一種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及神經(jīng)刺激器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器置。
【背景技術(shù)】
[0002]神經(jīng)刺激器是一種以一定程度的電流脈沖刺激神經(jīng)靶點(diǎn)以調(diào)整或恢復(fù)腦部、神經(jīng)或肌肉的功能的醫(yī)療器械。目前廣泛的應(yīng)用于脊髓刺激、深部腦刺激、人工耳蝸和視網(wǎng)膜假體的治療。神經(jīng)刺激器使用兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)發(fā)出正負(fù)電流脈沖刺激神經(jīng)靶點(diǎn)的電極刺激脈沖波形如圖一所示。常用刺激使用數(shù)字開關(guān)保持輸出脈沖周期相等即Ta =Tc,目如的電路技術(shù)能精確的提供控制彳目號(hào)滿足Ta和Tc精確相等。然而受到電路工藝誤差等限制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)卻不能產(chǎn)生足夠匹配的陽(yáng)極電流Ia、陰極電流Ic，即便采用高精度設(shè)計(jì)的DAC和高度匹配的版圖布局也不能輸出滿足生物安全性的雙相電流。
[0003]同時(shí)目前有多種方案用于解決電流刺激產(chǎn)生的殘余電荷。包括:利用隔直大電容釋放殘余電荷:在電極上接入電容將殘余電荷釋放到地、用MOS管搭建電極短路電路消除殘余電荷:將殘余電荷通過(guò)NMOS (N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)和PMOS (P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)搭建的通路釋放。
[0004]傳統(tǒng)的神經(jīng)刺激器是通過(guò)設(shè)置隔直大電容的方式消除殘余電荷使之電勢(shì)歸零，但是隔直大電容的方法因?yàn)樗桦娙荽笥?0nF所需體積較大無(wú)法在芯片內(nèi)部集成，限制了其在多通道刺激器領(lǐng)域的應(yīng)用，較大的體積也會(huì)加大植入式神經(jīng)刺激器的手術(shù)難度。
[0005]傳統(tǒng)方法還有通過(guò)電極短路方式釋放殘余電荷，即單一的陽(yáng)極電流輸出結(jié)束以后通過(guò)電極短路的技術(shù)將電極內(nèi)的電荷釋放到地，風(fēng)險(xiǎn)在于每次做電極短路的時(shí)間是恒定的，實(shí)際中由于電極電阻的變化導(dǎo)致釋放電荷的容量的改變，從而可能存在幾次刺激都沒(méi)有完成釋放的情況，殘余電荷逐漸累積。電極短路電路組成的殘余電荷消除系統(tǒng)會(huì)受到電極電阻變化引起系統(tǒng)誤差，電極電勢(shì)并不能隨時(shí)檢測(cè)，在一段時(shí)間內(nèi)仍會(huì)存在積累電荷過(guò)多的風(fēng)險(xiǎn)。
[0006]為解決上述問(wèn)題提出一種模擬校準(zhǔn)技術(shù)，該技術(shù)基于模擬反饋的電荷平衡技術(shù)，在脈沖刺激之前通過(guò)校準(zhǔn)系統(tǒng)匹配雙向電流大小，采用額外的MOS管輸出補(bǔ)償電流同時(shí)通過(guò)片上集成采樣電容儲(chǔ)存補(bǔ)償電流的狀態(tài)以保持刺激脈沖時(shí)的補(bǔ)償電流。然而該模擬校準(zhǔn)技術(shù)雖然能夠在一定程度上縮減誤差，卻無(wú)法達(dá)到真正意義上的精準(zhǔn)，在臨床應(yīng)用上仍然不能達(dá)到理想效果。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]基于上述情況，有必要提供了一種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器。
[0008]—種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器，包括陽(yáng)極輸出端、陰極輸出端、數(shù)字校準(zhǔn)電路、設(shè)置在陽(yáng)極輸出端和陰極輸出端之間的開關(guān)控制電路、與開關(guān)控制電路連接的電極，所述數(shù)字校準(zhǔn)電路包括順次連接電壓檢測(cè)電路和邏輯運(yùn)算組件，所述電壓檢測(cè)電路與開關(guān)控制電路電性連接，所述邏輯運(yùn)算組件與陽(yáng)極輸出端或陰極輸出端電性連接。
[0009]進(jìn)一步，還包括模擬校準(zhǔn)電路，所述模擬校準(zhǔn)電路包括順次連接的負(fù)反饋電路和補(bǔ)償電路；所述負(fù)反饋電路與開關(guān)控制電路連接，所述補(bǔ)償電路電性連接至陽(yáng)極輸出端或陰極輸出端。
[0010]更進(jìn)一步的，所述開關(guān)控制電路由第一開關(guān)電路和第二開關(guān)電路并聯(lián)而成，所述第一開關(guān)電路包括串聯(lián)的第一開關(guān)和第二開關(guān)，所述第二開關(guān)電路包括串聯(lián)的第三開關(guān)和第四開關(guān)。
[0011]具體的，所述電極連接在第一開關(guān)和第二開關(guān)之間，所述負(fù)反饋電路和電壓檢測(cè)電路均連接在第三開關(guān)和第四開關(guān)之間。
[0012]再者，所述陽(yáng)極輸出端包括順次連接的陽(yáng)極數(shù)模轉(zhuǎn)換器和陽(yáng)極運(yùn)算放大器，所述陰極輸出端包括順次連接的陰極數(shù)模轉(zhuǎn)換器和陰極運(yùn)算放大器；所述邏輯運(yùn)算組件連接至陽(yáng)極數(shù)模轉(zhuǎn)換器或陰極數(shù)模轉(zhuǎn)換器；所述補(bǔ)償電路連接至陽(yáng)極運(yùn)算放大器或陰極運(yùn)算放大器。
