(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
近位端および遠位端を有しかつ内部管腔を画定する、細長いプローブシャフトと、
第1の絶縁性層、
微小電極フィルムの外面に配置された複数の微小電極エレメント、
少なくとも1つの電気接点を含む延伸部、
前記複数の微小電極エレメントと前記少なくとも1つの電気接点とを電気的に連絡させるための複数の導電体、および
前記少なくとも1つの電気接点とプローブの近位端とを電気的に連絡させるための複数のワイヤ
を含む可撓性の平面状基板と、
を含む埋め込み式神経プローブであって、
前記微小電極フィルムが、前記細長いプローブシャフトの外面に連結され、前記可撓性の平面状基板の延伸部が、該細長いプローブシャフトの最遠位部分に沿って、かつ該微小電極フィルムにより形成される内側立体内に巻き付き、該可撓性の平面状基板の延伸部が該細長いプローブシャフトの近位端に向かって延伸し、かつ
前記可撓性の平面状基板の延伸部の少なくとも一部が内部管腔内に配置されるように、少なくとも1つの電気接点が内部管腔内に配置される、
埋め込み式神経プローブ。
【請求項２】
前記細長いプローブシャフトが、脳深部刺激リードの挿入に許容される手技を使用する人体への挿入用に構成されている、請求項1記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項３】
前記細長いプローブシャフトの直径が約1.27mmである、請求項1記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項４】
前記複数の微小電極エレメントの少なくとも1つが、該複数の微小電極エレメントの別の微小電極エレメントとは実質的に異なる形状である、請求項1記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項５】
前記複数の微小電極エレメントの少なくとも1つが刺激電極であり、該複数の微小電極エレメントの少なくとも1つが検出電極である、請求項1記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項６】
少なくとも1つの前記刺激電極が少なくとも1つの前記検出電極とは実質的に異なる形状である、請求項5記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項７】
前記刺激電極および前記検出電極の少なくとも1つが複数の導電性サブエレメントを含む、請求項6記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項８】
前記刺激電極および前記検出電極の少なくとも1つが四極管配置の導電性サブエレメントを含む、請求項7記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項９】
前記複数の微小電極エレメントの各微小電極エレメントが、基板の上に配設されたそれぞれの導電性領域を含む、請求項1記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項１０】
前記複数の微小電極エレメントが微小電気機械システム(MEMS)として構成されている、請求項9記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項１１】
前記基板が成形可能である、請求項9記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項１２】
前記複数の微小電極エレメントの各微小電極エレメントが、前記細長いプローブシャフトの前記遠位端の周りに成形される場合は円柱状である、請求項9記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項１３】
前記基板に取り付けられている少なくとも1つの電子回路エレメントをさらに含む、請求項9記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項１４】
前記少なくとも1つの電子回路エレメントが、スイッチ; ルータ; 増幅器; コントローラ; マイクロプロセッサ; メモリ; マルチプレクサ; フィルター; 減衰器; 抵抗器; コンデンサ; インダクタ; ダイオード; トランジスタ; およびこれらの組合せからなる群より選択される、請求項13記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項１５】
前記プローブシャフトの前記遠位端の軸に沿って測定される前記少なくとも1つの電気接点の高さが1mm未満である、請求項1記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項１６】
前記プローブシャフトの前記遠位端の軸に沿って測定される前記少なくとも1つの電気接点の高さが100μm未満である、請求項1記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項１７】
前記プローブシャフトの前記遠位端の軸に沿って測定される前記少なくとも1つの電気接点の高さが10μm未満である、請求項1記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項１８】
前記細長いプローブシャフトが可撓性である、請求項1記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項１９】
前記細長いプローブシャフトが、近位端において開口している、請求項18記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項２０】
前記少なくとも1つの導電体が、前記細長いプローブシャフトの近位端において開口に干渉することなく、前記細長いプローブシャフトの実質的部分に沿って延伸している、請求項18記載の埋め込み式神経プローブ。
【請求項２１】
近位端および遠位端を有しかつ内部管腔を画定する細長いプローブシャフト、ならびに
第1の絶縁性層、微小電極フィルムの外面に配置された複数の微小電極エレメント、少なくとも1つの電気接点を含む延伸部、前記複数の微小電極エレメントと前記少なくとも1つの電気接点とを電気的に連絡させるための少なくとも1つの導電体、および前記少なくとも1つの電気接点とプローブの近位端とを電気的に連絡させるための複数のワイヤ、を含む可撓性の平面状基板、
を含む神経プローブであって、
前記微小電極フィルムが、前記細長いプローブシャフトの外面に連結され、前記可撓性の平面状基板の延伸部が、該細長いプローブシャフトの最遠位部分に沿って、かつ該微小電極フィルムにより形成される内側立体内に巻き付き、該可撓性の平面状基板の延伸部が該細長いプローブシャフトの近位端に向かって延伸し、かつ
前記可撓性の平面状基板の延伸部の少なくとも一部が内部管腔内に配置されるように、少なくとも1つの電気接点が内部管腔内に配置される、
神経プローブを、神経標的部位の近傍に埋め込む段階と、
電気信号を供給する神経刺激源に該少なくとも1つの電気接点を接続する段階と、
供給される該電気信号により該微小電極エレメントの1つまたは複数を通電する段階であって、1つまたは複数の通電された該微小電極エレメントが、神経標的部位を刺激するように適合化された電界を生成する段階と、
を含む、ヒトを除く哺乳動物において神経標的を刺激するための方法。
【請求項２２】
埋め込む段階が、
実質的に剛性のスタイレットを前記細長いプローブシャフトの内部管腔に挿入し、該細長いプローブシャフトに一時的な剛性を与えること;
該実質的に剛性のスタイレットが内部に挿入された該細長いプローブシャフトを、前記神経標的部位に向かう軌道に沿って挿入すること;
前記プローブシャフトの遠位端を神経標的部位の近傍に位置決めすること;
該スタイレットを前記細長いプローブシャフトの近位端より取り外すこと; および
前記複数の微小電極エレメントの少なくとも1つを使用して該神経標的部位を選択的に刺激すること
を含む、請求項21記載の方法。
【請求項２３】
前記神経プローブの前記遠位端を位置決めすることが、前記複数の微小電極エレメントの少なくとも1つにより検出される神経活動の記録、および、該細長いプローブシャフトの該遠位端が前記神経標的部位で十分に位置特定されていることを該記録された活動が示すまでの、必要に応じた該プローブシャフトの該遠位端の再位置決めを含む、請求項22記載の方法。
【請求項２４】
選択的に刺激することが、前記少なくとも1つの電気接点の少なくとも1つへの刺激信号の印加を含む、請求項22記載の方法。
【請求項２５】
前記刺激信号が、埋め込まれたパルス発生器より得られる、請求項24記載の方法。
【請求項２６】
前記複数の微小電極エレメントの少なくとも1つを選択する段階をさらに含み、前記供給される電気信号によって少なくとも1つの選択された前記微小電極が通電される、請求項21記載の方法。
【請求項２７】
近位端を有する内部管腔を含む細長い可撓性のプローブシャフト、ならびに、
微小電極フィルムの外面に配置された複数の微小電極エレメント、
少なくとも1つの電気接点を含む延伸部、および
前記複数の微小電極エレメントと前記少なくとも1つの電気接点との間で電気的に連絡している、少なくとも1つの導電体
を含む可撓性の平面状基板、
を含む、神経プローブであって、
前記微小電極フィルムが、前記細長い可撓性のプローブシャフトの外面に連結され、前記可撓性の平面状基板の延伸部が、該細長い可撓性のプローブシャフトの最遠位部分に沿って、かつ該微小電極フィルムにより形成される内側立体内に巻き付き、該可撓性の平面状基板の延伸部が該細長い可撓性のプローブシャフトの近位端に向かって延伸し、かつ
前記可撓性の平面状基板の延伸部の少なくとも一部が内部管腔内に配置されるように、少なくとも1つの電気接点が内部管腔内に配置される、
神経プローブと、
生物学的組織への挿入の際に該細長い可撓性のプローブシャフトを実質的に剛性に維持するための、該細長い可撓性のプローブシャフトの該内部管腔への取り外し可能な挿入用に構成されている、スタイレットと、
を含む、埋め込み式神経プローブキット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
分野
本発明は一般に、電気プローブの使用を通じた生物学的組織との相互作用の分野、より特別には、微小電極プローブの使用を通じた神経標的との相互作用に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
神経刺激は、電荷または電界を組織に移動して、患者に有利である生理学的変化を生じさせるために、または生理学的測定を行うために使用される、医療機器の分類である。神経刺激は今日、蝸牛、網膜、末梢神経系、脊椎、脳および身体の他の部分に使用されている。
【０００３】
神経刺激の特定の用途では、ある種の神経状態を処置するために、導電性電極をある種の脳深部構造と接触して設置する。例えば米国特許第5,716,377号（特許文献1）に記載のように視床下核を刺激する場合、または例えば米国特許第5,683,422号（特許文献2）に記載のように淡蒼球を刺激する場合、治療はパーキンソン病、本態性振戦またはジストニアなどの運動障害の症状を処置することができる。小脳、海馬および他の脳構造を刺激する場合、治療はてんかんの症状を処置することができる[Theodore, W. H., Fisher, R. S., "Brain stimulation for epilepsy", Lancet Neurology, 3 (2), pp. 111-118, (2004).（非特許文献1）]。
【０００４】
埋め込み式パルス発生器は、脳構造と接触した電極リードに電気信号を供給する。すべての部品は外科的に設置される。
【０００５】
大部分の先行技術では、脳組織と接触して設置される電極は、金属で、円柱状で、サイズが比較的大きかった(例えば長さ1.5mm)。多くの場合、電極は脳構造それ自体と同じ大きさである。電極のサイズが大きいことで、橋脚被蓋核などの小さい脳標的の特異的かつ正確な刺激が妨げられる。得られる大きい電界および関連する電流路は、脳の他の構造を刺激し、目的とする標的に集中しない。さらに、これらの大きい電極は、それらが覆う区域が非常に大きいことから、神経記録により脳の標的を同定するために使用することができない。
【０００６】
そのような比較的大きい電極の設置を決定する現行の技術は、比較的小さい(例えば直径600μm)プローブを最初に挿入することで経皮的に達成される。比較的小さいプローブは、標的近傍の進入路に沿って挿入することができる。目的とする標的を位置特定するまで進入路に沿ってプローブを進める際に、神経活動の記録を行うことができる。基準からのプローブの深さを記録し、比較的大きい電極を同一の軌道に沿って挿入し、記録された深さに設置する。このプロセスは複雑であり、非常に熟練した外科医がプローブとその後の電極との両方を設置することを必要とする。プローブの再位置決めおよび取り外し、ならびに電極の再挿入は、組織損傷および出血の危険性が増加することから、患者を危険性の上昇にさらすことになる。
【０００７】
例えば米国特許出願公開第2007/0118197号（特許文献3）または"Multisite Microelectrodes for Use in Human Deep Brain Stimulation" by Hofmann et al., Microtechnologies in Medicine and Biology, 2006 International Conference on (2006) Pgs. 284-287（非特許文献2）に記載のように、脳深部の小容積の組織を刺激可能な微小電極のアレイを包含するように具体的に設計される微小加工デバイスを開発する試みがなされている。しかし、先行技術のデバイスは、埋め込み手技を行う脳神経外科医にはあまりにもなじみが薄いことから、臨床的使用への明らかな道筋がない。
【０００８】
脳深部刺激(DBS)処置の成功という結果に重要な要件は、刺激標的区域内の刺激電極の正確な設置である。位置特定の誤りは、感覚性運動作用および気分変化を含む望まれない副作用を生じさせることがある。先行技術の手技は、損傷の危険性を最小化する軌道を同定するために、前外科的な画像診断および計画で標的をほぼ局在化する。脳の標的領域内に正確な機能性の解剖学的組織を位置特定することが不可能なことがある。標的それ自体は、数mm以下しかなく、標準的な画像診断技術を通じてだけでは検出不能なことがある。また、頭蓋を外科的に開いて電極を埋め込む場合、および電極を挿入する場合に、脳の位置変化が生じることがある。現行の手技では、標的区域の電気生理学的探索を行うために使用する試験電極を挿入する。正確な標的区域を位置特定した時点で、恒久的刺激電極を正確な位置に埋め込むことができる。
【０００９】
現行の技術の不利益としては、そのような手技中に典型的には覚醒している患者には負担の増加となり得る数時間の手術時間の延長、および、より長時間の手技に関連する費用の増大が挙げられる。出血または組織損傷による手術合併症の危険性の増加は、試験リードおよび恒久的リードの挿入および摘出の繰り返しにより引き起こされる。さらなる脳運動を含む任意の数の理由により、同定された標的に恒久的リードが正確に位置特定されない可能性がある。数時間の開頭手術が理由で感染症の可能性が増加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第5,716,377号
【特許文献２】米国特許第5,683,422号
【特許文献３】米国特許出願公開第2007/0118197号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Theodore, W. H., Fisher, R. S., "Brain stimulation for epilepsy", Lancet Neurology, 3 (2), pp. 111-118, (2004)
【非特許文献２】"Multisite Microelectrodes for Use in Human Deep Brain Stimulation" by Hofmann et al., Microtechnologies in Medicine and Biology, 2006 International Conference on (2006) Pgs. 284-287
【発明の概要】
【００１２】
概要
小さい脳構造の効率的な刺激には、小さい電極が必要である。電極リードの設置後、外科医は、刺激を必要とする脳の区域を電極からの記録により同定可能であるべきである。続いて、外科医は同定された構造を刺激すべきである。
【００１３】
大きい脳構造の効率的な刺激用に、より多い数の端部を含む電極が設けられる。
【００１４】
本発明は、脳内に多くの微小電極構造を設置し、かつ外科医が各微小電極に信号を別々にまたは平行して印加することを可能にする、システムを記述する。さらに、システムからの神経活動を記録する電子機器を使用して、外科医は、電極が埋め込まれる領域内の神経活動の局在化したマップを展開することができる。
【００１５】
一局面では、本発明は埋め込み式神経プローブに関する。神経プローブは、細長いプローブシャフトと、細長いプローブシャフトの遠位端に配設される複数の微小電極エレメントの設置とを含む。少なくとも1つの電気接点がプローブシャフトに沿って近位に配置されている。神経プローブはまた、複数の微小電極エレメントの少なくとも1つと少なくとも1つの電気接点との間で電気的に連絡している少なくとも1つの導電体を含む。
【００１６】
別の局面では、本発明は、神経標的を刺激するための方法に関する。本方法は、神経標的部位の近傍内に神経プローブを埋め込む段階を含む。神経プローブそれ自体は、細長いプローブシャフトと、細長いプローブシャフトの遠位端に配置されている複数の微小電極エレメントと、プローブシャフトに沿って近位に配置されている少なくとも1つの電気接点と、複数の微小電極エレメントの少なくとも1つと少なくとも1つの電気接点との間で電気的に連絡している少なくとも1つの導電体とを含む。電気信号を供給する神経刺激源に少なくとも1つの電気接点を接続する。供給される電気信号により微小電極エレメントの1つまたは複数を通電する。1つまたは複数の通電された微小電極エレメントは、神経標的部位を刺激するように適合化された電界を生成する。
【００１７】
さらに別の局面では、本発明は埋め込み式神経プローブキットに関する。キットは神経プローブを含む。神経プローブは、神経プローブの近位端においてアクセス可能な中心管腔を有する細長い可撓性のプローブシャフトを含む。デバイスは、細長いプローブシャフトの遠位端に配置されている複数の微小電極エレメントを含む。少なくとも1つの電気接点が、プローブシャフトに沿って近位に配置されている。少なくとも1つの導電体が、複数の微小電極エレメントの少なくとも1つと少なくとも1つの電気接点との間で電気的に連絡している。神経プローブキットはまた、生物学的組織への挿入の際に細長い可撓性のプローブシャフトを実質的に剛性に維持するための、細長い可撓性のプローブシャフトの中心管腔への取り外し可能な挿入用に構成されている、外套針またはスタイレットを含む。
