生体組織用刺激回路
【課題】 双極性の電気刺激パルス信号の刺激条件の設定範囲を広くでき、好適に電気刺激を行える生体組織用刺激回路を提供する。
【解決手段】 生体組織用刺激回路は、電源側の第１半導体スイッチと接地側の第３半導体スイッチを直列接続してなる第１直列部と，電源側の第２半導体スイッチと接地側の第４半導体スイッチを直列接続してなる第２直列部とが並列接続されてなるＨブリッジ回路と、第１半導体スイッチと第３半導体スイッチとの間の第１接続点に接続される刺激電極と、第２半導体スイッチと第４半導体スイッチとの間の第２接続点に接続される対向電極と、第３半導体スイッチ及び第４半導体スイッチの接地側の一端に設けられ、刺激電極から出力される電流値を定める第１電流源と、第１半導体スイッチ及び第２半導体スイッチの電源側の一端に設けられ、刺激電極から出力される電流値を定める第２電流源とを備える。
【解決手段】 生体組織用刺激回路は、電源側の第１半導体スイッチと接地側の第３半導体スイッチを直列接続してなる第１直列部と，電源側の第２半導体スイッチと接地側の第４半導体スイッチを直列接続してなる第２直列部とが並列接続されてなるＨブリッジ回路と、第１半導体スイッチと第３半導体スイッチとの間の第１接続点に接続される刺激電極と、第２半導体スイッチと第４半導体スイッチとの間の第２接続点に接続される対向電極と、第３半導体スイッチ及び第４半導体スイッチの接地側の一端に設けられ、刺激電極から出力される電流値を定める第１電流源と、第１半導体スイッチ及び第２半導体スイッチの電源側の一端に設けられ、刺激電極から出力される電流値を定める第２電流源とを備える。
【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用刺激回路に関する。
【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、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ことで生体の機能を調節する電気刺激装置の研究がされている。また、近年このような電気刺激装置として、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】
このような電気刺激装置を用いた生体組織の電気刺激では、電極から所定量の電荷が注入されることで細胞に必要な刺激が与えられる。この時、電極から出力される１刺激分の電気刺激パルス信号は、複数の半導体スイッチによる切換によって正負方向にそれぞれ振幅を持つ双極性の電気刺激パルス信号（以下、双極性パルス）とされる。このような双極性パルスが用いられることで、電気刺激される部位での電荷の偏りが低減されてバランスを保つことができ、好適に電気刺激がされるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開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、従来技術の生体組織用刺激回路では、双極性パルスの刺激条件によっては、双極性パルスの電流の極性を切換えたときに、本来はオフとされる半導体スイッチの寄生ＰＮ接合が順バイアスされることで、回路に制御不能な電流が流れ、正負の電荷のバランスが崩れて電荷に偏りが生じる場合があることが分かった。この場合、余った電荷が生体内に残ることで、患者の生体組織に悪影響が生じることが懸念される。そのため、従来の電気刺激装置では、オフとされるべき半導体スイッチの寄生ＰＮ接合が順バイアスされずに、正負の電荷バランスを保つことができる刺激条件の双極性パルスに制限されなければならなかった。
【０００６】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、双極性パルスの刺激条件の設定範囲を広くする事ができ、より好適に電気刺激を行うことのできる生体組織用刺激回路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） 電源側の第１半導体スイッチと接地側の第３半導体スイッチを直列接続してなる第１直列部と，電源側の第２半導体スイッチと接地側の第４半導体スイッチを直列接続してなる第２直列部とが並列接続されてなるＨブリッジ回路と、前記第１直列部の第１半導体スイッチと第３半導体スイッチとの間の第１接続点に接続される刺激電極と、前記第２直列部の第２半導体スイッチと第４半導体スイッチとの間の第２接続点に接続される対向電極と、前記第３半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチの接地側の一端に設けられる第１電流源であって，前記刺激電極から出力される電流値を定めるための第１電流源と、前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの電源側の一端に設けられる第２電流源であって，前記刺激電極から出力される電流値を定める第２電流源と、を備えることを特徴とする。
（２） （１）の生体組織用刺激回路において、前記電源側及び前記接地側のうち少なくとも一方には、前記第１電流源又は前記第２電流源と前記Ｈブリッジ回路との電気的な接続の有無を切換えるために，前記第１電流源又は前記第２電流源に対して並列接続されるバイパススイッチが設けられていることを特徴とする。
（３） （２）の生体組織用刺激回路において、前記バイパススイッチは少なくとも前記第１スイッチ及び第３スイッチに対してそれぞれ並列接続される又は、前記接地側に接続される前記第２スイッチと第４スイッチに対してそれぞれ並列接続されることを特徴とする。
（４） （３）の生体組織用刺激回路において、前記Ｈブリッジ回路の対向する前記第１半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチの組み合わせと、前記第２半導体スイッチと前記第３半導体スイッチとの組み合わせのオンとオフが交互に切換えられることにより、前記刺激電極から出力される双極性の電気刺激パルス信号の１ｓｔパルスと２ｎｄパルスの正負の電流の極性が切換えられることを特徴とする。
（５） （４）の生体組織用刺激回路において、前記双極性の電気刺激パルス信号の電流の極性は、１ｓｔパルスで正電流，２ｎｄパルスで負電流を出力するカソーディックファースト又は１ｓｔパルスで負電流，２ｎｄパルスで正電流を出力するアノーディックファーストの印加パターンのいずれかであることを特徴とする。
（６） （５）の生体組織用刺激回路において、前記第１電流源又は前記第２電流源に並列接続される前記バイパススイッチのうち少なくとも一方は、前記１ｓｔパルスの出力時にオンとされ，前記２ｎｄパルスの出力時にオフとされることを特徴とする。
（７） （６）の生体組織用刺激回路は、前記第１接続点及び前記第２接続点の電位差を検出するための電位差検出回路を備え、該電位差検出回路で検出された電位差に基づき前記第１電流源又は前記第２電流源に並列接続される前記バイパススイッチのうち少なくとも一方をオンとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、双極性パルスの刺激条件の設定範囲を広くする事ができ、より好適に電気刺激を行うことのできる生体組織用刺激回路を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は生体組織用刺激回路（以下、刺激回路）１００の回路ブロック図である。刺激回路１００は、半導体スイッチとしてｎ−ＭＯＳ（又はｐ−ＭＯＳ）からなる４つのＭＯＳトランジスタスイッチ（以下、スイッチ）ＳＷ１〜ＳＷ４からなるＨブリッジ回路と、Ｈブリッジ回路の片側の出力端子となる接続点Ａに接続される刺激電極（電極）１０と、もう一方の出力端子となる接続点Ｂに接続される対向電極２０と、電極１０から出力される電流を一定の電流値に制限するために、接地側に接続される直流の定電流源（以下、電流源）ＤＳ１と、電源Ｖｈ側に接続される直流の定電流源（以下、電流源）ＤＳ２とから構成されている。なお、図１では、説明のために、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４が固有する寄生ダイオードＤ１〜Ｄ４を、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４に対して並列に示している。また、各電流源はミラー回路にて構成されている。なお、ミラー回路としてはバイポーラ型、ＭＯＳ型のトランジスタ等で構成され、例えば、本実施形態ではｐ−ＭＯＳとｎ−ＭＯＳが使用される。
【００１１】
