JP5578540B2

JP5578540B2 - 視覚再生補助装置及び視覚再生補助装置の製造方法

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Publication number: JP5578540B2
Application number: JP2009179331A
Authority: JP
Inventors: 靖雄寺澤; 昭宏上原
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: JP2011030734A

Description

本発明は患者の視覚の一部又は全部を再生する視覚再生補助装置及び視覚再生補助装置の製造方法に関する。

近年、失明治療技術の一つとして、複数の電極が形成された基板を有する体内装置を体内に埋植し、網膜を構成する細胞を電気刺激して視覚の再生を試みる視覚再生補助装置の研究がされている。このような視覚再生補助装置は、例えば、体外装置を用いて撮像された映像を所定の信号に変換して体内に設置された体内装置に送信し、電極から電気刺激パルス信号（電荷）を出力して網膜を構成する細胞を電気刺激することにより、視覚の再生を試みる装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）。

２００９‐０８２４９６号公報

網膜を構成する細胞を電気刺激して視覚を得ようとするためには、刺激電極から所定量の電荷を注入することが必要となるが、刺激電極が電荷を伝達する能力は電極の表面積に比例する。一方、好適な視覚の再生を行うためには、電極密度が高いことが必要とされ、生体内の限られたスペースで電極密度を高めるためには、電極のサイズが小型であることが求められる。そこで、電極のサイズを増加させずに電荷注入能力を向上させるため、電極の表面積を増大させることが望まれている。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、電極の表面積を簡単に増加させることのできる視覚再生補助装置の製造方法及び視覚再生補助装置を提供することを技術課題とする。

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）患者眼に複数の電極を設置し、該電極より所定の電気刺激パルス信号を出力させて視覚の再生を促す視覚再生補助装置において、前記電極は、柱状の立体形状を有し、且つ、レーザーによる金属加工を用いて，前記電極上面の表面積の増加量が前記電極側面の表面積の増加量に対して大きくなるように前記電極の体積を減少させる表面処理が施されることによって、不均一で微細な凹凸形状を有することを特徴とする。
（２）患者眼に複数の電極を設置し、該電極より所定の電気刺激パルス信号を出力させて視覚の再生を促す視覚再生補助装置の製造方法において、所定の基板上に柱状の立体形状を有する複数の電極を形成する第１ステップと、該第１ステップにより前記基板上に形成された前記電極に対してレーザーによる金属加工を用いて，前記電極上面の表面積の増加量が前記電極側面の表面積の増加量に対して大きくなるように前記電極の体積を減少させる表面処理を施すことにより、不均一で微細な凹凸形状を前記電極の表面に施す第２ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、視覚再生補助装置に用いられる電極の表面積を簡単に増加させることができる。

本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は視覚再生補助装置の外観を示した概略図、図２は視覚再生補助装置における体内装置を示す図である。

視覚再生補助装置１は、図１及び図２に示すように、外界を撮影するための体外装置１０と、網膜を構成する細胞に電気刺激を与え視覚の再生を促す体内装置２０とからなる。体外装置１０は、患者が掛けるバイザ１１と、バイザ１１に取り付けられるＣＣＤカメラ等からなる撮影装置１２と、外部デバイス１３、一次コイルからなる送信手段１４等にて構成されている。

外部デバイス１３には、ＣＰＵ等の演算処理回路を有するデータ変調手段１３ａ、視覚再生補助装置１（体外装置１０及び体内装置２０）の電力供給を行うためのバッテリ１３ｂが設けられている。データ変調手段１３ａは、撮影装置１２にて撮影した被写体像を画像処理し、さらに得られた画像処理後のデータを、視覚を再生するための電気刺激パルス用データに変換する処理を行う。送信手段１４は、データ変調手段１３ａにて変換された電気刺激パルス用データ及び後述する体内装置２０を駆動させるための電力を所定の信号、本実施形態では、電磁波として体内装置２０側に伝送（無線送信）する。この電磁波には、電気刺激パルス用データと電力が重畳されている。また、送信手段１４の中心には図示なき磁石が取り付けられている。磁石は後述する受信手段３１との位置固定に使用される。

バイザ１１は眼鏡形状を有しており、図１に示すように、患者の眼前に装着して使用することができるようになっている。また、撮影装置１２はバイザ１１の前面に取り付けてあり、患者に視認させる被写体を撮影することができる。

