視覚再生補助装置
【課題】 好適な電気刺激パルス信号を出力できる装置を提供する。
【解決手段】 電気刺激するための電気刺激パルス用データと電力を送信する送信手段を持つ体外装置と、上記データと電力を受信しデータと電力に基づき電極から電気刺激パルス信号を出力する体内装置と、を備える視覚再生補助装置で、体内装置は、データから電気刺激パルス信号と電極を指定する電極指定信号とを生成し電気刺激パルス信号と電極指定信号とを各々異なる導線で送信する第１ユニットと、導線を介して送られる電気刺激パルス信号及び電極指定信号に基づき電極から電気刺激パルス信号を出力する第２ユニットと、を有し、第１ユニットは、電気刺激パルス信号の１刺激における極性を切換え電気刺激パルス慎吾を出力する刺激出力回路と、１刺激の出力期間中，第２ユニットへの電極指定信号の伝送を停止するスイッチング回路と、を有する。
【解決手段】 電気刺激するための電気刺激パルス用データと電力を送信する送信手段を持つ体外装置と、上記データと電力を受信しデータと電力に基づき電極から電気刺激パルス信号を出力する体内装置と、を備える視覚再生補助装置で、体内装置は、データから電気刺激パルス信号と電極を指定する電極指定信号とを生成し電気刺激パルス信号と電極指定信号とを各々異なる導線で送信する第１ユニットと、導線を介して送られる電気刺激パルス信号及び電極指定信号に基づき電極から電気刺激パルス信号を出力する第２ユニットと、を有し、第１ユニットは、電気刺激パルス信号の１刺激における極性を切換え電気刺激パルス慎吾を出力する刺激出力回路と、１刺激の出力期間中，第２ユニットへの電極指定信号の伝送を停止するスイッチング回路と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は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関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、失明治療技術の一つとして、複数の電極が形成された基板を有する体内装置を体内に埋植し、網膜を構成する細胞を電気刺激して視覚の再生を試みる視覚再生補助装置の研究がされている。このような視覚再生補助装置は、例えば、体外装置を用いて撮像された映像を所定の信号に変換して体内に設置された体内装置に送信し、電極から電気刺激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ことにより、視覚の再生を試みる装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０４４３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような装置では、体外装置から送られてくる電気刺激パルス信号用のデータを用いて多数の電極から電気刺激パルス信号を各々出力して網膜を構成する細胞を電気刺激するため、体外装置からの情報（信号）を受信し処理を行うとともに、各電極に電気刺激パルス信号を分配する機能が必要となる。このため、特許文献１のような装置においては、患者眼に直接設置する部分をできるだけ小型化するために、複数の制御部に各々機能を分担させるようにし、電極に直接繋がる制御部と他の制御部とを導線にて接続するようにしている。この場合、制御部間を繋ぐ導線は電極指定信号用、刺激信号送信用等の複数の導線が必要となる。このような導線は体内における限られたスペースに効率よく収めるために束ねられて用いられる。
【０００５】
しかしながら、信号を伝達するための複数の導線を束ねて用いた場合、線間容量が存在するため、１つの刺激信号において正負が切換えられる電気刺激パルス信号では、切換え時の電位変化により意図しない経路に電流が流れ、正負の電荷量のバランスが崩れてしまう場合がある。
【０００６】
上記従来技術の問題点に鑑み、好適な電気刺激パルス信号を出力することができる視覚再生補助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。
（１） 患者の視覚を形成する視覚神経系を構成する細胞又は組織を電気刺激するための電気刺激パルス用データと電力を送信する送信手段を持つ体外装置と、該送信手段から送信される前記電気刺激パルス用データと前記電力を受信する受信手段を有し，該受信手段によって受信された前記電気刺激パルス用データと前記電力に基づいて複数の電極から電気刺激パルス信号を出力する体内装置と、を備える視覚再生補助装置において、前記体内装置は、前記受信手段にて受信された前記電気刺激パルス用データから前記電気刺激パルス信号と該電気刺激パルス信号が出力される電極を指定する電極指定信号とを生成し前記電気刺激パルス信号と電極指定信号とを各々異なる導線を用いて送信する第１制御ユニットと、該第１制御ユニットと離れた位置に置かれ，前記第１制御ユニットから前記導線を介して送られる前記電気刺激パルス信号及び前記電極指定信号に基づいて前記複数の電極から前記電気刺激パルス信号を出力する第２制御ユニットと、を有し、前記第１制御ユニットは、前記電気刺激パルス信号の１刺激における極性を切換え双極性の電気刺激パルス信号を生成し出力する刺激出力回路と、該刺激出力回路による少なくとも１刺激の出力期間中，前記第２制御ユニットへの前記電極指定信号の伝送を停止するためのスイッチング回路と、を有することを特徴とする。
（２） （１）の視覚再生補助装置において、前記第１制御ユニットは前記刺激出力回路による前記電気刺激パルス信号の出力期間中以外のタイミングで前記電極指定信号を前記第２制御ユニットに送信することを特徴とする。
（３） （２）の視覚再生補助装置において、前記導線は、前記電気刺激パルス信号の送信用線として少なくとも1本，前記電極指定信号用線として少なくとも２本、これらの合計として少なくとも３本の導線であり、各導線は絶縁性材料にて被覆された状態で1本のケーブルとして束ねられていることを特徴とする。
（４） （１）〜（３）のいずれかの視覚再生補助装置において、前記スイッチング回路は、前記電極指定信号用線をフローティング状態にして前記電極指定信号の伝送を停止することを特徴とする。
（５） （１）〜（４）のいずれかの視覚再生補助装置において、前記スイッチング回路は、前記電極指定信号用線を導通することにより閉回路を形成して前記電極指定信号の伝送を停止することを特徴とする。
（６） （１）〜（５）のいずれかの視覚再生補助装置において、前記第１制御ユニットは前記第２制御ユニットを駆動するための電力に、前記電極指定信号を重畳して伝送することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、好適な電気刺激パルス信号を出力することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は視覚再生補助装置の外観を示した概略図、図２は視覚再生補助装置における体内装置を示す図である。
【００１０】
１は視覚再生補助装置であり、図１及び図２に示すように、外界を撮影するための体外装置１０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２０とからなる。体外装置１０は、患者が掛けるバイザー１１と、バイザー１１に取り付けられるＣＣＤカメラ等からなる撮影装置１２と、外部デバイス１３、一次コイルからなる送信手段１４等にて構成されている。
【００１１】
外部デバイス１３には、ＣＰＵ等の演算処理回路を有するデータ変調手段１３ａ、視覚再生補助装置１（体外装置１０及び体内装置２０）の電力供給を行うためのバッテリー１３ｂが設けられている。データ変調手段１３ａは、撮影装置１２にて撮影した被写体像を画像処理し、さらに得られた画像処理後のデータを、視覚を再生するための電気刺激パルス用データに変換する処理を行う。送信手段１４は、データ変調手段１３ａにて変換された電気刺激パルス用データ及び後述する体内装置２０を駆動するための電力を電磁波として体内装置２０側に伝送（無線送信）することができる。この電磁波には、電気刺激パルス用データと電力が重畳されている。この電磁波は、高々２０ＭＨｚ程度の周波数域である。また、送信手段１４の中心には図示なき磁石が取り付けられている。磁石は後述する受信手段３１との位置固定に使用される。
【００１２】
バイザー１１は眼鏡形状を有しており、図１に示すように、患者の眼前に装着して使用することができるようになっている。また、撮影装置１２はバイザー１１の前面に取り付けてあり、患者に視認させる被写体を撮影することができる。 次に、体内装置２０の構成を説明する。図２（ａ）は、体内装置２０の外観を示し、図２（ｂ）は刺激部４０の断面を示した図である。体内装置２０は、大別して体外装置１０から送信される電気刺激パルス信号用データや電力を電磁波にて受け取る受信部（第１制御ユニット）３０と、網膜を構成する細胞を電気刺激する刺激部（第２制御ユニット）４０により構成される。受信部３０には、体外装置１０からの電磁波を受信する２次コイルからなる受信手段３１や、制御部（第１制御ユニット）３２が設けられている。制御部３２は、受信手段３１にて受信された電気刺激パルス用データと電力とを分けると共に、電気刺激パルス用データを基に、視覚を得るための電気刺激パルス信号と、電気刺激パルス信号と対応する電極を指定する電極指定信号等を含む別ユニット（ブロック）用の駆動信号とに変換し、各信号を複数のワイヤー（導線）５０を介して、別部品である刺激部４０へ送信するための役割を有している（詳細は後述する）。なお、ワイヤー５０は絶縁材料にて各々が被覆されているとともに、ケーブル５１として一つに束ねられている。このケーブル５１によって受信部３０と刺激部４０とが電気的に接続されている。
