一種無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器和裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器和裝置，其中神經(jīng)刺激器包括：天線線圈，電路部分，刺激電極陽(yáng)極和刺激電極陰極，所述電路部分包括：調(diào)諧電容，整流器，齊納二極管，濾波電容，偏置電阻，阻斷二極管，充電電阻，輸出電容，單結(jié)晶體管。本發(fā)明用于在保證可植入小尺寸的同時(shí)，采用電荷控制輸出刺激的強(qiáng)度，電路采用常見(jiàn)分立元件，電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，不需要制作專用集成電路芯片實(shí)現(xiàn)方便快捷，可移植性好，通過(guò)簡(jiǎn)單地對(duì)分立元件的值進(jìn)行修改，便可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)刺激器不同刺激功能。
【專利說(shuō)明】
一種無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器和裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于神經(jīng)刺激領(lǐng)域，特別涉及一種無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，對(duì)如神經(jīng)元或肌肉纖維進(jìn)行細(xì)胞外電刺激可以代替正常神經(jīng)刺激是生物物理界的公知常識(shí)?；疽笫牵T發(fā)跨膜電流極化細(xì)胞膜的區(qū)域，使其從靜止電位達(dá)到可使神經(jīng)軸突的鈉離子通道打開(kāi)的閾值，便達(dá)到了傳遞動(dòng)作電位的效果。細(xì)胞膜充當(dāng)充電電容與細(xì)胞內(nèi)的組織液充當(dāng)?shù)淖杩勾?lián)，刺激脈沖必須在時(shí)間和空間上產(chǎn)生足夠的電壓梯度，以誘發(fā)所需的跨膜電流。傳統(tǒng)上需要方波電流持續(xù)一段特定的時(shí)間才可以得到上述效果。電流流過(guò)含有興奮性細(xì)胞的組織在空間上建立了一個(gè)電壓梯度，通過(guò)該電流所需的實(shí)際電壓取決于電極的界面阻抗以及組織的阻抗，所以是沒(méi)有直接作用到興奮細(xì)胞，但影響了刺激功率需求。由細(xì)胞膜電容與細(xì)胞內(nèi)組織液充當(dāng)?shù)淖杩勾?lián)確定高通濾波器的時(shí)間常數(shù)，如果脈沖的持續(xù)時(shí)間比此時(shí)間常數(shù)短，則對(duì)于能提供足夠電荷的脈沖電流和持續(xù)時(shí)間的任意組合，所述閾值是能夠達(dá)到的。對(duì)于有髓鞘軸突(如外周感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng))，這個(gè)時(shí)間常數(shù)大約為100-200 μ S。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，神經(jīng)刺激器通過(guò)電荷而不是電壓或刺激脈沖的電流進(jìn)行刺激的電路很復(fù)雜，包括多種傳感和控制電路。而通常神經(jīng)刺激器需要尺寸小、重量輕的設(shè)計(jì)，這樣就需要根據(jù)應(yīng)用制作專用集成電路芯片(ASIC)，研發(fā)、制造和測(cè)試這樣一個(gè)集成電路芯片較為昂貴和費(fèi)時(shí)。當(dāng)需要多個(gè)神經(jīng)刺激器植入體內(nèi)，同時(shí)又必須單獨(dú)控制時(shí)，就需要采用更復(fù)雜的數(shù)字通信協(xié)議和解碼電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器和裝置，用于通過(guò)控制電荷以保證有效產(chǎn)生刺激脈沖的同時(shí)，達(dá)到小型化的設(shè)計(jì)及應(yīng)用要求。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，其特征在于，包括:天線線圈，電路部分，刺激電極陽(yáng)極和刺激電極陰極，其中，
[0006]所述電路部分包括:調(diào)諧電容，整流器，齊納二極管，濾波電容，偏置電阻，阻斷二極管，充電電阻，輸出電容，單結(jié)晶體管。
