(57)【要約】  本発明は、入射光を、刺激電極によって接する網膜細胞への電気刺激信号に変換する複数のピクセルエレメント（１８）を含む、能動型の網膜インプラント（１０）に関する。各々のピクセルエレメント（１８）は、入射光を電気信号に変換する少なくとも一つの画像セルを備えている。増幅器の入力は画像セル（１９）に、出力は刺激電極の供給先である少なくともひとつの刺激電極（２２）に接続されている。エネルギー供給源（１４）は、外部からカップリングされる外部からのエネルギーを、画像セル（１９）および前記増幅器のための供給電圧（Ｖｃｃ１、Ｖｃｃ２）として供給する。  ひとつの実施態様では、画像セル（１９）は対数特性を有しており、これに従って特定の強度の入射光が特定の振幅の電気信号へと変換される。  もうひとつの実施態様では、刺激信号、は特定の長さと間隔のアナログ電圧パルスの形態で供給され、前記パルスの振幅は入射光の強度に依存している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光（３４）を、刺激電極（２２）が接する網膜（３３）の細胞のための電気刺激信号（Ｕｓ）へと変換する複数のピクセルエレメント（１８）であって、ピクセルエレメント（１８）のそれぞれが、入射光（３４）を電気信号（Ｖｏｕｔ）へと変換する少なくとも１つの画像セル（１９）を有するとともに、入力（５２）が前記画像セル（１９）に接続され、出力（５４）が刺激信号（Ｕｓ）の供給先である少なくとも１つの刺激電極（２２）に接続されている少なくとも１つの増幅器（５１）を有しているピクセルエレメント（１８）を備え、
さらに外部からカップリングされる外部からのエネルギー（３６）を前記画像セル（１９）および前記増幅器（５１）のための供給電圧（Ｖｃｃ１、Ｖｃｃ２）として供給するエネルギー供給源（１４）を備えている能動型の網膜インプラントであって、
前記画像セル（１９）が対数特性（６７）を有しており、該対数特性（６７）に従って特定の強度の入射光（３４）が特定の振幅の電気信号（Ｖｏｕｔ）へと変換されることを特徴とする網膜インプラント。
【請求項２】
前記刺激信号（Ｕｓ）が、特定のパルス長（ｔ１）およびパルス間隔（ｔ２）のアナログ電圧パルスの形態で供給され、該パルスの振幅（ａＶｐ）が、入射光（３４）の強度の関数であることを特徴とする請求項１に記載の網膜インプラント。
【請求項３】
入射光（３４）を、刺激電極（２２）が接する網膜（３３）の細胞のための電気刺激信号（Ｕｓ）へと変換する複数のピクセルエレメント（１８）であって、ピクセルエレメント（１８）のそれぞれが特定の強度の入射光（３４）を電気信号（Ｖｏｕｔ）へと変換する少なくとも１つの画像セル（１９）を有するとともに、入力（５２）が前記画像セル（１９）に接続され、出力（５４）が刺激信号（Ｕｓ）の供給先である少なくとも１つの刺激電極（２２）に接続されている少なくとも１つの増幅器（５１）を有しているピクセルエレメント（１８）を備え、
さらに外部からカップリングされる外部からのエネルギー（３６）を前記画像セル（１９）および前記増幅器（５１）のための供給電圧（Ｖｃｃ１、Ｖｃｃ２）として供給するエネルギー供給源（１４）を備えている能動型の網膜インプラントであって、
前記刺激信号（Ｕｓ）が、特定のパルス長（ｔ１）およびパルス間隔（ｔ２）のアナログ電圧パルスの形態で供給され、該パルスの振幅（ａＶｐ）が、入射光（３４）の強度の関数であることを特徴とする網膜インプラント。
【請求項４】
前記増幅器（５１）の出力（５４）が、制御可能な放電回路（６０）に接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載の網膜インプラント。
【請求項５】
パルス長（ｔ１）およびパルス間隔（ｔ２）が、前記外部からカップリングされる外部からのエネルギー（３６）によって決定されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の網膜インプラント。
【請求項６】
前記放電回路（６０）が、電圧パルスの終わりにおいて、前記増幅器（５１）の出力（５４）が放電電位に接続されるようにして駆動されることを特徴とする請求項４に記載の網膜インプラント。
【請求項７】
