JP7742669B2 - 皮膚前処理をせずに高品質の電気生理信号を測定することが可能な伸縮および接着性マイクロニードル電極 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 掲載アドレスｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅ．ｏｒｇ／ｄｏｉ／１０．１１２６／ｓｃｉａｄｖ．ａｄｋ５２６０ 掲載年月日 令和６年１月１７日

本発明は、皮膚前処理をせずに高品質の電気生理信号を測定することが可能な伸縮および接着性マイクロニードル電極とこの動作方法に関する。

高齢者人口の増加にともない、自身の身体状態を正確にモニタリングしつつ、適切なフィードバックを提供するデジタルヘルスケアへの需要が高まっている。これにより、取り付けの準備過程が容易であり、長期間の装着にも快適であり、皮膚状態に関わらずに高品質の電気生理信号を測定できるウェアラブルセンサが求められている。

高品質の電気生理信号センサデバイスの開発は、医療診断、ヒューマンマシンインタフェース、リハビリテーション工学などの多様なヘルスケアアプリケーションに適用可能であることから、多様な産業分野での有効性が期待されている。

ウェアラブル電気生理信号センサは、多様な用途（例えば、心電図、筋電図、脳伝達測定など）に活用され、ヒューマンマシンインタフェース、デジタルヘルスケア、医療診断において不可欠な要素である。従来のウェアラブル電気生理信号センサとしては、低価で適切な品質の信号を取得できるウェット電極が主に使用されていたが、長期間の使用によってジェルの水分が蒸発して信号品質が低下するなどの問題がたびたび発生しており、近年ではドライセンサが開発されるようになった。

皮膚に異質感を与えずに長期使用するためにセンサに求められる条件として、皮膚組織と同じような低い剛性率、適切な接着性、通気性などが挙げられる。さらに、高い信号対雑音比を有する高品質の生体信号を測定するために、低い皮膚接触インピーダンスを有する必要がある。

以前から広く使用されているウェット／ドライ臨床用電極は、ジェルの水分が減少することによって信号の品質が低下し、皮膚にアレルギー反応を引き起こす場合もあることから、長期間のモニタリングには不適であった。

近年に開発された薄膜形態の表皮電子装置は、皮膚の屈曲に応じて等角接触を維持する乾式電極であり、長期間の装着性を大幅に改善した。しかし、このような電極は、皮膚の状態（例えば、毛、角質、汗）によって信号品質の偏差が大きく、自体的な接着性がなく皮膚とファンデルワールス力によって付着する場合が多いことから、激しい運動や発汗によって信号取得が不安定になる。

このような欠点を改善するために、皮膚の角質層を透過して表皮層に直に接触して信号品質を高める柔軟なマイクロニードル電極が開発されたが、電極基板と皮膚組織との間の剛性率差が大きく、適切な伸縮性と接着性がないため、長期にわたって快適に装着するには不適であった。

韓国登録特許第１０－１６８９７６９号公報（２０１６年１２月２０日） 韓国登録特許第１０－１７８５２８７号公報（２０１７年９月２９）

本発明が達成しようとする技術的課題は、角質や汗の除去などのような皮膚前処理をせずに長期間にわたり高品質の生体電気信号を測定することが可能な、伸縮性、接着性、電気伝導性に優れたマイクロニードルアレイセンサとこの動作方法を提供することにある。本発明の実施形態によると、伸縮性および接着性ウェアラブルマイクロニードルセンサパッチにより、利用者の皮膚状態や動きに関わらず長期間にわたり高品質の生体信号を安定的に測定することができる。

一側面において、本発明が提案する、角質や汗の除去などの皮膚前処理をせずに高品質の電気生理信号を測定することが可能な伸縮および接着性マイクロニードル接着パッチは、利用者の皮膚状態に関わらずに電気生理信号を取得するために利用者の皮膚に取り付ける電気伝導性接着（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ：ＥＣＡ）層、前記電気伝導性接着層を通過して角質層を貫通し、利用者の表皮に直に接触して皮膚接触インピーダンスを低下させるマイクロニードルアレイを含むマイクロニードルセンサ、および前記マイクロニードルセンサに電気的および機械的に接続し、利用者の皮膚変形に動的に適応するように蛇行（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）状の構造を有する延伸性導電線基盤の伸縮性相互接続部を含む。

前記電気導電性接着層は、マイクロニードルセンサの周辺で利用者の皮膚に追加の電気伝導経路を提供して前記マイクロニードルセンサと利用者の皮膚との間の皮膚接触インピーダンスを低下させることによって、前記マイクロニードルセンサと利用者の皮膚との間の電気的インタフェースを高める。

前記電気伝導性接着層は、前記延伸性導電線基盤の伸縮性相互接続部と前記マイクロニードルセンサをコーティングしている銀フレークシリコーンポリマー（Ａｇ ｆｌａｋｅｓ ａｎｄ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）基盤の電気伝導性接着剤によって電気伝導性と皮膚付着力を同時に提供し、前記マイクロニードルセンサと利用者の皮膚との間の低インピーダンスを実現する。

前記マイクロニードルセンサは、金コーティングシリコーンマイクロニードルアレイを伸張性導電線基盤の伸縮性相互接続部の下側に統合し、前記金コーティングシリコーンマイクロニードルアレイは、利用者の角質層を通過し、侵害受容体に到達せずに表皮層に直に接触する。

前記マイクロニードルセンサは、マイクロニードルアレイがシリコーン（Ｓｉ）ウエハの一部ダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）と等方性ウェットエッチングによって形成された後、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）を蒸着し、電気導電性接着剤が前記金コーティングシリコーンマイクロニードルアレイの前面にコーティングされた後、前記マイクロニードルアレイの下部を前記蒸着された金とマイクロニードルの側面に適用されたワックスによって保護しながらウェットエッチングによって個別に隔離されたマイクロニードルを生成し、前記隔離されたマイクロニードルアレイを、電気的および機械的に接続した蛇行状の構造を有する延伸導電線基盤の伸縮性相互接続部に導電性エポキシ（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｅｐｏｘｙ）を使用して統合し、前記ワックスを除去することによって生成される。

前記延伸性導電線基盤の伸縮性相互接続部は、伸縮性基板に延伸性導電線が集積された形態であって、前記マイクロニードルセンサと電気的に接続して取得した電気生理信号を、前記電気生理信号を分析するための回路部に伝達する。

前記延伸性導電線基盤の伸縮性相互接続部は、伸縮性基板に延伸性導電線が集積された形態であって、蛇行（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）状の構造によって利用者の皮膚変形を動的に受容することが可能であり、伸縮性と長期装着の快適性を提供する。

前記伸縮性マイクロニードル接着パッチは、利用者の皮膚組織と同じような剛性率を有する前記マイクロニードルセンサおよび前記電気伝導性接着層によって接着性を提供し、前記延伸性導電線基盤の伸縮性相互接続部によって伸縮性を提供することによって、前記伸縮性マイクロニードル接着パッチの剥がれを防ぎ、利用者の皮膚組織が受けるストレスを減らし、発疹や刺激を防ぎながらも、長期間の付着にも品質低下なく電気生理信号を測定することが可能である。

また他の一側面において、本発明で提案する、皮膚前処理をせずに高品質の電気生理信号を測定することが可能な伸縮および接着性マイクロニードル接着パッチシステムは、利用者の皮膚に取り付けられ、電気生理信号を取得する伸縮性基板によって囲まれている伸縮性マイクロニードル接着パッチ、前記取得した電気生理信号を分析するために、前記伸縮性マイクロニードル接着パッチと電気的に接続して前記電気生理信号を受信し、伸縮性基板によって囲まれている伸縮性電子回路、前記伸縮性電子回路で受信した前記電気生理信号を、ユーザインタフェース応用プログラムを利用してリアルタイムでマルチチャネル電気生理信号モニタリングを実行するためのＢＬＥ ＳｏＣおよび増幅器を含むチップ構成要素、および前記伸縮性電子回路に金属ピンコネクタで接続され、前記伸縮性マイクロニードル接着パッチシステムの電源を提供するモジュール型リチウムポリマー（ＬｉＰｏ）バッテリーを含む。

前記伸縮性電子回路の下端面の金属開口部は、異方性導電フィルムケーブルおよび磁気コネクタによって前記伸縮性マイクロニードル接着パッチシステムとの電気的接続を提供し、回路の半永久的な使用と前記伸縮性マイクロニードル接着パッチの交換を可能にする。

前記伸縮性基板は、前記伸縮性マイクロニードル接着パッチシステムの伸縮性マイクロニードル接着パッチおよび伸縮性電子回路を囲むことによって、利用者の皮膚に取り付けて電気生理信号を取得する過程において、利用者の皮膚組織の運動中の屈曲および伸張に対して動的な順応性を提供する。

