TW201427740A - 電刺激裝置與方法 - Google Patents

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Abstract

一種電刺激裝置與電刺激方法。電刺激裝置包括電極單元、量測單元以及刺激單元。電極單元用以接觸目標組織。量測單元耦接至電極單元。量測單元透過電極單元量測該目標組織的組織特性。刺激單元耦接至電極單元與量測單元。刺激單元透過電極單元以電氣刺激訊號刺激該目標組織，且依據量測單元所量測的組織特性決定該電氣刺激訊號的電荷量。

Description

電刺激裝置與方法
本揭露是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種電刺激裝置與電刺激方法。
在生物醫學領域，可植入電子裝置(implantable electronic device)，例如可植入神經刺激器(implantable neural stimulator,INS)，被廣泛使用於監督內部器官、組織(tissue)、神經(neural)或細胞(cell)的健康狀態，以及/或是恢復失去的生理功能(physiological functions)。於眾多種類的可植入電子裝置中，電刺激裝置是以注入電荷方式在生物的組織(以下稱目標組織)累積一定量電荷以活化(activating)目標組織。然而，注入目標組織的電荷量(即刺激解析度)必須精確。
一般而言，依據控制機制，電刺激裝置可以分類為電壓控制方案(voltage-controlled scenario,VCS)、電流控制方案(current-controlled scenario,CCS)與切換電容陣列方案(switched capacitor array scenario,SCS)。傳統CCS電刺激裝置的能量效率(energy efficiency)很差，而VCS電刺激裝置的能量效率較佳。能量效率越高，則可植入電子裝置的使用壽命越長。另一方面，基於電荷量Q=CV(C為電容值，V為電壓值)，為了可以精確地控制電荷量Q，傳統VCS電刺激裝置必須使用多準位電壓源來提供多個不 同電壓值V。傳統SCS電刺激裝置則必須使用電容器陣列來提供多個不同電容值C，以便精確地控制電荷量Q。電容器陣列或是多準位電壓源，需要大量的電容器及/或電感器，使得傳統VCS/SCS電刺激裝置的電路面積非常大。尤其是在侵入式醫電應用上，大電路面積的電刺激裝置往往不利於植入生物體。在滿足刺激解析度(電荷量精確度)需求的前提下，傳統電刺激裝置難以兼顧高能量效率與低電路面積。
本揭露實施例提出一種電刺激裝置，包括電極單元、量測單元以及刺激單元。電極單元用以接觸生物組織(以下稱目標組織)。量測單元耦接至電極單元。量測單元透過電極單元量測該目標組織的組織特性。刺激單元耦接至電極單元與量測單元。刺激單元透過電極單元以電氣刺激訊號刺激該目標組織，且依據量測單元所量測的組織特性決定該電氣刺激訊號的電荷量。
本揭露實施例提出一種電刺激方法，包括：配置電極單元以接觸生物的目標組織；由量測單元透過電極單元量測該目標組織的組織特性；由刺激單元透過該電極單元以電氣刺激訊號刺激該目標組織，其中該電氣刺激訊號的電荷量由刺激單元依據量測單元所量測的該組織特性決定。
基於上述，本揭露提供一種電刺激裝置與電刺激方法。由量測單元量測目標組織的組織特性，然後將組織特 性回授給刺激單元。刺激單元依據量測單元所量測的該組織特性決定電氣刺激訊號的電荷量，然後將所述電氣刺激訊號刺激該目標組織。因此，本揭露所提供的電刺激裝置與電刺激方法可以滿足刺激解析度(電荷量精確度)需求。在一些實施例中，本揭露所提供的電刺激裝置可以用單電壓源實現電壓控制方案(voltage-controlled scenario,VCS)，以兼顧高能量效率與低電路面積之需求。
為讓本揭露之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。
圖1是依照本揭露實施例說明一種電刺激裝置的電路方塊示意圖。請參照圖1，電刺激裝置100包括刺激單元110、量測單元120以及電極單元130。刺激單元110耦接至量測單元120與電極單元130。量測單元120耦接至電極單元130。電極單元130用以接觸生物的組織(以下稱為目標組織10)。依照不同的應用情境，目標組織10可能包括神經組織或細胞組織或其他生物(有機)組織。電 極單元130透過一個或多個電極接觸目標組織10(容後詳述)。
