JP2007516010A - 経皮電極アレイ - Google Patents

Abstract

治療用電気エネルギーを患者の体内の治療部位に供給するための経皮電極アレイを開示する。このアレイは、表皮に挿入される複数の電極微細構造を備え、これにより外皮層の固有電気インピーダンスに打ち勝ち、電気治療処置の前に皮膚表面を調える必要をなくす。好ましくは、上記アレイは、治療処置が行なわれる間、電極微細構造を表皮に挿入された状態に保つための接着層と、確実に適切な処置を行なうともに患者の安全を向上するための温度および状態モニタ装置とを含む。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００１年１月８日に出願され、現在米国特許＿＿＿＿号となっている米国特許出願番号０９／７５６，９９９の一部継続出願である。同出願は、２０００年１月７日に出願された米国仮出願番号６０／１７５，００３および２０００年２月１７日に出願された米国仮出願番号６０／１８３，２５８の優先権を主張するものであり、その教示および実施形態はこれらに言及することにより本出願に組み込まれる。

本発明は電気治療方法および装置に関し、特に、一時的なもしくは慢性の病気に起因する痛み、または手術中もしくは術後の痛みを緩和するための治療用電気信号を印加するための方法および装置に関する。

電気治療とは、治療効果を得るために人間の患者の体に対して電気エネルギーを付与することである。電気治療によって得られる治療効果には、痛みの遮断、エンドルフィンまたはその他のアヘン剤のような類似体の放出によるものであると考えられる残存痛の緩和、頭痛の軽減、血流量の増加、動作範囲の増加、軟骨の再成長または再生、骨の成長の加速化、出産のための電子硬膜外麻酔、および皮下組織への低周波電界の導入によるその他の有益な効果が含まれる。本願により定義される電気治療には、電気浸透法、電気穿孔法やイオン導入法、または人体内からあるいは人体外への化学薬品や液体の経皮的な搬送を促進するために電界や電流などの電気エネルギーが用いられるその他の方法は含まれない。また、組織の切除や焼灼に無線周波数の電気エネルギーが用いられる電気外科も含まれない。

典型的に、電気治療では患者の体内に電気エネルギーを導入するために非侵襲性の技術が用いられる。使い捨て電極パッドが患者の表皮表面に配置され、発電機に接続される。発電機は、選定された互いに離間する電極パッドが患者の体の上にあり、痛みの部位が電極パッド間に位置し、電界の大部分がパットの置かれている各皮膚表面に対して垂直に位置する状態で、２つ以上の発振電流または複雑な形の電流を患者に供給する。上記電流は、少なくとも約１ＫＨｚであり、かつ互いに１ヘルツから約２５０ヘルツわずかに異なる周波数を有している。神経繊維膜および／またはその他の電気化学的に活性な構造もしくは液体の非線形作用により、上記２つの異なる独立した周波数信号の混合がパッド周囲およびパッド下の大量の組織の中でパッド間の軸に沿って生じ、治療効果をもたらす。この混合により、合成された和周波数および差周波数の分布が生じ、その中には信号のうなり周波数に相当する治療用低周波が含まれる。

皮下組織を通過しかつ治療効果をもたらすためには、体に印加される電気信号は皮膚の電気インピーダンスに打ち勝たなければならない。電気インピーダンスとは、皮膚を通過する電流量を制限する皮膚の性質のことである。皮膚の最上層である角質層は死んだ皮膚細胞で構成され、皮膚の高い電気インピーダンスの原因となっている。乾燥した、損傷のない皮膚は、１０００００オームを超えるインピーダンスを有しうる。入念に整えられた皮膚、すなわち、剃毛あるいは除毛が行なわれた場合、失活したあるいは汚染された組織の創面切除が行なわれた場合および皮膚表面が湿潤化された場合でさえ、１０００オームを超えるインピーダンスを有しうる。皮膚のインピーダンスに打ち勝ち、治療的に有用な量の電流を体組織中に流すためには、潜在的に大きな電圧が必要であろう。この比較的大きな必要エネルギーにより、電池によって電力が供給される携帯型発電機の使用可能時間が制限される。

加えて、電流は皮膚表面にわたってまたはその直下を流れる場合があり、さらに体組織に供給される有用電流量が減少する。このような漏れ電流は皮膚の様々な層から発生し、人体構造に付与することが可能な周波数範囲を制限しうる。これらの皮膚層は、電流に対する障壁として作用する電気容量および抵抗特性をもたらし、それにより、漏れ電流を補償するためのより大きな電源が必要となり、さらに電池寿命が減少する。

その他の関連性のない分野において行なわれた生物医学的研究により、皮膚のインピーダンスを減少させるための方法が見出されている。例えば、ある研究は、シリコン極微針アレイを使用して、そのアレイ／皮膚界面の大分子搬送特性を評価した（ヘンリー（Ｈｅｎｒｙ，Ｓ．）ら、「微細加工された極微針：経皮的な薬剤搬送のための新規なアプローチ」、８７ Ｊ．Ｐｈａｒｍ．Ｓｃｉ．９２２−９２５（１９９８）を参照）。極微針アレイとは、通常の注射針によって患者が感じるような痛みを伴うことなく、十分な量の薬剤を、注射針を介して皮膚に注入できるように制限された長さを有する小型注射針のアレイである。ボランティアは、極微針アレイの挿入の感覚について、皮膚に１枚のテープを貼り付けるのに似ていると述べた。この研究により、極微針アレイによって皮膚抵抗が５０倍減少したことが明らかになった。