前記画像セル（１９）に、前記増幅器（５１）に供給される第２の電圧（Ｖｃｃ２）とは異なる第１の電圧（Ｖｃｃ１）が供給されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の網膜インプラント。
【請求項８】
前記第２の電圧（Ｖｃｃ２）が、前記パルス長（ｔ１）および前記パルス間隔（ｔ２）と調和してオンにされることを特徴とする請求項７に記載の網膜インプラント。
【請求項９】
前記放電回路（６０）が、前記第２の電圧（Ｖｃｃ２）に由来する第３の電圧（５７）に接続されていることを特徴とする請求項７または８に記載の網膜インプラント。
【請求項１０】
各ピクセルエレメント（１８）が、局所画像輝度のための対数画像セル（１９）を有しており、各ピクセルエレメント（１８）が、大域輝度のための少なくとも１つの対数画像セル（２３）に割り当てられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の網膜インプラント。
【請求項１１】
前記増幅器（５１）が、１つの入力（５２）が前記局所画像輝度のための画像セル（１９）に接続され、他方の入力（５３）が前記大域輝度のための画像セル（２３）に接続された差動増幅器として設計されていることを特徴とする請求項１０に記載の網膜インプラント。
【請求項１２】
複数のピクセルエレメント（１８）を有し、これら複数のピクセルエレメント（１８）が、入射光（３４）を刺激電極（２２）と接する前記網膜（３３）の細胞のための電気刺激信号（Ｕｓ）へと変換する能動型の網膜インプラント（１０）において、ピクセルエレメント（１８）における対数特性（６７）を有する画像セル（１９）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を、刺激電極が接する網膜細胞への電気刺激信号に変換する複数のピクセルエレメント、およびエネルギー供給源を備えている能動型の網膜インプラントであって、各ピクセルエレメントが、入射光を電気信号に変換する少なくとも１つの画像セルを有するとともに、入力が前記画像セルに接続され出力が刺激信号の供給先である少なくとも１つの刺激電極に接続されている少なくとも１つの増幅器を有しており、前記エネルギー供給源が、外部からカップリングされる外部からのエネルギーを前記画像セルおよび前記増幅器のための供給電圧として供給する、能動型の網膜インプラントに関する。
【０００２】
そのような網膜インプラントは、例えば独国特許出願公開第ＤＥ１９７０５９８８  Ａ１号明細書に記載されている。
【０００３】
そのような網膜インプラントは、例えば独国特許出願公開第ＤＥ１９７０５９８８  Ａ１号明細書に記載されている。
【背景技術】
【０００４】
公知の網膜インプラントは、網膜の衰えによる視力の喪失に対処する目的で機能する。ここでの基本的な考え方は、患者の衰えた網膜の領域に、例えば衰えた光受容体の代わりに機能するよう意図された超小型電子刺激チップを埋め込むことである。刺激チップは、入射可視光の関数として網膜の領域に電気パルスを生成する複数のピクセルエレメントを有しており、網膜細胞を刺激する。
【０００５】
網膜インプラントは、網膜上に網膜上インプラント（ｅｐｉｒｅｔｉｎａｌ  ｉｍｐｌａｎｔ）として取り付けることができ、あるいはいわゆる網膜下インプラント（ｓｕｂｒｅｔｉｎａｌ  ｉｍｐｌａｎｔ）として、網膜内または網膜の下方に挿入することができる。
【０００６】
網膜下インプラントは、例えば欧州特許出願公開第ＥＰ０４６０３２０Ａ２号明細書に開示されている。このインプラントにおいては、入射する周辺光が、網膜内細胞のために必要な刺激を発生させるのに充分であると述べられている。網膜下インプラントの詳細な配置については、この文献を参照されたい。
【０００７】
冒頭で触れた独国特許出願公開第ＤＥ１９７０５９８８Ａ１号明細書には、不可視の電磁放射に対して有効な光起電層が設けられている網膜下インプラントが記載されており、光起電層によって生成された電圧を利用することによって局所的に刺激信号が入るものである。この公知のインプラントは、刺激チップのための外部からのエネルギーの供給に、具体的には赤外放射であるが、不可視のスペクトル領域の電磁放射を使用するという考えに基づいている。この場合には、光起電層が、入射可視光によって生成された信号について、一種の増幅器のように機能する。この結果、可視スペクトル領域の光が弱い状況であっても、適切な強度の刺激信号を発生させることができる。