[0007]所述電路部分用于產(chǎn)生電刺激脈沖，再通過(guò)兩個(gè)刺激電極陽(yáng)極和陰極進(jìn)行直接刺激，所述天線線圈從體外的發(fā)射線圈通過(guò)射頻接收電磁能量，體外磁場(chǎng)具有6.78MHz的載波頻率，天線線圈和調(diào)諧電容形成的諧振頻率與磁場(chǎng)頻率相匹配,產(chǎn)生8.8 μ H的電感，調(diào)諧電容為62pF，整流器使交流電壓變?yōu)橹绷麟妷篤s，濾波電容使直流電壓Vs進(jìn)一步平滑，齊納二極管將直流電壓鉗位于齊納擊穿電壓，直流電壓Vs通過(guò)阻斷二極管和充電電阻到輸出電容，單結(jié)晶體管在輸出電容的電壓比直流電壓Vs低的時(shí)候，保持在一個(gè)高阻抗或關(guān)斷的狀態(tài)，輸出電容的充電速率取決于充電電阻和直流電壓Vs，當(dāng)充電電阻為27k Ω，輸出電容為0.47 μ F和齊納二極管的擊穿電壓為15V時(shí)，輸出電容以12.69ms為時(shí)間常數(shù)最高充電到14V的電壓，存儲(chǔ)6.58 μ C的電荷，充電電流通過(guò)陽(yáng)極和陰極和二者之間植入的組織；當(dāng)體外磁場(chǎng)關(guān)閉時(shí)，濾波電容通過(guò)偏置電阻放電，放電的過(guò)程中直流電壓Vs迅速降低到O，阻斷二極管防止輸出電容的電壓提供電流，當(dāng)直流電壓Vs下降到低于輸出電容的電壓時(shí)，單結(jié)晶體管進(jìn)入低阻狀態(tài)，允許所有或大部分儲(chǔ)存在輸出電容的電荷通過(guò)單結(jié)晶體管，由陽(yáng)極和陰極輸出刺激到植入的組織，在脈沖的刺激過(guò)程中，陰極相對(duì)于陽(yáng)極將具有負(fù)電壓。
[0008]可選地，所述天線線圈由20?30匝細(xì)銅線纏繞在圓柱狀3mm直徑高介電常數(shù)的鐵氧體上制成。
[0009]可選地，所述整流器是一個(gè)肖特基二極管，所述齊納二極管是BZX55C15 二極管，所述單結(jié)晶體管是2N6027或CP622，所述偏置電阻的阻值是1ΜΩ，所述阻斷二極管是1N5711。
[0010]可選地，還包括一個(gè)四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器，所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器的數(shù)據(jù)輸入端通過(guò)耦合電容和濾波電阻與所述濾波電容串聯(lián)；所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器的電源與濾波電容直接相連；所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器的輸出端與阻斷二極管的正極相連。
[0011]可選地，所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器設(shè)置0-15之間的數(shù)字，代表不同的無(wú)線電荷可控神經(jīng)刺激器，通過(guò)所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器的數(shù)據(jù)輸入端計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到與設(shè)置好的數(shù)字相等時(shí)，所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器輸出高電平。
[0012]可選地，所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器輸出高電平的電壓值等于輸入所述計(jì)數(shù)比較器的電源電壓。
[0013]基于上述目的，本發(fā)明還提供一種包括上述無(wú)線電荷可控神經(jīng)刺激器的神經(jīng)刺激控制裝置，包括程序部分，體外控制部分和無(wú)線電荷可控神經(jīng)刺激器，其中，
[0014]所述程序部分包括用戶界面和第一微處理器，刺激參數(shù)和其他信息在用戶界面進(jìn)行顯示，并且通過(guò)旋鈕或滑塊或按鈕或鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)置；
[0015]所述體外控制部分包括電源，第二微處理器，選通電路，功率振蕩器、發(fā)射天線；
