(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
網膜の疾患によって失明を伴う患者の視覚を再生するための視覚再生装置において、
患者眼の網膜に埋埴され光信号を電気信号に変換するフォトセンサと、患者に認知させる被写体を撮影する撮影手段と、該撮影手段により得られた被写体像に対し特徴抽出のための画像処理を行う画像処理手段と、前記フォトセンサに受光させる光束を，視覚を誘発させるために必要な周波数，振幅，点灯時間幅が決定されたパルス光に形成するパルス光形成手段と、患者眼眼前に配置されるとともに前記パルス光を前記画像処理手段によって処理された画像として形成するように前記フォトセンサに向けて照射する照射手段と、を有し、
前記パルス光形成手段によって形成される前記パルス光のみを視覚を誘発させるための光として用いるために、前記照射手段は、
前記パルス光形成手段により所定の周波数，振幅，点灯時間幅にて決定された前記パルス光を網膜上で所定の大きさのスポット径を持つ光束とするための開口絞り，または所定の光学部材と、
該開口絞り，または所定の光学部材にて前記スポット径が得られた光束を網膜上で二次元的に走査するための走査部材と、
を備えることを特徴とする視覚再生補助装置。
【請求項２】
請求項１の視覚再生補助装置において、前記画像処理手段は前記撮影手段にて撮影された外界の映像のうち、被写体の輪郭部分のみを映像情報として抽出し、前記照射手段は前記抽出した輪郭部分のみを前記光束の走査によって前記フォトセンサに受光させることを特徴とする視覚再生補助装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、網膜下にフォトダイオードを埋埴して人工的に視覚信号を与えるための視覚再生補助装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
網膜色素変性や加齢黄斑変性等は視覚障害を起こし、進行すると失明に至ることがある。通常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。網膜色素変性や加齢黄斑変性等発生すると視細胞が減少、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。近年このような失明に対し、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には網膜刺激システムを使用した視覚の発生に関する発明が開示されている。
【０００３】
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り、視覚を得ようとするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような網膜刺激システムにおいては可視光と赤外光とをフォトダイオードへの入射光に用いるために、フォトダイオードを複雑な機構にする必要があった。また、システム自体も複雑な構成となっていた。
【０００５】
以上のような上記従来技術の問題点に鑑み、システム構成を複雑にすることなく視覚再生の補助を行うことが可能な視覚再生補助装置を提供することを技術課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１）  網膜の疾患によって失明を伴う患者の視覚を再生するための視覚再生装置において、患者眼の網膜に埋埴され光信号を電気信号に変換するフォトセンサと、患者に認知させる被写体を撮影する撮影手段と、該撮影手段により得られた被写体像に対し特徴抽出のための画像処理を行う画像処理手段と、前記フォトセンサに受光させる光束を，視覚を誘発させるために必要な周波数，振幅，点灯時間幅が決定されたパルス光に形成するパルス光形成手段と、患者眼眼前に配置されるとともに前記パルス光を前記画像処理手段によって処理された画像として形成するように前記フォトセンサに向けて照射する照射手段と、を有し、
