JP4959377B2 - Visual reproduction assist device - Google Patents
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Description
本発明は、患者の視覚の一部又は全部を再生するため、体内に設置される視覚再生補助装置に関する。 The present invention relates to a visual reproduction assisting device installed in a body in order to reproduce a part or all of a patient's vision.
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、刺激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(例えば、特許文献1参照)。このような装置の刺激電極には生体適合性の高い貴金属等を用いる必要がある。
このような装置では、刺激電極から出力される電気刺激パルス信号によって網膜を構成する細胞や組織に所定量の電荷が注入される。このときの注入電荷量は、生体に悪影響(例えば、電極周辺で体液の電気分解が発生する等)が起こらない範囲内に設定される。悪影響なしに注入可能な電荷量は、通電開始前における刺激電極の電極電位に影響される。しかしながら、貴金属等で作製された刺激電極は、素材やその設置状態等により種々の電極電位が発生するため、このような電極電位の変化幅を考慮して注入電荷量の条件を設定した場合、必要以上に注入電荷量が制限されてしまい、刺激電極が持つ電荷注入能力をことが難しい。 In such an apparatus, a predetermined amount of electric charge is injected into cells and tissues constituting the retina by an electrical stimulation pulse signal output from the stimulation electrode. The injected charge amount at this time is set within a range in which no adverse effect is exerted on the living body (for example, electrolysis of body fluid occurs around the electrode). The amount of charge that can be injected without adverse effects is affected by the electrode potential of the stimulation electrode before the start of energization. However, the stimulation electrode made of noble metal or the like generates various electrode potentials depending on the material and its installation state, etc., so when setting the condition of the injected charge amount in consideration of such a change range of the electrode potential, The injection charge amount is limited more than necessary, and it is difficult to provide the charge injection capability of the stimulation electrode.
上記従来技術の問題点に鑑み、刺激電極が持つ電荷注入能力を効率よく活かすことができ、刺激電極から好適な電気刺激パルス信号を出力させる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。 In view of the above-mentioned problems of the prior art, it is a technical problem to provide a visual reproduction assisting device that can efficiently utilize the charge injection capability of a stimulation electrode and that can output a suitable electrical stimulation pulse signal from the stimulation electrode. And
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) 患者の視覚を形成する視覚神経系を構成する細胞又は組織を刺激し、患者の視覚を再生する視覚再生補助装置において、患者の体内に埋植され,視覚神経系を構成する細胞又は組織を電気刺激するための刺激電極と、該刺激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、前記制御部と接続され、前記刺激電極の電極電位を計測するための参照電極と、を備え、前記制御部は、前記参照電極を用いて得られた前記刺激電極の電極電位に基づいて、所期する電気刺激パルス信号の出力時の前記刺激電極の電極電位のピークが前記刺激電極の電位窓を超えないように、前記刺激電極から出力される前記電気刺激パルス信号のカソード側の注入電荷量とアノード側の注入電荷量を異なるように制御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、前記刺激電極から出力されるカソード側の注入電荷量とアノード側の注入電荷量が異なる電気刺激パルス信号のカソード側の注入電荷量とアノード側の注入電荷量の差分によって、前記刺激電極のパルス間電位(IPP)が変更されることを特徴とする。
(3) (1)又は(2)の視覚再生補助装置において、前記刺激電極は生体適合性を有した素材で作製された基板上に形成され、前記参照電極は前記基板上に形成された前記刺激電極の近傍に形成されることを特徴とする。
(4) (1)〜(3)のいずれかの視覚再生補助装置において、前記制御部は前記刺激電極からカソード側の注入電荷量とアノード側の注入電荷量を異なるように出力した後、差分の電荷量を打ち消すための放電電流を流すことを特徴とする。
(5) (1)〜(4)のいずれかの視覚再生補助装置は、前記参照電極の電極電位を補正する参照電極補正手段を有し、該参照電極補正手段の指令に基づいて、前記制御部は前記参照電極の電極電位を補正することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention is characterized by having the following configuration.
(1) In a visual regeneration assisting device that stimulates cells or tissues that form the visual nervous system that forms the vision of a patient and reproduces the patient's vision, the cells that are implanted in the body of the patient and constitute the visual nervous system A stimulation electrode for electrical stimulation of tissue, a control unit for outputting a bipolar electrical stimulation pulse signal from the stimulation electrode, and a reference for measuring the electrode potential of the stimulation electrode connected to the control unit The control unit, based on the electrode potential of the stimulation electrode obtained using the reference electrode, the peak of the electrode potential of the stimulation electrode at the time of output of the expected electrical stimulation pulse signal The amount of injected charge on the cathode side and the amount of injected charge on the anode side of the electrical stimulation pulse signal output from the stimulation electrode is controlled so as not to exceed the potential window of the stimulation electrode.
(2) In the visual reproduction assisting device of (1), the cathode-side injected charge amount and the anode-side injected charge amount of the cathode side and the anode-side injected charge amount output from the stimulation electrode are different. The inter-pulse potential (IPP) of the stimulation electrode is changed according to the difference in the amount of injected charges.
(3) In the visual reproduction assisting device according to (1) or (2), the stimulation electrode is formed on a substrate made of a biocompatible material, and the reference electrode is formed on the substrate. It is formed near the stimulation electrode.
(4) In the visual reproduction assistance device according to any one of (1) to (3), the control unit outputs a difference in the injected charge amount on the cathode side and the injected charge amount on the anode side from the stimulation electrode, and then the difference It is characterized by flowing a discharge current for canceling the amount of charges.
(5) The visual reproduction auxiliary device according to any one of (1) to (4) includes a reference electrode correction unit that corrects an electrode potential of the reference electrode, and the control is performed based on a command from the reference electrode correction unit. The unit corrects the electrode potential of the reference electrode.
本発明によれば、刺激電極が持つ電荷注入能力を効率よく活かすことができ、刺激電極から好適な電気刺激パルス信号を出力させることができる。 According to the present invention, the charge injection capability of the stimulation electrode can be utilized efficiently, and a suitable electrical stimulation pulse signal can be output from the stimulation electrode.
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。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an external appearance of a visual reproduction assisting device, FIG. 2 is a diagram showing an in-vivo device in the visual reproduction assisting device used in the embodiment, and FIG. 3 is a block diagram of a control system.
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。 Reference numeral 1 denotes a visual reproduction assisting device, as shown in FIGS. 1 and 2, from an extracorporeal device 10 for photographing the outside world and an in-vivo device 20 that applies electrical stimulation to cells constituting the retina and promotes visual reproduction. Become. The extracorporeal device 10 includes a visor 11 worn by a patient, an imaging device 12 including a CCD camera attached to the visor 11, an external device 13, a transmission unit 14 including a primary coil, and the like.
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。コイルからなる送信手段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。 The external device 13 is provided with a data modulation means 13a having an arithmetic processing circuit such as a CPU, and a battery 13b for supplying power to the visual reproduction assisting device 1 (external device 10 and internal device 20). The data modulation unit 13a performs image processing on the subject image captured by the image capturing device 12, and further converts the obtained image processed data into electrical stimulation pulse data for reproducing vision. The transmission means 14 made of a coil transmits (wireless transmission) the electrical stimulation pulse data converted by the data modulation means 13a and the power for driving the internal apparatus 20 described later to the internal apparatus 20 side as electromagnetic waves. Can do. A magnet (not shown) is attached to the center of the transmission means 14. The magnet is used to fix the position with the receiving means 31 described later.
