JP5623628B2

JP5623628B2 - 生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置

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Publication number: JP5623628B2
Application number: JP2013507855A
Authority: JP
Inventors: パク、セ−イク; リー、ホスン
Original assignee: MI Tech Co Ltd
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Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2014-11-12
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Description

本発明は、神経や筋肉を電気刺激して失われた感覚機能や運動機能を回復させることを目的とする神経刺激器で発生した電気刺激信号を神経や筋肉に接触方式で伝達する刺激電極の電気化学的特性を分析する装置に関し、更に詳しくは、刺激電極が生体に移植された後、時間の経過及び電極周辺の生体環境によって変化する刺激電極の電極と生体との間の界面インピーダンスをリアルタイムで正確に測定する生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置に関する。

人体の多様な感覚及び運動機能は、脳の神経活動により調節されたり、影響を受ける。脳の神経活動は、抑制性又は興奮性の機能があり、これらの両機能の適切な調和によって感覚及び運動機能の適正性を維持できる。しかし、脳の外傷、疾病、疾患などによってこのような機能の調和が破壊されれば、病的な神経機能異常を招くおそれがある。例えば、脳血管の閉塞や破裂によって発生する脳卒中は、脳神経機能の興奮性が顕著に低下し、運動弱化、感覚異常、言語障害、知覚障害などを招くおそれがある。逆に、てんかんは脳の特定部位の興奮性が過度に増加し、異常・過剰な神経活動を誘発させて身体発作をもたらす。そして、パーキンソン病や認知症（痴呆）のような退行性脳疾患により振戦（本態性振戦）、運動緩徐、又は記憶機能喪失などの病症を示したりもする。また、疾病や事故などによる末梢神経系や中枢神経系の損傷は、聴覚、視覚、一部又は全身麻痺などの重度障害を誘発することもあり得る。
前述した原因による病症は、中枢神経系や末梢神経系に適切な電気刺激を加えることによって失われた感覚機能や運動機能を回復させることができるが、代表的なものとして、聴感覚を回復させる人工蝸牛と、パーキンソン病により失われた運動機能を回復させる深部脳刺激器が挙げられる。このような装置の市場における成功に支えられ、近年、電気刺激を利用しててんかん、認知症（痴呆）、うつ病、強迫症患者らに適用してその病症を治療しようとする研究と試みが活発に行われている。
患者らに治療効果を誘導する電気刺激を生成する刺激器から発生した信号を中枢神経系や末梢神経系に伝達するためには、多様な形態や構造を有する電極を必要とする。一般に、このような電極は、生体に完全に移植され、移植された電極は、生体の免疫反応又は電気刺激の条件などにより時間が経過するにつれて、電極の電気化学的特性である界面インピーダンスが変化するようになる。このようなインピーダンスの変化は、生体に電気信号を伝達するとき、電荷が伝達される量の変化をもたらし、電気信号を発生させる刺激器の設定にも影響を及ぼす。従って、患者らに有効な治療効果を誘導する持続的な電気刺激信号を安定して発生させるためには、患者個々人に移植される電極の界面インピーダンスをリアルタイムで迅速、且つ、正確に測定することが非常に重要である。インピーダンスの測定装置の例としては、１９８９年９月２６日にＪａｍｅｓＭ. Ｐｉｈｌなどに特許が許与された“ＩＭＰＥＤＡＮＣＥＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＣＩＲＣＵＩＴ”という名称の米国特許第４,８７０,３４１号が挙げられる。
現在用いられている界面インピーダンスの測定方法としては、電極の表面に酸化、還元反応を誘導しない小さな大きさの交流電圧を周波数を異にして電極に加えた後、それによる交流電流を測定することで、界面インピーダンスを測定したり、短パルスを電極に繰り返し印加した後、これに基づいて界面インピーダンスを類推する方法が用いられる。しかし、このような方法は、高精密の複雑な構造を有し、電力消費が大きく、測定時間も長いＤ／Ａ、Ａ／Ｄ変換器、発振器などを用いる。このような構成は多くの構成品を必要とし、生体に移植される小型の電気神経刺激器の核心部品であるシステム半導体チップを製作する際に面積の増加によりコストが上昇し、電力消費も大きいため、神経刺激器の寿命を短縮するという短所がある。

本発明は、上記のような必要性及び従来技術の短所を克服するために導き出されたものであって、その目的は、電極の生体移植後に変化する電極のインピーダンスを簡単な構成でリアルタイムで正確に測定する装置を提供することにある。

