CN113228464A - 用于控制无线供电的无引线起搏器的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
说明了根据本发明实施例的用于心脏刺激的系统和方法。一个实施例包括心脏刺激系统，包括：第一无线供电的无引线起搏器，其包括调谐到第一频率的无线电力接收器、能量收集电路系统、刺激电路系统和刺激电极；控制器，其包括无线电力信号发生器、调谐到所述频率的无线电力发送器、处理器和包含刺激控制应用的存储器，其中刺激控制应用指导处理器使用第一无线电力信号发生器生成电力转移信号，并使用无线电力发送器传输该电力转移信号，其中无线供电的无引线起搏器使用第一无线电力接收器接收电力转移信号，并且当接收到该电力转移信号时，能量收集电路系统在至少一个电容器中存储经由无线电力接收器接收的电力。
Description
联邦资金
本发明是在国家科学基金会授予的资助号1533688的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
对相关应用的交叉引用
本申请援引35U.S.C.§119(e)要求于2018年11月20日提交的标题为“Synchronized Biventricular Heart Pacing using Wirelessly powered,leadlesspacemakers”的美国临时专利申请No.62/769,984和于2019年5月9日提交标题为“Synchronized Biventricular Heart Pacing using Wirelessly powered,leadlesspacemakers”的美国临时专利申请No.62/845,619的利益和优先权。美国临时专利申请No.62/769,984和62/845,619的公开内容出于所有目而通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及使用无线供电的无引线起搏器进行心脏起搏(即，对一个或多个无线供电的无引线起搏器供电和控制)的系统和方法。
背景技术
心脏是人类和许多其它动物的重要肌肉，它负责通过循环系统循环血液。人的心脏由四个腔室，两个上心房和两个下心室，组成，组织成左右配对的心房和心室。在健康的心脏中，腔室以同步方式收缩和放松，称为“搏动”，以便迫使血液通过静脉和动脉的网络。
不规律的心跳会带来健康风险，并且在一些情况下，可以经由电刺激恢复规律的心跳。被称为“起搏器”的植入式设备是可以刺激肌肉组织以使其收缩的设备。通过根据需要仔细和定期施加刺激，可以恢复正常的心律。无引线起搏器是一类特定的起搏器，它可以比没有任何外部电线(“引线”)的标准起搏器小得多。
无引线电力转移是指不以电线为物理通道的电能转移。有许多不同的涉及辐射和非辐射技术两者的无线电力转移系统。非辐射技术的示例是电磁感应或近场耦合，其中经由通过线圈之间的电感耦合(谐振或非谐振)的磁场或经由通过金属电极之间的电容耦合的电场来转移电力。
发明内容
说明了根据本发明实施例的用于心脏刺激的系统和方法。一个实施例包括心脏刺激系统，包括：第一无线供电的无引线起搏器，其包括调谐到第一频率的第一无线电力接收器、第一能量收集电路系统、第一刺激电路系统和第一刺激电极；控制器，其包括第一无线电力信号发生器、调谐到第一频率的第一无线电力发送器、处理器和包含刺激控制应用的存储器，其中刺激控制应用指导处理器使用第一无线电力信号发生器生成第一电力转移信号，并使用第一无线电力发送器传输第一电力转移信号，其中第一无线供电的无引线起搏器使用第一无线电力接收器接收第一电力转移信号，并且当接收到第一电力转移信号时，第一能量收集电路系统在至少一个电容器中存储经由无线电力接收器接收的电力。
在另一个实施例中，当没有接收到第一电力转移信号时，第一刺激电路系统经由第一刺激电极释放存储的电力。
在进一步的实施例中，第一无线电力发送器是基于近场谐振耦合的发送器线圈；并且其中第一无线电力接收器是基于近场谐振耦合的接收器线圈。
在又一个实施例中，第一无线电力发送器是远场传播电磁波接收器天线；并且其中第一无线电力接收器是远场传播电磁波发送器天线。
在又一个实施例中，该系统还包括第二无线供电的无引线起搏器，包括调谐到第二频率的第二无线电力接收器、第二能量收集电路系统、第二刺激电路系统和第二刺激电极，其中控制器还包括第二无线电力信号发生器和调谐到第二频率的第二无线电力发送器，其中刺激控制应用还指导处理器使用第二无线电力信号发生器生成第二电力转移信号，并使用第二无线电力发送器传输第二电力转移信号，其中第二无线供电的无引线起搏器使用第二无线电力接收器接收第二电力转移信号，当接收到第二电力转移信号时，第二能量收集电路系统在第二无线供电的无引线起搏器的至少一个电容器中存储经由第二无线电力接收器接收的电力；并且当没有接收到第二电力转移信号时，第二无线供电的无引线起搏器的刺激电路系统经由第二刺激电极释放存储的电力。
在又一个实施例中，刺激控制应用还指导处理器对第一电力转移信号和第二电力转移信号的传输进行计时，使得第一无线供电的无引线起搏器和第二无线供电的无引线起搏器的刺激在相对于彼此确定的时间提供刺激。
