CN113965074A - 倍压电荷泵、植入式神经刺激器及植入式神经刺激系统 - Google Patents

倍压电荷泵、植入式神经刺激器及植入式神经刺激系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种倍压电荷泵、植入式神经刺激器及植入式神经刺激系统，该倍压电荷泵包括：倍压设置电路的输入端接收外部倍压控制信号，并将倍压控制信号转化为倍压电荷泵输出电压对应的逻辑信号；倍压设置电路的输出端与时序与控制电路的控制端连接；时序与控制电路的输出端与开关阵列连接，用于将逻辑信号转换为对应的电平信号，并根据电平信号控制开关阵列的通断组合，进而根据开关阵列的通断组合控制与开关阵列对应的电容阵列的充放电状态。通过实施本发明使得倍压电荷泵输出电压可以是多倍的输入电压，使其满足植入式神经刺激器的输出电压范围需求。

Description

倍压电荷泵、植入式神经刺激器及植入式神经刺激系统
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体涉及一种倍压电荷泵、植入式神经刺激器及植入式神经刺激系统。
背景技术
植入式神经刺激器目前已广泛应用于多种神经退行性疾病的治疗，比如脑起搏器、脊髓刺激器、骶神经刺激器等，其工作原理是通过植入体内的脉冲发生器产生电刺激信号，通过植入体内皮下的延长导线和电极将电刺激信号传递至相应的刺激靶点，对其进行刺激，治疗相关疾病。
植入式神经刺激器产生的刺激脉冲电压范围一般不低于0-10V，而供电电池电压范围一般在2-4.1V之间，需要升压模块来进行升压，传统的升压电路主要有基于电感的boost升压和基于电容的电荷泵，boost升压电路一般采用磁芯电感，在磁共振检测(MRI)环境中，会受到影响，从而限制其应用；而传统的电荷泵，效率比较低，而且一般只能产生输入电压的两倍电压输出，很难满足植入式神经刺激器的输出电压范围需求。因此，急需一种合适的升压方式为植入式神经刺激器提供激脉冲电压。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中升压方式难以满足植入式神经刺激器的输出电压范围需求的缺陷，从而提供一种倍压电荷泵、植入式神经刺激器及植入式神经刺激系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种倍压电荷泵，包括：倍压设置电路、时序与控制电路、开关阵列及电容阵列，其中，
所述倍压设置电路的输入端接收外部倍压控制信号，并将所述倍压控制信号转化为所述倍压电荷泵输出电压对应的逻辑信号；
所述倍压设置电路的输出端与所述时序与控制电路的控制端连接，用于将所述逻辑信号发送至所述时序与控制电路；
所述时序与控制电路的输出端与所述开关阵列连接，用于将所述逻辑信号转换为对应的电平信号，并根据所述电平信号控制所述开关阵列的通断组合，进而根据所述开关阵列的通断组合控制与所述开关阵列对应的电容阵列的充放电状态。
可选地，倍压电荷泵还包括：第一储能单元，所述第一储能单元的一端外接供电电源，另一端与所述开关阵列的输出端连接。
可选地，倍压电荷泵第二储能单元，所述第二储能单元的一端外接供电电源，另一端与所述开关阵列的供电端连接。
可选地，倍压电荷泵还包括：过压保护电路，所述过压保护电路分别与所述第一储能单元的另一端及所述第二储能单元的另一端连接，用于保护所述第一储能单元及所述第二储能单元的电压不超过第一预设电压。
可选地，倍压电荷泵还包括切换单元，所述切换单元用于选择所述倍压设置电路的工作方式，当所述切换单元选择第一工作方式时，所述倍压设置电路的输入端接收外部倍压控制信号，当所述切换单元选择第二工作方式时，所述倍压设置电路存储多组所述外部倍压控制信号，以顺序输出或选择输出所述对应的逻辑信号至所述时序与控制电路。
