JP7778397B2 - 生体組織刺激用システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段における生体組織の刺激システム、および請求項１８におけるコンピュータプログラムプロダクトに関する。

非侵襲性脳刺激（ＮＩＢＳ）装置は、神経活動を変調させ、異なる脳領域や振動が行動に果たす因果関係を調べ、様々な精神疾患を治療するために潜在的に使用できる貴重なツールである。ＮＩＢＳの中でも最も広く応用されている２つの技術は、経頭蓋磁気刺激法（ＴＭＳ）および経頭蓋電気刺激法（ＴＥＳ）である。ＴＭＳでは、電磁コイルを頭皮に装着し、高電流パルスを駆動する。このパルスは、コイル近傍に時間的に変化する強い磁場を誘導し、コイル下の脳領域に電場を誘導する。さらに、M. Zaeimbashiらによる論文「Magnetic Temporal Interference for Noninvasive, High-resolution, and Localized Deep Brain Stimulation:Concept Validation」(bioRxiv doi: https://doi.org/10.1101/2020/07.20.212845）には、わずかに異なる周波数の干渉高周波磁場を使用することが記載されており、脳の周辺領域は高周波磁場の影響を受け、干渉領域では、対応する脳領域を刺激できる低周波の包絡線を有する磁場が形成される。しかし、包絡線の形状は変えられないので、刺激パターンが制限される。

bioRxiv doi：https://doi.org/10.1101/2020/07.20.212845、"Magnetic Temporal Interference for Noninvasive, High-resolution, and Localized Deep Brain Stimulation: Concept Validation"

本発明の目的は、より制限の少ない刺激パターンを可能にするシステムを提供することである。

本発明によれば、生体組織を（特に磁気的に）刺激するためのシステムであって、
－ 時間的に変化する磁場を発生させるための少なくとも２つの磁場発生装置であって、それらの時間的に変化する磁場および／または時間的に変化する磁場によって誘導される電場が組織内で少なくとも部分的に重なるように、組織に対して配置される、２つの磁場発生装置と、
－ 前記２つの磁場発生装置を制御するための少なくとも１つの制御装置であって
－ 前記少なくとも１つの装置によって発生する、時間的に変化する磁場を変調（時間変調、特には位相変調）するように、前記２つの磁場発生装置の少なくとも１つを制御するように構成される制御装置と、
を含むシステムが提供される。

磁場発生装置によって発生し、生体組織（例えば神経組織）に放出される時間的に変化する磁場および／または磁場によって組織に誘導される電場は、磁場が重なる組織の領域で互いに干渉することになる。その結果、重なり合う領域における磁場および／または誘導電場は、変調周波数に等しいか少なくとも依存する周波数で振幅変調されることになる。いずれの場合も、振幅変調の周波数は、組織に放出される時間的に変化する磁場の周波数より低くなり、組織（特に神経組織）が時間的に変化する磁場および／または誘導電場に反応せず、振幅変調された結果の場にのみ反応し得るようになる。したがって、組織への影響は、時間的に変化する磁場および／または誘導電場の重なり領域に限定される可能性がある。例えば、変調の周波数は、時間的に変化する磁場の周波数（すなわち、キャリア周波数）の３分の１又は５分の１より低い。時間的に変化する磁場のキャリア周波数はｋＨｚの範囲（例えば少なくとも１ＫＨｚ）であってもよく、一方、変調の周波数は５００Ｈｚ未満、３００Ｈｚ未満または２００Ｈｚ未満であってもよい。例えば、時間的に変化する磁場の少なくとも１つ（例えば位相変調されるもの）のキャリア周波数は、少なくとも１ＫＨｚである。さらに、時間的に変化する磁場の少なくとも１つのキャリア周波数（例えばキャリア周波数が少なくとも１ｋＨｚのもの）は、１ＭＨｚ未満、９００ｋＨｚ未満、５００ｋＨｚ未満、２００ｋＨｚ未満、１００ｋＨｚ未満、５０ｋＨｚ未満または１０ｋＨｚ未満であってもよい。さらに、時間的に変化する磁場の強さ（磁束密度）は、少なくとも０．１Ｔ、少なくとも１Ｔ、少なくとも２Ｔ、少なくとも３Ｔ、または少なくとも５Ｔであってもよく、例えば、時間的に変化する磁場の強さは、２Ｔから３Ｔの間とする。

２つの磁場発生装置の少なくとも一方が発生させる時間的に変化する磁場に課せられる変調は、位相変調または周波数変調であってよい。時間的に変化する磁場が位相（周波数）変調される場合、磁場の位相（周波数）は、時間的に（例えば周期的に）変化する。しかしながら、本発明は、例えば振幅変調方式も使用され得るような特定の変調方式に限定されるものではない。本発明の別の実施形態によれば、磁場発生装置によって生成される時間的に変化する磁場のキャリア周波数は、同一である。「キャリア周波数」という用語は、（変調されていない）時間的に変化する磁場（「キャリア磁場」）に関連する周波数であることに留意されたい。キャリア磁場は、時間的に連続的であってもよく（例えば非パルス）、すなわち、時間的に変化する磁場は連続的に（例えば正弦波的に）変化する。キャリア磁場は変調され、例えば位相変調または周波数変調される。ここで、時間的に変化する磁場の少なくとも１つは位相変調される。磁場および／または誘導電場が変調されていない場合（磁場の１つについてそうである可能性がある）、キャリア周波数は、時間的に変化する磁場の（唯一の）周波数となる。

