專利名稱：植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及植入式神經(jīng)刺激器領(lǐng)域，具體涉及植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路。
背景技術(shù)：
植入式神經(jīng)刺激是以一定程度的電流脈沖刺激靶點神經(jīng)，以調(diào)整或恢復(fù)腦部、神經(jīng)或肌肉的功能，使癥狀緩解的一種方法。目前神經(jīng)刺激器大多采用無感型DCDC電路將電池電壓變換后輸出刺激脈沖信號。但是在胃電刺激器這種需要高劑量的刺 激時，一般結(jié)構(gòu)的電流脈沖刺激產(chǎn)生電路會遇到一些問題，難以克服。這些問題如下由于手術(shù)植入電極位置原因以及人體體質(zhì)存在差異性，手術(shù)后神經(jīng)刺激器輸出電極間等效的阻抗會存在差異，如果在大劑量電流脈沖刺激時刺激脈沖產(chǎn)生電路不能根據(jù)電極間的阻抗調(diào)整，工作在最佳狀態(tài)下，電路的轉(zhuǎn)換效率往往會降低，而且輸出電流波形也會失真。這就直接影響了電池的使用壽命和治療效果。

發(fā)明內(nèi)容
為了使脈沖刺激電流不容易失真的同時可電路編程控制，本發(fā)明提供了一種植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路。植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路，包括微處理器，還包括第一電感、第一二極管、第二電阻、第五電阻、濾波電容、升降壓DC-DC芯片、第一電路輸出端和第二電路輸出端,第一電路輸出端通過第二電阻和第五電阻接地，升降壓DC-DC芯片包括誤差放大器、PWM比較器、開關(guān)管、SR觸發(fā)器和振蕩器，第二電阻和第五電阻的公共端接入誤差放大器的第一反相輸入端，誤差放大器的同相輸入端和輸出端分別連接參考電壓和PWM比較器的反相輸入端，振蕩器的振蕩輸出與PWM比較器的同相輸入端連接，振蕩器輸出開關(guān)信號至SR觸發(fā)器的S端，PWM比較器的輸出端與SR觸發(fā)器的R端連接，SR觸發(fā)器的Q輸出端與開關(guān)管的控制端連接，電源通過第一電感、第一二極管與第一電路輸出端連接，第一二極管的陽極與第一電感連接，開關(guān)管連接在第一電感與第一二極管的公共端和地之間，第一電路輸出端通過濾波電容接地，微處理器包括電壓設(shè)置端，電壓設(shè)置端連接至第二電阻和第五電阻的公共端以注入直流電流，第一電路輸出端和第二電路輸出端用于作為植入電極的兩個接入點。優(yōu)選地，還包括第六電阻、第四電容和第五電容，所述電壓設(shè)置端通過第六電阻連接至第二電阻與第五電阻的公共端，第六電阻的兩端分別通過第四電容和第五電容接地。為了進一步解決植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路能耗較大的問題，還采用了如下技術(shù)方案。還包括第一場效應(yīng)管、第一放大器、第二放大器、第十三電阻、第十四電阻、第十五電阻和第十七電阻，微處理器還包括電流設(shè)置端和電流檢測端，第二放大器的同相輸入端和反相輸入端分別通過第十三電阻和第十五電阻接地，第十四電阻跨接在第二放大器的反相輸入端和輸出端之間，第一放大器的反相輸入端分別與第二放大器的輸出端和電流檢測端連接，第一放大器的同相輸入端與電流設(shè)置端連接并通過第十七電阻接地，第一放大器的輸出端與第一場效應(yīng)管的柵極連接，第一場效應(yīng)管串接在第二放大器的同相輸入端與第二電路輸出端之間。用于采樣的第十三電阻可以采用很小的阻值，以防止能耗過大，通過第二放大器對其兩端的電壓進行放大，保證了微處理器能夠檢測，同時，若不采用第二放大器，電流設(shè)置端須采用很小的電壓或電流，而這對微處理器的輸出精度很高，否則誤差較大，采用了第二放大器則完全避免了這個情況。