CN108028996B - 微电荷刺激的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本文呈现了用于可植入的组织刺激系统的刺激技术。该刺激技术生成并向接受者递送微电荷脉冲集合。一个集合内的微电荷脉冲共同地引起接受者的(多个)神经细胞的放电。

Description

微电荷刺激的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年9月14日提交的标题为“Micro-Charge Stimulation”的美国临时申请号62/217,994的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体涉及可植入的组织刺激系统。

背景技术

听力损失可以由许多不同的原因引起，通常有两种类型：传导性和/或感觉神经性。当外耳和/或中耳的正常机械路径例如由于听骨链或耳道的损伤而受到妨碍时，会发生传导性听力损失。当内耳或内耳至大脑的神经通路受损时，会发生感觉神经性听力损失。

因为耳蜗中的毛细胞未受损伤，因此患有传导性听力损失的个人通常具有某种形式的残余听力。因此，患有传导性听力损失的个人通常接收生成耳蜗液的运动的听觉假体。这样的听觉假体包括例如声学助听器、骨传导设备和直接声学刺激器。

然而，在很多极度耳聋的人中，他们耳聋的原因是感觉神经性听力损失。患有某些形式的感觉神经性听力损失的人不能从生成耳蜗液的机械运动的听觉假体获得适当的益处。这些个人可以受益于以其他方式(例如，电学、光学等)刺激接受者听觉系统的神经细胞的可植入听觉假体。耳蜗植入物通常被提出用于以下情况：感觉神经性听力损失是由于耳蜗毛细胞的缺失或破坏，该耳蜗毛细胞将声学信号转换为神经冲动。听觉脑干刺激器是另一种类型的刺激听觉假体，其也可以被提出用于接受者由于听觉神经受损而经历感觉神经性听力损失的情况。

发明内容

在一个方面，提供了一种方法。该方法包括在植入接受者的可植入的组织刺激系统处接收一个或多个信号；以及基于一个或多个信号来生成微电荷脉冲集合，当微电荷脉冲集合被顺序递送至接受者的神经细胞组时，微电荷脉冲集合共同地唤起对信号的至少一部分的感知。

另一方面，提供了一种刺激听觉系统。该刺激听觉系统包括：至少一个声音输入元件，其被配置为接收一个或多个声音信号；声音处理器，其被配置为生成表示一个或多个声音信号的经处理的声音信号；以及可植入刺激器单元，其被配置为基于经处理的声音信号来生成用于递送至接受者的神经细胞的微电荷脉冲集合，其中微电荷脉冲集合被配置为激活神经细胞组以唤起经处理的声音信号的一部分的感知。

另一方面，提供了一种方法。该方法包括：在刺激听觉系统的声音处理器处生成经处理的声音信号；在微电荷脉冲注入电路处生成多个微电荷脉冲；以及经由开关电路将多个微电荷脉冲顺序递送至接受者的神经细胞组，以唤起对经处理的声音信号的至少一部分的感知。

附图说明

本文中结合附图描述了本发明的实施例，其中：

图1A是图示了根据本文所呈现的实施例的耳蜗植入物系统的示意图；

图1B是根据本文呈现的实施例的完全可植入的耳蜗植入物系统的框图；

图2是图示了当电势穿过神经细胞时理想化动作电势的各个阶段的图；

图3是图示了根据本文所呈现的实施例的刺激器单元和微电荷脉冲注入电路的示意图；

图4是图示了根据本文所呈现的实施例的微电荷脉冲的时序图；

图5是图示了根据本文所呈现的实施例的另一微电荷脉冲注入电路的示意图；

图6是图示了根据本文所呈现的实施例的另一微电荷脉冲注入电路的示意图；

图7是图示了根据本文所呈现的实施例的刺激器单元的示意图；以及

图8是根据本文所呈现的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例通常针对刺激技术，该刺激技术生成微电荷脉冲的离散集合/序列，并将其递送至接受者。一个集合内的微电荷脉冲共同地(即，聚集地)引起接受者的(多个)神经细胞的放电，以引起对例如声音信号的一部分的感知。

存在若干类型的可植入的组织刺激系统，其通过向接受者递送刺激来进行操作，以补偿接受者的神经、组织等中的缺陷。仅仅为了便于说明，本文呈现的技术主要参考一种类型的可植入的组织刺激系统(即耳蜗植入物系统)来描述。然而，应当理解，本文提出的技术可以用于其他刺激听觉系统(诸如听觉脑干刺激器系统)中，或其他可植入的组织刺激系统(其包括例如起搏器、除颤器、功能性电刺激设备、止痛刺激器、视觉假体、其他神经或神经肌肉刺激器等)中。

图1A是被配置为实现本发明的实施例的示例性耳蜗植入物系统100的示意图。耳蜗植入物系统100包括外部部件102和内部/可植入部件104。在这个示例中，可植入部件104是耳蜗植入物。

外部部件102被直接或间接地附接到接受者的身体，并且通常包括外部线圈106以及通常相对于外部线圈106固定的磁体(图1A中未示出)。外部部件102还包括用于检测/接收声音信号的一个或多个声音输入元件108(例如，麦克风、音频线圈等)、以及声音处理单元112。声音处理单元112例如包括电源(未在图1A中示出)和声音处理器(也未在图1A中示出)。声音处理器被配置为处理由声音输入元件108生成的电信号，声音输入元件108在所示实施例中由接受者的耳廓110定位。声音处理器经由例如电缆(未在图1A中示出)将经处理的信号提供给外部线圈106。

