JP5894678B2 - 患者の経胸的インピーダンスを減少させる器具及び方法 - Google Patents

Description

本開示内容、即ち、本発明は、一般に、任意の動物、例えば人間又は人間ではない動物に治療電流を送り出す目的で患者の経胸的インピーダンスを減少させる器具及び方法に関する。

〔関連出願の説明〕
本願は、２０１０年３月１３日に出願された米国特許出願第１２／７２４，２６９号（発明の名称：External Defibrillator）の一部継続出願であると共に３５ＵＳＣ§１２０の規定に基づくこの米国特許出願の優先権主張出願であり、この米国特許出願は、２００９年３月１７日に出願された米国特許仮出願第６１／１６１，０１４号（発明の名称：External Defibrillator）の３５ＵＳＣ§１１９（ｅ）の規定に基づく優先権主張出願であり、かかる米国特許出願及び米国特許仮出願を参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。

心臓の主要な役割は、酸化されて栄養分に富んだ血液を体中にポンプ作用で送り出すことにある。心臓の一部分によって生じる電気パルスは、ポンプ送り出しサイクルを調節する。電気パルスが規則的且つ一貫したパターンを呈する場合、心臓は、正常に機能し、血液のポンプ送り出しが最適化される。心臓の電気パルスが乱された場合（即ち、心臓不整脈の場合）、結果的に突然の心拍停止が起こる場合があり、これは、血液の循環を阻害する。その結果、脳及び他の重要な器官から栄養分及び酸素が奪われる。突然の心拍停止をきたした人は、意識を突然失う場合があり、そして治療しないままでいるとその後間もなく死亡する場合がある。

突然の心拍停止又は不整脈の周知の且つ有効な治療は、除細動又はカルジオバージョンである。除細動では、電流を人に通して心臓に衝撃を与えて正常なリズム（律動）に戻す。種々の除細動器が存在する。例えば、植え込み型除細動器（implantable cardioverter-defibrillator：ＩＣＤ）の使用にあたっては、ワイヤコイル及び発電機器具を患者の体内に外科的に植え込むことが必要である。ＩＣＤは、典型的には、心臓不整脈のリスクの高い人向けである。心臓不整脈が検出されると、第三者による介入が殆どなく又は全く行われない状態で電流は自動的にユーザの心臓に流される。

別法として、より一般的な形式の除細動器は、半自動除細動器（automated external defibrillator：ＡＥＤ）である。植え込まれるのではなく、ＡＥＤは、突然の心拍停止を患った人を人工蘇生させるために第三者により用いられる外部器具である。図１は、従来型ＡＥＤ１００を示しており、このＡＥＤは、ベースユニット１０２及び２つのパッド１０４を有している。取っ手付きのパドルがパッド１０４に代えて用いられる場合がある。パッド１０４は、電気ケーブル１０６を用いてベースユニット１０２に接続される。

ＡＥＤ１００を用いるための典型的なプロトコルは、次の通りである。先ず最初に、突然の心拍停止を患った人を床の上に寝かせる。衣服を脱がしてその人の胸部１０８を露出させる。パッド１０４を図１に示されているように胸部１０８上の適当な場所に当てる。ベースユニット１０２内の電気系統が２つのパッド１０４相互間に高電圧を発生させ、かかる高電圧により、電気的ショックがその人に送り出される。理想的には、この衝撃は、正常な心拍リズムを回復させる。場合によっては、多数回の衝撃が必要とされる。

既存の技術は、良好に働いてはいるが、半自動除細動器の有効性、安全性及び利用性を向上させる技術的努力が続けられている。例えば、患者の電気抵抗を減少させることができる場合、必要とする電力が小さいが、治療電流を効果的に送り出して心臓にショックを与える除細動器を提供することが可能である。

現在、患者インピーダンスを減少させるのに有効な主要なメカニズムは、電極パッドのサイズを増大させることである。電極パッドの表面積が大きければ大きいほど、除細動器が直面する患者インピーダンスがそれだけ一層小さくなる。加うるに、これら電極パッドは、各電極のできるだけ多くの部分が患者の皮膚と導電接触関係をなすようにするのを助けるために導電性ヒドロゲルを利用している。

人間の皮膚の特性

人間の皮膚は、最も面積の広い器官である。皮膚温度の調節機能とは別に、皮膚の最も重要な機能は、異質な作用剤、例えば毒物、微生物による身体の障害及び機械的損傷に起因する身体の障害に対する有効なバリヤとして働くことにある。

皮膚は、身体の最も外側にある保護層である。皮膚は、角質層、顆粒層、有棘層及び基底層を含む表皮と、とりわけ毛細血管層を含む真皮とで構成されている。この下には、皮下脂肪層が存在する。皮膚の上には、皮膚内から外方に成長する毛が見受けられる場合があり、毛の線維は、厚さが最大で１００ミクロンになる場合がある。何種類かの「耐久性のある」皮膚層、例えば踵又は仮骨は、厚さ１００〜１５０ミクロンの角質層から成る場合がある。

角質層は、死んだ細胞組織で作られている丈夫で鱗片状の層である。角質層は、死んだ細胞に由来するケラチン（角素）のほぼ層状になった層（積層）から成る。角質層は、皮膚表面から約１０〜２０ミクロンにわたって延び、この角質層には血液の供給は行われない。この細胞層の密度に鑑みて、電気信号、電磁エネルギー又は化合物を皮膚を横切って体内又は体外に移動させることは、極めて困難であると言える。実験結果の判明したところによれば、角質層の最も上に位置する層は、最も抵抗の大きいものである。

