JP2007044323A - 視覚再生補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極数が多くなっても体内に設置する装置の大型化を抑制することができ、効率よく多数の電極の配置を行うことができる視覚再生補助装置を提供すること。
【解決手段】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、網膜を構成する細胞に電気刺激パルス信号を与える複数の電極２７と、該電極が設置される基板２１と、該基板に設置され前記電気刺激パルス信号を出力する電極を選択的に切り換える複数の切換制御ユニット２４と、を備え、前記複数の電極は所定の数に分けられた複数のグループを形成し，各グループに対して一の切換制御ユニットが接続される構成を有すること。
【選択図】図２

Description

本発明は視覚の再生を行うことのできる視覚再生補助装置に関する。

近年、失明治療方法の一つとして、電極を有する装置を眼内等に埋植し、視覚を形成する細胞に対して電極から電気刺激パルス信号を出力して刺激することにより、失われた視覚機能の一部を代行させ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、眼内に置くための体内装置を有している。この体内装置は、網膜を構成する細胞を電気刺激するための電極や、電極から電気刺激パルス信号を出力させるための集積回路等からなる制御部、電極や制御部を設置する基板から構成されている（特許文献１参照）。
米国特許５４７６４９４号明細書

このような視覚再生補助装置においては、解像度の高い視覚を再生させるために、刺激電極をアレイ状に多数配置し、多チャンネル化することが検討されている。多チャンネルとして用いる場合、マルチプレクサ機能を有するＩＣ（Integrated Circuit）等からなる制御ユニットを用いて電気刺激パルス信号を出力する電極を適宜切り換えることが必要となる。

電極数が多くなるほど、電極の接続数に応じて制御ユニットの面積が大きくなってしまう。制御ユニットが大きくなると、基板を体内（眼）に設置する際に応力によって割れてしまう可能性がある。制御ユニットに強度を持たせるために厚くする必要がある。しかしながら、制御ユニットを厚くすることは体内装置を大きくすることであり、結果として、患者や術者への負担が増すこととなる。

上記従来技術の問題点に鑑み、電極数が多くなっても体内に設置する装置の大型化を抑制することができ、効率よく多数の電極の配置を行うことが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ことにより視覚を再生する視覚再生補助装置において、網膜を構成する細胞に電気刺激パルス信号を与える複数の電極と、該電極が設置される基板と、該基板に設置され前記電気刺激パルス信号を出力する電極を選択的に切り換える複数の切換制御ユニットと、を備え、前記複数の電極は所定の数に分けられた複数のグループを形成し，各グループに対して一の切換制御ユニットが接続される構成を有することを特徴とする。
（２） （１）の視覚再生補助装置において、前記切換制御ユニットは接続する前記グループの電極設置部分の裏側の基板面に設置されることを特徴とする。
（３） （２）の視覚再生補助装置において、前記一つの切換制御ユニットに接続される電極数は、強度不足を補うための厚みを考慮することがない切換制御ユニットの大きさで接続可能な電極数であることを特徴とする。

本発明によれば、電極数が多くなっても体内に設置する装置の大型化を抑制することができ、効率よく多数の電極の配置を行うことができる。

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４は図２に示した体内装置を患者の眼内に設置した状態を示した概略図である。

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に取り付けられた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パルス信号変換手段１３ａと、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。パルス信号変換手段１３ａは、撮影装置１２にて撮影した被写体像を画像処理し、さらに画像処理データを視覚を再生するための電気刺激パルス信号用データに変換する処理を行う。送信手段１４は、パルス信号変換手段１３ａにて変換された電気刺激パルス信号用データ（電気刺激の強度や刺激する位置を定めるパターンのデータ）、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の中心には磁石１５が取り付けられている。磁石１５は送信手段１４によるデータ伝送効率を向上させるとともに後述する受信手段２３との位置固定にも使用される。