耳蜗植入物104包括植入物主体114、引导区域116和细长的耳蜗内刺激组件118。植入物主体114包括刺激器单元120、内部/可植入线圈122、以及内部接收器/收发器单元124(在本文中有时被称为收发器单元124)。收发器单元124被连接到可植入线圈122，并且通常被连接到相对于内部线圈122固定的磁体(未示出)。

外部部件102中的磁体和耳蜗植入物104促进了外部线圈106与可植入线圈122的操作对准。线圈的操作对准使得可植入线圈122能够向外部线圈106发送功率和数据/从外部线圈106接收功率和数据。更具体地，在某些示例中，外部线圈106经由射频(RF)链路向可植入线圈122发送电信号(例如，功率和刺激数据)。可植入线圈122通常是由多匝电绝缘单股或多股铂或金线构成的导线天线线圈。可植入线圈122的电绝缘由柔性模制(例如，硅树脂模制)来提供。在使用中，收发器单元124可以定位在接受者的颞骨的凹部中。各种其他类型的能量传输(诸如红外(IR)传输、电磁传输、电容传输、以及电感传输等)可以用于将功率和/或数据从外部设备传输到耳蜗植入物，并且因此，图1A仅示出一个示例布置。

细长刺激组件118被配置为至少部分地植入耳蜗130中，并且包括共同形成触点阵列126的多个纵向间隔开的耳蜗内电刺激触点(电触点)128。刺激组件118延伸穿过耳蜗130中的开口(例如，耳蜗造口术132、圆窗134等)，并且具有经由延伸穿过乳突骨119的引导区域116而连接到刺激器单元120的近端。引导区域116将刺激组件118耦合到植入主体114(更具体地，刺激器单元120)。

通常，声音处理单元112中的声音处理器被配置为执行声音处理和编码，以将所检测的声音转换为表示所检测的声音信号的编码信号。这些编码数据在本文中有时被称为经处理的声音信号。

图1A图示了耳蜗植入物系统100包括外部部件的布置。然而，应当理解，本发明的实施例可以在具有备选布置的耳蜗植入物系统中实施。例如，图1B是被配置为实现本发明的实施例的示例性完全可植入的耳蜗植入物系统200的功能框图。由于耳蜗植入物系统200是完全可植入的，因此耳蜗植入物系统200的所有部件都被配置为植入接受者的皮肤/组织205下面。因为耳蜗植入物系统100的所有部件都是可植入的，所以至少在有限的时间段内，耳蜗植入物系统200不需要外部设备即可操作。外部设备202可以用于例如对内部电源(电池)207进行充电。外部设备202可以是专用充电器或常规的耳蜗植入物声音处理器。

耳蜗植入物系统200包括植入物主体(主要可植入部件)214和可植入麦克风208、如以上参考图1A所描述的细长耳蜗内刺激组件118。麦克风208可以设置在植入主体214中或者电连接到植入主体214。植入物主体214还包括内部收发器单元223、声音处理器227、参考图1A描述的刺激器单元120、电池207。

声音处理器227被配置为执行声音处理和编码以将所接收的/所检测的声音信号(例如，由麦克风208所接收的)转换为经处理的声音信号。

收发器单元223允许耳蜗植入物系统200接收和/或发送信号到外部设备202。例如，收发器单元223可以被配置为经皮地接收来自外部设备202的功率和/或数据。然而，如本文所使用的，收发器单元223是指形成经皮能量传输系统的一部分的一个或多个植入式部件的任何集合。此外，收发器单元223包括任何数目的接收和/或发送数据或功率的(多个)部件，诸如例如用于磁感应布置的线圈、用于备选RF系统的天线、电容板、或任何其他的合适的布置。各种类型的能量传输(诸如红外(IR)传输、电磁传输、电容传输、以及电感传输)可以被用来从外部设备202向耳蜗植入物系统200传输功率和/或数据。

如以上所提及的，图1A图示了外部部件102包括声音处理器的实施例。因此，在图1A的说明性布置中，经处理的声音信号经由外部线圈106和内部线圈122之间的RF链路被提供到植入式刺激器单元120。但是，在图1B的实施例中，声音处理器227被植入接受者中。因此，在图1B的实施例中，经处理的声音信号不穿过RF链路，而是被直接提供给刺激器单元120。

因为耳蜗是以音调拓扑方式(tonotopically)被映射，即耳蜗被划分成区域，每个区域都响应于特定频率范围内的刺激信号，声频被分配给刺激组件118的一个或多个电触点128，该一个或多个电触点128位于靠近在正常(声学)听力中自然会被刺激的区域。因此，声音处理器的处理通道(即，特定频带及其相关联的信号处理路径)被各自映射到一个或多个刺激触点的集合，以刺激所选择的耳蜗神经细胞群(有时被称为目标神经群或目标神经元)。用于刺激的这种一个或多个刺激触点的集合在本文中被称为“刺激通道”。也就是说，刺激通道由单个或多个刺激触点组成。

通常，刺激器单元120被配置成利用经处理的声音信号来生成经由一个或多个刺激通道递送至接受者的耳蜗的电刺激信号。因此，耳蜗植入物系统100或200刺激接受者的听觉神经细胞，绕过通常将声学振动转换为神经活动的毛细胞的缺乏或缺陷。

人类听觉系统包括许多结构部件，其中一些结构部件通过神经细胞束(神经元)广泛连接。每个神经细胞都有一个细胞膜，其用作防止细胞间液与细胞外液混合的屏障。细胞间液和细胞外液具有不同浓度的离子，这导致液体之间的电荷差异。穿过细胞膜的电荷差异在本文中被称为神经细胞的膜电势(Vm)。神经细胞利用膜电势在听觉系统的不同部分之间传送信号。

