JP2019534118A - 信頼性のあるｅｅｇモニタリングと容易な頭皮洗浄のための注入用ヒドロゲル形成ポリマー溶液 - Google Patents

Abstract

脳波検査（ＥＥＧ）記録用のヒドロゲルを形成することができる注入用組成物が記載される。得られたヒドロゲル及びその製造方法は、ＥＥＧ記録のための注入用組成物の使用と同様に本発明の目的である。注入用組成物は、以下のものを含む：天然のポリマー又は合成ポリマー、好ましくはアルギン酸塩；重合開始系又は架橋剤、好ましくはカルシウム塩；及び少なくとも１種のイオン化塩。注入用組成物は、一般的な市販のＥＥＧキャップの電極空洞内に適用することができ、適用直後に固体ヒドロゲルを形成する。キャップを外すと、ヒドロゲルは電極空洞内に残るか、櫛で容易に除去される部分に割れる。従って、これは他の市販の電解質ゲルと同じように取り扱い及び適用することができるが、より迅速で簡単に洗浄が可能であり、移動のアーチファクトを減らし、ゲルの流動による電極短絡のリスクも減らし、従ってＥＥＧデータの信頼性を向上させる。

Description

（発明の分野）
本発明は、銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極を皮膚に接続するために使用される電解質ゲルに関する。注入用ヒドロゲル形成組成物は適用直後にゲル化可能であり、電気生理学的シグナル取得のための信頼のある電気的接触を確実にする。より詳しくは本発明の電解質ゲルは、ＥＥＧ記録の分野で特に有用である。

（発明の背景）
頭皮表面の生体電位変動のモニタリングによる脳の研究は、２０世紀前半に遡る。技術的観点からは、いわゆるＥＥＧシグナルの記録は、生体電極と電解質ゲルとの界面で起きるイオン−電子シグナル変換を含み、これは、電子機器がシグナルを取得し処理することを可能する。接触インピーダンスを低減するために電解質ゲルで一般的に使用されているＡｇ／ＡｇＣｌ電極は、その信頼性、低レベルの固有ノイズ、及び電位安定性のため、長年ＥＥＧのゴールドスタンダードとなっている［１、２］。ＥＥＧは、人間の脳の生理学的状態及び病態（例えば、脳卒中［３］及びてんかん［４］）の研究に系統的に使用されてきた。この１０年間で、この技術の応用は、スポーツ科学［５］や脳コンピュータインタフェース［６］のような非臨床応用における人間の脳機能の研究へと拡張されてきた。

一方、実際のＡｇ／ＡｇＣｌ／電解質ゲルの組み合わせは、多くの問題の原因となっている。実際、特に高密度ＥＥＧ（１２８〜２５６の電極）では、ゲルの流動及び拡散による電極短絡の無視できないリスクがある。さらに、ゲルは髪及び頭皮に強く付着し、検査後にゲル残留物を除去するために患者は頭を徹底的に洗浄しなければならない。

実際のＡｇ／ＡｇＣｌ電極と電解質ゲルとの組み合わせの性能と、より迅速でより容易な適用／除去プロトコルとを組み合わせた、より迅速なＥＥＧシステムの必要性により、多くの技術的解決策が生み出された［７〜１２］。開示された発明の枠組みにおいて最も関連のある技術的アプローチが、以下で分析される。

Ａｇ／ＡｇＣｌ電極を置き換えるための長年にわたる候補は、いわゆる「乾式」電極である。乾式電極は、シグナル伝達のために機械的に皮膚と結合する不活性の導電性材料を利用し、電解質ゲルの使用を不要にし、従って理想的なプラグアンドプレイシステムを形成する［７、１３、１４］。しかし界面インピーダンスはかなり高く、電極上の予備増幅段階の組み込み［１３、１４］、又はシグナル伝送のためのアクティブシールドの使用［１５］が不可欠となる。乾式電極は移動のアーチファクトの影響を受けやすいことが判明し、接触インピーダンスは電極内転圧力に強く依存する［１６］。

ゲル接触がない場合に低電極／頭皮接触インピーダンスを可能にする別のアプローチは、高度に絶縁性の皮膚層である角質層（ＳＣ）を穿孔する微小針アレイベースの電極を使用することである［８］。ＳＣが短絡されているため、これらの電極の性能は市販のＡｇ／ＡｇＣｌ電極及びゲルで得られるものに近い。しかし、スパイクの５％が検査中に壊れて表皮に埋め込まれたままであると報告されたため、感染症や炎症反応のリスクが高まった。

