JP6000126B2 - 頭蓋内の非直交および直交の経路を通した医療装置の挿入および使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、頭蓋および頭蓋内構造にアクセスする医療装置、システムおよび方法に関する。特に本発明は、脳の機能の変化、頭蓋および頭蓋内病状の治療に関する。より具体的にいうと、本発明は、脳機能および卒中、発作、変性、および脳腫瘍のような病的状態を変化させまたは改善する、頭蓋内または頭蓋を通した電極または他の装置の外科的埋め込みに関する。とりわけ、本発明は、外科的方法およびリスクの最小化、および頭蓋内または頭蓋を通して埋め込み可能な装置の長さおよび充電能力の最大化に関する。

脳の電気刺激は、多くの神経症状を改善し回復することが可能である。脳刺激の効用の例は、パーキンソン病、振戦、筋緊張異常、他の運動障害、てんかん、および疼痛に対する脳深部刺激を含む。また、可能性がある新しい部位の脳深部刺激は、肥満、うつ病、精神障害、記憶、片頭痛、および最小意識状態のような他の症状に有望な結果を示す。

脳深部刺激は、長い電極の、頭蓋内の穿頭孔を通して脳の表面深くの目標への取り付けを含む。電極は、フレームで、またはフレームなしで実行される定位誘導のもと取り付けられる。Ｌｅｋｓｅｌｌフレームのようなフレームベースシステムは、硬質の定位フレームが頭蓋に固定される多数のネジを通して頭蓋骨を締め付ける必要がある。フレームレスシステムは、皮膚につけられた基準マーカを使用する。両方の方法で、ＭＲＩ（磁気共鳴画像法）またはＣＴ（コンピュータ断層撮影）スキャンが、配置したフレームまたは基準マーカで実行される。フレームベースの定位脳手術で、コンピュータが補助する脳および目標領域の再建が実行され、フレームの連動に対して目標を局在化する。フレームレス定位脳手術で、頭蓋および脳の３次元再建は、基準マーカの３次元構成に合致する。両方のケースの終了結果は、実質的に脳のあらゆる部分内へ正確に電極を取り付ける能力を示す。

大脳皮質は、治療介入の大きな可能性がある他の構造である。脳深部刺激で、電極は大脳皮質ならびに皮質下構造を通過し脳核深部に影響し、従って正常な脳組織ならびに血管に介在する損傷のリスクがある。これらの不必要でなお不可避の損傷は、潜在的に脳機能の損失、卒中、および頭蓋内出血の結果を起こしうる。他方で、電極が脳の表面または脳の被覆、すなわち硬膜の外側にも硬膜外電極刺激と呼ばれる技術で取り付けられるので、大脳皮質の刺激はより安全である。また、皮質下または脳深部構造の大部分は、皮質内で公知の標的と接続し、これらの標的を皮質刺激の対象とする。従って、直接の皮質刺激は、皮質の標的と直接または間接的に通信する皮質下および脳深部構造に影響しうる。これまでの研究は、てんかん、卒中リハビリテーション、疼痛、うつ病、盲目の治療のための皮質刺激の使用で成果を示した。

病態の治療に加え、脳刺激および記録は、脳機能の増強または改善に、実質的に限りない可能性をもたらす。これらの技術は、脳が、脊髄損傷、筋萎縮性側策硬化症（ＡＬＳ）、卒中、多発性硬化症（ＭＳ）、および盲目によるような機能不全の神経要素をバイパスすることを可能にする。これらのケースの脳記録および刺激技術は、神経信号が、損傷したまたは機能不全の要素を、入力ならびに出力側の両方で橋渡しをする。例えば、ＡＬＳまたは閉じ込め症候群の患者の場合、患者は覚醒しており意識があるが、周囲と関係を持つ能力がない。これらの患者は、彼らの脳内にどうしてもとらわれている。最近、脳の表面に直接記録電極を付けることで、これらの患者が自身の脳波を通してコンピュータのカーソルおよび他の装置の制御を学習可能であることが示された。脳波を通して外部の装置を直接制御するこの方法は、ブレイン・マシン・インターフェースと呼ばれる。

頭蓋を通過する神経信号を頭皮に付けた電極で検出する、頭蓋の外側に記録された脳波−脳波記録（ＥＥＧ）を使用した、ブレイン・マシン・インタフェースも実行された。非侵襲的であるが、ＥＥＧ信号を用いたブレイン・マシン・インタフェースは、頭蓋による脳波の振幅の大幅な減衰で現在限定されている。脳信号のうち最大の可能性があるものが、ＥＥＧアプローチで検出可能であるにすぎない。

同様に、皮質およびいくぶんかの皮質下線維を、頭蓋を通して、経頭蓋磁気刺激（ＴＭＳ）または経頭蓋直流刺激（ｔＤＣＳ）により活性化可能である。このアプローチで、磁波（ＴＭＳ）または電流（ｔＤＣＳ）が頭蓋の外側の頭皮で作動され、頭蓋を通して伝達されて皮質および皮質下線維の部分を活性化する。ＴＭＳは、うつ病、片頭痛、および運動障害のような多数の疾患の治療に有効であった。また、いくつかの報告は、ＴＭＳが記憶および集中力を増進する可能性があるかもしれないと示唆する。同様に、ｔＤＣＳは、低用量の適用のとき、いくつかの学習の形態を向上するようである。このエビデンスは、皮質の刺激が、中枢神経系の病状の治療ならびに正常な脳機能の強化に、大きな、実質的に種類の限りない適用を有するかもしれないことを示唆する。

電気刺激も、いくつかの腫瘍の治療に効果的に適用された。腫瘍細胞の生理機能を妨げる電界の適用により、腫瘍の縮小がみられた。脳内の腫瘍、特に、髄膜腫のような脳の表面に近いものも、電気刺激で治療してもよい。電界に加え、熱（熱アブレーション）および冷気（低温アブレーション）も、腫瘍に実効性を示した。

脳刺激技術の分野の先行技術および現在の状態では、頭蓋のフラップを取り除いた後置き換える開頭、または頭蓋骨内に小さな孔を穿孔して脳が見える穿頭孔のどちらかを通して、電極を配置する必要がある。これらの処置は、病院に最低でも１泊しなければならず、技術の侵襲性により脳の損傷リスクにさらされる。またこれらの「開く」技術は、多くの技術が頭蓋骨内の孔を出るリードを必要とするので、電極の固定に特別な困難を課す。これらの電極を縫合または装置によりつなぐ場合を除き、特に、頭蓋骨に対する脳の連続的な拍動性の移動との関連で、遊走または移動の可能性がある。

皮質刺激の現在の技術は、皮質の創痕化ならびに出血を大きくするリスクもある。脳または脊椎に異質な物体が長期間配置されることで、創痕化（神経膠症および炎症）が起こる。これは、脊髄に取り付けられた脊髄刺激装置、ならびに脳の表面に取り付けられた人工器官の両方で見られる。創痕化は、正常な脳の構成をゆがめ、発作のような合併症につながるかもしれない。また、脳の表面上の装置の取り付けは、脳を出血のリスクにさらす。以前の臨床のケースは、危険を示す。硬膜下皮質への電極が埋め込まれた患者が、頭部外傷の後、かなりの頭蓋内出血をした。よって、交通事故または落下に見られるような減速損傷の場合、電極の不完全な固定、および電極の質量により電極が脳から離れ脳を傷つける可能性がある。血管も、脳の電極の突然の相対的な移動で切断され、硬膜下、クモ膜下、および皮質血腫につながる可能性がある。しかし、電極が頭蓋骨内に埋め込まれていれば、突然の衝撃事故によるような外傷性脳損傷の間、このタイプの切断損傷のリスクはない。

脳刺激の適用をより大きい患者の母集団に拡大するため、電極の取り付け技術の侵襲性を最小化する必要がある。多くの外科的特殊性が示すように、最小化された外科的アプローチは、しばしば病院滞在の短縮と患者満足度の増大をともなう、より安全な手術と言い換えられる。

マイクロエレクトロニクスの小型化における最近の進歩は、シリンジを通して筋肉および他の身体部分内に注入するのに十分小さい、バイオンと呼ばれる、小さな完全に中に入る電極システムの発達を可能にした。このタイプのマイクロ電極装置は、気密密閉されたカプセル内に全て内蔵された、刺激および記録電極、増幅器、通信、および電力構成要素を含む。いくつかのバイオン装置がユニットに内蔵のバッテリを持つ一方、他は無線周波伝達により電力を供給される。筋肉および他の身体部分はバイオン電極の埋め込みを受け入れるが、頭蓋は厚さがおよそ１ｃｍまたはそれ未満なので、バイオンに問題をもたらす。この厚さの限界は、電子構成要素のサイズならびにバッテリのサイズを制限する。バッテリの容量（バッテリ内に格納されるエネルギーの量）は、充電可能なバッテリの充電の間隔時間の長さを決定し、バッテリの長さに影響される。バイオンの場合、小さな直径、バッテリ容量を必要とする注入可能な装置は、バッテリの長さに直接関わりがある。バイオンの電極が長くなるほど、バッテリはより長くなることが可能になり、よってより大きいバッテリ容量および再充電なしでのより長い実行時間が可能になる。

