DE102004029393A1

DE102004029393A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung von Elektroden für die Erzeugung und Auslese elektrischer Signale in medizinischen Mikrosysteme

Info

Publication number: DE102004029393A1
Application number: DE200410029393
Authority: DE
Inventors: Markus Schwarz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-05

Abstract

Zur Lösung der Miniaturisierungsprobleme wird ein weder auf Konstantstromquellen noch auf geschalteten Kondensatoren basierendes Impulserzeugungsverfahren für den Einsatz in medizinischen Mikrosystemen beschrieben. DOLLAR A Das Verfahren basiert darauf, dass anstelle einer Ladungsbilanzierung zur Herstellung des Ladungsausgleiches nach jedem Stimulationsimpuls eine Rückführung auf die Ausgangsspannung der Elektrode vor dem Stimulationsimpuls erfolgt. Die Einrichtung zur Überwachung der Spannung regelt die Abgabe von kurzen in ihrer Amplitude aber nicht festgelegten Stromimpulsen, so dass letztlich an der Elektrode eine vorgegebene Referenzspannung an der Elektrode erreicht und nicht überschritten wird. Die Formung des gesamten Stimulationsimpulses erfolgt durch Änderung der Referenzspannung mittels einer zentralen Steuereinheit. DOLLAR A Da keine konstanten Ströme zu erzeugen sind, kann die Versorgungsspannung reduziert werden und muss nur geringfügig über bzw. unter der Elektrode maximal/minimal erlaubten Elektrodenspannung liegen. Hierdurch können die Verluste in der impulserzeugenden Stimulatorschaltung stark reduziert werden. DOLLAR A Eine optionale Aufzeichnungseinheit, die wesentliche Komponenten der Stimulationseinheit nutzt, erlaubt die Erweiterung des Systems um eine binäre Registrierungs- und Zählfunktion bei minimalem Flächenaufwand.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung von Elektroden für die Erzeugung und Auslese elektrischer Signale in medizinischen Mikrosystemen. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine besonders flächensparende Erzeugung von Stimulationssignalen für die Nerven- und Muskelstimulation in implantierbaren, minimalinvasiven und extrakorporalen medizinischen Systemen ermöglicht.

Herkömmliche Stimulatorsysteme (z.B. WO03049293A1) verwenden meist programmierbare Konstantstromquellen. Sie dienen zur Sicherstellung des sog. Ladungsausgleiches, der zur Erhöhung der Lebensdauer der Elektroden notwendig ist. Bei der verbreiteten Methode zur Erzeugung ladungsausgeglichener Stimulationsimpulse wird durch Erzeugung biphasischer Impulse insgesamt keine Ladung über die Elektrode in das Gewebe transportiert. Dazu besteht jeder Stimulationsimpuls aus einer anodischen und einer kathodischen Phase, also zwei Impulsphasen mit jeweils umgekehrter Polarität des Stromflusses. Die insgesamt übertragene Ladung soll durch geeignete Wahl der Dauer der Pulsperioden möglichst Null sein, d.h.: I_anodisch·T_anodisch + I_kathodisch·T_katodisch = 0. Aufgrund der in der PraxiS stark schwankenden Stimulationselektrodenimpedanz wurden für die Erzeugung der benötigten konstanten Ströme unterschiedlichste Ansätze vorgestellt, alle mit dem Ziel, die für die Sicherstellung eines konstanten Stromes notwendige Versorgungsspannung zu reduzieren, um die Verlustleistung in der Stromquelle zu verringern. Prinzipiell ist hiermit aber keine Reduktion der Versorgungsspannung auf die an der Elektrode benötigte und zugleich maximal zugelassenen Spannung (Wasserfenster zur Vermeidung von Elektrolyse und anderen irreversiblen chemischen Reaktionen) möglich.

Alternative Ansätze verfolgen daher, wie im Patent US23130699A1 beschrieben, anstelle der Verwendung von Konstantstromquellen die Abgabe eine Reihe definierter, in Kondensatoren gespeicherter Ladungspakete an die Stimulationselektroden. Diese Ansätze basieren weitestgehend auf der gut bekannten sog. Schalter-Kondensator-Schaltungstechnik (SC-Technik).