表皮は、厚さが典型的には５０〜１５０ミクロンであり、毛細血管及び神経終末部を含む真皮は、厚さが典型的な７５０〜１５００ミクロンである。この皮膚の導電性は、種々の条件、例えば年齢、場所、日光暴露度、ローションの使用、水分レベル及び環境条件等によって様々である。

角質層を除去すると、皮膚の高いインピーダンスが減少し、電気信号、電磁エネルギー又は生物学的種の人間組織の内外への良好な伝送及び受け取りが可能である。また、電磁エネルギーにより引き起こされる角質層の変化の結果として、物質に対する透過性が増大することが実証された。代わりに、「浸透増強剤（permeation enhancer）」と通称されている化合物を用いると、角質層に侵入することができるが、或る程度の成功を収めているに過ぎない。伝統的な方式は、サンドペーパー及びブラシによる皮膚の擦過、テープ及び有毒化学薬品による皮膚の剥離又は剥ぎ取り、レーザ又はサーマルアブレーションによる角質層の除去又は針による皮膚の穿刺を必要とする。

かくして、治療電流を送り出すために例えば除細動器又は電気的除細動器（カルジオバータ）のために患者経胸的インピーダンスを減少させる良好なやり方を提供することが望ましく、本開示内容は、この目的を達成しようとするものである。

従来型外部除細動器の一例を概略的に示す図である。 外部携帯用除細動器の斜視図である。 外部携帯用除細動器の側面図である。 マイクロニードルアレイを備えた除細動器パッドの実施形態を示す図である。 マイクロニードルアレイを備えた除細動器パッドの実施形態を示す図である。 マイクロニードルアレイの実施形態を示す図である。 マイクロニードルアレイの別の実施形態を示す図である。 中実マイクロニードルを含むマイクロニードルアレイの別の実施形態を示す図である。 中実角錐形マイクロニードルを含むマイクロニードルアレイの別の実施形態を示す図である。 中実角錐形マイクロニードルを含むマイクロニードルアレイの別の実施形態を示す図である。 中実角錐形マイクロニードルを含むマイクロニードルアレイの別の実施形態を示す図である。 角柱形マイクロニードルを含むマイクロニードルアレイの別の実施形態を示す図である。 湾曲ブレード形マイクロニードルを含むマイクロニードルアレイの別の実施形態を示す図である。 Ｃ字形チャネルマイクロニードルを含むマイクロニードルアレイの別の実施形態を示す図である。 患者に向いた表面がマイクロニードルアレイによって覆われた除細動器電極パッド／パドルの一例を示す図である。 患者に向いた表面の外周部がマイクロニードルアレイによって覆われ、導電性ゲルが患者からのＥＣＧ信号を検出するために用いられる中央部にはマイクロニードルが存在しない除細動器電極パッド／パドルの一例を示す図である。 患者に向いた表面の大部分がマイクロニードルアレイによって覆われ、導電性ゲルが患者からのＥＣＧ信号を検出するために用いられる中央チャネルにはマイクロニードルが存在しない除細動器電極パッド／パドルの一例を示す図である。 患者に向いた表面がマイクロニードルアレイによって覆われ、導電性ゲルが患者からのＥＣＧ信号を検出するために用いられる領域にはマイクロニードルが存在しない除細動器電極パッド／パドルの一例を示す図である。

本発明は、特に、人間のための除細動器内で治療電流を送り出す目的で患者の経胸的インピーダンスを減少させる器具及び方法に利用でき、この関係で本発明について説明する。しかしながら、理解されるように、治療電流を送り出す目的で患者の経胸的インピーダンスを減少させる器具及び方法は、治療電流を送り出すことができることが望ましいシステムであればどのようなシステムにも広く利用でき、かかる器具及び方法は又、種々の目的で治療電流を送り出すために利用でき、しかも人間と動物の両方に利用できる。治療電流を送り出す目的で患者の経胸的インピーダンスを減少させる器具及び方法を理解するため、器具又はこの器具を収納することができる除細動器の一例について説明する。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、外部携帯用除細動器２００の斜視図及び側面図である。除細動器２００は、２つの除細動器パドル２０２ａ，２０２ｂを有し、これら２つの除細動器パドルは、パドルモジュール２０４を形成するよう互いに上下に取り付けられると共に互いに直接封着されている。突然の心拍停止の患者を除細動する必要が生じた場合、パドル２０２ａとパドル２０２ｂを互いに引き離すのが良く、それにより図２Ｂで理解されるように連結構造体２０６が現れ、この結合構造体は、パドルを物理的に且つ電気的に結合している。結合構造体２０６は、ユーザが除細動器２００を作動させるのを助ける取り扱い説明付きのシート状部分２０７を有するのが良い。

好ましくは、パドル２０２ａ，２０２ｂは、脆弱なシールにより互いに直接封着される。即ち、先ず最初に、パドル２０２ａ，２０２ｂを互いに引き離すと、シールは、非可逆的に且つ永続的に変形する。この特徴は、幾つかの有益な用途を提供することができる。変形したシールは、パドル２０２ａ，２０２ｂが以前使用されたかどうかを指示するのに役立ち、このことは、これらパドルが滅菌状態にあるかどうか又は十分な電力を備えているかどうかを指示するのに役立つ。加うるに、シールの破断によって種々のイベントをトリガすることができる。例えば、シールを破ると、除細動器２００内の１つ又は２つ以上のキャパシタがユーザからの入力を必要とすることなく充電を開始することができる（即ち、ボタン又は他の機械的スイッチが除細動器を起動するよう別個にトリガされる必要はない）。パドルモジュール２０４を開くと、除細動器２００の所有者のパーソナルデータ及び／又は除細動器２００の存在場所を指示するＧＰＳデータ及び／又は除細動器２００の固有の装置識別データを自動的に且つワイヤレスで遠隔装置又はサーバに送ることができる。その結果、除細動器の使用について救急業務者、医療スタッフ、家族又は他の重要な事業体若しくは個人に自動的に且つ迅速に知らせることができる。

