CN112218677A

CN112218677A - 用于辅助可植入刺激器设备中的神经感测的电路

Info

Publication number: CN112218677A
Application number: CN201980035893.4A
Authority: CN
Inventors: 戈兰·N·马恩费尔特
Original assignee: Boston Scientific Neuromodulation Corp
Current assignee: Boston Scientific Neuromodulation Corp
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2021-01-12
Also published as: US11607549B2; US20230201594A1; AU2019242017A1; US11040202B2; US11931579B2; WO2019190678A1; EP3773878A1; US20190299006A1; US20210268288A1; AU2019242017B2

Abstract

公开了可植入脉冲发生器(IPG)中的被动组织偏置电路，以通过将组织的电压保持为共模电压(Vcm)来促进神经反应的感测。与使用电压源将(外壳)电极主动地驱动到规定电压相反，IPG的导电外壳电极或任何其他电极使用电容器被动地偏置到Vcm。一旦建立了Vcm，伴随刺激脉冲的产生的电压将参考Vcm，这简化了神经反应感测。放大器可用于设置虚拟参考电压并限制在Vcm的产生期间流向外壳的电流量。在其他示例中，电路可用于监视虚拟参考电压，这对于使能感测神经反应有用，并且对于设置电流生成电路的顺从电压有用。

Description

用于辅助可植入刺激器设备中的神经感测的电路

技术领域

本申请涉及可植入医疗设备(IMD)，并且更具体地涉及用于辅助感测可植入刺激器设备的电路。

背景技术

可植入神经刺激器设备是生成电刺激并向身体神经和组织递送电刺激以治疗各种生物障碍的设备，诸如用于治疗心律失常的起搏器、用于治疗心脏纤颤的除颤器、用于治疗耳聋的耳蜗刺激器、用于治疗失明的视网膜刺激器、用于产生协调的肢体运动的肌肉刺激器、用于治疗慢性疼痛的脊髓刺激器、用于治疗运动和心理障碍的皮质和深部脑刺激器、用于治疗尿失禁、睡眠呼吸暂停、肩关节半脱位等的其他神经刺激器。接下来的描述通常集中于本发明在脊髓刺激(SCS)系统中的使用，诸如美国专利6,516,227中所公开的。然而，本发明可以发现适用于任何可植入神经刺激器设备系统。

SCS系统典型地包括图1中示出的可植入脉冲发生器(IPG)10。IPG 10包括容纳电路的生物相容性设备外壳12和用于为IPG工作提供电力的电池14。IPG 10经由形成电极阵列17的一个或多个电极引线耦合到组织刺激电极16。例如，可以使用一个或多个经皮引线15，其具有在柔性本体上承载的环形或开口环电极16。在另一示例中，桨状引线19提供定位于其大体上平坦表面之一上的电极16。引线内的引线导线20耦合到电极16和可插入到固定在IPG 10上的头部23中的引线连接器22中的近端触点21，该头部可以包括例如环氧树脂。一旦插入，近端触点21就连接到引线连接器22内的头部触点24，该引线触点24继而由馈通引脚25通过外壳馈通26耦合到外壳12内的刺激电路28。

在示出的IPG 10中，存在32个电极(E1-E32)，在四个经皮引线15之间分开，或包含在单个桨状引线19中，并且因此，头部23可包括八电极引线连接器22的2x2阵列。但是，IPG中引线的类型和数量以及电极的数量是特定于应用的，并且因此可以变化。导电外壳12还可以包括电极(Ec)。在SCS应用中，典型地将一个或多个电极引线植入到患者脊髓中靠近硬脑膜的脊柱中，优选地跨越患者脊柱的左右两侧。近端触点21通过患者的组织隧穿到远处位置，诸如IPG外壳12被植入在的臀部，在该点处它们被耦合到引线连接器22。在被设计用于直接植入需要刺激的部位处的其他IPG示例中，IPG可以是无引线的，其电极16替代地出现在IPG 10的主体上以用于接触患者的组织。在其他解决方案中一个或多个IPG引线可以与IPG 10集成在一起并永久连接。SCS治疗的目的是提供来自电极16的电刺激，以减轻患者的症状，诸如慢性背痛。

IPG 10可以包括天线27a，以允许其与随后讨论的许多外部设备进行双向通信。如示出的天线27a在外壳12内包括导电线圈，尽管线圈天线27a也可以出现在头部23中。当天线27a被配置为线圈时，优选地使用近场磁感应发生与外部设备的通信。IPG 10也可以包括射频(RF)天线27b。在图1中，RF天线27b被示出在头部23内，但是它也可以在外壳12内。RF天线27b可以包括贴片、插槽或导线，并且可以作为单极子或偶极子操作。RF天线27b优选地使用远场电磁波进行通信，并且可以根据诸如蓝牙、Zigbee、WiFi、MICS和诸如此类的任何数量的已知RF通信标准进行操作。

IPG 10中的刺激典型地由脉冲提供，该脉冲中的每个可以包括多个相位，诸如30a和30b，如图2A的示例中示出的。刺激参数典型地包括幅度(电流I，尽管也可以使用电压幅度V)；频率(F)；脉冲的脉冲宽度(PW)或其独立相位(诸如30a和30b)；所选以提供刺激的电极16；以及这些所选电极的极性，即它们是否充当向组织拉(source)电流的阳极或从组织灌(sink)电流的阴极。这些以及可能的其他刺激参数一起包括刺激程序，IPG 10中的刺激电路28可以执行该刺激程序以向患者提供治疗刺激。

在图2A的示例中，电极E1已经被选择为阳极(在其第一相位30a期间)，并且因此提供了脉冲，该脉冲向组织拉幅度为+I的正电流。电极E2已经被选择为阴极(同样在第一相位30a期间)，并且因此提供了从组织灌幅度为-I的对应负电流的脉冲。这是双极刺激的示例，其中仅两个基于引线的电极用于对组织提供刺激(一个阳极，一个阴极)。然而，可以选择超过一个的电极在给定的时间处充当阳极，并且可以选择超过一个的电极在给定的时间处充当阴极。

如提到的IPG 10包括刺激电路28，以在患者的组织处形成规定的刺激。图3示出了刺激电路28的示例，其包括一个或多个电流拉电路40_i和一个或多个电流灌电路42_i。拉电路40_i和灌电路42_i可以包括数模转换器(DAC)，并且根据它们分别发出的正(拉、阳极)电流和负(灌、阴极)电流而可以被称为PDAC 40_i和NDAC 42_i。在所示出的示例中，NDAC/PDAC 40_i/42_i配对专用(硬接线)于特定的电极节点ei 39。出于以下解释的原因，每个电极节点ei 39均经由隔直流电容器Ci 38连接到电极Ei 16。在该示例中的刺激电路28还支持选择导电外壳12作为电极(Ec 12)，典型地选择该外壳电极用于单极刺激。PDAC 40_i和NDAC 42_i也可以包括电压源。

对PDAC 40_i和NDAC 42_i的适当控制允许任何电极16充当阳极或阴极，以产生通过患者组织R的电流，希望具有良好的治疗效果。在所示出的示例中，已选择电极E1作为阳极电极以向组织R拉电流，并且选择E2作为阴极电极以从组织R灌电流。因此，PDAC 40₁和NDAC42₂被激活并进行数字编程以产生具有正确定时的所期电流I(例如，根据规定的频率F和脉冲宽度PWa和PWb)。如在美国专利申请公开2013/0289665中进一步详细描述的，由顺从电压VH提供用于刺激电路28的电力。如所示出的，顺从电压可以耦合到拉电路(例如，一个或多个PDAC)，而地可以耦合到灌电路(例如，一个或多个NDAC)，使得刺激电路耦合到顺从电压和地之间且在其之间供电。可以一次选择超过一个的阳极电极和超过一个的阴极电极，并且因此电流可以在电极16中的两个或更多个之间流经组织R。

其他刺激电路28也可以在IPG 10中使用。在未示出的示例中，开关矩阵可以介入一个或多个PDAC 40_i与电极节点ei 39之间，以及介入一个或多个NDAC 42_i与电极节点之间。开关矩阵允许在给定时间处将PDAC中的一个或多个或NDAC中的一个或多个连接到一个或多个阳极电极节点。刺激电路的各种示例可以在美国专利6,181,969、8,606,362、8,620,436、美国专利申请公开2018/0071520和美国专利申请序列号16/131,809(于2018年9月14日提交)中找到。

图3的刺激电路28中的许多(包括PDAC 40_i和NDAC 42_i、开关矩阵(如果存在的话)以及电极节点ei 39)可以集成在一个或多个专用集成电路(ASIC)上，如美国专利申请公开2012/0095529、2012/0092031和2012/0095519中描述的。如这些参考文献中解释的，一个或多个ASIC还可以包含在IPG 10中有用的其他电路，诸如遥测电路(用于将芯片外与遥测天线27a和/或27b进行对接)、用于生成顺从电压VH的电路、各种测量电路等。

在图3中还示出了串联放置在每个电极节点ei 39和电极Ei 16(包括外壳电极Ec12)之间的电极电流路径中的隔直流电容器Ci 38。隔直流电容器38充当防止DC电流注入患者的安全措施，例如如果刺激电路28中存在电路故障，则可能发生这种情况，并且通常还包括IPG电荷平衡机制的一部分。如美国专利申请公开2015/0157861中所解释的，隔直流电容器38典型地在芯片外(一个或多个ASIC之外)设置，并且替代地可以在用于集成其各种组件的IPG 10中的电路板中或其上设置。