埋め込み可能な刺激装置および電気刺激療法システムを扱う、いくつかの特許が存在する。しかし、これらの特許は、いくつかの構成要素の非直交角度での導入による、単一の部位を通した複数の構成要素での頭蓋骨を通した挿入に、特に適合されていない。

例えば、米国特許（以下ＵＳＰと呼ぶ）第５，３２４，３１６号、Ｊｏｓｅｐｈ Ｈ．Ｓｃｈｕｌｍａｎ，ｅｔ ａｌ．による、ｔｈｅ Ａｌｆｒｅｄ Ｅ．Ｍａｎｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（Ｓｙｌｍａｒ，ＣＡ）に譲渡された「埋め込み可能なマイクロ刺激装置（Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ ｍｉｃｒｏｓｔｉｍｕｌａｔｏｒ）」は、体液に不活性な気密密閉された収容部内部の電極と埋め込み可能な刺激装置を開示する。電極は、エネルギーを格納し、交流磁界からエネルギーを受け取るコイル変圧器を有するキャパシタから同じくエネルギーを受け取る。この特許は、「マイクロ刺激装置は、もちろん脳、筋肉、神経、器官または他の身体領域内のあらゆる身体の部分内または近辺に設置してもよい」（４：２４−２６参照）と開示する。しかし、マイクロ刺激装置をどのように脳内へ埋め込むか、または埋め込み可能かについては詳細が記されていない。推測では、穿頭孔を通した従来の長い電極の導入のような従来の方法により、これがなされたのだろう。頭蓋骨または頭蓋を通した挿入の記述はない。この特許は、刺激装置が「皮下注射器を通した放出」により埋め込まれたことを強調する（要約、１：１３−１５、２：７−１０、２：３５−３７、など）。確実に、皮下注射器は頭蓋骨を通して注入不可能であり、これは、これらの刺激装置がそのような目的で設計されていないことを示唆する。さらに、非直交または斜めの角度でいくつかの構成要素を挿入することによる、単一の挿入部位を通した複数の相互接続された構成要素の開示はない。体液に不活性な気密密閉された収容部は、マイクロ刺激装置が互いに配線で接続されて通信し、配線接続通信を通して他のユニットと電力を共用することを妨げるだろう。よって、ＵＳＰ第５，３２４，３１６号のシステムで、それぞれのマイクロ刺激装置は、外部の磁界と相互作用およびそこから充電されるが、無線通信を除いて他のマイクロ刺激装置と相互作用しない、実質的に自身の物理的に分離した実体である。

ＵＳＰ第６，２０８，８９４号、同じくＪｏｓｅｐｈ Ｈ．Ｓｃｈｕｌｍａｎ，ｅｔ ａｌ．による、ｔｈｅ Ａｌｆｒｅｄ Ｅ．Ｍａｎｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（Ｓｙｌｍａｒ，ＣＡ）ならびにＡｄｖａｎｃｅｄ Ｂｉｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．に同じく譲渡された、「身体パラメータをモニタおよび／または影響する埋め込み可能な装置のシステム（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ／ｏｒ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｂｏｄｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）」は、皮膚および／または頭蓋骨を通すよりむしろ、「患者の身体内、すなわち患者の皮膚によって形成された外被内に埋め込まれ」るよう設計された、システム制御ユニット（ＳＣＵ）および１つまたは複数の他の装置を開示する。本発明では、皮膚よりむしろ頭蓋骨が外被を形成する。ＳＣＵは種々のアドレス可能な装置と無線で通信し、一部のケースで、アドレス可能な装置は互いに無線で通信する（７：５０）。本発明では、挿入ポイントで複数の装置が相互接続することで、いくつかの装置が直接（中間ＳＣＵがない場合でも）、および直接接触を通して（無線より信頼性が高い可能性がある）通信することを可能にする。ＵＳＰ第６，２０８，８９４号は、頭蓋骨または頭蓋について記していない。ＵＳＰ第６，２０８，８９４号は、患者の脳に由来する、または患者の脳が生成する感知信号について記述する（２：４４−４８、１１：３−６）が、いくつかの装置が脳内へまたはその表面（硬膜外）に実際に挿入されるとは開示していない。むしろ、装置は神経損傷の部位を越えて埋め込まれ、損傷された神経を置き換えるために使用されるようである（２：４０−５２）。

Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｂｉｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．は、いくつかの自身のマイクロ刺激装置「システム」特許を所有する。例えば、ＵＳＰ第６，１８１，９６５号、ＵＳＰ第６，１７５，７６４号、およびＵＳＰ第６，０５１，０１７号を参照されたい。これらの特許も、気密密閉された収容部を有し、中空のカニューレを通して埋め込むよう構成される、埋め込み可能なマイクロ刺激装置システムを開示する。電極は、収容部から突出する。また、収容部はポリマーコーティングを有し、ポリマーコーティングは、電気刺激とともに同時に薬剤療法を行うため、化学剤または医薬製剤を含んでもよい。頭蓋骨または頭蓋の記述はなく、脳は、脳からの信号の通信、および脳への損傷からの随意筋機能の損失に関した背景の記述で触れられるのみである。

Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｂｉｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．も、脳内のシステム制御ユニットおよび電極の埋め込みを通した脳刺激を特に記載した、種々の他の「方法」特許（例えば、ＵＳＰ第７，１５１，９６１号、ＵＳＰ第７，０１３，１７７号、およびＵＳＰ第７，００３，３５２号参照）を所有する。これらの特許は、方法の請求項を強調する。その中に開示された埋め込み可能なマイクロ刺激装置ＳＣＵ／電極システムは類似しており、その方法はそのようなシステムの多くの応用に適用する。その方法は、制御ユニットが（身体の表面または外部に対し）「脳内に完全に」埋め込まれることを必要とし（ＵＳＰ第７，１５１，９６１号の請求項１およびＵＳＰ第７，０１３，１７７号の請求項２８参照）、電気刺激と連結した、または電気刺激の代替としてのポンプおよび注入口からの薬剤送達を強調する。この特許は、「頭蓋骨および脳のうち少なくとも１つに〜埋め込む」（ＵＳＰ第７，０１３，１７７号の請求項１、１４、１９、２３参照）の文脈で「頭蓋骨」を記している。単一の挿入部位または非直交／斜め／半径方向角度の挿入の開示はない。

Ｖｅｒｔｉｓ Ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．は、電極の挿入角度のコントロールおよび深さのコントロールを述べた２つの特許を所有する。しかし、特許は、脳の皮質にアクセスするための、（皮膚だけよりむしろ）頭蓋骨または頭蓋に突入可能なネジ収容部または他の構成要素内の電極の包含について、教示も示唆もしていない。単一の挿入部位を通して２つ以上の電極を装着するための角度および深さの制御の適用の教示はない。図１０〜図１１は、それぞれの電極の分離したスポットでの複数の挿入部位を示す。

ＵＳＰ第６，６２２，０５１号、Ｊｏｎ Ｍ．Ｂｉｓｈａｙ，ｅｔ ａｌ．による「経皮的電気療法システムと電極挿入角度のコントロール（Ｐｅｒｃｕｔａｎｅｏｕｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｈｅｒａｐｙ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｅｎｔｒｙ ａｎｇｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）は、尖った先端部を有する電極、および組織を通した電極の挿入角度を制御する装置を開示する。より多くの電極または他の構成要素を同一の挿入部位を通して装着するための、非直交または斜めの角度の挿入の記述はない。挿入角度制御構体が使用され、局在的電気刺激療法を改良するため、電極の先端部の尖ったポイントが最終的に終わる場所を制御する。Ａｌｆｒｅｄ ＭａｎｎおよびＡｄｖａｎｃｅｄ Ｂｉｏｎｉｃｓの特許に開示されたような針およびカニューレを通した同様の放出方法で、電極は、スプリング付きの導入器から小出しされる。複数の電極をハブの周りに半径方向に配置し、同一の導入器から小出ししてもよい（１０：１７−２７）。しかし、同一の挿入部位を通した複数の電極の挿入の開示はない。導入器を移動して、異なる位置で異なるチャンバ内に種々の電極を挿入することが可能である。

ＵＳＰ第６，５４９，８１０号、Ｐａｕｌ Ｌｅｏｎａｒｄ，ｅｔ ａｌ．による「電極の深さを制御した経皮的電気療法システム（Ｐｅｒｃｕｔａｎｅｏｕｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｈｅｒａｐｙ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｄｅｐｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ）」は、ＵＳＰ第６，６２２，０５１号と同様であるが、角度制御構体に加え深度制御構体も使用し、組織内の尖った先端部の位置決めを方向付ける。深度制御構体は、アクチュエータおよびリミットストップを有する。本発明では、電極の長さが頭蓋骨を通した長さと等しくなるように、電極の長さを使用して最適の挿入角度を決定することが可能である。これは、電極がちょうど頭蓋骨を出て脳の皮質で終了し、最大の効果性と最小の侵襲性のバランスを取ることを可能にする。よって、電極の長さが固定され、および電極が挿入される（アクチュエータがこれをする必要がない）とき、リミットストップの必要なしに全方向に挿入可能となるよう、角度の決定に考慮される。

