JP2022134187A - 脳波検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度が高く、生体への負担が軽減される脳波検出システムを提供する。
【解決手段】脳波検出システム１は、生体の頭部の頭蓋よりも内側に複数配置されるシート状電極１２と、頭部内においてシート状電極１２に配線を経由して接続され、電極で検知されるアナログ波形をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換計算機４０と、頭部内においてＡ／Ｄ変換計算機４０の出力経路に設けられる遠位側コネクタ５０と、頭部内に配置されて遠位側コネクタ５０に対して着脱自在に接続されるケーブル６０と、ケーブル６０を経由して複数のデジタル信号を収集するデータ収集装置７０を備えるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、脳活動情報を検出するための脳波検出システムに関する。

従来、世界中において世界中においてＢＭＩ（Ｂｒａｉｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）技術の研究が盛んに行われている。ＢＭＩ技術では、生体の脳と外部機器とを接続することにより脳から脳活動情報を読み取り、読み取られた脳活動情報から生体の意図を予測（「デコーディング」とも呼ばれる）したり、その予測結果に応じてデバイスを制御したりする。これにより、生体は、例えば、ある部位の動作を脳でイメージしただけで、その部位に代替するデバイスを遠隔操作することが可能となる。このようなＢＭＩ技術は、例えば、事故や病気によって失われた運動機能や、認知感覚機能、意思伝達機能等を再建することが可能な技術として、実用化の期待が高まっている。

ＢＭＩ技術について、非刺入型の皮質脳波（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｏｒｔｉｃｏｇｒａｍ：以下、ＥＣｏＧ）電極を大脳皮質表面に留置することにより、大脳皮質の複数の位置における脳活動情報を取得したり、大脳皮質に対して光刺激を付与したりする手法が知られている（特許文献１参照）。

特開２０２０－７４９９３号公報

しかしながら、特許文献１のＥＣｏＧ電極の場合、複数の電極シートを組み合わせた単一のＥＣｏＧ電極を、大脳皮質表面に挿入する必要があり、頭蓋骨に形成する開口面積を大きくしなければならないという問題があった。また、各電極シートの面積が大きくなると同時に、各電極シートから記録制御部までの配線距離が長いことから、検出信号にノイズが混在しやすいという問題があった。

更に、測定中に電極シート等に不具合が生じた場合、単一のＥＣｏＧ電極全体を脳内から取り外す必要があり、生体への負担が大きいという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、生体への負担を軽減しつつ、脳波活動を高精度に検出可能な脳波検出システムを提供しようとするものである。

本発明者による鋭意研究により実現された本発明は、脳に生じる脳波信号を検出する脳波検出システムであって、生体の頭部の頭蓋よりも内側に複数配置され、前記脳波信号を検出するための複数の電極が可撓性シートに形成されてなるシート状電極と、前記頭部内において前記シート状電極の前記電極に対して配線を経由して接続され、該電極で検知されるアナログ波形をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換計算機と、前記頭部内において前記Ａ／Ｄ変換計算機の出力経路に設けられる遠位側コネクタと、前記頭部内に配置され、前記遠位側コネクタに対して着脱自在に接続されるケーブルと、前記ケーブルを経由して複数の前記デジタル信号を収集するデータ収集装置と、を備えることを特徴とする脳波検出システムである。

上記脳波検出システムに関連して、前記遠位側コネクタの接続方向は、前記シート状電極における前記電極が配置される電極平面に対して角度を有することを特徴とできる。

上記脳波検出システムに関連して、前記遠位側コネクタの少なくとも一部が、前記頭蓋骨の骨厚内に配置されることを特徴とできる。

上記脳波検出システムに関連して、前記Ａ／Ｄ変換計算機及び前記遠位側コネクタが実装される計算機側基板を備え、前記計算機側基板の基板平面の少なくとも一部が、前記シート状電極における前記電極が配置される電極平面に対して角度を有することを特徴とできる。

上記脳波検出システムに関連して、前記計算機側基板と、前記シート状電極の前記可撓性シートが、異方性導電膜によって接続されることを特徴とできる。

上記脳波検出システムに関連して、前記シート状電極の前記可撓性シートが、前記計算機側基板を兼ねることを特徴とできる。

上記脳波検出システムに関連して、前記ケーブルは、複数の前記遠位側コネクタと前記データ収集装置とを接続するバス配線であることを特徴とできる。

上記脳波検出システムに関連して、前記シート状電極には、周縁から内側に向かって形成される挿入用スリットが形成されており、前記挿入用スリットが、前記シート状電極における前記頭蓋の開口から挿入される領域を区画することを特徴とできる。

上記脳波検出システムに関連して、前記挿入用スリットによって形成される前記シート状電極の挿入経路が、前記電極が配置される電極平面上において面方向に屈曲または湾曲する経路になることを特徴とできる。

