(57)【要約】  複数の光センサー、複数の微小電極、並びに光センサー及び微小電極に結合される回路部を含むインプラント装置が記載される。光センサーは入射光を受け取ることができる。回路は、微小電極を駆動して神経細胞を刺激し、光センサーによって捕捉される光の視覚の知覚を可能にすることができる。本装置は、刺激のために神経細胞と位置合わせされる微小電極を可能にするためにヒトの眼球の形状に合致するように可撓性材料で実装されることができる。別の実施の形態では、人工網膜のピクセルユニットのアレイを有する可撓性デバイスの製造方法が記載される。本製造方法は、ピクセルユニットのアレイを含む層状構造部を基板にわたって形成することを含むことができ、各ピクセルユニットは処理回路部、微小電極及び光センサーを含む。別の実施の形態では、埋め込み可能なデバイスを網膜細胞とインターフェースするように構成する方法及び装置が記載される。デバイスは、網膜細胞を刺激することが可能なピクセルユニットのアレイを含むことができる。ピクセルユニットは、通常モード及び校正モードを含む複数のモードから選択される動作モードで動作することができる。【選択図】なし図面訳
2014503229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インプラント装置であって、
光を受け取る複数の光センサー、
複数の微小電極、並びに
前記光センサー及び前記微小電極に結合されている回路部であって、前記光センサーによって捕捉される前記光の視覚の知覚を可能にするように、前記微小電極を駆動して神経細胞を刺激する、回路部
を備え、該装置は、ヒトの眼球の形状に合致するとともに刺激のために前記神経細胞に近接する前記微小電極を可能にするように、可撓性材料で実装される、インプラント装置。
【請求項２】
各微小電極は、少数の別個の神経細胞を標的にするサイズである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記神経細胞は、ヒトの眼球の形状に基づいて略球状の幾何学的形状で分散している、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記センサー、前記微小電極及び前記回路部は、ピクセルユニットのアレイを含む半導体デバイスに集積され、各ピクセルユニットは、前記微小電極のうちの１つ、前記光センサーのうちの１つ及び対応する回路部を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ピクセルユニットのアレイは、１平方ミリメートルあたり２５０よりも高い分解能を有する微小電極アレイを含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記デバイスは、半導体層及び金属相互接続層を含む層状構造部を含み、前記半導体層は、前記光センサー及び前記回路部のトランジスタを含み、前記微小電極は、前記半導体層及び前記金属相互接続層とは分離しており、前記微小電極は前記金属相互接続層を介して前記回路部と結合されている、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記層状構造部は基板層を含み、前記半導体層は、前記層状構造部内に前記デバイスの前側の近くに位置決めされ、前記基板層は、前記層状構造部内に、前記デバイスの、前記前側とは反対の裏側の近くに位置決めされる、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記半導体デバイスは、前記光が前記前側から前記半導体層内の光センサーに達することを可能にする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記微小電極は、前記半導体デバイスの前記前側から前記神経細胞に接触する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記微小電極は、前記半導体デバイスの前記裏側から前記神経細胞に接触し、前記層状構造部は、前記金属相互接続層及び前記微小電極を接合するシリコン貫通電極を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記半導体デバイスは、前記光が前記裏側から前記半導体層内の前記光センサーに達することを可能にする、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記基板は、前記光が該基板を通って前記光センサーに達することを可能にするように十分に薄化される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記基板は、およそ２０ミクロン未満の厚さを有する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記微小電極は、前記半導体デバイスの前記前側から前記神経細胞に接触する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記刺激は、前記電極から前記神経細胞への電流に基づくものであり、前記層状構造部はガードリングを含み、各電極は、該電極から標的とされる神経細胞への電流の範囲を制限するために局所的な帰還路を提供する前記ガードリングのうちの１つによって囲まれている、請求項４に記載の装置。
【請求項１６】
前記装置は、生体組織に埋め込まれるのに適しており、前記半導体デバイスは、前記生体組織と前記層状構造部との間に双方向の保護を提供する生体適合層内にシールされる、請求項４に記載の装置。
【請求項１７】
前記微小電極のうちの少なくとも１つは、該少なくとも１つの電極と標的とされる神経細胞との間の近接度を高めるように前記生体適合層にわたって突出している先端部を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記突出している先端部は、前記半導体デバイスの表面上に突出している１つ又は複数の異なる高さの層に配置され、異なる層の微小電極が前記神経細胞の異なる層にアクセスすることを可能にする、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記回路部は、複数の処理回路部を含み、各ピクセルユニットは、該複数の処理回路部のうちの１つを含み、前記ピクセルユニットは、相互接続部を有するネットワークとして配置され、各ピクセルユニットの処理回路部が、該ピクセルユニット、及び前記相互接続部を介した前記ネットワークの少なくとも１つの他のピクセルユニットを介して受け取った前記光から刺激を引き出すことを可能にする、請求項４に記載の装置。
【請求項２０】
前記ピクセルユニットは、前記アレイに従って少なくとも１つの隣接するピクセルユニットと関連付けられ、前記少なくとも１つの他のピクセルユニットは、前記ピクセルユニットの前記隣接するピクセルユニットを含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
神経細胞を含む組織に実装可能な装置であって、
複数のピクセルユニットであって、該ピクセルユニットに入射する光の視覚の知覚を可能にするように２次元アレイで配置されており、各ピクセルユニットは、
前記光を受け取る光センサー、
知覚のために前記神経細胞のうちの標的とされる神経細胞に刺激を送る微小電極、及び
前記光による刺激を引き出すとともに前記電極を刺激する回路部であって、前記２次元アレイは、正面、及び該正面とは反対の裏面を有するデバイス内に配置される、回路部
を備える、複数のピクセルユニット、並びに
前記デバイス及び前記組織を双方向に保護するように前記デバイスを覆う生体適合層であって、前記ピクセルユニットの電極が前記神経細胞を刺激することを可能にするように開口を有する、生体適合層
を備え、前記デバイスは、該デバイスがヒトの眼球の形状に合致するよう２次元に屈曲可能であることを可能にするように可撓性材料を含み、
前記可撓性材料は、前記デバイスが該デバイスの前記前面又は前記裏面から前記光を受け取ることを可能にするように半透明である、神経細胞を含む組織に埋め込み可能な装置。
【請求項２２】
前記デバイスを通る複数の穿孔であって、流体の流れが前記正面と前記裏面との間で該穿孔を通ることを可能にする、複数の穿孔を更に含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２３】
人工網膜の集積回路デバイスであって、
光の視覚の知覚を可能にするピクセルユニットのアレイであって、各ピクセルユニットは、
前記光を感知するセンサー、
知覚のために神経細胞のうちの標的とされる神経細胞に刺激を送る電極、及び
前記光による刺激を引き出して前記電極を刺激する回路部
を備え、
該ピクセルユニットのアレイは、該デバイス内に１平方ミリメートルあたり２５０個よりも高い密度で配置され、
前記デバイスは、該ピクセルユニットのアレイが、ヒトの眼球の形状に従って少なくとも１２．５ミリメートルの曲率半径に合致することを可能にするように屈曲可能である、ピクセルユニットのアレイを備える、人工網膜の集積回路デバイス。
【請求項２４】
人工網膜のピクセルユニットのアレイを有する可撓性デバイスの製造方法であって、
前記ピクセルユニットのアレイを含む層状構造部を基板にわたって形成することであって、各ピクセルユニットは処理回路部、微小電極及び光センサーを含む、層状構造部を形成すること、
第１の組の生体適合層を前記層状構造部にわたって形成すること、
前記基板を、該基板がおよそ網膜の曲率に曲がることを可能にするように該基板の制御厚さまで薄化すること、及び
第２の組の生体適合層を前記薄化した基板にわたって形成することであって、前記第２の組の生体適合層は前記構造部の周りで前記第１の組の生体適合層に接触して、前記デバイスを覆う、シールする生体適合層を形成し、前記デバイスが網膜組織に長期間接触することを可能にし、前記ピクセルユニットの前記微小電極の上面は前記生体適合層を通して露出される、第２の組の生体適合層を形成すること、
を含む、人工網膜のピクセルユニットのアレイを有する可撓性デバイスの製造方法。
【請求項２５】
前記層状構造部を形成することは、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）プロセス技術又はＣＩＳ（ＣＭＯＳイメージセンサー）プロセス技術をベースとする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記プロセスは、最終的なパッド開口ステップを含み、前記微小電極は、ＣＭＯＳ又はＣＩＳの前記最終的なパッド開口ステップにおいて前記デバイスから露出される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記層状構造部を形成することは、前記電極の上部に薄い導電膜を堆積させることを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記微小電極の上部に薄い誘電体層を堆積させることを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記微小電極の上部に接着剤層を堆積させることを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記基板はシリコン材料から作られ、前記薄化することは、前記基板に対して機械的なラッピング作業を行うことを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
前記基板に対して化学エッチング作業を行い、前記ラッピング作業によって誘発される前記基板の損傷部を除去することを更に含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記基板は埋設される酸化物層を有し、前記エッチング作業は該埋設される酸化物層において止まる、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記制御厚さは、前記基板の２つの反対の表面間で測定され、前記基板は、光が前記２つの表面のうちのいずれか１つの表面から前記光センサーに達することを可能にするように前記２つの反対の表面間で十分に薄い、請求項２４に記載の方法。
【請求項３４】
