專利名稱:多通道可植入的神經(jīng)刺激器的制作方法
本發(fā)明一般說來是針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的，更詳細(xì)地說，是要設(shè)計(jì)一種聽覺修補(bǔ)系統(tǒng)的可植入的接收刺激器。
個(gè)別深度聾者，其聽力損失超過90分貝。就大部分情況而論，還沒有辦法通過外科手術(shù)或其他治療來恢復(fù)他們的聽力。聽覺修補(bǔ)術(shù)以電刺激神經(jīng)細(xì)胞組織，產(chǎn)生聲覺，為深度聾者恢復(fù)聽力。
神經(jīng)修補(bǔ)系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成語言加工硬件，功率和數(shù)據(jù)傳送器，植入的接收器/刺激器以及植入的電極。起語言加工作用的外部電子部件是技術(shù)獨(dú)立體的課題，不是本專利申請(qǐng)的一部分。使用加爾布雷思(Galbraith)先生同時(shí)申請(qǐng)的題為“寬帶感應(yīng)透皮功率和數(shù)據(jù)連接器”，可獲得通過皮膚的連接。作為參考，加爾布雷思先生的上述文章合并在本文里，見代理人摘要№.A-41832，斯坦福No.S84-100。本系統(tǒng)采用數(shù)字編碼信號(hào)，并將這些信號(hào)連同能量通過皮膚送入植入的刺激器。刺激器將位流解碼，并把電荷或電流波形送入植入聽覺神經(jīng)或耳蝸的電極。
本發(fā)明的目的是要提供改進(jìn)功率和數(shù)據(jù)傳送器以及有關(guān)的植入接收器/刺激器。刺激的波形必須符合三個(gè)安全要求電荷平衡，電流限制和電荷限制。圖1說明上述要求中的二個(gè)要求，用現(xiàn)有技術(shù)達(dá)成的示于圖1A，用本發(fā)明的技術(shù)達(dá)成的示于圖1B。波形是電荷平衡的，即它們是雙相電流脈沖，各相位包含的面積相同。這一點(diǎn)之所以必需是因?yàn)橹绷鲀綦姾蓵?huì)促使骨質(zhì)生長(zhǎng)，破壞與刺激器交接的神經(jīng)細(xì)胞組織，使植入物無用。再者，電荷不平衡的波形引起植入電極的表面處的電解。電解使物質(zhì)從電極放出來，會(huì)使電極的壽命從數(shù)年降低到數(shù)星期。因而刺激器必須回收傳送到電極的所有電荷以防上神經(jīng)細(xì)胞的破壞，并保證足夠的植入物壽命。
現(xiàn)有技術(shù)的刺激器傳送多種不同類型的波型，圖1A所示是其中的一個(gè)例子。這些刺激器通過控制向電極放電的電容器上的電壓來測(cè)得被傳送的電荷。這是一種控制電荷而不是控制電流的解決辦法。
本發(fā)明的目的是提供既控制電荷也控制流向聽覺神經(jīng)電流的傳送器。有證據(jù)說明，大電流密度會(huì)引起神經(jīng)的損壞，與電極表面面積結(jié)合的容性放電設(shè)計(jì)的峰值電流，其電流密度處于有破壞力的范圍內(nèi)。
再者，那些最常用又最適于植入用的鉑電極，只能在損失物質(zhì)前，承受等于或低于400nC/cm2的極限電荷密度。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的就是要把電荷密度限制于這個(gè)數(shù)值之下。
作為小結(jié)，刺激波形的安全要求必須堅(jiān)持電荷的平衡，電荷的限制和電流的限制以防止神經(jīng)細(xì)胞的可能破壞。
接下去參看圖2。圖2A和2B顯示現(xiàn)有技術(shù)刺激器所能得到的波形格式。本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供圖2C，2D和2E所示的波形，也就是一種數(shù)值化模擬的、雙極脈沖(兩個(gè)反相180°的矩形波形)、單極脈沖(矩形)波形。
現(xiàn)有技術(shù)的已知可植刺激器可分成不同的種類。本發(fā)明的目的就是要提供全部三種類型的刺激器。
