JP2014076195A - 生体組織刺激装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 生体組織を刺激する刺激電流を精度良く出力できる生体組織刺激装置を提供する。
【解決手段】 生体組織刺激装置は、複数の電極を備える刺激ユニットと、電極から出力させる刺激電流を供給する電力供給ユニットと、刺激ユニットと電力供給ユニットを電気的に接続するケーブルであって、刺激電流を電力供給ユニットから刺激ユニットへ供給するケーブルとを備える。更に刺激ユニットは、複数の電極のうち刺激電流を出力させる電極を指定するデマルチプレクサであって、電源電位と基準電位との間の許容電位で駆動されるデマルチプレクサと、ケーブルに供給される刺激電流の情報を得るデコーダ又は電流検出手段と、デマルチプレクサの電位を、デコーダ又は電流検出手段で検出された刺激電流の情報に応じて、電源電位側又は前記基準電位側に変更する電位変更手段と、を備える。

【選択図】 図３

Description

本発明は、生体組織の一部に電気刺激を与えて、生体の機能を調節する生体組織刺激装置に関する。

生体内に埋植された刺激電極（以下、電極）で、生体組織の一部を電気刺激して、生体の機能を調節する生体組織刺激装置が研究されている。例えば、患者の耳小骨へ音の振動を伝達する人工内耳、患者の胸部に埋植されて心臓に電気刺激を与え不整脈の発生を抑制する心臓ペースメーカ、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などが生体組織刺激装置として知られている。

生体組織刺激装置を用いた生体組織の電気刺激では、電極から生体へと所要量の電荷が注入されることで、細胞に必要な刺激が与えられる。この時、電極から出力される１刺激分の刺激電流は、電気刺激部位の電荷の偏りを抑えるために、正負に振幅を持つ双極性の刺激電流（以下、双極性パルスと記す）とされることが好ましい。

また生体組織刺激装置は、生体内の限られたスペースに埋植される。例えば視覚再生補助装置では、電極以外の電力供給源等は受信部として眼外に取り付け、複数の電極を備える刺激部を眼球に取り付ける。受信部と刺激部は、柔軟性を持つ樹脂などで絶縁されたケーブルで接続する。この時、ケーブルから漏れ出す電流で体液の電気分解等の影響を発生させないため、ケーブルには交流電流が流される。また生体内の微小領域に設置される受信部と刺激部が持つ回路は小型であることが好ましく、ＩＣ（集積回路）が用いられている（特許文献１参照）。

特表２００８‐５３８９８０号公報

ところで、生体組織刺激装置の受信部と刺激部が、交流電流のみを流すために結合コンデンサを介して接続されることで、互いに独立した電位を持つ場合には、受信部の電位変動の影響で刺激部の電位が変動しうる。一方、ＩＣ（集積回路）は内部に固有のＰＮ接続を持っており、通常は逆バイアスされている。しかし電位変動の影響でＰＮ接続が順バイアスされると、意図しない不正電流が電極から出力され、上述の双極性パルスの電荷バランスを崩す原因になる。これを防ぐために、ＩＣの電圧の許容範囲を広くとることも考えられるが消費電力の増加につながる。なお生体内に長期間置かれる装置では不要な消費電力が出来るだけ少ないことが求められる。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、生体組織を刺激する刺激電流を安定して出力できる生体組織刺激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） 生体組織に埋植される複数の電極を備える刺激ユニットと、前記電極から出力させる刺激電流を供給する電力供給ユニットと、前記刺激ユニットと前記電力供給ユニットを電気的に接続するケーブルであって、前記刺激電流を前記電力供給ユニットから前記刺激ユニットへ供給するケーブルと、を備える生体組織刺激装置において、前記刺激ユニットは、前記複数の電極のうち刺激電流を出力させる電極を指定するデマルチプレクサであって、電源電位と基準電位との間の許容電位で駆動されるデマルチプレクサと、前記ケーブルに供給される刺激電流の情報を得るデコーダ又は電流検出手段と、前記デマルチプレクサの電位を、前記デコーダ又は前記電流検出手段で検出された前記刺激電流の情報に応じて、前記電源電位側又は前記基準電位側に変更する電位変更手段と、を備えることを特徴とする。
（２） 前記電位変更手段は、前記デマルチプレクサを前記電源電位側又は前記基準電位側に接続するスイッチ手段と、前記刺激電流の方向に応じて前記スイッチ手段の開閉動作を制御する制御手段と、を備える（１）の生体組織刺激装置。
（３） 前記刺激電流は正負の極性に振幅を持つ双極性のパルスであり、前記スイッチ手段は、前記デマルチプレクサを前記電源電位側に接続する第１スイッチと，前記デマルチプレクサを前記基準電位側に接続する第２スイッチとを持ち、前記制御手段は、前記刺激電流の正負の極性に応じて前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのうち、一方を開状態とし他方を閉状態とする制御をする（２）の生体組織刺激装置。
（４） 前記制御手段は、前記電極から電流を流出させるアノーディックの場合に、前記第１スイッチを閉状態とし前記第２スイッチを開状態とする制御をし、前記電極から電流を流入させるカソーディックの場合に、前記第１スイッチを開状態とし前記第２スイッチを閉状態にする制御をする（３）の生体組織刺激装置。
（５） 前記刺激電流の設定値の情報は、シリアルデータで伝送される（４）の生体組織刺激装置。
（６） 前記電力は、交流電力である（１）〜（５）のいずれかの生体組織刺激装置。
（７） 前記制御手段は、前記デマルチプレクサによる電極指定の動作よりも前記スイッチ手段の開閉動作を優先させる制御をする（１）〜（６）のいずれかの生体組織刺激装置。
（８） 前記制御手段は、前記電流検出手段で検出された前記刺激電流の測定値に基づき前記デマルチプレクサの直流電位の偏位量を制御する（１）〜（７）のいずれかの生体組織刺激装置。