Ｈブリッジ回路（極性切換回路）は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２の一端が電源（ライン）Ｖｈに接続された電流源ＤＳ２に接続される。また、スイッチＳＷ３とスイッチＳＷ４の一端が接地側（グランド）に設けられた電流源ＤＳ１に接続される。また、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ３の他端は直列接続され、スイッチの接続間には接続点Ａが形成される。また、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ４の他端も同様に直列接続され、その接続間には接続点Ｂが形成される。また、接続点Ａには患者の生体組織を電気刺激するための電極１０が接続されており、接続点Ｂには対向電極２０が接続される。
【００１２】
以上のような構成のＨブリッジ回路は、対向するスイッチ（ＳＷ１とＳＷ４、ＳＷ２とＳＷ３）の組み合わせが対になり同じ動作をする（異なる組み合わせのスイッチは逆の動作をする）。そして、対向するスイッチの組み合わせのＯＮ（オン）とＯＦＦ（オフ）とが交互に切換えられることで、単一の電源Ｖｈからの供給電圧に基づき電流源ＤＳ１及び電流源ＤＳ２が駆動される。これにより、電極１０から出力される電流の正負の極性が交互に反転され、電極１０から出力された双極性の電気刺激パルス信号（以下、双極性パルス）によって生体組織が電気刺激されるようになる。
【００１３】
なお、本実施形態では接地側に接続された電流源ＤＳ１と、電源Ｖｈ側に接続された電流源ＤＳ２によって、双極性パルスの刺激条件に関わらず、電極１０から出力される双極性パルスの正負の電荷バランスが保たれるようになっている。２つの電流源を用いて双極性パルスの電荷バランスを保つ原理についての詳細な説明は後述する。
【００１４】
また、刺激回路１００の接続点Ａと接続点Ｂとの間には、生体組織を含む被刺激回路が位置される。被刺激回路（生体組織）の電気特性は、電極１０の表面に形成される電気二重層により発生する容量成分（コンデンサ成分）Ｃｅと、生体固有の抵抗成分Ｒｅと、有効電圧範囲を定めると共に直流成分を好適にカットするための直流阻止コンデンサＣｏと、刺激回路１００の出力抵抗Ｒｏとの直列接続で表される。なお、図１では、以上のような被刺激回路の電気特性を、等価コンデンサＣ（Ｃｅ＋Ｃｏ）、等価抵抗Ｒ（Ｒｅ＋Ｒｏ）の直列接続として簡略化して示している。
【００１５】
なお、刺激回路１００の回路構成として組み込まれるコンデンサＣｏの容量は十分に大きくすることが可能であるので、等価コンデンサＣの電位は実質的に電気二重層により生じるコンデンサ成分Ｃｅにより決定される。なお、コンデンサ成分Ｃｅは電極１０の表面積と刺激する生体の状態によって決定される。
【００１６】
次に、以上のような構成を備える生体組織用刺激回路１００の動作を説明する。なお、ここでは、双極性パルスとして、最初に（１ｓｔパルスに）対向電極２０から生体を通して刺激電極１０に電流(負電流)を流した後に、極性を切換えて（２ｎｄパルスに）刺激電極１０から生体を通して対向電極２０へ電流(正電流)が流す印加パターン（カソーディックファースト）を例に挙げて説明する。
【００１７】
はじめに、刺激回路１００に接続されている制御部（図示は省略する）からの指令信号により、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３の組み合わせがＯＮとされ、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ４の組み合わせがＯＦＦとされる。この場合、接続点Ｂ側が電源Ｖｈ側の電位となり、接続点Ａ側は電流源ＤＳ１に引かれて接地電位側となる。これによって電極１０からは負の刺激パルス電流（負電流）が出力される（１ｓｔパルス）。一方、負電流によってコンデンサＣが充電されて、所定の電位を持つようになる。
【００１８】
次に、制御部は、負電流と同じ電荷量の逆極性の正電流を流すために、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３の組み合わせをＯＦＦに、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ４の組み合わせをＯＮに切換える。これにより、接続点Ａ側が電源Ｖｈ側の電位とされ、接続点Ｂ側が電流源ＤＳ１に引かれて接地電位側となる。これにより、電極１０からは正の刺激パルス電流(正電流)が出力される（２ｎｄパルス）。
【００１９】
一方、電極１０から出力される電流の極性が反転されるときに、１ｓｔパルス（ここでは負の刺激パルス）で充電されたコンデンサＣの電位Ｖｃに対して、２ｎｄパルス（ここでは正の刺激パルス）の印加時に抵抗Ｒで発生する電圧降下の電位Ｖｒが小さいと、電流の極性が反転された瞬間に、接続点Ｂの電位が接続点Ａの電位よりも高くなる。この時、電流源ＤＳ２の電流値がＤＳ１の電流値よりも大きい（わずかに大きい）と、接続点Ａおよび接続点Ｂの電位が電源Ｖｈ側に引き寄せられて、寄生ダイオードＤ２がＯＮとなる。これにより、電流源ＤＳ２と電流源ＤＳ１の差分の電流が電流源ＤＳ２に流れるようになる。一方、電流源ＤＳ２の電流値が電流源ＤＳ１の電流値よりも小さい（わずかに小さい）場合には、接続点Ａおよび接続点Ｂの電位が接地電位側に引き寄せられ、寄生ダイオードＤ３がＯＮとなることで、電流源ＤＳ２と電流源ＤＳ１の差分の電流が寄生ダイオードＤ３に流れる。つまり、いずれの場合にも、寄生ダイオードに流れる電流の電流値は、電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２の電流誤差分だけとなる。そこで、電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２に電流誤差が実用上問題ない範囲のものが選択されることで、刺激電極１０には所望の電流が流れるようになる。
【００２０】
ここで、図５に従来技術の刺激回路１００ｃの回路構成の説明図を示し、不正電流の発生の問題点を詳しく説明する。なお、従来技術の刺激回路１００ｃは、図１に示した刺激回路１００から電流源ＤＳ２を取り除き、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２の一端を電源（ライン）Ｖｈに直接接続した構成になっている。このような従来技術の刺激回路１００ｃにおいて、上述した刺激電流の極性の反転時に、スイッチＳＷ２の寄生ダイオード（ＰＮ接合）Ｄ２が順バイアス（ＯＮ）されると、寄生ダイオードＤ２側から電源Ｖｈ側へと電流が流れる不正経路ｄ（ダイオードＤ２→スイッチＳＷ１→接続点Ａ→生体組織→接続点Ｂ）が形成されるようになる。この時、不正経路ｄには電流源ＤＳ１が含まれないため、電流源ＤＳ１によって不正経路ｄの電流を制御することはできない。その結果、電極１０からは電流源ＤＳ１で定められる刺激電流の値よりも大きな電流が出力されてしまい、生体組織に与えられり電流の電荷バランスが崩れて生体内に電荷が蓄積されるようになる。そして、体液の電気分解が発生する等の患者の生体組織への悪影響が生じる可能性が高くなる。
特に、双極性パルスの刺激条件が、１ｓｔパルスの電流値よりも、２ｎｄパルスの電流値が低く設定される場合には、２ｎｄパルスの出力時に抵抗Ｒでの電圧降下の電位Ｖｒが小さくなるので、より電流値の大きな不正電流が発生しやすくなる。
【００２１】
そこで、本実施形態では不正経路が形成される可能性のある電源ＶｈとスイッチＳＷ１及びＳＷ２との間に電流源ＤＳ２を接続する。これにより、回路に不正経路が形成されたとしても、その電流は必ず電流源ＤＳ１又は電流源ＤＳ２を介して流れるので、その電流値は、電流源ＤＳ１又はＤＳ２で定められた値に制限されるようになる。
【００２２】
なお、電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２の特性（電流値）が完全に一致する場合には、回路に不正電流が流れないようにできる。しかし、通常の場合には、電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２の電流値には誤差が生じることになる。そこで、本実施形態では、電流源ＤＳ１及び電流源ＤＳ２は、その出力電流の差が刺激電流の誤差範囲内となるものを選択する。このようにすると、刺激回路１００に不正に発生した電流が流れたとしても、その電流値は刺激電流値の誤差範囲内に抑えられる。これにより、双極性パルスの電荷バランスが保たれるようになる。
【００２３】
図１に示す本実施形態の刺激回路１００の説明に戻る。上述したように電極１０から１ｓｔパルスを出力した後に、スイッチの切換によって電流の極性が反転されることで、接続点Ｂの電位が電源Ｖｈ（接続点Ａ）の電位よりも高くなると、本体はＯＦＦとされる寄生ダイオードＤ２が順バイアスされることで不正経路が形成される。なお、刺激回路１００に形成される不正経路は、電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２からの出力電流の値を比べたときに、出力電流値の大きい方に形成される。