刺激單元110的實施類型可不限於電壓控制方案(VCS)。在其他實施例中，刺激單元110的實施類型可以是電流控制方案(CCS)或切換電容陣列方案(SCS)。刺激單元110可以透過電極單元130以具有脈寬(pulse width)的電氣刺激訊號刺激目標組織10，以便將電荷注入目標組織10。例如，刺激單元110可以將脈寬為1/2週期T的電氣刺激訊號輸出至目標組織10。圖2是依照本揭露實施例說明一種電氣刺激訊號的電壓波形示意圖。於圖2中，橫軸表示時間t，而縱軸表示電壓(單位為伏特)。在此假設刺激單元110將具有多個脈衝(pulse)的電氣刺激訊號Vo輸出至目標組織10，以便將電荷注入目標組織10。然而，不同的目標組織，其組織特性(例如阻抗、時間常數或是其他特性)亦不相同。
例如，圖3是依照本揭露實施例說明在施加圖2所示電氣刺激訊號的情況下，當目標組織10的時間常數遠大於電氣刺激訊號的週期T時，刺激單元110輸出的電流波形示意圖。於圖3中，橫軸表示時間t，而縱軸表示輸出電流I(單位為安培)。圖4是依照本揭露實施例說明在施加圖2所示電氣刺激訊號的情況下，當目標組織10的時間常數約略等於電氣刺激訊號的週期T時，刺激單元110輸出的電流波形示意圖。於圖4中，橫軸表示時間t，而縱軸表示輸出電流I。圖5是依照本揭露實施例說明在施加 圖2所示電氣刺激訊號的情況下，當目標組織10的時間常數遠小於電氣刺激訊號的週期T時，刺激單元110輸出的電流波形示意圖。於圖5中，橫軸表示時間t，而縱軸表示輸出電流I。從圖3至圖5可以知道，不同的目標組織具有不同的組織特性。
傳統的電壓控制方案(VCS)刺激裝置是在脈寬固定的情況下，藉由調整電氣刺激訊號Vo的準位來控制輸出電荷量。若假設電刺激裝置的刺激解析度(電荷量精確度)需要211(2的11次方)個調整階，則傳統電刺激裝置需要配置211個電壓源，以便供應211個電壓準位。可想而知，傳統電刺激裝置需要大量的電容器及/或電感器來供應211個電壓準位，使得傳統的電壓控制方案(VCS)刺激裝置的電路面積非常大。再者，為了適用於不同目標組織的不同組織特性，傳統的電壓控制方案(VCS)刺激裝置需要由使用者調校電氣刺激訊號Vo的準位，以便精確地控制輸出電荷量。傳統電刺激裝置沒有回授機制讓電刺激電路自動依照不同目標組織的不同組織特性動態調整輸出電荷量。
圖6是依照本揭露實施例說明一種電刺激方法的流程示意圖。請參照圖1與圖6，步驟S610配置電極單元130以接觸目標組織10。量測單元120於步驟S620中透過電極單元130量測目標組織10的組織特性，然後將所量測到的組織特性回授給刺激單元110。刺激單元110於步驟S630中依據量測單元120所量測到的組織特性來決定電氣刺激訊號的電荷量。例如，步驟S630可以藉由決定電氣 刺激訊號的脈寬來決定電荷量。然後，刺激單元110於步驟S640中透過電極單元130以電氣刺激訊號(其脈寬已被步驟S630決定/調變)刺激目標組織10，以便將電荷注入目標組織10。由於刺激單元110依據量測單元120所量測到的組織特性來決定該電氣刺激訊號的脈寬，因此刺激單元110可以依據目標組織的不同，而自動在目標組織10累積精確的電荷量。精確的電荷量可以活化(activating)目標組織10。
例如，在一些實施例中，刺激單元110具有多個刺激模型。在步驟S630中，刺激單元110所提供的多個刺激模型具有不同的電流時間特性，例如圖3至圖5所示刺激模型，或是依據圖3至圖5而類推至其他刺激模型。依據量測單元120所量測的組織特性，刺激單元110在步驟S630中可以從這些刺激模型選擇其中一個目標模型。例如，假設所述組織特性包括目標組織10的阻抗或時間常數，則刺激單元110可以依據目標組織10的阻抗或時間常數而從這些刺激模型中選擇阻抗或時間常數最近似於目標組織10的一個目標模型。依據該目標模型，刺激單元110可以將目標電荷量值轉換為脈寬值(因為電荷量Q=I*t，其中I為輸出電流，而t為時間/脈寬)。因此，刺激單元110可以依據該脈寬值控制該電氣刺激訊號的脈寬(例如控制圖2所示電氣刺激訊號Vo的脈寬)。
又例如，在另一實施例中，刺激單元110具有多個查找表。在步驟S630中，刺激單元110所提供的多個查找 表分別對應於不同的組織特性。依據量測單元120所量測的組織特性，刺激單元110從這些查找表選擇其中一個目標查找表。依據該目標查找表，刺激單元110將目標電荷量值轉換為脈寬值。以及，刺激單元110依據該脈寬值控制電氣刺激訊號的脈寬。此實施例的實施細節容後詳述。