本発明によれば、生体組織を刺激する刺激電流を安定して出力できる生体組織刺激装置を提供できる。

本開示について図面を用いて説明する。なお以下では生体組織刺激装置として視覚再生補助装置の例を挙げて説明する。図１は視覚再生補助装置の外観図である。図２は視覚再生補助装置の体内装置の説明図であり、図２（ａ）は体内装置２０の外観図、図２（ｂ）は刺激ユニット１００の断面図である。

視覚再生補助装置１は、外界を撮影する体外装置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からなる。体外装置１０は、患者が掛ける眼鏡１１と、眼鏡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、送信手段１４等で構成される。

外部デバイス１３は、ＣＰＵ等の演算処理回路を持つデータ変調手段１３ａ、視覚再生補助装置１（体外装置１０及び体内装置２０）に電力供給をするバッテリー１３ｂを備える。データ変調手段１３ａは、撮影装置１２で撮影した被写体像を画像処理して、視覚再生のための電気刺激パルス用データを生成する。またデータ変調手段１３ａは、振幅変調等によって、電気刺激パルス用データを電力に重畳して電磁波を生成する。電磁波は送信手段１４の１次コイルで体内装置２０側に伝送（無線送信）される。送信手段１４の中心には体内装置２０の受信部３１との位置を固定するための磁石（図示を略す）がある。
眼鏡１１は患者の眼前に装着される。撮影装置１２は眼鏡１１の前面に取り付けられ、患者に視認させる被写体を撮影する。

体内装置２０は、体外装置１０から送信された電磁波を受信する受信ユニット３０と、網膜を構成する細胞を電気刺激する刺激ユニット１００を持つ。
受信ユニット３０は、受信部３１、制御部３２、対向電極３４を持つ。受信部３１と制御部３２は基板３３に組み込まれる。受信部３１は体外装置１０からの電磁波を受信する２次コイルを持つ。制御部３２は、受信部３１で受信された電磁波から、電気刺激パルス用データと電力を抽出する。抽出された電力は刺激ユニット１００を駆動する電源Ｖａｃと、電極１０１に電流を供給する電流源Ｉａｃに用いられる。つまり受信ユニット３０は、刺激ユニット１００及び体内装置２０全体に電力供給をする電力供給ユニットになる。なお制御部３２は、刺激ユニット１００（後述するデマルチプレクサ１２０）を制御するための各種制御信号を、信号源Ｐである電気刺激パルス用データから抽出する。抽出された各種制御信号は刺激ユニット１００に送信される。

例えば制御部３２は、電気刺激パルス用データから、刺激電流を出力する電極１０１を指定する電極指定信号を生成する。なお電極１０１から出力される刺激電流は、正方向（プラス方向）と負方向（マイナス方向）に振幅を持つ矩形波を組み合せた二相性のパルス（双極性パルス）である。双極性パルスの強度や持続時間等が変更されることで、網膜を構成する細胞に様々なパターンの電気刺激が与えられる。また１刺激で正負両方の極性の電荷が与えられるので、生体内の電荷の偏りを相殺できる。

