(57)【要約】  外部から電力を受信し、受信した電力を、電気信号発生部を含む回路に供給する電力受信部と、神経を刺激する電気信号を生成する電気信号発生部、及び前記電力受信部及び電気信号発生部を体液から保護するケース部と、を含み、前記電力受信部が電気信号発生部を含む回路に供給する電力は交流電力であることを特徴とする神経補綴用刺激装置が開示される。  本発明によれば、従来の技術に比べて生産コストを下げ、生産工程を単純化し、大きさを減らすことができ且つ安全で信頼性のある神経刺激装置の提供が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から電力を受信し、受信した電力を電気信号発生部を含む回路に供給する電力受信部と、
神経を刺激する電気信号を生成する電気信号発生部、及び
前記電力受信部及び電気信号発生部を体液から保護するケース部と、を含み、
前記電力受信部が電気信号発生部を含む回路に供給する電力は交流電力であることを特徴とする神経補綴用刺激装置。
【請求項２】
前記ケース部は、チタンまたはセラミックからなる密封パッケージであることを特徴とする請求項１に記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項３】
前記ケース部は、回路保護物質にて前記電力受信部及び電気信号発生部の外部をコートしてなることを特徴とする請求項１に記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項４】
前記電力受信部は、無線通信または光エネルギーの伝達を通じて外部から電力を受信することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項５】
前記回路保護物質は、絶縁性物質を含むことを特徴とする請求項３に記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項６】
前記回路保護物質は、シリコンエラストマーまたはポリウレタンを含むことを特徴とする請求項５に記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項７】
外部から電力を受信し、受信した電力を、電力変換部を含む回路に供給する電力受信部と、
神経を刺激する電気信号を生成する電気信号発生部と、
前記電力受信部からの電力を安定した電力に変換し、前記電気信号発生部に供給する電力変換部、及び
前記電力受信部、電気信号発生部及び電力変換部を体液から保護するケース部と、を含み、
前記電力変換部が電気信号発生部を含む回路に供給する電力は交流電力であることを特徴とする神経補綴用刺激装置。
【請求項８】
前記ケース部は、チタンまたはセラミックからなる密封パッケージであることを特徴とする請求項７に記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項９】
前記ケース部は、回路保護物質にて前記電力受信部、電気信号発生部及び電力変換部の外部をコートしてなることを特徴とする請求項７に記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項１０】
前記交流電力は、正弦波、パルス波、または三角波のいずれかであることを特徴とする請求項８または９に記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項１１】
前記電力受信部は、無線通信または光エネルギーの伝達を通じて外部から電力を受信することを特徴とする請求項８または９に記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項１２】
前記回路保護物質は、絶縁性物質を含むことを特徴とする請求項９に記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項１３】
前記回路保護物質は、シリコンエラストマーまたはポリウレタンを含むことを特徴とする請求項１２に記載の神経補綴用刺激装置。
【請求項１４】
前記電力受信部は、直流電力を供給するバッテリーから電力を受信することを特徴とする請求項７に記載の神経補綴用刺激装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、神経補綴に利用される神経刺激装置に係り、より詳しくは、生産コストを下げるために、密封されたケースを使用することなく簡単に表面をコートしてなるものを使用し、安全性のために交流電源を使用する神経刺激装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
神経補綴装置とは、先天的、後天的神経損傷によって生じた感覚及び運動障害などを回復または緩和させることを目的として生体に付着されたり移植されたりする人工の機械、電子装置のことを通称する言葉である。
【０００３】
神経補綴装置に応用される技術は、神経刺激装置技術、完全密封パッケージ技術、神経信号獲得及び神経刺激電極技術、神経信号処理技術、生体通信技術などに大別される。
【０００４】
