(57)【要約】  生物の組織に植え込み可能である、電気的な生物活性を検出するためおよびこの生物活性に影響を与えるための装置と、少なくとも２個のかかる装置を備えた、電気的な生物活性を検出するためおよび／またはこの生物活性に影響を与えるためのシステム。
2007530104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組織または生物内の電圧差を検出するための２個の測定電極（１６）と、
組織または生物から外側へ情報を伝達するために、前記測定電極（１６）によって検出された電圧差に基づいて電気的な生物活性に関する情報を無線で送信するように形成されたトランスミッタ（１８）と、
組織または生物の外側から電気エネルギーを前記トランスミッタ（１８）に供給するために、エネルギーを無線で受け取るように構成されたエネルギーレシーバ（１２）とを少なくとも備えた、前記生物の組織に植え込み可能である電気的な生物活性を検出するための装置（１０）において、
前記エネルギーレシーバ（１２）と前記トランスミッタ（１８）とが時間的に並列作動されるように構成され、前記両測定電極（１６）と前記トランスミッタ（１８）との間に電圧感知スイッチ（１４）が接続され、該電圧感知スイッチ（１４）は、かつ前記電気的な生物活性の時間的な経過または変化に関する情報を前記トランスミッタ（１８）の１つまたは複数の送信特性の変化の形に、そして前記トランスミッタ（１８）のアイデンティティに関する前記情報を前記トランスミッタ（１８）の１つまたは複数の送信特性の形にアナログ符号化するように、前記トランスミッタ（１８）を切り換えるよう構成されていることを特徴とする前記装置（１０）。
【請求項２】
前記送信特性が、送信振幅および／または送信周波数であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記検出された電圧差が前もって定めることができる電圧閾値を上回るかまたは下回るときに、前記スイッチ（１４）が、前記トランスミッタ（１８）をオン／オフするように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置（１０）。
【請求項４】
前記トランスミッタ（１８）が、マイクロ波および電波のための閉鎖共振器を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１０）。
【請求項５】
前記トランスミッタ（１８）が、赤外線（ＩＲ）、紫外線（ＵＶ）および可視光線のためのフォトダイオードを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１０）。
【請求項６】
前記トランスミッタ（１８）が、発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１０）。
【請求項７】
前記トランスミッタ（１８）が、量子井戸構造を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１０）。
【請求項８】
前記トランスミッタ（１８）が、量子細線構造を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１０）。
【請求項９】
異なる送信特性に基づいて区別可能である少なくとも２個のトランスミッタ（１８）が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置（１０）。
【請求項１０】
電気的な生物活性に影響を与えるために組織または生物内に電圧をかけるための２個の電極（３６）と、
前記組織または前記生物の外側から電気エネルギーを２個の電極（３６）に供給するために、エネルギーを無線で受け取るように構成されたエネルギーレシーバ（１２）と、
電気的な生物活性に影響を与えるための組織または生物の外側からの制御情報信号を無線で受け取るように構成された制御情報レシーバ（３８）とを少なくとも備えた、前記生物の組織に植え込み可能である、電気的な生物活性に影響を与えるための装置（３４）において、
前記エネルギーレシーバ（１２）と前記制御情報レシーバ（３８）とが時間的に並列作動されるように形成され、前記制御情報レシーバ（３８）と前記両電極（３６）との間に電圧感知スイッチ（１４）が接続され、該電圧感知スイッチ（１４）は、前記エネルギーレシーバ（１２）から前記電極（３６）への電流の流れを制御情報レシーバ（３８）によって制御して切り換えるように構成され、
前記制御情報レシーバのアイデンティティと、電気的な生物活性に影響を与える量とが、制御情報信号の周波数および／または振幅によってアナログ符号化されていることを特徴とする前記装置（３４）。
【請求項１１】
前記スイッチ（１４）が、前記電極間に電圧パルスが発生するように制御情報レシーバ（３８）によって制御可能であることを特徴とする請求項１０記載の装置（３４）。
【請求項１２】
前記制御情報レシーバ（３８）が、マイクロ波および電波のための閉鎖共振器を備えていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置（３４）。
【請求項１３】