優(yōu)選地，還包括第十電阻、第i^一電阻和第二場效應(yīng)管，所述微處理器還包括電壓檢測端和電壓檢測控制端，第十電阻、第十一電阻和第二場效應(yīng)管依次串接在第一電路輸出端和地之間，第二場效應(yīng)管的柵極與微處理器的電壓檢測控制端連接，第十電阻與第i 電阻的公共端與電壓檢測端連接。優(yōu)選地，還包括第一電阻，第一電路輸出端通過第一電阻、第二電阻和第五電阻接地，升降壓DC-DC芯片還包括電流檢測放大器，第一電阻跨接在電流檢測放大器的同相輸 入端和反相輸入端之間，且電流檢測放大器的反相輸入端和輸出端分別與第一電路輸出端和誤差放大器的第二反相輸入端連接。本發(fā)明的有益效果是通過采用現(xiàn)有的集成升壓型DC-DC芯片，另外配合恒流源電路，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的電流輸出，同時可以實現(xiàn)微處理器對該DC-DC芯片輸出電壓的可編程調(diào)節(jié)和可以實時調(diào)節(jié)刺激電流大小以適應(yīng)某些治療的要求，控制方便；電流脈沖刺激產(chǎn)生電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可提高電路的動態(tài)響應(yīng)，電流脈寬在us至ms量級，由于該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出能力較大，大劑量刺激時電流脈沖波形也不容易失真，從而保證了治療效果；另外當(dāng)不需要檢測兩個電路輸出端的電極之間的等效阻抗時，通過關(guān)斷第一電路輸出端至地的電流通路(即關(guān)斷第二場效應(yīng)管)而節(jié)省了能耗，進而提高了刺激器電路的電池壽命。


圖I是本發(fā)明一種實施例的植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路的電路原理 圖2是本發(fā)明一種實施例的LT1618芯片的主要電路框圖及應(yīng)用電路。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施例作進一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路包括DC-DC恒壓變換電路、線性恒流源電路、阻抗檢測電路和控制電路，DC-DC恒壓變換電路將電池的供電轉(zhuǎn)換為所需要的某個輸出電壓，輸出電壓加在輸出電極上，從而形成負(fù)載電流，線性恒流源電路對該負(fù)載電流進行控制，從而輸出電極上的電流被控制在某個穩(wěn)定的電流值，而阻抗檢測電路通過對輸出電極兩端的電壓及其電流進行采集后傳送給控制電路，控制電路計算得到相應(yīng)的等效阻抗后，即可以通過控制DC-DC恒壓變換電路的輸出電壓、以及輸出電極上的電流進行控制，以達適應(yīng)某種治療的需要，或者達到最佳的治療的效果。如圖I所示，植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路包括微處理器2. 4，DC-DC恒壓變換電路2. I，線性恒流源電路2. 2和阻抗參數(shù)采樣電路2. 3，其中，DC-DC恒壓變換電路2. I中的升壓型DC-DC芯片Ul采用凌特公司的LT1618。該芯片Ul的關(guān)斷管腳、接地端GND和電壓輸入端分別與微處理器的輸出電壓控制端Output_Ctrl、地和電源端V_bat連接，電源端V_bat通過第一電感LI、第一電容Cl、第一二極管Dl和第一電阻Rl與第一輸出端OUTPUT_A連接，第一電阻Rl跨接在芯片Ul的電流檢測放大器Al的同相輸入端ISP和反相輸入端ISN，芯片Ul的開關(guān)管的開關(guān)(供電端)SW連接至第一電感LI和第一電容Cl的公共端，第一二極管Dl的陰極通過第二電阻R2和第五電阻R5接地，第一二極管Dl的陽極與第一電容Cl的公共端通過第二電感L2接地，芯片Ul的反饋端FB通過第五電阻R5接地，微處理器的電壓設(shè)置端V_Set通過第五電阻R5接地。