因此，本實施例的刺激裝置100可以滿足各種刺激解析度(電荷量精確度)的需求，而輸出精確的電荷量至目標組織10。再者，於本實施例的電刺激裝置100中，電氣刺激訊號Vo的電壓準位可以使用較少電壓準位(甚至是單一電壓準位)。因此，相較於傳統電刺激裝置而言，本實施例的電刺激裝置100可以大幅縮小電路面積而利於植入生物體。
圖7是依照本揭露實施例說明圖1所示量測單元120與電極單元130的電路方塊示意圖。圖7所示實施例可以參照圖1至圖6的相關說明而類推之。請參照圖7，電極單元130包括第一電極E1、第二電極E2以及切換單元131。第一電極E1耦接於目標組織10的第一側，而第二電極E2耦接於目標組織10的第二側，其中該第一側與該第二側互為目標組織10的相對側。切換單元131耦接至第一電極E1、第二電極E2、量測單元120與刺激單元110。其中於量測期間，切換單元131將第一電極E1與第二電極E2耦接至量測單元120。因此，量測單元120可以透過電極單元130於所述量測期間量測目標組織10的組織特性。於該量測期間結束後的刺激期間，切換單元131將第 一電極E1與第二電極E2耦接至刺激單元110。因此於所述刺激期間，刺激單元110可以依據量測單元120所量測到的組織特性決定電氣刺激訊號Vo的脈寬，以及透過電極單元130以電氣刺激訊號Vo刺激目標組織10。
量測單元120與切換單元131可以任何方式實現。例如，於本實施例中，切換單元131包括第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3以及第四開關SW4，而量測單元120包括參考電流產生器121、電壓比較器122以及類比數位轉換器(ADC)123。電壓比較器122包括儀表放大器(instrumentation amplifier)、運算放大器(operation amplifier)或誤差放大器(error amplifier)。
第一開關SW1的第一端耦接至刺激單元110的電氣刺激訊號輸出端，而第一開關SW1的第二端耦接至第一電極E1。第二開關SW2的第一端耦接至量測單元120的參考電流產生器121的輸出端，而第二開關SW2的第二端耦接至第一電極E1。第三開關SW3的第一端耦接至該量測單元120的電壓比較器122的第一輸入端，而第三開關SW3的第二端耦接至第一電極E1。第四開關SW4的第一端耦接至電壓比較器122的第二輸入端，而第四開關SW4的第二端耦接至第二電極E2。於本實施例中，第二電極E2還耦接至刺激單元110。在其他實施例中，第二電極E2可以被耦接至接地電壓。
圖8是依照本揭露實施例說明圖6中步驟S620的流程示意圖。請參照圖7與圖8。於量測期間，第二開關SW2、 第三開關SW3以及第四開關SW4為導通(turn on)，而第一開關SW1為截止(turn off)。因此，參考電流產生器121透過電極單元130的第二開關SW2與第一電極E1提供參考電流至目標組織10(步驟S621)。由於目標組織10具有阻抗，流過目標組織10的參考電流將使目標組織10的兩側出現電位差。電壓比較器122的第一輸入端(例如非反相輸入端)透過電極單元130的第三開關SW3與第一電極E1耦接至目標組織10的第一側。電壓比較器122的第二輸入端(例如反相輸入端)透過電極單元130的第四開關SW4與第二電極E2耦接至目標組織10的第二側。其中電壓比較器122一般多為接成”閉迴路”之線路形式。
類比數位轉換器123的輸入端耦接至電壓比較器122的輸出端。類比數位轉換器123的輸出端耦接至刺激單元110。類比數位轉換器123可以將電壓比較器122的類比輸出轉換為數位碼。因此，刺激單元110可以於所述量測期間經由電壓比較器122量測/比較目標組織10的兩側電位差(步驟S622)。因此，在一些實施例中，刺激單元110在步驟S623中可以將步驟S622所獲得的電位差作為目標組織10的組織特性。於本實施例中，基於電阻R=V/I(其中V為目標組織10的兩側電位差，I為流過目標組織10的參考電流，此參考電流由參考電流產生器121提供)，因此刺激單元110可以在步驟S623中獲知目標組織10的阻抗，並將阻抗作為目標組織10的組織特性。
於該量測期間結束後的刺激期間，第一開關SW1為導通，而第二開關SW2、第三開關SW3以及第四開關SW4 為截止。因此，刺激單元110可以經由第一開關SW1與第一電極E1將已調整脈寬的電氣刺激訊號Vo傳輸到目標組織10。由於刺激單元110已經獲知目標組織10的阻抗，因此於所述刺激期間，刺激單元110可以依據目標組織10的阻抗決定電氣刺激訊號Vo的脈寬(容後詳述)。