以下に、本発明の基本的な諸特徴および種々の態様を列挙する。
［１］
細長いプローブシャフトと、
該細長いプローブシャフトの遠位端に配置されている複数の微小電極エレメントと、
該プローブシャフトに沿って近位に配置されている少なくとも1つの電気接点と、
該複数の微小電極エレメントの少なくとも1つと該少なくとも1つの電気接点との間で電気的に連絡している少なくとも1つの導電体と
を含む、埋め込み式神経プローブ。
［２］
前記細長いプローブシャフトが、脳深部刺激リードの挿入に許容される手技を使用する人体への挿入用に構成されている、［1］記載の埋め込み式神経プローブ。
［３］
前記プローブシャフトの直径が約1.27mmである、［1］記載の埋め込み式神経プローブ。
［４］
前記複数の微小電極エレメントの少なくとも1つが、該複数の微小電極エレメントの別の微小電極エレメントとは実質的に異なる形状である、［1］記載の埋め込み式神経プローブ。
［５］
前記複数の微小電極エレメントの少なくとも1つが刺激電極であり、該複数の微小電極エレメントの少なくとも1つが検出電極である、［1］記載の埋め込み式神経プローブ。
［６］
少なくとも1つの前記刺激電極が少なくとも1つの前記検出電極とは実質的に異なる形状である、［5］記載の埋め込み式神経プローブ。
［７］
前記刺激電極および前記検出電極の少なくとも1つが複数の導電性サブエレメントを含む、［6］記載の埋め込み式神経プローブ。
［８］
前記刺激電極および前記検出電極の少なくとも1つが四極管配置の導電性サブエレメントを含む、［7］記載の埋め込み式神経プローブ。
［９］
前記複数の微小電極エレメントの各微小電極エレメントが、基板の上に配設されたそれぞれの導電性領域を含む、［1］記載の埋め込み式神経プローブ。
［１０］
前記複数の微小電極エレメントが微小電気機械システム(MEMS)として構成されている、［9］記載の埋め込み式神経プローブ。
［１１］
前記基板が成形可能である、［9］記載の埋め込み式神経プローブ。
［１２］
前記複数の微小電極エレメントの各微小電極エレメントが、前記細長いプローブシャフトの前記遠位端の周りに成形される場合は円柱状である、［9］記載の埋め込み式神経プローブ。
［１３］
前記基板に取り付けられている少なくとも1つの電子回路エレメントをさらに含む、［9］記載の埋め込み式神経プローブ。
［１４］
前記少なくとも1つの電子回路エレメントが、スイッチ; ルータ; 増幅器; コントローラ; マイクロプロセッサ; メモリ; マルチプレクサ; フィルター; 減衰器; 抵抗器; コンデンサ; インダクタ; ダイオード; トランジスタ; およびこれらの組合せからなる群より選択される、［13］記載の埋め込み式神経プローブ。
［１５］
前記プローブシャフトの前記遠位端の軸に沿って測定される前記少なくとも1つの電気接点の高さが1mm未満である、［1］記載の埋め込み式神経プローブ。
［１６］
前記プローブシャフトの前記遠位端の軸に沿って測定される前記少なくとも1つの電気接点の高さが100μm未満である、［1］記載の埋め込み式神経プローブ。
［１７］
前記プローブシャフトの前記遠位端の軸に沿って測定される前記少なくとも1つの電気接点の高さが10μm未満である、［1］記載の埋め込み式神経プローブ。
［１８］
前記細長いプローブシャフトが可撓性である、［1］記載の埋め込み式神経プローブ。
［１９］
前記細長いプローブシャフトが、近位端において開口した管腔を含む、［18］記載の埋め込み式神経プローブ。
［２０］
前記少なくとも1つの導電体が、開口管腔に干渉することなく、前記細長いプローブシャフトの実質的部分に沿って延伸している、［18］記載の埋め込み式神経プローブ。
［２１］
細長いプローブシャフトと、該細長いプローブシャフトの遠位端に配置されている複数の微小電極エレメントと、該プローブシャフトに沿って近位に配置されている少なくとも1つの電気接点と、該複数の微小電極エレメントの少なくとも1つと該少なくとも1つの電気接点との間で電気的に連絡している少なくとも1つの導電体とを含む神経プローブを、神経標的部位の近傍に埋め込む段階;
電気信号を供給する神経刺激源に該少なくとも1つの電気接点を接続する段階;
供給される該電気信号により該微小電極エレメントの1つまたは複数を通電する段階であって、1つまたは複数の通電された該微小電極エレメントが、神経標的部位を刺激するように適合化された電界を生成する段階
を含む、神経標的を刺激するための方法。
［２２］
埋め込む段階が、
実質的に剛性のスタイレットを細長い可撓性の前記プローブシャフトの前記中心管腔に挿入し、該細長い可撓性のプローブシャフトに一時的な剛性を与えること;
該実質的に剛性のスタイレットが内部に挿入された該細長いプローブシャフトを、前記神経標的部位に向かう軌道に沿って挿入すること;
前記神経プローブの前記遠位端を神経標的部位の近傍に位置決めすること;
該スタイレットを該細長い可撓性のプローブシャフトの前記近位端より取り外すこと; および
前記複数の微小電極エレメントの少なくとも1つを使用して該神経標的部位を選択的に刺激すること
を含む、［21］記載の方法。
［２３］
前記神経プローブの前記遠位端を位置決めすることが、前記複数の微小電極エレメントの少なくとも1つにより検出される神経活動の記録、および、該細長いプローブシャフトの該遠位端が前記神経標的部位で十分に位置特定されていることを該記録された活動が示すまでの、必要に応じた該神経プローブの該遠位端の再位置決めを含む、［22］記載の方法。
［２４］
選択的に刺激することが、前記プローブシャフトに沿って近位に配置される前記少なくとも1つの電気接点の少なくとも1つへの刺激信号の印加を含む、［22］記載の方法。
［２５］
前記刺激信号が、埋め込まれたパルス発生器より得られる、［24］記載の方法。
［２６］
前記複数の微小電極エレメントの少なくとも1つを選択する段階をさらに含み、前記供給される電気信号によって少なくとも1つの選択された前記微小電極が通電される、［21］記載の方法。
［２７］
近位端においてアクセス可能な中心管腔を含む細長い可撓性のプローブシャフトと、
該細長いプローブシャフトの遠位端に配置されている複数の微小電極エレメントと、
該プローブシャフトに沿って近位に配置されている少なくとも1つの電気接点と、
該複数の微小電極エレメントの少なくとも1つと該少なくとも1つの電気接点との間で電気的に連絡している、少なくとも1つの導電体と
を含む、神経プローブ;および
生物学的組織への挿入の際に該細長い可撓性のプローブシャフトを実質的に剛性に維持するための、該細長い可撓性のプローブシャフトの該中心管腔への取り外し可能な挿入用に構成されている、スタイレット
を含む、埋め込み式神経プローブキット。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の上記のおよび他の目的、特徴および利点は、同様の参照文字が異なる図面を通じて同一部分を指す添付の図面において図示される本発明の好適な態様の以下のより特別な説明により明らかであろう。図面は必ずしも原寸通りではなく、本発明の原理を図示する際に代わりに強調が加えられる。
【図１】細長い微小電極アセンブリの一態様の斜視図である。
【図２】ヒトに埋め込まれた例示的な細長い微小電極アセンブリを図示するヒトの解剖学的組織の一部の斜視図である。
【図３】神経標的に位置決めされる例示的微小電極構造を図示するヒトの解剖学的組織の一部の斜視図である。
【図４】図1の細長い微小電極アセンブリの遠位部の斜視図である。
【図５】微小電極アレイ微小電気機械システム(MEMS)の一態様の画像である。
【図６】細長い円柱状構造の遠位部に一体的に取り付けられている微小電極アレイの一態様の画像である。
【図７Ａ】微小電極アセンブリの代替態様の平面図である。
【図７Ｂ】図7Aの微小電極アレイの遠位部の斜視図である。
【図７Ｃ】図7Aの微小電極アセンブリの遠位部を形成する微小電極アレイフィルムの画像である。
【図７Ｄ】図7Aの微小電極アレイを形成する各種部品の組み立て手順を示す画像である。
【図７Ｅ】図7Aの微小電極アレイの組み立てられた遠位部の画像である。
【図８Ａ】細長い微小電極アセンブリの代替態様である。
【図８Ｂ】図8Aの細長い微小電極アセンブリの遠位部の斜視図である。
【図９】微小電極アレイ微小電気機械システム(MEMS)の一態様の遠位部の詳細な斜視図である。
【図１０】図9の微小電極アレイを含むアセンブリの遠位部の斜視図である。
【図１１Ａ】細長い微小電極アセンブリの別の態様の平面図である。
【図１１Ｂ】図11Aに図示する細長い微小電極アセンブリの一部のより詳細な図である。
【図１１Ｃ】図11Aに図示する細長い微小電極アセンブリの遠位部のより詳細な図である。
【図１１Ｄ】図11Aの微小電極アレイの斜視図である。
【図１２】例示的微小電極アレイ回路の模式図である。
【図１３Ａ】細長い微小電極アセンブリの平面図である。
【図１３Ｂ】図13Aの細長い微小電極アセンブリの遠位部の斜視図である。
【図１３Ｃ】内側部品を図示する、図13Aの細長い微小電極アセンブリの遠位部の切断図である。
【図１３Ｄ】図13Aの神経プローブで使用される微小電極フィルムアセンブリの一態様の平面図である。
【図１４】図14Aは、細長い微小電極アセンブリの別の態様の遠位部の斜視図である。図14Bは、細長い微小電極アセンブリのさらに別の態様の遠位部の斜視図である。
【図１５Ａ】予め据え付けた微小電極アセンブリの各種代替態様を図示する。
【図１５Ｂ】予め据え付けた微小電極アセンブリの各種代替態様を図示する。
【図１５Ｃ】予め据え付けた微小電極アセンブリの各種代替態様を図示する。
【図１５Ｄ】予め据え付けた微小電極アセンブリの各種代替態様を図示する。
【図１５Ｅ】予め据え付けた微小電極アセンブリの各種代替態様を図示する。
【図１５Ｆ】予め据え付けた微小電極アセンブリの各種代替態様を図示する。
【図１５Ｇ】予め据え付けた微小電極アセンブリの各種代替態様を図示する。
【図１５Ｈ】予め据え付けた微小電極アセンブリの各種代替態様を図示する。
【図１５Ｉ】予め据え付けた微小電極アセンブリの各種代替態様を図示する。
【図１５Ｊ】予め据え付けた微小電極アセンブリの各種代替態様を図示する。
【図１６Ａ】微小電極アレイの一態様の遠位部の代替組み立て方法を示す切断図である。
【図１６Ｂ】微小電極アレイの一態様の遠位部の代替組み立て方法を示す切断図である。
【図１６Ｃ】微小電極アレイの一態様の遠位部の代替組み立て方法を示す切断図である。
【図１６Ｄ】微小電極アレイの一態様の遠位部の代替組み立て方法を示す切断図である。
【図１７Ａ】微小電極アレイの一態様の遠位部の代替組み立て方法を示す切断図である。
【図１７Ｂ】微小電極アレイの一態様の遠位部の代替組み立て方法を示す切断図である。
【図１８Ａ】細長い微小電極アセンブリの遠位部のより詳細な図である。
【図１８Ｂ】図18Aに図示する細長い微小電極アセンブリの遠位部のより詳細な断面図である。
【図１８Ｃ】細長い微小電極アセンブリの近位部の代替アセンブリのより詳細な断面図である。
【図１９】神経標的に位置決めされる例示的微小電極構造を図示するヒトの解剖学的組織の一部の断面の模式図である。
【図２０】電極チップアセンブリの一態様の模式図である。
【図２１】微小電極チップアセンブリの別の態様の遠位部の模式図である。
【図２２】図22Aは、遠位端に微小電極チップアセンブリを有する細長い微小電極アセンブリの一態様の斜視図である。図22Bは、図22Aの細長い微小電極アセンブリの遠位端のより詳細な図である。図22Cは、図22Aの細長い微小電極アセンブリの遠位端のより詳細な別の図である。
【図２３】遠位端に電極チップアセンブリを有する細長い微小電極アセンブリの別の態様の遠位端の斜視図である。
【図２４】微小電極チップの一態様の遠位部の顕微鏡写真である。
【図２５】図24に図示する微小電極チップの遠位部の顕微鏡写真である。
【図２６】微小電極チップの別の態様の遠位部の顕微鏡写真である。
【図２７】微小電極アレイの一態様の導電性エレメントの顕微鏡写真である。
【図２８】図28Aは、微小電極チップの別の態様の遠位部の顕微鏡写真である。図28Bは、微小電極チップの一態様の遠位部の対向する側面の顕微鏡写真である。
【図２９】図29A〜図29Mは、例示的製造手順に係る様々な異なる構築段階での例示的微小電極デバイスの断面を図示する。
【図３０】微小電極の一態様の顕微鏡写真である。
【図３１Ａ】微小電極チップの一態様の構築エレメントの平面図である。
【図３１Ｂ】図31Aに図示する構築エレメントの一部の模式図である。
【図３１Ｃ】微小電極チップの一態様の構築エレメントの分解模式図である。
【図３１Ｄ】図31Bに図示する構築エレメントの別の一部の模式図である。
【図３２Ａ】微小電極チップの遠位部の斜視図である。
【図３２Ｂ】図32Aに図示する微小電極チップの遠位部の断面図である。
【図３３】刺激モードで構成されている神経微小電極システムの例示的態様の機能ブロック図である。
【図３４】伝送モードで構成されている神経微小電極システムの例示的態様の機能ブロック図である。
【図３５】神経微小電極システムの別の態様の機能ブロック図である。
【図３６】神経標的刺激器の一態様の模式図である。
【図３７】神経標的刺激器システムの一態様の模式図である。
【図３８】図38A〜図38Dは、微小電極アレイの各種代替態様の模式図である。
【図３９】図39A〜図39Bは、微小電極アレイの各種代替態様の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
好ましい態様の詳細な説明
ヒト脳内深部などの動物の神経系に位置し得る、個々のニューロン、ニューロンの群および神経組織などの神経標的の非常に局在化しかつ効率的な電気刺激を行うための、微小電極アレイデバイスならびにその製造および使用の方法が、本明細書に記載される。淡蒼球などの大きい脳標的、またはブロードマン25野などの高レベルの神経刺激を必要とする標的では、より多くの電極が標的それ自体の内側に必要になる。より多数の電極、より具体的にはより多数の電極端部によって、刺激または阻害のいずれかのために電界が捕捉するニューロンの数が増加する。
【００２０】
微小電極エレメントの直径または幅のいずれかがわずか2μmの小ささまたは2mmの大きさであり得ることから、刺激は非常に局在化され得る。そのような微小電極エレメント間の相対間隔も、わずか2μmの小ささまたは2mmの大きさであり得る。寸法または間隔のいずれかの下限として2μmが示されているが、製造技術により実際に限定可能な2μm未満の寸法および/またはエレメント間隔を有する他の態様が可能である。一般に、直径または幅が約500μmで、約500μm間隔を有する微小電極が、神経組織を刺激する上で特に効率的である。そのような微小電極エレメントのアレイは、各々がそれぞれの位置または部位に配設される1つまたは複数のそのようなエレメント(例えば16個のエレメント)からなり得る。これは、ミネソタ州ミネアポリスのMedtronic, Inc.より市販されているモデル3387またはモデル3389 DBSリードなどの現在入手可能な刺激リードとは対照的である。そのような市販のデバイスは、高さ約1.5mmの寸法である比較的大きい円柱状の電極を含み、脳深部刺激に今日使用される電極を最大でわずか4つしか有さない。
【００２１】
より小さい微小電極エレメントを使用して、非常に局在化しかつ効率的な神経刺激を行うことができる。これは、そのような微小電極のアレイを使用して、対象となる刺激領域を同定することもできるためである。例えば、微小電極エレメントのそのようなアレイの1つまたは複数の微小電極エレメントを使用して、検出/記録微小電極エレメントの近傍の神経活動を検出およびいくつかの場合では記録することができる。微小電極エレメントの比較的小さいサイズおよび/または間隔がもたらすそのような改良を使用して、移植片を取り囲む領域内の神経活動の非常に局在化したマップを得ることができる。神経標的の近傍全体に位置決めされる複数の微小電極エレメントを有する、適切な大きさの微小電極アレイを使用することで、神経標的の非常に特異的な領域に位置するそれらの1つまたは複数の微小電極エレメントを同定することにより、さらに再位置決めすることなく正確な神経標的を位置特定することができる。例えば微小電極アレイの他の電極エレメントを休止状態のままにしながら一定数の微小電極エレメントのみを使用して周囲のニューロンおよび/または神経組織を能動的に刺激することで、非常に特異的な領域において刺激するように、微小電極アレイをプログラムすることができる。
【００２２】
いくつかの態様では、比較的小さいサイズおよび/または間隔を有するエレメントを有するそのような微小電極アレイを含む細長いデバイスを使用して、移植片を取り囲む領域内の神経活動の非常に局在化したマップを得ることができる。例えば、デバイスの遠位端の長さに沿って位置決めされる微小電極の線形アレイを伴って構成されるそのようなデバイスを、患者の脳内に設置することができる。好ましくは、微小電極アレイのエレメントは、神経標的を含む領域に及ぶ。次に神経活動を、微小電極エレメントの1つまたは複数により独立して検出することができる。検出された活動は記録装置または表示装置に捕捉することができ、これにより臨床医は、微小電極エレメントの1つまたは複数のどれが目的とする標的に最も近く位置決めされるかを同定することが可能になる。デバイスに沿った微小電極エレメントの各々についてそれぞれの位置を知り、患者の頭蓋などの基準までの距離を決定することで、基準から特定の微小電極エレメントまで測定されるデバイスの軌道に沿った距離として、標的の正確な位置を決定することができる。有益なことに、細長いデバイスの再位置決めなしに標的の位置を決定し、それにより医療手順を単純化し、患者の危険性を減少させることができる。
【００２３】
いくつかの態様では、デバイスは経皮的であり、標的を位置特定した後に取り外され、決定された標的位置に位置決めされる恒久的プローブで置き換えられる。あるいはまたはさらに、デバイスそれ自体を恒久的デバイスとして定位置に置くこともでき、同一の微小電極または異なる微小電極を使用して長期間にわたり神経標的を記録および/または刺激する。
【００２４】