【００１３】
これら受信手段３１や制御部３２は、基板３３上に形成されている。なお、受信部３０には送信手段１４を位置固定させるための図示なき磁石が設けられている。帰還電極３４は、ワイヤー５５にて制御部３２に接続され、電極４１のそれぞれの帰還電極となる。
【００１４】
また、刺激部４０には、電気刺激パルス信号を出力する複数の電極４１、刺激制御部４２が設けられている。各電極４１は刺激制御部（第２制御ユニット）４２に接続されている。刺激制御部４２は、制御部３２から送られてきた制御信号（電極指定信号を含む）に基づいて、対応する電気刺激パルス信号を電極４１の各々へ振り分けるマルチプレクサ機能を有する（詳細は後述する）。電極４１には生体適合性が高い導体、例えば金や白金等の貴金属が用いられる。電極４１は基板４３上に複数個形成される。刺激制御部４２は蓋部材46と設置台45によりハーメチックシール（密封）され、設置台45を介して基板４３に実装されている。なお、本実施形態で用いられる基板４３は、眼内、特に、層状の眼組織内に設置されるため、眼球の形状に沿うことが好ましく、層間（層内）に長期埋植されても患者の負担が少ないことが好ましい。このため、基板４３は、生体適合性が高く、所定の厚さにおいて湾曲可能な材料を長板状に加工したものをベース部としている。この基板内部に複数のリード線４３ａが形成され、各電極４１と刺激制御部４２が電気的に接続されている。
【００１５】
電極４１から出力される電気刺激パルス信号は、１刺激（正負のパルスを合せた１回分の刺激信号）が、正負方向（プラス方向、マイナス方向）にそれぞれ振幅を持つ矩形波を組み合せた双極性（二相性）のパルスとされる。このような双極性のパルスが刺激出力回路である刺激回路ブロック６５（又は、電極４１）から出力されている時間を出力期間とする。このとき、１つの刺激における正負の電荷量が等しくなるように、電気刺激パルス信号の波形が形成される。これにより、電気刺激される部位での電荷の偏りが低減され、好適に電気刺激がなされる。これらのパルスの強度や持続時間等を変更して、各電極４１から出力されることで、網膜を構成する細胞へ様々な刺激が与えられる。
【００１６】
また、体内において離れた位置に置かれる受信部３０と刺激部４０とは複数のワイヤー（導線）５０によって電気的に接続されている。ワイヤー５０は生体適合性の高い導体、例えば、白金、金等の貴金属が用いられる。また、複数のワイヤー５０は、前述したように、生体適合性が高い絶縁性の樹脂、例えば、シリコーン、ポリイミド、ポリパラキシリレン等で包埋されることにより一つに束ねられケーブル５１とされる。なお、各ワイヤー５０自体もまた上述した樹脂等の生体適合性がよく絶縁性を有する素材にて被覆されている。このワイヤー５０を伝わる信号（電力を含む）は、すべて交流とされ、例えば、ワイヤー５０が体液等に浸潤されても、浸潤箇所での体液等の電気分解（不可逆的化学反応）が起こらず、生体に悪影響が出ないようにされている。詳細な説明は略すが、ワイヤー５０の体液との接触箇所（浸潤箇所、暴露箇所）で、電気分解が起こらない条件は、交流信号の半波（正又は負の極性にある信号、交流信号１周期の半分）当りの電荷量が、生体に影響を及ぼすとされる露出金属の単位面積当りの電荷量（電荷密度）以下であることになる。
【００１７】
本実施形態で用いるワイヤー５０は、上述した電力、電極指定信号が重畳された交流信号（本明細書では駆動信号と呼ぶ）を伝送するための２本のワイヤーと、電気刺激パルス信号を伝送するための１本のワイヤー、の少なくとも３本のワイヤーが用意されている。
【００１８】
次に、受信部３０及び刺激部４０の構成及び各構成要素の連携を図示し、受信部３０側でのスイッチング動作により、電気刺激パルス信号の正負の電荷の偏りを低減する手法について説明する。
【００１９】
図３は、体内装置２０の内部構成を模式的に示したブロック図である。図中に示されるブロックは、半導体集積回路にて作製された機能ユニットとし、各半導体素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタ，ダイオード、抵抗、コンデンサ）の組合せにより機能を果たす。各ブロックの詳細な回路構成等は、説明の簡便のため略す。なお、本実施形態では、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる。
【００２０】
図３に示すように、送信手段１４と受信手段３１がコイルリンクの形態をとり、電気刺激パルス用データ、電力を含む電磁波が受信手段３１に受信される。受信された電磁波は、受信手段３１と接続される受信ブロック６１に交流信号として送られ、受信ブロック６１にて電気刺激パルス用データの信号と、電力用の信号に分離される。分離された電力は、受信ブロック６１に接続される電源ブロック６２へと送られる。電源ブロック６２は、交流信号として送られてきた電力を整流器（整流手段）６２ａで直流化し、接続される各ブロック（変換ブロック６３、給電ブロック６５、刺激回路ブロック６６）に直流電圧の電力を供給する。このとき、刺激回路ブロック６６では、この直流電圧が直流電流源DＳにも利用される。なお、給電ブロック６５が備えるスイッチング回路及び刺激回路ブロック６６が備えるＨブリッジ回路については、詳細を後述する。
【００２１】
また、分離された電気刺激パルス信号用データは、受信ブロック６１に接続される変換ブロック６３へと送られ、変換ブロック６３により電気刺激パルス信号用データから電極指定信号及び各電極４１から出力される電気刺激パルス信号の強度、持続時間を指定する電気刺激パルス用パラメータ信号等が抽出される。このとき、それぞれの信号は、一相性（単相性）の矩形状の信号（信号列）として抽出される。
【００２２】
抽出された刺激制御部４２用の各信号は、変換ブロック６３により、電力を交流搬送波信号として、例えば、周波数変調方式によって重畳され、駆動信号が生成される（搬送波が制御信号で変調される）。
【００２３】
刺激回路ブロック６６は、変換ブロック６３から受け取った電気刺激パルス用パラメータ信号に基づき、電源ブロック６２から得ている直流電圧（又は電流）を、各電極４１から出力させる所定の強度（電流）、所定の持続時間を持つ双極性の電気刺激パルス信号に変換する刺激出力回路の役目を果たす。具体的には、直流電流（後述）の極性を正負に切換えることにより双極性の電流パルス（電気刺激パルス信号）を生成し、出力している。極性切換回路の役目を果たす。これらの電気刺激パルス信号は、先の刺激制御部４２用の駆動信号に含まれる電極指定信号の指定を受けた電極４１から出力される。
【００２４】
また、変換ブロック６３により電力である交流搬送波信号に重畳された刺激制御部４２用の電極指定信号は、変換ブロック６３と接続される給電ブロック６５へと送られる。給電ブロック６５は、電源ブロック６２から供給される直流電圧を電源として、刺激制御部４２用の電極指定信号が重畳された交流搬送波信号を生成し、刺激部４０へと送る。このように、電源ブロック６２、変換ブロック６３、給電ブロック６５により、交流信号化が行われる。
【００２５】
給電ブロック６５からは、対となる２本のワイヤー５０（５０ａ、５０ｂ）が出され、刺激回路ブロック６６からは、１本のワイヤー５０（５０ｃ）が出され、刺激部４０に接続される。ワイヤー５０ｃと対となるワイヤー５５は、刺激回路６６から出され、帰還電極３４に接続される。なお、ワイヤー５０、５５には、それぞれカップリングコンデンサ５２が接続される。カップリングコンデンサ５２は、ワイヤー５０、５５を伝送する直流信号成分をカットし、交流信号のみを通過させるフィルタの役割を持っている。
【００２６】
次に、給電ブロック６５の内部構成を説明する。図示するように、給電ブロック６５には、刺激部４０に供給する電力源となる交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２と、交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２に変換回路６３からの制御信号を重畳させるエンコーダ６５ａと、交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２に対応し、通電状態を切り換えるスイッチＳＷ１、ＳＷ２と、を備える。
【００２７】
交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２は、ワイヤー５０ａ、５０ｂに対してそれぞれ直列に入れられる。また、電気的な接続を切換えるスイッチＳＷ１、ＳＷ２は、ワイヤー５０ａ、５０ｂに対してそれぞれ直列に繋がり、オン状態で交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２とワイヤー５０ａ、５０ｂとを接続する構成とされる。スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフ状態においては、ワイヤー５０ａ、５０ｂが導通（短絡）するように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の端子が接続されている。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、変換ブロック８３に接続されその動作制御される（図示を略す）。