別の研究では、銀または塩化銀を被覆した銀のスパイクのアレイが脳波記録（ＥＥＧ）、すなわち、脳の電気的活動の測定用の電極として用いられた（グリス（Ｇｒｉｓｓ，Ｐ．）ら、「微細加工されたスパイク生体電位電極の特性解析」４９ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．５９７−６０４（２００２）を参照）。同アレイは、ＥＥＧ活動をモニタするために患者の額に装着された。このアレイは、脳によって生成された微弱なＥＥＧ電気信号を検出する目的で皮膚抵抗に打ち勝つために用いられた。

また、イオン導入法および電気穿孔法と併用される針アレイに対しても特許が付与されている。イオン導入法においては、イオン化分子を加速して人体へ付加または人体から除去するために電界が用いられる。例えば、ガルトスタイン（Ｇａｒｔｓｔｅｉｎ）らは、２００２年４月３０日に発行された特許第６，３７９，３２４号において、アノード電極およびカソード電極と組み合わせて用いられる成形または鋳造プラスチック極微針アレイを開示している。印加された電位により、イオン化薬剤が加速されて体内に入る。また、同アレイは、生物電気化学センサによる分析のために人体から液体を除去するために電界を用いている。

電気穿孔法においては、高電界の短いパルスが細胞に印加され、細胞壁が一時的に多孔質となる。印加された電界は、細胞壁に永久的な損傷が起こることがないように調整される。デブ（Ｄｅｖ）らは、２００２年９月１７日に発行された特許第６，４５１，００２号において、針アレイを用いて腫瘍を治療するための方法を開示している。高い振幅の電気信号が針に印加され、それにより針の間の組織細胞の電気穿孔を行なう。この電気穿孔と同時に、腫瘍治療用の薬剤が針を介して注入され、それにより薬剤の組織細胞への導入が増進される。

電気外科は、手術中の組織の切除および凝血のために無線周波数の電気エネルギーを用いるものである。このような処置においては、上記電気エネルギーはプローブを介して患者に供給される。プローブにより、医師は患者の体のうち切除を望む部位に電気エネルギーを向けることができる。電気回路を完成させるために、リターン電極が患者に装着される。電流密度を減少させるとともにリターン電極での患者の皮膚のやけどを防ぐため、リターン電極の患者に接触している表面積は大きくなっている。例えば、フリーノア（Ｆｌｅｅｎｏｒ）らは、２００３年４月８日に発行された特許第６，５４４，２５８号において，自己調整・自己制御式の電気外科用リターン電極パッドを開示している。患者は、電気外科処置の間、パッドの上に横たわる。このパッドは、高電流密度および温度上昇を防ぐように設計された大きい表面積を有しており、それにより患者の外傷が防止される。

心電図（ＥＣＧ）などの医療検査処置用に設計された電極パッドは、一般的に、電極パッド内に配置された電解質に電気的に接続された、リード線などの導電体を用いている。例えば、カートメル（Ｃａｒｔｍｅｌｌ）らは、１９８７年１０月１３日に発行された特許第４，６９９，６７９号において、導電性接着層を下面に有する２枚の発泡シートを含む医療用使い捨て電極パッドを開示している。同パッドは、上記発泡シート間に電解質ゲルマトリックスをさらに含む。これらのパッドは、患者によって生成される電気信号のモニタ用に設計されているが、電気治療などにおいて患者に刺激信号を付与するために用いられることもある。

電気エネルギーを皮膚に付与することにより皮膚のインピーダンスを減少させることが可能であることは当該技術分野において知られている。例えば、キャリム（Ｃａｒｉｍ）らは、２０００年２月２９日に発行された特許第６，０３２，０６０号において、皮膚の状態を電気的に調えるために、患者の皮膚上に配置された医療用電極を介して電気エネルギーを供給することを開示している。皮膚のインピーダンスが減少することにより、生体電気信号のモニタ能力が高められ、電気穿孔法や経皮イオン導入に必要なエネルギー量を軽減することができる。

上記の各参考文献は、薬剤を人体に供給するあるいは人体に電気外科手術を施すために、人体によって生成される電気信号を検知するよう設計された装置を提供している。引用文献に開示されたこれらの装置は、これらをその意図される用途に適したものとする物理的特性および電気的特性を有しているが、電気治療用に設計されたものではない。

治療用電気エネルギーを患者の体内の治療部位に付与するための経皮電極アレイを開示する。このアレイは、表皮に挿入される複数の電極微細構造を備え、これにより外皮層の固有電気インピーダンスに打ち勝ち、電気治療処置の前に皮膚表面を調える必要をなくす。好ましくは、上記アレイは、治療処置が行なわれる間、電極微細構造を表皮に挿入された状態に保つための接着層と、確実に適切な処置を行なうともに患者の安全を向上するための温度・状態モニタ装置とを含む。

１つの側面においては、本発明は、患者に治療用電気エネルギーを供給するための経皮電極アレイであって、上面および下面を有する基板と、近位端、遠位端、前記近位端から前記遠位端までの軸、および前記軸に沿った長さをそれぞれ有する複数の電極とを備え、各電極は前記基板の上面に取り付けられ、前記電極は０．２平方センチメートルより大きい総表面積を有するアレイに関する。

本発明の別の側面においては、前記電極は実質的に円筒であり、２０〜２５０マイクロメートルの直径を有する。

本発明の別の側面においては、前記電極は、実質的に、一対の狭い側面、一対の広い側面、上面および下面を有する直方体であり、前記広い側面が２０〜２５０マイクロメートルの幅を有する。

本発明の別の側面においては、前記広い側面は約２００マイクロメートルの幅を有する。

本発明の別の側面においては、前記電極の長さは１２０〜５００マイクロメートルの間である。

本発明の別の側面においては、前記電極の長さは１５０〜２００マイクロメートルの間である。

本発明の別の側面においては、各電極の前記遠位端は、１つまたはそれより多く、細く尖っており、皮膚内への配置が容易である。

本発明の別の側面においては、前記電極の軸は前記基板に対して垂直である。

本発明の別の側面においては、前記電極の軸は前記基板に対して垂直から平行の間で傾斜している。

本発明の別の側面においては、前記基板は形状記憶合金を含む。

本発明の別の側面においては、前記電極は、１つまたはそれより多いドープ半導体材料、シリコン金属化合物、ステンレス鋼、導電性ポリマー、炭素同素体、および、塊もしくは堆積された材料としての導電性金属を含む。

