(57)【要約】埋め込み型電子システムについて開示される。埋め込み型動力供給装置は、外部で生成された動力供給信号を受信するための複数の動力入力ポートと、検出された動力信号を発出させるための複数の動力出力ポートとを含む。埋め込み型補綴処理モジュールは、検出された動力信号を受信するための動力出力ポートにワイヤで接続された複数の補綴処理入力ポートと、標的の神経組織を電気的に刺激するために補綴刺激信号出力を発出させるための複数の補綴処理出力ポートとを含む。複数のポートのそれぞれは、直流電位を発生させることなく動作するように適合されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
埋め込み型電子システムであって、
埋め込み型動力供給装置であって、
ｉ．外部で生成された動力供給信号を受信する複数の動力入力ポートと、
ｉｉ．検出された動力信号を発生させる複数の動力出力ポートと、
を含む、埋め込み型動力供給装置と、
埋め込み型補綴処理モジュールであって、
ｉ．該検出された動力信号を受信する該動力出力ポートに接続された複数の補綴処理入力ポートと、
ｉｉ．標的の神経組織を電気的に刺激するために補綴刺激信号出力を発生させる複数の補綴処理出力ポートと
を含む、埋め込み型補綴処理モジュールと
を備えており、
該複数のポートのそれぞれは、直流電位を発生させることなく動作するように適合されている、埋め込み型電子システム。
【請求項２】
前記動力供給装置は、非気密性の耐湿性パッケージの中にある、請求項１に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項３】
前記補綴処理モジュールは、非気密性の耐湿性パッケージの中にある、請求項１に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項４】
前記補綴処理入力ポートは、ワイヤによって前記動力出力ポートに接続される、請求項１に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項５】
前記複数のポートのうちの少なくとも１つは、ワイヤを該複数のポートに容易に取り付けることおよびそこから取り外すことを可能にする、切り離し可能なコネクタを含む、請求項１に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項６】
前記外部で生成された動力供給信号は、無線周波数信号である、請求項１に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項７】
前記外部で生成された動力供給信号は、埋め込まれた受信コイルによって発生する、請求項１に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項８】
前記外部で生成された動力供給信号は、エネルギーおよび情報の両方を含む、請求項１に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の埋め込み型電子システムを含む、埋め込み型補綴システム。
【請求項１０】
前記システムは、蝸牛補綴システムである、請求項９に記載の埋め込み型補綴システム。
【請求項１１】
前記システムは、網膜補綴システムである、請求項９に記載の埋め込み型補綴システム。
【請求項１２】
埋め込み型電子システムであって、
ｉ．外部で生成された動力供給信号を受信する複数の動力入力ポートを含む動力供給装置と、
ｉｉ．標的の神経組織を電気的に刺激するために補綴刺激信号出力を発生させる複数の補綴処理出力ポートを含む、補綴処理モジュールと
を収納する、単一の埋め込み型の非気密性の耐湿性パッケージを備えており、
該複数のポートのそれぞれは、直流電位を発生させることなく動作するように適合されている、埋め込み型電子システム。
【請求項１３】
前記パッケージは、単一チップのパッケージである、請求項１２に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項１４】
前記外部で生成された動力供給信号は、無線周波数信号である、請求項１２に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項１５】
前記外部で生成された動力供給信号は、埋め込まれた受信コイルによって発生する、請求項１２に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項１６】
前記外部で生成された動力供給信号は、エネルギーおよび情報の両方を含む、請求項１２に記載の埋め込み型電子システム。
【請求項１７】
請求項１２から１６のいずれかに記載の埋め込み型電子システムを含む、埋め込み型補綴システム。
