ITBG20080052A1 - Neurostimolatore elettrico - Google Patents

Description

titolo: “Neurostimolatore elettrico"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un neurostimolatore elettrico, in particolare realizzato su un unico circuito integrato, e ad un metodo per fornire stimoli elettrici.

Sistemi impiantabili come i pacemaker, gli impianti per la coclea, la colonna spinale e quelli cerebrali sono largamente usati per il trattamento di malattie, e sono esempi di sistemi in cui à ̈ fondamentale poter stimolare il paziente, oltre a raccogliere informazioni. Ciò à ̈ ancora più vero nei sistemi in via di sviluppo, ad esempio per il controllo di tremori, di balbettio, per protesi visive, o per riabilitazione (le neuroprotesi), dove l'intero sistema paziente-protesi à ̈ reazionato; si tratta quindi di poter acquisire segnali neuronali e poter stimolare le cellule.

La lettura del segnale avviene attraverso un microelettrodo impiantato. Poiché la densità di cellule nervose à ̈ molto alta, la punta dell'elettrodo può trovarsi ad interagire con diversi neuroni, ognuno dei quali può dare un segnale leggibile. Se questo avviene, il segnale finale à ̈ una media dei segnali dei singoli neuroni, e non contiene più le informazioni volute; si rende allora necessario selezionare un solo neurone per volta. Ciò si ottiene realizzando l'elettrodo di dimensioni piccole rispetto alla regione interessata, ovvero circa 30-100 pm. Le piccole dimensioni, però, implicano che l'impedenza del microelettrodo aumenti fino a 500 kQ - 1ΜΩ.

Tali valori influenzano il modulo di stimolazione. Questo deve far fluire una determinata carica elettrica attraverso i tessuti in modo controllato, così da stimolare la depolarizzazione delle cellule. Poiché le impedenze dovute sia agli elettrodi che al tessuto stesso sono ampiamente variabili, à ̈ quindi necessario realizzare lo stimolatore come un generatore di corrente. Poiché le correnti in gioco sono dell'ordine di qualche decina di milliAmpere, à ̈ evidente che il blocco di stimolo funzionerà con tensioni di qualche decina di Volt.

Inoltre, un sistema realistico deve necessariamente essere di tipo multielettrodo, dove à ̈ possibile selezionare i microelettrodi su comando.

Nasce quindi la necessità di realizzare lo stimolatore in una tecnologia in grado di sopportare alte tensioni. Tuttavia la fase di lettura dell’attività neuronaie, che avviene amplificando il segnale di tensione che si sviluppa sull’elettrodo in seguito alla stimolazione, deve invece avvenire tramite circuiti a bassa tensione, sia per necessità di risparmiare potenza sia perché tecnologie più scalate consentono una più efficiente elaborazione del segnale.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di provvedere ad un neurostimolatore elettrico in grado di provvedere su un singolo chip le funzioni di stimolo ad alta tensione e di lettura a bassa tensione in modo contemporaneo e dallo stesso elettrodo.

Altro scopo à ̈ quello di provvedere ad un neurostimolatore elettrico che sia di semplice realizzazione.

In accordo con la presente invenzione, tali scopi ed altri ancora vengono raggiunti da un neurostimolatore elettrico di un paziente, il cui circuito elettrico à ̈ posto su un unico circuito integrato, comprendente: un generatore di stimoli elettrici; un lettore dei segnali ricevuti da detto paziente; almeno un elettrodo applicato a detto paziente; detto almeno un elettrodo riceve detti stimoli elettrici e li invia a detto paziente; detto almeno un elettrodo riceve almeno un segnale da detto paziente e lo invia a detto lettore dei segnali; mezzi di commutazione per connettere selettivamente detto almeno un elettrodo a detto generatore di stimoli elettrici o a detto lettore del segnali.

Tali scopi vengono anche raggiunti da un metodo per fornire stimoli elettrici tramite un circuito elettrico realizzato su un unico circuito integrato comprendente le fasi di: generare stimoli elettrici; fornire detti stimoli ad almeno un elettrodo; leggere gli stimoli ricevuto da detto almeno un elettrodo; detta fase di fornire detti stimoli e leggere gli stimoli da detto almeno un elettrodo avvengono in momenti temporali separati.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono descritte nelle rivendicazioni dipendenti.

