TWI451889B - 電刺激控制裝置及方法 - Google Patents

Description

電刺激控制裝置及方法

本發明係關於一調變電刺激波形的方法及其相關裝置，尤指一種使用回授控制來調變電刺激波形來獲得更恆定之電刺激功效的方法及其相關裝置。

電生理的應用領域常利用強度持續曲線(strength-duration curve)來解釋可被刺激組織(excitable tissue)在受到不同脈波強度與脈波寬度電刺激時，動作電位(action potential)產生與否的情形。此動作電位的產生與否攸關可被刺激組織(如神經或肌肉纖維等)所控制的相關動作是否得以成功的被誘發。因此，在電刺激裝置等相關應用領域上，如神經輔具(neuroprosthesis)、心臟除顫器(defibrillator)及心律調節器(pacemaker)等，對於電刺激控制參數的選擇必須格外的注意。

由於強度持續曲線所代表的通常是以理想實驗狀態下之電刺激方形波(恆定電流強度×時間)所能產生之脈波強度與脈波寬度的相關曲線，故在實際臨床應用上，若電刺激波形稍有改變時(非恆定電流強度×時間)，即便依照某特定強度持續曲線提供了相同之電量(電流強度對時間的積分)，在不考慮神經肌肉之增益作用(potentiation)以及疲勞(fatigue)的情況下，所得到之電刺激成效(如力量強度等等)也未必能夠維持恆定。因此，必須更進一步研發以更理想之控制參數來控制刺激脈波的方法，以獲得更恆定之電刺激成效。

由於傳統上電刺激功效不恆定，而導致臨床應用時的效果不彰。因此，本發明提出一透過回授控制來調變電刺激波形的方法及其相關裝置，使電刺激裝置能輸出具有穩定功率之刺激波形到人體組織，以誘發穩定的肌力強度，並產生更恆定的電刺激功效。

本發明一實施例提供了一種調變電刺激波形來獲得更恆定之電刺激功效的方法。該調變電刺激波形方法包含下列步驟：首先，耦接一回授電路至一波形產生電路、一第一電極及一第二電極；其中該第一電極耦接至一可被刺激組織之一第一區域，該第二電極耦接至該可被刺激組織之一第二區域；其中該可被刺激組織為神經組織、骨骼肌、心肌或平滑肌。接著，由該波形產生電路產生一刺激波形，並經由該第一電極與該第二電極輸出刺激波形至該可被刺激組織。之後，回授電路根據該第一電極與該第二電極之電壓差及通過之電流的至少其中之一調變該刺激波形，以維持實質上一固定瞬間電刺激功率值、一固定平均電刺激功率值及一固定電刺激脈波能量值的至少其中之一。

本發明另一實施例提供了一種使用回授控制調變電刺激波形以獲得更恆定之電刺激功效的裝置。該裝置包含一波形產生電路、一第一電極與一第二電極、及一回授電路。該波形電路用以產生一刺激波形。該第一電極與該第二電極係極性相反，並分別耦接至一可被刺激組織之不同之第一區域及一第二區域。該回授電路係耦接至該波形產生電路、該第一電極及該第二電極。

為了獲得更恆定的電刺激功效，本發明提出一使用回授控制來調變電刺激波形的方法以及其相關裝置。利用本發明提出之方法，可以克服依某特定強度持續曲線來提供電刺激時，因刺激波形改變而造成的電刺激功效不彰的問題。關於本發明提出之使用回授控制來調變電刺激波形的方法以及其相關裝置，將於下文進行列舉實施例並進行說明。

第1圖為本發明提出之電刺激裝置100的一實施例之示意圖。電刺激裝置100包括一波形產生電路110、一第一電極101、一第二電極102(另可包括一第三電極，其極性等同於該第一電極101或第二電極102)以及一回授電路300。該波形產生電路110用以產生一刺激波形，係耦接於第一電極101及該第二電極102。波形產生電路110主體為一控制電路111，其依功率需求可包括一功率放大器112，而依其波形產生方式另可包括一定電流控制電路210(如第1A圖所示)或一定電壓控制電路220(如第1B圖所示)。該第一電極101與該第二電極102係極性相反並分別耦接至一可被刺激組織(如神經組織、骨骼肌、心肌或平滑肌)不同之區域，用以輸出該刺激波形至該可被刺激組織。該波形產生電路110可依不同之應用置於該可被刺激組織內或外，比如說，於植入式的電刺激應用當中置於被刺激組織內，而表面式的電刺激應用當中置於被刺激組織外。該回授電路300係耦接至該第一電極101、該第二電極102及該波形產生電路101，並依據該第一電極101與該第二電極102之電壓差、通過之電流值或任何電壓與電流運算所得之數值進行調變而產生該刺激波形用以維持實質上一固定瞬間電刺激功率值、一固定平均電刺激功率值或是一固定電刺激脈波能量值。

