TWI446944B - 具負載適應性之生物電流刺激器 - Google Patents

Description

具負載適應性之生物電流刺激器

本發明是有關於一種刺激電路，且特別是有關於一種生物電流刺激電路。

習知之生物電流刺激器可分為兩大面向，第一是設置在人體外的電療裝置，第二是裝設在人體內的感官輔助裝置。前者如TW-I306407所揭示之「用以產生使用於生物醫學應用之電子信號之裝置及方法」，後者如TW-I329027所揭示之「多模式神經微電刺激裝置」、US-6,289,246所揭示之「High compliance output stage for a tissue stimulator」及US-5,350,407所揭示之「Implantable stimulator having quiescent and active modes of operation」。

然而，在前述各種刺激器於感官輔助裝置的應用中，最後接到動物或人體上的等效負載會依照接點位置不同，使負載阻抗為幾十kΩ到幾百kΩ都有可能。甚至在同一種位置上的刺激，依接觸時間和電極材質不同，負載阻抗也會隨時有變化。因此，對前述習知的刺激器而言，當負載阻抗不匹配時，刺激電流即無法有效地輸出。

因此，本發明之一目的是在提供一種具負載適應性之生物電流刺激器，其係建立一回授控制機制來調整刺激電流的大小，以因應負載的阻抗變化。

根據本發明之一實施方式，提出一種具負載適應性之生物電流刺激器，其包括一電流輸出模組、一適配模組以及一控制模組。電流輸出模組係用產生一刺激電流予一電極。適配模組係用以偵測刺激電流通過電極時的電性，進而產生一回授訊號給控制模組。最後，控制模組再根據回授訊號，控制電流輸出模組，以適應性穩定刺激電流的輸出狀態。藉此，具負載適應性之生物電流刺激器得以針對刺激電流之具體輸出狀況，透過回授控制機制來調整刺激電流的大小，以因應負載的阻抗變化。

具體而言，在本發明其他實施方式中，適配模組可為一類比數位轉換電路，以根據刺激電流通過電極時產生之一輸出電壓，提供一數位電壓訊號以作為回授訊號予控制模組。另一方面，控制模組可為一數位控制裝置，以根據數位電壓訊號，採脈波頻率調變方式(PFM)，輸出一操作訊號予電流輸出模組，進而調整刺激電流之大小。具體而言，電流輸出模組可由一組互補形式的電流源電路所組成，以各自相應接收操作訊號中的一組互補形式的觸發訊號，進而產生刺激電流。更進一步的說，上述電流源電路可由一控制電路及一電流鏡組成，且控制電路之啟閉係受控於上述操作訊號中，其所相對應的觸發訊號。

藉此，適配模組得以取得刺激電流通過電極時產生的電壓訊號，復提供數位形式的電壓回授訊號給控制模組，使控制模組進一步調整電流輸出模組所提供之刺激電流的大小，以因應負載的阻抗變化。

此外，在本發明其他實施方式中，適配模組亦可由一電流鏡及一比較器所組成；電流鏡根據刺激電流產生一差動訊號予比較器，比較器再根據差動訊號產生一類比電流訊號以作為上述的回授訊號予控制模組。具體而言，控制模組可為一電荷幫浦系統(Charge Pump System)，以根據類比電流訊號，採脈波寬度調變方式(PWM)，控制電流輸出模組之工作電壓，進而調整刺激電流之大小。更進一步的說，電流輸出模組可由一控制電路及一電流鏡所組成，以使控制電路被啟動時，透過電流鏡來產生刺激電流。

藉此，適配模組得以根據刺激電流通過電極時產生的電流訊號，提供類比形式的電流回授訊號予控制模組，使控制模組進一步調整電流輸出模組所提供之刺激電流的大小，以因應負載的阻抗變化。

請參考第1圖，第1圖是本發明一實施方式之具負載適應性之生物電流刺激器的功能方塊圖。具負載適應性之生物電流刺激器100包括一電流輸出模組110、一控制模組120以及一適配模組130。電流輸出模組110產生一刺激電流予一電極140。適配模組130偵測刺激電流通過電極140時的電性，進而產生一回授訊號給控制模組120。最後，控制模組120再根據回授訊號，控制電流輸出模組110，以適應性穩定刺激電流的輸出狀態，使刺激電流的輸出狀態穩定而不受電極140之阻抗變化影響。藉此，本實施方式之具負載適應性之生物電流刺激器100可以在阻抗因客觀環境與時間而產生變化時，透過回授控制機制而維持穩定的刺激電流。

請參考第2圖，第2圖是第1圖之具負載適應性之生物電流刺激器100於一實施方式中的詳細功能方塊圖。第2圖中，具負載適應性之生物電流刺激器200係採用電壓回授機制與數位控制方式來實現；具體而言，電流輸出模組210與適配模組230間係採用電壓回授機制，亦即適配模組230偵測刺激電流通過電極240時產生的輸出電壓V_out ，再根據輸出電壓V_out 提供控制模組220所需的回授訊號。另一方面，控制模組220與電流輸出模組210間係採用數位控制方式來實現，亦即控制模組220提供操作訊號來控制電流輸出模組210所產生之刺激電流的大小。因此，兩種技術相互搭配之下，本實施方式便設計適配模組230產生數位電壓訊號給控制模組220，以作為電壓回授訊號V_f 。