次に、体内装置２０の構成を説明する。図２（ａ）は、体内装置２０の外観を示し、図２（ｂ）は刺激部４０の断面を示した図である。体内装置２０は、大別して体外装置１０から送信される電気刺激パルス信号用データや電力を電磁波にて受け取る受信部（受信ユニット）３０と、網膜を構成する細胞を電気刺激する刺激部（刺激ユニット）４０により構成される。受信部３０には、体外装置１０からの電磁波を受信する２次コイルからなる受信手段３１や、制御部３２が設けられている。制御部３２は、受信手段３１にて受信された電気刺激パルス用データと電力とを分けるとともに、電気刺激パルス用データを基に、視覚を得るための電気刺激パルス信号と、電気刺激パルス信号と対応する（電気刺激パルス信号を出力させる）電極を指定する電極指定信号等を含む制御信号とに変換し、刺激部４０へ送信するための役割を有している。

これら受信手段３１や制御部３２は、基板３３上に形成されている。なお、受信部３０には送信手段１４を位置固定させるための図示なき磁石が設けられている。対向電極（帰還電極）３４はそれぞれの電極４４の対向して配置され、効率的に細胞等を電気刺激するための部材である。

また、刺激部４０は、電気刺激パルス信号を出力する複数の電極４４、刺激制御部４２（制御手段）、これらを設置する基板４３を含む。各電極４４は、各々が刺激制御部４２に接続される。刺激制御部４２は、制御部３２から送られてきた制御信号（電極指定信号を含む）に基づいて、対応する電気刺激パルス信号を電極４４の各々へ振り分けるマルチプレクサ機能を有する。

電極４４は、機械的に伸展された棒状の白金バルク材料から作られる。白金バルク材料の製造工程において冷間引き抜き等によって機械的に伸ばされるときに、白金バルク材料を構成する白金の金属結晶粒が長軸方向に伸ばされ、その伸展方向（軸方向）に一次元の異方性が発生する。電極４４は、白金バルク材料をその軸方向に垂直な断面（断面には結晶粒界が多く含まれる）で切断したときに、その切断面が電極上部４４ｃ（図３参照）となるように形成される。ここでは、電極４４は外径が１００〜５００μｍ、高さが１００〜５００μｍの立体的な弾丸形状に形成される。

なお、ここでは、電極４４を構成する電極材料に白金が使用される場合を説明しているが、これ以外にも、生体適合性が高い金属、例えば金、窒化チタン、純イリジウム又は酸化イリジウム、タンタル等を使用できる。

また、電極４４は後述の表面処理によって、粗い表面状態（表面に複数の溝からなる凹凸が形成された状態）に形成される。表面処理が行われず電極４４の表面が滑らかな場合と比べて表面積が増加することで、電極４４の電荷注入能力が高められる。このとき、前述のように白金バルク材料の切断面が電極上部４４ｃとなるように電極４４が形成されていることで、表面処理によって効率よく電極４４の表面積が増加されるようになる。電極４４の表面処理方法の詳細な説明は後述する。

図３は電極４４付近の模式的断面図である。電極４４は基台４４ａと、基台４４ａを基部として柱状（凸状）に延びた柱部材４４ｂで構成される。基板４３は、第１基板となるベース部４３ａと、第２基板となるカバー部４３ｂにて構成されており、ベース部４３ａとカバー部４３ｂの間には、基台４４ａと、基台４４ａに接続されたワイヤ４１が挟持されている。柱部材４４ｂの先端部は、カバー部４３ｂを貫通し、基板４３（ベース部４３ａ）から突出している。

ここで、電極４４の作成方法を簡単に説明する。前述のように白金バルク材料から弾丸形状に形成された電極４４は、基台４４ａとワイヤ４１とがレーザ溶接、抵抗溶接、圧着加工等の既存の接合技術により機械的に接続されると共に電気的に接続される。電極４４とワイヤ４１とが接続された状態で、平板状に作製された樹脂製のカバー部４３ｂに形成された図示を略す貫通孔に電極ユニット４４の円筒部４４ｂが通される。貫通孔は、レーザ加工又は機械加工により円筒部４４ｂを貫通させる程度の大きさに形成されると共に、所定の位置にある電極４４の数に合わせて形成されている。

次に、既存の蒸着技術を用いて、カバー部４３ｂと同種の樹脂を基台４４ａに所定の厚さが得られるまで蒸着させ、フレキシブル性を有する平板状のベース部４３ａを形成する。これにより、基台４５ａ及びワイヤ４１は、カバー部４３ｂとベース部４３ａにて狭持（包埋）され、円筒部４５ｂが、基板４３上に凸状に形成される。

