專利名稱：功能性電刺激裝置和系統(tǒng)及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及電刺激，并且特別是涉及功能性電刺激裝置和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
功能性電刺激(FES)的普遍原理來源于神經(jīng)和肌肉興奮的生理過程。這些興奮是在體內(nèi)、在神經(jīng)元水平上發(fā)生的動(dòng)作電位(AP)的結(jié)果。AP是神經(jīng)系統(tǒng)的信使信號(hào)。它們?cè)谏窠?jīng)系統(tǒng)組織中，響應(yīng)于可以是天然或人為的刺激而發(fā)生。在FES的情形中，這些刺激是電荷脈沖。取決于這些刺激的幅度、持續(xù)時(shí)間和頻率，它們能夠在不同組織中引起興奮。FES療法利用這些興奮性脈沖來治療在身體不同區(qū)域具有缺損的患者。由于生成AP的復(fù)雜性，對(duì)于FES應(yīng)用來說，能夠生成這些AP的人工電刺激脈沖可能需要特定的脈沖類型和刺激方案。所有身體細(xì)胞表現(xiàn)出膜電位，其正電荷和負(fù)電荷的跨膜分離。該電位與鉀離子(K+離子)、鈉離子(Na+離子)和大的細(xì)胞內(nèi)蛋白陰離子在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外流體之間的不均勻分布，以及質(zhì)膜對(duì)這些離子的不同通透性有關(guān)。肌肉細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)·胞這兩種類型的細(xì)胞已發(fā)展出對(duì)這種膜電位的特化應(yīng)用。神經(jīng)和肌肉是可興奮組織，通過改變它們的靜息電位能夠產(chǎn)生電信號(hào)——或動(dòng)作電位(AP)——進(jìn)行通訊。FES利用電脈沖形式的人工刺激以在不同組織中引發(fā)興奮。神經(jīng)肌肉電刺激(NMES)是用于改善運(yùn)動(dòng)功能的有用治療方法之一。對(duì)NMES的使用進(jìn)行的研究證實(shí)了關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、力和扭矩產(chǎn)生、肌電圖(EMG)肌活動(dòng)幅度的提高，以及肌肉緊張度的降低。盡管以上研究使用NMES進(jìn)行單區(qū)段鍛煉和肌肉強(qiáng)化，但更近些時(shí)候，一些研究已經(jīng)聚焦于電刺激對(duì)在嚴(yán)重喪失活動(dòng)能力的個(gè)體中改善和/或恢復(fù)諸如抓握、行走、夠取、呼吸、吞咽等自主功能的效果。功能性電刺激(FES)是一種裝置介導(dǎo)的療法，其在具有諸如中風(fēng)、脊髓損傷、多發(fā)性硬化癥、腦性麻痹和創(chuàng)傷性腦損傷等不同形式的神經(jīng)肌肉障礙的患者中，將感覺-運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的電刺激與局部麻痹肢或身體部位的重復(fù)的功能性運(yùn)動(dòng)或身體功能相整合。已知的FES裝置盡管有用，但在達(dá)到其完整潛力方面具有有限的成功。例如，以前的裝置由于對(duì)時(shí)間特性和幅度的控制僅僅是部分的，因此不能隨時(shí)間確保電荷平衡。它們還提供有限數(shù)目的脈沖，并且為了在不同F(xiàn)ES應(yīng)用中使用而需要復(fù)雜且高成本的調(diào)整。在一些情況下，這些設(shè)計(jì)的不靈活性轉(zhuǎn)變?yōu)镕ES療法的未充分利用。然而，各種功能性電刺激儀已被用于隨時(shí)間改善具有各種神經(jīng)和肌肉骨骼障礙和肌萎縮的患者的生活，以及用于運(yùn)動(dòng)損傷的療法中。已知的FES裝置提供電脈沖，其激活單一或一組肌肉，以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)(神經(jīng)修復(fù)應(yīng)用)和/或增加肌肉量(神經(jīng)肌肉刺激應(yīng)用)。FES裝置也已被用于治療膀胱問題、緩解帕金森氏癥的癥狀和大量其他應(yīng)用。一般來說，對(duì)于每種應(yīng)用使用特定的FES系統(tǒng)。在諸如FES療法、用于抓握的腦機(jī)接口控制神經(jīng)假體和用于坐立平衡的閉環(huán)控制神經(jīng)假體的新興的高級(jí)應(yīng)用中，F(xiàn)ES系統(tǒng)一般必須提供與常規(guī)的專用系統(tǒng)相比寬得多的范圍和種類的脈沖。例如，高級(jí)FES應(yīng)用通?？赡苄枰敵龉β始?jí)以產(chǎn)生例如其幅度、持續(xù)時(shí)間、形狀和/或頻率可以從一種脈沖實(shí)時(shí)改變成另一種脈沖的脈沖。

圖1示出了在FES應(yīng)用中可以使用的脈沖形狀的常見分類。允許從一種脈沖形狀向另一種脈沖形狀無縫轉(zhuǎn)變的系統(tǒng)，能夠允許更大的治療靈活性。此外，展現(xiàn)出更高功率效率并具有相對(duì)小體積的系統(tǒng)作為例如電池供電的便攜式系統(tǒng)可以促進(jìn)更大的持續(xù)性。已知的刺激儀典型地產(chǎn)生電壓或電流調(diào)控的電脈沖。近年中，后者已被更廣泛地接受，因?yàn)椴徽摻M織的電阻如何，電流調(diào)控的脈沖一般向組織遞送相同量的電荷。然而，電流模式的解決方案具有與部分脫離的電極相關(guān)的潛在問題，所述部分脫離的電極可能突然增加電阻通路并因此產(chǎn)生過大電壓。過高電壓可能引起不適并在感覺降低或喪失的患者中引起燒傷。另一方面，利用電壓模式控制的刺激儀時(shí)可以設(shè)想等同的場(chǎng)景。由于組織的電壓擊穿所造成的組織電阻的突然降低，可能引起刺激電流的突然增加。因此，可能希望對(duì)電壓和電流兩者進(jìn)行調(diào)控。從實(shí)際實(shí)施的觀點(diǎn)來看，大多數(shù)電流源解決方案具有以線性模式操作輸出晶體管，由此引起不想要的熱散逸的缺點(diǎn)。因此，電池壽命顯著減少，并且功率級(jí)的總體尺寸通常由于附加的冷卻要求而顯著增加。這些應(yīng)用中的關(guān)注的另一個(gè)參數(shù)是電脈沖的上升時(shí)間、即轉(zhuǎn)換速率，其一般應(yīng)該盡可能快。也就是說，在這些脈沖中提供快速上升時(shí)間的適宜性是基于可興奮組織即神經(jīng)和肌肉細(xì)胞的生理學(xué)以及動(dòng)作電位的生成。這些組織具有離子泵，其對(duì)抗電脈沖的遞送電荷，以維持細(xì)胞膜上的額定電位差。具有較高轉(zhuǎn)換速率的脈沖可能為離子泵提供較少時(shí)間來補(bǔ)償遞送的電荷，允許利用較低幅度的信號(hào)進(jìn)行刺激。利用較低幅度的脈沖進(jìn)行刺激的優(yōu)點(diǎn)可能包括例如更舒服(即疼痛更少)的療法和裝置的更長(zhǎng)電池壽命。在這些應(yīng)用中，特別是在使用雙極脈沖(參見圖1)的情況下，關(guān)注的另一個(gè)參數(shù)是由每次脈沖帶來的凈電荷應(yīng)該盡可能接近零，所述參數(shù)一般應(yīng)用在對(duì)稱和不對(duì)稱雙極脈沖應(yīng)用中。這種特征一般被認(rèn)為適合于防止或至少減少電荷在組織中的積累，所述電荷積累可能引起觸電過程，其可能例如引起組織破壞。為了解決這個(gè)問題，在已知裝置中經(jīng)常使用輔助放電電路，其中在每次雙極脈沖后，由于不平衡操作所造成的積累電荷被釋放在例如電阻器上。盡管這種解決方案可能導(dǎo)致零積`累，但它一般增加熱散逸并降低最大脈沖頻率，即由于放電所需的額外時(shí)間造成的。基于以上以及其他缺點(diǎn)，大多數(shù)常規(guī)的專用FES系統(tǒng)不能直接用于新興的FES應(yīng)用。