請參考第3圖，第3圖是第2圖之具負載適應性之生物電流刺激器200於一實施方式中的電路結構示意圖。第3圖中，電流輸出模組210係由一組互補形式的電流源電路所組成；上方的電流源電路係接受操作訊號中的上方觸發訊號Tri_up，而下方的電流源電路211係接受操作訊號中的下方觸發訊號Tri_down。值得注意的是，上方的電流源電路提供刺激電流分量I_stim1 ，而下方的電流源電路211亦提供刺激電流分量I_stim2 ，兩者相加為總體輸出至電極240的刺激電流I_stim 。當然，透過本實施方式之教示，於本技術領域中具有通常知識者，亦可在輸出模組210中設計三個以上互補形式的電流源電路。由此觀之，本實施方式只要控制各觸發訊號啟動各電流源電路，進而產生刺激電流分量的時間點，便可視負載變化，合成出所需的總刺激電流I_stim 大小。

更進一步的說，電流源電路211係由一控制電路212及一電流鏡213所組成，且控制電路212之啟閉受控於操作訊號中所相對應的觸發訊號，亦即下方觸發訊號Tri_down。當控制電路212被下方觸發訊號Tri_down啟動時，電流鏡213會產生刺激電流分量I_stim2 。因此，控制模組220以互補的形式分別提供上方觸發訊號Tri_up與下方觸發訊號Tri_down給上方電流源電路與下方電流源電路211。上方電流源電路被上方觸發訊號Tri_up啟動時，上方觸發訊號Tri_up為低電位(V_SS )；此時，下方觸發訊號Tri_down為高電位(V_DD )以關閉下方電流源電路211。具體來說，在上方電流源電路中，電晶體M_N2 被透過電晶體M_P1 而偏壓；且電晶體M_N3 被關閉。刺激電流分量I_stim1 經由電流鏡來傳遞，亦即電晶體M_P2 與電晶體M_P3 ，且通過電容C₁ 和二極體D₂ 。與此同時，下方電流源電路211處於放電狀態，亦即電晶體M_N5 被關閉且電晶體M_N6 被開啟；在前次操作中已被充電的電容C₂ 可透過電晶體M_N6 和二極體D₃ 而放電。

反之，在另一個操作週期中，下方電流源電路211被下方觸發訊號Tri_down啟動時，上方觸發訊號Tri_up為高電位(V_DD )且下方觸發訊號Tri_down為低電位(V_SS )。此時，在控制電路212中，電晶體M_N2 被關閉且電晶體M_N3 被開啟；於是已充電的電容C₁ 可被透過電晶體M_N3 和二極體D₁ 放電。與此同時，下方電流源電路211處於工作狀態，刺激電流分量I_stim2 透過電晶體M_P5 與電晶體M_P6 所組成的電流鏡213而傳遞，且經過電容C₂ 和二極體D₄ 。更進一步說，在電流輸出模組210受控而關斷的時間間隔中，上方觸發訊號Tri_up和下方觸發訊號Tri_down皆為高電位(V_DD )，電晶體M_N2 和電晶體M_N5 的閘極皆為低電位(V_SS )而關閉，且沒有刺激電流I_stim 被傳遞。

另一方面，適配模組230為類比數位轉換電路，其係利用電容C₃ 和電容C₄ 取得刺激電流I_stim 通過電極240時的電壓訊號，再以類比數位轉換器(Analog Digital Converter,ADC)產生數位形式的電壓回授訊號，即Bit0、Bit0與Bit0。與此同時，控制模組可為一數位控制裝置，數位形式的回授訊號被用以作為觸發訊號Trigger，搭配整體生物電流刺激器的致動訊號Enable，便可實現脈波頻率調變(Pulse Frequency Modulation,PFM)控制，進而產生包含各個電流源電路所需之多個觸發訊號的操作訊號，例如上方觸發訊號Tri_up和下方觸發訊號Tri_down。

舉例來說，請參考第4圖，第4圖是第3圖之生物電流刺激器於一實施例中的電流波形圖。前述電極240的等效阻抗可能因其所在的人體組織部位不同，或材質隨時間而變異，產生從20kΩ至200kΩ間不等的變化，但電極240所應提供的刺激電流I_stim 不應有異。因此，依第3圖之電路，本實施例的生物電流刺激器可以穩定提供30μA的刺激電流。依此，足見第3圖之生物電流刺激器電路確實能克服習知技藝的諸般缺失。

請參考第5圖，第5圖是第1圖之具負載適應性之生物電流刺激器100於另一實施方式中的詳細功能方塊圖。第5圖中，具負載適應性之生物電流刺激器300係採用電流回授機制與類比控制方式來實現；具體而言，電流輸出模組310與適配模組330間係採用電流回授機制，亦即適配模組330偵測刺激電流通過電極340時產生的輸出電流，再根據輸出電流的大小提供控制模組320所需的回授訊號。適配模組330偵測輸出電流的具體做法可利用荷姆霍茲線圈(Helmholtz Core)，或設計一組相對應的電極340以形成電流迴路。另一方面，控制模組320與電流輸出模組310間係採用類比控制方式來實現，例如控制模組320可直接控制電流輸出模組310之刺激電流的大小。

