JP2015221177A - 硬膜下センサ - Google Patents

Abstract

【課題】血液動態、および脳表面温度、皮質脳波及び頭蓋内圧のうちの少なくとも１つを同時計測し、脳機能診断の信頼性を向上可能な硬膜下センサを提供する。
【解決手段】１枚の基板２上に１列に配置される複数の発光素子３と、隣接する発光素子３の中間位置に配置される受光素子４と、隣接する発光素子３と受光素子４の中間位置に配置され、反射板を兼ねる電極板５を有する皮質脳波計測素子と、電極板５の近傍に配置されている測温素子６を備えている硬膜下センサ１。
【選択図】図１

Description

この発明は、脳硬膜下腔に当接又は挿入し、近赤外分光法（以下「ＮＩＲＳ」という。）を用いて脳の表面付近における血液動態を計測する硬膜下センサに関するものである。

脳活動を評価するため、皮質脳波（ＥＣｏＧ）、脳温、血液動態、代謝などを指標として、それらの変化を計測、把握することが従来行われてきている。
このうち、血液動態については、ＮＩＲＳを用いて非侵襲で観測する研究が為されてはいるものの、この手法も空間分解能と信号強度の低さが臨床診断としての確立の障壁となっている。

特許文献１（特開２０１２−９５８０３号公報、特に段落００４０、００４７及び図３を参照）には、基板上の一面に配設された刺激光用ＬＥＤ、励起光用ＬＥＤ及びＣＭＯＳイメージセンサからなるセンサ部の計測面を、脳などの表面に密着するように生体内に埋植して、生体組織における神経活動に関する情報をリアルタイムで且つ高い分解能で収集し、神経活動状況を可視化することが記載され、また、特許文献２（特許第３８４３０５４号公報、特に段落００２３〜００２４を参照）には、図５に示すように、可撓性の樹脂シート１２に、複数個の脳波を測定するための頭蓋内電極１１とペルチェ素子１５を固定するとともに、これらとコンピューター１７とを接続するリード線１６を有する頭蓋内埋込み型大脳冷却装置１０が記載されている。

しかし、特許文献１記載の技術は、励起光を受けて蛍光を発し且つその蛍光強度が細胞の電位に応じて変化するような電位感受性色素を神経細胞内に導入しておき、その電位感受性色素が発する蛍光強度の空間分布をＣＭＯＳイメージセンサで検出するものであり、特許文献２記載の頭蓋内埋込み型大脳冷却装置は、脳波のみを測定するものであって、いずれも光の散乱光強度を計測しＮＩＲＳを用いて血液動態を把握するものではない。

特開２０１２−９５８０３号公報 特許第３８４３０５４号公報

本発明は、ＮＩＲＳを用いた計測の空間分解能と信号強度を高め、血液動態を高精度で把握でき臨床診断に利用することが可能な硬膜下センサの提供を第１の目的としてなされたものである。
また、血液動態だけではなく、脳表面温度、皮質脳波及び頭蓋内圧のうちの少なくとも１つを同時計測し、脳機能診断の信頼性を向上できる硬膜下センサの提供を第２の目的としてなされたものである。

請求項１に係る発明の硬膜下センサは、脳硬膜下腔に当接又は挿入し、少なくとも脳の表面付近における血液動態を計測する硬膜下センサであって、１枚の基板上に１列又はマトリクス状に配置される複数の発光素子と、隣接する発光素子の中間位置に配置される受光素子と、隣接する発光素子と受光素子の中間位置に配置される反射板を備えていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の硬膜下センサにおいて、前記複数の発光素子、前記受光素子及び前記反射板は、いずれも前記１枚の基板の一方の面に設けられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の硬膜下センサにおいて、複数の皮質脳波計測素子をさらに備えるとともに、前記反射板が前記皮質脳波計測素子の電極板を兼ねていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の硬膜下センサにおいて、前記反射板の近傍に測温素子をさらに備えていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の硬膜下センサにおいて、前記反射板の近傍に圧電素子をさらに備えていることを特徴とする。

請求項１に係る発明の硬膜下センサによれば、発光素子に隣接する受光素子との中央部に反射板が配置されているので、複数の発光素子から発せられた光が、反射板によって反射され脳表面の灰白質部分を通過して受光素子に到達する。
そのため、神経活動が多い灰白質部分におけるＮＩＲＳを用いた計測の空間分解能と信号強度を高めることができるので、灰白質部分の血液動態を高精度で把握し、臨床診断に利用することが可能となる。

請求項２に係る発明の硬膜下センサによれば、請求項１に係る発明の効果に加え、複数の発光素子、受光素子及び反射板は、いずれも１枚の基板の一方の面に設けられているので、不透明な基板であっても一方の面を脳表面側に向けて配置することにより、ＮＩＲＳを用いた計測を行うことができる。