此外，一個(gè)完善的刺激器應(yīng)具有多個(gè)分開的刺激輸出，可能多達(dá)或多于八個(gè)的輸出。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是要提供獨(dú)立的多通道操作，這是一種許多已知的刺激器所缺少的功能。這種獨(dú)立的多通道刺激器之所以需要，是因?yàn)橐粋€(gè)成功的刺激器的算法對(duì)于不同的聽覺神經(jīng)的獨(dú)立電荷來說最需要有多個(gè)獨(dú)立通道。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是要提供一種系統(tǒng)，其中的分辨功率超過聽覺系統(tǒng)的分辨功率。早期的響度差別試驗(yàn)指出，要能夠明確分辨出事物，兩個(gè)刺激器之間的電荷差可以低到1.5n C，這個(gè)電荷增量連同250微安的最大電流意味著脈沖刺激器的最小時(shí)間增量應(yīng)在二微秒左右。本發(fā)明的目的是要提供低到或低于2微秒的時(shí)間分辨增量。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是要提供一種體積小、可攜帶而且效率高的系統(tǒng)，它可以一整天只用一組晶體管收音機(jī)用的乾電池來操作，因此，在實(shí)際應(yīng)用上它是很方便的。
為了提供本發(fā)明的這些和其他的目的，把傳送器和可植入的接收器結(jié)合起來，利用一種數(shù)據(jù)格式使數(shù)據(jù)由傳送器輸送到接收器，各個(gè)受激通道適于輸送單極、雙極或模擬形式的信息。
數(shù)據(jù)格式包括兩類數(shù)碼字一種是過渡字，其中每一位都分派給各自的通道，可以用來產(chǎn)生單極脈沖或雙極脈沖波形;還有一種是幅值字，它能產(chǎn)生每次一個(gè)通道的模擬波形。
輸出系統(tǒng)的一個(gè)主要元件是數(shù)字換為模擬的轉(zhuǎn)換器的電流源，它對(duì)應(yīng)于數(shù)碼字在各通道形成有用的輸出。每個(gè)輸出由一組八個(gè)電流源組成，其中四個(gè)的電流同一極性，另四個(gè)的電流極性相反。在四個(gè)為一組的組合里，電流源是二進(jìn)制的關(guān)系，即I，2 I，4 I和8 I。在這樣的安排下，每一通道能夠提供16種幅值乘上二個(gè)極性的電流，即32種電流量。這通道只不過是五位的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器。
輸出電路有電荷平衡開關(guān)，這是一種在數(shù)-模轉(zhuǎn)換器中不常見的開關(guān)。這些開關(guān)的設(shè)計(jì)在關(guān)掉電流源時(shí)能回收剩余的電荷。當(dāng)然設(shè)計(jì)也應(yīng)在剩余電荷過大的電荷恢復(fù)期間限制電流，這樣才不至引起神經(jīng)的破壞。
每個(gè)通道的電荷平衡(不應(yīng)通過直流電流或電荷)和電荷限制是用來防止電極的破壞和骨質(zhì)生長(zhǎng)的。電荷的平衡是用電荷平衡開關(guān)和用隔直流電容器來實(shí)現(xiàn)的。電荷限制則只用隔直流電容器來實(shí)現(xiàn)。
各個(gè)通道上的電荷電平是用一種由眾多并接的開關(guān)組成的梯形網(wǎng)絡(luò)開關(guān)確定的;閉合各個(gè)開關(guān)使電流電平比在撒手不管先前的開關(guān)時(shí)的電流要成倍增加。
本發(fā)明的其它若干優(yōu)點(diǎn)和特色因而可由下列詳細(xì)說明變得明顯，請(qǐng)參看下列的圖表
圖1 說明刺激波形的所需性質(zhì);
圖2 說明所需刺激波形的例子;
圖3 說明自傳送器向接收器輸送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)字格式;
圖4 從略圖來說明聽覺修補(bǔ)術(shù)的植入電子器件;
圖5和圖6說明使用主題系統(tǒng)可以產(chǎn)生的波形例子;
圖7 說明電壓穩(wěn)壓器和調(diào)頻解調(diào)器，它們是接合到參差調(diào)諧耦合系統(tǒng)的接收部分;
圖8A和8B詳細(xì)說明邏輯芯片和控制邏輯芯片的定時(shí)，這種邏輯芯片能檢測(cè)和部份解出傳送的數(shù)據(jù);
