(57)【要約】患者の身体内に全体的もしくは部分的に埋め込まれる装置であって、前記身体のいずれか適切な場所に配置され、使用に際して、その身体の神経系からの、及び／又は、その身体に及ぼされている圧力または温度からの一つもしくは複数の感覚及び／又は運動信号を得るべく為されている一つもしくは複数のセンサー；前記身体のいずれか適切な場所に配置され、使用に際して、その身体の神経系へ感覚及び／又は運動信号を供給すべく為されている一つもしくは複数の電極；および、一つもしくは複数の所定の信号の記憶装置、得られた感覚及び／又は運動信号を前記所定の信号と比較するためのコンパレーター、並びに、その身体の神経系のいずれか適切な場所へ供給するための感覚及び／又は運動信号を生成するための手段を組み込んだ制御手段を含み；これら後者の感覚及び／又は運動信号の大きさが、前記コンパレーターによって遂行された比較の結果に依存している装置。【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の身体内に全体的または部分的に埋め込まれる装置であって、
前記身体のいずれか適切な場所に配置され、使用に際して、前記身体の神経系からの、及び／又は、前記身体に及ぼされている圧力または温度からの一つもしくは複数の感覚及び／又は運動信号を得るべく為されている一つもしくは複数のセンサー；
前記身体のいずれか適切な場所に配置され、使用に際して、前記身体の神経系へ感覚及び／又は運動信号を供給すべく為されている一つもしくは複数のセンサー；
および、一つもしくは複数の所定の信号の記憶装置を組み込んだ制御手段、
得られた感覚及び／又は運動信号を前記所定の信号と比較するためのコンパレーター、および、前記身体の神経系のいずれか適切な場所へ供給するための感覚及び／又は運動信号を生成するための手段；を含み、これら後者の感覚及び／又は運動信号の大きさは、前記コンパレーターによって遂行された比較の結果に依存性である；
患者の身体内に全体的または部分的に埋め込まれる装置。
【請求項２】
前記制御手段が、使用に際して、前記身体の一つもしくは複数の筋肉の収縮または膨張をもたらすべく一つもしくは複数の運動信号を供給し、且つ、前記筋肉のうちの一つもしくは複数の収縮または膨張中に、一つもしくは複数の感覚信号を得ることができるように為されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記センサーが、病変部の下流側に配置された別のアレイを為す微小電極と連係して作動する、前記病変部の上流側に配置された一つのアレイを為す微小電極により構成される、請求項１または請求項２のいずれかに記載の装置。
【請求項４】
各アレイが約１００個の微小電極を含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記センサーが微小電極であって、前記微小電極の前記先端または各先端が、使用に際して、前記神経幹または各神経幹に挿入されるべく為されている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
患者の身体における構成メンバーの屈曲を可能にする手段であって、
（ａ）前記神経部分または各神経部分に埋め込まれる、アレイ状を為す微小電極、
（ｂ）一つもしくは複数の筋肉の伸張または収縮をもたらすのに充分な一つもしくは複数の運動信号を生成する手段、
（ｃ）前記一つもしくは複数の筋肉の伸張または収縮中に、一つもしくは複数の微小電極から一つもしくは複数の感覚信号を得るための手段、
（ｄ）得られた前記感覚信号または各感覚信号を所定の一組の感覚信号と比較するための手段、
（ｅ）（ｄ）で実施された比較の結果に従って前記一つもしくは複数の筋肉の伸張または収縮を調節すべく、一つもしくは複数の運動信号を生成するための手段、
を含む、患者の身体における構成メンバーの屈曲を可能にする手段。
【請求項７】
添付の本文のいずれか適切なセクションに関して説明されている、実質的に前文に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者の身体内に全体的もしくは部分的に埋め込まれる装置に関するものであり、詳細には、生体医用工学、神経科学、およびサイバネティクスの分野において使用される装置に関するものである。より詳細には、本発明の装置は、神経系との有用な接続を果たすことができるように意図されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
