基于混合模式快速电荷平衡的神经刺激器电路

摘要

一种基于混合模式快速电荷平衡的神经刺激器电路，包括主刺激部分，电极短接部分和短电流脉冲部分，主刺激部分包含电流源和n对输出开关，每对输出开关对应一个电极；电极短接分包含n个短接开关；短电流脉冲部分包含窗比较器、控制单元、补偿电流单元和n对选择开关，每对选择开关对应一个电极，监测电极上电压差并和安全电压VW相比较，窗比较器的输出端接控制单元，若所述电压差超出安全电压VW，则插入短电流脉冲补偿差值，继续进行监测和比较，直到电极上的电压小于安全电压VW。本发明可使神经刺激器电路仍能在短时间内实现电荷平衡，在单向大电流刺激或者非对称双向大电流刺激的情况下，避免电荷在电极上积累导致电极电解和神经组织损伤。

说明书

技术领域

本发明属于电路技术领域，涉及一种混合模式的快速电荷平衡方法，可用于多通道大电流的神经刺激器电路如脊柱神经刺激器电路中，具体为一种基于混合模式快速电荷平衡的神经刺激器电路。

背景技术

功能性神经刺激是通过导电的电极在神经组织上施加电荷来进行治疗的方法。实际应用的例子有：针对听力问题的人工耳蜗，针对视力问题的视觉假肢，针对麻痹的肌肉刺激器，心脏起搏器以及深脑刺激器等等。

神经刺激器有两种常见的将电荷转移到神经组织的方法。恒流刺激是，在一小段时间内，在一对电极之间，施加可控的电流。恒压刺激是，通过控制电极节点的电压，来建立电流。对于恒压刺激而言，由于电极组织界面是一个容性元件，电极之间的瞬时电流无法精准控制，从而无法控制传递到动物组织的电荷。而对于恒流刺激，由于电荷和电流之间的线性关系，它可以直接控制传递到动物组织的电荷，因此恒流刺激的方式越来越受使用者的欢迎。

脊柱神经刺激也是功能性神经刺激的一种。较于其它的功能性神经刺激，它具有大刺激电流的特点。脊柱神经刺激通过阻断疼痛信号传递到大脑以实现缓解疼痛的目的。相比于传统药物止疼的方法，没有副作用、便携、低成本且更有效。近十年来文献中的代表性脊柱神经刺激器电路有两个电路。第一个恒压刺激器电路，主要缺陷是没有办法很好的控制施加到神经组织的电荷。第二个是恒流刺激器，使用隔直电容的方式实现电荷平衡，它主要的缺陷是需要多个片外电容，而且电荷平衡的成功与否无法监测和保证。在电荷平衡方面，其它的功能性神经刺激器电路提出了一些方式。但是，由于它们的刺激电流较小，它们的电荷补偿难度也较低。目前对于多通道大电流的神经刺激器电路，不存在一种无片外电容的电荷平衡结构。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于混合模式快速电荷平衡的针对多通道大电流的神经刺激器电路，它将针对大电流条件下补偿困难的情况，提出一种快速电荷平衡的方式，使神经刺激器电路仍能在短时间内实现电荷平衡，在单向大电流刺激或者非对称双向大电流刺激的情况下，避免电荷在电极上积累导致电极电解和神经组织损伤。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于混合模式快速电荷平衡的神经刺激器电路，包括主刺激部分，电极短接部分和短电流脉冲部分，其中：

所述主刺激部分包含电流源和n对输出开关Sp与Sn，每对输出开关对应一个电极，每对输出开关中，输出开关Sp接在电流源和电极之间，输出开关Sn接在输出开关Sp和GND之间；

电极短接部分包含n个短接开关Se，每个短接开关Se接在一个电极与CAL之间；

短电流脉冲部分包含窗比较器、控制单元、补偿电流单元和n对选择开关Sx和Sy，每对选择开关对应一个电极，每对选择开关中，选择开关Sx和Sy接在电极和窗比较器的输入端之间，监测电极上电压差并将该电压差和安全电压VW相比较，窗比较器的输出端接控制单元，若所述电压差超出安全电压VW，则插入短电流脉冲补偿差值，继续进行监测和比较，直到电极上的电压小于安全电压VW。

恒流刺激时，主刺激部分使能，四个输出开关Spi，Sni，Spj和Snj，根据设定的刺激波形，来回切换；

电极短接时，电极短接部分使能，节点Ei和Ej分别通过开关Sei和Sej连接到CAL；

短电流脉冲部分使能时，在进行监测和比较期间，选择开关Sxi和Syj都是闭合的，节点Ei和Ej接在窗比较器的输入端；

其中i,j＝0,1,2…n-1；i≠j。

所述补偿电流单元包括补偿电流源I_dis和开关S1、S2、S3、S4，其中，补偿电流源通过S1接窗比较器的一个输入端，通过S2接窗比较器的另一个输入端，S1通过S3接在输出开关Sn与GND之间，S2通过S4接在输出开关Sn与GND之间，通过控制单元输出信号控制控制开关S1、S2、S3、S4的通断，得到用于补偿差值的短电流脉冲。