Beiden Ansätzen ist gemeinsam, dass zusätzliche Mechanismen zur Sicherstellung des Ladungsausgleichs benötigt werden. Im Fall der programmierbaren Konstantstromquellen ist es die schon beschriebene Zeitsteuerung und im Fall der geschalteten Kondensatoren ist ein gesondertes Verfahren zur Ladungsbilanzierung, z.B. durch Zählung der Ladungspakete. Eine Einrichtung zur Überwachung der Elektrodenspannung fehlt insbesondere bei der ersten Variante (Konstantstromquelle) häufig, bzw. ist bei beiden Ansätzen als zusätzliche Funktionseinheit zu ergänzen. Solche zusätzlichen Spannungskontroll- und Begrenzungsfunktionen stehen aber dem Mechanismus des Ladungsausgleichs entgegenstehen, da bei jedem konstantstrom- bzw. ladungspaketbasierten Ansatz eine aktive Spannungsbegrenzung ein vorzeitiges Abbrechen des Stromes bzw. Begrenzen der Anzahl der Ladungsimpulse bedingen würde, so dass der Ladungsausgleich nicht mehr gewährleistet wäre.

Wegen der hohen Variabilität der Elektrodenimpedanz, besonders bei miniaturisierten Elektroden, ist die Spannungsüberwachung an der Elektrode unvermeindlich und muß daher in Einklang mit dem Verfahren für die Herstellung ladungsausgeglichener Impulse gebracht werden. Nur durch gleichzeitige Einhaltung des Ladungsausgleiches und Einhaltung des Wasserfensters ist eine ausreichende Langzeitstabilität der Elektroden zu leisten.