請求項３に係る発明の硬膜下センサによれば、請求項１又は２に係る発明の効果に加え、複数の皮質脳波計測素子をさらに備えているので、灰白質部分の血液動態だけではなく皮質脳波を同時計測することができる。
さらに、反射板が皮質脳波計測素子の電極板を兼ねていることにより、灰白質部分の同じ領域における血液動態と皮質脳波を計測することができるので、灰白質部分における神経活動をより正確に把握することができ、脳機能診断の信頼性が向上する。

請求項４に係る発明の硬膜下センサによれば、請求項１ないし３のいずれかに係る発明の効果に加え、反射板の近傍に測温素子をさらに備えているので、灰白質部分の血液動態だけではなく、脳表面における局所的な温度変化を同時計測することができる。
そのため、灰白質部分における神経活動をより正確に把握することができ、脳機能診断の信頼性が向上する。

請求項５に係る発明の硬膜下センサによれば、請求項１ないし４のいずれかに係る発明の効果に加え、反射板の近傍に圧電素子をさらに備えているので、灰白質部分の血液動態だけではなく、頭蓋内圧の局所的な変化を同時計測することができる。
そのため、灰白質部分における神経活動をより正確に把握することができ、脳機能診断の信頼性が向上する。

実施例１に係る硬膜下センサの平面図。 実施例１に係る硬膜下センサを基板に垂直な面で長手方向に切った断面図。 実施例１に係る硬膜下センサにおけるＮＩＲＳの感度分布を示す図。 実施例１に係る硬膜下センサの電極（反射板）がない場合におけるＮＩＲＳの感度分布を示す図。 特許文献２に記載されている頭蓋内埋込み型大脳冷却装置の説明図。

以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。

図１は実施例に係る硬膜下センサ１の平面図であり、図２は実施例に係る硬膜下センサを基板に垂直な面で長手方向に切った断面図である。
図１に示すように、実施例の硬膜下センサ１は、光透過性の高いポリイミド製の細長い柔軟性のある基板２と、基板２の長手方向の両端部と中央部にほぼ等間隔で一直線に並べて配置されている発光素子３（波長７００〜９００ｎｍの近赤外光を発するＬＥＤ）と、隣接する発光素子３の中間位置に配置されている受光素子４（ＬＥＤが発する近赤外光に高い感度を有するフォトダイオード）と、隣接する発光素子３と受光素子４の中間位置に配置されている近赤外光の反射率の高い電極板５（反射板）を有する皮質脳波計測素子と、電極板５の近傍に配置されている測温素子６を備えている。
電極板５（反射板）の材料としては、反射率及び生体親和性を考慮すると、白金又は金が適しており、適宜選択可能である。
また、図２に示すように、発光素子３、受光素子４、皮質脳波計測素子本体及び測温素子６は、基板２の一方側に設けてあるとともに、熱や光を遮断する遮光性のシリコンで被覆されており、さらに基板２の一方側の面全体に生体適合性コーティングが施されている。そして、電極板５は基板２の他方側に設けてある。
コーティングの材料としては、生体適合性を考慮すると、シリコン又はパリレン（登録商標）が適している。
なお、基板２の幅は６〜８ｍｍ、長手方向の長さは６０〜７０ｍｍ、各素子を含む硬膜下センサ１の厚さは約１ｍｍであるが、これらは測定したい領域や脳硬膜下腔のサイズ等に応じて適宜選択されるべきものである。

さらに、図示してはいないが、基板２の一方側の表面には、各素子と基板２の外部にある電源や各種回路とを電気的に接続するため、厚さ１０μｍ、幅２０μｍ程度の細長い配線パターンが施されており、各素子に電力を供給するとともに、各素子からの信号を伝送することができるようになっている。

次に、実施例の硬膜下センサ１によって灰白質部分７における計測の空間分解能と信号強度を高めることができる理由について説明する。
ＮＩＲＳを用いた計測においては、通常、図４に示すように、発光素子３から出射され灰白質部分７に入った光は脳の外側に逃げてしまい受光素子４には入射しないため、バナナ状の感度分布９となり、最も計測したい灰白質部分７の感度は低く、白質部分８の感度が高くなってしまう。
これに対して、実施例の硬膜下センサ１によれば、脳表面に近接して反射率の高い電極板５が、隣接する発光素子３と受光素子４の中間位置に配置されるので、脳の外側に逃げる近赤外光が脳内に反射され、受光素子４に入射することとなる。
そのため、図３に示すように、感度分布９が灰白質側に広がり、灰白質部分７の感度を高めることができるのである。ただし、図３は説明のために、発光素子３、受光素子４及び電極板５（反射板）を同一面上に配置している。また、「隣接する発光素子３と受光素子４の中間位置に配置される」とは、電極板５は、発光素子３と受光素子４との中央に配置されても良く、脳の外側に逃げる近赤外光を脳内に反射できる位置であれば、中央から若干ずれて配置されていても良い、という意味である。
さらに、電極板５（反射板）の形状については、円形に限らず多角形、楕円形、星型等どのような形状でも良いが、幅についてはＮＩＲＳの受光部と同程度以上あることが望ましく、長さについては図３に示すように、発光素子３から出射し中間位置に到達した近赤外光の多くを反射させ受光素子４に入射させるようにするため、幅以上の長さであることが望ましい。