圖9A和9B分別是電流源芯片的簡(jiǎn)化圖形和詳細(xì)電路，電流源芯片相應(yīng)于邏輯芯片的輸出，提供電極上的電流信號(hào)以刺激聽覺神經(jīng);
先來敘述用于控制植入系統(tǒng)的編碼圖例，參見圖3。設(shè)計(jì)本數(shù)碼的三個(gè)主要目的是
一.解釋失效的機(jī)構(gòu)和限制它們的潛在效應(yīng)。這個(gè)目的是使主題不受不正確的刺激。它也防止電極過早的失效，以及未到期就破壞神經(jīng)細(xì)胞組織。
二.在保留產(chǎn)生接近隨意波形能力時(shí)，盡量減少產(chǎn)生波形所需的位數(shù)。這個(gè)目的是要減少緊鄰動(dòng)作之間發(fā)生定時(shí)矛盾的可能性，也要盡量減少一個(gè)動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間，并擴(kuò)大刺激器的靈活性。
三.減低數(shù)據(jù)對(duì)器體公差和漂移的靈敏性。本目的增加植入物的再生產(chǎn)能力和耐用性。
外部定時(shí)控制(ETC)碼由兩個(gè)字，即“過渡字”和“幅值字”組成，如圖3所示。每個(gè)字長(zhǎng)十一位，而且由一起始位開始。數(shù)據(jù)被送至具有浮動(dòng)字幀的串行位流，故起始位表示一個(gè)字的開始。奇偶檢驗(yàn)位檢測(cè)一個(gè)字里奇數(shù)位的誤差。ID位區(qū)分“幅值字”和“過渡字”。剩下的八位包括“過渡字”的狀態(tài)命令和“幅值字”的電流電平和地址命令。
“過渡字”同時(shí)尋訪多電極刺激陣列(圖4)的全部八個(gè)通道，它是專為用來增加系統(tǒng)用作脈沖刺激器時(shí)的靈活性而設(shè)的。脈沖輸出有三種可能的狀態(tài)，即兩個(gè)不同方向的電流加上一個(gè)電荷平衡。(電荷平衡的意思是將電極和物體地短路，因而收回留在其上的剩余電荷)。如在一個(gè)“過渡字”里，有一個(gè)“一”在給定的輸出位位置出現(xiàn)，則該輸出循環(huán)至它的下一個(gè)狀態(tài)。反之，如出現(xiàn)一個(gè)“零”，則該輸出保留其現(xiàn)狀。用過渡字里的最后八位來表示全部八個(gè)通道，意味著系統(tǒng)可同時(shí)存取它們。如果二個(gè)輸出用相反極性的電流來編程序，則一齊轉(zhuǎn)換它們以產(chǎn)生雙極的刺激。使用“過渡字”，刺激器可產(chǎn)生出同步的或參差的脈沖，而且它可用在八通道單極性的刺激器，或用在四通道雙極性的刺激器，或用在任何由上述兩種類型的混合體里。
“幅值字”選擇某一給定通道的脈沖狀態(tài)時(shí)序。它也用來產(chǎn)生模擬刺激器的任意波形。本字是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模/數(shù)位時(shí)序。它的三個(gè)位各自用作八個(gè)通道的地址，四個(gè)位用來調(diào)節(jié)電流的幅度，加上余下的一個(gè)位用來調(diào)定電流的極性。幅度位調(diào)定脈沖波形的峰值電流，兩極性位選定各通道中兩個(gè)可能的脈沖時(shí)序中的一個(gè)“源電流沉沒電流電荷平衡”或“沉沒電流源電流電荷平衡”。極性位配合“過渡字”一起確定一對(duì)通道是輸送單極還是雙極刺激(不同狀態(tài)時(shí)序的兩個(gè)同步通道可用作雙極對(duì))。故“幅值字”選定通道輸送的刺激種類。
“幅值字”也具有產(chǎn)生任意電流波形的能力。通道一旦被“過渡字(從電荷平衡轉(zhuǎn)接到供應(yīng)電流的狀態(tài))激活，“幅值字”可以為各個(gè)通道編出16個(gè)幅值和二個(gè)極性，為所需信號(hào)生產(chǎn)出一個(gè)數(shù)量化的模擬近似。數(shù)據(jù)速率為每秒一兆位時(shí)，八個(gè)獨(dú)立通道每一個(gè)的奈基斯特采樣頻率為11，364KHz，意即能夠不混淆5682Hz而通過通道的最大頻率遠(yuǎn)在電話通道3KHz這一截止頻率之上(不需修定語言產(chǎn)生或解碼機(jī)構(gòu)的模型，一般都認(rèn)為電話聲質(zhì)的頻寬是完善的語言理解所必須的)。因此，在最壞的情況下，全部八個(gè)通道都用作模擬的輸出，這種碼仍能為八個(gè)獨(dú)立通道提供量化的模擬，每個(gè)都具有電話聲質(zhì)的頻寬。