Die Realisierung der Stimulations- und Registrierungsvorrichtung soll eine Ansteuerung auch sehr großer bis zu mehreren Tausenden Elektroden ein- und mehrdimensionaler Elektrodenarrays erlauben, wie sie besonders für die Realisierung von Neuroprothesen (z.B. Cochlea-Implantat, Retina-Implantat, Visuelle Implantate, Pain Killer und Deep-Brain Stimulatoren) benötigt werden.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine platzsparende Stimulations- und Registrierungsvorrichtung zu schaffen, mit der eine sichere Langzeit-Applikation von elektrischen Impulsen in die Nerven- bzw. Muskelgewebe realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den unabhängigen Patentansprüchen.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: Schaltbild einer monolithisch integrierbaren Stimulatorzelle für die monophasische oder biphasische Ansteuerung einer Stimulationselektrode.
2. Signalverläufe der Stimulationsimpulserzeugung am Beispiel der anodischen Impulsphase.
3: Timingdiagramm am Beispiel eines biphasischen Stimulationsimpulses mit kathodischer und anodischer Phase sowie positivem Offset.
4: Erweiterung der Stimulationseinrichtung um eine Aufzeichnungseinrichtung für den Aufbau eines ein- oder mehrdimensionalen mehrkanaligen Stimulations- und Aufzeichnungssystems.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich um die Schaltung einer Zelle (100) in 1, die auf äußerst geringer Fläche monolithisch integriert und zu einem ein- oder zweidimensionalen Array mit Rasterabständen in der Größe einer oder weniger biologischer Zelldurchmesser verschaltet werden kann. Andere bekannte Erfindungen für die Erzeugung von Stimulationssignalen leisten dies nicht, da sie entweder auf weniger gut miniaturisierbaren Konstantstromquellen oder auf dem Einsatz geschalteter Kondensatoren basieren, die ebenfalls keine derart flächensparende Integration erlauben.
Die vorliegende Erfindung erlaubt damit zunächst eine Erhöhung der Elektrodendichte und der Elektrodenzahl. Die Art der Impulserzeugung ermöglicht durch Ihren Verzicht auf Konstantstromquellen und den Verzicht auf Ladungsverschiebungen zwischen Kondensatoren eine Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades und eine schonende Ansteuerung aller heute üblichen Elektrodensysteme, einschließlich miniaturisierter Titan-Nitrid und Iridium-Oxid Elektroden.
Die optionale Erweiterung um eine sog. Recordingeinheit für die Aufnahme elektrischer Biosignale, läßt sich aufgrund einer Mehrfachnutzung von Bauelementen mit sehr geringem Mehraufwand erreichen. Sie wird im zweiten Ausführungsbeispiel (300) in 3 beschrieben.
Aus sicherheitstechnischen Gründen werden in der Regel biphasische Stimulationsimpulse erzeugt. Daher wird das Schema des Ladungsausgleichs hier am Beispiel eines biphasischen Impulses beschrieben: Für eine kurze Zeit (t), in den Ausführungsbeispielen (100) und (300) (t << 10 ms, z.B. t = 10 μs) wird eine nicht festzulegende und auch nicht zu regelnde Spannung – z.B. die volle Batteriespannung eines Implantates – auf eine Elektrode aufgeschaltet. Aufgrund der i.d.R. hohen Impedanz der Elektrode und der in der Praxis (z.B. aufgrund der Verwendung eines Transistors als Schalter) einsetzenden Stromsättigung wird sich ein unbekannter Strom einstellen. Da t hinreichend klein gewählt wird, ist sichergestellt, dass nach einem einzelnen kurzen Stromimpuls die Elektrodenspannung noch deutlich unter der kritischen Grenze des Wasserfensters liegt.
Die resultierende Elektrodenspannung wird nun erstmals und zwar im stromfreien Zustand gemessen. Die ermittelte Elektrodenspannung wird nun mit einer in der Stimulatorschaltung (1) in einem Speicherelement, im Ausführungsbeispiel dem Kondensator Cr (104) abgelegte Referenzspannung durch den Komparator (103) verglichen. Sofern die Spannung an der Elektrode kleiner ist als die in der lokal gespeicherten Referenzspannung, wird erneut ein Impuls an die Elektrode abgegeben. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Elektrode auf die Referenzspannung aufgeladen ist, so dass sich der in 2 in der unteren Kurve Ve beschriebene Spannungsverlauf (202) am Eingang des für den Spannungsvergleich verwendeten Komparators Comp.1 (103) ergibt.
Gegen Ende des Ladungsvorganges, d.h., wenn die stromlose Elektrode erstmals eine geringfügig über der Referenzspannung liegende Elektrodenspannung erreicht hat, wird die Abgabe weiterer Ladeimpulse zunächst unterdrückt (203), wie aus der in 2 dargestellten Steuerspannung Vs, also der Steuerspannung für die Schalter bzw. Schalttransistoren (101) und (102), abzulesen ist.
Da die auf der Elektrode gespeicherte Ladung kontinuierlich ins Gewebe abfließen kann, werden, sobald die Elektrodenspannung wieder unter die Referenzspannung fällt, aufgrund der fortgesetzten Abtastung der Elektrodenspannung und deren Vergleich mit der Referenzspannung automatisch Erhaltungsimpulse erzeugt, ohne dass hierfür zusätzliche Einrichtungen notwendig wären. Diese Erhaltungsimpulse (404) sind im vollständigen Timingdiagramm für einen biphasischen Stimulationsimpuls in 4 dargestellt.
Stimulationsimpulse entstehen somit bei diesem Verfahren nicht wie im klassischen Fall einer programmierbaren Konstantstromquelle aus einer kathodischen und einer anodischen Konstantstromphase, sondern aus adaptiv durch die Spannungsüberwachungsfunktion erzeugten Impulsburst, also schnellen Impulsfolgen kurzer Ladeimpulse unbekannter Stromstärke und letztlich auch unbekannter Spannung (siehe hierzu (201) in 2 und (403) in 4). Die Umschaltung zwischen kathodischer und anodischer Phase erfolgt durch Überschreiben der in Cr (104) gespeicherten Referenzspannung (401). Daraus resultiert eine neuerliche Abgabe von Einzelimpulsen (410) bzw. (408). Der sich damit an der Elektrode ergebende Spannungsverlauf ist für einen biphasischen Impuls exemplarisch in 4 (402) dargestellt.