本実施形態で用いられる基板４３は、眼内、特に、層状の眼組織内に設置されるため、眼球の形状に沿うことが好ましく、層間（層内）に長期埋植されても患者の負担が少ないことが好ましい。このため、基板４３は、パリレン、ポリプロピレン、ポリイミド、シリコーン等、生体適合性が高く、所定の厚さにおいて折り曲げ可能（フレキシブル）な材料を長手方向に延びた平板状に加工したものを用いる。基板４３の厚みは、１０〜１００μｍとされる。この基板４３には、電極４４と刺激制御部４２が電気的に接続する導線であるワイヤ４１が配置される。ワイヤ４１は、生体適合性の高い金属、例えば、金、白金等から形成され、その表面を生体適合性を有すると共に絶縁性を有する素材、例えば、パリレン、ポリイミド、テフロン（登録商標テフロン）、シリコーン等の樹脂にて被覆される。ワイヤ４１の厚み（径）は、基板４３のフレキシブル性や長期設置性に好ましい程度の厚み、例えば、１０〜１００μｍとされる。基板４３上に実装された刺激制御部４２はワイヤ４１を介して基板４３上に複数個形成された電極４４と接続される。ワイヤ４１は基板４３にて覆われる。ワイヤ４１の金属部分が絶縁性を有する被覆に二重に覆われるため、ワイヤ４１部分に体液等の浸潤がしても、漏電等の可能性が低くなる。

刺激制御部４２は、各半導体素子の組合せにより機能を果たす半導体の集積回路であり、半導体基板上に集積回路を機能させるパターン配線が形成された面を基板４３側にして接合されている。また、詳細な説明は略すが、刺激制御部４２は、その周囲をメッキなどに覆われており、生体からの浸潤等を低減させる構成とされる。なお、刺激制御部４２は、セラミックスや金属にて形成された気密ケースを用いて密封処理される構成としてもよい。このような場合、刺激制御部４２は、ケースに設けられたビアを介してワイヤ４１と接続される。

また、体内において離れた位置に置かれる受信部３０と刺激部４０とは複数のワイヤ（導線）５０によって電気的に接続されている。ワイヤ５０は、体内に設置された際に眼球運動に対応した伸縮性、耐久性を備えることが好ましく、上述のワイヤ４１と同様の素材にて作製される。受信部３０に一端を接続されたワイヤ５０は、刺激部４０に配置されたワイヤ４１の末端部分に接続される。詳細な説明は略すが、ワイヤ５０とワイヤ４１は、熔接や圧着等により接続される。また、ワイヤ５０は、取扱いし易いように、生体適合性の高い素材、例えば、シリコーン、パリレン等により作製されたケーブル５１に収められる。

なお、図示は略すが、受信部３０は、ケーブル５１、対向電極３４を外に出して、気密性の高い容器に収められ、その容器の蓋を密閉される。さらに、容器の上から生体適合性がよく絶縁性を有する樹脂等でコーティングされる。これにより、受信部３０はハーメチックシールされる。

次に、基板４３上に形成された電極４４に対して表面処理を行い表面積を増大させる方法について説明する。図４に電極４４の表面のエッチングを行い、微細な凹凸形状を有した粗い表面状態に形成するための表面処理装置１００の構成を示す。

ガラスビーカ等の容器（セル）１０１には、電気分解を行うための水溶液１０１ａが入れられる。水溶液１０１ａとしては、燐酸緩衛生理食塩水等の他、食塩水、塩酸等、白金を溶解することができる塩化物塩を含む媒質が溶解されたものが好適に使用される。

水溶液１０１ａには、刺激部４０（電極４４）、対向電極１０３及び参照電極１０４が浸される。この時、刺激部４０は全ての電極４４が水溶液１０１ａに浸されるようにセル１０１に入れられる。対向電極１０３には、白金、タンタル、チタン、炭素電極など水溶液１０１ａにより腐食しない材質のものが使用される。参照電極（基準電極）１０４には、例えば、銀塩化銀参照電極、飽和カロメル電極、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極などが使用される。

刺激部４０（電極４４）、対向電極１０３、参照電極１０４は水溶液１０１ａで一定の距離を隔てて配置される。ここでは、刺激部４０と参照電極１０４とは所定の間隔を保つようにシリコンゴム１０７で固定される。また、刺激部４０の電極４４と対向電極１０３とは互いに向かい合うように配置されると共に、平行に配置される。

なお、ここでは電極４４が刺激部４０に組み込まれた状態で表面処理を行う場合を説明するが、電極４４のみの状態（刺激部４０に組み込まれる前の状態）で表面処理が行われても良い。