本発明の目的を達成するための本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置は、生体内部セルの一端に連結される第１電極と、前記生体内部セルの他の部分に連結されて刺激器から電流が印加され、前記印加される電流を前記セルを通じて前記第１電極に提供する第２電極と、前記第１及び第２電極に印加される電流によって第１及び第２電極に誘起される電圧を選択的に抽出する測定部と、前記第１及び第２電極間の電圧差に該当する相対電位が蓄積される電荷蓄積部と、前記相対電位に該当する信号をデジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル信号と前記第２電極に印加される電流を用いて前記第１及び第２電極の界面インピーダンスを計算するインピーダンス計算部とを含む。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置において、前記測定部は、前記第１電極と連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記第１電極を前記電荷蓄積部に連結させて前記第１電極の電圧を前記電荷蓄積部に蓄積させる第１スイッチング部と、前記第２電極と連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記第２電極を前記電荷蓄積部に連結させて前記第２の電極を前記電荷蓄積部に蓄積させる第２スイッチング部とを含み、前記第１スイッチング部がターンオン又はターンオフされるとき、前記第２スイッチング部はターンオフ又はターンオンされ得る。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置は、前記電荷蓄積部と並列に連結されてオン又はオフ動作を行う第３スイッチング部と、前記電荷蓄積部と並列に連結されてオン又はオフ動作を行う第４スイッチング部と、前記第４スイッチング部と並列に連結され、一端に前記電荷蓄積部に蓄積された相対電位が印加されることによって、前記Ａ／Ｄ変換部に前記相対電位に該当する出力信号を提供し、他端に前記出力信号をフィードバックされるボルテージフォロワとを更に含む。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置は、前記第１及び第４スイッチング部がターンオンされ、前記第２及び第３スイッチング部がターンオフされるとき、前記第１電極の電圧が前記電荷蓄積部に蓄積され、前記第２スイッチング部がターンオンされ、前記第１、３及び第４スイッチング部がターンオフされるとき、前記第１及び第２電極間の相対電位が前記ボルテージフォロワの一端に印加され得る。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置は、前記第１及び第２スイッチング部がターンオフされ、前記第３及び第４スイッチング部がターンオンされるとき、前記電荷蓄積部に蓄積された相対電位に該当する電荷が放電されるようにする。
他の側面から、本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置において、前記測定部は、前記第１電極と並列に連結される抵抗Ｒ１及びＲ２と、前記第２電極と並列に連結される抵抗Ｒ３及びＲ４と、前記抵抗Ｒ１とＲ２との間に連結されており、オン動作を行なうことで前記電荷蓄積部に前記第１電極を連結させる第５スイッチング部と、前記抵抗Ｒ２と直列に連結されており、オン動作を行なうことで前記抵抗Ｒ２を接地させる第６スイッチング部と、前記抵抗Ｒ３とＲ４との間に連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記電荷蓄積部に前記第２電極を連結させる第７スイッチング部と、前記抵抗Ｒ４と直列に連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記抵抗Ｒ４を接地させる第８スイッチング部とを含む。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置は、前記第５及び第６スイッチング部は、同時にターンオン又はターンオフされ、前記第７及び第８スイッチング部は、同時にターンオン又はターンオフされることができる。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置は、前記電荷蓄積部と並列に連結されてターンオン又はターンオフ動作を行う第３スイッチング部と、前記電荷蓄積部と並列に連結されてターンオン又はターンオフ動作を行う第４スイッチング部と、前記第４スイッチング部と並列に連結され、一端に前記電荷蓄積部に蓄積された相対電位が印加されることによって、前記Ａ／Ｄ変換部に前記相対電位に該当する出力信号を提供し、他端に前記出力信号をフィードバックされるボルテージフォロワとを更に含む。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置は、前記第４、５及び６スイッチング部がターンオンされ、前記第３、７及び８スイッチング部がターンオフされるとき、前記第１電極の電圧が前記電荷蓄積部に蓄積され、前記第７及び８スイッチング部がターンオンされ、前記第３、４、５及び６スイッチング部がターンオフされるとき、前記第１及び第２電極間の相対電位が前記ボルテージフォロワの一端に印加される。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置は、前記第５、６、７及び８スイッチング部がターンオフされ、前記第３及び第４スイッチング部がターンオンされるとき、前記電荷蓄積部に蓄積された相対電位に該当する電荷が放電されるように構成される。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置において、前記インピーダンス計算部は、任意の時間間隔で前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるそれぞれのデジタル信号と前記第２電極に印加される電流を用いて時間別のインピーダンスを計算した後、前記時間別のインピーダンスの測定順序に該当する固有のインデックスをそれぞれ付与して格納する。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置において、前記インピーダンス計算部は、前記時間別のインピーダンス及び固有のインデックスを用いて前記第１及び２電極の両端に誘起される電圧波形を復元して前記第１及び第２電極の界面インピーダンスから時定数を計算する。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置において、前記第１及び第２電極は、同じ大きさの面積を有する刺激電極対を成すバイポーラで構成されることができる。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置において、前記第１及び第２電極がバイポーラで構成される場合、前記インピーダンス計算部は、前記第２電極に印加される電流と前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル信号を用いて算出されたインピーダンス１／２値を前記第１及び第２電極の界面インピーダンスとして計算する。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置において、前記第１電極は、前記第２電極の面積よりも小さい面積を有し、前記第２電極は、前記第１電極の面積よりも大きい面積を有するモノポーラで構成されることができる。
本発明の実施形態による生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置において、前記第１及び第２電極がモノポーラで構成される場合、前記インピーダンス計算部は、前記第２電極に印加される電流と前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル信号を用いて算出されたインピーダンスを前記第２電極の界面インピーダンスとして計算する。

