JPH07308300A

JPH07308300A - 神経誘発解析装置のレーザ神経刺激装置

Info

Publication number: JPH07308300A
Application number: JP6104200A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Umezaki; 俊郎梅崎; Akira Yumiba; 彰弓場; Masaki Odaka; 正樹小高; Yoshihide Okanoe; 吉秀岡上
Original assignee: J Morita Manufaturing Corp
Current assignee: J Morita Manufaturing Corp
Priority date: 1994-05-18
Filing date: 1994-05-18
Publication date: 1995-11-28

Abstract

(57)【要約】【目的】非接触で高速のインパルス刺激が可能で、ノ
イズの影響が少なく、しかも小型軽量な神経誘発解析装
置のレーザ神経刺激装置を提供する。【構成】神経誘発解析装置は、咽頭等の末梢神経部位
に照射する光インパルスを発生するレーザ神経刺激装置
２４と、神経の興奮状態を解析する信号解析装置３３な
どで構成される。レーザ神経刺激装置２４は、所定の繰
返し周波数およびパルス幅のパルス信号を発生するとと
もに、該パルス信号に同期したタイミング信号をライン
３２に出力するインパルス制御部２５と、該パルス信号
に基づいて所定のピークパワーを有する光インパルスを
発生する複数の半導体レーザ（ＬＤ）２７を駆動するＬ
Ｄ駆動部２６と、半導体レーザ２７から出た光を石英な
どから成る光ファイバ２９へ効率良く入射させるレンズ
２８などで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耳鼻咽喉科などの医療
分野で好適に使用され、生体の知覚反応や神経障害など
を評価するための神経誘発解析装置のレーザ神経刺激装
置に関する。また、基礎医学の神経生理学的な研究の手
段としても有用である。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の神経誘発解析装置の一例
を示す構成図である。この神経誘発解析装置は、末梢神
経部位に電極を固定させてインパルス状の電気刺激を与
える電気的刺激法であり、電気刺激を発生する神経刺激
装置４と、神経の興奮状態を解析する信号解析装置１０
などで構成される。ベッド２上の被検体１の口腔内にケ
ーブル８が挿入され、先端の電極が被検体１の咽頭部に
固定される。一方、被検体１の頭部３の表面に脳波検出
用の電極１４が固定され、ケーブル１３を通って信号解
析装置１０に入力される。

【０００３】この動作について説明すると、フットスイ
ッチ７が押されるとインパルス制御部５が所定の繰返し
周波数およびパルス幅のパルス信号を発生するととも
に、該パルス信号に同期したタイミング信号をライン９
に出力する。インパルス発生部６はパルス信号を所定の
ピーク電圧まで増幅して、ケーブル８を介して咽頭部を
電気刺激する。電気刺激を受けた末梢神経は興奮して、
神経誘発信号が被検体１の脳まで伝達し、頭部３に固定
された電極１４によって検出される。信号解析装置１０
は、タイミング信号を参照しながら電極１４で検出され
た神経誘発信号のインパルス応答を解析し、信号波形や
解析結果を表示パネル１１やプリンタ１２で表示する。
こうして神経誘発信号の変化を解析することによって、
被検体１の知覚反応や神経障害などを評価することがで
きる。

【０００４】一方、末梢神経を刺激する他の方法とし
て、１）被検体の皮膚に機械的ストレスを与える機械的
刺激法、２）被検体の指先に磁気発生用コイルを装着し
て、強力なパルス電流をコイルに通電させて磁気的刺激
を与える磁気的刺激法などが知られている。また、被検
体の皮膚に炭酸ガスレーザ光を直接照射して、痛みに関
する実験が行なわれた例が報告されているが、未だ病態
の診断に利用されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電気的刺激法では、刺激用の電極を被検体に接触させる
必要があるが、生体に余計な刺激や損傷を与えてしまう
ため、正常な神経誘発信号が得られない。また、滑走電
流（リーク電流）や刺激部位周囲に発生する電場電位に
よるアーチファクト（artifact）が神経誘発信号に混入
する。さらに、電気的絶縁が難しいため、電源ハム等の
外来ノイズによって妨害され易く、またリーク電流によ
る感電事故など安全性が低い。