可选地，所述时序与控制电路的使能端外接使能信号，所述时序与控制电路在所述使能信号的驱动下，根据所述电平信号控制所述开关阵列的通断组合。
第二方面，本发明实施例提供一种植入式神经刺激器，包括本发明实施例第一方面所述的倍压电荷泵，所述倍压电荷泵设置于所述植入式神经刺激器的电源管理与升压电路内部。
可选地，植入式神经刺激器还包括：电池、逻辑与控制电路及刺激脉冲输出电路，其中，
所述逻辑与控制电路的第一端外接通信控制信号，所述逻辑与控制电路的第二端与所述电源管理与升压电路的第一端连接，用于将通信控制信号发送至所述电源管理与升压电路；
所述电源管理与升压电路的第二端与所述电池连接，所述电源管理与升压电路的第三端与所述刺激脉冲输出电路的第二端连接，所述电源管理与升压电路将电池电压转化为第二预设电压，再通过所述刺激脉冲输出电路将所述第二预设电压转换为脉冲信号，通过电极将脉冲信号施加到刺激靶点。
可选地，植入式神经刺激器还包括：通信电路，所述通信电路的一端与上位机连接，所述通信电路的另一端与所述逻辑与控制电路的第一端连接。
第三方面，本发明实施例提供一种植入式神经刺激系统，包括本发明实施例第二方面所述的植入式神经刺激器。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的一种倍压电荷泵，包括：倍压设置电路、时序与控制电路、开关阵列及电容阵列，其中，倍压设置电路的输入端接收外部倍压控制信号，并将倍压控制信号转化为倍压电荷泵输出电压对应的逻辑信号；倍压设置电路的输出端与时序与控制电路的控制端连接，用于将逻辑信号发送至时序与控制电路；时序与控制电路的输出端与开关阵列连接，用于将逻辑信号转换为对应的电平信号，并根据电平信号控制开关阵列的通断组合，进而根据开关阵列的通断组合控制与开关阵列对应的电容阵列的充放电状态。通过将倍压控制信号转化为倍压电荷泵输出电压对应的逻辑信号，根据逻辑信号控制开关阵列的通断组合，进而根据开关阵列的通断组合控制与开关阵列对应的电容阵列的充放电状态，使得倍压电荷泵输出电压可以是多倍的输入电压，使其满足植入式神经刺激器的输出电压范围需求。
本发明提供的植入式神经刺激器，通过在电源管理与升压电路内部设置倍压电荷泵，使得植入式神经刺激器输出电压可以是多倍的输入电压，使其满足植入式神经刺激器的输出电压范围需求。而且不含电感部件，不会受到MRI磁场环境的影响。
本发明提供的植入式神经刺激系统，通过采用内部设置倍压电荷泵的植入式神经刺激器，使得植入式神经刺激系统输出电压可以是多倍的输入电压，使其满足植入式神经刺激系统的输出电压范围需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中倍压电荷泵的一个具体示例的原理框图；
图2为本发明实施例中倍压电荷泵输出时序示意图；
图3为本发明实施例中电容阵列的一种等效电路图；
图4为本发明实施例中电容阵列的另一种等效电路图；
图5为本发明实施例中电容阵列的另一种等效电路图；
图6为本发明实施例中电容阵列的另一种等效电路图；
图7为本发明实施例中植入式神经刺激器的一个具体示例的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种倍压电荷泵，如图1所示，包括：倍压设置电路、时序与控制电路、开关阵列及电容阵列，其中，倍压设置电路的输入端接收外部倍压控制信号，并将倍压控制信号转化为倍压电荷泵输出电压对应的逻辑信号；倍压设置电路的输出端与时序与控制电路的控制端连接，用于将逻辑信号发送至时序与控制电路；时序与控制电路的输出端与开关阵列连接，用于将逻辑信号转换为对应的电平信号，并根据电平信号控制开关阵列的通断组合，进而根据开关阵列的通断组合控制与开关阵列对应的电容阵列的充放电状态。