上記脳波検出システムに関連して、前記挿入経路の終端近傍に、前記遠位側コネクタが配置されることを特徴とできる。

上記脳波検出システムに関連して、前記シート状電極の前記可撓性シートは、波状に折り畳に可能であることを特徴とできる。

上記脳波検出システムに関連して、頭蓋と係合することで、前記シート状電極の位置を固定する係合部材を有することを特徴とすることができる。

本発明によれば、生体への負担を軽減しつつ、脳波活動を高精度に検出可能な脳波検出システムを得ることが出来るという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施形態に係る脳波検出システムの全体構成を示す図である。 同脳波検出システムにおける電極モジュールの脳内配置態様を示す斜視図である。 同電極モジュールの（Ａ）背面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）右側面図である。 同電極モジュールのレイアウトを説明する正面図である。 （Ａ）は同電極モジュールにおけるシート状電極の電極及び配線を拡大して示す断面図であり、（Ｂ）はシート状電極と計算機側基板を導電フィルムで接続する構成を示す断面図である。 （Ａ）～（Ｅ）は、同電極モジュールを脳内に挿入する手順を示す遷移図である。 同電極モジュールにおけるＡ／Ｄ変換計算機の機能構成を示すブロック図である。 同脳波検出システムの結線構成を示すブロック図である。 同脳波検出システムの脳内外の配置態様を示す断面図である。 同脳波検出システムのデータ収集装置の機能構成を示すブロック図である。 同脳波検出システムの電極モジュールの変形例を示す側面図である。 （Ａ）～（Ｇ）は、変形例に係る電極モジュールを脳内に挿入する手順を示す遷移図である。 （Ａ）～（Ｆ）は、変形例に係る電極モジュールを脳内に挿入する手順を示す遷移図である。 （Ａ）は、変形例に係る電極モジュールの正面図であり、（Ｂ）（Ｃ）は電極モジュールを脳内に挿入する手順を示す遷移図である。 （Ａ）は、変形例に係る電極モジュールの正面図であり、（Ｂ）（Ｃ）は電極モジュールを脳内に挿入する手順を示す遷移図である。 変形例に係る電極モジュールの（Ａ）側面図、及び（Ｂ）斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態の脳波検出システム１の全体構成を示す。脳波検出システム１は、皮質脳波を検出する複数の電極モジュール１０と、この電極モジュール１０から出力されるデジタル信号を伝送するケーブル６０と、ケーブル６０を経由して複数の電極モジュール１０のデジタル信号を収集するデータ収集装置７０と、データ収集装置７０に電力を供給する無線給電装置８０と、データ収集装置７０から出力されるデジタル信号を受信する解析装置９０を有する。

［電極モジュール］

図２に示すように、生体の頭部１０１は、外側から内側に向かって、皮膚１１０、頭蓋（骨）１２０、硬膜１３０、脳実質１４０の順番で配置された積層構造となる。硬膜１３０と脳実質１４０の間には、特に図示しない、くも膜又は軟膜が積層される。以降、電極モジュール１０の部品・部材を説明するために、便宜上、脳実質１４０側を内側、皮膚１１０側を外側と称することにする。

本実施形態の電極モジュール１０は、電極部分が、頭蓋１２０と硬膜１３０の間（硬膜外隙間）、又は、硬膜１３０と脳実質１４０の間（硬膜内隙間）（以降、これらの隙間を「電極挿入隙間」と称する）に配置される。なお、好ましくは頭蓋１２０と硬膜１３０の間（硬膜外部）に配置される。

図３に示すように、電極モジュール１０は、シート状電極１２、計算機側基板部３０、Ａ／Ｄ変換計算機４０、遠位側コネクタ５０を有する。

（シート状電極）
シート状電極１２は、柔軟性（可撓性）を有する可撓性シートで構成されており、本実施形態ではフレキシブルプリント基板となっている。例えばシート状電極１２は、ポリイミド樹脂等で構成される絶縁層１４Ｃと、その内側面に形成される複数の電極１６と、その外側面に形成されて各電極１６に対応する配線１８とを有する。各電極１６は硬膜１３０に接触することで、硬膜１３０を伝達する皮質脳波を検知する。図３（Ｂ）に示すように、全ての配線１８は、シート状電極１２における外部接続領域１４Ａまで到達している。電極１６は、ここでは６４個がマトリクス状に配置されているが、他の配置でも良い。電極１６の数も特に限定されない。また、可撓性シートは、伸縮性を有するシリコーン樹脂シート等を採用し、その表面や内部に電極１６や配線１８を配置することで、シート状電極１６を構成しても良い。

図５（Ａ）に拡大して示すように、シート状電極１２は、ポリイミド樹脂等で構成される絶縁層１４Ｃと、絶縁層１４Ｃの内側面に形成される銅素材の内側導電層１４Ｄと、絶縁層１４Ｃの外側面に形成される銅素材の外側導電層１４Ｅを備える。電極１６は内側導電層１４Ｄをエッチング処理することで形成され、配線１８は外側導電層１４Ｅをエッチング処理することで形成される。電極１６と配線１８は、絶縁層１４Ｃを貫通するスルーホール１４Ｇを形成した後に、このスルーホール１４Ｇ内に銅メッキを施すことで電気的に接続される。配線１８の外側面には、更にポリイミドフィルム等による保護絶縁層１４Ｆが形成される。電極１６の内側面には、生体適応性が良好な金めっき層１６Ａが形成される。なお、電極１６や配線１８自体を金素材にした場合は、金めっき層を省略できる。

図４に示すように、シート状電極１２は、シート状（面状）に広がる形状となっており、ここでは方形状となる。シート状電極１２には、シートの外縁Ｏ及びそれよりも内側の領域を区画（分離）するための挿入用スリット２０が形成される。これにより、頭蓋１２０の頭蓋開口１２０Ａ（図２参照）から電極挿入隙間に最初に挿入される領域を、シート状電極１２の一部に限定できる。

