JPS58501457A - 経皮信号伝達装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 経皮信号伝達システムと方法 本発明は一般に、患者の身体内へ電気信号を伝えるためのシステムに係るもので あシ、そして特定すれば、身体の中に埋込まれた受信器への信号の伝達に係るも のである。

神経と筋肉との刺激のための経皮信号伝達システムは知られており広く使用され ている。このシステムは他の伝達システム例えば埋込み電池の使用又は直接経皮 ツイヤリングの使用よシも一般に好まれている。典型的には、送信器は２つの誘 導結合コイルを介して埋込み受信器へ変調信号を送る。コイルはバンドパスフィ ルタとして協働作用する同調回路の部分である。

本出願人の米国特許第４，２８４，８５６と１９８１年５月２６日本出願人が出 願した現在係属中の米国特許出願牙２６７．４０５は、経皮信号伝達に誘導結合 コイルを使ルに誘起される電圧が送信器のコイルの正確な位置ぎめに結果的に依 存して最適効果を生ずるよう誘導伝達システム全設創していた。このため、精確 な出力信号が必要とされる聴覚刺激のような応用では、誘導伝達システムの有効 性には限界がある。

従って、本発明の対象は誘導結合コイルを利用した改良型経皮信号伝達システム である。

本発明の別の対象は、経皮伝達システムにおい゛て相対的な位置の許容度を改善 した誘導結合コイルの使用である。

本発明の更に別の対象は、誘導結合コイルによる信号の伝達の改良法である。

簡単にいえば、患者に埋め込んだ受信器へ患者の外側の送信器から信号を伝達す る本発明による経皮信号伝達システムは、送信器における第１の同調回路と受信 器における第２の同調回路とがこれらの回路の最も好都合な変位許容度をもって 本質的にクリティカルな結合を達成するように配置されているということを特徴 としている。

送信器の同調回路の結合コイルと受信器の同調回路の結合コイルとの本質的にク リティカル々結合を達成するため受信器の同調回路の結合コイルに対する送信器 の同調回路の結合コイルの位置ぎめの許容度は、送信器同調回路と受信器同調回 路のＱが５よりも大きく、且つ送信器の同調回路のＱが受信器の同調回路のＱの 好捷しくは６倍であるようにすることによって高められる。送信器の同調回路が 並列同調回路である場合には、それは不飽和電流源によって駆動されるのが好ま しい。受信器が負荷となっていないときに送信器のモード抵抗を測定し、次にこ の無負荷の場合の半分に送信器のモード抵抗が減少するよう受信器コイルに対し 送信器コイルを配置することによってクリティカルな結合を決定できる。出力ト ランジスタのｒｆコレクタ電圧を観察することにより負荷抵抗を最もよく測定で きる。

本発明の対象とそれの特徴とは添付図を参照しての以下の説明から容易に理解さ れよう。

第１図は経皮信号伝達システムの略図である。

第２図は同調回路のＱの値についてコイル結合ファクタ（正規化したもの）対回 路シンメトリのグラフである。

第６図は本発明に従う聴覚刺激システムのブロック図でちる。

第４図と第５図とは第６図に示す刺激システムの２つの実施例の電気回路図であ る。

添付図を参照する。第１図の電気回路図に示す経皮信号伝達システムは、全体を １０で示す送信器の同調回路と全体を１２で示す受信器の同調回路とを備えてい る。

送信器の同調回路１Ｄは無線周波増巾トランジスタ１４により駆動され、そして この同調回路１０は抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１そしてインダクタＬ１を備え、こ れらはすべて並列に接続されている。受信器の同調回路はインダクタＬ２、コン デンサＣ２そして負荷抵抗Ｒ２’を備え、これらはすべて並列に接続されている 。これら２つのコイルＬ１、Ｌ２は相互インダクタンスＭを有している。