前記パルス光形成手段によって形成される前記パルス光のみを視覚を誘発させるための光として用いるために、前記照射手段は、前記パルス光形成手段により所定の周波数，振幅，点灯時間幅にて決定された前記パルス光を網膜上で所定の大きさのスポット径を持つ光束とするための開口絞り，または所定の光学部材と、該開口絞り，または所定の光学部材にて前記スポット径が得られた光束を網膜上で二次元的に走査するための走査部材と、を備えることを特徴とする。
（２）  （１）の視覚再生補助装置において、前記画像処理手段は前記撮影手段にて撮影された外界の映像のうち、被写体の輪郭部分のみを映像情報として抽出し、前記照射手段は前記抽出した輪郭部分のみを前記光束の走査によって前記フォトセンサに受光させることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。実施の形態で使用する視覚再生補助装置は患者眼の網膜に埋埴するマイクロフォトダイオードとこのマイクロフォトダイオードに指向性を持った光束を照射するための照射装置とからなる。
【０００８】
図１は網膜に埋埴するフォトセンサの１種であるマイクロフォトダイオードの構成を示した図である。
【０００９】
１００はマイクロフォトダイオードである。マイクロフォトダイオード１００は図に示すように、ｎ型拡散層１０４上に設けられたｎ型電極１０２と、ｐ型基板１０１上に設けられたｐ型電極１０３とが形成されている。
【００１０】
マイクロフォトダイオード１００は以下の手順にて得ることができる。図２はマイクロフォトダイオード１００の製造手順を示したものである。
【００１１】
ｐ型基板１０１上にレジスト１０５を載せ、ｎ型不純物質の注入／拡散を行い、ｐ型基板１０１上にｎ型拡散層１０４を形成する（STEP１、STEP２）。次にｎ型拡散層１０４が形成されたｐ型基板１０１上にアルミニウムからなる膜１０６を蒸着させるＡｌデポを行う（STEP３）。その後、電極パターンを形成するためにレジスト１０５を膜１０６上に形成し、エッチングを行ってｎ型電極１０２とｐ型電極１０３とを持つマイクロフォトダイオード１００を完成させる（STEP４、STEP５）。
【００１２】
マイクロフォトダイオード１００は網膜に埋埴して使用するため、１辺が１μｍ〜１００μｍ程度の大きさが好ましい。また、本実施の形態で使用するマイクロフォトダイオード１００はｐ型基板１０１を用いているが、これに限るものではなく、例えばｎ型基板を用いてｎ型電極、ｐ型電極を形成するようにしてもよい。また、本実施の形態では導電材料アルミニウムを使用しているが、これに限るものではなく。生体適合性が良いものであればよい。例えば白金、金、タングステン、チタン等が挙げられる。
【００１３】
次に視覚再生補助装置の照射装置の構成を図に示し、説明する。
図３は患者眼Ｅの網膜に埋埴されたマイクロフォトダイオード１００に所定の光束を照射するための照射装置の外観概略構成を示した図である。
【００１４】
１は照射装置本体である。照射装置本体１は撮影ユニット１０、映像処理ユニット２０、応答ユニット３０からなる。撮影ユニット１０、応答ユニット３０はそれぞれケーブル２、３にて画像処理ユニット２０と接続されている。
【００１５】
撮影ユニット１０は患者が眼前に装着するゴーグル型の形状をしており、ベルト１１を使用することにより、撮影ユニット１０を患者の眼前に固定保持できるようになっている。１２は撮影窓であり、内部に設置されるＣＣＤカメラ１３を使用して患者の眼前に見える外界を撮影するようになっている。ＣＣＤカメラ１３はカメラの撮影軸と患者が水平方向にものを見たときの視軸とが同軸なるように撮影ユニット１０内に取り付けられている。
【００１６】
本実施の形態では上述したように、ＣＣＤカメラ１３の取付位置を患者が水平方向にものを見たときの視軸と撮影軸とが同軸となるようにしているが、これに限るものではなく、患者にとって一番見易い方向に合わせてＣＣＤカメラ１３の撮影軸を合わせればよい。