[0016]無(wú)線電荷可控神經(jīng)刺激器通過(guò)天線線圈從發(fā)射天線接收體外控制部分產(chǎn)生的射頻磁場(chǎng)的能量，該射頻磁場(chǎng)由功率振蕩器和發(fā)射天線產(chǎn)生；發(fā)射天線為功率振蕩器的諧振電路的一部分，或者單獨(dú)地調(diào)諧到載波頻率，并通過(guò)同軸電纜與阻抗匹配電路耦合；功率振蕩器由選通電路調(diào)制，控制射頻能量脈沖串的持續(xù)時(shí)間；選通電路是依次由第二微處理器根據(jù)刺激脈沖的預(yù)設(shè)參數(shù)控制的，刺激脈沖由陽(yáng)極和陰極產(chǎn)生，第二微處理器由電源供電；程序部分設(shè)定和傳輸參數(shù)，參數(shù)通過(guò)通信鏈路進(jìn)行傳輸，通信鏈路使用USB或以太網(wǎng)或SPI或I2C或CAN或藍(lán)牙或ZigBee或WiFi通信協(xié)議。
[0017]可選地，所述功率振蕩器是E類放大器，使用高諧波頻率。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:皆采用的是常見(jiàn)分立元件，電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，不需要制作專用集成電路芯片，也可達(dá)到植入水平的小尺寸，實(shí)現(xiàn)方便快捷，可移植性好，通過(guò)簡(jiǎn)單地對(duì)分立元件的值進(jìn)行修改，便可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)刺激器不同刺激功能，適用于刺激各種神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)刺激器。
【附圖說(shuō)明】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明:
[0020]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器中一具體應(yīng)用實(shí)例的電路原理圖；
[0021]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的包括圖1所示無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器的神經(jīng)刺激裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的圖1所示無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器在兩種不同輸出刺激時(shí)相關(guān)電壓時(shí)序波形圖；
[0023]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的可尋址的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器中一具體應(yīng)用實(shí)例的電路原理圖；
[0024]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的可尋址的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器在兩種不同輸出刺激時(shí)相關(guān)電壓和管腳時(shí)序波形圖
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0026]本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，參見(jiàn)圖1，所示為本發(fā)明實(shí)施例的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器的電路原理圖，其包括:天線線圈1，神經(jīng)刺激器電路部分10，刺激電極陽(yáng)極3和刺激電極陰極5，其中，電路部分10包括:調(diào)諧電容11，整流器12，齊納二極管13，濾波電容14，偏置電阻15，阻斷二極管16，充電電阻17，輸出電容18，單結(jié)晶體管19。
