JP2020537586A - 機能的ｍｒｉ中の電気刺激のためのシステム - Google Patents

Abstract

本開示は、被験者のＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中、上記被験者の電気刺激に用いるために、ＭＲスキャナにおいて既定の電気信号を生成するためのシステムに関し、上記ＭＲスキャナは、遮蔽されたＭＲＩ室内に設置される。システムは、ＭＲＩ室外に設置される、電気信号を生成するための制御ユニットと、ＭＲＩ室外に設置される、上記電気信号を対応する光信号に変換するための電気光変換器とを備える。たとえば光ファイバなどの光伝送素子は、ＭＲＩ室内へ光信号を伝送するために用いられ、光電気変換器は、磁気共鳴断層撮影中の被験者の電気刺激のために、光信号を上記既定の電気信号に変換するために用いられる。光電気変換器は、ＭＲＩ室内に設置され、磁気共鳴断層撮影中に動作するために構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、機能的磁気共鳴断層撮影中の被験者の電気刺激に用いるために、ＭＲスキャナにおいて既定の電気信号を生成するためのシステムに関する。

電気刺激は、主に心臓病および神経性精神病、すなわち心臓不整脈、パーキンソン病、本態性振戦、トゥーレット症候群、癲癇、また強迫性障害、頭痛および疼痛において用いられるよく知られた治療法である。電気刺激は、たとえば、心臓ペースメーカー、脳深部刺激（ＤＢＳ）、脊椎刺激（ＳＣＳ）、迷走神経刺激（ＶＮＳ）、または経皮神経刺激（ＴＥＮＳ）の形態で適用され得る。電気刺激の臨床効果は、心臓疾患およびたとえばパーキンソン病、本態性振戦、およびトゥーレット症候群などの神経運動障害において定評があるが、ＤＢＳは、たとえばうつ病および不安障害、依存症および肥満認知改善および認知症、頭痛および偏頭痛、強迫性障害などの神経性精神障害、ならびにバイオニクス、リハビリテーション療法、疼痛治療、耳疾患、消化器疾患、泌尿生殖器疾患、眼疾患、自己免疫疾患およびリウマチ、炎症関連疾患、および音声療法における有望な治療でもある。

機能的磁気共鳴断層撮影（ｆＭＲＩ）は、血流に伴う変化を検出することによって脳活動を測定する測定技術である。脳血流および神経活性化は結び付いているので、ｆＭＲＩは、脳活動をマッピングすることができる。同様に、ｆＭＲＩは、たとえば脊椎または心臓など、他の関心身体部位でも行われ得る。電気刺激とｆＭＲＩとの併用は、たとえば被験者に与えられた電気刺激の生理的反応を撮像するために用いられ得る。神経性精神障害を治療するためにも、脳活動を検出しながら同時に刺激パラメータを調整することは非常に有益である。しかしながら、ｆＭＲＩ中の被験者に刺激信号を送達することは、問題を含んでいる。ｆＭＲＩ中、被験者は、非常に強い磁場および強力な無線周波数（ＲＦ）に晒されており、これらは電子機器に干渉し、プログラムされた刺激ユニットの設定を変更させることがある。また、電気刺激を送達するために用いられる電気デバイスは、取得ＭＲ画像の大きなアーチファクトおよび乱れをもたらし得る。ＭＲＩまたはｆＭＲＩが記録されるＭＲＩ室は、電場がＭＲＩ室内へ入ることを防ぎ、ＭＲＩ室からの強い磁場およびＲＦ波の漏洩を低減するために、ファラデーケージのように遮蔽される。ＭＲＩ室外に刺激デバイスを設置し、ケーブルを用いて刺激ユニットを被験者に接続することもまた、干渉およびケーブルの高周波加熱の可能性による問題を含み得る。したがって、送達された電気信号を途絶または変更させることなく、またはＭＲＩに干渉することなく、被験者がＭＲスキャナ内に載置されている間、埋込み電極を用いて被験者に調整可能な電気インパルスを送達するための手段が求められる。

ＭＲＩ対応通信のためのシステムは、アメリカのミネソタ州ロチェスター市にあるメイヨークリニックにおいて開発され、ここでは、ＭＲＩ室の内外で通信するために無線通信モジュールが使用される。このシステムは、特許出願ＵＳ２０１４２７５９７０号に開示される。

第１の態様において、本開示は、被験者のＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中、上記被験者の電気刺激に用いるために、遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナにおいて既定の電気信号を生成するためのシステムに関する。システムは、ＭＲＩ室外に設置される、電気信号を生成するための制御ユニットと、ＭＲＩ室外に設置される、上記電気信号を対応する光信号に変換するための電気光変換器とを備える。たとえば光ファイバなどの光伝送素子は、光信号をＭＲＩ室内へ伝送するために用いられ、光電気変換器は、磁気共鳴断層撮影中の被験者の電気刺激のために、光信号を上記既定の電気信号に変換するために用いられる。電気刺激は、被験者に載置され（たとえば経皮神経刺激（ＴＥＮＳ）用の表面電極）、被験者に埋め込まれ（外科的処置を必要とし、たとえば脳が摘出され、ＤＢＳおよびＶＮＳに用いられる）、または被験者に挿入された（たとえば筋電図検査用ニードル、皮下刺激、ペースメーカー）、１または複数のニードルまたは電極によって被験者に伝達し得る。たとえばＤＢＳの場合、脳に埋め込まれた１または複数の電極が用いられ得る。他の種類の刺激に関して、他の種類のニードルまたは電極が、被験者への載置、埋込み、または挿入に適している。