本発明の別の側面においては、温度素子が前記基板に接合されている。

本発明の別の側面においては、前記温度素子は、サーミスタ、ダイオード、半導体接合および熱電対のうちの１つである。

本発明の別の側面においては、上記アレイは接着層をさらに備える。

本発明の別の側面においては、上記アレイは、前記基板の上面から下面に貫通する複数の空隙と、下面、上面および該上面の上に伸びる複数の突出部を有する接着層であって、前記接着層の上面が前記基板の下面に取り付けられ、前記突出部が前記空隙を貫通して前記基板の上面から第１の高さに達している接着層とを、さらに備える。

本発明の別の側面においては、前記電極は、前記接着層の前記第１の高さの上方に、１５０〜２００マイクロメートル伸びている。

本発明の別の側面においては、前記電極は、前記接着層の前記第１の高さから上方において、少なくとも０．２平方センチメートルの総表面積を有する。

本発明の別の側面においては、前記接着層は導電性ヒドロゲルを含む。

本発明の別の側面においては、前記接着層は剥離可能な医療用接着剤を含む。

本発明の別の側面においては、前記接着層は周囲の条件に応じて変色する。

本発明の別の側面においては、上記アレイは、前記接着層の下面に配置された容量性プレートと、前記容量性プレート上に前記接着層と対向して配置された電気絶縁層とをさらに備える。

本発明の別の側面においては、上記アレイは、前記接着層に埋め込まれた温度素子をさらに備える。

別の側面においては、本発明は、患者に治療用電気エネルギーを供給するための経皮電極アレイであって、上面および下面を有する基板と、近位端、遠位端、前記近位端から前記遠位端までの軸、および前記軸に沿った長さをそれぞれ有する複数の電極とを備え、各電極は前記基板の前記上面に取り付けられ、前記基板は１４．１平方ミリメートルよりも大きい表面積を有し、前記電極は０．２平方センチメートルよりも小さい総表面積を有するアレイに関する。

別の側面においては、本発明は、患者に治療用電気エネルギーを供給する電極であって、第１の面および第２の面を有する基板と、下面および前記基板の第１の面に取り付けられた上面を有する接着層と、前記接着層の下面に配置された容量性プレートと、前記容量性プレート上に前記接着層と対向して配置された電気絶縁層とを備える電極に関する。

別の側面においては、本発明は、患者に治療用電気エネルギーを供給する電極であって、第１の面および第２の面を有する基板と、前記基板に接合された温度素子とを備える電極に関する。

別の側面においては、本発明は、経皮電極アレイを製造するための方法であって、半導体リソグラフィー処理により、基板および複数の電極を有する経皮電極アレイの主型をシリコンから微細機械加工するステップと、前記主型に銀薄膜、続いてニッケルを電気メッキすることにより複製型を作成するステップと、ポリマーフィルムを加熱し、軟化させ且つ圧延するステップと、圧力を用いて前記膜を前記複製型内に押し込んでアレイ構造を形成するステップと、前記アレイ構造を冷却し、前記複製型から前記構造を取り出すステップとを含む方法に関する。

本発明の別の側面においては、上記方法は、アレイ材料を熱処理して炭化構造を形成するステップと、前記構造に接着層を堆積させるステップとをさらに含む。

本発明の別の側面においては、前記ポリマーフィルムはポリメチルメタクリレートを含む。

本発明の別の側面においては、上記方法は、前記構造に導電性インクを噴霧し、該構造を加熱して導電性コーティングを形成するステップをさらに含む。

本発明の別の側面においては、上記方法は、前記アレイ構造に酸化インジウム錫前駆体を噴霧、浸漬またはスピンコーティングするステップと、該構造を加熱し、導電性フィルムコーティングを形成するステップとをさらに含む。

本発明の別の側面においては、上記方法は、蒸着法またはスパッタリング法により、前記アレイ構造上に酸化インジウム錫を含む導電性フィルムを形成するステップをさらに含む。

別の側面においては、本発明は、患者の表皮下の治療部位内の体組織に治療用電気エネルギーを導入する方法であって、第１および第２の信号を発生するように構成された信号発生器と、第１および第２の経皮電極アレイとを備える電気治療装置を提供するステップと、前記第１および第２のアレイが前記患者の組織上に配置され、且つ前記治療部位が前記第１および第２のアレイの間に位置するように、前記患者の体の第１の部分上に前記第１のアレイを配置し、前記患者の体の第２の部分上に第２のアレイを配置するステップと、前記第１および第２の信号から治療用信号を生成するステップと、前記第１および第２のアレイを介して前記治療用信号を導入するステップとを含む方法に関する。

開示される好ましい実施形態により、経皮電極アレイを介して人体に治療用電気信号を付与することが可能となる。上記アレイは、電気治療用発電装置によって提供される治療用電気エネルギーを人体に効率的に供給する。このようなエネルギーの発生に適した電気治療用発電装置は、２００１年１月８日に出願され、名称「電気治療方法および装置」である（そしてペニー・アンド・エドモンズ（Ｐｅｎｎｉｅ＆Ｅｄｍｏｎｄｓ）代理人登録番号９７５６−００５−９９９により識別される）米国特許出願番号０９／７５６，９９９に開示されており、それは、その教示および実施形態のために、言及することにより全て本明細書に組み込まれる。