前記制御厚さは、およそ数ミクロンから数十ミクロンである、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１の組の生体適合層を形成することは、
前記層状構造部及び前記基板の表面にわたってバリアー層を堆積させることであって、前記微小電極の表面の周りの前記層状構造部の側壁は前記層状構造部を保護するために前記バリアー層によってカバーされる、バリアー層を堆積させること、及び
前記バリアー層にわたって第１の生体適合性ポリマー層を堆積させることであって、該生体適合性ポリマー層は前記バリアー層に付着する、第１の生体適合性ポリマー層を堆積させること、
を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３６】
前記バリアー層は、生体適合性である薄膜をベースとする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記薄膜はＳｉＣ又はＴｉＮを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記電極を付加的な金属層でカバーすることであって、前記電極と前記組織内の電解質とのインターフェースの有効性を高める、前記電極を付加的な金属層でカバーすることを更に含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記可撓性デバイスはＣＭＯＳデバイスをベースとするものであり、前記微小電極は導電性材料を含み、前記層状構造部を形成することは、
前記ＣＭＯＳデバイスの表面にわたって金属種層を堆積させること、
フォトリソグラフィーのフォトレジスト層を堆積させること、
前記フォトリソグラフィーに従って前記導電性材料をめっきすること、及び
前記フォトレジスト層及び前記金属種層をストリッピングして前記微小電極を露出させること、
を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項４０】
前記可撓性デバイスは、トレンチを含むダイシングレーンに従って前記基板から分割され、前記方法は、
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）プロセスに基づいて前記トレンチのために酸化物及びシリコンを含む材料をエッチングすることを更に含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記微小電極を付加的な金属層でカバーすることであって、前記微小電極と前記組織内の電解質とのインターフェースの有効性を高める、前記微小電極を付加的な金属層でカバーすることを更に含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記デバイスは正面及び裏面を有し、前記方法は、
前記正面と前記裏面との間に複数の穿孔を開けることであって、該穿孔を介して前記デバイスを通る流体の流れを可能にし、各穿孔は前記生体適合層によって囲まれる、複数の穿孔を開けることを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項４３】
前記ピクセルユニットは、境界が該ユニットを隔てている状態で前記層状構造部内にパッケージングされ、前記穿孔は前記境界に位置する、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
網膜刺激デバイスの製造方法であって、
複数の光センサー、複数の微小電極及び複数の処理回路部を内部に有する層状構造部を基板にわたって形成することであって、前記微小電極は前記基板の表面上の開口にわたって露出される、層状構造部を形成すること、
前記開口を含む前記表面を、前記層状構造部を保護することが可能なバリアー薄膜によってパッシベートすること、
前記バリアー層が前記微小電極の周りの側壁を保護するように該バリアー層を通して前記開口内の前記電極を露出させること、
前記基板を薄化することであって、前記デバイスが網膜の曲率に合致するように曲がることを可能にする、前記基板を薄化すること、
前記バリアー層にわたってポリマー層を形成することであって、該ポリマー層は前記デバイスを生体組織に埋め込むことを可能にするように生体適合性である、ポリマー層を形成すること、及び
前記電極を、前記ポリマー層を通して露出させること、
を含む、網膜刺激デバイスの製造方法。
【請求項４５】
前記層状構造部を形成することは、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）プロセス技術をベースとし、前記光センサーはＰＮ（Ｐ型Ｎ型）接合ダイオードを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記微小電極は、側壁が前記バリアー層によってカバーされた状態で露出される、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記基板を薄化することは、前記基板の裏側に対して機械的作業及び化学的作業を行うことであって、前記基板の厚さを低減し、前記基板は前記作業を容易にするように前側がハンドラー基板に結合される、機械的作業及び化学的作業を行うことを含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
網膜用の埋め込み可能なデバイスの製造方法であって、
基板にわたってピクセルユニットのアレイを形成することであって、各ピクセルユニットは、光センサー、微小電極、並びに、前記光センサー及び前記微小電極に結合される処理回路部を含み、各ピクセルユニットは、導電ワイヤーによって前記アレイ内の隣接するピクセルユニットと結合される、ピクセルユニットのアレイを形成すること、
前記基板を、前記ピクセルユニットを網膜の曲率に合致する湾曲領域にわたって位置決めするために前記デバイスを曲げることを可能にする厚さまで薄化すること、
前記デバイスを、該デバイスと前記網膜に関連する組織との間に双方向の保護を与えるように生体適合性である保護層でカバーすること、
複数の穿孔を、前記ピクセルユニット間に、チップ表面に対して垂直に開けることであって、前記穿孔を介した前記デバイスを通る流体の流れを可能にする、複数の穿孔を開けること、及び
前記ピクセルユニットの前記電極を、前記保護層を通して露出させること、
を含む、網膜用の埋め込み可能なデバイスの製造方法。
【請求項４９】
前記ピクセルユニットの複数のガードリングを形成することであって、各ガードリングは、電極からの電流の局所的な帰還路を提供するように電極を囲む、複数のガードリングを形成することを更に含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
網膜細胞とインターフェースするように埋め込み可能なデバイスであって、
前記網膜細胞を刺激することが可能なピクセルユニットのアレイであって、該ピクセルユニットは、通常モード及び校正モードを含む複数のモードから選択される動作モードで動作する、ピクセルユニットのアレイ、及び
前記ピクセルユニットの前記動作モードを切り換えるように構成されている制御回路部
を備え、
前記ピクセルユニットは、前記通常モード中には、前記網膜細胞を刺激する光を受け取って該光の知覚を可能にするように構成されており、
前記ピクセルユニットは、前記校正モード中には、前記網膜細胞への刺激の量を調節するように構成されている、網膜細胞とインターフェースするように埋め込み可能なデバイス。
【請求項５１】
前記制御回路部は、前記光が所定の視覚パターンを表すか否かを検出する復号回路部を含み、制御回路部は、前記所定の視覚パターンが検出されると前記ピクセルユニットの前記動作モードを切り換える、請求項５０に記載のデバイス。
【請求項５２】
各ピクセルユニットは、電極、光センサー及び処理回路部を含み、前記光センサーは光を受け取り、前記電極は前記神経細胞のうちの標的とされる１つ又は複数の神経細胞を刺激し、前記処理回路部は、
前記電極の前記通常動作モードにおいて受け取った光による刺激を生成し、前記標的とされる神経細胞に伝えるように構成されている、請求項５０に記載のデバイス。
【請求項５３】
前記ピクセルユニットは、前記標的とされる神経細胞への前記刺激の範囲を制限するガードリングを更に含む、請求項５２に記載のデバイス。
【請求項５４】
前記ピクセルユニットは、前記アレイ内の１つ又は複数の隣接するピクセルユニットと結合され、前記光センサーからの強度信号が前記受け取った光を示し、前記ピクセルユニットは前記隣接するピクセルユニットから強度信号を受け取り、前記生成することは、前記強度信号及び前記隣接するピクセルユニットから受け取った前記強度信号に対する信号処理作業を含む、請求項５２に記載のデバイス。
【請求項５５】
前記信号処理は、背景の絶対光強度の影響を低減するために、前記強度信号の重み付けされる組み合わせを含む、請求項５４に記載のデバイス。
【請求項５６】
前記ピクセルユニットは前記刺激の構成設定を含み、前記デバイスは、前記構成設定を更新するために前記校正モードで外部コマンドを受信するインターフェースを更に含む、請求項５２に記載のデバイス。
【請求項５７】
前記構成設定は、光センサーの検出回路部の電気的なパラメーターを含む、請求項５６に記載のデバイス。
【請求項５８】
前記構成設定は、電極の駆動回路部の電気的なパラメーターを含む、請求項５７に記載のデバイス。
【請求項５９】
前記制御回路部は、前記神経細胞を部分的に刺激するように前記ピクセルユニットの一部を選択することが可能であり、前記制御回路部は、前記ピクセルユニットの前記一部を選択的に更新することが可能である、請求項５８に記載のデバイス。
【請求項６０】
前記インターフェースは無線接続をベースとする、請求項５９に記載のデバイス。
【請求項６１】
前記ピクセルユニットは、前記標的とされる神経細胞から電流を受け取る電気的センサーを更に含む、請求項５６に記載のデバイス。
【請求項６２】
前記刺激の生成は前記標的とされる神経細胞の特徴に依存する、請求項６１に記載のデバイス。
【請求項６３】
前記ピクセルユニットのうちの少なくとも１つが前記刺激の標的とされる神経細胞を抑制する、請求項６１に記載のデバイス。
【請求項６４】
前記特徴は、前記標的とされる神経細胞がＯＮ型であることを示し、前記刺激は、前記光の刺激の開始とほぼ同期する、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項６５】
前記特徴は、前記標的とされる神経細胞がＯＦＦ型であることを示し、前記刺激は、前記光の消失とほぼ同期する、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項６６】
前記処理回路部は、
前記校正動作モードにおいて前記標的とされる神経細胞に対して試験刺激を生成するように更に構成されており、前記標的とされる神経細胞は前記試験刺激に反応する反応信号を生じ、かつ
前記反応信号に従って前記標的とされる神経細胞の特徴を特定するように更に構成されている、請求項６２に記載のデバイス。
【請求項６７】
前記ピクセルユニットは、前記反応信号を提供する前記標的とされる神経細胞から電流を受け取る電気的センサーを更に含む、請求項６６に記載のデバイス。
【請求項６８】
前記特定することは、前記反応信号の前記電流の動態を測定することであって、前記動態は前記試験刺激と前記電流との間のタイムラグを含む、動態を測定することを含む、請求項６７に記載のデバイス。
【請求項６９】
前記ピクセルユニットは、前記校正モードにおいて光入力からの刺激を前記神経細胞に伝え、該刺激は神経細胞ネットワークを介して既知の視覚を生じさせ、前記制御回路部は、
前記構成設定を調節し、前記ピクセルユニットが前記光入力からの更新された刺激を生成することを可能にし、前記神経細胞ネットワークを用いることなく前記既知の視覚を生じさせることを可能にするように更に構成されている、請求項５６に記載のデバイス。
【請求項７０】
人工網膜デバイスを校正する方法であって、
所定の光のパターンを検出することであって、前記デバイスを校正モードにし、前記デバイスは、光の視覚の知覚を可能にするように前記光を受け取るピクセルユニットのアレイを含み、該ピクセルユニットは、電気的なパラメーターによって構成可能である、所定の光のパターンを検出すること、