制御装置は、一方の磁場発生装置によって発生する時間的に変化する磁場を位相変調し、他方の磁場発生装置によって発生する時間的に変化する磁場を無変調とするように、少なくとも２つの磁場発生装置を制御するように構成されてもよい。

さらに、制御装置は、２つの磁場発生装置によって発生する時間的に変化する磁場の振幅の比率を調整するように構成されてもよい。特に、振幅変調の程度は、組織内の各位置における２つの磁場および／または誘導電場のベクトル和に依存する。変調は、２つの磁場の大きさが等しい場合に最大となり、２つの磁場の一方の場が他方に対し支配的であり得る各磁場発生装置付近では最小となり得る。発生した時間的に変化する磁場の相対的な振幅（すなわち振幅比）を調整することにより、最大振幅変調の位置、したがって最大刺激の位置が制御され得る。

変調は、特に、キャリア磁場に時間的に変化する変調関数を適用することによって生成され、変調関数は、原理的に、任意に選択することができ、その包絡線は、例えば、組織に対する所望の効果に依存して設計することができる振幅変調磁場を結果として生成する。このように、本発明は、刺激波形の生成における高い柔軟性を可能にする。例えば、変調（変調関数）は、単に正弦波であってもよい。しかし、より時間的に複雑な場を結果として作成することができる。例えば、短い刺激「パルス」をエミュレートすることができる。このために、変調は、時間的に変化する磁場が逆位相を有する第１の状態から、時間的に変化する磁場が同位相である第２の状態への切り替えを含む位相変調であってよい。２つの磁場および／または誘導電場が等しい大きさを有する位置において、２つの場は通常は相殺され、それらが同相にされるときにのみ過渡的に加算され、刺激パルスをもたらす。

本発明の実施形態によれば、磁場発生装置の少なくとも１つは、少なくとも１つの電磁コイルからなるか、またはこれを含む。しかしながら、本発明は、２つの磁場発生装置の特定の実施形態に限定されないことはもちろんである。例えば、磁場発生装置の少なくとも１つは、時間的に変化する磁場を発生させるための少なくとも１つの回転可能な永久磁石からなるか、またはこれを含んでもよい。

磁場発生装置が電磁コイルによって実現される場合、各磁場発生装置は、コイルと結合して共振回路を形成する少なくとも１つのキャパシタを含んでもよい。キャパシタンスは、共振回路の共振周波数が、要求される刺激キャリア周波数と一致するように選択してもよい。結果として得られる回路は、共振周波数において非常に低いインピーダンスを有し、低電圧の電子機器によって容易に駆動し得る。他の実施形態として、キャパシタをなくし、高電圧の電子機器を使用してコイルを直接駆動する形態も考えられる。

刺激コイルの潜在的な過熱の問題を克服するために、コイルは、水、油または冷却液をコイルの周囲に循環させるシステムによって積極的に冷却されてもよい。必要であれば、刺激を断続的に行い、刺激が必要ないときはコイルをオフにし、刺激パルスが必要な時点にのみオンにすることもできる。しかしながら、電場の急激なオンオフが神経発火に影響を与えることが知られている。これを防ぐために、刺激パルスのオンとオフの時に、小さな時間（数十～数百ミリ秒）で電流を最大値までゆっくりと昇降または最大値からゆっくりと下降させてもよい。

本発明の別の実施形態によれば、２つの磁場発生装置は第１のグループに属し、システムは、時間的に変化する磁場を発生させるための少なくとも２つの磁場発生装置を含む第２のグループを備え、制御装置は、装置によって発生する時間的に変化する磁場を変調するように、第２のグループの２つの磁場発生装置の少なくとも１つを制御するように構成される。当然ながら、少なくとも２つの磁場発生装置のグループは、２つより多いグループがそれぞれ提供されてもよい。

第１のグループの装置によって生成された磁場は、同じキャリア周波数を有してもよく、第２のグループの磁場発生装置によって生成された磁場は、同じキャリア周波数を有してもよく、ただし、第１のグループのキャリア周波数は、第２のグループのキャリア周波数と異なってもよい。低周波振幅変調が、例えば、全ての磁場発生装置からの場が本質的に等しい場所でのみ発生するようにする目的で、すなわち、異なる（２つ以上の）グループの磁場発生装置から発生する場の干渉によって生じる「余分な」低周波振幅変調スポットを防ぐ目的で、各グループは異なるキャリア周波数で動作してもよい。キャリア周波数は、例えば、それらのうちの任意の２つの間の差が、神経組織が応答することができる周波数（例えば、少なくとも０．２ｋＨｚ、少なくとも０．５ｋＨｚ又は少なくとも１ｋＨｚ）よりも大きくなるように選ばれる。そして、すべての場が等しく加算される位置では、合成された場の包絡線は、変調周波数の低周波成分と、異なるキャリア周波数間のビートに起因するいくつかの高周波成分で構成される。神経組織などは低い周波数にしか反応しないので、変調周波数の成分に反応し、高い周波数の成分には反応しない。