前記ＢＬＥ ＳｏＣおよび増幅器を含むチップ構成要素は、ブルートゥース（登録商標）基盤の無線通信を活用した、ユーザインタフェース応用プログラムを利用したリアルタイムのマルチチャネル電気生理信号モニタリングおよび制御ユニットとの通信によって外骨格型ロボットの閉ループ制御を支援する。

本発明の実施形態によると、伸縮性および接着性ウェアラブルマイクロニードルセンサパッチによって電極の皮膚接触インピーダンスを減らすための皮膚前処理過程が不要となるため、ウェアラブルセンサシステムの取り付けにかかる時間と補助人材の削減、およびこれによる生産性の向上を実現することができる。さらに、皮膚状態や動的ノイズの影響を最小限に抑えて高品質の電気生理信号の測定を可能にすることにより、正確な動作のために高い忠実度の生体信号測定が不可欠なヒューマンマシンインタフェースアプリケーションに大きく貢献することができる。皮膚状態に関わらず長期間にわたる安定的な動作が可能であり、快適な装着感によって発疹や刺激を誘発しないという点において、良質な装着性が求められるウェアラブルデジタルヘルスケア技術に適用することができる。

本発明の一実施形態における、伸縮性マイクロニードル接着パッチ（ＳＮＡＰ）の構成を説明するための図である。 本発明の一実施形態における、信頼性のある装着型ＥＰ信号モニタリングのためのＳＮＡＰの主な機械的特徴を説明するための図である。 本発明の一実施形態における、ＳＮＡＰの製造過程と材料について説明するための図である。 本発明の一実施形態における、伸縮性、接着性マイクロニードルセンサの構成、および機械的特性を説明するための図である。 本発明の一実施形態における、皮膚に取り付けられたＳＮＡＰの電気的特性を説明するための等価回路である。 本発明の一実施形態における、皮膚に取り付けられたＳＮＡＰの電気的特性を説明するための図である。 本発明の一実施形態における、無線ＳＮＡＰシステムの構成を示した図である。 本発明の一実施形態における、無線ＳＮＡＰシステムの機械的耐久性を示した図である。 本発明の一実施形態における、無線ＳＮＡＰシステムの動作方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態における、多様な歩行動作中の無線ＳＮＡＰシステムのＥＭＧモニタリング性能を説明するための図である。 本発明の一実施形態における、無線ＳＮＡＰシステムのＥＭＧ信号品質を示したグラフである。 本発明の一実施形態における、ＨＭＩとしての無線ＳＮＡＰシステムによる実験結果を示した図面である。

電気生理（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ：ＥＰ）信号の高度な正確性と便利な記録（ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ）は、ヘルスケアやヒューマンマシンインタフェース（Ｈｕｍａｎ－ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ：ＨＭＩ）に不可欠な要素である。マイクロニードル電極は、表皮に直に接触するため、面倒な皮膚準備過程を省略することができ、即時的な設定を可能にする。ただし、従来のマイクロニードル電極は、強い皮膚インタフェースに必要な伸縮性と信頼性が足りず、身体の動作中に長期間にわたって高品質のＥＰを検出することに困難があった。ここでは、多様な皮膚条件下でも長期間かつ信頼性のあるＥＰモニタリングを行うために、優れた皮膚浸透性と強固な電気機械的皮膚インタフェースを提供する伸縮性マイクロニードル接着パッチ（Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ Ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｐａｔｃｈ：ＳＮＡＰ）を提案する。本発明の実施形態によると、ＳＮＡＰは、皮膚汚染下でも皮膚接触インピーダンスを大幅に減らし、動作中の装着快適性を高め、ジェルや柔軟なマイクロニードル電極を上回ることを示した。外骨格ロボットを制御するための無線ＳＮＡＰのデモンストレーションにより、時間動的な皮膚状態でも信頼性の高いＨＭＩの潜在力が確認された。本発明の実施形態に係るＳＮＡＰは、装着可能なＥＰ検出およびＨＭＩの実際の応用プログラムに対する多様性を提供することが期待される。以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。

皮膚から電気生理学的（ＥＰ）信号を信頼性があって正確に記録することは、臨床診断、リハビリテーション、およびヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）において重要な事項である。皮膚状態に関わらずに長期間にわたって優れた記録品質を維持するための準備過程を必要としないＥＰセンサは、現実世界での多様な装着可能な応用プログラムに実用的な影響を与えるであろう。従来には、医療用金属電極と導電性ジェルやハイドロジェルがともに使用され、費用効率的かつ満足度の高いＥＰ検出を実現するために広く使用された。しかし、このような電極は、ジェルの塗布やアルコール綿による皮膚消毒などの準備段階が必要であり、時間の経過によってジェルが乾燥して信号が減少することがあった。また、ジェルによる滑らかな界面により、動的ノイズが発生することがあった。さらに、導電性ジェルによって皮膚にアレルギーや刺激が発生することがあり、電極の長期使用が制限されることもあった。

このような限界を克服するために、素材や微細加工技術の進歩により、便利で導電性ジェルが不要であり、長期間にわたってＥＰ信号モニタリングを提供する、柔軟な乾式皮膚電極の開発に力がそそがれた。これにも関わらず、脱毛や角質除去などの皮膚準備をせずにこのようなドライ電極が皮膚表面に付着すると、毛、角質、皮膚分泌物などの要因によって高くて不安定な皮膚接触インピーダンスを示す傾向があった。さらに、ファンデルワールス力（ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ）だけで皮膚との接触を維持する表皮電極は、汗や激しい動作中に不安定な電極－皮膚インタフェースを招来することがあった。一部の例では、タトゥーのような電極の場合、装備を付着するためにステンシルマスクやスプレープリンタのような追加の装備が必要となり、使用の便宜性を妨げることがあった。

電気生理学（ＥＰ）センサの皮膚条件に対する脆弱性を補うための解決策は、マイクロニードル電極であると言える。マイクロニードル電極は、皮膚準備過程が不要な安定的な電気的インタフェースを提供し、マイクロニードルの貫通によって表皮層に接近することができる。従来技術では、ポリイミド（ｐｏｌｙｍｉｄｅ：ＰＩ）、ポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、パリレン（ｐａｒｙｌｅｎｅ）などの高分子基質上に構築された柔軟なマイクロニードル電極（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ：ＦＭＥｓ）が提供されたが、このようなＦＭＥｓは、物質的には生体適合性があるが、皮膚組織と機械的に一致しない基質であるため、長期間の装着中にインタフェースの欠陥や不便を招来することがあった。近年は、ジメチルポリシロキサン（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ：ＰＤＭＳ）基質を使用した伸縮性マイクロニードル電極の開発により、基質不一致の一部の問題が緩和されたりもしたが、このような電極は、皮膚組織よりも高い弾性係数と皮膚表面への接着力の不足により、皮膚組織の変形に適応することに困難があった。さらに、伸縮性のある従来のマイクロニードル電極によるＥＰ信号記録性能は、電気的接続が困難であることと機械的伸張中の電気的信頼性の不足により、ほとんど研究されていない。

本発明では、皮膚の準備が不要であり、高い信頼性と皮膚状態に関わらずに長期にわたってＥＰ信号モニタリングを行うための解決策として、伸縮性マイクロニードル接着パッチ（Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ Ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｐａｔｃｈ：ＳＮＡＰ）を提示する。ＳＮＡＰの伸縮性のあるプラットフォームは、蛇行状のインタコネクトで構成され、皮膚組織の動的な変化を受容し、長期装着の快適性を高める。シリコーン（Ｓｉ）マイクロニードルアレイを伸縮性インタコネクトの下側に統合することによって、角質層まで浸透し、侵害受容体に到達せずに表皮と直に接触することができる。これにより、痛みがなく、皮膚準備過程を経ずに高品質のＥＰ信号を容易に取得することできる。これだけでなく、銀（Ａｇ）粒子と高粘着（ｈｉｇｈ－ｔａｃｋ）シリコーンからなる電気導電性接着剤（ＥＣＡ）は、追加の導電経路を提供し、電極－皮膚インタフェースを高めながらも使用中の皮膚に安全に取り付けることができる。一連の研究によってＳＮＡＰの物理的、機械的、電気的特性を総合的に調査した結果、多様な状況で高い信頼性が得られることが確認された。有限要素解析（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＦＥＡ）結果とその他のＥＰセンサ（例えば、ＦＭＥｓやジェル電極）との実験的比較により、ＳＮＡＰは、皮膚変形中に組織ストレスを大幅に減らし、信号対雑音比（Ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）を高める弾性と浸透性の特性によって優れた性能を示した。外骨格ロボットの閉ループ動作における概念証明デモンストレーションは、皮膚準備が不要な無線ＳＮＡＰシステムの信頼性を強調し、利用者の迅速かつ自由な動きを許容するＨＭＩ応用プログラムの潜在力を証明した。本発明において、ＳＮＡＰは、持続的なヘルスモニタリング、神経科学研究、装着可能なＨＭＩのように、信頼性の高いＥＰ検出を必要とする多様な応用分野に大きな影響を与えるものとして期待されている。