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。 The visor 11 has an eyeglass shape, and can be used by being worn in front of the patient's eyes as shown in FIG. Moreover, the imaging device 12 is attached to the front surface of the visor 11 and can image a subject to be visually recognized by the patient.
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と対応する刺激電極を指定する電極指定信号に変換し、刺激部40へ送信するための役割を有している。 The in-vivo device 20 shown in FIG. 2 is roughly divided into a receiving unit 30 for receiving electrical stimulation pulse signal data and power transmitted from the extracorporeal device 10 by electromagnetic waves, and a stimulating unit for electrically stimulating cells constituting the retina. 40. The receiving unit 30 is provided with a receiving unit 31 including a secondary coil that receives electromagnetic waves from the extracorporeal device 10 and a control unit 32. The control unit 32 separates the electrical stimulation pulse data and the power received by the receiving unit 31 and designates the stimulation electrode corresponding to the electrical stimulation pulse signal for obtaining vision based on the electrical stimulation pulse data. It is converted into an electrode designation signal to be transmitted and transmitted to the stimulation unit 40.
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、後述する刺激部40が患者眼に設置された場合に、それぞれの刺激電極41と対向する位置に置かれる対向電極(不関電極)である。 These receiving means 31 and control unit 32 are formed on a substrate 33. The receiving unit 30 is provided with a magnet (not shown) for fixing the position of the transmitting unit 14. Reference numeral 34 denotes a counter electrode (indifferent electrode) placed at a position facing each stimulation electrode 41 when a later-described stimulation unit 40 is placed on the patient's eye.
また、刺激部40には、電気刺激パルス信号を出力する刺激電極41、刺激制御部42、参照電極44が設けられている。各刺激電極41は刺激制御部42に、参照電極44は制御部32にそれぞれ接続されている。この接続形態については後述する。刺激制御部42は、制御部32から送られてきた電極指定信号に基づいて、対応する電気刺激パルス信号を刺激電極41の各々へ振り分けるマルチプレクサ機能を有する。 In addition, the stimulation unit 40 is provided with a stimulation electrode 41 that outputs an electrical stimulation pulse signal, a stimulation control unit 42, and a reference electrode 44. Each stimulation electrode 41 is connected to the stimulation control unit 42, and the reference electrode 44 is connected to the control unit 32. This connection form will be described later. The stimulation control unit 42 has a multiplexer function that distributes the corresponding electrical stimulation pulse signal to each of the stimulation electrodes 41 based on the electrode designation signal sent from the control unit 32.
参照電極44は刺激電極41の電極電位を計測するための基準となる電極である。参照電極44は刺激電極41と同程度のサイズ以上で作製されることが好ましい。参照電極44には、生体適合性が高く、電極電位の安定性が高い金属、例えば、銀塩化銀、白金、酸化イリジウム等が用いられる。また、刺激電極41には生体適合性が高い貴金属、例えば金、白金、酸化イリジウム等が用いられる。刺激電極41及び参照電極44は基板43上に形成され、刺激制御部42は基板43にフリップチップ実装されている。本実施形態では、刺激電極41及び参照電極44は酸化イリジウムで作製する。なお、刺激電極41及び参照電極44を同じ素材にすると、刺激部40の作製が簡単になる。また、刺激電極41と参照電極44を一体的に作製すると、作製作業が簡単になる。本実施形態では、刺激電極41及び参照電極44は酸化イリジウムで作製される。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ている。この基板43は眼球付近、眼球内に埋植された際に眼球の曲面に沿うようなフレキシブルさを持つように作製される。この基板43上に刺激電極41が複数設置され、刺激電極41の設置面で刺激電極41の近傍に参照電極44が設置される。刺激電極41と参照電極44は各々がリード線43aにて刺激制御部42、と電気的に接続されている。制御部32には電圧計測用の回路が組み込まれており、制御部32が、参照電極44と刺激電極41の電位差を計測することにより、参照電極44を基準とした刺激電極41の電極電位が制御部32に取得される。このとき、参照電極44を0V(ゼロレベル)とし、0Vから刺激電極41がどれほどの電位差を持っているか計測する。 The reference electrode 44 is a reference electrode for measuring the electrode potential of the stimulation electrode 41. The reference electrode 44 is preferably produced with a size equal to or larger than that of the stimulation electrode 41. For the reference electrode 44, a metal having high biocompatibility and high electrode potential stability, for example, silver silver chloride, platinum, iridium oxide, or the like is used. The stimulation electrode 41 is made of a noble metal with high biocompatibility, such as gold, platinum, iridium oxide, or the like. The stimulation electrode 41 and the reference electrode 44 are formed on the substrate 43, and the stimulation control unit 42 is flip-chip mounted on the substrate 43. In the present embodiment, the stimulation electrode 41 and the reference electrode 44 are made of iridium oxide. If the stimulation electrode 41 and the reference electrode 44 are made of the same material, the stimulation unit 40 can be easily manufactured. In addition, when the stimulation electrode 41 and the reference electrode 44 are integrally manufactured, the manufacturing operation is simplified. In the present embodiment, the stimulation electrode 41 and the reference electrode 44 are made of iridium oxide. The substrate 43 has a base portion made of a material that is highly biocompatible, such as polypropylene or polyimide, and is processed into a long plate shape that can be bent at a predetermined thickness. The substrate 43 is manufactured so as to have flexibility so as to follow the curved surface of the eyeball when implanted in the vicinity of the eyeball. A plurality of stimulation electrodes 41 are installed on the substrate 43, and a reference electrode 44 is installed in the vicinity of the stimulation electrode 41 on the installation surface of the stimulation electrode 41. Each of the stimulation electrode 41 and the reference electrode 44 is electrically connected to the stimulation control unit 42 through a lead wire 43a. A voltage measurement circuit is incorporated in the control unit 32, and the control unit 32 measures the potential difference between the reference electrode 44 and the stimulation electrode 41, whereby the electrode potential of the stimulation electrode 41 based on the reference electrode 44 is determined. Acquired by the control unit 32. At this time, the reference electrode 44 is set to 0 V (zero level), and the potential difference of the stimulation electrode 41 from 0 V is measured.
また、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。また、体内装置20は、刺激電極41、参照電極44、対向電極34の先端部等の電気が放出又は流入される箇所以外は、生体適合性の高い樹脂、例えば、シリコーン、パリレン等で包埋される。これにより、体内装置20に対する体液等の接触等が低減される。 In addition, the receiving unit 30 and the stimulation unit 40 are electrically connected by a plurality of wires 50. The wire 50 uses a precious metal having good biocompatibility, and the plurality of wires 50 are bundled together by a tube 51 so as to be easily handled. Each wire 50 is provided with an insulating coating except for the connecting portion. In addition, the intracorporeal device 20 is embedded with a highly biocompatible resin, such as silicone, parylene, etc., except for the places where electricity such as the stimulation electrode 41, the reference electrode 44, and the tip of the counter electrode 34 is discharged or introduced. Is done. Thereby, the contact of body fluid etc. with respect to the in-body apparatus 20 is reduced.
