JP5129954B2 - 遺伝的アルゴリズムを用いてmap適化を行った蝸牛インプラントシステム - Google Patents
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Description
本発明は蝸牛インプラントに関し、特に、蝸牛インプラントの適合における遺伝的アルゴリズムの使用に関する。
A. 蝸牛インプラント
現在の蝸牛インプラントプロテーゼは、個々の受容者にあつらえることができる様々な適合オプションを提供する。最も高レベルなものでは、いくつかの刺激「方法」の一つを選択することができる。各方法は、音響サウンド入力を蝸牛内の電極に与えられる一連の電気的刺激に変換するアルゴリズムを規定している。現在臨床的に使用されている方法の例は、SPEAK、ACE、CIS およびSAS方法である。
遺伝的アルゴリズムは生化学の進展の単純なモデルに基づいた適応手順であり、問題の最適な解決策を見出すのに使用することができる。この手順は、「自然淘汰」(natural selection)(最も適合度の高いものが生き残る)、「遺伝を伴う生殖」、およびランダムな「突然変異」を取り入れている。遺伝的アルゴリズムは、一般的に、局部的最大値への収束を阻止する。進化のプロセスが、複数世代を超えて、十中八九生き延びて生殖するという意味で最適な「生体」を産出するというのが根本的な前提である。
遺伝的アルゴリズムは、蝸牛インプラント技術に最も近い技術である補聴器に適用されている。この種のケースの適合関数は、公式の適用に基づくものではない。むしろ、ユーザが、母集団における生体を受け入れる、あるいは拒否するといった形でフィードバックを行う。ここで、各生体は一セットのパラメータ値である。若しくは、ユーザが生体をランク付けをし、従ってユーザがどの生体が次世代を占めるかに影響を及ぼす。フィードバックまたは相互作用を含む遺伝的アルゴリズムのこうした変形は、H. Takagiによる Interactive Evolutionary Computation: Fusion of the Capabilities of EC Optimization and Human Evaluation, Proceedings of the IEEE, Vol. 89, No. 9, September 2002., pp. 1275-1296の文献で議論されている。
本発明では、蝸牛インプラントは、遺伝的アルゴリズムを実行することによって少なくとも部分的に患者に適合され、インプラントを適合させるために値を選択しなくてはならない全パラメータのサブセットの値を選択する。遺伝的アルゴリズムはこのパラメータサブセット値の複数群の次世代の発生を操作し、遺伝子アルゴリズムを実行する間の患者のフィードバックが次世代におけるサブセット値の複数群を決定する。従って選択は、遺伝的アルゴリズムを実行する間の患者の主観的な聞き取り判断に基づく。各世代において、パラメータサブセット値の群の実質的に全数未満の群(たとえば、半分)が選択され、より多数の次の世代の値の群を決定するのに使用される(例えば、すべての世代が同じサイズであることが望まれる場合は、2倍)。このサブセットの外のパラメータ値は、遺伝的アルゴリズムを使用しないあらゆる従来の方法で選択される。実際、蝸牛アプリケーションにおいて遺伝的アルゴリズムの使用を実用的にするためには、ほとんどのパラメータは遺伝的アルゴリズムを使用せずに選択される。本発明の一実施例においては、遺伝的アルゴリズムによって選択されたサブセットのパラメータは、レートに関するパラメータ、チャネル数、フィルタリング特性の3つだけである。これらは、多くの臨床医が適合プロセスにおいて最も重要であると感じている特性である。
まず、遺伝的アルゴリズムに関して用いられるいくつかの用語について説明し、いくつかのケースでは、これらの用語が本発明の蝸牛インプラント適合用に遺伝的アルゴリズムにどのように適用されるかについて説明する。