第1圖中之控制電路111乃是用於產生一類比刺激波形，後由功率放大器112增強該類比波形之功率。在第1A圖中，增強之類比波形會由定電流控制電路210進行調變；而在第1B圖中，增強之類比波形則經由定電壓控制電路220進行調變。

請注意，控制電路111可用具控制功能(但不限於)的數位信號處理器、微控制器、場效可邏輯陣列閘或其他電路硬體架構實現。舉凡可用於產生一類比刺激波形之電路架構均屬本發明之範疇，唯種類繁多，於此不再贅述。

第2A圖為定電流控制電路210之示意圖，定電流控制電路210包含一放大器電路211及一變壓器電路212；第2B圖為定電壓控制電路220之示意圖，此定電壓控制電路220亦包含一放大器電路221及一變壓器電路222。請注意，第2A及2B圖中之定電流控制電路210僅為一實施例，定電流控制電路210亦可由多個放大器電路與多個可調變刺激波形大小的隔離變壓器組合而成。

定電壓控制電路210或定電流控制電路220分別產生受電壓控制及受電流控制之刺激波形後，刺激波形可經由第一電極101及第二電極102輸送至一可被刺激組織，進而將其興奮並產生所預期之作用。

為了去除特定頻段外的訊號以確保刺激波形不受雜訊干擾，電刺激裝置100可另包括一濾波器，並將其耦接於波形產生電路110及第一電極101與第二電極102之間。此濾波器可以是一帶通濾波器、一低通濾波器、一高通濾波器或上述之各種混合，其目的即用以去除特定頻段外之雜訊。

此外，為了確保電路安全，電刺激裝置100亦可另加一安全電路。其作用如下：當波形產生電路110運算得知前一脈波的固定瞬間電刺激功率值、固定平均電刺激功率值及一固定電刺激脈波能量值三者中的至少其中之一已經大於某一組預設值時，安全電路將產生該波形產生電路110與該第一電極101及該第二電極102至少其中之一之間的斷路，以阻絕刺激波形經由與該第一電極101及該第二電極102繼續輸出至該可被刺激組織，以便降低電刺激裝置的使用危險。安全電路之實施例可用一硬體電路實現，亦可用軟體斷路程式實現；唯熟知軟硬體技術或電路功能之技藝者，當可理解以其他軟硬體架構仍可實現具同等功能之安全電路，故於此不再贅述。

第3A圖中係本發明實施例之一回授電路300。回授電路300可包含一電流偵測電路301、一乘法器303及一加法器304。該電流偵測電路301係耦接於第1圖中的該第一電極101及該第二電極102；其中該電流偵測電路301係可用一儀表放大器或電磁感應電路實現，但儀表放大器或電磁感應電路並非本發明之限制，其他可實現電流偵測之電路架構亦屬本發明之範疇。該刺激波形受電流控制時，該回授電路300偵測該第一電極101與該第二電極102之電壓差；接著，該乘法器303將獲得之該第一電極101與該第二電極102之電壓差及通過之電流值相乘，以確認一固定瞬間電刺激功率值；接著，該加法器304將一段預定時間中所測得之所有固定瞬間電刺激功率值相加，以確認一固定平均電刺激功率值；接著，該波形產生電路110計算得出一固定瞬間電刺激功率值、一固定平均電刺激功率值及一固定電刺激脈波能量值的至少其中之一；最後，該波形產生電路110根據計算得出之該固定瞬間電刺激功率值、該固定平均電刺激功率值及該固定電刺激脈波能量值的至少其中之一調變刺激波形，以輸出具有穩定功率之刺激波形。