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、矩形波からなる二相性のパルス信号(例えば、電圧が+側(アノード側)と−側(カソード側)の波形となる双極性のパルス信号)においてにプラスとマイナスの電荷の偏りを抑えることのできる回路構成となっている。ここで、以下、着目する電極が電流を吐き出すときをプラスの電流、電流を吸い込むときマイナスの電流が流れると表現する。つまり、制御部32は、網膜を構成する細胞への注入電荷量をプラス側とマイナス側で相殺する制御を行う構成となっている(詳細は後述する)。これにより、網膜を構成する細胞に対し、長期的な電荷バランス差によるダメージを低減できる。また、プラスやマイナスそれぞれのパルス信号は、電荷放出部分近傍、つまり、刺激電極41の近傍で体液等の電気分解が起こらない程度の注入電荷量となるように、パルス信号の強度、持続時間(パルス幅)が決められている。 In addition, the control unit 32 reduces power loss as much as possible, and also has a biphasic pulse signal composed of a rectangular wave (for example, a bipolar pulse having a voltage waveform on the + side (anode side) and − side (cathode side)). (Signal), the circuit configuration can suppress the deviation of positive and negative charges. Here, hereinafter, it is expressed that a positive current flows when the electrode of interest discharges a current, and a negative current flows when the current is sucked. That is, the control unit 32 is configured to perform control for canceling out the amount of charge injected into the cells constituting the retina between the plus side and the minus side (details will be described later). Thereby, the damage by the long-term charge balance difference can be reduced with respect to the cell which comprises a retina. Further, the positive and negative pulse signals have a pulse signal intensity and duration (such as an injection charge amount that does not cause electrolysis of a body fluid or the like in the vicinity of the charge discharge portion, that is, in the vicinity of the stimulation electrode 41. Pulse width).
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3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上に形成される刺激電極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の刺激制御部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。 The intracorporeal device 20 having such a configuration is installed at a predetermined position in the patient's body. FIG. 3 is a diagram illustrating an example in which the stimulation unit 40 is installed in the patient's eye E. As shown in the figure, a part of the substrate 43 is placed between the sclera E3 and the choroid E2 with the stimulation electrode 41 formed on the substrate 43 in contact with the choroid E2. Further, the stimulation control part 42 portion of the substrate 43 is placed outside the sclera E3. The substrate 43 is placed by incising a part of the sclera E3 to form a sclera pocket, inserting the electrode portion of the substrate 43 into the sclera pocket (outside the choroid E2), and then sewing. This is done by fixing the substrate 43 by, for example.
なお、対向電極34は図示するように眼内中央の前眼部よりの位置に置かれる。これによって、網膜E1は刺激電極41と対向電極34との間に位置することとなる。よって、刺激電極41からの刺激電流が効率的に網膜を通ることとなる。 The counter electrode 34 is placed at a position from the anterior eye portion in the center of the eye as shown in the figure. As a result, the retina E1 is located between the stimulation electrode 41 and the counter electrode 34. Therefore, the stimulation current from the stimulation electrode 41 efficiently passes through the retina.
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。 On the other hand, the receiving means 31 is installed at a predetermined position in the living body that can receive signals (electric stimulation pulse data signal and power) from the transmitting means 14 provided in the extracorporeal device 10. For example, as shown in FIG. 1, the receiving unit 30 (only the receiving unit 31 is shown in the figure) is embedded under the skin of the patient's temporal region and transmitted to a position facing the receiving unit 30 through the skin. The means 14 is installed. Since the magnet is attached to the receiving unit 30 similarly to the transmitting unit 14, the transmitting unit 14 and the receiving unit 30 are adhered to each other by magnetic force by positioning the transmitting unit 14 on the implanted receiving unit 30. Therefore, the transmission means 14 is held on the temporal region.
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眼窩に入れられる。眼窩に入れられたチューブ51は、図3に示すように強膜E3の外側を通り、基板43に設置された刺激制御部42に接続される。 In addition, the tube 51 which bundles the wire 50 extends under the skin toward the patient's eye along the temporal region from the receiving unit 30 embedded in the temporal region and is inserted into the eye socket. As shown in FIG. 3, the tube 51 placed in the eye socket passes through the outer side of the sclera E <b> 3 and is connected to the stimulation control unit 42 installed on the substrate 43.
なお、本実施形態では、刺激部40の基板上に参照電極44を形成する構成としたが、これに限るものではない。参照電極44を刺激部40に設けず、対向電極34が参照電極44の機能を兼ねる構成としてもよい。また刺激電極41の1個または複数の電極を参照電極として使用してもよい。 In the present embodiment, the reference electrode 44 is formed on the substrate of the stimulating unit 40. However, the present invention is not limited to this. The reference electrode 44 may not be provided in the stimulation unit 40, and the counter electrode 34 may function as the reference electrode 44. One or more electrodes of the stimulation electrode 41 may be used as a reference electrode.
次に、刺激電極出力される電気刺激パルス信号と、これに伴う電極電位の変化について説明する。図4は、刺激電極からカソード側、アノード側に等電荷量のパルス信号(矩形状の単相電気刺激パルス信号)を出力させたときの刺激電極の電位の変化を概略的に示す模式図であり、図4(a)は、刺激電流の波形を示し、図4(b)は、図4(a)の電流パルスを刺激電極から通電した時の、刺激電極における電極電位の時間変化を示した模式図である。図4(a)では、横軸が時間t、縦軸が電流iを示す。図4(b)においては、横軸が時間t、縦軸が電極電位すなわち参照電極と刺激電極の電位差を表している。なお、図4では、広い電位窓を持ち電荷注入能力が高いとされる酸化イリジウムを刺激電極とし、参照電極を銀/塩化銀とした場合を想定した模式図としている。なお、電位窓とは、ある電気化学系(溶媒・電極等の組み合わせ)において、溶媒の分解等の、着目していない電気化学反応が起こらない電位領域のことを言う。本発明においては、生体内環境において水の電気分解が生じない電位領域のことを電位窓と表現している。 Next, an electrical stimulation pulse signal output from the stimulation electrode and a change in the electrode potential accompanying this will be described. FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing a change in potential of the stimulation electrode when a pulse signal (rectangular single-phase electrical stimulation pulse signal) of equal charge amount is output from the stimulation electrode to the cathode side and the anode side. 4A shows the waveform of the stimulation current, and FIG. 4B shows the time change of the electrode potential at the stimulation electrode when the current pulse of FIG. 4A is energized from the stimulation electrode. It is a schematic diagram. In FIG. 4A, the horizontal axis represents time t and the vertical axis represents current i. In FIG. 4B, the horizontal axis represents time t, and the vertical axis represents the electrode potential, that is, the potential difference between the reference electrode and the stimulation electrode. FIG. 4 is a schematic diagram assuming a case where iridium oxide, which has a wide potential window and has a high charge injection capability, is used as a stimulating electrode and the reference electrode is silver / silver chloride. Note that the potential window refers to a potential region where an electrochemical reaction that is not focused on, such as decomposition of a solvent, does not occur in a certain electrochemical system (a combination of a solvent and an electrode). In the present invention, a potential region where water electrolysis does not occur in the in vivo environment is expressed as a potential window.