【請求項１８】
前記システムは、蝸牛補綴システムである、請求項１７に記載の埋め込み型補綴システム。
【請求項１９】
前記システムは、網膜補綴システムである、請求項１８に記載の埋め込み型補綴システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許出願第１１／４３６，４０３号（２００６年５月１８日出願）の優先権を主張するものであり、その全体は参考として本明細書に援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、埋め込み型電子システムに関し、具体的には、そのようなデバイスの動力供給システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ごく一般的な能動的埋め込み型システムは、図１に示されているようなものである場合がある。当該システムは、２つの埋め込まれたサブシステム、供給システム１０１と単一チップ処理システム１０２とからなる。供給システム１０１は、入力接点１０３および１０４、ならびに出力接点１０７および１０８を具備してもよい。入力接点は、一般に、誘導コイル１０５（関連インダクタンスＬ２を有する）を介して互いに接続される。埋め込まれたコイル１０５は、体の外側に配置された別の外部コイル１０６（その自己インダクタンスＬ１を有する）と誘導的に結合される場合がある。両コイルは、一次巻線としての外部コイル１０６と二次巻線としての埋め込まれたコイル１０５とによって弱く結合した変圧器を形成する。これは、無傷の皮膚表面を介した電気エネルギー伝達（経皮的動力伝達）を可能にする。供給システム１０１は、動力供給装置の出力接点１０７および１０８において、無線周波数（ｒｆ）信号ｕ２（ｔ）を適切な内部信号ｕｐ（ｔ）に変換する。動力供給装置の出力接点１０７および１０８は、絶縁されたワイヤ１１１および１１２によって、処理システムの入力接点１０９および１１０に接続される。信号ｕｐ（ｔ）は、処理システム１０２にエネルギーおよび情報の両方を供給することができる。ワイヤ１１１および１１２の電気インピーダンスを無視すると、信号ｕｐ（ｔ）は処理システムの入力接点１０９と１１０との間にも現れる。
【０００４】
処理システム１０２は、一般に、特定の計測および／または能動的刺激タスク、例えば、生体電気信号の計測、化学物質の検知、および／または周囲組織に対する電気信号の印加を実行する。信号は、電極のセット１１３を用いて検知および／または印加される。処理システム１０２の１つの特殊な特性は、極めて限定的な空間要件により、機能性全体が単一の電子チップに統合され得ることである。気密的に密閉されたパッケージを用いて電子回路が体液から保護される場合がある供給システム１０１とは対照的に、処理システム１０２は、一般に、種々の薄い不動態化層（例えば、酸化物）によってのみ保護される。また、外部ダイオードまたは離散的コンデンサ等のさらなる電気コンポーネントのための余地がない場合もある。
【０００５】
図１に示されているシステムの１つの具体例は、非特許文献１（参照することにより本明細書に組み込まれる）において記載されているような、網膜補綴であってもよい。当該システムにおいて、処理システムチップは、内網膜の表面上に（網膜上アプローチ）、または網膜下腔内に（網膜下アプローチ）位置する。一般に、処理チップの大きさは数平方ミリメートルであり、厚さは数十ミクロンである。保護のために、処理チップは、数層の光透過性材料によって覆われる。処理チップは、サブユニットの配列を含んでもよく、各サブユニットは、フォトダイオード、アナログ増幅器、および刺激電極を含む。これらのサブユニットは、画像からの光エネルギー（光子）を電気インパルスに変換して網膜の残りの機能細胞を刺激するように設計されてもよい。
【０００６】
残念なことに、埋め込まれたデータ処理チップに、外部供給装置を使用することなく入射光のみによって動力供給できるという当初の希望は実現されなかった。したがって、網膜処理チップは、動力と制御信号とを提供する供給システムに接続されなくてはならない。例えば、供給システムは、非特許文献２（参照することにより本明細書に組み込まれる）において記載されているような人工内耳と同様に、耳の後側のエリアに埋め込まれる場合がある。そのような供給システムは、例えば、非特許文献３（参照することにより本明細書に組み込まれる）において記載されているような経皮的誘導リンクを使用して、（必要に応じて）充電され得る充電式バッテリを具備する場合がある。このようにして、図１に示すようなシステム構成が得られる。
