CN105288849B - 一种具有调制模式的植入式神经电刺激系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有调制模式的植入式神经电刺激系统，其包括：波形发生器，刺激电极，用于程控波形发生器的体外程控仪，属于植入式医疗仪器技术领域。波形发生器包含的控制模块可以对输出的2‑250Hz恒压/恒流电脉冲刺激进行包络调制。调制包络波形特征通过体外程控仪设定，通常包络频率为1‑10Hz。包络波形形状可任意设定，控制模块通过重构函数的方法在控制模块中完成包络波形的拟合重构。本发明的植入式电脉冲刺激系统通过引入包络调制，为神经系统疾病患者提供新的治疗方法。
Description
技术领域
本发明为一种可以对恒压/恒流两种脉冲模式进行包络调制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耙点接触。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。
专利文献CN102166388A公开了一种可以产生恒压/恒流两种模式的电脉冲信号，对靶点进行电脉冲刺激。在此刺激模式下，单一电压或者电流对靶点连续的进行刺激。在临床看来，这种刺激方法并不是一种最优的刺激方式。长期恒定电压或者电流的刺激可能会使得治疗效果变差，而且在电刺激治疗中，有时并不需要持续的电刺激。
专利文献RO127732公开了一种对刺激脉冲进行包络调制的方法。但是该方法过渡的依赖于电路系统对输出波形进行调制。过多的电路部分，特别是AD-DA电路，将会给系统带来更高的功耗水平，这直接影响到植入式神经电刺激系统的使用寿命。
发明内容
有鉴于现有技术条件和缺陷，本发明的目的在于提供一种可以实现多种包络调制的植入式电脉冲刺激系统。
一种神经刺激器，包括控制装置和脉冲输出装置，其中
所述脉冲输出装置的输出脉冲能够被包络调制，
所述控制装置包括：通信部，能够接收设定的包络波形特征参数；调制控制部，能够利用所述包络波形特征参数完成包络波形的重构。
优选地，所述调制包络波形特征参数包括：频率和描述波形形状的参数。
优选地，所述包络调制控制部能够将重构后的包络波形作为调制信号完成对所述输出脉冲的波形的包络调制。
优选地，所述包络调制控制部输出的模拟控制量为数/模转换输出，控制一次脉冲输出幅度。
优选地，所述输出的模拟控制量，作为所述脉冲输出装置的恒压/恒流脉冲输出电路的输入量，所述脉冲输出装置输出该模拟控制量控制输出的特定幅度的脉冲电刺激信号。
优选地，所述输出脉冲的频率为2-250Hz。
优选地，所述包络波形的频率不超过当前设定输出脉冲的频率。
优选地，所述包络波形的频率为1-10Hz。
优选地，所述调制控制部使用非方波包络调制时，设定包络频率为，波形参数为、、、、、、，包络对应周期为，包络调制脉冲控制部通过插值重构函数：
（1）
完成对输出包络的重构；包络具有的特征。
优选地，所述调制控制部使用方波包络调制时，设定方波包络输出刺激时间为ta，关闭刺激时间为tb，方波包络周期为ta+tb，在一个包络调制周期内，若此时脉冲输出时间t<ta，则打开输出脉冲；若ta<t<tb，则关闭输出脉冲。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）在不增加电路系统模块下，增加包络调制控制模块，完成对脉冲电刺激的包络调制，不增加额外的电路功耗；
（2）增加的脉冲包络调制功能，为神经系统疾病患者提供新型的治疗方法。
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是本发明神经电刺激系统的系统框图。
图3是本发明包络调制波形输出的控制通路。
图4是本发明一个实例中理想的正弦包络调制波形。
图5是本发明一个实例包络调制模块重构的正弦包络。
图6是本发明一个实例经过正弦包络调制输出的脉冲电刺激。
图中各附图标记说明如下
| 植入式神经刺激器 | 1 |
| 延长导线 | 2 |
| 刺激电极 | 3 |
| 微控制器 | 4 |
| 脉冲输出模块 | 5 |
| 电源管理模块 | 6 |
| 通信模块 | 7 |
| 簧片开关 | 8 |
| 充电电池 | 9 |
| 调制波形参数设定模块 | 10 |
| 包络调制脉冲控制模块 | 11 |
| 恒压/恒流脉冲输出电路 | 12 |
| 输出电极 | 13 |
具体实施方式
本发明提供的植入式神经电刺激系统可以为脑深部电刺激器、迷走神经刺激器、外周神经刺激器或者其他类似的刺激器系统。本发明的实施例以植入式脑深部电刺激器为例进行说明。
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产生两路被经过包络调制后的恒压/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。
如图2所示，在本发明的一种实施例中，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，同时对输出电脉冲波形进行包络调制控制；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；监测簧片开关8的动作实现体外磁铁对刺激器的控制功能。
