CN107485785B - 一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，包括可编程电荷泵高压脉冲产生电路、可编程电荷泵时钟控制电路和脉冲幅值检测控制电路。本发明避免了电路中出现的负电压的效果，大大降低了外围驱动电路的负担与设计难度，实现了起搏脉冲电路的集成化；充放电回路均经过心脏，不会破坏心肌细胞的电离子平衡；起搏脉冲幅值闭环控制，抗干扰能力强，能在电池老化的情况下正常工作。本发明提出的电路可靠性强，所需器件的种类少，易于集成。

Description

一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路。

背景技术

植入式心脏起搏器是集成电路技术与生物医疗技术结合的一个典型应用，而在植入式心脏起搏器中，起搏脉冲产生电路是核心电路。能够根据不同病人、不同症状的不同需求，产生不同幅度的稳定的起搏脉冲，是起搏脉冲产生电路的基本要求。但是随着植入式心脏起搏器在人体中使用的时间越来越长，会出现一系列的非理想效应，严重情况下甚至会影响病人的身体状况。其中两个最突出的效应分别为：电池老化和心脏离子不平衡。

电池老化是不可避免的，但是起搏脉冲的幅值会随着电源电压的降低受到严重影响，从而无法产生病人所需要的起搏脉冲幅度，影响起搏器的正常功能。而更换电池需要取出心脏起搏器，就势必要对病人实施手术，从而增加病人的痛苦；再次植入后，病人的机体除了需要一定的时间进行适应，还存在感染以及免疫排斥等风险。

心脏离子不平衡通常是由于植入式心脏起搏器中起搏电路的充放电回路给予心脏的电荷不相等，有些起搏脉冲产生电路仅在放电过程中经过心脏，长期使用很有可能造成心肌细胞内液和细胞外液中的离子不平衡，甚至使心肌细胞中的离子通道的通透性发生异常。

现有的心脏起搏器起搏电路大多数为负起搏脉冲电路，这种起搏电路产生的负压很有可能让开关管的PN结导通，起搏电路的可靠性得不到保障；而且由于长期使用引起的电池老化，起搏幅值会比预设值低，无法通过程控调节使起搏幅值达到预设值；最后由于该起搏电路在二倍压和三倍压起搏的时候，充放电经过心脏的电荷数不平衡，长期使用可能造成心肌细胞的功能异常。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，旨在在产生起搏脉冲的过程中，充放电回路均经过心脏，保证通过心脏的电荷一致，长期使用不破坏心肌细胞的电离子平衡。

针对以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，包括可编程电荷泵高压脉冲产生电路、可编程电荷泵时钟控制电路以及脉冲幅值检测控制电路三个模块；

所述可编程电荷泵高压脉冲产生电路用于在程控为不同倍压状态下输出电压脉冲；

所述可编程电荷泵时钟控制电路用于控制可编程电荷泵高压脉冲产生电路中的MOS管开关，使其在不同倍压状态下具有不同的开关动作；

所述脉冲幅值检测控制电路用于在心腔刺激电容充电过程中实时检测电荷泵高压脉冲产生电路输出端口串联滤波电容上的电压；

所述可编程电荷泵高压脉冲产生电路包括八个MOS管S1～S8和两个电容C1、C2；

所述MOS管中的S1、S2、S5、S6、S7、S8为栅氧及漏耐高压的switch型MOS管，S2、S4为漏耐高压的switch型MOS管；

所述可编程电荷泵时钟控制电路包括四个三输入与门，一个二输入或门，两个反相器和五个低转高电平位移模块；

所述低转高电平位移模块为2.8V转9V；

所述脉冲幅值检测控制电路包括十个MOS管S9～S18，四个电容C3～C6和十个电阻R1、R2、RA1～RA4及RV1～RV4；

所述MOS管中的S9、S10、S11、S13、S14、S15为栅氧及漏耐高压的switch型MOS管，S12、S16、S17、S18为漏端耐高压的switch型MOS管；