図1に図示する微小電極デバイスの一態様は、電極リードと呼ばれることがある細長い微小電極プローブアセンブリ100を含む。微小電極プローブアセンブリ100は、細長い円柱状部材、または本体102を含み、本体は遠位端に対して位置する微小電極アレイ104と近位端に対して位置する1つまたは複数の電気接点とを含む。例示的微小電極プローブアセンブリ100は、その遠位先端に隣接する微小電極アレイ104を含む。微小電極アレイ104は、円柱状基板の外面に沿って配設される4つの導電性の円柱状微小電極エレメント103を有する。微小電極エレメント103は微細加工され、円柱状部材102に巻き付けられる。微小電極プローブアセンブリ100はまた、アセンブリ100の近位端の縦軸に沿って分布する4つの導電性の円柱状接点または接触リング106a、106b、106c、106d(一般に106)を含む。例示的態様では、微小電極エレメント103の各々は、それぞれの導電体108を経由して近位接点106のそれぞれの1つと電気的に連絡している。例示的態様では、すべての導電体108が細長い円柱状部材102の内側領域内に配設されている。このデバイス100上に電子機器は存在しない。使用時に、埋め込み式パルス発生器からマイクロアレイに信号を向ける。円柱の長さは変動し得る。
【００２５】
微小電極プローブアセンブリ100は、その目的とする神経学的用途に応じた大きさおよび形状であることが好ましい。例えば、微小電極プローブアセンブリ100を中枢神経系内に少なくとも部分的に設置することができる。あるいはまたはさらに、微小電極プローブアセンブリ100を、網膜、蝸牛、脊椎の硬膜外腔、および末梢神経系内の他の位置などの、身体の他の部分内に少なくとも部分的に設置することができる。したがって、微小電極プローブアセンブリ100の直径および長さは、特定の解剖学的標的に応じて変動し得る。さらに、微小電極アレイ104の構成も、目的とする神経標的に応じた大きさおよび形状とされる。アレイ104の微小電極エレメント103の数、形状、配向、サイズおよび間隔を、目的とする神経標的に応答して画定することができる。
【００２６】
少なくともいくつかの態様では、微小電極エレメント103の1つまたは複数は、単一のニューロンから記録しかつ/またはそれを刺激するようにサイズ決めされかつ/または隔てられている。微小電極プローブアセンブリ100を使用して、神経標的での神経活動を検出および/または記録することができる。神経標的内で自然に生じる神経活動は、微小電極アレイ104の微小電極エレメント103の1つまたは複数により検出可能な局所的電磁界を生じさせる。例えば、ニューロンが生成する電界は、微小電極エレメント103の1つまたは複数を分極させる。そのような分極は、電気接地などの基準、または微小電極エレメント103の別の1つに対する電位を生じさせる。そのような電気活動を内部導電体108を通じて円柱状接点106の1つまたは複数にさらに伝導することができる。また、検出される電気活動のさらなる処理用に、円柱状接点106の1つまたは複数を1つまたは複数のさらなる医療機器に接続することができる。例えば、神経標的からの電気活動を表示および/または記録するための表示装置または記録装置に、円柱状接点106を結合させることができる。
【００２７】
あるいはまたはさらに、微小電極エレメント103の1つまたは複数を使用して、神経標的を電気的に刺激することができる。例えば、1つまたは複数の外部発生する電気信号を円柱状接点106の1つまたは複数に印加することができる。これらの電気信号を、内部導電体108を通じて、微小電極アレイ104の微小電極エレメント103の1つまたは複数に伝導することができる。電気信号の振幅および極性に応じて、分極した微小電極エレメント103が電界を誘導する。そのような分極が誘導する電界は、神経標的で1つまたは複数のニューロンと相互作用し得る。
【００２８】
微細加工部品
微細加工手順を使用して絶縁性基板内で導電性トレースを実現することで、本明細書に記載の微小電極アレイデバイスのいずれかを、アレイデバイスが剛性であれ可撓性であれ、成形することができる。微細加工部品は微小電極アレイアセンブリの一部を含む。微小電極アレイはポリイミドまたはパリレンなどのポリマー材料で実現することができ、白金、白金-イリジウム、イリジウム、酸化イリジウムまたはチタンなどの大きい電荷輸送能力を有する金属または金属酸化物の薄膜層またはめっき層を含む。いくつかの態様では、他の金属、金属合金、ならびにドープ半導体、導電性ポリマーおよび導電性セラミックスなどの導電性材料を使用することができる。いくつかの態様では、ポリマー層および金属層を、スピンコーティング、DC/RFスパッタリング、フォトリソグラフィー、プラズマエッチング、および二酸化ケイ素または感光性レジストなどの二次材料または犠牲材料からなるマスクによるエッチングなどの微細加工の確立された原理を使用して順次堆積させ、成形する。
【００２９】
金属層を成形することで、微小電極アレイエレメント、および電子機器の1つまたは複数が含まれる場合はそれに該アレイエレメントを接続する導電性トレース、細長い円柱状部材の内部導電体、ならびにハウジングのうち1つまたは複数を作り出す。いくつかの態様では、微小電極アレイは複数の層を含む。例えば、ポリマー層は、トレースを互いに隔離することに役立つ一方で、移植片の刺激/記録チップの構造も与える。そのような微細加工部品を構築する記述可能ないくつかの製造方法が存在する。
【００３０】
絶縁性基板は、ポリイミドまたはパリレンなどのポリマーであり得るが、ポリウレタンもしくはポリシロキサン(シリコーン)または任意の他の好適な絶縁体でもあり得る。実質的に非可撓性または剛性の態様では、剛性または半合成の基板が含まれ得る。いくつかの態様では、微小電極アレイデバイスは、平面状セラミック部材などの剛性基板の少なくとも1つの表面上に成形される。あるいはまたはさらに、製造中に1つまたは複数の剛性または半剛性の支持部材を取り付けることで、所望の量の剛性を与えることができる。一般に、材料の積層体を生成する一連のアディティブ法およびサブトラクティブ法を例えば使用して、微細加工部品を製造することができる。
【００３１】
埋め込み式神経プローブアセンブリ100の機械部品としては、単純なポリマー円柱であり得る細長い円柱状部材102が挙げられる。いくつかの態様では、円柱状部材は2つの同心円管で構成することができ、同心円管の間の空間内でワイヤトレースが内側の管に巻き付けられる。細長い円柱状部材102は、長さおよび直径が変動し得るが、一般に長さが少なくとも約28cm、直径が約1.27mmである。いくつかの態様では、微細加工部品が円柱状部材102の外面に巻き付けられる。いくつかの態様では、微細加工部品が円柱状部材102の遠位端のさらなる管に巻き付けられる。あるいはまたはさらに、微細加工部品を円柱状部材102に取り付けて、遠位先端において円柱状部材の内側より突出するようにすることができる。円柱状部材102はまた、電気ワイヤ108をその内側に含み、電気ワイヤは、一端で微細加工部品に接続され、他端で埋め込み式パルス発生器への相互接続用の円柱状接点106に接続されている。いくつかの態様では、微細加工部品および細長い円柱状部材102のうち1つまたは複数は、1つまたは複数の電気部品を含む。
【００３２】
電気部品は個別部品またはマイクロ電子部品であり得る。それらの目的は、微小電極へのまたは微小電極からの信号のフィルタリング、伝送、発生または処理を行うことにある。それらは生産中に微細加工部品に取り付けるか、または後でボンディングすることができる。それらは機械部品内に一般に含まれる。
【００３３】
神経プローブ100は、定位脳手術または内視鏡検査などの一般的神経外科技術を使用して、標的脳構造などの神経標的近傍に埋め込むことができる。神経プローブ100は、支持なしで、またはそのデバイスの外寸よりもわずかに大きい内寸を有する支持カニューレ内に挿入することができる。カニューレを使用する場合は、神経プローブ100が好適に位置決めされた時点で引っ込める。いくつかの態様では、円柱状部材102の軸に沿った管腔は、剛性のスタイレットの挿入を可能にし、スタイレットにより神経プローブ100は外科的埋め込み中に剛性になる。これは神経プローブ100の可撓性態様の挿入、位置決めおよび再位置決め中に特に役立つ。埋め込み後にスタイレットが取り外され、その外科的標的にはプローブが残る。
【００３４】
臨床医は、微小電極エレメントの1つまたは複数を、円柱状接点126を通じて、表示ユニットまたは記録ユニットに接続することができる。図示しない記録ユニットにより、臨床医は、脳のある種の領域をそれらの電気活動に従って同定することが可能になる。いくつかの態様では、好適にプログラムされたコンピュータプロセッサの使用を通じて、そのような記録情報を自動処理することができる。脳からの記録に使用する電極は、組織の刺激に使用する電極と同一の電極であり得る。記録電極は脳の刺激に使用する電極とは別であってもよい。記録用の電極はサイズおよび設計が刺激用の電極と異なり得ることから、この状況は好ましい可能性がある。
【００３５】
操作者は、外部刺激源または埋め込み式の源に電極を接続することができる。いずれの場合でも、この源は、電極部位に信号を印加するためのパルス発生器を含み得る。そのようなパルス発生器からの信号を、電極に直接接続することができ、またはデバイスに包埋される電子機器を使用して前処理することができる。電子機器は元の信号のある種の部分をフィルタリングすることができる。信号よりも電極の方が多い場合、必要に応じて電子機器は刺激源に通じるかまたはそうでなければ相互接続することができる。
【００３６】
ヒトの解剖学的組織の一部の斜視図を図2に図示するものであり、この図は脳内深部に位置する神経標的との相互作用のための例示的な細長い微小電極プローブアセンブリ124の埋め込み位置を示す。微小電極プローブアセンブリ124の遠位部は、この場合はヒト脳132内に位置する神経標的130に位置決めされる。いくつかの態様では、微小電極プローブアセンブリ124の近位端は第1の医療機器128に接続される。例えば、第1の医療機器128は電子アセンブリを含み得るものであり、これは脳および肉体への侵襲を最小化するかまたは電子アセンブリ128への無線アクセスを容易にするために、脳132の外側に埋め込まれる。あるいはまたはさらに、パルス発生器122などの電子アセンブリをやはり含み得る第2の医療機器を、対象の身体の遠隔部分に埋め込むことができる。図示するように、第2の電子アセンブリ122が胸部空洞120内に埋め込まれる。例示的パルス発生器122などの1つまたは複数の医療機器がこのように遠隔に位置する場合、ケーブル126を対象の体内に埋め込んで、パルス発生器122を電子アセンブリ128が存在する場合はそれに相互接続するか、または微小電極プローブアセンブリ124の近位端に位置する円柱状接点に直接相互接続してもよい。
【００３７】
ここで図3を参照すると、神経標的150(例えば図示される視床下核)に位置決めされる例示的微小電極プローブアセンブリ140を図示する解剖学的組織148の一部の断面図が示されている。微小電極プローブアセンブリ140は、細長い円柱状の支持構造144に沿って分布する微小電極エレメント142a、142b、142c、142d(一般に142)のアレイを含む。好ましくは、微小電極プローブアセンブリ140は、微小電極エレメント142の1つまたは複数を神経標的150に位置決めすることを可能にするような大きさおよび形状である。この目標に向けて、微小電極プローブアセンブリの構築に使用する材料、ならびにその構築の特徴、サイズ、形状および配向のうち1つまたは複数を生体適合性のために選択することができる。
【００３８】
図示するように、微小電極プローブアセンブリ140の微小電極エレメント142cの1つまたは複数は、神経標的150と密接して位置決めされる。より詳細には、各微小電極エレメントは、ここではサブエレメント145、151の環状アレイとして構成されている。サブエレメント145、151は、プローブアセンブリ140の外周の周りに、遠位端からの共通の軸方向変位で分布し得る。そのような環状アレイ142cのいくつかのサブエレメントが神経標的と接触し得る一方、同一の環状アレイ142cの他のサブエレメントがそうではない(図示するように)ということが理解される。プローブアセンブリ140の1つまたは複数のさらなる微小電極エレメント142は、神経標的150のすぐ近傍ではない位置に存在し得る。少なくともいくつかの態様では、微小電極エレメント142の1つまたは複数は、1つまたは複数の導電性リード(図示せず)を経由して、プローブアセンブリ140の近位端より遠隔アクセス可能である。
【００３９】
少なくともいくつかの態様では、選択可能なサブエレメント145、151を駆動して標的150を記録および/または刺激することができる。例えば、標的150と接触したサブエレメント145からの神経活動の記録を使用して、プローブアセンブリ140に対する標的150の位置を同定することができる。記録より決定するように、標的と接触したそれらのサブエレメント151のみを駆動して標的を刺激することができる。これにより環状アレイ142は、標的の位置に応じて、プローブアセンブリ140の周りの選択可能な角度領域を刺激することができる。
【００４０】
ここで図示する支持構造144などの本明細書に記載の支持構造のいずれかは、ポリマー円柱などの隆起または半隆起構造であり得る。あるいはまたはさらに、構造は、微小電極エレメント142がその上に導電性フィルム層として形成される1つまたは複数の可撓性の実質的に非導電性の基板(すなわち誘電リボン)などの可撓性構造であり得る。1つまたは複数の微小電極エレメント142は、支持構造144の内部管腔を通りかつ/または可撓性でリボン状の支持構造144に沿って細長いフィルム層を使用して形成することが可能な1つまたは複数の電気リード(図示せず)を通じて、電子回路(図示せず)と連通している。
【００４１】
いくつかの態様では、一般に皮質の記録および/または刺激のためにかつ視床下核および淡蒼球を含む神経標的の脳深部刺激および/または記録のために、微小電極エレメント142を脳内に設置することができる。動物の解剖学的組織のそのような部分の神経記録および/または神経刺激のために、網膜、脊椎、末梢神経系などの身体の他の部分に微小電極エレメント142を設置することもできる。各種態様を通じて微小電極を一般に論じるが、微小電極のサイズの上限または下限を限定する意図はない。本明細書に記載のデバイスおよび方法は一般に拡張性があり、微小電極のサイズは目的とする用途に従って決定される。神経用途のうち少なくとも一部では、微小電極はサブミリメートルの寸法である。いくつかの態様では、微小電極はサブミクロンの寸法である。いくつかの態様では、微小電極は、約100μmの中心対中心間隔で線形アレイで配置される、約50μmの直径を有する平面構造として形成される。微小電極の平面構造は円、楕円、多角形などの規則形状、不規則形状、またはそのような規則形状および/もしくは不規則形状の組み合わせを有し得る。
【００４２】
このプローブアセンブリ140は、定位脳手術または内視鏡検査などの一般的神経外科技術を使用して、標的脳構造などの神経標的近傍に埋め込み可能である。デバイスは、支持なしで、またはデバイスの外寸よりもわずかに大きい内寸を有し得るカニューレ内に挿入可能である。あるいはまたはさらに、デバイスは、その中心軸に沿って延びる剛性スタイレットを有し得るものであり、スタイレットはデバイス内の軸方向管腔の内径よりも小さい外径を有する。そのようなカニューレまたはスタイレットを使用する場合、デバイスが定位置になる時点で一般にそれを引っ込める。
【００４３】
操作者は、プローブアセンブリ140が検出する電気活性に従って神経標的(例えば脳)のある種の領域を同定するように構成されている記録ユニットに、プローブアセンブリ140を接続することができる。いくつかの態様では、神経標的150からの記録に使用する微小電極エレメント142は、記録と刺激との両方が達成される用途において標的の刺激に使用するものと同一の微小電極であり得る。あるいはまたはさらに、神経標的150からの記録に使用する微小電極エレメント142は、標的150の刺激に使用するものとは別の微小電極エレメント142であり得る。これは、各微小電極アセンブリが1つまたは複数の記録電極145および1つまたは複数の刺激電極151を含むこの態様において示される。図示するように、専用の記録電極145は専用の刺激電極151よりも小さい。いくつかの態様では、記録用の微小電極(例えば145)は、例えば異なる微小電極を使用する刺激用の微小電極とはサイズ、形状、数および配置のうち1つまたは複数が異なり得る。
【００４４】
1つまたは複数の相互接続リードを通じて、刺激用に構成されている微小電極エレメント142を刺激源に接続することができる。いくつかの態様では、刺激源の少なくとも一部が体外に存在し得る。あるいはまたはさらに、刺激源はインビボであり得る。刺激源の任意の埋め込まれたエレメントを密閉型の生体適合性エンベロープと共に製造しかつ/またはそれを用いて収容することが好ましい。信号源のそのような生体適合性包装は、例えば人工ペースメーカーの分野で周知である。刺激源を設ける場合、それは所定の入力に従って所望の信号を生成する制御可能な信号発生器であり得る。例えば、信号発生器は、所望の出力刺激信号周波数を示す入力を受け取ることができる。そのような出力刺激信号は、パルス、電荷平衡パルス、正弦波、方形波、三角波およびそのような基本的波形の組み合わせなどの種々の波形を有し得る。
【００４５】
いくつかの態様では、刺激源は、微小電極部位に信号を印加するためのパルス発生器を含む。パルス発生器からの信号を、微小電極に直接接続することができ、または電子機器を使用して前処理することができる。いくつかの態様では、そのような前処理電子機器を埋め込み式デバイス内に包埋する。前処理電子機器は、心臓ペースメーカー信号などの元の信号のある種の部分をフィルタリングすることで、微小電極のピーク抵抗周波数またはその近傍にある元の信号の好ましい周波数成分を選択することができる。信号よりも微小電極の方が多い態様では、電子機器は微小電極のうち好ましい1つまたは複数に刺激信号を伝送することができる。
【００４６】
ここで図4を参照すると、微小電極プローブアセンブリ100の遠位端のより詳細な図が示される。微小電極アレイ104は成形可能な平面状基板160を含む。1つまたは複数の導電性領域162が、成形可能な平面状基板160の一部に沿って配設されている。微小電極プローブアセンブリ100は、細長い円柱状ポリウレタン本体の周りに定位置に巻き付けられかつ成形される複数の微小電極エレメントを含むポリイミド構造(例えば160)を使用して形成することができる。図示される態様では、導電性領域162または微小電極エレメントは、細長い円柱状部材102の外面の実質的外周の周りに延伸する薄膜導電帯である。図示するように、隔てられた4つのそのような導電帯162が存在し、各々、細長い微小電極アセンブリ102の遠位先端より測定されるそれぞれ異なる距離で位置している。4つの導電帯162は、埋め込み式パルス発生器に電気的に結合し得る。いくつかの態様では、導電帯の1つまたは複数は、インピーダンス整合回路(図示せず)を通じて埋め込み式パルス発生器に結合する。この例での導電性電極の幅は約700μmであり(特定の幅は選択可能であり、例えば2μm以下〜2mm以上の範囲であり得る)、本体を取り巻く4つのそのような微小電極リングが存在する。導電性微小電極エレメント162は、金属、好適にドープされた半導体、導電性ポリマー、導電性セラミックスおよびこれらの組合せを使用して形成することができる。
