JP6442069B2 - 光起電式電気刺激装置 - Google Patents

Description

本発明は、神経又は筋肉などの電気的に興奮性の組織に電気的に結合された２つの電極によって前記組織に電流パルスを送達することを含む医療処置において使用するための電気刺激装置に関する。具体的には、本発明は、前記組織に送達される電流を生成するために、光により活性化される光電池を使用する装置に関する。

パーキンソン病、てんかん、慢性痛、運動器疾患などの多くの疾患の診断又は治療及び他の多数の用途のために、神経又は筋肉などの組織に電気パルスを送達することが当技術分野で知られている。その最も単純な形態では、そのような電気パルスを送達するための装置は、電気パルス発生器と、刺激電極と、電極を電気パルス発生器に電気的に結合する電線とを含む。用途に応じて、電極を皮膚上に取り付けることができ、治療される組織に電流を経皮的に伝達することができる。しかしながら、幾つかの用途では、電極は、治療される組織に直接的に取り付けなければならず、移植可能な装置の使用を必要とする。後者の場合、移植物を小型化することが最も重要であることは明らかである。

治療される組織、使用される電極のタイプ、及び電極間の距離に依存して、移植される電極間で必要とされる電圧は、一般的に１５Ｖ±５Ｖ程度である。そのような電圧は、大きい寸法の電気パルス発生器を必要とするため、電気刺激移植物は、一般的に次の２つの別個の構成要素、即ち、一方では、治療される組織に直接的に移植される電極と、他方では、用途に応じて身体の様々な位置に移植され得るが、多くの場合に鎖骨下領域、下腹部、又は臀部に移植されるより大きい寸法の電気パルス発生器とから形成される。パルス発生器を電極に接続する電線は、可撓性を提供するため、且つ電気パルス発生器及び電極からの距離を可変にするため、且つ身体の動きに対してより高い順応性を有する機械的安定性を高めるため、一般的にコイル状に巻かれる。電線の使用により、とりわけコイル状に巻かれた場合、そのような移植物は磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）装置と適合せず、空港、銀行等で使用される単純な金属探知ポータルとも適合しない。

図１（ｂ）に示すように、通常、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を使用して必要な電流及び電圧を刺激回路に送達するが、５Ｖよりも大きい又は更に１０Ｖよりも大きい電圧で十分に正確であり、同時に十分な電流分解能を提供し、且つ移植可能な装置と適合する電力消費を有するものはほとんどない。

複合活動電位（ＣＡＰ）は、電極によって刺激された組織の、全ての個々の繊維の活動電位の代数和である。ＣＡＰを記録することは重要であり、なぜなら、これは刺激に対する組織の反応性、閾値電圧、ＣＡＰ開始潜時、刺激された組織を構成する繊維種類の分布等を明らかにするからである。刺激点付近のＣＡＰ応答を記録することは、神経ＣＡＰの振幅が小さいために非常に難しい（典型的には、刺激が５〜１５ボルトの範囲にあるときに数十μＶであり、真のＣＡＰ信号を非常にわかりにくくする刺激アーチファクトによって記録が大きく汚染されることにつながる。

電気刺激移植物内の電気パルス発生器は、一般的に、一次電池（非充電式）又は充電式の何れかの電池によって給電される。充電式電池は定期的な間隔で充電しなければならないが、一方、充電サイクル数は電池寿命及び容量を低減させる。定期的な間隔は、用途並びに電池の種類及びサイズに依存して、１日〜数ヶ月の範囲にわたることがある。上述したように、電池は、一般的に刺激される組織から離れた鎖骨下腔、腹部領域、又は臀部領域などの場所に移植される。電池は、当技術分野で既知の手段により経皮的に充電され得る。例えば、移植可能な医療装置は、電池などの電源を充電するためにエネルギーを供給するように構成された太陽電池を含むことがある。太陽電池は、太陽電池の表面が半透明の皮膚の層の下に設けられるように被移植体の身体に移植され得、これにより、太陽電池が身体の外部からの光を受け取ることが可能になる。そのようなシステムの例が、米国特許第２００９０３２６５９７号明細書、国際公開第２０１４１３６０２２号パンフレット、又は米国特許第２０１２００３５７２５号明細書に開示されている。

米国特許第８７４４５６８号明細書は、電力源として光電池によって電気的に刺激される移植可能な電気活性重合体を含む医療装置を提案している。この装置は、特にその場で治療薬を放出するために使用することができる。しかしながら、この装置は、組織を電気的に刺激するためには使用されない。

安全で信頼でき、長期にわたり自律的である組織電気刺激装置の必要性が当技術分野において依然として存在する。そのような装置は、ＭＲＩと適合し、刺激点の近傍でのＣＡＰ記録が可能であり、移植のために小型であるべきである。本発明は、そのような装置を提案する。本発明のこれらの及び他の利点が以降のセクションで示される。

本発明は添付の独立請求項で規定される。好ましい実施形態は従属請求項で規定される。特に、本発明は、電気的に興奮性の組織に電気的に結合された２つの電極によって前記組織に電流を送達することを含む医療処置において使用するための光電式刺激装置に関し、前記光電式刺激装置は、
（ａ）電気インパルス源
を含み、電気インパルス源は、
（ｂ）発光源
と電気的に接続されており、発光源は、
（ｃ）光電池
と光通信し、光電池は、前記組織との２つの電気接点を確立し、且つ従って（発光源の放射によって励起される光電池によって給電される電気刺激回路を形成するために、２つの電極と電気的に接続されている。

好ましい実施形態では、電気インパルス源は、１μｓ〜１０ｍｓ、好ましくは１０μｓ〜１ｍｓに含まれる持続時間の較正された光パルスを放射するように発光源を作製するのに適している。光電池は、発光源によって励起されると、０．０１〜５０μＣ、好ましくは０．１〜１０μＣの電荷を、好ましくは電気インパルス源から利用可能な電圧よりも高い電圧で送達するように選択してもよい。