所述的电阻R1和电阻R2均为阻值可调的trim电阻。

与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

在产生起搏脉冲的过程中，充放电回路均经过心脏，保证了通过心脏的电荷一致，长期使用不破坏心肌细胞的电离子平衡；起搏脉冲幅值检测电路运用了闭环控制的方法，而且起搏幅值连续可调；起搏幅值的大小决定于电荷泵充电的速度和时间，因此在电池老化的情况下仍旧能够正常工作；在不同倍压状态时电荷泵的工作状态也不同，减小了所需要导通的开关的数量，降低了整体功耗；同时整个电路所需器件种类少，易于集成。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路方框图；

图2为本发明实施例提供的可编程电荷泵高压脉冲产生电路方框图；

图3为本发明实施例提供的可编程电荷泵时钟控制电路方框图；

图4为本发明实施例提供的心脏充放电开关和脉冲幅值检测控制电路方框图；

图5为本发明实施例中起搏脉冲的基本形状和参数；

图6为本发明实施例中最高起搏脉冲的仿真波形图(起搏器外壳—心房阴极)；

图7为本发明实施例中不同起搏幅值下时的起搏脉冲仿真波形图(心房阳极—心房阴极)；

图8为本发明实施例中电源电压降低时起搏脉冲仿真波形图(心房阳极—心房阴极)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做详细描述。

参见图1，本实施例提供的一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，包括可编程电荷泵高压脉冲产生电路、可编程电荷泵时钟控制电路以及脉冲幅值检测控制电路。其中，可编程电荷泵高压脉冲产生电路在程控为1倍压的时候输出幅值为0.1V～2.8V的电压脉冲，在程控为2倍压的时候输出幅值为2.9V～5.6V的电压脉冲，在程控为3倍压的时候输出幅值为5.7～8.4V的电压脉冲；可编程电荷泵时钟控制电路用来控制可编程电荷泵高压脉冲产生电路中的MOS管开关，使其在不同倍压状态下具有不同的开关动作，以便于节省功耗；脉冲幅值检测控制电路用于在心腔刺激电容充电过程中实时检测电荷泵高压脉冲产生电路输出端口串联滤波电容上的电压，此电容上的电压在充电过程中始终与心腔刺激电容上的电压相等，从而控制起搏脉冲幅值为MCU预设的幅值。整体电路的工作过程可概括为：充电相位时，可编程电荷泵时钟控制电路产生由程控倍压状态决定的电荷泵时钟控制信号，控制电荷泵给心腔刺激电容充电，所需刺激脉冲的幅值和脉宽由脉冲幅值检测控制电路决定，当脉冲电压达到预设的幅值时，脉冲幅值检测控制电路产生一个控制信号，使两相不交叠时钟停止工作；放电相位时，储存在电容上的电荷对心腔进行预设幅值和极性的电刺激。

