JP2012228375A

JP2012228375A - 生体装着用電極

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Publication number: JP2012228375A
Application number: JP2011098603A
Authority: JP
Inventors: Susumu Takahashi; 晋高橋
Original assignee: Kyoto Sangyo University
Current assignee: Kyoto Sangyo University
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: JP5771437B2

Abstract

【課題】げっ歯類等の小動物の頭蓋内の様な小さな空間でも設置可能でかつ、脳の形状に左右されない生体装着用電極を提供する。
【解決手段】
少なくとも一部分を頭蓋内に設置する硬膜外電極１において、頭蓋内に流れる微弱な電気による信号を受信し及び／又は頭蓋内に微弱な電気による信号を発信する電極領域２０と、外部装置と電気的に接続可能なコネクター領域２２と、前記電極領域２０とコネクター領域２２とを電気的に接続する伝達領域２１とを有し、電極領域２０には、複数の電極端子１０が平面的広がりをもって分布すると共に各電極端子１０に接続された電極配線１２があり、電極領域２０の先端側に配された電極端子１０に接続している電極配線１２は、後列の幅方向に隣接する電極端子１０同士の間を通過しており、電極領域２０は可撓性を有している構成としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、硬膜外電極に代表される生体装着用電極に関するものであり、特に動物の頭蓋内に挿入する硬膜外電極として好適である。

脳内の情報を取得する方法として、頭皮に電極を配置して脳内の情報を計測することが知られている。即ち、頭蓋骨や皮膚などを介して、頭蓋内の脳内信号を計測する方法がある。しかしながら、頭蓋骨や皮膚などを介すと、微弱な頭蓋内の脳内信号は減衰して、空間分解能が低くなり、正確な計測が困難であった。
そこで、従来から、開頭し、脳に直接硬膜外電極を設置し、微弱な頭蓋内の脳内信号を計測することで、空間分解能の向上と信号の減衰の軽減を図っている（特許文献１）。

一般的に、硬膜外電極はシリコーン等で形成された電極シートの片面に白金等の電極が複数固定されている。このような硬膜外電極を用いると頭蓋内の脳内信号を直接計測したり、脳を電気刺激して脳機能を検査したり、難治性疼痛や不随意運動を治療したりすることが可能とされている。そのため、医療分野では、このような硬膜外電極を使用した実験が注目を集めている。

特開２００７−１８１５２３号公報

上記した硬膜外電極はシリコーン等の比較的固い基板を用いているため、正確にＣＴスキャン等を用いて脳の形状に厳密に合わせて作製する必要がある。しかしながら、例えば、実験用のネズミなどのげっ歯類の小動物の場合、脳自体が小さいため、厳密に脳の形状に合わせて電極を作製する必要があり、同時に電極面積を小さくする必要もある。また、開頭し、脳に直接電極を設置するため、侵襲を伴う。即ち、健康体の動物を測定するためには、開頭面積はできる限り小さくする必要がある。

そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされたもので、げっ歯類等の小動物の頭蓋内の様な小さな空間でも設置可能でかつ、脳の形状に左右されない生体装着用電極を提供することである。

上記した課題を解決するために、導き出された請求項１に記載の発明は、少なくとも一部分を頭蓋内に設置する生体装着用電極において、頭蓋内に流れる微弱な電気による信号を受信し及び／又は頭蓋内に微弱な電気による信号を発信する電極部と、外部装置と電気的に接続可能なコネクター部と、前記電極部とコネクター部とを電気的に接続する伝達部とを有し、電極部には、複数の電極端子が平面的広がりをもって分布すると共に各電極端子に接続された電極配線があり、電極部の先端側に配された電極端子に接続している電極配線は、後列の幅方向に隣接する電極端子同士の間を通過しており、電極部は可撓性を有していることを特徴とする生体装着用電極である。

ここでいう「平面的広がりをもって分布する」とは、２個の電極端子が並んでいるものも含む。

かかる構成によれば、電極部の先端側に配された電極端子に接続している電極配線は、後列の幅方向に隣接する電極端子同士の間を通過しているため、電極の挿入方向に対して、電極配線のスペースを省略できる。電極部は可撓性を有していて湾曲したり折れ曲げたりできるため、脳の形状に合わせて設置することが可能であり、厳密な設計が必要ない。