【００２４】
例えば、電流源ＤＳ２の電流値の方が大きい場合は、不正経路は電流源ＤＳ２を流れる経路（コンデンサＣ→ダイオードＤ２→電流源ＤＳ２→スイッチＳＷ１→抵抗Ｒ→コンデンサＣ）となる。一方、電流源ＤＳ１の電流値の方が大きい場合には、不正経路は電流源ＤＳ１を流れる経路（コンデンサＣ→スイッチＳＷ４→電流源ＤＳ１→ダイオードＤ３→抵抗Ｒ→コンデンサＣ）となる。
【００２５】
いずれの場合にも、本実施形態では不正経路には、電流源ＤＳ１又は電流源ＤＳ２のどちらか一方が組み込まれることになるため、その電流値は電流源ＤＳ１又は電流源ＤＳ２で予め定められた刺激電流の値に補正されるようになる。これにより、回路には電流源ＤＳ１とＤＳ２の出力電流の差（誤差範囲内）の不正電流のみが流れるようになる。これにより、電極１０から出力される双極性パルスの刺激電流のバランスが保たれるようになる。
【００２６】
以上のようにすることで、双極性パルスの極性の反転時に、本来はＯＦＦとされるスイッチが固有する寄生ダイオードが順バイアスされたとしても、回路に流れる不正電流の値が双極性パルスの正負の電荷バランスを保つように補正される。これにより、生体組織が好適に電気刺激されるようになる。
【００２７】
なお、上記では刺激パルスとして、１ｓｔパルスで電極１０から負電流、２ｎｄパルスで正電流を流す印加パターン（カソーディックファースト）の例を示したが、１ｓｔパルスで正電流、２ｎｄパルスで負電流を流す印加パターン（アノーディックファースト）の場合にも、不正経路が発生する可能性のある電源側と接地側のそれぞれに電流源が接続されることで、本来はＯＦＦとされる寄生ダイオードが順バイアスされたとしても、双極性パルスの電荷バランスを保つことができるようになる。これにより、様々な双極性パルスの刺激条件での生体の電気刺激を行うことができるようになる。
【００２８】
なお、本発明の刺激回路は以上の構成に限られるものではない。図２に第２実施形態の刺激回路１００ａの構成を示す。なお、以降の説明において刺激回路１００と同じ構成には同じ図番号を付して説明する。なお、ここでは、電流源ＤＳ２の電流値の出力が電流源ＤＳ１の電流値の出力よりも刺激電流の誤差範囲で高くなっているとする。この場合、電流源ＤＳ２が接続されている電源側に不正経路が形成される可能性がある。
【００２９】
そこで、第２実施形態の刺激回路１００ａでは、刺激回路１００に電流源ＤＳ２の電気的な接続の有無を切換えるためのバイパススイッチ（以下、スイッチ）ＳＷ５を追加した構成とする。具体的には、スイッチＳＷ５の一端を電源Ｖｈに接続し、他端をスイッチＳＷ１又はＳＷ２に直列接続することで、電源Ｖｈに対して電流源ＤＳ２とバイパススイッチ（以下、スイッチ）ＳＷ５が並列接続されるようにする。そして、スイッチＳＷ５のＯＮとＯＦＦとを切換えることで、不正経路が形成される可能性が有る場合のみ、刺激回路１００ａに電流源ＤＳ２が接続されるようにする。このようにすると電源Ｖｈの電圧がより効率よく利用されるようになる。
【００３０】
次に、以上のような構成を備える刺激回路１００ａの動作を説明する。なお、ここでは、１ｓｔパルスの出力時に生体のコンデンサ（成分）Ｃは充電されていない（電位を有していない）とする。つまり、１ｓｔパルスの出力時にコンデンサＣが充電されていなければ、１ｓｔパルスを出力させるために刺激回路１００ａに電圧が加えられたとしても、出力端子Ａ（Ｂ）の電位が電源Ｖｈの電位を越えることは無いため、不正経路は発生せず、電流源ＤＳ２は不要となる。そこで、この場合には、制御部（図示は省略する）は、１ｓｔパルスの出力時にスイッチＳＷ５をＯＮにして、電流源ＤＳ２の刺激回路１００ａへの電気的な接続状態を切り離すようにする。このようにすると、１ｓｔパルスの出力時に電流源ＤＳ２に電圧が加えられないので、電源Ｖｈから供給される電圧が、電極１０から刺激電流を出力するために好適に利用されるようになる。
【００３１】
一方、２ｎｄパルスの出力時には、制御部はスイッチＳＷ５をＯＦＦにして、電流源ＤＳ２を刺激回路１００ａに電気的に接続する。これにより、２ｎｄパルスの出力時に刺激電流の極性が反転されることによって不正経路が発生したとしても、電流源ＤＳ２によってその電流値が刺激電流の誤差範囲内に抑えられる。これにより、双極性パルスの電荷バランスが保たれるようになる。なお、以上のように、１ｓｔパルスで電極１０から十分な刺激電流が出力されることでコンデンサＣが充電される。そして、２ｎｄパルスの出力時に、コンデンサＣの電位が電源の役割を果たすことで、電極１０からは１ｓｔパルスと２ｎｄパルスの両方において、十分な刺激電流が出力されるようになる。
【００３２】
また、１ｓｔパルスの出力時にコンデンサＣが予め充電された状態で双極性パルスを加えると、電極１０に加えられる正負の最高電位の絶対値が小さくなり、電極１０にかかる負荷を小さくできる場合がある。そこで、刺激回路１００ａにおいて、コンデンサＣの充電の有無を双極性パルスの刺激条件に組合せることによって、より好適に双極性パルスが出力されるようにしても良い。この場合、刺激回路１００ａの接続点Ａ，Ｂに、電位を検出するための周知の電位差検出回路を接続する。そして、電位差検出回路による接続点Ａ，Ｂ（コンデンサＣ）の電位の検出結果に基づき、不正電流が流れないと判定された場合には、スイッチＳＷ５をＯＮとする。一方、不正電流が流れると判断された場合には、スイッチＳＷ５をＯＦＦにして電流源ＤＳ２が接続されるようにしても良い。
勿論、バイパススイッチは電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２側の少なくとも一方、又は両方に設けられていても良い。
【００３３】
更に、図３に第３実施形態の刺激回路１００ｂの構成を示す。ここでは、第２実施形態の刺激回路１００ａのバイパススイッチＳＷ５の代わりに、刺激回路１００ｂに電流源ＤＳ２の接続の有無を切換えるためのバイパススイッチ（以下、スイッチ）ＳＷ６及びＳＷ７を設ける。具体的には、電流源ＤＳ２とスイッチＳＷ１の直列接続に対してスイッチＳＷ６を並列接続させる。また、電流源ＤＳ２とスイッチＳＷ２の直列接続に対してスイッチＳＷ７を並列接続させる。
【００３４】
以上のような構成により、不正電流が流れない状態で、制御部は１ｓｔパルスを印加する場合に、例えば、対向するスイッチＳＷ７及びスイッチＳＷ３をＯＮにして、その他のスイッチをＯＦＦにする。このようにすると、不正電流を制限するために使用される電流源ＤＳ２が回路から切り離されるので、電源Ｖｈの電圧を電極１０から刺激電流が出力するために好適に利用できるようになる。一方、２ｎｄパルスの出力時には、対向するスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ４をＯＮにして、その他のスイッチをＯＦＦにする。これにより、刺激回路１００ｂに電流源ＤＳ２が電気的に接続されることで、電流源ＤＳ２によって不正電流の電流値が制限されるようにする。
【００３５】
以上のように刺激パルスの電流の極性に応じて回路に対する電流源ＤＳ２の電気的な接続の有無が切換えられることによって、電源Ｖｈの電圧が好適に利用されるようになる。このようにすると、限られた電源を効率的に利用することが求められる生体組織用刺激回路で有利な構成となる。
【００３６】
また、本実施形態では、予めコンデンサＣが充電された状態で双極性パルスを印加することもできる。この場合には、例えば、１ｓｔパルスの印加時に対向するスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ４をＯＮにして、その他のスイッチをＯＦＦにする。これにより、１ｓｔパルスの印加時にも、刺激回路１００ｂに電流源ＤＳ２が電気的に接続された状態にする。このようにすると、コンデンサＣが充電された状態で、１ｓｔパルスが印加されることにより、不正な電流が流れたとしても、電流源ＤＳ２によってその電流値が制限されるようになる。
また、刺激回路１００ｂにおいても、１ｓｔパルスの印加時にコンデンサＣが充電されているかどうかを上述した電位差検出回路で検出することによって、図示を略す制御部により、上記に示すような各スイッチのＯＮとＯＦＦとが制御されるようにしても良い。
【００３７】
なお、第３実施形態の刺激回路１００ｂでは、Ｈブリッジ回路を構成する各スイッチに対して、スイッチＳＷ６とスイッチＳＷ７がそれぞれ並列接続されるので、刺激回路１００ａと比べて、スイッチＳＷ１、２、６、７の抵抗を大きくでき、刺激回路１００ｂの構成をよりコンパクトにし易くなる。
【００３８】