図4(a)に示すように、刺激電極から出力される刺激パルス信号の波形を、持続時間tp、電流強度をApとしたカソード側に出力されるパルス信号S1とアノード側に出力されるパルス信号S2の2相性(双極性)のパルス波形とした。なお、ここでは、説明の簡便のため、パルス信号S1とS2の間に充分なインターバルを置いた。 As shown in FIG. 4 (a), the pulse signal S1 output to the cathode side and the pulse output to the anode side, with the waveform of the stimulation pulse signal output from the stimulation electrode as the duration tp and the current intensity Ap. The signal S2 has a biphasic (bipolar) pulse waveform. Here, for the sake of simplicity of explanation, a sufficient interval is provided between the pulse signals S1 and S2.
このようなパルス信号を刺激電極から出力した場合、刺激電極の電極電位の時間変化は、図4(b)に示すような形状となる。刺激電極の電極電位は、パルス信号(電荷)の放出に伴って変化し、パルス信号の放出がなくなると、非通電時の電極電位近傍に戻る。パルス信号がカソード側に出力された場合とアノード側に出力された場合を比較すると、カソードへの出力では電極電位はVcとなり、電極電位の降下が大きいが、カソードへの出力では電極電位がVaとなり、電極電位の上昇が小さい。このように、両極に同じ波形のパルス信号を出力させようとしても刺激電極は、パルス信号S1,S2がそれぞれ持つ電荷量(持続時間tpと電流強度Apの積)に対して、非対称な電極電位変化を示す。このような非対称性は電極材料の特性に起因するものである。 When such a pulse signal is output from the stimulation electrode, the temporal change in the electrode potential of the stimulation electrode has a shape as shown in FIG. The electrode potential of the stimulation electrode changes with the release of the pulse signal (charge), and returns to the vicinity of the electrode potential when the current is not energized when the pulse signal is no longer emitted. Comparing the case where the pulse signal is output to the cathode side and the case where the pulse signal is output to the anode side, the electrode potential is Vc at the output to the cathode, and the electrode potential drops greatly, but the electrode potential is Va at the output to the cathode. Thus, the increase in electrode potential is small. In this way, even if a pulse signal having the same waveform is output to both poles, the stimulation electrode has an asymmetric electrode potential with respect to the charge amount (product of duration tp and current intensity Ap) of each of the pulse signals S1 and S2. Showing change. Such asymmetry is due to the characteristics of the electrode material.
なお、図4(b)のVmax、Vminは、刺激電極41の電位窓の上下限値を示したものである。酸化イリジウムの場合、銀塩化銀の参照電極に対してはVmaxは+0.8V程度、Vminは−0.6V程度である。したがって、電気刺激においては、刺激電極の電位が図4(b)に示す電位窓(Vmin〜Vmax)を超えないような電極電位内で、電気刺激パルス信号が出力されるようにする必要がある。ここで図4(b)において、パルス信号が出力されていない又は出力直前の電極電位は、IPP(パルス間電位:Inter Pulse Potential)と呼ばれる。電極の有する電荷注入能力を最大限に生かした刺激の場合、図4(b)においてVa=VmaxかつVb=Vminとなるが実際にそうなることは稀であり、Va=Vmax又はVb=Vminのいずれか一方の状態となって電荷注入能力が制限される場合が多い。Va=VmaxかつVb=Vminとなるためには、この状態が実現されるようにパルス間電位IPPを好適な値にさせる必要がある。 Note that Vmax and Vmin in FIG. 4B indicate the upper and lower limit values of the potential window of the stimulation electrode 41. In the case of iridium oxide, Vmax is about + 0.8V and Vmin is about -0.6V with respect to the silver / silver chloride reference electrode. Therefore, in electrical stimulation, it is necessary to output an electrical stimulation pulse signal within an electrode potential such that the potential of the stimulation electrode does not exceed the potential window (Vmin to Vmax) shown in FIG. . Here, in FIG. 4B, the electrode potential at which the pulse signal is not output or just before the output is referred to as IPP (Inter Pulse Potential). In the case of stimulation that makes the best use of the charge injection capability of the electrode, Va = Vmax and Vb = Vmin in FIG. 4B, but this is rarely the case, and Va = Vmax or Vb = Vmin. In many cases, the charge injection capability is limited in either state. In order to satisfy Va = Vmax and Vb = Vmin, it is necessary to set the inter-pulse potential IPP to a suitable value so that this state is realized.
このため、本実施形態では刺激電極からの電気刺激パルス信号の出力を以下のように制御することにより、刺激電極が持つ電荷注入能力を効率よく活かすこととしている。図5は本実施形態の視覚再生補助装置で刺激電極41から出力される電気刺激パルス信号の1刺激を模式的に示した図である。図5(a)は電気刺激パルス信号の波形を、図5(b)は図5(a)で示した電気刺激パルス信号が出力される刺激電極41の電極電位を示している。なお、刺激電極41は図4で示した電極と同じ材料(酸化イリジウム)を用いたものとしている。刺激電極41の電極電位は、参照電極44を基準として制御部32により計測される。図5に示すように、電気刺激パルス信号は、持続時間tc,電流強度Acとしたカソード側に出力される矩形状の第1相パルスと、第1相パルスが持つ電流強度Acよりも小さな電流強度Aa,持続時間tcよりも長い持続時間taとしたアノード側へと出力される第2相パルスからなる非対称の双極性パルス信号を持つ電気刺激フェーズP1と、電気刺激フェーズP1の出力後に出力される小さいパルスからなる短絡フェーズP2と、で構成されている。電気刺激フェーズP1において、第2パルスは、第1パルスで細胞等へ注入された電荷をある程度相殺する役割を有する。 For this reason, in this embodiment, the output of the electrical stimulation pulse signal from the stimulation electrode is controlled as follows to efficiently utilize the charge injection capability of the stimulation electrode. FIG. 5 is a diagram schematically showing one stimulus of the electrical stimulation pulse signal output from the stimulation electrode 41 in the visual reproduction assisting device of the present embodiment. 5A shows the waveform of the electrical stimulation pulse signal, and FIG. 5B shows the electrode potential of the stimulation electrode 41 from which the electrical stimulation pulse signal shown in FIG. 5A is output. The stimulating electrode 41 is made of the same material (iridium oxide) as the electrode shown in FIG. The electrode potential of the stimulation electrode 41 is measured by the control unit 32 with reference to the reference electrode 44. As shown in FIG. 5, the electrical stimulation pulse signal includes a rectangular first phase pulse output on the cathode side having a duration tc and a current intensity Ac, and a current smaller than the current intensity Ac of the first phase pulse. An electrical stimulation phase P1 having an asymmetric bipolar pulse signal composed of a second phase pulse output to the anode side having an intensity Aa and a duration ta longer than the duration tc, and output after output of the electrical stimulation phase P1 And a short circuit phase P2 composed of small pulses. In the electrical stimulation phase P1, the second pulse has a role of canceling out the charge injected into the cell or the like by the first pulse to some extent.
