CN102166388A - 具有恒压/恒流双脉冲模式的植入式神经刺激器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有恒压/恒流双脉冲模式的植入式神经刺激器，属于植入式医疗仪器技术领域。本发明为神经系统疾病患者提供一种双通道植入式神经电脉冲刺激器，可以同时产生一路或者两路电脉冲信号，电脉冲信号可以是恒压模式或者恒流模式，两种脉冲模式可以通过体外程控设备进行切换。其特征在于：主要由微控制器、脉冲输出电路、通信电路、电源管理电路、电池等部分组成。本发明具有恒压/恒流两种脉冲输出模式，可以解决不同应用需求的适用性问题，满足多种神经系统疾病的治疗需求。本发明可用于治疗多种神经系统疾病。

Description

具有恒压/恒流双脉冲模式的植入式神经刺激器

技术领域

本发明为一种可以通过恒压和恒流两种脉冲模式对靶点进行刺激的植入式神经电脉冲刺激器，属于植入式医疗仪器技术领域。

背景技术

对某些类型的神经系统疾病，如帕金森病、癫痫、顽固性疼痛、扭转痉挛、痉挛性斜颈、舞蹈病、特发性眩晕，临床上常用药物治疗和外科手术治疗，但副作用和并发症是重要的弊端。电刺激疗法通过对不同疾病相应的靶点进行慢性电脉冲刺激，如对帕金森病刺激丘脑底核及苍白球，对癫痫刺激迷走神经，起到对因治疗作用，是一种可逆性的神经调节治疗，是一种理想的治疗方法。

植入式神经刺激系统通常由植入体内的神经刺激器、延长导线、电极、以及体外程控和充电设备等部分组成，植入式神经刺激器与延长导线连接，延长导线与电极连接，电极触点直接与刺激靶点接触。体外程控设备用于对植入刺激器进行参数遥测、编程及仪器测试，体外充电设备用于对可充电的神经刺激器进行无线充电。

植入式神经刺激器产生电脉冲信号，脉冲信号经延长线和电极传递至相应靶点，对靶点进行电脉冲刺激，起到治疗的作用。刺激器产生的脉冲信号可以有恒压和恒流两种模式，现有技术中的神经刺激器一般只具有一种脉冲模式，而恒压和恒流两种输出模式各有特点，恒压模式电路简单，功耗相对低，恒流模式电流输出稳定，但功耗相对较大，两种脉冲模式可以满足不同的应用需求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种具有恒压/恒流两种脉冲模式的植入式神经电脉冲刺激器，该刺激器既可以产生恒压模式脉冲信号，又可以产生恒流模式的脉冲信号，两种脉冲模式可以通过体外程控设备进行切换，可以解决不同应用需求的适用性问题，满足多种神经系统疾病的治疗需求。

一种植入式神经刺激器，包括：控制装置、脉冲输出装置和通信装置；所述脉冲输出装置包括DC-DC电路、输出通道及极性选择电路、脉冲输出控制电路、电荷平衡电路和电极阻抗测量电路，其特征在于：

所述脉冲输出装置具有输出恒压电脉冲信号的第一工作模式，以及输出恒流电脉冲信号的第二工作模式；

所述控制装置能够对所述脉冲输出装置进行控制，使其在所述第一工作模式与所述第二工作模式之间进行切换；

所述通信装置能够无线地与外部设备进行通信，其能够接收所述植入式神经刺激器所需的运行数据并提供给所述控制装置；所述控制装置获取所述运行数据后才控制所述脉冲输出装置启动输出。

优选地，所述运行数据包括用于确定所述脉冲输出装置工作模式的识别数据。

优选地，在所述第一工作模式中，所述脉冲输出装置所输出的电压幅度为0～10V。

优选地，在所述第一工作模式中，所述电极阻抗测量电路能够测量所述植入式神经刺激器所连接的电极的阻抗。

优选地，在所述第二工作模式中，所述脉冲输出装置所输出的电流强度在20mA以上。

优选地，在所述第二工作模式中，所述DC-DC电路的输出电压被设置为满足电流输出强度的最低幅度。

优选地，所述脉冲输出装置具有至少两个信号通道，各个信号通道所产生的脉冲电信号的脉冲宽度和幅度分别能够通过所述脉冲输出控制进行设置。

优选地，所述脉冲输出装置的各个脉冲电信号之后，所述电荷平衡电路产生一个反向的平衡脉冲电信号。

优选地，所述各个脉冲电信号与所述平衡脉冲电信号之间具有一时间间隔。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)既可以产生恒压脉冲输出，又可以产生恒流脉冲输出，并且可以产生1～2路脉冲输出，使用灵活，适用范围广，可以满足不同的应用需求；

(2)全国有上千万帕金森、癫痫、慢性疼痛等神经系统疾病患者，本发明具有极高的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明应用于双侧脑深部刺激示意图。