また、撮影ユニット１０はＣＣＤカメラ１３の他に、撮影した外界の映像を所定の光束に変換して患者眼の網膜に照射するための照射光学系も備えている。
【００１７】
映像処理ユニット２０は内部に撮影ユニット１０で得られた映像情報に所定の処理を行ない、映像情報を光信号情報に置き換えて再び撮影ユニット１０に送信する。
応答ユニット３０は撮影ユニット１０を装着した患者による視覚再生状態を補正するために使用される。３０ａは撮影ユニット１０より照射される光束の特性や光束の照射状態を変更させるためのスイッチ群である。このスイッチ群３０ａを使用することにより、患者の視覚再生状態を映像処理ユニット２０で行われる画像処理や撮影ユニット１０での光束の照射条件等に反映させることができる。
【００１８】
図４は照射装置本体１の光学系及び制御系を示した図である。
１４はＬＥＤであり、画像処理ユニット２０からの信号を基に指向性の強い白色の光束を照射する。本実施の形態ではマイクロフォトダイオードに照射するための光源をＬＥＤとしているが、これに限るものではなく、光量が強く、指向性のある光束を照射できるものであればよい。例えば半導体レーザ等を光源に使用することもできる。また、照射する光の波長は可視光域に限らず赤外域の波長の光であってもよい。
【００１９】
１５は開口絞りであり、網膜上に照射される光束のスポット径を充分小さなものとし、網膜上で直径数μｍ〜数百μｍ程度のスポット径が得られるようになっている。本実施の形態では開口絞り１５により網膜上に照射される光束のスポット径を決定するものとしているが、これに限るものではなく、例えばレンズ等の光学部材を使用してスポットサイズの大きさを決定することもできる。
【００２０】
１６，１７はＬＥＤ１４から照射される光束を網膜上まで導光させるミラーである。ミラー１６，１７はモータ１６ａ，１７ａが各々取り付けられており、モータ１６ａ，１７ａの駆動によって所定方向に揺動される。ＬＥＤ１４から照射される光束は、モータ１６ａ，１７ａによって揺動するミラー１６，１７によって反射され、網膜上を上下左右方向に２次元的に走査される。
【００２１】
２１はＣＣＤカメラ１３から得られた画像情報（映像情報）に対し、所定の画像処理を行う画像処理部である。２２は画像処理部２１にて変換された画像情報を基にＬＥＤ１４の点灯制御、及びモータ１６ａ，１７ａの駆動制御を行う制御部である。
【００２２】
以上のような構成を備える視覚再生補助装置においてその動作について説明する。
初めに術者は多数のマイクロフォトダイオード１００を患者の網膜に埋埴しておく（眼底上に多数のマイクロフォトダイオードからなるマイクロフォトダイオード群を形成しておく）。本実施の形態ではＬＥＤ１４から照射される光束を埋埴された多数のマイクロフォトダイオード１００に対して２次元に走査することにより、ＣＣＤカメラ１３で得られた画像情報を再現させ、これにより視覚を得るというものである。
【００２３】
したがって、マイクロフォトダイオード１００の網膜上における埋埴領域はＣＣＤカメラ１３の撮影領域全体を再現するのに十分な広さであることが必要であり、さらにその領域全体に隈なく埋埴されていることが好ましい。ただし、マイクロフォトダイオードの個数は、簡単な図形の認識程度であるならば、３×３（９個）や５×５（２５個）程度であってもよい。
【００２４】
また、各マイクロフォトダイオード１００の埋埴間隔が離れていると、光束の走査時にマイクロフォトダイオード１００に受光されない部分ができ、明確な再現が困難となる。したがって、マイクロフォトダイオード１００の埋埴間隔は光束の径よりも狭い方が好ましい。
【００２５】
次に、患者の眼前に撮影ユニット１０を取り付け、視覚再生を行う。本実施の形態ではＣＣＤカメラ１３の撮影軸は、患者が水平方向を見たときの視軸方向と同軸となるようにしている。このため、視線を変えるときは眼を動かさずに顔全体で見る方向をかえることにより、視線の方向とＣＣＤカメラ１３にて撮影される外界の像とが略一致することとなる。
【００２６】
