CN109905102A - 脉冲宽度控制电路、耳蜗植入体、及电子耳蜗 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲宽度控制电路，其包括：延时电路、异或门电路、第一电流控制开关、第二电流控制开关、电流源电路、以及开关极阵电路，还包括第一控制信号和延时后的第二控制信号，所述第一控制信号控制所述第二电流控制开关的通断状态，且所述第一控制信号和第二控制信号经过所述异或门逻辑运算后控制所述第一电流控制开关的通断状态，从而实现控制脉冲电流的脉冲宽度。本发明提供的脉冲宽度控制电路将控制信号与经过延时后的控制信号进行异或逻辑运算，以实现控制刺激电流的脉冲宽度，避免因时钟丢失或者中断等原因导致患者受到伤害。

Description

脉冲宽度控制电路、耳蜗植入体、及电子耳蜗

技术领域

本发明涉及人工耳蜗领域，特别是涉及一种脉冲宽度控制电路、耳蜗植入体、及电子耳蜗。

背景技术

伴随科技的发展，医疗电子领域也取得了长足的进步。尤其是人工耳蜗技术，其作为造福千万耳聋患者的有效技术，越来越多的得到社会各界的注意和重视。

人工耳蜗技术作为一项集微电子、微机械、微加工等高精尖科技的科学成果，已然成为引领医疗电子发展的领头羊。截止2010年初，全世界有十几万聋人使用了人工耳蜗，其中半数以上是儿童。人工耳蜗植入在我国开展已经开始于1995年，随着人工耳蜗植入工作的开展、病例数量的增加、以及适应症范围的扩大，一些特殊适应症的耳聋病例的人工耳蜗植入的疗效和安全性也得到了证实，使人工耳蜗植入的适应症进一步扩大。

简单来说，人工耳蜗的技术原理是采用无线射频通信技术实现体外语音处理器与植入装置交互。植入装置从射频载波信号获得能量和命令信息，植入电路将命令解析后按照一定的编码策略产生特殊刺激信号，经电极极阵刺激听神经纤维，最后使患者恢复听力。植入体产生的用于刺激听神经的刺激电流，以及用于检测人体神经反应的神经反应遥测信号都需要具有较高的安全性保障，因此，随着人工耳蜗植入的应用越来越广泛，如何保证植入体输出电路的安全性、可靠性以及冗余设计变得至关重要；此外，如何进一步提高电子耳蜗装置的性能，方便患者长期使用的问题越来越突出显现。

但是，目前大多数人工耳蜗产品针对脉冲宽度、脉冲幅度的保护措施都是基于通讯协议或时钟定时方式，该保护措施在单一故障情况下具有保护失效的潜在风险，但容易出现刺激信号脉宽保护失效，超过最大设定脉冲宽度，将对患者造成严重伤害。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种脉冲宽度控制电路、耳蜗植入体、及电子耳蜗，用于解决现有技术中时钟信号故障导致刺激电流信号宽度保护失效的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种脉冲宽度控制电路，其包括：延时电路，其输入端输入第一控制信号，用于将所述第一控制信号经过预设时间后输出，以形成第二控制信号；异或门电路，其包括第一输入端和第二输入端；所述第一输入端输入所述第一控制信号，所述第二输入端电性连接所述延时电路的输出端，以输入所述第二控制信号；第一电流控制开关，其包括第一端、第二端、及第三端；所述第一端接入电压源VDD，所述第三端电性连接所述异或门电路的输出端，以控制所述第一端与第二端之间的通断状态；第二电流控制开关，其包括第四端、第五端、及第六端；所述第四端电性连接所述第一电流控制开关的第二端，所述第五端电性连接所述电流源电路的输入端；所述第六端输入所述第一控制信号，以控制所述第四端与第五端之间的通断状态；电流源电路，其输入端电性连接所述第二电流控制开关的第五连接端，其输出端与地信号之间电性连接一开关极阵电路；所述开关极阵电路受控于一开关控制器，以输出刺激电流；其中，所述第一控制信号控制所述第二电流控制开关的通断状态，所述第一控制信号和第二控制信号经过所述异或门逻辑运算后控制所述第一电流控制开关的通断状态，从而实现控制所述脉冲电流的脉冲宽度。

于本发明的一实施例中，所述第一控制信号控制所述第二电流控制开关的通断状态包括：(1)所述第一控制信号为高电平时控制所述第二电流控制开关导通；(2)所述第一控制信号为低电平时控制所述第二电流控制开关关断。

