一種植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微型醫(yī)療器械領(lǐng)域，特別涉及一種醫(yī)療使用的植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)以 及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)種類很多，如植入式腦深部刺激器、植入式脊髓刺激器、植入 式迷走神經(jīng)刺激器等。由植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)的刺激輸出模塊產(chǎn)生脈沖，通過(guò)植入電極釋 放高頻電刺激，刺激體內(nèi)特定部位的神經(jīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定疾病的治療作用。
[0003] 由于植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)使用時(shí)，其刺激電極直接植入人體組織內(nèi)部。因此，該類 設(shè)備直接關(guān)系到植入者的安全，需要對(duì)其直接刺激的人體神經(jīng)組織實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的電荷平衡。
[0004] 當(dāng)前植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)，其恒流的電流輸出多通過(guò)將可變的電壓經(jīng)電壓跟隨器 作用在一定大小的電阻兩端實(shí)現(xiàn)。該方案的設(shè)計(jì)使得高精度恒流輸出的情況下電阻兩端電 壓變化范圍較大，直接導(dǎo)致輸出電壓容限較小，使得系統(tǒng)的能效性較低，形成了能效性和精 度的相互制約。而另一些植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)恒流的電流輸出通過(guò)電流鏡并聯(lián)選通的方式 實(shí)現(xiàn)，當(dāng)刺激電流較大時(shí)，該方式將使得電流鏡的寬度很寬，占用極大的芯片面積，從而限 制了輸出電流的幅值范圍，高精度設(shè)計(jì)下的電流鏡的匹配問(wèn)題也會(huì)對(duì)精度形成制約。同時(shí)， 受制于精度特性，當(dāng)前神經(jīng)刺激系統(tǒng)的恒流電流輸出為了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的電荷平衡多通過(guò)被動(dòng) 電荷平衡的方式實(shí)現(xiàn)，以滿足植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)的安全性。但被動(dòng)電荷平衡的方式使得 系統(tǒng)中片外元件較多、被動(dòng)電荷平衡時(shí)間較長(zhǎng)，且被動(dòng)電荷平衡過(guò)程波形幅值不可控，控制 也不夠靈活。而具備主動(dòng)電荷平衡功能的恒流植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)，其電力使用方案又存 在能效低、恒流輸出精度不夠?qū)е碌碾姾善胶獍踩圆蛔愕葐?wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，確有必要提供一種能效高且電荷平衡安全性高的植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng) 及其工作方法。
[0006] -種植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)，其包括：一脈沖發(fā)生器，一刺激電極，以及一體外程控 儀；其中，所述脈沖發(fā)生器包括：一中央控制器、一 D⑶C電源、一混合型高精度DAC、一電流 輸出反饋、一 DCDC多路輸出DAC、一 DCDC多路選擇開(kāi)關(guān)、一儲(chǔ)能電容選擇多路開(kāi)關(guān)、一儲(chǔ)能 電容陣列、一高電壓選擇電路、一用于將該脈沖發(fā)生器與所述刺激電極的觸點(diǎn)陣列電連接 的通道選擇開(kāi)關(guān)陣列、以及一收容上述元件的外殼； 