(57)【要約】  本開示の態様は、代行される神経モダリティに対応する哺乳動物の大脳皮質の領域の電気刺激により上記哺乳動物の上記感覚モダリティを代行するための神経補綴システムに関し、上記システムが、代行される神経モダリティを感知することによって感知されたデータフィードを生成するように構成された、上記哺乳動物による使用のための少なくとも１つのセンサと、感覚モダリティの機能的填補を提供するように構成された、上記哺乳動物の大脳皮質のそのような領域を高密度に占有するような皮質内植え込みのために構成された可撓性を有する細長い電極シャフトの複数の三次元アレイから構成された電極ユニットであって、各シャフトが、大脳皮質の上記領域における位置のサブセットの電気刺激のための複数の電気接点を備える、電極ユニットと、皮質内植え込み中に上記可撓性電極シャフトのアレイを上記哺乳動物の大脳皮質の上記領域内に同時に案内するように、かつ可撓性電極シャフトのアレイの植え込み後に自身を後退させるように構成された硬質な電極支持構造体と、大脳皮質の上記領域において位置の上記サブセットを刺激するために上記電極ユニットを電気的に駆動するように構成された駆動ユニットと、大脳皮質の上記領域において上記電極ユニットを介して神経記録を取得するように構成された記録ユニットと、上記感覚モダリティを代行するために、大脳皮質の上記領域における位置のサブセットに対応する上記電極ユニットの電気接点群を電気的に駆動するための刺激パターンを提供するために上記感知されたデータフィードを解析するように構成された処理ユニットとを備える。
2022500198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
代行される神経モダリティに対応する哺乳動物の大脳皮質の領域の電気刺激により前記哺乳動物の前記感覚モダリティを代行するための神経補綴システムであって、前記システムが、
代行される神経モダリティを感知することによって感知されたデータフィードを生成するように構成された、前記哺乳動物による使用のための少なくとも１つのセンサと、
前記感覚モダリティの機能的填補を提供するように構成された、前記哺乳動物の前記大脳皮質のそのような領域を高密度に占有するような皮質内植え込みのために構成された可撓性を有する細長い電極シャフトの複数の三次元アレイから構成された電極ユニットであって、各シャフトが、前記大脳皮質の前記領域における位置のサブセットの電気刺激のための複数の電気接点を備える、電極ユニットと、
皮質内植え込み中に前記可撓性電極シャフトのアレイを前記哺乳動物の前記大脳皮質の前記領域内に同時に案内するように、かつ可撓性電極シャフトのアレイの植え込み後に自身を後退させるように構成された硬質な電極支持構造体と、
前記大脳皮質の前記領域において位置の前記サブセットを刺激するために前記電極ユニットを電気的に駆動するように構成された駆動ユニットと、
前記大脳皮質の前記領域において前記電極ユニットを介して神経記録を取得するように構成された記録ユニットと、
前記感覚モダリティを代行するために、前記大脳皮質の前記領域における位置のサブセットに対応する前記電極ユニットの電気接点群を電気的に駆動するための刺激パターンを提供するために前記感知されたデータフィードを解析するように構成された処理ユニットと
を備える、神経補綴システム。
【請求項２】
前記哺乳動物の前記大脳皮質の視覚領において視覚を代行するように構成され、前記少なくとも１つのセンサが、画像を取り込み、取り込んだ画像のデータフィードを生成するように構成された少なくとも１つのポータブルイメージングユニットを備え、前記駆動ユニットが、前記大脳皮質の前記視覚領にある位置において眼内閃光を誘発するように構成され、前記処理ユニットが、前記取り込んだ画像のデータフィードの画像のセマンティックセグメンテーションを通じて取得された眼内閃光パターンから構成される前記視覚を代行するための眼内閃光を誘発するために、前記大脳皮質の前記視覚領における眼内閃光位置のサブセットに対応する前記電極ユニットの電気接点群を刺激するための前記刺激パターンを提供するように構成される、請求項１に記載の神経補綴システム。
【請求項３】
前記駆動ユニットの１つまたは複数の刺激信号を前記大脳皮質の前記領域内に配置された電気接点のサブセットに導いて、前記感覚モダリティの前記機能的填補を提供するためのスイッチングデバイスを備える、請求項１または２に記載の神経補綴システム。
【請求項４】
前記複数の三次元アレイのそれぞれがベースプレートから構成され、前記可撓性電極シャフトが前記ベースプレートの１つの表面から延び、前記電気接点が、前記細長い電極シャフトの長さ方向に配置され、各電気接点が、前記ベースプレートによって支持された電気リード線に接続される、請求項１から３のいずれか一項に記載の神経補綴システム。
【請求項５】
前記ベースプレートが、実質的に四角形の形状を有し、側面寸法が４〜３０ｍｍの範囲にあり、厚さが１０〜２００μｍの範囲にあり、前記可撓性電極シャフトが、リボン形状であり、長さが０．５〜４０ｍｍの範囲にあり、幅が５〜１００μｍの範囲にあり、厚さが１〜３０μｍの範囲にあり、前記電気接点が、最大相互間隔８００μｍ、特に相互間隔４０μｍで前記電極シャフトの長さ方向に配置され、前記電極シャフトが、０．１〜２ｍｍの範囲にある相互間隔で前記ベースプレートから延びる、請求項４に記載の神経補綴システム。
【請求項６】
前記電極支持構造体が、前記大脳皮質の前記選択された領域における皮質内挿入のために前記可撓性電極シャフトを案内するための複数の相互に結合された細長い硬質なインサートシャフトを備え、前記ベースプレートが、前記複数のインサートシャフトを受け入れる貫通孔の二次元アレイを備え、前記硬質なインサートシャフトが、特に、前記電極シャフトと少なくとも略同一の幅を有する長方形の断面を有し、厚さが１０〜５０μｍの範囲にある、または直径が１〜５０μｍの円形の断面を有し、前記インサートシャフトが０．１〜２ｍｍの範囲にある相互間隔で配置され、各可撓性電極シャフトが、特に、脳脊髄液溶解性接着剤によって、または前記インサートシャフトの先端によって貫通される前記可撓性電極の上部にある孔によってそれぞれのインサートシャフトに固定され、前記インサートシャフトおよび前記可撓性電極シャフトの少なくとも一方が先細の自由端を備えることが好ましい、請求項４または５に記載の神経補綴システム。
【請求項７】
前記可撓性電極シャフトがポリイミドまたはＳＵ−８などの組織−生体適合性材料から構成され、前記電気接点が酸化イリジウム、微細構造白金、または窒化チタンから構成され、前記ベースプレートがケイ素シート材料から構成され、前記電線が金またはケイ素などの生体適合性導電性材料から構成され、前記インサートシャフトがタングステンまたはケイ素から構成され、前記溶解性接着剤がポリエチレングリコールから構成され、前記インサートシャフトおよび前記可撓性電極シャフトの少なくとも一方が先細の自由端を備えることが好ましい、請求項６に記載の神経補綴システム。
【請求項８】
前記処理ユニットが、前記感覚皮質の機能マップを推定するために、前記電極からの神経信号と前記感覚皮質領域における位置との間の相関関係を決定するように構成される、請求項１から７のいずれか一項に記載の神経補綴システム。
【請求項９】