Da im Ausführungsbeispiel die Stimulation gegenüber einer für alle Stimulationselektroden gemeinsamen Gegenelektrode erfolgt, deren Potential dem der halben Versorgungsspannung entspricht, kann ein biphasischer Impuls, der mit einer kathodischen Phase beginnt, erzeugt werden, indem zu Beginn des Impulses von einer zentralen Steuereinheit in Cr eine Referenzspannung gespeichert wird, die zwischen 0V und der halben Versorgungsspannung liegt. Zu Beginn der anodischen Impulsphase wird diese dann durch eine Spannung zwischen der halben und vollen Versorgungsspannung überschrieben (406). Am Ende der anodischen Impulsphase wird die Referenzspannung dann erneut auf einen neutralen Wert für die Pausenzeit zwischen zwei biphasischen Pulsen zurückgesetzt (407).
Das oben beschriebene Lade-/Entladeverfahren wird hier auch genutzt, um die Elektrode schrittweise auf diese Ruhespannung zurückzusetzen. D.h., nach Ende der biphasischen Stimulationsimpulsabgabe bewirkt das beschriebene Verfahren die Abgabe weiterer kurzer Impulse und erzwingt somit die Rückkehr zum gewünschten Ruhepotential wie auch die Aufrechterhaltung dieses Ruhepotentials an der Elektrode (407) bis zum nächsten biphasischen Stimulationsimpuls.
Das beschriebene Verfahren bewirkt, dass die sog. CV-Kurve (Current-/Voltage-Curve bzw. Strom-/Spannungskurve) vollständig durchlaufen wird, so dass hierüber stets ein vollständiger Lade-/Entladezyklus erreicht wird, der andere auf direkter Ladungsbilanzierung beruhende Methoden ersetzt.
Läßt man ferner als Referenzspannung, wie im Ausführungsbeispiel die in Cr gespeicherte Spannung nur Spannungen innerhalb des Wasserfensters der Elektrode zu, so ist ohne jeden zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand zugleich die Spannungsbegrenzung auf den für die Elektrode zugelassenen Bereich sichergestellt und zwar unabhängig von der Höhe der Betriebsspannung.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine besonders starke Miniaturisierung, weil die von den Ladeströmen durchflossenen Schalter (101) und (102) als Transistoren mit einem geringen w/1 (Gateweiten zu Gatelängenverhältnis) ausgelegt werden können, da hier keine konstanten Ströme erzeugt werden müssen.
Während in 1 (100) nur eine einzelne für die monolithische Integration geeignete Stimulatorzelle dargestellt wird, besteht ein vollständiges Stimulatorsystem aus einem ein oder zweidimensionalen Array der Stimulatorschaltungen. Die Stimulatorzellen müssen jedoch von der zentralen Steuereinheit lediglich zu Beginn bzw. am Ende einer Impulsphase angesteuert werden, um die für die kathodische, anodische oder die Pausenphase benötigte Referenzspannung im Kondensator Cr (104) abzuspeichern. Für die Adressierung werden Zeilen- und Spaltenleitungen über das Array geführt, die eine wahlfreie Adressierung der Stimulatorzellen aber auch eine zeilenparallele und damit beschleunigte Speicherung der aktuell benötigten Referenzspannung erlauben.
Das Ausführungsbeispiel (300) in 2 beschreibt die Erweiterung der Stimulationseinheit aus 1 um die optionale Aufzeichnungs-/Recordingeinheit, die eine Detektion und Zählung der zwischen zwei Auslesezyklen der Zelle eingetretenen Spannungsänderungen bzw. Spannungsimpulse im Gewebe erlaubt. Als konzeptuelle Besonderheit gilt, dass für die Aufzeichnungsfunktion weitestgehend die Schaltungsteile verwendet werden, die bereits für die Stimulation benötigt wurden. Somit ist eine kombinierte Stimulations-/Aufzeichnungseinheit mit minimalem Mehraufwand bzgl. der benötigten Fläche bei monolithischer Integration möglich. Während der Aufzeichnung werden über das Steuersignal s/r (301) zunächst die für die Stimulation benötigten Schalter M1 und M2 deaktiviert. Der vorhandene Komparator Comp.1 (303) wird nun genutzt, um die an der Elektrode registrierte Spannung (also die aus dem Gewebe abzuleitende Spannung) mit einer wiederum in Cr (304) gespeicherten Referenzspannung zu vergleichen. Eine sehr einfache Zustandsmaschine (302) (state machine 1) detektiert, ob bzw. wie oft sich der Spannungspegel am Komparatorausgang verändert hat.
Wird die Zelle ausgelesen, d.h., der Auslesemodus stim./rec. Signal (305) wird aktiv, werden die seit der letzten Auslese detektierten Pegelwechsel seriell über die "bin. out" (306) Spaltenleitung übertragen und die Zustandsmaschine (302) anschließend zurückgesetzt.
Die beschriebene Einrichtung erlaubt damit drei Betriebsarten: nur Stimulation, nur Aufzeichnung und gemischte Stimulation und Aufzeichnung. Die einzelnen kombinierten Stimulations-/Aufzeichnungskanäle arbeiten nach Einstellung oder Änderung der Referenzspannung vollkommen autonom und unterscheiden sich daher auch in diesem Punkt deutlich von der einzigen derzeit bekannten alternativen Realisierung mit vergleichbarem Miniaturisierungsgrad, d.h., von einer Multiplexerstruktur, bei der letztlich nur zentral erzeugte Impulse über eine Schaltermatrix an die jeweils zu aktivierende Elektrode geleitet werden, bzw. bei der für das Recording die Elektrodenspannung über die Schaltermatrix zu einer zentralen Registriereinheit durchgeschaltet wird.