光のパターンを受け取ることであって、前記アレイから１つ又は複数のピクセルユニットを選択し、前記光のパターンは、既知の視覚効果と関連付けられる、光のパターンを受け取ること、
前記選択したピクセルユニットから刺激を発生させることであって、神経細胞を刺激して前記光のパターンを介して実際の視覚効果を生じさせる、刺激を発生させること、及び
外部コマンドの受信に応答して、前記選択したピクセルユニットの前記電気的なパラメーターを更新することであって、前記既知の視覚効果について前記実際の視覚効果を改善する、前記電気的なパラメーターを更新すること、
を含む、人工網膜デバイスを校正する方法。
【請求項７１】
人工網膜校正システムであって、
網膜細胞とインターフェースする人工網膜デバイスであって、
光を受け取る複数の光センサー、
前記網膜細胞を刺激する複数の電極、
前記受け取った光に基づいて前記電極の刺激を生成する構成を有する構成可能な処理回路部であって、前記光は既知の視覚を投影する、構成可能な処理回路部、及び
外部コマンドに従って前記構成可能な処理回路部を構成する制御回路部
を備える、人工網膜デバイス、並びに
前記外部コマンドを送信することが可能な遠隔制御デバイスであって、前記外部コマンドは、前記光センサー及び前記電極の１つ又は複数を選択することが可能であり、前記外部コマンドは、刺激された神経細胞からの実際の視覚の知覚と前記既知の視覚の知覚との比較によって前記構成可能な処理回路部の構成を選択することが可能である、遠隔制御デバイス
を備える、人工網膜校正システム。
【請求項７２】
前記外部コマンドは前記受け取った光に符号化される光コマンドであり、前記遠隔制御部デバイスは前記光を通じて前記光コマンドを送信する、請求項７１に記載のシステム。
【請求項７３】
前記外部コマンドは無線周波数ベースの無線コマンドである、請求項７１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、包括的には、マイクロデバイスに関し、より詳細には、神経系細胞を刺激することが可能な可撓性の集積回路デバイスに関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本願は、「Ｒｅｔｉｎａ  Ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  ｔｈｅ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｓｕｃｈ」と題する、２０１０年１０月２７日に出願された仮特許出願第６１／４０７，２２９号の利益を主張する、「ＲＥＴＩＮＡ  ＳＴＩＭＵＬＡＴＩＯＮ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ  ＭＥＴＨＯＤ  ＴＨＥＲＥＯＦ」と題する、２０１１年５月６日に出願された米国特許出願第１３／１０２，５９６号の一部継続出願であり、この出願の利益を主張するものである（これらの出願はともに参照によりそれらの全体が本願に援用される）。
【背景技術】
【０００３】
加齢性黄斑変性（ＡＭＤ）及び網膜色素変性（ＲＰ）症は、特に世界中の高齢者にとって失明の主要な原因として特定されている。人工網膜デバイスは、失明した人々に視力の一部の回復の可能性を提供するものである。通常、このデバイスは、それぞれ制御されるために別個の配線インプラント（ｗｉｒｉｎｇ  ｉｍｐｌａｎｔ）を必要とする微小電極を含む。しかし、そのようなデバイスによって提供される視野は、デバイスに含まれる微小電極の数及び微小電極のピッチに依存するが、配線インプラントのサイズ制限のために大幅に限られる可能性がある。
【０００４】
さらに、人工網膜デバイスの像分解能は、デバイス内の微小電極の密度に関連し得る。従来の人工網膜デバイスは、網膜組織に埋め込まれる電極チップ又はイメージセンサーチップとは別個の駆動回路チップを含む場合がある。したがって、微小電極チップと駆動回路チップとの間の電気的な相互接続部の必要数が大幅に増え、達成可能なピクセルの数に不必要な上限を課す可能性がある。
【０００５】
加えて、既存の人工網膜デバイスは、網膜組織の非平面的な形状に合致しない平面的なチップから作られる微小電極をベースとし得る。その結果、形状の不一致によって微小電極間の付加的な干渉が生じ、デバイスの可能な像分解能を更に制限する可能性がある。
【０００６】
したがって、従来の人工網膜デバイスは、患者が損なわれた視覚能力から回復するのを助けるために本物の網膜に近いレベルを達成する像分解能のレベル、視野、又は他の視覚特徴を提供することが本質的に制限されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの実施の形態では、可撓性の集積デバイスが、人工網膜の数度から数十度の視野に相当する網膜領域の少なくとも１ｍｍ（ミリメートル）から数ｍｍにわたって、（例えば個々の網膜細胞レベルへの）高分解能の電気的励起を提供することができる。可撓性の集積デバイスは、標的網膜ニューロンへの励起を調節するために調整及び校正を行うことが可能であるものとすることができる。１つの実施の形態では、可撓性の集積デバイスは、網膜上（例えば、網膜の、入射光に面する正面側から、すなわち網膜の上）アプローチ、又は網膜下（例えば網膜の裏側）アプローチを用いて埋め込むことができる。
【０００８】
別の実施の形態では、単一の可撓性ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）チップがピクセルユニットのアレイを集積することができる。各ピクセルは、微小電極、光センサー、シグナルプロセッサ及び駆動回路部を含むことができる。可撓性チップは、網膜の形状に合致するように十分に薄く製造することができる。例えば、約３ｍｍ径の可撓性チップは、チップの中心からチップの縁にかけて約９０μｍ（マイクロメートル）屈曲可能であり、コンタクトレンズの略球状形状と同様の略球状形状の２次元湾曲面を形成することができる。
【０００９】
別の実施形態では、可撓性の集積デバイスが、境界を介して分割されるサブモジュールのモザイクを含むことができる。これらのサブモジュール間の幾つかの導電ライン（例えば金属ライン）以外のデバイス材料は、境界から除去し、デバイスの成形性（例えば、異なる形状に合致する可撓性）を高めることができる。幾つかの実施の形態では、可撓性の集積デバイスは、デバイスを横切る幾らかの流体の流れを維持するために（例えば穿孔によって）孔を開けることができる。任意選択的に又は代替的には、可撓性の集積デバイスは、光の一部がチップの裏側を通って集積される光センサーに透過することを可能にするように薄い基板を含むことができる（人工網膜上デバイスに適用可能である）。
【００１０】
別の実施の形態では、可撓性の集積デバイスは、電極からの電流の総距離の範囲を制限するとともに短縮するために、局所的な帰還路（又は「ガードリング」）が付される電極を含むことができる。その結果、電流の輸送における電気損失の量を少なくし、網膜下の場合の双極細胞又は神経節細胞等の標的神経細胞から離れた神経系細胞の望ましくない刺激を防止することができる。電極の表面は、ＯＮ細胞及びＯＦＦ細胞の基底層等の神経細胞の異なる層を異なって刺激するために、デバイスの基板から複数の電極高さで、３次元状に位置決めすることができる。
【００１１】
別の実施形態では、可撓性の集積デバイスは、近傍の隣接するピクセルユニット等の複数のピクセルユニットからの入力を受けることによってピクセルユニットの適切な刺激波形を生成することが可能なオンチップ信号処理回路部を含むことができる。可撓性の集積デバイスは、（例えばピクセルユニットの近くに位置する）標的神経系細胞からの受容野及び発火パターンを通して、各ピクセルユニットにインターフェースする特定のタイプの標的神経系細胞を特定することが可能な電気検出回路部を含むことができる。
【００１２】
別の実施の形態では、人工網膜としてユーザーに埋め込まれる可撓性の集積網膜チップを含む、提供される（ｐｒｏｖｉｓｉｏｎ）システムが、外部コマンドを介してチップを微調整することを可能にすることができる。例えば、チップ内の各ピクセルユニットは、ユーザーの視覚に従ってチップの部分を選択及び／又は構成するように、外部コマンドの光信号及び／又は無線通信信号を受信する特定の受信器及び／又は回路部を含むことができる。提供されるシステムは、外部コマンドを光学的に又は無線で発行するために遠隔制御部を含むことができる。
【００１３】
別の実施の形態では、インプラント装置が、光を受け取る複数の光センサー、複数の電極、並びに、光センサー及び電極に結合される回路部を含むことができる。回路は、電極を駆動して神経細胞を刺激し、光センサーによって捕捉される光の視覚の知覚を可能にすることができる。本装置は、刺激のために神経細胞と近接する微小電極を可能にするためにヒトの眼球の形状に合致するように可撓性材料で実装されることができる。
【００１４】
別の実施の形態では、神経細胞を含む組織に実装可能な装置が、２次元アレイで配置される複数のピクセルユニットを含み、ピクセルユニットに入射する光の視覚の知覚を可能にすることができる。各ピクセルユニットは、光を受け取る光センサー、知覚のために神経細胞のうちの標的とされる神経細胞に刺激を送る電極、及び光による刺激を引き出して電極を駆動する回路部を含むことができる。２次元アレイは、正面、及び正面の反対の裏面を有するデバイス内に配置することができる。生体適合層が、デバイスを覆って、デバイス及び組織を双方向に保護することができる。１つの実施の形態では、生体適合層は、ピクセルユニットの電極が神経細胞を刺激することを可能にするように開口を含むことができる。デバイスは、デバイスがヒトの眼球の形状に合致するよう屈曲可能であることを可能にするように可撓性材料を含むことができる。可撓性材料は、デバイスがデバイスの正面又は裏面から光を受け取ることを可能にするように半透明であるものとすることができる。
【００１５】
別の実施の形態では、人工網膜の集積回路デバイスが、光の視覚の知覚を可能にするようにピクセルユニットのアレイを含むことができる。各ピクセルユニットは、光を感知するセンサー、知覚のために神経細胞のうちの標的とされる神経細胞に刺激を送る微小電極、及び光の刺激を引き出して電極を駆動する回路部を含むことができる。ピクセルユニットのアレイは、デバイス内に１平方ミリメートルあたり１０００個よりも高い密度で配置することができる。１つの実施の形態では、デバイスは、ピクセルユニットのアレイが、ヒトの眼球の形状に従って少なくとも１２．５ミリメートルの曲率半径に合致することを可能にするように可撓性であるものとすることができる。
【００１６】
別の実施の形態では、人工網膜のピクセルユニットのアレイを有する可撓性デバイスの製造方法が、ピクセルユニットのアレイを含む層状構造部を基板にわたって形成することであって、各ピクセルユニットは処理回路部、電極及び光センサーを含む、層状構造部を形成することを含むことができる。第１の組の生体適合層を層状構造部にわたって形成することができる。１つの実施の形態では、基板は、基板が網膜の曲率に曲がることを可能にするように基板の制御厚さまで薄化することができる。第２の組の生体適合層を薄化した基板にわたって形成することができる。幾つかの実施の形態では、第２の生体適合層は、第１の生体適合層と接触し、デバイスを覆うシールされた生体適合層を形成し、デバイスと網膜組織との長期の接触を可能にすることができる。ピクセルユニットの微小電極は、これらの生体適合層の開口を通して露出させることができる。
【００１７】
別の実施の形態では、網膜刺激デバイスの製造方法が、複数の光センサー、複数の微小電極及び複数の処理回路部を有する層状構造部を基板にわたって形成することを含むことができる。微小電極は、基板の表面上の開口にわたって露出させることができる。開口を含む表面は、層状構造部を保護することが可能なバリアー薄膜によってパッシベートすることができる。開口内の電極は、バリアー層が電極の周りの側壁を保護するようにバリアー層を通して露出させることができる。基板は、デバイスが網膜の曲率に合致するように曲がることを可能にするように薄化することができる。バリアー層にわたってポリマー層を形成することができる。１つの実施の形態では、ポリマー層は、デバイスを生体組織に埋め込むことを可能にするように生体適合性であるものとすることができる。電極はポリマー層を通して露出させることができる。