【０００８】
しかしながら、公知の網膜インプラントにおいては、自然光の状況下では１０の数乗にものぼる広い強度範囲にわたって、入射可視光を対応する電気刺激信号に変換するという問題が生じる。
【０００９】
このような状況に対し、独国特許出願公開第ＤＥ１９９２１３９９Ａ１号明細書は、基準エレメントとして機能する少なくとも１つのピクセルエレメントを有する網膜インプラントを記載しており、増幅器によって、基準エレメントの出力信号と局所輝度を検出する画像セルの出力信号との間の差が形成される。この方法の狙いは、このようにして発生させる刺激信号を、周囲の輝度に合わせて調節することにある。
【００１０】
Ｓｔｅｌｚｌｅらによる論文「人工網膜インプラントとして使用するための超小型光ダイオード・アレイの電気的特性（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏ−Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  Ａｒｒａｙｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ａｓ  Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｒｅｔｉｎａ  Ｉｍｐｌａｎｔ）」、Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ３：２、１３３〜１４２頁、２００１年は、刺激信号を刺激電極を介して接触する網膜細胞へと伝達するという問題に関係するものである。この著者らは、刺激電極と組織との間の結合が容量性の性質のものであり、したがって刺激に利用されうるのは過渡信号のみであると報告している。この容量性結合は、電極の分極の結果として、眼内で電極と電解質との界面にキャパシタンス（ヘルムホルツ二重層）が形成されるという事実に基づいている。この著者らは、受動型のインプラント、すなわち冒頭で触れた欧州特許出願公開第ＥＰ０４６０３２０Ａ２号明細書に記載されているようなインプラントについて、可視の有用な光をパルス状にすることが、キャパシタンスへ、およびキャパシタンスからの平衡した電荷の輸送が再びもたらされるリミットサイクルにつながることを示している。受動型のインプラントに関する問題を解決するため、この著者らは、特定のパルス率を有する光パルスを使用することを提案している。さらに、刺激電流を生成するために外部からのエネルギー供給を使用することが望ましいと述べている。また、彼らは、平均の電極の分極を低減するため、能動的な電流シンクの使用を提案している。しかしながら、彼らは、パルス状の励起ゆえに電極キャパシタンスの完全な放電を達成できない可能性がきわめて高いと述べている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記に照らし、本発明の目的は、冒頭にて述べた能動型の網膜インプラントを、さまざまな周辺光のもとでも網膜内細胞を効果的に刺激することができるよう、単純な回路手段の補助によって、入射光の刺激信号への効果的な変換を実現することで改良することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
冒頭にて述べた網膜インプラントの場合には、本発明によってこの目的が、一方では、画像セルが対数特性を有し、この対数特性に従って特定の強度の入射光が特定の振幅の電気信号に変換されることで達成される。
【００１３】
このような方法で、本発明の根本的な目的が完全に達成される。
【００１４】
対数画像セルは、それ自体は例えば独国特許出願公開第ＤＥ４２０９５３６Ａ１号明細書から長年にわたって知られているが、本件出願の発明者らによって眼の光感受性に似ていることが発見された対数的な増幅器応答を有しており、したがって画像セルとして特に効果的に使用することができる。この方法で、たとえ基準エレメントおよび基準増幅器を使用しなくても、幅広い輝度範囲を刺激信号に変換することができ、弱い周辺光および強い周辺光の両者について適切なコントラストを有する視覚が可能となる。
