JP5926679B2 - 電極固定装置 - Google Patents

Description

本発明は、個体の頭上にセンサまたは電極を配置し、固定するための装置および方法に関する。

脳の電気活動の測定は、歴史的な理由から、特に欧州およびロシアにおいて神経生理学的および精神生理学的診断法の一環として普及している。１９６０年以来、バイオフィードバック治療に関する発展は、その大部分が、米国、カナダ、オーストラリア、欧州、およびロシアにおいてなされてきている。業界では知られているように、脳の種々の活動を測定し、かつ該活動に影響を及ぼすための２つの方法、すなわち、生理学的方法および技術的方法が存在している。最も一般的な方法は、電気脳造影法（脳波検査、ＥＥＧ）、近赤外脳血流画像化（ＨＥＧ）、および磁気脳造影法（ＭＥＧ）である。ＱＥＥＧ（定量的ＥＥＧ測定）では、入力電圧−コヒーレンス、位相、治療前後のＩＦＴＡ統計値、低レート、瞬時コヒーレンス位相＆Ｚスコアのバイオフィードバック、などを含む判別機能を測定するために、いくつかの数学的モデルが開発されてきている。ＱＥＥＧは、一般的なＥＥＧ記録として行われ、オペレータは、脳の電気活動の大部分を同時に記録するために、個体の頭上にいくつか（２１＋）の電極を配置するようになっている。脳活動は、所定期間にわたって記録され、標準を超える機能的行為、例えば、開眼および閉眼、が追加的に記録されるとよい。情報は、多くの場合、オペレータがインストールしている種々のソフトウエアシステムの全てによって解析された活動と比較されることになる。種々の診断用数学モデルを利用している種々の形式のソフトウエアがあり、その一方、プロトコルとも呼ばれている治療用全身系モデルを用いているソフトウエアもある。ここでは、とりわけ、ＱＥＥＧシステム内の電極が正確に配置されること、および電極と頭蓋骨との間の接触が良好であることが、重要である。これは、２つの測定値を比較するための最適な基準をもたらすために、または２つ以上の個体の測定値を比較するために、重要である。このため、標準として、電極は、（「脳波検査：基礎原理、臨床用途、および関連分野」と題する非特許文献１に記載されている）国際１０−２０法に従って配置されるようになっている。２つの測定値から同じ結果を得ることが課題になっている。当業界における科学と研究のさらなる発展の観点から、今日存在しているＱＥＥＧステムのいずれよりもさらに標準化されたＱＥＥＧシステムが得られるなら、極めて有利になるだろう。

現在の殆どのＥＥＧシステムおよびＱＥＥＧシステムは、１０−２０法または他のそれほど知られていない配置図に適合されている弾性メッシュおよび／または弾性キャップに基づいている。これらのキャップは、電極を挿入するための開口を有する形式の種々の設計によって作製されている。また、キャップは、種々の異なる大きさで作製されている。なぜならば、１０−２０法または他の配置図に従って、電極間の距離を頭蓋骨の大きさに適合させねばならないからである。多くの場合、これらのキャップが、毛髪および頭蓋骨の形状に起因して、頭蓋骨に対して電極を十分に押圧させることができないという問題を有している。締め付けられたキャップは、多くの場合、個体、特に敏感な小児に不快感をもたらすことになる。
背景のノイズがそれほど多くない信号を得るような最適化が必要である。このようなノイズは、測定および情報を不正確なものとする。また、電極は、頭蓋骨の種々の大きさに対して正確に手によって配置されねばならないが、これは、多くの場合、時間を浪費し、また能力を必要とする。さらに、このような人手による電極の配置は、人的ミスによって電極の誤配置をもたらす危険性を高めることになる。

特許文献１は、ＥＥＧに用いられる電極／センサキャップを開示している。電極に圧力を加えるために、多数の膨張式嚢が用いられている。該出願による膨張式嚢を用いる技術的解決策は、個体の頭蓋骨の大きさに適合する多数のキャップを必要とし、電極の人手による装着もさらに必要としている。

特許文献２は、ＥＥＧに用いられる電極／センサキャップを開示している。電極に十分な圧力を加えるための技術的解決策は、特許文献１に開示されているものと同様である。ここでは、個別の嚢が各電極に形成されるように、内層であるキャップを外シェル／外層に接合させることによって、多数の嚢が形成されている。該解決策の欠点は、特許文献１に対して述べたものと同じである。

