JP6830310B2 - 神経検出装置、及び神経検出方法 - Google Patents

Description

本発明に係るいくつかの態様は、神経検出装置、及び神経検出方法に関する。

ヒト若しくは動物における手術を行う際には、予め神経の位置及び機能を特定した上で、当該神経を痛めないように配慮することが好ましい。例えば食道癌の手術において反回神経を傷つけてしまうと声帯麻痺が生じ、嗄声や誤嚥などの症状が発症する。つまり、神経及びその機能を特定できずに痛めると、場合によっては主訴の治療により別の症状を発症させる可能性がある。しかしながら、ヒト若しくは動物における各神経の走行は、個体による差異があるため、神経の位置や、見つけた神経の種別を特定することは容易ではない。

神経を特定するための手法の１つとして、従来より、電極プローブを神経に接触させて電気刺激を与えた上で、当該神経に係る標的器官における反射が生じたか否か等を観察する手法がある。また、神経を検出するためのものではないが、神経の機能などに関する研究としては、非特許文献１等に開示がある。

Ranjith S. Wijesinghe、"Detection of Magnetic Fields Created by Biological Tissues"、Journal of Electrical & Electronic Systems、［２０１５年５月２１日検索］、インターネット＜http://dx.doi.org/10.4172/2332-0796.1000120＞

電極プローブにより神経を刺激する手法では、標的器官の反射を人間が観察し、反射の有無を判別する必要がある。しかしながら、神経に加えられた刺激レベルが低いために標的器官が十分に反応しなかったり、或いは反射の有無の判断を誤ったりすることにより、術者が十分に神経の機能を特定することができない場合もある。

本発明のいくつかの態様は前述の課題に鑑みてなされたものであり、神経を好適に検出することのできる神経検出装置及び神経検出方法を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る１の神経検出装置は、特徴パターンを有する刺激信号を発生させる手段と、前記刺激信号に基づく刺激を神経に与える刺激手段と、前記神経における刺激の伝達に伴い、前記神経の周囲に発生する電磁界を検出する第１の検出手段と、前記電磁界に応じた測定信号に基づき、前記特徴パターンに応じた検出信号を検出する第２の検出手段と
を備える。

本発明に係る１の神経検出装置は、特徴パターンを有する刺激信号を発生させる手段と、前記刺激信号に基づく刺激を神経に与える刺激手段と、前記神経における刺激の伝達に伴う電気信号を検出する第１の検出手段と、前記電気信号に応じた測定信号に基づき、前記特徴パターンに応じた検出信号を検出する第２の検出手段とを備える。

本発明に係る１の神経検出方法は、特徴パターンを有する刺激信号を発生させるステップと、前記刺激信号に基づく刺激を神経に与えるステップと、前記神経における刺激の伝達に伴い、前記神経の周囲に発生する電磁界を検出するステップと、前記電磁界に応じた測定信号に基づき、前記特徴パターンに応じた検出信号を検出するステップとを装置が行う。

本発明に係る１の神経検出方法は、特徴パターンを有する刺激信号を発生させるステップと、前記刺激信号に基づく刺激を神経に与えるステップと、前記神経における刺激の伝達に伴う電気信号を検出するステップと、前記電気信号に応じた測定信号に基づき、前記特徴パターンに応じた検出信号を検出するステップとを装置が行う。

なお、本発明において、「部」や「手段」、「装置」、「システム」とは、単に物理的手段を意味するものではなく、その「部」や「手段」、「装置」、「システム」が有する機能をソフトウェアによって実現する場合も含む。また、１つの「部」や「手段」、「装置」、「システム」が有する機能が２つ以上の物理的手段や装置により実現されても、２つ以上の「部」や「手段」、「装置」、「システム」の機能が１つの物理的手段や装置により実現されても良い。

実施形態に係る神経探索法を説明するための図である。 実施形態に係る神経探索法において神経周囲に配置する磁気センサの位置を示す図である。 実施形態に係る神経検出装置に係る信号波形の具体例を示す図である。 実施形態に係る神経検出装置の機能構成を示す図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の説明及び参照する図面の記載において、同一又は類似の構成には、それぞれ同一又は類似の符号が付されている。

１．概要
ヒト若しくは動物における手術を行う際には、予め神経の位置及び機能を特定した上で、当該神経を痛めないように配慮することが好ましい。例えば食道癌の手術において反回神経を傷つけてしまうと声帯麻痺が生じ、嗄声や誤嚥などの症状が発症する。つまり、神経及びその機能を特定できずに痛めると、場合によっては主訴の治療により別の症状を発症させる可能性がある。しかしながら、ヒト若しくは動物における各神経の走行は、個体による差異があるため、一見して神経の位置や機能、状態を特定することは困難である。

神経の機能や損傷の有無を特定するための手法の１つとして、電極プローブを神経に接触させて電気的に刺激した上で、当該神経に係る標的器官の反射が生じたか否かを観察する手法が考えられる。しかしながら、電極プローブにより神経を刺激する手法では、標的器官の反射の有無を人間である術者自身が判別しなければならない。この場合、神経に加えられた刺激レベルが低いために標的器官が十分に反応しなかったり、或いは反射の有無の判断を誤ったりすることにより、十分に神経の機能等を特定できない場合もある。

