(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つのダイオード（１２，１２’）と、刺激電極（１４）と、対向電極（１８）と、抵抗体（１６）とを有する少なくとも１つの画素（１０）を含む感光性インプラントであって、前記抵抗体（１６）の抵抗が、抵抗、前記刺激電極（１４）のサイズ、及び前記ダイオード（１２，１２’）のサイズの所定の関係にしたがって選択される感光性インプラントに関する。更に、本発明は、そのようなインプラントを提供する方法に関する。【選択図】図１
2018514338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのダイオード（１２，１２’）と、刺激電極（１４）と、対向電極（１８）と、抵抗体（１６）とを有する少なくとも１つの画素（１０）を含む感光性インプラントであって、
前記抵抗体（１６）の抵抗が、抵抗、前記刺激電極（１４）のサイズ、及び前記ダイオード（１２，１２’）のサイズの所定の関係にしたがって選択されることを特徴とする感光性インプラント。
【請求項２】
前記刺激電極（１４）のサイズと前記ダイオード（１２，１２’）のサイズが、それぞれ前記刺激電極（１４）と前記ダイオード（１２，１２’）の面積として表される請求項１に記載の感光性インプラント。
【請求項３】
前記ダイオード（１２，１２’）のサイズが、有効ダイオードサイズであり、前記有効ダイオードサイズは、前記画素における全ダイオードサイズ、好ましくは全ダイオード面積と、前記ダイオード（１２，１２’）の数との比によって表される請求項１から２のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項４】
前記抵抗体（１６）の抵抗が、次式によって決定される請求項１から２のいずれかに記載の感光性インプラント。
【数１】
2018514338.tif 000013
（式中、
Ｒは、前記抵抗体（１６）の抵抗であり、
Ｅａｒｅａは、前記電極（１４）の面積であり、
Ｄａｒｅａは、前記有効ダイオード（１２，１２’）の面積であり、
ｎは、指数であり、
ａは、定数である。）
【請求項５】
所定の感光性ダイオード（１２，１２’）の面積について、前記定数ａが、区間［３・１０５；２・１０６］、好ましくは区間［７・１０５；１，５・１０６］から選択されるように、最も好ましくは、前記定数ａが、ａ＝１０６を満たすように、前記電極（１４）の面積が選択される請求項４に記載の感光性インプラント。
【請求項６】
所定の感光性ダイオード（１２，１２’）の面積について、前記指数ｎが、区間［−１，５；−２］、好ましくは区間［−１，７５；−１，８５］から選択されるように、最も好ましくは、ｎが、ｎ＝−１，８１を満たすように、前記電極（１４）の面積が選択される請求項４から５のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項７】
前記指数ｎが、ｎ＝−１，８１を満たし、前記定数ａが、区間［３・１０５；２・１０６］、好ましくは区間［７・１０５；１，５・１０６］から選択される請求項４から６のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項８】
前記定数ａが、ａ＝１０６を満たし、前記指数ｎが、区間［−１，５；−２］、好ましくは区間［−１，７５；−１，８５］から選択される請求項４から６のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項９】
前記対向電極（１８）が、前記刺激電極（１４）の周り及び／又は前記少なくとも１つのダイオード（１２，１２’）の周りに配置される請求項１から８のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項１０】
画素アレイ（１）状に配置される複数の画素（１０，１０’）を含む請求項１から９のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの画素が、実質的に六角形状を有する請求項１から１０のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項１２】
前記刺激電極が、実質的に円形状を有する請求項１から１１のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項１３】
少なくとも１つの画素における前記電極面積が、１０００００μｍ２未満、好ましくは１００μｍ２〜１００００μｍ２、より好ましくは約５００μｍ２〜３３００μｍ２である請求項１から１２のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項１４】
前記ダイオード面積が、１０００００μｍ２未満、好ましくは５０μｍ２〜１０００００μｍ２、より好ましくは約５００μｍ２〜１００００μｍ２である請求項１から１３のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項１５】
網膜下インプラントである請求項１から１４のいずれかに記載の感光性インプラント。
【請求項１６】
請求項１から９のいずれかに記載の感光性インプラントを製造するための方法であって、
−基板（２）を提供する工程と、
−前記基板（２）の上に、少なくとも、電極（１４）と、ダイオード（１２，１２’）と、抵抗体（１６）とを含む画素構造体（１０）を設ける工程とを含み、
前記抵抗体（１６）の抵抗が、抵抗、前記刺激電極（１４）のサイズ、及び前記ダイオード（１２，１２’）のサイズの所定の関係にしたがって選択されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記刺激電極（１４）のサイズと前記ダイオード（１２，１２’）のサイズが、それぞれ前記刺激電極（１４）と前記ダイオード（１２，１２’）の面積として表され、前記ダイオード（１２，１２’）のサイズが、有効ダイオードサイズであり、前記有効ダイオードサイズは、前記画素における全ダイオードサイズ、好ましくは全ダイオード面積と、前記ダイオード（１２，１２’）の数との比によって表される請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記抵抗体（１６）の抵抗が、次式によって決定される請求項１６から１７のいずれかに記載の方法。
【数２】
2018514338.tif 000014
（式中、
Ｒは、前記抵抗体（１６）の抵抗であり、
Ｅａｒｅａは、前記電極（１４）の面積であり、
Ｄａｒｅａは、前記有効ダイオード（１２，１２’）の面積であり、
ｎは、指数であり、
ａは、定数である。）
【請求項１９】
所定の感光性ダイオード（１２，１２’）の面積について、前記定数ａが、区間［３・１０５；２・１０６］、好ましくは区間［７・１０５；１，５・１０６］から選択されるように、最も好ましくは、前記定数ａが、ａ＝１０６を満たすように、前記電極（１４）の面積が選択される請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
