CN112689526A - 高频神经刺激期间的差分电荷平衡 - Google Patents

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Abstract

差分电荷平衡可用于高频神经刺激。例如，神经刺激设备可以具有被配置为靠近神经纤维联接以实施神经刺激程序的第一电极和第二电极。神经刺激电路可以电联接到第一和第二电极。在神经刺激程序的第一刺激阶段期间，神经刺激电路可以通过第一和第二电极将刺激电流施加到神经纤维。神经刺激电路还可以在神经刺激程序的第二刺激阶段期间通过第一电极将修改的刺激电流施加到神经纤维。可以基于(i)第一电极上的电压与(ii)从第一电极和第二电极上的电压导出的参考电压之间的差来生成修改的刺激电流。

Description

高频神经刺激期间的差分电荷平衡
技术领域
本公开总体上涉及电治疗系统。更具体地但非限制性地，本公开涉及高频神经刺激期间的差分电荷平衡(differential charge-balancing)。
背景技术
可以通过使用电信号刺激患者体内的神经来治疗许多慢性疾病，例如癫痫和抑郁症。虽然通常使用较低频率(例如20赫兹(Hz)至1kHz)的电信号来实施这样的神经刺激程序，但最近的研究表明，使用较高频率(例如1kHz至50kHz)的电信号可以治疗某些疾病。
发明内容
本公开的一个示例包括一种系统，该系统包括一组电极，该一组电极被配置为联接至神经纤维，以实施神经刺激程序。该系统还包括电联接到该一组电极的刺激电路。刺激电路被配置为在神经刺激程序的治疗周期的刺激阶段期间，通过该一组电极施加刺激电流到神经纤维。刺激电路还被配置为在治疗周期中的刺激阶段之后的恢复阶段期间，将恢复电流通过该一组电极施加到神经纤维，该恢复电流与相应刺激电流具有相反的极性。该刺激电路还被配置为基于从该一组电极上的电压导出的参考电压来调整刺激电流或恢复电流的一个或多个特性，刺激电流或恢复电流的一个或多个特性被调整为减少至少部分地由刺激阶段和恢复阶段导致的在该一组电极上的电荷积聚。刺激电路还被配置为，在神经刺激程序的随后的治疗周期期间，通过该一组电极将具有调整后的一个或多个特性的刺激电流或恢复电流施加至神经纤维，以减少电荷积聚。
本公开的另一个示例包括一种方法，该方法包括在神经刺激程序中的治疗周期的刺激阶段期间，将刺激电流通过一组电极施加到神经纤维。该方法还包括在治疗周期中的刺激阶段之后的恢复阶段期间，将恢复电流通过该一组电极施加至神经纤维，该恢复电流具有与相应刺激电流相反的极性。该方法还包括基于从该一电极上的电压导出的参考电压来调整刺激电流或恢复电流的一个或多个特性，调整刺激电流或恢复电流的一个或多个特性以减少至少部分地由刺激阶段和恢复阶段导致的在该一组电极上的电荷积聚。该方法还包括在神经刺激程序的随后治疗周期期间，将具有调整后的一个或多个特性的刺激电流或恢复电流通过该一组电极施加到神经纤维，以减少电荷积聚。这些步骤中的一些或全部可以通过神经刺激设备来执行。
本公开的又一个示例包括神经刺激设备，该神经刺激设备包括第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极被配置为靠近神经纤维联接，以实施神经刺激程序。该神经刺激设备还包括电联接到第一电极和第二电极的神经刺激电路。神经刺激电路被配置为，在神经刺激程序的第一刺激阶段期间，将刺激电流通过第一电极和第二电极施加到神经纤维。神经刺激电路还被配置为，在神经刺激程序的第二刺激阶段期间，将修改的刺激电流通过第一电极施加到神经纤维，其中，基于(i)在第一电极处的电压和(ii)从第一电极和第二电极上的电压得出的参考电压(例如，作为第一刺激阶段的结果)之间的差生成修改的刺激电流。
本公开的又一个示例包括一种方法，该方法包括，在神经刺激程序的第一刺激阶段期间，通过第一电极和第二电极将刺激电流施加到神经纤维。该方法还包括，在神经刺激程序的第二刺激阶段期间，将修改的刺激电流通过第一电极施加到神经纤维，其中，基于(i)第一电极处的电压和(ii)从第一电极和第二电极上的电压得出的参考电压(例如，作为第一刺激阶段的结果)之间的差来生成修改的刺激电流。这些步骤中的一些或全部可以由神经刺激设备执行。
提及这些说明性示例不是为了限制或限定本公开的范围，而是提供示例以帮助对其进行理解。在详细描述中讨论了说明性示例，该详细描述提供了进一步的描述。通过检查本说明书，可以进一步理解各种示例所提供的优点。
附图说明
图1是根据本公开的一些方面的神经刺激设备的示例的电路图；
图2是示出根据一些方面的图1的神经刺激设备的更详细示例的电路图；
图3是示出根据一些方面的在神经刺激程序的刺激和恢复阶段期间图2的神经刺激设备的示例的电路图；
图4是示出根据一些方面的在神经刺激程序的采样阶段期间图2的神经刺激设备的示例的电路图；
图5是示出根据一些方面的在神经刺激程序的采样阶段期间图2的神经刺激设备的另一示例的电路图；