低インピーダンス（湿式）頭皮接触を得るためのさらなる代替案は、フェルトペンの動作原理を使用することである。この場合、電極は芯材料（フェルトペンの先）で形成され、背面に液体リザーバーを有する。その材料はポリマー［１７］、金属［１８］、又はセラミック［１９］のいずれかであってよく、それらの毛管現象特性は、それが保湿液を分配し、その結果頭皮を汚すことなく湿潤電極／皮膚界面を維持することを可能にする。結果は、概念の実行可能性と装置の長期的自律性（最大８時間）を証明したが、液体の存在とこれらが通常非常に複雑な部品の多い装置であるという事実は、コストを増加させ、繰り返し適用の間にクリーニング及び機械的安定性に関して機能的問題を引き起こし得る。

ヒドロゲルはまた、生体適合性がありコンプライアントでイオン伝導性の電極／頭皮界面を製造するためにうまく使用されており、それらの用途はＥＣＧ及びＥＭＧ使い捨て電極において極めて一般的である［２］。

ＥＥＧ記録の領域へのヒドロゲルの適用に関するいくつかの研究も存在する。Alba et al.［２０］は、シグナル伝達のためにヒドロゲルに埋め込まれたＡｇ／ＡｇＣｌワイヤセンサーとの頭皮界面を確立するために、保湿剤溶液（皮膚伝導性を高めるために）で膨潤されたポリアクリレートヒドロゲルについて報告した。単一電極を用いたインビボ試験が行われ、ヒドロゲル／頭皮接触のインピーダンスは「湿式」電極と「乾式」電極との間にあり、それは最大８時間安定であり、基本的なＥＥＧシグナルが良好な品質で記録できることが証明された。この研究は、ＥＥＧ電極製造のためのヒドロゲル適用の実証実験として見ることができる。Kleffner-Canucci et al.［２１］は、生理食塩水溶液に溶解したＮ−イソプロピルアクリルアミドコ−アクリル酸（ＮＩＰＡｍ）ヒドロゲルをゲル代替製品として使用し、ＥＥＧ記録時間を長くした。この製品は、Geodesicセンサーネット（ＧＳＮ）キャップ（Electrical Geodesics, Inc, USA）を備えた多電極アレイで試験された。新しい調製物が水分蒸発速度を低下させ、最大４．５時間までのＥＥＧ記録期間の延長を可能にすることが証明された。

商業的にＥＥＧのための最も一般的な構成は、埋め込みＡｇ／ＡｇＣｌ多重電極アレイを有するキャップからなり、各電極部位は、適用前に電解質ゲルで充填される関連する空洞を有し、電極を頭皮に連結する。従って電極は頭皮に触れない。この解決策の異なる実現形態が利用可能であり、例えばWaveguard（ANT、Medical Imaging Solutions GmbH）、Quik-Cap（Compumedics-Neuro Scan）、BioSemi（BioSemi B.V.、オランダ）、又はEasyCap（EasyCap GmbH）システムなどがある。Electrical Geodesics Inc.は異なるシステムであるＧＳＮネットを提案しており、これは、電極が測地線ネットを介して接続され、各電極部位は試験直前に食塩水で膨潤されるスポンジを有し、従ってゲルの使用を回避している。膨潤は、試験の前に単にＧＳＮネットを塩溶液に浸すことによって行われる。ゲルベースのシステムに対する主な利点は、はるかに短い準備時間と、最終的に髪を洗う必要がないという事実である。より長い取得の間の乾燥効果に加えて、スポンジ＋食塩水のアプローチの主な欠点は、複数の電極間の避けられない電気的な短絡である。これは、明確に規定された領域への適用をかなり制限し、そしてシグナル処理において常に考慮しなければならない。長期間のモニタリングのために、食塩水の代わりに電解ペースト又は特別な電解質を使用することができる。Neuroelectrics Company Inc.は、Solideltrode（登録商標）を用いたヒドロゲルベースのアプローチを提案し、これは、消耗品として販売され、電極空洞に適合する「固体ゲル」部品を含み、電極を頭皮に連結している。この場合も検査後に頭を洗う必要はない。

本発明は、Ａｇ／ＡｇＣｌ ＥＥＧ電極を頭皮に連結するために使用されるポリマーベースの電解質に関する。ＥＥＧ記録用のヒドロゲルを形成することができる注入用ポリマー組成物が記載される。得られたヒドロゲル及びその製造方法もまた、信頼性のあるＥＥＧモニタリング及び容易な頭皮洗浄のための注入用組成物の使用と同様に、本発明の目的である。

注入用ヒドロゲル形成ポリマー組成物は以下のものを含む：天然のポリマー又は合成ポリマー、好ましくはアルギン酸塩；重合開始系又は架橋剤、好ましくはカルシウム塩；適切な導電性を提供するための少なくとも１種のイオン化塩。ヒドロゲルの粘度はアルギン酸塩濃度を変えることによって調整することができ、ゲル化率はアルギン酸塩対カルシウム塩の比率を変えることによって調整することができる。