在静止的神经细胞中(即不传递神经信号)，膜电势被称为神经细胞的静息电势。在接受刺激时，神经细胞膜的电特性经历突变，在本文中被称为神经动作电势，或者简单地说是动作电势。动作电势表示神经细胞膜的瞬时去极化和复极化。动作电势导致沿着神经细胞的导电核心(轴突)的电信号传送。然后信号可以通过这种传播动作电势沿着神经细胞组被传送。

图2图示了当电势穿过神经细胞时理想动作电势142的各个阶段。动作电势呈现为以毫伏(mV)为单位的膜电压对时间。图2所示的膜电压和时间仅出于说明的目的，实际值可能因人而异。在向神经细胞施加刺激144之前，神经细胞的静息电势约为-70mV。刺激144在第一时间被施加。在正常听力中，这种刺激是由耳蜗毛细胞的移动来提供。这些毛细胞的移动导致神经冲动的释放，有时称为神经递质。在耳蜗植入物中，刺激144是电刺激信号。

在施加刺激144之后，神经细胞开始去极化。神经细胞的去极化指的是在刺激144之后细胞的电压变得更加正的事实。当神经细胞膜变得去极化而超出细胞临界阈值时，神经细胞发生动作电势。这种动作电势有时被称为神经细胞的“放电”。如本文所使用的，神经细胞、神经细胞组等的临界阈值是指神经细胞、神经细胞组等将经历动作电势的阈值水平。在图2图示的示例中，针对神经细胞放电的临界阈值水平大约为-50mV。临界阈值和其他转换对于不同接受者可以不同，因此图2中提供的值仅仅是说明性的。

神经细胞中的说明性动作电势的过程通常可以分为五个阶段。这五个阶段在图2中示出为：上升阶段145、峰值阶段146、下降阶段147、下冲阶段148、以及最后的不应阶段(期间)149。在上升阶段145期间，膜电压继续去极化，并且去极化停止的点被示出为峰值阶段146。在图2的示例中，在该峰值阶段146，膜电压达到约40mV的最大值。

在峰值阶段146之后，动作电势经历下降阶段147。在下降阶段147期间，膜电压变得逐渐增长地更加负，有时称为神经细胞的超极化。这种超极化导致膜电压变得比当神经细胞静止时暂时地更带负电荷。该阶段被称为动作电势142的下冲阶段148。在该下冲阶段148之后，存在神经细胞不可能或难以放电的时间段。该时间段被称为不应阶段(期间)149。

动作电势142可以沿着例如听觉神经行进，而不会消失或消逝，因为每个神经细胞的动作电势被再生。这种再生是因为一个神经细胞的动作电势提高了邻近神经细胞处的电压而发生。所引起的电压上升使邻近的神经细胞去极化，从而在其中引起新的动作电势。

如以上所提及的，神经细胞必须在神经细胞可以放电之前获得高于临界阈值的膜电压。因此，常规的耳蜗植入物的刺激策略使用离散矩形双相“恒流脉冲”来刺激神经细胞。如本文所使用的，恒定电流脉冲是指以恒定电流(恒定幅度)持续一段时间递送至接受者的电流脉冲，其足以使被刺激的神经细胞的膜电压升高到临界阈值以上(即，每个恒定电流脉冲具有致使被刺激的神经细胞放电的时间长度和幅度)。恒定电流脉冲的感知响度水平取决于在大约同一时间放电的神经细胞的数目。增加脉冲的电流幅度或时间长度(或两者)将导致更多的放电的神经细胞和更高的感知响度。换言之，单个递送的电流脉冲具有恒定的幅度，该幅度被施加到神经细胞，直到所期望的数目的神经细胞放电。

为了生成恒定电流脉冲，现有的刺激电路使用实质上高的植入物电源/电压轨和大的电流源来调节恒定电流(即，线性调节)，该实质上高的植入物电源/电压轨和大的电流源通过部分开放(部分导电)的晶体管低效地使用能量。生成这些高电压会导致效率损失以及增加刺激电路尺寸的大的片外部件。在常规的耳蜗植入物中，这些电流源占据了集成电路(IC)表面积的很大一部分。此外，使用线性调节来生成恒定电流会导致部分导电晶体管的显著功率消耗。例如，在包括晶体管和其他半导体的电阻性器件(诸如常规的耳蜗植入物电流源)中，所消耗的功率等于流过晶体管的电流乘以晶体管两端的电压。

本发明的实施例涉及消除递送恒定电流脉冲以唤起声音信号的感知的要求的技术。更具体地，如下面进一步描述的，本发明的实施例涉及使用离散的微电荷脉冲集合/组的刺激技术，其中每个微电荷脉冲集合共同引起目标神经细胞组的放电。也就是说，微电荷脉冲中的每个微电荷脉冲单独传递的电流不足以引起目标神经细胞的放电，但是当微电荷脉冲被顺序施加时，微电荷脉冲集合被配置为引起目标神经细胞的放电(即，当聚集时，一个集合中的多个微电荷脉冲引起目标神经细胞的放电)。

神经细胞发挥功能以对施加于其上的微电荷脉冲进行积分(即，作为电积分器的一种形式)。换言之，由于微电荷脉冲的短的时间长度和微电荷脉冲的频率，接受者不会感知每个单独的微电荷脉冲，而是感知到微电荷脉冲集合的总积分电流随时间的平均值。因此，通过以高频向神经细胞组递送一系列微电荷脉冲，通过收集一系列微电荷脉冲而递送的电荷可以引起神经细胞放电。相应地，微电荷脉冲可以避免需要大的部件来生成高电压，以及由与恒定电流的线性调节(例如，通过部分导电的晶体管)相关联的功率消耗导致的低效率。未来的耳蜗植入物可以需要多个电流源，因此减少电流源尺寸并提高其效率变得越来越重要。

