具有能量回收和電流調節(jié)的電極刺激器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于刺激一電極的系統(tǒng)和方法。該刺激器包括傳感器電路，該傳感器電路配置為耦合至醫(yī)療設備的至少一個電極來測量該至少一個電極的功率特性。該刺激器包括控制電路，該控制電路被配置為將該至少一個電極的所測得的功率特性與期望的功率特性進行比較、并基于該至少一個電極的所測得的功率特性與期望的功率特性的比較而在電極刺激器的第一操作模式和第二操作模式之間進行選擇。第一操作模式包括向至少一個電極傳遞能量來刺激該組織，且第二操作模式包括從該至少一個電極處回收能量。
【專利說明】具有能量回收和電流調節(jié)的電極刺激器[0001 ] 有關聯邦科研資助的聲明
[0002]本發(fā)明是在海軍研究辦公室資助的基金N00014-09-1-1015和美國國立衛(wèi)生研究院資助的基金NS056140下做出的，得到政府支持。政府在本發(fā)明中具有特定權利。
發(fā)明領域
[0003]本發(fā)明的領域是組織的刺激的系統(tǒng)與方法。更特定地，本發(fā)明涉及經由使用能量回收和反饋電流調節(jié)的電極刺激器來進行能量有效的刺激的系統(tǒng)與方法。
【背景技術】
[0004]組織的電刺激是用于治療多種病癥的日益有價值的工具。電刺激器具有很多應用，諸如用于治療重度聽力損失的耳蝸植入物、用于治療眼盲的視力假體、用于治療嚴重的慢性疼痛的脊髓刺激器、用于治療麻痹的肌肉刺激器、用于治療各種心臟疾病的心臟起搏器、以及用于治療多種神經性障礙的深度腦部刺激器。例如，可使用深度腦部刺激來治療震顫和帕金森病，且深度腦部刺激還顯示出對于治療各種其他病癥(諸如圖雷特綜合癥、疼痛、抑郁、強迫性神經癥障礙治療)的潛在益處。用于麻痹治療的腦部植入物經由神經刺激越發(fā)多地提供感測反饋。
[0005]在大部分實現中，由于感染的風險，臨床醫(yī)生做出努力來避免將可植入電刺激器延伸通過皮膚(例如，將該設備連接至外部能量源)的需要。因此，這些刺激器經常是由所植入的電池或無線地接收能量的所植入的RF線圈所供電的。因此，刺激器的能量效率對于確定電池或線圈的大小以及設備的壽命方面是重要的，且刺激器能量效率的改進直接導致電池或線圈大小的減少、增加電池壽命、以及減少組織加熱。如果可減少植入物大小的話，則增加患者安全度和舒適度且減少醫(yī)療成本。
[0006]在現有應用中，由于基于電流源的刺激器的安全性、所建立的電荷平衡方法、以及實現的總體便利性，這種刺激`器一般是占優(yōu)勢的。但是電流源刺激器并不有效，耗費高達十倍于實現組織刺激所必需的能量。由于基于電壓的刺激器固有的較高的能量效率，有時使用基于電壓的刺激器作為電流刺激器的替代物。但是基于電壓的刺激器受制于較差的電荷和電流控制，且這種刺激器對于電極阻抗的變化較為敏感。
[0007]已經研發(fā)了使用預先充電至指定電壓的電容器網絡作為電極的電源的一些刺激器系統(tǒng)。順次將電容器直接連接至電極，作為將電極電壓和電容器電壓之間的差異保持得較小的手段，由此能夠改進能量效率。然而，在這些系統(tǒng)中，電流并不恒定也不受控。
[0008]已經研發(fā)了可選的系統(tǒng)，使用與電極串聯的增加的限流器來保持通過電極的電流相對恒定?？墒怯捎陔娙萜鹘M合僅允許粗略的、分立的操作，相比連續(xù)的基于電壓的實現，這兩個實現本身都具有較低的能量效率。在這些實現中，顯式限流器的使用使能量效率下降了。

【發(fā)明內容】
[0009]通過提供用于組織刺激的系統(tǒng)與方法，本發(fā)明克服了上述缺陷。更特定地，本發(fā)明涉及經由使用能量回收和反饋電流調節(jié)的電極刺激器來進行能量有效的刺激的系統(tǒng)與方法。
[0010]在一個實現中，本發(fā)明是被配置為連接至受試者并向受試者的組織傳遞電刺激的醫(yī)療設備。該醫(yī)療設備包括電壓源、配置為向受試者的組織傳遞電刺激的電極、以及連接至電極和電壓源的感測電路。該感測電路配置為測量電極的功率特性。該設備包括連接至電壓源的控制電路。該控制電路配置為將所測得的電極的功率特性與期望的功率特性進行比較，且基于所測得的電極的功率特性與期望的功率特性之間的比較，進行向電極傳遞能量來刺激該組織和從該電極中回收能量中的至少一個。該控制電路被配置為在刺激的下轉換模式和回收的上轉換操作模式中操作。
[0011]在另一個實現中，本發(fā)明是電極刺激器，被配置為連接至具有配置為向具有該醫(yī)療設備的受試者的組織傳遞電刺激的至少一個電極的醫(yī)療設備。電極刺激器包括:感測電路，配置為耦合至醫(yī)療設備的至少一個電極來測量該至少一個電極的功率特性；以及控制電路，被配置為將所測得的至少一個電極的功率特性與期望的功率特性進行比較、且基于所測得的至少一個電極的功率特性與期望的功率特性的比較而在電極刺激器的第一操作模式和第二操作模式之間進行選擇。第一操作模式包括向至少一個電極傳遞能量來刺激組織，且第二操作模式包括從至少一個電極處回收能量。
