領域、迷走神経、脊髄、網膜、およびおそらく蝸牛のような深すぎないターゲットに対して非常に効果的であろう。
【０２７２】
シミュレーション結果を図１３〜図１６に示す。
【０２７３】
例えば、図１３Ａ〜図１３Ｆは、円錐形状の構成を有する軸方向コイルが円錐先端部から補正されたターゲット領域内に有意な電界を生成することができ、一方、磁界の大きさは、コイルの後方で小さくなり、漂遊磁界の減少を導く。さらに、７つの円錐コイルを含むコイルアレイは、図１３Ｄおよび図１３Ｅに示されるように、知覚活動ポテンシャルが誘導されることを可能にするのに十分な電場を、蝸牛内に生成することができる。
【０２７４】
凸状および凹状の半球状コイルは、図１４Ａおよび図１４Ｂおよび図１５にそれぞれ示されており、これらは、漂遊磁界を最小限に抑えながら、再び適切な電場を発生させる。
【０２７５】
高透磁率コアを有する円筒状軸方向コイル、高透磁率コアを有さない円筒状コイルおよび高透磁率コアを有さない円錐形軸方向コイル内に発生する場を、図１６Ａおよび図１６Ｂ、図１６Ｃおよび図１６Ｄ、および図１６Ｅおよび図１６Ｆに示す。
【０２７６】
円筒形ヘリカルコイルを利用するコイルアレイの具体例が、図１７Ａ〜図１７Ｄに示されている。本実施例において、コイル配置は、単一の中央の一次円筒軸方向コイル１７１１．１および一次コイル１７１１．１の周囲に円周方向に間隔をあけて配置された多数のより小さな二次円筒軸方向コイル１７１１．２を使用して、蝸牛１７３４を刺激するための照射野を生成する。本実施例において、各コイルは、蝸牛に面し、その結果として発生した電磁場は、蝸牛内に結果として生じる磁場強度によって示されるように、蝸牛に焦点を合わせる。同様の構成は、軸方向コイルを用いて実施することができることが理解されるであろう。
【０２７７】
上述したコイル構成は、患者が装着するために適したハウジングの構成に容易に組み込むことができるため、特に有用であり、本実施例を、図１８Ａ〜図１８Ｃを参照して以下により詳細に説明する。
【０２７８】
本例において、本システムは、ヘッドバンド１８２６によって支持された２つの第１のハウジング１８２１を含むヘッドセット１８２０を含む。第１のハウジングは、正面ローブ１８２１．１および後方ローブ１８２１．２を含み、それらは対象の耳Ｅの前および後ろに座し、正面ローブ１８２１．１は、一次コイル１７１１．１を組み込み、後方ローブ１８２１．２は、二次コイル１７１１．２を組み込む。
【０２７９】
制御装置、信号発生器などを含む電気部品を収容する第２のハウジング１８２２が設けられる。第２のハウジング１８２２は、コイル１７１１を制御システムに電気的に結合するために、ヘッドセット１８２０から延びるリード線１８２３に接続するポートを含む。第２のハウジング１８２２は、ベルト１８２５に結合され、これを使用者の腰の周りに装着することを可能にする。
【０２８０】
前述したように、一実施例において、システムは、刺激コイルアレイに近い漂遊磁界を生成することができ、これは無線充電機構を使用して充電することができ、ここで、図１９Ａおよび図１９Ｂを参照してより詳細に説明する。
【０２８１】
本例において、システムは、制御装置１９１６と通信するコイルアレイ１９１１を含み、コイルアレイ１９１１を介して印加される刺激信号の周波数を制御する。これは、第１の通信モジュール１９１７に結合され、次に、第２の通信モジュール１９１８を介して同調システム１９１９と通信し、同調システムに、コイルアレイ１９１１によって生成される照射野の周波数に関する情報を提供することを可能にする。同調システム１９１９は、受信コイル１９１４に結合され、受信コイル１９１４のインピーダンスを同調させ、それにより、漂遊磁界から可能な限り多くのエネルギーを吸収することを可能にする。
【０２８２】
したがって、本構成は、強く結合された磁気無線充電機構を使用して、刺激コイルの表面領域に生成された磁場によりシステムを充電しなおす。本シナリオにおいて、送信コイルは、高電流ＴＭＳ刺激コイルアレイ１９１１であり、受信コイル１９１４は、一次コイルと人間の頭部との間に配置される。受信コイルは、１２０〜１４０ｋＨｚの共振周波数で動作するだろう。インダクタ−コンデンサのタンク回路を利用して、周波数を同調させ、結合係数を増加させる。一次コイルによって生成された磁場は、受信コイルによって捕捉され、次いで整流され、歪みをフィルタリングし、安定化してから、バッテリを充電する。