本発明によるシステムの制御装置は、プログラム可能なユニット、例えばマイクロコントローラを含んでいてもよい。プログラム可能なユニットは、２つの磁場発生装置によって発生する時間的に変化する磁場を制御するための少なくとも１つの制御信号（駆動信号）を生成することができる。例えば、制御装置は、制御信号を受信し、増幅された制御信号を磁場発生装置に供給する増幅回路を構成に含む。制御信号は、磁場発生装置によって生成される時間的に変化する磁場、すなわちキャリア磁気信号、および時間的に変化する磁場の変調の両方を決定し得る。特に、制御信号は、変調された又は変調されていない時間的に変化する磁場の波形（周波数、振幅および／または位相を含む）を設定する。対応する制御信号は、プログラム可能なユニットによって提供される代わりに、アナログ回路設計によって生成することもできる。

磁場発生装置がそれぞれ電磁コイルからなる場合、プログラム可能なユニットによって生成される制御信号が、コイルに供給される電流を決定してもよい。本実施形態では、ホール効果電流センサを使用して、各コイルの電流を（例えばリアルタイムで）監視することができる。他のタイプの電流センサを利用してもよい。電流は、電流の周波数、振幅および／または位相を所望の値に維持し、温度上昇、位相変調および／またはコイル間の誘導結合などによる変化を打ち消すために、各コイルの制御信号の周波数、振幅および／または位相を設定するコントローラ（例えば、ＰＩＤコントローラ）を実装するプログラム可能ユニット（例えば、上述のマイクロコントローラ）により読み取ることができる。コントローラは、代わりに、アナログ電子機器を使用して実装することもできる。プログラム可能なユニットは、コイル温度が許容範囲内に留まることを保証するために、例えば各コイルの表面に配置された温度センサを使用してコイル温度を（例えばリアルタイムで）監視することもできる。本発明によるシステムの制御装置は、必ずしもフィードバックループを実現する必要はなく、すなわち、コントローラ（上述のＰＩＤコントローラなど）として構成する必要はなく、時間的に変化する磁場を発生するための磁場発生装置を操作するためだけのものであることに留意されたい。

本発明のさらなる実施形態によれば、システムはバッテリ駆動であり、ＤＣ－ＤＣコンバータ（例えば降圧コンバータ）は、バッテリ電圧を、時間的に変化する磁場を発生するための磁場発生装置および／または上述のプログラム可能なユニットなどのシステムのコンポーネントに電力供給するのに適したレベルへ変換してもよい。さらに、外部装置（例えば、脳波増幅器）との通信は、光学的絶縁デジタルＩ／Ｏインターフェースおよび／またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を介してサポートされ得る。これにより、システムを電力網や外部機器から完全に隔離して、ノイズを低減し、被験者の安全性を確保することができる。さらに、システムに何らかの障害が発生した場合の安全性を確保するために、過電流保護ヒューズおよび／または非常停止ボタンを統合してもよい。

本発明はまた、コンピュータプログラム製品に関する。コンピュータプログラム製品はプログラムコードを有し、当該プログラムコードの命令が、先行する請求項のいずれかに記載のシステムの制御装置のプログラム可能なユニットによって実行されると、システムの２つの磁場発生装置の各々が時間的に変化する磁場を発生するように制御装置が制御され、少なくとも１つの磁場発生装置の時間的に変化する磁場は変調される。

