專利名稱：用于電極結(jié)構(gòu)的選擇性激活的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人體的控制并且更具體地 涉及在人體感覺運(yùn)動(dòng)性系統(tǒng)位置上的生理量的刺激和/或測量，目的在于克服事故之后或由疾病導(dǎo)致的感覺運(yùn)動(dòng)性缺陷。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)?jiān)谏窠?jīng)刺激中，且更具體地在外周神經(jīng)系統(tǒng)的刺激中發(fā)現(xiàn)了具體的實(shí)施。然而，本申請(qǐng)可以完全地應(yīng)用于其它類型的刺激，諸如表面刺激、肌外膜刺激或施加到大腦和/或脊髓的機(jī)能性電刺激，等等。通常，可以以動(dòng)作電位的形式，在能夠產(chǎn)生電信號(hào)或能夠?qū)﹄娦盘?hào)起反應(yīng)的任何生理結(jié)構(gòu)上執(zhí)行刺激或測量。因此，聚集成束從而聚集成神經(jīng)的軸突、位于大腦或脊髓中的神經(jīng)元本身、心肌纖維、骨骼肌纖維或某些平滑肌、感覺器官是或者可以觀察或者可以刺激的同樣的結(jié)構(gòu)。最后，雖然當(dāng)前的技術(shù)首先致力于植入系統(tǒng)，但是這一理念同樣用于外部系統(tǒng)或混合系統(tǒng)。許多事故和疾病可以導(dǎo)致人類失去對(duì)他的/她的身體的任何控制，或者僅部分控制，這是由于神經(jīng)系統(tǒng)的改變或退化所導(dǎo)致的。這些影響可以獲得諸如身體的上部或下部的運(yùn)動(dòng)性等運(yùn)動(dòng)機(jī)能，或諸如排尿等非運(yùn)動(dòng)機(jī)能。在這些情況下，受影響的人不僅遭受感應(yīng)缺陷的直接結(jié)果的痛苦，而且遭受諸如疤痕、骨質(zhì)疏松或需要為排尿而插入導(dǎo)管等主要副作用的痛苦。為了解決該情況，醫(yī)生和科學(xué)家已經(jīng)研究了人類神經(jīng)系統(tǒng)許多年。一些研究工作的目標(biāo)在于使人類神經(jīng)系統(tǒng)再生，而其它研究工作的目標(biāo)在于通過人工控制來彌補(bǔ)缺陷。本發(fā)明涉及該第二種類型的研究工作，并且通過用于神經(jīng)刺激的裝置和系統(tǒng)來允許人體的某種運(yùn)動(dòng)、感覺活動(dòng)或器官活動(dòng)的修復(fù)或調(diào)整，所述神經(jīng)刺激的裝置和系統(tǒng)將對(duì)有缺陷的神經(jīng)系統(tǒng)控制進(jìn)行彌補(bǔ)或再訓(xùn)練。某些結(jié)果已經(jīng)能夠通過在該領(lǐng)域中的研究工作來獲得。因此已經(jīng)根據(jù)工業(yè)領(lǐng)域以及根據(jù)學(xué)術(shù)領(lǐng)域提供了若干種裝置。這些裝置取決于植入人體內(nèi)的一個(gè)或若干個(gè)電極，所述一個(gè)或若干個(gè)電極可以控制用于在上述的神經(jīng)或目標(biāo)結(jié)構(gòu)處施加或測量電流或電壓。這些裝置具有許多缺點(diǎn)并且還不能夠提供關(guān)于運(yùn)動(dòng)能力、感覺或控制的損傷問題的真正方案。實(shí)際上，這些裝置通常保持在極其局部的層面，即這些裝置不能夠互相通信，這是因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)不存在對(duì)全部這些電極及其控制裝置進(jìn)行集中管理的單一裝置。這意味著通過一組裝置對(duì)一組神經(jīng)或肌肉活動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)刺激和/或測量是不可能的。則因此執(zhí)行諸如散步運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜且精確的功能甚至是幾乎不可能的。
已經(jīng)提供了使裝置互相通信的某些方案。然而，這些方案保持在樣機(jī)階段或從沒有在復(fù)雜功能范圍內(nèi)經(jīng)受任何實(shí)際的應(yīng)用。實(shí)際上，這些方案或者基于使可植入裝置同步的體外方法或者基于整體活動(dòng)的集中化。關(guān)于第一種方案，通過體外裝置的植入物的同步涉及確保充分感應(yīng)覆蓋的天線制約。這些制約妨礙滿足小于I毫秒的時(shí)間精度要求對(duì)于人類機(jī)能的實(shí)踐應(yīng)用。關(guān)于第二種方案，植入物的整體活動(dòng)的集中化具有導(dǎo)致大手術(shù)的缺點(diǎn)。實(shí)際上，就支持可植入裝置的增加植入的能力而言，該類型方案對(duì)于例如連續(xù)缺陷的彌補(bǔ)而言不是一種有發(fā)展的方案。實(shí)際上，沒有一種當(dāng)今描述的方案能夠應(yīng)用若干種功能，或者兩種功能之間可能的相互作用、交錯(cuò)和制約的管理。該限制看起來當(dāng)植入物獨(dú)立時(shí)與當(dāng)植入物不獨(dú)立時(shí)是一·樣的，并且當(dāng)相關(guān)的神經(jīng)和/或肌肉不同時(shí)與當(dāng)相關(guān)的神經(jīng)和/或肌肉相同時(shí)是一樣的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明改進(jìn)該情況。出于該目的，本發(fā)明提供了一種可植入人體內(nèi)的控制裝置，所述控制裝置包括控制單元和至少一個(gè)電極。所述控制單元連接到所述電極或每個(gè)電極以控制所述電極或每個(gè)電極進(jìn)行刺激和/或測量。