【０２８３】
本例において、刺激コイルアレイの表面近くで発生した浮遊磁場は、誘導充電受信コイルにより捕捉され、誘導充電受信コイルは次いで、バッテリ内にエネルギーを充電する前に、整流され、電力回路内でフィルタリングされる。光学的な位置センサまたは容量性の位置センサといった位置および運動センサは、コイルシステムの位置の変化を継続的に監視し、移動が生じた場合に必要な位置に戻るように導入される。
【０２８４】
意図された元の位置からコイル変位する場合に望ましくない刺激を避けるために、制御装置は、コイルを元の位置に戻すまで、コイルシステムを一時的に停止する。
【０２８５】
上述したように、応答センサを設けて、誘発された活動ポテンシャルに関するフィードバックを決定することができる。一例において、これは、様々な生体組織の導電率の差を示すマップを生成するインピーダンス断層撮影装置を使用して達成される。これは、電極を通して一つ以上の周波数の交流を印加することによって達成され、いくつかの他の電極は対象内に誘導された結果として生じる電流または電圧を測定する。これは、等電位のマップがターゲット領域の３Ｄマップを作成するために使用されることを可能にする。本システムは、マップ内のターゲット組織の位置の変化を測定することができるため、装置の様々な実施形態の正確な位置決めを可能にすることができる。本フィードバックは、偏差が高すぎる場合には起動前に装置を再配置するために使用することができ、また、小さな偏差の場合には、ターゲット領域上の磁界の焦点を再度合わせるであろうコイルから出る電磁場の量を変化させることができる。
【０２８６】
充電システムおよび応答センサシステムを含む制御システムの一例を図１９Ｂに示す。
【０２８７】
本例において、本システムは、マイクロフォン、ビデオカメラなどといった入力部１９０１を含む。入力部１９０１は、入力信号のデジタル化、周波数フィルタリングなどといった特定の信号処理操作を実行するように構成された一般的な集積回路であるデジタルシグナルプロセッサ１９０２に連結されている。次に、処理された信号は、マイクロプロセッサなどといった電子処理装置である制御装置１９０３に出力される。制御装置１９０３は、一般的には制御装置１９０３による実行のためのソフトウェア命令を保存するメモリ１９１２に結合され、制御装置１９０３が信号を処理し、システムの動作を制御することを可能にする。
【０２８８】
本装置はさらに、バッテリ１９１３またはワイヤレス電源といった電源に結合された電源回路１９０４を含み、電力をデジタル信号プロセッサ１９０２、制御装置１９０３、ドライバ回路１９０７、および電圧ブースター１９０５に分配することができる。バッテリ１９１３は、誘導性または他の充電システムに結合されることができ、必要に応じてバッテリを充電することを可能にする。その上、電力回路１９０４は、受信コイル１９１４に結合され、回収されたエネルギーを使用してバッテリを再充電することを可能にする。図１９Ａに記載されるように、同調回路（図示せず）が設けられ、受信コイルを上述されるように同調させることが可能になるであろう。電圧ブースター１９０５は、電荷を蓄積するように動作するキャパシタ１９０６に結合され、コイルシステム１９１１に印加される電流を生成するために、これをトリガ回路１９０８によって使用することを可能にする。
【０２８９】
対象の脳内の電界を測定することにより、対象の応答信号を測定するインピーダンス断層撮影センサ１９０９が提供され、結果として得られる応答信号は、制御装置１９０３に戻される前に信号プロセッサ１９１０によって処理され、それによってシステムの動作を調整して性能を最適化することができるようにフィードバックを提供する。加えて、位置および制御システム１９１５を使用して、コイルアレイ内のコイルの位置決めを調整し、および／または生成された照射野の制御をさらに精緻化することができる。
【０２９０】
制御装置１９０３は、信号プロセッサ１９０２、１９１０を制御し、駆動制御信号をドライバ１９０７に送り、次に、トリガ回路１９０８を選択的に作動させ、刺激信号をコイルに印加させる。
【０２９１】