于本发明的一实施例中，所述第一控制信号和第二控制信号经过所述异或门逻辑运算后控制所述第一电流控制开关的通断状态包括：(1)所述第一控制信号为高电平且所述第二控制信号为高电平时，所述异或门电路输出低电平以控制所述第一电流控制开关关断；(2)所述第一控制信号为高电平且所述第二控制信号为低电平时，所述异或门电路输出高电平以控制所述第一电流控制开关导通；(3)所述第一控制信号为低电平且所述第二控制信号为高电平时，所述异或门电路输出高电平以控制所述第一电流控制开关导通；(4)所述第一控制信号为低电平且所述第二控制信号为低电平时，所述异或门电路输出低电平以控制所述第一电流控制开关关断。

于本发明的一实施例中，所述开关极阵电路包括多个相互并联的开关集合，每个所述开关集合包括两个相互串联的第一开关和第二开关；所述第一开关的输入端电性连接所述电流源电路的输出端，所述第一开关的输出端电性连接所述第二开关的输入端，所述第二开关的输出端电性连接所述地信号；其中，各所述第一开关和第二开关的连接处引出一电极信号端，各所述电极信号端之间能够两两接通。

于本发明的一实施例中，所述延时电路为555延时电路。

于本发明的一实施例中，所述延时电路为延时时间可调的电路。

于本发明的一实施例中，所述第一电流控制开关的类型包括场效应管，所述第一端、第二端、及第三端分别为场效应管的漏极、源极、及栅极；所述第二电流控制开关的类型包括场效应管，所述第四端、第五端、及第六端分别为场效应管的漏极、源极、及栅极。

于本发明的一实施例中，所述刺激电流为方向交替的脉冲电流。

为实现上述目的，本发明提供一种耳蜗植入体，包括所述脉冲宽度控制电路。

于本发明的一实施例中，所述开关极阵电路中的各所述电极信号端用于连接耳蜗组织。

为实现上述目的，本发明提供一种耳蜗植入集成电路，包括所述脉冲宽度控制电路。

为实现上述目的，本发明提供一种电子耳蜗，包括所述耳蜗植入体。

如上所述，本发明涉及的脉冲宽度控制电路、耳蜗植入体、及电子耳蜗，具有以下有益效果：本发明提供的脉冲宽度控制电路将控制信号与经过延时后的控制信号进行异或逻辑运算，以实现控制刺激电流的脉冲宽度，避免因时钟丢失或者中断等原因导致患者受到伤害。

附图说明

图1展示了现有技术中电子耳蜗刺激极阵电路的示意图。

图2a展示本发明一实施例中电极信号端接通的示意图。

图2b展示本发明一实施例中电极信号端接通的示意图。

图3展示本发明一实施例中脉冲宽度控制电路的示意图。

图4展示本发明一实施例中的所述异或门电路真值表的示意图。

图5展示本发明一实施例中脉冲宽度控制电路的时序图的示意图。

元件标号说明

I 电流源电路

S 开关极阵电路

N1 MOS管

N2 MOS管

Cont 控制信号

Cont1 第一控制信号

Cont2 第二控制信号

VDD 电源

VSS 接地信号

S11～Sn1 开关

S12～Sn2 开关

IE1～IEn 电极信号端

A 电流方向

B 电流方向

C 电流方向

D 时钟CLK下降沿

E 时钟CLK下降沿

F 时钟CLK下降沿

G 时钟CLK下降沿

Iout 刺激电流

CLK 时钟脉冲信号

2 耳蜗组织

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种脉冲宽度控制电路，用于控制电子耳蜗植入体的输出脉冲电流的宽度，保护患者免受因时钟丢失或中断带来的电子耳蜗故障，因而有效地保护了患者的安全。

如图1所示，展示了现有技术中的电子耳蜗刺激极阵电路的示意图，其包括：电流控制开关N1、电流源电路I、以及开关极阵电路S。所述电流控制开关N1的漏极接入电源VDD，源极与电流源电路I电性连接，栅极接入控制信号Cont。