所述控制單元包括-定時(shí)鐘，-存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器存儲(chǔ)限定用于允許所述電極或每個(gè)電極的結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，-存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器存儲(chǔ)描述與標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)的時(shí)間波形的程序數(shù)據(jù)，-可激活執(zhí)行器，所述可激活執(zhí)行器用于根據(jù)所述時(shí)鐘，將對(duì)應(yīng)于根據(jù)給定電極結(jié)構(gòu)而給定的程序的電脈沖發(fā)送到所述電極或每個(gè)電極，-定序器，所述定序器配置用于接收每個(gè)都包括電極結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)符和程序標(biāo)識(shí)符的多個(gè)排序?qū)?，并且所述定序器配置用于根?jù)排序和時(shí)鐘、利用在輸入接收的標(biāo)識(shí)符對(duì)指示的電極結(jié)構(gòu)與程序結(jié)構(gòu)對(duì)選擇性地激活所述執(zhí)行器。本發(fā)明還涉及一種可植入人體內(nèi)的控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)器和如上述的至少一個(gè)裝置，所述驅(qū)動(dòng)器和裝置和所述至少一個(gè)裝置以總線型有線網(wǎng)絡(luò)連接，其中所述驅(qū)動(dòng)器配置用于將所述多個(gè)標(biāo)識(shí)符對(duì)發(fā)送到所述裝置的所述定序器。


通過閱讀由附圖得出的、作為說明而非限制給出的示例得出的以下說明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯，其中-圖I示出植入人體內(nèi)的、根據(jù)本發(fā)明的用于控制人體的系統(tǒng)的示圖，-圖2示出用于控制圖I系統(tǒng)中的人體的裝置的示圖，-圖3示出圖2裝置的一種電極類型的極點(diǎn)分布的示圖，-圖4示出圖2裝置的一部分的功能示圖，
-圖5示出存儲(chǔ)在圖4的一個(gè)元件中的數(shù)據(jù)的示例，-圖6示出存儲(chǔ)在圖4的另一個(gè)元件中的數(shù)據(jù)的示例，-圖7示出圖I裝置的神經(jīng)刺激驅(qū)動(dòng)器的功能示圖，以及-圖8示出圖7驅(qū)動(dòng)的操作示圖。
具體實(shí)施例方式附圖和此后的說明主要包含某些符號(hào)元素。因此，附圖和此后的說明不僅用于更好地理解本發(fā)明，而且如果需要還用于對(duì)本發(fā)明的限定。本說明用于涉及可以由著作權(quán)和/或版權(quán)保護(hù)的元素。權(quán)利所有者不反對(duì)如在官方文件中出現(xiàn)的任何與本專利文獻(xiàn)或其說明相同的復(fù)制。對(duì)于其它情況，則完全保留他的 /她的權(quán)利。另外，由給出在本發(fā)明范圍內(nèi)實(shí)施的某些操縱表達(dá)的附錄A來擴(kuò)充詳細(xì)說明。該附錄除了用于清楚的目的之外還有助于參考。該附錄是說明書的組成部分，并且因此不僅可以用于更好地理解本發(fā)明而且如果需要可以用于本發(fā)明的限定。圖I示出植入人身體4內(nèi)的神經(jīng)刺激系統(tǒng)2的示意圖。神經(jīng)刺激系統(tǒng)2包括外部控制器6、驅(qū)動(dòng)器8和神經(jīng)刺激裝置10。在本文描述的示例中，外部控制器6和驅(qū)動(dòng)器8通過感應(yīng)鏈接型或射頻(RF)通信鏈接型的無線信號(hào)來通信。因此，醫(yī)生或在其身體4中植入用于控制人身體的系統(tǒng)2的患者，可以通過簡單接口，控制他/她期望執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)/機(jī)能。在本文描述的示例中，驅(qū)動(dòng)器8植入身體4的上部。例如，驅(qū)動(dòng)器8可以容納在身體4的鎖骨或腹部處。驅(qū)動(dòng)器8也可以容納在別處，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解這一點(diǎn)。在本文描述的示例中，一個(gè)裝置10位于膀胱處，并且在左腿和右腿的每條腿上分別設(shè)置兩個(gè)裝置10。驅(qū)動(dòng)器8通過總線11連接到不同的神經(jīng)刺激裝置10上?？偩€11是一組導(dǎo)線(例如被認(rèn)可用于心臟的雙股導(dǎo)線IS-12)，該組導(dǎo)線既傳輸用于對(duì)裝置10供電的能量又傳輸待在驅(qū)動(dòng)器8與裝置10之間發(fā)送的數(shù)據(jù)。可替代地，總線11可以專用于信息傳輸，而不傳輸任何能量。雖然圖I看起來示出這些裝置10被直接連接到一起，但這不是實(shí)際實(shí)施中的情況，在實(shí)際實(shí)施中裝置10只是通過它們所連接到總線11而連接到一起。在本文描述的示例中，總線11采用導(dǎo)線的形式。然而，在其它的變型中，總線11可以采用射頻鏈路、聲學(xué)鏈路、感應(yīng)鏈路或其它鏈路。隨后將看到，總線11在本文描述的示例中是異步的，即總線11不傳輸用于裝置10的任何同步信號(hào)(例如時(shí)鐘信號(hào))。因此，總線11植入在身體4中期望驅(qū)動(dòng)的區(qū)域中，該區(qū)域可以接近相關(guān)神經(jīng)或肌肉，并且每個(gè)裝置10隨后被連接到總線11?？偩€11因此表現(xiàn)為一種裝置10將移植到其上的脊髓，并且每個(gè)被連接的裝置10是總線11的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。神經(jīng)刺激完全由驅(qū)動(dòng)器8控制。該方法體現(xiàn)出與現(xiàn)今已知方法的根本差別。