前記処理ユニットが、無線データ通信のために構成された送受信機を備え、前記システムが、前記処理ユニットとの無線データ通信のために構成された信号トランスデューサ装置を備え、前記信号トランスデューサ装置が、較正モードおよび動作モードにおいて前記電気接点を駆動および記録するための前記記録ユニットおよび前記駆動ユニットを制御するように構成され、前記電気接点が、前記動作モードにおいて信号刺激のために制御され、前記較正モードにおいて信号刺激および信号受信のために制御され、前記信号トランスデューサ装置が、特に、皮質領域における信号刺激と、前記感覚モダリティを代行するために前記大脳皮質の前記領域における潜在的位置を決定するための１つまたは複数の他の皮質領域における信号受信と、のために前記電気接点を駆動するために前記較正モードにおいて前記駆動ユニットを制御するように構成される、請求項１から８のいずれか一項に記載の神経補綴システム。
【請求項１０】
前記信号トランスデューサ装置が、前記神経モダリティを代行するための前記大脳皮質の前記領域における刺激信号および潜在的な位置の少なくとも一方の再較正のために、所定の一定の時間間隔で信号刺激および信号受信の一方において前記電気接点を駆動するために、前記較正モードにおいて前記駆動ユニットを制御するように構成される、請求項９に記載の神経補綴システム。
【請求項１１】
前記信号トランスデューサ装置が、前記動作モード中に、前記感覚基本要素に従った前記神経モダリティを代行するために、位置の前記サブセットに対応する複数の電気接点に同時に通電するように設計された電気シミュレーション回路を備える、請求項１０に記載の神経補綴システム。
【請求項１２】
前記複数の電気接点のそれぞれが、電気リード線によって前記トランスデューサ装置の複数のマルチプレクサに接続する、請求項９から１１のいずれか一項に記載の神経補綴システム。
【請求項１３】
可撓性電極シャフトの前記複数のアレイのそれぞれが、前記駆動ユニットにより前記電気接点を電気的に駆動するために、前記アレイの前記複数の電気接点に接続された少なくとも１つのマルチプレクサと、１つまたは複数のマルチプレクサリード線とを備える、請求項９から１２のいずれか一項に記載の神経補綴システム。
【請求項１４】
前記処理ユニットが、畳み込みニューラルネットワークに基づいて前記刺激パターンを提供するために前記感知されたデータフィードを解析するように構成される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の神経補綴システム。
【請求項１５】
前記神経モダリティの前記代行を増強するための知覚情報を感知するように構成された少なくとも１つのさらなるセンサを備え、前記少なくとも１つのさらなるセンサが特に視標追跡センサを含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の神経補綴システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、生体医工学の分野に関し、詳細には、例えば部分的または完全に失明している人間の機能的視覚を回復するために、皮質内電極の電気刺激によって、哺乳動物の失われたまたは障害となっている感覚機能を代行または誘導するための神経補綴システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
神経補綴（ｎｅｕｒｏｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃｓ）または神経プロテーゼ（ｎｅｕｒａｌ  ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃｓ）は、神経プロテーゼの開発に携わる神経科学および生体医工学に関連する技術分野である。神経感覚プロテーゼは、その最も一般的な形態では、哺乳動物の大脳皮質のそれぞれの領域における神経刺激によって、怪我や病気の結果として損傷した可能性のある視覚、聴覚、触覚、または嗅覚などの感覚機能を代行または誘導するように設計されたデバイスまたはシステムである。
【０００３】
例えば、視覚機能の感覚回復の分野では、視覚系における損傷は一般に２つのグループ、すなわち、網膜の神経節細胞層までかつ神経節細胞層を含む視覚処理経路に損傷がある第１のグループと、この処理段階の後に、網膜と視覚皮質との間の情報の流れを損なう損傷がある第２のグループとに分類できる。
【０００４】
第１のグループの患者については、網膜に植え込むための人工網膜の形態での解決策に向けて大きな進歩が見られ、眼と脳とをつなぐ網膜神経節細胞が残されている哺乳動物に低視力を提供している。人工網膜は、神経節細胞および／または視神経に広範囲の損傷がある人々には使用できない。
【０００５】
網膜で視力を回復できない大規模な患者群、すなわち上記の第２のグループについては、視覚皮質の外面に適用するための表面刺激電極から構成されるプロテーゼ、および視覚皮質における眼内閃光位置のまばらなサブセットの作動のための皮質内電極を備えるプロテーゼが開発されている。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１０／００９４３８２号明細書は、視覚情報を眼から大脳皮質に中継する視床の一部である、哺乳動物の視床の外側膝状核に電気信号を送るよう動作する視覚補綴システムを開示している。このシステムは、硬質な電極のアレイと、電極に動作可能に接続された視覚情報変換器と、電極のアレイに動作可能に接続された視覚センサとを備える。視覚変換器は、視覚情報を認識するために被験者の脳活動を刺激するよう、電極を介した電気信号により外側膝状核を刺激するために、視覚センサによって提供される視覚情報を変換するよう構成される。
【０００７】
国際公開第２００８／１０９２９８号パンフレットは、細長いキャリヤに沿って円周方向および軸方向の両方に配置された複数の電極部位または電気接点を有する、脳深部刺激用の電極アレイを開示している。キャリヤの直径は１ｍｍの範囲にある。電極アレイを植え込むために、哺乳動物の頭蓋骨に取り付けられる植え込みチャンバが設けられ、植え込みチャンバから、脳に植え込むための電極アレイを案内するために限られた数の案内管が延びる。
【０００８】
哺乳動物の皮質内刺激のための現在の神経プロテーゼは、比較的少数の植え込み型電極によって、哺乳動物の脳内の比較的まばらな一式の神経位置の刺激しかできない。したがって、失われたまたは障害となっている感覚機能は、機能を大幅に強化して人間の独立性および生活の質を改善するように失われた機能を人間が取り戻すには実際には不十分な、極めて未発達な方式でしか代行または誘導することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００９４３８２号明細書
【特許文献２】国際公開第２００８／１０９２９８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、哺乳動物の大脳皮質のそれぞれの領域の電気刺激によって哺乳動物の感覚モダリティを代行するための改良された神経補綴システムおよび方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記および他の目的は、本開示の第１の態様では、代行される神経モダリティに対応する哺乳動物の大脳皮質の領域を電気刺激することにより、上記哺乳動物の上記感覚モダリティを代行するための神経補綴システムによって実現され、上記システムが、