本発明によるシステムによって生成される２つの時間的に変化する磁場によって誘導される２つの電場の強度を示す。磁場の１つは正弦波変調関数によって位相変調され、変調されていない磁場と実質的に同じ振幅を有している。 図１Ａに示した電場の干渉によって生じる合成電場を示す。 本発明によるシステムによって生成される２つの時間的に変化する磁場よって誘導される２つの電場の強度を示す。磁場の１つは位相変調され、変調されていない磁場よりも小さい振幅を有している。 図２Ａに示した電場の干渉によって生じる合成電場を示す。 本発明のシステムによって生成される２つの時間的に変化する磁場よって誘導される２つの電場の強度を示す。磁場の１つは任意の変調関数によって位相変調されている。 図３Ａに描かれた電場の干渉によって生じる合成電場を示す。 本発明のシステムによって生成される２つの時間的に変化する磁場によって誘導される２つの電場の強度を示す。磁場の１つはオンオフ変調関数によって位相変調されている。 図４Ａに描かれた電場の干渉によって生じる合成電場を示す。 本発明のシステムによって生成される２つの時間的変化する磁場によって誘導される電場の測定結果を示す。 本発明のシステムによって生成される２つの時間的変化する磁場によって誘導される電場の測定結果を示す。 本発明のシステムによって生成される２つの時間的変化する磁場によって誘導される電場の測定結果を示す。 本発明の実施形態によるシステムのブロック図を示す。 ヒトの脳の組織を刺激するように配置された本発明の別の実施形態によるシステムを模式的に示した斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を、示す図面を参照しながら説明する。図１は、２つの電場Ｅ１、Ｅ２の強さの（シミュレーション）経過を示し、第１の電場Ｅ１は、本発明によるシステムの第１の磁場発生装置によって発生した第１の時間的に変化する磁場によって人間の脳の組織内に誘導される。第２の電場Ｅ２は、本発明によるシステムの第２の磁場発生装置によって発生した第２の時間的に変化する磁場によって誘導される。磁場、および誘導電場Ｅ１、Ｅ２は正弦波（同じ周波数を有する）であり、第２の磁場、および第２の電場Ｅ２は位相変調され、一方、第１の磁場は非変調である。２つの磁場発生装置はそれぞれ、放出される磁場、ひいては誘導電場の波形を作り出す、時間的に変化する電流が供給される電磁コイルを含んでいてもよい。

２つのコイルは、頭皮に配置される。各コイルは、空気コアまたは強磁性コアのいずれかを有する銅線の複数の巻線からなってもよい。２つのコイルは、可能な限り類似するように製造されてもよい。コイルは、皮膚や近接の影響を最小限にするために、リッツ線を使用してもよい。各コイルは、高周波（例えばｋＨｚの範囲）の正弦波電流（例えば数～数十アンペアを有する）で駆動されている。２つのコイルは同じ周波数で駆動されているが、第２の電場Ｅ２を引き起こす一方のコイルに流れる電流の位相は、低周波（例えば１００Ｈｚ）で変調されている。２つの誘導電場Ｅ１、Ｅ２が脳のある領域（オーバーラップ領域）で合成すると、その結果生じる電場は、位相変調周波数において振幅変調される。図１Ａは、オーバーラップ領域における電場の強さを示す。第１および第２の電場Ｅ１、Ｅ２の干渉によって生じる結果としての電場ＲＥを図１Ａに示す。ＲＥは、第１および第２の電場Ｅ１、Ｅ２のキャリア周波数と同一のキャリア周波数を有し、位相変調の周波数を有する包絡線ＥＮＶとを有する。もちろん、第２の磁場の代わりに第１の磁場を変調することも可能である。また、両方の磁場が変調されてもよい。

振幅変調の度合いは、脳内の各位置における２つの電場Ｅ１、Ｅ２のベクトル和に依存する。変調は、２つの電場の大きさが等しい場合に最大となり、一方の電場が他方を支配する各コイル付近では最小となる。すでに述べたように、神経組織は無変調の高周波電場には反応せず、振幅変調された電場に反応するため、神経変調は、結合電場が大きな振幅変調を示す領域に限定されることになる。振幅変調が最大となる領域は、コイル電流の相対的な大きさを調整することで制御することができる。図１Ａおよび図１Ｂは、オーバーラップ領域における電場Ｅ１、Ｅ２の振幅が本質的に同じであり、結果として生じる電場ＲＥの振幅が最大になる状況に関するものである。

これに対し、図２Ａおよび図２Ｂは、図１Ａおよび図１Ｂで考慮されたオーバーラップ領域における電場Ｅ１、Ｅ２の振幅が異なるという状況に関するものである。より詳細には、変調された第２の磁場、ひいては第２の誘導電場Ｅ２の振幅は、第１の磁場、ひいては第１の誘導電場Ｅ１の振幅よりかなり小さい。したがって、結果として生じる電場ＲＥの振幅は小さい。

位相変調は正弦波である必要はない。むしろ、原理的には、任意の変調波形を磁場に課すことができる。図３Ａおよび図３Ｂは、第２の磁場、ひいては第２の電場Ｅ２が、合成された（結果として生じる）磁場ＲＥが任意の包絡線ＥＮＶを有するように任意に変調され、刺激パルスの生成において高い柔軟性を可能にする実施形態に関するものである。

さらに、２つの磁場と電場を、通常は逆位相にし、コイルの一方の位相を短時間だけ反転させてコイルを一時的に同位相にすることにより、短い刺激パルスをエミュレートすることができる。この実施形態は、図４Ａおよび図４Ｂによって表されている。２つの場が重なり、実質的に等しい大きさを持つ位置では、２つの磁場と電場は通常（反位相の間）相殺されることになる。一時的に（同相区間の間）、それらは加算され、刺激パルスとなる（結果として生じる電場ＲＥの包絡線ＥＮＶを参照）。