また、神経に電気的な刺激を与えるためには、まず神経の位置を特定し、特定した神経を、当該神経を保護する脂肪等の組織から露出させた上で、当該神経に電極プローブをあてる必要がある。しかしながら前述のとおり、神経を特定することは決して容易ではなく、また露出させる過程で神経を損傷させることもある。

更に、心電図モニタや電気メス等の手術機器でも電気信号を用いるため、神経検出の際に電極プローブを用いると、当該電極プローブにより印加した電気信号は、心電図モニタや電気メスなどと干渉し、これらの機器に影響を及ぼす。すなわち、心電図モニタや電気メス等の手術機器と、電極プローブを使用した神経検出とは、同時に行うことができないという課題もある。

そこで本実施形態に係る神経検出装置では、神経に対して磁気により、周期等に特徴を持つ特定の特徴パターンを有する人工的な刺激を与え、当該刺激を、神経の周囲に発生した電界及び／又は磁界（以下、単に電磁界と呼ぶ。）として検出する。これにより、電磁界を検出した結果得られる検出信号の信号処理により神経検出の有無や神経からの相対的な距離等を判別することを可能とする。また、神経が周辺組織に覆われた状態での神経探索を可能とし、神経機能を温存することも可能とする。

以下、図１を参照しながら本実施形態に係る神経検出方法の具体例を説明する。図１は、反回神経１９を探索する手法を説明するための図である。ここでは、鏡視下手術における食道切除に際して、反回神経１９を探索する手法を中心に説明する。しかしながら、探索する神経は反回神経１９に限られるものではなく、例えば泌尿器の神経など、神経の探索一般に、同様の神経検出方法を適用することも考えられる。

まず、人体１０の頸部から胸部にかけての構造を簡単に説明する。頸部の皮膚１１の内側には、左総頸動脈１３Ａ及び右総頚動脈１３Ｂ（以下、総称して総頸動脈１３とも呼ぶ。）が通り、これらの左総頸動脈１３Ａ及び右総頚動脈１３Ｂは大動脈弓１５に接続されている。また、頸部の皮膚１１の内側には、左総頸動脈１３Ａ及び右総頚動脈１３Ｂに沿って、左迷走神経１７Ａ及び右迷走神経１７Ｂ（以下、総称して迷走神経１７とも呼ぶ）が走行している。迷走神経１７は、脳から頸部を通過して胸部へと至る、基幹の副交感神経である。左迷走神経１７Ａ及び右迷走神経１７Ｂは、それぞれ胸腔内で左反回神経１９Ａ及び右反回神経１９Ｂ（以下、総称して反回神経１９とも呼ぶ）に分岐する。反回神経１９は、気管２１及び食道に沿って甲状軟骨２３の方へと延び、声帯筋２５へと至る。

ここで、総頸動脈１３は、頸部の皮膚１１の直下を走行しており、触診等により容易に位置を判別できる。よって、総頸動脈１３に沿って走行する迷走神経１７の位置も容易に特定可能である。本実施形態においては、磁気刺激プローブ１１０を用いて磁気的手段により、皮膚１１の直下を走行する迷走神経１７に対して非接触で、特定の特徴パターンを有する刺激信号により生成された人工的な刺激を与える。ここでは、特徴パターンを有する刺激信号は、周期的にＯＮ／ＯＦＦが切り替えられる、一定周期のパルス信号である場合を中心に説明する。迷走神経１７に対する磁気刺激においては、０．１〜２．０Ｔ程度の磁束密度が必要である。迷走神経１７に与えられた刺激は、後述する跳躍伝導により迷走神経１７の末梢側に伝達され、更に、迷走神経１７から分岐する反回神経１９へも伝達される。

なお、神経の刺激方法は磁気刺激に限られるものではなく、電気信号を神経に与える手法も考えられる。この場合には、例えば、頸部を切開した上で、総頸動脈１３近傍を走行する迷走神経１７を露出させ、ここにバイポーラ電極又は単極電極による電極プローブを接触させることにより迷走神経１７を刺激すれば良い。バイポーラ電極を用いる場合には、バイポーラ電極間に０．１〜５Ｖ程度のパルス電圧を加える事により、迷走神経１７を刺激することができる。なお、迷走神経１７の刺激に好適な電圧値／電流値は、神経に接触する電極の間隔や電極サイズ、生体との接触状況等により変わる。なお、電気的に神経を刺激する手法については、後述の変形例等においても簡単に説明する。

前述のとおり、本実施形態においては、迷走神経１７を磁気的に刺激し、当該刺激に応じた電磁界を検出することにより、反回神経１９を探索する。ここで、迷走神経１７は副交感神経であり、副交感神経の興奮は、心拍数の減少、血圧低下、消化管機能更新、外分泌腺分泌増加、活躍筋弛緩、膀胱平滑筋収縮、縮瞳等を引き起こす。つまり、副交感神経である迷走神経１７への刺激が大きすぎると生命維持に支障を来しかねないため、可能な範囲で刺激を低く抑える必要がある。よって、迷走神経１７の探索に先立ち、迷走神経１７に磁気刺激を与えるための刺激信号の強度等を調整する必要がある。