例えば制御部３２は、電気刺激パルス用データから双極性パルスの印加パターンを決定する制御信号を生成する。双極性パルスの印加パターンは、最初に（１ｓｔパルスで）電極１０１から正電流を出力し、次に（２ｎｄパルスで）電極１０１から負電流が出力されるアノーディックファーストと、１ｓｔパルスで電極１０１から負電流を出力し２ｎｄパルスで電極１０１から正電流を出力するカソーディックファースト等がある。
また制御部３２は、電気刺激パルス用データから、双極性パルスの印加パターン（刺激電流の設定値）に合わせて、後述するデマルチプレクサ２０の電位を調節するための電位信号等を生成する。
対向電極３４は網膜を介して各電極１０１に対向する位置に置かれる。なお受信ユニット３０にも送信手段１４との位置固定用の磁石が設けられる。

刺激ユニット１００は、複数の電極１０１、眼球に沿って配置される基板１０３、どの電極１０１から刺激電流を出力するかを制御する刺激制御部１１０を持つ。電極１０１と刺激制御部１１０は基板１０３に組み込まれる。

電極１０１は生体適合性が高い導体で形成される。例えば金や白金等の貴金属で形成される。基板１０３は、眼球（層状の眼組織内）に設置されるため、眼球の形状に沿って、層間（層内）に長期埋植されても患者の負担が少ないことが好ましい。例えば基板１０３は、生体適合性が高く、所要の厚さで湾曲可能な材料で長板状に加工される。基板内部に配線される複数のリード線１０３ａは、各電極１０１と刺激制御部１１０を電気的に接続する。

刺激制御部１１０は、制御部３２から送信された電極指定信号等に基づき、双極性パルスを各電極１０１に振り分けるデマルチプレクサ１２０を持つ。デマルチプレクサ１２０は複数の回路が実装された周知のモノリシックＩＣ（集積回路）で構成される。モノリシックＩＣは所要の許容電圧範囲内で駆動されることが安定動作の為に必要となる。デマルチプレクサ１２０の構成及び動作制御の詳細な説明は後述する。

刺激制御部１１０は、蓋部材１０５と設置台１０６でハーメチックシール（密封）され、設置台１０６を介して基板１０３上に実装される。刺激制御部１１０は、半導体基板上に集積回路を機能させるパターン配線が形成された面が設置台１０６に接合される。設置台１０６は、絶縁性、気密性及び生体適合性を持つ素材で形成される。例えば設置台１０６は、セラミックスで平板状に形作られる。また設置台１０６には、刺激制御部１１０が持つパターン配線の端子部分と電気的に接続するための配線が、設置台１０６を貫通するように形成されている。
蓋部材１０５は、生体適合性と、高気密性を持つ金属等の素材で形成され、刺激制御部１１０が収まる空間を持つ。なお蓋部材１０５と設置台１０６は、刺激制御部１１０を密封するために、設置台１０６の接合箇所にメタライズ処理で金属層を形成して、蓋部材１０５と設置台１０６の金属同士を接合する。

受信ユニット３０と刺激ユニット１００はケーブル５１で電気的に接続される。ケーブル５１は絶縁性と生体適合性を持つ樹脂の内側に複数の導線５０を内包する。樹脂にはシリコーン、ポリイミド、パリレン等が用いられる。またケーブル５１内の導線５０も生体適合性が高いものが使用されることが好ましく、白金、金等が材料に用いられる。

ケーブル５１に内包された複数の導線５０は、刺激ユニット１００に電力を供給するために電源Ｖａｃに接続される導線（電力線）５０ａと、電極１０１に双極性パルス（電流）を供給するために電流源Ｉａｃに接続される導線５０ｂを持つ。また信号源Ｐからは刺激電流の向き（方向）に応じてデマルチプレクサ１２０の電位を制御する電位信号等の制御信号が生成され、変調により電源Ｖａｃの交流電圧に重畳されて変調波として、刺激ユニット１００（デマルチプレクサ１２０）側に伝送される（図３参照）。なお交流電圧に制御信号を重畳するための変調には、周知の変調方式（ＡＭ変調、ＦＭ変調、周波数変調等）が用いられる。なお一つの導線５０ａで複数の情報等が伝達されると消費電力や装置構成の簡略化に有利である。