實(shí)際上，本發(fā)明所考慮的刺激(例如具有選擇性特性的刺激)局部地需要I微秒量級(jí)的精度，每個(gè)裝置10具有其本身的時(shí)鐘。因此在該情況下，裝置10的時(shí)鐘出現(xiàn)漂移，其影響不容忽略。相應(yīng)地，正因?yàn)檫@一情況，時(shí)至今日尚無任何從功能角度看為集中式而從操作角度看為分布式的架構(gòu)。實(shí)際上，考慮到能耗的制約并且因此考慮到與該情況兼容的輸出的制約，以該時(shí)間尺度(time scale)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步是不可能的。本發(fā)明因此包含對(duì)神經(jīng)刺激系統(tǒng)2的各元件的多項(xiàng)改進(jìn)，以允許一種在操作上為異步但功能上為同步的方式的操作。異步式操作，意味著裝置10從功能角度看是同步的，但是從它們各自的時(shí)鐘的 角度看是異步的。正如將在圖2至6中看到的那樣，這尤其是通過裝置10來實(shí)現(xiàn)的，裝置10起到精密致動(dòng)器或傳感器的作用。僅將詳細(xì)討論致動(dòng)器，但這些陳述對(duì)傳感器適用。圖2示出示例性神經(jīng)刺激裝置10。正如在該圖中所見，裝置10包括控制單元12和分別以14a、14b、14c和14d標(biāo)記的四個(gè)電極14。如在下文中所見，控制單元12既可同時(shí)提供刺激作用和又可提供測量作用。在待刺激的神經(jīng)或肌肉結(jié)構(gòu)的選擇區(qū)域處布置各個(gè)電極14。所繪出的四個(gè)電極14以非窮舉的方式示出了觸點(diǎn)的不同幾何結(jié)構(gòu)(與合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián))電極14a為環(huán)型，電極14b為內(nèi)部成束型，電極14c為扁平型并且電極14d為矩陣型。在本文描述的示例中，電極14a包括三個(gè)環(huán)16,每個(gè)環(huán)16具有四個(gè)極點(diǎn),這樣給出總數(shù)12個(gè)極點(diǎn)。尤其在耳蝸刺激的范圍內(nèi)，電極14a還可以包括更有限數(shù)量的環(huán)(例如3個(gè)環(huán)，每個(gè)環(huán)具有四個(gè)極點(diǎn))，或者包括環(huán)數(shù)量與每個(gè)環(huán)的極點(diǎn)數(shù)量的另一種配置。極點(diǎn)總數(shù)可以根據(jù)保留的結(jié)構(gòu)而變化并且可以多于或少于12個(gè)。該數(shù)量典型地從作為基準(zhǔn)的數(shù)量2 (對(duì)于雙極或單極刺激)到多于數(shù)量24 (對(duì)于耳蝸應(yīng)用)而變化。通常，裝置10包括數(shù)量為I個(gè)至6個(gè)的若干電極14，這些電極14全部由單一控制單元12驅(qū)動(dòng),每個(gè)電極包括I至12個(gè)極點(diǎn)。另外，如果在本文描述的應(yīng)用中，電極為神經(jīng)電極，而在其它應(yīng)用中，電極可以為肌外膜電極、肌肉內(nèi)電極、大腦內(nèi)電極、肌束內(nèi)電極、皮層電極或其它電極。圖3示出在神經(jīng)18周圍的電極14的環(huán)布置的示意圖。這可以在該圖中見到，神經(jīng)18包括四個(gè)肌束19，每個(gè)肌束19都具有多個(gè)軸突20。環(huán)16的極點(diǎn)22規(guī)則地布置在神經(jīng)18周圍，使得每個(gè)極點(diǎn)22大體上面對(duì)一組軸突20。因此，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器8將刺激信號(hào)發(fā)送到裝置10時(shí)，該裝置10的控制單元12在裝置10的電極14的環(huán)16的一個(gè)或多個(gè)極點(diǎn)22處發(fā)射電刺激，面對(duì)該組極點(diǎn)22的軸突20的子集合因此受到刺激。圖4示出控制單元12的架構(gòu)。在該圖描述的示例中，控制單元12可以通過模擬/數(shù)字和數(shù)字/模擬級(jí)42管理一個(gè)或多個(gè)電極14，以用于進(jìn)行刺激或者進(jìn)行測量?？刂茊卧?2包括兩個(gè)主要接口。標(biāo)記為40的第一接口是與總線11通信的接口。該接口 40能夠接收用于對(duì)驅(qū)動(dòng)器8進(jìn)行供電和進(jìn)行控制的信號(hào)。
標(biāo)記為42的第二接口是與由控制單元12管理的電極14進(jìn)行通信的接口。該接口 42能夠控制極點(diǎn)22對(duì)軸突20的刺激。在本文描述的示例中，接口 42集成到數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(并被“吸收”在該數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器中)，并且之后將解釋數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的作用。控制單元12為極低功耗電路并且由時(shí)鐘44計(jì)時(shí)，時(shí)鐘44的速率在I至4兆赫茲的量級(jí)。這允許控制單元12具有I微秒量級(jí)的精度。申請(qǐng)人:應(yīng)用的對(duì)總線11進(jìn)行異步應(yīng)用的概念之一是考慮確保的功能。實(shí)際上，為了施加肌肉刺激，應(yīng)該以I微秒量級(jí)的精度刺激控制其運(yùn)動(dòng)性的神經(jīng)。這已在上文中看到，這對(duì)應(yīng)于I兆赫茲量級(jí)的時(shí)鐘頻率。現(xiàn)在，為了可維持刺激系統(tǒng)，應(yīng)該控制裝置10的能耗，這將這些裝置的速率限制為大約幾兆赫茲。·此外，異步總線11不允許裝置10的同步，以I微秒量級(jí)的時(shí)間尺度、I兆赫茲而使裝置10的時(shí)鐘計(jì)時(shí)。換句話說，如果裝置10應(yīng)該由該裝置完全同步，則裝置10的時(shí)鐘漂移將是一個(gè)問題。然而，如果需要以I微秒量級(jí)的精度(尤其考慮刺激的選擇性)使刺激本地同步，則用于使由此刺激的肌肉的肌肉活動(dòng)同步的特征時(shí)間為幾毫秒(ms)的量級(jí)。因此，申請(qǐng)人確定能夠以大于裝置10本身操作時(shí)間尺度的時(shí)間尺度對(duì)裝置10進(jìn)行異步地協(xié)調(diào)。裝置10的控制單元12則應(yīng)該設(shè)計(jì)為允許在驅(qū)動(dòng)器8處對(duì)構(gòu)成裝置10的分布單元進(jìn)行集中控制，同時(shí)確保在每個(gè)裝置10內(nèi)的同步與裝置10之間的同步之間的時(shí)間去耦
