JP2006517828A - 眼球内の光電池から電力が供給される自給型の人工網膜 - Google Patents

Abstract

本発明に係る人工網膜は、眼球内の周辺光だけが照射される光電池から電力が供給される自給型の人工網膜である。光電池は網膜に近接して配置される。又は、光電池は、眼球の前房に配置される。また、周辺光からの発電可能電力に基づいて、人工網膜における電圧を加えるピクセルの数を選択することにより、明るさに順応することが可能な人工網膜を提供することができる。

Description

本発明は、一般的に、人工神経に関する。より詳細には、本発明は、人工網膜に電力を提供することに関する。

先進国における失明の主要原因は、加齢性黄斑変性症（Age-related Macular Degeneration：AMD）である。ＡＭＤは、光受容体（すなわち、桿体（rod）と錐体（cone））を損傷させる病気である。しかし、ＡＭＤは、一般的に、網膜の他の部位は損傷させない。したがって、ＡＭＤ（及び、同じく光受容体を損傷させる網膜色素変性などの他の病気）を治療するための一つの方法としては、正常な光受容体と同じ機能（すなわち、視覚入力に対応して、網膜内神経組織を選択的に刺激する）を提供する人工網膜を移植することがある。

このような人工網膜は、（１）視覚映像を受像する機能と、（２）受像した視覚映像に対応して網膜の網膜神経組織を選択的に刺激する機能を実行する。光信号の電気的検出と、神経細胞の電気刺激は両方とも知られているので、多くの場合、これらの両方の機能は電気的に行われる。しかしながら、従来の技術では、以下の例から明らかなように、人工網膜に十分な電力を提供することができないという問題があった。

一般的に、神経細胞を刺激する電極の半径ｒ_０は約５μｍである。抵抗値γを有する媒体の無限領域における、半径ｒ_０の電極と、（仮想の）大きい電極との間のインピーダンスＲはγ／（２πｒ_０）である。この例では、抵抗値γを７０Ωｃｍと仮定する。これは、標準食塩水の抵抗値と同じであり、インビボでの予測される代表的な抵抗値である。したがって、この例における電極の抵抗Ｒは２２ｋΩである。

電極と接触する長さＬの細胞を横切る電圧降下ΔＵを発生させるのに必要とされる電極電位Ｕ（無限領域に対する）はΔＵ（ｒ_０＋Ｌ）／Ｌである。細胞長Ｌを１０μｍ、標準的な細胞脱分極電圧を３０ｍＶと仮定すれば、この例では、細胞を脱分極させるのに、電極では、電位Ｕ＝４５ｍＶと電流Ｉ＝２μＡが必要である。この例での電流が流れている間の電力損失Ｐ＝Ｉ^２Ｒ＝Ｕ^２／Ｒは、約０．３５μＷである。電極のサイズｒ_０が増加すると、Ｒが減少し、一定のΔＵのためのＵが増加するので、必要な電力も増加する。

晴れた日の屋外では、網膜上における周辺光（ambient light）の電力束は、一般的には約０．９μＷ／ｍｍ^２である。光電池によって光（optical power）から電力を生成する変換効率は約３０％である。したがって、網膜が使用できる電力は約０．３μＷ／ｍｍ^２である。黄斑の範囲は約９ｍｍ^２である。そのため、黄斑サイズの光電セルから電力が供給される人工網膜は、約８個の電極を作動させる電力しか得られない。約８個という電極の数は、患者に適切な視力を与えるために必要な電極数よりも、はるかに少ない。この理由により、一般的に、人工網膜への電力は外部から供給される。そのための既知の方法としては、人工網膜の眼球内の一部に組み込まれているＲＦ受信機に、高周波電力（radio frequency (RF) power）を無線伝達する方法や、人工網膜に接続される眼球内の光電池に光を伝達する方法である。光を伝達する際の光源は、一般的に、患者が装着した眼鏡又はゴーグルに取り付けられたレーザである。そのような方法の例としては、Shireらによる米国特許第6,324,429号、Nischらによる米国特許第6,298,270号、及びMichelsonによる米国特許第4,628,933号がある。これらの従来技術の一部では、人工網膜の外部ユニットが、人工網膜の眼球内ユニットへの電力と電気的な画像データを提供するものもある。他の場合では、外部ユニットは電力だけを提供し、眼球内ユニットが視像を網膜内の神経細胞を駆動させるための電気的フォームに変換する。どちらの場合でも、そのような従来技術の人工網膜は、少なくとも、眼球内ユニットに電力を供給する外部ユニットを必要とする
したがって、従来にはない、外部ユニットを必要としない、完全に自律した電気的な人工網膜が求められている。