刺激部４０（電極４４）、対向電極１０３、参照電極１０４は、定電圧（定電流）を出力するための電圧制御手段であるポテンショスタット（ポテンシオスタット）１０５に配線を介して接続される。なお、各電極４４は、刺激部４０のワイヤ５０がクリップ等を介して配線と接続されることで、ポテンショスタット１０５と電気的に接続される。（電極４４を単体で表面処理する場合は、電極４４の基台４４ａにクリップ等を介して配線が接続される）。

また、ポテンショスタット１０５は、所定の電圧波形を出力させる信号源１０６と接続される。信号源１０６からの出力は、ポテンショスタット１０５により定電圧（定電流）にされ、刺激部４０（電極４４）と対向電極１０３との間に印加される。
以上のように、表面処理装置１００は、特殊な薬品又は特殊な設備を必要とせず、簡単で安価に構成することができる。

次に、以上のような構成を備える表面処理装置１００を用いて、電極４４の表面処理（エッチング）をする方法を実験に基づき説明する。実験条件として、電極４４は直径が約５００μｍ、高が約５００μｍの弾丸形状のものを使用した。水溶液１０１ａには燐酸緩衛生理食塩水（濃度０．９％の塩化ナトリウム溶液で燐酸緩衛してあるもの）を使用し、室温（２３度）にて表面処理を行った。なお、ポテンショスタット１０５には、ＮＦ社製のWavefactory WF1946を使用した。信号源１０６には、北斗電工社製 HA‐151を使用した。

信号源１０６からは、振幅±５Ｖ、ｄｕｔｙ比５０％の方形波を出力させ、ポテンショスタット１０５を介して電極４４の電位を＋５Ｖに１秒間、−５Ｖに１秒間保持させた状態（周波数０．５Ｈｚ）を１サイクルとして、５時間印加させ、電極４４に対して電気化学的な酸化還元反応を起こし、その表面に微細な凹凸形状を形成させた。なお本文書において、断わりのない限り電圧は、銀塩化銀参照電極を基準とした値である。

図５に実験結果として、走査型電子顕微鏡ＳＥＭによる電極４４の撮影画像を示す。図５（ａ）は表面処理前の電極４４を斜め方向から撮影した画像（倍率：１５０倍）、図５（ｂ）は表面処理後の電極４４を斜め方向から撮影した画像（倍率：１５０倍）、図５（ｃ）は表面処理前の電極上部４４ｃの拡大画像（倍率：１０００倍）、図５（ｄ）は表面処理後の電極上部４４ｃの拡大画像（倍率：１０００倍）である。

図５（ｂ）、（ｄ）から、表面処理装置１００によるエッチングにより、電極４４の表面に複数の溝が形成されたことが分かる。なお、本実験では直径２〜８μｍ程度、深さ２〜８μｍ程度の複数の溝が形成され、電極４４の表面は微細な凹凸形状とされている。

図示を略すサイクリックボルタンメトリー（電子スキャン速度０．０５Ｖ／秒、電圧範囲＋１．１Ｖ〜ー‐０．８５Ｖ）で得られた図示を略すサイクリックボルタモグラムを用いて、表面処理前後での電極４４の表面積を比較した。その結果、図５（ｂ）、（ｄ）に示す表面処理後の電極４４の表面積は、図５（ａ）、（ｃ）に示す表面処理前の電極４４の表面積と比べて約４．３倍に増加していることが分かった。
つまり、以上のように簡単な構成の表面処理装置を用いて、簡単に電極４４の表面積を増加させることができるようになる。

なお、図５（ｂ）（ｄ）の表面処理後の撮影画像から、電極４４の表面は全体が均一にエッチングされておらず、電極上部４４ｃ（患者の網膜を構成する細胞に接触される面）が集中してエッチングされていることが分かる。

これは、電極形成の際に電極材料を冷間引き抜きによって伸展させたために、電極４４を構成する白金分子が異方性（結晶粒界）を持ち、その結果、電極上部４４ｃ伸展方向のエッチング速度が、電極側面よりも速くなるためだと考えられる。つまり、異方性を有する材料で電極４４を形成することで、特定の方向をエッチングしやすく（しにくく）できる。

なお、エッチングにより電極上部４４ｃの表面積がより増加されることで、電極上部４４ｃから放出される電荷量がより増加され、網膜を構成する細胞をより効率よく電気刺激できるようになる。一方、電極４４の側面はエッチングされにくくすることで、基板４３と電極４４との間に隙間を生じにくくさせ、より刺激部４０の絶縁性が保たれるようになる。

