多通道可植入的神经刺激器

摘要

一个传送器和可植入接收器的结合体，其中数据是以一种数据格式从传送器被传送到接收器，在该接收器中，须被刺激的各通道适宜于以单极、双极或模拟方式来传送信息。该数据格式包括两种形式的编码字：即其中一位被分配于每一通道并可被用来产生单极脉冲或双极脉冲的波形的过渡字，及可在一通道同时产生模拟波形的幅值字。输出系统的一个基本元件是一电流源数模变换器，它响应于编码字而在每一通道上形成适当的输出。

说明书

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本发明一般说来是针对生物医学工程领域的，更详细地说，是要设计一种听觉修补系统的可植入的接收刺激器。

个别深度聋者，其听力损失超过90分贝。就大部分情况而论，还没有办法通过外科手术或其他治疗来恢复他们的听力。听觉修补术以电刺激神经细胞组织，产生声觉，为深度聋者恢复听力。

神经修补系统主要由四个部分组成：语言加工硬件，功率和数据传送器，植入的接收器/刺激器以及植入的电极。起语言加工作用的外部电子部件是技术独立体的课题，不是本专利申请的一部分。使用加尔布雷思（Galbraith）先生同时申请的题为“宽带感应透皮功率和数据连接器”，可获得通过皮肤的连接。作为参考，加尔布雷思先生的上述文章合并在本文里，见代理人摘要№.A-41832，斯坦福No.S84-100。本系统采用数字编码信号，并将这些信号连同能量通过皮肤送入植入的刺激器。刺激器将位流解码，并把电荷或电流波形送入植入听觉神经或耳蜗的电极。

本发明的目的是要提供改进功率和数据传送器以及有关的植入接收器/刺激器。刺激的波形必须符合三个安全要求：电荷平衡，电流限制和电荷限制。图1说明上述要求中的二个要求，用现有技术达成的示于图1A，用本发明的技术达成的示于图1B。波形是电荷平衡的，即它们是双相电流脉冲，各相位包含的面积相同。这一点之所以必需是因为直流净电荷会促使骨质生长，破坏与刺激器交接的神经细胞组织，使植入物无用。再者，电荷不平衡的波形引起植入电极的表面处的电解。电解使物质从电极放出来，会使电极的寿命从数年降低到数星期。因而刺激器必须回收传送到电极的所有电荷以防上神经细胞的破坏，并保证足够的植入物寿命。

现有技术的刺激器传送多种不同类型的波型，图1A所示是其中的一个例子。这些刺激器通过控制向电极放电的电容器上的电压来测得被传送的电荷。这是一种控制电荷而不是控制电流的解决办法。

本发明的目的是提供既控制电荷也控制流向听觉神经电流的传送器。有证据说明，大电流密度会引起神经的损坏，与电极表面面积结合的容性放电设计的峰值电流，其电流密度处于有破坏力的范围内。

再者，那些最常用又最适于植入用的铂电极，只能在损失物质前，承受等于或低于400nC/cm²的极限电荷密度。因此，本发明的一个目的就是要把电荷密度限制于这个数值之下。

作为小结，刺激波形的安全要求必须坚持电荷的平衡，电荷的限制和电流的限制以防止神经细胞的可能破坏。

接下去参看图2。图2A和2B显示现有技术刺激器所能得到的波形格式。本发明的一个目的是要提供图2C，2D和2E所示的波形，也就是一种数值化模拟的、双极脉冲（两个反相180°的矩形波形）、单极脉冲（矩形）波形。

现有技术的已知可植刺激器可分成不同的种类。本发明的目的就是要提供全部三种类型的刺激器。

此外，一个完善的刺激器应具有多个分开的刺激输出，可能多达或多于八个的输出。

本发明的另一个目的是要提供独立的多通道操作，这是一种许多已知的刺激器所缺少的功能。这种独立的多通道刺激器之所以需要，是因为一个成功的刺激器的算法对于不同的听觉神经的独立电荷来说最需要有多个独立通道。