【００２８】
エンコーダ６５ａは、それぞれの交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２に接続され、変換回路６３の指令に基づいて、電極指定信号を交流電圧に重畳させる役割を持つ。従って、エンコーダ６５ａにより重畳（変調）された交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２の交流信号は、駆動信号とされる。
【００２９】
次に、刺激回路６６の内部構成を説明する。図示するように、刺激回路ブロック６６は、電気刺激パルス信号の極性を切換えるＨブリッジ回路（極性切換回路）を持つ。具体的には、一端をＧＮＤに接続された直流電流源ＤＳの他端に、変換ブロック６３の指令により切換えられるスイッチＳＷａ、ＳＷｂ、が並列に接続されている。スイッチＳＷａ、ＳＷｂの他端には、それぞれスイッチＳＷｄ、ＳＷｃが接続され、スイッチＳＷｃ、ＳＷｄの他端には、直流電圧源Ｖｄｄが接続される。なお、スイッチＳＷａ、ＳＷｄの間のノードＮ１には、ワイヤー５０ｃが接続され、ワイヤ５０ｃは、マルチプレクサ（図では、ＭＵＸと略す）８３へと接続される。また、スイッチＳＷｂ、ＳＷｃの間のノードＮ２には、ワイヤー５５が接続され、ワイヤー５５は帰還電極３４へと接続される。
【００３０】
次に、刺激部４０の構成を説明をする。図３のワイヤー５０のうち、ワイヤー５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、刺激制御部４２へと接続されている。ワイヤー５０ａ、５０ｂは、刺激制御部４２の電源ブロック８１及びデコーダ８２に並列に接続される。電源ブロック８１は、給電ブロック６５から送られる交流信号を受け取り、交流信号を整流器（整流手段）８１ａにて直流化した後、デコーダ８２やマルチプレクサ８３の駆動電力となる直流電圧を抽出する。デコーダ８２は、受け取った駆動信号からマルチプレクサ８３の制御信号（電極指定信号等）を抽出し、マルチプレクサ８３へと送る。
【００３１】
マルチプレクサ８３は、デコーダ８２と接続されると共に、刺激回路ブロック６６とワイヤー５０ｃを介して接続され、さらに、リード線４３ａを介して各電極４１とそれぞれ接続される。マルチプレクサ８３は、デコーダ８２からの電極指定信号に基づき、刺激回路ブロック６６からの電気刺激パルス信号を各電極４１へと分配する機能を有している。
【００３２】
次に、刺激回路６６での電気刺激パルス信号の生成と、その流路について説明する。刺激回路ブロック６６の４つのスイッチは、変換ブロック６３の指令によりオン・オフを切換え、直流電流源ＤＳからの直流電流の流れる方向（極性）を切換える役割を持つ。具体的には、スイッチＳＷａ、ＳＷｃと、スイッチＳＷｂ、ＳＷｄが対となり、同じ動作をする。また、異なるペアのスイッチでは、動作が逆になるように、例えば、スイッチＳＷａ、ＳＷｃが共にオンであれば、スイッチＳＷｂ、ＳＷｄがオフとなるように４つのスイッチが制御される。例えば、スイッチＳＷｂ、ＳＷｄがオン、スイッチＳＷａ、ＳＷｃがオフであると、ノードＮ１は、直流電圧源Ｖｄｄの電位となり、ノードＮ２は、直流電流源ＤＳに引かれてＧＮＤ側の電位となる。このとき、刺激電極には、正の電位が印加されることとなり、直流電流源ＤＳからワイヤー５５、帰還電極３４、刺激電極４１、マルチプレクサ８３、ワイヤー５０ｃを介して電流が流れることで、電極４１から正の刺激電流（パルス）が流れる。逆に、４つのスイッチが逆に動作されると、電極４１からは負の刺激電流が流れることとなる。なお、各スイッチのオン時間、オフ時間を制御することにより、電気刺激パルスのパルス幅等が変えられる。
【００３３】
このようにして、Ｈブリッジ回路を利用して、変換ブロック６３で制御することにより、正負の電荷を持つ電気刺激パルス信号が電極から出力されることとなる。
【００３４】
以上説明した電気刺激パルス信号の極性の切換えにおいて、ノードＮ１，Ｎ２に注目すると、以下のような問題点がある。極性が切換えられる（反転される）際に、各ノードの電位が急激に変化することで、意図しない経路に電流が流れ、正負の電荷量のバランスが崩れてしまう場合がある。これにより、電気刺激に必要とされる電流強度（電荷量）が得られない場合がある。また、意図しない電流により電気刺激パルス信号にノイズが乗ってしまう場合がある。
【００３５】
より具体的には、電極４１から正方向のパルスが出力されている場合、ノードＮ１の電位が前述のようにＶｄｄとされる。この状態で、極性が反転した負方向のパルスが電極４１から出力されるようにＨブリッジ回路がスイッチング（制御）されると、ノードＮ１の電位はＧＮＤ方向へ急激に下がる。このとき、ワイヤー５０ａ、５０ｂは、受信部３０の電位に対してインピーダンスが低くなっているため、ワイヤー５０ａ、５０ｂからみたワイヤー５０ｃの電位が急激に変化することとなる。なお、３本のワイヤー５０は、近接しているため、寄生的な線間容量を持っている。従って、ワイヤー５０ｃ（ノードＮ１）の電位が急激に変わると、この電位に対応した電流が線間容量を充放電するように流れる。
【００３６】
このような充放電電流がノイズとなって、電気刺激パルス信号に付加される。或いは、電気刺激パルス信号で必要としていた電流強度の一部が充電電流となってしまう。言い換えると、本来電極４１から出力される電気刺激パルス信号の電荷の一部が線間容量を充電する電荷として使われてしまい、電極４１から出力される電気刺激パルス信号の正負の対称が崩れてしまう。
【００３７】
そこで、本発明では、電気刺激パルス信号が電極４１から出力される際に、ワイヤー５０同士が持つ線間容量を回路上なくすために、以下のようなスイッチングを行う。
【００３８】
変換ブロック６３は、刺激回路ブロック６６による電気刺激パルス信号（１刺激）の少なくとも出力期間中において、給電ブロック６５のスイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフ状態とし、スイッチＳＷ１とＳＷ２との間を導通状態とする。これにより、ワイヤー５０ｃ（ノードＮ１）からみて、ワイヤー５０ａ、５０ｂは、高インピーダンスとなる。このため、寄生的な線間容量を充放電する経路がなくなり、充放電電流が流れなくなる。このとき、スイッチＳＷ１、ＳＷ２によりワイヤー５０ａ、５０ｂが導通状態とされるため、ワイヤー５０ａ、５０ｂが電気的に接続され、閉回路が形成される。このような制御を行うことにより、刺激部４０が電極指定信号ののノイズの影響を受けにくくなる。なお、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、ワイヤー５０ａ、５０ｂの線間容量が実施的になくなるように動作すればよく、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がフローティング状態とされていてもよい。また、ワイヤー５０ａ、５０ｂからみて高抵抗の素子に接続される動作をする構成とされてもよい。
【００３９】
なお、このようなスイッチＳＷ１，ＳＷ２がオフ状態とされるタイミングを図４を用いてさらに具体的に説明する。図４は模式的タイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は変換ブロック６３にて形成される電気刺激パルス信号の強度又はスイッチのオン・オフ状態を示す。
【００４０】
図示するように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフ状態とされる時間は、変換ブロック６３にて電気刺激パルス信号が出力される時間帯（タイミング）を含むものとされる（図４（ｂ））。
【００４１】
図４（ｂ）では、電気刺激パルス信号の出力時のみにおいてスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフ状態とするものとしたが、これに限るものではない。電気刺激パルス信号が出力されないタイミングで他の信号（電極指定信号等）が伝送するような制御が行われていればよい。例えば、図４（ｃ）に示すように、変換ブロック６３は、１つの電気刺激パルス信号の形成時間前の時間帯において、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を所定時間Ｓだけオン状態とすることもできる。所定時間Ｓは、マルチプレクサ８３が、電極指定信号を受信できるのに充分な時間であり、かつ、電気刺激パルス信号の出力が開始される前（ここでは、直前）の時間帯に設けられる。
【００４２】
図４においては、電気刺激パルス信号として１刺激の例を示したが、実際は前述したような制御が時系列的に並ぶ電気刺激パルス信号の生成の合間に行われることとなる。なお、１刺激を形成する正負のパルスの間に間隔が形成されていてもよい。このような場合であっても１刺激は、正負で形成される１つの電気刺激パルス信号とされる。
