JP7621359B2 - インプラント刺激装置 - Google Patents

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Description

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本開示は、基板の適応部分に沿って配置された電極アレイを有する、ヒト又は動物の組織に電気刺激を提供するためのインプラント刺激装置に関する。特に、それは、基板の一部を少なくとも部分的に覆う封止層を有するインプラント刺激装置に関する。また、それは、インプラント刺激装置の製造方法にも関する。
インプラント電気刺激システムを使用して、患者に電気刺激療法を提供し、頭痛、腰の痛み、失禁などのさまざまな症状又は状態を治療することができる。
多くの電気刺激用途では、通常は治療用リード(電極と電気接続部を含むリード)を含む刺激装置が、体内の1つ又は複数の正確な位置に電気刺激を提供することが望ましい。多くの場合、組織や解剖学的構造の湾曲により、インプラント中に刺激電極を正確に位置合わせすることは困難な場合がある。リードの電極セクションの湾曲のミスマッチは、1つ又は複数の電極と下にある組織との間に予期しない及び/又は予測できない電気抵抗を作ってしまう場合がある。さらに、体の関連する領域を繰り返し動かすと、ミスマッチがさらに悪化する可能性がある。皮下インプラントで特に問題なのは、インプラントと周囲の組織との間の可撓性のわずかな違いでさえ、患者の快適さに影響を及ぼし、上にある皮膚の炎症を引き起こす可能性があることである。これは、皮下インプラントで特に問題になる。
特に、頭蓋顔面領域での神経刺激リードの使用は、皮膚の侵食とリードの変位に関係している。最先端のリードの円筒形状及び関連する厚さにより、リードが皮膚を通して侵食されるか、又はリードが変位して、電極が標的の神経を覆わなくなる。
より最近では、プラスチック及びポリマーが使用されており、これらは、固有の可撓性を有するか、又は湾曲した形状で作製することができる。例えば、米国特許出願第2016/0166828号に記載されている。そのようなリードは、湾曲した形状で製造されたり、インプラント中に人間の手動操作によって変形されたりすることはできるが、不便である。ヒトや動物に見られる高度な解剖学的多様性は、製造業者が広範囲又は事前に湾曲したリードを提供するか、リードを調節できるようにする必要があることを意味する。それらがインプラント中に変形可能である場合、これはインプラントプロセスをさらに複雑にする。
インプラントアクティブ機器には、ヒト又は動物の体内に存在する体液からインプラント電子機器を保護するための保護方法が必要である。体液には通常、電流の存在下で腐食などの電気化学反応を引き起こす可能性のあるイオンが含まれている。したがって、封止は医療機器の設計にとって重要な構成要素である。これは、これらのイオン液体と重要な電子/電気インターフェイスの間のバリアとして機能し、インプラント電子機器の劣化を低減及び/又は防止する。
ポリイミドは、電子機器の微細加工の基板材料として使用するのに人気があり、ポリジメチルシロキサンゴム(Polydimethylsiloxane、PDMS)などのシリコーンゴム封止材でポリイミドを封止する試みがなされてきた。「Irreversible bonding of polyimide and polydimethylsiloxane (PDMS) based on a thiol-epoxy click reaction, Hoang, Chung and Elias, Journal of Micromechanics and Microengineering,10.1088/0960-1317/26/10/105019」に記載されているように、これらの2つの可撓性材料を結合することは、依然として重要な課題である。基板からある程度封止材が剥離することによって、流体の侵入に対する抵抗が低下する可能性がある。クリック反応でチオレポキシ結合を形成するために、PDMS及びポリイミド基板の表面をそれぞれメルカプトシラン及びエポキシシランで官能化することにより、結合の程度を高めていた。また、それは、一方又は両方の表面をメルカプトシランで官能化し、2つの表面の間にエポキシ接着剤層を導入することによっても高めていた。
PDMSは実質的に生体適合性があり、比較的長期間の生体安定性を持ちながら組織反応を最小限に抑えることができるが、それでも水分に対する透過性が比較的高く、インプラントの電子機器の劣化につながる可能性がある。透湿性の程度が低い他の多くの封止材は、生体適合性の程度が低い場合がある。最近、LCP(Liquid Crystal Polymer、液晶ポリマー)が電子機器の基板としての使用が検討されており、LCPと封止材の間の結合技術を改善する必要もある。
以下の概要及び詳細な説明の両方が例示的かつ説明的であり、特許請求される本発明のさらなる説明を提供することを意図していることを理解されたい。概要も以下の説明も、本発明の範囲を、概要又は説明に記載されている特定の特徴に定義又は限定することを意図するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
特定の実施形態において、開示された実施形態は、本明細書に記載される特徴のうちの1つ以上を含み得る。
以下を含むインプラント刺激装置が提供される:第1及び第2の表面を含み、第1及び第2の表面によってその厚さが定義される基板;少なくとも1つの刺激パルスを生成するように構成されるパルス発生器;及び基板の適応部分に沿って配置された少なくとも2つの電極を含む電極アレイ。インプラント刺激装置はさらに、パルス発生器を電極アレイの少なくとも2つの電極に電気的に結合する複数の電気的相互接続部を含み、複数の電気的相互接続部は、基板の第1の表面と第2の表面との間に配置され、適応部分に沿った基板の厚さは、0.5mm以下である。
ここで説明する製品と方法は、高度な適応性(又は「なじみ性」、conformability)と高度な構成可能性を提供する。適応性が高いほど、ユーザーの快適性が向上し得る。任意選択で、適応部分の厚さは、0.3mm以下、又は0.2mm以下、又は0.1mm以下である。
任意選択で、基板が、それに沿ってパルス発生器が配置されるさらなる部分を含む場合、インプラント刺激装置は、基板のさらなる部分を少なくとも部分的に覆う封止層をさらに含む。
追加的又は代替的に、基板及びパルス発生器のさらなる部分は、少なくとも部分的に、1つ又は複数の可撓性生体適合性封止層に埋め込まれている。
封止は、インプラント基板の信頼性及び/又は寿命を改善し得る。
追加的又は代替的に、インプラント刺激装置は、基板の少なくとも一部に隣接する接着層をさらに含む。任意選択で、基板は2つ以上の隣接する基板層を含み、接着層は基板層間にある。
1つ又は複数の接着層は、封止の性能を改善し得る。これはまた、インプラント基板の信頼性及び/又は寿命を改善し得る。多層を提供することにより、より細いリードを使用することができ、可撓性が増し、したがって適応性が向上する。
任意選択で、接着層はセラミック材料を含む。セラミック材料は、基板材料と封止材との間の接着層に含まれることが有利であり得る。
任意選択で、セラミック材料は、HfO2、Al2O3、Ta2O3、SiC、Si3N4、TiO2、及びそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
追加的又は代替的に、接着層は、HfO2を含む少なくとも1つの第1の層と、少なくとも1つの第1の層に隣接し、Al2O3を含む少なくとも1つの第2の層とを含む。追加的又は代替的に、接着層は、Ta2O3を含む少なくとも1つの第1の層と、少なくとも1つの第1の層に隣接し、Al2O3を含む少なくとも1つの第2の層とを含む。追加的又は代替的に、接着層は、TiO2を含む少なくとも1つの第1の層と、少なくとも1つの第1の層に隣接し、Al2O3を含む少なくとも1つの第2の層とを含む。
任意選択で、接着層のセラミック部分は、25nm~200nmの範囲の平均厚さを有する。任意選択で、接着層は、原子層堆積(ALD)を使用して適用されるセラミック部分を含む。
追加的又は代替的に、さらなる部分に沿った刺激装置の厚さは、5mm以下、又は4mm以下、又は3mm以下である。
これは、基板のさらなる部分の適応性をさらに改善し得る。
追加的又は代替的に、複数の電気的相互接続部は、メタライズ法を使用して、基板の第1の表面と第2の表面との間に配置される。追加的又は代替的に、複数の電気的相互接続部は、1つ以上の導電性相互接続層に含まれ、1つ以上の導電性相互接続層は、2つの隣接するポリマー基板層の間に含まれる。
より容易にパターン化可能な基板を提供することにより、より複雑な電極アレイ構成を搭載することができ、横方向及び/又は長手方向のずれに対処するためのより高度な可撓性を可能にする。
インプラント刺激装置を製造する方法が提供され、この方法は:第1及び第2の表面を含み、第1及び第2の表面によってその厚さが定義される基板を提供すること;少なくとも1つの刺激パルスを生成するように構成されるパルス発生器を提供すること;基板の適応部分に沿って少なくとも2つの電極を含む電極アレイを配置すること;及び基板上に複数の電気的相互接続部を堆積又は電気めっきすること;パルス発生器を電極アレイの少なくとも2つの電極に電気的に結合することを含み、適応部分に沿った基板の厚さは、0.5mm以下である。
任意選択で、パルス発生器は、基板のさらなる部分に沿って提供され、この方法は、基板のさらなる部分を封止層で少なくとも部分的に覆うことをさらに含む。
追加的又は代替的に、刺激装置はさらに:基板を少なくとも部分的に覆う封止層;及び少なくとも1つの場所にある封止層と基板との間の接着層を含む。
追加的又は代替的に、封止層は、基板の適応部分の少なくとも一部を覆い、接着層は、封止層と、基板の適応部分の少なくとも部分との間にある。
本明細書に記載のそのような製品及び関連する方法は、可撓性基板を含むインプラント機器における流体の侵入に対する耐性を改善するための改善された結合を提供する。封止材/接着層は、多くの種類の基板の表面を保護するように最適化することができる。基板が実質的に可撓性であるように構成及び配置されている場合、基板は高度の適応性を有し得る。封止材/接着層の高度の接着により、可撓性封止材層は、可撓性基板の1つ又は複数の表面に高度の侵入保護を提供することができる。
基板表面の1つ又は複数の領域は、封止材/接着層によって保護され得る。各封止材/接着層は、別々に又は一緒に所定の程度まで最適化することができる。
任意選択で、基板の適応部分は、液晶ポリマー(LCP)を含む。
追加的又は代替的に、基板は、パルス発生器が配置されるさらなる部分を含み、封止層は、基板のさらなる部分を少なくとも部分的に覆う。
場合により、封止層は、ポリマー及び/又はポリジメチルシロキサン(PDMS)を含む。
PDMSを含む封止材とセラミック材料を含む適応性接着層を備えた二重層を提供することにより、接着層はイオン性媒体中で著しく高い安定性を示し、それにより、封止材を介した層間剥離又は水の浸透に備えた比較的長い保護を提供することが見られた。PDMSは、接着層の欠陥と隙間の間を流れるため、より長持ちする接着と欠陥の減少にさらに寄与し得る。特に、粘度が比較的低いPDMSは、さらに高度な欠陥の減少をもたらし得る。
セラミック材料HfO2、Al2O3、Ta2O3、SiC、Si3N4、TiO2、及びそれらの任意の組み合わせは、PDMS封止材層の接着層のように有利に使用することができる。
インプラント刺激装置を製造する方法が提供され、この方法は:第1及び第2の表面を含み、第1及び第2の表面によってその厚さが定義される基板を提供すること;少なくとも1つの刺激パルスを生成するように構成されるパルス発生器を提供すること;基板の適応部分に沿って少なくとも2つの電極を配置すること;パルス発生器を少なくとも2つの電極に電気的に結合する複数の電気的相互接続部を基板上に堆積又は電気めっきすること;基板を少なくとも部分的に覆う接着層を適用すること;接着層の上に封止層を適用することを含み、適応部分に沿った基板の厚さは、0.5mm以下である。
任意選択で、接着層は原子層堆積(ALD)を使用して適用される。追加的又は代替的に、パルス発生器は、基板のさらなる部分に沿って提供され、接着層及び封止層は、基板のさらなる部分を少なくとも部分的に覆うように適用される。
構成及び操作の方法を、目的及び利点とともに示す特定の例示的な実施形態は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することで最もよく理解できるが、これらの図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付の図面は、例示的な実施形態を示し、説明とともに、さらに、関連技術に当業者がこれらの実施形態及び当技術分野に当業者に明らかである他の実施形態を作成及び使用することを可能にするのに役立つ。
図1Aは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の第1の実施の横断面図である。 図1Bは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の第1の実施の上面図である。 図1Cは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の第1の実施の底面図である。 図2Aは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の第2の実施の横断面図である。 図2Bは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の第2の実施の上面図である。 図2Cは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の第2の実施の底面図である。 図3Aは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の第3の実施の横断面図である。 図3Bは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の第3の実施の上面図である。 図3Cは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の第3の実装の底面図である。 図4Aは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の代替電極構成の第1の図である。 図4Bは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の代替電極構成の第2の図である。 図4Cは、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント30刺激装置の代替電極構成の第3の図である。 図5は、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の動作を通じて治療され得る、ヒトの頭の前部における神経の位置を提示する。 図6は、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の動作を通じて治療され得る、人体の後部における神経の位置を提示する。 図7は、本発明の特定の実施形態と対応するインプラント刺激装置の動作を通じて治療することができる人体の神経の位置を示している。 図8Aは、ボード線図の結果としての電気化学的インピーダンス分光法(Electrochemical Impedance Spectroscopy、EIS)を示している。図8A:インピーダンスの大きさ。 図8Bは、ボード線図の結果としての電気化学的インピーダンス分光法(Electrochemical Impedance Spectroscopy、EIS)を示す。図8B:3つのサンプルの位相角。 図8Cは、450日間の浸漬における10-2HzでのEISの結果を示す。図8C:インピーダンスの大きさ。 図8Dは、450日間の浸漬における10-2HzでのEISの結果を示す。図8D:4つのサンプルの位相角。 図9は、異なるプロセスを使用して、PDMSでコーティングされたLCPの、乾燥時及び浸漬後の平均引張力を比較した測定結果を示す。 図10は、試験サンプルの断面を示す。 図11Aは、改良されたインプラント電気機器の断面を示す。 図11Bは、改良されたインプラント電気機器の断面を示す。 図11Cは、改良されたインプラント電気機器の断面を示す。 図12Aは、改良されたインプラント電気機器、及び1つ又は複数の電極を含む、改良されたインプラント医療機器の断面を示す。 図12Bは、改良されたインプラント電気機器、及び1つ又は複数の電極を含む、改良されたインプラント医療機器の断面を示す。
本発明は多くの異なる形態で実施可能であるが、図面に示され、本明細書では特定の実施形態を詳細に説明する。そのような実施形態の本開示は、原理の例として考えられるべきであり、本発明を示され、説明される特定の実施形態に限定することを意図するものではないと理解される。説明された実施形態、及びそれらの詳細な構造及び要素は、本発明の包括的な理解を助けるために単に提供されているにすぎない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって最もよく定義される。以下の説明では、同様の参照番号は、図面のいくつかの図で、又は異なる図面で、同じ、類似の、又は対応する部品を説明するために使用される。
したがって、本発明は様々な方法で実施することができ、本明細書に記載の特定の特徴のいずれも必須としないことは明らかである。また、よく知られている機能又は構造は、不必要な詳細で本発明を曖昧にするので、詳細には説明されていない。図面/図の信号矢印は、特に明記されていない限り、例示としてのみ考慮されるべきであり、限定的なものではない。
本明細書では、第1、第2などの用語を使用して様々な要素を説明することができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解される。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するためにのみ使用される。例えば、第1の要素は、第2の要素と呼ばれ得、同様に、第2の要素は、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、第1の要素と呼ばれ得る。本明細書で使用される場合、「及び/又は」という用語は、関連するリストされたアイテムの1つ又は複数のありとあらゆる組み合わせを含む。本明細書で使用される場合、「A、B、及びCの少なくとも1つ」は、A又はB又はC又はそれらの任意の組み合わせを示す。本明細書で使用されるように、文脈が明らかに他のことを指示しない限り、単語の単数形は複数形を含み、その逆も同様である。
本明細書で使用される「a」又は「an」という用語は、1つ又は複数として定義される。本明細書で使用される「複数」という用語は、2つ又は2つより多いものとして定義される。本明細書で使用される「別の」という用語は、2つ目又はそれより多いものとして定義される。本明細書で使用される「備える」及び/又は「有する」という用語は、含む(すなわち、オープンな用語)と定義される。本明細書で使用される「結合された」という用語は、必ずしも直接ではなく、そして必ずしも機械的にではないが、接続されていると定義される。
また、一部の代替実施形態では、記載されている機能/動作が、図に記載されている順序とは異なる場合があることにも留意されたい。例えば、連続して表示される2つの図は、関連する機能/動作に応じて、実際には実質的に同時に実行される場合もあれば、逆の順序で実行される場合もある。
本明細書で使用される場合、範囲は、範囲内のすべての値を列挙及び説明する必要を回避するために、本明細書では省略形で使用される。範囲内の任意の適切な値を、必要に応じて、上限値、下限値、又は範囲の終点として選択できる。
