一种用于植入式脉冲发生器的刺激脉冲产生与控制电路的制作方法

文档编号:14477038
研发日期:2018/5/18

本发明属于医疗器械技术领域,涉及一种用于植入式脉冲发生器的刺激产生与控制电路。



背景技术:

植入式脉冲发生器种类很多,如植入心脏起搏器和除颤器、植入脑深部电刺激器、脊髓刺激器以及肠胃刺激器等,刺激脉冲产生和控制电路作为植入式脉冲发生器的核心部分,心脏起搏器和脑起搏器作为最为应用比较广泛的脉冲发生器,也代表了两种典型的刺激脉冲产生与控制电路。

脑起搏器(专利CN201610453725 Boost电路及DC-DC模块,刺激电路和植入医疗器械)使用DC-DC开关电源模式倍压产生刺激脉冲,这种方法功耗相对比较高,使用的电感器件(磁场影响比较大,不利于核磁兼容)和mos开关管元器件尺寸相对比较大,并且低于电池电压的刺激脉冲需要其他方法实现,因此这种刺激脉冲产生与控制电路有它的缺点。

国内一种心脏起搏器脉冲发放(专利CN201410690459一种应用与心脏起搏器的正起搏脉冲产生电路)采取的方式是电容累积充电放电,来实现起搏器脉冲的产生和发放。脉冲幅度小于电池电压(即一倍压)时,通过DAC对电容进行充电,充电完成后再对心脏进行放电以达到刺激心肌的目的;当起搏脉冲高于电池电压而低于二倍的电池电压时,由经DAC充电的电容串联上电源电压对心脏进行放电达到刺激心肌的目的;当起搏脉冲幅度高于二倍电池电压低于三倍压电池电压时,通过DAC进行充电的电容串联上经由电源电压充电的电容再串联上电源电压对心脏进行放电以达到刺激心肌的目的。

这种方法原理虽然简单但实现起来需要的控制开关比较多,如果是双腔起搏器,那硬件电路就会相当复杂;而且由于缺乏精准的检测电路,再者电路中各个环节的消耗,因此实际脉冲的幅度与设置的脉冲幅度的偏差也比较大;再就是,现有的起搏器脉冲产生电路属于开环电路,CPU按固定时间给电容充电,但目标电容上充电的结果并没有反馈给CPU,由于缺少充电自动检测控制电路而造成了一定电量损耗,降低了电源的利用率,虽然损耗很小,但这对于设计寿命十年以上的心脏起搏器这类植入器件来说长年累月下来也是不可忽视的,并且CPU不能实时掌控目标电容的充电情况,这对起搏器的安全设计带来了负面影响。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种用于植入式脉冲发生器的刺激产生与控制电路,其减少了对目标电容充电过程中CPU的主动控制,节省了目标电充持续充电时间,控制精确且降低了能量消耗。

本发明是通过以下技术方案来实现:

一种用于植入式脉冲发生器的刺激产生与控制电路,包括脉冲检测与控制电路、电荷泵升压电路和刺激脉冲产生电路,其中,

脉冲检测与控制电路包括充放电控制电路和脉冲幅度检测电路;

充放电控制电路用于接收CPU发送的刺激脉冲充电命令并发出电荷泵控制信号,还用于接收CPU发送的刺激脉冲发放命令并控制刺激脉冲产生电路发放刺激;

电荷泵升压电路用于接收充放电控制电路发出的电荷泵控制信号并产生充电电压;

刺激脉冲产生电路用于接收电荷泵升压电路产生的充电电压并对刺激脉冲产生电路的充电电容充电,还用于在充放电控制电路控制下发放刺激;

脉冲幅度检测电路用于监测充电电容的电压;

当充电电容的电压达到刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压时,脉冲幅度检测电路能发出充电停止信号至充放电控制电路,充放电控制电路接收充电停止信号后关闭电荷泵升压电路并切断电荷泵升压电路与刺激脉冲产生电路的连接。

优选地,所述电荷泵升压电路包括一倍压开关模块、二倍压开关模块、三倍压开关模块和升压电容C1、C2,充电电容依次与一倍压开关模块、升压电容C2、二倍压开关模块、升压电容C1和三倍压开关模块电连接;一倍压开关模块、二倍压开关模块、三倍压开关模块用于根据充放电控制电路发出的电荷泵控制信号进行切换;

当刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压小于一倍电池电压时,电荷泵升压电路先对升压电容C2进行充电,然后通过一倍压开关模块将升压电容C2上的部分电荷转移到充电电容上,当充电电容电压达到设定值后,充放电控制电路就会关闭电荷泵升压电路;

当刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压大于一倍电池电压而小于二倍的电池电压时,电荷泵升压电路对升压电容C2进行充电,然后通过一倍压开关模块和二倍压开关模块将电源电压串联升压电容C2后的部分电荷转移到充电电容上,当充电电容电压达到设定值后,充放电控制电路就会关闭电荷泵升压电路;

当刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压大于二倍的电池电压而小于三倍的电池电压时,电荷泵升压电路同时对升压电容C1和升压电容C2进行充电,然后通过一倍压开关模块、二倍压开关模块和三倍压开关模块将电源电压和升压电容C1、C2串联,将串联的部分电荷转移给充电电容;当充电电容电压达到刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压后,充放电控制电路就会关闭电荷泵升压电路。

优选地,当刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压大于一倍电池电压而小于二倍的电池电压时,电荷泵升压电路同时对升压电容C1和升压电容C2进行充电,然后通过一倍压开关模块、二倍压开关模块将串联的部分电荷转移给充电电容。

优选地,所述脉冲幅度检测电路包括分压器和比较器,分压器用于将充电电容输入的电压信号降为低幅度信号,并将低幅度信号输入比较器;比较器用于比较低幅度信号和刺激脉冲基准电压信号,判断充电电容上的电压是否满足刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数,并将判断结果输入充放电控制电路;其中,低幅度信号与充电电容的电压的比例等于刺激脉冲基准电压信号与刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压的比例。

优选地,在比较器的输出端和比较器的刺激脉冲基准电压信号输入端之间设置迟滞反馈回路。

优选地,所述充放电控制电路包括一倍压控制模块、二倍压控制模块、三倍压控制模块和时钟控制模块,一倍压控制模块、二倍压控制模块和三倍压控制模块的两端均分别与充电控制起停电路和电荷泵升压电路连接,时钟控制模块与充电时钟连接,用于将充电时钟的信号传输给充电控制起停电路;充电时钟和脉冲幅度检测电路共同控制时钟控制模块,用于将充电控制起停信号传输给充电控制起停电路;一倍压控制模块用于负责一倍电池电压的充电,一倍压控制模块和二倍压控制模块用于共同负责二倍电池电压的充电,一倍压控制模块、二倍压控制模块和三倍压控制模块用于三倍电池电压的充电。

优选地,上电时,脉冲幅度检测电路的检测信号启动时钟控制模块,将充电时钟的信号输入到充电控制起停电路;当刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压在一倍电池电压内,则一倍压控制信号开启一倍压控制模块从而控制电荷泵升压电路进行一倍电池电压充电;当刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压大于一倍电池电压且小于二倍电池电压,则一倍压控制信号开启一倍压控制模块,并且二倍压控制信号开启二压控制模块从而控制电荷泵升压电路进行二倍电池电压充电;当刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压在大于二倍电池电压且小于三倍电池电压,则一倍压控制信号、二倍压控制信号、三倍压控制信号分别控制一倍压控制模块、二倍压控制模块、三倍压控制模块开启,从而共同控制电荷泵升压电路进行三倍电池电压充电。

优选地,还包括快速充电电路,充放电控制电路用于控制快速充电电路,快速充电电路用于控制电压信号由电荷泵升压电路绕过刺激脉冲产生电路直接对目标电容快速充电。

优选地,所述刺激脉冲产生电路包括充放电开关电路、目标电容和充电电容,电荷泵升压电路连接充电电容,充电电容通过目标电容和待刺激器官连接,待刺激器官连接充放电控制电路,充放电控制电路用于在脉冲检测与控制电路控制下控制刺激脉冲产生电路对待刺激器官的放电。

与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:

本发明提供的用于植入式脉冲发生器的刺激产生与控制电路,包括充放电控制电路、脉冲幅度检测电路、电荷泵升压电路和刺激脉冲产生电路。其中,充放电控制电路控制电荷泵升压电路向刺激脉冲产生电路充电,脉冲幅度检测电路监测刺激脉冲产生电路的充电电容的电压(用以反映刺激脉冲产生电路中的目标电容的电压),并将检测结果反馈给充放电控制电路;当充电电容的电压达到CPU发送的刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数所要求的电压后,充放电控制电路关闭电荷泵升压电路并切断电荷泵升压电路与刺激脉冲产生电路的连接,结束充电过程。整个过程中,CPU仅需要输入脉冲幅度参数,无需控制何时终止充电,减少了CPU的主动参与,既减少了控制流程使得充电过程控制更为准确,节省了目标电容持续充电时间,也减少了CPU主动参与带来的时间和能量消耗。