本発明は、損傷もしくは機能不全を被っている人々、例えば脊髄損傷、四肢切断、四肢麻痺、腸および膀胱の機能不全などを被っている人々の機能を高めることを目標とするものである。
【０００３】
本発明の別の目的は、患者が、切断された四肢の感覚と同様な感覚を感じられるようにし、且つ、動力式人工補綴物の一層精確な制御を可能にすべく、義肢と一体化することができるシステムを提供することである。
【０００４】
本発明の更なる目的は、患者の身体内に完全に埋め込むことができる装置を提供することである。
【０００５】
本発明は、患者の身体内に埋め込まれる本装置の一部が、無線連結により、外部のコンピューターによって制御されることを想定している。
【０００６】
また、比較的低コストの装置であって、且つ、極めて侵襲性の低い装置を提供することも本発明の一つの目的である。
【０００７】
本発明は、神経プロテーゼが、脊髄損傷、他の神経学的な病変、もしくは四肢切断によって失われた感覚および運動機能を回復できるようにすることを目指している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の広い独立的な態様によれば、患者の身体内に全体的もしくは部分的に埋め込まれる装置であって、
前記身体のいずれか適切な場所に配置され、使用に際して、前記身体の神経系からの、及び／又は、前記身体に及ぼされている圧力または温度からの一つもしくは複数の感覚及び／又は運動信号を得るべく為されている一つもしくは複数のセンサー；
前記身体のいずれか適切な場所に配置され、使用に際して、その身体の神経系へ感覚及び／又は運動信号を供給すべく為されている一つもしくは複数のセンサー；および、
一つもしくは複数の所定の信号の記憶装置、得られた感覚及び／又は運動信号を前記所定の信号と比較するためのコンパレーター、並びに、その身体の神経系のいずれか適切な場所へ供給するための感覚及び／又は運動信号を生成するための手段を組み込んだ制御手段；
を含み、そして、
これら後者の感覚及び／又は運動信号の大きさが、前記コンパレーターによって遂行された比較の結果に依存する；
装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
この装置は、感覚および運動信号の伝達の制御をもたらし、これにより、身体の神経系を補助し、任意の所与の理由でその機能を改変し、もしくは、その身体の神経系のある適切な部分を置換することさえできるため、有利である。
【００１０】
本発明の一つの従属的な態様では、その制御手段は、使用に際して、身体の一つもしくは複数の筋肉の収縮または膨張をもたらすべく、一つもしくは複数の運動信号を供給し、且つ、一つもしくは複数のそれらの筋肉の収縮または膨張中に、一つもしくは複数の感覚信号を得ることができるように為されている。
【００１１】
これらの副次的な特徴は、筋肉の過剰な収縮または膨張を防止し、これらの筋肉が過剰に収縮または膨張した場合に結果として起こり得る損傷を回避すべく、筋肉の収縮または膨張の的確な制御を可能に為すため、特に有利である。
【００１２】
本発明の更なる一つの従属的な態様では、それらのセンサーは、病変部の下流側に配置された別のアレイを為す微小電極と連係して作動する、前記病変部の上流側に配置された一つのアレイを為す微小電極により構成される。
【００１３】
これは、その病変部を横断する神経信号の伝達を容易化し、改善された運動および感受性をもたらすため、特に有利である。
【００１４】
一つの特に有利な構成によれば、各アレイは約１００個の微小電極を含む。
【００１５】
この個数は、これらの数が、有用な量の感覚及び運動信号を発生させ、且つ、それらの信号を身体の神経系に伝達するのに充分であると考えられたことから選ばれたものである。
【００１６】
本発明の一つの更なる有利な態様によれば、それらのセンサーは微小電極であって、前記微小電極のその先端または各先端は、使用に際して、その神経幹または各神経幹に挿入されるべく為されている。