【００４７】
少なくともいくつかの態様では、成形可能な平面状基板160は縦方向延伸部164を含む。図示するように、この縦方向延伸部164は、1つまたは複数の導電性ワイヤ-リード接点168などの1つまたは複数の電気回路エレメントを含み得る。ワイヤ-リード接点168などの導電性回路エレメントの1つまたは複数は、ワイヤ-リード接点168と導電帯162との間で延伸する相互接続トレース166を通じて、導電帯162の1つまたは複数と電気的に連絡し得る。図示するように、微小電極アレイ104の少なくとも一部が、細長い微小電極プローブアセンブリ100の外面に沿って位置している。縦方向延伸部164などの他の部分は、細長い円柱状部材102の内側部分内に位置し得る。細長い円柱状部材102の内側部分に沿って延伸する4つの内部導電体、またはリード108が図示される。図示するように、内部導電体108の各々の遠位先端は、ワイヤ-リード接点168のそれぞれの1つと電気的に連絡している。
【００４８】
微小電極アレイ180の例示的態様を図5に図示する。微小電極アレイ180は、微小電気機械システム(MEMS)として調製することができる。そのようなMEMSフィルムデバイス180は実質的に電気絶縁性の平面状基板182より調製することができ、導電性エレメントがその上に形成される。例えば、誘電性平面状基板182は、微小電極アレイの複数のエレメントに対応する導電性表面を含むように調製される。図示するように、導電性エレメント184a、184b、184c、184d(一般に184)の4エレメント微小電極アレイがポリイミド基板上に形成されている。いくつかの態様では、成形可能な平面状基板182は縦方向延伸部186を含む。微小電極アレイエレメント184の1つまたは複数は、縦方向延伸部185上に設けられるリードワイヤトレース186などの1つまたは複数の他の回路エレメントに接続し得る。そのようなデバイスは標準的MEMS技術を使用して調製することができ、この技術により、基板および導電性エレメントは平面状の構成で調製され、後に非平面形状に成形される。例えば、4エレメント微小電極アレイ184を、微小電極プローブアセンブリの細長い円柱状部材の外面を収容する実質的に円柱形状に成形することができる。
【００４９】
次に図6を参照すると、細長い円柱状部材192の遠位先端に取り付けられたMEMSデバイス180が示されている。4エレメント微小電極アレイ184の導電性表面は、細長い円柱状部材192の外面の周りに露出したままである。したがって、微小電極アレイ184は、細長い円柱状部材をその中に設置可能な任意の神経標的と密接しかつ相互作用するように位置決めされる。
【００５０】
神経プローブ200の代替態様を図7Aに示す。この神経プローブ200はまた、細長い円柱状本体202の遠位端に設置されることが示される成形可能なフィルム基板205を含む。図示される態様では、円柱状本体202は2つの同軸の円柱状部材で形成される。近位端には8つの円柱状接点206が存在し、これらは同軸の円柱状部材202内のリードワイヤを通じて、近位端を遠位端のフィルム基板205に電気接続する。
【００５１】
次に図7Bを参照すると、遠位端のより詳細な図が示される。縦軸と外周軸との両方に沿って隔てられている、複数の外周方向に分割された微小電極エレメント204および207が、成形された円柱状基板205の外面に沿って成形されている。この例示的態様では、8つのそのような導電性微小電極エレメントが含まれる。共通の軸方向の位置にある3つの微小電極が神経プローブ200の外周の周りに配設されるように、微小電極エレメント204は分割されており、これを本明細書では分割されたエレメントと呼ぶ。独立してアドレス可能なそのような分割されたエレメントは、プローブアセンブリ140の周りの選択可能な角度領域の刺激を可能にする。例えば、プローブ200の一側のこれらのサブエレメントのみを駆動して、プローブの同一側面に沿って標的を選択的に処置することができる。2つ以上のサブエレメントを駆動して、360度以下に及ぶ領域を含む、プローブの周りに配設される所望の角度領域を選択的に処置することができる。この点で、プローブは所望の領域に向けてエネルギーを集中させるということができる。
【００５２】
微小電極エレメント207は分割されておらず、したがって1つの電極が神経プローブ200の外周全体を覆う。アセンブリは、円柱状チューブの末端を覆う末端封止部209を含み得る。アセンブリはまた支持管215を含み得るものであり、この支持管の上に例えば接着または加熱により微小電極フィルムを取り付けることができる。この態様では、8つの円柱状接点206の各接点は微小電極204、207のそれぞれの1つに電気的に結合している。
【００５３】
図7Cは、微小電極フィルム205を組み立てるために必要な成形を示す。微小電極フィルム205はまた、縦方向延伸部206を含む。延伸部206は接触パッド211を包含し、各パッド211は例えば電気トレースを通じて微小電極エレメント204、207のそれぞれの1つと電気的に連絡している。図示するように、微小電極フィルム205の遠位端と近位端の両方は、例えば加熱を使用して円柱形状に再成形される。支持管218の断面輪郭に応じて他の形状が可能である(例えば三角形、楕円形、長方形)。
【００５４】
図7Dは、神経プローブ200の組み立てをより詳細に図示する。アセンブリは、2つの重なり合う同心円状の円柱状部材213および214を構成する。内側の円柱状部材213は、400μmの典型的直径を有する管腔を画定する。外径は1mmであり得るが、外側の円柱状部材214の内径よりも小さくなければならない。円柱状部材213および214はいずれも、ポリウレタンまたはシリコーンなどの剛性または非剛性(例えば半剛性もしくは可撓性)のポリマー材料で構成することができる。アセンブリはまた、円柱213、216の間に画定される空間内で縦方向に延伸する8つのリードワイヤ212を構成する。いくつかの態様では、リードワイヤ212を、内側の円柱状部材213に螺旋状に巻き付ける。一般に、リードワイヤ212は50〜125μmの直径を有する。アセンブリは、その遠位端に剛性または半剛性の支持管215を含んでいてもよい。管215は支持構造として使用され、その上に微小電極フィルム205を取り付けることができる。微小電極フィルム205をその接触パッド211を経由して電気リードワイヤ212に取り付ける。各リードワイヤ212は接触パッド211のそれぞれの1つと接触している。管215は、これらの接続を覆うことでそれらの構造に強度を付加することができる。次に微小電極フィルム205を矢印方向に巻き付ける。最後に、末端封止部209は円柱状部材213および214を覆いかつ封鎖する。図示するように、例えば丸まった輪郭を有するように末端封止部を成形することができる。
【００５５】
図7Eは、組み立てられた神経プローブ200の画像を示す。微小電極アレイフィルム205、内側チューブ213および外側チューブ214を含む、図7A〜図7Dに記載の異なる部品が見える。この態様では、遠位支持管215はレーザー切断ステンレス鋼管として実現された。
【００５６】
微小電極アレイアセンブリ224を含む細長い微小電極プローブアセンブリ220の別の態様を図8Aおよび図8Bに図示する。微小電極アレイアセンブリ224は、細長い円柱状部材222の遠位端に位置決めされている。やはり、1つまたは複数の導電性円柱状接点が、細長い円柱状部材の近位端に位置決めされている。図示するように、4つのそのような円柱状接点226が存在する。他の態様では、それより多いかまたは少ない接点が存在し得る。微小電極アレイアセンブリ224はまた、アセンブリのオフセットされた縦方向延伸部232に沿って位置決めされるマイクロ電子機器アセンブリ233を含む。縦方向延伸部232がオフセットされることで、マイクロ電子機器アセンブリ233は細長い円柱状部材222の内側領域内に含まれ、それによりマイクロ電子機器アセンブリ233は周囲の生体環境との相互作用から保護される。1つまたは複数の内部導電体228は、縦方向延伸部232から円柱状接点226の1つまたは複数まで延伸している。
【００５７】
より詳しくは、図8Bを参照すると、縦方向延伸部232はまた、1つまたは複数のリードトレース234を通じて、微小電極アレイ230の導電性電極と電気的に連絡している。内部導電体228と縦方向延伸部232の近位端との間の接続も図示される。したがって、記録モードでは、神経標的からの電気活動を、微小電極アレイ230の微小電極接点231の1つまたは複数により検出することができる。次に電気信号をリードトレース234を通じてマイクロ電子機器アセンブリ233に伝送する。マイクロ電子機器アセンブリ233は、検出された電気信号を例えば前増幅および伝送を通じて処理することができる。最終的には、神経標的から検出された処理済み電気信号を、内部導電体228を通じて円柱状接点226に伝送する。検出された電気活動の表示および/または記録のために、記録器などの1つまたは複数の外部医療機器を、円柱状接点226を通じて細長い微小電極アセンブリ220に接続することができる。
【００５８】
円柱状接点226の1つまたは複数を使用して内部導電体228の1つまたは複数を通じてマイクロ電子機器アセンブリ233と連通することで、マイクロ電子機器アセンブリ233の動作を遠隔制御または外部制御することができる。例えば、外部信号を使用して、微小電極アレイ230の微小電極接点のどの1つまたは複数を記録用に選択するかを選択することができる。いくつかの態様では、微小電極アレイ230のすべての微小電極接点について記録を達成することができる。
【００５９】
あるいはまたはさらに、マイクロ電子機器アセンブリ233は、円柱状接点226の1つに対する微小電極エレメント231の2つ以上からの信号を組み合わせるためのマルチプレクサを含み得る。あるいはまたはさらに、そのような多重化技術を使用して、微小電極エレメント231の1つに対する円柱状接点226の1つまたは複数を組み合わせることができる。例えば、2つの接点231を遠位接点226の1つに結合させることができ、したがって、4つの接点226は8つすべての微小電極エレメントに同時にアクセスするために十分になる。そのような多重化としては、時分割多重化、周波数分割多重化、符号分割多重化、およびこれらの技術の1つまたは複数の組み合わせなどの任意の好適な形態を挙げることができる。
【００６０】
いくつかの態様では、マイクロ電子機器アセンブリ233は、検出された神経活動の少なくとも何らかのレベルの処理を行う。いくつかの態様では、マイクロ電子機器アセンブリ233は、1つまたは複数の選択された微小電極エレメント231を円柱状接点226の1つまたは複数に接続する純粋に伝送用のデバイスであり得る。そのようなマイクロ電子機器アセンブリ233は単純なスイッチまたはルータデバイスであり得る。そのような伝送としては電気機械スイッチ、リードスイッチ、およびトランジスタ(例えば電界効果トランジスタ)スイッチなどの電子スイッチを挙げることができる。スイッチをマトリックス状に構成することで、外部源より接点の1つまたは複数を通じて受け取り可能な制御入力信号に基づいて、微小電極エレメント231の1つまたは複数をマイクロ電子機器アセンブリ233および内部導電体228の1つまたは複数に連通させることができる。
【００６１】
いくつかの態様では、マイクロ電子デバイスは、増幅、フィルタリングおよび減衰の1つまたは複数などの信号調整回路を含み得る。例えば、検出モードまたは記録モードでは、検出された信号レベルを増強することで円柱状接点226でのそれらの検出可能性および記録品質を向上させるための、1つまたは複数の低ノイズ前増幅器が含まれ得る。そのような信号調整は、検出された信号および減衰の周波数スペクトルを任意調整する電子フィルタリングの1つまたは複数を含み得る。そのような電子フィルタリングは、電子信号処理を熟知する人々に公知である任意の好適なフィルターを用いて達成することができる。そのようなフィルターとしては低域通過、高域通過、帯域通過、およびこれらの1つまたは複数の組み合わせを挙げることができる。フィルターは、インダクタ、コンデンサおよび抵抗器などの標準的回路エレメントを用いて実現することができる。あるいはまたはさらに、フィルターの少なくともいくつかはデジタル信号処理技術を使用して実現することができる。
【００６２】
さらなる処理を行って、記録された信号を評価しかつ好ましい神経標的の位置を決定することができる。マイクロ電子接点のサイズ、位置および構成の慎重な設定を通じて、標的神経部位を位置特定することが可能になる。微小電極接点が標的ニューロンのオーダーの大きさである態様では、個々のニューロンの活動を独立して記録可能なことがある。マイクロ電子機器アセンブリ233は、特定用途向け集積回路(ASIC)、マイクロプロセッサなどの一般的に入手可能な電子機器モジュール、電子メモリ素子、通信装置、組み合わせ論理回路、電力調整装置などの1つまたは複数を含み得る。
【００６３】
MEMSフィルムデバイスの例示的縦方向延伸部を図9に図示する。縦方向延伸部232は平面状フィルム基板242を含む。基板242は、電子機器アセンブリ230の1つまたは複数のデバイスを収容するようにサイズ決めおよび位置決めされる、ボンディングパッド244の形態の1つまたは複数の電気接点の第1の群を含む(図8A、8B)。基板242はまた、相互接続リードワイヤ228の1つまたは複数に対する相互接続を収容するようにサイズ決めおよび位置決めされる、ワイヤボンディングパッド246の形態の1つまたは複数のさらなる電気接点の第2の群を含む。ボンドパッド244を微小電極接点231のそれぞれの1つに相互接続するそれぞれのリードワイヤトレース248に、第1の群のボンディングパッド244の少なくともいくつかが結合する。図10に図示するように、縦方向延伸部232は、その上に収納されるマイクロ電子機器アセンブリ233と、ボンディングパッド246の第2の群に結合した相互接続リードワイヤ228とを含む。
【００６４】
細長い微小電極プローブアセンブリ420の別の態様を図11Aおよび図11Bに図示する。図示するように、アセンブリ420は、プローブアセンブリ420の遠位先端の微小電極アレイアセンブリ260を含む。この微小電極アレイアセンブリ260は、本明細書に記載の微小電極アレイのいずれかを含む任意の微小電極アレイであり得る。図示するように、アセンブリ420はまた、近位端に1つまたは複数の円柱状接点426a、426b、426c、426d(一般に426)を含む。微小電極アレイアセンブリ260および円柱状接点426は、可撓性の細長い円柱状部材422に沿って配設されている。円柱状部材422は、プローブアセンブリ420の近位端に位置する開口端430よりアクセス可能な、細長い開口管腔424を含む。
【００６５】
1つまたは複数の内部導電体428は、微小電極アレイアセンブリ260から1つまたは複数の円柱状接点426まで延伸している。内部導電体は、開口管腔424の内側の立体に、または細長い円柱状部材422の可撓性に干渉しないように構成されている。図示される態様では、微小電極アレイアセンブリ260と円柱状接点426との間で細長い円柱状部材の長さに沿って螺旋状に延伸する4つのそのような導電体428が示されている。これらの螺旋状に巻き付けられた内部導電体428は、開口管腔424の外面と内壁との間の、可撓性の細長い円柱422の材料内に存在する。
【００６６】
有益なことに、スタイレットまたは外套針などの細長い剛性のガイド部材(図示せず)を、細長い可撓性の円柱状部材422の実質的な長さに沿って延伸する開口管腔424の開口端430に挿入することで、細長い電気プローブアセンブリ420の挿入および/または取り外しの手順中に必要なことがある一時的な剛性を与えることができる。そのようなスタイレットを挿入手順中に使用する場合、細長い電気プローブアセンブリ420を神経標的部位に挿入する際に剛性を与える。スタイレットを標的部位に挿入した時点で、近位開口端430より取り外すことができる。残留する細長い電気プローブアセンブリ420は、標的部位に位置決めされたままである一方、その延伸された長さに沿って実質的な可撓性も与える。そのような可撓性は、神経標的部位での微小電極アレイアセンブリ260の長期設置を促進するための、患者の快適性、および解剖学的局所組織の任意の運動に対する応答に関する利点をもたらす。スタイレットはまっすぐなエレメントとして構成することができる。いくつかの態様では、スタイレットの少なくとも一部は、細長い電気プローブアセンブリ420の挿入および/または取り外しを容易にする上で有益であり得る、曲線などの非線形領域を含み得る。
【００６７】
図示するように、微小電極アレイアセンブリ260は縦軸に沿って長さ「T」にわたって延伸する。細長い可撓性の円柱状部材422は直径「D」を有する。近位端の4つの円柱状接点426は、電力部426a、電気接地部426b、制御部426cおよび信号またはデータ部426dへのアクセスを与えることができる。
【００６８】
図11Bに示す細長い電気プローブアセンブリ420の遠位部のより詳細な図は、微小電極アレイアセンブリ260の縦方向延伸部434上に設けることができるそれぞれのリードワイヤボンディングパッド436に接続される、螺旋状に巻き付けられる内部導電体428の各々の遠位端を図示する。縦方向延伸部434の近位端に比較的近く位置する遠位端432を有する、開口管腔424の遠位部も見える。したがって、開口管腔434は、細長い可撓性の円柱状部材422のほぼ長さ全体に沿って延伸する。スタイレットが開口管腔424内に挿入されかつ遠位端432に向かって延伸する場合、細長い可撓性の円柱状部材422は実質的にその長さ全体に沿って一時的な剛性を有する。
【００６９】
細長いプローブアセンブリ420の遠位端の一態様のより詳細な図を図11Cに示す。デバイスは、遠位先端438に隣接して位置する微小電極アレイ260を含む。微小電極アレイアセンブリ260は縦方向延伸部434を含み、縦方向延伸部は1つまたは複数のマイクロ電子デバイス440を収納しかつ電気接点を含み、電気接点は各々内部導電体428の1つにそれぞれ連通している。
【００７０】
組み立てられた微小電極フィルム260のより詳細な図を図11Dに図示する。アセンブリ260は中空の円柱状基板262を含む。例示的態様は16個の半環状微小電極268を含み、これらは例えば遠位端より測定される円柱状基板262の縦軸に沿ったそれぞれの距離に位置決めされる環状部分アレイ中に配置される。例示的態様では、各環状部分アレイは4つの刺激電極268および4つの記録電極269を含む。部分アレイエレメントの他の数が可能であり、任意の所与の部分アレイについて刺激電極268の数を記録電極269の数と等しくする必要はない。いくつかの態様では各部分アレイは同一であり、一方、他の態様ではそれらは異なる。