挿入用スリット２０の一方側に隣接する外縁を上流側外縁ＯＡと定義し、この上流側外縁ＯＡから挿入用スリット２０に沿って面方向内側に広がる部分領域を上流領域２２Ａと定義する。挿入用スリット２０の他方側に隣接する外縁Ｏを下流側外縁ＯＢと定義し、この下流側外縁ＯＢから挿入用スリット２０に沿って面方向内側に広がる部分領域を下流領域２２Ｂと定義する。シート状電極１２は、図６（Ａ）に示すように、上流側外縁ＯＡ及び上流領域２２Ａから、頭蓋開口１２０Ａを介して電極挿入隙間に最初に挿入される。下流側外縁ＯＢ及び下流領域２２Ｂは、上流領域２２Ａよりも後に電極挿入隙間に挿入されるか、或いは、頭蓋開口１２０Ａに留置されるか、頭蓋開口１２０Ａから外側に留置される。

図４に戻って、シート状電極１２は、挿入用スリット２０の内周縁Ｎに沿って挿入経路Ｐが形成される。挿入経路Ｐは、頭蓋開口１２０Ａに対して、シート状電極１２を挿入する経路となる。挿入用スリット２０の内周縁Ｎは、挿入用スリット２０の開放端２０Ａの両端からスリット長手方向に延びて、スリット最奥部で繋がるＵ字形状（コ字形状）となる。具体的に挿入経路Ｐは、第一屈曲点Ｐ１で右方向又は左方向に９０度で屈曲し、その後の第二屈曲点Ｐ２で更に第一屈曲点Ｐ１と同一方向（右方向又は左方向）に９０度で屈曲する。つまり、第一及び第二屈曲点Ｐ１、Ｐ２でそれぞれ９０度屈曲することで、合計１８０度の方向転換を行う。一方で、ここでは９０度に二度屈曲する場合を例示するが、円弧状に湾曲して１８０度方向転換させても良い。方向転換の角度は１８０度未満でも構わない。

シート状電極１２は、挿入用スリット２０によって内部が区画されることで、Ｕ字形状（コ字形状）に延びる帯状部材となる。

上流領域２２Ａは、この帯状部材における挿入経路Ｐの上流部分に形成された直線領域となり、下流領域２２Ｂは、帯状部材における挿入経路Ｐの下流部分に形成された直線領域となる。なお、帯状部材における上流領域２２Ａと下流領域２２Ｂを繋ぐ中流領域２２Ｍは、帯が屈曲または湾曲した屈曲（湾曲）形状領域となっており、詳細には９０度の屈曲が同一方向に２回繰り返されることによるＵ字形状（コ字形状）の領域となる。

挿入用スリット２０が外縁Ｏを分断する場所に限定して、この挿入用スリット２０が延びる方向をスリット進入方向Ｘと定義し、更に、このスリット進入方向Ｘと直交する方向を進入幅方向Ｙと定義する。更に、シート状電極１２の進入幅方向Ｙの最大外寸を基準最大外寸Ｗ１（本実施形態では上流側外縁ＯＡと下流側外縁ＯＢの合計距離）と定義する。上流側外縁ＯＡは、頭蓋開口１２０Ａの最大内寸（以下、開口最大内寸Ｔｍａｘ／図６（Ａ）参照）より小さく設定される。一方で、基準最大外寸Ｗ１は、開口最大内寸Ｔｍａｘよりも大きく設定される。

また、既に述べたように、シート状電極１２は、挿入用スリット２０によって分離されてＵ字形状に延びる帯状部材となるが、この挿入経路Ｐに沿ったシート状電極１２の帯幅Ｗｐは、開口最大内寸Ｔｍａｘよりも常に小さく設定される。

図３（Ｂ）に示すように、シート状電極１２には、硬膜１３０又は脳実質１４０の湾曲形状に沿って変形・変位するための複数の変形用スリット２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃが形成される。本実施形態では、シート状電極１２において、挿入用スリット２０の周囲に沿うＵ字形状（コ字形状）の第一変形用スリット２５Ａと、第一変形用スリット２５Ａの周囲に沿うＵ字形状（コ字形状）の第二変形用スリット２５Ｂ、第二変形用スリット２５Ｂの周囲に沿うＵ字形状（コ字形状）の第三変形用スリット２５Ｃが形成される。これらの第一～第三変形用スリット２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは、シート状電極１２のシート外縁Ｏに達していない。即ち、第一～第三変形用スリット２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃは、シート状電極１２のシート外縁Ｏよりも内部の閉じた領域（開口）となる。

これらの第一～第三変形用スリット２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの存在により、シート状電極１２は、最も内周に位置するＵ字形状（コ字形状）且つ帯形状の第一帯片２６Ａ、この第一帯片２６Ａの外周に沿って配置されるＵ字形状（コ字形状）且つ帯形状の第二帯片２６Ｂ、この第二帯片２６Ｂの外周に沿って配置されるＵ字形状（コ字形状）且つ帯形状の第三帯片２６Ｃを有する。第一～第三帯片２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃの各々には、帯長手方向に沿って複数の電極１６及び複数本の配線１８が配置される。第一～第三帯片２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは、互いに独立して変位できることから、図２に示すように、硬膜１３０又は脳実質１４０の湾曲形状に沿って変形・変位できるので、電極１６を硬膜１３０に密着させることが可能となる。

なお、本発明の変形用スリットは上記に限定されず、第一～第三変形用スリット２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃが、シート外縁Ｏに到達しても良く、更に、挿入用スリット２０に到達しても良い。