[0012]在另一個實現中，本發(fā)明是電極刺激器，被配置為連接至具有配置為向具有該醫(yī)療設備的受試者的組織傳遞電刺激的至少一個電極的醫(yī)療設備。該電極刺激器包括電流傳感器電路，配置為測量流過該至少一個電極的電流，并通過比較流過該至少一個電極的電流和期望電流來定義設定電壓。該電極刺激器包括第一刺激器核心，耦合至至少一個電極并配置成基于在測得的至少一個電極兩端的電壓和設定電壓之間的比較而進行向該至少一個電極傳遞能量和從該至少一個電極處回收能量中的至少一項。
[0013]在另一個實現中，本發(fā)明是刺激一電極的方法，該電極被配置為向具有醫(yī)療設備的受試者的組織傳遞電刺激。該方法包括測量流過該電極的電流、通過比較流過該電流的電流和期望電流來定義設定電壓、并測量電極兩端的電壓。該方法包括基于所測得的電極兩端的電壓和設定電壓之間的比較，來進行向該電極傳遞能量和從該電流中回收能量中的至少一項。
[0014]本發(fā)明的前述及其他方面以及優(yōu)點將在以下描述中呈現。在該描述中，參考了形成本發(fā)明的一部分的附圖，在這些附圖中作為說明示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，這些實施例未必表示本發(fā)明的全部范圍，并且因此參考權利要求書和本文來解釋本發(fā)明的范圍。
[0015]附圖簡要說明
[0016]圖1是示出根據本發(fā)明的示例性生物醫(yī)學植入物的功能性組件的框圖。
[0017]圖2a和2b是使用基于電流源的電源來驅動所連接的電極的現有技術的電極刺激器的示意圖。
[0018]圖3是示出在圖2a和2b中所示出的電極刺激器電路的電流源中浪費的能量的量的圖。
[0019]圖4是示出根據本公開配置的基于電壓的刺激器系統(tǒng)的功能性組件的框圖。[0020]圖5a是示出根據本公開配置的電極刺激器的功能性組件的附加細節(jié)的框圖，該刺激器包括用于控制適應性電壓刺激器的兩個反饋環(huán)路。
[0021]圖5b是示出可由電極刺激器執(zhí)行的使用電感性能量回收和反饋電流調節(jié)來刺激電極的一系列步驟的流程圖。
[0022]圖6a是示出代表為刺激應用而向電極傳遞能量和從電極中回收能量的適應性電壓刺激器核心的示例性實現的示意圖。
[0023]圖6b是示出了對于圖6a中所示的適應性電壓刺激器核心而言優(yōu)選的輸出電壓范圍和電能的流動的不圖。
[0024]圖7是示出包括適應性電壓刺激器核心、電極模型、和中軌參考(midrailreference)的適應性電壓刺激器的各組件的示意圖。
[0025]圖8是示出用于將開關信號傳輸至適應性電壓刺激器核心的示例性脈沖發(fā)生器電路的不意圖。
[0026]圖9是示出在給定特定輸入順序的情況下圖8的脈沖生成器電路的示例性輸出的時序圖。
[0027]圖10是可被用于實現圖5a的DAC和比較器的一個示例性的DAC實現方式的示意圖。
[0028]圖11是示出可由根據本公開實現的DAC和比較器所處理的一系列狀態(tài)階段的時序圖。
`[0029]圖12是可與圖10中所示的DAC700結合使用的示例性比較器的示意圖。
[0030]圖13是可與本公開的電極刺激器結合使用的諸如圖5a的電流傳感器320之類的電流傳感器的一個實現的示意圖。
[0031]圖14是示出可由根據本公開實現的電流傳感器所處理的一系列狀態(tài)階段的時序圖。
[0032]圖15是包括與電壓基準的模型電容串聯連接的電阻和電容的電極的示例性模型的示意圖。
[0033]圖16是根據方程15對于α。和a R的各個值而言本公開的刺激器設備的一個實現的理論效率相對于Π的關系圖。
[0034]圖17a是包含用于實現本公開的電極刺激器的電子電路的管芯的縮微照片。
[0035]圖17b是包含用于實現本公開的電極刺激器的電子電路的管芯結構的布局。
[0036]圖18是示出當給300μΑ DC負載供電時本公開的適應性電壓刺激器的一個實現的原始效率的圖。
[0037]圖19a_19b是示出了對于不同的電阻性負載而言針對刺激的下轉換模式(圖19a)和回收的上轉換模式(圖19b)這兩種情況負載電流相對于控制電壓的圖。
[0038]圖20a_20d是示出對于| Veur_V,ef | =300mV的示例性刺激器波形的圖，示出了陽極第一電極電壓(圖20a)、對應于圖20a的電極電流(圖20b)、陰極第一電極電壓(圖20c)、以及對應于圖20c的電極電流(圖20d)。
[0039]圖21a_21b是示出I Velff-VMf | =200mV時的平均的EFcs測量結果和理論預測(圖21a)以及I Hef I =300mV時的平均EFes測量結果和理論預測(圖21b)。
