JP7137494B2 - 磁気神経刺激に適したマイクロコイル - Google Patents

Description

本開示は、概して、ニューロンの磁気刺激のための装置、システム、および方法に関する。

神経調節は、神経構造体への強い磁場または小さな電流の印加を含む様々な種類の電磁刺激を含むことができる進化する治療法である。

いくつかの実施形態は、埋め込み型磁気神経刺激プローブを対象とする。磁気神経刺激プローブは、少なくとも１つの基板上に配設され、かつ少なくとも１つの平面ループに配置された少なくとも１つの導電体を含む。磁性材料を含む少なくとも１つの平面磁気コアが、基板上かつ平面ループ内に配設されている。生体適合性コーティングが、基板、導電性トレース、および磁気コアを覆って配設されている。

いくつかの実施形態によれば、方法は、最低１つの導電体を有する磁気プローブに約１０ｍＡ～６０ｍＡの電流を印加することを含む。導電体は、基板上に配設され、かつ少なくとも１つの平面ループとして配置されている。磁性材料を含む少なくとも１つの磁気コアが、基板上かつ平面ループ内に配設されている。印加された電流に応答して、磁気プローブは、半径約５０μｍの境界を有する励起体積を生成し、それにより、磁気プローブによって生成される電場勾配は、境界内で１１０００Ｖ／ｍ^２より大きく、境界でおよびそれを超えると１１０００Ｖ／ｍ^２未満である。

いくつかの実施形態は、埋め込み型磁気神経刺激プローブとプローブに電気的に連結された付勢装置とを備えるシステムを対象とする。埋め込み型磁気神経刺激は、少なくとも１つの基板、基板上に配設され、かつ少なくとも１つの平面ループとして配置された少なくとも１つの導電体、基板上かつ平面ループ内に配設された磁性材料を含む少なくとも１つの平面磁気コア、および基板、コイル、および磁気コアを覆って配設された生体適合性コーティングを含む。付勢装置は、導電体を通して電流を印加するように構成されている。

いくつかの実施形態によれば、磁気プローブは、基板上に配設され、かつ少なくとも１つの平面ループとして配置された少なくとも１つの導電体を含む。磁性材料を含む少なくとも１つの平面磁気コアが、基板上かつ平面ループ内に配設されている。ループを通る電流によって付勢されるとき、プローブは、半径約５０μｍの境界を有する励起体積を生成するように構成され、それにより、プローブによって発生される電場勾配は、境界内で１１０００Ｖ／ｍ^２より大きく、境界でおよびそれを超えると１１０００Ｖ／ｍ^２未満である。

いくつかの実施形態による、磁気プローブの上面図および側面図をそれぞれ図示する。 いくつかの実施形態による、磁気プローブの上面図および側面図をそれぞれ図示する。 いくつかの実施形態による、鋸歯状外形を有する単一ループ内に配設された複数の磁気コアを有する磁気プローブを図示する。 いくつかの実施形態による、いくつかの異なるループセクション先端部の構成を図示する。 いくつかの実施形態による、複数の同心平面ループ内に配設された複数の磁気コアを備える磁気プローブの図である。 いくつかの実施形態による、複数の同一平面上の電気的に絶縁されたループを備える磁気プローブの上面図である。 いくつかの実施形態による、垂直に積み重ねられた複数の共平面の電気的に絶縁されたループを備える磁気プローブの側面図である。 いくつかの実施形態による、磁気力顕微鏡の実装に使用される磁気プローブを示す図である。 いくつかの実施形態による、神経刺激に使用される神経プローブを図示する。 図２のような磁気プローブによって生成された電場勾配ｄＥｘ／ｄｘのシミュレーションを示す。 図２と同様であるが磁気コアを有しない磁気プローブによって生成された電場勾配ｄＥｘ／ｄｘの比較シミュレーションを示す。 図２のような磁気プローブによって生成された電場勾配ｄＥｙ／ｄｙのシミュレーションを示す図である。 図２と同様であるが磁気コアを有しない磁気プローブによって生成された電場勾配ｄＥｙ／ｄｙの比較シミュレーションを示す。 図２のような磁気プローブによって生成された電場勾配ｄＥｚ／ｄｚのシミュレーションを示す。 図２と同様であるが磁気コアを有しない磁気プローブによって生成された電場勾配ｄＥｚ／ｄｚの比較シミュレーションを示す。 横および縦断面線を有する図３の神経プローブ３００を示す。 横断面線に沿ったシミュレーションされた電場勾配のグラフである。 縦断面線に沿ったシミュレーションされた電場勾配のグラフである。 いくつかの実施形態による、磁気プローブの励起体積を図示する。 磁気コアを含まない比較磁気プローブの励起体積を図示する。 いくつかの実施形態による、神経刺激システムのブロック図である。

神経刺激は、多数の神経障害を治療する潜在的可能性を有する。しかしながら、標的にされていない近くのニューロンを同時に活性化することなく標的にされたニューロンを活性化する効果的な刺激を提供することは課題となり得る。非標的ニューロンの意図しない活性化は、標的面積を超えた活性化の広がりにつながり、望ましくないまたは未知の結果をもたらす。

磁気刺激されるとき、ニューロンは付勢された磁気コイルによって生成された電場の空間的勾配によって活性化される。神経刺激に適した磁気コイルは、磁気コイルの位置から三次元で外向きに延在する活性化体積内で、ニューロンを活性化するのに十分な電場勾配、例えば約１１０００Ｖ／ｍ^２、を生成することができる。活性化体積は、電場の空間的勾配の活性化境界を画定する半径を有する。電場の空間的勾配は、活性化体積内でニューロンを活性化するのに十分であるが、活性化体積の境界または境界の外側でニューロンを活性化するには不十分である。