代行される神経モダリティを感知することによって感知されたデータフィードを生成するように構成された、上記哺乳動物による使用のための少なくとも１つのセンサと、
感覚モダリティの機能的填補を提供するように構成された、上記哺乳動物の大脳皮質のそのような領域を高密度に占有するよう皮質内植え込みのために構成された可撓性を有する細長い電極シャフトの複数の三次元アレイから構成された電極ユニットであって、各シャフトが、大脳皮質の上記領域における位置のサブセットの電気刺激のための複数の電気接点を備える、電極ユニットと、
皮質内植え込み中に上記可撓性電極シャフトのアレイを上記哺乳動物の大脳皮質の上記領域内に同時に案内するように、かつ可撓性電極シャフトのアレイの植え込み後に自身を後退させるように構成された硬質な電極支持構造体と、
大脳皮質の上記領域において上記位置のサブセットを刺激するために上記電極ユニットを電気的に駆動するように構成された駆動ユニットと、
大脳皮質の上記領域において上記電極ユニットを介して神経記録を取得するように構成された記録ユニットと、
上記感覚モダリティを代行するために、大脳皮質の上記領域における位置のサブセットに対応する上記電極ユニットの電気接点群を電気的に駆動するための刺激パターンを提供するために上記感知されたデータフィードを解析するように構成された処理ユニットと
を備える。
【００１２】
本開示は、障害となっている神経モダリティの機能的代行が、感覚モダリティの機能的填補を提供する大脳皮質のそれぞれの領域における高密度な位置の電気刺激を必要とするという洞察に基づいている。
【００１３】
大脳皮質の一部の領域は複雑な形状を有する。例えば、視覚領Ｖ１は、折り畳まれた構造を有する。本開示は、電極の高次元化により、これらの領域の高密度な填補が実現され得るという洞察に基づいている。実際には一部の電極は、この関心領域、例えば視覚領Ｖ１の外にあることがあるが、依然として多数の電極が、感覚モダリティを機能的な方法で代行し得るに十分な高密度でこの領域を覆っている。
【００１４】
機能的な方法という用語は、少なくとも、患者が自身の独立性および生活の質を改善するのに十分なレベルまでの感覚モダリティの回復を指す。これは必ずしも感覚モダリティの完全な回復を必要としないが、少なくとも、概念実証のみが実現される基本機能を超えたそのような回復を必要とする。
【００１５】
このことは、本開示により、シミュレーション方式で（すなわち、１つのアレイのすべての電極シャフトが、１つずつではなく一緒に変位する単一のステップで）アレイのすべての可撓性電極シャフトを哺乳動物の大脳皮質のターゲット領域に挿入するように、かつ可撓性電極シャフトの植え込み後に支持構造体を後退させるように構成された、可撓性電極シャフトの複数の三次元アレイと硬質な電極支持構造体とを提供することにより実現される。
【００１６】
このようにして、皮質内の位置を均一に刺激するための高密度な一式の極めて薄い可撓性電極シャフトを、特に大脳皮質の溝など、本来アクセスが困難な皮質領域に適用することができる。このようにして、これらの領域は、患者または哺乳動物の大脳皮質の上記領域に電極が非常に高密度に配置されているため、感覚モダリティの機能的填補が実現される。
【００１７】
皮質の高密度刺激により、失われた神経モダリティの機能的代行がもたらされる、つまり、機能的填補を提供する意味のある方法で、例えば視覚を回復する。
【００１８】
三次元アレイという用語は、刺激および／または刺激の受容のための電気接点が三次元の体積または領域を占めるという事実を指す。
【００１９】
機能的感覚基本要素という用語は、失われている感覚モダリティの基本的な代行を哺乳動物に提供することができる基本的な神経刺激を指す。
【００２０】
本開示の特定の実施形態では、視力を回復するために、神経補綴システムは、上記哺乳動物の上記大脳皮質の視覚領における視覚を代行するように構成され、上記少なくとも１つのセンサが、画像を取り込み、取り込んだ画像のデータフィードを生成するように構成された少なくとも１つのポータブルイメージングユニットを備え、上記駆動ユニットが、大脳皮質の上記視覚領にある位置において眼内閃光を誘発するように構成され、上記処理ユニットが、上記取り込んだ画像のデータフィードの画像のセマンティックセグメンテーションを通じて取得された眼内閃光パターンから構成される上記視覚を代行するための眼内閃光を誘発するために、大脳皮質の上記視覚領における眼内閃光位置のサブセットに対応する上記電極ユニットの電気接点群を刺激するための上記刺激パターンを提供するように構成される。
【００２１】
画像のセマンティックセグメンテーションは、視覚皮質のパターン化された刺激を提供し、適切な眼内閃光を活性化し、それにより画像分類、物体検出、およびアクション認識などの様々な視覚認識問題を解決するために、例えば畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）を適用するセマンティックセグメンテーションを含み得る。
【００２２】
セマンティックセグメンテーションという用語は、画像の各ピクセルに、物体や人物などを指し得るクラスが割り当てられる画像を処理するタスクを指す。セマンティックセグメンテーションにより、すべてのピクセルが、囲んでいる物体、領域、またはエリアのクラスでラベル付けまたは分類されるように、粗い画像情報が細かい推論に変換される。セマンティックセグメンテーションの入力は生の画像データである可能性があるが、出力は、基本的およびより複雑な形状、線分、曲線線分などをユーザが識別および特定できる領域または構造に変換され得る。
【００２３】
セマンティックセグメンテーションは、特に、上記感知されたデータフィードにおける画像の変換を指し得るが、非視覚的感覚には他のセグメンテーションまたは分類プロセスが適用可能であり得る。例えば、聴覚代行の場合、より複雑な音の関連する音の特徴が患者に提供される同様の変換プロセスが適用され得る。
【００２４】
イメージングシステムは、可視スペクトルおよび／または赤外線ＩＲスペクトルで動作し、メガネなどに取り付けられる１つもしくは複数のデジタルカメラ、光検出器、または光センサのいずれかを含み得る。
【００２５】
例えば聴覚代行では、感覚基本要素は、例えば音声を代行するための電話周波数帯域などの特定の周波数帯域ならびに言語に特徴的な言葉の音を形成する母音および子音に制限されるか否かに関わらず、一式の基本的な音または周波数から構成され得ることに留意されたい。データフィードを生成する１つまたは複数のセンサは、音声を代行する場合の音声感知式マイクロフォンなどの１つまたは複数の音声センサから構成され得る。
【００２６】
感覚受容器は、皮膚、上皮組織、筋肉、腱、および関節など身体のいたるところに見られる。触覚回復の場合の感覚基本要素としては、体性感覚、すなわち、触覚（ｓｅｎｓｅ  ｏｆ  ｔｏｕｃｈ）、固有受容感覚（位置および動きの感覚）、および触運動知覚（ｈａｐｔｉｃ  ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ）が挙げられる。脳内の体表面のマッピングは体部位再現と呼ばれる。皮質では、それは皮質ホムンクルスとも呼ばれる。例えば触覚の回復のために圧力センサが適用され得る。
【００２７】