图3是图示了根据本发明实施例的用于刺激器单元120的一个示例布置的示意图。刺激器单元120包括微电荷脉冲注入电路150、开关电路164和控制器152。微电荷脉冲注入电路150包括电容器154、第一开关156(SW_H1)、第二开关158(SW_H2)、第三开关160(SW_L1)和第四开关162(SW_L2)。为了便于说明，开关电路164被示出为单个开关(SW_0)，并且在本文中有时被称为输出开关或输出开关电路。

开关156、158、160和162共同在电容器154周围形成H-桥(H桥)165，由此允许在两个方向上跨电容器施加电压。具体而言，开关156连接在耳蜗植入物电源电压(示出为Vdd)和电容器154的第一端155(A)之间，而开关158连接在耳蜗植入物电源电压和电容器的第二端155(B)之间。开关160连接在接地(GND)(0V)和电容器154的第一端155(A)之间，而开关162连接在接地和电容器的第二端155(B)之间。开关164连接在电容器154的第二端155(B)和植入在接受者耳蜗中的刺激触点128(图1A)中的至少一个刺激触点之间。因此，电容器154是H桥激活的电容器，其可以将电流提供到接受者的神经细胞中或从接受者的神经细胞吸收电流(即，将电荷注入或者提取)。

控制器152控制微电荷脉冲注入电路150(即，开关156、158、160和162)和开关164中的开关的致动。然而，为了便于说明，控制器152与开关156、158、160、162和164之间的连接已经从图3省略。控制器152可以用一个或多个专用集成电路(ASIC)中的数字逻辑门来实现。然而，在备选布置中，控制器152可以包括处理器和具有所存储的一个或多个软件模块的存储器，该软件模块可由处理器执行以控制微电荷脉冲注入电路150的操作。

另外，图3使用简化的示意图图示了开关156、158、160、162和164。如下面进一步描述的那样，开关156、158、160、162和164在正电流和负电流的两种情况下都工作。因此，在实践中，开关156、158、160、162和164中的每一个开关都是开关电路，其使得能够利用正电流和负电流两者进行操作。

通过以适当的定时来打开和闭合开关156、158、160、162和164的组合，具有不同电压的多个脉冲可以在电容器154的第二端155(B)和刺激触点128处被创建。例如，为了在连接的刺激触点128处以等于耳蜗植入物电源电压(即，Vdd)的电压来生成脉冲，开关158和开关160首先闭合，由此允许电容器的第二端155(B)154充电至Vdd，而电容器的第一端155(A)接地(即，电容器154充电至Vdd)。随后，开关158打开并且开关164闭合，以经由刺激触点128将脉冲注入接受者的组织中。也就是说，由于开关164连接在电容器154的第二端155(B)和刺激触点128之间，所以一旦开关164闭合，则所连接的刺激触点获得电容器的第二端155(B)处的电压(即，Vdd)。在这样的示例中，刺激触点128上的电压最初为Vdd，并且将随着电流流出电容器154且流入接受者的组织中而下降。电流将继续流动，直到开关164打开。

另外，为了在连接的刺激触点128处生成具有与耳蜗植入物电源电压的极性相反的极性(即，-Vdd)的脉冲，开关156和开关162首先闭合，由此允许电容器154的第一端155(A)充电至Vdd，而电容器的第二端155(B)接地(即，电容器154充电至Vdd，但是具有相反的极性)。随后，打开开关156和开关162，并关闭开关160和开关164，以通过刺激触点128将脉冲注入接受者的组织。也就是说，由于开关164连接在电容器154的第二端155(B)和刺激触点128之间，所以一旦开关164闭合，则刺激触点就获得电容器(B)的第二端155(B)处的电压(即，-Vdd)。当电流从接受者的组织中流入电容器154时，刺激触点128上的电压初始为-Vdd并且将升高(朝向0V/接地)。电流将流动，直到开关164打开。

为了在连接的刺激触点128处以是Vdd两倍的电压(2×Vdd)来生成脉冲，开关158和开关160首先闭合，由此允许电容器154的第二端155(B)充电至Vdd，而电容器的第一端155(A)接地(即，电容器154充电至Vdd)。如果开关158和开关160断开，并且开关156闭合，则电容器154的第一端155(A)保持在Vdd的电压。然而，由于电容器154已经具有Vdd的两端电压，所以电容器154的第二端155(B)具有是耳蜗植入物电源电压的两倍(即，具有2×Vdd的电压)的电势(电压)。如果开关164然后闭合，则在所连接的刺激触点128处出现是植入物电源电压的两倍的电压。刺激触点128上的电压最初为2×Vdd，并且随着电流从电容器154流出到接受者的组织中而下降。电流将流动，直到开关164打开。

如图所示，电荷存储电容器154的两端都可在接地和耳蜗植入物电源电压之间切换。这允许生成比植入电源电压更高的电压(即，微电荷脉冲注入电路150可以生成以下脉冲，该脉冲具有与耳蜗植入物电源电压相等的电压，或者具有来自单个电源的耳蜗植入物电源电压的倍数的电压)。另外，通过以非常高的频率(例如，1-10兆赫兹(MHz))切换，电容器154可以相对较小(例如20皮法(pF))。这使得微电荷脉冲注入电路150能够被制造得足够小，使得其可以被多次集成在单个集成电路芯片上，从而导致能够同时生成多个微电荷脉冲集合以递送至不同的刺激触点。