第1、第2相パルスで放出(又は流入)される電荷量は、パルスの持続時間と強度(ここでは、電流値)から求められる。従って、第1相パルスの電荷量(注入電荷量)は、Ac・tcであり、第2相パルスの電荷量は、Aa・taとなる。ここで本実施形態では、第1相パルスと第2相パルスでの電荷量が異なるようにし、Ac・tc<Aa・taとなるように電気刺激パルス信号を生成し、刺激電極41から出力させる。なお、第1相パルスと第2相パルスの電荷量が異なれば、持続時間、電流強度の組合せはどのようであってもよく、例えばAc=Aaでtc≠taであってもよい。 The amount of charge released (or inflow) by the first and second phase pulses is determined from the pulse duration and the intensity (here, current value). Therefore, the charge amount of the first phase pulse (injection charge amount) is Ac · tc, and the charge amount of the second phase pulse is Aa · ta. Here, in this embodiment, the electrical charge pulse signal is generated so as to satisfy Ac · tc <Aa · ta so that the charge amounts are different between the first phase pulse and the second phase pulse, and output from the stimulation electrode 41. . If the charge amounts of the first phase pulse and the second phase pulse are different, any combination of duration and current intensity may be used, for example, Ac = Aa and tc ≠ ta.
この電荷量が非対称となる電気刺激パルス信号が出力される刺激電極41の電極電位は、図5(b)のようになる。図中のOP1は、刺激電極41を長時間通電せず生体内環境に留置した時に測定される電極電位、開放電位(Open Circuit Potential)を示す。刺激電極41から第1相パルスが出力される時間tcでは、刺激電極41に電流が吸い込まれるため電極電位が下がる(カソード側、マイナス側へと降下する)。刺激電極41から第2相パルスが出力される時間taでは、刺激電極41から電流が吐き出されるため、電極電位が上がる(アノード側、プラス側へと上昇する)。前述のように、第2相パルスの電荷量が第1相パルスの電荷量を上回るため、刺激電極41のIPPは、開放電位OP1とはならず、アノード側へとシフトされ、バイアス電位BPとなる。開放電位OP1からバイアス電位BPまでの電位の変更量は、第1相パルスと第2相パルスの電荷量の差分により定められる。 The electrode potential of the stimulation electrode 41 from which an electrical stimulation pulse signal with an asymmetric charge amount is output is as shown in FIG. OP1 in the figure indicates an electrode potential and an open circuit potential (Open Circuit Potential) measured when the stimulation electrode 41 is left in the in vivo environment without being energized for a long time. At the time tc when the first phase pulse is output from the stimulation electrode 41, the current is sucked into the stimulation electrode 41, so that the electrode potential decreases (falls to the cathode side and the minus side). At the time ta when the second phase pulse is output from the stimulation electrode 41, since the current is discharged from the stimulation electrode 41, the electrode potential increases (increases toward the anode side and the plus side). As described above, since the charge amount of the second phase pulse exceeds the charge amount of the first phase pulse, the IPP of the stimulation electrode 41 does not become the open potential OP1, but is shifted to the anode side, and the bias potential BP Become. The amount of change in potential from the open potential OP1 to the bias potential BP is determined by the difference between the charge amounts of the first phase pulse and the second phase pulse.
このとき、電気刺激フェーズP1で電荷のバランスがアノード側へと偏る。短絡フェーズP2では、電気刺激フェーズP1で生じた電荷量のアンバランスさ(プラス側への電荷の偏り)を、対向電極34と刺激電極41を短絡することにより放電し、電荷の偏りを打ち消す(差分の電荷量を放電電流にて取り除く)フェーズである。短絡フェーズP2のパルスは、持続時間ts、電流強度Asをピークとする放電電流となる。電流強度Asの極性は、電気刺激フェーズP1で生じた電荷のプラス側への偏りを解消する方向となる。 At this time, the charge balance is biased toward the anode in the electrical stimulation phase P1. In the short-circuit phase P2, the electric charge amount imbalance (positive charge bias) generated in the electrical stimulation phase P1 is discharged by short-circuiting the counter electrode 34 and the stimulation electrode 41 to cancel the charge bias ( This is a phase in which the difference charge amount is removed by the discharge current. The pulse of the short circuit phase P2 becomes a discharge current having a peak at the duration ts and the current intensity As. The polarity of the current intensity As is in a direction to eliminate the positive bias of the charge generated in the electrical stimulation phase P1.
短絡フェーズP2において、電気刺激フェーズP1での電荷のアンバランスが解消されるが、刺激電極41のIPPには電荷量の変化に伴う電極電位の変化が生じない。この現象は、実験的に確認された。この現象は、短絡フェーズP2での電流が、刺激電極41近傍の電気二重層の放電電流であり、電極電位の変動を伴うファラデー性電流ではない可能性が高いことによると考えられる。 In the short-circuit phase P2, the charge imbalance in the electrical stimulation phase P1 is eliminated, but the IPP of the stimulation electrode 41 does not change in the electrode potential accompanying the change in the amount of charge. This phenomenon has been confirmed experimentally. This phenomenon is considered to be due to the high possibility that the current in the short-circuit phase P2 is a discharge current of the electric double layer in the vicinity of the stimulation electrode 41 and is not a Faraday current accompanied by a change in electrode potential.
バイアス電位BPとされたIPPは、時間の経過に伴って下がり、開放電位OP2となる。この開放電位OP2は、電気刺激フェーズP1によって、先の開放電位OP1より電位が上昇している。ここで、開放電位OP2は、次に電気刺激パルス信号が刺激電極41から出力される直前のIPPとなる。 The IPP set to the bias potential BP decreases with time and becomes the open-circuit potential OP2. The open potential OP2 is higher than the previous open potential OP1 by the electrical stimulation phase P1. Here, the open-circuit potential OP <b> 2 becomes the IPP immediately before the next electrical stimulation pulse signal is output from the stimulation electrode 41.