第3B圖中係本發明實施例之另一回授電路300。回授電路300包含一電壓偵測電路301、一乘法器303及一加法器304。電壓偵測電路之302係耦接於第1圖中的該第一電極101及該第二電極102；其中該電壓偵測電路係可為一並聯於該第一電極101及該第二電極102之任何適用之電壓差轉換電路架構。當該刺激波形如第3B圖受電壓控制時，該回授電路300偵測該第一電極101與該第二電極102通過之電流值；接著，該乘法器303將獲得之該第一電極101與該第二電極102之電壓差及通過之電流值相乘，以確認一固定瞬間電刺激功率值；接著，該加法器304將一段預定時間中所測得之所有固定瞬間電刺激功率值相加，以確認一固定平均電刺激功率值；接著，該波形產生電路110計算得出一固定瞬間電刺激功率值、一固定平均電刺激功率值及一固定電刺激脈波能量值的至少其中之一；最後，該波形產生電路110根據計算得出之該固定瞬間電刺激功率值、該固定平均電刺激功率值及該固定電刺激脈波能量值的至少其中之一調變刺激波形，以輸出具有穩定功率之刺激波形。

請注意，上述根據第3圖之說明僅為回授電路300之實施例，本發明中之回授電路300並不限於上述實施例中的電路組成方式，其他可得到一固定瞬間電刺激功率值、一固定平均電刺激功率值及一固定電刺激脈波能量值的至少其中之一的回授電路架構，均屬本發明之範疇，唯種類繁多，於此不再贅述。

請參考第4圖，第4圖為本發明使用回授控制來調變電刺激波形來獲得更恆定之電刺激功效的方法之一操作範例的流程圖，其包含(但不侷限於)以下的步驟(請注意，假若可獲得大致上相同的結果，則這些步驟不一定要遵照第4圖所示的執行次序來執行)：

步驟401：輸出刺激波形。

步驟402：放大刺激波形。

步驟403：分別產生受電流控制及受電壓控制之該刺激波形。

步驟404：去除特定頻段外的訊號。

步驟405：隔離變壓器兩側之電壓及電流，並實質調變該刺激波形之電壓或電流。

步驟406：當前一實質瞬間電刺激功率、一固定平均電刺激功率值及一固定脈波能量的至少其中之一小於某一預設值時，安全電路不啟動斷路機制，並至步驟407；當前一實質瞬間電刺激功率、一固定平均電刺激功率值及一固定脈波能量的至少其中之一大於某一預設值時，安全電路啟動斷路機制，並至步驟409。

步驟407：經第一電極與第二電極輸出電刺激波形至一可被刺激之組織。

步驟408：依據第一電極與第二電極之電壓差及通過之電流值的至少其中之一，調變該刺激波形以維持實質固定功率值。

步驟409：電刺激波形不再輸出至一可被刺激之組織。

請注意，上述流程之步驟僅為本發明之一實施例，並非本發明的限制條件，且在不違背本發明之精神的情況下，該方法可另包含其他的中間的步驟，而本領域具通常知識者當可據以做適當之變化。

由上可知，本發明提供一使用回授控制來調變電刺激波形來獲得更恆定之電刺激功效的方法及其相關裝置。透過本發明揭露之方法，可以降低電刺激裝置的使用風險，尤其對於神經輔具(neuroprosthesis)、心臟除顫器(defibrillator)及心律調節器(pacemaker)等臨床應用，可以提升使用時的功效並同時減少危害生命意外事件發生的可能性。

以上所述僅為本發明之一實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100．．．一電刺激裝置

101．．．一第一電極

102．．．一第二電極

110．．．一波形產生電路

111．．．一控制電路

112．．．一功率放大器

210．．．一定電流控制電路

212‧‧‧一放大器電路

214‧‧‧一變壓器電路

220‧‧‧一定電壓控制電路

222‧‧‧一放大器電路

224‧‧‧一變壓器電路

300‧‧‧一回授電路

301‧‧‧一電流偵測電路

303‧‧‧一乘法器

304‧‧‧一加法器

302‧‧‧一電壓偵測電路

V_f ‧‧‧回授電壓訊號

401~409‧‧‧步驟

第1圖係根據本發明之電刺激裝置一實施例之方塊圖。

第2A與2B圖分別係一定電流控制電路一實施例與一定電壓控制電路一實施例之示意圖。

第3A與3B圖分別係一具電流偵測電路之回授電路一實施例與一具電壓偵測電路之回授電路之一實施例之方塊圖。

第4圖係為本發明之使用回授控制來調變電刺激波形來獲得更恆定之電刺激功效之一操作範例的流程圖。

100‧‧‧電刺激裝置

101‧‧‧安全電路

102‧‧‧第一電極

103‧‧‧第二電極

110‧‧‧波形產生電路

300‧‧‧回授電路

V_f ‧‧‧回授電壓訊號

Claims (19)