本開示の一実施形態では、本システムは、上記駆動ユニットの１つまたは複数の刺激信号を大脳皮質の上記領域内に配置された電気接点のサブセットに導いて、感覚モダリティの上記機能的填補を提供する、スイッチングデバイスを備える。
【００２８】
スイッチングデバイスによって、システムは、複数（群）の電極シャフトまたはその特定の電気接点を単一の信号発生器に接続することが可能になる。そのため、各電気接点に１つの信号発生器を備える必要はなく、かつかなり少ない数しか必要ではなく、この数は、駆動ユニットが生成するのに必要な異なる刺激信号の数に対応することが好ましい。
【００２９】
本開示の一実施形態では、可撓性電極シャフトの複数の三次元アレイのそれぞれがベースプレートから構成され、可撓性電極シャフトがベースプレートの１つの表面から延び、電気接点が、細長い電極シャフトの長さ方向に配置され、各電気接点が、ベースプレートによって支持された電気リード線に接続される。
【００３０】
ベースプレートは、電極の電気接点のそれぞれへの電気配線に必要な支持を提供する。電極がベースプレートに取り付けられるため、電気リード線は、半導体工学において利用可能な印刷またはエッチング技法などを使用して設けられ得る。
【００３１】
実際の実施形態では、特に人間で使用するために、ベースプレートは、実質的に四角形の形状を有し、側面寸法が４〜３０ｍｍ、より好ましくは８〜１２ｍｍの範囲にあり、厚さが１０〜２００μｍの範囲にあり、可撓性電極シャフトは、リボン形状であり、長さが０．５〜４０ｍｍ、より好ましくは４〜４０ｍｍの範囲にあり、幅が５〜１００μｍ、より好ましくは１０〜１００μｍの範囲にあり、厚さが１〜３０μｍ、より好ましくは１〜１５μｍの範囲にあり、電気接点が、最大相互間隔８００μｍ、特に相互間隔４０μｍで電極シャフトの長さ方向に配置され、電極シャフトが、０．１〜２ｍｍ、より好ましくは０．４〜１ｍｍの範囲にある相互間隔でベースプレートから延びる。
【００３２】
上に開示された寸法を有する電極は、視野表現の大部分を含む鳥距溝の隣に挿入されるのに十分な長さを有する。研究によれば、これらの電極が個々のニューロンの活動を確実に検出することが示されている。重要なことに、電極はニューロンの劣化やグリア性瘢痕形成を引き起こさないようである。
【００３３】
本開示による神経補綴システムの一実施形態では、電極支持構造体は、大脳皮質の上記選択された領域における皮質内挿入のために上記可撓性電極シャフトを案内するための、複数の相互に結合された細長い硬質なインサートシャフト（シャンクとしても知られる）を備え、上記ベースプレートが、上記複数のインサートシャフトを受け入れる貫通孔の二次元アレイを備える。
【００３４】
シャフトまたはシャンクの剛性は、アレイのすべての電極を、例えば手の力によって一度に配置できるように、またシャフトまたはシャンクが、挿入中に、例えば血管などがもたらす抵抗を受けたときに撓むことができるように決められる。この場合、電極支持構造体のシャフトまたはシャンクは、血管への挿入を回避する軌道に従うべきである。
【００３５】
シャフトおよび電極の挿入をさらに強化するために、本開示の別の実施形態では、シャフトおよび電極の撓み特性が、インサートシャフトおよび可撓性電極シャフトの少なくとも一方が先細の自由端を備えるという点でさらに改善される。
【００３６】
実際の実施形態では、人間の脳で使用するために特に寸法決めされた電極アレイで使用するために、電極支持構造体の硬質な支持シャフトはリボン形状であり、長さが０．５〜４０ｍｍ、より好ましくは４〜４０ｍｍの範囲にあり、断面が長方形であり、幅が、電極シャフトと少なくとも略同一であり、厚さが１０〜５０μｍの範囲にある、または断面が、直径が１〜５０μｍ、より好ましくは１０〜５０μｍの範囲にある円形であることが好ましく、支持シャフトが、０．１〜２ｍｍ、より好ましくは０．４〜１ｍｍの範囲にある相互間隔で構成される。
【００３７】
上記の寸法の電極アレイでは、アレイあたり約２，５００〜５０，０００個の電気接点が設けられ得る。
【００３８】
一実施形態では、可撓性電極シャフトは、脳脊髄液溶解性接着剤によってそれぞれのインサートシャフトに固定されてもよい。すなわち、電極の挿入後、電極支持体の安全な後退のために接着剤は迅速に溶解しなければならない。あるいは、インサートシャフトを可撓性電極シャフトの孔に挿入することによってそれぞれのインサートシャフトに固定されてもよい。
【００３９】
本開示による神経補綴システムの一実施形態では、上記可撓性電極シャフトがポリイミドまたはＳＵ−８などの組織−生体適合性材料から構成され、脳との上記電気接点が酸化イリジウム、微細構造白金、または窒化チタンから構成され、上記ベースプレートがケイ素シート材料から構成され、上記電線が金またはケイ素などの導電性材料から構成され、上記インサートシャフトがタングステンまたはケイ素から構成され、上記溶解性接着剤がポリエチレングリコールから構成される。
【００４０】
ポリエチレングリコールは、例えば、脳脊髄液と接触してから１０〜１５秒後に溶解する。このようにして、複数の電極アレイ、例えば５〜２０のアレイを比較的迅速に植え込むことができ、それにより、患者および外科医の負担を大幅に軽減する。
【００４１】
本開示のさらなる実施形態における神経補綴システムにおけるデータ転送は以下のようになされる。すなわち、処理ユニットは、無線データ通信のために構成された送受信機を備え、本システムは、処理ユニットとの無線データ通信のために構成された信号トランスデューサ装置を備える。信号トランスデューサ装置は、較正モードおよび動作モードにおいて電気接点を駆動するための駆動ユニットを制御するように構成され、信号トランスデューサ装置は、較正モードにおいて、信号刺激および記録ユニットによる信号受信の一方のために電気接点を駆動するように駆動ユニットを制御する。
【００４２】
動作モードおよび較正モードにおける駆動ユニットの動作は、大量の電気接点、例えば、大脳皮質の領域に５〜２０個のアレイを植え込む場合の２０，０００〜５００，０００個の電気接点に起因して、適切な刺激強度を決定するための較正モードは、例えば患者が眠る夜間など、動作モードとは別に実行され得るという点で有利である。
【００４３】
この目的のために、本開示による神経補綴システムの別の実施形態では、信号トランスデューサ装置は、神経モダリティを代行するための大脳皮質の領域における刺激の強度を決定するために、一次皮質領域および／またはより高次の皮質領域における信号刺激、ならびに一次皮質領域および／またはより高次の皮質領域における信号受信のために電気接点を駆動するために、較正モードで駆動ユニットを制御するように構成される。
【００４４】
このようにして、電極ユニットは、電流および電圧の振幅または強度、パルス形状、周波数、ならびに他の刺激パラメータを決定するために、また失われている神経モダリティの代行に寄与する電極ユニットの電気接点を決定するために好都合に較正され得る。このようにして、植え込まれた電極の故障または障害を検出することができ、そのような電極または電気接点を駆動ユニットによる電力供給から除外することができる。
【００４５】
例えば刺激が眼内閃光を誘発する視覚皮質領域にある位置のパターン化された刺激、および別の皮質領域の対応する活動の監視により、哺乳動物が皮質視覚領域に印加される電気刺激を知覚できるか否かを予測できる。このとき、哺乳動物のさらなる能動的な相互作用なしでなされる。