本装置は、それぞれの感覚器官に印加される刺激を生成するために、増幅器およびスピーカ（図示せず）といった出力口をさらに含むことができ、任意の残留感覚が可能な範囲で利用されることを可能にする。したがって、可聴刺激装置の場合、受信した可聴信号の増幅バージョンを対象の耳に印加することができ、その結果、対象は、その残留聴覚およびその感覚神経の直接刺激の両方に基づいて可聴感覚応答を知覚する。
【０２９２】
従って、上述したシステムは、聴覚、視覚、嗅覚、味覚、触覚、またはバランスの喪失といった感覚障害の場合に、身体の自然な感覚機構を迂回する目的で、電磁パルスを用いた感覚神経の非侵襲的刺激を提供する。
【０２９３】
人工内耳は、通常、人工内耳のスパイラルに沿って配置された複数の電極を含む。それぞれの電極は、特定の可聴周波数範囲をターゲットとする。これは、２００００Ｈｚでの聴覚情報がスパイラルの基部で符号化され、２０Ｈｚの聴覚情報がスパイラルの先端で符号化される、蝸牛のトノトピックのマッピングに関する。人工内耳の電極は、人間の声に最も関連する周波数範囲をターゲットとするように配置されており、これにより、ユーザのための発話をより良く理解することができる。蝸牛の流体は、導電性であるため、電極は、一度に１つずつ活性化される。上記のシステムは、アレイ内の複数のコイルを使用して、異なる時間に人工内耳の異なる位置をターゲットとする照射野を生成し、それによって同様の応答を生成する同様の戦略を、利用する。本システムは、外耳の側方（隣接）に配置されたコイルシステムを含む。アレイ内の各コイルは、コイルの幾何学的形状に対する所与の空間的制約に対して最大量の電磁場を生成するように設計された各コイルを用いて、蝸牛に焦点を合わせる。これは、蝸牛内に電極の存在を必要としないが、人工内耳によって達成されるのと同様の方法で、異なる神経が刺激されることを可能にするために、ピーク電界強度の焦点が可動であることを用いて重ね合わされた電界が蝸牛内に生成されることを、可能にする。
【０２９４】
したがって、上述の構成は、非侵襲性の聴覚装置を提供するために使用することができる。しかしながら、本技術は、全体的な非侵襲性知覚の補綴物としてより広く適用できることも理解されるであろう。例えば、網膜ニューロン、即ち網膜神経節細胞の非侵襲的刺激にも同じ装置全体を使用することができ、これは、網膜ニューロンの周辺部における原因による視力喪失を有する人々および他の哺乳動物が再び見ることを可能にするだろう。同様に、これは、触覚、嗅覚、および味覚を含む他の感覚を刺激するために使用されることができる。
【０２９５】
人工器官に加えて、本装置は例えば、仮想現実における追加の知覚体験を提供するために、拡張された仮想現実体験および仮想現実体験のために使用することもできる。したがって、入力部は、マイクロフォン、カメラ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ｗｉ−ｆｉ、弁別器と結合された無線遠隔測定システム、または嗅覚および味覚のための電子化学センサを含むことができる。
【０２９６】
また、上述したように、本システムは、対象のターゲット領域内に電磁場を生成することができるため、本システムはより広く神経調節に使用することができ、この実施例を以下に説明する。
【０２９７】
アメリカ食品医薬品局（ＦＤＡ）は、いくつかの病態に対して神経刺激療法を承認しているが、これは深部脳刺激、運動野、脊髄および迷走神経を介して脳を刺激することにより治療される可能性がある。
【０２９８】
深部脳刺激技術は、医学的に難治性のパーキンソン病、本態性振戦、ジストニアおよび強迫性障害（ＯＣＤ）の治療方法としてＦＤＡに承認されている。その他の病態について、トゥレット症候群、治療抵抗性うつ病、慢性疼痛、アルコールおよび薬物依存症、群発頭痛およびアルツハイマー病を含む病気が、研究段階にある。
【０２９９】
深部脳刺激について、ＦＤＡが承認した神経刺激療法に関連する有害事象がいくつかある。これらには歩行障害の悪化、構音障害、嚥下障害、神経精神症状および認知症状（感覚運動、連合、辺縁系の機能に近い）、医学的に難治性の精神疾患および進行性の神経変性疾患が含まれるが、これらに限定されるものではない。これらの疾患には、しばしば重度のうつ病や認知障害などの併存疾患がある。
【０３００】