【００４３】
以上のようにして、電極から出力される電気刺激パルス信号の正負どちらかへの電荷の偏りを低減できる。これにより、好適な電気刺激を出力できる。また、刺激部へ供給する駆動信号を一時的に遮断することで、体内装置２０全体の消費電力が抑えられる。
【００４４】
次に、このような体内装置２０の設置について説明する。図５は刺激部４０を眼内に埋植した状態を示す概略図である。帰還電極３４は図示するように眼内中央の前眼部寄りの位置に置かれる。これによって、網膜Ｅ１は電極４１と帰還電極３４（不関電極）との間に位置することとなる。よって、電極４１からの電気刺激パルス信号電流が効率的に網膜を貫通することとなる。
【００４５】
一方、受信手段３１は、体外装置１０に設けられた送信手段１４からの信号（電気刺激パルス用データ及び電力）を受信可能な生体内の所定位置に設置される。例えば、図１に示すように、患者の側頭部の皮膚の下に受信部３０（図では受信手段３１のみ示している）を埋め込むとともに、皮膚を介して受信部３０と対向する位置に送信手段１４を設置しておく。受信部３０には、送信手段１４と同様に磁石が取り付けられているため、埋植された受信部３０上に送信手段１４を位置させることにより、磁力によって送信手段１４と受信部３０とが引き合い、送信手段１４が側頭部に保持されることとなる。
【００４６】
なお、ケーブル５１は、側頭部に埋め込まれた受信部３０から側頭部に沿って皮膚下を患者眼に向かって延び、患者の上まぶたの内側を通して眼窩に入れられる。眼窩に入れられたケーブル５１は、図5に示すように強膜Ｅ３の外側を通り、基板４３に設置された刺激制御部４２に接続される。
【００４７】
なお、本実施形態では、体内装置２０（刺激部４０）の設置位置を強膜Ｅ３側に位置させて、強膜Ｅ３側（脈絡膜側）から網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激する構成としたが、これに限るものではない。患者眼の網膜を構成する細胞を好適に刺激することが可能な位置に電極を設置することができればよい。例えば、層間に電極及び基板を設置すればよい。刺激部４０を患者眼の眼内（網膜上や網膜下）に置き、電極が形成されている基板先端部分を網膜下（網膜と脈絡膜との間）や網膜上に設置するような構成とすることもできる。
【００４８】
以上のような構成を備える視覚再生補助装置において、その動作を図６に示す制御系のブロック図を基に説明する。図１に示す撮影装置１２により撮影された被写体の撮影データ（画像データ）は、データ変調手段１３ａに送られる。データ変調手段１３ａは、撮影した被写体を患者が認識するために必要となる所定のデータパラメータ（電気刺激パルス用データ）に変換し、さらに電磁波として伝送するのに適した変調信号に変調し、送信手段１４より電磁波として体内装置２０側に送信する。また同時に、データ変調手段１３ａは、バッテリー１３ｂから供給されている電力を前述した変調信号（電気刺激パルス用データ）の帯域と異なる帯域の電磁波として前記変調信号と合わせて体内装置２０側に送信する。
【００４９】
体内装置２０側では、体外装置１０より送られてくる変調信号と電力とを受信手段３１にて受け取り、制御部３２に送る。制御部３２では受けとった信号から、変調信号が使用する帯域の信号を抽出するとともに、この変調信号に基づいて電気刺激パルス用パラメータ信号と制御信号とを生成し、電極指定信号である制御信号を刺激制御部４２に送信する。このとき、制御部３２では図３の説明で示した各構成ブロックにより、交流信号が生成されており、ワイヤー５０を介して刺激制御部４２に送られる信号はすべて交流信号とされる（電気刺激パルス信号も含む）。
【００５０】
刺激制御部４２では受け取った交流信号に基づき前述した方法により、電力及び電極指定信号を抽出する。刺激制御部４２は、電極指定信号に基づき、制御部３２から供給される電気刺激パルス信号を各電極４１に分配し、出力させる。各電極４１から出力される電気刺激パルス信号によって網膜Ｅ１を構成する細胞が電気刺激され、患者は視覚（擬似光覚）を得る。なお、制御部３２は、受信手段３１により体内装置２０を駆動するための電力を得る。
【００５１】
なお、以上説明した本実施形態では、電力と電極指定等の制御信号を重畳して駆動信号としたが、これに限るものではない。電気刺激パルス信号を伝送しない導線が電気的に高インピーダンス状態にされる構成であればよい。例えば、電力と制御信号を個別の導線で伝送する構成とした場合、電気刺激パルス信号の極性が切り換える際に、電気刺激パルス信号を伝達する導線以外の導線を電気的に遮断し高インピーダンス状態にする構成とすればよい。
【００５２】
なお、以上説明した本実施形態では、導線を伝送される信号は交流信号としたが、これに限るものではない。離れた位置に置かれる第１制御ユニットと第２制御ユニットとで、制御信号、電力等を伝送する構成であればよく、導線を伝送される信号は直流信号であってもよい。この場合も前述と同様に、電気刺激パルス信号の極性が切換える際に、導線を遮断する構成とすればよい。なお、この場合、第１制御ユニットでの交流変換及び第２制御ユニットでの整流が不要となり、装置を小型化できる。
【００５３】
なお、以上説明した本実施形態では、電極４１から出力される電気刺激パルス信号の帰還電極として、帰還電極３４を前眼部に配置し、ワイヤー５５にて受信部３０と接続する構成としたが、これに限るものではない。帰還電極をワイヤーで接続しない構成の体内装置を用いてもよい。例えば、刺激部４０に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】視覚再生補助装置の外観を示した概略図である。
【図２】本実施形態における視覚再生補助装置の体内装置を示した概略図である。
【図３】体内装置の内部構成を模式的に示したブロック図である。
【図４】スイッチング回路のタイミングチャートである。
【図５】体内装置を体内に設置した状態を示した図である。
【図６】視覚再生補助装置の制御系を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 視覚再生補助装置
１０ 体外装置
２０ 体内装置
３０ 受信部
３１ 受信手段
３２ 制御部
３４ 帰還電極
４０ 刺激部
４１ 電極
４２ 刺激制御部
４３ 基板
５０、５５ ワイヤー
５１ ケーブル
６５ 給電ブロック
６６ 刺激回路ブロック
８３ マルチプレクサ
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ、ＳＷｄ スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は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関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、失明治療技術の一つとして、複数の電極が形成された基板を有する体内装置を体内に埋植し、網膜を構成する細胞を電気刺激して視覚の再生を試みる視覚再生補助装置の研究がされている。このような視覚再生補助装置は、例えば、体外装置を用いて撮像された映像を所定の信号に変換して体内に設置された体内装置に送信し、電極から電気刺激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ことにより、視覚の再生を試みる装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０４４３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような装置では、体外装置から送られてくる電気刺激パルス信号用のデータを用いて多数の電極から電気刺激パルス信号を各々出力して網膜を構成する細胞を電気刺激するため、体外装置からの情報（信号）を受信し処理を行うとともに、各電極に電気刺激パルス信号を分配する機能が必要となる。このため、特許文献１のような装置においては、患者眼に直接設置する部分をできるだけ小型化するために、複数の制御部に各々機能を分担させるようにし、電極に直接繋がる制御部と他の制御部とを導線にて接続するようにしている。この場合、制御部間を繋ぐ導線は電極指定信号用、刺激信号送信用等の複数の導線が必要となる。このような導線は体内における限られたスペースに効率よく収めるために束ねられて用いられる。
【０００５】
しかしながら、信号を伝達するための複数の導線を束ねて用いた場合、線間容量が存在するため、１つの刺激信号において正負が切換えられる電気刺激パルス信号では、切換え時の電位変化により意図しない経路に電流が流れ、正負の電荷量のバランスが崩れてしまう場合がある。
【０００６】
上記従来技術の問題点に鑑み、好適な電気刺激パルス信号を出力することができる視覚再生補助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。