所定の感光性ダイオード（１２，１２’）の面積について、前記指数ｎが、区間［−１，５；−２］、好ましくは区間［−１，７５；−１，８５］から選択されるように、最も好ましくは、ｎが、ｎ＝−１，８１を満たすように、前記電極（１４）の面積が選択される請求項１８から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記指数ｎが、ｎ＝−１，８１を満たし、前記定数ａが、区間［３・１０５；２・１０６］、好ましくは区間［７・１０５；１，５・１０６］から選択される請求項１８から２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記定数ａが、ａ＝１０６を満たし、前記指数ｎが、区間［−１，５；−２］、好ましくは区間［−１，７５；−１，８５］から選択される請求項１８から２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも１つの画素における前記電極面積が、１０００００μｍ２未満、好ましくは１００μｍ２〜１００００μｍ２、より好ましくは約５００μｍ２〜３３００μｍ２である請求項１６から２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記ダイオード面積が、１０００００μｍ２未満、好ましくは５０μｍ２〜１０００００μｍ２、より好ましくは５００μｍ２〜１００００μｍ２である請求項１６から２３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの感光性画素を有する感光性インプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、網膜色素変性症などの変性疾患により視力を失った患者の視覚の少なくとも一部の回復を助けるインプラントシステムが知られている。変性した網膜組織をバイパスすることができ、網膜を依然として、直接刺激することができるという事実に基づくことで、視覚は、インプラントで少なくともある程度回復させることができる。この電気刺激は、インプラントシステムによって与えることができる。そのようなシステムは、通常、患者の眼の前方に配置される特別なゴーグルと、インプラント、特に、複数の電極を含む網膜下インプラントとを含む。
【０００３】
ゴーグルには、通常、カメラが設けられる。カメラは、患者の前方の場面を撮像するようになっている。この撮像された場面は、視覚情報から所定のＩＲ光パルス信号に変換される。インプラントは、ＩＲ光パルスを受領するようになっており、これに応答して、カメラによって受領された場面内容に基づいてインプラントが刺激される。次いで、インプラントは、受領した光を、網膜に残存している細胞を刺激して電流に変換する。
【０００４】
その目的のために、インプラントは、画素アレイを含み、各画素が、１つ以上のダイオード領域と、刺激電極と、対向電極とを含む。刺激電極は、通常、画素の中心に配置される。特定の領域をそれぞれ分離するために、画素の個々のダイオード間及び画素間に溝が設けられている。各コンポーネントを相互接続するために、ダイオードと電極との間の電気的接続が設けられる。
【０００５】
ＩＲパルスが、画素又は画素の感光性領域に向けられると、それに応答して、光ダイオード回路によって電気パルスが発生する。
【０００６】
Ｗａｎｇら（非特許文献１）は、シャント抵抗体の追加が、刺激波形の放電位相の速度上昇を助けることを記載する。Ｌｏｕｄｉｎら（非特許文献２）は、網膜補綴における光ダイオード回路のためのシャント抵抗体の使用を示唆する。同様に、Ｍａｎｄｅｌら（非特許文献３）及びＢｏｉｎａｇｒｏｖら（非特許文献４）は、光起電力画素の網膜下アレイによる光学的に活性化された神経刺激を記載する。Ｍａｔｈｉｅｓｏｎら（非特許文献５）は、また、網膜下光ダイオードアレイを有する網膜補綴システムを記載する。
【０００７】
一方で、残存細胞を高い信頼性で刺激するためには、電流密度、即ち、電磁パルス当たり（例えば、ＩＲパルス当たり）の位相当たりの、所定時間で実際に運ばれる電荷をできる限り高くして、残存細胞を十分に刺激する必要がある。他方、電流密度は、高くし過ぎるべきではない。さもないと、組織損傷又は電極若しくは複数の電極に対する損傷が生じることがある。更に、個々の電極を横切る電圧は、加水分解限界を超えるべきではない。これは、そうでないと、周りの水が解離してしまうからである。再度言及するが、周囲組織に対する潜在的な損傷と電極劣化とが、その結果である場合がある。更に、インプラントの電極に印加される電圧は、理想的には、刺激パルスの後と後続のパルスの前は、ゼロボルトに戻るべきであり、インプラントによって印加される正電荷及び負電荷のバランスをとることができる。そうでないと、電極が、周囲組織と電極自体とを損傷させ得る残存ＤＣ電流を運ぶことがある。先行技術のシステムは、高い電荷をもたらすことができない若しくは十分な電荷のバランスをとることができない、又はその両方を行うことができない場合が多い。先行技術のシステムの更なる問題点は、インプラントの画素におけるダイオードの感光性領域が、前記画素の電極のサイズ及び容量に理想的な状態で適合しないことが多い点に見られる。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、向上された電荷輸送を可能にしつつ、先行技術のシステムの欠点の少なくとも１つを解消するインプラントを提供することである。
【０００９】
特に、本発明の目的は、電荷の輸送を向上させるために、感光性に関して最適化された構造、及び電極サイズを有するインプラントを提供することである。
【００１０】
本発明に係る電極アレイを有するインプラントは、電極、即ち、刺激又は作用電極及び対向電極（リターン電極とも称する）を、これらの電極間の電気回路に設けられる更なる抵抗体と共に含むことが更に知られている。この更なる抵抗体は、シャント抵抗体と称することもある。シャント抵抗体は、ＩＲパルスの第１位相において運ばれる電荷の速やかな放出を可能にし、且つ実際に組織に運ばれる電荷の制御を可能にする。シャント抵抗体が高い抵抗を有する場合又はシャント抵抗体がない場合、パルスの第１の位相において運ばれる電荷が、速やかに放出されない場合がある。そのため、電圧がゼロに戻るのに要する時間が長くなる。更なるパルスの前に十分に早く電荷のバランスがとれない場合がある。シャント抵抗体の高抵抗は、そのため、次のパルスにおける利用可能なキャパシタンスを制限することがあり、これにより、安定な状態にある輸送電荷が減少することがある。
【００１１】
一方、シャント抵抗体の低抵抗は、電荷の迅速且つ十分な放出を可能にするが、著しい割合の光発生電荷がシャント抵抗体で失われることがあり、組織に運ばれる電荷が減少することがある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｒｅｔｉｎａｌ  ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ：  ｉｍｐｌａｎｔ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；  Ｊ  Ｎｅｕｒａｌ  Ｅｎｇ．  ２０１２  Ａｕｇｕｓｔ；  ９（４）
【非特許文献２】ＩＥＥＥ  ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ａｎｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ；  ｖｏｌｕｍｅ  ５
【非特許文献３】Ｃｏｒｔｉｃａｌ  ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ  ｅｌｉｃｉｔｅｄ  ｂｙ  ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｓｕｂ−ｒｅｔｉｎａｌ  ｐｒｏｓｔｈｅｓｅｓ  ｅｘｈｉｂｉｔ  ｓｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓ  ｔｏ  ｖｉｓｕａｌｌｙ  ｅｖｏｋｅ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ；  Ｎａｔｕｒｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ
【非特許文献４】Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｐｉｘｅｌｓ  ｆｏｒ  Ｎｅｕｒａｌ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ：  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｍｏｄｅｌｓ  ａｎｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；  ＩＥＥＥ
【非特許文献５】Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｒｅｔｉｎａｌ  ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｐｉｘｅｌ  ｄｅｎｓｉｔｙ；  ｎａｔｕｒｅ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ
【発明の概要】
【００１３】
したがって、本発明の具体的な目的は、電極及びダイオード用に選択された具体的な設計のために、理想的に寸法が決められたシャント抵抗体を提供することである。
【００１４】
問題点は、本発明にしたがって、独立請求項１に記載のデバイスで解決される。有利な形態は、従属請求項の主題にしたがう。更に、問題点は、請求項１６に係る方法によって解決される。
【００１５】
本発明に係る感光性インプラントは、少なくとも１つのダイオードと、刺激電極と、対向電極と、前記刺激電極と前記対向電極との間に設けられる抵抗体とを有する少なくとも１つの画素を含む。前記抵抗体は、好ましくは、画素のダイオード又は複数のダイオードに並列に電気的に接続されている。抵抗体の抵抗は、抵抗、刺激電極のサイズ、及び少なくとも１つのダイオードのサイズの所定の関係にしたがって決められる。
【００１６】
本発明に関して、本発明の最も好ましい実施形態として、感光性インプラントが言及される。他の実施形態においては、インプラントを表す構造体を、少なくとも１つのダイオード、刺激電極、対向電極、及び抵抗体を有する基板として設けることができるが、この基板は埋め込まれない。そのような実施形態においては、高度に定義された場分布を有する電場を生成するために、ダイオード又は複数のダイオードの光生成電荷が刺激電極を励起することができる。これにより、例えば、体の外部から組織を刺激すること、又は組織とは別の他の構造を刺激することを可能にすることができる。
【００１７】
刺激電極のサイズ及び少なくとも１つのダイオードのサイズとの関係に応じて、抵抗体の抵抗を関連付けることによって、本発明者らは、シャント抵抗体が最大電荷を提供するように最適に構成され、それと同時に、信頼性のある電荷バランスを可能にするインプラントを提供することを可能にする。これにより、電極サイズ及びダイオードサイズに応じて予測可能なシャント抵抗体値によって複数のパラメータに適合されるインプラントの提供を可能にすることができる。
【００１８】
ここで画素サイズとは、２つの隣接する画素間のピッチとして理解されるものとする。本願の文脈における、特に画素、電極、又はダイオードの「サイズ」は、相互に関連させて又は絶対数として、そのコンポーネントの寸法を特性付けることが可能な任意の寸法を意味することができる。より具体的な実施形態においては、本発明に係るコンポーネントのいずれかのサイズは、例えば、そのコンポーネントの表面積、可視面積、又は活性面積などによって表すことができる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態に係る本発明が、シャント抵抗体が設けられるインプラントに言及していたとしても、電極とダイオードを、それらのサイズの具体的且つ所定の関係で設けるという本発明の思想は、画素にシャント抵抗体が設けられない場合にも適用することができる（即ち、無限抵抗を有する抵抗体）。
【００２０】
電極、ダイオードのサイズ又は抵抗体の抵抗の選択は、既に述べた幾つかの因子によって影響される。電荷入力について適合される、好ましくは最適に適合される電極サイズの場合、名目上最適な電極サイズを有する電極の電荷密度は、しかしながら、電極劣化及び／又は組織損傷の値を超える場合がある。本発明の幾つかの実施形態においては、したがって、電極サイズは、最適な電極サイズの最大２倍のサイズを有することができる。電極サイズの上昇は、電荷密度を低下させることがあり、したがって、組織又は電極を損傷させるリスクを低減するのに役立つことができる。
【００２１】
刺激電極を含む本発明に係る感光性インプラントは、生体細胞又は組織を刺激するように構成されていると理解される。特に、神経細胞（例えば、ニューロンなど）又は体の各種組織の刺激を達成することができる。この目的のため、感光性インプラントは、組織に埋め込むことができる。インプラントの電極、特に刺激電極は、刺激電極上の電気パルスが周囲組織の１つ以上の細胞を刺激できるように配置させることができる。また、電極は、インプラントを囲む組織の１つ以上の細胞に、直接接触するように設けることもできる。
【００２２】
これに関して、基本的には、任意の神経組織、神経、又は細胞をインプラントで刺激することができる。特に、インプラントは、網膜インプラント、脳のインプラント、心臓インプラント、任意の他の生体組織（耳、特に内耳）のインプラント、又は特に電気的に刺激することができる筋肉用のインプラントであることができる。本発明によれば、光活性画素領域（即ち、画素のダイオード又は複数のダイオード上）が十分な光刺激を検出すると、刺激電極上の本発明に係る画素によって電荷が発生する。したがって、少なくとも１つのダイオードの光励起、即ち、このダイオードに接続された刺激電極を実現することができれば、組織内の任意の位置がインプラントを受容するのに好適であることができる。
【００２３】
画素上のダイオードを介する光によるそのような励起は、外部光源（即ち、インプラントが設けられる体に対して外部にある光源）によって適用することができる。或いは、更なるインプラント又は更なる手段により、インプラントが設けられる体の内部から光源を設けることができる。特に、赤外光又は光パルスを用いて、画素の感光性領域に照射することができる。そのようなＩＲ光を、例えば、刺激すべき器官又は生体組織の外側から、組織の幾つかの層（特に、インプラントを有する患者の皮膚又は更なる組織層）を貫通するようにすることもできる。
【００２４】
本発明の態様によれば、刺激電極のサイズとダイオードのサイズは、それぞれ刺激電極とダイオードの面積によって表される。これは、シャント抵抗体の抵抗が、刺激電極の面積とダイオードの面積の両方に依存する、特に、刺激電極の面積とダイオードの面積の関係に依存することを意味する。これにより、電極及びダイオードに通常用いられる実際の寸法及びジオメトリにとって、より良好な寸法を可能にすることができる。なお、ダイオードの面積は、好ましくは、ダイオード領域の感光性部分、即ち、活性なダイオード領域を意味する。同様に、電極の面積は、好ましくは、活性な電極領域を意味する。したがって、１つ以上のダイオード、電極及び／又は全画素は、また、本発明にしたがって非対称又は任意の形状で適用することできる。
【００２５】
本発明の更なる態様においては、１つの画素において、複数のダイオード、例えば、２つのダイオード又は３つのダイオードが設けられる。電極サイズ及び抵抗体の抵抗に関連して言及されるダイオードサイズは、有利には、有効ダイオードサイズである。この有効ダイオードサイズは、好ましくは、画素におけるダイオードの数で除される全ダイオードサイズの比として定義することができる。したがって、有効ダイオードサイズは、画素内の平均ダイオードサイズの寸法である。この定義は、特に、画素上の複数のダイオードが同一又は類似のサイズを有する場合に適切である。これにより、一般に、画素又はインプラントの構造パラメータのより良好な特性づけを可能にすることができる。幾つかの実施形態においては、画素は、１超のダイオードを含み、したがって、画素の個々のダイオードは、サイズが等しい又は少なくとも類似することができる。しかしながら、画素の個々のダイオードのサイズが異なる、又は少なくとも１つのダイオードのサイズが残りのダイオードと異なることも可能である。これにより、インプラントの電気的性質のより緻密な調節を可能にすることができ、インプラントのより良好な性能をもたらすことができる。特に、そのような場合、特に直列接続されたダイオードの有効ダイオードサイズの他の定義、例えば、ダイオードのうち最も小さいもののサイズなど、又は、例えば、画素上のダイオードの位置及びダイオードの形状などに関する加重平均なども可能である。