在一具体实施例中，倍压设置电路接收外部倍压控制信号D<x:0>，将倍压控制信号D<x:0>转化为电荷泵输出电压Vout对应的逻辑信号。其中，倍压控制信号D<x:0>为高低电平的数字信号(x取值范围为1-10)，用于设定输出Vout与输入Vbat的倍数关系。时序与控制电路在接收到倍压设置电路发送的逻辑信号后，将该逻辑信号经过电平转换后驱动开关阵列，并根据使能端接收的使能信号OUT_EN控制开关阵列的通断组合。其中，开关阵列的不同通断组合状态对应电容阵列C1-Cn的不同充放电状态(n取值范围3-16)，电容C1-Cn容量取值范围10-100uF，电容阵列放电状态时产生设定的倍压输出，输出为0.5*m倍输入电压，m取值范围1-10。
本发明提供的一种倍压电荷泵，包括：倍压设置电路、时序与控制电路、开关阵列及电容阵列，其中，倍压设置电路的输入端接收外部倍压控制信号，并将倍压控制信号转化为倍压电荷泵输出电压对应的逻辑信号；倍压设置电路的输出端与时序与控制电路的控制端连接，用于将逻辑信号发送至时序与控制电路；时序与控制电路的输出端与开关阵列连接，用于将逻辑信号转换为对应的电平信号，并根据电平信号控制开关阵列的通断组合，进而根据开关阵列的通断组合控制与开关阵列对应的电容阵列的充放电状态。通过将倍压控制信号转化为倍压电荷泵输出电压对应的逻辑信号，根据逻辑信号控制开关阵列的通断组合，进而根据开关阵列的通断组合控制与开关阵列对应的电容阵列的充放电状态，使得倍压电荷泵输出电压可以是多倍的输入电压，使其满足植入式神经刺激器的输出电压范围需求。
在一实施例中，倍压电荷泵还包括：第一储能单元，第一储能单元的一端外接供电电源，另一端与开关阵列的输出端连接。
在一具体实施例中，第一储能单元包括电容Cout。其中，电容Cout取值范围0.1-50nF。通过在倍压电荷泵输出Vout端设计有一个储能电容Cout，用于提高输出效率。
在一实施例中，倍压电荷泵第二储能单元，第二储能单元的一端外接供电电源，另一端与开关阵列的供电端连接。
在一具体实施例中，第二储能单元包括电容Chv。其中，电容Chv的取值范围为0.1-50nF，电容Chv用于储能电荷以满足Vhigh功能。通过设计电容Chv，用于储能电荷以满足Vhigh功能。进而为倍压电荷泵提供一个更高的电压Vhigh，该电压Vhigh用于给电荷泵内的开关阵列供电，以降低开关阵列的导通阻抗，提高输出效率，对于提高植入式神经刺激器输出效能、MRI兼容等性能有明显价值。
在一实施例中，倍压电荷泵还包括：过压保护电路，过压保护电路分别与第一储能单元的另一端及第二储能单元的另一端连接，用于保护第一储能单元及第二储能单元的电压不超过第一预设电压。
在一具体实施例中，如图1所示，倍压电荷泵还包括过压保护电路。该过压保护电路用于保护电压Vout或者Vhigh不超过安全电压(第一预设电压)。
在一实施例中，倍压电荷泵还包括切换单元，切换单元用于选择倍压设置电路的工作方式，当切换单元选择第一工作方式时，倍压设置电路的输入端接收外部倍压控制信号，当切换单元选择第二工作方式时，倍压设置电路存储多组外部倍压控制信号，以顺序输出或选择输出对应的逻辑信号至时序与控制电路。
在一具体实施例中，倍压设置电路的工作方式可通过切换单元进行切换，当切换单元选择第一工作方式时，倍压设置电路的输入端接收外部倍压控制信号D<x:0>，将倍压控制信号D<x:0>转化为电荷泵输出电压Vout对应的逻辑信号并输送至时序与控制电路。当切换单元选择第二工作方式时，倍压设置电路存储多组外部倍压控制信号D<x:0>，以顺序输出或选择输出的方式选择要输出的倍压控制信号D<x:0>。在确定要输出的倍压控制信号D<x:0>后，将倍压控制信号D<x:0>转化为电荷泵输出电压Vout对应的逻辑信号并输送至时序与控制电路。其中，切换单元在图1中未示出，其功能可通过硬件切换模块实现，也可通过程序实现，其实现方式在此不作具体限制。