【００１７】
これは、これらの場所において、その制御システムがそれの運動及び／又は感覚に関する目的を達成するのに有用な信号を獲得し、且つ、伝達することができるため、特に有利である。
【００１８】
本発明の第二の広い独立的な態様によれば、患者の身体における構成メンバーの屈曲を可能にする手段が提供され、
ａ）その神経部分または各神経部分に埋め込まれる、アレイ状を為す微小電極、
ｂ）一つもしくは複数の筋肉の伸張または収縮をもたらすのに充分な一つもしくは複数の運動信号を生成する手段、
ｃ）前記一つもしくは複数の筋肉の伸張または収縮中に、一つもしくは複数の微小電極から一つもしくは複数の感覚信号を得るための手段、
ｄ）得られたその感覚信号または各感覚信号を所定の一組の感覚信号と比較するための手段、
ｅ）（ｄ）で実施された比較の結果に従って前記一つもしくは複数の筋肉の伸張または収縮を調節すべく、一つもしくは複数の運動信号を生成するための手段、
を含む。
【００１９】
これは、身体のいずれかの部分に対する損傷、もしくは、その伸張または収縮の対象物に対する損傷をもたらし得る過剰な伸張または収縮を同時に回避しながら、筋肉を伸張もしくは収縮させるための手段を提供するため、特に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
ａ）手の機能の改善
正中神経は、混じり合った多くの個別的な感覚および運動軸索を含む。それらの感覚軸索は、親指、人差し指、および中指、並びに手掌の領域に加えられた温度および圧力の変化に応答して皮膚受容器により発生された信号を伝える。一方、運動軸索は、その正中神経内に位置付けられていて、脊髄からの信号を、親指の基部に位置する手掌筋群などの筋肉へ伝える。
【００２１】
本実施形態では、それらの微小電極の感受性先端が神経幹内に分配されるように、アレイを為す微小電極が正中神経に挿入される。この構成の場合、幾つかの電極は感覚軸索からの信号をピックアップすることができ、その一方で、他の電極は主に運動軸索からの信号をピックアップし、また一方で、他の電極はそれら２つが混じり合った信号をピックアップすることができる。
【００２２】
このアレイは、皮膚を通過する微細な導線により、外部の増幅器と信号処理システムを組み込んだ制御手段に接続されている。
【００２３】
これらの微小電極と微細な導線は、当業者により選択され、感染症を伴うことなく、長期間にわたり、不快感を最小限度に押さえることができるように為されよう。
【００２４】
本実施形態の制御手段は、慎重に選択された個々の軸索からの神経信号を記録すべく為されたレコーダー手段または記憶装置を含む。また、当業者であれば、実験的な研究により、これらの個々の神経信号からバックグラウンドノイズを識別することもできよう。更に、当業者であれば、その制御システムの記憶装置を用いてこれらの微小電極の信号を記録しながら、皮膚の様々なポイントに対して特定の感覚刺激を同定すべく、一連の試験も実施するであろう。これらの試験は、接触、振動、熱、および光などの様々な特定の感覚刺激に対して実施することができる。
【００２５】
運動信号に関しても同様な試験を実施することができ、この場合には、患者は、特定の筋肉を収縮させて、制御された運動および力を発生させ、その間に微小電極からの対応する活動が記録されるであろう。
【００２６】
前述の両試験の場合とも、その制御手段は、運動および感覚機能を決定するために使用することができ、更には、感覚信号から運動信号を分離して取り出すためにも使用することができる。
【００２７】
本実施形態では、アレイ中の様々な微小電極に低レベルの電気信号を供給するために制御手段を使用することも想定されている。この場合、運動信号または刺激が運動軸索に加えられると、それに対応した筋線維が収縮するであろう。適切な刺激が感覚軸索に加えられると、患者はこれらを感覚として認知することができる。
【００２８】
これらの様々な実験を通じ、本制御手段の記憶装置には、感覚または運動信号を合成すべく定められた低レベルの電気刺激パターンが備えられるであろう。
【００２９】