【００１８】
別の実施の形態では、網膜用の埋め込み可能なデバイスの製造方法が、基板にわたってピクセルユニットのアレイを形成することを含むことができる。各ピクセルユニットは、光センサー、微小電極、並びに、光センサー及び電極に結合される処理回路部を含むことができる。各ピクセルユニットは、導電ワイヤーによってアレイ内の隣接するピクセルユニットと結合することができる。基板は、ピクセルユニットを網膜の曲率に合致する湾曲領域にわたって位置決めするためにデバイスを曲げることを可能にする厚さまで薄化することができる。デバイスは、デバイスと網膜に関連する組織との間に双方向の保護を与えるように生体適合性である保護（ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ）層でカバーすることができる。複数の穿孔を、ピクセルユニット間に、チップ表面に対して垂直に開け、穿孔を介したデバイスを通る流体の流れを可能にすることができる。ピクセルユニットの微小電極は、保護層を通して露出させることができる。
【００１９】
別の実施の形態では、網膜細胞とインターフェースするように埋め込み可能なデバイスが、網膜細胞を刺激することが可能なピクセルユニットのアレイを含むことができる。ピクセルユニットは、通常モード及び校正モードを含む複数のモードから選択される動作モードで動作することができる。デバイスの制御回路部を、ピクセルユニットの動作モードを切り換えるように構成することができる。１つの実施の形態では、ピクセルユニットは、通常モード中には、網膜細胞を刺激する光を受け取って光の像の知覚を可能にするように構成することができる。ピクセルユニットは、校正モード中には、網膜細胞への刺激の量（強度、持続時間、デューティーサイクル、レイテンシー等）を調節するように構成することができる。
【００２０】
別の実施の形態では、人工網膜デバイスを校正する方法が、所定の（ｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ  ｐｒｅ−ａｍｂｌｅ）光のパターン（空間及び時間的）又はＲＦ信号シーケンスを検出してデバイスを校正モードにすることを含むことができる。デバイスは、光の像の視覚の知覚を可能にするように光を受け取るピクセルユニットのアレイを含むことができる。ピクセルユニットは、電気的なパラメーターによって構成可能であるものとすることができる。光のパターン又はＲＦ（無線周波数）信号シーケンスを受け取って、アレイから１つ又は複数のピクセルユニットを選択することができる。１つの実施の形態では、光のパターンは、既知の視覚効果と関連付けることができる。選択したピクセルユニットから刺激を発生させて神経細胞を刺激し、選択したピクセルユニットによって捕捉される光のパターンを介して実際の視覚効果を生じさせることができる。外部コマンドの受信に応答して、選択したピクセルユニットの電気的なパラメーターを更新し、既知の視覚効果について実際の視覚効果を改善することができる。
【００２１】
別の実施の形態では、人工網膜校正システムが、網膜細胞とインターフェースする人工網膜デバイスと、外部コマンドをデバイスに送信することが可能な遠隔制御デバイスとを含むことができる。デバイスは、光を受け取る複数の光センサー、網膜細胞を刺激する複数の電極、受け取った光に基づいて電極への刺激を生成するように構成可能な処理回路部、及び外部コマンドに従って構成可能な処理回路部を構成する制御回路部を含むことができる。既知の視覚の知覚は、光を介して投影することができる。１つの実施の形態では、外部コマンドは、光センサー及び電極の１つ又は複数を選択することが可能であるものとすることができる。任意選択的に又は代替的には、外部コマンドは、刺激された神経細胞からの実際の視覚の知覚と既知の視覚の知覚との比較によって構成可能な処理回路部の構成を選択することが可能であるものとすることができる。構成可能な処理回路部は、構成に従って刺激を発生させることができる。
【００２２】
本発明の他の特徴は、添付の図面及び以下の詳細な記載から明らかとなるであろう。
【００２３】
本発明は、添付の図面の図において、限定するものではない例によって例示され、図中、同様の参照符号は同様の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】人工網膜の集積される可撓性デバイスの実施形態を示すブロック図である。
【図１Ｂ】人工網膜の集積される可撓性デバイスの実施形態を示すブロック図である。
【図２Ａ】本発明の１つの実施形態による、湾曲している可撓性デバイスの効果を示す関係図である。
【図２Ｂ】本発明の１つの実施形態による、湾曲している可撓性デバイスの効果を示す関係図である。
【図３】本発明の１つの実施形態による、穿孔を有する例示的なデバイスを示す概略図である。
【図４Ａ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの断面図を示すブロック図である。
【図４Ｂ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの断面図を示すブロック図である。
【図５Ａ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。
【図５Ｂ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。
【図５Ｃ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。
【図５Ｄ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。
【図５Ｅ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。
【図５Ｆ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。
【図５Ｇ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。
【図５Ｈ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。
【図５Ｉ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。
【図５Ｊ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。
【図５．１Ａ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスの代替的な又は好ましいシーケンスを示すブロック図である。
【図５．１Ｂ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスの代替的な又は好ましいシーケンスを示すブロック図である。
【図５．１Ｃ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスの代替的な又は好ましいシーケンスを示すブロック図である。
【図５．１Ｄ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスの代替的な又は好ましいシーケンスを示すブロック図である。
【図５．１Ｅ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスの代替的な又は好ましいシーケンスを示すブロック図である。
【図５．１Ｆ】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスの代替的な又は好ましいシーケンスを示すブロック図である。
【図６Ａ】人工網膜を埋め込む異なる手法に関する、可撓性デバイスの例示的な層状構造部を示すブロック図である。
【図６Ｂ】人工網膜を埋め込む異なる手法に関する、可撓性デバイスの例示的な層状構造部を示すブロック図である。
【図６Ｃ】人工網膜を埋め込む異なる手法に関する、可撓性デバイスの例示的な層状構造部を示すブロック図である。
【図６Ｄ】人工網膜を埋め込む異なる手法に関する、可撓性デバイスの例示的な層状構造部を示すブロック図である。
【図７Ａ】本発明の例示的な実施形態における近傍の帰還路を提供するとともに電流の範囲を制限するガードリングを示すブロック図である。
【図７Ｂ】本発明の例示的な実施形態における近傍の帰還路を提供するとともに電流の範囲を制限するガードリングを示すブロック図である。
【図８】本発明の１つの実施形態における、電極が突出している可撓性デバイスの層状構造部を示すブロック図である。
【図９】本発明の１つの実施形態における複数の高さの電極を有する可撓性デバイスにおける層状構造部を示すブロック図である。
【図１０Ａ】本発明の１つの実施形態による可撓性デバイスにおける例示的な信号処理回路部を示す概略図である。
【図１０Ｂ】本発明の１つの実施形態による可撓性デバイスにおける例示的な信号処理回路部を示す概略図である。
【図１１Ａ】本発明の１つの実施形態における構成された可撓性デバイスの動作を示すブロック図である。
【図１１Ｂ】本発明の１つの実施形態における構成された可撓性デバイスの動作を示すブロック図である。
【図１２】本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスを校正及び調節するシステムを示すブロック図である。
【図１３】本明細書において記載される１つの実施形態における可撓性デバイスを構成する方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
可撓性の人工網膜デバイスが本明細書において記載される。以下の記載では、本発明の実施形態の完全な説明を提供するために多くの特定の詳細が記載される。しかし、当業者には、本発明の実施形態をこれらの特定の詳細なしに実施することができることが明らかであろう。他の場合では、既知の構成要素、構造及び技法は、本明細書の理解を曖昧にしないために詳細には示されていない。
【００２６】
本明細書における「１つの実施形態」又は「一実施形態」への言及は、この実施形態と関連して記載される特定の特徴部、構造又は特徴を本発明の少なくとも１つの実施形態に含めることができることを意味する。本明細書中の種々の箇所における「１つの実施形態では」という語句の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を指すものではない。
【００２７】
可撓性ＩＣ（集積回路）デバイスは、「ピクセルの」アレイを単一のチップに集積することができる。各ピクセルは、電極、センサー（例えば、光センサー、電気的センサー又は他の適用可能なセンサー）、シグナルプロセッサ及び／又は駆動回路部を含むことができる。集積化は、配線、論理出力数、多重化、又はデバイスの意図される機能を可能にする他の要件を簡単にすることができる。センサー／処理回路部と電極アレイとの間の例えばＥＭ（電磁）波による費用のかかる信号伝送を排除することができる。各ピクセルは、デバイス内でアクセス可能であり、デバイス内の何千又は何万のピクセルが神経細胞とインターフェースすることを可能にすることができる。例えば、可撓性の集積デバイスは、１００００〜２００００ピクセルユニットによる約２ｍｍ〜４ｍｍのサイズの高密度アレイに対応する、２０／８０の視力を回復するために必要な密度を提供することができる。
【００２８】
１つの実施形態では、集積デバイスの可撓性は、デバイスの制御厚をベースとするものとすることができる。例えば、デバイスは、網膜（例えばヒトの眼球）の形状に合致するよう中心から縁にかけて約９０μｍ曲がるように十分に薄くすることができる。幾つかの実施形態では、デバイスは、依然としてデバイスの材料強度の安全マージン内にある、ヒトの網膜のおよそ平均的な曲率半径である１２ｍｍよりも小さい曲率半径に曲がるように十分に薄く（例えば製造プロセスに従って）作ることができる。
【００２９】
デバイスが網膜の曲率に合致するように屈曲可能であるため、デバイスの電極と網膜の標的神経細胞との間のニューロン−電極距離を短縮することができる。その結果、各ピクセルにおいて神経細胞を励起又は刺激するのに必要な電力を低減し、所与の許容可能な出力密度でより高いピクセル密度を可能にするとともに、患者に埋め込まれるデバイスを用いて神経細胞を介して知覚される像の分解能を改善することができる。特定の実施形態では、デバイスは、個々の網膜ニューロンを励起する（例えば、電極あたりの個々の神経細胞を標的化する）適合要件を満たすことができる。