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、複数の電極２７が形成される基板２１、ケーブル２２、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２３、基板２１上に設置される内部デバイス（制御ユニット）２４、マルチプレクサ２４ａ、磁石２５、不関電極２６等にて構成されている。基板２１は、生体適合性の高いポリイミド等を所定の厚さにおいて折り曲げ可能な材料に長板状に加工したものをベース部とし、この上にリード線２１ａを適宜配線することによって形成されている。基板２１の配線は、このベース部に周知のフォトレジスト法、真空蒸着法やスパッタ法等を用いて、耐腐食性の金属材料を蒸着させることによって、導電層を形成し、図２に示すリード線２１ａを基板２１内に形成させる。２１ｂはリード線で、リード線２１ａと同様の方法で形成されるもので、基盤２１に配置される内部デバイス２４とマルチプレクサ２４ａとを接続する。導電層の形成後、マスクを取り除き、導電層を被覆するように所定の厚さを有した絶縁層を塗布や貼り付け等により形成する。絶縁層に使用する材料としては、例えば、生体適合性の高いポリイミド等の絶縁材料を用いることができる。なお、形成されたリード線２１ａの末端位置の絶縁層にＲＩＥ（reactive ion etching）等の手法によって孔をあけ、リード線２１ａの末端を露出させ、ここに電極材料を積層（蒸着）、或いはバンプ形成により、電極２７や、マルチプレクサ２４ａと基板との電気的な接合部分を形成する。このような工程を経てリード線２１ａや電極２７が形成された基板２１が製作される。また、リード線２１ａを立体的に配線したい場合には、これらの工程を複数回行うことによって、立体配線を形成することができる。このような作製方法によって、リード線２１ａは自由度の高いレイアウトをとることができる。

電極２７は、図２（ａ）に示すように、基板２１の長手方向に沿ってマトリックス状の等間隔にて均一に複数個配置、または２次元的に等間隔で互い違いになるように複数個形成され、電極アレイを形成している。なお、前述したように、基板２１上に形成される電極２７は、金、白金等の生体適合性、耐食性に優れた導電性を有する材料にて基板２１に形成したリード線２１ａの末端に形成される。

また、本実施形態の視覚再生装置は、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るように、基板上における内部デバイス２４及びマルチプレクサ２４ａ、電極２７等の設置位置が考慮される。例えば、図４に示すように、強膜Ｅ３上に体内装置２０を設置して、網膜Ｅ１を構成する細胞を刺激するものとした場合、図２（ｂ）に示すように、基板２１における内部デバイス２４やマルチプレクサ２４ａの設置面と反対側の面に電極２７を複数個形成する構成とすればよい。このような構成により、体内装置２０の眼球への設置時に、内部デバイス２４が網膜Ｅ１、脈絡膜Ｅ２に当接しないため、設置時の手術的手技も比較的簡単になる。

なお、視覚再生補助装置における体内装置２０の設置位置は、前述したように、基板２１を、強膜Ｅ３に位置させて、強膜側（脈絡膜側）から網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激する構成を例としてあげているが、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。また、電極２７が形成されている基板２１の先端部分を、強膜Ｅ３と脈絡膜Ｅ２との間に位置させて、強膜側（脈絡膜側）から網膜Ｅ１を構成する細胞を電気刺激する構成とすることもできる。なお、基板２１は、例えばタックや生体適合性の高い接着剤等にて強膜Ｅ３に固定保持させることもできる。

以上の実施形態では、体外装置により処理した情報を体内装置へと送り、視覚の再生を行う体外撮像型の視覚再生補助装置について説明したが、これに限るものではない。体内装置に、刺激電極と、外界の光情報を受光する受光部と、受光した情報を網膜を構成する細胞を刺激するための電気信号へと変換する変換回路が備えられた体内撮像型の視覚再生補助装置であってもよい。その場合には、体内装置の基板上にフォトダイオード等の光センサを配置し、フォトダイオードと接続され、受光した光情報を電気刺激パルス信号へと変換する変換回路を設ける。そのような体内撮像型の視覚再生補助装置は、網膜上や網膜下に設置され、外界の光情報を体内（眼内）で変換処理し、生成された電気刺激パルス信号に基づいて、網膜を構成する細胞を電気刺激し、視覚を再生させる。