【非特許文献１】Ｍａｒｇａｌｉｔ  Ｅ，Ｍａｉａ  Ｍ，Ｗｅｉｌａｎｄ  ＪＤ，Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇ  ＲＪ，Ｆｕｊｉｉ  ＧＹ，Ｔｏｒｒｅｓ  Ｇ，Ｐｉｙａｔｈａｉｓｅｒｅ  ＤＶ，Ｏ’Ｈｅａｒｎ  ＴＭ，Ｌｉｕ  Ｗ，Ｌａｚｚｉ  Ｇ，Ｄａｇｎｅｌｉｅ  Ｇ，Ｓｃｒｉｂｎｅｒ  ＤＡ，ｄｅ  Ｊｕａｎ  Ｅ，ａｎｄ  Ｈｕｍａｙｕｎ  ＭＳ，Ｒｅｔｉｎａｌ  Ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ  Ｆｏｒ  Ｔｈｅ  Ｂｌｉｎｄ，Ｓｕｒｖｅｙ  ｏｆ  Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．４，Ｊｕｌｙ−Ａｕｇｕｓｔ  ２００２
【非特許文献２】Ｗａｌｔｚｍａｎ  ＳＢ  ａｎｄ  Ｃｏｈｅｎ  ＮＬ，Ｃｏｃｈｌｅａｒ  Ｉｍｐｌａｎｔｓ，ＩＳＢＮ  ０−８６５７７−８８２−５，Ｔｈｉｅｍｅ  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，２０００
【非特許文献３】Ｚｉｅｒｈｏｆｅｒ  ＣＭ  ａｎｄ  Ｈｏｃｈｍａｉｒ  ＥＳ，Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ−Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｎｄ  Ｄａｔａ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｖｉａ  Ａｎ  Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｌｉｎｋ，ＩＥＥＥ−Ｔｒａｎｓ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．ＢＭＥ−３７，ｐｐ．７１６−７２３，Ｊｕｌｙ  １９９０
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の代表的な実施形態は、埋め込み型電子システムを含む。埋め込み型動力供給装置は、外部で生成された動力供給信号を受信するための複数の動力入力ポートと、検出された動力信号を発生させるための複数の動力出力ポートとを含む。埋め込み型補綴処理モジュールは、検出された動力信号を受信するための動力出力ポートにワイヤで接続された複数の補綴処理入力ポートと、標的神経組織を電気的に刺激するために補綴刺激信号出力を発生させるための複数の補綴処理出力ポートとを含む。複数のポートのそれぞれは、直流電位を発生させることなく動作するように適合される。
【０００８】
さらなる実施形態において、動力供給装置および／または補綴処理モジュールは、非気密性の耐湿性パッケージ内にあってもよい。複数のポートのうちの少なくとも１つは、ワイヤを複数のポートに容易に取り付けることおよびそこから取り外すことを可能にする、切り離し可能なコネクタを含んでもよい。
【０００９】
種々の実施形態において、外部で生成された動力供給信号は、例えば埋め込まれた受信コイルによって発生する無線周波数信号である。外部で生成された動力供給信号は、エネルギーおよび情報の両方を含有してもよい。
【００１０】
いくつかの実施形態は、出力ポート間に直流電位を発生させることなく、受信された動力信号を発出するための、少なくとも一対の出力ポートをさらに含み得る。処理モジュールは、受信された動力信号を受信することができる。処理モジュールは、気密的に密閉されたパッケージ内に位置してもよい。処理モジュールは、組織相互作用素子、例えば、刺激電極素子または組織センサ素子と結合されてもよい。
【００１１】
実施形態は、前述のいずれかに記載の埋め込み型電子システムを含む埋め込み型補綴システムも含む。特定のシステムは、蝸牛補綴システムまたは網膜補綴システムであってもよい。
【００１２】
別の実施形態は、動力供給装置と補綴処理モジュールとを収納する単一の埋め込み型の非気密性の耐湿性パッケージを有する、埋め込み型電子システムを含む。動力供給装置は、外部で生成された動力供給信号を受信するための動力入力ポートを含む。補綴処理モジュールは、標的神経組織を電気的に刺激するために補綴刺激信号出力を発生させるための補綴処理出力ポートを有する。ポートのそれぞれは、直流電位を発生させることなく動作するように適合される。
【００１３】
そのようなさらなる実施形態において、パッケージは、単一チップパッケージであってもよい。ポートのうちの少なくとも１つは、ワイヤをポートに容易に取り付けることおよびそこから取り外すことを可能にする、切り離し可能なコネクタを含んでもよい。外部で生成された動力供給信号は、無線周波数信号であってもよい。外部で生成された動力供給信号は、埋め込まれた受信コイルによって発生してもよく、かつ／またはエネルギーおよび情報の両方を含有してもよい。