請求項２に記載の発明は、電極部の先端側に配された電極端子よりも伝達部側に電極配線が配されていることを特徴とする請求項１に記載の生体装着用電極である。

かかる構成によれば、電極部の先端側に配された電極端子よりも伝達部側に電極配線が配されているため、例え頭蓋骨と接触しても、断線しにくい。また、挿入方向先端に電極配線が配されていないため、挿入方向先端に余分なスペースが生じない。

請求項３に記載の発明は、前記電極配線は可撓性を有する基板上に配されており、且つ、基板の表面及び裏面に配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の生体装着用電極である。

かかる構成によれば、前記電極配線は可撓性を有する基板上に配されているため、基板を折り曲げて、脳内での電極の位置決めが可能である。また、基板の表面及び裏面に配されているため、電極配線を設置するのに必要なスペースを省略できる。

請求項４に記載の発明は、前記電極端子は円形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の生体装着用電極である。

かかる構成によれば、前記電極端子は円形であるため、面積規定が容易となり、解析が容易である。

請求項５に記載の発明は、電極配線の上面には、絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の生体装着用電極である。

かかる構成によれば、電極配線の上面には、絶縁層が設けられているため、ノイズを検知しにくい。

本発明によれば、電極部の先端側に配された電極端子に接続している電極配線は、後列の幅方向に隣接する電極端子同士の間を通過しているため、電極の挿入方向に対して、電極配線のスペースを省略できる。電極部は可撓性を有していて湾曲したり折れ曲げたりできるため、脳の形状に合わせて設置することが可能であり、厳密な設計が必要ない。

本発明の第１実施形態に係る硬膜外電極を示す説明図である。図１の電極領域を示す拡大図である。図１の電極領域を示す一部破断斜視図である。電極領域の層構成を模式的に表現した一部断面分解斜視図である。図１のコネクター領域を示す一部破断斜視図である。伝達領域の層構成を模式的に表現した一部断面分解斜視図である。図１の硬膜外電極を示す拡大図である。本発明の第２実施形態に係る硬膜外電極を示す説明図である。本発明の第３実施形態に係る硬膜外電極を示す説明図である。本発明の第４実施形態に係る硬膜外電極を示す説明図である。

以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態の生体装着用電極は、具体的には硬膜外電極１であり、ラット等の動物の頭蓋内に屈曲させて挿入するものである。硬膜外電極１は、平面視すると、図１のように外形がダンベル形状をしている。即ち、両端部の面積が大きくて、中間部が細い。硬膜外電極１は、頭蓋内に流れる微弱な電気による信号を受信し及び／又は頭蓋内に微弱な電気による信号を発信する電極端子１０を備えた電極領域２０と、前記微弱な電気による信号を頭蓋外部に伝達する電極配線１２を備えた伝達領域２１と、外部装置（図示しない）と電気的に接続可能なコネクト端子１１を備えたコネクター領域２２を有している。

説明の都合上、本実施形態の硬膜外電極１の特徴的構成に先立ち、硬膜外電極１の全体の層構成について説明する。
以下の説明において、実際に脳や神経に接触させ、微弱電流を測定する測定面（表面）と、測定には寄与しない保護面（裏面）とを区別する。測定面及び保護面は、基本的な積層構造は同一であるが、形状や配置が少し異なる。また、図面において、基板２よりも表面側に位置する電極配線１２ａは実線で表し、基板２よりも裏面側に位置する電極配線１２ｂは破線で表す。