「含む」という言葉は、排他的ではなく包括的に解釈されるべきである。同様に、「備える」、及び「又は」という用語は、そのような構成が文脈から明らかに禁止されていない限り、すべて包括的であると解釈されるべきである。「含む」又は「備える」という用語は、「本質的にからなる」及び「からなる」という用語に含まれる実施形態を含むことを意図している。同様に、「本質的にからなる」という用語は、「からなる」という用語に含まれる実施形態を含むことを意図している。明確な意味を有するが、「含む」、「有する」、及び「からなる」という用語は、本発明の説明全体を通して互いに置き換えることができる。
「約」とは、参照された数値表示のプラス又はマイナス10%を意味する。例えば、「約4」という用語には、3.6~4.4の範囲が含まれる。本明細書で使用される成分の量、反応条件などを表すすべての数値は、すべての場合において「約」という用語によって変更されるものとして理解されるべきである。したがって、反対に示されない限り、本明細書に記載される数値パラメータは、得られることが求められる所望の特性に応じて変化し得る近似値である。少なくとも、均等論の適用をクレームの範囲に限定する試みとしてではないが、各数値パラメータは、有効桁数と通常の切り上げ/切り下げアプローチに照らして解釈すべきである。
本明細書において「例えば」、「など」、「含む」などの句が使用される場合は常に、特に明記しない限り、「限定的ではない」という句が続くと理解される。
「通常」又は「任意選択で」とは、後で説明するイベント又は状況が発生する場合と発生しない場合があることを意味し、説明には、上記のイベント又は状況が発生する場合と発生しない場合が含まれる。
本文書全体を通して「一実施形態」、「特定の実施形態」、「実施形態」又は同様の用語への言及は、当該実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、そのような句の出現、又は本明細書全体の様々な場所での出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を参照しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、又は特性は、限定されることなく、1つ又は複数の実施形態において、任意の適切な方法で当業者によって組み合わせることができる。
以下の詳細な説明では、この開示を理解するのを助けるために、多くの非限定的な特定の詳細が与えられている。
図1A、1B及び1Cは、インプラント刺激装置の第1の実施形態100の縦断面を示している。インプラント刺激装置は、
少なくとも1つの電気治療刺激パルスを生成するためのパルス発生器500(図1B及び1Cにのみ示されている)、及び
パルス発生器500から基板300の遠位端まで延びる長手方向軸600を有する箔状基板300の適応部分を含む。基板300は、1つ又は複数の隣接するポリマー基板層を含み、第1の310及び第2の320の平面(外)表面を有する。
インプラント刺激装置100はまた、
遠位端に近接し、第1の200a、200bタイプの少なくとも1つの電極、及び第2のタイプ400a、400bの少なくとも1つの電極を有する電極アレイ200、400を含む。電極200、400は、第1の310又は第2の320の表面に含まれ、それぞれは、使用中の治療エネルギーを(刺激電極として)及び/又は(戻り電極として)ヒト又は動物組織に伝達するように構成可能である。この文脈において、アレイは、2つ以上の電極200a、200b、400a、400bの体系的な配置と見なされ得る。1D、2D、又は3Dアレイを提供できる。任意選択で、それらは行及び/又は列に配置することができる。
インプラント刺激装置100はさらに、
結合された第1の電極200a、200b及び/又は第2の電極400a、400bに1つ又は複数の電気治療刺激パルスとして電気エネルギーを伝達するための、パルス発生器500と第1の200a、200bと第2の400a、400b電極との間の1つ又は複数の電気的相互接続部250を含む。1つ又は複数の電気的相互接続部250は、第1の表面310と第2の320の表面との間に構成される(又は配置される)。複数の電気的相互接続部250は、2つ、又は2つより多い電気的相互接続部250であると見なされる。
本開示では、電極アレイ200、400の適応性は、以下のうちの1つ又は複数によって高度に決定される:
-電極200、300に近接する基板300の一部の適応性;
-電極200、400の配置と位置;
-電極200、400に含まれる材料及び材料の寸法(又は範囲);
-電極200、400に近接する、1つ又は複数の相互接続部250の配置及び位置;及び
-相互接続部200、400に含まれる材料及び材料の寸法(又は範囲)。
適切な構成、配置、及び最適化によって、箔状(又はフィルム状)で高度に適応性のあるインプラント電極アレイ200、400を提供することができる。
図示のように、箔状基板300の適応部分は、好ましくは、長手方向軸600に沿って細長く、テープ状の形状を有し、パルス発生器500が電極200、400の位置からさらに離れて配置(又は配置)されることを可能にする。
基板300が実質的に平面である場合(非限定的な例では、基板300を平面の表面に適応させることにより)、第1の310及び第2の320の表面は、実質的に平行な横断面600、700に沿って配置される。図1Aに示されるように、第1の表面310は、長手方向軸600及び第1の横軸700を含む平面内にある。第1の横軸700は、長手方向軸600に実質的に垂直である。図1Aに示されるように、第1の表面310の平面は、断面図の平面に実質的に垂直である(紙の表面に実質的に垂直である)。
箔状基板300の適応部分は、0.5mm以下の最大厚さを有し、第1の200a、200b及び第2の400a、400b電極に近接し、厚さは、第1の310及び第2の表面320によって定義される。これは、第1の310と第2の平面310上の対応する点との間の垂直距離によって決定され得る。これは、好ましくは、基板300が平面の表面に適応するときに決定される。
箔状基板300は、第2の横軸750に沿った厚さ又は範囲を有する。この第2の横軸750は、長手方向軸600及び第1の横軸700の両方に実質的に垂直である。描かれているように、それは(紙の表面に沿う)図面の平面にある。第1の表面310は上面として描かれ、第2の表面320は下面として描かれている。
したがって、厚さは、第1の310及び第2の平面320上の対応する点の間の第2の横軸750に沿った垂直距離によって決定され得る。第1の200a、200b及び第2の400a、400b電極に近接する箔状基板300の適応部分の最大厚さは、0.5mm以下、好ましくは0.3mm以下、さらにより好ましくは0.2mm以下、さらにより好ましくは0.1mm以下である。
一般に、最大厚さが薄いほど(つまり、基板が薄いほど)、適応度は高くなる。ただし、機械的強度を向上させるために、最大厚さを高くすることが好ましい場合がある。
描かれているさまざまな図の違いを明確にするために、軸には公称方向が与えられている:
-長手方向軸600は、左側の近位端(図1Aには示されていないが、図1B及び1Cに示されている)から、描画の右側に示されている遠位端まで延びる;
-第1の横軸700は、描画の紙面内に伸びる;そして
-第2の横軸750は、描画の下から上に伸びる。
箔状基板300の適応部分は、多層として構成及び配置することができる。それは、互いに固定され、第1の310及び第2の320平面を有する2つ以上の隣接するポリマー基板層を含む。1つ又は複数の電気的相互接続部250もまた、第1の310及び第2の320の平面の間に構成される(又は配置される)。ただし、2つ以上のポリマー層及び/又は相互接続部が第1の横軸700に沿って同様の範囲を有する必要はない。言い換えれば、本開示の文脈内で、ポリマー基板が実質的に連続している領域に隣接して、相互接続部250がポリマー基板の領域の間に挟まれている領域があり得る(縦断面において多層として現れる)。同様に、基板が2つの隣接する基板層を含む領域に隣接して、相互接続部250が2つのポリマー基板層(長手方向断面において多層として現れる)の間に挟まれている領域があり得る。同様に、2つ以上のポリマー基板層を含む基板は、それがポリマー基板の1つの層であるように見えるように(物理的及び/又は化学的に)変更され得る。
これらのポリマー基板層は、適応性があり、1つ又は複数の電気的相互接続部250を含むように選択される。好ましくは、ポリマー基板材料はまた、生体適合性があり、耐久性があり、例えば、以下を含む群から選択される材料である:シリコーンゴム、シロキサンポリマー、ポリジメチルシロキサン、ポリウレタン、ポリエーテルウレタン、ポリエーテルウレタン尿素、ポリエステルウレタン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、酢酸セルロース、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、及びポリビニルアセテート。LCP(液晶ポリマー)フィルムを含む適切なポリマー材料は、「Polymers for Neural Implants, Hassler, Boretius, Stieglitz, Journal of Polymer Science: Part B Polymer Physics, 2011, 49, 18-33 (DOI 10.1002/polb.22169)」に記載されている。特に、表1は参照としてここに含まれ、ポリイミド(UBE U-Varnish-S)、パリレンC(PCSパリレンC)、PDMS(NuSil MED-1000)、SU-8(MicroChem SU-8 2000&3000シリーズ)、及びLCP(Vectra MT1300)の特性を示す。
適応性のある箔状基板300は、可撓性があることにより、下にある解剖学的特徴の輪郭に非常に厳密に従うように構成される。非常に薄い箔状基板300は、それらが増加した可撓性を有するという追加の利点を有する。
最も好ましくは、ポリマー基板層は、LCP、パリレン及び/又はポリイミドを含む。LCPは、化学的及び生物学的に安定した熱可塑性ポリマーであり、小型で水分の浸透が少ない気密センサーモジュールを可能にする。
有利には、LCPは熱成形され得、複雑な形状が提供されることを可能にする。LCPの非常に薄い(ひいては適応性のある)及び非常に平坦な(非常に平面的な)層を提供することができる。形状を微調整するために、適切なレーザーを使用して切断することもできる。
非限定的な例では、LCPの適応性箔状基板300は、50ミクロン(μm)~720ミクロン(μm)、好ましくは100ミクロン(μm)~300ミクロン(μm)の範囲の厚さ(第2の横軸750に沿った範囲)を有し得る。例示的な実施形態では、150μm(ミクロン)、100μm、50μm、又は25μmの値が提供され得る。
実質的に平面の表面に適応する場合、箔状の表面300は、長手方向軸600に実質的に垂直な横方向の範囲を有する平面を実質的に構成され、平面幅は、横方向の範囲に沿った平面箔状基板300の外面エッジ上の対応する点間の垂直距離によって決定することができる。図示のように、これは第1の横軸700に沿っている。一実施形態では、LCPを使用して、2mm~20mmの幅の電極200、400を提供することができる。
室温では、LCP薄膜は鋼と同様の機械的特性を持っている。インプラント基板300は、インプラントするのに十分な強度、除去(外植)するのに十分な強度、及び劣化することなく隣接する解剖学的特徴及び/又は構造の動きに追随するのに十分な強度でなければならないので、これは重要である。
LCPは、ガスと水の透過性が最も低いポリマー材料に属している。LCPはそれ自体に結合できるため、均質な構造の多層構造が可能になる。
LCPとは対照的に、ポリイミドは熱硬化性ポリマーであり、電極アレイを備えた多層部分を構築するために接着剤が必要である。ポリイミドは、高温で曲げ耐久性のある熱硬化性ポリマー材料である。
一実施形態では、LCPを使用して、適応性基板300を多層として、すなわち、2つ以上の隣接するポリマー基板層を提供することができる。非限定的な例では、これらは25μm(ミクロン)の厚さの層であり得る。
一実施形態では、1つ又は複数の電気的相互接続部250は、メタライズ法によって、第1の310と第2の320表面との間に提供(又は配置)され得る。これらは、単一のポリマー層を有し、半導体産業から知られている適切な堆積技術を使用して導電性材料を適用することなどによって、基板300に埋め込まれた導体であり得る。
一実施形態では、2つ以上の隣接するポリマー基板層が提供される場合、相互接続層は、半導体産業からのものなどの適切な技術を使用して提供され得る。ポリマー基板層はまた、それらの間に1つ又は複数の接着層が使用される場合、隣接していると見なされ得る。適切な接着材料及び接着層の例を、図8~12に関連して以下に説明する。
一実施形態では、積層を使用して、基板300に所望の物理的及び化学的特性を提供し、及び/又は便利な製造方法を提供することもできる。非限定的な例では、基板300は、3つの積層ポリマー層を含み得る:間に低温層(ボンドプライ)を有する2つの高温熱可塑性層、及び第1の表面310と第2の表面320に向かう高温層。
代替の実施形態では、シリコーンの2つの層がポリマー基板層として提供され得る:シリコーンの1つの層が提供され、金属はその外面の1つにパターン化される;そして、シリコーンの第2の層が、噴射、オーバーモールディング、又はスピンコーティングによって金属パターンの上に追加される。
一実施形態では、電気的相互接続部250は、1つ又は複数の導電性要素(ワイヤ、ストランド、ホイル、薄層、プレート、及び/又はシート)で必要に応じて形成される、金属などの1つ又は複数の導電性材料を含み得る。それらは実質的に連続的であり得る(1つの導体)。それらはまた、使用中に互いに電気的に接続されるように構成及び配置された複数の導体を含み得る。言い換えれば、1つ又は複数の導体は、使用中に実質的に電気的に連続するように構成及び配置される。
あるいは、1つ以上の電気的相互接続部250は、1つ以上の導電性相互接続層250に含まれ得、1つ以上の導電性相互接続層は、2つの隣接するポリマー基板層の間に含まれる(又は配置される)。図1Aに示されるように、複数の相互接続部が、第1の表面310と第2の表面320との間の異なる配置(又は深さ若しくは位置)で提供され得る。
一実施形態では、本開示の文脈における相互接続部250は、使用中に、ヒト又は動物の組織と接触するように構成又は配置されていない。1つ又は複数の相互接続部250は、LCPなどの低伝導又は絶縁ポリマーの1つ又は複数の層に埋め込まれている(又は覆われている)。追加的又は代替的に、1つ又は複数の封止層を使用することができる。
1つ又は複数の相互接続層250はまた、金又は白金などの生体適合性金属によるメタライズ法など、PCB(プリント回路基板)産業からの技術を使用するメタライズ法によって提供され得る。電気めっきを使用することができる。LCPフィルムを含む層は、メタライズ法に特に適している。これらの電気的相互接続部250及び/又は相互接続層250は、1つ又は複数の電気的治療刺激パルスとして、パルス発生器500から、結合された第1の電極200a、200b及び/又は第2の電極400a、400bに電気エネルギーを伝達するように構成される。
LCPフィルムなどの適切なポリマー基板材料を使用することにより、箔状(又はフィルム状)基板300及び電極アレイ200、300の適応部分が高い幅対高さ比を有することが可能になり、これは生体適合性のある電子箔(又はフィルム)、又は生体電子箔(又はフィルム)を提供する。
一実施形態では、基板300が実質的に平面の表面に適応する場合、第1の200a、200b及び第2の400a、400b電極に近接する最大平面幅と最大厚さの比は、7:1以上、好ましくは10:1以上、より好ましくは15:1以上、さらにより好ましくは30:1以上、さらにより好ましくは50:1以上である。
100:1以上の比率も有利であり得、幅が約20mmで厚さが約0.2mmのLCPフィルムの1つ又は複数の機械的に強い基板層を使用して提供され得る。これにより、高度な可撓性が提供されるため、高度な適応性も提供される。基板の幅を変える、1つ又は複数のうねりを追加する、及び/又は曲げ点を提供するなど、第1の横方向700における適応性を高めるために追加の手段をとることもできる。
非限定的な例では、電極200、400及び/又は電極200、400の単一の列をより狭い幅で使用する場合、幅は4mmであり、厚さは約0.2mmであり得、これは約20:1の比率である。
非限定的な例では、パルス発生器500に近接する基板の一部において、幅20mm及び厚さ3mmの使用される電子部品の寸法にさらに高度に依存する、より大きな範囲が必要とされ得る。これは約6.67:1の比率である。
図1Aに示されるように、適応性箔状基板300の遠位端(又は遠位部分)は、
第1の表面310に含まれる第1のタイプの2つの電極200a、200b、及び
同じく第1の表面310に含まれる第2のタイプの2つの電極400a、400bを含む。近位端から遠位端まで、示されている順序は、200a、400a、200b、400bである。言い換えれば、第1のタイプ200a、200bの各電極は、第2のタイプ400a、400bの電極に近接しており、同じ表面310に含まれる。
箔状基板300は、各電極200a、400a、200b、400bとパルス発生器との間の電気的相互接続部250を備える。この実施形態では、各電気的相互接続部250は、各電極200a、400a、200b、400bが実質的に独立して電気的に接続されるように構成及び配置される。したがって、パルス発生器500を適切に構成することによって利用可能な動作モードの1つは、実質的に独立した動作である。パルス発生器500は、1つ又は複数のハードウェア、ファームウェア、及び/又はソフトウェアパラメータを使用して構成することができる。
図1Aでは、第1の310と第2の320表面との間の異なる距離(又は位置)での個々の接続部250として示されているが、当業者はまた、以下に説明される図3Bに示される実施形態と同様に、同じ相互接続部が、第1の310と第2の320表面との間のほぼ同じ距離(又は位置)で適切に構成された相互接続部250(又は相互接続層250)によって提供され得ることを理解できる。
第1の310又は第2の320表面に「含まれる」とは、電極200a、400a、200b、400bは比較的薄い(例えば、基板が実質的に平面の表面に適応するように配置される場合、それは、20~50ミクロン以下の第2の横軸に沿った範囲を有し得る)ことを意味する。より薄い電極を使用して、適応性の程度をさらに高め(例えば、1mm以下)、及び表面に付着させる(又は少なくとも部分的に埋め込まれる)こともできる。
電極200、400は、金、白金、白金黒、TiN、IrO2、イリジウム、及び/又は白金/イリジウム合金及び/又は酸化物などの導電性材料を含み得る。Pedotなどの導電性ポリマーも使用できる。好ましくは、生体適合性の導電性材料が使用される。PCB/メタライズ技術を使用して、1つ又は複数のポリマー基板層の第1の310及び/又は第2の330表面上又はその中でそれらを製造することができる。
電極200a、200b、400a、400bについては、金属を溶解する可能性のある生体物質にさらされる可能性があるため、より厚い金属層が一般に、薄い金属層よりも好ましい。ただし、金属層が厚いと、通常、厚い層の近くで剛性が増加する(適応性が低下する)。
刺激装置100は、最初に皮下トンネルを作成することによって、及び/又はインプラントツールを使用することによってインプラントされ得る。ただし、高度な適応性により、インプラントの成功がより困難になる可能性がある。適切な挿入ツールを使用している場合でも、電極の位置は、ずれ、インプラント中のリードの変位、又はインプラント後のリードの変位のために、後で正しくないことがわかる場合がある。
電極アレイ200、400を含む少なくとも遠位端が埋め込まれる。しかしながら、刺激装置100をインプラントすることが有利であり得る。