図１に経皮電極アレイの構成を示す。図１に示すように、同アレイは、基板１１０および複数の電極１２０を備えている。電極１２０は、基板１１０の上面に取り付けられている。アレイへの電気的接続は基板１１０の裏面においてなされており、アレイの底面全体がプラスチック織または織布製のカバーなどの絶縁性材料で保護されていることが好ましい。

各電極１２０は、近位端において基板に取り付けられた直方体の筒を有することが好ましい。または、各電極１２０は、円筒または錐を有することが好ましい。いずれの電極の実施形態の遠位端も、１つまたはそれより多い、丸みを帯びた三角形状であり且つ尖った先端をさらに有することが好ましい。各電極の幅または直径Ｗ１は、好ましくは２０〜２５０マイクロメートルの間である。

アレイにおける電極の総表面積は、各電極の面積に、皮膚と接触している電極数を乗じたものに等しい。この面積は、装着された皮膚の領域を流れる電流密度を制限しつつ、電気治療用発電装置によって人体に導入された電流を搬送するのに十分な大きさでなければならない。各電極の表面積は、電極の遠位端面積に、電極の実効長Ｌ１、すなわち皮膚に挿入される長さに沿った表面積を加えたものである。電極の総表面積は０．２平方センチメートルよりも大きいことが好ましい。

別の好ましい実施形態においては、電極の総表面積は０．２平方センチメートルよりも小さいが、基板は１４．１平方ミリメートルよりも大きい表面積を有している。電極面積と共に、基板の電流伝導面積により、電流密度が皮膚に限定されている。

電極の有効接触面積は、電極の総表面積に、人体のイオン環境と接触する電極素子表面積（電極の長さの７０％）および皮膚と接触している電極数（アレイに含まれる総電極数の８０％）にあたる低減係数５６％を乗じたものに等しい。食品医薬品局（ＦＤＡ）は、現在、電気治療装置に用いられる電流密度を、接触面積１平方センチメートルあたり１０ミリアンペア未満に制限している。当業者は、電流密度をＦＤＡ規制未満に減少させるために必要な有効接触面積を達成するためにいくつかの異なる構成を用いることが可能であることを理解するであろう。上記面積を増加させる１つの方法は、経皮電極アレイに含まれる各電極１２０の長さＬｌ、すなわち、人体のイオン環境に接触している長さを長くして導電面積を最大化することである。最大長は、人体に含まれる皮膚の構造を観察することにより決定される。

図２は、皮膚の典型的な断面を示している。図２に示される皮膚の最上層である角質層は、その大部分が死んだ皮膚細胞で構成されている。角質層の下のその他の層には、透明層、顆粒層、有棘層および基底層が含まれる。これら５つの層は、まとめて表皮として知られている。表皮は、真皮として知られる発芽している皮膚層を覆っており、この層もまた神経、動脈、静脈やリンパ管を含んでいる。皮膚の位置および状態にもよるが、表皮の厚さは約１２０〜５００μｍである。電極１２０の実効長は、１２０〜５００μｍの間であることが好ましいが、電極１２０の先端が表皮を貫通しながらも、いかなる神経、動脈、静脈あるいはリンパ管にも到達することがないように１５０〜２００μｍの間であることがより好ましい。電極の実効長は、アレイの取付位置および体の当該領域内の皮膚の状態に適合させることが好ましい。電極の長さは、これらの変動要素に合わせて調整され、これにより電極アレイを表皮をわずかに通過した場所にうまく移動させることが可能となる。この領域には痛みの受容器がほとんど存在せず、経皮電極アレイの挿入は事実上無痛となる。皮膚の持つ弾性により、アレイを取り外した後に電極１２０によって残される穴の封止が促進される。さらに、各電極１２０の直径は典型的な人間の毛髪の直径ほど小さいので、電極によって形成された穴を通過することができる液体の量が制限されることになる。

電極１２０の長軸は、基板１１０に対して垂直であることが好ましいが、基板に対して垂直から平行の間で傾斜していてもよい。基板１１０および／または電極１２０の機械的特性を変更することにより、皮膚に対するアレイの密着性を向上させることができる。電極１２０と貫通領域を囲む皮膚との間の基板１１０の面に沿った張力を増加することにより、電気的接触の完全性を向上または維持することができる。例えば、基板１１０は、ばねとして作用することができる。この例においては、アレイ１００は、挿入の前には屈曲している。アレイ１００が解放されると、基板１１０に蓄積された張力によって電極１２０が皮膚に押し付けられる。

別の好ましい実施形態において、アレイ１００は、例えばニチノール（Ｎｉｔｉｎｏｌ）などの形状記憶金属を含む。この合金の転移温度は、合金の組成および加工により皮膚温度と相関させられていることが好ましい。このような材料からなるアレイ１００であれば、基板１１０の表面領域に沿った指定軸に沿って、好ましく拡大または縮小する。この拡大または縮小により、電極１２０は皮膚に対して横方向の力を受ける。

電極１２０は、ドープシリコン、シリコン金属化合物、ニッケル／鉄合金、ステンレス鋼、導電性インク、高炭素含有量ポリマーの熱分解によって得られたガラス状炭素等の炭素同素体、導電性ポリマー、ポリマー／黒鉛またはポリマー／金属複合混合物、およびその他の生体適合性を有する金属等の良好な導電特性を有する材料で構成されることが好ましい。上記材料は、皮膚内における電極の破損を防ぐのに十分な剪断強度も有している。この好ましい実施形態において、アレイは、３１６型ステンレス鋼を含む。

上記に示したように、経皮電極アレイの寸法は非常に小さい。このような小型構造の開発は、微小電子機械システム、すなわちＭＥＭＳとして当該技術分野において知られている。ＭＥＭＳは、マイクロエレクトロニクス加工、重合技術、物理化学、ライフサイエンスおよび機械工学を包含する多面的な分野である。このような分野を超えた環境が、マイクロセンサ、マイクロモータおよびオンチップの血液化学システム（ｓｙｓｔｅｍｓ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）といったマイクロおよびナノサイズの構造の開発をもたらした。下記に述べるように、経皮電極アレイの一部の実施形態の製造には、この分野からの知識を利用することができる。

