JPS61293475A - 多重チヤンネルの埋込可能な神経刺撃装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、−ｉ的に、生体医用工学の分野に関するもの
であり、特に、聴覚代行システムの埋込み型受入器刺激
装置の構造に関するものである。

重度のろうあ者とは、聴力損失が９０　ｄｂより大きい
大のことをいう。はとんどの場合、重度ろうあ者の聴力
を回復させうる外科術その他の処置方法は全くないとい
ってよい。聴覚代行システムは、神経組織を電気的に刺
激して、重度ろうあ者の聴覚を促がして聴力を回復せし
めるものである。

聴覚代行システムは、本質的に、４つの部分、すなわち
、言語処理ハードウェア、パワー及びデータ送出器、埋
込み受入器／刺激装置、及び埋込み電極とからなる。言
語処理を行なう外部電子装置は、別の技術分野に属する
ものであって、本発明の部分を構成しない。皮膚を介し
てのカンプリングは、本出願と同時に出願された「広帯
域誘導型皮膚貫通電力データリンク」と題するガルブレ
イス（Ｇａｌｂｒａｆｔｈ　）氏の特許量＃（代理人整
理番号Ｎｏ、Ａ−４１８３２、スタンフォードＮｏ、　
　５８４−１００）の明細書に記載されている技術を使
用して達成されるものであり、その部分については同出
願明細書の記載を参照されたい。このシステムは、デジ
タル的にエンコードされた信号を採取してそれらをパワ
ーと共に皮膚を通して埋込まれた刺激装置へ伝送する。

刺激装置は、そのビット流をデコードして電荷又は電流
波型を聴覚神経又は堝牛殻に埋込まれた電極へ供給する
。

本発明の目的は、改良された電力及びデータ送出器並び
に関連埋込み型受入器／刺激装置を提供することである
。

刺激波形は、３つの安全要件、すなわち電荷平衡、電流
制限及び電荷制限の条件を満足せねばならない。添付図
面の第１図のＩＡは、従来技術において達成できたこれ
ら条件を例示し、第１図のＩＢは、本発明にて達成でき
たこれら条件を例示している。これらの波形は電荷平衡
されている。

すなわち、これらの波形は、各相の面積が等しい二相電
流パルスである。このようなことは必要なことであり、
何故ならば、そうでないと、正味の直流電荷によって骨
の成長が促進されてしまい、刺激装置が関与している神
経組織が破壊されてしまってその埋込み装置が役に立た
ないものとされてしまうからである。また、電荷平衡の
とれていない波形であると、埋込み電極の表面で電気分
解作用が生じてしまう。電気分解作用によって、電極形
成物質が侵食されてしまって、その電極の寿命が数年の
寿命であったものから数週間の寿命でしかないようなも
のへと低下させられてしまう。

従って、刺激装置においては、神経の損傷を防止し且つ
充分な埋込み装置寿命を保証するためには、供給された
電荷のすべてが回収されてしまうようにしなければなら
ない。

従来技術による刺激装置では、種々多数の波形を供給し
ており、その波形の一例を第１図のＩＡに示している。

これらのステイミュレータは、供給される電荷量を、電
極へ放電されるキャパシタの電圧を制御することによっ
て計量しており、その手法は、電流を制御するのでなく
電荷量を制御することによっている。

本発明の目的は、聴覚神経への電荷量及び電流の両者を
制御する送出器を提供することである。

高い電流密度であると神経が損傷されてしまうことがあ
ることがわかっており、容量性放電のピーク電流は、電
極表面積との関係で、このような損傷を生ぜしめてしま
うような電流密度を生じることがあることもわかってい
る。

更に、プラチナ電極は、埋込み型のものとして最も普通
に使用され最も適したものであり、４００ｎＣ／ｃ＋Ｊ
以下の電荷密度でないと、その電極物質が侵食されてし
まうものである。従って、本発明の目的は、このような
数値以下に電荷密度を制限することである。

要するに、刺激波形の安全要件は、神経損傷を未然に防
止するために、電荷平衡、電荷制限及び電流制限を満足
するものでなければならない。

次に、第２図を参照するに、その２Ａ及び２Ｂは、従来
の刺激装置に利用できる波形フォーマットを示している
。本発明の目的は、第２図の２０．２Ｄ及び２Ｅに示す
ような波形、すなわち、量子化アナログ波形、双極のパ
ルス化波形（１８０’位相ずれした２つの矩形波形）及
び単極のパルス化（矩形）波形を提供することである。