然而，量測單元120與切換單元131的實現方式不應受限於圖7。例如，在另一實施例中，第三開關SW3以及第四開關SW4可以被第一導線與第二導線所取代。第一導線的第一端與第二端分別耦接至量測單元120的電壓比較器122的第一輸入端與第一電極E1。第二導線的第一端與第二端分別耦接至電壓比較器122的第二輸入端與第二電極E2。
又例如，在其他實施例中，當刺激單元110的回授端是類比輸入端時，類比數位轉換器123可以被省略。當類比數位轉換器123被省略時，電壓比較器122的輸出端耦接至刺激單元110。
再例如，圖9是依照本揭露另一實施例說明圖1所示量測單元120與電極單元130的電路方塊示意圖。圖9所示實施例可以參照圖1至圖8的相關說明而類推之。請參照圖9，電極單元130包括第一電極E1、第二電極E2、第三電極E3、第四電極E4以及切換單元131。第一電極E1耦接於目標組織10的第一側，第二電極E2耦接於目標組織10的第二側，其中該第一側與該第二側互為目標組織10的相對側。第三電極E3耦接於目標組織10的第三側，第四電極E4耦接於目標組織10的第四側，其中該第三側與該第四側互為目標組織10的相對側。切換單元131耦接 至第一電極E1、第二電極E2、第三電極E3、第四電極E4、量測單元120與刺激單元110。
其中於量測期間，切換單元131將第一電極E1、第三電極E3以及第四電極E4耦接至量測單元120。因此，量測單元120可以透過電極單元130於所述量測期間量測目標組織10的組織特性。於該量測期間結束後的刺激期間，切換單元131將第一電極E1耦接至刺激單元110，以及將第二電極E2耦接至接地電壓或刺激單元110。因此於所述刺激期間，刺激單元110可以依據量測單元120所量測到的組織特性決定電氣刺激訊號Vo的脈寬，以及透過電極單元130以電氣刺激訊號Vo刺激目標組織10。
量測單元120與切換單元131可以任何方式實現，例如參照圖7與圖8的相關說明而類推之，故不再贅述。不同於圖7所示實施例之處，在於圖9所示實施例中，第三開關SW3的第二端耦接至第三電極E3，而第四開關SW4的第二端耦接至第四電極E4。
圖10是依照本揭露實施例說明圖1所示刺激單元110的電路方塊示意圖。圖10所示實施例可以參照圖1至圖9的相關說明而類推之。請參照圖10，刺激單元110包括資料庫111、控制器112、數位脈寬調變單元113以及刺激驅動電路114。
圖11是依照本揭露實施例說明圖6中步驟S630的流程示意圖。請參照圖10與圖11。資料庫111可以提供多個查找表(look-up table)(步驟S631)。不同查找表各自對應於不同組織特性。例如，表1即為對應於10KΩ(目標組織10的阻抗加上電極E3與E4的阻抗)的其中一個 查找表，而表2即為對應於100KΩ(目標組織10的阻抗加上電極E3與E4的阻抗)的其中另一個查找表。其他查找表可以依據表1與表2的相關說明而類推之。無論如何，資料庫111的不同查找表的內容必須視實際產品的設計需求而設定。
控制器112耦至資料庫111與量測單元120。依據量測單元120所量測的組織特性，控制器112從資料庫111的所述多個查找表選擇其中一個目標查找表(步驟S632)，以及依據該目標查找表將目標電荷量值A轉換為脈寬值C(步驟S633)。若以表1與表2為例，則目標電 荷量值A具有4個位元(記載為A[3：0])，而脈寬值C具有10個位元(記載為A[9：0])，其中目標電荷量值A[3：0]的各位元依序為A3、A2、A1、A0，而脈寬值C[9：0]的各位元依序為C9、C8、C7、C6、C5、C4、C3、C2、C1、C0。例如，假設量測單元120所量測的組織特性表示目標組織10的阻抗加上電極單元130的阻抗約略為10KΩ，則控制器112從資料庫111的所述多個查找表中選擇如表1所示的查找表作為目標查找表。選定目標查找表後，控制器112可以依據該目標查找表將目標電荷量值A[3：0]轉換為脈寬值C[9：0]，例如若目標電荷量值A[3：0]為9(即二進位1001)，則控制器112可以對應輸出86(即二進位0001010110)作為脈寬值C[9：0]。
數位脈寬調變單元113的控制端耦至控制器112，以接收脈寬值C。依據脈寬值C，數位脈寬調變單元113產生對應的脈寬調變信號PW。其中，脈寬調變信號PW的脈寬響應於脈寬值C。例如，若脈寬值C具有10個位元，且脈寬值C[9：0]為86，則脈寬調變信號PW的脈寬為86/1024個週期。數位脈寬調變單元113可以用任何類型的數位脈寬調變器(digital pulse width modulator,DPWM)實現之，例如計數型數位脈寬調變器(counter-based DPWM)、延遲線型數位脈寬調變器(delay-line based DPWM)。數位脈寬調變器為本領域技術人員所熟知的裝置，故不再贅述。