本発明によれば、電極が生体に移植され、電流刺激信号を電極対に加えたとき、電極の両端に誘起される電圧差を用いて電極それぞれのインピーダンスを測定できる装置を提供することによって、移植期間及び環境によって変化する電極のインピーダンスを簡単な構成を通じてリアルタイムで正確に測定できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態による刺激電極の界面インピーダンス測定装置を示す回路図である。本発明の実施形態によるＲＣ成分による電圧波形とデジタル値の格納過程を説明するための図面である。本発明の実施形態による電極がバイポーラ電極で構成される場合の等価回路図である。本発明の実施形態による電極がモノポーラ電極で構成される場合の等価回路図である。本発明の一実施形態におけるインピーダンス測定装置で測定部の他の実施例を示す回路図である。

本発明の目的及び効果、そしてそれらを達成するための技術的構成は、添付の図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば、明確になるはずである。本発明を説明するにおいて公知の機能又は構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にするおそれがあると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。そして、後述する用語は、本発明での機能を考慮して定義された用語であって、これはユーザ、運用者の意図又は慣例などによって変わり得る。
しかし、本発明は以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現されることができる。但し、本実施形態は、本発明の開示が完全なようにし、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇により定義されるだけである。従って、その定義は、本明細書全般に渡る内容に基づいて下されるべきである。
本発明の実施形態では身体部位、例えば、脳や筋肉に移植される刺激電極のインピーダンスを正確に測定できる測定装置について添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による身体部位に移植された電極の界面インピーダンス測定装置を示す回路図である。この装置は、測定部１００、電荷蓄積部１１０、ボルテージフォロワ（ｖｏｌｔａｇｅｆｏｌｌｏｗｅｒ）１２０、Ａ／Ｄ変換部１３０、第１、２スイッチング部１０８ａ、１０８ｂ、第３、４スイッチング部１３２ａ、１３２ｂ、インピーダンス計算部１４０及び内部メモリ１５０を含む。
図１に示すように、測定部１００は、生体内部セル１０２の互いに異なる部分に連結される第１、２電極１０４、１０６、第１電極１０４に連結される第１スイッチング部１０８ａ及び第２電極１０６に連結される第２スイッチング部１０８ｂを含む。
ここで、第１、２の電極１０４、１０６は、身体部位の生体セル１０２に移植され、刺激器（図示せず）で発生する電流を印加するための刺激電極であり、この電極を通じて身体部位の生体セルに電流を印加して刺激を与えることができる。第１電極１０４は、生体セル１０２の一端に移植され、第２電極１０６に印加される電流が、生体セル１０２を通じて印加されるようにし、第２電極１０６は、生体セル１０２の他端に移植され、刺激器で発生する電流が印加される。第１、２の電極１０４、１０６は、同じ大きさの面積（同一のインピーダンス）を有する刺激電極対を成すバイポーラで構成されてもよく、第２電極１０６の面積が第１電極１０４の面積よりも大きいモノポーラで構成されてもよい。
第１スイッチング部１０８ａは、第１電極１０４と連結されてオン動作により第１電極１０４を電荷蓄積部１１０に連結させて第１電極１０４の電圧が電荷蓄積部１１０に提供されるようにする。第１電極１０４の電圧を電荷蓄積部１１０に提供するためには、第１スイッチング部１０８ａだけでなく、第４スイッチング部１３２ｂがオン動作し、第２スイッチング部１０８ｂ及び第３スイッチング部１３２ａがオフ動作しなければならない。第２スイッチング部１０８ｂは、第２電極１０６と連結されてオン動作により第２電極１０６を電荷蓄積部１１０に連結させる。
このような測定部１００で第１スイッチング部１０８ａがオン又はオフされるとき、第２スイッチング部１０８ｂは、オフ又はオン動作を行う。このような測定部１００の動作について説明すれば、測定部１００は、第１電極１０４に印加される電流による電圧を選択的に提供するが、このために、測定部１００の第１電極１０４には身体部分、例えば、脳のセル１０２又は筋肉の一部分に連結される。第１スイッチング部１０８ａと第４スイッチング部１３２ｂがオン状態であり、第２、３スイッチング部１０８ｂ、１３２ａがオフ状態であるとき、第１電極１０４に流れる電流によって誘導された絶対電位Ｅ１が電荷蓄積部１１０に蓄積される。
第２電極１０６は、セル１０２の他端に連結され、セル１０２に連結された両電極の界面インピーダンスによって第１電極１０４に印加される絶対電位Ｅ１と異なる電位Ｅ２を有する。即ち、第１スイッチング部１０８ａがオフされ、第２電極１０６に連結された第２スイッチング部１０８ｂがオンされ、第３、４スイッチング部１３２ａ、１３２ｂがオフされることによって、ボルテージフォロワ１２０の入力抵抗が非常に大きい値を有するため、電荷蓄積部１１０に蓄積された電荷である絶対電位Ｅ１が放電できなくなり、これによってボルテージフォロワ１２０の入力端の電位は、第２電極１０６の電位Ｅ２から電荷蓄積部１１０に蓄積された絶対電位Ｅ１を差し引いた値、即ち、相対電位（Ｅ２-Ｅ１）を維持する。電荷蓄積部１１０の入力端に印加される相対電位（Ｅ２-Ｅ１）は、ボルテージフォロワ１２０を通じてＡ／Ｄ変換部１３０に提供される。