ＣＣＤカメラ１３にて撮影された外界の画像は、ケーブル２を経て画像処理部２１に送られる。画像処理部２１は送られてきた画像情報（光量の大小、色の濃淡、色相等）よりノイズの除去、スムージング等の処理を行う。また、撮影された画像のエッジ検出を行い、外界の画像を輪郭部分のみの画像に変換する。
【００２７】
例えば、図５（ａ）に示すような直方体の箱５０を撮影ユニット１０のＣＣＤカメラ１３にて撮影した場合、画像処理部２１の画像処理により、箱５０の画像情報から色、模様等が除去されるなどし、箱５０の輪郭部分（点線部分）のみ表した画像情報（箱５０′）に変換する。
【００２８】
画像処理部２１にて上記のような画像処理を行ない、処理後の画像情報（輪郭部分のみの画像）が制御部２２に送られる。制御部２２は処理後の画像情報を電気パルスの信号に変換してＬＥＤ１４の点灯制御を行う。また同時に制御部２２はモータ１６ａ，１７ａの駆動制御を行い、網膜上に埋埴したマイクロフォトダイオード１００の範囲内に輪郭部分のみの画像が照射する光束によって再現できるように光束を走査させる。
【００２９】
このとき制御部２２は、ＬＥＤ１４から発する光束をパルス光としてマイクロフォトダイオード１００へ照射させる。この光束のパルス波形は、視覚の知覚に必要な網膜の神経細胞の興奮を誘発させるための波形である。
マイクロフォトダイオード１００はＬＥＤ１４からのパルス状の光束を受光し、このパルス波形を電気信号に変える。電気信号は視神経を経て脳に伝わり、これにより視覚を得る。
【００３０】
ＬＥＤ１４から発する光パルスの周波数、振幅（光量の強さ）や点灯の時間幅等、の光パルスの点灯条件（照射条件）は、応答ユニット３０のスイッチ群３０ａにより各画素単位に対応して変更することが可能である。
振幅は受光側のマイクロフォトダイオード１００から発する電気信号の電流値が１０μＡ〜６ｍＡの範囲となるように設定されることが好ましい。マイクロフォトダイオード１００から発する電気信号の電流値が１０μＡを下回ると、電気刺激として弱いものとなってしまう。また、６ｍＡを超えると電気刺激が強すぎてしまい、眼の筋肉の引きつりが起こる可能性がある。
【００３１】
また、走査の繰返し周波数もスイッチ群３０ａにて変えることができる。この繰返し周波数を変えることによって、再現した画像のちらつき具合を変えることができる。繰返し周波数は２５Ｈｚ〜１００Ｈｚの間が好ましい。くり返し周波数が２５Ｈｚを下回ると、画像のちらつきが大きくなり違和感を覚えることとなる。また、繰り返し周波数を１００Ｈｚを上回ると、細胞の興奮応答の速度よりも速くなり、反応を受け付けない。
【００３２】
患者は応答ユニット３０のスイッチ群３０ａを使用して、上述したパルス光の照射条件、走査の繰返し周波数を変化させ、患者自身にとって最も視覚が得られ易い条件を設定することができる。
設定された内容はケーブル３を通して制御部２２に送られる。制御部２２は設定された条件にしたがってＬＥＤ１４の点灯制御、モータ１６ａ，１７ａを使用した光束の走査制御を行う。
【００３３】
このように本実施形態では従来視細胞で行っている光電変換をフォトダイオードにより代替し、神経節細胞を興奮させるためのパルス形成を体外装置にて行うものである。このため視細胞が減少して視覚が無くなっても、それを補うための複雑な機構をもつフォトセンサ等を使用する必要がなく、マイクロフォトダイオード１００は単純に光信号を電気信号に変えるためだけの機能を持つものであればよい。
【００３４】
以上の実施の形態では、ＬＥＤ１４から照射される光束をパルス波形にし、これをマイクロフォトダイオード１００に対して走査するものとしているが、これに限るものではなく。連続光を用いて走査の繰返し周波数を適宜変化させることにより、単位面積当たりの光束の照射時間を変えることで同様の効果を得ることもできる。
【００３５】
また、本実施の形態では撮影される被写体の画像をＣＲＴやＬＣＤ等のモニタで見せるものではなく、光束の走査によって被写体を網膜上に再現するようにしている。このため撮影される被写体の遠近を画像処理により検知し、撮影される個々の被写体の遠近に対して照射する光パルスの点灯条件を種々変化させることで、被写体の遠近を強調させることが可能である。