例如，它們一般不能提供用于這樣的應(yīng)用的足夠廣范圍和種類的脈沖，由于過大的功率消耗顯著限制了它們的操作時(shí)間，它們一般不適合用于持續(xù)性電池操作的解決方案，和/或一般不能例如為多個(gè)通道同時(shí)提供信號(hào)，而這種為多個(gè)通道同時(shí)提供信號(hào)在諸如用于站立和行走的神經(jīng)假體的系統(tǒng)中可能是特別適合的。這些限制大部分來自于輸出功率級(jí)，其在電流設(shè)計(jì)中作為引起熱散逸的有損線性模式的電流源操作。主要使用的基于電流源的裝置的另一個(gè)缺點(diǎn)是它們的信號(hào)轉(zhuǎn)換速率，其明顯小于電壓模式系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換速率，由此進(jìn)一步造成功率損耗并導(dǎo)致療法更不舒適。因此，需要克服了已知技術(shù)的一些缺點(diǎn)或至少為公眾提供有用的可選方案的功能性電刺激(FES )裝置和系統(tǒng)。提供以上背景信息是為了揭示本申請(qǐng)人所相信的可能與本發(fā)明有關(guān)的信息。這既不必然表明意圖承認(rèn)任何前述信息構(gòu)成了針對(duì)本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)，也不應(yīng)如此解釋。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種功能性電刺激裝置和系統(tǒng)及其使用。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種電刺激裝置，其經(jīng)由施加到活體的區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)電極引線向所述區(qū)域提供順序雙極脈沖刺激，所述裝置包括電流脈沖生成電路，該電流脈沖生成電路包括用于操作性耦聯(lián)到所述一個(gè)或多個(gè)電極引線的輸出節(jié)點(diǎn)，并被配置用于操作性耦聯(lián)到基本上恒定的電壓源，所述電流脈沖生成電路包括從所述基本上恒定的電壓源拉出的正和負(fù)刺激通路，以經(jīng)由所述一個(gè)或多個(gè)電極引線分別施加通過所述區(qū)域的正和負(fù)電流，所述刺激通路包括相應(yīng)的電容元件，所述電容元件的電容比至少部分地決定了所述正電流與負(fù)電流的幅度比，其中所述刺激通路的周期性交替激活提供了所述順序雙極脈沖刺激。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于經(jīng)由施加到活體區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)電極向所述區(qū)域提供電流脈沖刺激的功能性電刺激(FES)系統(tǒng)，包括控制平臺(tái)，該控制平臺(tái)具有用于接收代表待施加到所述區(qū)域的所選電流脈沖特性的FES參數(shù)的一個(gè)或多個(gè)輸入；輸出級(jí)，該輸出級(jí)經(jīng)由所述一個(gè)或多個(gè)電極操作性耦聯(lián)到所述控制平臺(tái)，用于根據(jù)所述特性來生成電流脈沖，所述輸出級(jí)包括電源；脈沖生成電路，該脈沖生成電路操作性耦聯(lián)到所述電源以從其抽取電流；以及一個(gè)或多個(gè)控制器，該一個(gè)或多個(gè)控制器操作性耦聯(lián)到所述電源和脈沖生成電路，所述一個(gè)或多個(gè)控制器被配置成根據(jù)所述特性來控制所述脈沖生成電路的操作以生成所述電流脈沖，并在調(diào)控所述特性中監(jiān)視經(jīng)由所述電源提供的源電壓和源電流中的至少一種。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種電刺激裝置，其用于經(jīng)施加到活體區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)電極引線向所述區(qū)域提供電流脈沖刺激，所述裝置包括電流脈沖生成電路，該電流脈沖生成電路包括用于操作性耦聯(lián)到所述一個(gè)或多個(gè)電極引線的輸出節(jié)點(diǎn)，并被配置用于操作性耦聯(lián)到電壓源，所述電流脈沖生成電路包括正和負(fù)刺激通路，每個(gè)所述通路包括相應(yīng)的充電元件和相應(yīng)的激活開關(guān)，其中每個(gè)所述相應(yīng)充電元件由所述電壓源充電，并在所述相應(yīng)的激活開關(guān)激活后放電，以分別生成正和負(fù)電流脈沖，使得所述正和負(fù)電流脈沖的脈沖上升時(shí)間主要由每個(gè)所述相應(yīng)開關(guān)的開關(guān)速度來決定。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，本文描述的裝置和系統(tǒng)的實(shí)施例被用于提供功能性電刺激，以在患有神經(jīng)肌肉缺陷、中風(fēng)、多發(fā)性硬化癥、脊髓損傷、中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷或肌肉損傷的個(gè)體中改善一種或多種肌肉、相關(guān)神經(jīng)、腦和脊髓的功能。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施利，本文描述的裝置和系統(tǒng)的實(shí)施例被用于向能夠在其間通訊的多個(gè)關(guān)聯(lián)神經(jīng)提供功能性電刺激，以便促進(jìn)所述神經(jīng)間的通訊。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，以從運(yùn)動(dòng)單元激活閾值的約一倍至所述運(yùn)動(dòng)單元激活閾值的約三倍的強(qiáng)度施加所述功能性電刺激。在又一實(shí)施例中，以所述運(yùn)動(dòng)單元激活閾值的約兩倍的強(qiáng)度施加所述功能性電刺激。在又一實(shí)施例中，所述神經(jīng)之間的通訊互連性隨時(shí)間改善。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，功能性電刺激被用于促進(jìn)多個(gè)關(guān)聯(lián)神經(jīng)之間的通訊，包括以運(yùn)動(dòng)單元激活閾值的約一倍至所述運(yùn)動(dòng)單元激活閾值的約三倍的強(qiáng)度向所述多個(gè)關(guān)聯(lián)神經(jīng)施加功能性電刺激，由此使所述神經(jīng)之間的通訊互連性隨時(shí)間改善。在又一實(shí)施例中，作為對(duì)稱的雙極脈沖施加所述電刺激。在又一實(shí)施例中，以約40Hz的頻率提供所述電刺激。在又一實(shí)施例中，所述脈沖被施加約250 μ sec。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，本文描述的裝置和系統(tǒng)的實(shí)施例被用于向能夠彼此通訊的多個(gè)關(guān)聯(lián)神經(jīng)提供功能性電刺激，以便促進(jìn)神經(jīng)可塑性并改善所述神經(jīng)間的通訊。在閱讀了下面參考附圖僅僅作為實(shí)例給出的本發(fā)明的具體實(shí)施例的非限制性描述，本發(fā)明的其他目標(biāo)、目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更加顯而易見。