[0040]圖22a和22b示出了對于雙模式適應性電壓刺激器(圖22a)和四模式適應性電壓刺激器(圖22b)而言理想的范圍輸出電壓和電能的流動。
[0041]圖23a_23c是雙模式適應性電壓刺激器和通過組合雙模式適應性電壓刺激器而形成的四模式電壓刺激器的示意圖。
[0042]圖24是示出刺激器電路的四個拷貝的四通道適應性電壓刺激器的一些組件的示意圖。
[0043]圖25是具有在四個通道中被復用的單個電感器的具有四個通道的簡化的隔熱刺激器的示意圖，其中使用電容器來維持適應性電壓刺激器的多個脈沖之間的電極電壓。
[0044]圖26是具有在四個通道中被復用的單個電感器的具有四個刺激通道的簡化的適應性電壓刺激器的示意圖。
[0045]圖27是示出適應性級別A的電壓刺激器的一些功能性組件的圖。
【具體實施方式】
[0046]本發(fā)明的領域是用于組織的刺激的系統(tǒng)與方法。更特定地，本發(fā)明涉及經由使用電感性能量回收和反饋電流調節(jié)的電極刺激器來進行能量有效的刺激的系統(tǒng)與方法。
[0047]對于前述和相關的目標的實現，本公開則包括下文中完整描述的特征。以下描述和所附附圖詳細闡述了本公開的多方面。然而，這些方面只表示能運用本公開原理的多種方式中的一小部分。通過結合附圖參考對本公開的以下詳細描述，本公開的其它方面、優(yōu)點和新穎特征將變得顯而易見。
[0048]現在參考附圖來描述本申請的各種方面，其中相似的附圖標記指相似或相應的元素。然而應該理解，在此所涉及的附圖和詳細描述并不旨在將所要求保護的主題限制為所公開的特定形式。相反，本發(fā)明將涵蓋落入所要求保護的主題的范圍內的所有修改、等效方案和替換方案。
[0049]本公開所包括的示意性流程圖被一般地設置為邏輯流程圖(如，圖5b)。因此，所描繪的順序和標記的步驟指示所呈現方法的一個實施例。可在功能、邏輯或效果上實現與所說明方法的一個或一個以上步驟或其部分等效的其它步驟和方法。此外，所采用的格式和符號被提供用于說明該方法的邏輯步驟，且不是限制該方法的范圍。此外，其中本方法特定步驟發(fā)生的順序可或可不嚴格遵守所示相應步驟的順序。
[0050]本公開的系統(tǒng)提供了一種被配置為在適應性電壓刺激器中使用電感性能量儲能和回收的具有能量效率的電極刺激器。該系統(tǒng)以大致隔熱的方式來驅動電極從而控制能耗。在本公開中，隔熱操作是指在第一時間向電極施加的電壓大約等于此時電極的電壓的操作模式。這個操作控制了在該電極和驅動該電極的電路中的能量損失。本公開的系統(tǒng)還可包括分路電流傳感器來監(jiān)測并調節(jié)通過該電極的電流。該分路電流傳感器結合了反饋控制環(huán)來確保靈活且安全的刺激。
[0051]因此，本公開的適應性電壓刺激器允許向電極有效傳輸能量以及從電極有效傳輸出能量，且可基于直流-直流(DC-DC)轉換器拓撲。該刺激器可在兩個不同操作模式(刺激的上轉換模式和回收的上轉換模式)中以雙向方式操作。刺激的下轉換是指其中電流方向是從能量源到電極、且其中電極的電壓低于能量源的電壓的功率轉換模式?；厥盏纳限D換是指其中電流方向是從電極到能量源、且其中電極的電壓高于能量源的電壓的功率轉換模式。[0052]因此，本公開的系統(tǒng)將電壓控制的效率和電流控制的安全性和準確性組合到單個電極刺激器系統(tǒng)中。例如，可經由標準0.35微米CMOS工藝、或任何其他合適的半導體制造工藝，實現刺激器或刺激器的部分。
[0053]盡管本公開的電極刺激器系統(tǒng)具有很多應用，示例使用包括神經、心臟、視網膜、耳蝸、肌肉、和其中低功率操作非常重要的生物醫(yī)學植入物。在各應用中，可將刺激器結合至可植入醫(yī)療設備中?？蛇x地，可將刺激器用在構成身體傳感器網絡的功能性組件的設備內。 [0054]圖1是結合了本公開的電極刺激器并被配置為與相關聯的組織4交互作用的示例性生物醫(yī)學或醫(yī)學植入物2的功能性組件的框圖。植入物2包括用于容納控制器10、刺激器12的由生物兼容材料構建的外殼3以及電極14。通過使電信號被施加至電極14,控制器10被配置為實現存儲于存儲器18內的算法來治療患者的病況。然后電極14將能量傳送至組織4。在各種應用中，取決于醫(yī)療植入物2的位置和其中電極14所在或電極14附連至或靠近的組織4的類型，可經由例如用于治療極度聽力損失的耳蝸植入物、用于治療眼盲的視力假體、用于治療嚴重的慢性疼痛的脊髓刺激器、用于治療麻痹的肌肉刺激器、用于治療各種心臟不安的心臟起搏器、或者用于治療多個神經性障礙的深度腦部刺激器，來傳遞能量。
[0055]控制器10通過向刺激器12提供輸入信號來向電極14的能量傳遞。輸入信號描述了將由刺激器12傳遞至電極14的電信號的特性(如，電壓或電流幅值)。與電源16相結合，刺激器12使用來自控制器10的輸入來修改并控制被傳遞至電極14的電信號從而滿足從控制器10接收的輸入信號的要求。如將詳細描述且結合進一步的上下文，例如，參看圖5，在一個實現中，建立了期望的信號，即比較器324的V.輸入。