刺激驅動電路114的輸入端耦接至數位脈寬調變單元113的輸出端，以接收脈寬調變信號PW。刺激驅動電路114的輸出端耦接至電極單元130。刺激驅動電路114輸出電氣刺激訊號Vo通過電極單元130至目標組織10，且刺激驅動電路114依據脈寬調變信號PW控制電氣刺激訊號Vo的脈寬。因此，刺激單元110可以依據脈寬值C控制電氣刺激訊號Vo的脈寬(步驟S634)。
圖12是依照本揭露實施例說明圖10所示刺激驅動電路114的電路方塊示意圖。圖12所示實施例可以參照圖1至圖11的相關說明而類推之。請參照圖12，刺激驅動電路114包括驅動器1201、單電壓源1202、充電開關1203以及放電開關1204。單電壓源1202提供固定準位的刺激電壓VS。充電開關1203的第一端耦接至單電壓源1202。充電開關1203的第二端耦接至電極單元130的第一電極E1。充電開關1203的控制端耦接至驅動器1201的第一輸出端。放電開關1204的第一端耦接至接地電壓。放電開關1204的第二端耦接至電極單元130的第二電極E2。放電開關1204的控制端耦接至驅動器1201的第二輸出端。
刺激期間包括一充電期間與一放電期間。驅動器1201的控制端耦接至數位脈寬調變單元113的輸出端，以接收脈寬調變信號PW。驅動器1201依據脈寬調變信號PW控制充電開關1203，以使單電壓源1202的刺激電壓VS於充電期間透過電極單元130的第一電極E1傳送至目標組織10。在非充電期間，驅動器1201控制充電開關1203為 截止狀態。因此，刺激單元110可以依據脈寬調變信號PW控制電氣刺激訊號Vo的脈寬，而在目標組織10累積電荷。
另外，驅動器1201依據脈寬調變信號PW控制放電開關1204，以使接地電壓於放電期間透過該電極單元130的第二電極E2傳送至目標組織10。因此，刺激單元110可以依據脈寬調變信號PW控制放電開關1204，而將目標組織10所累積電荷洩出/移除。也就是說，於該充電期間，刺激單元110透過電極單元130將電氣刺激訊號Vo耦接至目標組織10；以及於該放電期間，刺激單元110透過電極單元130將接地電壓耦接至目標組織10。
綜上所述，上述諸實施例提供電刺激裝置與電刺激方法。藉由量測單元120量測目標組織10的組織特性，然後將組織特性回授給刺激單元110。刺激單元110依據量測單元120所量測的該組織特性而決定電氣刺激訊號Vo的脈寬，然後將已調變脈寬的電氣刺激訊號Vo刺激目標組織10。因此，藉由在刺激單元110設置適當的刺激模型或適當的查找表，上述諸實施例所提供的電刺激裝置與電刺激方法可以使用少量準位電壓源(甚至是單一準位電壓源)來滿足任何刺激解析度(電荷量精確度)需求。部份實施例所提供的電刺激裝置可以用單電壓源實現電壓控制方案(voltage-controlled scenario,VCS)，以兼顧高能量效率與低電路面積之需求。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離 本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧目標組織
100‧‧‧電刺激裝置
110‧‧‧刺激單元
111‧‧‧資料庫
112‧‧‧控制器
113‧‧‧數位脈寬調變單元
114‧‧‧刺激驅動電路
120‧‧‧量測單元
121‧‧‧參考電流產生器
122‧‧‧電壓比較器
123‧‧‧類比數位轉換器
130‧‧‧電極單元
131‧‧‧切換單元
1201‧‧‧驅動器
1202‧‧‧單電壓源
1203‧‧‧充電開關
1204‧‧‧放電開關
A‧‧‧目標電荷量值
C‧‧‧脈寬值
E1、E2、E3、E4‧‧‧電極
PW‧‧‧脈寬調變信號
S610~S640‧‧‧步驟
SW1、SW2、SW3、SW4‧‧‧開關
T‧‧‧週期
Vo‧‧‧電氣刺激訊號
圖1是依照本揭露實施例說明一種電刺激裝置的電路方塊示意圖。
圖2是依照本揭露實施例說明一種電氣刺激訊號的電壓波形示意圖。
圖3是依照本揭露實施例說明在施加圖2所示電氣刺激訊號的情況下，當目標組織的時間常數遠大於電氣刺激訊號的週期時，刺激單元輸出的電流波形示意圖。
圖4是依照本揭露實施例說明在施加圖2所示電氣刺激訊號的情況下，當目標組織的時間常數約略等於電氣刺激訊號的週期T時，刺激單元輸出的電流波形示意圖。
圖5是依照本揭露實施例說明在施加圖2所示電氣刺激訊號的情況下，當目標組織的時間常數遠小於電氣刺激訊號的週期T時，刺激單元輸出的電流波形示意圖。