第３スイッチング部１３２ａは、電荷蓄積部１１０と並列に連結され、測定部１００と直列に連結されてオン又はオフ動作を行なう。第４スイッチング部１３２ｂは、電荷蓄積部１１０とボルテージフォロワ１２０との間に並列に連結されてオン又はオフ動作を行う。
電圧フォロワ１２０の入力端に印加される相対電位（Ｅ２-Ｅ１）は、Ａ／Ｄ変換された後、第１スイッチング部１０８ａ及び第２スイッチング部１０８ｂがオフされ、第３スイッチング部１３２ａ及び第４スイッチング部１３２ｂがオンされることによって放電され、次の電圧を抽出するための待機状態となる。
本発明の実施形態において、電荷蓄積部１１０は、電荷が蓄積される手段であって、その例として、キャパシタが挙げられ、電荷蓄積部１１０とボルテージフォロワ１２０との間には、相対電位（Ｅ２-Ｅ１）の放電によって突然に流れる電流の最大値を調節するためのダンピング抵抗Ｒｄが連結されている。
ボルテージフォロワ１２０は、その一端が第４スイッチング部１３２ｂと並列に連結され、その一端に電荷蓄積部１１０に蓄積された相対電位が印加されることによって、Ａ／Ｄ変換部１３０に相対電位に該当する信号を提供し、相対電位が印加されることによって出力される出力信号をその他端にフィードバックされる。このようなボルテージフォロワ１２０は、入力インピーダンスが出力インピーダンスに比べて非常に大きい値を有し、利得が「１」である増幅器であって、電荷蓄積部１１０の電荷が放電されず、維持されるようにすることによって、Ａ／Ｄ変換部１３０に入力される固定された入力信号を生成できるように緩衝させる機能をする。
Ａ／Ｄ変換部１３０は、ボルテージフォロワ１２０から出力される信号をデジタル値に変換して出力する。
インピーダンス計算部１４０は、Ａ／Ｄ変換部１３０から出力される出力値、即ち、相対電位と第１、２電極１０４、１０６との間に印加される電流値をオームの法則に適用してセル１０２と第１、２電極１０４、１０６間の界面インピーダンスを計算し、計算された界面インピーダンスには、時間別の測定順序に該当する固有のインデックスをそれぞれ付与して内部メモリ１５０に格納する。
一方、インピーダンス計算部１４０は、所定時間間隔で前述した動作を繰り返し遂行できる。即ち、図２に示すように、時間Ｔ１に測定された相対電位（Ｅ２-Ｅ１）である電位差Ｐ１の値は、Ａ／Ｄ変換部１３０を経てデジタル値であるＤ１に変換され、インピーダンス計算部１４０は、Ｄ１にインデックスＬ１を付与して内部メモリ１５０に格納する。ここで、インデックスは測定順序を意味する。このような過程を通じて時間Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５でそれぞれ測定された電位差であるＰ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５に対するデジタル値Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５に、互いに異なるインデックスであるＬ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５が付与され、これを内部メモリ１５０に格納する。インピーダンス計算部１４０は、測定された電圧波形を分析してセル１０２のインピーダンスＺとＲＣ時定数（ｔｉｍｅ）を計算して抵抗成分Ｒとキャパシタ成分Ｃ値を計算できる。即ち、インピーダンス計算部１４０は、測定順序を表すインデックス、測定されたデジタル値、内部メモリ１５０に格納された値の個数（測定回数）を用いて電圧波形を復元でき、復元された電圧波形に基づいてセル１０２と電極間の界面インピーダンスＺを計算できる。また、図２に示すように、セル１０２と電極間の界面インピーダンスＺを正確に求めるためには、電極に電流が印加された後、できれば短時間で電圧を測定しなければならない。即ち、△Ｔが短いほど△Ｅが小さくなることができ、より正確な電圧波形の復元が可能である。
一方、インピーダンス計算部１４０で計算されたインピーダンスＺは、図３に示すように、抵抗成分であるＲｓ、Ｒｅ及びＲｅ’値を含んでいる。ここで、図３は、図１においてセル１０２で表示された細胞と細胞内に挿入された第１、２電極１０４、１０６の電気化学的な等価回路であって、第１、２電極１０４、１０６がバイポーラ電極で構成される場合の電気化学的な等価回路である。即ち、同じ面積の第１、２電極１０４、１０６のうちの１つを刺激電極、もう１つを基準電極として用いるため、刺激電極と基準電極のインピーダンスが等しいと仮定できるが、これにより、インピーダンス計算部１４０で計算されたインピーダンスＺの１／２値が電極１つのインピーダンスであると言える。
インピーダンス計算部１４０は、前記で説明したように、測定回数を表すインデックス、測定されたデジタル値、内部メモリ１５０に格納された値を用いて電圧波形を復元することによって、Ｒｓ、Ｒｅ、Ｃｅ、Ｒｅ’Ｃｅ’値を計算できるが、即ち、インピーダンスＺとＲＣ時定数からＲｓ、Ｒｅ及びＲｅ’のような抵抗成分とＣｅ及びＣｅ値のようなキャパシタ成分を計算できる。