进一步地,本发明的电荷泵升压电路,一倍压电路、二倍压电路和三倍压电路共用电路和升压电容,与现有起搏器电路采用电容串联的方式进行升压方式相比,这种设计使电路结构清晰简单,让电路的复杂度就会明显降低。

进一步地,在起搏脉冲刺激肌肉组织失夺获时,可以经快速充电电路对目标电容快速充电,再次发放脉冲从而确保肌肉组织的夺获。

本发明提供的植入式脉冲发生器的刺激产生与控制电路,使用元器件减少、结构简单,脉冲发生器体积小,不仅使生产工艺简单,而且能够节省人力物力,更为社会节省了资源,产生更好的社会效益。

附图说明

图1为本发明提供的植入式脉冲发生器的刺激产生与控制电路的整体框架图,其中,以心脏起搏器为例。

图2为脉冲检测与控制电路的原理示意图。

图3为电荷泵升压电路示意图。

图4-1为当程控的刺激脉冲电压幅度小于一倍电池电压时,电荷泵升压电路状态等效示意图。

图4-2为当程控的刺激脉冲电压幅度小于二倍电池电压时,一种电荷泵升压电路状态等效示意图。

图4-3为当程控的刺激脉冲电压幅度小于二倍电池电压时,另一种电荷泵升压电路状态等效示意图。

图4-4为当程控的刺激脉冲电压幅度小于三倍电池电压时,电荷泵升压电路状态等效示意图。

图5为脉冲幅度检测电路示意图。

图6为充电控制电路示意图。

图7-1是刺激脉冲产生电路的一种框图示意图,其展示的是无需选择目标电容的电路结构。

图7-2是刺激脉冲产生电路的另一种框图示意图,适用于需要选择目标电容的器件。

图8为快速充电电路原理框图。

其中,1为电荷泵升压电路,2为脉冲检测与控制电路,3为快速充电电路,4为刺激脉冲产生电路,5为脉冲幅度检测电路,6为充放电控制电路,71为一倍压开关模块,72为二倍压开关模块,73为三倍压开关模块,9为比较器,10为分压器,11为控制模块组,111为一倍压控制模块,112为二倍压控制模块,113为三倍压控制模块,114为时钟控制模块,12为充电电容,13为心腔控制模块,14为心房充放电开关电路,15为心室充放电开关电路,16为心房充放电电容,17为心室充放电电容。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的刺激脉冲产生与控制电路可以用于心脏起搏器、除颤器、脊髓刺激器、脑起搏器、迷走神经刺激器或者其他类似的植入式脉冲发生器。本实施例仅以心脏起搏器为例进行说明,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明:

图1描述了心脏起搏器的刺激脉冲产生与控制电路的整体框图,由电荷泵升压电路1、脉冲检测与控制电路2、刺激脉冲产生电路4共同构成。脉冲检测与控制电路2作为整个电路的控制核心,功能包括解析CPU发来的刺激脉冲参数命令和控制整个刺激脉冲电路的时序。CPU命令包括两种:刺激脉冲充电命令和刺激脉冲发放命令。当脉冲检测与控制电路2接收到刺激脉冲充电命令时,脉冲检测与控制电路2根据CPU发来的刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数控制电荷泵升压电路1工作,电荷泵升压电路1产生的电压信号通过刺激脉冲产生电路4经过心脏对目标电容(心室充放电电容17或者心房充电电容16)进行充电,整个充电过程中,脉冲检测与控制电路2实时监测目标电容的电压情况,一旦目标电容电压达到了CPU设定的电压值,刺激脉冲产生电路4将结果反馈给脉冲检测与控制电路2,通知脉冲检测与控制电路2关闭电荷泵升压电路1,并切断电荷泵升压电路1与刺激脉冲产生电路4的连接,直到脉冲检测与控制电路2发现目标电容电压低于设定值时重新开始新的充电循环;当脉冲检测与控制电路2接收到刺激脉冲发放命令时,刺激脉冲产生电路4对心脏发放刺激。

图2是脉冲检测与控制电路2的框图,包括脉冲幅度检测电路5和充放电控制电路6两部分构成,其中脉冲幅度检测电路5主要负责对充电电容12上的电压进行实时监测,从而实现目标电容监控(即心室充放电电容17或者心房充电电容16监控),充放电控制电路6则根据脉冲幅度检测电路5传来的检测结果和CPU传送的刺激脉冲参数命令完成整个电路的自动控制功能。

