(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つの電極と、
光刺激に応答して刺激信号を前記電極に出力するために前記電極に電気的に結合される少なくとも1つの主感光性素子と、
シャント配置であって、
1つまたは複数の前記主感光性素子にわたり並列に電気的に結合されるシャントスイッチ、および
前記シャントスイッチに動作可能に結合され、ピクセル細胞において受け取られる入射光に応答して前記シャントスイッチを開状態に置き、もし入射光が、前記ピクセル細胞において受け取られないならば、前記シャントスイッチを閉状態に置くために構成される制御配置を備える、シャント配置とを備える、ピクセル細胞回路。
【請求項２】
前記シャントスイッチは、MEMSデバイス、NEMSデバイス、および半導体ベースの能動的コンポーネントの1つである、請求項1に記載のピクセル細胞回路。
【請求項３】
前記シャントスイッチは、FETトランジスタおよびバイポーラトランジスタを含む群から選択される半導体ベースの能動的コンポーネントである、請求項1または2に記載のピクセル細胞回路。
【請求項４】
前記制御配置は、前記1つまたは複数の主感光性素子において受け取られる入射光に応答して前記シャントスイッチを開状態に置き、もし入射光が、前記1つまたは複数の主感光性素子において受け取られないならば、前記シャントスイッチを閉状態に置くために構成される、請求項1から3のいずれか一項に記載のピクセル細胞回路。
【請求項５】
前記制御配置は、補助感光性素子を備え、前記補助感光性素子において受け取られる入射光に応答して前記シャントスイッチを開状態に置き、もし入射光が、前記補助感光性素子において受け取られないならば、前記シャントスイッチを閉状態に置くために構成される、請求項1から4のいずれか一項に記載のピクセル細胞回路。
【請求項６】
前記制御配置は、
スイッチ制御配置と、
電力を前記スイッチ制御配置に供給するために構成される電力供給配置と、
前記スイッチ制御配置に対するタイミング信号を生成するために構成されるタイミング制御配置とを備え、
前記スイッチ制御配置は、前記タイミング信号に基づいて前記シャントスイッチの動作を制御するために構成される、請求項1から5のいずれか一項に記載のピクセル細胞回路。
【請求項７】
前記電力供給配置は、一方の端部上で前記ピクセル細胞回路の基準電位に、かつもう一方の端部上で供給スイッチを通じて前記電極および前記1つまたは複数の主感光性素子を接続するノードに電気的に結合される蓄積容量を備え、前記スイッチ制御配置はさらに、前記タイミング信号に基づいて前記供給スイッチの動作を制御するために構成される、請求項6に記載のピクセル細胞回路。
【請求項８】
前記タイミング制御配置は、負荷に直列に電気的に結合される補助感光性素子を備え、前記負荷は、前記電極および前記1つまたは複数の主感光性素子を接続するノードに電気的に結合される、請求項6または7に記載のピクセル細胞回路。
【請求項９】
前記スイッチ制御配置は、入射光が前記ピクセル細胞において受け取られることを示す前記タイミング信号に応答して、前記シャントスイッチを開き、次いで前記供給スイッチを閉じるために、かつ入射光が前記ピクセル細胞においてもはや受け取られないことを示す前記タイミング信号に応答して、前記供給スイッチを開き、次いで前記シャントスイッチを閉じるために構成される、請求項7に記載のピクセル細胞回路。
【請求項１０】
CMOS互換のコンポーネントを使用して実施される、請求項1から9のいずれか一項に記載のピクセル細胞回路。
【請求項１１】
少なくとも1つのピクセル細胞のアレイを備え、前記少なくとも1つのピクセル細胞の各々は、請求項1から10のいずれか一項に記載のピクセル細胞回路を備える、神経移植片。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロエレクトロニクス配置に関し、詳しくは感光性ピクセル配列およびそのようなピクセル配列を有する移植片に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば網膜色素変性症などの変性疾患のために失明した患者に対して視覚を少なくとも部分的に回復させることができる、網膜移植システムが、知られている。視力は、網膜の変性組織が、迂回されることもあり、残りの網膜細胞が、電気的に刺激されることもあるという事実を利用することによって、移植片を用いて少なくともある程度は回復されることもある。この電気的な刺激は、移植システムを用いて提供されることもある。神経組織が、電極を通じてニューロン細胞に電流のパルスを渡す移植片によって人工的に刺激され、活性化されることもあるということは、よく知られている。電流の通過は、ニューロン細胞膜にわたる電位の変化を引き起こし、それは、神経系における情報転送の手段であるニューロン活動電位を開始することもある。この機構に基づくと、移植システムを介して神経系に中継される一連の電気パルスとして感覚情報入力をコード化することによって情報を神経系に入力することが、可能である。このようにして、視覚を含む、人工的に生成される感覚を提供することが、可能である。そのようなシステムは典型的には、患者の目の前に置かれる、頭部装着型配置(例えばゴーグルの形の)、および複数の電極を備える移植片、特に網膜下の(sub-retinal)移植片を備える。
【０００３】
それらのゴーグル内には、典型的にはカメラが、提供される。カメラは、患者の前の情景を取り込むように適合される。この取り込まれた情景情報は、コンピュータによって処理され、関連光パルス信号に変換される。移植片は、それらの光パルスを受け取り、それに応じて、光を網膜内の残留細胞を刺激する電流に変換するように適合される。
【０００４】
そのために、移植片は、電気的に絶縁されたピクセルの配列を備え、各ピクセルは、フォトダイオードなどの1つまたは複数の感光性素子および刺激電極を備える。感光性素子は、光パルスを受け取り、光入力によって運ばれる情報を電極に伝えられる電気信号に変換する。
【０００５】