このような非対称な電気刺激パルス信号が、刺激電極41から繰り返し出力されることにより、刺激電極41の電位はバイアス電位BPを経て、開放電位OP2にされる。刺激電極41の電位が、開放電位OP1からバイアス電位BPにされ、最終的に開放電位OP2に移行されることにより、電気刺激フェーズP1の第1相パルスの出力(電流強度Ac)を大きくすることができる。第1相パルス(カソードパルス)が刺激電極41から出力されると、刺激電極41の電位は降下される。このとき、電極電位は電位窓Vminを超えて降下しない必要がある。開放電位OP2から下限の電位窓Vminまでの電位差は、開放電位OP1から電位窓Vminまでの電位差よりも大きくなる。従って、次の電気刺激パルス信号の出力を始める際には、第1相パルスの出力を大きくすることができ、広い電位窓を持つ電極の特性を十分活かして(電位窓を電極電位のピークが超えることなく)電気刺激パルス信号を出力することが可能となる。なお、好ましくは、刺激電極の電極電位変化の特性が、先に挙げた酸化イリジウムのように非対称である場合(非対称性が強い場合)、電極電位のアノード側のピークとカソード側のピークの中間辺りが、電位窓(Vmax〜Vmin)の中間辺りに位置するようにする。これにより、電位窓の範囲(上下限値)が、刺激電極の電極電位が変化できる範囲となる。 By repeatedly outputting such an asymmetric electrical stimulation pulse signal from the stimulation electrode 41, the potential of the stimulation electrode 41 is set to the open potential OP2 via the bias potential BP. Increasing the output (current intensity Ac) of the first phase pulse in the electrical stimulation phase P1 by changing the potential of the stimulation electrode 41 from the open potential OP1 to the bias potential BP and finally shifting to the open potential OP2. Can do. When the first phase pulse (cathode pulse) is output from the stimulation electrode 41, the potential of the stimulation electrode 41 is lowered. At this time, it is necessary that the electrode potential does not drop beyond the potential window Vmin. The potential difference from the open potential OP2 to the lower limit potential window Vmin is larger than the potential difference from the open potential OP1 to the potential window Vmin. Therefore, when starting the output of the next electrical stimulation pulse signal, the output of the first phase pulse can be increased, and the characteristics of the electrode having a wide potential window can be fully utilized (the potential window can be used for the peak of the electrode potential). It is possible to output an electrical stimulation pulse signal (without exceeding). Preferably, when the characteristics of the electrode potential change of the stimulating electrode are asymmetric as in the case of iridium oxide mentioned above (when the asymmetry is strong), the electrode potential is intermediate between the peak on the anode side and the peak on the cathode side. The neighborhood is positioned around the middle of the potential window (Vmax to Vmin). Thereby, the range (upper and lower limit values) of the potential window becomes a range in which the electrode potential of the stimulation electrode can be changed.
なお、本実施形態では、電気刺激フェーズP1で、IPPを開放電位OP2へと移行させる構成としたが、生体内で駆動する体内装置20の制御においては、電気刺激パルス信号を複数回出力させ、IPPを徐々に開放電位OP2へと移行させる構成とすることが好ましい。 In the present embodiment, the IPP is shifted to the open potential OP2 in the electrical stimulation phase P1, but in the control of the in-vivo device 20 driven in the living body, the electrical stimulation pulse signal is output a plurality of times, It is preferable that the IPP be gradually shifted to the open circuit potential OP2.
このような電気刺激パルス信号を非対称化する制御は、制御部32により行われる。制御部32には、参照電極44を基準として刺激電極41の電極電位を取得し、取得した刺激電極41のIPPを先に挙げた方法で、刺激電極41から出力された際に刺激電極41のIPPを所定の電位とするような電気刺激パルス信号を求め、刺激制御部42用の制御信号を生成する。また、このとき、制御部32は、刺激電極41の電極電位の変化特性を考慮して電気刺激パルス信号を求める。制御部32による電極電位の変化特性の取得は、例えば、電気刺激フェーズP1の前段階で出力された電気刺激パルス信号に基づき、電極電位の変化特性を取得する方法や、電極電位の変化特性取得用のパルス信号(例えば、対称な双極性のパルス)を刺激電極41から出力し、その際の電極電位の変化から、電極電位の変化特性を取得する方法が挙げられる。制御部32によって生成された刺激制御部42用の制御信号によって、刺激制御部42が制御され、刺激電極41から所期した非対称性の電気刺激パルス信号が出力される。なお、制御部32に、刺激電極41の材料に基づく電極電位変化の特性情報を記憶するメモリ(記憶手段)を設け、制御部32が、その特性情報に基づいて電気刺激パルス信号を生成する構成としてもよい。ここでいう特性情報とは、素材毎に異なる刺激電極41の電極電位の変化特性や、刺激電極41から電流(例えば、対称な双極性パルス)を出力した場合のカソード側、アノード側の電極電位の変化比率であればよい。 Such control for making the electrical stimulation pulse signal asymmetric is performed by the control unit 32. The control unit 32 acquires the electrode potential of the stimulation electrode 41 with reference to the reference electrode 44, and when the acquired IPP of the stimulation electrode 41 is output from the stimulation electrode 41 by the method described above, An electrical stimulation pulse signal that makes IPP a predetermined potential is obtained, and a control signal for the stimulation control unit 42 is generated. At this time, the control unit 32 obtains the electrical stimulation pulse signal in consideration of the change characteristic of the electrode potential of the stimulation electrode 41. The acquisition of the change characteristic of the electrode potential by the control unit 32 is, for example, a method of acquiring the change characteristic of the electrode potential based on the electrical stimulation pulse signal output in the previous stage of the electrical stimulation phase P1, or the acquisition of the change characteristic of the electrode potential. For example, a method of outputting a pulse characteristic (for example, a symmetric bipolar pulse) from the stimulation electrode 41 and acquiring a change characteristic of the electrode potential from the change of the electrode potential at that time. The stimulation control unit 42 is controlled by the control signal for the stimulation control unit 42 generated by the control unit 32, and an expected asymmetric electrical stimulation pulse signal is output from the stimulation electrode 41. The control unit 32 is provided with a memory (storage means) for storing characteristic information of electrode potential change based on the material of the stimulation electrode 41, and the control unit 32 generates an electrical stimulation pulse signal based on the characteristic information. It is good. The characteristic information referred to here is a change characteristic of the electrode potential of the stimulation electrode 41 that differs depending on the material, and electrode potentials on the cathode side and anode side when a current (for example, a symmetric bipolar pulse) is output from the stimulation electrode 41. Any change ratio may be used.
以上の説明は、IPPを所定のバイアス電位BPにして、開放電位OP2にする方法であるが、実際の電気刺激においては、電気刺激パルス信号は周期的に刺激電極41より出力される。このような場合、制御部32は、電位窓内を超えない範囲の適当な電気刺激パルス信号を生成し、刺激電極41より出力させる。この動作の中で制御部32は、刺激電極41のIPPを取得し、先に説明した方法で、IPPを所定のバイアス電位BPへとシフトさせた上、開放電位OP2とさせる。このとき、制御部32で生成した非対称な電気刺激パルス信号を用いて、電気刺激を続ける。生成した非対称な電気刺激パルス信号で電気刺激が続けられている間にも、制御部32は、IPPをモニタし(例えば、100回の電気刺激毎に1回)、現在のIPPが所定の電位からずれていれば、ずれた電位を補正するように、電気刺激パルス信号を生成し、刺激電極41から出力させる。このような一連の動作を繰り返し、網膜を構成する細胞等の電気刺激中も、IPPは所定の電位(開放電位OP2)に維持される。 The above description is a method of setting the IPP to the predetermined bias potential BP and the open potential OP2. However, in actual electrical stimulation, the electrical stimulation pulse signal is periodically output from the stimulation electrode 41. In such a case, the control unit 32 generates an appropriate electrical stimulation pulse signal in a range not exceeding the potential window, and outputs the electrical stimulation pulse signal from the stimulation electrode 41. During this operation, the control unit 32 acquires the IPP of the stimulation electrode 41, shifts the IPP to the predetermined bias potential BP, and sets the open potential OP2 by the method described above. At this time, electrical stimulation is continued using the asymmetric electrical stimulation pulse signal generated by the control unit 32. Even while the electrical stimulation is continued with the generated asymmetric electrical stimulation pulse signal, the control unit 32 monitors the IPP (for example, once every 100 electrical stimulations), and the current IPP has a predetermined potential. If it is deviated from, the electrical stimulation pulse signal is generated and outputted from the stimulation electrode 41 so as to correct the displaced electric potential. Such a series of operations is repeated, and the IPP is maintained at a predetermined potential (open potential OP2) even during electrical stimulation of the cells constituting the retina.