一方、受信手段２３は、体外装置１０に設けられた送信手段１４からの信号（電気刺激パルス信号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手段２３を埋め込むとともに、皮膚を介して受信手段２３と対向する位置に送信手段１４を設置しておく。受信手段２３の中心には、送信手段１４と同様に磁石２５が取り付けられているため、埋植された受信手段２３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と受信手段２３とが引き合い、送信手段１４が側頭部に保持されることとなる。

内部デバイス（制御ユニット）２４は、受信手段２３にて受信された電気刺激パルス信号用データと電力とを分ける回路、電気刺激パルス信号用データを基に視覚を得るための電気刺激パルス信号と、刺激位置を指定する切換信号に変換するための変換回路や、変換した電気刺激パルス信号を各マルチプレクサ２４ａへ送るための電気回路、等のいくつかの制御回路を有し、体内装置２０の制御手段となる半導体集積回路（ＩＣ）からなる。このような構成を有する内部デバイス２４を用いて電気刺激パルス信号用データを処理し、変換した電気刺激パルス信号と切換信号を各マルチプレクサ２４ａへと送る。なお、各マルチプレクサ２４ａは、基板２１上に形成された複数のリード線２１ｂによって、内部デバイス２４と接続されている。また、内部デバイス２４は受信手段２３にて電力を受信し、利用している。なお、基板２１上に設置されている内部デバイス２４やマルチプレクサ２４ａは、その周囲を生体に安全な金や白金等の貴金属にて被覆処理されて高い機密性を確保しており、内部デバイス２４に配線されている各種回路へ体液等が侵襲するのを抑制している。

マルチプレクサ２４ａは内部デバイス２４と接続され、リード線２１ａを介していくつかの電極２７と接続されている。マルチプレクサ２４ａは、内部デバイス２４と同様に半導体集積回路で作製される。マルチプレクサ２４ａは電気刺激パルス信号を内部デバイス２４から受けとると、電流刺激を出力する所定の電極２７を指定した制御信号を読み取り、マルチプレクサ２４ａ内のスイッチング素子により、所定の電極２７を通電する状態にする。その後、電気刺激パルス信号の刺激信号部分を所定の電極２７へと流させる。この機能により、特定の場所に電気刺激パルス信号を流すことができる。従って、マルチプレクサ２４ａは電極２７へ送る電気刺激パルス信号を切り換える切換制御ユニットとなる。

図３は電極部分を拡大した図である。図３（ａ）は電極２７側から体内装置２０を見た図である。図示するように、近接する４つの電極２７が１つのグループを形成し、それら４つの電極２７に対して、１つのマルチプレクサ２４ａがリード線２１ａにて接続される。他の電極２７も同様に所定の数を１グループとして１つのマルチプレクサ２４ａに接続される。各マルチプレクサ２４ａはリード線２１ｂにより、内部デバイス２４へと接続される。リード線２１ｂは基板２１の背面にあるため、ここでは点線で示す。図３（ｂ）は体内装置２０の長手方向での断面図である。図示するように、基板２１を挟んで、電極２７の設置部分の裏側にマルチプレクサ２４ａが配置されている。リード線２１ａは、４つの電極２７とマルチプレクサ２４ａの間を各々が等距離になるように配線されている。

マルチプレクサ２４ａは、内部デバイス２４から電気刺激パルス信号と切換信号を受け取る。受け取った切換信号から刺激電流を流すべき位置情報を取得し、それに基づいて４つの電極２７のいくつかに、受け取った電流刺激パルス信号をを流す。このような電流の切り換えを行い、好適に、網膜を構成する細胞を電気刺激する。このように、４つの電極２７に対して１つのマルチプレクサ２４ａを接続する構成をとることにより、マルチプレクサ２４ａを分割して配置する。電極２７の配置数が増えても、このような構成を複製していくことで、大規模な配線を必要とせず、多チャンネル化、高度集積化が可能となる。多チャンネル化の例として、電極数が縦横１００×１００の１００００個を想定する。この場合は、近接する４の電極を１つのグループとし、１つのマルチプレクサと接続させる。この構成により、マルチプレクサ２５００個で、１００００個の電極を配置する。このように、複数の電極を1つのグループとし、それぞれのグループに１つのマルチプレクサを接続し、それらを多数配置することにより、視覚再生補助装置の多チャンネル化ができる。