【００２６】
ダイオード又は複数のダイオード及び電極の真のジオメトリ、即ち、画素全体としての実際のジオメトリを考慮することによって、より正確な性能予測と、より好適な抵抗体の提供が可能になる。これにより、インプラントの機能性を更に向上させることができる。
【００２７】
幾つかの実施形態においては、電極面積は、最大１０００００μｍ２又はそれ以上であることができる。幾つかの実施形態においては、電極面積は、５〜１０μｍ２であることができる。より好ましい実施形態においては、電極面積は、２０μｍ２以上、より好ましくは５０μｍ２以上、特に１００μｍ２以上である。更により好ましい実施形態においては、電極面積は、１００μｍ２〜１００００μｍ２である。最も好ましくは、電極面積は、約５００μｍ２〜３３００μｍ２である。より小さい電極サイズにより、組織又は個々の細胞のより小さい領域の接触を可能にすることができる。電極面積を広げることで、製造を容易にすることを可能にする。５μｍ２の面積を有する電極を含む画素は、例えば、約２０μｍ２の合計画素面積を有することができる。したがって、画素の絶対的なサイズとは独立して、幾つかの実施形態においては、電極サイズは、画素の２％〜５０％、好ましくは５％〜２０％、より好ましくは１０％〜１５％であることができる。具体的な実施形態においては、電極サイズは、画素サイズの１２，５％であることができる。なお、前記上下限値は、また、サイズが電極及び画素それぞれの面積を表す特定の場合にも適用することができる。
【００２８】
したがって、ダイオード面積は、最大１０００００μｍ２であることができる。具体的な実施形態においては、ダイオードは、５０μｍ２〜１０００００μｍ２の面積を有することができる。幾つかの実施形態においては、ダイオード面積は、１００μｍ２超、好ましくは２００μｍ２に等しい又はそれより大きい。本発明の好ましい実施形態においては、ダイオード面積は、５００μｍ２〜１００００μｍ２である。
【００２９】
ダイオード及び電極のサイズ、即ち面積は、本発明の保護の範囲内で広範囲に変わり得ることに留意すべきである。電極又はダイオードのサイズの上限は、本発明のインプラントが埋め込まれる眼の生理的条件によって設定することができる。同様に、電極又はダイオードのサイズ、即ち面積の下限は、技術的限界によって、即ち、数平方ミクロン以下のオーダの信頼性のある構造体を製造するように設定することができる。
【００３０】
本発明の実施形態においては、抵抗体の抵抗の所定の関係は、次の関係にしたがって、ダイオードサイズの電極サイズに対する関係によって決定される。
【数１】
2018514338.tif 000003
式中、Ｒは、シャント抵抗体の抵抗［ｋＯｈｍ］であり、Ｄは、ダイオードサイズ［μｍ］、Ｅは、電極サイズ［μｍ］、ｍは、指数である。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態においては、式（１）に係る前記関係は、式（２）に係る関係によって、より詳細に表されることができる。
【数２】
2018514338.tif 000004
式中、Ｒは、シャント抵抗体の抵抗［ｋＯｈｍ］であり、Ｅａｒｅａは、電極の有効電極面積［μｍ２］であり、Ｄａｒｅａは、ダイオードの有効ダイオード面積［μｍ２］であり、前記式（１）のｍと同様に、ｎは指数であり、ａは定数である。
【００３２】
パラメータａ及びｎは、前記式（２ａ）によって示されるように、各画素、画素アレイ、及びインプラントの物理的パラメータの次元に対応する次元を有することに留意すべきである。式（２）の場合、指数ｎは、無次元である。しかしながら、このアプローチは、画素又はその性質の数学的記述ではないことが理解される。むしろ、前記式（１）及び（２）は、前記パラメータで最もよく反映することができる特定の技術的性質を有する画素又は画素アレイを有するインプラントを定義することができる。これは、指数ｎの大きさに依存する定数ａが非整数の次元を有することがある場合を含む。これまで、本発明者らは、この現象の満足のゆく物理的説明を着想できなかった。しかしながら、これは、本発明、即ち、インプラント、特に、少なくとも１つの画素又は全画素アレイの技術的性質を定義するパラメータの適性に影響しない。
【００３３】
指数ｎと定数ａは、通常、ダイオードサイズ、電極、及び抵抗の間の相互関係を決定する。それぞれが画素サイズ、ダイオード、及び抵抗体の抵抗のパラメータセットを決定する、これらのパラメータにしたがって設計されるデバイスが、大多数の可能な他の任意のパラメータセットよりも有利であるというのが本発明の発明者の知見である。したがって、本発明に係る関係を有する画素を実現するインプラントを、特定用途に対してより良好に適したものとし、且つ、それに指向させることができる。これにより、各インプラントの性能を向上させることができる。特に、本発明にしたがって定義されるパラメータに係る技術的特徴を有する画素及び画素アレイは、特にインプラント、好ましくは網膜インプラントにおける用途によく適したものとして、生体細胞又は組織を刺激することができる。
【００３４】
この特定された関係は、最適なシャント抵抗体を予測する、即ち、インプラントの製造を容易にする方法も提供する。
【００３５】
本発明の幾つかの実施形態においては、電極サイズは、所定の全感光性ダイオード面積について、全感光性ダイオード面積と電極面積との比が、０．１〜１０、好ましくは１〜９、最も好ましくは３〜６であるように選択することができる。
【００３６】
本発明に係るインプラントのそのような画素構造は、特に有利である。これは、それらが、電荷バランシングの観点で電極の性能を低下させずに、最大限の電荷密度を提供することができるからである。
【００３７】
本発明の幾つかの実施形態においては、所定の感光性ダイオード面積について、感光性ダイオード面積と電極面積との間の関係において、定数ａが、区間［３・１０５；２・１０６］から選択されるように選択される。好ましくは、定数ａは、区間［７・１０５；１，５・１０６］から選択される。最も好ましくは、定数ａは、ａ＝１０６を満たす。
【００３８】
幾つかの実施形態においては、所定の感光性ダイオード面積について、感光性ダイオード面積と電極面積との間の関係において、指数ｎが、区間［−１，５；−２］から選択されるように選択される。より好ましくは、指数ｎは、区間［−１，７５；−１，８５］から選択される。最も好ましくは、ｎは、ｎ＝−１，８１を満たす。
【００３９】
本発明の特定の実施形態においては、指数ｎが、ｎ＝−１，８１を満たし、定数ａが、区間［３・１０５；２・１０６］、好ましくは区間［７・１０５；１，５・１０６］から選択される。
【００４０】
本発明の更に特定の実施形態においては、定数ａが、ａ＝１０６を満たし、指数ｎが、区間［−１，５；−２］、好ましくは区間［−１，７５；−１，８５］から選択される。
【００４１】
パラメータのそのような選択により、各種用途のための簡易な製造プロセスを可能とすることができる。
【００４２】
定数ａ及び／又は指数ｎのそのような値によって特徴付けられる抵抗体を有するインプラントは、電荷注入及び電荷バランスなどのインプラントの複数の要件を充足するのに有利である。これまでの試みは、せいぜい、これらのパラメータの１つだけについてインプラントの特性を向上させることに向けられていた。これまでは、複数パラメータの評価を可能にする簡便な手法がなかった。したがって、本発明は、生体組織に接続されたときに向上した機能性を有するインプラントであるデバイスを提供することを可能にすることができる。