感光性ピクセル配列を含む網膜移植片の例は、Mathieson他、「Photovoltaic retinal prosthesis with high pixel density」、Nat Photon、vol. 6、391〜397頁、2012年において述べられる。そのようなシステムでは、移植片は、ピクセル細胞のアレイを含み、各ピクセル細胞は、受け取られたパルス状近赤外(約900nm)光を、網膜ニューロンを刺激することができる電流の二相パルスに変換するためのフォトダイオード素子の受光器ピクセル配列を有するマイクロエレクトロニクス回路を実施する。ピクセル細胞の配列は、単一細胞に限定されることもあるが、それは一般的に、目の組織の刺激のための所望の空間分解能に対応するいくつかのピクセル細胞回路を含むことになる。
【０００６】
例えば網膜刺激の品質、時間または空間分解能、視力、その他を向上させることによって、感光性ピクセル配列を含むこれらの移植片の性能を改善するために、約30Hzの現況技術の率を超え、おそらくは1000Hz以上の程度の網膜細胞の自然な時間分解能に向かって、達成可能な光パルス繰返し率を増加させることが、提案されている。
【０００７】
現況技術の網膜移植片のマイクロエレクトロニクス実施における光感受性(または感光性)素子は、半導体フォトダイオードの形で実現される。刺激電極およびフォトダイオードで構成される電気回路は、(寄生)容量を伴い、それらは、電流がこれらの容量に流入し、それらから流出することによって交互に充電され、放電される。充電段階(光パルスが、ONになるとき)は、光誘起光電流に依存し、一方放電(光が、OFFである)は、組織を介して高インピーダンス経路を通ってリターン電極に流れる電流に依存する。放電電流を光電流よりもはるかに小さい値に制限するこのインピーダンスに起因して、放電時間は、充電時間と比較して長くなることもある。
【０００８】
別の刺激光パルスが同じ移植ピクセルに到着するときの不完全な放電は、この第2の刺激パルスの達成可能な電荷注入を減少させ、したがって移植ピクセルの刺激効率を制限する。結果として、1つの移植ピクセルに送られる刺激光パルスの繰返し率は、もしある最小刺激効率が、保たれるべきであるならば、制限されることになり、刺激の達成可能な時間分解能に影響を及ぼす。(Loudin他、2011年、IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems、5、468〜480を参照)。実際は、光起電性電流(およびそれによる刺激効率)は、光パルス周波数の増加とともに指数関数的に減少する(Loudin他、2011年、上記を参照)。光パルス間での電極の放電を速め、それによって電荷蓄積および連続パルスに関連する電流の減少を避けるために、シャント抵抗器を追加することが、提案されている。例えば、Wang他(2012年、J. Neural Eng.、9、1〜11)は、シャント抵抗器の追加が、刺激波形の放電段階を速めるのに役立つことになることを述べ、またはLoudin他(2011年、IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems、5、468〜480)は、人工網膜(retinal prosthesis)におけるフォトダイオード回路のためのシャント抵抗器の使用を示唆する。シャント抵抗器は、光パルスの第1の段階中に配送される電荷がより速く放電されることを可能にするが、しかしまた組織に実際に配送される電荷にも影響を及ぼす。例えば、もしシャント抵抗器の抵抗が、高すぎるならば、電極は、パルス間で完全には放電されないことになり、電極上への電荷の蓄積は、連続するパルス中に配送される電荷量を低減することになるということが、示されている。結果として、固定値の抵抗器が、シャントデバイスとして使用される限り、達成可能な刺激効率と刺激の時間分解能との間にはトレードオフがある。結果として、現況技術の実施では、シャント抵抗器の値は、これらの2つの相反するパラメータ間のある妥協について最適化される。(Boinagrov他、Photovoltaic Pixels for Neural Stimulation: Circuit Models and Performance、2015年1月、IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems)。
【０００９】
したがって、改善されたピクセル細胞回路、および電極刺激効率を減少させることなく、上述の欠点に対処し、約30Hzを超え、より具体的には約50Hzを超え、さらにより具体的には約100Hzを超える光パルス率を有する刺激を可能にする改善されたピクセル細胞回路を組み込む、光起電性視覚移植片などの移植片を提供する必要性が今もなおある。言い換えれば、達成可能な刺激パルス繰返し率と刺激効率との間の有害な相互依存を壊すことになるマイクロエレクトロニクス配置の必要性がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Mathieson他、「Photovoltaic retinal prosthesis with high pixel density」、Nat Photon、vol. 6、391〜397頁、2012年
【非特許文献２】Loudin他、2011年、IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems、5、468〜480
【非特許文献３】Wang他、2012年、J. Neural Eng.、9、1〜11
【非特許文献４】Boinagrov他、Photovoltaic Pixels for Neural Stimulation: Circuit Models and Performance、2015年1月、IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems
【非特許文献５】C. Posch他、「Asynchronous Time-based Image Sensor」、IEEE International Symposium on Circuits and Systems、2008年、2130〜2133頁
