生体組織刺激装置
【課題】 生体への影響が少ないと共に効率良く電力供給を行うことができる生体組織刺激装置を提供できる。
【解決手段】 生体組織刺激装置は、患者の生体内に複数の電極を設置し，該電極から所定の電気刺激パルス信号を出力させて生体組織を刺激する刺激ユニットと、刺激ユニットを駆動させるための交流電力を供給する交流電源と、交流電源と前記刺激ユニットとを電気的に接続するためのケーブルとを備え、刺激ユニットはケーブルを介して交流電源から間欠的に供給される交流電力によって駆動される。また、刺激ユニットは多数の刺激電極に電気刺激パルス信号を配分するためのデマルチプレクサ機能を備えるマルチプレクサと、マルチプレクサを安定して動作させるための電源回路とを備え、電源回路は交流電源から供給される交流電力によって駆動される。
【解決手段】 生体組織刺激装置は、患者の生体内に複数の電極を設置し，該電極から所定の電気刺激パルス信号を出力させて生体組織を刺激する刺激ユニットと、刺激ユニットを駆動させるための交流電力を供給する交流電源と、交流電源と前記刺激ユニットとを電気的に接続するためのケーブルとを備え、刺激ユニットはケーブルを介して交流電源から間欠的に供給される交流電力によって駆動される。また、刺激ユニットは多数の刺激電極に電気刺激パルス信号を配分するためのデマルチプレクサ機能を備えるマルチプレクサと、マルチプレクサを安定して動作させるための電源回路とを備え、電源回路は交流電源から供給される交流電力によって駆動される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は生体組織の一部に電気刺激を与えるための生体組織刺激装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
患者の耳小骨へ音の振動を伝達するための人工中耳、患者の胸部に埋植されて心臓に電気刺激を与えることで不整脈の発生を抑制する心臓ペースメーカ等、生体組織用の刺激電極（以下、電極）を体内に埋植し、生体組織の一部を電気刺激する生体組織刺激装置の研究がされている。また、近年このような生体組織刺激装置として、電極から電気刺激パルス信号（電荷）を出力して網膜を構成する細胞を電気刺激することにより、視覚の再生を試みる視覚再生補助装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、特許文献１の生体組織刺激装置では、体内に埋植する体内装置の患者眼に直接取り付ける部分を出来るだけ小型とするために、体外装置から供給される電力（情報）を受信する受信ユニットと、多数の電極から刺激電流（双極性パルス信号）を出力して網膜を構成する細胞を電気刺激するための刺激ユニットとを、生体に対して個別に取り付けるようにしている。そして、受信ユニットと刺激ユニットをそれぞれ周知のハーメチックシールで密封している。これにより、体液の浸襲を防ぐと共に，各ユニットから発生する電気的な影響が生体に及ばないようにしている。一方、受信ユニットと刺激ユニットとは生体内に配線した複数のケーブル（導線）を介して電気的に接続され、ケーブルを介して受信ユニットから刺激ユニットへと交流電力が供給されるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】２０１０‐１８７７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来技術のように生体内にケーブルが直接置かれる構成では、交流電力がケーブルを通過する際に発生するノイズの影響が、生体に直接与えられることになる。特に、刺激ユニットの状態を保持するために、受信ユニットから刺激ユニットへ交流電力が常時供給される場合には、ケーブルから発生するノイズやリーク電流による生体への影響が大きくなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、生体への影響が少ないと共に効率良く電力供給を行うことができる生体組織刺激装置を提供することを技術課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
【０００８】
（１） 患者の生体内に複数の電極を設置し，該電極から所定の電気刺激パルス信号を出力させて生体組織を刺激する刺激ユニットと、該刺激ユニットを駆動させるための交流電力を供給する交流電源と、該交流電源と前記刺激ユニットとを電気的に接続するためのケーブルと、を備える生体組織刺激装置において、前記刺激ユニットは前記ケーブルを介して前記交流電源から間欠的に供給される交流電力によって駆動されることを特徴とする。
（２） （１）の生体組織刺激装置において、前記刺激ユニットは多数の刺激電極に電気刺激パルス信号を配分するためのデマルチプレクサ機能を備えるマルチプレクサと、該マルチプレクサを安定して動作させるための電源回路と、を備え、該電源回路は前記交流電源から供給される前記交流電力によって駆動されることを特徴とする。
（３） （２）の生体組織刺激装置において、前記刺激ユニットは前記交流電力を直流電力に整流する整流回路と、前記電源回路に接続されると共に該整流回路で生成された前記直流電力によって充電されるコンデンサと、を備え、該コンデンサは、前記交流電源からの前記交流電力の供給時に充電されて所定の電位を有し，前記交流電力の供給がないときにその充電電圧で前記刺激ユニットの状態を保持することを特徴とする。
（４） 請求項３の生体組織刺激装置において、前記刺激ユニットは、前記電源回路と前記コンデンサとの接続の有無を切換えるためのスイッチと、前記交流電源からの前記交流電力の供給の有無に基づき前記スイッチの動作制御を行うための第１制御部と、を備え、該第１制御部は、前記交流電源から前記刺激ユニットへの前記交流電力の供給時に前記スイッチをオンとして前記コンデンサを充電させ、前記交流電力の供給が無いときに前記スイッチをオフとして前記コンデンサの充電電圧で前記刺激ユニットの状態を保持することを特徴とする。
（５） （４）の生体組織刺激装置は、前記刺激ユニットの動作制御を行うための制御信号を生成する第２制御部と、該第２制御部で生成される前記制御信号を周期変調により前記交流電力に重畳させる周期変調回路であって，該生成された周期変調波を前記ケーブルを介して前記刺激ユニットに送るための周期変調回路と、を備え、前記周期変調回路は前記第２制御部からの前記制御信号の出力に合わせて前記周期変調波を前記刺激ユニットに間欠的に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、生体への影響が少ないと共に効率良く電力供給を行うことができる生体組織用刺激ユニット，及びこれを備える生体組織刺激装置を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は生体組織用刺激装置１００の回路ブロック図である。本実施形態の生体組織刺激装置１００は、患者の体外に配置されて生体組織の電気刺激に必要となる情報（制御信号）を生成すると共に生体組織用刺激装置１００全体を駆動させるための電力を供給する体外装置１００ａと、患者の体内に配置されて体外装置１００ａから供給される電力及び情報に基づき患者の生体組織の電気刺激を行う体内装置１００ｂとから構成される。
なお、本実施形態では、体外装置１００ａ全体の駆動制御を行うための体外装置制御部と、体内装置１００ｂ全体の駆動制御を行うための体内装置制御部とが用意されている。また、体内装置制御部は、刺激ユニット２００全体の駆動制御を行うための刺激制御部（第１制御部）と、受信ユニット１１０全体の駆動制御を行うための受信制御部（第２制御部）とから構成される。なお、各制御部の図示は省略する。
【００１１】
体外装置１００ａは、体内装置１００ｂを動作させるための制御信号（例えば、電極指定信号用データ、電気刺激パルス信号用データなど）を生成するための信号生成部１０１と、交流電力を供給するための交流電源１０２と、制御信号に基づき交流電力の変調を行い電磁波を生成する変調回路１０３と、変調回路１０３から出力される電磁波を体内装置１００ｂ側に送信するための送信コイルＬ１０とから構成される。なお、変調回路１０３による交流電力から電磁波への変調方式としては、振幅変調、周波数変調等の周知の変調方式が用いられる。これにより、コイルリンクにて好適に電磁波の送受信が行われるようになる。
【００１２】
体内装置１００ｂは、体外装置１００ａから供給された電磁波を受信して、電力及び制御信号を抽出する受信ユニット（電源ユニット）１１０と、生体組織への電気刺激を行うための電気刺激パルス信号を出力させる刺激ユニット２００から構成される。また、受信ユニット１１０と刺激ユニット２００とは、複数の導線をまとめた電力伝送手段であるケーブル１２０によって電気的に接続される。
【００１３】