[0056]本公開的刺激器12 —般具有兩個操作模式一刺激的下轉換和回收的上轉換。刺激器12可通過控制器10、或連接至或結合至刺激器12的另一個控制器，被帶入這兩個操作模式之一。
[0057]由于基于電流源的電源相對準確、安全可控等緣由，很多現有的電極刺激器系統(tǒng)使用基于電流源的電源。但是，這些電源可能非常沒有效率。圖2a和2b示出使用基于電流源的電源來驅動所連接的電極的電極刺激器。在每一個圖中，電極20被建模為電阻器24 (Rs)和電容器22 (Cdl)的串聯連接。例如，可使用J.E.B.Randles在1947年所發(fā)表的Disc Faraday Soc, 1:11-19 的 Kinetics of rapid electrode reactions (快速電極反應的動力學)中描述的模型來建模。因此，參數Rs是溶液電阻，且Cdl是雙層電容。理想的電極具有最小的串聯電阻和高電容，能在較低電壓處進行有效操作。
[0058]在圖2a中，開關26允許電極20經由電流源30 (ICS，P)連接至正電源28 (Vdd)J^由電流源34 (ICS；N)連接至負電源32 (Vss)、或連接至地36來短路任何所累積的電荷。由于電源和出現在電流源兩端的電極之間的電壓差，電流源30和34都限制了電流流動、耗散了大量能量。
[0059]圖2b示出與圖2a中所示類似的電路，但是電壓已經變化從而使得電極20現在可經由電流源34連接至電源28 (Vdd)或地38，而電極基線電位被第二電源40 (Vmid)設置為中間(midway)。為了保持圖2a和2b的電路平衡，對于本公開，圖2b的Vdd被設置為等于圖2a的VDD+VSS，而Vmid是圖2b的Vdd和地之間的一半。[0060]圖3是示出在圖2a和2b中所示出的電極刺激器電路的電流源中浪費的能量的量的圖。在圖2a中，電容器22(Cdl)初始未被充電且電極20是浮置的。然后電流源34(ICS，N)被導通，從而將電極20連接至電源32 (Vss)0 一開始，當電容器22 (Cdl)上沒有電荷時，來自電源32的能量的大部分被浪費在電流源34 (ICS，N)內。當電容器22 (Cdl)內存儲的能量增加且電容器22 (Cdl)兩端的電壓增加時，電流源34 (IK，N)內耗散的電壓降和瞬時能量都減少了。在圖3中，在點100處，當電極20連接至電流源34時，電極兩端的電壓開始下降，導致由圖3的區(qū)域104所示的浪費的能量。[0061]類似地，在放電周期期間，電極20經由電流源30 (ICS，P)連接至電源28 (Vdd)0再次，能量被耗散在電流源30內。在圖3中，在點106處，電極20連接至電源28。因此，電極兩端的電壓在點108處開始上升，導致由圖3的區(qū)域110所示的浪費的能量。應該注意的是，圖3沒有示出電容器22內存儲的能量，這也被部分地耗散在電阻器24內。
[0062]作為一般的規(guī)律，對于在給定時間間隔內任何給定的電荷轉移要求，跨越整個時間間隔使用恒流就使溶液電阻(Rs)的損失達到最小?；陔娏髟吹拇碳て髯匀坏貙崿F了這個情況，但是它們本身耗散了電能，藉此浪費了很大量的能量。由于電極的阻抗所創(chuàng)建的一階RC電路的緣故，隔熱的基于開關的電容器的刺激器所產生的電流往往本質上是指數性的，因為刺激器電壓的階躍變化導致了電流的指數衰減。因此，也提供恒定、受控的電流的隔熱的基于電壓的刺激器就導致了可能最高的能量效率。
[0063]為了控制以及，例如，在一些期望應用中，為了最小化圖3中所示的能量損失，因此，本公開的系統(tǒng)提供了適應性的基于電壓的刺激器，其使用電感性儲能來隔熱地驅動一個或多個電極。本公開的系統(tǒng)可被配置為使用連續(xù)性的可能的電壓來驅動該電極，而不是所選數量的分立的步驟，諸如電容器組所提供的那些。另外，在本公開的系統(tǒng)中，甚至在電極電流變化時(諸如該系統(tǒng)在刺激的下轉換模式或回收的上轉換模式中操作時)，感測電極電流并使用適應性電壓刺激器輸出電壓的反饋調節(jié)將電極電流調節(jié)至期望大小。換言之，當流過電極的電流從充電電流分出時，結合至本公開的系統(tǒng)的反饋環(huán)路改編(adapt)并連續(xù)地修正(servo)該適應性電壓刺激器輸出電壓來維持電極中的合適電流電平，而不使用耗散的電流源或限流器。
[0064]此外，在本公開的系統(tǒng)中，存儲在電極的電容內的能量是可回收的，且本公開的刺激器可被配置為回收該能量的至少一部分。
[0065]圖4是示出根據本公開配置的基于電壓的刺激器系統(tǒng)200的功能性組件的框圖。刺激器200包括適應性電壓刺激器210，被配置為連接至電壓源206和具有內部電容和電阻的電極202。適應性電壓刺激器210被配置為向電極202傳遞能量，或在相反操作中從電極202回收能量。檢測器204檢測流過電極202的能量、或電極202兩端的電壓，并將該信息往回反饋給適應性電壓刺激器210?；谒答伝氐男畔ⅲm應性電壓刺激器210控制到電極202的能量傳遞或來自電極202的能量回收，來確保電極202根據系統(tǒng)要求而操作。