附圖簡(jiǎn)述將參考附圖提供僅僅作為實(shí)例的本公開的幾個(gè)實(shí)施例，在所述附圖中圖1是適用于不同F(xiàn)ES應(yīng)用的各種脈沖特性的示意表示，一種或多種所述特性的選擇可用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同實(shí)施例；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FES系統(tǒng)的概要圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FES系統(tǒng)的輸出級(jí)的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有數(shù)字控制的雙級(jí)開關(guān)模式電源(SMPS)的FES系統(tǒng)的輸出級(jí)的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有數(shù)字控制的雙級(jí)開關(guān)模式電源(SMPS)的多通道FES系統(tǒng)的輸出級(jí)的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FES裝置的第一輸出功率級(jí)的詳細(xì)示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的在圖6的輸出功率級(jí)中經(jīng)由開關(guān)電壓采樣提取的輸出電壓的圖示和示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖6的輸出功率級(jí)的控制器的示例性PI補(bǔ)償器架構(gòu)的示意
圖9是根據(jù)本發(fā)明 的一個(gè)實(shí)施例的由圖6的輸出功率級(jí)的控制器實(shí)現(xiàn)的峰值電流占空比解析處理的示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于控制圖6的輸出功率級(jí)的輸出電壓而執(zhí)行的示例性控制序列的流程圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的FES裝置的第一功率級(jí)的詳細(xì)示意圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的從圖6的第一輸出功率級(jí)的輸出電壓示例性引出的第二輸出功率級(jí)的詳細(xì)示意圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的從圖11的第一輸出功率級(jí)的輸出電壓示例性引出的第二輸出功率級(jí)的詳細(xì)示意圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于FES裝置的第二輸出功率級(jí)的示例性滯后控制序列的流程圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的從圖12的第二輸出功率級(jí)感測(cè)到的電流的圖示；圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于在控制圖12的第二輸出功率級(jí)的輸出中使用的示例性感測(cè)電路的示意圖；圖17是使用圖16的示例性感測(cè)電路獲得的感測(cè)電流的圖示；圖18是用于在控制圖12的第二輸出功率級(jí)的操作中使用的示例性滯后比較器電路的不意圖；圖19是用于在控制圖12的第二輸出功率級(jí)的輸出中使用的比較器的波形和后續(xù)控制輸出的圖；圖20是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)電容器脈沖生成電路的示意圖，示出了處于(a)電路的一般性配置，(b)在生成負(fù)電流脈沖中電路的有效配置，以及(C)在生成正電流脈沖中電路的有效配置；圖21是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)電容器脈沖生成電路的示意圖；圖22根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)電容器脈沖生成電路的示意圖，其被選擇性配置用于單極、雙極對(duì)稱和雙極不對(duì)稱操作；圖23是圖22的開關(guān)電容器脈沖生成電路的示意圖，示出了處于(a)用于雙極不對(duì)稱操作的電路的一般性有效配置，(b)在生成負(fù)電流脈沖中電路的有效配置，以及(c)在生成正電流脈沖中電路的有效配置；圖24是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FES裝置的示例性輸出級(jí)的詳細(xì)示意圖；圖25是根據(jù)圖24的實(shí)施例的開環(huán)反激式轉(zhuǎn)換器的模擬波形的圖示；圖26是根據(jù)圖24的實(shí)施例的開關(guān)電容器電路的模擬波形的圖示；圖27和28是圖24的輸出級(jí)的模擬波形的圖示；圖29是圖24的輸出級(jí)的反激式轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)波形的圖示，示出了(a)中的減幅振蕩，以及(b)中所述減幅被減振器過濾；圖30是根據(jù)圖24的實(shí)施例的在穩(wěn)態(tài)下反激式初級(jí)側(cè)CPM DCM控制的實(shí)驗(yàn)波形的圖示；

圖31是由圖24的輸出級(jí)生成的實(shí)驗(yàn)性電流脈沖波形的圖示，其中(a)示出了58. 8mA的負(fù)電流脈沖跟隨有400μ s的14. 8mA處的恢復(fù)脈沖，并且(b)示出了增加電流基準(zhǔn)值以生成更大幅度；圖32是根據(jù)圖24的實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)性波形的圖示，示出了脈沖上升時(shí)間和脈沖方向開關(guān)時(shí)間；圖33是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的不對(duì)稱雙極電流脈沖波形的圖示，其中Rlrad =IkQ、tpulse=250 μ s (4tpulse=lms)、fpulse=40Hz,并且其中在(a)中的圖示表示 _60mA 脈沖跟隨有+15mA脈沖，并且其中在(b)中的圖示表示同時(shí)啟動(dòng)的兩個(gè)刺激通道，以提供-30mA脈沖并跟隨有+7. 5mA脈沖；圖34是根據(jù)圖33的實(shí)施例的上升時(shí)間細(xì)節(jié)的圖示，其中Rltjad = IkQ,tpulse=250 μ s、fpulse=40Hz，其中(a)對(duì)于_60mA脈沖來說達(dá)到所需脈沖幅度的初始上升/下降時(shí)間被示出為低于10ns，并且其中(b)對(duì)于-30mA脈沖來說達(dá)到所需脈沖幅度的初始上升/下降時(shí)間被示出為低于IOns ；圖35a是所進(jìn)行的功能性運(yùn)動(dòng)任務(wù)、肩和肘關(guān)節(jié)角度變化以及每塊肌肉的刺激模式的示意圖，其中粗線和細(xì)線指示關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和刺激模式(開/關(guān)的定時(shí))；圖35b是電極位置的示意圖；圖36a是在訓(xùn)練前和各個(gè)時(shí)間點(diǎn)處獲得的H-反射和M波的補(bǔ)充曲線的圖；圖36b是示例性引發(fā)的M波和H-反射曲線的圖；圖36c是H-反射和M響應(yīng)曲線隨著訓(xùn)練的時(shí)間過程而變化的圖；圖37是時(shí)間過程圖，示出了與作為基準(zhǔn)的未患病側(cè)臂相比，第一遠(yuǎn)端骨間肌(FDI)、橈側(cè)屈腕肌(FCR)、指伸肌(EDL)、肱二頭肌(BB)、肱三頭肌(TB)、前(aDel)和后三角肌(pDel)的最大自主收縮水平的變化；圖38a是畫圓試驗(yàn)期間肩、肘、腕關(guān)節(jié)和食指位置的示例性χ-y絕對(duì)位置圖示；以及圖38b是畫圓試驗(yàn)期間歸一化到肩位置的肘、腕關(guān)節(jié)和食指位置的示例性x_y位置圖示。