【非特許文献６】C. Posch他、「A QVGA 143 dB dynamic range frame-free PWM image sensor with lossless pixel-level video compression and time-domain CDS」、46(1): 259275、2011年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明の特定の目的は、この必要性に対処する光パルス繰返し率に関して最適化されたピクセル細胞回路を提供することである。この目標を達成するために取られる手法は、固定値シャント抵抗器を刺激プロセスの状態に応じて自動的に抵抗を適合させる可変抵抗器に置き換えることである。
【００１２】
本発明はさらに、前記最適化されたピクセル細胞回路を組み込むまたは実施する、視覚移植片などの移植片を提供する。
【００１３】
問題は、独立請求項1に記載のピクセル細胞回路を用いて本発明に従って解決される。有利な展開は、従属請求項の主題である。
【００１４】
好ましくは、本発明は、約30Hzを超え、より具体的には約50Hzを超え、さらにより具体的には約100Hzを超える光パルス率を有して動作可能であるピクセル細胞回路を提供する。
【００１５】
本発明はさらに、約30Hzを超え、より具体的には約50Hzを超え、さらにより具体的には約100Hzを超える光パルス率を有して動作可能である前記ピクセル細胞回路を組み込むまたは実施する、視覚移植片などの移植片を提供する。
【００１６】
本発明はさらに、ピクセル細胞回路および、約1000Hzの光パルス率を有して動作可能であるピクセル細胞回路を組み込むまたは実施する、視覚移植片などの移植片を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の実施形態によると、1つまたは複数の主感光性素子と、少なくとも1つの電極、好ましくは刺激電極と、シャント配置であって、
(i)1つまたは複数の主感光性素子にわたって並列に電気的に結合されるシャントスイッチ、および
(ii)シャントスイッチに動作可能に結合され、ピクセル細胞において受け取られる入射光に応答してシャントスイッチを開状態に置き、もし入射光が、ピクセル細胞において受け取られないならば、シャントスイッチを閉状態に置くために構成される制御配置を備える、シャント配置とを備えるピクセル細胞回路が、提供される。
【００１８】
本発明者らは今では、本発明によるシャント配置を使用することが、光入力開始段階では無限抵抗に近く、放電段階ではゼロ抵抗に近いシャント抵抗器を有するという理想的状況に近づくことを可能にし、それによって電荷転送効率を最大にし、従来技術において観察される光パルス繰返し率を制限する放電時間を最小にすることを示している。
【００１９】
特別な実施形態によると、シャントスイッチは、MEMS(微小電気機械システム)またはNEMS(ナノ電気機械システム)デバイスとして実施される。
【００２０】
別の特別な実施形態によると、シャントスイッチは、例えばトランジスタなどの、半導体ベースの能動的コンポーネントである。具体的な実施形態によると、それは、FET(例えば金属酸化膜半導体(MOS)トランジスタなどの、電界効果トランジスタ)の形でまたはバイポーラトランジスタの形で実施される。
【００２１】
別の特別な実施形態によると、制御配置は、1つまたは複数の主感光性素子において受け取られる入射光に応答してシャントスイッチを開状態に置き、もし入射光が、1つまたは複数の主感光性素子において受け取られないならば、シャントスイッチを閉状態に置くために構成される。
【００２２】
別の特別な実施形態によると、制御配置は、補助感光性素子を備え、前記補助感光性素子において受け取られる入射光に応答してシャントスイッチを開状態に置き、もし入射光が、前記補助感光性素子において受け取られないならば、シャントスイッチを閉状態に置くために構成される。
【００２３】
別の特別な実施形態によると、制御配置は、スイッチ制御配置と、スイッチ制御配置に電力を供給するために構成される電力供給配置と、スイッチ制御配置に対してタイミング信号を生成するために構成されるタイミング制御配置とを備え、スイッチ制御配置は、前記タイミング信号に基づいてシャントスイッチの動作を制御するために構成される。
【００２４】
別の特別な実施形態によると、前記電力供給配置は、一方の端部上でピクセル回路の基準電位に、かつもう一方の端部上で別のスイッチを通じて電極および1つまたは複数の主感光性素子を接続するノードに電気的に結合される蓄積容量を備え、スイッチ制御配置はさらに、タイミング信号に基づいて供給スイッチの動作を制御するために構成される。
【００２５】
別の特別な実施形態によると、タイミング制御配置は、負荷に直列に電気的に結合される補助感光性素子を備え、負荷は、電極および1つまたは複数の主感光性素子を接続するノードに電気的に結合される。
【００２６】
別の特別な実施形態によると、スイッチ制御配置は、入射光がピクセル細胞において受け取られることを示すタイミング信号に応答して、シャントスイッチを開き、次いで供給スイッチを閉じるために、かつ入射光がもはやピクセル細胞において受け取られないことを示すタイミング信号に応答して、供給スイッチを開き、次いでシャントスイッチを閉じるために構成される。
【００２７】
1つの特別な実施形態によると、前記ピクセル細胞回路はさらに、またリターン電極とも呼ばれる、少なくとも1つの対向電極を備える。本発明のさらなる展開によると、対向電極は、刺激電極の周りに配置される。加えてまたは別法として、対向電極は、少なくとも1つの感光性素子の周りに配置されてもよい。本発明の文脈における用語「arranged around(周りに配置される)」は、対向電極が、横寸法を有し、その横寸法において、刺激電極によってまたは少なくとも1つの感光性素子によって規定されるエリアの周りに延びるというように理解されるものとする。複数の感光性素子が、提供される場合は、対向電極は、感光性素子の1つまたはすべての周りに配置されてもよい。好ましくは、対向電極は、刺激電極の周りに対称的に配置される。
【００２８】
別の特別な実施形態によると、感光性素子は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトレジスタまたは他の感光性半導体デバイスから成る群の中で選択される。
