アプリケーションノート：絶縁刺激の解説

刺激という用語は、生物組織に何らかのエネルギーを供給して観察可能な反応を引き出すことを指します。

刺激に使われるエネルギーは化学的、熱的、機械的、または電気的である場合がありますが、この議論では電気刺激に焦点を当てます。生物組織の電気刺激は、刺激部位への電流と電圧の供給を含みます。この二つの量はオームの法則によって関連付けられています：

V=IR

ここでVは印加された電圧、Iは電流、Rは組織および/または刺激電極の電気的抵抗です。この単純な方程式は、電圧が一定の場合、組織/電極の抵抗が上がると電流が減少し、抵抗が下がると電流が増加することを示しています。

より一般的には、組織の抵抗はサンプルごとに異なり、電極の抵抗は時間とともに印加電流により分極と呼ばれる過程で変化します。

刺激装置の種類

一定電圧刺激装置 - 生物組織への電気エネルギーの供給において、刺激装置は刺激過程で電流または電圧のいずれかを一定に保つことができます。ユーザーが設定した値で電圧を一定に保ち、電流をオームの法則に従って決定する装置は一定電圧刺激装置として知られています。

一定電流刺激装置 - 刺激過程でユーザーが設定した値で電流を一定に保ち、電圧をオームの法則に従って決定する装置を一定電流刺激装置と呼びます。

一定電流刺激装置が好まれる理由は二つあります：

• 第一に、電流はほとんどの興奮性組織を刺激する量です。
• 第二に、刺激電極は刺激が進むにつれて抵抗が増加する傾向があり、いくつかの組織も同様です。一定電流刺激装置は抵抗の変化を「感知」し、設定された速度で電流を維持するために必要な電圧を供給します。

一定電流刺激装置が提供できる電圧には明らかに限界があります。刺激電極の一つが組織から外された場合のように、準備物の抵抗が無限大になると、刺激装置は無限の電圧をかけて補償することはできません。

一定電流刺激装置が提供できる最大電圧はコンプライアンス電圧と呼ばれます。このコンプライアンス電圧に達すると、組織の抵抗がさらに増加すると供給電流が低下します。

300およびDLSシリーズのWPIアイソレータは、非常に低ノイズで100Vのコンプライアンス電圧を提供します。刺激アイソレータは、その名の通り、特定の刺激を接地から絶縁します。機器設計の文脈では、多くの人が接地からの絶縁を電気的安全性に関連して考えますが、生物学的記録の観点では他の問題もあります。図1の回路を考えてみましょう。

この場合の刺激装置はスイッチ付きのバッテリーで、電流はバッテリーの正極から出て刺激リードを通り、組織を通過し、供給された電流の100％がバッテリーの負極に戻ります。この図には準備中のボルトメーターも示されています。

刺激によって組織で発生した電圧はボルトメーターの接地電極に対して記録されます。

図2ではバッテリーがライン電源の刺激装置に置き換えられています。刺激源とボルトメーターは別々の接地電極を持っていますが、同じ電気的ポイントを表しています。このため、刺激電流のかなりの部分がボルトメーターの接地リードを通じて接地に戻ります。

直流アーティファクト - 電流が大きい場合や測定しようとしている電圧が非常に小さい場合、ボルトメーターの接地電極の抵抗にかかるI x R降下が組織からの記録電圧に加算され、直流アーティファクトとして現れます。

交流アーティファクト - ボルトメーター回路と絶縁回路間の容量結合により、ボルトメーターの接地に電流が誘導されることがあります。誘導された電流は一時的にボルトメーター接地の抵抗を流れ、そのI x R降下が電流源から供給されるパルスの前後に一過性のスパイクとして現れます。これを交流アーティファクトと呼びます。

研究者が絶縁電流源を使用する主な理由はアーティファクトを最小限に抑えるためです。しかし、もし記録をしていなければどうでしょう？観察可能なアーティファクトを生じさせるボルトメーターの接地がありません。上記の例をよく考えると、刺激電流の経路を制御することでアーティファクトは最小化または除去されていました。

絶縁刺激 / 刺激アイソレータ

電流経路を知ることは生理学的刺激において非常に重要です。図3の電流経路を考えてみましょう。下手に描かれた猫で表された動物はステレオタキシックフレームに固定されています。

フレームは接地されています。動物は複数の点でフレームに接触しています。図3は刺激装置のバッテリーとスイッチのモデルを示しています。ここでも以前と同様に、バッテリーの正極から出るすべての電流は負極に戻らなければなりません。刺激電流の100％が刺激電極間を通過する必要があります。この場合、経路と供給される正確な電流量がわかっています。