多くの市販のＥＥＧ電解質ゲルと同様に、本製品は低粘度の状態で、市販の電極キャップに内蔵された電極空洞に注入される。しかしＥＥＧ用途のための一般的な電解質ゲルとは異なり、この新しい配合物は適用後すぐにゲル化を受け、毛髪層を埋め込み、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極を頭皮に信頼性を持って連結する固体ヒドロゲル構造を形成する。イオン化塩の存在は頭皮から電極へのＥＥＧ生体シグナル伝達を可能にし、皮膚浸透促進剤の存在は皮膚インピーダンスの低下を助ける。一般的な電解質ゲルに対する提案されたヒドロゲル製品の主な利点は、ＥＥＧ記録の終了後に、ヒドロゲルがキャップと共に剥がれ落ちるか、又は櫛で容易に除去される部分に砕けることである。逆に、通常のゲルは広がって髪と頭皮にくっつくため、洗髪して除去する必要がある。さらに、通常の電解質ゲルを超える重要な技術的利点は、適用直後に固体生成物が形成されるため、ゲルが適用点から流れ出して隣接電極を短絡するリスクが実質的に減少することである。これは、電極の数が１２８又は２５６に達することがある高密度ＥＥＧ用途にとって特に重要である。一方、皮膚浸透を確実にするために皮膚承認剤のみが使用されるため、このヒドロゲルはアレルギー反応を起こしにくい。

本発明による注入用組成物のさらなる特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら、非限定的な例であるいくつかの実施態様の以下の説明からより明らかになるであろう。
硫酸カルシウム対アルギン酸塩の比の関数としてプロットされた提案されたヒドロゲルのゲル化時間（３回の繰り返し）を示す。挿入図は、完全なゲル化後のゲルの最終形状及び均一性を示す。 従来の電解質ペースト（灰色）とヒドロゲル（黒色）を用いた同時ＥＥＧ取得のための測定構成を示す：ａ）並列測定構成の全体図、ｂ）隣接する電極を比較して示す等距離電極配置（線で接続）。 例示的な隣接チャンネル及び６秒間のＥＥＧシーケンスの時間領域オーバーレイプロットを示す：ａ）チャンネルＬＬ１（従来のペースト）及びＬＤ１（ヒドロゲル）を用いて記録された瞬目を含むＥＥＧ；ｂ）チャンネルＬＬ１３（従来のペースト）及びＬＬ１２（ヒドロゲル）を用いて記録された、安静状態（０〜３秒）ＥＥＧ及びアルファ活動（３〜６秒）ＥＥＧ。 ３人の志願者全員の視覚誘発電位（ＶＥＰ）試験の総平均を示す：ａ）、ｃ）、ｅ）従来の電解質ペーストと組み合わせたＡｇ／ＡｇＣｌ電極；ｂ）、ｄ）、ｆ）ヒドロゲルと組み合わせたＡｇ／ＡｇＣｌ電極；ａ）、ｂ）アーチファクトのない全チャンネルのバタフライプロット；ｃ）、ｄ）アーチファクトのないすべてのチャンネルにわたって計算されたグローバルフィールドパワー（ＧＦＰ）。ｅ）、ｆ）各Ｎ７５及びＰ１００成分のトポグラフィー電位マッピング。 ３人の志願者全員及び６４チャンネルのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）のウェルチ推定の総平均を示す：実線は顕著なアルファ活動を含むＥＥＧのＰＳＤを示し、点線は安静時ＥＥＧのＰＳＤを示す。 キャップを外した後の２人の志願者の異なる頭の位置の写真を示す：ａ）右前頭位置：ヒドロゲルは容易に外れる（黒丸）が、従来の電解質ペーストは徹底的な洗浄を必要とする（白丸）；ｂ）〜ｄ）ＣＰ１ヘッド位置：キャップを取り外した後、ｂ）完全にゲル化したヒドロゲルは櫛で容易に除去することができ、そしてｃ）毛髪の位置は容易かつ完全にきれいであり、ｄ）乾燥タオルで１０秒後、洗浄なし。

（発明の詳細な説明）
本発明の目的は、信頼性のあるＥＥＧモニタリング及び容易な頭皮洗浄のためのヒドロゲルを形成することができる注入用ヒドロゲル形成ポリマー組成物であって、前記組成物は、天然のポリマー及び合成ポリマーから成る群から選択される第１の成分と、重合開始系又は架橋剤から成る群から選択される第２の成分とを含む。

好適な実施態様において、第１の成分はアルギン酸塩を含む溶液であり、第２の成分はカルシウム塩を含む溶液である。

より好適な実施態様において、第１の成分は適切な導電性を提供するために、０．１％〜１０％の範囲の濃度で少なくとも１種のイオン化塩をさらに含む。

別の好適な実施態様において、第１の成分は、保湿剤、好ましくはグリセロール又はプロピレングリコール、及び皮膚浸透促進剤、好ましくはTween（登録商標）80をさらに含む。

