JP5776165B2

JP5776165B2 - 生体組織用刺激回路

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Publication number: JP5776165B2
Application number: JP2010249173A
Authority: JP
Inventors: 鐘堂　健三; 健三鐘堂; 栄二米澤
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: JP2012100708A

Description

本発明は、生体組織の一部に電気刺激を与えるための生体組織用刺激回路に関する。

患者の耳小骨へ音の振動を伝達するための人工中耳、患者の胸部に埋植されて心臓に電気刺激を与えることで不整脈の発生を抑制する心臓ペースメーカ等、刺激電極（以下、電極）を体内に埋植し、生体組織の一部を電気刺激することで生体の機能を調節する電気刺激装置の研究がされている。また、近年このような電気刺激装置として、電極から電気刺激パルス信号（電荷）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視覚再生補助装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような電気刺激装置を用いた生体組織の電気刺激では、電極から所定量の電荷が注入されることで細胞に必要な刺激が与えられる。この時、電極から出力される１刺激分の電気刺激パルス信号は、複数の半導体スイッチによる切換によって正負方向にそれぞれ振幅を持つ双極性のパルスとされる。このような双極性パルスが用いられることで、電気刺激される部位での電荷の偏りが低減されてバランスを保つことができ、好適に電気刺激がされるようになる。

特開２０１０‐１８７７４７号公報

しかし、従来技術の生体組織用刺激回路では、双極性パルスの刺激条件によっては、双極性パルスの極性を切換えたときに、半導体スイッチの寄生ＰＮ接合が順バイアスされることで、不要な電流が流れ、正負の電荷のバランスが崩れてしまうことで、電荷に偏りが生じる場合があることが分かった。この場合、余った電荷が生体内に残ることで、患者の生体組織に悪影響が生じることが懸念される。そのため、従来の電気刺激装置で用いられる双極性パルス信号は、オフとされるべき半導体スイッチの寄生ＰＮ接合が順バイアスされずに、正負の電荷バランスを保つことができる刺激条件に制限されなければならなかった。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、双極性パルスの刺激条件の設定範囲を広くする事ができ、より好適に電気刺激を行うことのできる生体組織用刺激回路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）電源側に接続される第１半導体スイッチと接地側に接続される第３半導体スイッチを直列接続してなる第１直列部と，電源側に接続される第２半導体スイッチと接地側に接続される第４半導体スイッチを直列接続してなる第２直列部とが並列接続されてなるＨブリッジ回路であって、前記第１半導体スイッチと前記第４半導体スイッチとの組合せ，前記第２半導体スイッチと前記第３半導体スイッチとの組合せのそれぞれの組合せごとにオンとオフとを同時に行い、且つ、互いの組合せのオンとオフとが交互に切り替えられるＨブリッジ回路と、前記第１直列部の第１半導体スイッチと第３半導体スイッチとの間の第１接続点に接続される刺激電極と、前記第２直列部の第２半導体スイッチと第４半導体スイッチとの間の第２接続点に接続される対向電極と、前記第１接続点，及び第２接続点の少なくとも一方の電位を検出する検出回路を有する電位保障回路であって、前記検出回路にて検出された前記電位に基づいて，前記第１半導体スイッチ，前記第２半導体スイッチ，前記第３半導体スイッチ，および，前記第４半導体スイッチのうちオフとされた組合せの寄生ＰＮ接合が順バイアスにされない電圧範囲内となるように前記第１接続点又は前記第２接続点における電位を調節する、電位保障回路と、を備えることを特徴とする生体組織用刺激回路。

本発明によれば、双極性パルスの刺激条件の設定範囲を広くする事ができ、より好適に電気刺激を行うことのできる生体組織用刺激回路を提供できる。

本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は生体組織用刺激回路（以下、刺激回路）１００の回路ブロック図である。刺激回路１００は、半導体スイッチとしてｎ−ＭＯＳ（又はｐ−ＭＯＳ）からなる４つのＭＯＳトランジスタスイッチ（以下、スイッチ）ＳＷ１〜ＳＷ４からなるＨブリッジ回路と、Ｈブリッジ回路の片側の出力端子となる接続点Ａに接続される電極１０と、もう一方の出力端子となる接続点Ｂに接続される対向電極２０と、電位補償回路２００とから構成される。

