JP2019181166A - 生体刺激装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源供給が途切れたときに予期せぬ電流が生体へ出力されることを抑制する生体刺激装置を提供する。【解決手段】複数の電極４１を有し、生体へ埋植された状態で前記電極４１から生体へ刺激電流を出力する体内装置と、前記体内装置へ電力を供給する体外装置１０と、を備える生体刺激装置であって、前記体内装置は、電力の供給状態を検出する検出部３０ｃと、前記検出部３０ｃによって電力供給が途絶えたことを検出した場合に、生体に対して不正な電流を出力させない一定の状態へ前記体内装置の電子回路をセットする遮断時動作を制御するコントローラ３０ｅと、前記電力供給が途絶えてから前記遮断時動作の実行に必要な電力を保持する電力保持部３０ｄと、を備える。【選択図】図４

Description

本開示は、体内に埋植された状態で、生体組織に対して電気刺激を行う生体刺激装置に関する。

従来より、各種の生体刺激装置が提案されている。例えば、生体に埋植されたモジュールが、患者において機能が失われた部位に電気刺激を与えることで、失われた機能の再生、代替、リハビリテーション等を行うものが知られている。

一例として、特許文献１には、体内装置と、体外装置と、の組合せによる生体刺激装置が開示されている。特許文献１において、体外装置は、体内装置へ体外から電力を供給し、体内装置は、刺激電流を出力するための複数の電極を有しており、体外装置から供給される電力に基づいて刺激電流の出力動作を実行する。

特開２０１２−１２０５９０号公報

ここで、体外装置と体内装置との電力の送受信部において電力の送受信が行えない状態になったり、体外装置の不調等により、体外装置から体内装置への電力供給が突然に途切れる場合が想定される。電力供給が途絶えることで、体内装置が制御不能になってしまうと、そのときの回路の状態によっては、予期せぬ電流が生体へ出力されてしまう可能性があった。

本開示は、従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、電源供給が途切れたときに予期せぬ電流が生体へ出力されることを抑制できる、生体刺激装置を提供することを技術課題とする。

本開示の第１態様に係る生体刺激装置は、複数の電極を有し、生体へ埋植された状態で前記電極から生体へ刺激電流を出力する体内装置と、前記体内装置へ電力を供給する体外装置と、を備える生体刺激装置であって、前記体内装置は、電力の供給状態を検出する検出手段と、前記検出部によって電力供給が途絶えたことを検出した場合に、生体に対して不正な電流を出力させない一定の状態へ前記体内装置の電子回路をセットする遮断時動作を制御する制御手段と、前記電力供給が途絶えてから前記遮断時動作の実行に必要な電力を保持する電力保持手段と、を備える。

本開示によれば、電源供給が途切れたときに予期せぬ電流が生体へ出力されることを抑制できる。

１つの実施形態における生体刺激装置の概略構成を示した図である。 体内装置の概略構成を示した図である。 患者への装着状態における体内装置を示した図である。 体内装置の電気的な構成を示す回路図である。

以下、図面を参照しつつ、本開示の例示的な実施形態に係る生体刺激装置を説明する。

実施形態に係る生体刺激装置は、生体内に埋植され、生体組織に対して電気刺激を与えるデバイスである。生体刺激装置は、患者において機能が失われた部位に対して刺激電流（電気刺激）を与える。これにより、失われた機能の再生、代替、リハビリテーション等を行うことができる。この種の装置としては、種々の装置（例えば、人工網膜、人工内耳、ペースメーカー等）が知られており、本開示の技術は、種々の装置に適宜適用され得る。

以下では、生体刺激装置の説明を、視覚再生補助装置の実施形態に基づいて説明を行う。視覚再生補助装置は、患者の失われた視覚機能を再生又は代替する。より詳細には、体内外で撮像された外界像に基づいて、機能が失われた視覚神経系に対して電気刺激を行うことで、疑似光覚（フォスフェン）による像を、患者に視覚させる。視覚再生補助装置には、脳刺激型、神経刺激型、網膜刺激型、等の種類があるが、ここでは、網膜刺激型の装置を実施例として示す。但し、生体刺激装置は、網膜刺激型以外の装置においても、適用可能である。