Ｖｅｒｔｉｓの両方の特許では、電極は電気的に伝達制御ユニットと通信する。
伝達に電極自身が使用される開示はない。

ＮｅｕｒｏＰａｃｅ，Ｉｎｃ．は埋め込み可能なシステムの特許（すなわちＵＳＰ第６，０１６，４４９号）を所有し、そこでは頭蓋内に制御モジュールが取り付けられるが、刺激電極を頭蓋に挿入するため、付加的な穿頭孔または開口部のどちらかを必要とする。これらの設計は、頭蓋のただ１つの開口部よりも明らかに侵襲的であり、頭部損傷の間、脳に対し電極が移動するリスクを持ち続ける。

本発明では、電極は他の電極、および同一の部位を通して挿入可能な複数の構成要素と一体化した療法システムのための補助構成要素（すなわち受信器、送信器、バッテリ、充電器など）と、通信およびともに動作可能である。

本発明は、エフェクタ、センサ、エフェクタおよびセンサのシステム、および他の埋め込み可能な医療装置を、皮膚、骨、筋肉、組織、および身体外部の表面と意図された物理的接触点の間の他の中間物質を通して、身体内へ埋め込む、改善された方法を含む。身体内の物理的接触点は、センサが情報を収集し、またはエフェクタでエネルギーが送られる目標であってもよい。代わりに、物理的接触点は送受信機ステーションであってもよく、送受信機ステーションからセンサが他の目標（より深い内部）から情報を受信し、または送受信機ステーションからエフェクタがエネルギーを他の目標（より深い内部）へ送る。頭蓋内に埋め込まれたとき、本明細書に記載された本発明の装置をＣｒａｎｉｏｎ^ＴＭと呼ぶ。

エフェクタは、身体内の目標において効果を出し、または誘発し、または刺激としてはたらくあらゆる構成要素を有してもよい。エフェクタの望ましい例は、電気を通して効果を出す電極である。エフェクタの他のタイプは、磁気、温度、赤外線放射、光、振動、極超音速エネルギー（人間の聴覚を越える周波数）、超音波エネルギー、電波、マイクロ波などを用いて効果を出し、これらの他の形態のエネルギーの発信器を含む。

センサは、温度、光、密度、インピーダンス、などに関するデータを、電波、マイクロ波、分光などの形態で受信および記録してもよい。

望ましい実施形態によれば、本発明は、脳療法および医学的症状の治療を提供し、神経学的構成要素を有する、頭蓋を通した埋め込みのための改善された装置および方法に焦点をあてる。

改善された方法は、それぞれのユニットの挿入角度を変更することにより、１つまたはいくつかが頭蓋内の単一の挿入部位を通して同時に挿入できるよう、埋め込み可能な装置の特定のサイズおよび形状への修正を含む。個々のユニットは、１つの共用の挿入部位に接する頭蓋の表面に対して直交および／または非直交で挿入される。個々のユニットは、共用の挿入部位においてコネクタヘッドを通して物理的に接続し、それによって電子、電力、および他の属性を共用してもよい。また、いくつかの実施形態では、シャフトの遠位先端部および装置のシャフトを、装置が直接挿入可能となるように構成してもよい。直接挿入可能であることにより、装置が挿入される挿入部位および／または孔の生成のために、他のツールまたは器具を必要としない、または少数必要とすることを意味する。例えば、現在使用される自己穿孔頭蓋固定ネジと同様に、シャフトが尖った遠位先端部を有して、装置全体が皮膚を通して貫入し骨内へねじ込むことができるよう、装置をらせん状の外部に螺刻したネジ収容部内に封入してもよい。自己挿入特性は、最小侵襲のねじ込みまたははめ込み処置で、電極をほぼ任意の位置に非常に迅速に挿入することを可能にする。

改良可能で本発明に記載される方法により埋め込み可能な医療装置のタイプは実質的に限りがなく、神経刺激システム、神経記録システム、脳マシンインタフェースシステム、低温療法システム、温熱療法システム、磁界生成システム、放射線放出システム、聴覚システム、イオン導入システム、対人通信システム、対生体通信システムなどを含む。現在、脳表面上または近くに取り付けられた電極は、発作、疼痛症候群、運動障害、精神障害、麻痺およびＡＬＳのような神経変性障害を含む、多数の障害を治療するため臨床的に使用されている。本発明の１つの望ましい実施形態は、１つまたは複数の皮質刺激および記録電極を皮質の表面に近く単一の最小侵襲の頭蓋挿入部位を通して埋め込み、一方で、斜めの角度での挿入に適合されて垂直挿入に限定されないゆえに、それぞれのユニットが頭蓋骨の厚さよりサイズ（特に長さ）において大きくなることを可能にすることで、バッテリ寿命およびそれぞれの電極ユニットの錯綜を増強する。しかし、本発明に整合して、いくつかの電極（または他のエフェクタ）が頭蓋骨の厚さに等しいか短いケースも可能である。さまざまな角度でのシャフト挿入に適合された、短い電極（または他の構成要素）の複数構成要素装置および装置のシステムは、１つの挿入部位を通る、以前に可能だったよりも多くの構成要素を許容する。電極は、埋め込み可能なマイクロ刺激装置、または、頭蓋骨内に埋め込まれ、先端部が脳表面近くの硬膜外（硬膜上方）または硬膜下（硬膜下方）のどちらかに取り付けられる、改良されたバイオンの形をとってもよい。

頭蓋の厚さは、５ｍｍから１０ｍｍの長さに限定される。電極がまっすぐ下へ、頭蓋の表面に垂直（直交）に挿入されれば、その長さは最大でおよそ１ｃｍに限定されるだろう。直交で頭蓋内に埋め込まれる１ｃｍより長い電極は、頭蓋骨を貫き脳内へ突出するだろう。脳の内容内への電極の取り付けは、取り付けの時間ならびに後で起こる頭蓋に対する脳の生理的脈動の間、ならびに頭蓋に対する脳の加速および減速移動を引き起こす頭部外傷のエピソードの間の両方で、脳および血管への損傷のリスクを増加する。皮質刺激の現在の方法は、硬膜外（硬膜の外側）または硬膜下（硬膜とクモ膜またはクモ膜上の間）のどちらかに電極を取り付ける。これらの位置のどちらかの電極の取り付けは、脳を低インピーダンスで刺激し、一方で安全性を最大化する。皮質電極の取り付けの現在の方法は、穿頭孔の穿孔または開頭を必要とし、その両方が患者をリスクにさらし、一般的に術後の監視のため集中治療室に滞在する必要がある。

本発明は、装置および電極ユニットを、頭蓋を通り直交および非直交の経路を通して挿入する方法を記載する。電極ユニットの角度を持った挿入は、脳内に突入することなくより長いユニット（頭蓋骨の厚さより大きい長さ）を使用することを可能にする。角度を持った電極は、頭蓋骨をほぼ完全に通過し、そして大脳皮質へほとんど突出しない。バッテリの長さがバッテリのサイズおよび容量に比例するので、より長い電極ユニットが望ましい。よってより長い電極ユニットは、より長くより大きいバッテリを包含することができる。バッテリが再充電可能であることが望ましい。しかし、バッテリが再充電可能かどうかにかかわらず、刺激電極が最大バッテリ容量（交換または再充電までの時間）を有することが望ましい。より大容量のバッテリは、療法を持続させ、患者の可動性および自由を強化する。より長い電極内のより大容量のバッテリがより大きい可動性および自由をもたらすことで、通常の生活の間、処方された治療上の養生法を守ることがより簡単なので、患者外の処置のための患者コンプライアンスの可能性が増す。

より長い電極ユニットは、それぞれの埋込材内により多くの構成要素を内蔵することも可能にする。より大きいサイズは、回路の錯綜に関して通信構成要素の柔軟性、ならびに記録（受信）および刺激（送信）機能を有することを可能にする。また、複数の電極の接触点を、より簡単に、すなわちそれぞれの電極ユニット内の双極、３極、４極刺激または記録で１つの埋込材内に取り付け可能である。

