CN110464984A - 基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统 - Google Patents

基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及植入式医疗仪器技术领域，具体涉及基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统，包括体外能量发射端、感应链路、电刺激器，体外能量发射端包括微控制器、功率放大器、功率发射器，感应链路包括体外发射线圈Tx1、体外发射线圈Tx2、体内接收线圈Rx1、体内接收线圈Rx2，电刺激器。本发明采用了能量和数据无线传输的方式，微控制器只需要输入代表配置刺激参数的脉冲，刺激器即可在选定的电极实现刺激幅度、刺激周期和刺激脉冲宽度可调的高压双相放电，从而延长了植入式医疗器械的使用周期，减小了机械互连带来的风险。

Description

基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统
技术领域
本发明涉及植入式医疗仪器技术领域，具体涉及基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统。
背景技术
神经系统疾病是导致人类残疾甚至死亡的重要因素，并且发病率较高，其受到越来越多的社会关注。脑深部电刺激器(Deep Brain Stimulation，DBS)具有对脑结构损伤小、副作用小、可逆等优点，并且其在在帕金森等脑神经系统疾病治疗中已经有了成功的应用，因此，利用DBS来控制和治疗神经系统疾病成为研究热点之一。传统的DBS，采用的是原电池供电的方式，因此3～5年之后需要通过手术来进行电池更换，大大增加了手术的风险和患者的痛苦；传统的DBS植入位置是胸腔，而刺激电极植入在大脑，需要导线互连，存在着机械损伤的风险。
无线能量和数据传输的DBS采用无线供电的方式，可直接植入在大脑中，可解决上述问题。脑深部电刺激器可以大致分为三类：电压控刺激、电流控刺激和开关电容刺激。电压控刺激的效率高，但刺激电荷难以精准控制；电流控刺激虽然刺激电荷可以精准控制，但效率较低；开关电容刺激既可以实现精准的电荷控制，同时又保持较高的效率。若要实现高密度刺激，就需要采用高密度的电极植入，因此电极直径较小，若要获得足够大的刺激电流，就需要较高的刺激电压。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统，它可以实现采用开关电容刺激的刺激方式，实现较高的刺激效率以及精准的电荷控制。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统，包括：
体外能量发射端，所述体外能量发射端包括微控制器、功率放大器、功率发射器，其中所述微控制器输出一个被刺激参数调制的频率为13.56MHz的正弦信号，所述功率放大器将调制的频率为13.56MHz的所述正弦信号进行放大，所述功率发射器发送频率为1M Hz，振幅为3V的正弦信号；
感应链路，所述感应链路包括体外发射线圈Tx1、体外发射线圈Tx2、体内接收线圈Rx1、体内接收线圈Rx2，其中所述体外发射线圈Tx1和体内接收线圈Rx1通过线圈互感耦合的方式将数据和能量传输到体内，所述体外发射线圈Tx2和体内接收线圈Rx2通过线圈互感耦合方式提供±10V的高恒流电压；
电刺激器，所述电刺激器植入体内，其包括电源管理模块、数据恢复模块、时钟控制模块、基于电流的谐振能量传输模块、电容充电模块、放电电容选择模块、电极选择模块以及电荷平衡模块，其中所述电源管理模块为系统提供±1.5v的电源电压，所述数据恢复模块和时钟控制模块分别从13.56MHz的所述正弦信号载波上恢复出指令和时钟信号，用来配置正负刺激的先后顺序、刺激周期、正负刺激的幅值、刺激的脉冲宽度、放电电容的对数以及放电电极的选择，所述数据恢复模块和时钟控制模块均为低压模块，其电源电压由电源管理模块输出的±1.5v的电源电压，所述基于电流的谐振能量传输模块通过体外发射线圈Tx2和体内接收线圈Rx2互感耦合，将体内接收线圈Rx2的RC回路用作是电流源，所述电容充电模块用于对电容进行充电、存储电容并通过串联电容的方式，将其电压按比例衰减，所述放电电容选择模块用于选择1-4对电容进行放电，所述电极选择模块用来选择刺激电极，从而选择要刺激的组织靶点，所述电荷平衡模块采用电容反馈放大器，其追踪传递到刺激靶点的正电荷和负电荷的数量，确保注入的正电荷和负电荷的数量相等，并且在完成正电压和负电压刺激后，刺激的靶点会接地，使靶点残余的电荷不会对组织造成伤害。
进一步地，所述基于电流的谐振能量传输模块在1MHz的工作频率下，输出±10V的直流电压，为高压模块提供电源电压。
进一步地，用于放电的所述电容设为四对。
进一步地，所述电容充电模块包括包括五位DAC、充电控制电路和电容充电电路，其中所述五位DAC的输入为数据恢复模块输出28个控制信号的其中5位，并输出正负参考电压，所述充电控制电路和电容充电电路用于对电容进行轮流充电，所述电容充电电路采用低压控制高压电路。