受信ユニット１１０は、送信コイルＬ１０から送信された電磁波を受信する受信コイルＬ２０と、電磁波を復調するための復調回路１１１と、復調回路１１１による復調で得られる制御信号（例えば電極指定信号用データ、電気刺激パルス信号用データ等）と電力から周期変調波を生成する周期変調回路１１２とから構成される。
【００１４】
具体的には、受信コイルＬ２０で受信された電磁波が復調回路１１１により復調されることで交流電力と制御信号が得られる。復調で得られた交流電力は図示を略す整流回路で直流電力に整流される。この直流電力は受信ユニット１１０自身の駆動に使用される他、後述する電極２７１から出力される電気刺激パルス信号（刺激電流）を生成するためのデコーダを動作させる電力として使用される。また、電気刺激パルス信号を出力する電極の切換時又は電気刺激パルス信号の出力条件を変えり時など、刺激ユニット２００の状態を変化させる必要があるときに、周期変調回路１１２によって周期変調波が生成されて、周期変調回路１１２からケーブル１２０を介して刺激ユニット２００側へと供給される。
【００１５】
なお、周期変調では二進数（０，１）で表される制御信号を、異なる周期（例えば、１．０μｓと、０．９μｓ）の１周期毎の波形の組み合わせに変換する。その為、制御信号を波形の振幅変化として伝送する振幅変調、搬送波の周波数変化に変換して伝送する周波数変調等と比べて、周期変調では制御信号の伝送時間を短くでき、ケーブルに伝送する電力量を少なくできる。
【００１６】
ケーブル１２０は、生体適合性の良い貴金属、例えば、白金、白金イリジウム、ステンレス、チタン等による複数の導線（ワイヤー）が、生体適合性の良い絶縁性の樹脂、例えば、シリコーン、パリレン等で形成されたチューブによって一つに束ねられることで形成されている。なお、導線には、電気刺激パルス信号の電力を伝送するための導線、周期変調で生成された周期変調波を伝送するための導線対等が用意されている。なお、各導線自体にも上述したパリレン等の生体適合性がよく絶縁性を有する樹脂にて被膜が施されている。そして、ケーブル１２０に伝送される電力が周期変調波（交流電力）であることによって、ケーブルの絶縁性能が低下した場合でも体液等の電気分解は生じにくくなる。
【００１７】
また、本実施形態では、周期変調波の波形の周期を利用してクロック信号が生成される構成となっている（詳細な構成は後述する）。これにより、別途、駆動制御用のクロック信号を生成するための構成を設ける必要がなくなるので、装置の小型化、低消費電力化に貢献できる。つまり、振幅が小さくなるタイミングで電力伝送効率が低下してしまう振幅変調、刺激ユニット２００側に基準となるクロック信号を発生させるための構成が必要となる周波数変調又は位相変調等の他の変調方式と比べて、周期変調ではより簡単な構成で好適にクロック信号が生成されることになる。
【００１８】
なお、以上のような構成の受信ユニット１１０は側頭部に埋め込まれる。一方、刺激ユニット２００は、例えば、強膜側に置かれて、強膜側から網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激する（図示は省略する）。このような受信ユニット１１０と刺激ユニット２００は、それぞれ周知のハーメチックシールによって生体組織と分離され、受信ユニット１１０と刺激ユニット２００のそれぞれに交流電力（周期変調波）が供給されても、生体へのノイズやリーク電流等の影響は生じ難くなっている。
【００１９】
一方、ケーブル１２０は、受信ユニット１１０との接続位置から、側頭部に沿って皮膚下を患者眼に向かって延ばされた後、患者の上瞼の内側を通して眼窩に入れられる。そして、強膜の外側を通して刺激ユニット２００に接続される（図示は省略する）為、ケーブル１２０は、その径が細く柔軟であることが求められ、受信ユニット１１０や刺激ユニット２００のように、ハーメチックシールによって交流電力（周期変調波）の供給により発生するノイズやリーク電流が生体に加えられることを防ぐことは困難である。
【００２０】
刺激ユニット２００は、受信ユニット１１０から供給される周期変調波の振幅を検出する電力検出回路２１０と、周期変調波から制御信号を抽出すると共に，刺激ユニット２００の同期を取るためのクロック信号を生成する信号生成回路２２０と、周期変調波（交流電力）を直流電力に整流するための整流回路２３０と、整流回路２３０で整流された電力を平滑化して直流電力の電位を安定させる安定化電源回路（電源回路）２４０と、電源回路２４０で駆動されると共に，信号生成回路２２０で抽出された制御信号（電極指定信号用データ、電気刺激パルス信号用データ等）に基づき指令信号（電極指定信号等、電気刺激パルス信号）を生成するための制御回路２５０と、制御回路２５０からの指令信号に基づき各電極２７１から出力される電気刺激パルス信号を制御するマルチプレクサ（デマルチプレクサ）２６０と、図示を略す導線にてマルチプレクサ２６０と個別に接続される複数の電極２７１が形成された基板２７０とから構成されている。
【００２１】
電力検出回路２１０は周知のコンパレータで構成されており、ケーブル１２０に接続されて周期変調波の振幅の有無を検出する。電力検出回路２１０の出力はスイッチＳＷ１及びＳＷ２に接続される。刺激制御部は、周期変調波の振幅の検出の有無に応じて各スイッチＳＷ１及びＳＷ２のＯＮとＯＦＦとを切換える。具体的には、刺激制御部は周期変調波が検出された場合はスイッチＳＷ１とＳＷ２をＯＮにする。一方、周期変調波が検出されない場合にはスイッチＳＷ１とＳＷ２をＯＦＦにする。
【００２２】
整流回路２３０は、周知のダイオード，サイリスタ等の整流素子によるブリッジ回路等で構成されており、ケーブル１２０に接続される。また、整流回路２３０の出力はスイッチＳＷ１を介して電源回路２４０に入力されると共に、整流回路２３０の出力はマルチプレクサ２６０に接続されて電源を供給する。また、整流回路２３０の出力側と電源回路２４０の入力側の間にはコンデンサＣ１が用意されており、スイッチＳＷ１のＯＮとＯＦＦの切換動作によって、コンデンサＣ１の電源回路２４０（整流回路２３０）への接続の有無が切換えられるようになっている。つまり、周期変調波の供給時にスイッチＳＷ１がＯＮとされることで、整流回路２３０で整流された直流電力によってコンデンサＣ１が充電されて所定の電位を有するようになる。一方、周期変調波の供給が無い時にはスイッチＳＷ１がＯＦＦとされることで、コンデンサＣ１の充電電位によって刺激ユニット２００の状態が保持されるようになる。
【００２３】
電源回路２４０は、平滑化コンデンサ等で構成され、整流回路２３０からの直流電力を一定値に安定させる。このような電源回路２４０は刺激ユニット２００全体の電源として使用され、刺激ユニット２００（制御回路２５０、信号生成回路２２０等）の動作を安定させる。また電源回路２４０の出力は制御回路２５０に接続される。更に、電源回路２４０の出力側にはコンデンサＣ２が設けられており、スイッチＳＷ２のＯＮとＯＦＦの切換動作によって電源回路２４０（制御回路２５０）への接続の有無が切換えられるようになっている。これにより、周期変調波の供給時にスイッチＳＷ２がＯＮとされることで、電源回路２４０の直流電力でコンデンサＣ２が充電されて所定の電位を持つようになる。一方、周期変調波の供給が無い時にはスイッチＳＷ２がＯＦＦとされることで、コンデンサＣ２の充電電位により刺激ユニット２００の状態が保持されるようになる。
【００２４】
以上のように、刺激ユニット２００への周期変調波の供給時に２つのコンデンサＣ１及びＣ２が充電され、周期変調波の供給が無い時に２つのコンデンサＣ１及びＣ２の充電電位によって刺激ユニット２００の状態が保持されるようにすることで、刺激ユニット２００への電力供給の有無に関わらず、刺激ユニット２００（マルチプレクサ２６０）の状態が保持されるようになる。
【００２５】
つまり、マルチプレクサ２６０の状態変化時のみに間欠的に供給される電力によって刺激ユニットの状態が保持されるので、刺激ユニット２００の状態を保持するためだけの電力供給が不要となる。これによりケーブル１２０に加えられる電力を少なくでき、ノイズの発生又はリーク電流の発生リスクが低減されるようになる。また、体外装置１００ａからの供給される電力が効率よく利用されるようになる。
【００２６】
制御回路２５０は電源回路２４０から供給される直流電力で駆動され、信号生成回路２２０で抽出された制御信号（電極指定信号データ等）に基づき、指令信号（電極指定信号等）を生成する。なお生成された指令信号はマルチプレクサ２６０の動作制御を行うための信号とされる。
【００２７】