其中,脉冲检测与控制电路2具有解码器,解码器用于解析CPU发出的命令并发出控制信号。

如图2所示,充放电控制电路6根据CPU传送的指令和脉冲幅度检测电路5的反馈,对整个脉冲产生与控制电路2进行控制,实现电路自动控制的目的。当系统初始上电时,脉冲幅度检测电路5检测到目标电容电压为零,立即将结果传给充电控制电路6,同时充电自动控制电路6根据CPU传送的刺激脉冲参数命令,启动电荷泵升压电路1经过刺激脉冲产生电路4给目标电容充电,在整个充电过程中,脉冲幅度检测电路5实时地监控目标电容上的电压,当目标电容电压达到了设定的脉冲幅度值,脉冲幅度检测电路5就会将充电完成的结果传给充放电控制电路6;当充放电控制电路6收到脉冲幅度检测电路5传来的充电完成的信号时,关闭电荷泵升压电路1和刺激脉冲产生电路4,从而停止整个充电过程。

图2是该发明设计的关键点之一,它是脉冲产生与控制电路的核心,作为刺激脉冲产生电路4的反馈环节,使得刺激脉冲产生电路4的控制构成闭环设计,能够精确控制脉冲充电幅度和充电时间,作为脉冲产生与控制电路是一种全新的自动控制理念。

图3是电荷泵升压电路1示意图,主要是由一倍压控制模块71、二倍压控制模块72和三倍压控制模块73、两个升压电容C1、C2构成。充放电控制电路6控制电荷泵升压电路1的工作状态,一倍压控制模块71、二倍压控制模块72和三倍压控制模块73根据充放电控制电路6传过来的控制信号进行自动切换,协同控制电荷泵升压电路1工作与停止。

图4-1~图4-4作为图3辅助理解图,起搏器脉冲幅度变化范围从一倍压到三倍压(即0.1V到8.1V)连续变化,结合图3对刺激脉冲幅度的连续变化进行说明。如图4-1所示,当程控的刺激脉冲电压幅度小于一倍压(电池电压,如0.1V~2.7V)时,电荷泵升压电路1只对升压电容C2进行充电,然后通过一倍压控制模块71将升压电容C2上的部分电荷转移到充电电容12上,当充电电容电压幅度达到设定值后,充放电控制电路6就会暂时关闭电荷泵升压电路1;当程控的刺激脉冲电压幅度大于一倍压而小于二倍的电池电压(如2.8V~5.4V)时,可以选取两种策略:策略一如图4-2所示,电荷泵升压电路1对升压电容C2进行充电,然后通过一倍压控制模块71和二倍压控制模块72将电源电压(VCC)串联升压电容C2的部分电荷转移到充电电容12上,当充电电容电压幅度达到设定值后,充放电控制电路6就会暂时关闭电荷泵升压电路1;策略二如图4-3所示,电荷泵升压电路1同时对升压电容C1和升压电容C2进行充电,然后通过一倍压控制模块71和二倍压控制模块72将串联的部分电荷转移给充电电容12,当充电电压幅度达到设定值后,充放电控制电路6就会暂时关闭电荷泵升压电路1。当程控的刺激脉冲电压幅度大于二倍的电池电压而小于三倍的电池电压时,电荷泵升压电路1同时对升压电容C1和升压电容C2进行充电,然后通过一倍压控制模块71、二倍压控制模块72和三倍压控制模块73将电源电压VCC和升压电容C1、C2串联,将串联的部分电荷转移给充电电容12,当充电电容电压幅度达到设定值后,充放电控制电路6就会暂时关闭电荷泵升压电路1。这样就实现了程控起搏幅度一倍压到三倍压的连续变化。

图5是脉冲幅度检测电路5示意图,该电路由分压器10和比较器9构成,主要职责是监测刺激脉冲的幅度。分压器10根据具体需求选择电阻分压或电容分压(电阻分压精确度高、电容分压功耗低),主要目的是将高幅度的刺激脉冲同比例降低为低幅度信号,从而达到比较器9输入信号的工作电压范围,所述同比例降低,指的是分压器10的降压比例,与脉冲检测与控制电路2导致的刺激脉冲基准电压信号相对于刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压的降压比例是相同的;比较器9是微功耗、快速的高灵敏度比较器9,主要对降压后的刺激脉冲电压信号与程控的刺激脉冲基准电压信号(REF,刺激脉冲的程控值,即刺激脉冲充电命令中的脉冲幅度参数要求的电压值按照降压比例降压后的值)比较,用于判断充电电容12上的电压是否达到了刺激脉冲的程控值,比较器9同时设计了迟滞反馈回路,用来防止在充电过程中充电电容12电压信号抖动导致比较器9不正确的工作,造成充放电自动控制电路的误动作。