パーキンソン病（ＰＤ）は、黒質緻密部のドーパミン細胞の消失によって引き起こされる振戦、固縮、無動および動作緩慢の主症状として特徴づけられる。ＰＤは、特に、α−シヌクレイン、パーキン、ＵＣＨＬ１、ＤＪ１、ＰＩＮＫ１、およびＬＲＲＫ２遺伝子の突然変異による病因であると考えられている。ＤＪ１およびＰＩＮＫ１は、酸化ストレスに対する応答に関与するミトコンドリア蛋白質を発現し、プロテアソーム機能に影響を及ぼし、環境誘導性ＰＤの発症に関連する毒素も、前述のミトコンドリア機能に影響を及ぼし、ＰＤの病因発生に寄与する因子に共通性があることを示している。
【０３０１】
ＰＤの治療は、個々の患者に合わせて行う。現在、ＰＤに対する最適な薬物療法はレボドパであり、これはドーパミンの天然前駆体であり、血液脳関門を通過するために経口摂取可能である。レボドパ療法は、「ウェアリングオフ」効果、レボドパ誘発性ジスキネジアおよび他の運動合併症などの重大な有害作用につながる可能性がある。
【０３０２】
その他のＰＤ薬理学的治療薬には、カテコール−ｏ−メチル−トランスフェラーゼ阻害薬、ドーパミン作用薬および非ドーパミン作用性療法があり、レボドパと併用されることもあれば、互いに併用されることもある。深部脳刺激術（ＤＢＳ）に焦点を当てた脳神経外科治療もまた、任意の治療法であるが、介入の手術的な性質のため、有意に侵襲性が高い。
【０３０３】
ＰＤに対するＤＢＳ療法の適応には、運動変動、ジスキネジア、投薬不応性振戦および医療不耐性がある。ドーパミン薬物療法によく反応する症状は、安静時振戦、硬直、上肢の運動緩慢および歩行の運動緩慢の構成要素といった、ＤＢＳ療法の有効なターゲットでもある。しかしながら、一部の症状は、ＤＢＳによって悪化するが、これらには歩行の凝固（ＦＯＧ）、構音障害および嚥下障害が含まれる。
【０３０４】
したがって、ＤＢＳ療法の理想的なＰＤ候補は、統一パーキンソン病評価尺度で評価したＬ−ｄｏｐａ応答性を示すが、ドーパミン非応答性振戦も示す。脳刺激装置ＤＢＳのＰＤターゲットは、高頻度（１３０Ｈｚ）におけるサブハラミック核（ＳＴＮ）であり、これはＰＤのすべての主症状を改善するが、特定の認知機能の低下（すなわち、言語流動性、学習および記憶）と関連する；高頻度（１３０Ｈｚ）における淡蒼球内節（ＧＰｉ）であり、これはＳＴＮ刺激装置のより大きな認知低下なしに、ＰＤの主症状すべてを改善することが示された。最後に、腹外側中間（ＶＩＭ）は、ＰＤの振戦症状を治療するためにＤＢＳを用いて刺激することができるが、前述のように、ＦＯＧ症状はＤＢＳ療法により悪化するが、刺激周波数を６０Ｈｚに下げるとＰＤ患者のＦＯＧエピソードが少なくなっている。脚橋核もＤＢＳの有効な代替標的であることが実証されており、このＤＢＳターゲットを用いてＦＯＧエピソードの減少が観察されている。
【０３０５】
本態性振戦は、活動性振戦の最も根本的な原因の１つであり、これは、能動的に動いている間に身体部分の動きを制御することができないこととして、表現的に現れる。本態性振戦に起因する振戦は通常、軽度で長期間安定しているが、時間の経過とともに徐々に悪化することがある。本態性振戦の病因は、十分に解明されていないが、本態性振戦の患者の約５０％に、家族にも振戦があるという強い遺伝的要素があると考えられている。
【０３０６】
本態性振戦の治療は、振戦症状の重症度に依存する。治療を行わずに医師の診察を受ける軽症型から、医療介入を必要とする重症型まで様々である。さらに、ストレスおよびカフェインは、振戦の影響を悪化させることがあり、回避されるべきである。
【０３０７】
通常、本態性振戦に適用される医療介入にはβ−遮断薬（血圧をコントロールするため）、抗痙攣薬があり、薬物治療が効果的でない場合、脳神経外科的経路が通常、ＤＢＳの形態において、取られる。
【０３０８】
本態性振戦を治療するためのＤＢＳ療法の候補者は、生活の質に重大な影響を及ぼす行動、姿勢、または安静時振戦を伴う患者に限定すべきである。ＤＢＳ介入の最適な神経ターゲットは、ＶＩＭであるが、腹側尾側（体性感覚性視床）と呼ばれるＶＩＭ後方の視床核への電流の放散により、構音障害知覚障害の発達を伴う有害事象が観察されている。本発明の装置の一実施形態は、本質的な振戦を有する患者に治療を提供するためにＶＩＭをターゲットとする。この神経症を刺激するためのｒＴＭＳの使用は、ｔＤＣＳで遭遇する尾側腹側への放散を回避する。
【０３０９】
ジストニアは、不随意の持続的な筋収縮と反復的なねじれ運動を明白に示し、それが長期間に渡って、異常な姿勢をもたらす。ジストニアは、焦点、分節性、多病巣性、および半ジストニアに分類される。ジストニアの病因は、パーキンソン病や多発性硬化症といった疾患の特発性（原発性）、遺伝性（続発性）および外傷／二次的効果などに分類される。