次に信号生成回路２２０の構成を説明する。図２は信号生成回路の構成の説明図である。信号生成回路２２０は、周期変調波の波形を整形して１周期毎の波形を抽出すると共に周期変調波の周期（例えば、立ち上がり／立下り）を検出してクロック信号を生成する比較器（コンパレータ）２２１と、比較器２２１で抽出された周期変調波の周期を電圧に変換するための３つの周期・電圧変換回路２２３（２２３ａ，２２３ｂ，２２３ｃ）と、３つの周期・電圧変換回路２２３のうち、連続して検出される２つの変換回路からの検出結果を比較する３つのウィンドウコンパレータ２２４ａ〜２２４ｃからなるコンパレータ２２４と、コンパレータ２２４からの出力信号と、比較器２２１で生成されたクロック信号に基づき二進数の制御信号（電極指定信号データ等）を生成する信号生成部２２５とから構成される。
【００２８】
なお、比較器２２１と各周期・電圧変換回路２２３ａ〜２２３ｃとはスイッチＳＷ３でその接続状態が順次切換えられるようになっている。また、比較器２２１の出力は信号生成部２２５にも接続されており、これにより信号生成部２２５はクロック信号に基づき制御信号を生成するようになる。また、各ウィンドウコンパレータ２２４ａ〜２２４ｃに対して周期・電圧変換回路が２つ接続されている。具体的には、ウィンドウコンパレータ２２４ａに対して周期・電圧変換回路２２３ａ，２２３ｂが接続され、ウィンドウコンパレータ２２４ｂに対して周期・電圧変換回路２２３ｂ，２２３ｃが接続され、ウィンドウコンパレータ２２４ｃに対して周期・電圧変換回路２２３ｃ，２２３ａが接続される。また、各ウィンドウコンパレータ２２４ａ〜２２４ｃと信号生成部２２５とはスイッチＳＷ４でその接続状態が順次切換えられるようになっている。なお、スイッチＳＷ３とＳＷ４の切換タイミングは、比較器２２１で生成されるクロック信号に基づき行われる。
【００２９】
以上のような構成によって、比較器２２１による周期変調波の波形整形によって１周期の波形が検出されると、比較器２２１で抽出された１波形分の周期情報はスイッチＳＷ３で接続された電圧変換回路２２３（図２では回路２２３ａが接続されている）で電圧情報に変換される。具体的には、電圧変換回路２２３はコンデンサを備えており、波形の周期に応じてコンデンサが所定の電位に充電される（周期ごとに電位が決定される）。得られた電位情報はウィンドウコンパレータ２２４に入力される。そして、信号生成部２２５では、ウィンドウコンパレータ２２４の出力に基づき制御信号を生成する。
【００３０】
また、刺激制御部はクロック信号に基づきスイッチＳＷ３とＳＷ４の切換動作を行う。なお、比較器２２１で生成されるクロック信号は、刺激制御部及び制御回路２５０が刺激ユニット２００の駆動制御を行うために必要な同期信号とされる。
【００３１】
以上のような構成により、信号生成回路２２０の比較器２２１で抽出される周期変調波の１波形分毎の周期を利用して、簡単に制御信号とクロック信号が生成される。これにより、別途クロック信号を生成するための回路を設ける必要が無く、体内装置の小型化に有利となる、また、限られた電力供給で動作される刺激ユニット２００において、電力が効率よく使用されるようになる。
【００３２】
ここで、信号生成回路２２０の動作を詳細に説明する。例えば、始めのクロック信号では、刺激制御部の制御によって、スイッチＳＷ３が周期・電圧変換回路２２３ａに接続され、スイッチＳＷ４がウィンドウコンパレータ２２４ｂに接続される。そして、比較器によって抽出された周期変調波の１周期分の波形は、周期・電圧変換回路２２３ａに入力されて１周期分の電圧情報に変換され、ウィンドウコンパレータ２２４ａに入力される。
【００３３】
次に、刺激制御部は、比較器２２１で生成される次のクロック信号で、スイッチＳＷ３と電圧変換回路２２３ｂとを接続し、スイッチＳＷ４とウィンドウコンパレータ２２４ｃとを接続させる。そして、周期・電圧変換回路２２３ｂにより変換された次の周期分の電圧情報は、同じようにウィンドウコンパレータ２２４ａに入力される。このように、１つのウィンドウコンパレータ２２４ａに２周期分の電圧情報が入力されると、ウィンドウコンパレータ２２４ａは、先の電圧情報（周期情報）に対する後の電圧情報（周期情報）の違いの有無を検出して制御信号を生成する。例えば、電圧に変化がある場合（検出波形の周期に違いがある場合）には「０」、電圧に変化が無い場合（検出波形の周期が同じ場合）には「１」として制御信号を生成する。そして、刺激制御部により、比較器２２１で生成される次のクロック信号でスイッチＳＷ４がウィンドウコンパレータ２２４ａに接続されると、ウィンドウコンパレータ２２４ａによる検出結果が信号生成部２２５に出力されるようになる。信号生成部２２５では、クロック信号に基づくスイッチＳＷ４の切換動作が十分に完了した状態で、ウィンドウコンパレータ２２４ａで抽出された「０」または「１」の二進数の制御信号をマルチプレクサの動作制御のために随時、制御回路２５０へと送信する。
【００３４】
以上のような動作を繰り返して、クロック信号に基づきスイッチＳＷ３とスイッチＳＷ４の動作が切換えられることによって、周期変調で生成された周期変調波の１周期毎の情報（電位情報）が各ウィンドウコンパレータ２２４ａ〜２２４ｃに２波形分ずつ入力されるようになる。そして、２波形分の電圧情報の変化の有無により制御信号が抽出されるようになる。
【００３５】
なお、制御回路２５０では、信号生成部２２５から送信された二進数の制御信号を所定のビット数で纏めることにより指令信号を生成する。そして、刺激制御部は、制御回路２５０で生成された指令信号に基づきマルチプレクサ２６０の状態を切換える制御を行う。なお、指令信号としては、マルチプレクサ２６０全体の状態を切換えるための信号、動作点を指定するための信号、電気刺激パルス信号を出力させる電極２７１を指定するための電極指定信号等がある。そして、マルチプレクサ２６０は、指令信号に基づき、例えば指定された電極２７１から電気刺激パルス信号を出力させる。
【００３６】
次に、以上のような構成を備える回路の動作を説明する。なお、図３は交流電源１１２の駆動状態とマルチプレクサ２６０の状態変化との関係の説明図であり、ここでは、図３（ａ）に刺激ユニット２００の周期変調波の受信状態が、図３（ｂ）にマルチプレクサ２６０の状態変化が示されている。図４は信号生成回路２２０による制御信号の生成のためのタイミングチャートであり、図４（ａ）に信号生成回路２２０で検出された周期変調波の波形（１波形ごと）の周期が示されており、図４（ｂ）には波形の周期の検出結果に基づき生成された制御信号が示されている。
【００３７】
体外装置１００ａで生成された電磁波が送信コイルＬ１０から送信され、体内装置１００ｂの受信コイルＬ２０（受信ユニット１１０）で受信されると、復調回路１１１で電磁波が復調されて交流電力と制御信号とが得られる。そして、刺激ユニット２００の状態を切換える時に、周期変調回路１１２によって制御信号に基づき周期変調波が生成される。そして、刺激ユニット２００の切換時のみに周期変調波が刺激ユニット２００を駆動する電力としてケーブル１２０に供給されるようになる。これにより、生体へのノイズの影響が抑えられると共に、体内装置１００ｂで交流電力が効率良く使用されるようになる。
【００３８】
一方、刺激ユニット２００側では、電力検出回路２１０で周期変調波の振幅の有無の検出が行われる。ここで、時間ｔ１で、周期変調波の波形が抽出されるとスイッチＳＷ１とＳＷ２がＯＮとなり、整流回路２３０で周期変調波が整流されてコンデンサＣ１が充電されると共に、電源回路２４０の電位によってコンデンサＣ２が充電されて所定の電位を有するようになる。また、整流回路２３０でマルチプレクサ２６０が駆動されると共に、電源回路２４０によって制御回路２５０及びマルチプレクサ２６０を含む刺激ユニット２００全体が駆動されるようになる。
【００３９】
一方、信号生成回路２２０では、時間ｔ１以降で、比較器２２１によって周期変調波の１周期分毎の波形の周期が抽出されると共にクロック信号が生成される。そして、比較器２２１で連続して抽出される波形の周期の前後の比較によって制御信号が生成される。なお、図４（ａ）では信号生成回路２２０で検出された波形の周期が１．０μｓの場合を期間Ａ，周期０．９μｓの場合を期間Ｂとしている。また、図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、前後の波形の周期が同じ場合には「１」が出力され、前後の波形の周期が異なる場合には「０」が出力されるとするが、このような信号生成回路２２０による制御信号の生成方法は一例であり、前後の波形の周期が異なる場合に「１」、同じ場合に「０」が出力されるようにしてもよい。また、本実施形態では２波形分の周期の比較結果に基づき制御信号が生成されるので、図４（ｂ）では、制御信号は２クロック分遅れて出力されている。そして、このような制御信号及びクロック信号の生成は、時間ｔ２で周期変調波の波形が検出されなくなるまで継続して行われる。
【００４０】
以上のようにして抽出された制御信号（指令信号）が制御回路２５０に入力されると、制御回路２５０は逐次受信される二進数の情報を一つの指令信号に纏める。そして、刺激制御部は、制御回路２５０で生成された指令信号に基づき、マルチプレクサ２６０の状態を切換える。そして、マルチプレクサ２６０は、指令信号に基づき、指定された電極２７１から電気刺激パルス信号を出力させるための動作制御を行う。