【００２９】
好ましい実施形態によると、主感光性素子および補助感光性素子は、半導体フォトダイオードの形で実施される。
【００３０】
別の特別な実施形態によると、本発明は、CMOS製作技術互換のコンポーネントを使用して実施される、本明細書で開示されるようなピクセル細胞回路を提供する。
【００３１】
本発明のさらなる態様によると、移植片は、感光性ピクセル配列を提供され、前記配列は、本発明による少なくとも1つのピクセル細胞回路を備える。感光性ピクセル配列を移植片に提供することによって、移植片は、感光性移植片の状態にされ、それは、電気刺激を神経組織に提供してもよい。特に、移植片は、対象者の目の網膜組織に対する電気刺激を可能にしてもよい。別法として、本発明の移植片は、移植片が、光暴露が可能であるように局在化される限りでは(透明組織、・・・)、対象者の任意のニューロン組織に対する電気刺激を可能にしてもよい。
【００３２】
好ましい実施形態では、移植片は、網膜下の移植片である。それは、網膜の任意の損傷した組織を迂回するために、移植片を患者の目の中に、すなわち網膜下に位置決めすることを可能にする。その結果、電気インパルスは、網膜内でなお機能する敏感な神経細胞にごく接近して生成されてもよい。有利には、感光性移植片はまた、移植片構造を腐食または損傷のどちらからも保護するために、密封層または密封コーティングも備える。
【００３３】
本発明の別の態様は、本発明の移植片およびカメラを備える人工視覚(visual prosthesis)である。
【００３４】
本発明の別の態様は、本発明の移植片を神経組織の近くに移植するステップ、および約30Hzを超え、より具体的には約50Hzを超え、さらにより具体的には約100Hzを超える光パルス率に従って前記神経組織を刺激するステップを含む、神経刺激の方法である。典型的には、光パルスは、赤外光パルスである。
【００３５】
本発明は、今知られておりかつ後で開発される応用のためのプロセス、装置、システム、デバイス、および方法として制限なく含む、多数の方法で実施され、利用されてもよいことを認識すべきである。本明細書で開示される本発明のこれらの特徴および他の固有の特徴は、下記の説明および付随する図面から容易に明らかになるであろう。
【００３６】
本発明のさらなる詳細、好ましい実施形態および利点は、図面を参照して下記の説明において見出されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】シャント抵抗器を使用するピクセル細胞回路を例示する概略図である。
【図２ａ】光パルスの列および図1のピクセル細胞回路によって生成される電流パルスを例示する図である。
【図２ｂ】光パルスの列および図1のピクセル細胞回路によって生成される電流パルスを例示する図である。
【図２ｃ】光パルスの列および図1のピクセル細胞回路によって生成される電流パルスを例示する図である。
【図３】本発明によるピクセル細胞回路を例示する概略図である。
【図４】本発明によるピクセル細胞回路を例示する概略図である。
【図５】スイッチ制御ブロックの例示的な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
例示を簡単にかつ明確にするために、図は、構成の一般的方式を例示し、よく知られた特徴および技法の説明および詳細は、本発明の述べられる実施形態の議論を不必要に分かりにくくすることを避けるために省略されることもある。
【００３９】
加えて、図における要素は、必ずしも一定の縮尺で描かれてはいない。例えば、図における要素のいくつかの寸法は、本発明の実施形態の理解を改善するのを助けるために他の要素に対して誇張されることもある。ある図は、直線、鋭角、および/もしくは平行面または現実世界の条件下で、おそらく著しく対称性および規則性が低いということになるようなものを有する構造が、示されるときなど、理解するのを支援するために理想化された仕方で示されることもある。
【００４０】
異なる図における同じ参照数字は、同じ要素を表し、一方類似の参照数字は、類似の要素を表すこともあるが、しかし必ずとは限らない。
【００４１】
加えて、本明細書での教示が、多種多様な形で具体化されてもよく、本明細書で開示される任意の具体的構造および/または機能が、ただ代表的なだけであることは、明らかなはずである。特に、当業者は、本明細書で開示される態様が、任意の他の態様とは無関係に実施されてもよく、いくつかの態様が、様々な方法で組み合わされてもよいことを認識するであろう。
【００４２】
用語「comprise」、「include」、「have」、およびその任意の変形は、要素のリストを備えるプロセス、方法、物品、または装置が、必ずしもそれらの要素に限定されず、明確にリストに記載されないまたはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素を含むこともあるように、非排他的包含をカバーすることを目的とする。
【００４３】
単語「exemplary」は、本明細書では「例、事例、または例示としての役割を果たす」を意味するために使用される。「exemplary」と本明細書で述べられる任意の実施形態または設計は、必ずしも他の実施形態または設計を超えて好ましいまたは有利であると解釈されるべきでない。
【００４４】
下記の説明および請求項において、用語「coupled」および「connected」は、それらの派生語と一緒に使用されることもある。特定の実施形態では、「connected」は、2つ以上の要素が、互いに直接物理的にまたは電気的に接触していることを示すために使用されることもある。「coupled」は、2つ以上の要素が、直接物理的にまたは電気的に接触していることを意味することもある。しかしながら、「coupled」はまた、2つ以上の要素が、互いに直接接触していないが、しかしなお互いに協働するまたは相互作用することを意味することもある。
【００４５】