次に体内装置２０の回路構成について説明する。図３は体内装置２０の制御回路の説明図、図４はデマルチプレクサ１２０の回路構成の説明図である。
図３において、電力・制御信号供給回路（図番号を略す）は、電源Ｖａｃと、電源Ｖａｃに接続された信号源Ｐと、電源Ｖａｃの出力端に接続されるコンデンサＣ１、Ｃ２と、各コンデンサＣ１，Ｃ２に接続される導線５０ａと、導線５０ａに接続される整流回路１１１と、導線５０ａに並列接続される復調回路（デコーダ）１１２と、電位調整回路１１３を備える。なお電源Ｖａｃ、信号源Ｐ、コンデンサＣ１，Ｃ２は、受信ユニット３０側に設けられ、整流回路１１１、デコーダ１１２、電位調整回路１１３は刺激ユニット１００側に設けられている。

電源Ｖａｃは、受信ユニット３０で抽出された電力を刺激ユニット１００に供給する。コンデンサＣ１，Ｃ２は電源Ｖａｃから出力された電力の直流成分をカットする。これにより交流電力のみが導線５０ａに伝達され、電力伝送に直流電圧が用いられることによる生体へのリスクが抑えられる。整流回路１１１は交流電力を直流電力に整流する。整流回路１１１にはダイオード等の周知の非線形素子が使用される。整流回路１１１で変換された直流電圧で刺激制御部１１０が駆動される。

デコーダ１１２はケーブル５０を介して供給された変調波を復調して、各種制御信号を抽出する。デコーダ１１２は、入力側が導線５０ａに接続され、出力側がデマルチプレクサ１２０と電位調整回路１１３に接続される。なおデコーダ１１２、デマルチプレクサ１２０、電位調整回路１１３等、刺激ユニット１００に搭載される回路や素子は、刺激制御部１１０によって駆動制御される。

以上の構成により、デコーダ１１２で抽出された制御信号によって、デマルチプレクサ１２０の一対の入力端子１２１と出力端子１２２のＯＮとＯＦＦが制御され、対応する電極１０１からの刺激電流の出力の有無が制御される。またデコーダ１１２で抽出された制御信号（電位信号）に基づき電位調節回路１１３によって、デマルチプレクサ１２０の電位が調節される。なお各種制御信号は、ＯＮ（Ｈｉｇｈレベルの電位）とＯＦＦ（Ｌｏｗレベルの電位）のシリアルデータとして、デマルチプレクサ１２０、電位調節回路１１３に伝送される。電位調節回路１１３の詳細な説明は後述する。

刺激パルス信号供給回路（図番号を略す）は、刺激パルス信号を出力する電流源Ｉａｃと、電流源Ｉａｃの各出力端に接続されるコンデンサＣ３，Ｃ４と、各コンデンサＣ３，Ｃ４に接続される導線５０ｂと、デマルチプレクサ１２０を介して導線５０ｂに接続される電極１０１を備える。なお電流源ＩａｃとコンデンサＣ３，Ｃ４は受信ユニット３０側に設けられる。デマルチプレクサ１２０と電極１０１は刺激ユニット１００側に設けられる。

電流源Ｉａｃからは正負に極性を持つ刺激電流が出力される。コンデンサＣ３，Ｃ４は刺激電流に含まれる直流成分をカットする。刺激制御部１１０側に入力された刺激電流は、デマルチプレクサ１２０に入力される。デマルチプレクサ１２０は、複数の入力端子１２１と出力端子１２２を持つ。一対の入力端子１２１と出力端子１２２の導通状態と非導通状態の切り換えによって、正負の両方に極性を持つ双極性パルスを出力する電極１０１が指定される。なお図３では入力端子１２１ａと出力端子１２２ａが電気的に接続された例が示されている。

図４において、デマルチプレクサ１２０は、Ｐ型半導体基板１３０の所要領域に形成されるＮチャネルトランジスタ領域（ＮＭＯＳ領域）１３０ａと、Ｐチャネルトランジスタ領域（ＰＭＯＳ領域）１３０ｂの組み合わせを複数個持つ。一対のＮＭＯＳ領域１３０ａとＰＭＯＳ領域１３０ｂのＯＮとＯＦＦの切り換えによって、対応する電極１０１からの刺激電流の出力の有無が切り換えられる。

ＮＭＯＳ領域１３０ａは、半導体基板１３０の表面の所要領域に形成されるＮ型不純物拡散領域（ソースＳ）１３１と、Ｎ型不純物拡散領域（ドレインＤ）１３２と、Ｎ型不純物拡散領域１３１、１３２の間のＰ型半導体基板１３０表面上に絶縁膜（図示を略す）を介在させて形成されるゲート電極１３３を備える。またＮＭＯＳ領域１３０ａには、Ｐ型半導体基板１３０に電気的接続を与える為のＰ型不純物拡散領域１３８が設けられる。