[0013]具體的，所述電壓檢測(cè)電路包括一電壓比較器，所述電壓比較器采集輸出電壓并將輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，將比較的結(jié)果傳輸給邏輯運(yùn)算組件，所述邏輯運(yùn)算組件根據(jù)比較結(jié)果，控制陽(yáng)極輸出端或陰極輸出端輸出滿足最小位誤差的輸出電流。
[0014]具體的，所述負(fù)反饋電路和補(bǔ)償電路之間還設(shè)置有采樣電容，所述采樣電容用于存儲(chǔ)和提供補(bǔ)償電壓。
[0015]進(jìn)一步，所述負(fù)反饋電路和采樣電容之間還設(shè)置有傳輸門電路。
[0016]具體的，所述傳輸門電路為虛擬傳輸門電路。
[0017]進(jìn)一步的，所述數(shù)字校準(zhǔn)電路還包括開關(guān)單元，所述開關(guān)單元用于控制數(shù)字校準(zhǔn)電路關(guān)閉。
[0018]本實(shí)用新型一種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器，開創(chuàng)性提出數(shù)字校準(zhǔn)，該數(shù)字校準(zhǔn)電路包括順次連接電壓檢測(cè)電路和邏輯運(yùn)算組件，所述電壓檢測(cè)電路與開關(guān)控制電路連接，所述邏輯運(yùn)算組件與陽(yáng)極輸出端或陰極輸出端連接。采用該校準(zhǔn)電路的神經(jīng)刺激器能輸出高度匹配的雙相電流脈沖，具有易于集成、高穩(wěn)定性、電流幅度誤差小的特點(diǎn)。并且基于現(xiàn)有技術(shù)采用隔直大電容或電極短路方式消除殘余電荷，本實(shí)用新型的神經(jīng)刺激器，從輸出上直接精確控制電流的匹配度，從源頭控制殘余電荷積累的產(chǎn)生，因此不用再使用隔直大電容，也不用設(shè)置電極短路電路，減小了神經(jīng)刺激器的體積，也降低了手術(shù)難度。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為神經(jīng)刺激器輸出脈沖波形示意圖；
[0020]圖2為本實(shí)用新型一種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器的電路示意圖；
[0021]圖3為本實(shí)用新型一種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器的具體電路圖；
[0022]圖4為本實(shí)用新型一種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器的虛擬傳輸門電路示意圖；
[0023]圖5為本實(shí)用新型一種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器輸出電流為93uA仿真輸出波形示意圖；
[0024]圖6為本實(shí)用新型一種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器輸出電流為152uA仿真輸出波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0026]如圖2-3所示，一種具有新型電荷平衡系統(tǒng)的神經(jīng)刺激器，包括陽(yáng)極輸出端、陰極輸出端、數(shù)字校準(zhǔn)電路、模擬校準(zhǔn)電路、設(shè)置在陽(yáng)極輸出端和陰極輸出端之間的開關(guān)控制電路、與開關(guān)控制電路連接的電極。陽(yáng)極輸出端包括順次連接的陽(yáng)極數(shù)模轉(zhuǎn)換器PDAC和陽(yáng)極運(yùn)算放大器Al，陰極輸出端包括順次連接的陰極數(shù)模轉(zhuǎn)換器nDAC和陰極運(yùn)算放大器A2。
[0027]開關(guān)控制電路由第一開關(guān)電路和第二開關(guān)電路并聯(lián)而成，所述第一開關(guān)電路包括串聯(lián)的第一開關(guān)SI和第二開關(guān)S2，所述第二開關(guān)電路包括串聯(lián)的第三開關(guān)S3和第四開關(guān)S4。所述電極連接在第一開關(guān)SI和第二開關(guān)S2之間。
[0028]數(shù)字校準(zhǔn)
[0029]數(shù)字校準(zhǔn)電路包括順次連接電壓檢測(cè)電路和邏輯運(yùn)算組件，所述電壓檢測(cè)電路與開關(guān)控制電路連接，所述邏輯運(yùn)算組件與陽(yáng)極輸出端或陰極輸出端連接，具體的，所述邏輯運(yùn)算組件連接至陽(yáng)極數(shù)模轉(zhuǎn)換器PDAC或陰極數(shù)模轉(zhuǎn)換器nDAC。所述電壓檢測(cè)電路包括電壓比較器，電壓比較器連接在第三開關(guān)和第四開關(guān)之間；電壓比較器分別對(duì)輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和比較來(lái)分析，并將比較結(jié)果傳輸給邏輯運(yùn)算組件，在本實(shí)施例中，該邏輯運(yùn)算組件具體為SAR邏輯單元。
[0030]基于SAR邏輯的數(shù)字校準(zhǔn)工作原理如圖3所示，電壓比較器對(duì)Vout (兩個(gè)DAC的連接點(diǎn)電壓)和Vref (基準(zhǔn)電壓)的實(shí)時(shí)采集和比較來(lái)分析Ic和Ia的大小，并將比較結(jié)果傳輸給邏輯運(yùn)算組件即SAR邏輯單元。在本實(shí)施例中，SAR邏輯單元連接至陰極數(shù)模轉(zhuǎn)換器nDAC。電壓比較器的輸出驅(qū)動(dòng)SAR邏輯單元，使nDAC (NM0S數(shù)模轉(zhuǎn)換器)的輸出電流Inc (陰極電流的組成部分，由nDAC輸出的電流)逐次逼近pDAC (PM0S數(shù)模轉(zhuǎn)換器)的電流Ia(陽(yáng)極電流)。
[0031]具體的，SAR邏輯單元先將nDAC (數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)的最高位置I (即DAC輸入為10000)，電壓比較器進(jìn)行電壓檢測(cè)并比較Vout和Vref大小，若Vout大于