【０３１０】
ジストニアの治療は、ジストニアの分類によって異なるが、全身性ジストニアはドーパミンおよび抗コリン薬を含む神経系をターゲットとする薬物を用いて薬理学的に治療できる。ジストニアは、筋肉の選択的な神経麻痺によっても外科的に治療されるが、一定していない有効性を有する。四肢ジストニアに対しては知覚訓練や四肢固定術と同様に筋力強化やストレッチなどの理学療法が試みられているが、現在のところ有効性は証明されていない。多くの神経疾患に対する有効な治療法は、ボツリヌス菌由来のボツリヌス毒素の使用であり、これは神経筋接合部へのアセチルコリンの放出を阻害する。ボツリヌス毒素はジストニア筋に注射すると筋攣縮を減少させ、全身性の副作用はない。ボツリヌスは、子宮頸部ジストニア、眼瞼痙攣、痙攣性発声障害、口下顎ジストニア、および四肢ジストニアを含む多くの分類のジストニアに対して選択される治療であり、患者の７０人〜９０％に長期的な有効性をもたらす。
【０３１１】
ＤＢＳは、ジストニアの新規治療法として提唱されており、ＧＰｉが選択のターゲットとなっている。ジストピアの治療に対するＧＰｉ神経刺激の有効性が評価されている。光学的追跡は、ＧＰｉのすぐ腹側に位置しており、電極が正しい深さに挿入されなければ視覚欠損につながる可能性があるにもかかわらず、ＦＤＡはＨＤＥ経路を介して２００３年にジストピアの治療のためにＧＰｉ−ＤＢＳを承認した。
【０３１２】
強迫性障害（ＯＣＤ）は、不安を軽減するために必要であると患者によって知覚される反復行動または儀式（強迫）を伴う侵入性不安生成思考（強迫）として説明することができる。ＯＣＤは、複雑で多因子性の病因であると思われる。神経画像研究により、基底核視床皮質（ＢＧＴＣ）経路の神経病理学、より具体的には前頭前野および辺縁系ＢＧＴＣ経路における神経病理学が実証されている。
【０３１３】
ＯＣＤは通常、セロトニン再取り込み阻害薬（ＳＲＩ）を用いて薬理学的に治療されるが、これは成体では大部分の有効性が示されており、小児では中等度の有効性が示されている。ＳＲＩの投薬を行っても、ほとんどの治療反応者は、残存症状を経験し、再発する可能性が高い。認知行動療法（ＣＢＴ）は、心理的治療の一形態としても用いられ、薬物療法よりも優れていることが示されている。興味深いことに、ＤＢＳは、ＯＣＤの症状の管理に有望であり、双方のＤＢＳが最も高い有効性を示した。
【０３１４】
ＯＣＤの神経刺激性ＤＢＳのターゲットは、気分変化に関連する腹側被膜／腹側線条体（ＶＣ／ＶＳ）であり、ＨＤＥ経路を介して２００３年にＦＤＡにより承認された；側坐核（ＮＡｃ）；ＳＴＮ；および下方視床脚である。
【０３１５】
運動野刺激（ＭＣＳ）は、疼痛症状の患者を軽減する。ＭＣＳを用いて一次運動野を刺激することにより、個体は慢性疼痛を軽減した。興味深いことに、一次運動野の前方に位置する体性感覚野のＭＣＳは、個々の経験した疼痛を増加させることが観察された。ＭＣＳは、医学的に難治性の疼痛を有する患者の疼痛緩和に有効な治療法であることが実証されており、神経障害性顔面痛および脳卒中後の疼痛に対する疼痛の有意な減少が実証されている（患者の８４％が４０％を超える疼痛症状の減少を経験した）。
【０３１６】
てんかんは、定期的に起こるけいれん（部分発作または全身発作）を引き起こす神経疾患であり、数秒間にわたって目を剥く人から、無力なけいれんや意識消失を起こす人まで、さまざまな形で現れる。患者の最大３０％が、抗てんかん薬に反応しない治療抵抗性の発作を起こす。
【０３１７】
このような患者において、脳神経外科的介入のみが発作の活動を軽減または除去することができる。この手術は、問題のある脳領域の除去を含み、明らかに侵襲性が高い。ＤＢＳは、可逆的であり、発作の頻度を有意に減少させることが実証されているため、脳神経外科手術の代替療法として提案されている。てんかんを治療し、発作エピソードの回数を減少させるＤＢＳの神経刺激ターゲットは、視床の内包および領域である。
【０３１８】
２０１３年、ＮｅｕｒｏＰａｃｅ  ＲＮＳシステムは、医学的に難治性のてんかんの治療法としてＦＤＡにより承認された。この治療は、最初は、対照と比較して発作を３７．９％減少させ、６年では６６％減少させた。患者は、ＱＯＬおよび認知機能の改善も経験したが、作用機構は、まだ文献によって解明されていない。本発明の装置の一実施形態はてんかん患者における発作の数を減少させるために、内包および視床の領域をターゲットとする。