图6是根据一些方面的在神经刺激程序期间的几个治疗周期的过程中电极两端的电压的示例的图；
图7是根据一些方面的用于实施神经刺激程序的过程的示例的流程图；
图8是根据一些方面的神经刺激设备的上半部的示例的框图。
具体实施方式
现在将详细参考各种和替代的说明性示例以及附图。每个示例都是通过说明的方式而不是作为限制提供的。对于本领域技术人员显而易见的是，可以进行修改和变化。例如，作为一个示例的一部分示出或描述的特征可以在另一示例中使用以生成又一示例。因此，意图是本公开包括落入所附权利要求及其等同物的范围内的修改和变化。
在神经刺激期间提供差分电荷平衡的说明性示例
本公开的一个说明性示例包括一种神经刺激设备，用于向患者施加高频神经刺激。神经刺激设备包括联接到第一电极和第二电极的神经刺激电路。电极可以联接到患者体内的神经纤维，例如患者手臂中的神经纤维。神经刺激设备可以使用神经刺激电路在共同形成神经刺激程序(neural stimulation procedure)的一系列治疗周期中(经由电极)将电流反复施加到神经纤维。
每个治疗周期可包括一系列阶段(例如，时期)。在说明性示例中，阶段包括刺激阶段和恢复阶段。在刺激阶段，神经刺激设备可以通过电极向神经纤维施加具有一定极性的刺激电流，以刺激神经。但是，反复向神经纤维施加刺激电流会导致电荷积聚在电极上，其可能损坏神经纤维。因此，神经刺激设备接下来可以执行恢复阶段，以减少电极上积聚的电荷。在恢复阶段，神经刺激设备可以通过电极向神经纤维施加恢复电流。恢复电流可以具有相似的波形，但是具有与刺激电流相反的极性。恢复阶段的目标是完全抵消从刺激阶段积聚在电极上的电荷，并使它们恢复到正常状态，但是由于实际效率低下，恢复电流通常不是刺激电流的理想逆复制。结果，在恢复阶段之后，残余电荷通常留在电极上。而且，如果在高频神经刺激程序的几个治疗周期中迅速重复刺激和恢复阶段，则电极上的残余电荷会迅速积聚到危险水平(例如，大于0.5v)，在此危险水平会发生化学反应，其会损害神经纤维和周围组织。
为了减少或消除这些危险，在说明性示例中，神经刺激设备还可以实施采样阶段。采样阶段可以在神经刺激程序的每个治疗周期中的恢复阶段之后进行。在采样阶段，神经刺激设备可以从第一和第二电极上的电压得出参考电压。具体地，由刺激和恢复阶段生成的残余电荷可以表现为在不同电极上的不同电压。神经刺激设备可以从那些电压得出参考值。参考电压的示例可以包括电压的平均值、电压的组合、电压的聚合(aggregation ofthe voltage)、电压之间的差等。在获得参考电压之后，在一些示例中，神经刺激设备可以使用参考电压以调整在下一个治疗周期的下一个刺激阶段期间施加到电极的刺激电流的一个或多个特征(例如，幅值、频率、波形和/或持续时间)。例如，神经刺激设备可以包括反馈回路，其中每个电极的电压与参考电压之间的差用于调整在下一个治疗周期的下一个刺激阶段中用于对电极进行驱动的刺激电流。附加地或替代地，神经刺激设备可以使用参考电压来调整在下一个治疗周期的下一个恢复阶段期间施加到电极的恢复电流的一个或多个特性。例如，反馈回路可以利用每个电极的电压与参考电压之间的差来调整在下一个治疗周期的下一个恢复阶段中用于对电极进行驱动的恢复电流。这样，可以在每个治疗周期期间差别地调整刺激和/或恢复电流，以防止电极在几个治疗周期的过程中积聚危险的残余电荷水平，而不会减少在神经刺激期间提供给患者的刺激电流和/或恢复电流的总量。
尽管为简单起见，上述示例包括两个电极，但是其他示例可以包括更多电极。例如，神经刺激设备可以包括五个电极，神经刺激设备可以通过这五个电极在刺激阶段期间施加五个刺激电流，在恢复阶段施加五个恢复电流。在采样阶段，神经刺激设备可以从五个电极上的电压得出参考电压，然后利用每个电极的电压与参考电压之间的差来调整在下一个治疗周期期间用于对电极进行驱动的刺激电流和/或恢复电流。
以上提供的说明性示例的描述仅作为示例提供，而不是限制或限定本主题的限制。本文描述了各种其他示例，并且本领域技术人员将理解这样的示例的变型。通过检查本说明书和/或通过实践要求保护的主题的一个或多个示例，可以进一步理解由各种示例提供的优点。
用于在高频神经刺激期间提供差分电荷平衡的说明性系统和方法
图1是根据本公开的一些方面的神经刺激电路100的示例的电路图。神经刺激电路100可以在诸如神经调整疗法之类的神经刺激程序期间使用，以治疗慢性疾病。在神经刺激期间，电流源I1-I2通过位于患者组织上或组织内的电极E1-E2将电流输送到患者组织内的神经纤维(由图1中的阻抗R1表示)。
当电流流过电极E1-E2到达患者的组织时，可能会在电极E1-E2与组织之间的界面处形成双层电容。例如，如果跨经电极E1和组织的电压较小(例如，小于0.5v)，则生成电容DLC1。并且，如果跨经电极E2和组织的电压较小，则还会生成电容DLC2，从而生成由DLC1和DLC2形成的双层电容。但是，如果跨经这些界面中的一个或两个的电压很大(例如，大于0.5v)，则可能会发生不希望的化学反应，从而在电极E1-E2之间形成直流(DC)路径，其损坏组织。
