(57)【要約】  電荷の一時的な集積によって電力制御能力を与える人工網膜が提供される。この人工網膜は、少なくとも１つの刺激部を備え、各刺激部は、電極と電気的に連通している光中継素子（例えば、フォトダイオード）を順次備えている。パルス発生回路は、逆方向バイアス信号を光中継素子へ供給し、時々、パルス順方向バイアス信号を当該光中継素子へ供給する。逆方向バイアス信号を与える間、光中継素子への入射光により電荷が蓄積する。パルス順方向バイアス信号を与えることにより、蓄積された電荷は電極を介してその電極に隣接する網膜組織へ注入され、それにより網膜が刺激される。適切にバイアス信号のパラメータを選択することにより、十分な量の電荷が蓄積し、刺激の閾値に達することが確実となる。このように、目の自然なフォーカシングおよびイメージング能力を利用する利点を残しつつ、刺激電流を制御することが改良される。
2009520578.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目の網膜を刺激する人工網膜であって、
光中継素子と、上記光中継素子の第１端子を介して当該光中継素子と電気的に連通している電極とを備える少なくとも１つの刺激部と、
上記光中継素子の第２端子と電気的に連通するパルス発生回路とを備え、
上記パルス発生回路は、上記少なくとも１つの光中継素子へ逆方向バイアス信号を供給し、時々、パルス順方向バイアス信号を上記少なくとも１つの光中継素子へ供給するように形成されている人工網膜。
【請求項２】
上記パルス発生回路と電気的に連通し、当該パルス発生回路に電力を供給する電源をさらに備える請求項１に記載の人工網膜。
【請求項３】
上記電源は、光起電装置をさらに備えている請求項２に記載の人工網膜。
【請求項４】
上記光起電装置は、眼内移植用として形成されている請求項３に記載の人工網膜。
【請求項５】
上記電源は、２次誘導コイルをさらに備えている請求項２に記載の人工網膜。
【請求項６】
複数の刺激部と、
上記パルス発生回路と電気的に連通し、上記複数の刺激部の各光中継素子の第２端子と電気的に連通する共通電極とをさらに備える請求項１に記載の人工網膜。
【請求項７】
上記共通電極を覆い、当該共通電極を上記人工網膜の周囲の環境から電気的に絶縁する絶縁層をさらに備える請求項６に記載の人工網膜。
【請求項８】
上記パルス発生回路は、眼外パルス発生回路を備え、
上記眼外パルス発生回路および上記共通電極と電気的に連通し、上記逆方向バイアス信号および上記パルス順方向バイアス信号を伝達する導電性素子をさらに備える請求項６に記載の人工網膜。
【請求項９】
上記少なくとも１つの刺激部のそれぞれの上記光中継素子は、さらにフォトダイオードを備えている請求項１に記載の人工網膜。
【請求項１０】
上記少なくとも１つの刺激部のそれぞれの上記電極は、網膜近傍に移植されるために形成されている請求項１に記載の人工網膜。
【請求項１１】
上記少なくとも１つの刺激部のそれぞれの上記電極は、さらにイリジウム酸化物電極を備えている請求項１に記載の人工網膜。
【請求項１２】
目の網膜を刺激する人工網膜であって、
複数のフォトダイオードと、
網膜近傍に移植されるために形成され、第１端子を介して、独自に対応する上記複数のフォトダイオードのひとつと電気的に連通する複数のイリジウム酸化物電極と、
上記複数のフォトダイオードのそれぞれの第２端子と電気的に連通する共通電極と、
上記共通電極と電気的に連通し、逆方向バイアス信号を上記複数のフォトダイオードへ供給し、時々、パルス順方向バイアス信号を上記複数のフォトダイオードへ供給するパルス発生回路とを備える人工網膜。
【請求項１３】
上記パルス発生回路と電気的に連通し、当該パルス発生回路に電力を供給する電源をさらに備える請求項１２に記載の人工網膜。
【請求項１４】
上記電源は、光起電装置をさらに備えている請求項１３に記載の人工網膜。
【請求項１５】
上記電源は、２次誘導コイルをさらに備えている請求項１３に記載の人工網膜。
【請求項１６】
上記共通電極を覆い、当該共通電極を上記人工網膜の周囲の環境から電気的に絶縁する絶縁層をさらに備える請求項１２に記載の人工網膜。
【請求項１７】
目の網膜を刺激する方法であって、当該目の網膜の近傍には光中継素子を有する人工網膜が移植されており、
上記人工網膜は、さらに、上記光中継素子の第１端子と電気的に連通する電極を備え、
逆方向バイアス信号を上記光中継素子に印加する工程と、