【００３０】
１つの実施形態では、人工網膜の可撓性集積回路（又はデバイス）は、２つの生体適合性ポリマー層とバリアー層（例えばポリイミド／ＳｉＣ、パリレン／ＳｉＣ）との間に挟まれる約３０マイクロメートル未満の厚さのＳｉデバイス層を用いて１８０ｎｍ（ナノメートル）ＣＭＯＳ技術に基づいて製造することができる。生体適合性のポリマー（例えばポリイミド、パリレン、液晶ポリマー等）層及びバリアー層（例えばＳｉＣ、ＴｉＮ、ＤＬＣダイヤモンドライクカーボン又はダイヤモンド膜等）はともに、ＩＳＯ（国際標準化機構）の１０９９３規格に適合するものであり（例えば生体適合性）、可撓性の集積デバイスが組織内に埋め込まれるときにこのデバイスと周囲の組織との間に双方向の保護（例えば長期の接触を可能にする）を提供することができる。
【００３１】
可撓性の集積デバイスの製造手法は、高密度ＣＭＯＳイメージセンサー及び信号処理回路部を、医療用インプラントに必要な同じ可撓性パッチ上にニューロン刺激電極アレイとともに集積することを可能にすることができる。幾つかの実施形態では、半導体基板をデバイスにおいて用いて、視像を感知するとともに感知した視像に応じて電気的な刺激を生成する必要な光学部品及び／又は電子部品を含むことを可能にすることができる。
【００３２】
代替的な実施形態では、可撓性の集積デバイスは、様々な方法の網膜への埋め込みに適用可能であるものとすることができる。例えば、デバイスは、光の特定の部分がデバイスを通ることを可能にするように十分に薄く作製することができる。センサー及び電極は、そのような半透明のデバイスの同じ側（若しくは表面）又は反対の側に位置決めすることができる。その結果、デバイスを網膜上に埋め込んで、網膜神経節細胞（ＲＧＣ）層の前に網膜ニューラルネットワークを用いることなくデバイスの電極を介してＲＧＣを直接刺激することができる。代替的には、デバイスを網膜下に埋め込んで、電極を介して双極細胞側から網膜を刺激し、例えば、双極細胞、水平細胞、アマクリン細胞等の種々の神経細胞によって形成される残りの神経回路網と協働させてもよい。
【００３３】
１つの実施形態では、可撓性の集積デバイスは、光の刺激に反応する神経細胞の特徴に従って、標的神経細胞すなわち神経を励起することが可能であるものとすることができる。例えば、この特徴は、標的神経細胞がＯＮ型細胞であるか、ＯＦＦ型細胞であるか、又は他の型の細胞であるかを示すことができる。ＯＮ型細胞は、光の刺激の開始とほぼ同期して反応することができる。ＯＦＦ型細胞は、光の刺激の消失とほぼ同期して反応することができる。可撓性の集積デバイスは、受け取った光から刺激を生成する処理能力を有し、例えば、特別な刺激パターン（すなわち波形）、時間遅延、発火、抑制又は他の適用可能な刺激方法等によって標的神経細胞を適切に励起することができる（例えば、神経細胞が受け取った光によって直接刺激されるかのように）。１つの実施形態では、可撓性の集積デバイスは、電極の複数の層（例えば３次元状に分散される）を含み、連絡する（又は刺激する）ために、（例えばニューロン結合の階層構造に起因して）神経細胞の異なる層の（例えば近接度に基づいた）物理的な選択を可能にすることができる。例えば、各電極又は微小電極は、標的とされない他の神経細胞に影響を与えることなく、神経細胞のうちの（例えば、４個、８個又は他の適用可能な数等の、所定の数よりも少なく制限される）少数を標的とするように位置決めすることができる。
【００３４】
可撓性の集積デバイスは、異なる網膜インプラントの必要性に合わせた機能を提供するように構成可能であるものとすることができる。例えば、手動の及び／又は自己（自動）校正作業をｉｎ  ｖｉｔｒｏで（例えば患者に埋め込んだ後で）行い、標的とされる神経細胞の型を特定するか、かつ／又は受け取る患者の実際の視覚に従ってデバイスのセンサー／電極アレイパラメーターを調節することができる。処理機能は、例えば損傷を受けた神経細胞ネットワークに取って代わり、受け取る患者の損なわれた視覚を改善するために、同等な信号処理効果を提供するようにアクティブにするか又は（例えばプログラム可能回路部を通じて）プログラミングすることができる。
【００３５】
図１Ａ及び図１Ｂは、人工網膜の可撓性の集積デバイスの実施形態を示すブロック図である。図１のデバイス１００Ａは、ピクセルユニットの２次元アレイを含むことができる。各ピクセルユニットは同様の構造を有することができる。例えば、ピクセルユニット１０７は、入射光を受け取る光センサー１０１、オペレーションを行う処理回路部１０５、及び標的神経細胞を刺激して入射光によって投影された視覚の知覚を可能にする電極１０３を含むことができる。１つの実施形態では、処理回路部１０５は、刺激又は波形、活性化パターン等を生成する、光センサー１０１からの感知された光を処理するデジタル回路、アナログ回路又は他の適用可能な回路を含み、電極１０３を駆動して標的とされる神経細胞を刺激することができる。
【００３６】
代替的には、図１Ｂのデバイス１００Ｂは、光センサー１１１、電極１１３及び回路部１１５を含むピクセルユニット１０９を含むことができる。電極１１３は、標的神経細胞とインターフェースし、標的とされる神経細胞に刺激を伝え、かつ／又は標的とされる神経細胞からの電気的活動を感知することができる。刺激は、光センサー１１１が捕捉した光から引き出すことができる。１つの実施形態では、回路部１１５は、電気信号を受信、処理及び／又は駆動する処理（例えば信号処理）機能を提供することができる。例えば、電気信号は、光センサー１１１からの感知した光、又は電極１１３からの検出した電界によって受け取ることができる。回路部１１５は電極１１３を介して刺激を電気信号として駆動することができる。
【００３７】
人工網膜チップデバイス１００Ｂへの電気検出回路１１５の組み込みは、感知した受容野（例えば電界）及び時間領域でのニューロンスパイキングパターンを通じて神経細胞を自動で又は手動で特定することを可能にすることができる。例としては、ＯＮ細胞の受容野がＯＦＦ細胞の受容野よりも２０％大きく、その結果、受容野全体の感度が高くなり、かつＯＮ細胞がＯＦＦ細胞よりも約２０％速い反応動態を有するという、霊長類の網膜のＯＮ神経節細胞及びＯＦＦ神経節細胞における機能的な非対称性であり得る。網膜に合致するとともに感知及び刺激の双方が可能な細胞サイズの微小電極の大きなアレイが、ＯＮ網膜神経節細胞及びＯＦＦ網膜神経節細胞を選択的に刺激又は抑制することを可能にすることができる。
【００３８】
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の１つの実施形態による、湾曲している可撓性デバイスの効果を示す関係図である。通常、人工網膜デバイスの像解像度及び必要とされる駆動力（例えば閾値電流密度）は、デバイスの曲率に依存し得る。１つの実施形態では、人工網膜用の可撓性の集積デバイスは、平面ＩＣリソグラフィー技術によって製造される細胞ピッチの電極アレイ（例えば各電極はおよそ単一の神経細胞のサイズである）を含むことができる。図２Ａは、２５ｍｍの平均直径を有する概ね球状であるヒトの眼球に従って湾曲している網膜と接触しているミリメートルサイズの平面的な電極アレイチップを実装するための、ニューロン−電極距離の分布図２００Ａを示している。
【００３９】
分布図２００Ａに示されているように、チップ中心において網膜２０１と接触しているミリメートルサイズの平面的な電極アレイチップ２０３は、チップの中心から縁に向かって１．５ｍｍの距離において約９０ミクロンだけ網膜からすぐに離間し得る。ニューロン−電極距離のこの増大は、例えば、標的ニューロンを脱分極させるために電極に必要な閾値電流の増大を示唆し得る。図２Ｂの関係図２００Ｂに示されるように、必要な閾値電流の増大は、曲線２０５に従って、近接している場合よりも１〜２桁より大きくなり得る。さらに、ニューロン−電極距離の増大は、電極からの力線及び（例えば刺激信号を送信するための）電流が距離とともに広がり、大きな領域をカバーして離れたニューロンに達し得るため、特定のニューロンを脱分極させるために分解能を低下させる可能性がある。１つの実施形態では、本発明の可撓性の集積デバイスは、図２Ａ及び図２Ｂに示される長い距離を伴うことも離間を予期することもなく埋め込むことができる。
【００４０】
図３は、本発明の１つの実施形態による、穿孔を有する例示的なデバイスを示す概略図である。デバイス３００は、少なくともおよそ平均的なヒトの眼球（例えば直径２５ｍｍ）の曲率で湾曲するように多次元で可撓性であるものとすることができる。１つの実施形態では、デバイス３００は、複数の六角形にパッキングされたモジュールを含むことができ、隣接するモジュール間の穿孔が開けられた境界を有する。
【００４１】
モジュール３０１等の各モジュールは、デバイスの仕切り内のピクセルユニットの群を含むことができる。仕切りは、六角形形状、矩形形状又は他の適用可能な形状で製造することができる。１つの実施形態では、穿孔は、流体がデバイス３００の異なる表面間で交換されることを可能にすることができる。境界３０３等の隣接するモジュール間の境界は、隣接するモジュールの信号線として金属トレース（又は他の導電トレース若しくは導電線）を含み、互いに直接連絡することができる。金属トレースは、モジュール間で電力の分散を行うことができる。穿孔は、（例えば組織内に埋め込まれる）デバイスの両側の組織間で穿孔を通した幾らかの流体の流れを維持することができる。境界に沿った金属線以外のポリマー層とバリアー層との間の集積回路材料（例えばシリコン）を完全に除去することによって、デバイスの成形性を高めることができる。
【００４２】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの断面を示すブロック図である。図４Ａの断面４００Ａは、シリコン層４０７、酸化物及び金属相互接続層４０９、又はポリマーを含む生体適合層４０１及びバリアー層等の層状構造部を有する複数のピクセルユニット４１７、４１９、４２１、４２５を有する可撓性の集積デバイスを示し得る。ユニット４１７は、トランジスタ４０３、シリコン層４０７の光センサー４０５、及びアルミニウム４１１を介して（例えばトランジスタ４０３を含む）回路部と結合する電極４１３を含むことができる。穿孔４０３は、隣接するモジュール間の境界に沿ってデバイスを横切って形成することができる。例えば、ユニット４１７、４１９は、ユニット４２１、４２５を含む別個のモジュールに隣接する１つのモジュールにグループ分けすることができる。
【００４３】
断面４００Ｂは、穿孔を切り抜くことなくモジュールの境界を横切る切欠き平面を有する可撓性の集積デバイスの隣接するモジュール（又はピクセルユニット）間の断面図を示し得る。金属ワイヤー４２３等のパッシベートされた金属線又は他の可撓性の導電線が、境界を横切って（例えば穿孔間に）延びて電気信号をユニットからユニットへ運ぶことができる。
【００４４】
図５Ａ〜図５Ｊは、本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスのシーケンスを示すブロック図である。１つの実施形態では、図５Ａの構造５００ＡのＣＭＯＳ及び光センサーと電極アレイとの集積は、標準的な若しくは僅かに変更されたＣＭＯＳ技術又はＣＭＯＳイメージセンサー（ＣＩＳ）技術を用いてシリコンウェハー上に製造することができる。好ましくは、シリコンウェハーは、厚さが数マイクロメートルのシリコンエピタキシャル層を有するＳＯＩ（絶縁体上シリコン）ウェハーを含むことができる。ＰＮ接合ダイオードを変更されたＣＭＯＳ技術によって光センサーとして用いることができる。代替的には、最適化されたドーピングプロファイル及び反射防止コーティングを有する光センサーをＣＩＳ技術によって用いてもよい。特定の実施形態では、ＴｉＮ等のＣＭＯＳに適合する導電膜を、電極をパターニングする前に電極層（例えばアルミニウム５１１）の上に堆積させることができる。電極は、従来のＣＭＯＳプロセスの最終的なパッド開口ステップにおいて露出させることができる。
【００４５】
