JP2007097630A

JP2007097630A - 視覚再生補助装置

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Publication number: JP2007097630A
Application number: JP2005287948A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Terasawa; 靖雄寺澤
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP4827480B2

Abstract

【課題】複数の電極から同時に刺激を行っても電極間に電流が流れることなく、好適に視覚の再生を行うことができる視覚再生補助装置を提供すること。
【解決手段】網膜を構成する細胞を電気刺激することにより視覚を再生する視覚再生補助装置において、網膜を構成する細胞を電気刺激するための複数の電極と、該複数の電極から電気刺激パルス信号を出力するための制御部と、を備え、第１の電極から前記電気刺激パルス信号を出力している間に第２の電極から電気刺激パルス信号を出力させる場合において，前記制御部が前記第１の電極の電極電位と第２の電極の電極電位が等しくなるように前記電気刺激パルス信号の出力を制御すること。
【選択図】図２

Description

本発明は視覚再生のため、体内に設置される視覚再生補助装置に関する。

近年、失明治療技術の一つとして、電極等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、体外にて撮像された映像を光信号や電波信号に変換した後、体内に設置された体内装置に送信し、電極から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）。このように電極からの電気刺激パルス信号を用いて視覚の再生を促す場合、より明確な視覚を得るためには電極の数を多くするとともに、高いフレームレートを確保させておく必要がある。
特開２００４−２９８２９８号公報

このような視覚再生補助装置において電極を多数配置しつつ、ある程度のフレームレートを維持するためには、複数の電極から同時に刺激パルス信号を出力させる必要がある。しかしながら、複数の電極で同時刻の刺激を行う場合、刺激電流の強度差によって、電極間で電流が流れ易い。これによって、刺激電流同士の干渉が起こりやすくなり、視覚の再生に影響を及ぼすこととなる。
上記従来技術の問題点に鑑み、複数の電極から同時に刺激を行っても電極間に電流が流れることなく、好適に視覚の再生を行う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。

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）網膜を構成する細胞を電気刺激することにより視覚を再生する視覚再生補助装置において、網膜を構成する細胞を電気刺激するための複数の電極と、該複数の電極から電気刺激パルス信号を出力するための制御部と、を備え、第１の電極から前記電気刺激パルス信号を出力している間に第２の電極から電気刺激パルス信号を出力させる場合において，前記制御部が前記第１の電極の電極電位と第２の電極の電極電位が等しくなるように前記電気刺激パルス信号の出力を制御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、前記制御部は前記第１及び前記第２の電極を前記制御部に対して並列に接続させた状態で前記両電極から前記電気刺激パルス信号を出力させることにより、前記第１及び前記第２の電極の電極電位を等しくさせる制御を行うことを特徴とする。
（３）（２）の視覚再生補助装置において、前記制御部は前記網膜を構成する細胞に対する刺激強度を変えるために、印加電圧を一定としつつ電極から出力される電気刺激パルス信号の持続時間を変更することにより注入電荷量を変えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の電極から同時に刺激を行っても電極間に電流が流れることなく、好適に視覚の再生を行うことができる。

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は実施の形態で使用する視覚再生補助装置における体内装置を示す図、図３は制御系のブロック図である。

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。

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を駆動させ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。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。

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。

図２に示す体内装置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より受け取るための受信部３０と、網膜を構成する細胞を電気刺激するための刺激部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ともに、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対応する電極を指定する電極指定信号に変換し、刺激部４０へ送信するための役割を有している。また、制御部３２は、電力損失をできるだけ少なくするとともに、２相性のパルス信号（例えば、電圧が＋側と−側の波形となる双極性のパルス信号）において１刺激ごとにプラスとマイナスの電荷バランスを保つことのできる回路構成となっている。つまり、制御部３２は、網膜を構成する細胞への注入電荷量をプラス側とマイナス側で相殺する制御を行う構成となっている。これにより、網膜を構成する細胞に対するイオンバランス差によるダメージを低減できる。