別の好ましい実施形態においては、ガラス状炭素電極は、ピッチおよびポリアクリロニトリル等のあらゆる高炭素含有量ポリマーから作成され得る。この材料は、ＬＩＧＡプロセスを用いて上述の微小電気機械構造に形成される。ＬＩＧＡとは、高アスペクト比の精密微細構造の製造にＸ線照射を用いる微細機械加工技術である。ＬＩＧＡ部品は通常、２次元的に押し出し成形された金属型であるが、このプロセスを用いて３次元構造を作成することもできる。同プロセスにおいて、半導体リソグラフィー処理を用いてシリコンから主型が作成される。この型を用いて、銀薄膜、続いてニッケルを電気メッキすることによって複製型が作成される。複製型は、それが耐える機械的負荷にもよるが、０．３ｍｍ以上の厚さを有している。次に、ポリマー材料を加熱、軟化し、フィルム状に圧延する。このフィルムを、上記複製に載置する。圧力を加えてポリマー材料をこの型の中に押し込む。短時間経過後、温度を低下させ、圧力を解除する。

部品を形成した後、これを摂氏４００度で焼成して揮発性化学物質を除去し、上記プラスチックを熱硬化させる。続いて、不活性雰囲気において摂氏８００度で焼成を行ない、炭化材を形成する。これを摂氏約１１００度でさらに焼成し、黒鉛層を形成することにより導電性を高める。電極のサイズが小さいため、多くの挿入サイクルの後であっても、炭化材の比較的低いひずみ特性によって破損問題が生じることはない。

別の好ましい実施形態においては、ポリメチルメタクリレート、すなわちＰＭＭＡ等のポリマーから形成された電極アレイ上に導電性インクを噴霧する。摂氏約１２０度への適度な加熱を行なうことにより、導電性フィルムの導電性および接着性の両方が向上する。

別の好ましい実施形態においては、ＰＭＭＡ電極アレイに酸化インジウム錫を塗布する。アレイ上に酸化インジウム錫のグリコール−金属前駆体を噴霧またはスピンコーティングした後、摂氏約４００度に加熱し、導電性フィルムコーティングを形成する。酸化インジウム錫コーティングは、非常に優れた導電性を示す。

別の好ましい実施形態においては、ポリマーブレンドを用いて上記アレイを形成する。このようなアレイでは、大量の金属粉末または黒鉛粉末もしくは黒鉛−ナノファイバーをプラスチック前駆体に添加し、最終物に適度な導電性を持たせる。高濃度の導電性物質が凝集すると、最終的な複合材デバイスの表面導電性の均一性が劣化しうる。複合材の熱処理は、混合物の揮発性成分の一部が除去される場合は、この有害な影響を低減させるのに役立ち得る。

別の好ましい実施形態においては、電極構造の形状を規定する主型に純金属を電着させる。この金属は、１００〜１００００Ｓ／ｃｍの導電性を有することが好ましい。

別の実施形態においては、上記アレイに接着層を追加し、アレイの導電性を高めるとともに皮膚にアレイを接着させる。図３は、接着層を有する経皮電極アレイを示している。アレイ３００は、基板３１０、複数の電極３２０および接着層３３０を備える。好ましい製造方法においては、材料の蒸着によって電極３２０間において基板３１０の表面に層を形成することにより、あるいはアレイ３００で層材料のシートを貫通することにより、接着層３３０を経皮電極アレイ３００に追加する。当業者には、その他の方法も明らかであろう。

図３Ａ〜図３Ｃは、接着層を有する経皮電極アレイの好ましい実施形態を示している。具体的には、図３Ａに示すアレイ３００は、基板３１０、複数の電極３２０、接着層３３０、および基板３１０内の複数の空隙３４０を備える。接着層３３０は基板３１０の背面に装着され、基板３１０内の空隙３４０から突出している。接着層３３０は、電極を患者に固定し、かつ好ましくは電気信号を体内に伝達するのを助ける。基板３１０は接着層３３０を支持している。

図３Ｂは、接着層３３０を設ける前のアレイ３００の上面図を示している。電極３２０および空隙３４０は、グリッド状に配置されている。アレイ３００は、空隙３４０および空隙３４０の領域内の電極３２０を形成するために打ち抜き、および／またはエッチングされたステンレス鋼シートから作製されることが好ましい。電極３２０は、長軸が所望の方向、好ましくは基板３１０の表面に対して法線方向となるように上方に曲げられている。

図３Ｃは、経皮電極アレイ３００の実施形態の一例を示す機械製図である。同アレイは、６０×６０の規則的なグリッドパターンに配置された３６００個の電極を有する。各電極の幅Ｗ１は、およそ２００μｍである。電極は約８６０μｍの間隔Ｓ１で離間している。これらの寸法により、５ｃｍ×５ｃｍの電極アレイが形成される。詳細Ａは、上方に曲げられる前の、空隙領域内の電極を示している。

層３３０に用いるのに適した材料は、電解質を含むヒドロゲルまたはゾル−ゲル構造である。ヒドロゲル層の最小高さＨ１は、ゲルの予想蒸発時間および機械係数によって制限される。好ましい実施形態においては、上記アレイは、厚さ６３５μｍの導電性ゲル、例えば単一パッチ型ＲＧ６３Ｂを含む。ヒドロゲルが空気に曝されるにつれ、ゲルに含まれる水分が蒸発することとなり、アレイが乾燥し、ゲルの接着性および導電性が低下する。このようなアレイを用いるには、高電圧の印加が必要となる。アレイがたわむか、あるいは皮膚／アレイ機械的界面が変化すると、界面インピーダンスの瞬間的低下が起こる可能性があり、患者に不快な感覚を生じさせ、接続が良好な箇所に電流が集中してやけどを起こし得る。接着層３３０は、アレイが使用に適さなくなったことを示す表示を行なうように構成されることが好ましい。