[0027]天線線圈I與調(diào)諧電容11并聯(lián)，齊納二極管13通過(guò)整流器12與調(diào)諧電容11并聯(lián)，濾波電容14與齊納二極管13并聯(lián)，偏置電阻15與濾波電容14并聯(lián)，調(diào)諧電容11、齊納二極管13、濾波電容14與偏置電阻15共地，阻斷二極管16的正極與偏置電阻15的非接地端相連，單結(jié)晶體管19的第一基極與偏置電阻15的非接地端相連，單結(jié)晶體管19的第二基極與陽(yáng)極3相連，單結(jié)晶體管19的發(fā)射極通過(guò)輸出電容18與陰極5相連，阻斷二極管16的負(fù)極通過(guò)充電電阻17與輸出電容18相連。
[0028]電路部分10用于產(chǎn)生電刺激脈沖，再通過(guò)兩個(gè)刺激電極陽(yáng)極3和陰極5進(jìn)行直接刺激，天線線圈I從體外的發(fā)射線圈通過(guò)射頻接收電磁能量，有利的是，該體外磁場(chǎng)具有
6.78MHz的載波頻率，而這一頻率與可以傳輸大量的電磁能量的ISM(工業(yè)，科學(xué)和制造)頻帶是相一致的。天線線圈I和調(diào)諧電容11形成的諧振頻率與磁場(chǎng)頻率相匹配，可以優(yōu)化接收電壓Vr的振幅。天線線圈I可以由20?30匝細(xì)銅線纏繞在圓柱狀3mm直徑高介電常數(shù)的材料(如鐵氧體FT67)上制成，這可能會(huì)產(chǎn)生8.8μ H的電感，同時(shí)調(diào)諧電容11約為62pF。整流器12可以是一個(gè)肖特基二極管，如1N5711，整流器12使交流電壓Vr變?yōu)橹绷麟妷篤s，濾波電容14使Vs進(jìn)一步平滑。齊納二極管13可以是BZX55C15 二極管，將電壓Vs鉗位于齊納擊穿電壓，齊納二極管13的選擇需滿足所需刺激脈沖的電壓值，如15V。電壓Vs通過(guò)阻斷二極管16和充電電阻17到輸出電容18，輸出電容18的電壓為Vc。單結(jié)晶體管19在Vc比Vs低的時(shí)候，保持在一個(gè)高阻抗或“關(guān)斷”的狀態(tài)。單結(jié)晶體管19可以是可編程單結(jié)晶體管，如2N6027或類似可適合在微型植入刺激器中應(yīng)用的裸片，如CP622。輸出電容18的充電速率取決于充電電阻17和電壓Vs，當(dāng)充電電阻17為27k Ω，輸出電容18為0.47 μ F和齊納二極管13的擊穿電壓為15V時(shí)，輸出電容18可以12.69ms為時(shí)間常數(shù)充電到約有最高14V的電壓，可存儲(chǔ)6.58 μ C的電荷。充電電流通過(guò)陽(yáng)極3和陰極5和植入的組織，但這種相對(duì)較慢的充電速率對(duì)大多數(shù)的神經(jīng)細(xì)胞是不會(huì)產(chǎn)生影響的，因?yàn)樯窠?jīng)細(xì)胞一般可看作是一個(gè)時(shí)間常數(shù)小于Ims的高通濾波器。當(dāng)體外磁場(chǎng)關(guān)閉時(shí)，濾波電容14通過(guò)偏置電阻15放電,偏置電阻15的值一般較大,如1ΜΩ ,放電的過(guò)程中直流電壓Vs迅速降低到O，而阻斷二極管16，可以是肖特基二極管，如1Ν5711，防止Vc提供電流。當(dāng)電壓Vs下降到低于電壓Vc，單結(jié)晶體管19進(jìn)入低阻狀態(tài)，允許所有或大部分儲(chǔ)存在輸出電容18的電荷通過(guò)單結(jié)晶體管19，由陽(yáng)極3和陰極5輸出刺激到植入的組織。如果在陽(yáng)極3和陰極5之間植入的組織具有0.5k Ω的阻抗，則刺激脈沖的時(shí)間常數(shù)為235 μ s，這對(duì)有髓鞘的神經(jīng)纖維是有效的刺激。需要注意的是，該脈沖的刺激過(guò)程中，陰極5相對(duì)于陽(yáng)極3將具有負(fù)電壓，因此，找到陰極5最接近的可興奮組織受到刺激是較為有益的。同樣重要的是，不將Vc完全充電到Vs，因?yàn)閂s的較小波動(dòng)，如載波頻率引起的波紋，會(huì)使Vs立即下降至低于Vc，從而導(dǎo)致單結(jié)晶體管19的低阻狀態(tài)自發(fā)觸發(fā)。