図５Ａ～５Ｃは、本発明によるシステムの２つの磁場発生装置Ｄ１、Ｄ２の異なる配置を示す。図５Ａによれば、磁場発生装置Ｄ１、Ｄ２は、前頭面の正中線にある皮質部位を標的とするために、互いに近接して配置されている。装置Ｄ１、Ｄ２は、コイル電流が両方のコイルで等しい電磁コイルで構成されてもよい。図５Ａは、装置Ｄ１、Ｄ２のその配置についての測定を示し、測定値は、人間の脳の球状導体１０での近似において装置Ｄ１、Ｄ２によって放射される磁場によって誘導される電場のプロファイルを示す。誘導電場は、銅線の三角ループの誘導電圧を測定することによって、前頭面の二次元面の異なる位置でプローブされたものである。グレースケールは、正規化した電場の振幅変調の程度を示す。磁場発生装置Ｄ１、Ｄ２のコイルに供給される電流、ひいては磁場および誘導電場が実質的に等しいので、主となる刺激の位置Ｓは正中線上に現れる。

図５Ｂによれば、磁場発生装置Ｄ１、Ｄ２の位置は変更されていない。しかし、第１の磁場発生装置Ｄ１のコイルの電流は、第２の磁場発生装置Ｄ２に対して減少している。これに対応して、刺激位置Ｓは、第１の（左の）装置Ｄ１に向かって移動する。

脳の深い部位をターゲットにするために、磁場発生装置Ｄ１、Ｄ２は、正中線からの距離を大きくして配置することができる（図５Ｃ）。この構成の場合、最大刺激の点Ｓは、脳の深部、例えば、約４５ｍｍの深さに位置する。

図６は、本発明によるシステム１００のブロック図である。システム１００は、それぞれが少なくとも１つの電磁コイル１１、１２を有する第１および第２の磁場発生装置Ｄ１、Ｄ２から構成される。各コイル１１、１２は、キャパシタ（例えばフィルムキャパシタ）１１１、１２１と組み合わされて共振回路ＲＣ１、ＲＣ２（直列ＬＣタンク）を構成する。キャパシタ１１１、１２１の容量は、ＬＣタンクＲＣ１、ＲＣ２の共振周波数が発生させる磁場の所望の刺激キャリア周波数に一致するように選択される。その結果、回路ＲＣ１、ＲＣ２は、共振周波数において非常に低いインピーダンスを有し、低電圧の電子機器で容易に駆動することができる。キャパシタ１１１、１２１を省略し、コイル１１、１２を高電圧で直接駆動することも可能である。

図６に示す実施形態では、クラスＤアンプの増幅回路１３を利用して、刺激キャリア周波数で正弦波電圧で各ＬＣタンクＲＣ１、ＲＣ２を駆動する。正弦波信号は、マイクロコントローラ１４の形態のプログラム可能なユニットによって駆動されるデジタル－アナログ変換器を使用して生成される。ＬＣタンクＲＣ１、ＲＣ２は、代替的に、適切な位相で刺激キャリア周波数の矩形波電圧を生成するＨ－ブリッジ回路を用いて駆動することもできる。さらに、複数の増幅回路１３が設けられ、コイル１１、１２のそれぞれがそれ自身の増幅回路によって操作されてもよい。矩形波の振幅は、ＤＣ－ＤＣ降圧型ステップダウンコンバータによって制御されてもよい。ＬＣタンクの共振特性により、矩形波電圧は基本周波数で正弦波電流にフィルタリングされる。どちらの実装も、高効率のスイッチング電子機器を使用するため、エネルギー消費の点で高度に効率的であるが、アナログ電子機器（例えばクラスＡＢアンプ）を使用する他の実装も可能である。増幅回路１３およびマイクロコントローラ１４は、磁場発生装置Ｄ１、Ｄ２（特にコイル１１、１２）を制御するためのシステム１００の制御装置５０の一部を形成する。制御装置５０を用いることにより、第１および／または第２のコイル１１、１２に供給される電流は、変調され、例えば位相変調される。特に、マイクロコントローラ１４によって生成される制御信号ＣＳは、コイル電流を操作し、変調された磁場を発生するコイルの一方の電流の変調を生じさせる。

コイル１１、１２は、その周囲に水または油を循環させるシステムによって積極的に冷却することができる。必要に応じて、刺激パルスが要求される時点の周辺でのみオンにし、刺激が必要ないときにはコイルをオフにする、間欠的な方法で刺激を行うこともできる。例えば、既に述べたように、刺激パルスのオンセットとオフセットにおいて、コイルに供給される電流を短時間（例えば数十～数百ミリ秒）で最大値までゆっくり上昇させたり最大値からゆっくり下降させたりしてもよい。