在一实施例中，如下表所示，为一种具体倍压输出Vout和Vhigh设定方式实例。3个并行输入的数字信号D2、D1、D0用作电压设定，当D2:D0对应的二进制数分别是000-111时，倍压电荷泵输出电压Vout对应为1倍到4.5倍输入电压，0.5倍步进。Vhigh＝Vout+Vbat，其中Vbat为电荷泵输入电压。在其他实施例中，也可以是其他设置方式。
表1
Figure BDA0003294169440000091
Figure BDA0003294169440000101
在一实施例中，如图2所示，为输出时序示意图，输出使能信号OUT_EN为高/低电平时，控制开关阵列使电容阵列处于充电状态，此时输出Vout电压约等于输入电压Vbat，也可以是其他电压；输出使能信号OUT_EN为低/高电平时，控制开关阵列使电容阵列处于放电状态，如图2所示Vout电压为V1或V2，V1、V2分别为数值1和数值2倍数的输入电压，数值1数值2可以是二进制000-111之间任何数值。
在一实施例中，图3所示为充电状态电容阵列的等效电路实例，其中电容C1和C2串联，与C3-Cn并联到输入电压Vbat。图4所示为放电状态电容阵列一种等效电路实例，电容C1和C2并联，然后与C3和输入电压串联，输出Vout为2.5倍输入电压。图5所示为放电状态电容阵列另一种等效电路实例，电容C1和C2并联，C3与C4并联，C5与C6并联，然后依次与输入电压串联，输出Vout为3.5倍输入电压。图6所示为放电状态电压Vhigh一种等效电路实例，电容C1和C2并联，低压端与输入电压串联形成Vout，高压端与电容C4串联，C4高压端产生电压Vhigh，Vout为1.5倍输入电压，Vhigh为2.5倍输入电压。
本发明实施例还提供一种植入式神经刺激器，包括上述倍压电荷泵，倍压电荷泵设置于植入式神经刺激器的电源管理与升压电路内部。
在一具体实施例中，如图7所示，植入式神经刺激器还包括：电池、逻辑与控制电路及刺激脉冲输出电路，其中，逻辑与控制电路的第一端外接通信控制信号，逻辑与控制电路的第二端与电源管理与升压电路的第一端连接，用于将通信控制信号发送至电源管理与升压电路；电源管理与升压电路的第二端与电池连接，电源管理与升压电路的第三端与刺激脉冲输出电路的第二端连接，电源管理与升压电路将电池电压转化为第二预设电压，再通过刺激脉冲输出电路将第二预设电压转换为脉冲信号，通过电极将脉冲信号施加到刺激靶点。
在本发明实施例中，植入式神经刺激器还包括：通信电路，通信电路的一端与上位机连接，通信电路的另一端与逻辑与控制电路的第一端连接。
具体地，逻辑与控制电路通过通信电路接收上位机发送的倍压控制信号。之后逻辑与控制电路将倍压控制信号发送至电源管理与升压电路。电源管理与升压电路将电池电压转化为满足刺激需求的高电压(第二预设电压)，再通过刺激脉冲输出电路将满足刺激需求的高电转换为恒流或者恒压的脉冲信号，通过电极将脉冲信号施加到刺激靶点。其中，电池为可充电电池或者一次性电池。
本发明提供的植入式神经刺激器，通过在电源管理与升压电路内部设置倍压电荷泵，使得植入式神经刺激器输出电压可以是多倍的输入电压，使其满足植入式神经刺激器的输出电压范围需求。而且不含电感部件，不会受到MRI磁场环境的影响。
本发明实施例还提供一种植入式神经刺激系统，包括上述植入式神经刺激器。