図１は、本発明の一実施形態における、伸縮性マイクロニードル接着パッチ（ＳＮＡＰ）の構成を説明するための図である。

本発明の一実施形態に係るＳＮＡＰを統合したパッチ型装置は、皮膚状態に関わらずに安定的かつ長期的のＥＰ信号モニタリングが可能である。図１は、表皮に直に接触するためにマイクロニードル（Ａｕ／Ｓｉ ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ）を使用して角質層を貫通する柔軟な組織適応ＳＮＡＰの拡大図である。

本発明の実施形態に係るＳＮＡＰは、軟性、接着特性、および組織適応性を備えるように工学的に設計されており、長期間にわたり安定的かつ信頼性のあるＥＰ信号の記録を保証する。

図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る伸縮性マイクロニードル接着パッチ（ＳＮＡＰ）は、延伸性導電線基盤の伸縮性相互接続部（ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ）１１０、ＡｕコーティングされたＳｉマイクロニードルアレイからなるマイクロニードルセンサ（Ａｕ／Ｓｉ ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ）１２０、Ａｇフレーク－シリコーンポリマー（Ａｇ ｆｌａｋｅｓ ａｎｄ Ｓｉｌｉｃｏｎｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）で生成された電気伝導性接着層（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ：ＥＣＡ）１３０を含む。前記Ａｇフレークは、カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンブラック（ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、銀ナノワイヤ（ｓｉｌｖｅｒ ｎａｎｏｗｉｒｅ）、液体金属（ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｔａｌ）などの他の電気伝導性フィルタ（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｆｉｌｌｅｒ）にも交換可能である。

本発明の一実施形態に係るＳＮＡＰは、利用者の皮膚状態や動きに関わらず、長期間にわたり安定的に高品質の生体信号を測定することができる。

本発明の一実施形態に係る延伸性導電線基盤の伸縮性相互接続（すなわち、伸縮性基板）１１０は、蛇行状に設計されており（例えば、５μｍ／２００ｎｍ／５μｍＰＩ／Ａｕ／ＰＩ構造）、マイクロニードルアレイの電気的および機械的基礎として作用する。

このような蛇行状の設計は、全般的にＳＮＡＰに弾力性を与え、皮膚変形に動的に適応することができる。蛇行状の伸縮性相互接続部１１０の下側に統合された強力なＳｉマイクロニードル（例えば、弾性率１３０ＧＰａ）１２０は、角質層を簡単に通過して表皮に到達する。このような構造は、接触インピーダンスを低め、電極の性能を高める。本発明の実施形態に係るマイクロニードルは、高さが２００μｍ、先端部の直径が５μｍ未満に設計されるが、皮膚内の侵害受容体は皮膚表面から２００μｍ下側に位置することから、痛みのない挿入を保証する。

本発明の実施形態に係るマイクロニードル周辺のＥＣＡ（例えば、厚さ４５μｍ）１３０は、皮膚に追加の電気伝導経路を提供し、電極と皮膚との間の電気的インタフェースを高める。本発明の実施形態に係るＥＣＡ１３０は、高粘着（ｈｉｇｈ－ｔａｃｋ）銀フレーク－シリコーンポリマーで構成され、皮膚との強い付着力を提供する。前記銀フレークは、カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、カーボンブラック（ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、銀ナノワイヤ（ｓｉｌｖｅｒ ｎａｎｏｗｉｒｅ）、液体金属（ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｔａｌ）などの他の電気伝導性フィルタ（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｆｉｌｌｅｒ）にも交換可能である。

図２は、本発明の一実施形態における、信頼性のある装着型ＥＰ信号モニタリングのためのＳＮＡＰの主な機械的特徴を説明するための図である。

図２（ａ）は、皮膚組織の伸張を適応させるためのＳＮＡＰの特徴を説明するための図である。

図２（ａ）を参照すると、ＳＮＡＰの軟性および伸縮性は、皮膚の動的な変形を最小限の機械的ストレスとして受容して、マイクロニードルと皮膚との間に強固なインタフェースを形成する。

図２（ｂ）は、引張変形率の関数としてＳＮＡＰの相対抵抗変化を示したグラフである。本発明の実施形態に係るＳＮＡＰに対して、ヒト皮膚の最大伸張範囲に該当する３０％の伸張を適用したときに無視できる抵抗変化を示している。これは、引張変形下で安定的な電気測定を維持する能力を強調する。

図２（ｃ）は、ＳＮＡＰの高い機械的コンプライアンスを示す光学画像を示している。本来の状態２１１、３０％の伸張状態２１２、１８０度の捻じれによる１０％伸張状態２１３をそれぞれ示しており、各状態の変形構成に対するＳＮＡＰの有限要素モデリングを示している。

本発明の実施形態に係る実験およびＦＥＡシミュレーションの結果（図２を参照）は、ＳＮＡＰがヒト皮膚の最大引張変形範囲（約３０％）が適用されたときに無視できる程度の相対的な導電体変化（＜５％；（図２（ｂ））と、金素材の最大主要変形において１．８％の最大主要変形だけで伸びることを示した（図２（ｃ）２１２を参照すると、Ａｕの屈折変形は約２％である）。特に、ほとんどのトレース領域は、最大変形に比べて相当に低い変形率（＜０．５％）を示した。さらに、高度の変形（例えば、１８０度の捻じれおよび１０％の伸張）にも耐えることができ、高い機械的耐久性を備えており、金素材の主な変形は０．０９７％に過ぎなかった（図２（ｃ）２１３を参照）。このような結果により、ＳＮＡＰが、ヒト皮膚の一般的な耐久性の限界を超える変形レベルであっても、優れた電気および機械的信頼性を発揮することが確認された（１０～２０％）。全般的に、マイクロニードルアレイを組織適応性のある弾性電極と統合した設計は、多様な皮膚条件で干渉が最小化された状態で、快適かつ極めて信頼性のあるＥＰ信号モニタリングを提供することができる。

図３は、本発明の一実施形態における、ＳＮＡＰの製造過程と材料について説明するための図である。

図３は、伸縮性電極にハードなマイクロニードルアレイを統合するための製作段階を示している。先ず、マイクロニードルアレイは、シリコーン（Ｓｉ）ウエハの一部ダイシングと等方性ウェットエッチングによって形成した後、チタニウム（Ｔｉ）／金（Ａｕ）（２０／２００ｎｍ）蒸着を行う（３１０）。この後、未硬化の低粘性の電気導電性接着剤（ＥＣＡ）がＡｕコーティングされたＳｉマイクロニードルアレイの前面にコーティングする（３２０）。次に、Ｓｉマイクロニードルアレイの下部を、積層されたＡｕ層とマイクロニードル側面に適用されたワックスによって保護しながら、ウェットエッチングによって個別に分離されたマイクロニードルを生成する（３３０）。最後に、分離されたマイクロニードルアレイは、電気的および機械的につながった蛇行状のインタコネクトに電動性エポキシ（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｅｐｏｘｙ）を用いて統合し（３４０）、ワックスを除去することによって完成する（３５０）。

図４は、本発明の一実施形態における、伸縮性および接着性マイクロニードルセンサの構成と機械的特性を説明するための図である。

本発明の実施形態に係る延伸性導電線基盤の伸縮性相互接続部（すなわち、伸縮性基板）は、低剛性シリコーンエラストマに延伸性導電線が集積された形態であって、皮膚の動的変形に自由自在に順応することができ、マイクロニードルアレイと電気的に接続して電気生理信号を回路部に伝達する。ここで、低剛性シリコーンエラストマは一例に過ぎず、他にも多様な伸縮性基板が利用されてよい。

本発明の実施形態に係るＡｕコーティングされたＳｉマイクロニードルアレイからなるマイクロニードルセンサは、伸縮性相互接続部と電気および機械的に接続し、高い抵抗を有する皮膚の角質層を透過して表皮層に直に接触して皮膚接触インピーダンスを効果的に低める。伸縮性相互接続部とマイクロニードルアレイをコーティングしている銀フレーク－シリコーンポリマー基盤の電気導電性接着剤は、高い電気導電性と皮膚付着力の両方を備えるため、強固な電極－皮膚インピーダンスを実現する。

