(57)【要約】【課題】網膜を傷付けることなく広い視野の確保が可能な人工視覚システムを提供すること。【解決手段】患者眼の視神経乳頭に複数の電極２３が突き刺すようにして設置され、体外に置かれた撮像装置１１によって得られた画像データから視神経を刺激するために生成された刺激パルス用信号に基づき、電極２３から出力する電気刺激信号によって視神経に刺激を与えることで、撮像装置１１からの画像を患者に認識させるようにした人工視覚システム。【選択図】        図４
2004181100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者眼の視神経乳頭に複数の電極が突き刺すようにして設置され、体外に置かれた撮像装置によって得られた画像データから視神経を刺激するために生成された刺激パルス用信号に基づき、前記電極から出力する電気刺激信号によって視神経に刺激を与えることで、前記撮像装置からの画像を患者に認識させるようにしたものであることを特徴とする人工視覚システム。
【請求項２】
請求項１に記載する人工視覚システムにおいて、
前記複数の電極は、視神経乳頭に対して１本ごと任意に突き刺すようにしたことを特徴とする人工視覚システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する人工視覚システムにおいて、
前記撮像装置によって得られた画像データを使用して所定の最適化処理を行い前記刺激パルス用信号を生成する体外装置と、
前記電極とともに予め患者の体内に埋埴され、前記刺激パルス用信号を電気刺激信号に変換処理して前記電極から出力する体内装置とを有することを特徴とする人工視覚システム。
【請求項４】
請求項３に記載する人工視覚システムにおいて、
前記体外装置は、前記撮像装置と、所定の最適化処理を行い刺激パルス用信号を生成する画像処理装置と、電源とを有することを特徴とする人工視覚システム。
【請求項５】
請求項４に記載する人工視覚システムにおいて、
前記画像処理装置は、前記電極から発せられる刺激パルスのパラメータ調整を行うようにしたものであることを特徴とする人工視覚システム。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５のいずれかに記載する人工視覚システムにおいて、
前記体外装置から前記体内装置への信号及び電力の送信を、皮膚に貼り付け可能な１次コイルと患者の体内に予め埋埴した２次コイルとの電磁誘導によって行うことを特徴とする人工視覚システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工的に視覚信号を与えるための人工視覚システムに関し、特に網膜に張りめぐらされた神経線維が集まる視神経乳頭から電気信号を与えて視覚の再生を促す視神経乳頭刺激型の人工視覚システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
網膜色素変性や加齢黄斑変性等は視覚障害を起こし、それが進行すると失明に至ることがある。通常、人の目は網膜に光が照射されると視細胞で光信号が電気信号に変換され、この電気信号が網膜神経節細胞でパルス信号となり、このパルス信号が脳に伝わるようになっている。従って、網膜色素変性や加齢黄斑変性等が発生すると、視細胞が減少あるいは死滅するため光信号を電気信号に変換することができなくなり視覚が得られなくなる。
【０００３】
近年、このような失明患者に対して視覚を取り戻すための様々な試みが提案されており、例えば特表平１１−５０６６６２には、網膜刺激型を利用した人工視覚システムに関する発明が開示されている。このシステムは、網膜下に可視及び赤外光に感度を持つマイクロフォトダイオードを埋埴し、ＣＣＤカメラを経てニューロンネットコンピュータにより増幅、変調を行った映像をマイクロフォトダイオードに受光させることによって視覚を得ようとするものである。
一方、人工視覚システムについては、こうした網膜刺激型の他にも視神経に周囲から電気刺激を与える視神経刺激型や、大脳視覚野に電気刺激を与える大脳皮質刺激型の研究が進められている。
【０００４】
【特許文献１】
特表平１１−５０６６６２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１に記載されている網膜刺激型は、一般に網膜の一部にしかマイクロフォトダイオードが配置されないため、視野が極端に狭いという問題があった（視角にして１０゜程度）。そのため患者は、周りの状況について確認がしずらく、特に動くものに対しての視覚による認識が困難であった。これに対して広い視野を確保しようとすれば、マイクロフォトダイオードを広範にわたって埋埴すればよいが、球面状の網膜への手術は困難であった。また網膜刺激型の場合、網膜を剥がして電極を埋埴するため、その設置個所だけでなく周りまでもが剥がれてしまい、術後に起こる網膜剥離などの問題があった。
【０００６】