特許文献３は、ＥＥＧに用いられる電極／センサキャップを開示している。一実施形態では、内帽子上に配置された電極に圧力を加えるために、内帽子と外ヘルメットとの間に配置された別体のバルーンを膨張させるようになっている。特許文献１に対して述べた欠点と同じ欠点が、この特許文献３の電極／センサに対しても生じることになる。

脳の電気活動の測定は、神経生理学的／精神生理学的診断および治療に加えて、多くの他の分野においても用いられている。バイオテクノロジーの分野では、このような測定値を用いることによって、適切なセンサの助けを借りて、脳からの電気的刺激を電気信号に変換することができ、このような信号は、種々の技術的システムを誘導／制御することができる。これらの技術的システムの例として、例えば、戦闘機パイロットのヘルメット、音声合成器、ロボット、コンピュータゲームのような種々の娯楽システム、ならびに脳コンピュータ・インターフェイス（ＢＣＩ）を利用する他のシステムが挙げられる。

米国特許出願公開第２００７／０１０６１７０号明細書 ソ連特許出願公開第６７６２７３号明細書 特開２００６−６６６７号公報

Erns Niedermeyer, Fernando Lopes da Silva, Electro-encephalography: Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields, page 140

本発明の目的は、個体の頭上にセンサまたは電極を配置し、固定するための装置および方法を提供することにある。前記の装置または方法は、信号情報を最適化し、先行技術による装置および方法に関連する問題のいくつかを解消するものである。

本発明は、個体の頭上にセンサまたは電極を配置し、固定するための装置および方法に関する。前記の装置または方法は、信号情報を最適化し、先行技術による装置および方法に関連する問題のいくつかを解消するものである。

本発明による装置、その使用、および方法は、添付の特許請求の範囲に記載されている。

前記装置は、現在用いられている先行技術によるキャップと取り換えられてもよい。この装置は、内キャップまたは内層を有している。該内キャップまたは内層は、液密性を有する液密弾性材料から構成されており、剛性外シェルまたは外層に直接接合されている。この直接接合は、内キャップまたは内層の周囲に沿って行われるようになっており、これによって、前記内キャップまたは内層の均一な拡張が可能になる。外シェルと内キャップとの間の中間層は、流体および／またはガス圧または流体量に依存して均一に圧縮または拡張されることが可能な材料から構成されている。弾性キャップまたは層は、装着されることになる最も小さい頭よりもいくらか小さい大きさを有している。これは、最適な信号を得るために、内層が頭蓋骨に対してＥＥＧ電極に圧力を加えるようになっていなければならないという事実による。ガスポンプまたは流体ポンプが、中間層から流体を引き出すことによって、剛性外シェルと弾性内キャップとの間に減圧または真空をもたらすようになっている。その結果、弾性キャップは、個体の頭よりも大きい寸法に均一に拡張することになる。次いで、個体がヘルメットを装着し、圧力を調整するための手段、例えば、弁を用いることによって、流体が中間層内に戻され、これによって、内層が収縮して電極に圧力を加え、該電極を頭蓋骨に押し付けることになる。弾性キャップが均一に拡張するという事実によって、電極間の距離も、均一に大きくなる。この装置またはヘルメットによって、例えば、１０−２０システムを用いるときに、電極間の距離を個体の頭の大きさと無関係に適切に調整することができる。時間および資源の使用が良好に活用され、さらに標準化されたＱＥＥＧ分析計用システムが得られることになる。加えて、時間の掛かる個体の装着および各個体に適合する種々の大きさの多数のキャップのいずれも不要になる。

本発明は、主に、ＥＥＧセンサと共に用いられるために開発されたものであるが、この用途に制限されるものではなく、どのような他の要件も伴うことなく、ＭＥＧおよびＨＥＧのようなセンサ、および脳活動の測定に用いられるように開発された他のセンサと共に用いられるように適合されてもよい。

真空引きされていない状態にある正面から見た本発明による装置の断面を示す図である。 真空引きされている状態にある正面から見た本発明による装置の断面を示す図である。 個体が大きな頭を有しているときの内キャップ上の電極の配置の一例を示す図である。 個体が小さい頭を有しているときの内キャップ上の電極の配置の一例を示す図である。 真空引きされていない状態にある側方から見た本発明による装置の断面を示す図である。 個体に装着された後の真空引きされている状態にある側方から見た本発明による装置の断面を示す図である。

