電通大で学べる
脳科学ライフサポート研究：
基礎と応用
工学と耳科学の連携による聴覚疾患予防・治療の取り組み
小池卓二
脳科学ライフサポート研究センター
機械知能システム学専攻
電通大で学べる脳科学ライフサポート研究：基礎と応用

内 容
耳科領域の医工連係研究
ヒト聴覚器の構造・機能
末梢聴覚器の振動シミュレーション

胎児の聴力検査
埋め込み型骨導補聴器開発
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2

ヒト聴覚器の構造

ツチ骨

キヌタ骨
アブミ骨

蝸牛

鼓膜

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http://www.sickkids.on.ca/auditorysciencelab/images/ossicles.jpg

3

音の伝播

ツチ骨

キヌタ骨
アブミ骨

蝸牛

鼓膜

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蝸牛の構造
アブミ骨

有毛細胞

基底板

聴毛

リンパ液

外有毛細胞
内有毛細胞

5 mm
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蝸牛の構造内有毛細胞の動き外有毛細胞の動き

基底板の振動を増幅させる
神経に電気的パルスを生じさせる

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和田ら（東北大）

6

蝸牛内機械－電気変換機構

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内 容
耳科領域の医工連係研究
ヒト聴覚器の構造・機能
末梢聴覚器の振動シミュレーション

胎児の聴力検査
埋め込み型骨導補聴器開発
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シミュレーションの目的
聴覚器官は硬い骨に覆われているため，その挙動を直接観察したり計測したりすることが困難

聴覚器官を再現したモデルにより，聴覚器の機能障害発生機序の解明，効果的治療法の開発を目指す

ヒトの耳の断面図

鼓膜・耳小骨モデル 内耳の有限要素モデル

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9中耳疾患への応用

ツチ骨の固着関節の離断

人工キヌタ骨の挿入

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仮想手術に依る治療効果の評価

人工キヌタ骨留置耳正常耳音の伝達効率（人工キヌタ骨の材料を変えた場合）

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内有毛細胞内電位とＣａ2+濃度の推定
K+

膜電位

Ca2+濃度
40–20

concentration [μM]

Ca2+Ca2+voltage [mV]–40
Voltage

Ca2+–60

30

2010transmitter–8030313233

340303531323334353435

time [ms]time [ms]K+
40

concentration [μM]

–20

Ca2+
Ca2+
Voltagevoltage [mV]

–40–6020

10Ca2+

transmitter

30–8030

313233time [ms]電通大で学べる脳科学ライフサポート研究：基礎と応用

3435030

313233time [ms]12内 容耳科領域の医工連係研究
ヒト聴覚器の構造・機能
末梢聴覚器の振動シミュレーション胎児の聴力検査
埋め込み型骨導補聴器開発
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13胎児の聴力検査の目的
 先天性難聴
800人に1人の割合で発症
言語発育の障害や明瞭な会話へのハンディキャップが伴う

現状

新生児聴覚スクリーニング↓補聴器や人工内耳による治療

妊娠22週から28週にかけて内耳が発達・成熟・完成

将来

胎生期聴覚スクリーニング↓
病変の進行の予防，根本的治療法の導入

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14胎児の聴力検査の方法
脳波変動（聴性誘発反応）

音刺激を胎児に与える心拍数変動

数値解析による子宮内音圧の計算

2つの計測結果に基づく胎児の聴覚スクリーニング法の検討

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15胎児の脳波計測方法

DifferentElectrode (+)

Indifferent
Electrode (-)

Function
generator
Piezo driver

X1

X2

Earth
Electrode (E)Piezo electricvibrator

誘発電位・筋電図検査装置（MEB-2200 日本光電）

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16胎児脳波計測例(a) [ μV ] 0.2(a)[ μV ] 0.2

平滑化電圧波形(b)(b)

平均相関係数

Potential curves
Potential curves−0.2−0.20
0Correlation
factorCorrelationfactor

圧電素子のノイズにより無視する区間

00

noise
noise
10101
12020
相関係数平均0.4以上⇒誘発電位検出0.50.5
0000

noise
noise
101020 ms ]20 [[ ms]

胎児19例中17例で誘発電位を検出（89.5%）
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17内 容耳科領域の医工連係研究
ヒト聴覚器の構造・機能
末梢聴覚器の振動シミュレーション

胎児の聴力検査
埋め込み型骨導補聴器開発
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日本における難聴者の現状
補聴器が必要な難聴者数： 1940万人
補聴器の使用者数： 339万人
補聴器使用率： 17％（日本補聴器工業会）

マイクロホンイヤホン

サウンドプロセッサ・アンプ

補聴器の問題点• 長時間の外耳道閉鎖（疼痛、耳垢、感染）• ハウリングによる強大音暴露• 高度難聴者には効果が不十分• 老人性難聴者（700万人）には不人気
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研究目的
低侵襲，高補聴性能，安全な埋め込み型骨導補聴器の開発
・皮膚面への金属露出の回避

・埋め込み手技の単純化
・出力向上による適応拡大→感音難聴への対応

・インプラント部の単純化→小型，メンテナンスフリー

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埋め込み型骨導補聴器

超磁歪素子
駆動コイル

体外ユニット 体内ユニット
マイク・サウンドプロセッサ

振動方向

振動子
磁界
固定用磁石
受信コイル

送信コイル

• 衛生管理が容易• 小型で低侵襲電通大で学べる脳科学ライフサポート研究：基礎と応用

超磁歪素子の特徴
・高変形率・高発生応力・高速応答性21

頭蓋骨に発生する振動
superior
anterior

f = 0.5 kHz

f = 2.0 kHz

f = 4.0 kHz

f = 8.0 kHz

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補聴により発生する脳波の計測

Auditory Brain-stem Response (ABR) induced by
the implanted GMM vibrator (f=12 kHz)

Guinea pig
・male 300 g
・ABR threshold for AC: 35 dB(1 msec tone burst at 12 kHz)

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埋め込み型骨導補聴器の試作機

Prototype I
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Prototype II24