好ましい実施形態においては、ヒドロゲルは、電極を含む包装材が開封された後に空気に曝された場合に蒸発率に応じてヒドロゲルをゆっくりと変色させる、当該分野で公知の材料を含む。例えば、ヒドロゲルは、通常は外観が透明であるが、大気に曝されると暗色に変わる。あるいは、ヒドロゲルの通常の外観は着色されており、暴露後にヒドロゲルが透明になる。このような変色は、アレイが交換される必要があること、若しくは包装の完全性が損なわれており、アレイが滅菌状態ではなくなっているということを示す。別の好ましい実施形態においては、ヒドロゲルが人間の皮膚と直接接触した後、皮膚に残留物を残すことなくヒドロゲルを変色させる化学反応が起こる。

別の好ましい実施形態においては、接着層の電気容量を測定することにより、アレイが完全に乾燥したかどうかあるいは温度が上昇したかどうかを判断するために、電極の接着層のモニタを行なう。図４は、本実施形態の構成要素を開示している。図４に示すように、電極は、基板４１０、接着層４３０、および絶縁層４５０で被覆された容量性プレート４４０を備える。容量性プレート４４０は、接着層４３０の底面に導電性材料の小さいセクションを有し、それにより２つの導電性プレート（基板４１０およびプレート４４０）の間に誘電体（接着層４３０）を有するコンデンサが形成されている。アレイコンデンサの容量は、温度および水分の両方の関数である。モニタ回路における接続のため、電気リードがプレート４４０に接続されている。絶縁層４５０は、プレート４４０が患者等に電気的に接触するのを防ぐためにプレート４４０上にコーティングされている。

容量を測定する回路は、当該技術分野において公知である。アレイ容量を測定するための回路の一例を図５に示す。測定システム５００は、一対の同じのローパスフィルタ５１０および５２０、一対の低オフセットコンパレータ５３０および５４０、フリップフロップ５５０、２進カウンタ５６０、マイクロコントローラ５７０ならびに高周波クロック５８０を備える。接着層４３０の容量を求めるために、安定した正弦波信号、すなわち、２００１年１月８日に出願された（ペニー・アンド・エドモンズ代理人登録番号９７５６−００５−９９９により識別される）米国特許出願番号０９／７５６，９９９「電気治療方法および装置」においてより詳細に記載されている電気治療用発電装置によって生成される信号の成分が用いられる。

基板４１０および容量性プレート４４０は、ローパスフィルタ５１０および５２０を備えるモニタ回路に接続されている。フィルタ５１０および５２０は、好ましくは、安定した正弦波信号を通過させる８極スイッチコンデンサフィルタを備える。コンパレータ５３０および５４０は、基準である固定精密抵抗器、およびアレイコンデンサに印加される安定した正弦波出力のゼロ交差を検出する。基準コンパレータ５３０はフリップフロップ５５０をセットし、これによりカウンタ５６０がスタートし、容量コンパレータ５４０は、フリップフロップ５５０をリセットし、これによりカウンタ５６０が停止する。高周波クロック５８０は、カウンタが動作を開始した後に、これをインクリメントするクロック信号をカウンタ５６０に供給する。カウンタ５６０は、容量信号がそのゼロ交差を行なうまでカウントを行なう。マイクロコントローラ５７０は、そのカウントを読み取った後、カウンタ５６０をリセットする。このように、カウンタ５６０は、基準信号のゼロ交差とコンデンサを流れる電流のゼロ交差との間の時間差を測定する。マイクロコントローラ５７０は、アレイコンデンサの容量の指標である、カウントからの信号間の位相ずれを決定する。この測定は、２つの信号の振幅とは無関係に行なわれる。マイクロコントローラ５７０は、この情報を用いて、容量変化が故障状態を示しているかを判断する埋め込みソフトウェアを有する。そのように判断された場合、システムをシャットダウンし、ユーザにエラー状態を知らせることができる。このソフトウェアは、システムの動作中、容量変化の特定のプロファイルが維持されることを要求する。

図６は、基板６１０、および基板６１０に接合された温度検知素子６４０を有する電極の好ましい実施形態を示している。上記素子は、サーミスタ、ダイオード若しくはその他の半導体接合、および熱電対のいずれか１つを備える。好ましい実施形態において、温度素子６４０は、小型装置であり、通常せいぜい０．５ｍｍの厚さである。温度素子６４０は、基板６１０の温度を正確に測定する。

別の好ましい実施形態においては、接着層を備える電極は、上記の容量の実施形態において述べた理由で、接着層の完全性をモニタするために接着層に埋め込まれた温度検知素子６４０を備える。

図６Ａは、集積されたサーミスタを有する経皮電極アレイの温度を測定する回路例の回路図である。本実施形態においては、サーミスタ素子６４０は、分圧器ブリッジ回路６５０、差分増幅器６６０、アナログ−デジタル変換器６７０およびマイクロコントローラ６８０を有するモニタ回路に接続されている。増幅器６６０は、素子６４０からモニタ回路までのリード長に関連する任意のコモンモードノイズを除去する。結果として得られる増幅器６６０からの電圧は、アレイ温度に応じて変化する。モニタ回路は、アナログ−デジタル変換器６７０によって、電圧信号を２進値に変換する。モニタ回路は、電圧信号の２進法表示をアレイの温度に変換するソフトウェアを有するマイクロコントローラ６８０をさらに備える。