在又一个实施例中，第一频率和第二频率被选择为使得第一无线电力发送器不与第二无线电力接收器耦合。
在另一个附加实施例中，该系统还包括第二无线供电的无引线起搏器，包括调谐到第一频率的第二无线电力接收器、第二能量收集电路系统、第二刺激电路系统和第二刺激电极，其中刺激控制应用还指导处理器用与第二无线供电的无引线起搏器相关联的独特标签调制第一电力转移信号的一部分，并使用第一无线电力发送器传输经调制的第一电力转移信号，其中第二无线供电的无引线起搏器使用第二无线电力接收器接收第一电力转移信号，当接收到第一电力转移信号时，第二能量收集电路系统在第二无线供电的无引线起搏器的至少一个电容器中存储经由RF感应接收的功率，当接收到用独特标签调制的第一电力转移信号的该部分时，第二无线供电的无引线起搏器经由第二刺激电极释放存储的电力，并且当接收到用独特标签调制的第一电力转移信号的该部分时，第一供电的无引线起搏器继续存储电力。
在进一步的附加实施例中，第一无线电力发送器可调谐到第二频率。
再次在另一个实施例中，控制器是体外设备。
再次在进一步的实施例中，控制器被配置为皮下植入。
在又一个实施例中，第一无线供电的无引线起搏器刺激心脏的第一腔室，并且第二无线供电的无引线起搏器刺激心脏的第一腔室。
在又一个实施例中，第一无线供电的无引线起搏器刺激心脏的第一腔室，并且第二无线供电的无引线起搏器刺激心脏的第二腔室。
在又一个附加实施例中，第一无线供电的无引线起搏器刺激血管以便向心脏递送电刺激。
在又一个附加实施例中，第一无线供电的无引线起搏器刺激肌肉组织以便向心脏递送电刺激。
再次在又一个实施例中，第一无线供电的无引线起搏器刺激心脏的腔室，并且第二无线供电的无引线起搏器刺激血管，以便向心脏递送电刺激。
再次在又一个实施例中，第一电力转移信号的传输诱导第一无线供电的无引线起搏器向心脏递送电疗法以便维持正常的心脏状况；并且第一无线供电的无引线起搏器被配置为感测心脏活动。
在又一个附加实施例中，第一无线供电的无引线起搏器还包括感测电路系统，其中感测电路系统被配置为感测心脏活动。
在又一个附加实施例中，第一无线供电的无引线起搏器还包括被配置为传输感测到的心脏活动的发送器电路系统。
再次在又一个实施例中，一种用于使用无线供电的无引线起搏器刺激心脏的方法包括使用控制器的第一无线电力信号发生器以第一频率生成第一电力转移信号，使用控制器的第一无线电力发送器传输第一电力转移信号，由第一无线供电的无引线起搏器使用第一无线电力接收器接收第一电力转移信号，并在第一无线供电的无引线起搏器的至少一个电容器中存储经由第一电力转移信号接收的电力。
再次在又一个实施例中，当没有接收到第一电力转移信号时，第一无线供电的无引线起搏器经由第一刺激电极释放存储的电力。
再次在另一个附加实施例中，该方法还包括使用控制器的第二无线电力信号发生器以第二频率生成第二电力转移信号，使用控制器的第二无线电力发送器传输第二电力转移信号，由第二无线供电的无引线起搏器使用第一无线电力接收器接收第二电力转移信号，并在第二无线供电的无引线起搏器的至少一个电容器中存储经由第二电力转移信号接收的电力。
再次在又一个附加实施例中，该方法还包括用与第二无线供电的无引线起搏器相关联的独特标签调制第一电力转移信号的一部分，由第二无线供电的无引线起搏器使用第二无线电力接收器接收第一电力转移信号，在第二无线供电的无引线起搏器的至少一个电容器中存储经由第一电力转移信号接收的电力，在接收到电力第一电力转移信号的经调制的部分时由第二无线供电的无引线起搏器释放存储的电力，并在接收到第一电力转移信号的经调制的部分时由第一无线供电的无引线起搏器继续存储电力。
在又一个附加实施例中，心脏刺激系统包括由控制器控制的多个无线供电的无引线起搏器，其中控制器触发多个无线供电的无引线起搏器以经由电力传输信号向心脏提供刺激。
附加的实施例和特征部分地在下面的描述中阐述，并且部分地在检查说明书后对本领域技术人员变得显而易见，或者可以通过本发明的实践而获知。可以通过参考说明书的其余部分和附图来进一步理解本发明的性质和优点，这构成本公开的一部分。
附图说明
参考以下附图和数据图将更全面地理解本描述和权利要求，它们作为本发明的示例性实施例呈现并且不应当被解释为对本发明范围的完整叙述。
图1图示了根据本发明实施例的心脏刺激系统。
图2是根据本发明实施例的用于控制器的高级框图。
图3是根据本发明实施例的用于无线供电的无引线起搏器的高级框图。
图4是根据本发明实施例的用于无线供电的无引线起搏器的电路图。
图5是根据本发明实施例的用于低压差电路的电路图。
图6A是根据本发明实施例的用于解调器的电路图。
图6B图示了根据本发明实施例的表示解调器电路中的节点的电压响应于给定RF输入信号的波形。
图6C是根据本发明实施例的用于缓冲器电路的电路图。
图7图示了根据本发明实施例的作为用于无线供电的无引线起搏器的天线的血管。
图8是根据本发明实施例的用于无线供电的无引线起搏器的基本控制方案的过程的流程图。
图9图示了根据本发明实施例的示例电力传输信号和对应的刺激脉冲。
图10是根据本发明实施例的用于使用多个电力传输信号来控制多个无线供电的无引线起搏器的过程的流程图。
图11是根据本发明实施例的用于使用单个电力传输信号用多个无线供电的无引线起搏器对心脏起进行搏的过程的流程图。