埋め込まれた磁気プローブを使用するニューロンの磁気刺激は、ニューロンの従来の電気刺激と比較したときに潜在的にいくつかの利点を有する。埋め込まれたマイクロコイルによって発生された電場は、空間的に非対称であり得、したがって、従来の神経電気刺激を用いた神経刺激よりも、標的ニューロンの選択的活性化により適している場合がある。さらに、電気プローブによる従来の神経刺激と比較して、磁場は実質的な減衰なしに生物学的材料をより容易に通過する。磁気刺激コイルは、標的とされるニューロンと直接接触して載置される必要はなく、かつ生体適合性材料に封入することができる。

本明細書に開示される実施形態は、神経性刺激ならびに他の実装での使用に適した磁気プローブを含む。磁気プローブは、任意の適切な形状または構成を有することができるマイクロコイル、例えば平面または三次元（３Ｄ）コイル、を組み込む。いくつかの実施形態では、磁気プローブは、少なくとも部分的にループ内に配設された高透磁率コアを有する基板上に配設された平面ループの形のマイクロコイルを組み込む。磁気コアは、低電流によって平面ループを付勢することを可能にし、比較的小さい活性化体積を超えて広がらない高い電場勾配を生成する。開示された磁気プローブによって生成されるより小さな活性化体積は、他の位置に影響を及ぼさずに、または最小限に影響を及ぼして特定の位置を選択的に標的にするのに有用である。例えば、開示された磁気プローブが磁気神経刺激のために使用されるとき、活性化体積は、近くの非標的ニューロンの活性化なしで標的ニューロンの活性化を可能にする。様々な実装によれば、開示された磁気プローブは、活性化体積内に１．１×１０^４Ｖ／ｍ^２より大きい電場勾配を生成することができ、このため、生体神経の刺激に十分な空間的電場勾配を提供する。これらの電場勾配は、約１Ｖの電圧で約５０ｍＡのオーダーのマイクロコイルを通る付勢電流を使用して生成することができる。

図１Ａおよび図１Ｂは、いくつかの実施形態による、磁気プローブ１００の上面図（図１Ａ）および側面図（図１Ｂ）を図示する概念図である。磁気プローブ１００は、基板１１０上に配設され、少なくとも１つの電気的に連続した平面ループ１２１として配置された少なくとも１つの導電体１２０を有する基板１１０を備える。磁性材料を含む平面磁気コア１３０が、基板１１０上かつ少なくとも部分的に平面ループ１２１内に配設されている。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、平面磁気コア１３０および導電体１２０は、同一平面上にあることができ、両方とも基板１１０の同じ表面に配設される。医療用途では、磁気プローブ１００は、基板１１０、導電体１２０、および磁気コア１３０を覆って配設された適切な生体適合性コーティング１４０内に封入され得る。

基板１１０は、平坦および／または硬質であり得、とりわけ、シリコン、ゲルマニウム、サファイア、石英および／または溶融シリカのような材料を含み得る。いくつかの実装によれば、導電体１２０は、基板１１０上に堆積された導電トレースであり得る。導電体１２０は、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、白金および／またはそれらの合金を含む様々な金属を含むことができる。磁気コア１３０は、例えば、ｃｍ^３ｍｏｌ^－１当たり約１０～２０００Ｇの範囲の磁化変化を有し得る。磁気コア１３０に適した材料は、鉄、コバルト、ニッケル、および／またはそれらの合金を含む強磁性材料を含む。さらなる例では、イットリウム系セラミックなどのいくつかのセラミックを使用することができる。基板１１０、導電体１２０、および磁気コア１３０は、封止材料１４０、例えば、気密性封止材料および／または生体適合性封止材料によって少なくとも部分的にまたは完全に封入され得る。適切な封止材料としては、ポリイミドまたは酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ_ｘ）が挙げられる。

磁気プローブ１００は、約２ｍｍ～５ｍｍの範囲の全長Ｌｐ、５０μｍ～２００μｍの範囲の全幅Ｗｐ、および約５５μｍ～約５１０μｍの範囲の全プローブ厚Ｔｐ（基板、導電体、磁気コア、および封止材料の厚さを含む）を有し得る。

基板１１０は、約２５μｍ～５００μｍの範囲の厚さＴｓを有することができる。

導電体１２０は、約１μｍ～約２０μｍの範囲の幅Ｗｃおよび約１μｍ～約１０μｍの範囲の厚さＴｃを有することができる。ループを形成する導電体１２０は、約５ｍｍ～約２０ｍｍの全長Ｌｃを有することができる。

ループ１２１は、図１Ａに示すように矩形でもよく、または平面、三次元コイル、等を含む任意の適切な形状を有してもよい。ループ１２１（またはプローブ内の各ループ）は、約２ｍｍ～約５ｍｍの最大長Ｌｌ、および約３０μｍ～約１５０μｍの最大幅Ｗｌを有してもよい。

磁気コア１３０は、図１Ａに描かれるように概して矩形の形状を有してもよく、または磁気コアがループ１２１によって少なくとも部分的に取り囲まれるような任意の他の適切な形状を有してもよい。例えば、磁気コア１３０は、約２ｍｍ～５ｍｍの最大長Ｌｃと、約３０μｍ～約１５０μｍの最大幅Ｗｃおよび約１μｍ～約１０μｍの厚さＴｍを有することができる。