結合構造体２０６は、有用な情報を表示すると共にパドル２０２ａ，２０２ｂを互いに電気的に接続するという二重の目的にかなうと言える。幾つかの既存のＡＥＤでは、パドル又はパッチがケーブルによりベースユニットに個々に接続される。取り扱い説明が典型的にはベースユニット上に表示される。しかしながら、ベースユニット及びそのディスプレイは、かかるシステムでは相当広い空間を占める。図示の実施形態では、取り扱い説明のうちの少なくとも何割かは可撓性結合構造体２０６上に提供され、この可撓性結合構造体は、パドルモジュール２０４を封着すると、パドル２０２ａ，２０２ｂ相互間で圧縮される。パドルモジュール２０４とパドル２０２ａ，２０２ｂを引き離すと、結合構造体２０６は、広がり又は違ったやり方で展開し、そしてパドル２０２ａ，２０２ｂ相互間で延びる。

結合構造体２０６は、これが容易に目に見えるように且つユーザが除細動器を作動させている間、インストラクショナルツールとして利用できるように除細動器パドル２０２ａ，２０２ｂに取り付けられている。例えば、図示の実施形態では、各除細動器パドル２０２ａは、導電性接触面２０３を備えた除細動器電極を有する。適当な時点において、高電圧を接触面２０３のところで印加して電気的ショックを送り出すことができる。結合構造体２０６の各シート状区分２０７は、頂面２０９ａ及びこれと反対側の底面２０９ｂを有している。頂面２０９ａは、除細動器の適正な作動の際にユーザに指図を与えるのを助ける画像、発光デバイス、光反射デバイス、ディスプレイスクリーン、電子ディスプレイデバイス等を有するのが良い。図２Ｂで理解されるように、除細動器パドル２０２ａ，２０２ｂを広げてパドルの導電性接触面２０３が下方に向くと、結合構造体２０６の頂面２０９ａ上の取り扱い説明内容が上方に向く傾向を生じる。かくして、除細動器のユーザは、患者の胸部上に除細動器を載せて保持した状態で次の取り扱い説明及びステップバイステップの誘導が得られるよう結合構造体２０６を容易に参照することができる。

幾つかの実施形態では、除細動器の電気系統のうちの何割か又は全てをパドルモジュール２０４内に組み込むことによって除細動器２００の携帯性を高めることができる。幾つかの具体化例は、パドルモジュール２０４をケーブルにより外部電力モジュールに接続することを含むが、種々の他の方式では、除細動器２００のキャパシタ及びバッテリの全てをパドル２０２ａ，２０２ｂのハウジング内に収納する。かかる設計例は、２つのパドル２０２ａ，２０２ｂを別個の第３の装置との接触の必要性から自由にすることができ、このことは、除細動器２００を携帯したり接近したり作動させたりすることが好都合にするのを助けることができる。

一般に、除細動器２００の全体的な嵩は、その電気系統の容量によって影響を受ける。より多くのショックを送り出すと共にキャパシタを何回も充電することができる除細動器は、一般に、より多くの且つ／或いはより大きなバッテリを有する。具体的に説明すると、大きなバッテリは、典型的には、交換又は再充電を必要とする前に小形のバッテリよりも多くの回数の電気的ショックをサポートすることができる。本発明者の知る限り、既存のＡＥＤは、多数回のショック、例えば少なくとも５０回のショックを送り出し又は典型的には単一の心拍停止患者を治療するのに必要な回数よりも多くの回数を送り出す容量又は能力を有する。

図２Ｂに示されているように、各パドルは、各除細動器パドル２０２ａ，２０２ｂから延び出た１組の導電性突出部２１０を有する。導電性突出部２１０は、除細動器２００の電気系統に結合されている。１つ又は２つ以上のバッテリ及びキャパシタを含む電気系統を図２Ａに示されているように除細動器パドル２０２ａ，２０２ｂのうちの１つ又は２つ以上の中に又は外部電力モジュール内に収納することができる。導電性突出部２１０は、各パドル内の除細動器電極の一部であり、突然の心拍停止患者を通る電流の流れを最適化するよう配置されている。

一般に、導電性突出部２１０は、患者の皮膚を押し又はこの中に穿刺するよう配置されている。かかる押圧又は穿刺は、皮膚の電気抵抗を減少させる（例えば、治療電流を送り出す目的で患者の経胸的インピーダンスを減少させる）。その結果、患者の心臓不整脈を阻止するのに十分な電流を保証するために導電性突出部２１０のところで発生させることが必要な電圧は低い。除細動器２００に関する電力上の要件の対応した緩和は、除細動器の電気系統のサイズの減少（例えば、そのキャパシタ及び／又はバッテリのサイズの減少）につながることが可能であり、このことは、除細動器２００の携帯性を高めるのに役立つ。幾つかの実施形態では、除細動器２００内の全てのキャパシタの体積を約４００立方センチメートル以下の全体積に制限することができる。さらに別の実施形態では、除細動器２００は、除細動器の通常の作動中、１４００ボルトを決して超えることのない電圧を除細動器電極に印加するよう構成されている（これと比較して、幾つかの既存のＡＥＤは、人を除細動するのに１４００ボルトを遙かに超える電圧の印加を必要する）。導電性突出部２１０は、以下に説明する一実施形態では、マイクロニードルアレイ（microneedle array）であるのが良い。

