CN115738074A - 电刺激装置与电刺激系统 - Google Patents

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CN115738074A CN202111031703.7A CN202111031703A CN115738074A CN 115738074 A CN115738074 A CN 115738074A CN 202111031703 A CN202111031703 A CN 202111031703A CN 115738074 A CN115738074 A CN 115738074A
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Abstract

一种刺激装置，包括信号接收电路与信号处理电路。信号接收电路接收并输出频率信号。信号处理电路接收整流信号，并依据频率信号，产生电刺激信号。本发明还涉及一种电刺激系统。

Description

电刺激装置与电刺激系统
技术领域
本发明关于一种电刺激装置，特别是关于一种电刺激装置与电刺激系统。
背景技术
近年来，有数十种治疗性的神经电刺激装置被发展出来，并且每年至少有数万人接受电刺激装置的植入手术。由于精密制造技术的发展，医疗仪器的尺寸已微小化，并可植入人体的内部，例如，植入式电刺激装置。
然而，在目前的植入式电刺激装置中，无电池的植入式电刺激器通过外部的控制器以无线供电的方式，将电能提供给植入式电刺激器进行电刺激，且外部控制器与无电池的植入式电刺激器需精准对位，否则植入式电刺激器无法接收到电能。另外，当植入式电刺激器植入的位置较深时，植入式电刺激器接收电能的效率会大幅降低。此外，植入式电刺激器容易被误感应，只要靠近相似电磁波的不特定发射源，植入式电刺激器即可受到感应进行电刺激，如此会增加使用者的困扰。因此，如何有效地改善植入式电刺激装置的设计，以降低电路设计的复杂度及减小电刺激装置的尺寸，并增加适用上的便利性成为一重要议题。
发明内容
本发明提供一种电刺激装置及电刺激系统，借以降低电路设计的复杂度及减小电刺激装置的尺寸，并增加适用上的便利性。
本发明提供一种电刺激装置，包括信号接收电路与信号处理电路。信号接收电路接收并输出频率信号。信号处理电路接收整流信号，并依据频率信号，产生电刺激信号。
本发明提供一种电刺激系统，包括外部控制器与电刺激装置。外部控制器包括信号产生电路与信号发射电路。信号产生电路产生频率信号。信号发射电路接收并传送该频率信号。电刺激装置包括信号接收电路与信号处理电路。信号接收电路接收并输出频率信号。信号处理电路接收频率信号，并依据频率信号，产生电刺激信号。
本发明所公开的电刺激装置及电刺激系统，通过信号接收电路接收并输出频率信号，信号处理电路接收频率信号，并依据频率信号，产生电刺激信号。如此一来，可以有效地降低电路设计的复杂度及减小电刺激装置的尺寸，并增加适用上的便利性。
附图说明
图1为依据本发明的一实施例的电刺激系统的示意图。
图2为依据本发明的一实施例的电刺激装置的示意图。
图3为依据本发明的另一实施例的电刺激装置的示意图。
图4为依据本发明的一实施例的电刺激装置的电刺激信号波形图。
图5为依据本发明的另一实施例的电刺激系统的示意图。
图6为依据本发明的另一实施例的电刺激系统的示意图。
其中，附图标记说明如下：
100，500，600：电刺激系统
110：外部控制器
111：信号产生电路
112：信号发射电路
120，310，510，610：电刺激装置
130：信号接收电路
140，630：信号处理电路
210：导线
211：一端
212：另一端
221，222，321，322：电极
620：整流电路
520，650：保护电路
640：放大器
C1，C2，C3，C4，C5：电容
L1，L2，L3：电感
R1，R2，R3：电阻
Tp：脉冲周期时间
Td：持续时间
Ts：电刺激信号周期时间