そのため、まず、鎖骨下動脈頭側で迷走神経１７を磁気刺激し、神経刺激による心拍反応を確認する。迷走神経１７を一定程度以上刺激すると当該刺激に応じて心拍低下が生じるため、心拍反応を観察することにより、心拍低下が生じる最小閾値である刺激レベルを特定できる。これにより、反回神経１９の探索の際に使用する刺激信号の適切なレベルの確認が可能である。このような閾値刺激レベルは、センサ等から心拍を検出する神経検出装置が自動的に特定してもよいし、或いは術者が心電図モニタ等で心拍を確認しながら操作入力することにより、特定してもよい。

神経刺激に伴う影響を抑制する、すなわち神経に与えるエネルギーを低くする手法としては、前述の刺激信号の刺激レベルを低く抑える方法と共に、刺激信号に含まれるパルス信号のパルス幅を狭くする手法が考えられる。そこで、刺激信号に含まれるパルス信号の好適なパルス幅を予め定める必要がある。具体的には、例えば、パルス幅の初期値を１ｍｓｅｃとし、当該パルス幅、及び先に特定した神経刺激レベルにおいて、心拍低下が生じないか否かを確認する。その結果、心拍低下が観察された場合には、パルス幅を０．１ｍｓｅｃずつ狭める。このような作業を繰り返すことにより、すなわち心拍低下を確認できる最も短いパルス幅である閾値パルス幅を確認することができる。このような閾値パルス幅は、センサ等から心拍を検出する神経検出装置が自動的に特定してもよいし、或いは術者が心電図モニタ等で心拍を確認しながら操作入力することにより特定してもよい。

このようにして神経を刺激する際の刺激レベルとパルス幅との閾値を定めた後、これらの閾値刺激レベル以上かつ閾値パルス幅以上のパルス信号を含む神経信号が、反回神経１９の探索（検索）に用いられる。より具体的には、術者は、当該刺激信号を用いて磁気刺激プローブ１１０により迷走神経１７を刺激しながら、人体１０内の反回神経１９が走行していると推測される部位を、磁気センサ１２０により探索する。その結果、磁気センサ１２０で刺激信号に基づく刺激の伝達に伴う電磁界が検出されると、当該検出位置近傍に反回神経１９が走行しており、正常に刺激が伝達されていることが特定される。すなわち、信号処理のみにより、反回神経１９の走行位置や、反回神経１９の損傷の有無等を特定することができる。尚ここで、神経刺激に使用する神経信号に含まれるパルス信号の刺激レベル及びパルス幅は、神経に与える刺激は極力小さい方が人体１０に与える影響を抑えられるため、閾値と同値あるいはそれを少し上回る値とすることが好ましい。

もし、磁気センサ１２０で磁気を検出できない場合には、迷走神経１７の刺激部位から徐々に神経末梢に向けて神経探索範囲を広げることにより、損傷部位を同定することも可能である。

図２を参照しながら、神経２００に印加された刺激の伝達方法について説明する。上述の迷走神経１７や反回神経１９を含む有髄神経であれば、他の神経でも伝達方法は同様である。

神経２００は軸索２０３と、軸索２０３に巻き付き、絶縁性の脂質から構成されるミエリン鞘２０５（髄鞘）とを含む。各々のミエリン鞘２０５の長さは数ｍｍ程度であり、ミエリン鞘２０５の間には、軸索２０３が露出しているランビエの絞輪２０７が形成される。神経２００に刺激が印加されると、ランビエの絞輪２０７において当該刺激に応じてＮａ＋イオンの移動が軸索２０３の細胞膜の内側と外側との間に生じ、脱分極が生じる。当該脱分極の結果、隣接する絞輪２０７でＮａ＋イオンの移動が生じる。つまり、隣接する絞輪２０７へ脱分極が移動する。この繰り返しにより、神経２００上を、刺激信号としてのＮａ＋イオンによる脱分極が移動する。当該刺激の伝達方法を跳躍伝導と呼ぶ。跳躍伝導では、Ｎａ＋イオンの移動により生じる細胞膜電位の移動が、１以上のミエリン鞘２０５分離れたランビエの絞輪毎に発生する。これにより、跳躍電動による神経２００上の刺激の移動は、筋肉や脂肪などの他の細胞組織に比べ、信号伝達速度が早い。

軸索２０３の周囲にＮａ＋イオンの移動による電場が生じると、それに伴い、神経２００の周囲には磁界も発生する。また、ランビエの絞輪２０７における脱分極に応じて、神経２００の周囲には電界も生じる。磁気センサ１２０は、反回神経１９の周囲に発生するこれらの電磁界を検出する。図２に示すように、磁気センサ１２０は、磁気センサ１２０Ａ乃至１２０Ｃとして示す位置を順次移動させることにより神経２００の周囲に発生する電磁界を検出してもよいし、或いは例えばアレイ状に配置された磁気センサ１２０Ａ乃至１２０Ｃとして、神経２００の周囲に発生する電磁界を検出してもよい。２次元又は３次元アレイ状に配置された磁気センサ１２０を用いれば、術者は広い範囲を同時に検索することが可能である。また、後述する通り、各磁気センサ１２０における検出結果を比較することにより、神経刺激位置からの相対距離や神経２００からの神経経路上の相対的な空間距離も判別することが可能となる。