（計算機側基板部）
図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、計算機側基板部３０は、柔軟性（可撓性）を有する可撓性シートで構成されており、本実施形態ではフレキシブルプリント基板となっている。図５（Ｂ）に拡大して示すように、計算機側基板部３０は、ポリイミド樹脂等で構成される絶縁層３０Ｃと、絶縁層３０Ｃの一方面に形成される銅素材の一方側導電層３０Ｄと、他方面に形成される銅素材の他方側導電層３０Ｅを備える。一方側導電層３０Ｄには複数（合計６４本）の端子３２が形成される。この複数の端子３２は、シート状電極１２の外部接続領域１４Ａに集中される複数（合計６４本）の配線１８の終端１８Ａに対応する。他方側導電層３０Ｅには、複数（合計６４本）の端子３２に対応して設けられる入力配線３４が形成される。この入力配線３４は、端子３２とＡ／Ｄ変換計算機４０側の複数（合計６４個）の入力端子４０Ａを電気的に繋ぐ役割を担う。なお、端子３２と配線３４は、絶縁層３０Ｃのスルーホール３０Ｇを介して電気的に繋がる。更に、他方側導電層３０Ｅには、複数（合計４本）の出力配線３６が形成される。この出力配線３６は、Ａ／Ｄ変換計算機４０側の複数（４個）の出力端子４０Ｂと、遠位側コネクタ５０の複数（４個）の端子５０Ａを電気的に繋ぐ役割を担う。計算機側基板部３０は、伸縮性を有するシリコーン製フレキシブル基板を採用しても良い。

計算機側基板部３０とシート状電極１２は、シート状電極１２の外部接続領域１４Ａ（下流領域２２Ｂ）において導電フィルム３８によって接続される。ここでは、導電フィルム３８として、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Anisotropic Conductive Film）が用いられる。この導電フィルム３８を介在させた状態で、計算機側基板部３０の端子３２をシート状電極１２の終端１８Ａを対向させて加熱・圧力を加えることで、端子３２と終端１８Ａの間のみが導電領域３８Ａとなり、残部３８Ｂが絶縁領域となる。これにより、はんだ等の実装作業を経ずして、計算機側基板部３０とシート状電極１２が電気的に接続される。

図３（Ｃ）に示すように、計算機側基板部３０は、途中で屈曲されることで、シート状電極１２を基準とした起立平面３５が形成される。起立平面３５は、シート状電極１２における電極１６が配置される平面（電極平面）に対して角度αを有する。起立平面３５の角度αは、ここでは電極平面に対して約９０度となるように屈曲されているが、２０度以上であることが好ましく、望ましくは４５度以上とし、１６０度以下であることが好ましく、望ましくは１３５度以下とする。

（Ａ／Ｄ変換計算機）
Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換計算機４０は、計算機側基板部３０の起立平面３５に実装される。Ａ／Ｄ変換計算機４０は、アンプを内蔵した半導体チップで構成されており、入力端子４０Ａから入力される複数（６４個）のアナログ信号波形を、アンプによって増幅してデジタル信号波形に変換して統合し、これらのデジタル信号波形データを集約（多重化）して、出力端子４０Ｂからシリアル信号として出力する。例えば、Ａ／Ｄ変換計算機４０は、極小化のために、パッケージによる封止を省略したいわゆるベア・チップとすることが好ましく、この場合、ベア・チップが計算機側基板部３０に対してワイヤボンディング等によって実装される。実装されたＡ／Ｄ変換計算機４０は、防水用の樹脂（防水エポキシ等）によって包埋されることで防水対応とすることが望ましい。

図７にＡ／Ｄ変換計算機４０の機能構成ブロックを示す。Ａ／Ｄ変換計算機４０は、電圧印加部４２Ａ、増幅部４２Ｂ、多重化部４２Ｃ、デジタル変換部４２Ｄ、送受信制御部４２Ｅを備える。電圧印加部４２Ａは、複数（６４個）の入力端子４０Ａ及び配線１８を介して、各電極１６に脳波検出用の電圧を印加する。なお、この電圧印加部４２Ａには、基準電圧を決定するための基準電極４４が配線を介して接続される。この基準電極４４は、電極１６と類似する構成によって、所望の配線４４Ａを経由してシート状電極１２に形成されることが好ましい。

増幅部４２Ｂは、各電極１６から検出される皮質脳波のアナログ波形信号を増幅する。多重化部４２Ｃは、いわゆるアナログマルチプレクサであり、増幅部４２Ｂで増幅された６４個のアナログ波形信号を合成（多重化）して、多重化アナログ信号波形を生成する。デジタル変換部４２Ｄは、多重化アナログ信号波形をデジタル変換して、多重化デジタル信号波形を生成する。送受信制御部４２Ｅは、このＡ／Ｄ変換計算機４０の全体の動作を制御すると同時に、この多重化デジタル信号波形を出力端子４０Ｂから出力する。出力時の伝送プロトコルとしては、例えば、シリアル・ペリフェラル・インタフェース（Serial Peripheral Interface：SPI）を採用できる。

本実施形態のＡ／Ｄ変換計算機４０には、ＳＰＩ用として、出力端子４０Ｂが少なくとも４個設けられている。出力端子４０Ｂの一つは、データ収集装置７０から送信されるクロック信号を受信するクロック端子（ＳＣＬＫ）となる。もう一つは、多重化デジタル信号波形を出力する信号出力端子（ＭＯＳＯ）となる。もう一つは、データ収集装置７０から送信されるデータを受信する信号受信端子（ＭＯＳＩ）となる。もう一つは、データ収集装置７０から送信される送信許可信号を受信する制御端子（ＳＳ）となる。

Ａ／Ｄ変換計算機４０から各電極１６までの配線の総長さは２０ｃｍ以下となることが好ましく、より望ましくは１５ｃｍ以下とする。

（遠位側コネクタ）
図９に示すように、遠位側コネクタ５０は、計算機側基板部３０の起立平面３５に実装される。この遠位側コネクタ５０には、ケーブル６０の遠位端が着脱自在に接続される。なお、ケーブル６０の近位端はデータ収集装置７０の近位側コネクタ７０Ａに着脱自在に接続される。遠位側コネクタ５０は、例えば、ＳＰＩ規格に対応した超小型高密度角型コネクタであり、コンタクトピッチは１．０ｍｍ以下が好ましく、コネクタの全幅は２０ｍｍ以下が好ましく、コネクタの厚みは５ｍｍ以下が好ましい。この遠位側コネクタ５０は、ケーブル６０との接点部分に関して防水機能を有することが望ましい。また、遠位側コネクタやＡ／Ｄ変換計算機４０を、まとめて防水ケース・防水カバー等に収容することで、防水機能を付加することもできる。

既に述べたように、計算機側基板部３０は可撓性シートによって途中で屈曲されている。結果、遠位側コネクタ５０とケーブル６０の着脱方向は、電極１６が配置される平面（電極平面）に対して角度αを有する。ここでは角度αが約９０度となるように屈曲されているが、２０度～１６０度の範囲内が好ましく、より望ましくは４５度～１３５度の範囲内とする。遠位側コネクタ５０は、頭蓋１２０の骨厚内（頭蓋開口１２０Ａ内）に位置しており、骨厚方向に延在する。例えば、頭蓋１２０の骨厚が不十分で、Ａ／Ｄ変換計算機４０や遠位側コネクタ５０の一部が、頭蓋１２０からはみ出る場合は、この角度αを、積極的に９０度未満の範囲、又は、９０度超の範囲にすることで、Ａ／Ｄ変換計算機４０や遠位側コネクタ５０を傾斜させることで、骨厚内（頭蓋開口１２０Ａ内）に埋め込むことが好ましい。

［ケーブル］

図９に示すように、ケーブル６０は、皮膚１１０と頭蓋１２０の間に敷設される。図８に、複数（６４個）の電極モジュール１０とデータ収集装置７０を結ぶケーブル６０の接続構成を示す。このケーブル６０の少なくとも一部はいわゆるバス配線構造となる。ケーブル６０は、クロック配線（ＳＣＬＫ配線）、信号出力配線（ＭＯＳＯ配線）、信号送信配線（ＭＯＳＩ配線）を備える。これらの配線は、各電極モジュール１０のクロック端子（ＳＣＬＫ）、信号出力端子（ＭＯＳＯ）、信号受信端子（ＭＯＳＩ）で共有されることで、バス配線となる。一方、ケーブル６０は、電極モジュール１０の数と同数又はそれ以上の制御配線（ＳＳ配線）を備えており、各電極モジュール１０の制御端子（ＳＳ）に個別接続される。つまり、各電極モジュール１０の送信許可・送信不許可を制御する趣旨から、制御配線（ＳＳ配線）は、電極モジュール１０毎をスター型（ハブ・アンド・スポーク型）で接続する。なお、ケーブル６０の配線構造（トポロジー）は本実施形態に特に限定されず、リング型、メッシュ型等を採用することも可能である。

［データ収集装置］

図９及び図１０に、データ収集装置７０の構成を示す。データ収集装置７０は、データ収集計算機７２、無線送信機７４、電源装置７６、無線受電装置７８、これらが実装される基板７９を有しており、これらの部材の一部または全部に対して防水処理が施されていることが好ましい。例えば、エポキシ樹脂等の防水樹脂で被覆したり、防水ケースに収容したりできる。

（データ収集計算機）
データ収集計算機７２は、例えば半導体チップで構成されており、ケーブル６０の各配線に接続される。図１０の機能ブロックに示すように、データ収集計算機７２は、モジュール選択部７３Ａ、収集制御部７３Ｂ、転送部７３Ｃを有する。モジュール選択部７３Ａは、複数（６４個）の電極モジュール１０の制御端子（ＳＳ）にそれぞれ接続される制御配線ＳＳ１～ＳＳ６４を利用して、多重化デジタル信号波形を受信する電極モジュール１０を順番に選択する（切り替える）。収集制御部７３Ｂは、モジュール選択部７３Ａによって送信（通信）を許可した電極モジュール１０のＡ／Ｄ変換計算機４０との間でＳＰＩプロトコルに基づいて通信を行い、多重化デジタル信号波形を受信する。なお、収集制御部７３Ｂは、クロック配線（ＳＣＬＫ配線）によってクロック信号を送信して各電極モジュール１０のＡ／Ｄ変換計算機４０と同期をとり、信号出力配線（ＭＯＳＯ配線）によって多重化デジタル信号波形を受信する。なお、信号送信配線（ＭＯＳＩ配線）によって、Ａ／Ｄ変換計算機４０に各種制御信号を送信する。結果、収集制御部７３Ｂでは、全ての電極モジュール１０の多重化デジタル信号波形を受信できる。転送部７３Ｃは、収集制御部７３Ｂで収集される多重化デジタル信号波形を、無線送信機７４に転送する。

（無線送信機）
無線送信機７４は、デジタル信号を無線伝送する装置であり、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）等のような、国際標準規格のIEEE 802.11規格を使用した無線伝送プロトコルによって、多重化デジタル信号波形を送信する。これにより、皮膚１１０内に埋め込まれるデータ収集装置７０から、多重化デジタル信号波形を頭外に無線送信可能となる。

（電源装置）
電源装置７６は、例えばリチウムイオン等のバッテリであり、データ収集計算機７２、無線送信機７４、及び、ケーブル６０を経由したＡ／Ｄ変換計算機４０に電力を供給する。

（無線受電装置）
無線受電装置７８は、ワイヤレス給電システムにおける受電側機械となり、無線給電装置８０から送信されるエネルギーを受信して電力に変換し、電源装置７６のバッテリを充電する。ワイヤレス給電システムの伝送方式は、電磁誘導方式、磁気共鳴方式、電波方式等、様々に選択できる。これにより、体外から電力をワイヤレス供給できることになる。

［解析装置］

体外に配置される解析装置９０は、いわゆる計算機であり、データ収集計算機７２の無線送信機７４から送信される多重化デジタル信号波形を受信して信号解析を行う。具体的には、多重化デジタル信号波形を分解し、合計４０９６個の各電極１６のデジタル信号波形を得る。

［電極モジュールの挿入手順］

図６に、各電極モジュール１０を頭蓋１２０と硬膜１３０の隙間（電極挿入隙間）に挿入する手順を示す。図６（Ａ）に示すように、頭蓋開口１２０Ａの内部に、上流側外縁ＯＡ及び上流領域２２Ａを配置する。その後、上流側外縁ＯＡ及び上流領域２２Ａを、挿入経路Ｐに沿って電極挿入隙間に進入させる。具体的に、図６（Ａ）では、頭蓋開口１２０Ａに対して、図の下方向に電極モジュール１０を直線的に移動させる。結果、図６（Ｂ）に示すように、中流領域２２Ｍが頭蓋開口１２０Ａに到達する。図６（Ｂ）（Ｃ）に示すように、中流領域２２Ｍでは、挿入経路Ｐが第一屈曲点Ｐ１及び第二屈曲点Ｐ２で屈曲している。まず、第一屈曲点Ｐ１で電極モジュール１０の挿入方向を転換するために、図６（Ｃ）では、頭蓋開口１２０Ａに対して、図右方向に電極モジュール１０を直線的に移動させる。結果、図６（Ｄ）に示すように、頭蓋開口１２０Ａに、中流領域２２Ｍの第二屈曲点Ｐ２が到達するので、この第二屈曲点Ｐ２で電極モジュール１０の挿入方向を転換する。具体的に、頭蓋開口１２０Ａに対して、図上方向に電極モジュール１０を直線的に移動させる。結果、図６（Ｅ）に示すように、頭蓋開口１２０Ａに対して下流領域２２Ｂが到達することで、電極モジュール１０の挿入が完了する。なお、挿入経路Ｐの終端近傍となる下流領域２２Ｂに、計算機側基板部３０が起立状態で接続されていることから、頭蓋１２０の骨厚方向に沿って、Ａ／Ｄ変換計算機４０及び遠位側コネクタ５０が配置される。

なお、ここでは特に図示しないが、挿入経路Ｐを第一及び第二屈曲点Ｐ１、Ｐ２で方向展開する際に、電極モジュール１０全体を頭蓋開口１２０Ａに対して相対回転させても良い。

図１に示すように、複数の電極モジュール１０を、複数の頭蓋開口１２０Ａから電極挿入隙間に挿入したら、これらの電極モジュール１０と、頭蓋開口１２０Ａの外側に配置されるデータ収集装置７０を、ケーブル６０で接続する。

以上の通り、本実施形態の脳波検出システム１によれば、電極モジュール１０内において、シート状電極１２とＡ／Ｄ変換計算機４０が共に頭部内に収容される。結果、シート状電極１２側の配線１８及び計算機側基板部３０の配線３４によるアナログ波形信号の総距離が短くなるので、Ａ／Ｄ変換計算機４０に入力されるアナログ信号波形に含まれるノイズを小さくすることができる。また、配線１８及び配線３４が、共に可撓性シートによって形成されている結果、配線間ピッチも固定され、また、配線の変形・変位も抑制される。これもノイズの抑制につながる。

特に本電極モジュール１０では、Ａ／Ｄ変換計算機４０が頭蓋１２０の頭蓋開口１２０Ａより内側に配置される。換言すると、配線１８及び配線３４が、頭蓋１２０よりも内側（これは頭蓋１２０の骨厚位置を含む）に配置されるので、頭外からの電波等の影響を受けにくい。結果、Ａ／Ｄ変換計算機４０に入力されるアナログ信号波形に含まれるノイズを小さくすることができる。

また、更に本電極モジュール１０は遠位側コネクタ５０を備えており、ケーブル６０に対して着脱自在となっている。結果、ケーブル６０を取り外した状態で、電極モジュール１０のみを頭部に搭載してから、ケーブル６０を装着できるので、搭載時の作業性が飛躍的に向上する。また、使用中に電極モジュール１０が故障した場合、故障した電極モジュールのみを、頭部から取り外して、新たな電極モジュール１０に交換できるので、作業者による作業時間が短縮され、生体の負担を軽減できる。また、電極モジュール１０の数の増減にも容易に対応できる。

本電極モジュール１０では、遠位側コネクタ５０が、頭蓋１２０の骨厚方向に配置される。結果、遠位側コネクタ５０が、皮膚１１０から突出することが抑制され、生体への負担を軽減できる。更に、遠位側コネクタ５０のケーブル接続方向が、シート状電極１２の電極平面に対して角度を有するように配置されるので、遠位側コネクタ５０に対するケーブルの着脱が容易となる。

本電極モジュール１０では、シート状電極１２の可撓性シートと、計算機側基板部３０の可撓性シートが、導電フィルム３８によって接合されている。このようにすると、シート状電極１２の製作と、計算機側基板部３０の製作及びＡ／Ｄ変換計算機４０の実装を別工程にできるので、電極モジュール１０を量産する際の歩留まりが向上する。

本電極モジュール１０では、シート状電極１２において、外縁Ｏから内側に向かって形成される挿入用スリット２０によって、頭蓋開口１２０Ａから挿入する領域を、全体の一部に区画できる。つまり、挿入用スリット２０によって、シート状電極１２の全幅よりも狭幅となる帯状部材となるので、この帯状部材を挿入経路Ｐに沿って電極挿入隙間に徐々に挿入できる。結果、頭蓋開口１２０Ａのサイズをシート状電極１２の面積よりも小さくすることが可能となり、生体への負担が軽減される。更に、挿入用スリット２０によって形成されるシート状電極１２の挿入経路Ｐが、電極平面上において面方向に屈曲または湾曲しているので、頭蓋開口１２０Ａのサイズを小さくしたまま、シート状電極１２の外形形状を様々に設定できる。また、本電極モジュール１０では、挿入経路Ｐの終端近傍に遠位側コネクタ５０が配置されているので、電極挿入隙間に対するシート状電極１２の挿入が完了すると、自ずと、頭蓋開口１２０Ａの近傍に、遠位側コネクタ５０が配置される。

［変形例］

上記実施形態では、Ａ／Ｄ変換計算機４０が、頭蓋開口１２０Ａの骨厚内に配置される場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば図１１（Ａ）に示すように、Ａ／Ｄ変換計算機４０を硬膜１３０に接近させて、硬膜１３０と平行となるように装着しても良い。例えば図１１（Ｂ）に示すように、遠位側コネクタ５０も硬膜１３０に接近させて、硬膜１３０と平行となるように装着しても良い。また図１１（Ｃ）に示すように、遠位側コネクタ５０を、頭蓋１２０の外側に配置しても良い。

更に上記実施形態では、Ａ／Ｄ変換計算機４０が実装される計算機側基板部３０と、シート状電極１２の可撓性シートが別部材となる場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、図１１（Ｄ）に示すように、シート状電極１２の可撓性シートに、Ａ／Ｄ変換計算機４０や遠位側コネクタ５０を直接実装しても良い。なお、特に図示しないが、計算機側基板部３０をＺ状やＷ状に折り畳んで、頭蓋開口１２０Ａの骨厚内に配置することもできる。

また、上記実施形態では、シート状電極１２に単一の挿入用スリット２０が形成される場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば図１２に示すように、シート状電極１２に対して、複数の挿入用スリット２０_１、２０_２、２０_３、２０_４が、対向する縁から内側に向かって互いに平行状態で交互に形成しても良い。このようにすると、挿入用スリット２０_１によってＵ字形状の挿入経路Ｐ_１が形成され、挿入用スリット２０_２によってＵ字形状の挿入経路Ｐ_２が形成され、挿入用スリット２０_３によってＵ字形状の挿入経路Ｐ_３が形成され、挿入用スリット２０_４によってＵ字形状の挿入経路Ｐ_４が形成される。各挿入経路Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４には、それぞれ、上流領域２２Ａ、中流領域２２Ｍ、下流領域２２Ｂが形成される。図１２（Ａ）～１２（Ｇ）に示すように、四種類の挿入経路Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４が連続することで蛇行状の挿入経路となる。このように挿入用スリットの数を増やすことで、挿入時の帯幅を狭くすることが出来、頭蓋開口１２０Ａのサイズを一層小さくできる。

更に、図１３に示すように、シート状電極１２に対して、らせん状の挿入用スリット２０を形成しても良い。このようにすると、らせんの最も外側にＵ字形状の挿入経路Ｐ_１が形成され、その内側にＵ字形状の挿入経路Ｐ_２が形成され、その内側に更にＵ字形状の挿入経路Ｐ_３が形成される。各挿入経路Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３には、それぞれ、上流領域２２Ａ、中流領域２２Ｍ、下流領域２２Ｂが形成される。図１３（Ａ）～１３（Ｆ）に示すように、３種類の挿入経路Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３が連続することで、らせん状の挿入経路となる。このように挿入用スリットをらせん状にすると、挿入時の帯幅を狭くすることが出来、頭蓋開口１２０Ａのサイズを一層小さくできる。

また、図１４に示すように、シート状電極１２に対して、対向する両外縁Ｏ１、Ｏ２から内側に向かって複数の屈曲用スリット２９を形成しても良い。このようにすると、図１４（Ｂ）（Ｃ）に示すように、シート状電極１２の一部を湾曲させることで、シート状電極１２よりも小さい頭蓋開口１２０Ａ内に対して、シート状電極１２を経路Ｐに沿って順番に挿入できる。

更に図１５に示すように、シート状電極１２を、山折り線Ｔ１及び谷折り線Ｔ２に沿って展開自在に折り畳むようにしても良い。ここでは、シート状電極１２を、平行四辺形を基調としたテッセレーション折り（通称、ミウラ折り（登録商標））によって、屏風状に折り畳むようにしている。このようにすると、図１５（Ｂ）に示すように、屏風状に折り畳んだ状態のシート状電極１２を、頭蓋開口１２０Ａに挿入し、その後、図１５（Ｃ）に示すように、頭蓋１２０の内部で展開することで、電極挿入隙間にシート状電極１２を挿入できる。ここでは四角形を基調としたテッセレーション折りを例示したが、三角形を基調としたテッセレーション折りでも良く、その他の折り方でも構わない。

更にまた、図１６に示すように、計算機側基板部３０における起立平面３５の少なくとも一部や、遠位側コネクタ５０、Ａ／Ｄ変換計算機４０等が防水ケース３００に収容されても良い。防水ケース３００は蓋部３００Ａを有しており、この蓋部３００Ａと本体の境界を通じて、ケーブル６０の遠位端が防水ケース３００内に挿入される。防水ケース３００は、頭蓋開口１２０Ａ内に配置される。このようにすると、蓋部３００Ａを開閉するのみで、ケーブル６０の脱着が可能となる。

更に、図１６の事例では、防水ケース３００が、頭蓋１２０との係合部材を兼ねており、シート状電極１２の位置固定機能を発揮する。係合部材（防水ケース３００）は、頭蓋開口１２０Ａ内に配置されることで、頭蓋開口１２０Ａが平面方向に係合し、その結果、シート状電極１２の位置がずれにくくなる。位置固定精度を高める場合は、係合部材（防水ケース３００）と頭蓋開口１２０Ａの形状を近似させることが好ましい。

なお、上記脳波検出システム１では、特に図示しない基板状の刺激電極を備えるようにし、シート状電極１２の近傍において、脳に刺激を印加するようにしても良い。この刺激用電極は、例えばＬＥＤ等を用いることで、脳実質に対して光による刺激を印加できる。

本発明の脳波検出システム１は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 脳波検出システム
１０ 電極モジュール
１２ シート状電極
１４Ａ 外部接続領域
１６ 電極
１８ 配線
２０ スリット
２０ 挿入用スリット
２２Ａ 上流領域
２２Ｂ 下流領域
２２Ｍ 中流領域
３０ 計算機側基板部
３８ 導電フィルム
４０ Ａ／Ｄ変換計算機
４２Ａ 電圧印加部
４２Ｂ 増幅部
４２Ｃ 多重化部
４２Ｄ デジタル変換部
４２Ｅ 送受信制御部
５０ 遠位側コネクタ
６０ ケーブル
７０ データ収集装置
７２ データ収集計算機
７４ 無線送信機
７６ 電源装置
７８ 無線受電装置
８０ 無線給電装置
９０ 解析装置
１０１ 頭部
１１０ 皮膚
１２０ 頭蓋
１２０Ａ 頭蓋開口
１３０ 硬膜
１４０ 脳実質
ＯＡ 上流側外縁
ＯＢ 下流側外縁
Ｐ 挿入経路

Claims (12)

1. 脳に生じる脳波信号を検出する脳波検出システムであって、
   生体の頭部の頭蓋よりも内側に複数配置され、前記脳波信号を検出するための複数の電極が可撓性シートに形成されてなるシート状電極と、
   前記頭部内において前記シート状電極の前記電極に対して配線を経由して接続され、該電極で検知されるアナログ波形をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換計算機と、
   前記頭部内において前記Ａ／Ｄ変換計算機の出力経路に設けられる遠位側コネクタと、
   前記頭部内に配置され、前記遠位側コネクタに対して着脱自在に接続されるケーブルと、
   前記ケーブルを経由して複数の前記デジタル信号を収集するデータ収集装置と、
   を備えることを特徴とする脳波検出システム。
2. 前記遠位側コネクタの接続方向は、前記シート状電極における前記電極が配置される電極平面に対して角度を有することを特徴とする、
   請求項１に記載の脳波検出システム。
3. 前記遠位側コネクタの少なくとも一部が、前記頭蓋骨の骨厚内に配置されることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の脳波検出システム。
4. 前記Ａ／Ｄ変換計算機及び前記遠位側コネクタが実装される計算機側基板を備え、
   前記計算機側基板の基板平面の少なくとも一部が、前記シート状電極における前記電極が配置される電極平面に対して角度を有することを特徴とする、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の脳波検出システム。
5. 前記計算機側基板と、前記シート状電極の前記可撓性シートが、異方性導電膜によって接続されることを特徴とする、
   請求項４に記載の脳波検出システム。
6. 前記シート状電極の前記可撓性シートが、前記計算機側基板を兼ねることを特徴とする、
   請求項４又は５に記載の脳波検出システム。
7. 前記ケーブルは、複数の前記遠位側コネクタと前記データ収集装置とを接続するバス配線であることを特徴とする、
   請求項１～６のいずれか一項に記載の脳波検出システム。
8. 前記シート状電極には、周縁から内側に向かって形成される挿入用スリットが形成されており、
   前記挿入用スリットが、前記シート状電極における前記頭蓋の開口から挿入される領域を区画することを特徴とする、
   請求項１～７のいずれか一項に記載の脳波検出システム。
9. 前記挿入用スリットによって形成される前記シート状電極の挿入経路が、前記電極が配置される電極平面上において面方向に屈曲または湾曲する経路になることを特徴とする、
   請求項８に記載の脳波検出システム。
10. 前記挿入経路の終端近傍に、前記遠位側コネクタが配置されることを特徴とする、
    請求項９に記載の脳波検出システム。
11. 前記シート状電極の前記可撓性シートは、波状に折り畳に可能であることを特徴とする、
    請求項１～１０のいずれか一項に記載の脳波検出システム。
12. 頭蓋と係合することで、前記シート状電極の位置を固定する係合部材を有することを特徴とする、
    請求項１～１１のいずれか一項に記載の脳波検出システム。

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