図1は、シャント抵抗器(11)を使用する例示的な従来のフォトダイオードピクセル回路(10)を示す。図1に示されるように、2つのフォトダイオード素子(12a、12b)は、直列に電気的に結合され、一方のフォトダイオードは、例えばリターン電極に接続される基準電位に電気的に結合され、もう一方のフォトダイオードは、刺激電極(13)に接続される。シャント抵抗器(11)は、フォトダイオード素子(12a、12b)および刺激電極(13)の寄生容量(14)(図では点線を用いて表される)の放電時間を減少させるように、フォトダイオード素子(12a、12b)と並列に取り付けられる。
【００４６】
図2aは、図1に示されるタイプのフォトダイオードピクセル回路の刺激のために使用される理想的方形光パルスの列を示す。網膜移植片のピクセルの刺激のために使用される単一光パルスは、前のパルスに関して可変振幅、可変パルス幅および可変開始時間を有してもよい。図2aに表されるなどの光パルスの形の光刺激にさらされるとき、電流は、刺激フォトダイオード(12a、12b)を通って流れ始め、電極を介して組織に電荷を配送する。図2bは、刺激フォトダイオード(12a、12b)にわたる電圧を例示し、それは、フォトダイオード素子(12a、12b)の特性およびシャント抵抗器(11)の値に応じて、静止レベル、例えばゼロまたはゼロに近いレベルから最大レベルまで増加する。
【００４７】
光パルスの終わりに、フォトダイオード素子は、光を受け取るのをやめ、フォトダイオード素子(12a、12b)にわたる電圧は、静止レベルに向かって減少し始める。この減衰の時定数は、主に電極(13)およびフォトダイオード(12a、12b)に現れる(寄生)容量(14)、ならびにシャント抵抗器の値に依存している。減衰時定数は、シャント抵抗器がない場合に最大限に遅くなる。
【００４８】
したがって、その光刺激中の刺激フォトダイオード(12a、12b)にわたる電圧の増加段階(21)の後に、光パルス(20a)の終わり、すなわちフォトダイオード素子(12a、12b)の光刺激の終わりに応答して、同じ電圧の減少段階(22a)が続く。減少段階(22a)の持続時間は、寄生容量(14)の放電時間に部分的に対応する。この放電時間は、電流のいくらかを取り込む電流経路として機能する、図1に示されるもの(11)などのシャント抵抗器の動作によって減少することもあり、その電流はさもなければ、増加段階(21)中は電極(13)および神経組織(刺激をもたらす)を通って部分的に流れ、減少段階(22b)中は寄生容量(14)を放電するということになる。
【００４９】
図2aはさらに、光パルスの列(20a、20b、20c)内の第1の光パルス(20a)に続き、シャント抵抗器(11)を使用するとき、減少段階(22b)に対応する減少時間よりも小さい時間分だけそれから間隔を置かれる第2の光パルス(20b)を示す。したがって、この第2の光刺激は、刺激フォトダイオード(12a、12b)にわたる電圧が、静止レベルに戻る前に、すなわち電圧減少段階(22b)の終わりの前に始まる。
【００５０】
第2の光パルス(20b)の開始時に刺激フォトダイオード(12a、12b)にわたる残りのより高い電圧レベルは、第2の光パルス(20b)に応答して刺激フォトダイオード(12a、12b)および電極(13)を通る電流の減少をもたらし、したがって神経組織の刺激に利用できる電流の低減をもたらす。
【００５１】
図2aはまた、光パルスの列(20a、20b、20c)内の第2の光パルス(20b)に続き、シャント抵抗器(11)を使用するとき、減少段階(22b)に対応する減少時間よりも小さい時間分だけそれから間隔を置かれる第3の光パルス(20c)も示す。図2cに例示されるように、利用できる刺激電流は、第3の光パルス(20c)の開始時に刺激フォトダイオード(12a、12b)にわたる電圧のさらなる増加に起因してさらに低減される。したがって、刺激のための光パルスの繰返し率は、もしある刺激電流振幅が、保たれる必要があるならば、減少段階(22b)によって制限され、それは、ピクセル回路(10)の制限を構成する。
【００５２】
加えて、固定値オーミック抵抗器ベースのシャントの使用は、シャント抵抗器のオーミック値の決定の問題を提起する。シャント抵抗器についての値の選択は、シャント抵抗器の値を減少させることによって増加させることができる、刺激パルスの印加可能な率と、刺激効率との間のトレードオフの結果であることになる。シャント抵抗器について選択されるオーミック値が、低いほど、より多くの電流が、光刺激パルス中にシャント抵抗器を通って流れることになり、電極刺激効率を犠牲にする。逆に、シャント抵抗器について選択されるオーミック値が、高いほど、より少ない電流が、寄生容量放電段階中を含み、シャント抵抗器を通って流れることになり、それによって放電時間を増加させる。
【００５３】
これは、シャント抵抗器を使用するピクセル回路(10)が、高い時間分解能または高い刺激率を必要とする応用について適合されないこともあることを示す。例えば、情景データが、「Asynchronous Time-based Image Sensor」(C. Posch他、IEEE International Symposium on Circuits and Systems、2008年、2130〜2133頁)において、または「A QVGA 143 dB dynamic range frame-free PWM image sensor with lossless pixel-level video compression and time-domain CDS」(C. Posch他、46(1):259275、2011年)において述べられるものなどの、ATIS(「Asynchronous, Time-Based Image Sensor」)タイプのイベントベースの視覚センサを使用して取り込まれるとき、ATISカメラ出力に結合されるプロジェクタデバイスは、1ミリ秒と同じ高さの時間分解能(または1000Hzと同じ高さの時間刺激率)を有する光パルスの列を生成することができる。
【００５４】
より一般的に、最近の研究は、約30Hzの現況技術の率を超え、1000Hz程度の網膜細胞の自然な時間分解能に向かって、可能な刺激率を増加させることが、網膜刺激の品質を大きく改善することもあり得ることを示している。
【００５５】
図3は、図1に示されるシャント抵抗器の代わりにシャントスイッチ配置を使用する、本発明によるフォトダイオードピクセル回路を示す。