【０３１９】
脊髄刺激（ＳＣＳ）は、難治性慢性疼痛の代替療法として使用され、脊髄損傷の効果に対応することに役立つ可能性がある。脊髄損傷に対するＳＣＳの適用は、失敗した背部手術症候群、複合性局所疼痛症候群、狭心症、虚血性四肢痛、腹痛である。文献レビューでは、ＳＣＳは様々な難治性疼痛状態に対して安全かつ有効な治療法であり、慢性疼痛が６８％減少し、２４ヵ月間にわたり持続的な疼痛緩和が得られると結論付けている。
【０３２０】
脊髄損傷（Ｓｐｉｎａｌ  ｃｏｒｄ  ｉｎｊｕｒｙ：ＳＣＩ）は、脊髄のあらゆる部分、または脊柱管の末端にある神経の損傷である。ＳＣＩは多くの場合、損傷部位の下の強度、感覚および他の身体機能の永久的な変化を引き起こす。ＳＣＩの重症度は、完全、すなわち、全ての感覚の喪失および損傷下の動きを制御する能力の喪失、または不完全に分類され、四肢麻痺、すなわち、腕、手、体幹、脚および骨盤器官が損傷により影響を受ける四肢麻痺、または麻痺が体幹、脚および骨盤器官の全てまたは一部に影響を及ぼす麻痺のいずれかにつながりうる。
【０３２１】
ＳＣＳ治療を受ける患者は、随意運動を取り戻すことができる。ある事例研究は、ＳＣＳと強力な身体訓練の併用療法により、（バランス補助のみを用いて）ほぼ５分間の全重量を達成できることを示した。さらなる訓練および校正の後、患者は、刺激の間、脚の運動のいくらかの制御を取り戻すことができた。別の事例研究は、第６脊髄セグメントでの脊髄損傷を伴う下半身不随の患者を含んだ。ＳＣＳインプラントと強力な物理的療法後、患者は下肢運動の何らかの特定タスクの随意制御を取り戻すことができた。
【０３２２】
ある研究は、脊髄損傷を受けた個人において、ターゲットとしたＳＣＳが歩行の随意制御を可能にすることに成功したことを、実証した。インプラントパルス発生器により、腰仙髄後根の選択的な時空間の刺激は、地上歩行中の麻痺筋の再確立された適応制御を導いた。自発運動能力は、リハビリテーション中にさらに改善し、数カ月後、参加者は刺激なしで以前に麻痺した筋肉に対する随意制御を回復し、時空間の刺激中に環境上の設定の中で歩行または自転車に乗ることができた。
【０３２３】
過活動膀胱症候群（ＯＢＳ）は、骨盤底筋の不随意収縮および尿道括約筋の応力緩和を明白に示し、不随意排尿に至る。ＯＢＳの治療は通常、薬理または手術であるが、手術経路の方針は、非常に危険である。Ｓ３孔の神経刺激は、適切な治療法であることが観察されているが、インプラントから生じる合併症は、抑止として作用する。Ｓ３孔ＳＣＳインプラントの代わりに、経皮的脛骨神経刺激（ＰＴＮＳ）がある。ＰＴＮＳは、神経根Ｓ４を利用し、足関節よりやや上の脛骨神経に皮膚に近い位置に埋め込む。インプラントは、脊髄神経Ｌ４〜Ｓ３を刺激するように作用する。磁気神経刺激も使用されるが、ＰＴＮＳ経路では使用されない。記載された特許は、ＰＴＮＳ部位を介する磁気刺激を利用する（ｐｗ  ２００ｕｓ  ＠２０Ｈｚ、３０分間、週１回）。
【０３２４】
迷走神経刺激（ＶＮＳ）は、てんかんや治療抵抗性うつ病の治療に使用できるが、ＶＮＳの他の適応も研究中である。
【０３２５】
てんかんの場合、本装置は、一般的に３０秒のオンおよび５分のオフの、規則的なオンおよびオフ刺激間隔を提供するようにプログラムされる。これは、正確な作用機構についてはいまだ議論の余地があるものの、てんかん発作の発症に関与する領域で血流や代謝を増加させることで作用すると考えられている。２００２年現在、てんかんを治療するために約１６，０００のＶＮＳインプラントが存在している。
【０３２６】
治療抵抗性うつ病に対しては、現在の治療は神経外科的性質を有しており、したがって侵襲性が高い。ＶＮＳの低侵襲性は、医学界で多くの注目を集めているが、治療抵抗性うつ病を治療するためのＶＮＳの有効性はまだ議論中である。
【０３２７】
迷走神経は、乳様突起骨先端部および乳様突起骨先端付近で、首を介して、胸鎖乳突筋と気管の間で成功裏に刺激されている。最も効果的な刺激は、ＳＨＡＦＩＫと同僚によって行われ、４０Ｈｚ周波数で１７５Ｊ／パルス（１０時間点灯、１０時間消灯、オンライン２０分、オフライン６０分、対象あたり５回）を使用し、この刺激パラダイムが最も長い効果を示した。