光電気変換器は、ＭＲＩ室内に設置され、磁気共鳴断層撮影中に動作するために構成される。光電気変換器は、太陽電池であってよい。光伝送素子からの光信号は、太陽電池に照射される。光信号に対応する電気信号は、たとえば光起電力効果または光電効果を用いて太陽電池によって生成され得る。太陽電池は、フォトダイオードであってよい。たとえばフォトダイオードにおける光電効果または光起電力効果の使用は、単純かつ費用効果の高い解決策である。

電子回路は、太陽電池などの光電気変換器を電極またはニードルに接続する導体の１または両方に設けられ得る。電子回路は、信号が電極／ニードルに伝達する前に、入来信号を処理してよい。変換は、実効電圧が特定の治療のために有用であるように、実効電圧または電位を低くし得る。当業者は、信号が電極に伝達する前に、電子回路が入来信号を変換する必要があるか、またどのように変換することができるかを知る。必要な変換は、電極および電極／ニードルが用いられる用途に依存する。標準的な電極またはニードルの場合、ＤＢＳ、ＳＣＳ、ＴＥＮＳ、末梢神経刺激（ＰＮＳ）、脳神経刺激、ＶＮＳ、電気筋肉刺激、皮質多電極刺激、網膜多電極刺激、胃電気刺激療法または心臓刺激、ならびに表面電気刺激、非侵襲性電気刺激、角膜電気刺激（ＴＥＳ）、全眼電気刺激（ＷＥＳ）、経皮電気神経刺激（ＴＥＮＳ）、皮下神経刺激、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）、バイオニック置換／バイオニックインプラント／神経機能代替、人工内耳、電子薬／エレクトロバイオニクス、または同様の刺激に用いられる。一例として、脳組織の抵抗は７００Ω以上であり、この状況において約３または３．５Ｖの印加電圧が適切である。他の組織に載置され、挿入され、または埋め込まれる電極（複数も可）の場合、抵抗は異なってよく、適切な印加電圧もまた、脳組織のための印加電圧とは別の値を有してよい。

適正な、特に極度に高すぎない信号または電位が電極に印加されることを確実にするため、電気回路はフィードバックシステムを有してよく、電極に印加された信号または電位は、印加された信号が極度に高い場合、電子回路の出力電位を低くするために、またその逆のために、電子回路のための入力として用いられる。フィードバックシステムは、電極（複数も可）が載置され、挿入され、または埋め込まれる組織の種類に関して調整または設定される必要があり得る。

電子回路は、受動部品、すなわちエネルギを消費するが生成しない、および／または電力利得が可能ではない部品のみで製造され得る。これは非常に費用効果の高い電子回路である。

フォトダイオードなどの太陽電池、導体、電子回路、およびニードルまたは電極を備える回路は、好適には、使い捨て用に作られ得る。そのような回路は、再殺菌の必要がないために時間効率が良く、回路が低費用で生産され得るために費用効果が高い。

光伝送素子または光ファイバの端部は、光信号を太陽電池に、好適には太陽電池全体に拡散するための光拡散器を有してよい。これは、光電気変換プロセスの効率を高める。

電気刺激療法を伴う臨床状態の場合、特に、安全性は極めて重要である。本開示の発明は、患者のｆＭＲＩを行うと同時に、安全かつ制御可能な方式で埋込み電極への電気刺激を実行することを可能にする。ＭＲスキャナ内の磁場は、電気刺激ユニットにおけるプログラムされた設定を破壊または変更する可能性があり、それによって、被験者に埋め込まれまたは載置された電極へ、制御不可能かつ潜在的危険性のある電気刺激を送達することがある。制御ユニットをＭＲＩ室外に設置することは、制御ユニットがスキャナからの強い磁場に晒されず、ゆえに信号が変更される危険性を排除することを意味する。またこれは、スキャナの外側にある制御室内の職員が、ｆＭＲＩ中に送達された信号を完全に制御可能であることも意味する。

ＭＲＩ室外の制御ユニットとＭＲＩ室内の被験者へ刺激を送達する装置との間の通信のために光ファイバケーブルを用いることにより、導電性ケーブルは使用されず、すなわち、ケーブルが他のケーブルまたはＭＲスキャナに干渉することがなく、ケーブルのRF加熱が発生しない。また、信号を通信するために光ファイバケーブルを用いる場合、制御ユニットと被験者への送達との間で信号遅延は存在しないが、無線接続は、ある程度の信号遅延を伴い得る。また、光ファイバケーブルの使用は、信号中断の危険性が低い確実な接続も提供する。電気刺激を送達するために用いられる電気デバイスは、ＭＲＩ信号との干渉を原因とする、取得ＭＲ画像の大きなアーチファクトおよび乱れをもたらし得る。この装置を遮蔽されたＭＲＩ室外に設置する場合、そのような装置からの干渉は排除される。

電気信号は、対応する光信号を生成する光信号発生器を制御するプロセッサまたはコンピュータにおいて生成され得る。光信号発生器の出力光信号に対応する電気信号はプロセッサまたはコンピュータ内に存在するため、光信号発生器は、電気光変換器として機能する。プロセッサまたはコンピュータは、電気信号を生成する制御ユニットとして機能する。

本発明の第２の態様は、被験者のＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の上記被験者の電気刺激のためのシステムに関する。システムは、本発明の第１の態様に係る、既定の電気信号を生成するためのシステムと、被験者に埋め込まれるために構成され、上記既定の電気信号に基づいて被験者に電気刺激を送達するために構成された少なくとも１つの電極とを備える。一実施形態において、少なくとも１つの電極は、被験者に電気刺激を送達するための複数の接点を含む。またシステムは、多数の電極を介して被験者へ電気刺激を送達するために構成されてもよい。