【００７１】
いくつかの態様では、各刺激電極エレメント268は10°を超えるが180°未満のアーク長に沿って延伸する。各記録電極269は実質的に90°未満のアーク長に沿って延伸するものであり、これにより、刺激電極エレメント268と記録電極エレメント269との組み合わせが円柱状基板262の約360°に配設され、隣接するエレメント268、269の各々の間には好適な間隔が設けられる。図示するように、刺激電極エレメント268は中心軸に沿ったそれぞれの距離の辺りに位置するストリップに見え、一方、記録電極は小さい円またはドットに見える。
【００７２】
記録電極エレメント269の具体的形状は円形、楕円形、多角形、例えば正方形、三角形、菱形、六角形などであり得る。記録電極269に隣接する刺激電極エレメント268のストリップ端の形状は角形(例えば正方形)または曲線形であり得る。図に示すように、外周の周りに延伸する0°のシームに対する基準角を測定する。記録電極269は、約0°でシーム264に隣接して位置している。第1の記録電極の反対に位置する第2の記録電極は約90°に存在する。同様に、刺激電極エレメント268は、約15°と75°との間の約45°に中心がある。第2の刺激電極268は、135°を中心としかつ約105°と165°との間で延伸するように位置している。第3の記録電極269は約180°に位置している。第3の刺激電極268は、225°を中心とし、約195°と255°との間で延伸するように位置している。第4の記録電極269は約270°に位置している。第4の刺激電極268は、315°を中心とし、約285°と345°との間で延伸するように位置している。
【００７３】
この例ではまた、32個の電子デバイス接点274を含む、基板272への縦方向延伸部が示されており、各1つの接点は、相互接続リードトレースを経由して専用記録電極または専用刺激電極のそれぞれの1つと電気的に連絡している。また、縦方向延伸部272上には1つまたは複数のワイヤリード接点276が配設されている。図示される例では、4つのそのようなワイヤリード接点276が設けられる。
【００７４】
図11Dに示す微小電極アレイアセンブリ260の半分の電子回路模式図が図12に図示される。16個の刺激電極エレメントのうち8個である268a〜268h（一般に268)が、模式図の右手部分に沿って示される。これらのエレメント268の各1つは、それぞれの電子デバイス接点274a〜274dおよび274m〜274p(一般に274)と電気的に連絡している。16個の記録電極エレメントのうち8個である269a〜269h（一般に269)も、模式図の右手部分に沿って図示される。同様に、記録電極エレメント270の各々は、それぞれの電子デバイス接点274e〜274hおよび274j〜274lと電気的に連絡している。例示目的で、模式図は代表的な電子デバイス280を含む。簡潔さのために、模式図は8個の記録接点および8個の刺激接点のみを含むが、全32個の接点の完全模式図も同様である。この電子デバイスは、スイッチまたはルータ、前増幅器、信号調整器、マルチプレクサおよびコントローラの1つまたは複数を含み得る。電子デバイス280は、電子デバイス接点エレメント274a〜274pの全16個と電気的に連絡している。
【００７５】
電子デバイス280は、4つのワイヤリード接点276a〜276d(一般に276)の各々とさらに連通している。図示される例では、第1のワイヤリード接点276aは、マイクロ電子デバイス、および/または刺激電極エレメント268の1つまたは複数に電力を供給するために使用される。第2のワイヤリード接点276bは、電気接地接点を設けるために使用される。この接地接点276bは、アース接地、電子デバイス280に接続される医療機器のシャシ接地などのシステム内の別の電気接地、または単に信号の戻り線を含み得る。第3のワイヤリード接点276cは、電子デバイス280の構成および/または動作を制御する、操作者または他の医療機器からの制御入力を与えるために使用可能な制御信号に対応している。あるいはまたはさらに、制御信号接点276cは、電子デバイス280から別の医療機器への制御信号用に使用することができる。第4のワイヤリード接点276dは、記録電極エレメント269の1つまたは複数により検出される電気活動を記録装置または表示装置に向けるために使用可能な信号接点に対応している。あるいはまたはさらに、信号接点276dは、別の医療機器からの電気刺激信号を刺激電極エレメント268の1つまたは複数に向けるために使用することができる。
【００７６】
図11Dを再度参照すると、刺激電極268は比較的低い電気インピーダンスを有するように構成され、一方、記録電極269は比較的高い電気インピーダンスを有するように構成されている。したがって、比較的低いインピーダンスの刺激電極268は、神経標的部位における周囲組織への電荷移動に十分に適している。また、比較的高いインピーダンスの記録電極269は、神経標的部位からの電気活動の検出を可能にする。
【００７７】
図13Aは、包埋されたマイクロ電子機器を包含する神経プローブ200のさらなる態様を示す。神経プローブ200は、微小電極フィルム202と、2つの同心円状の円柱管で構成される円柱状部材203と、内側の円柱状部材に巻き付けられる8つのリードワイヤを通じた遠位端から近位端への電気接続を可能にする8つの電気接点201とを包含する。
【００７８】
図13Bは、神経プローブ200の遠位端の一態様のより詳細な図を示す。この例では、金属刺激電極248は長さ約1000μmおよび幅600μmという寸法を有する。いくつかの態様では、縦軸に沿って測定される長さは2μm〜2mmの範囲であり得る。いくつかの態様では、幅は外周全体を覆い得るものであり、2μm〜4mmの範囲であり得る。この例では、金属記録電極249は直径150μmの寸法を有する。それは刺激電極248よりも一般に小さい。
【００７９】
遠位端は支持管229を包含し、支持管は、微小電極フィルム202の支持構造として、かつマイクロ電子回路およびその内側の接続の保護筐体として役立つ。この例では、管229は8mmの長さ、1.05mmの内径および1.25mmの外径を有する。それはステンレス鋼などの剛性もしくは半剛性材料、またはPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)などの生体適合性ポリマーで実現することができる。
【００８０】
この態様はまた、1.27mmの外径および1.05mmの内径を用いて実現される外側の円柱状部材203を示す。それは一般にポリウレタンまたはシリコーンで実現される。神経プローブの近位端と遠位端とを電気接続するリードワイヤ221が、その管腔に沿って巻き付けられている。外側の円柱状部材203を嵌合または接着により支持管229に接続することができる。
【００８１】
この態様はまた、2つの同心円状の管構造の末端を封鎖するプラグとして実現可能な末端封止部241を示す。包埋されたマイクロ電子エレメントおよびリードワイヤ221に通じる延伸部208によって、微小電極フィルム202は内側の立体に接続される。
【００８２】
ここで図13Cを参照すると、神経プローブ200の遠位端の切断図が、その内側のマイクロ電子エレメントを同定するために示される。円柱状に成形された基板202の外面から縦方向延伸部がオフセットされ、したがって、縦方向延伸部206およびその上に装着される任意のマイクロ電子デバイス210が、成形可能なフィルム基板202を収納する細長い円柱状部材の内側領域内に含まれ得る。図示される態様では、導電性電極を含む成形可能なフィルム基板202は、神経プローブの遠位端に位置する円柱状本体229に巻き付けられる。複数の電極リングを含む用途では、微小電極リングの1つまたは複数への/からの刺激信号または記録信号を選択的に伝送し、それにより、どの微小電極リングを使用するかに応じて選択可能な神経標的内の位置を刺激するかまたはそこから記録するために、スイッチまたはルータなどの選択回路が含まれ得る。そのような刺激信号を、埋め込み式パルス発生器122(図2)より伝送し、選択される微小電極リングに印加することができる。
【００８３】
図13Dに示すように、微小電極フィルムを最初に平らなエレメントとして成形することができ、それを2つの同心円状の円柱に組み立てる前または後に、マイクロ電子回路エレメントをその上に装着する。縦方向延伸部206は、1つまたは複数のマイクロ電子デバイス210を収容するように構成することができる。その上に含まれる任意のそのようなマイクロ電子デバイス210の1つまたは複数は、1つまたは複数の相互接続導電性トレース208を通じて、微小電極エレメント248および249の1つまたは複数と電気的に連絡し得る。
【００８４】
微小電極エレメントの各種構成を図14〜図15に図示する。最初に図14Aを参照すると、多くの比較的小さい微小電極302が中心円柱の周りに設置される微小電極アレイ300が図示される。例示的態様では、8つのそのようなエレメント302が円柱の360°外周の周りのそれぞれの位置に配置されることで、環状微小電極パターン303が形成される。いくつかの態様では、図示するように、隣接するエレメント間の角度変位は均一であり得る(例えば、8つのエレメントは45°で互いに隔てられている)。あるいはまたはさらに、環状微小電極パターン303の隣接するエレメント302の少なくともいくつかの間の角度変位は不均一であり得る。エレメントのさらなる環状パターンを円柱に沿って位置決めすることができる。例えば、アレイ300の末端に対して測定される円柱沿いの異なる距離で、同一パターンを繰り返すことができる。隣接する環状パターン303間の距離は均一であり得る。あるいはまたはさらに、微小電極アレイ300の隣接する環状パターン303間の距離は不均一であり得る。例示的態様では、アレイ300は、中心円柱に沿って均一に隔てられた4つの同一の環状パターン303を含む。
【００８５】
例示的態様では、環状微小電極パターン303は8つの微小電極302円板を含み、これらは各々約300μmの直径を有し、均一に分布し、直径1.27mmの円柱に巻き付けられている。微小電極302は、楕円形、多角形、例えば正方形、三角形、菱形、六角形などの他の形状である可能性がある。微小電極302の形状およびサイズの1つまたは複数は環状微小電極パターン303内で変動し得る。例えば、サイズは2μm以下〜1mm以上の範囲であり得る。微小電極部位に電気信号を印加することまたは該部位からの神経活動を記録することが求められる電子機器が、中心円柱内に包埋される。
【００８６】
図14Bに図示する本発明の代替態様は、いくつかの微小電極エレメント312を示すものであり、これらは長さ方向に構成され、円柱の縦軸に沿って延伸し、円柱の外周の周りで測定されるそれぞれの角度で配設される。例示的態様では、各微小電極エレメント312は、約300μmの直径および約1.88mmの長さを有し、円柱の長さに沿って延伸する、ストリップである。8つのそのような細長いストリップ微小電極エレメント312は、均一に分布しており、直径1.27mmの円柱に巻き付けられている。図示するように、微小電極の末端は角形(例えば正方形)または丸形であり得る。細長いストリップ微小電極エレメント312の寸法は、幅が2μm以下〜1mm以上の範囲であり得る。それらは長さが2μm以下〜3mm以上の範囲であり得る。
【００８７】
図15A〜図15Jは、微小電極アレイの各種態様を表す。微小電極アレイの各々を平面表示で図示する。円柱状の用途に関しては、平面表示に対して垂直に延伸する縦軸を有する円柱状構造の周りにこれらの平面表示が折りたたまれ、これにより平面構造の左側と右側とがシームに沿って合致する。また、0°〜360°で変動する基準角度位置が各図の上部に沿って図示される。図15Aに図示する第1の微小電極アレイ320は、複数の水平な導電性ストリップ322a〜322d(一般に322)を含む成形可能な平面状基板324を含む。円柱状に成形される場合、これらの水平なストリップは円柱状の微小電極エレメント322を表す。図示するように、導電性ストリップ322の各々は、成形可能な平面状基板324の末端の1つより縦軸(垂直軸)に沿って測定されるそれぞれの距離「d1a」に位置する。導電性ストリップ322の各々は、それぞれの幅「w1」、および隣接する導電性ストリップ322に対する中心対中心間隔「s1」を有する。
【００８８】
微小電極アレイ330の別の態様を図15Bに図示する。この微小電極アレイ330はまた、いくつかの水平な導電性ストリップ332を含む。これらのストリップ332は、図15Aのストリップ322に比べて、狭い幅w2、近接した中心対中心間隔s2を有し、数が多い。いくつかの態様では、様々な異なる幅および異なる間隔の1つまたは複数を有する導電性ストリップを含むことが可能である。いくつかの態様では、8つの微小電極ストリップ332が8つのそれぞれのボンドパッド(図示せず)に接続されている。さらなる態様では、8つの微小電極ストリップ332が4つのボンドパッド(図示せず)に接続されることで、2つの隣接するストリップが電気接触する。
【００８９】
少なくともいくつかの場合では、より多くの数の端部を有するプローブで標的領域を処置することが有利である。電荷および/または電流の分布を制御する上で、端部はある種の利点を与える。この目標に向けて、任意の表面区域の微小電極を、その周囲長を増加させるように構成することができる。これは、例えば微小電極の形状を制御することで達成することができる。したがって、微小電極は、単純な正方形配置というよりむしろ、折りたたみ形状(例えば「U」および/または「S」字形状、さらには櫛のような形状)を有し得る。少なくともいくつかの態様では、2つ以上の微小電極を共通の源により(例えば共通のボンディングパッドを通じて)通電する。例えば、微小電極ストリップ332の2つ以上を同一のそれぞれのボンドパッドに接続することができる。したがって、8つのストリップ332を4つのボンディングパッドのみを通じて制御することができる。
【００９０】
図15Cは微小電極アレイ350を図示する。図示される例では、微小電極アレイ350は4つの水平な環状パターン356a〜356d(一般に356)を含む。各水平の環状パターン356は、約0°に位置する第1の高インピーダンスエレメント356a、および約180°に位置する第2の高インピーダンスエレメント356bを含む。第1の低インピーダンス微小電極エレメント358aは、2つの高インピーダンス微小電極356a、356bの間に位置している。第2の低インピーダンス微小電極エレメント358bは、高インピーダンス微小電極エレメント358bの右側に位置している。2つの高インピーダンス微小電極356a、356bは、円柱に成形される際に互いに対向し、これは2つの低インピーダンス電極358a、358bも同様である。例示的態様では、環状パターン352は、成形可能な平面状基板354の下端部に対して測定される3つの他の異なる距離で繰り返される。多かれ少なかれ環状のパターンを有する他の態様が含まれ得る。そのような構成は、各ボンディングパッドと接触する微小電極の端部を増加させるために有用である。
【００９１】
図11Dの微小電極アレイアセンブリ260において示されるそれと同様の、微小電極アレイ340の別の態様を図15Dに図示する。低インピーダンス微小電極エレメントの各々が2つの低インピーダンス微小電極サブエレメント348a、348bおよび348c、348dに分けられていることを除けば、この微小電極アレイ340は、図15Cに図示する微小電極アレイ350と同様である。いくつかの態様では、微小電極サブエレメント348は、互いに電気的に絶縁しており、各エレメントに別々のボンドパッドが必要である。いくつかの態様では、1つまたは複数の微小電極刺激エレメント348は電気接続されており、いくつかのエレメントに信号を送信するために1つのボンドパッドしか必要としない。さらに、合計16個の微小電極記録エレメント346が存在する。図15Eに図示する微小電極アレイのさらに別の態様では、各環状パターン372は、約0°、90°、180°および270°にそれぞれ位置する4つの高インピーダンス微小電極エレメント376a〜376d(一般に376)を含む。4つの比較的低インピーダンスの微小電極エレメント378a〜378d(一般に378)の各々は、高インピーダンス微小電極エレメント376の隣接する対の間に位置している。この態様では、微小電極記録エレメント376はより大きく、したがって図15Dに示すそれとは異なる電気記録特性を有する。図14Aに図示する微小電極アレイの平面表示を図15Fに示す。微小電極アレイ360は4つの水平な環状パターンを含み、これらは各々、成形可能な平面状基板364上に配置される8つの円形微小電極366のエレメントを含む。
【００９２】
図15Gは、図14Bに示す微小電極アレイ310の平面バージョンを図示する。この微小電極アレイ390は8つの細長い垂直導電性微小電極ストリップ392を含み、これらは成形可能な平面状基板394に沿って0°と360°との間の均一な間隔で配置されている。図15Hはさらに別の微小電極アレイ380を図示するものであり、これは、成形可能な平面状基板384に沿ってそれぞれの縦方向の距離で配置される、細長い垂直導電性微小電極ストリップ386と円形の微小電極エレメント384との組み合わせを含む。
【００９３】
別の微小電極構造を図15Iに示すものであり、これは2つの対向する細長い水平の導電性微小電極エレメント408a、408bを含むという点で、図15Cに示す配置と同様の配置を有する。しかし、図15Cの高インピーダンス接点356の各々がそれぞれの四極管406で置き換えられている。各四極管406は4つの微小電極エレメント410の配置を含む。
【００９４】
別の微小電極構造を図15Jに示すものであり、これは細長い水平の導電性微小電極刺激エレメント418a、418b、418cを含むという点で、図15Aに示す配置と同様の配置を有する。しかし、各微小電極ストリップ418の間、ならびに上方ストリップ418aの上および下方ストリップ418cの下には、微小電極記録エレメント419a、419b、419cおよび419dまたは一般に419のアレイが存在する。これらの微小電極記録エレメント419は、微小電極刺激エレメント418に対する脳内の異なる深さでの記録を可能にする。図15Dおよび図15Eに示すように、いくつかの態様では、微小電極刺激エレメント418は3つまたは4つの部分に分割される。いくつかの態様では、微小電極刺激エレメント418は、互いに電気的に絶縁しており、各エレメントに別々のボンドパッドが必要である。いくつかの態様では、1つまたは複数の微小電極刺激エレメント418は電気接続されており、いくつかのエレメントに信号を送信するために1つのボンドパッドしか必要としない。
【００９５】