圖6是依照本揭露實施例說明一種電刺激方法的流程示意圖。
圖7是依照本揭露實施例說明圖1所示量測單元與電極單元的電路方塊示意圖。
圖8是依照本揭露實施例說明圖6中步驟S620的流程示意圖。
圖9是依照本揭露另一實施例說明圖1所示量測單元與電極單元的電路方塊示意圖。
圖10是依照本揭露實施例說明圖1所示刺激單元的電路方塊示意圖。
圖11是依照本揭露實施例說明圖6中步驟S630的流程示意圖。
圖12是依照本揭露實施例說明圖10所示刺激驅動電路的電路方塊示意圖。
10‧‧‧目標組織
100‧‧‧電刺激裝置
110‧‧‧刺激單元
120‧‧‧量測單元
130‧‧‧電極單元

Claims (31)

  1. 一種電刺激裝置，包括：一電極單元，用以接觸一生物的一目標組織；一量測單元，耦接至該電極單元，其中該量測單元透過該電極單元量測該目標組織的一組織特性；以及一刺激單元，耦接至該電極單元與該量測單元，其中該刺激單元透過該電極單元以一電氣刺激訊號刺激該目標組織，且依據該量測單元所量測的該組織特性決定該電氣刺激訊號的電荷量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電刺激裝置，其中該目標組織包括神經或細胞。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電刺激裝置，其中該組織特性包括該目標組織的阻抗。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電刺激裝置，其中該刺激單元具有多個刺激模型；該些刺激模型具有不同的電流時間特性；該刺激單元依據該量測單元所量測的該組織特性從該些刺激模型選擇其中一個目標模型；該刺激單元依據該目標模型將一目標電荷量值轉換為一脈寬值；以及該刺激單元依據該脈寬值控制該電氣刺激訊號的脈寬，以決定該電氣刺激訊號的電荷量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電刺激裝置，其中該刺激單元具有多個查找表；該刺激單元依據該量測單元所量測的該組織特性從該些查找表選擇其中一個目標查找表；該刺激單元依據該目標查找表將一目標電荷量值轉換 為一脈寬值；以及該刺激單元依據該脈寬值控制該電氣刺激訊號的脈寬，以決定該電氣刺激訊號的電荷量。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電刺激裝置，其中該量測單元透過該電極單元於一量測期間量測該組織特性；以及於該量測期間結束後的一刺激期間，該刺激單元依據該量測單元所量測的該組織特性決定該電氣刺激訊號的脈寬，以及透過該電極單元以該電氣刺激訊號刺激該目標組織。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電刺激裝置，其中該刺激期間包括一充電期間與一放電期間；於該充電期間，該刺激單元透過該電極單元將該電氣刺激訊號耦接至該目標組織；以及於該放電期間，該刺激單元透過該電極單元將一接地電壓耦接至該目標組織。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電刺激裝置，其中該電極單元包括：一第一電極，耦接於該目標組織的一第一側；一第二電極，耦接於該目標組織的一第二側，其中該第一側與該第二側互為該目標組織的相對側；以及一切換單元，耦接至該第一電極、該第二電極、該量測單元與該刺激單元；其中於一量測期間，該切換單元將該第一電極與該第二電極耦接至該量測單元；以及於該量測期間結束後的一刺激期間，該切換單元將該第一電極與該第二電極耦接至該刺激單元。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電刺激裝置，其中該切換單元包括：一第一開關，其第一端與第二端分別耦接至該刺激單元與該第一電極；一第二開關，其第一端與第二端分別耦接至該量測單元的一參考電流產生器與該第一電極；一第三開關，其第一端與第二端分別耦接至該量測單元的一電壓比較器的第一輸入端與該第一電極；以及一第四開關，其第一端與第二端分別耦接至該電壓比較器的第二輸入端與該第二電極。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電刺激裝置，其中該切換單元包括：一第一開關，其第一端與第二端分別耦接至該刺激單元與該第一電極；一第二開關，其第一端與第二端分別耦接至該量測單元的一參考電流產生器與該第一電極；一第一導線，其第一端與第二端分別耦接至該量測單元的一電壓比較器的第一輸入端與該第一電極；以及一第二導線，其第一端與第二端分別耦接至該電壓比較器的第二輸入端與該第二電極。