本実施形態における生体刺激装置は、外界像を得るための撮像部が体外に設けられた体外撮像型の装置である。このような生体刺激装置は、体外装置１０（図１参照）と、体内装置２０（図２〜５参照）と、に大別される。図面に示す生体刺激装置は、脈絡膜上-経網膜刺激型(ＳＴＳ：Suprachoroidal Transretinal Stimulation)に適合した装置である。この場合、眼球強膜に切り込みを入れて形成した切開創（フラップ）から電極４１（電極ユニット４０）が挿入され、電極４１が脈絡膜に位置される。その結果、網膜に電極４１を直接接触させずに電気刺激が可能となる（図３参照）。

＜体外装置＞
図１に示すように、体外装置１０は、眼鏡タイプのウェアラブルデバイスであり、本実施形態では顔に装着される。また、本実施形態の体外装置１０は、カメラ１２、処理装置１３ａ、送信部１５、を有する。

カメラ１２（主には、ビデオカメラ）は、患者の前方の外界像を取得するために利用される。例えば、ＣＣＤカメラ等が利用されてもよい。カメラ１２は、例えば、患者の頭の向きに応じた外界像が撮影されるように、患者の頭部に取り付けられることが好ましい。

処理装置１３ａは、演算処理・制御処理を行う、プロセッサを有する。処理装置１３ａは、カメラ１２で取得される外界像（画像）を処理して、体内装置２０に送信する制御信号を生成する。生成された制御信号は、送信部１５へ出力される。前述したように、制御信号には、体内装置２０の動作を制御するための制御情報が少なくとも含まれている。この制御情報は、本実施形態において体内装置２０によって出力される刺激電流の制御に利用される。処理装置１３ａは、ケース１３内に収容されている。

送信部１５は、処理装置１３ａで生成される信号を、体内装置２０（より詳細には、刺激制御ユニット３０：図２参照）に送信するために利用される。送信部１５は、電磁波として、信号に含まれる情報を体内装置２０に伝送する。例えば、波長、周期、振幅、位相などの少なくとも何れかが信号に応じて変調された電磁波が、体内装置２０へ非接触（例えば、コイルリンク）で送信される。送信部１５は、体内に埋植された刺激制御ユニット３０（本実施形態では、受信部３３、図２，図３参照）の位置付近に固定される。

本実施例では、生体刺激装置の電源として、バッテリー１３ｂが体外装置１０に設けられている。各部への電力は、バッテリー１３ｂから供給される。電力は、送信部１５から体内装置２０へ非接触で送信される。例えば、電力は、制御信号が重畳された状態で体内装置２０へ送信される。また、制御信号とは別の電力信号として体内装置２０へ非接触で送信されてもよい。

＜体内装置＞
図２，３に示すように、体内装置２０には、少なくとも、刺激制御ユニット３０と、電極ユニット４０と、を少なくとも有する。また、体内装置２０は、帰還電極３４を有する。

前述の通り、体内装置２０で消費される電力は、刺激制御ユニット３０が体外装置１０から受信する電力によって賄われる。刺激制御ユニット３０から電極ユニット４０への給電は、刺激制御ユニット３０と、電極ユニット４０との間に設けられたケーブル５０を介して行われる。なお、ケーブル５０は、刺激制御ユニット３０と、電極ユニット４０と、を接続する複数の配線を束ねたものである。