なお、人体１０内には、複数の神経２００が走行しており、ランダムに信号が伝達されるため、当該信号伝達に伴う電磁界が常に発生する。また、地球により発生する地磁気も存在する。そこで、人体１０の近くに配置された磁気センサ１３０Ａや、人体１０内の神経２００から離れた位置に配置された磁気センサ１３０Ｂ（以下、磁気センサ１３０Ａ及び１３０Ｂを総称して磁気センサ１３０と呼ぶ）の少なくとも一方から周辺電界及び／又は周辺磁界（以下、周辺電磁界と呼ぶ）を検出する。磁気刺激プローブ１１０により、特徴的な特定のパターンを有する人工的な刺激を神経２００に印加した上で、磁気センサ１２０で検出した電磁界信号から、磁気センサ１３０で検出した周辺電磁界に係る電磁界信号を差し引くことにより、人工的に与えた刺激に基づいて発生した信号を検出することができる。更に、このような特定のパターンを有する人工的な刺激を用いることにより、脳などから神経２００に伝達される信号と区別することも可能である。

以下、図３を参照しながら、神経２００に与える刺激信号及び検出される検出信号について説明する。図３は、本実施形態に係る神経検出装置に係る信号の具体例を示す図である。

神経検出装置は、まず、図３（ａ）に示す周期信号を発生させる。当該周期信号において、Ｈｉｇｈレベルは神経２００に刺激を与える期間に対応し、Ｌｏｗレベルは刺激を与えない期間に対応する。つまり、神経２００に与えられる刺激には、刺激する期間としない期間とが設けられ、神経信号は、間欠的に刺激が与えられるバースト信号となる。このように刺激を与える期間と与えない期間とを設けることにより、神経刺激に伴う各器官への影響を低く抑えることが可能となる。例えば、当該周期信号におけるデューティ比は５０％以下とすることが望ましい。神経２００を刺激しない期間を、神経２００を刺激する期間と比較してなるべく長くすることで、副作用の発生を抑制できる。よって、この周期信号における周期の長さは、たとえば、刺激を印加する期間を１００ｍｓｅｃ、刺激を印加しない期間を９００ｍｓｅｃと設定することができる。

ここで、特に迷走神経１７を刺激することを考えると、５秒以上迷走神経１７を刺激すると心拍レートが低下し、徐脈の危険性があるため、刺激を印加する期間は５秒以下とすることが望ましい。周期信号におけるデューティ比を５０％とすると、周期信号の周波数は、０．１Ｈｚ以上とすることにより、徐脈の危険性を低減することができる。特に、周期信号の周波数は０．１Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下とすることができる。

更に神経検出装置は、図３（ａ）に示した周期信号に基づき、図３（ｂ）に示す刺激信号を発生させる。より具体的には、周期信号がＨｉｇｈレベルの期間において、刺激信号は一定周期のパルス信号であり、周期信号がＬｏｗレベルの期間においては一定レベル（図３（ｂ）ではレベルゼロ）である。このような人工的な特徴パターンを有する刺激信号を用いることにより、脳から神経２００に与えられる信号と、この刺激信号とを区別することが可能となる。

なおここで、神経２００に刺激を与えるための特徴パターンを有する刺激信号には、１Ｈｚ以上の周波数のパルス信号を用いることができる。特に、パルス信号のパルス幅を十分狭くすることで（必要最低限の幅に）、印加した刺激に伴う副作用を低く抑えることができる。しかしながら前述のとおり、刺激信号の有する特徴パターンは、１Ｈｚ以上の単一の周波数のパルスでなくとも、可変周波数を特徴周波数のパルスとしてもよい。

ところで、１ｋＨｚ以下の低い周波数の信号は、筋肉や脂肪など、その他の組織でも伝達することが可能である。この点、神経２００は、速度の早い跳躍伝導により刺激を伝達するため、高い周波数の信号を通すことができる。そこで、神経２００に刺激を与えるための刺激信号に含まれるパルス信号は、筋肉等の他の組織が伝達することが難しい約１ｋＨｚ以上であって、かつ有髄神経が伝達することができる約１０ｋＨｚ以下の範囲に含まれる周波数であることが好ましい。よって、例えば、刺激信号に含まれるパルス信号の周波数は、２．０ｋＨｚ（周期は０．５ｍｓｅｃ）とすることができる。パルス信号の周波数を２．０ｋＨｚとし、刺激を印加する期間を前述のとおり１００ｍｓｅｃとした場合には、当該刺激を印加する期間において、パルス信号は２００パルス含まれる。

ここで、刺激信号を用いた神経２００への刺激は、ロックインアンプにより検出される（後述）。もし刺激信号に含まれる単位時間あたりのパルス数が少ないと、ロックインアンプから出力される検出信号の出力レベルが低くなるため、結果として誤検出の可能性が高くなる。一方、刺激信号に含まれる単位時間あたりの刺激パルス数が多すぎると、前述のとおり、迷走神経１７がつながる各器官へ与える影響が大きくなるため、可能な範囲で刺激する期間を短く抑える必要がある。単位時間あたりに一定刺激パルス数を与える手法としては、１周期（図３（ａ）中の信号周期に相当）内に含まれる刺激パルス数を少なくする一方で１周期の時間を短くする（神経刺激をしない期間を減らす）手法と、１周期内に含まれる刺激パルス数を増やす一方で１周期の時間を長くする（神経刺激をしない期間を増やす）手法とが考えられる。生体における副作用を考えると連続した神経刺激をしない期間を多く取るように調整した方が好適である。よって、刺激パルス信号を印加する時間及び印加しない時間、並びに１周期に含まれる刺激パルス数は、上述の１００ｍｓｅｃ、９００ｍｓｅｃ及び２００パルスに限られるものではなく、適当に調整することができる。しかしながら、上述の点を考慮することにより、例えば迷走神経１７を刺激する際には、咽頭、心臓、胃、小腸、肝臓、腎臓などの迷走神経１７が刺激を伝達する各器官への、迷走神経１７に対して人工的な刺激を与えることに伴う副作用を低く抑えることが可能である。