【００１４】
実施形態は、上記実施形態のいずれかに記載の埋め込み型電子システムを含む埋め込み型補綴システムも含む。例えば、システムは、蝸牛補綴システムまたは網膜補綴システムであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施形態は、そのポート間に直流電位を発生させない埋め込み型電子システムを対象とする。例えば、埋め込み型電子システムは、直流電流のない入力および出力接点を有する、図１に示すような供給システムおよび単一チッププロセッサであってもよい。供給システムおよび／または単一チッププロセッサは、非気密性の耐湿性パッケージ内に収納されてもよく、当該パッケージは、埋め込まれたときにはガス透過性であるが、湿性で生物学的に活性な埋め込み環境によって影響を受けるレジストである。その他の具体的な実施形態において、耐湿性パッケージは、気密的に密閉されてもよい。
【００１６】
図２は、直流電流のない入力および出力接点を有する埋め込み型動力供給装置の一実施形態を示す。供給入力接点２０１および２０２、供給出力接点２０３および２０４、ならびに供給入力コイル２０５は、耐湿性パッケージ２００の外側にある。埋め込まれた供給入力コイル２０５（インダクタンスＬ２を有する）および供給入力コンデンサ２０６（静電容量Ｃ２を有する）は、外部で生成された無線周波数（ｒｆ）動力信号ｕ２（ｔ）を受信するための並列同調回路を表す。供給入力コイル２０５が理想的であると仮定すると、入力接点２０１と２０２との間には直流電位が発生しない。信号ｕ２（ｔ）は、２つのダイオードと２つのコンデンサ（静電容量Ｃ０）とを含む整流回路２０７によって、全波整流および平滑化される。十分に大きい静電容量Ｃ０では、結果として生じる電圧ＶＣＣおよびＶＳＳは、直流様の電位である。供給システムは、非重複クロック信号φ１（ｔ）およびφ２（ｔ）を生成するクロック発生器２０９も具備する。これらのクロック信号φ１（ｔ）およびφ２（ｔ）は、スイッチングマトリクス２０８内のスイッチを制御する。
【００１７】
図３に示すように、φ１（ｔ）＝ＶＣＣかつφ２（ｔ）＝ＶＳＳである期間中、電圧ＶＣＣおよびＶＳＳは、それぞれｕｐ（ｔ）＝ＶＣＣ−ＶＳＳとなるように供給出力接点２０３および２０４に接続される。逆に、φ１（ｔ）＝ＶＳＳかつφ２（ｔ）＝ＶＣＣである間、ｕｐ（ｔ）＝ＶＳＳ−ＶＣＣとなる。φ１（ｔ）＝ＶＳＳかつφ２（ｔ）＝ＶＳＳの場合、供給出力接点２０３および２０４はフローティングしている、すなわち、それらは既定の電位を有さない。状態φ１（ｔ）＝ＶＣＣの平均持続時間が状態φ２（ｔ）＝ＶＣＣの平均持続時間と等しい場合、供給出力接点２０３および２０４は、互いの間に直流電位を有さない。また、整流器２０７内におけるダイオードの電圧降下にもかかわらず、供給入力接点２０１および２０２に対する直流電圧はない。電圧ｕP（ｔ）がフローティング相を有さず、状態φ１（ｔ）＝ＶＣＣとφ２（ｔ）＝ＶＣＣとを等しい持続時間にわたって有する場合、チップの信号処理段階のための、ほぼ短時間動揺のない直流供給電圧が生成される。具体的な実施形態において、発生した信号は、エネルギーおよび情報の両方を含有し得る。
【００１８】
単一チップの埋め込み型電子システムの例を、図４に示す。単一のプロセッサチップ４００は、１つ以上の不動態化層によって体液等の湿気から保護される。プロセッサチップ４００は、統合整流器４０３と、信号処理および／または刺激パルス生成のための機能性を実装するその後の処理段階４０４とを含む。処理段階４０４の正常動作は、統合整流器４０３によって発出されるもの等の１つの特定の極性を有する電源電圧に依存する。理想的な整流器では、入力が規定されている場合、整流器出力信号は、入力信号と規模が等しい、すなわち、ｕＲ（ｔ）＝｜ｕＰ（ｔ）｜である。図２に示されているもの等の供給システムによって入力信号ｕＰ（ｔ）が生成される場合、ｕＰ（ｔ）がフローティングしていない期間中はｕＲ（ｔ）＝ＶＣＣ−ＶＳＳとなる。
【００１９】
統合整流器の例を、図５および６に示す。図５に示されている整流器は、ＭＯＳトランジスタ５０１、５０２、５０３、および５０４がダイオードとして切り替えられた、すなわち、ゲートがそれぞれドレインに接続された、教科書的アプローチを表す。このアプローチは統合に非常に適しているが、１つの欠点は、ＭＯＳトランジスタ全体にわたって、ソースとドレインとの間の圧力降下ＵＳＤ≒１〜２Ｖがそれぞれ生じることである。このように、出力電圧は２ＵＳＤで減少させたれる、すなわち、ｕＲ（ｔ）＝｜ｕＰ（ｔ）｜−２ＵＳＤとなる。低電圧印加では、この低減は重要な検討事項となる場合がある。
【００２０】
