2022 Fiscal Year Research-status Report
Battery-free artificial vision using photovoltaic charge-shot circuit based retinal stimulator.
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21K12677
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| Research Institution | Ibaraki National College of Technology |
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Principal Investigator |
澤畑 博人 茨城工業高等専門学校, 国際創造工学科, 准教授 (40571774)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 人工視覚 / 網膜刺激 / 光電効果 / 多孔質カーボン / 電気二重層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
網膜を電気的に刺激することで光を知覚させ視覚機能を代替する人工視覚システムのために、本研究では光入力によって駆動・制御することが可能な光起電力チャージショット回路を提案している。これまで試作検討してきた回路は、半導体フォトダイオードが受光した際に発生する微弱な電流（~5 μA）をコンデンサに充電し、光が遮断された際に瞬間的に放電することで網膜細胞や神経細胞を刺激するために十分な大きさの電流パルス（>100 μA）を発生させる仕組みで、マウスの坐骨神経を対象とした動物実験で実際の刺激効果を確認することに成功している。しかしながら、眼球内の網膜に適用して高密度多点刺激するためには、個々の回路を小型化する必要がある。その際、充電のために回路に搭載されたコンデンサが小型化する上での最大の妨げになっていた。そこで、コンデンサ部品を搭載せずに充電する機能を付加するために、刺激電極が持つ電気二重層による静電容量に着目した。電気二重層は、電極と電解質溶液との界面において電気化学的作用によって静電容量が発生する現象であり、特に、電極材料として多孔質カーボンを用いた際に面積当たり大きな静電容量を持つ。実験では、多孔質カーボンの粉末を金属線に接着した多孔質カーボン電極（PCE）を試作し、これを用いて新たな光起電力チャージショット回路を設計・試作した。回路受光部のフォトダイオードに入力光を点滅させて照射すると、入力光が照射から遮断された時点においてPCEから生理食塩水に88 μAの電流パルスが発生することが確認された。従って、コンデンサ部品を搭載せずとも大きな振幅の電流パルスを発生可能であることが実証され、回路の小型化への見通しを立てたことで提案技術による人工視覚システムの実現に近づけることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
眼球内の網膜に適用し高密度多点刺激できる刺激デバイスの実現に向けて、2022年度は、これまで最大の課題だった個々の回路の小型化に取り組んだ。従来の光起電力チャージショット回路において、小型化の妨げになっていた要因は２つある。一つは、受光部に２個以上のフォトダイオードを要していたことで、従来の回路構成ではコンデンサに電流を与え充電するためのフォトダイオードと充電と放電をスイッチングするためのJFETを制御するためのフォトダイオードが搭載されていた。対策として、この２つの役割を１つのフォトダイオードで担う新しい回路構成を設計し、これによって従来よりも受光部の面積を２分の１に削減することが可能になった。小型化を妨げるもう一つの要因は、フォトダイオードで発生する電流を充電するために、小型化が困難なコンデンサ部品を搭載していたことだ。今回、神経電極を従来の銀電極から多孔質カーボン電極に置き換え、ここに発生する電気二重層の静電容量を利用して充電することで、コンデンサ部品を用いない新しい光起電力チャージショット回路の実現に成功した。小型化の妨げとなっていた要因を２つとも解決できたことで、眼球内部に留置することが可能な大きさのデバイスとして実現できる見通しが立った。この成果について、国内学会（2022年度先進的技術シンポジウム）にて発表も行い、おおむね順調といえる。今後は、実際に小型デバイスの実装と実験動物を用いた刺激効果の実証実験を行う。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、実際に小型デバイスの実装と実験動物を用いた刺激効果の実証実験を行う。2022年度に行った回路の改善によって小型化できる見通しが立ったため、実際に小型回路の実装を行う。まず、回路は専用に設計したフレキシブル基板上に実装し、ここに多孔質カーボン電極（PCE）を形成する。PCE形成の際、これまでは導電性エポキシを用いて多孔質カーボンの粉末を金属に定着させていたが、導電性エポキシの抵抗が出力電流を減少させてしまう要因になっていた。そこで、粉末を定着させるための材料を見直し、この抵抗を削減するとともに、粉末の粒径の最適値についても検討する。さらに、この電極を生理食塩水に入れた際の電気的特性は、電気二重層による静電容量を含む等価回路で示されるが、この詳細なパラメータを明らかにし、電極サイズの最適値を求めて回路設計に反映させて試作する。
さらに、試作した新しい仕組みの回路の神経刺激効果を評価する実験手法として、マウス坐骨神経を対象とした刺激実験を行う。また、網膜への刺激効果について評価を行うために、ゼブラフィッシュまたはカエルの網膜を刺激する実験を実施し、網膜の細胞内電位計測によって刺激に対する応答の有無を解析する。また、同様の実験をマウスの網膜でも実施し、デバイスの有効性を定量評価する。
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| Causes of Carryover |
本研究の達成のために最大の課題だった回路の小型化に向けて、当初は回路の実装方法を見直すことで改善を図る予定だったが、多孔質カーボン電極を用いた全く新しい方法が打開策となり得ることが分かったため、計画を大幅に変更した。これによって、実装サービス業者の利用や動物実験実施のための出張を次年度に持ち越したため、予算の次年度に繰り越すことになった。
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