CN102727995B - 植入神经刺激器的电流脉冲电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了植入神经刺激器的电流脉冲电路，包括微处理器、第一电感、第一二极管、第二电阻、第五电阻、滤波电容、升降压DC-DC芯片、第一电路输出端和第二电路输出端，第一电路输出端通过第二电阻和第五电阻接地，升降压DC-DC芯片包括误差放大器、PWM比较器、开关管、SR触发器和振荡器，第二电阻和第五电阻的公共端接入误差放大器的第一反相输入端，误差放大器的同相输入端和输出端分别连接参考电压和PWM比较器的反相输入端，振荡器的振荡输出与PWM比较器的同相输入端连接，振荡器输出开关信号至SR触发器的S端，PWM比较器的输出端与SR触发器的R端连接，SR触发器的Q输出端与开关管的控制端连接。
Description
技术领域
本发明涉及植入式神经刺激器领域，具体涉及植入神经刺激器的电流脉冲电路。
背景技术
植入式神经刺激是以一定程度的电流脉冲刺激靶点神经，以调整或恢复脑部、神经或肌肉的功能，使症状缓解的一种方法。目前神经刺激器大多采用无感型DCDC电路将电池电压变换后输出刺激脉冲信号。但是在胃电刺激器这种需要高剂量的刺激时，一般结构的电流脉冲刺激产生电路会遇到一些问题，难以克服。这些问题如下：由于手术植入电极位置原因以及人体体质存在差异性，手术后神经刺激器输出电极间等效的阻抗会存在差异，如果在大剂量电流脉冲刺激时刺激脉冲产生电路不能根据电极间的阻抗调整，工作在最佳状态下，电路的转换效率往往会降低，而且输出电流波形也会失真。这就直接影响了电池的使用寿命和治疗效果。
发明内容
为了使脉冲刺激电流不容易失真的同时可电路编程控制，本发明提供了一种植入神经刺激器的电流脉冲电路。
植入神经刺激器的电流脉冲电路，包括微处理器，还包括第一电感、第一二极管、第二电阻、第五电阻、滤波电容、升降压DC-DC芯片、第一电路输出端和第二电路输出端，第一电路输出端通过第二电阻和第五电阻接地，升降压DC-DC芯片包括误差放大器、PWM比较器、开关管、SR触发器和振荡器，第二电阻和第五电阻的公共端接入误差放大器的第一反相输入端，误差放大器的同相输入端和输出端分别连接参考电压和PWM比较器的反相输入端，振荡器的振荡输出与PWM比较器的同相输入端连接，振荡器输出开关信号至SR触发器的S端，PWM比较器的输出端与SR触发器的R端连接，SR触发器的Q输出端与开关管的控制端连接，电源通过第一电感、第一二极管与第一电路输出端连接，第一二极管的阳极与第一电感连接，开关管连接在第一电感与第一二极管的公共端和地之间，第一电路输出端通过滤波电容接地，微处理器包括电压设置端，电压设置端连接至第二电阻和第五电阻的公共端以注入直流电流，第一电路输出端和第二电路输出端用于作为植入电极的两个接入点。
优选地，还包括第六电阻、第四电容和第五电容，所述电压设置端通过第六电阻连接至第二电阻与第五电阻的公共端，第六电阻的两端分别通过第四电容和第五电容接地。
为了进一步解决植入神经刺激器的电流脉冲电路能耗较大的问题，还采用了如下技术方案。
还包括第一场效应管、第一放大器、第二放大器、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻和第十七电阻，微处理器还包括电流设置端和电流检测端，第二放大器的同相输入端和反相输入端分别通过第十三电阻和第十五电阻接地，第十四电阻跨接在第二放大器的反相输入端和输出端之间，第一放大器的反相输入端分别与第二放大器的输出端和电流检测端连接，第一放大器的同相输入端与电流设置端连接并通过第十七电阻接地，第一放大器的输出端与第一场效应管的栅极连接，第一场效应管串接在第二放大器的同相输入端与第二电路输出端之间。
用于采样的第十三电阻可以采用很小的阻值，以防止能耗过大，通过第二放大器对其两端的电压进行放大，保证了微处理器能够检测，同时，若不采用第二放大器，电流设置端须采用很小的电压或电流，而这对微处理器的输出精度很高，否则误差较大，采用了第二放大器则完全避免了这个情况。
