JP5374366B2 - 人工内耳電力供給システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は人工内耳に関し、より具体的には、人工内耳のための電力供給システムおよび方法に関する。

人工内耳および他の人工内耳装置は、重度難聴者または重度聴覚障害者を手助けするための１つの選択肢である。増幅変調音声信号を印加するだけの従来の補聴器とは異なり、人工内耳は、聴覚神経の直接的な電気刺激に基づく。典型的には、人工内耳は、正常な聴力と最も類似する聴感が得られるように内耳内の神経構造を電気的に刺激する。

より特定的には、正常な耳は、図１に示すように、外耳１０１を介して鼓膜１０２に音声を伝送し、これが中耳１０３の骨を動かすことにより蝸牛１０４に刺激を与える。蝸牛１０４は、前庭階１０５として知られる上側経路、および鼓室階１０６として知られる下側経路を含んでおり、これらは、蝸牛管１０７によって接続される。中耳１０３によって伝送された受信音声に応じて、液体で満たされた前庭階１０５および鼓室階１０６が、波を伝送する振動子として機能して電気パルスを発生し、これが蝸牛神経１１３に伝送され、最終的に脳に達する。

正常な感音聴力を部分的にまたは完全に失くした人が存在する。ユーザの蝸牛１０４を直接刺激することによりこれを解消する人工内耳システムが開発されている。典型的な人工蝸牛装置は本質的に２つの部分（音声処理装置およびインプラント式刺激装置１０８）を含む。音声処理装置（図１には図示せず）は、典型的には、マイクロフォン、システム全体の電源（バッテリ）、および音響信号の信号処理を行い、刺激パラメータを抽出するために用いられる処理装置を含む。最新の人工装置では、音声処理装置は、耳掛け式（ＢＴＥ）の機器である。刺激装置は刺激パターンを発生し、それらを、通常は内耳内の鼓室階に配置される電極アレイ１１０により神経組織へと導く。音声処理装置と刺激装置の接続は、通常、無線波（ＲＦ）リンクにより確立される。なお、ＲＦリンクを介して、刺激エネルギーおよび刺激情報の両方が伝えられる。典型的には、数百キロビット毎秒のビットレートを採用するデジタルデータ転送プロトコルが用いられる。

人工内耳の標準的な刺激法の一例としては、Ｂ．Ｗｉｌｓｏｎによって開発された「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ−Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ」（ＣＩＳ）と呼ばれるものがある（例えば、本明細書においてその全てを参考として援用する非特許文献１を参照されたい）。

ＲＦリンクを用いた現在の人工蝸牛の総電力収支は、本質的に、

によって表され、ここで、Ｐ_ＢＡＴＴは、バッテリによって出力される電力であり、Ｐ_ＳＩＧは、（外部）信号処理の消費電力であり、Ｐ_ＳＴＩＭは、インプラント式刺激装置の消費電力（実際の電気的刺激力を含む）を表し、ηは、ＲＦリンクの総電力効率である。

の比は、ＲＦ送信器に流れる電力を表す。なお、使用する刺激法に応じてＰ_ＳＴＩＭおよびＰ_ＳＩＧが最初に決定される。例えば、上記のＣＩＳ法については、標準値は、Ｐ_ＳＴＩＭ＝６ｍＷおよびＰ_ＳＩＧ＝６ｍＷである。η＝０.２５の場合、Ｐ_ＢＡＴＴ＝３０ｍＷである。

（完全インプラント式人工内耳（Ｔｏｔａｌｌｙ Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ Ｃｏｃｈｌｅａｒ Ｉｍｐｌａｎｔ）（ＴＩＣＩ））
完全インプラント式人工内耳（ＴＩＣＩ）は、永久使用される外部素子を有さない人工内耳システムである。ＴＩＣＩは、典型的には、マイクロフォンを含み、後段では、特定の刺激法（例えば、ＣＩＳ）を実施するための音声信号処理が行われる。また、刺激電極、電力管理電子装置、およびＲＦ信号の経皮的伝送のためのコイルも含む。

ペースメーカーインプラントとは異なり、ＴＩＣＩの電源は、一般に、充電可能でないバッテリでは安定しない。これは、ＴＩＣＩの総パルス繰り返し率がはるかに高いためである。例えば、ペースメーカーでは毎秒約１パルスが発生するのに対して、ＣＩＳを用いた人工内耳では、典型的には、毎秒約２０キロパルスが発生する。その上、ペースメーカーでは単純な検知作業が行われるのに対して、人工内耳では、典型的には、複雑な音声信号処理が行われる。結果として、ＴＩＣＩでは、典型的には、所定の動作時間後に充電が必要となる充電可能バッテリが必要とされる。充電に用いられる外部機器は、ＲＦ信号を経皮的に伝送する機器を含む。これは、装着式のものであってもよく、予備充電可能バッテリ、ならびに必要に応じて、リモートコントロールおよびＦＭ機器等を含むがこれらに限定されない他の補助装置を含んでもよい。