【００３６】
図６は被写体の遠近を検知するための構成を備えた視覚再生補助装置を示したものである。ここで図４に示した符号と同符号のものは同じ機能を有している。
４０はＣＣＤカメラ１３の撮影軸上に置かれるハーフミラーである。４１は規則的な模様（ここでは格子模様）の開口部が設けられたアパーチャである。４２は光源である。光源４２から発せられた照明光束はアパーチャ４１、ハーフミラー４０を経て、格子模様の光束を眼前にある被写体に投影するようになっており、被写体表面に格子模様を形成させる。
【００３７】
画像処理部２１はあらかじめ所定距離（例えば１ｍ）離れたところに形成される格子模様の大きさが記憶されており、ＣＣＤカメラ１３にて撮影される被写体に投影された格子模様の形状（大きさ、歪み）から立体情報、距離情報を得ることができる。
【００３８】
画像処理部２１は被写体表面に形成された格子模様の状態により立体情報、距離情報を前述した画像処理（輪郭部分抽出等）で得た画像情報とともに制御部２２へ送る。制御部２２は得られた画像情報より、被写体の遠近を検知して各被写体の遠近に応じてＬＥＤ１４から発する光パルスの点灯条件を変化させて被写体の輪郭部分をマイクロフォトダイオード１００上に再現する。
【００３９】
例えば、近くにある被写体はＬＥＤ１４の点灯間隔を細かく（周期を短く）してその輪郭を再現することにより、より多くの刺激を与え、遠くにある被写体はＬＥＤ１４の点等間隔を長く（周期を長く）してその輪郭を再現することにより、刺激を弱める。このように、テクスチャ（模様）投影法によって遠近の情報を被写体毎に与えることが可能となる。
【００４０】
このように、撮影される被写体の遠近によってＬＥＤ１４から発する光パルスの点灯条件を変化させるものとしたが、これに限るものではなく、例えば被写体が持つ色や材質等の種々の情報を、点灯条件の変化によって患者に認識させる手段として使用することもできる。
【００４１】
以上の実施形態では、駆動ミラーを使用して光束を走査させるものとしているが、これに限るものではなく画像処理手段によって処理された画像を形成する光束をマイクロフォトセンサに向けて照射させるものであればよい。
【００４２】
図７はデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤTM  テキサス インスツルメンツ社製）を用いて本発明を適用した場合の実施形態を示す図である。ここで図４に示した符号と同符号を有するものは同機能を有するものであり、説明は省略する。
【００４３】
図７（ａ）において、５０はデジタルマイクロミラーデバイス、５１はレンズ、５２は光吸収板、６０はデジタルマイクロミラーデバイス全体に照明光を照射させる光源である。デジタルマイクロミラーデバイス５０は、撮影ユニット１０内部において、レンズ５１を介してマイクロフォトダイオード１００の受光面と共役となる位置に設置されている。図７（ｂ）はデジタルマイクロミラーデバイス５０の一部分を拡大した図である。５３は１６μｍ四方程度の大きさからなるマイクロミラーである。５４はマイクロミラー５３を所定角度に傾斜可能に固定保持している基台である。基台５４上にはマイクロミラー５３が５０万個以上固定保持されており、各マイクロミラー５３同士の間隔は１μｍ未満となっている。また、マイクロミラー５３は静電荷を加える（オンする）ことにより＋１０°傾斜し、電荷を除く（オフする）ことによって−１０°傾斜するようになっている。電荷のオン／オフは毎秒５０００回以上行うことができ、これによってマイクロミラー５３は高速に所定角度の切換えを行うことができる。
【００４４】
また、デジタルマイクロミラーデバイス５０を使用して画像を形成させる方法を図７（ｃ）を用いて説明する。この図では２枚のマイクロミラー５３ａ，５３ｂを用いたデジタルマイクロミラーデバイス５０を用いている。