[0066]適應性電壓刺激器210可被實現為DC-DC轉換器，該轉換器被控制為將Vele。(電極202兩端的電壓)(見圖4的節(jié)點212)維持在與電極202的電容器(Cdl)兩端的電壓大約相同且與期望的恒定的電極刺激電流一致的電位處?？墒褂民詈现翙z測器204的傳感器來執(zhí)行電流感測。如下所述，在一個實現中，檢測器204被配置為使用分流拓撲或配置而不是串聯拓撲來最小化檢測器204內的損失，但是可使用其他電流感測系統(tǒng)。[0067]在刺激器200中，單個電源206 (Vdd)在電極的返回側而不是接地處與中軌電壓源或基準208 (Vmid)—起使用。由此，可避免極端的轉換比和對于提供負電壓的第二轉換器的需要。因此，在刺激器200中，耗散源僅是該電極固有的溶液電阻、以及適應性電壓刺激器的并非完美的效率。
[0068]圖5a是示出根據本公開所配置的電極刺激器300的功能性組件的附加細節(jié)的框圖。刺激器300包括用于控制該適應性電壓刺激器的兩個反饋環(huán)。特定地，刺激器300包括內部控制環(huán)302和外部控制環(huán)304。將描述刺激器300且特定地，內部控制環(huán)302和外部控制環(huán)304的一般操作，后跟內部控制環(huán)302和外部控制環(huán)304的組件與操作的詳細描述。內部控制環(huán)302和外部控制環(huán)304 —起構成控制電路，用于控制電極刺激器的操作并藉此控制傳遞至電極的能量和從電極回收的能量。
[0069]一般而言，外部控制環(huán)304是用于控制流過該電極的電流的較慢的控制環(huán)，而內部控制環(huán)302是控制電極兩端電壓的較快的控制環(huán)。對于外部環(huán)304的每一次執(zhí)行，內部環(huán)302被執(zhí)行多次。外部環(huán)304從可或可不結合至本公開的刺激器系統(tǒng)的控制器處接收輸入，該輸入指示了將被傳遞至電極的能量(如，電流)的量。外部環(huán)304監(jiān)測通過電極的功率特性(如，電流、電壓、或功率)、將測得的功率特性與期望值比較、且如果測得的值與期望值并不匹配(即，在刺激的下轉換模式中測得的值太低，或在回收的上轉換模式中測得的值太高)，則更高或更低地調節(jié)設定電壓值且然后將該設定電壓值傳送至內部環(huán)302。
[0070]內部環(huán)302接收描述將在電極兩端實現的特定電壓的設定電壓值(但是在其他實現中，設定電壓值可由設定電流、或設定功率值所替代)并將該值與電極兩端測得的電壓比較。如果兩個值具有分歧(即，在刺激的下轉換模式中所測得的電壓太低，或在回收的上轉換模式中所測得的電壓太高)，內部環(huán)302將信號傳送至刺激器核心(如，連接至電極的電源)，指令該刺激器核心向電極傳遞能量或從電極回收能量，從而將電極兩端所測得的電壓向期望值移動。
[0071 ] 特定地，詳細參看`圖5a，內部反饋環(huán)302被配置為控制適應性電壓刺激器核心310的操作以便向電極306傳遞能量。內部反饋環(huán)302包括適應性刺激器核心310，該核心連接至電極306，電極306繼而連接至Vmid源312。數模轉換器(DAC)和比較器314連接至電極306和脈沖發(fā)生器308。脈沖發(fā)生器308連接至適應性電壓刺激器核心310且該脈沖發(fā)生器被配置為向核心310提供電脈沖或信號來控制器操作以及向電極306傳遞能量。
[0072]內部反饋環(huán)302持續(xù)測量電極306兩端的電壓(Velee)或其他功率特性，并將該電壓與經由設定電壓線316從外部環(huán)304接收到的設定電壓值進行比較。由DAC和比較器314來執(zhí)行這個比較。在將測得的電壓與設定電壓比較后，DCA和比較器314將差異的指示傳送至脈沖發(fā)生器308?；趶腄AC和比較器314接收到的信息以及電流設定電壓值，脈沖發(fā)生器308繼而控制適應性電壓刺激器核心310的操作來向電極提供能量或從電極回收能量。
[0073]在一個實現中，從外部環(huán)304接收到的設定電壓值是二進制數(如，8-比特值)。在這個情況下，可使用該設定電壓值來操作DAC和比較器314內的一組開關，這組開關重新分配采樣V-。時所獲取的電荷，從而有效地從設定電壓值中減去Velec的值。當與比較器組合時，這個步驟允許DAC和比較器314來生成指示νε1ε。大于還是小于設定電壓的輸出。在一個實現中，在刺激的下轉換模式中，當V+。小于設定電壓時DAC和比較器314的輸出為高，且當V+。大于設定電壓時DAC和比較器314的輸出為低。當處于回收的上轉換模式中，DAC和比較器314的輸出被反向。DAC和比較器314產生的輸出可被用于控制脈沖發(fā)生器308的操作來向電極306傳遞合適的電流。
