JP6445821B2

JP6445821B2 - 頭蓋内電極構造体

Info

Publication number: JP6445821B2
Application number: JP2014196399A
Authority: JP
Inventors: 尚人國井; 謙介川合
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: JP2016067368A

Description

本発明は、頭蓋内の脳表面に留置する頭蓋内電極構造体に関する。

従来、この種の頭蓋内電極構造体としては、脳表面に接触する扁平な接触部を有する電極をフレキシブルな基板に１×２〜８×８程度に配列した硬膜下電極（例えば、特許文献１参照）や、脳表面から０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の深さに刺入するための２ｍｍ程度の長さの針状の電極を微小範囲に１０×１０程度に複数配列して電極アレイとした微小電極（例えば、非特許文献１参照）などが提案されている。これらの頭蓋内電極は、頭蓋内に留置されて、てんかんの焦点部位の同定に用いられたり、発作の予測や抑制の研究に用いられたり、ブレイン・マシン・インタフェース（Brain-machine Interface : BMI）の研究に用いられたりしている。なお、頭蓋内電極としては脳の深部に刺入して深部の脳波を測定する長い針状の深部電極も提案されている。

特開２００９−４５３６８号公報

"Acute human brain responses to intracortical micrielectrode array: challenges and future prospects", Eduardo Fernandez, Bradley Greger, Paul A. House, Ignacio Aranda, Carlos Botella, Julio Albisua, Cristina Soto-Sanchez, Arantxa Alfaro, Richard A. Normann, HYPOTHESIS AND THEORY ARTICLE, 21 July 2014

硬膜下電極は、頭蓋内に留置したときの長期的な安定性を有するものの、電極が脳表面に接触する扁平な接触部を有するため、電極により検出される信号には脳の複数の神経組織からの信号が反映されてしまい、信号を復号化するときにはその精度は低くなってしまう。一方、微小電極は、微小範囲に１０×１０（１０行１０列）程度に配置された複数の各電極には、その近傍の神経からの信号が反映されるため、微小範囲内に生じる複数の信号（脳波）を精度良く検出し、信号（脳波）を復号化する際の精度も非常に良好なものとなるが、電極アレイの各電極は脳表面からある程度の深さに刺入されるものであるため、脳表面に張り巡らされた基幹的な血管を避ける必要から、その大きさは限られ、広範囲な大きさにすることができない。また、微小電極は、各電極を脳表面から均等な深さに刺入するのに必要な刺入圧力は大きくなるため、電極アレイの各電極の刺入に特殊な器具を用いる必要がある。さらに、微小電極は、脳表面の微小範囲に多数の電極を刺入することから、脳と癒着しやすいため、頭蓋内の長期留置は不適なものとなる。

本発明の頭蓋内電極構造体は、比較的長期の留置に適しており、取り付けやすく、且つ、より詳細な信号を検出するものを提案することを主目的とする。

本発明の頭蓋内電極構造体は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の頭蓋内電極構造体は、
頭蓋内の脳表面に留置する頭蓋内電極構造体であって、
脳表面に接触する扁平な接触部を有する少なくとも１つの接触用電極と、
脳表面から刺入するために針状に形成されて前記接触部の径以上の間隔をもって配置された複数の針状電極と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の頭蓋内電極構造体では、接触用電極は、脳表面に接触する接触部の近傍に生じる信号（脳波）を検出し、接触用電極の接触部の径以上の間隔をもって配置された複数の針状電極は、脳表面から刺入された各針状電極の近傍に生じる信号（脳波）を検出する。したがって、単位面積当たりの電極数は、接触用電極だけを用いる場合（一般的な硬膜下電極）に比して多くなるから、より複数の信号（脳波）を検出することができ、信号（脳波）を復号化する際の精度も良好なものとすることができる。複数の針状電極は、接触用電極の接触部の径以上の間隔をもって配置されているから、各針状電極を脳表面から均等な深さに刺入するのに必要な刺入圧力は小さくなり、各針状電極の刺入に特殊な器具を用いる必要がない。また、複数の針状電極は、接触用電極の接触部の径以上の間隔をもって配置されているから、微小電極に比して、脳と癒着は生じ難いものとなり、頭蓋内の長期留置が好適なものとなる。複数の針状電極の本数が少ない場合には、各針状電極の刺入位置を目視（肉眼）で確認しながら刺入することができる。しかも、接触用電極を多数用いることにより、広範囲な大きさとすることもできる。

こうした本発明の頭蓋内電極構造体において、前記接触用電極と前記複数の針状電極とが配置された樹脂製の基板と、前記接触用電極の接触部を露出させるための少なくとも１つの貫通孔を有し、前記基板に前記接触用電極と前記針状電極とを配置した状態で前記貫通孔から前記接触部を露出させるように且つ前記複数の針状電極を貫通させるように前記基板に取り付けられたシリコンシートと、を備えるものとすることもできる。