さらに、インプラント中に、刺激のための所望の位置を正確に特定することが難しい場合がある。インプラント後、刺激電極は刺激される神経の十分近くに配置されるべきである。しかし、神経経路は、インプラントを行う専門家に常にはっきりと見えるとは限らず、神経経路の性質と経路は人によって大きく異なる。
図1に示されるように、第1のタイプの200a、200bと第2のタイプの400a、400b電極との間に実質的なハードウェアの違いはない。機能の違いは、主にパルス発生器500の構成(1つ又は複数のハードウェア、ファームウェア、及び/又はソフトウェアパラメータ)によってこの実装で決定される。相互接続部250の配置及び経路指定により、電気的特性へのより小さい影響があり得る。
同じタイプ200a、200b又は400a、400bの1つ又は複数の結合電極は、パルス発生器500の適切な構成によって実質的に同じように動作させることができる。言い換えれば、電極200、400に適用される刺激エネルギーは、実質的に同じ時点で同じである(通常、電圧、電流、電力、電荷、又はそれらの任意の組み合わせとして測定される)。これは、ずれ及び/又はリードの変位を予測及び/又は修正するためにも使用できる。これにより、ソフトウェアを使用して構成を少なくとも部分的に実行できるため、有利である。
追加的又は代替的に、2つ以上の電極200、400は、刺激電極又は戻り電極としてパルス発生器500の1つ又は複数のパラメータを使用して構成及び配置され得る。これは、少なくとも2つの電極が所望の刺激位置に近接するように基板300をインプラントすることだけが必要になるので、より高度な構成可能性を提供し得る。
この実施形態100では、第1のタイプ200a、200bの電極は、名目上、刺激電極として動作するように構成及び配置されている。
第2のタイプ400a、400bの電極は、名目上、戻り電極として動作するように構成されている。それぞれは、使用中に、1つ又は複数の刺激電極200a、200bに電気的戻りを提供するように構成される。言い換えれば、電気的戻り400a、400bは電気回路を閉じる。対応する電気エネルギー源に電気的接地を提供するように同様に構成することもできる。
したがって、この公称構成に基づいて、次の3つの構成のいずれかが提供される:
-刺激/戻り電極対200a/400aは、その刺激/戻り位置で第1の表面310に近接している;又は
-刺激/戻り電極対200b/400bは、その刺激/戻り位置で第1の表面310に近接している;又は
-それらの組み合わせ。
一実施形態では、1つ又は複数の刺激電極200a、200bが、そのような刺激装置100に提供され得る。刺激電極200a、200bの数、寸法、及び/又は間隔は、治療に応じて選択及び最適化することができる。一実施形態では、2つ以上の刺激電極200a、200bが提供される場合、各刺激電極200a、200bは以下を提供することができる:
-異なる刺激効果、類似の刺激効果又は同じ刺激効果。
ずれを回避するために、効果が生じる組織に近接する1つ又は2つの電極200a、200bから選択を行うことができる。
より広い領域にわたる刺激、及び/又はアクティブな刺激電極200a、200bの間の位置での刺激が必要とされる場合、2つ以上の刺激電極200a、200bを実質的に同時にアクティブにすることができる。
一実施形態では、刺激電極200a、200bは、長手方向軸600に沿って6~8mm、及び第1の横軸700に沿って3~5mmの大きさ、したがって約18~40平方ミリメートル(mm2)の寸法を有し得る。
一実施形態では、インプラント刺激装置に適した箔状基板300は、15cmの長さにわたって最大12個の刺激200a、200b及び戻り400a、400b電極を含み、ずれの補正を可能にするか、又は単に専門家が最も効果的な刺激場所を選択できるようにすることができる。
一実施形態では、図1Bは、図1Aに示される箔状基板300のインプラント可能な遠位端(又は部分)の第2の表面320の図を示す。言い換えれば、第2の表面320は、紙面に描かれ、長手方向軸600(下から上に描かれる)に沿って、及び第1の横軸700(左から右に描かれる)にある。第2の横軸750は、紙面内に延びる。第1の表面310は、図1Bに示されるが、第2の横軸750に沿って(紙面内に)より高い位置にあり、また、図面の平面に実質的に平行である。箔状基板300は、実質的に平面の表面に適応するように配置されている。
パルス発生器500は、第2の320表面と第1の310表面との間に配置(又は配置)され得る。図1B及び1Cでは、点線で示されている。あるいは、パルス発生器500は、少なくとも部分的に第1の表面310又は第2の表面320上に配置され得る。あるいは、パルス発生器500は、少なくとも部分的に第1の表面310又は第2の表面320に埋め込まれ得る。
埋め込みの程度及びパルス発生器500に使用される1つ又は複数の電気部品に応じて、最大厚さを最適化することができる。厚さを最小限に抑えるために、構成部品を薄くすることができる。基板300が適応性及び/又は箔状に構成及び配置されている場合、パルス発生器500に近接する基板の部分におけるインプラント刺激装置100の最大厚さは、5mm以下、好ましくは4mm以下、さらに好ましくは3mm以下であり得る。厚さは、インプラント刺激装置100が実質的に平面の表面に適応するとき、外側の平面上の対応する点の間の垂直距離によって決定される。コイル又はダイポール又はフラクタルアンテナを含むアンテナなどの追加の任意選択の電気部品も、それらが基板に埋め込まれる程度に応じて厚さに影響を与える可能性がある。
刺激装置100及び箔状基板300は、第1の横軸700に沿って延びる(実質的に平面の表面に適応する場合の刺激装置100/箔状基板300の平面幅と見なされる)。図示のように、パルス発生器500に近接する基板の一部の平面幅は、箔状基板300の遠位端(又は部分)の電極200a、200b、400a、400bに近接する基板の別の部分の平面幅よりも大きくてもよい。パルス発生器500に近接する平面幅は、パルス発生器500に使用されるハードウェア及び構成要素に依存し得る。通常、それは、少なくともパルス発生器500に使用される集積回路の幅である。コイル又はダイポールを含むアンテナ又はフラクタルアンテナなどの追加の任意選択の電気部品も、平面幅に影響を与える可能性がある。
一実施形態では、電極200a、200b、400a、400bに近接する平面幅は、電極200a、200b、400a、400b及び1つ又は複数の相互接続部250に使用される導体に依存し得る。一実施形態では、平面幅は、少なくとも第1の電極200a、200b又は第2の電極400a、400bの幅である。
一実施形態では、図1Cは、図1A及び1Bに示される箔状基板300のインプラント可能な遠位端(又は部分)の第1の表面310の図を示す。言い換えれば、第1の表面310は、紙面に描かれ、長手方向軸600(下から上に描かれる)に沿って、及び第1の横軸700(右から左に描かれる)に沿う。第2の横軸750は、紙面外に延びる。これは、刺激された(使用中の)動物又はヒトの組織に面した図である。第2の表面320は、図1Cには示されていないが、第2の横軸750に沿って(紙面内に)より低い位置にあり、また、図面の平面に実質的に平行である。箔状基板300は、実質的に平面の表面に一致するように配置されている。
図1Aに示されるように、1つ又は複数の相互接続部250は、第1の310表面と第2の320表面との間に配置(又は位置)される。図1Cに示されるように、それらは点線として示され、この実施形態の電極200a、200b、400a、400bのそれぞれに提供された相互接続部250(又は適切に構成された1つ又は複数の相互接続層250)を表す。単一の点線250は、パルス発生器500と電極200、400との間に描かれ、実施形態100において、相互接続部250が第1の横軸700に沿ってほぼ同じ配置にあることを示す。
図1Cに示されるように、電極200a、200b、400a、400bはそれぞれ、長手方向軸600に沿った長手方向の範囲(長さ)及び第1の横軸700に沿った横方向の範囲(幅)を有する。
同様に描かれているが、実際には、各電極200a、200b、400a、400bは、使用目的及び/又は所望の構成可能性の程度に応じて、形状、横断面、配向及び/又はサイズ(又は範囲)が異なり得る。
刺激装置100、又は少なくとも電極アレイ200、400を含む遠位端(又は部分)のインプラント後、パルス発生器500は、使用中に、第2のタイプ400a、400bの1つ又は複数の結合電極に適用される電気的戻りに関して、第1のタイプ200a、200bの1つ又は複数の結合電極に電気エネルギーを提供するように構成及び配置され得る。
刺激装置100の構成可能性は、電極アレイ200、400を含む少なくとも遠位端(又は部分)のインプラント前、インプラント中、及び/又はインプラント後に、1つ又は複数の電極200a、200b、400a、400bの動作が決定及び/又は適合されることを可能にする。治療を最適化及び/又は延長するために、刺激装置100がインプラントされている期間中に、操作を1回又は複数回再構成することもできる。
一実施形態では、パルス発生器500は、最初に、200a及び400aをそれぞれ刺激/戻り電極対として名目上動作するように構成され得る。少なくとも遠位端200、400のインプラント後、不十分な刺激が観察及び/又は測定され得る。これが主に長手方向のずれが原因であると想定される場合、パルス発生器500は、1つ又は複数のパラメータを使用して、200b及び400bをそれぞれ刺激/戻り電極対として名目上動作するように代替的に構成され得る。
刺激装置100は、これらの構成の間で所定の及び/又は制御された条件下でパルス発生器500を切り替えるようにさらに構成及び配置され得る。これらの構成を第1及び第2の電極モードとしてさらに考慮し、ユーザーがモードを優先及び/又は切り替えモードとして選択できるようにすることが便利な場合がある。あるいは、パルス発生器500は、所定の及び/又は制御された条件下でモードを切り替えることができる。
追加的又は代替的に、パルス発生器500を以下で動作するように構成するために、他のモードも提供され得る:
-第1の電極モードとして、電気刺激エネルギーは、1つ又は複数の電気治療刺激パルスとして、第1のタイプ200a、200bの1つ又は複数の結合電極に提供され、第2のタイプ400a、400bの1つ又は複数の結合電極は、使用中に、1つ又は複数の第1の電極200a、200bに対応する電気的戻りを提供するように構成される;又は
-第2の電極モードとして、エネルギーは、1つ又は複数の電気治療刺激パルスとして第2のタイプ400a、400bの1つ又は複数の結合電極に提供され、第1のタイプ200a、200bの1つ又は複数の結合電極は、使用中に、1つ又は複数の第2の電極400a、400bに対応する電気的戻りを提供するように構成される。
この場合も、刺激装置100は、これらの構成又はモードの間で、所定の及び/又は制御された条件下でパルス発生器500を切り替えるようにさらに構成及び配置され得る。追加的又は代替的に、ユーザーは、優先及び/又は切り替えモードとしてモードを選択し得る。
当業者は、電極200a、200b、400a、400bが、以下のようなより複雑な構成で動作するように構成され得ることを理解できる:
-400a及び200aは、それぞれ刺激/戻り電極ペアとして操作できる(元の意図された動作を逆にする);
-400bと200bは、それぞれ刺激/戻り電極ペアとして操作できる;
-中程度の刺激が好ましい場合、2つ以上の電極200a、200b、400a、400bは、1つ又は複数の刺激電極として実質的に同時に動作し得る;
-1つ又は複数の電極200a、200b、400a、400bは、1つ又は複数の戻り電極として操作することができる;
-電極400aは刺激電極として動作し、組み合わせとして、電極200a及び電極200bを戻り電極として動作する;
-電極400a及び400bは刺激電極として動作し、組み合わせとして、電極200a及び電極400bを戻り電極として動作する。
代替的又は追加的に、1つ又は複数の刺激電極の形状、配向、横断面、及び/又はサイズ(又は長さ)は、1つ又は複数の戻り電極と比較して異なって構成され得る。
適応性のために電極アレイ200、400に近接する箔状基板300の一部を構成及び配置するときに、以下のようないくつかのパラメータ及び特性を考慮することができる:
-1つ又は複数の電極200a、200b、400a、400bの横方向700及び/又は長手方向の範囲600
-箔状基板300の厚さ、又は第1の表面310と第2の表面320との間の垂直距離
-箔状基板300に含まれる材料とその物性
-第1の表面310と第2の表面320との間の相互接続部250及び/又は相互接続層250の数及び範囲。
円筒形のリードなどの従来のリードをはるかに薄くして、皮下インプラントを可能にし、及び/又は平坦化することによって快適さを高める試みがなされてきた。しかし、平坦化された電極の表面積は不利に小さくなる可能性がある。
非限定的な例では、1cmの長さの電極を備えた従来の0.2mmの丸いリードは、約6mm2の電極表面を有する電極をもたらすと推定される。
しかしながら、本明細書に記載の適応電極アレイを使用して、厚さ0.2mm、幅4mmの寸法を有する薄い基板300を、同じ長さで約35mm2の電極表面を提供するように構成及び配置することができる。これにより、インピーダンスが約35/6の係数で減少し、消費電力が約35/6に減少すると推定される。
一実施形態では、図2A、2B及び2Cは、インプラント刺激装置の第2の実施形態101を通る縦断面を示している。これは、以下の点を除いて、図1A、1B、及び1Cに示される第1の実施形態100と同様である:
-第1の表面310に含まれる4つの電極の代わりに、この実施形態は、第1の表面310に2つの電極(名目上、第1のタイプ200aの電極、及び名目上、第2のタイプ400aの電極)を含む。近位端から遠位端まで、描かれている順序は200a、400aである。言い換えれば、第1のタイプ200aの電極は、第1の表面310において第2のタイプ400aの電極に近接している。
-刺激装置101の遠位端はまた、第2の表面320に2つの電極(名目上、第1のタイプ200bのさらなる電極、及び名目上、第2のタイプ400bのさらなる電極)を含む。近位端から遠位端まで、描かれている順序は200b、400bである。言い換えれば、第1のタイプ200bの電極は、第2の表面320において第2のタイプ400bの電極に近接している。
-図2Bでは、第2の表面320の図は、その表面に含まれる2つの電極200a、400aを示しており、1つ又は複数の相互接続部250は、点線を使用して示されている。
-図2Cでは、第2の表面320の図は、その表面に含まれる2つの電極200b、400bを示しており、1つ又は複数の相互接続部250は、点線を使用して示されている。
この実施形態101では、第1のタイプ200a、200bの電極は、名目上、刺激電極として動作するように構成及び配置され、第2のタイプ400a、400bの電極は、名目上、戻り電極として動作するように構成される。
したがって、3つの主要な構成が提供される:
-刺激/戻り電極対200a/400aは、第1の表面310に近接している;又は
-刺激/戻り電極対200b/400bは、第2の表面320に近接している;又は
-それらの組み合わせ。
これは、箔状基板300のインプラント可能な遠位端が標的組織の「上」又は「下」(神経の「上」や「下」など)にあり得るかどうかが不確かである場合に有利であり得る。これは、インプラント後に、各公称構成で刺激を試み、神経刺激の存在を観察及び/又は測定することによって決定することができる。
上で論じたように、図1A、1B及び1Cに関連して、各電極200a、200b、400a、400bは、1つ又は複数の刺激電極として動作するか、1つ又は複数の戻り電極として動作することができる。
一実施形態では、図3A、3B及び3Cは、インプラント刺激装置の第3の実施形態102の縦断面を示している。これは、以下の点を除いて、図2A、2B、及び2Cに示されている第2の実施形態101と同様である:
-相互接続部250は、図3Aに示されるように、第2の横軸750に沿ってほぼ同じ配置で配置される。線250は、それらが同じ長手方向断面にあるように描かれていないことを示すためにハッチングされている。第1の横軸700に沿って実質的に異なる位置に配置された相互接続部250がある;
-相互接続部250は、図3B及び3Cに示されるように、電極アレイ200、400とパルス発生器500との間の2つの隣接する破線として、第1の横軸700に沿って実質的に異なる配置で配置される;
-第1の表面310に第1の200及び第2のタイプ400の電極を名目上含む代わりに、第1の表面310は、名目上第1のタイプ200の第1の200a及び第2の200b電極を含む;
-第2の表面320に第1の200及び第2のタイプ400の電極を名目上含む代わりに、第2の表面320は、名目上第2のタイプ400の第1の400a及び第2の400b電極を含む。
この実施形態102では、第1のタイプ200a、200bの電極は、名目上、刺激電極として動作するように構成及び配置され、第2のタイプ400a、400bの電極は、名目上、戻り電極として動作するように構成される。
したがって、3つの主要な構成が提供される:
-第1の表面310と第2の表面320との間を刺激するための刺激/戻り電極対200a/400aは、この電極対の位置に近接している;又は
-第1の表面310と第2の表面320との間を刺激するための刺激/戻り電極対200b/400bは、この電極対の位置に近接している;又は
-それらの組み合わせ。
これは、長手方向のずれを修正したり、又は単に医療専門家が最も効果的な刺激位置を選択できるようにするために有利な場合がある。
上で論じたように、図2A、2B及び2Cに関連して、各電極200a、200b、400a、400bは、1つ又は複数の刺激電極として動作するか、1つ又は複数の戻り電極として動作することができる。
追加的又は代替的に、同じタイプ200a、200b又は400a、400bの1つ又は複数の電極は、1つ又は複数の相互接続部250を適切に構成することによって互いに電気的に接続され得る。その後、それらは実質的に同じように動作する。これは、長手方向のポジショニングは感度が低いため(刺激は長手方向及び/又は横方向のより大きい範囲で提供される)、ずれ及び/又はリードの移行を予測及び/又は修正するために使用できる。
図4A、4B及び4Cは、本明細書に記載されるようなインプラント刺激装置100、101、102に含まれるのに適した代替の電極アレイ200、400の構成を示す。
図4Aは、刺激装置のさらなる実施形態103のインプラント可能な遠位端を示す。図1Cに示される遠位端と同様に、第1の表面310は、第1のタイプの2つの電極200a、200b及び第2のタイプの2つの電極400a、400bを含む。近位端から遠位端まで、描かれている順序は、200a、400a、200b、400bである。言い換えれば、第1のタイプ200a、200bの各電極は、第2のタイプ400a、400bの電極に近接しており、同じ表面310に含まれる。
図4Aに示される遠位端は、以下の点を除いて、図1Aに示したものと同じである:
-電極200、400は、長手方向軸600に対してある角度で延びる。これは、組織刺激が提供され得る長手方向の位置が増加するため、長手方向のずれに対する感度を低下させ得る。
追加的又は代替的に、第2の表面320は、同様に、第1のタイプの2つの電極200a、200b、及び第2のタイプの2つの電極400a、400bを含み得る。
上記のように、各電極200a、200b、400a、400bは、1つ又は複数の刺激電極として動作するか、1つ又は複数の戻り電極として動作することができる。
図4Bは、刺激装置のさらなる実施形態104のインプラント可能な遠位端を示す。図1Cに示される遠位端と同様に、第1の表面310は、4つの電極を含む。ただし、この実施形態104では、第1の表面310は、