２つのコイルの結合係数は相互インダクタンスＭとインダクタンスＬ１、Ｌ２と により次のように表わされる。

２つのコイルがＱｌとＱ２の同調回路内にそれぞれ含まれていて、第１図に示す ようにバンドパスフィルタを形成している場合には結合係数は次のように正規化 される。

Ｋ＝ｋ（Ｑｌ・Ｑ２　）　”’＝（Ｑｌ・Ｑ２）１／／２・Ｍ／（Ｌｌ・Ｌ２） １／２クリテイカルカツプリングは、電流源により駆動されている２つの同調回 路から成るバンドパスフィルタについていうのであシ、そしてクリティカルカッ プリングにおいて出力電圧は最大値となる。増大したカンプリング又は過度のカ ップリングに対しても、減少したカップリング又は過少なカンプリングに対して も出力電圧は小さくなる。クリティカルカップリングは、同調回路のＱの値とは 無関係にに＝１で生じる。本文中で使用しているクリティカルな距離とはクリテ ィカルカップリングが生じる送信器のコイルと受信器のコイルとの間の距離であ る。

１つの最大値をもつ形から２つの最大値をもつ形へ２つのコイルのトランスイン ピーダンス全移行させるに必要なカンプリングの大きさが過渡カンプリングであ る。

第２図に示されているように、過渡カップリングに対するカンプリング係数には ２つのコイルのＱの値の比、即ちｕ＝Ｑ１／Ｑ２によシ変る。

第２図は、同調回路のＱの値、ＱｌとＱ２について正規化コイルカップリング係 数に対回路シンメトリのグラフである。このグラフから判ることは、直線１６に よシ示されているように同調回路の各Ｑ値とは関係なくＫ−１でクリティカルな カンプリングが生じているということである。曲線１８は、１つの最大値をもつ 形から２つの最大値をもつ形へトランスインピーダンスの絶対値を移行させるに 必要な過渡カンプリングのグラフである。

曲線１８によって判るように、過渡カンプリングはＱの値により変る。周波数に より変る入力インピーダンスの絶対値を移行させるに必要なカンプリングの大き さ、即ち入力過渡カンプリングは曲線２０により示されている。

入力過渡カンプリングも結合されたコイルのＱの値によって変る。第２図から判 るように、ｑ＝３、即ちＱ１＝３Ｑ２に対し周波数により変る過渡インピーダン スは１つの最大値から２つの最大値へ進み、クリティカルなカンプリングを示す 。

同調回路がクリティカル結合している経皮信号伝達システムを設計することによ り、埋込みコイルの誘起電圧のコイル分離に対する依存性は平担な最大値を示す 。クリティカルな距離の付近でカンプリングは、出力電圧が極めて僅か変化する 程度に間隔即ち横方向の距離を変えることにより変えれる。かくして、伝達シス テムは位置許容誤差に対して最適化される。

本発明による聴覚刺激装置のブロック図である第６図と、第６図の装置の略図で あるズ゛４．５図を参照する。

第６図において、マイクロホン５２の出力は破線５４で囲んで示すスピーチプロ セッサへ加えられる。スピーチプロセッサチャンネルに含まれている利得調整増 巾器ＧＣＡ５６の入力にマイクロホン５２からの出力を加え、そして利得調整増 巾器５６からの出力はパントノ（スフイルタＢＰＦ５８’ｅ通っていわゆるイン ラウドネス周波数調整回路６０へ加えられる。スピーチプロセッサ電子装置５４ に含まれるダイナミックレンジコンプレッション回路６２はイソラウドネス周波 数調整回路６０の前でも後でもそのどちらに配置してもよい。

スピーチプロセッサ５４からの出力は振巾変調送信器モジュール６４内の無線周 波数発振器からの出力を変調する。送信器からの変調された出力は伝達コイル６ ６とコンデンサ６８とに加えられ、これら２つの回路素子は同調回路７０として 作用する。

埋込みユニットろ６は皮膚７２の右側に示されており、そして並列コンデンサ７ ４を有する受信器のコイル２２を含む。受信コイル２２とコンデンサ７４との並 列組合せは同調受信回路７６を形成する。この同調受信回路からの出力はダイオ ード復調回路網７８の入力へ加えられ、この復調回路網７８は無線周波搬送波か ら変調包絡線を取シ除くよう普通の仕方で動作する。ダイオード復調器からの出 力はリード線２４を介して活性電極面と中性電極面とへ加えられる。