図６Ｂは、集積された半導体または個別素子である半導体のいずれかの接合を有する経皮電極アレイの温度を測定する回路例の回路図である。本実施形態においては、素子６４０は、温度を高精度で測定する、特性がはっきりした温度依存挙動を示すダイオードまたはトランジスタを有する。図６Ｂに示すように、上記接合は、定電流源６５１、基準抵抗器６５２、増幅器６６０、アナログ−デジタル変換器６７０およびマイクロコントローラ６８０を有するモニタ回路に接続されている。接合６４０に順バイアスをかけるように、抵抗器６５２を介して、電流が接合６４０に供給される。接合の温度によって変化する接合６４０の両端の電圧が測定される。接合電圧と温度との関係は以下の通りである。

Ｖ接合＝ｋＴ／ｑ＊ｌｎ（Ｉ接合／Ｉ接合飽和電流）、式中、ｋはボルツマン定数（１．３８×１０^−２３Ｊ／Ｋ）、Ｔはケルビン度での絶対温度、ｑは電子電荷（１．６０１×１０^−１９クーロン）、Ｉ接合は供給された一定の基準電流、およびＩ接合電流は半導体素子の飽和電流（シリコンの場合、２×１０^−１６Ａ）である。

増幅器６６０は、接合電圧を有効なレベルに増大させ、変換器６７０は、信号を２進法表示に変換する。マイクロコントローラ６８０は、この２進法表示を用いてアレイの温度を求める。

図６Ｃは、熱電対を備える経皮電極アレイの温度を測定する回路例の回路図である。本実施形態においては、温度素子６４０は熱電対を備える。熱電対は、ある接合において互いに電気的に接触している２つの異種金属（例えば、白金とロジウム）を備える装置である。この装置は、上記接合における温度に相関した起電力を発生する。熱電対の場合、上記装置とその接続リードとの間に形成された接合の温度を補償する必要がある（冷接点補償）。

図６Ｃに示すモニタ回路は、増幅器６６０、アナログ−デジタル変換器６７０およびマイクロコントローラを備える。増幅器６６０は、熱電対６４０の出力電圧を増幅し、変換器６７０は、これを２進法表示に変換し、その後、マイクロコントローラ６８０に含まれるソフトウェアが２進電圧値を用いてアレイの温度を求める。増幅器６６０は、冷接点補償回路を作動させるのに必要な、当該技術分野において公知である部品を含んでいる。上記ソフトウェアは、熱電対の電圧の２進法表示を温度に変換するための、当該技術分野で公知である参照テーブルを含んでいる。

好ましい実施形態においては、測定された温度パラメータは、患者を損傷から保護するために、電気治療用発電装置におけるインターロックとして用いられる。何らかの理由でアレイが摂氏４０度を超える温度になった場合、あるいは通常予想されるよりも高い速度で温度が急激に上昇した場合、電気治療用発電装置の温度モニタ部はその出力を中断することができ、それにより、やけどや熱による炎症の可能性を低減するかあるいは排除することができる。このような検出される状態は、経皮電極アレイの完全性、または電流密度の上昇を引き起こす原因として最も可能性の高いもののうちの２つであるアレイの接着もしくは配置に関して起こりうる問題を操作者に知らせるために用いられる。

別の実施形態においては、電気治療用発電装置は、経皮電極アレイのインピーダンスを継続的にモニタする。この装置は、経皮電極アレイのインピーダンスが高くなりすぎた場合に操作者に警告を与え、アレイのチェックまたは交換が必要であることを示す警告表示器を含む。この表示器は、例えば点滅する発光ダイオード（ＬＥＤ）や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）上のエラーメッセージ、ビープ音等の音声表示および振動発生装置等の感覚的表示といった、１つ以上の視覚的表示を提供する。警報表示器は、アレイの緩み、リード線の差し込みの抜け、電池の減り、温度信号の欠落および容量モニタ信号の欠落等のエラー状態、またはアレイのその他の不完全な状態を表示するために用いることもできる。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明したが、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更が可能であり、本発明の要素に代えて均等物を用いることができることが当業者には理解されるであろう。また、本発明の本質的な範囲を逸脱することなく、本発明の教示に特定の状況や材料を適合させるために、多くの改変を行なうことができる。したがって、本発明は、本発明の最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むことが意図されている。

図１は、経皮電極アレイの側面図である。 図２は、人間の皮膚の断面図である。 図３は、接着層を含む経皮電極アレイの側面図である。 図３Ａは、空隙を有する基板と接着層とを備える経皮電極アレイの実施例である。 図３Ｂは、接着層と併用される経皮電極アレイの上面図である。 図３Ｃは、経皮電極アレイの基板および電極の実施例を示す機械製図である。 図４は、電極基板、および内蔵の容量性素子を有する接着層を示す側面図である。 図５は、容量性素子の容量を測定するための回路例である。 図６は、内蔵の温度感知素子を有する電極の側面図である。 図６Ａは、内蔵のサーミスタの温度を測定する回路例の回路図である。 図６Ｂは、内蔵の半導体接合の温度を測定する回路例の回路図である。 図６Ｃは、熱電対の温度を測定する回路例の回路図である。

Claims (32)