[0029]圖1中各元件的值可以根據(jù)不同電刺激應(yīng)用需求進(jìn)行改變，從而改變電路實(shí)現(xiàn)的性能，例如平滑肌細(xì)胞。還有無(wú)髓鞘的神經(jīng)元，如在整個(gè)胃腸道系統(tǒng)中的神經(jīng)元，刺激它們需要幾個(gè)毫秒的時(shí)長(zhǎng)和更大的電荷量，才能達(dá)到閾值以實(shí)現(xiàn)刺激的激發(fā)。在這種情況下，輸出電容18的值要更大，如4.7 μ F，其將在充電至14V時(shí)有65.8 μ C的電荷，植入的組織具有0.5kQ的阻抗，則刺激脈沖的時(shí)間常數(shù)為2.35ms。這需要10倍的時(shí)長(zhǎng)來(lái)達(dá)到最大的電荷量，將限制脈沖的重復(fù)率，但是對(duì)于刺激目標(biāo)，如無(wú)髓鞘的神經(jīng)元或平滑肌細(xì)胞，只需要低頻率的刺激就可以實(shí)現(xiàn)有效的生理作用，如腸胃的蠕動(dòng)。再舉另外的一個(gè)例子，用于產(chǎn)生射頻磁場(chǎng)來(lái)給植入體20供電的體外發(fā)射機(jī)由于其性能和位置的原因可能限制神經(jīng)刺激器電路部分10接收到的電壓Vr的幅度。在這種情況下，采用具有較低擊穿電壓的齊納二極管13是合適的，此時(shí)無(wú)論植入體20在有限的射頻磁場(chǎng)中的哪個(gè)位置，輸出電容18的充電速率都是恒定的。同時(shí)，需要對(duì)輸出電容18和充電電阻17設(shè)置不同的值，以實(shí)現(xiàn)在要求的充電時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需的刺激電荷量。這種通過(guò)簡(jiǎn)單地對(duì)分立元件的值進(jìn)行修改，便可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)刺激器不同刺激功能也是本發(fā)明的一個(gè)重要有益效果。
[0030]圖2提供了包括程序部分30，體外控制部分50和體內(nèi)植入部分20的神經(jīng)刺激裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。植入部分20通過(guò)天線線圈I從發(fā)射天線48接收體外控制部分50產(chǎn)生的射頻磁場(chǎng)的能量，從而在天線線圈I上產(chǎn)生電流，該射頻磁場(chǎng)由功率振蕩器46和發(fā)射天線48產(chǎn)生。為了產(chǎn)生有效的強(qiáng)射頻磁場(chǎng)，功率振蕩器46可以是E類放大器，這一類放大器在載波頻率下使用了高調(diào)諧電路；發(fā)射天線48可為E類放大器的諧振電路的一部分，或者它可以單獨(dú)地調(diào)諧到載波頻率，并通過(guò)同軸電纜與阻抗匹配電路耦合。功率振蕩器46由選通電路44調(diào)制，它控制射頻能量脈沖串的持續(xù)時(shí)間。選通電路44是依次由第二微處理器42根據(jù)刺激脈沖的預(yù)設(shè)參數(shù)來(lái)控制，刺激脈沖由陽(yáng)極3和陰極5產(chǎn)生。第二微處理器42由電源41供電，而且第二微處理器42可以給包括控制部分50等其他電路供電。通常，刺激參數(shù)需要由醫(yī)生或植入者調(diào)整，因此用一個(gè)單獨(dú)的程序部分30設(shè)定和傳輸這些參數(shù)是合適的。參數(shù)可以通過(guò)通信鏈路36進(jìn)行傳輸，通信鏈路36使用有線或無(wú)線通信協(xié)議，例如USB,以太網(wǎng)，SPI，I2C，CAN，藍(lán)牙，ZigBee，WiFi，或其它協(xié)議。程序部分30包括第一微處理器32，用戶界面34，由此刺激參數(shù)和其他信息可以進(jìn)行顯示，并且通過(guò)旋鈕，滑塊，按鈕，鍵盤(pán)或其它手段進(jìn)行設(shè)置。
[0031]圖3提供了無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器在兩種不同輸出刺激時(shí)相關(guān)電壓時(shí)序波形圖，由控制部分50發(fā)出命令信號(hào)Command，高電平的狀態(tài)使功率振蕩器46產(chǎn)生射頻磁場(chǎng)，通過(guò)發(fā)射線圈48輸出給植入部分20。下面的4條時(shí)序波形所表示的電壓在圖1中有所標(biāo)記，Vr表示由天線線圈I接收載波頻率所得到的電壓，Vs表示由整流和濾波后的直流電源電壓，Vc表示在輸出電容18中的累積電荷所儲(chǔ)存的電壓，Ve表示通過(guò)陽(yáng)極3和陰極5作用在植入的組織的電壓。命令信號(hào)Command的第一個(gè)高電平持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短,Vs迅速上升到由齊納二極管13所鉗位的值，這個(gè)期間內(nèi)對(duì)輸出電容18充電。該充電電流通過(guò)陽(yáng)極3，陰極5與植入的組織，從而使Ve有較小的正電壓。