JP2000508210A - 聴覚の人工器官 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 蝸牛に埋め込み可能な、担体に付加された電極の組を含み、電極の組は、蝸牛軸の聴神経を刺激するための電流を適用するため備えられ、前記電極の組は、互いに近くにかつ互いに間隔をもって、前記担体の第１の長さ方向の側に沿って配された、第１の一連の電極ポールを含み、該第１の組の電極ポールのそれぞれは、個々に信号発生器に接続され、前記電極の組は、前記信号発生器に接続される第２の電極ポールを含み、第２の電極ポールは、前記担体の第２の長さ方向の側に沿って配されている、聴覚の人工器官であって、前記第２の電極ポールは、前記第１の電極ポールが延在するのと実質上同じ距離にわたって延在し、信号発生器は、選択された電極ポール間に、放射状および／または長さ方向の成分で電界ラインを発生するところの信号を発生するために備えられることを特徴とする聴覚の人工器官。

Description

【発明の詳細な説明】 聴覚の人工器官 本発明は、蝸牛に埋め込み可能な、担体に付加された電極の組を含み、電極の 組は、蝸牛軸の聴神経を刺激するための電流を適用するため備えられ、前記電極 の組は、互いに近くにかつ互いに間隔をもって、前記担体の第１の長さ方向の側 に沿って配された、第１の一連の電極ポールを含み、該第１の組の電極ポールの それぞれは、個々に信号発生器に接続され、前記電極の組は、前記信号発生器に 接続される第２の電極ポールを含み、第２の電極ポールは、前記担体の第２の長 さ方向の側に沿って配されている、聴覚の人工器官に関する。 そのような聴覚の人工器官は、ドイツ国特許出願２８２３７９８号から知られ ている。この既知の人工器官は、聴覚の問題を有する患者の蝸牛に、彼の聴神経 の改善のため、埋め込まれる。電流は、電極によって、受け取られた音信号のコ ントロールのもとで、供給される。ここに、電流は、その蝸牛の神経を、それら の神経における作用能力（action-potential）を引き起こすために刺激し、この 作用能力は、その後、音響信号を理解するため脳に伝達されるだろう。この既知 の人工器官では、電極の組は、第１および第２の点形状（point-shaped）の電極 ポール（electrode-pole）で形成され、ここに、それぞれの電極ポールは、その ポールの都度、ワイヤを介して信号発生器に接続される。第２の電極ポールは、 接地を形成する。 この既知の聴覚の人工器官の問題は、それぞれの電極ポールがそのポールの都 度個々にワイヤで信号発生器に接続されねばならないところにある。刺激パター ンの、増大された広範な分解を得るためには、多数の第１のポールを有する必要 がある。鼓室階(scala tympani)における使用しうる限られた空間のため、それ ぞれのポールのためのそのポール都度ごとのワイヤの要求は、ポールの数に限界 をもたらし、かくて、制限された広範な分解に至らしめる。さらには、第２の電 極ポールのためのみならず第１の電極ポールのために、そのポールの都度ごと点 形状を使用することにより、適用される場のライン（field-line）の幾何学的配 列が制限される。 本発明の目的は、高い広範な分解で刺激が可能な聴覚の人工器官を実現するこ とにある。 本発明による聴覚の人工器官は、それゆえに、第２の電極ポールは、第１の電 極ポールが延在するのと実質上同じ距離にわたって延在し、信号発生器は、選択 された電極ポール間に、放射状および／または長さ方向の成分で電界ラインを発 生するところの信号を発生するために備えられることを特徴とする。 これにより、第２の電極ポールは集合的なポールを形成し、それゆえに単一の ワイヤだけが信号発生器との接続のため必要とされる。第１のポールがｎ個の場 合、ｎ＋１のワイヤだけが要求される。鼓室階における使用しうる限られた空間 に、問題を生じさせず、しかも手早く、多くの第１のポールが可能である。さら に、第１の電極ポールと第２の集合的なポールとの結合は、信号発生器により、 長さ方向と同様、放射状に場のラインを発生することを可能ならしめる信号を発 生する可能性を提供する。