此外，根据本文呈现的示例，开关156、158、160、162和164仅以“完全导通”或“完全断开”状态(即，没有部分导电的晶体管)操作。这具有在操作期间使电路中的功率损耗最小化的优点，因为(除了开关期间的短暂瞬态时段)，开关两端的电压或通过开关的电流基本为零(即，功率＝电流×电压)。这与现有可植入电流源中的晶体管形成对比，其中晶体管在线性区域中操作(在该线性区域中，该晶体管在操作期间具有流过它们的电流以及跨过它们的电压)，并且相应地在贯穿电流脉冲的持续时间来耗散功率。

刺激器单元120被配置为接收经处理的声音信号，并且使用经处理的声音信号来生成用于递送至接受者的微电荷脉冲集合/簇。每个微电荷脉冲集合包括多个脉冲，这些脉冲在相对较短的时间段内经由相同的刺激触点生成并递送，以便启动一个耳蜗神经细胞组的放电，并且相应地，引起对经处理的声音信号的至少一部分的感知。如上面参照图3所描述的，通过选择性致动H桥165，微电荷脉冲被各自生成。

为了便于说明，图3图示了刺激器单元120中的单个微电荷脉冲注入电路150。在这样的实施例中，开关164可以是开关电路，其在不同的时间点选择性地将微电荷脉冲注入电路150连接到多个不同的刺激触点。因此，单个微电荷脉冲注入电路150可以被用作针对不同刺激触点的电流源。然而，如下面进一步描述的，应当理解，在备选实施例中，刺激器单元120可以包括多个微电荷脉冲注入电路，每个微电荷脉冲注入电路可以选择性地连接到一个或多个刺激触点。

图4是根据本文所呈现的实施例，以电流幅度(例如，毫安(mA))与时间的关系图示由微电荷脉冲注入电路150生成的两个(2)微电荷脉冲集合的时序图。更具体地说，图4所示的是由多个单独的微电荷脉冲172形成的第一微电荷脉冲集合170。如上面参考H桥165所描述的，第一微电荷脉冲集合170包括在Vdd的电压下生成的八(8)个微电荷脉冲172。

每个微电荷脉冲172包括峰值176，其表示在对应的微电荷脉冲期间流入接受者组织的最大电流。电流的峰值176位于开关164首次闭合的瞬间，以便先前充电到Vdd的电容器154首先被放电到接受者的组织中。每个微电荷脉冲172还包括一个截止点178，其表示流入接受者组织中的最小电流(即，紧邻开关164被打开之前的电流)。因此，每个微电荷脉冲172具有随时间而言流入接受者组织的电流的总体下降的量。

如以上所提及的，接受者的耳蜗组织起作用以对微电荷脉冲172进行积分。也就是说，由于每个微电荷脉冲的短时间长度和在离散时间段内微电荷脉冲被递送的频率，接受者不会感知每个单独的微脉冲。相反，接受者感知总积分电流随时间的平均值。图4将接受者实际感知的电流示出为“刺激脉冲”175。刺激脉冲175使用虚线示出，以表示刺激脉冲不是所递送的电流脉冲，而是微电荷脉冲集合172的感知效果。

总之，图4图示了集合170内的微电荷脉冲172，当其被顺序递送至接受者的耳蜗神经细胞时，共同地(即，聚集地)使接受者感知到具有以下幅度的电流：该幅度是由微电荷刺激脉冲递送的总积分电流的时间平均值。这使得集合170内的微电荷脉冲172在被顺序递送至接受者的耳蜗神经细胞时，共同地唤起对声音信号的至少一部分的感知。

图4还图示了由多个单独的微电荷脉冲182形成的第二微电荷脉冲集合180。如上面参考H桥165所描述的，第二微电荷脉冲集合180包括在-Vdd的电压下生成的八(8)个微电荷脉冲182。

每个微电荷脉冲182包括峰值186，其表示在对应的微电荷脉冲期间从接受者组织进入电容器154的最大电流。电流的峰值186位于开关164首次闭合的瞬间，使得电流在电容器154中流动。每个微充电脉冲182还包括一个截止点188，其表示流入电容器154的最小电流(即，紧邻开关164被打开之前的电流)。因此，每个微电荷脉冲182具有随时间而言流入电容器154的电流的总体下降的量。

与微电荷脉冲172相似，接受者的耳蜗组织起作用以对微电荷脉冲182进行积分(即，接受者不感知每个单独的微脉冲182，而是感知总积分电流随时间的平均值)。图4将接受者实际感知的电流示出为“电荷平衡脉冲”185(即，电荷平衡脉冲通过微电荷脉冲182的顺序聚集递送而被感知)。电荷平衡脉冲185使用虚线示出，以表示电荷平衡脉冲不是递送的电流脉冲，而是微电荷脉冲集合182的感知效果。

图4图示了以相反极性生成的两个顺序的微电荷脉冲集合，其中第一微电荷脉冲集合170将电荷注入接受者的组织，并且第二微电荷脉冲集合180从组织移除电荷。因此，集合170和集合180共同地表示双相电流刺激的形式。双相刺激是重要的，以便能够实现耳蜗组织中的充电平衡。