中でも完全密封パッケージ技術は、神経補綴装置に含まれる刺激装置や他の部品を生体液やイオンから保護するうえで必要なものである。また、人体内部に挿入して日常生活に差し支えがないようにしなければならないため、パッケージの大きさも設計時の重要な考慮事項のうち一つである。さらには、このような完全密封パッケージ技術は、刺激装置や部品などを保護しなければならないため、密封するのに多くのコストと複雑な工程が必要となる。神経補綴装置のパッケージングにかかるコストの分、神経補綴装置の生産コストは上がる。しかしながら、神経補綴装置を必要とする大半の人は経済的な活動ができない状態であるため、神経補綴装置を利用した治療を受けにくいのが実情である。したがって、神経補綴装置のパッケージングにかかるコストを下げるのが望ましい。
【０００５】
また、神経補綴のための装置やシステムなどの設計の際は、人体内に挿入されるため、次の二つの事項を考慮しなければならない。体液やイオンに長期間露出するため、装置やシステムの信頼性が保障され、且つ人体の組職などに害を与えてはならない。
【０００６】
前記した信頼性とは、人体内で神経補綴のための装置やシステムなどが腐食せず、設計の際に予想した期間にわたり安定的に装置やシステムが作動することを意味する。これは、人体内に挿入される回路、装置またはシステムをケース内に入れて密封することで解決することができる。しかしながら、前述したように密封されたケースはコストと工程上の問題点が存在する。
【０００７】
また、前述した安全性とは、神経刺激装置を人体に挿入したり付着したりした場合に人体に害がないことを意味する。人体の組職などに害を与えないためには、回路などが毒性物質を生産したり人体内で非可逆反応を起こしたりしてはならない。非可逆反応は化学反応の一種であって、反応が起きて周辺の組職を壊死させたり人体内の電気化学的平衡状態を破ったりするため問題になる。
【０００８】
したがって、信頼性と安全性とを併せ持つと共に、経済性を持つ神経補綴装置を具現しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、神経補綴用神経刺激装置において、既存の完全密封パッケージに代えて、刺激装置の外部を回路保護物質にてコートした神経刺激装置を提供することを目的とする。また、体内の細胞や組職などを安全に保護するために、直流電源（ＤＣ）に代えて、交流電源（ＡＣ）を利用する神経刺激装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための神経補綴用刺激装置は、外部から電力を受信し、受信した電力を電気信号発生部を含む回路に供給する電力受信部と、神経を刺激する電気信号を生成する電気信号発生部、及び上記電力受信部及び電気信号発生部を体液から保護するケース部と、を含み、上記電力受信部が電気信号発生部を含む回路に供給する電力は交流電力である。
【００１１】
上記目的を達成するための神経補綴用刺激装置は、外部から電力を受信し、受信した電力を電力変換部に供給する電力受信部と、神経を刺激する電気信号を生成する電気信号発生部と、上記電力受信部からの電力を安定した交流電力に変換し、上記電気信号発生部を含む回路に供給する電力変換部、及び上記電力受信部、電気信号発生部、及び電力変換部を体液から保護するケース部と、を含み、上記電力変換部が電気信号発生部を含む回路に供給する電力は交流電力である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る神経補綴用神経刺激装置では、従来の技術で利用した完全密封パッケージに代えて、回路保護物質にて外部をコートする。
【００１３】
体内の細胞や組職などを安全に保護するために直流電力に代えて、交流電力を利用する。
【００１４】
その結果、従来の技術に比べて生産コストを下げ、生産工程を単純化し、大きさを減らすことができ、且つ安全な神経刺激装置の提供が可能となる。
【００１５】
また、密封パッケージが誤作動した際の電流の漏洩に備えて交流電力を利用することで、体内の細胞や組職などを安全に保護する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例に係る神経補綴用刺激装置を示す図である。
【図２】単相波形と二相波形による組職の損傷の有無を示すグラフである。
【図３】二重層をモデリングして得た電気回路の回路図を示す図である。
【図４】二重層をモデリングして得た回路を模擬実験する回路を示す回路図である。
【図５】図４の回路のキャパシターの両端にかかる電圧の大きさを周波数に応じて示す周波数応答グラフである。
【図６】本発明の一実施例に係る電力変換部を備えた神経補綴用刺激装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
神経補綴用刺激装置を設計するうえで最も重要な要素は効率性と安全性である。
【００１８】
効率性とは、生理学的反応を導出する能力のことを意味する。刺激反応の大きさを調節することで本来の神経と最も近い刺激を見出さなければならない。
【００１９】