所述开关极阵电路S包括多个相互并联的开关集合，每个开关集合包括两个相互串联的开关。也即，所述开关极阵电路S包括开关S11、S12、S21、S22…Sn1、Sn2，且n为大于等于2的自然数。所述开关S11、S21…Sn1的一端共同电性连接于所述电流源电路I的输出端，另一端分别电性连接开关S12、S22…Sn2的一端，且所述开关S12、S22…Sn2的另一端共同连接于接地信号VSS。在各所述开关集合上相互串联的两个开关之间引出一电极信号端，具体而言：开关S11和开关S12的连接处引出电极信号端IE1，开关S21和开关S22的连接处引出电极信号端IE2，…，开关Sn1和开关Sn2的连接处引出电极信号端IEn。所述电极信号端IE1，IE2…IEn之间能够两两组合，用以接通耳蜗组织，从而将输出的刺激脉冲电流传至耳蜗组织。

需要说明的是，虽然通常来说所述耳蜗植入体输出的刺激电流为脉冲电流，但并不排除在其他情况下输出如直流电流等非脉冲形式的电流。下面以一具体的实施例说明耳蜗植入体如何输出刺激脉冲电流。

如图2a所示，展示了本发明一实施例中电极信号端接通的示意图。开关S11和开关S12引出电极信号端IE1，开关S21和开关S22引出电极信号端IE2，所述电极信号端IE1和电极信号端IE2之间接通一耳蜗组织2。刺激脉冲电流沿着图中箭头A的方向流过所述开关S11后，又沿着箭头B的方向流经所述耳蜗组织2，再流过所述开关S22后进入接地信号VSS。为描述方便，本发明将沿着所述箭头B方向流经所述耳蜗组织2的刺激脉冲电流定义为正向脉冲电流。

如图2b所示，展示了本发明一实施例中电极信号端接通的示意图。开关S11和开关S22闭合，开关S12和开关S21关断；刺激脉冲电流沿着图2b中箭头A的方向流过所述开关S21后，沿着箭头C的方向流经所述耳蜗组织2，再流过所述开关S12后进入接地信号VSS。结合图2a以及图2b可知，箭头B与箭头C方向相反，故沿着所述箭头C方向流经所述耳蜗组织2的刺激脉冲电流为负向脉冲电流。由此可知，电极信号端IE1，IE2…IEn之间两两组合，可实现输出方向交替的刺激脉冲电流。需要说明的是，开关集阵S中各个开关的关断或闭合都受控于未图示的开关控制器；鉴于开关控制器实现控制开关的原理为现有技术，故本发明对此不再赘述。

现有技术利用的是时钟信号定时方式，具体而言：当所述控制信号Cont为高电平时所述电流控制开关N1导通，所述开关极阵电路S输出电子耳蜗刺激电流，并开启时钟计算脉冲CLK的个数。当所述脉冲CLK的个数达到预设数量时，所述控制信号Cont反置以将所述电流控制开关N1关闭，从而使电子耳蜗停止输出电子耳蜗刺激电流。如此往复，通过所述控制信号Cont控制电子耳蜗刺激极阵电路输出方向交替的脉冲电流。

但是，通过时钟信号实现定时的方式，其前提条件必须是时钟信号相对稳定。然而，电子耳蜗因其语音处理器和植入体装置是通过无线耦合方式实现数据交互的，故时钟信号的解调极易受到干扰而导致时钟丢失或者中断，从而导致所述控制信号Cont的输出时间变长，进而导致耳蜗植入体的输出刺激电流的时间也变长。然而，人体神经纤维能够承受刺激电流的时间是有限的，过长时间的刺激电流不仅无法发挥电子耳蜗的听觉功能，更是对人体神经纤维的一种危害而威胁到患者的人身安全。本发明提供的脉冲宽度控制电路则不然，其通过延时电路和异或门电路控制刺激脉冲电流的输出时间，从而很好地解决了上述技术问题；所述脉冲宽度控制电路的具体工作原理如下所述。

如图3所示，展示本发明一实施例中的脉冲宽度控制电路，其包括：延时电路、异或门电路、MOS管N1、MOS管N2、电流源电路I、以及开关极阵电路S。其中，所述延时电路的输入端接入第一控制信号Cont1，所述第一控制信号Cont1经过所述延时电路预设的延时时间后输出，以形成第二控制信号Cont2；所述异或门电路包括两个输入端，其中一个接入所述第一控制信号Cont1，另一个输入端接入所述第二控制信号Cont2，所述第一控制信号Cont1和第二控制信号Cont2经过异或逻辑后输出至所述MOS管N1的栅极；所述MOS管N1的漏极接入电源VDD，所述MOS管N1的源极连接所述MOS管N2的漏极；所述MOS管N2的源极电性连接电流源电路I的输入端，所述MOS管N2的漏极接入所述第一控制信号Cont1；所述电流源电路I的输出端连接所述开关极阵电路S的输入端，所述开关极阵电路的输出端连接接地信号VSS。所述开关极阵电路S于本发明前述内容中已经予以说明，故不再赘述。