以上、説明したように、所定の数の刺激電極を１つのグループとし、グループ毎に１つのマルチプレクサを接続させ、そのいくつかのグループで、体内装置全体の刺激電極を構成することにより、マルチプレクサ機能を分割配置でき、マルチプレクサ一つ一つを小さくできる。また、電極とマルチプレクサが基板を介して互いに裏面に配置されるため、電極の大きさに依存せずにマルチプレクサを小さくできる。さらに、マルチプレクサの大きさや位置に依存することなく、電極を均一に配置できる。マルチプレクサを小さくできることから、従来のように、マルチプレクサが大きいと、眼内設置時の眼球に沿った湾曲に耐え得る折り曲げ強度を持たせるために厚くする必要がなくなる。このため、マルチプレクサを薄くもでき、体内装置自体を薄く、柔軟なものにできる。

なお、以上の説明では、４つの電極２７を１つのグループとし、それに対して、１つのマルチプレクサ２４ａが接続される構成を持つグループを複数配置し、各グループでの電極数を同数としたが、これに限るものではない。各グループで電極数は異なっていてもよい。電極数は任意に設定できる。例えば、あるフループは４つの電極で構成され、別のグループは６つの電極で構成されるものが挙げられる。また、４つの電極に対して、１つのマルチプレクサが接続される構成としたが、これに限るものではない。マルチプレクサを分割して小さくできる電極数であれば、何個であってもよい。その際のマルチプレクサの大きさは、体内装置に柔軟性が損なわれない程度にマルチプレクサが薄くできる大きさであればよい。もしくは、マルチプレクサを、体内装置の眼内（体内）設置時に邪魔になるような厚さにはならない程度に、薄くできる大きさであればよい。また、以上の説明では、各マルチプレクサと内部デバイスが各々接続されていたが、これに限るものではない。マルチプレクサ同士が接続した状態で、一部のマルチプレクサが内部デバイスと接続される、配線であってもよい。

また、本実施形態では、マルチプレクサ２４ａとそれに接続される電極２７との距離を、等距離としたが、これに限るものではない。配線がし易い程度に充分近ければよい。例えば、１つのマルチプレクサに接続されるそれぞれの電極を囲む図形の内側にマルチプレクサが配置されればよい。

ケーブル２２は、絶縁性を有する生体適合性の高い材料にて被覆されており、受信手段２３と内部デバイス２４とを電気的に接続するために用いられる。なお、ケーブル２２は、側頭部に埋め込まれた受信手段２３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。眼窩に入れられたケーブル２２は、図４に示すように強膜Ｅ３の外側を通り、基板２１に設置された内部デバイス２４に接続される。

不関電極２６は、内部デバイス２４に接続されており、図４に示すように、その先端は眼球外から毛様体扁平部付近を貫通して眼内まで伸びている。このとき、不関電極２６の先端は、網膜Ｅ１を挟んで基板２１と向き合うように眼内に置かれる。不関電極２６の材質としては、金、銀、白金等の電極として一般的に用いられるものが使用できる。

また、このような体内装置２０は、電極２７と不関電極２６の先端以外の構成部分には、図示なき生体適合性の高いコーティング剤（シリコーン、パリレン、生体適合性の高いポリイミド等）にて被膜されており、内部デバイス２４やマルチプレクサ２４ａを被覆する金属被覆とともに装置内への体液等の浸潤を抑制することができる。