１つの実施形態では、図５Ａの構造５００Ａは、トランジスタ５０５、光センサー５０７、シリコン層（又は半導体層）５０３にわたるピクセルユニット５１３のアルミニウム５１１、酸化物／金属層５０９、Ｓｉ基板５０１、及び任意選択
的な酸化物層５４１を含む、可撓性の集積デバイスの層状構造部を含むことができる。構造５００Ａは、ピクセルユニット５１３におけるのと同様の構成要素を有するピクセルユニット５１５、５１７、５１９を含むことができる。構造５００Ａは、前側（すなわち正面、トランジスタ側）５３７、及び前側５３７とは反対の裏側５３５を有することができる。構造５００Ａは、例えばＣＭＯＳプロセスの結果としてパッシベーション層５３９を含むことができる。前側５３７は、ウェハー又はシリコンチップのチップ面に相当し得る。
【００４６】
その後、図５Ｂに示されるように、層状構造部の正面を、例えばＳｉＣ、ダイヤモンド又はＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）材料又は層をベースとする接着剤／バリアー薄膜（例えば約０．１μｍから数μｍの厚さ）によって更にパッシベートすることができる。１つの実施形態では、図５Ｂの構造５００Ｂは、パッシベーションの結果としてバリアー層５２５を含むことができる。接着剤／バリアー薄膜は、例えばＣＭＯＳプロセスの最終ステップにおいて可撓性の集積デバイスの既に開口しているパッド及び電極領域をカバーすることができる。
【００４７】
パッシベーションプロセスの後、パッド及び電極領域を、フォトリソグラフィー及びエッチングによって、ＣＭＯＳプロセスにおいて作られるパッドサイズ及び電極サイズよりも小さい、元の窓サイズよりも僅かに小さい窓サイズで再び開口させることができる。その結果、露出した側壁がパッドを囲み、電極を、パッシベーションプロセス中に堆積される接着剤／バリアー層によって保護することができる。露出した側壁は、保護又はカバーされていない場合、ＰＥＣＶＤ（プラズマ強化化学蒸着）二酸化ケイ素及び窒化ケイ素等の標準的なＣＭＯＳパッシベーション層の材料を露出し得る。
【００４８】
１つの実施形態では、アルミニウム５１１等の金属電極を電極に適用可能であり得る。生体適合性ポリマー（Ｉ）５２３等の生体適合性ポリマーの堆積をバリアー層５２５等のバリアー層にわたって施すことができる。生体適合性ポリマーは、ポリイミド、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、パリレン、液晶ポリマー又は他の適用可能な生体適合性材料を主成分とすることができる。１つの実施形態では、生体適合性材料は、ＩＳＯ  １０９９３規格によって明記されている規格に従って選択することができる。生体適合層を施した後で、１つの実施形態では、第１のハンドルウェハーをデバイスウェハーの前側に結合することができる。例えば、構造５００Ｃは、図５Ｃでは接着剤５４５によって結合されるハンドル基板（Ｉ）５４３を含むことができる。構造５００Ｃは、裏側からの薄化処理の準備ができているものとすることができる。幾つかの実施形態では、電極は、生体適合性ポリマー（Ｉ）５２３等の生体適合性ポリマー層が堆積された直後に開口させることができる。
【００４９】
ここで図５Ｄを参照すると、図５Ｃの基板５０１のようなデバイスウェハーのシリコン基板を、ラッピングステップ及び化学エッチングステップの組み合わせによって適切な厚さに薄化することができる。図５Ｃのハンドル基板（Ｉ）５４３のようなキャリア基板に結合した後で、基板５０１のようなＳｉウェハー基板を、ウェハーラッピング機によって約５０マイクロメートルの厚さ又は他の適切な厚さサイズまで機械的に薄化することができる。結果として生じる表面は、ラッピングプロセス中に誘発されるマイクロクラックの損傷を含む可能性がある。１つの実施形態では、これらの損傷をなくすために、ＳＦ６プラズマエッチング、ドライＸｅＦ２エッチング又は他の適用可能なエッチングプロセス等のシリコンの化学エッチングプロセスを適用して制御厚さにすることができる。代替的には、ＳＯＩを用いた基板にわたるエッチングは、エッチング止めとして埋設された酸化物層において止めてもよい。通常、厚さは、数ミクロンから数十ミクロン未満であるように制御することができ、それによって、光センサーがその厚さを通して光子を効果的に吸収することができ、基板は依然として所望の曲率に屈曲可能であるようにする。図５Ｄの構造５００Ｄは、薄化プロセスによってかなり薄化されているウェハー基板を含むことができる。
【００５０】
ここで図５Ｅを参照すると、薄化プロセスの後で、接着／バリアー薄膜を、研磨及び／又はエッチングした表面に堆積させることができる。ダイシングレーン（ｄｉｃｉｎｇ  ｌａｎｅ）５３１等のダイシングレーン（又は穿孔）のトレンチを形成することができる。バリアー層５２７を、図５Ｅの構造５００Ｅの裏側にわたって堆積させることができる。その後、デバイスの正面と裏面との間の穿孔（又はビアホール）をパターニングし、例えばリソグラフィー及びＲＩＥ（反応性イオンエッチング）プロセス又は他の適用可能なプロセスによって開けることができる。例えば、図５Ｆの構造５００Ｆは、穿孔又はダイシングレーン５３１を含むことができる。幾つかの実施形態では、可撓性デバイスの縁を、図５Ｆの開けること（５３９）に示されているように同様に開けることができる。
【００５１】
ここで図５Ｇを参照すると、ポリマー層を、穿孔のためにハンドル基板まで更にエッチングすることができる。例えば、構造５００Ｇは、生体適合性ポリマー（Ｉ）５２３にハンドル基板（Ｉ）５４３までエッチングされる穿孔５３１を含むことができる。その後、第２の生体適合性ポリマー層を堆積させるとともにパターニングし、穿孔を開けることができる。例えば、生体適合性ポリマー（ＩＩ）５２９を、構造５００Ｇの裏側にわたって堆積させ、穿孔５３１を開けることができる。２つの生体適合層は、図５Ｇのシール５３５に示されているのと同様にデバイスの周りを包囲するように一緒にシールすることができる。１つの実施形態では、生体適合性ポリマー５２９（例えば１０μｍ厚）は、バリアー層５２７（例えば約１μｍ〜２μｍ厚）よりも厚いものとすることができる。生体適合性ポリマー５２９、５２３は、同様の厚さサイズを有するものとすることができる。
【００５２】
その後、第２のハンドル基板を、デバイスの、デバイスに既に結合されている第１のハンドル基板とは反対の側に結合することができる。第１のハンドル基板はデバイスから除去することができる。例えば、図５Ｈの構造５００Ｈは、裏側にわたって新たに結合されたハンドル基板（ＩＩ）５３３を含むことができ、ハンドル基板（Ｉ）５４３等の第１のハンドル基板は前側から除去される。
【００５３】
ハンドル基板を正面から除去した後で、電極を、リソグラフィー及びＲＩＥ（反応性イオンエッチング）プロセス又は他の適用可能なプロセスを適用することによって露出させることができる。例えば、図５Ｉの構造５００Ｉは、前側に、生体適合性ポリマー（Ｉ）５２３を通る、電極５２１の開口を含むことができる。電極５２１は、金、白金及び／又は銅等の導電金属材料を含むことができる。１つの実施形態では、電極５２１は、より良い電極−電解質インターフェースのために別の金属化層（ＩｒＯｘ、Ｐｔ、ＴｉＮ、ＦｅＯｘ等）によってカバーすることができる。代替的に又は任意選択的には、電極は、直流ではなく変位電流をベースとした刺激を与えるために、図５Ｉの誘電体５３５等の任意選択的な誘電体層（例えば、約０．１μｍの高ｋ誘電体の薄層）を含むことができる。幾つかの実施形態では、約数ミクロンから０．１μｍ未満のラミニン等の別の任意選択的な接着剤層を、電極（又は可撓性デバイス）の上面に堆積させ、電極（又は可撓性デバイス）が組織に付着して埋め込みを改善することを助けることができる。最後に、第２のハンドルウェハーを除去して、可撓性の集積デバイスの製造プロセスを完成させることができる。例えば、図５Ｊの構造５００Ｊは、図５Ｉのハンドル基板（ＩＩ）５３３等の第２のハンドル基板のない可撓性の集積デバイスを示し得る。
【００５４】
図５．１Ａ〜図５．１Ｆは、本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスの製造プロセスの代替的な又は好ましいシーケンスを示すブロック図である。図５．１Ａの構造５１００Ａの微小電極アレイを有するＣＭＯＳ回路及び光センサーの集積は、標準的な若しくは僅かに変更されたＣＭＯＳ／ＣＩＳ技術又は他の適用可能な技術を用いてシリコンウェハー上に製造することができる。ダイシングレーンのトレンチ（例えば約５０μｍ〜１００μｍ幅）及び任意選択的な穿孔を、２つ以上のキャリアハンドラーを必要とすることなく前側の加工に基づいて加工し、可撓性デバイスを製造することができる。その結果、薄化プロセス（例えば裏側のラッピング）が汚れたプロセスであると考えられ、特定の洗浄する製造プロセスに送り返されることが制限される可能性があるため、作製手順を合理化することができる。
【００５５】
１つの実施形態では、構造５１０Ａは、例えばＣＭＯＳ／ＣＩＳプロセスに従った、シリコンウェハー又はＳＯＩウェハー（図示せず）にわたる酸化物／金属層５１０５及び活性シリコン層５１０７を含むことができる。活性シリコン層５１０７は、シリコン層５１０７とシリコン基板５１２９との間に任意選択的な酸化物層５１３１がある状態で、シリコン基板５１２９にわたってトランジスタ５１２３及び光センサー５１２５を含むことができる。ＣＭＯＳ／ＣＩＳプロセスの最後に、構造５１０Ａは、金属５１０３等の、開けられる金属接触パッド、微小電極を有するパッシベーション５１０１（例えば窒化ケイ素／酸化ケイ素）を含むことができる。
【００５６】
ここで図５．１Ｂの構造を参照すると、構造５１０Ｂは電極５１０９を含むことができ、可撓性デバイスのダイシングレーン又は穿孔のトレンチ５１２７を構造５１０Ａから製造することができる。例えば、薄い金属膜を加えて構造５１０Ａのウェハーをカバーすることができる。厚い光抵抗性材料を、ウェハーをスピンコーティングすることによって薄い金属膜上に加えることができる。電極５１０９は、厚いフォトレジストによるフォトリソグラフィープロセスの後で（例えばＰｔ又はＡｕ材料を含む）電気めっきによって加えることができる。その後、光抵抗性材料及び薄い金属膜を除去することができる。１つの実施形態では、電極５１０９は、最後の被覆ポリマー層の所望の厚さ（例えば１０μｍ）とおよそ同じ厚さであるものとすることができる。付加的な耐光コーティング及びフォトリソグラフィー露光を表面に適用することができ、ＲＩＥプロセスを用いてパッシベーション層、二酸化ケイ素層を通して、及びシリコン基板内までエッチングし、トレンチ５１２７を形成する。トレンチ５１２７は、シリコン領域（すなわち活性シリコン層）５１０７にエッチングすることができる。
【００５７】
その後、ここで図５．１Ｃを参照すると、構造５１０Ｃは、図５．１Ｂの構造５１０Ｂにわたって堆積されるバリアー層５１１１を含むことができる。バリアー層５１１１は、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ＳｉＣ又は他の適用可能な材料をベースとするものとすることができる。電極５１０９を形成した後でバリアー層を加える製造によって、バリアー層によって囲まれるか又は包囲される電極５１０９の側壁の保護を確実にすることができる。次に、生体適合性ポリマー層を、バリアー層５１１１をカバーするようにコーティングすることができる。例えば、図５．１Ｄの構造５１０Ｄは生体適合性ポリマー５１１３を含むことができる。１つの実施形態では、約２０μｍ厚のポリマー層をスピンコーティングによって塗布し、続いて硬化プロセスを行うことができる。ポリマー層は、ラッピングプロセス又は反応性イオンエッチングプロセスによって平らにし、電極の厚さ（例えば約１０μｍ厚）に近づけることができる。
【００５８】
構造５１０Ｅは、ＳＩＲＯＦ（スパッタ酸化イリジウム膜）をベースとする電極導体５１１５を含むことができる。１つの実施形態では、ＳＩＲＯＦは、酸素含有プラズマ中でイリジウムターゲットをスパッタリングすることによって堆積され、リフトオフプロセスを用いて電極領域を画定することができる。最後に、任意選択的な薄い誘電体層を、微小電極の電圧モード動作のために微小電極の上部に堆積させることができる。
【００５９】