さらに、電流センサ１５（例えばホール効果センサ）を用いて、各コイル１１、１２に流れる電流をリアルタイムで監視する。測定された電流値は、マイクロコントローラ１４に送信される。マイクロコントローラ１４は、コイル１１、１２に供給される電流の振幅と位相を所望の値に維持して温度上昇、位相変調（所望の位相変調以外）、および／またはコイル１１、１２間の誘導結合による変化を打ち消すために、マイクロコントローラ１４から増幅回路１３に伝送される制御信号の振幅と位相をコイル１１、１２毎に設定するＰＩＤコントローラを実装する。

既に上述したように、ＰＩＤコントローラは、代替的に、アナログ電子機器を使用して実装することもできる。また、マイクロコントローラ１４は、コイル温度が許容範囲内に留まることを保証するために、各コイル１１、１２の表面に配置された温度センサ１６を用いてリアルタイムでコイル温度を監視する。

システム１００は、少なくとも１つのバッテリ２によってバッテリ駆動され、バッテリ電圧は、降圧コンバータ３によって、マイクロコントローラ１４に電力を供給するための適切なレベルに変換される。さらに、システム１００は、外部装置（例えば、脳波増幅器）との通信を可能にするために、光アイソレータデジタルＩ／ＯおよびＢｌｕｅｔｏｏｔｈインターフェース４、５を備える。これにより、ノイズを低減し、被験者の安全性を確保するために、電力網および外部装置からシステムを絶縁できる。さらに、装置の故障に対応するために、過電流保護ヒューズ６と緊急切断ボタン７を設けてもよい。

刺激強度と空間分解能を高めるために、本発明によるシステム１００は、図７に示すように、２つより多いコイル（または他のタイプの磁場発生装置）を備えてもよい。このマルチコイル実施形態では、コイル１１、１２、２１、２２からなる４つの磁場発生装置Ｄ１～Ｄ４が設けられる。磁場発生装置Ｄ１～Ｄ４、ひいてはコイル１１、１２、２１、２２は２つのグループに割り当てられており、装置Ｄ１、Ｄ２（コイル１１、１２）は第１のグループ１０に属し、装置Ｄ３、Ｄ４（コイル２１、２２）は第２のグループ２０に属する。各グループ１０、２０のコイルは、例えば図６と関連して上述したように、特に制御装置５０を使用して操作される。これにより、磁場発生装置Ｄ１～Ｄ４の少なくとも１つによって生成される磁場は変調され、例えば装置Ｄ２（コイル１２）およびＤ４（コイル２２）は変調信号を生成する。各グループ１０、２０のコイルを操作するために、共通の増幅回路１３を使用することができる。しかしながら、少なくとも１つの増幅回路がグループ１０、２０のそれぞれに割り当てられることも可能である。