第1のタイプの4つの電極200a、200b、200c、200d及び第2のタイプの電極400を含む。近位端から遠位端まで、描かれている順序は200a、200b、200c、200dである。第1のタイプ200の4つの電極に横方向に隣接するのは、第2のタイプ400の電極であり、第1のタイプ200の各電極に隣接するように長手方向に延びる。
名目上、第1のタイプ200の電極は、1つ又は複数の刺激電極として動作させることができる。第2のタイプ400の電極は、名目上、1つ又は複数の刺激電極の戻り電極として動作させることができる。
これは、組織刺激が提供され得る刺激のために選択され得る4つの異なる長手方向の位置が増加されるので、長手方向のずれに対する感度を低下させる可能性がある。
追加的又は代替的に、第2の表面320は、同様に、第1のタイプの4つの電極200a、200b、200c、2003と、第2のタイプの1つの隣接する長手方向に延びる電極400とを含み得る。
上記のように、各電極200a、200b、200c、200d、400は、1つ又は複数の刺激電極として動作するか、1つ又は複数の戻り電極として動作することができる。
図4Cは、刺激装置のさらなる実施形態105のインプラント可能な遠位端を示す。図4B示される遠位端と同様に、第1の表面310は、第1のタイプの4つの電極200a、200b、200c、200dを含む。しかしながら、この実施形態105では、第1の表面310は、第2のタイプの4つの隣接する電極400a、400b、400c、400dをさらに含む。近位端から遠位端まで、描かれている順序は200a/400a、200b/400b、200c/400c、200d/400dである。第1のタイプ200の4つの電極のそれぞれに横方向に隣接するのは、長手方向軸600に沿ってほぼ同じ配置にある第2のタイプ400の電極である。
名目上、第1のタイプ200の電極は、1つ又は複数の刺激電極として動作させることができる。第2のタイプ400の電極は、名目上、1つ又は複数の刺激電極の戻り電極として動作させることができる。名目上、隣接する電極は、刺激/戻りペア200/400と見なすことができる。
言い換えれば、2×4の電極アレイ(横軸に沿って2つ、長手方向軸に沿って4つ)が提供される。
これにより、4つの異なる刺激/戻り200/400ペアが実質的に異なる長手方向の位置に提供され、組織刺激が提供され得る刺激のために選択され得るものが増加するため、長手方向のずれに対する感度が低下し得る。
追加的又は代替的に、第2の表面320は、同様に、第1のタイプの4つの電極200a、200b、200c、200dと、第2のタイプの4つの隣接する電極400a、400b、400c、400dとを含み得る。
上記のように、各電極200a、200b、200c、200d、400a、400b、400c、400dは、1つ又は複数の刺激電極として動作するか、1つ又は複数の戻り電極として動作することができる。これにより、横方向のずれに対する感度も低下し得る。
刺激装置100、101、102、103、104、105はさらに、
関連するエネルギー送信機が近接しているときに、関連するエネルギー送信機からワイヤレスでエネルギーを受信するように構成及び配置されたエネルギー受信機を含み得、パルス発生器500は、その動作のためにエネルギー受信機から電気エネルギーを受け取るようにさらに構成及び配置される。
図5及び図6は、頭痛又は原発性頭痛などの病状を治療するための神経刺激を提供するために、刺激装置100、101、102、103、104、105の適切に構成されたインプラント可能な遠位端を使用して刺激され得る神経の構成を示す。
図5は、適切に構成された機器を使用して電気的に刺激され得る左眼窩上神経910及び右眼窩上神経920を示している。図6は、適切に構成された機器を使用して電気的に刺激することもできる、左大後頭神経930及び右大後頭神経940を示している。
刺激される領域のサイズ及びインプラントされる機器の部分の寸法に応じて、治療に必要な電気刺激を提供するための適切な位置が決定される。刺激装置100、101、102、103、104、105を含む刺激装置の遠位部分のおおよそのインプラント位置は、以下の領域として示される:
-片頭痛や群発頭痛などの慢性頭痛を治療するための、左眼窩上刺激用の位置810及び右眼窩上刺激用の位置820。
-片頭痛、群発頭痛、後頭神経痛などの慢性頭痛を治療するための、左後頭刺激のための位置830a又は830b、右後頭刺激のための位置840a又は840b。刺激のための位置830b、840bは、(外部)後頭隆起イニオンよりも上(「上」)に位置している。
多くの場合、これらは、インプラント刺激装置100、101、102、103、104、105のおおよその位置810、820、830a/b、840a/bになる。
インプラントの位置ごとに、810、820、830a/b、840a/bの個別の刺激システムを使用できる。インプラント位置810、820、830a/b、840a/bが互いに近接しているか、又は重なり合っている場合、単一の刺激システムは、複数のインプラント位置810、820、830a/b、840a/bで刺激するように構成され得る。
複数の刺激装置100、101、102、103、104、105は、必要な治療を提供するために、別々に、同時に、連続して、又はそれらの任意の組み合わせで操作することができる。
図7は、他の状態を治療するための神経刺激を提供するために、適切に構成された改良されたインプラント刺激装置100、101、102、103、104、105を使用して刺激され得る神経のさらなる構成を示す。図5及び図6に示される位置(810、820、830、840)は、図7にも示されている。
刺激される領域のサイズ及びインプラントされる機器の部分の寸法に応じて、治療に必要な電気刺激を提供するための適切な位置が決定される。刺激電極を含む刺激装置の部分のおおよそのインプラント位置は、以下の領域として示される:
-てんかんを治療するための皮質刺激のための場所810;
-パーキンソン病患者の振戦制御治療のための脳深部刺激療法;ジストニア、肥満、本態性振戦、うつ病、てんかん、強迫性障害、アルツハイマー病、不安神経症、過食症、耳鼻咽喉科、外傷性脳損傷、トゥーレット、睡眠障害、自閉症、双極性障害の治療;脳卒中回復のための場所850;
-てんかん、うつ病、不安神経症、過食症、肥満、耳鼻咽喉科、強迫性障害、心不全、クローン病、関節リウマチを治療するための迷走神経刺激のための場所860;
-高血圧を治療するための頸動脈又は頸動脈洞刺激のための場所860;
-睡眠時無呼吸を治療するための舌下神経及び横隔神経刺激のための場所860;
-慢性的な首の痛みを治療するための脳脊髄刺激のための場所865;
-四肢の痛み、片頭痛、四肢の痛みを治療するための末梢神経刺激のための場所870;
-慢性腰痛、狭心症、喘息、一般的な痛みを治療するための脊髄刺激のための場所875;
-肥満、過食症、間質性膀胱炎の治療のための胃刺激のための場所880;
-間質性膀胱炎の治療のための仙骨及び陰部神経刺激のための場所885;
-尿失禁、便失禁の治療のための仙骨神経刺激のための場所885;
-膀胱制御治療のための仙骨神経調節のための場所890;及び
-歩行又は下垂足を治療するための腓骨神経刺激のための場所895。
治療できる他の病状には、胃食道逆流症、自己免疫疾患、炎症性腸疾患、及び炎症性疾患が含まれる。
基板100及び電極アレイ200、400の適応性及び減少した厚さは、1つ又は複数の神経、1つ又は複数の筋肉、1つ又は複数の臓器、脊髄組織、脳組織、1つ又は複数の皮質表面領域、1つ又は複数の脳溝、及びそれらの任意の組み合わせの刺激に非常に有利な1つ又は複数のインプラント刺激装置100、101、102、103、104、105を作る。
図1から図4に関連して上記で説明したインプラント刺激装置100、101、102、103、104、105は、一般に、改善された適応性のために構成及び配置された実施形態として説明することができる。
刺激装置100、101、102、103、104、105はさらに変更され得る。非限定的な例では:
-箔状基板300及びパルス発生器500の一部は、以下に記載されるような、1つ又は複数の可撓性生体適合性封止層に埋め込まれ得る。これらの層は、液晶ポリマー(LCP)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、シリコーンポリウレタン、ポリイミド、パリレン、生体適合性ポリマー、生体適合性エラストマー、及びそれらの任意の組み合わせを含み得る。
図8~12に関連して以下に説明するインプラント電気機器1100、1101、1102は、一般に、封止を改善するために構成及び配置された実施形態として説明することができる。以下に説明するように、それらは、ある程度の刺激を提供するように構成及び配置されたインプラント医療機器1110、1111に含まれ得る。
図11Aは、改良されたインプラント電気又は電子機器1100の断面を示している。それは、
第1の表面1410及び1つ又は複数の導電体1210を有する基板1400を含む。
任意選択で、基板1400は実質的に生体適合性であり得る。しかし、1つ以上の封止層1310の使用は、生体適合性、部分的に生体適合性、又は顕著な生体適合性ではない基板1400及び導電体1210を使用することを可能にし得る。
一般に、材料又は層の生体適合性の程度は、組織反応の程度及びそれが生体安定性であると見なされる期間の長さを測定することによって決定することができる。組織反応の程度が低い、及び/又は生体安定性の期間が長い場合は、生体適合性が高いことを示す。
基板1400は、実質的に可撓性であるようにさらに構成及び配置される。言い換えれば、基板は、実質的に、柔軟であるか、可撓性であるか、又は順応性(又は適応性)を有する。可撓性の程度は、次のようなパラメータを使用して調整できる:
-機器1100要素の寸法、及び/又は
-望ましい特性を持つ材料及び物質の包含、及び/又は
-使用される材料と物質の組み合わせ、及び/又は
-使用される材料及び物質の割合、及び/又は
-くぼみ、開口部、開孔部、補強材の包含。
追加的又は代替的に、当業者は、可撓性の程度が、図1~4に関連して説明された基板300について上記で説明されたパラメータを使用して適応され得ることを理解できる。
1つ又は複数の導電体1210は、非常に概略的に描かれている。それらは、例えば、単一のポリマー層を有し、半導体産業から知られている適切な堆積技術を使用して導電性材料を適用することによって、基板1400に埋め込まれるか又は堆積される導体であり得る。金属などの1つ又は複数の導体1210は、必要に応じて、例えば、1つ又は複数の導電性要素(ワイヤ、ストランド、箔、薄層、プレート、及び/又はシート)で形成することができる。任意選択で、1つ又は複数の導体を、基板1400の外面の間に配置することができる。
機器1100はさらに、
-ポリジメチルシロキサン(PDMS)ゴムを含む第1の生体適合性封止層1310;及び
-第1の接着層1510を含む。
本開示の文脈において、セラミックは、比較的高度の熱安定性、耐摩耗性、及び耐食性を提供する、高度なセラミック及び/又は工業用セラミックと見なされるべきである。
最も適切なセラミック材料は、封止材層及び/又は基板への高度の接着性を有し、比較的均一なコーティングで適用されて、水分に対する比較的低い程度の透過性を提供することができるものである。この文脈でのセラミック材料は、無機、非金属、又は金属、多くの場合結晶性の酸化物、窒化物、又は炭化物の材料であり得る。カーボンやシリコンなどの一部の元素もセラミックと見なされる。非金属セラミックは、非金属元素と金属元素の両方を含み得る。
任意選択で、第1の接着層1510は、実質的に生体適合性であり得る。しかしながら、1つ以上の封止層1310の使用は、生体適合性、部分的に生体適合性、又は著顕著な生体適合性ではない1つ以上の接着層1510を使用することを可能にし得る。
第1の接着層1510及び第1の封止層1310は、ヒト又は動物の体から第1の表面1410の少なくとも一部への流体の侵入に抵抗するように構成及び配置される。構成及び配置は、以下でさらに説明される。
図11Aに示されるように、この断面における接着/封止層1510/1310の範囲は、基板1400の範囲よりも小さくてもよい。一般に、接着/封止層1510/1310の範囲は、基板1400の範囲よりも大きいか、等しいか、又は小さくてもよい。接着層及び封止層の「より大きい」実施形態が図11Cに示されている。接着層及び封止層のさらなる「より小さい」実施形態が図11B及び12Aに示されている。
一般に、流体の侵入から保護されている第1の表面1410の部分は、接着/封止層1510/1310の範囲以下である。
図11Aに示されるように、この断面における接着層1510の範囲は、封止層1310の範囲よりも小さい場合がある。いくつかの構成では、接着層1510のエッジが少なくとも部分的に封止される1310ので、これは有利である。一般に、接着層1510の範囲は、封止層1310の範囲よりも大きいか、等しいか、又は小さくてもよい。さらに「より小さい」実施形態が図11C及び12Aに示されている。基板の「等しい」部分が図12Bに示されている。
好ましい実施形態では、接着層1510の範囲は、封止層1310の範囲以上である。これは、基板1400の表面1410と直接接触する封止材1310の表面積が大幅に減少するので、特定の構成において有利であり得る。場合によっては、この表面積は実質的にゼロであり、流体の侵入の可能性をさらに低減する。「実質的にゼロ」の実施形態が図11Cに示され、基板の一部が図12Bに示されている。
図11Bは、別のインプラント電気又は電子機器1101を示している。これは、以下をさらに含む点を除いて、図11Aに示されているインプラント電気機器1100と同じである:
-第2の表面1420;
-ポリジメチルシロキサン(PDMS)ゴムを含む第2の生体適合性封止層1320;及び
-第2の平面1420と第2の封止層1320との間に配置された、セラミック材料を含む第2の接着層1520。第2の接着層1520は、第2の表面1420に適応するようにさらに構成及び配置される。言い換えれば、それは適応層である。
第2の接着層1520及び第2の封止層1320は、ヒト又は動物の体から第2の表面1420の少なくとも一部への流体の侵入に抵抗するように構成及び配置される。構成及び配置は、以下でさらに説明される。
第2の封止層1320は、第1の封止層1310と実質的に同一であるか、高度に類似しているか、又は実質的に異なっていてもよい。
第2の接着層1520は、第1の接着層1510と実質的に同一であるか、高度に類似しているか、又は実質的に異なっていてもよい。
第1の表面1410及び第2の表面1420は、図11Bでは基板の対向する面として描かれているが、以下のような他の組み合わせが可能である:
-第1の接着/封止層1310/1510及び第2の接着/封止層1320/1520を第1の表面1410の異なる領域に適用する;
-第1の接着/封止層1310/1510及び第2の接着/封止層1320/1520を第2の表面1420の異なる領域に適用する;
-第1の表面1410及び第2の表面1420が互いに隣接している;
-第1の表面1410及び第2の表面1420が互いに反対である;
-第1の表面1410及び第2の表面1420が互いに所定の角度にある;
-第1の表面1410及び第2の表面1420が互いに実質的に垂直である。
図11Cは、さらなるインプラント電気又は電子機器1102を示す。これは、この断面では、以下の点を除いて、図11Aに示されているインプラント電気機器1100と同じである:
-基板1400は、4つの保護された表面を含み、各表面は、さらなる接着層1500及びさらなる封止層1300によって保護されている;
-さらなる接着層1500の範囲は、各保護された表面の基板1400の範囲よりも大きい;
-さらなる封止層1300の範囲は、各保護された表面の基板1400の範囲よりも大きい;そして
-さらなる接着層1500の範囲は、各保護された表面の封止層1300の範囲よりも小さい。
機能的には、さらなる封止層1300は、図11Bに示される第1の1310及び第2の1320封止層を含むと考えることもできる。
機能的には、さらなる接着層500は、図11Bに示される第1の1510及び第2の1520接着層を含むと考えることもできる。
機能的には、図11Cに示される基板1400は、図11Bに示される第1の1410及び第2の1420表面の保護された部分を含むと考えることもできる。しかしながら、図11Cに示される基板1400は、そのような保護された第1又は第2の表面に隣接して、2つ以上のさらに保護された表面を含む。
図11Cのさらなる封止層1300は、図11A又は11Bに示される第1の封止層1310と実質的に同一であるか、高度に類似しているか、又は実質的に異なっていてもよい。図11Cのさらなる封止層1300は、図11Bに示される第2の封止層1320と実質的に同一であるか、高度に類似しているか、又は実質的に異なっていてもよい。
図11Cのさらなる接着層1500は、図11A又は11Bに示される第1の接着層1510と実質的に同一であるか、高度に類似しているか、又は実質的に異なっていてもよい。図11Cのさらなる接着層1500は、図11Bに示される第2の接着層1520と実質的に同一であるか、高度に類似しているか、又は実質的に異なっていてもよい。
さらなる実施形態1102は、以下の理由で有利であり得る:
-流体の侵入から保護されている基板1400の表面の部分は、さらなる封止層1300の範囲よりも小さい;
-さらなる接着層1500のエッジは、実質的に封止されている1300;そして
-基板1400の表面と直接接触している封止材1300の表面積は、ほぼゼロであるか、又は実質的にゼロである。
PDMSへの高度の結合を提供するための特定の接着層1510、1520の適応性を確立するために実験が行われた。
A.サンプル準備
図10は、試験サンプル1130の断面を示している。
1)Ptメタライズ法を使用したIDC
インターデジタルコンデンサ(Interdigitated capacitor、IDC)1230を使用して、封止性能を評価した。中間の10nmチタン接着剤層を備えた1μm(1ミクロン)の厚さのプラズマ化学気相成長(CVD)SiO2層1435の上に、約600nmのPt(プラチナ)をスパッタした。これらのIDC1230の詳細については、「Silicone rubber encapsulation for an endoscopically implantable gastrostimulator, Lonys, Vanhoestenberghe, Julemont, Godet, Delplancke, Mathys and Nonclercq, Med. Biol. Eng. Comput. 53 319-29, 2015」にある。このSiO2層1435は、シリコン基板1430上に提供された。
2)ALDコーティング
原子層堆積(Atomic layer deposition、ALD)は、ナノメートル厚の適応性コーティングを作成するために使用できるコーティングプロセスある。ALDコーティングは、PICOSUN(登録商標)R-200Advanced ALDリアクターを使用して、約1mbar(1hPa)の減圧(N2雰囲気)で適用した。
フィンランドのPicosunOyのR-200Advancedは、非常に高品質のALD膜蒸着を提供する。製造元は、Al2O3、TiO2、SiO2、Ta2O5、HfO2、ZnO、ZrO2、AlN、TiN、PtやIrなどの金属を含む堆積に適していると提案している。
これは、調整可能な300~3000Wの出力、2.45GHzの周波数を備え、ローディングチャンバーに取り付けられ、反応チャンバーに接続されたリモートマイクロ波プラズマジェネレーターで構成されている。6つの個別の注入口を持つ最大12のソースを使用できる。プラズマオプションが選択されている場合は7つである。前駆体源は、液体、気体、及び/又は固体の化学物質を含み得る。前駆体はまた、オゾン及び/又はプラズマを含み得る。リモートプラズマオプションにより、短絡及び/又はプラズマ損傷のリスクを大幅に低減した金属の堆積が可能になる。処理温度は一般に50~500℃である。プラズマは通常、約450℃まで、又は加熱されたサンプルホルダーで約650℃まで使用できる。