いくつかの実施形態において、ループは、図１Ａおよび図１Ｂに図示される単純なループよりもより複雑な形状を有してもよい。

いくつかの実施形態によれば、図２に示すように、複数の磁気コアを導電体の単一ループ内に配設し得る。図２は、基板２１０上に配設され平面ループ２２１を形成する導電体２２０を含む磁気プローブ２００の上面図を提供する。複数の磁気コア２３１、２３２、２３３は、ループ２２１によって少なくとも部分的に取り囲まれている。図２に示す実施形態では、平面ループ２２１は、縁部２５０に沿って階段状または鋸歯状外形を有し、これは、概して異なる長さの磁気コア２３１、２３２、２３３に適合する。いくつかの実施形態では、追加の縁部もまた鋸歯状外形を有し得る。図２には３つの磁気コアが示されているが、任意の適切な数の磁気コアがループ２２１内に少なくとも部分的に取り囲まれてもよい。いくつかの実施形態では、磁気コア２３１、２３２、２３３の各々は、同じ磁性材料で作られてもよい。あるいは、磁気コア２３１、２３２、２３３のうちの少なくとも１つを作り上げる磁性材料は、別の磁気コアを作り上げる磁性材料とは異なってもよい。磁気コア２３１、２３２、２３３は、同じ幾何形態、例えば、同じ形状、同じ面積、同じ厚さを有してもよい。あるいは、図２に示すように、磁気コア２３１、２３２、２３３のうちの１つ以上は、他の磁気コアの幾何形態とは異なる幾何形態を有してもよい。図２に示す実施形態では、磁気コア２３１は、磁気コア２３２および２３３よりも長く、より大きい表面積を有し、磁気コア２３２は、磁気コア２３３よりも長く、より大きい表面を有する。

磁気コア２３１、２３２、２３３は、磁気ループ２２１のそれぞれのセクション２２１－１、２２１－２、２２１－３内に配設されている。磁気コア２３１は、ループセクション２２１－１内に配設され、磁気コア２３２は、ループセクション２２１－２内に配設され、磁気コア２３３は、ループセクション２２１－３内に配設されている。

磁気プローブ２００は、約２ｍｍ～５ｍｍの範囲の全長、５０μｍ～２００μｍの範囲の全幅、および約２μｍ～１０μｍの範囲の厚さを有し得る。例えば、基板２１０は、約２５μｍ～５００μｍの範囲の厚さを有することができる。

導電体２２０は、約１μｍ～２０μｍの範囲の幅および約１μｍ～約１０μｍの範囲の厚さを有し得る。第１のループセクション２２１－１は、約２ｍｍ～５ｍｍの最大長Ｌｌ１、および約３０μｍ～１５０μｍの最大幅Ｗ１１を有し得る。

いくつかの実施形態によれば、第２のループセクション２２１－２は、第１のループセクション２２１－１の長さＬｌ１の約５０～７５％である長さＬｌ２を有し得る。第３のループセクション２２１－３は、第２のループセクション２２１－２の長さＬｌ２の約５０～７５％である長さＬｌ３を有し得る。第１、第２および第３のループセクション２２１－１、２２１－２、２２１－３の幅Ｗｌ１、Ｗｌ２、Ｗｌ３は、いくつかの実施形態ではほぼ同じであることができる。

鋸歯状外形における階段状パターンによって、ループ２２１の終端先端部２５１ａ、２５２ａ、２５３ａの異なる位置は、生体組織への挿入に応じて（ｘ－ｙ平面内の）横断場勾配を制御する。図２Ａに示す鋸歯状形状は、挿入深さに沿った電場勾配の制御を可能にする。鋸歯状コイルの先端部、横方向の電場勾配の制御を提供する。

図２Ａでは、先端部２５１ａ、２５２ａ、２５３ａのそれぞれは直線状であり、ｙ軸に沿って延在する。しかしながら、ループセクション２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃの先端部は、図２Ｂに示すように他の形状を有してもよい。図２Ｂは、Ｖ字形先端部２５１ｂ、Ｕ字形先端部２５３ｂ、およびＷ字形先端部２５２ｂを図示する。図２Ｂに示されるように、磁気プローブの先端部は同一に終端される必要はない。先端部の形状は横断場勾配の実質的な違いを許容し、横断勾配を特定の用途に従って形づくることを可能にする。コイル形状に応じて、場勾配の異方性並びに場強度を変えることができる。これはニューロンの選択的指向性励起を可能にする。

磁気プローブは、複数の平面ループ内に配設された複数の磁気コアを含んでもよい。いくつかの実施形態において、複数のループは、例えば、複数の同心ループを構成するらせん状に配置された単一の電気的に連続した導電体を使用して形成されてもよい。いくつかの実施形態では、ループは、例えば、複数の電気的に分離した同心ループの複数の分離導電体を使用して形成されてもよい。