図４（ａ）は、完成した伸縮性および接着性マイクロニードルセンサの光学画像を示している（スケールバー、５ｍｍ）。右側の画像は、伸縮性のある蛇行状のインタコネクト（上イメージ、装置の裏面）とＥＣＡ層がコーティングされたマイクロニードルアレイ（下イメージ、装置の表面）からなる完成したＳＮＡＰを示している。高品質の皮膚信号記録を達成するための重要な要素は、表皮接近性と皮膚との電気的および機械的インタフェースである。

図４（ｂ）は、本発明の実施形態における、ＥＣＡ層から突出したＡｕコーティングされた先端を示した、単一マイクロニードルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である（スケールバー、５０μｍ）。

ＳＮＡＰは、突出したＡｕコーティングされたマイクロニードルの先端から表皮への直の生体適合性のある接触を保証し、ＥＣＡ層によって強い接着性、高い伸縮性、および低い接触インピーダンスを維持する。このようなＥＣＡ層は、表面修正されたＡｇ粒子と高粘着性シリコーンの最適比率からなるポリマー複合体である（Ｓｉｌｂｉｏｎｅ（５ｋＰａ）：Ｅｃｏｆｌｅｘ ＧＥＬ（３３ｋＰａ）＝１：３（Ｓｉｌｂｉｏｎｅ ＲＴ Ｇｅｌ ４７１７，Ｂｌｕｅｓｔａｒ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ；Ｅｃｏｆｌｅｘ ＧＥＬ，Ｓｍｏｏｔｈ－Ｏｎ－Ｉｎｃ．（５３－５５））。ＳｉｌｂｉｏｎｅはＥＣＡの接着性を高め、Ｅｃｏｆｌｅｘ ＧＥＬは引張力を高める。

図４（ｃ）の上側は、本発明の実施形態における、Ａｇフレークとシリコーンジェルの混合物（Ｓｉｌｂｉｏｎｅ：Ｅｃｏｆｌｅｘ ＧＥＬ＝１：３）を示したＥＣＡ層のＳＥＭ画像である（スケールバー、１０μｍ）。図４（ｃ）の下側は、本発明の実施形態における、表面が粗くなったＡｇフレークを示している（スケールバー、１μｍ）。

表面修正されたＡｇ粒子は、ＥＣＡの電気伝導性を高めるための重要な役割を担う。ヨウ素化過程によってＡｇ粒子の表面が粗くなり、Ａｇ／ＡｇＩナノアイランドが形成されて銀が露出する。これは、Ａｇ粒子間の焼結（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）を促し、ＥＣＡの内在的導電度を増加させる。さらに、二次元的に表面修正されたＡｇ粒子の形態は、低粘度の電気導電性高分子が硬化する間に、基板平面方向にそって隣接する粒子を並列に積層することでＥＣＡの伸縮安定性を高める。したがって、隣接する粒子間の相互距離は、一定の範囲内である程度が維持され、伸縮に敏感でない信頼性のある電気伝導経路を提供する。これは、ＥＣＡが、許容可能な最大引張変形にさらされたときに相対的な伝導体の変化が小さいことを示し、ヒト皮膚の許容可能な最大皮膚伸縮に相応する。

図４（ｄ）は、本発明の実施形態における、３日目に細胞培地で培養された対照群（ＳＮＡＰなし）と実験群（ＳＮＡＰが浸漬された）の細胞生存率を比べたグラフである。右側の画像は、３Ｔ３細胞のライブ／デッド染色画像であり、ＳＮＡＰ浸漬群（ｉ）と対照群（ｉｉ）に対して３日培養後を示した図である（スケールバー、１００μｍ）。

図４（ｄ）を参照すると、実験結果は、ＳＮＡＰの皮膚生体適合性を示し、本発明の実施形態に係るＳＮＡＰの長期間の使用中に不要な損傷が起こらないことが確認された。ＳＮＡＰの生体適合性を評価するために、３Ｔ３細胞（マウス胎児繊維芽細胞株）とともに細胞毒性実験を実施した。この実験において、ＳＮＡＰは、全体的に細胞培地に完全に浸漬して３Ｔ３細胞とともに培養された。ＳＮＡＰに完全に浸漬した細胞培地で培養された細胞は、３日と７日に対する完全な細胞培地を使用した対照群と比較可能な細胞生存率を示した。蛍光ライブ／デッド染色は、対照群とＳＮＡＰに浸漬した群に差がないことを明確に示し、ＳＮＡＰの優れた生体適合性を示した。デバイスの生体適合性の他にも考慮すべき重要な側面は、安定的なＥＰ信号測定性能を維持しながらも、快適かつ皮膚に刺激のない着用性を提供する十分な通気性の確保である。ＡＳＴＭ Ｅ９６－９５標準による透過性テストを基盤とした結果、ＳＮＡＰは優れた水蒸気透過性を示したが、これはヒト皮膚で観察される皮膚透水量範囲（５～１０ｇ ｈｏｕｒ－１ ｍ－２）内に該当し、ＳＮＡＰの皮膚通気性を再確認した。

図４（ｅ）は、本発明の実施形態における、マイクロニードルアレイにコーティングされた青色染料で染色されたヒト皮膚の光学画像である。図４（ｅ）は、ＳＮＡＰによる皮膚浸透に対する実験設定を示している（スケールバー、１ｃｍ）。

本発明の実施形態に係るＳＮＡＰの主要な設計要求事項の１つに、柔らかい基板であるのに、低い貫通力によって均一な皮膚貫通を達成することにある。

図４（ｆ）は、本発明の実施形態における、ＦＭＥとＳＮＡＰの皮膚浸透力を比較したグラフである。

図４（ｆ）を参照すると、ＳＮＡＰが、ヒト皮膚に一般的なＰＩ基板に基づく従来のＦＭＥと比較可能な挿入力で皮膚を貫通する能力を示した。ＳＮＡＰの取得挿入力（≒４．８Ｎ）は、エレベータのボタンを押したり切手を貼るのに必要な力（≒２０Ｎ）よりも明確に低い。さらに、積載速度の増加にともない、必要とする挿入力は減少する。このような結果は、ＳＮＡＰが、強い指の圧力だけでも、最小限の力で皮膚に強力な皮膚貫通を容易に付与できることを示唆している。

図４（ｇ）は、本発明の実施形態における、皮膚に取り付けられたＳＮＡＰの光学画像である。ピンセットを使用して意図的に部分的に分離して、装置が皮膚にしっかりと接着していることを示している。

図４（ｈ）は、本発明の実施形態における、市販の医療用フィルムおよびシリコーン接着剤（例えば、Ｓｉｌｂｉｏｎｅ、２０：１ＰＤＭＳ）と比較した、本発明の実施形態に係るＳＮＡＰの皮膚接着強度を示したグラフである。

本発明の実施形態に係るＳＮＡＰは、迅速に貼り付けた後、粘着性のあるＥＣＡ層によって強力な接着力を提供し、皮膚に対して安定した装置インタフェースを保証するが（０．２４Ｎ／ｃｍ）、これは、市販の医療用接着テープの典型的な接着範囲（０．１６～１．２Ｎ／ｃｍ）内に該当する。全般的に、ＳＮＡＰの生体適合性、通気性、および機械的特性は、快適かつ皮膚に優しいインタフェースを利用者に提供しながらも、優れたデバイス－皮膚接触を維持できることを示した。

図５は、本発明の一実施形態における、皮膚に取り付けられたＳＮＡＰの電気的特性を説明するための等価回路である。

図５は、該当の等価回路モデルとともに、多様なタイプの電極に対する電極－皮膚インタフェースを示した概略図である。図５（ａ）はジェル電極、図５（ｂ）はＥＣＡ電極、図５（ｃ）はＦＭＥ、図５（ｄ）はＳＮＡＰの電極－皮膚インタフェースと、それぞれの等価回路を示している。

ＦＭＥは、ＰＩ基盤のマイクロニードル電極にＴｉ／Ａｕ（２０／２００ｎｍの厚さ）をスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）することで生成されるが、ＳＮＡＰとは異なり、ＥＣＡ層を含まない。表面電極とは異なり、マイクロニードル電極（ＦＭＥおよびＳＮＡＰ）は、電極－組織インタフェースにおいて二重層電荷（Ｃ_ｄ）と電荷移転抵抗（Ｒ_ｄ）の影響を回避する。これは、高い抵抗性表皮層（＞１０^５ｏｈｍ）による表皮直接接近によって達成される。

図６は、本発明の一実施形態における、皮膚に取り付けられたＳＮＡＰの電気的特性を説明するための図である。

図６（ａ）を参照すると、電極－皮膚接触インピーダンスのプロットは、周波数の関数によって変化する。水を湿らせたガーゼで皮膚をきれいに洗浄した後、消毒のためにアルコールスワブによってもう一度洗浄して準備する。