所述中央控制器分別與所述DCDC電源、混合型高精度DAC、電流輸出反饋、DCDC多路輸 出DAC、DCDC多路選擇開(kāi)關(guān)、儲(chǔ)能電容選擇多路開(kāi)關(guān)、以及通道選擇開(kāi)關(guān)陣列電連接，并用 于控制其工作； 所述DCDC電源通過(guò)所述儲(chǔ)能電容選擇多路開(kāi)關(guān)與所述儲(chǔ)能電容陣列電連接，并用于 向所述儲(chǔ)能電容陣列充電； 所述儲(chǔ)能電容陣列通過(guò)所述高電壓選擇電路與所述通道選擇開(kāi)關(guān)陣列電連接，并通過(guò) 該通道選擇開(kāi)關(guān)陣列向所述刺激電極的觸點(diǎn)陣列提供電脈沖刺激； 所述混合型高精度DAC包括：一低有效位發(fā)生器、一高有效位發(fā)生器、一閾值電壓Vt基 準(zhǔn)電路、一低電壓參考、以及一低電壓跟隨器；所述混合型高精度DAC用于接收所述中央控 制器的數(shù)字量輸入并輸出對(duì)應(yīng)的電流大小，并將該電流輸出情況通過(guò)該電流輸出反饋實(shí)時(shí) 告知該中央控制器； 所述電流輸出反饋與低電壓跟隨器輸出MOS管電連接，用于接收來(lái)自所述混合型高精 度DAC的電流輸出情況并實(shí)時(shí)告知該中央控制器； 所述DCDC多路輸出DAC與所述電流輸出反饋電連接，并通過(guò)該DCDC多路選擇開(kāi)關(guān)與 所述DCDC電源電連接，該DCDC多路輸出DAC用于設(shè)置所述DCDC電源的輸出電壓。
[0007] 如上所述植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)，其中，所述低有效位發(fā)生器包括：一低有效位多路 選擇開(kāi)關(guān)、一低有效位多路輸出DAC、一低有效位發(fā)生MOS管；所述低有效位多路輸出DAC 分別與所述低有效位多路選擇開(kāi)關(guān)、所述中央控制器以及所述閾值電壓Vt基準(zhǔn)電路電連 接，其用于接收所述中央控制器的數(shù)字信號(hào)并將其累加閾值電壓Vt后轉(zhuǎn)換為多路電壓模 擬信號(hào)輸出；所述低有效位多路選擇開(kāi)關(guān)分別與所述低有效位多路輸出DAC、中央控制器 以及低有效位發(fā)生MOS管電連接，其用于設(shè)定該低有效位發(fā)生器的輸出電流；所述低有效 位發(fā)生MOS管的漏極與所述低電壓跟隨器電連接，源極和體端接地； 所述尚有效位發(fā)生器包括：一尚有效位單路輸出DAC、一尚有效位多路選通開(kāi)關(guān)、一尚 有效位發(fā)生MOS管陣列；所述高有效位單路輸出DAC分別與所述閾值電壓Vt基準(zhǔn)電路以及 高有效位多路選通開(kāi)關(guān)電連接，其用于對(duì)應(yīng)一個(gè)固定輸出值并將其累加閾值電壓Vt后轉(zhuǎn) 換為單路電壓模擬信號(hào)輸出；所述高有效位多路選通開(kāi)關(guān)與所述中央控制器以及高有效位 單路輸出DAC電連接，其用于設(shè)定該高有效位發(fā)生器的輸出電流；所述高有效位發(fā)生MOS管 陣列的漏極與所述低電壓跟隨器電連接，源極和體端接地； 所述閾值電壓Vt基準(zhǔn)電路用于通過(guò)片內(nèi)電阻結(jié)合MOS管組成的電路獲得并實(shí)時(shí)輸出 當(dāng)前工藝下特定類型MOS管的閾值電壓Vt ; 所述低電壓參考與所述低電壓跟隨器連接，其用于向所述低電壓跟隨器提供一參考電 壓； 所述低電壓跟隨器包括一低電壓跟隨器輸出MOS管和一與所述低電壓跟隨器輸出MOS 管連接的運(yùn)算放大器；該低電壓跟隨器輸出MOS管的漏極與所述通道選擇開(kāi)關(guān)陣列電連 接，源極與所述低有效位發(fā)生MOS管以及高有效位發(fā)生MOS管陣列的漏極電連接；所述運(yùn)算 放大器與所述低電壓參考連接；所述低電壓跟隨器用于設(shè)定該低有效位發(fā)生器和該高有效 位發(fā)生器的輸出電壓。