上記逆方向バイアス信号が上記光中継素子に印加されている間に、入射光によって生じる光伝導を通して、上記光中継素子に電荷を蓄積する工程と、
時々、パルス順方向バイアス信号を上記光中継素子へ供給することにより当該光中継素子における電気的導通を確立し、それによって上記電極を介して電荷を網膜へ注入し、刺激電流を供給する工程とを含む目の網膜を刺激する方法。
【請求項１８】
上記逆方向バイアス信号の継続時間を変化させることにより上記刺激電流の振幅を制御する工程をさらに含む請求項１７に記載の目の網膜を刺激する方法。
【請求項１９】
上記パルス順方向バイアス信号の振幅を変化させることにより上記刺激電流の振幅を制御する工程をさらに含む請求項１７に記載の目の網膜を刺激する方法。
【請求項２０】
上記光中継素子へ周辺光以上に光を与える工程をさらに含む請求項１７に記載の目の網膜を刺激する方法。
【請求項２１】
上記光中継素子へ赤外光を与える工程をさらに含む請求項２０に記載の目の網膜を刺激する方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、概して人工網膜、特に、入射光によって引き起こされる光伝導に由来する電荷を集積するように形成された人工網膜に関するものである。
【０００２】
〔背景〕
人間の網膜における疾患の多くは、目の血管層の部分的または完全な崩壊によって失明をもたらす。血管層は、脈絡膜および脈絡膜毛細血管を含んでおり、その両者は目の解剖学的外網膜（outer anatomical retina）および解剖学的内網膜（inner anatomical retina）の一部に養分を供給する。
【０００３】
他の多くの網膜の疾患は、上記２つの解剖学的な網膜層の一方または両方が、その内在的な異常により部分的または完全に変性するために直接的に失明をもたらす。網膜層の構成要素には、Bruch膜、「解剖学的外網膜」を含む網膜色素上皮、光受容器、外核、外網状層、内核、内網状層、アクマリン細胞、ガングリオン細胞、「解剖学的内網膜」を含む神経線維層（神経網膜としても知られている）が含まれている。神経網膜の外側部分は、光受容器と双極細胞層とから構成され、外網膜としても知られている。この外網膜は、上述の解剖学的外網膜とは区別される。外網膜の機能の損失は、一般に外網膜へ養分を供給する解剖学的外網膜の機能不全および／または外網膜自身の直接的な欠陥の結果である。最終的な共通の結果は、光検出細胞である光受容器を含む外網膜の機能不全である。これら外網膜の疾患には、老化性黄斑変性、網膜色素変性、脈絡膜疾患、長期網膜剥離、糖尿病性網膜症、Stargardt病、先天性脈絡膜欠如、Best病および脈絡膜断裂が含まれる。しかし、神経網膜の内側部分は、しばしば機能を維持しており、解剖学的にきわめて完全であり、適当な刺激によって活性化される。
【０００４】
現在、上述した疾患を持つ患者に対して視覚機能のいくらかを置き換えるために用いられる人工装置を開発するために多くの努力が行われている。そのアプローチの多くは、刺激電極のアレイを用いる鋭い電気的な刺激は、パターン化された映像を形成するために用いられるという前提に立っている。特に、これらのアプローチは、比較的複雑なシステムに頼っている。このシステムでは、ビデオカメラまたは同様の装置が、後続の処理および符号化のための画像を捉えるために用いられる。その符号化された情報は、その後、網膜組織の近傍に移植された電極のアレイを介して供給される電気的な刺激を制御する。特に、上記電極のアレイは、網膜上（神経網膜の側のガングリオン細胞層の上）または網膜下（外網膜と上述した解剖学的外網膜との間）に移植されており、適切な制御回路へ有線または無線接続されている。いくつかの例では、有線接続は鞏膜（目の外側の丈夫なコーティングであり、しばしば目の白色部と称される）を横断しなければならない。それにもかかわらず、そのような制御回路と刺激アレイとの間の接続を行うことの利点は、神経組織へ伝達される電気的な刺激のレベルを制御する能力にある。
【０００５】
しかし、比較的複雑になることに加えて、上述のタイプのシステムは、目の自然な動きおよび網膜上に画像をフォーカスする能力の利点を損ねる。それらは、その代わりに、目の空間的方向と必ずしも関係のないパターンの刺激を生成する。
【０００６】