【００４３】
当業者に知られているように、サイズと抵抗の正確な値は、依然として公差を含む。これは、本発明の範囲に有効でない更なるパラメータは、インプラントの最終構造に関して更なる妥協を必要とする場合があるという事実のためである。したがって、本発明の前述した有利な態様は、本発明の問題を解決するために、許容可能な抵抗のための値の範囲を提供する。これは、任意の組のパラメータ、即ち、ダイオードサイズ及び電極サイズについて、抵抗体のための許容可能な抵抗値の範囲が、本発明の範囲内で許容可能であることを意味する。
【００４４】
本発明の更なる態様によれば、対向電極は、刺激電極の周りに配置される。これに加えて又はこれに代えて、対向電極は、少なくとも１つのダイオードの周りに配置されることができる。本発明の文脈における「周りに配置される」という用語は、対向電極が横方向の寸法を有し、この横方向の寸法において、刺激電極又は少なくとも１つのダイオードによって画定される領域を囲む、好ましくは完全に囲むと理解されるものとする。複数のダイオードが設けられる場合、対向電極は、１つ又は全てのダイオードの周りに配置されることができる。この配置によって、改善した光検出及び刺激プロセスが、刺激電極によって形成された電場の均一な場分布で達成されることができる。また、対向電極は、刺激電極の感光性領域又は画素の周りに部分的にのみ配置されることもできる。
【００４５】
本発明の実施形態に係るインプラントは、複数の画素を含むことができる。複数の画素は、画素アレイ状に配置することができ、特に、インプラントの基板上の利用可能なスペースが最適に用いられるように配置することができる。これは、通常、個々の画素を、１つの画素が６個の周囲の別の画素に隣接するように、六角形状に設けることにより達成される。このようにして、インプラントの解像度を上げることができる。
【００４６】
各画素の周囲が環状六角形状格子の場合、対向電極の幅は、例えば、画素サイズの１％〜３０％の範囲であることができ、好ましくは５μｍ〜２５μｍの範囲である。
【００４７】
なお、本発明に係る実施形態においては、フォトダイオードを活性電極と対向電極に、アノード又はカソードのいずれかの極性で接続することができる。
【００４８】
好ましい実施形態においては、感光性インプラントは、網膜下インプラントである。これにより、損傷した網膜組織をバイパスするために、患者の眼の中、即ち、網膜下にインプラントを埋め込むことができる。その結果、網膜において依然として機能する感受性神経細胞の近傍で電気インパルスを発生させることができる。或いは、インプラントは、網膜上インプラントであることができる。
【００４９】
本発明の更なる態様は、そのような感光性インプラントを製造するための方法に関する。この方法は、基板を提供する工程と、基板の上に、画素構造体を設ける工程を含む。この画素構造体は、少なくとも、電極と、ダイオードと、抵抗体とを含む。抵抗体の抵抗は、抵抗、刺激電極のサイズ、及びダイオードのサイズの所定の関係にしたがって選択される。網膜又は別の組織の中又はその上に埋め込むためのインプラントを提供するために、例えば、基板上の複数の画素からなる画素アレイを設けることができる。製造は、半導体の製造で利用できる技術と同様に行うことができる。
【００５０】
方法は、画素上及び／又は画素アレイ上に少なくとも１つ以上の溝を設けることを更に含むことができる。溝は、画素及び／又は画素アレイの特定の領域を互いに電気的に絶縁するために設けることができる。例えば、１つの画素上に設けられた異なるダイオード間に溝を設けることができる。更に、刺激電極又は１つ以上のダイオードを画素の周りの対向電極から電気的に絶縁するために溝を設けることができる。また、画素アレイの１つ以上の領域を、画素アレイの他の領域又は中心に設けられた対向電極から電気的に絶縁するために溝を設けることもできる。
【００５１】
インプラントの製造におけるパラメータ及びパラメータセットの選択は、上で示した検討にしたがうことができる。
【００５２】
上で概要を述べたように、刺激電極のサイズとダイオードのサイズは、それぞれ刺激電極の面積とダイオードの面積で表わされる。これは、シャント抵抗体の抵抗が、刺激電極の面積とダイオードの面積の両方に依存する、特に、刺激電極の面積とダイオードの面積の関係に依存することを意味する。これにより、電極及びダイオードに通常用いられる実際の寸法及びジオメトリにとって、より良好な寸法を可能にすることができる。なお、ダイオードの面積は、好ましくは、ダイオード領域の感光性部分、即ち、活性なダイオード領域を意味する。同様に、電極の面積は、好ましくは、活性な電極領域を意味する。したがって、１つ以上のダイオード、電極及び／又は全画素は、また、本発明にしたがって非対称又は任意の形状で適用することできる。
【００５３】
電極サイズ及び抵抗体の抵抗に関連して言及されるダイオードサイズは、有利には、有効ダイオードサイズである。この有効ダイオードサイズは、好ましくは、画素におけるダイオードの数で除される全ダイオードサイズの比として定義することができる。したがって、有効ダイオードサイズは、画素内の平均ダイオードサイズの寸法である。この定義は、特に、画素上の複数のダイオードが同一又は類似のサイズを有する場合に適切である。
【００５４】
本発明方法の実施形態においては、抵抗体の抵抗の所定の関係は、次の関係にしたがって、ダイオードサイズの電極サイズに対する関係によって決定される。
【数３】
2018514338.tif 000005
式中、Ｒは、シャント抵抗体の抵抗［ｋＯｈｍ］であり、Ｄは、ダイオードサイズ［μｍ］、Ｅは、電極サイズ［μｍ］、ｍは、指数である。
【００５５】
好ましくは、式（１）に係る前記関係は、式（２）に係る関係によって、より詳細に表されることができる。
【数４】
2018514338.tif 000006
式中、Ｒは、シャント抵抗体の抵抗［ｋＯｈｍ］であり、Ｅａｒｅａは、電極の有効電極面積［μｍ２］であり、Ｄａｒｅａは、ダイオードの有効ダイオード面積［μｍ２］であり、前記式（１）のｍと同様に、ｎは指数であり、ａは定数である。
【００５６】
本発明方法の幾つかの実施形態においては、所定の感光性ダイオード面積について、感光性ダイオード面積と電極面積との間の関係において、定数ａが、区間［３・１０５；２・１０６］から選択されるように選択される。好ましくは、定数ａは、区間［７・１０５；１，５・１０６］から選択される。最も好ましくは、定数ａは、ａ＝１０６を満たす。
【００５７】
本発明方法の幾つかの実施形態においては、所定の感光性ダイオード面積について、感光性ダイオード面積と電極面積との間の関係において、指数ｎが、区間［−１，５；−２］から選択されるように選択される。より好ましくは、指数ｎは、区間［−１，７５；−１，８５］から選択される。最も好ましくは、ｎは、ｎ＝−１，８１を満たす。
【００５８】
本発明方法の特定の実施形態においては、指数ｎが、ｎ＝−１，８１を満たし、定数ａが、区間［３・１０５；２・１０６］、好ましくは区間［７・１０５；１，５・１０６］から選択される。
【００５９】
本発明方法の更に特定の実施形態においては、定数ａが、ａ＝１０６を満たし、指数ｎが、区間［−１，５；−２］、好ましくは区間［−１，７５；−１，８５］から選択される。
【００６０】
本発明方法の幾つかの実施形態においては、電極面積は、最大１０００００μｍ２又はそれ以上であることができる。幾つかの実施形態においては、電極面積は、５〜１０μｍ２であることができる。より好ましい実施形態においては、電極面積は、２０μｍ２以上、より好ましくは５０μｍ２以上、特に１００μｍ２以上である。更により好ましい実施形態においては、電極面積は、１００μｍ２〜１００００μｍ２である。最も好ましくは、電極面積は、約５００μｍ２〜３３００μｍ２である。より小さい電極サイズにより、組織又は個々の細胞のより小さい領域の接触を可能にすることができる。