実施例の硬膜下センサを使用する際には、以下の手順で行う。
（１）頭皮及び筋層を一部剥離した後、頭蓋骨に８〜１０ｍｍの穿孔を開ける。または、頭皮を翻転した後、計測対象となる脳表を露出するような開頭を実施する。
（２）穿孔もしくは開頭した部位に基板２を一端側（図１、２の左側）から硬膜下に挿入し固定する。その際、基板２の一方側の面が硬膜側、他方側の面が脳表面側となるように配置する。
（３）基板２の一端側（図１、２の右側）にあるコネクタを、外部の電源や各種回路と接続する。
（４）発光素子３から近赤外光を出射するとともに、受光素子４、電極板５及び測温素子６で捉えた近赤外光の強度、皮質脳波及び温度に基づく信号を各種回路で受信する。
（５）受信した各種の信号を処理し、近赤外光の強度、皮質脳波及び温度の変化を可視化して灰白質部分における神経活動を把握できるように表示する。

実施例の硬膜下センサに関する変形例を列記する。
（１）実施例においては、基板２を光透過性の高いポリイミド製のものとしたが、ポリウレタンやＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）など、光透過性の高い他の材質のものでも良く、光透過性の低い材質のものでも良い。
ただし、光透過性の低い材質のものとした場合には、発光素子３、受光素子４、電極板５、皮質脳波計測素子本体及び測温素子６すべてを基板２の一方側に設け、必要に応じて透明な材料で基板２の一方側を被覆する。
（２）実施例においては、コーティングの材料を生体適合性の高いシリコン又はパリレン（登録商標）としたが、ポリウレタン、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）又はポリイミドなども適宜選択可能である。
（３）実施例においては、基板２に発光素子３、受光素子４、電極板５、皮質脳波計測素子本体及び測温素子６を設けているが、皮質脳波計測素子や測温素子６を設けず、電極板５を単なる反射板としても良い。この場合、反射板は、１枚に限らず、複数枚に分割されていても良いが、幅についてはＮＩＲＳの受光部と同程度以上あることが望ましく、長さについては電極板５と同様に幅以上の長さであることが望ましい。そして、その材料としては、チタン、ステンレス又はエルジロイ（登録商標）が適しており、適宜選択可能である。
また、頭蓋内圧を計測する圧電素子を基板２の適宜の位置に１箇所又は複数箇所さらに設けても良い。
要するに、最低限必要な要素は、基板２、発光素子３、受光素子４、反射板５及び発光素子３及び受光素子４を電気的に接続する基板上の配線パターンであり、皮質脳波計測素子及び測温素子６及び圧電素子は、必要に応じて適宜選択して設ければ良い。
（４）実施例においては、発光素子３、受光素子４、電極板５、皮質脳波計測素子本体及び測温素子６は、細長い基板２に一直線に並んでいるが、基板２を幅の広いものとし、発光素子３をマトリクス状に並べ、隣接する発光素子３の中間位置に受光素子４をマトリクス状に配置し、隣接する発光素子３と受光素子４の中間位置に電極板５、皮質脳波計測素子本体及び測温素子６を配置しても良い。

１ 硬膜下センサ ２ 基板 ３ 発光素子
４ 受光素子 ５ 電極板（反射板） ６ 測温素子
７ 灰白質部分 ８ 白質部分 ９ 感度分布
１０ 頭蓋内埋込み型大脳冷却装置 １１ 頭蓋内電極
１２ 可撓性の樹脂シート １５ ペルチェ素子
１６ リード線 １７ コンピューター

Claims (5)

1. 脳硬膜下腔に当接又は挿入し、少なくとも脳の表面付近における血液動態を計測する硬膜下センサであって、
   １枚の基板上に１列又はマトリクス状に配置される複数の発光素子と、
   隣接する発光素子の中間位置に配置される受光素子と、
   隣接する発光素子と受光素子の中間位置に配置される反射板を備えている
   ことを特徴とする硬膜下センサ。
2. 前記複数の発光素子、前記受光素子及び前記反射板は、いずれも前記１枚の基板の一方の面に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の硬膜下センサ。
3. 複数の皮質脳波計測素子をさらに備えるとともに、
   前記反射板が前記皮質脳波計測素子の電極板を兼ねている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の硬膜下センサ。
4. 前記反射板の近傍に測温素子をさらに備えている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の硬膜下センサ。
5. 前記反射板の近傍に圧電素子をさらに備えている
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の硬膜下センサ。

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