口 O為此，申請(qǐng)人設(shè)計(jì)了其中每個(gè)控制單元12接收并執(zhí)行作為微程序形式的指令的架構(gòu)，所述微程序表現(xiàn)為在圖5中示出那一類型的刺激波形。這些微程序本身在裝置10內(nèi)以圖6中示出的順序類型形式來排序。該原理可以應(yīng)用于測量與刺激。因此，微程序可以例如表示阻抗測量，并且序列因此可以包含測量和刺激的一系列排序。因此，可以在控制器8處以一定精度了解每個(gè)裝置10的狀態(tài)，所述精度關(guān)于肌肉動(dòng)力，并且一般關(guān)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)(或者是感覺器官或者是運(yùn)動(dòng)器官)或神經(jīng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力而限制它們各時(shí)鐘漂移的潛在影響(即時(shí)間將刺激與其引起的肌肉響應(yīng)分開)。控制單元12的操作架構(gòu)如下-定序器46通過接口40從驅(qū)動(dòng)器8接收可選擇地附加有數(shù)據(jù)的請(qǐng)求?？蛇x擇的數(shù)據(jù)或者對(duì)應(yīng)于微程序或者對(duì)應(yīng)于連接到單元12的電極的多極點(diǎn)結(jié)構(gòu),或者對(duì)應(yīng)于由定序器實(shí)施的序列內(nèi)容。之后描述全部這些元件。通過定序器46接收的請(qǐng)求或者對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)序列(執(zhí)行、停止，等等)或者對(duì)應(yīng)于定序器46的編程序列(寫入可選擇的數(shù)據(jù)和/或讀取數(shù)據(jù))。-定序器46將接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在之后描述的存儲(chǔ)元件中。-定序器46根據(jù)請(qǐng)求而觸發(fā)在多極點(diǎn)結(jié)構(gòu)上執(zhí)行微程序。據(jù)此，定序器46將待執(zhí)行的微程序指示給執(zhí)行器48，該執(zhí)行器48在本文描述的示例中為ASIP(專用指令集處理器)型的專用微控制器，以及
-微控制器48執(zhí)行包含在通過定序器指示的微程序中的指令系列并且因此驅(qū)動(dòng)連接到電極的數(shù)據(jù)/模擬轉(zhuǎn)換器42。微控制器48還確保在對(duì)應(yīng)電極上的期望的多極點(diǎn)結(jié)構(gòu)。序列限定切割成間隔的時(shí)間窗，在間隔內(nèi)根據(jù)在間隔中相關(guān)聯(lián)的多極點(diǎn)結(jié)構(gòu)來指定待執(zhí)行的刺激程序。可以將數(shù)量和持續(xù)時(shí)間確定為間隔的參數(shù)。為了限制通過總線11傳送的信息量，控制單元12包括用于存儲(chǔ)微程序的存儲(chǔ)器
50。在本文描述的示例中，存儲(chǔ)器50存儲(chǔ)八個(gè)不同的微程序。更具體地，存儲(chǔ)器50 —方面包括與微程序標(biāo)識(shí)符相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)而另一方面包括微程序數(shù)據(jù)。 微程序數(shù)據(jù)在本文描述的示例中為由24位字組成的指令的系列，這些指令系列對(duì)應(yīng)于不同的刺激波形。刺激波形利用不同的充電和放電階段來描述待施加的刺激的形狀。附錄A的表格I示出一組關(guān)于這些字的可能指令。表格2示出對(duì)圖5中示出的刺激波形進(jìn)行編碼的微程序，其中縱軸指示刺激強(qiáng)度而橫軸指示相對(duì)于間隔開始的經(jīng)過時(shí)間。表格3示出另一個(gè)示例性微程序，該示例性微程序的有效階段(active phase)是梯形的。在這些表格中，關(guān)注調(diào)制寄存器數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。這些寄存器是非常有利的。實(shí)際上，定序器46將關(guān)于強(qiáng)度I的三個(gè)調(diào)制寄存器和關(guān)于持續(xù)時(shí)間T的三個(gè)調(diào)制寄存器保持在臨時(shí)存儲(chǔ)器54中。更具體地，當(dāng)定序器接收調(diào)制數(shù)據(jù)時(shí)，該定序器將調(diào)制數(shù)據(jù)直接寫入有關(guān)寄存器中。當(dāng)執(zhí)行指令并且該指令包括一個(gè)或若干個(gè)對(duì)這些寄存器地址的引用時(shí)，該執(zhí)行器48在其執(zhí)行期間涉及到這一點(diǎn)。因此，當(dāng)寫入微程序時(shí)，設(shè)計(jì)者可以提供對(duì)該微程序的指令參數(shù)進(jìn)行調(diào)制的可能性。接下來，通過作用于與給定指令相關(guān)的調(diào)制寄存器的值，容易修改每個(gè)微程序的執(zhí)行。這允許相關(guān)人員容易地調(diào)整微程序的執(zhí)行。以相同的方式，控制單元12包括用于存儲(chǔ)電極14的多極結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器52。更具體地，每個(gè)結(jié)構(gòu)指示使用的電極的極點(diǎn)。在本文描述的示例中，存儲(chǔ)器52為所管理的每個(gè)電極存儲(chǔ)八種不同的電極結(jié)構(gòu)。更具體地，存儲(chǔ)器52 —方面包括與電極結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)符相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)而另一方面包括電極結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。對(duì)于作為示例而考慮的下游級(jí)，電極結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)由72位的字形成，這72位字包括結(jié)構(gòu)子字和比例(ratio)子字(在有效極點(diǎn)之間的電流分配)。