需要说明的是：所述电源VDD通常是指电路的工作电压，例如3.3V工作电压；所述接地信号VSS通常是指电路的公共接地电压；所述MOS管N1、MOS管N2可以是NMOS管也可是PMOS管，或者在其他的实施例中，还可是三极管、晶闸管等元器件，本发明对此不做任何限制。所述延时电路，例如可以是555延时电路，或者电容延时RC电路等等。优选的，所述延时电路带有电位器，并通过调节所述电位器实现调节延时时间。所述异或门电路是数字逻辑中实现逻辑异或的逻辑门电路，其逻辑真值表可参阅附图4。下面以具体的实施例来说明本发明的脉冲宽度控制电路的工作原理。

如图5所示，展示本发明一实施例中所述脉冲宽度控制电路的时序图的示意图。所述第一控制信号Cont1的输出时间与时钟CLK脉冲的个数相关联，所述第二控制信号Cont2经过预设的延时时间后输出所述第一控制信号Cont1。所述预设时间通常根据人体神经纤维的承受能力而设置，但并不限于此。下面以人体神经纤维一般可承受刺激电流的最大时间400us为例，解释所述延时电路和异或门电路如何控制刺激脉冲电流的输出时间。

具体而言，可设定所述控制信号Cont1在一个周期内输出高电平的时间为6个时钟CLK脉冲；也即，在时钟信号准确的情况下，所述控制信号Cont1输出400us的高电平后，所述时钟CLK信号正好处于第6个脉冲的下降沿D处，此时将电平反置为低电平以停止输出刺激电流。

结合图4以及如图5可知，从下降沿F至下降沿D的时间段内，所述第一控制信号Cont1为高电平，故MOS管N2导通；所述第二控制信号Cont2为低电平，则第一控制信号Cont1和第二控制信号Cont2经过异或逻辑运算后输出一高电平至MOS管N1以驱动MOS管N1导通；因此，从下降沿F至下降沿D的时间段内耳蜗植入体输出刺激电流Iout。

若发生时钟丢失或者中断的异常情况而导致本该在下降沿D处反置电平的第一控制信号Cont1保持高电平，直至下降沿E才反置电平。从下降沿D到下降沿E的时间段内，所述第一控制信号Cont1输出高电平，故MOS管N2导通；但此时，所述第二控制信号Cont2经过400us的延时时间后置为高电平。第一控制信号Cont1和第二控制信号Cont2经过异或门电路的逻辑运算后输出低电平，从而使所述MOS管N1关断。由此，本发明的脉冲宽度控制电路实现了控制刺激电流的脉冲宽度，避免因时钟丢失或者中断等原因导致患者受到伤害。

从下降沿E再到下降沿G的时间段内，所述第一控制信号Cont1输出低电平，故MOS管N2关断。又因MOS管N1与MOS管N2相互串联，故该时间段内停止输出刺激电流Iout。

本发明虽只说明了控制信号Cont1在一个周期内的控制时序，但本领域技术人员可在此基础上毫无异议的推导出本发明的电路在其他周期内的控制时序。所述刺激电流Iout是方向交替的脉冲电流，其原理已于本发明的前述内容中做过说明，此处不再赘述。

需要说明的是，在实际的应用场景中，因硬件反应时间等因素，所述控制信号电平转换发生的时间稍滞后于时钟CLK信号下降沿的发生时间。此外，若时钟信号发生异常而导致控制信号Cont1实际处于高电平的时间小于400us，则所述控制信号Cont1受控于时钟定时器，使其输出的脉冲宽度等于400us。

本发明还提供一种电子耳蜗，包括外部设备以及耳蜗植入体。其中，所述脉冲宽度控制电路设于所述耳蜗植入体中，以避免因时钟丢失或者中断等原因导致患者受到伤害。

本发明还提供一种耳蜗植入集成电路，包括所述脉冲宽度控制电路。所述耳蜗植入集成电路将脉冲宽度控制电路集成于一微型电子器件上。所述耳蜗植入集成电路设于电子耳蜗的耳蜗植入体中，跟随耳蜗植入体植入患者体内，以输出刺激电流刺激耳蜗组织，帮助患者重建听觉功能。