より好適な実施態様において、第１の成分は、２．８％（ｗ／ｖ）のアルギン酸ナトリウム、６％（ｖ／ｖ）のTween（登録商標）80、１０％（ｖ／ｖ）のプロピレングリコール、及び１．８％（ｗ／ｖ）の塩化ナトリウムを含む溶液であり、第２の成分は、０．３４％（ｗ／ｖ）の炭酸カルシウム、０．１４％（ｗ／ｖ）の硫酸カルシウム二水和物、及び１．１８％（ｗ／ｖ）のグルコノラクトンを含む溶液である。

本発明の目的はまた、前記注入用ヒドロゲル形成組成物から形成される、信頼性のあるＥＥＧモニタリング及び容易な頭皮洗浄のためのヒドロゲルである。

好適な実施態様において、前記ヒドロゲルのゲル化速度は、アルギン酸塩対カルシウム塩の比率を変えることによって調整可能である。

別の好適な実施態様において、前記ヒドロゲルの粘度はアルギン酸塩濃度を変えることによって調整可能である。

さらにより好適な実施態様において、前記ヒドロゲルはＥＥＧ電極の空洞内への適用に適している。

本発明の目的はまた、上記のように第１の成分と第２の成分とを混合することを含む、信頼性のあるＥＥＧモニタリング及び容易な頭皮洗浄のためのヒドロゲルの製造方法である。

本発明の目的はまた、以下の工程を含む注入用ヒドロゲル形成組成物の使用である：
ｉ）上述のように第１の成分及び第２の成分を用意する工程、
ｉｉ）前記第１の成分と前記第２の成分を一緒にしてヒドロゲル生成を誘導し、ＥＥＧキャップシステムの電極空洞内に適用する工程、
ｉｉｉ）ＥＥＧ記録後に、付着された固体ヒドロゲルと一緒にＥＥＧキャップを取り外す工程、
ｉｖ）必要であれば、櫛を用いて毛髪から固体ヒドロゲル片を洗浄する工程。

好適な実施態様において、工程ｉｉ）において、前記第１の成分と前記第２の成分は適用前に混合される。

さらにより好適な実施態様において、工程ｉｉ）において、ミキサーノズルを備えた２重シリンジを用いてゲル化時間が短縮される。

従って本明細書に開示された発明は、ＥＥＧ記録に使用される伝統的な電解質ゲル及びペーストを有利に置き換えることを意図した、ヒドロゲル形成配合物の組成及び適用手順を記載している。さらに、本明細書に提示されている電解質ゲルは、一般的な市販のＥＥＧキャップ及びヘルメットの電極空洞内に適用することができる。ゲルの配合物は、１つ又は２つの成分の形で提示することができる。前者の場合、ゲル化は、規定された適切な波長の光の熱の形でエネルギーを供給することによって引き起こされるが、後者の場合、２つの成分は混合されてヒドロゲルを形成する。多くの場合、成分の１つはモノマー、マクロマー、又はポリマーであり、そして第２の成分は重合開始系又は架橋剤を含有するであろう。

ヒドロゲルは、適切な導電性を提供するために０．１％〜１０％の範囲の濃度で少なくとも１種のイオン化塩を含み、さらに、グリセロール又はプロピレングリコールなどの保湿剤、角質層の絶縁層を水和させそれをより浸透性にするのを助けるために皮膚浸透促進剤を含むこともできる。いずれの場合も、ゲル化速度さらには製品の生体適合性に対する外来化学物質の干渉を正しく評価する必要がある。

好ましい配合物は、２．８％（ｗ／ｖ）のアルギン酸ナトリウム、６％（ｖ／ｖ）のTween（登録商標）80、１０％（ｖ／ｖ）のプロピレングリコール、１．８％（ｗ／ｖ）の塩化ナトリウム、及び塩化ナトリウムを含む第１の溶液と、０．３４％（ｗ／ｖ）の炭酸カルシウム、０．１４％（ｗ／ｖ）の硫酸カルシウム二水和物、及び１．１８％（ｗ／ｖ）のグルコノラクトンを含む第２の溶液とを含む。これらの溶液が等しい部で混合されてゲル化プロセスを始まる。ゲル化速度は、アルギン酸塩対カルシウム塩の比率を変えることによって調整することができる。初期溶液の粘度は、アルギン酸塩濃度を変えることによって調整することができる。