これは、ホットウォールと実質的に分離されたインレット及び機器で構成され、ウェーハ、3Dオブジェクト、及びナノスケールの造作のさまざまな材料上に適応できる比較的低粒子(又は実質的に粒子フリー)の処理を提供する。独自のPicoflow(商標)拡散エンハンサーを使用して、多孔質、貫通多孔質、高アスペクト比(最大1:2500)、及びナノ粒子サンプルでも高度な均一性を提供する。このエンハンサーは、プラズマ種の逆拡散を大幅に低減するために、中間スペースに保護ガスフローを提供する。
第1及び第2の元素を含む単分子層を形成するための適切なALDプロセスは、以下を含み得る:
-基板をサンプルとして反応空間にロードする;
-第1の元素を含むある量の第1の分子を反応空間に導入し、それにより、第1の分子の少なくとも第1の部分が基板の表面に吸着する;そして
-第2の元素を含むある量の第2の分子を反応空間に導入し、それにより、第2の分子の少なくとも第2の部分が基板の表面上の第1の部分と反応して、第1及び第2の元素を含む化合物の単分子層を形成する。
Picohot(商標)ソースシステム(PH-300)とR-200AdvancedのPicoSolutionオプションを使用して、高温及び室温でステンレス鋼の前駆体ボトルから前駆体を気化させた。Picohot(商標)300ソースシステムでは、最大300℃のソース加熱が可能であり、製造元は、ソース温度で少なくとも2mbarの蒸気圧を持つソース化学物質に適していると提案している。Picosolution(商標)600ソースシステムでは、液体前駆体を使用できる。製造元は、ソース温度で少なくとも10mbarの蒸気圧を持つソース化学物質に適していると提案している。
200℃の熱ALDプロセスは、2つの異なる前駆体材料(反応空間から余分な分子を除去するためにN2パージによって分離された)を使用してHfO2(二酸化ハフニウム)コーティング1530を構築するレイヤーバイレイヤー堆積法で用いられた。これは、基板1430、1435及びIDCセンサ1230の外面を実質的に覆う、図10のコーティング1530として示されている。
任意選択で約90分の安定化時間を200℃で使用した。約5nmの10層を適用して、約50nmのALD層を提供した。
ALDは、欠陥が少なく、及び/又はピンホールの形成が少ない極薄の適応性コーティングを作成するのに有利であると考えられている。また、ALDの堆積温度は200℃未満に保つことができ、これは、敏感なメタライズ及び/又はポリマーを組み込んだ機器に有利である。
3)PDMS封止
サンプルは、実質的に生体適合性のあるPDMS(MED2-6215、NuSil Carpinteria、USA)を含む層1330で封止された。
nusil.com/product/med-6215_optically-clear-low-consistency-silicone-elastomerから:
MED-6215は、光学的に透明で低濃度のシリコーンエラストマーである。それは、溶剤を含まず、粘度が比較的低い2つの部分として提供される。付加硬化化学により熱で硬化する。混合比は10:1である(パートA:パートB)。
MED-6215は、実質的に生体適合性があると考えられている。製造元は、29日を超える期間にわたってヒトへのインプラントに使用できることを提案している。
製造元は、MED-6215の以下を含むさまざまな基板への接着をさらに改善するためのプライマーとしてシリコーンプライマーNu-SilMED1-161を提案している:金属(ステンレス鋼、鋼、銅、アルミニウムなど)、セラミック材料、硬質プラスチック、及びその他のシリコーン材料。
MED-6215は医療グレードで入手可能である。すなわち、実質的に生体適合性があり、医療用インプラント機器での使用に適している。これは、すべての原材料、中間体、及び完成品(医療グレード用)が該当するGMP及び/又は適切な規制基準(cGMP21CFR§820(機器)、cGMP21CFR§210-211(薬剤/API)及びISO 9001)で製造されていることを確認することによって実現される。
封止にはディップコーティングプロセスを使用した。平均的な比較的低い粘度、例えば4000~7000cP(mPas)は、PDMSがサンプル上をより簡単に流れることを可能にしたことが確認された。PDMS 1330の厚さは、50~200μm(ミクロン)と推定された。
B.実験のセットアップ
ALDコーティングの寿命の信頼性は、層の適応性や接着性、イオン性媒体での安定性などの要因に依存し得る。これは、長時間のソークテスト後にIDCのインピーダンスを使用して測定された。
長時間の浸漬では、リン酸緩衝生理食塩水(PBS)をほぼ室温(約23℃)で使用した。
電気化学インピーダンス分光法(Electrochemical impedance spectrometry、EIS)を実行して、ALD及びALD-PDMSコーティングの性能を「Apparatus to investigate the insulation impedance and accelerated life-testing of neural interfaces, Donaldson, Lamont, Shah Idil, Mentink, Perkins, J. Neural Eng, 2018, 10.1088/1741 -2552/aadeac」に記載の方法で評価した。
測定では、周波数応答アナライザーと組み合わせてポテンシオスタットを備えたSolartron Modulabを使用した。測定は、IDC構造のコーム間の2セル電極構成で実行された。ファラデーケージも使用された。
III.結果と考察
A.測定結果
サンプルの調製と生理食塩水への浸漬の後、EIS測定を実施した。
図8A及び8Bは、3つのサンプルについてのEIS結果1700、1710を示している。
図8Aは、ボード線図1700を示しており、垂直(Y)軸に沿ったインピーダンスの大きさは101~1011|Z|Ωであり、水平(X)軸に沿った周波数は10-2~105Hzである:
露出したPt金属1701を備えた裸のIDCが、約10-2、5×106から104、102までほぼ直線を形成し、その後105、102までさらに直線が続く;
-HfO2ALD1702でコーティングされたIDCが、10-2、109から105、103までほぼ直線を形成し;そして
-ALD-PDMS二重層1703でコーティングされたIDCが、10-2、1011から105、105までほぼ直線を形成する。
図8Bは、ボード線図1710を示しており、垂直(Y)軸に沿った位相は0~-90°であり、水平(X)軸に沿った周波数は10-2~105Hzである:
露出したPt金属1711を備えた裸のIDCは、10-2、-20から100、-70から102、-80から10-4、-20から10-5、0を通過する曲線を形成し;
-HfO2ALD1712でコーティングされたIDCは、10-2、-60から100、-80から102、-90から10-4、-80から10-5、-70を通過する曲線を形成し;そして
-ALD-PDMS二重層1713でコーティングされたIDCは、10-2、-80から100、-90から102、-90から10-4、-80から10-5、-90を通過する曲線を形成する。
裸のIDC1701、1711の場合、中周波数帯域(100Hz~103Hz)では、位相1711は約-80°で比較的一定であるように見える。より低い周波数(約10-2Hz)では、分極抵抗が支配的であるように見え、その結果、位相は約-20°になる。これは、金属が電解液に完全にさらされていることを示していると考えられる。
ALDでコーティングされたIDC1702、1712は、比較的高いインピーダンス値を示すように見えた。これは、周波数範囲全体でより容量性の高い動作を示している。この静電容量は、誘電体として機能するALD層によって分離されたPt金属と電解質によって引き起こされると考えられる。金属への完全な適応性コーティング、又は流体の侵入に対する高い耐性は、EIS結果1700、1710で実質的に容量性の挙動をもたらすと考えられる。
ALD-PDMS二重層1703、1713の場合、インピーダンス1703及び位相1713の結果は、実質的に全周波数範囲にわたって実質的に容量性の挙動を示し、位相結果1713は約-90°に近い。
ALD層の層間剥離又は亀裂は、より多くの金属を電解質にさらす可能性があり、<10-1Hzの低周波数領域でより顕著に見られる、顕著に低いインピーダンス及び位相角をもたらす可能性があると考えられる。図8A及び8Bにおいて、ALD1702、1712とALD-PDMS二重層1703、1713との間の比較は、二重層封止されたIDC1703、1713について約2桁高いインピーダンス値1703を示している。さらに、位相結果1713は、実質的により容量性の挙動を示している。
さらに、ALD欠陥により露出した金属領域も、約1015Ω・cmの比抵抗を有するPDMSで封止される。ALDからのPDMSの著しい層間剥離は、水の凝縮を可能にし、コーム間に1つ又は複数の導電性経路をもたらすと考えられる。これにより、インピーダンスと位相角が低くなる場合があり、約<10-1Hzの低周波数領域でより顕著に見られる。
封止と接着性能の変化を追跡するために、すべてのサンプルで毎月EIS測定が行われた。時間の経過とともに監視する基準値として、約10-2Hzのインピーダンスと位相角を選択した。
図8C及び8Dは、450日間の浸漬にわたる2つのALDサンプル及び2つのALD-PDMSサンプルについての接着評価結果1720、1730を示している。図8A及び8Bに示される結果は、T=0日で測定された値と見なされた。
図8Cは、0~1011|Z|Ωまでの垂直(Y)軸に沿ったインピーダンスの大きさでの接着評価1720、及び水平(X)軸に沿った0~16か月の時間を示している:
-HfO2ALD1722a、1722bでコーティングされた2つのIDCは、0、109から16、109までほぼ直線を形成する。両方のサンプルで実質的に同じ結果が得られ、0~1か月と15~16か月での小さな偏差を除いて、線が実質的に重なっている;そして
-ALD-PDMS二重層1723a、1723bでコーティングされた2つのIDCは、0、1011から16、1011までほぼ直線を形成する。両方のサンプルで実質的に同じ結果が得られ、線が実質的に重なっている。
図8Dは、-30°~-90°までの垂直(Y)軸に沿った位相を伴う接着剤評価1730、及び水平(X)軸に沿った0~16か月の時間を示している:
-HfO2ALDでコーティングされた第1のIDC1732aは、0、-70から16、-65までほぼ直線を形成し;
-HfO2ALDでコーティングされた第2のIDC1732bは、0、-75から2、-63から4、-65から16、60までほぼ直線を形成し;
-ALD-PDMS二重層でコーティングされた第1のIDC1733aは、0、-83から2、-78から6、-80から16、-80までほぼ直線を形成し;そして
-ALD-PDMS二重層でコーティングされた第2のIDC1733bは、0、-80から2、-78から6、-77から10、-80から16、-78までほぼ直線を形成する。
ALDのみのサンプル1722、1732の場合、浸漬の最初の1か月後に位相角1732a、1732bの低下が測定され、ALD層の1つ又は複数の欠陥を介して流体が金属と接触したことが示唆された。長時間の浸漬中に、実質的に安定した結果が観察された。これは、イオン性媒体におけるHfO2接着層の実質的に高い安定性と、長期間にわたるPtへのHfO2の実質的に高度な接着を示していると考えられる。HfO2層の大幅な劣化は、インピーダンスの大きさ1720の大幅な低下など、比較的高い容量性の挙動を示すと予想されるが、これは観察されなかった。さらに、PtからのALD層の著しい層間剥離は、塩水にさらされている金属に起因する、実質的により抵抗性のある挙動をもたらすと予想されるが、これも観察されなかった。
ALDサンプル1722、1732の光学検査では、重大な層の変色や劣化が観察されなかったため、これらの結論を裏付けた。
したがって、ALD-PDMS二重層サンプル1723、1733の場合、実質的に安定した結果が長期間にわたって記録され、2つの層間の比較的高度な接着と、流体の侵入に対する実質的に高い耐性が示唆された。
B.結論
Ptは、生体適合性と安定性が高いため、導体及び/又は電極領域に広く使用される。ただし、PDMS、パリレン、エポキシなどの封止材のPtへの接着力が比較的弱いため、従来のシステムでは長期安定性が低下する可能性がある。
結果から、1つ又は複数のセラミック材料を含む接着層を追加することが有利である可能性があると考えられる。特に、平均厚さが約25nm~100nm、好ましくは約50nmのHfO2ALD層は、PtとPDMSとの間に実質的に安定した中間接着層を提供し得る。さらに、HfO2層とSiO2基板の間、特にPtフォークの間でも、比較的高度な付着性が測定された。
したがって、必要に応じて、他の材料を含む基板に、HfO2ALD層への接着を改善するために、SiO2及び/又はPtの層を設けることができる。
封止層1330及び接着層1530のALD-PDMS二重層は、特に有利であるように思われる:
-HfO2ALD接着層は、イオン性媒体で著しく高い安定性を示すように見られ、それにより、PDMS封止における層間剥離又は水の浸透に対して比較的長い耐性を提供する。
-封止中のかなりの期間、比較的低い平均粘度、例えば4000~7000cP(mPas)を有するPDMSは、ALD層の欠陥と開口部の間のPDMSの流れのため、さらにより長持ちする接着と欠陥の減少に貢献し得る
-PDMSタイプの材料は、生体適合性が比較的高いため、一般にインプラントに非常に適している。適切な選択と処理により、多くのPDMSタイプの材料は、実質的に生体適合性を持つように構成及び配置することができる。
基板1400に含まれる高分子材料は、好ましくは、可撓性があり、1つ又は複数の導電体1210を含む適応性のために選択される。好ましくは、ポリマー基板材料は、高度の生体適合性及び耐久性を有する。基板1400に含まれるのに適したポリマー材料には、図1~4に関連する適応性基板について上で述べたものが含まれる。特に、ポリイミド、パリレンC、SU-8、LCP、ポリウレタン、又はそれらの任意の組み合わせを使用することができる。
好ましくは、第1及び/又は第2の表面1410、1420は、顕著な量の1つ又は複数の液晶ポリマー(LCP)を含む。任意選択で、第1及び/又は第2の表面1410、1420は、実質的に1つ又は複数のLCPからなり得る。任意選択で、第1及び/又は第2の表面1410、1420は、本質的に1つ又は複数のLCPからなり得る。
次の表は、一般的なポリイミドと一般的なLCPのいくつかの物理的及び化学的特性を比較したものである。
有利には、例えばLCPを含む基板1400は、2500~3600MPa(2.5~3.6GPa)の範囲のヤング率を有する。
任意選択で、基板1400は、電気エネルギーが1つ又は複数の導電体1210に印加されるときにエネルギーを受け取るように構成された1つ又は複数の電気又は電子部品をさらに含むことができる。例えば、誘導結合、容量結合、又は直接接続することができる。これは、PCB技術を使用できるため、1つ又は複数のLCPを大量に含む基板で特に有利である。好ましくは、金又は白金などの生体適合性金属が使用される。
好ましくは、1つ又は複数の封止層1310、1320及び1つ又は複数の接着層1510、1520は、1つ又は複数の部品に近接する1つ又は複数の表面1410、1420の少なくとも一部への流体の侵入に抵抗するように構成及び配置される。
例えば、1つ又は複数の部品は以下であり得る:能動部品、受動部品、電子コンポーネント、集積回路(IC)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、アナログ部品、デジタル部品、面実装部品(SMD)、スルーホールパッケージ、チップキャリア、ピングリッドアレイ、ファットパッケージ、スモールアウトラインパッケージ、チップスケールパッケージ、ボールグリッドアレイ、スモールピンカウントパッケージ、フレキシブルシリコン機器、薄膜トランジスタ(TFT)、及びそれらの任意の組み合わせ。
1つ又は複数の電気部品は、次のように構成及び配置できる:抵抗、電荷の保存、誘導、感知、刺激、増幅、データの処理、検出、測定、比較、切り替え、時間、データの保存、カウント、振動、ロジックの実行、追加、刺激パルスの生成、及びそれらの任意の組み合わせ。
基板1400は、上記のようにある程度の適応性を有するようにさらに構成及び配置され得る。それらは箔状(又はフィルム状)ものであり、可撓性があることにより、基礎となる解剖学的特徴の輪郭に非常に密接に従うことができる。非常に薄い箔状基板1400は、それらが増加した可撓性を有するという追加の利点を有する。
本明細書に記載のインプラント電気機器1100、1101は、インプラント医療機器1110、1111に含まれ得る。例えば、そのような医療機器110、1111は、ある程度の感知、刺激、データ処理、検出又は測定、データ記憶、振動、論理性能、刺激パルス生成、又はそれらの任意の組み合わせを提供するように構成及び配置され得る。
図1~4に関連して上記で説明された実施形態、特にインプラント刺激装置101、102、103、104、105は、インプラント電気機器1100、1101、1102を含み得る。
図12Aに示されるように、改良されたインプラント医療機器1110は、図11Aに示されるインプラント機器1100を変更することによって提供され得る。これは、この断面では、以下の点を除いて、図11Aに示されるインプラント電気機器1100と同じである:
-基板1400は、3つの保護された表面を含み、各表面は、さらなる接着層1500及びさらなる封止層1300によって保護されている。3つの保護された表面は、2つの対向する保護された表面及びさらなる隣接する表面を含む;
-さらなる接着層1500の範囲は、2つの対向する保護された表面の基板1400の範囲よりも小さい。さらなる接着層1500の範囲は、第3の隣接する保護された表面の基板1400の範囲よりも大きい;
-さらなる封止層1300の範囲は、2つの対向する保護された表面の基板1400の範囲よりも小さい。さらなる封止層1300の範囲は、第3の隣接する保護された表面の基板1400の範囲よりも大きい;そして
-さらなる接着層1500の範囲は、各保護された表面のさらなる封止層1300の範囲よりも小さい。
機能的には、さらなる封止層1300は、図11Bに示される第1の1310及び第2の1320封止層を含むと考えることもできる。
機能的には、さらなる接着層1500は、図11Bに示される第1の1510及び第2の1520接着層を含むと考えることもできる。
しかしながら、図12Aに示される基板1400は、そのような保護された第1又は第2の表面に隣接する、さらに保護された表面を含む。
図12Aのさらなる封止層1300は、図11A又は11Bに示される第1の封止層1310と実質的に同一であるか、高度に類似しているか、又は実質的に異なっていてもよい。図12Aのさらなる封止層1300は、図11Bに示される第2の封止層1320と実質的に同一であるか、高度に類似しているか、又は実質的に異なっていてもよい。
図12Aのさらなる接着層1500は、図11A又は11Bに示される第1の接着層1510と実質的に同一であるか、高度に類似しているか、又は実質的に異なっていてもよい。図12Aのさらなる接着層1500は、図11Bに示される第2の接着層1520と実質的に同一であり得、高度に類似しているか、又は実質的に異なっていてもよい。
医療機器1110はさらに:
電気エネルギーが1つ又は複数の導電体1210に印加されたときにエネルギーをヒト又は動物の組織に伝達するように構成及び配置された1つ又は複数の刺激電極1220を含む。例えば、誘導結合、容量結合、又は直接接続することができる。図示の例では、1つ又は複数の刺激電極1220は、1つ又は複数の導電体1210に直接接続されている。多くの神経刺激用途では、複数の電極1220が必要とされ得る。これらは、図1~4に関連して上記で説明した電極200、400と同一、類似、又は異なり得る。