光源６０からの照明光束はデジタルマイクロミラーデバイス５０全体を照明する。静電荷が与えられたマイクロミラー５３ａは＋１０°傾斜し、その反射面にて反射した光束はレンズ５１を通過するようになっている。一方、電荷が与えられていないマイクロミラー５３ｂは−１０°傾斜しており、その反射面にて反射した光束はレンズ５１を通過せず光吸収板５２に向かうこととなる。このように、画像の形成に必要となる（対応する）マイクロミラー５３にだけ電荷を与えることによって、レンズ５１を通して患者眼に画像情報を送ることが可能である。
【００４５】
以上のようなデジタルマイクロミラーデバイス５０を使用した構成において、その動作を図７（ａ）を用いて説明する。
ＣＣＤカメラ１３にて撮影された外界の画像は、ケーブル２を経て画像処理部２１に送られる。画像処理部２１は送られてきた画像情報（光量の大小、色の濃淡、色相等）よりノイズの除去、スムージング等の処理を行う。また、画像処理部２１は撮影された画像のエッジ検出を行い、外界の画像を輪郭部分のみの画像に変換し制御部２２に送る。制御部２２は処理後の画像情報を基に、その画像情報がマイクロフォトダイオード１００に受光されるように、デジタルマイクロミラーデバイス５０のマイクロミラー５３に電荷を与え駆動させる。
【００４６】
光源６０はデジタルマイクロミラーデバイス５０全体を照明しており、画像の形成はマイクロミラー５３の傾斜角度の違いのみによって行われる。また、制御部２２は電荷を与えているマイクロミラー５３に対して、さらに電荷のオン／オフを行い画像情報をパルス信号化させる。このような手法によって神経節細胞を刺激するのに好ましい波形のパルス信号となる周波数、点灯の時間幅等を制御することができる。また、振幅（光量の強さ）は光源６０によって変化させることができる。
また、画像情報を患者眼へ照射する手段としては、デジタルマイクロミラーデバイスの代わりに多数のＬＥＤが配列されたものを使用することもできる。
【００４７】
図８は照射手段として多数のＬＥＤを用いた構成を示す図である。
ここで７０は２次元的にＬＥＤ７１が多数配列された表示手段である。ＣＣＤカメラ１３にて撮影された画像情報は画像処理部２１にて所定の処理を行った後、制御部２２に送る。制御部２２は処理後の画像情報を基に、各ＬＥＤ７１を点灯制御し、表示手段７０に画像を表示させるようにする。また、制御部２２によってＬＥＤ７１を点滅させたり光量を調整することにより、神経節細胞を刺激するのに好ましい波形のパルス信号を発生させることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明では従来眼の中で行われていた作業を外部にて行なうようにし、網膜に埋埴するフォトセンサは単純に光信号を電気信号に変える機能のみを有したものを使用することができるため、複雑なシステムを用いることなく視覚の再生補助を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態で使用するマイクロフォトダイオードの構成を示した図である。
【図２】マイクロフォトダイオードの製造手順を示した図である。
【図３】照射装置の外観を示した図である。
【図４】照射装置の光学系及び制御系を示した図である。
【図５】画像処理の例を示した図である。
【図６】被写体の遠近を検知するための構成を示した図である。
【図７】本発明を適用した別の実施形態を示す図である。
【図８】本発明を適用した別の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１  照射装置本体
１０  撮影ユニット
１３  ＣＣＤカメラ
１４  ＬＥＤ
１６  ミラー
１６ａ  モータ
１７  ミラー
１７ａ  モータ
２０  映像処理ユニット
３０  応答ユニット
１００  マイクロフォトダイオード
【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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