（急速充電）
従来、インプラント式充電可能バッテリの充電は、誘導ＲＦリンクにより行われている。「急速充電」と呼ばれる標準的なアプローチは、最大充電電流によってのみ制限されるが、バッテリをできるだけ高速に充電することを必要とする。典型的な最新バッテリ技術（例えば、３．６Ｖリチウムイオン技術）では、ｍＡ単位の絶対最大充電電流は、名目上は容量Ｃと等しい。例えば、容量Ｃ＝２０ｍＡｈのバッテリでは、絶対最大充電電流は２０ｍＡであるため、空のバッテリの充電に約１時間要する。しかしながら、急速充電の以下の局面を考慮する必要がある。

（ａ）典型的な急速充電（すなわち、エネルギーの下限まで長時間かけてゆっくり放電した後、エネルギーの上限まで最大充電電流で比較的に短時間で充電すること）はバッテリに相当な圧迫を加え、バッテリの容量がなくなる前に充電サイクル数を低下させる場合がある。そのような方式では、典型的には、リチウムイオン技術については５００〜１０００サイクルしか得られない。ＴＩＣＩを１日動作させるのに十分なバッテリ容量の場合、１日に必要な充電作業は１回である。最大で１０００サイクルとは、インプラントを行った３年後に、ＴＩＣＩまたは少なくともＴＩＣＩ用充電可能バッテリを交換しなければならなくなる場合があることを意味する。しかしながら、最長でも３年の期間しかなければ、多様な人工内耳用途にとっては非実用的であり得る。

（ｂ）バッテリの寿命は、容量を増大させることにより、最大充電サイクル数を増やさずに延長させることができる。例えば、容量がＴＩＣＩをわずか１日でなく５日間動作させるほど十分に大きい場合には、最大バッテリ寿命も許容可能と考えられる約１５年まで長くなる。しかしながら、容量を５倍に増やすことはまた、容量に対する体積も同じだけ増やすことになり、これは、人工内耳内のスペースが非常に制限されているという点で不可能であり得る。インプラント式充電可能バッテリを内耳近辺に局所的にではなく体内の他の場所に配置するアプローチは技術的には可能であるが、現在は実施されていない。例えば、上胸部のペースメーカー機器に位置に充電可能バッテリを配置することは、技術的な観点から見ると理にかなっている。

（ｃ）急速充電はバッテリの温度を上昇させることがあり、それに伴って周辺組織の温度が上昇する場合がある。温度上昇量は、ＲＦ磁場強度、充電電流、充電時間、ＴＩＣＩ質量、および血行を含む多くの要因に依存し得る。最大温度上昇が１Ｋであれば許容可能である。

（ｄ）最新のバッテリ技術の場合、耳の近辺に局所的に配置された充電可能バッテリの最大容量は、数十ｍＡｈ程度に制限される。この制限は空間的要件によるものであり、ＴＩＣＩを約１日動作させることができる。しかしながら、患者の観点から見ると、少なくとも１、２時間続く充電を毎日頻繁に行わなければならないことは、魅力的な選択肢ではない。

（他の充電可能バッテリの考察）
インプラント式充電可能バッテリは、特定の状況下では適切でないことがある。例えば、非常に幼い子供にとっては、インプラント式充電可能バッテリは大きすぎるかまたは重すぎる場合がある。多くの患者にとっては、頭部に電源を携帯すること、または多少面倒な（毎日の）充電行為は喜ばしいものではないであろう。

Ｗｉｌｓｏｎ ＢＳ，Ｆｉｎｌｅｙ ＣＣ，Ｌａｗｓｏｎ ＤＴ，Ｗｏｌｆｏｒｄ ＲＤ，Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ ＤＫ，Ｒａｂｉｎｏｗｉｔｚ ＷＭ，「Ｂｅｔｔｅｒ ｓｐｅｅｃｈ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｃｏｃｈｌｅａｒ ｉｍｐｌａｎｔｓ」，Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．３５２，２３６−２３８，Ｊｕｌｙ １９９１

本発明の第１の実施形態によれば、人工内耳システムは、ユーザの聴覚系に対して音響信号を表す電気刺激信号を生成する刺激モジュールを含むインプラント可能部を有する。インプラント可能部は、刺激モジュールに電力供給するバッテリ、ユーザの皮膚を横切って電力信号を受信する受信モジュール、および電力信号を用いてバッテリを充電する充電モジュールをさらに含む。充電モジュールは、バッテリを最大充電率未満で充電する。

本発明の関連する実施形態では、人工内耳システムは、ユーザの外皮の特定の位置への配置に適合した外側部分をさらに含んでもよい。外側部分は、ユーザの皮膚を横切って電力信号を伝送する電力信号伝送モジュール、および電力信号伝送モジュールに電力供給する第２のバッテリを含む。第２のバッテリは充電可能であってもよい。外側部分は、単一の筐体内に収容されるとともに第１の磁石を含み、インプラント可能部は第２の磁石を含み、外側部分は実質的に第１の磁石と第２の磁石間の磁力に基づいてユーザの適切な位置に保持されるように適合されていてもよい。代替的に、または磁力と組み合わせて、外側部分は、耳掛け等の当該分野で公知の他の機構を用いて適切な位置に保持されてもよい。