任意選択又は追加で、1つ又は複数のセンサ1230を同様に提供することができる。そのようなセンサ1230は、1つ又は複数の導電体1210に電気信号及び/又はデータを提供するように構成される。例えば、誘導結合、容量結合、又は直接接続することができる。電気的に相互接続された多層基板が提供されている場合、高度なカスタマイズが可能である。例えば、湿度、温度、電気抵抗、電気的活動など、操作に関連するパラメータを直接測定できる。
通常、神経刺激電極では、1つ又は複数の電極1220は、接地電極又は戻り電極として動作するように構成及び配置されている。これは、既存の電極の1つ、又は図1~4に関連して上記で説明した第1の200a、200b及び第2の400a、400b電極について上記で説明した1つ又は複数のさらなる電極であり得る。
当業者は、それらの機能には、十分に高度な電気的接続又はインプラント環境への曝露が必要であるため、そのような刺激電極1220及び/又は組織センサは、好ましくは、封止層1300及び/又は接着層1500によって完全に覆われていないことを理解できる。例えば、刺激電極1220及び/又は組織センサの少なくとも一部は、封止プロセス中にマスクされて、組織に向かって導電性表面を提供する。追加的又は代替的に、機器の一部は封止されなくてもよい。
図12Aは、刺激電極1220の実質的にすべてが実質的に覆われていない機器1110を示している。さらに、この断面では、基板1400の一部は実質的に覆われておらず、実質的に封止された部分と、1つ又は複数の電極1220を備えた実質的に封止されていない部分を備えた機器1100を提供する。2つの対向する表面のこの断面におけるさらなる接着層1500の範囲は、これらの表面のさらなる封止層1300の範囲よりも小さい。これは、さらなる接着層1500のエッジが少なくとも部分的に封止されている1300として有利であり得る。
この封止を、図1~4に関連して上記で説明したインプラント刺激装置に適用すると、一般に、1つ又は複数の電極200、400を備えた実質的に封止されていない部分、及びパルス発生器500を含む実質的に封止された部分が提供される。
図12Bは、医療機器1111のさらなる実施形態を示す。より具体的には、それは、1つ又は複数の電極1220を含む基板1400の一部を通る断面を示す。さらなる医療機器1111は、一般に、この断面では、以下の点を除いて、図12Aに示される機器1110と同じである:
-基板1400は、4つの保護された表面を含み、各表面は、さらなる接着層1500及びさらなる封止層1300によって保護されている;
-さらなる接着層1500の範囲は、各保護された表面の基板1400の範囲よりも大きい;
-さらなる封止層1300の範囲は、各保護された表面の基板1400の範囲よりも大きい;そして
-さらなる接着層1500の範囲は、各保護された表面の封止層1300の範囲よりも小さい。
この断面では、1つ又は複数の刺激電極1220の「一部」は、インプラント後の電気的接続又はインプラント環境への曝露を可能にするために完全には覆われていない。したがって、刺激電極1220に近い領域では、上記の一般的な説明がすべて完全に当てはまるわけではない。特に、この断面では:
-さらなる接着層1500は、刺激電極1220に隣接する基板1400の表面に適用されており、電極1220の表面のエッジ部分にも適用されている。これは、電極1220と基板1400との間の任意のインターフェイスでの侵入に対する追加の保護を提供し得る;そして
-さらなる封止層1300は、刺激電極1220に隣接する基板1400の表面に適用されている。しかし、電極1220の表面のエッジ部分には有意に適用されていない。
言い換えれば、電極1220の表面のエッジ部分におけるこの断面において、さらなる接着層1500の範囲は、さらなる封止層1300の範囲とほぼ同じである。
これは、電極1220の表面と直接接触するさらなる封止層1300の表面積が大幅に減少するので、特定の構成において有利であり得る。場合によっては、この表面積は実質的にゼロであり得る。
この封止を図1~4に関連して上記のインプラント刺激装置に適用すると、一般に、1つ又は複数の電極200、400の「一部」が実質的に封止された部分、及びパルス発生器500を含む実質的に封止された部分が提供される。
任意選択で、1つ又は複数の電極1220のエッジ部分におけるこの断面におけるさらなる封止層1300の範囲が、さらなる接着層1500の範囲よりも大きい場合、それは有利であり得る。いくつかの構成では、さらなる接着層1500のエッジが少なくとも部分的に封止されている1300として、これは有利であり得る。
したがって、1つ又は複数の刺激電極1220及び/又はセンサは、好ましくは、表面に含まれ、組織インターフェイスを提供するように構成及び配置される。
上記のように、「表面に含まれる」とは、電極1220が比較的薄く(例えば、基板が実質的に平面に適応し、横軸に沿った範囲を有する場合、基板の長手方向軸にほぼ垂直であり、20~50μm以下である。より薄い電極(例えば、1μm以下)を使用して、適応性の程度をさらに高めることができる。)、表面に付着している(又は少なくとも部分的に埋め込まれる)ことを意味する。
これは、PCB/金属化技術を使用して導電性領域(これは、電極1220及び/又はセンサ1230であるように構成及び配置され得る)を提供できるため、1つ又は複数のLCPを大量に含む基板で特に有利である。上記のように、金、白金、白金黒、TiN、IrO2、イリジウム、及び/又は白金/イリジウム合金及び/又は酸化物などの導電性材料が好ましく使用される。Pedotなどの導電性ポリマーも使用できる。好ましくは、生体適合性の導電性材料が使用される。
上記のように、電極1220には、金属を溶解する可能性のある生体物質にさらされる可能性があるため、一般に、薄い金属層よりも厚い金属層が好ましい。ただし、金属層が厚いと、通常、厚い層の近くで剛性が増加する(適応性が低下する)。
実験の第2のセットでは、NuSilからLCP基板へのPDMS MED2-4213の接着が、2つの異なる基板と2つの異なるPDMSキャスティングプロセスを使用して調査された。
接着性を評価するために、さまざまな方法が使用された。60℃でPBSに浸漬した後の剥離試験(乾燥)による接着評価、及びASTMD1876に基づく剥離試験である。
nusil.com/product/med2-4213_fast-cure-silicone-adhesiveから:
MED2-4213は、2液型、半透明、チキソトロピー、比較的高い押出速度、比較的高い引裂き抵抗、比較的速硬化性のシリコーン接着剤である。また、スズ(Sn)を実質的に含まないため、硬化するための大気中の水分の必要性が少なくなる。また、酢酸やメチルアルコールなどの硬化副産物を大量に含んでいない。
MED2-4213は、実質的に生体適合性があると考えられる。製造元は、29日を超える期間にわたってヒトへのインプラントに使用できることを提案している。典型的な化学的及び物理的特性は次のとおりである。
第1(1310)及び/又は第2(1320)の封止層が6~8MPaの範囲の引張強度を有する場合、それは有利であり得る。
NuSilは、多くのボンディング用途(アルミニウム、ガラス、PMMA、シリコーンを含む基板の場合)で、適切な接着性を向上させるためにシリコーンプライマーを使用する必要がないことを提案している。
ポリエーテルイミド、PEEK、プラスチック、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリウレタン、及びステンレス鋼を含む基板に接着する場合、プライマーの使用が製造元によって提案されている。
異なる処理方法と接着層を使用したLCP上のPDMSの接着特性を研究するために、2つの異なるテスト基板を使用した:
-タイプ1:片面にALDコーティングが施されたLCP3層基板
-タイプ2:片面にALDコーティングが施されたLCP2層積層基板。
一般に、インプラント電気機器を製造する場合は、できるだけ少ない手順で実行することが有利である。これにより、汚染や輸送関連の問題が発生するリスクが軽減され、1つ以上のコストが削減され得る。
比較的少ないステップのプロセスは、基板(ここではLCP)に直接取り付けられた電子機器のオーバーモールドに基づくことができる。ハードウェア構成によっては、使用するPDMSが次のような表面に十分に接着する必要がある場合がある:
-ワイヤボンディングの場合のASICパッシベーション層
-ASICフリップチップ又はACFマウントの場合はSi基板。Si基板は、ベアダイ部品を使用する場合の関連するインターフェイスの1つである。ベアダイ集積回路は、多くの場合、結晶シリコン半導体の薄いスライスであるウェーハ又は基板から作られる。ベアダイ部品を作成するために、この材料は多くの微細加工プロセスを経て集積回路になるが、片側は常に使用された原材料であり、ほとんどの場合結晶シリコンである。関連するインターフェイスは次のとおりである:
-ASIC相互接続
-ワイヤーボンド又はスタッドバンプからの金
-ボンドパッドにベアダイ部品を適用するための、しばしばエポキシベースである金粒子でコーティングされたACF(異方性導電フィルム)。
-基質。この場合、顕著な量のLCPを含む基質。
タイプ1LCP基板は、次のプロセスステップの1つ又は複数を使用して準備された:
a)基板の提供:これらの基板は、平均厚さが約0.150mmの実質的に平面状のLCPシートであった。基板は3つの層で構成されていた。ULTRALAM(登録商標)3908の2つの0.050mm層が、ULTRALAM3850の1つの0.050mm層によって分離された。
ULTRALAM(登録商標)3908LCPは、Rogers Corporation(www.rogerscorp.com)から入手でき、銅、他のLCP材料、及び/又は誘電体材料間の結合媒体(接着層)として使用できる。誘電率が低く安定しているのが特徴である。弾性率が比較的低く、屈曲用途での曲げが比較的容易で、吸湿性が比較的低くなっている。
それを、ULTRALAM(登録商標)3850LCPの1つ又は複数の層とともに使用して、実質的に接着剤のない実質的にすべてのLCP多層基板を作成できる。
ULTRALAM(登録商標)3908LCPの物理的及び化学的特性の一般的な値は次のとおりである。
ULTRALAM(登録商標)3850は、Rogers Corporation(www.rogerscorp.com)から入手でき、比較的耐高温性のあるLCPである。それは、ラミネート回路材料として使用するための二重銅クラッドラミネートとして提供され得る。製造元は、これらの製品を単層又は多層基板として使用することを提案している。ULTRALAM3850回路材料は、比較的低く安定した誘電定数と誘電損失を特徴としている。弾性率が比較的低く、屈曲用途での曲げが比較的容易で、吸湿性が比較的低くなっている。
ULTRALAM(登録商標)3908LCPの1つ又は複数の層とともに使用して、実質的に接着剤のない実質的にすべてのLCP多層基板を作成できる。
ULTRALAM(登録商標)3850LCPの物理的及び化学的特性の一般的な値は次のとおりである。
タイプ1LCP基板は、次のプロセスステップの1つ又は複数を使用してさらに準備された:
b1)IPAを使用した基板の少なくとも一部の任意選択の前洗浄と、それに続く乾燥。別の適切なアルコールも使用することができる。
b2)接着コーティングの適用:ALDを使用して、基板の外面(この場合、ULTRALAM(登録商標)3908LCPを含む表面)にコーティングを塗布した。約5nmのAl2O3と約5nmのHfO2の10の交互の層は、約100nmの多層をもたらした。ALDコーティングの範囲は、基板の範囲とほぼ同じであった。ALDコーティングは、上記のPICOSUN(登録商標)R-200Advanced ALDリアクターを使用して適用された。それは、LCPの溶融温度よりも実質的に低い温度で適用された。これらのタイプ1LCP基板の場合、約90分の任意選択の安定化時間の後、約125℃で塗布された。
比較のために、一部のサンプルではこのステップを省略した(すなわち、PDMSをLCPに直接適用した)。
c)接着コーティングの少なくとも一部の洗浄:PDMSコーティングの準備として、任意選択の10分間のオゾン(O3)プラズマ処理を実行してALD表面を洗浄した。PDMSはオゾン洗浄から15分以内に適用された。比較のために、PDMSコーティングが適用される前に一部のサンプルは洗浄されなかった。
UV O3(オゾン)プラズマ洗浄は、乾燥した非破壊の原子洗浄及び有機汚染物質の除去に適している。185nmと254nmの強力な紫外線を使用する。酸素の存在下では、185ラインはオゾンを生成し、254ラインは表面の有機分子を励起する。この組み合わせは、有機汚染物質の急速な破壊と間引きを促進する。
d)封止コーティングの適用:ALDコーティングの上に約500umから1000umのMED2-4213のPDMSコーティングを適用した。シリンジにMED2-4213を充填し、比較的高速(2500rpm)で3分間混合及び脱気した。それは150℃で10分間硬化され、80℃で24時間後硬化された。PDMSコーティングの範囲はALDコーティングの範囲よりも小さく、それによってALDコーティングは基板の端の近くに露出した(封止材で覆われていない)。基板にPDMSを適用した後、基板をPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)でコーティングされた予熱プレート上に置き、その上に重りを押し付けた。
したがって、タイプ1LCPの6つのサンプルが準備された。
合格/不合格テストは、タイプ1LCP基板に対して手動で定義された:
-PDMSを硬化させた後、乾燥剥離試験を実行し(浸漬なし)、層間剥離の程度を記録した
-乾式剥離試験後、サンプルを60℃のPBS溶液に1日、1週間、及び4週間浸し、剥離試験を繰り返して2番目の層間剥離を測定した。
層間剥離の3つの程度が定義された:
-層間剥離:PDMSは基板から比較的簡単に取り除くことができた
-部分的な層間剥離:PDMSは、一部の領域では比較的簡単に除去できたが、他の領域では比較的よく付着した
-接着:PDMSは実質的に剥離しなかった
リン酸緩衝生理食塩水(略してPBS)は、生物学研究で一般的に使用される緩衝液である。それは、リン酸水素二ナトリウム、塩化ナトリウム、及び一部の製剤では塩化カリウムとリン酸二水素カリウムを含む水性塩溶液である。緩衝液は一定のpHを維持するのに役立つ。溶液の浸透圧とイオン濃度は、人体の浸透圧とイオン濃度に一致するように選択される(等張)。
サンプル1.1:全体的に、PDMSはLCPへの接着度が低かった。
サンプル1.2:乾燥状態ではPDMSを表面から剥がすことができなかった。24時間の浸漬後、水分で満たされたボイドは観察されなかったが、PDMSの一部が基板から剥離することができた。PDMSの一部を剥離した後、残りは基板に非常によく付着し、さらに1~2週間浸した後でも、それ以上剥離できなかった。最初の層間剥離は、PDMS処理中又は処理の問題による局所的な汚染が原因であると推測された。
サンプル1.3:これらのサンプルは良好な接着性を示した。乾燥状態と湿潤状態では、2週間の試験が終了するまで層間剥離は発生しなかった。
結論:
-全体的に、PDMSは接着層のないLCPへの接着度が低かった(サンプル1.1)。
-サンプル1.2(ALDでコーティングされ、O3洗浄なしでPDMSで封止された)では、PDMSは乾燥状態で表面から剥離できなかった。24時間の浸漬後、水分で満たされたボイドは観察されなかったが、PDMSの一部が基板から剥離することができた。PDMSの一部を剥がした後、残りは基板に非常によく付着したため、さらに2週間浸した後でも、それ以上剥離することができなかった。より適応性のあるALD多層を備えたサンプルは、2週間の浸漬後でも良好な接着性を示した。
-サンプル1.3(ALDでコーティングされ、O3洗浄ステップ後にPDMSで封止された)は、最良の接着性を示した。乾燥状態又は湿潤状態では、実質的な層間剥離に至らなかった(2週間の浸漬後)
-総平均厚さが約50nm~200nm、好ましくは約100nmのAl2O3/HfO2多層ALD層は、LCPとPDMSポリマーの間に有利な中間接着層を提供し得る。
タイプ2LCP積層基板は、次のプロセスステップの1つ又は複数を使用して準備され:
a)基板の提供:これらの基板は、平均厚さが約0.110mmのLCPのラミネートシートであった。基板は4つの層で構成された:接続パッドの1つの外層、ULTRALAM(登録商標)3850の1つの0.050mm層、1つ以上の銅導体の1つの内層、及びULTRALAM3908の1つの0.025mm層。
a1)LCPULTRALAM(登録商標)3850の約50umの厚さのシートで、第1の銅層で第1の表面を覆った。この第1の銅層は約18umの厚さであった。第1の銅層は、例えば、マスキング及びエッチングによって銅接続パッドを形成するように構成及び配置され、これは、積層基板の外面に含まれると見なすことができる。
a2)ULTRALAM(登録商標)3850はさらに銅層で覆われていた。この2番目の層は約18umの厚さであった。任意選択で、それは、例えば、積層基板の内面に含まれると見なされ得るマスキング及びエッチングによって、1つ又は複数の導体を形成するように構成及び配置され得る。内部導体が不要な場合は、それ以上の銅層を省略又は完全に除去することができる。
a3)約25umの厚さのLCPULTRALAM(登録商標)3908のシートで、ULTRALAM(登録商標)3850層の内面に接着され、さらに1つ又は複数の導体に接着される。
任意選択で、積層シートは実質的に平面であり得る。
b)接着コーティングの適用:
b1)IPAを使用した基板の少なくとも一部の任意選択の前洗浄と、それに続く乾燥。別の適切なアルコールも使用することができる。
b2)ALDを使用して、コーティングを基板の外面(この場合、ULTRALAM(登録商標)3908LCPを含む表面)に適用する。これは、1つ又は複数の接続パッドを含む基板の外面ではなかった。約5nmのAl2O3と約5nmのHfO2の10の交互の層は、約100nmの多層をもたらした。ALDコーティングは、上記のPICOSUN(登録商標)R-200Advanced ALDリアクターを使用して適用された。それは、LCPの溶融温度よりも実質的に低い温度で適用された。これらのタイプ1LCP基板の場合、約90分の任意選択の安定化時間の後、約125℃で適用された。ALDコーティングの範囲は、基板の範囲とほぼ同じであった。
b3)接着性向上剤の適用:NuSilのMED-166は、硬質プラスチックやその他のシリコーン材料を含むさまざまな基板へのPDMSの接着性を向上させるために、製造元によって提案された特別に配合されたプライマーである。製造業者は、29日を超える期間のヒトへのインプラントでの使用に適していることを提案している。
c)封止する前に接着コーティングの少なくとも一部を洗浄する:
c1)オプション1:エタノールを使用して洗浄した後、70℃で4時間乾燥させる。 別の適切なアルコールも使用することができる。
c2)オプション2:ALD表面をO2を含むプラズマにさらす。
O2(酸素)プラズマとは、プラズマチャンバーに酸素ガスを積極的に導入しながら行われるプラズマ処理のことである。酸素プラズマは、プラズマシステムの酸素源を利用して生成される。
追加的又は代替的に、オゾン(O3)を使用することができる。
d)封止コーティングの適用:
d1)テストを簡素化するための封止マスクの適用:カプトンテープ(幅10mm)のストリップを一方の端に適用して、剥離試験中にプルテスターがクランプされる小さなセクションをマスクした。
d2)封止コーティングの適用:ALDコーティングの上に約500μm~1000μmのMED2-4213のPDMSコーティングを適用した。PTFEコーティングされた金型で使用される100℃で、比較的低い真空、例えば800~900Pa(8~9mbar)で真空延伸鋳造する。真空遠心鋳造は、PDMSに空気が含まれるリスクを減らすために使用された。一般に、真空を適用することは、かなりの期間にわたって55000~100000cP(mPas)の範囲の平均粘度を有するPDMS封止の接着コーティングへの適用を改善するのに有利であり得る。