具体实施方式
在以下所列举的各实施例中，将以相同的标号代表相同或相似的元件或组件。
图1为依据本发明的一实施例的电刺激系统的示意图。请参考图1，电刺激系统100包括外部控制器110与电刺激装置120。外部控制器110至少包括信号产生电路111与信号发射电路112。信号产生电路111用于产生频率信号。信号发射电路112耦接信号产生电路111，并用于传送频率信号。在一些实施例中，信号发射电路112可以包括线圈、天线、超音波电路或其组合，但本实施例不限于此。
在本实施例中，电刺激装置120可以是植入设备，且不具有电池。也就是说，电刺激装置120可以植入于人体的内部，并且外部控制器110可以设置于人体的外部。如此一来，本实施例的电刺激装置120不需要任何的控制单元，可以减少电路元件的使用，并降低电路设计的复杂度。在包括有控制单元的电刺激装置中，控制单元可用以执行将接收的能量进行变频、控制输出时间参数(例如脉冲宽度、脉冲速率)等。另外，外部控制器110可设置于电刺激装置120可接收到频率信号的位置，且外部控制器110不需要与电刺激装置120精准对位，可增加使用上的便利性。
电刺激装置120包括信号接收电路130与信号处理电路140。信号接收电路130接收并输出频率信号。在本实施例中，信号接收电路130可以包括线圈、天线、超音波电路或其组合，但本实施例不限于此。举例来说，信号接收电路130例如通过无线的方式接收信号发射电路112所传送的频率信号，并输出所接收的频率信号。在一些实施例中，信号发射电路112与信号接收电路130分别包括线圈时，信号发射电路112与信号接收电路130的传能方式可为电磁感应或电磁共振。在一些实施例中，信号发射电路112与信号接收电路130分别包括天线时，信号发射电路112与信号接收电路130的传能方式可为无线电波的形式。在一些实施例中，信号发射电路112包括超音波产生器，信号接收电路130包括超音波换能器(ultrasonic transducer)时，其传能方式可为超音波传能的形式。
信号处理电路140耦接信号接收电路130。信号处理电路140接收频率信号，并依据频率信号，产生电刺激信号。举例来说，在一些实施例中，信号处理电路140可以对频率信号进行处理(例如滤波及/或匹配)，以产生电刺激信号。接着，电刺激信号可以输出至导线210，使得导线210可以将电刺激信号传输至导线210的电极221或电极222对应的待刺激的目标区域，以便在该目标区域进行电刺激的操作，如图2所示。如图3所示，如图1中的信号接收电路130、与信号处理电路140皆可以封装的方式设置在电刺激装置310内，电极321及电极322设置在电刺激装置310的其中一面。在一些实施例中，信号处理电路140可以对频率信号进行处理(例如滤波及/或匹配)，以产生电刺激信号，并将电刺激信号传输至电极321或电极322对应的待刺激的目标区域，以便在该目标区域进行电刺激的操作。在一些实施例中，电刺激装置120为扁状长方体，长度为3公分，宽度为1公分，高度为0.5公分。另外，图3的电刺激装置310可适用在人体组织较浅层处的神经，例如胫神经(tibial nerve)。
进一步来说，信号处理电路140例如被动式滤波器。举例来说，信号处理电路140可以包括阻抗单元Z1、组抗单元Z2与组抗单元Z3。阻抗单元Z1具有第一端与第二端。阻抗单元Z1的第一端耦接信号接收电路130，以接收电刺激信号。组抗单元Z2具有第一端与第二端。阻抗单元Z2的第一端耦接阻抗单元Z1的第二端。阻抗单元Z2的第二端耦接接地端。组抗单元Z3具有第一端与第二端。阻抗单元Z3的第一端耦接阻抗单元Z1的第二端。阻抗单元Z3的第二端产生弦波电刺激信号。
进一步来说，阻抗单元Z1可以包括电感L1与电容C1。电感L1具有第一端与第二端。电感L1的第一端作为阻抗单元Z1的第一端，并耦接信号接收电路130，以接收频率信号。电容C1具有第一端与第二端。电容C1的第一端耦接电感L1的第二端。电容C1的第二端作为阻抗单元Z1的第二端。