可通过使用n对Sx和Sy的选通开关，使得n个电极能够复用短电流脉冲部分的大部分电路。所述短接开关Se与选择开关Sx和Sy可使用复用开关，以减小开关数目。

所述窗比较器包括放大器和两个动态比较器，节点Ei的瞬时电压值Vx分别输入至两个动态比较器，节点Ej通过开关Syj连接到放大器的共模输入端，先由放大器产生两个边界电压Vy+Vw和Vy-Vw，分别输入至两个动态比较器，由两个动态比较器将Vx分别与两个边界电压比较。

所述动态比较器由锁存比较器，延迟单元和D触发器组成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.提出了电极短接和短电流脉冲相结合的混合模式，实现了比单独使用任一种电荷平衡方式更快的放电速度

2.提出了电极电容上的电压监测部分电路复用，适应了多通道神经刺激器的应用。

附图说明

图1是本发明电路的整体结构示意图。

图2是本发明电路的整体工作流程图。

图3是本发明短接开关Se与短电流脉冲的选择开关Sx和Sy复用示意图。

图4是本发明窗比较器和动态比较器的电路示意图。

图5是本发明简化的电极-电解质界面的电路模型示意图。

图6是恒流刺激时四个开关来回切换的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种基于混合模式快速电荷平衡的神经刺激器电路，将电极短接和短电流脉冲两种电荷平衡方式相结合，实现了一个n通道神经刺激器电路，其整体结构如图1所示，包括主刺激部分，电极短接部分和短电流脉冲部分，其中：

主刺激部分包含电流源和n对输出开关Sp与Sn，每对输出开关对应一个电极，每对输出开关中，输出开关Sp接在电流源和电极之间，输出开关Sn接在输出开关Sp和GND之间。

电极短接部分包含n个短接开关Se，每个短接开关Se接在一个电极与CAL(Commonanalog line，共用模拟线)之间；短电流脉冲部分包含窗比较器、控制单元、补偿电流单元和n对选择开关Sx和Sy，每对选择开关对应一个电极，每对选择开关中，选择开关Sx和Sy接在电极和窗比较器的输入端之间，窗比较器的输出端接控制单元，控制单元控制补偿电流单元向电极插入短电流脉冲补偿。

其中，补偿电流单元包括补偿电流源I_dis和开关S1、S2、S3、S4，补偿电流源通过S1接窗比较器的一个输入端，通过S2接窗比较器的另一个输入端，GND通过S3接窗比较器的一个输入端，GND通过S4接窗比较器的另一个输入端，通过控制单元输出信号控制控制开关S1、S2、S3、S4的通断，得到用于补偿差值的短电流脉冲。

其中，电极与各开关的连接点为节点E。

该电路的流程图如图2所示，三个部分按照一定的时间顺序分别连接到电极并使能。

恒流刺激时，主刺激部分使能，四个开关Spi，Sni，Spj和Snj(i,j＝0,1,2…n-1；i≠j)，根据用户设定的刺激波形，来回切换，如图6所示。

电极短接时，电极短接部分使能，节点Ei和Ej分别通过开关Sei和Sej连接到CAL。

短电流脉冲部分使能时，先监测电极上电压差，并将该电压差和安全电压VW相比较，若超出安全电压VW，则插入短电流脉冲来补偿这部分电压差。之后继续进行监测和比较，直到电极上的电压小于安全电压VW。期间开关Sxi和Syj都是闭合的，节点Ei和Ej接在窗比较器的输入端。通过使用n对Sx和Sy的选通开关，短电流脉冲部分的大部分电路(窗比较器等)可以被n个电极复用。

由于短接开关(Se)和选择开关(Sx和Sy)接入电路的位置相似。可以采用复用开关的方式减小开关数目，如图3所示。在左图中(没有复用开关时)当需要电极短接时闭合Sei和Sej；当需要监测电极电容上电压时闭合Sxi和Syj。在右图中，由于开关复用，不存在Sei和Sej了，当需要电极短接时候闭合Sxi和Sxj开关，当需要监测电极电容上电压时闭合Sxi和Syj开关。开关的数目由原来的3n变成2n，节约了1/3的开关及电平转换单元数目。

其中窗比较器和动态比较器的电路如图4所示。节点Ej通过开关Syj连接到放大器的共模输入端，先由放大器产生两个边界电压Vy+Vw和Vy-Vw。后使用两个动态比较器，将Vx(为节点Ei的瞬时电压值)分别的两个边界电压比较。动态比较器由锁存比较器，延迟单元和D触发器组成。它能实现在时钟CLK上升沿的时候进行比较，然后将结果保存直到下一个上升沿来临。

通常，简化的电极-电解质界面可以转换成图5所示的电路模型。

基于电极短接的电荷平衡方式，放电速度随着电极的电容上电压减小，放电速度越来越慢。

其中I_es(t)为电极短接方式放电电流，V_CH/2(t)是电极电容上电压，R_dis是短接晶体管的导通电阻。

而基于短电流脉冲的电荷平衡方式，放电速度恒定，正比于I_dis。若先使用电极短接放电一段时间，再使用短电流脉冲放电一段时间，通过合理地分配时间，可以使得总放电时间小于单独使用任一种电荷平衡方式放电时的放电时间。由于短电流脉冲的方式在后，在每个周期接近结束的时候，存在对电极上电容的电压进行监测，这个混合模式较为安全。