また、第３実施形態においては、上述したスイッチＳＷ６とスイッチＳＷ７とを電流源ＤＳ１側（接地側）に設けるようにしても良い。これ以外にも、以上のようなバイパススイッチを、電流源ＤＳ２側（電源側）と電流源ＤＳ１側（接地側）の両方に設けるようにしても良い。この場合には、各スイッチ及び電流源に対してバイパススイッチが並列接続される。そして、電位差検出回路で接続点Ａ，Ｂ間の電位差のモニタを行い、不正経路に電流が流れることがないと判断されるときに、各バイパススイッチがＯＮにされるようにすればよい。
【００３９】
以上のように、刺激回路の不正経路が形成される可能性がある側に電流値を調節するための電流源が設けられることで、本来はＯＦＦとされるべき半導体スイッチの寄生ダイオードが順バイアスされたとしても、不正電流の値が電流源によって制限されるので、刺激回路から出力される双極性パルスの正負の電荷バランスが保たれるようになる。
これにより、従来の回路構成では電荷バランスが崩れるために使用できなかった双極性パルスの刺激条件を、本実施形態の刺激回路では使用することが出来るようになる。これにより、刺激条件のバリエーションを増やすことができ、生体に対して様々な電気刺激を行うことができるようになる。
【００４０】
次に、以上のように形成された刺激回路１００を、電気刺激装置として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４に視覚再生補助装置の制御系のブロック図を示す。
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、網膜を構成する細胞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を画像データに変換すると共に視覚再生補助装置１に電力供給を行うための外部デバイス４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に送信するための一次コイルからなる送信手段５等にて構成されている。なお、送信手段５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側の受信手段６との位置固定に使用される。
【００４１】
体内装置１ｂは、体外装置１ａから送信される画像データや電力を電磁波で受信する受信手段６と体内装置１ｂの制御を行うための制御部７ａを備える受信ユニット７と、網膜を構成する細胞を電気刺激する刺激部（刺激ユニット）８と、刺激部８に接続される複数の電極１０とから構成されている。なお、刺激部８は上述した刺激回路１００を有し、制御部７ａからの制御信号に基づき、電極１０から双極性パルスを出力させる。また、本実施形態のように、複数の電極１０を使用して電気刺激を行う場合には、装置を小型にするために、一つの刺激回路１００に複数の電極１０が切換え接続される構成とされている。
【００４２】
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は外部デバイス４で画像データに変換されて、送信手段５から電磁波として体内装置１ｂ側に送信される。体内装置１ｂ側では、体外装置１ａから供給され、受信手段６で受信された画像データ及び電力が制御部７ａに送信される。制御部７ａでは受信信号に基づき、刺激回路１００を動作させて、各電極１０から双極性パルスを出力させる。これにより、患者眼の網膜Ｅ１を構成する細胞が刺激されて、患者は視覚を得るようになる。
【００４３】
この時、本実施形態では、双極性パルスの刺激条件によって、回路に不正経路が発生したとしても、電源側と接地側に設けられた電流源によって、その電流値が刺激電流の誤差範囲内に抑えられる。その為、電極１０からは予め設定された刺激条件の双極性パルスが精度良く出力されるようになる。これにより、患者には多様な視覚が好適に与えられるようになる。
【００４４】
なお、本発明の生体組織用刺激回路は、これ以外にも、生体内の様々な部位の生体組織の電気刺激に用いられることで、長期間安定した生体の電気刺激を行う事が出来るようになる。例えば、患者に聴覚を与えるための人工内耳、不整脈の発生を抑制するための心臓ペースメーカ等、患者の体内に長期間埋植して生体に所定の電気刺激を与えるための刺激回路に本発明の構成が適用されることで、双極性パルスの刺激条件の設定範囲を広くする事ができると共に、生体組織の電気刺激を長期間安定して行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】生体組織用刺激回路の回路ブロック図である。
【図２】第２実施形態の生体組織用刺激回路の回路ブロック図である。
【図３】第３実施形態の生体組織用刺激回路の回路ブロック図である。
【図４】視覚再生補助装置の制御系のブロック図である。
【図５】従来技術の生体組織用刺激回路の回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 刺激電極
２０ 対向電極
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ 刺激回路
ＤＳ１、ＤＳ２ 電流源
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４ 半導体スイッチ
ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７ バイパススイッチ
Ｖｈ 電源
【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用刺激回路に関する。
【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、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ことで生体の機能を調節する電気刺激装置の研究がされている。また、近年このような電気刺激装置として、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】
このような電気刺激装置を用いた生体組織の電気刺激では、電極から所定量の電荷が注入されることで細胞に必要な刺激が与えられる。この時、電極から出力される１刺激分の電気刺激パルス信号は、複数の半導体スイッチによる切換によって正負方向にそれぞれ振幅を持つ双極性の電気刺激パルス信号（以下、双極性パルス）とされる。このような双極性パルスが用いられることで、電気刺激される部位での電荷の偏りが低減されてバランスを保つことができ、好適に電気刺激がされるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開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、従来技術の生体組織用刺激回路では、双極性パルスの刺激条件によっては、双極性パルスの電流の極性を切換えたときに、本来はオフとされる半導体スイッチの寄生ＰＮ接合が順バイアスされることで、回路に制御不能な電流が流れ、正負の電荷のバランスが崩れて電荷に偏りが生じる場合があることが分かった。この場合、余った電荷が生体内に残ることで、患者の生体組織に悪影響が生じることが懸念される。そのため、従来の電気刺激装置では、オフとされるべき半導体スイッチの寄生ＰＮ接合が順バイアスされずに、正負の電荷バランスを保つことができる刺激条件の双極性パルスに制限されなければならなかった。
【０００６】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、双極性パルスの刺激条件の設定範囲を広くする事ができ、より好適に電気刺激を行うことのできる生体組織用刺激回路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） 電源側の第１半導体スイッチと接地側の第３半導体スイッチを直列接続してなる第１直列部と，電源側の第２半導体スイッチと接地側の第４半導体スイッチを直列接続してなる第２直列部とが並列接続されてなるＨブリッジ回路と、前記第１直列部の第１半導体スイッチと第３半導体スイッチとの間の第１接続点に接続される刺激電極と、前記第２直列部の第２半導体スイッチと第４半導体スイッチとの間の第２接続点に接続される対向電極と、前記第３半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチの接地側の一端に設けられる第１電流源であって，前記刺激電極から出力される電流値を定めるための第１電流源と、前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの電源側の一端に設けられる第２電流源であって，前記刺激電極から出力される電流値を定める第２電流源と、を備えることを特徴とする。