なお、ここでの電位補償回路２００は、生体組織用刺激回路の接続点Ａ，接続点Ｂの少なくとも一方の電位を検出する検出回路２１０と、接続点Ａ，Ｂの電位を調節するための電圧調整回路２２０を含む。電圧調整回路２２０は、検出回路２１０の検出結果に基づき、他方の接続点（又は、接続点Ａ及びＢの両方）の電位を調節することで、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の切り換え時に、オフとされたスイッチの寄生ＰＮ接合が順バイアスされることを抑制する（なお、図２０に半導体スイッチに含まれる寄生ＰＮ接合Ｄ１、Ｄ２を示す）。

Ｈブリッジ回路（極性切換回路）は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２の一端が電源（ライン）Ｖｈに並列接続され、スイッチＳＷ３とスイッチＳＷ４の一端が接地側（グランド）に設けられた直流電流源ＤＳに並列接続される。また、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ３の他端は直列接続され、スイッチの接続間には接続点Ａが形成される。また、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ４の他端も同様に直列接続され、その接続間に接続点Ｂが形成される。また、接続点Ａには患者の生体組織を電気刺激するための電極１０が接続されており、接続点Ｂには対向電極２０が接続される。

以上のような構成のＨブリッジ回路は、対向するスイッチ（ＳＷ１とＳＷ４、ＳＷ２とＳＷ３）の組み合わせが対になり同じ動作をする（異なる組み合わせのスイッチは逆の動作をする）。そして、対向するスイッチの組み合わせのＯＮ（オン）とＯＦＦ（オフ）とが交互に切換えられることで、単一の電源Ｖｈからの供給電圧に基づき電流電流源ＤＳが駆動し、電極１０から出力される電流の正負の極性が交互に反転されるようになる。また、電極１０から出力された双極性パルス信号によって生体組織が電気刺激されるようになる。

また、電極１０と対向電極２０の間に位置される生体組織（図示を略す）は、固有の抵抗成分及び（電気二重層により発生する）コンデンサ成分を有する。また、ここでの図示は省略するが、接続点Ａと電極１０、接続点Ｂと対向電極２０の間には、有効電圧範囲を定めると共に直流成分を好適にカットするために直列接続された抵抗とコンデンサが接続されている。なお、図１では、以上のような抵抗とコンデンサ成分を、等価抵抗Ｒ、等価コンデンサＣとして示している。

次に、以上のような構成を備える生体組織用刺激回路の動作を説明する。なお、ここでは、双極性パルスとして、最初に（１ｓｔパルスに）対向電極２０から生体を通して刺激電極１０に電流(負電流)を流した後に、極性を切換えて（２ｎｄパルスに）刺激電極１０から生体を通して対向電極２０へ電流(正電流)が流される場合を例に挙げて説明する。

はじめに、刺激回路１００に接続されている図示なき制御部からの指令信号により、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３の組み合わせがＯＮとされ、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ４の組み合わせがＯＦＦとされる。この場合、接続点Ｂ側が電源Ｖｈの電位となり、接続点Ａ側は直流電流源ＤＳに引かれて接地電位側となる。これによって電極１０からは負の刺激パルス電流（負電流）が出力される（１ｓｔパルス）。一方、負電流によってコンデンサＣが充電されて、所定の電位を持つようになる。

次に、図示を略す制御部は、負電流と同じ電荷量の逆極性の正電流を流すために、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３の組み合わせをＯＦＦに、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ４の組み合わせをＯＮに切換える。これにより、接続点Ａ側が電源Ｖｈの電位とされ、接続点Ｂ側が直流電流源ＤＳにより接地電位側となるように切り換えられる。これにより、電極１０からは正の刺激パルス電流(正電流)が出力される（２ｎｄパルス）。

一方、電極１０から出力される電流の極性が反転されるときに、１ｓｔパルスで充電されたコンデンサＣの電位が残っていることにより、コンデンサＣのプラス電位側の接続点Ｂ側（１ｓｔパルスの出力時に電源Ｖｈに接続されていた側）の電位が電源Ｖｈの電位よりも高くなってしまう場合がある。その場合、オフとされているスイッチの寄生ＰＮ接合が順バイアスされることにより電流が流れてしまう可能性がある。このような意図しない順バイアスは、生体組織に与える電流の電荷バランスを崩してしまう。

