CN115003370A - 具有非线性幅度调节的刺激器设备的数模转换器电路系统 - Google Patents

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Abstract

公开了可在刺激器设备中使用的数模转换器(DAC)电路系统。DAC电路系统产生其幅度作为由数字幅度总线提供的幅度值的函数而变化的输出电流。输出电流与幅度(Iout(A))的关系可以是线性的或非线性的，这取决于被选择以便使用的DAC中的电路的电流‑电压特性。例如，如果选择电阻器，输出电流将随幅度线性变化；如果选择p‑n二极管，输出电流将随幅度呈指数变化。Iout(A)的形状影响输出电流的分辨率，并且根据所选择的电路，可以使分辨率在DAC电路系统的动态范围内是恒定的，或者至少更加恒定。DAC电路系统在被编程有最小和最大输出电流的其能力上进一步是有益的。

Description

具有非线性幅度调节的刺激器设备的数模转换器电路系统
技术领域
本申请涉及可植入刺激器设备，并且特别地涉及用于在设备的电极处提供治疗电流的电流源电路系统。
背景技术
可植入神经刺激器设备是生成电刺激并将其递送到神经和组织以便进行各种生物疾病的疗法的设备，诸如用于治疗心律失常的起搏器、用于治疗心纤维性颤动的除颤器、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疾病的皮层和深部脑刺激器、以及用于治疗尿失禁、睡眠呼吸暂停、肩部半脱位等的其他神经刺激器等。下面的描述通常集中在本发明在脊髓刺激(Spinal Cord Stimulation，SCS)系统或深部脑刺激(Deep Brain Stimulation，DBS)系统中的使用。然而，本发明可以适用于任何可植入神经刺激器设备系统。
SCS或DBS系统通常包括图1中示出的可植入脉冲发生器(Implantable PulseGenerator，IPG)10。IPG 10包括生物相容性设备外壳12，该生物相容性设备外壳容纳电路系统和用于为IPG起作用提供功率的电池14。IPG 10经由形成电极阵列17的一个或多个电极引线耦接到组织刺激电极16。例如，可以使用具有承载在柔性主体18上的环形或开口环形电极16的一个或多个经皮引线15。在另一示例中，桨形引线19提供被定位在其大致平坦的表面中的一个上的电极16。引线内的引导线20耦接到电极16且耦接到可插入到引线连接器22中的近侧触点21，该引线连接器固定在IPG 10上的头部23中，该头部可以包括例如环氧树脂。一旦被插入，近侧触点21连接到引线连接器22内的头部触点24，这些头部触点又通过馈通引脚25通过外壳馈通26耦接到外壳12内的刺激电路系统28。
在所示的IPG 10中，存在在四个经皮引线15之间分开、或者包含在单个桨形引线19上的32个电极(E1至E32)，并且因此头部23可以包括2×2阵列的8电极引线连接器22。然而，IPG中的引线、引线连接器和电极的类型和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，(多个)电极引线通常植入在患者的脊髓中靠近硬脑膜的脊柱中，而IPG通常植入在臀部区域中的皮肤下。在DBS应用中，电极引线通常植入在大脑的特定区域中，而IPG通常植入在锁骨(clavicle或collarbone)下的皮肤下。在被设计用于直接植入在需要刺激的部位处的其他IPG示例中，IPG可以是无引线的，使电极16代替地出现在IPG 10的主体上，用于接触患者的组织。在其他解决方案中，(多个)IPG引线可以与IPG 10集成并永久连接到IPG 10。神经刺激疗法的目标是从电极16提供电刺激，以减轻患者的症状，诸如在SCS应用中的慢性背痛、或在DBS应用中的颤抖。
IPG 10可以包括天线27a，从而允许其与用于编程或监控IPG的多个外部设备(诸如手持式患者遥控器或临床医生编程器)双向地进行通信。例如，参见美国专利申请公开2015/0360038和2015/0231402。所示的天线27a包括外壳12内的导电线圈，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，与外部设备的通信优选地使用近场磁感应发生。IPG 10还可以包括射频(Radio-Frequency，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、缝隙或导线，并且可以作为单极或偶极操作。RF天线27b优选地使用远场电磁波进行通信，并且可以根据任何数量的已知RF通信标准进行操作，诸如蓝牙、Zigbee、MICS等。如果电池14是可充电的，则IPG 10可以进一步包括充电线圈(未示出)以从外部充电设备无线接收能量。
IPG 10中的刺激通常由脉冲提供，并且每个脉冲可以包括多个阶段，如图2A的示例所示。脉冲的刺激参数通常包括幅度(电流I，尽管也可以使用电压幅度V)；频率(F)；脉冲或其各个阶段的脉冲宽度(pulse width，PW)；被选择用于提供刺激的电极16；以及这些所选择的电极的极性，即它们是充当向组织供应电流的阳极还是从组织吸收电流的阴极。这些刺激参数和可能采用的其他刺激参数一起包括刺激程序，IPG 10中的刺激电路系统28可以执行刺激程序以向患者提供治疗刺激。
在图2A的示例中，电极E4已经被选择作为阳极(在其第一阶段30a期间)，并且因此提供向组织供应幅度+I的正电流的脉冲。电极E5已经被选择作为阴极(再次在第一阶段30a期间)，并且因此提供从组织吸收幅度-I的相对应的负电流的脉冲。这是双极刺激的示例，其中仅两个基于引线的电极被用于向组织提供刺激(一个阳极，一个阴极)。然而，一个以上的电极可以在给定时间被选择为充当阳极，并且一个以上的电极可以在给定时间被选择为充当阴极。在所谓单极场景的情况下，外壳电极Ec(12)也可以被选择作为电极或电流回路。
如上所提及的IPG 10包括刺激电路系统28，以在患者的组织处形成所规定的刺激。图3A示出了刺激电路系统28的示例，该刺激电路系统包括根据所指定的幅度在电极处提供模拟电流的数模转换器(DAC)，如下面进一步解释的那样。所描绘的刺激电路系统28包括多个电流源电路(PDAC)和多个电流吸收电路(NDAC)，根据它们分别发出的正电流(供应的、阳极)电流和负(吸收的、阴极)电流来如此命名。在所示的示例中，NDACi/PDACi对专用于(硬连线到)特定的电极节点ei，出于下面解释的原因，电极节点ei中的每一个经由DC阻断电容器Ci 38连接到电极Ei 16中的一个。这个示例中的刺激电路系统28还支持选择导电外壳12作为电极(Ec 12)，该外壳电极通常被选择用于单极刺激。虽然在本公开中假设PDAC和NDAC包括能够提供规定的恒定电流的电流源，但是它们也可以包括能够提供规定的恒定电压的电压源。
刺激电路系统28的电力由顺从电压VH提供。如在美国专利申请公开2013/0289665中进一步详细描述的那样，顺从电压VH可以由顺从电压发生器29产生，该顺从电压发生器可以包括用于将电池14的电压(Vbat)升压到足以驱动规定电流I通过组织R的电压VH的电路。顺从电压发生器29可以包括基于电感器的升压转换器或者可以包括基于电容器的电荷泵，如例如在美国专利申请公开2018/0071512中解释的那样。因为组织的电阻是可变的，所以VH也可以是可变的，并且在一个示例中可以高达18伏。尽管未示出，美国专利申请公开2018/0071520解释了PDAC和NDAC可以由不同的电源域供电。例如，可以使用第一电源域给PDAC供电，该第一电源域包括作为高电源的VH和作为低电源的VH-Vcc(这两者可以变化，因为VH可以变化)。NDAC可以使用第二电源域来供电，该第二电源域包括Vcc作为高电源以及接地(GND)作为低电源。
对刺激电路系统28的适当控制允许电极16中的任何一个充当阳极或阴极，以产生通过患者的组织R的电流、希望地具有良好的治疗效果。由每个NDACi提供的电流的幅度经由数字幅度总线<Ani>控制，从而允许其相关联的电极Ei充当阴极以从组织吸收规定幅度的电流。同样地，由每个PDACi提供的电流的幅度经由数字幅度总线<Api>控制，从而允许其相关联的电极Ei充当阳极以向组织供应规定幅度的电流。
数字幅度总线<Ani>和<Api>以及用于DAC的其他数字控制信号可以由IPG10中的数字控制电路系统40发出。数字控制电路系统40可以包括微控制器，诸如由TexasInstruments公司制造的零件号MSP430，这在http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/16-bit_msp430/overview.page？DCMP＝MCU_other&HQS＝msp430处的数据表中描述。控制电路系统40更一般地可以包括微处理器、现场可编程栅格阵列、可编程逻辑设备、数字信号处理器或类似设备，并且可以包括能够执行指令的中央处理单元，其中这些指令存储在控制电路内或与控制电路系统相关联的易失性或非易失性存储器中。数字控制电路系统40可以与刺激电路系统28分离；例如各自可以在它们自己的集成电路中形成。替代性地，数字控制电路系统40和刺激电路系统28也可以集成在同一集成电路上，诸如专用集成电路(ASIC)。美国专利申请公开2008/0319497、2012/0095529、2018/0071513、2018/0071520或2019/0083796中提供了数字控制电路系统40和刺激电路系统28的各种示例、及它们如何连接或集成。