安全性は、二つの重要な側面が考慮される。第一は、刺激を受ける組職、細胞などが損傷を受けてはならず、第二は、刺激装置の電極が腐食などにより損傷されてはならない。安全性の問題については後述する。
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について詳述する。本発明を説明するにあたって、関連した公知機能あるいは構成についての具体的な説明は、本発明の要旨を明確にさせるために省略することとする。
【００２１】
図１は、本発明の一実施例に係る神経補綴用刺激装置を示す図である。本発明に係る神経補綴用刺激装置１０は、外部から電力を受信し、受信した電力を、電気信号発生部を含む回路に供給する電力受信部１１と、神経を刺激する電気信号を生成する電気信号発生部１２、及び上記電力受信部及び電気信号発生部を体液から保護するケース部１３と、を含み、上記電力受信部は、交流電力を、電気信号発生部を含む回路に供給する。また、上記ケース部は、回路保護物質にて上記電力受信部及び電気信号発生部の外部をコートしてなる。
【００２２】
電力受信部１１は、神経補綴用刺激装置を駆動する電力を供給する。神経補綴用刺激装置に使用される電力は、外部から受信することができる。また、電力受信部１１は、外部からの電源を変換することなく神経補綴用刺激装置に必要な電力を供給することができる。神経補綴用刺激装置は、体内で使用されることから、その大きさや体積に制約があり、そのため、電力を変換する装置を設けずに回路を構成する必要がある場合もある。
【００２３】
電気信号発生部１２は、神経を刺激する信号を生成する。電気信号発生部１２で発生する信号は、必要な刺激の強さに応じて電流または電圧の形態に発生する。
【００２４】
ケース部１３は、神経補綴用刺激装置を構成する回路を、実施例では電力変換部や電気信号発生部、体液やイオンから保護する。体液やイオンからの保護に係る内容については、後述する。
【００２５】
一般に神経補綴用刺激チップを含む神経補綴装置の外部は、体液やイオンとの物質交換がないように完全密封する。そのためには、体液などによって腐食しない物質にてケース部を製造する。主に使用される物質としては、チタンやセラミックがある。
【００２６】
上記のケース部を密封するためには、様々な問題点がある。最も問題となる点は、電気リード（ｌｅａｄ）を密封することである。電気リードは、ケース部から絶縁されなければならず、絶縁する過程で難しい工程を経ることによりコストがかかる。そのため、低廉な神経補綴装置を生産し供給するためには、神経補綴装置が密封されたケース部なしでも安全な動作ができるようにする必要がある。
【００２７】
そのためには、上記ケース部１３を、完全密封パッケージの形態でない、より工程が簡易で且つコストが少なくかかる形態で構成しなければならない。そこで、ある程度の漏洩が存在するが、集積回路を保護し且つ絶縁性を有する物質にて簡単にコートする方法が考えられる。ここで、簡単にコートするということは、完全密封パッケージを製作せずに大量生産工程に適合するように回路などを取り囲むことをいう。例えば、半導体工程のようにレイヤーを蒸着する方式を適用することができる。
【００２８】
特に、シリコンエラストマーまたはポリウレタンは、シリコン酸化物または金属酸化物システムを保護するうえで優れた効果がある。シリコンは、分子と強い結合をすることで分子表面を安定化させるため、シリコンと他の酸化物質が腐食しないようにする優れた効果を奏する。したがって、ケース部１３は、内部の回路または装置などをシリコンエラストマーまたはポリウレタンにてコートする方式で実現することができる。
【００２９】
なお、完全密封パッケージを使用することなく回路の外部を回路保護物質にてコートすると、人体内で電力や刺激信号が漏洩することが生じ得る。人体内で電力や刺激信号が漏洩すると、周辺の組職や細胞が損傷を受けることがある。特に、直流電源（ＤＣ）を使用する場合は、周辺の組職や細胞において単相刺激による金属組職の界面での電荷の蓄積は命にかかわることもある。
【００３０】
図２は、単相波形と二相波形による組職の損傷発生の有無を相対的に比較したことを示すグラフである。単相波形は組職に損傷を与えるのに対し、二相波形は組職に損傷を与えない。
【００３１】
このグラフにおける、単相波形は直流電源であり、二相波形は正の値と負の値とを繰り返す交流電源である。
【００３２】
図２の内容を総合すると、直流を使用すると、交流の使用よりも組職や細胞の安全性に問題がある。そのため、完全密封パッケージを使用せず、電力の漏洩を仮定した場合、直流電源よりは交流電源の方が細胞や組職に安全であると見ることができる。よって、神経刺激装置に交流電源を供給する方法が考えられる。
【００３３】
電極と電解物との境界面において起きる電荷メカニズムには、非ファラデー反応（ｎｏｎＦａｒａｄａｉｃ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）とファラデー反応（Ｆａｒａｄａｉｃ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）がある。非ファラデー反応は、電極と電解物間で電子の移動がない反応であり、ファラデー反応は、電極と電解物間で電子の移動があり、それによって酸化、還元反応が起きる反応である。また、ファラデー反応は、可逆反応と非可逆反応とに分けられる。