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。また、３４は不関電極である。

また、刺激部４０には、電気刺激パルス信号を出力する電極４１、刺激制御部４２、参照電極４４が設けられている。各電極４１及び参照電極４４は、刺激制御部４２に接続されている。この接続形態は後で説明する。刺激制御部４２は、制御部３２から送られてきた電極指定信号に基づいて、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役目を果たす。参照電極４４は電極４１の電極電位を計測するための基準となる電極である。参照電極４４は電極４１と同程度のサイズ以上で作製されることが好ましい。参照電極４４には、生体適合性が高く、電極電位の安定性が高い金属、例えば、銀塩化銀、酸化イリジウム等が用いられる。また、電極４１には生体適合性が高い貴金属、例えば金や白金が用いられる。電極４１及び参照電極４４は基板４３上に形成され、刺激制御部４２は基板４３にフリップチップ実装されている。基板４３は、ポリプロピレンやポリイミド等、生体適合性が高く、所定の厚さにおいて折り曲げ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４３上に電極４１と参照電極４４とが配置され、さらにリード線４３ａにて刺激制御部４２、と電気的に接続されている。

また、受信部３０と刺激部４０とは複数のワイヤー５０によって電気的に接続されている。ワイヤー５０は生体適合性の良い貴金属を用いている、また、複数のワイヤー５０は、取り扱いが容易となるように、チューブ５１によって一つに束ねられている。なお、各ワイヤー５０は接続部分を除いて絶縁被膜が施されている。

このような構成を備える体内装置２０は、患者の体内の所定位置に設置される。図４は患者眼Ｅに刺激部４０を設置した一例を示す図である。図示するように、基板４３上に形成される電極４１を脈絡膜Ｅ２に接触させた状態で、基板４３の一部は、強膜Ｅ３と脈絡膜Ｅ２との間に設置される。また、基板４３の刺激制御部４２部分は、強膜Ｅ３の外側に置かれる。この基板４３の設置は、強膜Ｅ３の一部を切開して強膜ポケットを形成させておき、この強膜ポケット内（脈絡膜Ｅ２の外側）に基板４３の電極部分を挿入し設置後、縫合等により基板４３を固定することにより行われる。

なお、不関電極３４は図示するように眼内中央の前眼部よりの位置に置かれる。これによって、網膜Ｅ１は電極４１と不関電極３４（対向電極）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が効率的に網膜を通ることとなる。

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信号及び電力）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とを設置しておく。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とがくっつき合い、送信手段１４が側頭部に保持されることとなる。

なお、ワイヤー５０を束ねるチューブ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。眼窩に入れられたチューブ５１は、図４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。

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、体内装置を患者眼の眼内（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）や網膜上に設置させるような構成とすることもできる。

また、本実施形態では、刺激部４０で参照電極４４を使用する構成としたが、これに限るものではない。参照電極４４を刺激部４０に設けず、不関電極３４が参照電極４４の機能を兼ねる構成としてもよい。

次に、本実施形態の模式回路と動作について説明する。図５は、電極４１と不関電極３４及び参照電極４４の接続を示す模式回路図である。図６は各電極４１でのタイミングチャートを示す図である。４２ａは電源で、４２ｂはスイッチ部である。電源４２ａは、刺激制御部４２において電気刺激信号パルス信号の出力時の電源となるものを模式的に示したものである。スイッチ部４２ｂは、刺激制御部４２の内部に組み込まれるもので、刺激制御部４２の制御を受けて、電源４２ａと接続される各電極４１ａ、４１ｂのオン・オフを切り換える機能を持つ。４１ａ、４１ｂは電極４１の電極であり、ここでは、それぞれ電極Ａ（第１の電極）、電極Ｂ（第２の電極）とする。３４は不関電極、４４は参照電極である。不関電極３４は、図２、図３では、制御部３２に接続されているが、ここでは、模式的に電源４２ａに接続されるものとする。電極４１ａ、４１ｂは、それぞれ電源４２ａに並列に接続される。電極４１ａ、４１ｂは共に、不関電極３４、参照電極４４を対となる電極としている。