本発明のさらに関連する実施形態では、電力信号は、変調プログラミングデータを含まないか、または低レート変調プログラミングデータであってもよい。充電モジュールは、バッテリを最大充電率の５０％または１０％未満で充電してもよい。バッテリは、電力信号が受信モジュールによって受信されない場合に刺激モジュールに電力を供給してもよい。充電モジュールがバッテリを充電しながら、バッテリが刺激モジュールに電力供給を行うようにしてもよい。刺激モジュールは、バッテリが作動していないときに電力信号により電力を供給されるように適合されてもよい。刺激モジュールは、電極アレイ、音響信号を受信するマイクロフォン、マイクロフォンによって受信された音響信号を、上記音響信号を表す電気刺激信号に変換する信号処理器を含んでもよい。信号処理器は電極アレイを電気刺激信号で刺激する。受信モジュールは、電力信号を受信する受信コイルを含んでもよい。

本発明の他の実施形態では、人工内耳システムは、ユーザの外皮の特定の位置への配置に適合した外側部分を含む。外側部分は、ユーザの皮膚を横切って電力信号を伝送する電力信号伝送モジュールを含む。外側部分は、電力信号伝送モジュールに電力供給するバッテリをさらに含む。インプラント可能部は電力信号を受信し、ユーザの聴覚系に対して音響信号を表す電気刺激信号を生成する。インプラント可能部はバッテリを有さない。

本発明の関連する実施形態では、バッテリは充電可能であってもよい。外側部分は単一の筐体内に収容されるとともに第１の磁石を含んでもよく、インプラント可能部は第２の磁石を含んでもよい。外側部分は第１の磁石と第２の磁石間の磁力に基づいてユーザの適切な位置に保持されるように適合される。電力信号は変調プログラミングデータを含まないか、または低レート変調プログラミングデータを含むようにしてもよい。

本発明のまたさらに関連する実施形態では、インプラント可能部は、電極アレイ、音響信号を受信するマイクロフォン、およびマイクロフォンによって受信された音響信号を、上記音響信号を表す電気刺激信号に変換する信号処理器を含んでもよい。信号処理器は、電極アレイを電気刺激信号で刺激する。インプラント可能部は、電力信号を受信する受信コイルを含んでもよく、外側部分は当該外側部分を受信コイルと隣接する位置に固定する磁石を含む。

本発明の他の実施形態では、人工内耳システムを動作させる方法が提供される。この方法は、インプラント部により電力信号を受信することであって、インプラント可能部は最大充電率を有するバッテリを含む、ことを含む。バッテリは、電力信号を用いて最大充電率未満で充電される。

本発明の関連する実施形態では、電力信号は、ユーザの皮膚を横切ってインプラント部に伝送されてもよい。電力信号は、変調プログラミングデータを含まないか、または低レート変調プログラミングデータを含むようにしてもよい。

本発明のさらなる実施形態では、ユーザの外皮の特定の位置への配置に適合した外側部分を設けてもよい。外側部分は、ユーザの皮膚を横切って電力信号をインプラント部に伝送する電力信号伝送モジュール、および電力信号伝送モジュールに電力供給する第２のバッテリを含んでもよい。上記方法は、第２のバッテリを充電することをさらに含んでもよい。外側部分は、単一の筐体内に収容されるとともに、第１の磁石を含んでもよく、インプラント可能部は第２の磁石を含んでもよい。外側部分は、実質的に第１の磁石と第２の磁石間の磁力に基づいてユーザの適切な位置に保持されてもよい。

本発明のまたさらなる実施形態では、バッテリを充電することは、バッテリを最大充電率の５０％または１０％未満で充電することを含んでもよい。電力信号がインプラント部によって受信されない場合、バッテリを用いてインプラント可能部に電力を供給してもよい。電力信号を用いてバッテリの充電とユーザの聴覚系を刺激するためのインプラント可能部に対する動作電力の提供を同時に行ってもよい。バッテリの充電は、動作電力の提供よりも消費電力が少なくなるようにしてもよい。バッテリが作動していないときに電力信号を用いてインプラント可能部に電力を供給してもよい。インプラント可能部は、音響信号を表す電気刺激信号を生成してもよい。インプラント可能部は、電極アレイ、マイクロフォン、および信号処理器を含み、上記方法は、信号処理器において、マイクロフォンによって受信された音響信号を、上記音響信号を表す電気刺激信号に変換し、電極アレイを電気刺激信号で刺激することをさらに含んでもよい。インプラント可能部は、電力信号を受信する受信コイルを含み、外側部分は磁石を含み、上記方法は、磁石を用いて外側部分を受信コイルと隣接する位置に固定することをさらに包含してもよい。

本発明の他の実施形態では、人工内耳を動作させる方法は、ユーザの外皮の特定の位置への配置に適合した外側部分を提供することを含む。外側部分は、ユーザの皮膚を横切って電力信号を伝送する電力信号伝送モジュール、および電力信号伝送モジュールに電力供給する第１のバッテリを含む。電力信号は、バッテリを有さないインプラント部により受信される。インプラント部は、音響信号を表す電気刺激信号を生成する。