図６（ｂ）は、汗、死んだ皮膚細胞、毛、汚れた皮膚などの多様な皮膚状態を示した光学画像を示しており、図６（ｃ）は、このような多様な皮膚状態において多様なＥＰセンサで測定された皮膚接触インピーダンスの標準偏差を示している。

ＳＮＡＰの場合、マイクロニードルアレイを取り囲むＥＣＡ層が接触インピーダンスを低下させ、電極－組織インタフェースをさらに高める。具体的には、１００Ｈｚで、ＳＮＡＰは、ＦＭＥに比べて２５％の減少率で接触インピーダンスを低下させる（図６（ａ））。また、ＳＮＡＰは、皮膚状態に関わらずに低くて一貫した皮膚接触インピーダンスを示し（１００Ｈｚで２１±５ｋｏｈｍ・ｃｍ^２平均±標準偏差）、他の電極タイプに比べて安定的な皮膚接触インピーダンスを維持する（図６（ａ）および図６（ｃ））。複数のサンプルテスト（ｎ＝５）において、ＳＮＡＰが提供する直接的な表皮接近は、安定的かつ著しく低い皮膚接触インピーダンスの標準偏差（σＳＮＡＰおよびσＦＭＥ～５ｋｏｈｍ・ｃｍ^２）を示す。これは、従来のジェルやＥＣＡ電極の表皮接触インピーダンス（σジェルおよびσＥＣＡ～１５０ｋｏｈｍ・ｃｍ^２）の標準偏差よりも低い（図６（ｃ））。このような特徴により、ＳＮＡＰは、優れた電気的性能を提供するため、脱毛や角質除去のような皮膚準備が不要となる。

図６（ｄ）は、皮膚に取り付けられたＳＮＡＰとＦＭＥとの間の機械的適応性に対して、皮膚を圧縮した場合と伸張した場合の視覚的な比較を示している。

ＳＮＡＰの弾性特性は、皮膚の動的変形に対応して安定的かつ一貫した皮膚接触を可能にし、ＳＮＡＰが皮膚の動的変形に適応して安定的な接触を維持できるようにする。この反面、ＦＭＥは、装置－皮膚インタフェースにおける機械的な不一致によって皮膚から剥がれやすい。

本発明の実施形態に係る伸縮性および接着性マイクロニードル電極は、皮膚組織の剛性率（例えば、６０～８５０ｋＰａ）と同じような剛性率と優れた伸縮性（＞５０％）を備えるため、皮膚の伸縮に動的に順応して電極が剥がれることを防ぐ（図６（ｄ））。

図６（ｅ）のＦＥＡ結果は、ＳＮＡＰ周辺の組織で相当に少ない応力を示し（０．２２ＭＰａ）、ＦＭＥ（０．５７ＭＰａ）に比べ、ＳＮＡＰが組織変形に適応して動的運動中に組織損傷を最小化できることが確認された。

また、この装置の優れた伸縮性と順応性は、従来の伸縮性のない柔軟なマイクロニードル電極に比べて皮膚組織が受けるストレスを減らし、発疹や刺激を予防し（図６（ｅ））、７日以上の装着でも品質低下なく電気生理信号を測定することが可能であった。

図６（ｆ）は、多様な引張変形率において、ＳＮＡＰとＦＭＥの皮膚接触インピーダンスを測定したグラフである。皮膚変形下における皮膚接触インピーダンスの実験結果は、ＳＮＡＰの適応と緻密な組織インタフェースによって電極と皮膚との間に物理的な隙間ができる可能性を減らし、安定した皮膚接触インピーダンスを維持するのに寄与することを示した（３０％の適用変形で接触インピーダンスの増加＜５ｋｏｈｍ・ｃｍ^２）。

図６（ｇ）は、周期的伸張と解除中に、ＳＮＡＰとＦＭＥを使用して測定されたＥＭＧ信号の基準ノイズレベルを比較したグラフである。

ＳＮＡＰの長期使用の電気的性能と機械的適合性を保証するために、電極が皮膚に付着された状態で周期的変形を繰り返し行いながらＥＭＧ基準ノイズをモニタリングした。図６（ｇ）は、ＳＮＡＰを付着した部位で１００回繰り返された３０％の伸張と圧縮でも、一貫したＥＭＧ基準ノイズを維持することを示している。これにより、ＳＮＡＰの動的運動中の皮膚との強力なインタフェースを確認することができる。

図６（ｈ）は、ＳＮＡＰとＦＭＥを使用して、周期的伸縮後の皮膚表面の光学画像（左側は５０サイクル後、右側は１５０サイクル後）を示した図である。

皮膚の３０％の伸張を１５０回繰り返した場合、ＳＮＡＰの皮膚組織インタフェースでは、有意な赤色発疹を発症がなかった。これは、同じ条件でＦＭＥを適用した皮膚インタフェースとは対照的であった（図６（ｈ））。

図６（ｉ）は、ＳＮＡＰ、ＥＣＡ、および市販のジェル電極を使用して８日間測定した休息ＥＭＧ信号の基準ノイズレベルを比較したグラフである。

ＳＮＡＰの長期的な装着可能性を評価するために、ＳＮＡＰを腕の筋肉（対象筋肉：橈側手根屈筋（ｆｌｅｘｏｒ ｃａｒｐｉ ｒａｄｉａｌｉｓ））に付着し、ＥＭＧ基準ノイズの変化を８日間にわたりモニタリングした。このような結果を、ＥＣＡ電極と市販のジェル電極（ＴＹＨ－ＷＦ２５ＲＰ，Ｓｋｙｆｏｒｅｖｅｒ）を使用した結果と比較した。８日間の測定期間中、ＳＮＡＰとＥＣＡ電極の出力信号は安定的であり、基準ノイズ値はほぼ変化しなかった（＜１０％）。この反面、市販のジェル電極は、電極の乾燥によって基準ノイズが著しく増加した（１～８日目まで６９％増加）。ＳＮＡＰの初期装着には、水またはアルコール綿を使用して皮膚準備を整えることを勧奨するが、このような結果は、ＳＮＡＰが、皮膚状態や変形に関わらずにＥＰ信号の強力かつ長期的なモニタリングを可能にする能力を備えていることを総合的に証明した。

図７は、本発明の一実施形態における、無線ＳＮＡＰシステムの構成を示した図である。

本発明の実施形態に係る無線ＳＮＡＰシステムは、シリコーンエラストマ（ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）７２０で取り囲まれたＳＮＡＰ７１０、シリコーンエラストマ７２０で取り囲まれた伸縮性電子回路（ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ）７３０、チップコンポーネント（例えば、ＢＬＥ ＳｏＣ、増幅器など）７４０、およびモジュール型バッテリー（ｍｏｄｕｌａｒ ｂａｔｔｅｒｙ）７５０を含む。ここで、低剛性シリコーンエラストマは一例に過ぎず、他にも多様な伸縮性基板が利用されてよい。

本発明の実施形態に係る無線ＳＮＡＰシステムは、シリコーンエラストマ７２０で取り囲まれたＳＮＡＰ７１０を利用者の皮膚に付着してＥＰ信号を取得する。取得したＥＰ信号をシリコーンエラストマ７２０で取り囲まれた伸縮性電子回路７３０に送信すると、伸縮性電子回路７３０で受信した前記ＥＰ信号を、ＢＬＥ ＳｏＣ７４０で利用者インタフェース応用プログラムを利用して、リアルタイムでマルチチャネルＥＰ信号モニタリングを実行する。

図７では、ＳＮＡＰを伸縮性無線ＥＰ信号処理回路７３０と統合し、利用者の動的動作中に安定的なＥＭＧ検出を可能にする無線ＳＮＡＰシステムについて説明する。無線ＳＮＡＰシステムの柔軟な特性は、上肢（ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂｓ）および下肢（ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂｓ）のような目標曲線筋肉領域で安定的なＥＰ信号記録を可能にする。また、装置の無線機能は、従来の装置の不便な有線設定の必要性を排除する。

本発明の実施形態に係るＳＮＡＰにおいて、インタコネクトの蛇行状の構造（例えば、５０μｍ／３６μｍ／５０μｍ ＰＩ／Ｃｕ／ＰＩ構造）は、ＢＬＥ ＳｏＣおよび増幅器チップを含む統合構成要素７４０とともに、装置の伸縮性を可能にする。ＢＬＥ ＳｏＣは、携帯用電子機器（例えば、スマートフォン）との無線通信を容易にし、利用者に適したインタフェース応用プログラムによるリアルタイムのマルチチャネルＥＰ信号モニタリングを許容する。最適な快適性と実用性を保証するために、無線ＳＮＡＰシステムは、シリコーンエラストマカプセル（例えば、厚さ７５０μｍ；６９ｋＰａ；Ｅｃｏｆｌｅｘ００－３０）７２０で取り囲まれ、皮膚と同じくらいの柔らかさと、組織運動中（特に、屈曲および伸張）に高い順応性を提供する。本発明の実施形態に係る装置の電源は、モジュール型リチウムポリマー（ＬｉＰｏ）バッテリー７５０から提供されるが、これは、無線ＳＮＡＰシステムの伸縮性電子回路７３０と金属ピンコネクタを介して接続される。ここで、モジュール型リチウムポリマーバッテリーは一例に過ぎず、ボタン型バッテリー（ｃｏｉｎ ｃｅｌｌ ｂａｔｔｅｒｙ）や他のタイプのリチウム電池など、多様な小型電池が使用されてもよい。