本発明の第３の態様は、遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナ内に位置する、ＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の被験者の電気刺激のために、既定の電気刺激信号を生成するための方法に関する。方法は、１）ＭＲＩ室外で電気信号を生成するステップと、２）ＭＲＩ室外で電気信号を光信号に変換するステップと、３）光信号をＭＲＩ室内へ伝送することと、４）ＭＲＩ室内で、光信号を上記既定の電気刺激信号に変換することとを備える。

本開示は更に、遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナにおける被験者のＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の上記被験者の電気刺激のための方法に関する。方法は、ＭＲＩ室外で電気刺激信号を光信号に変換するステップと、光ファイバケーブルを用いてＭＲＩ室内へ光信号を伝送するステップと、ＭＲＩ室内で光信号を電気刺激信号に再び変換するステップと、被験者に電気刺激信号を当てるステップとを備える。

本開示は更に、遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナ内に位置する、ＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の被験者を刺激するために用いられる、少なくとも１つの電極に電気接続された太陽電池の使い捨てキットに関する。

光伝送素子または光ファイバからの光信号は、電位を生成する太陽電池に照射される。それが電極へ伝達される。太陽電池、電極、およびそれらの間の電気接続は、キットの再殺菌プロセスよりも製造費用が低い、単純かつ費用効果の高いキットを形成する。電気接続はワイヤであってよく、あるいは太陽電池は電極に直接取り付けられる。廃棄および再利用プロセスを単純化するために、太陽電池および電極は、互いに容易に切り離すことができ、太陽電池は電気部品として、電極は金属として再利用され得る。

使い捨てキットは更に、太陽電池などの光電気変換器を電極またはニードルに接続する導体の１または両方に設けられた電子回路を備えてよい。使い捨てキットの電子回路は、上述したような電子回路の特徴および利点を全て有してよい。

フォトダイオードなどの太陽電池、導体、電子回路、およびニードルまたは電極を備える回路は、好適には、使い捨て用に製造され得る。そのような回路は、再殺菌の必要がないために時間効率が良く、回路が低費用で生産され得るために費用効果が高い。

本開示の発明の一実施形態を示す図である。この図は、ＭＲＩ室とともに、ＭＲＩ室外に設置された、ｆＭＲＩ装置からのトリガボックス、信号発生器、および電気光変換器を示す。光電気変換器、電圧変換器、および電極は、ＭＲＩ室内に設置される。 ＭＲＩ室内でどのようにして光信号が対応する電気信号に変えられるかの一例の概略図である。

本発明の第１の態様は、被験者のＭＲＩまたはｆＭＲＩ中、上記被験者の電気刺激に用いるために、ＭＲＩスキャナにおいて既定の電気信号を生成するためのシステムに関する。ここで、ＭＲＩまたはｆＭＲＩ中の刺激は、ＭＲ走査が開始される前の刺激およびＭＲＩシーケンス中の刺激も含む。システムおよび方法は、被験者の任意の種類の電気刺激のために用いられ得る。本発明の一実施形態において、被験者の電気刺激は、脳深部刺激、脊椎刺激、経皮神経刺激、末梢神経刺激、脳神経刺激、迷走神経刺激、電気筋肉刺激、皮質多電極刺激、網膜多電極刺激、胃電気刺激療法、および心臓刺激、ならびに表面電気刺激、非侵襲性電気刺激、角膜電気刺激（ＴＥＳ）、全眼電気刺激（ＷＥＳ）、経皮電気神経刺激（ＴＥＮＳ）、皮下神経刺激、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）、バイオニック置換／バイオニックインプラント／神経機能代替、人工内耳、および電子薬／エレクトロバイオニクスのグループから選択される。

本発明は、ＭＲＩ室内へ信号を伝送するために電気信号から光信号へ変換することを伴う。一実施形態において、電気光変換器は、信号を変換するためにトランジスタを用いる。トランジスタは、たとえば信号をＭＲＩ室内へ伝送するために光ファイバケーブルに結合される発光ダイオードまたはレーザに給電するために用いられ得る。変換される電気信号は、たとえばＴＴＬ信号など、任意の種類の信号であってよい。

変換器によって生成された光信号は、たとえば光ファイバケーブルなどの光伝送素子を介してＭＲＩ室内へ送信される。光伝送素子は、自由空間光通信システムも備えてよい。一実施形態において、光ファイバケーブルは、光信号を伝送するための少なくとも１つの単一モードファイバを備える。いくつかの実施形態において、システムは、信号をＭＲＩ室内へ伝達するための複数の光ファイバケーブルを備える。そのような設計は、冗長性のために様々な光ファイバケーブルを介して同じ信号を送信するために用いられ得る。様々な光ファイバケーブルは、様々なケーブルを介して別個の刺激信号を送信するためにも用いられてよく、これは、同じ電極上の異なる接点を介した刺激、または異なる電極を介した刺激に役立ち得る。

ＭＲＩ室内で、少なくとも１つの光ファイバケーブルから受信された光信号は、電気信号に再変換される。一実施形態において、光電気変換器は、信号を変換するためにフォトトランジスタまたはオプトカプラを用いる。信号は、たとえばＴＴＬ信号など、光信号を生成するために用いられた元の信号に、あるいは電気刺激信号に対応する他の信号に再変換され得る。したがって、光電気変換器からの電気信号は、信号発生器によって生成された電気信号と全く同じものでなくてもよい。たとえば、光電気変換器からの電気信号の電圧は、信号発生器からの信号の電圧と異なり得る。刺激信号の電圧は、被験者に信号を当てる前に電圧変換器によって調整されてもよい。上述したように、光電気変換器は、単に少なくとも１つの太陽電池であってよく、太陽電池は、光信号における光からのエネルギによって駆動され得るため、単純かつ費用効果の高い解決策を提供する。