【００１５】
本発明の目的は、他方では、冒頭にて述べた網膜インプラントの場合において、刺激信号が特定のパルス長およびパルス間隔のアナログ電圧パルスの形態で供給され、このパルスの振幅が、入射光の強度の関数であるという点で、達成される。
【００１６】
このような方法で、やはり本発明の根本的な目的が完全に達成される。
【００１７】
本件出願の発明者らは、さらに、目的が細胞に適当な刺激をもたらすことにあるとき、アナログ電圧パルスを刺激電極を介して網膜内細胞へと出力できることを具体的に発見した。したがって、本件出願の発明者らは、電荷補償された電流パルスを使用するという通常の道程を直接進むことはせず、従来技術における偏見に基づけば電極の分極ゆえに問題を引き起こすはずである、電圧の制御を利用する。
【００１８】
しかしながら、本件出願の発明者らは、電圧の制御は回路構成の点できわめて簡潔に実施でき、それでもなお正しい設計で電極の分極にまつわる問題を回避できることを発見した。
【００１９】
２つの手段、すなわち対数特性を有する画像セルと電圧の制御とを、組み合わせて使用することが、特に好ましい。具体的には、回路についての支出が少ないため、ピクセルエレメントの密度の増加、つまりは刺激電極の密度を大幅に高めることが可能であり、全体として、従来技術の複雑な回路で可能な空間解像度よりも良好な空間解像度が実現される。このより高い密度は、刺激電極の数と励起すべき細胞の数との間の局所比が大きくなるため、網膜内細胞のより効果的な刺激につながる。
【００２０】
この場合、増幅器の出力が制御可能な放電回路へと接続されると、特に好ましい。
【００２１】
電極の分極の増大を、この放電回路によって、目標を定めた方法で再び減らすことができ、電荷すなわち界面のキャパシタンスの電圧がますます増加することを防止できる。これは、刺激信号が絶えず悪化する様相で網膜内細胞へと伝えられかねないという事実に反するものである。
【００２２】
この場合、パルス長およびパルス間隔が、外部からカップリングされる外部からのエネルギーによって決定されると好ましい。
【００２３】
この手段の場合、パルス長およびパルス間隔、すなわちパルス率を、従来技術のような可視の有用な光の機械的な切断によって生成する必要がなく、あるいは網膜インプラントに周波数発生器を設けることによって生成する必要がない点で、好都合である。やはりこの方法で、網膜インプラントの回路についての支出を、かなり低く保つことができる。
【００２４】
さらなる利点は、網膜インプラントを挿入した後で、パルス長およびパルス間隔を、それぞれの患者の生理的な条件に合わせて個々に調節できる点にある。さらに、パルス長およびパルス間隔を、それぞれの光の状態の関数として変化させることも可能である。換言すれば、この手段によって、外部からのエネルギー供給が、同時にインプラントの動作モードの制御をも達成する。
【００２５】
ここで、外部からのエネルギー供給は、例えばカップリングされる赤外光であってよく、あるいは、例えばＲＦ領域において、誘導的にカップリングされるエネルギーであってよい。
【００２６】
さらに、放電回路が、電圧パルスの終わりにおいて、増幅器の出力が放電電位に接続されるような方法で制御されると好ましい。
【００２７】
ここで、刺激電極と周囲の組織との間のキャパシタンスが放電されるため、電極の分極が各刺激電圧パルスの終わりにおいて自動的に回復され好都合である。この結果、新しい電圧パルスのそれぞれが、完全に放電されたキャパシタに接触することになるため、電圧パルスの始まりにおいて、大きな刺激電流がキャパシターを通過して、組織へ、さらに網膜細胞へと流れるることが可能である。この電流は、界面のキャパシターにおける電圧上昇ゆえ、時間とともに減少する。電圧パルスがオフにされた後、次に増幅器の出力が、一般的には網膜インプラントの電気的な塊（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍａｓｓ）である放電電位に接続される。これは、再び界面のキャパシタンスを完全に放電する大きな放電電流をもたらす。
【００２８】
網膜内細胞を適切に刺激するためには、約５００μｓのパルス長が充分であることが明らかになっている。この場合、発生時の初期の電流強度は、電圧パルスの振幅によって決定される。