优选地，还包括第十电阻、第十一电阻和第二场效应管，所述微处理器还包括电压检测端和电压检测控制端，第十电阻、第十一电阻和第二场效应管依次串接在第一电路输出端和地之间，第二场效应管的栅极与微处理器的电压检测控制端连接，第十电阻与第十一电阻的公共端与电压检测端连接。
优选地，还包括第一电阻，第一电路输出端通过第一电阻、第二电阻和第五电阻接地，升降压DC-DC芯片还包括电流检测放大器，第一电阻跨接在电流检测放大器的同相输入端和反相输入端之间，且电流检测放大器的反相输入端和输出端分别与第一电路输出端和误差放大器的第二反相输入端连接。
本发明的有益效果是：通过采用现有的集成升压型DC-DC芯片，另外配合恒流源电路，可以实现稳定的电流输出，同时可以实现微处理器对该DC-DC芯片输出电压的可编程调节和可以实时调节刺激电流大小以适应某些治疗的要求，控制方便；电流脉冲刺激产生电路的拓扑结构可提高电路的动态响应，电流脉宽在us至ms量级，由于该电路拓扑结构的输出能力较大，大剂量刺激时电流脉冲波形也不容易失真，从而保证了治疗效果；另外当不需要检测两个电路输出端的电极之间的等效阻抗时，通过关断第一电路输出端至地的电流通路（即关断第二场效应管）而节省了能耗，进而提高了刺激器电路的电池寿命。
附图说明
图1是本发明一种实施例的植入神经刺激器的电流脉冲电路的电路原理图；
图2是本发明一种实施例的LT1618芯片的主要电路框图及应用电路。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的具体实施例作进一步详细说明。
本发明的植入神经刺激器的电流脉冲电路包括DC-DC恒压变换电路、线性恒流源电路、阻抗检测电路和控制电路，DC-DC恒压变换电路将电池的供电转换为所需要的某个输出电压，输出电压加在输出电极上，从而形成负载电流，线性恒流源电路对该负载电流进行控制，从而输出电极上的电流被控制在某个稳定的电流值，而阻抗检测电路通过对输出电极两端的电压及其电流进行采集后传送给控制电路，控制电路计算得到相应的等效阻抗后，即可以通过控制DC-DC恒压变换电路的输出电压、以及输出电极上的电流进行控制，以达适应某种治疗的需要，或者达到最佳的治疗的效果。
如图1所示，植入神经刺激器的电流脉冲电路包括微处理器2.4，DC-DC恒压变换电路2.1，线性恒流源电路2.2和阻抗参数采样电路2.3，其中，DC-DC恒压变换电路2.1中的升压型DC-DC芯片U1采用凌特公司的LT1618。
该芯片U1的关断管脚、接地端GND和电压输入端分别与微处理器的输出电压控制端Output_Ctrl、地和电源端V_bat连接，电源端V_bat通过第一电感L1、第一电容C1、第一二极管D1和第一电阻R1与第一输出端OUTPUT_A连接，第一电阻R1跨接在芯片U1的电流检测放大器A1的同相输入端ISP和反相输入端ISN，芯片U1的开关管的开关（供电端）SW连接至第一电感L1和第一电容C1的公共端，第一二极管D1的阴极通过第二电阻R2和第五电阻R5接地，第一二极管D1的阳极与第一电容C1的公共端通过第二电感L2接地，芯片U1的反馈端FB通过第五电阻R5接地，微处理器的电压设置端V_Set通过第五电阻R5接地。芯片U1的补偿端Vc通过第四电阻R4和第三电容C3接地，用于对误差放大器A2的输出进行补偿。
本实例中的DCDC电路可以在1.6至4.2V下工作输出1.3至12V的电压，转换效率在60至80之间。
如图2所示的LT1618芯片的主要电路框图，其包括电流检测放大器A1、误差放大器A2、PWM比较器A3、开关管Q3、与开关管Q3串联的开关采样电阻Rs、SR触发器、振荡器OSC和开关管驱动电路DRIVER，电流检测放大器A1用于放大通过输出电流的采样电阻R1的电压，其输出端接入误差放大器A2的一个反相输入端，第二电阻R2和第五电阻R5的公共端接入误差放大器A2的另一个反相输入端（图2是LT1618的应用，电压输出端Vout通过第二电阻R2和第五电阻R5接地，但在本实施例中，由于刺激电极的电流即通过第一电阻R1的电流较小且第一电阻R1较小，因此如图1所示的电压输出端，即第一电路输出端OUTPUT_A