图3A示出了创建图2A的第一阶段30a所必需的刺激电路系统28的编程，其中电极E4和E5分别被选择作为阳极和阴极，以创建通过组织的幅度I的电流。在这个示例中，服务于PDAC4的数字幅度总线<Ap4>被设置为具有对应于期望电流幅度I的幅度值X，服务于NDAC5的总线<An5>也是如此。这些总线将在特定时间被断言，以产生具有正确定时(例如，根据规定的频率F和脉冲宽度PWa)的期望电流I。在第二阶段30b(PWb)期间，PDAC5和NDAC4将经由数字幅度总线<Ap5>和<An4>被类似地编程，以反转电流的极性，这在下面进一步讨论的双相脉冲的产生期间是有用的。用于对与其他非活动电极相关联的PDAC和NDAC进行编程的其他数字幅度总线(例如，与电极E1处的PDAC1和NDAC1相关联的<Ap1>和<An1>)将被设置为零，或者这些PDAC或NDAC可以通过其他方手段被去激活。通过对DAC的适当控制，一次可以选择一个以上的阳极和一个以上的阴极，并且因此电流可以流过电极16中的两个或更多个之间的组织R。
图3A中还示出了串联放置在电极节点ei 39中的每一个和电极Ei 16(包括外壳电极Ec 12)之间的电极电流路径中的DC阻断电容器Ci 38。DC阻断电容器38充当安全措施，以防止DC电流注入到患者体内，例如，如果刺激电路系统28中存在电路故障，就会发生这种情况。
虽然未示出，但是包括刺激电路系统28的IPG 10中的电路系统也可以包括在用于在试验时段期间和IPG 10的植入之前模拟IPG的操作的外部试验刺激器(ETS)设备中。ETS通常在电极阵列17已经被植入患者体内后使用。电极阵列17中的引线的近端穿过患者体内的切口，并连接到外部佩戴的ETS，从而允许ETS在试验时段期间向患者提供刺激。类似于IPG 10，ETS可以包括用于与外部设备通信的各种天线。关于ETS设备的另外的细节在USP9,259,574和美国专利申请公开2019/0175915中有所描述。
再次参考图2A，所示的刺激脉冲是双相的，其中每个电极处的每个脉冲包括第一阶段30a，其后是相反极性的第二阶段30b。双相脉冲对于主动回收可能存储在电极电流路径中的电容性元件(诸如DC阻断电容器38)、电极/组织界面上或组织本身内的任何电荷是有用的。为了在每个脉冲(Vc4＝Vc5＝0V)的第二脉冲阶段30b结束时回收所有电荷，第一和第二阶段30a和30b优选地在每个电极处充电平衡，其中这些阶段包括等量的电荷但具有相反极性。在所示的示例中，通过对脉冲阶段30a和30b中的每一个使用相同的脉冲宽度(PWa＝PWb)和相同的幅度(|+I|＝|-I|)来实现这种电荷平衡。然而，如已知的那样，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3A示出了刺激电路系统28可以包括无源回收开关41i，其在美国专利申请公开2018/0071527和2018/0140831中进一步描述。无源回收开关41i可以附接到电极节点39中的每一个，并且用于无源地回收任何剩余电荷，诸如在发出第二脉冲阶段30b之后可能保留在DC阻断电容器Ci 38上的电荷。无源电荷回收在不使用DAC电路系统主动驱动电流的情况下发生，并且可以是谨慎的，因为刺激电路系统28中的非理想性可能导致不是完全电荷平衡的有源电荷回收。通过闭合在一个端部处连接到电极节点39的无源回收开关41i，无源电荷回收通常在阶段30c期间发生(图2A)，该阶段可以包括脉冲之间的静默时段的一部分。开关41i的另一端连接到公共参考电压，在这个示例中，该公共参考电压包括电池14的电压Vbat，尽管可以使用另一参考电压。如上面引用的参考文献中所解释的那样，通过将电容器并联防止在参考电压(Vbat)和患者的组织之间，无源电荷回收倾向于平衡输出电流路径中的DC阻断电容器38和其他电容元件上的电荷。注意，在图2A中，在30c期间，无源电荷回收被图示为小的指数衰减曲线，其可以是正的或负的，这取决于脉冲阶段30a或30b是否在给定电极处赋予电荷优势。尽管未示出，但是被动回收开关的控制可以经由由数字控制电路系统40输出的信号来进行。
刺激电路系统28的其他设计可以用在IPG 10中，并且图3A只是一个示例。在图3B中示出的另一示例中，PDAC和NDAC可能不是专用于与特定电极一起工作。相反，开关矩阵(SM Pi)可以介于每个PDACi和电极节点ei 39之间，并且开关矩阵(SM Ni)可以介于每个NDACi和电极节点ei 39之间。每个开关矩阵可以由数字开关总线控制(例如，<Sp1>、<Sn1>等)以控制其相关联的DAC的输出应连接到的电极节点(例如，PDAC1、NDAC1等)。取决于设计，并且与图3B中示出的内容不同，刺激电路系统28可以仅包括一个PDAC(和一个开关矩阵SM P)和一个NDAC(和一个开关矩阵SM N)。然而，提供一个以上的PDAC和一个以上的NDAC(例如，如图3B所示，每个为“x”)允许形成更复杂的刺激，诸如需要在一个以上的阳极或阴极处同时控制电流的刺激、或者在不同的时间通道中形成的刺激。在图3B的示例中，数字控制电路系统40根据IPG 10被编程执行的刺激程序发出用于每个PDAC和NDAC的数字幅度总线(例如，<Ap1>、<An1>等)以及用于每个开关矩阵的数字开关总线(例如，<Sp1>、<Sn1>等)。刺激电路系统28的其他变型也是可能的，并且在USP6,181,969、8,606,362、8,620,436和美国专利申请公开2018/0071520和2019/0083796中公开了不同的选项。
图4示出了给定NDAC和PDAC(诸如图3A和3B中使用的那些)的示例电路系统，尽管正如刚刚引用的参考文献所解释的那样，PDAC和NDAC也可以不同地构建。如前所述的由NDAC输出的电流的幅度由数字幅度总线<An[8:1]>控制，在这个示例中，该总线包括能够表示256个不同幅度值的八个数字控制信号An[8]至An[1]。这些数字控制信号中的每一个被输入到选择晶体管56n，选择晶体管中的每一个与并联连接的不同数量的晶体管54n串联。参考电流Iref由发生器50n产生，并被提供给晶体管52n，该晶体管将其电流镜像到晶体管54n中的每一个。(如所熟知的那样，因为晶体管52n和晶体管54n的栅极连接到晶体管52n的漏极，所以出现这种电流镜像)。
并联晶体管54n的数量以二进制方式变化，使得An[1]控制一个晶体管54n的连接以提供Iref；An[2]控制一起提供2*Iref的两个晶体管54n的连接；An[3]控制一起提供4*Iref的四个晶体管54n的连接，依此类推，同时[8]控制一起提供128*Iref的128个晶体管54n的连接。因为在这个示例中选择晶体管56n是N沟道晶体管，所以数字控制信号An[i]优选地为高电平有效。因此，例如，如果数字幅度总线<An[8:1]>＝‘00110101’，即二进制形式的数53，则控制信号An[6]、An[5]、An[3]和An[1]被断言以闭合它们相关联的选择晶体管56n。这些控制信号分别导致32*Iref、16*Iref、4*Iref和Iref被吸收到NDAC(例如，从NDAC的相关联的电极节点(图3A)或被吸收到NDAC的相关联的开关矩阵(图3B))，总共53*Iref。如果假设Iref＝0.1mA，则所吸收的电流Iout将等于5.3mA。简而言之，通过断言数字幅度总线<An[8：1]>中的各种数字控制信号，在从Iref＝0.0mA(‘00000000’)至255*Iref＝25.5mA(‘1111111’)的动态范围内的输出电流Iout可以以Iref＝0.1mA的增量被吸收到NDAC。Iref当然可以包括不同于0.1mA的幅度，并且幅度An可以包括不同于256的增量数量。
PDAC在构造上很大程度上类似于NDAC，尽管其操作来供应电流。再次，选择晶体管56p由数字幅度总线<Ap[8：1]>控制，其中每个晶体管56p控制来自不同数量的并联晶体管54p的电流。由发生器50p产生的Iref被晶体管52p镜像到晶体管54p。因为选择晶体管56p是P沟道晶体管，所以数字控制信号Ap[i]优选地为低电平有效。因此，例如，如果数字幅度总线<Ap[8:1]>＝‘11001010’，即二进制形式的53的补码，则控制信号Ap[6]、Ap[5]、Ap[3]和An[1]被断言以闭合它们相关联的选择晶体管56p，这分别导致32*Iref、16*Iref、4*Iref和Iref被供应以获得总共53*Iref。再次假设Iref＝0.1mA，所供应的电流Iout(例如，供应到PDAC的电极节点(图3A)或开关矩阵(图3B))将等于5.3mA(注意，Iref可以在发生器50p和50n处微调，以确保由PDAC和NDAC产生的电流适当平衡)。同样，通过断言数字幅度总线<Ap[8：1]>中的各种数字控制信号，从Iref＝0.0mA(‘11111111’)到255*Iref＝25.5mA(‘0000000’)的动态范围内的输出电流Iout可以以Iref＝0.1mA的256个增量从PDAC供应。
发明内容
公开了一种刺激器设备，该刺激器设备可以包括：多个电极节点，每个电极节点被配置为耦接到被配置为接触患者的组织的相对应的电极；以及数模转换器(DAC)电路系统，该数模转换器电路系统可由被配置为指定多个幅度值的数字幅度总线控制，其中DAC电路系统被配置为根据由数字幅度总线承载的幅度值来设置电极节点中的至少一个处的输出电流的幅度，其中输出电流的幅度随着幅度值递增通过多个幅度值而非线性增加。