また、無線ＳＮＡＰシステムの伸縮性電子回路７３０の下端面の金属開口部は、異方性導電フィルムケーブルおよび磁気コネクタを介してＳＮＡＰに電気的接続を提供し、回路の半永久的な使用とＳＮＡＰの容易な交換を可能にする。

図８は、本発明の一実施形態における、無線ＳＮＡＰシステムの機械的耐久性を示した図である。

図８は、伸張（ε＝３０％）８１０と捻じれ（９０°の捻じれ）８２０中に撮影した装置の写真である。図８は、完成した無線ＳＮＡＰシステムの実際の画像を示しており、動的変形中のＳＮＡＰのシステムの機械的順応性を示している。

図９は、本発明の一実施形態における、無線ＳＮＡＰシステムの動作方法を説明するためのフローチャートである。

本発明の一実施形態に係る無線ＳＮＡＰシステムの動作方法は、シリコーンエラストマ（ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）で取り囲まれた伸縮性マイクロニードル接着パッチを利用者の皮膚に取り付けて電気生理信号を取得する段階９１０、前記取得した電気生理信号を分析するために、前記弾性マイクロニードル接着パッチと電気的に接続し、シリコーンエラストマで取り囲まれた伸縮性電子回路に前記電気生理信号を送信する段階９２０、および前記伸縮性電子回路で受信した前記電気生理信号を、ＢＬＥ ＳｏＣおよび増幅器を含むチップ構成要素によって、ユーザインタフェース応用プログラムを利用してリアルタイムでマルチチャネル電気生理信号モニタリングを実行する段階９３０を含む。

本発明の一実施形態によると、前記伸縮性電子回路に金属ピンコネクタを介して接続されるモジュール型リチウムポリマー（ＬｉＰｏ）電池によって、前記伸縮性マイクロニードル接着パッチシステムの電源を提供する。

本発明の一実施形態によると、前記伸縮性電子回路の下端面の金属開口部は、異方性導電フィルムケーブルおよび磁気コネクタを介して前記伸縮性マイクロニードル接着パッチシステムに電気的接続を提供し、回路の半永久的な使用と前記伸縮性マイクロニードル接着パッチの交換を可能にする。

本発明の一実施形態によると、前記伸縮性マイクロニードル接着パッチシステムの伸縮性マイクロニードル接着パッチおよび伸縮性電子回路をシリコーンエラストマーで取り囲むことによって、利用者の皮膚に取り付けて電気生理信号を取得する過程において、利用者の皮膚組織の運動中の屈曲および伸張に対して動的順応性を提供することができる。

本発明の一実施形態によると、前記ＢＬＥ ＳｏＣおよび増幅器を含むチップ構成要素によって、ブルートゥース（登録商標）基盤の無線通信を利用して、ユーザインタフェース応用プログラムを利用したリアルタイムのマルチチャネル電気生理信号モニタリングおよび制御ユニットとの通信によって、外骨格ロボットの閉ループ制御を支援することができる。

図１０は、本発明の一実施形態における、多様な歩行動作中の無線ＳＮＡＰシステムのＥＭＧモニタリング性能を説明するための図である。

図１０に提示したＦＥＡシミュレーションは、構成要素が変形するすべての領域において、Ｃｕインタコネクトトレースの最大主要変形率（３．３％）が破壊限界（Ｃｕの破壊変形率≒５％）以下に維持された無線ＳＮＡＰシステムの能力を確認することができる。ほとんどの領域が、最大変形率に対して相当に低い変形率（＜０．３％）を示したということに注目してみる。これは、無線ＳＮＡＰシステムが、動作中に構造的完全性を維持する能力を備えるということを確認することができる。

高強度の身体活動中に無線ＳＮＡＰシステムによるＥＰ記録を活用することができる潜在的な有用性を評価するために、ヒトの太ももの筋肉（対象筋肉：外側広筋（Ｖａｓｔｕｓ ｍｅｄｉａｌｉｓ））に装置を取り付けて運動中のＥＭＧ信号をモニタリングした。運動中の皮膚変形と皮脂分泌による動的条件をシミュレートするために、ＥＰ信号モニタリング部位にオイルとベビーパウダーを塗布した。その後、無線装置と従来のジェル電極を統合した無線装置から得た測定結果を比較した。

図１０は、ウォーキング１０１０、ランニング１０２０、ジャンプ１０３０、およびスクワット１０４０などの多様な移動活動を含む野外運動中にＥＭＧを測定した例示図である。ウォーキング１０１０のような軽度の身体活動では、動作アーティファクトによる影響は明確でなく、ＳＮＡＰとジェル電極で測定したＥＭＧ信号に大きな差は観察されなかった。しかし、ランニング１０２０やジャンプ１０３０のような激しい運動の場合、脚の動きによって、付着した無線装置（ＳＮＡＰおよびジェル電極と統合）に相当の加速度、揺れ、および組織変形をもたらす。ランニング１０２０とジャンプ１０３０の測定結果は、無線ＳＮＡＰシステムがランニングまたはジャンプ中に最小限の基準方向と動作アーティファクトを引き起こし、ジェル電極システムがＥＭＧ信号において著しく変動したことが確認された。

図１１は、本発明の一実施形態における、無線ＳＮＡＰシステムのＥＭＧ信号の品質を示したグラフである。

図１１（ａ）は前処理された皮膚状態と汚染された皮膚状態の基準ノイズ振幅を、図１１（ｂ）はＳＮＲ値を、図１１（ｃ）は４種類の歩行動作の基準ノイズ振幅を記録したＥＭＧ信号品質のグラフである。

本発明の実施形態に係る無線ＳＮＡＰシステムのＥＭＧ信号品質は、有意的な基準ノイズの減少（ジェル電極に比べて４７％減少、ＥＣＡ電極に比べて７３％減少）により、皮膚状態に関わらずに高い性能を示し、皮膚汚染を克服することが可能な装置であることを証明した。このような傾向は、ＥＭＧだけでなく、信号サイズが格段に小さい脳波のような他のＥＰ信号でも一貫して現れた。これは、無線ＳＮＡＰシステムが、動的動作において高品質のＥＰ信号測定を提供できるだけの能力を備えることを証明しており、ヘルスケア、アスリートトレーニング、筋骨格系リハビリテーション、ＨＭＩなどへの応用の可能性を提示している。

図１２は、本発明の一実施形態における、ＨＭＩとしての無線ＳＮＡＰシステムによる実験結果を示した図である。

本発明の実施形態に係るＥＭＧ基盤の外骨格ロボット技術は、利用者の動きを迅速に認識するという利点を提供し、従来の運動基盤の外骨格ロボットよりも３０～１００ｍｓだけ迅速に作動する。また、神経筋連結によってユーザ入力とフィードバックを統合することも可能である。しかし、利用者の動きや皮膚分泌による信号の不安定性は、ＥＭＧ基盤の補助ロボット制御の実用化における課題である。さらに、面倒な有線センサシステムは、膨大な設定時間を必要とし、利用者の自然な動きの範囲を制限し、外骨格ロボットの応用が研究室環境に限定されるという問題を抱えている。

本発明の実施形態では、知能型神経網の補助、物理的運動の補助、およびその他のＨＭＩ分野に適用するために準備なく動作する、低プロファイルの無線ＳＮＡＰシステムを利用した外骨格ロボット制御を提案する。

本発明の実施形態では、ＳＮＡＰシステムを使用して、荷物を持ち上げるときに使用される背中の役割を担う背部補助ロボットの無線ＥＭＧトリガーによる閉ループ制御を実演している。図１２（ａ）と（ｂ）を参照すると、ロボット支援戦略および無線ＳＮＡＰシステムを使用したシステム構成が示されている。

図１２（ａ）は、外骨格ロボットのシステムアーキテクチャと制御戦略を示した図である。下肢筋肉に取り付けられたＳＮＡＰシステムは、ＥＭＧ信号を外骨格ロボットコントローラに無線で送信して補助動作を促す。背部筋肉に取り付けられた別のＳＮＡＰシステムは、筋肉活動をモニタリングしながらロボットの補助性能を評価する。