ＭＲＩ室内の光電気変換器からの電気刺激信号は、被験者を刺激するために用いられる。本発明の一実施形態において、システムは更に、被験者に埋め込むために構成され、上記既定の電気信号に基づいて被験者への電気刺激を送達するために構成された、少なくとも１つの電極を備える。他の実施形態において、少なくとも１つの電極は、被験者に電気刺激を送達するための複数の接点を含む。具体的には、いくつかの実施形態において、４つの接点を有するメドトロニック社のＤＢＳ ３３８９電極が用いられ得る。また他の実施形態において、被験者の多電極刺激のために複数の電極が使用される。

光電気変換器は、好適には、バッテリによって給電される。ＭＲＩ室内の装置へのバッテリを用いた給電は、ワイヤの数が少なく危機への接続が単純であるために有利であってよく、この構成は、ＭＲスキャナからの信号への干渉を低減し得る。通常、ＭＲスキャナ内の商用電源へのアクセスが存在する。したがって、ＭＲＩ室内の装置のための電力は、商用電源によって供給されてもよい。

被験者を刺激するための電気刺激信号は、被験者、被験者の健康状態、および被験者のための治療の種類に従ってカスタマイズされ得る。一実施形態において、被験者の電気刺激のための電気信号を定義するパラメータは、刺激電圧、刺激電流、システムのインピーダンス、刺激周波数、刺激デューティサイクル、刺激信号の総持続期間、および刺激信号の波形の１または複数を含む。信号の波形は、被験者の治療を最適化するために調整され得る。一実施形態において、被験者の電気刺激のための電気信号の少なくとも一部は、長方形波形、正方形波形、三角波形、正弦波形、余弦波形、のこぎり波形、ランプ波形、または指数波形を有して周期的である。他の実施形態において、電気信号は、上述した波形の２つ以上の間で変化する。信号種別もまた、被験者の刺激のために調整または変更され得る。したがって、他の実施形態において、被験者の電気刺激のための電気信号は、脈流または交流であり、あるいは脈流と交流とで切り換わる。

被験者の電気刺激のために、いくつかのパラメータは、被験者の治療を最適化するために調整される必要があり得る。本発明の一実施形態において、電気刺激信号の電圧は、０．１〜１０Ｖの範囲内、０．５〜８．０Ｖの範囲内、１．０〜６．０Ｖの範囲内、１．５〜５．０Ｖの範囲内、２．０〜４．０Ｖの範囲内、または２．５〜３．５Ｖの範囲内である。本発明の他の実施形態において、電気刺激信号の電圧は、たとえば筋肉刺激において使用される最大１２０Ｖである。他の実施形態において、電気刺激信号の周波数は、０〜２４０Ｈｚの範囲内、２０〜２４０Ｈｚの範囲内、６０〜２００Ｈｚの範囲内、８０〜１８０Ｈｚの範囲内、１００〜１６０Ｈｚの範囲内、または１２０〜１４０Ｈｚの範囲内である。電気刺激信号は、いくつかの実施形態において、多数の周波数で構成され得る。また他の実施形態において、電気刺激信号のデューティサイクルは、０．４未満、０．２５未満、０．１５未満、０．１未満、０．０５未満、または０．０３未満である。また信号は、信号内の各パルス幅の観点からも特徴付けられ得る。このパルス幅は、いくつかの実施形態において、１０〜５００ミリ秒の範囲内、３０〜３５０ミリ秒の範囲内、５０〜２５０ミリ秒の範囲内、７０〜１８０ミリ秒の範囲内、または８０〜１２０ミリ秒の範囲内であってよい。システムのインピーダンスは、電気刺激信号を流れる電流に影響を及ぼす。過剰な電流は、刺激によって治療される被験者に危険をもたらし得る。したがって、他の実施形態において、システムのインピーダンスは、１１００〜１４００オームの範囲内８００〜１７００オームの範囲内、６００〜１９００オームの範囲内、または３００〜２２００オームの範囲内である。

被験者を刺激するための刺激信号は、被験者が治療を通して刺激されるように継続的であってよく、あるいは治療中に様々な回数オンおよびオフにされ得る。また電気刺激信号は、治療中に変えられてもよい。一実施形態において、刺激電圧、刺激電流、システムのインピーダンス、刺激周波数、および刺激デューティサイクルの少なくとも１つが、被験者の電気刺激中に変えられる。上述したように、電極上の異なる接点を介した、または異なる電極を用いた被験者の刺激のために、異なる刺激信号が用いられてもよい。したがって、他の実施形態において、刺激は、異なる接点または電極を介した刺激のために多数の異なる信号で構成される。

被験者の電気刺激治療に関して、被験者へ送達された信号は、実際に制御ユニットから送信された信号であり、信号の変更は発生しないことが好適である。これは、ＭＲＩ室内の光電気変換器からの電気刺激信号を用いて電気検証信号を生成することによって監視され得る。この検証は、その後、光信号に変換され、光ファイバケーブルを介してＭＲＩ室外へ伝送され、被験者の治療のために正確な刺激信号が用いられていることを検証するために用いられ得る。したがって、一実施形態において、システムは、磁気共鳴断層撮影中、１）電気検証信号を生成するために、被験者へ送達された電気刺激信号を監視し、２）上記電気検証信号を光検証信号に変換し、３）上記光検証信号をＭＲＩ室外へ伝送し、４）被験者へ送達された刺激をリアルタイムで監視するために、上記光検証信号を電気信号に変換するために構成される。光検証信号は、別個の光ファイバケーブルを用いて、または光刺激信号をＭＲＩ室内へ伝送するために用いられた光ファイバケーブルを用いて、ＭＲＩ室外へ伝送され得る。システムは更に、検証信号が刺激信号から逸脱する場合、被験者の電気刺激を停止するために構成され得ることにより、より高い安全性を治療にもたらす。