それぞれの微小電極は、皮膚を通じる導線により、神経と外部のマイクロコンピューター手段との間で二方向信号を送信並びに受信できるように為されているであろう。また、本発明は、皮膚を通じる導線が、完全に埋め込まれたコンポーネントを外部の制御用コンピューターまたは制御手段と接続する無線周波連結により置き換えられ得ることも認識している。
【００３０】
本発明の装置は、四肢麻痺の状態にある手の運動および感覚を促進するためにさえ使用することができる。この状況の場合、微小電極アレイは、正中神経と橈骨神経に挿入される。その手を制御する筋肉は、それらの筋肉の力を弱めている軸索付近に位置する微小電極へ加えられる電気的なパルスを用いて活動化される。制御手段は、事実上、その制御手段と微小電極との組み合わせが神経プロテーゼを形成するように、必要な電気パルスを精確に発生させるために使用される。患者の皮膚および筋肉における受容器は、その手が開き、ある対象物と接触し、それを把持したときに信号を発するであろう。次いで、その受容器の信号は、適切な軸索付近に配置された微小電極により検出され、そして、制御用マイクロコンピューターまたは制御手段へ送られ、次に、その制御用マイクロコンピューターまたは制御手段は、コンパレーター手段を用いて、その手が最も適切な仕方で把持することができるように筋肉の活動の程度を自動的に制御するであろう。筋肉の収縮もしくは膨張中に一つもしくは複数の感覚信号を得ることは、制御手段が、その対象物への損傷、あるいは、手およびそれと関連するエレメントへの損傷を回避しながら、手が対象物を把持するときの収縮または膨張の程度を的確に制御することを可能にする。
【００３１】
ｂ）脊髄損傷
脊髄の損傷後、その病変部の下側の神経組織は、通常、生きていて、たとえ脳から分離されているとしても、機能しており、即ち、信号は、感覚受容器によって自然に生成され、脊髄へ伝達されるが、但し、それらの信号が脳によって認識されることはない。同様に、信号は脊髄によってさらに送り出されており、筋肉の収縮を引き起こす。
【００３２】
本実施形態では、典型的には、２つのアレイが使用され、そのうちの１つは、麻痺した神経からの感覚信号をピックアップするためのものであり、そして、別のアレイは、その病変部のレベルよりも高い位置で脊髄と接続している感覚軸索を含む神経にマッピングされている。例えば、対麻痺の場合、後大腿皮神経におけるアレイからの信号を胸椎から発する神経にマッピングすることができる。
【００３３】
ｃ）膀胱および腸機能の改善
本アレイは、圧迫器および括約筋の選択的な刺激を可能にするであろう。腸の場合、本発明の制御手段によりもたらされる選択的な刺激は、腹部が糞便を排泄すべく腹部内の圧力を高めながら、結腸の活動が高まった状態で、括約筋の高周波疲労を可能に為すであろう。
【００３４】
ｄ）脚の機能の改善
大腿または坐骨神経もしくはそれらの枝におけるアレイは、より精確で疲労のない下肢機能を可能にし、且つ、制御およびバイオフィードバック用の感覚信号をもたらすであろう。
【００３５】
ｅ）義肢の改善
肢切断患者は、それらの断端にさらに生きた神経を有しており、それらの神経に微小電極アレイを挿入することができる。これらの神経断端は、切断された筋肉へさらに随意信号を中継しており、そして、さらに、これまでその切断された皮膚および筋肉で生じていた感覚信号を伝える能力を有している。これらの肢切断患者に対して、その義肢に、標準的な力、圧力、および温度のセンサーを組み入れることができる。
【００３６】
これらのセンサーを制御手段に接続することができ、そして、順に、その制御手段は、前もって適切な感覚と結び付けられている電極の先端に力または信号を発生させ、加えることができよう。
【００３７】
例えば、人差し指の先端に小形の圧力センサーが取り付けられたプロテーゼなどを装着している手切断患者が、ある対象物に触れ、もしくは、ある対象物を押した場合、その指の先端のセンサーは、加えられた圧力に比例した電気信号を発生するであろう。その後、本発明の装置により、この圧力信号を利用して、その人差し指の先端にリアルな圧力の感覚を再現すべく、微小電極アレイを用いて、その断端内における感覚神経線維に適切な刺激パルスを加えることができる。
【国際調査報告】
2005517485.tif 000002
2005517485.tif 000003
2005517485.tif 000004
2005517485.tif 000005