従来の埋込み型刺激装置は、別のカテゴリーに入る。本
発明の目的は、３つの刺激形態を提供することである。

更に、刺激装置は、多重の別々の刺激出力、可能ならば
、８つ以上の別々の刺激出力を有していなければ充分で
あるとはいえない。

本発明のもう１つの別の目的は、従来の多くの刺激装置
には欠けていた多チヤンネル独立動作の能力を与えるこ
とである。このような能力は、異なる聴覚神経を独立に
充電するため多重の独立チャンネルを設けると多分うま
くいく刺激アルゴリズムとなることからして、必要なこ
とである。

本発明の別の目的は、分解能が聴覚系の分解能を越える
ようなシステムを提供することである。

初期の音量差テストによれば、２つの刺激間の１、５　
ｎ　Ｃの電荷差まで確かに解像できることが示されてい
る。このような電荷増分は、２５０マイクロアンペアの
最大電流を考えるとき、パルス化刺激のための最小タイ
ミング増分は約２マイクロ秒でなければならない。本発
明の目的は、増分タイミング分解能を２マイクロ秒以下
とするこである。

本発明の更に他の目的は、小型で、ボータプルで、そし
て１組のトランジスタラジオのバッテリで１日中作動す
るのに十分に効率的であり、従って実用的であるシステ
ムを提供することにある。

本発明の以上のおよび他の目的は、埋込み可能な送出器
と受入器との組合せを提供することにある。この組合せ
において、データはあるデータフォーマットを使して送
出器から受入器へ運ばれ、刺激される各チャンネルは単
極、双極あるいはアナログの形態で情報を運べるように
されている。

上記データフォーマットはトランジションワードとアン
プリチュードワードの２種類のコードワードを有し、上
記トランジションワードにおいては、１つのビットが各
チャンネルに割り当てられ、そして単極のパルス化波形
または双極のパルス化波形を形成するのに使用でき、上
記アンプリチュードワードは一度に１つのチャンネルに
おいてアナログ波形を形成することができる。

出力システムの主要な要素は、電源としても作用するデ
ジタル−アナログコンバータであり、このコンバータは
、上記コードワードに応じて、各チャンネルにおいて適
切な出力を形成する。各出力は、８つの電源からなり、
この８つの電源は、４つずつ異なった極性に分かれてい
る。４つずつの各群において、各電源は２進状態で関連
しており、すなわちＩ、２Ｉ、４Ｉおよび８Ｉとなって
いる。この構成において、各チャンネルは、１６倍増幅
された２極の電流すなわち３２のレベルの電流を供給す
ることができる。このチャンネルは、単に５ビツトのデ
ジタル−アナログコンバータである。

上記出力回路は、Ｄ／Ａコンバータにおいては通常具る
ことのできない複数の電荷平衡スイッチを備えている。

これらのスイッチは、電源がオフとなったときに、残余
の電荷を補償するように設計されている。これらのスイ
ッチはまた、電荷の補償中に神経の損傷を引き起こさな
いように余剰の電荷が大きすぎないように電流を制限す
るようにも設計されている。

各チャンネルの電荷は、電極の損傷および骨の成長が生
じないように平衡にされ、かつ制限される。この電荷の
平衡は、電荷平衡スイッチおよびブロッキング容量によ
って達せられる。電荷の制限は、ブロッキング容量のみ
によって行なわれる。

各チャンネルにおける電荷レベルは、複数の並列に結合
されたスイッチを組み合せるスイッチネットワークラダ
ーを用いて規定され、各スイッチの閉塞は、前のスイッ
チから供給される電流レベルを２倍にする。

本発明の他の効果および特徴は、図面を参照しての以下
の詳細な説明により明らかになろう。

まず、第３図を参照して、埋め込まれたシステムを制御
するために使用されるコード化の略図を説明する。この
コードの設計における主たる３つの目的な次のようであ
る。すなわち、第１に、欠陥のある機構を見付け、それ
らの潜在的な効果を制限することである。この目的は、
正しくない刺激から人を保護する。この目的はまた、電
極の時ならぬ欠陥および神経組織の望ましくない損傷を
防止する。第２番目の目的は、近接する任意の波形を形
成する能力を維持しつつ、波形を形成するために必要な
ビットの数を減少させることにある。

この目的は、近接した作動においてタイミングがかちあ
ってしまう機会を減少させ、−回の動作の最小期間を低
下させ、かつ刺激装置の汎用性を拡張することにある。

外部タイミング制？１１　（ＥＴＣ）コードは、２種類
のワードから構成されており、それらは第３図に示すよ
うに、“トランジション・ワード”と１アンプリチュー
ド、ワード”である。各ワードは１１ビツト長を有し、
スタートビットから始まっている。データは、フローテ
ィング・ワード・フレームで、シリアル・ビットストリ
ームにより送られるので、スタートビットはワードの始
端を指示することになる。パリティビットは、ワードに
かけるビットエラーを示す奇数をチェックするためのも
のである。ＩＤビットは、“アンプリチュード・ワード
”と“トランジション・ワード”とを識別するためのも
のである。残りの８ビツトは、′トランジション・ワー
ド”の状態コマンドであり、また“アンプリチュード・
ワード”の電流レベルおよびアドレスのコマンドである
。