本发明的另一个目的是要提供一种系统，其中的分辨功率超过听觉系统的分辨功率。早期的响度差别试验指出，要能够明确分辨出事物，两个刺激器之间的电荷差可以低到1.5n    C，这个电荷增量连同250微安的最大电流意味着脉冲刺激器的最小时间增量应在二微秒左右。本发明的目的是要提供低到或低于2微秒的时间分辨增量。

本发明的再一个目的是要提供一种体积小、可携带而且效率高的系统，它可以一整天只用一组晶体管收音机用的乾电池来操作，因此，在实际应用上它是很方便的。

为了提供本发明的这些和其他的目的，把传送器和可植入的接收器结合起来，利用一种数据格式使数据由传送器输送到接收器，各个受激通道适于输送单极、双极或模拟形式的信息。

数据格式包括两类数码字：一种是过渡字，其中每一位都分派给各自的通道，可以用来产生单极脉冲或双极脉冲波形;还有一种是幅值字，它能产生每次一个通道的模拟波形。

输出系统的一个主要元件是数字换为模拟的转换器的电流源，它对应于数码字在各通道形成有用的输出。每个输出由一组八个电流源组成，其中四个的电流同一极性，另四个的电流极性相反。在四个为一组的组合里，电流源是二进制的关系，即I，2    I，4    I和8    I。在这样的安排下，每一通道能够提供16种幅值乘上二个极性的电流，即32种电流量。这通道只不过是五位的数-模转换器。

输出电路有电荷平衡开关，这是一种在数-模转换器中不常见的开关。这些开关的设计在关掉电流源时能回收剩余的电荷。当然设计也应在剩余电荷过大的电荷恢复期间限制电流，这样才不至引起神经的破坏。

每个通道的电荷平衡（不应通过直流电流或电荷）和电荷限制是用来防止电极的破坏和骨质生长的。电荷的平衡是用电荷平衡开关和用隔直流电容器来实现的。电荷限制则只用隔直流电容器来实现。

各个通道上的电荷电平是用一种由众多并接的开关组成的梯形网络开关确定的;闭合各个开关使电流电平比在撒手不管先前的开关时的电流要成倍增加。

本发明的其它若干优点和特色因而可由下列详细说明变得明显，请参看下列的图表：

图1    说明刺激波形的所需性质;

图2    说明所需刺激波形的例子;

图3    说明自传送器向接收器输送数据的数据字格式;

图4    从略图来说明听觉修补术的植入电子器件;

图5和图6说明使用主题系统可以产生的波形例子;

图7    说明电压稳压器和调频解调器，它们是接合到参差调谐耦合系统的接收部分;

图8A和8B详细说明逻辑芯片和控制逻辑芯片的定时，这种逻辑芯片能检测和部份解出传送的数据;

图9A和9B分别是电流源芯片的简化图形和详细电路，电流源芯片相应于逻辑芯片的输出，提供电极上的电流信号以刺激听觉神经;

先来叙述用于控制植入系统的编码图例，参见图3。设计本数码的三个主要目的是：

一.解释失效的机构和限制它们的潜在效应。这个目的是使主题不受不正确的刺激。它也防止电极过早的失效，以及未到期就破坏神经细胞组织。

二.在保留产生接近随意波形能力时，尽量减少产生波形所需的位数。这个目的是要减少紧邻动作之间发生定时矛盾的可能性，也要尽量减少一个动作的持续时间，并扩大刺激器的灵活性。

三.减低数据对器体公差和漂移的灵敏性。本目的增加植入物的再生产能力和耐用性。

外部定时控制（ETC）码由两个字，即“过渡字”和“幅值字”组成，如图3所示。每个字长十一位，而且由一起始位开始。数据被送至具有浮动字帧的串行位流，故起始位表示一个字的开始。奇偶检验位检测一个字里奇数位的误差。ID位区分“幅值字”和“过渡字”。剩下的八位包括“过渡字”的状态命令和“幅值字”的电流电平和地址命令。