阻抗单元Z2可以包括电感L2与电容C2。电感L2具有第一端与第二端。电感L2的第一端作为阻抗单元Z2的第一端，并耦接电容C1的第二端。电感L2的第二端作为阻抗单元Z2的第二端，并耦接接地端。电容C2具有第一端与第二端。电容C2的第一端耦接电感L2的第一端。电容C2的第二端耦接电感L2的第二端。阻抗单元Z3可以包括电容C3与电感L3。电容C3具有第一端与第二端。电容C3的第一端作为阻抗单元Z3的第一端，并耦接电容C1的第二端。电感L3具有第一端与第二端。电感L3的第一端耦接电容C3的第二端。电感L3的第二端作为阻抗单元Z3的第二端，并产生电刺激信号。
在一些实施例中，上述电刺激信号的频率范围例如为100KHz至2000KHz的范围。进一步来说，电刺激信号的频率范围例如为200KHz至800KHz的范围。更进一步来说，电刺激信号的频率范围例如为480KHz至520KHz的范围。更进一步来说，电刺激信号的频率例如为500KHz。另外，上述电刺激信号例如为弦波信号。此外，在本实施例中，电刺激信号的频率与频率信号的频率可以相同。再者，本实施例的频率信号(即传能信号)与电刺激信号除了频率与波形相同外，频率信号与电刺激信号的振幅、脉冲频宽、脉冲重复频率也会相同，但本发明实施例不限于此。
在一些实施例中，如图4所示，上述电刺激信号可以是脉冲射频(pulsedradio-frequency，PRF)信号，例如连续正弦波、连续三角波、或高频脉冲等，但本发明实施例不限于此。另外，当电刺激信号为脉冲交流信号时，一个脉冲周期时间(pulse cycle time)Tp包括多个脉冲信号以及至少一段休息的时间，而一个脉冲周期时间Tp为脉冲重复频率(pulserepetition frequency)的倒数。脉冲重复频率范围(也可简称为脉冲频率范围)例如介于0～1KHz，优选介于1～100Hz，而本实施例的电刺激信号的脉冲重复频率例如为2Hz。另外，一个脉冲周期时间中多个脉冲的持续时间(duration time)Td例如介于1～250毫秒(ms)，优选介于为10～100ms，而本实施例的持续时间Td以25ms为例说明。在本实施例中，电刺激信号的频率为500KHz，换言之，电刺激信号周期时间Ts为约2微秒(μs)。此外，上述电刺激信号的频率即为图4的每条脉冲交流信号里的脉冲内频率(intra-pulse frequency)。再者，上述电刺激信号的电压范围可介于-25V～25V。进一步来说，上述电刺激信号的电压更可介于-20V～20V。上述电刺激信号的电流范围可介于0～60mA。进一步来说，上述电刺激信号的电流范围更可介于0～50mA。
进一步来说，本实施例的外部控制器110可设置于人体的外部，且电刺激装置120可植入人体的内部。当电刺激装置120植入人体的体内时，电刺激装置120可放置在人体的皮下，且导线210的一端211与电刺激装置120连接，导线210的另一端212放置于接近待刺激的目标区域。以电刺激系统100为脊髓电刺激系统为例，至少部分导线210的该另一端212设置于硬膜外腔(epidural space)中，以就近电刺激脊髓、脊髓神经(spinal nerve)或是背根神经节(dorsal root ganglia，DRG)。电刺激装置120的信号处理电路140将电刺激信号传送至输出电极。也就是说，信号处理电路140可以通过导线210的一端211将电刺激信号传送至导线210的该另一端212上的输出电极(例如电极221或电极222)，以电刺激目标区域。电刺激装置120传送出的电流会由导线210的一输出电极(例如电极221或电极222)流出，经由人体组织传导后再由另一电极流回(例如电极222或电极221)导线210。在本实施例中，电极221与电极222可以是一对电极。在一些实施例中，电极221可以为正极，且电极222可以为负极。在一些实施例中，电极221可以为负极，且电极222可以为正极。