ここで図５．１Ｅを参照すると、構造５１０Ｅは、前側のキャリアウェハー５１１５に接着剤層（例えばワックス）５１１７によって取り付けられる図５．１Ｄの構造５１０Ｄを含む。裏側のＳｉ基板（例えば図５．１Ｄのシリコン基板５１２９）は、ラッピングによって薄化することができ、化学エッチングプロセスによって、約２０μｍの全厚で止めることができる（例えば、ＳＯＩウェハーが用いられる場合にはバリアー層５１１１又は埋設される酸化物層において止める）。その後、バリアー層を、既に薄化した構造５１０Ｅの上部に加え、続いて別の生体適合性ポリマーコーティングを加えることができる。
【００６０】
例えば、ここで図５．１Ｆを参照すると、構造５１０Ｆは、裏側のパッシベーションに基づいて例えば図５．１Ｅの構造５１０Ｅにわたってコーティングされたバリアー層５１１９及び生体適合性ポリマー５１２１を含むことができる。構造５１０Ｆは、接着剤層５１１７を溶解させることによってキャリアウェハー５１１５から解放することができる。その結果、バリアー層のうちの一方の層、例えばバリアー層５１１９を、バリアー層のうちの別の層、例えばバリアー層５１１１と接触して堆積させることができる。バリアー層は、生体適合性ポリマー、例えばポリマー５１２１、５１１３の２つの層とともに、微小電極領域を除いて薄チップを完全にカバー／包囲することができる。
【００６１】
１つの実施形態では、ダイ分離（すなわちダイシング）を、例えばトレンチ５１２７にわたってダイシングレーンを切断するレザーブレードによって適用することができる。代替的に又は任意選択的には、穿孔を、付加的なフォトリソグラフィープロセス及びプラズマエッチングプロセス及び反応性イオンエッチングプロセスを施すことによって形成し、トレンチ５１２７を通してポリマー層及びバリアー層を除去することができる。任意選択的な接着剤層（例えばラミニン又はフィブロネクチン）を微小電極の表面に塗布し、組織と微小電極との接触を促すことができる。
【００６２】
図６Ａ〜図６Ｄは、人工網膜を埋め込む様々な手法に関する、可撓性デバイスの例示的な層状構造部を示すブロック図である。１つの実施形態では、人工網膜の可撓性の集積デバイスは、光の一部が、金属によって妨げられない場合にデバイス（すなわちチップ）を透過することを可能にするように薄い基板を含むことができる。したがって、光センサー及び電極の双方がチップの前側に製造される場合であっても、人工網膜上デバイスにモノリシックチップを用いることができる。
【００６３】
例えば、図６Ａのデバイス６００Ａは、デバイスの前側（すなわちトランジスタ側）に製造される光センサー６０７及び電極６１５を含むことができる。デバイス６００Ａは、光６２３がデバイスの裏側から入射する状態で網膜上に埋め込むことができる。１つの実施形態では、デバイス６００Ａの電極及び光センサーは、網膜神経節細胞６２１に向かう側に面することができる。デバイス６００Ａは、トランジスタ／センサー６０５を有するシリコン６０３、酸化物層６０９、電極６１５のアルミニウム６１３及び任意選択的な組織接着剤（例えばラミニン、フィブロネクチン等）６１７、デバイスを覆う生体適合性ポリマー６０１、並びにデバイスに開けられる任意選択的な穿孔６１９を含む層状構造部を含むことができる。
【００６４】
１つの実施形態では、デバイス６００Ａは、可視光の光減衰長がシリコンでは数ミクロンであり得るため、デバイスの裏側から入射する光の数パーセントよりも多くが光センサーに達することを可能にするように、およそ１０マイクロメートル未満の薄いシリコン基板を含むことができる。薄いシリコン基板は、ＳＯＩ（絶縁体上シリコン）ウェハーを用いるとともにＭＯＳプロセス後にシリコンウェハーを薄化する製造プロセスをベースとするものとすることができる。
【００６５】
ここで図６Ｂを参照すると、デバイス６００Ｂは、図６Ａのデバイス６００Ａにおけるのと同様の層状構造部を含むことができる。１つの実施形態では、デバイス６００Ｂは、光６４９がデバイスの前側から入射する状態で網膜下に埋め込むことができる。デバイス６００Ｂの電極及び光センサーは、網膜の双極細胞６２５及び入射光に向かう側に面することができる。
【００６６】
図６Ｃに示されるような代替的な実施形態では、デバイス６００Ｃは、デバイスの前側に光センサー６３３、及び裏側に電極６３７を含むことができる。有利には、デバイス６００Ｃ内の電極は光センサーへの入射光を遮らない。１つの実施形態では、デバイス６００Ｃは、光６４７が前側から入射し、電極が裏側の網膜神経節細胞６４５に面する状態で網膜上に埋め込むことができる。デバイス６００Ｃは、トランジスタ／センサー６３１を有するシリコン６２９、酸化物及び金属相互接続層６２７、電極６３７の任意選択的な組織接着剤６４３、デバイスを覆う生体適合性ポリマー層及びバリアー層６３５、並びにデバイスの正面及び裏面を横切る穿孔６４１を有する層状構造部を含むことができる。電極６３７は、アルミニウム６３９内のＴＳＶ（シリコン貫通電極）等の導電性ビアを通して例えばトランジスタ回路６３１を含む処理回路部と結合することができる。
【００６７】
代替的には、図６Ｄでは、デバイス６００Ｄは図６Ｃのデバイス６００Ｃにおけるのと同様の層状構造部を含むことができる。デバイス６００Ｄは、光６５３がデバイスの裏側から入射する状態で網膜下に埋め込むことができる。デバイス６００Ｄの電極は、網膜の双極細胞６５１に向かう側に面することができる。
【００６８】
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の例示的な実施形態における近傍の帰還路を提供するとともに電流の範囲を制限するガードリングを示すブロック図である。図７Ａのデバイス７００Ａは、局所的な帰還路、すなわち電極からの電流の範囲を制限する「ガードリング」が付されている電極を含むことができる。１つの実施形態では、デバイス７００Ａは、トランジスタ回路７０９及び光センサー７１１を有するシリコン７０７、酸化物層７１９、アルミニウム７１７上の電極７１５、並びに、バリアー／接着剤層７０５にわたってデバイスの周りを覆う生体適合性ポリマー層７０１、７０３を含む層状構造部を有する可撓性の集積デバイスであるものとすることができる。デバイス７００Ａは電流駆動モードで組織７２１内に埋め込むことができる。例えば、電極７１５からの電流７２３が、最も下のインピーダンス経路を流れることができる。デバイス７００Ａは、ガードリング（すなわち局所的な戻り電極）としてガード７１３を含み、望ましくない標的方向からの電流７２３をガイドする局所的な帰還路を提供することができる。
【００６９】
図７Ｂでも同様に、デバイス７００Ｂは、ガード７１３によって範囲を制限される電極７１５からの電界７２７を有する電圧駆動モードで動作することができる。デバイス７００Ｂは、電極７１５の任意選択的な誘電体７２５を含んでいてもよい。
【００７０】
好ましくは、電界又は電流は、ガードリングによって発信元の電極の近くに局所的に範囲を制限（すなわちより小さく、より狭く）することができる。したがって、神経節細胞を励起することなく双極細胞を刺激するといったように、各電極の標的ニューロン以外の神経系細胞の望ましくない刺激を防止することができる。ガードリングを有する可撓性の集積デバイスでは、１つの電極からの電界は、ガードリングを用いることによって、別個の電極からの他の電界を干渉することができない。
【００７１】
図８は、本発明の１つの実施形態における、電極が突出している可撓性デバイスの層状構造部を示すブロック図である。例えば、デバイス８００は、突出している電極アレイを有する可撓性の集積チップを含むことができる。デバイス８００は、金属／誘電体層８０７、能動部品を有するシリコン８０９、並びにポリマー及びバリアー層８１３とともにデバイスを覆うポリマー及びバリアー層８１１を有する層状構造部を含むことができる。電極８０３は、標的神経細胞８０１に近接して突出チップによって隆起させることができる。好ましくは、隆起した刺激電極は、埋め込まれると、組織の分離層の幾つかを押し通して刺激の標的位置に近接させることができる。したがって、標的ニューロンを脱分極させるために必要な閾値電流又は電力を低減し、より微細な分解能（例えば１平方ミリメートルあたり少なくとも２５０よりも高い）を有するより多くの電極を可能にすることができる。
【００７２】
図９は、本発明の１つの実施形態における複数の高さの電極を有する可撓性デバイスにおける層状構造部を示すブロック図である。例えば、デバイス９００は、複数の高さに突出している電極のアレイを有する可撓性の集積チップを含むことができる。デバイス９００は、金属／誘電体層９０７、能動部品を有するシリコン９０９、並びにポリマー及びバリアー層９１１とともにデバイスを覆うポリマー及びバリアー層９１３を有する層状構造部を含むことができる。電極９１７、９０３は、２つの異なる高さに位置決めされ、神経細胞９０１、９１５を別個に刺激することができる。
【００７３】
１つの実施形態では、電極９１７、９０３等の複数の高さの突出している電極は、異なるタイプの神経細胞（例えば、ＯＮ型細胞、ＯＦＦ型細胞、又は他の適用可能な型の細胞）の異なる基底層を特異的に刺激することができる。例えば、複数の高さの突出している電極は、双極細胞と神経節細胞との間の網膜接続部が基底層の２つの異なる高さに分かれているため、ＯＮ経路及びＯＦＦ経路でニューロンを別個に標的とすることができる。
【００７４】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明の１つの実施形態による可撓性デバイス内の例示的な信号処理回路部を示す概略図である。図１０Ａのデバイス１０００Ａは、２次元ピクセルユニットアレイ内で隣接するピクセルユニット１００１、１００３、１００７、１００９と連結されるピクセルユニット１００５を含むことができる。ピクセルユニット１００５は、Ｉ（ｍ，ｎ，ｔ）によって表される時間ｔにおいて入射光を受け取るように２次元ピクセルユニットアレイ内の（ｍ，ｎ）によって指標を付けることができる。各ピクセルユニットは、受け取った光に関する情報を隣接するユニット（又は他の適用可能なピクセルユニット）と交換することができる。
【００７５】
１つの実施形態では、各ピクセルユニットは、隣接するピクセルユニットからの入力を受け取る信号処理回路部を含むことができる。例えば、図１０Ａを参照すると、隣接するピクセルユニット１００１、１００３、１００７、１００９から受け取ったか又は感知した光を表す信号Ｉ（ｍ，ｎ＋１，ｔ）、Ｉ（ｍ−１，ｎ，ｔ）、Ｉ（ｍ，ｎ−１，ｔ）及びＩ（ｍ＋１，ｎ，ｔ）が、ピクセルユニット１００５に対して利用可能であるものとすることができる。ピクセルユニットの構成は、矩形、六角形（例えば各ピクセルユニットはピクセルユニットに隣接する６つの閉路（ｃｌｏｓｅ）を有する）、又は他の適用可能な２次元若しくは多次元アレイをベースとするものとすることができる。
【００７６】
特定の実施形態では、可撓性の集積デバイスは、ニューロンの中心拮抗受容野／周辺拮抗受容野と同様に神経回路網処理機構を刺激することが可能な信号処理回路部を含むことができる。例えば、ピクセルユニットは、中心ピクセル光強度の和と、それに隣接する周囲の光強度の平均した和との差に比例するピクセル電流出力（すなわち刺激）を生成し、適切なＲＧＣスパイキングを励起することができる。一般に、ピクセルユニットは、例えば最も近く隣接するピクセルユニット、第２に近く隣接するピクセルユニット、第３に近く隣接するピクセルユニット等の局所的な結合された隣接するピクセルユニットからの入力を合計するのに異なる重みを用い、刺激を生成するために捕捉した光から引き出される処理された信号を導出することができる。
【００７７】
例えば、図１０Ｂの回路部１０００Ｂは、重み設定１０１１、１０１３（例えば抵抗成分）によって別個に重み付けされる、感知された信号入力１０１９からの重み付けされた出力Ｉｄ（ｍ，ｎ）１０１７を生成する処理要素１０１５を含むことができる。１つの実施形態では、図１０Ａのピクセルユニット１００５は、信号処理回路部１０００Ｂを含むことができる。感知された信号のうちの４つ、Ｉ（ｍ−１，ｎ）、Ｉ（ｍ＋１，ｎ）、Ｉ（ｍ，ｎ−１）、Ｉ（ｍ，ｎ＋１）１０１９（例えば隣接するピクセルユニットからの入力）を、Ｒ１０１３及びＲ／４  １０１１等の抵抗成分を介して、感知された信号Ｉ（ｍ，ｎ）の１／４の等しい重みによって重み付けすることができる。幾つかの実施形態では、重みは、デジタルカメラにおいて用いられる多点計測と同様に、背景の絶対光強度の影響を低減するために、計測位置のピクセルユニット以外は、隣接するピクセルユニットの大部分に関してほぼゼロ（例えば対応する隣接するピクセルユニットからの切り離しに等しい）に設定する（例えば動的に構成する）ことができる。幾つかの実施形態では、隣接するピクセルユニットから交換される処理信号に信号減算を適用し、絶対強度ではなく入射光の相対強度に基づいて刺激を生成することができる。