使跨经这些界面的电压变得大到有危险的一种方式是通过在电极E1-E2上积聚电荷。当神经刺激电路100实施神经刺激程序的多个治疗周期时，可能发生电荷积聚。每个治疗周期可以涉及刺激阶段。在刺激阶段期间，神经刺激电路100可以闭合开关SW1和SW4，同时保持开关SW2和SW3断开。开关的示例可以包括晶体管、继电器或单刀单掷开关。利用上述配置的开关，电流然后可以从电流源I1流到电极E1，通过组织流到电极E2，然后流到电流源I4，如虚线所示的。每个治疗周期还可以包括恢复阶段，该恢复阶段可以在刺激阶段之后发生。在恢复阶段期间，神经刺激电路100可以闭合开关SW3和SW2，同时保持开关SW1和SE4断开。电流然后可以沿与虚线相反的方向从电流源I2流到电极E2，通过组织流到电极E1，然后流到电流源I3。在刺激阶段和恢复阶段之后，一些残余电荷通常保留在电极E1-E2上。如果残余电荷没有减少或消除，则在多个治疗周期后，电极E1-E2上的电压可能会积聚到到危险水平。
为了避免这些危险，本公开的一些示例包括反馈电路102。神经刺激电路100可以在恢复阶段之后发生的采样阶段期间激活反馈电路102。反馈电路102是有源电路，其使用从电极E1-E2上的电压导出的参考电压来调整在随后的治疗周期期间由电流源I1-I2施加的刺激电流和/或恢复电流。下面参考图2对此进行更详细的描述。
图2示出了根据一些方面的图1的神经刺激电路100的上半部的更详细的示例。如图2所示，反馈电路102通常可以包括与两个电极E1-E2相对应的两半部。左半部可以对应于电极E1，并且可以包括开关SW5-SW9；电容器Cs1、Cr1和Cb1；以及电压-电流转换器Gm1。左半部可以将电信号反馈回电流源I1的晶体管，以调整由电流源I1提供的刺激和/或恢复电流。右半部可以对应于电极E2，并且可以包括开关SW10-SE14；电容器Cs2、Cr2和Cb2；以及电压-电流转换器Gm2。右半部可以将电信号反馈到电流源I2的晶体管，以调整由电流源I2提供的刺激和/或恢复电流。这两个半部在公共节点200和202的中间相遇。下面参考图3-5讨论带有反馈电路102的神经刺激电路100的操作。
图3示出了在神经刺激程序的刺激和恢复阶段期间神经刺激电路100的上半部的示例。尽管为简单起见在图3中未示出，但是控制元件(例如，一个或多个处理器、定时器和/或晶体)可以联接到开关SW1-SW12的任何组合。控制元件可以将控制信号传输到开关SW1-SW12，以便改变其状态，从而实现治疗周期的各个阶段。例如，控制元件可以通过发送被配置成使开关SW1闭合的闭合信号(例如，高信号)和被配置成使开关SW3断开的断开信号(例如，低信号)来启动刺激阶段。当开关SW1、SW3处于这些状态时，刺激电流可以从电流源I1流经电极E1-E2，从而刺激患者的组织并跨电极E1-E2生成正电压。在曲线图300中的线VE1-2示出了在刺激阶段期间该正电压的示例。一旦刺激阶段完成，控制元件就可以通过发送被配置为使开关SW1断开的断开信号和被配置为使开关SW3闭合的闭合信号来启动恢复阶段。当开关SW3、SW1处于这些状态时，恢复电流可以在相反的方向上从电流源I2流过电极E1-E2，从而可电极E1-E2生成负电压。在曲线图300中的线VE1-2示出了在恢复阶段期间该负电压的示例。在恢复阶段结束时，电极上残留有残余电荷(ΔV)。
在刺激和恢复阶段期间，在图3中使用较深颜色显示的反馈电路102的部件是激活的(active)，而在图3中以较浅颜色显示的反馈电路102的部件是非激活的(inactive)。例如，在这两个阶段期间，控制元件都可以断开开关SW5和SW10，以防止电流流到反馈电路102。控制元件还可以闭合开关SW6和SW11，以复位采样电容器Cs1-Cs2。另外，控制元件可以断开开关SW8和SW13，以防止电流从参考电容器Cr1-Cr2流到电流源I1-I2，并闭合开关SW9和SW14，以使参考电容器Cr1-Cr2在公共节点202处能够充电到固定电压(Vf)。
在恢复阶段之后，控制元件可以通过发送被配置为使得一些或所有开关SW1-SW4断开的断开信号来启动采样阶段，例如，如图4-5所示。在那些图中，在图4-5中使用较深的颜色示出的反馈电路102的部件是激活的，而在图4-5中以较浅的颜色示出的反馈电路102的部件是非激活的。
现在参考图4，在采样阶段期间，控制元件可以向开关SW5、SW8、SW10和SW13发送闭合信号以闭合这些开关。这样的闭合信号的一个示例由曲线图400中的φsamp表示。控制元件还可以将断开信号传输到开关SW6、SW9、SW11和SW14，以断开这些开关。这种断开信号的示例由曲线图400中的
Figure BDA0002971265190000071