“过渡字”同时寻访多电极刺激阵列（图4）的全部八个通道，它是专为用来增加系统用作脉冲刺激器时的灵活性而设的。脉冲输出有三种可能的状态，即两个不同方向的电流加上一个电荷平衡。（电荷平衡的意思是将电极和物体地短路，因而收回留在其上的剩余电荷）。如在一个“过渡字”里，有一个“一”在给定的输出位位置出现，则该输出循环至它的下一个状态。反之，如出现一个“零”，则该输出保留其现状。用过渡字里的最后八位来表示全部八个通道，意味着系统可同时存取它们。如果二个输出用相反极性的电流来编程序，则一齐转换它们以产生双极的刺激。使用“过渡字”，刺激器可产生出同步的或参差的脉冲，而且它可用在八通道单极性的刺激器，或用在四通道双极性的刺激器，或用在任何由上述两种类型的混合体里。

“幅值字”选择某一给定通道的脉冲状态时序。它也用来产生模拟刺激器的任意波形。本字是一个标准的模/数位时序。它的三个位各自用作八个通道的地址，四个位用来调节电流的幅度，加上余下的一个位用来调定电流的极性。幅度位调定脉冲波形的峰值电流，两极性位选定各通道中两个可能的脉冲时序中的一个：“源电流：沉没电流：电荷平衡”或“沉没电流：源电流：电荷平衡”。极性位配合“过渡字”一起确定一对通道是输送单极还是双极刺激（不同状态时序的两个同步通道可用作双极对）。故“幅值字”选定通道输送的刺激种类。

“幅值字”也具有产生任意电流波形的能力。通道一旦被“过渡字（从电荷平衡转接到供应电流的状态）激活，“幅值字”可以为各个通道编出16个幅值和二个极性，为所需信号生产出一个数量化的模拟近似。数据速率为每秒一兆位时，八个独立通道每一个的奈基斯特采样频率为11，364KHz，意即能够不混淆5682Hz而通过通道的最大频率远在电话通道3KHz这一截止频率之上（不需修定语言产生或解码机构的模型，一般都认为电话声质的频宽是完善的语言理解所必须的）。因此，在最坏的情况下，全部八个通道都用作模拟的输出，这种码仍能为八个独立通道提供量化的模拟，每个都具有电话声质的频宽。

概括地说，“过渡字”的最佳选定是为了要产生脉冲的刺激。它可以同时寻访全部八个通道，借助“幅值字”中的极性位，它可以提供单极的或双极的刺激。“幅值字”定出各个通道的电流电平和状态时序。它也可在各个通道上产生量化的模拟波形。因此，本数码提供全部三种类别的刺激，单极脉冲、双极脉冲和量化的模拟。

这是一个开环的系统;信息送入其中，但无物送出。误差的效果受两方面的限制。首先，系统是周期性地再同步的。因为系统是开环的，外部的电子部件必须强迫植入的电子部件进入某一已知的状态，经过一些时间后。要保证两个子系统相一致。同步化是通过传送“过渡字”的一个未使用的位序来完成的。它是无过渡的“过渡字”。这一特殊情况被理解为“主复位”，它编控所有的电流源至零电流，迫使所有的输出进入电荷平衡状态，并清除所有的误差条件。