在一个示例中，随着幅度值递增通过多个幅度值，输出电流的幅度呈抛物线变化。在一个示例中，DAC电路系统包括具有为抛物线式的电流-电压特性的至少一个MOS二极管。在一个示例中，随着幅度值递增通过多个幅度值，输出电流的幅度呈指数变化。在一个示例中，DAC电路系统包括具有为指数式的电流-电压特性的至少一个p-n二极管。在一个示例中，随着幅度值递增通过多个幅度值，输出电流的分辨率是恒定的。在一个示例中，分辨率包括随着幅度值递增输出电流的幅度的百分比变化。在一个示例中，DAC电路系统还由至少一个功能选择信号控制，其中该至少一个功能选择信号设置了规定了输出的幅度随着幅度值递增通过多个幅度值如何增加的关系。在一个示例中，至少一个功能选择信号使得输出的幅度或者(i)随着幅度值递增通过多个幅度值而呈抛物线增加，或者(ii)随着幅度值递增通过多个幅度值而呈指数增加。在一个示例中，DAC电路系统包括被配置为接收数字幅度总线并产生第三电压的输入级；以及被配置为接收第三电压并产生输出电流的输出级。在一个示例中，第三电压随着幅度值线性变化。在一个示例中，第三电压施加在输出级中具有非线性电流-电压特性的第三电路上，其中根据非线性电流-电压特性通过第三电路形成输出电流。在一个示例中，第三电路是可选择的。在一个示例中，输入级包括第一偏置级，该第一偏置级被配置为产生随第一电流变化的第一电压。在一个示例中，第一电流是可编程的以设置输出电流的最大幅度。在一个示例中，第一偏置级包括被配置为接收第一电流的第一电路，其中根据第一电路的非线性电流-电压特性产生第一电压。在一个示例中，第一电路是可选择的。在一个示例中，第一电路的非线性电流-电压特性与第三电路的非线性电流-电压特性相同。在一个示例中，第三电压作为第一电压的函数产生。在一个示例中，输入级包括被配置为产生随第一电流变化的第一电压的第一偏置级，以及被配置为产生随第二电流变化的第二电压的第二偏置级。在一个示例中，第一电流可编程为设置输出电流的最大幅度，并且其中第二电流可编程为设置输出电流的最小幅度。在一个示例中，第一偏置级包括被配置为接收第一电流的第一电路，其中根据第一电路的非线性电流-电压特性产生第一电压，其中第二偏置级包括被配置为接收第二电流的第二电路，其中根据第二电路的非线性电流-电压特性产生第二电压。在一个示例中，第一和第二电路是可选择的。在一个示例中，第一、第二和第三电路的非线性电流-电压特性是相同的。在一个示例中，第三电压作为第一和第二电压的函数产生。在一个示例中，第三电压等于第一和第二电压或在第一和第二电压之间。
公开了一种刺激器设备，该刺激器设备可以包括：多个电极节点，每个电极节点被配置为耦接到被配置为接触患者的组织的相对应的电极；以及数模转换器(DAC)电路系统，该数模转换器电路系统可由被配置为指定多个幅度值的数字幅度总线控制，其中DAC电路系统被配置为根据由数字幅度总线承载的幅度值来设置电极节点中的至少一个处的输出电流的幅度，其中DAC电路系统还由至少一个功能选择信号控制，其中至少一个功能选择信号被配置为设置规定了输出电流的幅度随幅度值递增通过多个幅度值如何变化的关系。
在一个示例中，至少一个功能选择信号被配置为将输出电流的幅度设置为随着幅度值递增通过多个幅度值而呈抛物线变化。在一个示例中，至少一个功能选择信号被配置为选择使用为抛物线式的电流-电压特性的至少一个MOS二极管。在一个示例中，至少一个功能选择信号被配置为将输出电流的幅度设置为随着幅度值递增通过多个幅度值而呈指数变化。在一个示例中，至少一个功能选择信号被配置为选择使用为指数式的电流-电压特性的至少一个p-n二极管。在一个示例中，至少一个功能选择信号被配置为将输出电流的幅度设置为随着幅度值递增通过多个幅度值而线性变化。在一个示例中，至少一个功能选择信号被配置为选择使用具有为线性的电流-电压特性的至少一个电阻器。在一个示例中，至少一个功能选择信号被配置为将输出的幅度设置为随着幅度值递增通过多个幅度值而(i)线性地、(ii)呈抛物线或(iii)呈指数增加。在一个示例中，DAC电路系统包括被配置为接收数字幅度总线并产生第三电压的输入级；以及被配置为接收第三电压并产生输出电流的输出级。在一个示例中，第三电压随着幅度值线性变化。在一个示例中，第三电压根据至少一个功能选择信号被施加在输出级中的多个第三电路中所选择的一个上，其中第三电路中的每一个包括不同的电流-电压特性。在一个示例中，根据所选择的第三电路的电流-电压特性通过所选择的第三电路形成输出电流。在一个示例中，输入级包括配置为产生随第一电流变化的第一电压的第一偏置级，其中第三电压随第一电压变化。在一个示例中，第一电流是可编程的以设置输出电流的最大幅度。在一个示例中，第一偏置级包括各自包括不同的电流-电压特性的多个第一电路。在一个示例中，根据至少一个功能选择信号，在第一电路中的所选择的一个上产生第一电压。在一个示例中，根据所选择的第一电路的电流-电压特性产生第一电压。在一个示例中，输入级包括被配置为产生随第一电流变化的第一电压的第一偏置级，以及被配置为产生随第二电流变化的第二电压的第二偏置级，其中第三电压随第一电压变化。在一个示例中，第一电流可编程为设置输出电流的最大幅度，并且其中第二电流可编程为设置输出电流的最小幅度。在一个示例中，第一偏置级包括各自包括不同的电流-电压特性的多个第一电路，并且其中第二偏置级包括各自包括不同的电流-电压特性的多个第二电路。在一个示例中，根据至少一个功能选择信号在第一电路中的被选择的一个上产生第一电压，并且其中根据至少一个功能选择信号在第二电路中的被选择的一个上产生第二电压。在一个示例中，根据所选择的第一电路的电流-电压特性产生第一电压，并且其中根据所选择的第二电路的电流-电压特性产生第二电压。在一个示例中，第三电压作为第一和第二电压的函数产生。在一个示例中，第三电压等于第一和第二电压或在第一和第二电压之间。
公开了一种刺激器设备，该刺激器设备可以包括：多个电极节点，每个电极节点被配置为耦接到被配置为接触患者的组织的相对应的电极；以及数模转换器(DAC)电路系统，该数模转换器电路系统可由被配置为指定多个幅度值的数字幅度总线控制，其中DAC电路系统被配置为设置影响了电极节点中的至少一个处的电极电流的输出电流的幅度，其中输出电流根据由数字幅度总线承载的幅度值等于最大幅度和最小幅度或者范围在最大幅度和最小幅度之间，其中DAC电路系统还可编程为设置最大幅度和最小幅度。
在一个示例中，DAC电路系统被配置为提供输出电流作为在电极节点中的至少一个处的电极电流。在一个示例中，DAC电路系统包括放大级，该放大级被配置为将输出电流放大为电极电流。在一个示例中，DAC电路系统可由第一总线来编程以设置输出电流的最大幅度，并且其中DAC电路系统可由第二总线编程以设置输出电流的最小幅度。在一个示例中，DAC电路系统包括：在一个示例中，输入级，被配置为接收数字幅度总线并产生第三电压，并且输出级，被配置为接收第三电压并产生输出电流。在一个示例中，第三电压随着幅度值线性变化。在一个示例中，第三电压施加在输出级中的第三电路上，其中第三电路包括电流-电压特性。在一个示例中，根据第三电路的电流-电压特性，通过第三电路形成输出电流。在一个示例中，第三电路是可选择的。在一个示例中，输入级包括被配置为根据所设置的最大幅度产生第一电流的第一偏置级，以及被配置为根据所设置的最小幅度产生第二电流的第二偏置级。在一个示例中，第一偏置级被配置为产生随第一电流变化的第一电压，并且其中第二偏置级被配置为产生随第二电流变化的第二电压。在一个示例中，第一偏置级包括被配置为接收第一电流的第一电路，其中根据第一电路的电流-电压特性产生第一电压，并且其中第二偏置级包括被配置为接收第二电流的第二电路，其中根据第二电路的电流-电压特性产生第二电压。在一个示例中，第一和第二电路是可选择的。在一个示例中，第三电压作为第一和第二电压的函数产生。在一个示例中，第三电压等于第一和第二电压或在第一和第二电压之间。在一个示例中，第三电压随着幅度值而线性变化。
公开了一种刺激器设备，该刺激器设备可以包括：多个电极节点，每个电极节点被配置为耦接到被配置为接触患者组织的相对应的电极；以及数模转换器(DAC)电路系统，该数模转换器电路系统被配置为向多个电极节点中的至少一个提供刺激，包括：第一偏置级，该第一偏置级被配置为产生随第一电流变化的第一电压；电阻块，该电阻块被配置为接收第一电压和第二电压，其中电阻块可由数字幅度总线控制以根据由数字幅度总线承载的幅度值产生等于第一和第二电压或在第一和第二电压之间的第三电压；输出级，该输出级被配置为接收第三电压并产生随第三电压变化的输出电流。
在一个示例中，第一电流是可编程的。在一个示例中，第二电压是接地。在一个示例中，幅度值设置等于零和第一电流零或范围在零与第一电流之间的输出电流的幅度。在一个示例中，输出电流随着幅度值而线性变化。在一个示例中，输出电流随幅度值呈抛物线变化。在一个示例中，输出电流随幅度值呈指数变化。在一个示例中，第一偏置级包括被配置为接收第一电流的第一电路，其中根据第一电路的电流-电压特性产生第一电压。在一个示例中，输出级包括具有与第一电路相同的电流-电压特性的第三电路，其中第三电路接收第三电压以根据其电流-电压特性产生输出电流。在一个示例中，第一偏置级包括可选择来接收第一电流并产生第一电压的多个第一电路，其中多个第一电路的电流-电压特性彼此不同，其中根据所选择的第一电路的电流-电压特性产生第一电压。在一个示例中，输出级包括多个可选择的第三电路，其中多个第三电路的电流-电压特性彼此不同，其中所选择的第三电路接收第三电压以根据其电流-电压特性产生输出电流。在一个示例中，DAC电路还包括被配置为产生第二电压的第二偏置级，其中第二电压随着第二电流而变化。在一个示例中，第一和第二电流是可编程的。在一个示例中，幅度值设置等于第二电流和第一电流或范围在第二电流与第一电流之间的输出电流的幅度。在一个示例中，输出电流随着幅度值而线性变化。在一个示例中，输出电流随幅度值呈抛物线变化。在一个示例中，输出电流随幅度值呈指数变化。在一个示例中，第一偏置级包括被配置为接收第一电流的第一电路，其中根据第一电路的电流-电压特性产生第一电压，并且其中第二偏置级包括被配置为接收第二电流的第二电路，其中根据第二电路的电流-电压特性产生第二电压。在一个示例中，输出级包括具有与第一和第二电路相同的电流-电压特性的第三电路，其中第三电路接收第三电压以根据其电流-电压特性产生输出电流。在一个示例中，第一偏置级包括可选择来接收第一电流并产生第一电压的多个第一电路，其中多个第一电路的电流-电压特性彼此不同，其中根据所选择的第一电路的电流-电压特性产生第一电压，并且其中第二偏置级包括可选择来接收第二电流并产生第二电压的多个第二电路，其中多个第二电路的电流-电压特性彼此不同，其中根据所选择的第二电路的电流-电压特性产生第二电压。在一个示例中，输出级包括多个可选择的第三电路，其中多个第三电路的电流-电压特性彼此不同，其中所选择的第三电路接收第三电压以根据其电流-电压特性产生输出电流。在一个示例中，第三电压随着第一和第二电压之间的幅度值而线性变化。在一个示例中，输出电流被提供给电极节点中的至少一个。在一个示例中，输出电流在呈现给电极节点中的至少一个之前被放大。