具体实施方式
现在转向附图，图示了使用无线供电的无引线起搏器进行心脏起搏的系统和方法。起搏器是心脏病患者的许多治疗方案的关键部分。传统的起搏器由三个主要组件组成：脉冲发生器、一根或多根将电脉冲携带到心脏的引线，以及每根引线端部的输送刺激的电极。最近，已开发出无引线起搏器，它结合了自包含的发生器和电极系统，无需单独的脉冲发生器。但是，与所有电极使用中央脉冲发生器的传统起搏器相比，具有多个无引线起搏器的系统难以同步。
另外，更换(或完全更换)传统起搏器的脉冲发生器的电池相对容易，因为传统起搏器没有直接植入心脏，因此更容易接近。另一方面，目前的无引线起搏器难以或不可能移除，而且很多都靠电池运行，这意味着它们的使用寿命有限。一些无引线起搏器系统提出使用无线电力转移系统，其中电力被转移并立即被用于刺激心脏。以这种方式，当刺激应当发生时，可以通过无线地提供电力来直接控制起搏定时。但是，在这个方案中，立即需要足够的电力来产生所需的刺激。因此，大量电力必须在短时间内以无线方式转移，这可能是低效的。
相比之下，本文描述的无线供电的无引线起搏器(下文中称为“WPLP”)可以使用无线电力转移方法轻松同步和高效供电，其中在较长时间内以低得多的功率转移刺激所必需的电力。另外，可以控制多个WPLP以在任何特定时刻提供刺激，不一定是在完全相同的时间，这取决于所进行的疗法。由于健康的心跳发生在大约0.6-1秒之间，并且由于起搏器通常以100-10000微秒的量级的脉冲进行刺激，因此WPLP可以在相当长的时间内接收电力信号，而心脏不需要受到刺激。在许多实施例中，控制器被用于无线地为植入患者体内的一个或多个WPLP供电和同步。在各种实施例中，控制器使用不同频率的电磁场和/或磁场向不同的WPLP传输电力。但是，在众多实施例中，可以使用单频电磁场来同步和/或无线地为多个WPLP供电。另外，在许多实施例中，用于产生电磁场的信号可以用控制数据进行调制，该控制数据还可以被用于控制WPLP。可以在不同位置植入任何数量的不同WPLP以治疗任何数量的不同心血管问题，诸如但不限于心律失常、心力衰竭、心肌病和/或可以受益于刺激和/或起搏的多种不同状况中的任何状况。实际上，在众多实施例中，可以植入WPLP以刺激通常使用常规起搏器刺激的位置，以便为心脏病提供疗法。许多这样的起搏器刺激配置是本领域中已知的。使用可以使用WPLP复制的常规起搏器的示例治疗在诸如以下文本中进行了讨论：Josephson，Mark E.Clinical cardiac electrophysiology:techniques andinterpretations。Lippincott Williams&Wilkins，2008年；Topol、Eric J.和PaulS.Teirstein。SPEC-Textbook of Interventional Cardiology,12-Month Access,eBook。Elsevier Health Sciences，2015年；以及Ellenbogen、Kenneth A.、Bruce L.Wilkoff、G.Neal Kay、Chu Pak Lau和Angelo Auricchio。Clinical Cardiac Pacing,Defibrillation and Resynchronization Therapy E-Book。Elsevier Health Sciences，2016，其公开内容通过引用整体并入本文。但是，WPLP的使用不限于已知的配置，并且许多植入位置使用WPLP可能更可行。下面更详细地描述WPLP系统。
WPLP系统
WPLP系统，也称为“心脏刺激系统”，可以涉及任何数量的单独WPLP，而这些WPLP进而经由控制器被控制。在许多实施例中，控制器被植入到患者体内，但可以被实现为外部设备。WPLP可以被植入患者心脏内或心脏上，以便提供心脏起搏刺激。WPLP的位置可以基于患者的需要和他们的(一个或多个)特定状况来确定。在众多实施例中，控制器可以产生射频(RF)磁场，以便感应地
现在转向图1，图示了根据本发明实施例的WPLP系统。WPLP系统100包括控制器110、植入右心房的第一WPLP 120和植入左心室的第二WPLP 122。在许多实施例中，WPLPs可以植入不同的腔室配置以适合患者的状况。多于一个WPLP可以被植入同一个腔室。实际上，在WPLP系统中可以使用包括单个WPLP在内的任何数量的WPLP。
WPLP可以从控制器接收电力。单个控制器可以被用于提供电力和/或控制多个WPLP。在一些实施例中，使用负责特定WPLP的多个控制器。在许多实施例中，由控制器生成的电力信号经由脉宽控制指示由接收WPLP提供的刺激。即，当WPLP正在接收电力信号时，WPLP使用该电力为存储介质充电。当WPLP不在接收电力信号时，WPLP释放电力以刺激心脏。由于节拍之间的时间长，可以使用低功率信号为存储介质充电。这与无线地为无引线起搏器供电的标准方法相反，在这种标准方法中，接收到的电力被立即用于刺激心脏。用于生成低功率信号的控制器将在下面进一步详细讨论。
WPLP控制器