【００２９】
ここで、パルス間隔は、ちらつきのない視覚のために２０Ｈｚの繰り返し周波数が充分であることが明らかにされているため、好ましくは５０ｍｓである。このパルス間隔は、電極の分極を完全に回復させるためにも充分である。
【００３０】
一般的には、画像セルに、増幅器に供給される第２の電圧とは異なる第１の電圧が供給されることが好ましく、第２の電圧が好ましくは前記パルス長およびパルス間隔でオンにされる。
【００３１】
ここで、画像セルの電気信号が連続的に利用でき、かついかなる安定化プロセスを待つ必要がないよう、画像セルに例えば第１の電圧が連続的に供給される点で好都合である。他方で、増幅器には、前記パルス長およびパルス間隔でオンにされる第２の電圧が供給される。このように、画像セルの電気信号が、クロック駆動される増幅器によって電圧パルスへと変換される。これは、追加のクロック段階を増幅器の出力へと切り替える必要がなく、増幅器が電圧パルスに歩調を合わせてオンにされ、次いで再度オフにされるため、回路の面できわめて簡潔である。第２の電圧の時限のオンおよびオフの切り替えが、外部からカップリングされる外部からのエネルギーに由来するため、すでに上述した利点がもたらされ、特には網膜インプラントを外部からのエネルギーによって制御できる。
【００３２】
また、放電回路が、第２の電圧から由来する第３の電圧に接続されていると好ましい。
【００３３】
さらに、放電回路を動作させる第３の電圧が、第２の電圧がオフにされるときに生成されると好都合である。
【００３４】
したがって、このようにして、第２の電圧がオンにされるとき、各増幅器がオンにされ、電圧パルスの立ち上がりエッジが生成される。第２の電圧がオフにされるとき放電回路が駆動され、これが電圧パルスの立ち下がりエッジをもたらす。
【００３５】
全体として、この種の網膜インプラントの制御は、インプラント内のすべてのスイッチ開閉動作が、外部からカップリングされる外部からのエネルギーを適切に調節することで制御され、インプラントにおいてこれらの目的のタイマーまたは周波数生成器すら必要でないという利点をもたらす。
【００３６】
したがって、以上説明したインプラントは、回路の点できわめて簡潔な設計であり、個々のエレメントについて高密度を達成することができ、したがって刺激電極についても高密度を達成できる。この高密度によって、網膜細胞の刺激を良好かつ局所的に生じさせることが可能になり、パルス状の励起および電極の分極の一つ一つの完全な回復ゆえ、細胞の効果的な刺激が可能になる。さらに、対数特性ゆえ、この新規な網膜インプラントは、１０の数乗にものぼる画像輝度を対象とすることができる。
【００３７】
しかしながら、各ピクセルエレメントが、局所画像輝度のための対数画像セルを有し、各ピクセルエレメントが、大域輝度のための少なくとも１つの対数画像セルに割り当てられると好ましく、好ましくは増幅器が、１つの入力が局所画像輝度のための画像セルに接続され、他方の入力が大域輝度のための画像セルに接続される差動増幅器として設計される。
【００３８】
この手段そのものは、線形特性の画像セルのためのものではあるが、最初に触れた独国特許出願公開第１９９２１３９９Ａ１号から公知である。
【００３９】
この「差動増幅器原理」においては、局所画像輝度と大域輝度との間の差が、１つ以上のリファレンス項目に代わって、増幅されて刺激信号として伝達されるが、この「差動増幅器原理」が対数画像セルとともに使用されるとき、それが画像輝度の対数においては付加的な変数でしかないため、差を形成することによって純粋なコントラストの増幅がここに存在し、平均輝度が除かれるという格別の利点がもたらされる。
【００４０】
以上に照らし、本発明はさらに、入射光を刺激電極が接する網膜細胞への電気刺激信号に変換する複数のピクセルエレメントを有する能動型の網膜インプラントにおいて、ピクセルエレメントのための対数特性を有する画像セルを使用することに関係する。
【００４１】
さらなる利点は、詳細な説明および添付の図面から明らかになる。
【００４２】
いうまでもないが、以上述べた特徴および以下で説明される特徴は、それぞれ具体的に挙げられた組み合わせにおいてのみ使用できるのではなく、本発明の技術的範囲から離れることなく、他の組み合わせにおいても使用でき、あるいは単独でも使用可能である。