＜刺激制御ユニット＞
図４に示すように、体内装置２０において、刺激制御ユニット３０は、刺激電流出力回路３０ａと、電力・制御信号供給回路３０ｂと、検出部３０ｃと、電力保持部３０ｄと、コントローラ（制御部）３０ｅと、を備える。更に、図４に示すように、刺激制御ユニット３０は、受信部３３を有していてもよい。受信部３３は、体外装置１０の送信部１５から電力信号を受信する。当該電力信号に基づいて、体内装置２０の各部は駆動される。受信部３３は、例えば、２次コイルＬ２および整流回路等が含まれていてもよい。また、体内装置１０から体外装置２０へ情報を送信するための回路が含まれていてもよい。

刺激電流出力回路３０ａは、少なくとも刺激電流の電流源３１０を少なくとも有する。電流源３１０は、交流電流を出力する。交流電流は、受信部３３にて受信された電力に基づくものである。電流源３１０には、導線５０ａ，５０ｂが接続されている。電流源３１０は、導線５０ａを介して、デマルチプレクサ４２ａの電力入力端子ｔ０と接続される。また、電流源３１０は、導線５０ｂを介して、帰還電極３４と接続される。デマルチプレクサ４２ａの電極選択スイッチＳＷ１１がいずれかの電極４１を選択することで、選択された電極４１と帰還電極３４との間で、刺激電流が流れる。これにより、電極４１と帰還電極３４との間にある生体組織へ電気刺激が与えられる。電極選択スイッチＳＷ１１の制御は、以下の電力・制御信号供給回路３０ｂによって行われる。

なお、本実施例では、刺激電流として、双極性パルス信号が出力される。つまり、ファースト（１ｓｔ）パルスと、セカンド（２ｎｄ）パルスとは、正負が反転した電荷を持つ。このとき、正負の電荷は等しいことが好ましい。また、特に断りが無い限り、以下の説明では、カソーディックファーストの双極性パルス信号が、刺激電流として出力されるものとする。即ち、電極４１から、１ｓｔパルスとして負の電流が出力され、２ｎｄパルスとして正の電流が出力される。

電力・制御信号供給回路３０ｂは、電極ユニット４０へ駆動用の電力と制御信号とを供給する。本実施例では、電力（搬送波）に制御信号が重畳された状態で、電力と制御信号とが電極ユニット４０へ供給される。但し、制御信号を電極ユニットに送信する方法は、必ずしもこれに限定されない。図４では、電極ユニット４０へ供給される電力の電源を、電源３３０として示す。電源３３０からは、体外装置１０から供給された電力の一部が交流で出力される。電源３３０は、導線５０ｃ，５０ｄと接続されており、各導線５０ｃ，５０ｄを介して、電力および制御信号が電極ユニット４０へ供給される。

なお、刺激制御ユニット３０において、各導線５０ａ〜５０ｄ上には、コンデンサＣ１〜Ｃ４が設けられている。コンデンサＣ１〜Ｃ４は、電力の直流成分をカットする。これにより、例えば、導線５０ａ〜５０ｄへ体液が浸潤してしまったとしても、生体へ直流が流れてしまうことを防止できる。

検出部３０ｃは、体外装置１０からの電力供給の有無を検出する。例えば、検出部３０ｃは、受信部３３から出力される電力の電圧に基づいて、電力供給の有無を検出してもよい。この場合、検出部３０ｃは、受信部３３からの出力（電圧）を予め定められた閾値と比較する、コンパレータを含むものであってもよい。例えば、閾値に対して受信部３３からの出力（電圧）が下回ったときのコンパレータの出力の変化が、電力供給が途絶えたことを示す検出信号として利用されてもよい。但し、検出部３０ｃは、少なくとも電力供給が途絶えたことを検出できればよく、必ずしも図４の回路構成に限定されるものでは無い。

また、本実施例において、電力保持部３０ｄは、電力供給が途絶えたことが検出部３０ｃによって検出されてから、体内装置２０を駆動させるための電力を保持する。電力保持部３０ｄは、受信部３３の整流回路の直後に配置されたデカップリングコンデンサ（整流コンデンサ）であってもよい。