【０３２８】
迷走神経の近くにあるのは、横隔神経である。迷走神経刺激は、多くの場合、横隔神経を共刺激するので、例えば、ＪＰ２００８／０８１４７９Ａ（ＹＯＳＨＩＨＯＴＯ）に記載されているように、横隔神経の共刺激を最小限に抑えるために、正確な位置決め／波形を操作することができる。
【０３２９】
ＶＮＳは、術後イレウス、アルツハイマー病におけるＴＮＡ−ａ機能不全、および他のあらゆる炎症関連疾患（ＶＮＳにより調節され得る）を含む、治療法として有効であり得ることを示す多くの他の適応がある。したがって、ＶＮＳの実用性は迷走神経に直接関係する病態に限らず、様々な全身状態の治療法として使用可能である。
【０３３０】
術後イレウス、または小腸の炎症は、手術や他の侵襲的治療に極めて敏感である。磁気刺激による迷走神経をターゲットとした抗炎症薬を用いた非侵襲的治療が最良である。
【０３３１】
アルツハイマー病（ＡＤ）は、神経変性疾患であり、パーキンソン病の発達の一般的な前駆体である。ベータアミロイドの蓄積、細胞内神経原線維変化、神経細胞死およびシナプスの消失を特徴とする。多因子性の原因論としてのＡＤは、併用療法が必要とする最適な経路である可能性を、示唆している。ＡＤの病態生理学的サイクルの大きな提案は、ベータ−アミロイド蛋白質を生じ、タウ蛋白質の除去を減少させ、その結果サイトカイン分泌およびさらなる炎症を生じ、ＡＤの進行を悪化させる慢性炎症である。この炎症は、サイトカインであるインターロイキン−１（ＩＬ−１）および腫瘍壊死因子アルファ（ＴＮＦ−ａ）のミクログリア分泌によって媒介される。迷走神経刺激は、ＡＤ患者の認知効果を改善する一方で、病態生理学的プロファイルも改善するが、これらの効果の作用機構は、未だ解明されていない。
【０３３２】
術後認知機能低下（ＰＯＧＤ）は、手術の外傷後の手術媒介性の炎症によって引き起こされると考えられており、短期から永続的である可能性がある。ＰＯＧＤを治療するための既知の治療法はないが、迷走神経は、磁気刺激に対する適切な抗炎症ターゲットである可能性があり、電気ＶＮＳのために別の手術を行うことから更なる炎症を防止するために非侵襲的治療が最適であると仮定される。
【０３３３】
関節リウマチ−は、遺伝子から外傷、様々な病態まで、複数の病因を有する疾患である。関節の炎症を特徴とし、通常は、理学療法および運動のいずれか、または根本にある炎症を管理するために他の薬物と併用して使用される疾患修飾性抗リウマチ薬（ＤＭＡＲＤＳ）によって治療される。ＤＭＡＲＤＳは、神経刺激と同じ経路、同様の迷走神経によるＴＮＦａを介した炎症を利用する。ＤＭＡＲＤＳには副作用があり、通常は軽度であるが、重症の場合は、きわめて重大である。手術がさらなる炎症を誘発し、病状を悪化させる可能性があるため、ＲＡを非外科的治療経路を用いて治療することが、最適である。
【０３３４】
喘息または慢性肥満性肺疾患（ＣＯＰＤ）は、肺の慢性炎症を定義する包括的な用語であり、通常、肺における自己免疫応答または環境／病態のいずれかによって引き起こされる。ＣＯＰＤに対する治療法はないが、コルチコステロイドや迷走神経の神経刺激など、炎症症状を管理する方法は、いくつかある。磁気神経刺激は、伝統的な治療の適切な代替治療であり得る。
【０３３５】
胆汁分泌を担うオディ括約筋も、神経刺激を用いて調節し、胆汁の産生と分泌を誘導することができる。
【０３３６】
世界保健機関（ＷＨＯ）によれば、１３億人の人々が何らかの形態の視覚障害をもって生活している。このうち３６００万人は、法律的に盲目である。失明については、症例の大半（５１％）が白内障であり、その他の原因としては緑内障、加齢黄斑変性症（ＡＭＤ）、糖尿病性網膜症、網膜色素変性症（ＲＰ）が挙げられる。ＡＭＤやＲＰでは光受容体が変性しており、糖尿病網膜症や緑内障は網膜神経節細胞に影響を及ぼす。病気の部位によって、視力を回復させるために電気刺激を与えるインプラントの部位が、異なる。
【０３３７】
異なる種類の視覚補綴物は、網膜上、網膜下、脈絡膜上、視神経、ＬＧＮ、および皮質インプラントを含む。
【０３３８】
現在の網膜上補綴物は、光画像を捕捉するカメラと、画像を電気刺激のパターンに変換するプロセッサと、網膜の内側表面上に位置し、内側網膜内の残りの細胞を刺激する電極アレイとを含む３つの構成要素からなる。
【０３３９】