これら２種類の場のラインの使用は、広範な分解の増 大を可能にする。 前記第２のポールは、長さ方向に構成されるのが有利である。かくして、この 第２の電極ポールの形態は、前記担体の形態と提携する。 本発明による聴覚の人工器官の第１の好適な実施態様は、前記信号発生器は、 第１および第２の位相が、実質上同じ時間の継続期間を有するものの、相互に逆 であるところの、２相刺激パルスを発生するため備えられることに特徴付けられ る。２相刺激による集合的な第２のポールの使用は、場のラインの良好なコント ロールを可能にする。 本発明による聴覚の人工器官の第２の好適な実施態様は、前記電極の組は、少 なくともひとつの選択可能な基準電極を含み、フィードバック要素が、その基準 電極と前記発生器との間に適用され、フィードバック要素は、電流パルス期間に わたり測定された正味の電流を零に減ずるため備えられることに特徴付けられる 。これは、蝸牛軸にとって不利になりうるところの、電極接点にかかる直流電流 を回避することを可能にする。 ここに、本発明は、本発明に従う聴覚の人工器官の実施態様が示される図面に よって、さらに詳細に説明される。この図面において、 図１は、本発明に従う人工器官の一部としての、電極を設けられた担体の第１ の実施態様を示し、 図２は、この電極により作り出される電界の電流パターンの一例を示し、 図３，８それぞれは、その中に、本発明に従う人工器官を適用された、人間の 耳の蝸牛殻の断面図を示し、 図４および５は、本発明に従う人工器官を概略的に示し、 図６は、電流極性のパターンおよび電極接点の一例を示し、 図７は、本発明に従う人工器官の構成部分としての信号発生器のブロック構成 を示し、 図８は、知覚チャネルに適用された刺激パターンの一例を示す。 図において、同じ参照符号は、同一あるいは類似の要素に与えられている。 図１示される本発明による聴覚の人工器官の構成部分は、長さ方向の一側に中 心導体４がつけられ、長さ方向の他の反対の側に、ｎ（２−１，２−２，・・・ ２−ｎ）個、たとえばｎ＝３１個ひと組の電極接点（electrode-contact）がつ けられた担体３を含む。これらの電極接点あるいは電極ポールは、たとえば白金 あるいは白金−イリジウムで形成される。後者は、その都度ごと、それぞれ相互 の間隔、たとえば互いに１ｍｍ間隔で付加される。この電極接点の組の使用は、 電極接点ごとに独自の刺激パルスを供給し、そのような方法で、小さな聴神経群 を選択的に刺激することを、可能にする。第２の電極ポール４は、単一の導体か 、あるいは一連の、互いに接続されたところの個々の接点で、構築される。この 後者の実施態様は、人工器官がより柔軟なものとなり、それゆえに一層容易に蝸 牛軸に適用されうるので、有利である。担体３は、たとえばシリコンで製造され 、人間に柔軟性および生体適合（biocompatible）特性をもたらすのを可能なら しめる。この担体は、蝸牛の液の電気抵抗よりも実質上高いところの、少なくと も１ＭΩの電気抵抗を有し、そのようにして、供給される電流は該担体を通して 拡がらない。 担体３は、一側に、ある程度の大きな表面が形成されるようになすため、矩形 の外形を有し、ここに、その外形にふくらみ部材（swelling menber）５が付加 されており、その機能は、本明細書中、後で説明される。また、中心導体４ある いは基準電極は、担体の外形と連結する、矩形の外形を呈する。 図８に、電極が設けられた担体の第２の実施態様が示される。その図において 示される実施態様は、電極の配置によって、図１に示される実施態様と区別され る。中心導体４は、担体３の下面側にあるのに代わって、側面の側にある。 電流パルスが電極接点２−１，２−２，・・・２−ｎのひとつまたはそれ以上 に供給されると、電流はその電極接点から中心導体４に流れ、図２に見られるよ うな放射状パターンを示す。その放射状パターンは、神経の音感の神経系刺激の 広範な分解を向上させる。これは、さらに、繊維がもっとも敏感であり、全体の 電流消費を減らすであろうための、電流の方向に合致する。 