另外，电刺激的目标神经区域也可以是在脑部，以进行脑部皮质的电刺激或是深脑刺激(deep brain stimulation，DBS)或是腹部、周边神经。在一些实施例中，电刺激系统100也可用于缓解或治疗疼痛、膀胱过动症(overactive bladder，OAB)、肾性高血压、痉挛、早泄或腕隧道症候群(carpal tunnel syndrome，CTS)等疾病。在一些实施例中，电刺激的目标神经区域也可为侧隐窝(lateral recess)或周边神经系统(peripheral nervoussystem，PNS)。此外，对于电刺激的目标区域也可于单位时间中接受到较小的能量，进而确保是次阈值(subthreshold)的刺激，进而使植入电刺激系统的患者可以降低感受到不适感(paresthesia)的机会，以进行无不适感的治疗(paresthesia-free treatment)。
图5为依据本发明的另一实施例的电刺激系统的示意图。请参考图5，电刺激系统500包括外部控制器110与电刺激装置510。在本实施例中，外部控制器110与图1的外部控制器110相同或相似，可参考图1的实施例的说明，故在此不再赘述。
电刺激装置510包括信号接收电路130、信号处理电路140与保护电路520。在本实施例中，信号接收电路130、信号处理电路140与图1的信号接收电路130、信号处理电路140相同或相似，可参考图1的实施例，故在此不再赘述。
保护电路520耦接信号处理电路140(例如阻抗单元Z3的第二端)，且保护电路520用于决定是否输出信号处理电路140(例如阻抗单元Z3的第二端)所产生的电刺激信号。在一些实施例中，保护电路520例如为霍尔(Hall)开关或磁簧开关，但本发明实施例不限于此。举例来说，当外部控制器110设置有触发元件(例如磁铁)时，保护电路520(例如霍尔开关或磁簧开关)会感应到触发元件(例如磁铁)所产生的磁场而导通，以便输出电刺激信号。另外，当外部控制器110未设置有触发元件(例如磁铁)时，保护电路520(例如霍尔开关或磁簧开关)不会感应到触发元件而不导通，则保护电路520不会输出电刺激信号。如此一来，可以有效地避免电刺激装置510感应或接收到其他装置或发射源所产生的频率信号而有误动作(即直接进行电刺激操作)的情况发生，以增加电刺激装置510的安全性及减少使用者的困扰。
另外，信号接收电路130、信号处理电路140保护电路520也可以封装的方式设置在如图3的电刺激装置310内，且信号处理电路140所产生的信号电路可以通过保护电路520传输至电极321或电极322对应的待刺激的目标区域，以便在该目标区域进行电刺激的操作。
图6为依据本发明的另一实施例的电刺激系统的示意图。请参考图6，电刺激系统600包括外部控制器110与电刺激装置610。在本实施例中，外部控制器110与图1的外部控制器110相同或相似，可参考图1的实施例的说明，故在此不再赘述。
电刺激装置610包括信号接收电路130、整流电路620与信号处理电路630。在本实施例中，信号接收电路130与图1的信号接收电路130相同或相似，可参考图1的实施例，故在此不再赘述。
整流电路620耦接信号接收电路130，接收频率信号，并对频率信号进行整流，以产生整流后的频率信号。在本实施例中，整流电路620可以是桥式整流器，例如半桥整流器或全桥整流器，但本发明实施例不限于此。另外，上述整流后的频率信号例如为方波信号。并且，此具有方波信号的整流后的频率信号可以通过信号处理电路630处理，以产生具有弦波信号的电刺激信号。在上述实施例中，电刺激信号是以方波信号为例，但本发明实施例不限于此。在一些实施例中，电刺激信号亦可为三角波、脉冲波等。