【００３４】
非可逆反応は、一方の方向への反応が優勢で、逆の方向には反応が起きにくい反応のことを意味する。一般に気体や沈殿物などを発生する反応がそれに属する。すなわち、反応が起きるイオンや物質などが気体や沈殿物として生成され、その逆の方向への反応が起きるイオンや物質が消失されて逆の方向への反応は起きにくくなる。非可逆反応は、化学環境で変化を起こして潜在的に組職や細胞または電極に損傷を生じさせる。したがって、神経補綴用刺激装置を実現するうえで、非可逆反応を生じさせないようにすることが何より重要である。
【００３５】
電極と電解物との境界面で起きる代表的な非可逆反応としては、次の化学反応がある。
【００３６】
【化１】
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【００３７】
【化２】
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水の酸化と還元反応が発生すると、水素と酸素気体が発生する。水素と酸素イオンは自発的に水を生成するが、水から酸素と水素が生成されることは非自発的である。したがって、かかる反応が発生してはならず、そのためには、体内において水分及びイオンに露出した電極と体液間の電圧が所定の値を超えてはならない。この電圧値とは、体液内において上記反応式（化１）及び（化２）が進められる閾値電圧のことをいう。この電圧値は、下記の、モデリングして得た回路におけるキャパシターＣｄｌの両端にかかる電圧のことを意味する。
【００３８】
図３は、二重層をモデリングして得た電気回路の回路図を示す図である。二重層は、キャパシターと類似しているため、該二重層をモデリングしてＣｄｌを得ることができる。図３におけるDｆは、平衡境界面ポテンシャル（ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）であり、Ｒｓは溶液の抵抗であり、Ｚｆａｒａｄａｉｃは、ファラデーインピーダンスである。
【００３９】
図４は、図３の二重層をモデリングして得た回路を模擬実験する回路を示す回路図である。人体内において露出した神経補綴用刺激装置の電極間に電圧Ｖｓがかかると仮定する。これは、神経補綴用刺激装置から電力が漏洩することを意味する。
【００４０】
図４のモデリング回路において二重層Ｃｄｌにかかる電圧をＶｐとする。この値Ｖｐは、所定の値よりも小さくなければ前述した非可逆反応が起きる。図４の回路に印加される電圧に対し、その大きさは一定にし、周波数だけを変えてシミュレーションをした。
【００４１】
図５は、図４の等価回路に周波数を変えて電圧を印加した際のＶｐにかかる電圧の大きさを、周波数に応じて示した周波数応答グラフである。このグラフは、低域通過フィルター（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ：ＬＰＦ）の周波数応答特性を持つ。
【００４２】
図５のグラフを分析する。周波数が０に近い場合（すなわち、ＤＣ電圧の場合）には、Ｖｐにかかる電圧が回路に印加された電圧Ｖｓと等しい。これは、直流電圧が人体内において漏洩する場合には、非可逆反応が起きる恐れが大きいことを意味する。これに対し、周波数が高くなるほど（すなわち、ＡＣ電圧の場合）、Ｖｐにかかる電圧の大きさは小さくなる。これは、交流電圧が人体内において漏洩する場合には、直流電圧の場合よりも非可逆反応が起きる恐れが相対的に小さいことを意味する。これは、図２のグラフと共に交流電源を使用する神経補綴用刺激装置の安全性を裏付けている。
【００４３】
本発明に係る他の実施例について説明する。完全密封パッケージを使用して神経刺激装置をパッケージングした場合でも、電流の漏洩を仮定して、電力変換部が交流電力を供給する場合である。チタンやセラミックを含む物質にてケース部を製作した場合である。
【００４４】
これに係る神経補綴用刺激装置は、外部から電力を受信し、受信した電力を電気信号発生部を含む回路に供給する電力受信部１１と、神経を刺激する電気信号を生成する電気信号発生部１２、及び上記電力受信部及び電気信号発生部を体液から保護するケース部１３と、を含み、上記電力受信部は、交流電力を電気信号発生部を含む回路に供給する。また、上記ケース部は、チタンまたはセラミックからなる密封パッケージである。
【００４５】
体液やイオンから電力変換部及び電気信号発生部を保護するためのケース部を使用しても、電流漏洩が発生することがある。このとき、直流電力を使用した場合、直流電力による単相刺激が周辺の組職や細胞に蓄積され、組職や細胞の生命にかかわることがある。そのため、電圧源として交流電力を供給し、組職や細胞の安全を図ることができる。
【００４６】
図６は、本発明のまた他の実施例に係る電力変換部を備えた神経補綴用刺激装置を示す図である。
【００４７】
