Battery-free artificial vision using photovoltaic charge-shot circuit based retinal stimulator.

使用基于光伏充电电路的视网膜刺激器的无电池人工视觉。

基本信息

批准号：
21K12677
负责人：
澤畑博人
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Ibaraki National College of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K12677/
关键词：
人工視覚網膜刺激光電効果多孔質カーボン電気二重層

项目摘要

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。

在这项研究中，我们提出了一种可以通过光输入驱动和控制人工视觉系统的光伏充电电路，该系统可以感知光并通过电刺激视网膜来替代视觉功能。到目前为止，我们原型设计的电路通过半导体光电二极管接收光线时产生的微弱电流（~5μA）为电容器充电，并在光线中断时瞬间放电，从而刺激视网膜细胞产生电流脉冲。 (>100μA)大到足以刺激神经细胞，并且在针对小鼠坐骨神经的动物实验中成功证实了实际刺激效果。然而，为了对眼球内的视网膜施加高密度多点刺激，需要使每个电路小型化。当时，安装在电路中用于充电的电容器是小型化的最大障碍。因此，为了在不安装电容组件的情况下增加充电功能，我们重点关注刺激电极双电层产生的电容。双电层是在电极和电解质溶液之间的界面处通过电化学作用产生电容的现象，并且当使用多孔碳作为电极材料时，其单位面积的电容特别大。在实验中，通过将多孔碳粉末粘合到金属线上，制作了多孔碳电极（PCE）原型，并利用其设计并制作了新型光伏充电发射电路。当用闪烁的输入光照射电路的光接收部分中的光电二极管时，确认在输入光照射被切断时从PCE到生理盐水产生88μA的电流脉冲。因此，事实证明，无需安装电容器元件就可以产生大幅值的电流脉冲，并且通过实现电路小型化的前景，我们能够更接近于使用所提出的技术实现人工视觉系统。