本発明の関連する実施形態では、電力信号は、変調プログラミングデータを含まないか、または低レート変調プログラミングデータを含むようにしてもよい。インプラント可能部は、電極アレイ、マイクロフォン、および信号処理器を含んでもよい。信号処理器は、マイクロフォンによって受信された音響信号を、上記音響信号を表す電気刺激信号に変換し、電極アレイを電気刺激信号で刺激する。インプラント可能部は、電力信号を受信する受信コイルを含み、外側部分は磁石を含んでもよい。磁石を用いて外側部分を受信コイルと隣接する位置に固定してもよい。バッテリは充電可能であってもよい。外側部分は単一の筐体内に収容されるとともに、第１の磁石を含み、インプラント可能部は第２の磁石を含んでもよい。外側部分は、第１の磁石と第２の磁石間の磁力に基づいてユーザの適切な位置に保持される。

本発明の他の実施形態では、人工内耳システムは、ユーザの外皮の特定の位置への配置に適合した外側部分を含む。外側部分は、第１の磁石、およびユーザの皮膚を横切って電力信号をインプラント可能部に伝送する電力信号伝送モジュールを含む。インプラント可能部は第２の磁石を有する。外側部分は、電力信号伝送モジュールに電力供給するバッテリをさらに含む。外側部分は、単一の筐体内に収容されるとともに、実質的に第１の磁石と第２の磁石間の磁力に基づいてユーザの適切な位置に保持されるように適合される。