【０００６】また従来の機械的刺激法では、被検体に損
傷を与える恐れがある。また、応答速度が遅いため、正
確なデータが得られない。さらに、刺激インパルスを定
量的に再現性良く制御することが困難であり、たとえば
１ｍＳ程度のパルス幅を持つ刺激インパルスは実現し難
い。さらに、可動部が必要なため刺激プローブが大型に
なり、被検体の狭い部位に使用できない。

【０００７】また従来の磁気的刺激法では、強い磁気を
発生させるためにコイルが大型になり、刺激プローブの
小型化が困難であり、狭い部位に使用できない。特に、
咽頭や喉頭内のような狭い空間の粘膜表面に磁気刺激を
与えるのが難しい。

【０００８】本発明の目的は、非接触で高速のインパル
ス刺激が可能で、ノイズの影響が少なく、しかも小型軽
量な神経誘発解析装置のレーザ神経刺激装置を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、末梢神経を刺
激するための光インパルスを発生するレーザ光源と、レ
ーザ光源を駆動して光インパルスの繰返し周波数、パル
ス幅およびピークパワーを制御するとともに、光インパ
ルスに同期したタイミング信号を出力するレーザ光源制
御手段と、レーザ光源からの光を伝送して、所定の末梢
神経部位に照射するための光ファイバとを備えることを
特徴とする神経誘発解析装置のレーザ神経刺激装置であ
る。

【００１０】また本発明は、前記レーザ光源は、半導体
レーザであることを特徴とする。

【００１１】また本発明は、前記レーザ光源が発生する
光インパルスの波長は、６３０ｎｍ〜１６００ｎｍの範
囲であることを特徴とする。

【００１２】また本発明は、光インパルスの繰返し周波
数は、１Ｈｚ〜３Ｈｚの範囲であることを特徴とする。

【００１３】また本発明は、光インパルスのパルス幅
は、１００ｎ秒〜５ｍ秒の範囲であることを特徴とす
る。

【００１４】また本発明は、光インパルスのピークパワ
ーは、１ｍＷ〜２８００ｍＷの範囲であることを特徴と
する。

【００１５】また本発明は、光インパルスを照射する部
位は、口腔、咽喉頭または咽喉頭粘膜であることを特徴
とする。

【００１６】

【作用】本発明に従えば、光インパルスで末梢神経を刺
激することによって、非接触での神経刺激が可能になる
ため、被検体に余計な刺激や損傷が加わらず、衛生的で
安全性が高く、しかもリーク電流や外来ノイズの影響が
少なくなり、アーチファクトの混入が少ない神経誘発信
号を得ることができる。また、光インパルスを用いるこ
とによって、高速な神経刺激が可能になり、高精度な神
経誘発信号が得られる。また、光インパルスの繰返し周
波数、パルス幅およびピークパワーを制御することによ
って、いろいろな刺激条件が設定可能になるため、多様
な神経反応を解析することができる。また、光インパル
スに同期したタイミング信号を出力することによって、
神経誘発信号の解析が容易になる。さらに、レーザ光源
からの光を伝送して、所定の末梢神経部位に照射するた
めの光ファイバを用いることによって、光伝達効率が高
く、刺激プローブの小型軽量化が可能になり、特に咽頭
など狭い空間での操作性が向上する。

【００１７】また、レーザ光源として半導体レーザを用
いることによって、レーザ神経刺激装置の小型軽量化が
可能で、光の高速変調が簡単に実現する。

【００１８】また、レーザ光源が発生する光インパルス
の波長が６３０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲であることに
よって、被検体組織での光透過性が良好になるため、組
織内部の末梢神経を効率良く刺激することができる。ま
た、光ファイバの伝達効率も良好になり、損失の少ない
光照射が可能になる。

【００１９】また、光インパルスの繰返し周波数は１Ｈ
ｚ〜３Ｈｚの範囲であることによって、神経誘発信号の
前後重複が無く、しかも１回のインパルスに要する信号
解析時間を充分に確保できる。