一方、視神経に周囲から電気刺激を与える視神経刺激型は、電極数を多く設定することができないため、有効な視覚を得ることはできないという欠点がある。また、大脳皮質刺激型についても、情報処理系が複雑になり、日常視に近い刺激を与えることが困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、かかる課題を解決すべく、新たな視覚再生の手法となる視神経乳頭刺激型であって、網膜を傷付けることなく広い視野の確保が可能な人工視覚システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の人工視覚システムは、患者眼の視神経乳頭に複数の電極が突き刺すようにして設置され、体外に置かれた撮像装置によって得られた画像データから視神経を刺激するために生成された刺激パルス用信号に基づき、前記電極から出力する電気刺激信号によって視神経に刺激を与えることで、前記撮像装置からの画像を患者に認識させるようにしたものであることを特徴とする。
また、本発明の人工視覚システムは、前記複数の電極を、視神経乳頭に対して１本ごと任意に突き刺すようにしたものであることが望ましい。
【０００９】
本発明によれば、電極を網膜神経節細胞のパルス信号を伝達する神経線維が集中する視神経乳頭に突き刺し、その神経線維が束となった視神経を直接刺激することとしたので、本来人が網膜で受ける光から視覚認識できる物体空間の範囲の画像情報を扱うことができる。そのため、撮像装置でとらえることができる物体空間を視覚認識させることで患者に広い視野を確保させることが可能になる。また、電極を視神経乳頭に配置させるため、網膜を傷付けることなく網膜剥離を引き起こす心配もない。
【００１０】
また、本発明の人工視覚システムは、前記撮像装置によって得られた画像データを使用して所定の最適化処理を行い前記刺激パルス用信号を生成する体外装置と、前記電極とともに予め患者の体内に埋埴され、前記刺激パルス用信号を電気刺激信号に変換処理して前記電極から出力する体内装置とを有することを特徴とする。
そして、本発明の人工視覚システムでは、前記体外装置が、前記撮像装置と、所定の最適化処理を行い刺激パルス用信号を生成する画像処理装置と、電源とを有することが望ましい。
更に、本発明の人工視覚システムは、前記画像処理装置が、前記電極から発せられる刺激パルスのパラメータ調整を行うようにしたものであることが望ましい。
【００１１】
こうして人工視覚システムを体外装置と体内装置とに分けることにより、体外装置に多くの機能をもたせることができ、電源の容量を大きくすることによって長時間の安定した使用が可能になる。
【００１２】
本発明の人工視覚システムは、前記体外装置から前記体内装置への信号及び電力の送信を、皮膚に貼り付け可能な１次コイルと患者の体内に予め埋埴した２次コイルとの電磁誘導によって行うものであることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る人工視覚システムについて、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の人工視覚システムの使用態様を示した図であり、図２は、人工視覚システムの概略の構成を示したブロック図である。
【００１４】
本実施形態の人工視覚システム１は、患者が使用する際に装着する体外装置２と、患者自身に予め手術によって埋埴しておく体内装置３とから構成されている。体外装置２は、患者が眼鏡のように掛けられるバイザー５にカメラ１１が取り付けられ、患者が顔を向けた正面の物体空間についてその映像が取り込めるようになっている。例えばカメラには、数万画素の撮像素子をもったＣＣＤカメラが使用される。
【００１５】
カメラ１１は、撮像された映像の画像データに基づいて所定の最適化処理を行い、視神経を刺激し、視覚を得るための刺激パルス用信号を生成する画像処理装置１２へと接続されている。ここで、図３は、画像処理装置１２を示したブロック図である。画像処理装置１２は、Ａ／Ｄコンバータ３１がカメラ１１に接続され、撮像回路３２によってカメラ１１から読み出された撮像信号をディジタル画像データに変換するようになっている。Ａ／Ｄコンバータ３１は画像処理部３３から更に、その画像処理部３３で画像処理された画像データを一時的に格納バッファメモリ３４へと接続されている。
【００１６】
画像処理部３３は、画像処理用ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）及びその制御プログラムを格納したメモリから構成され、カメラ１１によって撮像された画像データについて最適化処理を行い、更に視神経を刺激するための刺激パルス用信号の生成を行うものである。
【００１７】
また、画像処理装置１２には、制御用ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）及びその制御プログラムを格納したメモリによってシステムコントローラ３５が構成されている。システムコントローラ３５は、入力操作部３６に設けられた調整ダイヤルの操作入力により、電極２３から発せられる刺激パルスのパラメータ（周波数、振幅（電流量）、点灯の時間幅など）の調整が可能になっている。特に、視覚として認識する画像の明るさやコントラスト等と電気刺激用のパラメータとを調整するダイヤルが別々に設けられている。