目の自然な動きおよびフォーカシング能力の利点を利用するアプローチの１つが、オプトバイオニクス株式会社によって開発されたＡＳＲ（登録商標）装置である。ＡＳＲ（登録商標）装置は、数千の電極のアレイ、独立したフォトダイオードが配されており、目の網膜下の空間に移植される。上記フォトダイオードは、入射光を電気的刺激に変換し、その電気的刺激を残っている網膜細胞層によって処理することで、失われた光受容器または機能を損ねた光受容器の機能を基本的に真似るように設計されている。その単純な設計のために、ＡＳＲ（登録商標）装置は、他のより複雑な人工網膜システムよりも有利な点をいくつか有している。ＡＳＲ（登録商標）装置は、刺激の閾値に達し、それにより神経反応を含む十分な電気的刺激を生成するように設計できると考えられるため、上記装置の効力は促進され、付加的な電力の供給によっておそらくより良く制御される。
【０００７】
それゆえ、ＡＳＲ（登録商標）装置の単純さと自然の目の動きを活用する能力とを、他のより複雑な人工網膜システムの電力制御能力と組み合わせた人工網膜を提供することは有利である。
【０００８】
〔要約〕
本発明は、電荷の一時的な集積または蓄積によって電力制御能力を与える人工網膜を備えている。特に、本発明の人工網膜は、少なくとも１つの刺激部を備え、各刺激部は、電極と電気的に連通している光中継素子（例えば、フォトダイオード）を順次備えている。上記光中継素子と電気的に連通するパルス発生回路は、逆方向バイアス信号を当該光中継素子へ供給し、時々、パルス順方向バイアス信号を当該光中継素子へ供給する。目下の好ましい実施形態においては、光中継素子のアレイが設けられ、そのアレイは共通電極を介して、パルス発生回路と電気的に結合している。少なくとも部分的に移植された電源は、パルス発生回路へ電力を供給するために用いられる。本発明の様々な実施形態において、電源の移植部分は、パルス発生回路と同様に眼外（すなわち、肉体の内部であるが目の外）および／または眼内（すなわち、眼の中）構造に移植される。
【０００９】
光伝導の工程を通して逆方向バイアス信号を与える間、光中継素子への入射光により、１回の露出の間に電子カメラの１つのピクセル素子において電荷が蓄積するのと同様に、時間とともに電荷が蓄積する。続いてパルス順方向バイアス信号を与えることにより光中継素子を通しての電気的導通が生じ、蓄積された電荷は電極を介してその電極に隣接する網膜組織へ注入され、それにより網膜が刺激される。適切に逆方向バイアス信号のパラメータを選択することにより、十分な量の電荷が蓄積し（およびその後パルス順方向バイアス信号によって放出され）、刺激の閾値に達することが確実となる。このように、目の自然なフォーカシングおよびイメージング能力を利用する利点を残しつつ、刺激電流を制御することが改良され、それゆえ、臨床上の成果が得られる確率を高めることができる。
【００１０】
〔図面の簡単な説明〕
図１は、本発明に係る人工網膜の概略図である。
【００１１】
図２は、本発明に係る人工網膜の一実施形態の部分断面図および概略図であり、さらに本発明に係る様々な観点の別の実施形態をさらに図示している。
【００１２】
図３は、従来技術の波形を示す図である。
【００１３】
図４は、本発明に係る人工網膜システムの動作を示すフローチャートである。
【００１４】
図５は、本発明に係る人工網膜システムの動作をさらに記述した波形を示す図である。
【００１５】
〔現在の好ましい実施形態の詳細な説明〕
まず図１に示すように、本発明に係る人工網膜１００の概略図が示されている。特に、上記人工網膜は、少なくとも１つの刺激部１０２（１つしか図示していない）を備えている。刺激部１０２自身は光中継素子１０４を備え、この光中継素子１０４は、光中継素子１０４の第１端子１０８を介して電極１０６と電気的に連通されている。光中継素子１０４は、第２端子１１０および導電性素子１１１を介してさらにパルス発生回路（またはパルス発生器）１１２と電気的に連通されている。詳細については後述するが、導電性素子１１１は、１つまたは複数の導線（例えば柔軟な電気的に独立したワイヤまたは導電性配線）を含み、完全な眼内移植または目の外側の経強膜的なルーティングのために設計されている。パルス発生回路１１２は、対極板１１４および電源１１６と電気的に結合している。
【００１６】