概括地說，“過渡字”的最佳選定是為了要產(chǎn)生脈沖的刺激。它可以同時(shí)尋訪全部八個(gè)通道，借助“幅值字”中的極性位，它可以提供單極的或雙極的刺激?！胺底帧倍ǔ龈鱾€(gè)通道的電流電平和狀態(tài)時(shí)序。它也可在各個(gè)通道上產(chǎn)生量化的模擬波形。因此，本數(shù)碼提供全部三種類別的刺激，單極脈沖、雙極脈沖和量化的模擬。
這是一個(gè)開環(huán)的系統(tǒng);信息送入其中，但無物送出。誤差的效果受兩方面的限制。首先，系統(tǒng)是周期性地再同步的。因?yàn)橄到y(tǒng)是開環(huán)的，外部的電子部件必須強(qiáng)迫植入的電子部件進(jìn)入某一已知的狀態(tài)，經(jīng)過一些時(shí)間后。要保證兩個(gè)子系統(tǒng)相一致。同步化是通過傳送“過渡字”的一個(gè)未使用的位序來完成的。它是無過渡的“過渡字”。這一特殊情況被理解為“主復(fù)位”，它編控所有的電流源至零電流，迫使所有的輸出進(jìn)入電荷平衡狀態(tài)，并清除所有的誤差條件。
周期性的復(fù)位是一種保護(hù)系統(tǒng)反抗不停止的誤差的總辦法。不可停止的誤差的一個(gè)例子是送至密封件指令中的編碼錯(cuò)誤。這通常是完成一種新的算法或一種新的硬件系統(tǒng)時(shí)軟件遭遇到的故障引起的。它會(huì)輸送給電極過多的電荷，使電流源“開通”或輸送電荷不平衡的波形。植入刺激器的自愿者需要受保護(hù)以避免潛在的災(zāi)難性錯(cuò)誤。ETC碼至少需用每5ms一次的“主復(fù)位”來限制這些錯(cuò)誤的效果，以保持密封件運(yùn)轉(zhuǎn)。否則，器件進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)，這一點(diǎn)稍后說明。這種約束將誤差的后果局限于5ms的時(shí)間間隔。也至少開始每5ms一次的嘗試以平衡所有電極上的電荷，來糾正任一種未覺察的誤差。其次，為檢出錯(cuò)誤，系統(tǒng)編控所有電流源至零，迫使所有的輸出進(jìn)入其電荷平衡狀態(tài)，并進(jìn)入誤差狀態(tài)。除了密封件不理會(huì)所有進(jìn)來的命令外，這效果和“主復(fù)位”相似。只有一個(gè)“主復(fù)位”可以清除誤差狀態(tài)。通過一直關(guān)閉到下一個(gè)再同步到來為止，而不是連續(xù)操作。系統(tǒng)阻止一個(gè)誤差傳播入許多誤差。例如，一個(gè)雙相脈沖需要三個(gè)“過渡字”。如果其中一個(gè)字含有誤差，它接通錯(cuò)誤的通道，或不接通正確的通道，則輸出處不會(huì)回到其電荷平衡狀態(tài)。相反，它將繼續(xù)供應(yīng)電流，使電極上的電荷失衡，并產(chǎn)生一潛在的失效源。這里，一位誤差在外部與內(nèi)部之間失去了同步，此后，“過渡字”完成不希望做的工作。故檢出誤差后再關(guān)掉，會(huì)限制誤差的后果，而且可以防止一個(gè)誤差發(fā)展成許多誤差。
有三種迫使密封件進(jìn)入誤差的條件“主復(fù)位”間的時(shí)間間隔過長(zhǎng)，奇偶碼誤差以及數(shù)據(jù)流的損失。檢測(cè)“主復(fù)位”的理由已經(jīng)說過。如果感應(yīng)連接器的線圈分開太大，奇偶碼誤差就會(huì)發(fā)生。零位變?yōu)橐?，或一位變?yōu)榱?，這和接收器的設(shè)計(jì)有關(guān)。無論是哪種情況，數(shù)據(jù)字都被認(rèn)為是全是一種類型的位。如字包含奇數(shù)的位，則ETC碼迫使偶數(shù)碼(起碼每個(gè)字中有一個(gè)相反的位)去檢出這種條件。