本発明は、ＥＥＧ、ＨＥＧ、およびＭＥＧのような多くの利用分野を有しているが、以下では、本発明がどの問題を解決するのかを明らかにするために、ＱＥＥＧ（定量脳波検査）での使用に関して、さらに詳細に説明する。ＱＥＥＧは、オペレータが脳電気活動を記録するために個体の頭上にいくつか（２１＋）の電極を配置するＥＥＧの一種である。脳活動は、所定期間にわたって記録され、多くの場合、トポグラフィーマップとして表されるようになっている。トポグラフィーマップは、多くの場合、標準的データベース（トポグラフィーマップを含むデータベース）と比較されることになる。従って、比較のための適切な基準を得るために、ＱＥＥＧシステム内の電極が正確に配置されることが重要である。このため、通常、電極は、国際１０−２０法に従って、配置されるようになっている。２つの別々の測定値において同一の結果を得ることが課題になっており、今日存在しているものよりもさらに標準化されたシステムが得られるならば、有利になるであろう。１０−２０法以外の配置図が用いられてもよい。

図１は、流体が中間層２からポンプによって排出される前の電極またはセンサ１間の距離を示している。流体がポンプによって排出されると、図２に示されているように、弾性内キャップ３は、均一に拡張し、それに応じて、Ｘ軸に沿った電極またはセンサ間の距離が大きくなる。図３および図４は、それぞれ、ヘルメットを用いる個体が大きい頭を有している場合（例えば、図３に示されているような頭囲５８の成人の場合）および個体が小さい頭を有している場合（例えば、図４に示されているような頭囲４２の小児の場合）のＸ軸およびＹ軸に沿った電極またはセンサ間の距離を示している。このようにして、電極は、装置またはヘルメットを用いる個体の頭囲とは無関係に、正確に配置されることになる。

図５および図６は、本発明の特定の一実施形態を示している。ここに示されているのは、液密接合部１０によって互いに接合された剛性外シェル４および弾性内キャップ３を備えている一種のヘルメットである。接合部１０は、好ましくは、電極またはセンサ５やスイッチ式のキャップ３などの洗浄および修理を容易にするために、弾性キャップが着脱可能となるように構成されている。電極またはセンサ５は、液密接合部を用いることによって、弾性キャップ３に留められ、該弾性キャップ３を貫通し、前記電極またはセンサに付随しているワイヤ８は、液密接合部６を通って外に導かれている。ワイヤ８は、ＥＥＧ測定機器１１に接続されている。流体圧は、弁９を介して剛性外シェル４内に接続されている真空ポンプ７によって、調整されるようになっている。この実施形態では、中間層内に用いられる流体は、空気である。弾性内キャップ３は、妨げられることなく均一に拡張するために、その周囲に沿ってのみ、接合部１０を介して、剛性外シェル４に直接接合されている。

キャップ３に用いられる材料は、液密であるどのような適切な弾性材料であってもよい。これらの例として、種々の天然ゴムまたは合成ゴムおよびエラストマーが挙げられる。さらに具体的には、この材料は、例えば、ラテックスまたはネオプレンであるとよい。キャップは、センサまたは電極５を取り付けるための多数の箇所を有しているとよい。この箇所の数は、変更可能である。電極またはセンサの数およびこれらの配置は、用いられる測定方法の種類に依存している。

外シェル４の材料は、種々のプラスチックやガラス繊維や金属や繊維強化プラスチックやセラミック材料などを含む任意の適切な剛性材料でありうる。

外シェル４と内キャップ３との間の層２内に用いられる材料は、空気、水または油のような流体であって、任意選択的に流体圧に依存して均一に圧縮または拡張する任意の適切な材料、例えば、発泡体、ポリマー、発泡ゴム、またはスポンジと組み合わされている、空気、水または油のような流体である。

電極またはセンサの数は、どの方法が用いられているかに依存して１〜２５６個の範囲内において変更可能である。図１−図２および図５−図６では、断面に見えている電極の数は、１２８個の電極を含んでいるキャップによるものである。

ＥＥＧ測定では、前述の電極に加えて、２つの参照電極または接地電極が用いられている。該参照電極は、ヘルメット内に組み込まれず、一種の銅クランプおよびゲルによって耳に留められている。これらの参照電極は、ヘルメット内に組み込まれていてもよい。参照電極は、必要不可欠なものであり、あらゆるＱＥＥＧのセットアップに用いられているが、耳朶または（耳のすぐ後ろの）乳様突起に留められているので、これらの参照電極の位置を最適化するために、本システムを用いる必要がない。