刺激パラメータおよび刺激に関する他の調整は、好適には、コンピュータによって制御される。したがって、一実施形態において、システムは更に、電気刺激に関する入力パラメータを受信し、装置を制御するために構成されたコンピュータを備える。したがって医療職員は、生成された信号に対する全制御権を有し、処置の要件に従って信号を変更および調整することができる。他の実施形態において、システムは更に、電気刺激信号を生成するために構成された、たとえばオシロスコープなどの信号発生器を備える。オシロスコープは好適には、電気刺激信号を定義する、コンピュータからの信号を受信するために構成される。

本発明の第３の態様は、被験者のＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の上記被験者の電気刺激のために、既定の電気刺激信号を生成するための方法に関する。この方法において、光信号は、光ファイバケーブルまたは自由空間通信システムを用いてＭＲＩ室内へ伝送され得る。一実施形態において、既定の電気刺激信号は、脳深部刺激、脊椎刺激、経皮神経刺激、末梢神経刺激、脳神経刺激、迷走神経刺激、電気筋肉刺激、皮質多電極刺激、網膜多電極刺激、胃電気刺激療法または心臓刺激、ならびに表面電気刺激、非侵襲性電気刺激、角膜電気刺激（ＴＥＳ）、全眼電気刺激（ＷＥＳ）、経皮電気神経刺激（ＴＥＮＳ）、皮下神経刺激、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）、バイオニック置換／バイオニックインプラント／神経機能代替、人工内耳、および電子薬／エレクトロバイオニクスに適している。他の実施形態において、方法は更に、１）ＭＲＩ室内で、既定の電気刺激信号から電気検証信号を生成するステップ、２）上記電気検証信号を光検証信号に変換するステップ、３）上記光検証信号をＭＲＩ室外へ伝送するステップ、および４）被験者へ送達された刺激をリアルタイムで監視するために、上記光検証信号を電気信号に変換するステップを備える。光検証信号は、光ファイバケーブルまたは自由空間通信システムを用いてＭＲＩ室外へ伝送され得る。

本開示は更に、遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナにおけるｆＭＲＩ中の被験者の電気刺激のための方法に関する。本発明の一実施形態において、この方法が用いられる治療の種類は、脳深部刺激、脊椎刺激、経皮神経刺激、末梢神経刺激、脳神経刺激、迷走神経刺激、電気筋肉刺激、皮質多電極刺激、網膜多電極刺激、胃電気刺激療法および心臓刺激、ならびに表面電気刺激、非侵襲性電気刺激、角膜電気刺激（ＴＥＳ）、全眼電気刺激（ＷＥＳ）、経皮電気神経刺激（ＴＥＮＳ）、皮下神経刺激、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）、バイオニック置換／バイオニックインプラント／神経機能代替、人工内耳、および電子薬／エレクトロバイオニクスのグループから選択される。他の実施形態において、方法は更に、ＭＲＩ室内の患者へ送達された電気刺激信号を光信号に変換し、光ファイバケーブルを介して上記光信号をＭＲＩ室外へ伝送するステップを備える。このステップの目的の１つは、送達された刺激信号がＭＲＩ室外で監視され得るように、被験者へ送信された電気刺激信号から検証信号を生成することである。装置は好適には、コンピュータを用いて操作および制御される。したがって、また別の実施形態において、方法は更に、電気刺激に関するコマンドを生成するために構成されたコンピュータに刺激パラメータを入力するステップを備える。
図面の詳細な説明

図１は、本発明の一実施形態の図である。この実施形態は、ＭＲＩ室９とともに、ＭＲＩ室外に設置された、ｆＭＲＩ装置からのトリガボックス１、信号発生器２、および電気光変換器３を示す。トリガボックス１は、ｆＭＲＩ走査が開始されると、信号発生器２へトリガ信号を送信するために構成される。信号発生器２は、既定の刺激パラメータに従って、被験者の電気刺激のための既定の電気信号を生成する。電気刺激信号は、対応する光信号を生成する電気光変換器３へ送信される。光信号はその後、光ファイバケーブル８を介してＭＲＩ室９内へ伝送される。ＭＲＩ室９内で、光電気変換器４は、光ファイバケーブル８から受信した光信号を、信号の電圧をたとえば３Ｖに変換する電圧変換器５へ送信される電気信号に再び変換する。電気刺激信号は、被験者に埋め込まれた少なくとも１つの電極へ送信され（図に示す例では、信号は２つの電極６、７へ送信される）、既定の電気信号によって被験者を刺激する。

図２は、光ファイバケーブル８を移動する光信号１０がＭＲＩ室外からＭＲＩ室内へ入る、ＭＲＩ室内の構成を示す。光ファイバケーブル８の端部において、光拡散器１１は、太陽電池１２に光信号１０を拡散する。太陽電池内の電圧または電流は、たとえば光起電力効果または光電効果によって生成され得る。太陽電池は、フォトダイオードであってよい。

太陽電池は、光信号１０に対応する電圧信号を生成し、電圧信号は、２つの導体１３、１４に跨る。導体１４は、接地に接続され得る。電圧信号は電子回路１５へ入り、電子回路１５は、たとえば脳深部刺激のために用いられるメドトロニック社のＤＢＳニードル３３８９（メドトロニック社、ダブリン、アイルランド）などの脳深部刺激電極１６へ信号が伝達する前に、入来する電圧信号を処理してよい。