（２） （１）の生体組織用刺激回路において、前記電源側及び前記接地側のうち少なくとも一方には、前記第１電流源又は前記第２電流源と前記Ｈブリッジ回路との電気的な接続の有無を切換えるために，前記第１電流源又は前記第２電流源に対して並列接続されるバイパススイッチが設けられていることを特徴とする。
（３） （２）の生体組織用刺激回路において、前記バイパススイッチは少なくとも前記第１スイッチ及び第３スイッチに対してそれぞれ並列接続される又は、前記接地側に接続される前記第２スイッチと第４スイッチに対してそれぞれ並列接続されることを特徴とする。
（４） （３）の生体組織用刺激回路において、前記Ｈブリッジ回路の対向する前記第１半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチの組み合わせと、前記第２半導体スイッチと前記第３半導体スイッチとの組み合わせのオンとオフが交互に切換えられることにより、前記刺激電極から出力される双極性の電気刺激パルス信号の１ｓｔパルスと２ｎｄパルスの正負の電流の極性が切換えられることを特徴とする。
（５） （４）の生体組織用刺激回路において、前記双極性の電気刺激パルス信号の電流の極性は、１ｓｔパルスで正電流，２ｎｄパルスで負電流を出力するカソーディックファースト又は１ｓｔパルスで負電流，２ｎｄパルスで正電流を出力するアノーディックファーストの印加パターンのいずれかであることを特徴とする。
（６） （５）の生体組織用刺激回路において、前記第１電流源又は前記第２電流源に並列接続される前記バイパススイッチのうち少なくとも一方は、前記１ｓｔパルスの出力時にオンとされ，前記２ｎｄパルスの出力時にオフとされることを特徴とする。
（７） （６）の生体組織用刺激回路は、前記第１接続点及び前記第２接続点の電位差を検出するための電位差検出回路を備え、該電位差検出回路で検出された電位差に基づき前記第１電流源又は前記第２電流源に並列接続される前記バイパススイッチのうち少なくとも一方をオンとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、双極性パルスの刺激条件の設定範囲を広くする事ができ、より好適に電気刺激を行うことのできる生体組織用刺激回路を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は生体組織用刺激回路（以下、刺激回路）１００の回路ブロック図である。刺激回路１００は、半導体スイッチとしてｎ−ＭＯＳ（又はｐ−ＭＯＳ）からなる４つのＭＯＳトランジスタスイッチ（以下、スイッチ）ＳＷ１〜ＳＷ４からなるＨブリッジ回路と、Ｈブリッジ回路の片側の出力端子となる接続点Ａに接続される刺激電極（電極）１０と、もう一方の出力端子となる接続点Ｂに接続される対向電極２０と、電極１０から出力される電流を一定の電流値に制限するために、接地側に接続される直流の定電流源（以下、電流源）ＤＳ１と、電源Ｖｈ側に接続される直流の定電流源（以下、電流源）ＤＳ２とから構成されている。なお、図１では、説明のために、各半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４が固有する寄生ダイオードＤ１〜Ｄ４を、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４に対して並列に示している。また、各電流源はミラー回路にて構成されている。なお、ミラー回路としてはバイポーラ型、ＭＯＳ型のトランジスタ等で構成され、例えば、本実施形態ではｐ−ＭＯＳとｎ−ＭＯＳが使用される。
【００１１】
Ｈブリッジ回路（極性切換回路）は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２の一端が電源（ライン）Ｖｈに接続された電流源ＤＳ２に接続される。また、スイッチＳＷ３とスイッチＳＷ４の一端が接地側（グランド）に設けられた電流源ＤＳ１に接続される。また、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ３の他端は直列接続され、スイッチの接続間には接続点Ａが形成される。また、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ４の他端も同様に直列接続され、その接続間には接続点Ｂが形成される。また、接続点Ａには患者の生体組織を電気刺激するための電極１０が接続されており、接続点Ｂには対向電極２０が接続される。
【００１２】
以上のような構成のＨブリッジ回路は、対向するスイッチ（ＳＷ１とＳＷ４、ＳＷ２とＳＷ３）の組み合わせが対になり同じ動作をする（異なる組み合わせのスイッチは逆の動作をする）。そして、対向するスイッチの組み合わせのＯＮ（オン）とＯＦＦ（オフ）とが交互に切換えられることで、単一の電源Ｖｈからの供給電圧に基づき電流源ＤＳ１及び電流源ＤＳ２が駆動される。これにより、電極１０から出力される電流の正負の極性が交互に反転され、電極１０から出力された双極性の電気刺激パルス信号（以下、双極性パルス）によって生体組織が電気刺激されるようになる。
【００１３】
なお、本実施形態では接地側に接続された電流源ＤＳ１と、電源Ｖｈ側に接続された電流源ＤＳ２によって、双極性パルスの刺激条件に関わらず、電極１０から出力される双極性パルスの正負の電荷バランスが保たれるようになっている。２つの電流源を用いて双極性パルスの電荷バランスを保つ原理についての詳細な説明は後述する。
【００１４】
また、刺激回路１００の接続点Ａと接続点Ｂとの間には、生体組織を含む被刺激回路が位置される。被刺激回路（生体組織）の電気特性は、電極１０の表面に形成される電気二重層により発生する容量成分（コンデンサ成分）Ｃｅと、生体固有の抵抗成分Ｒｅと、有効電圧範囲を定めると共に直流成分を好適にカットするための直流阻止コンデンサＣｏと、刺激回路１００の出力抵抗Ｒｏとの直列接続で表される。なお、図１では、以上のような被刺激回路の電気特性を、等価コンデンサＣ（Ｃｅ＋Ｃｏ）、等価抵抗Ｒ（Ｒｅ＋Ｒｏ）の直列接続として簡略化して示している。
【００１５】
なお、刺激回路１００の回路構成として組み込まれるコンデンサＣｏの容量は十分に大きくすることが可能であるので、等価コンデンサＣの電位は実質的に電気二重層により生じるコンデンサ成分Ｃｅにより決定される。なお、コンデンサ成分Ｃｅは電極１０の表面積と刺激する生体の状態によって決定される。
【００１６】
次に、以上のような構成を備える生体組織用刺激回路１００の動作を説明する。なお、ここでは、双極性パルスとして、最初に（１ｓｔパルスに）対向電極２０から生体を通して刺激電極１０に電流(負電流)を流した後に、極性を切換えて（２ｎｄパルスに）刺激電極１０から生体を通して対向電極２０へ電流(正電流)が流す印加パターン（カソーディックファースト）を例に挙げて説明する。
【００１７】
はじめに、刺激回路１００に接続されている制御部（図示は省略する）からの指令信号により、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３の組み合わせがＯＮとされ、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ４の組み合わせがＯＦＦとされる。この場合、接続点Ｂ側が電源Ｖｈ側の電位となり、接続点Ａ側は電流源ＤＳ１に引かれて接地電位側となる。これによって電極１０からは負の刺激パルス電流（負電流）が出力される（１ｓｔパルス）。一方、負電流によってコンデンサＣが充電されて、所定の電位を持つようになる。
【００１８】
次に、制御部は、負電流と同じ電荷量の逆極性の正電流を流すために、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３の組み合わせをＯＦＦに、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ４の組み合わせをＯＮに切換える。これにより、接続点Ａ側が電源Ｖｈ側の電位とされ、接続点Ｂ側が電流源ＤＳ１に引かれて接地電位側となる。これにより、電極１０からは正の刺激パルス電流(正電流)が出力される（２ｎｄパルス）。
【００１９】