[0074]與常規(guī)DC-DC轉換器不同，適應性電壓刺激器核心310可前向和后向操作、向電極306傳遞能量或從電極306回收能量。在刺激的下轉換模式中，如果DAC和比較器314確定Velec具有低于設定電壓316的值，則脈沖發(fā)生器308使得適應性電壓刺激器核心310操作達一個或多個周期，使得能量施加在電極306上且因此使得Velec上升。然而，如果Velec具有高于設定電壓316的值，脈沖發(fā)生器308不采取任何動作，因為已經有足夠的能量傳遞至電極306。在這個情況下，核心310的輸出電容器(例如，見圖6a的電容器408)從脈沖發(fā)生器308之前的脈動中存儲了充足的能量，從而核心310可繼續(xù)向電極308提供能量而允許脈沖發(fā)生器308休息再一個周期。反之，在回收的上轉換模式中，這些操作被反向。如果DAC和比較器314確定Vele。具有高于設定電壓316的值，脈沖發(fā)生器308的操作被反向，使得適應性電壓刺激器核心310降低Vele。，從而向核心310返回能量。反之，如果Velee具有低于設定電壓316的值，脈沖發(fā)生器308不采取任何動作，因為已經從電極306回收了足夠的能量。在這個情況下，核心310的輸出電容器(例如，見圖6a的電容器408)在之前的回收中被充分耗盡，從而電極306被動地將存儲在電極306內的能量傳送至核心，來允許脈沖發(fā)生器308休息再一個周期。下文描述并分別在圖8和圖6a中示出脈沖發(fā)生器308和適應性刺激器核心310的示例性實現和操作。
[0075]通過SHM/REC值可控制脈沖發(fā)生器308的模式(在刺激的下轉換還是回收的上轉換模式)，該SHM/REC值由控制器(如，圖1的控制器10或與刺激器300的組件通信的另一個控制器)傳輸至脈沖發(fā)生器308的輸出開關網絡326，其中SHM/REC的較高的值指示該刺激器處于刺激的下轉換模式，而SHM/REC的較低的值指示該刺激器處于回收的上轉換模式。取決于SHM/REC值，使網絡326內的開關換向，導致核心310的逆反的操作。
[0076]外部環(huán)304包括電流傳感器320、比較器324、和計數器322。外部環(huán)304被配置為從控制器(如，圖1的控制器10)接收輸入ν.318。外部環(huán)304使用該輸入Veur來確定流過電極306的目標電流或至電極306的能量傳遞。然后，外部環(huán)將目標電流與通過電極306的實際電流進行比較，并基于該比較，外部環(huán)304向內部環(huán)302提供特定的設定電壓316來控制在電極312兩端的電壓。
[0077]在圖5a所示的實現中，外部環(huán)304經由電流傳感器320內的分流感測來測量電極306內的電流并以刺激器300的刺激的下轉換和回收的上轉換操作模式的對稱方式進行操作。電流傳感器320的輸出是與電極306電流成比例的電壓，該電壓由比較器324與電壓Vcur比較。然后基于比較器324的輸出，由計數器322調整期望的設定電流316。
[0078]如果在操作的刺激的下轉換模式(由至比較器322的SHM/REC輸入所確定)中，在外部環(huán)304內測得的電流大小太小，則數字計數器322增大設定電壓大小，例如，增大了固定數量的最低有效位(LSB)。LSB的數量可被表示為Dattaek，其中LSB的數量越大，系統(tǒng)更具迅速地自我修正至特定的電極電流。然而，如果測得的電流大小太大，計數器322減小設定電壓大小，例如，減小了標記為Drelease的單獨固定數量的LSB。因此，可使用計數器322的狀態(tài)來建立設定電壓316，其繼而控制內部環(huán)322內的DAC和比較器314的操作。
[0079]在兩種操作模式中(B卩，刺激的下轉換和回收的上轉換)，由電極306的內部電阻和適應性電壓刺激器核心310的輸出電壓來限制并設置流過刺激器300的電流。為了確保穩(wěn)定性，如下文所述，可將較慢的外部環(huán)配置為允許內部電壓環(huán)在對于設定電壓做出任何調整前安定下來。如下文所述，在本公開的系統(tǒng)的特定實現中，該系統(tǒng)在多個階段中操作，某些交迭且某些不同，這允許內部和外部環(huán)的和諧操作，其中內部和外部環(huán)的操作時序可受控于諸如時鐘328之類的時鐘。
[0080]刺激器300包括與刺激器300的組件通信的時鐘328。時鐘328提供例行輸出信號，可由刺激器300的各組件使用來控制操作的不同階段并確保不同組件沒有彼此干擾。例如，如下文所述，可使用時鐘328來處理DAC和比較器314通過下文參看圖10、11、和12
所述的不同階段，包括Φμ 辦 samp，^ amp, out? ^ amp, in?辦 redist，矛口辦 Iatch0 同樣如下所述，類似