図４は、巻かれた態様における、本発明による聴覚の人工器官の組み立てを示 す。この人工器官は、ひとつの末端２−０で、構造上あらかじめ形成された曲が った形状を有する。 図３および８は、本発明による聴覚の人工器官がその中に埋め込まれた蝸牛の 断面を示す。この蝸牛空間（cochlear-space）は、前庭階（scala vestibuli） ７と、中央階（scala media）８と、鼓室階９からなる。電極を含む人工器官１ の部分は、この鼓室階に適用される。 既知の聴覚の人工器官の問題は、この鼓室階にある、液の電気伝導率が、聴覚 の神経が配置されている蝸牛軸のそれよりもっと高いというところにある。実際 に、蝸牛軸においては、イオン伝導率に関し、鼓室階に存在する液のそれよりも っと大きな電気抵抗を有する骨が存在する。その結果、電流経路によって作り出 される電流は、その鼓室階の液がより小さな抵抗を呈するので、むしろ、この鼓 室階の液を通ずる経路を選ぶこととなるだろう。これは、注入された電流の効果 のない使用に至らしめる。 この問題の解決策を提供するため、担体３にふくらみ部材５が適用されており 、ここに、そのふくらみ部材は、非電気伝導性の材質のもので作られる。ふくら み部材のそのような機能は、たとえばＰＣＴ特許出願−ＰＣＴ／ＡＵ／９２／０ ０５１７−に記述されている。そのふくらみ部材の補充で、担体の大きさは増大 し、およびそのために鼓室階においてさらに場所をしめることになるだろう。こ れがため、担体、およびその上に存在する電極は、蝸牛軸に対し押しつけられる だろう。それらが中央階８に向かって進められ、中心電極４が蝸牛軸に対し押し つけられ、電極接点が中央階８に対し押しつけられような、鼓室階におけるその ような方法での電極接点の適用により、そのために、電流は、中心電極４に到達 するため蝸牛軸を通して通過することを強いられだろう。そのような方法におい ては、神経を通して流れる電流の確率は、実質上増大し、鼓室階における導電性 の液を通ずるロスは、実質上減少する。なぜなら、担体は、鼓室階の使用しうる 空間の相当部分をしめており、電流が鼓室階の液を通して通過するであろうこと を避けられるからである。ふくらみ部材の劣った伝導率もまた、電流はこのふく らみ部材を通る経路をむしろ選ぶことがないという事実に寄与する。 本発明による聴覚の人工器官は、彼女の構成のため、小さな神経繊維の群を選 択的に刺激し、そうして広範な分解を増大する可能性を提供する。実際、個々に 刺激されうるところのｎ個の電極接点の構成のため、第１の電極ポールのそれぞ れのｉ^th電極接点（１≦ｉ≦ｎ）のための良好に定められた電流パルスを発生す ることが可能であり、そして、その電流パルスは、その電極接点が近接して配置 されたところの神経に適切な刺激を与えるであろう。増大した広範な分解のため 、一層独立した情報が聴覚の皮質に送られ、このため、電気的な刺激による、良 好な会話−理解性の確率は、増大する。電極ポールに供給される信号は、信号発 生器により発生され、ここに、その信号発生器は、それぞれの電極のため、ある いは一群の電極のため、独自の信号を発生することが可能である。中心電極４は 、必ずしも、負の、あるいは接地極に選ばれねばならないことはない。第１の電 極ポールが、負の、あるいは接地極として選ばれるところの、他の態様もまた可 能であり、ここに、そのときは、正の電位が中心電極に与えられる。増大した広 範な分解のため、神経に刺激されるところの情報は、良好にコントロールされう る。 本発明による聴覚の人工器官では電流ロスが生じないので、全体の電流消費は 減ぜられるであろう。なぜなら、これは、本質的に、神経繊維を刺激するため必 要な電流によって左右されるからである。電流の低下、接点表面上の電流強さの 低下、および電極接点ｉ−ｎの狭小化は、鼓室階の液に逆行不能な電気化学的反 作用を生じさせてしまうような安全基準を越えることなく、製品化されうる。 ｎ個の電極接点２−ｉ、および中心電極４による組み付けは、ひとつまたはそ れ以上の基準電極を選択することが可能である。