この方法では、図4に示すように256の予め決められたMAPsが選択される。各MAPは、任意で許容可能なあらゆるパラメータの組み合わせを現す。例えば、専門の臨床医が有益であると考える256の異なる組み合わせを選択することができる。唯一の制約は、各組み合わせが受け入れ可能であり、ユニークであること、すなわち、二つのMAPsが同じパラメータの組み合わせを表すものではないことである。ルックアップテーブルは、256の可能なビットストリングのそれぞれを、256の利用できるMAPsのうちの一つと関連付ける。従って、一のビットストリングが特定される場合は、これは唯一の単一のMAPを表している。この方法によれば、各パラメータは各MAPにおいてあらゆる合法的価値を有することができる。例えば、256の可能なMAPsは各々異なるレートを有する。図4に示す実施例では、256のMAPsセット内で5つのパラメータが変化している。全部ではないが以下のパラメータの様々な組み合わせが、256の可能なMAPsセット内に構築されている(この可能な組み合わせのいくつかは臨床的に有益ではなく、拒絶されている):(1)刺激率(250、720、1200、1800、あるいは2400Hzのうちの一つ);(2)使用する電極数(10か22);(3)刺激フレームあたりの最大数(4、6、8、10、12、16、あるいは20のうちの一つ);(4)出力圧縮の急峻度(ACEあるいはSPEAK MAP用の「Q」ファクタとして知られている、20あるいは30);および(5)入力音響フィルタリングオプションの組み合わせ(フラット、高音カット、低音カット、あるいは高音および低音カット)。これらのパラメータのいずれも、8ビット内の特定のサブセットあるいはサブストリングによって個別に表される必要はない。
図5(及び図3A)に示すこの方法によれば、ビットストリングはサブストリングあるいはフィールドに分けられる。各フィールドのサブストリングを使用して、このMAP用の特定のパラメータを選択する。図5に示す実施例では、一の3−ビットサブストリングが、このMAP用の8つの可能なレートの一つを選択する。第2の3−ビットサブストリングは、8つの可能なチャネルカウントの一つを選択する。第3の2ビットサブストリングは、4つの可能なフィルタリングオプションの一つを選択する。この例では、各サブストリングは隣接している。しかしながら、このビットストリング内のビットの順序に意味はないので、これは不要である。
図6に示す方法は、上述の二つの方法を組み合わせたものである。一又はそれ以上のサブストリングは、図5にあるように対応するパラメータを選択するために規定される。残りのビットは、残りのパラメータの任意の組合せのテーブルから選択するのに使用される。図6に示す例では、一の3ビットのサブストリングが8つの可能なレートの一つを選択する。残りの5つのビットは、ルックアップテーブルから、チャネルカウントとフィルタリングの32の任意の組み合わせの一つを選択するのに使用される。第1の方法と同様に、32の任意の組み合わせの夫々は、合法かつ唯一のものである。
上述したとおり、MAPごとのビット数は8に限定されない。8以上のビットが使用される場合は、この手順をより多くのパラメータを最適化するのに使用することができる。本発明の代替の実施例では、10ビットのMAPsを使用して7つのパラメータを最適化している:8ビットMAPsについて上述した5つのもとのパラメータと、FATシフトおよびT−レベルバンプの2つの新しいパラメータである。これらの二つのパラメータについて以下により詳細に述べる。7つのパラメータとその許容値を図7に示す。
1) Nbの選択;
2) Nbビットのセット(より一般的には、遺伝子セット)からMAPを規定する方法
3) 世代NgごとのMAPsの数
4) 初期化 − 最初の世代でMAPsを規定する方法;
5) 適合関数 − 生き残りを選択するメカニズム
6) ペアリング操作 − 世代ごとの親ペアの数、その選択方法、および各ペアについての子供数(子供が二以上の親からの遺伝子を伝えるシステムを実施することができる)を規定する。
7) 遺伝操作 − 各親から来た子供の遺伝子がどちらのものか決定する方法(切点)
8) 突然変異操作 − 子供のどの遺伝子を受け継いだ状態から反転させるかをランダムに決定する方法
9) 停止基準
Claims (35)
- 蝸牛インプラントのパラメータを設定するシステムにおいて:
(a)インプラントを適合させるため、値を選択すべき複数の前記パラメータのうちから一つ又は複数の前記パラメータを選択して構成されるパラメータサブセットの値を選択する遺伝的アルゴリズムを実行する手段であって、当該遺伝的アルゴリズムが前記パラメータのサブセット値の複数群の次世代を生むように動作する手段と;