スピーチプロセッサ電子装置の構成と動作とは１９８１年５月２６日に本出願人 が出願し、現在係属中の米国特許第２６７．４０５に詳述されているので、ここ でその装置全説明する必要はないと考える。然しなから、振巾変調送信器モジュ ール６４の構成は第４図の電気回路の略図を参照して詳述しておく。この図にお いてマイクロホンピンクアップ５２とそれへ接続されているスピーチプロセッサ モジュール５４とは、全体を８６で示す変圧器の２次巻線８４の第１端子８２へ 結合されているものとして示されている。変圧器の１次巻線８Ｂは無線周波発振 器９０に接続されている。

端子８２と大地との間に減結合コンデンサ９２を接続する。このコンデンサは普 通の仕方で無線周波数を減結合している。２次巻線８４の他方の端子はＮＰＮ） ランジスタ９４のベース電極へ直結される。トランジスタのエミッタ電極は接地 され、そしてそれのコレクタ電極は送信コイル６６の中間端子９６へ結合される 。コンデンサ６８は全伝達コイル６６と並列に接続され、そして送１１：’　５ ９４の直流バイブスミ圧は端子１００に加えられる。

コイル６６とコンデンサ６８との共通接続点と大地との間に別の無線周波減結合 コンデンサ１０２が接続される。

埋込まれている受信器モジュールろ６は受信コイル２２と同調コンデンサ７４と を備える。受信器の復調器部分は、受信コイル２２の中間端子１０６ヘアノード を接続しそして接続点１０Ｂヘカソード電極を接続した半導体ダイオード１０４ から成る。抵抗１１０とコンデンサ１１２とは接続点１０Ｂとコイル２２の外側 端子１１４との間で相互に並列に接続されている。接続点１０８と活性電極との 間に直列にブロッキングコンデンサ１１６を配置する。第２電極は前述の接続点 １１４へ直結される。

動作に光って、話しから取出され、時間につれて変化する波である変調信号はス ピーチプロセッサ５４の出力に現われ、そして抵抗８０を介してトランジスタ変 調器へ加えられ、このトランジスタ９４のベースへ結合すれている変圧器を介し て発振器９０から無線周波搬送波が加えられている。コンデンサ９２とコンデン サ１０２とは無線周波信号を直流源から減結合している。変調トランジスタ９４ のコレクタは、コイル６６とコンデンサ６８とを含む同調送信器回路のタップへ 接続されている。

送信器コイル６６は変調された搬送波信号を埋込んだ受信器のコイル２２へ誘導 結合し、この受信器のコイル２２は、コンデンサ７４と一緒になって同調受信回 路を構成している。受信された信号は普通の仕方で半導体ダイオード１Ｕ３４に より復調され、コンデンサ１１２は無線周波減結合を果し、そして抵抗１１０は 大地への直流路を与えている。コンデンサ１１６は直流が電極へ流れるのを阻止 している。

同調送信器回路と同調受信器回路との組合せはバンドパスフィルター回路網を構 成している。送信器のコイル６６が受信器のコイル２２に対しクリティカルな距 離に配置されると刺激電圧は送信器のコイル６６と受信器のコイル２２との間の 相対位置と無関係であることが判明した。上に述べたようにクリティカルな距離 は、クリティカルな結合が生じる送信器のコイルと受信器のコイルとの間の間隔 をいう。もしこの間隔がクリティカルな距離よυも小さいと、過剰結合とカリ、 そしてその２つのコイル間の間隔がクリティカルな距離を越えると過少結合と々 る。同調バンドパスフィルタに対し、実効クリティカル結合はクリティカル距離 の付近のコイル間隔にわたって比較的安定した出力電圧全保証する。