複数の同心コア３３２、３３３、３３４、３３５および複数のループ３５１、３５２、３５３、３５４、３５５を有する磁気プローブ３００の一例を図３に提供する。図３に示す実施形態では、各コア３３２、３３３、３３４、３３５は、少なくとも１つのループ３５１、３５２、３５３、３５４、３５５内に少なくとも部分的に囲まれている。コア３３３、３３４、３３５のうちの少なくともいくつかは、複数のループ３５１、３５３、３５４、３５５内に少なくとも部分的に囲まれてもよく、他のコア３３２は、より少ないループ３５１、３５２内またはただ１つのループ内に配設されてもよい。図３に示す例では、ループ３５１および３５２は少なくとも部分的にすべての磁気コア３３２、３３３、３３４、３３５を囲み、ループ３５３は少なくとも部分的にコア３３３、３３４、３３５を囲んでコア３３２はループ３５３の外側に配設され、ループ３５４は少なくとも部分的にコア３３４および３３５を囲んでコア３３２および３３３はループ３５４の外側に配設され、ループ３５５は少なくとも部分的にコア３３５を囲んでコア３３２、３３３、および３３４はループ３５５の外側に配設されている。前述のように、磁気コアのうちの少なくとも１つの幾何形態は、同じでもよく、または他の磁気コアの幾何形態と異なってもよい。複数の磁気コアは、コアごとに異なる他の特性を有してもよい。例えば、磁気コアは、同じまたは異なる透磁率、材料組成、等を有してもよい。

磁気プローブ３００は、約２ｍｍ～５ｍｍの範囲の全長、５０μｍ～２００μｍの範囲の全幅、および約５１μｍ～約５０１μｍの範囲全体の全厚（基板、導電体、コア、および封止材料を含めて）を有し得る。ループ３５１～３５５の導電体は、約１μｍ～２０μｍの範囲の幅および約１μｍ～約１０μｍの範囲の厚さを有し得る。

ループ３５１は、約２ｍｍ～５ｍｍの最大長Ｌｌ１、および約３０μｍ～１５０μｍの最大幅Ｗｌ１を有し得る。

いくつかの実施形態によれば、第２のループ３５２は、第１のループ３５１の長さの約７５～９０％の長さである長さを有し得、ループ３５３は、ループ３５２の約５０～７５％の長さである長さを有し得、ループ３５４は、ループ３５３の約５０～７５％の長さである長さを有し得、ループ３５５は、ループの約５０～７５％の長さである長さを有し得る。いくつかの実施形態では、コアのうちのいくつかの表面積、例えば図３のコア３３２、３３３、３３４、は同じであることができ、コアのうちの１つ以上の表面積は別のコアの表面積と異なることができる。例えば、コア３３５は、コア３３２、３３３、３３４よりも幅が広くそして長い。

図３に示す構成では、少し例を挙げると、磁気コアのサイズ、磁気コアのループへの近接度、およびループの先端部を含めて、制御可能な少数の明確な自由度がある。互いに独立したパラメータを調節することによって、場の線の広がりを意図的に狭めて、電場勾配をカスタマイズ可能な構成に合わせることができる。これらおよび／または他のパラメータを調節することによって、電場勾配の制御を強化することができる。

いくつかの実施形態によれば、磁気プローブは、図４Ａおよび図４Ｂによって図示されるように、複数の電気的に不連続なループを含むことができる。図４Ａは、複数のループ４５１ａ、４５２ａ、４５３ａを備える磁気プローブ４００ａの上面図を示す。各ループ４５１ａ、４５２ａ、４５３ａは、他の導電体４２１ａ、４２２ａ、４２３ａから電気的に絶縁されている導電体４２１ａ、４２２ａ、４２３ａによってそれぞれ形成されている。ループ４５１ａ、４５２ａ、４５３ａの各々は、同時にまたは異なる時間に付勢することができる。ループ４５１ａ、４５２ａ、４５３ａの各々は、同じ電流値で付勢することができる。あるいは、ループのうちの少なくとも１つは、ループのうちの別のループを付勢するために使用される電流値とは異なる電流値によって付勢することができる。

ループ４５１ａ、４５２ａ、４５３ａは、例えば、図４Ａに示すように、幾何形態が異なっていてもよい。図示の実施形態では、ループ４５１ａは、ループ４５２ａおよび４５３ａよりも大きい表面積を囲み、ループ４５２ａは、ループ４５３ａよりも大きい表面積を囲む。したがって、ループ４５１ａを形成する導電体４２１ａは、それぞれループ４５２ａおよび４５３ａを形成する導電体４２２ａおよび４２３ａよりも長い。異なるループ４５１ａ、４５２ａ、４５３ａの導電体４２１ａ、４２２ａ、４２３ａは、同じ導電材料で作られてもよく、またはいくつかの実施形態では、導電材料はループごとに異なってもよい。

磁気コア４３１ａは、ループ４５１ａによって少なくとも部分的に囲まれており、磁気コア４３２ａは、ループ４５２ａによって少なくとも部分的に囲まれており、磁気コア４３３ａは、ループ４５３ａによって少なくとも部分的に囲まれている。磁気プローブ４００ａでは、各コア４３１ａ、４３２ａ、４３３ａは、ループ４２１ａ、４２２ａ、４２３ａのうちの１つのみによって囲まれている。前述のように、磁気コアの幾何形態、表面積、形状、材料、厚さ、等は、いくつかの実施形態ではコアごとに異なってもよく、あるいは、これらの特性のうちの少なくともいくつかは、コアごとに異なってはならない。

図４Ａは、各ループ４５１ａ、４５２ａ、４５３ａが少なくとも部分的に１つの磁気コア４３１ａ、４３２ａ、４３３ａを囲む単一のループ４５１ａ、４５２ａ、４５３ａを示す。あるいは、例えば、図３に関連して前述したように、単一の連続した導電体の複数のループ、例えば、複数のスパイラルループ、または別々の導電体ループの複数の同心ループが使用されてもよい。あるいは、例えば、図２に関連して前述したように、各単一ループが、複数の磁気コアを少なくとも部分的に囲んでもよい。封止材料（図４Ａには図示せず）をループ４５１ａ、４５２ａ、４５３ａおよび磁気コア４３１ａ、４３２ａ、４３３ａを覆って配設することができる。