【００１８】
なお、画像処理装置１２を構成する撮像回路３２は、システムコントローラ３５からの制御により、カメラ１１からの撮像信号の読出し処理やカメラ１１に対する電力供給のオン／オフ制御などを行なうものである。
図２に戻って、体外装置２には画像処理装置１２や体内装置３への電力供給を行うための電源１３が設けられており、この電源１３と画像処理装置１２とは一体となって患者が上着のポケットなどに入れて携帯できるコンパクトな大きさのものである。
【００１９】
本実施形態の人工視覚システム１では、体外装置２から体内装置３へと処理後の画像データや電力を送信するためにコイルの電磁誘導を利用している。従って、体外装置２では画像処理装置１２に１次コイル１４が接続され、体内装置３にも１次コイル１４に対応する２次コイル２１が設けられている。なお、体外装置２から体内装置３への送信は、こうしたコイルの電磁誘導に限らず頭皮からソケットを突き出して直接つなぐようにしてもよい。
【００２０】
体内装置３は、図２に示すように２次コイル２１に画像処理装置１２から送られた刺激パルス用信号や電力を受信する受信装置２２が接続され、更にその受信装置２２には、先端が針状になった複数の電極２３が１本ずつ信号線２５によって接続されている。受信装置２２は、刺激パルス用信号や電力を受信する受信部に加え、受信した刺激パルス用信号を電極２３から出力される電気刺激信号に変換処理する信号処理部によって構成されている。
【００２１】
こうした体内装置３は、手術によって予め患者の体内に埋埴されるが、例えば２次コイル２１及び受信装置２２は、図１に示すような患者頭部の位置において皮膚と頭蓋骨との間に信号線２４も含めて埋埴される。特に、２次コイル２１は、１次コイルの取り付けの際に目立たないよう髪の毛に隠れる位置に埋埴され、受信装置２２は、電極２３との距離を短くするために眼の近くに埋埴される。そして、この２次コイル２１、受信装置２２及び信号線２４は、ポリイミドなどの生体適合性が良く絶縁性を有する材料によって被覆されたものである。
【００２２】
一方、電極２３は、網膜神経節細胞のパルス信号を伝達する神経線維が集中する視神経乳頭に直接突き刺すようにして埋埴される。図４は、そうした電極２３の埋埴状態を模式的に示した図であり、図（ａ）は眼球全体の水平断面図で、図（ｂ）は視神経乳頭部を示した図である。先ず、受信装置２２と電極２３とを接続する信号線２５は、角膜（黒目部分）４１とともに眼球の外膜を形成する強膜（白目部分）４２部分にあけられた孔から入り、眼内灌流益に置換された硝子体部４３の周りを通っている。このとき視神経乳頭４５までの距離が短くなるように、信号線２５は鼻側（図面下側）から眼内に入れられている。信号線２５は、その先端に取り付けられた電極２３に至るまでポリイミドなどの生体適合性が良く絶縁性を有する材料によって被覆されいる。そして、チューブ２６によって束ねられ、眼内ではタック２７などによって固定されている。
【００２３】
ところで、角膜４１から入った光は網膜４６に届き、視細胞により光が電気信号に変換され、この電気信号が網膜神経節細胞でパルス信号となって大脳へ伝わるようになっている。網膜神経節細胞から大脳へは、網膜４６に神経線維が張りめぐらされており、その神経線維が視神経乳頭４５で束ねられ、それが眼球から出た視神経４７として大脳へとつながっている。これまで人工視覚システムは、視細胞の代わりにマイクロフォトダイオードを網膜４６の下などに埋埴し、角膜４１から入った光の一部分を電気信号に変換することを行っていた。
【００２４】
そのため従来の人工視覚システムでは、角膜４１から入った光のうちマイクロフォトダイオードに到達した光だけしか電気信号に変換されず、極めて狭い視野でしか物体空間を視覚認識できなかった。これに対して本実施形態では、網膜４６に張りめぐらされた神経線維が集中する視神経乳頭４５に着目し、そこに電極２３を突き刺して視神経を刺激することによって広い視野を確保するようにしている。なお、視神経乳頭４５は神経線維だけでなく図４（ｂ）に示すように血管４８も通っているため、電極２３は、これを避けるようにして突き刺される。
【００２５】
次に、本実施形態に係る人工視覚システム１の作用について説明する。この人工視覚システム１は、予め手術によって患者に体内装置３が埋埴されており、患者が体外装置２を身につけることで使用可能になる。つまり患者は、体外装置３のうちバイザー５を眼鏡のように掛けるとともに、一体に形成されている画像処理装置１２と電源１３とを上着のポケットに入れるなどして携帯する。そして更に、１次コイル１４は粘着シールによって貼り付けられるようになっているため、これを２次コイル２１が埋埴された位置に重ねるようにして皮膚に貼り付ける。
【００２６】