図１２（ｂ）は、空気圧式背負い外骨格システムのハードウェア構成を示した図である。空気圧シリンダの線形動作によって装置が胴体を押し、重い外部負荷を持ち上げるための補助股関節トルクが生成された。

図１２（ｃ）は、スクワットリフティング（ｓｑｕａｔ）および屈曲リフティング（ｓｔｏｏｐ）の単一周期中に、トリガー筋肉から出るＴＫＥＯ－ＥＭＧ信号のリアルタイム測定結果を示した図である。

図１２（ａ）を参照すると、ＥＭＧ信号は、下肢筋肉に取り付けられたＳＮＡＰシステムによってモニタリングされ（対象筋肉：スクワットリフティングのためのＧＭ（Ｇｌｕｔｅｕｓ Ｍａｘｉｍｕｓ）、屈曲（ｓｔｏｏｐ）リフティングのためのＢＦ（Ｂｉｃｅｐｓ ｆｅｍｏｒｉｓ））、この信号がプリセット閾値を超えると補助ロボットが作動する。

ＳＮＡＰシステムは、動的なＨＭＩ作業中に、一般的なジェル電極に比べて、発汗や皮膚変形に対する高い耐性を提供し、強力な検出インタフェースを提供する（１２１０）。収集されたＥＭＧ信号は、マイクロコントローラユニットの有限状態機械に送信され、ＴＫＥＯ（Ｔｅａｇｅｒ－Ｋａｉｓｅｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｏｐｅｒａｔｏｒ）によって整流され、現時点の外骨格ロボットの状態を決定し、補助モードであるかどうかを判断する（１２１１）。このようなプロセスは、対応するトルクプロファイルを生成する（１２１２）。補助トルクは、閉ループ空圧コントローラによって利用者の臀部関節に伝達されるが、これは、アクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）逆モデルから得た所望の空気圧を使用する（１２１３）。このような補助戦略は、重い荷物を繰り返し持ち上げることから発生する筋肉の過剰使用と疲労を減らし、筋骨格の負傷を予防する。さらに、対象筋肉が位置する背筋肉には追加の無線ＳＮＡＰシステムが取り付けられており、このシステムがスマートフォンと通信しながら、外骨格ロボットの性能を評価するためにＥＭＧのＲＭＳ ＥＭＧの減少を分析する（１２２０）。

図１２（ｃ）は、無線ＳＮＡＰシステムを使用した閉ループ制御によって統合された外骨格ロボットの補助能力を証明する概念実証デモンストレーションを提供するものであり、１０ｋｇの荷重を持ち上げる様子を示している。この実験は、準備された皮膚と準備されていない発汗皮膚状態の両方で実施され、ＳＮＡＰシステムの性能を、事前準備を必要としない状況で評価するためのものである。

図１２（ｄ）は、ロボット支援の有無によってＲＭＳ ＥＭＧを比較したグラフである。

Ｌ１筋肉で測定されたＲＭＳ ＥＭＧ結果は、ロボット補助がないものと比べると、筋肉の活性化が著しく減少することを示している（平均的に、準備された皮膚と準備されていない発汗皮膚状態でそれぞれ１８．１％減少）。この結果は、ＳＮＡＰシステムが、利用者の動きや皮膚分泌による不安定なＥＭＧ記録に対する課題を効果的に克服し、従来のＥＭＧ基盤の外骨格ロボット制御の妨げとなっていた問題を解決したことを示す。さらに、ＳＮＡＰシステムが取り付けられた外骨格ロボットは、筋肉疲労に肯定的な効果をもたらし、重い荷物を持ち上げるのに助けを必要とする個人の機能的な移動性を高めることができる潜在力を強調した。まとめると、準備なく動作する無線ＥＰ信号モニタリングシステムを補助外骨格ロボットに統合することは、無線補助機の制御分野において有望なソリューションを示し、特に、無線補助システムの制御分野において物理的人間拡張に寄与する。

このように、本発明の実施形態に係るＳＮＡＰは、ヒトの電気生理信号を長期間にわたり安定的に測定して分析してフィードバックを提供するヘルスケアアプリケーションに適用可能である。

また、本発明の実施形態に係るＳＮＡＰは、ヒューマンマシンインタフェースに適用して利用者の皮膚状態および動きによるノイズを最小化し、正確な信号取得と動作認識機能を要するアプリケーションに最適である。

また、本発明の実施形態に係るＳＮＡＰは、長期使用でも皮膚に炎症が起こらず、電気刺激などの多様な経皮治療に使用することができる。

さらに、本発明の実施形態に係るＳＮＡＰは、ウェアラブル機器だけでなく、脳皮質伝導や神経伝導などの多様な生体移植マルチチャネル電気信号の測定および刺激に適用可能であり、生体移植用機器に使用することができる。

本発明の実施形態に係るＳＮＡＰは、皮膚の毛、角質除去、および導電性ジェルの塗布のような複雑な皮膚準備時間を効果的に短縮しながらも、高品質の電気生理信号を測定することが可能である。したがって、短い準備時間および良質な装着性を要する多様な医療、リハビリテーション、産業用電気生理信号基盤のウェアラブルロボット分野において相当な需要が期待される。

本発明の実施形態に係るＳＮＡＰは、１週間以上で安定的に高品質の電気生理信号の測定が可能であると同時に、高い生体組織適合性を示す。したがって、利用者の不快感をなくし、長期間にわたり正確な生体信号の取得を要するデジタルヘルスケアや医療分野において高い競争力が期待される。

本発明の実施形態によると、人口の高齢化にともなってリハビリテーション工学に対する需要が高まりつつある中で、医療リハビリテーション装着型ロボットおよび補綴とのフィードバック連動において重要とされる電気生理信号センサ技術を提案したという点において、高い産業的付加価値を創出することが期待される。さらに、追加の準備過程がなくても簡単な装着で良質の生体信号測定が可能であるといいう点において、本発明は、高い実用性と時間短縮を要する産業界で需要が高いものと期待される。ウェアラブルデバイスに適用する場合、長期間にわたり安定した動作が可能であり、高い生体適合性によって電気生理信号モニタリングが可能であるという点において、医療機器事業分野における本技術の導入の見通しが明るいものと期待される。

上述した装置は、ハードウェア構成要素、ソフトウェア構成要素、および／またはハードウェア構成要素とソフトウェア構成要素との組み合わせによって実現されてよい。例えば、実施形態で説明された装置および構成要素は、例えば、プロセッサ、コントローラ、ＡＬＵ（ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）、デジタル信号プロセッサ、マイクロコンピュータ、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）、ＰＬＵ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）、マイクロプロセッサ、または命令を実行して応答することができる様々な装置のように、１つ以上の汎用コンピュータまたは特殊目的コンピュータを利用して実現されてよい。処理装置は、オペレーティングシステム（ＯＳ）およびＯＳ上で実行される１つ以上のソフトウェアアプリケーションを実行してよい。また、処理装置は、ソフトウェアの実行に応答し、データにアクセスし、データを記録、操作、処理、および生成してもよい。理解の便宜のために、１つの処理装置が使用されるとして説明される場合もあるが、当業者であれば、処理装置が複数個の処理要素および／または複数種類の処理要素を含んでもよいことが理解できるであろう。例えば、処理装置は、複数個のプロセッサまたは１つのプロセッサおよび１つのコントローラを含んでよい。また、並列プロセッサのような、他の処理構成も可能である。

ソフトウェアは、コンピュータプログラム、コード、命令、またはこれらのうちの１つ以上の組み合わせを含んでもよく、思うままに動作するように処理装置を構成したり、独立的または集合的に処理装置に命令したりしてよい。ソフトウェアおよび／またはデータは、処理装置に基づいて解釈されたり、処理装置に命令またはデータを提供したりするために、いかなる種類の機械、コンポーネント、物理装置、仮想装置（ｖｉｒｔｕａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｔ）、コンピュータ記録媒体または装置に具現化されてよい。ソフトウェアは、ネットワークによって接続されたコンピュータシステム上に分散され、分散された状態で記録されても実行されてもよい。ソフトウェアおよびデータは、１つ以上のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてよい。

実施形態に係る方法は、多様なコンピュータ手段によって実行可能なプログラム命令の形態で実現されてコンピュータ読み取り可能な媒体に記録されてよい。前記コンピュータで読み取り可能な媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などを単独でまたは組み合わせて含んでよい。前記媒体に記録されるプログラム命令は、実施形態のために特別に設計されたものであってもよいし、コンピュータソフトウエアの当業者に公知された使用可能なものであってもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例としては、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、および磁気テープのような磁気媒体、ＣＤ－ＲＯＭおよびＤＶＤのような光媒体、フロプティカルディスク（ｆｌｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｓｋ）のような光磁気媒体、およびＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を記録して実行するように特別に構成されたハードウェア装置が含まれる。プログラム命令の例としては、コンパイラによって生成されるもののような機械語コードだけではなく、インタプリタなどを使用してコンピュータによって実行される高級言語コードを含む。