ここで、図１６から図１８は電位補償回路を持たない刺激回路を用いて、双極性パルスの種々の刺激条件を生体組織に加えたときの、各点（接続点Ａ，Ｂ、生体組織Ｔ）の電位変化を模式的に示したものである。なお、ここでの電源Ｖｈの電位は１０Ｖである。
ここで、図１６は双極性パルスの極性の切換によって意図しない順バイアスが生じていない場合の刺激条件である。図１７，図１８は双極性パルスの極性の切換時に半導体スイッチの寄生ＰＮ接合に意図しない順バイアスが発生したときの刺激条件である。図１６の双極性パルスの刺激条件では、各点（Ａ,Ｂ,Ｔ）の電位は常に電源Ｖｈの電位（１０Ｖ）以下に抑えられている事が分かる。一方、図１７、図１８の双極性パルスの刺激条件では、双極性パルスの正負の極性が切換えられたときに、出力端子Ｂの電位が電源Ｖｈの電位（１０Ｖ）よりも高くなっていることが分かる（図中で該当箇所を丸印で示している）。これは、双極性パルスの１ｓｔパルスの電流によってコンデンサＣが充電電位を持つことに起因する。

このように、接続点Ｂの電位が電源Ｖｈの電位を超えてしまうと、オフとされる半導体スイッチ（例えばスイッチＳＷ２）の寄生ＰＮ接合が順バイアスされてしまい、意図しない電流が流れてしまうこととなる。この場合、双極性パルス信号の正負の電荷バランスが崩れてしまい、余った電荷が（電気二重層）により発生するコンデンサ成分に残り、これが蓄積していくといずれ体液の電気分解が発生して、患者の生体組織に悪影響が及ぼす可能性がある。

特に、生体組織用刺激回路において複数の電極１０が使用される場合には、装置を小型化にするために、一つの刺激回路に対して複数の電極１０が切り換え接続される構成とされる。この場合には、一つの電極１０からの双極性パルスの出力後に、その電極は刺激回路から切り離されてしまうので、電気二重層により発生するコンデンサ成分に蓄えられた電荷が放電する経路が断たれてしまうので、電荷が残り易くなる。

また、電気二重層により発生するコンデンサ成分は電極毎にばらつきがある。このため、従来の刺激装置では、電極毎にばらつくコンデンサ成分の容量を考慮して、対象とする電極全てにおいて正負の電荷バランスを保つためには、双極性パルスの刺激条件の自由度が制限されなければならなかった。

そこで、本実施形態では、少なくとも電源Ｖｈの電位を越える可能性のある接続点（１ｓｔパルスの出力時に電源Ｖｈ側に接続されていた側の接続点）側に検出回路２１０を接続して、接続点の電位のモニタ（検出）を行う。そして、検出結果に基づき、電圧調整回路２２０を用いて、接続点の電位を調節して電源Ｖｈの電位を越えないようにする。

なお、上記では１ｓｔパルスとして負電流を流し、２ｎｄパルスとして正電流を流す場合を例にあげて説明したが、１ｓｔパルスに正電流，２ｎｄパルスに負電流を流す場合にも、少なくとも１ｓｔパルスの出力時に電源Ｖｈに接続されている側（コンデンサＣのプラス電位側）の接続点の電位を検出回路２１０で検出して、検出結果に基づき電圧調整回路２２０にて各接続点の電位が電圧Ｖｈを越えないように調節する。これにより、双極性パルスの正電荷と負電荷の印加の順番に関わらず、双極性パルスの刺激条件範囲を広くすることができるようになる。

以下、刺激回路１００の具体的な構成を説明する。図２は刺激回路１００の第１実施形態である。検出回路２１０は、２組のバッファ２０１及び抵抗２０２と、基準となる電位を定めるための基準電源Ｖｅと、接続点Ａ及びＢの電位の平均値と基準電源Ｖｅの電位とを比較するためのオペアンプＯＰとから構成される。具体的には、各接続点Ａ及びＢにバッファ２０１と抵抗２０２とが直列接続され、２つの抵抗２０２の他端同士が接続され、その接点からの出力がオペアンプＯＰに入力されると共に、基準電源Ｖｅの出力もオペアンプＯＰに入力される。