【００４１】
一方、時間ｔ２で周期変調波が検出されなくなると、刺激制御部は、電力検出回路２１０の駆動によりスイッチＳＷ１とＳＷ２とをＯＦＦにする。これにより、刺激ユニット２００の回路が開放状態となり、コンデンサＣ１及びＣ２の電位によって、刺激ユニット２００（制御回路２５０とマルチプレクサ２６０）の状態が保持されるようになる（図３参照）。つまり、受信ユニット１１０からの電力供給が無くても刺激ユニット２００の状態が保持されるようになる。
【００４２】
同様に、時間ｔ３からｔ４の間で周期変調波（交流電力）の供給時にマルチプレクサ２６０の状態が切換えられ、時間ｔ４以降で周期変調波の波形の振幅が検出されなくなると、コンデンサＣ１及びＣ２の電位によって制御回路２５０とマルチプレクサ２６０の状態が保持されるようになる。これにより、体内装置１００ｂに供給された電力が効率よく利用されるようになる。
【００４３】
次に、以上のような構成を備える生体組織刺激装置を、患者の視覚の一部又は全部を再生する視覚再生補助装置に使用する場合を例に挙げて説明する。図５は視覚再生補助装置の制御系のブロック図である。なお、上記の生体組織刺激装置１００と同じ構成には同じ図番号を付して説明する。
【００４４】
視覚再生補助装置１は、外界を撮影するための体外装置１ａと、網膜Ｅ１を構成する細胞（図５参照）に電気刺激を与え視覚の再生を促す体内装置１ｂとからなる。体外装置１ａは、患者が掛ける眼鏡形状のバイザ（図示を略す）と、バイザに取り付けられるＣＣＤカメラ等からなる撮影装置３と、撮影装置３で撮影された被写体像（画像データ）を制御信号に変換する信号生成部１０１と、体内装置１ｂに電力供給を行うための交流電源１０２と、制御信号に基づき交流電力を変調するための変調回路１０３と、体外装置１ａで生成された画像データ及び電力を体内装置１ｂに送信するための送信コイルＬ１０等で構成される。なお、送信コイルＬ１０の中心には図示なき磁石が取り付けられており、後述する体内装置１ｂ側の受信コイルＬ２０との位置固定に使用される。
【００４５】
体内装置１ｂは、受信コイルＬ２０で受信した電磁波から電力と刺激信号を生成する受信ユニット１１０と、複数の電極２７１から出力される電気刺激パルス信号によって網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激する刺激ユニット２００とがケーブル１２０を介して接続されている。なお、本実施形態のケーブル１２０の直径は細くされ、患者の眼球に沿って好適に配置される。
【００４６】
受信ユニット１１０は、刺激ユニット２００（マルチプレクサ２６０）の状態を切換えるときに、得られた電力の一部を周期変調して周期変調波を生成してケーブル１２０を介して刺激ユニット２００へと送る。つまり、刺激ユニット２００（マルチプレクサ２６０）には、その状態を切換えるときのみ効率よく交流電力が供給されるようになる。
【００４７】
以上の構成を備える視覚再生補助装置１の動作を説明する。撮影装置３で撮影された被写体像（画像データ）は信号生成部１０１で制御信号に変換される。そして、変調回路１０３は交流電源１０２からの交流電力を制御信号に基づき振幅変調して、電磁波を生成する。送信コイルＬ１０は生成された電磁波を体内装置１ｂ側へと送信させる。
【００４８】
体内装置１ｂ側では、受信コイルＬ２０で受信された電磁波が受信ユニット１１０で復調されて電力と制御信号とが生成される。この時、生成された電力は電極２７１から出力される電気刺激パルス信号と受信ユニット１１０自身の動作のために使用される。そして、刺激ユニット２００の状態の切換時のみに、電力の一部が制御信号（電極指定信号データ）に基づき周期変調されて周期変調波として送信される。つまり、ケーブル１２０には周期変調波（交流電力）が（必要時のみ）間欠的に供給されるようになる。
【００４９】
一方、刺激ユニット２００側では周期変調波から制御信号とクロック信号とが抽出されて、指令信号が生成されることでマルチプレクサ２６０の状態が切換えられると共に、受信ユニット１１０で得られた残りの電力から生成された電気刺激パルス信号が電極２７１から出力される。また、刺激ユニット２００側では、周期変調波の電力を利用して（図示を略すコンデンサが充電され、電力の供給の生むに関わらずその状態が保持されるようになる。
【００５０】
以上のようにすることで、刺激ユニットの状態を切換え時のみ、ケーブルを介して効率よく周期変調波（交流電力）が供給されるので、生体に対するノイズの影響が抑えられると共に、リーク電流の発生リスクを低減できるようになり、装置の信頼性が向上される。
【００５１】
また、周期変調波の波形の周期を利用してクロック信号が生成されるので、刺激ユニット側にクロック信号を生成するための回路を別途設ける必要がなくなり、刺激ユニットの小型化に有利となる。また、マルチプレクサ等に効率よく電力が供給されるようになる。
【００５２】
更に、本実施形態では周期変調で生成された周期変調波の伝送によって、電力と制御信号、更にはクロック信号が同時に得られることになる。その為、１対の導線でこれらの情報が伝送されるので、ケーブル内の配線の本数を減らすことができる。これによりケーブルの柔軟性が向上され、患者の体内に好適に配置することができるようになる。
【００５３】
なお、本実施形態では外部の交流電源から体内装置側に電力が供給されているが、これに限られるものではない。電源が体内装置に用意されている場合にも、本発明が適用されることで、生体への影響を抑えて、効率よく電力が使用されるようになり、生体内で生体組織刺激装置が長期間好適に使用されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】生体組織用刺激装置の回路ブロック図である。
【図２】信号生成回路の構成の説明図である。
【図３】交流電源の駆動状態とマルチプレクサの状態変化の関係の説明図である。
【図４】信号生成回路による制御信号生成のタイミングチャートである。
【図５】視覚再生補助装置の制御系のブロック図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００ 生体組織刺激装置
１００ａ 体外装置
１００ｂ 体内装置
１１０ 受信ユニット
１１２ 周期変調回路
１２０ ケーブル
２００ 刺激ユニット
２１０ 電力検出回路
２２０ 信号生成回路
２２１ 比較器
２２３ 周期・電圧変換回路
２２４ ウィンドウコンパレータ
２２５ 信号生成部
２３０ 整流回路
２４０ 電源回路
２５０ 制御回路
２６０ マルチプレクサ
２７０ 基板
２７１ 電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は生体組織の一部に電気刺激を与えるための生体組織刺激装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
患者の耳小骨へ音の振動を伝達するための人工中耳、患者の胸部に埋植されて心臓に電気刺激を与えることで不整脈の発生を抑制する心臓ペースメーカ等、生体組織用の刺激電極（以下、電極）を体内に埋植し、生体組織の一部を電気刺激する生体組織刺激装置の研究がされている。また、近年このような生体組織刺激装置として、電極から電気刺激パルス信号（電荷）を出力して網膜を構成する細胞を電気刺激することにより、視覚の再生を試みる視覚再生補助装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、特許文献１の生体組織刺激装置では、体内に埋植する体内装置の患者眼に直接取り付ける部分を出来るだけ小型とするために、体外装置から供給される電力（情報）を受信する受信ユニットと、多数の電極から刺激電流（双極性パルス信号）を出力して網膜を構成する細胞を電気刺激するための刺激ユニットとを、生体に対して個別に取り付けるようにしている。そして、受信ユニットと刺激ユニットをそれぞれ周知のハーメチックシールで密封している。これにより、体液の浸襲を防ぐと共に，各ユニットから発生する電気的な影響が生体に及ばないようにしている。一方、受信ユニットと刺激ユニットとは生体内に配線した複数のケーブル（導線）を介して電気的に接続され、ケーブルを介して受信ユニットから刺激ユニットへと交流電力が供給されるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】２０１０‐１８７７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来技術のように生体内にケーブルが直接置かれる構成では、交流電力がケーブルを通過する際に発生するノイズの影響が、生体に直接与えられることになる。特に、刺激ユニットの状態を保持するために、受信ユニットから刺激ユニットへ交流電力が常時供給される場合には、ケーブルから発生するノイズやリーク電流による生体への影響が大きくなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、生体への影響が少ないと共に効率良く電力供給を行うことができる生体組織刺激装置を提供することを技術課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