圖5說明如何用ETC碼來產(chǎn)生脈沖波形和檢測(cè)誤差的結(jié)果。上一行是送入密封件的控制字位流。其下兩行是刺激器的兩個(gè)通道的電流輸出。如本例所示，脈沖波形一般嚴(yán)重依賴“過渡字”?！爸鲝?fù)位”首先被送入密封件以清除任一誤差條件，并使系統(tǒng)同步。接下去，兩個(gè)“幅值字”設(shè)定極性和幅值，并在通道1和通道5的電流源接通時(shí)把它們輸送出去。接下去，一個(gè)“過渡字”使這兩個(gè)通道同時(shí)脫離它們的電荷平衡狀態(tài)。接收到這字后，開關(guān)出現(xiàn)一位的周期。然后，再兩個(gè)“過渡字”完成通道5的狀態(tài)時(shí)序。最后，另一“過渡字”試圖循環(huán)通道1到其下一個(gè)狀態(tài)。但包含奇偶誤差的字迫使所有的輸出進(jìn)入其電荷平衡狀態(tài)以收回任何的剩余電荷，密封件停留在誤差狀態(tài)一直到另一“重復(fù)位”被送出為止。故一旦編控了脈沖波形的幅值和極性，“過渡字”就控制電流源開關(guān)的定時(shí)。因它們能在某一時(shí)間轉(zhuǎn)換八個(gè)通道，定時(shí)的不一致會(huì)很少發(fā)生。
圖6是產(chǎn)生量化模擬波形的ETC碼的例子。因脈沖波主要依賴“過渡字”，一般需要用“幅值字”產(chǎn)生任意的波形。圖的上行是輸入的數(shù)據(jù)字流，下行代表一個(gè)通道的輸出電流。再次送出“主復(fù)位”以清除和同步密封件。然后送出“過渡字”使電流源接通。因“主復(fù)位”編控輸出至零電流，故沒有電流送出?，F(xiàn)送出“幅值字”建立一個(gè)典型的模-數(shù)變換結(jié)構(gòu)的波形。最后，送出另一個(gè)“主復(fù)位”，以防止系統(tǒng)超時(shí)(記住，“主復(fù)位”字之間不允許超過5ms)并收回電極上的剩余電荷。所以，ETC碼既能產(chǎn)生模擬的波形又能產(chǎn)生脈沖的波形。
ETC碼的設(shè)計(jì)，要能減少產(chǎn)生信號(hào)(或事件)所需的位數(shù)。通過從數(shù)據(jù)除去不需要的信息，把字長(zhǎng)縮短，每單位時(shí)間里會(huì)允許傳送更多的指令。
為了達(dá)到這個(gè)目的，ETC碼傳送控制字中的狀態(tài)信息以及傳送各字的暫時(shí)位置中的定時(shí)信息。換句話說，需要運(yùn)行時(shí)，就送出規(guī)定一個(gè)或多個(gè)電流狀態(tài)的字，而在收到該字后，運(yùn)行的結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)位循環(huán)。故包含暫時(shí)信息(如脈沖寬度、脈沖位置、脈沖周期等)的位是不必要的。
ETC碼也利用與脈沖波形(單極和雙極)有關(guān)的高深知識(shí)進(jìn)一步減少需要用來產(chǎn)生這些波形的位數(shù)。每一個(gè)通道都有三種可能的沖脈狀態(tài)，即“源電流”、“沉沒電流”及“平衡電荷”。要確定一個(gè)八通道系統(tǒng)的每個(gè)通道的三個(gè)狀態(tài)，正常情況下需要16位。但電荷平衡要求將輸入鎖入“電流，反極性電流，電荷平衡”的時(shí)序。通過規(guī)定一個(gè)狀態(tài)的過渡以代替絕對(duì)的狀態(tài)，每個(gè)通道只需要一位;使得數(shù)據(jù)位數(shù)從16減為8。換句話說，控制字并不明顯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;同時(shí)繼續(xù)做其下一個(gè)工作，而不說明下一個(gè)工作是什么。
概括地說，這碼不需要包含定時(shí)和絕對(duì)狀態(tài)信息的位，而使每一單位時(shí)間的指令數(shù)顯著地增加。
位流是用脈沖-寬度-調(diào)制(PDM)來編碼的，此時(shí)的長(zhǎng)脈沖是“一”而短脈沖是“零”。選擇PDM是因?yàn)榍把剡叞〞r(shí)(同步)信息，其簡(jiǎn)單的解碼電路也不用這信息來產(chǎn)生內(nèi)部同步信號(hào)。通過將檢測(cè)器和同步信號(hào)結(jié)合成一個(gè)電路，系統(tǒng)可得暫時(shí)的靈活性，降低它對(duì)元件變化的靈敏度，節(jié)省電力。