既に上述したように、全てのコイル１１、１２、２１、２２からの場が等しい位置でのみ低周波振幅変調が発生するようにし、異なるグループ１０、２０のコイル間の望ましくない低周波振幅変調領域を防ぐために、各グループ１０、２０のコイル１１、１２、２１、２２は異なるキャリア周波数で動作する。すなわち、第１のグループのコイル１１、１２は第１のキャリア周波数で動作し、第２のグループ２０のコイル２１、２２は第１キャリア周波数と異なる第２のキャリア周波数で動作する。したがって、オーバーラップ領域は、最大刺激の領域Ｓとなる。グループ１０、２０のキャリア周波数は、それらの間の差が、神経組織が応答できる周波数よりもはるかに大きくなるように（例えば、１ｋＨｚよりも大きくなるように）選択される。これにより、コイル１１、１２、２１、２２によって発生および／または誘導される場が干渉する場所では、結果として生じる場の包絡線は、変調周波数における低周波成分と、２つのグループ１０、２０の異なるキャリア周波数に起因するいくつかの高周波成分とを有することになる。もちろん、２つより多いグループが用いられてもよい。また、グループの少なくとも１つが、２つより多いコイルを備えてもよい。
なお、本発明は、実施の態様として以下の内容を含む。
〔態様１〕
生体の組織を刺激するためのシステムであって、
時間的に変化する磁場を発生させるための少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）であって、前記磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）は、それらの時間的に変化する磁場が前記組織内で少なくとも部分的に重なるように、前記組織に対して配置される、少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）と、
前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）を制御するための少なくとも１つの制御装置（５０）と、
を備える、生体の組織を刺激するためのシステムにおいて、
前記制御装置（５０）は、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）のうちの少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）によって生成される前記時間的に変化する磁場の位相が変調されるように、前記少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）を制御する構成であることを特徴とする、
生体の組織を刺激するためのシステム。
〔態様２〕
態様１に記載のシステムにおいて、前記制御装置（５０）は、前記少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）によって生成される前記時間的に変化する磁場の周波数が変調されるように、前記少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）を制御する構成である、システム。
〔態様３〕
態様１または２に記載のシステムにおいて、前記制御装置（５０）は、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）によって生成される前記時間的に変化する磁場の少なくとも２つの磁場のキャリア周波数が同一となるように、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）を制御する構成である、システム。
〔態様４〕
態様１ないし３のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記制御装置（５０）は、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）によって生成される前記時間的に変化する磁場の振幅の比を調整するように構成されている、システム。
〔態様５〕
態様１ないし４のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記変調は、少なくとも部分的に正弦波である、システム。
〔態様６〕
態様１ないし５のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記変調の周波数は、前記時間的に変化する磁場の周波数の３分の１未満または５分の１未満である、システム。
〔態様７〕
態様１ないし６のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記変調は、前記時間的に変化する磁場が逆位相である第１の状態から、前記時間的に変化する磁場が同位相である第２の状態への切り替えを含む位相変調である、システム。
〔態様８〕
態様１ないし７のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記磁場発生装置の少なくとも１つは、少なくとも１つの電磁コイル（１１、１２、２１、２２）からなるか、または少なくとも１つの電磁コイル（１１、１２、２１、２２）を含む、システム。
〔態様９〕
態様１ないし８のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）の少なくとも１つは、少なくとも１つの回転可能な永久磁石からなるか、または少なくとも１つの回転可能な永久磁石を含む、システム。
〔態様１０〕
態様１ないし９のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、
前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２）は、装置の第１のグループ（１０）に属し、
前記システム（１００）は、時間的に変化する磁場を発生するための少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ３、Ｄ４）を含む、装置の第２のグループ（２０）を備え、
前記制御装置（５０）は、前記第２のグループ（２０）の前記２つの磁場発生装置（Ｄ３、Ｄ４）の少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ４）によって生成される時間的に変化する磁場が変調されるように、前記少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ４）を制御する構成である、システム。
〔態様１１〕
態様１０に記載のシステムにおいて、前記第１のグループ（１０）の前記磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２）によって生成される磁場は、同一のキャリア周波数を有し、前記第２のグループ（２０）の前記磁場発生装置（Ｄ３、Ｄ４）によって生成される磁場は、同一のキャリア周波数を有し、前記第１のグループ（１０）の前記キャリア周波数は、前記第２のグループ（２０）の前記キャリア周波数とは異なるキャリア周波数である、システム。
〔態様１２〕
態様１１に記載のシステムにおいて、前記第１のグループおよび第２のグループ（１０、２０）の間の前記キャリア周波数の差は、少なくとも０．２ｋＨｚであるか、少なくとも０．５ｋＨｚであるか、または少なくとも１ｋＨｚである、システム。
〔態様１３〕
態様１ないし１２のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記制御装置（５０）は、プログラム可能なユニット（１４）を備える、システム。
〔態様１４〕
態様１３に記載のシステムにおいて、前記プログラム可能なユニット（１４）は、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）によって生成される前記時間的に変化する磁場を制御するための、少なくとも１つの制御信号（ＣＳ）を生成する、システム。
〔態様１５〕
態様１ないし１４のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記時間的に変化する磁場のうちの少なくとも１つの磁場の前記キャリア周波数は、少なくとも１ｋＨｚである、システム。
〔態様１６〕
態様１ないし１５のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記時間的に変化する磁場のうちの少なくとも１つの磁場の前記キャリア周波数は、１ＭＨｚ未満、９００ｋＨｚ未満、５００ｋＨｚ未満、２００ｋＨｚ未満、１００ｋＨｚ未満、５０ｋＨｚ未満または１０ｋＨｚ未満である、システム。
〔態様１７〕
態様１ないし１６のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記制御装置（５０）は、前記磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）のうちの一方が発生する前記時間的に変化する磁場は位相変調され、前記磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）のうちの他方が発生する前記時間的に変化する磁場は無変調であるように、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）を制御する構成である、システム。
〔態様１８〕
プログラムコードを有するコンピュータプログラム製品であって、前記プログラムコードが態様１ないし１７のいずれか一態様に記載のシステム（１００）の前記制御装置（５０）のプログラム可能なユニット（１４）によって実行されると、前記プログラムコードは、前記システム（１００）の前記少なくとも２つの磁場発生装置（５０）のそれぞれが時間的に変化する磁場を発生するように、前記制御装置（５０）に前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）を制御させ、前記磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）のうちの少なくとも１つ（Ｄ２、Ｄ４）の前記時間的に変化する磁場は位相変調される、コンピュータプログラム製品。

Claims (18)