スイッチ部４２ｂは、電気刺激パルス信号が電極４１ａ、４１ｂのいずれか又は両方から出力される時に、スイッチの開閉が制御される。このスイッチング制御は、それぞれのスイッチで行われる。ここで、一方の電極で電気刺激を行う場合を想定する。スイッチが「開」の状態だと、先に述べた、高入力抵抗状態となり、他方の電極から電気刺激パルス信号が出力されても、「開」状態のスイッチに電流が流れ込むことはない。つまり、電極を回路から切り離すこと（オープン状態にすること）により、高入力抵抗（ハイインプットインピーダンス）状態を実現している。次に、２つの電極から同時に電気刺激を行う場合を想定する。スイッチ部４２ｂの両方が「閉」状態となった場合は、電極４１ａ、４１ｂが、共に電源４２ａに並列接続状態となる。このとき、電極４１ａ、４１ｂのそれぞれの電極電位は、参照電極４４（不関電極３４でもよい）に対して、等しくなる。このため、電極４１ａと電極４１ｂ間で電位差が生じず、この電極間で電流が流れることがない。

次に、電極４１より出力される電気刺激パルス信号のタイミングチャートの一例について説明する。図６の上段が電極Ａのタイミングチャートを示し、下段が電極Ｂのタイミングチャートを示す。各チャートの横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。ここで、電極Ａと電極Ｂで同時（同時刻）に２相性の電気刺激パルス信号を出力する場合を考える。なお、図６では、プラス側とマイナス側の矩形波で、一つの刺激を構成している。ここで図６における縦軸は、参照電極４４と刺激電極４１の電位差、すなわち、刺激電極４１の電極電位を示す。また、図６における電位ＩＰＰ(Inter-Pulse Potential)は、刺激パルスを出力していない時の電極電位を示す。このとき刺激電極４４は制御部４２により高入力抵抗状態に保たれている。

図示するように、時刻ｔ₀で電極Ａ，Ｂ共に、＋Ｖの電圧が、刺激制御部４２により印加される。電極Ａでは、時間Ｔ₀₁、Ｔ₀₂の間、電圧＋Ｖが一定で維持される。一方、電極Ｂでは、時間Ｔ₀₁の間は電圧＋Ｖが一定で維持されるが、時間Ｔ₀₂の間は高入力抵抗状態である。時間Ｔ₀₁では、電極Ａ、Ｂは同じ電圧＋Ｖであるため、電極間に電位差が生じない（等電極電位状態）。このため、電極間に電流が流れることがない。また、時間Ｔ₀₂では、電極Ａの電圧が＋Ｖで、電極Ｂは高入力抵抗状態となっている。一般に印加電圧＋ＶとＩＰＰは異なるため、電極Ａと電極Ｂの間に電位差が生じるが、電極間に電流が流れない。これは、刺激制御部４２が電極Ｂを高入力抵抗状態にしているためである。このため、電流を流さない電極Ｂと、電流を流している電極Ａとの間に電位差が生じても、電極間に電流が流れない。このようにして、異なる電極で同時に電気刺激パルス信号が出力されても、電極間で電流が流れない構成となる。

次に、異なる電極４１で同時刺激する場合に、各々の電極で電気刺激の強度を調節する方法を説明する。同時刺激をする際に電極間で電流が流れない構成としているため、電流を流す時間、ここでは、電圧＋Ｖでの持続時間を各電極で変化させて、電気刺激の強度に差を与えている。電圧一定で電流を流す時間を変化させ、電極から網膜を構成する細胞への注入電荷量を変化させる。図５に示すように、電極Ａは時間Ｔ₀₁＋Ｔ₀₂の間に電圧＋Ｖで電流を流している。また、電極Ｂは時間Ｔ₀₁の間に電圧＋Ｖで電流を流している。電極Ａと電極Ｂでの注入電荷量を比較すると、電圧＋Ｖを長く維持した電極Ａの方が、多くなる。このようにして、電気刺激の持続時間により注入電荷量を制御し、これによって電気刺激の強度を変えるようにする。なお、図５の同時刺激において、マイナス側への電気刺激は、前述した方法と同様の概念であるため、説明は省略する。

ここでは、網膜を構成する細胞（生体組織）を電気刺激する場合を想定しているため、実際に一定電圧で電気刺激した場合に、電流値がどのような波形になるかの特定が難しい。一定電圧での電気刺激時には、容量性電流成分などを含む電流の過渡的応答がみられる。各電極毎で得られる電流の積分値が、網膜を構成する細胞への注入電荷量となる。

以上説明したように、電気刺激パルス信号を出力する各電極を電源に対し並列に接続し、刺激制御部が各電極の切り換えを制御することにより、同時刺激の際に各電極の電気刺激パルス信号の出力を等しくできる。このような構成にすることで、同時刺激の際に、各電極の電極電位を等しくして、各電極間で電流が流れることを低減にすることができる。また、電気刺激パルス信号の各々の電極での持続時間を変化させることによって、電気刺激の強度を変えている。