実際には、光電式刺激装置は、電気インパルス源を収容し、且つ電極から物理的に分離しているハウジングを更に含むことが好ましい。従って、刺激装置は、以下の構成：
（ａ）ハウジングが発光源、光電池も収容し、且つ光電池を２つの電極に電気的に接続するのに適した電気コネクタを含んで、電気刺激回路を形成すること、又は
（ｂ）ハウジングが発光源も収容し、且つ発光源によって放射された光を、ハウジングから離れて且つ電極に隣接して配置されるケーシング内に封入された光電池に伝達するための光ファイバーに接続されること、又は
（ｃ）ケーシングが光電池及び発光源を封入し、発光源がハウジング内に収容された電気インパルス源と電気的に接触していること
のうちの１つを示すことがある。

悪影響を及ぼす副作用を防止するために、光電式刺激装置は、
・回収用発光源
を更に含むことが好ましく、回収用発光源は、
・回収用光電池
と光通信し、回収用光電池は、前記組織と２つの電気接点を確立し、且つ従って電気刺激回路と並列であり且つ回収用光電池によって給電される電荷回収回路を形成するために、２つの電極に電気的に接続されており、
それにより、回収用光電池が回収用発光源によって励起されると、電極−組織界面に蓄積した任意の電気化学的な電荷を取り除くために、電流は、電気刺激回路を流れる電流とは逆の方向に組織を通って流れる。

安全上の理由から、且つ刺激回路に直流電流（ＤＣ）が流れるのを防止するために、直流ブロック回路を更に含む光電式刺激装置は、発光源と直列に配置される安全静電容量を含むことが好ましい。

本発明による光電式刺激装置は、刺激シーケンス中に組織に実際に送達される電流を示す無線制御システムを含んでもよい。一実施形態では、前記制御システムは、電極及び光電池と直列に配置される制御発光源を含んでもよく、前記制御発光源は電気的に活性化されると光を放射し、装置は発光センサを更に含み、発光センサは、制御発光源と光通信し、且つ制御発光源によって放射されるパルスを記録するようにプログラムされたプロセッサと結合しており、前記プロセッサは、好ましくは電気インパルス源の一部である。

代替の実施形態では、前記制御システムは制御回路を含んでもよく、制御回路は、
（ａ）刺激回路の光電池（１）と同じ発光源（２）と光通信する制御光電池（１Ｃ）と、
（ｂ）制御光電池（１Ｒ）によって電気的に活性化されると光を放射する制御発光源（１３）と
を含み、装置は、
（ｃ）発光センサ（９）
を更に含み、発光センサ（９）は、制御発光源（１３）と光通信し、且つ制御発光源により放射されるパルスを記録するようにプログラムされたプロセッサと結合しており、前記プロセッサは、好ましくは電気インパルス源の一部である。

光電式刺激装置は、電気的に刺激される組織の近傍に少なくとも電極を移植することができるように設計された移植物の形態であってもよい。少なくとも電気インパルス源を収容するハウジングは、電気的に刺激される組織から離れた場所に移植され得る。好ましい実施形態では、少なくとも光電池を収容するケーシングは、電極に隣接して且つ電気的に刺激される組織に隣接して移植され得る。電流が供給される電気的に興奮性の組織は、好ましくは（ａ）神経組織及び（ｂ）筋組織から選択される。本発明による光電式刺激装置は、多数の医療用途において、神経組織及び筋組織の両方に係る診断用途及び治療用途のために使用することができる。移植可能な装置に加えて、本発明による光電式刺激装置は、電極を移植するのではなく、患者の皮膚の上に電極を取り付けることにより経皮的に組織を刺激することができる。同様に、体外の装置を多数の診断用途及び治療用途で使用することができる。

本発明の本質をより詳細に理解するために、添付の図面に関連した以降の詳細な説明が参照される。

図１は、（ａ）従来技術の電気刺激装置の例、（ｂ）電気インパルス源の例、及び（ｃ）電気パルスシーケンスの例を示す。 図２は、（ａ）本発明による電気刺激装置、及び（ｂ）光電池の例を示す。 図３は、異なる構成で配置された電気インパルス源（４）、発光源（２）、及び光電池（１）を伴う本発明の様々な実施形態を示す。 図４は、（ａ）刺激インパルス及びそれに続く回収インパルスを示し、残りの図面（ｂ）〜（ｄ）は本発明による刺激回路を示し、（ｂ）は回収回路に結合されており、（ｃ）は並列に抵抗を含み、（ｄ）は静電容量を直列に且つ抵抗を並列に含み、及び（ｄ）では発光回路が静電容量を含んでいる。 図５は、刺激される組織に伝達されたパルスのフィードバックを提供する様々な実施形態を示す。 図６は、発光源及び電気インパルス源の様々な構成を示す。

図１（ａ）に示すように、従来の電気パルス刺激装置は電極（３ｎ、３ｐ）に結合された電気インパルス源（４）を含み、電極（３ｎ、３ｐ）は、体外電極の場合には刺激される組織の領域の皮膚上に取り付けられ、又は移植型装置の場合には治療される組織に直接的に取り付けられる。刺激される組織は、図ではＺ_ｂｉｏと表わされる。安全上の理由のために、通常、静電容量が回路に追加されて、直流電流が偶発的に組織に送達されるのを防止する。

電気インパルス源（４）は、０．０１〜１００ｍＡ以上に含まれる強度で、且つ１μｓ〜１０ｍｓ、好ましくは１０μｓ〜１ｍｓに含まれる持続時間の非常に正確に較正された電流パルスを送達することができなければならない。電流源（４）の一例が図１（ｂ）に表わされており、これは、電池などの発生器と、必要な形状、強度（ｉ０）、持続時間（ｔｉ）の較正されたパルスを必要な周波数（１／ｔｆ）で送達するようにプログラムされたマイクロコントローラ（μｃ）と、μｃのデジタル信号を電極に送信されるアナログ電流に変換するためのデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）とを含む。必要な選択度及び微調整を確実にするために、解像度は一般的に少なくとも８ビットであることが必要である。