1. 患者に治療用電気エネルギーを供給するための経皮電極アレイであって、
   上面および下面を有する基板と、
   近位端、遠位端、前記近位端から前記遠位端までの軸、および前記軸に沿った長さをそれぞれ有する複数の電極とを備え、
   各電極が前記基板の前記上面に取り付けられ、
   前記電極が０．２平方センチメートルよりも大きい総表面積を有するアレイ。
2. 前記電極が、実質的に円筒であり、２０〜２５０マイクロメートルの直径を有する請求項１に記載のアレイ。
3. 前記電極が、実質的に、一対の狭い側面、一対の広い側面、上面および下面を有する直方体の筒であり、
   前記広い側面が２０〜２５０マイクロメートルの幅を有する請求項１に記載のアレイ。
4. 前記広い側面が約２００マイクロメートルの幅を有する請求項３に記載のアレイ。
5. 前記電極の長さが１２０〜５００マイクロメートルの間である請求項１に記載のアレイ。
6. 前記電極の長さが１５０〜２００マイクロメートルの間である請求項１に記載のアレイ。
7. 各電極の前記遠位端が、１つまたはそれより多く、細く尖っており、皮膚内への配置が容易である請求項１に記載のアレイ。
8. 前記電極の軸が前記基板に対して垂直である請求項１に記載のアレイ。
9. 前記電極の軸が、前記基板に対して垂直から平行の間で傾斜している請求項１に記載のアレイ。
10. 前記基板が形状記憶合金を含む請求項１に記載のアレイ。
11. 前記電極が、１つまたはそれより多いドープ半導体材料、シリコン金属化合物、ステンレス鋼、導電性ポリマー、炭素同素体、および、塊もしくは堆積された材料としての導電性金属を含む請求項１に記載のアレイ。
12. 前記基板に接合された温度素子をさらに備える請求項１に記載のアレイ。
13. 前記温度素子が、サーミスタ、ダイオード、半導体接合および熱電対のうちの１つである請求項１２に記載のアレイ。
14. 接着層をさらに備える請求項１に記載のアレイ。
15. 前記基板の前記上面から前記下面に貫通する複数の空隙と、
    下面、上面および該上面の上に伸びる複数の突出部を有する接着層であって、前記接着層の前記上面が前記基板の前記下面に取り付けられ、前記突出部が前記空隙を貫通して前記基板の前記上面から第１の高さに達している接着層とを、さらに備える請求項１に記載のアレイ。
16. 前記電極が、前記接着層の前記第１の高さの上方に、１５０〜２００マイクロメートル伸びている請求項１５に記載のアレイ。
17. 前記電極が、前記接着層の前記第１の高さから上方において、少なくとも０．２平方センチメートルの総表面積を有する請求項１５に記載のアレイ。
18. 前記接着層が導電性ヒドロゲルを含む請求項１５に記載のアレイ。
19. 前記接着層が剥離可能な医療用接着剤を含む請求項１５に記載のアレイ。
20. 前記接着層が周囲の条件に応じて変色する請求項１５に記載のアレイ。
21. 前記接着層の下面に配置された容量性プレートと、該容量性プレート上に前記接着層と対向して配置された電気絶縁層とをさらに備える請求項１５に記載のアレイ。
22. 前記接着層に埋め込まれた温度素子をさらに備える請求項２１に記載のアレイ。
23. 患者に治療用電気エネルギーを供給するための経皮電極アレイであって、
    上面および下面を有する基板と、
    近位端、遠位端、前記近位端から前記遠位端までの軸、および前記軸に沿った長さをそれぞれ有する複数の電極とを備え、
    各電極が前記基板の前記上面に取り付けられ、前記基板が１４．１平方ミリメートルよりも大きい表面積を有し、前記電極が０．２平方センチメートルよりも小さい総表面積を有するアレイ。
24. 患者に治療用電気エネルギーを供給する電極であって、
    第１の面および第２の面を有する基板と、
    下面、および前記基板の前記第１の面に取り付けられた上面を有する接着層と、
    前記接着層の前記下面に配置された容量性プレートと、
    前記容量性プレート上に前記接着層と対向して配置された電気絶縁層とを備える電極。
25. 患者に治療用電気エネルギーを供給する電極であって、
    第１の面および第２の面を有する基板と、
    前記基板に接合された温度素子とを備える電極。
26. 経皮電極アレイを製造する方法であって、
    半導体リソグラフィーにより、基板および複数の電極を有する経皮電極アレイの主型をシリコンから微細機械加工するステップと、
    前記主型に銀薄膜、続いてニッケルを電気メッキすることにより複製型を作成するステップと、
    ポリマーフィルムを加熱、軟化および圧延するステップと、
    圧力を用いて前記膜を前記複製型内に押し込んでアレイ構造を形成するステップと、
    前記アレイ構造を冷却し、前記複製型から前記構造を取り出すステップとを含む方法。
27. アレイ材料を熱加工して炭化構造を形成するステップと、
    前記構造に接着層を堆積させるステップとをさらに含む請求項２６に記載の方法。
28. 前記ポリマーフィルムがポリメチルメタクリレートを含む請求項２６に記載の方法。
29. 前記構造に導電性インクを噴霧し、該構造を加熱して導電性コーティングを形成するステップをさらに含む請求項２６に記載の方法。
30. 前記アレイ構造に酸化インジウム錫前駆体を噴霧、浸漬またはスピンコーティングするステップと、
    前記構造を加熱し、導電性フィルムコーティングを形成するステップとをさらに含む請求項２６に記載の方法。
31. 蒸着法またはスパッタリング法により、前記アレイ構造上に酸化インジウム錫を含む導電性フィルムを形成するステップをさらに含む請求項２６に記載の方法。
32. 患者の表皮下の治療部位内の体組織に治療用電気エネルギーを導入する方法であって、
    第１および第２の信号を発生するように構成された信号発生器と、第１および第２の経皮電極アレイとを備える電気治療装置を提供するステップと、
    前記第１および第２のアレイが前記患者の組織上に配置され、且つ前記治療部位が前記第１および第２のアレイの間に位置するように、前記患者の体の第１の部分上に前記第１のアレイを配置し、前記患者の体の第２の部分上に第２のアレイを配置するステップと、
    前記第１および第２の信号から治療用信号を生成するステップと、
    前記第１および第２のアレイを介して前記治療用信号を導入するステップとを含む方法。

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