【００６１】
したがって、ダイオード面積は、最大１０００００μｍ２であることができる。具体的な実施形態においては、ダイオードは、５０μｍ２〜１０００００μｍ２の面積を有することができる。幾つかの実施形態においては、ダイオード面積は、１００μｍ２超、好ましくは２００μｍ２に等しい又はそれより大きい。本発明の好ましい実施形態においては、ダイオード面積は、５００μｍ２〜１００００μｍ２である。
【００６２】
本発明の更なる詳細、好ましい実施形態、及び利点は、図面を参照しつつ以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る、電極を有する感光性画素の例を示す。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る、２つの隣接する画素を有する半導体構造体の模式的横断面図を示す。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る電極アレイを示す。
【図４】図４は、配線回路の模式図と共に、図１の感光性画素の斜視図を示す。
【図５】図５は、刺激パルスを表す図を示す。
【図６】図６は、本発明の実施形態に係る、各種制約パラメータａとｎの図を示す。
【図７】図７は、本発明の実施形態に係る、各種制約パラメータａとｎの図を示す。
【図８】図８は、本発明の実施形態に係る、各種制約パラメータａとｎの図を示す。
【図９】図９は、本発明の実施形態に係る、各種制約パラメータａとｎの図を示す。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態に係る、各種制約パラメータａとｎの図を示す。
【００６４】
図１は、本発明の実施形態に係る感光性画素１０を示す。感光性画素１０（以下、画素と称する）は、感光性ダイオード１２、中心電極１４、及び抵抗体１６を含む。画素の外周には、リターン電極ともしばしば称する対向電極１８が設けられている。対向電極１８は、各画素上、例えば、図１に示されるように、各画素の周囲に載置することができる。これは、リターン電極がローカルであり、画素アレイの異なる中心電極の間にあることを意味する。これは、通常、「バイポーラ」構成とも称される。
【００６５】
そのようなバイポーラ配置の場合、２つの構成が可能である。リターン電極は、相互の接続を断つことができる。これは、この場合の画素は、互いから完全に独立していることを意味する。或いは、一種のグリッド様構造体を効果的に形成するために、個々の画素のリターン電極全てを互いに接続することができる。そのような構造体は、例えば、全画素アレイ上に延在することができる六角形状パターンを有することができる。
【００６６】
更なる代替として、中心リターン電極を、中心電極の配置とは別に載置することができる。そのような中心リターン電極は、特に、インプラントの遠く離れた場所に設けることができる。そのような構成は、また、モノポーラ構成と称することもある。リターン電極は、必ずしもインプラントの幾何学的中心にある必要はない。更に、複数のそのような中心電極は、インプラント又は画素アレイ上に分布させることが可能である。
【００６７】
図１に示される実施形態における画素１０は、略対称的な六角形状を有する。六角形の各辺に隣接して、更なる画素を設けることができる。画素のアレイ（本発明の文脈において、電極アレイとも称する）の一実施形態の例を図３に示す。他の実施形態においては、また、個々の画素の形状は、異なっていることができる。例えば、画素は、八角形状又は矩形状を有することができる。画素は、また、本発明の保護の範囲から逸脱することなく、円形状又はダイヤモンド状又は他の形状、更に任意の形状を有することもできる。
【００６８】
個々の画素は、溝２０によって互いに分離されている。溝２０は、電気的絶縁材料を含む。個々の画素１は、互いに電気的に絶縁されていることが好ましい。対向電極１８は、図１に係る実施形態における画素１の周囲を囲む溝２０の上に配置されている。
【００６９】
図１に示される実施形態においては、画素１０は、２つのダイオード１２、１２’を更に含む。ダイオード１２、１２’は、六角形状画素の領域内に彫られて配置されている。好ましくは、ダイオード１２、１２’は、対称的に配置される。ダイオード１２と１２’との間に、絶縁溝２０’が設けられる。ダイオード１２と１２’との間の絶縁溝２０’は、通常、絶縁溝２０と同じ性質を有する。そのため、ダイオード１２、１２’は、互いに電気的に絶縁される。画素内（即ち、感光性素子の基板）に配置された溝にかかわらず、溝２０、２０’によって分離絶縁された物体間の電気的コンタクトは、依然として、電気的コンタクトによって達成することができることが理解されるべきである。図１に係る実施形態においては、例えば、ダイオードは、電気的コンタクト２２によって接続される。図４に関連して更に詳述するが、このように、ダイオードは、図１に係る実施形態においては、互いに直列に接続されている。
【００７０】
図１に係る実施形態の投影図において、ダイオード１２、１２’は、画素の感光性領域を表す。この実施形態においては、ダイオード１２、１２’の表面領域、即ち、感光性領域は、画素１０の対称軸（図示せず）の周りに本質的に対称である。他の実施形態においては、ダイオードの数が異なることができる。特に、ダイオードを１つだけ設けることができる。これにより、画素１０内の個々のダイオードを分離するために溝２０’を設ける必要がないので、画素の感光性領域を広げることが可能になる。更なる実施形態においては、３つのダイオード又は３超のダイオードを、１つの画素に設けることができる。２超のダイオードを画素１０に設ける場合、前記２ダイオード画素について既に述べたように、個々のダイオードを互いに直列に接続することもできる。
【００７１】
受領した信号に対する応答として電圧を上げる必要がある場合、１つの画素について、複数のダイオード、例えば、２つ又は３つのダイオードを設けることができる。したがって、ダイオードは、直列に接続することができ、ここで、Ｎ個のダイオードの電圧は、１つのみのダイオードで生じる電圧よりもＮ倍高い。他方、ダイオードの個数を増やすことは、一画素当たり、各ダイオードが集める光がより少なくなることを意味する。直列接続されたダイオードのそれぞれによって生成される電流は、１つだけ又は数個のダイオードを有する場合に比べて、複数のダイオードを有する場合、著しく低下することがある。通常、Ｎ個のダイオードを有する回路の電流は、１つのダイオードの電流よりもＮ倍小さい。したがって、これは選択の問題であり、どのパラメータ（即ち、電流又は電圧）が、個々の用途にとってより望ましいかという問題である。神経刺激の具体的な場合においては、必要な刺激パラメータは、励起すべき組織及び個々の神経細胞、インプラントの位置、患者個々の具体的情報、年齢、疾患の状態、及び一般的な生理的状態に依存する場合がある。
【００７２】
画素１０の中心に、電極１４が設けられる。その中心位置によって、電極１４は、中心電極とも称する。更に、通常、この電極は刺激に用いられるので、この電極は、刺激電極とも称する。図示される実施形態においては、円形状を有する刺激電極１４が設けられる。電極は、種々の形状、例えば、画素１０の外形を反映するリターン電極１８又は溝２０の形状に類似した形状などを有することもできる。ここで図示された実施形態の円形状は、刺激電極１４からの電場が均一になることができるように選択した。意図される用途によって、形状は、より均一ではない、局所的に上昇した場分布を可能とする形状も含むことができる。
【００７３】