當(dāng)命令信號(hào)Co_and為低電平即關(guān)閉后，Vs迅速下降到零，當(dāng)Ns比Vc低時(shí)，單結(jié)晶體管19進(jìn)入低阻狀態(tài)，使輸出電容18上全部或大多數(shù)的電荷通過(guò)陽(yáng)極3，陰極5與植入的組織放電，導(dǎo)致了放電電流從一個(gè)最初的大值呈指數(shù)衰減，這一大值在圖中呈現(xiàn)為一個(gè)負(fù)尖峰，如Ve的時(shí)序波形所示。接下來(lái)，命令信號(hào)Command的第二個(gè)高電平持續(xù)時(shí)間比第一個(gè)長(zhǎng),使輸出電容18的充電時(shí)間更長(zhǎng),所得到的充電電壓Vc更大，在體外的射頻磁場(chǎng)關(guān)閉后Vs下降到零的過(guò)程也較長(zhǎng)。因此，輸出電容18儲(chǔ)存了更多的電荷，產(chǎn)生的放電電流也更大，反映到Ve上即是更大的負(fù)尖峰。
[0032]與上述圖1所示無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器對(duì)應(yīng)的是，本發(fā)明又一實(shí)施例提供了可尋址的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，參見(jiàn)圖4。圖1所示的實(shí)施例說(shuō)明無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器對(duì)于任何體外的射頻磁場(chǎng)均有響應(yīng)，在臨床應(yīng)用中，有可能需要采用不同的刺激參數(shù)或刺激次數(shù)對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的神經(jīng)刺激器進(jìn)行刺激，因此圖4提供了可尋址的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，使體外控制部分50可選擇性地控制通過(guò)發(fā)射不同的命令信號(hào)Co_and，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同神經(jīng)刺激器的刺激控制。圖4實(shí)施例與圖1實(shí)施例不同的是加入了 4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器24，耦合電容23，濾波電阻22。4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器24的計(jì)數(shù)是體現(xiàn)在其四個(gè)位b0，bl，b2和b3，比較是體現(xiàn)在其數(shù)據(jù)輸入端D接收到與預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)相等數(shù)量的上升沿時(shí)，輸出端Q進(jìn)入高電平狀態(tài)，其電壓等于或接近輸入計(jì)數(shù)比較器24的電源電壓Vs。b0-b3四位可以設(shè)置為0-15，各代表不同位置的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，下面以b0-b3設(shè)置為0011為例進(jìn)行說(shuō)明。圖5提供了命令信號(hào)Co_and持續(xù)一個(gè)高電平時(shí)對(duì)應(yīng)的各電壓和管腳的時(shí)序波形圖，Vs的上升速率比圖3中緩慢，是因?yàn)闉V波電容14與濾波電阻22串聯(lián)，產(chǎn)生的時(shí)間常數(shù)是由二者的乘積決定的。命令信號(hào)Co_and給出第一個(gè)脈沖之后，使能計(jì)數(shù)比較器24，而后短暫地關(guān)斷射頻磁場(chǎng)，引起Vs稍微下降，但下降后的Vs不足以使計(jì)數(shù)比較器24不工作，其依然處于使能狀態(tài)；緊接著，命令信號(hào)Command給出第二個(gè)脈沖，使Vs重新上升到由齊納二極管13鉗位的電壓值，此時(shí)，計(jì)數(shù)器比較器24邊沿觸發(fā)的數(shù)據(jù)輸入端D開(kāi)始計(jì)數(shù)，每接收到一個(gè)上升沿計(jì)數(shù)加I。耦合電容23會(huì)導(dǎo)致D端在命令信號(hào)Command的上升沿和下降沿出現(xiàn)較小的正、負(fù)波動(dòng)，參見(jiàn)圖5中D的時(shí)序波形圖所示。