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電刺激裝置，其中該電極單元包括：一第一電極，耦接於該目標組織的一第一側； 一第二電極，耦接於該目標組織的一第二側，其中該第一側與該第二側互為該目標組織的相對側；一第三電極，耦接於該目標組織的一第三側；一第四電極，耦接於該目標組織的一第四側，其中該第三側與該第四側互為該目標組織的相對側；以及一切換單元，耦接至該第一電極、該第二電極、該第三電極、該第四電極、該量測單元與該刺激單元；其中於一量測期間，該切換單元將該第一電極、該第三電極以及該第四電極耦接至該量測單元；以及於該量測期間結束後的一刺激期間，該切換單元將該第一電極耦接至該刺激單元。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電刺激裝置，其中該第二電極耦接至一接地電壓或該刺激單元。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之電刺激裝置，其中該切換單元包括：一第一開關，其第一端與第二端分別耦接至該刺激單元與該第一電極；一第二開關，其第一端與第二端分別耦接至該量測單元的一參考電流產生器與該第一電極；一第三開關，其第一端與第二端分別耦接至該量測單元的一電壓比較器的第一輸入端與該第三電極；以及一第四開關，其第一端與第二端分別耦接至該電壓比較器的第二輸入端與該第四電極。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之電刺激裝置，其中該切換單元包括：一第一開關，其第一端與第二端分別耦接至該刺激單元與該第一電極；一第二開關，其第一端與第二端分別耦接至該量測單元的一參考電流產生器與該第一電極；一第一導線，其第一端與第二端分別耦接至該量測單元的一電壓比較器的第一輸入端與該第三電極；以及一第二導線，其第一端與第二端分別耦接至該電壓比較器的第二輸入端與該第四電極。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之電刺激裝置，其中該量測單元包括：一參考電流產生器，耦接至該電極單元，其中該參考電流產生器透過該電極單元提供一參考電流至該目標組織；以及一電壓比較器，其第一輸入端與第二輸入端耦接至該電極單元，而該電壓比較器的輸出端耦接至該刺激單元，其中該電壓比較器的第一輸入端與第二輸入端透過該電極單元分別耦接至該目標組織的一第一側與一第二側。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之電刺激裝置，其中該量測單元包括：一參考電流產生器，耦接至該電極單元，其中該參考電流產生器透過該電極單元提供一參考電流至該目標組織； 一電壓比較器，耦接至該電極單元，其中該電壓比較器的第一輸入端與第二輸入端透過該電極單元分別耦接至該目標組織的一第一側與一第二側；以及一類比數位轉換器，其輸入端耦接至該電壓比較器的輸出端，該類比數位轉換器的輸出端耦接至該刺激單元。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電刺激裝置，其中該電壓比較器包括一儀表放大器、一運算放大器或一誤差放大器。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之電刺激裝置，其中該刺激單元包括：一資料庫，具有多個查找表；一控制器，耦至該資料庫與該量測單元，其中該控制器依據該量測單元所量測的該組織特性從該些查找表選擇其中一個目標查找表，以及依據該目標查找表將一目標電荷量值轉換為一脈寬值；一數位脈寬調變單元，其控制端耦至該控制器以接收該脈寬值，並依據該脈寬值產生一脈寬調變信號，其中該脈寬調變信號的脈寬響應於該脈寬值；以及一刺激驅動電路，其輸入端耦接至該數位脈寬調變單元的輸出端以接收該脈寬調變信號，該刺激驅動電路的輸出端耦接至該電極單元，其中該刺激驅動電路輸出該電氣刺激訊號通過該電極單元至該目標組織，且該刺激驅動電路依據該脈寬調變信號控制該電氣刺激訊號的脈寬。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之電刺激裝置，其中該刺激驅動電路包括：一單電壓源，提供該電氣刺激訊號；一充電開關，其第一端與第二端分別耦接至該單電壓源與該電極單元；以及一驅動器，其控制端耦接至該數位脈寬調變單元的輸出端以接收該脈寬調變信號，該驅動器的第一輸出端耦接至該充電開關的控制端；其中依據該脈寬調變信號，該驅動器控制該充電開關使該電氣刺激訊號於一充電期間透過該電極單元傳送至該目標組織。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之電刺激裝置，其中該刺激驅動電路更包括：一放電開關，其第一端與第二端分別耦接至一接地電壓與該電極單元，該放電開關的控制端耦接至該驅動器的第二輸出端；其中依據該脈寬調變信號，該驅動器控制該放電開關使該接地電壓於一放電期間透過該電極單元傳送至該目標組織。
