JP5041584B2 - 神経信号用プローバ、神経信号出力装置、神経信号記録装置、神経刺激装置及び神経信号入出力装置 - Google Patents
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Description
本郷利憲、他4人、「標準生理学(第4版)」、株式会社医学書院、1996年10月1日、p.88−90、P.218−219、p.286−309、p.366−386 神谷厚範、道上大策他、「抗重力筋の等尺性運動に対する交感神経・血圧応答は、長期臥床によって低下する(Bed rest attenuates sympathetic and pressor responses to isometric exercise in antigravity leg muscles in humans)」、米国生理学雑誌 調節統合生理( Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol)、2004年、第286巻(5)、p.844−850 神谷厚範、川田徹他、「圧受容器圧を変化させた時の筋交感神経活動の分時値は腎臓及び心臓交感神経活動と相似である(Muscle sympathetic nerve activity (SNA) averaged over 1 minute parallels renal and cardiac SNAs in response to forced baroreceptor pressure change)」、循環(Circulation)、2005年、第112巻(4)、p.384−386 李梅花他、「迷走神経刺激は慢性心不全ラットの長期生存を著しく改善する(Vagal Nerve Stimulation Markedly Improves Long-Term Survival After Chronic Heart Failure in Rats)、循環(Circulation)、 2004年、第109巻、p.120−124 ブランナー・アルムット(Branner Almut) 、ノーマン・リチャード・アラン(Normann Richard Alan)、脳研究紀要(Brain Research Bulletin)、2000年、第51巻(4)、p.298−306
図1〜図3に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る神経信号用プローバは、半導体集積回路(信号選択回路)26を集積化した基板13と、基板13の上面側に設けられ、複数の植込用貫通孔を有する台座層11と、基板13と台座層11との間に配置され、複数の植込用貫通孔に対応した位置に、それぞれ配線用貫通孔を有するスペーサ層12と、複数の植込用貫通孔のそれぞれに下部を埋め込んで固定され、先端部と底部を除き絶縁被膜で被覆された金属鍼pij-1,pij,pij+1,pij+2,……からなるプローブアレイとを備える。そして、プローブアレイの少なくとも一部により、神経活動信号を電気信号に変換し、且つ神経を電気的に刺激する。
図11(a)は、神経束へ神経信号用プローバを固定するための4つの固定具貫通孔31a,31b,31c,31dを基板13の4隅に設けた、本発明の第1の実施の形態の第1変形例に係る神経信号用プローバの概略を説明する模式的な鳥瞰図である(固定具貫通孔31dに関しては図16(e)参照。)。図11(b)は、図11(a)に示す第1の実施の形態の変形例に係る神経信号用プローバのボンディングパッド24a,24b,24c,24dのそれぞれに接続配線25a,25b,25c,25dを接続した状態を示す。
或いは、図13に示すように、高さガイド32a、32bを用い、第1の神経信号用プローバ(11,12,13,pij-1,pij,pij+1,pij+2,……)と第2の神経信号用プローバ(11c,12c,13c,qij-1,qij,qij+1,qij,qij+2,……)とを対向させ、神経束(51,52)を挟み込むようにすれば、神経束へ神経信号用プローバを固定できる。
図14は、麻酔下兎の下肢腓骨神経に、本発明の第1の実施の形態に係る神経信号用プローバを装着して記録した筋交感神経活動を示す。図14(b)は、交感神経活動の原波形(生波形)、図14(a)は、その全波整流積分波形を示す。1分間の安静及び低酸素負荷(0%酸素、4分間)によって、筋交感神経活動が顕著に増加する反応を測定した。
図15は、本発明の第1の実施の形態に係る神経信号用プローバの説明で用いた図2に対応する方向から見た断面図であるが、図15に示すように、本発明の第2の実施の形態に係る神経信号用プローバは、半導体集積回路(信号選択回路)26を基板13の下面側に集積化している点が、第1の実施の形態に係る神経信号用プローバとは異なる。更に、第1の実施の形態に係る神経信号用プローバでは、基板13と台座層11との間にスペーサ層12が配置されているが、第2の実施の形態に係る神経信号用プローバは、スペーサ層12を有しない点で、第1の実施の形態に係る神経信号用プローバとは異なる。