このため、長さ方向と同様に放 射状方向の電流の成分は影響を与えうる。たとえば、中心電極４とともにひとつ またはそれ以上の電極２−ｉが基準電極として選択され、刺激パルスが他の電極 ２−ｊ（ｉ≠ｊ）に供給されると、長さ方向の成分は、電流が２−ｊから２−ｉ および電極４に向かって流れるので、好都合である。かくて、それぞれの刺激期 間の間、別の電極間の他の補償を選択すること可能である。この別の電極は、グ ループワイズ（groupswise）、あるいはグループごとに選択できて、刺激パター ンを発生することが可能である。さらに、いくつかのグループは同時に刺激され るうる。多くの電極の存在のため、大きな変更を得ることもまた可能であり、こ のため別の電極間でさらなる正確な刺激が可能である。 図５に、放射状の場のラインが、第１の電極２−ｎと２−ｎ−２間の長さ方向 の場のラインと同様に、第１の電極の間に発生されるところの例が示される。他 の刺激パターンの例によると、３電極（２−ｉ，２−ｉ＋１および２−ｉ＋２） のグループが刺激される。後者の例において、電極２−ｉおよび２−ｉ＋２に、 刺激パルスが強さ−１／２で期間の前半に適用され、電極２−ｉ＋１に、刺激パ ルスが強さ１で第１の期間の半分に適用される。そして、第２の期間の半分は、 電流の極性は逆転される。グループワイズでの刺激により、蝸牛軸の知覚チャネ ルを決定して、それぞれの知覚チャネルを第１の電極のグループに割り当てるこ とを可能にする。 選択性、チャネル相関、および電流消費の最小化は、互いに密接に関係し、神 経繊維の刺激部分に関連する、異なる電極接点の形態および配置により決定され る。一方では中央階に対する電極接点の押し付けで、他方では蝸牛軸に対する押 し付けにより、配向は、最善化される。個々の刺激接点の選択により、正確に適 応された刺激パルスが神経に注入されうるところの、形態が得られる。 ここに、刺激パルスの発生が図６および７により説明される。図６は、電流パ ルスパターンの例を示す。水平方向に時間が示され、垂直方向に電流の強さが示 される。電流は２相パルス化され、同時の放射状刺激の場合にはすべて完全に移 相が一致している。発生された２相電流パルスは、第１の期間Ｔ₁、第２の期間 Ｔ₂からなり、ここに、その期間Ｔ₁およびＴ₂における電流の方向は、互いに反 対である。期間Ｔ₁の継続期間は、ｎ個の電極接点のｎ個のパルスすべてにとっ て等しく、同時刺激の場合には、期間Ｔ₂も同様である。もっとも、その期間Ｔ₁ およびＴ₂は、同一の時間の継続期間を有することは必要ではない。電流の同時 的な適用により、蝸牛における電流の配分は、良好にコントロールされうる。 第１および第２の位相における電流の大きさは、音響信号の前処理により決定 される。この目的のため、図７に示される、変換器１８の回路が、最初に説明さ れる。聴覚の人工器官は、音響信号１０をキャッチし、それを増幅器１２に供給 するため備えられた、マイクロホン１１を含む。増幅器１２の出力は、並列的に 切り換えられる、一連のバンドパスフィルタ１３−１，１３−１，・・・，１３ −ｎに接続される。これらフィルタは、音響信号をｎ個の異なる周波数レンジに 分離する。それぞれ^のｊ^thフィルタ（１≦ｊ≦ｎ）は、その信号を電流値に変換 する電流変換器１４に接続されている。その変換は、供給されたフィルタ出力値 および事前に選択された電極のグループ−ここに、ぞれぞれのグループはその都 度知覚チャネルを決定する−を考慮することにより、行われる。３１個の第１の 電極の使用により、３１グループが可能である。この変換器１４の出力は、２相 電流パルス発生器１５に接続され、ここに、その発生器は、その電流値を使用し て期間T₁ ^jおよびT₂ ^jで大きさI₁ ^jおよびI₂ ^jの２相パルスを発生する。それぞれの ｊ^th電極接点は、この電流パルス発生器１５に出力に接続されている。たとえば キャパシタのような、電気的な電荷感応素子１６は、少なくともひとつの刺激期 間にわたって、注入された正味の電荷を検出し、フィードバック要素１７をコン トロールし、ここに、その要素の出力は、電流パルス発生器１５のコントロール 入力に接続される。 