【００７８】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明の１つの実施形態における構成された可撓性デバイスの動作を示すブロック図である。例えば、可撓性の集積デバイス１１３３は、網膜神経節細胞１１０５及び／又は神経系細胞網１１０７等の神経細胞から特定される機能性の部分を提供し、損傷又は低下した視覚の知覚を回復するように構成可能であるものとすることができる。神経系細胞網１１０７は、例えば水平細胞、双極細胞、アマクリン細胞又は他の網膜細胞等の神経細胞を含むことができる。デバイス１１３３は、神経細胞に刺激を送り、かつ／又は神経細胞からの反応を感知することが可能な微小電極アレイ１１０３と結合される処理回路部１１０１を含むことができる。
【００７９】
１つの実施形態では、デバイス１１３３は、校正／プログラミングモードで動作するときに構成可能であるものとすることができる。デバイス１１３３は、通常モード等の他のモードで動作して、入射光により神経細胞を刺激し、視覚の知覚を可能にすることができる。幾つかの実施形態では、校正／プログラミングモードの間に、センサー及び処理回路部１１０１が感知モードと駆動モードとを切り換え、（例えばプログラム可能論理アレイ又は他の適用可能なプログラム可能回路部によって）処理特徴を特定するとともに構成することができ、それによって、神経細胞の一部が適切に機能することができない（例えば損傷を受けている、衰弱している、低下している等の）場合に、入射光Ｉ（ｘｉ，ｙｉ）１１１１（例えば生成された光）から、所望の感覚出力Ｏ（ｐｉ，ｑｉ）１１１５に適切な刺激を生成することができる。
【００８０】
例えば、センサー及び処理回路部１１０１は、入射光Ｉ（ｘｉ，ｙｉ）１１１１による刺激を、正常に働いているか又は比較的健康な神経細胞に送信した直後に感覚モードに入り、感覚出力Ｏ（ｐｉ，ｑｉ）１１１５を生成することができる。幾つかの実施形態では、光Ｉ（ｘｉ，ｙｉ）１１１１は、デバイス１１３３の一部（例えばピクセルユニット又はピクセルユニットの群）を光学的に選択及び構成するために生成することができる。処理回路部１１０１は、感知モードでは、網膜神経節細胞１１０５等の神経細胞からの反応を検出することが可能であり得る。この反応は、感覚出力Ｏ（ｐｉ，ｑｉ）１１１５を示す一定の期間にわたる電圧、波形又は他の適用可能な信号若しくはスパイクであり得る。処理回路部１１０１は、入射光と検出された対応する反応との関係を含む情報を格納することができる。この情報は、例えば式Ｏ＝Ｈ×Ｉによって示される関係に基づいて神経細胞における固有の処理特徴Ｈ（ｐｉ，ｑｊ，ｘｉ，ｙｉ）１１３５を示すことができる。
【００８１】
その後、図１１Ｂに示されるように、処理回路部１１０１は、失われたか又は変性した神経細胞の視覚情報処理機能を補う動作を行うように構成することができる。例えば、光受容細胞１１０９は損傷を受けるか又は退化（ｂｌｅａｃｈｅｄ）すると、神経系細胞網１１０７が、感知した光信号を処理することを妨害する可能性がある。その結果、視覚の知覚は、網膜神経節細胞１１０５の処理特徴Ｇ’（ｐｉ，ｑｊ，ｘ’ｉ，ｙ’ｊ）１１３５に基づき得る。
【００８２】
１つの実施形態では、処理回路部１１０１は、動作（又は変換動作）Ｈ’（ｘ’ｉ，ｙ’ｊ，ｘｉ，ｙｊ）を行うように（例えば自動的に又は手動で）構成することができる。例えば、網膜神経節細胞１１０５への刺激を、効果的な光入力Ｉ’＝Ｈ’×Ｉに従って構成された処理回路部１１０１において生成し、Ｇ’×Ｉ’に従った知覚される出力Ｏ’（ｐｉ，ｑｊ）１１２３をＯ（ｐｉ，ｑｊ）１１１５に近づけることを可能にすることができる。１つの実施形態では、Ｈ’（ｘ’ｉ，ｙ’ｊ，ｘｉ，ｙｊ）は、固有の処理特徴Ｈ（ｐｉ，ｑｊ，ｘｉ，ｙｊ）に基づいてプログラミングするか又は構成することができる。処理回路部１１０１は、構成された処理能力を有する駆動モードで動作することができる。デバイス１１３３は、通常の動作モードで、又は更なる微調整若しくは調節のために校正動作モードで動作することができる。
【００８３】
１つの実施形態では、処理回路部は、例えばデバイス１１３３が網膜上に埋め込まれる場合に、校正モード中に網膜ニューロンの反応動態の測定を可能にするように電気検出回路部を組み込むことができる。デバイス（すなわちチップ）を電気的刺激の直後に電気検出に切り替えることができることによって、ＯＮ細胞及びＯＦＦ細胞を反応時間を通じて特定することができ、この情報を用いて、局所的な光情報をデバイス上の光センサーが感知したときの近傍の電極からの特定の電気的刺激を定式化することができる。
【００８４】
図１２は、本発明の１つの実施形態における可撓性デバイスを構成するシステムを示すブロック図である。システム１２００は、外部の又は遠隔の制御デバイス１２０１と光学的に又は無線で結合されるオンチップ処理回路部１１０１を有する構成可能な人工網膜デバイス１１３３を含み、構成可能なデバイス１１３３を調整／調節する制御経路又はフィードバック経路を提供することができる。１つの実施形態では、処理回路１１０１及び電極アレイ１１０３は、外部コマンドによって更新することができる電気的なパラメーター又は設定を含み、例えば、個々のピクセルレベル及び達成される所望の視覚の知覚に対する光強度、刺激の強度、又は他の適用可能なパラメーターを調節することができる。１つの実施形態では、患者が、視覚野１２０５において知覚した視覚に基づいて、ユーザー制御部１２０７を介して遠隔制御部１２０１を操作することができる。
【００８５】
幾つかの実施形態では、外部コマンド１２０３は、所定の視覚パターンを含むことができる光入力１２０９に含まれる光コマンドであるものとすることができる。代替的には、外部コマンド１２０３は、無線送受信機を介してデバイス１１３３に（例えばＥＭ信号又はＲＦ信号に基づいて）無線送信することができる。デバイス１１３３は、特別なオンチップ復号回路（ｄｅｃｏｄｉｎｇ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｏｎ  ｃｈｉｐ）とともに特定の光感知ピクセルを含み、光入力１２０３からの特別な光パルスパターンを検出してチップを調整／調節のために校正モードにすることができる。代替的には、外部コマンドによって、デバイス１１３３を無線で校正モード又は他の動作モードにしてもよい。
【００８６】
１つの実施形態では、デバイス１１３３の各ピクセル又はピクセルの領域は、（例えば目の埋め込まれた領域への）光投影によって光学的に又は無線で別個にアクセスすることができる。ピクセル又は領域は、目的とする視覚効果を達成するために電気的な刺激パラメーターを調節するようにチップ上で電気的にアクセスされることができる。１つの実施形態では、試験パターンを、例えば光入力１２０９を介して、埋め込まれた網膜に投影するか又は埋め込まれた患者が直接見ることができる。目的とする視覚効果は、外部の光入力デバイスを用いて埋め込まれた人工網膜チップのパラメーターの手動の調整を行うために患者に説明し、目的とする視覚効果の最良の近似を可能にすることができる。
【００８７】
図１３は、本明細書において記載される１つの実施形態における可撓性デバイスを構成する方法を示すフロー図である。例示的なプロセス１３００は、ハードウェア（回路部、専用ロジック等）、ソフトウェア（機械若しくは処理デバイスにおいて実行されるマシンコード等）又は双方の組み合わせを含むことができる処理回路部によって行うことができる。例えば、プロセス１３００は、図１２のシステム１２００の幾つかの構成要素によって行うことができる。
【００８８】
１つの実施形態では、プロセス１３００の処理ロジックは、ブロック１３０１において、光センサーを介して受け取った光から（例えば所定の）光のパターンを検出することができる。プロセス１３００の処理ロジックは、捕捉した光を復号して、光に光学的に符号化された光のパターンを抽出することができる。プロセス１３００の処理ロジックは、光のパターンを検出すると、デバイスを構成のために校正モードにすることができる。デバイスは、光による視覚の知覚を可能にするように、光を受け取るピクセルユニットのアレイを含むことができる。ピクセルユニットは、光センサーの検出回路部及び／又は電極の駆動回路部等の、電気的なパラメーターによって構成可能な回路部を含むことができる。
【００８９】
１つの実施形態では、プロセス１３００の処理ロジックは、ブロック１３０３において、光のパターンを受け取って可撓性の集積デバイスのピクセルユニットのアレイからピクセルユニットを選択することができる。光のパターンは既知の視覚効果と関連付けることができる。例えば、デバイスを埋め込まれた患者は、光の像の形状、光の像の相対強度又は他の視覚効果等、どの視覚の知覚が予期されるかを知っていることができる。プロセス１３００の処理ロジックは、ブロック１３０５において、選択したピクセルユニットから刺激を生成して神経細胞を刺激し、正常なヒトがその受け取った光のパターンによって経験するであろう視覚効果と同様の実際の視覚効果を生じさせることができる。幾つかの実施形態では、光のパターンは、選択光パターンを含み、どのピクセルユニットが選択されるべきであるかを特定することができる。
【００９０】
その後、１つの実施形態では、プロセス１３００の処理ロジックは、ブロック１３０７において、外部コマンドを受信して可撓性の集積デバイスの電気的なパラメーターを更新することができる。外部コマンドは光学的に又は無線で受信することができる。プロセス１３００の処理ロジックは、電気的なパラメーターを更新して、電気的なパラメーターとともに更新される選択されるピクセルユニットを介して受け取られる光のパターン（又は他の適用可能な入射光）から実際の視覚効果を調節することができる。捕捉された光（例えば光のパターン）は、既知の視覚効果と関連付けることができる。更新の結果として、実際の視覚効果を、既知の視覚効果と一致させるように調節し、デバイスを適切に構成することができる。幾つかの実施形態では、光のパターンは、ピクセルの選択のために、また選択したピクセルの電気的又は回路部の更新のために別個に生成することができる。
【００９１】
前述の明細書では、本発明を、その特定の例示的な実施形態を参照して説明した。添付の特許請求の範囲に記載されるような本発明のより広範な範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に種々の変更を加えることができることが明らかであろう。本発明は、開示される特定の形態、図面、縮尺及び詳細な情報に限定されない。本明細書及び図面はしたがって、限定的ではなく例示的であるものとみなされるべきである。
【図１０Ａ】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図５Ｉ】
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【図５Ｊ】
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【図５．１Ａ】
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【図５．１Ｂ】
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【図５．１Ｃ】
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【図５．１Ｄ】
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【図５．１Ｅ】
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【図５．１Ｆ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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