（１） 患者の視覚を形成する視覚神経系を構成する細胞又は組織を電気刺激するための電気刺激パルス用データと電力を送信する送信手段を持つ体外装置と、該送信手段から送信される前記電気刺激パルス用データと前記電力を受信する受信手段を有し，該受信手段によって受信された前記電気刺激パルス用データと前記電力に基づいて複数の電極から電気刺激パルス信号を出力する体内装置と、を備える視覚再生補助装置において、前記体内装置は、前記受信手段にて受信された前記電気刺激パルス用データから前記電気刺激パルス信号と該電気刺激パルス信号が出力される電極を指定する電極指定信号とを生成し前記電気刺激パルス信号と電極指定信号とを各々異なる導線を用いて送信する第１制御ユニットと、該第１制御ユニットと離れた位置に置かれ，前記第１制御ユニットから前記導線を介して送られる前記電気刺激パルス信号及び前記電極指定信号に基づいて前記複数の電極から前記電気刺激パルス信号を出力する第２制御ユニットと、を有し、前記第１制御ユニットは、前記電気刺激パルス信号の１刺激における極性を切換え双極性の電気刺激パルス信号を生成し出力する刺激出力回路と、該刺激出力回路による少なくとも１刺激の出力期間中，前記第２制御ユニットへの前記電極指定信号の伝送を停止するためのスイッチング回路と、を有することを特徴とする。
（２） （１）の視覚再生補助装置において、前記第１制御ユニットは前記刺激出力回路による前記電気刺激パルス信号の出力期間中以外のタイミングで前記電極指定信号を前記第２制御ユニットに送信することを特徴とする。
（３） （２）の視覚再生補助装置において、前記導線は、前記電気刺激パルス信号の送信用線として少なくとも1本，前記電極指定信号用線として少なくとも２本、これらの合計として少なくとも３本の導線であり、各導線は絶縁性材料にて被覆された状態で1本のケーブルとして束ねられていることを特徴とする。
（４） （１）〜（３）のいずれかの視覚再生補助装置において、前記スイッチング回路は、前記電極指定信号用線をフローティング状態にして前記電極指定信号の伝送を停止することを特徴とする。
（５） （１）〜（４）のいずれかの視覚再生補助装置において、前記スイッチング回路は、前記電極指定信号用線を導通することにより閉回路を形成して前記電極指定信号の伝送を停止することを特徴とする。
（６） （１）〜（５）のいずれかの視覚再生補助装置において、前記第１制御ユニットは前記第２制御ユニットを駆動するための電力に、前記電極指定信号を重畳して伝送することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、好適な電気刺激パルス信号を出力することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は視覚再生補助装置の外観を示した概略図、図２は視覚再生補助装置における体内装置を示す図である。
【００１０】
１は視覚再生補助装置であり、図１及び図２に示すように、外界を撮影するための体外装置１０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２０とからなる。体外装置１０は、患者が掛けるバイザー１１と、バイザー１１に取り付けられるＣＣＤカメラ等からなる撮影装置１２と、外部デバイス１３、一次コイルからなる送信手段１４等にて構成されている。
【００１１】
外部デバイス１３には、ＣＰＵ等の演算処理回路を有するデータ変調手段１３ａ、視覚再生補助装置１（体外装置１０及び体内装置２０）の電力供給を行うためのバッテリー１３ｂが設けられている。データ変調手段１３ａは、撮影装置１２にて撮影した被写体像を画像処理し、さらに得られた画像処理後のデータを、視覚を再生するための電気刺激パルス用データに変換する処理を行う。送信手段１４は、データ変調手段１３ａにて変換された電気刺激パルス用データ及び後述する体内装置２０を駆動するための電力を電磁波として体内装置２０側に伝送（無線送信）することができる。この電磁波には、電気刺激パルス用データと電力が重畳されている。この電磁波は、高々２０ＭＨｚ程度の周波数域である。また、送信手段１４の中心には図示なき磁石が取り付けられている。磁石は後述する受信手段３１との位置固定に使用される。
【００１２】
バイザー１１は眼鏡形状を有しており、図１に示すように、患者の眼前に装着して使用することができるようになっている。また、撮影装置１２はバイザー１１の前面に取り付けてあり、患者に視認させる被写体を撮影することができる。 次に、体内装置２０の構成を説明する。図２（ａ）は、体内装置２０の外観を示し、図２（ｂ）は刺激部４０の断面を示した図である。体内装置２０は、大別して体外装置１０から送信される電気刺激パルス信号用データや電力を電磁波にて受け取る受信部（第１制御ユニット）３０と、網膜を構成する細胞を電気刺激する刺激部（第２制御ユニット）４０により構成される。受信部３０には、体外装置１０からの電磁波を受信する２次コイルからなる受信手段３１や、制御部（第１制御ユニット）３２が設けられている。制御部３２は、受信手段３１にて受信された電気刺激パルス用データと電力とを分けると共に、電気刺激パルス用データを基に、視覚を得るための電気刺激パルス信号と、電気刺激パルス信号と対応する電極を指定する電極指定信号等を含む別ユニット（ブロック）用の駆動信号とに変換し、各信号を複数のワイヤー（導線）５０を介して、別部品である刺激部４０へ送信するための役割を有している（詳細は後述する）。なお、ワイヤー５０は絶縁材料にて各々が被覆されているとともに、ケーブル５１として一つに束ねられている。このケーブル５１によって受信部３０と刺激部４０とが電気的に接続されている。
【００１３】
これら受信手段３１や制御部３２は、基板３３上に形成されている。なお、受信部３０には送信手段１４を位置固定させるための図示なき磁石が設けられている。帰還電極３４は、ワイヤー５５にて制御部３２に接続され、電極４１のそれぞれの帰還電極となる。
【００１４】
また、刺激部４０には、電気刺激パルス信号を出力する複数の電極４１、刺激制御部４２が設けられている。各電極４１は刺激制御部（第２制御ユニット）４２に接続されている。刺激制御部４２は、制御部３２から送られてきた制御信号（電極指定信号を含む）に基づいて、対応する電気刺激パルス信号を電極４１の各々へ振り分けるマルチプレクサ機能を有する（詳細は後述する）。電極４１には生体適合性が高い導体、例えば金や白金等の貴金属が用いられる。電極４１は基板４３上に複数個形成される。刺激制御部４２は蓋部材46と設置台45によりハーメチックシール（密封）され、設置台45を介して基板４３に実装されている。なお、本実施形態で用いられる基板４３は、眼内、特に、層状の眼組織内に設置されるため、眼球の形状に沿うことが好ましく、層間（層内）に長期埋植されても患者の負担が少ないことが好ましい。このため、基板４３は、生体適合性が高く、所定の厚さにおいて湾曲可能な材料を長板状に加工したものをベース部としている。この基板内部に複数のリード線４３ａが形成され、各電極４１と刺激制御部４２が電気的に接続されている。
【００１５】
電極４１から出力される電気刺激パルス信号は、１刺激（正負のパルスを合せた１回分の刺激信号）が、正負方向（プラス方向、マイナス方向）にそれぞれ振幅を持つ矩形波を組み合せた双極性（二相性）のパルスとされる。このような双極性のパルスが刺激出力回路である刺激回路ブロック６５（又は、電極４１）から出力されている時間を出力期間とする。このとき、１つの刺激における正負の電荷量が等しくなるように、電気刺激パルス信号の波形が形成される。これにより、電気刺激される部位での電荷の偏りが低減され、好適に電気刺激がなされる。これらのパルスの強度や持続時間等を変更して、各電極４１から出力されることで、網膜を構成する細胞へ様々な刺激が与えられる。
【００１６】
また、体内において離れた位置に置かれる受信部３０と刺激部４０とは複数のワイヤー（導線）５０によって電気的に接続されている。ワイヤー５０は生体適合性の高い導体、例えば、白金、金等の貴金属が用いられる。また、複数のワイヤー５０は、前述したように、生体適合性が高い絶縁性の樹脂、例えば、シリコーン、ポリイミド、ポリパラキシリレン等で包埋されることにより一つに束ねられケーブル５１とされる。なお、各ワイヤー５０自体もまた上述した樹脂等の生体適合性がよく絶縁性を有する素材にて被覆されている。このワイヤー５０を伝わる信号（電力を含む）は、すべて交流とされ、例えば、ワイヤー５０が体液等に浸潤されても、浸潤箇所での体液等の電気分解（不可逆的化学反応）が起こらず、生体に悪影響が出ないようにされている。詳細な説明は略すが、ワイヤー５０の体液との接触箇所（浸潤箇所、暴露箇所）で、電気分解が起こらない条件は、交流信号の半波（正又は負の極性にある信号、交流信号１周期の半分）当りの電荷量が、生体に影響を及ぼすとされる露出金属の単位面積当りの電荷量（電荷密度）以下であることになる。
【００１７】
本実施形態で用いるワイヤー５０は、上述した電力、電極指定信号が重畳された交流信号（本明細書では駆動信号と呼ぶ）を伝送するための２本のワイヤーと、電気刺激パルス信号を伝送するための１本のワイヤー、の少なくとも３本のワイヤーが用意されている。
【００１８】
次に、受信部３０及び刺激部４０の構成及び各構成要素の連携を図示し、受信部３０側でのスイッチング動作により、電気刺激パルス信号の正負の電荷の偏りを低減する手法について説明する。
【００１９】