ＰＭＯＳ領域１３０ｂは、Ｐ型半導体基板１３０の表面に形成されたＮ型ウェル１３４内に形成される。ＰＭＯＳ領域１３０ｂは、Ｎ型ウェル１３４表面に形成されたＰ型不純物拡散領域（ソースＳ）１３５と、Ｐ型不純物拡散領域（ドレインＤ）１３６と、Ｐ型不純物拡散領域１３５、１３６の間のＮ型ウェル１３４表面上に絶縁膜（図示を略す）を介在させて形成されるゲート電極１３７から形成される。またＰＭＯＳ領域１３０ｂのＮ型ウェル１３４内には電気的接続を与えるＮ型不純物拡散領域１３９が設けられる。

Ｎ型不純物拡散領域１３９は電源ラインＶｃｃに接続され、Ｐ型不純物拡散領域１３８は基準電位ＶＧＮＤに接続される。これにより基板１３０と、Ｎ型ウェル１３４間に逆バイアスが与えられる。
Ｐ型不純物拡散領域（ソースＳ）１３５とＮ型不純物拡散領域（ソースＳ）１３１は入力端子１２１ａに接続される。Ｎ型不純物拡散領域（ドレインＤ）１３２とＰ型不純物拡散領域１３６は出力端子１２２ａに接続される。ゲート電極１３３、１３７は、図示を略す制御回路を介してデコーダ１１２の出力端に接続される。なおゲート電極１３３とゲート電極１３７の間には、電位を反転させる周知の反転素子１１５が設けられる。

以上の構成により、基板１３０とＮ型ウェル１３４が逆バイアスされた状態で、デコーダ１１２からＨｉｇｈレベルの信号が入力されると、ＮＭＯＳ領域１３０ａのゲート（Ｇ）１３３にスレッシュホールドよりも高い電位が加えられる。これによりＮＭＯＳ領域１３０ａのソース（Ｓ）１３１とドレイン（Ｄ）１３２間にＮチャネルＮｃｈが形成され、電流が導通可能になる。一方、ＰＭＯＳ領域１３０ｂのゲート（Ｇ）１３７には、反転素子１１５を介してＬｏｗレベルの電位が加えられる。これによりソース（Ｓ）１３５とドレイン（Ｄ）１３６間にＰチャネルＰｃｈが形成され、電流が導通可能になる。

一方、デコーダ１１２にＬｏｗレベルの信号が入力されると、ＮＭＯＳ領域１３０ａのゲート（Ｇ）１３３にスレッシュホールドよりも低い電位が加えられ、ＮＭＯＳ領域１３０ａのソース（Ｓ）１３１とドレイン（Ｄ）１３２間が開放される。また反転素子１１５を介して、ＰＭＯＳ領域１３０ｂのゲート（Ｇ）１３７にスレッシュホールドよりも高い電位が加えられ、ＰＭＯＳ領域１３０ｂのソース（Ｓ）１３５とドレイン（Ｄ）１３６間が開放される。
以上のようにして、一対のＰＭＯＳ領域１３０ｂとＮＭＯＳ領域１３０ａが導通状態になると、デマルチプレクサ１２０の対応する出力端子１２２を介して、対応する電極１０１から刺激電流（双極性パルス）が出力される。

ところで図４に示されるように、ＰＭＯＳ領域１３０ｂのソース（Ｓ）135とドレイン（Ｄ）１３６間には内部抵抗Ｒ２が存在する。ＮＭＯＳ領域１３０ａのソース（Ｓ）１３１とドレイン（Ｄ）１３２間には内部抵抗Ｒ１が存在する。この内部抵抗Ｒ１、Ｒ２の値は、デマルチプレクサ１２０の電位によって変化する。図５にデマルチプレクサ１２０の内部抵抗Ｒの変化特性を示す。ここで縦軸は抵抗値、横軸はデマルチプレクサ１２０の入力端子１２１の電位Ｖｓである。またＰＭＯＳ領域１３０ｂの内部抵抗Ｒ２の変化特性のグラフをｒ２、ＮＭＯＳ領域１３０ａの内部抵抗Ｒ１の変化特性のグラフをｒ１、デマルチプレクサ１２０全体の内部抵抗の変化特性のグラフをＲとする。このように内部抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値の変化特性ｒ１、ｒ２は、ＮＭＯＳ領域１３０ａとＰＭＯＳ領域１３０ｂとで逆となる。つまり電流の方向に関わらずデマルチプレクサ１２０には所定値以上の内部抵抗Ｒによる電圧降下が生じることになる。