本発明では、電極空洞内への最初の低粘度状態のヒドロゲルの適用はシリンジを用いて行われる。配合物が２種の成分からなる場合、混合物は、適用前に例えば混合を促進するためにステンレス鋼球を充填したプラスチック容器中で２種の成分を振盪することによって調製することができる。充填する電極の数に応じて、そして製品の定義された可使時間のために、製品の２つ以上のバッチを調製しなければならない場合がある（注入可能性を妨げる固体が形成される）。多くの用途にとって適切なゲル化時間は８〜１０分であり得る。従って配合物は、ミキサーノズルを備えた二重シリンジを使用することによって優先的に適用されるべきである。この場合、ゲル化時間は約３〜５分に短縮することができ、これはゲル成分がノズル内で混合して電極空洞内部の毛髪の周りに広がるのに十分である。

試験が終了したら、通常の電解質ゲルを使用した場合のようにキャップを外すべきである。ただし、ヒドロゲルは電極カップに付着したままになるか、又は割れて、櫛で簡単に取り外せる部分になる。他の代替物とは対照的に、ヒドロゲルは容易に除去されるが、洗浄手順はヒドロゲルが水で膨潤している間に行われるべきである。

ＧＳＮキャップを用いるElectrical Geodesicsによって提案された既存の技術的解決策と比較すると、両方のアプローチはＥＥＧ検査後の洗髪を不要にする。しかし電極調製時間がより短いにもかかわらず、Electrical Geodesicsの手法では、スポンジ中に食塩水が存在するために、従来の電解質ゲルの場合よりも電極短絡のリスクがさらに高い。Kleffner-Canucci［２２］のアプローチもヒドロゲルベースの電解質で始まるが、著者によれば、これは水を固定して電解質蒸発速度を低下させて、ＥＥＧ記録時間を延長することを意図している。ＥＥＧ取得中のＮＩＰＡｍ電解質ゲル化の可能性については何も言及されておらず、従ってこのゲルは毛髪と頭皮に接触したときのその挙動の観点から、通常の電解質ゲルとして挙動すると考えるべきである。

Neuroelectricsによって販売されているいわゆるSolidgeltrode（登録商標）電極システムは、本発明と同じ宣言された目的で提案された。すなわちＥＥＧ試験後にきれいな毛髪と頭皮を達成することであり、同社はそのためにヒドロゲルを使用することを提案している。しかし、ヒドロゲルを形成するために電極空洞内に注入される溶液を使用する代わりに、同社はすでにヒドロゲルを販売しており、これはNeuroelectricsキャップの特定の電極空洞に適合する。従って本発明の技術的解決策は、あらゆるキャップシステム及び電極材料と共に使用することができるため、はるかに柔軟性がある。一方、技術面からは、濃い髪又は強くカールした髪の患者にSolidgeltrode（登録商標）システムを使用すると、すでに固いヒドロゲル部分を髪に浸透させ頭皮に到達させて、試験の間に信頼性のある接触を形成することは困難である。本発明の場合、ゲル溶液は液体の形態で注入され、従って毛髪を連続的に通過して頭皮に達することができる。いったんヒドロゲルが形成されると、毛髪は頭皮の接触を維持するのを助けるであろう。

ヒドロゲル形成電解質の概念が伝統的なＥＥＧ電解質ゲルを置き換える能力を証明するために、アルギン酸ナトリウムポリマー（Sigma Aldrich, MI, USA, 参考文献７１２３８）と２種のカルシウム源（ゲル化促進剤）が選択された。異なる組成を有するいくつかの溶液を調製することによってゲル化時間を調整する可能性を調べると、アルギン酸塩対カルシウムの比率を変えることによってゲル化速度を調整できることが示された。

配合物に保存剤を含めることも可能である。図１は、硫酸カルシウム：アルギン酸ナトリウム比とゲル化時間の関係を示す。

実証実験は、Ｈ３配合物及び１２８電極Waveguardキャップ（ANT B.V., Netherlands）を使用して行った。３人の健康な成人志願者に対して予備的インビボＥＥＧ試験を実施した。市販の電解質ペースト（ECI Electro-Gel）及び選択されたヒドロゲルと組み合わせた６４個の同一のＡｇ／ＡｇＣｌ電極の２つの独立したセットを使用して、ＥＥＧデータの並列取得を可能にする同時測定構成を適用した。測定は、ヒドロゲルが完全にゲル化した後に行った。全体的な測定構成及び電極配置は、それぞれ図２ａ及び図２ｂに概略的に示される。