地，使用時鐘328來處理電流傳感器320通過它的多個階段，包括Ct1和Φ2來確保在電流傳感器320的感測階段期間，刺激器核心310是打開的。可通過刺激器300的控制器來使用時鐘328，以控制內部和外部環(huán)的操作，例如，來為內部環(huán)302提供足夠時間在外部環(huán)304操作前安定下來。
[0081]在單次刺激事件期間，刺激器系統(tǒng)通過如上所述的兩個操作模式。在第一時段期間，刺激器在刺激的下轉換階段內操作，且在第二時段期間，刺激器在回收的上轉換階段內操作。在刺激器300的一個示例性操作中，為了完成刺激事件，控制器首先使系統(tǒng)進入刺激的下轉換模式(例如，通過將SHM/REC變量設定為“SUM”)并向較慢的電流控制環(huán)304施加電壓318(V.)。注意，如上所述，控制器可包括諸如圖1所示的控制器10之類的單個控制器設備，或可包括數個分離的控制器設備，其中某些置于刺激器300外部，而其他被結合至刺激器300內。
[0082]然后電流傳感器320，通過檢測預定時段內電極306的電容兩端相關聯的電壓，來測量流過電極306的電流，并使用比較器324來將所檢測到的電壓與V.比較。取決于哪一個電壓大于計數器322，比較器324將在電極處檢測到的電壓與V.之間的差異輸出為高或低值。
`[0083]計數器322從比較器324處接收反映出測得的電壓(Vamp)是否大于Veur的高或低值且相應地增大或減小該設定電壓計數器。在一個實現中，在刺激的下轉換模式中，如果Vamp小于V.(如，計數器322從比較器324接收到低值)，則計數器322使計數器增大了被定義為Dattadi的多個比特，不然，計數器322使該計數器減小了由Drelease所定義的多個比特。反之，在回收的上轉換模式中，如果Vamp大于V.(如，計數器322從比較器324接收到高值)，則計數器322使計數器減小了被定義為Dattadi的多個比特，不然，計數器322使該計數器增大了由DMlease所定義的多個比特。表1示出基于來自電流傳感器320的輸入的計數器322的不同行為。然而，在其他實現中，可基于優(yōu)選的系統(tǒng)實現來選擇來自比較器324的輸出以及計數器322的相關聯的行為，例如基于操作模式來使比較器324的輸出倒置，在這個情況下，計數器322的行為并不基于操作模式而變化。
[0084]
【權利要求】
1.一種醫(yī)療設備，被配置為連接至受試者并向所述受試者的組織傳遞電刺激，所述醫(yī)療設備包括: 電壓源； 電極，配置為向所述受試者的所述組織傳遞所述電刺激； 連接至所述電極和所述電壓源的傳感器電路，所述傳感器電路被配置為測量所述電極的功率特性；和 連接至所述電壓源的控制電路，所述控制電路被配置為: 將所述電極的測得的功率特性與期望的功率特性進行比較，且基于所述電極的測得的功率特性與期望的功率特性的比較，進行向所述電極傳遞能量以刺激所述組織以及從所述電極回收能量中的至少一項，其中所述控制電路被配置為在刺激的下轉換操作模式和回收的上轉換操作模式內操作。
2.如權利要求1所述的醫(yī)療設備，其特征在于，向所述電極傳遞能量包括: 向連接至所述電極刺激器的電感器提供能量；以及 將能量從所述電感器釋放至所述電極。
3.如權利要求2所述的醫(yī)療設備，包括連接至所述電感器的判優(yōu)器，所述判優(yōu)器被配置為將所述電感器在多個所連接的電極之間轉換來向多個電極的每一個提供能量或從多個電極的每一個中回收能量。
4.如權利要求1所述的醫(yī)療設備，其特征在于，所述傳感器電路包括配置為測量流過所述電極的電流的電流傳感器。`
5.如權利要求4所述的醫(yī)療設備，其特征在于，所述傳感器電路被配置為分路傳感器設置。
6.如權利要求1所述的醫(yī)療設備，其特征在于，所述控制電路被配置為基于所述電極的所測得的功率特性與期望的功率特性的比較而建立一設定電壓值，所述設定電壓值定義了所述電極兩端的電壓。
7.如權利要求6所述的電子設備，其特征在于，所述控制電路被配置成: 測量所述電極兩端的電壓；和 將所述電極兩端的測得的電壓與設定電壓進行比較。
8.如權利要求1所述的醫(yī)療設備，其特征在于，所述控制電路被配置為以刺激的下轉換操作模式、回收的上轉換操作模式、刺激的上轉換操作模式、和回收的下轉換操作模式進行操作。
9.一種電極刺激器，被配置為連接至醫(yī)療設備，所述醫(yī)療設備具有至少一個電極，所述至少一個電極被配置為向具有所述醫(yī)療設備的受試者的組織傳遞電刺激，所述電極刺激器包括: 傳感器電路，所述傳感器電路配置為耦合至所述醫(yī)療設備的至少一個電極來測量所述至少一個電極的功率特性； 控制電路，被配置為: 將所述至少一個電極的測得的功率特性與期望的功率特性進行比較，且基于所述至少一個電極的測得的功率特性與期望的功率特性的比較，在所述電極刺激器的第一操作模式和第二操作模式之間進行選擇，且其中所述第一操作模式包括向所述至少一個電極傳遞能量來刺激所述組織，且所述第二操作模式包括從所述至少一個電極中回收能量。