一方、同一の基板１３０にＮＭＯＳ領域１３０ａとＰＭＯＳ領域１３０ｂの両方が形成されていると、各Ｐ領域と各Ｎ領域の間に寄生ダイオードが形成される。例えば、Ｐ型の基板１３０とＮ型のソース１３１又はドレイン１３２間に寄生ダイオードＤ１が形成される。Ｎ型ウェル１３４とP型のソース１３９又はドレイン１３６の間に寄生ダイオードＤ２が形成される。これらの寄生ダイオードＤ１，Ｄ２は、デマルチプレクサ１２０が、基準電位ＶＧＮＤと電源ラインＶｃｃの間の許容電圧範囲内で駆動されている状態では、逆バイアス状態が保たれる。

しかし交流電流が供給されるケーブル５１を介して、受信ユニット３０と刺激ユニット１００の電位（直流電位）が独立している場合には、生体内での受信ユニット３０の電位変動の影響で、デマルチプレクサ１２０（入力端子１２１と出力端子１２２）の基準電位が変動する場合がある。基準電位が高くなる（低くなる）と、内部抵抗Ｒで生じる電圧降下で、デマルチプレクサ１２０の電位が基準電位以下、又は電源ラインＶｃｃの電位以上となり、通常は逆バイアスされるべき寄生ダイオード等が、順バイアスされてしまうおそれがある。寄生ダイオード等が順バイアスされると、意図しない不正電流Ｉｄが発生し、電極１０１から出力された不正電流Ｉｄが双極性パルスの電荷バランスを崩す原因となる。

そこで本実施形態では、電位調節回路１１３によって、デマルチプレクサ１２０の電位が電源電位Ｖｃｃと基準電位ＶＧＮＤとの間に収められるようにする。電位調節回路１１３は、入力端子１２１と電源ラインＶｃｃを接続するスイッチＳＷ１と、入力端子１２１と基準電位ＶＧＮＤとを接続するスイッチＳＷ２を持つ。

電位調節回路１１３に、デコーダ１１２からの電位信号が入力されると、刺激ユニット１００側で、電流源Ｉａｃから出力される双極性パルスの電流の向きが認識される。刺激制御部１１０は、電位調節回路１１３のスイッチＳＷ１とＳＷ２を、双極性パルスの電流の向きに応じて切り換える。

例えば、図４の電流源Ｉａｃから、アノーディックの電流Ｉが出力されると、デマルチプレクサ１２０の内部抵抗Ｒによる電圧降下の影響で、ＮＭＯＳ領域１３０ａのドレイン（Ｄ）１３２の電位が基準電位ＶＧＮＤよりも下がり、寄生ダイオードＤ１が順バイアスされるおそれがある。この場合、電位調節回路１１３の電源ラインＶｃｃに接続されるスイッチＳＷ１がＯＮにされ、基準電位ＶＧＮＤに接続されるスイッチＳＷ２がＯＦＦにされる。これによりデマルチプレクサ１２０の電位が上昇する（持ち上げられる）。これにより内部抵抗Ｒによる電圧降下の影響で、出力端子１２２ａの電位が下がっても、基準電位ＶＧＮＤ以下に下がる可能性はほとんどないので、ダイオードＤ１の逆バイアス状態が保たれる。

一方、電流源Ｉａｃから出力される電流Ｉの極性が反転され、カソーディックとなると、ＰＭＯＳ領域１３０ｂのドレイン１３６の電位が、電源ラインＶｃｃの電位よりも上昇して、寄生ダイオードＤ２が順バイアスされるおそれがある。このとき、電位調節回路１１３のスイッチＳＷ１がＯＦＦされ、スイッチＳＷ２がＯＮにされる。これにより出力端子１２２ａの電位が上昇しても、デマルチプレクサ１２０の電位が電源ラインＶｃｃの電圧を超える可能性はほとんどないので、ダイオードＤ２の逆バイアス状態が保たれる。

以上のように、双極性パルスの刺激電流の向きに応じて、電位調節回路１１３のスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２のＯＮとＯＦＦを交互に切り換えることで、デマルチプレクサ１２０の電位変動を許容電圧範囲内に抑えられる。そして寄生ダイオードが順バイアスされないことで、不正電流Ｉｄの発生が抑えられ、電極１０１から出力される双極性パルスの電荷バランスが保たれる。