Le funzioni di stimolo ad alta tensione e di lettura a bassa tensione sono molto importanti nelle applicazioni neurofisiologiche, dove le correnti e le impedenze in gioco richiedono l'utilizzo di un modulo ad alta tensione (HV) senza rinunciare alle prestazioni in lettura di un modulo a bassa tensione (LV). Il sistema inoltre implementa un metodo per la protezione dello stadio LV che permette di poter leggere il segnale dallo stesso elettrodo usato per la stimolazione. Questo garantisce di acquisire il segnale dalla stessa regione che à ̈ stata prima stimolata, permettendo di valutare esattamente l'effetto della stimolazione.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo négli uniti disegni, nei quali:

la figura 1 mostra schematicamente uno schema a blocchi di un neurostimolatore elettrico, in accordo alla presente invenzione;

la figura 2 mostra schematicamente un dettaglio dello schema a blocchi di figura 1 , in particolare del circuito di protezione e di selezione, in accordo alla presente invenzione;

la figura 3 mostra schematicamente un dettaglio dello schema a blocchi di figura 1 , in particolare del traslatore di livello, in accordo alla presente invenzione;

la figura 4 mostra schematicamente un dettaglio dello schema a blocchi di figura 1 , in particolare del generatore di corrente, in accordo alla presente invenzione.

Riferendosi alle figure allegate, un neurostimolatore elettrico, in accordo alla presente invenzione, comprende un convertitore 10 digitale/analogico a m bit (tipicamente m=5) connesso ad un generatore di corrente 11. Al generatore di corrente 11 Ã ̈ connesso un ingresso 12 di attivazione del generatore 11 stesso.

L’uscita del generatore di corrente 11 à ̈ connessa ad un selettore 13, atto a selezionare un elettrodo della pluralità degli elettrodi 14.

All’uscita del generatore di corrente 11 à ̈ anche connesso un circuito di azzeramento 15 comandato da un segnale di azzeramento attraverso l’ingresso di azzeramento 16.

Ogni elettrodo 14 Ã ̈ connesso ad un circuito 17 di protezione e di selezione di un amplificatore di lettura 18, connesso a detto circuito 17.

Ad ogni circuito 17 di protezione e di selezione à ̈ connesso un segnale lettura, attraverso l’ingresso di lettura 19.

L’uscita di ogni amplificatore di lettura 18 à ̈ connesso ad un sistema di lettura e di elaborazione 20.

Il neurostimolatore elettrico comprende inoltre un registro seriale 20 programmabile, che in base ad un segnale presente ad un suo ingresso 21 , fornisce alla sua uscita 22 il segnale per attivare il selettore 13 ed abilitare l’elettrodo 14 voluto.

Il neurostimolatore elettrico, in accordo alla presente invenzione, à ̈ realizzato su un unico circuito integrato, ossia tutti circuiti descritti sono integrati su un unico e comune substrato. Ciò à ̈ stato possibile grazie ad una scelta oculata ed appropriata dei vari tipi di transistori.

Il circuito integrato in questione à ̈ alimentato tra 1.5V e -1.5V per quanto riguarda la sezione a bassa tensione (LV) e tra 1.5V e -48. 5V per ciò che concerne la sezione ad alta tensione (HV). il fatto di alimentare con tensioni negative la sezione HV del circuito à ̈ legato alla necessità di stimolare con correnti negative (cioà ̈ estratte dagli elettrodi, che si assumono riferiti a massa) e quindi di generare tensioni negative sull’elettrodo stesso. Il substrato del circuito à ̈ connesso alla tensione più bassa del circuito, cioà ̈ a -48. 5V.

I transistori, definiti come MOS_LV, da utilizzare nella sezione LV sopportano una massima tensione tra i loro terminali di drain e source dì 3V, così come la massima tensione di pilotaggio (cioà ̈ la tensione tra gate e source) può essere al massimo di 3V.