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3A和图3B示出了根据现有技术的可用于IPG的包括PDAC和NDAC的刺激电路系统的不同示例。
图4示出了根据现有技术的可用于图3A和图3B的刺激电路系统中的PDAC和NDAC的电路细节。
图5A至图5C示出了能够通过具有不同I-V特性的电路选择输出电流将如何根据数字幅度总线上规定的幅度值在最大和最小电流之间变化的NDAC的改进设计。
图6A至图6B示出了当选择不同电路时来自NDAC的输出电流如何作为幅度值的函数而变化。图6C和图6D分别示出了当选择不同电路时作为幅度值的函数的所得到的电流增量和分辨率。
图7A和图7B示出了在构造和功能性上类似于NDAC的PDAC的改进设计。
图8示出了其中放大了改进的NDAC和PDAC的输出的修改。
图9示出了其中改进的NDAC和PDAC缺少最小电流偏置级的修改。
图10示出了其中改进的NDAC和PDAC使用单个非可选择的电路来确定输出电流将如何根据幅度值变化的修改。
图11A至图11C示出了使用改进的NDAC和PDAC来提供最大和最小电流之间的输出电流。
图12A和图12B示出了使用先前描述的改进的NDAC和PDAC中的任何一个的IPG中的刺激电路系统的示例。
图13示出了可在能够对IPG进行编程的外部设备上再现的图形用户界面，其中GUI包括对改进的NDAC和PDAC电路系统进行编程的选项。
具体实施方式
如前所述的刺激电路系统是有益的，因为它是可编程的以在电极处提供指定幅度和极性的电流。然而，发明人发现其数模(DAC)电路系统中的某些缺点(例如，图4)。如前所述，由DAC提供的电流的幅度Iout可以以恒定单位Iref(例如0.1mA)递增，使得幅度(数字幅度总线<Ap>或<An>)每增加或减少1，输出电流就会增加或减少Iref。换句话说，输出电流随幅度值线性变化，即Iout(An)＝Iref*An以及Iout(Ap)＝Iref*Ap。但是，在DAC所能产生的电流动态范围内的低端处这种增量更显著，而在该范围的高端处这种增量则不那么显著。
当人们考虑到提供有效治疗的最佳电流的幅度可能变化时，这可能是不理想的。有时需要更低的电流(例如1mA)。例如，其电极阵列17相对靠近脊髓的SCS患者可能需要较低的电流。对于不同类型的刺激疗法，也可以保证较低的电流。例如，DBS应用通常比SCS应用需要更低的电流。其他时候，需要更高的电流(例如10mA)。例如，其电极阵列17相对远离脊髓的SCS患者可能需要更高的电流。
在这些不同的情况下，DAC电路系统提供合适的电流幅度的需要使其设计变得复杂。对于需要较低电流的患者或疗法来说，0.1mA的恒定电流增量对于调节电流来说可能过于粗略。这个增量对于1mA的较低电流幅度以10％的分辨率工作(0.1mA/1mA)，使得使幅度递增(即使数字幅度总线递增)将使电流增加到1.1mA，并且使幅度递减将使电流减少到0.9mA。当需要较低的电流时，这可能包括太大的变化。如果患者需要较低的电流，诸如1mA，较小的电流调节可能导致对治疗的有意义的改变。因此，可能替代地期望以比如3％的较低分辨率(0.03mA的增量)调节电流，使得使幅度递增将使电流增加到1.03mA，而使幅度递减将使电流减少到0.97mA。在较低电流下提供更好的分辨率将允许临床医生(经由临床医生程序器)或患者(经由患者遥控器)更灵活地调节电流以达到合适的治疗。
对于需要更高电流的患者或疗法，0.1mA的恒定电流增量可能太精细而不能有意义地调节电流。这种增量对于10mA的更高的电流幅度只能以1％的分辨率工作(0.1mA/10mA)，使得使幅度递增将使电流增加到10.1mA，并且使幅度递减将使电流减少到9.9mA。当需要更高的电流时，这可能包括太小的变化，因为这种增量可能不会有意义地影响治疗。在这种情况下，可能期望的是以比如(再次)3％的更高分辨率(0.3mA的增量)来调节电流，使得使幅度递增将使电流更显著地增加到10.3mA，而使幅度递减将使电流更显著地减少到9.7mA。
因此，设计能够处理以较低和较高电流进行的刺激的DAC电路系统(诸如图4所示的DAC电路系统)可能涉及不期望的权衡。如果DAC电路系统被设计用于为较高电流(例如10mA)提供良好的分辨率(例如3％)，则需要0.3mA的电流增量。但是这将在较低电流(1mA)下提供不合适的高分辨率(例如30％)，以及太粗糙的调节。相比之下，如果DAC电路系统被设计用于为较低电流(例如1mA)提供良好的分辨率(例如3％)，则需要0.03mA的电流增量。这不仅会在较高电流(例如10mA)下导致不期望的低分辨率(0.3％)，还会使DAC电路系统设计变得复杂。例如，如果假设DAC电路系统应具有25.5mA的动态范围，则0.03的电流增量将要求幅度以850个增量可控(25.5mA/0.03mA)。考虑到PDAC和NDAC的二进制特性(图4)，数字幅度总线现在需要附加信号，例如10个信号而不是8个信号，以正确地形成电流。(十个信号提供允许由数字幅度总线指定210＝1024个不同的幅度，足以处理所需的850个)。这使得DAC设计变得复杂，并可能导致无效的幅度总线的值(从851到1024的那些)。
与具有恒定电流增量的DAC电路系统相关的另一缺点是，对于给定的应用，可能没有必要使用其全部动态范围。例如，假设已知给定的SCS患者需要4mA的量级的电流来为其症状提供有效的治疗。可能永远无法保证这个患者的电流幅度低于3mA或高于5mA，使得对于这个患者，DAC电路系统有效范围为从3mA至5mA。在本例中，DAC电路系统的大部分动态范围(A<3mA；5<A<25.5mA)实际上浪费在这个患者上。进一步，因为电流增量在所有幅度值上是恒定的(例如，0.1mA)，所以患者只能有效地将电流调节到256个可能幅度值中的21个(例如，从3.0mA到5.0mA)，这是有限制的。可能期望的是允许患者在他们需要的有效范围内更精细地调节输出电流。
简而言之，前面描述的DAC电路系统可能太不灵活。相反，期望的是提供能够根据该电流的幅度更有意义地使得电流递增和递减的DAC电路系统设计。例如，在较低幅度(例如，1mA)下，电流增量应该较低(例如，0.03mA)，而在较高幅度(例如，10mA)下，电流增量应该较高(例如，0.3mA)。简而言之，期望在动态范围内提供恒定或至少更恒定分辨率的设计。
进一步，期望的是提供允许为特定患者或应用设置动态范围同时仍保留在该范围内的整个幅度值范围内精细地使电流递增的能力的DAC电路系统设计。
最后，期望的是能够在DAC电路系统中选择使用具有不同电流-电压(I-V)特性的不同电路来控制输出电流的形状。这是因为，如下所解释的那样，在动态范围内，不同的I-V特性对输出电流递增的方式有不同的影响，并且因此对电流调节的分辨率也有不同的影响。
为了支持这些目标，从图5A开始，公开了更灵活的DAC电路系统设计100。更具体地，图5A示出了可以从阴极吸收输出电流Iout的新的NDAC电路系统设计。图7A和图7B稍后描述了对电路系统的变更以形成可以向阳极供应输出电流Iout的PDAC 100。新的DAC电路系统设计可以作为刺激电路系统的一部分存在于在IPG或类似设备中，诸如前面描述的ETS设备。
如所示出的那样，NDAC电路系统100接收数字幅度总线<An>并产生模拟输出电流Iout，该电流是由总线承载的规定幅度An的函数。然而，如下文进一步描述的那样，并且取决于NDAC 100如何被编程，输出电流Iout可能不一定与幅度An线性地成比例。也就是说，Iout(An)可能不会随着An递增而以恒定电流增量(诸如Iref)递增，并且因此Iout可能不一定与A成线性比例，如引言中描述的DAC电路系统中所发生的那样。数字幅度总线<An>被示出为包括多条信号线(例如，八条信号线An[8]至An[1])的并行总线，但是也可以包括包含单条信号线的串行总线。
如图5A所示的NDAC 100包括输入级101和输出级104。这个示例中的输入级包括两个偏置级102a和102b。这些偏置级102a/b在设计上可以是相似的，并且用于设置将在输出Iout处产生的电流的最大值(Imax)和最小值(Imin)。每个偏置级102a/b包括可编程以产生Imax/Imin的电流源106a/b。在这点上，IPG的控制电路系统40可以根据需要发出数字总线<Imax>和<Imin>以对电流源106a/b进行编程，从而产生Imax和Imin。如同其他数字总线一样，这些总线<Imax>和<Imin>可以包括并行或串行总线。注意，电流源106a/b可以包括可编程电流源的任何设计。例如，电流源106a/b可以如前面图4所示构建，或者可以包括其他设计，诸如USP 6,181,969、8,606,362、8,620,436和美国专利申请公开2018/0071520和2019/0083796中公开的那些设计。