次に以上の構成を備える生体組織刺激装置の動作を説明する。撮影装置１２で撮影された画像データは、データ変調手段１３ａで電気刺激パルス用データに変換されると共に、データ変調手段１３ａの変調で、バッテリー１３ａから供給される電力に重畳されて、送信手段１４を介して体内装置２０側に送信される。体内装置２０では、制御部３２が、受信された電磁波から電力と電気刺激パルス用データを復調する。電力は刺激ユニット１００を駆動させる交流電力を供給する電源Ｖａｃと、電極１０１から双極性パルス（電流）を出力させる電流源Ｉａｃに用いられる。制御部３２は電気刺激パルス用データから電極指定信号、電位信号等の制御信号を抽出し、信号源Ｐから出力させる。信号源Ｐから出力された制御信号は、変調により電源Ｖａｃから供給された電力に重畳され、変調波としてケーブル５１を介して刺激ユニット１００に送信される。

刺激ユニット１００では、デコーダ１１２で変調波が復調されて、制御信号が抽出される。刺激ユニット１００の整流回路１１１は、受信ユニット３０から送信された交流電圧を直流電圧に整流する。デコーダ１１２で抽出された制御信号は、デマルチプレクサ１２０と電位調節回路１１３に入力される。デマルチプレクサ１２０は制御信号に基づき、一対のＰＭＯＳ領域１３０ｂとＮＭＯＳ領域１３０ａの導通状態と非導通状態を切り換えて、対応する電極１０１から刺激電流が出力されるようにする。

一方、電位調節回路１１３は、制御信号（電位信号）に基づき、双極性パルスの刺激電流の極性（方向）に応じて、スイッチＳＷ１とＳＷ２のＯＮとＯＦＦが切り換えられる。例えば、電極１０１から刺激電流が流れ出るアノーディックの場合、電位調節回路１１３は、スイッチＳＷ１をＯＮとし、スイッチＳＷ２をＯＦＦとする。アノーディックの場合に、デマルチプレクサ１２０の電位を予め引き上げておくことで、内部抵抗Ｒによる電圧降下が生じたとしても、出力端子１２２の電位を基準電位ＶＧＮＤよりも高くできる。

一方、電極１０１から刺激電流が流入されるカソーディックの場合、電位調節回路１１３は、スイッチＳＷ１をＯＦＦとし、スイッチＳＷ２をＯＮとする。刺激電流が電極１０１から流入される方向に流れるときに、デマルチプレクサ１２０の電位を予め引き下げておくことで、内部抵抗Ｒによる電圧降下が生じたとしても、出力端子１２２の電位を電源電位Ｖｃｃよりも低くできる。以上のような制御によって、デマルチプレクサ１２０が許容電圧範囲で駆動されることで、寄生ダイオード等が順バイアスされ、流れ出た不正電流Ｉｄで双極性パルスの電荷バランスが崩れることが防止される。

なお上記の構成では、信号源Ｐから複数の制御信号が同時に送信されている。このような場合に、電位信号の処理が優先されるようにすると良い。このようにすると、電位調節回路１１３によるスイッチＳＷ１、ＳＷ２のＯＮとＯＦＦの切り換えによって、電位調節が完了した状態で、より安定して双極性パルスが出力されるようになる。

また上記では、電位調節回路１１３を用いて、デマルチプレクサ１２０（入力端子１２１）の電位を、電源側と接地側とに切り換え接続することで、デマルチプレクサ１２０の電位を調節している。これ以外にも、刺激パルスの電流の設定値に応じて、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のＯＮとＯＦＦを切り換えることで、デマルチプレクサ１２０（入力端子１２１）の電位が調節されても良い。この場合、電流値に応じて入力端子１２１に加えられる電位Ｖｓがリニアに可変されても良い。

またデマルチプレクサ１２０に流れる電流の測定値に基づいて、入力端子１２１の電位が調節されても良い。この場合には、図6の変用例に示されるように、導線５０ｂに流れる刺激電流の電流量及び方向を検出する電流検出部１１３ａを設ける。電流検出部１１３ａは、抵抗Ｒ５と、抵抗Ｒ５で生じた電圧降下から電流値を検出する検出回路１３０と、デマルチプレクサ１２０の入力端子１２１に電圧を加える電源Ｖｄを備える。

以上の構成により導線５０ｂに刺激電流が流れると、電流検出部１１３ａの抵抗Ｒ５で生じる電圧降下によって、検出回路１３０は、刺激電流の電流量を検知する。また抵抗Ｒ５で生じた電圧降下の極性によって電流の方向を検知する。そして刺激電流の電流量と方向の検知結果に基づき、電源Ｖｄの電位とその極性を調節する。なお電源Ｖｄの電位は入力端子１２１に加えられる。このようにするとより精度良くデマルチプレクサ１２０の電位調節を行えるようになる。