I transistor per la sezione HV, cioà ̈ i transistor in grado di sostenere 50V tra i loro terminali di source e drain, sono di due tipi differenti: i transistor definiti MOS_HV_THICK (cioà ̈ con ossido spesso) oltre a sostenere fino a 50V tra source e drain sostengono anche 50V come tensione di pilotaggio, cioà ̈ tra gate e source, mentre i definiti MOS_HV_THIN (cioà ̈ con ossido sottile) sostengono una tensione massima tra gate e source di 3V. La differenza tra i due tipi di transistor à ̈ che, se usati come interruttori, i primi si accendono (cioà ̈ l’interruttore si chiude correttamente) con una tensione tra gate e source alta, mentre per la seconda categoria di MOS à ̈ sufficiente una tensione di 3V.

II circuito 17 di protezione e di selezione comprende un transistore 30, del tipo MOS_HV_THICK, corrispondente ad un interruttore del selettore 13, che ha il drain connesso all’uscita del generatore di corrente 11 , il gate connesso alla sezione HV di un traslatore di livello 31 ed il source connesso ad un elettrodo 14. La sezione LV del traslatore di livello 31 à ̈ connessa ad un ingresso 19.

All’ingresso 19 à ̈ anche connesso un invertitore 32 realizzato con due transistori del tipo MOS_LV. La sua uscita à ̈ connessa al gate di un transistore 33, del tipo NMOS_LV, che ha il source connesso a massa ed il drain connesso al source di un transistore 34 del tipo PMOS_HV_THIN, il cui drain à ̈ connesso al source del transistore 30, ed il gate connesso al gate del transistore 33. Il drain del transistore 33 à ̈ anche connesso all’ingresso non invertente di un amplificatore 18, il cui ingresso invertente à ̈ connesso a massa.

Tale circuito 17 Ã ̈ replicato per ogni elettrodo 14 presente nel neurostimolatore.

Il traslatore di livello 31 comprende un ingresso 40 della sezione LV connesso ad un invertitore 41 realizzato con due transistori del tipo MOS_LV alimentati tra le tensioni 1 ,5V e -1 ,5 V. L’uscita dell’invertitore 41 à ̈ connessa al gate di un transistore 42, del tipo PMOS_HV_THIN, il cui source à ̈ connesso all’alimentazione a 1 ,5 V, ed il drain à ̈ connesso al drain dì un transistore 43, del tipo NMOS_HV_THICK, il cui source à ̈ connesso all’alimentazione di -48,5 V. Il drain del transistore 42 à ̈ anche connesso ad un terminale di uscita 44 della sezione HV. Il gate del transistore 43 à ̈ connesso al drain di un transistore 45, del tipo NMOS_HV_THICK, il cui source à ̈ connesso all'alimentazione di -48,5 V. Il gate del transistore 45 à ̈ connesso al terminale 44. Il drain del transistore 45 à ̈ anche connesso al drain di un transistore 46, del tipo PMOS_HV_THICK, il cui source à ̈ connesso all’alimentazione di 1 ,5 V. Il gate del transistore 46 à ̈ connesso all’ingresso 40.

Il generatore di corrente 11 comprende uno specchio di corrente 50 realizzato con transistori NMOS_LV, avente un ramo di ingresso 51 al quale viene fornita una corrente di riferimento all’ingresso 52, ed un pluralità di rami di uscita 53. Ogni ramo 53 fornisce una corrente doppia di quella del ramo che lo precede. Ogni ramo 53 ha un ingresso 54 di abilitazione del ramo. Un circuito di selezione 55, composto da circuiti AND, riceve in ingresso la parola digitale impostato ed il segnale di attivazione dall’ingresso 12, e fornisce in uscita i segnali di abilitazione della pluralità dei rami 53, agli ingressi 54.

L’uscita della pluralità dei rami 53 à ̈ connessa ad uno specchio di corrente 56 realizzato con transistori del tipo PMOS_HV_THIN connessi all’alimentazione 1 ,5 V.

L’uscita dello specchio di corrente 56 à ̈ connesso ad un altro specchio di corrente 57 realizzato con transistori del tipo NMOS_HV_THICK connessi all’alimentazione -48,5 V. A tale specchio di corrente vi à ̈ una uscita 58 del generatore di corrente 11 (che in effetti à ̈ un ingresso di corrente).

Il circuito di azzeramento 15 comprende un transistore del tipo PMOS_HV_THIN, avente il drain connesso all’uscita 58, il source a massa ed il gate all’ingresso di azzeramento 16.

