自適應控制模塊及具有其的植入式神經刺激系統的制作方法

本發明涉及植入式醫療領域，尤其涉及一種自適應控制模塊及具有其的植入式神經刺激系統。

背景技術：

植入式醫療系統近年來在醫學臨床上得到越來越廣泛的應用，通常包括植入式神經刺激系統（包括腦深部刺激系統dbs，植入式腦皮層刺激系統cns，植入式脊髓電刺系統激scs，植入式骶神經刺激系統sns，植入式迷走神經刺激系統vns等）、植入式心臟刺激系統（俗稱心臟起搏器）、植入式藥物輸注系統（idds）等。

植入式神經刺激系統如圖1所示，通常包括以下幾個組件：若干個刺激電極觸點30（這里以左腦電極觸點及右腦電極觸點為例）、電極導線33、延伸導線34、脈沖發生器35以及程控儀36。

以深腦部刺激系統dbs為例，脈沖發生器35通過延伸導線34、電極導線33和刺激電極觸點30將電脈沖傳導到腦部stn（subthalamicnucleus，底丘腦核）核團以達到治療帕金森疾病的目的。

程控儀36則是用來調節脈沖發生器35的各刺激參數的，刺激參數包括脈沖幅值，脈沖寬度（即脈寬）和脈沖頻率等。

結合圖2，圖2是典型的雙向脈沖刺激波形，即相對于“電壓零伏參考線”，同時有正向刺激電壓和負向刺激電壓。

其中，真正起到治療作用的是負向刺激電壓，但是不能因此而舍棄掉正向刺激電壓部分。

因為單向的脈沖刺激（即只有負向刺激電壓）會產生多種副作用，包括：（1）電解大腦組織液中的水而導致產生氣泡；（2）動脈血管壁收縮異常；（3）膠質細胞受損等。

為了達到電中性進而消除上述副作用，如圖2所示，在一預定刺激周期ptstimulation內，必須在施加負向刺激電壓的同時，引入正向刺激電壓來中和電荷。

具體的，負向刺激電壓產生的負電荷變化量的絕對值|δq-|定義為：

|δq-|=istimulation*pwstimulation(1)

正向刺激電壓產生的正電荷變化量的絕對值|δq+|定義為：

|δq+|=irecharge*pwrecharge(2)

為了保證電中性，則需要保證一預定刺激周期ptstimulation內的正電荷變化量的絕對值等于負電荷變化量的絕對值，即：

|δq-|=|δq+|(3)

亦即：

istimulation*pwstimulation=irecharge*pwrecharge(4)

其中，istimulation為刺激電流或由刺激電壓除以電阻所得的電流值，單位為ma；pwstimulation為刺激脈寬，單位為us；irecharge為中和電流（即反向充電電流），單位為ma；pwrecharge為中和脈寬（即反向充電脈寬），單位為us。

現有技術中，通常都是通過程控儀36來調節各個刺激參數（包括刺激電流istimulation、刺激脈寬pwstimulation、中和電流irecharge及中和脈寬pwrecharge。

理論上，這些刺激參數一旦設定，都不會發生變化。

但是，在若干年植入到病人體內的臨床應用過程中，恒壓刺激中的電池電壓變化、恒流刺激中的電流變化，或是芯片與芯片之間會有半導體工藝的變化以及其它寄生參數等都會導致電中性失衡，從而導致公式（4）不成立。

另外，在圖2中，典型的刺激波形是矩形脈沖，或者是梯形脈沖，對于任意波形的脈沖，公式計算會非常復雜，而且容易計算不準。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種自適應控制模塊及具有其的植入式神經刺激系統。

為實現上述發明目的之一，本發明一實施方式提供一種自適應控制模塊，其用于植入式神經刺激系統中，所述植入式神經刺激系統包括刺激部，所述控制模塊包括：

刺激單元，其用于為所述刺激部提供負向刺激而產生負電荷變化量；

中和單元，其用于為所述刺激部提供正向刺激而產生正電荷變化量；

控制單元，于一預定刺激周期內，所述控制單元用于控制所述中和單元和/或所述刺激單元的輸出而使得所述負電荷變化量的絕對值與所述正電荷變化量的絕對值相等。

作為本發明一實施方式的進一步改進，所述刺激部包括刺激電極觸點及對應的電容，所述控制單元用于控制所述電容兩端的壓差于任一預定刺激周期結束時為零。

作為本發明一實施方式的進一步改進，所述控制單元包括與所述電容連接的復位單元，當所述自適應控制模塊開始工作前，所述復位單元控制所述電容兩端的所述壓差為零。

作為本發明一實施方式的進一步改進，所述負電荷變化量為刺激電流與刺激脈寬的乘積，所述正電荷變化量為中和電流與中和脈寬的乘積，其中，所述刺激電流、所述刺激脈寬、所述中和電流、所述中和脈寬包括預先設定的預設參數及自適應變化參數，當所述預設參數的至少其中之一發生偏移時，所述控制單元控制所述變化參數變化而使得于一預定刺激周期內的所述負電荷變化量的絕對值與所述正電荷變化量的絕對值相等。