前記制御情報レシーバ（３８）が、赤外線（ＩＲ）、紫外線（ＵＶ）および可視光線のためのフォトダイオードを備えていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置（３４）。
【請求項１４】
異なる受信特性に基づいて別々に応答可能である少なくとも２個の制御情報レシーバが設けられていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項１５】
前記エネルギーレシーバ（１２）が、マイクロ波および電波のための閉鎖共振器を備えていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項１６】
前記エネルギーレシーバ（１２）が、赤外線（ＩＲ）、紫外線（ＵＶ）および可視光線のためのフォトダイオードを備えていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項１７】
前記エネルギーレシーバ（１２）が、音波のための圧電結晶を備えていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項１８】
前記電圧感知スイッチ（１４）が、電圧感知抵抗を備えていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項１９】
前記電圧感知スイッチ（１４）が、電界効果トランジスタの開放連鎖を備えていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項２０】
前記電圧感知スイッチ（１４）が、電気光学スイッチを備えていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項２１】
前記電気光学スイッチが、発光ダイオード（ＬＥＤ）とフォトダイオードとを備えていることを特徴とする請求項２０に記載の装置（１０、３４）。
【請求項２２】
集積回路（ＩＣ）として形成されていることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項２３】
前記装置（１０、３４）全体が、前記測定電極（１６）または電極（３６）の接触部を除いて、電気的に絶縁性の材料で覆われていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項２４】
前記測定電極（１６）または電極（３６）が、末端部（２８）として構成されていることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項２５】
前記測定電極（１６）または電極（３６）が、コンデンサとしてまたはコンデンサ（２８）を備えた末端部として形成されていることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の装置（１０、３４）。
【請求項２６】
組織または生物に植え込まれた、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の少なくとも２個の装置（１０および／または３４）を備えている、電気的な生物活性を検出するためおよび／またはこの生物活性に影響を与えるためのシステム。
【請求項２７】
組織または生物の外側に、少なくとも１個のエネルギー送出装置と少なくとも１個の生物活性検出装置および／または少なくとも１個の生物活性に影響を与える装置が設けられていることを特徴とする請求項２６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載した、電気的な生物活性を検出するための、生物の組織に植え込み可能な装置と、請求項１０の前提部分に記載した、電気的な生物活性に影響を与えるための、生物の組織に植え込み可能な装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
請求項１の前提部分に記載した装置は特許文献１によって公知であり、請求項１０の前提部分に記載した装置は特許文献２によって公知である。しかしながら、これらの公知の装置はかなり大きいので、例えば中枢神経系のような生物学的な系内においてはこれらの装置の集積度では不十分である。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１１４７６９号明細書
【特許文献２】国際公開第００／１３５８５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明の根底をなす課題は、生物学的な系と、その外側にある、例えば測定機器、監視機器、いわゆる刺激器または効果器のような機器との間で信号交換をするための装置を小型化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、請求項１の前提部分に記載された装置において、エネルギーレシーバとトランスミッタとが時間的に並列運転するように構成され、両測定電極とトランスミッタとの間に電圧感知スイッチが接続され、この電圧感知スイッチは、電気的な生物活性の時間的な経過または変化に関する情報をトランスミッタの１つまたは複数の送信特性の変化の形に、そしてトランスミッタのアイデンティティに関する情報をトランスミッタの１つまたは複数の送信特性の形にアナログ符号化するように、トランスミッタを切り換えるよう構成されていることによって、上記課題が解決される。それによって、電圧差の時間的な経過を、例えば送信振幅、送信波長、送信周波数の変化に、並びにあるいは個々のパルス等の形および高さにアナログ符号化または表示することができる。