控制器可以被用于为WPLP供电和/或同步。在众多实施例中，控制器是植入设备。但是，在各种实施例中，控制器是外部设备。实际上，控制器可以使用任何能够无线地将电力传输到WPLP的硬件平台来实现。在许多实施例中，控制器还能够用控制信息来调制用于生成电力转移磁场的信号，该控制信息可以被用于使用单个频率场来控制多个WPLP。
现在转向图2，图示了根据本发明实施例的用于WPLP控制的框图。控制器200包括处理器210。处理器可以是任何逻辑电路系统，诸如但不限于中央处理单元、图形处理单元、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和/或能够根据本发明的给定实施例的具体应用的要求适当地实现指令的任何其它逻辑电路。
控制器200还包括发送器电路系统220。发送器电路系统可以包括一个或多个能够生成和/或传输电力转移信号的传输组件，诸如但不限于传输线圈、RF信号发生器、天线和/或任何其它适于本发明的给定实施例的具体应用的要求。在一些实施例中，信号发生器可以生成多于一个信号频率。在各种实施例中，使用多个信号发生器。在众多实施例中，发送器电路系统能够经由感应电力转移来为WPLP供电。在许多实施例中，感应电力转移是使用射频感应来实现的，由此RF信号通过线圈被传递以便感应射频磁场。电力可以由谐振耦合到发送器线圈的接收器线圈接收。发送器和接收器线圈可以主动调谐到特定的谐振频率，或者被构造为使得它们仅响应预定频率或频率集。在各种实施例中，控制器包括谐振耦合到特定WPLP接收器线圈的一个或多个发送器线圈。
控制器200还包括存储器230。可以使用非易失性存储器存储介质和/或易失性存储器存储介质来实现存储器。存储器230包含刺激控制应用232。在许多实施例中，刺激控制应用指导处理器生成控制信息并用控制信息调制用于驱动发送器线圈的RF信号。控制信息和控制方案将在以下部分进一步讨论。
存储器230还包含WPLP配置数据234。WPLP配置数据可以包括关于系统中植入的WPLP的任何信息，包括但不限于WPLP标签、WPLP位置、WPLP序列号、用于加密命令的加密信息、刺激简档，和/或适于本发明的给定实施例的具体应用的要求的关于WPLP或其操作的任何其它数据。配置数据可以被用于指导RF信号的调制、生成了哪些RF信号频率、应当采用何种刺激模式，和/或适合本发明实施例的具体应用的要求的任何其它配置。
虽然关于图2说明了特定的控制器，但可以使用任何数量的不同体系架构。例如，虽然图2中所示的实施例使用软件定义的编码器，但也可以使用硬件编码器。实际上，在许多实施例中，控制器不包含存储器并且控制器包括专用电路系统以生成经调制的信号。在各种实施例中，控制器包括接收器，该接收器可以从WPLP接收由WPLP记录的描述感测到的生物活动的信号。在一些实施例中，无线电力发送器可以充当接收器，和/或可以包括单独的接收器电路。实际上，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以使用任何数量的不同实施方式。下面讨论能够使用控制器进行控制的WPLP电路系统。
WPLP电路系统
WPLP可以在心跳之间将电力存储在存储介质中，并释放存储的电力来调节心跳。在许多实施例中，WPLP经由特定频率的RF感应从控制器接收电力。WPLP进而可以具有调谐到特定频率的接收器。以这种方式，杂散信号不太可能影响功能。另外，取决于系统的控制方案，WPLP可以经由单独的RF频率磁场(“分频”方案)选择性地被控制。控制方案在以下部分讨论。在众多实施例中，WPLP由使电路系统安全地植入生物体的材料制成和/或封装在其中。
现在转向图3，图示了根据本发明实施例的WPLP的高级别图。WPLP 300包括无线电力接收器310。在许多实施例中，无线电力接收器是接收器线圈、用于接收电磁信号的天线和/或能够根据本发明实施例的具体应用的要求适当地从无线电力传输源收集电力的任何其它电路。无线电力接收器310向能量收集电路系统320发送电力。在许多实施例中，能量收集电路系统可以将交流电流整流为直流电流，和/或对一个或多个电存储介质充电以存储电力。在许多实施例中，电存储介质是一个或多个电容器，但是任何数量的电存储介质，包括但不限于电池，可以根据本发明的实施例的具体应用的要求适当地被使用。刺激电路330向一个或多个刺激电极340提供电力。在众多实施例中，刺激电路能够恢复编码在电流中的控制信息并根据控制信息控制刺激。在各种实施例中，WPLP包括可以被用于感测和/或监视生物活动(包括但不限于心跳、温度、血流、运动和/或根据本发明的给定实施例的具体应用的要求适当的任何其它可感测特性)的感测电路系统。感测到的活动可以经由无线电力接收器和/或单独的发送器电路系统被传输到控制器。
现在转向图4，图示了根据本发明实施例的WPLP的示例实施方式的电路图。WPLP包括连接到微芯片420的接收器线圈410。在众多实施例中，接收器线圈谐振耦合到控制器的发送器线圈。由发送器线圈产生的磁场可以在接收器线圈中感应出电流。在许多实施例中，接收器线圈耦合到可选的调谐电容器Ctune 415，其目标是所选择的操作频带以引起谐振并提高电力转移的效率。在各种实施例中，接收器线圈是聚酰亚胺基板上的铜迹线，其特征在于两侧都具有6匝的双层结构。但是，可以使用能够根据本发明实施例的具体应用的要求适当地进行电磁电力转移的任何数量的不同接收器线圈。实际上，在许多其它实施例中，可以在接收器处使用偶极天线来收集电磁能量。本领域普通技术人员将认识到的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以使用任何数量的不同发送器和接收器来转移功率。