通过第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3接地也对输出电压的计算和调整影响很小），误差放大器A2的同相输入端和输出端分别连接参考电压（LT1618的参考电压是1.263V）和PWM比较器A3的反相输入端，开关采样电阻Rs的电压经过放大后与振荡器OSC的振荡输出相叠加后输入PWM比较器A2的同相输入端，振荡器OSC输出开关信号至SR触发器的S端，PWM比较器A3的输出端与SR触发器的R端连接，SR触发器的Q输出端通过开关管驱动电路DRIVER连接开关管Q3的控制端，以控制开关管Q3的开通和关断。
且由于误差放大器A1的同相输入端ISP和反相输入端ISN的两端跨接在第一电阻R1两端，当R1的电流过大时，电流检测放大器A1输出超出误差放大器A2的基准电压时，基于与上述相同的原理，误差放大器A2输出电压减小，从而控制开关管Q3关断，降低输出电压，从而减小了输出电流，电流得以稳定在一定数值，从而起到了过流保护的作用，并可在后级电路失效时，限制输出电路从而起到保护作用。
振荡器OSC和PWM比较器A3共同控制SR触发器产生PWM，以对开关管Q3进行PWM控制，以调节第一电路输出端OUTPUT_A（Vout）的电压的大小，而当第五电阻R5的电压超出误差放大器A2的参考电压时，误差放大器A2输出低电平，PWM比较器A3输出高电平对SR触发器进行复位而关断开关管Q3，从而降低第一电路输出端的输出电压，因而，当芯片工作时，第五电阻的电压可以稳定在参考电压Vf，且存在关系，微处理器通过对第五电阻R5注入直流电流I，则电压 ，因此，微处理器通过控制注入电流I的大小就可以实现对输出电压的控制，而不用通过调整第二电阻R2和第五电阻R5的阻值，例如微处理器通过DA转换输出相应的电流。
为实现微处理器对输出电压的控制，还可以采用如下方式：微处理器的电压设置端V_Set通过第六电阻R6连接至第二电阻R2与第五电阻R5的公共端，第六电阻R6的两端分别通过第四电容C4和第五电容C5接地，这样第四电容C4、第五电容C5和第六电阻R6构成低通滤波电路，只需要在电压设置端V_Set输出不同占空比的方波，即可在第五电阻R5上形成直流电压，从而对第五电阻R5注入电流，具体可以通过如下算法得到：，其中，是微处理器IO口的输出电压，D是电压设置端V_Set输出方波的占空比，这样，微处理器可以通过调节占空比来实现对输出电压的控制，而不需要通过DA转换输出电压来实现对电流的注入，可以使用更多不具备DA转换的微处理器，成本更低，且DA转换的输出能力有限，需要放大器进行放大，从而增加了整体电路的体积，这对植入体内的电路来说是非常不利的。
第二放大器U3的同相输入端和反相输入端分别通过第十三电阻R13和第十五电阻R15接地，第十四电阻R14跨接在第二放大器U3的反相输入端和输出端之间，第一放大器U2的反相输入端分别与第二放大器U3的输出端和微处理器的电流检测端I_Test连接，第一放大器U2的同相输入端与电流设置端I_Set连接并通过第十七电阻R17接地，第一放大器U2的输出端与第一场效应管Q1的栅极连接，第一场效应管Q1串接在第二放大器U3的同相输入端与第二电路输出端OUTPUT_B之间。
第十电阻R10、第十一电阻R11和第二场效应管Q2依次串接在第一电路输出端OUTPUT_A和地之间，第二场效应管Q2的栅极与微处理器的电压检测控制端V_Test_Ctr连接，微处理器的电压检测端V_Test连接至第十电阻R10与第十一电阻R11的公共端。
刺激电极串接在第一电路输出端OUTPUT_A和第二电路输出端OUTPUT_B之间，当电路开始工作，Output_Ctrl输出高电平开启DC-DC芯片U1（在停止刺激时需要置为低电平，从而关闭该电路，节省功耗），用于采样刺激电流的第十三电阻R13的电压经过第二放大器U3的放大后被微处理器的电流检测端I_Test检测，而电压检测控制端V_Test_Ctr输出控制信号打开第二场效应管Q2，即有电流通过第二场效应管Q2，此时，微处理器的电压检测端V_Test通过检测第十一电阻R11的电压，即可以得出输出电压。这样，微处理器即可以计算出刺激电极之间的等效电阻，从而可以作出调整输出电压或输出电流的操作。