本発明は、眼球内の周辺光（ambient light）だけが照射される光電池から電力が供給される自給型の人工網膜を提供する。ある実施形態では、光電池は網膜に近接して配置される。他の実施形態では、光電池は、前記眼球の前房に配置される。他の実施形態では、周辺光からの発電可能電力に基づいて、人工網膜における電圧を加えるピクセルの数を選択することにより、明るさに順応することが可能な人工網膜を提供する。本発明に係る人工網膜の利点は、眼球内ユニットに電力又は画像データを供給する外部ユニットを必要としない自給型の人工網膜を提供することにある。

図１は、本発明に係る人工網膜の一実施形態を示す図である。本発明に係る人工網膜は、網膜１２０を有する眼球の内部に配置される。図１に示すように、刺激アレイ１３０は、望ましくは網膜１２０の中心領域に配置される。光電池１１０は、網膜１２０に配置され、望ましくは網膜１２０の黄斑領域の外側に配置される。光電池１１０は、周辺光（ambient light）だけを受光し、周辺光に反応して電力を生成する。周辺光としては、人工網膜に電力を提供する光源からの光以外は、他の全ての光を含む。光電池１１０は互いに及び刺激アレイ１３０に電気的に接続されており、光電池１１０で生成された電力は刺激アレイ１３０で利用できる。そのような接続は、任意の都合の良い方法で行うことができ、本発明は、図１に示した特定の配置には限定されない。光電池１１０は、網膜上又は網膜下に配置できる。同様に、刺激アレイ１３０も、網膜上又は網膜下に配置できる。

光電池１１０は眼球の後極部の半球を覆うことができる。眼球の内径が１７ｍｍ、対応する半球の表面積が９０７ｍｍ^２と仮定する。そのような表面積は（均一に受光した場合）、上述した例に基づくと、約７７０個のピクセルに電力を供給するのに十分である、約２７０μＷの電力を生成できる。ある程度の周辺視野が見えるように、図１に示すように、網膜１２０の周辺領域を完全に覆うのを避けるために、光電池１１０は互いに離れている。

図２は、本発明に係る、眼球の前房内に少なくとも１つの光電池２１０を有する人工網膜の一実施形態を示す図である。光電池２１０は、ワイヤ２２０を介して刺激アレイ１３０と電気的に接続されている。本発明は、図２に示す光電池２１０と刺激アレイ１３０とを結ぶワイヤ２２０の特定の経路には限定されない。図２の配置は、光電池２１０の面積を眼球の瞳孔よりも大幅に広くできるので、図１に示す配置よりもはるかに大きな電力を生成できる。例えば、光電セル２１０の範囲が直径１ｃｍの円であり、瞳孔の直径が２ｍｍであれば、瞳孔を通過する光の２５倍の光が光電セル２１０に入射する。図１に示した例を続けると、図２の配列では、約１９，０００個のピクセルに電力を供給するのに十分である、約６．７５ｍＷの電力を生成できる。また、光電池２１０は、眼球内の任意の位置に配置できる（例えば、基質内インプラントを介して、眼球の角膜内に配置できる）。

図３は、刺激アレイ１３０を概略的に示す図である。刺激アレイ１３０は複数のセグメントを含む（各セグメントは点線で区切られている）。各セグメントは、光電性回路３２０と電極３１０を有する（電極３１０は対応する光電性回路３２０と接続している）。刺激アレイ１３０のセグメントは、ピクセルとも呼ばれる。電極３１０は、網膜神経細胞（図３では図示していない）に近接して配置される。光電性回路３２０は画像光（image light）３３０を受光し、対応する電極３１０を駆動させる。電極３１０は、次々に、電極３１０に近接する網膜神経細胞を刺激する。なお、画像光とは、眼球の網膜１２０で形成された画像からの光である。