そこで、電源のＯＮによりカメラ１１からは患者が顔を向けた正面の映像が取り込まれ、その画像データが画像処理装置１２へと送られる。画像処理装置１２では、その撮像された画像データの最適化処理が行われ、視神経を刺激するための刺激パルス用信号を生成して変調される。すなわち画像処理装置１２では、システムコントローラ３５の制御により、撮像回路３２がカメラ１１によって撮像された映像の撮像信号の読み出し処理を行い、Ａ／Ｄコンバータ３１によってディジタル画像データに変換される。
【００２７】
ディジタル画像データは、画像処理部３３の制御プログラムに従い最適化処理が行われる。その画像処理部３３では、最適化処理が行われた画像データがバッファメモリ３４に一時的に格納され、更に視神経を刺激するための刺激パルス用信号が生成される。
【００２８】
一方、電源１３からの電力は、視神経を刺激するための刺激パルス用信号とともに重畳的に１次コイル１４から２次コイル２１へ電磁誘導によって体内装置３へと送られる。なお、刺激パルス用信号と電力とは時分割的に送るようにしたものであってもよい。刺激パルス用信号は、２次コイル２１を介して受信装置２２へと送られ、その受信部において電力とともに受信され、信号処理部では、刺激パルス用信号が電極２３から出力される電気刺激信号に変換処理される。
【００２９】
ここで図５は、電極２３から出力される電気刺激信号の一例を示した図である。図５（ａ）に示すように、電極２３から出力される電気刺激信号の総和Ａ（総和Ａは、パルス単位で規格化し、パルスの高さをそろえた状態で示している）は、２パターンの波形の組み合わせから成り立っている。この２パターンの波形は、図５（ｂ）に示すように単位時間ｔ（ここで単位時間は視覚再生を行うために必要な１回分の刺激信号時間としている）の波形が各々異なり、一方の波形はデジタル値０を表し、もう一方の波形はデジタル値１を表している。電気刺激信号を出力する場合、電気刺激信号の総和として２パターンの波形の刺激信号を組合わせた電気刺激信号を用いることにより視覚を再生しつつ、送信データとしてのデジタル値０及び１の組み合わせを表現するものとしている。なお、この電気刺激信号はあくまで一例であり、視覚の再生を促すような刺激であればこれに限るものではない。
【００３０】
電極２３から出力された電気刺激信号は、その電極２３が突き刺された視神経乳頭４５から視神経４７を通って大脳を刺激し、患者にはカメラ１１によって撮像された物体空間を視覚認識させることができる。そして本実施形態では、網膜４６に張りめぐらされた神経線維が集中する視神経乳頭４５に電気刺激信号を与えるので、本来人が網膜４６で受ける光から視覚認識できる物体空間の範囲で画像情報を認識させることができるため、患者は広い視野の視覚認識が可能となった。
【００３１】
また、電極２３を視神経乳頭４５に突き刺すようにした人工視覚システム１では、従来の網膜刺激型のように網膜を傷つけることがなくなり、網膜剥離を引き起こしてしまう問題もない。そして、視神経乳頭４５への電極２３の埋埴は、網膜中心静脈閉塞症に対する放射状視神経乳頭切開術が確立されているため、これを基に術式の確立も可能になる。
また、体外装置２と体内装置３とから構成したので、体外装置２に多くの機能をもたせることができるようになり、例えば本実施形態では入力操作部３６に設けられた調整ダイヤルの操作入力により、電極２３から発せられる刺激パルスのパラメータなどの調整が可能になった。
【００３２】
以上、人工視覚システムの一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、患者眼の視神経乳頭に複数の電極が突き刺すようにして設置され、体外に置かれた撮像装置によって得られた画像データから視神経を刺激するために生成された刺激パルス用信号に基づき、前記電極から出力する電気刺激信号によって視神経に刺激を与えることで、前記撮像装置からの画像を患者に認識させるようにしたので、新たな視覚再生の手法となる視神経乳頭刺激型であって、網膜を傷付けることなく広い視野の確保が可能な人工視覚システムを提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の人工視覚システムの使用態様を示した図である。
【図２】実施形態の人工視覚システムの概略の構成を示したブロック図である。
【図３】画像処理装置を示したブロック図である。
【図４】電極の埋埴位置を示した眼球の断面図である。
【図５】電極から出力される電気刺激信号の一例を示した図である。
【符号の説明】
１    人工視覚システム
２    体外装置
３    体内装置
５    バイザ
１１  カメラ
１２  画像処理装置
１３  電源
１４  １次コイル
２１  ２次コイル
２２  受信装置
２３  電極
【図１】
2004181100.tif 000003
【図２】
2004181100.tif 000004
【図３】
2004181100.tif 000005
【図４】
2004181100.tif 000006
【図５】
2004181100.tif 000007