電極またはセンサは、脳内の信号を測定するのに用いられるどのような形式のもであってもよい。医学的または神経心理学的な診断および治療に用いられる場合には、「湿式」電極が最良の信号をもたらすので好ましい。「湿式」電極という用語は、頭蓋骨に対して良好な接触をもたらすために、ゲル、ペーストまたは液体と組み合わせて用いられる電極を意味している。信号品質の要求がそれほど高くない他の用途では、乾式電極が用いられてもよく、多くの場合、これらの乾式電極は、より安価であると共により使い易いので好ましい。

図示されている実施形態では、電極からのワイヤ８は、外シェルを通って外に導かれている。他の実施形態では、前記ワイヤは、束ねられ、ヘルメットまたは外シェルの上または内側に組み込まれている送信機または受信機に接続され、これによって、信号が外部受信機に無線で送信されるようになっていてもよい。

本発明は、ＥＥＧ測定の再現性を高め、電極またはセンサの簡易化適用によってこのような測定および他の測定（ＨＥＧおよびＭＥＧ）を迅速に行うことを可能とし、種々の大きさのセンサまたは電極キャップを有する必要性を回避することに寄与するものである。加えて、本発明は、例えば、航空機、ロボット、コンピュータプログラムおよびコンピュータゲームの制御または操縦のような活動に用いられるように、ならびにＢＣＩ（脳コンピュータインタフェース）のような他の用途に用いられるように、ＥＥＧ測定値を容易にそれらに組み入れることができる。

接合部１０は、どのような適切な液密手段、例えば、接着、溶着、クランプ、ジッパ、またはクランプもしくはクリップ列によってもたらされてもよい。

ヘルメットは、頭への位置決めまたは配置をさらに安定化させるために、顎紐を備えていてもよい。このような効果をもたらす他の解決策として、弓形張出し、耳覆い、または同様のものが用いられてもよい。

Claims (12)

1. 内層（３）に接合されており、中間層（２）によって部分的に離間している外層（４）であり、剛性のある液密材料からなっている外層（４）を備えている、個体の頭蓋骨上にセンサを位置決めし、固定するための装置であって、
   前記内層（３）は、センサまたは電極を配置させるための箇所を備えている弾性のある液密材料から作製されており、
   前記内層（３）は、前記内層（３）の周辺に沿ってのみ前記外層（４）に直接接合されており、
   前記中間層（２）は、任意選択的に流体の圧力を調整することによって均一に圧縮または拡張されることが可能な材料と組み合わされている流体から構成されており、
   前記装置は、前記中間層（２）内の流体圧を調整するための手段を備えていることを特徴とする装置。
2. 前記内層（３）に取り付けられた多数の電極またはセンサを備えている請求項１に記載の装置。
3. センサまたは電極を配置するための前記箇所は、１０−２０法または任意の他の配置図に基づいている請求項１または２に記載の装置。
4. 前記電極またはセンサは、ＥＥＧ、ＭＥＧまたはＨＥＧに用いられるように適合されている請求項１または２に記載の装置。
5. 前記内層（３）は、エラストマーから作製されている請求項１または２に記載の装置。
6. 前記中間層（２）の前記材料は、スポンジまたは発泡ゴムである請求項１に記載の装置。
7. 前記中間層（２）の前記流体は、空気である請求項１に記載の装置。
8. 前記圧力を調整するための前記手段は、弁（９）である請求項１に記載の装置。
9. 前記中間層（２）から流体を引き出すための手段を備えており、前記手段は真空ポンプ（７）である請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
10. 前記圧力を調整するための前記弁（９）は、真空ポンプ（７）内に組み込まれている請求項８に記載の装置。
11. ＥＥＧ記録のための請求項１〜１０のいずれかに記載の装置の使用。
12. 個体の頭蓋骨上に電極またはセンサを含む装置を配置するための方法であって、該装置は、前記電極またはセンサが配置され、弾性のある液密材料から作製された内層（３）と、該内層（３）に接合された、剛性のある液密材料からなる外層（４）と、前記内層（３）と該外層（４）との間に設けられ、流体圧および／またはガス圧または流体量に依存して均一に圧縮または拡張される中間層（２）とを含んでおり、
    前記中間層（２）内の圧力を大気圧未満にするために、前記中間層（２）から流体を引き出すステップと、
    前記装置を個体の頭上に配置するステップと、
    前記内層（３）が前記頭蓋骨に対して前記電極またはセンサに圧力を加えるように、前記中間層（２）内に流体を放出するステップと
    を含んでなる方法。

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