この構成は、実験において十分高い出力をもたらすことが示されており、直列の２つの高効率太陽電池（ＳＬＭＤ９６０Ｈ０９Ｌ、ＩＸＹＳ、ミルピタス、カリフォルニア州、アメリカ）が用いられた。２つの太陽電池は、１つの高密度ＬＥＤ（ＬＺＰ−００ＣＷ０Ｒ、ＬＥＤエンジン、サンノゼ、カリフォルニア州、アメリカ）を用いて照射された。ＬＥＤは、長さ２．５ｍの液性光導体（３ｍｍ ＭＫリキッド、オリンパス、東京、日本）の一端に取り付けられ、液性光導体の他方の端部には太陽電池が設置された。太陽電池は、人間の脳における最小インピーダンスである７００オームを有する短絡であった。この試験構成において、４０ｍＷ超えが実現された。電圧レベルは、７００オームを有する５．３Ｖであった。

電子回路１５は、危険な高電圧から患者を保護するための電子回路を備えてよい。

脳深部刺激以外の用途において、他の電極／ニードルが用いられ得る。当業者は、信号が電極へ伝達する前に、電子回路１５が入来信号を処理する必要があるか、またどのように処理するかを知る。必要な処理は、電極および電極が用いられる用途に依存する。
本開示の更なる詳細