以上のように、刺激電極41のIPP(その値は、開放電位OP1)を取得しておき、電極材料が持つ電極電位変化の特性を考慮して、電気刺激パルス信号を非対称な双極性のパルス波形にすることにより、この電気刺激パルス信号が出力される刺激電極41の電極にバイアス電位を付加でき、IPPを所定の電位(開放電位OP2)にできる。これにより、刺激電極41からの電気刺激パルス信号の出力において、刺激電極41の電位窓の範囲内で電気刺激パルスの出力(1パルス当りの電荷量)を大きくすることができる。このようにして、細胞や組織等の電気刺激の効率を、生体に悪影響のない範囲で向上させることができる。また、刺激電極41の素材や設置条件により生じるIPPに依らず、細胞や組織等の電気刺激が好適に行える。また、電気刺激パルス信号のアノード、カソードの電荷量を非対称とすることで、刺激電極41のIPPをシフトさせるために、電圧を印加することなく、刺激電極41のIPPを所定の値(開放電位OP2)にできる。これにより、装置にバイアス電位印加用の電源等を設けない簡単な構成で、IPP(電極電位)が制御できる。 As described above, the IPP of the stimulation electrode 41 (its value is the open-circuit potential OP1) is acquired, and the electrical stimulation pulse signal is asymmetrical bipolar pulse in consideration of the characteristics of the electrode potential change of the electrode material. By making the waveform, a bias potential can be applied to the electrode of the stimulation electrode 41 from which this electrical stimulation pulse signal is output, and the IPP can be set to a predetermined potential (open potential OP2). Thereby, in the output of the electrical stimulation pulse signal from the stimulation electrode 41, the output of the electrical stimulation pulse (charge amount per pulse) can be increased within the range of the potential window of the stimulation electrode 41. In this way, the efficiency of electrical stimulation of cells, tissues, etc. can be improved within a range that does not adversely affect the living body. In addition, electrical stimulation of cells, tissues, and the like can be suitably performed regardless of the IPP generated by the material of the stimulation electrode 41 and installation conditions. Further, by making the charge amount of the anode and the cathode of the electrical stimulation pulse signal asymmetric, the IPP of the stimulation electrode 41 is set to a predetermined value (open potential) without applying a voltage in order to shift the IPP of the stimulation electrode 41. OP2). As a result, the IPP (electrode potential) can be controlled with a simple configuration in which a power source for applying a bias potential is not provided in the apparatus.
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6に示す制御系のブロック図を基に説明する。また、体内装置20が患者の体内に設置される参照電極44の電極電位の設定について説明する。 The operation of the visual reproduction assisting apparatus having the above configuration will be described with reference to the control system block diagram shown in FIG. The setting of the electrode potential of the reference electrode 44 where the in-vivo device 20 is installed in the patient's body will be described.
参照電極44の電極電位は以下の手順で求める。参照電極44と同じ素材、同程度のサイズで電極を作製する(図示を略す)。この電極を生体、例えば、実験動物の頭部や眼球周辺等の体内装置20が人体に埋植された場合の環境に比較的近い所に埋植する。体内に埋植された電極と、この電極の基準電極となる銀塩化銀電極を電圧計につなぎ、銀塩化銀電極を基準(0V)として、電極の電極電位を計測する。このようにして得られた電極電位を体内に置かれる参照電極44の電極電位とみなす。 The electrode potential of the reference electrode 44 is obtained by the following procedure. An electrode is produced with the same material and the same size as the reference electrode 44 (not shown). This electrode is implanted in a place that is relatively close to the environment when an in-vivo device 20 such as the head of an experimental animal or the vicinity of an eyeball is implanted in a human body. An electrode implanted in the body and a silver-silver chloride electrode serving as a reference electrode for this electrode are connected to a voltmeter, and the electrode potential of the electrode is measured using the silver-silver chloride electrode as a reference (0 V). The electrode potential thus obtained is regarded as the electrode potential of the reference electrode 44 placed in the body.
参照電極44の電極電位に相当する電位差は、電極電位補正ユニット60で制御部32に反映させる(図6参照)。電極電位補正ユニット60は、制御部32と接続され、スイッチ類の操作によって、銀塩化銀電極に対する参照電極電位44の電極電位を設定し、その設定値を制御部32のメモリ(図示を略す)に入力させて、体内での動作時での参照電極44の電極電位を補正する。例えば、銀塩化銀電極を基準とした場合の電極の電位差が+1Vならば、制御部32には参照電極44を基準に計測した刺激電極41の電極電位に+1Vの補正を加える。このようにして、参照電極44の電極電位が、銀塩化銀電極により校正され、体内装置20の作動下で刺激電極41の電極電位が実質的に銀塩化銀電極を基準に計測したもの、つまり、実質的な0Vとされる。参照電極44の電極電位が補正(校正)された後に、参照電極補正ユニット60は制御部32から取り外される。なお、電極電位補正ユニット60は、受信手段31を介して無線通信により制御部32へ信号を送る構成としてもよい。なお、以上のような、予め参照電極44と同等の電極を用意し、この電極の銀塩化銀電極に対する電極電位を求めておいて、その値に基づいて補正を行う方法以外に、参照電極補正ユニット60に、埋植される参照電極44の電極電位を体外電極(例えば、銀塩化銀電極)に基づいて計測する参照電極電位計測ユニットの構成を加え、体内装置20が患者の体内に設置された後に、参照電極44の電極電位を体外電極を基準として求める構成としてもよい(図示を略す)。 The potential difference corresponding to the electrode potential of the reference electrode 44 is reflected on the control unit 32 by the electrode potential correction unit 60 (see FIG. 6). The electrode potential correction unit 60 is connected to the control unit 32, sets the electrode potential of the reference electrode potential 44 with respect to the silver chloride electrode by operating switches, and stores the set value in a memory (not shown) of the control unit 32. To correct the electrode potential of the reference electrode 44 during operation in the body. For example, if the potential difference between the electrodes when the silver / silver chloride electrode is used as a reference is + 1V, the controller 32 adds + 1V correction to the electrode potential of the stimulation electrode 41 measured using the reference electrode 44 as a reference. In this way, the electrode potential of the reference electrode 44 is calibrated by the silver-silver chloride electrode, and the electrode potential of the stimulation electrode 41 is substantially measured based on the silver-silver chloride electrode under the operation of the intracorporeal device 20, that is, Is substantially 0V. After the electrode potential of the reference electrode 44 is corrected (calibrated), the reference electrode correction unit 60 is removed from the control unit 32. The electrode potential correction unit 60 may be configured to send a signal to the control unit 32 by wireless communication via the receiving unit 31. In addition to the method described above, an electrode equivalent to the reference electrode 44 is prepared in advance, the electrode potential of the electrode with respect to the silver-silver chloride electrode is obtained, and the correction based on the value is performed. A configuration of a reference electrode potential measurement unit that measures the electrode potential of the implanted reference electrode 44 based on an extracorporeal electrode (for example, a silver-silver chloride electrode) is added to the unit 60, and the in-vivo device 20 is installed in the body of the patient. Thereafter, the electrode potential of the reference electrode 44 may be obtained with reference to the extracorporeal electrode (not shown).