【００２０】また、光インパルスのパルス幅は１００ｎ
秒〜５ｍ秒の範囲であることによって、末梢神経への光
刺激が短時間で行なわれ、高速なインパルス刺激が可能
になる。

【００２１】また、光インパルスのピークパワーは１ｍ
Ｗ〜２８００ｍＷの範囲であることによって、被検体へ
の安全性を保ちつつ、末梢神経への光刺激量を広範囲で
設定できる。

【００２２】また、光インパルスを照射する部位は口
腔、咽喉頭または咽喉頭粘膜であることによって、喉頭
知覚反応の評価が可能になり、たとえば嚥下障害等の部
位診断や耳鼻咽喉科関連の病態解明が可能になる。

【００２３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す構成図であ
る。この神経誘発解析装置は、咽頭等にある末梢神経部
位に光インパルスを照射する光刺激法であり、光インパ
ルスを発生するレーザ神経刺激装置２４と、神経の興奮
状態を解析する信号解析装置３３などで構成される。ベ
ッド２２上の被検体２１の口腔内に光ファイバケーブル
３０が挿入され、先端のプローブからの光が被検体２１
の咽頭部を照射するように位置決めされる。一方、被検
体２１の頭部２３の表面に脳波検出用の電極３７が固定
され、ケーブル３６を通って信号解析装置３３に入力さ
れる。

【００２４】レーザ神経刺激装置２４は、所定の繰返し
周波数およびパルス幅のパルス信号を発生するととも
に、該パルス信号に同期したタイミング信号をライン３
２に出力するインパルス制御部２５と、該パルス信号に
基づいて所定のピークパワーを有する光インパルスを発
生する複数の半導体レーザ（ＬＤ）２７を駆動するＬＤ
駆動部２６と、半導体レーザ２７から出た光を石英など
から成る光ファイバ２９へ効率良く入射させるレンズ２
８などで構成される。

【００２５】この動作について説明すると、フットスイ
ッチ３１が押されるとインパルス制御部２５が所定のパ
ルス信号を発生し、該パルス信号に同期したタイミング
信号をライン３２に出力する。ＬＤ駆動部２６は、イン
パルス制御部２５からのパルス信号に従って半導体レー
ザ２７を駆動して光インパルスを発生する。光インパル
スは、レンズ２８によって集束され光ファイバ２９に入
射し、光ファイバケーブル３０を伝達して、先端のプロ
ーブから出射して咽頭部を照射する。光インパルスの刺
激を受けた末梢神経は興奮して、神経誘発信号が被検体
２１の脳まで伝達し、頭部２３に固定された電極３７に
よって検出される。

【００２６】信号解析装置３３は、タイミング信号を参
照しながら電極３７で検出された神経誘発信号のインパ
ルス応答を解析し、信号波形や解析結果を表示パネル３
４やプリンタ３５で表示する。こうして神経誘発信号の
変化を解析することによって、被検体２１の知覚反応や
神経障害などを評価することができる。

【００２７】図２は、図１に示すレーザ神経刺激装置２
４のブロック図である。インパルス制御部２５におい
て、繰返し周波数発生回路４２はスイッチＳＷ１の切換
によって１Ｈｚ（周期Ｔ＝１秒）、２Ｈｚ（Ｔ＝０．５
秒）または３Ｈｚ（Ｔ＝０．３３秒）の繰返し周波数を
有する周期信号ＰＡを出力する。次のパルス幅制御回路
４３はスイッチＳＷ２の切換によって１ｍＳ、２ｍＳ、
３ｍＳ、４ｍＳまたは５ｍＳのパルス幅Ｗを有するパル
ス信号ＰＢを周期信号ＰＡと同期して出力する。

【００２８】一方、フットスイッチ３１が押されると、
フォトカプラ４０のＬＥＤ（発光ダイオード）が発光し
てフォトトランジスタが導通して、タイミング回路４４
が動作する。なお、別途設けられた手元スイッチ４１で
も動作可能である。タイミング回路４４が動作すると、
パルス信号ＰＢをタイミング信号ＰＣとして出力し、シ
ールド線で構成されるライン３２を介して信号解析装置
３３に供給される。また、タイミング回路４４は、パル
ス信号ＰＢの反転信号ＰＤをパワー切換回路４５に出力
する。パワー切換回路４５は、スイッチＳＷ３の切換に
よって半導体レーザ１個当りのピーク出力Ｈが３００ｍ
Ｗ、５００ｍＷまたは７００ｍＷになるように駆動信号
ＰＥを出力する。