【００４３】
本発明の実施形態が、図面に示されており、以下の説明においてさらに詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図１は、能動型の網膜インプラント１０の概略図であり、寸法は実寸比で再現されたものではない。
【００４５】
網膜インプラント１０は、可撓性のフィルム１１上に刺激チップ１２およびエネルギー供給源１４を配置して構成されている。エネルギー供給源１４は、入射赤外光を電圧に変換する光起電エレメント１６を１つ以上備える赤外受信機１５を有している。このようにして外部から注入されたエネルギーが、電源ユニット１７へと送られる。
【００４６】
刺激チップ１２は、例えばピクセルエレメント１８を行および列に配置して有しており、図１においては、わかり易いようそのうちの４つだけが示されている。各ピクセルエレメント１８は、局所画像輝度のための対数画像セル１９と出力が刺激電極２２へと接続されている増幅器２１とを有している。さらに、刺激チップ１２上には、大域輝度のための画像セル２３が設けられており、刺激チップ１２上のすべてのピクセルエレメント１８の増幅器２１に接続されている。いうまでもないが、刺激チップ１２は、複数の大域画像セル２３を有してもよく、あるいはただ１つだけ有してもよい。
【００４７】
電源ユニット１７は、赤外受信機１５によって受け取った外部からのエネルギーを保存する貯蔵素子２４を有している。貯蔵素子２４は、後でさらに詳しく説明する方法で異なる２つの電圧供給Ｖｃｃ１およびＶｃｃ２を生成する回路部２５に接続されている。電源ユニット１７、赤外受信機１５、および刺激チップ１２は、線２６および２７によって互いに接続されている。
【００４８】
図１の網膜インプラント１０は、図２に高度に概略化して示されている人間の眼３１へと埋め込まれるように意図されている。単純化するため、水晶体３２のみが、インプラント１０が埋め込まれている網膜３３とともに示されている。インプラント１０は、この場合には、好ましくは、色素上皮と光受容体層との間に形成されたいわゆる網膜下空間に挿入されている。光受容体層が衰え、あるいは失われた場合には、網膜下空間は、色素上皮と双極細胞および水平細胞の層との間に形成される。この場合、網膜インプラント１０は、刺激信号を図１に示した刺激電極２２を介して網膜３３中の細胞に加えることができるように配置される。
【００４９】
矢印３４によって示され、ビーム経路を３５に見ることができる可視光が、水晶体３２を介して刺激チップ１２へと案内され、そこで可視光３４が電気信号に変換され、図１の増幅器２１によって刺激信号に変換される。
【００５０】
赤外受信機１５が、可視光３４の入射の領域の外に位置していることを、図２に見て取ることができる。赤外光３７のビームの形態である外部からのエネルギー３６が、赤外受信機１５へと導かれ、この赤外光が赤外受信機において電圧に変換され、まずは線２６を介して電源ユニット１７へと渡され、適切な供給電圧を発生させるために使用される。次いで、それら供給電圧が、線２６および２７を介して刺激チップ１２へと渡され、後でさらに詳しく説明する方法で入射可視光３４を刺激信号に変換するために使用される。
【００５１】
刺激チップ１２と赤外受信機１５との空間的分離によって、空間的な切り離しがもたらされ、赤外光３７による刺激チップ１２内の画像セルの望ましくない機能低下を、わずかな程度に抑えることができる。
【００５２】
次に、どのようにして赤外光３７から必要とされる供給電圧が生み出されるのかについて、図１の電源ユニット１７がさらに詳しいが概略図で示されている、図３を用いて説明する。
【００５３】
電源ユニット１７は、入力４２で貯蔵素子２４に接続しているＤＣ−ＤＣ変換器を有している。この貯蔵素子２４は、破線で示されている線２６を介して光起電エレメント１６に接続されており、光起電エレメント１６によって赤外光３７から生成された電圧が、電荷として貯蔵素子２４に保存される。ＤＣ電圧を呈しているこの電荷から、ＤＣ−ＤＣ変換器４１が、ＤＣ−ＤＣ変換器についてそれ自体公知のとおりに、自身の出力４３にさらなるＤＣ電圧Ｖｃｃ１を生成する。
【００５４】