１つの頭蓋挿入部位を通していくつかの電極ユニットを挿入する能力は、極めて有益である。頭蓋は、明らかに脳の重要な保護機能を提供する。従って、療法のために脳にアクセスする一方で、頭蓋を可能な限り無傷に保つことが望ましい。頭蓋の挿入部位を少なくすることは、頭蓋の完全性を保ち、脳を不注意に露出または傷つける可能性を減少させる。しかし、挿入部位を少なくすることが電極を少なくすることを意味するならば、提供可能な療法の種類および強度に関して欠点をもつ可能性がある。１つの部位を通していくつかの電極を挿入する能力は、頭蓋およびより重要な下方の脳および血管を損なうことなく、強力な療法を提供する。より強力な療法が必要とされないとき、同一範囲内の複数の電極は、選択して個々に作動させ再充電の時間まで持続させることができるので、なお利点があるかもしれない。例えば、電極が共用の挿入ポイントから外側に円を描いて放射する状況で、第１の電極のバッテリが不能になったとき、システムは自動的にまたは手動で進み自身のための次の電極をスイッチを入れ、刺激を開始できる。また、２次元または３次元空間で複数の電極を位置的に分散して位置付けることで、その空間で刺激電流を操縦することが可能になる。脊髄刺激で電流操縦が使用されており、位置的に異なる電極の差動の起動により実行される。共用の挿入部位を通して挿入された異なる電極または他の構成要素（すなわちセンサ）も、異なる治療上の利点（電気刺激、磁気刺激、薬剤送達、など）を提供、または異なるタイプのデータ（血糖レベル、温度、ｐＨ、など）を収集するため使用してもよい。

１つの経路内の１つの埋込材または複数の経路の複数の埋込材として、刺激モジュールが設計される。個人の特定のニーズによって、刺激モジュールは、以下の構成要素のうち１つ、組み合わせ、または全てを包含してもよい。刺激電極、記録電極、パルス発振器、システム制御ユニット、バッテリ、キャパシタ、電流シンク、データ信号送信器、データ信号受信器、受信器コイル、送受信機、トランスデューサ、センサ、プログラム格納、メモリユニット、内部のエレクトロニクス、分析回路またはソフトウェアなど。全てのこれらの構成要素を、バイオンと同様に１つの埋込材内に収納することができる。しかし、これらの構成要素は、分離した経路内に埋め込まれた分離したユニット内に分解することができる。ユニットは１つの挿入部位を通るので、それらをこの箇所で配線で接続できる。任意選択的に、それらは互いに無線で通信してもよい。例えば、個人がより長いバッテリ寿命の埋込材を欲するまたは必要とする場合、そのときバッテリで構成された複数のユニットを埋め込みともに配線できる。バッテリユニットが電極を有する、または頭蓋骨の内板を通る必要がないので、バッテリユニットを、頭蓋の内側または外側の皮質層を通過することなく、経路内に、頭蓋の海綿状の部分の湾曲が許す最大の長さで埋め込むことができる。頭蓋の湾曲とともに湾曲する非硬質のユニットは、より長い埋込材さえも許容する。これらの湾曲した電極は、皮質層の内側と外側の間にはさまれた頭蓋骨の海綿内へ摺動可能である。湾曲した刺激装置および電極は、硬直または硬質である必要はないが、海綿のスペース内に容易に摺動し操作することができるよう、半可撓性であることが可能である。実際のところは、実際の電極の接触点のみが硬膜外または硬膜下のスペース内へ頭蓋を通過する必要がある。全ての他の構成要素は、頭蓋から出ることなく頭蓋内に埋め込み可能である。このシステムは、個人、それぞれの脳の目標、およびそれぞれの特定の目的または治療中の障害に特定したモジュールまたは構成要素でカスタマイズされる。

本明細書に示される埋め込み可能な刺激電極および関連する構成要素は、多くの用途がある。パーキンソン病およびてんかんの神経調節の既存の適用に加え、それらを健康で正常な脳の刺激に使用して、記憶の強化、学習の加速などができる（Ｓｉｎｇｅｒ，Ｅｍｉｌｙ，”Ｗａｎｔ ｔｏ Ｅｎｈａｎｃｅ ＹｏｕｒＢｒａｉｎ Ｐｏｗｅｒ？ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｉｎｔｓ ｔｈａｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｂｒａｉｎ ｃａｎ ｓｐｅｅｄ ｌｅａｒｎｉｎｇ”，ＭＩＴ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ，２００８年６月２６日、およびＧｉｌｅｓ，Ｊｉｍ，”Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｏｏｓｔｓ ｂｒａｉｎ ｐｏｗｅｒ”Ｎａｔｕｒｅ，２００４年１０月２６日参照）。それらを損傷された脳に使用して、再生、修復を刺激、ならびに変化を記録して患者（動物のような人間でない患者を含む）が単に自身の脳を用いて外界とコミュニケーションすることも可能にする。これは、卒中、脊髄損傷または他の障害（ＡＬＳ、ポリオなど）の後に麻痺がある患者に希望を与える。他の適用は、訓練で１人の人間（または、他の動物およびもしかすると植物を含む他の生体）が神経信号の特定のパターンを他から認識することを学習できるよう、人間と他の生体の間の脳波コミュニケーションの手段としての埋め込み可能な頭蓋電極を使用することである。この方法で、人間および他の生体が、彼らの考えおよび脳波のみを用いて、見えず聞こえない会話をすることができるかもしれない。この技術は、商業上ならびに軍用上の適用の重要性を有する。また埋め込み可能なユニットは、通信のために脳にアクセスする必要がない。代わりに、他の場所に位置決められた埋込材により発生した振動が、通信のため耳の内側を直接刺激することが可能である。例えば、刺激装置（と１つの部位を通した複数の角度の複数の構成要素）を、ハンズフリーの会話のため携帯電話（ブルートゥース技術を介するような）と情報をやりとりする能力を持つ、内耳の送信器および受信器として使用してもよい。関連した耳の装置は、部分的に耳が聞こえない人間（または他の動物）に、外耳または片方の耳が聞こえないケースで聴覚信号を反対側の耳に送信するのに使用したとき、効果を示した。

電極刺激および記録が、現在臨床的に使用中のものを反映して広範囲の使用可能性を持つが、他の望ましい実施形態が多数ある。他の望ましい実施形態は、脳または頭蓋内組織を作動または停止するのに温度差を使用する埋込材である。この実施形態では、加熱促進要素が、頭蓋を通して硬膜下または硬膜外腔に埋め込まれる。他の経路を通して埋め込まれた構成要素は、前述の電極の実施形態に記載されたものを含むが、熱ポンプ、熱発生器および温度調節器も含む。脳の冷却は通常神経活動を停止し、発作、片頭痛、疼痛および他の症状に利用可能である。

本発明の電子回路は、種々の構成または実施形態を受け入れる。本発明は、従来のあらゆる電極、刺激装置、バイオン、などの電子回路構成に及び、頭蓋を通した直交および／または非直交角度での横断方向の複数の構成要素の挿入に適合する。

本発明の他の目的および利点を、以下の記載で説明する。明確な記載に基いた本発明の暗黙の改良は、少なくとも部分において記載から明らかであり、または本発明の実践により習得されうる。そのような微妙で予測可能な改良および適合は、本発明の範囲内と受け取る。本発明の付加的な利点は、特に以下に指摘する手段および組み合わせによって実現し得てもよい。