磁気刺激プローブ１１０は、図３（ｂ）に示した刺激信号を用いて、例えば神経２００を磁気的に刺激する。当該刺激は、跳躍伝導により神経２００に伝達される。跳躍伝導は非減衰伝達であるため、神経２００が刺激を伝達するための閾値を刺激量が超えると、当該刺激は抹消まで同一のレベルで伝達される。

なお、神経２００に刺激が与えられた直後の絶対不応期を呼ばれる一定期間は、どんなに強い刺激を与えても神経２００は反応しない。これにより、刺激信号の周期が神経２００の絶対不応期の長さよりも短くなることにより当該絶対不応期中に印加された刺激は伝達されない。つまり、神経２００により伝達される刺激の周期は、絶対不応期の長さよりも必ず長くなる。

磁気センサ１２０は当該神経２００の周囲に発生する電磁界を検出する。また前述のとおり、磁気センサ１３０は周辺電磁界を検出する。磁気センサ１２０で検出した電磁界の信号から周辺電磁界の信号を減算することにより得られる測定信号と、図３（ｂ）に示した刺激信号である参照信号とに対して、ロックインアンプによる処理を行うことにより、図３（ｃ）に示す検出信号を得ることができる。具体的には、まず、バースト的な信号である参照信号の位相を順次ずらしながら、測定信号と参照信号とを乗算する。当該乗算した値が最も大きく反応する位相の参照信号において、これをローパスフィルタにかけることにより検出信号が得られる。一定の閾値以上の検出信号が観察できた場合には、磁気センサ１２０の位置において、磁気刺激プローブ１１０により人工的に神経２００に与えられた刺激信号が、磁気センサ１２０で検出されたことを意味する。すなわち、磁気センサ１２０の近傍に神経２００が走行していることを特定することができる。

なお、上記の説明では測定信号の生成に際し、磁気センサ１２０で検出した電磁界の信号から周辺電磁界の信号を減算するものとして説明したが、これに限られるものではない。特に、磁気センサ１３０により検出される周辺電磁界の変動が微弱である場合には、磁気センサ１２０で検出した電磁界の信号をそのまま測定信号とすることも考えられる。

２．機能構成
以下、図４を参照しながら、本実施形態に係る神経検出装置１００の機能構成を説明する。図４は、神経検出装置１００の構成の具体例を示す図である。神経検出装置１００は、周期信号発生器１０１、バースト信号発生器１０３、刺激パルス発生器１０５、ドライバ１０７、刺激量調整部１０９、磁気刺激プローブ１１０、刺激パルス幅調整部１１１、磁気センサ１２０、ドライバ１２１、ドライバ１２３、加算器１２５、ロックインアンプ１２７、及び判定部１３３を含む

周期信号発生器１０１は、図３（ａ）に具体例を示した周期信号を発生させる。前述のとおり、当該周期信号は、神経２００への刺激を与える刺激用のパルス信号を発生させるか否かのＯＮ／ＯＦＦを切り替えるためのものである。刺激信号を神経に印加しない期間を設けることにより、神経２００に与える刺激量を抑え、結果として神経２００の刺激伝達先の各器官へ与える影響を低く抑えられる。

バースト信号発生器１０３は、周期信号発生器１０１から入力を受けた周期信号に基づいて、図３（ｂ）に例示した刺激信号を発生させる。バースト信号発生器１０３は、周期信号がＨｉｇｈレベルとなっている期間に一定間隔のパルス信号を発生させ、Ｌｏｗレベルとなっている期間はパルス信号を発生させないようにする。これにより、バースト信号発生器１０３が発生させる刺激信号はバーストパルス信号となる。

刺激パルス発生器１０５は、バースト信号発生器１０３が発生させた刺激信号に基づく磁気を磁気刺激プローブ１１０に発生させるべく、ドライバ１０７に対して刺激信号を入力する。ドライバ１０７は当該刺激信号に基づく磁気を磁気刺激プローブ１１０に発生させる。ここでドライバ１０７が発生させる磁気の大きさ（刺激レベル）は、刺激量調整部１０９が調整する。先述の通り、刺激レベルは、心拍低下が生じる中で極力低い値に設定されることが好ましい。また、刺激信号に含まれるパルス信号のパルス幅は、刺激パルス幅調整部１１１が調整する。先述の通り、パルス幅は、心拍低下が生じる中で極力低い値に設定されることが好ましい。

磁気刺激プローブ１１０は、刺激信号に基づく磁気を発生させることにより、神経２００に対して磁気刺激を与える。神経２００に与えられた刺激は、跳躍伝導により伝達される。磁気センサ１２０は、跳躍伝導に応じて当該神経２００の周囲に発生する電磁界を検出し、ドライバ１２１は当該電磁界に応じた電気信号を加算器１２５へ出力する。