除細動器は又、治療電流を送り出す目的で患者の経胸的インピーダンスを減少させるために他の方法、例えば電気穿孔及び／又はソノフォレーシス（sonophoresis）を利用することが可能である。電気穿孔及び／又はソノフォレーシスの特徴（以下に説明する）は、被検者へのエネルギー送り出しに先立って電子的に評価され、かかる特性及びこれら特性の評価の仕方は、当該技術分野において周知である。

電気穿孔

物質、電気信号又は電磁エネルギーの経皮的又は皮内的動きは又、電気穿孔プロセスによって支援可能である。電気穿孔は、代表的には、組織表面に当てられた１対の電極に印加される高電圧パルスによって実施される。電気パルスにより、移動しているイオンが組織層を穿刺し、荷電された状態と荷電されていない状態の両方の物質の通過のための新たな経路を提供する。注目されなければならないこととして、電気穿孔は、荷電物質を送り出すわけではなく、これとは異なり、隣接の組織中への物質の通過に対する抵抗を減少させる。電気穿孔は、必要な駆動力を提供するわけではないので、良好な穿刺具合を達成するためには電気穿孔を送り出し技術、例えばイオン導入法又は電気泳動法と組み合わせることが望ましい。

知られているように、皮膚を通る電流の通過における主要な妨げは、角質（ＳＣ）の死んだケラチン層によるものとされる。比較的乾燥した状態のこれらの層は、低い導電率を有し、その結果、イオン導入法装置の起電力を阻害する。あらゆる教科書で説明されているように、角質層の高いインピーダンスに鑑みて、電流は、皮膚の深いところに位置する層、即ち下表皮及び真皮を通過しなければならず、それにより、これら深在層の中にアクティブな作因を運び込み、次に体循環系中に運び込む。かくして、言うまでもないこととして、ＳＣ導電率を向上させると、その結果として、より高い電流がＳＣを通ることになり、その結果、皮膚の外側の層を通って減衰されるのではなく、標的器官、この場合、心筋層へのアクティブな電気インパルスの強力な送り出しが起こるはずである。

電気穿孔又は電気透過化処理は、イオン及び高分子に対する細胞膜の透過性が細胞を短い（マイクロ秒からミリ秒）高電圧電界パルスに当てることによって増大する現象である（これについては、例えば、イー・ノイマン（E. Neumann）、エム・シェーファー‐リッデル（M. Schaeffer-Ridder）、ワイ・ワン（Y. Wang）、ピー・エイチ・ホフシュナイダー（P. H. Hofschneider）、「ジーン・トランスファー・イントゥー・マウス・リインフォーマ・セルズ・バイ・エレクトロポレーション・イン・ハイ・エレクトリック・フィールズ（Gene transfer into mouse lymphoma cells by electroporation in high electric fields）、ヨーロピアン・モレキュラール・バイオロジー・オーガニゼーション・ジャーナル（EMBO J）、（１９８２年）、８４１‐８４５を参照されたい。）実験結果の示すところによれば、電気パルスの印加は、種々のパルスパラメータ、例えば振幅、長さ、形状、繰り返し回数及びパルス相互間の間隔の関数として細胞膜に対して幾つかの互いに異なる影響をもたらす場合がある。これらパラメータの関数として、電気パルスの印加は、影響を及ぼさない場合があり、可逆的電気穿孔と呼ばれている過渡的な透過化処理作用をもたらす場合があり、或いは、非可逆的電気泳動と呼ばれている永続的な透過化処理を引き起こす場合がある。可逆的と非可逆的両方の電気穿孔は、バイオテクノロジー及び医学において重要な用途を有する。

電気穿孔が互いに異なる組織層を横切って電流の流れを推し進めるために用いられる場合、抵抗率の高い組織層を含む組織層は、強い電界を受けることになる。かくして、組織層の中には、他の組織層よりも電気穿孔を受けやすいものがある。幾つかの組織を可逆的に電気穿孔する一方で、ジュール効果のために他の組織を非可逆的に電気穿孔する（又は、組織を焼いてしまう）ことが可能性としてあるので、関心のある領域に十分な程度の電界を提供するために所要の外部電圧を評価することは困難であろう。

角質層の一時的な可逆的な電気穿孔を引き起こし、それにより細孔が拡大状態になって長期間にわたり開いたままであるようにするために、制御型電気穿孔システムは、短い持続時間にわたり高い周波数の高電圧パルス（１００Ｖを超える）を用いるのが良い。一例は、７５０Ｖの８つのパルスであり、各々の持続時間について１００マイクロ秒であり全体で１秒の期間にわたる。代表的には、パルスは、約１０〜２００ｋＶ／ｃｍの振幅及び１又は数百ピコ秒から１又は数十又は数百のナノ秒のパルス長さを有する。