かくして、受け取られた音響信号は、その音響信号の作用で、同時にあるいは 連続して、互いに重ねられた２相電流パルスを発生するため、この変換器１８に よって処理され、ここに、その電流パルスは、電極接点に供給される。それぞれ のＪ^th電流パルスの大きさI₁ ^jおよびI₂ ^jは、それゆえ、この供給される音響信 号に、およびそれとともに相互に関連したチャネルワイズ（channel-wise）に依 存する。図６に示される例では、第１の位相の時間の継続期間Ｔ₁は、第２の位 相の時間の継続期間Ｔ₂と等しい。ｊ^th電流パルスの大きさもまた、｜I₁ ^j｜＝｜ I₂ ^j｜である。第１の電極のあらかじめ定められたグループの刺激については、 それぞれの電流パルスは、そのグループのための選択された刺激パターンの作用 で、決定される。 蝸牛部材のために反対の結果となるところの、電極接点にかかる直流電流を回 避するため、全体の期間Ｔ＝Ｔ₁＋Ｔ₂にわたる正味の電流は、最少に保たれるべ きであり、好ましくは零に等しくすべきである。後者を実現するため、選択され た基準電極４の正味の電流が、直流電流メータ１６により測定される。もし、期 間Ｔにわたる平均値が零と異なっていると、フィードバック要素１７により、第 １および第２の位相の時間の継続期間が自動的に調整されるか、あるいは、第２ の期間Ｔ₂の電流に関する第１の期間Ｔ₁の電流（あるいは、この逆）が、小さな 期間の間の平均の正味の電流が零に向かうような方法で適応させられる。このよ うな方法においては、正味の直流電流は回避され、個々に分離キャパシタを使用 しないようなすことを可能にする。 蝸牛内（intra-cochlear）基準電極の使用により、個別的に放射状に刺激する ことが可能である。位相の一致したパルスの使用により、同時的な刺激では、さ に、良好に電流分配をコントロールし、切り離しのためのキャパシタの使用を回 避できるフィードバックシステムを提供することが可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．蝸牛に埋め込み可能な、担体に付加された電極の組を含み、電極の組は、蝸 牛軸の聴神経を刺激するための電流を適用するため備えられ、前記電極の組は 、互いに近くにかつ互いに間隔をもって、前記担体の第１の長さ方向の側に沿 って配された、第１の一連の電極ポールを含み、該第１の組の電極ポールのそ れぞれは、個々に信号発生器に接続され、前記電極の組は、前記信号発生器に 接続される第２の電極ポールを含み、第２の電極ポールは、前記担体の第２の 長さ方向の側に沿って配されている、聴覚の人工器官であって、前記第２の電 極ポールは、前記第１の電極ポールが延在するのと実質上同じ距離にわたって 延在し、信号発生器は、選択された電極ポール間に、放射状および／または長 さ方向の成分で電界ラインを発生するところの信号を発生するために備えられ ることを特徴とする聴覚の人工器官。 ２．前記第２のポールは、長さ方向に構成されることを特徴とする請求の範囲１ に記載の聴覚の人工器官。 ３．前記信号発生器は、第１および第２の位相が、実質上同じ時間の継続期間を 有するものの、相互に逆であるところの、２相刺激パルスを発生するため備え られることを特徴とする請求の範囲１または２に記載の聴覚の人工器官。 ４．前記電極の組は、少なくともひとつの選択可能な基準電極を含み、フィード バック要素が、その基準電極と前記発生器との間に適用され、フィードバック 要素は、電流パルス期間にわたり測定された正味の電流を零に減ずるため備え られることを特徴とする請求の範囲３に記載の聴覚の人工器官。 ５．前記電極の組は、３１個の電極を含むことを特徴とする請求の範囲１ないし ４のいずれかに記載の聴覚の人工器官。 ６．前記信号発生器は、その都度、第１の電極ポールのグループを選択し、刺激 パターンをグループワイズで発生するための選択要素が設けられていることを 特徴とする請求の範囲１ないし５のいずれかに記載の聴覚の人工器官。