【００４６】
例えば、電極からの神経信号間の相関関係を抽出し、相関構造を使用して感覚皮質の機能マップを推定するための感覚皮質領域における位置からの信号受信により、哺乳動物が皮質視覚領域に印加される電気刺激を知覚できる位置を予測することができる。
【００４７】
本開示の別の実施形態による、所定の一定の時間間隔で信号刺激および信号受信の一方において電気接点を駆動するために、較正モードにおいて駆動ユニットを制御するための信号トランスデューサ装置を動作させることは、上記神経モダリティを代行するための大脳皮質の上記領域における刺激信号および潜在的な位置の少なくとも一方の再較正を提供する。
【００４８】
時間の経過とともに、それぞれの知覚可能な神経刺激を誘発するために、特定の刺激の強度を適応させる必要がある。すなわち、増加または延長する必要があることが判明している。これは、とりわけ、グリア増殖症、電気接点または絶縁の劣化に起因する。最も深刻なケースでは、皮質の特定の位置を刺激しても、いかなる神経作用もそれ以上誘発されなくなる場合がある。その場合、本開示による電極ユニットで利用可能な刺激位置が膨大な数であるため、それぞれの神経モダリティを代行するための大脳皮質の領域における位置の新しいサブセットを利用することができる。
【００４９】
トランスデューサおよびドライバ装置の寸法を縮小するために、さらなる実施形態では、信号トランスデューサ装置は、動作モード中に、感覚基本要素に従って神経モダリティを代行するために、減らされているが機能する数の位置に対応する複数の電気接点に同時に通電するように設計された電気シミュレーション回路を備える。
【００５０】
つまり、トランスデューサ装置およびドライバの容量は、刺激されなければならない位置の関連するサブセットに効果的に制限され得る。これにより、システムの寸法およびコストを削減するだけでなく、哺乳動物の皮膚または頭蓋骨の下にトランスデューサおよびドライバ装置を適用するときに観察されるはずの熱生成も削減する。
【００５１】
多数のリード線配線を効率的に取り扱うために、本開示による神経補綴システムの一実施形態では、複数の電気接点のそれぞれが、電気リード線によって、トランスデューサ装置の複数のマルチプレクサおよびスイッチング回路に接続する。追加的または代替的に、可撓性電極シャフトの複数のアレイのそれぞれが、駆動ユニットによる電気接点の電気的駆動のため、または記録ユニットによる電気接点を介した神経記録のために、少なくとも１つのマルチプレクサと、アレイの複数の電気接点および１つまたは複数のマルチプレクサリード線に接続されたおよびスイッチング回路とを備え得る。柔軟なスイッチング回路により、電極は、記録ユニットに接続された増幅器によって電気的に刺激または記録され得る。
【００５２】
電極アレイの支持プレートにマルチプレクサおよびスイッチング回路を実装することにより、頭蓋骨を通って外部機器に案内される必要のあるリード線の数が大幅に削減される。
【００５３】
刺激パターンを提供するための感知されたデータフィードを解析するために、処理ユニットは、例えば、畳み込みニューラルネットワーク、セマンティックセグメンテーションのためのディープネットワーク、および条件付き確率場のうちの任意の１つまたは複数を使用するように構成され得る。
【００５４】
本開示による神経補綴システムにより代行される神経モダリティの機能は、神経モダリティの代行を増強するための知覚情報を感知するように構成された少なくとも１つのさらなるセンサを使用して増強または強化され得る。
【００５５】
特に視覚回復または代行システムで使用するためのそのようなさらなるセンサの例は、いわゆる視標追跡センサまたは視線追跡センサであり、これは、被験者の視線に基づいてイメージングユニットを方向づけるのに有用であり得る。例えば、音センサは、交通の方向および速度に関する情報を提供して、例えば移動中の人間の視覚代行を増強などし得る。そのようなさらなるセンサによって提供される情報は、ユーザに直接提供されるか、処理ユニットを介して間接的に処理され、刺激される位置のサブセットを決定するために使用され得る。
【００５６】
速度センサ、温度センサ、触覚センサなど、神経モダリティの機能を増強するための他のセンサが設けられてもよいことが当業者には理解されよう。
【００５７】
第２の態様では、本開示は、第１の態様に関連して上記で開示した神経補綴システムの電極アレイの可撓性を有した細長い電極を案内するための硬質な電極支持構造体を提供する。
【００５８】
第３の態様では、本開示は、哺乳動物の大脳皮質の領域における皮質内植え込みのために構成された可撓性を有する細長い電極の三次元アレイを提供し、各電極が、上記で開示された第１の態様による、大脳皮質の上記領域における位置の高密度なサブセットの電気刺激のための複数の電気接点を備える。
【００５９】
第４の態様では、本開示によれば、上記で開示された可撓性を有する細長い電極の三次元アレイと硬質な電極支持構造体との組立体が提供され、電極および支持構造体が脳脊髄液溶解性接着剤によって接続される。
【００６０】
第５の態様では、本開示の第１の態様による神経補綴システムの感知されたデータフィードを解析するように構成されたコンピュータプログラムコードデータであって、上記プログラムコードデータが電子処理ユニットのメモリにロードされ、上記電子処理ユニットによって実行されるとき、感覚基本要素から構成される神経モダリティを代行するための大脳皮質の領域における位置のサブセットに対応する電極ユニットの電気接点を電気的に駆動するための刺激パターンを提供するためのコンピュータプログラムコードデータを格納するデータ記憶デバイスを備えるコンピュータプログラム製品が提供される。
【００６１】
実際には、哺乳動物の大脳皮質の領域における、上記で開示された神経補綴システムの可撓性を有する細長い電極の三次元アレイの皮質内植え込みが、
貫通孔の二次元アレイを備えるベースプレートの１つの表面から延びる、可撓性を有する細長い電極の三次元アレイを提供するステップと、
上記可撓性を有する細長い電極の上記アレイを大脳皮質の上記領域内に案内するための硬質な電極支持構造体を提供するステップであって、支持構造体が、複数の相互に結合された細長い硬質なインサートシャフトを備える、ステップと、
ベースプレートのそれぞれの貫通孔にインサートシャフトのそれぞれを受け入れるステップと、
例えば脳脊髄液溶解性接着剤によって、または上記インサートシャフトの先端と係合する上記可撓性電極シャフトの自由端にある孔によって、上記可撓性を有する細長い電極のそれぞれをそれぞれのインサートシャフトに固定するステップと、
上記哺乳動物の大脳皮質の上記領域内に、上記固定された三次元アレイと共に上記硬質な電極支持構造体を植え込むステップと、
上記接着剤が溶解した後、上記哺乳動物の大脳皮質の上記領域から上記硬質な電極支持構造体を後退させるステップと
を含み得る。
【００６２】
本開示の上記および他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかであり、実施形態を参照することにより解明される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本開示による神経補綴システムの概略図である。
【図２】本開示による電極の三次元アレイと支持構造体との組立体の図である。