受信器のコイルの電圧全送信器のコイルに流れる電流（ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａ ｎｃｅ　）　ｒｒｎは、電流源が送信器巻Ｓｔ駆動する場合だけ受信器のコイル に誘起される電圧を決定している。もし出力トランジスタ９４が飽和すると、入 力電圧は一定に保され、そして２次（受信コイル）の誘起電圧はトランヌインピ ーダンスｒｍ　ｋによって決められることはなくなり、結合係数Ｋに比例して増 大する電圧利得により決められることとなり、そしてそのため相対的な最大値を 示さなく々る。かくして、クリティカル結合もクリティカル距離もこの状態では 起らない。それ故、出力トランジスタ９４の飽和はクリティカルな結合値のいず れの側でもある範囲の結合係数にわたって回避されることとなろう。飽和が起っ たとしたならば、利用し得る範囲の結合係数は送信器のコイルと受信器のコイル との変位許容のように著しく減少せしめられる。

受信器全外科手術により埋込む場合には、埋込み手術を行なってしまうと、受信 器電極内の振動の節で直接測定することは実際には不可能となる。それ故、クリ ティカル結合を得るための送信器のコイルの位置は、送信器回路から得られる測 定から決め々ければならない。

クリティカル結合において、送信コイルの端子から内側を見たときの入力抵抗は 結合が全くないときの値の半分まで減少するということも示されている。このこ とを覚えておいて、クリティカル距離における送信器のコイルの最適配置をめる ことができる。即ち、トランジスタ９４を飽和させない低レベルの無線周波搬送 波をトランジスタ９４のベースへ加えることによりトランジスタ９４の無線周波 コレクタ電圧を、埋込んだ受信器のコイルに送信器のコイルを接近させ々から測 定する。３無負荷における値に対して無線周波コレクタ電圧を５０パーセン）・ 低下させるに必要な距離がクリティカル距離に送信器のコイルを配置しているこ とを示している。

５０％減少を見付けるため送信器のコイル電圧を監視する技術とはや３異なるア プローチとして、掃引入力抵抗の観察がある。即ち、送信器のコイルを受信器の コイルに接近させていき入力電流に対する入力端子の比の変化が１つの最大値か らクリティカル結合における２つの最大値へ移行するの全観察するのであって、 これは容易である。この方法の利点は、スピーチで変調した信号を受信器へ伝達 するのに実際使用される搬送波のレベルでその方法を実施できるということにあ る。別の方法は減少した搬送波レベルを使用するのであって、その場合もし送信 器に使用される無線周波増巾器の出力インピーダンスが電圧によって変化すると や＼不精確な結果となる。

この後の方法を実施するには、送信器のタンク回路のＱが受信器のタンク回路の Ｑの６倍程度であることが必要である。

牙４図において、スピーチプロセッサ５４からの変調信号は変圧器の２次巻線８ ４によシ出力トランジスタ９４のベースへ加えられる。出力トランジスタのベー スコンタクトに変調信号を加えることにより（位相変調）、飽和は回避される。

コレクタ変調を利用するときは、この望ましくない飽和が生じる。然しなから、 エミッタ電極に変調信号を加えれば解決できる。

外部のスピーチプロセッサと送信器との組合せと埋込み受信器との別の構成を牙 ５図に示す。単一のスピーチプロセンサー回路網５４と一組の刺激電極２４とは デュアル伝送チャンネルでインターフェースさせて経皮刺激を行わせる。マイク ロホンピンクアップ５２の入力はスピーチプロセッサ５４へ加えられる。このス ピーチプロセッサ５４は罰述の米国特許出願牙２６７．４０５に記載されている ように構成されている。スピーチプロセッサ回路５４からの変調信号は全体を１ １８で示す位相スプリンタへ加えられ、そこから振巾変調送信器１２０と１２２ とへ加えられる。位相スプリッタは、電圧源ＶＣへ抵抗１２６を介してコレクタ を接続したＮＰＮ　）ランジスタ１２４を含むものとして示されている。トラン ジスタ１２４のエミッタ電極は抵抗１２８を介して接地されている。トランジス タ１２４のコレクタ電極からの信号は送信器１２０へ加えられ、トランジスタ１ ２４のエミッタ電極に現われる信号は送信器１２２へ加えられる。