図４Ｂは、複数の電気的に絶縁された導電性ループ４５１ｂ、４５２ｂ、４５３ｂを含む磁気プローブ４００ｂの側面図を提供する。この例では、ループ４５１ｂ、４５２ｂ、４５３ｂを形成する導電体４２１ｂ、４２２ｂ、４２３ｂはそれぞれ別々の基板４１１ｂ、４１２ｂ、４１３ｂ上に配設されている。磁気コア４３１ｂ、４３２ｂ、４３３ｂはそれぞれループ４５１ｂ、４５２ｂ、４５３ｂ内に配設されている。

図４Ｂに図示するように、導電体４２１ｂおよび磁気コア４３１ｂは、基板４１１ｂの同じ表面上に配設されている。導電体４２１ｂは、磁気コア４３１ｂを少なくとも部分的に囲むループ４５１ｂを形成する。導電体４２２ｂおよび磁気コア４３２ｂは、基板４１２ｂ上に配設されている。導電体４２２ｂおよび磁気コア４３２ｂは、基板４１２ｂの同じ表面上に配設されている。導電体４２２ｂは、磁気コア４３２ｂを少なくとも部分的に囲むループ４５２ｂを形成する。導電体４２３ｂおよび磁気コア４３３ｂは、基板４１３ｂの同じ表面上に配設されている。導電体４２３ｂは、磁気コア４３３ｂを少なくとも部分的に囲むループ４５３ｂを形成する。

基板４１１ｂ、ループ４５１ｂ、およびコア４３１ｂは、磁気プローブ４００ｂの第１の部分４６１を形成し、基板４１２ｂ、ループ４５２ｂ、およびコア４３２ｂは、磁気プローブ４００ｂの第２の部分４６２を形成し、基板４１３ｂ、ループ４５３ｂ、およびコア４３３ｂは、磁気プローブ４００ｂの第３の部分４６３を形成する。封止材料４４０を、第１、第２、および第３の部分４６１、４６２、４６３のそれぞれを覆って配設することができる。

いくつかの実施形態によれば、第１、第２、および第３の部分４６１、４６２、４６３の各々は、図１Ａおよび図１Ｂに関連して説明したように、単一のループ内に単一のコアを備え得る。いくつかの実施形態によれば、第１、第２、および第３の部分４６１、４６２、４６３の各々は、図２に関連して説明したように単一ループ内に複数のコアを備え得る。いくつかの実施形態によれば、第１、第２、および第３の部分４６１、４６２、４６３の各々は、図３に関連して説明したように、複数のループ内にそれぞれ配設された複数のコアを備え得る。第１、第２、および第３の部分４６１、４６２、４６３の各々は、複数のループ内にそれぞれ配設された複数のコア、単一のループ内に配設された単一のコア、および／または単一のループ内に配設された複数のコアの様々な組み合わせを備え得る。

図５Ａおよび図５Ｂは、開示された磁気プローブに対する２つの技術的用途を図示する。図５Ａに示される技術的用途では、プローブ５００ａは磁気力顕微鏡を実装するために使用される。この実装では、磁気プローブ５００ａは、磁気サンプル５９０の表面の上を移動する。プローブ５００ａが表面の上を走査されると、プローブは試料の表面の磁場をループ内に誘導される電流に変換する。プローブのループ内の誘導電流は、試料表面の磁気的構造に関する情報を提供するために使用され得る。

図５Ｂに示される技術的用途では、プローブ５００ｂは神経束のニューロンを刺激するために使用される。神経束５８０に近接して載置されたプローブ５００ｂは、プローブ５００ｂの１つ以上のループを通して電流を供給することによって付勢される。電流はループを通して外部電源（図５Ｂに図示せず）から供給され、神経束内の標的神経線維を活性化するのに十分な電場勾配を生成する。

開示された磁気プローブのこの設計は、ループ内の電流注入の振幅に依存して、構造の空間的境界内の異なる位置での励起を可能にする。図６Ａ～図８Ｂは、高透磁率磁性コアを有する場合と有しない場合の、図２に概して図示されるような磁気プローブ（本明細書では鋸歯状設計と呼ばれる）の性能間の比較を示す。鋸歯状幾何形態は、磁気プローブによって生成される励起体積にわたって横断（ｄＥｚ／ｄｚ）制御をサポートする。

より大きな電場勾配を得るための直接的な方法は、より大きなＡＣ電流励起を使用することである。しかしながら、マイクロコイル内の電流を単に増加させることの結果の１つは、励起の体積もまた増加することである。例えば、幅１０μｍのＣｕループを通る電流を１ｍＡから１００ｍＡに増加させると、半径＞１５０μｍを有する励起の体積の増加を発生する。これは、非標的領域の刺激につながる可能性がある。しかしながら、高透磁率コアを有するマイクロコイル幾何形態は、１１０００Ｖ／ｍ^２より大きい電場勾配で、または約１０^７Ｖ／ｍ^２の電場勾配でさえ約５０ｍＡの電流で小さい励起体積（半径約５０μｍ以内）を依然として維持することができる。