以上説明した本実施形態では、異なる電極で、同時刻に電気刺激を開始する構成としたが、これに限るものではない。電気刺激中の電極電位が一定であれば、刺激のタイミングはどのような組合せであってもよい。

なお、以上説明した本実施形態では、第１と第２の電極を１個ずつとしたが、これに限るものではない。本発明は、複数の電極を使っての同時刺激も想定されるので、第１の電極、第２の電極が複数となる場合も含む。

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３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。

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信号と電極指定信号とを形成し、電極指定信号を刺激制御部４２に送信する。刺激制御部４２では受け取った電極指定信号に基づいて前述した方法により、各電極４１から双極性の電気刺激パルス信号を同時に或いは個別に出力させる。複数の電極４１から電気刺激パルス信号を同時に出力する場合には、視覚の再生を妨げない程度の同時出力にて行う。複数の電極４１から電気刺激パルス信号を同時に出力することにより、一画像を認識させるのに必要な時間を短くすることができ、フレームレートを高くすることが可能となる。また、各電極４１は電源に対して並列に接続されており、各電極において印加電圧は同じである。したがって、複数の電極４１から同時に電気刺激パルス信号が出力されていても電位差は生じず、電極間の干渉が起こりにくく、好適に視覚の再生を行うことができる。

各電極４１から出力する電気刺激パルス信号によって網膜を構成する細胞が電気刺激され、患者は視覚（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を駆動させるための電力を得る。

以上説明した本実施形態では、電気刺激パルス信号を、１刺激が２相性のパルスで、プラスとマイナスで電荷量が相殺されるものとしたが、これに限るものではない。プラス側やマイナス側にのみ電位が変化する単相性のパルスや、プラスとマイナスで電荷量が相殺されない２相性のパルスであってもよい。そのような場合は、電気刺激パルス信号とは別に、合計の注入電荷量をゼロに近づける処理が行われていれば良い。その一例としては、制御部や刺激制御部にコンデンサを設け、刺激毎の電荷を蓄積し、適宜放電する構成が考えられる。実際には、プラスとマイナスの電荷量が相殺するような２相性のパルスで電気刺激を行っても、多少電荷が相殺されない場合がある。これを相殺するために、１パルスの電気刺激中に生じる電荷をコンデンサに蓄積し、放電することで、眼内の電荷バランスをゼロに近づける。これにより、眼内の電荷の偏りを低減できる。

視覚再生補助装置の外観を示した概略図である。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。本実施形態における視覚再生補助装置の制御系を示したブロック図である。体内装置を体内に設置した状態を示した図である。本実施形態の回路構成を模式的に示した図である。本実施形態の電気刺激におけるタイミングチャートを示した図である。

符号の説明

１視覚再生補助装置
１０体外装置
２０体内装置
３０受信部
３２制御部
３４不関電極
４０刺激部
４１電極
４２刺激制御部
４２ａ電源
４２ｂスイッチ部
４４参照電極

Claims

網膜を構成する細胞を電気刺激することにより視覚を再生する視覚再生補助装置において、網膜を構成する細胞を電気刺激するための複数の電極と、該複数の電極から電気刺激パルス信号を出力するための制御部と、を備え、第１の電極から前記電気刺激パルス信号を出力している間に第２の電極から電気刺激パルス信号を出力させる場合において，前記制御部が前記第１の電極の電極電位と第２の電極の電極電位が等しくなるように前記電気刺激パルス信号の出力を制御することを特徴とする視覚再生補助装置。
請求項１の視覚再生補助装置において、前記制御部は前記第１及び前記第２の電極を前記制御部に対して並列に接続させた状態で前記両電極から前記電気刺激パルス信号を出力させることにより、前記第１及び前記第２の電極の電極電位を等しくさせる制御を行うことを特徴とする視覚再生補助装置。
請求項２の視覚再生補助装置において、前記制御部は前記網膜を構成する細胞に対する刺激強度を変えるために、印加電圧を一定としつつ電極から出力される電気刺激パルス信号の持続時間を変更することにより注入電荷量を変えることを特徴とする視覚再生補助装置。