1. 一電刺激裝置，包括：一第一電極與一第二電極，該第一電極與該第二電極極性相反並分別耦接至一可被刺激組織不同之一第一區域及一第二區域；一波形產生電路，用以產生一刺激波形；以及一回授電路，耦接至該第一電極、該第二電極及該波形產生電路，並依據該第一電極與該第二電極之電壓差及通過之電流的至少其中之一，調變該刺激波形以維持實質上一固定瞬間電刺激功率值、一固定平均電刺激功率值及一固定電刺激脈波能量值的至少其中之一。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該可被刺激組織為神經組織、骨骼肌、心肌或平滑肌。
3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包括：一第三電極，耦接至該第一電極及該第二電極其中之一，以及該可被刺激組織之一第三區域，其中該第一區域分別與該第二區域及該第三區域實質上等距，或該第二區域分別與該第一區域及該第三區域實質上等距。
4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該波形產生電路至少包括一定電流控制電路或一定電壓控制電路，用以分別產生受電流控制及受電壓控制之該刺激波形。
5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中當該刺激波形受電流控制時，依據該第一電極與該第二電極之電壓差調變該刺激波形；當該刺激波形受電壓控制時，依據該第一電極與該第二電極通過之電流，調變該刺激波形。
6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該回授電路包括一儀表放大器，用以偵測該第一電極與該第二電極通過之電流值。
7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該回授電路包括一乘法器，用以將測得之該第一電極與該第二電極之電壓差及通過之電流值相乘，以確認該固定瞬間電刺激功率值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該回授電路更包括一加法器，用以將一預定時間所測得之該固定瞬間電刺激功率值相加，以確認該固定平均電刺激功率值。
9. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該固定電刺激脈波能量值是該固定瞬間電刺激功率值對該刺激波形之脈波寬度積分而成。
10. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包括：一安全電路，耦接至該波形產生電路，當該固定瞬間電刺激功率值、該固定平均電刺激功率值及該固定電刺激脈波能量值的至少其中之一大於某一組預設值時，產生該波形產生電路與該第一電極及該第二電極至少其中之一之間的斷路。
11. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包括：一功率放大電路，用以增強該刺激波形之功率。
12. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包括：一帶通濾波器，耦接至該至少一定電流控制電路或一定電壓控制電路，用以去除該刺激波形中的特定頻段外之雜訊。
13. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包括：一隔離變壓器，耦接於該帶通濾波器與該第一電極及該第二電極之間，用以隔離該帶通濾波器與該第一電極及該第二電極兩側之電壓及電流，並實質放大該刺激波形之電壓為N倍或縮小該刺激波形之電流為1/N倍，其中，N大於等於1。
14. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該波形產生電路置於該可被刺激組織內。
15. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該波形產生電路置於該可被刺激組織外。
16. 一電刺激裝置之控制方法，適用於一可被刺激組織，包括下列步驟：於一第一電極與一第二電極之間產生一刺激波形；依據該第一電極與該第二電極之電壓差及通過之電流的至少其中之一，調變該刺激波形；當該刺激波形受電流控制時，依據該第一電極與該第二電極之電壓差調變該刺激波形；以及當該刺激波形受電壓控制時，依據該第一電極與該第二電極通過之電流調變該刺激波形。
17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，更包括：當該固定瞬間電刺激功率值、該固定平均電刺激功率值及該固定電刺激脈波能量值的至少其中之一大於某一組預設值時，停止於該可被刺激組織產生該刺激波形。
18. 一電刺激裝置之控制方法，包括下列步驟：於一第一電極與一第二電極之間產生一刺激波形；以及調變該刺激波形以維持實質上一固定瞬間電刺激功率值、一固定平均電刺激功率值及一固定電刺激脈波能量值的至少其中之一；其中該固定瞬間電刺激功率值是該第一電極與該第二電極之電壓差及通過之電流值相乘結果。
19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，更包括：當該固定瞬間電刺激功率值、該固定平均電刺激功率值及該固定電刺激脈波能量值的至少其中之一大於某一組預設值時，停止於該可被刺激組織產生該刺激波形。