【０００５】
さらに、請求項１０の前提部分に記載した装置の場合、エネルギーレシーバと制御情報レシーバが時間的に並列運転するように構成され、制御情報レシーバと両電極間に電圧感知スイッチが接続され、この電圧感知スイッチは、エネルギーレシーバから電極への電流の流れを制御情報レシーバによって制御して切り換えるように構成され、制御情報レシーバのアイデンティティと、電気的な生物活性に影響を与える量とが、制御情報信号の周波数および／または振幅によってアナログ符号化されていることによって上記課題が解決される。
【０００６】
組織はもちろん、動物または人間の内側または外側の組織でもよい。特に、脳、心臓および筋肉内に植え込むための装置であるので、医学的な診断や神経生理学の分野やプロテーゼの制御の際に使用可能である。
【０００７】
電気的な生物活性とは、細胞、例えば神経細胞の膜電位（またはその時間的な変化）を意味する。
【０００８】
電気的な生物活性を検出する装置の場合は特に、送信特性は送信振幅および／または送信周波数である。
【０００９】
電気的な生物活性を検出する装置の場合、検出された電位差が前もって定めることができる電圧閾値を上回るかまたは下回るときに、スイッチがトランスミッタをオン／オフするように構成されている。それによって、活動電位の存在、すなわち例えば脳の内外の神経細胞の場合のような膜電位の急激な変化が検出され、送信される。そのとき、スイッチは１ビットスイッチのように作用する。
【００１０】
さらに、トランスミッタは特にマイクロ波および電波のための閉鎖共振器を備えている。
【００１１】
あるいは、トランスミッタは特に赤外線（ＩＲ）、紫外線（ＵＶ）および可視光線のためのフォトダイオードを備えていてもよい。
【００１２】
さらに、トランスミッタは発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えていてもよい。
【００１３】
さらに、あるいは、トランスミッタは量子井戸構造を備えていてもよい。この量子井戸構造は例えば量子レーザーである。
【００１４】
同様に、トランスミッタは量子細線構造を備えていてもよい。
【００１５】
異なるアナログ送信特性（送信振幅および／または送信周波数）に基づいて区別可能である少なくとも２個のトランスミッタが設けられていると有利である。それによって、一方では組織内で装置の一層高い集積度が達成され、他方では多大な部品コストおよび信号処理コストを必要とせずに、トランスミッタの一義的な識別が達成される。
【００１６】
マイクロ効果器またはマイクロ刺激器とも呼ばれる、電気的な生物活性に影響を与えるための装置の場合、電極間に電圧パルスが発生するように、スイッチが制御情報レシーバによって制御可能である。電圧パルスが充分な強さで短いと、周囲の細胞が生物活性を受ける。しかしもちろん、電圧パルスの代わりに、組織の外側から制御される電圧変化を周囲の組織に与えるまたは起こすことができる。
【００１７】
さらに、制御情報レシーバが特にマイクロ波および電波のための閉鎖共振器を備えていてもよい。
【００１８】
あるいは、制御情報レシーバが特に赤外線（ＩＲ）、紫外線（ＵＶ）および可視光線のためのフォトダイオードを備えていてもよい。
【００１９】
異なるアナログ受信特性（振幅および／または周波数）に基づいて別々に応答可能である少なくとも２個の制御情報レシーバが設けられていると有利である。それによって、制御情報レシーバの一層高い集積度と、制御情報レシーバの分離制御が達成される。
【００２０】
エネルギーレシーバが特にマイクロ波および電波のための閉鎖共振器を備えていると有利である。
【００２１】
あるいは、エネルギーレシーバが特に赤外線（ＩＲ）、紫外線（ＵＶ）および可視光線のためのフォトダイオードを備えていてもよい。
【００２２】
さらに、エネルギーレシーバが音波のための圧電結晶を備えていてもよい。
【００２３】
特に簡単な実施形態では、電圧感知スイッチが電圧感知抵抗を備えていてもよい。
【００２４】
あるいは、電圧感知スイッチが、電界効果トランジスタの開放連鎖を備えていてもよい。
【００２５】
さらに、電圧感知スイッチが電気光学スイッチを備えていてもよい。
【００２６】
その際特に、電気光学スイッチは発光ダイオード（ＬＥＤ）とフォトダイオードを備えていてもよい。
【００２７】
装置が集積回路（ＩＣ）として形成されていると有利である。
【００２８】
測定電極または電極の接触部を除いて、装置全体が電気的に絶縁性の材料、特に塗料で塗られていると有利である。それによって、組織、特に脳組織の刺激が最小限に抑えられる。
【００２９】
測定電極または電極が末端部として形成されていると有利である。それによって、組織刺激をさらに抑えることができる。