PDMSコーティングの範囲はALDコーティングの範囲とほぼ同じであった。カプトンテープを剥がした後、PDMSがALDコーティングに付着していないところに幅約10mmのストリップが提供された。
e)さらなる処理の実行:剥離試験のために、約100×75mmの面積のコーティングされた基板を約100×10mmの7つの部分に切断した。各ピースの面積は約10×10mmで、カプトンテープを除去したため、エッジにPDMSコーティングはなかった。
したがって、タイプ(2)の15個のサンプルが準備された。
ASTM D1876に準拠した剥離試験は、TYPE2LCP又は積層基板の試験に適応された。剥離力の測定にはピールテスターを使用した。
4.剥離試験の結果
図9は、乾燥(浸漬されていない)条件下での平均引張力を、PBSに60℃で24時間浸漬した後の平均引張力と比較したグラフ1750を示している。LCPのサンプルは、さまざまなプロセスを使用してPDMSでコーティングされた。
平均剥離力は、0~18Nの垂直(Y)軸に沿ってプロットされ、結果は水平(X)軸に沿ったさまざまなサンプルについて示されている。解釈を簡単にするために、選択されたサンプルの順序は、左から右へ、サンプル2.2、2.2、2.3、2.4、及び2.5の順である。
各サンプルの各バーの垂直方向の長さは、ニュートン(N)単位の平均剥離力を示す。各バーについて、平均を決定するために使用される引張力値で測定された変動を示すために、「I」字型の線も示されている。各サンプルについて、未充填のバーが左側に示され、乾燥状態での平均引張力を示し、右側のハッチングされたバーが、PBSに60℃で24時間浸漬した後の平均引張力を示している。
サンプル2.1の場合、塗りつぶされていないバー1761aが約4Nで描かれており、変動の程度は比較的小さい。浸漬後の値は示されていない。
サンプル2.2の場合、塗りつぶされていないバー1762aが約13Nで描かれており、平均的な変動の程度である。ハッチングされたバー1762bは約14Nで描かれており、変動の程度が比較的に高い。
サンプル2.3の場合、塗りつぶされていないバー1763aが約5Nで描かれており、変動の程度は比較的小さい。ハッチングされたバー1763bは約7Nで描かれており、平均的な変動の程度である。
サンプル2.4の場合、塗りつぶされていないバー1764aが約7Nで描かれており、変動の程度は比較的小さい。ハッチングされたバー1764bは約7.5Nで描かれており、平均的な変動の程度である。
サンプル2.5の場合、塗りつぶされていないバー1765aが約8Nで描かれており、変動の程度は比較的小さい。ハッチングされたバー1765bは約8Nで描かれており、平均的な変動の程度である。
測定された平均剥離力は次のとおりである。
安定したオーバーモールディング封止プロセスが達成されたようであり、PDMSに気泡が実質的にないか、ほとんどないことが示されている。LCP/PDMSインターフェイスの実質的な層間剥離は、オーバーモールド直後の7つのサンプルのうち3つで観察された。このため、接着強度のより定性的な測定値を得るために、剥離試験が適用された。
サンプル2.1:追加のプライミング又はクリーニングを行わないと、PDMSのLCPへの接着度は非常に低くなった(約4N~1761a)。
サンプル2.2:プライマーを含む基板は、比較的高度な接着性を持っているように見えた(約4N(1761a)と比較して約13N(1762a))。試験中、一部の領域の接着度が高く、サンプルを完全に剥離する前にPDMSが破裂した。浸漬試験後の平均引張力は約14N(1762b)と高いように見えたが、比較的高い偏差も観察された。
サンプル2.3:ALD多層膜、特にHfO2で終わるHfO2-Al2O3多層膜を追加することにより、乾燥接着の程度が改善されたように見えた(約4N(1761a)から約5N(1763a))。乾燥状態(1763a)での結果は、偏差の程度が非常に低いように見える。浸漬試験後の平均引張力は、約7N(1763b)と高いように見えた。
サンプル2.4:O2プラズマの活性化も接着力を高めるように見えた(約4N(1761a)と比較して約7N(1764a))。浸漬試験後の平均引張力は、約7.5N(1764b)でわずかに高いように見えた。
サンプル2.5:プラズマ活性化は接着の程度をさらに改善するように見えた(約4N(1761a)と比較して約8N(1765a))。浸漬試験後の平均引張力は、8N(1765b)でほぼ同じであるように見えた。浸漬後、偏差のわずかな増加(1765b)が観察された。
結論:
-プライマーを使用すると、比較的高度な接着が観察された。例えば、NuSilのMED-166を使用できる。ただし、用途によってはあまり好ましくない場合がある。特に、インプラント機器の場合、顕著に生体適合性である材料、より好ましくは実質的に生体適合性である(高度の生体適合性を有する)材料を使用することが有利である。MED-166の製造元は、29日以上のインプラントに適していると提案しているが、プライマーは、揮発性溶剤を使用するエポキシ接着剤であることがよくある。これにより、蒸発が不十分なために汚染のリスクが高まる、及び/又は十分な溶媒を確実に除去するために追加のプロセスステップが必要になる場合がある。
さらに、インプラント機器の場合、欠陥のリスクを制限するために高度な品質管理が必要になることがよくある。プライマーは通常、スプレーコーティングプロセスを使用して塗布する必要があるが、これは高い信頼性で実行するのが難しい場合がある。このような信頼性の問題が、観察された部分的な層間剥離の原因であると考えられる。
-総平均厚さが約50nm~200nm、好ましくは約100nmのAl2O3/HfO2多層ALD層は、LCPとPDMSポリマーの間に有利な中間接着層を提供し得る。一般に、厚さが以下のセラミック層は、
-使用されたALDコーティングは、インプラント電気機器での使用に適した材料を使用して、PDMSのLCPへの接着を改善した。
-ALD多層堆積は、接着性を向上させるだけでなく、湿気の侵入から表面領域を保護するためのバリア性も向上させた。プライマーは通常、湿気に対して高度な透過性を持っているため、これはプライマーよりも好ましい。
PDMSと、顕著な量のPt、SiO2、及びLCPを含む表面との間の改善された接着に基づいて、セラミック材料を含む接着層を広範囲の基板材料に有利に使用することができる。特に、PDMSの接着は、第1の表面1410及び/又は第2の表面1420が、液晶ポリマー(LCP)、ポリイミド、パリレン-C、SU-8、ポリウレタン、又はそれらの任意の組み合わせを含む群から選択される顕著な量の物質を含む場合に改善され得る。これらの物質は、可撓性基板に含まれていてもよい。
したがって、適切な場合、他の材料を含む基板に、HfO2ALD層への接着を改善するためにそのような材料の層を設けることができる。
当業者はまた、例えばALDプロセスを用いて、そのような基板に適応性コーティングを任意に又は追加的に適用し、SiO2(二酸化ケイ素)の層を適用することによって、接着を改善できることを理解できる。
PDMSは、一般に、基本的な繰り返し単位としてシロキサンを使用したシリコーンゴムである。メチル基は、PDMSの種類に応じて、フェニル、ビニル、トリフルオロプロピル基などのさまざまな他の基で置換され、有機基の無機骨格への結合を可能にする。
HfO2及び/又はAl2O3を含む1つ又は複数の接着層を使用するPDMSへの改善された接着に基づいて、適切なセラミック材料を含む接着層を広範囲の基板材料に有利に使用することができる。
適切なセラミック表面は、ヒドロキシル基が比較的豊富である。高度の接着は、適切なPDMSタイプ内の酸素が、適切なセラミック表面のヒドロキシル基と強い結合を形成できるためであると考えられる。これは、化学結合、水素結合、又はいくつかの組み合わせであり得る。
適切なセラミックは以下を含む:
-炭化ケイ素(SiC)などの炭化物;
-酸化アルミニウム(Al2O3)などの酸化物;
-シリコン(SixNy又はSiNxOy)を有するもの、特に窒化ケイ素(Si3N4)などの窒化物;及び
超伝導体として機能することができる混合酸化物セラミックを含む他の多くの材料。
特に、PDMSの接着性は、セラミック材料がHfO2、Al2O3、Ta2O3、TiO2、及びそれらの任意の組み合わせを含む群から選択される場合に改善され得る。
ダイヤモンドライクカーボンは、接着性を改善するために有利に使用できることも期待される。
セラミック層の表面を活性化すること(例えば、アルコール、特にエタノールを適用すること;O3(オゾン)を含む及び/又はO2を含むプラズマを使用すること;シランで処理すること;又はそれらの任意の組み合わせ)により、接着性をさらに向上させることができる。
接着層は、2層又は多層であり得、1つ又は複数の層が比較的高度の接着のために構成及び配置され得、1つ又は複数の層が比較的高度の耐食性(不浸透性)のために構成及び配置され得る。
例えば、Al2O3を含む層は、比較的高度の接着を提供すると考えられる。例えば、HfO2を含む層は、比較的高度の耐食性を提供すると考えられる。
図5及び図6はまた、例えば、頭痛、慢性頭痛又は原発性頭痛を治療するための神経刺激を提供するように構成された1つ又は複数の適切に構成された改良医療機器1110、1111を使用して刺激され得る神経の例を示す。特に、基板が実質的に可撓性である(又は適応性がある)場合、それは、頭及び/又は頭蓋骨の曲面によりよく適応できる。これは、適応性を改善するために上記の特徴の1つ又は複数を適用することによって、インプラント医療機器1110、1111の使用者にとっての快適さを向上させることができることを意味する。
多くの場合、これらは、1つ又は複数のインプラント医療機器110、111のおおよその位置810、820、830、840になる。
各インプラント位置、810、820、830a/b、840a/bについて、別個の刺激装置110、111を使用することができる。インプラントの位置810、820、830a/b、840a/bが互いに接近し、又は重なり合っている場合でも、単一の刺激装置110、111は、2つ以上のインプラント位置810、820、830a/b、840a/bで刺激するように構成され得る。
複数のインプラント医療機器110、111は、必要な治療を提供するために、別々に、同時に、順次に、又はそれらの任意の組み合わせで操作することができる。
図7は、他の病状を治療するための神経刺激を提供するために、1つ又は複数の適切に構成された改良されたインプラント医療機器110、111を使用して刺激され得る神経のさらなる例を示す。
本明細書でのその説明は、そこに記載されている方法ステップを実行する固定された順序を規定するものと理解されるべきではない。むしろ、方法のステップは、実行可能な任意の順序で実行できる。同様に、アルゴリズムを説明するために使用される例は、非限定的な例として提示されており、これらのアルゴリズムの唯一の実施形態を表すことを意図したものではない。当業者は、本明細書に記載の実施形態によって提供されるのと同じ機能を達成するための多くの異なる方法を考案することができる。
例えば、適応性を改善する1つ又は複数の特徴は、封止を改善するように構成及び配置された実施形態に適用することができる。いくつかの実施形態では、封止を改善するが適応性を低下させる特徴を適用することが有利であり得る。
例えば、封止を改善する1つ又は複数の特徴は、改善された適応性のために構成及び配置される実施形態に適用され得る。いくつかの実施形態では、適応性を改善するが封止を低減する特徴を適用することが有利であり得る。
刺激装置の多くのタイプのインプラント可能な遠位端が描かれている。ただし、これは機器の残りの部分が埋め込まれていることを排除するものではない。これは、少なくとも遠位端の電極部分が、インプラントされるように構成及び配置されることが好ましいことを意味すると解釈されるべきである。
本発明は、特定の例示的な実施形態に関連して説明されてきたが、当業者に明らかな様々な変更、置換、及び変更を、添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に対して行うことができることを理解されたい。
非限定的な一例では、
-第1のタイプ200a、200b、1220の1つ又は複数の電極が第1の表面310、1410に含まれ、第2のタイプ400a、400b、1220の1つ又は複数の電極が第2の表面320、1420に含まれる;又は
-第1のタイプ200a、200b、1220の1つ又は複数の電極が第1の表面310、1410に含まれ、第2のタイプ400a、400b、1220の1つ又は複数の電極も第1の表面310、1410に含まれる;又は
-第1のタイプ200a、200b、1220の1つ又は複数の電極が第2の表面320、1420に含まれ、第2のタイプ400a、400b、1220の1つ又は複数の電極が第1の表面310、1410に含まれる;又は
-第1のタイプ200a、200b、1220の1つ又は複数の電極が第2の表面320、1420に含まれ、第2のタイプ400a、400b、1220の1つ又は複数の電極も第2の表面320、1420に含まれる;又は
-それらの任意の組み合わせ。
比較的大きなより高い電極200、400、1220の表面を提供することによって、刺激装置100、101、102、103、104、105、1100、1101、1102は、より低いエネルギー/より低い電力で動作され得る。これは、高周波及び/又はバースト刺激が使用される用途では有利であり得る。
高周波動作は、パルス発生器500によって提供されるより多くのエネルギーを必要とし得る。非限定的な例において、パルス発生器500)の電源からの動作寿命の延長が望まれる場合など、エネルギー/電力が重要である用途では、必要な電力が少しでも減少したほうが有利であり得る。高周波動作は、1000Hz以上、好ましくは1500Hz以上、より好ましくは2000Hz以上、さらにより好ましくは2500Hz以上の周波数の電気刺激パルスを生成すると見なすことができる。
一実施形態では、バースト刺激を用いた実験は、「Burst Occipital Nerve Stimulation for Chronic Migraine and Chronic Cluster Headache by Garcia-Ortega et al, Neuromodulation 2019; 22: 638-644, DOI: 10.1111/ner.12977」のように実施されてきた。
バースト動作の場合、パルス発生器500は、刺激パルスのグループで電気刺激パルスを生成するようにさらに構成及び配置される。
非限定的な例では、刺激パルスのグループ(又はバースト)は、2~10個のパルス、より好ましくは2~5個の刺激パルスを含み得る。グループ内の刺激パルスは、500Hzを超える、通常は1000Hz以上の繰り返し周波数を持ち得る。グループは、5Hz以上、通常は40Hz以上で繰り返すことができる。
高周波動作と同様に、バースト動作は、パルス発生器500によって提供されるより多くのエネルギーを必要とし得、そして必要な電力の任意の減少が有利であり得る。
さらに、電荷平衡回復の速度も、インピーダンスが低くなると増加し得る。比較的薄い箔基板300、1400と、一方の表面310、1410、320、1420に含まれる第1のタイプ200、1220の電極と、他方の表面310、1410、320、1420に含まれる第2のタイプ400、1220の電極との間の刺激を使用することにより、組織内の電流経路は比較的短く、インピーダンスを下げる。
同様に、基板300、1400、及び1つの表面310、1410、320、1420に含まれる第1のタイプ200、1220の電極と、同じ表面310、1410、320、1420に含まれる第2のタイプ400、1220の隣接する電極との間の刺激を使用することにより、組織を通る比較的短い経路を提供する。
特定の例示的な実施形態が説明されてきたが、多くの代替、修正、並べ換え、及び変更は、以下の特許請求の範囲に記載されている本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、前述の説明に照らして当業者に明らかになることは明らかである。
本発明は、開示された各実施形態の様々な特徴のすべての可能な組み合わせを包含する。様々な実施形態に関して本明細書に記載される1つ以上の要素は、特定の用途に従って有用であるように、明示的に記載されているよりも、より分離された、若しくは統合された方法で、又は特定の場合に操作不能として削除若しくはレンダリングされて実施することができる。
機能の特に有利な組み合わせには、以下の非限定的な例が含まれる。
(i)インプラント刺激装置100、101、102、103、104、105、1110、1111であって、
1つ又は複数の電気治療刺激パルスを生成するためのパルス発生器500、
前記パルス発生器500から基板300、1400の遠位端まで延びる長手方向軸600を有する適応性のある箔状基板300、1400であって、1つ又は複数の隣接するポリマー基板層を含み、第1の310、1410及び第2の310、1420平面を有する基板、
前記遠位端に近接する電極アレイ200、400、1220であって、前記第1の310、1410又は第2の320、1420表面に含まれる第1の200a、200b、1220及び第2の400a、400b、1220電極を有し、使用中に治療エネルギーを、ヒト若しくは動物の組織から、及び/又はヒト若しくは動物の組織に転送するために構成可能である、電極アレイ200、400、1220
を含み、
前記インプラント刺激装置100、101、102、103、104、105、1110、1111はさらに、
電気エネルギーを1つ又は複数の電気治療刺激パルスとして前記第1の電極200a、200b、1220及び/又は前記第2の電極400a、400b、1220に伝達するための、前記パルス発生器500と前記第1の200a、200b、1220と前記第2の400a、400b、1220電極との間の1つ又は複数の電気的相互接続部250、1210
を含み、
前記1つ又は複数の電気的相互接続部250、1210は、前記第1の310、1410と第2の320、1420の表面との間に構成され(又は配置される)、前記適応性のある箔状基板30、1400は、前記第1の200a、200b、1220及び前記第2の400a、400b、1220電極に近接して、最大厚さが0.5mm以下であり、前記厚さは、前記第1の310、1410及び前記第2の平面320、1420上の対応する点の間の垂直距離によって決定される、
インプラント刺激装置。
(ii)インプラント刺激装置100、101、102、103、104、105、1110、1111であって、
上面310、1410及び底面320、1420を含む基板300、1400、
前記基板300、1400の第1の部分に沿って配置されたパルス発生器500であって、少なくとも1つの刺激パルスを生成するように構成されるパルス発生器500、
前記基板300、1400の第2の適応部分に沿って配置された少なくとも2つの電極200、400、1220を含む電極アレイ200、400、1220、
前記パルス発生器500を前記電極アレイ200、400、1220の少なくとも2つの電極に電気的に結合する複数の電気的相互接続部250、1210であって、前記基板300、1400の前記上面310、1410と前記底面320、1420との間に配置される複数の電気的相互接続部250、1210、及び
前記基板300、1400の前記第1の部分の少なくとも一部を覆う封止層
を含み、
前記第2の部分の基板300、1400の最大厚さは、0.5mm以下である、
インプラント刺激装置。
(iii)インプラント電気機器100、101、102、103、104、105、1100、1101、1102であって、
第1の表面310、1410及び1つ又は複数の導電体250、1210を有する基板300、1400、