図６は、電力変換部６１を備える神経補綴用刺激装置６０を示す図である。神経補綴用刺激装置は、外部から電力を受信し、受信した電力を電力変換部に供給する電力受信部１１と、神経を刺激する電気信号を生成する電気信号発生部１２と、上記電力受信部からの電力を安定した交流電力に変換し、上記電気信号発生部を含む回路に供給する電力変換部６１、及び上記電力受信部、電気信号発生部及び電力変換部を体液から保護するケース部１３と、を含み、上記電力変換部は、交流電力を上記電気信号発生部を含む回路に供給する。このとき、ケース部は、前述したように、チタンまたはセラミックからなる密封パッケージにて構成されていてよく、またはシリコンまたはポリウレタンにて外部をコートして構成されていてよい。
【００４８】
以下、図６による発明の実施例について詳述する。
【００４９】
本発明に係るまた他の実施例について説明する。本実施例では、電力受信部が受信した電力をそのまま使用せずに、変換過程を経てより安定的且つ回路に適合した交流電力を神経補綴用刺激装置の内部回路に供給することができる。
【００５０】
これに係る神経補綴用刺激装置は、外部から電力を受信し、受信した電力を電力変換部に供給する電力受信部と、神経を刺激する電気信号を生成する電気信号発生部と、上記電力受信部からの電力を安定した交流電力に変換し、上記電気信号発生部を含む回路に供給する電力変換部、及び上記電力受信部、電気信号発生部及び電力変換部を体液から保護するケース部と、を含み、上記電力変換部は、交流電力を上記電気信号発生部を含む回路に供給する。また、上記ケース部は、前述したように、上記電力受信部、電気信号発生部及び電力変換部の外部をシリコンまたはポリウレタンにてコートしてなるものであればよい。
【００５１】
ここで交流電力は、例えば、正弦波、パルス波、または三角波のいずれかであればよい。電力変換部の追加に伴い、神経補綴用刺激装置に使用される電気信号発生部の範囲が広くなる。すなわち、電気信号発生部が作動できる電源の種類が多様になるという長所がある。
【００５２】
本発明に係るまた他の実施例について説明する。本実施例は、密封されたパッケージを有する場合に、前述した電力変換部を含め、電力受信部が受信した電力をそのまま使用せず、変換過程を経てより安定的且つ回路に適合した交流電力を神経補綴用刺激装置の内部回路に供給する神経補綴用刺激装置に関する。
【００５３】
当該神経補綴用刺激装置は、外部から電力を受信し、受信した電力を電力変換部に供給する電力受信部と、神経を刺激する電気信号を生成する電気信号発生部と、上記電力受信部からの電力を安定した交流電力に変換し、上記電気信号発生部を含む回路に供給する電力変換部、及び上記電力受信部、電気信号発生部及び電力変換部を体液から保護するケース部と、を含み、上記電力変換部は、交流電力を、上記電気信号発生部を含む回路に供給する。また、上記ケース部は、チタンまたはセラミックからなる密封パッケージである。
【００５４】
前述したように、ここで、交流電力は、例えば、正弦波、パルス波、または三角波のいずれかであればよい。電力変換部の追加に伴い、神経補綴用刺激装置に使用される電気信号発生部の範囲が広くなる。すなわち、電気信号発生部が作動できる電源の種類が多様になるという長所がある。
【００５５】
電力受信部は、外部から無線通信を介して電力を受信することで装置内に使用される電力を得ることできる。このとき、該電力は、無線通信とコイルの誘導電流を通じて受信すればよい。
【００５６】
また、電力受信部は、光エネルギーの伝達を通じて外部から電力を受信することができる。
【００５７】
本発明のまた他の実施例によると、電力受信部は、直流電力を供給するバッテリーから電力の供給を受けることができる。受信した直流電源は、電力変換部にて交流電源に変換され、電気信号発生部に伝達される。
【００５８】
前述した他の実施例と同様に、電気信号発生部で使用される電力を交流に変換することで、電気信号発生部回路の安全性や信頼性を高めることができる。
【００５９】
直流電源を使用する他の神経補綴システムでは、バッテリーと電気信号発生部の全体をチタンやセラミックからなる密封パッケージで構成しなければならず、電極にて接続される全ての接続地点が体液の漏洩に露出する危険がある。
【００６０】
しかし、本発明の実施例では、電気信号発生部を簡単な回路保護物質にてコートして使用することができ、密封されたバッテリーと電力変換部から露出する可能性のある接続地点が、電源に必要な２つの地点だけである。
【００６１】
また、バッテリーと電気信号発生部とを分離することで、大きな体積を占めるバッテリーの位置を電気信号発生部と分離して体内に自由に配置することができる。
【００６２】
以上で説明した本発明は、前述した実施例及び添付の図面に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変更及び変形が可能である。
【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】
2011526179.tif 000009
【図６】
2011526179.tif 000010
【国際調査報告】
2011526179.tif 000011
2011526179.tif 000012
2011526179.tif 000013