每個(gè)結(jié)構(gòu)子字將指定哪個(gè)極點(diǎn)是有效的以及具有什么極性，并且每個(gè)比例子字將對(duì)于每個(gè)有效極點(diǎn)而確定將接收的脈沖電流量為多少。在電極包括經(jīng)由電容器耦合的12個(gè)極點(diǎn)加上I個(gè)未耦合的參考極點(diǎn)的情況下，電極結(jié)構(gòu)包括限定由微程序限定的電流波形將怎樣分配在電極的全部極點(diǎn)之上。因此，需要對(duì)于每個(gè)極點(diǎn)限定-極性X(陽極或陰極)，-極點(diǎn)的狀態(tài)Y(高阻抗或有效)，以及-通過該極點(diǎn)的電流比例Z。極性X可以編碼為I位(對(duì)陽極為0而對(duì)陰極為I)，狀態(tài)Y可以編碼為I位(對(duì)高阻抗為O而對(duì)有效為I)，并且電流比例Z可以編碼為4位(即，對(duì)每位為十六個(gè)小數(shù)0.0625 (i.e.sixteen fractions of 0.0625 for each bit))。例如對(duì)于沿著4個(gè)極點(diǎn)P1P2P3P4的3個(gè)環(huán)A1A2A3而分布的12個(gè)極點(diǎn)而言，結(jié)構(gòu)字是XYZ型的12個(gè)字的序列。集合XY對(duì)于每個(gè)極點(diǎn)形成結(jié)構(gòu)子字，并且Z形成比例子字，例如編碼為4位。如果例如旨在生產(chǎn)常規(guī)的3極點(diǎn)電極(一個(gè)陰極環(huán)在中央而2個(gè)陽極環(huán)在外部)的類似物，將有-在環(huán)Al& A3的全部極點(diǎn)上，X =陽極Y =有效，Z = 1/2,以及-在環(huán)A2的全部極點(diǎn)上，X=陰極Y =有效，Z=I0這將給出以下字
...........Al.............I..........Al........................Al.........................Al........................A2......................A2.....................A2......................A2...........I............A3......................A3.......................A3........................A3............
PI P2 P3 ￥4 P! P2 K P4 PI P2 P3OI 01 01 01 H 11 Il 11 Oi 01 OI OI
iooo iooo iooo iooo mi mi mi 1111 1000 1000 1000 1000其它元件可以構(gòu)成電極的結(jié)構(gòu)并且可以以這種結(jié)構(gòu)的數(shù)字編碼(例如通過使用參數(shù))來表示暗含的結(jié)構(gòu)制約。為了增加操作非集中化，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器52中的數(shù)據(jù)是可重構(gòu)的。實(shí)際上，雖然存儲(chǔ)器52的下標(biāo)中的每個(gè)下標(biāo)都以絕對(duì)方式指示電極的特定極點(diǎn)，但是驅(qū)動(dòng)器8可以發(fā)送用于對(duì)這些下標(biāo)重新定義的請(qǐng)求。這允許考慮環(huán)電極情況下圍繞神經(jīng)18的環(huán)16的可能位移，或者對(duì)于其它類型電極的其它位移?？商娲?，存儲(chǔ)器52的下標(biāo)可以是相對(duì)的，即下標(biāo)可以關(guān)于結(jié)構(gòu)的參考極點(diǎn)而指示每個(gè)極點(diǎn)。因此，通過在接口 42處加載測量裝置(出于簡化的目的未示出)，控制單元12可以在電極位移的情況下對(duì)電極重構(gòu)。因此顯然可以通過僅僅發(fā)送三元組(窗口中的間隔參數(shù)；電極結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)符；微程序標(biāo)識(shí)符)而間隔地驅(qū)動(dòng)電極14。在總線11上的三元組的尋址允許指示必須應(yīng)用三元組的裝置10。當(dāng)定序器接收控制三元組時(shí)，該定序器將對(duì)應(yīng)的微程序和電極結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在臨時(shí)存儲(chǔ)器54中。圖6示出存儲(chǔ)器54中的間隔窗口的示例。并且當(dāng)定序器46接收序列執(zhí)行順序時(shí)，該定序器46根據(jù)存儲(chǔ)器54的內(nèi)容來驅(qū)動(dòng)微控制器48。當(dāng)控制單元12管理若干個(gè)電極時(shí)，存儲(chǔ)器50、52和54接收專用于每個(gè)電極的標(biāo)識(shí)符，并且因此調(diào)整三元組。因此，借助于前述，可見裝置10被設(shè)計(jì)為完全由驅(qū)動(dòng)器8遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)，同時(shí)能耗最優(yōu)化且系統(tǒng)元件之間數(shù)據(jù)最少交換。出于安全原因，可以將最后一間隔保留為產(chǎn)生被動(dòng)放電。而且，該最后一間隔的持續(xù)時(shí)間為可以修改的，這允許對(duì)這些刺激的重復(fù)頻率進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。圖7和圖8將示出驅(qū)動(dòng)器8的架構(gòu)以及由該驅(qū)動(dòng)器8對(duì)不同裝置10的同步的管理。這可以在圖7中見到，驅(qū)動(dòng)器8包括兩個(gè)通信接口 70和71、時(shí)鐘72、控制器74和存儲(chǔ)器76、78和80。通信接口 70連接到總線11以將命令發(fā)送到不同的裝置10。接口 71例如通過感應(yīng)鏈路或通過RF鏈路，確保系統(tǒng)與外部控制器6的無線通信。時(shí)鐘72以大約12兆赫茲運(yùn)行并且確保不同功能的協(xié)調(diào)性能。時(shí)鐘的運(yùn)行頻率可以取決于控制器74必須傳送到裝置10的信息量而變化。裝置10必須處理的“邏輯”指令(即高電平)越多，則時(shí)鐘速率必須越高。將通過圖8解釋控制器74的操作。