具體實(shí)施例方式應(yīng)該理解，本公開在其應(yīng)用上不限于在下面的描述中提出的或在附圖中圖示的具體構(gòu)造和組件的布置。本公開能夠使用其他實(shí)施例并能以各種方式實(shí)踐或執(zhí)行。此外，應(yīng)該理解，本文中使用的詞組和術(shù)語是出于描述的目的，并且不應(yīng)被當(dāng)作限制性的。本文中使用的“包含”、“包括”或“具有”及其變化形式打算涵蓋其后列出的項(xiàng)及其等同物以及其他項(xiàng)。除非另有限制，否則本文中的術(shù)語“連接”、“耦合”、“安裝”及其變化形式被廣義使用，并涵蓋直接和間接的連接、耦合和安裝。此外，術(shù)語“連接”和“耦合”及其變化形式不限于物理或機(jī)械或電連接或耦合。另外，并且正如在后面的段落中所描述的，在圖中圖示的特定機(jī)械或電配置意在示例本公開的實(shí)施例。然而，被認(rèn)為處于本公開的教導(dǎo)范圍內(nèi)的其他替代機(jī)械或電配置也是可能的。此外，除非另有指明，否則術(shù)語“或”被當(dāng)作是包括性的?，F(xiàn)在將參考本文的公開和附圖，描述根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的功能性電刺激(FES)裝置和系統(tǒng)及其使用。具體來說，圖2提供了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FES系統(tǒng)200的概要圖。在該特定實(shí)施例中，F(xiàn)ES系統(tǒng)由外部系統(tǒng)構(gòu)成，然而如將在下面進(jìn)一步討論的，可以設(shè)計(jì)類似的系統(tǒng)并將其實(shí)現(xiàn)用于內(nèi)部實(shí)現(xiàn)(例如可植入系統(tǒng))，而不背離本公開的總體范圍和本質(zhì)?？偟膩碚f，系統(tǒng)200包括輸出級(jí)202，輸出級(jí)202包括用于產(chǎn)生電脈沖的功率級(jí)204和調(diào)控功率級(jí)204的操作的控制器206。系統(tǒng)200可以進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)刺激電極208，或被配置用于與其操作性耦聯(lián)，以例如通過皮膚(例如表面/透皮電極)、直接穿透身體(例如經(jīng)皮電極)等將由功率級(jí)204 生成的脈沖遞送到靶組織。還說明性地提供了中央處理平臺(tái)或中央邏輯210，以例如基于來自于從業(yè)者或操作員(例如經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)激活開關(guān)、撥號(hào)和/或其他這樣的用戶可操作界面，和/或通過由實(shí)施系統(tǒng)存儲(chǔ)或以其他方式取用的一個(gè)或多個(gè)用戶可選擇的預(yù)編程刺激序列)或來自于諸如一個(gè)或多個(gè)生理傳感器的另一個(gè)裝置的外部輸入212將所打算的脈沖特性傳輸?shù)捷敵黾?jí)202，所述生理傳感器被配置成基于與例如所討論的FES治療的有效性關(guān)聯(lián)或指示所述有效性的一個(gè)或多個(gè)感測(cè)到的生理參數(shù)來調(diào)控或影響FES系統(tǒng)200的操作。用于刺激的FES脈沖的結(jié)構(gòu)可能由幾種特性來確定，例如脈沖類型(電流或電壓)、幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、頻率、極性、相數(shù)和對(duì)稱性，所述特性將在下面進(jìn)一步描述。因此，提供靈活的FES系統(tǒng)可能允許在提供不同F(xiàn)ES治療中具有更高通用性，其中一個(gè)或多個(gè)這些脈沖刺激特性的變化可能被有利地調(diào)整以提高治療有效性。下面描述的根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的實(shí)例一般適于基于諸如脈沖幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、頻率、極性和對(duì)稱性的一個(gè)或多個(gè)可調(diào)整和/或可選擇的脈沖特性來生成電流刺激脈沖，所述特性將在下面更詳細(xì)描述。另外，由于這些治療的性質(zhì)，根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例，患者安全性也是特別關(guān)心的，并且提供安全性特征也是特別合乎需要的。脈沖類型正如上面提到的，在提供FES中，本文中一般考慮提供電流脈沖而不是電壓脈沖。可能影響這樣的脈沖的組織電阻的變量間和變量?jī)?nèi)差異可能包括但不限于例如典型地由FES引起的出汗、皮膚移動(dòng)和循環(huán)增加。為了例如維持所需脈沖幅度，電流和/或電壓調(diào)控可能是合乎需要的。在FES療法的一些示例性實(shí)施例中，由于不論組織電阻如何都能將所需電荷遞送到組織，因此電流調(diào)控可能是優(yōu)選的。脈沖幅度和持續(xù)時(shí)間一般來說，只有在膜電位達(dá)到閾值膜電位時(shí)才生成動(dòng)作電位。在不同患者中存在各種不同的組織電阻。此外，在每位患者中，每一種類型的組織可能具有不同阻抗。因此，為了應(yīng)對(duì)這些阻抗變化，可能需要FES生成的脈沖具有不同的電流幅度。而且，正被刺激的組織類型因此也可能變成確定給定FES治療的幅度水平和脈沖持續(xù)時(shí)間的參數(shù)。例如，小肌肉的局部刺激一般需要較短、強(qiáng)度較低的脈沖，而較深的肌肉刺激需要較高幅度和較長(zhǎng)脈沖持續(xù)時(shí)間。脈沖上升時(shí)間電流脈沖的上升時(shí)間可能與提供增強(qiáng)的FES治療相關(guān)。例如，如果脈沖上升時(shí)間太慢，則膜電位可能對(duì)刺激適應(yīng)或做出調(diào)整。因此，盡管刺激脈沖在其他方面都足夠，但是也不能獲得閾值膜電位，并且所需的神經(jīng)肌肉興奮可能不發(fā)生。同樣地，改進(jìn)(即降低)的脈沖上升時(shí)間可能引起獲得類似刺激所要求的脈沖幅度降低。脈沖幅度的這樣的降低可以引起功率消耗的降低和施加到組織的總絕對(duì)電荷減少，其在某些應(yīng)用中可能是特別關(guān)注的。脈沖頻率脈沖遞送的頻率確定了組織中動(dòng)作電位生成的速率。如果刺激頻率等于或大于40Hz，則生成的動(dòng)作電位產(chǎn)生連續(xù)肌肉(強(qiáng)直性)收縮。如果刺激頻率在16至40Hz之間，則許多個(gè)體可能感覺到不連續(xù)的肌肉收縮(非強(qiáng)直性收縮)；然而，肌肉仍然能夠生成功能性任務(wù)。對(duì)于低于16Hz的刺激頻率來說，非常不可能出現(xiàn)連續(xù)的(強(qiáng)直性)肌肉收縮。刺激頻率越高，肌肉疲勞越快，并且患者所經(jīng)歷的不適越少。脈沖極性和對(duì)稱性脈沖可以是單極(正或負(fù))或雙極(正和負(fù))的。雙極脈沖可以是對(duì)稱或不對(duì)稱的。在例如圖1中圖示了這些特性的不同排列。上述特性定義了在FES應(yīng)用中使用的脈沖的類型和形狀。例如，對(duì)于外部刺激來說，優(yōu)選維持組織上的電 荷平衡，因?yàn)殡S時(shí)間在組織中積累的過量電荷可以導(dǎo)致觸電過程并造成顯著的組織損傷和疼痛。因此，在臨床實(shí)踐中最經(jīng)常使用在每個(gè)方向上施加相同量電荷的雙極脈沖。