本発明による電気刺激装置は、従来技術によるものと同様に、０．０１〜５０μＣ程度、好ましくは０．１〜１０μＣの電荷を治療される組織に送達することができなければならない。移植型電極について、組織Ｚ_ｂｉｏの抵抗は、３〜５ｋΩ程度である。０．１〜３ｍＡなど、ｍＡ程度の電流の場合、電極間に必要な電圧は１０Ｖ程度である。体外の（即ち経皮的な）電極を使用する表面刺激装置の場合、組織Ｚ_ｂｉｏの抵抗は実質的により高くなり、典型的な値は１００ｋΩ程度であり、１００ｍＡ以下程度の１００μｓの長い電流パルスの場合、３００Ｖ程度までの電圧が電極間に必要であり得る。用途に応じて、電気インパルスの持続時間は、１μｓ〜１０ｍｓ、好ましくは１０μｓ〜１ｍｓの範囲にわたることがある。

序文で考察したように、一般的にコイル状に巻かれた比較的に長い電線を通じた電流の送達は不利であり、なぜなら、そういった電線は、ＭＲＩ及び磁気金属探知ポータルと適合しないからである。更に、電気刺激装置の電流要件は、大容量電池及び／又は電池の頻繁な充電を必要とするようなものであり、充電は、頻繁に繰り返される場合、患者にとって長くて面倒な操作である。

図２（ａ）に示すように、本発明による電気刺激装置は、電気インパルス源（４）によって送達される電気パルスが電極に到達する態様の点で従来技術による装置と異なる。電気インパルス源（４）は、図１（ｂ）に示すタイプのものであり得る。本発明の骨子は、従来技術による装置とは対照的に、電流がパルス発生器（４）から電極（３ｎ、３ｐ）に直接的に送達されるのではなく、発光源（２）に送達されることにある。発光源（２）は、有利には、発光ダイオード（ＬＥＤ）、又はレーザーＬＥＤである。「光」という用語は、本明細書では、可視光に限定せず、広い意味で使用する。本発明に適した発光源（２）は、３００〜２０００ｎｍ、好ましくは４００〜１８００ｎｍ、より好ましくは７００〜１５５０ｎｍに含まれる波長を有する光を放射することができるべきである。放射される光は、好ましくは単色である。

電流Ｉ４が電気インパルス源（４）によって送達されたときに発光源（２）によって放射される光パルスのエネルギーは、光（ＰＶ）電池（１）によって電流に変換され、この光電池（１）は、発光源（２）と光通信するように配置され、且つ電流Ｉ１を送達する。光電池（２）は、光を吸収して電流Ｉ１２に変換する吸収材料（例えば、半導体がドープされた、又はされていない）を含む。光電池の重要な特性のうちの１つは、光電力変換（ＯＰＣ）であり、これは、光を電流に変換する物質の能力を測るものである。所与の光電池の光電力変換は、当然、吸収される光の波長に依存する。従って、光電池の種類は、そのような光電池と共に使用するのに最も適した発光源と常に組み合わせて選択しなければならない。より高い光電力変換が単色光で達成され、５０％に至るＯＰＣ値が文献で報告されている。最も一般的に使用される光電池としては、非晶質、単結晶質、又は多結晶質のシリコンＰＶ電池、テルル化カドミウムＰＶ電池（ＣｄＴｅ）、セレン化銅インジウムガリウムＰＶ電池（ＣＩ（Ｇ）Ｓ）、ヒ化ガリウムゲルマニウムＰＶ電池（ＧａＡｓ）等が挙げられる。

図２（ｂ）に示すように、光電池の吸収材料（１２）は、ダイオード（１１）と並列であり且つ直列及び並列の抵抗を有する電流源（１２）を含むＰＶ回路（１０）として一般的にモデル化される。そのようなＰＶ回路に対する電圧出力は、それに適用される負荷及びダイオードの特性に依存する。光電池（１）の電圧出力範囲を広げるために、図３（ｂ）に「Ｎｘ」で示すように、いくつかのそのようなＰＶ回路（１０）を直列に配置することができる。

各光電池は、供給業者から入手可能な電流対電圧曲線によって特徴付けられ、これは、電圧とは無関係に供給される線形の実質的に一定の強度を有し、その電圧を超過すると電流が急激に降下する電圧を規定する最大電力閾値によって制限される。単独で又は他の光電池と組み合わせて（図６を参照）使用される光電池（１）は、電極で必要とされる所望の電圧の関数として選択されなければならないことは明らかであり、その結果、所望の電流に対して、前記電圧は電流対電圧曲線の線形部分の十分内側にある（即ち、電力閾値の十分に下方にある）。当業者であれば、この要件が満足されることを保証する方法を知っている。

電流は、従来技術のように電気インパルス源（４）によってではなく、光電池（１）から直接的に電極（３ｎ、３ｐ）に送達される。これは多くの利点を有する。例えば、移植された電極（３ｎ、３ｐ）間に１０Ｖ程度の電圧が必要とされる場合、発光源（２）は、０．５〜４．５Ｖ程度、好ましくは０．８〜３Ｖ程度のはるかに低い電圧を必要とし、サイズの低減及び電気インパルス源（４）の自律性の延長の観点から明らかな利点を有する。例えば、図１（ａ）で示した装置とは反対に、本発明による装置では、利用可能な電池電圧を必要とされる高出力電圧まで上げるためのＤＣ−ＤＣコンバータは不要である。