なお、バッファ２０１は２つの抵抗２０２を介して接続点Ａ，Ｂ間で電流が流れるのを抑制し、電圧を好適に抽出する役割を有する。また、ここでは、抵抗２０２の抵抗値を同じにすることで、オペアンプＯＰに接続点Ａ、Ｂの平均電圧値が入力されるようにしている。なお、電圧調整回路２２０には、周知のＭＯＳトランジスタやバイポーラ・トランジスタ、スイッチング制御回路などの周知の電圧調整回路が使用される。

ここで、図３〜図５に第１実施形態の刺激回路１００を用いて、異なる刺激条件を印加した場合の、双極性パルス電流とそれに対応する接続点Ａ及びＢの電位変化のシミュレーション結果を示す（なお、参考として生体内の電位Ｔも示されている）。なお、ここでは、電源Ｖｈの電圧は１０Ｖ、基準電源Ｖｅの電圧は５Ｖに設定されている。

刺激回路１００の動作により、時間ｔ１から時間ｔ２の間で、電極１０から負電流が出力されると、次第にコンデンサＣが充電電位を持つようになる。そして、時間ｔ２で、上述した刺激回路１００のスイッチング動作にて電極１０から出力される電流の極性が正電流に反転される。これらの動作中、オペアンプＯＰによる接続点Ａ、Ｂ間の平均電圧Ｖと基準電源Ｖｅとの比較が行われている。
この時、オペアンプＯＰによって、平均電圧Ｖが基準電源Ｖｅの電位よりも高いことが検出されると、電圧調整回路２２０は、接続点Ａ、Ｂの電位が低くなるように電源Ｖｈからの電圧を調節して、接続点Ａと接続点Ｂの平均電圧を基準電源Ｖｅに近づける。

なお、平均電圧Ｖが基準電源Ｖｅの電位よりも低い場合は、平均電位Ｖが基準電源Ｖｅの電位に近づくように、電圧調整回路２２０によって、接続点Ａ及びＢの電圧が高くなるように調節される。このようにすると、端子Ａと端子Ｂの電位が基準電源Ｖｅを中心に変化されるので、コンデンサＣの充電電位が残っていることにより接続点の電位が電源Ｖｈの電位を越えることが抑制されるようになる。また、接続点ＡとＢの有効電圧範囲を広く取ることができるようになる。

以上のように、刺激回路１００にフィードバック回路からなる電位補償回路２００を設けることで、双極性パルスの刺激条件に関わらず、極性の切換え時に、接続点の電位が電源Ｖｈの電位よりも高くなることが抑えられるので、Ｈブリッジ回路を構成する各スイッチがオフとされるときに、寄生ＰＮ接合が順バイアスされることにより流れる電流によって、電気二重層により生じるコンデンサ成分に電荷が蓄積されてしまうことが抑えられる。これにより、双極性パルスの刺激条件のバリエーションを増やすことが出来るようになる。
なお、以上では基準電圧Ｖｅを５Ｖとしているが、基準電位Ｖｅの値は、２つの抵抗２０２の抵抗値との組合せによって、接続点の電位が電源Ｖｈの電位を越えないように設定すれば良い。

また、電位補償回路２００は以上の構成に限られるものではない。例えば、検出回路２１０を周知の最大電位検出回路で構成しても良い。例えば、最大電位検出回路はソースフォロア回路等で構成される。この場合の検出回路（最大電位検出回路）２１０は、接続点ＡとＢの電位のうち高いほうの電位を検出して、オペアンプＯＰに入力する。一方、オペアンプＯＰは前述と同様に、検出回路２１０からの入力電圧と基準電源Ｖｅの電位との比較を開始する。

この時、検出回路２１０の出力が基準電源Ｖｅよりも高い場合は、電圧調整回路２２０は、接続点Ａ，Ｂのうち高いほうの電位が基準電源Ｖｅを超えないように、電源Ｖｈから供給される電位を低く調節する。このようにすると、端子Ａ及びＢの電位が常に基準電源Ｖｅ以下となるように調節される。

ここで、図６〜図８に検出回路２１０の構成を最大電位検出回路とした場合に、異なる刺激条件を印加した場合の双極性パルス電流とそれに対応する接続点Ａ及びＢの出力電位変化のシミュレーション結果を示す。なお、ここでの電源Ｖｈの電圧は１０Ｖ、基準電圧Ｖｅは９Ｖに設定されている。この場合、接続点Ａ及びＢの電位が、常に基準電圧Ｖｅ（９Ｖ）以下に制限されて、双極性パルスの極性の切換え時に、接続点Ａ又はＢの電位が電源Ｖｈの電位よりも高くなることが抑制されている。これにより、双極性パルスの印加による電荷バランスを保つことができるようになり、双極性パルスの刺激条件のバリエーションを増やすことができるようになる。