また、磁気センサ１３０は周辺電磁界を検出し、ドライバ１２３は当該周辺電磁界に応じた電気信号を加算器１２５へ出力する。加算器１２５は、磁気センサ１２０からの電気信号から、磁気センサ１３０からの電気信号を減算する。これにより、周辺電磁界の影響を除いた、神経２００における跳躍伝導に伴い発生した電磁界に係る測定信号のみが得られる。これは周辺電磁界の影響は磁気センサ１２０及び磁気センサ１３０の双方が受けるためである。前述のとおり、もし磁気センサ１３０で検出される電磁界の変動が小さければ、加算器１２５による減算処理を行わず、磁気センサ１２０からの電気信号をそのまま位相敏感検波器１２９に入力することも考えられる。例えば、磁気センサ１２０で検出する磁気のレベルが数十ｎＴ、磁気センサ１３０で検出する周辺磁界のレベルが４５μＴだとすると、周辺磁界のレベルは十分に小さいため、磁気センサ１２０での検出信号において周辺磁界の影響を考慮する必要はない。

位相敏感検波器１２９、及びローパスフィルタ１３１は、ロックインアンプ１２７を構成し、ロックインアンプ１２７は、磁気刺激プローブ１１０により刺激を与える刺激信号の特徴パターンを検出する検出信号を出力する。これにより、脳などから神経２００にランダムに伝達される信号と、人工的に印加した刺激に応じた信号とを区別することができる。例えば、神経２００に人工的に与える刺激が２．０ｋＨｚであれば、ロックインアンプ１２７は、測定信号中に２．０ｋＨｚの信号成分が含まれているか否かを判定するための検出信号を出力する。もし測定信号中に、人工的に加えられた周波数帯である２．０ｋＨｚの信号成分が含まれていれば、磁気センサ１２０の近傍に、磁気刺激プローブ１１０により刺激を与えた神経２００が走行していることがわかる。

ロックインアンプ１２７の一部を構成する位相敏感検波器１２９は、バースト信号発生器１０３から入力された参照信号である刺激信号と、加算器１２５から出力される測定信号とを乗算する。刺激信号に含まれる刺激パルス信号が２．０ｋＨｚである場合には、位相敏感検波器１２９には、当該２．０ｋＨｚの刺激パルス信号が参照信号として入力される。更に位相敏感検波器１２９は、参照信号の位相をずらすことにより、当該乗算結果が最も敏感に反応する位相を特定する。

加算器１２５から得られる測定信号をｓｉｎ（ωｔ＋α）、刺激信号をｓｉｎ（ωｔ＋β）とすると、位相敏感検波器１２９が出力する信号は、以下のようになる。

なお、この式において、α、βは位相のオフセットである。位相敏感検波器１２９は、α、βの少なくとも一方値を順次調整することにより、当該式における直流成分であるｃｏｓ（α−β）の値が最も大きくなるα、βの値を特定する。この場合、理想的にはα＝β＋２π×ｎ（ｎは整数）となる。

ロックインアンプ１２７を構成するローパスフィルタ１３１は、十分に大きな時定数を有することにより、検出対象の周波数（ここでは２．０ｋＨｚ）成分が十分検出されるように設定される。これによりローパスフィルタ１３１は、位相敏感検波器１２９から出力される信号から、高周波数成分であるｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）を除去する。例えば、ローパスフィルタ１３１は、カットオフ周波数３．０ｋＨｚで６ｄＢ減少するように設定される。これにより、ローパスフィルタ１３１は、神経刺激の際に使用した刺激信号の特徴パターンに応じた検出信号だけを取り出すことができる。検出信号の波形の具体例は、図３（ｃ）に示す。

判定部１３３は、ロックインアンプ１２７から出力された検出信号に基づき、神経刺激を検出できたか否かを判定する。判定部１３３が神経刺激を検出できたか否かを判定する方法は種々考えられるが、例えば、検出信号が閾値を超えたか否かにより判別できる。もし検出信号の出力レベルが閾値よりも高ければ、磁気センサ１２０で検出された測定信号と、参照信号である刺激パルス信号との相関が高いことを示し、これは磁気センサ１２０の近傍に神経２００があることを意味する。一方、検出信号の出力レベルが閾値よりも低ければ、測定信号と刺激パルス信号との相関が低いことを示す。相関が低い場合には、磁気センサ１２０と反回神経１９との距離が遠いと解釈しうる。

或いは、検出信号の出力レベルが低い場合には、迷走神経１７の一部に損傷が生じていると解釈することも可能である。なぜならば、例えば迷走神経１７のように、束となっている神経２００を一体として全て刺激する場合には、それらの一部に損傷があれば、その損傷のある神経２００では、刺激の伝達、すなわち跳躍伝導が生じない。跳躍伝導を行う神経２００の数が減ると、跳躍伝導に伴い生じる電磁界の強度も低下するため、これを検出する検出信号の出力レベルも下がるからである。

判定部１３３で検出信号の出力レベルの高低を判定する際に使用する閾値は、例えば以下のように設定することができる。

ここで、Ａは刺激パルスの印加中における検出信号の出力レベル、Ｂは刺激パルスを印加していない期間における検出信号の出力レベルである。Ｂのレベルが低ければ、閾値をＡ／２としても良い。