電気穿孔を引き起こす刺激パルス中、高い電圧が生物学的バリヤ（第１の場合においては、細胞膜であり、皮膚の場合、ＳＣの約１００ミクロンの脂質二重層膜）前後に存在し、非常に減少した電気抵抗がこのバリヤ前後に生じる。多くの場合において、電気抵抗は、前パルスの値又はほぼ前パルスの値に戻り、「可逆的電気穿孔」を構成する。大きなパルスの場合且つ長いパルスの場合、人工の平べったい二重層膜は、非可逆的な損傷を示して破壊され、その結果、この二重層膜の部位の前後の抵抗が大幅に減少した値のままであるようになる。同様に、大きなパルスの場合且つ長いパルスの場合、細胞膜は、経膜抵抗が大幅に減少した状態で開いた状態のままであり、細胞は、通常死滅する。皮膚の場合、大きなパルス且つ長いパルスでは、Ｒ_skinは、初期の前パルスの値よりも極めて小さい値のままである場合がある。この回復欠如は、電気穿孔された細胞の損傷、多くの場合致命的な損傷のエビデンスとして観察される場合が多く、ＳＣの場合、回復の欠如は、ＳＣがたとえ死んだ組織であっても、望ましくないとみなされる場合が多い。さらに、回復の欠如は、隣接の生存可能な真皮が持続的な経路を介して外部環境にさらされることを意味し、即ち、皮膚の保護特徴のうちの幾分かが失われている。かくして、人工の平べったい二重層膜電気穿孔及び細胞膜電気穿孔の技術背景に照らして、皮膚電気穿孔を引き起こすが、Ｒ_skinの回復率が僅かであり又は本質的にゼロである、大きく且つ／或いは長いパルスの使用は、望ましくないという見方がなされる。

制御型ソノフォレーシスシステムの場合、例えば５５ｋＨｚの周波数の超音波が適当な装置、例えばSontra SonoPrep（登録商標）超音波皮膚透過装置を用いて５〜３０秒間にわたって患者の皮膚に加えられる。この超音波は導電率フィードバック閾値に達するまで加えられる。

マイクロニードル（microneedles）

除細動器も又、マイクロニードルを使用することができる。と言うのは、マイクロニードルによって引き起こされる苦痛、局所的損傷、出血又は感染の恐れが（もしあったとしても）極めて僅かだからである。研究結果の実証するところによれば、数十マイクロメートルのオーダーの断面を備えたマイクロプローブがそれほどの外傷を生じさせないで生きている組織を穿刺することができる。本明細書では、「外傷」を「皮膚の表面に対する製造物品の貼付、出血、紫斑、腫脹、皮膚領域への損傷等と関連した苦痛」と定義する。

図３に示されているように、マイクロニードル構造体３００は、外面を備えた支持体３０２を有するのが良い。マイクロニードル構造体３００は、支持体３０２に取り付けられていて、支持体の外方側部から距離ｄにわたり外方に突き出た複数本のマイクロニードル３０３を有するのが良い。例えば、各マイクロニードルは、５０ミクロンから３００ミクロンまでの範囲にわたる長さ（ｄに等しい）を有するのが良く、更に、１０ミクロンから２５０ミクロンまでの外径範囲を有するのが良い。各マイクロニードル３０３は、近位端３０３ａ、遠位端３０３ｂ及び外面３０３ｃを有している。除細動器では、マイクロニードル構造体は、ＥＣＧ検出のために且つ表面積が最大の接触を保証するようゲル状の下側支持体３０４を更に有するのが良い。除細動器では、２つのパドル２０２ａ，２０２ｂは、マイクロニードル３０３並びにキャパシタからの周知のＥＣＧ回路３０６及び除細動器ショック回路３０８を有している。

このシステムは、アクティブな電極組立体、対向電極組立体を有し、これら両方の組立体は、多数の機能化されたマイクロニードルを有している。導電性マイクロニードルアレイが電極パッドの患者に向いた表面に付け加えられ、これら導電性マイクロニードルアレイは、器具のキャパシタ、バッテリ及び制御エレクトロニクスと電気的接触状態にある。マイクロニードルは、改造型電極パッドの表面積を効果的に増大させる。電極パッドは、今や、電極パッドが従来備えていた純粋に二次元の表面よりも著しく広い三次元の表面領域を有している。これにより、患者の皮膚及び肉の電流密度が減少すると共に除細動パルスの高い電圧及び大きな電流に起因する組織損傷の恐れが低くなる。表面積のこの増大は、増大した先端部領域幾何学的形状を備えたマイクロニードル、例えば、ゾサノ・ファーマ（Zosano Pharma）社から入手できるＺＰ‐チタンマイクロニードルアレイの使用により一段と影響を受ける場合がある。これにより、深在真皮の導電性組織と直接的な接触状態にある電極の表面領域が増大する。

マイクロニードルは、支持体と一体に形成されても良く、或いはそうでなくても良いが、図３では、マイクロニードルは支持体と一体に形成された状態で示されている。マイクロニードルは、種々の形状及び形態を取ることができる。例えば、マイクロニードルの遠位端は、尖っていても良く、或いは尖っていなくても良く、又、斜切形態、放物線形態、先端部が平坦な形態、先端部が尖った形態、先端部が尖っていない形態、先端部が丸みを帯びた形態、のみ状の形態、テーパ付き形態及び／又はテーパ付きの円錐状の形態を取ることができる。さらに、外面を含むマイクロニードルの外側の形状は、直円柱、斜円柱、円柱、多角柱又は任意他のテーパ付き、規則的又は不規則な形状を含む任意の形態を取ることができる。好ましくは、マイクロニードルは、単一のマイクロニードル又は単一の列をなすマイクロニードルを備えた器具とは対照的に、多次元アレイとして提供される。マイクロニードル器具は、１回使用使い捨て器具であるよう構成でき、又は完全に若しくは部分的に再使用可能であるように構成できる。マイクロニードルのアレイは、マイクロニードルの向き、高さ又は他のパラメータの組み合わせ形態を含むことができる。種々のマイクロニードルの例が図５〜図１３に示されている。図５は、各マイクロニードルが同一の形状を有する導電性シートから切断形成されたマイクロニードルのアレイを示し、これに対し、図６は、各マイクロニードルが僅かに異なる形状を有する導電性シートから切断形成されたマイクロニードルのアレイを示している。この実施形態では、皮膚を穿刺する導電性マイクロニードルの表面積が大きければ大きいほど、電極の有効表面積がそれだけ一層大きくなり、それにより、実効患者インピーダンスを減少させることができ、それ故、送り出されることが必要なエネルギーの全量を減少させることができ或いは電極の物理的サイズを減少させることができる。図７〜図１３は、中実マイクロニードルの種々の例（マイクロニードルは、中実であっても良く中空であっても良いので）、例えば、図７では円筒形中実マイクロニードル、図８ではピラミッド形中実マイクロニードル、図９では表面積を増大させるよう延長部分を備えた中実角錐形マイクロニードル、図１０ではこれらのアレイ、図１１では中実角柱形マイクロニードルアレイ、図１２では中実湾曲ブレードマイクロニードルアレイ及び図１３ではＣ字形チャネルの形状をしたマイクロニードルアレイを示している。