なお、上述の２種類の電位補償回路２００は、双極性パルスの極性が正電流から負電流に切換えられる場合と、負電流から正電流に切換えられる場合の両方に対応することができる。その為、正負の極性の順番を利用することで、より多くの刺激条件の双極性パルスを使用することができるようになる。

また、電位補償回路２００がフィードバック回路から構成される場合において、双極性パルスの刺激条件が正電流から負電流、又は負電流から正電流のいずれか一方向のみに決定される場合には以下に示すような構成にすることができる。この場合、生体組織用刺激回路１００の構成をより簡単にすることができる。

図９に生体組織用刺激回路の第２実施形態を示す。なお、以降の説明において第１実施形態と同じ構成には同じ図番号を付して説明する。この場合の検出回路２１０はオペアンプ（差動増幅回路）ＯＰ２と、基準電源Ｖｅで構成される。また、本実施形態ではオペアンプＯＰ２が電位調節回路２２０の役割を有する。また、電極１０からは１ｓｔパルスで負電流、２ｎｄパルスで正電流の双極性パルスが出力されるとする。

この場合、オペアンプＯＰ２の負入力側（図９の「−」側）には、１ｓｔパルスの印加時に電源Ｖｈに接続される側（充電されたコンデンサＣのプラス電位側）の接続点Ｂが、正入力側（図９の「＋」側）には基準電位Ｖｅの出力が接続されている。１ｓｔパルスの印加中は、オペアンプＯＰ２の負入力側には正入力側の電位Ｖｅよりも高い電位Ｖｈが印加されているので、オペアンプＯＰ２の出力は駆動可能な最高電位をスイッチＳＷ１へ出力する。そして、双極性パルスの電流の極性が反転されると、オペアンプＯＰ２は、接続点Ｂの電位と基準電位Ｖｅとの差分を抽出（増幅）して、これらの電位が等電位となるように接続点Ａ側の入力電圧を制御する。このようにすると、接続点Ｂの電位が基準電位Ｖｅを超えて電源電位Ｖｈとの差が小さい場合（電源Ｖｈを越える可能性が高い場合）には、接続点Ａの入力電圧が低くなるので、これによって接続点Ｂの電位が基準電圧Ｖｅの電位に近づけられるようになる。

一方、接続点Ｂの電位が基準電位Ｖｅよりも低い場合には、接続点Ａの入力電圧がオペアンプＯＰ２の駆動可能な範囲で高くなることで、出力電圧Ｂの電位が基準電源Ｖｅの電位に近づけられるようになる。このようにすると、電源Ｖｈの電位よりも高くなる可能性のある側の接続点Ｂの電位が、一定値となる（基準電位Ｖｅに近づく）ように調節されるようになる。

ここで、図１０〜図１２に第２実施形態の生体組織用刺激回路において、異なる刺激条件を印加した場合の、双極性パルスとそれに対応する接続点Ａ及びＢの電位変化のシミュレーション結果を示す。なお、ここでの基準電位Ｖｅは９Ｖに設定されているとする。
結果から、いずれの場合にも電流の極性の反転時に、接続点の電位が電源Ｖｈの電位を越えていないことが分かる。従って、以上のような構成のフィードバック回路を設けることで、双極性パルスの極性が正電流から負電流、又は負電流から正電流のいずれか一方に決定される場合において、双極性パルスの刺激条件のバリエーションを増やすことができるようになる。

ただし、この場合には、電圧調整回路２２０（オペアンプＯＰ２）で調節される側の接続点Ａの電位の上限がオペアンプＯＰ２の駆動可能な範囲（電源Ｖｈの電位)までとされるので、検出回路２１０で電位が検出される側の接続点Ｂの電位が基準電位Ｖｅに至らない場合がある。しかしながら、電源Ｖｈの電位を越えることは抑えられるので、様々な双極性パルスを用いた好適な電気刺激を行うことができるようになる。

