.1mm3以下の埋め込み型モートの生体内リアルタイム無線温度計測への応用

概要

生体内やその場での生理学的モニタリングのために，ワイヤレスで小型化されたインプラント型医療機器への関心が高まっている。本稿では，従来の超音波イメージャーを用いて無線給電とデータ通信を行い，体温や超音波治療による温度変化などをリアルタイムに計測するプローブとして機能する，このようなインプラントを紹介します。モートと呼ばれる0.1mm3以下、1nW以下のデバイスは、低消費電力のカスタム温度センサーチップと、その上に製造されたマイクロスケールの圧電トランスデューサをモノリシックに統合することで、積極的な小型化を実現しています。これらのモーテは、変位量が小さいため、生体適合性を向上させた低侵襲性の技術を用いて移植または注入することができる。本研究では、マウスの超音波神経刺激法を用いて、生体内でのセンシング機能を実証した。このモーターは、他の臨床的に重要な生理学的パラメータの分散型および局所型のセンシングにも応用できる可能性がある。

はじめに

植込み型医療機器は，生体信号のモニタリングやマッピング，生理機能のサポートや強化，疾患の緩和や治療などに広く用いられている(1)。これらの医療機器は，ヘルスケアに大きな影響を与え，何百万人もの人々の生活の質を向上させている(2)。特に、体温(3-7)、血圧(4, 7-10)、グルコース(11)、呼吸(12)などの生理的パラメータをモニターし、個人の健康状態を知らせるための埋め込み型デバイスは、診断および治療の両方において非常に重要であり、興味を持たれています(9, 13, 14)。これらのデバイスは、健康問題の早期診断のために、ターゲットとなる場所で直接、生体内の関連信号を感知・記録し(15)、有害事象の発生時に必要な介入を行うことができます(1)。

従来の埋め込み型電子機器は、一般的に複数のチップ、パッケージ、ワイヤ、外部トランスデューサを必要とし、体積効率が非常に悪く、エネルギー貯蔵のために電池が必要な場合も多い。電子機器のトレンドは、電子部品の集積度を高めることであり、より多くの機能を集積回路（IC）自体に持たせることが多い。これは通常、低コスト化と、配線の寄生を減らすことによる電子機能の向上を目的としています。インプラントの場合、この統合は、インプラントの単位体積あたりの機能の量として定義される体積効率の著しい向上という付加価値をもたらします。

ここでは、この体積効率を極限まで高めるために、センシング、エネルギーハーベスティングおよびストレージ、データテレメトリなどの機能を、外付け要素のない1つのCMOS（相補型金属酸化膜半導体）ICチップ上にモノリシックに集積することを目指しています。蓄電にコンデンサを使用することで、外部からの継続的な無線給電が必要となるが、電池は不要となる(16, 17)。当社の場合、デバイスの体積は0.1mm3以下と食卓塩の粒に匹敵し、異物の拒絶反応や組織の損傷を抑えて生体適合性を向上させ(1)、限られた間質空間へのアクセスを可能にし(18)、モニターすべき生理機能への干渉を少なくしている(19)。移植の手順は、注射に軽減され、より簡単で低侵襲にすることができます(9, 20)。これらのモートデバイスの長さスケール（直線寸法が600μm以下）では、波長が達成可能なアンテナサイズよりも大幅に大きいため、高周波またはミリ波の電磁エネルギーとの効率的な結合は不可能である。その代わりに、軟組織での減衰がわずか0.5〜1dB/(cm-MHz)程度の超音波を使用している(20, 21)。8.3MHzの超音波は、波長がわずか185μmなので、モートに内蔵された圧電トランスデューサと効率的に結合することができます。また、超音波イメージングにこれらのモートを使用することで、モートの生物地理学的な位置を特定することができます（22）。最近、超音波を利用したインプラントの例がいくつかありますが（20, 21, 23-26）、これらのデバイスは今回開発したものよりもはるかに低いレベルの統合であり、変位量は最良のケースで10倍以上になります（26）。

我々は、人間の健康状態を示す重要なサインであり、代謝を調節してホメオスタシスを維持するのに不可欠なものである温度検知に、このモーターを使用しています（5, 27）。また、医療行為から生じる熱影響を理解する手段としても使用しています（27）。後者の例としては、加熱によるがん治療の特性評価（28）や治療用集束超音波（29）（FUS）などがある。FUSの新たな治療法は神経調節であり、高強度の短波長FUS（29）を用いて神経束を活性化させる。FUSが神経活動にどのような影響を与えるかはまだ議論の余地があるが、熱影響は確実に存在 し(30)、ほとんどの場合、少なくとも制御しなければならない。従来の温度測定装置は、一般的に熱電対ベースの温度プローブの形をしているが(28, 29, 31)、そのかさばる形状と、対象となる神経に干渉する侵入性のため、神経の温度を正確に中継することができない。また、磁気共鳴画像などの非侵襲的な手法による温度測定も検討されているが(32, 33)、装置が必要なため、適用範囲は限られている(34)。

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