電感組件的定向和放置以最小化對(duì)植入式醫(yī)療設(shè)備中的通信線圈的噪聲耦合的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及例如植入式脈沖發(fā)生器等植入式醫(yī)療設(shè)備中的無(wú)線通信的改善。
【背景技術(shù)】
[0002]植入式刺激設(shè)備將電刺激遞送到神經(jīng)和組織以用于各種生物失常的治療，例如，用于治療心律失常的起搏器，用于治療心臟纖維顫動(dòng)的去顫器，用于治療耳聾的耳蝸激勵(lì)器，用于治療失明的視網(wǎng)膜激勵(lì)器，用于產(chǎn)生協(xié)調(diào)肢體運(yùn)動(dòng)的肌肉激勵(lì)器，用于治療慢性疼痛的脊髓激勵(lì)器，用于治療運(yùn)動(dòng)和心理失常的皮質(zhì)和深腦激勵(lì)器以及用于治療尿失禁、睡眠呼吸暫停、肩部半脫位等的其它神經(jīng)激勵(lì)器。下文的描述一般將集中于本發(fā)明在脊髓刺激(SCS)系統(tǒng)中的使用，例如公開(kāi)于美國(guó)專利6，516，227中。然而，本發(fā)明可適用于任何植入式醫(yī)療設(shè)備或任何植入式醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。
[0003]典型地，SCS系統(tǒng)包括植入式脈沖發(fā)生器(IPG)，例如，描述于2013年9月5日提交的題為“采用內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的植入式醫(yī)療設(shè)備的構(gòu)造”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/874,194中。圖1以俯視圖和橫截面圖示出申請(qǐng)案‘194中的IPG 10，所述IPG 10包括生物相容設(shè)備外殼30，其容納有所述IPG運(yùn)行所必須的電路27和電池34 <JPG 10通過(guò)形成電極陣列12的一個(gè)或多個(gè)電極引線14耦合到電極16。電極16由柔性體18承載，所述柔性體18還容納耦合到各個(gè)電極16的單個(gè)信號(hào)線20。信號(hào)線20還耦合到鄰面觸點(diǎn)22，其可插入固定在IPG 10上的頭部28中的引線連接器24中，其中所述頭部可包含，例如，環(huán)氧樹(shù)脂。一旦插入，則鄰面觸點(diǎn)22就連接到引線連接器24中的頭部觸點(diǎn)26，所述頭部觸點(diǎn)26又通過(guò)饋通引腳48(圖2)耦合到外殼30內(nèi)的電路。在所示實(shí)施例中，十六個(gè)電極16分裂在兩個(gè)引線14之間，但是引線和電極的數(shù)量對(duì)于特定應(yīng)用是特定的并且能夠變化。在SCS應(yīng)用中，電極引線14典型地植入患者脊髓內(nèi)硬脊膜的左右側(cè)。隨后，鄰面觸點(diǎn)22穿過(guò)患者組織到達(dá)植入IPG外殼30的遠(yuǎn)端位置，在該點(diǎn)處其耦合到引線連接器24。
[0004]圖2示出移除外殼30后的IPG10的底側(cè)和頂側(cè)的透視圖，從而可看到內(nèi)部組件，包括電池34、通信線圈(天線)40和印刷電路板(PCB)42。如申請(qǐng)案‘194中所解釋，這些組件固定到剛性(例如，塑料)支撐結(jié)構(gòu)38并使用剛性(例如，塑料)支撐結(jié)構(gòu)38進(jìn)行集成。在本示例中，電池34為永久性、非無(wú)線可再充電電池。(電池34也可為可再充電電池，在這種情況下，可使用通信線圈40或另一再充電線圈無(wú)線接收經(jīng)被整流以對(duì)電池34進(jìn)行充電的充電場(chǎng))。通信線圈40通過(guò)磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)IPG 1和患者外部設(shè)備(圖3)之間的雙向通信。通信線圈40的末端焊接到被模制入支撐結(jié)構(gòu)38中的線圈引腳44以便于通信線圈40至PCB 42的最后連接。PCB 42集成有IPG 10的運(yùn)行所需的各種電路27。通信線圈40在平面40p內(nèi)緊鄰IPG 10的底側(cè)，而PCB 42在平面42p內(nèi)緊鄰頂側(cè)，如圖1的橫斷面中所示。