マイクロニードルは、小さな機械的構造体を珪素、金属、ポリマー及び他の材料で作ることにより公知の微細加工プロセスによって作られる。これら微細加工プロセスは、集積回路、電子パッケージ及び他のマイクロ電子デバイスを作製するために用いられる確立された方法を微細加工分野で用いられている追加の方法で補ったやり方に基づいている。マイクロニードル器具は、数ナノメートルという短い寸法を有することができ、しかも安い単価で大量生産できる。本明細書において開示するマイクロニードルの製作の際に利用できる微細加工プロセスとしては、リソグラフィ、エッチング技術、例えばウェットエッチング、ドライエッチング及びフォトレジスト除去、珪素の熱酸化、電気メッキ及び無電極メッキ、拡散プロセス、例えば硼素拡散、リン拡散、砒素拡散及びアンチモン拡散、イオン打ち込み、膜被着、例えば蒸着（フィラメント、電子ビーム、フラッシュ及びシャドーイング・ステップカバレージ）、スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）、エピタキシー（気相、液相及び分子ビーム）、電気めっき、スクリーン印刷、貼り合わせ、光造形、レーザ加工及びレーザアブレーション（投影アブレーションを含む）が挙げられる。

導電性マイクロニードル（これらマイクロニードルは、電流を流すことができるということが必要だからである）は、以下の範囲に属する導電性材料から作られ、かかる導電性材料としては、金属、セラミック、半導体、有機物、ポリマー及び複合材が挙げられるが、これらには限定されない。好ましい材料としては、医用ステンレス鋼、金、チタン、ニッケル、鉄、金、白金、錫、クロム、銅、これらの材料又は他の材料の合金、珪素、二酸化珪素、容量性炭素（capacitive carbon）、黒鉛及びポリマーが挙げられる。理想的には、実施形態は、生体適合性材料、例えばニッケルチタン合金、チタン又はステンレス鋼を用いる。一実施形態は、金属、例えばチタン又はステンレス鋼で作られたマイクロニードルを含む。金属マイクロニードルは、これらに耐久性があり、これらが半可撓性であり、角質層中への挿入に耐える機械的強度を有し、これら金属マイクロニードルを容易に利用できる比較的安価な市販の素材から化学的ソー又は任意適当な方法により所望の寸法に切断し、そして所望の先端部幾何学的形状に研削することができるので有利である。

上述の例示のマイクロニードルに加えて、マイクロニードルは、垂直に見て円形断面を有するシャフトを備えることができ又はこの断面は、非円形であっても良い。例えば、マイクロニードルの断面は、多角形（例えば、星形、正方形、三角形、円形）、長円形又は別の対称若しくは非対称の形状、又はそれどころか、擬似角錐台、円錐体、多面体、角錐（ピラミッド）、角柱（プリズム）、くさび等を含むファセット（小面）付き構造であっても良い。シャフトは、１つ又は２つ以上のボアを有するのが良い。断面寸法は、代表的には、約１０ｎｍ〜１ｍｍ、好ましくは１ミクロン〜２００ミクロン、より好ましくは１０〜１００μｍである。外径は、代表的には、約１０ミクロン〜約１００ミクロンである。

円形中実マイクロニードルの場合、有用な外径範囲は、１０〜１００ミクロンであり、より好ましくは２０〜５０ミクロンである。薄刃を備えていない円形マイクロニードルの場合、使用に有用な長さは、５０〜１２００ミクロン、より好ましくは１００〜４００ミクロンである。鋭利なサイドエッジを備えた円形マイクロニードルの場合、使用に有用な長さは、５０〜１２００ミクロン、より好ましくは８０〜４００ミクロンである。

星形ブレードのための薄刃を備えた星形輪郭形状を有する中実マイクロニードルの場合、使用に有用な長さは、５０〜１２００ミクロン、より好ましくは８０〜４００ミクロンであり、そのブレードの各々の半径は、１０〜５０ミクロン、より好ましくは１０〜１５ミクロンである。

他の好ましい実施形態は、皮膚内に埋め込まれるマイクロニードル、例えば角柱形マイクロニードルの平坦な側部からの表面突出部の表面積を最大にする方法を含む。

マイクロニードル、例えば図５及び図６に示されているマイクロニードルを材料のシートからプレス加工し又はエッチングし、次にシートの平面から見て９０°の角度をなす微小突出部の状態に変形させることができる。これらマイクロニードルの例は、ゾサノ・ファーマ社及びナノ・バイオサイエンシズ（Nano BioSciences）社から製造されたマイクロニードルである。