在这个示例中，最大和最小电流Imax和Imin被提供给电流-电压(I-V)选择块108a和108b(通常为108i)，这在图5B中被更详细地示出。I-V选择块108i允许选择不同的电路109i来接收由电流源106a/b产生的Imax和Imin。优选地，不同的电路109i中的每一个具有不同的电流-电压(I-V)特性，并且在图5B中示出了三个不同的电路109i。在这个示例中，三个示出的电路109i包括单个设备，尽管这只是为了简单起见。在其他示例中，电路109i可以包括一起提供期望的I-V特性的一个或多个设备，即设备网络。
电路109L中的第一电路包括电阻器，其电流IL与其两端的电压成线性比例：IL～kV，其中k等于电阻器的电导(1/R)。电路109S中的第二电路包括MOS二极管，其可以通过将MOS晶体管的漏极连接到其栅极如所示出那样形成。如所熟知那样，流经这个MOS二极管的电流IS与其两端电压的平方成比例：IS～k(V-Vt)2，其中k为常数，并且Vt包括MOS晶体管的阈值电压。电路109E中的第三电路包括p-n二极管，在一个示例中，其可以通过将双极结型晶体管的集电极连接到其基极来形成。如所熟知那样，流经这个p-n二极管的电流IE与其两端的电压V成指数比例：IE～m*en*V，其中m和n为常数。
通过闭合彼此串联的开关111L、111S、111E，可以选择这些电路109L、109S和109E中的任何一个用于在I-V选择块108i内使用。这些开关分别由控制信号L(线性)、S(平方)和E(指数)控制，这些信号一起构成功能选择信号。这些功能选择信号由控制电路系统40发出，并且在所示的示例中，不同的功能选择信号a、b和c用于控制I-V选择块108a、I-V选择块108b和出现在输出级104中的第三I-V选择块108c中的电路109i的选择，这将在后面讨论。优选地，但不是必须地，控制电路系统40将在I-V选择块108a、108b和108c中的每一个中选择相同的电路109i。在这方面，并且虽然未示出，但是控制电路系统40可以仅发出一组功能控制信号(即一组L、S和E控制信号)，该组功能控制信号将由I-V选择块108a、108b和108c中的每一个接收。
在偏置级102a中，Imax被提供给I-V选择块108a内的所选择的电路109i，其进而产生由所选择的电路的I-V特性管控的电压Vmax。例如，如果选择电阻器109L，Vmax将等于Imax*R。如果选择MOS二极管109S，Vmax将与SQRT(Imax)成比例。如果选择p-n二极管109E，Vmax将与ln(Imax)成比例。Vmax被提供给电压跟随器110a，以在其输出处产生Vmax的缓冲版本。偏置级102b是类似的，其中Imin被提供给I-V选择块108b内的所选择的电路109i，其进而产生由所选择的电路的I-V特性管控的电压Vmin。Vmin被提供给电压跟随器110b，以在其输出处产生Vmin的缓冲版本。
所缓冲的Vmax和Vmin被提供给输入级101中的电阻块112，该电阻块由数字幅度总线An控制以产生随由总线承载的幅度值An而变化的电压V(An)。电阻块112的示例在图5C中更详细地示出，并且包括解复用器(demux)120和电阻梯122。这个示例假设数字幅度总线<An>包括八个控制信号An[8]至An[1]，并且因此能够指定256个不同的幅度值。如图5C中的表格所示，demux120根据An的值来断言256个可能的X控制信号中的一个。例如，如果An＝0(<An>＝‘00000000’)，那么demux 120断言信号X0；如果An＝1(<An>＝‘00000001’)，那么demux断言信号X1，依此类推，其中当An＝255(<An>＝‘1111111’)时断言X255。
除了An＝0的情况(下面进一步讨论)，断言的X控制信号闭合电阻梯122中的开关124，以设置V(An)的等于Vmax和Vmin或在Vmax和Vmin之间的值。在这个示例中，电阻梯122包括254个电阻器的串联连接，优选地所有电阻器具有相同的值r。考虑到开关124连接到电阻器的方式，电压V(An)＝[(An-1)/254]*[Vmax-Vmin]+Vmin。因此，当An＝1时，断言X1，这设置了V(An)＝Vmin。当An＝255时，断言X255，这设置了V(An)＝Vmax。对于An的其他值，V(An)在Vmin和Vmax之间线性地缩放。
可能期望保留指定NDAC 100不应该提供输出(即Iout应该等于零(而不是Imin))的幅度。在针对当An＝0(<An>＝‘00000000’)时所描绘的示例中，保留这种情况。在这种情况下，demux 120断言信号X0，该信号控制将V(An)连接到接地的开关126。这将V(An)设置为零，这进而将Iout设置为零，如稍后解释那样。
再次参考图5A，V(An)被提供给NDAC 100的输出级104。具体而言，V(An)被提供给运算放大器(op amp)114的非反相输入，该运算放大器的输出被提供给输出晶体管116的栅极。op amp 114的反相输入连接到I-V选择块108c的顶部。反馈将迫使输出晶体管116导通到使op amp的输入处的电压相同所必需的程度；因此，将在I-V选择块108c上将下降V(An)。根据在块108c中选择的电路109i(图5B)的I-V特性，这个电压降V(An)通过I-V选择块108c和输出晶体管116感应出电流Iout。
参考图5A和图6A至图6D解释了NDAC 100的操作以及选择不同电路109i的相关性。在所示的示例中，假设Imax被设置(经由<Imax>)为25.5mA以及Imin被设置(经由<Imin>)为0.1mA。如前所述，优选的是在I-V选择块108a-c中的每一个中选择的电路109i是相同的，并且图6A至图6D示出了其中分别经由控制信号L、S和E在每个块中选择电阻器109L、MOS二极管109S和p-n二极管109E的示例。
在幅度值An改变时，I-V选择块108i中的可选择的电路109i中的每一个提供对电流Iout的不同缩放。换句话说，所选择的电路109i改变Iout(An)的形状。
例如，电阻器109L的选择提供了作为幅度An的函数的对Iout的线性响应。这是因为由电阻块112产生的V(An)将等于V(An)＝[R(An-1)/254]*[Imax-Imin]+R*Imin，其中R等于电阻器109L的电阻。当在输出级104中的I-V选择块108c中的电阻器R两端施加V(An)时，产生电流Iout＝[(An-1)/254]*[Imax-Imin]+Imin。换言之，Iout与幅度An成线性比例关系，如图6A最佳所示。注意，Iout的范围为从Imin＝0.1mA(An＝1)至Imax＝25.5mA(An＝255)，除了当An＝0(这导致V(A)为零，这将Iout设置为零)时。
MOS二极管109S的选择提供了作为幅度An的函数的对Iout的平方或抛物线响应。这是因为由电阻块112产生的V(An)将与[(An-1)/254]*[SQRT(Imax)-SQRT(Imin)]+SQRT(Imin)成比例，如MOS二极管109S的I-V特性所规定的那样。V(An)被施加在输出级104中的I-V选择块108c中的MOS二极管109S两端，这导致通常与An2成比例的电流Iout。在此数学更复杂，并且可能由于MOS二极管的I-V特性中固有的其他次级效应(诸如考虑其阈值电压)而进一步被复杂化。尽管如此，Iout通常与An2成比例变化，如图6A和图6B所示。同样，Iout的范围为从Imin＝0.1mA(An＝1)至Imax＝25.5mA(An＝255)(除了当An＝0时，这将Iout设置为零)。
p-n二极管109E的选择提供了作为幅度An的函数的对Iout的指数响应。这是因为由电阻块112产生的V(An)将与[(An-1)/254]*[ln(Imax)-ln(Imin)]+ln(Imin)成比例，如p-n二极管109S的I-V特性所规定的那样。V(An)被施加在输出级104中的I-V选择块108c中的p-n二极管109E两端，这导致与Imin*(Imax/Imin)^((An-1)/254))成比例的电流Iout结果。换句话说，Iout与幅度An成指数地比例关系。图6B中最佳地示出了这一点，该图绘制了Iout的对数与An。同样，Iout的范围为从Imin＝0.1mA(An＝1)至Imax＝25.5mA(An＝255)(除了当An＝0时，这将Iout设置为零)。
图6C示出了当使An递增时输出电流Iout递增的量。在数学上，这个图有效地示出了图6A和图6B中提供的曲线的导数d(Iout)/dAn。
当选择电阻器109L时，幅度An的每个增量为输出电流Iout提供恒定的增量，该增量在这个示例中等于0.1mA。(注意，从微积分的角度来看，这是有意义的：因为当使用电阻器时，Iout随A线性变化，所以d(Iout)/dAn应该是恒定的)。这种响应类似于前面描述的刺激电路系统(图4)，其也提供恒定电流增量(Iref)，并且因此提供了与幅度线性地缩放的输出电流(Iout＝Iref*An)。对于给定的实施方式，这可能没问题，但如前所述，具有仅允许以恒定增量调节输出电流的DAC具有缺点：增量可能太大而无法在Iout的较低幅度下提供良好的分辨率，而又太小而无法在较高幅度下提供良好的分辨率。这个分辨率(增量/Iout)在图6D中进行了量化。可以看出，当使用恒定增量(选择电阻器109L)时，所得到的分辨率与A成反比。例如，当An＝10时(对应于Iout＝1mA)，分辨率为10％(0.1mA/1mA)并且在更低的An值下更高。当An＝100时(对应于Iout＝10mA)，分辨率为1％(0.1mA/10mA)，并且在高得多的An值下更低。如前所讨论的那样，这个分辨率在较低的电流下可能太高，这抑制了患者的治疗可能需要的对电流进行更精细调节的能力。同样地，在较高的电流下，分辨率可能太低，从而导致对电流的不显著的增量变化。