次に、図１３に第３実施形態の生体組織用刺激回路の構成を示す。この場合も、第２実施形態の場合と同様に、検出回路２１０はオペアンプＯＰ２と基準電圧Ｖｅにて構成される。また、スイッチＳＷ１が電位調節回路２２０の役割を兼ねる。また、本実施形態では、双極性パルスの極性の反転のタイミングに対応して、（トランジスタ）スイッチＳＷ１のゲート端子Ｇの接続位置が電源Ｖｈ側の端子Ｅと、オペアンプＯＰ２の出力側である端子Ｆとで切換えられるようになっている。

具体的には、負電流を流す１ｓｔパルスでは、スイッチＳＷ２とＳＷ３がＯＮにされ、スイッチＳＷ１のゲート端子Ｇは端子Ｅ側に接続される。これにより、ソースＳとドレインＤ間の抵抗値が高くなることでスイッチＳＷ１はＯＦＦにされる。そして、電極１０から負電流が出力されることで、コンデンサＣが充電されて所定の電位を有するようになる。そして、双極性パルスの極性が反転されるタイミングで、スイッチＳＷ１のゲート端子Ｇが端子Ｆ側に切換えられる。そして、オペアンプＯＰ２による接続点Ｂと基準電源Ｖｅの電位との比較結果がスイッチＳＷ１を構成するトランジスタに与えられて、接続点Ｂと基準電位Ｖｅとの差分に基づく電圧がゲート端子Ｇに加えられるようになる。

つまり、この時に、接続点Ｂの電位が基準電源Ｖｅの電位より高い場合（接続点Ｂの電位が電源Ｖｈの電位に近い場合）には、ゲート端子Ｇの電位が上がる。これにより、スイッチＳＷ１のソースＳ-ドレインＤ間の抵抗値が高くなり、接続点Ａの電位が下がることで、これに伴い接続点Ｂの端子の電位も下がるようになる。これにより、双極性パルスの反転時に各スイッチの寄生PN接合が順バイアスされることが防止される。

なお、上記では、電位補償回路２００としてフィードバック回路を設けることで、接続点の電位が電源Ｖｈの電位を越えないように調節する場合を説明したが、これに限られるものではない。例えば、刺激回路１００の動作に連動させて、各スイッチの寄生ＰＮ接合が順バイアスされないようにすることもできる。

図１４に生体組織用刺激回路の第４実施形態を示す。この場合は、電位補償回路２００として、刺激回路１００にブートストラップ回路を組み込むことによって、刺激回路１００の動作に連動させて、各スイッチの寄生ＰＮ接合が順バイアスされることを抑制する。
この場合、電源Ｖｈに整流回路３０１（例えば、ダイオードが使用される）が接続され、整流回路３０１の他端にはブートストラップコンデンサ（以下、コンデンサ）３０２が接続される。また、整流回路３０１とコンデンサ３０２の接続点の電位は、スイッチＳＷ２を構成するトランジスタのバックゲートに接続されると共に、スイッチＳＷ２のゲートを駆動するドライバ３０５の電源端子に接続される。一方、コンデンサ３０２の他端には電流の流入を防ぐためのバッファ３０４の出力が接続され、バッファ３０４の入力は接続点Ａに接続される。なお、バッファ３０４には、例えば、ＮＭＯＳとＰＭＯＳトランジスタのソースフォロア回路等が使用される。また、ここでは、寄生ＰＮ接合Ｄ１，Ｄ２を含むスイッチＳＷ２の構成を詳細に示している。

以上のような構成を刺激回路１００に組み込むことで、コンデンサ３０２の充電電圧を利用して、電源Ｖｈの電位よりも高い電位を作ることができ、これによって、オフとされる半導体スイッチの寄生ＰＮ接合が意図せずに順バイアスされてしまうことを抑制できるようになる。

ここで、第４実施形態の刺激回路１００の動作を説明する。はじめに、スイッチＳＷ２とＳＷ３がＯＮ（スイッチＳＷ１とＳＷ４はＯＦＦ）にされることで、電極１０からは負電流が出力される。直流電流源ＤＳによってコンデンサＣが充電されると共に抵抗Ｒに発生する電圧降下によりＡ点の電位が下がる。これにより、電源Ｖｈに接続された整流回路３０１を介して流れる電流によって、コンデンサ３０２が充電されて所定の電位（例えば、電位Ｖｂとする）を有するようになる。なお、この時、バッファ３０３によってコンデンサ３０２の充電電流が刺激電流経路に流れることが抑えられている。