参见图2，本实施例提供的可编程电荷泵高压脉冲产生电路，包括八个MOS管S1～S8，两个电容C1、C2。第一MOS管S1的漏端连接输入电压端口、第三MOS管S3的漏端、第五MOS管S5的漏端、第七MOS管S7的漏端，源端连接第六MOS管S6的漏端和第一电容C1的上极板，栅端连接时钟信号输入端口CKP_MV3；第二MOS管S2的漏端连接第五MOS管S5的源端和第一电容C1的下极板，源端连接地，栅端连接时钟信号输入端口CKP_L_MV3；第三MOS管S3的漏端连接输入电压端口、第一MOS管S1的漏端、第五MOS管S5的漏端、第七MOS管S7的漏端，源端连接第八MOS管S8的漏端和第二电容C2的上极板，栅端连接时钟输入信号CKP_MV1；第四MOS管S4的漏端连接第六MOS管S6的源端、第七MOS管S7的源端和第二电容C2的下极板，第四MOS管S4的源端连接地，栅端连接时钟信号输入端口CKP_L_MV1；第五MOS管S5的漏端连接输入电压端口、第一MOS管S1的漏端、第三MOS管S3的漏端、第七MOS管S7的漏端，源端连接第二MOS管S2的漏端和电容C1的下极板，栅端连接时钟信号输入端口CKN_MV3；第六MOS管S6的漏端连接第一MOS管S1的源端和第一电容C1的上极板，源端连接第四MOS管S4的漏端、第七MOS管S7的源端和第二电容C2的下极板，栅端连接时钟信号输入端口CKN_MV3；第七MOS管S7的漏端连接输入电压端口、第一MOS管S1的漏端、第三MOS管S3的漏端和第五MOS管S5的漏端，源端连接第四MOS管S4的漏端、第六MOS管S6的源端和第二电容C2的下极板，栅端连接时钟信号输入端口CKN_MV2；第八MOS管S8的漏端连接第三MOS管S3的源端和第二电容C2的上极板，第八MOS管S8源端连接电荷泵输出信号端口CP_OUT，栅端连接时钟信号输入端口CKN。本实施例中，优选所述MOS管中的S1、S2、S5、S6、S7、S8为栅氧及漏耐高压的switch型MOS管，优选S2、S4为漏耐高压的switch型MOS管。

图2所示电路工作过程为：在一倍压起搏时，起搏器倍压控制位VOL_M[1:0]＝[0:1]，因此第一MOS管S1，第二MOS管S2，第五MOS管S5，第六MOS管S6，第七MOS管S7关断；第四MOS管S4导通；第三MOS管S3和第八MOS管S8受时钟控制：在CLK1相位为高时，CKP_MV1相位为高，CKN相位为低，第三MOS管S3导通，第八MOS管S8关断，电源电压VDD给第二电容C2充电到VDD；在CLK2相位为高时，CKP_MV1相位为低，CKN相位为高，第三MOS管S3关断，第八MOS管S8导通，第二电容C2向电荷泵负载充电。在二倍压起搏时，起搏器倍压控制位VOL_M[1:0]＝[1:0]，因此第一MOS管S1、第二MOS管S2、第五MOS管S5、第六MOS管S6关断；第三MOS管S3、第四MOS管S4、第七MOS管S7和第八MOS管S8受时钟控制：在CLK1相位为高时，CKP_L_MV1和CKP_MV1相位为高，CKN和CKN_MV2相位为低，第三MOS管S3和第四MOS管S4导通，第七MOS管S7和第八MOS管S8关断，电源电压VDD给第二电容C2充电到VDD；在CLK2相位为高时，CKP_L_MV1和CKP_MV1相位为低，CKN和CKN_MV2相位为高，第三MOS管S3和第四MOS管S4关断，第七MOS管S7和第八MOS管S8导通，电源电压VDD连接到第二电容C2的下极板，将第二电容C2上极板的电压抬高到2VDD，第二电容C2向电荷泵负载充电。在三倍压起搏时，起搏器倍压控制位VOL_M[1:0]＝[1:1]，因此第七MOS管S7关断；其余MOS管均受时钟控制：在CLK1相位为高时，CKP_MV1、CKP_L_MV1、CKP_MV3和CKP_L_MV3相位为高，CKN和CKN_MV3相位为低，第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3和第四MOS管S4导通，第五MOS管S5、第六MOS管S6和第八MOS管S8关断，电源电压VDD给第一电容C1和第二电容C2充电到VDD；在CLK2相位为高时，CKP_MV1、CKP_L_MV1、CKP_MV3和CKP_L_MV3相位为低，CKN和CKN_MV3相位为高，第一MOS管S1、第二MOS管S2、第三MOS管S3和第四MOS管S4关断，第五MOS管S5、第六MOS管S6和第八MOS管S8导通，电源电压VDD连接到第一电容C1的下极板，将第一电容C1上极板的电压抬高到2VDD，第一电容C1的上极板连接到第二电容C2的下极板，将第二电容C2上极板的电压抬高到3VDD，第二电容C2向电荷泵负载充电。