送信器１２０の出力は送信器のコイル１６３と並列コンデンサ１３５とから成る 同調回路１６１へ加えられ、送信器１２２の出力は送信器のコイル１３２と同調 コンデンサ１６４とから成る同様の同調回路１６０へ加えられる。患者の耳介の 後ろの側頭部の筋肉の下に埋込んだ受信器モジュールが含む同調回路１ろ６と１ ６８とはそれぞれ送信同調回路１６０と１３１とに誘導結合されている。同調回 路１６６は受信コイル１４０と同調コンデンサ１４２とを含み、同調回路１６８ は受信コイル１４４と同調コンデンサ１４６とを含む。受信コイル１４０の中間 端子へ接続されているのは半導体ダイオード１４８のアノード電極である。この ダイオードのカソード電極は接続点１５０へ結合されている。受信コイル１４４ の端子と接続点１５０との間に反対極性のダイオード１５２が接続されている。

受信コイル１４０．１４４の下方の端子は接続点１５１に一緒に結合されている 。接続点１５０と１５１との間には無線周波バイパスコンデンサ１５６と負荷抵 抗１５４との並列組合せが接続されている。接続点１５０も直流プロンキングコ ンデンサ１５５に介して活性電極へ結合されており、接続点１５１は大地、又は 他方の電極へ接続されている。

単一チャンネルの２つの電極を使用してたソー個所だけ（隆起又は堝牛空膜）を 刺激するのに第５図の回路を使用する。この回路はプッシュプルの形態で作動す る２つの伝送チャンネルを使用している。このプッシュプルの構造の利点は、抵 抗１５４を非常に大きく（又は取除くことさえ）でき、それにより埋込み部材へ 送られた実質的にすべての電力が電極へ到達するということである（勿論ダイオ ードの損失を無視してのことであるか）。

かくして、第４図のシングル伝達チャンネル装置と比較して約４分の１に入力を 減少できる。

第５図の実施例を、それぞれが第４図の単一伝送チャンネルに本質的に等価であ る２つの伝送チャンネルから成るものとして考えてもよい。電極インピーダンス と比較して抵抗１５４の値を大きくしているので、２つのチャンネルの伝送特性 に非対称性があってそのため差電流が生じてもその差電流は抵抗１５４が吸収す る。抵抗１５４の別の利点は、一方のチャンネルだけが動作すると第４図の抵抗 １１０と同じように作動するということである。かくして、この形態は一つの伝 送チャンネルが失われて、低効率で作動するとき別の伝送チャンネルを提供する ことによシ信頼性を増大する。

牙５図の回路において送信器は１８０度位相の異なる信号により変調される。こ れらの変調信号は、スピーチプロセッサ５４によりマイクロホン５２から得た音 声信号により駆動される位相スプリンタ１１８から得られる。

第４．５図の実施例におけるように２つの同調並列共振回路を使用するバンドパ スフィルタ全構成する代シに１つの直列同調回路と１つの並列同調回路とをもつ バンドパスフィルタとすることも可であることを当業者であれば理解しよう。こ の場合バンドパスフィルタの入力を電流駆動ではなく、電圧駆動してクリティカ ル結合点で誘起電圧の最大値を得る。直列同調回路が送信器の一部分を形成して いる構造では出力トランジスタが飽和状態で作動し、そしてコレクタ変調により 変調するのが好ましい。直列回路が受信電極の一部を形成している場合には送信 器の並列同調回路は不飽和無線周波増巾器により駆動される。