図４は、本発明の実施形態による電極がモノポーラ電極で構成される場合の等価回路図であって、基準電極である第１電極１０４が刺激電極である第２電極１０６に比べて表面積の大きさが遥かに大きいため、第１電極１０４の界面インピーダンス値が第２電極１０６の界面インピーダンスに比べて１０倍以上小さいと仮定するとき、測定されたインピーダンスは大きな誤差なしに第１電極１０４の界面インピーダンスだけで近似させることができる。また、電極がモノポーラ電極で構成される場合にも、インピーダンス計算部１４０を通じて復元された波形からＲＣ時定数を計算でき、これより電極のＣ値を類推できる。

電極の生体との界面インピーダンスについて更に記述すると、電極がバイポーラ電極で構成された場合に、図２でデジタル化された電位差の値Ｄ１の値はＲｅの２倍に該当する値となり、モノポーラ電極で構成された場合にはＲｅに該当する値となり、これは図３及び図４に示す抵抗成分になる。図２の電位差デジタル化された電位差の値Ｄ５の値は、生体と電極間の界面インピーダンスＺ全体に近似する値である。
本発明の実施形態によるインピーダンス測定装置が用いられる神経刺激器は、電流を出力信号として発現する刺激器であって、一般に１０ｍＡ程度の電流大きさまで生体細胞であるセル１０２に印加される。しかし、図３や図４のような電極等価回路のインピーダンスに対する平均値は、５００Ω〜１０００Ω程度であるため、第１、２電極１０４、１０６に誘起される絶対電位である電圧値が５-１０Ｖで高い方である。従って、このような電圧を電荷蓄積部１１０であるキャパシタに蓄積するためには、第１、２スイッチング部１０８ａ、１０８ｂによる電圧降下が殆どあってはならない。従って、前記回路構成において、電極両端に誘起された高電位の相対電位を抽出するための第１、２スイッチング部１０８ａ、１０８ｂに用いられる素子は、一般的に３.３Ｖ未満の電圧で動作するものであって、安定、且つ、安全な開閉のために、レベルシフタ（ｌｅｖｅｌｓｈｉｆｔｅｒ）のような素子を必要とする。しかし、レベルシフタのような素子を回路構成に用いる場合、回路が複雑になり、消費電力も増加する。そこで、本発明の他の実施形態では、第１、２の電極１０４、１０６に連結されたスイッチング素子が３.３Ｖ未満になるように電圧降下を行うために、図５に示すように、インピーダンス測定装置を提供する。

図５は、本発明の他の実施形態によるインピーダンス測定装置を示す回路図であって、図１に示すインピーダンス測定装置の測定部１００の構成のみ異なっており、その他の構成は、図１に示すインピーダンス測定装置と同一であるだけでなく、その機能も同一である。従って、それに関する詳細な説明は省略することにし、以下の説明では測定部１００の内部構成のみを説明する。
図５を参照すれば、本発明の他の実施形態における測定部１００は、一端にセル１０２が連結される第１電極１０４の他端に並列に連結される抵抗Ｒ１及びＲ２と、抵抗Ｒ１と並列に連結されてオン／オフ動作を通じて第１電極１０４に誘起される電圧を電荷蓄積部１１０に連結させる第５スイッチング部５０８ａと、オン／オフ動作を通じて抵抗Ｒ２を接地させる第６スイッチング部５０８ｂと、一端にセル１０２が連結される第２電極１０６の他端に並列に連結される抵抗Ｒ３及びＲ４と、抵抗Ｒ３と並列に連結されてオン／オフ動作を通じて第２電極１０６に誘起される電圧を電荷蓄積部１１０に連結させる第７スイッチング部５１０ａと、オン／オフ動作を通じて抵抗Ｒ４を接地させる第８スイッチング部５１０ｂで構成される。ここで、第５、６スイッチング部５０８ａ、５０８ｂは同時にオン／オフ動作を行い、第７、８スイッチング部５１０ａ、５１０ｂも同時にオン／オフ動作を行う。しかし、第５、６、７及び８スイッチング部５０８ａ、５０８ｂ、５１０ａ、５１０ｂの全部が同時にオンされない。