参见图3，本实施例提供的可编程电荷泵时钟控制电路，包括四个三输入与门，一个二输入或门，两个反相器和五个低转高电平位移模块。电路输入为两相不交叠时钟的输出CLK1、CLK2和倍压选择位VOL_M[1]、VOL_M[0]。输出时钟信号为CKP_L_MV1、CKP_L_MV3、CKP_MV1、CKP_MV3、CKN_MV、CKN_MV2、CKN_MV3。以下分别说明：倍压选择位VOL_M[1]经过一个反相器和时钟信号CLK1经过一个二输入或门产生CKP_L_MV1；倍压选择位VOL_M[1]、VOL_M[0]和时钟信号CLK1经过一个三输入与门产生CKP_L_MV3；CLK1经过一个低转高的电平位移模块产生CKP_MV1；CLK2经过一个低转高的电平位移模块产生CKN；倍压选择位VOL_M[1]、VOL_M[0]和时钟信号CLK1经过一个三输入与门产生的输出信号再经过一个低转高的电平位移模块产生CKP_MV3；倍压选择位VOL_M[0]经过一个反相器产生的信号和倍压选择位VOL_M[1]、时钟信号CLK2经过一个三输入与门产生的信号再经过一个低转高的电平位移模块产生CKN_MV2；倍压选择位VOL_M[1]、VOL_M[0]和时钟信号CLK2经过一个三输入与门产生的输出信号再经过一个低转高的电平位移模块产生CKN_MV3。本实施例中的低转高电平位移模块优选为2.8V转9V。

参见图4，本实施例提供的脉冲幅值检测控制电路，包括十个MOS管S9～S18，四个电容C3～C6和十个电阻R1、R2、RA1～RA4和RV1～RV4。第九MOS管S9的漏端连接第十三MOS管S13的漏端和电荷泵输出端口CP_OUT第九MOS管S9的源端连接第十MOS管S10的漏端、第十一MOS管S11的漏端、第三电容C3的上极板和电阻RA1上端，栅端连接心房充电指令端；第十MOS管S10的漏端连接第九MOS管S9的源端、第十一MOS管S11的漏端、第三电容C3的上极板和电阻RA1上端，源端连接第十二MOS管S12的漏端和心房负端，栅端连接心房正常充电指令端；第十一MOS管S11的漏端连接第九MOS管S9的源端、第十MOS管S10的漏端、第三电容C3的上极板和电阻RA1上端，源端连接心房极性选择端和第四电容C4的上极板，栅端连接心房备用充电指令端；第十二MOS管S12的漏端连接第十MOS管S10的源端和心房负端，漏端连接地，栅端经过串联电阻R1连接心房放电指令端，本实施例中，电阻R1为阻值可调的trim电阻；第十三MOS管S13的漏端连接第九MOS管S9的漏端和电荷泵输出端口CP_OUT，源端连接第十四MOS管S14的漏端、第十五MOS管S15的漏端、第五电容C5的上极板和电阻RV1上端，栅端连接心室充电指令端；第十四MOS管S14的漏端连接第十三MOS管S13的源端、第十五MOS管S15的漏端、第五电容C5的上极板和电阻RV1上端，源端连接第十六MOS管S16的漏端和心室负端，栅端连接心室正常充电指令端；第十五MOS管S15的漏端连接第十三MOS管S13的源端、第十四MOS管S14的漏端、第五电容C5的上极板和电阻RV1上端，源端连接心室极性选择端和第六电容C6的上极板，栅端连接心室备用充电指令端；第十六MOS管S16的漏端连接第十四MOS管S14的源端和心室负端，源端连接地，栅端经过串联电阻R2连接心室放电指令端，本实施例中，R2为阻值可调的trim电阻；第十七MOS管S17的漏端连接电阻RA3的下端和心房比较器输入负端，源端连接电阻RA4的上端，栅端连接心房充电指令端；第十八MOS管S18的漏端连接电阻RV3的下端和心室比较器输入负端，源端连接电阻RV4的上端，栅端连接心室充电指令端；第三电容C3的上极板连接第九MOS管S9的源端、第十MOS管S10的漏端、第十一MOS管S11的漏端和电阻RA1上端，下极板连接地；第四电容C4的上极板连接第十一MOS管S11的源端和心房极性选择端，下极板连接地；第五电容C5的上极板连接第十三MOS管S13的源端、第十四MOS管S14的漏端、第十五MOS管S15的漏端和电阻RV1上端，下极板连接地；第六电容C6的上极板连接第十五MOS管S15的源端和心室极性选择端，下极板连接地；电阻RA1～RA3串联后，RA1上端连接第九MOS管S9的源端、第十MOS管S10的漏端、第十一MOS管S11的漏端和第三电容C3的上极板，RA1下端连接RA2上端；RA3上端连接RA2下端，RA3下端连接第十七MOS管S17的漏端和心房比较器输入负端；RA4上端连接第十七MOS管S17的源端，RA4下端连接地；电阻RV1～RV3串联后，RV1上端连接第十三MOS管S13的源端、第十四MOS管S14的漏端、第十五MOS管S15的漏端和第五电容C5的上极板，RV1下端连接RV2上端；RV3上端连接RV2下端，RV3下端连接第十八MOS管S18的漏端和心室比较器输入负端；RV4上端连接第十八MOS管S18的源端，RV4下端连接地。本实施例中，优选所述MOS管中的S9、S10、S11、S13、S14、S15为栅氧及漏耐高压的switch型MOS管，S12、S16、S17、S18为漏端耐高压的switch型MOS管。