【図３】本開示による三次元アレイの電極を挿入するための支持構造体のインサートシャフトの詳細図である。
【図４】本開示によるトランスデューサユニットおよび複数の三次元アレイの図である。
【図５】本開示によるトランスデューサユニットおよびアレイへのリード線接続の図である。
【図６】本開示による、大脳皮質の視覚領域に複数のアレイがある脳の側面図である。
【図７】本開示による、システムのカメラによって取り込まれた画像のセマンティックセグメンテーションのいくつかのステップの図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
図１は、哺乳動物、この場合は患者の感覚モダリティを、代行される神経モダリティに対応する特許の大脳皮質の領域を電気刺激することによって代行するための神経補綴システム１００を概略的に示している。
【００６５】
図面に示され、以下の説明に記載される各例は、視覚が大脳皮質の視覚領域で代行される視覚神経補綴システムを対象としているが、本発明は、特に視覚感覚モダリティのみに限定されるものではない。当業者には理解されるはずであるが、本発明は、聴覚または体性感覚モダリティなどの他の感覚モダリティにも適用可能である。
【００６６】
単に例示として、図１に例示するシステム１００は、別々のハウジングに収容されるいくつかの別々の物理的ユニットを含む。しかしながら、いくつかのユニットが単一のハウジング内に組み合わされてもよいことが当業者には理解されよう。
【００６７】
システム１００は、センサ１５０から少なくとも構成される。センサは、可視スペクトルおよび／または赤外線ＩＲスペクトルで動作するための、メガネなどに取り付けられる１つもしくは複数のデジタルカメラ、光検出器、または光センサを含み得る。図１に示す例では、センサは、患者のメガネ１４０に取り付けられた画像センサである。しかしながら、センサはまた、身体に取り付け可能である、または任意の他の方法で患者が装着できる別個のカメラであってもよい。カメラはまた、別個のハンドヘルドカメラユニットであってもよいし、携帯電話などのポータブルデバイスまたはタブレットなどのポータブルコンピュータデバイスに組み込まれてもよい。
【００６８】
カメラ１５０は、患者の視野１６０に対応する方向に向けられる。このため、カメラは、データストリーム、この例では複数の画像から構成されるデータストリームを記録または取り込むことができる。データストリームは、視野１６０の少なくとも大部分をカバーするデータまたは画像を含む。視野という用語は、カメラ１５０によって実際に見えるものの制限を指す。人間の眼はほとんどのカメラデバイスよりも広い視野を有し得るため、システムは視標追跡ユニットも備え得るが、これは図１には示されていない。視標追跡ユニットは、患者の眼の位置、したがって眼が向けられている場所を検出することができる。このようにして、カメラデバイスは患者の方向に焦点を合わせ、患者の視野内の焦点領域に対応するデータストリームを生成することができる。
【００６９】
システム１００はまた、電極ユニット１３０から構成される。電極ユニット１３０は、実際には、複数の三次元アレイ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃから構成される。システム１００は、約２０個、例えば、左半球に植え込まれた１０個および右半球に植え込まれた１０個のこれらのアレイ１３０から構成されることが好ましい。
【００７０】
各三次元アレイ１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃは、複数の可撓性を有する細長い電極シャフトから構成される。これらの電極シャフトは、患者の脳１８０へ皮質内植え込みに適した形状を有し、適した材料で作られている。これらの電極シャフトを適したものにするために、これらの電極シャフトは、ポリイミドまたはＳＵ８などの組織−生体適合性材料で製造され得る。しかしながら、導電性材料と組み合わせた他の生体適合性絶縁材料もまた適し得ることが当業者には理解されよう。
【００７１】
電極シャフトは、アレイ全体に三次元的に配置されるため、大脳皮質の大きな三次元領域、すなわち患者の大脳皮質の視覚領の大部分またはほぼすべてと電気的に接触することができる。これは、２つの方向における個々の電極シャフト間の図２の間隔ｄ１が小さい、例えば最大０．４〜１ｍｍであることだけではなく、電極シャフトが既知の電極アレイの電極よりも長く、長さが最大２０ｍｍまたはさらには４０ｍｍの長さであることも意味する。好ましくは、電極シャフトの長さは、少なくとも２〜５ｍｍ、最大２０または４０ｍｍの範囲にある。より好ましくは、長さは５〜３０ｍｍの範囲にあり、さらにより好ましくは７〜２５ｍｍの範囲にあり、最も好ましくは１５〜２０ｍｍの範囲にある。このようにして、電極は、大脳皮質の単一の折り畳まれた脳回を超えて延び、または複数の折り畳まれた脳回に及ぶことができる。
【００７２】
各電極シャフトは、複数の電気接点から構成される。これらの接点は、単一の電極シャフトの接点のいくつかが刺激信号を印加することによって電気的に駆動または作動され、他の接点が操作されないように個別に制御され得る。各接点はまた、信号刺激または信号記録のいずれかのために操作され得る。動作モードでは、接点は信号刺激のみを目的として動作する。しかしながら、設定モードでは、接点はまた、刺激信号に対する神経活動または神経応答がそれに応じて記録され得るように、信号記録モードで動作するように制御され得る。一例では、各接点は、刺激モードおよび記録モードの両方で動作できるように構成されてもよく、代替的な例では、接点は、信号刺激または信号記録のいずれか専用にすることができる。
【００７３】
電気接点が神経刺激または神経記録のための信号を処理するために、システム１００は、駆動ユニットと記録ユニットとから構成される。これらのユニットは、患者の中または上の別々の位置にある別々のハウジングに収容されてもよいが、シャフトに近接もしくは一体化されるか、または頭皮の真下の頭蓋骨上、例えば頭皮の疎性結合組織の層もしくはその付近に配置され得る、トランスデューサデバイスに収容されることが好ましい。
【００７４】
可撓性電極シャフトが大脳皮質の表面組織を正常に貫通するために、システム１００はまた、硬質な電極支持構造体から構成される。この目的のために、支持構造体は、硬質なまたは硬いインサートシャフトのアレイから構成される。可撓性を有する細長い電極シャフトは、大脳皮質における皮質内植え込み時に支持構造体のインサートシャフトに取り付け、または固定される。一旦挿入されると、インサートシャフトは後退可能で取り外しできるが、電極シャフトは大脳皮質の所定の位置に留まる。取り付けおよび取り外しは、様々な方法で実現され得る。例えば、インサートおよびそれぞれの電極は、ＰＥＧなどの脳脊髄液溶解性接着剤によって一時的に取り付けられ得る。この例は、平坦なリボン型の電極でうまく機能し得る。例えば丸いまたは円形の断面形状を有する、リボンの代替的な非平坦な形状では、電極の先端には、インサートシャフトの先端が貫通する孔などの係合要素が設けられてもよい。
【００７５】