信号处理电路630耦接整流电路620。亦即，整流电路620耦接于信号接收电路130与信号处理电路630之间。信号处理电路630接收频率信号(即整流后的频率信号)，并依据频率信号，产生电刺激信号。举例来说，在一些实施例中，信号处理电路630与信号处理电路140类似，可以对频率信号进行处理(例如滤波及/或匹配)，以产生电刺激信号。接着，电刺激信号可以输出至导线210，使得导线210可以将电刺激信号传输至导线210的电极221或电极222对应的待刺激的目标区域，以便在该目标区域进行电刺激的操作，如图2所示。在一些实施例中，如图3所示，如图6中的信号接收电路130、整流电路620、信号处理电路630与保护电路640皆可以封装的方式设置在电刺激装置310内，且信号处理电路630可以对频率信号进行处理(例如滤波及/或匹配)，以产生电刺激信号，并通过保护电路640将电刺激信号传输至电极321或电极322对应的待刺激的目标区域，以便在该目标区域进行电刺激的操作。
进一步来说，信号处理电路630可以是主动式滤波器。举例来说，信号处理电路630可以包括电阻R1、电阻R2、电容C4、电容C5、电阻R3与放大器640。
电阻R1具有第一端与第二端。电阻R1的第一端耦接整流电路620，以接收整流后的频率信号。电阻R2具有第一端与第二端。电阻R2的第一端耦接电阻R1的第二端。电阻R2的第二端耦接接地端。
电容C4具有第一端与第二端。电容C4的第一端耦接电阻R1的第二端。电容C5具有第一端与第二端。电容C5的第一端耦接电容C4的第一端。电阻R3具有第一端与第二端。电阻R3的第一端耦接电容C4的第二端。电阻R3的第二端耦接电容C5的第二端。
放大器640具有第一输入端、第二输入端与输出端。放大器640的第一输入端(例如正输入端)耦接接地端。放大器640的第二输入端(例如负输入端)耦接电阻R3的第二端。放大器640的输出端耦接电阻R3的第一端，并输出电刺激信号。
在一些实施例中，上述电刺激信号的频率范围例如为100KHz至2000KHz的范围。进一步来说，电刺激信号的频率范围例如为200KHz至800KHz的范围。更进一步来说，电刺激信号的频率范围例如为480KHz至520KHz的范围。另外，上述电刺激信号例如为弦波信号。此外，在本实施例中，电刺激信号的频率与频率信号的频率可以相同。在一些实施例中，电刺激信号的频率与频率信号的频率必须相同。再者，本实施例的频率信号(即传能信号)与电刺激信号除了频率与波形相同外，频率信号与电刺激信号的振幅、脉冲频宽、脉冲重复频率也会相同，但本发明实施例不限于此。
在本实施例中，电刺激装置610还包括保护电路650。保护电路650耦接信号处理电路630(例如放大器的输出端)，且保护电路650用于决定是否输出信号处理电路630(例如放大器640的输出端)所产生的电刺激信号。在一些实施例中，保护电路650例如为霍尔开关或磁簧开关，但本发明实施例不限于此。举例来说，当外部控制器110设置有触发元件(例如磁铁)时，保护电路650(例如霍尔开关或磁簧开关)会感应到触发元件(例如磁铁)所产生的磁场而导通，以便输出电刺激信号。另外，当外部控制器110未设置有触发元件(例如磁铁)时，保护电路650(例如霍尔开关或磁簧开关)不会感应而不导通，则保护电路650不会输出电刺激信号。如此一来，可以有效地避免电刺激装置610感应或接收到其他装置或发射源所产生的频率信号而有误动作(即直接进行电刺激操作)的情况发生，以增加电刺激装置610的安全性及减少使用者的困扰。
综上所述，本发明所公开的电刺激装置与电刺激系统，通过信号接收电路接收并输出频率信号，信号处理电路接收频率信号，并依据频率信号，产生电刺激信号。如此一来，可以有效地降低电路设计的复杂度及减小电刺激装置的尺寸，并增加适用上的便利性。
另外，本发明实施例的电刺激装置还包括保护电路，且保护电路可以耦接信号处理装置，以用于决定是否输出信号处理装置所产生的电刺激信号，其中电刺激信号为弦波信号。如此一来，可以有效地避免电刺激装置感应或接收到其他装置或发射源所产生的频率信号而有误动作(即直接进行电刺激操作)的情况发生，以增加电刺激装置的安全性及减少使用者的困扰。
本发明虽以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (24)