因?yàn)橥叫盘?hào)周期是由輸入位的周期設(shè)定的。使用者可以無需變換植入的電子元件而改變密封件的暫時(shí)分辨力。事實(shí)上，密封件可以較其最高速率為慢地跟蹤任一數(shù)據(jù)速率，甚至達(dá)到DC(雖則它在位的周期超過22μs時(shí)降低位流的“超時(shí)”誤差)。這種解決方法增加了波形暫時(shí)位置的調(diào)制能力，而且不再需要將波形的過渡鎖在一個(gè)固定的同步信號(hào)周期，例如1μs/位。
本法的另一優(yōu)點(diǎn)是它消除使兩個(gè)(一個(gè)內(nèi)部，一個(gè)外部)同步信號(hào)同步的問題。雖然平時(shí)它不是一個(gè)大問題，但在元任老化和時(shí)間常數(shù)變化時(shí)會(huì)變得嚴(yán)重。密封件打算運(yùn)行10年，這對(duì)于這些問題的出現(xiàn)是足夠長(zhǎng)的。為使定時(shí)的準(zhǔn)確性只依賴于外部的電子元件，系統(tǒng)在10年時(shí)間里應(yīng)有個(gè)可靠的同步信號(hào)周期。
最后，如不需高速同步信號(hào)，則減低系統(tǒng)的同步信號(hào)率可降低其功耗。這種性能可為該刺激器，例如肌肉控制或鎮(zhèn)痛等，開辟更廣泛的應(yīng)用范圍。
選用PDM法可簡(jiǎn)化檢測(cè)器/同步信號(hào)電路，增加暫時(shí)調(diào)制的能力，減低系統(tǒng)對(duì)元件老化和漂移的感度，而且可以降低系統(tǒng)的功耗，這會(huì)開辟新的應(yīng)用。
將該數(shù)據(jù)(它或許是熟知的設(shè)計(jì))從傳送器耦合到植入的接收器，在加爾布雷思等人的合并專利申請(qǐng)里加以公開。
參差調(diào)諧電路產(chǎn)生的相當(dāng)穩(wěn)定的輸出電壓可以用來做出穩(wěn)壓的電源理想的高效電壓調(diào)壓器運(yùn)用時(shí)兩端只有小的電壓降，使得它流出大電流時(shí)只消耗少許功率。對(duì)于它本身的運(yùn)行，它也只應(yīng)消耗可略而不計(jì)的靜態(tài)電流。刺激器里使用的調(diào)壓器很接近這一理想條件。圖7示其電路圖。這些電壓調(diào)壓器兩端在滿負(fù)載電流時(shí)降至飽和雙極晶體管的壓降(0.3伏);兩種調(diào)壓器的靜態(tài)電流損耗都只有0.25mA左右，低于刺激器的總電流(最大3.3mA)的百分之十。
這些調(diào)壓器既能流出又能納入電流，這種性能為植入電子元件提供全面的保護(hù)，如果因設(shè)計(jì)疏忽而出現(xiàn)過量電壓的話。它還可以降低或消除因任何設(shè)計(jì)疏忽引起的潛在后果。
本節(jié)敘述的電路是把ETC碼送出的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌O上的刺激波形，其公開參見圖8，9和10，它也詳盡地包括安全所需的實(shí)施，它還提供實(shí)例，指出主要設(shè)計(jì)目標(biāo)的獲得，產(chǎn)生全部三類靈活的刺激，實(shí)驗(yàn)所需的任意波形以及獨(dú)立的多通道操作。
圖8的邏輯芯片完成PDM數(shù)據(jù)流的解碼和ETC碼的大部分的解碼。圖8A為電路圖，圖8B是定時(shí)圖的例子。PDM的解碼作用只用一個(gè)D觸發(fā)器和一個(gè)單沖息觸發(fā)器來完成。PDM信號(hào)的上升邊沿觸動(dòng)單沖息觸發(fā)器，數(shù)據(jù)則用觸發(fā)器在下降邊沿檢測(cè)。單沖息也同作時(shí)鐘，使得內(nèi)部時(shí)鐘跟蹤數(shù)據(jù)速率，容許開關(guān)信息的暫時(shí)調(diào)制。這種簡(jiǎn)單電路不僅發(fā)揮檢測(cè)和同步信號(hào)發(fā)生器作用，也無需用準(zhǔn)確的內(nèi)部定時(shí)參考數(shù)值，因它從外部世界推導(dǎo)出這個(gè)信息來。