芯片Ul的補償端Vc通過第四電阻R4和第三電容C3接地，用于對誤差放大器A2的輸出進行補償。本實例中的D⑶C電路可以在I. 6至4. 2V下工作輸出I. 3至12V的電壓，轉(zhuǎn)換效率在60至80之間。如圖2所示的LT1618芯片的主要電路框圖，其包括電流檢測放大器Al、誤差放大器A2、PWM比較器A3、開關(guān)管Q3、與開關(guān)管Q3串聯(lián)的開關(guān)采樣電阻Rs、SR觸發(fā)器、振蕩器OSC和開關(guān)管驅(qū)動電路DRIVER，電流檢測放大器Al用于放大通過輸出電流的采樣電阻Rl的電壓，其輸出端接入誤差放大器A2的一個反相輸入端,第二電阻R2和第五電阻R5的公共端 接入誤差放大器A2的另一個反相輸入端(圖2是LT1618的應(yīng)用，電壓輸出端Vout通過第二電阻R2和第五電阻R5接地，但在本實施例中，由于刺激電極的電流即通過第一電阻Rl的電流較小且第一電阻Rl較小，因此如圖I所示的電壓輸出端，即第一電路輸出端0UTPUT_A通過第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3接地也對輸出電壓的計算和調(diào)整影響很小)，誤差放大器A2的同相輸入端和輸出端分別連接參考電壓(LT1618的參考電壓是I. 263V)和PWM比較器A3的反相輸入端，開關(guān)采樣電阻Rs的電壓經(jīng)過放大后與振蕩器OSC的振蕩輸出相疊加后輸入PWM比較器A2的同相輸入端,振蕩器OSC輸出開關(guān)信號至SR觸發(fā)器的S端，PWM比較器A3的輸出端與SR觸發(fā)器的R端連接，SR觸發(fā)器的Q輸出端通過開關(guān)管驅(qū)動電路DRIVER連接開關(guān)管Q3的控制端，以控制開關(guān)管Q3的開通和關(guān)斷。且由于誤差放大器Al的同相輸入端ISP和反相輸入端ISN的兩端跨接在第一電阻Rl兩端，當(dāng)Rl的電流過大時，電流檢測放大器Al輸出超出誤差放大器A2的基準(zhǔn)電壓時，基于與上述相同的原理，誤差放大器A2輸出電壓減小，從而控制開關(guān)管Q3關(guān)斷，降低輸出電壓，從而減小了輸出電流，電流得以穩(wěn)定在一定數(shù)值，從而起到了過流保護的作用，并可在后級電路失效時，限制輸出電路從而起到保護作用。振蕩器OSC和PWM比較器A3共同控制SR觸發(fā)器產(chǎn)生PWM，以對開關(guān)管Q3進行PWM控制，以調(diào)節(jié)第一電路輸出端0UTPUT_A(Vout)的電壓的大小，而當(dāng)?shù)谖咫娮鑂5的電壓超出誤差放大器A2的參考電壓時,誤差放大器A2輸出低電平，PWM比較器A3輸出高電平對SR觸發(fā)器進行復(fù)位而關(guān)斷開關(guān)管Q3，從而降低第一電路輸出端的輸出電壓，因而，當(dāng)芯片工作時，第五電阻的電壓可以穩(wěn)定在參考電壓Vf，且存在關(guān)系，微處理器通過對第五電阻R5注入直流電流I，則電壓，因此，微處理器通過控制注入電流I的大小就可以實現(xiàn)對輸出電壓的控制，而不用通過調(diào)整第二電阻R2和第五電阻R5的阻值，例如微處理器通過DA轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電流。為實現(xiàn)微處理器對輸出電壓的控制，還可以采用如下方式微處理器的電壓設(shè)置端V_Set通過第六電阻R6連接至第二電阻R2與第五電阻R5的公共端，第六電阻R6的兩端分別通過第四電容C4和第五電容C5接地，這樣第四電容C4、第五電容C5和第六電阻R6構(gòu)成低通濾波電路，只需要在電壓設(shè)置端[5的輸出不同占空比的方波，即可在第五電阻R5上形成直流電壓，從而對第五電阻R5注入電流，具體可以通過如下算法得到，其中，是微處理器IO 口的輸出電壓,D是電壓設(shè)置端V_Set輸出方波的占空比,這樣,微處理器可以通過調(diào)節(jié)占空比來實現(xiàn)對輸出電壓的控制，而不需要通過DA轉(zhuǎn)換輸出電壓來實現(xiàn)對電流的注入，可以使用更多不具備DA轉(zhuǎn)換的微處理器，成本更低，且DA轉(zhuǎn)換的輸出能力有限，需要放大器進行放大，從而增加了整體電路的體積，這對植入體內(nèi)的電路來說是非常不利的。