10.如權利要求9所述的電極刺激器，其特征在于，向所述至少一個電極傳遞能量包括: 向連接至所述電極刺激器的電感器提供能量；以及 將能量從所述電感器釋放至所述至少一個電極。
11.如權利要求10所述的電極刺激器，包括連接至所述電感器的判優(yōu)器，所述判優(yōu)器被配置為將所述電感器在多個所連接的電極之間轉換來向多個電極的每一個提供能量或從多個電極的每一個中回收能量。
12.如權利要求9所述的電極刺激器，其特征在于，所述傳感器電路包括配置為測量流過所述至少一個電極的電流的電流傳感器。
13.如權利要求12所述的電極刺激器，其特征在于，所述傳感器電路被配置為分路傳感器設置。
14.一種電極刺激器，被配置為連接至醫(yī)療設備，所述醫(yī)療設備具有至少一個電極，所述至少一個電極被配置為向具有所述醫(yī)療設備的受試者的組織傳遞電刺激，所述電極刺激器包括: 電流傳感器電路，被配置為:
測量流過所述至少一個電極的電流，且 通過將流過所述至少一個電極的電流和期望的電流進行比較來定義一設定電壓；和第一刺激器核心，耦合至所述至少一個電極并配置成基于在所述至少一個電極的兩端測得的電壓和所述設定電壓之間的比較來進行向所述至少一個電極傳遞能量和從所述至少一個電極中回收能量中的至少一項。
15.如權利要求14所述的電極刺激器，其特征在于，所述第一刺激器核心包括能量容器，且使用電感器使能量在所述能量容器和所述至少一個電極之間傳輸。
16.如權利要求14所述的電極刺激器，其特征在于，所述第一刺激器核心被配置為補充所述能量容器。
17.如權利要求16所述的電極刺激器，其特征在于，所述第一刺激器核心被配置為在所述電極刺激器退出回收的上轉換模式之后且在所述系統(tǒng)進入刺激的下轉換模式之前補充所述能量容器。
18.如權利要求14所述的電極刺激器，包括脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器配置為控制所述第一刺激器核心的操作，所述脈沖發(fā)生器配置為基于在所述至少一個電極的兩端測得的電壓和所述設定電壓的比較向所述第一刺激器核心傳輸脈沖信號從而使所述第一刺激器核心執(zhí)行向所述至少一個電極傳遞能量以及從所述至少一個電極中回收能量中的至少一項。
19.如權利要求18所述的電極刺激器，其特征在于，所述脈沖發(fā)生器包括延遲線，且使用所述延遲線來實現所述脈沖信號的時序。
20.如權利要求14所述的電極刺激器，其特征在于，所述電流傳感器電路包括分路傳感器。
21.如權利要求14所述的電極刺激器，其特征在于，所述電流傳感器電路被配置為按比所述第一刺激器核心更低的頻率進行操作。
22.如權利要求14所述的電極刺激器，包括: 直流-直流(DC-DC)轉換器，耦合至所述第一刺激器核心并被配置為向所述第一刺激器核心提供電壓，其中所述DC-DC轉換器被配置為基于在所述至少一個電極的兩端測得的電壓來調整提供至所述第一刺激器核心的電壓。
23.如權利要求14所述的電極刺激器，包括耦合至所述第一刺激器核心的第二刺激器核心，所述第一刺激器核心和所述第二刺激器核心配置為在刺激的下轉換操作模式、回收的上轉換操作模式、刺激的上轉換操作模式、和回收的下轉換操作模式中操作。
24.如權利要求23所述的電極刺激器，其特征在于，所述第二刺激器核心被設置為所述第一刺激器核心的鏡像。
25.一種刺激一電極的方法，所述電極被配置為向具有醫(yī)療設備的受試者的組織傳遞電刺激，所述方法包括: (a)測量流過所述電極的電流； (b)通過將流過所述電極的電流和期望電流進行比較來定義一設定電壓； (C)測量所述電極的兩端的電壓；和 (d)基于所述電極的兩端所測得的電壓和所述設定電壓之間的比較來進行向所述電極傳遞能量和從所述電極中回收能量中的至少一項。
26.如權利要求25所述的方法，包括在向所述電極傳遞能量后補充所述醫(yī)療設備內的能量容器。
27.如權利要求25所述的方法，包括向刺激器核心傳輸脈沖序列，所述脈沖序列被配置為使所述核心基于所述電極的兩端所測得的電壓與所述設定電壓的比較來進行向所述電極傳遞能量和從所述電極中回收能量中的至少一項。
28.如權利要求25所述的方法，其特征在于，步驟a-b包括執(zhí)行電流控制環(huán)，且步驟c-d包括執(zhí)行電壓控制環(huán)，且包括按比所述電壓控制環(huán)更低的頻率來執(zhí)行所述電流控制環(huán)。
【文檔編號】H03K19/00GK103561813SQ201180071149
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2011年4月28日 優(yōu)先權日:2011年4月28日
【發(fā)明者】S·K·阿爾芬, R·薩佩斯卡 申請人:麻省理工學院