また、本発明の頭蓋内電極構造体において、前記複数の針状電極は、隣接する針状電極の長さが異なるように形成されているものとすることもできる。こうすれば、複数の針状電極のうちの長さが長い針状電極の順に脳表面から刺入することになるから、刺入に必要な力を小さくすることができる。この場合、前記複数の針状電極は、第１の長さの第１針状電極と前記第１の長さとは異なる第２の長さの第２針状電極とを有するものとすることもできる。更にこの場合、前記複数の針状電極は、前記第１針状電極と前記第２針状電極とが交互に配列しているものとすることもできる。

本発明の頭蓋内電極構造体において、前記接触用電極は１×１（１行１列）から２×４(２行４列）の範囲内で配列しており、前記複数の針状電極は１×２（１行２列）から３×５（３行５列）の範囲内で配列している、ものとすることもできる。この程度の配列数とすれば、比較的小型なものとなるため、各針状電極の刺入位置を目視（肉眼）で確認しながら刺入することができる。

本発明の一実施例としての頭蓋内電極構造体２０の構成の概略を示す斜視図である。頭蓋内電極構造体２０を斜め下から見た平面図である。図１の頭蓋内電極構造体２０のＡ−Ａ断面を示す断面図である。発言に対して針状電極４０により検出される信号（脳波）を解析した結果として得られる解析図の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての頭蓋内電極構造体２０の構成の概略を示す斜視図であり、図２は、図１の頭蓋内電極構造体２０を斜め下から見た平面図であり、図３は、図１の頭蓋内電極構造体２０のＡ−Ａ断面を示す断面図である。実施例の頭蓋内電極構造体は、図示するように、基板２２と、３つの硬膜下電極３０と、３つの若干長い針状電極４０と、３つの若干短い針状電極４２と、を備え、各電極にはリードが取り付けられており、各リードは、リード取り出し部５０に取り付けられたシリコンチューブによって外部に取り出すことができるようになっている。

基板２２は、３つの硬膜下電極３０の台座部３４を嵌め込んで３つの硬膜下電極３０を支持するアクリル基板２４と、３つ貫通孔から硬膜下電極３０の接触電極部３２を露出させると共に針状電極４０，４２を貫通させてアクリル基板２４全体を覆うシリコンシート２６と、により構成されている。実施例では、アクリル基板２４としては、幅が５ｍｍで長さが１１ｍｍで厚みが０．５ｍｍのものを用い、シリコンシート２６としては、厚みが０．１ｍｍのものを用いた。

３つの硬膜下電極３０は、白金により形成されており、図示するように、基板２２に支持される直径３．５ｍｍの円盤状の台座部３２と、脳表面に接触する扁平な直径１．５ｍｍの接触電極部３４と、によりボタン状に構成されている。３つの硬膜下電極３０は、実施例では、図示するように、一列になるように配置されている。

針状電極４０は、白金により直径が０．２ｍｍで長さが２．５ｍｍの画鋲状に形成されており、針状電極４２は、白金により直径が０．２ｍｍで長さが１．５ｍｍの画鋲状に形成されている。針状電極４０と針状電極４２は、３つの硬膜下電極３０の周囲に少なくとも接触電極部３４の直径より離れるように２列に交互に配置されている。

こうして構成された実施例の頭蓋内電極構造体２０は、脳表面における各針状電極４０，４２の刺入位置を目視（肉眼）で確認しながら各針状電極４０，４２を刺入して頭蓋内に設置する。頭蓋内では、硬膜下電極３０の接触電極部３４は、脳表面に接触し、その近傍に生じる信号（脳波）を検出し、針状電極４０，４２は、脳表面から刺入された各針状電極４０，４２の近傍に生じる信号（脳波）を検出する。したがって、単位面積当たりの電極数は、硬膜下電極３０だけを用いる場合に比して多くなるから、より複数の信号（脳波）を検出することができ、信号（脳波）を復号化する際の精度も良好なものとすることができる。この実施例の頭蓋内電極構造体２０は、難治性てんかんの焦点診断に用いたり、発作の予測や抑制の研究に用いたり、ブレイン・マシン・インタフェース（Brain-machine Interface : BMI）の研究に用いたりすることができる。ＢＭＩの研究への適用の一例を図４に示す。図４は、「ら」「り」「る」「れ」「ろ」と発言したときに１つの針状電極４０により検出される信号（脳波）を解析した結果として得られる解析図の一例である。図中、縦軸は信号から割り出した神経細胞の活動頻度であり、横軸は発言したときを値０とする経過時間を示す。図示するように、１つの針状電極４０で検出される信号（脳波）は「ら」「り」「る」「れ」「ろ」の発言により異なることが解る。したがって、複数の針状電極４０，４２および複数の硬膜下電極３０により検出される信号（脳波）を用いれば、発言や行動、思考の際の信号（脳波）をより良好に復号化することができる。