具有采取給定幅度和持續(xù)時(shí)間的一個(gè)負(fù)相和采取所述幅度的四分之一和所述持續(xù)時(shí)間的4倍的一個(gè)第二正相的不對(duì)稱脈沖被認(rèn)為用于產(chǎn)生對(duì)外部FES應(yīng)用的改進(jìn)的結(jié)果，然而在本發(fā)明的背景中也可以考慮其他脈沖持續(xù)時(shí)間和幅度比，而不背離本公開的一般性背景。取決于所探討的應(yīng)用，脈沖刺激參數(shù)的提高的精確性和控制可以允許更精確和有效的治療，更不用說提高的患者安全性和舒適水平。例如，提供減少的脈沖上升時(shí)間(其可能有效地造成用于生成所需肌肉收縮的脈沖幅度(能量)的降低)、嚴(yán)格控制脈沖時(shí)間特性和脈沖幅度，可能都有助于降低電荷積累的可能性，并且因此代表了用于FES系統(tǒng)改進(jìn)的固定機(jī)會(huì)。在下面的表I中，概述了各種脈沖特性及其對(duì)FES的影響，以及在FES應(yīng)用的背景中適用于提供改進(jìn)的FES治療機(jī)會(huì)的相應(yīng)準(zhǔn)則，至少一些所述改進(jìn)的FES治療機(jī)會(huì)在本文描述的本發(fā)明的各種實(shí)施例及其等同物的實(shí)現(xiàn)中，總體上得以實(shí)現(xiàn)。0078
權(quán)利要求
1.一種電刺激裝置，用于經(jīng)由施加到活體的區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)電極引線向所述區(qū)域提供順序雙極脈沖刺激，所述裝置包括電流脈沖生成電路，所述電流脈沖生成電路包括用于操作性耦聯(lián)到所述一個(gè)或多個(gè)電極引線的輸出節(jié)點(diǎn)，并被配置用于操作性耦聯(lián)到基本上恒定的電壓源，所述電流脈沖生成電路包括從所述基本上恒定的電壓源拉出的正和負(fù)刺激通路，以經(jīng)所述一個(gè)或多個(gè)電極引線通過所述區(qū)域分別施加正和負(fù)電流，所述刺激通路包括相應(yīng)的電容元件，其電容比至少部分決定了所述正電流與負(fù)電流的幅度比，其中所述刺激通路的周期性交替激活提供了所述順序雙極脈沖刺激。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電刺激裝置，所述刺激通路包括從所述基本上恒定的電壓源拉出的正刺激回路和負(fù)刺激回路，其每個(gè)串聯(lián)地包含所述輸出節(jié)點(diǎn)；以及包括相應(yīng)的回路激活開關(guān)和所述相應(yīng)電容元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電刺激裝置，所述裝置進(jìn)一步包括控制器，所述控制器被配置用于交替激活所述回路激活開關(guān)以提供所述順序雙極脈沖刺激。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電刺激裝置，所述控制器進(jìn)一步被配置用于交替激活所述回路激活開關(guān)以提供負(fù)和正電流脈沖，所述負(fù)和正電流脈沖的持續(xù)時(shí)間比與所述電容比成反比。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，其中所述電容元件被串聯(lián)連接并且其中所述激活開關(guān)被串聯(lián)連接，所述輸出節(jié)點(diǎn)與所述串聯(lián)連接的電容元件和所述串聯(lián)連接的激活開關(guān)相交，由此定義了所述正刺激回路和所述負(fù)刺激回路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，其中在每個(gè)所述刺激通路的激活期間，所述相應(yīng)電容元件中的至少一個(gè)與所述刺激區(qū)域串聯(lián)地部署，由此減少操作期間所述被刺激區(qū)域中的電荷積累。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，其中所述相應(yīng)電容元件中的至少一個(gè)包括兩個(gè)或更多串聯(lián)連接的電容元件，其至少一個(gè)在操作期間被選擇性激活以修改其組合電容，由此調(diào)整所述電容比。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電刺激裝置，其中所述電容比的調(diào)整提供在對(duì)稱與不對(duì)稱脈沖刺激之間的選擇。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，進(jìn)一步包括與所述相應(yīng)電容元件并聯(lián)連接的輸出電容器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電刺激裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)開關(guān)，其在提供源自于所述輸出電容器的單極刺激脈沖中被選擇性激活以基本上繞過所述相應(yīng)電容元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，其中經(jīng)由雙極刺激施加到所述區(qū)域的電荷由所述負(fù)和正電流的各個(gè)順序?qū)酒胶狻?br> 12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，進(jìn)一步包括去激活開關(guān)，用于將所述區(qū)域與所述脈沖生成電路選擇性斷開。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，進(jìn)一步包括所述基本上恒定的電壓源。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電刺激裝置，所述基本上恒定的電壓源包括雙級(jí)開關(guān)模式電源(SMPS)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電刺激裝置，所述雙級(jí)SMPS包括反激式轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器，所述反激式轉(zhuǎn)換器操作性耦聯(lián)到電源以提供所述基本上恒定的電壓源，所述降壓轉(zhuǎn)換器與其可操作耦合以在調(diào)控通過所述電流脈沖生成電路可用的脈沖電流幅度中調(diào)整所述基本上恒定的電壓源。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電刺激裝置，其中所述脈沖生成電路被集成耦合到所述降壓轉(zhuǎn)換器。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，所述裝置進(jìn)一步包括控制器，用于在調(diào)控其的基本上恒定的電壓源和由此啟用的脈沖電流幅度中的至少一種中，動(dòng)態(tài)控制所述基本上恒定的電壓源。