第二放大器U3的同相輸入端和反相輸入端分別通過第十三電阻R13和第十五電阻R15接地，第十四電阻R14跨接在第二放大器U3的反相輸入端和輸出端之間，第一放大器U2的反相輸入端分別與第二放大器U3的輸出端和微處理器的電流檢測端I_Test連接，第一放大器U2的同相輸入端與電流設(shè)置端I_Set連接并通過第十七電阻R17接地，第一放大器U2的輸出端與第一場效應(yīng)管Ql的柵極連接，第一場效應(yīng)管Ql串接在第二放大器U3的同相輸入端與第二電路輸出端0UTPUT_B之間。第十電阻R10、第十一電阻Rll和第二場效應(yīng)管Q2依次串接在第一電路輸出端 0UTPUT_A和地之間，第二場效應(yīng)管Q2的柵極與微處理器的電壓檢測控制端V_Test_Ctr連接，微處理器的電壓檢測端V_Test連接至第十電阻RlO與第十一電阻Rll的公共端。刺激電極串接在第一電路輸出端0UTPUT_A和第二電路輸出端0UTPUT_B之間，當(dāng)電路開始工作，Output_Ctrl輸出高電平開啟DC-DC芯片Ul (在停止刺激時需要置為低電平，從而關(guān)閉該電路，節(jié)省功耗)，用于采樣刺激電流的第十三電阻R13的電壓經(jīng)過第二放大器U3的放大后被微處理器的電流檢測端I_Test檢測,而電壓檢測控制端V_Test_Ctr輸出控制信號打開第二場效應(yīng)管Q2，即有電流通過第二場效應(yīng)管Q2，此時，微處理器的電壓檢測端V_Test通過檢測第i^一電阻Rll的電壓，即可以得出輸出電壓。這樣，微處理器即可以計算出刺激電極之間的等效電阻，從而可以作出調(diào)整輸出電壓或輸出電流的操作。其中，通過在微處理器的電流設(shè)置端I_Set輸出相應(yīng)的電壓加在第十七電阻R17上，當(dāng)流過第十三電阻R13的電流達到一定數(shù)值時，其兩端的電壓與第十七電阻R17兩端的電壓相等，這樣第一放大器U2輸出低電平關(guān)斷第一場效應(yīng)管Q1，這樣，輸出電流即穩(wěn)定在一定的數(shù)值，從而達到被微處理器控制的目的。阻抗檢測電路可以在設(shè)定的時刻開啟檢測輸出電壓和電流。線性恒流源電路可將控制電路輸出的控制電壓脈沖波形轉(zhuǎn)換為電流脈沖波形，幅度與控制電壓幅度成比例。當(dāng)電流脈沖電路接收到開啟刺激指令后，首先檢測電極間的等效阻抗，然后根據(jù)檢測到的阻抗設(shè)定DCDC的輸出電壓，最后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電流脈沖波形輸出刺激信號。其中可編程DCDC變換電路可由控制器控制輸出電壓的大小，輸出電壓的公式還可以表示為Vtjut=RtJIs^VladP其中，為Vtjut輸出電壓，Rtest為控制電路根據(jù)阻抗檢測電路的輸出計算出的電極間的等效阻抗；Iset為設(shè)定的輸出電流脈沖的幅度；VIa(U是為線性恒流源電路中調(diào)整管預(yù)留的調(diào)整電壓，該電壓應(yīng)盡量小，以降低線調(diào)整管上壓降所造成的損耗。其中該損耗為一般線性恒流源最主要的損耗，是提高整體電路效率的關(guān)鍵之一。
權(quán)利要求