“トランジション・ワード”は、システムを脈動刺激装
置として使用する場合には、（第４図の）８チヤンネル
の多重電極から成る刺激列の全てを同時にアドレスする
ことによって、システムのフレキシビリティ−を増加さ
せるように意図されている。脈動出力は、３種類の状態
をとり得ることができ、それらは、双方向の電流と電荷
平衡である。（電荷平衡の意味は、電極を身体接地の側
に短絡し、それによって、電極に残っている残留電荷を
補償することである。）“トランジション・ワード゛に
おいて、“１”が所定の出力ビツト位置に現われた場合
には、その出力はその次の状態へと変わる。この“１”
の代わりに、“０”が現われた場合には、その出力はそ
の現在の状態を保持する。８チヤンネルの全てが、トラ
ンジション・ワードにおける後ろの８ビツトによって表
示されるということは、システムがそれらに対して同時
にアクセス可能なことを意味している。２つの出力が反
対極性の電流でプログラムされる場合には、それらが一
体にスイッチングされると、双極性の刺激が形成される
。“トランジション・ワード”によって、刺激装置は、
同期あるいは時差パルスを発生可能であり、工ないし８
チヤンネルの単極性の刺激装置もしくは１ないし４チヤ
ンネルの双極性の刺激装置として動作し、あるいは、こ
の刺激装置は、これら２つの形式が複合したものとして
動作する。

上記の“アンプリチュード・ワード”は、所定のチャン
ネルにおける脈動状態のシーフェンスを選択するもので
ある。このワードは、また、アナログ刺激装置における
任意の波形を発生するためにも用いられる。このワード
は、標準のアナログ−デジタル・ピットシーフェンスと
なっており、８チヤンネルを個別にアドレスする３ビツ
トと、電流量を調整するための４ビツトと、これらに加
えて、電流極性を設定するための更にもう１つのビット
とを有している。この電流量を調整するためのマグニチ
ュードビットは、脈動波形のピーク電流値を設定するも
のである。これに対して、電極ビットは、各チャンネル
に用いる２つの脈動波形シーフェンスのうちの一方を選
択するビットであり、それらのシーフェンスは一方が　
“ソーシングミ流ニシンキング電流：電荷平衡”であり
、他方が“シンキング電流：ソーシングミ流：電荷平衡
”である。この電極ビットは、“トランジション・ワー
ド”に組み込まれており、１組のチャンネルが単極性の
刺激および双極性の刺激のうちのいずれを伝えるのかを
決定する（異なった状態シーフェンスにある２つの同期
チャンネルは、双極の対として動作可能である）。従っ
て、“アンプリチュード・ワード”によって、チャンネ
ルが伝える刺激群が選択される。

上記の“アンプリチュード・ワード”は、また任意の電
流波形を生成することが可能となっている。チャンネル
が“トランジション・ワード”によって付勢されると（
電荷平衡状態から電流供給状態へと切換えられると）、
この“アンプリチュード・ワード”により、各チャンネ
ルに対して１６の値と２つの極性とがプログラム可能と
なり、量子化アナログ近似された所望の信号が生成され
る。データレートが１メガビット／秒において、８個の
独立したチャンネルの各々に対するＮＶＱｔｌｉｓｔサ
ンプリング周波数は、１１．３６４　Ｋ）ｌｚであり、
このことは、チャンネルが通過させ得る最大周波数が電
話チャンネルのカットオフ周波数である３ＫＨｚよりも
十分に高い５６８２Ｈｚをエイリアシングしてしまうこ
とがないことを意味している。

（電話の音質帯域幅は一般に充分に会話が理解できるこ
とを考慮したものであり、会話発生すなわちデコーディ
ング機構のモデルについては想定されていない。）従っ
て、最悪の状態の下で、８個のチャンネルの全てがアナ
ログ出力として機能している場合においても、このコー
ドによって、電話の音質帯域幅に対して独立した８個の
チャンネルの量子化アナログを提供することができる。

要するに、“トランジション・ワード”は、脈動的刺激
を生成するために最適化されている。このワードは、同
時に８個のチャンネルの全てをアクセスでき、“アンプ
リチュード・ビット“における極性ビットに助けられて
、単極性あるいは双極性刺激を発生させることができる
。“アンプリチュード・ワード”は、電流レベルを設定
すると共に、各チャンネルの状態シーフェンスを設定す
る。このワードは、また、各チャンネルに量子化された
アナログ波形を生成することもできる。従って、このコ
ードにより、３種類の刺激群の全て、すなわち単極性の
脈動刺激、双極性の脈動刺激および量子化されたアナロ
グ刺激が発生される。

オーブンループシステムでは、情報が送り込まれるのに
対して、何も送り返えされない。従ってエラーの影響は
、二通りの方法によって制限される。その１つは、シス
テムを周期的に同期させることである。システムはオー
ブンループなので、外部電子機器は、所定の時間隔毎に
埋め込まれた電子機器の状態を知り得る状態にして、２
個のサブシステムが一致することを確認しなければなら
ない。同期は、“トランジション・ワード”の不使用ピ
ットシーフェンスを伝達することによって行なわれる。

このワードは、トランジションを有しない“トランジシ
ョン・ワード”である。この特殊なケースは、“マスタ
ーリセット”と言われ、全ての電流源を零電流にプログ
ラムし、全ての出力を電荷平衡状態となして、エラー状
態の全てをクリアする。

この周期的なりセツティングは、止めることのできない
エラーを防止するための“キャッチ・オール”方法であ
る。このようなエラーの一例には、パッケージに送られ
るインストラクションにおけるコーディング誤りがある
。このような誤りは、新しいアルゴリズムや新しいハー
ドウェアシステムを提供する際に生じるソフトウェアバ
ッグに起因したものである。この誤りによって、電極に
対して過大な電荷が与えられてしまったり、電流源が“
オン”のままにされたり、あるいは電荷平衡の得られて
いない波形が送られるおそれがある。

装置が埋め込まれた者を、このような起こり得るおそれ
のある災難から保護してやる必要がある。

ＥＴＣコードによれば、パッケージを動作状態に保持す
るために５１１Ｉｓ毎に少なくとも１回の“マスターリ
セット”を必要とするのみで、このような誤りによって
生ずる影響が制限される。このようにしない場合には、
後述するように、ユニットはエラー状態に陥ってしまう
。上述のようにして、（検知されるか否かにかかわらず
）エラーの影響が５＋＋＋ｓ間隔に制限される。また、
少なくとも５ｍｓ毎に全ての電極が電荷平衡にされて、
見落されていたいかなるエラーも訂正される。

第２に、ある一つのエラーが検出されると、システムは
、全ての電流ソースをゼロにプログラムし、全ての出力
を電荷のバランスされた状態にさせ、エラー状態を入力
する。パッケージが全ての入力するコマンドを無視する
ことを除いて、その効果は、“マスクリセット”と同じ
である。“マスタリセット″のみがエラー状態をクリア
できる。

オペレーションを継続する代わりに次の再同期まで一時
的に停止することによって、システムは、ある一つのエ
ラーが多くのエラーに繁殖することをやめさせる。例え
ば、１つの２相（ｂｉｐｈａｓｉｃ）パルスは、３つの
“トランジションワード”を必要とする。もし、これら
のワードの１つが、誤ったチャンネルをスイッチ“オン
”にしあるいは正しいチャンネルをスイッチしないとい
うエラーを含むならば、それなら、出力は、電荷平衡の
とれた状態に戻らないだろう。代わりに、出力は、電流
を供給し続け、不均衡な電荷を電極に生起させ、ポテン
シャルソースを失敗してつくる。ここで、１ビツトのエ
ラーが、外側ワードと内側ワードとの間の同期を失った
。そして、後の“トランジションワード”は、意図され
ない仕事を実行している。それで、エラー検出後の停止
は、エラーの影響を制限し、−個のエラーが多くのエラ
ーに成長することを妨げる。

パッケージをエラー状態にさせる３つの状態がある：“
マスクリセット”間のあまりに長い間隔、パリティ誤り
、及び失われたデータの流れである。

“マスクリセット間隔を検出する理由は、すでに言及さ
れた。ｍ４リンクのコイルがあまりに広く分離されると
、パリティエラーが起こる。受入器の設計に依存して、
ゼロビットは１になり、あるいは、１ビツトは、ゼロに
なる。各場合において、データワードは、全て１つのタ
イプのビットとして解釈される。このワードは、奇数の
ビットを含み、この結果、ＥＴＣコードは、偶数のパリ
ティ（各ワードにおける少なくとも１つの対向ピッ日が
この状態を検出するようにさせる。

第５図は、脈動状の波形及び検出されたエラーの結果を
つくるためにＥＴＣコードをどのように使用するかを示
す。一層上のラインは、パッケージ内に送られたコント
ロールワードのビットの流れである。次の２つのライン
は、刺激装置の２つのチャンネルの電流出力である。脈
状の波形は、この例に示されるように、一般的に“トラ
ンジションワード”に深く依存している。“マスクリセ
ット”は、まず、パフケージ内に送られ、エラー状態を
クリアし及びシステムを同期化するようにする。次に、
チャンネル１及びチャンネル５の電流ソースが“オン”
作動されるときに該電流ソースが送る極性及び大きさを
、２つの６アンプリチユードワφド”は、セットする。

次に、′トランジションワード”は、同時に、電荷のバ
ランスした状態からこれらの２つのチャンネルをスイッ
チする。スイッチングは、ワードが受は取られた後に、
１ビツトの期間生じる。それから、２つの他の“トラン
ジションワード”は、チャンネル５の状態シーケンスを
完結させる。最後に、他の“トランジションワード”は
、チャンネル１を次の状態にサイクルさせるのを試みる
。しかし、全ての出力を電荷平衡の状態にさせて残留電
荷を補償するようにさせるパリティエラーを、ワードは
、含み、そして、パッケージは、エラー状態で止まり、
このエラー状態では、他の“マスクリセット”が送られ
るまで、パッケージがとどまる。それで、脈動状の波形
の大きさ及び極性が−たびプログラムされると、“トラ
ンジションワード”は、電流ソースのスイッチングのタ
イミングを制御する。

“トランジションワード”が一度に８つのチャンネルま
でスイッチできるので、タイミングの衝突は、はとんど
起こらない。

第６図は、量子化されたアナログ波形をつくるＢＴＣコ
ードの例である。この脈動波の例は、主に、“トランジ
ションワード”に頼っているが、一方、任意の波形をつ
くることは、通常、“アンプリチュードワード”を使用
することを必要とする。図の一番上のラインは、インプ
ットのデータワードの流れであり、下のラインは、１つ
のチャンネルの電流出力を示す。再び、′マスクリセ。

ト”が、パッケージをクリアして同期化するように送ら
れる。それから、“トランジションワード”は、電流ソ
ースを“オン”作動させるように送られる。“マスクリ
セット”は、出力をゼロ電流にプログラムしたので、電
流は、送られない。次に、“アンプリチュードワード”
は、典型的なデジタル波形をアナログパターンに構成す
るように送られる。最後に、他の“マスタリセット”は
、タイミングずれからシステムを保ち（“マスクリセッ
ト”ワードの間では５ｍｓ以上は許されないことを思い
出されたい）、且つ電極上の残留電荷を補償するように
、送られる。それでＥＴＣコードは、脈動状の波形と同
様にアナログ波形をつくることができる。

ＥＴＣコードは、信号（あるいはイベント）をつくるの
に必要とされるビット数を減少させるように、設計され
た。不必要な情報をデータから取り除くことによって、
ワード長は、単位時間当たりより多くのインストラクシ
ョンの伝送を許しつつ、減少させられる。この目的を達
成するために、ＥＴＣコードは、コントロールワード内
の状態情報、及び、各ワードの一時的位置におけるタイ
ミング情報を伝送する。換言すれば、動作が必要とされ
ると、１又はそれ以上の電流の状態を特定するワードが
送られ、そして、その動作は、ワードが受は取られた後
の１ビツトサイクルで生じる。

それゆえ、一時的情報（パルス幅、パルス位置、パルス
時間、等）を含むピントは、不要である。

ＥＴＣコードは、また、脈動状の波形（単極及び双掻）
についての前もっての知識を利用して、これらの波形を
つくるのに必要とされるビットの数を更に減少させるよ
うにする。各出力チャンネルは、３つの可能な脈動の状
態、“ソーシング（ｓｏｕｒｃｉｎｇ）電流”、“シン
キング（ｓｉｎｋｉｎｇ）電流”及び“バランシング電
荷”を有する。８つのチャンネルシステムについて１チ
ヤンネル当たりの３つの状態を定めることは、通常、１
６ビツトを必要とする。しかし、電荷バランシングの必
要性は、一般に、“電流；反対極性電流；電荷バランシ
ングのシーケンスに出力をロックする。絶対的（ａｂｓ
ｏｌｕｔｅ）な状態の代わりに状態トランジションを特
定化することにより、１チヤンネル当たり１ビツトのみ
が必要とされる；データビットの数を１６から８にカッ
トする。換言すれば、制御ワードは、何の仕事をなすの
かを明瞭にチャンネルに告げない。代わりに、制御ワー
ドは、行っていることは何でも停止させ、次の仕事が何
であるがを述べることなしに、次の仕事に移ることを、
チャンネルに告げる。

要約すれば、タイミングと絶対的状態の情報とを含むビ
ットがこのコードに必要とされるが、１単位時間当りの
指令の数が相当に増せることになる。

このビットの流れは、パルス巾変調を用いてエンコード
される。この場合には、長いパルスが１、短かいパルス
が０である。ＰＤＭ（パルス中変調）は先端縁にタイミ
ング情報（同期信号）を含み、この情報で内部クロック
を作るのに用いるデコード回路が簡単であるから選ばれ
たものである。検出器及びクロックを１回路に合体する
ことに依り本システムは成分変化の敏感性を１時的に緩
和し、電力を節減出来る。

クロック周期は入りビットの周期に依り設定されるから
使用者は埋込まれた電子回路を変更することなくパッケ
ージの１時的分解能を変化出来る。

事実、パッケージはＤＣまですら最大速度より遅いデー
タ速度で追跡する事が出来る。（ビー／　）周期が２２
ｍ５以上の時はビット流タイムアウトエラーをフラッグ
するが）。このやり方は波形の１時的位置の変調能力を
加え、波形の推移を一定のクロック周期に例えば１ｍｓ
／ビットにロックする必要性を排除する。

このやり方の他の利点は一方が内部他方が外部である２
つのクロックの同期とりの問題がない様にした点にある
。この問題は通常重大なことではないが部品の寿命及び
時定数の変動と共に重大となる。パッケージは１０年間
働くものと考えられ、この問題が生ずるのに充分な年数
である。タイミング精度を外部電子装置のみに依存する
様にしたので本システムは丸１０年間信頬あるクロック
周期を有することになろう。

最後に、クロック速度を高くすることが不必要な場合に
は、本システムのクロック速度が遅くなり電力消費が低
くなる。この効果は本刺激装置への通用の範囲を例えば
筋肉の制御とか痛み抑止器等へと広げられる事になる。

パルス巾変調の採用は検出器／クロック回路を簡単化し
、１時的変調の能力を追加し本システムの部品の経年変
化及変動を緩和し且つ本システムの消費電力を減らし、
新たな応用分野の開発が出来ることになろう。

送出器からのこのデータの埋込み受入器への連結（恐ら
くは公知の設計のものであるが）はガルプライス等（Ｇ
ａｌｂｒａｉ　ｔｈ）の出願中開示されている。

スタガー同調されたリンクはよく安定した出力電圧を発
し、これから調整電圧源を得る。理想的に効率的な電圧
調整器でも多少の電圧降下はあり大電流を給電している
時は多少電力を消費する。

又機械自体の作動でも微少の休止電流を消費する。

本刺激器に用いられた電圧調整器は理想に近いものであ
る。この回路図を第７図に示す。これら電圧調整器は最
大負荷時で飽和バイポーラトランジスタ１つ分の電圧降
下（０，３ボルト）があり、両電圧調整器に消費される
休止電流は０．２５ｍＡで、刺激器全電流（最大３．３
ｍＡ）の１０％より少ない。

これらの電圧調整器は電流供給を増したり減らしたり出
来る。この能力は設計電圧以上に電圧が上昇した時に埋
込んだ電子回路の保護を果す。更に設定以外の電圧作用
を除去したり櫨らしたりする事も付は加えである。

次にＥＴＣコードで送られた情報を電極にかかる刺激パ
ターンに変換する回路を第８．９及び１０図について説
明する。これは詳細には安全性要求を満たす装備である
。又これらの図には本発明の主たる最終目的を達成する
事例についても説明しであるがこれらはフレキシプリテ
ィ用の刺激、実験用の任意波形及び独立多チヤンネル動
作の全３つの等級を与える。

第８図のロジックチップはパルス巾変調データ流及びＥ
ＴＣコードの大部分のデコーディングを果す。この回路
図を第８Ａ図に示し、タイミングダイヤグラム例を第８
Ｂ図に示す。パルス巾変調デコーディングはＤ−フリッ
プフロップ及びワン−ショットマルチバイブレータ回路
により簡単になされる。パルス巾変調信号の立上りでワ
ンショット回路を励起し、データはフリップフロップに
依り立下りで検出される。このワンショット回路は内部
クロックがデータ速度を追跡する様なりロックとしても
働き、スイッチング情報の１時的変調が出来る様にする
。この簡単な回路は検出及びクロック発生を果すのみで
なく、この情報を外界から導くので精確な内部タイミン
グ基準の必要性も排除する。

チップの他部には全８つのチャンネル用の状態装置、Ｅ
ＴＣコード化されたビット流の大部分をデコードするロ
ジック及びＥＴＣコードの保護状態の大部分の装備を含
む。このチップは出力状態装置を駆動し且つマスクリセ
ットを保持するトランジション語を明確にデコードする
。このチップは１パワーオンリセツト”、パリティチェ
ック、及び消失したビット流の検出とを果す。このチッ
プと電流源チップとの間のインターフェイスはマスクリ
セットタイムアウト検出をなす。

この設計は、順調な動作の機会を増やすようにかなり保
守的なものとなっている。たとえば、レース状態を避け
るため、回路は完全にクロック制御されている。設計上
の誤りを最小にするために回路にはセル状素子が使用さ
れている。ワンショットクロックは１ビツトの持続時間
の影響を受けないので、データ速度の違いが検出時間に
影響を及ぼすことはないであろう。半導体は、最大スイ
ッチング周波数よりほぼ２桁分低い周波数で動作される
ので、回路の製造工程に大幅な変更を加えることができ
る。

システムの消費電力を軽減するために、論理回路チップ
は電流源チップに比べて低い電圧源で動作される。論理
回路チップの動作のためには、１３ボルトの供給電圧の
うち５ボルトだけが必要となる。ＣＭＯ３回路の消費電
力は、電圧の二乗に比例して増大するので、低電圧源は
、消費電力を大いに削減する。

消費電力をさらに減らすために、論理回路チップと電流
源チップとを接続する制御ラインは情報転送時のみ活性
化される。電流源チップは論理回路チップからの入力信
号をすべてレベルシフトさせなければならないが、この
レベルシフトが電力を消費する。したがって保守的な設
計によって動作の安全性を確保するとともに電力を節約
している。

論理回路は、セミプロセスイズインコーポレイテッド（
ＳｅＩｌｌｔ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒ
ａｔｅｄ）の製品、ＣＭＯＳゲートアレイ　（ＳＰＩ　
　７００５Ｂ）を用いて設計される。このアレイは、は
ぼ５０００個のトランジスタを含み、このうち約３００
０個のトランジスタが既知のゲートアレイ接続技術を用
いてシステム論理回路の設計のために使われる。

第９図の電流源チップは、振幅ワードの最終的な符号化
を行ない、その符号を電極の電流インターフェースに与
える。これが、い（つかの外部素子とともに、電流及び
電荷を制限し、電荷の均衡を保つことにより設計の安全
性を確保する。

第９Ａ図は、あるチャンネルの概念図を示したものであ
る。１つのチャンネルには、８個の電流源がある。これ
らの電流源は相互に２進数的に関係した電流値（■、２
Ｉ、４Ｉ及び８Ｉ）をもつ２組の群に分かれ、これによ
って１６種類の電流値と２種類の極性が与えられる。電
流値の設定は、振幅ワードの制御によりスイッチＳ０な
いしＳ３を介して行なわれる。スイッチＳ１及びＳ　ｏ
ｕｔは、主にトランジションワードにより制御され、極
性を決定する。各チャンネルは、これらの通過ゲートの
スイッチングシーケンスに応じて脈動アナログ出力又は
量子化されたアナログ出力を与えることができる。たと
えば、単相パルスを発生するためには、電流源をプログ
ラムしくすなわちＳｌ及びＳｔをターンオンし）、その
後、Ｓ　ｏｕｔ及びＳ　ｉｎを交互にオンにするだけで
よい。

ブロックコンデンサＣＢは、外部素子の１つであり、お
そらくこれが各刺激チャンネルの最も重要で安全な素子
であろう。これにより、直流電流が電極内を流れるのが
阻止される。直流電流は、結局電極を破壊し、神経に傷
害を及ぼし、骨の成長を促進する。このブロックコンデ
ンサＣ８は帯電リミッタとしても作用する。過剰帯電（
この場合は約４００ｎＣ／相）は電極の破壊を引き起こ
す。

このコンデンサＣＢは、最悪の場合でも帯電量を約３０
０ｎＣ／相に抑制する。最後に、このコンデンサは、高
信鯨性をもつペースメーカの役割をになうとともに刺激
装置と電極との間の最後の素子であるので、電極と接続
された電子回路の故障の影響を抑制する。たとえば、オ
ンとなった電流源の出力電荷を制限する。従って、この
コンデンサは電荷を制限し、直流電流を阻止し、素子の
故障に対して保護を与える。このいずれの場合でも、電
極及び神経の損傷が防止される。

ＳｉＲ及びＳ。□が、出力を短絡接地できる２つの相補
性スイッチを持っていることば注目に値する。これらの
スイッチ及びブロックコンデンサは、電荷のバランスを
保つ。電流源から一旦電流が流れ出してしまうと、１つ
の電極の残留電荷が、ブロックコンデンサの両端に１つ
の電圧として現われる。この出力を短絡することにより
、この電荷は回復される。

このシステムにおける電流及び電荷の限界点は、集積回
路ではロックされない。そのかわり、チップ外部であっ
て（埋込みパフケージ内部にある）素子によってプログ
ラムされる。この構成によって、刺激体を調節して新し
い電極を選択するすなわち新しい使用法を確立すること
ができる。たとえば、電極の表面積を大きくすれば、こ
のシステムに設定されたものよりも大きな電流及び多く
の電荷を取扱える。この最大出力電荷は、電源電圧及び
ブロックコンデンサの大きさによって決まり、従ってブ
ロックコンデンサを新しくすれば、最大出力電荷も変わ
ることになる。この最大電流の調節法を理解するために
、第９Ｂ図に示した電流チップの回路図を参照されたい
。すべての電流源の基準電流は、１つの外部レジスタＲ
１によって設定されることに注目されたい。このレジス
タを新しくすると、電流のピークがかわる。従って、チ
ップがスタティックであっても、システムの刺激特性は
（少なくともパンケージを密封するまでは）プログラム
可能であり、将来の移殖の要求に適合できる。

要約すれば、本装置は本来的に信頬性を向上させるため
に開発されたものである。本装置は、電流と電荷を制限
し、ＤＣ電流をブロックし、電荷をバランスさせること
によって、安全性と長い電極寿命を確保したものである
。この電流と電荷の制限は、将来の必要性に適合するよ
うに再プログラムできるようになっている。それぞれの
ばあいに対応して、僅かな制限を行うことによって、単
極、双極、及びアナログ出力を、自在に発生することが
できる。本装置は、研究上の要請に対して標準でない波
型をつくり出すことができ、かつ８つの独立した刺激チ
ャンネルを備えている。要するに、本発明は、安全性と
柔軟性という基本的な目的を達成するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、刺激波形に必要とされる特徴を示す図、 第２図は、望ましい刺激波形を示す図、第３図は、デー
タを送出器から受入器に送る際に使用されるデータワー
ドフォーマットを示す図、第４図は、聴覚を代行する埋
込まれた電子装置を概略的に示す図、 第５図および第６図は、本システムを使用して形成され
る波形の一例を示す図、 第７図は、スタッガ調整されたカップリングシステムの
受入部分に接続された電圧調整器およびＦＭモジュレー
タを示す図、 第８Ａ図および第８Ｂ図は、論理チップの詳細、および
送られるデータを検知しそして部分的に符号化するよう
に論理チップを制御するタイミングを示す図、 第９Ａ図および第９Ｂ図は、論理チップの出力に応じて
複数の電極にわた電流信号を与え、聴覚の神経を刺激す
る電源チップを単純化した形態で詳細に示す図である。 ＩＡ、２Ａ、２Ｂ・・・従来技術における刺激波形、Ｉ
Ｂ、２Ｃ１２Ｄ、２Ｅ・・・本発明における刺激波形。 手続補正書（方式） ３．補正をする者 事件との関係　　出願人 ４、代理人

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）送出器と、埋込可能な受入器と、前記送出器の出
   力を前記受入器に入力する手段とを備え、前記受入器は
   、装着者の神経に対して複数の出力チャンネルを有する
   とともに、前記受入器が単極モード、双極モード、また
   はアナログモードにある前記チャンネルの各々を同時に
   指定して前記神経を刺激する手段とを備えたことを特徴
   とする神経刺激装置。
2. （２）前記受入器は前記チャンネルの各々に接続される
   電源装置を備えており、該電源装置はスイッチ回路網を
   有し、この閉スイッチの数によって任意のチャンネルの
   電荷及び電流の範囲が選択的に決定されるようになった
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の神経刺激
   装置。
3. （３）前記指令手段がさらに前記任意のチャンネルの量
   子化したアナログ電流波型を形成する手段を備えたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の神経刺激装置
   。
4. （４）前記刺激装置の出力チャンネルに接続される複数
   電極刺激アレイをさらに備えたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の神経刺激装置。
5. （５）前記それぞれのチャンネルのバイナリー状態を規
   定するトランジションワードをつくる手段と、任意のチ
   ャンネルのアナログ信号を規定するアンプリチュードワ
   ードをつくる手段とをさらに備えたことを特徴とする特
   許請求の範囲第４項記載の神経刺激装置。
6. （６）前記トランジションワードをつくる手段が前記複
   数のチャンネルのすべてを同時に指定することを特徴と
   する特許請求の範囲第５項記載の神経刺激装置。
7. （７）前記トランジションワードをつくるための手段が
   前記チャンネルのすべてを同期化する不使用の連続ビッ
   トを伝送する手段を備えていることを特徴とする特許請
   求の範囲第６項記載の神経刺激装置。
8. （８）前記トランジションワードをつくる手段がアンプ
   リチュードワードをつくる手段からの極性ビットと協働
   して前記各々のチャンネルに単極又は２極の刺激を与え
   ることを特徴とする特許請求の範囲第６項の神経刺激装
   置。
9. （９）前記各々の電源装置と協働する電荷バランススイ
   ッチと不均衝電荷を電極チャンネルに排出するブロック
   コンデンサとさらに備えたことを特徴とする特許請求の
   範囲第２項記載の神経刺激装置。