1.一种电刺激装置，包括：
一信号接收电路，接收并输出一频率信号；以及
一信号处理电路，接收该频率信号，并依据该频率信号，产生一电刺激信号。
2.如权利要求1所述的电刺激装置，还包括至少一电极，该至少一电极耦接该信号处理电路。
3.如权利要求1所述的电刺激装置，其中该电刺激装置不具有控制单元。
4.如权利要求1所述的电刺激装置，其中电刺激装置不具有电池。
5.如权利要求1所述的电刺激装置，其中该信号处理电路为一被动式滤波器。
6.如权利要求5所述的电刺激装置，其中该信号处理电路包括：
一第一电感，具有一第一端与一第二端，该第一电感的该第一端耦接该信号接收电路，以接收该频率信号；
一第一电容，具有一第一端与一第二端，该第一电容的该第一端耦接该第一电感的该第二端；
一第二电感，具有一第一端与一第二端，该第二电感的该第一端耦接该第一电容的该第二端，该第二电感的该第二端耦接一接地端；
一第二电容，具有一第一端与一第二端，该第二电容的该第一端耦接该第二电感的该第一端，该第二电容的该第二端耦接该第二电感的该第二端；
一第三电容，具有一第一端与一第二端，该第三电容的该第一端耦接该第一电容的该第二端；以及
一第三电感，具有一第一端与一第二端，该第三电感的该第一端耦接该第三电容的该第二端，该第三电感的该第二端产生该电刺激信号。
7.如权利要求1所述的电刺激装置，还包括：
一保护电路，耦接该信号处理电路，该保护电路用于决定是否输出该电刺激信号。
8.如权利要求7所述的电刺激装置，其中该保护电路为一霍尔开关或一磁簧开关。
9.如权利要求7所述的电刺激装置，还包括至少一电极，该至少一电极耦接该保护电路。
10.如权利要求1所述的电刺激装置，其中该信号接收电路包括一线圈、一天线、一超音波接收器或其组合。
11.如权利要求1所述的电刺激装置，其中该频率信号的频率范围包括1MHz至1.2MHz的范围、9KHz至200KHz的范围或6MHz至45MHz的范围。
12.如权利要求1所述的电刺激装置，其中该频率信号的频率为13.56MHz。
13.如权利要求1所述的电刺激装置，其中该电刺激信号的频率范围为100KHz至2000KHz的范围。
14.如权利要求1所述的电刺激装置，其中该电刺激信号的频率范围为480KHz至520KHz的范围。
15.如权利要求1所述的电刺激装置，其中该电刺激信号的电压范围介于-25V～25V。
16.如权利要求1所述的电刺激装置，其中该电刺激信号的电流范围介于0～60mA。
17.如权利要求1所述的电刺激装置，其中该频率信号的频率与该电刺激信号的频率相同。
18.一种电刺激系统，包括：
一外部控制器，包括：
一信号产生电路，产生一频率信号；以及
一信号发射电路，接收并传送该频率信号；以及
一电刺激装置，包括：
一信号接收电路，接收并输出一频率信号；
一信号处理电路，接收该频率信号，并依据该频率信号，产生一电刺激信号。
19.如权利要求18所述的电刺激系统，其中该电刺激装置还包括：
一整流电路，耦接于该信号接收电路与该信号处理电路之间，接收该频率信号，并对该频率信号进行整流，以产生整流后的该频率信号。
20.如权利要求18所述的电刺激系统，其中该电刺激装置还包括：
一保护电路，耦接该信号处理电路，该保护电路用于决定是否输出该电刺激信号。
21.如权利要求20所述的电刺激系统，其中该保护电路为一霍尔开关或一磁簧开关。
22.如权利要求18所述的电刺激系统，其中该信号发射电路与该信号接收电路包括一线圈、一天线、一超音波接收器或其组合。
23.如权利要求18所述的电刺激系统，其中该频率信号的频率范围包括1MHz至1.2MHz的范围、9KHz至200KHz的范围或6MHz至45MHz的范围。
24.如权利要求18所述的电刺激系统，其中该电刺激信号的频率范围为100KHz至2000KHz的范围。
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