图6是充放电控制电路6示意图,该部分也是本发明中自动控制的重要组成部分,该部分主要是由控制模块组11构成,控制模块组11包括一倍压控制模块111、二倍压控制模块112、三倍压控制模块113、时钟控制模块114四部分,其中一倍压控制模块111负责一倍压的充电,一倍压控制模块111和二倍压控制模块112共同负责二倍压的充电,一倍压控制模块111、二倍压控制模块112与三倍压控制模块113一起构成了三倍压的充电,而时钟控制模块114控制整个充放电控制电路6。

从图6中可以看出,整个起搏器系统的运行时钟作为充电时钟,充电时钟与脉冲幅度检测电路5检测的信号共同控制时钟控制模块114。系统上电时,脉冲幅度检测电路5的检测信号启动时钟控制模块114,将充电时钟输入到充放电控制电路6。当程控的刺激脉冲幅度在一倍压(电池电压)内,则一倍压控制信号开启一倍压控制模块111从而控制电荷泵升压电路1进行一倍压充电;当程控的刺激脉冲幅度在二倍压内,则一倍压控制信号和二倍压控制信号开启一倍压控制模块111和二倍压控制模块112从而控制电荷泵升压电路1进行二倍压充电;当程控的刺激脉冲幅度在三倍压内,则一倍压控制信号、二倍压控制信号、三倍压控制信号同时控制一倍压控制模块111、二倍压控制模块112、三倍压控制模块113开启,从而共同控制电荷泵升压电路1进行三倍压充电。

图7-1是刺激脉冲产生电路4的一种框图示意图,其展示的是无需选择目标电容的电路结构,适用于脊髓刺激器、脑起搏器等无需选择目标电容的植入式医疗器械。图7-1是以神经肌肉刺激器为例进行介绍的,其中,肌肉组织为待刺激器官,肌肉组织充放电电容为目标电容。电荷泵升压电路1对充电电容12进行充电,根据需求可以实现一倍压到三倍的连续幅度的脉冲电压值;在对充电电容12进行充电时,充电电容12通过充放电控制电路、肌肉组织对肌肉组织充放电电容进行充电,在充电电容12的电压达到设定值时,则肌肉组织充放电电容的电压也达到设定值;脉冲检测与控制电路2控制充放电控制电路断开与充电电容12的连接,肌肉组织充放电电容按照CPU设定起搏时序经过充放电控制电路对肌肉组织进行放电,以达到刺激肌肉的目的。

图7-2是刺激脉冲产生电路4的另一种框图示意图,适用于需要选择目标电容的器件,如起搏器、植入式除颤器等。该电路主要由充电电容和充电控制开关模块共同组成,以植入式起搏器作为示例,其中,心脏是刺激器官,具体的根据选择,心脏的心房或心室是待刺激器官,心房充放电电容16或心室充放电电容17是目标电容。电荷泵升压电路1对充电电容12进行充电,根据需求可以实现一倍压到三倍的连续幅度的脉冲电压值。心腔控制模块13根据房室起搏选择信号的控制选择连接心室或者心房通道。当选择心房通道时,充电电容12经过心房充放电开关电路14和心脏对心房充放电电容16进行充电,当心房充放电电容16到达程控幅度时,脉冲检测与控制电路2控制心房充放电开关电路14断开与充电电容12的连接,心房充放电电容16按照CPU设定起搏时序经过心房充放电开关电路14对心房进行放电,以达到起搏心房的目的;当选择心室通道时,充电电容12经过心室充放电开关电路15和心脏对心室充放电电容17进行充电,当心室充放电电容17到达程控幅度时,脉冲检测与控制电路2控制心室充放电开关电路15断开与充电电容12的连接,心室充放电电容17按照CPU设定起搏时序经过心室充放电开关电路15对心室进行放电,已达到起搏心室的目的。心房心室双腔起搏,则心腔控制模块13会在房室起搏选择信号的控制下在心房和心室通道进行切换,然后按照上面单腔的描述进行充电和放电刺激心房和心室。

图8补充说明快速充电刺激功能的示意框图,快速充电刺激功能在图1基础上添加快速充电电路3,与其他模块电路共同完成快速充电刺激功能。当CPU检测到设定的刺激脉冲电压对肌肉组织刺激失夺获时,CPU向脉冲检测与控制电路2发送刺激脉冲发放命令,快速充电电路3控制电压信号由电荷泵升压电路1绕过刺激脉冲产生电路4直接对目标电容快速充电到一个较大的电压值再次刺激肌肉组织,以保证肌肉组织能有效激动。

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