【００３０】
あるいは、測定電極または電極はコンデンサとしてまたはコンデンサを備えた末端部として構成することが可能である。
【００３１】
本発明では、組織または生物に植え込まれた、上記請求項のいずれか１項に記載の少なくとも２個の装置を備えている、電気的な生物活性を検出するためおよび／またはこの生物活性に影響を与えるためのシステムが提案される。特に、組織または生物の外側に、少なくとも１個のエネルギー送出装置と少なくとも１個の生物活性検出装置および／または少なくとも１個の生物活性に影響を与える装置が設けられていてもよい。生物活性に影響を与える装置は制御情報信号を送信する。
【００３２】
本発明は、電圧感知スイッチを設けることによって、並びにエネルギーレシーバとトランスミッタまたは制御情報レシーバを構成することによって、情報をトランスミッタの送信特性（送信振幅および／または送信周波数）および制御情報信号および／または制御情報レシーバの特性にアナログ符号化するように、エネルギーレシーバとトランスミッタまたは制御情報レシーバが時間的に並列運転可能であり、電気的な生物活性を検出するかまたはこの生物活性に影響を与えるための装置の小型化が実現可能であるという驚くべき認識に基づいている。さらに、トランスミッタまたは制御情報レシーバの機能からのエネルギーレシーバの機能の分離は、各装置にトランスミッタまたは制御情報レシーバが１個だけ設けられているときに、装置相互の一義的な識別または装置の分離制御を可能にし、植え込み可能な各装置に、２個以上のトランスミッタまたは２個以上の制御情報レシーバが設けられているときに、トランスミッタの一義的な識別または制御情報レシーバの分離制御を可能にする。
【００３３】
さらに、特に伝送される情報のアナログ符号化のために、トランスミッタの送信特性または制御情報信号および／または制御情報レシーバの特性（振幅および／または周波数）に基づいて、きわめて少数のコンポーネントが信号処理に関与しているので、本発明による装置は応答がきわめて迅速であり、従って一層現状に近い電気的な生物活性の検出または生物活性に対する影響付与を可能にする。
【００３４】
本発明の他の特徴および効果は、特許請求の範囲および以下の記載から明らかになる。以下の記載では、概略図に基づいて２つの実施形態を詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１および図２から明らかなように、本発明の一つの実施形態による、電気的な生物活性を検出するための生物に植え込み可能な装置１０は、エネルギーレシーバ１２と、電圧感知スイッチ１４と、図１においては符号１６でまとめて示されている２個の測定電極１６ａ、１６ｂと、トランスミッタ１８とを備えている。エネルギーレシーバ１２は組織（図示せず）の外側から電磁波２０を受け取り、この電磁波を電気エネルギーに変換する。この電気エネルギーは以下の例では電気エネルギーとして例えば１個または複数個のコンデンサ（図示せず）に蓄えられ、そして必要に応じて、例えばトランスミッタ１８が情報を伝送するときにトランスミッタに送られる。あるいは、エネルギーレシーバ１２が受け取った電気エネルギーを、一時的に蓄えないでトランスミッタ１８に直接送ってもよい。もちろん、エネルギーレシーバ１２を介してではなく、生体特有の物質代謝によってエネルギー供給を行ってもよい。
【００３６】
電圧感知スイッチ１４は、測定電極１６とトランスミッタ１８との間に配置されている。電圧感知スイッチ１４は例えば電圧感知抵抗またはコンデンサである。
【００３７】
測定電極１６の周囲の例えば神経組織（図示せず）の電気的な生物活性が装置１０によって検出され、この情報がトランスミッタ１８に伝えられる。神経組織の電位差が所定の電位差閾値に達すると、スイッチ１４はトランスミッタ１８をスイッチオンする。電圧感知スイッチ１４がコンデンサである場合、測定電極１６によって周囲の神経組織で検出された電圧変化がトランスミッタ１８の情報伝達信号から読み取られ得るように、トランスミッタ１８はスイッチ１４によって影響を与えられる。
【００３８】
トランスミッタ１８の役目はエネルギーレシーバ１２からの電流を電磁波２２に変換することである。電磁波は、測定電極１６によって検出された例えば活動電位または電圧差の変化に関する情報を含んでおり、従って情報伝達信号を送信する。本実施形態では、トランスミッタ１８は開放共振器（図示せず）を備えている。２個以上のこのような装置または２個以上のトランスミッタが使用されるときには、この装置またはトランスミッタは例えば異なる波長またはパルス信号によって区別できるように構成することが可能である。
【００３９】
原理的には、電気的な生物活性を検出するためのこのような１個の装置に、複数のエネルギーレシーバ、電圧感知スイッチおよびトランスミッタを設けることができる。それによって例えば、局所的な生物活性の空間的な分布に関する情報を得ることができる。その際、装置の密度は実質的に、（例えば異なる波長を有する）トランスミッタの異なる情報信号の分離可能性と、装置の製造サイズとによって制限される。
【００４０】
装置１０は集積回路（ＩＣ）としておよびナノシステム技術／マイクロシステム技術によって製造可能である。