如以上所提及的，通过从电容器154释放电荷，微电荷脉冲172被生成，而通过将电荷拉到电容器154中，微电荷脉冲182被生成，由此在所连接的刺激触点128处生成不同的电压。假设为了便于说明，刺激触点128和耳蜗组织主要地对接地是电阻性的，则电压脉冲和电流脉冲具有相同的总体形状。实际上，刺激触点128和耳蜗组织具有更复杂的共同阻抗。然而，即使考虑到更复杂的共同阻抗，微电荷脉冲也将具有类似的形状脉冲，该脉冲与在微电荷脉冲的过程中下降的初始高电流一同开始。然而，应当理解，电流不一定以线性方式下降。

在微电荷脉冲集合中递送的刺激电荷的量由以下各项来控制：(1)改变一个集合中微电荷脉冲的数目，(2)改变每个微电荷脉冲的时间长度(即，改变电容器154每周期连接到刺激触点的时间长度，以及由此的电容器每周期放电的量)，以及(3)改变每周期的初始电荷电压(1×，2×或3×耳蜗植入物电源电压)。注意，通过利用+2×电源电压来驱动一个电路并且利用-l×电源电压来驱动参考电极，3×耳蜗植入物电源电压的电压被实现。

如以下参考图6进一步描述的，通过切换入或出与电容器154并联的额外电容器来改变电荷存储电容器的大小，微电荷脉冲集合中递送的刺激电荷的量可以被控制。另外，耳蜗植入物电源电压(VDD)可以被改变以实现有效电流的变化。

图5是图示根据本发明实施例的被配置用于附加电荷递送控制的微电荷脉冲注入电路550的示意图。类似于图3的布置，微电荷脉冲注入电路550包括电容器154、以及由开关156、158、160和162形成的H桥165。但是，在图5的示例中，微电荷脉冲注入电路550还包括比较器590和数模转换器(DAC)592。

在操作中，DAC 592和比较器590控制输出开关164打开时的输出电压，使得每个微电荷脉冲发送或吸收所控制的(所选择的)电荷量(Q)(即，控制每周期递送的电荷的量)。更具体地，DAC590将所选择的电压施加到比较器590的第一输入端，而比较器的第二输入端被连接到开关164的输出端。因此，比较器590被配置为连续地将开关164的输出端处的电压(其是递送至所连接的刺激触点128的电压)与由DAC施加的所选择的电压进行比较。当开关164的输出端处的电压下降到所施加的DAC电压以下时，比较器590操作以断开开关164。

可控电荷Q与电压变化和电容有关(即，Q＝电容×ΔV)，并且电流＝电荷/时间，因此可控等效电流可以被递送。使用DAC电压和每个集合所递送的微脉冲数目二者(即等效电流＝总电荷/总时间)来控制等效电流。换言之，电流可以被定义为电荷除以时间。如果电容器154放电N次，其中N等于微电荷脉冲的数目，并且每个微电荷脉冲的电荷量是Q，那么利用微电荷脉冲集合递送的总电荷是N乘以Q。该总的递送的电荷，当被递送N个微电荷脉冲的时间相除时，提供与每个微电荷脉冲集合一起递送的电流。因此，通过控制开关164在特定电压下断开，控制通过微电荷脉冲集合递送的平均电流(即，比较器590在所选择的电压下断开开关164，在该所选择的电压下已知固定电荷Q已从电容器中移除或已添加到电容器中)。

与图3的示例相比，图5的实施例可以简化控制逻辑(控制器)，这在于控制逻辑仅需要控制开关164的闭合，而比较器590和DAC592控制开关164的断开。

在图5的实施例中，比较器590和DAC 592各自对正脉冲和负脉冲二者进行操作。应当理解，其他实施例可以利用两个比较器和两个DAC，其中一个比较器和一个DAC在正脉冲上操作，而另一个比较器和其他DAC在负脉冲上操作。

图6是图示了根据本发明的另外的实施例的微电荷脉冲注入电路650的示例布置的示意图。类似于图5的布置，微电荷脉冲注入电路650包括比较器590，DAC 592，电容器154，以及由开关156、158、160和162形成的H桥165。但是，在图6的示例中，微电荷脉冲注入电路650还包括第二电容器694，其通过使用附加开关696可与电容器154并联连接。

图6图示了其中可以使用多个电容器来改变所递送的电荷的量的示例布置。例如，在所递送的电荷应该较低的情况下，电容器154可以单独使用(即，开关696打开，使得电容器694与电路断开)。然而，在递送电荷应该较高的情况下，开关696闭合以将电容器694与电容器154并联连接。当电容器694与电容器154并联连接时，两个电容器可以由H桥165充电或放电，从而使得能够利用每个微电荷脉冲来供应或吸收附加电流。

为了便于说明，已经参照使用具有单个微电荷脉冲注入电路的刺激器单元描述了本发明的实施例。然而，如以上所提及的，本发明的某些实施例可以包括并入单个可植入医学设备中的多个微电荷脉冲注入电路。这样的实施例提供同时生成多个微电荷脉冲集合以递送至不同的刺激触点的能力。

例如，图7是图示了包括多个微电荷脉冲注入电路750(1)-750(N)的刺激器单元720的框图。刺激器单元720包括开关电路764，其使微电荷脉冲注入电路750(1)-750(N)能够选择性地连接到刺激组件718中的一个或多个刺激触点728(1)-728(M)。微电荷脉冲注入电路750(1)-750(N)和开关电路764的操作由至少一个控制器752控制。控制器752可以用一个或多个ASIC中的数字逻辑门来实现，或者可以包括一个或多个处理器以及具有一个或多个软件模块的一个或多个存储器，该软件模块可由(多个)处理器执行以控制微电荷脉冲注入电路750(1)-750(N)和开关电路764的操作。