  21. 一種電刺激方法，包括：配置一電極單元以接觸一生物的一目標組織；由一量測單元透過該電極單元量測該目標組織的一組織特性；以及 由一刺激單元透過該電極單元以一電氣刺激訊號刺激該目標組織，其中該電氣刺激訊號的電荷量由該刺激單元依據該量測單元所量測的該組織特性決定。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之電刺激方法，其中該目標組織包括神經或細胞。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之電刺激方法，其中該組織特性包括該目標組織的阻抗。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之電刺激方法，其中所述決定該電氣刺激訊號的電荷量的步驟包括：提供多個刺激模型，其中該些刺激模型具有不同的電流時間特性；依據該量測單元所量測的該組織特性，從該些刺激模型選擇其中一個目標模型；依據該目標模型，將一目標電荷量值轉換為一脈寬值；以及由該刺激單元依據該脈寬值控制該電氣刺激訊號的脈寬，以決定該電氣刺激訊號的電荷量。
  25. 如申請專利範圍第21項所述之電刺激方法，其中所述決定該電氣刺激訊號的電荷量的步驟包括：提供多個查找表；依據該量測單元所量測的該組織特性，從該些查找表選擇其中一個目標查找表；依據該目標查找表，將一目標電荷量值轉換為一脈寬值；以及 由該刺激單元依據該脈寬值控制該電氣刺激訊號的脈寬，以決定該電氣刺激訊號的電荷量。
  26. 如申請專利範圍第21項所述之電刺激方法，其中該量測單元透過該電極單元於一量測期間量測該組織特性；以及於該量測期間結束後的一刺激期間，該刺激單元依據該量測單元所量測的該組織特性決定該電氣刺激訊號的脈寬，以及透過該電極單元以該電氣刺激訊號刺激該目標組織。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之電刺激方法，其中該刺激期間包括一充電期間與一放電期間，而所述以一電氣刺激訊號刺激該目標組織的步驟包括：於該充電期間，由該刺激單元透過該電極單元將該電氣刺激訊號傳送至該目標組織；以及於該放電期間，由該刺激單元透過該電極單元將一接地電壓傳送至該目標組織。
  28. 如申請專利範圍第21項所述之電刺激方法，其中所述配置一電極單元的步驟包括：配置一第一電極於該目標組織的一第一側；以及配置一第二電極於該目標組織的一第二側，其中該第一側與該第二側互為該目標組織的相對側；其中於一量測期間，該第一電極與該第二電極被耦接至該量測單元；以及於該量測期間結束後的一刺激期間，該第一電極與該第二電極被耦接至該刺激單元。
  29. 如申請專利範圍第21項所述之電刺激方法，其中所述配置一電極單元的步驟包括：配置一第一電極於該目標組織的一第一側；配置一第二電極於該目標組織的一第二側，其中該第一側與該第二側互為該目標組織的相對側；配置一第三電極於該目標組織的一第三側；配置一第四電極於該目標組織的一第四側，其中該第三側與該第四側互為該目標組織的相對側，而該第三電極以及該第四電極被耦接至該量測單元；以及其中於一量測期間，該第一電極被耦接至該量測單元；以及於該量測期間結束後的一刺激期間，該第一電極被耦接至該刺激單元。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之電刺激方法，其中該第二電極耦接至一接地電壓或該刺激單元。
  31. 如申請專利範圍第21項所述之電刺激方法，其中所述量測該目標組織的一組織特性的步驟包括：提供一參考電流透過該電極單元至該目標組織；比較該目標組織的一第一側的電壓與該目標組織的一第二側的電壓，以獲得一比較結果；以及將該比較結果作為該量測單元所量測的該組織特性而提供給該刺激單元。
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