上記のように、本発明は第1及び第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
ICタグ(RFタグ)と同様に、神経信号用プローバを生体の外部に取り付け、若しくは神経信号用プローバを生体の内部に埋め込めば、運動神経等の動作の激しい神経に対しても安定した信号取得や神経刺激が可能になる。
運動神経は脳(中枢神経系)から骨格筋への運動命令を伝える神経であり、各運動神経線維(群)の連係によって、複数の骨格筋の運動を制御して、全体として円滑な協調運動を可能にしている。運動障害のある疾患では、骨格筋単一による運動、或いは複数筋の協調運動が困難である。本発明の実施の形態に係る神経信号用プローバ、神経信号出力装置、神経信号記録装置及び神経信号入出力装置を用いて、運動神経線維の神経活動を測定すれば、運動制御に関する生理的機序を解明するのに有用であり、又、運動障害疾患に関する医学や医学研究に有用である。一方、本発明の実施の形態に係る神経信号用プローバ、神経刺激装置及び神経信号入出力装置を用いて運動神経を線維群毎に電気刺激すれば、各筋別に筋収縮を制御して複数筋による協調運動を人工制御でき、運動障害疾患の治療に繋がる。
自律神経は、心臓・血管・肺・胃腸・膀胱・汗腺等の各臓器機能を調節する重要な神経である。この自律神経は循環器疾患・神経疾患・免疫疾患等の多くの疾患で異常を示し、病態の進行や治癒に関与する。例えば慢性心不全では、自律神経のうち交感神経が異常に亢進し、迷走神経が異常に低下しており、これを是正する治療が死亡率を低減することが開示されている(非特許文献4)。本発明の実施の形態に係る神経信号用プローバ、神経信号出力装置、神経信号記録装置及び神経信号入出力装置を用いて、自律神経活動を測定すれば、自律神経に関する生理的機序を解明するのに有用であり、又、自律神経の関与する疾患に関する医学や医学研究に有用である。一方、本発明の実施の形態に係る神経信号用プローバ、神経刺激装置及び神経信号入出力装置を用いて自律神経線維を電気刺激すれば、自律神経活動を人工制御でき、自律神経異常を是正する治療となる。
痒み・しびれ・慢性疼痛等の感覚異常では、病態が良く理解されていないものが多い。本発明の実施の形態に係る神経信号用プローバ、神経信号出力装置、神経信号記録装置及び神経信号入出力装置を用いて、求心性感覚神経活動を測定すれば、感覚異常に関する医学や医学研究に有用である。一方、本発明の実施の形態に係る神経信号用プローバ、神経刺激装置及び神経信号入出力装置を用いて求心性感覚神経線維を刺激すれば、脳で知覚される感覚を人工的に改変できるため(人工感覚)、医学や医学研究に資すると思われる。
求心性神経は、脳や脊髄等を介して反射性に自律神経等の遠心性神経を調節し、臓器機能を調節する。本発明の実施の形態に係る神経信号用プローバ、神経信号出力装置、神経信号記録装置及び神経信号入出力装置を用いて、求心性神経活動を測定すれば、求心性神経に関する医学や医学研究に有用である。一方、本発明の実施の形態に係る神経信号用プローバ、神経刺激装置及び神経信号入出力装置を用いて求心性神経線維を刺激すれば、上記反射を用いて自律神経や臓器機能を人工制御できるため、医学や医学研究に有用である。
神経束内における神経線維の局在は、十分に解明されていない。本発明の実施の形態に係る神経信号用プローバ、神経信号出力装置、神経信号記録装置及び神経信号入出力装置による神経活動測定や神経刺激と、針電極アレイ構造を組合わせることによって、この神経線維の局在分布を解明できる。この局在情報が明らかになれば、神経測定や神経刺激に役立つ。
uij-1,uij,uij+1,uij+2,…フィードスルー貫通孔
11ij…電極鍼本体
11,11c…台座層
12ij…絶縁被膜
12,12c…スペーサ層
13,13c…基板
14…第1の保護層
14c…第2の保護層
15…半導体チップ
17a,17b,17c,17d,17e,17f…ハンダボール
18…実装基板
23…金属配線層
24a,24b,24c,24d…ボンディングパッド
25p…出力配線
25a,25b,25c,25d…接続配線
25b…ボンディングワイヤ
27…樹脂
28…外部回路
29…外部回路
31a,31b,31c,31d…固定具貫通孔
32a、32b…高さガイド
35…絶縁膜
42a、42b…手術糸
43…埋込プラグ
51…パンド
51,52,71,72…バッファ増幅器
53,75…多重変換器(マルチプレサ)
54…入力増幅器
55,76,79…多重分離器(デマルチプレサ)
56,57…出力増幅器
60…制御回路
73,74…出力増幅器
77…入力増幅器
78…出力増幅器
80,81…出力増幅器
84…制御回路
91…制御回路
92…電源回路
93…信号発生回路
94…信号処理回路
Claims (11)
- 複数種の神経線維が存在する末梢神経を対象とする神経信号用プローバであって、
基板と、
該基板の上面側に設けられ、複数の植込用貫通孔を有する台座層と、