ほとんどの実施形態では、マイクロニードルは、支持体に対して垂直に又は別の角度をなして差し向けられるのが良い。好ましくは、マイクロニードルは、支持体の単位面積当たりのマイクロニードルの密度が高くなるよう支持体に垂直に差し向けられる。しかしながら、マイクロニードルのアレイは、マイクロニードルの種々の向き、種々の高さ又は他のパラメータの組み合わせを含むのが良い。

マイクロニードルアレイは、特定の針密度（特定の領域内の針の本数）を有しても良い。例えば、マイクロニードル相互間の離隔距離の有用な範囲は、１００〜１４００ミクロン、より好ましくは１００〜４００ミクロンである。外径及びマイクロニードル長さも又、重要であり、離隔距離との組み合わせにより、マイクロニードルが実際に皮膚の角質層を穿刺するかどうかについて極めて重要である。一実施形態では、マイクロニードルアレイは、少なくとも約１０本／ｃｍ²、より好ましくは少なくとも約２００〜２０００本／ｃｍ²のマイクロニードル密度を有する。

皮膚接触度の最大化

マイクロニードルアレイは、最大接触表面積を保証するよう導電性ヒドロゲルと関連して使用されるのが良い。種々の導電性ヒドロゲルは、公知であり、被検者の皮膚に対し又は電気刺激を被検者の体内に結合するための装置内に電気インターフェースをもたらすよう医療分野において用いられている。ヒドロゲルは、皮膚を水和させ、かくしてヒドロゲルを介する電気刺激に起因した灼熱からの保護を行い、他方、皮膚を腫脹させ、電気電流又は信号の効果的な伝送を可能にする。

ヒドロゲルの例は、米国特許第６，８０３，４２０号明細書、同第６，５７６，７１２号明細書、同第６，９０８，６８１号明細書、同第６，５９６，４０１号明細書、同第６，３２９，４８８号明細書、同第６，１９７，３２４号明細書、同第５，２９０，５８５号明細書、同第６，７９７，２７６号明細書、同第５，８００，６８５号明細書、同第５，６６０，１７８号明細書、同第５，５７３，６６８号明細書、同第５，５３６，７６８号明細書、同第５，４８９，６２４号明細書、同第５，３６２，４２０号明細書、同第５，３３８，４９０号明細書及び同第５，２４０，９９５号明細書に開示されており、これら米国特許を参照により引用し、これらの記載内容全体を本明細書の一部とする。かかるヒドロゲルの別の例は、米国特許出願公開第２００４／１６６１４７号明細書、同第２００４／１０５８３４号明細書及び同第２００４／２４７６５５号明細書に開示されており、これら米国特許出願公開を参照により引用し、これらの記載内容全体を本明細書の一部とする。種々のヒドロゲル及びヒドロゲルシートの製品の商標名としては、コリウム（Corium）社製のCorplex（商標）、スリーエム（３Ｍ）社製のTegagel（商標）、ビーデー（ＢＤ）社製のPuraMatrix（商標）、バード（Bard）社製のVigilon（商標）、コンムド・コーポレイション（Conmed Corporation）社製のClearsite（商標）、スミス・アンド・ネフュー（Smith & Nephew）社製のFlexiGel（商標）、メドライン（Medline）社製のDerma-Gel（商標）、ジョンソン・アンド・ジョンソン（Johnson & Johnson）社製のNu-Gel（商標）及びケンダル（Kendall）社製のCuragel（商標）又はサン・コンタクト・レンズ・カンパニー・リミテッド（Sun Contact Lens Co., Ltd.）社から入手できるアクリルヒドロゲルフィルムが挙げられる。

器具の一実施形態では、支持体並びに他のコンポーネントは、器具がこれを当てる生物学的バリヤ、例えば皮膚の輪郭形状に合うことができるようにするために可撓性材料で作られる。可撓性器具は、幾つかの生物学的バリヤの一貫した穿刺を容易にすることができる。と言うのは、穿刺は、取り付け面のばらつきによって制限される場合があるからである。例えば、人間の皮膚の表面は、皮膚紋理（即ち、僅かなしわ）及び毛に起因して平坦ではないからである。しかしながら、幾つかの生物学的バリヤの場合、剛性の支持体が好ましい場合がある。

皮膚の変形性に適合する別の実施形態では、マイクロニードル器具は、マイクロニードル相互間又はマイクロニードルのアレイ相互間に空間を有するマイクロニードルのアレイを有し、かかる間隔により、皮膚の領域がこれら空間を満たすことができ、その目的は、皮膚の隣り合う領域とのマイクロニードルの接触を促進することにある。間隔は、穿刺上の問題に打ち勝つために皮膚の曲率半径に適合するよう設計される。

好ましい実施形態では、マイクロニードル器具は、マイクロニードル器具を皮膚に固定するための接着剤を含み、電流を送り出すためにマイクロニードルを皮膚中に挿入した状態で一時的に不動化する。接着剤は、代表的には、支持体（マイクロニードルのベース相互間）又はマイクロニードルに隣接して位置する取り付けカラー若しくはタブに塗布される。