次に、体内装置２０の作製工程を説明する。まず、内部デバイス２４とマルチプレクサ２４ａを半導体集積回路技術で作製し、基板２１と接合する箇所は端子を露出させておく。また、基板２１に前述のＲＩＥ法や立体配線の方法等で、その内部にリード線２１aを配線する（導電層の形成）。また、基板２１の外面に配線材料を積層（蒸着）させ、リード線２１ｂを配線する。このとき、基板２１の一方の面は刺激電極２７を形成する面とし、形成箇所には配線を露出させる。基板２１の他方の面にはマルチプレクサ２４ａや内部デバイス２４を形成する面とし、接合箇所には配線を露出させる。そして、内部デバイス２４の接合箇所にメッキ処理等により、バンプを形成し、接合するための端子とする。次に、基板２１に、内部デバイス２４及びマルチプレクサ２４ａをフリップ実装（接合）する。接合は基板２１の露出されている端子と、内部デバイス２４及び各マルチプレクサ２４ａの端子を超音波や高圧力または熱を用いた圧着等をすることにより行われる。各接合部分は金属で形成されているため、金属同士の圧着で接合度が増す。接合により、予め配線されていたリード線２１ｂにより、内部デバイス２４とマルチプレクサ２４ａが接続される。このときに、付加的な配線により、リード線２１ｂと、内部デバイス２４やマルチプレクサ２４ａを接続させてもよい。配線は、前述のスパッタ法等により、生体適合性の高い金属等にて行う。次に、電極２７を形成する。電極２７の形成面に前述のスパッタ法等により電極２７を形成する。そして、内部デバイス２４と受信手段２３を、ケーブル２２で接続する。また、内部デバイス２４に不関電極２６も接続する。このような、一連の工程により、体内装置２０を作製した後、さらに、電極２７と不関電極２６の先端以外の部分（通電させない部分）を生体適合性の高いコーティング剤により被覆する。

なお、以上の作製工程では、電極２７の配置レイアウトを格子状の均一な配置としたが、これに限るものではない。網膜を構成する細胞を好適に電気刺激できるレイアウトであればよい。

以上のような構成を備える視覚再生補助装置において、視覚再生のための動作を図５に示す制御系のブロック図を基に説明する。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、パルス信号変換手段１３ａに送られる。パルス信号変換手段１３ａは、撮影した被写体を患者が視認するために必要となる所定の帯域内の信号（電気刺激パルス信号用データ）に変換し、送信手段１４より電磁波として体内装置２０側に送信する。

またこのとき、パルス信号変換手段１３ａは、バッテリー１３ｂから供給されている電力を、前述した信号（電気刺激パルス信号用データ）のキャリア周波数とした電磁波として電気刺激パルス信号用データ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より送られてくる電気刺激パルス信号用データと電力とを受信手段２３で受信し、内部デバイス２４に送る。内部デバイス２４では受けとった信号から、電気刺激パルス信号用データが使用する帯域の信号を抽出する。内部デバイス２４は、抽出した電気刺激パルス信号用データに基づいて、各電極２７から出力させる電気刺激パルス信号と刺激電流を流す電極を切り換え選択する切換信号を形成し、それらの信号を各マルチプレクサ２４ａへ送る。各マルチプレクサ２４ａは受け取った切換信号に基づき、接続されている各電極２７を切換選択し、選択した電極２７に対し、電気刺激パルス信号を流す。

各電極２７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、患者は視覚を得る。また、内部デバイス２４は、受信手段２３により受信した信号を基に、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。 視覚再生補助装置における体内装置を示す図である。 電極部分を拡大した図である。 体内装置を患者の眼内に設置した状態を示した概略図である。 制御系のブロック図である。

符号の説明

１ 視覚再生補助装置
１０ 体外装置
２０ 体内装置
２１ 基板
２１ａ、２１ｂ リード線
２４ 内部デバイス
２４ａ マルチプレクサ
２７ 電極

Claims (3)

1. 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、網膜を構成する細胞に電気刺激パルス信号を与える複数の電極と、該電極が設置される基板と、該基板に設置され前記電気刺激パルス信号を出力する電極を選択的に切り換える複数の切換制御ユニットと、を備え、前記複数の電極は所定の数に分けられた複数のグループを形成し，各グループに対して一の切換制御ユニットが接続される構成を有す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、前記切換制御ユニットは接続する前記グループの電極設置部分の裏側の基板面に設置され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、前記一つの切換制御ユニットに接続される電極数は、強度不足を補うための厚みを考慮することがない切換制御ユニットの大きさで接続可能な電極数であることを特徴とする視覚再生補助装置。