Il generatore di corrente 11 consta di una sezione LV in cui viene controllata tramite un DAC la corrente da fornire all’elettrodo oltre al comando di stimolo 12, attivo alto, che abilita o disabilita il generatore di corrente 11.

Il generatore di corrente 11 à ̈ in grado di generare una corrente proporzionale al valore binario dei bit ricevuti dal convertitore analogico/digitale 10. Tipicamente la corrente massima erogata à ̈ dell’ordine di 32 Î1⁄4Α, con una risoluzione di 1 Î1⁄4Α.

Durante la fase di stimolo, al fine di erogare una corrente al carico, sul nodo collegato all’elettrodo 14 stimolato può svilupparsi una tensione elevata. Prima di poter effettuare la lettura (cioà ̈ l'amplificazione) da tale elettrodo con la catena di lettura LV, bisogna attendere che tale tensione ritorni ad un livello sufficientemente basso, ossia che sia compresa tra -1.5V e 1.5V. Ciò implica una lunga fase di attesa prima della lettura, cosa che in generale si vuole evitare visto che l’attività conseguente ad uno stimolo tende a manifestarsi entro poche centinaia di microsecondi dopo la fine dello stimolo stesso. Per velocizzare il transitorio si utilizza il circuito di azzeramento 15, che viene attivato subito dopo la fine dello stimolo e che ha la funzione di riportare rapidamente la tensione ad un livello compatibile con il "mondo†LV.

Il circuito 17 di protezione e di selezione, durante la fase di stimolazione, laddove sull’elettrodo 14 si possono generare alte tensioni, isola gli amplificatori di lettura 18, e ne protegge gli ingressi contro sovratensioni. Nello stesso tempo l’elettrodo 14 da stimolare viene collegato alla linea del generatore di corrente in modo da permettere a quest’ultimo di forzare l'impulso di stimolo. La selezione dell’elettrodo da stimolare/leggere avviene tramite il selettore 13.

Durante la fase di lettura del segnale neuronaie, il circuito 17 di protezione e di selezione, si occupa di mettere in comunicazione ogni elettrodo 14 con il rispettivo amplificatore di lettura 18.

In particolare, il segnale all’ingresso 19 à ̈ attivo (livello di tensione 1.5V) quando viene abilitata la lettura da parte degli amplificatori 18. Il segnale all’ingresso 19 viene negato dall’invertitore 32 LV che disattiva il transistore 33 e abilita il transistor 34 che mette in comunicazione l’elettrodo 14 con l’amplificatore 18. Lo stesso segnale all’ingresso 19 viene traslato ad un livello compatibile con il “mondo†HV dal traslatore di livello 31 che disattiva il transistore 30 disconnettendo in questo modo l’elettrodo 14 dal generatore di corrente 11.

Quando viceversa il segnale all’ingresso 19 à ̈ basso (livello -1.5V), tramite l’invertitore 32, accende il transistore 33 che porta l’ingresso d amplificatore 18 a massa (0V) in modo da evitare che alte tensioni giungano su tale nodo. Nello stesso tempo disabilita il transistore 34 e, tramite il traslatore di livello 31 , chiude l’interruttore costituito dal transistore 30 connettendo l'elettrodo 14 al generatore di corrente 11.

Si osservi che à ̈ fondamentale la scelta del tipo di transistor che realizzano gli interruttori HV. L’interruttore 30 che realizza il collegamento tra l’elettrodo 14 ed il generatore di corrente 11 deve essere in grado di accendersi e spegnersi con una tensione di source molto bassa (prossima anche a -50V); pertanto questo interruttore deve essere realizzato con un transistor HV_THICK. Viceversa l’interruttore 34 che connette l’elettrodo 14 all’amplificatore 18 deve poter sopportare sul drain tensioni HV ma ha una tensione di source che à ̈ sempre di tipo LV, essendo tale nodo l’ingresso dell’amplificatore 18; questo transistor può quindi essere realizzato con un transistor HV_THIN e può essere direttamente pilotato da un segnale LV.

Il traslatore di livello 31 deve convertire un segnale digitale LV in un segnale HV, cioà ̈ deve essere in grado di accendere e spegnere un transistor HV_THICK (il transistore 30).