本发明的有益效果：1.本发明采用了能量和数据无线传输的方式，微控制器只需要输入代表配置刺激参数的脉冲，刺激器即可在选定的电极实现刺激幅度、刺激周期和刺激脉冲宽度可调的高压双相放电，从而延长了植入式医疗器械的使用周期，减小了机械互连带来的风险。
2.本发明采用了电平转换电路，将数据恢复模块恢复出的±1.5V的控制信号，通过电平转换电路转换为±10V的控制信号，在放电电容选择和电极选择模块，能够有效地控制传输门的导通与截止，有效地选择放电电容和放电电极。
3.本发明采用了电压衰减技术，将存储电容上的电压进行按比例衰减，按比例衰减的电压与目标电压进行比较，可以实现在±1.5V的电源电压下对充电电容目标电压的控制，减少了高压晶体管的数量，降低了整体功耗。
4.本发明采用了电荷平衡电路，用电容反馈放大器来动态地追踪存储电容按比例衰减后的电压，来确保传递到刺激靶点的正负电荷数量相等，避免了刺激过后的剩余电荷对人体组织的伤害。
5.本发明采用了基于电流的谐振无线能量传输结构，能为刺激器芯片提供±10V的直流电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的整体框图；
图2是本发明中电容充电控制模块的框图；
图3是本发明中放电电容选择模块的框图；
图4是本发明中电荷平衡模块原理图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明为基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统，其包括体外能量发射端1、感应链路2和体内植入的电刺激器3，体外能量发射端主要发射配置刺激参数的数据和能量，感应链路主要包括发射线圈和接收线圈，实现发送端和接收端数据和能量的传输，本发明的重点在于体内植入的高压脑深部电刺激3，体内植入的高压脑深部电刺激可以分为电源管理模块4、数据恢复模块5、时钟控制模块6、基于电流的谐振能量传输模块7、电容充电模块8、放电电容选择模块9、电极选择模块10以及电荷平衡模块11。
电源管理模块4输出的±1.5V的直流电压，为植入的电刺激系统的低压模块提供电源电压。
数据恢复模块5和时钟控制模块6从13.56MHz的载波上恢复指令和时钟信号，用来配置正负刺激的先后顺序、刺激周期、正负刺激的幅值、刺激的脉冲宽度、放电电容的对数以及放电电极的选择，其中：
1位SCS_EN：使能信号，若SCS_EN＝0，存储电容接地，若SCS_EN＝1，系统开始工作；
2～6位FREQ0～FREQ4：分频信号，输入到时钟控制模块，控制刺激周期；
7位POL：控制正负刺激的先后顺序，若POL＝1，先正后负，若POL＝0，先负后正；
8～12位TP0～TP4:控制刺激的脉冲宽度；
13～17位TW0～TW4:控制正负刺激的间隔时间；
18～22位AMP0～AMP4:控制刺激的幅值，可以达到0～±10V可调的刺激；
23～24位Nmmcap0～Nmmcap1:控制电容放电的对数，可选1～4对电容放电；
25～26位Active0～Active1：控制电极选择，电极可以四选一；
27～28位CB0～CB1:控制正负电压刺激过后电极接地时间。
数据恢复模块和时钟控制模块都是低压模块，其电源电压都为电源管理模块输出的±1.5V的电源电压。
基于电流的谐振能量传输模块7通过体外发射线圈TX2和体内接收线圈RX2互感耦合，将体内接收线圈Rx2的RC回路用作是电流源而不是传统的电压源，在体外发射线圈TX2输入频率为1M Hz,幅值为3V的正弦电压时，体内的基于电流的谐振能量传输模块能够输出±10V的高压直流电压，为本系统的高压模块提供电源电压。
如图2所示，电容充电控制模块8主要包括五位DAC、充电控制电路和电容充电电路，五位DAC输入为数据恢复模块输出的28位控制信号的第18～22位，电源电压为±1.5V，根据输入的5位控制信号，其输出正负参考电压VREFP和VREFN，因此VREFP和VREFN是32级可调的。储存电容CP1～P4、CN1～N4分别和CP11～P44和CN11～N44串联组成电压衰减器，使VP1～P4、VN1～N4的电压从高压范围按比例衰减至VP11～P44、VN11～N44的电压范围。充电控制电路通过比较器对VP11～P44、VN11～N44和VREFP、VN11～N44分别进行比较，若VP11～P44<VREFP或者VN11～N44>VN11～N44,则充电控制电路中的4bit计数器的输出S1～S4依次为1，±10V的直流电压4对储存电容的轮流充电。若VP11～P44>VREFP,VN11～N44<VN11～N44,则储存电容CP1～P4、CN1～N4已被充电至目标电压，此时4bit计数器的输出S1～S4全部为0，充电停止，电容充电电路采用低压控制高压电路，使用了16个高压晶体管实现了4对电容的高压充电。
上述的电容充电模块，存储电容通过串联电容的方式将其电压按比例衰减，可以在低压范围内对存储电容上的电压进行比较，减少了高压晶体管的数量，从而节约了芯片面积，降低了功耗。