また、跳躍伝導は前述のとおり非減衰伝達であるため、神経２００の周囲に生じる電磁界強度は神経２００の部位に関わらず一定であり、また、当該電磁界強度は神経２００からの距離に反比例する。よって、検出される検出信号の出力レベルが大きければ磁気センサ１２０と神経２００との距離が短く、出力レベルが低ければ両者の距離が遠いことを意味する。すなわち、磁気センサ１２０を移動させたり複数配置したりした上で、それぞれの位置における検出信号のレベルを測定することにより、神経２００と磁気センサ１２０との相対的かつ空間的な距離を求めることが可能である。判定部１３３は、検出信号のレベルに応じて、当該相対的距離を求めても良い。

更に判定部１３３は、神経２００を刺激している位置から、刺激を検出した位置までの、神経２００の経路上での相対的距離を測定することも可能である。より具体的には、神経２００の刺激を始めた時刻Ｔ１、及び検出信号が検出閾値を超えた時刻Ｔ２を測定することで、刺激の伝達に要した時間Ｔ２−Ｔ１がわかる。よって、磁気センサ１２０を移動させたり複数配置したりした上で、時間Ｔ２−Ｔ１の値が小さい検出位置は刺激位置から近く、当該値が大きい検出位置は刺激位置から遠いと判定できる。

３．本実施形態に係る効果
以上説明したように、本実施形態に係る神経検出装置１００は、磁気刺激プローブ１１０により神経２００に対して人工的な刺激を与え、当該刺激を伝達するための跳躍伝導に応じて神経２００の周囲に生じる電磁界を磁気センサ１２０で検出する。磁気センサ１２０で測定された信号に対する信号処理の結果、所定の検出信号が検出されると、当該磁気センサ１２０の近傍に神経２００が走行していると特定できる。また神経検出装置１００は、神経２００の損傷の有無や、磁気センサ１２０と神経２００との相対的かつ空間的な距離、刺激位置と検出位置との相対的な距離等も判別可能である。すなわち、神経検出装置１００を用いれば、神経２００に関係する関連器官の反射等を術者が観察せずとも、信号処理のみで神経２００の位置や状態を確認することができる。

また、本実施形態に係る神経検出装置１００では、神経２００に対して磁気刺激を与え、また神経２００の周囲に発生する電磁界を検出している。すなわち、神経２００を露出させたり神経２００に接触したりする必要が無いため、神経２００を損傷させる等のリスクを避ける事ができる。

更に、神経２００に与える刺激信号を間欠的なバースト信号とし、また信号レベルやパルス幅も調整するようにしているため、関連器官の機能に与える影響を低減させることができる。

４．変形例
なお、前述の実施形態の構成は、組み合わせたり或いは一部の構成部分を入れ替えたりしてもよい。また、本発明の構成は前述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。

より具体的には、例えば、上記神経検出装置１００では、神経２００に対して磁気刺激を与えていたが、神経２００を切開により露出させた上で、磁気刺激プローブ１１０の代わりとなる電極プローブを当該神経２００に接触させることにより、電気刺激を与えるようにしても良い。

また、上記実施形態では、神経２００における刺激の伝導を電磁界として検出していたが、これに限られるものでもなく、神経２００に流れる電気信号を検出するようにしても良い。この場合、神経２００に人工的に印加した刺激に基づく電気信号が神経２００に接触した電気センサで検出された場合に、当該電気センサが接触する神経２００が、標的の神経であると判定することができる。この場合、磁気センサ１３０の代替となる電気センサは、生体上の電気ノイズを検出すれば良い。神経２００に接触させた電気センサ及び生体ノイズを検出した電気センサに対する信号処理については、上記実施形態と同様とすることが可能である。電気信号により刺激を検出する手法であっても、上記実施形態と同様に、標的器官の反射を観察せずとも、信号処理のみで刺激の有無を検出することができる。また、刺激レベルや刺激パルス幅を調整することにより、標的器官に与える影響も低く抑えることが可能である。

また、上記実施形態では、神経２００に刺激を与えるための刺激信号が有する特徴パターンが単一周波数のパルスである場合を中心に説明したが、これに限られるものではない。例えば、刺激する周波数や刺激強度を可変にすることも考えられる。このようにすると、刺激信号のパターンをより特徴的とすることができるため、他の電気／磁気ノイズとの区別がつきやすくなり、検出信号による検出精度を向上させることが可能となる。

更に、図１に示した例では、頸部を走行する迷走神経１７から磁気刺激プローブ１１０で刺激を与え、反回神経１９近傍にある磁気センサ１２０で当該刺激に応じた電磁界信号を検出するようにしていたが、これに限られるものでもない。例えば、胸腔内の反回神経１９近傍において磁気刺激プローブ１１０で刺激を与え、頸部を走行する迷走神経１７近傍若しくは甲状軟骨２３周囲に配置された磁気センサ１２０で当該刺激に応じた電磁界を検出することも考えられる。