図３は、インプラントの表側（すなわち受光側）にある電極３１０の配置を示している。この配置は、光がインプラントを通り抜けて網膜に達する場合に、網膜下移植に適している。なお、インプラントが網膜上にある網膜上インプラントの場合は、電極は望ましくは入射面と反対側の面に配置される
また、本発明は、一般的に図３と関連して説明される、様々な刺激アレイ１３０で実施することができる。周辺光から得られる電力は限られているので、刺激アレイ１３０に必要とされる電力を低減することが望ましい。

図４は、好ましい刺激アレイ１３０のセグメントを示す。図４に示すセグメントは、ウエハ４７０によって隔てられた、アドレス可能な電極４２０と共通電極４３０とを有している。共通電極４３０は、好ましい刺激アレイ１３０の全てのセグメントについても同じである。電界４４０は、ウエハ４７０のホールに移動した細胞４１０を横断している。そのような移動は、細胞の自然な生理的反応であり、それらの細胞のための栄養素の存在、インプラントの表面の形態、及び／又はウエハ４７０のホールの大きさに依存する。随意的に、神経細胞の移動又は成長を増進（又は減少）させるために、成長（又は抑制）因子が含まれる。そのような適切な因子としては、脳由来神経栄養因子（brain-derived neurotrophic factor：BDNF）、毛様体神経栄養因子（ciliary neurotrophic factor：CNTF）、ホルスコリン（Forskolin）、ラミニン（laminin）、Ｎ−ＣＡＭ、及び修飾Ｎ−ＣＡＭがある（ただし、これらに限定されるものではない）。

ウエハ４７０に組み立てられた光電性回路４６０は、電極４２０及び４３０に接続される。スペーサ層４８０は、アドレス可能電極４２０の側面を取り囲み、ウエハ４７０のホールと一致するホールを有している。したがって、ウエハ４７０と、電極４２０が配置されたスペーサ層４８０との両方を貫通するチャンネルが形成される。ストップ層４９０はスペーサ層４８０に取り付けられ、細胞４１０がホールを通り抜けて完全に自由に移動するのを防止する。したがって、ストップ層４９０の開口部（又は、随意的に複数の開口部）の直径は、望ましくは約５ミクロン未満である。この範囲の直径は、細胞移動を防止するのに適している。回路４６０は細胞４１０にパルス刺激を与える。このパルス刺激は、必要電力を消費する。細胞４１０のパルス刺激は、与えられるパルスの間隔が十分に短いと、継続的な視角入力として認識される。視角現象の持続は、標準的なテレビ及びビデオ・アプリケーションにも活用される。適切なパルス幅は、当該技術分野で既知のように、約０．０１ｍｓ〜約１０ｍｓの間である。そして、適切な繰返し率は、約２５〜８０Ｈｚの間である。細胞の刺激後の回復時間は約１０〜２０ｍｓなので、前記繰返し率は継続的又はほぼ継続的な受光（illumination）と見なされる。パルス幅１ｍｓ及び繰返し率２５Ｈｚ（テレビやビデオの標準的な繰返し率である）のための負荷サイクルは０．０２５なので、電極で消費される電力は持続的刺激モードのときよりも４０倍削減される。したがって、パルスモードでは、図１の配列の例では、約３１，０００個のピクセルを作動させることができ、図２の配列の例では、約７６０，０００個のピクセルを作動させることができる。

望ましくは、眼球内光電池から電力を供給される１つのトリガー回路が、全ての光電性回路４６０にパルストリガー信号４６２を提供する。そして、光電性回路４６０は対応する電極４２０にパルスを提供し、電極４２０はパルス刺激を、局部的な光度に応答する網膜神経細胞４１０に次々に提供する。そのようなトリガーは、当該技術分野では周知であるＣＣＤアレイのパルス読出しに類似している。

トリガー回路が光電池と一体化されている場合は、光電池と刺激アレイ１３０との間で、４つの電気的接続（電力ライン４６４、４６６、トリガーライン４６２及びリターンライン（図示せず））がなされる。電力ライン及びトリガーラインは、ワイヤと接続する。一方、リターン接続は、ワイヤや、導電性体内組織及び／又は液を介して接続する。他の方法として、光電性回路４６０がトリガーパルスの持続期間中にのみ電力を受け取るように、電力ライン４６４・４６６を使用してトリガーする方法もある。この場合、光電池と刺激アレイ１３０との間では、電力及びリターンラインだけが必要とされる。