本発明の関連する実施形態では、バッテリは充電可能であってもよい。電力信号は変調プログラミングデータを含まないようにしてもよい。

前述した本発明の特徴は、添付の図面とともに下記の詳細な説明を参照することでさらに容易に理解される。
本発明はさらに、例えば、以下を提供する。
（項目１）
人工内耳システムであって、
ユーザの聴覚系に対して音響信号を表す電気刺激信号を生成する刺激モジュールと、
該刺激モジュールに電力供給するバッテリであって、該バッテリは最大充電率を有する、バッテリと、
ユーザの皮膚を横切って電力信号を受信する受信モジュールと、
該電力信号を用いて該バッテリを該最大充電率未満で充電する充電モジュールと
を含む、インプラント可能部を備える、人工内耳システム。
（項目２）
ユーザの外皮の特定の位置への配置に適合された外側部分をさらに備え、
該外側部分は、
該ユーザの皮膚を横切って前記電力信号を伝送する電力信号伝送モジュールと、
該電力信号伝送モジュールに電力供給する第２のバッテリと
を含む、項目１に記載の人工内耳システム。
（項目３）
前記第２のバッテリは充電可能である、項目２に記載の人工内耳システム。
（項目４）
前記外側部分は単一の筐体内に収容され、該外側部分は第１の磁石を含み、前記インプラント可能部は第２の磁石を含み、該外側部分は実質的に該第１の磁石と該第２の磁石との間の磁力に基づいて前記ユーザの適切な位置に保持されるように適合される、項目２に記載の人工内耳システム。
（項目５）
前記外側部分は単一の筐体内に収容され、該外側部分は第１の磁石を含み、前記インプラント可能部は第２の磁石を含み、該外側部分は耳掛けを用いて前記ユーザの適切な位置に保持されるように適合される、項目２に記載の人工内耳システム。
（項目６）
前記電力信号は変調プログラミングデータを含まない、項目１に記載の人工内耳システム。
（項目７）
前記電力信号は低レート変調プログラミングデータを含む、項目１に記載の人工内耳システム。
（項目８）
前記充電モジュールは前記バッテリを前記最大充電率の５０％未満で充電する、項目１に記載の人工内耳システム。
（項目９）
前記充電モジュールは前記バッテリを前記最大充電率の１０％未満で充電する、項目１に記載の人工内耳システム。
（項目１０）
前記バッテリは前記電力信号が前記受信モジュールによって受信されない場合に前記刺激モジュールに電力を供給する、項目１に記載の人工内耳システム。
（項目１１）
前記充電モジュールがバッテリを充電しながら、該バッテリが前記刺激モジュールに電力供給を行う、項目１に記載の人工内耳システム。
（項目１２）
前記刺激モジュールは前記バッテリの作動していないとき、前記電力信号により電力を供給されるように適合される、項目１に記載の人工内耳システム。
（項目１３）
前記刺激モジュールは、
電極アレイと、
音響信号を受信するマイクロフォンと、
該マイクロフォンにより受信された音響信号を、該音響信号を表す電気刺激信号に変換する信号処理器であって、該電極アレイを該電気刺激信号で刺激する信号処理器と
を含む、項目１に記載の人工内耳システム。
（項目１４）
前記受信モジュールは前記電力信号を受信する受信コイルを含む、項目１に記載の人工内耳システム。
（項目１５）
ユーザの外皮の特定の位置への配置に適合した外側部分であって、
該ユーザの皮膚を横切って電力信号を伝送する電力信号伝送モジュールと、
該電力信号伝送モジュールに電力供給するバッテリと、
を含む、外側部分と、
該電力信号を受信し、該ユーザの聴覚系に対して音響信号を表す電気刺激信号を生成するインプラント可能部であって、バッテリを有さないインプラント可能部と
を備える、人工内耳システム。
（項目１６）
前記バッテリは充電可能である、項目１５に記載の人工内耳システム。
（項目１７）
前記外側部分は単一の筐体内に収容され、該外側部分は第１の磁石を含み、前記インプラント可能部は第２の磁石を含み、該外側部分は該第１の磁石と該第２の磁石との間の磁力に基づいて前記ユーザの適切な位置に保持されるように適合される、項目１５に記載の人工内耳システム。
（項目１８）
前記電力信号は変調プログラミングデータを含まない、項目１５に記載の人工内耳システム。
（項目１９）
前記電力信号は低レート変調プログラミングデータを含む、項目１５に記載の人工内耳システム。
（項目２０）
前記インプラント可能部は、
電極アレイと、
音響信号を受信するマイクロフォンと、
該マイクロフォンによって受信された音響信号を、該音響信号を表す電気刺激信号に変換する信号処理器であって、該電極アレイを該電気刺激信号で刺激する信号処理器と
を含む、項目１５に記載の人工内耳システム。
（項目２１）
前記インプラント可能部は前記電力信号を受信する受信コイルを含み、前記外側部分は該外側部分を該受信コイルと隣接する位置に固定する磁石を含む、項目１５に記載の人工内耳システム。
（項目２２）
人工内耳システムを動作させる方法であって、
インプラント部により電力信号を受信することであって、該インプラント可能部は最大充電率を有するバッテリを含む、ことと、
該電力信号を用いて該バッテリを該最大充電率未満で充電することと
を包含する、方法。
（項目２３）
ユーザの皮膚を横切って前記電力信号を前記インプラント部に伝送することをさらに包含する、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
前記電力信号は変調プログラミングデータを含まない、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
前記電力信号は低レート変調プログラミングデータを含む、項目２３に記載の方法。
（項目２６）
ユーザの外皮の特定の位置への配置に適合した外側部分を提供することをさらに包含し、
該外側部分は、
該ユーザの皮膚を横切って前記電力信号を前記インプラント部に伝送する電力信号伝送モジュールと、
該電力信号伝送モジュールに電力供給する第２のバッテリと
を含む、項目２３に記載の方法。
（項目２７）
前記第２のバッテリを充電することをさらに包含する、項目２６に記載の方法。
（項目２８）
前記外側部分は単一の筐体内に収容され、該外側部分は第１の磁石を含み、前記インプラント可能部は第２の磁石を含み、実質的に該第１の磁石と該第２の磁石との間の磁力に基づいて前記ユーザの適切な位置に該外側部分を保持することをさらに包含する、項目２６に記載の方法。
（項目２９）
前記バッテリを充電することは該バッテリを前記最大充電率の５０％未満で充電することを含む、項目２２に記載の方法。
（項目３０）
前記バッテリを充電することは該バッテリを前記最大充電率の１０％未満で充電することを含む、項目２２に記載の方法。
（項目３１）
前記電力信号が前記インプラント部によって受信されない場合、前記バッテリを用いて該インプラント可能部に電力を供給することをさらに包含する、項目２２に記載の方法。
（項目３２）
前記電力信号を用いて前記バッテリを充電し、前記ユーザの聴覚系を刺激するように前記インプラント可能部に対する動作電力の提供を同時に行うことをさらに包含する、項目２２に記載の方法。
（項目３３）
前記バッテリを充電することは動作電力を提供することよりも消費電力が少ない、項目３２に記載の方法。
（項目３４）
前記バッテリが作動していないときに前記電力信号を用いて前記インプラント可能部に電力を供給することをさらに包含する、項目２２に記載の方法。
（項目３５）
前記インプラント可能部により音響信号を表す電気刺激信号を生成することをさらに包含する、項目２２に記載の方法。
（項目３６）
前記インプラント可能部は、電極アレイと、マイクロフォンと、信号処理器とを含み、
該信号処理器において、該マイクロフォンによって受信された音響信号を、該音響信号を表す電気刺激信号に変換し、該電極アレイを該電気刺激信号で刺激することをさらに包含する、項目２２に記載の方法。
（項目３７）
前記インプラント可能部は前記電力信号を受信する受信コイルを含み、前記外側部分は磁石を含み、該磁石を用いて該外側部分を該受信コイルと隣接する位置に固定することをさらに包含する、項目２２に記載の方法。
（項目３８）
人工内耳を動作させる方法であって、該方法は、
ユーザの外皮の特定の位置への配置に適合した外側部分を提供することであって、該外側部分は、
該ユーザの皮膚を横切って電力信号を伝送する電力信号伝送モジュールと、
該電力信号伝送モジュールに電力供給する第１のバッテリと
を含む、ことと、
インプラント部で該電力信号を受信することであって、該インプラント可能部はバッテリを含まない、ことと、
該インプラント部により音響信号を表す電気刺激信号を生成することと
を含む、方法。
（項目３９）
前記電力信号は変調プログラミングデータを含まない、項目３８に記載の方法。
（項目４０）
前記電力信号は低レート変調プログラミングデータを含む、項目３８に記載の方法。
（項目４１）
前記インプラント可能部は、電極アレイと、マイクロフォンと、信号処理器とを含み、
該信号処理器において、該マイクロフォンによって受信された音響信号を、該音響信号を表す電気刺激信号に変換し、該電極アレイを該電気刺激信号で刺激することをさらに包含する、項目３８に記載の方法。
（項目４２）
前記インプラント可能部は前記電力信号を受信する受信コイルを含み、前記外側部分は磁石を含み、該磁石を用いて該外側部分を該受信コイルと隣接する位置に固定することをさらに包含する、項目３８に記載の方法。
（項目４３）
前記バッテリを充電することをさらに包含する、項目３８に記載の方法。
（項目４４）
前記外側部分は単一の筐体内に収容され、該外側部分は第１の磁石を含み、前記インプラント可能部は第２の磁石を含み、該第１の磁石と該第２の磁石との間の磁力に基づいて前記ユーザの適切な位置に該外側部分を保持することをさらに包含する、項目３８に記載の方法。
（項目４５）
ユーザの外皮の特定の位置への配置に適合した外側部分であって、
第１の磁石と、
該ユーザの皮膚を横切って前記電力信号をインプラント可能部に伝送する電力信号伝送モジュールであって、該インプラント可能部は第２のバッテリを有する、電力信号伝送モジュールと、
該電力信号伝送モジュールに電力供給するバッテリと
を含む、外側部分を備える、人工内耳システムであって、
該外側部分は単一の筐体内に収容され、該外側部分は実質的に該第１の磁石と該第２の磁石との間の磁力に基づいて該ユーザの適切な位置に保持されるように適合される、システム。
（項目４６）
前記バッテリは充電可能である、項目４５に記載の人工内耳システム。
（項目４７）
前記電力信号は変調プログラミングデータを含まない、項目４５に記載の人工内耳システム。