存儲(chǔ)器76 一方面存儲(chǔ)與運(yùn)動(dòng)機(jī)能標(biāo)識(shí)符相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)而另一方面存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)機(jī)能數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)機(jī)能數(shù)據(jù)包括順列和/或并行方式組織的三元組(窗口中的間隔參數(shù)；電極結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)符；微程序識(shí)別符)系列，每個(gè)三元組系列指示一個(gè)或更多個(gè)給定裝置10的電極。在本文中描述的三元組概念不是限制性的。實(shí)際上，窗口中的間隔參數(shù)數(shù)據(jù)可以是暗含的。三元組因此必須考慮為排序?qū)?，?duì)的順序是明確的或暗含的。這些三元組的集合限定促使執(zhí)行具體運(yùn)動(dòng)機(jī)能的協(xié)調(diào)活動(dòng)(刺激和/或測量)。例如，陽極屏蔽可以請(qǐng)求特定波形，該特定波形的執(zhí)行在一組由中央陰極和一個(gè)或兩個(gè)可選擇的非對(duì)稱外部陽極組成的電極上產(chǎn)生至少兩個(gè)相鄰的刺激方形脈沖。據(jù)此，例如可以分開地控制由同組神經(jīng)支配的尿道橫紋括約肌和膀胱平滑肌(逼尿肌)的收縮，因此確保更自然的排尿。另一個(gè)示例包括對(duì)若干個(gè)三元組定序以獲得若干肌肉的刺激。問題在于為每個(gè)目標(biāo)肌肉分配一個(gè)電極結(jié)構(gòu)，即可以對(duì)應(yīng)于(集中刺激點(diǎn)被移動(dòng)的)不同物理電極或單個(gè)電極的極點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這相當(dāng)于每個(gè)目標(biāo)肌肉使用一個(gè)三元組，每個(gè)三元組潛在地包括相同的波形，但是在時(shí)間上定序的不同虛擬電極。應(yīng)該注意到在本地(即在裝置10之內(nèi))，定序器可以管理以序列(系列)和/或平行組織的三元組的激活。在并行的情況下，定序器同時(shí)管理若干個(gè)由間隔組成的窗口。窗口則具有相同的特征，即具有相同數(shù)量的間隔和相同的持續(xù)時(shí)間。定序器和執(zhí)行器可以具有相似架構(gòu)，S卩如果定序器接受并行性，則如果執(zhí)行器也接受并行性，將是很有利的。在該情況下，定序器和執(zhí)行器都根據(jù)這一技術(shù)成對(duì)操作，在這一技術(shù)中定序器確定產(chǎn)生于相關(guān)時(shí)刻的并行間隔的時(shí)限集合，并且定序器根據(jù)時(shí)限集合來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。如果定序器不接受并行性，則優(yōu)選地是執(zhí)行器也不接受并行性。定序器則通過要求執(zhí)行器在相關(guān)時(shí)刻激活微程序來驅(qū)動(dòng)該執(zhí)行器。此外，在當(dāng)前間隔中的編程活動(dòng)結(jié)束與之后間隔的激活之間的可用時(shí)間期間，在啟動(dòng)執(zhí)行器之前(即寫入模擬級(jí)的寄存器之前)，定序器可以配置多極結(jié)構(gòu)。由此，可以避免執(zhí)行器激活中的任何等待時(shí)間，這是由于結(jié)構(gòu)的配置所致。存儲(chǔ)器78是存儲(chǔ)裝置10的每個(gè)窗口和每個(gè)電極的“當(dāng)前”狀態(tài)的時(shí)間存儲(chǔ)器。實(shí)際上，如果驅(qū)動(dòng)器8知道其已將哪個(gè)微程序發(fā)送到具有相應(yīng)電極結(jié)構(gòu)的哪個(gè)電極，就可以將如上討論的以協(xié)調(diào)為目的的相應(yīng)電極的狀態(tài)表示存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器78中。存儲(chǔ)器78還存儲(chǔ)刺激系統(tǒng)2的當(dāng)前操作狀態(tài)，即目前應(yīng)用的功能以及待實(shí)施的功能等待隊(duì)列。利用該隊(duì)列，也可以一方面組織編程功能的排序執(zhí)行并且另一方面組織偶然發(fā)生的功能的排序執(zhí)行。對(duì)于編程功能而言，意味著通常由醫(yī)生設(shè)置并且長久運(yùn)用的功能，例如去痂、反反射允進(jìn)、止痛功能，等等。對(duì)于偶然發(fā)生的功能而言，意味著在給定時(shí)刻由患者激活的功能，例如排尿。 存儲(chǔ)器78因此允許安排執(zhí)行這些功能。存儲(chǔ)器80是結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器，該結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器將存儲(chǔ)這些裝置10的每個(gè)控制單元12的存儲(chǔ)器50與52的整體。因此，驅(qū)動(dòng)器8具有關(guān)于裝置10可能進(jìn)行的刺激的總體把握。此外，存儲(chǔ)器80可以用于對(duì)某種裝置10進(jìn)行重構(gòu)。實(shí)際上，提供裝置10的存儲(chǔ)器80與存儲(chǔ)器50和52之間的專門同步控制?，F(xiàn)在將描述圖8以解釋控制器74的操作?？刂破?4的操作可以看做長久重復(fù)的循環(huán)。當(dāng)控制器74接收由外部控制器6傳送的功能或已編程的功能的執(zhí)行順序時(shí)，啟動(dòng)一組操作。