第1の生体適合性封止層1300、1310、1320、
前記第1の表面310、1410と前記第1の封止層1300、1310、1320との間に配置された第1の接着層1500、1510、1520
を含み、
前記基板300、1400は、実質的に可撓性を有するように構成及び配置されており、
前記第1の接着層1500、1510、1520は、前記第1の表面310、1410に適応するように構成及び配置され、セラミック材料を含み、
前記第1の封止層1300、1310、1320は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)ゴムを含み、そして
前記第1の接着層1500、1510、1520及び前記第1の封止層1300、1310、1320は、ヒト又は動物の体から前記第1の表面300、1410の少なくとも一部への流体の侵入に抵抗するように構成及び配置される、
インプラント刺激装置。
(iv)封止層1300、1310、1320を、実質的に可撓性の基板300、1400の表面310、1410、320、1420に適用するためのプロセスであって、
第1の表面310、1410及び1つ又は複数の導電体250、1210を有する基板300、1400を提供すること、
セラミック材料を含む第1の適応接着層1500、1510、1520を、前記第1の表面310、1410の少なくとも一部に適用すること、
ポリジメチルシロキサン(PDMS)ゴムを含む第1の生体適合性封止層1300、1310、1320を、前記第1の接着層1500、1510、1520の少なくとも一部に適用すること、
を含み、
前記第1の接着層1500、1510、1520及び前記第1の封止層1300、1310、1320は、ヒト又は動物の体から前記第1の表面310、1410の少なくとも一部への流体の侵入に抵抗するように構成及び配置される、
プロセス。
(v)インプラント刺激装置100、101、102、103、104、105、1110、1111であって、
第1の表面310、1410及び第2の表面320、1420を含む基板300、1400であって、前記第1の310、1410及び前記第2の320、1420の表面によってその厚さが定義される基板300、1400、
少なくとも1つの刺激パルスを生成するように構成されるパルス発生器500、
前記基板300、1400の適応部分に沿って配置された少なくとも2つの電極200、400、1220、
前記パルス発生器500を前記少なくとも2つの電極200、400、1220に電気的に結合する複数の電気的相互接続部250、1210、
前記基板(300、1400)を少なくとも部分的に覆う封止層1300、1310、1320、及び
少なくとも1つの場所にある、前記封止層1300、1310、1320と前記基板300、1400との間の接着層1500、1510、1520
を含み、
前記適応部分に沿った前記基板300、1400の厚さは、0.5mm以下である、
インプラント刺激装置。
(vi)インプラント刺激装置100、101、102、103、104、105、1110、1111であって、
基板300、1400、上面310、1410及び底面320、1420を含む基板300、1400、
前記基板300、1400の第1の部分に沿って配置されたパルス発生器500であって、少なくとも1つの刺激パルスを生成するように構成されるパルス発生器500、
前記基板300、1400の第2の適応部分に沿って配置された少なくとも2つの電極200、400、1220、
前記パルス発生器を前記少なくとも2つの電極200、400、1220に電気的に結合する複数の電気的相互接続部250、1210であって、前記基板300、1400の前記上部310、1410と前記下部320、1420の表面との間に配置される複数の電気的相互接続部250、1210、
前記基板300、1400の前記第1の部分の少なくとも一部を覆う封止層1300、1310、1320、及び
少なくとも1つの場所にある、前記封止層1300、1310、1320と前記基板300、1400との間の接着層1500、1510、1520
を含み、
前記第2の部分の前記基板300、1400の最大厚さは、0.5mm以下である、
インプラント刺激装置。
(vii)開示された任意の例によるインプラント刺激装置100、101、102、103、104、105、1110、1111であって、前記パルス発生器500に近接する前記インプラント刺激装置100、101、102、103、104、105、1110、1111の最大厚さは、5mm以下、又は4mm以下、又は3mm以下であり、前記厚さは、外側の平面の表面上の対応する点の間の垂直距離によって決定される、インプラント刺激装置。
(viii)開示された任意の例によるインプラント刺激装置であって、
前記パルス発生器500は、前記基板300、1400の第1の部分に沿って配置され、
前記電極アレイ200、400、1220は、前記基板300、1400の第2の適応性液晶ポリマーLCP部分に沿って配置され、
前記複数の電気的相互接続部250、1210は、電気めっき及び/又は半導体堆積技術を使用して、前記基板300、1400の第1の適応性LCP層上に配置され、前記基板300、1400の少なくとも1つの第2の適応性LCP層は、前記複数の電気的相互接続部250、1210をカバーするように、前記第1の層に固定され、
前記封止層1300、1310、1320は生体適合性を有し、前記基板300、1400の前記第1の部分と、前記第2の部分の少なくとも一部を覆い、前記封止層1300、1310、1320は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)を含み、6~8MPaの範囲の引張強度を有し、
前記基板300、1400に適応する1つ又は複数の生体適合性接着層1500、1510、1520は、前記封止層1300、1310、1320と前記基板300、1400の間に配置され、前記1つ又は複数の接着層1500、1510、1520は、原子層堆積(ALD)を使用して適用された25nm~200nmの範囲の平均厚さを有するセラミック部分と、TiO2を含む少なくとも1つの第1の層と、前記少なくとも1つの第1の層に隣接し、Al2O3を含む少なくとも1つの第2の層を含み、
前記基板の前記第2の部分のヤング率は2500~3600MPaの範囲であり、
前記1つ又は複数の接着層1500、1510、1520及び前記封止層1300、1310、1320は、前記基板300、1400への流体の侵入に抵抗するように構成され、
前記第2の部分に沿った前記基板300、1400の厚さは、0.2mm以下であり、
前記第1の部分に沿った前記刺激装置100、101、102、103、104、105、1110、1111の厚さは4mm以下であり、
前記パルス発生器500は、エネルギー送信機からエネルギーをワイヤレスで受信するように構成されたエネルギー受信機を含む、
インプラント刺激装置。
参照番号:
100、101、102 インプラント刺激装置
103、104、105 インプラント刺激装置のさらなる実施形態
200a、200b 1つ又は複数の刺激電極
250 1つ又は複数の刺激電気相互接続層
300 適応性を有する箔状基板
400a、400b 1つ又は複数の戻り電極
500 パルス発生器
600 長手方向軸
700 第1の横軸
750 第2の横軸
810 左眼窩上神経又は皮質刺激の場所
820 右眼窩上刺激の場所
830a/b 左後頭神経刺激の場所
840a/b 右後頭神経刺激の場所
850 脳深部刺激療法の場所
860 迷走神経、頸動脈、頸動脈洞、横隔神経又は舌下刺激の場所
865 脳脊髄刺激の場所
870 末梢神経刺激の場所
875 脊髄刺激の場所
880 胃刺激の場所
885 仙骨及び陰部神経刺激の場所
890 仙骨神経調節の場所
895 腓骨神経刺激の場所
910 左眼窩上神経
920 右眼窩上神経
930 左大後頭神経
940 右大後頭神経
1100、1101、1102 改良されたインプラント電気又は電子機器
1110、1111 改良されたインプラント医療機器
1130 テスト基板
1210 1つ又は複数の導電体
1220 1つ又は複数の刺激電極
1230 1つ以上のセンサ
1300 さらなる生体適合性封止層
1310 第1の生体適合性封止層
1320 第2の生体適合性封止層
1330 第3の生体適合性封止層
1400 基板
1430 シリコン基板
1435 SiO2(二酸化ケイ素)層
1410 第1の表面
1420 第2の表面
1500 さらなる接着層
1510 第1の接着層
1520 第2の接着層
1530 第3の接着層
1700 インピーダンスの大きさとして表されるボード線図
1701 露出したPt金属を含む裸のIDCのインピーダンスの大きさ
1702 HfO2ALDでコーティングされたIDCのインピーダンスの大きさ
1703 ALD-PDMS二重層でコーティングされたIDCのインピーダンスの大きさ
1710 位相角として表されるボード線図
1711 露出したPt金属を含む裸のIDCの位相角
1712 HfO2ALDでコーティングされたIDCの位相角
1713 ALD-PDMS二重層でコーティングされたIDCの位相角
1720 インピーダンスの大きさとして表される接着月間性能
1722a、1722b HfO2ALDでコーティングされたIDCのインピーダンスの大きさ
1723a、1723b ALD-PDMS二重層でコーティングされたIDCのインピーダンスの大きさ
1730 位相角として表される接着月間性能
1732a、1732b HfO2ALDでコーティングされたIDCの位相角
1733a、1733b 左眼窩上神経又は皮質刺激用のALD-PDMS二重層810位置でコーティングされたIDCの位相角
1750 乾燥状態と浸漬後の平均引張力を比較したグラフ
1761 サンプル2.1の平均剥離力
1762 サンプル2.2の平均剥離力
1763 サンプル2.3の平均剥離力
1764 サンプル2.4の平均剥離力
1765 サンプル2.5の平均剥離力

Claims (19)

  1. インプラント刺激装置(100、101、102、103、104、105、1110、1111)であって、
    少なくとも1つの刺激パルスを生成するように構成されるパルス発生器(500)と、 適応性のある箔状基板(300、1400)であって、前記パルス発生器(500)から前記基板(300、1400)の遠位端まで延びる長手方向軸(600)を有し、1つ又は複数の隣接するポリマー基板層を含み、第1(310、1410)及び第2(320、1420)の実質的に平面の表面を含む基板(300、1400)と、
    前記遠位端(300、1400)に近接する電極アレイ(200、400、1220)であって、前記第1(310、1410)又は第2(320、1420)の表面に含まれかつ第1(200、1220)及び第2(400、1220)の電極を有し、前記基板(300、1420)の適応部分に沿って配置され、動作中の各電極(200、400、1220)が、使用中に治療エネルギーを、ヒト若しくは動物の組織から、及び/又はヒト若しくは動物の組織に転送するために構成可能である、電極アレイ(200、400、1220)と、を含み、
    前記インプラント刺激装置(100、101、102、103、104、105、1110、1111)はさらに、
    前記パルス発生器(500)と前記第1(200、1220)及び第2(400、1220)の電極との間にある1つ又は複数の電気的相互接続部(250、1210)であって、結合された前記第1の電極(200)及び/又は前記第2の電極(400)に1つ又は複数の電気治療刺激パルスとして電気エネルギーを伝達する、1つ又は複数の電気的相互接続部(250、1210)
    を含み、
    前記1つ又は複数の電気的相互接続部(250、1210)は、前記基板(300、1400)の前記第1(310、1410)及び前記第2(320、1420)の表面との間に配置され、
    前記適応性のある箔状基板(300、1400)は前記第1及び第2の電極(200、400、1220)に近接して、0.5mm以下の最大厚さを有し、前記厚さは、前記第1(310、1410)と前記第2の外側の平面の表面(320、1420)上の対応する点間の垂直距離によって決定され、
    前記基板(300、1400)及び前記パルス発生器(500)は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)を含む1つまたは複数の柔軟な生体適合性封止層に埋め込まれている、インプラント刺激装置。
  2. 前記インプラント刺激装置(100、101、102、103、104、105、1110、1111)は、前記基板(300、1400)の少なくとも一部に隣接する接着層(1500、1510、1520)をさらに含み、前記接着層(1500、1510、1520)はセラミック材料を含む、請求項1に記載のインプラント刺激装置。
  3. 前記基板(300、1400)は2つ以上の隣接する基板層を含み、前記接着層(1500、1510、1520)は基板層間にある、請求項2に記載のインプラント刺激装置。
  4. 前記インプラント刺激装置(100、101、102、103、104、105、1110、1111)は、1つ又は複数の追加の接着層(1500、1510、1520)をさらに含み、前記1つまたは複数の接着層(1500、1510、1520)はセラミック材料を含む、請求項2又は3に記載のインプラント刺激装置。
  5. 前記1つ又は複数の追加の接着層(1500、1510、1520)が基板層間にある、請求項4に記載のインプラント刺激装置。
  6. 前記適応性のある箔状基板(300、1400)は前記電極アレイ(200、400、1220)に近接して、0.3mm、又は0.2mm、又は0.1mmの最大厚さを有する、請求項1~5のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
  7. 前記刺激装置(100、101、102、103、104、105、1110、1111)は、前記パルス発生器(500)に近接して、5mm、又は4mm、又は3mmの最大厚さを有する、請求項1~6のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
  8. 前記基板(300、1400)は、長手方向軸(600)に実質的に垂直な横方向の範囲を有する平面に含まれる表面を有し、
    前記基板(300、1400)の前記適応部分は最大平面幅を持ち、前記幅は、前記横方向の範囲に沿った前記基板(300、1400)の外面エッジ上の対応する点の間の垂直距離によって決定され、
    前記少なくとも2つの電極(200、400)に近接する最大平面幅と最大厚さの比は、7:1以上、又は10:1以上、又は15:1以上、30:1以上、又は50:1以上である、請求項1~7のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
  9. 前記基板(300、1400)の前記適応部分は、液晶ポリマー(LCP)の1つ又は複数の層を含む、請求項1~8のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
  10. 前記封止層(1300、1310、1320)は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、シリコーンポリウレタン、ポリイミド、パリレン、生体適合性ポリマー、生体適合性エラストマー、及びそれらの任意の組み合わせを含む、請求項1に記載のインプラント刺激装置。
  11. 前記パルス発生器(500)は、前記基板(300、1400)の第1の部分に沿って配置され、
    前記電極アレイ(200、400、1220)は、前記基板(300、1400)の第2の適応性液晶ポリマー(LCP)部分に沿って配置され、
    前記複数の電気的相互接続部(250、1210)は、電気めっき及び/又は半導体堆積技術を使用して、前記基板(300、1400)の第1の適応性LCP層上に配置され、前記基板(300、1400)の少なくとも1つの第2の適応性LCP層は、前記複数の電気的相互接続部(250、1210)をカバーするように、前記第1の層に固定され、
    前記インプラント刺激装置(100、101、102、103、104、105、1110、1111)はさらに、
    前記基板(300、1400)に隣接する1つ又は複数の接着層(1500、1510、1520)、及び
    前記基板(300、1400)の前記第1の部分を覆う、ポリジメチルシロキサン(PDMS)を含む封止層(1300、1310、1320)
    を含み、
    前記第2の部分に沿った前記基板(300、1400)の厚さは、0.2mm以下であり、
    前記第1の部分に沿った前記刺激装置の厚さは3mm以下であり、
    前記パルス発生器(500)は、エネルギー送信機からエネルギーをワイヤレスで受信するように構成されたエネルギー受信機を含む、請求項1~10のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
  12. 前記刺激装置(100、101、102、103、104、105、1110、1111)はさらに、
    前記基板(300、1400)を少なくとも部分的に覆う封止層(1300、1310、1320)、及び
    前記封止層(1300、1310、1320)と前記基板(300、1400)の間の少なくとも1つの場所にある生体適合性接着層(1500、1510、1520)を含む、請求項1~11のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
  13. 前記封止層(1300、1310、1320)は、前記基板(300、1400)の前記適応部分の少なくとも一部を覆い、前記接着層(1500、1510、1520)は、前記封止層(1300、1310、1320)と前記基板(300、1400)の前記適応部分の少なくとも一部との間にある、請求項12に記載のインプラント刺激装置。
  14. 前記接着層(1500、1510、1520)はセラミック材料を含み、前記セラミック材料は、HfO2、Al2O3、Ta2O3、Si3N4、TiO2、又はそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項12又は13に記載のインプラント刺激装置。
  15. 前記基板(300、1400)の前記適応部分のヤング率は、2500~3600MPaの範囲である、請求項12~14のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
  16. 前記封止層(1300、1310、1320)の引張強度は6~8MPaの範囲である、請求項12~15のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
  17. 前記接着層のセラミック部分(1500、1510、1520)の平均厚さは、25nm~200nmの範囲である、請求項12~16のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
  18. 1つ又は複数の神経、1つ又は複数の筋肉、1つ又は複数の器官、脊髄組織、脳組織、1つ又は複数の皮質表面領域、1つ又は複数の脳溝、及びそれらの任意の組み合わせを刺激するように構成可能である、請求項1~17のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
  19. 頭痛、慢性頭痛、原発性頭痛、失禁、後頭神経痛、睡眠時無呼吸、高血圧、胃食道逆流症、炎症性疾患、手足の痛み、脚の痛み、背中の痛み、腰の痛み、幻肢痛、慢性の痛み、てんかん、過活動性膀胱、脳卒中後の痛み、肥満、自己免疫障害、関節リウマチ、炎症性腸疾患、クローン病、及びそれらの任意の組み合わせを治療するために構成可能である、請求項1~17のいずれか1項に記載のインプラント刺激装置。
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