さらに、ＤＣ−ＤＣ変換器４１の出力４３は、反転器４５によって開閉される電子スイッチ４４に接続されている。反転器４５の入力は、ＲＣ素子４７に接続されており、さらに破線で示されている線２６を介して、光起電エレメント１６にも接続されている。電子スイッチ４４は、次に図４を用いて説明するとおり、パルス状の電圧Ｖｃｃ２を自身の出力４８に出力する。
【００５５】
図４の上側には、周期的に期間ｔ１にわたって振幅Ａ１から振幅Ａ０へと切り替えられる赤外光３７の時間推移が示されている。これら期間ｔ１の「負の光パルス」が、時間間隔ｔ２で繰り返される。いうまでもないが、このようにして変調される赤外光３７は、期間ｔ１において完全にオフにされてもよく、あるいは低い強度値へと弱められるだけでもよい。
【００５６】
この赤外光３７の変調は、図４の下側に示されるとおり供給電圧Ｖｃｃ１が常に特定の値をとるよう、貯蔵素子２４によって平滑化される。
【００５７】
変調された赤外光３７が、ＲＣ素子４７を介して反転器４５へと通過し、赤外光３７が強度Ａ１である限りは、反転器４５の出力４９はＬ信号である。この期間の間は、電子スイッチ４４は開であり、したがって供給電圧Ｖｃｃ２は０Ｖである。
【００５８】
時間期間ｔ１の間は、反転器４５の入力４６がＬ信号になり、これは、反転器４５の出力４９がＨ信号になって、電子スイッチ４４が閉じられることを意味する。したがって、時間期間ｔ１の間は、供給電圧Ｖｃｃ２が、例えば供給電圧Ｖｃｃ１と同じ値になる。このように、電子スイッチ４４の出力４８が、パルス長ｔ１およびパルス間隔ｔ２の電圧パルス５０を供給する。
【００５９】
次に、赤外光３７の変調に由来するこれらの電圧パルス５０が、刺激チップ１２を制御するためにどのように使用されるのかについて、図５を用いて説明する。
【００６０】
図５には、ピクセルエレメント１８が、より詳細に、しかしながら依然として概略図で示されている。
【００６１】
ピクセルエレメント１８は、差動増幅器５１を、反転入力５２を局所画像輝度のための画像セル１９に接続して有している。差動増幅器５１の非反転入力５３は、大域輝度のための画像セル２３に接続されている。
【００６２】
差動増幅器５１の出力５４が、刺激電極２２に接続されている。さらに、出力５４は、電子スイッチ５５に接続されており、電子スイッチ５５は、供給電圧Ｖｃｃ２の反転信号を第３の電圧５７として自身の出力に供給する反転器５６によって駆動される。画像セル１９および２３ならびに反転器５６には、供給電圧Ｖｃｃ１によってエネルギーが供給されている。対照的に、増幅器５１には、供給電圧Ｖｃｃ２によってエネルギーが供給されている。
【００６３】
このように、画像セル１９および２３の出力信号間の相違を表わす差電圧ＶＤが、差動増幅器５１の入力５２、５３に存在する。
【００６４】
期間ｔ２において、差動増幅器５１そのものに、それぞれ期間ｔ１の間のみエネルギーが供給され、したがって差動増幅器５１は、図４の電圧パルス５０のオン時間の間のみ、自身の出力５４に刺激信号Ｕｓを出力する。この関係が、図６に示されている。
【００６５】
したがって、ｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ０＋ｔ１までの期間において、増幅器５１の出力２４に、振幅ａＶＤが画像セル１９、２３へと降り注ぐ可視光の強度に対応している電圧パルスが存在する。
【００６６】
電圧パルス５０の終わりにおいて、反転器５６の出力がＨ信号になって電子スイッチ５５を閉じ、このようにして出力５４が接地へと接続される。
【００６７】
冒頭においてすでに述べたとおり、刺激電極２２においてヘルムホルツ二重層が形成され、刺激電極２２と網膜内の周囲の組織との容量性結合が確保される。この容量性結合が、図５においては結合キャパシター５８によって示されており、刺激対象の組織／刺激対象の細胞を表わしている抵抗５９を介して、やはり接地へと接続されている。
【００６８】