【００５６】
1つまたは複数の実施形態では、シャントスイッチ配置は、例えばトランジスタデバイス(例えばFETトランジスタまたはバイポーラトランジスタ)などの能動的半導体ベースのデバイスを使用して実施されてもよい。そのような実施形態では、シャントスイッチ配置において使用されるトランジスタのゲートまたはベースは、刺激光パルスと同相で制御されてもよい。
【００５７】
別法として、シャントスイッチ配置は、例えば1つまたはいくつかの光起電性フォトダイオードと並列に電気的に結合されるシャントライン内で短絡回路または開回路を達成するように設計される微小機械スイッチなどの、微小電気機械システム(MEMS)デバイスまたはナノ電気機械システム(NEMS)デバイスの形で提供されてもよい。
【００５８】
1つまたは複数の実施形態では、シャントスイッチ配置の動作のタイミングは、ピクセルに対する光入力から導かれるタイミング情報を運ぶ制御信号を使用して実施されてもよい。いくつかの実施形態では、そのような制御信号は、追加の小さいフォトダイオードを使用して生成されてもよい。別法として、または加えて、制御信号によって運ばれるタイミング情報は、主フォトダイオードを通って流れる電流から導かれてもよい。
【００５９】
図3では、直列に電気的に結合される2つのフォトダイオード素子(32a、32b)が、示され、一方のフォトダイオードは、例えばリターン電極に接続される基準電位(35)に電気的に結合され、もう一方のものは、ピクセル回路電極(33)に電気的に結合される。フォトダイオード素子(32a、32b)は、光を受け取り、衝突光を電極から組織を通る刺激電流に変換するように配置される。入射光を電気信号に変換する任意の適切な光変換器デバイスが、ほんの一例として与えられるフォトダイオード素子(32a、32b)の代わりに使用されてもよいことは、当業者によって認識されよう。
【００６０】
加えて、本発明は、フォトダイオード素子または感光性素子の特定の配置に限定されず、その実施形態は、単一フォトダイオード素子、または2つ以上の素子の組合せを使用してもよい。スイッチS1(31)は、回路(30)、特に電極(33)およびフォトダイオード素子(32a、32b)の寄生容量の放電時間を減少させるため、ならびに電極(33)を通じての組織の刺激効率を向上させるために提供されるシャントデバイスであり、フォトダイオード素子(32a、32b)と並列に取り付けられる。制御配置(34)は、電力供給を含むその動作を制御するためにスイッチS1(31)を提供される。
【００６１】
固定オーミックシャント抵抗器を超えるシャントデバイスとして提供されるスイッチの利点は、それが、光入力開始段階では無限抵抗を有し、放電段階ではゼロ抵抗を有するという理想的状況に近づくことができ、その結果それが、電荷転送効率を最大にもし、電極(33)を通って組織に伝送される刺激電流パルスの繰返し率を制限する放電時間を最小にもすることができるということである。上で論じられるように、固定オーミックシャント抵抗器の使用は、抵抗器のオーミック値の決定を必要とし、その値は、刺激効率と繰返し率との間の妥協を反映することになる。この妥協は、有利にはシャントを提供するためにスイッチングデバイスを使用することによって克服することができる。
【００６２】
動作時には、制御配置(34)は、フォトダイオード素子(32a、32b)における入射光の受け取りに応答して、スイッチS1(31)を開状態に置き、それによってスイッチS1(31)ライン内で高抵抗を達成し、フォトダイオード素子(32a、32b)における入射光の受け取りの欠如に応答して、スイッチS1(31)を閉状態に置き、それによってスイッチS1(31)ライン内で低抵抗を達成するように設計される。
【００６３】
刺激は、例えば光を回路(30)に配送する光源のスイッチをオンにすることによって、光をフォトダイオード素子(32a、32b)に配送することによって開始される。フォトダイオード素子(32a、32b)における光の受け取りに応答して、電流が、フォトダイオード素子(32a、32b)を通って流れ始め、電極(33)を介して組織に電荷を配送する。制御配置(34)は、フォトダイオード素子(32a、32b)によって配送される電流の一部がシャント経路を通って(組織を通る代わりに)リターン電極に流れるのを防止するために、スイッチS1(31)を開くように設計され、その結果電荷のこの部分は、刺激に関与しない。シャントスイッチは、フォトダイオード素子と並列に取り付けられるので、制御配置は好ましくは、いくつかの実施形態では、電流がフォトダイオード素子(32a、32b)を通って流れ始めたすぐ後にスイッチS1(31)を開くように構成される。同様に、いくつかの実施形態では、制御配置が、フォトダイオード素子(32a、32b)における入射光の受け取りの終わりのすぐ後にスイッチS1(31)を閉じるように、制御配置を構成することが、好ましいこともある。例えば、回路(30)が、光パルスを用いて刺激されるとき、制御配置は好ましくは、いくつかの実施形態では、刺激光パルスが到着したすぐ後にシャントスイッチを開状態に置き、刺激光パルスが終わったすぐ後にシャントスイッチを閉状態に置き、回路(30)の寄生容量の完全な放電を可能にするために十分長くスイッチをこの状態に保つように構成されてもよい。
【００６４】
したがって、いくつかの実施形態では、シャントスイッチS1(31)の動作のタイミングは、フォトダイオードピクセル回路(30)がさらされる光刺激を受け取るために構成される主光変換器素子であるフォトダイオード素子(32a、32b)を通って流れる電流を使用して、すなわちそれへの光入力を通じて達成されてもよい。
【００６５】
いくつかの他の実施形態では、シャントスイッチS1(31)の動作のタイミングは、それへの光入力の結果としてフォトダイオード素子(32a、32b)を通って流れる電流を使用することの代替案としてまたはそれに加えて、追加の小さいフォトダイオードを使用して達成されてもよく、それは好ましくは、他のフォトダイオードにごく接近して、すなわち図3に示される例示的な実施形態では、フォトダイオード素子(32a、32b)に接近して置かれることになる。
【００６６】