1. 生体の組織を刺激するためのシステムであって、
   大きさおよび向きの少なくとも一方が時間的に変化する磁場を発生させるための少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）であって、前記磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）は、それらの時間的に変化する磁場が、重畳領域において前記組織内で少なくとも部分的に重なるように、前記組織に対して配置される、少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）と、
   前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）を制御するための少なくとも１つの制御装置（５０）と、
   を備える、生体の組織を刺激するためのシステムにおいて、
   前記制御装置（５０）は、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）のうちの少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）によって生成される前記時間的に変化する磁場の位相が変調関数によって変調周波数で変調されるように、前記少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）を制御する構成であり、
   前記制御装置（５０）は、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）のうちの前記少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）を、前記時間的に変化する磁場が前記重畳領域において干渉することによって生じた磁場および／または誘導電場が、前記変調周波数に依存する周波数で振幅変調されるように制御する構成であることを特徴とする、
   生体の組織を刺激するためのシステム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記制御装置（５０）は、前記少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）によって生成される前記時間的に変化する磁場の周波数が変調されるように、前記少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）を制御する構成である、システム。
3. 請求項１または２に記載のシステムにおいて、前記制御装置（５０）は、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）によって生成される前記時間的に変化する磁場の少なくとも２つの磁場のキャリア周波数が同一となるように、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）を制御する構成である、システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記制御装置（５０）は、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）によって生成される前記時間的に変化する磁場の振幅の比を調整するように構成されている、システム。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記変調関数は、少なくとも部分的に正弦関数である、システム。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記変調関数の周波数は、前記時間的に変化する磁場の周波数の３分の１未満または５分の１未満である、システム。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記変調関数による変調は、前記時間的に変化する磁場の２つが互いに逆位相である第１の状態から、前記時間的に変化する磁場の２つが互いに同位相である第２の状態への切り替えを含む位相変調である、システム。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記磁場発生装置の少なくとも１つは、少なくとも１つの電磁コイル（１１、１２、２１、２２）からなるか、または少なくとも１つの電磁コイル（１１、１２、２１、２２）を含む、システム。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）の少なくとも１つは、少なくとも１つの回転可能な永久磁石からなるか、または少なくとも１つの回転可能な永久磁石を含む、システム。
10. 請求項１ないし９のいずれか一項に記載のシステムにおいて、
    前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２）は、装置の第１のグループ（１０）に属し、
    前記システム（１００）は、時間的に変化する磁場を発生するための少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ３、Ｄ４）を含む、装置の第２のグループ（２０）を備え、
    前記制御装置（５０）は、前記第２のグループ（２０）の前記２つの磁場発生装置（Ｄ３、Ｄ４）の少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ４）によって生成される時間的に変化する磁場が変調されるように、前記第２のグループ（２０）の前記２つの磁場発生装置（Ｄ３、Ｄ４）の前記少なくとも１つの磁場発生装置（Ｄ４）を制御する構成である、システム。
11. 請求項１０に記載のシステムにおいて、前記第１のグループ（１０）の前記磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２）によって生成される磁場は、同一のキャリア周波数を有し、前記第２のグループ（２０）の前記磁場発生装置（Ｄ３、Ｄ４）によって生成される磁場は、同一のキャリア周波数を有し、前記第１のグループ（１０）の前記キャリア周波数は、前記第２のグループ（２０）の前記キャリア周波数とは異なるキャリア周波数である、システム。
12. 請求項１１に記載のシステムにおいて、前記第１のグループおよび第２のグループ（１０、２０）の間の前記キャリア周波数の差は、少なくとも０．２ｋＨｚであるか、少なくとも０．５ｋＨｚであるか、または少なくとも１ｋＨｚである、システム。
13. 請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記制御装置（５０）は、プログラム可能なユニット（１４）を備える、システム。
14. 請求項１３に記載のシステムにおいて、前記プログラム可能なユニット（１４）は、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）によって生成される前記時間的に変化する磁場を制御するための、少なくとも１つの制御信号（ＣＳ）を生成する、システム。
15. 請求項１ないし１４のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記時間的に変化する磁場のうちの少なくとも１つの磁場の前記キャリア周波数は、少なくとも１ｋＨｚである、システム。
16. 請求項１ないし１５のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記時間的に変化する磁場のうちの少なくとも１つの磁場の前記キャリア周波数は、１ＭＨｚ未満、９００ｋＨｚ未満、５００ｋＨｚ未満、２００ｋＨｚ未満、１００ｋＨｚ未満、５０ｋＨｚ未満または１０ｋＨｚ未満である、システム。
17. 請求項１ないし１６のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記制御装置（５０）は、前記磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）のうちの一方が発生する前記時間的に変化する磁場は位相変調され、前記磁場発生装置（Ｄ２、Ｄ４）のうちの他方が発生する前記時間的に変化する磁場は無変調であるように、前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）を制御する構成である、システム。
18. プログラムコードを有するコンピュータプログラム製品であって、前記プログラムコードが請求項１ないし１７のいずれか一項に記載のシステム（１００）の前記制御装置（５０）のプログラム可能なユニット（１４）によって実行されると、前記プログラムコードは、前記システム（１００）の前記少なくとも２つの磁場発生装置（５０）のそれぞれが、大きさおよび向きの少なくとも一方が時間的に変化する磁場を発生するように、前記制御装置（５０）に前記少なくとも２つの磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）を制御させ、前記磁場発生装置（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）のうちの少なくとも１つ（Ｄ２、Ｄ４）の前記時間的に変化する磁場は変調関数によって変調周波数で位相変調され、前記時間的に変化する磁場が重畳領域において干渉することによって生じる磁場および／または誘導電場が、前記変調周波数に依存する周波数で振幅変調される、コンピュータプログラム製品。