一方、電極１０から出力される電流の極性が反転されるときに、１ｓｔパルス（ここでは負の刺激パルス）で充電されたコンデンサＣの電位Ｖｃに対して、２ｎｄパルス（ここでは正の刺激パルス）の印加時に抵抗Ｒで発生する電圧降下の電位Ｖｒが小さいと、電流の極性が反転された瞬間に、接続点Ｂの電位が接続点Ａの電位よりも高くなる。この時、電流源ＤＳ２の電流値がＤＳ１の電流値よりも大きい（わずかに大きい）と、接続点Ａおよび接続点Ｂの電位が電源Ｖｈ側に引き寄せられて、寄生ダイオードＤ２がＯＮとなる。これにより、電流源ＤＳ２と電流源ＤＳ１の差分の電流が電流源ＤＳ２に流れるようになる。一方、電流源ＤＳ２の電流値が電流源ＤＳ１の電流値よりも小さい（わずかに小さい）場合には、接続点Ａおよび接続点Ｂの電位が接地電位側に引き寄せられ、寄生ダイオードＤ３がＯＮとなることで、電流源ＤＳ２と電流源ＤＳ１の差分の電流が寄生ダイオードＤ３に流れる。つまり、いずれの場合にも、寄生ダイオードに流れる電流の電流値は、電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２の電流誤差分だけとなる。そこで、電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２に電流誤差が実用上問題ない範囲のものが選択されることで、刺激電極１０には所望の電流が流れるようになる。
【００２０】
ここで、図５に従来技術の刺激回路１００ｃの回路構成の説明図を示し、不正電流の発生の問題点を詳しく説明する。なお、従来技術の刺激回路１００ｃは、図１に示した刺激回路１００から電流源ＤＳ２を取り除き、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２の一端を電源（ライン）Ｖｈに直接接続した構成になっている。このような従来技術の刺激回路１００ｃにおいて、上述した刺激電流の極性の反転時に、スイッチＳＷ２の寄生ダイオード（ＰＮ接合）Ｄ２が順バイアス（ＯＮ）されると、寄生ダイオードＤ２側から電源Ｖｈ側へと電流が流れる不正経路ｄ（ダイオードＤ２→スイッチＳＷ１→接続点Ａ→生体組織→接続点Ｂ）が形成されるようになる。この時、不正経路ｄには電流源ＤＳ１が含まれないため、電流源ＤＳ１によって不正経路ｄの電流を制御することはできない。その結果、電極１０からは電流源ＤＳ１で定められる刺激電流の値よりも大きな電流が出力されてしまい、生体組織に与えられり電流の電荷バランスが崩れて生体内に電荷が蓄積されるようになる。そして、体液の電気分解が発生する等の患者の生体組織への悪影響が生じる可能性が高くなる。
特に、双極性パルスの刺激条件が、１ｓｔパルスの電流値よりも、２ｎｄパルスの電流値が低く設定される場合には、２ｎｄパルスの出力時に抵抗Ｒでの電圧降下の電位Ｖｒが小さくなるので、より電流値の大きな不正電流が発生しやすくなる。
【００２１】
そこで、本実施形態では不正経路が形成される可能性のある電源ＶｈとスイッチＳＷ１及びＳＷ２との間に電流源ＤＳ２を接続する。これにより、回路に不正経路が形成されたとしても、その電流は必ず電流源ＤＳ１又は電流源ＤＳ２を介して流れるので、その電流値は、電流源ＤＳ１又はＤＳ２で定められた値に制限されるようになる。
【００２２】
なお、電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２の特性（電流値）が完全に一致する場合には、回路に不正電流が流れないようにできる。しかし、通常の場合には、電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２の電流値には誤差が生じることになる。そこで、本実施形態では、電流源ＤＳ１及び電流源ＤＳ２は、その出力電流の差が刺激電流の誤差範囲内となるものを選択する。このようにすると、刺激回路１００に不正に発生した電流が流れたとしても、その電流値は刺激電流値の誤差範囲内に抑えられる。これにより、双極性パルスの電荷バランスが保たれるようになる。
【００２３】
図１に示す本実施形態の刺激回路１００の説明に戻る。上述したように電極１０から１ｓｔパルスを出力した後に、スイッチの切換によって電流の極性が反転されることで、接続点Ｂの電位が電源Ｖｈ（接続点Ａ）の電位よりも高くなると、本体はＯＦＦとされる寄生ダイオードＤ２が順バイアスされることで不正経路が形成される。なお、刺激回路１００に形成される不正経路は、電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２からの出力電流の値を比べたときに、出力電流値の大きい方に形成される。
【００２４】
例えば、電流源ＤＳ２の電流値の方が大きい場合は、不正経路は電流源ＤＳ２を流れる経路（コンデンサＣ→ダイオードＤ２→電流源ＤＳ２→スイッチＳＷ１→抵抗Ｒ→コンデンサＣ）となる。一方、電流源ＤＳ１の電流値の方が大きい場合には、不正経路は電流源ＤＳ１を流れる経路（コンデンサＣ→スイッチＳＷ４→電流源ＤＳ１→ダイオードＤ３→抵抗Ｒ→コンデンサＣ）となる。
【００２５】
いずれの場合にも、本実施形態では不正経路には、電流源ＤＳ１又は電流源ＤＳ２のどちらか一方が組み込まれることになるため、その電流値は電流源ＤＳ１又は電流源ＤＳ２で予め定められた刺激電流の値に補正されるようになる。これにより、回路には電流源ＤＳ１とＤＳ２の出力電流の差（誤差範囲内）の不正電流のみが流れるようになる。これにより、電極１０から出力される双極性パルスの刺激電流のバランスが保たれるようになる。
【００２６】
以上のようにすることで、双極性パルスの極性の反転時に、本来はＯＦＦとされるスイッチが固有する寄生ダイオードが順バイアスされたとしても、回路に流れる不正電流の値が双極性パルスの正負の電荷バランスを保つように補正される。これにより、生体組織が好適に電気刺激されるようになる。
【００２７】
なお、上記では刺激パルスとして、１ｓｔパルスで電極１０から負電流、２ｎｄパルスで正電流を流す印加パターン（カソーディックファースト）の例を示したが、１ｓｔパルスで正電流、２ｎｄパルスで負電流を流す印加パターン（アノーディックファースト）の場合にも、不正経路が発生する可能性のある電源側と接地側のそれぞれに電流源が接続されることで、本来はＯＦＦとされる寄生ダイオードが順バイアスされたとしても、双極性パルスの電荷バランスを保つことができるようになる。これにより、様々な双極性パルスの刺激条件での生体の電気刺激を行うことができるようになる。
【００２８】
なお、本発明の刺激回路は以上の構成に限られるものではない。図２に第２実施形態の刺激回路１００ａの構成を示す。なお、以降の説明において刺激回路１００と同じ構成には同じ図番号を付して説明する。なお、ここでは、電流源ＤＳ２の電流値の出力が電流源ＤＳ１の電流値の出力よりも刺激電流の誤差範囲で高くなっているとする。この場合、電流源ＤＳ２が接続されている電源側に不正経路が形成される可能性がある。
【００２９】
そこで、第２実施形態の刺激回路１００ａでは、刺激回路１００に電流源ＤＳ２の電気的な接続の有無を切換えるためのバイパススイッチ（以下、スイッチ）ＳＷ５を追加した構成とする。具体的には、スイッチＳＷ５の一端を電源Ｖｈに接続し、他端をスイッチＳＷ１又はＳＷ２に直列接続することで、電源Ｖｈに対して電流源ＤＳ２とバイパススイッチ（以下、スイッチ）ＳＷ５が並列接続されるようにする。そして、スイッチＳＷ５のＯＮとＯＦＦとを切換えることで、不正経路が形成される可能性が有る場合のみ、刺激回路１００ａに電流源ＤＳ２が接続されるようにする。このようにすると電源Ｖｈの電圧がより効率よく利用されるようになる。
【００３０】
次に、以上のような構成を備える刺激回路１００ａの動作を説明する。なお、ここでは、１ｓｔパルスの出力時に生体のコンデンサ（成分）Ｃは充電されていない（電位を有していない）とする。つまり、１ｓｔパルスの出力時にコンデンサＣが充電されていなければ、１ｓｔパルスを出力させるために刺激回路１００ａに電圧が加えられたとしても、出力端子Ａ（Ｂ）の電位が電源Ｖｈの電位を越えることは無いため、不正経路は発生せず、電流源ＤＳ２は不要となる。そこで、この場合には、制御部（図示は省略する）は、１ｓｔパルスの出力時にスイッチＳＷ５をＯＮにして、電流源ＤＳ２の刺激回路１００ａへの電気的な接続状態を切り離すようにする。このようにすると、１ｓｔパルスの出力時に電流源ＤＳ２に電圧が加えられないので、電源Ｖｈから供給される電圧が、電極１０から刺激電流を出力するために好適に利用されるようになる。
【００３１】
一方、２ｎｄパルスの出力時には、制御部はスイッチＳＷ５をＯＦＦにして、電流源ＤＳ２を刺激回路１００ａに電気的に接続する。これにより、２ｎｄパルスの出力時に刺激電流の極性が反転されることによって不正経路が発生したとしても、電流源ＤＳ２によってその電流値が刺激電流の誤差範囲内に抑えられる。これにより、双極性パルスの電荷バランスが保たれるようになる。なお、以上のように、１ｓｔパルスで電極１０から十分な刺激電流が出力されることでコンデンサＣが充電される。そして、２ｎｄパルスの出力時に、コンデンサＣの電位が電源の役割を果たすことで、電極１０からは１ｓｔパルスと２ｎｄパルスの両方において、十分な刺激電流が出力されるようになる。
【００３２】