コントローラ３０ｅ（第１制御部）は、体内装置２０の各部を制御する。例えば、コントローラ３０ｅは、刺激動作の開始および停止を制御する。また、コントローラ３０ｅは、電力・制御信号供給回路３０ｂを制御し、電極ユニット４０を制御するための各種制御信号を、電力・制御信号供給回路３０ｂから出力させる。本実施例において、制御信号としては、電位調節信号、電極指定信号、電源断検出信号、が少なくとも、電極ユニット４０へ出力される。各々の制御信号は、電極ユニット４０に設けられた第２制御部４２ｄにおいてデコードされ、電極ユニット４０において制御信号の内容に応じた動作が実行される。

＜電極ユニット＞
電極ユニット４０は、整流回路４２ｂと、電源生成回路４２ｃと、第２制御部４２ｄと、電位調整回路４２ｅと、デマルチプレクサ４２ａと、電極４１と、を含む。

整流回路４２ｂは、電源３３０から供給される交流電力を、直流に整流（変換）する。整流回路４２ｂからの直流電力は、電源生成回路４２ｃへ供給される。

電源生成回路４２ｃは、デマルチプレクサ４２ａの電源電圧を生成する。電源生成回路４２ｃは、本実施例では、整流回路４２ｂによって生成された直流電力を、デマルチプレクサ４２ａの動作電圧として必要な所定の電圧値へ調整するものであってもよい。この場合、電源生成回路４２ｃには、例えば、昇圧回路等が含まれていてもよい。

第２制御部４２ｄは、電力に重畳された制御信号に基づいて、電極ユニット４０の各部を制御する。より詳細には、電極ユニット４０における各種スイッチの切換動作を制御する。一例として、切換動作には、デマルチプレクサ４２ａにおける電極選択動作、後述の電位調整回路４２ｅにおける端子電圧（ここでは、デマルチプレクサ４２ａの入力端子電圧）の切換動作、スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２３の切換動作、等が含まれる。

電位調整回路４２ｅは、デマルチプレクサ４２ａにおける寄生ダイオードの逆バイアスを維持するために利用される。電位調整回路４２ｅは、双極性パルス信号の位相と同期して切換制御される。詳細には、１ｓｔパルスの出力時には、スイッチＳＷ１２を接地電位の第１端子ｔ１に接続させる。また、２ｎｄパルスの出力時には、スイッチＳＷ１２を、電源内の中間電位である第２端子ｔ２に接続させる。その結果として、デマルチプレクサ４２ａ（および入力端子ｔ０）における電位変動を寄生ダイオードが逆バイアスされない範囲内に抑えることができる。結果、寄生ダイオードによって生じる不正な電流経路（図示を省略する）が有効となってしまうことを抑制できる。

＜電源遮断時の動作説明＞
次に、上記のような生体刺激装置における動作を説明する。

体外装置１０から体内装置２０へ電力が供給されている間、コントローラ３０ｅは、体外装置１０から受信した制御信号に基づいて、刺激電流の出力制御を行う。詳細には、コントローラ３０ｅは、刺激電流出力回路３０ａを制御して、双極性パルス信号を生成する。また、同時に、コントローラ３０ｅは、電力・制御信号供給回路３０ｂを制御して、電位調節信号、および、電極指定信号、を回路駆動用の電力と共に電極ユニット４０へ出力する。

電力・制御信号供給回路３０ｂから電極ユニット４０へ電力が供給されることで、デマルチプレクサ４２ａには、所定の電源電圧が印加される。また、電力保持部３０ｄが充電される。例えば、図４の回路では電力保持部３０ｄに設けられたコンデンサが充電される。電極選択スイッチＳＷ１１および電位調整スイッチＳＷ１２は、それぞれ、電極選択信号、電位調節信号に基づいて、適宜接続状態が切り替わる。