微芯片420包括整流器421，其与接收器线圈一起谐振并将电荷存储在存储电容器Csto 430中。连接到整流器421的电压参考电路422生成稳定的参考电压。振幅调节器433调节输出刺激的电压，并且解调器424经由开关425控制输出刺激的速率和/或强度。当开关闭合时，电极440可以电刺激附近的心脏组织，并且输出刺激被递送通过隔直(DC-block)电容器Cblk 450以用于电荷中和。放电电阻器Rdis 460使Cblk上的累积电荷为零。节点470是与微芯片基板的连接，以充当地。
在许多实施例中，包括发光二极管480以视觉指示何时递送刺激以便确认操作。在各种实施例中，添加了一系列的安全二极管490，使得当供电电压超过阈值时，启用放电路径以快速释放过量的入射电荷。虽然图4中图示了三个安全二极管，但是可以添加任何数量的安全二极管以根据本发明实施例的具体应用的要求适当地管理阈值。在众多实施例中，阈值根据待刺激的组织而变化。在许多实施例中，不存在安全二极管和/或确认LED。另外，在各种实施例中，解调器根据控制信息解码控制信息并触发刺激。在众多实施例中，可以包括附加电路系统，其记录关于心脏的信息并且经由传输电路将其传输到控制器和/或不同设备以启用心脏功能的监视。
特别是关于电压参考和振幅调节器块，可以根据本发明实施例的具体应用的要求适当地使用任何数量的不同电路。例如，低压差(LDO)电路可以被用于调节供电电压。但是，LDO电路趋于具有高静态功耗。图5中图示了根据本发明实施例的具有降低的功率要求的经修改的LDO电路的示例电路示意图。通过将供电电压的一部分与参考电压(VREF)进行比较，可以降低信号的脉冲振幅的下限。如果供电电压低于给定的阈值电压，那么可以禁用解调器块。在众多实施例中，LDO电路的输出端处的LED可以调节电压上限。在许多实施例中，经修改的LDO电路可以以0.1纳安的量级的电流操作。虽然图5中图示了特定的LDO电路，但是可以根据本发明实施例的具体应用的要求适当地利用任何数量的不同体系架构，包括LDO的替代方案。
进一步关注解调器模块，同样可以根据要使用的控制方案使用任何数量的不同解调器电路系统。图6A中根据本发明实施例的特定示例解调器电路。在所示实施例中，解调器电路系统包括三个源极跟随器复制品。提取高端、低端和瞬态包络信号，分别表示为VH、VL和VENV。VENV检测支路使用相对小的电容器CSM，而VH和VL分别在带有和不带有AC输入的大电容器上被提取。由于CMOS晶体管的转移特点的非线性性，施加在恒定栅极偏置上的AC摆动生成更大的源电压。VH和VL的平均值VM通过电阻分压器获得，然后将其与VENV进行比较以构建输出脉冲的定时。图6B中图示根据本发明实施例的电路中节点电压的示例波形。在许多实施例中，可以在解调器电路之后添加缓冲器电路以锐化恢复的定时信号。图6C中图示了根据本发明实施例的示例缓冲器电路。虽然用于解调器电路系统和缓冲器电路系统的特定电路在图6A和6C中示出，但是可以根据本发明实施例的具体应用的要求适当地使用任何数量的电路体系架构。
在各种实施例中，WPLP可以被水凝胶包封，或者其部分以其它方式被水凝胶包覆。水凝胶是其特性(诸如韧性、粘性、生物活性、导电性和其它特性)可以使用不同的刺激进行调节的材料。这些刺激特定于特定水凝胶的组成，并且可以包括但不限于机械、电、光、热和/或化学刺激。在众多实施例中，水凝胶可以含有化学物质(包括药物)，变得导电，和/或具有磁活性。通过将WPLP包裹在水凝胶中，可以实现与附近组织更好的接口。
此外，在许多实施例中，附近的生物结构可以被包覆在水凝胶中。例如，静脉或动脉可以填充和/或涂覆有磁活性的水凝胶。然后可以将水凝胶连接到接收器线圈以便扩展无线电力转移能力。在一些实施例中，水凝胶可以是电和/或磁活性的并且被用作用于从WPLP传输信号的天线。图7中根据本发明实施例图示了充当天线的填充有水凝胶的血管的示例。WPLP 700被放置到血管710中或邻接血管710，然后血管710被水凝胶涂覆和/或填充。实际上，水凝胶与WPLPs结合有许多用途，包括但不限于为WPLPs提供更稳定的锚点、提供可控的药物递送机构、绝缘WPLPs、在起搏期间充当用于延长心肌捕获的电极，提供化学和/或分子感测，和/或根据本发明实施例的具体应用的要求适当的任何数量的其它功能。
此外，在许多实施例中，具有适当范围的阻抗值的生物相容性电极材料可以被用于向心脏组织或静脉递送电流。电极材料的示例包括但不限于金、铂、金-铱、铂-铱、PEDOT和/或根据本发明实施例的具体应用的要求适当地递送电刺激的任何其它材料。
虽然在图4、6A和6C中根据本发明实施例图示了WPLP的特定电路系统，但本领域普通技术人员可以认识到的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以使用任何数量的不同体系架构。下面更详细地讨论用于利用WPLP的控制方案和过程。