如图3所示，放电电容选择模块9包括两个4选1多路复用器，可选1～4对电容放电。由于储存电容CP1～P4上的电压VP1～P4的范围为0～10V，CN1～N4上的电压VN1～N4的范围为0～-10V，因此多路复用器中的传输门是由高压晶体管构成。但是数据恢复模块输出的控制信号的电压为±1.5V，需要通过电平转换电路将±1.5V的控制信号转变为±10V的控制信号，控制高压传输门的导通与截至，从而实现存储电容电压0～±10V范围内的放电。
电极选择模块10只包括一些逻辑单元与传输门，其传输门也是由高压晶体管构成，因此也需要电平转换电路，转换后的控制信号来选择刺激通道。当时钟控制模块输出的PSTIM＝1时，此时CM_END＝0，开始正电荷放电；当NSTIM＝1时，开始负电荷放电。
如图4所示，电荷平衡模块11输入为存储电容按比例衰减的电压VP11～P44、VN11～N44，由于CP1～P4、CN1～N4分别和CP11～P44和CN11～N44串联，CP1～P4、CN1～N4的电荷的数量分别和CP11～P44、CN11～N44上的电荷数量相同。电荷平衡模块11包含一个和放点电容选择模块9结构类似的结构，由于VP11～P44的范围为1～1.5V，VN11～N44的范围为1～-1.5V，电荷平衡模块是工作在±1.5V电源电压下，因此电荷平衡模块11中的传输门是用电压晶体管实现的，同时也避免了使用电平转换电路。电荷平衡模块11和放点电容选择模块9的控制信号相同，电荷平衡模块11选择的电容与放点电容选择模块9选择的放电电容是一致的，通过动态地追踪CP11～P44、CN11～N44上的电荷数量来追踪CP1～P4、CN1～N4上的电荷数量，达到平衡电荷的目的。
动态电荷平衡电路使用电容反馈放大器求和正负存储电荷的电压，其工作原理如下：
在放电之前，CM_END＝1，A1和A2相当于缓冲器。开始放电时，CM_END＝0，A1变为电容反馈放大器，在负电压放电时，VCN增加，VSEN下降，当正电压放电时，VCP下降，VSEN上升，当VSEN下降和上升相同时，CM_END＝1，放电结束，从而实现电荷的动态平衡，反之亦然。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统，其特征在于，包括：
体外能量发射端，所述体外能量发射端包括微控制器、功率放大器、功率发射器，其中所述微控制器输出一个被刺激参数调制的频率为13.56MHz的正弦信号，所述功率放大器将调制的频率为13.56MHz的所述正弦信号进行放大，所述功率发射器发送频率为1M Hz，振幅为3V的正弦信号；
感应链路，所述感应链路包括体外发射线圈Tx1、体外发射线圈Tx2、体内接收线圈Rx1、体内接收线圈Rx2，其中所述体外发射线圈Tx1和体内接收线圈Rx1通过线圈互感耦合的方式将数据和能量传输到体内，所述体外发射线圈Tx2和体内接收线圈Rx2通过线圈互感耦合方式提供±10V的高恒流电压；
电刺激器，所述电刺激器植入体内，其包括电源管理模块、数据恢复模块、时钟控制模块、基于电流的谐振能量传输模块、电容充电模块、放电电容选择模块、电极选择模块以及电荷平衡模块，其中所述电源管理模块为系统提供±1.5v的电源电压，所述数据恢复模块和时钟控制模块分别从13.56MHz的所述正弦信号载波上恢复出指令和时钟信号，用来配置正负刺激的先后顺序、刺激周期、正负刺激的幅值、刺激的脉冲宽度、放电电容的对数以及放电电极的选择，所述数据恢复模块和时钟控制模块均为低压模块，其电源电压由电源管理模块输出的±1.5v的电源电压，所述基于电流的谐振能量传输模块通过体外发射线圈Tx2和体内接收线圈Rx2互感耦合，将体内接收线圈Rx2的RC回路用作是电流源，所述电容充电模块用于对电容进行充电、存储电容并通过串联电容的方式，将其电压按比例衰减，所述放电电容选择模块用于选择1-4对电容进行放电，所述电极选择模块用来选择刺激电极，从而选择要刺激的组织靶点，所述电荷平衡模块采用电容反馈放大器，其追踪传递到刺激靶点的正电荷和负电荷的数量，确保注入的正电荷和负电荷的数量相等，并且在完成正电压和负电压刺激后，刺激的靶点会接地，使靶点残余的电荷不会对组织造成伤害。
2.根据权利要求1所述的基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统,其特征在于，所述基于电流的谐振能量传输模块在1MHz的工作频率下，输出±10V的直流电压，为高压模块提供电源电压。
3.根据权利要求1所述的基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统,其特征在于，用于放电的所述电容设为四对。
4.根据权利要求1所述的基于无线能量和数据传输的植入式高压脑深部电刺激系统,其特征在于，所述电容充电模块包括包括五位DAC、充电控制电路和电容充电电路，其中所述五位DAC的输入为数据恢复模块输出28个控制信号的其中5位，并输出正负参考电压，所述充电控制电路和电容充电电路用于对电容进行轮流充电，所述电容充电电路采用低压控制高压电路。
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