【００４１】
図２からわかるように、装置１０は頭部分２４と末端部２８を備えている。この頭部分内において、エネルギーレシーバ１２と電圧感知スイッチ１４とトランスミッタ１８とがプリント回路基板状の構造体２６上に設けられている。末端部は細く、頭部分２４から長く延びている。上記の末端部はそれぞれ接触部３０または３２を有する両測定電極１６ａ、１６ｂを備えている。装置１０全体はこの接触部３０、３２を除いて、電気的に絶縁性の塗料で塗られている。この塗料は、周囲の組織（図示せず）の刺激作用を低減するような特性を有する。装置１０は、その滑りを回避するために、逆鉤（図示せず）を備えているのが好ましい。末端部２８は、測定電極１６ａ、１６ｂおよび接触部３０、３２以外の部品を備えていないのが有利である。
【００４２】
このような装置１０を、例えば脳のような組織内に互いに密接させ、可変の間隔をおき、そして位置を固定して多数配置することができる。
【００４３】
装置１０によって、例えば神経細胞の作用の現状に近い検出と、トランスミッタ１８からのこの対応する情報信号の送信が可能である。
【００４４】
このような装置１０が多数使用されると、装置毎に、例えばエネルギー供給用の電磁波のために１つの周波数を、そしてトランスミッタ１８から放射される電磁波のために固有の１つの周波数（固有の１つのチャンネル）を使用することができる。それによって、各装置から外部への少なくともほぼ連続的な情報伝達ができる。すなわち、送信休止なしにおよびほとんど応答時間なしに情報伝達をすることができる。
【００４５】
電気的な生物活性に影響を与えるための図３に示した装置３４は、エネルギーレシーバ１２と、電圧感知スイッチ１４と、符号３６でまとめて示されている２個の電極と、制御情報レシーバ３８を備えている。
【００４６】
図１および図２に示されている装置の場合と同様に、エネルギーレシーバ１２は外部から電磁波２０を受け取り、この電磁波を電気エネルギーに変換する。受け取ったこのエネルギーは電気エネルギーとして例えば１個または複数個のコンデンサ（図示せず）に蓄えられ、例えば組織または生物の電気的な生物活性に影響を与える場合には必要に応じて送られる。あるいは、受け取った電気エネルギーを、一時的に蓄えないで電極３６に直接送ってもよい。さらに、生体特有の代謝作用によってエネルギー供給を行うこともできる。
【００４７】
制御情報レシーバは、電磁波４０の形態の制御情報を受け取り、この電磁波を電流に変換する。この電流は電圧感知スイッチ１４を制御するために使用される。２個以上の装置３４または２個以上の制御情報レシーバ３８を使用する場合、例えば電磁波４０の他の波長と異なる全く所定の波長にのみ応答するように、制御情報レシーバ３８を形成することができる。
【００４８】
電圧感知スイッチ１４は例えば抵抗もしくはコンデンサである。このスイッチは、例えば制御信号を抵抗値に変換することによって、エネルギーレシーバ１２から組織内の電極３６への電流の流れを制御するために、制御情報レシーバ３８の制御信号によって制御される。その際、制御信号は電磁波４０によって伝えられる制御情報に依存する。
【００４９】
さらに、原理的には、１個の装置３４に複数のエネルギーレシーバ１２、電圧感知スイッチ１４および制御情報レシーバ３８を設けることができるので、例えば局所的な生物活性に対して空間的に影響を与えることができる。
【００５０】
装置３４の密度は異なる制御信号の分離可能性と、異なる制御情報レシーバと、装置３４の大きさとによって制限される。
【００５１】
電気的な生物活性を検出するための装置と、電気的な生物活性に影響を与えるための装置は両方共、無線のエネルギー供給部と、無線の制御信号伝送部と、小さな寸法とを有し、検出個所または影響を与える個所における高い集積度を可能にする。
【００５２】
上記明細書、図面および特許請求の範囲に開示した本発明の特徴は、単独でも任意の組み合わせでも、本発明をそのいろいろな実施形態で実現するために重要である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一つの実施形態による電気的な生物活性を検出するための装置の概略図
【図２】図１の装置の構造を詳細に示す図
【図３】本発明の他の実施形態による電気的な生物活性に影響を与えるための装置の概略図
【符号の説明】
【００５４】
１０    電気的な生物活性を検出するための装置
１２    エネルギーレシーバ
１４    電圧感知スイッチ
１６    測定電極
１８    トランスミッタ
２４    頭部分
２８    末端部
３０，３２    接触部
３４    電気的な生物活性に影響を与えるための装置
３８    制御情報レシーバ
【図１】
2007530104.tif 000003
【図２】
2007530104.tif 000004
【図３】
2007530104.tif 000005
【国際調査報告】
2007530104.tif 000006
2007530104.tif 000007
2007530104.tif 000008
2007530104.tif 000009
2007530104.tif 000010
2007530104.tif 000011