18.根據(jù)權(quán)利要求13中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，包括多個(gè)刺激通道，所述基本上恒定的電壓源包括共用的初級(jí)功率級(jí)和相應(yīng)的次級(jí)功率級(jí)，用于為所述通道中的各個(gè)的相應(yīng)脈沖生成電路提供所述基本上恒定的電壓源。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電刺激裝置，進(jìn)一步包括為并行的所述多個(gè)通道中的各個(gè)生成通道特定脈沖序列的控制器。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的電刺激裝置，所述基本上恒定的電壓源包括反激式轉(zhuǎn)換器，其初級(jí)側(cè)提供所述共用的初級(jí)級(jí)；以及經(jīng)由相應(yīng)的反激式轉(zhuǎn)換器次級(jí)側(cè)與其操作性耦聯(lián)的相應(yīng)的降壓轉(zhuǎn)換器。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，進(jìn)一步包括至少一個(gè)組織阻抗監(jiān)視裝置，所述至少一個(gè)組織阻抗監(jiān)視裝置被配置成在所述組織阻抗超過預(yù)設(shè)閾值后自動(dòng)去激活所述刺激裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，所述裝置包括可植入裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電刺激裝置，所述基本上恒定的電壓源包括初級(jí)功率級(jí)和可植入的次級(jí)功率級(jí)，用于向可植入的脈沖生成電路提供所述基本上恒定的電壓源。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至23中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，進(jìn)一步包括所述一個(gè)或多個(gè)電極引線。
25.根據(jù)權(quán)利要求1至24中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，其中所述脈沖刺激的脈沖上升時(shí)間不超過500ns。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過100ns。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過80ns。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過50ns。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過20ns。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過10ns。
31.根據(jù)權(quán)利要求2至5中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，其中所述脈沖刺激的脈沖上升時(shí)間主要由所述相應(yīng)的回路激活開關(guān)的開關(guān)速度來決定。
32.根據(jù)權(quán)利要求25至31中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間使由所述脈沖刺激引起的身體不適最小化。
33.一種功能性電刺激(FES)系統(tǒng)，用于經(jīng)由施加到活體的區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)電極向所述區(qū)域提供電流脈沖刺激，該系統(tǒng)包括 控制平臺(tái)，所述控制平臺(tái)具有一個(gè)或多個(gè)輸入，用于接收代表待施加到所述區(qū)域的所選的電流脈沖特性的FES參數(shù)；輸出級(jí)，所述輸出級(jí)操作性耦聯(lián)到所述控制平臺(tái)，用于根據(jù)所述特性經(jīng)由所述一個(gè)或多個(gè)電極生成電流脈沖，所述輸出級(jí)包括 電源； 脈沖生成電路，所述脈沖生成電路操作性耦聯(lián)到所述電源以從其抽取電流；以及 一個(gè)或多個(gè)控制器，所述一個(gè)或多個(gè)控制器操作性耦聯(lián)到所述電源和脈沖生成電路，所述一個(gè)或多個(gè)控制器被配置成根據(jù)所述特性來控制所述脈沖生成電路的操作以生成所述電流脈沖，并在調(diào)控所述特性中監(jiān)視經(jīng)由所述電源提供的源電壓和源電流中的至少一種。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的FES系統(tǒng)，所述一個(gè)或多個(gè)控制器被配置成監(jiān)視所述源電壓和源電流兩者。
35.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的FES系統(tǒng)，所述控制器包括滯后控制器，用于監(jiān)視和調(diào)控由所述系統(tǒng)生成的電流脈沖幅度。
36.根據(jù)權(quán)利要求33至35中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，所述脈沖生成電路包括控制器驅(qū)動(dòng)開關(guān)，用于選擇性配置所述脈沖生成電路以產(chǎn)生對(duì)稱或不對(duì)稱的雙極電流脈沖。
37.根據(jù)權(quán)利要求33至36中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，其中所述生成的電流脈沖的上升時(shí)間不超過500ns。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的FES系統(tǒng)，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過100ns。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的FES系統(tǒng)，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過80ns。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的FES系統(tǒng)，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過50ns。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的FES系統(tǒng)，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過20ns。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的FES系統(tǒng)，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過10ns。
43.根據(jù)權(quán)利要求33至42中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，所述脈沖生成電路包括在生成所述電流脈沖中由所述控制器激活的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)，其中所述生成的電流脈沖的上升時(shí)間主要由所述一個(gè)或多個(gè)開關(guān)的開關(guān)速度來決定。
44.根據(jù)權(quán)利要求37至43中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，其中所述脈沖上升時(shí)間使由所述生成的電流脈沖引起的身體不適最小化。
45.根據(jù)權(quán)利要求33至44中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，所述一個(gè)或多個(gè)控制器包括一個(gè)或多個(gè)組織阻抗監(jiān)視裝置，用于監(jiān)視所述區(qū)域中組織的阻抗，并用于在監(jiān)視到的阻抗指示偏離安全操作后去激活刺激。