Claims

Vorrichtung und Verfahren zur Ansteuerung von Elektroden zur Erzeugung und Auslese elektrischer Signale in biomedizinischen Systemen, die pulsweise Ladung zu zumindest einer Elektrode überträgt und aus zumindest einer Impulsquelle besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsquelle zumindest einen integrierten Schalter (101) oder (102) beinhaltet, mit dem eine oder mehrere Elektroden (109) kurzzeitig an eine Spannungsquelle (108,114) angeschlossen werden und dass die Impulsquelle zumindest eine integrierte Steuerungsschaltung (103, 104, 105, 106, 107), zum Vergleich der vorgegebenen Sollamplitude (1001) mit der Elektrodenspannung (110) zumindest einer Elektrode beinhaltet, mit der ein Steuerungsimpuls (112) für den integrierten Schalter (101, 102) erzeugt wird, sowie dass sie ein lokales Speicherelement (104) zur Speicherung der Sollamplitude in der Pulsquelle (100) beinhaltet.
Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Sollspannung der Impulsquelle (100) von einer externen Schaltung vorgegeben wird und im Speicherelement (104) gespeichert wird, die Steuerungsschaltung (103, 104, 105, 106, 107) von einem externen Signal (111) mit der Pulsdauer 0 < t < 1 0ms angesteuert wird, die Steuerungsschaltung bei geöffnetem Schalter (101) die Elektrodenspannung (110) mit der Sollamplitude in Cr(104) vergleicht und beim Überschreiten der Schalter (101) nicht mehr geschlossen wird, es sei denn, die Elektrodenspannung Vm (110) unterschreitet aufgrund von Leckströmen erneut die in Cr (104) gespeicherte Sollspannung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines biphasischen Stimulationspulses die Sollamplitude (401) für die Dauer der ersten Phase auf einen Wert (405)und für die Dauer der zweiten Phase auf einen anderen Wert (406) und danach wieder auf ein Ruhepotential (407) gesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung eines gewünschten Potentials (405, 406, 407,409), durch Impulsfolgen (403, 408, 410) erfolgt, wie auch dass die Aufrechterhaltung dieses Potentials an der Elektrode durch Abgabe von Erhaltungsimpulsen (404) und dies auch nach Ende der eigentlichen Stimulationsimpulsphasen, also in den Pausephasen zwischen zwei Stimulationsimpulsen und auch in den Pausephasen (409) zwischen kathodischen und anodischen bzw. anodischem und kathodischem Teil eines biphasischen Impulses erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Minimierung der elektrischen Verlustleistung durch die direkte impulsförmige Aufschaltung (201) und (403) der nicht notwendigerweise konstanten Spannungsimpulse auf die Stimulationselektrode (109) erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung verschiedener Impulsstärken beliebiger monophasischer oder biphasischer Stimulationsimpulse durch die Vorgabe unterschiedlicher Referenzspannungen (405, 406, 407, 409) und deren Umkonfiguration während der Impulsabgabe erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Speicherung der Sollamplitude als Spannung in einem Kondensator (104) erfolgt.
verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Speicherung der Sollamplitude alternativ in einem digitalen Speicherelement erfolgt und in binärer Form dargestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Aufnahmeeinrichtung (301, 302, 303, 304) eine optionale binäre Auslese von neurophysiologischen Signalen (Nerven- oder Muskelsignalen) am Ausgang der Steuerungsschaltung (306) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierten Schalter (101, 102) mit Hilfe zumindest eines Transistors implementiert werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsschaltung (103, 104, 105, 106, 107) aus einem analogen Komparator (103), Operationsverstärker oder Transistorschaltung besteht, sowie einer Einrichtung (105, 106, 107) zur zeitgerechten Ansteuerung der Schalter (101, 102).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement alternativ statt aus einem Schalter (113) und Kondensator (103) aus einem digitalen Speicherelement besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichselement (103) alternativ statt des Vergleichs mit einer analog gespeicherten Referenzspannung einen Vergleich mit einem digital gespeicherten Referenzsignal vornimmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Steuerungsschaltung der dem Spannungsvergleich der Elektrodenspannung mit der lokal gespeicherten Referenzspannung dient (103, 104, 113), alternativ aus einem Analog/Digital Wandler und einem digitalen Komparator besteht.