図３は、体内装置２０の内部構成を模式的に示したブロック図である。図中に示されるブロックは、半導体集積回路にて作製された機能ユニットとし、各半導体素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタ，ダイオード、抵抗、コンデンサ）の組合せにより機能を果たす。各ブロックの詳細な回路構成等は、説明の簡便のため略す。なお、本実施形態では、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いる。
【００２０】
図３に示すように、送信手段１４と受信手段３１がコイルリンクの形態をとり、電気刺激パルス用データ、電力を含む電磁波が受信手段３１に受信される。受信された電磁波は、受信手段３１と接続される受信ブロック６１に交流信号として送られ、受信ブロック６１にて電気刺激パルス用データの信号と、電力用の信号に分離される。分離された電力は、受信ブロック６１に接続される電源ブロック６２へと送られる。電源ブロック６２は、交流信号として送られてきた電力を整流器（整流手段）６２ａで直流化し、接続される各ブロック（変換ブロック６３、給電ブロック６５、刺激回路ブロック６６）に直流電圧の電力を供給する。このとき、刺激回路ブロック６６では、この直流電圧が直流電流源DＳにも利用される。なお、給電ブロック６５が備えるスイッチング回路及び刺激回路ブロック６６が備えるＨブリッジ回路については、詳細を後述する。
【００２１】
また、分離された電気刺激パルス信号用データは、受信ブロック６１に接続される変換ブロック６３へと送られ、変換ブロック６３により電気刺激パルス信号用データから電極指定信号及び各電極４１から出力される電気刺激パルス信号の強度、持続時間を指定する電気刺激パルス用パラメータ信号等が抽出される。このとき、それぞれの信号は、一相性（単相性）の矩形状の信号（信号列）として抽出される。
【００２２】
抽出された刺激制御部４２用の各信号は、変換ブロック６３により、電力を交流搬送波信号として、例えば、周波数変調方式によって重畳され、駆動信号が生成される（搬送波が制御信号で変調される）。
【００２３】
刺激回路ブロック６６は、変換ブロック６３から受け取った電気刺激パルス用パラメータ信号に基づき、電源ブロック６２から得ている直流電圧（又は電流）を、各電極４１から出力させる所定の強度（電流）、所定の持続時間を持つ双極性の電気刺激パルス信号に変換する刺激出力回路の役目を果たす。具体的には、直流電流（後述）の極性を正負に切換えることにより双極性の電流パルス（電気刺激パルス信号）を生成し、出力している。極性切換回路の役目を果たす。これらの電気刺激パルス信号は、先の刺激制御部４２用の駆動信号に含まれる電極指定信号の指定を受けた電極４１から出力される。
【００２４】
また、変換ブロック６３により電力である交流搬送波信号に重畳された刺激制御部４２用の電極指定信号は、変換ブロック６３と接続される給電ブロック６５へと送られる。給電ブロック６５は、電源ブロック６２から供給される直流電圧を電源として、刺激制御部４２用の電極指定信号が重畳された交流搬送波信号を生成し、刺激部４０へと送る。このように、電源ブロック６２、変換ブロック６３、給電ブロック６５により、交流信号化が行われる。
【００２５】
給電ブロック６５からは、対となる２本のワイヤー５０（５０ａ、５０ｂ）が出され、刺激回路ブロック６６からは、１本のワイヤー５０（５０ｃ）が出され、刺激部４０に接続される。ワイヤー５０ｃと対となるワイヤー５５は、刺激回路６６から出され、帰還電極３４に接続される。なお、ワイヤー５０、５５には、それぞれカップリングコンデンサ５２が接続される。カップリングコンデンサ５２は、ワイヤー５０、５５を伝送する直流信号成分をカットし、交流信号のみを通過させるフィルタの役割を持っている。
【００２６】
次に、給電ブロック６５の内部構成を説明する。図示するように、給電ブロック６５には、刺激部４０に供給する電力源となる交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２と、交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２に変換回路６３からの制御信号を重畳させるエンコーダ６５ａと、交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２に対応し、通電状態を切り換えるスイッチＳＷ１、ＳＷ２と、を備える。
【００２７】
交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２は、ワイヤー５０ａ、５０ｂに対してそれぞれ直列に入れられる。また、電気的な接続を切換えるスイッチＳＷ１、ＳＷ２は、ワイヤー５０ａ、５０ｂに対してそれぞれ直列に繋がり、オン状態で交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２とワイヤー５０ａ、５０ｂとを接続する構成とされる。スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフ状態においては、ワイヤー５０ａ、５０ｂが導通（短絡）するように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の端子が接続されている。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、変換ブロック８３に接続されその動作制御される（図示を略す）。
【００２８】
エンコーダ６５ａは、それぞれの交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２に接続され、変換回路６３の指令に基づいて、電極指定信号を交流電圧に重畳させる役割を持つ。従って、エンコーダ６５ａにより重畳（変調）された交流電圧源ＡＳ１、ＡＳ２の交流信号は、駆動信号とされる。
【００２９】
次に、刺激回路６６の内部構成を説明する。図示するように、刺激回路ブロック６６は、電気刺激パルス信号の極性を切換えるＨブリッジ回路（極性切換回路）を持つ。具体的には、一端をＧＮＤに接続された直流電流源ＤＳの他端に、変換ブロック６３の指令により切換えられるスイッチＳＷａ、ＳＷｂ、が並列に接続されている。スイッチＳＷａ、ＳＷｂの他端には、それぞれスイッチＳＷｄ、ＳＷｃが接続され、スイッチＳＷｃ、ＳＷｄの他端には、直流電圧源Ｖｄｄが接続される。なお、スイッチＳＷａ、ＳＷｄの間のノードＮ１には、ワイヤー５０ｃが接続され、ワイヤ５０ｃは、マルチプレクサ（図では、ＭＵＸと略す）８３へと接続される。また、スイッチＳＷｂ、ＳＷｃの間のノードＮ２には、ワイヤー５５が接続され、ワイヤー５５は帰還電極３４へと接続される。
【００３０】
次に、刺激部４０の構成を説明をする。図３のワイヤー５０のうち、ワイヤー５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、刺激制御部４２へと接続されている。ワイヤー５０ａ、５０ｂは、刺激制御部４２の電源ブロック８１及びデコーダ８２に並列に接続される。電源ブロック８１は、給電ブロック６５から送られる交流信号を受け取り、交流信号を整流器（整流手段）８１ａにて直流化した後、デコーダ８２やマルチプレクサ８３の駆動電力となる直流電圧を抽出する。デコーダ８２は、受け取った駆動信号からマルチプレクサ８３の制御信号（電極指定信号等）を抽出し、マルチプレクサ８３へと送る。
【００３１】
マルチプレクサ８３は、デコーダ８２と接続されると共に、刺激回路ブロック６６とワイヤー５０ｃを介して接続され、さらに、リード線４３ａを介して各電極４１とそれぞれ接続される。マルチプレクサ８３は、デコーダ８２からの電極指定信号に基づき、刺激回路ブロック６６からの電気刺激パルス信号を各電極４１へと分配する機能を有している。
【００３２】
次に、刺激回路６６での電気刺激パルス信号の生成と、その流路について説明する。刺激回路ブロック６６の４つのスイッチは、変換ブロック６３の指令によりオン・オフを切換え、直流電流源ＤＳからの直流電流の流れる方向（極性）を切換える役割を持つ。具体的には、スイッチＳＷａ、ＳＷｃと、スイッチＳＷｂ、ＳＷｄが対となり、同じ動作をする。また、異なるペアのスイッチでは、動作が逆になるように、例えば、スイッチＳＷａ、ＳＷｃが共にオンであれば、スイッチＳＷｂ、ＳＷｄがオフとなるように４つのスイッチが制御される。例えば、スイッチＳＷｂ、ＳＷｄがオン、スイッチＳＷａ、ＳＷｃがオフであると、ノードＮ１は、直流電圧源Ｖｄｄの電位となり、ノードＮ２は、直流電流源ＤＳに引かれてＧＮＤ側の電位となる。このとき、刺激電極には、正の電位が印加されることとなり、直流電流源ＤＳからワイヤー５５、帰還電極３４、刺激電極４１、マルチプレクサ８３、ワイヤー５０ｃを介して電流が流れることで、電極４１から正の刺激電流（パルス）が流れる。逆に、４つのスイッチが逆に動作されると、電極４１からは負の刺激電流が流れることとなる。なお、各スイッチのオン時間、オフ時間を制御することにより、電気刺激パルスのパルス幅等が変えられる。
【００３３】
このようにして、Ｈブリッジ回路を利用して、変換ブロック６３で制御することにより、正負の電荷を持つ電気刺激パルス信号が電極から出力されることとなる。