なお、電極４４のみ（電極４４が刺激部４０に組み込まれていない状態）で表面処理を行う場合も、電極材料の異方性を利用して、電極上面４４ｃの表面積の増加量が大きくなるようにすると共に、電極４４の側面をエッチングされにくくできる。これにより、電極４４の表面を、より効率良く電気刺激が出来る表面状態にできると共に、基盤４３との間の隙間を生じにくく出来る。

なお、電極４４をエッチングするためには、電極４４に印加される電圧の極性が一定の周期で反転されれば良い。例えば、電圧波形の周波数は０．５Ｈｚから１０Ｈｚ程度に設定すればよい。（周波数が高いとエッチングされにくくなる。一方、周波数が低いとエッチングに時間がかかる。）

また、上記では、実験条件として電圧の振幅をプラス側に＋５Ｖ、マイナス側に−５Ｖに設定した場合を説明したが、電圧の振幅はプラス側に＋１．５〜＋５．０Ｖ、マイナス側に−５．０Ｖ〜−１．５Ｖの範囲で設定しても良い。なお、電圧の振幅の絶対値が１．５Ｖよりも小さいとエッチングされにくくなる。一方、電圧の振幅の絶対値が５Ｖよりも大きくなると、電気分解により発生したガスが電極４４の表面に付着することでエッチングの斑に繋がることが懸念される。

以上のように、電気分解により電極４４の表面積を増加させる方法を説明したが、これ以外にも、電極４４の表面積を簡単に増加させる方法としては、表面処理装置として図示無きヤスリを用いて機械的に行う方法がある。ヤスリは、電極４４の表面に深さ数μｍ程度の溝を形成するような種類のものが使用される。ヤスリで、電極４４の表面（特に上側４４ｃ付近）が磨かれるようにすることで凹凸が形成され、これにより電極４４の表面積が増加される。

また、表面処理装置としてレーザ光源を利用して、レーザ照射により電極４４の表面に溝を形成させて表面積を増加させても良い。レーザ光源としては金属加工ができる種類のものが使用される。例えば、炭酸（ＣＯ２）レーザを用いて熱で電極４４の表面を溶解することで溝が形成される。同様に、ＹＡＧレーザを用いて電極４４の表面に溝が形成される。

更には、図６（図６（ａ）は模式的断面図、図６（ｂ）は模式的上面図である。）に示すように、表面積を増加させるために、予め孔４６が形成された形状の電極４４に対して上記の表面処理方法を適用すると、電極４４のサイズを変えずにより表面積を増やすことができるようになる。

電極４４には、複数の開口４６ａが形成されており、各開口４６ａから基板４３に向かって、所定の深さを有する孔４６が形成される。孔４６は内径Ｄ２にて、円柱状に座繰られて基板４３に対して略垂直に形成される。孔４６の高さ（電極４４の先端から低までの深さ）は、最大で電極４４が基板４３から突出した高さと同程度とされる。これにより、開口４６ａに対応して形成された孔４６内の表面積を出来るだけ広くしている。このように、電極４４の形状を予め表面積を広くするように形成させ、上記のいずれかの表面処理を行うことで、電極４４のサイズに対しての表面積をより広くすることができ、これにより電極４４の電荷注入能力を向上させることができる。

視覚再生補助装置の外観を示した概略図である。視覚再生補助装置における体内装置を示す図である。電極付近の模式的断面図である。表面処理装置の例である。走査型電子顕微鏡による電極の撮影画像である。電極形状の変容例である。

１視覚再生補助装置
１０体外装置
２０体内装置
３０受信部
４０刺激部
４４電極
１００表面処理装置

Claims

患者眼に複数の電極を設置し、該電極より所定の電気刺激パルス信号を出力させて視覚の再生を促す視覚再生補助装置において、
前記電極は、柱状の立体形状を有し、且つ、レーザーによる金属加工を用いて，前記電極上面の表面積の増加量が前記電極側面の表面積の増加量に対して大きくなるように前記電極の体積を減少させる表面処理が施されることによって、不均一で微細な凹凸形状を有することを特徴とする視覚再生補助装置。
患者眼に複数の電極を設置し、該電極より所定の電気刺激パルス信号を出力させて視覚の再生を促す視覚再生補助装置の製造方法において、
所定の基板上に柱状の立体形状を有する複数の電極を形成する第１ステップと、
該第１ステップにより前記基板上に形成された前記電極に対してレーザーによる金属加工を用いて，前記電極上面の表面積の増加量が前記電極側面の表面積の増加量に対して大きくなるように前記電極の体積を減少させる表面処理を施すことにより、不均一で微細な凹凸形状を前記電極の表面に施す第２ステップと、を有することを特徴とする視覚再生補助装置の製造方法。