前記のような構成を有する測定部１００が各スイッチング部のオン／オフ動作によって電圧を印加する過程について説明すれば、第４、５及び第６スイッチング部１３２ｂ、５０８ａ、５０８ｂがオンされ、第３、７及び第８スイッチング部１３２ａ、５１０ａ、５１０ｂがオフされるとき、第１電極１０４に流れる電流によってかかる絶対電位Ｅ１は、電荷蓄積部１１０に提供されて蓄積される。
一方、第７及び第８スイッチング部５１０ａ、５１０ｂがオンされ、第３、４、５及び第６スイッチング部１３２ａ、３１２ｂ、５０８ａ、５０８ｂがオフされれば、ボルテージフォロワ１２０の入力抵抗が非常に大きい値を有するため、電荷蓄積部１１０に蓄積された電荷である絶対電位Ｅ１が放電できなくなり、これによってボルテージフォロワ１２０の入力端の電位は、第２電極１０６の電位Ｅ２から電荷蓄積部１１０に蓄積された絶対電位Ｅ１を差し引いた値、即ち、相対電位（Ｅ２-Ｅ１）を維持する。電荷蓄積部１１０の入力端に印加される相対電位（Ｅ２-Ｅ１）は、ボルテージフォロワ１２０を通じてＡ／Ｄ変換部１３０に提供される。
ボルテージフォロワ１２０の入力端に印加される相対電位（Ｅ２-Ｅ１）は、Ａ／Ｄ変換された後、第５、６、７、８スイッチング部５０８ａ、５０８ｂ、５１０ａ、５１０ｂがオフされ、第３スイッチング部１３２ａ及び第４スイッチング部１３２ｂがオンされることによって放電され、次の電圧を抽出するための待機状態となる。
一方、前記のように、第５、６スイッチング部５０８ａ、５０８ｂの両端に連結される抵抗Ｒ１、Ｒ２及び第７、８スイッチング部５１０ａ、５１０ｂの両端に連結される抵抗Ｒ３、Ｒ４を用いて第５、６、７、８スイッチング部５０８ａ、５０８ｂ、５１０ａ、５１０ｂを駆動するために印加される電圧値が３.３Ｖ未満になるように調整できる。
電荷蓄積部１１０又はボルテージフォロワ１２０の入力になる電圧差は、下記の式１〜式３の通りである。