【００３４】
以上説明した電気刺激パルス信号の極性の切換えにおいて、ノードＮ１，Ｎ２に注目すると、以下のような問題点がある。極性が切換えられる（反転される）際に、各ノードの電位が急激に変化することで、意図しない経路に電流が流れ、正負の電荷量のバランスが崩れてしまう場合がある。これにより、電気刺激に必要とされる電流強度（電荷量）が得られない場合がある。また、意図しない電流により電気刺激パルス信号にノイズが乗ってしまう場合がある。
【００３５】
より具体的には、電極４１から正方向のパルスが出力されている場合、ノードＮ１の電位が前述のようにＶｄｄとされる。この状態で、極性が反転した負方向のパルスが電極４１から出力されるようにＨブリッジ回路がスイッチング（制御）されると、ノードＮ１の電位はＧＮＤ方向へ急激に下がる。このとき、ワイヤー５０ａ、５０ｂは、受信部３０の電位に対してインピーダンスが低くなっているため、ワイヤー５０ａ、５０ｂからみたワイヤー５０ｃの電位が急激に変化することとなる。なお、３本のワイヤー５０は、近接しているため、寄生的な線間容量を持っている。従って、ワイヤー５０ｃ（ノードＮ１）の電位が急激に変わると、この電位に対応した電流が線間容量を充放電するように流れる。
【００３６】
このような充放電電流がノイズとなって、電気刺激パルス信号に付加される。或いは、電気刺激パルス信号で必要としていた電流強度の一部が充電電流となってしまう。言い換えると、本来電極４１から出力される電気刺激パルス信号の電荷の一部が線間容量を充電する電荷として使われてしまい、電極４１から出力される電気刺激パルス信号の正負の対称が崩れてしまう。
【００３７】
そこで、本発明では、電気刺激パルス信号が電極４１から出力される際に、ワイヤー５０同士が持つ線間容量を回路上なくすために、以下のようなスイッチングを行う。
【００３８】
変換ブロック６３は、刺激回路ブロック６６による電気刺激パルス信号（１刺激）の少なくとも出力期間中において、給電ブロック６５のスイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフ状態とし、スイッチＳＷ１とＳＷ２との間を導通状態とする。これにより、ワイヤー５０ｃ（ノードＮ１）からみて、ワイヤー５０ａ、５０ｂは、高インピーダンスとなる。このため、寄生的な線間容量を充放電する経路がなくなり、充放電電流が流れなくなる。このとき、スイッチＳＷ１、ＳＷ２によりワイヤー５０ａ、５０ｂが導通状態とされるため、ワイヤー５０ａ、５０ｂが電気的に接続され、閉回路が形成される。このような制御を行うことにより、刺激部４０が電極指定信号ののノイズの影響を受けにくくなる。なお、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、ワイヤー５０ａ、５０ｂの線間容量が実施的になくなるように動作すればよく、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がフローティング状態とされていてもよい。また、ワイヤー５０ａ、５０ｂからみて高抵抗の素子に接続される動作をする構成とされてもよい。
【００３９】
なお、このようなスイッチＳＷ１，ＳＷ２がオフ状態とされるタイミングを図４を用いてさらに具体的に説明する。図４は模式的タイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は変換ブロック６３にて形成される電気刺激パルス信号の強度又はスイッチのオン・オフ状態を示す。
【００４０】
図示するように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフ状態とされる時間は、変換ブロック６３にて電気刺激パルス信号が出力される時間帯（タイミング）を含むものとされる（図４（ｂ））。
【００４１】
図４（ｂ）では、電気刺激パルス信号の出力時のみにおいてスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフ状態とするものとしたが、これに限るものではない。電気刺激パルス信号が出力されないタイミングで他の信号（電極指定信号等）が伝送するような制御が行われていればよい。例えば、図４（ｃ）に示すように、変換ブロック６３は、１つの電気刺激パルス信号の形成時間前の時間帯において、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を所定時間Ｓだけオン状態とすることもできる。所定時間Ｓは、マルチプレクサ８３が、電極指定信号を受信できるのに充分な時間であり、かつ、電気刺激パルス信号の出力が開始される前（ここでは、直前）の時間帯に設けられる。
【００４２】
図４においては、電気刺激パルス信号として１刺激の例を示したが、実際は前述したような制御が時系列的に並ぶ電気刺激パルス信号の生成の合間に行われることとなる。なお、１刺激を形成する正負のパルスの間に間隔が形成されていてもよい。このような場合であっても１刺激は、正負で形成される１つの電気刺激パルス信号とされる。
【００４３】
以上のようにして、電極から出力される電気刺激パルス信号の正負どちらかへの電荷の偏りを低減できる。これにより、好適な電気刺激を出力できる。また、刺激部へ供給する駆動信号を一時的に遮断することで、体内装置２０全体の消費電力が抑えられる。
【００４４】
次に、このような体内装置２０の設置について説明する。図５は刺激部４０を眼内に埋植した状態を示す概略図である。帰還電極３４は図示するように眼内中央の前眼部寄りの位置に置かれる。これによって、網膜Ｅ１は電極４１と帰還電極３４（不関電極）との間に位置することとなる。よって、電極４１からの電気刺激パルス信号電流が効率的に網膜を貫通することとなる。
【００４５】
一方、受信手段３１は、体外装置１０に設けられた送信手段１４からの信号（電気刺激パルス用データ及び電力）を受信可能な生体内の所定位置に設置される。例えば、図１に示すように、患者の側頭部の皮膚の下に受信部３０（図では受信手段３１のみ示している）を埋め込むとともに、皮膚を介して受信部３０と対向する位置に送信手段１４を設置しておく。受信部３０には、送信手段１４と同様に磁石が取り付けられているため、埋植された受信部３０上に送信手段１４を位置させることにより、磁力によって送信手段１４と受信部３０とが引き合い、送信手段１４が側頭部に保持されることとなる。
【００４６】
なお、ケーブル５１は、側頭部に埋め込まれた受信部３０から側頭部に沿って皮膚下を患者眼に向かって延び、患者の上まぶたの内側を通して眼窩に入れられる。眼窩に入れられたケーブル５１は、図5に示すように強膜Ｅ３の外側を通り、基板４３に設置された刺激制御部４２に接続される。
【００４７】
なお、本実施形態では、体内装置２０（刺激部４０）の設置位置を強膜Ｅ３側に位置させて、強膜Ｅ３側（脈絡膜側）から網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激する構成としたが、これに限るものではない。患者眼の網膜を構成する細胞を好適に刺激することが可能な位置に電極を設置することができればよい。例えば、層間に電極及び基板を設置すればよい。刺激部４０を患者眼の眼内（網膜上や網膜下）に置き、電極が形成されている基板先端部分を網膜下（網膜と脈絡膜との間）や網膜上に設置するような構成とすることもできる。
【００４８】
以上のような構成を備える視覚再生補助装置において、その動作を図６に示す制御系のブロック図を基に説明する。図１に示す撮影装置１２により撮影された被写体の撮影データ（画像データ）は、データ変調手段１３ａに送られる。データ変調手段１３ａは、撮影した被写体を患者が認識するために必要となる所定のデータパラメータ（電気刺激パルス用データ）に変換し、さらに電磁波として伝送するのに適した変調信号に変調し、送信手段１４より電磁波として体内装置２０側に送信する。また同時に、データ変調手段１３ａは、バッテリー１３ｂから供給されている電力を前述した変調信号（電気刺激パルス用データ）の帯域と異なる帯域の電磁波として前記変調信号と合わせて体内装置２０側に送信する。
【００４９】
体内装置２０側では、体外装置１０より送られてくる変調信号と電力とを受信手段３１にて受け取り、制御部３２に送る。制御部３２では受けとった信号から、変調信号が使用する帯域の信号を抽出するとともに、この変調信号に基づいて電気刺激パルス用パラメータ信号と制御信号とを生成し、電極指定信号である制御信号を刺激制御部４２に送信する。このとき、制御部３２では図３の説明で示した各構成ブロックにより、交流信号が生成されており、ワイヤー５０を介して刺激制御部４２に送られる信号はすべて交流信号とされる（電気刺激パルス信号も含む）。
【００５０】
刺激制御部４２では受け取った交流信号に基づき前述した方法により、電力及び電極指定信号を抽出する。刺激制御部４２は、電極指定信号に基づき、制御部３２から供給される電気刺激パルス信号を各電極４１に分配し、出力させる。各電極４１から出力される電気刺激パルス信号によって網膜Ｅ１を構成する細胞が電気刺激され、患者は視覚（擬似光覚）を得る。なお、制御部３２は、受信手段３１により体内装置２０を駆動するための電力を得る。
【００５１】