具體來說，控制模組320根據整體生物電流刺激器的致動訊號En，產生工作電壓給電流輸出模組310；電流輸出模組310復根據致動訊號En產生刺激電流給電極340。然後，適配模組330偵測刺激電流經過電極340阻抗匹配影響之後的大小，產生類比電流訊號給控制模組320以作為電流回授訊號I_f 。依此，控制模組320所輸出的工作電壓，便可依據刺激電流之大小而調整，進而達到克服電極340阻抗變化之影響，以穩定刺激電流的功效。值得注意的是，綜觀第2圖與第5圖所提供之詳細功能方塊圖；於本技術領域中具有通常知識者，得以經由本發明之教示，而選擇所需的回授機制與設計相應的控制方式。

請參考第6圖，第6圖是第5圖之具負載適應性之生物電流刺激器300於一實施方式中的電路結構示意圖。第5圖中，電極340為成對的一組電極，以形成電流迴路。電流輸出模組310係由一電流鏡311及一控制電路312所組成，該控制電路312之啟閉係受控於致動訊號En，以於被啟動時，透過電流鏡311產生刺激電流I_stim 。值得注意的是，電流鏡311的工作電壓V_CC 直接受控於控制模組320，所以當控制模組320根據回授訊號調整工作電壓V_CC 時，刺激電流I_stim 的大小便相應受到調整。具體而言，致動訊號En使電晶體M_P3 開啟而電晶體M_N4 關閉時，電晶體M_N3 會相應開啟而使電流鏡311產生刺激電流I_stim 。反之，致動訊號En使電晶體M_P3 關閉而電晶體M_N4 開啟時，電晶體M_N3 會相應關閉而使電流鏡311無法輸出刺激電流I_stim 。

另一方面，適配模組330係由一電流鏡331及一比較器332所組成，電流鏡331根據刺激電流I_stim 產生鏡射電流I_mirror ，鏡射電流I_mirror 通過電阻R而產生電位V_a 給比較器332，比較器332另取得一參考電位V_b ，則電位V_a 與參考電位V_b 便形成一差動訊號；比較器332即可根據差動訊號產生類比電流訊號以作為電流回授訊號I_f 。此外，控制模組321可用一電荷幫浦系統321(Charge Pump System)來實現之，電荷幫浦系統321根據用以控制生物電流刺激器的致動訊號En、時脈訊號Clkr與類比電流訊號，實現脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)控制機制，進而控制電流輸出模組310中電流鏡311的工作電壓V_CC 。藉此，整體回授控制機制便可彌補電極因工作環境與時間而產生的阻抗變化。

雖然本發明已以諸實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300．．．具負載適應性之生物電流刺激器

110、210、310．．．電流輸出模組

120、220、320．．．適配模組

130、230、330．．．控制模組

140、240、340．．．電極

211．．．電流源電路

212、312．．．控制電路

213、311、331．．．電流鏡

321．．．電荷幫浦系統

332．．．比較器

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖是本發明一實施方式之具負載適應性之生物電流刺激器的功能方塊圖。

第2圖是第1圖之具負載適應性之生物電流刺激器100於一實施方式中的詳細功能方塊圖。

第3圖是第2圖之具負載適應性之生物電流刺激器200於一實施方式中的電路結構示意圖。

第4圖第3圖之生物電流刺激器於一實施例中的電流波形圖。

第5圖是第1圖之具負載適應性之生物電流刺激器100於另一實施方式中的詳細功能方塊圖。

第6圖是第5圖之具負載適應性之生物電流刺激器300於一實施方式中的電路結構示意圖。

100．．．具負載適應性之生物電流刺激器

110．．．電流輸出模組

120．．．控制模組

130．．．適配模組

140．．．電極

Claims (3)

1. 一種具負載適應性之生物電流刺激器，包括：一電流輸出模組，係用產生一刺激電流予一電極；一適配模組，係用以偵測該刺激電流通過該電極時的電性，該適配模組包括一電流鏡及一比較器，該電流鏡根據該刺激電流產生一差動訊號予該比較器，該比較器復根據該差動訊號產生一類比電流訊號以作為一回授訊號；以及一控制模組，係用以根據該回授訊號，控制該電流輸出模組，以適應性穩定該刺激電流的輸出狀態。
2. 如請求項1所述之具負載適應性之生物電流刺激器，其中該控制模組係為一電荷幫浦系統(Charge Pump System)，以根據該類比電流訊號，採脈波寬度調變方式(PWM)，控制該電流輸出模組之工作電壓，進而調整該刺激電流之大小。
3. 如請求項2所述之具負載適應性之生物電流刺激器，其中該電流輸出模組係由一控制電路及一電流鏡所組成，該控制電路於被啟動時，透過該電流鏡產生該刺激電流。