周期性的复位是一种保护系统反抗不停止的误差的总办法。不可停止的误差的一个例子是送至密封件指令中的编码错误。这通常是完成一种新的算法或一种新的硬件系统时软件遭遇到的故障引起的。它会输送给电极过多的电荷，使电流源“开通”或输送电荷不平衡的波形。植入刺激器的自愿者需要受保护以避免潜在的灾难性错误。ETC码至少需用每5ms一次的“主复位”来限制这些错误的效果，以保持密封件运转。否则，器件进入错误状态，这一点稍后说明。这种约束将误差的后果局限于5ms的时间间隔。也至少开始每5ms一次的尝试以平衡所有电极上的电荷，来纠正任一种未觉察的误差。其次，为检出错误，系统编控所有电流源至零，迫使所有的输出进入其电荷平衡状态，并进入误差状态。除了密封件不理会所有进来的命令外，这效果和“主复位”相似。只有一个“主复位”可以清除误差状态。通过一直关闭到下一个再同步到来为止，而不是连续操作。系统阻止一个误差传播入许多误差。例如，一个双相脉冲需要三个“过渡字”。如果其中一个字含有误差，它接通错误的通道，或不接通正确的通道，则输出处不会回到其电荷平衡状态。相反，它将继续供应电流，使电极上的电荷失衡，并产生一潜在的失效源。这里，一位误差在外部与内部之间失去了同步，此后，“过渡字”完成不希望做的工作。故检出误差后再关掉，会限制误差的后果，而且可以防止一个误差发展成许多误差。

有三种迫使密封件进入误差的条件：“主复位”间的时间间隔过长，奇偶码误差以及数据流的损失。检测“主复位”的理由已经说过。如果感应连接器的线圈分开太大，奇偶码误差就会发生。零位变为一，或一位变为零，这和接收器的设计有关。无论是哪种情况，数据字都被认为是全是一种类型的位。如字包含奇数的位，则ETC码迫使偶数码（起码每个字中有一个相反的位）去检出这种条件。

图5说明如何用ETC码来产生脉冲波形和检测误差的结果。上一行是送入密封件的控制字位流。其下两行是刺激器的两个通道的电流输出。如本例所示，脉冲波形一般严重依赖“过渡字”。“主复位”首先被送入密封件以清除任一误差条件，并使系统同步。接下去，两个“幅值字”设定极性和幅值，并在通道1和通道5的电流源接通时把它们输送出去。接下去，一个“过渡字”使这两个通道同时脱离它们的电荷平衡状态。接收到这字后，开关出现一位的周期。然后，再两个“过渡字”完成通道5的状态时序。最后，另一“过渡字”试图循环通道1到其下一个状态。但包含奇偶误差的字迫使所有的输出进入其电荷平衡状态以收回任何的剩余电荷，密封件停留在误差状态一直到另一“重复位”被送出为止。故一旦编控了脉冲波形的幅值和极性，“过渡字”就控制电流源开关的定时。因它们能在某一时间转换八个通道，定时的不一致会很少发生。

图6是产生量化模拟波形的ETC码的例子。因脉冲波主要依赖“过渡字”，一般需要用“幅值字”产生任意的波形。图的上行是输入的数据字流，下行代表一个通道的输出电流。再次送出“主复位”以清除和同步密封件。然后送出“过渡字”使电流源接通。因“主复位”编控输出至零电流，故没有电流送出。现送出“幅值字”建立一个典型的模-数变换结构的波形。最后，送出另一个“主复位”，以防止系统超时（记住，“主复位”字之间不允许超过5ms）并收回电极上的剩余电荷。所以，ETC码既能产生模拟的波形又能产生脉冲的波形。

ETC码的设计，要能减少产生信号（或事件）所需的位数。通过从数据除去不需要的信息，把字长缩短，每单位时间里会允许传送更多的指令。

为了达到这个目的，ETC码传送控制字中的状态信息以及传送各字的暂时位置中的定时信息。换句话说，需要运行时，就送出规定一个或多个电流状态的字，而在收到该字后，运行的结果就会产生一个位循环。故包含暂时信息（如脉冲宽度、脉冲位置、脉冲周期等）的位是不必要的。