Esso à ̈ costituito da un invertitore 41 LV e da una sezione HV reazionata che converte il livello basso LV (pari a -1.5V) in un segnale HV a -48. 5V. Il segnale in uscita a tale traslatore 31 à ̈ quindi pari a 1.5V per il livello alto e -48. 5V per il livello basso.

Un sistema di controllo, non mostrato, gestisce tutti i comandi ai vari circuiti, in base alle impostazioni iniziali programmate.

Il neurostimolatore elettrico così concepito à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Neurostimolatore elettrico di un paziente, il cui circuito elettrico à ̈ posto su un unico circuito integrato, comprendente: un generatore di stimoli elettrici; un lettore dei segnali ricevuti da detto paziente; almeno un elettrodo applicato a detto paziente; detto almeno un elettrodo riceve detti stimoli elettrici e li invia a detto paziente; detto almeno un elettrodo riceve almeno un segnale da detto paziente e lo invia a detto lettore dei segnali; mezzi di commutazione per connettere selettivamente detto almeno un elettrodo a detto generatore di stimoli elettrici o a detto lettore dei segnali.
2. 2. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di commutazione comprendono un primo interruttore posto tra detto generatore di stimoli elettrici e detto almeno un elettrodo ed un secondo interruttore tra detto almeno un elettrodo e detto lettore dei segnali.
3. 3. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto lettore dei segnali comprende un ingresso; e dal fatto di comprendere un terzo interruttore posto tra detto ingresso ed una prima tensione prefissata.
4. 4. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che tra detto generatore di stimoli elettrici e detto almeno un elettrodo esiste una connessione; e dal fatto di comprendere un quarto interruttore posto tra detta connessione ed una seconda tensione prefissata.
5. 5. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto generatore di stimoli elettrici à ̈ alimentato con una tensione superiore a 30 V, e detto lettore dei segnali à ̈ alimentato con una tensione inferiore a 10 V.
6. 6. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto generatore di stimoli elettrici à ̈ alimentato con una tensione superiore a 40 V, e detto lettore dei segnali à ̈ alimentato con una tensione inferiore a 5 V.
7. 7. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto primo interruttore à ̈ realizzato con un transistore del tipo ad ossido spesso e può sostenere tra source e drain e tra gate e source, una tensione superiore a 40 V.
8. 8. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto secondo interruttore à ̈ realizzato con un transistore del tipo ad ossido sottile e può sostenere tra source e drain una tensione superiore a 40 V, e tra gate e source una tensione inferiore a 5 V.
9. 9. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto terzo e detto quarto interruttore sono realizzati con un transistore che può sostenere tra source e drain una tensione inferiore a 5 V, e tra gate e source una tensione inferiore a 5 V.
10. 10. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere un traslatore di livello per poter comandare detto primo interruttore.
11. 1 1. Neurostimolatore in accordo alle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere un circuito di protezione di detto lettore dei segnali connesso tra detto almeno un elettrodo e detto lettore dei segnali; detto circuito di protezione comprende detto primo, secondo e terzo interruttore; detto primo, secondo e terzo interruttore sono comandati da un segnale di comando.
12. 12. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 11 caratterizzato dal fatto che detto segnale di comando aziona detto primo interruttore tramite un traslatore di livello; detto segnale di comando aziona detto secondo e detto terzo interruttore tramite un invertitore di detto segnale di comando.
13. 13. Neurostimolatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto generatore di stimoli elettrici comprende un generatore di corrente programmabile, in base ad una parola digitale prefissata.
14. 14. Metodo per fornire stimoli elettrici tramite un circuito elettrico realizzato su un unico circuito integrato comprendente le fasi di: generare stimoli elettrici; fornire detti stimoli ad almeno un elettrodo; leggere gli stimoli ricevuti da detto almeno un elettrodo; dette fasi di fornire detti stimoli e leggere gli stimoli da detto almeno un elettrodo avvengono in momenti temporali separati.
15. 15. Metodo in accordo alla rivendicazione 14 caratterizzato dal fatto che dopo detta fase di fornire detti stimoli comprende la fase di azzerare la tensione presente ai capi di detto almeno un elettrodo.
16. 16. Metodo in accordo alla rivendicazione 14 caratterizzato dal fatto che detta fase di fornire detti stimoli e leggere gli stimoli da detto almeno un elettrodo comprende la fase di isolare temporaneamente i relativi mezzi realizzativi di dette fasi.