作為本發明一實施方式的進一步改進，所述預設參數包括所述刺激電流、所述刺激脈寬及所述中和電流，所述變化參數為所述中和脈寬。

作為本發明一實施方式的進一步改進，所述刺激部包括刺激電極觸點及對應的電容，所述控制單元包括比較器，所述比較器的正輸入端及負輸入端分別連接所述電容的兩端，當所述正輸入端及所述負輸入端之間的壓降大于零且處于下降趨勢時，所述控制單元控制所述中和單元開啟直至所述壓降為零。

作為本發明一實施方式的進一步改進，當所述壓降大于零時，所述比較器的輸出端輸出控制信號。

作為本發明一實施方式的進一步改進，所述中和單元包括控制所述中和單元開啟/閉合的中和開關，所述控制單元還包括與所述比較器配合的與非門單元及與門單元，所述與非門單元的輸入端至少與所述刺激脈寬連接，所述與非門單元用于輸出使能信號，且所述使能信號同時輸出至所述比較器的輸入端及所述與門單元的輸入端，所述與門單元的輸入端還與所述控制信號連接，所述與門單元用于輸出控制所述中和開關的開啟/閉合的中和使能信號。

作為本發明一實施方式的進一步改進，所述與非門單元的輸入端還與延時信號連接，所述延時信號由一預定刺激周期內所述負向刺激及所述正向刺激之間的延時時間控制。

為實現上述發明目的之一，本發明一實施方式提供一種植入式神經刺激系統，包括刺激部及如上任意一項技術方案所述的自適應控制模塊，所述自適應控制模塊用于控制所述刺激部的輸出。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：（1）本發明一實施方式引入的控制單元可以通過控制中和單元和/或所述刺激單元的輸出而實現電中性平衡；（2）針對任意刺激波形，本發明一實施方式均可保證公式（4）成立；（3）本發明一實施方式對臨床上恒壓刺激和恒流刺激中的電中性平衡都適用。

附圖說明

圖1是現有技術植入式神經刺激系統示意圖；

圖2是現有技術雙向脈沖刺激波形圖；

圖3是本發明一實施方式的植入式神經刺激系統的電路示意圖；

圖4是本發明一實施方式的雙向脈沖刺激波形圖；

圖5是本發明一實施方式的雙向脈沖刺激波形自適應調節的示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖所示的具體實施方式對本發明進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本發明，本領域的普通技術人員根據這些實施方式所做出的結構、方法、或功能上的變換均包含在本發明的保護范圍內。

本發明一實施方式提供一種植入式神經刺激系統（參考圖1）。

結合圖3，植入式神經刺激系統包括刺激部200及自適應控制模塊100。

刺激部200包括若干刺激電極觸點20及對應的電容21。

這里，刺激電極觸點20以相鄰的兩個刺激電極觸點ae1、ae2為例，兩個刺激電極觸點ae1、ae2之間的阻抗可為1kω，與刺激電極觸點20對應的電容21以隔直電容為例，隔直電容取10uf。

所述自適應控制模塊100用于控制所述刺激部200的輸出。

植入式神經刺激系統的其他說明（例如植入式神經刺激系統還包括電極導線、延伸導線、脈沖發生器以及程控儀等等）可以參考圖1的說明，在此不再贅述。

在本實施方式中，結合圖4，自適應控制模塊100包括刺激單元10、中和單元11及控制單元12。

刺激單元10用于為所述刺激部200提供負向刺激而產生負電荷變化量δq-。

中和單元11用于為所述刺激部200提供正向刺激而產生正電荷變化量δq+。

于一預定刺激周期ptstimulation內，所述控制單元12用于控制所述中和單元11和/或所述刺激單元10的輸出而使得所述負電荷變化量的絕對值

|δq-|與所述正電荷變化量的絕對值|δq+|相等，即|δq-|=|δq+|。

這里，控制單元12可以通過控制中和單元11和/或所述刺激單元10的輸出而實現電中性平衡（即|δq-|=|δq+|），從而可穩定消除因電中性不平衡帶來的副作用。

另外，本實施方式的自適應控制模塊100可以針對任意刺激波形，且對臨床上恒壓刺激和恒流刺激中的電中性平衡都適用。

需要說明的是，植入式神經刺激系統的刺激過程實質為循環刺激過程，預定刺激周期ptstimulation定義為循環周期，一個預定刺激周期ptstimulation定義為當前負向刺激的開始至下一負向刺激的開始。