Ｈｕｍａｙｕｎらは、網膜上のインプラントのパイオニアであった。患者に埋め込まれた最初の網膜上膜装置は、Ｓｅｃｏｎｄ  Ｓｉｇｈｔ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓによって開発されたＡｒｇｕｓ  Ｉであり、１６個の白金電極から構成された。次世代デバイスＡｒｇｕｓ  ＩＩは、６０個の電極を有し、欧州での実用化に向けてＣＥマークを取得している。
【０３４０】
網膜下インプラントは、主に網膜の内顆粒層をターゲットとする。これらは、網膜の下に挿入されるため、脈絡膜と網膜の間に維持され、網膜剥離のリスクとともにインプラントの安定性を高める。２００１年に、最初に注入された網膜下装置は、Ｏｐｔｏｂｉｏｎｉｃｓ、Ｉｎｃ．によって開発された。装置は、光を電気刺激に直接変換する直径２ｍｍの自律アレイに配置された５０００個のフォトダイオードからなっていた。
【０３４１】
脈絡膜貫通インプラントは、外側の部分から網膜を刺激する。このアプローチは、網膜剥離または脈絡膜出血のリスクを除去した、より容易な移植を提供する。バイオニックビジョンオーストラリアが主導するオーストラリアの取り組みでは、網膜を強膜の外側から刺激することによって皮質の活動を引き起こす脈絡膜上インプラントが開発されている。この戦略は、単極および双極のような異なる刺激装置構成において効率的であった。
【０３４２】
視神経は、非常に小さな領域で視野全体の情報を伝えるため、電気刺激の潜在的なターゲットでもある。しかし、直径２ｍｍに含まれる軸索が１００万個以上あるため、刺激装置を集中させることは、より困難である。視神経補綴物は、視神経の周りに配置された４接触カフ電極を介して異なるホスフェンを誘発することが示されており、このカフ電極は、位相当たりのパルスの振幅、持続時間、周波数、および数を変化させた二相電気パルスを放出する。
【０３４３】
外側膝状核（ＬＧＮ）はまた、視覚的補綴物のための潜在的な部位である。これは網膜よりも大きい領域上での比較的単純な細胞分離の利点を有し、これはより高い解像度でターゲット領域への画像処理の適応を可能にする。敏捷なサルにおけるＬＧＮ刺激装置は、視覚的知覚の確認された誘発とその空間的局在を示している。
【０３４４】
緑内障、視神経症の場合、変性した網膜ニューロンを刺激することは不可能である。この場合、脳刺激が視覚補綴の唯一の利用可能な戦略である。Ｄｏｂｅｌｌｅらは、機能的な皮質補綴物を提供した最初の１人であった。それらのインプラントは、視覚皮質の表面上に配置され、１人の患者は、２０／１２００の視力に達することができる６４個の電極を有した。
【０３４５】
電極が皮質を貫通する場合、必要とされる刺激閾値は、視覚皮質の表在性刺激の場合よりも２〜３倍低い。Ｕｔａｈ電極アレイは例えば、鋭い柱の先端に１００個の電極を有する装置である。非ヒト霊長類におけるこの機器の最初の機能的な実験は、一般的にはニューロン記録のために使用され、電気的に誘発されたホスフェンの知覚を確認した。
【０３４６】
したがって、上記から、説明された装置は、提供する際に使用され得ることが理解されるであろう。
【０３４７】
以下の本明細書および特許請求の範囲全体を通して、文脈上別段の要求がない限り、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という語および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変動は記載された整数または整数または工程のグループの包含を意味するが、他の整数または整数のグループを排除するものではないと理解されるのであろう。本明細書で使用される場合、および別段の記載がない限り、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」および「およそ（ａｂｏｕｔ）」という語は±２０％を意味する。
【０３４８】
当業者であれば、多数の変形および修正が明らかになることを理解するであろう。当業者に明らかになるこのような全ての変形および修正は、前に広く説明された本発明の精神および範囲内に入ると考えられるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【国際調査報告】
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