如图3所示，为带包络调制的恒压/恒流脉冲输出的控制输出通路。调制波形参数设定模块10，利用通信模块7，使得微控制器4与体外控制设备进行无线通信，完成体外控制设备对调制波形参数的设定。输出包络调制脉冲控制模块11是微控制器4的一个功能部分，完成对输出脉冲的包络调制，输出控制量给恒压/恒流脉冲输出电路12，输出经过包络调制的电脉冲信号给输出电极13。恒压/恒流脉冲输出电路12和输出包络调制脉冲控制模块11具有反馈机制，确保输出的脉冲信号和控制输出一致。
输出包络调制脉冲控制模块11是包络调制控制核心，其输出的数字控制量用于控制恒压/恒流脉冲输出电路12中的模拟开关，改变电路结构，进而选择恒压/恒流输出；其输出的模拟控制量，为数/模转换输出，用于控制一次电刺激脉冲输出幅度；其获得的电路反馈量用于输出反馈控制调节，确保输出的脉冲信号和控制输出一致。
输出包络调制脉冲控制模块11中的控制方法完成了对输出电脉冲信号的包络调制。
使用非方波包络调制时，当设定包络频率为，波形参数、、、、、、，包络对应周期为，包络调制脉冲控制模块11中通过插值重构函数：
（1）
完成对输出包络的重构；包络具有的特征。
公式（1）中插值重构函数是连续函数，时间代表连续时间。在包络调制中，可以认为脉冲输出波的输出脉冲是对包络波形的“采样”。由此，调制过程也可看作是对包络波形“离散化”的过程。在这样一个“离散化”过程中，利用时间递推的方式完成对包络波形的“离散化”，从而用以实现输出脉冲的包络调制。
设定脉冲输出频率为，非调制时模块11输出模拟控制量为，对应脉冲输出周期为，时间递推公式：
（2）
利用时间递推公式即公式（2）改造包络重构方法：
（3）
公式（3）相当于完成了调制波形的“离散化”。
对于开启脉冲刺激后的某一次刺激，其时间标示为，利用公式（2）/（3）得到此时间标示下包络波形的“离散化”值，则完成了对输出脉冲的包络调制；利用作为模块11输出的模拟控制量，便可输出经过包络调制后的脉冲刺激。
包络重构方式（1）可以对一周期内不超过2个拐点的包络，比如正弦包络，进行拟合重构。确定波形参数、、、、、、的方法为，假设被拟合包络在时间上取得值，按照：
得到波形参数。
以正弦包络调制为例说明控制方法。设脉冲输出频率为150Hz，则周期为1/150s，正弦包络为频率为10Hz，则周期为1/10Hz。图4所示为理想的正弦包络；图5所示为取，对应 ，根据(3)重构的正弦包络。图6所示为该控制方法得到的带有正弦包络调制的脉冲波形。
在本发明实例中，调制波形参数设定模块10过程描述为：通过体外控制器选择所需波形，体外控制器控制模块计算得到波形参数，利用通信模块7，使得微控制器4与体外控制设备进行无线通信，完成体外控制设备对调制波形参数的设定。
使用方波包络调制时，输出包络调制脉冲控制模块11不利用（1）对包络波形进行重构。设定方波包络输出刺激时间为ta，关闭刺激时间为tb，方波包络周期为ta+tb，在一个包络调制周期内，若此时脉冲输出时间t<ta，则输出电刺激脉冲；若ta<t<tb，则关闭电刺激脉冲输出。按照该控制流程完成方波包络调制。
在本发明实例中，所描述的包络波形重构方法中，函数（1）只是一种具体实例，依据本发明包络调制方法精神所做的变化，比如更换波形重构公式，也应包含在本发明所要求的保护范围内。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (8)
1.一种神经刺激器，包括控制装置和脉冲输出装置，其中
所述脉冲输出装置的输出脉冲能够被包络调制，
所述控制装置包括：通信部，能够接收设定的包络波形特征参数；调制控制部，能够利用所述包络波形特征参数完成包络波形的重构；
其特征在于，所述调制控制部使用非方波包络调制时，设定包络频率为F 1，波形参数为A 1、A 2、A 3、A 4、B 1、B 2、B 3，包络对应周期为T 1，所述调制控制部通过插值重构函数：
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完成对输出包络的重构；包络f (t)具有0≤f (t)≤1的特征；
所述调制控制部使用方波包络调制时，设定方波包络输出刺激时间为ta，关闭刺激时间为tb，方波包络周期为ta+tb，在一个包络调制周期内，若此时脉冲输出时间t<ta，则打开输出脉冲；若ta<t<tb，则关闭输出脉冲。
2.根据权利要求1所述的神经刺激器，其特征在于，所述包络波形特征参数包括：频率和描述波形形状的参数。
3.根据权利要求1所述的神经刺激器，其特征在于，所述调制控制部能够将重构后的包络波形作为调制信号完成对所述输出脉冲的波形的包络调制。
4.根据权利要求1所述的神经刺激器，其特征在于，所述调制控制部输出的模拟控制量为数/模转换输出，控制一次脉冲输出幅度。
5.根据权利要求4所述的神经刺激器，其特征在于，所述输出的模拟控制量，作为所述脉冲输出装置的恒压/恒流脉冲输出电路的输入量，所述脉冲输出装置输出该模拟控制量控制输出的特定幅度的脉冲电刺激信号。
6.根据权利要求1所述的神经刺激器，其特征在于，所述输出脉冲的频率为2-250Hz。
7.根据权利要求1所述的神经刺激器，其特征在于，所述包络波形的频率不超过当前设定输出脉冲的频率。
8.根据权利要求1所述的神经刺激器，其特征在于，所述包络波形的频率为1-10Hz。
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