在这点上，选择非线性电路109i来设置输出电流Iout的形状可能是有用的，因为这种电路在更低幅度的Iout下提供更小的电流增量，而在更高幅度下提供更大的增量。这在NDAC 100的动态范围内提供了恒定的或者至少更加恒定的分辨率。
例如，图6C示出了当选择MOS二极管109S时，增量基本上与An线性地缩放。(再次注意，这是有意义的：因为Iout一般与An2成比例关系，d(Iout)/dAn一般应与An成比例地变化)。在较低的电流值下，电流增量小于0.1mA，并且在NDAC 100的动态范围的中间(在An～127下)大约为0.1mA。在更高的An值下增量增加，最终在Amax＝255下达到约0.2mA。图6D示出了使用这种非恒定增量产生的分辨率，该分辨率在NDAC 100的整个动态范围内通常在1％到8％之间。注意，由于MOS二极管中的I-V特性中固有的次级效应，分辨率可能不会遵循简单的趋势。然而，当使用MOS二极管109S时，并且当与使用电阻器109L相比时，分辨率在NDAC 100的整个动态范围内更合理，在较低电流下具有较小的分辨率，并且在较高电流下具有较高的分辨率。
当选择p-n二极管109E时，增量随A呈指数变化，如图6C所示。(同样，这是有意义的：因为Iout随eAn成比例变化，所以d(Iout)/dAn也应该随eAn成比例变化)。由于Iout也随An呈指数变化，因此所得到的分辨率(图6D)是恒定的，在这个示例中为约2.2％。换句话说，对输出电流的每个增量幅度调节使Iout提高或降低2.2％。例如，当An＝100时Iout＝1mA(图6B)，那么当An递增至101时，Iout将等于1.022mA。如果当An＝215时Iout＝10mA，则当An递增至216时，Iout将等于10.22mA，依此类推。注意，在这个示例中使用非线性增量解决了之前强调的问题，因为分辨率在刺激电路系统的整个动态范围内是恒定的(例如，2.2％)。
NDAC 100在其解决可能存在的变化的能力上是有益的，并且因此即使在存在这种变化的情况下也将可预测地执行。例如，可能存在用于制造NDAC 100(例如在ASIC上)的制造工艺中固有的变化，这可能改变电路109i的I-V特性。进一步，并且特别地关于MOS二极管109S或p-n二极管109E的使用，I-V特性可能取决于温度。这种变化将最终影响由I-V选择块108a和108b产生的电压Vmax和Vmin。然而，因为当形成V(An)时，这些电压Vmax和Vmin在电阻块112中被减去，并且因为V(An)被施加到同样地被这种变化影响的I-V选择块108c中的电路109i，所以这种变化被消除或减轻，从而导致可预测的Iout值。
尽管优选的是在I-V选择块108i中的每一个中选择相同的电路109i，但是也可以选择不同的电路109i。如本领域技术人员将理解的那样，使用不同类型的电路将产生作为幅度的函数的Iout的不同形状(图6A和图6B)，从而在DAC的整个动态范围内提供不同的Iout电流增量(图6C)和分辨率(图6D)。例如，偏置级102a和102b可以被控制以选择使用p-n二极管109E，而输出级104被控制以选择使用电阻器109L，这在给定的实施方式中可能是有益的。
图7A和图7B示出了能够从阳极供应电流Iout的PDAC 100的示例，并且如本领域技术人员将会理解的那样，该电路系统与NDAC 100的电路系统非常相似，并且相似地起作用。接收数字幅度总线<Ap>，其形成电压V(Ap)，该电压形成供应电流Iout，该供应电流可以根据所选择的电路109i随Ap线性地、平方地、指数地变化。PDAC 100中使用的设备可以具有不同的极性。例如，可以使用P沟道或NPN晶体管来代替NDAC 100中使用的N沟道或PNP晶体管。另外，数字控制信号(例如，<Imax>、<Imin>、<Ap>、功能选择信号L、S和E等)也可能是互补的(低电平有效的)。再进一步，并且如美国专利申请公开2018/0071520中所解释的那样，NDAC100和PDAC 100可以由不同的电源域供电。例如，虽然如图5A和图5B所示，可以使用电源域Vcc/GND给NDAC供电，而如图7A和图7B所示，可以使用电源域VH/VH-Vcc给PDAC供电。
对所公开的DAC电路系统的许多修改是可能的，并且在图8至10中示出了一些不同的修改示例。图8示出了NDAC 100’和PDAC 100’，其包括如上所述的NDAC 100和PDAC 100、但是其还包括附加的放大级110n和110p。例如，NDAC 100’包括NDAC 100，该NDAC 100如前所述接收幅度An(经由总线<An>)、最大和最小电流Imax和Imin(经由总线<Imin>和<Imax>)以及选择具有期望I-V特性的电路109i的功能选择信号(L，S，E)。NDAC 100如前文那样输出Imin和Imax之间的、作为An的函数变化(线性地、平方地或指数地)的电流Iout。这个输出电流然后被提供给放大级110n，该放大级(在这个示例中)通过标量Jn线性放大Iout，以在阴极处产生Jn*Imin和Jn*Imax之间的输出电流IJ＝Jn*Iout。在所示的示例中，标量Jn是可经由放大总线<Jn>编程的(可由控制电路系统40提供)，但是放大级110n也可以提供Jn的固定放大，并且是不可编程的。放大级110n可以采用电流镜来提供期望的标量Jn，并且可以例如如前面图4所示来构建。PDAC 100’被类似地构建，并且类似地操作以在阳极处供应电流IJ＝Jp*Iout。
图9的修改示出了在输入级101中仅具有单个最大电流偏置级102a的DAC电路系统的使用。这个示例是在NDAC 100的场景中示出的，但是PDAC 100(图7A)可以被类似地修改。偏置级102a如前文那样被编程以产生Imax，并进而产生被提供给电阻器块112的Vmax。当与图5A相比时，注意，没有最小电流偏置级102b，并且替代地电阻器块112的另一端接地。这相当于在偏置级102b中设置Imin＝Vmin＝0。实际上，这种修改提供了等于零和Imax或范围在零到Imax之间的输出电流Iout，这在其中期望将可由NDAC 100产生的动态范围的电流向下扩展到零的应用中可能是有用的。通过在图5A中的偏置级102b中设置Imax＝0可以实现相同的效果。注意，在这个示例中，控制电路系统40不会发出<Imin>和功能选择信号b(L,S,E)，因为当缺少偏置级102b时，这些信号是不相关的。
图10示出了DAC电路系统可以不具有带有不同I-V特性的不同可选择的电路109i。这个示例再次在NDAC 100的场景中示出的，但是PDAC 100(图7A)可以被类似地修改。在图10中，NDAC 100包括具有在幅度变化时提供Iout的期望响应所必需的I-V特性的单个不可选择的电路109i。具体而言，图10示出了在DAC中使用p-n二极管109E(即，代替I-V选择级108i)，尽管也可以示出其他电路(电阻器109L、MOS二极管109S)。使用单个不可选择的电路109i降低了选择Iout将如何随幅度变化的DAC灵活性，但是限制这种灵活性仍然是合理的设计选择。例如，如果期望Iout与幅度之间的指数关系以便在DAC的整个动态范围内产生恒定的分辨率(图6D)，则使用p-n二极管109E是合理的选择。进一步，尽管未示出，但不可选择的电路在级102a、102b和104方面可以不同。注意，在这个示例中，控制电路系统40不会发出功能选择信号，因为这些信号是不相关的。
所公开的DAC电路系统在其将输出电流Iout的动态范围限制在最小值Imax和最大值Imin之间的能力方面是进一步有利的，这在给定的应用中是有用的。以需要4mA的量级的电流的SCS患者的假设的先前提出的为例。如前所述，可能永远无法保证用于这个患者的电流幅度低于3mA或高于5mA。在具有固定增量(例如，0.1mA)的DAC电路系统中，患者被有效地限制在这个动态范围内的较小数量的幅度调节，诸如256个可能值中的21个。
目前的DAC设计不存在这种限制，并且替代地幅度仍可以在所期望的动态范围内以256个增量变化，因此为患者在这个范围内调节电流方面提供更大的灵活性。这在图11A至图11C中示出。在本例中，Imin和Imax分别编程为3mA和5mA(经由总线<Imin>和<Imax>)，以提供所期望的有效动态范围。选择一种类型的电路109i，即电阻器109L、MOS二极管109S或p-n二极管190E，以提供Iout和幅度An之间的期望关系，如前所解释那样。注意，限制Iout的动态范围可以使响应变平，如图11A所示，尽管这些响应仍然是线性的(电阻109L)、平方的(MOS二极管190S)和指数的(p-n二极管190E)，如前所述。图11B和图11C示出了作为幅度An的函数的所得到的增量和分辨率，其示出了前面提到的相同的基本响应(尽管再次变平)。如图11B所示，当使用电阻器109L时，Iout的电流增量是恒定的(～0.0078mA)；当使用MOS二极管109S时通常线性增加；并且当使用p-n二极管109E时呈指数增加。如图11C所示，当使用电阻器109L时，分辨率相反地降低，并且当使用pn结二极管109E时是恒定的(～0.2％)。(为简单起见，图11C中未示出MOS二极管109S的分辨率)。