実際には、光中継素子１０４は、光伝導と整流（すなわち、一方向伝導）という別個のモードを示すことができるあらゆる装置またはその組み合わせを含んでいる。適当な生体適合性のある封じ込めを想定するなら、例えば、シリコンダイオードと並列なカドミウム硫化物セルまたはカドミウムセレンセルのような光伝導性セルの組み合わせであれば十分である。好ましい実施形態では、光伝導および整流の要求される組み合わせは、当業者に知られるようにフォトダイオードによって達成可能である。そのようなフォトダイオードは、逆方向バイアスされた時に光伝導モードで作動し、順方向にバイアスされたときにのみ相当の導電性を逆方向に示す。バイアス状態が外部からフォトダイオードに印加されないとき、フォトダイオードは光起電性モードで作動する。しかし、そのような光起電性の作動は本発明では要求されない。フォトダイオードを用いた人工網膜の一例が、オプトバイオニクス株式会社のＡＳＲ（登録商標）装置であり、詳細に後述するように本発明を実現するために用いられる。ＡＳＲ（登録商標）装置は、数千の電極が配され、良く知られた半導体プロセス技術を用いて適切にドープされたシリコン基板に形成されたフォトダイオードを備えている。
【００１７】
電極１０６を形成するために、生物学的組織に電荷を伝達するために適した周知の物質のいくつかが用いられる。チタニウム、プラチナ、イリジウムおよびそれらの酸化物が、適当な電極物質のほんの数例であるが、イリジウム酸化物が好ましい。電極１０６は、また、網膜組織の近傍に移植されるために設計されていることが好ましい。実際、このことは、上記電極は、数ミクロンから数十ミクロンのオーダーの寸法を有しており、刺激の閾値に達する十分な可逆的な電荷を注入する能力をそれでも保持しているということを意味する。端子１０８、１１０は、電気的に伝導性の経路を含んでいる。そのような経路を形成する技術は、当業者には既に知られている。
【００１８】
パルス発生回路１１２は、逆方向バイアス信号を生成し、時々、上記光中継素子の動作を制御するために用いられるパルス順方向バイアス信号を生成する。目下の好ましい実施形態では、上記光中継素子は、フォトダイオードを備えており、逆方向バイアス信号は、（フォトダイオードのカソード端子に印加されたとき）正の電圧を含んでおり、パルス順方向バイアス信号は、（カソード端子に印加されたとき）比較的短い負の電圧を含んでいる。連続して継続的に印加されたとき、逆方向バイアス信号およびパルス順方向バイアス信号は、そのひとつが図５に図示され、後述されているように、基本的に非対称の電圧波形を形成する。詳細については後述するが、逆方向バイアス信号は、光中継素子１０４における入射光によって引き起こされる光伝導の結果生じる電流を光中継素子１０４および電極１０６に効果的に集積させる。続く順方向バイアス信号は、電気的導通を確立し、それによって蓄積した電荷を上記電極を介して周囲の環境（すなわち、網膜組織）に放出させる。当業者は、様々な良く知られた回路がパルス発生回路１１２のために用いられてもよいということを認識するだろう。上記回路は、例えば、適切に設計され、別個の部品を用いて組み立てられた、または良く知られた５５５タイマーＩＣのような集積回路を用いて組み立てられたマルチバイブレータまたはオシレータ回路である。パルス発生回路１１２は、体の外側に配されている。好ましい実施形態では、パルス発生回路１１２は、体に移植されるために設計されており、それゆえ、独立型の回路として組み立てられるか、刺激部１０２と同じ基板内に組み立てられ、それが移植のために適当に封じ込められることが好ましい。
【００１９】
パルス発生回路１１２は、逆方向バイアス信号およびパルス順方向バイアス信号の構造を変化させる能力を提供する１つまたは複数の制御入力１１３を備えている。例えば、ある種の状況において、順方向バイアスパルスの持続時間またはそれらの振幅を変化させることが望まれる。そのようなパラメータを制御するための技術は、当業者には良く知られている。さらに、パルス発生回路１１２、刺激部１０２および生物学的組織によって確立された全体的な電気回路を通して電気的導通を実現するために、遠隔対極板１１４がパルス発生回路１１２に電気的に結合される。
【００２０】
電源１１６は、電力をパルス発生回路１１２へ供給する。図２を参照してより詳細に説明しているように、上記電源は、パルス発生回路１１２へ電力信号を供給する有線接続のみを有し、全体的に体の外側に偏っている。しかし、好ましい実施形態において、上記電源の少なくとも一部は、体の内部（眼外または眼内）に移植されている。
【００２１】