再次参考图2A，所示出的刺激脉冲是双相的，其中每个脉冲包括第一阶段30a，随后是相反极性的第二阶段30b。双相脉冲有助于主动地恢复可能存储在电极电流路径中的电容元件上诸如在隔直流电容器38上的任何电荷。参考图2A和图2B两者示出了电荷恢复。在第一脉冲阶段30a期间，电荷将(主要地)跨与用于产生电流的电极E1和E2相关联的隔直流电容器C1和C2积聚，从而产生电压Vc1和Vc2(I＝C*dV/dt)。在第二脉冲阶段30b期间，当电流I的极性在选出的电极E1和E2处反转时，电容器C1和C2上存储的电荷被恢复，并且因此电压Vc1和Vc2有望在第二脉冲阶段30b结束时返回0V。

为了在每个脉冲的第二脉冲阶段30b结束时恢复所有电荷(Vc1＝Vc2＝0V)，第一阶段30a和第二阶段30b在每个电极处充电平衡，其中这些阶段包括相等数量的电荷但极性相反。在所示出的示例中，对于脉冲阶段30a和30b中的每个，通过使用相同的脉冲宽度(PWa＝PWb)和相同的幅度(|+I|＝|-I|)来实现这种充电平衡。然而，如已知的，如果两个阶段30a和30b的幅度和脉冲宽度的乘积相等，则脉冲阶段30a和30b也可以充电平衡。

图4示出了可以与IPG 10无线通信数据的各种外部设备，包括患者手持式外部控制器60和临床医生编程器70。设备60和70两者均可用于将刺激程序无线发送到IPG 10-即对其刺激电路28进行编程，以产生具有如先前描述的所期幅度和定时的刺激。设备60和70两者都可以用于调节IPG 10当前正在执行的刺激程序的一个或多个刺激参数。设备60和70还可以无线地接收来自IPG 10的信息，诸如各种状态信息等。设备60和70可以另外与外部试验刺激器(ETS)通信，该外部试验刺激器用于在试验时段期间和IPG植入之前模拟IPG 10的操作，如USP 9,724,508和9,259,574中解释的。

外部控制器60例如可以如美国专利申请公开2015/0080982中描述的，并且可以包括专用于与IPG 10一起工作的控制器。外部控制器60还可以包括通用移动电子设备，诸如已利用医疗设备应用(MDA)编程的移动电话，允许其作为IPG 10的无线控制器工作，如美国专利申请公开2015/0231402中描述的。外部控制器60包括用户界面，该用户界面优选地包括用于输入命令的装置(例如，按钮或可选择的图形图标)和显示器62。外部控制器60的用户界面使能患者调节刺激参数，尽管与稍后进行描述的更强大的临床医生编程器70相比，它可能具有有限的功能。

外部控制器60可以具有能够与IPG 10通信的一个或多个天线。例如，外部控制器60可以具有能够与IPG 10中的线圈天线27a无线通信的近场磁感应线圈天线64a。外部控制器60还可以具有能够与IPG 10中的RF天线27b无线通信的远场RF天线64b。

在美国专利申请公开2015/0360038中进一步描述了临床医生编程器70，并且该临床医生编程器70可以包括计算设备72，诸如台式机、手提电脑或笔记本电脑、平板电脑、移动智能电话、个人数据助理(PDA)型移动计算设备等。在图4中，计算设备72被示出为手提电脑，其包括典型的计算机用户界面装置，诸如屏幕74、鼠标、键盘、扬声器、指示笔、打印机等，为了方便起见，其未全部被示出。在图4中还示出了用于临床医生编程器70的辅助设备，其通常特定于其作为刺激控制器的操作，诸如可耦合至计算设备72上的适当端口的通信“棒(wand)”76，诸如例如USB端口79。

在临床医生编程器70中用于与IPG 10通信的天线可以取决于包括在IPG 10中的天线的类型。如果患者的IPG 10包括线圈天线27a，则棒76同样可以包括线圈天线80a，以小距离处建立近场磁感应通信。在这种情况下，可以将棒76贴附在患者附近，诸如通过将棒76放置在患者可穿戴的皮带或皮套中并且靠近患者的IPG 10。如果IPG 10包括RF天线27b，则棒76、计算设备72或两者同样可以包括RF天线80b，以在较大距离处与IPG 10建立通信。临床医生编程器70还可以无线地或经由在以太网或网络端口处提供的有线链路与其他设备和诸如因特网的网络通信。

为了对用于IPG 10的刺激程序或参数进行编程，临床医生与设置在计算设备72的显示器74上的临床医生编程器图形用户界面(GUI)82进行对接。如本领域技术人员所理解的，GUI 82可以通过执行存储在计算设备72中的临床医生编程器软件84来呈现，该软件可以存储在设备的非易失性存储器86中。计算设备72中的临床医生编程器软件84的执行可以由控制电路88来促进，诸如一个或多个微处理器、微型计算机、FPGA、DSP、其他数字逻辑结构等，其能够在计算设备中执行程序并且可能包括其自己的存储器。除了执行临床医生编程器软件84和呈现GUI 82之外，这种控制电路88还可以使能经由天线80a或80b的通信将通过GUI 82选择的刺激参数传送给患者的IPG 10。

外部控制器60的用户界面可以提供相似的功能，这是因为外部控制器60可以包括与临床医生编程器相似的硬件和软件编程。例如，外部控制器60包括类似于临床医生编程器70中的控制电路88的控制电路66，并且可以类似地利用存储在设备存储器中的外部控制器软件来编程。

发明内容

公开了一种可植入刺激器设备，其可以包括：多个电极节点，每个电极节点被配置为耦合到被配置为接触患者组织的多个电极之一；外壳，其被配置为植入所述患者组织中，其中所述外壳包含刺激电路，所述刺激电路被配置为在所述电极节点中的至少两个处提供脉冲以产生通过所述患者组织的刺激电流；以及电容，其被配置为，当所述刺激电路向至少两个电极节点提供所述脉冲时耦合在所述多个电极中的至少一个和在所述外壳内部产生的第一参考电压之间，其中，所述电容被配置为在至少一个电极处向所述组织提供共模电压。

外壳可以是导电的，并且导电外壳可以包括多个电极之一。导电外壳可包括至少一个电极。

至少一个电极可以被配置为可从多个电极中选择。

可植入刺激器设备可以进一步包括与电容并联的电阻器。

电容可以包括一个或多个电容器。

每个电极节点可以通过隔直流电容器耦合到电极。

刺激电路还可以被配置为向至少一个电极提供脉冲，其中，电容被配置为当刺激电路向至少一个电极提供脉冲时在至少一个电极与第一参考电压之间解耦。

可植入刺激器设备可以进一步包括至少一个可植入引线，其中电极位于引线上。可植入刺激器设备还可以进一步包括被配置为将电容耦合至第一参考电压的开关。可植入刺激器设备还可以进一步包括被配置为产生第一参考电压的电压源。

刺激电路可以被配置为由顺从电压供电。刺激可以包括被配置为向两个电极中的至少一个拉电流的拉电路，以及被配置为从两个电极中的不同的至少一个灌电流的灌电路。顺从电压可以耦合到拉电路，并且地可以耦合到电流灌电路。第一参考电压可以在顺从电压和地之间，或者可以被配置为与顺从电压成比例。

可植入刺激器设备可以进一步包括放大器，其被配置为产生第一参考电压。放大器可以包括运算跨导放大器(operational transconductance amplifer)。该放大器可以包括第一输入和第二输入，并且可以被配置为跟随器，在该跟随器中第一参考电压被提供给第一输入，并且其中第二参考电压被提供给第二输入。可植入刺激器设备可以进一步包括电压源，其被配置为产生第二参考电压。刺激电路可以被配置为由顺从电压供电。第二参考电压可以在顺从电压和地之间，或者可以被配置为与顺从电压成比例。放大器可以被配置为：如果通过电容的电流在放大器的最小和最大输出电流之间，则保持第一参考电压等于第二参考电压。

可植入刺激器设备可以进一步包括逻辑电路，其被配置为确定第一参考电压是超过第一阈值还是下降到第二阈值以下。可植入刺激器设备可以进一步包括控制电路，其被配置为接收第一参考电压已经超过第一阈值或者已经下降到第二阈值以下的至少一个指示。控制电路可以被配置为响应于至少一个指示而发出使能信号，该使能信号指示何时可以在多个电极节点中的至少一个处感测到组织中响应于刺激电流的神经反应。刺激电路可以由顺从电压供电，其中控制电路被配置为响应于至少一个指示而发出使能信号，该使能信号指示何时应当增加顺从电压。

可植入刺激器设备可以进一步包括至少一个感测放大器，其被配置为：当电容被配置为在至少一个电极处向组织提供共模电压时，感测组织中响应于刺激电流的神经反应。至少一个感测放大器可以包括第一输入和第二输入，其中至少一个感测放大器被配置为在其第一输入处接收电极节点之一。在第一输入处接收到的一个电极节点可以不包括电极节点中的所述至少两个中的一个。至少一个感测放大器可以被配置为在其第二输入处接收共模电压。至少一个感测放大器还可以被配置为在其第二输入处接收电极节点中的另一个以差分地感测一个电极节点与另一电极节点之间的神经反应。可植入刺激器设备可以进一步包括控制电路，其被配置为接收至少一个感测放大器的输出并评估感测到的神经反应的至少一个参数。