(b)前記遺伝的アルゴリズムを実行する間の患者からのフィードバックに基づいて、一つ又は複数の連続する世代毎に前記パラメータサブセットの前記値を決定する手段であって、前記患者からのフィードバックには、前記連続する世代における親セットとして使用するための、前記パラメータサブセットの二組以上の値のセットについての、ランク付けを伴わない患者の選択の結果が含まれる手段と;
を具え、
前記患者の選択は、前記二組以上の値のセットの中における相対的なランク付けを行わないものである、
システム。 - 請求項1に記載のシステムが更に:
(c)前記サブセットに含まれていないパラメータ値を遺伝的アルゴリズムを使用しない方法で選択する手段;
を具えることを特徴とするシステム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、前記パラメータの値が、6−12ビットのバイナリストリングで表されることを特徴とするシステム。
- 請求項1に記載のシステムにおいて、各世代において6−12のパラメータ値の群があることを特徴とするシステム。
- 請求項1に記載のシステムにおいて、前記パラメータ値がビットのストリングで表され、前記ストリング中の異なるサブストリングが対応するパラメータ値を表していることを特徴とするシステム。
- 請求項5に記載のシステムにおいて、前記サブセットのパラメータが、レート、最大値の数およびチャネル数に関するものであることを特徴とするシステム。
- 請求項1に記載のシステムにおいて、前記パラメータ値がビットストリングで表され、前記ストリング中のいくつかのビットが、各々が各パラメータの値を表す別のサブストリングに分割されており、前記ストリング中のその他のビットがパラメータ値の予め決められた群を同定することを特徴とするシステム。
- 蝸牛インプラントのパラメータを設定するシステムにおいて:
(a)遺伝的アルゴリズムを実行して、インプラントを適合させるため、値を選択すべき全パラメータのサブセットの値を選択する手段であって、当該遺伝的アルゴリズムが前記パラメータのサブセット値の複数の群から成る次世代を生むように動作する手段と;
(b)前記遺伝的アルゴリズムを実行している間の患者からのフィードバックに基づいて、各世代において前記パラメータサブセット値の群の総数より実質的に少ない数の群を選択し、当該選択された値の群から、次世代に用いるため、より数の多いサブセット値の群を決定する手段であって、前記患者からのフィードバックには、各世代における前記パラメータの二組以上の値のセットについての、ランク付けを伴わない患者の選択の結果が含まれる手段と;
を具え、
前記患者の選択は、前記二組以上の値のセットの中における相対的なランク付けを行わないものである、
システム。 - 請求項8に記載のシステムにおいて、前記パラメータサブセット値のN個の群が各世代用に決定され、予め決められた数の前記群が、次世代のN個の群を決定するために各世代で選択されることを特徴とするシステム。
- 請求項9に記載のシステムにおいて、前記予め決められた数が約N/2個であることを特徴とするシステム。
- 請求項8に記載のシステムにおいて、各世代に6−12のパラメータサブセット値の群があることを特徴とするシステム。
- 請求項8に記載のシステムにおいて、前記パラメータのサブセット値がビットのストリングで表され、当該ビットのストリングが、各々が各パラメータの値を表す別々のサブストリングに分割されていることを特徴とするシステム。
- 請求項12に記載のシステムにおいて、次世代の値の各群を表すビットストリングが、現世代の値の群を表す二つの異なるビットストリングの部分を組み合わせることによって決定されることを特徴とするシステム。
- 請求項8に記載のシステムにおいて、前記遺伝的アルゴリズムが決まった回数実行されて前記パラメータサブセットの値の複数群の個定数の次世代を生み、前記パラメータサブセットの値の最終群が最終世代の群から選択されることを特徴とするシステム。
- 請求項8に記載のシステムにおいて、患者がいずれかの世代で満足したと同定する値のいずれかの群が記録されており、値の最終群が前記最終世代の群と、患者が以前に同定した群から選択されることを特徴とするシステム。