実施形態に応じて、スイッチS1(31)および制御配置(34)に電力を供給する様々な方法が、実施されてもよい。フォトダイオード素子などの感光性素子を備える移植片において実施されるピクセル回路の特定の文脈では、感光性素子それ自体によって配送される供給電圧を使用することが、いくつかの実施形態では有利である。
【００６７】
図4は、供給電圧が、感光性素子によって提供されるところの制御配置を含む、例示的な実施形態によるフォトダイオードピクセル回路(40)を示す。
【００６８】
図4に示されるように、2つのフォトダイオード素子(42a、42b)は、直列に電気的に結合され、一方のフォトダイオードは、例えばリターン電極に接続される基準電位(45)に電気的に結合され、もう一方のものは、ピクセル回路電極(43)に電気的に結合される。フォトダイオード素子(42a、42b)は、光を受け取り、衝突光を電極から組織を通る刺激電流に変換するように配置される。入射光を電気信号に変換する任意の適切な感光性素子の1つまたは複数の任意の組合せが、ほんの一例として与えられるフォトダイオード素子(42a、42b)の代わりに使用されてもよいことは、当業者によって認識されよう。
【００６９】
図3に例示される回路と同様に、スイッチS1(41)は、フォトダイオード素子(42a、42b)と並列に取り付けられるシャントデバイスである。制御配置(44)は、電力供給を含むその動作を制御するためにスイッチS1(41)を提供される。制御配置(44)は、スイッチ制御(46)と、光がない場合にスイッチ制御(46)に電力を供給するための電力供給配置と、タイミング制御配置とを含む。
【００７０】
電力供給配置は、直列に電気的に結合される第2のスイッチS2(47)および蓄積容量(49)を備え、蓄積容量(49)の一方の端部は、基準電位(45)に電気的に結合され、もう一方の端部は、スイッチS2(47)の一方の端部に電気的に結合され、一方スイッチS2(47)のもう一方の端部は、フォトダイオード素子(42a、42b)に、例えばフォトダイオード素子(42a、42b)と電極(43)との間のノード(B)に電気的に結合される。
【００７１】
タイミング制御配置は、シャントスイッチS1(41)および第2のスイッチS2(47)の動作のタイミングを制御するために使用され、一方の端部上で基準電位(45)にかつもう一方の端部上で負荷(48)に電気的に結合される補助フォトダイオード素子(50)(または、実施形態に応じて、任意の適切な光変換器デバイス)を備える。補助フォトダイオード(50)はさらに、補助フォトダイオード(50)と負荷(48)との間に位置するノード(A)と、スイッチ制御(46)との間の電気的接続を通じてスイッチ制御(46)に電気的に結合される。負荷のもう一方の端部は、フォトダイオード素子(42a、42b)に、例えばフォトダイオード素子(42a、42b)と電極(43)との間のノード(B)に電気的に結合される。
【００７２】
スイッチ制御(46)は、タイミング制御配置から受け取られるタイミング信号に基づいて、シャントスイッチS1(41)の動作ならびに第2のスイッチS2(47)の動作を制御するために構成される。
【００７３】
図4に例示される回路は、フォトダイオードピクセル回路(40)の任意の能動的電気回路構成が、光がある場合には主感光性素子、すなわちフォトダイオード素子(42a、42b)によって生成される電圧によって電力を供給されるように設計される。光が、主感光性素子(42a、42b)を照らさないときもまた、回路(40)が、能動的であるために、光が、感光性素子(42a、42b)に衝突するのをやめた後少なくともしばらくの間、供給電圧が、生成される。図4に示される例示的な実施形態では、これは、1つまたはいくつかの蓄積容量(49)を使用して達成される。任意の適切なデバイスまたはコンポーネントが、ほんの一例として与えられる蓄積容量(49)の代わりに使用されてもよいことは、当業者によって認識されよう。
【００７４】
いくつかの実施形態では、主感光性素子(42a、42b)によって生成される電圧が、シャント制御配置に電力を供給するのに不十分であるまたはさもなければ適切でない場合は、適切な供給電圧が、例えば電荷ポンプ回路(図には表されない)を用いることによって、ピクセル内に生成されてもよい。
【００７５】
動作中は、図2aに例示されるそれのタイプの刺激光パルスに対応する刺激サイクルは、光を回路(40)に配送する光源のスイッチをオンにすることによって開始される。電流は、刺激フォトダイオード(42a、42b)を通って流れ始め、電極(43)を介して組織に電荷を配送する。同時に、補助フォトダイオード(50)を通って流れる電流は、補助フォトダイオード(50)が、基準電位(45)に電気的に結合される理想的電流源のように振る舞うので、フォトダイオード(50)とその負荷(48)との間のノード(A)における電圧が基準電位に近いレベルまで低下するという結果をもたらす。制御ブロック(46)は、補助フォトダイオード(50)とその負荷(48)との間に位置するノード(A)に電気的に結合されるので、制御ブロック(46)は、ノード(A)における電圧を制御信号として受け取る。スイッチ制御ブロック(46)は、ノード(A)における電圧が基準電位に近いレベルまで低下することに応答して、スイッチS1(41)を開き、スイッチS2(47)を閉じる。蓄積容量(49)は、一方の端部において基準電位(45)に電気的に結合され、閉じられたスイッチS2(47)を通じてもう一方の端部においてノード(B)に電気的に結合されるので、蓄積容量(49)はその結果、光起電性刺激フォトダイオード(42a、42b)にわたって展開する電圧まで、すなわち図では、負荷(48)と電極(43)との間に位置するノード(B)における電圧まで充電される。
【００７６】
刺激の終わりに、光は、スイッチをオフにされ、回路(40)の、特に光起電性刺激フォトダイオード(42a、42b)および電極(43)の寄生容量は、次の刺激サイクルの準備をするためにできる限り速く放電されなければならない。
【００７７】