ＥＥＧ記録の開始前及び終了後に、すべての電極位置における電極−皮膚インピーダンス測定を、ＥＥＧ増幅器の統合インピ−ダンス測定機能を使用し、８Ｈｚの周波数及び５０パーセントデューティ周期の二乗シグナルを用いて行った。全ての志願者及びチャンネルについて計算した平均電極−皮膚インピーダンスは、従来のペーストでは１７±１６ｋΩから１２±５ｋΩへ、そしてヒドロゲルでは３１±２０ｋΩから２５±１７ｋΩに減少した。減少した値及び両方のインピーダンスの変動は、頭皮に対するペースト及びヒドロゲルの両方の水和効果を示す。ヒドロゲルで観察されたより高いインピーダンス値は、より低い塩濃度及びヒドロゲル内部に閉じ込められた空気含有物の存在に起因し得る。その存在は、従来のゲルと比較して、電極キャップの機能原理及び増加したヒドロゲル粘度のために回避できない。さらに、アレルギーリスクがより高いより効率的な成分の代わりに、穏やかな皮膚浸透促進剤（Tween（登録商標）80）をヒドロゲルに加えることが決定されたため、ヒドロゲルについて皮膚水和効果の低下が予測される［２２、２３］。それにもかかわらず、ヒドロゲルインピーダンスは依然としてＥＥＧ取得に非常に適している。

全体の記録時間の約３０分の間、安静状態のＥＥＧ（目は開いている）、アルファ活動の優勢なＥＥＧ（目は閉じている）、及び誘発された瞬目と眼球運動アーチファクトを含む、異なるＥＥＧエピソードが記録された。さらに、ＩＳＣＥＶ ２０１０規格に従って、３００の碁盤格子模様の反転刺激からなる視覚誘発電位（ＶＥＰ）試験を記録した。図３では、ＥＥＧのオーバーレイプロットが時間領域で示されている。図３ａは、隣接する前面チャンネルＬＬ１及びＬＤ１を用いて記録されたＥＥＧシグナルを示し、前者では従来のペーストを使用し、後者ではヒドロゲルを使用した。これらの記録には、外部から発生させた瞬目アーティファクトを含む。図３ｂは、２つの電解質タイプ（ペースト又はヒドロゲル）にそれぞれ対応するチャンネルＬＬ１３及びＬＬ１２の例示的な記録における、安静状態のＥＥＧ及びアルファ活動を示す。シグナルトレースは、シグナルの形状と振幅の両方に大きな違いはなく、非常によく似ている。

視覚誘発電位の総平均についても非常によく似た結果が得られた（図４参照）。個々のチャンネル（図４ａ及び図４ｂ）、グローバルフィールドパワー（ＧＦＰ）（図４ｃ及び図４ｄ）、さらにはＮ７５又はＰ１００成分の例示的なトポグラフィーマッピング（図４ｅ及び図４ｆ）において、実質的な違いは見られない。電解質及びヒドロゲルシグナルの振幅、待ち時間、及び空間電位分布は非常によく似ている。

周波数領域でも同様の結果が見られる。図５は、１〜４０Ｈｚの周波数範囲について、アルファ活動（実線）及び安静状態中（点線）のＥＥＧのパワースペクトル密度の平均ウェルチ推定を示す。異なるスペクトルは、１０Ｈｚを超える周波数で互いに重なる。市販されているペーストでは、アルファ活動試験中にわずかに上昇したドリフトが見られ、これはペーストの流動に関連している可能性がある。しかし、このドリフトの差は安静状態のＥＥＧ ＰＳＤではあまり目立たない。市販のペースト及びヒドロゲルの両方について、アルファ活動ピークは１０〜１３Ｈｚの周波数範囲で明らかに増強されている。

表ＩＩは、異なるＥＥＧ試験についてのヒドロゲルと市販のペーストとの間の比較について、ＲＭＳＤ及びＣＯＲＲ値（ピアソン相関係数）の定量的結果を列記する。全ての値は、全ての被験者及びチャンネルについて平均と標準偏差（ＳＴＤ）を表す。結果は、比較されたＥＥＧシグナルの非常に良好な類似性を示している。我々の以前の研究［２４〜２６］によると、表ＩＩにおける明らかな違いは、外部雑音によって及び／又は志願者の頭の上の比較された隣接する電極の空間的な距離によって引き起こされた可能性がある。さらに、ＶＥＰに対するより高いＣＯＲＲ値及びより低いＲＭＳＤ値は、後述されるように、平均化された刺激エポックの数に起因して増加するＳＮＲに関連する。

図６は、２人の志願者の右前頭及びＣＰ１頭部領域の写真を示す。写真はＥＥＧキャップを外した直後に撮影されたものであり、すべての志願者にとって典型的なものである。皮膚のくぼみは、キャップのシコリーンカップの接触領域を示しており、これは一般に数分後に消える。明らかに肉眼で見えるように（図６ａ）、ほとんどのヒドロゲル位置（黒丸）は残留物を含まないが、従来のＥＥＧペーストを用いる全ての位置（白丸）はかなりの量の残留物を示す。ヒドロゲルは櫛で容易に取り除かれ（図６ｃ）、そして乾いたタオルで１０秒間拭いた後に毛髪は完全にきれいであるため（図６ｄ）、頭の毛髪の位置に関して同じことが観察される。その結果、ヒドロゲル適用後の被験者の頭の洗浄努力はかなり低減されるであろう。この事実は、頭皮への全体的なストレスを軽減するであろうから、敏感肌の患者のＥＥＧ取得には大きな利点となり得る。本製品は注入後の所定の時間内にゲル化するため、その後のゲルの広がり又は流動は不可能である。その結果、隣接する電極を連結し、それにより測定を誤るリスクがかなり減少する。