更に、一連の電気パルス中、電流は刺激の期間中のみシステムによって必要とされる。例えば、図１（ｃ）は刺激パルスシーケンスの例を示しており、このシーケンスは持続時間ｔｓの２つの一続きの刺激を含んでおり、その各々は、強度ｉ０、持続時間ｔｉで、１／ｔｆの周波数で繰り返されるｎ個のパルス（ここでは矩形波）を含んでおり、休息期間ｔｒによって分離される。対照的に、図１（ａ）に示されるような従来技術による刺激装置では、電流生成回路の一部及び高電圧アナログフロントエンドは、常時給電を必要とするか、又は刺激パルス間の期間とは適合しない長いパワーアップ時間を必要とする。結果として、そのような従来技術による刺激装置は、図１（ｃ）に示す一連のｎ個のパルスの全刺激期間ｔｓ（即ち、ｎ×ｔｆ）中、電池によってエネルギーが供給されることを必要とし、本発明による装置の電流は、光パルスが発光源（２）によって放射される間、即ち、時間＝（ｎ×ｔｉ）＜（ｎ×ｔｆ）中のみ電流を必要とする。例えば、てんかんの治療を表す刺激シーケンスは、刺激期間ｔｓ＝３０ｓ、休息期間ｔｒ＝３００ｓに対して持続期間ｔｉ＝２５０μｓ、周波数１／ｔｆ＝１Ｈｚのｎ＝３０個のパルスによって特徴付けられ、発光源（２）が通電されなければならない時間ｔ_ｉｎｖの、図１（ａ）による回路が通電されなければならない時間ｔ_ＰＡに対する比率ｔ_ｉｎｖ／ｔ_ＰＡは０．０３％に等しい。周波数１／ｔｆ＝３０Ｈｚでは、ｎ＝９００であり、比率ｔ_ｉｎｖ／ｔ_ＰＡ＝ｔｉ／ｔｆ＝０．７５％である^１。結果として、ｎ個のパルスの刺激シーケンスの持続時間ｔｓ中、本発明による刺激装置は、従来技術による刺激装置が通電される時間のうちのごくわずかな時間のみ（上記の２つの例では、１％未満の時間（即ち、ｔ_ｉｎｖ／ｔ_ＰＡ＜１％））通電され、非常に低いエネルギー消費をもたらす。
^１ ｔ_ｉｎｖ／ｔ_ＰＡ＝ｎ×ｔｉ／ｎ×ｔｆ＝ｔｉ／ｔｆ：
− １／ｔｆ＝１Ｈｚの場合、ｔ_ｉｎｖ／ｔ_ＰＡ＝２５０μｓ／１ｓ＝２．５ １０^−４
− １／ｔｆ＝３０Ｈｚの場合、ｔ_ｉｎｖ／ｔ_ＰＡ＝２５０μｓ×３０ｓ^−１＝０．７５％

前述の２つの効果 − より低い電圧及びより短い通電時間 − を組み合わせることにより、電気パルス源（４）の寸法を大幅に低減することが可能になり、且つ／又は電池の自律性を延長することが可能になり、従って相当により少ない頻度の電池の充電セッションを必要とし、被移植体の便益及び快適さにつながる。上述したてんかん以外の用途は、他のタイプの刺激シーケンスを必要とする。図１（ｃ）のパルスシーケンスはとりわけ単純であり、当業者であれば多数の異なるシーケンスが可能であることを知っている。

本発明による光電式刺激装置の電気インパルス源（４）は、１０μｓ〜１０ｍｓに含まれる持続時間の較正された光パルスを放射するように発光源を作製するのに適しているべきである。各パルス中、光電池（１）により、０．０１〜５０μＣ、好ましくは０．１〜１０μＣに含まれる電荷が所望の電圧で、移植型装置の場合には好ましくは５〜３０Ｖ程度、好ましくは１５Ｖ±７Ｖ程度で、体外装置の場合には３００Ｖ程度までで送達されるように、発光源（２）及び光電池（１）は選択されるべきである。光電池（１）によって供給される電圧が電気インパルス源（４）から利用可能な電圧よりも高い場合、これは０．５〜４．５Ｖ程度、好ましくは０．８〜３Ｖ程度であり得、この場合に有利である。

図３（ａ）に示すように、刺激回路全体を、電極（３ｎ、３ｐ）で終端する電線を接続するための電気コネクタ（８）を有するハウジング（２０）の内部に封入することができる。この構成は、従来技術において従来使用された移植型電気刺激装置と類似しているが、エネルギー消費がより低いという利点を有する。体外電極の場合、電線の使用は、身体に電気的に結合された電流発生器を含む任意のシステムに関連した安全上の問題に対して明らかな利点を有し、なぜなら、電極（３ｎ、３ｐ）が電気インパルス源（４）から電気的に分離されて絶縁されているからである。一方、移植型電極の場合、電気的に導電性の電線の使用はＭＲＩ装置と適合しない。

本発明による光電式刺激装置は非常に有利であり、なぜなら、電池を除いて刺激回路の全ての素子は、非常に小さく、非常に小型のケーシング（３０）内に封入される集積回路（ＩＣ）中に集積させることができ、電力消費及び加熱が非常に抑制されるからである。結果として、電池をハウジング（２０）内に収容し得る場合、刺激回路の残りを電極に隣接して配置することができる。例えば、図３（ｂ）に示すように、電気インパルス源（４）をハウジング（２０）内に収容することができ、一方、発光源（２）及び光起電力源を含む他の全ての素子を同じカプセル封入物（３０）内に集積させることができる。

発光源（２）を、電気インパルス源（４）を収容するハウジング（２０）内に移動させることにより、図３（ｃ）に示すように電線のないシステムを得ることができ、ここでは、ハウジング（２０）から放射される光は、光ファイバー（７）により、電極（３ｎ、３ｐ）上に又はその近傍に配置される光電池（１）を収容するカプセル封入物（３０）に伝達される。これは、電気的に導電性の電線を含む装置とは対照的に、完全にＭＲＩと適合性があるという利点を有する。

図３（ｄ）に示す実施形態では、発光源（２）及び電気インパルス源（４）は被移植体の身体外部に配置され、一方、光電池（１）は皮下に移植され、放射されて皮膚（７ｓ）を通して透過された光に曝される。この実施形態でも電気的に導電性の電線はないが、断続的な治療にのみ適しており、なぜなら光電池（１）が外部の発光源（２）に曝されなければならないからである。