なお上記では正負に極性を持つ双極性パルスを電極から出力させる例を示した。これ以外にも、１度の電気刺激で電極から正（負）方向の電流を出力させた後、２回目の電気刺激で電極から反対極性の負（正）方向の電流を出力させても良い。更には、電極から正負一方向のみの電流が出力される場合にも、上記の構成によってスイッチ部のＯＮとＯＦＦとが切り換えられることで、デマルチプレクサ１２０の電位を許容電圧範囲に収めることができ、安定動作を維持できるようになる。

また上記では生体組織刺激装置として、視覚再生補助装置を例に挙げて説明した。これ以外にも、本発明の構成は、生体内に埋植されて患者の生体組織の一部に電気刺激を与える電極を備え、生体の機能を調節する周知の生体組織刺激装置に適用可能である。例えば、患者の耳小骨に音の信号を伝達する人工内耳、患者の胸部に埋植されて心臓に電気刺激を与えて不整脈の発生を抑制するペースメーカ等に、本発明の構成が適用されることで、電極から刺激電流がより安定して出力されるようになる。

生体組織刺激装置の外観図である。 生体組織刺激装置の体内装置の説明図である。 体内装置の制御回路の説明図である。 デマルチプレクサの回路構成の説明図である。 デマルチプレクサの内部抵抗の変化特性の説明図である。 生体組織刺激装置の変用例の回路構成の説明図である。

Ｐ 信号源
ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチ
１ 視覚再生補助装置
１０ 体外装置
２０ 体内装置
３０ 受信ユニット
５１ ケーブル
１００ 刺激ユニット
１０１ 電極
１１２ 復調回路（デコーダ）
１１３、１１３ａ 電位調整回路
１１０ 刺激制御部１１０
１２０ デマルチプレクサ
１２１ 入力端子
１２２ 出力端子

Claims (8)

1. 生体組織に埋植される複数の電極を備える刺激ユニットと、
   前記電極から出力させる刺激電流を供給する電力供給ユニットと、
   前記刺激ユニットと前記電力供給ユニットを電気的に接続するケーブルであって、前記刺激電流を前記電力供給ユニットから前記刺激ユニットへ供給するケーブルと、
   を備える生体組織刺激装置において、
   前記刺激ユニットは、前記複数の電極のうち刺激電流を出力させる電極を指定するデマルチプレクサであって、電源電位と基準電位との間の許容電位で駆動されるデマルチプレクサと、
   前記ケーブルに供給される刺激電流の情報を得るデコーダ又は電流検出手段と、
   前記デマルチプレクサの電位を、前記デコーダ又は前記電流検出手段で検出された前記刺激電流の情報に応じて、前記電源電位側又は前記基準電位側に変更する電位変更手段と、
   を備えることを特徴とする生体組織刺激装置。
2. 前記電位変更手段は、
   前記デマルチプレクサを前記電源電位側又は前記基準電位側に接続するスイッチ手段と、
   前記刺激電流の方向に応じて前記スイッチ手段の開閉動作を制御する制御手段と、
   を備える請求項１の生体組織刺激装置。
3. 前記刺激電流は正負の極性に振幅を持つ双極性のパルスであり、
   前記スイッチ手段は、前記デマルチプレクサを前記電源電位側に接続する第１スイッチと，前記デマルチプレクサを前記基準電位側に接続する第２スイッチとを持ち、
   前記制御手段は、前記刺激電流の正負の極性に応じて前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのうち、一方を開状態とし他方を閉状態とする制御をする請求項２の生体組織刺激装置。
4. 前記制御手段は、前記電極から電流を流出させるアノーディックの場合に、前記第１スイッチを閉状態とし前記第２スイッチを開状態とする制御をし、前記電極から電流を流入させるカソーディックの場合に、前記第１スイッチを開状態とし前記第２スイッチを閉状態にする制御をする請求項３の生体組織刺激装置。
5. 前記刺激電流の設定値の情報は、シリアルデータで伝送される請求項４の生体組織刺激装置。
6. 前記電力は、交流電力である請求項１〜５のいずれかの生体組織刺激装置。
7. 前記制御手段は、前記デマルチプレクサによる電極指定の動作よりも前記スイッチ手段の開閉動作を優先させる制御をする請求項１〜６のいずれかの生体組織刺激装置。
8. 前記制御手段は、前記電流検出手段で検出された前記刺激電流の測定値に基づき前記デマルチプレクサの直流電位の偏位量を制御する請求項１〜７のいずれかの生体組織刺激装置。

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