細胞４１０をパルス刺激することによって、必要電力を削減することに加えて、図４の実施形態は、電極の構造を改良することにより、必要電力を削減する。ストップ層４９０は電気的に絶縁されているため、電極４２０と無限領域との間のインピーダンスを増大させる傾向にある。電極４２０のインピーダンスは、Ｌ_１＝Ｄ＝１０μｍと仮定すれば（Ｄはチャンネルの直径、Ｌ_１は層４７０内のチャンネルの長さ）、Ｒ＝γＬ_１（πＤ^２／４）＝９０ｋΩである。高インピーダンスの電極を駆動するために必要な電力は小さいので、ピクセルあたりの電力消費量は、電極のインピーダンスが２２ｋΩの場合よりも、約４倍削減される。さらに、図４の電極４２０及び４３０は、大体、平行板コンデンサーとして動作する。これは、細胞４１０を消極するために、細胞４１０を横切る３０ｍＶを得るためには、電極４２０と電極４３０との間で３０ｍＶの電位差だけが必要とされることを意味する。したがって、ウエハ４７０の厚さは、およそ約体内細胞４１０の大きさである、約５〜１５ミクロンであることが望ましい。電極の構造は基本的には球状と仮定する前述した例では、細胞を横切る１００ｍＶを得るためには、電極では４５ｍＶ必要であった。しかし、電圧のパワースケールは２乗（squared）なので、電極の構造を球状構造から平行板構造に変えることにより、ピクセルあたりの電力消費量は約２倍削減される。

したがって、図４の実施形態では、継続的な刺激にはピクセルあたり４３ｎＷが必要であり、図３を参照して説明したように、パルス刺激にはピクセルあたり１ｎＷが必要である。図１に示した光電池１１０は、周辺光だけを使用して、約２５０，０００個のピクセルをパルス刺激する電力を提供できる。前述したように、眼球の前房内における光電池の位置は、ピクセルの数を約２５倍の６百万個まで増加させることができる。

電極を長期にわたって移植するためには、電極の電解質界面で電気化学反応が行われないことを確実にすることが望ましい。そのような電気化学反応は、体液中への毒性化学物質の蓄積や、電極の腐食をもたらす。そのような反応は、ＤＣ電流、又はインターフェースに形成された電気的二重層の充電／放電によって引き起こされる。電気的二重層の標準的なキャパシタンスは、１０〜２０μＦ／ｃｍ^２である。

したがって、望ましい電極刺激には２つの状態がある。（１）電極に正価のＤＣ電流を提供しない。（２）パルス幅は、二重層の時定数と同程度又は未満である。状態（１）は、二相性電荷収支パルス（biphasic charge-balanced pulse）で電極を駆動することにより満たされる。各二相パルス伝達は正価の電流を伝送しないので、連続した二相性パルスはゼロＤＣ電流を与える。状態（２）については、次の例により説明する。図４の電極４２０は、内径が１０μｍ、外径が２０μｍ、表面積が２３６μｍ^２と仮定する。二重層のキャパシタンスが１０μＦ／ｃｍ^２であると仮定すれば、この電極の二重層のキャパシタンスは２４ｐＦである。９０ｋΩのレジスタと接続する２４ｐＦのキャパシタのＲＣ時定数は、約２μｓである。これは、神経細胞の刺激に必要な最小限のパルス幅であるｍｓ（ミリ秒）よりも大幅に短い。したがって、この例では、神経細胞を刺激するのに十分に長いパルスは、電極４２０で電気化学反応を引き起こす。