【００２９】ＬＤ駆動部２６はたとえば４つの半導体レ
ーザ２７をそれぞれ駆動するための駆動回路を有し、そ
れぞれスイッチＳＷ４〜ＳＷ７の切換によってオンまた
はオフに設定される。したがって、パワー切換回路４５
のスイッチＳＷ３を３００ｍＷに設定し、かつスイッチ
ＳＷ４だけをオンに設定することによって、半導体レー
ザが１つだけ発光して３００ｍＷの最小光パワーが得ら
れる。また、スイッチＳＷ３を７００ｍＷに設定し、か
つスイッチＳＷ４〜ＳＷ７を全てオンに設定することに
よって、半導体レーザが４つ発光して合計２８００ｍＷ
の最大光パワーが得られる。

【００３０】半導体レーザ２７から放射されるパルス状
の光はレンズ２８によって光ファイバ２９の入射端に集
光され効率良く伝送される。４本の光ファイバ２９は光
ファイバケーブル３０によって１本に束ねられプローブ
３０ａまで伝送される。先端部に内蔵されたサファイア
製などのボールレンズ３０ｂは、４本の光ファイバ２９
の光出射端から出た光を点状スポットに集光し、所定の
部位を光刺激する。

【００３１】なお以上の説明において、大きな光パワー
を得るために４つの半導体レーザ２７および光ファイバ
等を用いる例を示したが、必要なインパルス刺激量に応
じて１つまたはより多くの半導体レーザ２７および光フ
ァイバ等を用いることも可能である。

【００３２】図３は、レーザ神経刺激装置２４の具体的
な回路図である。繰返し周波数発生回路４２では、相異
なる抵抗値に設定された半固定抵抗Ｒ１〜Ｒ３がスイッ
チＳＷ１によって１つ選択され、抵抗Ｒ４とともにコン
デンサＣ１で決まる時定数によって、いわゆる「５５
５」と称されるタイマ回路Ｑ１の発振周波数が決定され
る。パルス幅制御回路４３では、周期信号ＰＡをナンド
ゲートＱ２で受け、相異なる抵抗値に設定された半固定
抵抗Ｒ５〜Ｒ９がスイッチＳＷ２によって１つ選択され
ると、コンデンサＣ２とともに時定数が決定されて微分
が施され、次のナンドゲートＱ３によって閾値処理され
て所定のパルス幅Ｗに変換される。パルス幅制御回路４
３が出力するパルス信号ＰＢは、次のタイミング回路４
４に入力される。

【００３３】次に図２で説明したように、フットスイッ
チ３１または手元スイッチ４１が押されると、タイミン
グ回路４４の抵抗Ｒ１０およびコンデンサＣ３から成る
時定数でチャタリングが除去され、Ｄ型フリップフロッ
プＱ４、Ｑ５でラッチ動作が行なわれ、ナンドゲートＱ
６を介してオープンコレクタ型のバッファＱ７、Ｑ８か
らタイミング信号ＰＣおよび反転信号ＰＤが出力され
る。

【００３４】次にパワー切換回路４５では、半固定抵抗
Ｒ１１、Ｒ１３、Ｒ１５と抵抗Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ１６
とで３つの分圧回路が形成され、相異なる参照電圧が設
定され、スイッチＳＷ３によって１つの参照電圧が選択
される。選択された参照電圧は反転信号ＰＤと加算さ
れ、バッファＱ９によって駆動信号ＰＥがＬＤ駆動部２
６の各駆動回路に供給される。なお、図３ではＬＤ駆動
部２６の駆動回路を１つだけ示している。