電圧パルス５０の始まりにおいて、増幅器５１の出力５４が、電圧Ｕｓ＝ａＶＤへと切り替わり、結果として、図６の下側に示されているとおり、刺激電流Ｉｓが結合キャパシター５８を介して抵抗５９へと流れる。今や、結合キャパシター５８が再充電されるため、刺激電流Ｉｓの強さが指数関数的に減少し、この出来事は電極の分極とも称される。瞬間ｔ＝ｔ０＋ｔ１において、電圧パルス５０が再びオフへと切り替わり、これは、増幅器５１の供給電圧Ｖｃｃ２がオフされることを意味する。同時に、電子スイッチ５５が、出力５４を接地へと切り替え、したがって電子スイッチ５５が、放電回路６０として機能する。結合キャパシター５８に保存された電荷が、今や電子スイッチ５５を介して運び去られ、この出来事を、負の刺激電流Ｉｓに見ることができる（図６の一番下の刺激電流の時間推移６１の急変を参照されたい）。キャパシター５８は、結合キャパシター５８内の電荷が完全に尽きるまで、指数関数的に放電される。
【００６９】
さらに、スイッチ・オンの瞬間ｔ＝ｔ０における刺激電流Ｉｓの強さが、刺激電圧の振幅ａＶＤに比例することに、触れておくことができる。
【００７０】
このように、注入される赤外光の変調によって達成されるとおり供給電圧Ｖｃｃ２をオンおよびオフに切り替えることで、まず刺激電流Ｕｓの立ち上がりエッジがオンにされ、刺激電流Ｉｓが流れる。供給電圧ＶＣＣ２がオフにされたとき、負の刺激電流Ｉｓが流れ、これがキャパシター５８の放電につながる。
【００７１】
パルスの長さｔ１は、この場合には５００μｓであり、パルスの間隔ｔ２は、２０ｍｓである。
【００７２】
画像セル１９が、図７にさらに詳しく示されている。各画像セル１９は、逆バイアス方向で動作する光ダイオード６２を有している。さらに、画像セル１９は、ゲート電極６４がＶｃｃ１にあってドレイン電極６５と相互接続されているｎＭＯＳトランジスタ６３を有している。ｎＭＯＳトランジスタ６３のソース電極６６が、光ダイオード６２のカソードに接続され、光ダイオード６２のアノードは、接地にある。
【００７３】
図示の相互接続ゆえ、ｎＭＯＳトランジスタ６３はしきい値よりも下方で動作し、したがってｎＭＯＳトランジスタ６３をまたがる電圧降下は、光電流Ｉｐｈｏｔｏに指数関数的に依存し、ここで光電流Ｉｐｈｏｔｏの強さは、光ダイオード６２に降り注ぐ可視光３４の強度によって決定される。
【００７４】
この相互接続の結果は、図８に特性曲線６７で示されているとおり、図７の画像セル１９の出力電圧Ｖｏｕｔが、光３４の強度の対数関数であるというものである。
【００７５】
図７の画像セル１９と同様の回路が、大域輝度のための画像セル２３として使用される。
【００７６】
したがって、図５の差電圧ＶＤが、局所画像輝度の対数と大域画像輝度の対数との間の差を表わす。大域画像輝度が、局所輝度における乗法的な変数である平均の輝度によって決定されるため、平均輝度を、加法的な変数としての局所輝度の対数と大域画像輝度の対数との間の差によって、除くことができる。
【００７７】
このようにして、各ピクセルエレメント１８が、大きなダイナミック・レンジが確保されるようコントラストを増幅し、網膜インプラントを、さまざまな条件の周囲光に適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】新規な網膜インプラントの零図を、実寸ではない概略図にて示している。
【図２】網膜インプラントが挿入が人間の眼を、やはり実寸でない概略図で示している。
【図３】図１の網膜インプラントのための電源ユニットをブロック図を示している。
【図４】外部からカップリングされる赤外光からの第２の電圧の誘導を示している。
【図５】図１の網膜インプラントの刺激チップのための画像セルをブロック図で示している。
【図６】図５のピクセルエレメントについて電圧および電流特性を示している。
【図７】図５の画像セルの設計の詳細な例図を示している。
【図８】図７の画像セルの特性曲線を示している。
【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７】
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【図６】
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【図８】
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【国際調査報告】
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