附图说明

图1示出了根据现有技术的可植入脉冲发生器(IPG)。

图2A和图2B示出了根据现有技术的可由IPG产生的刺激脉冲的示例。

图3示出了根据现有技术的可在IPG中使用的刺激电路。

图4示出了根据现有技术的能够与IPG通信并在IPG中对刺激进行编程的各种外部设备。

图5示出了改进的IPG，其具有神经反应感测以及取决于这种感测调节刺激的能力。

图6示出了产生神经反应的刺激，以及在IPG的至少一个电极处对该神经反应的感测。

图7A和图7B示出了在所选IPG电极处双相脉冲的产生，并示出了在所选电极节点处形成的电压。

图8A和图8B示出了产生被加载的刺激脉冲的顺从电压不足的问题，并且示出了用于调节顺从电压以防止闭环方式加载的电路。

图9A和图9B示出了被配置为使用电容器在外壳电极处的组织中建立共模电压的被动组织偏置电路的第一示例，如在神经反应的感测中有用。

图10A和图10B解释了在组织中建立共模电压时被动组织偏置电路的操作。

图11A-图11C解释了给定电极到外壳电阻的潜在不匹配以及组织中的拉电流和灌电流之间的不匹配下的被动组织偏置电路的操作。

图12A和图12B示出了被动组织偏置电路的第二示例，其包括放大器，用于为电容器产生虚拟参考电压并且用于限制通过组织到外壳的电流。

图13A和图13B示出了被动组织偏置电路的第三示例，其包括感测虚拟参考电压的电路，有助于使能神经反应的感测，并且有助于调节电流生成电路的顺从电压。

图14A和图14B示出了一旦建立共模电压，在单个电极处和有差异地在两个电极处的神经反应的感测。

图15示出了一种替代方案，其中被动组织偏置电路可以允许任何电极(除外壳电极之外)包括用于设置组织中共模电压的电极。

具体实施方式

在脉冲发生器系统中，并且特别是在脊髓刺激器(SCS)脉冲发生器系统中，越来越有趣的发展是增加感测能力，以补充这种系统提供的刺激。例如，并且如在美国专利申请公开2017/0296823中所解释的，感测已经接收到来自SCS脉冲发生器的刺激的神经组织中的神经反应可能是有益的。

图5示出了具有神经反应感测能力的SCS IPG 100的电路。IPG 100包括控制电路102，该控制电路102可以包括微控制器，例如诸如德州仪器(Texas Instruments)制造的部件号MSP430，其在http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/16-bit_msp430/overview.page？DCMP＝MCU_other&HQS＝msp430处的数据表中进行描述。也可以使用其他类型的控制电路来代替微控制器，诸如微处理器、FPGA、DSP或它们的组合等。控制电路102也可以全部或部分地形成在如先前描述的IPG 100中的一个或多个专用集成电路(ASIC)中，该一个或多个ASIC可另外包括图5中示出的其他电路。

图5包括先前描述的刺激电路28(图3)，包括一个或多个DAC(PDAC 40_i和NDAC42_i)。总线118向DAC提供数字控制信号，以产生规定幅度的电流或电压，并在选择用于刺激的电极处具有正确的定时。到电极16的电极电流路径包括先前描述的隔直流电容器38。

利用神经反应算法124对控制电路102进行编程，以评估通过IPG 100所提供的刺激而激发(招募)的神经元的神经反应。图5和图6中描绘的一种这样的神经反应是诱发复合动作电位或“ECAP”，尽管也存在其他类型的神经反应，并且可以被IPG 100感测到。顾名思义，ECAP包括从多个招募的神经元发出的各种动作电位的复合(总和)，并且其幅度和形状取决于激发的神经纤维的数量和类型而变化。一般来说，ECAP可以在几十微伏到几十毫伏之间变化。神经反应算法124评估ECAP，并且可以例如以闭环方式调节刺激程序，以尝试和调节所产生的ECAP的幅度或形状。

控制电路102和/或神经反应算法124还可以使能一个或多个感测电极(S)自动或基于输入到外部设备(参见图4)中的一个或多个感测电极的用户选择来感测ECAP。如图6中示出的，ECAP将在与被选择用于刺激的电极(例如E1和E2)靠近的被招募神经种群95中的神经纤维的刺激后发起，并将经由神经传导通过患者的组织移动。在图6的简单示例中，选择电极E6作为检测电极S，并且因此该电极将在ECAP移动经过时检测到ECAP。ECAP的移动速度取决于数个因素，并且是可变的。

为了协助选择一个或多个感测电极，并再次参考图5，每个电极节点ei 39可耦合到至少一个感测放大器110。在此示例中，为简单起见，所有电极节点被示出为共享单个感测放大器110。因此，可以在每个多路复用器108的给定时间处将任何一个感测电极(例如，电极节点e6)耦合到感测放大器110(例如，Ve6)，如由总线114所控制。然而，尽管未示出，但是每个电极节点也可以耦合到其自己的专用感测放大器110。ECAP感测还可以涉及在超过一个电极处(例如，电极E5和E6处)对ECAP的差分感测，并且因此两个节点(例如，Ve5和Ve6)可以输入到差分感测放大器110；稍后参考图14B对此进行解释，但为简单起见，在图5和图6中未示出。在感测到ECAP之后，包括ECAP的模拟波形优选地由模数转换器112转换为数字信号，该模数转换器112也可以驻留在控制电路102内。神经反应算法124然后可以评估ECAP的幅度和形状，并且如有必要，经由总线118对刺激进行调节，以尝试和调节所产生的未来ECAP，使得它们具有所期幅度或形状。

一个或多个感测电极S可以远离被选择以提供刺激的有效电极，使得在刺激(刺激伪像)期间在组织中产生的电压将较少地影响感测电极处的感测。但是，由于刺激脉冲的持续时间(例如PWa和PWb)和频率(F)以及神经反应的传导速度是可变的，因此不可避免的是，与刺激有关的电压存在于所选的一个或多个感测电极处。这可能会使感测神经反应具有挑战性。如提到的，ECAP可以小到数十微伏。然而，如下面进一步解释的，IPG的操作会导致组织中的电压以伏特的数量级变化。因此，感测涉及解决组织中的小信号神经反应，其可以比组织的变化的背景电压小许多数量级。难以设计诸如一个或多个感测放大器110的放大器以可靠地执行在拒绝背景组织电压的同时准确地感测这样的小信号的任务。

首先参考图7A和图7B解释由于刺激引起的组织中的电压变化，图7A和图7B示出了如先前描述的使用电极E1和E2之间的双相脉冲发生的刺激。图7A示出了在产生通过组织的电流I时，在当电流I从阳极电极E1流向阴极电极E2时的第一阶段30a期间以及在当电流I以相反方向从阳极电极E2流向阴极电极E1时的第二阶段30b期间，刺激电路28如何偏置。注意在第一阶段30a期间，所选PDAC(例如，PDAC 40₁)向电极节点e1拉电流Ip，而所选NDAC(例如，NDAC 42₂)从电极节点e2灌电流In。在第二阶段30b期间，所选PDAC(例如，PDAC 40₂)向电极节点e2拉电流Ip，并且所选NDAC(例如，NDAC 42₁)从电极节点e1灌电流In。理想情况下，从PDAC发出的Ip等于由NDAC发出的|In|，其中两者都等于所期电流I，尽管非理想情况可能会导致它们变化，如下面进一步讨论的。如果将开关矩阵用作刺激电路28的设计的一部分，则也可以在两个阶段30a和30b期间使用相同的PDAC和NDAC。

图7B示出了当在电极E1和E2处产生双相电流脉冲时所产生的各种波形。在电极之间提供恒定的电流I致使了隔直流电容器38C1和C2在第一脉冲阶段30a期间充电，这会导致它们两端的电压Vc1和Vc2增大(I＝C*dV/dt)。因为极性相反的第二脉冲阶段30b与第一脉冲阶段30a是充电平衡的，所以Vc1和Vc2将在第二脉冲阶段30b期间减小，并在第二脉冲阶段30b的末尾处(理想情况下)返回零，如先前参考图2A和图2B解释的。

图7B的底部示出了在产生前述脉冲时在电极节点39e1和e2处形成的电压(Ve1和Ve2)。审查电极节点39ei处而不是电极Ei 16本身处的电压是有用的，这是因为是电极节点处的电压被呈现给一个或多个感测放大器110(图5)，并且因此用于神经反应感测。即使同时形成Ve1和Ve2，为简单起见，它们也最初在图7B中分别示出，其中第一波形在第一脉冲期间仅示出Ve1，并且第二波形在第二脉冲期间仅示出Ve2。第三波形在第三脉冲期间一起示出Ve1和Ve2。