其中，通过在微处理器的电流设置端I_Set输出相应的电压加在第十七电阻R17上，当流过第十三电阻R13的电流达到一定数值时，其两端的电压与第十七电阻R17两端的电压相等，这样第一放大器U2输出低电平关断第一场效应管Q1，这样，输出电流即稳定在一定的数值，从而达到被微处理器控制的目的。
阻抗检测电路可以在设定的时刻开启检测输出电压和电流。
线性恒流源电路可将控制电路输出的控制电压脉冲波形转换为电流脉冲波形，幅度与控制电压幅度成比例。
当电流脉冲电路接收到开启刺激指令后，首先检测电极间的等效阻抗，然后根据检测到的阻抗设定DCDC的输出电压，最后根据预先设定的电流脉冲波形输出刺激信号。
其中可编程DCDC变换电路可由控制器控制输出电压的大小，输出电压的公式还可以表示为 Vout=Rtest*Iset+VIadj，其中，为Vout 输出电压，Rtest为控制电路根据阻抗检测电路的输出计算出的电极间的等效阻抗；Iset为设定的输出电流脉冲的幅度；VIadj是为线性恒流源电路中调整管预留的调整电压，该电压应尽量小，以降低线调整管上压降所造成的损耗。其中该损耗为一般线性恒流源最主要的损耗，是提高整体电路效率的关键之一。
Claims (1)
1.植入神经刺激器的电流脉冲电路，包括微处理器，其特征是：还包括第一电感、第一二极管、第二电阻、第五电阻、滤波电容、升降压DC-DC芯片、第一电路输出端和第二电路输出端，第一电路输出端通过第二电阻和第五电阻接地，升降压DC-DC芯片包括误差放大器、PWM比较器、开关管、SR触发器和振荡器，第二电阻和第五电阻的公共端接入误差放大器的第一反相输入端，误差放大器的同相输入端和输出端分别连接参考电压和PWM比较器的反相输入端，振荡器的振荡输出与PWM比较器的同相输入端连接，振荡器输出开关信号至SR触发器的S端，PWM比较器的输出端与SR触发器的R端连接，SR触发器的Q输出端与开关管的控制端连接，电源通过第一电感、第一二极管与第一电路输出端连接，第一二极管的阳极与第一电感连接，开关管连接在第一电感与第一二极管的公共端和地之间，第一电路输出端通过滤波电容接地，微处理器包括电压设置端，电压设置端连接至第二电阻和第五电阻的公共端以注入直流电流，第一电路输出端和第二电路输出端用于作为植入电极的两个接入点；
所述植入神经刺激器的电流脉冲电路还包括第六电阻、第四电容和第五电容，所述电压设置端通过第六电阻连接至第二电阻与第五电阻的公共端，第六电阻的两端分别通过第四电容和第五电容接地；
所述植入神经刺激器的电流脉冲电路还包括第一场效应管、第一放大器、第二放大器、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻和第十七电阻，微处理器还包括电流设置端和电流检测端，第二放大器的同相输入端和反相输入端分别通过第十三电阻和第十五电阻接地，第十四电阻跨接在第二放大器的反相输入端和输出端之间，第一放大器的反相输入端分别与第二放大器的输出端和电流检测端连接，第一放大器的同相输入端与电流设置端连接并通过第十七电阻接地，第一放大器的输出端与第一场效应管的栅极连接，第一场效应管串接在第二放大器的同相输入端与第二电路输出端之间；
所述植入神经刺激器的电流脉冲电路还包括第十电阻、第十一电阻和第二场效应管，所述微处理器还包括电压检测端和电压检测控制端，第十电阻、第十一电阻和第二场效应管依次串接在第一电路输出端和地之间，第二场效应管的栅极与微处理器的电压检测控制端连接，第十电阻与第十一电阻的公共端与电压检测端连接；
所述植入神经刺激器的电流脉冲电路还包括第一电阻，第一电路输出端通过第一电阻、第二电阻和第五电阻接地，升降压DC-DC芯片还包括电流检测放大器，第一电阻跨接在电流检测放大器的同相输入端和反相输入端之间，且电流检测放大器的反相输入端和输出端分别与第一电路输出端和误差放大器的第二反相输入端连接。
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