ETC码也利用与脉冲波形（单极和双极）有关的高深知识进一步减少需要用来产生这些波形的位数。每一个通道都有三种可能的冲脉状态，即“源电流”、“沉没电流”及“平衡电荷”。要确定一个八通道系统的每个通道的三个状态，正常情况下需要16位。但电荷平衡要求将输入锁入“电流，反极性电流，电荷平衡”的时序。通过规定一个状态的过渡以代替绝对的状态，每个通道只需要一位;使得数据位数从16减为8。换句话说，控制字并不明显地告知通道要做些什么，反之，它只告知通道停止正在做的事;同时继续做其下一个工作，而不说明下一个工作是什么。

概括地说，这码不需要包含定时和绝对状态信息的位，而使每一单位时间的指令数显著地增加。

位流是用脉冲-宽度-调制（PDM）来编码的，此时的长脉冲是“一”而短脉冲是“零”。选择PDM是因为前沿边包含定时（同步）信息，其简单的解码电路也不用这信息来产生内部同步信号。通过将检测器和同步信号结合成一个电路，系统可得暂时的灵活性，降低它对元件变化的灵敏度，节省电力。

因为同步信号周期是由输入位的周期设定的。使用者可以无需变换植入的电子元件而改变密封件的暂时分辨力。事实上，密封件可以较其最高速率为慢地跟踪任一数据速率，甚至达到DC（虽则它在位的周期超过22μs时降低位流的“超时”误差）。这种解决方法增加了波形暂时位置的调制能力，而且不再需要将波形的过渡锁在一个固定的同步信号周期，例如1μs/位。

本法的另一优点是它消除使两个（一个内部，一个外部）同步信号同步的问题。虽然平时它不是一个大问题，但在元任老化和时间常数变化时会变得严重。密封件打算运行10年，这对于这些问题的出现是足够长的。为使定时的准确性只依赖于外部的电子元件，系统在10年时间里应有个可靠的同步信号周期。

最后，如不需高速同步信号，则减低系统的同步信号率可降低其功耗。这种性能可为该刺激器，例如肌肉控制或镇痛等，开辟更广泛的应用范围。

选用PDM法可简化检测器/同步信号电路，增加暂时调制的能力，减低系统对元件老化和漂移的感度，而且可以降低系统的功耗，这会开辟新的应用。

将该数据（它或许是熟知的设计）从传送器耦合到植入的接收器，在加尔布雷思等人的合并专利申请里加以公开。

参差调谐电路产生的相当稳定的输出电压可以用来做出稳压的电源理想的高效电压调压器运用时两端只有小的电压降，使得它流出大电流时只消耗少许功率。对于它本身的运行，它也只应消耗可略而不计的静态电流。刺激器里使用的调压器很接近这一理想条件。图7示其电路图。这些电压调压器两端在满负载电流时降至饱和双极晶体管的压降（0.3伏）;两种调压器的静态电流损耗都只有0.25mA左右，低于刺激器的总电流（最大3.3mA）的百分之十。

这些调压器既能流出又能纳入电流，这种性能为植入电子元件提供全面的保护，如果因设计疏忽而出现过量电压的话。它还可以降低或消除因任何设计疏忽引起的潜在后果。

本节叙述的电路是把ETC码送出的信息转变为电极上的刺激波形，其公开参见图8，9和10，它也详尽地包括安全所需的实施，它还提供实例，指出主要设计目标的获得，产生全部三类灵活的刺激，实验所需的任意波形以及独立的多通道操作。

图8的逻辑芯片完成PDM数据流的解码和ETC码的大部分的解码。图8A为电路图，图8B是定时图的例子。PDM的解码作用只用一个D触发器和一个单冲息触发器来完成。PDM信号的上升边沿触动单冲息触发器，数据则用触发器在下降边沿检测。单冲息也同作时钟，使得内部时钟跟踪数据速率，容许开关信息的暂时调制。这种简单电路不仅发挥检测和同步信号发生器作用，也无需用准确的内部定时参考数值，因它从外部世界推导出这个信息来。