控制方案
控制方案是指用于控制给定的WPLP集合的电力转移信号的数量和类型。在众多实施例中，RF感应或谐振感应耦合被用于无线地为WPLP供电。在各种实施例中，使用其它无线电力转移方法来为WPLP供电，包括但不限于其它非辐射技术或辐射技术。特别参考RF感应，由于磁场是通过使RF电流通过线圈而生成的，因此“电力转移信号”是指直接转化为磁场的改变的RF波形，因此接收器线圈处的电流。照此，电力转移信号可以经由RF感应被传输。类似地，辐射无线电力转移系统中的电力转移信号可以被理解为辐射电磁波。可以调制电力转移信号以便直接控制WPLP。
取决于需要控制的WPLP的数量，可以使用不同的控制方案。在众多实施例中，用于控制单个WPLP的基本控制方案使得能够使用低功率的电力转移信号在长时间内进行充电。但是，在各种实施例中，可以修改基本控制方案以使用单频电力转移信号或处于不同频率的多个电力转移信号来控制多个WPLP，这两者都在下面讨论。
在许多实施例中，基本控制方案涉及使用脉冲调制电力转移信号进行控制的单个WPLP。图8中图示了根据本发明实施例的基本控制方案。基本控制方案800包括以特定频率向WPLP传输(810)电力转移信号。在电力转移信号被传输的同时，WPLP使用电力转移信号被充电(820)。当电力转移信号终止(830)时，WPLP释放存储的电力以刺激(840)心脏组织。
根据本发明实施例的用于基本控制方案的示例电力转移信号在图9中图示。电力转移信号(顶部)是被零振幅周期中断的规律的周期性信号。从WPLP产生的释放的刺激脉冲由零振幅间隙触发。与需要立即释放所有功率的WPLP相比，这种基本控制方案可以获得显著的收益。
可以以多种方式中的任何方式来构建基本控制方案。例如，可以使用频分控制方案同时使用基本控制方案的多次迭代。通过为WPLP的不同集合(或每个单独的WPLP)使用不同的频率，并通过将相应的WPLP调谐到它们的特定频率，控制器可以控制多个WPLP。根据本发明实施例的频分控制方案在图10中示出。
频分控制方案1000包括以第一频率向第一WPLP传输(1010)第一电力转移信号，并且以第二频率向第二WPLP传输(1020)第二电力转移信号。与基本控制方案相似，当第一电力转移信号终止(1030)时，第一WPLP被触发以放电，而当第二电力转移信号终止(1040)时，第二WPLP被触发以放电。以这种方式，可以使用能够同时传输多个信号的控制器来控制多个WPLP。在各种实施例中，控制器可以以治疗方式同步多个WPLP的放电。
但是，在许多情况下，可能期望减少所使用的频率的总数。在许多实施例中，可以利用标签划分控制方案，由此用控制信息调制电力转移信号。例如，可以为WPLP指派独特的标签，这些标签可以被编码到电力转移信号中以指示指定的WPLP应当开始激发(firing)。以这种方式，可以根据特定治疗刺激模式适当地在第二WPLP之前触发第一WPLP激发。根据本发明实施例的示例标签划分控制方案在图11中图示。
标签划分控制方案1100包括用控制信息编码(1110)电力转移信号，并且将标签编码的电力转移信号传输(1120)到第一和第二WPLP。在充电之后，但是在电力转移信号仍被传输时，基于编码的控制信息使用第一WPLP刺激心脏组织(1130)。标签编码的电力转移信号的传输被终止(1140)，并且使用第二WPLP刺激心脏(1150)。但是，图11中所示的标签划分控制方案是标签划分控制方案的许多不同实施例之一。通过选择和实现可编码到电力转移信号中的命令，可以生成任何数量的不同标签划分控制方案。实际上，在许多实施例中，一些WPLP可能不需要在标签划分方案中解码电力转移信号，而是依赖于基本控制方案。然后可以单独控制码分方案下的WPLP以调节同步。
实际上，可以构建用于多路复用电力转移的任何数量的不同的复杂控制方案，包括但不限于时分方案、码分方案和/或利用不同调制方案的其它复杂码分方案，和/或根据本发明实施例的具体应用的要求适当的任何其它多路复用过程。在各种实施例中，附加电路系统可以被添加到WPLP以启用更复杂的控制方案，诸如但不限于计数器、时钟电路、解密电路，和/或根据本发明实施例的具体应用的要求适当的任何其它电路。本领域普通技术人员将认识到的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以使用不同的多路复用技术，同时仍然提供由本文描述的WPLP提供的效率提高。下面更详细地描述使用WPLP的治疗。
基于WPLP的治疗
WPLPs可以被用于治疗多种不同的心脏病。本文描述的WPLP的优点是WPLP的同步使得能够进行更复杂的治疗。例如，在许多实施例中，响应于心律失常，可以触发不同的WPLP以具有特定的相应电压的特定模式激发，直到心律失常消失。在一些实施例中，WPLP能够产生双相和/或单相波形。另外，WPLP可以植入到心脏组织上和/或心脏组织中。因此，WPLP具有高度灵活性并且可以由医疗专业人员自行决定，以便治疗多种不同状况中的任何状况。下面描述非详尽的示例治疗的集合：
A.心脏再同步疗法
在一些实施例中，两个或更多个WPLP可以放置在右心室和左心室上。WPLP可以一次全部通电或以起搏器间延迟通电以提供刺激。这个延迟可以预先确定和编程，或者可以使用控制信息随时间改变。延迟可以从0至大约200毫秒不等。在各种实施例中，左心室中的(一个或多个)WPLP可以与右心室中的(一个或多个)WPLP同时、更早或更晚起搏。