以上説明した実施例の頭蓋内電極構造体２０によれば、３つの硬膜下電極３０と３つの針状電極４０と３つの針状電極４２とを有するから、硬膜下電極３０だけを用いる場合に比して、より複数の信号（脳波）を検出することができ、信号（脳波）を復号化する際の精度をより良好なものとすることができる。しかも、３つの針状電極４０と３つの針状電極４２を３つの硬膜下電極３０の周囲に接触電極部３４の直径より離れるように２列に交互に配置したことにより、各針状電極４０，４２を脳表面から均等な深さに刺入するのに必要な刺入圧力を小さくすることができ、各針状電極４０，４２の刺入に特殊な器具を用いる必要がない。また、針状電極４０，４２は、硬膜下電極３０の接触電極部３４の直径より大きな間隔をもって配置されているから、ユタ電極（微小電極）に比して、脳と癒着は生じ難いものとなり、頭蓋内の長期留置が好適なものとなる。また、針状電極４０，４２は６本と少ないから、各針状電極４０，４２の刺入位置を目視（肉眼）で確認しながら刺入することができる。

実施例の頭蓋内電極構造体２０では、３つの硬膜下電極３０を一列に配置し、その周囲に長さの異なる２種の針状電極４０，４２を交互に２列に配置したが、硬膜下電極３０は１つ以上であればいくつでもよく、針状電極４０，４２は２本以上であれば何本でも構わない。頭蓋内電極構造体を目視によって設置することを考えると、硬膜下電極３０は１×１（１行１列）から２×４（２行４列）の範囲内とすると共に、針状電極４０，４２は１×２（１行２列）から３×５（３行５列）の範囲内とするのが好ましい。また、実施例の頭蓋内電極構造体２０では、硬膜下電極３０の周囲に針状電極４０，４２を配置するものとしたが、例えば、硬膜下電極３０を４×６（４行６列）程度に配置し、数本の針状電極４０，４２を疎らに配置するものとしたりしても構わない。

実施例の頭蓋内電極構造体２０では、直径が０．２ｍｍで長さが２．５ｍｍの針状電極４０と直径が０．２ｍｍで長さが１．５ｍｍの針状電極４２とを用いるものとしたが、針状電極４０，４２の直径や長さはこれらに限定されるものではなく、如何なる直径でも如何なる長さでも構わない。また、実施例の頭蓋内電極構造体２０では、直径３．５ｍｍの台座部３２と直径１．５ｍｍの接触電極部３４とからなる硬膜下電極３０を用いるものとしたが、硬膜下電極のサイズはこれに限定されるものではなく、如何なるサイズのものを用いても構わない。

実施例の頭蓋内電極構造体２０では、長さの異なる２種の針状電極４０，４２を配置するものとしたが、長さの異なる３種以上の針状電極を配置するものとしてもよいし、同一の長さの１種だけの針状電極しか配置されないものとしても構わない。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、頭蓋内電極構造体の製造産業などに利用可能である。

２０頭蓋内電極構造体、２２基板、２４アクリル基板、２６シリコンシート、３０硬膜下電極、３２台座部、３４接触電極部、４０，４２針状電極、５０リード取り出し部。

Claims

頭蓋内の脳表面に留置する頭蓋内電極構造体であって、
脳表面に接触する扁平な接触部を有する少なくとも１つの接触用電極と、
脳表面から刺入するために針状に形成されて前記接触部の径以上の間隔をもって配置された複数の針状電極と、
を備え、
前記複数の針状電極は、隣接する針状電極の長さが異なるように形成されており、
前記複数の針状電極は、第１の長さの第１針状電極と前記第１の長さとは異なる第２の長さの第２針状電極とを有し、前記第１針状電極と前記第２針状電極とが交互に配列している、
頭蓋内電極構造体。
請求項１記載の頭蓋内電極構造体であって、
前記接触用電極と前記複数の針状電極とが配置された樹脂製の基板と、
前記接触用電極の接触部を露出させるための少なくとも１つの貫通孔を有し、前記基板に前記接触用電極と前記針状電極とを配置した状態で前記貫通孔から前記接触部を露出させるように且つ前記複数の針状電極を貫通させるように前記基板に取り付けられたシリコンシートと、
を備える頭蓋内電極構造体。
請求項１または２記載の頭蓋内電極構造体であって、
前記接触用電極は、１×１から２×４の範囲内で配列しており、
前記複数の針状電極は、１×２から３×５の範囲内で配列している、
頭蓋内電極構造体。