【０００８】
（１） 患者の生体内に複数の電極を設置し，該電極から所定の電気刺激パルス信号を出力させて生体組織を刺激する刺激ユニットと、該刺激ユニットを駆動させるための交流電力を供給する交流電源と、該交流電源と前記刺激ユニットとを電気的に接続するためのケーブルと、を備える生体組織刺激装置において、前記刺激ユニットは前記ケーブルを介して前記交流電源から間欠的に供給される交流電力によって駆動されることを特徴とする。
（２） （１）の生体組織刺激装置において、前記刺激ユニットは多数の刺激電極に電気刺激パルス信号を配分するためのデマルチプレクサ機能を備えるマルチプレクサと、該マルチプレクサを安定して動作させるための電源回路と、を備え、該電源回路は前記交流電源から供給される前記交流電力によって駆動されることを特徴とする。
（３） （２）の生体組織刺激装置において、前記刺激ユニットは前記交流電力を直流電力に整流する整流回路と、前記電源回路に接続されると共に該整流回路で生成された前記直流電力によって充電されるコンデンサと、を備え、該コンデンサは、前記交流電源からの前記交流電力の供給時に充電されて所定の電位を有し，前記交流電力の供給がないときにその充電電圧で前記刺激ユニットの状態を保持することを特徴とする。
（４） 請求項３の生体組織刺激装置において、前記刺激ユニットは、前記電源回路と前記コンデンサとの接続の有無を切換えるためのスイッチと、前記交流電源からの前記交流電力の供給の有無に基づき前記スイッチの動作制御を行うための第１制御部と、を備え、該第１制御部は、前記交流電源から前記刺激ユニットへの前記交流電力の供給時に前記スイッチをオンとして前記コンデンサを充電させ、前記交流電力の供給が無いときに前記スイッチをオフとして前記コンデンサの充電電圧で前記刺激ユニットの状態を保持することを特徴とする。
（５） （４）の生体組織刺激装置は、前記刺激ユニットの動作制御を行うための制御信号を生成する第２制御部と、該第２制御部で生成される前記制御信号を周期変調により前記交流電力に重畳させる周期変調回路であって，該生成された周期変調波を前記ケーブルを介して前記刺激ユニットに送るための周期変調回路と、を備え、前記周期変調回路は前記第２制御部からの前記制御信号の出力に合わせて前記周期変調波を前記刺激ユニットに間欠的に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、生体への影響が少ないと共に効率良く電力供給を行うことができる生体組織用刺激ユニット，及びこれを備える生体組織刺激装置を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は生体組織用刺激装置１００の回路ブロック図である。本実施形態の生体組織刺激装置１００は、患者の体外に配置されて生体組織の電気刺激に必要となる情報（制御信号）を生成すると共に生体組織用刺激装置１００全体を駆動させるための電力を供給する体外装置１００ａと、患者の体内に配置されて体外装置１００ａから供給される電力及び情報に基づき患者の生体組織の電気刺激を行う体内装置１００ｂとから構成される。
なお、本実施形態では、体外装置１００ａ全体の駆動制御を行うための体外装置制御部と、体内装置１００ｂ全体の駆動制御を行うための体内装置制御部とが用意されている。また、体内装置制御部は、刺激ユニット２００全体の駆動制御を行うための刺激制御部（第１制御部）と、受信ユニット１１０全体の駆動制御を行うための受信制御部（第２制御部）とから構成される。なお、各制御部の図示は省略する。
【００１１】
体外装置１００ａは、体内装置１００ｂを動作させるための制御信号（例えば、電極指定信号用データ、電気刺激パルス信号用データなど）を生成するための信号生成部１０１と、交流電力を供給するための交流電源１０２と、制御信号に基づき交流電力の変調を行い電磁波を生成する変調回路１０３と、変調回路１０３から出力される電磁波を体内装置１００ｂ側に送信するための送信コイルＬ１０とから構成される。なお、変調回路１０３による交流電力から電磁波への変調方式としては、振幅変調、周波数変調等の周知の変調方式が用いられる。これにより、コイルリンクにて好適に電磁波の送受信が行われるようになる。
【００１２】
体内装置１００ｂは、体外装置１００ａから供給された電磁波を受信して、電力及び制御信号を抽出する受信ユニット（電源ユニット）１１０と、生体組織への電気刺激を行うための電気刺激パルス信号を出力させる刺激ユニット２００から構成される。また、受信ユニット１１０と刺激ユニット２００とは、複数の導線をまとめた電力伝送手段であるケーブル１２０によって電気的に接続される。
【００１３】
受信ユニット１１０は、送信コイルＬ１０から送信された電磁波を受信する受信コイルＬ２０と、電磁波を復調するための復調回路１１１と、復調回路１１１による復調で得られる制御信号（例えば電極指定信号用データ、電気刺激パルス信号用データ等）と電力から周期変調波を生成する周期変調回路１１２とから構成される。
【００１４】
具体的には、受信コイルＬ２０で受信された電磁波が復調回路１１１により復調されることで交流電力と制御信号が得られる。復調で得られた交流電力は図示を略す整流回路で直流電力に整流される。この直流電力は受信ユニット１１０自身の駆動に使用される他、後述する電極２７１から出力される電気刺激パルス信号（刺激電流）を生成するためのデコーダを動作させる電力として使用される。また、電気刺激パルス信号を出力する電極の切換時又は電気刺激パルス信号の出力条件を変えり時など、刺激ユニット２００の状態を変化させる必要があるときに、周期変調回路１１２によって周期変調波が生成されて、周期変調回路１１２からケーブル１２０を介して刺激ユニット２００側へと供給される。
【００１５】
なお、周期変調では二進数（０，１）で表される制御信号を、異なる周期（例えば、１．０μｓと、０．９μｓ）の１周期毎の波形の組み合わせに変換する。その為、制御信号を波形の振幅変化として伝送する振幅変調、搬送波の周波数変化に変換して伝送する周波数変調等と比べて、周期変調では制御信号の伝送時間を短くでき、ケーブルに伝送する電力量を少なくできる。
【００１６】
ケーブル１２０は、生体適合性の良い貴金属、例えば、白金、白金イリジウム、ステンレス、チタン等による複数の導線（ワイヤー）が、生体適合性の良い絶縁性の樹脂、例えば、シリコーン、パリレン等で形成されたチューブによって一つに束ねられることで形成されている。なお、導線には、電気刺激パルス信号の電力を伝送するための導線、周期変調で生成された周期変調波を伝送するための導線対等が用意されている。なお、各導線自体にも上述したパリレン等の生体適合性がよく絶縁性を有する樹脂にて被膜が施されている。そして、ケーブル１２０に伝送される電力が周期変調波（交流電力）であることによって、ケーブルの絶縁性能が低下した場合でも体液等の電気分解は生じにくくなる。
【００１７】
また、本実施形態では、周期変調波の波形の周期を利用してクロック信号が生成される構成となっている（詳細な構成は後述する）。これにより、別途、駆動制御用のクロック信号を生成するための構成を設ける必要がなくなるので、装置の小型化、低消費電力化に貢献できる。つまり、振幅が小さくなるタイミングで電力伝送効率が低下してしまう振幅変調、刺激ユニット２００側に基準となるクロック信号を発生させるための構成が必要となる周波数変調又は位相変調等の他の変調方式と比べて、周期変調ではより簡単な構成で好適にクロック信号が生成されることになる。
【００１８】
なお、以上のような構成の受信ユニット１１０は側頭部に埋め込まれる。一方、刺激ユニット２００は、例えば、強膜側に置かれて、強膜側から網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激する（図示は省略する）。このような受信ユニット１１０と刺激ユニット２００は、それぞれ周知のハーメチックシールによって生体組織と分離され、受信ユニット１１０と刺激ユニット２００のそれぞれに交流電力（周期変調波）が供給されても、生体へのノイズやリーク電流等の影響は生じ難くなっている。
【００１９】
一方、ケーブル１２０は、受信ユニット１１０との接続位置から、側頭部に沿って皮膚下を患者眼に向かって延ばされた後、患者の上瞼の内側を通して眼窩に入れられる。そして、強膜の外側を通して刺激ユニット２００に接続される（図示は省略する）為、ケーブル１２０は、その径が細く柔軟であることが求められ、受信ユニット１１０や刺激ユニット２００のように、ハーメチックシールによって交流電力（周期変調波）の供給により発生するノイズやリーク電流が生体に加えられることを防ぐことは困難である。