本発明の幾つかの実施形態によれば、画素１０の電極１４は、周辺組織、好ましくは神経組織、特にｉｎ  ｖｉｖｏにおける網膜の神経組織の刺激に適合されるものとする。通常、電極は、白金、酸化イリジウム及び／又は窒化チタンを含む。或いは、イリジウム、白金イリジウム、ドープされたダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、他の知られた材料を、電極材料として用いることができる。電極材料の好ましい構造は、特に、高度な多孔質構造であることができ、例えば、多孔質又はフラクタルＴｉＮ又は白金構造がある。そのような構造は、例えば、「ブラックプラチナム」又は「多孔質白金」であると記述されていることが知られている。電極の厚みは、約１００ｎｍ〜３μｍまで様々な厚みであることができる。しかしながら、電極厚みを１０μｍの範囲又は１００ｎｍ未満にすることも可能である。
【００７４】
図１に示される実施形態において、リターン電極１８が、画素を囲み、画素周囲の外形に沿う細長い電極として設けられる。代替の実施形態においては、リターン電極は、複数の電極を含むこともでき、これらは、画素１０の周り及び刺激電極１４の周りに、規則的に又は任意の分布で分布される。これは、特に、電極アレイ１の周辺部で行うことができる。
【００７５】
更に、刺激電極１４と対向電極１８との間に、抵抗体１６が配置される。シャント抵抗体とも称する抵抗体１６は、図２により詳細に示されるように、特に、画素１０の２つのダイオード１２、１２’間の溝に設けることができる。
【００７６】
図２は、電極アレイ１の一部の断面側面図であり、２つの隣接する画素１０、１０’を示す。画素１０、１０’は、図１に示される実施形態に係る画素に対応し、２つのダイオード１２、１２’を有する。２ダイオード画素のための図１に示されるのと同じ層構造を、本質的に、１ダイオード又は３ダイオード画素にも同様に設けることができる。ここで抵抗体１６は、画素の表面に設けられる。本発明の実施形態によれば、抵抗体１６は、画素１０の表面上の導体である。幾つかの実施形態においては、この導体は、シリコンからなる又はシリコンを含むことができ、シリコンは、ドープされたシリコン、特に、少量ドーピングされたシリコンである。画素アレイ１は基板２に設けられ、これは、図３に見ることができる。
【００７７】
図３は、画素のアレイ（即ち、電極アレイ１）を示す。電極アレイ１は、複数の画素１０を含む。電極アレイ１における画素のサイズは、異なることができ、したがって、各種用途に合わせて調整することができる。
【００７８】
図４は、本発明の実施形態に係る画素１０の模式的斜視図を示す。図示の画素１０は、リターン電極２０を六角形細長電極として示す。刺激電極１４は、円形電極である。電圧が印加されると、即ち、刺激電極が電気パルスを生成すると、図４において電場線１５で表される電場が生成する。最終的に、刺激パルスの具体的性質（例えば、強度、期間、極性など）に応じて、この場の近傍の細胞を刺激することができる。電極を、組織（即ち、組織内の細胞）が、直接、電極に接触できるように、組織に載置することができる。
【００７９】
図４の画素１０には、また、直列に接続される２つのダイオード１２、１２’が設けられている。抵抗体１６（即ち、シャント抵抗体）は、ダイオード１２、１２’に並列に接続されている。このように、信頼性のある電荷バランスと刺激パラメータとを有する電気回路を達成することができる。
【００８０】
図５は、画素上の光パルス１００と、それに由来する刺激パルス１１０の例を示す。通常、画素上の光パルスは、赤外光パルスである。赤外光の波長は、７５０ｎｍ〜３０００ｎｍ、好ましくは８００ｎｍ〜１０００ｎｍ、最も好ましくは８３０ｎｍ〜９１５ｎｍであることができる。光パルスは、通常、スクエアパルスである。別の光パルス形状であることもでき、例えば、鋸歯プロファイル又は光強度の非線形増加及び／又は減少などがある。感光性ダイオードの１つ以上によって光が検出されると、電流１２０が発生する。光パルスの印加時間が長いほど、刺激電極１４の電圧１１０は高くなる。活性電極１１０の電圧が、正又は負領域で上昇するにつれて、対向電極１３０の電圧は、反対に、それぞれアノード又はカソード極性のために負又は正領域で上昇する。
【００８１】
光刺激の終了後、電流１２０が低下し、刺激電極とリターン電極の電圧が低下する。しかしながら、主にシャント抵抗体１６の抵抗に依存して、電圧は、等しくなるのに時間を要する。図５に係る例においては、光パルス終了後、電圧は、僅か約２６ｍｓ後にゼロまで低下している。その後にはじめて、十分なキャパシタンスを有する次の刺激パルスが、各画素によって印加されることができる。
【００８２】
抵抗体１６の抵抗は、画素の機能及び性能に著しい影響を与える。ダイオードの１つによって、即ち、感光性領域上で光パルスが受け取られると、光パルスは、電気パルスに変換される。電気信号は、刺激電極１４に送られる。刺激効率を上げるためには、光パルスの位相ごとに送られる電荷は、理想的には、最大とされるべきである。一方、組織損傷を防ぐためには、電荷密度は、あまり高くし過ぎることはできない。したがって、一般に、０．３５ｍＣ／ｃｍ２〜１．５ｍＣ／ｃｍ２、典型的には１ｍＣ／ｃｍ２の電荷密度が選択される。更に、電荷は、後続のパルスに先行して、印加電圧が理想的にはゼロに戻り、電荷の平衡を保つことができるように十分に早く放電する必要がある。これは、低値抵抗体を必要とする。他方、低値抵抗体は、最終的に電気信号の発生に使用することができる、光によって発生した電荷を減少させる。
【００８３】
本発明者らは、シャント抵抗体の理想値が、刺激領域と感光性領域の面積に対応することを示すことができた。本発明を定義するために、保護を求める本発明の実施形態は、次式（１）を満たすようにすることができる。
【数５】
2018514338.tif 000007
式中、Ｒは、シャント抵抗体１６の抵抗であり、Ｄは、ダイオードサイズ、Ｅは、電極サイズ、ｍは、指数である。
【００８４】
【数６】
2018514338.tif 000008
式中、Ｒは、シャント抵抗体１６の抵抗（単位：ｋＯｈｍ）であり、Ｅａｒｅａは、電極１４の有効電極面積（単位：μｍ２）であり、Ｄａｒｅａは、ダイオード１２の有効ダイオード面積（単位：μｍ２）であり、ｎは指数であり、ａは定数である。これは、抵抗体１６の抵抗は、電極サイズとダイオードサイズから導出されることを意味する。特に、これらの実施形態によれば、抵抗体１６の抵抗は、電極面積とダイオード面積、好ましくは有効ダイオード面積から導出される。本発明にしたがって定義される有効ダイオード面積は、類似したサイズのものである場合、ダイオード１２、１２’の１つの光感受性領域である。また、画素１０におけるダイオード１２、１２’の光感受性領域の最小値であることもできる。
【００８５】
以下、上の定義にしたがう本発明の最も好ましい実施形態の概要を述べる。シャント抵抗体の抵抗、電極サイズ、ダイオードサイズ、及びダイオード数を含むパラメータの各種セットが、本発明に関連して示される要件を満たすことができることが当業者に明らかであろう。
【００８６】
当業者は、更に、パラメータの絶対的又は相対的関係に関して又はパラメータそのものの値に関して本明細書に与えられる値はいずれも、統計的誤差及び／又は設計上の制約及びバリエーションの影響を受けることに気付くであろう。したがって、与えられた値は、与えられた値の周りの少なくとも＋／−２５％の範囲、又はサイズについて言及される場合には、少なくとも＋／−１０μｍの範囲の値を表すと考えるべきである。例えば、１００μｍのサイズを有する３ダイオード画素は、約１５μｍ〜３０μｍの範囲の電極サイズの最適値を許容する。
【００８７】
シャント抵抗体値に関して、値は、より著しく変化し得る。例えば、表示値の１０％から最適値の最大１０倍まで、好ましくは値の５０％から表示値の最大５倍まで変化し得る。所定のパラメータ設定は、本発明にしたがって画素又は画素アレイを定義する、値、即ち、ダイオードのサイズ及び数、電極サイズ、及び抵抗の組合せであることが当業者に明らかであろう。