B.除颤：
在一些实施例中，两个或更多个WPLP可以被放置在左心房和右心房上以治疗心律失常。两个或更多个WPLP可以被输送到环绕左心房的马歇尔静脉。在其它实施例中，两个或更多个WPLP可以心内放置在右心房和左心房中。在一些实施例中，放置在心内膜和心外膜的WPLP的组合可以被用于提供除颤。
在各种实施例中，放置在左心室和右心室中的两个或更多个WPLP可以被用于消除室性心律失常。在一些实施例中，两个或更多个WPLP可以被递送到横穿左心房和左心室边界的冠状窦中。在众多实施例中，两个或更多个WPLP可以心内放置在右心室和左心室中。
C.传导速度：
在一些实施例中，两个或更多个WPLP可以被用于治疗由心肌疤痕形成造成的折返性心律失常。在各种实施例中，两个或更多个WPLP可以跨心室疤痕放置以提供同步起搏。一侧的感测到的信号可以控制起搏的速率和定时。折返性心律失常可以通过早于传入波前捕获心肌来产生难治性心肌组织来消除。
在许多实施例中，与WPLP结合使用的感测节点(或有线感测元件)形式的可植入医疗设备可以计算传导速度随再入开始的改变。感测节点可以被用于实时的传导速度的特定向上滴定。
D.转子的绘制：
在一些实施例中，感测节点可以分布在整个心房上以绘制导致心房纤颤的转子。在一些实施例中，感测数据可以在本地或在放置在身体其它地方或保持在身体外部(体外)的设备上进行处理，以计算主导频率、组织指数和/或其它度量。这些度量可以有助于绘制心房中的心律失常并可以有助于消除这些异常节律的疗法。
E.实时绘制：
在各种实施例中，感测节点可以分布在心房和心室中的一个或两个上，以提供用于创建实时绘制的实时感测信息。从感测节点收集的数据可以在节点上本地处理，或者在放置在身体内部或外部的设备位置上处理，或者在身体外部的设备上处理。
F.按需治疗
实际上，虽然上面描述了特定的不同治疗，但可以根据患者的情况适当地并由主治医疗专业人员自行决定使用植入到不同位置的不同数量的WPLPs来执行其中的任何一种治疗。另外，给定WPLP的可控性质，可以在医疗环境之外按需递送治疗。例如，在众多实施例中，控制器可以随患者一起携带，当患者自己察觉心律失常或由感测设备检测到心律失常时，患者可以触发控制器以在心律失常发生时实施对心律失常的治疗。
在许多实施例中，控制器是使用智能电话实现的，由此智能电话的感应电力传送线圈可以保持在胸部以便按需为WPLP供电。在各种实施例中，智能电话可以被编程为具有可以由患者、医疗专业人员或自动选择的适当响应。但是，在众多实施例中，控制器是专用控制器设备。
在各种实施例中，控制器在相对容易接近的位置被植入患者体内。在许多实施例中，控制器被皮下植入。另外，附加的控制设备可以被用于与植入的控制器链接并远程命令该植入的控制器。
虽然上面讨论了用于同步心脏刺激的具体方法，但是可以根据本发明的许多不同实施例来实现许多不同的制造方法。因此应该理解的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以以不同于具体描述的方式来实践本发明。因此，本发明的实施例在所有方面都应当被视为说明性的而非限制性的。因而，本发明的范围不应当由所说明的实施例来确定，而应当由所附权利要求书及其等同物来确定。
Claims (20)
1.一种心脏刺激系统，包括：
第一无线供电的无引线起搏器，其包括：
调谐到第一频率的第一无线电力接收器；
第一能量收集电路系统；
第一刺激电路系统；以及
第一刺激电极；
控制器，其包括：
第一无线电力信号发生器；
调谐到第一频率的第一无线电力发送器；
处理器；以及
包含刺激控制应用的存储器，其中刺激控制应用指导处理器：
使用第一无线电力信号发生器生成第一电力转移信号；以及
使用第一无线电力发送器传输第一电力转移信号；
其中第一无线供电的无引线起搏器使用第一无线电力接收器接收第一电力转移信号；以及
当接收到第一电力转移信号时，第一能量收集电路系统在至少一个电容器中存储经由无线电力接收器接收的电力。
2.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中当没有接收到第一电力转移信号时，第一刺激电路系统经由第一刺激电极释放存储的电力。
3.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中第一无线电力发送器是基于近场谐振耦合的发送器线圈；并且其中第一无线电力接收器是基于近场谐振耦合的接收器线圈。
4.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中第一无线电力发送器是远场传播电磁波接收器天线；并且其中第一无线电力接收器是远场传播电磁波发送器天线。
5.如权利要求1所述的心脏刺激系统，还包括：
第二无线供电的无引线起搏器，其包括：
调谐到第二频率的第二无线电力接收器；
第二能量收集电路系统；
第二刺激电路系统；以及
第二刺激电极；
其中控制器还包括：
第二无线电力信号发生器；以及
调谐到第二频率的第二无线电力发送器；