図６Ａは、５０ｍＡの電流がループを通して供給されたときに、図２のような磁気プローブによって生成された電場勾配ｄＥｘ／ｄｘのシミュレーションを示す。比較のために、図６Ｂは、５０ｍＡの電流がループを通して供給されたときに、図２のような磁気プローブであるが磁気コアなしによって生成された電場勾配ｄＥｘ／ｄｘのシミュレーションを示す。図７Ａは、５０ｍＡの電流がループを通して供給されたときに、図２のような磁気プローブによって生成された電場勾配ｄＥｙ／ｄｙのシミュレーションを示す。比較のために、図７Ｂは、５０ｍＡの電流がループを通して供給されたときに、図２のような磁気プローブであるが磁気コアなしによって生成された電場勾配ｄＥｙ／ｄｙのシミュレーションを示す。図８Ａは、５０ｍＡの電流がループを通して供給されたときに、図２のような磁気プローブによって生成された電場勾配ｄＥｚ／ｄｚのシミュレーションを示す。比較のために、図８Ｂは、５０ｍＡの電流がループを通して供給されたときに、図２のような磁気プローブであるが磁気コアなしによって生成された電場勾配ｄＥｚ／ｄｚのシミュレーションを示す。

図６Ａ、図７Ａ、および図８Ａに示す例では、磁気コアを有する磁気プローブは、約３０μｍの半径を有する活性化体積内で、約１．１×１０^４Ｖ／ｍ^２より大きいおよび／または最大約１０^６Ｖ／ｍ^２までの電場勾配を生成する。活性化体積の境界での電場勾配は１．１×１０^４Ｖ／ｍ^２未満である。比較例では、図６Ｂ、図７Ｂおよび図８Ｂによって示されるような磁気コアを有しない磁気プローブの活性化体積は、約１００μｍより大きい半径を有する。磁気プローブのループに複数の磁気コアを組み込むことは、神経刺激のための活性化体積の体積を約２０％～約７０％超減少させることができる。例えば、本明細書に図示される実施形態のように複数の磁気コアを磁気プローブに組み込むことは、神経刺激のための活性化体積の体積を約６０％減少させることができる。

図３に示す複数ループ神経プローブについてもシミュレーションを行った。図９は、図３の神経プローブ３００を示す。図１０Ａは、図９の線９０１に沿った電場勾配の線断面を示す。図１０Ａは、断面に沿った電場勾配がコイルに近接した領域の近く（中心軸から約７５μｍの距離以内）で最大であって約１０^６Ｖ／ｍ^２の値を有することを示している。図１０Ａの線９０１は、このシミュレーションにおいて断面がとられた経路を表す。図１０Ａにおいて、ｘ軸上の０は、図９の線９０１の最も左の点に対応し、ｘ軸上の１０^－３は、線９０１の最も右の点に対応する。図１０Ｂは、図９の線９０２に沿った電場勾配の線断面を示す。図１０Ｂにおいて、ｘ軸上の０は、図９の線９０２の最下点に対応し、ｘ軸上の４×１０^－３は、線９０２の最上点に対応する。

このシミュレーションされた例における磁気プローブの幅は２００μｍである。磁気プローブ３００は、５つの異なる全長を有する５つの電気的に絶縁された同心ループ３５１～３５５を含む。ループ３５１～３５５は、１コア～４コアの異なる数のコア３３２～３３５を少なくとも部分的に囲む。ループ３５１～３５５の幅は、１１０００Ｖ／ｍ^２の勾配閾値以上の電場勾配のコイル３３２～３３５から異なる減衰深さを得るように修正することができる。ループの縁部は、界面を横切る材料の誘電率に強い不連続性がある領域である。より広いループはより狭いループよりも場の線を広げる。しかしながら、より狭いループはまた抵抗を増加する。したがって、電流要件と場を狭める要件との間の相互作用を使用して、特定用途に適したループ幅を確かめることができる。

この例では、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、電場勾配は、コイル３３１～３３５から約１２５μｍの距離まで神経活性化の閾値を上回る。この特定の例では、神経活性化の閾値は１１０００Ｖ／ｍ^２より大きい電場勾配に対応する。しかしながら、他のシナリオでは、閾値は、励起されているニューロンに依存して異なり得る。１０^６Ｖ／ｍ^２のオーダーの高い電場勾配を示す、コイルに近接した約７５μｍの幅の狭い領域がある。図１０Ｂは縦断面に沿った電場勾配を示す。線９０２は、縦電場勾配が評価された経路である。最大１０^７Ｖ／ｍ^２の電場勾配が、２０μｍ程度の小さい領域で見られる。

このような高い電場勾配の理由は、この設計が高透磁率コアを有する２Ｄソレノイドに類似していることを考慮することによって理解することができる。ソレノイドの「長さ」が非常に小さい数（この場合は２μｍ、または対応するトレースの厚さ）に近づいて、コアの周りのループの数が増加するとき、これはソレノイドの巻き数を増やすのと同様である。アンペールの法則とソレノイドの機能から、発生させることができる磁場強度は、ソレノイドの長さに反比例し、ソレノイドの巻き数に正比例することが知られている。より正確には、ソレノイド式は次のように書くことができる。
Ｂ＝μ_０μ_ｒｎＩ （式１）

式１において_、μ_０は自由空間の透磁率であり_、μ_ｒはフェライトコアの比透磁率である。式１において、ｎはソレノイドの単位長さ当たりの巻き数であり、Ｉはソレノイドを流れる電流である。このため、比較的大きな磁場を達成することができ、これは、ＡＣ電流の変調を介して変調されたとき、シミュレーションにおいて観察されるように大きな電場勾配を生じる。式１から、２Ｄ電流ループに対して軸上に生み出される磁場は以下の通りであると結論付けることもできる。