以上のように、実施形態を、限定された実施形態および図面に基づいて説明したが、当業者であれば、上述した記載から多様な修正および変形が可能であろう。例えば、説明された技術が、説明された方法とは異なる順序で実行されたり、かつ／あるいは、説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が、説明された方法とは異なる形態で結合されたりまたは組み合わされたり、他の構成要素または均等物によって対置されたり置換されたとしても、適切な結果を達成することができる。

したがって、異なる実施形態であっても、特許請求の範囲と均等なものであれば、添付の特許請求の範囲に属する。

Claims (15)

1. 利用者の皮膚状態に関わらずに電気生理信号を取得するために利用者の皮膚に取り付けられる電気伝導性接着（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ：ＥＣＡ）層と、
   前記電気伝導性接着層を通過して角質層を貫通し、利用者の表皮に直に接触して皮膚接触インピーダンスを低下させるマイクロニードルアレイを含むマイクロニードルセンサと、
   前記マイクロニードルセンサと電気的および機械的に接続し、利用者の皮膚変形に動的に適応するように蛇行（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）状の構造を有する延伸性導電線ベースの伸縮性相互接続部と、
   を含む、伸縮性マイクロニードル接着パッチ（Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ Ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｐａｔｃｈ：ＳＮＡＰ）
2. 前記電気伝導性接着層は、
   マイクロニードルセンサ周辺で利用者の皮膚に追加の電気伝導経路を提供して前記マイクロニードルセンサと利用者の皮膚との間の皮膚接触インピーダンスを低下させることによって、前記マイクロニードルセンサと利用者の皮膚との間の電気的インタフェースを高める、
   請求項１に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチ。
3. 前記電気伝導性接着層は、
   前記伸縮性相互接続部と前記マイクロニードルセンサをコーティングしているシリコーンポリマーで生成された電気伝導性接着剤によって電気伝導性と皮膚付着力を同時に提供し、前記マイクロニードルセンサと利用者の皮膚との間の低インピーダンスを実現する、
   請求項２に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチ。
4. 前記マイクロニードルセンサは、
   金コーティングされたシリコーン素材の前記マイクロニードルアレイを前記伸縮性相互接続部の下側に統合し、前記マイクロニードルアレイが利用者の角質層まで浸透して、侵害受容体に到達せずに表皮層に直に接触する、
   請求項１に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチ。
5. 前記マイクロニードルセンサは、
   前記マイクロニードルアレイがシリコーン（Ｓｉ）ウエハの一部ダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）と等方性ウェットエッチングによって形成された後、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）を蒸着し、
   電気伝導性接着剤が前記マイクロニードルアレイの前面にコーティングされた後、前記マイクロニードルアレイの下部を前記蒸着した金と前記マイクロニードルアレイにおけるマイクロニードルの側面に塗布されたワックスによって保護しながらウェットエッチングによって個別に分離するマイクロニードルを生成し、前記分離したマイクロニードルアレイを、電気的および機械的に接続された蛇行状の構造を有する前記伸縮性相互接続部に導電性エポキシ（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｅｐｏｘｙ）を使用して統合し、前記ワックスを除去することによって生成される、
   請求項２に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチ。
6. 前記伸縮性相互接続部は、
   伸縮性基板に延伸性導電線が集積された形態であって、前記マイクロニードルセンサと電気的に接続して取得した電気生理信号を、前記電気生理信号を分析するための回路部に伝達する、
   請求項１に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチ。
7. 前記伸縮性相互接続部は、
   伸縮性基板に延伸性導電線が集積された形態であって、蛇行（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）状の構造によって利用者の皮膚変形を動的に受容することが可能であり、伸縮性および長期装着の快適性を提供する、
   請求項１に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチ。
8. 前記伸縮性マイクロニードル接着パッチは、
   利用者の皮膚組織と同じような剛性率を有する前記マイクロニードルセンサおよび前記電気伝導性接着層による接着性を提供し、前記伸縮性相互接続部による伸縮性を提供することによって、前記伸縮性マイクロニードル接着パッチが剥がれることを防ぎ、利用者の皮膚組織が受けるストレスを軽減し、発疹および刺激を防ぎながら、長期装着にも品質低下なく電気生理信号を測定することが可能な、
   請求項１に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチ。
9. 伸縮性マイクロニードル接着パッチ（Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ Ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｐａｔｃｈ：ＳＮＡＰ）システムであって、
   利用者の皮膚に取り付けられ、電気生理信号を取得する伸縮性基板で取り囲まれた伸縮性マイクロニードル接着パッチと、
   前記取得した電気生理信号を分析するために、前記伸縮性マイクロニードル接着パッチと電気的に接続して前記電気生理信号を受信し、伸縮性基板で取り囲まれた伸縮性電子回路と、
   前記伸縮性電子回路で受信した前記電気生理信号を、ユーザインタフェース応用プログラムを利用してリアルタイムでマルチチャネル電気生理信号モニタリングを実行するためのＢＬＥ ＳｏＣおよび増幅器を含むチップ構成要素と、
   を含み、
   前記伸縮性マイクロニードル接着パッチは、
   利用者の皮膚状態に関わらずに電気生理信号を取得するために利用者の皮膚に取り付けられる電気伝導性接着（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ：ＥＣＡ）層と、
   前記電気伝導性接着層を通過して角質層を貫通し、利用者の表皮に直に接触して皮膚接触インピーダンスを低下させるマイクロニードルアレイを含むマイクロニードルセンサと、
   前記マイクロニードルセンサに電気的および機械的に接続し、利用者の皮膚変形に動的に適応するように蛇行（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）状の構造を有する延伸性導電線ベースの伸縮性相互接続部と、
   を含む、伸縮性マイクロニードル接着パッチシステム。
10. 前記伸縮性電子回路と金属ピンコネクタを介して接続し、前記伸縮性マイクロニードル接着パッチシステムの電源を提供するバッテリーをさらに含み、
    前記伸縮性電子回路の下端面の金属開口部は、異方性導電フィルムケーブルおよび磁気コネクタを介して前記伸縮性マイクロニードル接着パッチシステムに電気的接続を提供し、回路の半永久的な使用と前記伸縮性マイクロニードル接着パッチの交換を可能にする、
    請求項９に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチシステム。
11. 前記伸縮性基板は、
    前記伸縮性マイクロニードル接着パッチシステムの伸縮性マイクロニードル接着パッチおよび伸縮性電子回路を取り囲むことによって、利用者の皮膚に取り付けて電気生理信号を取得する過程において、利用者の皮膚組織の運動中の屈曲および伸張に対して動的順応性を提供する、
    請求項９に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチシステム。
12. 前記電気伝導性接着層は、
    前記マイクロニードルセンサ周辺で利用者の皮膚に追加の電気伝導経路を提供して前記マイクロニードルセンサと利用者の皮膚との間の皮膚接触インピーダンスを低下させることによって、前記マイクロニードルセンサと利用者の皮膚との間の電気的インタフェースを高め、
    前記伸縮性相互接続部と前記マイクロニードルセンサをコーティングしているシリコーンポリマーで生成された電気伝導性接着剤によって電気伝導性と皮膚付着力を同時に提供し、前記マイクロニードルセンサと利用者の皮膚との間の低インピーダンスを実現する、
    請求項９に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチシステム。
13. 前記マイクロニードルセンサは、
    金コーティングされたシリコーン素材の前記マイクロニードルアレイを前記伸縮性相互接続部の下側に統合し、前記マイクロニードルアレイが利用者の角質層を貫通して、侵害受容体に到達せずに表皮層に直に接触する、
    請求項９に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチシステム。
14. 前記伸縮性相互接続部は、
    伸縮性基板に延伸性導電線が集積された形態であって、前記マイクロニードルセンサと電気的に接続して取得した電気生理信号を、前記電気生理信号を分析するための伸縮性電子回路に伝達し、
    蛇行（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）状の構造によって利用者の皮膚変形を動的に受容することが可能であり、伸縮性および長期装着の快適性を提供する、
    請求項９に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチシステム。
15. 前記ＢＬＥ ＳｏＣおよび増幅器を含むチップ構成要素は、
    ブルートゥース（登録商標）基盤の無線通信を活用した、ユーザインタフェース応用プログラムを利用したリアルタイムのマルチチャネル電気生理信号モニタリングおよびコントロールユニットとの通信によって、外骨格型ロボットの閉ループ制御を支援する、
    請求項９に記載の伸縮性マイクロニードル接着パッチシステム。