図１は、ヒトの耳の耳構造および典型的な人工内耳システムを示す。 図２は、本発明の一実施形態に従って「バックグラウンド充電」を実現する人工内耳システムを示すブロック図である。

本発明の例示的な実施形態では、人工内耳を動作させるシステムおよび方法は、バッテリおよび電力伝送モジュールを含む外部素子を含む。インプラント素子が、電力伝送モジュールから電力信号を受信し、これを用いてインプラント素子に電力供給しながら、そのバックグラウンドで同時にインプラント素子の充電可能バッテリを充電する。本発明のさらなる実施形態は、インプラント蝸牛素子に対する電力供給に有利に使用可能であるが変調プログラミングデータは供給しない小型「バッテリボタン」に関する。

「バックグラウンド充電」
図２は、本発明の一実施形態に従って「バックグラウンド充電」を実施する人工内耳システムを示すブロック図である。「バックグラウンド充電」は、例えば、完全インプラント式人工内耳（ＴＩＣＩ）の充電に用いることができる。外部機器２０１はボタン状（「バッテリボタン」）であってもよく、電力信号送信コイル２０５の生成および伝送のために、ＲＦ回路２０４および送信コイル２０５とともに、外部バッテリ２０３を含む。外部機器２０１はまた磁石２０６も含んでおり、第２のインプラント磁石２０７と組み合わせて送信コイル２０５と受信コイル２０８とを最小距離に保つ。外部バッテリは充電可能であってもよい。

多くの実施形態では、外部機器２０１は、ＴＩＣＩに対して電力を伝送するが、情報は伝送しないかまたは最小限の情報しか伝送しない。最小限の情報としては、例えば、電力信号に変調される低レートプログラミングデータがある。本明細書および添付の請求項で用いる「低レートプログラミングデータ」という用語は、文脈上他の意味を必要とする場合を除き、１ｋＨｚ以下のレートで伝送されるデータを意味するものとする。

ＴＩＣＩ２０２で（例えば、コイルとして例示されている受信モジュール２０８によって）受信したエネルギーは、２つの部分に分割することができる。エネルギーの第１の部分は、正常な動作のために十分な、すなわち、信号処理２１０および刺激モジュール２１１による電極２１２を刺激する刺激信号の生成のために十分なエネルギーＰ_ＳＩＧ＋Ｐ_ＳＴＩＭをＴＩＣＩ２０２に供給するために使用することができる。エネルギーの第２の部分Ｐ_{ＲＥＣＨＡＲＧＥ}は、充電モジュール２１３によってエネルギー蓄積装置２０９を充電するために用いられる。Ｐ_{ＲＥＣＨＡＲＧＥ}は、通常、Ｐ_ＳＩＧ＋Ｐ_ＳＴＩＭよりもかなり小さくなるため、この概念を「バックグラウンド充電」と呼ぶ。

総エネルギー収支は、

によって求められる。

式（１）との主な相違点は、データを用いずにＣＷ信号のみを用いるため、ＲＦ効率η_ｃｗをηよりも実質的に高くできることである。例えば、
Ｐ_ＢＡＴＴ＝３０ｍＷ、η_ｃｗ＝０．５、Ｐ_ＳＴＩＭ＝６ｍＷ、Ｐ_ＳＩＧ＝６ｍＷの場合、Ｐ_{ＲＥＣＨＡＲＧＥ}＝３ｍＷとなる。