综上所述，本发明提供的脉冲宽度控制电路将控制信号与经过延时后的控制信号进行异或逻辑运算，以实现控制刺激电流的脉冲宽度，避免因时钟丢失或者中断等原因导致患者受到伤害。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种脉冲宽度控制电路，其特征在于，其包括：

延时电路，其输入端输入第一控制信号，用于将所述第一控制信号经过预设时间后输出，以形成第二控制信号；

异或门电路，其包括第一输入端和第二输入端；所述第一输入端输入所述第一控制信号，所述第二输入端电性连接所述延时电路的输出端，以输入所述第二控制信号；

第一电流控制开关，其包括第一端、第二端、及第三端；所述第一端接入电压源VDD，所述第三端电性连接所述异或门电路的输出端，以控制所述第一端与第二端之间的通断状态；

第二电流控制开关，其包括第四端、第五端、及第六端；所述第四端电性连接所述第一电流控制开关的第二端，所述第五端电性连接所述电流源电路的输入端；所述第六端输入所述第一控制信号，以控制所述第四端与第五端之间的通断状态；

电流源电路，其输入端电性连接所述第二电流控制开关的第五连接端，其输出端与地信号之间电性连接一开关极阵电路；所述开关极阵电路受控于一开关控制器，以输出刺激电流；

其中，所述第一控制信号控制所述第二电流控制开关的通断状态，所述第一控制信号和第二控制信号经过所述异或门逻辑运算后控制所述第一电流控制开关的通断状态，从而实现控制所述脉冲电流的脉冲宽度。

2.根据权利要求1所述的脉冲宽度控制电路，其特征在于，所述第一控制信号控制所述第二电流控制开关的通断状态包括：

(1)所述第一控制信号为高电平时控制所述第二电流控制开关导通；

(2)所述第一控制信号为低电平时控制所述第二电流控制开关关断。

3.根据权利要求1所述的脉冲宽度控制电路，其特征在于，所述第一控制信号和第二控制信号经过所述异或门逻辑运算后控制所述第一电流控制开关的通断状态包括：

(1)所述第一控制信号为高电平且所述第二控制信号为高电平时，所述异或门电路输出低电平以控制所述第一电流控制开关关断；

(2)所述第一控制信号为高电平且所述第二控制信号为低电平时，所述异或门电路输出高电平以控制所述第一电流控制开关导通；

(3)所述第一控制信号为低电平且所述第二控制信号为高电平时，所述异或门电路输出高电平以控制所述第一电流控制开关导通；

(4)所述第一控制信号为低电平且所述第二控制信号为低电平时，所述异或门电路输出低电平以控制所述第一电流控制开关关断。

4.根据权利要求1所述的脉冲宽度控制电路，其特征在于，包括：所述开关极阵电路包括多个相互并联的开关集合，每个所述开关集合包括两个相互串联的第一开关和第二开关；所述第一开关的输入端电性连接所述电流源电路的输出端，所述第一开关的输出端电性连接所述第二开关的输入端，所述第二开关的输出端电性连接所述地信号；其中，各所述第一开关和第二开关的连接处引出一电极信号端，各所述电极信号端之间能够两两接通。

5.根据权利要求1所述的脉冲宽度控制电路，其特征在于，所述延时电路为555延时电路。

6.根据权利要求1或5所述的脉冲宽度控制电路，其特征在于，所述延时电路为延时时间可调的电路。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的脉冲宽度控制电路，其特征在于，所述第一电流控制开关的类型包括场效应管，所述第一端、第二端、及第三端分别为场效应管的漏极、源极、及栅极；所述第二电流控制开关的类型包括场效应管，所述第四端、第五端、及第六端分别为场效应管的漏极、源极、及栅极。

8.根据权利要求1所述的脉冲宽度控制电路，其特征在于，所述刺激电流为方向交替的脉冲电流。

9.一种耳蜗植入体，其特征在于，包括如权利要求1-8中任意一项所述的脉冲宽度控制电路。

10.根据权利要求9所述的电子耳蜗植入体，其特征在于，所述开关极阵电路中的各所述电极信号端用于连接耳蜗组织。

11.一种耳蜗植入集成电路，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的脉冲宽度控制电路。

12.一种电子耳蜗，其特征在于，包括如权利要求9或10所述的耳蜗植入体。