46.根據(jù)權(quán)利要求33至45中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，所述脈沖生成電路包括從所述電源拉出的正和負(fù)刺激通路，以經(jīng)由所述一個(gè)或多個(gè)電極分別施加通過所述區(qū)域的正和負(fù)電流，所述刺激通路包括相應(yīng)的電容元件，所述電容元件的電容比至少部分地決定所述正電流與負(fù)電流的幅度比，其中利用所述控制器對(duì)所述刺激通路的周期性交替激活提供了順序雙極脈沖刺激。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的FES系統(tǒng)，所述刺激通路包括從所述電源拉出的正刺激回路和負(fù)刺激回路，其每個(gè)串聯(lián)地包含所述一個(gè)或多個(gè)電極；以及包括由所述一個(gè)或多個(gè)控制器選擇性操作的所述相應(yīng)的電容元件和相應(yīng)的回路激活開關(guān)。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的FES系統(tǒng)，所述控制器被配置用于交替激活所述回路激活開關(guān)以提供所述順序雙極脈沖刺激。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的FES系統(tǒng)，所述一個(gè)或多個(gè)控制器進(jìn)一步被配置用于選擇性地交替激活所述回路激活開關(guān)以提供負(fù)和正電流脈沖，所述負(fù)和正電流脈沖的持續(xù)時(shí)間比與所述電容比成反比。
50.根據(jù)權(quán)利要求47至49中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，其中所述電容元件被串聯(lián)連接并且其中所述激活開關(guān)被串聯(lián)連接，電極輸出節(jié)點(diǎn)與所述串聯(lián)連接的電容元件和所述串聯(lián)連接的激活開關(guān)相交，由此定義了所述正刺激回路和所述負(fù)刺激回路。
51.根據(jù)權(quán)利要求46至50中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，其中所述相應(yīng)電容元件中的至少一個(gè)包括兩個(gè)或更多串聯(lián)連接的電容元件，所述電容元件中的至少一個(gè)由所述一個(gè)或多個(gè)控制器根據(jù)所述特性選擇性激活，以修改其組合電容并由此調(diào)整所述電容比。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的FES系統(tǒng)，其中所述電容比的調(diào)整提供在對(duì)稱與不對(duì)稱脈沖刺激之間的選擇。
53.根據(jù)權(quán)利要求46至52中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與所述相應(yīng)電容元件并聯(lián)連接的輸出電容器，以及一個(gè)或多個(gè)開關(guān)，所述一個(gè)或多個(gè)開關(guān)由所述一個(gè)或多個(gè)控制器選擇性激活，以在提供源自所述輸出電容器的單極刺激脈沖中基本上繞過所述相應(yīng)電容元件。
54.根據(jù)權(quán)利要求33至53中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，其中經(jīng)由雙極刺激施加于所述區(qū)域的電荷被所述電流脈沖固有地平衡。
55.根據(jù)權(quán)利要求33至54中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，所述電源包括雙級(jí)開關(guān)模式電源(SMPS)。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的FES系統(tǒng)，所述雙級(jí)SMPS包括反激式轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器，所述反激式轉(zhuǎn)換器操作性耦聯(lián)到電源并受到所述一個(gè)或多個(gè)控制器控制以提供基本上恒定的電壓源，所述降壓轉(zhuǎn)換器與其可操作耦合并受到所述一個(gè)或多個(gè)控制器控制，以在調(diào)控通過所述電流脈沖生成電路可用的脈沖電流幅度中調(diào)整所述基本上恒定的電壓源。
57.根據(jù)權(quán)利要求56所述的FES系統(tǒng)，其中所述脈沖生成電路集成耦合到所述降壓轉(zhuǎn)換器。
58.根據(jù)權(quán)利要求33至56中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，包括多個(gè)刺激通道，所述電源包括共用的初級(jí)功率級(jí)，并且每個(gè)所述通道在向相應(yīng)的脈沖生成電路供電中包括從所述初級(jí)功率級(jí)拉出的相應(yīng)次級(jí)功率級(jí)。
59.根據(jù)權(quán)利要求58所述的FES系統(tǒng)，所述一個(gè)或多個(gè)控制器被配置成在為并行的所述多個(gè)通道中的各個(gè)生成通道特定脈沖序列中，控制每個(gè)所述相應(yīng)的脈沖生成電路。
60.根據(jù)權(quán)利要求58或59所述的FES系統(tǒng)，所述電源包括反激式轉(zhuǎn)換器和相應(yīng)降壓轉(zhuǎn)換器，所述反激式轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)提供所述共用的初級(jí)級(jí)，所述相應(yīng)降壓轉(zhuǎn)換器經(jīng)由相應(yīng)的反激式轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)與其操作性耦聯(lián)。
61.根據(jù)權(quán)利要求33至46中的任一項(xiàng)所述的FES系統(tǒng)，其中所述輸出級(jí)在單一芯片上數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。
62.一種電刺激裝置，用于經(jīng)由施加到活體的區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)電極引線向所述區(qū)域提供電流脈沖刺激，所述裝置包括電流脈沖生成電路，所述電流脈沖生成電路包括用于操作性耦聯(lián)到所述一個(gè)或多個(gè)電極引線的輸出節(jié)點(diǎn)，并被配置用于操作性耦聯(lián)到電壓源，所述電流脈沖生成電路包括正和負(fù)刺激通路，每個(gè)所述通路包括相應(yīng)的充電元件和相應(yīng)的激活開關(guān)，其中每個(gè)所述相應(yīng)充電元件由所述電壓源充電，并在所述相應(yīng)的激活開關(guān)激活后放電，以分別生成正和負(fù)電流脈沖，使得所述正和負(fù)電流脈沖的脈沖上升時(shí)間主要由各個(gè)所述相應(yīng)開關(guān)的開關(guān)速度來決定。
63.根據(jù)權(quán)利要求62中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過500ns。
64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過100ns。
65.根據(jù)權(quán)利要求64所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過80ns。
66.根據(jù)權(quán)利要求65所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過50ns。
67.根據(jù)權(quán)利要求66所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過20ns。