【００２０】
刺激ユニット２００は、受信ユニット１１０から供給される周期変調波の振幅を検出する電力検出回路２１０と、周期変調波から制御信号を抽出すると共に，刺激ユニット２００の同期を取るためのクロック信号を生成する信号生成回路２２０と、周期変調波（交流電力）を直流電力に整流するための整流回路２３０と、整流回路２３０で整流された電力を平滑化して直流電力の電位を安定させる安定化電源回路（電源回路）２４０と、電源回路２４０で駆動されると共に，信号生成回路２２０で抽出された制御信号（電極指定信号用データ、電気刺激パルス信号用データ等）に基づき指令信号（電極指定信号等、電気刺激パルス信号）を生成するための制御回路２５０と、制御回路２５０からの指令信号に基づき各電極２７１から出力される電気刺激パルス信号を制御するマルチプレクサ（デマルチプレクサ）２６０と、図示を略す導線にてマルチプレクサ２６０と個別に接続される複数の電極２７１が形成された基板２７０とから構成されている。
【００２１】
電力検出回路２１０は周知のコンパレータで構成されており、ケーブル１２０に接続されて周期変調波の振幅の有無を検出する。電力検出回路２１０の出力はスイッチＳＷ１及びＳＷ２に接続される。刺激制御部は、周期変調波の振幅の検出の有無に応じて各スイッチＳＷ１及びＳＷ２のＯＮとＯＦＦとを切換える。具体的には、刺激制御部は周期変調波が検出された場合はスイッチＳＷ１とＳＷ２をＯＮにする。一方、周期変調波が検出されない場合にはスイッチＳＷ１とＳＷ２をＯＦＦにする。
【００２２】
整流回路２３０は、周知のダイオード，サイリスタ等の整流素子によるブリッジ回路等で構成されており、ケーブル１２０に接続される。また、整流回路２３０の出力はスイッチＳＷ１を介して電源回路２４０に入力されると共に、整流回路２３０の出力はマルチプレクサ２６０に接続されて電源を供給する。また、整流回路２３０の出力側と電源回路２４０の入力側の間にはコンデンサＣ１が用意されており、スイッチＳＷ１のＯＮとＯＦＦの切換動作によって、コンデンサＣ１の電源回路２４０（整流回路２３０）への接続の有無が切換えられるようになっている。つまり、周期変調波の供給時にスイッチＳＷ１がＯＮとされることで、整流回路２３０で整流された直流電力によってコンデンサＣ１が充電されて所定の電位を有するようになる。一方、周期変調波の供給が無い時にはスイッチＳＷ１がＯＦＦとされることで、コンデンサＣ１の充電電位によって刺激ユニット２００の状態が保持されるようになる。
【００２３】
電源回路２４０は、平滑化コンデンサ等で構成され、整流回路２３０からの直流電力を一定値に安定させる。このような電源回路２４０は刺激ユニット２００全体の電源として使用され、刺激ユニット２００（制御回路２５０、信号生成回路２２０等）の動作を安定させる。また電源回路２４０の出力は制御回路２５０に接続される。更に、電源回路２４０の出力側にはコンデンサＣ２が設けられており、スイッチＳＷ２のＯＮとＯＦＦの切換動作によって電源回路２４０（制御回路２５０）への接続の有無が切換えられるようになっている。これにより、周期変調波の供給時にスイッチＳＷ２がＯＮとされることで、電源回路２４０の直流電力でコンデンサＣ２が充電されて所定の電位を持つようになる。一方、周期変調波の供給が無い時にはスイッチＳＷ２がＯＦＦとされることで、コンデンサＣ２の充電電位により刺激ユニット２００の状態が保持されるようになる。
【００２４】
以上のように、刺激ユニット２００への周期変調波の供給時に２つのコンデンサＣ１及びＣ２が充電され、周期変調波の供給が無い時に２つのコンデンサＣ１及びＣ２の充電電位によって刺激ユニット２００の状態が保持されるようにすることで、刺激ユニット２００への電力供給の有無に関わらず、刺激ユニット２００（マルチプレクサ２６０）の状態が保持されるようになる。
【００２５】
つまり、マルチプレクサ２６０の状態変化時のみに間欠的に供給される電力によって刺激ユニットの状態が保持されるので、刺激ユニット２００の状態を保持するためだけの電力供給が不要となる。これによりケーブル１２０に加えられる電力を少なくでき、ノイズの発生又はリーク電流の発生リスクが低減されるようになる。また、体外装置１００ａからの供給される電力が効率よく利用されるようになる。
【００２６】
制御回路２５０は電源回路２４０から供給される直流電力で駆動され、信号生成回路２２０で抽出された制御信号（電極指定信号データ等）に基づき、指令信号（電極指定信号等）を生成する。なお生成された指令信号はマルチプレクサ２６０の動作制御を行うための信号とされる。
【００２７】
次に信号生成回路２２０の構成を説明する。図２は信号生成回路の構成の説明図である。信号生成回路２２０は、周期変調波の波形を整形して１周期毎の波形を抽出すると共に周期変調波の周期（例えば、立ち上がり／立下り）を検出してクロック信号を生成する比較器（コンパレータ）２２１と、比較器２２１で抽出された周期変調波の周期を電圧に変換するための３つの周期・電圧変換回路２２３（２２３ａ，２２３ｂ，２２３ｃ）と、３つの周期・電圧変換回路２２３のうち、連続して検出される２つの変換回路からの検出結果を比較する３つのウィンドウコンパレータ２２４ａ〜２２４ｃからなるコンパレータ２２４と、コンパレータ２２４からの出力信号と、比較器２２１で生成されたクロック信号に基づき二進数の制御信号（電極指定信号データ等）を生成する信号生成部２２５とから構成される。
【００２８】
なお、比較器２２１と各周期・電圧変換回路２２３ａ〜２２３ｃとはスイッチＳＷ３でその接続状態が順次切換えられるようになっている。また、比較器２２１の出力は信号生成部２２５にも接続されており、これにより信号生成部２２５はクロック信号に基づき制御信号を生成するようになる。また、各ウィンドウコンパレータ２２４ａ〜２２４ｃに対して周期・電圧変換回路が２つ接続されている。具体的には、ウィンドウコンパレータ２２４ａに対して周期・電圧変換回路２２３ａ，２２３ｂが接続され、ウィンドウコンパレータ２２４ｂに対して周期・電圧変換回路２２３ｂ，２２３ｃが接続され、ウィンドウコンパレータ２２４ｃに対して周期・電圧変換回路２２３ｃ，２２３ａが接続される。また、各ウィンドウコンパレータ２２４ａ〜２２４ｃと信号生成部２２５とはスイッチＳＷ４でその接続状態が順次切換えられるようになっている。なお、スイッチＳＷ３とＳＷ４の切換タイミングは、比較器２２１で生成されるクロック信号に基づき行われる。
【００２９】
以上のような構成によって、比較器２２１による周期変調波の波形整形によって１周期の波形が検出されると、比較器２２１で抽出された１波形分の周期情報はスイッチＳＷ３で接続された電圧変換回路２２３（図２では回路２２３ａが接続されている）で電圧情報に変換される。具体的には、電圧変換回路２２３はコンデンサを備えており、波形の周期に応じてコンデンサが所定の電位に充電される（周期ごとに電位が決定される）。得られた電位情報はウィンドウコンパレータ２２４に入力される。そして、信号生成部２２５では、ウィンドウコンパレータ２２４の出力に基づき制御信号を生成する。
【００３０】
また、刺激制御部はクロック信号に基づきスイッチＳＷ３とＳＷ４の切換動作を行う。なお、比較器２２１で生成されるクロック信号は、刺激制御部及び制御回路２５０が刺激ユニット２００の駆動制御を行うために必要な同期信号とされる。
【００３１】
以上のような構成により、信号生成回路２２０の比較器２２１で抽出される周期変調波の１波形分毎の周期を利用して、簡単に制御信号とクロック信号が生成される。これにより、別途クロック信号を生成するための回路を設ける必要が無く、体内装置の小型化に有利となる、また、限られた電力供給で動作される刺激ユニット２００において、電力が効率よく使用されるようになる。
【００３２】
ここで、信号生成回路２２０の動作を詳細に説明する。例えば、始めのクロック信号では、刺激制御部の制御によって、スイッチＳＷ３が周期・電圧変換回路２２３ａに接続され、スイッチＳＷ４がウィンドウコンパレータ２２４ｂに接続される。そして、比較器によって抽出された周期変調波の１周期分の波形は、周期・電圧変換回路２２３ａに入力されて１周期分の電圧情報に変換され、ウィンドウコンパレータ２２４ａに入力される。
【００３３】