在一具体实施例中，植入式神经刺激系统还包括延伸导线、电极和体外程控装置。其工作原理是通过植入体内的植入式神经刺激器产生电刺激信号，通过植入体内皮下的延长导线和电极将电刺激信号传递至相应的刺激靶点，对其进行刺激，治疗相关疾病。
本发明提供的植入式神经刺激系统，通过采用内部设置倍压电荷泵的植入式神经刺激器，使得植入式神经刺激系统输出电压可以是多倍的输入电压，使其满足植入式神经刺激系统的输出电压范围需求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种倍压电荷泵，其特征在于，包括：倍压设置电路、时序与控制电路、开关阵列及电容阵列，其中，
所述倍压设置电路的输入端接收外部倍压控制信号，并将所述倍压控制信号转化为所述倍压电荷泵输出电压对应的逻辑信号；
所述倍压设置电路的输出端与所述时序与控制电路的控制端连接，用于将所述逻辑信号发送至所述时序与控制电路；
所述时序与控制电路的输出端与所述开关阵列连接，用于将所述逻辑信号转换为对应的电平信号，并根据所述电平信号控制所述开关阵列的通断组合，进而根据所述开关阵列的通断组合控制与所述开关阵列对应的电容阵列的充放电状态。
2.根据权利要求1所述的倍压电荷泵，其特征在于，还包括：第一储能单元，所述第一储能单元的一端外接供电电源，另一端与所述开关阵列的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的倍压电荷泵，其特征在于，还包括：第二储能单元，所述第二储能单元的一端外接供电电源，另一端与所述开关阵列的供电端连接。
4.根据权利要求3所述的倍压电荷泵，其特征在于，还包括：过压保护电路，所述过压保护电路分别与所述第一储能单元的另一端及所述第二储能单元的另一端连接，用于保护所述第一储能单元及所述第二储能单元的电压不超过第一预设电压。
5.根据权利要求1所述的倍压电荷泵，其特征在于，还包括切换单元，所述切换单元用于选择所述倍压设置电路的工作方式，当所述切换单元选择第一工作方式时，所述倍压设置电路的输入端接收外部倍压控制信号，当所述切换单元选择第二工作方式时，所述倍压设置电路存储多组所述外部倍压控制信号，以顺序输出或选择输出所述对应的逻辑信号至所述时序与控制电路。
6.根据权利要求1所述的倍压电荷泵，其特征在于，所述时序与控制电路的使能端外接使能信号，所述时序与控制电路在所述使能信号的驱动下，根据所述电平信号控制所述开关阵列的通断组合。
7.一种植入式神经刺激器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的倍压电荷泵，所述倍压电荷泵设置于所述植入式神经刺激器的电源管理与升压电路内部。
8.根据权利要求7所述的植入式神经刺激器，其特征在于，还包括：电池、逻辑与控制电路及刺激脉冲输出电路，其中，
所述逻辑与控制电路的第一端外接通信控制信号，所述逻辑与控制电路的第二端与所述电源管理与升压电路的第一端连接，用于将通信控制信号发送至所述电源管理与升压电路；
所述电源管理与升压电路的第二端与所述电池连接，所述电源管理与升压电路的第三端与所述刺激脉冲输出电路的第二端连接，所述电源管理与升压电路将电池电压转化为第二预设电压，再通过所述刺激脉冲输出电路将所述第二预设电压转换为脉冲信号，通过电极将脉冲信号施加到刺激靶点。
9.根据权利要求8所述的植入式神经刺激器，其特征在于，还包括：通信电路，所述通信电路的一端与上位机连接，所述通信电路的另一端与所述逻辑与控制电路的第一端连接。
10.一种植入式神经刺激系统，其特征在于，包括如权利要求7-9任一项所述的植入式神经刺激器。
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