不可逆性の電気化学的変化が起こらないように、組織に送達された電荷は回収されなければならない。この理由のため、電気回路が二極式になっている、即ち、電流が両方の方向に循環できることが好ましい。刺激回路は電荷を第１の方向に運んで組織を刺激し、電荷回収回路は電荷を逆の方向に運ぶように形成される。この工程は図４（ａ）に示され、図４（ａ）は電気刺激パルス（Ｓ）後にバランスのとれた電荷回収パルス（Ｒ）が続く様子を示しており、電荷回収パルス（Ｒ）は、理想的には刺激パルスと同じ電流×時間の面積を有するべきである。回収回路の一例を図４（ｂ）に示す。治療される組織（Ｚ_ｂｉｏ）の左側に位置する回路部分は、上述した刺激回路であり、図２（ａ）に示した回路に相当する。組織（Ｚ_ｂｉｏ）の右側の回路は、刺激回路と並列に取り付けられた回収回路であり、電流Ｉ１Ｒの方向が刺激回路の電流Ｉ１に対して逆になっている点でのみ刺激回路と異なる。電荷回収回路は、それ自体の発光源（２Ｒ）及びそれ自体の光電池（１Ｒ）を含む。刺激回路及び回収回路は、同時ではなく二者択一的に活性化されるようになっている。

回収回路の別の実施形態が図３（ｅ）に示されており、この図は、並列に反対の向きに配置された独立した電気インパルス源（４、４Ｒ）、発光源（２、２Ｒ）、及び光電池（１、１Ｒ）を示す。この実施形態では、光ファイバーにより、２つの光電池（１、１Ｒ）を収容するケーシング（３０）に光学的に接続されるハウジング（２０）内に２つの発光源（２、２Ｒ）が配置されている。２つの光電池（１、１Ｒ）が同時に活性化されるのを防止するため、発光源（２、２Ｒ）と光電池（１、１Ｒ）との間にフィルタ（１Ｆ、１ＲＦ）が配置されている。発光源（２、２Ｒ）は、好ましくは異なる単色スペクトルで放射し、刺激用のフィルタ（１Ｆ）は回収用の発光源（２Ｒ）の波長を遮断し、一方、回収用のフィルタ（１ＲＦ）は刺激用の発光源（２）によって放射された波長を遮断する。この単純なシステムでは、両方の発光源（２、２Ｒ）からの光伝送のために単一のファイバーコアを使用していながら、刺激回路及び回収回路の同時作動を回避することができる。必ずしもフィルタ（１Ｆ、１ＲＦ）を必要とせず、且つ同じ波長の発光源を使用することを可能にする別の選択肢は、２つの別個のファイバーコア（７、７Ｒ）を使用することであり、各コアは２つの源（２、２Ｒ）のうちの１つからの光を対応する光電池（１、１Ｒ）のみに伝送するように作用する。２つのコアは、単一のファイバー被覆の内部に封入することができる（図３（ｆ）を参照）。

他の回収システムも可能である。例えば、図４（ｃ）に示すように、回収用の抵抗が光電池（１）と並列に配置される。図４（ｄ）では、光電池（１）と直列に配置された静電容量（５ｄ）が電荷の回収を可能にする。当然のことながら、静電容量によって回収された電荷は後の段階で放電される必要がある。図４（ｅ）に示す回路は、発光源（２）の回路に直列に配置された静電容量（５）を含む。このシステムは高いレベルの安全性を提供し、なぜなら、電流が発光源（２）に到達しなければ、光電池（１）により刺激回路に電流が生成される可能性があり得ないからである。組織での直流放電が実質的に不可能であるため、これは明らかに利点である。

複合活動電位（ＣＡＰ）、即ち組織（Ｚ_ｂｉｏ）を通って実際に流れる電流の記録は、治療の担当者にとって重要なフィードバックである。そのような記録は非常に困難であり、なぜなら、これは、プロセッサと電極との間に延びる追加の配線を用いて、電極に隣接する信号を測定することを必要とするからである。完全なＣＡＰ測定のためには、そのような追加の配線が本発明の装置に必要とされ、この追加の配線により、刺激回路をＣＡＰ測定回路から電気的に分離することが可能になり、刺激アーチファクトを除去することにより測定を容易にする。本発明は、光電池（１）によって刺激される組織に実際に伝達される電流の無線記録も可能にする。電気インパルス源（４）によって放射される信号が、治療される組織に実際に伝送されたことを確実にすることにより、そのようなフィードバックシステムは光伝送における障害を検出することができる。フィードバック情報は、全電極電位測定によって完遂することができ、これは、電極インピーダンスの値を提供し、生理学的なパラメータの評価のために必要とされる対象組織の活性化を確認する。図５は、ＰＶ電池又は電極での生成された電流のフィードバック測定を可能にする幾つかの実施形態を示す。

図５（ａ）は、単一の光ファイバー（７）により、刺激回路の光電池（１）と同じ発光源（２）に曝された制御用の光電池（１Ｃ）を含む実施形態を示す。発光ダイオードが制御用の光電池（１Ｃ）に結合され、この発光ダイオードは電流Ｉ１Ｃによって活性化されると発光する。発光源（２）が制御用電池（１Ｃ）並びに光電池（１）に到達したことを示す全ての光信号を記録するために、発光センサ（９）が光ファイバーの他方の端部に配置され、且つマイクロコントローラに結合されて設けられる。

図５（ａ）の制御システムが、電流が刺激回路上で直接的に測定されない点で間接的である場合、図５（ｂ）の実施形態は、直接的な制御システムである。発光ダイオード（１３）（ＬＥＤ）は、刺激回路に直列に配置される。電流が刺激回路を循環するときは常に、ＬＥＤ（１３）は、マイクロコントローラに結合された発光センサ（９）によって受け取られる光を放射する。この実施形態は、追加の配線を必要とせずに、非常にコンパクトな形態で、組織に実際に供給される刺激電流を直接的に記録する。

図５（ｃ）の実施形態は、追加の回収回路を有する図５（ｂ）に関して考察された実施形態と同じものである。刺激回路及び回収回路の両方が、それぞれの回路に直列に配置されたＬＥＤ（１３）を含む。発光センサ（９）が両方のＬＥＤに対して設けられ、且つマイクロコントローラに結合されており、次いで、マイクロコントローラは、刺激モード及び回収モードの両方で装置のＣＡＰを記録することができる。