图2是本发明双通道输出时的电脉冲示意图。

图3是本发明的一种实施实例的电路原理框图。

图4是本发明的电压/电流双脉冲模式输出的一种电路实现原理图。

图5a是体外控制设备控制本发明恒压/恒流脉冲模式时传送的编程数据的一种数据组成方式。

图5b是本发明的一种包含恒压/恒流脉冲模式切换标志的刺激器工作状态标志定义。

图6是本发明的电压/电流双脉冲模式输出的控制流程图。

具体实施方式

图1所示的本发明应用于双侧脑深部刺激示意图中，本发明的植入式神经刺激器1产生两路恒压或者恒流电脉冲信号，通过延长导线2将该两路电脉冲信号传递给两个刺激电极3，两个刺激电极3将两路电脉冲信号分别加到两个治疗靶点，通过电脉冲刺激对神经类疾病起到治疗的作用。

刺激器1通过编程可以产生一路或者两路的电脉冲信号，图2所示为产生两路脉冲输出时的脉冲信号，通道1和通道2脉冲的幅度和脉宽均可以独立调节，两个通道的频率相同，而且在时序上分开，每个通道的每个刺激电脉冲输出后，经过短时间延时(200uS左右)后会产生一个反向的低幅度脉冲，实现对刺激靶点的电荷平衡，避免对靶点的组织产生损伤。短时间延时的作用是使刺激脉冲对靶点充分作用，避免引起刺激生理效应的减弱。

如图3所示，在本发明的一种实施实例中，使用充电电池作为电源，刺激器1的硬件电路组成主要包括微控制器4、脉冲输出模块5、电源管理模块6、通信模块7、充电电池9等。其中：

微控制器4是刺激器电路的控制核心，具体控制功能为：控制脉冲输出模块5产生电脉冲输出；监测并控制充电模块6工作状态；控制通信模块7与体外控制设备进行无线通信及参数设置；监测干簧开关8的动作实现体外磁铁对刺激器的控制功能。

微控制器4中集成作为程序存储器用的大容量的FLASH存储器，并且支持自编程操作，通过设计，微控制器4的程序可以通过与体外程控仪无线双向通信，实现在线更新。

脉冲输出模块5用于产生电压或者电流两种模式的脉冲信号，也可以通过输出通道控制选择产生一路或者两路输出信号，主要由DC-DC电路10、通道及极性选择电路11、恒压/恒流脉冲输出电路12、电荷平衡及电极阻抗测量电路13等组成。其中DC-DC电路10既可以升压又可以降压，输出电压范围0～10V，脉冲电流输出能力在500欧姆负载下不小于20mA；通道及极性选择电路11与DC-DC电路10输出相连，通过微控制器4选择一个或者两个电能储存电容进行充电及脉冲输出，并通过微控制器4设定每个通道的输出极性组合；恒压/恒流脉冲输出电路12可以产生恒流或者恒压两种模式的脉冲输出；电荷平衡及电极阻抗测量电路13中的电荷平衡电路用于产生与刺激脉冲反向的脉冲信号，实现对刺激靶点的正反向电荷平衡，避免损伤靶点组织；电极阻抗测量电路通过AD采集采样电阻的电压获得脉冲输出的电流信息，通过计算得到电极间阻抗。

电源管理模块6与电池9相连，主要由稳压电路14、电池电压采样电路15、充电线圈16、整流滤波电路17、充电管理及保护电路18、测温电路19等组成。充电线圈16用于接收体外充电器的能量输入，整流滤波后通过充电管理及保护电路18给电池充电。充电线圈16可以为大直径的扁平空心线圈或者小直径的磁芯线圈。

通信模块7由微控制器4控制，与体外控制设备进行双向无线通信，主要由信号发射电路19、信号接收电路20、发射/接收线圈21等组成。信号发射与接收共用同一个通信线圈。通信采用PPM编码及衰减的正弦波形调制信号，效率高，功耗低。

充电电池9为植入医疗设备专用锂离子电池。

如图4所示，为恒压/恒流脉冲输出模块5的一种具体的实现原理图。DC-DC电路11由场效应管、肖特基二极管、电感、比较器等器件组成，通过控制模块23控制可以为输出电容进行可控的能量输送；电容C1和C2分别为两个通道的电能储存电容，为脉冲输出提供能量，开关SW1和SW2分别控制电容C1和C2与DC-DC电路及输出回路的通断；开关SW3用于控制电荷平衡；场效应管M1、M2及运算放大器OA1用于控制产生恒压/恒流脉冲输出，恒压脉冲模式输出时，运算放大器OA1关闭，场效应管M1用于控制产生电压脉冲输出，DC-DC电路控制电容C1和C2两端的电压为脉冲输出幅度，恒流模式脉冲输出时，运算放大器OA1、场效应管M2及电阻R1配合产生恒流脉冲输出，恒流脉冲幅度通过数模转换器DA2的输出DA2OUT调节。

在恒流脉冲模式下，为了获得最高的工作效率，通过电流反馈判断电流输出是否满足，进一步的通过控制模块5控制DC-DC输出合适的能量给电容C1和C2，使电容C1和C2两端的电压尽量接近正好满足电流脉冲输出要求。