バックグラウンド充電を採用した場合、ＴＩＣＩバッテリ２０９の再蓄電は比較的にゆっくりと行われる。しかしながら、ＴＩＣＩバッテリ２０９の瞬間的な蓄電状態によっては、外部機器２０１を用いずに動作を行うことが可能である。バックグラウンド充電期間Ｔ_{ＲＥＣＨＡＲＧＥ}および外部機器２０１を用いないＴＩＣＩ動作期間Ｔ_ＯＰ（すなわち、内部エネルギー蓄積装置からＴＩＣＩ２０２にエネルギーが供給されるとき）は、
Ｔ_{ＲＥＣＨＡＲＧＥ}Ｐ_{ＲＥＣＨＡＲＧＥ}＝Ｔ_ＯＰ（Ｐ_ＳＩＧ＋Ｐ_ＳＴＩＭ） （３）
によって与えられる。

これは、エネルギー量Ｔ_{ＲＥＣＨＡＲＧＥ}Ｐ_{ＲＥＣＨＡＲＧＥ}がＴＩＣＩ用バッテリの容量によって制限されない場合に有効である。上記の例では、式（３）から、

が得られる。

バックグラウンド充電のいくつかの局面を以下に要約する。

（ａ）ユーザが装着する外部機器を、充電可能バッテリ２０９をゆっくり充電するために使用することは、完全インプラント式システムと多少矛盾する。しかしながら、バックグラウンド充電と急速充電の相違点は、単に量の相違であって、品質の相違ではない。当然ながら、外部バッテリを使用しなくても、十分に充電された内部バッテリであれば、刺激モジュールに電力を供給することができる。

（ｂ）急速充電およびバックグラウンド充電は互いに相容れないものではない。インプラント式刺激装置を両方の充電技術が実践的に実現されるように設計してもよい。

（ｃ）急速充電と比較して、バックグラウンド充電では、止むを得ず充電作業を行う必要はない。

（ｄ）バックグラウンド充電に用いられる外部機器（すなわち、バッテリボタン）は、患者の快適性が最大となるように設計することができる。外部機器の構成部品は、現在の人工内耳システムで用いられるＲＦ送信器とほぼ同サイズの単一の筐体内に集中させてもよい。多くの実施形態では、外部システムに配線を備えないようにしてもよい。

（ｅ）バックグラウンド充電については、バッテリのサイクル寿命の問題が大幅に緩和される。これには２つの理由がある。１つ目は、充電電流が低いために、バッテリの充電に関連するストレス度が大幅に低くなることである。充電は、バッテリの最大充電率未満で行われる。例えば、バッテリは、その最大充電率の７５％、５０％、２５％、または１０％で充電することができるがこれらに限定されない。２つ目は、充電時間が長いため、急速充電と比較して、「当然ながら」サイクル期間が非常に長くなることである。

（ｆ）温度変化に関する問題が最小限に抑えられる。

（ｇ）バックグラウンド充電は、ほぼ全てのサイズのバッテリ容量Ｃに対して合理的に実施することができる。例えば、外部機器を用いなければ１時間程度しかＴＩＣＩを動作させることができない比較的に小さな容量であっても、患者には非常に喜ばれる。

（ｈ）なお、バックグラウンド充電に関しては、ＴＩＣＩにおいて、インプラント式充電可能バッテリがない（Ｃ→０）代わりに電気エネルギーを蓄積するための他の（より効果が低い）手段が存在するケースは例外である。例えば、インプラント供給電圧を安定させるために通常用いられるコンデンサは、エネルギー蓄積装置と見なすことができる。ＴＩＣＩの動作に必要な電源供給電力は、外部（充電可能）バッテリによって供給しなければならない。例えば、非常に幼い子供にとっては、非常に小型のインプラントが必要な場合に、インプラント式充電可能バッテリを含まないことが適切な場合がある。さらに、多くの患者にとっては、頭部に電源を携帯するという発想は好ましいものでなく、多少面倒な（毎日の）充電行為も喜ばしいものではないであろう。

（ｉ）（例えば、耐用年数が経過して）インプラント式バッテリが機能しなくなった際に、再度インプラントを行わない場合には、ＴＩＣＩとともに外部バッテリを用いることが有利なことがある。そのような場合には、インプラント式バッテリを用いることなく、外部バッテリ（すなわち、「ボタンバッテリ」）を用いて刺激モジュールに直接電力を供給してもよい。

（ｊ）バックグラウンド充電に固有の１つの利点は、ＴＩＣＩの全体的なエネルギーの状態に関連する。充電期間中には、ＴＩＣＩに対してほぼ一定のエネルギーが流れる（式（２）参照）。ＴＩＣＩ内では、信号処理Ｐ_ＳＩＧによる消費電力もある程度一定しているが、刺激力Ｐ_ＳＴＩＭは（例えば、音量レベルに依存して）時間の関数として変化する。Ｐ_ＳＴＩＭ＋Ｐ_{ＲＥＣＨＡＲＧＥ}の合計を一定に維持することを目的とした電力管理システムを設計してもよい。これにより、バッテリは、エネルギーバッファシステムとしての機能を果たす。例えば、Ｐ_ＳＴＩＭが特定の瞬間において最大消費量の２０％しかない場合、残りの８０％を浪費することなくバッテリの充電に用いることができる。