１０ ：人体
１１ ：皮膚
１３Ａ ：左総頸動脈
１３Ｂ ：右総頚動脈
１５ ：大動脈弓
１７Ａ ：左迷走神経
１７Ｂ ：右迷走神経
１９Ａ ：左反回神経
１９Ｂ ：右反回神経
２１ ：気管
２３ ：甲状軟骨
２５ ：声帯筋
１００ ：神経検出装置
１０１ ：周期信号発生器
１０３ ：バースト信号発生器
１０５ ：刺激パルス発生器
１０７ ：ドライバ
１０９ ：刺激量調整部
１１０ ：磁気刺激プローブ
１１１ ：刺激パルス幅調整部
１２０ ：磁気センサ
１２１ ：ドライバ
１２３ ：ドライバ
１２５ ：加算器
１２７ ：ロックインアンプ
１２９ ：位相敏感検波器
１３０ ：磁気センサ
１３１ ：ローパスフィルタ
１３３ ：判定部
２００ ：神経
２０３ ：軸索
２０５ ：ミエリン鞘
２０７ ：ランビエの絞輪

Claims (20)

1. 特徴パターンを有する刺激信号を発生させる手段と、
   前記刺激信号に基づく刺激を神経に与える刺激手段と、
   前記神経における刺激の伝達に伴い、前記神経の周囲に発生する電磁界を検出する第１の検出手段と、
   前記電磁界に応じた測定信号に基づき、前記神経に与えた前記特徴パターンに応じた検出信号を検出する第２の検出手段と
   を備える神経検出装置。
2. 前記刺激信号は、前記特徴パターンである一定周波数のパルス信号を含む、
   請求項１記載の神経検出装置。
3. 前記刺激信号は、一定周波数のパルス信号を一定周期で間欠的に含む前記特徴パターンを持つ、
   請求項２記載の神経検出装置。
4. 前記一定周期の周波数は、０．１Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下である、
   請求項３記載の神経検出装置。
5. 前記パルス信号の信号レベルを調整する第１の調整手段
   を更に備える請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の神経検出装置。
6. 前記パルス信号のパルス幅を調整する第２の調整手段
   を更に備える請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の神経検出装置。
7. 前記パルス信号の周波数は、１Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下である、
   請求項２乃至請求項６のいずれか１項記載の神経検出装置。
8. 前記特徴パターンである前記刺激信号の周波数又は刺激強度の少なくとも一方を変える手段
   を更に備える請求項１記載の神経検出装置。
9. 前記第２の検出手段は、前記刺激信号と、前記測定信号とに基づき、前記検出信号を検出する、
   請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の神経検出装置。
10. 周辺電磁界を検出する第３の検出手段
    を更に備え、
    前記測定信号は、前記電磁界に応じた信号から、前記周辺電磁界に応じた信号を減算することにより得られる、
    請求項９記載の神経検出装置。
11. 前記検出信号は、前記刺激信号と前記測定信号とを乗算することにより得られる信号に対し、高周波成分をフィルタリングすることにより生成される、
    請求項９又は請求項１０記載の神経検出装置。
12. 前記刺激手段は、前記刺激信号に基づく磁気刺激を前記神経に印加する、
    請求項１乃至請求項１１のいずれか１項記載の神経検出装置。
13. 前記刺激手段は、前記刺激信号に基づく刺激を電気信号として前記神経に与える、
    請求項１乃至請求項１１のいずれか１項記載の神経検出装置。
14. 前記検出信号に基づき、前記刺激を前記神経に与えた位置と、前記電磁界を検出する位置との間の神経経路上の相対的な距離を判定する、
    請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の神経検出装置。
15. 前記検出信号に基づき、前記神経から前記第１の検出手段までの相対的かつ空間的な距離を判定する、
    請求項１乃至請求項１４のいずれか１項記載の神経検出装置。
16. 特徴パターンを有する刺激信号を発生させる手段と、
    前記刺激信号に基づく刺激を神経に与える刺激手段と、
    前記神経における刺激の伝達に伴う電気信号を検出する第１の検出手段と、
    前記電気信号に応じた測定信号に基づき、前記神経の刺激に用いた前記刺激信号の前記特徴パターンに応じた検出信号を検出する第２の検出手段と
    を備える神経検出装置。
17. 前記第２の検出手段は、前記刺激信号と、前記測定信号とに基づき、前記検出信号を検出する、
    請求項１５記載の神経検出装置。
18. 生体ノイズを検出する第３の検出手段
    を更に備え、
    前記測定信号は、前記電気信号から、前記生体ノイズを減算することにより得られる、
    請求項１７記載の神経検出装置。
19. 特徴パターンを有する刺激信号を発生させるステップと、
    前記刺激信号に基づく刺激を神経に与えるステップと、
    前記神経における刺激の伝達に伴い、前記神経の周囲に発生する電磁界を検出するステップと、
    前記電磁界に応じた測定信号に基づき、前記神経の刺激に用いた前記刺激信号の前記特徴パターンに応じた検出信号を検出するステップと
    を装置が行う神経検出方法。
20. 特徴パターンを有する刺激信号を発生させるステップと、
    前記刺激信号に基づく刺激を神経に与えるステップと、
    前記神経における刺激の伝達に伴う電気信号を検出するステップと、
    前記電気信号に応じた測定信号に基づき、前記神経の刺激に用いた前記刺激信号の前記特徴パターンに応じた検出信号を検出するステップと
    を装置が行う神経検出方法。