また、１ｓｔパルスの出力時にコンデンサＣが予め充電された状態で双極性パルスを加えると、電極１０に加えられる正負の最高電位の絶対値が小さくなり、電極１０にかかる負荷を小さくできる場合がある。そこで、刺激回路１００ａにおいて、コンデンサＣの充電の有無を双極性パルスの刺激条件に組合せることによって、より好適に双極性パルスが出力されるようにしても良い。この場合、刺激回路１００ａの接続点Ａ，Ｂに、電位を検出するための周知の電位差検出回路を接続する。そして、電位差検出回路による接続点Ａ，Ｂ（コンデンサＣ）の電位の検出結果に基づき、不正電流が流れないと判定された場合には、スイッチＳＷ５をＯＮとする。一方、不正電流が流れると判断された場合には、スイッチＳＷ５をＯＦＦにして電流源ＤＳ２が接続されるようにしても良い。
勿論、バイパススイッチは電流源ＤＳ１と電流源ＤＳ２側の少なくとも一方、又は両方に設けられていても良い。
【００３３】
更に、図３に第３実施形態の刺激回路１００ｂの構成を示す。ここでは、第２実施形態の刺激回路１００ａのバイパススイッチＳＷ５の代わりに、刺激回路１００ｂに電流源ＤＳ２の接続の有無を切換えるためのバイパススイッチ（以下、スイッチ）ＳＷ６及びＳＷ７を設ける。具体的には、電流源ＤＳ２とスイッチＳＷ１の直列接続に対してスイッチＳＷ６を並列接続させる。また、電流源ＤＳ２とスイッチＳＷ２の直列接続に対してスイッチＳＷ７を並列接続させる。
【００３４】
以上のような構成により、不正電流が流れない状態で、制御部は１ｓｔパルスを印加する場合に、例えば、対向するスイッチＳＷ７及びスイッチＳＷ３をＯＮにして、その他のスイッチをＯＦＦにする。このようにすると、不正電流を制限するために使用される電流源ＤＳ２が回路から切り離されるので、電源Ｖｈの電圧を電極１０から刺激電流が出力するために好適に利用できるようになる。一方、２ｎｄパルスの出力時には、対向するスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ４をＯＮにして、その他のスイッチをＯＦＦにする。これにより、刺激回路１００ｂに電流源ＤＳ２が電気的に接続されることで、電流源ＤＳ２によって不正電流の電流値が制限されるようにする。
【００３５】
以上のように刺激パルスの電流の極性に応じて回路に対する電流源ＤＳ２の電気的な接続の有無が切換えられることによって、電源Ｖｈの電圧が好適に利用されるようになる。このようにすると、限られた電源を効率的に利用することが求められる生体組織用刺激回路で有利な構成となる。
【００３６】
また、本実施形態では、予めコンデンサＣが充電された状態で双極性パルスを印加することもできる。この場合には、例えば、１ｓｔパルスの印加時に対向するスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ４をＯＮにして、その他のスイッチをＯＦＦにする。これにより、１ｓｔパルスの印加時にも、刺激回路１００ｂに電流源ＤＳ２が電気的に接続された状態にする。このようにすると、コンデンサＣが充電された状態で、１ｓｔパルスが印加されることにより、不正な電流が流れたとしても、電流源ＤＳ２によってその電流値が制限されるようになる。
また、刺激回路１００ｂにおいても、１ｓｔパルスの印加時にコンデンサＣが充電されているかどうかを上述した電位差検出回路で検出することによって、図示を略す制御部により、上記に示すような各スイッチのＯＮとＯＦＦとが制御されるようにしても良い。
【００３７】
なお、第３実施形態の刺激回路１００ｂでは、Ｈブリッジ回路を構成する各スイッチに対して、スイッチＳＷ６とスイッチＳＷ７がそれぞれ並列接続されるので、刺激回路１００ａと比べて、スイッチＳＷ１、２、６、７の抵抗を大きくでき、刺激回路１００ｂの構成をよりコンパクトにし易くなる。
【００３８】
また、第３実施形態においては、上述したスイッチＳＷ６とスイッチＳＷ７とを電流源ＤＳ１側（接地側）に設けるようにしても良い。これ以外にも、以上のようなバイパススイッチを、電流源ＤＳ２側（電源側）と電流源ＤＳ１側（接地側）の両方に設けるようにしても良い。この場合には、各スイッチ及び電流源に対してバイパススイッチが並列接続される。そして、電位差検出回路で接続点Ａ，Ｂ間の電位差のモニタを行い、不正経路に電流が流れることがないと判断されるときに、各バイパススイッチがＯＮにされるようにすればよい。
【００３９】
以上のように、刺激回路の不正経路が形成される可能性がある側に電流値を調節するための電流源が設けられることで、本来はＯＦＦとされるべき半導体スイッチの寄生ダイオードが順バイアスされたとしても、不正電流の値が電流源によって制限されるので、刺激回路から出力される双極性パルスの正負の電荷バランスが保たれるようになる。
これにより、従来の回路構成では電荷バランスが崩れるために使用できなかった双極性パルスの刺激条件を、本実施形態の刺激回路では使用することが出来るようになる。これにより、刺激条件のバリエーションを増やすことができ、生体に対して様々な電気刺激を行うことができるようになる。
【００４０】
次に、以上のように形成された刺激回路１００を、電気刺激装置として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４に視覚再生補助装置の制御系のブロック図を示す。
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、網膜を構成する細胞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を画像データに変換すると共に視覚再生補助装置１に電力供給を行うための外部デバイス４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に送信するための一次コイルからなる送信手段５等にて構成されている。なお、送信手段５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側の受信手段６との位置固定に使用される。
【００４１】
体内装置１ｂは、体外装置１ａから送信される画像データや電力を電磁波で受信する受信手段６と体内装置１ｂの制御を行うための制御部７ａを備える受信ユニット７と、網膜を構成する細胞を電気刺激する刺激部（刺激ユニット）８と、刺激部８に接続される複数の電極１０とから構成されている。なお、刺激部８は上述した刺激回路１００を有し、制御部７ａからの制御信号に基づき、電極１０から双極性パルスを出力させる。また、本実施形態のように、複数の電極１０を使用して電気刺激を行う場合には、装置を小型にするために、一つの刺激回路１００に複数の電極１０が切換え接続される構成とされている。
【００４２】
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は外部デバイス４で画像データに変換されて、送信手段５から電磁波として体内装置１ｂ側に送信される。体内装置１ｂ側では、体外装置１ａから供給され、受信手段６で受信された画像データ及び電力が制御部７ａに送信される。制御部７ａでは受信信号に基づき、刺激回路１００を動作させて、各電極１０から双極性パルスを出力させる。これにより、患者眼の網膜Ｅ１を構成する細胞が刺激されて、患者は視覚を得るようになる。
【００４３】
この時、本実施形態では、双極性パルスの刺激条件によって、回路に不正経路が発生したとしても、電源側と接地側に設けられた電流源によって、その電流値が刺激電流の誤差範囲内に抑えられる。その為、電極１０からは予め設定された刺激条件の双極性パルスが精度良く出力されるようになる。これにより、患者には多様な視覚が好適に与えられるようになる。
【００４４】
なお、本発明の生体組織用刺激回路は、これ以外にも、生体内の様々な部位の生体組織の電気刺激に用いられることで、長期間安定した生体の電気刺激を行う事が出来るようになる。例えば、患者に聴覚を与えるための人工内耳、不整脈の発生を抑制するための心臓ペースメーカ等、患者の体内に長期間埋植して生体に所定の電気刺激を与えるための刺激回路に本発明の構成が適用されることで、双極性パルスの刺激条件の設定範囲を広くする事ができると共に、生体組織の電気刺激を長期間安定して行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】生体組織用刺激回路の回路ブロック図である。
【図２】第２実施形態の生体組織用刺激回路の回路ブロック図である。
【図３】第３実施形態の生体組織用刺激回路の回路ブロック図である。
【図４】視覚再生補助装置の制御系のブロック図である。
【図５】従来技術の生体組織用刺激回路の回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 刺激電極
２０ 対向電極
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ 刺激回路