式２において、ｚはコイルから離れる軸に沿った距離であり、Ｒはコイルの半径であり、Ｉは電流でありそしてＮはループの数である。所与の距離および所与の半径に対して、ループの数を増やすことによって磁場を増強することができる。

図１０Ａでは、同じマルチループマルチコア設計における電場勾配が、線９０１によって示される縦断面に沿ってプロットされている。高透磁率コアがトレースに極めて接近するいくつかの領域では、空間的電場勾配における電場強度が急激に増加し、１０^７Ｖ／ｍ^２より大きい値に達している。強い電場勾配が得られるこのような空間位置の数は、含まれるループおよびフェライトコアの数を変えることによって調節することができる。電場勾配は、最も内側のコアの上で１１０００Ｖ／ｍ^２の神経活性化閾値より高いが、これはこれらの実施例で使用されている５０ｍＡの値から電流を減少させることによって減少させることができる。

図１１は、いくつかの実施形態による開示された磁気プローブ１１００の動作を図示する。プローブ１１００は、基板１１１０上に配設された少なくとも１つの導電体１１２０を含み、ループ内に配設された少なくとも１つの磁気コア１１３０を有する少なくとも１つのループを形成する。ループを通る電流によって付勢されるとき、プローブ１１００は半径Ｒｃの活性化体積１１９９を有する。活性化体積１１９９内の電場勾配は、概してニューロンを活性化するのに十分であり、活性化体積１１９９の外側の電場勾配は概してニューロンを活性化するのに不十分である。少なくとも１つの磁気コアを含まない実質的に同様のプローブと比較すると、同じ付勢電流および同じ電場勾配に対して、磁気コアを有するプローブ内の活性化体積は、例えば、少なくとも数パーセント～約６０％だけ減少され得る。

概して、本明細書で論じる電場勾配を得るために、導電体１１２０によって形成されるループを通る電流は、約５００ｍＡ未満、または２５０ｍＡ未満、または１００ｍＡ未満、または５０ｍＡ未満、あるいは約２５ｍＡ未満でさえあり得る。ループを通る約２５ｍＡ～約５００ｍＡの範囲内の電流、例えば、約２５ｍＡ、５０ｍＡ、約１００ｍＡ、約２００ｍＡ、または約５００ｍＡの電流、によって付勢されるとき、プローブは、プローブ周囲の体積内に約１０^４Ｖ／ｍ^２～約１０^７Ｖ／ｍ^２の空間的電場勾配を生成するように構成されている。体積は、例えば、１５０μｍ未満～約２５μｍ未満の半径を有し得る。例えば、プローブは、体積の内側で１０^４Ｖ／ｍ^２より大きい電場勾配を、および境界でおよびそれを超えると１０^４Ｖ／ｍ^２未満の空間的電場勾配を生成し得る。別の例では、プローブは、体積の内側で１０^５Ｖ／ｍ^２より大きい空間的電場勾配を、かつ境界でおよびそれを超えると１０^５Ｖ／ｍ^２未満の空間的電場勾配を生成し得る。別の例では、プローブは、体積の内側で１０^６Ｖ／ｍ^２より大きい空間的電場勾配を、および体積の外側で１０^６Ｖ／ｍ^２未満の空間的電場勾配を生成し得る。さらに別の例では、プローブは、体積の内側で１０^７Ｖ／ｍ^２よりも大きい空間的電場勾配を、かつ体積の境界でおよびそれを超えると１０^７Ｖ／ｍ^２未満の空間的電場勾配を生成し得る。少なくとも１つの磁気コアを含まない実質的に同様のプローブと比較すると、同じ付勢電流および同じ電場勾配に対して、体積は少なくとも数パーセント～約６０％だけ減少され得る。

前述のように、本明細書に開示されている磁気プローブは、神経刺激プローブとしての用途がある。図１３は、本開示の磁気プローブ１３１０を組み込んだ神経刺激システム１３００を図示する。プローブ１３１０は、生物（例えば、ヒトなどの哺乳動物）の体内への埋め込みのために構成され得る。様々な実装において、プローブ１３１０は生体内または生体外で使用され得る。プローブ１３１０のループを形成する導電体は、導線１３１５によって付勢装置１３２０に電気的に接続されている。付勢装置１３２０は、電流Ｉ、例えば、リード線１３１５を通って、かつプローブのループを通って流れる交流電流（ＡＣ電流）、を生成する。電流Ｉは磁場および電場勾配を発生させる。磁気プローブ１３１０が電流Ｉによって付勢されるとき、磁気プローブ１３１０によって生成された電場勾配は、プローブ１３１０の周りの活性化体積内でニューロンを活性化するのに十分である。いくつかの実施形態では、リード線１３１５および／または付勢装置１３２０は埋め込み用に構成されてもよい。

高透磁率コアを使用することによって、活性化の体積は、１１０００Ｖ／ｍ^２の神経刺激のための閾値を超えて閉じ込めることができる。例えば、１５ｍＡの同じ電流値に対して、シミュレーションは活性化半径が最大３倍減少することを実証している。このため、より大きな電流をループに流すことを可能にし、したがってより大きな電場勾配を得、一方、励起体積の選択性を犠牲にしない。