文献目録
[1] M. Teplan, “Fundamentals of EEG measurement”, Meas. Sci. Rev. 2 (2002) 1-11.
[2] E. McAdams, “Bioelectrodes”, in Encyclopaedia of Medical Devices and Instrumentation, Webster J. G. Ed., New York, Wiley (1988) 120-166.
[3] S. Finnigan, S. Rose, M. Walsh, M. Griffin et al, “Correlation of Quantitative EEG in Acute Ischemic Stroke With 30-Day NIHSS Score”, Stroke, 35 (2004) 899-903.
[4] C. Plummer, S. Harvey, M. Cook, “EEG source localization in focal epilepsy: Where are we now?”, Epilepsia, 49(2) (2008) 201-218.
[5] T. Thompson, T. Steffert, T. Ros, J. Leach, J. Gruzelier, EEG Applications for Sports and Performance”, Methods, 45 (2008) 279.
[6] T. R. Mullen, C. A. E. Kothe, M. Chi, A. Ojeda, T. Kerth, S. Makeigg, T. -P. Jung, G. Cauwenberghs, “Real-Time Neuroimaging and Cognitive Monitoring Using Wearable Dry EEG”, IEEE Trans. Biomed. Eng., 62 (2015) 2553.
[7] M. Lopez-Gordo, D. Sanchez-Morillo, F. Pelayo Valle, “Dry EEG electrodes”, Sensors, 14(7) (2014) 12847-70.
[8] - P.Griss, H.K. Tolvanen-Laakso, P.Merilainen, G.Stemme, “Characterization of Micromachined Spiked Biopotential Electrodes”, IEEE Transs. Biom. Eng, 49(6) (2002) 597-604.
[9] - G.Ruffini, S.Dunne, L.Fuentemilla, C.Grau, E.Farres, J. Marco-Pallares, P.Watts, S. Silva, “First human trials of a dry electrophysiology sensor using a carbon nanotube array interface”, Sensors and Actuators A, 144(2) (2008) 275-279.
[10] - S.Kingsley, S.Sriram, A.Pollick, J.Marsh, “Photrodes for physiological sensing”, Optical fibers and sensors for biomedical applications IV, Proceedings of the Society of photo-optical instrumentation Engineers (SPIE), 5317 (2004) 158-166.
[11] V. Nikulin, J.Kegeles, G.Curio, “Miniaturized electroencephalographic scalp electrode for optimal wearing comfort”, Clin. Neurophysiology, 121 (2010) 1007-14.
[12] I. Volosyak, D. Valbuena, T. Malechka, J. Peuscher, A. Graser, “Brain-computer interface using water-based electrodes”, J. Neural Eng. 7 (2010) 066007.
[13] A.Searle, L.Kirkup, “A Direct Comparison of Wet, Dry and Insulating Bioelectric Recording Electrodes”, Physiol. Meas. 22 (2000) 71-83.
[14] C.Fonseca, J.P.Silva Cunha, R.E.Martins, VM Ferreira, J.P.Marques de Sa, M.A.Barbosa, A.Martins Silva, “A novel dry active electrode for EEG recording”, IEEE Trans. Biomed. Eng. 54(1) (2007) 162-165.
[15] see Waveguard cap from ANT, https://www.ant-neuro.com/products/waveguard_connect
[16] P. Fiedler, S. Griebel, P. Pedrosa, C. Fonseca, F. Vaz, L. Zentner, F. Zanow, J. Haueisen, “Multichanel EEG with novel Ti/TiN dry electrodes”, Sensors and Actuators A: Physical, 221 (2015) 139-147.
[17] R. Pasion, T.O. Paiva, P. Pedrosa, H. Gaspar, B. Vasconcelos, A.C. Martins, M.H. Amaral, C. Fernandes, J.M. Nobrega, R. Pascoa, C. Fonseca, F. Barbosa, “Assessing a novel polymer-wick based electrode for EEG neurophysiological research”, Journal of Neuroscience Methods 267 (2016) 126-131.
[18] H. Peng, J. Liu, H. Tian, Y. Dong, B. Yang, X. Chen, C. Yang, “A novel passive electrode based on porous titanium for EEG recording”, Sensor Actuat B-Chem 226 (2106) 349-356.
[19] G. Li, D. Zhang, S. Wang, Y. Duan, “Novel passive ceramic based semi-dry electrodes for recording electroencephalography signals from the hairy scalp”, Sensors and Actuators B: Chemical, B 237 (2016) 167-178.
[20] N.Alba, R. J. Sclabassi, M. Sun, X. T. Cui, “Novel Hydrogel-Based Preparation-Free EEG Electrode IEEE T. Neur. Sys. Reh. (2010) 18, 415-423.
[21] K. Kleffner-Canucci, P. Luu, J. Naleway, D. Tucker, “A novel hydrogel electrolyte extender for rapid application of EEG sensors and extended recordings”, J. Neur. Methods, 206 (2012) 83-87.
[22] M. Lane, Int. J. Pharm. 2013, 447, 12.
[23] A. Williams, B. Barry, Adv. Drug Deliver Rev. 2012, 64, 128.
[24] P. Fiedler, J. Haueisen, D. Jannek, S. Griebel, L. Zentner, F. Vaz, C. Fonseca, ACTA IMEKO 2014, 3, 33.
[25] P. Fiedler, S. Griebel, P. Pedrosa, C. Fonseca, F. Vaz, L. Zentner, F. Zanow, J. Haueisen, Sensor Actuat. A-Phys. 2015, 221, 139.
[26] P. Fiedler, P. Pedrosa, S. Griebel, C. Fonseca, F. Vaz, E. Supriyanto, F. Zanow, J. Haueisen, Brain Topo. 2015, 28, 647.