次に、刺激制御部は、比較器２２１で生成される次のクロック信号で、スイッチＳＷ３と電圧変換回路２２３ｂとを接続し、スイッチＳＷ４とウィンドウコンパレータ２２４ｃとを接続させる。そして、周期・電圧変換回路２２３ｂにより変換された次の周期分の電圧情報は、同じようにウィンドウコンパレータ２２４ａに入力される。このように、１つのウィンドウコンパレータ２２４ａに２周期分の電圧情報が入力されると、ウィンドウコンパレータ２２４ａは、先の電圧情報（周期情報）に対する後の電圧情報（周期情報）の違いの有無を検出して制御信号を生成する。例えば、電圧に変化がある場合（検出波形の周期に違いがある場合）には「０」、電圧に変化が無い場合（検出波形の周期が同じ場合）には「１」として制御信号を生成する。そして、刺激制御部により、比較器２２１で生成される次のクロック信号でスイッチＳＷ４がウィンドウコンパレータ２２４ａに接続されると、ウィンドウコンパレータ２２４ａによる検出結果が信号生成部２２５に出力されるようになる。信号生成部２２５では、クロック信号に基づくスイッチＳＷ４の切換動作が十分に完了した状態で、ウィンドウコンパレータ２２４ａで抽出された「０」または「１」の二進数の制御信号をマルチプレクサの動作制御のために随時、制御回路２５０へと送信する。
【００３４】
以上のような動作を繰り返して、クロック信号に基づきスイッチＳＷ３とスイッチＳＷ４の動作が切換えられることによって、周期変調で生成された周期変調波の１周期毎の情報（電位情報）が各ウィンドウコンパレータ２２４ａ〜２２４ｃに２波形分ずつ入力されるようになる。そして、２波形分の電圧情報の変化の有無により制御信号が抽出されるようになる。
【００３５】
なお、制御回路２５０では、信号生成部２２５から送信された二進数の制御信号を所定のビット数で纏めることにより指令信号を生成する。そして、刺激制御部は、制御回路２５０で生成された指令信号に基づきマルチプレクサ２６０の状態を切換える制御を行う。なお、指令信号としては、マルチプレクサ２６０全体の状態を切換えるための信号、動作点を指定するための信号、電気刺激パルス信号を出力させる電極２７１を指定するための電極指定信号等がある。そして、マルチプレクサ２６０は、指令信号に基づき、例えば指定された電極２７１から電気刺激パルス信号を出力させる。
【００３６】
次に、以上のような構成を備える回路の動作を説明する。なお、図３は交流電源１１２の駆動状態とマルチプレクサ２６０の状態変化との関係の説明図であり、ここでは、図３（ａ）に刺激ユニット２００の周期変調波の受信状態が、図３（ｂ）にマルチプレクサ２６０の状態変化が示されている。図４は信号生成回路２２０による制御信号の生成のためのタイミングチャートであり、図４（ａ）に信号生成回路２２０で検出された周期変調波の波形（１波形ごと）の周期が示されており、図４（ｂ）には波形の周期の検出結果に基づき生成された制御信号が示されている。
【００３７】
体外装置１００ａで生成された電磁波が送信コイルＬ１０から送信され、体内装置１００ｂの受信コイルＬ２０（受信ユニット１１０）で受信されると、復調回路１１１で電磁波が復調されて交流電力と制御信号とが得られる。そして、刺激ユニット２００の状態を切換える時に、周期変調回路１１２によって制御信号に基づき周期変調波が生成される。そして、刺激ユニット２００の切換時のみに周期変調波が刺激ユニット２００を駆動する電力としてケーブル１２０に供給されるようになる。これにより、生体へのノイズの影響が抑えられると共に、体内装置１００ｂで交流電力が効率良く使用されるようになる。
【００３８】
一方、刺激ユニット２００側では、電力検出回路２１０で周期変調波の振幅の有無の検出が行われる。ここで、時間ｔ１で、周期変調波の波形が抽出されるとスイッチＳＷ１とＳＷ２がＯＮとなり、整流回路２３０で周期変調波が整流されてコンデンサＣ１が充電されると共に、電源回路２４０の電位によってコンデンサＣ２が充電されて所定の電位を有するようになる。また、整流回路２３０でマルチプレクサ２６０が駆動されると共に、電源回路２４０によって制御回路２５０及びマルチプレクサ２６０を含む刺激ユニット２００全体が駆動されるようになる。
【００３９】
一方、信号生成回路２２０では、時間ｔ１以降で、比較器２２１によって周期変調波の１周期分毎の波形の周期が抽出されると共にクロック信号が生成される。そして、比較器２２１で連続して抽出される波形の周期の前後の比較によって制御信号が生成される。なお、図４（ａ）では信号生成回路２２０で検出された波形の周期が１．０μｓの場合を期間Ａ，周期０．９μｓの場合を期間Ｂとしている。また、図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、前後の波形の周期が同じ場合には「１」が出力され、前後の波形の周期が異なる場合には「０」が出力されるとするが、このような信号生成回路２２０による制御信号の生成方法は一例であり、前後の波形の周期が異なる場合に「１」、同じ場合に「０」が出力されるようにしてもよい。また、本実施形態では２波形分の周期の比較結果に基づき制御信号が生成されるので、図４（ｂ）では、制御信号は２クロック分遅れて出力されている。そして、このような制御信号及びクロック信号の生成は、時間ｔ２で周期変調波の波形が検出されなくなるまで継続して行われる。
【００４０】
以上のようにして抽出された制御信号（指令信号）が制御回路２５０に入力されると、制御回路２５０は逐次受信される二進数の情報を一つの指令信号に纏める。そして、刺激制御部は、制御回路２５０で生成された指令信号に基づき、マルチプレクサ２６０の状態を切換える。そして、マルチプレクサ２６０は、指令信号に基づき、指定された電極２７１から電気刺激パルス信号を出力させるための動作制御を行う。
【００４１】
一方、時間ｔ２で周期変調波が検出されなくなると、刺激制御部は、電力検出回路２１０の駆動によりスイッチＳＷ１とＳＷ２とをＯＦＦにする。これにより、刺激ユニット２００の回路が開放状態となり、コンデンサＣ１及びＣ２の電位によって、刺激ユニット２００（制御回路２５０とマルチプレクサ２６０）の状態が保持されるようになる（図３参照）。つまり、受信ユニット１１０からの電力供給が無くても刺激ユニット２００の状態が保持されるようになる。
【００４２】
同様に、時間ｔ３からｔ４の間で周期変調波（交流電力）の供給時にマルチプレクサ２６０の状態が切換えられ、時間ｔ４以降で周期変調波の波形の振幅が検出されなくなると、コンデンサＣ１及びＣ２の電位によって制御回路２５０とマルチプレクサ２６０の状態が保持されるようになる。これにより、体内装置１００ｂに供給された電力が効率よく利用されるようになる。
【００４３】
次に、以上のような構成を備える生体組織刺激装置を、患者の視覚の一部又は全部を再生する視覚再生補助装置に使用する場合を例に挙げて説明する。図５は視覚再生補助装置の制御系のブロック図である。なお、上記の生体組織刺激装置１００と同じ構成には同じ図番号を付して説明する。
【００４４】
視覚再生補助装置１は、外界を撮影するための体外装置１ａと、網膜Ｅ１を構成する細胞（図５参照）に電気刺激を与え視覚の再生を促す体内装置１ｂとからなる。体外装置１ａは、患者が掛ける眼鏡形状のバイザ（図示を略す）と、バイザに取り付けられるＣＣＤカメラ等からなる撮影装置３と、撮影装置３で撮影された被写体像（画像データ）を制御信号に変換する信号生成部１０１と、体内装置１ｂに電力供給を行うための交流電源１０２と、制御信号に基づき交流電力を変調するための変調回路１０３と、体外装置１ａで生成された画像データ及び電力を体内装置１ｂに送信するための送信コイルＬ１０等で構成される。なお、送信コイルＬ１０の中心には図示なき磁石が取り付けられており、後述する体内装置１ｂ側の受信コイルＬ２０との位置固定に使用される。
【００４５】
体内装置１ｂは、受信コイルＬ２０で受信した電磁波から電力と刺激信号を生成する受信ユニット１１０と、複数の電極２７１から出力される電気刺激パルス信号によって網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激する刺激ユニット２００とがケーブル１２０を介して接続されている。なお、本実施形態のケーブル１２０の直径は細くされ、患者の眼球に沿って好適に配置される。
【００４６】
受信ユニット１１０は、刺激ユニット２００（マルチプレクサ２６０）の状態を切換えるときに、得られた電力の一部を周期変調して周期変調波を生成してケーブル１２０を介して刺激ユニット２００へと送る。つまり、刺激ユニット２００（マルチプレクサ２６０）には、その状態を切換えるときのみ効率よく交流電力が供給されるようになる。
【００４７】
以上の構成を備える視覚再生補助装置１の動作を説明する。撮影装置３で撮影された被写体像（画像データ）は信号生成部１０１で制御信号に変換される。そして、変調回路１０３は交流電源１０２からの交流電力を制御信号に基づき振幅変調して、電磁波を生成する。送信コイルＬ１０は生成された電磁波を体内装置１ｂ側へと送信させる。
【００４８】
体内装置１ｂ側では、受信コイルＬ２０で受信された電磁波が受信ユニット１１０で復調されて電力と制御信号とが生成される。この時、生成された電力は電極２７１から出力される電気刺激パルス信号と受信ユニット１１０自身の動作のために使用される。そして、刺激ユニット２００の状態の切換時のみに、電力の一部が制御信号（電極指定信号データ）に基づき周期変調されて周期変調波として送信される。つまり、ケーブル１２０には周期変調波（交流電力）が（必要時のみ）間欠的に供給されるようになる。