除細動器は、針と電極との間の標的領域の一部分のインピーダンスを測定するよう配置された電極を有するインピーダンスセンサを有するのが良く、インピーダンスは、標的領域中への針の穿刺深さを表している。インピーダンスセンサは、少なくとも２本の針が標的領域中に穿刺されたときに少なくとも２本の針のうちの２本相互間の標的領域の一部分のインピーダンスを測定し、このインピーダンスは、標的領域中への針の穿刺深さを表している。幾つかの実施形態では、針が皮膚を穿刺した後のインピーダンスの測定値は、針が皮膚を穿刺する前のインピーダンスの測定値よりも１桁小さく、特定の実施形態では、インピーダンスは、針が適正な深さまで穿刺したときには３桁以上低下する。

角質層深さが変化すると、アプリケータは、角質層を横切った時点を突き止めるためにインピーダンスセンサを用いる。インピーダンスセンサは、マイクロニードルのうちの２本相互間の電流の流れのインピーダンスを測定する。インピーダンスは、角質層内では高く、角質層のすぐ下の真皮の部分内では劇的に低下する。センサは、マイクロニードルが皮膚に穿刺しているときのインピーダンスの変化を読み取り、インピーダンスが１桁低下すると運動を停止させる。追加的に又は代替的に、マイクロニードルが深すぎるほど深く穿刺するのを阻止する硬質の機械的ストップ、例えばポートの頂部が設けられるのが良い。インピーダンスセンサは、当該技術分野においては周知である。

除細動器の器具包装は、使用前の製造中、包装中、貯蔵中、輸送中及び販売中、マイクロニードルの汚染及び損傷を阻止するはずである。マイクロニードル器具は、マイクロニードルを損傷から保護する取り外し可能な保護カバー又はクッションを備えることが特に重要である。一実施形態では、カバーをマイクロニードル上に選択的に固定するために用いられる接着剤又はゲルフィルムを用いるのが良い。変形実施形態では、フィルムは、滅菌性であり、次の取り外しは、マイクロニードルの挿入前における皮膚表面を前処理するワイプ又は粘着ストリップとしての役目を果たすことができる。

図１４は、患者に向いた表面がマイクロニードルアレイによって覆われた除細動器電極パッド／パドル２０２ａ，２０２ｂの一例を示しており、図１５は、患者に向いた表面の外周部がマイクロニードルアレイによって覆われ、導電性ゲルが患者からのＥＣＧ信号を検出するために用いられる中央部にはマイクロニードルが存在しない除細動器電極パッド／パドルの一例を示している。図１６は、患者に向いた表面の大部分がマイクロニードルアレイによって覆われ、導電性ゲルが患者からのＥＣＧ信号を検出するために用いられる中央チャネルにはマイクロニードルが存在しない除細動器電極パッド／パドルの一例を示し、図１７は、患者に向いた表面がマイクロニードルアレイによって覆われ、導電性ゲルが患者からのＥＣＧ信号を検出するために用いられる領域にはマイクロニードルが存在しない除細動器電極パッド／パドルの一例を示している。

上述の説明は本発明の特定の実施形態に関しているが、当業者であれば理解されるように、この実施形態の変更は、本発明の原理及び精神から逸脱せずに実施でき、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。

Claims (13)

1. 除細動器であって、
   ショックを患者に送り出す２つのパドルを有し、
   各パドルは、導電性マイクロニードルの２つ又は３つ以上の列を含むマイクロニードルアレイを有し、
   治療電流を発生させて前記２つのパドルを介して前記ショックを前記患者に送り出す器具を有し、
   前記２つのパドルの前記マイクロニードルアレイは、電圧を印加して前記患者の皮膚表面の電気穿孔を引き起こし、前記ショックを前記患者に前記皮膚表面経由で送り出す、除細動器。
2. 前記マイクロニードルアレイ中の各マイクロニードルは、同一の形状を有する、請求項１記載の除細動器。
3. 前記マイクロニードルアレイ中の各マイクロニードルは、互いに異なる形状を有する、請求項１記載の除細動器。
4. 前記マイクロニードルアレイ中の各マイクロニードルは、円筒形の形状を有する、請求項１記載の除細動器。
5. 前記マイクロニードルアレイ中の各マイクロニードルは、角錐形の形状を有する、請求項１記載の除細動器。
6. 各角錐形マイクロニードルは、前記角錐形マイクロニードルの有効表面積を増大させるよう前記角錐形マイクロニードルの表面から延びる１つ又は２つ以上の部分を更に有する、請求項５記載の除細動器。
7. 前記マイクロニードルアレイ中の各マイクロニードルは、角柱形状、湾曲ブレード形状及びＣ字形チャネル形状のうちの１つを有する、請求項１記載の除細動器。
8. 各パドルは、該パドルの外周部に沿ってぐるりと設けられた前記マイクロニードルアレイを有する、請求項１記載の除細動器。
9. 前記マイクロニードルアレイは、マイクロニードルの第１の象限、マイクロニードルの第２の象限、マイクロニードルの第３の象限及びマイクロニードルの第４の象限であり、前記４つの象限は、互いに隔てられている、請求項１記載の除細動器。
10. 前記マイクロニードルアレイは、少なくとも、マイクロニードルの第１の象限及びマイクロニードルの第２の象限であり、前記象限は、互いに隔てられている、請求項１記載の除細動器。
11. 各マイクロニードルは、医用ステンレス鋼、金、チタン、ニッケル、鉄、金、白金、錫、クロム、銅、合金、珪素、二酸化珪素、容量性炭素（capacitive carbon）、黒鉛及びポリマーのうちの１つで作られている、請求項１記載の除細動器。
12. 各マイクロニードルは、生体適合性材料で作られている、請求項１記載の除細動器。
13. 前記マイクロニードルの皮膚表面穿刺深さを測定するインピーダンスセンサを更に有する、請求項１記載の除細動器。

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