次に、スイッチＳＷ１とＳＷ４がＯＮ（スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＦＦ）に切換えられると、電極１０からは正電流が流れると共に、スイッチの切換によって接続点Ａの電位が電源Ｖｈ側となることで、スイッチＳＷ２のバックゲート電位がＶｂ＋Ｖｈに持ち上げられる。これによって、仮に接続点Ｂの電位が電源Ｖｈの電位よりも高くなったとしても、コンデンサ３０２に接続されたスイッチＳＷ２のバックゲート電位の方が十分に高くなるので、スイッチＳＷ２の寄生ＰＮ接合が意図せずに順バイアスされることが抑制されるようになる。

以上のようにすることで、刺激回路１００の駆動動作を利用して、双極性パルスの正負の電荷バランスが保たれるようになり、様々な刺激条件の双極性パルスを利用して好適に生体の電気刺激を行う事が出来るようになる。

なお、電位補償回路２００として用いられるブートストラップ回路は、以上のような構成に限られるものではない。例えば、図１４の整流回路（ダイオード）３０１の代わりに、スイッチＳＷ２の寄生ＰＮ接合（ダイオード）Ｄ２を使用してコンデンサ３０２が充電されるようにしてもよい。また、図１４ではスイッチＳＷ２を１つのＰＭＯＳトランジスタで構成しているが、スイッチＳＷ２を２つのＰＭＯＳトランジスタの直列回路で構成すると、スイッチＳＷ２（ＰＭＯＳトランジスタ）の各寄生ＰＮ接合に流れる電流の経路を互いに遮断することができるようになる。このようにすると、回路が固有のバイポーラトランジスタを有する場合にも外部に電流が流れ出ることが抑えられて、双極性パルスの電荷バランスを好適に保つことができるようになる。

なお、上記では刺激回路１００は４つのスイッチＳＷ１からＳＷ４からなるＨブリッジ回路をベースに構成されているが、これに限られるものではない。つまり、刺激回路１００に用意された複数のスイッチのＯＮとＯＦＦとが切換えられることにより、電極１０から双極性パルスが出力される構成であればよい。

例えば、図１９の生体組織用刺激回路の第５実施形態に示すように、電源Ｖｈ側にスイッチＳＷ１を接続し、接地側にスイッチＳＷ３を接続する。そして、スイッチＳＷ１とＳＷ３の接続位置（接続点Ａ）に電極１０を接続する。一方、対向電極２０が接続される接続点Ｂ側に双極性直流電流源ＤＳを接続する。この場合、スイッチＳＷ１とＳＷ３の切換動作に同期して、双極性直流電流源ＤＳの電流の向きが交互に切換えられることにより、電極１０から双極性パルスが出力されるようになる。

はじめに、１ｓｔパルスでスイッチＳＷ３がＯＮ、スイッチＳＷ１をＯＦＦとして電極１０から負電流を出力する。次に、２ｎｄパルスでスイッチＳＷ１をＯＦＦ、スイッチＳＷ３をＯＮとして正電流を電極１０から出力する。この時、検出回路２１０で検出された接続点Ｂの電位によってスイッチＳＷ１の電圧を電圧調整回路２２０で調整することで、接続点Ｂの電位が電源Ｖｈの電位を超えないように出来る。次に、以上のように形成された刺激回路１０を、電気刺激装置として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使用する場合を例に挙げて説明する。図１５に視覚再生補助装置の制御系のブロック図を示す。

視覚再生補助装置１は、外界を撮影するための体外装置１ａ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１ｂとからなる。体外装置１ａは、患者が掛ける眼鏡形状のバイザ（図示を略す）と、バイザに取り付けられるＣＣＤカメラ等からなる撮影装置３と、撮影装置３で撮影された被写体像を画像データに変換すると共に視覚再生補助装置１に電力供給を行うための外部デバイス４と、体外装置１ａで生成された画像データ及び電力を体内装置１ｂに送信するための一次コイルからなる送信手段５等にて構成されている。なお、送信手段５の中心には図示なき磁石が取り付けられており、後述する体内装置１ｂ側の受信手段６との位置固定に使用される。