前記複数の植込用貫通孔のそれぞれに下部を埋め込んで固定され、先端部と底部を除き絶縁被膜で被覆された、300HV以上の高硬度の金属の金属鍼からなるプローブアレイ
とを備え、前記プローブアレイの少なくとも一部を神経に刺すことにより得られた神経活動信号を電気信号として出力し、且つ前記金属鍼を用いて、神経に電気信号を出力することを特徴とする神経信号用プローバ。 - 前記基板には、少なくとも信号選択回路を有する半導体集積回路が集積化され、前記神経活動信号を電気信号として前記信号選択回路が選択し、該選択された電気信号を前記神経信号用プローバから出力し、且つ前記信号選択回路で選択した特定の前記金属鍼を用いて、神経に電気信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の神経信号用プローバ。
- 前記複数の植込用貫通孔は、50〜500μmの範囲のピッチで少なくとも6個以上周期的に開口されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の神経信号用プローバ。
- 半導体集積回路は、前記基板の下面側に埋め込まれていることを特徴とする請求項2に記載の神経信号用プローバ。
- 前記基板と前記台座層との間に、前記複数の植込用貫通孔に対応した位置に、それぞれ配線用貫通孔を有するスペーサ層を更に備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の神経信号用プローバ。
- 前記基板は、更にアンテナとなるコイルを埋込み、該コイルの電磁誘導による電力で前記半導体集積回路が動作することを特徴とする請求項2又は4に記載の神経信号用プローバ。
- 複数種の神経線維が存在する末梢神経を対象とする神経信号出力装置であって、少なくとも信号選択回路を有する半導体集積回路を集積化した基板と、
前記基板の上面側に設けられ、複数の植込用貫通孔を有する台座層と、
前記複数の植込用貫通孔のそれぞれに下部を埋め込んで固定され、先端部と底部を除き絶縁被膜で被覆された、300HV以上の高硬度の金属の金属鍼からなるプローブアレイと、
前記プローブアレイの少なくとも一部を神経に刺すことにより得られた神経活動信号を前記信号選択回路で電気信号として選択且つ増幅して出力し、更に、前記信号選択回路を制御する制御回路
とを備えることを特徴とする神経信号出力装置。 - 複数種の神経線維が存在する末梢神経を対象とする神経信号記録装置であって、基板と、
該基板の上面側に設けられ、複数の植込用貫通孔を有する台座層と、
前記複数の植込用貫通孔のそれぞれに下部を埋め込んで固定され、先端部と底部を除き絶縁被膜で被覆された、300HV以上の高硬度の金属の金属鍼からなるプローブアレイと、
前記プローブアレイの少なくとも一部を神経に刺すことにより得られた神経活動信号を電気信号として処理する信号処理回路と、
該信号処理回路の出力を記録する記録装置
とを備えることを特徴とする神経信号記録装置。 - 前記基板には、少なくとも信号選択回路を有する半導体集積回路が集積化され、前記神経活動信号を電気信号として前記信号選択回路が選択し、
前記制御回路は、前記信号選択回路で電気信号として選択された前記神経活動信号を増幅して出力し、且つ前記信号選択回路を制御することを特徴とする請求項8に記載の神経信号記録装置。 - 複数種の神経線維が存在する末梢神経を対象とする神経刺激装置であって、少なくとも信号選択回路を有する半導体集積回路を集積化した基板と、
前記基板の上面側に設けられ、複数の植込用貫通孔を有する台座層と、
前記複数の植込用貫通孔のそれぞれに下部を埋め込んで固定され、先端部と底部を除き絶縁被膜で被覆された、300HV以上の高硬度の金属の金属鍼からなるプローブアレイと、
神経を刺激するための電気信号を生成する信号発生回路と、
前記神経を刺激するための神経刺激信号が、前記プローブアレイの少なくとも一部を介して神経を刺激するように、前記信号選択回路を制御する制御回路
とを備え、前記信号選択回路で選択した特定の前記金属鍼を用いて、神経を刺激することを特徴とする神経刺激装置。 - 複数種の神経線維が存在する末梢神経を対象とする神経信号入出力装置であって、
少なくとも信号選択回路を有する半導体集積回路を集積化した基板と、
前記基板の上面側に設けられ、複数の植込用貫通孔を有する台座層と、
前記複数の植込用貫通孔のそれぞれに下部を埋め込んで固定され、先端部と底部を除き絶縁被膜で被覆された、300HV以上の高硬度の金属の金属鍼からなるプローブアレイと、
神経を刺激するための神経刺激信号を生成する信号発生回路と、
前記プローブアレイの少なくとも一部を神経に刺すことにより得られた神経活動信号を電気信号として増幅して出力し、更に、前記神経を刺激するための神経刺激信号が、前記プローブアレイの少なくとも一部を介して神経を刺激するように、前記信号選択回路を制御する制御回路
とを備えることを特徴とする神経信号入出力装置。
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