1.植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路，包括微處理器，其特征是還包括第一電感、第一二極管、第二電阻、第五電阻、濾波電容、升降壓DC-DC芯片、第一電路輸出端和第二電路輸出端，第一電路輸出端通過第二電阻和第五電阻接地，升降壓DC-DC芯片包括誤差放大器、PWM比較器、開關(guān)管、SR觸發(fā)器和振蕩器，第二電阻和第五電阻的公共端接入誤差放大器的第一反相輸入端，誤差放大器的同相輸入端和輸出端分別連接參考電壓和PWM比較器的反相輸入端，振蕩器的振蕩輸出與PWM比較器的同相輸入端連接，振蕩器輸出開關(guān)信號至SR觸發(fā)器的S端，PWM比較器的輸出端與SR觸發(fā)器的R端連接，SR觸發(fā)器的Q輸出端與開關(guān)管的控制端連接，電源通過第一電感、第一二極管與第一電路輸出端連接，第一二極管的陽極與第一電感連接，開關(guān)管連接在第一電感與第一二極管的公共端和地之間，第一電路輸出端通過濾波電容接地，微處理器包括電壓設(shè)置端，電壓設(shè)置端連接至第二電阻和第五電阻的公共端以注入直流電流，第一電路輸出端和第二電路輸出端用于作為植入電極的兩個接入點。
2.如權(quán)利要求I所述的植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路，其特征是還包括第六電阻、第四電容和第五電容，所述電壓設(shè)置端通過第六電阻連接至第二電阻與第五電阻的公共 端，第六電阻的兩端分別通過第四電容和第五電容接地。
3.如權(quán)利要求I所述的植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路，其特征是還包括第一場效應(yīng)管、第一放大器、第二放大器、第十三電阻、第十四電阻、第十五電阻和第十七電阻，微處理器還包括電流設(shè)置端和電流檢測端，第二放大器的同相輸入端和反相輸入端分別通過第十三電阻和第十五電阻接地，第十四電阻跨接在第二放大器的反相輸入端和輸出端之間，第一放大器的反相輸入端分別與第二放大器的輸出端和電流檢測端連接，第一放大器的同相輸入端與電流設(shè)置端連接并通過第十七電阻接地，第一放大器的輸出端與第一場效應(yīng)管的柵極連接，第一場效應(yīng)管串接在第二放大器的同相輸入端與第二電路輸出端之間。
4.如權(quán)利要求I所述的植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路，其特征是還包括第十電阻、第i^一電阻和第二場效應(yīng)管，所述微處理器還包括電壓檢測端和電壓檢測控制端，第十電阻、第十一電阻和第二場效應(yīng)管依次串接在第一電路輸出端和地之間，第二場效應(yīng)管的柵極與微處理器的電壓檢測控制端連接，第十電阻與第十一電阻的公共端與電壓檢測端連接。
5.如權(quán)利要求I所述的植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路，其特征是還包括第一電阻，第一電路輸出端通過第一電阻、第二電阻和第五電阻接地，升降壓DC-DC芯片還包括電流檢測放大器，第一電阻跨接在電流檢測放大器的同相輸入端和反相輸入端之間，且電流檢測放大器的反相輸入端和輸出端分別與第一電路輸出端和誤差放大器的第二反相輸入端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了植入神經(jīng)刺激器的電流脈沖電路，包括微處理器、第一電感、第一二極管、第二電阻、第五電阻、濾波電容、升降壓DC-DC芯片、第一電路輸出端和第二電路輸出端，第一電路輸出端通過第二電阻和第五電阻接地，升降壓DC-DC芯片包括誤差放大器、PWM比較器、開關(guān)管、SR觸發(fā)器和振蕩器，第二電阻和第五電阻的公共端接入誤差放大器的第一反相輸入端，誤差放大器的同相輸入端和輸出端分別連接參考電壓和PWM比較器的反相輸入端，振蕩器的振蕩輸出與PWM比較器的同相輸入端連接，振蕩器輸出開關(guān)信號至SR觸發(fā)器的S端，PWM比較器的輸出端與SR觸發(fā)器的R端連接，SR觸發(fā)器的Q輸出端與開關(guān)管的控制端連接。
文檔編號H02M9/02GK102727995SQ20121019233
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者張春, 李小虎, 王志華, 趙益新, 麥宋平 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院