芯片的余下部份為全部八個(gè)通道所需的狀態(tài)機(jī)，用來解出大部份ETC碼位流的邏輯電路、并完成ETC碼的大部分保護(hù)設(shè)施。這芯片顯然解碼出驅(qū)動(dòng)輸出狀態(tài)機(jī)和運(yùn)送主復(fù)位的過渡字。本芯片也完成“電源復(fù)位”，奇偶檢查及損失位流的檢測(cè)。該芯片和電流源芯片的接口完成主復(fù)位超時(shí)檢測(cè)。
本設(shè)計(jì)相當(dāng)謹(jǐn)慎地改進(jìn)成功運(yùn)行的可能性。作為實(shí)例，電路全用時(shí)鐘推動(dòng)以避免競(jìng)態(tài)出現(xiàn)。它使用細(xì)胞狀元件，以盡量減少布圖的錯(cuò)誤。鐘觸的單沖息在一位的持續(xù)時(shí)間里是不敏感的，故不同的數(shù)據(jù)率不會(huì)影響檢測(cè)周期。晶體管是在較其最大開關(guān)頻率低兩個(gè)數(shù)量級(jí)的條件下操作的，故電路能容忍制造過程中的大的變化。
為了降低系統(tǒng)的功耗，邏輯芯片較電流芯片在較低的電源電壓下工作。邏輯芯片只需13伏供電的5伏以發(fā)揮功能。因?yàn)镃MOS電路所用功率有隨方形電壓增加的趨勢(shì)，低供電電源顯著降低功耗。
為了進(jìn)一步減少所用功率，連接邏輯芯片到電流源芯片的控制線只在送出信息時(shí)啟動(dòng)。電流源芯片必須從邏輯芯片移動(dòng)所有輸入信號(hào)的電平，電干移動(dòng)裝置要消耗功率。故小心設(shè)計(jì)可保證安全操作和節(jié)省功率。
邏輯是用半工序結(jié)合(Semi Process Incorporated)的CMOS門電路陣列(SP17005 B)來實(shí)現(xiàn)的。該陣列大約有5000個(gè)晶體管，其中的約3000個(gè)以已知的門陣列連接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯。
圖9的電流源芯片完成幅值字的最后解碼，并給到電極的電流接口提供數(shù)碼。它和少量的外部元件一起以限制電流和電荷，并以供應(yīng)電荷平衡的方法，保證植入物的安全使用。
圖9A為一個(gè)通道的概念性圖形。每個(gè)通道有八個(gè)電流源。它們以二進(jìn)制關(guān)系的值(I，2 I，4 I和8 I)分成兩組，給出16種大小和兩個(gè)極性。在幅值字的控制下，開關(guān)S0至S3設(shè)定電流的大小。開關(guān)Sin和Sout確定極性，它們主要受過渡字的控制。根據(jù)這些通過門的開關(guān)時(shí)序而定，每一通道能提供一個(gè)脈沖或量化的模擬輸出。例如，為產(chǎn)生一個(gè)單相脈沖，只需編控電流源(譬如說轉(zhuǎn)開S1和S2)，然后交替接通開關(guān)Sout和Sin。
隔直流電容器CB是一個(gè)外部元件，它或許是各個(gè)刺激通道最重要的安全元件。它防止直流電流進(jìn)入電極。直流電流會(huì)最后毀壞電極，可能損壞神經(jīng)，并且促進(jìn)骨質(zhì)生長(zhǎng)。電容器CB也起著電荷限制器的作用。過多的電荷(這里大約是400n C/相)使得電極毀壞。這個(gè)電容器將最壞情況下的電荷限制在約300n C/相。最后，因這電容器是可靠性極高的起搏器部份，也因?yàn)樗谴碳て骱碗姌O間的最后元件，它限制通向電極的電子元件中的失效(例如限制停留在“導(dǎo)通”狀態(tài)的電流源的輸出電荷)。故這電容器限制電荷，堵截直流電流，保護(hù)元件不失效;所有這些都應(yīng)防止電極和神經(jīng)的損壞。
注意，Sin和Sout有兩個(gè)給輸出端短路到地的互補(bǔ)開關(guān)。這些開關(guān)和隔直流電容器保證電荷平衡。電流源一旦完成輸送電流，留在某一電極上的任何電荷就表現(xiàn)為隔直流電容器兩端的電壓，把輸出端短路，電荷就被回收。