本開示は、以下の項によって説明され得る。
１．被験者のＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中、前記被験者の電気刺激に用いるために、遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナにおいて既定の電気信号を生成するためのシステムであって、
前記ＭＲＩ室外に設置される、電気信号を生成するための制御ユニットと、
前記ＭＲＩ室外に設置される、前記電気信号を対応する光信号に変換するための電気光変換器と、
前記光信号を前記ＭＲＩ室内へ伝送するための、たとえば光ファイバなどの光伝送素子と、
１）前記ＭＲＩ室内に設置され、２）磁気共鳴断層撮影中に動作するために構成された、磁気共鳴断層撮影中の前記被験者の電気刺激のために、前記光信号を前記既定の電気信号に変換するための光電気変換器と
を備えるシステム。
２．前記被験者の前記電気刺激は、脳深部刺激、脊椎刺激、経皮神経刺激、末梢神経刺激、脳神経刺激、迷走神経刺激、電気筋肉刺激、皮質多電極刺激、網膜多電極刺激、胃電気刺激療法、心臓刺激、表面電気刺激、非侵襲性電気刺激、角膜電気刺激（ＴＥＳ）、全眼電気刺激（ＷＥＳ）、経皮電気神経刺激（ＴＥＮＳ）、皮下神経刺激、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）、バイオニック置換／バイオニックインプラント／神経機能代替、人工内耳、および電子薬／エレクトロバイオニクスのグループから選択される、項１に記載のシステム。
３．前記電気光変換器は、前記信号を変換するためのトランジスタを用いる、項１〜２のいずれかに記載のシステム。
４．前記光電気変換器は、太陽電池、好適にはフォトダイオードである、項１〜３のいずれかに記載のシステム。
５． 前記光電気変換器は、前記信号を変換するためのオプトカプラを用いる、項１〜４のいずれかに記載のシステム。
６．前記光ファイバケーブルは、前記光信号を伝送するための少なくとも１つの単一モードファイバを備える、項１〜５のいずれかに記載のシステム。
７．前記光電気変換器は、バッテリによって給電される、項１〜６のいずれかに記載のシステム。
８．前記被験者の前記電気刺激のための前記電気信号を定義するパラメータは、刺激電圧、刺激電流、前記システムのインピーダンス、刺激周波数、刺激デューティサイクル、前記刺激信号の総持続期間、および前記刺激信号の波形の１または複数を含む、項１〜７のいずれかに記載のシステム。
９．前記被験者の前記電気刺激のための前記電気信号の少なくとも一部は、長方形波形、正方形波形、三角波形、正弦波形、余弦波形、のこぎり波形、ランプ波形、または指数波形を有して周期的である、項１〜８のいずれかに記載のシステム。
１０．前記電気信号は、項９に記載の波形の２つ以上の間で変化する、項９に記載のシステム。
１１．前記被験者の前記電気刺激のための前記電気信号は、脈流または交流であり、または脈流と交流とで切り換わる、項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
１２．前記電気刺激信号の前記電圧は、０．１〜１０Ｖの範囲内、０．５〜８．０Ｖの範囲内、１．０〜６．０Ｖの範囲内、１．５〜５．０Ｖの範囲内、２．０〜４．０Ｖの範囲内、または２．５〜３．５Ｖの範囲内である、項１〜１１のいずれかに記載のシステム。
１３．前記電気刺激信号の前記周波数は、２０〜２４０Ｈｚの範囲内、６０〜２００Ｈｚの範囲内、８０〜１８０Ｈｚの範囲内、１００〜１６０Ｈｚの範囲内、または１２０〜１４０Ｈｚの範囲内である、項１〜１２のいずれかに記載のシステム。
１４．前記電気刺激信号は、多数の周波数から成る、項１〜１３のいずれかに記載のシステム。
１５．前記電気刺激信号の前記デューティサイクルは、０．４未満、０．２５未満、０．１５未満、０．１未満、０．０５未満、または０．０３未満である、項１〜１４のいずれかに記載のシステム。
１６．前記パルス幅は、１０〜５００マイクロ秒の範囲内、３０〜３５０マイクロ秒の範囲内、５０〜２５０マイクロ秒の範囲内、７０〜１８０マイクロ秒の範囲内、または８０〜１２０マイクロ秒の範囲内である、項１〜１５のいずれかに記載のシステム。
１７．前記システムの前記インピーダンスは、１１００〜１４００オームの範囲内、８００〜１７００オームの範囲内、６００〜１９００オームの範囲内、または３００〜２２００オームの範囲内である、項１〜１６のいずれかに記載のシステム。
１８．前記刺激電圧、刺激電流、前記システムのインピーダンス、刺激周波数、および刺激デューティサイクルの少なくとも１つは、前記被験者の前記電気刺激中に変えられる、項１〜１６のいずれかに記載のシステム。
１９．磁気共鳴断層撮影中、１）電気検証信号を生成するために、前記被験者へ送達された前記電気刺激信号を監視し、２）前記電気検証信号を光検証信号に変換し、３）前記光検証信号を前記ＭＲＩ室外へ伝送し、４）前記被験者へ送達された前記刺激をリアルタイムで監視するために、前記光検証信号を電気信号に変換するために構成された、項１〜１８のいずれかに記載のシステム。
２０．前記光検証信号は、別個の光ファイバケーブルを用いて、または前記光刺激信号を前記ＭＲＩ室内へ伝送するために用いられた前記光ファイバケーブルを用いて、前記ＭＲＩ室外へ伝送される、項１９に記載のシステム。
２１．前記電気刺激に関する入力パラメータを受信し、前記装置を制御するために構成されたコンピュータを更に備える、項１〜２０のいずれかに記載のシステム。
２２．前記電気刺激信号を生成するために構成されたオシロスコープを更に備える、項１〜２１のいずれかに記載のシステム。
２３．前記オシロスコープは、前記電気刺激信号を定義する、前記コンピュータからの信号を受信するために構成される、項２２に記載のシステム。
２４．被験者のＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の前記被験者の電気刺激のためのシステムであって、
項１〜２３のいずれかに記載の既定の電気信号を生成するためのシステムと、
前記被験者に埋め込まれるために構成され、前記既定の電気信号に基づいて前記被験者へ前記電気刺激を送達するために構成された少なくとも１つの電極と
を備えるシステム。
２５．前記少なくとも１つの電極は、前記被験者へ前記電気刺激を送達するための複数の接点を含む、項２４に記載のシステム。
２６．遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナ内に位置する、ＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の被験者の電気刺激のために、既定の電気刺激信号を生成するための方法であって、
前記ＭＲＩ室外で電気信号を生成するステップと、
前記ＭＲＩ室外で前記電気信号を光信号に変換するステップと、
前記光信号を前記ＭＲＩ室内へ伝送するステップと、
前記ＭＲＩ室内で前記光信号を前記既定の電気刺激信号に変換するステップと
を備える方法。
２７．前記既定の電気刺激信号は、脳深部刺激、脊椎刺激、経皮神経刺激、末梢神経刺激、脳神経刺激、迷走神経刺激、電気筋肉刺激、皮質多電極刺激、網膜多電極刺激、胃電気刺激療法、心臓刺激、表面電気刺激、非侵襲性電気刺激、角膜電気刺激（ＴＥＳ）、全眼電気刺激（ＷＥＳ）、経皮電気神経刺激（ＴＥＮＳ）、皮下神経刺激、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）、バイオニック置換／バイオニックインプラント／神経機能代替、人工内耳、および電子薬／エレクトロバイオニクスに適している、項２６に記載の方法。
２８．前記ＭＲＩ室内で、前記既定の電気刺激信号から電気検証信号を生成するステップと、
前記電気検証信号を光検証信号に変換するステップと、
前記光検証信号を前記ＭＲＩ室外へ伝送するステップと、
前記被験者へ送達された前記刺激をリアルタイムで監視するために、前記光検証信号を電気信号に変換するステップと
を更に備える、項２６〜２７のいずれかに記載の方法。
２９．遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナにおける被験者のＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の前記被験者の電気刺激のための方法であって、
前記ＭＲＩ室外で、電気刺激信号を光信号に変換するステップと、
光ファイバケーブルを用いて、前記光信号を前記ＭＲＩ室内へ伝送するステップと、
前記ＭＲＩ室内で、前記光信号を前記電気刺激信号に再び変換するステップと、
前記被験者に前記電気刺激信号を当てるステップと
を備える方法。
３０．前記方法が用いられる治療の種類は、脳深部刺激、脊椎刺激、経皮神経刺激、末梢神経刺激、脳神経刺激、迷走神経刺激、電気筋肉刺激、皮質多電極刺激、網膜多電極刺激、胃電気刺激療法、心臓刺激、表面電気刺激、非侵襲性電気刺激、角膜電気刺激（ＴＥＳ）、全眼電気刺激（ＷＥＳ）、経皮電気神経刺激（ＴＥＮＳ）、皮下神経刺激、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）、バイオニック置換／バイオニックインプラント／神経機能代替、人工内耳、および電子薬／エレクトロバイオニクスのグループから選択される、項２９に記載の方法。
３１．前記ＭＲＩ室内で、前記患者へ送達された前記電気刺激信号を光信号に変換するステップと、光ファイバケーブルを用いて、前記光信号を前記ＭＲＩ室外へ伝送するステップとを更に備える、項２９〜３０に記載の方法。
３２．前記電気刺激のためのコマンドを生成するために構成されたコンピュータに刺激パラメータを入力するステップを更に備える、項２９〜３１のいずれかに記載の方法。

Claims (18)