次に図２を参照すれば、本発明に係る人工網膜の一実施形態の部分断面図および概略図、および本発明に係る様々な観点の別の実施形態をさらに示す図が提供されている。半導体基板２０６（好ましくはシリコン）に形成された複数のフォトダイオード２０４を備えるフォトダイオードアレイ２０２が設けられる。図示するように、各フォトダイオード２０４のアノードは、それぞれに対応する電極２０８と電気的に連通している。上述したように、フォトダイオード２０４およびそれぞれに対応する電極２０８の各ペアは、刺激部１０２を構成している。電極２０８は、好ましくは、イリジウム酸化物で作られており基板２０６の表面に形成されている。基板２０６は、入射光２２０の方向を向くように、任意で、通常の周辺光２２０を超える付加的な光２３０の方向を向くように意図されている。各フォトダイオード２０４のカソードは、共通電極２１０と電気的に連通している。共通電極２１０は、刺激電極２０８と同じ材質で形成されていることが好ましい。最後に、共通電極２１０を人工網膜を取り囲む環境（すなわち、導電性の外部環境）から電気的に絶縁する絶縁層２１２が設けられる。加えて、上記絶縁層は、生体適合性および生体耐久性を有するものである。それゆえ、例えば、絶縁層２１２は、パリレンまたは他の物質（例えばダイアモンド様炭素）のような非導電性のポリマーから形成されている。図２のフォトダイオードアレイ２０２およびその構成要素は、寸法を示すためには示されておらず、示された寸法は図示するためのみのものである。さらに、当業者に知られているように、付加的な生体適合性／生体耐久性のコーティング（不図示）が、そうでなければ生物学的環境に接触する表面（刺激電極２０８以外の表面）に配されてもよい。
【００２２】
図２は、また、パルス発生器２４０、２４０´および上記電源の配置のための別の実施形態を概念的に示している。例えば、図２の左下部分に示すように、上記電源は、複数のコイル２５０を備える誘導性結合システムによって実現されている。複数のコイル２５０は、２次コイル２５２および整流回路（図示を容易にするため不図示）を介して電力を送るために電磁信号２５４（特に、キロヘルツからメガヘルツの周波数範囲の信号）を用いる。この例に示すように、複数のコイル２５０は、眼鏡またはゴーグルの前方にまたは一時的に配されたコイルの場合のように、外部に配置するために形成されていてもよい。２次コイル２５２および付随の整流回路は、体の内部だが目の外側（すなわち、眼外）に移植される。複数のコイル２５０および２次コイル２５２は、さらに特許出願公報ＷＯ０３／０６１５３７に記述されている。同様に、パルス発生器２４０および対極板２４２も眼外に移植される。この場合、フォトダイオードアレイ２０２および経強膜的導電性素子２５６の一部のみが眼内に移植される。明らかに、この例では、フォトダイオードアレイ２０２と同様に、他の移植される部品２４０、２５２、２５６は、生体適合性／生体耐久性のある適当なコーティング内に封じ込められる必要がある。さらに、パルス発生器２４０、対極板２４２および２次コイル２５２（および付随の回路）は、眼外配置のために設計されていると述べたが、これらの部品のいくつかまたは全ては、当業者に知られているように眼内配置のために設計されることも可能である。例えば、特許出願公報ＷＯ９９／４５８７０においてHumayunによって述べられているように、上記２次コイルおよび付随の整流回路は、完全に眼の中に移植されてもよい。
【００２３】
さらに、別の電源のための別の配置が図２の右下に図示されている。この例では、電源は光源２６０および光起電素子２６２の組み合わせで実現されている。光源２６０は、スペクトラムの関連する部分（好ましくは、不可視領域）におけるあらゆる光の光源を備えており、例えば、赤外光発光ダイオードまたは赤外レーザである。光２６４は、移植された光起電素子２６２へ伝搬される。この光起電素子２６２は、例えばフォトダイオードであり、伝搬された光２６４を電力に変換する。この電力は、その後パルス発生器２４０´へ供給される。図２に示すように、光起電素子２６２、パルス発生器２４０´、対極板２４２´および導電性素子２６６は、全て眼内に移植されている。しかし、上述の例のように、このことは必要不可欠ではなく、これらの部品のいくつかまたは全ては眼外に移植されてもよい。例えば、Chowに対して発行された米国特許６，４２７，０８７は、目の前室または水晶体嚢の内部に移植された光起電性素子を使用することが図示されている。しかし、そのような光起電性素子は眼外に配置されてもよく、例えば、鞏膜の表面で結膜の下に配置されてもよい。この場合、パルス発生器２４０´も、目の内部に配置されるフォトダイオードアレイ２０２に加えて、経強膜的導電性素子２６６のみを伴って、目の眼窩（目の網膜が存在する骨質の空洞）の内部のどこかに配置される。
【００２４】