体内装置１ｂは、体外装置１ａから送信される画像データや電力を電磁波で受信する受信手段６と体内装置１ｂの制御を行うための制御部７ａを備える受信ユニット７と、網膜を構成する細胞を電気刺激する刺激部（刺激ユニット）８と、複数の電極１０とから構成されている。なお、刺激部８は上述した刺激回路１００を有し、刺激回路１００は制御部７ａによる制御信号に基づき、電極１０から双極性パルス信号を出力させる。

以上の構成を備える視覚再生補助装置１の動作を説明する。撮影装置３で撮影された被写体像は外部デバイス４で画像データに変換されて、送信手段５から電磁波として体内装置１ｂ側に送信される。体内装置１ｂ側では、体外装置１ａから供給され、受信手段６で受信された画像データ及び電力が制御部７ａに送信される。制御部７ａでは受信信号に基づき、刺激回路１００を動作させて、各電極１０から双極性パルス（電気刺激パルス）を出力させる。これにより、患者眼の網膜Ｅ１を構成する細胞が刺激されて、患者は視覚を得るようになる。

この時、本実施形態では、双極性パルスの刺激条件に関わらず、刺激回路１００の接続点の電位が電源Ｖｈの電位よりも高くならないようにされているので、電極１０からは様々なバリエーションの電気刺激パルスが出力させることができ、患者に多様な視覚を与えることができるようになる。

なお、本発明の生体組織用刺激回路１００は、これ以外にも、生体内の様々な部位の生体組織の刺激に用いられることで、長期間安定した生体の電気刺激を行う事が出来るようになる。例えば、患者に聴覚を与えるための人工内耳、不整脈の発生を抑制するための心臓ペースメーカ等、患者の体内に長期間埋植して生体に所定の電気刺激を与えるための刺激回路に本発明の構成が適用されることで、双極性パルスの刺激条件の設定範囲を広くする事ができると共に、生体組織の電気刺激を長期間安定して行うことができるようになる。

生体組織用刺激回路の回路ブロック図である。刺激回路の第１実施形態である。第１実施形態の刺激回路の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。第１実施形態の刺激回路の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。第１実施形態の刺激回路の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。最大電位検出回路を用いた場合の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。最大電位検出回路を用いた場合の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。最大電位検出回路を用いた場合の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。生体組織用刺激回路の第２実施形態である。第２実施形態の刺激回路の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。第２実施形態の刺激回路の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。第２実施形態の刺激回路の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。生体組織用刺激回路の第３実施形態である。生体組織用刺激回路の第４実施形態である。視覚再生補助装置の制御系のブロック図を示す。従来技術の刺激回路の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。従来技術の刺激回路の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。従来技術の刺激回路の双極性パルス電流と接続点電位との関係の説明図である。生体組織用刺激回路の第５実施形態である。寄生ＰＮ接合の説明図である。

ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４半導体スイッチ
Ａ、Ｂ接続点
１０電極
２０対向電極
１００生体組織用刺激回路
２００電位補償回路
２１０検出回路
２２０電圧調整回路

Claims

電源側に接続される第１半導体スイッチと接地側に接続される第３半導体スイッチを直列接続してなる第１直列部と，電源側に接続される第２半導体スイッチと接地側に接続される第４半導体スイッチを直列接続してなる第２直列部とが並列接続されてなるＨブリッジ回路であって、前記第１半導体スイッチと前記第４半導体スイッチとの組合せ，前記第２半導体スイッチと前記第３半導体スイッチとの組合せのそれぞれの組合せごとにオンとオフとを同時に行い、且つ、互いの組合せのオンとオフとが交互に切り替えられるＨブリッジ回路と、
前記第１直列部の第１半導体スイッチと第３半導体スイッチとの間の第１接続点に接続される刺激電極と、
前記第２直列部の第２半導体スイッチと第４半導体スイッチとの間の第２接続点に接続される対向電極と、
前記第１接続点，及び第２接続点の少なくとも一方の電位を検出する検出回路を有する電位保障回路であって、前記検出回路にて検出された前記電位に基づいて，前記第１半導体スイッチ，前記第２半導体スイッチ，前記第３半導体スイッチ，および，前記第４半導体スイッチのうちオフとされた組合せの寄生ＰＮ接合が順バイアスにされない電圧範囲内となるように前記第１接続点又は前記第２接続点における電位を調節する、電位保障回路と、を備えることを特徴とする生体組織用刺激回路。