芯片的余下部份为全部八个通道所需的状态机，用来解出大部份ETC码位流的逻辑电路、并完成ETC码的大部分保护设施。这芯片显然解码出驱动输出状态机和运送主复位的过渡字。本芯片也完成“电源复位”，奇偶检查及损失位流的检测。该芯片和电流源芯片的接口完成主复位超时检测。

本设计相当谨慎地改进成功运行的可能性。作为实例，电路全用时钟推动以避免竞态出现。它使用细胞状元件，以尽量减少布图的错误。钟触的单冲息在一位的持续时间里是不敏感的，故不同的数据率不会影响检测周期。晶体管是在较其最大开关频率低两个数量级的条件下操作的，故电路能容忍制造过程中的大的变化。

为了降低系统的功耗，逻辑芯片较电流芯片在较低的电源电压下工作。逻辑芯片只需13伏供电的5伏以发挥功能。因为CMOS电路所用功率有随方形电压增加的趋势，低供电电源显著降低功耗。

为了进一步减少所用功率，连接逻辑芯片到电流源芯片的控制线只在送出信息时启动。电流源芯片必须从逻辑芯片移动所有输入信号的电平，电干移动装置要消耗功率。故小心设计可保证安全操作和节省功率。

逻辑是用半工序结合（Semi    Process    Incorporated）的CMOS门电路阵列（SP17005    B）来实现的。该阵列大约有5000个晶体管，其中的约3000个以已知的门阵列连接技术来实现系统的逻辑。

图9的电流源芯片完成幅值字的最后解码，并给到电极的电流接口提供数码。它和少量的外部元件一起以限制电流和电荷，并以供应电荷平衡的方法，保证植入物的安全使用。

图9A为一个通道的概念性图形。每个通道有八个电流源。它们以二进制关系的值（I，2 I，4 I和8 I）分成两组，给出16种大小和两个极性。在幅值字的控制下，开关S₀至S₃设定电流的大小。开关Sin和Sout确定极性，它们主要受过渡字的控制。根据这些通过门的开关时序而定，每一通道能提供一个脉冲或量化的模拟输出。例如，为产生一个单相脉冲，只需编控电流源（譬如说转开S₁和S₂），然后交替接通开关Sout和Sin。

隔直流电容器C_B是一个外部元件，它或许是各个刺激通道最重要的安全元件。它防止直流电流进入电极。直流电流会最后毁坏电极，可能损坏神经，并且促进骨质生长。电容器C_B也起着电荷限制器的作用。过多的电荷（这里大约是400n>

注意，Sin和Sout有两个给输出端短路到地的互补开关。这些开关和隔直流电容器保证电荷平衡。电流源一旦完成输送电流，留在某一电极上的任何电荷就表现为隔直流电容器两端的电压，把输出端短路，电荷就被回收。

这系统的电流和电荷的限制值不受集成电路的锁定。相反，它们受芯片外的元件（但仍在密封件的里面）的编控。这种安排便于将刺激器调整至新电极或新用途。例如，较大的电极表面面积可以比系统在设定时容受较大的电流和较多的电荷。输出最大电荷由电源电压和隔直流电容器的大小来确定，故新的隔直流电容器设定新的输出最大电荷。为了了解如何调节最大电流，参看图9B所示的电流源芯片电路图。注意，所有电流源的参考电流都是由一外部电阻R_I设定的。新电阻设定新的电流峰值。因此，即使芯片是在静态，系统的刺激特性也是可以编控的（至少在密封件密封前），而且可以与将来植入物的需要相适应。

小结：系统要小心设计以增进可靠性。通过限制电流和电荷、隔截任何的直流电流和平衡电荷，它可提供安全性并可延长电极的寿命。其电流和电荷的限制值是可再编控的，使它适用于将来的需要。它使用灵活，可产生单极，双极和模拟输出，每种只有很少的限制。它可以产生供研究需用的非标准波形，提供八种独立的刺激通道。总括地说，它符合安全性和灵活性的主要目标。