表示。当反馈电路102处于该开关配置时，采样电容器Cs1-Cs2可以在公共节点200处的电极E1-E2之间生成参考电压(例如，平均电压)。采样电容器Cs1-Cs2每个还可以充电到一电压电平，该电压电平是每个电极的电压与节点200处的参考电压之间的差。例如，采样电容器Cs1可以充电到一电压电平，该电压电平是电极E1处的电压与公共节点200处的参考电压之间的差。采样电容器Cs2可以充电到一电压电平，该是电极E2处的电压与公共节点200处的参考电压之间的差。该过程可以称为采样，由此采样电容器Cs1-Cs2对每个电极的电压与公共节点200处的参考电压之间的差进行采样。
如图5所示，在采样阶段期间，控制元件还可以在短时间内激活电压-电流转换器Gm1-Gm2。参见图5，控制元件可以将闭合信号传输到开关SW7和SW12以闭合这些开关。这种闭合信号的一示例由曲线图500中的φGmEn表示。在开关SW7闭合的情况下，电压-电流转换器Gm1可以生成与跨采样电容器Cs1的电压有关的第一信号(例如，输出电流)。由于跨采样电容器Cs1的电压是公共节点200处的参考电压与电极E1处的电压之间的差，因此来自电压-电流转换器Gm1的第一信号可以与公共节点200处的参考电压与电极E1处的电压之间的差有关。如图5中的虚线箭头所示，电压-电流转换器Gm1可以向电流源I1的端子(例如，栅极)传输第一信号。第一信号可以与来自参考电容器Cr1的另一信号(例如，固定电流)组合，以得到被反馈到电流源I1的组合信号。将组合信号提供给电流源I1可以使电流源I1对在随后的刺激阶段期间施加到电极E1的刺激电流和/或在随后的恢复阶段期间施加到电极E1的恢复电流的特性进行调整。
与上述类似，在开关SW12闭合的情况下，电压-电流转换器Gm2可以生成跨采样电容器Cs2的电压有关(例如成比例)的第二信号。由于可采样电容器Cs2的电压是公共节点200处的参考电压与电极E2处的电压之间的差，所以来自电压-电流转换器Gm2的第二信号可以与公共节点200处的参考电压与电极E2处的电压之间的差有关。电压-电流转换器Gm2可以将第二信号朝向电流源I2的端子发送。第二信号可以与来自电容器Cr2的另一个信号组合，以得到组合信号，该组合信号被反馈到电流源I2。将组合信号提供给电流源I2可以使电流源I2对在随后的刺激阶段期间施加到电极E2的刺激电流和/或在随后的恢复阶段期间施加到电极E2的恢复电流的特性进行调整。
对刺激电流和/或恢复电流的调整可以是微小的，以便在多个治疗周期中将电极E1-E2上的残余电压逐渐减小到零。图6示出了此过程的一个示例。图6描述了八个治疗周期，但是任何数量的治疗周期都是可以的。每个治疗周期包括刺激阶段(φ1)、恢复阶段(φ2)和采样阶段(φ3)。在整个治疗周期的过程中，将定期应用这些阶段中的每个阶段。结果，逐渐调整电极E1-E2上的残余电压，使得其在近似零周围振荡并最终减小到近似零。
虽然图2-5中所示的示例描绘了具有相应反馈部件的两个电极，但是神经刺激电路100可以包括具有相应电流源和反馈部件的任意数量和组合的电极。作为一个这样的示例，神经刺激电路100可以包括联接到第三电极(例如，E3)的第三电流源，以经由第三电极将刺激和恢复电流传输到患者的组织。神经刺激电路100还可以包括联接在第三电流源和第三电极之间的反馈部件，由此可以以上述的任何布置来配置反馈部件。例如，反馈部件可以包括采样电容器(例如，Cs3)、电压-电流转换器(例如，Gm3)、参考电容器(例如，Cr3)、另一个电容器(例如，Cb3)和各种开关。可以如图2-5所示配置这些部件，使采样电容器的引线联接到公共节点200，以基于公共节点200处的电极E1-E3上的电压生成参考电压，参考电容器的引线可以联接到公共节点202，以充电到固定电压Vf。
此外，尽管图2-5中所示的反馈电路102具有一定的电路部件布置，但是其他的电路部件布置也是可以的。一些示例可以包括比图2-5中所示的更多的电路部件、更少的电路部件、不同的电路部件或不同的电路部件组合。例如，除了图2-5中描绘的模拟部件之外或作为其替代，一些示例可以使用各种数字部件(例如，逻辑门、处理器、模数转换器或数模转换器)。在一个这样的示例中，反馈电路102可以包括除了电压/电流转换器Gm1-Gm2之外或作为其替代的处理器。处理器可以检测跨采样电容器Cs1的电压，并且将第一信号响应性地传输到电流源I1，以调整其在随后的刺激阶段施加的第一刺激电流和/或在随后的恢复阶段期间施加的第一恢复电流。处理器还可以检测跨采样电容器Cs2的电压，并将第二信号响应性地传输到电流源I2，以调整它在随后的刺激阶段施加的第二刺激电流和/或在随后的恢复阶段施加的第二恢复电流。
作为另一示例，反馈电路102可以包括除了电压/电流转换器Gm1-Gm2和/或采样电容器Cs1-Cs2之外或作为其替代的比较器。比较器可以包括第一比较器，该第一比较器被配置为将电极E1上的电压与参考电压进行比较，以确定电极E1上的电压是高于还是低于参考电压。如果在电极E1上积聚的电荷大于参考电压，则第一比较器可以向电流源I1输出第一信号(例如，电流脉冲)，以使电流源I1调整在随后的刺激阶段期间施加的第一刺激电流和/或在随后的恢复阶段期间施加的第一恢复电流。同样，比较器可以包括第二比较器，该第二比较器被配置为将电极E2上的电压与参考电压进行比较，以确定电极E2上的电压是高于还是低于参考电压。如果在电极E2上积聚的电荷大于参考电压，则第二比较器可以将第二信号输出到电流源I2，以使电流源I2调整在随后的刺激阶段期间施加的第二刺激电流和/或在随后的恢复阶段施加的第二恢复电流。
在图8中示出了更重地依赖于数字电路的又一个示例，图8示出了根据一些方面的神经刺激电路100的上半部。神经刺激电路100包括反馈电路102。反馈电路102可以检测与电极E1-E2相关的电压并控制电流源I1-I2，以调整随后的施加的刺激电流和/或恢复电流。
更具体地，反馈电路102包括被配置为检测与电极E1-E2相关联的电压的一个或多个传感器802。传感器802的示例可以包括电压表或电容器，例如图2的电容器Cs1。传感器802可以检测E1处的电压、E2处的电压、参考电压或这些的任何组合。传感器802可以输出表示检测到的电压的传感器信号。一个或多个量化器804可以从传感器802接收传感器信号，并将由传感器802检测到的电压转换成数字信号。量化器(quantizer)的示例可以包括模数转换器，例如5位模数转换器。量化器804可以将数字信号发送到数字信号处理电路806，其可以包括逻辑门，例如与、或、非、与非门；处理器，例如比例积分控制器；集成电路(IC)部件，例如放大器或比较器；或这些的任何组合。数字信号处理电路806可以接收数字信号并基于数字信号生成第一和第二信号。然后，数字信号处理电路806可以分别将第一信号和第二信号发送到电流源I1-I2，以控制电流源I1-I2(例如，调整随后的施加的刺激电流和/或恢复电流)。
在一些示例中，量化器804可以包括专用于每个电极的量化器。因此，如果有两个电极(例如，电极E1-E2)，则将有两个量化器。如果有三个电极，则将有三个量化器，等等。每个量化器都可以从传感器802接收模拟信号，其中模拟信号代表量化器相应电极上的电压。然后，每个量化器可以基于模拟信号生成数字信号，并将该数字信号传输至数字信号处理电路806，其进而可以处理数字信号，以确定如何调整由电流源I1-I2施加的刺激电流和/或恢复电流。
在其他示例中，量化器804可以包括多通道量化器。多通道量化器可以具有与电极一样多的通道。例如，多通道量化器可以包括与电极E1相对应的第一通道和与电极E2相对应的第二通道。每个通道可以接收代表在其相应电极处检测到的电压的模拟信号。例如，第一通道可以接收代表在电极E1处检测到的第一电压的第一模拟信号，并且第二通道可以接收代表在电极E2处检测到的第二电压的第二模拟信号。多通道量化器可以基于接收到的模拟信号来生成一个或多个数字信号。例如，多通道量化器可以基于与电极E1关联的第一模拟信号和与E2关联的第二模拟信号来生成单个数字信号，其中该单个数字信号代表电极E1处的第一电压和电极E2处的第二电压之间的差。然后，多通道量化器可以将数字信号(一个或多个)发送到数字信号处理电路806。
数字信号处理电路806可以从量化器(一个或多个)804接收数字信号(一个或多个)，并基于该数字信号(一个或多个)控制电流源I1-I2。例如，数字信号处理电路806可以基于数字信号(一个或多个)确定E1处的电压、E2处的电压、参考电压(例如，E1-E2处的电压之间的差)或这些的任意组合。然后，数字信号处理电路806可以基于所确定的电压来控制电流源I1-I2，以便调整刺激电流和/或恢复电流的特性(例如，幅值、脉冲宽度或两者)。这可以减少电荷积聚。
作为一个具体示例，数字信号处理电路806可以包括比例积分控制器。比例积分控制器可以基于从量化器(一个或多个)804接收的数字信号(一个或多个)来控制电流源I1-I2，从而调整刺激电流和/或恢复电流的特性。例如，比例积分控制器可以生成配置为将电流源I1输出的电流量增加一定量(例如+10mA)的第一信号，并生成配置为将电流源I2输出的电流量减小一定量(例如-10mA)的第二信号。这可以导致电流源I1-I2输出的电流通常彼此抵消，这可以减少电荷积聚。
尽管图8中所示的示例描绘了两个电极E1-E2，但是神经刺激电路100可以包括任意数量的电极及其组合以及相应的反馈部件。此外，尽管图8所示的反馈电路102具有一定的部件布置，但是其他示例可以包括比图8所示的更多的部件、更少的部件、不同的部件或不同的部件布置。例如，一些示例可能缺少单独的传感器802，而是依靠量化器804来充当传感器(例如，以检测电压)，因为量化器通常可以直接测量电压。并且一些示例可以涉及量化器804是数字信号处理电路806的处理器(例如，在其内部)的一部分。此外，以上关于图8讨论的任何方面可以与以上关于图1-5讨论的方面中的任何方面组合，以产生进一步的示例。
图7是根据一些方面的用于实现神经刺激程序的过程的示例的流程图。其他示例可以包括比图7中所示的更多的步骤、更少的步骤、不同的步骤或不同的步骤组合。下面参考上面关于图2-5讨论的部件来讨论图7的步骤。
在框702中，神经刺激设备使用神经刺激电路100来实施神经刺激程序的刺激阶段。更具体地，神经刺激设备通过操作控制元件来启动刺激阶段，该控制元件将闭合信号发送至开关SW1，并且将断开信号发送至开关SW3。闭合信号使开关SW1闭合，断开信号使开关SW3断开。闭合开关SW1完成电流源I1和电极E1之间的电路，从而使电流源I1能够将刺激电流传输到电极E1，通过患者组织中的神经纤维，传输到电极E2，然后再传输到地。刺激电流在其电极E1和E2之间通过时刺激患者组织中的神经纤维，但结果也会在电极E1-E2上留下电荷。
传输至神经纤维的刺激电流的量可以根据治疗周期而改变。例如，在神经刺激程序的第一治疗周期期间，电流源I1可以被配置为将初始量的刺激电流传输至神经纤维。刺激电流的初始量可以由神经刺激设备的操作者设置(例如，作为神经刺激程序的一部分)。例如，神经刺激设备可以接收用户输入，该用户输入设定在第一治疗周期期间将被传输到神经纤维的刺激电流的初始量。响应于用户输入，神经刺激设备可以配置电流源I1以在第一治疗周期期间将所述量的刺激电流输送到神经纤维。在神经刺激程序的随后的循环期间，例如，如下面在下面更详细地讨论的，可以通过反馈电路102来调整在刺激阶段期间传输到神经纤维的刺激电流的量。
在框704中，神经刺激设备使用神经刺激电路100来实施神经刺激程序的恢复阶段。更具体地，神经刺激设备可以通过操作所述控制元件来结束刺激阶段并启动恢复阶段，使得控制元件将断开信号传输至开关SW1，将闭合信号传输至开关SW3。断开信号使开关SW1断开，而闭合信号使开关SW3闭合。将开关SW3闭合完成电流源I2和电极E2之间的电路，从而使电流源I2能够将恢复电流传输到电极E2，通过患者组织中的神经纤维，传输到电极E1，然后再传输到地。该恢复电流在其在电极E1和E2之间通过时刺激神经纤维。由于恢复电流可以具有与刺激电流相反的极性，因此恢复电流可以减少电极E1-E2上的电荷量。但是，在恢复阶段结束时可能仍然有残余电荷。
传输至神经纤维的恢复电流的量可以根据治疗周期而改变。例如，在神经刺激程序的第一治疗周期期间，电流源I2可以被配置成将初始量的恢复电流传输到神经纤维。恢复电流的初始量可以由神经刺激设备的操作者设置(例如，作为神经刺激程序的一部分)。例如，神经刺激设备可以接收用户输入，该用户输入设定在第一治疗周期期间将被传输到神经纤维的恢复电流的初始量。响应于用户输入，神经刺激设备可以配置电流源I2以在第一治疗周期期间将所述量的恢复电流输送到神经纤维。在神经刺激程序的随后的循环期间，例如，如下面在下面更详细地讨论的，可以通过反馈电路102来调整在刺激阶段期间传输到神经纤维的恢复电流的量。
在框706中，神经刺激设备使用神经刺激电路100来实施神经刺激程序的采样阶段。更具体地，神经刺激设备可以通过操作所述控制元件来结束恢复阶段并启动采样阶段，使得控制元件将断开信号传输至开关SW1和SW3。断开信号使开关SW1和SW3断开，从而防止电流在电流源II-I2和电极E1-E2之间流动。
在开关SW1和SW3断开的情况下，控制元件可以通过操作开关SW5-SW14来实施采样阶段(例如，如上所述)，以基于公共节点200处的参考电压生成第一信号和第二信号。反馈电路102可以分别将第一信号和第二信号提供给电流源I1-I2，从而使电流源I1-I2调整随后的刺激阶段中的刺激电流和/或随后的恢复阶段中的恢复电流的各自特性。
作为特定示例，控制元件可以闭合开关SW5和SW10。闭合这些开关在公共节点200处将第一电极E1电联接至第二电极E2，从而在公共节点200处生成参考电压。闭合这些开关还使第一采样电容器Cs1充电至第一电压，由此第一电压表示第一电极的电压与参考电压之间的第一电压差。电压-电流转换器Gm1随后可以检测跨采样电容器Cs1的第一电压，并且基于跨第一采样电容器Cs1的第一电压来生成第一信号。同样，闭合开关SW5和SW10使第二采样电容器Cs2达到第二电压，从而第二电压代表第二电极电压与参考电压之间的第二电压差。电压-电流转换器Gm2可以检测跨第二采样电容器Cs2的第二电压，并基于跨第二采样电容器Cs2的第二电压来响应性地生成第二信号。然后，控制元件可以闭合开关SW7和SW12，使电压-电流转换器Gm1-Gm2分别向第一和第二电流源I1-I2传输第一和第二信号。
在一些示例中，第一信号和第二信号在被反馈到电流源I1-I2之前相对未被掺杂，而在其他示例中，在反馈到电流源I1-I2之前，第一信号和第二信号中的每个可以与其他信号(例如，来自参考电容器Cr1-Cr2)混合。无论哪种方式，电流源I1-I2都可以基于第一和第二信号调整在随后的治疗周期期间施加的刺激电流或恢复电流的一个或多个特性(例如，幅值、频率、波形和/或持续时间)，如上所述，第一和第二信号本身是基于从一组电极E1-E2上的电压导出的参考电压。可以调整刺激电流和/或恢复电流的一个或多个特性，以减少至少部分地由刺激阶段和恢复阶段导致的在一组电极E1-E2上的电荷积聚。
在框708中，神经刺激设备确定神经刺激程序是否完成。例如，神经刺激设备可以被预编程，以实施具有特定数量的治疗周期的神经刺激程序，其中每个治疗周期包括框702-706中所示的一些或全部步骤。神经刺激程序可以使用计数器来跟踪已经实施的治疗周期的数量，以用于确定神经刺激程序是否完成。如果神经刺激程序完成，则该过程可以结束。否则，过程可以返回到框702并进行迭代。例如，该过程可以返回到框702，其中神经刺激设备可以使用神经刺激电路100来实施另一刺激阶段，其中神经刺激电路100将具有调整后的一个或多个特性的刺激电流和/或恢复电流(例如，作为框706中的采样阶段的结果)通过电极E1-E2施加到神经纤维，以便减少在电极E1-E2上积聚的电荷。
某些示例的前述说明，包括示出的示例，仅出于说明和描述的目的而呈现，并且无意于穷举或将本公开限制为所公开的精确形式。在不脱离本公开的范围的情况下，其许多修改、改编和使用对本领域技术人员而言将是显而易见的。例如，本文描述的任何示例可以与任何其他示例组合。

Claims (24)

1.一种方法，包括：
在神经刺激程序的治疗周期的刺激阶段期间，通过神经刺激设备将刺激电流通过一组电极施加到神经纤维；
在治疗周期中的刺激阶段之后的恢复阶段期间，通过神经刺激设备将恢复电流通过该一组电极施加到神经纤维，所述恢复电流具有与相应的刺激电流相反的极性；
基于从该一组电极上的电压导出的参考电压，通过神经刺激设备调整刺激电流或恢复电流的一个或多个特性，将刺激电流或恢复电流的一个或多个特性调整为减少至少部分地由刺激阶段和恢复阶段导致的在该一组电极上的电荷积聚；和
在神经刺激程序的随后治疗周期期间，通过神经刺激设备将具有调整后的一个或多个特性的刺激电流或恢复电流通过该一组电极施加到神经纤维，以减少电荷积聚。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述一个或多个特征包括幅值、波形或持续时间中的至少一个；和
所述参考电压是该一组电极之间的平均电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，该一组电极包括第一电极和第二电极，并且所述方法还包括通过以下操作来实施神经刺激程序的在所述恢复阶段之后的采样阶段：
在公共节点处将第一电极电联接到第二电极，以在公共节点处产生所述参考电压；
将第一采样电容器充电至第一电压，第一采样电容器电联接在第一电极和所述公共节点之间，使得第一电压代表第一电极的电压与参考电压之间的第一电压差；和
将第二采样电容器充电至第二电压，该第二采样电容器电联接在第二电极和公共节点之间，以使第二电压代表第二电极的电压与参考电压之间的第二电压差。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
基于跨第一采样电容器的第一电压生成第一信号；
将第一信号提供给电联接至第一电极的第一电流源，其中，第一电流源被配置为接收第一信号并基于第一信号调整所述一个或多个特性；
基于跨第二采样电容器的第二电压生成第二信号；和
将第二信号提供给电联接至第二电极的第二电流源，其中第二电流源被配置为接收第二信号并基于该第二信号调整所述一个或多个特性。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：
第一电流源包括具有第一栅极的第一晶体管；
将第一信号提供给第一电流源包括将第一信号提供给第一晶体管的第一栅极；和
第二电流源包括具有第二栅极的第二晶体管；和
将第二信号提供给第二电流源包括将第二信号提供给第二晶体管的第二栅极。
6.根据权利要求4所述的方法，其中：
第一信号由第一电压-电流转换器生成，第一信号是与跨第一采样电容器的第一电压成比例的第一电流；和
第二信号由第二电压-电流转换器生成，第二信号是与跨第二采样电容器的第二电压成比例的第二电流。
7.根据权利要求4所述的方法，其中：
第一信号由第一比较器生成，该第一比较器被配置为将该一组电极中的第一电极上的第一电压与参考电压进行比较；和
第二信号由第二比较器生成，该第二比较器被配置为将该一组电极中的第二电极上的第二电压与参考电压进行比较。
8.一种系统，包括：
一组电极，配置为联接至神经纤维，以实施神经刺激程序；和
刺激电路，电联接到该一组电极，所述刺激电路被配置为：
在神经刺激程序的治疗周期的刺激阶段期间，将刺激电流通过该一组电极施加到神经纤维；
在治疗周期中的刺激阶段之后的恢复阶段期间，将恢复电流通过该一组电极施加到神经纤维，所述恢复电流具有与相应的刺激电流相反的极性；
基于从该一组电极上的电压导出的参考电压，调整刺激电流或恢复电流的一个或多个特性，将刺激电流或恢复电流的一个或多个特性被调整为减少至少部分地由刺激阶段和恢复阶段导致的在该一组电极上的电荷积聚；和
在神经刺激程序的随后治疗周期期间，将具有调整后的一个或多个特性的刺激电流或恢复电流通过该一组电极施加到神经纤维，以减少电荷积聚。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述一个或多个特性包括幅值、波形或持续时间中的至少一个。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，该一组电极包括第一电极和第二电极，其中，所述刺激电路包括：
第一采样电容器；
第二采样电容器，在公共节点处电联接至第一采样电容器；
第一开关，电联接在第一采样电容器和第一电极之间，该第一开关可操作为通过第一采样电容器将第一电极电联接到公共节点；和
第二开关，电联接在第二采样电容器和第二电极之间，该第二开关可操作为通过第二采样电容器将第二电极电联接到公共节点。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述刺激电路还被配置为通过以下来操作来实施在所述恢复阶段之后的神经刺激程序的采样阶段：
操作第一开关和第二开关以(i)通过第一采样电容器将第一电极电联接到公共节点，以及(ii)通过第二采样电容器将第二电极电联接到公共节点，从而在公共节点处产生所述参考电压；
将第一采样电容器充电至第一电压，该第一电压代表第一电极的电压与在公共节点处的参考电压之间的第一电压差；和
将第二采样电容器充电到第二电压，该第二电压代表第二电极的电压与公共节点处的参考电压之间的第二电压差。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述刺激电路还包括：
电联接到第一采样电容器的第一电路部件，该第一电路部件被配置为基于跨第一采样电容器的第一电压来生成第一信号；和
电联接到第二采样电容器的第二电路部件，该第二电路部件被配置为基于跨第二采样电容器的第二电压来生成第二信号。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括第一电流源和第二电流源，其中第一电路部件配置为以将第一信号提供给第一电流源，并且第二电路部件配置为以将第二信号提供给第二电流源。
14.根据权利要求13所述的系统，其中：
第一电流源被配置为接收第一信号并基于该第一信号调整所述一个或多个特性；和
第二电流源被配置为接收第二信号并基于第二信号调整所述一个或多个特性。
15.根据权利要求14所述的系统，其中：
第一电流源包括具有第一栅极的第一晶体管；和
第一电路部件被配置为将第一信号提供给第一晶体管的第一栅极。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，第一电路部件包括电压-电流转换器、处理器或比较器。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，第一电路部件是电压-电流转换器，并且其中第一信号是与跨第一采样电容器的第一电压成比例的第一电流。
18.根据权利要求8所述的系统，其中，所述刺激电路被配置为基于所述一组电极之间的平均电压电平与所述一组电极中的第一电极处的电压之间的差来生成所述刺激电流中的至少一个。
19.一种神经刺激设备，包括：
第一电极和第二电极，配置为靠近神经纤维联接，以实施神经刺激程序；和
神经刺激电路，电联接到第一电极和第二电极，该神经刺激电路被配置为：
在神经刺激程序的第一刺激阶段期间，通过第一电极和第二电极将刺激电流施加到神经纤维；和
在神经刺激程序的第二刺激阶段期间，通过第一电极将修改的刺激电流施加到神经纤维，其中，修改的刺激电流是基于(i)第一电极处的电压与(ii)从第一电极和第二电极处的电压得出的参考电压之间的差生成的。
20.根据权利要求19所述的神经刺激设备，还包括第三电极，该第三电极被配置为靠近所述神经纤维联接，其中，所述神经刺激电路还被配置为在神经刺激程序的第一刺激阶段期间将刺激电流通过第三电极施加到所述神经纤维。
21.根据权利要求20所述的神经刺激设备，其中，所述参考电压是从第一电极、第二电极和第三电极处的电压得出的。
22.一种方法，包括：
在神经刺激程序的第一刺激阶段期间，通过神经刺激设备将刺激电流通过第一电极和第二电极施加到神经纤维；和
在神经刺激程序的第二刺激阶段期间，通过神经刺激设备将修改的刺激电流通过第一电极施加到神经纤维，其中修改的刺激电流是基于(i)第一电极处的电压和(ii)从第一电极和第二电极处的电压得出的参考电压之间的差生成的。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括在所述神经刺激程序的第一刺激阶段期间将刺激电流通过第三电极施加到所述神经纤维。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述参考电压是从第一电极、第二电极和第三电极处的电压得出的。
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