【００３５】ＬＤ駆動部２６では、駆動信号ＰＥが演算
増幅器Ｑ１１の反転端子に入力される。また、半導体レ
ーザ２７には光パワーをモニタするフォトダイオードＰ
Ｈが内蔵されており、電流電圧変換回路Ｑ１０によって
光パワーがモニタ電圧信号に変換され、演算増幅器Ｑ１
１の非反転端子に入力され、駆動信号ＰＥとの差動増幅
が行なわれる。演算増幅器Ｑ１１の出力は、抵抗Ｒ１７
およびコンデンサＣ４から成るローパスフィルタを通っ
てトランジスタＴＲ１のベースに入力される。半導体レ
ーザ本体２７ａはトランジスタＴＲ１のコレクタに接続
されて駆動される。こうして駆動信号ＰＥとモニタ電圧
信号とが一致するように半導体レーザ本体２７ａの出力
を安定化する光出力安定化回路（ＡＰＣ）が構成され
る。

【００３６】一方、半導体レーザ２７には温度を検出す
るサーミスタＴｈと、半導体レーザ本体２７ａを冷却す
るペルチェ素子ＰＴとが内蔵されており、これらを利用
して温度安定回路（ＡＴＣ）４６が構成されている。温
度安定回路４６では、定電圧回路Ｑ１２によって安定し
た直流電圧が得られ、半固定抵抗Ｒ１８、Ｒ１９等によ
ってサーミスタＴｈの検知温度が電圧信号され、演算増
幅器Ｑ１３で増幅され、演算増幅器Ｑ１４の非反転端子
に入力される。演算増幅器Ｑ１４の反転端子には、定電
圧回路Ｑ１２からの直流電圧が可変抵抗Ｒ２０によって
分圧されて参照電圧として入力され、さらにトランジス
タＴＲ２のエミッタ電圧も入力される。トランジスタＴ
Ｒ２のエミッタはトランジスタＴＲ３のベースに接続さ
れ、トランジスタＴＲ３のエミッタにペルチェ素子ＰＴ
が接続される。こうしてサーミスタＴｈの検出信号とト
ランジスタＴＲ２のエミッタ電圧とを比較しつつ、ペル
チェ素子ＰＴの駆動電流が制御され、半導体レーザ本体
２７ａの温度が安定化される。

【００３７】図４は、図１に示す信号解析装置３３のブ
ロック図である。レーザ神経刺激装置２４から光ファイ
バケーブル３０を通って光インパルスが被検体１の咽頭
部に照射されると、被検体１に神経誘発信号が発生し
て、頭部表面に固定された複数の電極３７によって検出
され、ケーブル３６を通って信号解析装置３３の入力バ
ッファ５０に入力される。各神経誘発信号は入力バッフ
ァ５０によってインピーダンス変換され、次のアイソレ
ーション回路５１に入力され、電気的に絶縁しつつ信号
を伝達することによって、被検体１の感電を防止してい
る。

【００３８】複数の神経誘発信号は、入力セレクタ５２
によって所望の信号が選択され、前置増幅器５３によっ
て所定倍率で増幅され、次のフィルタ６０に入力され
る。フィルタ６０は、前置増幅器５３で増幅された生体
信号の中から必要な周波数成分のみを取出して、雑音成
分を極力除去しており、通常は帯域通過フィルタ（バン
ドパスフィルタ）が用いられる。次のＡＤ変換器５４は
アナログ信号をデジタル信号に変換する。加算器５５で
は、レーザ神経刺激装置２４からライン３２によって送
出されるタイミング信号と同期して、信号の同期加算を
行なって、繰返し信号の加算平均処理によってＳ／Ｎ比
を向上させている。なお、加算器５５に入力される信号
は、アーチファクト検出器６１にも入力される。アーチ
ファクト検出器６１はアーチファクト除去を行うための
もので、加算平均を行うとノイズ成分が減少するが、過
大なノイズが入力信号に混入すると、このノイズ減少の
機能が充分に働かず、加算結果に悪影響を与える。した
がって、過大な入力が生体信号に混入したときだけ加算
器５５の加算処理を中断させ、正常なときのみ加算処理
を実行させ、正常な生体信号データを得ることができ
る。