图12A和图12B示出了所公开的NDAC 100和PDAC 100在用于向IPG的电极提供电流的刺激电路系统128中的集成。这些刺激电路系统128类似于之前在图3A和图3B中示出的刺激电路系统，并且示出了其中PDACi/NDACi对专用于特定电极节点ei(图12A)以及其中PDAC和NDAC可以通过开关矩阵SM Pi和SM Ni控制不同电极处的电流(图12B)的示例。还示出了由各种部件接收的控制信号，如前所述，这些信号可以从IPG的控制电路系统40发出。在所示的示例中，每个PDACi和NDACi接收数字幅度总线<Api>和<Ani>。每个PDACi和NDACi还可以接收所公开的DAC设计所特有的控制信号，诸如设置最大和最小电流(<Imaxpi>、<Iminpi>、<Imaxni>、<Iminni>)所特有的信号，以及用于整形Iout的功能选择信号(L、S、E(pi)和L、S、E(ni))。在一个示例中，对于PDAC和NDAC中的每一个，最大和最小电流以及功能选择信号可以是相同的。在这点上，控制电路系统40可能只需要发出一组这样的信号(即<Imax>、<Imin>和L、S或E)，并且每个PDACi和NDACi可以接收一组这样的信号。在图12B中，如前文那样，开关矩阵SM Pi和SW Ni附加地接收开关矩阵控制信号<SPi>和<SNi>。
图13示出了可以用于编程和控制所公开的DAC电路系统的操作的图形用户界面(GUI 150)。本领域技术人员将理解，GUI 150可以再现在用于编程或监视IPG的外部设备(诸如手持式患者遥控器或临床医生编程器)的显示器上。用于再现GUI 150和从用户接收输入的软件可以存储在非暂时性计算机可读介质中，诸如存储在外部设备的存储器中。
GUI 150可以包括允许选择和编程PDAC和NDAC中的一个或多个的DAC电路系统控制接口152。在图13中，假设IPG刺激电路系统128包括四个PDAC和四个NDAC，尽管这个数量可以根据刺激电路系统的设计而变化。DAC编程可以包括指定由相关(多个)DAC产生的最大和最小电流(Imax和Imin)的选项、以及选择Iout相对于幅度的形状(诸如线性地、平方地或指数地)的选项，这将分别选择在刺激电路系统128中使用电阻器109L、MOS二极管109S和p-n二极管109E。这种编程可以从外部设备传输到IPG，以允许IPG的控制电路系统40为DAC中的每一个或全部形成总线<Imax>、<Imin>和功能选择信号L、S和E。(在其他DAC设计中，<Imin>和功能选择信号可以不相关(参见图9和图10)，在这种情况下，可以从GUI 150中省略对这些变量的控制)。
因为外部设备可以利用DAC电路系统中使用的电路109i的相关I-V特性进行编程，所以外部设备可以在给定Imin、Imax和所选择的Iout形状的情况下计算对应于每个幅度值(Iout(A))的电流Iout。实际上，外部设备可以确定形成先前在图6A中示出的曲线图所需的数据，该图示出了Iout与A。如果必要或有用的话，Iout(A)可以在GUI 150中显示为值的表格，或者其可以如图6A中那样绘制。根据Iout(A)数据，外部设备可以进一步确定增量和分辨率或二者的范围，如前所述。实际上，外部设备可以确定形成先前在图6C和图6D中示出的图所需的数据，并且可以再次绘制这样的数据。在GUI 150中显示这样的信息对于查阅是有用的，并且可以帮助用户在给定Imin和Imax的情况下选择合适的Iout形状。例如，用户可以查阅可选择的幅度的动态范围内提供的分辨率，以确保每个幅度增量将提供对Iout的显著调节。
在外部设备中建立Iout(A)对于使得外部设备能够将所期望的电流幅度转换为将由DAC中的数字幅度总线(<Ap>，<an>)承载的幅度值A也可以是有用的。在这点上，GUI 150可以包括允许用户(患者或临床医生)指定要在IPG电极阵列17中的电极中的每一个处产生的电流I的电极编程接口154。在实际实施中，电极编程接口154可以明显更复杂，并且可以包括指定患者将接受的刺激的附加选项。例如，也可以指定脉冲的频率和脉冲宽度，但为了简单起见，这没有示出。
在所示的示例中，用户选择电极E1和E3充当阳极，其中每个阳极向患者的组织供应+2.0mA电流。用户还选择电极E2充当阴极以从患者组织吸收-4.0mA电流。在知道Iout如何随着所选择的Iout形状的幅度(Iout(A))缩放的情况下，外部设备可以确定建立期望电流I所需的幅度值A，并且这可以使用与GUI 150的软件相关联地存储在外部设备中的幅度转换模块130来进行。例如，假设使用图12A的刺激电路系统128架构(其中每个电极Ei具有专用的PDACi/NDACi对)，并且用户已经对DAC进行编程以提供对Iout的指数式响应。如上所述，外部设备可以确定Iout(A)，并将其提供给幅度转换模块130，使得可以针对所指定的电流I中的每一个确定幅度值A。参考图6C中的Iout对A的图，当选择指数形状时，我们可以看到2mA和4mA的电流分别对应于138和170的幅度值。由此，幅度转换模块可以将数字幅度总线<Ap1>(服务于PDAC1和电极E1)设置为138(‘01110101’，138低电平有效)，将数字幅度总线<An2>(服务于NDAC2和电极E2)设置为170(‘10101010’，170高电平有效)，并将数字幅度总线<Ap3>(服务于PDAC3和电极E3)设置为138(‘01110101’，138低电平有效)。然后，这些幅度值可以与其他相关数据一起从外部设备传输到IPG，以允许IPG中的控制电路系统40形成刺激电路系统128形成期望刺激所需的控制信号。
替代性地，外部设备可以将期望的电流幅度传输到IPG 10，从而让IPG 10将这些电流转换成幅度值。在这点上，IPG的控制电路系统40也可以包括幅度转换模块130，如图12A和图12B所示。因此，IPG 10中的控制电路系统40可以在给定GUI 150中的其他用户选择(Imin、Imax、Iout形状等)的情况下确定Iout(A)，或Iout(A)也可以遥测到IPG。在任一情况下，模块130可以确定在电极中的每一个处形成期望电流I所需的幅度值A。

Claims (60)

1.一种刺激器设备，包括：
多个电极节点，每个电极节点被配置为耦接到被配置为接触患者的组织的相对应的电极；以及
数模转换器(DAC)电路系统，所述数模转换器电路系统能够由被配置为指定多个幅度值的数字幅度总线来控制，其中所述DAC电路系统被配置为根据由所述数字幅度总线承载的幅度值来设置所述电极节点中的至少一个电极节点处的输出电流的幅度，
其中所述输出电流的幅度随着所述幅度值递增通过多个幅度值而非线性增加。
2.根据权利要求1所述的刺激器设备，其中随着所述幅度值递增通过所述多个幅度值，所述输出电流的幅度呈抛物线变化。
3.根据权利要求1所述的刺激器设备，其中随着所述幅度值递增通过所述多个幅度值，所述输出电流的幅度呈指数变化。
4.根据权利要求1所述的刺激器设备，其中随着所述幅度值递增通过所述多个幅度值，所述输出电流的分辨率是恒定的，其中所述分辨率包括随着所述幅度值递增，所述输出电流的幅度的百分比变化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的刺激器设备，其中所述DAC电路系统还由至少一个功能选择信号控制，其中所述至少一个功能选择信号对规定了所述输出的幅度随着所述幅度值递增通过所述多个幅度值而如何增加的关系进行设置。
6.根据权利要求5所述的刺激器设备，其中所述至少一个功能选择信号使得所述输出的幅度或者(i)随着所述幅度值递增通过所述多个幅度值而呈抛物线增加，或者(ii)随着所述幅度值递增通过所述多个幅度值而呈指数增加。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的刺激器设备，其中所述DAC电路系统包括：
输入级，所述输入级被配置为接收所述数字幅度总线并产生第三电压，以及
输出级，所述输出级被配置为接收所述第三电压并产生所述输出电流。
8.根据权利要求7所述的刺激器设备，其中所述第三电压施加在所述输出级中具有非线性电流-电压特性的第三电路上，其中根据所述非线性电流-电压特性通过所述第三电路形成所述输出电流。
9.根据权利要求8所述的刺激器设备，其中所述第三电路是能够选择的。
10.根据权利要求8或9所述的刺激器设备，其中所述输入级包括第一偏置级，所述第一偏置级被配置为产生随第一电流变化的第一电压，其中所述第一电流是能够编程的以设置所述输出电流的最大幅度。
11.根据权利要求10所述的刺激器设备，其中所述第一偏置级包括被配置为接收所述第一电流的第一电路，其中根据所述第一电路的非线性电流-电压特性来产生所述第一电压。
12.根据权利要求11所述的刺激器设备，其中所述第一电路是能够选择的。
13.根据权利要求8所述的刺激器设备，其中所述输入级包括被配置为产生随第一电流变化的第一电压的第一偏置级，以及被配置为产生随第二电流变化的第二电压的第二偏置级。
14.根据权利要求13所述的刺激器设备，其中所述第一偏置级包括被配置为接收所述第一电流的第一电路，其中根据所述第一电路的非线性电流-电压特性来产生所述第一电压，其中所述第二偏置级包括被配置为接收所述第二电流的第二电路，其中根据所述第二电路的非线性电流-电压特性来产生所述第二电压。
15.根据权利要求13或14所述的刺激器设备，其中所述第三电压作为所述第一电压和所述第二电压的函数产生，其中所述第三电压等于所述第一电压和所述第二电压或在所述第一电压和所述第二电压之间。
16.一种刺激器设备，包括：
多个电极节点，每个电极节点被配置为耦接到被配置为接触患者的组织的相对应的电极；以及
数模转换器(DAC)电路系统，所述数模转换器电路系统能够由被配置为指定多个幅度值的数字幅度总线来控制，其中所述DAC电路系统被配置为根据由所述数字幅度总线承载的幅度值来设置所述电极节点中的至少一个电极节点处的输出电流的幅度，
其中所述DAC电路系统还由至少一个功能选择信号来控制，其中所述至少一个功能选择信号被配置为对规定了所述输出电流的幅度随所述幅度值递增通过所述多个幅度值而如何变化的关系进行设置。
17.根据权利要求16所述的刺激器设备，其中所述至少一个功能选择信号被配置为将所述输出电流的幅度设置为随着所述幅度值递增通过所述多个幅度值而呈抛物线变化。