- 請求項8に記載のシステムにおいて、パラメータ値のサブセットの各世代が、複数のバイナリストリングで表され、各ストリングが各パラメータの特定の値を規定し、ルックアップテーブルを用いて各バイナリストリングをパラメータ値の対応するセットに関連付けることを特徴とするシステム。
- 蝸牛インプラントのパラメータを設定するシステムにおいて:
(a)MAPのセットを複数のパラメータに割り当てる手段であって、各MAPは、バイナリビットのストリングを形成し、かつ、前記パラメータの値を表わすものである、手段と;
(b)MAPの後続の世代を操作することによってMAPの前記セットに遺伝的アルゴリズムを実行する手段と;
(c)前記遺伝的アルゴリズムを実行する間の患者からのフィードバックに基づいて、最終世代が得られるまで、各世代で生き残らせる特定数のMAPを選択する手段であって、前記患者からのフィードバックには、生き残らせるものとする2つ以上のMAPについての、ランク付けを伴わない患者の選択の結果が含まれる手段と;
を具え、
前記患者の選択は、前記2つ以上のMAPの中における相対的なランク付けを行わないものである、
システム。 - 請求項17に記載のシステムにおいて、前記最終世代が、前記アルゴリズムを所定回数繰り返すことによって得られることを特徴とするシステム。
- 請求項17に記載のシステムが更に、所定の基準に関してMAPsの後続世代をテストする手段と、前記所定の基準に合致したときに停止する手段と、を具えることを特徴とするシステム。
- 請求項19に記載のシステムにおいて、前記テストが前記MAPsの後続世代の多様性の表示を生成する手段と、前記多様性が最小値に達したときに停止する手段と、を具えることを特徴とするシステム。
- 請求項17に記載のシステムが更に、前記アルゴリズムを開始する最初の世代を指定する手段を具えることを特徴とするシステム。
- 請求項21に記載のシステムが更に、前記最初の世代を任意に指定する手段を具えることを特徴とするシステム。
- 請求項22に記載のシステムが更に、任意に指定した最初の世代をテストして、当該アルゴリズムを開始する前にそれが所定の基準を満たすものか否かを決定する手段を具えることを特徴とするシステム。
- 請求項17に記載のシステムにおいて、前記ストリングが6から12の間のビットを具えることを特徴とするシステム。
- 請求項17に記載のシステムにおいて、前記ストリングが8ビットを具えることを特徴とするシステム。
- 請求項17に記載のシステムにおいて、前記ストリングが10ビットを具えることを特徴とするシステム。
- 請求項17に記載のシステムにおいて、前記パラメータが、複数の刺激チャネル、刺激率、複数の刺激最大値、Q−値、FATシフト、T−レベルバンプ、およびフィルタセッティングでなる群から選択されることを特徴とするシステム。
- 請求項17に記載のシステムにおいて、前記遺伝的アルゴリズムの最初の反復を何度か行った後、いくつかのパラメータ値が決定され、残りの反復の間変わらないことを特徴とするシステム。
- 請求項17に記載のシステムにおいて、前記遺伝的アルゴリズムが:
(a)現世代からいくつかのMAPsを除去する手段と;
(b)残りのMAPsをペアリングする手段と;
(c)ペアにしたMAPsからビットを選択して新しいMAPsを形成する手段と;
を具えることを特徴とするシステム。 - 請求項29に記載のシステムにおいて、それぞれの世代が同じ数のMAPsを有することを特徴とするシステム。
- 請求項29に記載のシステムにおいて、新しい世代のMAPs内でいくつかのビットが任意に反転されることを特徴とするシステム。
- 請求項29に記載のシステムにおいて、現世代のMAPsの半分が除去されることを特徴とするシステム。
- 請求項29に記載のシステムにおいて、MAPsを前記患者からの入力を用いて除去することを特徴とするシステム。
- 請求項33に記載のシステムにおいて、各MAPに対応するパラメータを順次用いてプロセッサを介してスピーチを患者に聞かせ、当該患者が最も明瞭な音響信号を出すMAPsを選択することによってMAPsを除去すること、を特徴とするシステム。
- 請求項29に記載のシステムにおいて、前記MAPsで規定されるパラメータを用いたプロセッサを通じた既知の刺激に対する患者のヒアリングシステムの反応を決定することによってMAPsを削除することを特徴とするシステム。
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