[0008] 如上所述植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)，其中，所述脈沖發(fā)生器的脈沖恒流輸出的方法包 括以下步驟： 步驟S10,開(kāi)始一個(gè)脈沖刺激周期，設(shè)定正向刺激電流Ip的高有效位和低有效位并輸 出以及控制該正向刺激電流輸出脈沖寬度Tp，所述儲(chǔ)能電容陣列開(kāi)始放電，系統(tǒng)進(jìn)入正向 刺激狀態(tài)； 步驟S11，停止正向刺激狀態(tài)，設(shè)定負(fù)向刺激電流In的高有效位和低有效位并輸出，以 及控制該負(fù)向刺激電流輸出脈沖寬度Tn，其中Ip*Tp=In*Tn，所述儲(chǔ)能電容陣列開(kāi)始放電， 系統(tǒng)進(jìn)入負(fù)向刺激狀態(tài)； 步驟S12,停止負(fù)向刺激狀態(tài)，所述儲(chǔ)能電容陣列充電，系統(tǒng)進(jìn)入充電狀態(tài)； 步驟S13,判斷所述電流輸出反饋是否異常，如果是，進(jìn)入步驟S14,如果否，則進(jìn)入步 驟 S15 ; 步驟S14,對(duì)上述異常情況進(jìn)行處理，結(jié)束后進(jìn)入步驟S15 ; 步驟S15,判斷是否滿足短接放電條件，如果是，進(jìn)入步驟S16,如果否，則進(jìn)入步驟 S17 ； 步驟S16,短接放電，結(jié)束后進(jìn)入步驟S17 ; 步驟S17，判斷上述正向刺激、負(fù)向刺激以及充電的時(shí)間和是否等于一個(gè)電脈沖刺激周 期T，如果是，進(jìn)入步驟S18,如果否，則返回步驟S12 ;以及 步驟S18,所述儲(chǔ)能電容陣列停止充電，結(jié)束該脈沖刺激周期并返回步驟S10。
[0009] 如上所述植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)，其中，所述步驟SlO具體包括：由所述中央控制器 通過(guò)所述低有效位多路輸出DAC設(shè)定每路電流輸出對(duì)應(yīng)的低有效位輸出，通過(guò)所述通道選 擇開(kāi)關(guān)陣列對(duì)所述觸點(diǎn)陣列進(jìn)行正向選通，通過(guò)所述低有效位多路選擇開(kāi)關(guān)從以上多個(gè)電 流輸出參數(shù)中實(shí)時(shí)選擇對(duì)應(yīng)的正向刺激電流Ip的低有效位輸入，并通過(guò)所述高有效位多 路選通開(kāi)關(guān)設(shè)定該正向刺激電流Ip的高有效位開(kāi)始正向刺激，并由所述中央控制器通過(guò) 所述低有效位多路選擇開(kāi)關(guān)和所述高有效位多路選通開(kāi)關(guān)控制正向刺激電流輸出脈沖寬 度Tp ;然后，由所述中央控制器通過(guò)所述儲(chǔ)能電容選擇多路開(kāi)關(guān)選擇所述儲(chǔ)能電容陣列中 對(duì)應(yīng)的電容，并選通所述通道選擇開(kāi)關(guān)陣列相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)，對(duì)所述觸點(diǎn)陣列放電； 所述步驟Sll具體包括：由所述中央控制器通過(guò)所述低有效位多路選擇開(kāi)關(guān)和所述高 有效位多路選通開(kāi)關(guān)停止正向刺激，通過(guò)所述通道選擇開(kāi)關(guān)陣列對(duì)所述觸點(diǎn)陣列進(jìn)行負(fù)向 選通，通過(guò)所述低有效位多路選擇開(kāi)關(guān)從以上多個(gè)電流輸出參數(shù)中實(shí)時(shí)選擇對(duì)應(yīng)的負(fù)向刺 激電流In的低有效位輸入并通過(guò)所述高有效位多路選通開(kāi)關(guān)設(shè)定負(fù)向刺激電流In的高有 效位開(kāi)始負(fù)向刺激，由所述中央控制器通過(guò)所述低有效位多路選擇開(kāi)關(guān)和所述高有效位多 路選通開(kāi)關(guān)控制該負(fù)向刺激電流輸出脈沖寬度Tn，且該負(fù)向刺激電流小于等于該正向刺激 電流；然后，由所述中央控制器通過(guò)所述儲(chǔ)能電容選擇多路開(kāi)關(guān)選擇所述儲(chǔ)能電容陣列中 對(duì)應(yīng)的電容，并選通所述通道選擇開(kāi)關(guān)陣列相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)，對(duì)所述觸點(diǎn)陣列放電，其中，放 電電流方向與正向刺激狀態(tài)相反； 所述步驟S12具體包括：由所述中央控制器斷開(kāi)所述通道選擇開(kāi)關(guān)陣列，控制所述低 有效位多路選擇開(kāi)關(guān)和所述高有效位多路選通開(kāi)關(guān)停止負(fù)向刺激