這系統(tǒng)的電流和電荷的限制值不受集成電路的鎖定。相反，它們受芯片外的元件(但仍在密封件的里面)的編控。這種安排便于將刺激器調(diào)整至新電極或新用途。例如，較大的電極表面面積可以比系統(tǒng)在設(shè)定時(shí)容受較大的電流和較多的電荷。輸出最大電荷由電源電壓和隔直流電容器的大小來確定，故新的隔直流電容器設(shè)定新的輸出最大電荷。為了了解如何調(diào)節(jié)最大電流，參看圖9B所示的電流源芯片電路圖。注意，所有電流源的參考電流都是由一外部電阻RI設(shè)定的。新電阻設(shè)定新的電流峰值。因此，即使芯片是在靜態(tài)，系統(tǒng)的刺激特性也是可以編控的(至少在密封件密封前)，而且可以與將來植入物的需要相適應(yīng)。
小結(jié)系統(tǒng)要小心設(shè)計(jì)以增進(jìn)可靠性。通過限制電流和電荷、隔截任何的直流電流和平衡電荷，它可提供安全性并可延長(zhǎng)電極的壽命。其電流和電荷的限制值是可再編控的，使它適用于將來的需要。它使用靈活，可產(chǎn)生單極，雙極和模擬輸出，每種只有很少的限制。它可以產(chǎn)生供研究需用的非標(biāo)準(zhǔn)波形，提供八種獨(dú)立的刺激通道?？偫ǖ卣f，它符合安全性和靈活性的主要目標(biāo)。
權(quán)利要求
1、一種神經(jīng)刺激器，其特征在于，該神經(jīng)刺激器包含一傳送器，一可植入接收器以及將上述傳送器耦合到上述接收器的方法，上述接收器包括接到植入者神經(jīng)的多個(gè)輸出通道，上述接收器包括以單極或雙極方式，或者交替以模擬方式同時(shí)尋訪上述各個(gè)通道以刺激上述神經(jīng)。
2、權(quán)利要求
1所述的刺激器，其特征在于，上述接收器包括耦合到上述各個(gè)通道的電流源。上述電流源器件由一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成，閉合開關(guān)的數(shù)目有選擇地規(guī)定封圍在任一通道上的電荷和電流。
3、權(quán)利要求
1所述的刺激器，其特征在于，上述尋訪方法進(jìn)一步包括為規(guī)定上述任一通道上的模擬電流波形量化的方法。
4、權(quán)利要求
1所述的刺激器，其特征在于，該刺激器進(jìn)一步包括一個(gè)接到刺激器的輸出通道的多電極刺激陣列。
5、權(quán)利要求
4所述的刺激器，其特征在于，該刺激器包括在每一個(gè)上述通道上建立過渡字以規(guī)定二進(jìn)制狀態(tài)的方法，以及在每一個(gè)上述通道上建立幅值字以規(guī)定模擬信號(hào)的方法。
6、權(quán)利要求
5所述的刺激器，其特征在于，所說建立過渡字的方法同時(shí)尋訪所有上述多個(gè)通道。
7、權(quán)利要求
6所述的刺激器，其特征在于，上述建立過渡字的方法，包括傳送一個(gè)未用的位序列以同步所有上述通道的方法。
8、權(quán)利要求
6所述的刺激器，其特征在于上述建立一個(gè)過渡字的方法，連同從建立一個(gè)幅值字的方法得來的極性位，在每一個(gè)上述通道上提供單極或雙極的刺激。
9、權(quán)利要求
2中所述的刺激器，其特征在于，該刺激器進(jìn)一步包括一個(gè)電荷平衡開關(guān)，連同每一個(gè)上述電流源器件和為消除電極通道里的不平衡電荷用的隔直流電容器。
專利摘要
一個(gè)傳送器和可植入接收器的結(jié)合體，其中數(shù)據(jù)是以一種數(shù)據(jù)格式從傳送器被傳送到接收器，在該接收器中，須被刺激的各通道適宜于以單極、雙極或模擬方式來傳送信息。該數(shù)據(jù)格式包括兩種形式的編碼字即其中一位被分配于每一通道并可被用來產(chǎn)生單極脈沖或雙極脈沖的波形的過渡字，及可在一通道同時(shí)產(chǎn)生模擬波形的幅值字。輸出系統(tǒng)的一個(gè)基本元件是一電流源數(shù)模變換器，它響應(yīng)于編碼字而在每一通道上形成適當(dāng)?shù)妮敵觥?br>文檔編號(hào)A61F11/00GK86103049SQ86103049
公開日1986年10月8日 申請(qǐng)日期1986年3月29日
發(fā)明者道格拉斯·塞西爾·加爾布雷思 申請(qǐng)人:萊蘭斯坦福初級(jí)大學(xué)評(píng)議會(huì)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan