JP4767571B2 - 視覚再生補助装置 - Google Patents

Description

本発明は視覚再生のため、体内に設置される視覚再生補助装置に関する。

近年、失明治療技術の一つとして、電極等を有する体内装置を体内に埋植し、網膜を構成する細胞を電気刺激して視覚の再生を試みる視覚再生補助装置の研究がされている。このような視覚再生補助装置は、例えば、体外にて撮像された映像を光信号や電波信号に変換した後、体内に設置された体内装置に送信し、電極から刺激パルス信号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装置がある（特許文献１ 参照）。
特開２００４−２９８２９８号公報

このような視覚再生補助装置では、電極から刺激パルス信号を出力する場合、神経に対しする作用を安定化させるために定電流刺激にて行う方法があるが、回路の構成上電力損失が大きい。電力損失をできるだけ少なくするためには、電源電圧をそのまま印加する方法も考えられるが、生体のインピーダンスは常に変化するため、一定時間の刺激では神経に対する作用を安定化させることが難しい。また、双極性の刺激パルス信号であってもプラスとマイナスの電荷バランスが取り難く、生体にとって好ましいものではない。
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、電力損失をできるだけ少なくするとともに、双極性の刺激パルス信号において１刺激ごとにプラスとマイナスの電荷バランスを保つことのできる視覚再生補助装置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） 網膜を構成する細胞を電気刺激するための電極と、該電極から双極性の電気刺激パルス信号を出力するための制御部と、を備え、網膜を構成する細胞を電気刺激することにより視覚を再生する視覚再生補助装置において、前記制御部は、前記電気刺激パルス信号に用いる刺激電流を積算し電圧に変換するコンデンサと、該コンデンサの電圧を検出する電圧検出回路と、該電圧検出回路にて検出される電圧が所定の電圧になるまで前記刺激電流を前記電極に流すとともに，前記所定の電圧が得られた後，前記コンデンサの電圧が実質的に０となるまで逆方向の電圧を印加し逆の極性の電流を前記電極に流すためのスイッチ回路と、を備えることを特徴とする。
（２） （１）の視覚再生補助装置において、前記電圧検出回路中には前記コンデンサの電圧に影響を与えることなく前記電圧を検出するためにバッファを用いていることを特徴とする。
（３） （２）の視覚再生補助装置において、前記電極は複数個用意されるとともに該複数の電極から順に前記電気刺激パルス信号を出力させるためのマルチプレクサ部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で電力損失をできるだけ少なくすることができるとともに、双極性の刺激パルス信号において１刺激ごとにプラスとマイナスの電荷バランスを保つことができる。

本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は視覚再生補助装置の外観を示した概略図、図２は実施の形態で使用する視覚再生補助装置における体内装置を示す図、図３は制御系のブロック図である。
１は視覚再生補助装置であり、図１及び図２に示すように、外界を撮影するための体外装置１０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２０とからなる。体外装置１０は、患者が掛けるバイザー１１と、バイザー１１に取り付けられるＣＣＤカメラ等からなる撮影装置１２と、外部デバイス１３、一次コイルからなる送信手段１４等にて構成されている。

外部デバイス１３には、ＣＰＵ等の演算処理回路を有するデータ変調手段１３ａ、視覚再生補助装置１（体外装置１０及び体内装置２０）の電力供給を行うためのバッテリー１３ｂが設けられている。データ変調手段１３ａは、撮影装置１２にて撮影した被写体像を画像処理し、さらに得られた画像処理後のデータを、視覚を再生するための電気刺激パルス用データに変換する処理を行う。送信手段１４は、データ変調手段１３ａにて変換された電気刺激パルス用データ、及び後述する体内装置２０を駆動させるための電力を電磁波として体内装置２０側に伝送（無線送信）することができる。また、送信手段１４の中心には図示なき磁石が取り付けられている。磁石は後述する受信手段３１との位置固定に使用される。
バイザー１１は眼鏡形状を有しており、図１に示すように、患者の眼前に装着して使用することができるようになっている。また、撮影装置１２はバイザー１１の前面に取り付けてあり、患者に視認させる被写体を撮影することができる。

図２に示す体内装置２０は、大別して体外装置１０から送信される電気刺激パルス信号用データや電力を電磁波により受け取るための受信部３０と、網膜を構成する細胞を電気刺激するための刺激部４０により構成される。受信部３０には、体外装置１０からの電磁波を受信する２次コイルからなる受信手段３１や、制御部３２が設けられている。制御部３２は、受信手段３１にて受信された電気刺激パルス用データと電力とを分けるとともに、電気刺激パルス用データを基に視覚を得るための電気刺激パルス信号に変換し、刺激部４０へ送信するための役割を有している。また、制御部３２は、電力損失をできるだけ少なくするとともに、２相性のパルス信号（例えば、電流値が＋側と−側の波形となる双極性のパルス信号）において１刺激ごとにプラスとマイナスの電荷バランスを保つことのできる回路構成となっている。この回路構成に関しては詳しくは後述する。
これら受信手段３１や制御部３２は、基板３３上に形成されている。なお、受信部３０には送信手段１４を位置固定させるための図示なき磁石が設けられている。また、３４は不関電極である。

また、刺激部４０には、電気刺激パルス信号を出力する電極４１、マルチプレクサ部４２が設けられている。電極４１は基板４３上に形成され、マルチプレクサ部４２は基板４３にフリップ実装されている。基板４３は、ポリプロピレンやポリイミド等、生体適合性が高く、所定の厚さにおいて折り曲げ可能な材料を長板状に加工したものをベース部とし、この上に電極４１とマルチプレクサ部４２とを電気的に接続するためのリード線４３ａが配線されている。

受信部３０と刺激部４０とは複数のワイヤー５０によって電気的に接続されている。ワイヤー５０は生体適合性の良い貴金属を用いている、また、複数のワイヤー５０は、取り扱いが容易となるように、チューブ５１によって一つに束ねられている。なお、各ワイヤー５０は接続部分を除いて絶縁被膜が施されている。

このような構成を備える体内装置２０は、患者の体内の所定位置に設置される。図４は患者眼Ｅに刺激部４０を設置した一例を示す図である。図示するように、基板４３上に形成される電極４１を脈絡膜Ｅ２に接触させた状態で、基板４３の一部は、強膜Ｅ３と脈絡膜Ｅ２との間に設置される。また、基板４３のマルチプレクサ部４２部分は、強膜Ｅ３の外側に置かれる。この基板４３の設置は、強膜Ｅ３の一部を切開して強膜ポケットを形成させておき、この強膜ポケット内（脈絡膜Ｅ２の外側）に基板４３の電極部分を挿入し設置後、縫合等により基板４３を固定することにより行われる。なお、不関電極３４は図示するように眼内に置かれる。

一方、受信手段３１は、体外装置１０に設けられた送信手段１４からの信号（電気刺激パルス用データ信号及び電力）を受信可能な生体内の所定位置に設置される。例えば、図１に示すように、患者の側頭部の皮膚の下に受信部３０（図では受信手段３１のみ示している）を埋め込むとともに、皮膚を介して受信部３０と対向する位置に送信手段１４とを設置しておく。受信部３０には、送信手段１４と同様に磁石が取り付けられているため、埋植された受信部３０上に送信手段１４を位置させることにより、磁力によって送信手段１４と受信部３０とがくっつき合い、送信手段１４が側頭部に保持されることとなる。
なお、ワイヤー５０を束ねるチューブ５１は、側頭部に埋め込まれた受信部３０から側頭部に沿って皮膚下を患者眼に向かって延び、患者の上まぶたの内側を通して眼窩に入れられる。眼窩に入れられたチューブ５１は、図４に示すように強膜Ｅ３の外側を通り、基板４３に設置されたマルチプレクサ部４２に接続される。

なお、本実施形態では、体内装置２０（刺激部４０）の設置位置を強膜Ｅ３側に位置させて、強膜側（脈絡側）から網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激する構成としたが、これに限るものではない。患者眼の網膜を構成する細胞を好適に刺激することが可能な位置に電極を設置することができればよい。例えば、体内装置を患者眼の眼内（網膜上や網膜下）に置き、電極が形成されている基板先端部分を網膜下（網膜と脈絡膜との間）や網膜上に設置させるような構成とすることもできる。

次に、制御部３２の回路の概略構成を図５に示し、説明する。
１００は変換回路であり、受信手段３１にて受信された電気刺激パルス用データと電力とを分けるとともに、電気刺激パルス用データを基に視覚を得るための電気刺激パルス信号の刺激強度指令値や電極の選択信号等を生成する役目を有する。変換回路１００はコンパレータ１０１を介して、電極の選択信号をマルチプレクサ４２に送信するための切換回路１０２に接続される。１０３ａ及び１０３ｂは、切換回路１０２に接続されるスイッチである。スイッチ１０３ａ，１０３ｂが交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより、電極４１と不関電極３４との間にて正負の電流を流すこととなる。

マルチプレクサ４２は、コンデンサ１０４を介してグランド（本実施形態では基板となる）に接続される。また、マルチプレクサ４２とコンデンサ１０４とを接続するラインは途中で分岐され、バッファー１０５を介してコンパレータ１０１，コンパレータ１０６の入力端に接続される。さらにコンパレータ１０６の入力端は、コンデンサ１０４とグランドとを接続するラインに接続され、コンパレータ１０６の出力端は切換回路１０２に接続される。

変換回路１００にて生成された刺激強度指令値や電極選択信号をセットすると、切換回路１０２は一方のスイッチ１０３ａ（またはスイッチ１０３ｂ）をＯＮする。これによりマルチプレクサ４２で選択された電極４１に電流が流れ、流れた電荷に比例した電圧がコンデンサ１０４に発生する。コンデンサ１０４に発生する電圧は、バッファー１０５を介してコンパレータ１０１にて検出される。コンデンサ１０４の電圧が刺激強度指令信号と同じになると、コンパレータ１０１がＯＮになり、切換回路１０２はスイッチ１０３ａ（またはスイッチ１０３ｂ）をＯＦＦにする。次のタイミングで切換回路１０２は、他方のスイッチ１０３ｂ（またはスイッチ１０３ａ）をＯＮにして逆方向の刺激電圧を印加する。これにより、選択された電極４１に逆方向（逆極性）の電流が流れ、コンデンサ１０４の電圧が減少していく。コンデンサ１０４の電圧の減少はコンパレータ１０６にて検出され、流れたプラス及びマイナスの電流が完全に等しくなると、コンデンサ１０４の電圧は実質的に０Ｖに戻り、コンパレータ１０６がＯＮし、切換回路１０２はスイッチ１０３ｂ（スイッチ１０３ａ）をＯＦＦする。

刺激強度指令値を変更して、電極選択信号をセットすると選択した電極４１に対して同様の電気刺激が行われる。このように電極４１と不関電極３４との間で流れる電流の方向の切り替え操作は、コンデンサ１０４の電圧が刺激強度指令値と同じになった時点と、そのときにコンデンサ１０４に得られている電圧が０Ｖになった時点とで行われるため、両極性における電荷の注入量が同じであり、プラスとマイナスの電荷バランスが取れることとなる。また、電源電圧をそのまま生体に印加するため、電力損失を少なくすることができる。

以上のような構成を備える視覚再生補助装置において、その動作を図３に示す制御系のブロック図を基に説明する。
図１に示す撮影装置１２により撮影された被写体の撮影データ（画像データ）は、データ変調手段１３ａに送られる。データ変調手段１３ａは、撮影した被写体を患者が認識するために必要となる所定データパラメータ（電気刺激パルス用データ）に変換し、さらに電磁波として伝送するのに適した変調信号に変調し、送信手段１４より電磁波として体内装置２０側に送信する。

また同時に、データ変調手段１３ａは、バッテリー１３ｂから供給されている電力を前述した変調信号（電気刺激パルス用データ）の帯域と異なる帯域の電磁波として前記変調信号と合わせて体内装置２０側に送信する。

体内装置２０側では、体外装置１０より送られてくる変調信号と電力とを受信手段３１にて受け取り、制御部３２に送る。制御部３２では受けとった信号から、変調信号が使用する帯域の信号を抽出するとともに、この変調信号に基づいて電気刺激パルス信号と電極指定信号とを形成し、電極指定信号をマルチプレクサ部４２に送信する。マルチプレクサ部４２では受け取った電極指定信号に基づいて前述した方法により、各電極４１からバランスの取れた双極性の電気刺激パルス信号を出力させる。各電極４１から出力する電気刺激パルス信号によって網膜を構成する細胞が電気刺激され、患者は視覚（光覚）を得る。なお、制御部３２は、受信手段３１により体内装置２０を駆動させるための電力を得る。

視覚再生補助装置の外観を示した概略図である。 本実施形態における視覚再生補助装置の体内装置を示した概略図である。 本実施形態における視覚再生補助装置の制御系を示したブロック図である。 体内装置を体内に設置した状態を示した図である。 制御部の回路構成を示した図である。

符号の説明

１ 視覚再生補助装置
１０ 体外装置
２０ 体内装置
３０ 受信部
３２ 制御部
４０ 刺激部
４１ 電極
４２ マルチプレクサ部
１００ 変換回路
１０１ コンパレータ
１０２ 切換回路
１０３ａ，１０３ｂ スイッチ
１０４ コンデンサ
１０５ バッファー
１０６ コンパレータ

Claims (3)

1. 網膜を構成する細胞を電気刺激するための電極と、該電極から双極性の電気刺激パルス信号を出力するための制御部と、を備え、網膜を構成する細胞を電気刺激することにより視覚を再生する視覚再生補助装置において、
   前記制御部は、前記電気刺激パルス信号に用いる刺激電流を積算し電圧に変換するコンデンサと、該コンデンサの電圧を検出する電圧検出回路と、該電圧検出回路にて検出される電圧が所定の電圧になるまで前記刺激電流を前記電極に流すとともに，前記所定の電圧が得られた後，前記コンデンサの電圧が実質的に０となるまで逆方向の電圧を印加し逆の極性の電流を前記電極に流すためのスイッチ回路と、を備えることを特徴とする視覚再生補助装置。
2. 請求項１の視覚再生補助装置において、前記電圧検出回路中には前記コンデンサの電圧に影響を与えることなく前記電圧を検出するためにバッファを用いていることを特徴とする視覚再生補助装置。
3. 請求項２の視覚再生補助装置において、前記電極は複数個用意されるとともに該複数の電極から順に前記電気刺激パルス信号を出力させるためのマルチプレクサ部を備えることを特徴とする視覚再生補助装置。