通過從外部控制器6接收功能命令，圖8的示例在800開始。接下來，在操作810中，控制器74利用從操作800得出的功能標(biāo)識(shí)符而調(diào)用存儲(chǔ)器76，并且恢復(fù)與該功能性能相關(guān)的數(shù)據(jù)。接下來，在操作820中，控制器74通過函數(shù)Compat O確定是否可以立即執(zhí)行該功能命令。函數(shù)Compat O可以基于調(diào)用存儲(chǔ)器78以檢查在此刻刺激的電極是哪些并且基于利用當(dāng)前執(zhí)行的功能調(diào)用該功能的兼容性數(shù)據(jù)。因此存在關(guān)于執(zhí)行排序功能的可能性的復(fù)查-請(qǐng)求電極的可用性(如果另一種功能使用需用于該實(shí)施的電極，則不可以實(shí)施新功能)，并且-在請(qǐng)求電極之間功能的兼容性(不推薦允許“起立”和“排尿”功能同步)。某種功能可以是彼此不兼容的，從而是可分別激活的。因此，不應(yīng)該批準(zhǔn)散步和排尿的同時(shí)執(zhí)行。相反，可以證明需要同時(shí)激活若干種功能，諸如由神經(jīng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和抑制疼痛。在系統(tǒng)能夠評(píng)估與患者情況相關(guān)的某些參數(shù)的情況下，確定某些功能執(zhí)行的批準(zhǔn)或禁止的條件可以是動(dòng)態(tài)的。例如，過度疲勞可以危害起立的企圖。因此如果檢測到超過給定閾值的疲勞情況，則應(yīng)該抑制該功能。其它條件也可以起作用。因此，在缺乏緊急方案情況下的諸如可用能量或子系統(tǒng)故障等技術(shù)屬性的制約可能需要禁止功能的啟動(dòng)，甚至中斷當(dāng)前功能的執(zhí)行。如果函數(shù)CompatO不確定關(guān)于執(zhí)行排序功能的任何問題，則在操作830中控制該功能，即對(duì)其限定的三元組以請(qǐng)求的順序而傳送至不同裝置10，或者如果這些三元組已經(jīng)傳送并存儲(chǔ)在涉及該功能的裝置12的存儲(chǔ)器54中，則僅激活這些三元組。
否則,在操作840中調(diào)用函數(shù)ExceptO。函數(shù)Except O起到這一作用即，確定是否在800接收的命令的執(zhí)行造成主要問題，這導(dǎo)致與當(dāng)前隊(duì)列不相容。如果是這種情況，則指示該執(zhí)行不可能的消息發(fā)送到外部控制器6以通知人們。否則，功能設(shè)置在存儲(chǔ)器78的隊(duì)列中。最后，操作在850完成。該說明書的不同元件的實(shí)施，尤其是刺激單元12或控制器8的不同部分可以在諸如微控制器、微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等組件上執(zhí)行。整個(gè)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)并且標(biāo)準(zhǔn)化以便基于FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)組件及其閃存形式或OTP (—次性可編程)組件、ASIC (專用集成電路)組件而對(duì)數(shù)字架構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化使用。附件A表格I :示例性指令集
權(quán)利要求
1.一種可植入人體內(nèi)的控制裝置，所述控制裝置包括控制單元(12)和至少一個(gè)電極(14)，所述控制單元(12)連接到所述電極(14)或每個(gè)電極(14)以控制所述電極(14)或每個(gè)電極(14)進(jìn)行刺激和/或測量，其特征在于，所述控制單元(12)包括 -定時(shí)鐘(44)， -存儲(chǔ)器(52)，所述存儲(chǔ)器(52)存儲(chǔ)限定為使所述電極或每個(gè)電極的結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)， -存儲(chǔ)器(54)，所述存儲(chǔ)器(54)存儲(chǔ)描述與標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)的時(shí)間波形的程序數(shù)據(jù)， -可激活執(zhí)行器(48)，所述可激活執(zhí)行器(48)用于根據(jù)所述時(shí)鐘(44)，將對(duì)應(yīng)于根據(jù)給定電極結(jié)構(gòu)而給定的程序的電脈沖發(fā)送到所述電極(14)或每個(gè)電極(14)，-定序器(46)，所述定序器(46)配置用于接收多個(gè)排序?qū)?，所述多個(gè)排序?qū)χ械拿恳粋€(gè)都包括電極結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)符和程序標(biāo)識(shí)符，并且所述定序器(46)配置用于根據(jù)排序和時(shí)鐘(44)、利用在輸入端接收的標(biāo)識(shí)符對(duì)所指示的電極與程序結(jié)構(gòu)對(duì)來選擇性地激活所述執(zhí)行器(48)。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置,包括I至6個(gè)電極，每個(gè)電極包括I至12個(gè)極點(diǎn)，其中電極結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)描述每個(gè)電極的極點(diǎn)的激活狀態(tài)、極點(diǎn)的極性和電流比。
3.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述程序數(shù)據(jù)包括符號(hào)數(shù)據(jù)、強(qiáng)度數(shù)據(jù)、持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)以及與用于存儲(chǔ)調(diào)制值數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器(54)相關(guān)聯(lián)的調(diào)制數(shù)據(jù)。