位置のサブセットを刺激するために電極ユニットを電気的に駆動するための駆動ユニット、および大脳皮質の領域において電極ユニットを介して神経記録を取得するための記録ユニットの電子部品は、植え込み型トランスデューサケーシング１２０内部にパッケージングされ、チタン製であることが好ましいケーシングの材料によって組織から遮蔽され得る。電子部品または電子回路が電極ユニット上、より具体的には三次元アレイ上に存在し得る場合、それらは、ＬＣＰまたはポリイミドなどの組織適合性パッケージング材料に埋め込まれる。
【００７６】
植え込み物１２０はまた、スイッチングユニットから構成される。スイッチングユニットは、駆動ユニットからの刺激信号を大脳皮質に配置された実際の電気接点に導く電子回路から構成される。つまり、駆動ユニットは、複数の刺激信号、すなわち、正弦波形、方形波形、矩形波形、三角波形、のこぎり波形、パルス波形、または波形の任意の組み合わせなどの特定の波形の刺激パルスを発生させるための回路を備え得る。発生された信号は、形状だけでなく振幅も異なり得るもので、異なる個別の電気接点または電気接点のサブセットに導かれ得る。このようにして、一部の接点群または接点のサブセットはまったく作動されず、他の接点群は第１の刺激信号で作動されず、さらに別の接点群は第２の異なる刺激信号で作動されない、などであってもよい。この目的のために、スイッチングユニットは、異なる信号発生器と電気接点のサブセットとの電気的チャンネリングを実現するように構成される。
【００７７】
駆動ユニット、記録ユニット、ひいては電極ユニットの電極を制御するために、システムはまた、処理ユニット１７０を備える。処理ユニットは、ハンドヘルドデバイスであることが好ましく、これは、このことにより、患者の独立性および生活の質が向上するためである。処理ユニットまたはデバイスは、本発明による神経補綴システム２００のための処理ユニット１７０として動作するようにプログラムされた、図１に例として示す携帯電話などの汎用ハンドヘルドデバイスであり得る。しかしながら、処理ユニットまたはデバイスは、専用デバイスであるが、好ましくは携帯電話の寸法と同様の寸法を有する専用デバイスであることがより好ましい。
【００７８】
処理ユニット１７０は、無線通信ユニット１１０を使用することによって、トランスデューサ装置またはトランスデューサデバイス１２０と通信することができる。この無線通信ユニット１１０は、高チャネル数の高密度皮質植え込み型アレイ１３０ａ〜１３０ｃを制御するための無線技術を提供するだけでなく、記録ユニットの信号を送信し得る無線電力伝達インターフェースも提供する。これは、例えば、無線ユニット１１０とトランスデューサ植え込み物１２０との間の容量結合または磁気力学的結合によって実現され得るが、誘導結合によって実現されることが好ましい。
【００７９】
無線ユニット１１０とトランスデューサ植え込み物１２０との間に無線電力およびデータ通信の両方を行うことにより、皮膚を貫通するケーブルやコネクタに関連する感染のリスクが低減される。
【００８０】
処理ユニット１７０を用いて、システム１００は、センサによって感知されたデータストリームを受信および解析することができる。図１に示す例では、これらは、カメラ１５０によって取り込まれたデータストリームの画像である。これらの画像は、正しい電気接点に電力が供給、すなわち刺激信号が供給されて、眼内閃光、すなわち光または特定の光点が見えるという経験を特徴とする現象を、電極シャフトの実際の位置、より正確にはその特定の電極シャフトの電気接点に対応する眼内閃光位置で誘発させるように処理される必要がある。眼内閃光位置のサブセットは、カメラによって、したがって患者の視野１６０内のシーン内でキャプチャーされた１つまたは複数の物体に対応させるべきである。
【００８１】
実際に取り込まれた画像データと、１つまたは複数の眼内閃光パターンをまとまって形成する眼内閃光位置のサブセットとの間でそのような変換を行うために、処理ユニット１７０は、セマンティックセグメンテーションを用いる。
【００８２】
セマンティックセグメンテーションによって、各ピクセルが特定の物体クラスに割り当てられるように画像が処理される。物体は、いわばラベル付けされ、物体を囲むか物体の輪郭を描く一式のピクセルを含む。
【００８３】
処理ユニット１７０がセマンティックセグメンテーションにより画像データを処理すると、外形、輪郭、ラベル、形状、または他のプリミティブオブジェクトが決定され、これらを眼内閃光または刺激パターンとして使用して、眼内閃光位置の適切なサブセットに刺激信号を印加することができる。これらの刺激信号が印加されると、これらの眼内閃光位置で誘発された眼内閃光は、患者が実際の物体を車または患者の視野１６０内にある物体として認識するように患者の視覚を代行する。
【００８４】
図２では、可撓性を有する細長い電極または電極シャフトの三次元アレイ１３３と、患者の大脳皮質の領域における皮質内植え込み時に可撓性を有する細長い電極１３５を案内するための硬質な電極支持構造体１３２と、の組立体１３０が示されている。
【００８５】
支持構造体１３２は、実装時にアレイ１３３の可撓性電極シャフト１３５を同時に案内することを可能にし、実装されると、インサートシャフト１３４は電極１３５から分離することができ、支持構造体１３２は後退することができる。タングステンから製造されることが好ましいすべてのインサートシャフト１３４が、相互に接続され、かつ金属ロッドに接続され、これにより、同時に並行して挿入および後退を行うことが可能になる。
【００８６】
図２に明確に示すように、支持構造体のインサートシャフト１３４の数および配置の両方が、アレイ１３３のベースプレート１３１にある貫通孔の数および配置に対応するため、個々のインサートシャフト１３４が単一のそれぞれの貫通孔によって案内され、それにより、すべての電極シャフトまたは電極リボン１３５が大脳皮質の視覚領において正しい位置および正しい深さに確実に到達する。この視覚領は、好ましくは一次脳領域Ｖ１であり得るが、Ｖ２、Ｖ３またはＶ４などの中間または高次領域でもあり得る。
【００８７】
すべての個々の電極１３５は、約０．２〜４ｃｍの同じ長さを有することが好ましい。個々の電極間の間隔は、約０．１〜２ｍｍであることが好ましい。
【００８８】
各電極シャフト１３５は、シャフトの長手方向に配置されることが好ましい複数の電気接点１３６を含む。しかしながら、接点１３６はまた、横方向の配置パターンを有することもあれば、シャフトの横方向および長手方向の両方に配置されることもある。
【００８９】
各電気接点１３６は、電気リード線を介して電気的に配線される。複数のリード線１３８が、図１に示すように、トランスデューサユニット１２０に電気的に接続される。
【００９０】
図２の２つの詳細図に示すように、電極シャフト１３５が支持構造体１３２のインサートシャフト１３４と係合し得るいくつかの方法がある。左の詳細図に示す例では、硬質なインサートシャフト１３４は、電極シャフト１３５と同一または少なくとも略同一の幅を有する長方形の断面を有する。この特定の例における厚さは、１０〜５０μｍの範囲にある。この例では、ＰＥＧなどの溶解可能な材料を使用することが好ましい。
【００９１】
右の詳細図に示す例では、硬質なインサートシャフト１３４は、直径が約１０〜５０μｍの円形断面を有しても有さなくてもよい。この例では、インサートシャフト１３４は、電極シャフト１３５の先端または自由端にある孔と係合するために、先細またはより小さな直径の先端または自由端を有する。
【００９２】