【００４９】
一方、刺激ユニット２００側では周期変調波から制御信号とクロック信号とが抽出されて、指令信号が生成されることでマルチプレクサ２６０の状態が切換えられると共に、受信ユニット１１０で得られた残りの電力から生成された電気刺激パルス信号が電極２７１から出力される。また、刺激ユニット２００側では、周期変調波の電力を利用して（図示を略すコンデンサが充電され、電力の供給の生むに関わらずその状態が保持されるようになる。
【００５０】
以上のようにすることで、刺激ユニットの状態を切換え時のみ、ケーブルを介して効率よく周期変調波（交流電力）が供給されるので、生体に対するノイズの影響が抑えられると共に、リーク電流の発生リスクを低減できるようになり、装置の信頼性が向上される。
【００５１】
また、周期変調波の波形の周期を利用してクロック信号が生成されるので、刺激ユニット側にクロック信号を生成するための回路を別途設ける必要がなくなり、刺激ユニットの小型化に有利となる。また、マルチプレクサ等に効率よく電力が供給されるようになる。
【００５２】
更に、本実施形態では周期変調で生成された周期変調波の伝送によって、電力と制御信号、更にはクロック信号が同時に得られることになる。その為、１対の導線でこれらの情報が伝送されるので、ケーブル内の配線の本数を減らすことができる。これによりケーブルの柔軟性が向上され、患者の体内に好適に配置することができるようになる。
【００５３】
なお、本実施形態では外部の交流電源から体内装置側に電力が供給されているが、これに限られるものではない。電源が体内装置に用意されている場合にも、本発明が適用されることで、生体への影響を抑えて、効率よく電力が使用されるようになり、生体内で生体組織刺激装置が長期間好適に使用されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】生体組織用刺激装置の回路ブロック図である。
【図２】信号生成回路の構成の説明図である。
【図３】交流電源の駆動状態とマルチプレクサの状態変化の関係の説明図である。
【図４】信号生成回路による制御信号生成のタイミングチャートである。
【図５】視覚再生補助装置の制御系のブロック図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００ 生体組織刺激装置
１００ａ 体外装置
１００ｂ 体内装置
１１０ 受信ユニット
１１２ 周期変調回路
１２０ ケーブル
２００ 刺激ユニット
２１０ 電力検出回路
２２０ 信号生成回路
２２１ 比較器
２２３ 周期・電圧変換回路
２２４ ウィンドウコンパレータ
２２５ 信号生成部
２３０ 整流回路
２４０ 電源回路
２５０ 制御回路
２６０ マルチプレクサ
２７０ 基板
２７１ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の生体内に複数の電極を設置し，該電極から所定の電気刺激パルス信号を出力させて生体組織を刺激する刺激ユニットと、
該刺激ユニットを駆動させるための交流電力を供給する交流電源と、
該交流電源と前記刺激ユニットとを電気的に接続するためのケーブルと、
を備える生体組織刺激装置において、
前記刺激ユニットは前記ケーブルを介して前記交流電源から間欠的に供給される交流電力によって駆動されることを特徴とする生体組織刺激装置。
【請求項２】
請求項１の生体組織刺激装置において、
前記刺激ユニットは多数の刺激電極に電気刺激パルス信号を配分するためのデマルチプレクサ機能を備えるマルチプレクサと、
該マルチプレクサを安定して動作させるための電源回路と、を備え、
該電源回路は前記交流電源から供給される前記交流電力によって駆動されることを特徴とする生体組織刺激装置。
【請求項３】
請求項２の生体組織刺激装置において、
前記刺激ユニットは前記交流電力を直流電力に整流する整流回路と、
前記電源回路に接続されると共に該整流回路で生成された前記直流電力によって充電されるコンデンサと、を備え、
該コンデンサは、前記交流電源からの前記交流電力の供給時に充電されて所定の電位を有し，前記交流電力の供給がないときにその充電電圧で前記刺激ユニットの状態を保持することを特徴とする生体組織刺激装置。
【請求項４】
請求項３の生体組織刺激装置において、
前記刺激ユニットは、前記電源回路と前記コンデンサとの接続の有無を切換えるためのスイッチと、
前記交流電源からの前記交流電力の供給の有無に基づき前記スイッチの動作制御を行うための第１制御部と、を備え、
該第１制御部は、前記交流電源から前記刺激ユニットへの前記交流電力の供給時に前記スイッチをオンとして前記コンデンサを充電させ、前記交流電力の供給が無いときに前記スイッチをオフとして前記コンデンサの充電電圧で前記刺激ユニットの状態を保持することを特徴とする生体組織刺激装置。
【請求項５】
請求項４の生体組織刺激装置は、
前記刺激ユニットの動作制御を行うための制御信号を生成する第２制御部と、
該第２制御部で生成される前記制御信号を周期変調により前記交流電力に重畳させる周期変調回路であって，該生成された周期変調波を前記ケーブルを介して前記刺激ユニットに送るための周期変調回路と、
を備え、
前記周期変調回路は前記第２制御部からの前記制御信号の出力に合わせて前記周期変調波を前記刺激ユニットに間欠的に供給することを特徴とする生体組織刺激装置。
【請求項１】
患者の生体内に複数の電極を設置し，該電極から所定の電気刺激パルス信号を出力させて生体組織を刺激する刺激ユニットと、
該刺激ユニットを駆動させるための交流電力を供給する交流電源と、
該交流電源と前記刺激ユニットとを電気的に接続するためのケーブルと、
を備える生体組織刺激装置において、
前記刺激ユニットは前記ケーブルを介して前記交流電源から間欠的に供給される交流電力によって駆動されることを特徴とする生体組織刺激装置。
【請求項２】
請求項１の生体組織刺激装置において、
前記刺激ユニットは多数の刺激電極に電気刺激パルス信号を配分するためのデマルチプレクサ機能を備えるマルチプレクサと、
該マルチプレクサを安定して動作させるための電源回路と、を備え、
該電源回路は前記交流電源から供給される前記交流電力によって駆動されることを特徴とする生体組織刺激装置。
【請求項３】
請求項２の生体組織刺激装置において、
前記刺激ユニットは前記交流電力を直流電力に整流する整流回路と、
前記電源回路に接続されると共に該整流回路で生成された前記直流電力によって充電されるコンデンサと、を備え、
該コンデンサは、前記交流電源からの前記交流電力の供給時に充電されて所定の電位を有し，前記交流電力の供給がないときにその充電電圧で前記刺激ユニットの状態を保持することを特徴とする生体組織刺激装置。
【請求項４】
請求項３の生体組織刺激装置において、
前記刺激ユニットは、前記電源回路と前記コンデンサとの接続の有無を切換えるためのスイッチと、
前記交流電源からの前記交流電力の供給の有無に基づき前記スイッチの動作制御を行うための第１制御部と、を備え、
該第１制御部は、前記交流電源から前記刺激ユニットへの前記交流電力の供給時に前記スイッチをオンとして前記コンデンサを充電させ、前記交流電力の供給が無いときに前記スイッチをオフとして前記コンデンサの充電電圧で前記刺激ユニットの状態を保持することを特徴とする生体組織刺激装置。
【請求項５】
請求項４の生体組織刺激装置は、
前記刺激ユニットの動作制御を行うための制御信号を生成する第２制御部と、
該第２制御部で生成される前記制御信号を周期変調により前記交流電力に重畳させる周期変調回路であって，該生成された周期変調波を前記ケーブルを介して前記刺激ユニットに送るための周期変調回路と、
を備え、
前記周期変調回路は前記第２制御部からの前記制御信号の出力に合わせて前記周期変調波を前記刺激ユニットに間欠的に供給することを特徴とする生体組織刺激装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１２０５９０（Ｐ２０１２−１２０５９０Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７１８８９（Ｐ２０１０−２７１８８９）
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００１３５１８４）株式会社ニデック (745)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月６日（２０１０．１２．６）
【出願人】（０００１３５１８４）株式会社ニデック (745)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]