図16A〜図16Dならびに図17Aおよび17Bは、神経プローブの遠位端に微小電極フィルムを取り付けるための代替組み立て方法の切断図を図示する。マイクロ電子機器を包含するかまたはマイクロ電子機器を包含しない微小電極フィルムに、これらの組み立て方法を使用することができる。本明細書に記載の神経プローブは、図16A〜図16Dならびに図17Aおよび17Bに記載の技術のいずれか1つまたは組み合わせを使用して組み立てることができる。
【００９６】
図16Aを参照すると、図4に図示するそれと同様の神経プローブ233の遠位部が示される。微小電極フィルム235の一部が除去された切断画像を図16Bに示す。この態様では、円柱状部材236が内部管腔に沿って1つまたは複数の導電性リードワイヤ237を含み、あるいは、円柱状部材236が成形された時点でこのリードワイヤが定位置に成形されている。この態様では、微小電極フィルム235の円柱状に成形される外面を接続する延伸部238は、円柱状部材236の最遠位部に沿って巻き付けられる。それは、微小電極フィルム235により形成される内側の円柱状立体内にとどまる。シリコーンなどの半剛性材料、またはステンレス鋼などの剛性ポリマーもしくは金属材料で実現可能な末端封止部239を使用して、遠位部は覆われ、封鎖されている。それが導電性である場合、リードワイヤ237に電気的に取り付けることもできる(図示せず)。あるいは、エポキシまたはシリコーンなどの重合可能材料のグロブトップとして末端封止部239を定位置に成形することもできる。リードワイヤ237は接触パッド281に取り付けられ、それにより神経プローブの近位部が遠位部に電気接続される。
【００９７】
ここで図16Cを参照すると、図4と非常に同様の神経プローブ243の遠位部が示される。微小電極フィルム245の一部が除去された切断画像を図16Dに示す。この態様では、円柱状部材252が内部管腔に沿って1つまたは複数の導電性リードワイヤ251を含み、あるいは、円柱状部材252が成形された時点でこのリードワイヤが定位置に成形されている。この態様では、微小電極フィルム245の円柱状に成形される外面を接続する延伸部247は、円柱状部材251の最遠位部に向かって放射状に巻き付けられる。それは、微小電極フィルム245により形成される内側の円柱状立体内にとどまる。シリコーンなどの半剛性材料、またはステンレス鋼などの剛性ポリマーもしくは金属材料で実現可能な末端封止部250を使用して、遠位部は覆われ、封鎖されている。それが導電性である場合、リードワイヤ251に電気的に取り付けることもできる(図示せず)。あるいは、エポキシまたはシリコーンなどの重合可能材料のグロブトップとして末端封止部250を定位置に成形することもできる。リードワイヤ251は接触パッド282に取り付けられ、それにより神経プローブの近位部が遠位部に電気接続される。
【００９８】
ここで図17Aを参照すると、図4と非常に同様の神経プローブ263の遠位部が示される。微小電極フィルム265の外側部分全体の一部が除去された切断画像を図17Bに示す。この態様では、2つの管状部材が神経プローブの軸を構成する。第1の外側管状部材266は、ポリウレタンまたはシリコーンなどのポリマー材料で実現される。第2の管状部材267は、外側管状部材266の内径よりも小さい外径を有し、ポリウレタン、シリコーンまたはポリイミドなどのポリマー材料で実現される。2つの管状部材間の空間に沿って1つまたは複数の導電性リードワイヤ273が延びる。あるいは、外側または内側管状部材を成形する際に、リードワイヤを定位置に成形することもできる。この態様では、微小電極フィルム265の円柱状に成形される外面を接続する延伸部275は、2つの管状部材の間の最遠位部において巻き付けられる。リードワイヤ273は接触パッド283に取り付けられ、それにより神経プローブの近位部が遠位部に電気接続される。
【００９９】
図18Aは、細長いプローブアセンブリ420の近位部をより詳細に図示するものであり、開口端430を終端とする、開口管腔424の近位端への延伸を示す。4つの円柱状接点426の断面図を図18Bに図示する。図示するように、細長い渦巻状に巻き付けられた内部導電体428の各々は、4つの円柱状接点426のそれぞれの1つに接続されている。電気的接触は、ボンディング、はんだ付け、導電性接着剤、メカニカルファスナー、または円柱状接点426とそれぞれの内部導電体428との間の導電性を維持するための任意の組み合わせもしくは好適な接触手段を通じて維持することができる。
【０１００】
図18Cは、例えば図16Eにおける内側管構造にリードワイヤが軸方向に巻き付けられている態様における、細長いプローブアセンブリ420の近位部をより詳細に図示する。4つの円柱状接点426の断面図を図示する。図示するように、細長い渦巻状に巻き付けられた内部導電体429の各々は、4つの円柱状接点426のそれぞれの1つに接続されている。電気的接触は、ボンディング、はんだ付け、導電性接着剤、メカニカルファスナー、または円柱状接点426とそれぞれの内部導電体429との間の導電性を維持するための任意の組み合わせもしくは好適な接触手段を通じて維持することができる。
【０１０１】
ここで図19を参照すると、神経標的750に位置決めされる例示的微小電極プローブアセンブリ740を図示する解剖学的組織748の一部の断面図が示されている。一般に、プローブアセンブリ740は、本明細書に記載のプローブアセンブリのいずれかを代表する。微小電極プローブアセンブリ740は、細長い支持構造744に沿って分布する微小電極エレメント742のアレイを含む。好ましくは、微小電極プローブアセンブリ740は、微小電極エレメント742の1つまたは複数を神経標的750に位置決めすることを可能にするような大きさおよび形状である。この目標に向けて、微小電極プローブアセンブリの構築に使用する材料、ならびにその構築の特徴、サイズ、形状および配向のうち1つまたは複数を生体適合性のために選択することができる。図示するように、微小電極プローブアセンブリ740の微小電極エレメント742の1つまたは複数は、神経標的750と密接して位置決めされる。プローブアセンブリ740の1つまたは複数のさらなる微小電極エレメント742は、神経標的750のすぐ近傍ではない位置に存在し得る。少なくともいくつかの態様では、微小電極エレメント742の1つまたは複数は、1つまたは複数の導電性リード746を経由して、プローブアセンブリ740の近位端より遠隔アクセス可能である。
【０１０２】
支持構造744は、細長い平らなシャフトなどの隆起または半隆起構造であり得る。あるいはまたはさらに、構造は、微小電極エレメント742がその上に導電性フィルム層として形成される1つまたは複数の可撓性の実質的に非導電性の基板(すなわち誘電リボン)などの可撓性構造であり得る。1つまたは複数の微小電極エレメント742は、支持構造744の内部管腔を通りかつ/または可撓性でリボン状の支持構造744に沿って細長いフィルム層を使用して形成することが可能な1つまたは複数の電気リード746を通じて、電子回路(図示せず)と連通している。
【０１０３】
いくつかの態様では、一般に皮質の記録および/または刺激のためにかつ視床下核および淡蒼球を含む神経標的の脳深部刺激および/または記録のために、微小電極エレメント742を脳内に設置することができる。動物の解剖学的組織のそのような部分の神経記録および/または神経刺激のために、網膜、末梢神経系などの身体の他の部分に微小電極エレメント742を設置することもできる。各種態様を通じて微小電極を一般に論じるが、微小電極のサイズの上限または下限を限定する意図はない。本明細書に記載のデバイスおよび方法は一般に拡張性があり、微小電極のサイズは目的とする用途に従って決定される。神経用途のうち少なくとも一部では、微小電極はサブミリメートルの寸法である。いくつかの態様では、微小電極はサブミクロンの寸法である。いくつかの態様では、微小電極は、約100μmの中心対中心間隔で線形アレイで配置される、約50μmの直径を有する平面構造として形成される。微小電極の平面構造は円、楕円、多角形などの規則形状、不規則形状、またはそのような規則形状および/もしくは不規則形状の組み合わせを有し得る。
【０１０４】
このプローブアセンブリ740は、定位脳手術または内視鏡検査などの一般的神経外科技術を使用して、標的脳構造などの神経標的近傍に埋め込み可能である。デバイスは、支持なしで、またはデバイスの外寸よりもわずかに大きい内寸を有し得るカニューレ内に挿入可能である。そのようなカニューレを使用する場合、デバイスが定位置になる時点でそれを引っ込める。
【０１０５】
操作者は、電気活動に従って神経標的(例えば脳)のある種の領域を同定するように構成されている記録ユニットに、プローブアセンブリ740を接続することができる。いくつかの態様では、神経標的750からの記録に使用する微小電極エレメント742は、記録と刺激との両方が達成される用途において標的の刺激に使用するものと同一の微小電極であり得る。あるいはまたはさらに、神経標的750からの記録に使用する微小電極742は、標的750の刺激に使用するものとは別の微小電極742であり得る。いくつかの態様では、記録用の微小電極は、異なる微小電極を使用する刺激用の微小電極とはサイズ、形状、数および配置のうち1つまたは複数が異なり得る。
【０１０６】
1つまたは複数の相互接続リードを通じて微小電極エレメント742を刺激源に接続することができる。いくつかの態様では、刺激源の少なくとも一部が体外に存在し得る。あるいはまたはさらに、刺激源はインビボであり得る。刺激源の任意の埋め込まれたエレメントを密閉型の生体適合性エンベロープと共に製造しかつ/またはそれを用いて収容することが好ましい。信号源のそのような生体適合性包装は、例えば人工ペースメーカーの分野で周知である。刺激源を設ける場合、それは所定の入力に従って所望の信号を生成する制御可能な信号発生器であり得る。例えば、信号発生器は、所望の出力刺激信号周波数を示す入力を受け取ることができる。そのような出力刺激信号は、パルス、電荷平衡パルス、正弦波、方形波、三角波およびそのような基本的波形の組み合わせなどの種々の波形を有し得る。
【０１０７】
いくつかの態様では、刺激源は、微小電極部位に信号を印加するためのパルス発生器を含む。パルス発生器からの信号を、微小電極に直接接続することができ、または電子機器を使用して前処理することができる。いくつかの態様では、そのような前処理電子機器を埋め込み式デバイス内に包埋する。前処理電子機器は、心臓ペースメーカー信号などの元の信号のある種の部分をフィルタリングすることで、微小電極のピーク抵抗周波数またはその近傍にある元の信号の好ましい周波数成分を選択することができる。信号より多くの微小電極が存在する態様では、電子機器は微小電極のうち好ましい1つまたは複数に刺激信号を伝送することができる。
【０１０８】
図20は、微小電極チップアセンブリの一態様の模式図である。微小電極チップアセンブリ500は支持部材502を含み、支持部材は遠位先端506を終端とする細長い部分と、いくらかそれよりも広がりがある近位延伸部510とを含む。3つの微小電極エレメント504の線形アレイが、支持部材502の細長い部分の縦軸に沿って配置されている。対応する数の3つの電極接点508が近位延伸部510上に位置している。アレイ504の各微小電極エレメントは、それぞれの導電性リードトレース512を通じて、電極接点508のそれぞれの1つに相互接続している。例示的態様では、ポリマー層514が下地支持部材502の少なくとも1つの表面に塗布されている。微小電極リード、電極接点508および相互接続リードトレース512の各々は、ポリマー層514の上または内側の導電性層として実現される。微小電極エレメントの線形アレイを図示しているが、そのような微小電極の非線形、平面状、曲線表面、および立体状(すなわち三次元)の分布を有する他の態様が可能である。
【０１０９】
図21は、微小電極エレメントアレイ522の線形配置を含む、微小電極チップアセンブリ520の別の態様の遠位部の模式図である。各微小電極エレメントアレイ522は複数の微小電極サブエレメント524を含む。図示される態様では、微小電極エレメントアレイ522の各々は、菱形パターンで配置されかつ本明細書では四極管と呼ばれる、4つの微小電極サブエレメント524を含む。いくつかの態様では、微小電極サブエレメント524の各々は、それぞれのリードトレース(図示せず)を通じてそれぞれの電極接点(図示せず)と連通している。あるいはまたはさらに、微小電極サブエレメント524の1つまたは複数は共通のリードトレースを共有し得る。
【０１１０】
四極管アレイ522の幅w'は、細長い支持部材525の直径よりも小さい。四極管アレイ522の高さh'は、幅w'と同一でも異なっていてもよく、それにより四極管アレイ522のアスペクト比が制御される。アレイの長さに沿って測定される、隣接する四極管アレイエレメント522の中心対中心間隔S'は、同一でも異なっていてもよい。図示するように、微小電極サブエレメント524の各々は同一かつ円形である。いくつかの態様では、多角形、楕円形、環状リングなどの四極管エレメント524が成形される。あるいはまたはさらに、四極管アレイ522の微小電極サブエレメント524の1つまたは複数は、同一のアレイ522の他のエレメントと異なり得る。さらに、四極管アレイエレメント522は、細長い支持部材の長さに沿って幾何形状、サイズおよび構成が異なり得る。やはり、そのようなアレイエレメントの二次元および三次元配置が可能である。
【０１１１】
有利なことに、微小電極サブエレメントの例示的構成を、種々の異なる構成で通電することができる。例えば、4つすべてのサブエレメント524を同一の記録または刺激リードに接続することができる。あるいは、サブエレメント524の1つまたは複数を同一の記録または刺激リード(例えばアノード)に結合させることができ、一方、同一のアレイ522の他のサブエレメントの1つまたは複数を異なる記録または刺激リード(例えばカソード)に結合させることができる。他の態様では、微小電極サブエレメントの1つまたは複数が電気接地に接続されている。
【０１１２】
いくつかの態様では、例示的四極管アレイ522のサブエレメント524の各々はそれぞれのリードに結合されている。記録モードでは、各サブエレメント524はそれぞれの記録リードに接続される。したがって、各四極管アレイ522では、記録器は4つの別々のチャンネルを記録する。したがって、同一の神経標的からの電気生理活動を、四極管アレイ522の独立したサブエレメント524の各々を通じて独立して記録することができる。少なくとも部分的には神経標的の相対位置に応じて、異なる時間遅延およびおそらくは異なる振幅によって同一の電気生理活動を記録することができる。四極管サブエレメント524の2つ以上から記録される異なる信号を、利用可能な信号処理技術を使用してさらに処理することで、四極管アレイ522に対する神経標的の相対位置を決定することができる。標的への方向を解明するために利用可能ないくつかの例示的技術としては、三角測量および到達時間差測定が挙げられ、これらの技術では、受け取る信号の相対的遅延をサブエレメント524の配置および間隔の知識と組み合わせて使用して、標的に対する距離および/または角度を解明することができる。使用時には、そのような四極管-刺激器ハイブリッド微小電極の四極管を使用して、微小電極の直前にある組織の立体からの神経活動を記録する。刺激電極を使用して、神経活動を刺激しかつ電荷をその同一の組織の立体に移動させる。
【０１１３】
図22Aは、遠位端に配設される微小電極チップアセンブリ544を有する細長い微小電極アセンブリ540の一態様の斜視図である。微小電極アレイ544が、図1に示すように遠位端に巻き付けられているよりむしろ、アセンブリ540の遠位先端より先に突出する遠位延伸部上に設けられていることを除けば、例示的構成は、図1に図示する神経プローブデバイス100と同様である。したがって、このアセンブリ540に含まれるマイクロ電子デバイスは存在しない。したがって、神経信号は、検出信号であれ刺激信号であれ、近位接点546の各々と図22Bにさらに詳細に示す遠位微小電極エレメント550のそれぞれの1つとの間の内部ワイヤリード548に沿って向けられる。細長い支持円柱542の長さは変動し得る。内部ワイヤリード548のそれぞれの1つの遠位端に各々結合している4つのワイヤリード接点544を含む、近位延伸部522も図22Bに示される。いくつかの態様では、微小電極アレイ544は剛性または半剛性のバッキングを包含する。
【０１１４】
図22Cは、細長い微小電極アセンブリ540(図22A)の遠位端のより詳細な別の図である。いくつかの態様では、剛性先端544を生体適合性接着剤560により定位置に維持することができる。あるいはまたはさらに、細長い支持円柱の少なくとも遠位部が剛性先端544の近位部の周りに成形(例えば射出成形)されている。例示的態様では、支持基板558およびポリマー層514の相対配置も明らかである。
【０１１５】
図23は、その遠位端に配設される電極チップアセンブリ564を有する細長い微小電極アセンブリの別の態様の遠位端の斜視図である。特に、電極チップアセンブリ564は、その上に装着されるマイクロ電子デバイス560を含む。マイクロ電子デバイス560は、特定用途向け集積回路(ASIC)、標準的な集積回路、ならびに抵抗器、コンデンサ、インダクタ、ダイオードおよびトランジスタを含む他の回路エレメントを含み得る。接触リングからのワイヤ548が電子機器と接触することに留意されたい。電子機器は、信号を処理し、1つまたは複数の遠隔医療機器と微小電極部位の1つまたは複数との間にそれらを向ける。
【０１１６】
図24は、8つの微小電極エレメント582の線形アレイを含む、微小電極チップ580の一態様の遠位部の顕微鏡写真である。微小電極エレメント582の線形アレイは、中央の細長い軸に沿って配置されている。図示するように、デバイスの遠位端部584は、最近位の微小電極アレイエレメントのいずれかの側面より隔てられており、遠位先端に向かって先細りになる。デバイス端部から離れたこのエレメントの設置は、端部に沿って生じる望まれない組織反応を回避する上で有益であり得るものであり、より遠位の微小電極エレメントは、それらの隣接する端部584に比較的近くなる。図25は、図24に図示する微小電極チップの遠位部のより詳細な顕微鏡写真である。図26は、微小電極エレメント594の線形アレイがデバイス590の平行端部594に沿って配置されている、微小電極チップ590の別の態様の遠位部の顕微鏡写真である。
【０１１７】
図27は、微小電極アレイの一態様に沿った導電性エレメント601の例示的配置の上面図の顕微鏡写真である。デバイスは典型的な微小電極601およびトレース603の構造を含み、この構造では、それぞれのトレース相互接続リード603は微小電極エレメントの各々に通じる。
【０１１８】
図28Aおよび図28Bは、微小電極チップ611、621の他の態様の遠位部の顕微鏡写真画像である。
【０１１９】
製造方法