光刺激がない場合は、補助フォトダイオード(50)は、開回路(前記さもなければゼロ電流を有する電流源)として振る舞い、その結果補助フォトダイオード(50)とその負荷(48)との間に位置するノード(A)における電圧は、負荷(48)と電極(43)との間に位置するノード(B)における電圧に再び達するように増加する。スイッチ制御(46)は、スイッチ制御(46)をノード(A)に結合するラインを通じてノード(A)における電圧の変化を検出し、スイッチS1(41)は、スイッチ制御回路によって閉じられ、光起電性刺激フォトダイオード(42a、42b)にわたる電圧が崩壊するという結果をもたらす。これは、光起電性刺激フォトダイオード(42a、42b)および電極(43)の寄生容量の高速放電を達成する。
【００７８】
蓄積容量(49)を使用してこの段階におけるスイッチ制御回路の動作を続けるために、スイッチ制御(46)は、スイッチS1(41)を閉じる少し前にスイッチS2(47)を開いており、蓄積容量(49)もまたスイッチS1(41)を通じて放電されるのを効果的に防止する。この時点から(スイッチS2(47)を開いた後)、スイッチ制御ブロックへの電力は、蓄積容量(49)によって供給される。このため、スイッチ制御ブロックの電力供給端子は、基準電位(45)に結合されない蓄積容量(49)の一方の側(ノード(C))に電気的に結合される。スイッチS2(47)およびS1(41)の動作のためのタイミングは、光がスイッチをオフにされたすぐ後に上昇する補助フォトダイオード(50)の上方のノード(A)における電圧のスイッチングから導かれる。放電段階の終わりの後、回路(40)は、アイドル状態に落ち着き、上で述べられるプロセスを再開する新しい刺激光パルスを受け入れる準備ができている。
【００７９】
図5は、スイッチ制御ブロック(図4での46)の例示的な実施形態を示す。スイッチ制御ブロックの入力ノード(54)は、このノードにおける電圧が、論理インバータ(52)の入力を駆動するように、図4のノード(A)に接続される。このインバータの出力は、NMOS(NチャンネルMOSFET)トランジスタとして実施されるスイッチS2(57、または図4での47)を制御するために接続され、その場合このトランジスタのドレインは、ノード(B)に接続され、ソースは、ノード(C)に接続される。同じインバータ(52)の出力はまた、第2のインバータ(53)の入力にも接続される。この第2のインバータ(53)の出力は、NMOSトランジスタとして実施されるスイッチS1(51、または図4での41)を制御するために接続され、その場合このトランジスタのドレインは、ノード(B)に接続され、ソースは、基準電位(55、または図4での45)に接続される。両方のインバータ(52、53)の電力供給接続部は、ノード(C)に接続され、両方のインバータ(52、53)の接地接続部は、基準電位(55、または図4での45)に接続される。
【００８０】
本発明は、好ましい実施形態を参照して述べられたが、当業者は、様々な変形および/または変更が、添付の請求項によって規定されるような本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく本発明に対してなされてもよいことを容易に認識するであろう。
【００８１】
この発明は、ある好ましい実施形態の文脈において開示されたが、システム、デバイス、および方法のある利点、特徴および態様は、様々な他の実施形態において実現されてもよいことを理解すべきである。加えて、本明細書で述べられる様々な態様および特徴は、別々に実行され、一緒に組み合わされ、または互いに置き換えられてもよく、特徴および態様の様々な組合せおよび副組合せが、なされてもよく、なお本発明の範囲内に入ると考えられる。さらに、上で述べられるシステムおよびデバイスは、好ましい実施形態で述べられるモジュールおよび機能のすべてを含む必要はない。
【００８２】
本明細書で述べられる情報および信号は、様々な異なる技術および技法のいずれかを使用して表されてもよい。例えば、データ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは磁性粒子、光場もしくは光学粒子、またはその任意の組合せによって表されてもよい。
【００８３】
実施形態に応じて、本明細書で述べられる方法のいずれかのある行為、事象、または機能は、異なる順序で行われてもよく、追加され、融合され、または完全に省略されてもよい(例えば、すべての述べられる行為または事象が、方法の実行のために必要であるとは限らない)。その上、ある実施形態では、行為または事象は、連続してよりもむしろ同時に行われてもよい。
【符号の説明】
【００８４】
10  従来のフォトダイオードピクセル回路
11  シャント抵抗器
12a  フォトダイオード素子
12b  フォトダイオード素子
13  刺激電極
14  寄生容量
20a  第1の光パルス
20b  第2の光パルス
20c  第3の光パルス
21  電圧の増加段階
22a  電圧の減少段階
22b  電圧の減少段階
30  本発明によるフォトダイオードピクセル回路
31  スイッチS1
32a  フォトダイオード素子
32b  フォトダイオード素子
33  ピクセル回路電極
34  制御配置
35  基準電位
40  本発明によるフォトダイオードピクセル回路
41  シャントスイッチS1
42a  フォトダイオード素子、主感光性素子
42b  フォトダイオード素子、主感光性素子
43  ピクセル回路電極
44  制御配置
45  基準電位
46  スイッチ制御部、スイッチ制御ブロック
47  第2のスイッチS2
48  負荷
49  蓄積容量
50  補助フォトダイオード素子
51  スイッチS1
52  インバータ
53  第2のインバータ
54  入力ノード
55  基準電位
57  スイッチS2
【図１】
0006692890.tif 000002
【図２ａ】
0006692890.tif 000003
【図２ｂ】
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【図２ｃ】
0006692890.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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