右の詳細図では、電気接点がインサートシャフト１３４上に配置されていると見えるかもしれないが、それらは実際には電極シャフト１３５上に配置されている。電極シャフト１３４は、インサートシャフト１３４を受け入れるようにスリーブ形状にすることができるが、これらは、より好ましくは、脳内への外科的挿入を容易にするためにインサートシャフトの先端を受け入れるための貫通孔または他の受け入れ要素を備えた平坦な不透明なリボン形状の電極である。
【００９３】
この例では、ＰＥＧなどの溶解可能な材料は必要ない。電極シャフト１３５が所定の位置に配置されると、硬質なインサートシャフトは、電極１３５を所定の位置に残したまま、容易に後退され得る。
【００９４】
図３は、貫通孔１３７の２次元配置パターンを備えた電極アレイ１３３のベースプレート１３１のより詳細な図を示している。図３は、単一の電極およびインサートシャフトのみを示している。しかしながら、電極ユニットおよび支持構造体は、貫通孔１３７の数に対応する同様の数の電極およびインサートシャフトを備える。
【００９５】
図４では、電極アレイ１３３はまた、追加の回路１３９を含む。本発明の一例では、各アレイの各電極シャフトのすべての電気接点が、トランスデューサ１２０に電気的に配線される。しかしながら、図４に示す例では、アレイは、多数の電線１３８の信号を１つまたは複数のより少ない数の電線に多重化および逆多重化するためのマルチプレクサを備える。インサートあたりの電線数は５０，０００に達する可能性があるため、いくつかのマルチプレクサを使用することが望ましい。しかしながら、マルチプレクサは、図４に示すようにアレイ１３３上に配置されてもよいし、トランスデューサ１２０内に配置されてもよい。
【００９６】
図５では、各アレイ１３０ａ〜１３０ｄがマルチプレクサ１３９を備える。マルチプレクサを膨大な数の電線のできるだけ近く、したがってアレイ上またはその付近に配置することが望ましい場合があるが、これにより、リード線または電線の数および長さが減少しても、熱が発生しすぎて、脳に影響を及ぼし得る。その場合、すべての電線をトランスデューサに配線し、それらをトランスデューサケーシング１２０内のマルチプレクサに接続することが好ましい。
【００９７】
駆動ユニットおよび記録ユニットも各アレイ１３０内に配置することができるが、それらはトランスデューサユニット１２０内に配置されることが好ましい。しかしながら、図４に示す例では、少なくともいくつかの電子回路１３９がアレイ自体に配置されている。この例では、電子回路１３９は、記録モードにおいて多数の電極を介して取得される複数の信号を多重化するように構成され得るが、信号発生器のチャネリングを実行するためのスイッチングユニットとしても構成されることが好ましい。これにより、電気接点群を信号発生器のうちの１つに接続する。
【００９８】
図６は、患者の脳１８０の側面図を示している。図６に示す例では、いくつかのアレイ１３０が大脳皮質の視覚領に植え込まれている。アレイ１３０ａ、１３０ｂなどのほとんどは、領域Ｖ１に植え込まれる。しかしながら、アレイ１３０ｃの少なくとも１つは、領域Ｖ４の少なくとも部分的または完全な填補を実現するために植え込まれ、これは、そのようなより高次の視覚皮質領域で記録および刺激を実行するためである。
【００９９】
上記したように、この視覚領は、本開示によるアレイが植え込まれ得る一例にすぎない。大脳皮質の他の感覚モダリティ領域は、本開示によると同様のアレイを用いて植え込みされ得る。聴覚領または聴覚皮質などのこれらの領域は、例えば、同様のアレイを用いて植え込みされ得るが、その特定の領域に適合した異なる寸法の電極シャフトを有する。
【０１００】
上記を考慮して、示されるような電極シャフトの長さなどの寸法が一般に視覚皮質に関連することが当業者には理解されよう。これらの寸法は、聴覚、触覚、体性感覚、または嗅覚などの他の領域にも極めて良く適し得る。ただし、これらの領域の一部またはすべてで、異なる寸法が必要になり得る。
【０１０１】
図７は、セマンティックセグメンテーションを利用してデータストリームフィードの画像を眼内閃光パターンに変換するいくつかのステップａ〜ｈを示している。ステップａにおいて、カメラ画像が、ポータブルデバイスにおける画像変換アルゴリズムを使用して網膜または皮質に電気的に与えられる。ステップｂにおいて、図ａに示す患者の視野内にある屋外シーンの一例が示されている。患者が車に近づくと想像した場合、ステップｃにおいて、網膜にある電極が刺激されたときに患者が知覚できる６４個の眼内閃光の位置が示されている。ステップｄは、皮質領域Ｖ１の刺激によって実現され得る１，０００個の眼内閃光の潜在的な位置を示している。ステップｅにおいて、関連する輪郭と関連しない輪郭と（画像における前景および背景の情報など）を区別できない既知の補綴デバイスの限界が示されている。しかしながら、セマンティックセグメンテーションアルゴリズムは、車に属する画像内のピクセルを描写する。ステップｆに示すセマンティックセグメンテーションの結果は、ステップｇに示す刺激パターンを決定するためのテンプレートとして使用され得る。セマンティックセグメンテーションを使用して、作動された眼内閃光のパターン（ステップｃにおけるサブセット）を決定する場合、車のおおよその位置および形状の知覚が期待され、補綴デバイスによる視力の大幅な改善がもたらされる。ステップｇにおいて、本発明の一態様による皮質プロテーゼは、さらに高い解像度の知覚を生じさせることができる。
【０１０２】
図面、本開示、および添付の特許請求の範囲を検討すれば、特許請求の範囲に記載された開示を実施する際に、開示された例に対する他の変形形態が当業者には理解および実施され得る。特許請求の範囲において、「含む／備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語は、他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数を除外しない。単一のプロセッサまたは他のユニットが、特許請求の範囲に記載された幾つかの項目の機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを好都合に使用することができないと示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に、または他のハードウェアの一部として供給される光記憶媒体またはソリッドステート媒体などの適切な媒体に保存／配信され得るが、インターネットまたは他の有線または無線通信システムを介するなどの他の形態で配信されてもよい。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。類似の参照符号は、類似または均等な機能を示す。
【０１０３】
本開示は、上で開示された例に限定されず、当業者によって、発明の技能を適用する必要なしに、かつ任意のデータ通信、データ交換、およびデータ処理環境で使用するために、例えば、聴覚を代行するための神経補綴システムの使用のために、添付の特許請求の範囲に開示される本開示の範囲を超えて修正および強化され得る。
【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６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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