本発明による光電式刺激装置は、高電圧精密電流源であるという点で非常に有利である。更に、本装置は非常に汎用性があり、幾つかの基本的な素子を組み立てることにより、電極での電圧出力ダイナミクスなどの様々な要件に適合させることができる。図６（ａ）は、図２（ａ）に示された装置に対応する所与の電気インパルス源（４）、発光源（２）、及び光電池（１）の基本的な組立体を示す。図６（ｂ）に示すように、電極で利用可能な電圧は、光電池（１）を直列に配置することにより増加させることができる。これは重要な特徴であり、なぜなら、先に考察したように、電極で必要とされる電圧は、移植型電極の場合の約１０Ｖ以上程度の値から、体外電極の場合の約３００Ｖまで変化するからである。代替的に、光電池（１）を図６（ｃ）に示すように並列に配置して、電流強度を増加させることができる。

ＬＥＤ（２）などのいくつかの発光源（２）の異なる構成での組立体は、電気インパルス源（４）の電圧に応じて有利であり得る。例えば、電気インパルス源（４）の電圧が例えば約１．８Ｖなど比較的に低い場合、好ましくはＬＥＤ（２）を図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように直列に配置することができる。一方、電気インパルス源（４）が例えば３．７Ｖなどのより高い電圧を供給する場合、電流供給が低下したときの電圧降下を防止するために、図６（ｄ）に示すようにＬＥＤを並列に配置することが有利であり得る。基本的な部品を異なる構成に配置することによる本装置の柔軟性は非常に有利であり、製造コストを低減する。いくつかの発光源（２）及び光電池（１）の直列、並列、又は直列及び並列配置の組み合わせによる他の配置も可能である。

本発明による光電式刺激装置は、以下の理由によっても非常に有利である。第１に、本装置は組織刺激装置に対する要件を満足する。特に、本装置は、０．０１〜１００ｍＡ程度、より具体的には０．１〜３ｍＡ程度の必要とされる電流を電極（３ｎ、３ｐ）に供給することができる。電極における所望の電圧を移植型電極及び体外電極の両方に対して、移植型電極には１０Ｖ以上程度の電圧を、体外電極には３００Ｖまで達し得る電圧を容易に供給することができる。本装置は、選択度及び微調整のために、少なくとも８ビットの解像度を容易に提供することができる。本装置は、二極式システムをもたらす非常に効率的な回収回路を具備することができる。従って、本発明による光電式刺激装置は、医療用途での使用に適している。しかしながら、本装置は、以下の理由により既存の刺激装置よりも有利である。

本発明による光電式刺激装置は、図１（ａ）に示すタイプの既存の装置よりもはるかにコンパクトである。本装置は、図１（ａ）による装置よりもより少ない電力を消費するため、より小型の電池を必要とする（又は同じ電池がより長い自律性を有する）だけでなく、光電池（１）及び任意選択的に発光源（２）を、移植型電極の場合でさえ電極に隣接して配置し得るように小型化することができる。これは、特に配線がコイル状に巻かれている場合、ＭＲＩ装置及び磁気金属探知ポータルと不適合である任意の電気配線の代わりに、光ファイバーを使用する可能性をもたらす。基本的な素子の様々な組み合わせによってもたらされる汎用性により、本発明による光電式刺激装置は、刺激される組織のタイプ並びに各用途に必要な電圧及び電流によらず、多くの場合に特定の医療用途に適合させることができる。電気インパルス源（４）の電圧は、電極（３ｎ、３ｐ）間で必要とされる電圧と一致している必要はない。更に、それは非常に安全であり、これは、医療装置にとって非常に重要な特徴である。そのような装置における漏れ（暗電流）は、無視することができ、１００ｎＡ未満程度である。当技術分野で知られている安全上の特徴に加えて、発光回路中に配置された静電容量は、電極へのいかなる直流電流の供給も実用上排除する。

医療用途
本発明による光電式刺激装置は、（ａ）神経組織、及び（ｂ）筋組織から選択される電気的に興奮性の組織（Ｚ_ｂｉｏ）を電気的に刺激するために使用することができる。電極は、刺激される組織に直接的に移植され取り付けられ得、代替的に電極は、刺激される組織が位置する領域の皮膚上に取り付けられ得る。移植型電極の場合、電極が移植される限り全ての実施形態が可能である。特に、光電池（１）、発光源（２）、及び電気インパルス源（４）は、移植されることも又は移植されないこともできる。図３を参照して考察したように、装置の全ての素子が移植される場合であっても、それらは被移植体の身体の異なる領域に移植することができる。本発明に特有の特徴は、光電池（１）及び任意選択的に発光源（２）を電極及び刺激される組織に隣接して移植し得るように小型化することができ、一方、電気インパルス源（４）のみ及び任意選択的に発光源（２）を別個に移植し、図３（ｃ）に示すように光電池（１）に光を伝送するために光ファイバーを使用して無線とし得ることである。

本発明による移植可能な光電式刺激装置は、以下の用途の任意のものにおいて、（ａ）神経組織（Ｚ_ｂｉｏ）を刺激するために有利に使用することができる。
（ａ１）パーキンソン病、てんかん、うつ病、強迫性障害、ジストニア、本態性振戦、疼痛、又は失明の治療のための脳深部刺激、
（ａ２）聴覚消失、失明、又はてんかんの治療のための脳皮質刺激、
（ａ３）疼痛、対麻痺、痙攣、パーキンソン病の治療のための脊髄刺激、
（ａ４）疼痛、失禁の治療のための脊髄根刺激、
（ａ５）聴覚消失のための蝸牛刺激又は失明のための視神経刺激などの感覚神経刺激、
（ａ６）尖足症候群などの中枢起源の麻痺の治療のための運動神経刺激、呼吸器疾患での横隔神経刺激、睡眠時無呼吸症候群での舌下神経刺激、
（ａ７）人工器官を有する患者における疼痛の治療のため、又は触覚フィードバック若しくは他の感覚様相情報を提供するための感覚神経刺激、
（ａ８）てんかん、うつ病、疼痛、炎症性症候群、肥満、心不全の治療のための迷走神経刺激。