刺激器通过通信模块7与体外控制设备进行无线通信，接收体外控制设备传送的刺激器运行数据，并提供给微控制器4。微控制器4根据获得的运行数据控制脉冲输出模块5启动脉冲输出。无线通信可以采用字节(Byte)为单位的脉冲间隙调制方式，也可以采用字、双字等为单位进行调制。图5a给出了体外控制设备传送的编程数据的一种数据组成方式，由编程指令、刺激器运行数据、CRC校验码组成，其中刺激器运行数据中包含至少一个刺激器工作状态字节Byte1，该工作状态字节Byte1定义了一系列的刺激器运行标志，其中包含恒压/恒流脉冲模式切换标志，如图5b中所示，工作状态字节Byte1的bit7位作为恒压/恒流脉冲模式切换标志，该位复位时为恒压脉冲输出，该位置位时为恒流脉冲输出。

微控制器4控制输出脉冲模式，图6所示为恒流/恒压脉冲输出控制程序的流程。脉冲输出从步骤30开始，首先执行步骤31，设置输出通道、电极极性参数，之后进入步骤32，判断编程设定的是恒压脉冲还是恒流脉冲输出，如果是恒压脉冲输出，执行步骤33，如果是恒流脉冲输出，执行步骤37。在步骤33中，设定输出通道DC-DC的输出等于恒压脉冲的幅度，之后执行步骤34，控制场效应管M1导通，产生恒压脉冲输出，之后进入步骤35，判断是否需要进行电极阻抗测试，如果需要阻抗测试，执行步骤36，否则直接转到步骤44。在步骤37中，设定输出通道DC-DC的输出等于满足电流输出的电压调整档数，之后执行步骤38，启动数模转换器DA2并设定其输出等于电流脉冲幅度对应的值，产生恒流脉冲输出，之后进入步骤39，判断设定的电流输出能力是否满足，如果满足，执行步骤40，如果不满足，执行步骤42。在步骤40中，判断是否允许输出通道DC-DC输出档数降低，如果允许，执行步骤41，将输出通道DC-DC的输出档数降低一档，之后进入步骤44。在步骤42中，禁止输出通道DC-DC电压档数降低，之后执行步骤43，将输出通道DC-DC的输出档数增加一档，之后进入步骤44。在步骤44中，判断脉宽是否到时间，到时间后关闭脉冲输出，脉冲输出程序结束。

通过附图和具体实施方式的描述，从输出波形、电路原理、及流程控制几个方面详细说明了本发明的技术方案。上述方式只是本发明优选的实施方式，对于本领域内的普通技术人员而言，在本发明公开的具有恒压/恒流双脉冲模式的神经刺激器的基础上，很容易想到将其进行修改或者等同替换，应用于各种植入式医疗仪器系统，而不仅限于本发明具体实施方式所描述的系统结构，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种植入式神经刺激器，包括：控制装置、脉冲输出装置和通信装置；所述脉冲输出装置包括DC-DC电路、输出通道及极性选择电路、脉冲输出控制电路、电荷平衡电路和电极阻抗测量电路，其特征在于：

所述脉冲输出装置具有输出恒压电信号的第一工作模式，以及输出恒流电信号的第二工作模式；

所述控制装置能够对所述脉冲输出装置进行控制，使其在所述第一工作模式与所述第二工作模式之间进行切换；

所述通信装置能够无线地与外部设备进行通信，其能够接收所述植入式神经刺激器所需的运行数据并提供给所述控制装置；所述控制装置获取所述运行数据后才控制所述脉冲输出装置启动输出。

2.根据权利要求1所述的植入式神经刺激器，其特征在于，所述运行数据包括用于确定所述脉冲输出装置工作模式的识别数据。

3.根据权利要求1所述的植入式神经刺激器，其特征在于，在所述第一工作模式中，所述脉冲输出装置所输出的电压幅度为0～10V。

4.根据权利要求1所述的植入式神经刺激器，其特征在于，在所述第一工作模式中，所述电极阻抗测量电路能够测量所述植入式神经刺激器所连接的电极的阻抗。

5.根据权利要求1所述的植入式神经刺激器，其特征在于，在所述第二工作模式中，所述脉冲输出装置所输出的电流强度在20mA以上。

6.根据权利要求1所述的植入式神经刺激器，其特征在于，在所述第二工作模式中，所述DC-DC电路的输出电压被设置为满足电流输出强度的最低幅度。

7.根据权利要求1-6之一所述的植入式神经刺激器，其特征在于，所述脉冲输出装置具有至少两个信号通道，各个信号通道所产生的脉冲电信号的脉冲宽度和幅度分别能够通过所述脉冲输出控制进行设置。

8.根据权利要求1-6之一所述的植入式神经刺激器，其特征在于，所述脉冲输出装置的各个脉冲电信号之后，所述电荷平衡电路产生一个反向的平衡脉冲电信号。

9.根据权利要求8所述的植入式神经刺激器，其特征在于，所述各个脉冲电信号与所述平衡脉冲电信号之间具有一时间间隔。

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