【００３９】こうして光インパルスに対する神経誘発信
号のインパルス応答波形が得られ、コンピュータ５６に
よって周波数分析や相関などの信号解析が行なわれる。
信号処理の条件はキーボード５７によるタイプ入力や磁
気ディスク装置５９のファイルデータによって設定さ
れ、解析結果はＣＲＴ（陰極線管）等の表示パネル３
４、プリンタ３５、ＸＹプロッタ５８などに表示され、
信号データや解析データは磁気ディスク装置５９に記憶
される。

【００４０】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、非
接触での神経刺激が可能になり、衛生的で安全性が高
く、しかもリーク電流や外来ノイズの影響が少なくな
り、アーチファクトの混入が少ない神経誘発信号を得る
ことができる。また、光インパルスを用いることによっ
て、高速な神経刺激が可能になる。

【００４１】また、光インパルスの繰返し周波数、パル
ス幅およびピークパワーを制御することによって、多様
な神経反応を解析することができる。また、光インパル
スに同期したタイミング信号を用いることで、神経誘発
信号の解析が容易になる。

【００４２】さらに、光ファイバを用いることによっ
て、光伝達効率が高く、刺激プローブの小型軽量化が可
能になり、特に咽頭など狭い空間での操作性が向上す
る。

【００４３】また、レーザ光源として半導体レーザを用
いることによって、レーザ神経刺激装置の小型軽量化が
可能で、光の高速変調が簡単に実現する。

【００４４】また、レーザ光源が発生する光インパルス
の波長が６３０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲であることに
よって、被検体組織での光透過性が良好になるため、組
織内部の末梢神経を効率良く刺激することができる。ま
た、光ファイバの伝達効率も良好になり、損失の少ない
光照射が可能になる。

【００４５】このように様々なパルス波形を設定し、非
接触で高速のインパルス刺激が可能で、ノイズの影響が
少なく、しかも小型軽量な神経誘発解析装置のレーザ神
経刺激装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】図１に示すレーザ神経刺激装置２４のブロック
図である。

【図３】レーザ神経刺激装置２４の具体的な回路図であ
る。

【図４】図１に示す信号解析装置３３のブロック図であ
る。

【図５】従来の神経誘発解析装置の一例を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

２１被検体２３頭部２４レーザ神経刺激装置２５インパルス制御部２６ＬＤ駆動部２７半導体レーザ２８レンズ２９光ファイバ３０光ファイバケーブル３１フットスイッチ３３信号解析装置３７電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡上吉秀京都府京都市伏見区東浜南町680番地株式会社モリタ製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】末梢神経を刺激するための光インパルス
を発生するレーザ光源と、レーザ光源を駆動して光インパルスの繰返し周波数、パ
ルス幅およびピークパワーを制御するとともに、光イン
パルスに同期したタイミング信号を出力するレーザ光源
制御手段と、レーザ光源からの光を伝送して、所定の末梢神経部位に
照射するための光ファイバとを備えることを特徴とする
神経誘発解析装置のレーザ神経刺激装置。
【請求項２】前記レーザ光源は、半導体レーザである
ことを特徴とする請求項１記載の神経誘発解析装置のレ
ーザ神経刺激装置。
【請求項３】前記レーザ光源が発生する光インパルス
の波長は、６３０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲であること
を特徴とする請求項１または２記載の神経誘発解析装置
のレーザ神経刺激装置。
【請求項４】光インパルスの繰返し周波数は、１Ｈｚ
〜３Ｈｚの範囲であることを特徴とする請求項１記載の
神経誘発解析装置のレーザ神経刺激装置。
【請求項５】光インパルスのパルス幅は、１００ｎ秒
〜５ｍ秒の範囲であることを特徴とする請求項１記載の
神経誘発解析装置のレーザ神経刺激装置。
【請求項６】光インパルスのピークパワーは、１ｍＷ
〜２８００ｍＷの範囲であることを特徴とする請求項１
記載の神経誘発解析装置のレーザ神経刺激装置。
【請求項７】光インパルスを照射する部位は、口腔、
咽喉頭または咽喉頭粘膜であることを特徴とする請求項
１記載の神経誘発解析装置のレーザ神経刺激装置。