本発明の硬膜外電極１の層構成は、いずれの領域も概略同一である。硬膜外電極１は、中心に可撓性を有する基板２があり、図３、４、５のように、その両面に電極配線層３が設けられている。そして、電極配線層３又はコネクト端子層７が積層し、さらに外側に絶縁層５が設けられている。
便宜上、図４のように電極配線層３の内、表面側（図面上方側）を電極配線層３ａと称し、裏面側（図面下方側）を電極配線層３ｂと称することとする。同様に、表面側を電極端子層６ａ、コネクト端子層７ａ、絶縁層５ａ、裏面側を電極端子層６ｂ、コネクト端子層７ｂ、絶縁層５ｂと称することとする。
表面側の電極配線層３ａは、線群によって構成され、基板２の一方の面に分布しており、約半数の電極端子層６ａと、約半数のコネクト端子層７ａを接続している。また、裏面側の電極配線層３ｂは、線群によって構成され、基板２の他方の面に分布しており、残る約半数の電極端子層６ｂと、残る約半数のコネクト端子層７ｂを接続している。

以下、それぞれの部位構成について説明する。

基板２は、ポリイミド樹脂やパリレン樹脂、シリコーン樹脂などの可撓性があって柔軟性を有し、折れ曲がり自在の材料からなる。基板２の厚みは、５μｍから１００μｍであることが好ましく、１２μｍから５０μｍであることが特に好ましい。
基板２は、電極領域２０と伝達領域２１とコネクター領域２２の３領域全ての領域で、折れ曲がり自在となっている。

電極配線層３は、金、銀、白金、銅等の高導電率物質を主材料とした金属で形成された層である。ここでいう「主材料」とは、含有成分の９５％以上を占める状態を表す。
電極配線層３の厚みは、５μｍから３０μｍであることが好ましい。１０μｍから２５μｍであることがさらに好ましく、１５μｍから２０μｍであることが特に好ましい。
測定面（表面）の電極配線層３ａは、原則的に、図６の様に保護面（裏面）の電極配線層３ｂと基板２を挟んで互いに対応する位置に設けられている。即ち、原則的に、電極配線層３ａの上方に電極配線層３ｂが存在している。

絶縁層５ａ，５ｂは、カプトン等の当業者間でカバーレイと呼ばれる薄膜層であり、電流を通さない。絶縁層５ａ，５ｂは、基板２の屈曲に合わせて折れ曲がり自在となっている。
絶縁層５は、図３〜５のように測定面（表面）では、電極端子層６ａとコネクト端子層７を避けて、電極配線層３と基板２を覆う様に設けられている。保護面（裏面）では、電極配線層３ａ、電極端子層６ａ、コネクト端子層７ａ、基板２の露出面を覆っている。即ち、測定面では、電極端子層６ａが露出しており、電極端子１０は絶縁層５が覆っていない。一方、保護面では、全面に絶縁層５を覆っている。それ故に、保護面側からのノイズが電気信号にのることを防止できる。
また、絶縁層５の厚みは、５μｍから３０μｍであることが好ましい。７．５μｍから２０μｍであることがさらに好ましい。１０μｍから１５μｍであることが特に好ましい。

電極端子１０は、高導電率を有する材料によって形成されている。例えば、金や白金や銅等を主材料として形成されている。特に生体適合性の観点から、金を主材料としていることが好ましい。
電極端子１０の厚みは、１０μｍから６０μｍであることが好ましい。２０μｍから５０μｍであることがさらに好ましい。３０μｍから４０μｍであることが特に好ましい。
本実施形態では、電極端子１０は、基板２の表裏に電極端子層６ａ，６ｂを設け、両者を接合して形成されている。即ち、測定面の電極端子層６ａは、図３、４のように保護面の電極端子層６ｂと基板２を挟んで互いに対応する位置に設けられている。即ち、電極端子層６ａの上方に電極端子層６ｂが存在している。
そして、測定面の電極端子層６ａと保護面の電極端子層６ｂは一部連通している。本実施形態では、貫通孔１５に沿って連通している。

コネクト端子層７は、金、銀、白金、銅等の高導電率を主材料とした金属で形成された層である。コネクト端子層７の厚みは、５μｍから５０μｍであることが好ましい。１０μｍから３０μｍであることがさらに好ましい。１５μｍから２０μｍであることが特に好ましい。
測定面のコネクト端子層７ａは、図５のように保護面のコネクト端子層７ｂと基板２を挟んで互いに対応する位置に設けられている。即ち、コネクト端子層７ａの上方にコネクト端子層７ｂが存在している。