4.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，包括連接到所述執(zhí)行器(48)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(42)和/或數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(42)。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述時(shí)鐘(44)具有大于I兆赫茲的操作頻率。
6.一種可植入人體內(nèi)的控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)器(8)和至少一個(gè)根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置(10)，所述驅(qū)動(dòng)器(8)和所述至少一個(gè)裝置(10)以總線型有線網(wǎng)絡(luò)連接，其中所述驅(qū)動(dòng)器(8)配置用于將所述多個(gè)標(biāo)識(shí)符對(duì)發(fā)送到所述裝置(10)的所述定序器(46)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述驅(qū)動(dòng)器(8)包括 -時(shí)鐘(72)， -存儲(chǔ)器(80)，所述存儲(chǔ)器(80)存儲(chǔ)限定以使所述電極或每個(gè)電極的結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，和描述與標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)的時(shí)間波形的程序數(shù)據(jù)， -存儲(chǔ)器(76)，所述存儲(chǔ)器(76)用于存儲(chǔ)控制數(shù)據(jù)，所述控制數(shù)據(jù)中每一個(gè)都指示至少一個(gè)裝置(10)，所述控制數(shù)據(jù)包括多個(gè)排序的標(biāo)識(shí)符對(duì)，每個(gè)標(biāo)識(shí)符對(duì)都包括電極結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)符和程序標(biāo)識(shí)符， -控制器(74)，所述控制器(74)配置用于接收人體的控制請(qǐng)求，并且根據(jù)每個(gè)裝置(10)的狀態(tài)，將相應(yīng)控制數(shù)據(jù)選擇性地發(fā)送到所述相應(yīng)控制數(shù)據(jù)指示的所述裝置(10)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述存儲(chǔ)器(78)存儲(chǔ)待執(zhí)行的控制請(qǐng)求的隊(duì)列和每個(gè)裝置(10)的狀態(tài)，并且其中在將控制數(shù)據(jù)發(fā)送到所述隊(duì)列之前，所述控制器(74)執(zhí)行與每個(gè)裝置(10)的狀態(tài)的兼容性檢查。
9.如權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述驅(qū)動(dòng)器(8)的所述時(shí)鐘(72)具有高于12兆赫茲的操作頻率。
10.如權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述驅(qū)動(dòng)器(8)的所述時(shí)鐘(72)和每個(gè)裝置(10)的所述時(shí)鐘(44)為異步的。
11.如權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述控制器(74)配置用于將調(diào)制值數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可植入人體內(nèi)的控制裝置，所述控制裝置包括控制單元和至少一個(gè)電極，所述控制單元連接到所述電極或每個(gè)電極以便控制所述電極或每個(gè)電極進(jìn)行刺激和/或測量，其特征在于所述控制單元包括定時(shí)鐘(44)；存儲(chǔ)器(52)，所述存儲(chǔ)器(52)存儲(chǔ)限定用于允許所述電極或每個(gè)電極的結(jié)構(gòu)能夠與標(biāo)識(shí)符相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)器(54)，所述存儲(chǔ)器(54)存儲(chǔ)描述與標(biāo)識(shí)符相關(guān)聯(lián)的時(shí)間波形的程序數(shù)據(jù)；可激活執(zhí)行器(48)，所述可激活執(zhí)行器(48)用于根據(jù)所述時(shí)鐘(44)，將對(duì)應(yīng)于根據(jù)預(yù)定電極結(jié)構(gòu)而預(yù)定的程序的電脈沖發(fā)送到所述電極或每個(gè)電極；定序器(46)，所述定序器(46)配置用于接收每個(gè)都包括電極結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)符和程序標(biāo)識(shí)符的多個(gè)排序?qū)?，并且所述定序?46)配置用于根據(jù)其排序和時(shí)鐘(44)、利用作為輸入接收的標(biāo)識(shí)符對(duì)指示的電極結(jié)構(gòu)與程序結(jié)構(gòu)對(duì)來選擇性地激活所述執(zhí)行器(48)。本發(fā)明涉及一種用于控制包括這種裝置的人體的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)A61N1/372GK102971043SQ201180029824
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者大衛(wèi)·圭勞德, 大衛(wèi)·安德魯, 蓋伊·查爾文, 讓-路易斯·迪沃斯 申請(qǐng)人:國家信息及自動(dòng)化研究院, 蒙彼利埃第二科學(xué)與技術(shù)大學(xué), 奧比里亞, 國家科學(xué)研究中心