【００８８】
各種パラメータセットの例によって示されるように、本発明の知見は、−１．５＜ｎ＜−２の関係にしたがう指数ｎによって最もよく記述することができる。本発明のより好ましい実施形態においては、指数は、−１，６５＜ｎ＜−１，９５の間、より具体的には−１，７５＜ｎ＜−１，８５の間で選択される。特に、指数ｎは、ｎ＝−１，８１であることができる。
【００８９】
表１及び表２は、電極及びダイオードの各面積（単位：μｍ２）について、本発明にしたがう好ましいパラメータセットの概要を示す。各面積を考慮するアプローチにより、画素、ダイオード、及び電極のほぼ任意の形状を考慮することができる。
【００９０】
表１及び表２に示されるパラメータについて、ｎ＝−１，８１の好ましい指数ｎの場合、定数ａは、３・１０５＜ａ＜２・１０６の間にあることが好ましいことが分かった。より好ましくは、定数ａは、７・１０５＜ａ＜１，５・１０６の間にある。更により好ましい実施形態においては、定数ａは、７，５・１０５＜ａ＜１，２５・１０６の間にある。定数ａは、例えば、ａ＝１０６±２０％であることができる。より好ましくは、定数ａは、そのような設定において、ａ＝１０６±１０％である。なお、画素サイズ（［μｍ］）は、画素を特性付けるために一般に用いられる寸法である。画素サイズそのものは、電極サイズ（面積）、ダイオードサイズ（面積）、及び抵抗体の抵抗の観点で画素の各特性を定義するためには考慮されない。更に、与えられた例は、抵抗体１６の抵抗、電極１４のサイズ、及び１つ以上のダイオード１２、１２’によって画素又は画素アレイを定義する本発明思想を例示するに過ぎないことが理解されるべきである。具体例は、請求項に示される主題を限定するものではない。
【００９１】
表１に示されるパラメータセットにしたがう画素構造を有する電極アレイは、約５ｍＷ／ｍｍ２の出力と、約４ｍｓの光パルス時間で与えられる光について最適化した。
表１：５ｍＷ／ｍｍ２の出力と４ｍｓの光パルスについて最適化されるシャント抵抗体の抵抗
【表１】
2018514338.tif 000009
【００９２】
表２にしたがう画素構造を有する電極アレイは、約３ｍＷ／ｍｍ２の出力と、約４ｍｓの光パルス時間で与えられる光について最適化した。
表２：３ｍＷ／ｍｍ２の出力と４ｍｓの光パルスについて最適化されるシャント抵抗体の抵抗
【表２】
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【００９３】
表３は、多数の可能な構成のうちで特に有利な選択であると分かった、画素のためのパラメータセットを示す。表３に示されるパラメータは、約５ｍＷ／ｍｍ２の出力と、約４ｍｓの光パルス時間で与えられる光について最適化した。
表３：５ｍＷ／ｍｍ２の出力と４ｍｓの光パルスについて最適化されるシャント抵抗体の好ましい抵抗
【表３】
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【００９４】
図６は、両対数プロット上で、「ｘ」で表示される、画素アレイの画素のための、通常、合理的且つ技術的に可能なそのようなパラメータ構成を示す図を示す。図において、Ｘ軸は、ダイオードのサイズ（ここでは、面積）、例えば有効ダイオード面積を表す。図のＹ軸は、上に定義した式（２）から導出される電極面積によって除されるシャント抵抗体値の対応する関係を示す。図６中「＋」で表示されるこれらのパラメータ座標は、本発明の進歩した検討にしたがって制約されるパラメータセットを表す。
【００９５】
これらの制約は、例えば、電極が特定の電荷密度で特定の電荷を提供することができることを要求する場合がある。この電荷密度は、特に、約０，３５ｍＣ／ｃｍ２であることができる。電荷密度の上限は、好ましくは１ｍＣ／ｃｍ２である。電荷密度は、最大１，５ｍＣ／ｃｍ２であることができる。更に、これらの制約は、刺激インパルスに応答して電極１４と対向電極１８との間の最大電圧を超えてはならないことを要求する場合がある。特に、電圧を、水の加水分解電圧未満に維持することが意図される場合がある。図６〜図１０に係る例示実施形態について検討される１つの例として、最大電圧を約０，８Ｖに限定することができる。他方、特定のライティングパラメータについてのこれらの実施形態にしたがって電極によって提供される最小電圧は、０，１Ｖ未満であると考えた。更に、これらの制約は、幾つかの実施形態においては、抵抗体１６の抵抗が、刺激に利用可能な電荷を最大としつつ、十分に早い電荷バランシングを可能とする、好ましくは０．１μＡ未満の残留ＤＣ電流に相当する、バランスされていない電荷を経時で反映することを要求する。残留ＤＣ電流の低下、即ち、電極の電荷バランシングは、組織のより制御された刺激、即ち、画素又は画素アレイの信頼性を高めることを可能にすることができる。
【００９６】
示されるように、そのようなパラメータセットを示す本発明の実施形態に係る画素及び画素アレイは、前記式（２）によって記述することができる。図６の例示実施形態においては、指数ｎは、ｎ＝−１，８１である。図６の点線及び一点鎖線は、式（２）の定数ａの上限及び下限を示し、定数ａは、それぞれ３・１０５と２・１０６である。これらの線は、次式（３）にしたがって書き変えると、式（２）によって定義される直線を表す。
【数７】
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この定義は、以下に述べる図７〜図１０にも同様に適用される。
【００９７】
図７は、本発明の更なる好ましい実施形態のパラメータを示す。これらのパラメータセットは、図７における黒円（・）で示されている。比較として、図７は、合理的な理論的構成として一般に利用可能である構成も示す。図７に係る実施形態の上限及び下限は、それぞれａ＝７・１０５とａ＝１，５・１０６と定義することができる。
【００９８】
図８は、図７と同一の図を示すが、可能なパラメータセットの全部は表示しておらず、最も好ましい実施形態のパラメータセットの好ましい中央値を近似する直線が加えられている。この線は、定数ａ＝１０６及び指数ｎ＝−１，８１によって定義される。図６〜図１０に示される対数プロット上の１０〜５０％オーダの共通する誤差は、本発明の進歩した思想及び範囲から逸脱することなしに、好ましい中央値の派生形として考えることができる。
【００９９】
図６〜図８と同様に、図９は、理論的に検討することができる技術的実現の図を示す。更に、図７及び図８におけるように、図９は、黒円（・）で示される本発明に係る最も好ましい実施形態を示す。しかしながら、図９に示される線は、各種指数ｎについて、前記式（３）によって定義される線の上限及び下限を示す。図９のパラメータセットの上限及び下限の指数は、それぞれｎ＝−１，５とｎ＝−２によって定義される。
【０１００】
図９の図と同様に、図１０は、各種指数ｎのときの限界線の図を示す。ここでの上限は、指数ｎ＝−１，７５によって定義され、下限は、指数ｎ＝−１，８５によって定義される。
【０１０１】
前記例にしたがう上限及び下限は、可能なパラメータセットの範囲の境界を示す。即ち、上限及び下限値を表す線によって区切られる領域にある任意のパラメータセットは、性質が向上した画素又は画素アレイを提供する本発明思想の一部であると考えるものとする。更に、任意のそのようなパラメータの組合せを当業者が考えることは、自明な選択ではない。これは、電極、ダイオードの各サイズ、及び抵抗を関連付けることによって、画素及び画素アレイに多数のパラメータ適合を与えることは、本発明者らが行ったことであるからである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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