图8是根据本文所呈现的实施例的方法800的流程图。方法800开始于802，其中在刺激听觉系统处接收一个或多个声音信号。在804，刺激器单元基于一个或多个声音信号生成微电荷脉冲集合，该微电荷脉冲集合在顺序递送至接受者的神经细胞组时共同地引起对声音信号的至少一部分的感知。

已经参考利用电容器操作以将微电荷脉冲注入接受者的组织中的H桥电路描述了本发明的实施例。在备选布置中，电容器可以替换为电感器，并且开关定时被改变。这会在刺激触点处，从仅单个植入物电压(Vdd)电源产生非常短暂的高电压脉冲。

在某些示例中，本文所呈现的技术提供了用于从单个植入物电源电压(Vdd)生成不同电压的有效机制。例如，根据本文所呈现的实施例的微电荷脉冲注入电路可以利用单个+5V电源来生成+10V和-5V(即峰到峰15V)的刺激脉冲。因此，不需要高电压电源来为电流源供电。

此外，通过消除对电流的线性调节的要求，微电荷脉冲注入电路相对较小，高效并且功率较低。本文所呈现的技术还能够通过调整电容器电荷转储周期的数目和输出开关被闭合的时间量(例如，使用DAC输出)两者，来控制与每个微电荷刺激脉冲集合一起递送的电流的量，从而提供高的电流分辨率。

本文描述和要求保护的发明在范围上不受本文公开的特定优选实施例的限制，因为这些实施例旨在作为本发明的若干方面的说明而非限制。任何等同的实施例旨在位于本发明的范围内。实际上，根据前面的描述，除了本文所示出和所描述的那些之外，本发明的各种修改对于本领域技术人员而言将变得清楚。这些修改也旨在落入所附权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种刺激的方法，包括：

经由植入在接受者中的刺激听觉系统的至少一个声音输入元件接收一个或多个声音信号；以及

在所述刺激听觉系统的声音处理器处，生成表示所述一个或多个声音信号的经处理的声音信号；

在所述刺激听觉系统的刺激器单元处，基于所述经处理的声音信号来生成正极性微电荷脉冲的第一集合；

经由单个刺激通道，将正极性微电荷脉冲的所述第一集合顺序递送至所述接受者的神经细胞组，其中正极性微电荷脉冲的所述第一集合共同地唤起对所述经处理的声音信号的至少一部分的感知，其中每个微电荷脉冲通过单个电容器的放电而生成，所述单个电容器具有足够小的尺寸，使得微电荷脉冲的所述第一集合中的每个微电荷脉冲在峰值电流处被递送，所述每个微电荷脉冲单独递送不足以激活所述神经细胞组的电荷；

在所述刺激器单元处，生成微电荷脉冲的第二集合，每个微电荷脉冲具有负极性；以及

在微电荷脉冲的所述第一集合的递送之后，将负极性微电荷脉冲的所述第二集合顺序递送至所述接受者的所述神经细胞组，以从所述神经细胞组中提取与微电荷脉冲的所述第一集合相关联的电荷。

2.根据权利要求1所述的方法，其中生成微电荷脉冲的所述第一集合包括：

以持续时间和频率生成所述微电荷脉冲，以使所述接受者感知微电荷脉冲的所述第一集合的总积分电流随时间的平均值。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

利用由多个开关构成的开关电容器电路来生成微电荷脉冲的所述第一集合中的每个微电荷脉冲，所述多个开关被配置为被选择性地激活以将所述电容器的第一侧和第二侧连接到电源电压和接地中的至少一者。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述刺激听觉系统包括多个刺激通道，每个刺激通道在一个或多个刺激触点中终止。

5.根据权利要求4所述的方法，其中微电荷脉冲的所述第一集合表示所述一个或多个声音信号的第一部分，并且其中所述方法还包括：

经由第一刺激通道，将微电荷脉冲的所述第一集合递送至所述接受者，以唤起对所述一个或多个声音信号的所述第一部分的感知；

生成微电荷脉冲的第三集合，微电荷脉冲的所述第三集合表示所述一个或多个声音信号的第二部分；以及

经由第二刺激通道，将微电荷脉冲的所述第三集合递送至所述接受者，以唤起对所述一个或多个声音信号的所述第二部分的感知。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

在微电荷脉冲的所述第一集合和所述第三集合之间改变以下各项中的一项或多项：集合中微电荷脉冲的数目、集合中每个微电荷脉冲的时间长度、以及集合中每个微电荷脉冲的初始电荷电压。

7.根据权利要求3所述的方法，其中所述刺激听觉系统包括在一个或多个刺激触点中终止的多个刺激通道，并且其中所述方法还包括：

经由连接在所述电容器和至少一个刺激触点之间的至少一个开关电路，将微电荷脉冲的所述集合中的每个微电荷脉冲递送至所述神经细胞组。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

监测所述开关电路的输出端处的电压；以及

基于所述开关电路的所述输出端处的所述电压，来确定预定量的电荷何时已经通过微电荷脉冲被递送；以及

当所述预定量的电荷已经通过所述微电荷脉冲被递送时，断开所述开关电路。

9.一种刺激听觉系统，包括：

至少一个声音输入元件，被配置为接收一个或多个声音信号；

声音处理器，被配置为生成表示所述一个或多个声音信号的经处理的声音信号；以及

可植入刺激器单元，被配置为：

基于所述经处理的声音信号来生成微电荷脉冲的第一集合，每个微电荷脉冲具有正极性；

经由单个刺激通道，将微电荷脉冲的所述第一集合递送至接受者的神经细胞组，其中微电荷脉冲的所述第一集合共同地激活所述神经细胞组，以唤起对所述经处理的声音信号的一部分的感知，并且其中每个微电荷脉冲通过单个电容器的放电而生成，所述单个电容器具有足够小的尺寸，使得微电荷脉冲的所述第一集合中的每个微电荷脉冲单独递送不足以激活所述神经细胞组的电荷；