微細加工部品ならびに必要な機械特性および電気特性を実現するいくつかの技術が存在する。製造手順は、様々な層を堆積させるかまたは除去して(例えばエッチングして)最終形態を実現する、一連の手順工程である。手順工程の例示的順序を本明細書に記載する。
【０１２０】
工程1:キャリアウェーハおよび犠牲層
図29Aに図示する第1工程では、ケイ素などの結晶性材料、またはガラス、特にPYREX (登録商標)という商品名で市販の耐熱衝撃性ホウケイ酸ガラスなどの非晶質材料、または他の好適な平滑支持材料で構成されるウェーハなどの、キャリア基板650が設けられる。少なくとも2つの部分層を含む第1の層652をウェーハ650の表面に塗布する。部分層652の1つは、ウェーハ650上に堆積した犠牲層であり、これを後続の電気機械エッチング工程で除去する。好ましくは、犠牲層のエッチングに必要な電気化学セルを形成するために役立つ、下地層と呼ばれる別の部分層が、犠牲部分層に先行する。好ましい態様では、犠牲部分層はアルミニウム、またはより小さい粒度を有するAlSiなどのアルミニウム合金であり、一方、下地層はTiW合金、クロムまたは同様の金属である。犠牲層は下記画像では黒線652として表し、キャリアウェーハ650は灰色で示す。この連続中に図示される画像の各々は、例示的態様の断面を表し、手順工程を記述するために本明細書で使用される。
【０１２１】
いくつかの態様では、犠牲層652は、完成したデバイスの電気機械的除去を容易にすることに加えて、完成したデバイスの表面に対して粒度または粒径を確立するものである。すなわち、好適な下地層の選択により少なくとも部分的に正確に制御可能な表面に対して、犠牲層はマイクロ粗さまたはナノ粗さを付加することができる。例えば、アルミニウムをDCスパッタリングにより、5nm以下〜600nm以上の範囲の粒径で堆積させることができる。この粒径は第1の粒状表面を与える。次にポリマー層を粒状犠牲層の上に堆積させる。このポリマー層を局地的にエッチングして、粒状犠牲層上に対して開口するビアを作り出すことができる。続いて、得られた粒状表面およびポリマー層の上に金属層を堆積させ、堆積した金属は、神経記録/刺激微小電極エレメントおよびワイヤトレースとして役立つ。ポリマー層中のビア内に位置する金属の区域は微小電極表面を形成する。ポリマー層上に位置する金属の区域は、線形トレースにエッチング可能であり、微小電極とボンドパッドまたは回路との相互接続を形成可能である。このプロセスを以下に「裏面微小電極」として記述する。比較的平らな表面上での粒度のそのような増加が理由で、金属層の表面区域全体は、このエレメントの周囲を範囲とする区域よりも大きい有効表面積を有する。有利なことに、増加した表面積により、電極エレメントの電気インピーダンスの対応する減少が得られる。このコンセプトは、神経活動の高い局在化を保証する同じ小さい直径を維持しながら、記録を容易にし、インピーダンスの減少による記録忠実度の増大および複雑性の低下を可能にするという点で重要である。そうして形成される例示的微小電極エレメントの導電性表面を図30の画像に図示する。
【０１２２】
工程2:第1のポリマー層の堆積
図29Bを参照すると、製造プロセスの次の工程は、樹脂層654と呼ばれることもある第1のポリマー層654を堆積させることを含む。第1のポリマー層654を犠牲層652上に堆積させることができる。これは(i) ポリイミドもしくはシリコーン前駆体などの液体ポリマー前駆体をスピンコーティングすること、(ii) パリレンCを用いて行う場合と同様に化学蒸着を通じてポリマーを堆積させること、または(iii) ウェーハ650上にポリマーシート654を積層させることにより、MEMS加工分野の当業者に公知である任意の好適な手段で行うことができる。いくつかの態様では、ポリマー層654を加熱またはベーキングして重合する。
【０１２３】
次に図29Cおよび図29Dを参照すると、任意的工程は第1のポリマー層654のエッチングを含み、エッチングは、完成したデバイスの下面に沿って最終的に位置する1つまたは複数の裏面電極を有するデバイスを調製する際に有益であり得る。この任意的工程では、第1のポリマー層654を局在的にエッチングして開口区域652を形成し、そこにそのような裏面微小電極用の金属を後に堆積させることができる。この工程は任意的であり、すべての微小電極接点が完成したデバイスの正面上に形成されており、完成したデバイス上にそのような裏面電極が必要でない場合には、不要である。裏面電極金属層が含まれる場合、犠牲層の粒度から達成可能なより大きい有効表面積からそれがやはり恩恵を受けることから、この工程はやはり有利である。
【０１２４】
第1のポリマー層654上にマスク656を堆積させることでエッチングを行うことができる。薄膜加工用の十分に確立された方法を使用して、マスク656をフォトリソグラフィーで画定することができる。例えば、感光性樹脂656をポリマー層654上にスピンコーティングする。操作者がポリマー層654を除去することを選択する区域について、樹脂層657の非マスク部分を紫外線に露光するプロセスを使用する。紫外線に露光した非マスク区域657のみを選択的に除去する溶媒中で、デバイスを現像する。この例では下地層652をエッチングし、露光することで、この選択的エッチングプロセスはポリマー層654の区域を局在的に開口させる。いくつかの態様では、デバイスを酸素プラズマ中でエッチングして、ポリマー層657の露光部を除去する。同一のエッチングプロセスでエッチマスク656を除去することもできるが、それがポリマー層よりも厚い場合は完全には除去されないことがある。画定したエッチマスク656を図に図示する。あるいはまたはさらに、DCスパッタリングで堆積された二酸化ケイ素などの光画定不能な層でエッチマスク656を実現することもできる。次に二酸化ケイ素の上にフォトレジストを堆積させ、フォトリソグラフィーで画定する。ポリマー層654をエッチング後、二酸化ケイ素マスクを除去してもよい。
【０１２５】
図29Dは、ポリマー層657の露光部を除去した後のデバイスを図示する。図示するように、犠牲層652の一部をここで露光する。いくつかの態様では、続いて好適な溶媒を使用してフォトレジストマスク656を除去することができる。
【０１２６】
工程3:金属層の堆積および画定
図29Gに示すように、層の堆積をレジストマスク670を通じて行うこともできる。この場合、フォトレジストマスク686'をポリマー層654上にフォトリソグラフィーで画定する。次に導電性(例えば金属)層692'を、マスクデバイスの上に堆積させることができる。したがって、導電性層690がそこに形成されることが望ましい非マスク区域687は、フォトレジストマスク686'に対して開口しており、したがって、堆積した導電性層692'の一部は、非マスク区域687のポリマー層654上に直接着地する。この技術を「リフトオフ」技術と呼ぶこともある。次に、任意の導電性層692'がその上にあるフォトレジストマスク686'を溶解させ、したがって残留金属690のみが以前の非マスク区域のポリマー上に存在する。フォトレジスト686'の上にある金属層692'もフォトレジストマスク686'の除去により除去されることに留意されたい。有利なことに、ポリマー層654と接触している導電性層690の部分はマスク686'の除去後に残留する。
【０１２７】
ここで図29Hを参照すると、代替方法では、金属層692''をウェーハ650の表面全体に堆積させることができる。図示するように、犠牲層652の上に設けられるポリマー層654の上に、金属層692''を設ける。残留する金属層692''の部分の上にマスキング層686''を設ける。次に金属層692''の露光領域を、例えば以下に示すフォトリソグラフィー工程により局在的に除去することができる。
【０１２８】
次に図29Eを参照すると、電極680および1つまたは複数の導電性トレース682として役立つ導電性層を次に堆積させる。そのような導電性層は、DCスパッタリング、RFスパッタリングまたは蒸発技術などの任意の好適な薄膜プロセスで堆積される金属層を含み得る。許容される電気特性(電荷移動などの)および機械強度を確保するために、導電性層680、682中に堆積される金属は白金、イリジウム、白金-イリジウム合金、酸化イリジウム、チタンまたはチタン合金であることが好ましい。
【０１２９】
好ましい態様では、金属層680、682を、ポリマーと接触している接着促進層と共に堆積させる。例えば、初期部分工程においてチタンをポリイミド層654上にスパッタリングして接着を向上させた後、中間部分工程において白金層を堆積させることができ、任意的には後続の部分工程においてチタン層を白金層上に堆積させることができる。これはTi-Pt-Tiサンドイッチを作り出すものであり、チタンは、白金をそのいずれかの側面のポリイミドに接着させる役割を担い、白金は、使用される金属層となる。
【０１３０】
図29C〜図29Eを参照して先に記載の、裏面電極を生成する態様では、導電性層680は、裏面電極680の領域の犠牲層652に接触する。ポリマー層654上の金属と犠牲層652の露光部上の金属との間に接触が存在することを確実にするように、金属堆積技術を選択する。これは、金属680を等角的に堆積させること、およびポリマー層654が厚くなりすぎないことを確実にすることで行われる。次に金属層680を先に説明したようにフォトリソグラフィーで画定することができる。塩素ガスプラズマなどのプラズマ中のエッチを使用することで、フォトレジストマスクを使用して堆積した金属層を除去することができる。次にフォトレジストマスクを溶媒中で除去することができる。
【０１３１】
工程4:第2のポリマー層の堆積
次に、裏面電極態様に関する図29I、および図29Hを参照すると、図29Bに関して先に記載の技術のいずれかなどの好適な技術を使用して、第2のポリマー層672、692を堆積させる。下地ポリマー層654、664および任意の露光した金属層658、668の上に第2のポリマー層672、692を堆積させる。いくつかの態様では、第1のポリマー層654、664を加工することで、第2のポリマー層672、692に対するその接着を増加させることができる。例えば、酸素プラズマを使用する粗面処理または化学改変を通じて、そのような加工を達成することができる。第2の絶縁性層またはポリマー層672、692は、互いに異なる層上に形成される場合、電気トレースを絶縁する。いくつかの態様では、ポリマー材料をベーキングなどの熱プロセスに供することができる。
【０１３２】
工程5:ポリマー層の画定
次に図29I〜図29Kを参照すると、1つまたは複数のポリマー層654、691、したがってデバイスそれ自体を画定するために、エッチマスク695をデバイスの外面に堆積させる。このエッチマスク695は、光画定可能なレジストからなり得るが、著しい劣化なしにポリマー層のエッチに耐え得る二酸化ケイ素または非晶質ケイ素などのハードエッチマスクであることが好ましい。
【０１３３】
また、この時点のウェーハ650には、ハードマスク693を例えばDCまたはRFスパッタリングにより堆積させる。光画定可能なレジスト695をハードマスク693上に堆積させ、エッチングしようとするポリマー654、691の区域を画定する。
【０１３４】
次にハードマスク693を、ポリマー層654、691のエッチングに使用する可能性があるガスとは異なるガス、例えばCF4プラズマでエッチングする。図示するように、ここで1つまたは複数のポリマー層654、691を犠牲層652に対して酸素プラズマなどのガスでエッチングすることができる。したがって、図29Kに示すハードマスクの残留部分が、デバイスの端部659を画定することでデバイスの範囲を画定する。
【０１３５】
ハードマスク693の残留部分を後続の工程で除去してもよい。このエッチングプロセスの目標は、(i) 微小電極部位を画定すること、(ii) デバイス形状を画定すること、および(iii) 電子機器またはワイヤ取付部用の接触区域を画定することにある。例示的な完成した微小電極デバイスの上面図を図31Dに示す。別の例示的な完成した微小電極デバイスの断面図を図32Aに示す。
【０１３６】
裏面電極を作製する選択肢を工程2で採用する場合、デバイスは、その表面にある微小電極をいったん基板から除去する。そのようなデバイスを図24および図25に示す。例示的正面電極を図28Bのデバイスにおいて示す。
【０１３７】
工程6:電子機器の任意的ボンディング
ここで図29Lを参照すると、デバイスを電子機器と一体化しようとする場合、接触パッド699をこの時点で電気回路デバイス697への接続に使用することができる。例えば、集積回路チップ697を接点690(図29K)に接続することを、導電性エポキシ中間層を使用してチップ697をデバイス661にフリップチップボンディングすることで行うことができる。次にチップ697をエポキシなどの化学ボンディングでさらに付着させることで、デバイス661への強力かつ信頼できる接続を確実にすることができる。
【０１３８】
工程7:キャリアウェーハからのデバイスの除去
下地ウェーハ650よりMEMSデバイスなどのデバイス661を除去する、製造プロセスの最終工程を図29Mに図示する。犠牲層652(例えば図29L)を電気化学的にエッチング除去する。デバイス661下側からの犠牲層652の除去により、ウェーハ650よりデバイス661の裏面を取り除く。これは、高NaCl濃度を有する食塩水浴中にウェーハを置くことで達成することができる。浴中の白金電極を基準として使用することができる。白金電極に対してアルミニウム層に電圧を印加する。アルミニウムおよびTiWが作り出す電気化学セルによりアルミニウムをエッチングし、このエッチングはデバイスの下方で続けられる。デバイスは浴内に入れられ、除去される。
【０１３９】
図30は、裏面微小電極エレメント700の一態様の顕微鏡写真である。図29Eに示すプロセス工程において画像を撮影する。アルミニウム犠牲層表面704の粒度702を使用して、後続工程において金属電極の有効表面積を増加させる。微小電極エレメント700と電気的に連絡している相互接続リード706の一部も図示される。
【０１４０】
図31Aは、微小電極チップの一態様の構築エレメントの平面図である。構築エレメントはステンシルフレームツリー640を含み、これは支持構築フレーム644に離型可能に取り付けられている8つの剛性バッキング部材642を含む。剛性バッキング部材642の各々は、細長い部分と、製造された時点で1つまたは複数の電子機器を収容する開口部646を有する近位部とを含む。個々の支持構築フレームの各々をキャリアウェーハ上のデバイスにボンディングできるように、ステンシルフレームツリー640を剛性材料で実現することができる。
【０１４１】
図31Cは、微小電極アレイチップの一態様の構築エレメントの分解模式図を図示する。ステンシルフレームツリー400は、その中に形成されるマイクロアレイデバイス649を含むキャリアウェーハの表面上に設置される。ステンシルフレームツリー400は、キャリアウェーハ648のマイクロアレイデバイス649に好適に位置合わせされ、それにボンディングされる。ステンシルフレームツリー400をキャリアウェーハ648にボンディングする後または前のいずれかに1つまたは複数の電子機器をポリマーデバイス上に好適に設置することができる。
【０１４２】
図31Bは、図31Cに図示する構築エレメントの一部の模式図であり、組み立てた部品のクローズアップを図示するものである。例示的態様では、ポリマーデバイスは「裏面」電極プロセスを使用して製造された。
【０１４３】
図31Dは、図31Bに図示する構築エレメントの別の一部の模式図である。図29に関して先に記載のように犠牲層を除去した時点で、デバイス649はキャリアウェーハ648より離型され、ここで支持用のステンシル640にボンディングされる。例示的態様では、キャリアウェーハ648に対向し(かつ犠牲層と接触する)ポリマーデバイス649の側面は、その表面に微小電極を有する。一般に、本明細書に記載のように微小電極は一方または両方の側面に含まれ得る。
【０１４４】
いくつかの態様では、ポリマーマイクロデバイス649上の剛性バッキング642(図31A)が必要である。これによりデバイス649は完全にまたは局在的に剛性になる。この剛性は、組織への挿入に有利である可能性がある。コンセプトは、デバイスが作製されたキャリアウェーハ上のデバイス上にボンディング可能なステンシル形状640である。ステンシル形状640は、PEEKもしくはポリウレタンなどのポリマー、または医療グレードステンレス鋼もしくはチタンなどの金属で実現することができる。それを成形するか、機械加工もしくはレーザーで切断するか、または打ち抜くことができる。この剛性構造をデバイスに取り付けた際に、電子チップをボンディングすることができる。電子チップは事前にデバイスにボンディングしてもよい。組み立てプロセスの後で、先に記載のものと同一の犠牲エッチング技術を使用して、キャリアウェーハよりデバイスを取り外すことができる。さらなる組み立て手順は、剛性バッキングをそのフレームから取り外し、デバイスをその最終構造と一体化することであり得る。いくつかの態様では、剛性バッキングは導電性である。他の態様では、剛性バッキングは非導電性である。この支持構造が導電性材料でできている場合、刺激用の電気接地または基準としても役立ち得る。
【０１４５】
電子部品
デバイスの電子部品は、(i) 対象となる刺激領域にどの微小電極部位が最も近いかを同定するための、微小電極アレイからの神経活動の記録、ならびに(ii) 微小電極アレイと、どの微小電極部位で刺激するかを選択する能力とを用いる、神経活動の刺激および調節を可能にする。
【０１４６】
別個の部品、集積回路技術または両方の組み合わせを使用して電子機器を実現することができる。電子機器のブラックボックス設計を以下に示す。電子機器は、既存の埋め込み式パルス発生器(IPG)で駆動可能であるが、IPGから微小電極アレイへの信号を適切に調整または伝送する遠隔測定プログラミングインターフェースを含む。IPGを必要としない電子部品の態様が存在する。
【０１４７】
機械部品
機械部品および関連組み立てプロセスは、気密性および生体適合性の様式でデバイスを収納するために役立つ。それらは既存の埋め込み式パルス発生器、または体外制御ユニットに対する接続も可能にする。体外ユニットは電力、プログラミング能力および情報検索を与える。今日存在する外部蝸牛刺激システムと非常に同様にそれを埋め込むことができる。埋め込み式パルス発生器を含む態様では、それは情報を収集するために、かつIPGより微小電極アレイに信号を伝送するように電気ユニットをプログラムするために役立つ。
【０１４８】
図33を参照すると、刺激モードで構成されている神経標的刺激器820の例示的態様の機能ブロック図である。刺激器820は、神経標的に位置決め可能な微小電極アレイ826を含む埋め込み可能部分822を含む。埋め込み可能部分822は、神経標的を能動的に刺激するための信号発生デバイス828も含む。いくつかの態様では、微小電極アレイ826の1つまたは複数の微小電極の各々は専用の信号発生デバイス828と連通している。それぞれの刺激信号を、ピーク抵抗周波数に基づいて、個々の微小電極-組織界面について、最適化された周波数において与える。埋め込み可能部分822は電池などの電源832を含み得る。いくつかの態様では、埋め込み可能部分822は、体外ユニット824との外部連通用に構成されている遠隔測定および制御モジュール834も含む。そのような特徴を使用して、埋め込み可能部分822を操作するための体外制御を与えることができる。