當(dāng)計(jì)數(shù)比較器24使能后，數(shù)據(jù)輸入端D接收到第三個(gè)這樣的上升沿時(shí)，即與b0-b3設(shè)置的0011相等，此時(shí)輸出端Q變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)。輸出端Q通過(guò)阻斷二極管16和充電電阻17對(duì)輸出電容18進(jìn)行充電，時(shí)間常數(shù)由充電電阻17和輸出電容18決定，圖5中Vc的時(shí)序波形圖看出其逐漸充電的過(guò)程。當(dāng)命令信號(hào)Command的命令序列最后恢復(fù)低電平，即體外射頻磁場(chǎng)關(guān)閉時(shí)，濾波電容14被其持續(xù)供電的計(jì)數(shù)比較器泄放，使Vs迅速下降。當(dāng)Vs低于Vc時(shí)，單結(jié)晶體管19進(jìn)入低阻狀態(tài)，允許全部或大部分存儲(chǔ)于輸出電容18的電荷放電，施于陽(yáng)極3，陰極5和它們之間的植入組織。電流流過(guò)植入組織，產(chǎn)生了對(duì)其興奮細(xì)胞有效的刺激，同時(shí)Ve出現(xiàn)一個(gè)較大，較快速的負(fù)電壓脈沖。
[0033]本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)方案相比，皆采用的是常見(jiàn)分立元件，電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，不需要制作專用集成電路芯片，實(shí)現(xiàn)方便快捷，可移植性好，適用于刺激各種神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)刺激器。
[0034]最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其做出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，其特征在于，包括:天線線圈，電路部分，刺激電極陽(yáng)極和刺激電極陰極，其中， 所述電路部分包括:調(diào)諧電容，整流器，齊納二極管，濾波電容，偏置電阻，阻斷二極管，充電電阻，輸出電容，單結(jié)晶體管； 所述電路部分用于產(chǎn)生電刺激脈沖，再通過(guò)兩個(gè)刺激電極陽(yáng)極和陰極進(jìn)行直接刺激，所述天線線圈從體外的發(fā)射線圈通過(guò)射頻接收電磁能量，體外磁場(chǎng)具有6.78MHz的載波頻率,天線線圈和調(diào)諧電容形成的諧振頻率與磁場(chǎng)頻率相匹配,產(chǎn)生8.8μ H的電感，調(diào)諧電容為62pF ;整流器使交流電壓變?yōu)橹绷麟妷篤s ;濾波電容通過(guò)整流器與調(diào)諧電容并聯(lián)，使直流電壓Vs進(jìn)一步平滑；齊納二極管與濾波電容并聯(lián)，將直流電壓鉗位于齊納擊穿電壓；直流電壓Vs通過(guò)阻斷二極管和充電電阻到輸出電容，單結(jié)晶體管在輸出電容的電壓比直流電壓Vs低的時(shí)候，保持在一個(gè)高阻抗或關(guān)斷的狀態(tài)；輸出電容的充電速率取決于充電電阻和直流電壓Vs，當(dāng)充電電阻為27kQ，輸出電容為0.47 μ F和齊納二極管的擊穿電壓為15V時(shí)，輸出電容以12.69ms為時(shí)間常數(shù)最高充電到14V的電壓，存儲(chǔ)6.58 μ C的電荷，充電電流通過(guò)陽(yáng)極和陰極和二者之間植入的組織；當(dāng)體外磁場(chǎng)關(guān)閉時(shí)，濾波電容通過(guò)偏置電阻放電，放電的過(guò)程中直流電壓Vs迅速降低到O，阻斷二極管防止輸出電容的電壓提供電流，當(dāng)直流電壓Vs下降到低于輸出電容的電壓時(shí)，單結(jié)晶體管進(jìn)入低阻狀態(tài)，允許所有或大部分儲(chǔ)存在輸出電容的電荷通過(guò)單結(jié)晶體管，由陽(yáng)極和陰極輸出刺激到植入的組織，在脈沖的刺激過(guò)程中，陰極相對(duì)于陽(yáng)極將具有負(fù)電壓。2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，其特征在于，所述天線線圈由20?30匝細(xì)銅線纏繞在圓柱狀3mm直徑的鐵氧體上制成。3.