ここで、装置の駆動中に送信部１５が受信部３３から引きはがされたりすると、体外装置１０から体内装置２０への電力供給が、突然に途絶える（遮断される）場合が考えられる。その際、体内装置２０が制御できなくなることで、体内装置２０において、所期しない不正な電流が生体へ出力されてしまうことが考えられる。例えば、本件発明者による検討の結果、図４の回路構成においては、電力供給が途絶えるタイミングで電位調整スイッチＳＷ１２が第２端子ｔ２に接続されていることを条件の１つとして、コンデンサＣ１１の電荷による電流が、不正な電流経路によって生体へ出力されてしまう可能性があることが判明した。詳細な説明は省略するが、不正な電流経路は、デマルチプレクサ４２ａと接地との間に存在する寄生トランジスタが、該寄生トランジスタを含む回路がサイリスタ構造（図示は省略する）を形成することで有効となってしまう。このとき、不正な電流は、大きな電流値を持つことが考えられる。

＜電力遮断時の動作制御＞
これに対し、本実施形態では、検出部３０ｃによって体外装置１０からの電力供給が途絶えたことが検出された場合に、電力保持部３０ｄによって保持されている電力を利用して、以下の動作制御が実行される。以下の動作制御は、体内装置２０においてスタンドアローンで行われる。また、体外装置１０からの制御信号の内容よりも優先して、以下の動作制御が実行される。

例えば、コントローラ３０ｅは、検出部３０ｃからの検出信号であって、電力供給が途絶えたことを示す検出信号（以下、電力ＯＦＦ検出信号と称する）に基づいて、刺激電流出力回路３０ａを制御し、刺激電流の出力を停止させる。

また、コントローラ３０ｅは、電力ＯＦＦ検出信号に基づいて、デマルチプレクサ４２ａの入力端子電圧を、接地電位にバイアスさせる。詳細には、コントローラ３０ｅは、電力・制御信号供給回路３０ｂを制御して、電極ユニット４０（より詳細には、第２制御部４２ｄ）に、電位調整スイッチＳＷ１２を第１端子ｔ１へ接続させるための信号を生成および送信する。この信号に基づいて、第２制御部４２ｄによる電位調整スイッチＳＷ１２の切換制御が実行され、その結果として、デマルチプレクサ４２ａの入力端子電圧が、接地電位にバイアスされる。その結果、上記のサイリスタ構造が生じてしまうことを抑制でき、不正な電流の発生が抑制される。

以上、実施形態に基づいて発明を説明したが、本発明は種々の変形が許容される。例えば、電極ユニット４０へ常時給電が行われる場合において、電極ユニット４０側で、上記の電力供給が途絶えたときの動作が完結する構成であってもよい。

１０ 体外装置
２０ 体内装置
３０ｃ 検出部
３０ｄ 電力保持部
３０ｅ コントローラ
４１ 電極

Claims (3)

1. 複数の電極を有し、生体へ埋植された状態で前記電極から生体へ刺激電流を出力する体内装置と、
   前記体内装置へ電力を供給する体外装置と、を備える生体刺激装置であって、
   前記体内装置は、
   電力の供給状態を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって電力供給が途絶えたことを検出した場合に、生体に対して不正な電流を出力させない一定の状態へ前記体内装置の電子回路をセットする遮断時動作を制御する制御手段と、
   前記電力供給が途絶えてから前記遮断時動作の実行に必要な電力を保持する電力保持手段と、
   を備える生体刺激装置。
2. 前記体外装置は、前記体内装置へ制御信号を送信し、前記体内装置の前記制御手段は、前記制御信号に基づいて前記電子回路を制御するものであり、
   更に、前記制御手段は、前記検出手段によって電力供給が途絶えたことを検出した際には、前記体外装置からの制御信号の内容よりも優先して前記遮断時動作を実行する請求項１記載の生体刺激装置。
3. 前記体内装置は、前記体外装置から供給された電力に基づいて刺激電流を生成する刺激電流出力回路を持ち、
   前記制御手段は、前記遮断時動作において刺激電流出力回路からの刺激電流の出力を停止させる、請求項１又は２記載の生体刺激装置。