68.根據(jù)權(quán)利要求67的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間不超過10ns。
69.根據(jù)權(quán)利要求62至68中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，其中所述脈沖上升時(shí)間使由所述脈沖刺激引起的身體不適最小化。
70.根據(jù)權(quán)利要求62至69中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，其中每個(gè)所述相應(yīng)的充電元件包括一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)的電容器。
71.根據(jù)權(quán)利要求70所述的電刺激裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)電容器的電容比至少部分地決定了所述正電流與負(fù)電流的幅度比。
72.根據(jù)權(quán)利要求71所述的電刺激裝置，所述刺激通路包括從所述電壓源拉出的正刺激回路和負(fù)刺激回路，其每一個(gè)串聯(lián)地包含所述輸出節(jié)點(diǎn)；以及包括所述相應(yīng)的激活開關(guān)和所述相應(yīng)的電容器。
73.根據(jù)權(quán)利要求71或72所述的電刺激裝置，所述裝置進(jìn)一步包括控制器，所述控制器被配置用于交替激活所述相應(yīng)開關(guān)以提供順序雙極脈沖刺激。
74.根據(jù)權(quán)利要求73所述的電刺激裝置，所述控制器進(jìn)一步被配置用于交替激活所述相應(yīng)開關(guān)以提供負(fù)和正電流脈沖，所述負(fù)和正電流脈沖的持續(xù)時(shí)間比與所述電容比成反比。
75.根據(jù)權(quán)利要求73或74所述的電刺激裝置，其中經(jīng)由雙極刺激施加于所述區(qū)域的電荷基本上被所述負(fù)和正電流的各個(gè)順序?qū)λ胶狻?br> 76.根據(jù)權(quán)利要求62至75中的任一項(xiàng)所述的電刺激裝置，進(jìn)一步包括所述電壓源，所述電壓源包括基本上恒定的電壓源。
77.根據(jù)權(quán)利要求76所述的電刺激裝置，所述電壓源包括雙級(jí)開關(guān)模式電源(SMPS)。
78.根據(jù)權(quán)利要求77所述的電刺激裝置，所述雙級(jí)SMPS包括操作性耦聯(lián)到電源的反激式轉(zhuǎn)換器；和降壓轉(zhuǎn)換器，所述降壓轉(zhuǎn)換器與其操作性耦聯(lián)，以在調(diào)控通過所述電流脈沖生成電路可用的脈沖電流幅度中調(diào)整所述基本上恒定的電壓源。
79.根據(jù)權(quán)利要求78所述的電刺激裝置，其中所述脈沖生成電路集成耦合到所述降壓轉(zhuǎn)換器。
80.根據(jù)權(quán)利要求76所述的電刺激裝置，所述電壓源包括雙級(jí)電源，所述脈沖生成電路集成到所述雙級(jí)電源的第二輸出功率級(jí)。
81.根據(jù)權(quán)利要求1至32或62至80中的任一項(xiàng)所述的裝置或根據(jù)權(quán)利要求33至61中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)的用途，用于提供功能性電刺激，以在患有神經(jīng)肌肉缺陷、中風(fēng)、多發(fā)性硬化癥、脊髓損傷、中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷或肌肉損傷的個(gè)體中改善肌肉、關(guān)聯(lián)神經(jīng)、腦和脊髓的功能中的一種或多種。
82.根據(jù)權(quán)利要求1至32或62至80中的任一項(xiàng)所述的裝置或根據(jù)權(quán)利要求33至61中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)的用途，用于向能夠在其間通訊的多個(gè)關(guān)聯(lián)神經(jīng)提供功能性電刺激，以便促進(jìn)所述神經(jīng)間的通訊。
83.根據(jù)權(quán)利要求82中定義的用途，其中以從運(yùn)動(dòng)單元激活閾值的約一倍至所述運(yùn)動(dòng)單元激活閾值的約三倍的強(qiáng)度來施加所述功能性電刺激。
84.根據(jù)權(quán)利要求83中定義的用途，其中以所述運(yùn)動(dòng)單元激活閾值的約兩倍的強(qiáng)度來施加所述功能性電刺激。
85.根據(jù)權(quán)利要求82至84中的任一項(xiàng)中定義的用途，其中所述神經(jīng)之間的通訊互連性隨時(shí)間改善。
86.一種用于促進(jìn)多個(gè)關(guān)聯(lián)神經(jīng)之間的通訊的功能性電刺激的用途，包括向所述多個(gè)關(guān)聯(lián)神經(jīng)以運(yùn)動(dòng)單元激活閾值的約一倍至所述運(yùn)動(dòng)單元激活閾值的約三倍的強(qiáng)度施加功能性電刺激，由此使所述神經(jīng)之間的通訊互連性隨時(shí)間改善。
87.根據(jù)權(quán)利要求86中定義的用途，其中作為對(duì)稱的雙極脈沖施加所述電刺激。
88.根據(jù)權(quán)利要求86或87中的任一項(xiàng)中定義的用途，其中以約40Hz的頻率提供所述電刺激。
89.根據(jù)權(quán)利要求87中定義的用途，其中所述脈沖被施加約250μ S。
90.根據(jù)權(quán)利要求1至32或62至80中的任一項(xiàng)所述的裝置或根據(jù)權(quán)利要求33至61中的任一項(xiàng)的系統(tǒng)的用途，用于向能夠在其間通訊的多個(gè)關(guān)聯(lián)神經(jīng)提供功能性電刺激，以便促進(jìn)神經(jīng)可塑性并改善所述神經(jīng)間的通訊。
全文摘要
本文公開了一種功能性電刺激(FES)裝置和系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，可以經(jīng)由FES裝置經(jīng)施加到活體區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)電極引線向所述區(qū)域提供順序雙極脈沖刺激，所述FES裝置包括電流脈沖生成電路，該電流脈沖生成電路包括用于操作性耦聯(lián)到所述一個(gè)或多個(gè)電極引線的輸出節(jié)點(diǎn)，并被配置用于操作性耦聯(lián)到電壓源。所述電流脈沖生成電路一般包括從所述電壓源拉出的正和負(fù)刺激通路，以經(jīng)由所述一個(gè)或多個(gè)電極引線分別施加通過所述區(qū)域的正和負(fù)電流。在一個(gè)實(shí)例中，所述刺激通路包括相應(yīng)的電容元件，其電容比至少部分決定了所述正電流與負(fù)電流的幅度比，其中所述刺激通路的周期性交替激活提供了所述順序雙極脈沖刺激。在另一個(gè)實(shí)例中，每個(gè)通路包括相應(yīng)的充電元件和相應(yīng)的激活開關(guān)，其中每個(gè)相應(yīng)的充電元件由所述電壓源充電，并在相應(yīng)激活開關(guān)激活后放電，以分別生成正和負(fù)電流脈沖，使得主要通過每個(gè)相應(yīng)開關(guān)的開關(guān)速度來指示所述正和負(fù)電流脈沖的脈沖上升時(shí)間。還描述了這些裝置以及總體來說FES的系統(tǒng)及其用途。
文檔編號(hào)A61N1/04GK103052424SQ201180038364
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者米洛斯·R·波波維奇, 馬西莫·塔魯利, 亞歷山大·普羅迪奇, 彼得·萊恩 申請(qǐng)人:大學(xué)健康網(wǎng)絡(luò)