同様に、本装置は、以下の用途のうちの任意のものにおいて、（ｂ）筋組織（Ｚ_ｂｉｏ）を刺激するために有利に使用することができる。
（ｂ１）脊柱側弯症、末梢起源の様々な麻痺、呼吸不全、睡眠時無呼吸症候群の治療のための筋肉刺激、又は
（ｂ２）不整脈の治療のための心臓刺激。

本発明による体外光電式刺激装置は、直接応答及び反射応答に対する反応潜時、伝導速度、応答振幅、刺激閾値、又は漸増曲線を測定することによる、神経及び筋肉の疾患の診断に使用することができる。そのような診断方法は、以下の用途のうちの任意のものを含み得る。
（ｉ）刺激器が皮膚を通して運動神経又は混合神経を活性化する一方で、対応する機械的又は電気的な筋肉活動が記録される、運動神経試験、
（ｉｉ）刺激器が皮膚を通じて感覚神経を活性化する一方で、結果として生じる神経の複合活動電位が記録される、感覚神経試験、
（ｉｉｉ）脳に至るまでの中枢経路に沿った様々な点で誘発電位を記録しながらの感覚神経又は混合神経の経皮刺激、
（ｉｖ）対応する機械的又は電気的な筋肉活動が記録されている間の直接的な経皮的筋肉刺激。

代替的に、本発明による体外光電式刺激装置は、
（ｉ）例えば「尖足症候群」の治療など、中枢起源の麻痺又は運動麻痺のための補綴治療における、
（ｉｉ）麻痺した中枢神経構造が再生する間に末梢器官の状態を維持するための、且つ痙攣、床ずれ、及び固定の他の合併症を回避するための、
（ｉｉｉ）脊柱側弯症などにおける局所的な虚弱又は非対称の場合に筋力を改善するための、
（ｉｖ）ボディビルディング及びスポーツトレーニング用途における
運動神経又は筋肉の経皮刺激を含む治療用途に使用することができる。

本発明による体外光電式刺激装置は、
（ｉ）疼痛を低減するための、
（ｉｉ）視覚障害者に感覚代行装置でパターン化された皮膚刺激を提示するための、
（ｉｉｉ）眠気に対処するための装置で警告信号又は求心性の信号を提供するための
感覚神経又は感受性領域の経皮刺激による治療処置にも使用することができる。

１ 光電池電気刺激回路
１Ｃ 制御用光源（１３）に給電する制御用光電池
１Ｆ 刺激回路用の発光源（２）に固有のフィルタリング素子
１Ｒ 電気回収回路に給電する回収用光電池
１ＲＦ 回収回路用の発光源（２Ｒ）に固有のフィルタリング素子
２ 光電池（１）を励起させる発光源
２Ｒ 回収用光電池（１Ｒ）を励起させる回収用発光源
３ｎ 正極
３ｐ 負極
４ 電気インパルス源
５ 電気静電容量
６ 電気抵抗
７ 光伝送媒体、例えば光ファイバー
７Ｒ 回収回路を通電するための光伝送媒体、例えば光ファイバー
７ｓ 皮膚
８ 電気コネクタ
９ 発光センサ
１０ 光電池内の光起電性ダイオード回路
１１ 光起電性ダイオード回路（１０）内のダイオード
１２ 光電池内の電流源（光起電性部品）
１３ 制御発光源
２０ 少なくとも電力源（電池）を収容するハウジング
３０ （電気的に刺激される組織に隣接して配置される）ケーシング

Claims (13)