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。 The photographing data (image data) of the subject photographed by the photographing device 12 shown in FIG. 1 is sent to the data modulation means 13a. The data modulation means 13a converts the photographed subject into predetermined data parameters (electric stimulation pulse data) necessary for the patient to recognize, further modulates the modulated subject into a modulation signal suitable for transmission as an electromagnetic wave, and transmission means 14 is transmitted as an electromagnetic wave to the in-vivo device 20 side.
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。 At the same time, the data modulation means 13a transmits the power supplied from the battery 13b to the in-vivo device 20 side together with the modulation signal as an electromagnetic wave having a band different from the band of the modulation signal (electric stimulation pulse data) described above. .
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、電極指定信号を刺激制御部42に送信する。このとき、制御部32は、校正された参照電極44を基準として、刺激電極41の電極電位(特に、IPP)を計測し、前述した方法により、好適に網膜を構成する細胞を電気刺激できるように電気刺激パルス信号を生成する。刺激制御部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、各刺激電極41から電気刺激パルス信号を出力させる。、各刺激電極41から出力され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。 On the in-vivo device 20 side, the modulation signal and power sent from the extracorporeal device 10 are received by the receiving means 31 and sent to the control unit 32. The control unit 32 extracts a signal in a band used by the modulation signal from the received signal, forms an electrical stimulation pulse signal and an electrode designation signal based on the modulation signal, and sends the electrode designation signal to the stimulation control unit 42. Send. At this time, the control unit 32 measures the electrode potential (especially IPP) of the stimulation electrode 41 with the calibrated reference electrode 44 as a reference, and can preferably electrically stimulate the cells constituting the retina by the method described above. An electrical stimulation pulse signal is generated. The stimulation control unit 42 outputs an electrical stimulation pulse signal from each stimulation electrode 41 by the method described above based on the received electrode designation signal. The cells constituting the retina are electrically stimulated by the electrical stimulation pulse signal output from each stimulation electrode 41, and the patient obtains vision (light sense). The control unit 32 obtains electric power for driving the in-vivo device 20 by the receiving unit 31.
なお、以上説明した本実施形態では、電気刺激パルス信号として、カソード(マイナス)側への矩形パルスの後にアノード(プラス)側への矩形パルスが出力される構成としたが、これに限るものではない。電気刺激パルス信号で生じる電荷の偏りにより刺激電極41のIPPにバイアスを付与できるものであればよい。例えば、矩形パルスの極性が逆となったものや、アノード側やカソード側にのみ電位が変化する単相性のパルスを用いるもの、矩形パルスが3つ以上組み合わされたものを一つの電気刺激パルス信号としたものや、また、単相(1相)のパルスを矩形以外の正弦波や三角波等にしたものであってもよい。 In the embodiment described above, a rectangular pulse to the anode (plus) side is output after the rectangular pulse to the cathode (minus) side as the electrical stimulation pulse signal. However, the present invention is not limited to this. Absent. Any device capable of applying a bias to the IPP of the stimulation electrode 41 due to the bias of the electric charge generated by the electrical stimulation pulse signal may be used. For example, one electrical stimulation pulse signal is obtained by reversing the polarity of a rectangular pulse, using a monophasic pulse whose potential changes only on the anode side or the cathode side, or combining three or more rectangular pulses. In addition, a single-phase (one-phase) pulse may be a non-rectangular sine wave, triangular wave, or the like.
さらに、本実施形態では、体内装置20の設置位置を強膜側に位置させて、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したが、これに限るものではなく、患者の視覚を形成する視覚神経系を構成する細胞又は組織を電気的に刺激する構成であればよい。例えば、刺激電極を患者眼の眼内(網膜上や網膜下)に置くような構成とすることもできる。また、刺激電極が眼内の視神経乳頭部や眼外の視神経部分に配置され、視神経を電気刺激する構成としてもよいし、刺激電極を視交叉や外側膝状体、大脳皮質等の視覚神経系の高次視覚処理を行う組織に配置し、それぞれの組織を構成する細胞を刺激する構成としてもよい。 Furthermore, in the present embodiment, the installation position of the in-vivo device 20 is positioned on the sclera side, and the cells constituting the retina E1 are electrically stimulated from the sclera side (choroid side). However, the present invention is not limited to this. Instead, any structure may be used as long as it electrically stimulates cells or tissues constituting the visual nervous system that forms the vision of the patient. For example, the stimulation electrode may be arranged in the eye of the patient's eye (on the retina or below the retina). Further, the stimulating electrode may be disposed on the optic nerve head in the eye or the optic nerve part outside the eye to electrically stimulate the optic nerve, or the stimulating electrode may be a visual nerve system such as the optic chiasm, outer knee, and cerebral cortex. It is good also as a structure which arrange | positions to the structure | tissue which performs high-order visual processing, and stimulates the cell which comprises each structure | tissue.
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
34 対向電極
40 刺激部
41 刺激電極
42 刺激制御部
44 参照電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Visual reproduction | regeneration assistance apparatus 10 External apparatus 20 In-vivo apparatus 30 Receiving part 32 Control part 34 Counter electrode 40 Stimulation part 41 Stimulation electrode 42 Stimulation control part 44 Reference electrode
Claims (5)
患者の体内に埋植され,視覚神経系を構成する細胞又は組織を電気刺激するための刺激電極と、
該刺激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、
前記制御部と接続され、前記刺激電極の電極電位を計測するための参照電極と、を備え、
前記制御部は、前記参照電極を用いて得られた前記刺激電極の電極電位に基づいて、所期する電気刺激パルス信号の出力時の前記刺激電極の電極電位のピークが前記刺激電極の電位窓を超えないように、前記刺激電極から出力される前記電気刺激パルス信号のカソード側の注入電荷量とアノード側の注入電荷量を異なるように制御することを特徴とする視覚再生補助装置。 In a visual reproduction assisting device for stimulating cells or tissues constituting the visual nervous system that forms the vision of a patient and reproducing the vision of the patient,
A stimulating electrode implanted in a patient's body for electrically stimulating cells or tissues constituting the visual nervous system;
A controller for outputting a bipolar electrical stimulation pulse signal from the stimulation electrode;
A reference electrode connected to the control unit for measuring the electrode potential of the stimulation electrode,
Based on the electrode potential of the stimulation electrode obtained by using the reference electrode, the control unit determines that the peak of the electrode potential of the stimulation electrode at the time of outputting the expected electrical stimulation pulse signal is the potential window of the stimulation electrode. The visual regeneration assisting apparatus is characterized in that the injection charge amount on the cathode side and the injection charge amount on the anode side of the electrical stimulation pulse signal output from the stimulation electrode are controlled to be different from each other.
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