Claims (13)

1. 信頼性のあるＥＥＧモニタリング及び容易な頭皮洗浄のためのヒドロゲルを形成することができる注入用ヒドロゲル形成ポリマー組成物であって、天然のポリマー及び合成ポリマーから成る群から選択される第１の成分と、重合開始系又は架橋剤から成る群から選択される第２の成分と、を含む注入用ヒドロゲル形成組成物。
2. 前記第１の成分はアルギン酸塩を含む溶液であり、前記第２の成分はカルシウム塩を含む溶液である、請求項１に記載の注入用ヒドロゲル形成組成物。
3. 前記第１の成分は、０．１％〜１０％の範囲の濃度で少なくとも１種のイオン化塩をさらに含んで適切な導電性を提供する、請求項１又は２に記載の注入用ヒドロゲル形成組成物。
4. 前記第１の成分は、保湿剤、好ましくはグリセロール又はプロピレングリコール、及び皮膚浸透促進剤、好ましくはTween（登録商標）80をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の注入用ヒドロゲル形成組成物。
5. 前記第１の成分は、２．８％（ｗ／ｖ）のアルギン酸ナトリウム、６％（ｖ／ｖ）のTween（登録商標）80、１０％（ｖ／ｖ）のプロピレングリコール、及び１．８％（ｗ／ｖ）の塩化ナトリウムを含む溶液であり、前記第２の成分は、０．３４％（ｗ／ｖ）の炭酸カルシウム、０．１４％（ｗ／ｖ）の硫酸カルシウム二水和物、及び１．１８％（ｗ／ｖ）のグルコノラクトンを含む溶液である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の注入用ヒドロゲル形成組成物。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の注入用ヒドロゲル形成組成物から形成された、信頼性のあるＥＥＧモニタリング及び容易な頭皮洗浄のためのヒドロゲル。
7. ゲル化速度は、アルギン酸塩対カルシウム塩の比率を変えることによって調整可能である、請求項６に記載のヒドロゲル。
8. 粘度はアルギン酸塩濃度を変えることによって調整可能である、請求項６に記載のヒドロゲル。
9. ＥＥＧ電極の空洞内への適用に適している、請求項６〜８のいずれか１項に記載のヒドロゲル。
10. 請求項１〜５のいずれかに記載の第１の成分と第２の成分とを混合することを含む、信頼性のあるＥＥＧモニタリング及び容易な頭皮洗浄のためのヒドロゲルの製造方法。
11. 以下の工程を含む注入用ヒドロゲル形成組成物の使用：
    ｉ）請求項１〜４のいずれか１項に記載の第１の成分及び第２の成分を用意する工程、
    ｉｉ）前記第１の成分と前記第２の成分を一緒にしてヒドロゲル生成を誘導し、ＥＥＧキャップシステムの電極空洞内に適用する工程、
    ｉｉｉ）ＥＥＧ記録後に、付着された固体ヒドロゲルと一緒にＥＥＧキャップを取り外す工程、
    ｉｖ）必要ならば櫛を用いて毛髪から固体ヒドロゲル片を洗浄する工程。
12. 工程ｉｉ）において、前記第１の成分と前記第２の成分は適用前に混合される、請求項１１に記載の注入用ヒドロゲル形成組成物の使用。
13. 工程ｉｉ）において、ミキサーノズルを備えた２重シリンジを用いてゲル化時間が短縮される、請求項１２に記載の注入用ヒドロゲル形成組成物の使用。