Ｖ５＝Ｋ１×Ｖ１（式１）
Ｖ７＝Ｋ２×Ｖ２（式２）
Ｖ４＝Ｖ７−Ｖ５＝｛（Ｋ２−Ｋ１）×Ｖ２｝＋｛Ｋ１×（Ｖ２−Ｖ１）｝（式３）
前記式１において、Ｖ１は図５で第１電極１０４に誘起された電圧であり、Ｖ５は抵抗Ｒ１とＲ２により分配された電圧であって、接地とＲ２との間の電圧であり、Ｋ１はＲ２／（Ｒ１＋Ｒ２）である。同様に、式２において、Ｖ２は第２電極１０６に誘起される電圧であり、Ｖ７は抵抗Ｒ３とＲ４により分配された電圧であって、接地とＲ４との間の電圧であり、ここでＫ２はＲ４／（Ｒ３＋Ｒ４）である。式３において、Ｖ４は図１のボルテージフォロワ１２０の非反転入力端の電圧を示すものであり、その値は電極両端の電圧差に比例する任意の電圧値となる。このとき、Ｖ２は刺激器の電源電圧に近接する固定された電圧であるので、式３において{（Ｋ２-Ｋ１）×Ｖ２}は定数になり、ボルテージフォロワ１２０に入力される電圧は（Ｖ２-Ｖ１）に比例する入力になる。即ち、電荷蓄積部１１０に蓄積されるＶ４は、ボルテージフォロワ１２０の動作入力電圧の範囲となるように、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４により適切に調整されることができる。
以上、本発明の具体的な実施形態を参照して本発明を説明したが、これは例示に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。当業者は、本発明の範囲から逸脱しない範囲内で説明された実施形態を変更又は変形できる。それだけでなく、本明細書で説明された多様な実施形態は、それぞれ独立してだけでなく、適切に結合されて実現されることもできる。従って、本発明の範囲は、説明された実施形態ではなく、添付された請求の範囲及びその均等物により定められるべきである。
以下に、本願の出願当初の特許請求の範囲を付記する。
[1]生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置において、
生体内部セルの一端に連結される第１電極と、
前記生体内部セルの他端に連結されて刺激器から電流が印加され、前記印加される電流を前記セルを通じて前記第１電極に提供する第２電極と、
前記第１及び第２電極に印加される電流によって第１及び第２電極に誘起される電圧を選択的に抽出する測定部と、
前記第１及び第２電極間の電圧差に該当する相対電位が蓄積される電荷蓄積部と、
前記相対電位に該当する信号をデジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部と、
前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル信号と前記第２電極に印加される電流を用いて前記第１及び第２電極の界面インピーダンスを計算するインピーダンス計算部と
を含む生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[2]前記測定部は、
前記第１電極と連結されており、スイッチング動作を行なうことによって前記第１電極を前記電荷蓄積部に連結させて前記第１電極の電圧を前記電荷蓄積部に蓄積させる第１スイッチング部と、
前記第２電極と連結されており、スイッチング動作を行なうことによって前記第２電極を前記電荷蓄積部に連結させて前記第２の電極を蓄積させる第２スイッチング部とを含み、
前記第１スイッチング部がターンオン又はターンオフされるとき、前記第２スイッチング部は、ターンオフ又はターンオンされることを特徴とする[1]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[3]前記電荷蓄積部と並列に連結されてスイッチング動作を行う第３スイッチング部と、
前記電荷蓄積部と並列に連結されてスイッチング動作を行う第４スイッチング部と、
前記第４スイッチング部と並列に連結され、一端に前記電荷蓄積部に蓄積された相対電位が印加されることによって、前記Ａ／Ｄ変換部に前記相対電位に該当する出力信号を提供し、他端に前記出力信号をフィードバックされるボルテージフォロワと
を更に含むことを特徴とする[2]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[4]前記第１及び第４スイッチング部がターンオンされ、前記第２及び第３スイッチング部がターンオフされるとき、前記第１電極の電圧が前記電荷蓄積部に蓄積され、
前記第２スイッチング部がターンオンされ、前記第１、３及び第４スイッチング部がターンオフされるとき、前記第１及び第２電極間の相対電位が前記ボルテージフォロワの一端に印加されることを特徴とする[3]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[5]前記第１及び第２スイッチング部がターンオフされ、前記第３及び第４スイッチング部がターンオンされるとき、前記電荷蓄積部に蓄積された相対電位に該当する電荷が放電されるようにすることを特徴とする[3]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[6]前記測定部は、
前記第１電極と並列に連結される抵抗Ｒ１及びＲ２と、
前記第２電極と並列に連結される抵抗Ｒ３及びＲ４と、
前記抵抗Ｒ１とＲ２との間に連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記電荷蓄積部に前記第１電極を連結させる第５スイッチング部と、
前記抵抗Ｒ２と直列に連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記抵抗Ｒ２を接地させる第６スイッチング部と、
前記抵抗Ｒ３とＲ４との間に連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記電荷蓄積部に前記第２電極を連結させる第７スイッチング部と、
前記抵抗Ｒ４と直列に連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記抵抗Ｒ４を接地させる第８スイッチング部と
を含むことを特徴とする[1]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[7]前記第５及び第６スイッチング部は、同時にターンオン又はターンオフスイッチングされ、
前記第７及び第８スイッチング部は、同時にターンオン又はターンオフスイッチングされることを特徴とする[6]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[8]前記電荷蓄積部と並列に連結されてターンオン又はターンオフスイッチング動作を行う第３スイッチング部と、
前記電荷蓄積部と並列に連結されてターンオン又はターンオフスイッチング動作を行う第４スイッチング部と、
前記第４スイッチング部と並列に連結され、一端に前記電荷蓄積部に蓄積された相対電位が印加されることによって、前記Ａ／Ｄ変換部に前記相対電位に該当する出力信号を提供し、他端に前記出力信号をフィードバックされるボルテージフォロワと
を更に含むことを特徴とする[6]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[9]前記第４、５及び６スイッチング部がターンオンされ、前記第３、７及び８スイッチング部がターンオフされるとき、前記第１電極の電圧が前記電荷蓄積部に蓄積され、
前記第７及び８スイッチング部がターンオンされ、
前記第３、４、５及び６スイッチング部がターンオフされるとき、前記第１及び第２電極間の相対電位が前記ボルテージフォロワの一端に印加されることを特徴とする[8]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[10]前記第５、６、７及び８スイッチング部がターンオフされ、前記第３及び第４スイッチング部がターンオンされるとき、前記電荷蓄積部に蓄積された相対電位に該当する電荷が放電されるように構成されることを特徴とする[9]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[11]前記インピーダンス計算部は、
任意の時間間隔毎に前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるそれぞれのデジタル信号と前記第２電極に印加される電流を用いて時間別のインピーダンスを計算し、
前記計算された時間別のインピーダンスは、測定順序に該当する固有のインデックスがそれぞれ付与されて格納されることを特徴とする[1]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[12]前記インピーダンス計算部は、
前記時間別のインピーダンス及び固有のインデックスを用いて前記第１及び２電極の両端に誘起される電圧波形を復元して前記第１及び第２電極の界面インピーダンスから時定数を計算することを特徴とする[11]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[13]前記第１及び第２電極は、同じ大きさの面積を有する刺激電極対を成すバイポーラで構成されることを特徴とする[1]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[14]前記インピーダンス計算部は、前記第２電極に印加される電流と前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル信号を用いて算出されたインピーダンスの１／２値を前記第１及び第２電極の界面インピーダンスとして計算することを特徴とする[13]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[15]前記第１電極は、前記第２電極の面積よりも小さい面積を有し、前記第２電極は、前記第１電極の面積よりも大きい面積を有するモノポーラで構成されることを特徴とする[1]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
[16]前記インピーダンス計算部は、前記第２電極に印加される電流と前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル信号を用いて算出されたインピーダンスを前記第２電極の界面インピーダンスとして計算することを特徴とする[15]に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。