もう１つの別の実施形態が図２にさらに示されている。特に、遠隔対極板２４２、２４２´を用いるだけでなく、刺激電極２０８の周囲に格子状パターンを形成する破線によって図示される対極板２７０がフォトダイオードアレイ２０２に組み込まれている。電極２０８は、各電極２０８を囲むバッファ領域２７２によって対極板格子２７０から電気的に絶縁されている。実際、そのような配置により、各刺激電極２０８の周囲の電流の拡散がより厳重に制限され、人工網膜によって供給される刺激のパターンにおける解像度が高まる。電極格子２７０は連続した共通の電極として図示されているが、あまり好ましくないが、各電極２０８のための、それぞれに対応する複数の対極板２７０を配することも可能である。しかしながら、対極板２７０がそのような刺激電極２０８の近傍に配された場合、パルス発生器２４０´との電気回路を完成するために１つ以上の付加的な導電性素子２７４を配する必要がある。
【００２５】
次に図３〜５を参照しつつ、本発明の動作をさらに説明し、従来技術と比較する。図３には、Palankerらによって、彼らの論文である「高解像度光電子人工網膜の設計」（J. Neural Eng. 2(2005)S105-S120）（以下、Palanker）において提案された人工網膜の動作が示されている。Palankerに示された図は、上述したフォトダイオードの逆方向バイアスがパルス光学的信号と同時発生するようなタイプのフォトダイオードアレイに、パルス刺激を光学的および電気的に供給することを前提としている。それゆえ、電圧波形Ｖによって示されているように、順方向バイアス信号３０２がフォトダイオードに供給され、時々、パルス逆方向バイアス信号３０４も供給される。逆方向バイアス信号３０４の間、上記フォトダイオードは、上述したように光伝導モードで動作する。制御された光学的パルス（その強度はΦで示された波形によって図示されている）は、パルス逆方向バイアス信号３０４と同時供給される。それゆえ、光学的パルス３０６、３０７が入射するフォトダイオードによって伝導される結果としての電流は、入射光パルスの強度に直接的に比例する。このことは図３に示されており、第１振幅Ａを有する第１光学的パルス３０６が供給されると、振幅Ａ´の陰極電流３０８および続いて生じる振幅Ａ´´の陽極電流３０９が生じる。対照的に、第１振幅Ａよりも小さい第２振幅Ｂを有する第２光学的パルス３０７は、振幅Ａ´よりも小さい振幅Ｂ´を有する陰極電流３１０および続いて生じる、振幅Ａ´´よりも小さい振幅Ｂ´´を有する陽極電流３１１を生じさせる。陰極電流波形３０８、３１０の直後の領域および対応する陽極電流３０９、３１１は実質的に同一であり、それによって実質ゼロ電荷注入を経時的に有益に維持できることに注目されたし。要約すれば、Palankerは、注入される電荷の量が入射光パルスの振幅によって決定されるシステムを記述している。
【００２６】
次に図４を参照しつつ、本発明の動作についてより詳しく説明する。まず、逆方向バイアス信号５０２およびパルス順方向バイアス信号５０４のためのパラメータがステップ４０２において決定される。特に、パルス順方向バイアス信号５０４のタイミングとともに、信号５０２および５０４の振幅が決定される。好ましい実施形態では、用いられる電圧については、水の酸化および還元が避けられる電気化学的ポテンシャルの限界を規定するいわゆる「ウォーターウィンド（water window）」を考慮する。これらの限界を超えると、特に不可逆的なダメージが刺激電極にかかり、有害なｐＨ変化も周辺の組織に生じる。当業者には知られているように、Ａｇ｜ＡｇＣｌ参照に対して、刺激電極の陽極ポテンシャルは０．８Ｖを超えてはならず、陰極ポテンシャルは−０．６Ｖを超えてはならない。さらに、個々のパルス５０４、５０６の振幅は、示されているように変化してもよい。
【００２７】
好ましい実施形態では、パルス順方向バイアス信号５０４は、周期的に、固定された周波数で、特定の期間発生する。例えば、１Ｈｚから５０Ｈｚのパルスの反復周波数が、０．１ミリ秒以上１００ミリ秒以内のパルス持続時間とともに採用されることが期待される。パルス順方向バイアス信号５０４は、固定された周波数で供給されることが好ましいが、このことは必要不可欠ではなく、パルス順方向バイアス信号５０４は、不規則にまたは周波数を変えて供給されてもよい。
【００２８】