３Ｄソレノイドまたは２Ｄ電流ループの概念を２Ｄ平面に拡張して、プローブによって生成される電場勾配を増大させるマルチループおよびマルチコア磁気プローブが設計された。これらの設計は、駆動される同じ電流に対してコアなしのプローブと比較した場合、プローブの活性化深度を約３倍制限することができる。

Claims (13)

1. 埋め込み型磁気神経刺激プローブであって、
   少なくとも１つの基板と、
   前記少なくとも１つの基板上に配設され、かつ少なくとも１つの平面ループに配置された、ニューロンを活性化するのに十分な電場を生成するように構成された少なくとも１つの導電体と、
   前記少なくとも１つの基板上かつ前記少なくとも１つの平面ループ内に配設された磁性材料を含む少なくとも１つの平面磁気コアと、
   前記少なくとも１つの基板、前記少なくとも１つの導電性体、および前記少なくとも１つの平面磁気コアを覆って配設された生体適合性コーティングと、を備え、
   前記少なくとも１つの導電体は、前記少なくとも１つの平面ループが前記少なくとも１つの平面ループ内に複数のセクションを含むように構成され、
   前記少なくとも１つの平面磁気コアは、それぞれが前記複数のセクションのうちのそれぞれ１つの内側に配設された複数の磁気コアを含む、プローブ。
2. 前記複数の磁気コアは、少なくとも、第１の表面積を有する第１の磁気コアおよび前記第１の表面積とは異なる第２の表面積を有する第２の磁気コアを含む、請求項１に記載のプローブ。
3. 前記少なくとも１つの平面ループのうちの少なくとも１つの側面は、鋸歯状外形を有する、請求項１に記載のプローブ。
4. 前記鋸歯状外形を有する前記少なくとも１つの平面ループは、
   複数のセクションであって、前記複数のセクションの各セクションは、前記複数のセクションの他のセクションの面積とは異なる面積を有する、複数のセクションと、
   前記複数の磁気コアのそれぞれは、前記複数の磁気コアの他の磁気コアの表面積とは異なる表面積を有する、請求項３に記載のプローブ。
5. 前記少なくとも１つの平面ループは、単一の電気的に連続したループである、請求項１に記載のプローブ。
6. 前記少なくとも１つの導電体は、らせん状に配置された複数の同心ループを形成する電気的に連続した導電体を備える、請求項１に記載のプローブ。
7. 前記少なくとも１つの平面ループは、複数の平面ループを備える、請求項１に記載のプローブ。
8. 前記複数の平面ループは、同心である、請求項７に記載のプローブ。
9. 前記少なくとも１つの基板は、平坦および硬質の一方または両方であり、
   前記少なくとも１つの導電体および前記少なくとも１つの平面磁気コアは、前記少なくとも１つの基板に適合する、請求項１に記載のプローブ。
10. 前記少なくとも１つのループを通る約５０ｍＡの電流によって付勢されるとき、前記プローブは、半径約５０μｍの境界を有する励起体積を生成するように構成され、それにより、前記プローブによって発生される電場勾配は、前記境界内で１１０００Ｖ／ｍ²より大きく、前記境界でおよびそれを超えると１１０００Ｖ／ｍ²未満である、請求項１に記載のプローブ。
11. 前記少なくとも１つの平面ループを通る所定の値を有する電流によって付勢されるとき、前記プローブは、前記電流の前記所定の値によって付勢される前記少なくとも１つの平面磁気コアを有しないがその他は同一のプローブの活性化体積の半径より最大約６０％小さい半径を備えた活性化体積を有する、請求項１に記載のプローブ。
12. 埋め込み型磁気神経刺激プローブであって、
    少なくとも１つの基板と、
    前記少なくとも１つの基板上に配設され、かつ少なくとも１つの平面ループとして配置された、ニューロンを活性化するのに十分な電場を生成するように構成された少なくとも１つの導電体と、
    前記少なくとも１つの基板上かつ前記少なくとも１つの平面ループ内に配設された磁性材料を含む少なくとも１つの平面磁気コアと、
    前記少なくとも１つの基板、前記少なくとも１つの導電性体、および前記少なくとも１つの平面磁気コアを覆って配設された生体適合性コーティングと、を備える、プローブと、
    前記導電体を通して電流を印加するように構成されている付勢装置と、を備え、
    前記少なくとも１つの導電体は、前記少なくとも１つの平面ループが前記少なくとも１つの平面ループ内に複数のセクションを含むように構成され、
    前記少なくとも１つの平面磁気コアは、それぞれが前記複数のセクションのうちのそれぞれ１つの内側に配設された複数の磁気コアを含む、システム。
13. 埋め込み型磁気神経刺激プローブであって、
    少なくとも１つの基板と、
    前記少なくとも１つの基板上に配設され、かつ少なくとも１つの平面ループ中に配置された、ニューロンを活性化するのに十分な電場を生成するように構成された少なくとも１つの導電体と、
    前記少なくとも１つの基板上かつ前記少なくとも１つの平面ループ内に配設された磁性材料を含む少なくとも１つの平面磁気コアと、
    前記少なくとも１つの基板、前記少なくとも１つの導電性体、および前記少なくとも１つの平面磁気コアを覆って配設された生体適合性コーティングと、を備え、
    前記少なくとも１つのループを通る約５０ｍＡの電流によって付勢されるとき、前記プローブは、半径約５０μｍの境界を有する励起体積を生成するように構成されており、それにより、前記プローブによって発生される電場勾配は、前記境界内で１１０００Ｖ／ｍ²より大きく、かつ前記境界でおよび境界を超えると１１０００Ｖ／ｍ²未満である、プローブ。

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