また、電極配線層３ａ，３ｂ、電極端子層６ａ，６ｂ、コネクト端子層７ａ，７ｂはそれぞれプリント印刷法や真空蒸着法、スパッタ法など公知の方法によって形成される。

続いて、本実施形態の硬膜外電極１の構成について、各領域に分けて説明する。

まず、電極領域２０について説明する。
電極領域２０は、外形が略長方形状をしており、図１、２のように複数の電極端子１０と、複数の電極配線１２を有している。電極配線１２は、電極端子１０と、コネクター領域２２のコネクト端子１１とを接続するものであり、上述した電極配線層３が積層された部分である。
電極領域２０は、図１、２のように基端（伝達領域２１側）から先端に向かうにつれて、幅方向の長さが減少している。そして、電極領域２０の外形は、大外に位置する電極端子１０の外周面に沿った形状をしている。
電極端子１０は、上述した電極端子層６ａ，６ｂが積層された部分であり、表面及び
裏面の電極端子層６ａ，６ｂが接続されて形成されている。即ち、測定面の電極端子１０は、表面が絶縁層５から露出しており、保護面の電極端子１０は、表面に絶縁層５が覆っている。
電極端子１０の形状は、円形であり、その中央には、測定面から保護面にかけて貫通した貫通孔１５が設けられている。電極端子１０の直径は、コネクト端子１１の直径よりも小さい。具体的には、電極端子１０の直径は、１０μｍから６００μｍであることが好ましく、３０μｍから３００μｍであることがより好ましい。５０μｍから１００μｍであることが特に好ましい。また、貫通孔１５は、内部に脳の深層部に差し込み可能な脳深層部電極（図示しない）の一部を挿入可能となっている。貫通孔１５の内径は、５μｍから３００μｍであることが好ましく、２０μｍから２００μｍであることがより好ましい。５０μｍから１００μｍであることが特に好ましい。

電極端子１０は、電極領域２０に複数あり、平面的広がりをもって分布している。本実施形態では、電極端子１０は、図２のように電極領域２０先端から伝達領域２１に向けて並列されている。そして、隣接する電極端子１０に対して、所定の間隔を空けて等間隔で配されている。列方向に隣接する電極端子１０の中心間の距離Ｌは、図７のように電極配線１２の幅方向（左右）の長さｌよりも長い。即ち、隣接する電極端子１０間に電極配線１２を敷設可能になっている。また、本実施形態では隣接する電極端子１０の中心間の距離は行方向及び列方向いずれにおいても等しい。即ち、いずれの電極端子１０も、互いに等間隔に配されている。
隣接する電極端子１０の中心同士の距離Ｌは、電極配線１２の幅方向の長さｌ以上であれば、特に限定されないが、例えば、げっ歯類等の小動物を測定する場合には０．１ｍｍから１０ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍから５ｍｍであることがより好ましい。０．５ｍｍから１．５ｍｍであることが特に好ましい。

また、電極端子１０の数は、図１のようにコネクト端子１１の数と等しい。電極端子１０の行数は、コネクト端子１１の行数と等しいか多い。また、電極端子１０の数は、電極領域２０先端（上方）から電極領域２０基端（下方）に向けて、電極端子１０の数が減少している。具体的には、電極端子１０は、等間隔に３行に並列されており、最前行の電極端子１０は３個、第２行の電極端子１０は４個、第３行の電極端子１０は５個配されている。即ち、基端から先端に向かって５個、４個、３個の順に電極端子１０の数が減少している。

電極端子１０のいずれかを参照電極として用いる場合には、電極領域２０の大外に位置する電極端子１０を用いることが好ましい。言い換えると、電極領域２０の端に位置する電極端子１０の内いずれかを参照電極として用いることが好ましい。ここでいう「端」とは、外郭近傍のことを表す。