再び図４を参照すれば、周辺光を超える付加的な光を供給する任意選択のステップ４０４が示されている。上述したように、Palanke法は、フォトダイオードに伝えられる光パルスの振幅を変化させることによって、全ての個々のフォトダイオードによって伝送される電荷の量を変化させる。これに対して、本発明は、電荷を経時的に蓄積することにより伝送される電荷の量を制御する。その電荷は周辺光以外は用いずに供給される。しかし、ある種の低光条件では、付加的な光を伝達することが望まれ、それによって十分な電荷の蓄積が可能になるということが理解される。有益性を考慮すれば、そのような付加的な光照射は、好ましくはスペクトラムの赤外領域のものであり、上述したように眼鏡またはゴーグルを用いて行われ、パルスではなく連続的に行われてもよい。
【００２９】
ステップ４０６において、逆方向バイアス信号５０２が、少なくとも１つの光中継素子に印加され、刺激素子を光伝導モードで動作させ、それによって電流を経時的に集積する。電荷を蓄積する工程は、電極が生物学的組織と電荷の交換を行うことにより行われる。当業者には知られているように、本発明で採用されるタイプの刺激電極は、いわゆる電気的２重層を形成することにより、周囲の水環境との容量性の境界面を確立する。イリジウム酸化物電極の場合には、電極物質内の可逆的な原子価遷移をも通じて容量性の境界面を確立する。本発明は、逆方向バイアスされた光中継素子が光伝導モードで動作し、それによって入射光が電極の静電容量に蓄積する光電流を発生し、同時に発生する電極のポテンシャルの変化を誘導するときに、この容量性の特性を活用する。このことは図５に図示されている。図５では、逆方向バイアス信号５０２が印加されている間、陽極電荷５０８が経時的に蓄積される。逆方向バイアス信号５０２の振幅は、電荷の蓄積の最大レベルに影響を与えるということに注目されたし。振幅が高いほど最大電荷レベルは高くなり、振幅が低いほど最大電荷レベルは低くなる。
【００３０】
電荷を蓄積する工程は、電極の電荷容量が満たされるまで続くか、または、ステップ４０８に示すように、パルス順方向バイアス信号５０４が印加されるまで続く。例えば、図５に示すように、陽極電荷５０８は、各集積期間の間蓄積される。ステップ４１０において、パルス順方向バイアス信号５０４が光中継素子に印加され、当該光中継素子を通じて電気的導通が確立される。この導通は、電極でのポテンシャルの変化を引き起こし、陰極波形５１０、５１２によって示されるように、それまでに蓄積されていた電荷が組織に注入される。陰極波形５１０の振幅は、集積期間に蓄積された電流の量によって決定される。それは言い換えると、光照射状態および集積期間の持続時間の両方に依存している。さらに、陰極波形５１０の振幅は、パルス順方向バイアス信号５０４の振幅によって制御される。このことは図５に図示されている。図５では、振幅Ａの第１順方向バイアスパルス５０４によって振幅Ａ´を有する陰極電流が生じている。これに対して、振幅Ｂ（Ａより低い）を有する後続の順方向バイアスパルス５０６によって、振幅Ｂ´（Ａ´より低い）を有する対応する陰極電流が生じる。波形５１４で示される光照射強度φ２は、波形５０９で示される光照射強度φ１よりも大きく、より大きな電荷５１５の蓄積を引き起こし、パルス５１０における振幅Ａ´よりも大きなパルス５１６における振幅Ａ´´を有するより大きな陰極電流を引き起こす。陰極波形５１０、５１２の振幅は、Palanke法のようには、順方向バイアスパルスの間に存在している入射光の振幅にほとんど依存しておらず、むしろ逆方向バイアス期間の間に蓄積した電荷の総量および順方向バイアスパルス５０４の振幅に依存しているということに注目されたし。それゆえ、もし特定の光中継素子に関して、網膜刺激の閾値に達するのに十分な量の蓄積を成し遂げるには不十分な量の光が、順方向バイアスパルスが印加される時点の間（すなわち、逆方向バイアス信号が印加される間）に当該光中継素子に入射した場合、続いて生じる陰極電流は、知覚反応を生じるには不十分となる。逆に言えば、刺激閾値に達する十分な電荷を発生させる十分な量の光が集積期間の間に存在した場合に知覚反応が生じる。電極の電荷容量は、電極の最大電荷容量が、比較的明るい光状態に見合うだけの十分に大きなものでなければならず、また、そうであったとしても、実質的に全ての集積期間が過ぎた後の状態に見合うだけの十分に大きなものでなければならない。別の言い方をすれば、穏やかな量の光でさえも集積期間の小さな期間において達する容量限界を引き起こすほどに、電極の電荷容量は低くてはならず、集積期間は長くてはいけない。電極容量は、中間レベルの光が、電荷容量限界に達することなく刺激閾値を超える様々な程度の電荷を蓄積できるほどに十分なものでなければならない。
【００３１】