そのような電気化学の問題を避けるために、細胞刺激パルス幅と大体同じ時定数を提供するため、電極４２０（必要ならば電極４３０も）の二重層容量を増加させることが望ましい。これを実現するため、電極４２０（及び随意的に電極４３０）を表面積の広い材料で被覆する。例えば、表面積が約１０００ｍ^２／ｇのカーボンブラックが、二重層容量を増加させるための被覆材料に適している。そのような被膜するための他の適切な材料としては、プラチナブラック、酸化イリジウム、及び塩化銀などがある。カーボンブラックは、２３６μｍ^２の表面積を、０．５μｍの厚みで被覆する。カーボンブラックの密度を約１ｇ／ｃｍ^３を仮定すると、二重層容量が１１ｎＦとなる適切な範囲を提供する。それによって、時定数は約１ｍｓに増加するので、約１ｍｓの幅でプラス及びマイナス刺激する二相性電流パルスは、好ましくない電気化学反応を引き起こさない。

図５は、変化する周辺光のレベルに順応する本発明に係る人工網膜の一実施形態を示す。周辺光から利用できる電力はいろいろな大きさに変化し、各ピクセルには十分な一定量の電力が必要なので、周辺光レベルの変化に対する順応は、電圧が加えられたピクセルの数の変化を伴う。図５は、刺激アレイ５５０の概略的な上面図を示す（眼球の中を覗き込んだときの図である）。刺激アレイ５５０は、ピクセル・アレイ５３０（各ピクセルは黒点で示す）と、ピクセル・サブアレイ５４０（各ピクセルは×で示す）を含む。眼球内光電池５１０は、制御回路５２０と接続しており、電力を提供する。制御回路５２０は、光電池５１０から得た電力に基づいて、電圧を加えるピクセル・サブアレイを選択する。例えば、比較的多量の電力が得られた場合は、サブアレイ５３０及び５４０の両方に電圧を加える（或いは、サブアレイ５３０のみに電圧を加える）。逆に、比較的少量の電力しか得られなかった場合は、サブアレイ５４０にのみ電圧を加える。電圧を加えるサブアレイを選択するための適切な方法は、刺激されたピクセルあたりの電力が既定の値を下回らないことを条件にして、刺激するピクセルの数を最大にすることである。

図５の例では、小さなサブアレイ（サブアレイ５４０）を、大きなサブアレイ（サブアレイ５３０内に）内に実質的に均一に分布させることが望ましい。この配置では、周辺光のレベルが減少するにつれて、光の分解度が減少する。サブアレイ５４０が、刺激アレイ５５０の範囲の一角に位置している場合は、好ましくないことに、視野は狭くなる。望ましくは、制御回路５２０は刺激アレイ５５０と一体化させて１つのユニットにする。例えば、制御回路５２０は、刺激アレイ５５０の周辺に配置することができる。説明を簡略化するために、図５の例では、２つのピクセルしか示していないが、本発明を実施する際は、任意の数のピクセル・サブアレイを使用することができる。各サブアレイ中のピクセルの数は、約１０倍（又は任意の倍数）異なる。

図４の実施形態に戻って、図１の例では約２５０，０００個のピクセルが光電池から電力を供給されるが、図４の例では、眼球の前房で約６百万個のピクセルが光電池から電力を供給される。これらの推測は、網膜上における周辺光の電力束は約０．９μＷ／ｍｍ_２と仮定する（晴れた日の屋外）。しかしながら、視覚機能性が十分であるため条件は、それほど多数のピクセルは必要としない。例えば、２０／８０の視力を提供するためには、約２，５００ピクセル／ｍｍ^２が必要である。また、２０／２００の視力を提供するためには、約４００ピクセル／ｍｍ^２が必要である。直径約３ｍｍのインプラントは、約１０度の視野を提供する。したがって、１０度の視野で、２０／８０の視力を提供するためには、約１８，０００個のピクセルが必要である。また、１０度の視野で、２０／２００の視力を提供するためには、約３，０００個のピクセルが必要である。

したがって、図５の実施形態は、周辺光が減少した条件下で（屋外の日光よりもかなり暗い周辺光で）、十分な視力を提供する。さらに、周辺光が増加すると、視力及び／又は視野も増加する。

本発明に係る、網膜の周辺に配置された光電池を有する人工網膜の一実施形態を示す図である。 本発明に係る、眼球の前房内に少なくとも１つの光電池を有する人工網膜の一実施形態を示す図である。 刺激アレイを概略的に示す図である。 好ましい刺激アレイのセグメントを示す図である。 変化する周辺光のレベルに順応する本発明に係る人工網膜の一実施形態を示す図である。