ＤＳ１、ＤＳ２ 電流源
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４ 半導体スイッチ
ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７ バイパススイッチ
Ｖｈ 電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源側の第１半導体スイッチと接地側の第３半導体スイッチを直列接続してなる第１直列部と，電源側の第２半導体スイッチと接地側の第４半導体スイッチを直列接続してなる第２直列部とが並列接続されてなるＨブリッジ回路と、
前記第１直列部の第１半導体スイッチと第３半導体スイッチとの間の第１接続点に接続される刺激電極と、
前記第２直列部の第２半導体スイッチと第４半導体スイッチとの間の第２接続点に接続される対向電極と、
前記第３半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチの接地側の一端に設けられる第１電流源であって，前記刺激電極から出力される電流値を定めるための第１電流源と、
前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの電源側の一端に設けられる第２電流源であって，前記刺激電極から出力される電流値を定める第２電流源と、
を備えることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項２】
請求項１の生体組織用刺激回路において、
前記電源側及び前記接地側のうち少なくとも一方には、前記第１電流源又は前記第２電流源と前記Ｈブリッジ回路との電気的な接続の有無を切換えるために，前記第１電流源又は前記第２電流源に対して並列接続されるバイパススイッチが設けられていることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項３】
請求項２の生体組織用刺激回路において、
前記バイパススイッチは少なくとも前記第１スイッチ及び第３スイッチに対してそれぞれ並列接続される又は、前記接地側に接続される前記第２スイッチと第４スイッチに対してそれぞれ並列接続されることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項４】
請求項３の生体組織用刺激回路において、
前記Ｈブリッジ回路の対向する前記第１半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチの組み合わせと、前記第２半導体スイッチと前記第３半導体スイッチとの組み合わせのオンとオフが交互に切換えられることにより、前記刺激電極から出力される双極性の電気刺激パルス信号の１ｓｔパルスと２ｎｄパルスの正負の電流の極性が切換えられることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項５】
請求項４の生体組織用刺激回路において、
前記双極性の電気刺激パルス信号の電流の極性は、１ｓｔパルスで正電流，２ｎｄパルスで負電流を出力するカソーディックファースト又は１ｓｔパルスで負電流，２ｎｄパルスで正電流を出力するアノーディックファーストの印加パターンのいずれかであることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項６】
請求項５の生体組織用刺激回路において、
前記第１電流源又は前記第２電流源に並列接続される前記バイパススイッチのうち少なくとも一方は、前記１ｓｔパルスの出力時にオンとされ，前記２ｎｄパルスの出力時にオフとされることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項７】
請求項６の生体組織用刺激回路は、
前記第１接続点及び前記第２接続点の電位差を検出するための電位差検出回路を備え、該電位差検出回路で検出された電位差に基づき前記第１電流源又は前記第２電流源に並列接続される前記バイパススイッチのうち少なくとも一方をオンとすることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項１】
電源側の第１半導体スイッチと接地側の第３半導体スイッチを直列接続してなる第１直列部と，電源側の第２半導体スイッチと接地側の第４半導体スイッチを直列接続してなる第２直列部とが並列接続されてなるＨブリッジ回路と、
前記第１直列部の第１半導体スイッチと第３半導体スイッチとの間の第１接続点に接続される刺激電極と、
前記第２直列部の第２半導体スイッチと第４半導体スイッチとの間の第２接続点に接続される対向電極と、
前記第３半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチの接地側の一端に設けられる第１電流源であって，前記刺激電極から出力される電流値を定めるための第１電流源と、
前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの電源側の一端に設けられる第２電流源であって，前記刺激電極から出力される電流値を定める第２電流源と、
を備えることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項２】
請求項１の生体組織用刺激回路において、
前記電源側及び前記接地側のうち少なくとも一方には、前記第１電流源又は前記第２電流源と前記Ｈブリッジ回路との電気的な接続の有無を切換えるために，前記第１電流源又は前記第２電流源に対して並列接続されるバイパススイッチが設けられていることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項３】
請求項２の生体組織用刺激回路において、
前記バイパススイッチは少なくとも前記第１スイッチ及び第３スイッチに対してそれぞれ並列接続される又は、前記接地側に接続される前記第２スイッチと第４スイッチに対してそれぞれ並列接続されることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項４】
請求項３の生体組織用刺激回路において、
前記Ｈブリッジ回路の対向する前記第１半導体スイッチ及び前記第４半導体スイッチの組み合わせと、前記第２半導体スイッチと前記第３半導体スイッチとの組み合わせのオンとオフが交互に切換えられることにより、前記刺激電極から出力される双極性の電気刺激パルス信号の１ｓｔパルスと２ｎｄパルスの正負の電流の極性が切換えられることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項５】
請求項４の生体組織用刺激回路において、
前記双極性の電気刺激パルス信号の電流の極性は、１ｓｔパルスで正電流，２ｎｄパルスで負電流を出力するカソーディックファースト又は１ｓｔパルスで負電流，２ｎｄパルスで正電流を出力するアノーディックファーストの印加パターンのいずれかであることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項６】
請求項５の生体組織用刺激回路において、
前記第１電流源又は前記第２電流源に並列接続される前記バイパススイッチのうち少なくとも一方は、前記１ｓｔパルスの出力時にオンとされ，前記２ｎｄパルスの出力時にオフとされることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【請求項７】
請求項６の生体組織用刺激回路は、
前記第１接続点及び前記第２接続点の電位差を検出するための電位差検出回路を備え、該電位差検出回路で検出された電位差に基づき前記第１電流源又は前記第２電流源に並列接続される前記バイパススイッチのうち少なくとも一方をオンとすることを特徴とする生体組織用刺激回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１１５５４５（Ｐ２０１２−１１５５４５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６９１０８（Ｐ２０１０−２６９１０８）
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【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２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００１３５１８４）株式会社ニデック (745)
【Ｆターム（参考）】
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