比較的単純な本発明の移植において、パルス順方向バイアス信号５０４、５０６の終端において、逆方向バイアス信号５０２が再び光中継素子に印加され、点線出口ステップ４１０によって示されているように、上述の工程が繰り返される。しかし、再び図４に示すように、場合によって、ステップ４１２において、周辺光の状態（特に、例えばステップ４０４の関与として、付加的な照明が照射されていることを無視する）が、照射されるあらゆる付加的な照明を変更するに値する十分な程度に変化しているかどうかを確かめることが可能である。全般的な周辺光の状態の変化は、当業者に知られているように、付加的な光検出器を用いること、またはパルス発生器２４０によって伝送された電流を監視することで検出できる。周辺光の状態を測定するために、パルス発生器によって伝送される電荷を用いる根拠は、各順方向バイアスパルスの間にパルス発生器によって供給される電荷の総量は、集積期間中にアレイ２０２における全ての要素によって蓄積される電荷の量と実質的に同じであり、それゆえ、上記アレイ上の光照射強度の平均に対して実質的に比例しているということである。もし、付加的な光検出器を用いる場合、それらは、それらが配置された付加的な照明によって影響を受けないように配置されてもよい。例えば、付加的な光検出器は体の外部において、付加的な照明光源を支持するために用いられる眼鏡またはゴーグル上に備えられてもよい。光検出器から伝送された信号または上記パルス発生器の出力を監視することで得られる信号は、ステップ４１２に示した周辺変化状態を検査するために用いられる。例えば、周辺光の強度が低下すれば、ステップ４１４で供給された付加的な外部照明を増加させてもよい。同様に、周辺照明が十分に増加すれば（例えば、人が比較的暗い室内環境から明るい屋外環境へ歩いて出たとき）、ステップ４１４において、付加的な外部照明を減少させる、または、終了させてもよい。
【００３２】
さらに、周辺光が変化すると、ステップ４０２で上述したように、逆方向バイアス信号およびパルス順方向バイアス信号のタイミングおよび振幅パラメータを変更する。例えば、周辺光のレベルが低下したとき、順方向バイアスパルスの周波数を低下させ、それによって集積時間を増加させることが好ましい。より明るい周辺環境では、順方向バイアスパルスの振幅を低下させ、それによって注入される電荷の量を減少させることが有利である。このように、本発明の動作は、人工網膜をより良く制御するために改良されてもよい。
【００３３】
本発明は、光中継素子を有する人工網膜によって伝送される電荷の量をより良く制御する技術を提供しつつ、目の自然な動きおよびフォーカシング能力を活かすためのそのような人工網膜の能力を維持している。このことは、光中継素子を集積モードで動作させ、それによって電荷を経時的に蓄積させる逆方向バイアス信号の印加を通して達成される。続いて順方向バイアス信号を印加することにより、蓄積された電荷が網膜組織に注入される。電荷を比較的長い集積期間の間蓄積し、蓄積された電荷を比較的短い間隔で伝送することにより、本発明は入射光によって生成された光電流よりも実質的に大きい刺激電流を実現しており、その刺激電流の制御は、順方向バイアスパルスおよび逆方向バイアスパルスのタイミングおよび振幅を調整することを通して達成される。
【００３４】
ここに特定の実施形態が詳細に開示されているが、これは図示することのみを目的としたものであり、後述する添付の請求項の範囲を制限することを意図したものではない。特に、請求項によって規定された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な置換、変更および改良が本発明に対して行われることを発明者は予想している。その他の観点、利点および改良は、後述する請求項の範囲内であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る人工網膜の概略図である。
【図２】本発明に係る人工網膜の一実施形態の部分断面および概略を示す図である。
【図３】従来技術の波形を示す図である。
【図４】本発明に係る人工網膜システムの動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明に係る人工網膜システムの動作をさらに記述した波形を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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