Claims

生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置において、
生体内部セルの一端に連結される第１電極と、
前記生体内部セルの他端に連結されて刺激器から電流が印加され、前記印加される電流を前記セルを通じて前記第１電極に提供する第２電極と、
前記第１及び第２電極に印加される電流によって第１及び第２電極に誘起される電圧を選択的に抽出する測定部と、
前記第１及び第２電極間の電圧差に該当する相対電位が蓄積される電荷蓄積部と、
前記相対電位に該当する信号をデジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部と、
前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル信号と前記第２電極に印加される電流を用いて前記第１及び第２電極の界面インピーダンスを計算するインピーダンス計算部と
を含み、前記測定部は、
前記第１電極と並列に連結される抵抗Ｒ１及びＲ２と、
前記第２電極と並列に連結される抵抗Ｒ３及びＲ４と、
前記抵抗Ｒ１とＲ２との間に連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記電荷蓄積部に前記第１電極を連結させる第５スイッチング部と、
前記抵抗Ｒ２と直列に連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記抵抗Ｒ２を接地させる第６スイッチング部と、
前記抵抗Ｒ３とＲ４との間に連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記電荷蓄積部に前記第２電極を連結させる第７スイッチング部と、
前記抵抗Ｒ４と直列に連結されており、スイッチング動作を行なうことで前記抵抗Ｒ４を接地させる第８スイッチング部と
を含む生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
前記第５及び第６スイッチング部は、同時にターンオン又はターンオフスイッチングされ、
前記第７及び第８スイッチング部は、同時にターンオン又はターンオフスイッチングされることを特徴とする請求項１に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
前記電荷蓄積部と並列に連結されてターンオン又はターンオフスイッチング動作を行う第３スイッチング部と、
前記電荷蓄積部と並列に連結されてターンオン又はターンオフスイッチング動作を行う第４スイッチング部と、
前記第４スイッチング部と並列に連結され、一端に前記電荷蓄積部に蓄積された相対電位が印加されることによって、前記Ａ／Ｄ変換部に前記相対電位に該当する出力信号を提供し、他端に前記出力信号をフィードバックされるボルテージフォロワと
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
前記第４、５及び６スイッチング部がターンオンされ、前記第３、７及び８スイッチング部がターンオフされるとき、前記第１電極の電圧が前記電荷蓄積部に蓄積され、
前記第７及び８スイッチング部がターンオンされ、
前記第３、４、５及び６スイッチング部がターンオフされるとき、前記第１及び第２電極間の相対電位が前記ボルテージフォロワの一端に印加されることを特徴とする請求項３に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
前記第５、６、７及び８スイッチング部がターンオフされ、前記第３及び第４スイッチング部がターンオンされるとき、前記電荷蓄積部に蓄積された相対電位に該当する電荷が放電されるように構成されることを特徴とする請求項４に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
前記インピーダンス計算部は、
任意の時間間隔毎に前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるそれぞれのデジタル信号と前記第２電極に印加される電流を用いて時間別のインピーダンスを計算し、
前記計算された時間別のインピーダンスは、測定順序に該当する固有のインデックスがそれぞれ付与されて格納されることを特徴とする請求項１に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
前記インピーダンス計算部は、
前記時間別のインピーダンス及び固有のインデックスを用いて前記第１及び２電極の両端に誘起される電圧波形を復元して前記第１及び第２電極の界面インピーダンスから時定数を計算することを特徴とする請求項６に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
前記第１及び第２電極は、同じ大きさの面積を有する刺激電極対を成すバイポーラで構成されることを特徴とする請求項１に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
前記インピーダンス計算部は、前記第２電極に印加される電流と前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル信号を用いて算出されたインピーダンスの１／２値を前記第１及び第２電極の界面インピーダンスとして計算することを特徴とする請求項８に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
前記第１電極は、前記第２電極の面積よりも小さい面積を有し、前記第２電極は、前記第１電極の面積よりも大きい面積を有するモノポーラで構成されることを特徴とする請求項１に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。
前記インピーダンス計算部は、前記第２電極に印加される電流と前記Ａ／Ｄ変換部から出力されるデジタル信号を用いて算出されたインピーダンスを前記第２電極の界面インピーダンスとして計算することを特徴とする請求項１０に記載の生体と刺激電極間の界面インピーダンス測定装置。