如權(quán)利要求1所述的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，其特征在于，所述整流器是一個(gè)肖特基二極管，所述齊納二極管是BZX55C 15 二極管，所述單結(jié)晶體管是2N6027或CP622，所述偏置電阻的阻值是1ΜΩ，所述阻斷二極管是1N5711。4.如權(quán)利要求1-3之一所述的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，其特征在于，還包括一個(gè)四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器，所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器的數(shù)據(jù)輸入端通過(guò)耦合電容和濾波電阻與所述濾波電容串聯(lián)；所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器的電源與濾波電容直接相連；所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器的輸出端與阻斷二極管的正極相連。5.如權(quán)利要求4所述的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，其特征在于，所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器設(shè)置0-15之間的數(shù)字，代表不同的無(wú)線電荷可控神經(jīng)刺激器，通過(guò)所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器的數(shù)據(jù)輸入端計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到與設(shè)置好的數(shù)字相等時(shí)，所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器輸出高電平。6.如權(quán)利要求5所述的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，其特征在于，所述四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)比較器輸出高電平的電壓值等于輸入所述計(jì)數(shù)比較器的電源電壓。7.一種包括權(quán)利要求1-6之一所述無(wú)線電荷可控神經(jīng)刺激器的神經(jīng)刺激控制裝置，其特征在于，包括程序部分，體外控制部分和無(wú)線電荷可控神經(jīng)刺激器，其中， 所述程序部分包括用戶界面和第一微處理器，刺激參數(shù)和其他信息在用戶界面進(jìn)行顯示，并且通過(guò)旋鈕或滑塊或按鈕或鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)置； 所述體外控制部分包括電源，第二微處理器，選通電路，功率振蕩器、發(fā)射天線； 所述無(wú)線電荷可控神經(jīng)刺激器通過(guò)天線線圈從發(fā)射天線接收所述體外控制部分產(chǎn)生的射頻磁場(chǎng)的能量，該射頻磁場(chǎng)由功率振蕩器和發(fā)射天線產(chǎn)生；所述發(fā)射天線為功率振蕩器的諧振電路的一部分，或者單獨(dú)地調(diào)諧到載波頻率，并通過(guò)同軸電纜與阻抗匹配電路耦合；所述功率振蕩器與選通電路相連，由選通電路調(diào)制，控制射頻能量脈沖串的持續(xù)時(shí)間；所述選通電路與第二位處理器相連，第二微處理器根據(jù)刺激脈沖的預(yù)設(shè)參數(shù)控制，刺激脈沖由陽(yáng)極和陰極產(chǎn)生，第二微處理器由電源供電；所述程序部分設(shè)定和傳輸參數(shù)，參數(shù)通過(guò)通信鏈路進(jìn)行傳輸，通信鏈路使用USB或以太網(wǎng)或SPI或I2C或CAN或藍(lán)牙或ZigBee或WiFi通信協(xié)議。8.如權(quán)利要求7所述的無(wú)線電荷可控的神經(jīng)刺激器，其特征在于，所述功率振蕩器是E類放大器，使用高諧波頻率。
【文檔編號(hào)】A61N1/36GK105879216SQ201410431446
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年8月27日
【發(fā)明人】鄭凱慧, 吉拉德·勒布
【申請(qǐng)人】杭州承諾醫(yī)療科技有限公司