图4所示电路的工作过程为：以心房正常起搏为例，在放电间期，MCU发出一个高电平的信号P1_A，第十二MOS管S12的栅极通过第一电阻R1接P1_A信号，漏极与心房极性选择开关负端相连接，源极与地相连接；第四电容C4的上极板与心房极性选择开关K1正端相连接，下极板与地相连接；因此，第四电容C4储存的电荷通过心房和第十二MOS管S12泄放到地，在心房上产生一个起搏脉冲。起搏过程完成后等待约1ms，进入充电间期，MCU发出一个高电平的信号P2_A，如果此时是心房正常充电命令，则P2_A_H为高，P2_A_R为低，电荷泵经心脏给第四电容C4充电，如果此时是心房备用充电命令，则P2_A_H为低，P2_A_R为高，电荷泵不经心脏直接给第四电容C4充电。以心房正常充电命令为例，第九MOS管S9的栅极接P2_A信号，第十MOS管S10的栅极接P2_A_H信号，可编程电荷泵高压脉冲产生电路的输出通过心房极性选择开关给第四电容C4充电；与此同时，第十七MOS管S17的栅极接P2_A信号，因此第十七MOS管S17开关导通，电阻RA1～RA4串联后，上端连接第三电容C3的上极板，下端连接地，电荷泵输出的高压脉冲信号经过第三电容C3滤波后的高压经过四分之一分压后输入到心房比较器的负端，实现了用电阻RA3下端的低压对电荷泵输出高压的控制。当电阻RA3下端的电压达到DAC设置的电压值时，即第三电容C3和第四电容C4上极板上的电压达到DAC设置值的四倍时，比较器输出一个控制信号控制两相不交叠高压时钟电路的使能端，此时，可编程电荷泵高压脉冲产生电路停止工作，第四电容C4上的电压保持为DAC设置电压的四倍。

图5是本发明实施例中起搏脉冲的基本形状和参数。P1脉冲为放电脉冲命令，持续时间为100μs～1.5ms，P2脉冲为充电脉冲命令，P20脉冲为整个起搏过程的脉冲命令，持续时间为20ms。

图6为本发明实施例中最高起搏脉冲的仿真波形图。心脏电阻负载的值设置为500Ω，从图中可以看出，心房起搏脉冲幅值最高可以达到7.973V，完全满足临床上使用要求，达到了起搏器的基本指标。