なお、以上説明した本実施形態では、電力と電極指定等の制御信号を重畳して駆動信号としたが、これに限るものではない。電気刺激パルス信号を伝送しない導線が電気的に高インピーダンス状態にされる構成であればよい。例えば、電力と制御信号を個別の導線で伝送する構成とした場合、電気刺激パルス信号の極性が切り換える際に、電気刺激パルス信号を伝達する導線以外の導線を電気的に遮断し高インピーダンス状態にする構成とすればよい。
【００５２】
なお、以上説明した本実施形態では、導線を伝送される信号は交流信号としたが、これに限るものではない。離れた位置に置かれる第１制御ユニットと第２制御ユニットとで、制御信号、電力等を伝送する構成であればよく、導線を伝送される信号は直流信号であってもよい。この場合も前述と同様に、電気刺激パルス信号の極性が切換える際に、導線を遮断する構成とすればよい。なお、この場合、第１制御ユニットでの交流変換及び第２制御ユニットでの整流が不要となり、装置を小型化できる。
【００５３】
なお、以上説明した本実施形態では、電極４１から出力される電気刺激パルス信号の帰還電極として、帰還電極３４を前眼部に配置し、ワイヤー５５にて受信部３０と接続する構成としたが、これに限るものではない。帰還電極をワイヤーで接続しない構成の体内装置を用いてもよい。例えば、刺激部４０に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】視覚再生補助装置の外観を示した概略図である。
【図２】本実施形態における視覚再生補助装置の体内装置を示した概略図である。
【図３】体内装置の内部構成を模式的に示したブロック図である。
【図４】スイッチング回路のタイミングチャートである。
【図５】体内装置を体内に設置した状態を示した図である。
【図６】視覚再生補助装置の制御系を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 視覚再生補助装置
１０ 体外装置
２０ 体内装置
３０ 受信部
３１ 受信手段
３２ 制御部
３４ 帰還電極
４０ 刺激部
４１ 電極
４２ 刺激制御部
４３ 基板
５０、５５ ワイヤー
５１ ケーブル
６５ 給電ブロック
６６ 刺激回路ブロック
８３ マルチプレクサ
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ、ＳＷｄ スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の視覚を形成する視覚神経系を構成する細胞又は組織を電気刺激するための電気刺激パルス用データと電力を送信する送信手段を持つ体外装置と、
該送信手段から送信される前記電気刺激パルス用データと前記電力を受信する受信手段を有し，該受信手段によって受信された前記電気刺激パルス用データと前記電力に基づいて複数の電極から電気刺激パルス信号を出力する体内装置と、
を備える視覚再生補助装置において、
前記体内装置は、
前記受信手段にて受信された前記電気刺激パルス用データから前記電気刺激パルス信号と該電気刺激パルス信号が出力される電極を指定する電極指定信号とを生成し前記電気刺激パルス信号と電極指定信号とを各々異なる導線を用いて送信する第１制御ユニットと、
該第１制御ユニットと離れた位置に置かれ，前記第１制御ユニットから前記導線を介して送られる前記電気刺激パルス信号及び前記電極指定信号に基づいて前記複数の電極から前記電気刺激パルス信号を出力する第２制御ユニットと、
を有し、
前記第１制御ユニットは、
前記電気刺激パルス信号の１刺激における極性を切換え双極性の電気刺激パルス信号を生成し出力する刺激出力回路と、
該刺激出力回路による少なくとも１刺激の出力期間中，前記第２制御ユニットへの前記電極指定信号の伝送を停止するためのスイッチング回路と、
を有することを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項２】
請求項１の視覚再生補助装置において、前記第１制御ユニットは前記刺激出力回路による前記電気刺激パルス信号の出力期間中以外のタイミングで前記電極指定信号を前記第２制御ユニットに送信することを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項３】
請求項２の視覚再生補助装置において、前記導線は、前記電気刺激パルス信号の送信用線として少なくとも1本，前記電極指定信号用線として少なくとも２本、これらの合計として少なくとも３本の導線であり、各導線は絶縁性材料にて被覆された状態で1本のケーブルとして束ねられていることを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの視覚再生補助装置において、
前記スイッチング回路は、前記電極指定信号用線をフローティング状態にして前記電極指定信号の伝送を停止することを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの視覚再生補助装置において、
前記スイッチング回路は、前記電極指定信号用線を導通することにより閉回路を形成して前記電極指定信号の伝送を停止することを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの視覚再生補助装置において、前記第１制御ユニットは前記第２制御ユニットを駆動するための電力に、前記電極指定信号を重畳して伝送することを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項１】
患者の視覚を形成する視覚神経系を構成する細胞又は組織を電気刺激するための電気刺激パルス用データと電力を送信する送信手段を持つ体外装置と、
該送信手段から送信される前記電気刺激パルス用データと前記電力を受信する受信手段を有し，該受信手段によって受信された前記電気刺激パルス用データと前記電力に基づいて複数の電極から電気刺激パルス信号を出力する体内装置と、
を備える視覚再生補助装置において、
前記体内装置は、
前記受信手段にて受信された前記電気刺激パルス用データから前記電気刺激パルス信号と該電気刺激パルス信号が出力される電極を指定する電極指定信号とを生成し前記電気刺激パルス信号と電極指定信号とを各々異なる導線を用いて送信する第１制御ユニットと、
該第１制御ユニットと離れた位置に置かれ，前記第１制御ユニットから前記導線を介して送られる前記電気刺激パルス信号及び前記電極指定信号に基づいて前記複数の電極から前記電気刺激パルス信号を出力する第２制御ユニットと、
を有し、
前記第１制御ユニットは、
前記電気刺激パルス信号の１刺激における極性を切換え双極性の電気刺激パルス信号を生成し出力する刺激出力回路と、
該刺激出力回路による少なくとも１刺激の出力期間中，前記第２制御ユニットへの前記電極指定信号の伝送を停止するためのスイッチング回路と、
を有することを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項２】
請求項１の視覚再生補助装置において、前記第１制御ユニットは前記刺激出力回路による前記電気刺激パルス信号の出力期間中以外のタイミングで前記電極指定信号を前記第２制御ユニットに送信することを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項３】
請求項２の視覚再生補助装置において、前記導線は、前記電気刺激パルス信号の送信用線として少なくとも1本，前記電極指定信号用線として少なくとも２本、これらの合計として少なくとも３本の導線であり、各導線は絶縁性材料にて被覆された状態で1本のケーブルとして束ねられていることを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかの視覚再生補助装置において、
前記スイッチング回路は、前記電極指定信号用線をフローティング状態にして前記電極指定信号の伝送を停止することを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの視覚再生補助装置において、
前記スイッチング回路は、前記電極指定信号用線を導通することにより閉回路を形成して前記電極指定信号の伝送を停止することを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの視覚再生補助装置において、前記第１制御ユニットは前記第２制御ユニットを駆動するための電力に、前記電極指定信号を重畳して伝送することを特徴とする視覚再生補助装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１８７７４７（Ｐ２０１０−１８７７４７Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３２７９２（Ｐ２００９−３２７９２）
【出願日】平成２１年２月１６日（２００９．２．１６）
【出願人】（０００１３５１８４）株式会社ニデック (745)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１６日（２００９．２．１６）
【出願人】（０００１３５１８４）株式会社ニデック (745)
【Ｆターム（参考）】
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