在本實施方式中，所述控制單元12用于控制所述電容21兩端的壓差于任一預定刺激周期ptstimulation結束時為零。

這里，刺激單元10提供的負向刺激過程可以參考圖3中的刺激回路m（以虛線及箭頭示意），其實質是一個充電過程，其可以為電容21充電。

中和單元11提供的正向刺激過程可以參考圖3中的中和回路n（以實線及箭頭示意），其實質是一個放電過程，電容21實現放電。

當控制單元12控制電容21兩端的壓差于任一預定刺激周期ptstimulation結束時為零時，即可保證一預定刺激周期ptstimulation內電容21的充電、放電過程抵消，從而保證電中性平衡（即|δq-|=|δq+|）。

在本實施方式中，為了保證一預定刺激周期ptstimulation內電容21的充電量與放電量相等，所述控制單元12包括與所述電容21連接的復位單元121，當所述自適應控制模塊100開始工作前，所述復位單元121控制所述電容121兩端的壓差為零。

這里，復位單元121為復位開關，當復位開關閉合時，其輸出復位信號rest_cap，復位信號rest_cap控制電容121復位放電。

在本實施方式中，結合圖4，所述負電荷變化量δq-為刺激電流istimulation與刺激脈寬pwstimulation的乘積，此時，負電荷變化量的絕對值為：

|δq-|=istimulation*pwstimulation(a)

所述正電荷變化量δq+為中和電流irecharge與中和脈寬pwrecharge的乘積，此時，正電荷變化量δq+的絕對值為：

|δq+|=irecharge*pwrecharge(b)

為了保證電中性，則需要保證一預定刺激周期ptstimulation內的正電荷變化量的絕對值等于負電荷變化量的絕對值，即：

|δq-|=|δq+|(c)

亦即：

istimulation*pwstimulation=irecharge*pwrecharge(d)

其中，istimulation為刺激電流或由刺激電壓除以電阻所得的電流值，單位為ma；pwstimulation為刺激脈寬，單位為us；irecharge為中和電流（即反向充電電流），單位為ma；pwrecharge為中和脈寬（即反向充電脈寬），單位為us。

在本實施方式中，所述刺激單元10包括控制所述刺激單元10開啟/閉合的刺激開關φstimulation，當刺激開關φstimulation閉合時，刺激電壓vddstimulation通過刺激回路m進行傳輸，刺激單元10輸出刺激電流istimulation及刺激脈寬pwstimulation至刺激部200。

相應的，所述中和單元11包括控制所述中和單元11開啟/閉合的中和開關φrecharge，當中和開關φrecharge閉合時，中和電壓vddrecharge通過中和回路n進行傳輸，中和單元11輸出中和電流irecharge及中和脈寬pwrecharge至刺激部200。

在本實施方式中，所述刺激電流istimulation、所述刺激脈寬pwstimulation、所述中和電流irecharge、所述中和脈寬pwrecharge這些參數中包括預先設定的預設參數a及自適應變化參數b。

預設參數a可由程控儀（未標示）來調節設定，并由脈沖發生器根據程控儀的設定將預設參數a變更為脈沖信號并輸出。

預設參數a理論上是恒定的，但在實際運用中，由于工藝、電壓、溫度等變化容易導致預設參數a發生偏移，此時，為了保證公式（d）仍能成立，需要通過控制單元12來驅動變化參數b產生適應性變化。

即，當所述預設參數a的至少其中之一發生偏移時，所述控制單元12控制所述變化參數b變化而使得于一預定刺激周期ptstimulation內的所述負電荷變化量的絕對值|δq-|與所述正電荷變化量的絕對值|δq+|相等。

在一示例中，所述預設參數a包括所述刺激電流istimulation、所述刺激脈寬pwstimulation及所述中和電流irecharge，所述變化參數b為所述中和脈寬pwrecharge，所述控制單元12實質是控制中和脈寬pwrecharge的輸出。

具體的，所述控制單元12包括比較器122，所述比較器122的正輸入端及負輸入端分別連接所述電容21的兩端。

所述比較器122為遲滯比較器。

當所述正輸入端及所述負輸入端之間的壓降（vcap+-vcap-）大于零且處于下降趨勢時，所述控制單元12控制所述中和單元11開啟直至所述壓降（vcap+-vcap-）為零（參考圖4中的波形6及波形8，當壓降（vcap+-vcap-）大于零且處于下降趨勢時，中和單元11輸出中和脈寬pwrecharge）。