18.根据权利要求16所述的刺激器设备，其中所述至少一个功能选择信号被配置为将所述输出电流的幅度设置为随着所述幅度值递增通过所述多个幅度值而呈指数变化。
19.根据权利要求16所述的刺激器设备，其中所述至少一个功能选择信号被配置为将所述输出电流的幅度设置为随着所述幅度值递增通过所述多个幅度值而线性变化。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的刺激器设备，其中所述DAC电路系统包括：
输入级，所述输入级被配置为接收所述数字幅度总线并产生第三电压，以及
输出级，所述输出级被配置为接收所述第三电压并产生所述输出电流。
21.根据权利要求20所述的刺激器设备，其中所述第三电压根据所述至少一个功能选择信号而被施加在所述输出级中的多个第三电路中所选择的一个第三电路上，其中所述第三电路中的每一个第三电路包括不同的电流-电压特性，其中根据所选择的第三电路的电流-电压特性通过所选择的第三电路形成所述输出电流。
22.根据权利要求20或21所述的刺激器设备，其中所述输入级包括配置为产生随第一电流变化的第一电压的第一偏置级，其中所述第三电压随所述第一电压变化。
23.根据权利要求22所述的刺激器设备，其中所述第一偏置级包括各自包括不同的电流-电压特性的多个第一电路，其中根据所述至少一个功能选择信号，在所述第一电路中的所选择的一个第一电路上产生所述第一电压。
24.根据权利要求23所述的刺激器设备，其中根据所选择的第一电路的电流-电压特性产生所述第一电压。
25.根据权利要求20所述的刺激器设备，其中所述输入级包括被配置为产生随第一电流变化的第一电压的第一偏置级，以及被配置为产生随第二电流变化的第二电压的第二偏置级，其中所述第三电压随所述第一电压变化。
26.根据权利要求25所述的刺激器设备，其中所述第一电流能够编程为设置所述输出电流的最大幅度，并且其中所述第二电流能够编程为设置所述输出电流的最小幅度。
27.根据权利要求25或26所述的刺激器设备，其中所述第一偏置级包括各自包括不同的电流-电压特性的多个第一电路，并且其中所述第二偏置级包括各自包括不同的电流-电压特性的多个第二电路。
28.根据权利要求27所述的刺激器设备，其中根据所述至少一个功能选择信号而在所述第一电路中的所选择的一个第一电路上产生所述第一电压，并且其中根据所述至少一个功能选择信号而在所述第二电路中的所选择的一个第二电路上产生所述第二电压。
29.根据权利要求28所述的刺激器设备，其中根据所选择的第一电路的电流-电压特性而产生所述第一电压，并且其中根据所选择的第二电路的电流-电压特性而产生所述第二电压。
30.根据权利要求29所述的刺激器设备，其中所述第三电压作为所述第一和所述第二电压的函数产生，其中所述第三电压等于所述第一电压和所述第二电压或在所述第一电压和所述第二电压之间。
31.一种刺激器设备，包括：
多个电极节点，每个电极节点被配置为耦接到被配置为接触患者的组织的相对应的电极；以及
数模转换器(DAC)电路系统，所述数模转换器电路系统能够由被配置为指定多个幅度值的数字幅度总线来控制，其中所述DAC电路系统被配置为对影响所述电极节点中的至少一个电极节点处的电极电流的输出电流的幅度进行设置，其中所述输出电流根据由所述数字幅度总线承载的幅度值而等于最大幅度和最小幅度或者范围在在所述最大幅度和所述最小幅度之间，
其中所述DAC电路系统还能够编程为设置所述最大幅度和所述最小幅度。
32.根据权利要求31所述的刺激器设备，其中所述DAC电路系统被配置为提供所述输出电流作为在所述电极节点中的所述至少一个电极节点处的所述电极电流。
33.根据权利要求31所述的刺激器设备，其中所述DAC电路系统包括放大级，所述放大级被配置为将所述输出电流放大为所述电极电流。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的刺激器设备，其中所述DAC电路系统能够由第一总线编程以设置所述输出电流的最大幅度，并且其中所述DAC电路系统能够由第二总线编程以设置所述输出电流的最小幅度。
35.根据权利要求31至34中任一项所述的刺激器设备，其中所述DAC电路系统包括：
输入级，所述输入级被配置为接收所述数字幅度总线并产生第三电压，以及
输出级，所述输出级被配置为接收所述第三电压并产生所述输出电流。
36.根据权利要求35所述的刺激器设备，其中所述第三电压施加在所述输出级中的第三电路上，其中所述第三电路包括电流-电压特性。
37.根据权利要求36所述的刺激器设备，其中根据所述第三电路的电流-电压特性，通过所述第三电路形成所述输出电流。
38.根据权利要求37所述的刺激器设备，其中所述第三电路是能够选择的。
39.根据权利要求35所述的刺激器设备，其中所述输入级包括被配置为根据所设置的最大幅度产生第一电流的第一偏置级，以及被配置为根据所设置的最小幅度产生第二电流的第二偏置级。
40.根据权利要求39所述的刺激器设备，其中所述第一偏置级被配置为产生随第一电流变化的第一电压，并且其中所述第二偏置级被配置为产生随第二电流变化的第二电压。
41.根据权利要求40所述的刺激器设备，其中所述第一偏置级包括被配置为接收所述第一电流的第一电路，其中根据所述第一电路的电流-电压特性产生所述第一电压，其中所述第二偏置级包括被配置为接收所述第二电流的第二电路，其中根据所述第二电路的电流-电压特性产生所述第二电压。
42.根据权利要求41所述的刺激器设备，其中所述第一电路和所述第二电路是能够选择的。
43.根据权利要求40至42中任一项所述的刺激器设备，其中所述第三电压作为所述第一电压和所述第二电压的函数产生。
44.根据权利要求43所述的刺激器设备，其中所述第三电压等于所述第一电压和所述第二电压或在所述第一电压和所述第二电压之间。
45.根据权利要求44所述的刺激器设备，其中所述第三电压随着所述幅度值线性变化。
46.一种刺激器设备，包括：
多个电极节点，每个电极节点被配置为耦接到被配置为接触患者的组织的相对应的电极；以及
数模转换器(DAC)电路系统，所述数模转换器电路系统被配置为向所述多个电极节点中的至少一个电极节点提供刺激，包括：
第一偏置级，所述第一偏置级被配置为产生随第一电流变化的第一电压；
电阻块，所述电阻块被配置为接收所述第一电压和第二电压，其中所述电阻块能够由数字幅度总线控制以根据由所述数字幅度总线承载的幅度值产生等于第一电压和第二电压或在所述第一电压和所述第二电压之间的第三电压；
输出级，所述输出级被配置为接收所述第三电压并产生随所述第三电压变化的输出电流；
其中所述输出电流或所述输出电流的放大版本被提供给所述电极节点中的至少一个电极节点。
47.根据权利要求67所述的刺激器设备，其中所述第一电流是能够编程的。
48.根据权利要求46或47所述的刺激器设备，其中所述幅度值对等于零和所述第一电流或范围在零与所述第一电流之间的所述输出电流的幅度进行设置。
49.根据权利要求46至48中任一项所述的刺激器设备，其中所述输出电流随所述幅度值线性地、呈抛物线或呈指数变化。
50.根据权利要求46所述的刺激器设备，其中所述第一偏置级包括被配置为接收所述第一电流的第一电路，其中根据所述第一电路的电流-电压特性产生所述第一电压。
51.根据权利要求50所述的刺激器设备，其中所述输出级包括具有与所述第一电路相同的电流-电压特性的第三电路，其中所述第三电路接收所述第三电压以根据其电流-电压特性产生所述输出电流。
52.根据权利要求46所述的刺激器设备，其中所述第一偏置级包括能够选择来接收所述第一电流并产生所述第一电压的多个第一电路，其中多个第一电路的电流-电压特性彼此不同，其中根据所选择的第一电路的电流-电压特性产生所述第一电压。
53.根据权利要求52所述的刺激器设备，其中所述输出级包括多个能够选择的第三电路，其中所述多个第三电路的电流-电压特性彼此不同，其中所选择的第三电路接收所述第三电压以根据其电流-电压特性产生所述输出电流。
54.根据权利要求46所述的刺激器设备，其中所述DAC电路还包括：
第二偏置级，所述第二偏置级被配置为产生所述第二电压，其中所述第二电压随着第二电流变化。
55.根据权利要求54所述的刺激器设备，其中所述幅度值对等于所述第二电流和所述第一电流或范围在所述第二电流与所述第一电流之间的所述输出电流的幅度进行设置。
56.根据权利要求54所述的刺激器设备，其中所述第一偏置级包括被配置为接收所述第一电流的第一电路，其中根据所述第一电路的电流-电压特性产生所述第一电压，并且其中所述第二偏置级包括被配置为接收所述第二电流的第二电路，其中根据所述第二电路的电流-电压特性产生所述第二电压。
57.根据权利要求84所述的刺激器设备，其中所述输出级包括具有与所述第一电路和第二电路相同的电流-电压特性的第三电路，其中所述第三电路接收所述第三电压以根据其电流-电压特性产生所述输出电流。
58.根据权利要求54所述的刺激器设备，其中所述第一偏置级包括能够选择来接收所述第一电流并产生所述第一电压的多个第一电路，其中所述多个第一电路的电流-电压特性彼此不同，其中根据所选择的第一电路的电流-电压特性产生所述第一电压，并且其中所述第二偏置级包括能够选择来接收所述第二电流并产生所述第二电压的多个第二电路，其中所述多个第二电路的电流-电压特性彼此不同，其中根据所选择的第二电路的电流-电压特性产生所述第二电压。
59.根据权利要求58所述的刺激器设备，其中所述输出级包括多个能够选择的第三电路，其中所述多个第三电路的电流-电压特性彼此不同，其中所选择的第三电路接收所述第三电压以根据其电流-电压特性产生所述输出电流。
60.根据权利要求46至59中任一项所述的刺激器设备，其中所述第三电压随着所述第一电压和第二电压之间的幅度值而线性变化。
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