ここで、電極領域２０における電極端子１０と電極配線１２の位置関係について、主に図２、図４を用いて説明する。
電極配線１２は、電極端子１０間を這って設けられている。図２のように電極端子１０の中で行方向の最先端（上方向）に位置する電極端子１０よりも先端側には、電極配線１２が無い。即ち、電極領域２０の先端側には電極配線１２は存在せず、当該部位には図３、図４のように基板２と絶縁層５のみが存在する。
電極領域２０の最先端に位置する電極端子１０に接続している電極配線１２は、後の行に位置し、幅方向に隣接する電極端子１０同士の間を通過している。具体的には、電極配線１２は、後の行の列方向に隣接した電極端子１０間の中点を通っている。最前行に位置する電極端子１０の内いずれか１つは、測定面の電極配線１２ａと接続され、最前行に位置する電極端子１０の内いずれか１つは、保護面の電極配線１２ｂが接続されている。
また、電極配線１２は、図１のように電極領域２０と、伝達領域２１と、コネクター領域２２の３領域に亘って設けられている。電極配線１２の一方の端部には電極端子１０が接続されており、他方の端部にはコネクト端子１１が接続されている。電極端子１０と電極配線１２は互いに溶着されている。コネクト端子１１と電極配線１２は互いに溶着されている。
基板２の測定面の電極配線１２ａの本数と基板２の保護面の電極配線１２ｂの本数と等しい。
そして、測定面側の電極配線層３ａと測定面側の電極配線３ｂは、図４のように伝達領域２１側端部付近で厚み方向に重なっている。即ち、図２のように電極領域２０の大部分で、折れ曲がっている測定面側の電極配線１２ａと保護面側の電極配線１２ｂは、伝達領域２１側端部付近で同一投影面上に重なっている。

続いて、伝達領域２１について説明する。
伝達領域２１は、長辺が長手方向に向いた略長方形状になっており、長尺状となっている。そして、伝達領域２１には、図１のように電極配線１２が複数配設されており、その電極配線１２は長手方向を向いている。その各々の電極配線１２は、図６のように互いに長手方向に平行に配されており、それぞれ等間隔に位置している。電極配線１２の本数は、電極端子１０の個数と等しい。また、測定面の電極配線１２ａの本数と保護面の電極配線１２ｂの本数は等しい。電極配線１２の間隔は、特に限定されないが、伝達領域２１を柔軟に屈曲自在にするためには、１μｍから１ｍｍであることが好ましく、５μｍから０．５ｍｍであることがさらに好ましく、０．０１ｍｍから０．２ｍｍであることが特に好ましい。伝達領域２１を柔軟に屈曲自在であるため、電極配線１２の引き回しが容易であり、頭蓋骨に小さな穴を空けることで複数の電極を脳内に留置することが可能となる。

測定面側の電極配線層３ａと保護面側の電極配線３ｂは、図６のように伝達領域２１全体で厚み方向に重なっている。測定面側の電極配線１２ａと保護面側の電極配線１２ｂは、伝達領域２１全体で同一投影面上に重なっている。

続いて、コネクター領域２２について説明する。
コネクター領域２２は、長辺が幅方向に向いた略長方形状となっている。コネクター領域２２は、伝達領域２１側からコネクター領域２２の後方にかけて幅方向に広がっている。
コネクター領域２２には、図１のように複数のコネクト端子１１が配設されている。コネクト端子１１は、コネクト端子層７が積層された部分である。隣接するコネクト端子１１は、互いに等間隔に配されている。コネクト端子１１は行方向に平行に配されており、列方向にも平行に配されている。
コネクト端子１１の数は、電極領域２０の電極端子１０の個数と等しい。具体的には、コネクト端子１１は、２行５列に配されており、それぞれが電極配線１２と接続されている。また、コネクト端子１１は、中央に外部装置の端子と接続可能な接続孔１６が設けられており、図示しない外部装置と接続可能となっている。また、コネクター領域２２に占める基板面積は、電極領域２０に占める基板面積よりも大きい。