図4は同じ実験セットアップを示していますが、バッテリーが電源供給された電圧源に置き換えられています。刺激電流は多くの経路を通ってグラウンドに戻ります。グラウンドに流れる電流の量は、電源と各グラウンドポイント間の抵抗によって決まり、キルヒホッフの法則を用いた抵抗ネットワークとして計算されます。動物の多くの意図しない部位が刺激される可能性があります。

実際には、特に電流の持続時間がミリ秒単位の場合、バッテリーとスイッチを使うことはできません。パルスジェネレーターやコンピューターなどの電子機器がタイミング生成に使われ、これらの機器に駆動されるアイソレーターが刺激を伝達します。

アイソレーター（バッテリー駆動のものでも）を電源供給されたパルスジェネレーターに接続すると、アイソレーターの絶縁グラウンドがパルスジェネレーターのグラウンドに接続されます。両デバイス間の電気的接続が機械的接続を使わずに行われない限り、絶縁は破られます。

これがアイソレーターをアイソレーターたらしめるものです。機械的接触のない機械間の絶縁バリアは、2つの方法のいずれかで実現されます。

• もともとアイソレーターはトランスによる絶縁でした。パルス波はトランスの一次巻線に加えられ、実際の刺激は二次巻線から得られました。伝達は誘導によって行われました。この方法には2つの欠点がありました。デバイスは直流を通せないため、一定電圧の絶縁刺激はできませんでした。また、トランス方式は本質的に容量が大きく、一次と二次のコイル間の抵抗は非常に高いものの、高い容量により交流のアーティファクトが他の絶縁技術に比べて許容できないほど大きくなってしまいます。
• 光学的アイソレーションは2番目に一般的な方式です。この分野ではほぼ標準化されています。簡単に言うと、入力パルス波が光を発し、その光がバリアを越えてフォトセルに届き、刺激波を生成します。この方式には無数のバリエーションがあり、記録用アンプのアイソレーションや刺激装置にも使われています。

WPIのアイソレーター（すべて光学式）

従来のロジックレベルコマンドで作動する、モデル A365 任意のパルスジェネレーター、刺激装置、またはコンピューター出力でゲート制御が可能です。開放電極回路が検出された場合やシステムのコンプライアンスに達した場合にトーンが鳴ります。入力に信号が加えられたときには、2つ目のオプショントーンが鳴ります。バッテリー充電を確認するためのテストスイッチも備えています。刺激電流は3桁のコントロールノブと3ポジションのレンジスイッチで設定します。出力電流は制御設定に対して1％以内の精度で追従します。出力電流は負荷に依存せず、負荷に所望の電流を流すのに十分な電圧が自動的に発生し、コンプライアンス制限の範囲内で動作します。モデル A365 3レンジで最大10ミリアンペアの電流を生成し、100V以上のコンプライアンスを持ちます。出力極性は前面パネルの3位置スイッチ（+/-/オフ）で決定されます。双極性電流はコマンド波形によって切り替えられ、交互のパルスを正または負として設定します。充電式 A365R ニッケル水素電池スタックが付属しています。 A362 A365Rにはバッテリーチャージャーが必要です。

Isostim™ スティミュレーター/アイソレータは、充電式バージョンでNiMH電池を搭載可能になりました。WPIの300シリーズスティミュレーターの使いやすさと精度に、刺激アイソレータの出力パワーを組み合わせています。外部/DCモードにより、Isostim™をパッシブ刺激アイソレータに変換します。

A320Dモデルは入手しやすい9ボルトのアルカリ電池（付属）で動作します。充電式のA320Rはニッケルカドミウム電池スタックを搭載し、充電前に10～12時間の動作が可能です。A362バッテリーチャージャーはA320Rと共に使用する必要があります。

WPIはまた、光学的絶縁と±100 mA電流ジェネレーターを組み合わせた高電流刺激アイソレータも提供しています。A365モデルは正、負、または双極性の電流を供給します。入力コネクターは標準のBNCで、コンピューターのD/AやI/Oラインなど、あらゆるソースからの信号を使用できます。

A385の充電式バージョンは経皮刺激には適しておらず、A382システムチャージャーでバッテリーを充電する必要があります。インジケーターライトと音声アラームにより、ユーザーは常にバッテリーの充電状態を把握できます。

WPIのリニア刺激アイソレータモデルA395は、充電式バージョンもあり、任意の形状や極性のプログラムされた波形を再現します。バッテリー駆動で、入力電圧駆動から光電的に絶縁されており、D/Aコンバータや信号発生器が提供する元の波形を出力電流として再生します。

選択を見る