本発明の詳細な説明したけれどもこれらは本発明の例示τあって、本発明を限定 するものとして解すべきではない。本発明の思想内で当業者は種々に変更するこ ともあろう。

ＦＩＧ、−Ｉ Ｆ　ＩＧ、　−２ イ 溝 国際調査報告

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　送信器と受信器とを有する経皮信号伝達システムにおいてクリティカル結 合を達成するよう前記の受信器の第２の結合コイルに対し前記の送信器の第１の 結合コイルを配置する方法において、不飽和電流源により前記の送信器の第１の 結合コイルを駆動する段階と、前記の送信器の出力電圧が無結合の出力電圧の半 分に減少するように前記の第１と第２の結合コイルの間隔を調節する段階とを備 える方法。 ２　前記の第１の結合コイルと前記の第２の結合コイルとが第１の同調回路の部 分と第２の同調回路の部分とを構成し、前記の第１と第２の同調回路のクリティ カル結合が患者の皮膚をまたぐだけの巾の間隔で達成されるよう前記の第１と第 ２の同調回路のＱを選定する請求の範囲第１項に記載の方法。 ６　受信器の同調回路の結合コイルに対し送信器の同調回路の結合コイルの位置 ぎめ許容度を高め、そして前記の送信器の結合コイルと前記の受信器の結合コイ ルとの本質的にクリティカルな結合を達成する方法において、送信器の同調回路 と受信器の同調回路の質が５よりも大きく、前記の送信器の同調回路の質が前記 の受信器の同調回路の質の少なくとも６倍程度にする段階と、不飽和電流源で前 記の送信器の同調回路を駆動する段階とを備える方法。 ４、前記の送信器９出力電圧が前記の送信器の無負荷出力電圧の半分程度になる まで前記の第２のコイルに対し前記の第１のコイルを配置する段階を更に含んで いる請求の範囲オ６項に記載の方法。 ５、　患者に埋込んだ受信器へ患者の外部の送信器から信号を送る経皮信号伝達 システムにおいて、前記の送信器の第１の同調回路と前記の受信器の第２の同調 回路とを、これらの同調回路の最も好都合な変位許容度をもって本質的にクリテ ィカルな結合を達成するよう配置したことを特徴とする経皮信号伝達システム。 ６　前記の牙１と第２の同調回路が電流駆動バンドパスフィルターとして協働す るように作動する請求の範囲第５項に記載の経皮信号伝達システム。 Ｚ　前記の同調回路の各々が５よりも大きい質係数を有する請求の範囲第５項又 は６項に記載の経皮信号伝達システム。 ８、　前記の第１の同調回路の質が前記の第２の同調回路の質の少なくとも６倍 である請求の範囲オフ項に記載の経皮信号伝達システム。 ９　送信器手段と受信器手段と全備え、前記の送信器手段は搬送波信号発生器、 変調信号発生器、変調信号で搬送波信号を変調するための変調器、不飽和無線周 波出力増巾器及び前記の出力増巾器からの増巾され変調された搬送波信号を受取 るため第１のインダクタを含む第１の同調回路を含み、前記の受信器手段は身体 の中に埋込まれておシ、そして第２のインダクタを含む第２の同調回路と検波器 とを備え、そして前記の第１の同調回路と前記の第２の同調回路とはバンドパス フィルタとして作用し、前記の第１と第２のインダクタは本質的にクリティカル な結合を達成するよう配置されている経皮信号伝達システム。 １０、前記の送信器手段は無線周波搬送波をつくるための発振器と、この発振器 の出力へ結合された無線周波増巾器と、この無線周波増巾器へ前記の変調信号を 結合する手段とを含む請求の範囲オ９項に記載の経皮信号伝達システム。 １１、前記の送信器手段が、それぞれ無線周波搬送波信号をつくる第１と第２の 発振器、これらの第１と第２の発振器の出力へそれぞれ誘導結合されている第１ と第２の無線周波増巾器、これらの第１と第２の無線周波増巾器へ逆位相で前記 の変調信号を結合する位相スプリッティング手段、及び前記の第１と第２の無線 周波増巾器により別々に駆動されるように接続された第１と第２の同調回路金偏 えている請求の範囲オ９項に記載の経皮信号伝達システム。 １２、前記の受信器手段が前記の送信器手段の第１と第２の同調回路とクリティ カルに結合されるよう配置されているオ６と第４の同調回路を備え、前記の復調 器手段が接続点において前記の第３と第４の同調回路の間に接続された一対の反 対極性のダイオードと、前記の接続点に接続された並列抵抗・コンデンサ負荷と 全備える請求の範囲牙１１項に記載の経皮信号伝達システム。