ここで、コネクター領域２２におけるコネクト端子１１と電極配線１２の位置関係について主に図１と図５を用いて説明する。
コネクター領域２２は、電極領域２０と略同一の構成となっている。
即ち、電極配線１２は、コネクト端子１１間を這って設けられている。最後行のコネクト端子１１よりも後端側には電極配線１２が無い。電極配線１２はコネクト端子１１の形状に沿って屈曲している。電極配線１２は、列方向に隣接したコネクト端子１１間の中点を通っている。列方向のコネクト端子１１群のいずれかに１つ以上に表面と裏面の両方に電極配線１２が配されている。
そして、測定面側のコネクト端子１１と測定面側のコネクト端子１１は、電極領域２０での電極端子１０と同様、伝達領域２１側端部付近で厚み方向に重なっている。即ち、コネクター領域２２の大部分で、折れ曲がっている測定面側の電極配線１２ａと保護面側の電極配線１２ｂは、伝達領域２１側端部付近で同一投影面上に重なっている。

本実施形態の硬膜外電極１を用いれば、電極領域２０の先端側に配された電極端子１０に接続している電極配線１２は、後列の幅方向に隣接する電極端子１０同士の間を通過しているため、電極の挿入方向に対して、電極配線１２のスペースを省略できる。電極領域２０は折れ曲がり自在であるため、脳の形状に合わせて折れ曲げることが可能であり、厳密な設計が必要ない。また、電極端子１０は、脳深層部電極の一部を挿入可能な貫通孔１５を有するため、電極端子１０と脳深層部電極を併用し測定することで、脳表面と脳深層部の両方を同時に計測することができる。

上記した実施形態では、電極端子１０の数を１２個のものを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、行数や列数、個数に限定されない。例えば、図８のように、電極領域２０先端（上方）から電極領域２０基端（下方）に向けて、３個、４個、５個、６個のように、第１実施形態に比べて行数が増加していてもよい（第２実施形態）。

上記した実施形態では、基板２の両面に電極配線層３又は電極端子層６又はコネクト端子層７を積層したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図９のように基板２の片面のみに積層していてもよい（第３実施形態）。

上記した実施形態では、電極領域２０の前面に電極端子１０を均等に分布していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１０のように、電極領域２０の略中央に脳深層部電極を集中的に挿入可能な挿入孔１００を設けてもよい（第４実施形態）。

上記した実施形態では、電極配線層３を、基板２を挟んで対応する位置に設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電極配線層３を幅方向にずらしてもよい。ずらすことによって、電極配線の断線を防ぐことができる。

上記した実施形態では、電極端子１０の中央に貫通孔１５を設けたが本発明はこれに限定されるものではなく、貫通孔１５を設けなくてもよい。

また、電極配線層３又は電極端子層６又はコネクト端子層７を複数層積層してもよい。即ち、電極配線層３又は電極端子層６又はコネクト端子層７を複数層積層した後に絶縁層５を積層してもよい。

上記した実施形態では、生体装着用電極の具体例として硬膜外電極について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも一部分を頭蓋内に設置する電極であればよい。例えば、硬膜下電極などでも良い。

１硬膜外電極
２基板
５絶縁層
１０電極端子
１２電極配線
２０電極領域（電極部）
２１伝達領域（伝達部）
２２コネクター領域（コネクター部）

Claims

少なくとも一部分を頭蓋内に設置する生体装着用電極において、
頭蓋内に流れる微弱な電気による信号を受信し及び／又は頭蓋内に微弱な電気による信号を発信する電極部と、
外部装置と電気的に接続可能なコネクター部と、
前記電極部とコネクター部とを電気的に接続する伝達部とを有し、
電極部には、複数の電極端子が平面的広がりをもって分布すると共に各電極端子に接続された電極配線があり、
電極部の先端側に配された電極端子に接続している電極配線は、後列の幅方向に隣接する電極端子同士の間を通過しており、
電極部は可撓性を有していることを特徴とする生体装着用電極。
電極部の先端側に配された電極端子よりも伝達部側に電極配線が配されていることを特徴とする請求項１に記載の生体装着用電極。
前記電極配線は可撓性を有する基板上に配されており、且つ、基板の表面及び裏面に配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の生体装着用電極。
前記電極端子は円形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の生体装着用電極。
電極配線の上面には、絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の生体装着用電極。