【０１４９】
図33を参照すると、いわゆる伝送モードで構成されている神経標的刺激器840の別の例示的態様の機能ブロック図が図示されている。刺激器840は、神経標的に位置決め可能な微小電極アレイ846を含む埋め込み可能部分842を含む。埋め込み可能部分842は、神経標的を能動的に刺激するために微小電極846のうち1つまたは複数に刺激信号を向けるように構成されている信号伝送回路850も含む。この態様では、別個の埋め込み式パルス発生器857より刺激信号を得る。パルス発生器857は、1つまたは複数の信号リードを含む相互接続ケーブル856を通じて埋め込み可能部分842と連通している。埋め込み可能部分842は、微小電極846のうち1つまたは複数を通じた神経標的の刺激に適したパルス発生器857からの出力信号を調整するように構成されている少なくとも1つの信号調整器848も含む。埋め込み可能部分232は電池などの電源852を一般に含む。いくつかの態様では、埋め込み可能部分842は、体外ユニット844と連通するように構成されている、埋め込み可能部分842を操作するための制御を与える遠隔測定および制御モジュール854も含む。
【０１５０】
既存信号のフィルタリング
いくつかの態様では、信号調整器848は、既存の信号を微小電極アレイに伝送する前にプレフィルタリングまたは利得調整する(例えば予め増幅および/または減衰させる)かそうでなければ調整する、フィルタリング回路を含む。いくつかの普及しているフィルターの選択肢としては、無限インパルス応答(IIR)フィルターなどのデジタルフィルター、インダクタおよびコンデンサなどの、1つまたは複数の電気部品を使用する電子フィルター、ならびに表面弾性波(SAW)デバイスが挙げられる。周知のフィルター合成技術を通じてフィルターを好適な性能特徴を有するように設計することができる。フィルター合成における制御可能な特徴の一部としては濾波帯域幅、コーナー周波数、通過帯域リップルおよび相対側波帯レベルが挙げられる。そのようなフィルターとしてはバターワースフィルター、チェビシェフ1型および2型フィルターならびに楕円フィルターと呼ばれる分類が挙げられる。特定の実施形態は、アナログであれデジタルであれ、受動であれ能動であれ、ほとんど異ならない。これはどの実施形態からの出力でも所望の出力にやはり一致するためである。
【０１５１】
図35は、神経微小電極標的刺激器814が示される別の態様の機能ブロック図である。刺激器814は、対象となる神経標的に位置決め可能な微小電極アレイ815を含む。刺激器814はまた、電気インピーダンスを測定するように構成されているインピーダンス分析器816と、好適周波数検出器817と、神経標的を電気的に刺激するための刺激器818とを含む。
【０１５２】
インピーダンス分析器816は、電気インピーダンスを測定するための各種の公知の技術のいずれかを使用することができる。一般に、インピーダンス分析器816は、公知のまたは測定可能な性質を有する試験電気信号を微小電極-組織界面に与える。そのような性質としては電圧源の電圧レベルまたは電流源の電流レベルが挙げられる。場合によっては、試験電圧または電流は、微小電極-組織界面に印加される際に、微小電極-組織界面の物性に従って感知電流または感知電圧を誘導する。インピーダンス分析器816は、試験信号対感知信号の比を形成することで、オームの法則Z=V/Iに従ってインピーダンス値を与えることができる。微小電極-組織インピーダンスZは複合量であるため、試験電気信号および感知電気信号の各々を絶対値と位相との両方を有するものとして同定する。
【０１５３】
操作中に、インピーダンス分析器は、少なくとも1つの微小電極815を取り囲む微小電極-組織界面の複合インピーダンスを測定する。インピーダンス分析器は、印加試験電気信号の周波数を変動させることで、複数の異なる周波数において測定を繰り返す。好ましくは、複数の周波数は、生物学的に関連性のある周波数を含む周波数範囲に及ぶ。好適周波数検出器817は、純抵抗に最も近い測定インピーダンスを同定する。ゼロに最も近い位相値を有するインピーダンス測定値を同定することで、そのような決定を達成することができる。例えば、最小絶対値相(すなわちMIN |∠Z|)を有する測定インピーダンスを同定することができる。最小リアクタンス(すなわちMIN(Im{Z}))を有するインピーダンス測定値を同定することで、そのような決定を達成することもできる。インピーダンスが純抵抗に最も近いと決定される周波数を好ましい刺激周波数として同定する。次に、刺激器818を調整することで、好適刺激周波数またはその近傍における周波数または周波数帯域において刺激信号を与える。次に刺激信号を微小電極アレイ815に印加する。
【０１５４】
微小電極アセンブリ920の例示的態様の上面図を図36に図示する。アセンブリ920は、細長いプローブ基板924の遠位端に沿って位置決めされる微小電極922のアレイを含む。第1の電子機器アセンブリ928は細長いプローブ基板924の近位端に位置決めされる。第1の電子機器アセンブリ928は、マイクロプロセッサなどの1つまたは複数の集積回路エレメント921と、1つまたは複数の別個の電子部品932とを含み得る。第1の電子機器アセンブリ928は、細長いプローブ基板924に沿って延びるそれぞれのトレース926を通じて微小電極922の各々に相互接続している。本明細書に記載の埋め込み式神経刺激器の1つまたは複数の機能を実現するように電子機器アセンブリ928を構成することができる。いくつかの態様では、細長いプローブ基板は電子機器アセンブリ928の少なくとも一部も含む。
【０１５５】
いくつかの態様では、第1の電子回路928は埋め込まれたパルス発生器(図示せず)にケーブル924を通じて接続される。いくつかの態様では、図示するように、第2の電子機器アセンブリ(または第1の電子機器アセンブリの一部)は遠隔測定アンテナなどの遠隔測定回路939を含む。例示的態様では、電子回路928、938の少なくとも一部は微小電極922に隣接して位置決めされ、例えば細長いプローブ基板924により連結される。
【０１５６】
機械部品および関連組み立てプロセスは、気密性および生体適合性の様式でアセンブリ920を収納するために役立つ。それらは既存の埋め込み式パルス発生器、または体外制御ユニットに対する接続も可能にし得る。体外ユニットは電力、プログラミング能力および情報検索を与えることができる。いくつかの態様では、現在利用可能な外部蝸牛刺激システムと非常に同様にアセンブリ920を埋め込むことができる。埋め込み式パルス発生器を含む態様では、それは情報を収集するために、かつ埋め込み式パルス発生器より微小電極アレイ922に信号を伝送するように電気ユニットをプログラムするために役立つ。
【０１５７】
本デバイスは、微細加工部品、電子部品および機械部品を組み入れることで、非常に局在化しかつ効率的な刺激を与える。微細加工部品は微小電極アレイからなる。このアレイはポリイミド、ポリウレタン、パリレンまたはポリシロキサン(シリコーン)などのポリマー材料で実現することができ、白金、白金-イリジウム、イリジウム、酸化イリジウムまたはチタンなどの大きい電荷輸送能力を有する金属または金属酸化物の薄膜層またはめっき層を含む。ポリマー層および金属層は、スピンコーティング、DC/RFスパッタリング、フォトリソグラフィー、プラズマエッチング、および二酸化ケイ素または感光性レジストなどの二次材料または犠牲材料からなるマスクによるエッチングなどの微細加工の確立された原理を使用して順次堆積させ、成形することができる。金属層を成形することで、微小電極アレイ、ならびにアレイを電子機器およびハウジングに接続するトレースを作り出すことができる。ポリマー層は、トレースを互いに隔離するが移植片の刺激/記録チップの構造も与えるために役立つ。そのような微細加工部品を構築する記述可能ないくつかの製造方法が存在する。
【０１５８】
本デバイスの電子部品またはマイクロ電子部品は以下を可能にする: (i) 電気インピーダンス分光法を使用して個々の微小電極部位についてピーク抵抗周波数を同定する能力、(ii) 各微小電極の特徴的ピーク抵抗周波数において刺激すること(これは信号ひずみの最小化および組織に対する電荷移動の最大化を保証する)、ならびに(iii) 微小電極アレイによるニューロン活動の刺激および調節、ならびにどの微小電極部位で刺激するかを選択する能力。
【０１５９】
別個の部品、集積回路技術、デジタル信号処理(DSP)または3つすべての組み合わせを使用して電子機器を実現することができる。電子機器を1つのユニットに組み入れることができ、または既存の埋め込み式パルス発生器(IPG)との組み合わせで使用することもできる。電子機器は、IPGから微小電極アレイへの信号を適切に調整または伝送する遠隔測定プログラミングインターフェースを含み得る。
【０１６０】
図37を参照すると、微小電極構造の例示的代替態様の側面図が図示されている。この態様では、微小電極アレイ952より離れて電子機器アセンブリ956が位置決めされる。相互接続電気リード954の配置を通じて微小電極アレイ952が電子機器アセンブリ956に連結される。本明細書に記載の埋め込み式神経刺激器の1つまたは複数の機能を実現するように電子機器アセンブリ956を構成することができる。図示するように、電子機器アセンブリ956を埋め込まれたパルス発生器(図示せず)に相互接続ケーブル960を通じて接続することもできる。あるいはまたはさらに、電子機器アセンブリ956は外部遠隔測定デバイス962との連通用の遠隔測定回路を含み得る。
【０１６１】
電子機器アセンブリは地電位958に対する相互接続用の電気接地リードを含み得る。本明細書に記載の態様のいずれかにおいて、2つ以上の微小電極(例えば隣接する微小電極)の間でインピーダンス測定および/または刺激を実現することができる。あるいはまたはさらに、1つまたは複数の微小電極と電気接地基準との間でインピーダンス測定および/または刺激を実現することができる。
【０１６２】
電子機器を含まないようにデバイスを組み立てることができることに留意されたい。そこでこのデバイスは、埋め込み式パルス発生器からの信号を電極に直接移動させる。電子機器を有するデバイスは最初に信号を「プレフィルタリング」した後、電子機器に印加する。この「プレフィルタリング」は、ある種の信号スペクトルを実現するための信号フィルタリング、多重化、およびパルス発生器からの信号を選択微小電極部位に向けるための伝送の形態を取る可能性がある。以下の図面は異なる部品および態様を示す。
【０１６３】
四極管配置を含む微小電極アレイエレメント構成の様々な例示的態様を図38A〜38Dに図示する。図38Aを参照すると、微小電極アレイエレメント1000は刺激電極1002および4つの記録電極1004を含む。例示的態様では、刺激電極1002は円板形であるが、多角形、長円形および不規則形状などの他の形状が予想される。この態様では、記録電極1004は、刺激電極1002よりも実質的に小さく、刺激電極1002の外周囲内に位置決めされる。この配置を収容するために、刺激電極はそれぞれの開口区域1006を含み、これは記録電極の各々につき1つである。例示的態様では、記録電極1004は均一に隔てられており、隣接する対の間に約90°の角度分離を有する。
【０１６４】
一般に、開口区域1006は任意の形状を有し得るものであり、形状は、その中に位置決めされ得る任意の記録電極1004の形状と同一である必要はない。例示的態様では、開口区域1006は、円板形の記録電極1004と同様の形状、すなわち円形を有する。開口部は、刺激電極1002に接することなく記録電極を開口区域1006内に設置することができるように、記録電極1004よりも大きくなっている。2つの電極1002、1004間には環状の分離領域が存在する。記録電極1004は各々、互いに類似した形状および/または大きさであることができる。それらは刺激電極1002と同様の形状を有し得るか、または異なる形状を有し得る。いくつかの態様では、記録電極1004の少なくともいくつかは互いに異なる形状および/または異なるサイズを有する。
【０１６５】
例示的態様では、4つの円板電極1004がより大きい刺激電極1002内に包埋される。記録電極1004は各々、約50μmのそれぞれの直径、および約150μmのそれらの最近接電極に対する相対分離を有する。刺激電極は300μmの直径を有する。いくつかの態様では、各記録電極の直径は約2μm以下〜約300μm以上の範囲であり得る。いくつかの態様では、刺激電極の直径は約5μm以下〜約1,000μm以上の範囲であり得る。
【０１６６】
図38Bを参照すると、微小電極アレイエレメント1010の代替態様は、刺激電極1012を非閉鎖状円板として示す。一般に、刺激電極1012の外周囲には環状のアークが続き、陥凹は、周囲から電極1012の中心に向けて内方に延伸する開口区域1016を画定する。特に、4つのそのような開口区域1016またはスロットは各々、それぞれの記録電極1014を収容する。記録電極1014は、刺激電極1012の中心に最も近い開口区域1016の内端に向けて位置決めされる。少なくともいくつかの態様では、記録電極1014は開口区域1016の周囲から隔てられており、したがって記録電極1014は刺激電極1012に接しない。いくつかの態様では、非常に局在化した電界を防ぐために、刺激電極1012の周囲は一般に丸形であり、急峻な角を有さない。4記録電極の態様が示されているが、それぞれの開口区域1016内に位置決めされる1つまたは複数の記録電極を含む他の態様が可能である。刺激電極および記録電極の各々について環状の形状が図示されているが、異なる形状を使用することができる。形状は楕円、多角形などの規則形状、および不規則形状であり得る。
【０１６７】
図38Cを参照すると、2つの四極管1024aおよび1024bが同一の刺激電極1022内に包埋されている以外は先に記載の態様と同様の微小電極アレイエレメント1020の態様が図示されている。2つの四極管1024a、1024bは、神経活動に対する異なる感受性を有する異なる体積、サイズの組織からの神経活動を記録することができる。「内側四極管」1024bは、「外側四極管」1024aと同一のまたは異なる微小電極直径を有し得る。図面は、50μm円板を有する「内側四極管」および60μm円板を有する「外側四極管」を示す。四極管エレメントの他の形状、サイズおよび数が可能である。
【０１６８】
図38Dに図示する別の微小電極エレメントの態様1030を参照すると、四極管1034は刺激電極1032にごくわずかに包埋されている。図示するように、開口区域1036の最も内側の部分は、記録エレメント1034の直径未満の距離で、刺激電極1032の外周囲より隔てられている。そのような構成は、記録される組織の感受性および体積の調整および最適化を可能にする。
【０１６９】
神経刺激デバイスおよび技術の各種態様を本明細書で説明した。これらの態様は例として示され、本発明の範囲を限定するようには意図されていない。さらに、説明した態様の様々な特徴を様々な方法で組み合わせて数多くのさらなる態様を生成することができるということを認識すべきである。
【０１７０】
先に記載の微小電極アレイエレメント1000、1010、1020、1030のいずれかの1つまたは複数を細長い円柱状部材上に位置決めして、微小電極アレイを形成することができる。あるいはまたはさらに、先に記載の微小電極アレイエレメント1000、1010、1020、1030のいずれかの1つまたは複数を細長い平面状部材上に位置決めして、やはり微小電極アレイを形成することができる。例示的な平面状のプローブ延伸部1040を図39Aに図示する。プローブ延伸部1040は4つの微小電極エレメント1045を含む。微小電極エレメント1045の各々は、それぞれの刺激電極1042、および記録電極1044の四極管配置を含む。図示される態様では、円板状の四極管エレメント1044が円板状の刺激電極1042の外周囲に沿って配設され、四極管エレメント1044が刺激電極1042の外周囲より隔てられるようにする。
【０１７１】
平面状のプローブ延伸部1050の別の代替態様を図39に図示する。この態様では、プローブ延伸部1050の各々は4つの微小電極エレメント1055を含む。微小電極エレメント1055は各々、個々の刺激電極1052と、四極管配置の記録電極1054とを含む。図示される態様では、円板状の四極管エレメント1054が環状の刺激電極1052の開口内側領域内に配設され、四極管エレメント1054が刺激電極1052の環状の内周囲より隔てられるようにする。
【０１７２】
微細加工神経刺激デバイスの各種態様を本明細書で説明した。これらの態様は例として示され、本発明の範囲を限定するようには意図されていない。さらに、説明した態様の様々な特徴を様々な方法で組み合わせて数多くのさらなる態様を生成することができるということを認識すべきである。さらに、各種の材料、寸法、形状、埋め込み位置などを、開示された態様での使用について説明したが、開示されたそれら以外の他のものを、本発明の範囲を逸脱することなく利用することができる。
【０１７３】
本明細書に記載のいくつかのデバイスを経皮的または恒久的のいずれかとして同定したが、そのような経皮的デバイスを恒久的に使用し、長期間、さらには無期限に埋め込むことができると理解される。同様に、本明細書において恒久的であると記載される任意のデバイスについて、そのようなデバイスを経皮的に使用することもできると理解される。
【０１７４】
本発明をその好適な態様を参照して特に示しかつ説明したが、添付の特許請求の範囲により包含される本発明の範囲より逸脱することなく形態および詳細の様々な変更を本発明において行うことができるということを、当業者は理解するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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【図１５Ｈ】
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【図１５Ｉ】
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【図１５Ｊ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３１Ｄ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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