明細書内に含まれ部分を構成する添付の図は、本発明の実施形態を示し、前述の全般的な記載および後述の詳細な記載とともに本発明の原理を説明する。

特定の挿入部位におけるそれぞれの装置またはシャフトの経路が、軸角度（θ１）（図Ａ）および半径方向の角度（θ１）（図Ｂ）により画定される方法を示す図である。頭蓋骨は、半球と（Ａ）の２つの断面および（Ｂ）の１つの断面で表わされる。図１Ａは、両方が挿入部位において垂直軸に対して同一の軸角度（θ１）を有する、２つの非直交の経路を示す。半径方向の角度（θ２）は、挿入部位において皮膚または頭蓋骨に接する面上の角度である。従来の解剖学の前方方向、すなわち顔面の前方への方向、または挿入部位において接する面上に投射される前方方向の構成要素はゼロ度と受け取られる。 異なる挿入部位から、しかし異なる方向から脳内の同一の目標に収束するよう角度をつけられた複数の装置を示す図である。 単一の挿入部位から、脳内の異なる目標に照準を定めるため挿入部位から散開された異なる角度で挿入された、複数の装置を示す図である。 直線状（湾曲していない装置）についての、装置の挿入（θ１）軸の角度、および、装置が完全に挿入されるときｓｉｎθ＝ｘ／１である側方変位変数（ｘ）に基き頭蓋骨の厚さ（ｔ）を完全に横断する、装置の長さ（ｌ）の間の幾何学的関係を示す図である。 装置が増加していく軸角度（θ１）、すなわちより大きい非直交の挿入角度で埋め込まれたとき、装置の厚さまたは直径と装置の最大の長さの間の関係を示す図である。図５Ａは、より小さい直径を有するより薄い装置がより大きい軸方向の挿入角度（θ１）でより大きい長さを有することができることを示す。しかし、装置が頭蓋骨の厚さと同様の直径を有するとき、（Ｂ）に示すように、装置の長さはどの軸方向の挿入角度（θ１）でも変更できない。図５Ｂも、軸角度が大きくなるにつれ、直径がより大きい装置の先端部がもはや頭蓋骨の内側の皮質層に突入できないことを示す。代わりに、装置の側面が内側の皮質に突入する。対照的に（Ａ）は、より薄い装置が、先端部がより大きい軸角度（θ１）でなお内側の皮質に突入可能であることを示す。よって一般に、装置の非直交の挿入は、装置の幅または直径が頭蓋骨の厚さ未満である必要がある。 ４つの複数のシャフトおよび皮質上に直線状の配列で配置された構成要素を示す図である。図６Ａは、広範囲の上面図を示し、一方で（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は頭蓋内側からの図を示す。単一の小さな穿頭孔が、４つのシャフト全ての挿入に使用される。部分的穿頭孔の下部の縁部が自己穿孔シャフトまたはドリルビットの誘導に使用されるので、単一の穿頭孔は、部分的な厚さの孔である。２つのより長いシャフトが、２つのより短いシャフトを側面に配置し、シャフトの４つの先端部が内側の皮質を通して突出しているのが見える（Ｃ）に見られるように、直線状配列をもたらす。図６に示される刺激の直線状配列は、運動皮質刺激のような直線状の回に沿った刺激に有用であり、そこでは通常ストリップ電極を取り付けるのに小規模な開頭が用いられる。 単一の小さな部分的穿頭孔を通して取り付けられる９つの異なるシャフトで構成される装置を示す図である。全体構成が、（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）の３つの異なる図に、頭蓋骨モデルの断面で示される。上面図（Ｄ）および底面図（Ｅ）は、内側の皮質に突入し脳に影響する接触点の配置を示す。４つのより短いシャフトが「＋」構成に構成され、一方で４つのより長いシャフトが「Ｘ」パターンで挿入される。中央の最も短いシャフトが、最後に挿入される。この構成は、皮質に到達可能な構成要素の３×３の行列になる。この構成のタイプはてんかんの刺激に有用で、中央の電極が発作の集中点で発作活動を感知する。この中央電極は、それから自身の刺激電極を作動し、発作を止める。同時に、８つの取り囲む電極のリングが同様に作動される。電極のリングの作動は、てんかん発作の中央の集中点からの発作活動の波の広がりをとらえて止めるのを補助する。そのような構成は、通常開頭を必要とするだろう。しかし、この構成は、単一の部分的穿頭孔を通して取り付けられる。 誘導可能で操縦可能な硬膜外または硬膜下電極配列の導管として機能する、軸角度で挿入されるシャフトを示す図である。図８Ａは、自己穿孔シャフトによる頭蓋を通した非直交の孔の穿孔を示す。（Ｂ）で、シャフトの内側の区画はロックを外され、円筒状導管を残し外の螺刻部分から取り除かれる。この導管は、１つまたは複数の電極配列が硬膜外または硬膜下のスペースに挿入されるのを可能にする（Ｃ）。シャフトの角度をつけられた非直交の経路は、電極配列が浅い角度で安全に硬膜外または硬膜下のスペースに摺動するのを可能にする。対照的に、穿頭孔が直交で方向付けられれば、電極配列は頭蓋骨を通過した後９０度曲がるだろう。電極配列は、同様に、機械的方向転換を用いて内側のスタイレットの遠位先端部を少し曲げることにより、脊髄刺激電極配列に同様に向けることが可能である。代わりに、遠位の内側のカニューレは、強磁性で外部の磁界または電磁界が電極配列の先端部を誘導または方向付け可能にしてもよい。最後に、遠位のカメラ付きの光ファイバの内側のカニューレは、硬膜外、硬膜下、または脳室内構造の直接視覚化のもと電極配列の内視鏡の誘導を可能にするだろう。スタイレットの先端部も、定位的連動で遠位先端部の局在化を補助する高周波または音波／超音波インパルスのような信号の発出により、定位の撮像誘導を可能にするだろう。一度電極配列の目標および所望の取り付けが達成されると、近位端部が固着メカニズムにより頭蓋の導管／シャフトに固定される。代わりに、バッテリ、コントローラ、トランスデューサ、などのような他の構成要素を、カニューレの内側、または他の経路内に、同一の挿入部位から頭蓋を通して取り付けることができる。単一の挿入部位を通した複数のシャフト取り付けと複数の操縦可能な電極配列の組み合わせは、単一の小さい穿頭孔を通した脳の刺激および記録の限りない構成を可能にする。 単一または近接した挿入部位を通して取り付けられた複数のシャフトおよび構成要素を物理的に連接する単純な接続システムを示す図である。示されたコネクタはマルチチャネルコネクタであるが、ＵＳＢまたはマイクロＵＳＢコネクタを含むあらゆるコネクタで十分である。構成要素が無線でシャフト内に含まれる適切な構成要素と互いに通信可能である一方で、いくつかの機能は直接の物理的接続を通してより効率的である。 複数のシャフトおよび複数の構成要素の取り付けを容易にするため使用される、予め構成されたヘッドユニットを示す図である。図１０Ａは、３つのドッキングステーションを持つ空のヘッドユニットを示す。図１０Ｂは、１つのドッキングステーション内への１つのシャフトの挿入を示す。（Ｂ）で２つのシャフトがヘッドユニット内へ挿入され、一方、（Ｃ）で全ての３つのシャフトが挿入された。ヘッドユニットは、直接通信、および全てのシャフトおよびシャフトの構成要素間の接続を可能にする。ヘッドユニット自身は、バッテリ、通信システム、トランスデューサ、などのような総合装置の複数の構成要素も含むことができる。ヘッドユニットを予め開けた穿頭孔に挿入、または自己穿孔および自己タッピングの尖った先端部を有することにより、自己挿入することが可能である。ドッキングステーションを通したシャフトの挿入がドッキングステーションを頭蓋骨内に固着するようはたらくので、ヘッドユニットは、自身を頭蓋骨に固定する必要がない。それぞれのドッキングステーションも、回転するボール、およびシャフトが挿入されるドッキングステーションとしてソケットメカニズムを有することにより、挿入角度を調節可能である。 本明細書に記載された装置を埋め込む方法のフローチャートを示す図である。（Ｉ）目標を識別、（ＩＩ）切開生成、（ＩＩＩ）部分的厚さの穿頭孔を穿孔、（ＩＶ）目標および部分的厚さの穿頭孔からの深さを識別、（Ｖ）装置を挿入、および（ＶＩ）傷口を閉じる。

本発明およびその使用方法は、複数のエフェクタ、センサ、および他の構成要素が、単一の挿入部位を通して装着し、治療的利点を向上および／またはより長く持続することを可能にする。いくつかの実施形態によると、これは、エフェクタ、センサ、他の構成要素、またはあらゆるこれらの構成要素を収容するシャフト収容部を異なる角度で挿入し、与えられた小さな表面の挿入部位で、表面下でより大きな範囲に到達することを可能にすることにより達成される。本明細書で使用されるように、「挿入部位」の語は、互いに近接し最小の侵襲的外科的処置に一致する比較的小さな全体領域を占める、１つまたは複数の物理的に異なる開口部、孔、または切開を含む。よって、「挿入部位」は、開口部または孔であってもよいが、それらに限定されない。「挿入部位」はまた、２箇所、３箇所、４箇所、またはそれより多い異なる開口部を含む挿入ゾーン、領域、または範囲であってもよい。

それぞれの挿入部位に対し、刺激装置／センサ装置を挿入部位において皮膚の表面に垂直な軸（まっすぐ下へ）と皮膚の表面に接する面の間のいくつかの異なる軸角度で、挿入してもよい。エフェクタ（すなわち電極）および／またはセンサを、また、挿入部位に接する面の挿入部位の末梢周辺にいくつかの異なる半径方向の角度で挿入してもよい。挿入部位の位置、軸方向（θ１）および半径方向（θ２）挿入角度が、頭蓋内および身体内の一意の経路を決定する。２つの刺激装置／センサ装置（装置の部分として少なくとも１つのエフェクタまたはセンサを有する）が、それぞれの装置（およびその中のそれぞれのエフェクタまたはセンサ）が他と異なる一意の場所を占めるように、軸方向（θ１）および半径方向（θ２）角度および挿入部位位置の同一のセットを持たないことが望ましい。第１の斜めの軸角度が皮膚表面と平行に近いほど、エフェクタまたはセンサはより長くありえて、一方でなお、脳に到達することなく頭蓋骨を通して実質的に横方向に横断する。逆に、第１の対角軸角度が皮膚表面に垂直（まっすぐ下へ）に近いほど、エフェクタまたはセンサは、頭蓋骨を通してより垂直に近く移動し、そのことにより頭蓋の垂直の厚さがより厳しく限定するので、短くなければならない（図１参照）。

角度を付けて埋め込むことで、追加の構成要素を埋め込んでエフェクタまたはセンサ（すなわち電極）を補助またはともにはたらき、より長く持続するシステムまたはバイオンの改善を形成することが可能になる。例えば、メイン装置を垂直に埋め込んでもよいが、１つまたは複数の構成要素（すなわち拡張バッテリまたはバッテリパック）が角度を持って埋め込まれる。これは、主電極を補助する追加の構成要素を、角度を持って頭蓋骨内に埋め込むことを可能にする。補助するバッテリが増えることで電極の寿命が延び、一方で、全体の埋込材をコネクタヘッドまたはコネクタにより接続された（すなわち頂部で）いくつかの構成要素へ効率的に分解する。他の構成要素は、バッテリに加え、送信器、受信器、無線送受信機、熱発生器、冷却装置、磁気コイル、キャパシタ、変圧器、超音波トランスデューサ、極超音速エミッタ／受信器、電気生理学的記録手段、センサ、イオン導入手段、光学刺激装置、レーザ、カメラ、アドレス／位置決めユニット、などが可能である。

本明細書で使用されるように、「構成要素」の語は、エフェクタおよびセンサを含むが、これらのカテゴリに限定されない。「構成要素」は、エフェクタまたはセンサを補助するが自身は直接身体に影響または感知（データを収集）しない、補助、相補、または補足要素の他のカテゴリも有してもよい。例えば、「構成要素」は、緩衝液、物理的緩衝材、触媒、バッテリ、真空ラインなどを含んでもよい。本発明は、少なくとも１つの構成要素がエフェクタまたはセンサである埋込材を含む。埋込材は、エフェクタまたはセンサでもある他の付加的な構成要素を有してもよく、またはエフェクタでもセンサでもない他の付加的な構成要素を有してもよい。

本明細書に記載された埋め込み可能な装置は、生体適合性素材で製作される。自己挿入の実施形態では、装置は充分に耐久性があり、破断せずに骨に突入することが困難な素材で製作する必要がある。予めの穿孔による実施形態では、より多くの素材の選択肢が可能であり、装置を封入または収容するのに、より軟らかく可撓性がある素材を使用してもよい。望ましい実施形態によれば、装置の少なくとも部分がいくつかの分子を吸収し、いくつかの分子を通し（貫流）、いくつかの分子を溶出し、いくつかの分子を遮断する半透過性素材で製作される。そのような半透過性素材は、その中に、表面に埋め込まれた（補助機能を提供する）重要な細胞または分子を任意選択的に含む、開口部（例えば、極小のナノポア）を持つメッシュであってもよい。

望ましい実施形態によれば、エフェクタは電極であり、本発明の補助構成要素（すなわち送信器、受信器、など）は、直接挿入可能または自身を挿入するよう設計される。「自身を挿入する」または「直接挿入可能」なことにより、構成要素は埋め込み前にドリルで頭蓋骨内に穿頭孔を作る必要がない、および／または構成要素が導入器（すなわち針、カニューレなど）を通した排出を必要としないことを意味する。このタイプの自己挿入されるネジは、典型的な自己穿孔および自己タッピングに分類され、それらはパイロット孔を必要とせず、孔がネジの螺刻域の形成のためタップされる必要もない。これを、尖った、またはネジ山とネジ軸に類似する収容部である遠位先端部を有する構成要素によって達成してもよい。

代わりに、頭蓋刺激装置は、ビーチバレーのネットのコイルアンカーと同様の方法で骨に巻きつくよう、らせん状の形状であることが可能である。らせんの遠位先端部が小さい孔に入り、装置の湾曲した尾部が続く。

骨生成自己タッピングネジの不適切から増した抵抗によるような、頭蓋骨への穿孔の必要があるとき、望ましいシステムおよび方法は、刺激装置の１つまたは複数の側に沿ったバルーンの使用を含む。穿孔は、しばしば、ネジが固く嵌合されないような、必要よりわずかに大きい、または不完全な形状である孔をつくる。バルーンは、収縮した状態で挿入した後に空気または液体で満たして間隙を閉じることができ、穿孔した孔と刺激装置の間の不完全な結合を減らし、摩擦嵌合を改善して刺激装置の内部のずれ／移動の影響性を減らす。バルーンは刺激装置上方の近位でも、反対側の遠位端部の電極の接触点を押し皮質の表面により接近させるのに使用可能である。

エフェクタが磁気手段（すなわちコイル、磁気物質、など）を有する、コートされる、または結合する場合、電気刺激療法に加えて磁気刺激療法を提供するためそれらを使用することが可能である。磁気エネルギーも、電気バッテリの再充電のため使用することが可能である。例えば、頭蓋骨内部の磁気コイルの挿入は、頭蓋を通して流れる十分に大きな磁界を必要とし（プロセス内で信号強度の減少をもたらす）、また局在的ではない経頭蓋磁気刺激に使用されるよりはるかに低い強度での、局部の磁気刺激（「頭蓋内磁気刺激」）の実行を可能にする。貧弱な選択性としても知られる局在化した療法の不可能性は、概して意図しない周辺の範囲への損傷を引き起こすかもしれない広すぎる適用、および目標部位での治療には弱すぎる強度という結果となる。局在化した療法の可能性は、全身の適用のこれらの欠点の両方を解消する。

電気および磁気刺激に加え、埋め込み可能な電極またはそれに関連する構成要素を使用して熱または冷気を発生させることができる。熱および冷気は、電気および／または磁気刺激の相補、補足または代替として使用できるような脳の活動への影響が示されている。

電気および磁気刺激に加え、埋め込み可能な電極またはそれに関連する構成要素を使用して熱または冷気を発生させることができる。熱および冷気は、電気および／または磁気刺激の相補、補足または代替として使用できるような脳の活動への影響が示されている。

異なる実施形態で、エフェクタバッテリは、身体の外側の充電装置への接続を通して、身体の内側または外側で再充電することができる。望ましい実施形態によれば、エフェクタバッテリは、熱、流体力学などの変化を含む自然に起こる手段を通して、身体の内側で再充電される。バッテリは、局所の熱を原位置で使用して電力を生成する熱発生器または熱電発生器を有してもよい。または、バッテリは、頭蓋に対する脳の自然な波動および脳脊髄の液体圧力の変化を使用し、エネルギーを利用および格納する機械的発電器を有してもよい。

組込電極バッテリに加え、本発明の埋め込み可能なセンサ−エフェクタ装置にあらゆる数の代替的な手段で電力を供給してもよい。サイズを小さくするため、それらはエネルギー受取手段を通して外側から電力を供給され、エネルギー受取手段は従来の電極バッテリより小さい。より具体的にいうと、それらは、身体内の他の位置または身体の外側の、吸着され受取プラットフォームを通して伝えられる発信源からの超音波、極超音速、または高周波エネルギーによってもよい。これらの代替的なエネルギー発信源は、組込みバッテリを必要としないので、より小さくできる。よって、装置は、精度を上げる一方でなお侵襲を最小にし解剖学的構造の一体性を犠牲にすることがないよう、ミリメートルよりむしろミクロン（長さ、幅、高さ）単位で製作してもよく、身体内により小さいチャネルおよび隙間内に、または無傷の骨および筋肉を通して、より深く挿入してもよい。エネルギー発信源およびいくつかの電子の複雑性が身体の外側にある別の利点は、外側からの更新および修正がより容易であることである。エフェクタが挿入部位から異なる角度で下側および外側に発射する別の利点は、刺激の目標範囲が脳の内部でより深いとき、２つ以上のエフェクタからの線が正確により深い目標に収束するよう、角度をセットすることができることである。いくつかの異なる挿入部位からいくつかの異なる装置が異なる方向から目標に収束するように、２つ以上の挿入部位を設けることが可能である（図２参照）。代わりに、２つ以上の目標範囲が脳内深くにあるとき、１つの挿入部位から、エフェクタを異なる角度に方向付けることにより、同時にいくつかの異なる範囲に到達させるように使用することができる（図３参照）。エフェクタが角度を付けられず従来のまっすぐ下への挿入に限定されれば、全てのエフェクタ（複数の挿入部位を通してさえ）が、中核と皮質の間の脳の中間範囲を目標とした療法を提供する能力を持たず、脳の中核または中心部に向けられるだろう。

別の実施形態で、エフェクタは、頭蓋骨内の長さおよび距離を共同で最大化することを可能にする付加的な特徴を持ってもよい。例えば、エフェクタは、頭蓋骨の湾曲の半径または形状にほぼ一致する湾曲の半径で湾曲してもよい。頭蓋が３つの層、硬い内側の皮質層、硬い外側の皮質層、およびより柔らかい海綿中間層で構成されるので、長い構成要素を海綿層を通して押し、より硬い内側および外皮質層に捕捉されることが可能である。また、装置は一度挿入されると（例えば伸縮式に）分岐し、付加的なバッテリ電力貯蔵スペースを提供する頭蓋内の経路を形成してもよい。しかし、分岐は頭蓋のやや硬い骨を通って横断しなければならないので、これらの（二股分岐、二股分岐、多分岐）実施形態は、たぶん分岐状装置のための虫のようなトンネルの穿孔が可能な別個の挿入ツールを必要とするだろう。

エフェクタが電極であるとき、全ての実施形態の本発明の回路は可変である。電子回路により、それは電極、バッテリ、コネクタ、コイル、送信器、受信器、送受信機、キャパシタ、コントローラ／プログラミング手段、アドレス手段、パルス制御手段、センサ、などの間の配置および相互関係を意味する。１つの挿入部位を通して（直交および／または非直交の角度で）横断方向に挿入された複数の電極のため動作するこれらの要素のあらゆる構成は、本発明の範囲に一致する。

いくつかの実施形態では、電子回路の構成は、既存の製品および特許請求項（すなわちＡｄｖａｎｃｅｄ Ｂｉｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．のバイオン）と同様であってもよい。しかし、装置全体は、なお従来の装置および特許請求項と異なる。それは、ねじ込みおよび／または非直交角度での挿入のような頭蓋を通した横断方向の挿入に適合され、２つ以上の要素が同一の挿入部位を通して挿入される点で異なる。

他の実施形態では、電子回路の構成は、従来の製品および特許請求項と１つまたは複数の特徴で明確に異なり、他の区別する特徴に加えさらに本発明を区別する。

先に述べたように、神経刺激器として、本発明の装置は、特に脳との直接の相互作用を通して、神経システム内の病状（運動障害、精神疾患）を改善し、正常な機能（学習、記憶）を強化する無数の確立された適用を有する。また、可能性がある適用は、治癒プロセスを発展させ調整する、末梢神経刺激および他の生体システムとの相互作用を含む。例えば、本明細書に記載されたような埋め込み可能な刺激装置を、骨折または椎間板変性症の部位に使用して、生物学的または化学的手段（骨セメント、骨移植、骨充填材、骨膠、ハイドロキシアパタイト、粉砕骨組成物、または他の骨代用材）の代替または補足として新しい骨の増殖を促進してもよい。１つの具体的な適用は、埋込材をよりよくカムフラージュするため、スクリュー上の骨の再成長を刺激する、椎弓根スクリューの安定化／近接した椎骨の融合における椎弓根スクリュー周辺での刺激装置の使用である。

望ましい実施形態によれば、本明細書に記載された装置は、少なくとも１つの実体が生体である２つ以上の実体間の通信を可能にするため使用される。他の実体は、第１の生体と同一または異なる種であってもよく、またはコンピュータ、ラップトップ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、キーボード、カメラ、車椅子、自転車、自動車などを含むが、それらに限定されない機械であってもよい。通信は、いくつかの異なる実体間の一方向、双方向、または複数チャネル交換（グループ対話、または異なる実体が全て集中化されたハブで通信）でありうる。

少なくとも１つの生体と少なくとも１つの他の実体の間の通信を可能にするこの方法で、エフェクタおよびセンサを有する装置が生体内に埋め込まれる。少なくとも１つの付加的な構成要素が、他の実体内に埋め込まれ、この装置と相互に作用する第１の実体（生体）内のセンサが、データを収集し、他の実体へデータを送信するパルスを生成する。他の実体は、パルスを読み出し翻訳するそれらの構成要素を通してパルスを受信する。この方法で、第１の実体（生体）は、開ループ通信内で他の実体へ情報を中継または「会話」できる。別の実施形態で、第１の実体内の装置は、さらに少なくとも１つのフィードバック構成要素を有し、通信は、第１の実体内のフィードバック構成要素が、第１の実体からのパルスの第２の実体による受信を確認する閉ループである。

受信器または送受信機が信号を受信するため使用されるとき、それらを単独で使用し直接信号を受信、または受信前に信号を中継および／または処理する１つまたは複数の中間装置と併せて使用してもよい。中間装置は信号を増幅または再フォーマットし、ノイズを除去してもよい。いくつかの実施形態では、いくつかの適用に対し、中間装置はブルートゥースイヤホン、携帯電話、Ｗｉ−Ｆｉルータ、エアカードなどに類似したものであってもよい。同様に、エフェクタが実体（機械または生体）内で効果を誘発するため使用されるとき、それらは直接、またはそれらが提供する未加工情報およびエネルギーを調整または処理する１つまたは複数の中間装置を通して効果を誘発してもよい。

本明細書に記載された装置は、最新鋭の第六感およびマインドコントロール装置を伴う使用に適応可能なよう考慮されている。本発明の最小の侵襲的埋込材はヘッドギアより好都合であるかもしれないし、生体の対象または患者からのハンドジェスチャに頼るよりむしろ、神経の状態および目的を読み出し外界のアクションを開始するために使用してもよい。本明細書で（前および後で）使用されるように、「患者」の語は自身を研究する、または本発明を含む治療を受けるあらゆる対象をいう。「患者」は、物理的、精神的、または心理的機能障害または異常を有する、病気の人間または何者かである必要はない。実際に、「患者」は、人間または生体でさえある必要はない。「患者」は、治療のため自身を研究することを選択する、またはさらに能力を高めより成功するため、または特定の機能を向上するために本発明の治療を受ける、完全に健康、幸福、および成功した生体または対象を含んでもよい。

本発明の装置が治療に使用可能な状態の例は、通常、遺伝的または生物学的に起因する精神症状、うつ病、急性躁病、双極性障害、幻覚、強迫観念、強迫性障害、精神***病、緊張病、心的外傷後ストレス障害、薬物およびアルコール中毒、パーキンソン病、アルツハイマー病、てんかん、筋緊張異常、チック、吃音、耳鳴り、痙直、卒中後の認知および運動機能の回復、疼痛症候群、片頭痛、神経障害、背痛、内臓疾患、尿失禁などを含む。

具体的な医療の適用は、以下のような本発明の頭蓋の埋込材の使用を含む。（ｉ）麻痺した人が信号を送信し「テレパシーで」マウス、カーソルを動かし、またはキーボードをタイプしてコンピュータを操作し、自身の働く能力の向上を可能にする。（ｉｉ）麻痺した人が彼らの要求、望み、および考えを他者および世界に伝えられるよう、信号を送信し機械またはコンピュータに彼らの言葉またはメッセージを話させることを可能にする。

具体的なエンターテイメントおよび社会的な適用は、以下のような本発明の頭蓋の埋込材の使用を含む。（ｉ）人間が手を使うことなく、または手のコントロールに加えｉＰｈｏｎｅまたはＷｉｉゲームコンソールを制御するのに使えるようＣｒａｎｉｏｎ^ＴＭを埋め込む。（ｉｉ）それぞれが自身のＣｒａｎｉｏｎ^ＴＭを埋め込んだ１人または複数の他の人間と通信するよう人間がＣｒａｎｉｏｎ^ＴＭを埋め込み、会議、教会内、法廷内、スポーツイベント、およびカードゲーム間を含む人の集まりの中で個々の「テレパシーの」会話を可能にする。

本発明の埋め込まれた装置（特に脳内のもの）を、身に付けて、プロジェクタ、カメラ、レーザ、バーコードリーダ、などの制御に使用してもよい。そのような第六感およびマインドコントロール装置は、ビデオゲーム、金銭の電子振込、株取引、ショッピング、ソーシャルおよびプロフェッショナルネットワーキング、および人、撮影、写真などについてのデータの格納などに適用を見出してもよい。埋込材を、埋め込まれた生体の、または患者が接触する他者の表現の状態（顔の表情、ジェスチャー）および感情的表現（感情の反応）を読むために使用することができる。埋込材は、それからこの情報を処理および分析し、それに応え認識アクションを開始することができる。

脳の皮質における電気信号が、指紋と同様にそれぞれの人間に固有の折り畳みパターンにより、同じ考えについて脳の同一の範囲から出るものであってさえ、人々の間で揃わないように見えることは公知である。ヘッドギアは数学的アルゴリズムを使用し、揃わない信号を解除し人々に一致したものにする。代わりに、本発明の埋込材を以下の目的で使用してもよい。（ｉ）アルゴリズムなしに統一している皮質上方の脳内の発信源から信号を読む。（ｉｉ）皮質でのデータ読取のためアルゴリズムを適用する。（ｉｉｉ）１人の人間から他人への信号内の違いを補正する最初の平衡プロセスを提供する。

さらに他の実施形態によれば、脊椎内の硬膜外腔を摺動する脊髄刺激装置のように、Ｃｒａｎｉｏｎ^ＴＭは頭蓋骨を角度を持って通過し硬膜外の離れた領域に至るより長い電極リードを有する。この先端部は、その結果、例えば磁石で操作可能であってもよい。

図１２のフローチャートに概略が示されるように、一般的な方法はより詳細に以下のシーケンスを含んでもよい。
１．）フレームまたはフレームレス位置確認のどちらかで定位位置確認を用いて目標を識別する。
２．）構成の決定。例えば単一の電極、単一の目標の周辺に複数、単一のラインのいずれか（図７および図８参照）。
３．）１つのスタブ切開５〜１０ｍｍ。
４．）部分的に２〜４ｍｍの厚さの穿頭孔を穿孔する（これはドリルが角部で角度を持つことができるよう「縁部」を持たせることを可能にし、偏角の経路を得られる）。
５．）定位位置確認を用いて目標および中央部分的穿頭孔からの深さを識別する。
６．）目標に基き経路を設計し、パイロット孔を穿孔または自己穿孔、自己タッピングＣｒａｎｉｏｎ^ＴＭを使用してＣｒａｎｉｏｎ^ＴＭ装置を挿入する。
６ａ．）パイロット孔の穿孔は孔の深さを正確に知ることを可能にするが、尖った先端部を取り除くことが可能なカニューレ挿入Ｃｒａｎｉｏｎ^ＴＭ（図９参照）も、硬膜外腔に入ったかどうか判断する発端を得られる。
７．）他のＣｒａｎｉｏｎ^ＴＭを取り付け、それらを配線で接続（図９参照）または無線で接続する。またはヘッド装置を用いる。
８．）頭蓋骨から完全に出す必要がない追加のバッテリのような、他の構成要素を追加する。
９．）傷口を閉じる。

本発明は、前述のような実施形態に限定されない。種々の変更および改良は、もちろん、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなくなすことができる。付加的な利点および改良は、当業者で容易におこりうる。従って、より広範囲の態様の本発明は、本明細書に示され記載された特定の詳細および代表的な実施形態に限定されない。従って、添付の請求項およびそれらの等価物により定義されるような全般的な発明の概念の趣旨または範囲から逸脱することなく、種々の改良がされうる。請求項内で使用されるように、接続詞「または」は両立的なまたはを意味する（および／または、要素が独立または要素のあらゆる組み合わせのどちらか）。

Claims (14)

1. 挿入部位において皮膚、筋肉、組織、骨、または頭蓋骨を通して挿入されるよう構成された２つ以上のシャフトと、
   前記２つ以上のシャフトのそれぞれに関連する、エフェクタまたはセンサを有する少なくとも１つの構成要素であって、前記少なくとも１つの構成要素のそれぞれが、前記２つ以上のシャフトのそれぞれの中に収容されること、前記２つ以上のシャフトのそれぞれを通過すること、または前記２つ以上のシャフトのそれぞれに装着されることのうち１つまたは複数により、その関連する前記シャフトに連結される、構成要素と、を備え、
   前記２つ以上のシャフトのそれぞれおよびその前記関連する構成要素が、挿入部位において表面の接線に平行と前記挿入部位において表面の接線に垂直の間の角度および平行と垂直を含む角度で挿入されるよう構成され、
   前記２つ以上のシャフトのそれぞれが、前記挿入部位において、全ての他のシャフトとは異なる経路で挿入されるよう構成され、
   それぞれの前記シャフトおよびその前記関連する構成要素の長さが、他の前記シャフトおよびそれらの前記関連する構成要素と無関係であり、かつ前記挿入部位において皮膚、筋肉、組織、骨、または頭蓋骨の厚さに限定されず、
   前記２つ以上のシャフトのそれぞれは、経路に沿って完全に挿入される場合に、前記シャフトの近位端が挿入部位を通過して、それにより別のシャフトが異なる経路で挿入部位を通じて挿入されることが可能となるように構成されている、
   生体内の目標部位に効果を及ぼすように、または周辺のデータを収集するように構成された装置。
2. 前記エフェクタまたは前記センサを有する前記構成要素が、バッテリ、電極、再充電器、発信器、受信器、送受信機、センサ、レコーダ、キャパシタ、変圧器、システム制御ユニット、プログラム記憶領域、アドレス／位置決めユニット、温度センサ、温度調節器、熱電素子、熱電発電器、機械動力発生器、光学／光発生器、紫外線光発生器、赤外線発生器、光学刺激装置、レーザ、高周波発生器、磁界発生器、機械振動発生器、超音波発生器、電界発生器、放射線発生器、燃料電池、薬剤送達ユニット、遺伝子療法送達ユニット、薬剤および放射性物質貯蔵部、および身体内に放出される物質貯蔵部からなる群から選択される、請求項１に記載の装置。
3. 予め開けられた孔が存在しない場合、それぞれの前記シャフトが皮膚、組織、または骨を通して挿入されるよう構成され、前記シャフトが自己穿孔、および／または自己タッピングである、請求項１に記載の装置。
4. 前記目標部位が患者の脳内であり、かつ前記エフェクタの効果が前記患者の脳へおよび、または前記センサを作動させる刺激が前記患者の脳から得られるように、前記エフェクタまたは前記センサが前記目標部位と通信する、請求項１に記載の装置。
5. 前記骨が頭蓋骨であり、前記２つ以上のシャフトの長さは、
   前記２つ以上のシャフトが
   （ｉ）皮膚、脂肪組織、結合組織、靭帯、腱、粘膜または筋肉内の頭蓋骨の表面
   （ｉｉ）骨または頭蓋骨の中
   （ｉｉｉ）硬膜外（硬膜上方）
   （ｉｖ）硬膜下（硬膜下方）
   （ｖ）軟膜上（軟膜上方）
   （ｖｉ）脳組織内、または
   （ｖｉｉ）脳室または脳に関連する槽内
   に取り付けられるような長さである、請求項１に記載の装置。
6. 前記２つ以上のシャフトのうちの少なくとも１つに関連する少なくとも１つの構成要素が、前記２つ以上のシャフトのうちの少なくとも１つを通して挿入され、かつ、
   ｉ）機械的方向転換
   ｉｉ）前記構成要素の強磁性または電磁先端部が、身体の内側または外側のどちらかで磁気または電磁気メカニズムにより誘発される磁界によって誘導、操縦、または移動される、前記構成要素の磁気的操縦
   ｉｉｉ）目標への定位誘導
   ｉｖ）内視鏡の視覚化および誘導
   のメカニズムのうちの１つまたは組み合わせにより目標位置へ導かれる、請求項５に記載の装置。
7. ヘッドユニットをさらに備え、
   前記ヘッドユニットが、前記２つ以上のシャフトのうちの少なくとも１つを受け入れるようそれぞれ構成された１つ以上のドッキングステーションを有し、
   ドッキングステーションのそれぞれが、１つ以上の孔または連結器を有し、それによって前記２つ以上のシャフトのうちの１つが、前記ヘッドユニットを通して挿入、前記ヘッドユニットに取り付け、連結または接続され、
   複数のシャフトが、同一の前記ヘッドユニットを通して単一の共用の前記挿入部位で挿入され、かつ前記ヘッドユニットの周りを垂直に下側へ、半径方向に外側へ、または半径方向に内側へ異なる角度で方向付けられてもよいように、ドッキングステーションが前記ヘッドユニットの周りに半径方向に離間される、
   請求項１に記載の装置。
8. 前記ヘッドユニットが、複数の埋め込まれた構成要素、これらの前記構成要素を収容する前記シャフト、および／または装置を接続し、
   前記ヘッドユニットが、共用の前記挿入部位を通して挿入された２つ以上のシャフトまたは前記２つ以上のシャフトに関連する構成要素の間の直接の電気的接触を可能にし、それによって前記２つ以上のシャフトまたは前記２つ以上のシャフトに関連する構成要素の間の直接の通信、接続、電力の移送を可能にする、請求項７に記載の装置。
9. 前記効果が、電気、温度、磁気、光、超音波エネルギー、振動、極超音速エネルギー、電波、マイクロ波、および赤外線のうち１つ以上を用いて発生させられる、請求項１に記載の装置。
10. 前記装置が、温度、光、密度、インピーダンス、電波、マイクロ波、および分光のうちの１つ以上に関するデータを収集するように構成される、請求項１に記載の装置。
11. 前記２つ以上のシャフトのそれぞれが、
    直線状、
    湾曲、
    骨または頭蓋骨の輪郭の湾曲にそって湾曲、
    前記挿入部位を通して身体または頭蓋内へ突く螺旋内で湾曲、
    挿入時、挿入プロセスの間形状を変更可能、
    硬質、
    少なくとも部分的に可撓性がある、
    硬質な状態と可撓性の状態の間を変化、
    尖った先端部を有する、
    鈍い先端部を有する、
    皮質骨を刺すのに十分尖ってはいない先端部を有する、
    予め開けられた前記挿入部位内に容易に挿入可能な非外傷性の湾曲した先端部を有する、
    螺刻かつ位置内にねじ込むよう構成される、
    異なる分子を特異的に吸収、伝達、反発、および溶出する、選択的透過性素材で製作される、
    中に埋め込まれるセルを有する、選択的透過性素材で製作される、
    および／または
    ナノ多孔質メッシュである、選択的透過性素材で製作される、
    の特性を含む、他のシャフトと同様または異なる物理的特性を有する、請求項１に記載の装置。
12. 少なくとも１つの前記エフェクタを有し、前記エフェクタが保護収容部内に入れられ、かつ収容部を通したエネルギーの伝達により組織の刺激が可能な、請求項１に記載の装置。
13. 少なくとも１つの前記エフェクタまたは前記センサを有し、前記エフェクタまたは前記センサが前記シャフトの端部から突出、または前記シャフトの表面上に位置付けられる、請求項１に記載の装置。
14. 前記目標部位は、患者の脳内であり、
    それぞれのシャフトの長さは、経路に沿って完全に挿入される場合に、シャフトが患者の脳内まで到達しないように選択され、および
    前記２つ以上のシャフトのうちの少なくとも１つの長さは、挿入部位における頭蓋骨の厚さよりも長い、
    請求項１に記載の装置。

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