図６に示すアプローチもＭＯＳトランジスタを利用するため、統合によく適しているが、参照することにより本書に組み込まれる、２００５年７月８日に出願された米国仮特許出願第６０／６９７，６２４号に記載されているように、トランジスタ全体にわたる大きな電圧降下を回避する。２つのＰＭＯＳトランジスタ６０１および６０３、ならびに２つのＮＭＯＳトランジスタ６０２および６０４があり、これらはオン／オフスイッチとして動作する。標準的なＣＭＯＳ技術を使用してもよい。トランジスタのゲートは、入力電圧レールに直接接続される。十分な規模の入力電圧差であれば、ｕＲ（ｔ）≒｜ｕＰ（ｔ）｜となることが確実である。スイッチオン状態中の電圧降下がごくわずかであるように、４つのトランジスタは十分大きいものでなくてはならない。電圧降下が大きすぎる（一般に、約０．７Ｖより大きい）場合、寄生基板ＰＮダイオードは、導電性となる傾向がある。
【００２１】
図７は、単一のチップシステム７００内における刺激生成のためのシステムの一例を示す。便宜上、一対の刺激電極対７０８および７０９のみを示し、これらの電極間のインピーダンスを抵抗素子である負荷抵抗器７１０で示している。目標は、入力接点７０１と７０２との間、または刺激電極対７０８と７０９との間に発生する直流電圧電位がないことである。直流電流のない入力電圧ｕＰ（ｔ）が図３に示されているもの等の定電圧のセグメントおよび図６に示されているもの等の統合整流器７０３から構成されると仮定すると、ｕＰ（ｔ）がフローティングしていない場合、整流電圧はｕＲ（ｔ）≒ＶＣＣ−ＶＳＳである。刺激は、荷電平衡パルスによって、例えば、対称２相パルスを生成することにより、達成され得る。第１相では、第１の電流源７０４（例えば、ＰＭＯＳトランジスタ）において電流振幅ｉＰ（ｔ）が印加され、第１のスイッチ７０６（例えば、ＮＭＯＳトランジスタ）は閉鎖される。第２相では、第２の電流源７０５（例えば、ＮＭＯＳトランジスタ）において電流振幅ｉＮ（ｔ）が印加され、第２のスイッチ７０７（例えば、ＰＭＯＳトランジスタ）は閉鎖される。そのような切り替え手順によって、電極７０７および７０８における平均電位は、それぞれ
【００２２】
【数１】
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となる。その上、例えば何らかの非気密性の有機材料によって提供される、７０１／７０２における絶縁が完全なものでない場合であっても、７０８／７０９における平均電位は、７０１／７０２における平均電位と等しいことが確実となる。
【００２３】
さらなる実施形態において、動力供給装置および補綴処理回路は、１つの単一チップに統合されてもよく、このチップは、何らかの非気密性材料によって封入されている。チップ自体は、酸化物もしくは窒化物の層または何らかの同様の材料によって体液から保護され、入力および出力パッドのみを露出しており、これらのパッドは必然的に、プラチナ、イリジウム、金、ニオブ、チタン、またはタンタル等、何らかの非腐食性の生体適合金属からなる。したがって、システム全体は、気密的に封入された単一チップ、何らかのＲＦ搬送波を介して動力および情報信号を受信するための１つ以上の受信コイル、ならびに電極のセットからなる。
【００２４】
多数の既知の整流回路が使用され得る。コンデンサＣ０（図２中のものと同様）は、大きさが若干限定された統合チップコンデンサである。十分に平滑な直流供給を得るために、これは、十分に高い周波数の無線周波数搬送波、または矩形の入力信号のいずれかを必要とする。後者の場合、誘導性の経皮的伝送システムは、十分に広帯域であることが必要である。
【００２５】
本発明の種々の例示的な実施形態を開示したが、本発明の真の趣旨を逸脱することなく、本発明の利点のうちのいくつかを達成する種々の変更および修正がなされ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、一般的な埋め込み型電子システムの機能素子を示す図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による供給システムの機能素子を示す図である。
【図３】図３は、図２のシステムに関連付けられた種々の信号を示す図である。
【図４】図４は、単一チッププロセッサの１つの具体的な実施形態の一般的構成を示す図である。
【図５】図５は、ダイオードとして切り替えられたＭＯＳトランジスタから構成される全波整流器の一例を示す図である。
【図６】図６は、能動ＭＯＳトランジスタから構成される全波整流器の一例を示す図である。
【図７】図７は、単一チッププロセッサ内における刺激生成のためのシステムの一例を示す図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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