這里，當所述正輸入端及所述負輸入端之間的壓降（vcap+-vcap-）大于零且處于下降趨勢時，所述電容21處于放電過程，即中和單元11處于工作狀態。

當壓降（vcap+-vcap-）為零時，證明此時放電完成，即此時呈電中性平衡狀態。

需要說明的是，結合圖4，當所述正輸入端及所述負輸入端之間的壓降（vcap+-vcap-）大于零且處于上升趨勢時，所述電容21處于充電過程，即刺激單元10處于工作狀態（參波形3及波形6）。

當所述壓降（vcap+-vcap-）大于零時，所述比較器122的輸出端輸出控制信號vcompout（參波形6及波形7）。

在本實施方式中，所述控制單元12還包括與所述比較器122配合的與非門單元123及與門單元124。

所述與非門單元123的輸入端至少與所述刺激脈寬pwstimulation連接，所述與非門單元123用于輸出使能信號comp_en，且所述使能信號comp_en同時輸出至所述比較器122的輸入端及所述與門單元124的輸入端。

這里，所述與非門單元123的輸入端還與延時信號interphasedelay連接，所述延時信號interphasedelay由一預定刺激周期ptstimulation內所述負向刺激及所述正向刺激之間的延時時間控制。

也就是說，使能信號comp_en=！{（pwstimulation）&（interphasedelay）}。

所述與門單元124的輸入端還與所述控制信號vcompout連接，所述與門單元124用于輸出控制所述中和開關φrecharge的開啟/閉合的中和使能信號，該中和使能信號可示意為中和脈寬pwrecharge。

也就是說，pwrecharge=comp_en&vcompout。

繼續參圖4，這里，所有時序的邏輯都是正邏輯，即高電平代表開關開啟，低電平代表開關閉合。

參波形1及波形2，于一預定刺激周期ptstimulation內，當自適應控制模塊100開始工作前，電容21的復位信號reset_cap處于高電平，其實現電容21的復位。

參波形3，刺激單元10提供開啟/閉合刺激開關φstimulation的刺激使能信號，所述刺激使能信號可示意為刺激脈寬pwstimulation，當pwstimulation為高電平時，刺激開關φstimulation閉合，刺激單元10輸出刺激電流istimulation及刺激脈寬pwstimulation至刺激部200，電容21兩端壓降（vcap+-vcap-）處于上升趨勢（參波形6）。

參波形4，刺激單元10（或是中和單元11、脈沖發生器）提供延時信號interphasedelay，當interphasedelay為高電平時，刺激單元10及中和單元11均不輸出，壓降（vcap+-vcap-）不變（參波形6）。

參波形5至波形8，控制單元12通過比較器122、與非門單元123及與門單元124的配合而產生控制中和單元11的中間信號，包括使能信號comp_en、壓降（vcap+-vcap-）、控制信號vcompout，且控制單元12根據前述中間信號而得到最終的中和使能信號，即中和脈寬pwrecharge。

可以看到，在本實施方式中，最終獲取的中和脈寬pwrecharge是隨著其他信號的變化而自適應變化的，如此，可以始終保證電中性平衡。

下面，舉例說明本實施方式的自適應控制模塊100的工作過程。

結合圖5，假設預設參數a中的刺激脈寬pwstimulation及所述中和電流irecharge保持不變，而刺激電流istimulation增大（刺激電流變更為i’stimulation，參見波形1’負向刺激部分，可以看到，陰影部分是刺激電流的理論值，虛線部分是刺激電流的增大量）。

此時，參波形6’，刺激電流的增大導致電容21兩端的呈上升趨勢的壓降（vcap+-vcap-）也發生變化，壓降（vcap+-vcap-）的上升趨勢變抖，即此時體現上升趨勢的線段的斜率變大（參波形6’中呈上升趨勢的虛線部分）。

為了維持電中性平衡，控制單元12控制中和脈寬pwrecharge自適應變更為pw’recharge。

具體的，由于中和電流irecharge保持不變，如波形6’中的虛線所示，電容21兩端的呈下降趨勢的壓降（vcap+-vcap-）的形態不發生變化，即體現下降趨勢的線段的斜率不變（參波形6’中呈下降趨勢的虛線部分），此時，壓降（vcap+-vcap-）由最高點下降至零點的時長延長，即此時中和脈寬pwrecharge增大為pw’recharge（參波形8’中的虛線）。

此時，刺激電流i’stimulation、刺激脈沖pwstimulation、中和電流irecharge、中和脈沖pw’recharge滿足如下公式：

i’stimulation*pwstimulation=irecharge*pw’recharge

也就是說，此時達到了新的電中性平衡。

可以理解的，當預設參數a中的其他一個或多個參數發生偏移時，控制單元12仍然可以通過控制變化參數b變化來適應上述偏移，從而使得植入式刺激系統始終保持電中性平衡。

應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。

上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發明的保護范圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護范圍之內。