其中刺激控制应用还指导处理器：
使用第二无线电力信号发生器生成第二电力转移信号；以及
使用第二无线电力发送器传输第二电力转移信号；
其中第二无线供电的无引线起搏器使用第二无线电力接收器接收第二电力转移信号；
当接收到第二电力转移信号时，第二能量收集电路系统在第二无线供电的无引线起搏器的至少一个电容器中存储经由第二无线电力接收器接收的电力；以及
当没有接收到第二电力转移信号时，第二无线供电的无引线起搏器的刺激电路系统经由第二刺激电极释放存储的电力。
6.如权利要求5所述的心脏刺激系统，其中刺激控制应用还指导处理器对第一电力转移信号和第二电力转移信号的传输进行计时，使得第一无线供电的无引线起搏器和第二无线供电的无引线起搏器的刺激在相对于彼此确定的时间提供刺激。
7.如权利要求5所述的心脏刺激系统，其中第一频率和第二频率被选择为使得第一无线电力发送器不与第二无线电力接收器耦合。
8.如权利要求1所述的心脏刺激系统，还包括：
第二无线供电的无引线起搏器，其包括：
调谐到第一频率的第二无线电力接收器；
第二能量收集电路系统；
第二刺激电路系统；以及
第二刺激电极；
其中刺激控制应用还指导处理器：
用与第二无线供电的无引线起搏器相关联的独特标签调制第一电力转移信号的一部分；以及
使用第一无线电力发送器传输经调制的第一电力转移信号；
其中第二无线供电的无引线起搏器使用第二无线电力接收器接收第一电力转移信号；
当接收到第一电力转移信号时，第二能量收集电路系统在第二无线供电的无引线起搏器的至少一个电容器中存储经由RF感应接收的电力；
当接收到用独特标签调制的第一电力转移信号的所述部分时，第二无线供电的无引线起搏器经由第二刺激电极释放存储的电力；以及
当接收到用独特标签调制的第一电力转移信号的所述部分时，第一供电的无引线起搏器继续存储电力。
9.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中第一无线电力发送器能够调谐到第二频率。
10.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中控制器是体外设备。
11.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中控制器被配置为皮下植入。
12.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中第一无线供电的无引线起搏器刺激心脏的第一腔室，并且第二无线供电的无引线起搏器刺激心脏的第一腔室。
13.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中第一无线供电的无引线起搏器刺激心脏的第一腔室，并且第二无线供电的无引线起搏器刺激心脏的第二腔室。
14.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中第一无线供电的无引线起搏器刺激血管以便向心脏递送电刺激。
15.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中第一无线供电的无引线起搏器刺激心脏的腔室，并且第二无线供电的无引线起搏器刺激血管，以便向心脏递送电刺激。
16.如权利要求1所述的心脏刺激系统，其中第一电力转移信号的传输诱导第一无线供电的无引线起搏器向心脏递送电疗法以便维持正常的心脏状况；并且第一无线供电的无引线起搏器被配置为感测心脏活动。
17.一种用于使用无线供电的无引线起搏器刺激心脏的方法，包括：
使用控制器的第一无线电力信号发生器以第一频率生成第一电力转移信号；
使用控制器的第一无线电力发送器传输第一电力转移信号；
由第一无线供电的无引线起搏器使用第一无线电力接收器接收第一电力转移信号；以及
在第一无线供电的无引线起搏器的至少一个电容器中存储经由第一电力转移信号接收的电力。
18.如权利要求17所述的用于使用无线供电的无引线起搏器刺激心脏的方法，其中当没有接收到第一电力转移信号时，第一无线供电的无引线起搏器经由第一刺激电极释放存储的电力。
19.如权利要求17所述的用于使用无线供电的无引线起搏器刺激心脏的方法，还包括：
使用控制器的第二无线电力信号发生器以第二频率生成第二电力转移信号；
使用控制器的第二无线电力发送器传输第二电力转移信号；
由第二无线供电的无引线起搏器使用第一无线电力接收器接收第二电力转移信号；以及
在第二无线供电的无引线起搏器的至少一个电容器中存储经由第二电力转移信号接收的电力。
20.如权利要求17所述的用于使用无线供电的无引线起搏器刺激心脏的方法，还包括：
用与第二无线供电的无引线起搏器相关联的独特标签调制第一电力转移信号的一部分；
由第二无线供电的无引线起搏器使用第二无线电力接收器接收第一电力转移信号；
在第二无线供电的无引线起搏器的至少一个电容器中存储经由第一电力转移信号接收的电力；
在接收到第一电力转移信号的经调制的部分时由第二无线供电的无引线起搏器释放存储的电力；以及
在接收到第一电力转移信号的经调制的部分时由第一无线供电的无引线起搏器继续存储电力。
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