1. 電気的に興奮性の組織（Ｚ_ｂｉｏ）に電気的に結合された２つの電極（３ｎ、３ｐ）によって前記組織に電流を送達することを含む医療処置で使用されるよう構成された光電式刺激装置において、
   （ａ）電気インパルス源（４）を含むハウジング（２０）
   を含み、前記電気インパルス源（４）は、
   （ｂ）発光源（２）
   と電気的に接続されており、前記発光源（２）は、
   （ｃ）光電池（１）
   と光通信し、前記光電池（１）は、前記組織との２つの電気接点を確立し、且つ従って前記発光源（２）の放射によって励起される前記光電池（１）によって給電される電気刺激回路を形成するために、２つの電極（３ｎ、３ｐ）と電気的に接続され、前記ハウジングは前記電極から物理的に分離しており、
   前記装置は、
   （ｄ）電気的に活性化されると光を放射する制御発光源（１３）と、
   （ｅ）前記制御発光源（１３）と光通信し、且つ前記制御発光源によって放射されるパルスを記録するようにプログラムされた発光センサ（９）と、
   を更に含み、
   前記制御発光源（１３）は、
   ・電気刺激回路内において、前記電極（３ｐ、３ｎ）及び前記光電池（１）と直列に配置されるか、または、
   ・前記電気刺激回路から分離した制御回路内において、前記電気刺激回路の前記光電池（１）と同じ発光源（２）と光通信する制御光電池（１Ｃ）と直列に配置されることを特徴とする光電式刺激装置。
2. 請求項１に記載の光電式刺激装置において、前記電気インパルス源（４）は、１μｓ〜１０ｍｓに含まれる持続時間の較正された光パルスを放射するように前記発光源を作製するのに適していることを特徴とする、光電式刺激装置。
3. 請求項１又は２に記載の光電式刺激装置において、前記光電池（１）は、前記発光源（２）によって励起されると、０．０１〜５０μＣに含まれる電荷を、前記電気インパルス源（４）から利用可能な電圧よりも高い電圧で送達することを特徴とする、光電式刺激装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の光電式刺激装置において、以下の構成：
   （ａ）前記ハウジング（２０）が前記発光源（２）、前記光電池（１）も収容し、且つ前記光電池（１）を前記２つの電極（３ｐ、３ｎ）に電気的に接続するのに適した電気コネクタ（８）を含んで、前記電気刺激回路を形成すること、又は
   （ｂ）前記ハウジング（２０）が前記発光源（２）も収容し、且つ前記発光源（２）によって放射された光を、前記ハウジング（２０）から離れて且つ前記電極（３ｎ、３ｐ）に隣接して配置されるケーシング（３０）内に封入された前記光電池に伝達するための光ファイバー（７）に接続されること、又は
   （ｃ）前記カプセル封入物（３０）が前記光電池（１）及び前記発光源（２）を封入し、前記発光源（２）が前記ハウジング（２０）内に収容された前記電気インパルス源と電気的に接触していること
   のうちの１つを含むことを特徴とする、光電式刺激装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の光電式刺激装置において、
   ・回収用発光源（２Ｒ）
   を更に含み、前記回収用発光源（２Ｒ）は、
   ・回収用光電池（１Ｒ）
   と光通信し、前記回収用光電池（１Ｒ）は、前記組織と２つの電気接点を確立し、且つ従って前記電気刺激回路と並列であり且つ前記回収用光電池（１Ｒ）によって給電される電荷回収回路を形成するために、前記２つの電極（３ｎ、３ｐ）に電気的に接続されており、
   それにより、前記回収用光電池（１Ｒ）が前記回収用発光源（２Ｒ）によって励起されると、電極−組織界面に誘導された任意の電気化学的な電荷を取り除くために、電流（Ｉ１Ｒ）は、前記電気刺激回路を流れる電流（Ｉ１）とは逆の方向に前記組織を通って流れることを特徴とする、光電式刺激装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の光電式刺激装置において、前記発光源（２）と直列に配置される安全上の静電容量（５）を含む直流ブロック回路を更に含むことを特徴とする、光電式刺激装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の光電式刺激装置において、前記光電池（１）は、前記光電池（１）の電圧を制御するために、単一の光起電性ダイオード回路（１０）を含むか、又は代替的に、直列に配置されるＮ個の光起電性ダイオード回路（１０）（ここで、Ｎ≧２である）を含むことを特徴とする、光電式刺激装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の光電式刺激装置において、移植物の形態であり、少なくとも前記電極（３ｎ、３ｐ）は、電気的に刺激される前記組織に移植され得、少なくとも前記電気インパルス源（４）を収容するハウジング（２０）は、電気的に刺激される前記組織から離れた場所に移植され得るように設計されることを特徴とする、光電式刺激装置。
9. 請求項８に記載の光電式刺激装置において、少なくとも前記光電池（１）を収容するケージング（３０）は、前記電極及び電気的に刺激される前記組織に隣接して移植され得ることを特徴とする、光電式刺激装置。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の光電式刺激装置において、電流が供給される前記電気的に興奮性の組織（Ｚ_ｂｉｏ）は、（ａ）神経組織及び（ｂ）筋組織から選択されることを特徴とする、光電式刺激装置。
11. 請求項１に記載の光電式刺激装置において、以下の刺激：
    （ａ１）パーキンソン病、てんかん、うつ病、強迫性障害、ジストニア、本態性振戦、疼痛、又は失明の治療のための脳深部刺激、
    （ａ２）聴覚消失、失明、又はてんかんの治療のための脳皮質刺激、
    （ａ３）疼痛、対麻痺、痙攣、パーキンソン病の治療のための脊髄刺激、
    （ａ４）疼痛、失禁の治療のための脊髄根刺激、
    （ａ５）聴覚消失のための蝸牛刺激又は失明のための視神経刺激などの感覚神経刺激、
    （ａ６）尖足症候群などの中枢起源の麻痺の治療のための運動神経刺激、呼吸器疾患での横隔神経刺激、睡眠時無呼吸症候群での舌下神経刺激、
    （ａ７）人工器官を有する患者における疼痛の治療のための、又は触覚フィードバック若しくは他の感覚様相情報を提供するための感覚神経刺激、
    （ａ８）てんかん、うつ病、疼痛、炎症性症候群、肥満、心不全の治療のための迷走神経刺激、
    （ｂ１）脊柱側弯症、末梢起源の様々な麻痺、呼吸不全、睡眠時無呼吸症候群の治療のための筋肉刺激、又は
    （ｂ２）不整脈の治療のための心臓刺激
    のうちの１つ又は複数において、少なくとも部分的に移植可能な装置として使用されるよう構成されたものであることを特徴とする、光電式刺激装置。
12. 請求項１に記載の光電式刺激装置において、以下の刺激：
    （ａ）以下の構造：
    （ｉ）刺激器が皮膚を通して運動神経又は混合神経を活性化する一方で、対応する機械的又は電気的な筋肉活動が記録される、運動神経試験、
    （ｉｉ）刺激器が皮膚を通じて感覚神経を活性化する一方で、結果として生じる神経の複合活動電位が記録される、感覚神経試験、
    （ｉｉｉ）脳に至るまでの中枢経路に沿った様々な点で誘発電位を記録しながらの感覚神経又は混合神経の経皮刺激、
    （ｉｖ）対応する機械的又は電気的な筋肉活動が記録されている間の直接的な経皮的筋肉刺激
    における直接応答及び反射応答に対する反応潜時、伝導速度、応答振幅、刺激閾値、漸増曲線を測定することによる、神経及び筋肉の疾患の診断、
    （ｂ）以下：
    （ｉ）例えば「尖足症候群」の治療など、中枢起源の麻痺又は運動麻痺のための補綴治療における、
    （ｉｉ）麻痺した中枢神経構造が再生する間に末梢器官の状態を維持するための、且つ痙攣、床ずれ、及び固定の他の合併症を回避するための、
    （ｉｉｉ）脊柱側弯症などにおける局所的な虚弱又は非対称の場合に筋力を改善するための、
    （ｉｖ）ボディビルディング及びスポーツトレーニング用途における
    運動神経又は筋肉の経皮刺激による治療処置、
    （ｃ）以下：
    （ｉ）疼痛を低減するための、
    （ｉｉ）視覚障害者に感覚代行装置でパターン化された皮膚刺激を提示するための、
    （ｉｉｉ）眠気に対処するための装置で警告信号又は求心性の信号を提供するための
    感覚神経又は感受性領域の経皮刺激による治療処置
    のうちの１つ又は複数において、体外装置として使用されるよう構成されたものであることを特徴とする、光電式刺激装置。
13. 請求項１に記載の光電式刺激装置において、前記プロセッサが、前記電気インパルス源（４）の一部であることを特徴とする、光電式刺激装置。

Images