图7B中的电极节点电压Ve1和Ve2是参考顺从电压VH示出的，该顺从电压VH如先前(图3)提到的用于向DAC电路提供功率。示出了所有相关的电压降，包括组织两端的电压降(Vr)、隔直流电容器39两端的电压降(Vc1和Vc2)以及所选PDAC和NDAC两端的电压降(Vp和Vn)。如示出的，由于电流在第一脉冲阶段30a期间流动的方向，Ve1最初高于Ve2。随着隔直流电容器38的充电(Vc1，Vc2)，在第一脉冲阶段30a期间Ve1将增加而Ve2将减少。这还会导致跨有源PDAC和NDAC两端的电压降(Vp)和(Vn)。在第二脉冲阶段30b期间，电流的极性反转，并且因此Ve2现在高于Ve1。电压Vc2和Vc2在第二脉冲阶段30b期间随着它们所存储的电荷被恢复而减小，这使得Ve1减小并且Ve2增大，而Vp和Vn减小。

因此，在双相脉冲的发出期间，电压Ve1和Ve2显着变化，这既是由于电流极性的变化，也是由于隔直流电容器38的充电和放电。这种变化指示组织中电压的变化，该电压将通过组织至少在某种程度上耦合到用于感测的电极。再次假设感测发生在电极E6处，即，将感测到的电压Ve6呈现给一个或多个感测放大器110。尽管鉴于组织的复杂电环境而计算或绘制图形很复杂，但是在电极E1和E2处存在的电压将耦合到电极E6，并且因此Ve6通常将在某种程度上跟踪Ve1和/或Ve2。(在此示例中，Ve6可能主要跟踪Ve2，这是因为电极E6比E1更靠近E2)。换句话说，在Ve6处感测到的任何小信号神经反应都将依赖于大的且变化的背景电压，如先前提到的，这使得难以感测神经反应。如将在下面进一步描述的，向IPG 100添加被动组织偏置电路将向组织提供共模电压，这易于感测小信号神经反应。

在讨论这样的被动组织偏置电路之前，讨论如何在IPG 100中调节顺从电压VH是有用的，这是因为这样的调节可能涉及被动组织偏置电路的操作。在图8A和图8B中示出了顺从电压调节以及保证进行这种调节的环境。当提供刺激时，跨PDAC和NDAC两端的电压降Vp和Vn优选地保持在最小值Vp(min)和Vn(min)之上，如USP 7,444,181、9,174,051和9,314,632中解释的。如果Vp或Vn降至这些最小值以下，则受影响的DAC(PDAC或NDAC)将被负荷(load)，并且因此将无法产生其规定的电流Ip或In。这意味着Ve1和Ve2优选保持界定在VH-Vp(min)和Vn(min)之间的区域111内。在图8A的示例中，由于在第一脉冲阶段30a的部分(98)期间Ve2<Vn(min)并且Ve1>VH-Vp(min)，所以不会出现这种界定。这导致脉冲的负荷(99)，这是因为一个或多个PDAC和一个或多个NDAC无法产生Ip和In的规定的电流。

尽管顺从电压可以是恒定的，但是它也优选地是可调节的以解决脉冲负荷，并且图8B示出了可以用于该目的的顺从电压测量和生成电路51的示例。一般而言，顺从电压测量和生成电路51测量有源PDAC和NDAC两端的Vp和Vn，并以闭环方式调节顺从电压VH，以确保Vp不低于Vp(min)并且Vn不低于低于Vn(min)，从而确保电极节点电压Ve1和Ve2被区域111界定。

如所示出的，在提供脉冲(I)期间，差分放大器43p和43n测量有源PDAC 40_i和NDAC42_j两端的Vp和Vn。注意，图8B仅示出了在第一脉冲阶段30a期间测量PDAC 40₁和NDAC42₂两端的Vp和Vn。尽管未示出，但是也可以在第二脉冲阶段30b期间测量PDAC 40₂和NDAC 42₁两端的Vp和Vn。

将Vp和Vn测量结果提供给比较器45p和45n的负输入。比较器的正输入端提供了PDAC和NDAC两端所需的Vp和Vn的最小值(Vp(min)和Vn(min))，以防止负荷。由于PDAC和NDAC的构造上的差异，Vp(min)和Vn(min)可以不同，并且例如可以分别为1.5V和1.2V。Vp(min)和Vn(min)可以由诸如带隙电压基准发生器之类的电压发生器提供，尽管未示出此细节。比较器45p由信号p(en)使能以在规定的时间比较Vp和Vp(min)，诸如当Vc1和Vc2可能最高时并因此当Vp可能最低时的第一脉冲阶段30a结束处。类似地，比较器45n由信号n(en)使能，以在Vn也可能最低时的规定时间比较Vn和Vn(min)。如果Vp低于Vp(min)或Vn低于Vn(min)，则比较器45p和45n将输出“1”。如果Vp或Vn为低电平，则或门47输出“1”，该输出信号包括使能信号VH(en1)以操作顺从电压调节器49。

在该示例中，顺从电压(VH)调节器49被示出为基于电感器的升压转换器，但是也可以被实施为基于电容器的电荷泵或其他升压电路。VH调节器49从IPG 100中的另一个典型地较低电压的DC源产生顺从电压VH，诸如其电池14(图1)的电压Vbat。当由输入VH(en)处的VH(en1)使能时，脉宽调制器53向门控晶体管57产生方波，该门控晶体管57周期性地导通晶体管57，并使电流从Vbat流过电感器55。在晶体管57的关断期间，电感器55中存储的电流被强制通过二极管59，并且被存储在保持顺从电压VH的值的存储电容器61上。二极管59防止该电流的回流，并且因此，随着时间的流逝，存储电容器61两端的电压增加，即，顺从电压VH开始建立，只要继续主张VH(en1)即可。最终，VH将增加到使Vp和Vn高于Vp(min)和Vn(min)的点，这将导致VH(en1)解除主张，从而关闭VH调节器49并使VH下降。像这样，通过顺从电压测量和生成电路51以闭环方式将VH控制到最佳水平。

因此，如图8A中示出的，图8B的顺从电压测量和生成电路51的操作可以通过增加顺从电压VH来防止脉冲的负荷99。请注意，在升高了VH之后，Ve1或Ve2保持界定在区域111内，从而使脉冲不被负荷(99)。

本发明的各种示例公开了被动组织偏置电路，其可以通过将组织的电压被动地保持为共模电压(Vcm)来减轻组织中的电压变化的影响，并因此促进神经反应的感测。在本发明的示例中，与使用电压源主动地将外壳电极12驱动到规定电压相反，使用电容器将IPG100的导电外壳电极12被动地偏置到Vcm。使用外壳电极12来提供Vcm(虽然并非绝对必要)是明智的：患者组织的电阻相对较低，而IPG的外壳电极12的面积相对较大。因此，即使将外壳电极12植入到与电极16相距一定距离处，外壳电极12仍然包括用于为整个组织建立Vcm的合适装置。但是，被动组织偏置电路也可以使IPG 100的任何电极(包括基于引线的电极16)设置组织的共模电压。然而，本公开的大部分假设使用外壳电极来设置Vcm以作为主要示例。

如下面解释的，一旦在外壳电极12处并因此在组织中建立了Vcm，将相对于Vcm建立另外在组织中形成的电压，诸如伴随刺激脉冲产生的那些。这可以易于对组织中小信号的感测，诸如对神经反应的感测(例如，ECAP)。如下面解释的，Vcm可能不是完全恒定的(即，它可以是伪恒定的)，但是尽管如此，可以使Vcm变化到易于感测的足够小程度。

容纳刺激电路和其他组件的外壳12优选地是完全导电的，但是尽管未示出，但可以仅在一部分处导电。例如，导电外壳12可以是部分绝缘的，但是在一部分处导电并且能够在该部分处产生共模电压Vcm。换句话说，即使导电外壳不是完全导电而是仅部分导电，所公开的技术也是有效的。

在图9A中示出了被配置为在组织中建立共模电压Vcm的被动组织偏置电路150的第一示例。在该示例中，在电容器顶板处的外壳电极Ec 12与电容器底板处的参考电压Vref之间提供了电容器Ccm 152，其大小将在下面进行讨论。电流Icm可以流过电容器Ccm以协助被动地设置Vcm，如下面进一步描述的。Ccm通常还可以包括电容，其可以由单个电容器或一个或多个电容器或电容组成。Ccm的合理值可能取决于许多因素，诸如Vcm的最大允许纹波(ripple)、刺激电路中电位不平衡度以及被动组织偏置电路中可使用的放大器的最大输出电流，所有这些都在下面进行讨论。无论如何，Ccm典型地将在1至10微法拉范围内，并且在一个示例中可以包括4.7微法拉。

参考电压Vref可以包括由导电外壳Ec 12内部的电压源153提供的恒定电压。Vref可以是可调节的，并且优选地具有介于或等于接地(0V)和顺从电压(VH)的值。Vref还可以具有取决于顺从电压VH而变化的值，如先前提到的，该值可以通过顺从电压测量和生成电路51(图8B)的操作而变化。例如，Vref可以被设置为VH/2。仅在一个示例中，产生VH/2的电压源153可以形成为分压器，其包括具有串联连接的高电阻Ra的电阻器梯，如图9A的右侧所示出的。在组织中建立的共模电压Vcm包括跨电容器Ccm 152两端的任何电压和Vref的总和。注意，电压源153不是绝对必要的，特别是如果Vref等于零，则在这种情况下，开关154的末端(下面解释的)可以简单地接地。

注意，外壳电极Ec 12与选择用于刺激的电极(E1和E2)之间的组织R已被表示为包括被耦合到电极Ec、E1和E2的电阻Rc、R1和R2的电阻器网络。下面参考图11A-图11C进一步描述该电阻器网络的相关性。

图9A中还示出了刺激电路28的各方面，该刺激电路28包括连接到各个电极节点39ei的一个或多个PDAC 40_i和一个或多个NDAC 42_i。刺激电路28的这样的方面对示出是有用的，特别是关于外壳电极，这是因为如上面提到的外壳电极节点ec/外壳电极Ec 12可以类似于任何其他电极16一样被主动地驱动(例如，在单极刺激期间)。然而，主动地驱动外壳电极的刺激电路28的这样的操作与被动组织偏置电路150的操作不一致，并且因此设置了开关156和154以隔离两个电路28和150。

当期望使用刺激电路28(例如，PDAC40_C或NDAC 42_C)主动地驱动外壳电极Ec 12时，控制信号A被主张以闭合开关156以将刺激电路28连接至外壳电极Ec 12，并且控制信号B被解除主张以断开开关154，以将被动组织偏置电路150内的电容器Ccm 152与外壳电极12隔离。可替选地，当使用被动组织偏置电路150来被动地在组织中设置共模电压Vcm时，控制信号B被主张以闭合开关154以将被动组织偏置电路150内的电容器Ccm 152连接至外壳电极12，并且控制信号A被解除主张以断开开关156以将刺激电路28与外壳电极12隔离。如果被动组织偏置电路150不需要操作，并且如果外壳电极没有被刺激电路28驱动，则开关154和156都可以断开。控制信号A和B可以由IPG 100中的控制电路102(图5)发出，并且开关154和156也可以出现在它们相应电容器Ccm和Cc的另一侧，或者在电压源153的另一侧。在图9A及后续附图中，开关154闭合并且开关156断开以集中讨论被动组织偏置电路150的操作。

尽管未示出，但是被动组织偏置电路150的激活(以及刺激电路28与外壳电极Ec的断开连接)可以通过对IPG 100进行编程而受到影响。例如，在IPG 100要感测神经反应并且当神经反应算法124(图5)处于活动状态时的时段期间，控制电路102可以自动闭合开关154和断开开关156。这种感测无需始终在IPG 100的操作期间发生，并且因此控制电路102在其他时间可以断开开关154，从而如果期望的话，允许外壳电极Ec由刺激电路28主动地驱动。与IPG 100进行通信的外部设备(诸如临床医生编程器70或外部控制器60(图4))也可以用于将IPG 100置于神经感测模式，该神经感测模式将闭合开关154以允许被动组织偏置电路150起作用以在组织中被动地设置共模电压Vcm。这些设备60和70的用户界面可以具有可选择的选项来影响这一点。

图9B示出了被动组织偏置电路150’的变型，其中，在电极节点ec和电极Ec之间的隔直流电容器Cc 38也用作被动组织偏置电路中的电容器Ccm 152。同样，开关154和156以及它们相应的控制信号A和B允许被动组织偏置电路150’或刺激电路28连接到外壳电极Ec12。

图10A和图10B解释了被动组织偏置电路150或150’(两者随后都简称为150)的操作，并且特别示出了：如果用于在所选电极(同样，E1和E2用于说明，但也可以选择其他电极)处提供电流脉冲的一个或多个PDAC和一个或多个NDAC在它们所提供的电流Ip和In(见图7A)的大小上有变化，则该电路如何操作。如先前提到的，Ip和|In|在任何给定时间理想地大小相等。但是非理想情况可能会导致Ip和|In|的幅度可能略微不同，可能是由于PDAC和NDAC的构造不同。如果PDAC和NDAC的控制时序存在变化，则ip和|In|也可以在略微不同的时间简单地打开和关闭。最后，如果PDAC或NDAC中的任一个没有被充分供电，即如果跨其两端的电压降Vp或Vn分别不大于或等于Vp(min)或Vn(min)，则Ip可能不等于|In|。如先前解释的，Vp或Vn太低会导致脉冲的负荷(99，图8A)，这可能需要使能顺从电压测量和生成电路51来升高顺从电压(图8B)。

被动组织偏置电路150有益于其处理这种非理想情况并相应地设置共模电压Vcm的能力。在图10A的示例158中，假设Vref被设置为零伏(例如，不存在电压源153)。进一步假设由一个或多个PDAC提供的Ip最初大于由一个或多个NDAC提供的电流(即，Ip>|In|)。在这种情况下，这些电流中的差(Ip-|In|)包括正电流Icm，其在每个脉冲阶段30a和30b期间最初将通过电容器Ccm 152从外壳电极Ec 12流到地。如图10A中示出的，任何电流Icm在此情况下利用正电压对电容器Ccm 152充电，其在每个脉冲阶段30a或30b期间最初增加Vcm。(在脉冲之间的静默时段30c期间，Vcm可能会略微衰减)。

在外壳电极Ec处以及因此在组织中建立Vcm使电极节点电压Ve1和Ve2成为该电压的参考。因此，随着Vcm的上升，Ve1和Ve2也将开始上升。Ve1和Ve2最终将增加到在部分98中Ve1刚好勉强开始超过VH-Vp(min)的点，如图10A的波形160中示出的。在这一点上，并且如先前讨论的(图8A)，跨PDAC 40₁和40₂两端的电压降Vp变得太小而不能支持产生略微较大的电流Ip，从而导致电极E1的第一阶段脉冲30a的最小负荷99。(脉冲的这种最小负荷99不会显着改变脉冲所提供的刺激治疗)。因此，Ip最终将略微下降，以匹配|In|的值(至少从时间平均或总充电的角度来看)，此时Icm等于0。(请注意，Ip被负荷99也会导致In变为被负荷，这是因为此时它们相等)。Icm＝0阻止电容器Ccm进一步充电，并且因此最终将Vcm建立在高于Vref(接地)的伪恒定电平处，如图10A中示出的。

如果一个或多个NDAC的电流In高于一个或多个PDAC的电流Ip(即|In|>Ip)，则Icm将作为负电流从地流到外壳电极Ec 12。这将在示例158中将Vcm建立为负电压(Vcm<Vref＝0)，这从电路的角度来看可能是不期望的。为了适应这种可能性，在图10B的示例162a和162b中，电压源153将Vref设置为大于零但小于顺从电压VH的值(即，0<Vref<VH)。例如，Vref可以被设置为VH/2。

在如此设置Vref的情况下，Vcm最初将设置为Vref。因此，如图10B的波形164中示出的，电极节点电压Ve1和Ve2最初以Vcm＝Vref为参考。

如果如在示例162a中的Ip>|In|，则Icm最初将是正的，从而在跨电容器Ccm 152两端形成正电压。然后，被动组织偏置电路150的效果类似于在图10A的示例158中发生的：Vcm将从Vref上升，并且Ve1和Ve2也将如此，直到Ve1刚好勉强(部分98)超过VH-Vp(min)，如波形166a中示出的。此时，跨PDAC 40₁和40₂两端的电压降Vp变得太小而不能支持在第一阶段脉冲30a期间产生略微较大的电流Ip。因此，Ip会略微下降以匹配|In|的值，其中两者都变得略微负荷99(图10A)，并且因此Icm将等于0。这防止了电容器Ccm进一步充电，从而在高于Vref的水平处建立Vcm。实际上，图10A的示例158和图10B的示例162a是相似的，并且将以相同的值建立Vcm。只需将示例158花费更长的时间来这样做，这是因为当Vref等于零时建立Vcm比当Vref高于零时建立Vcm花费更长的时间。

如果如在示例162b中的|In|>Ip，则负电流Icm最初将通过电容器Ccm 152从地流到外壳电极Ec 12。这利用负电压对电容器Ccm 152充电，这在每个脉冲阶段30a或30b期间从Vref减小Vcm。这导致参考Vcm的Ve1和Ve2也下降。最终，Ve2将刚好勉强(部分98)低于Vn(min)，如图10B的波形166b中示出的。此时，跨NDAC 42₁和42₂两端的电压降Vn变得太小而不能支持产生略微较大的电流|In|。因此，|In|将略微下降以匹配Ip的值，并且因此Icm将等于0。(再次，被加载99也导致Ip被加载，这是因为此时它们相等，如图10A示出的)。Icm＝0防止电容器Ccm进一步充电，从而在低于Vref的电平处建立Vcm，如图10B中示出的。简而言之，在该示例162b中，从电路的角度来看，Icm为负的事实不成问题，这是因为Vref高于零，这允许Vcm降至Vref以下，同时仍保持为正。

再次参考图9A，与电容器Ccm 152并联地包括可选的泄放电阻器(bleedresistor)Rbleed 155。泄放电阻器Rbleed 155优选地具有高电阻(例如1兆欧或更高)。Rbleed允许电荷从电容器Ccm缓慢泄放，例如，在不使用被动组织偏置电路时的时段期间。此外，Rbleed可以协助进行充电平衡，这可以有助于防止电流脉冲的负荷99。Rbleed允许低电流流过，该电流与跨电容器Ccm两端的电压成正比。例如，假设一个或多个PDAC比一个或多个NDAC略微较强，即最初地Ip>|In|，导致Vcm上升。如先前解释的，Vcm将继续增加，直到跨一个或多个更强PDAC两端的电压开始下降至Vp(min)以下为止，从而使Ip下降以匹配|In|，从而实现电流平衡(并使Icm最终等于0)。有利的是，电阻器Rbleed将开始向一个或多个较弱的NDAC添加一些电流，这可能允许在一个或多个PDAC被负荷之前发生电流平衡。如果发生这种情况，则不会存在电极电流的负荷(99)，并且Vcm可以在较低电压下达到平衡。然后从本质上讲，Rbleed充当了升高较弱DAC的电流路径。注意，为方便起见，在组织偏置电路的后续示例中未示出Rbleed，但可以将其与任何这些示例一起使用。

图11A-图11C进一步描述了被动组织偏置电路150在不同情况下的操作。进一步描述了利用电阻Rc、R1和R2对组织R建模的相关性。考虑到这样的建模是有用的，这是因为每个所选电极E1和E2与外壳电极Ec之间的电阻可能不相同，鉴于复杂的组织环境以及电极E1和E2与外壳电极Ec之间的距离，这不足为奇。特别地，R1和R2可以变化。图11A-图11C进一步描述了如果Ip和In的幅度变化，被动组织偏置电路150的操作，并且描述了顺从电压测量和生成电路51可以如何操作以适应被动组织偏置电路150的操作。在图11A-图11C中，假设Vref已经被设置为VH/2。

在图11A中，假设在组织模型中R1等于R2。波形170a示出了当不使用被动组织偏置电路150(例如，开关154断开并且外壳电极处的Vcm浮动)时的电极节点电压Ve1和Ve2。电阻模型中的电压Vt(指示组织电压)浮动到无论何水平都另外地将由刺激指示。在这种情况下，可以看出在脉冲阶段30a和30b中的每个期间Vt是相同的。假设Vp(min)和Vn(min)相等，则Vt将约为VH/2。此外，假设顺从电压测量和生成电路51(图8B)正在操作以将顺从电压调节到最佳水平，则通常将Ve1和Ve2牢固地固定在Vn(min)与VH-Vp(min)之间的区域111内。

对于波形170b-170d，使用被动组织偏置电路150(例如，开关154闭合)，并且因此当(可能)对Ccm 152充电时，在组织中被动建立共模电压Vcm。Ve1和Ve2在脉冲阶段30a和30b中的每个期间都以Vcm为参考。

在波形170b中，Ip＝|In|。Icm将等于零，并且如在波形170a中发生的那样，Vcm被建立在大约VH/2(Vref)处。

在波形170c中，假设最初Ip>|In|，如图10B的示例162a中出现的。Icm最初为正，其最终会出于已经解释的原因而驱动Vcm、Ve1和Ve2更高。这将导致Ve1最终超过VH-Vp(min)。因此，在该示例中，顺从电压测量和生成电路51(图8B)操作以升高VH以减轻该问题。如波形170c中示出的，VH将逐渐升高直到Ve1刚好勉强通过VH-Vp(min)为止，此时，顺从电压测量和生成电路51将停止增加VH，如波形170c中示出的。此时ip等于|In|，Icm将为零，并且Vcm将以高于Vref的值建立。注意，在本示例中，增加顺从电压VH也会(进一步)增加Vcm，这是因为Vref(＝VH/2)也将增加。

在波形170d中，假设最初|In|>Ip。如在图10B的示例162b中所发生的。Icm最初为负，最终驱动Vcm、Ve1和Ve2降低。注意，这最终可能导致Ve2变得低于Vn(min)。同样，测量和生成电路51可以操作以升高VH并减轻该问题。升高VH会提高Vref(＝VH/2)，并且从而提高Vcm、Ve1和Ve2，直到Ve2刚好勉强低于Vn(min)为止，如波形170d中示出的。此时|In|将等于Ip，而Icm将为零。即使趋势对于Vcm将是降低(Icm<0)，升高VH也会升高Vref，这会抵消升高Vcm。

在图11A中波形170c和170d与波形170b的比较示出，如果一个或多个PDAC和一个或多个IDAC提供的电流Ip和In不平衡，则被动组织偏置电路150的使用可以保证增加顺从电压VH的值。通常增加顺从电压不是首选的，这是因为这会在IPG 100中消耗额外的功率，并且会更快地耗尽IPG的电池14(图1)。特别地，在区域111内提供了额外的净空101，在此期间，跨NDAC两端的电压降Vn(波形170c)和跨PDAC两端的电压降Vp(波形170d)大于DAC产生具有规定幅度的脉冲所需的那些。但是，该缺点在当感测组织中的神经反应时被受控的共模Vcm提供的益处所补偿。

在图11B中，假设在组织模型中R1大于R2。波形172a假设未使用被动组织偏置电路150，并且因此组织电压Vt浮动到另外地将由刺激指示的无论任何水平。在这种情况下，可以看出在脉冲阶段30a和30b期间Vt有所不同：由于跨R1两端降低的电压大于跨R2两端降低的电压，因此Vt在脉冲阶段30a期间较低；并且当电流的极性反转时，在脉冲阶段30b期间Vt较高。

对于波形172b-172d，使用被动组织偏置电路150(例如，开关154闭合)，并且因此当(可能)对Ccm 152充电时，在组织中被动地建立了Vcm。在脉冲阶段30a和30b中的每个期间Ve1和Ve2参考Vcm，在该示例中，这导致波形在脉冲阶段中的每个期间移位171。如波形172b中示出的，这种移位171趋向于在第一脉冲阶段30a期间向上拉Ve1和Ve2，而在第二脉冲阶段30b期间向下拉Ve1和Ve2。

在波形172b中，假设Ip＝|In|，它不会为电容器Ccm 152充电。尽管如此，使Ve1和Ve2参考Vcm可能会导致由于给定移位171而导致顺从电压过低，并且因此在波形172b中，可以看到，顺从电压已经升高(51)，使得Ve1和Ve2仍然受到区域111的界定(图8A)，以防止所产生的脉冲变得负荷(99)。

波形172a和172b的比较示出，如果主动电极和外壳电极之间的电阻不平衡，则被动组织偏置电路150的使用可以保证增加顺从电压VH的值。同样，虽然出于功耗原因通常不期望增加VH，但是该缺点在感测组织中的神经反应时被共模电压Vcm提供的益处所补偿。

在波形172c中，假设最初Ip>|In|，最终将驱动Vcm、Ve1和Ve2更高。这可能导致Ve1超过VH-Vp(min)。因此，如示出的，可将顺从电压VH提高到甚至更高(51)，以防止脉冲负荷。同样，增加顺从电压VH也增加了Vref，这在该示例中甚至进一步增加了Vcm。

在波形172d中，假设|In|>Ip，其驱动Vcm以及Ve1和Ve2降低。这可能导致在第二脉冲阶段30b期间Ve1变得低于Vn(min)。因此，可以将顺从电压VH升高到甚至更高(51)，以防止脉冲负荷，如波形170d发生的(图11A)。

通过将波形172c和172d与波形172b进行比较，再次注意到，如果由一个或多个PDAC和一个或多个NDAC提供的电流Ip和In不平衡，则被动组织偏置电路150的使用可以保证甚至进一步增加顺从电压VH的值。如先前关于波形170b-170d(图11A)所描述的。同样，鉴于共模Vcm在组织中提供的益处，这种缺点是可以接受的。

在图11C中，假设在组织模型中R1小于R2。波形174a-174d示出了类似于图10B的波形172a-172d的条件，其再次示出了被动组织偏置电路150的操作如何使Ve1和Ve2参考Vcm，从而有利于神经感测，但是还可以保证增加顺从电压VH(51)以防止脉冲负荷。

因此，尽管由PDAC和NDAC电路提供的Ip和In之间的任何不平衡，并且尽管主动电极和外壳电极Ec之间的电阻R1和R2的任何不平衡，但被动组织偏置电路150在将组织中的Vcm被动地设置为适当的值中是有用的。如已示出的，当存在不平衡时，由被动组织偏置电路150在外壳电极Ec处建立的共模电压Vcm将从由电压源153提供的Vref被动地改变，从而最终导致到外壳的电流(Icm)等于零。与将外壳电极主动地驱动到设定电压相比，这是有益的。主动地驱动外壳电极处的特定电压不能保证电流不会流过组织到达外壳电极。这样的外壳电极电流会导致不希望的“口袋刺激”，这意味着电流从所选电极流向植入外壳12的组织口袋。患者可能会感觉到口袋刺激，或可能另外地会对由所选引线电极提供的治疗产生负面影响。

图12A示出了可用于将组织保持在共模电压Vcm处的被动组织偏置电路200的另一示例。被动组织偏置电路200基本上类似于被动组织偏置电路150工作，但包括放大器180，优选地运算跨导放大器(OTA)，其在电容器Ccm 152的底板处建立虚拟参考电压Vvref。注意，如先前参考图9A所解释的，被动组织偏置电路200可以如之前那样包括开关154和156，以选择性地隔离刺激电路28和被动组织偏置电路200。如也参考图9B所解释的，被动组织偏置电路200中使用的电容器可以包括外壳电极的隔直流电容器Cc 38，尽管这种变化未在图12A中示出。

OTA 180建立输出电流Iout，该输出电流Iout与其输入处的电压差成比例：即，Iout＝(Vref–Vvref)*G，其中，G包括OTA 180的跨导。OTA 180具有正和负最大输出电流+Iout(max)和–Iout(max)。这些最大输出电流的绝对值|Iout(max)|是被提供给OTA 180的偏置电流Ibias的函数：|Iout(max)|＝Ibias*A，其中A包括放大器的电流增益。在一个示例中，电流增益A＝1000和Ibias＝100nanoAmp，这使Iout的范围从-Iout(max)＝-100microAmps到+Iout(max)＝100microAmps。通过OTA 180的设计或Ibias的调节，可以将-Iout(max)和+Iout(max)调节为不同的值。

OTA 180优选地被配置为跟随器，其中虚拟参考电压Vvref被反馈到OTA的负输入。OTA 180的正输入被提供了参考电压Vref。如前所述的Vref可以由电压源153提供，并且如前所述可以包括恒定或可调节的电压，优选地介于或等于地(0V)和顺从电压(VH)之间，诸如VH/2。作为跟随器连接时，只要Icm在-Iout(max)和+Iout(max)之间，OTA 180的输出Vvref将等于Vref，如下面进一步解释的。

借助于图12A中的图可以理解被动组织偏置电路200的操作。鉴于图12A中定义Iout的极性，当Icm在–Iout(max)和+Iout(max)之间时，Iout＝Icm。当在该范围内时，Icm像Iout一样简单地通过OTA 180。因为在该范围内未超过OTA 180的输出电流，所以虚拟参考电压Vvref保持恒定并等于Vref。

示例190a和190b示出了当Icm为正且低于+Iout(max)时的操作。示例190a示出了Ip和|In|之间的不匹配很小，并且因此电流Icm相对较小。在此电流水平下，Vcm最初随着电容器Ccm的充电而增加，而Vvref保持等于Vref。最终(随着脉冲重复)，Vcm稳定在恒定水平处，如先前解释的(图10A-图10B)。示例190b示出了Ip和|In|之间的不匹配更高，并且因此电流Icm也更高。这将使电容器Ccm更快充电，并且Vcm上升更快，并将最终以更高的值建立。尽管未示出，但是应当理解，Icm的负值将在低于Vref的水平处建立Vcm。

如果Ip和|In|之间不匹配很大，使得如示例190c中示出的Icm将超过+Iout(max)，则OTA 180将只能汲取+Iout(max)，从而将Icm限制为该值。使OTA180限制Icm提供了图12A的被动组织偏置电路200的益处，这是因为限制Icm限制了“口袋刺激”，如先前解释的，当不需要的电流流向植入外壳12的组织口袋时，会引起这种情况。在这方面，可以将OTA 180设计为将+Iout(max)和-Iout(max)设置为适当的值，以限制口袋刺激的潜在幅度。

返回到示例190c，因为OTA 180不能容纳所有的过剩电流，所以Vcm和Vvref最初将被拉到Vref以上，达到值Vvref(max)，该值将随着进一步发出脉冲而在幅度上变化。(再次地，可以将Vref设置为VH/2，如果Icm为负，则允许将Vvref向下拉，其中OTA 180将Icm限制为–Iout(max))。然后，电容器Ccm将以限流方式开始充电(其中Icm＝+Iout(max))，从而导致Vcm增大而Vvref减小。随着电容器Ccm在随后的脉冲发出时继续充电，并且如图12B中进一步示出的，Vcm将继续上升，而Vvref将继续下降。如前面提到的，Vcm上升将导致电极节点电压(例如，Ve1和Ve2上升)，最终达到波形之一将开始突破VH-Vp(min)的点，这将导致主导电流Ip下降以匹配|In|，如先前解释的(图10A-图10B)。此时Icm将等于零，从而停止电容器Ccm的进一步充电，并将Vcm建立在低于VH-Vp(min)的值处。还要注意，当Icm等于零时，Vvref将返回Vref。再次地，Icm的负值将在低于Vref但高于Vn(min)的水平处建立Vcm。

图13A示出了被动组织偏置电路250(未示出开关154和156)的另一示例，其增加了用于监视虚拟参考电压Vvref的可选附加电路。为简单起见，未示出开关154和156。

提供了作为逻辑电路的窗口比较器，其包括两个比较器182a和182b。每个比较器182a和182b接收Vvref和设置围绕Vref的窗口173的参考电压。在所示出的示例中，窗口173为200mV宽，并且被设置为从Vref-100mV至Vref+100mV。Vref+100mV被提供给比较器182a，而Vref-100mV被提供给比较器182b。电压Vref-100mV和Vref+100mV可以由类似于产生Vref的源153的电压源提供，尽管未示出这种附加的源。通过将Vvref、Vref+100mV和Vref-100mV连接到比较器的适当正负输入，如果Vvref>Vref+100mV，则比较器182a的输出X将等于“1”，并且如果Vvref<Vref–100mV，则比较器182b的输出Y将等于“1”。如果Vvref在Vref+100mV和Vref-100mV之间，则输出X和Y将等于“0”。窗口173的正负值100mV仅是一个示例，并且可以使用不同的值。也可以使用提供Vvref已超过Vref+100mV或已降至Vref–100mV以下的至少一个指示的输出。

输出X和Y被提供给控制电路102，从而允许在适当的时间监视虚拟参考电压Vvref，如下面进一步讨论的。这样的监视在几个不同方面很有用。首先，如参考图14A和图14B进一步解释的，它允许控制电路102决定何时在IPG 100中最好地执行神经反应感测，这可以通过使控制电路发出感测使能信号S(en)来实现。

其次，监视Vvref也有助于允许控制电路102决定是否应升高顺从电压VH。可以通过主张使能信号VH(en2)来使提高顺从电压VH有效，该使能信号VH(en2)可以被发送到顺从电压测量和生成电路51(图8B)的PWM 53的输入VH(en)，如先前所解释的，其将激活VH调节器49以提高顺从电压。在这方面，VH调节器49可以通过由如已经解释的顺从电压测量和生成电路51中的测量电路提供的使能信号VH(en1)或者通过VH(en2)的主张在其输入处被激活。该替代方案特别有用，这是因为当被动组织偏置电路250不操作(开关154断开)时，VH(en1)可以操作，而当被动组织偏置电路250操作时(开关154闭合)，VH(en2)可以操作。图13A中的或门184可用于处理两个使能信号VH(en1)和VH(en2)，并在其中一个处于活动状态时主张输入VH(en)。在另一示例中，VH调节器49可以仅由使能信号VH(en2)激活，从而提出对顺从电压测量和生成电路51中的测量电路的需要以供讨论。

图13B解释了被动组织偏置电路250的操作以及控制电路102如何可以用来发出控制信号S(en)以使能神经感测以及VH(en2)增加顺从电压。控制电路102在双相脉冲的第一30a和第二30b两个阶段期间审查来自窗口比较器的输出X和Y的状态是有用的，这是因为任一脉冲阶段都可以提供与神经感测或顺从电压调节有关的信息。注意，控制电路102可以知道第一脉冲阶段30a和第二脉冲阶段30b何时发生，并且因此何时应当对输出X和Y进行采样，这是因为控制电路102可以利用该定时信息对刺激电路28进行编程。以其他方式，控制电路102可以接收来自刺激电路28的一个或多个控制信号186(tp1,tp2)，其指示在第一脉冲阶段30a和第二脉冲阶段30b期间何时发生刺激。控制信号tp1和tp2可以被主张为在对输出X和Y进行采样时通知控制电路102，当对隔直流电容器38进行充电最严重时，以及因此当电极节点电压(例如，Ve1和Ve2)最可能突破区域111时(例如，参见图7B)，可以将其编程为更靠近脉冲阶段30a和30b的末端出现。

当在两个脉冲阶段期间通过电容器Ccm的Icm在OTA 180的输出电流限制之内时，即当–Iout(max)<Icm<+Iout(max)时，将发生图13B中的示例202a。在该示例202a期间，Vvref将在窗口173内，并且通常等于Vref，并且在两个脉冲阶段期间，输出X和Y将等于“0”。Vcm将是稳定的，并且因此控制电路102可以此时通过主张S(en)来使能感测。此外，没有理由相信此时顺从电压VH不足以保证每个VH(en2)使能VH调节器49。

在示例202b期间，在两个脉冲阶段30a和30b期间均出现显着的正电流Icm>+Iout(max)。在该示例202b期间，Vvref将在窗口173之外，即，Vvref>Vref+100mV。因此，在两个脉冲阶段期间，输出X将等于“1”，而输出Y将等于“0”。Vcm将不稳定，如图12B中示出的。因此，控制电路102此时将通过解除主张S(en)来禁用感测。仍然没有理由相信此时的顺从电压VH不足。取而代之的是，电容器Ccm可能仅充电至稳态，如图12B中出现的。因此，控制电路102将因此解除主张VH(en2)。

示例202c本质上与示例202b相反，在两个脉冲阶段30a和30b期间均具有显着的负电流Icm<-Iout(max)。在该示例202c期间，Vvref将在窗口173之外，即，Vvref<Vref+100mV。因此，在两个脉冲阶段期间，输出X将等于“0”，而输出Y将等于“1”。Vcm将不稳定，这是因为它处于下降到Vref以下的过程中。因此，控制电路102此时将由解除主张S(en)来禁用感测。再次没有理由认为此时的顺从电压VH不足，这是因为电容器Ccm可能仍在充电至稳态。因此，控制电路102将因此解除主张VH(en2)。

在示例202d期间，可以看出Icm在第一脉冲阶段30a期间显着为正(>+Iout(max))，并且在第二脉冲阶段期间显着为负(<-Iout(max))。在第一脉冲阶段30a期间，Vvref将高于Vref+100mV，并且输出X等于“1”，而输出Y将等于“0”。在第二脉冲阶段30b期间，Vvref将低于Vref–100mV，并且这些逻辑状态被翻转，其中输出X等于“0”，并且输出Y等于“1”。Vcm将不稳定，并且因此控制电路102此时将通过解除主张S(en)来禁用感测。此外，该示例202d将不会暗示电容器Ccm仅在被充电至稳态的途中，这是因为流过电容器的电流Icm在两个脉冲阶段期间被反转。取而代之的是，该示例将表明顺从电压不足：NDAC显然在第一脉冲阶段30a期间(当Ip占优势时)被加载(Vn<Vn(min))，并且PDAC显然在第二脉冲阶段30a期间(当In占优势时)被加载(Vp<Vp(min))。这表明电极节点电压(例如Ve1和Ve2)不能停留在区域111内(图8A)。因此，在该示例202d期间，控制电路将主张VH(en2)。

示例202e本质上与示例202d相反，其中在两个脉冲阶段期间，Icm中的优势被翻转。同样，控制电路102将解除主张S(en)并主张VH(en2)。

图14A和图14B示出了可以如何使用共模电压Vcm的生成来协助感测组织中的神经反应。在这两个图中，用于感测神经反应的检测放大器110可以仅在主张使能信号S(en)时被使能感测。如参考图13A和图13B所解释的，该使能信号可以由控制电路102生成，或者可以以其他方式和在其他时间生成。

图14A示出了如先前解释的在所选电极E6处的神经反应的单端感测(S)。电极节点电压Ve6被提供给感测放大器110的一个输入，而另一输入接收如在外壳电极处生成的Vcm。Ve6也将参考存在于组织中的Vcm。因为Vcm在组织中是稳定的，所以感测放大器110更好地能够拒绝该电压，并且感测小信号神经反应。

图14B示出了在不同的电极E5和E6处的差分感测(S1和S2)。电极节点电压Ve5和Ve6被提供给感测放大器110的输入，两者均参考Vcm。同样，这有助于感测小信号神经反应。

被动组织偏置电路的所公开的示例在感测神经反应中特别有用，但是在其他情况下也可能是有用的，其中有益于设置或良好地控制组织中的共模电压。此外，虽然被动组织偏置电路已经示出为在选择了任意两个电极(例如，E1和E2)的同时操作，但是如果选择了任意两个或更多个电极进行刺激(例如，电极E1和E2作为输出总的阳极电流+I的阳极，并且电极E3作为输出阴极电流–I的阴极)，则该电路也可以操作。

至此，在本公开中，已经假设外壳电极Ec 12包括由被动组织偏置电路用来设置组织中的共模电压Vcm的电极。然而，任何电极，包括基于引线的电极16(图1)，也可以用于该目的。图15示出了被动组织偏置电路300的这种替代，并且包括一个示例，其中可以选择任何电极，诸如任何基于引线的电极16或外壳电极Ec 12，以设置共模电压Vcm。尽管150(图9A)、150’(图9B)或250(图13A)中的任何一个都可以采用图15的替代电路，但图15中所示出的示例通常对应于电路200(图12A)。

在图15中，开关154和156每个已被扩展为包括开关矩阵，其中一个开关154和一个开关156与基于引线的电极(E1、E2等)和外壳电极Ec中的每个相关联。开关154和开关156在功能上与先前描述的独立开关154和156相似。开关156用于经由电极节点ei将每个电极Ei耦合至刺激电路28(未示出)，而开关154用于将每个电极Ei耦合至共模电容器Ccm。因此，在该示例中，共模电容器Ccm被电极共享；在另一示例中，每个电极可以包括其自己的用于设置Vcm的专用电容器。

在图15的底部处所示出的示例中，假设电极E1和E2已被选择为主动的，以向组织提供双相刺激(I)，而电极E3将提供共模电压Vcm。耦合到主动电极E1和E2的开关156因此被闭合(控制信号A1和A2被主张)以将这些电极连接到刺激电路28。由于在这些主动电极节点处也提供Vcm是不一致的，因此它们的开关154被断开(控制信号B1和B2被解除主张)以将这些电极与电容器Ccm断开。相比之下，将为组织建立共模电压Vcm的电极E3将使其开关154闭合(控制信号B3被主张)，以将E3连接到电容器Ccm。因为也利用刺激电路28来驱动电极E3是不一致的，所以其开关156断开(控制信号A3被解除主张)。可以断开与电极E1、E2或E3不相关联的所有其他开关，这是因为在此示例中它们不涉及驱动组织电流或提供共模电压Vcm。

注意，可以选择超过一个的电极来提供共模电压。例如，可以选择电极E3和E4以提供Vcm(主张B3和B4)，或者电极E3、E4和外壳电极Ec可以全部被选择为提供Vcm(主张B3、B4和Bc)。选择用于感测神经反应的一个或多个电极(诸如图15的示例中的电极E6)将不会被选择参与向组织提供Vcm。也就是说，E6的开关154将像其开关156一样(A6被解除主张)被断开(B6被解除主张)，这是因为E6在感测时不会被刺激电路28驱动。

向更靠近用于刺激的那些的电极提供Vcm可以有助于将电极节点电压参考为Vcm。此外，允许非外壳电极16提供Vcm允许外壳电极Ec 12诸如在单极刺激期间被主动地驱动(Ac被主张；Bc被解除主张)，同时仍然提供了Vcm生成所提供的益处。

尽管未示出，但是IPG 100可以在设备上的任何位置包括一个或多个特殊电极以设置Vcm，该一个或多个电极可以专用于Vcm生成，并且不能用于对组织R提供刺激。

Claims

1.一种可植入刺激器设备，包括：

多个电极节点，每个电极节点被配置为耦合到被配置为接触患者组织的多个电极之一；

外壳，其被配置为植入所述患者组织中，其中所述外壳包含刺激电路，所述刺激电路被配置为在电极节点中的至少两个电极节点处提供脉冲以产生通过所述患者组织的刺激电流；以及

电容，其被配置为，当所述刺激电路向所述至少两个电极节点提供所述脉冲时在所述多个电极中的至少一个电极和在所述外壳内部产生的第一参考电压之间耦合，其中，所述电容被配置为在所述至少一个电极处向所述组织提供共模电压。

2.根据权利要求1所述的可植入刺激器设备，其中，所述外壳是导电的，其中，所述导电外壳包括所述至少一个电极。

3.根据权利要求1或2所述的可植入刺激器设备，其中，所述至少一个电极被配置为是能从所述多个电极中选择的。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的可植入刺激器设备，其中，所述电容包括一个或多个电容器。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的可植入刺激器设备，其中，所述刺激电路还被配置为向所述至少一个电极提供脉冲，其中，所述电容被配置为，当所述刺激电路向所述至少一个电极提供所述脉冲时在所述至少一个电极与所述第一参考电压之间解耦。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的可植入刺激器设备，还包括电压源，其被配置为产生所述第一参考电压。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的可植入刺激器设备，其中，所述刺激电路被配置为由顺从电压供电，并且其中，所述第一参考电压在所述顺从电压和地之间，或者其中，所述第一参考电压被配置为与所述顺从电压成比例。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的可植入刺激器设备，还包括放大器，其被配置为产生所述第一参考电压。

9.根据权利要求8所述的可植入刺激器设备，其中，所述放大器包括第一输入和第二输入，其中，所述放大器被配置为跟随器，在该跟随器中所述第一参考电压被提供给所述第一输入，并且其中第二参考电压被提供给所述第二输入。

10.根据权利要求9所述的可植入刺激器设备，还包括电压源，其被配置为产生所述第二参考电压。

11.根据权利要求10所述的可植入刺激器设备，其中，所述刺激电路被配置为由顺从电压供电，其中，所述第二参考电压在所述顺从电压与地之间，或者其中，所述第二参考电压被配置为与所述顺从电压成比例。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的可植入刺激器设备，其中，所述放大器被配置为：如果通过所述电容的电流处于所述放大器的最小和最大输出电流之间，则保持所述第一参考电压等于所述第二参考电压。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的可植入刺激器设备，还包括逻辑电路，其被配置为发出所述第一参考电压超过第一阈值或下降到第二阈值以下的至少一个指示。

14.根据权利要求13所述的可植入刺激器设备，还包括控制电路，其被配置为响应于所述至少一个指示而发出使能信号，所述使能信号指示何时能在所述多个电极节点中的至少一个电极节点处感测到所述组织中响应于所述刺激电流的神经反应。

15.根据权利要求14所述的可植入刺激器设备，其中，所述刺激电路由顺从电压供电，其中，所述控制电路被配置为响应于所述至少一个指示而发出使能信号，所述使能信号指示何时应当增加所述顺从电压。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的可植入刺激器设备，还包括至少一个感测放大器，其被配置为：当所述电容被配置为在所述至少一个电极处向所述组织提供所述共模电压时，感测所述组织中响应于所述刺激电流的神经反应。

17.根据权利要求16所述的可植入刺激器设备，其中，所述至少一个感测放大器包括第一输入和第二输入，其中，所述至少一个感测放大器被配置为在其第一输入处接收所述电极节点中的一个。

18.根据权利要求17所述的可植入刺激器设备，其中，所述至少一个感测放大器被配置为在其第二输入处接收所述共模电压，或者被配置为在其第二输入处接收所述电极节点中的另一个以差分地感测一个电极节点与另一个电极节点之间的神经反应。