图7为本发明实施例中不同起搏幅值下的起搏脉冲仿真波形图。分别设置DAC的输出为0.5V，1V，1.5V，2V，2.5V，由于在起搏脉冲幅值检测控制电路中有三个电容串联分压，所以相对应的起搏脉冲幅值在理论上分别为1.5V，3V，4.5V，6V，7.5V；从仿真结果上来看，起搏脉冲的幅值为1.505V，3.027V，4.512V，6.022V，7.518V，与理论值相比，误差分别为0.33％，0.9％，0.27％，0.37％，0.24％，误差极小，说明闭环控制的DAC起搏脉冲幅值检测电路可以很精准的工作。

图8为本发明实施例中电源电压降低时起搏脉冲仿真波形图。图中得到的正脉冲产生电路在电源电压下降情况下的脉冲幅值仿真结果，采用临床上使用最为广泛的4.8V作为理论上的起搏脉冲幅值。由于本发明中的心脏起搏器最高可以实现三倍于电源电压的起搏幅值，因此这就要求电源电压从2.8V降低到1.6V的范围内基本上都能实现4.8V的起搏幅值。从仿真结果上来看，在电源电压由2V下降到1.7V的整个过程中，正脉冲产生电路均能产生幅值为4.79V的起搏脉冲，在电源电压下降到1.6V时，起搏脉冲幅值下降到了4.496V，比理想的4.8V降低了0.63％；这个结果证明了在心脏起搏器正常产生4.8V的脉冲的情况下，电源电压恶化的最低限度在1.6V，留有的裕度相当充分。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施例已对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，包括可编程电荷泵高压脉冲产生电路、可编程电荷泵时钟控制电路以及脉冲幅值检测控制电路三个模块；

所述可编程电荷泵高压脉冲产生电路用于在程控为不同倍压状态下输出电压脉冲，其中，在程控为1倍压的时候输出幅值为0.1V～2.8V的电压脉冲，在程控为2倍压的时候输出幅值为2.9V～5.6V的电压脉冲，在程控为3倍压的时候输出幅值为5.7～8.4V的电压脉冲；

所述可编程电荷泵时钟控制电路用于控制可编程电荷泵高压脉冲产生电路中的MOS管开关，使其在不同倍压状态下具有不同的开关动作；

所述脉冲幅值检测控制电路用于在心腔刺激电容充电过程中实时检测电荷泵高压脉冲产生电路输出端口串联滤波电容上的电压，此电容上的电压在充电过程中始终与心腔刺激电容上的电压相等。

2.根据权利要求1所述一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，其特征在于，所述可编程电荷泵高压脉冲产生电路包括八个MOS管S1～S8和两个电容C1、C2。

3.根据权利要求2所述一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，其特征在于，所述MOS管中的S1、S2、S5、S6、S7、S8为栅氧及漏耐高压的switch型MOS管，S2、S4为漏耐高压的switch型MOS管。

4.根据权利要求1所述一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，其特征在于，所述可编程电荷泵时钟控制电路包括四个三输入与门，一个二输入或门，两个反相器和五个低转高电平位移模块。

5.根据权利要求4所述一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，其特征在于，所述低转高电平位移模块为2.8V转9V。

6.根据权利要求1所述一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，其特征在于，所述脉冲幅值检测控制电路包括十个MOS管S9～S18，四个电容C3～C6和十个电阻R1、R2、RA1～RA4及RV1～RV4。

7.根据权利要求6所述一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，其特征在于，所述MOS管中的S9、S10、S11、S13、S14、S15为栅氧及漏耐高压的switch型MOS管，S12、S16、S17、S18为漏端耐高压的switch型MOS管。

8.根据权利要求6所述一种电荷平衡的应用于心脏起搏器的脉冲产生电路，其特征在于，所述电阻R1和电阻R2均为阻值可调的trim电阻。

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