（ｋ）多くの実施形態では、バッテリボタンは、典型的には、連続波（ＣＷ）信号を生成する。伝送エネルギーに変調されるデータはないので、外部機器２０１は、都合よく、他の人工内耳システムの外部機器よりも単純かつ安価となる。これは子供にとっては特に重要である。

（ｌ）多くの実施形態では、ボタン２０１は、皮膚に対して過度に刺激性がある圧力を加えることなく、磁力（すなわち、磁石２０６と２０７間の磁力）だけで適切な位置に維持されるように十分に軽量にしてもよい。代替的に、または磁力に加えて、ボタンを適切な位置に維持するために耳掛け等の他の機構を用いてもよい。好適な実施形態では、ボタンの重量はほぼ１０〜１２ｇ未満である。

（ｍ）バッテリボタンは相対的に安価に製造できるため、１つのインプラントに対して数個を供給することができる。

（ｎ）ボタンは容易に交換できるため、一般には、ボタンの外部バッテリにより一日中エネルギーを提供する必要はない。相対的に安価に作ることができるため、１つのインプラントシステムに対して数個が設けられる。

本発明の各種の例示的実施形態を開示したが、本発明の正確な範囲を逸脱することなく本発明の利点のいくつかを達成する各種の変更および修正が可能であることは当業者には明白である。

Claims (13)

1. インプラント可能な部分と外側部分とを含む人工内耳システムであって、
   該インプラント可能な部分は、
   ユーザの聴覚系に対して音響信号を表す電気刺激信号を生成する刺激モジュールと、
   該刺激モジュールに電力を供給するバッテリであって、該バッテリは、最大充電率を有する、バッテリと、
   ユーザの皮膚を横切って電力信号を受信する受信モジュールと、
   該電力信号を用いて該バッテリを該最大充電率未満で充電する充電モジュールと
   を含み、
   該外側部分は、ユーザの外皮の特定の位置に配置されるように適合されており、
   該外側部分は、
   ユーザの皮膚を横切って該電力信号を伝送する電力信号伝送モジュールであって、該電力信号は、変調されたデータを含まない、電力信号伝送モジュールと、
   該電力信号伝送モジュールに電力を供給する第２のバッテリと
   を含む、人工内耳システム。
2. 前記第２のバッテリは、充電可能である、請求項１に記載の人工内耳システム。
3. 前記外側部分は、単一の筐体内に収容されており、該外側部分は、第１の磁石を含み、前記インプラント可能な部分は、第２の磁石を含み、該外側部分は、該第１の磁石と該第２の磁石との間の磁力に実質的に基づいて前記ユーザの適切な位置に保持されるように適合されている、請求項１に記載の人工内耳システム。
4. 前記外側部分は、単一の筐体内に収容されており、該外側部分は、第１の磁石を含み、前記インプラント可能な部分は、第２の磁石を含み、該外側部分は、耳掛けを用いて前記ユーザの適切な位置に保持されるように適合されている、請求項１に記載の人工内耳システム。
5. 前記充電モジュールは、前記バッテリを前記最大充電率の５０％未満で充電する、請求項１に記載の人工内耳システム。
6. 前記充電モジュールは、前記バッテリを前記最大充電率の１０％未満で充電する、請求項１に記載の人工内耳システム。
7. 前記バッテリは、前記電力信号が前記受信モジュールによって受信されない場合に前記刺激モジュールに電力を供給する、請求項１に記載の人工内耳システム。
8. 前記充電モジュールは、前記バッテリが前記刺激モジュールに電力を供給している間に、該バッテリを充電する、請求項１に記載の人工内耳システム。
9. 前記刺激モジュールは、前記バッテリが作動していない場合に、前記電力信号によって電力を供給されるように適合されている、請求項１に記載の人工内耳システム。
10. 前記刺激モジュールは、
    電極アレイと、
    音響信号を受信するマイクロフォンと、
    該マイクロフォンによって受信された音響信号を、該音響信号を表す電気刺激信号に変換する信号処理器であって、該電極アレイを該電気刺激信号を用いて刺激する信号処理器と
    を含む、請求項１に記載の人工内耳システム。
11. 前記受信モジュールは、前記電力信号を受信する受信コイルを含む、請求項１に記載の人工内耳システム。
12. ユーザの外皮の特定の位置に配置されるように適合されている外側部分を含む人工内耳システムであって、
    該外側部分は、
    第１の磁石と、
    該ユーザの皮膚を横切って電力信号をインプラント可能な部分に伝送する電力信号伝送モジュールであって、該電力信号は、変調されたデータを含まず、該インプラント可能な部分は、第２の磁石を有する、電力信号伝送モジュールと、
    該電力信号伝送モジュールに電力を供給するバッテリと
    を含み、
    該外側部分は、単一の筐体内に収容されており、該外側部分は、該第１の磁石と該第２の磁石との間の磁力に実質的に基づいて該ユーザの適切な位置に保持されるように適合されている、人工内耳システム。
13. 前記バッテリは、充電可能である、請求項１２に記載の人工内耳システム。
    

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