Claims (23)

1. （ａ）周辺光だけが照射されるように眼球内に配置された光電池と、
   （ｂ）前記光電池から電力が供給されるように前記眼球の網膜に近接して配置された刺激アレイとを含む人工網膜であって、
   前記刺激アレイは、
   （ｉ）近接する神経細胞を刺激する電極と、
   （ｉｉ）受光した画像光に応答して、前記電極に対する刺激を生成する光電性電気回路とを有するセグメントを複数個有することを特徴とする人工網膜。
2. 請求項１に記載の人工網膜であって、
   前記光電池は、前記網膜に近接して配置されることを特徴とする人工網膜。
3. 請求項１に記載の人工網膜であって、
   前記光電池は、前記網膜の黄斑から離れて配置されることを特徴とする人工網膜。
4. 請求項３に記載の人工網膜であって、
   前記網膜の一部の周辺視野が前記光電池によって妨げられないように、前記光電池は互いに離れていることを特徴とする人工網膜。
5. 請求項１に記載の人工網膜であって、
   前記光電池は、前記眼球の前房に配置されることを特徴とする人工網膜。
6. 請求項５に記載の人工網膜であって、
   前記光電池は、前記眼球の虹彩の前に配置されることを特徴とする人工網膜。
7. 請求項１に記載の人工網膜であって、
   前記刺激は、パルス刺激であることを特徴とする人工網膜。
8. 請求項７に記載の人工網膜であって、
   前記パルス刺激は、二相性パルス刺激であることを特徴とする人工網膜。
9. 請求項１に記載の人工網膜であって、
   前記電極を表面積の広い材料で被覆して、前記電極の二重層容量を増加させたことを特徴とする人工網膜。
10. 請求項９に記載の人工網膜であって、
    前記材料は、カーボンブラック、プラチナブラック、酸化イリジウム、又は塩化銀であることを特徴とする人工網膜。
11. 請求項１に記載の人工網膜であって、
    前記刺激アレイは、前記セグメントのサブアレイを、複数個有することを特徴とする人工網膜。
12. 請求項１１に記載の人工網膜であって、
    前記周辺光のレベルに基づいて、電圧を加えるサブアレイを選択する回路をさらに含むことを特徴とする人工網膜。
13. 請求項１に記載の人工網膜であって、
    前記各セグメントは前記電極が配置されるチャンネルをさらに有し、
    前記チャンネルは該チャンネル内で前記網膜の神経細胞が移動するのを促進させることを特徴とする人工網膜。
14. 請求項１に記載の人工網膜であって、
    前記複数個のセグメントは、少なくとも３０００個のセグメントであることを特徴とする人工網膜。
15. 網膜を刺激する方法であって、
    （ａ）眼球の内部に配置された光電池に周辺光だけを照射して電力を発生させるステップと、
    （ｂ）電極及び該電極と接続する光電性電気回路から成るセグメントを複数個有し、前記眼球の網膜に近接して配置された刺激アレイに、前記電力によって電圧を加えるステップと、
    （ｃ）前記光電性電気回路が画像光を受光するステップと、
    （ｄ）前記受光した画像光に応答して、前記電極に近接する神経細胞を刺激するステップとを含む方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、
    前記刺激は、パルス刺激であることを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、
    前記パルス刺激は、二相性パルス刺激であることを特徴とする方法。
18. 請求項１５に記載の方法であって、
    前記刺激アレイは、前記セグメントのサブアレイを、複数個有することを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、
    前記周辺光のレベルに基づいて、電圧を加えるサブアレイを選択するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、
    前記選択ステップは、電圧が加えられたセグメント数によって分配される電力が既定の値以上になることを条件にして、電圧を加えるセグメントの数を最大にすることを特徴とする方法。
21. 請求項１５に記載の方法であって、
    前記各セグメントは、前記電極が配置されるチャンネルをさらに有することを特徴とする方法。
22. 請求項２１に記載の方法であって、
    前記チャンネルは、前記網膜の神経細胞を前記チャンネル内に移動させること特徴とする方法。
23. 請求項２１に記載の方法であって、
    前記チャンネルは、前記網膜の神経細胞が前記チャンネル内に移動するのを促進させること特徴とする方法。

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