1. 被験者のＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中、前記被験者の電気刺激に用いるために、遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナにおいて既定の電気信号を生成するためのシステムであって、
   前記ＭＲＩ室外に設置される、電気信号を生成するための制御ユニットと、
   前記ＭＲＩ室外に設置される、前記電気信号を対応する光信号に変換するための電気光変換器と、
   前記光信号を前記ＭＲＩ室内へ伝送するための、たとえば光ファイバなどの光伝送素子と、
   １）前記ＭＲＩ室内に設置され、２）磁気共鳴断層撮影中に動作するために構成された、磁気共鳴断層撮影中の前記被験者の電気刺激のために、前記光信号を前記既定の電気信号に変換するための光電気変換器と
   を備えるシステム。
2. 前記被験者の前記電気刺激は、脳深部刺激、脊椎刺激、経皮神経刺激、末梢神経刺激、脳神経刺激、迷走神経刺激、電気筋肉刺激、皮質多電極刺激、網膜多電極刺激、胃電気刺激療法、心臓刺激、表面電気刺激、非侵襲性電気刺激、角膜電気刺激（ＴＥＳ）、全眼電気刺激（ＷＥＳ）、経皮電気神経刺激（ＴＥＮＳ）、皮下神経刺激、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）、バイオニック置換／バイオニックインプラント／神経機能代替、人工内耳、および電子薬／エレクトロバイオニクスのグループから選択される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記光電気変換器は、太陽電池、好適にはフォトダイオードである、請求項１〜２のいずれかに記載のシステム。
4. 前記光電気変換器は、バッテリによって給電される、請求項１および２のいずれかに記載のシステム。
5. 前記被験者の前記電気刺激のための前記電気信号を定義するパラメータは、刺激電圧、刺激電流、前記システムのインピーダンス、刺激周波数、刺激デューティサイクル、前記刺激信号の総持続期間、および前記刺激信号の波形の１または複数を含む、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記電気刺激信号の前記電圧は、０．１〜１０Ｖの範囲内、０．５〜８．０Ｖの範囲内、１．０〜６．０Ｖの範囲内、１．５〜５．０Ｖの範囲内、２．０〜４．０Ｖの範囲内、または２．５〜３．５Ｖの範囲内である、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記電気刺激信号の前記周波数は、２０〜２４０Ｈｚの範囲内、６０〜２００Ｈｚの範囲内、８０〜１８０Ｈｚの範囲内、１００〜１６０Ｈｚの範囲内、または１２０〜１４０Ｈｚの範囲内である、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記パルス幅は、１０〜５００マイクロ秒の範囲内、３０〜３５０マイクロ秒の範囲内、５０〜２５０マイクロ秒の範囲内、７０〜１８０マイクロ秒の範囲内、または８０〜１２０マイクロ秒の範囲内である、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
9. 前記システムの前記インピーダンスは、１１００〜１４００オームの範囲内、８００〜１７００オームの範囲内、６００〜１９００オームの範囲内、または３００〜２２００オームの範囲内である、請求項１〜８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記刺激電圧、刺激電流、前記システムのインピーダンス、刺激周波数、および刺激デューティサイクルの少なくとも１つは、前記被験者の前記電気刺激中に変えられる、請求項１〜９のいずれかに記載のシステム。
11. 磁気共鳴断層撮影中、１）電気検証信号を生成するために、前記被験者へ送達された前記電気刺激信号を監視し、２）前記電気検証信号を光検証信号に変換し、３）前記光検証信号を前記ＭＲＩ室外へ伝送し、４）前記被験者へ送達された前記刺激をリアルタイムで監視するために、前記光検証信号を電気信号に変換するために構成された、請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
12. 被験者のＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の前記被験者の電気刺激のためのシステムであって、
    請求項１〜１１のいずれかに記載の既定の電気信号を生成するためのシステムと、
    前記被験者に埋め込まれるために構成され、前記既定の電気信号に基づいて前記被験者へ前記電気刺激を送達するために構成された少なくとも１つの電極と
    を備えるシステム。
13. 前記少なくとも１つの電極は、前記被験者へ前記電気刺激を送達するための複数の接点を含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナ内に位置する、ＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の被験者を刺激するために用いられる、少なくとも１つの電極に電気接続された太陽電池の使い捨てキット。
15. 電子回路を更に備える、請求項１４に記載の使い捨てキット。
16. 遮蔽されたＭＲＩ室内に設置されたＭＲスキャナ内に位置する、ＭＲＩまたは機能的ＭＲＩ中の被験者の電気刺激のために、既定の電気刺激信号を生成するための方法であって、
    前記ＭＲＩ室外で電気信号を生成するステップと、
    前記ＭＲＩ室外で前記電気信号を光信号に変換するステップと、
    前記光信号を前記ＭＲＩ室内へ伝送するステップと、
    前記ＭＲＩ室内で前記光信号を前記既定の電気刺激信号に変換するステップと
    を備える方法。
17. 前記既定の電気刺激信号は、脳深部刺激、脊椎刺激、経皮神経刺激、末梢神経刺激、脳神経刺激、迷走神経刺激、電気筋肉刺激、皮質多電極刺激、網膜多電極刺激、胃電気刺激療法、心臓刺激、表面電気刺激、非侵襲性電気刺激、角膜電気刺激（ＴＥＳ）、全眼電気刺激（ＷＥＳ）、経皮電気神経刺激（ＴＥＮＳ）、皮下神経刺激、神経筋電気刺激（ＮＭＥＳ）、バイオニック置換／バイオニックインプラント／神経機能代替、人工内耳、および電子薬／エレクトロバイオニクスに適している、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ＭＲＩ室内で、前記既定の電気刺激信号から電気検証信号を生成するステップと、
    前記電気検証信号を光検証信号に変換するステップと、
    前記光検証信号を前記ＭＲＩ室外へ伝送するステップと、
    前記被験者へ送達された前記刺激をリアルタイムで監視するために、前記光検証信号を電気信号に変換するステップと
    を更に備える、請求項１６〜１７のいずれかに記載の方法。
    

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