生成微电荷脉冲的第二集合，每个微电荷脉冲具有负极性；以及

在微电荷脉冲的所述第一集合的递送之后，将微电荷脉冲的所述第二集合递送至所述接受者，以从所述神经细胞组中共同地提取与微电荷脉冲的所述第一集合相关联的电荷。

10.根据权利要求9所述的刺激听觉系统，还包括多个刺激触点，被配置为定位在神经细胞附近。

11.根据权利要求9所述的刺激听觉系统，其中所述刺激器单元包括：

至少一个微电荷脉冲注入电路，包括多个开关，所述多个开关被配置为被选择性地激活以将所述电容器的第一侧和第二侧连接到电源电压和接地中的至少一者；

控制器，被配置为致动所述多个开关，以选择性地将所述电容器的所述第一侧和所述第二侧连接到所述电源电压和所述接地中的至少一者，以生成微电荷脉冲的所述第一集合和所述第二集合中的所述微电荷脉冲中的每个微电荷脉冲；以及

输出开关电路，被配置为将所述至少一个微电荷脉冲注入电路连接到一个或多个刺激触点。

12.根据权利要求11所述的刺激听觉系统，其中所述至少一个微电荷脉冲注入电路包括：

至少一个比较器，具有连接到所述输出开关电路的输出端的第一输入端，使得所述比较器的所述第一输入端具有与所述输出开关电路的所述输出端处的所述电压相同的输入值；以及

至少一个数字-模拟转换器(DAC)，被配置为将预定电压施加到所述比较器的第二输入端，

其中所述比较器被配置为当所述输出开关电路的所述输出端处的所述电压等于所述预定电压时断开所述开关电路。

13.根据权利要求11所述的刺激听觉系统，其中所述至少一个微电荷脉冲注入电路包括多个微电荷脉冲注入电路，每个微电荷脉冲注入电路包括相应的多个开关，所述相应的多个开关被配置为被选择性地激活以将一个或多个电容器的第一侧和第二侧连接到所述电源电压和所述接地中的至少一者。

14.一种刺激的方法，包括：

在刺激听觉系统的声音处理器处生成经处理的声音信号；

在植入在接受者中的微电荷脉冲注入电路处，基于所述经处理的声音信号生成第一多个微电荷脉冲；

经由植入在所述接受者中的开关电路，经由单个刺激通道，将所述第一多个微电荷脉冲顺序递送至所述接受者的神经细胞组，以唤起对所述经处理的声音信号的至少一部分的感知，其中所述第一多个微电荷脉冲中的每个微电荷脉冲具有第一极性并且通过单个电容器的放电而生成，所述单个电容器具有足够小的尺寸，使得每个微电荷脉冲单独递送不足以激活所述神经细胞组的电荷；

在植入在接受者中的所述微电荷脉冲注入电路处，生成第二多个微电荷脉冲，所述第二多个微电荷脉冲中的每个微电荷脉冲具有与所述第一极性相反的第二极性；以及

在所述第一多个微电荷脉冲的递送之后，经由植入在所述接受者中的所述开关电路，将所述第二多个微电荷脉冲顺序递送至所述接受者的所述神经细胞组，以从所述神经细胞组中共同地提取与所述第一多个微电荷脉冲相关联的电荷。

15.根据权利要求14所述的方法，其中生成所述第一多个微电荷脉冲包括：

以持续时间和频率生成所述第一多个微电荷脉冲，以使所述接受者感知所述第一多个微电荷脉冲的总积分电流随时间的平均值。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述微电荷脉冲注入电路包括由多个开关构成的开关电容器电路，所述多个开关被配置为被选择性地激活以将所述电容器的第一侧和第二侧连接到电源电压和接地中的至少一者。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述刺激听觉系统包括多个刺激通道，每个刺激通道在一个或多个刺激触点中终止。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一多个微电荷脉冲表示所述经处理的声音信号的第一部分，并且其中所述方法还包括：

生成表示所述经处理的声音信号的第二部分的第三多个微电荷脉冲；

经由第一刺激通道，将所述第一多个微电荷脉冲递送至所述接受者，以唤起对所述经处理的声音信号的所述第一部分的感知；以及

经由第二刺激通道，将所述第三多个微电荷脉冲递送至所述接受者，以唤起对所述经处理的声音信号的所述第二部分的感知。

19.根据权利要求17所述的方法，

经由单个刺激通道，将所述第一多个微电荷脉冲和所述第二多个微电荷脉冲二者递送至所述神经细胞组。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括：

在所述第一多个微电荷脉冲和所述第三多个微电荷脉冲之间改变以下各项中的一项或多项：微电荷脉冲的数目、每个微电荷脉冲的时间长度、以及每个微电荷脉冲的初始电荷电压。

21.根据权利要求14所述的方法，还包括：

监测所述开关电路的输出端处的电压；以及

基于所述开关电路的所述输出端处的所述电压，来确定预定量的电荷何时已经通过所述第一多个微电荷脉冲中的至少一个微电荷脉冲被递送；以及

当所述预定量的电荷已经通过所述至少一个微电荷脉冲被递送时，断开所述开关电路。

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