[0005]圖3示出具有線圈108的外部控制器100，所述線圈108用于通過(guò)磁感應(yīng)鏈路90與IPG 10的通信線圈40通信。優(yōu)選地，外部控制器100是手持式的和便攜式的，并且包括用戶界面(顯示器、按鈕等)以允許用戶調(diào)節(jié)IPG 10所提供的治療電流(例如，以增大或減小所提供的刺激，以改變哪個(gè)電極提供刺激，等等)并回顧IPG 10所報(bào)告的狀態(tài)信息。
[0006]在傳統(tǒng)的SCS系統(tǒng)中，使用頻移鍵控(FSK)協(xié)議沿鏈路90雙向傳輸數(shù)據(jù)，其中，以中心頻率(例如，f c = 125kHz)周圍的不同頻率無(wú)線傳輸連續(xù)的位串。例如，若‘ O ’位要被傳輸至IPG 1，則外部控制器100 (例如，微控制器)中的控制電路1 2向外部控制器1 O中的調(diào)制器/發(fā)送器電路104數(shù)字地提供該位。調(diào)制器/發(fā)送器104調(diào)諧線圈108以在例如121kHz下諧振一個(gè)比特持續(xù)時(shí)間(例如，250微秒)。通過(guò)鏈路90將此頻率傳輸?shù)絀PG 10中的通信線圈40，通信線圈40的解調(diào)器/接收器電路49根據(jù)其頻率將其解碼為數(shù)字‘0’，并且將其報(bào)告給IPG的控制電路50(例如，微控制器)以進(jìn)行譯碼。將類似地傳輸‘I’位，但是以不同的頻率，例如129kHz。類似地，通過(guò)IPG 10中的調(diào)制器/發(fā)送器電路47和外部控制器100中的解調(diào)器/接收器電路106進(jìn)行從IPG 1到外部控制器100的數(shù)據(jù)傳輸。
[0007]能夠以不同方式進(jìn)行外部控制器100和IPG 10之間的無(wú)線通信，并且能夠不同地配置外部控制器，如2013年9月6提交的美國(guó)專利申請(qǐng)案第61/874，863號(hào)中所解釋。
[0008]圖4A示出美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案2013/0331910中所描述的IPG10的構(gòu)造。尤其著重示出IPG 10中的各個(gè)電源，其以粗線示出。初級(jí)電池34提供主電源電壓Vbat，從其衍生出IPG 1中的所有其它電源電壓。因?yàn)閂bat相對(duì)較小(例如，大約3伏，但是隨其在IPG 1的使用壽命內(nèi)被耗盡而降低)，并且因?yàn)镮PG 10中的特定電路要求可提供高于Vbat的電源電壓，因此IPG 10包括升壓電路。尤其，IPG 10包括第一升壓式轉(zhuǎn)換器52和第二升壓式轉(zhuǎn)換器70，其兩者均包含用于將Vbat轉(zhuǎn)換成不同的電源電壓(S卩Vup和V+)的DC-DC轉(zhuǎn)換器，如下文將進(jìn)一步解釋。
[0009]第一升壓式轉(zhuǎn)換器52生成電源Vup，其包含用于IPG 10中的大多數(shù)電路的電源，包括模擬電路62、數(shù)字電路64(包括微控制器50)以及存儲(chǔ)器60。可調(diào)整Vup(根據(jù)調(diào)節(jié)器54、56和58)以衍生出這些電路中的每一個(gè)所專用的獨(dú)立的電源電壓Va、Vd和Vf。在一個(gè)示例中，Vup可近似等于3.2伏，通過(guò)低壓差調(diào)整器54、56和58產(chǎn)生近似2.8伏的電源Va、Vd和Vf。因?yàn)槟M電路62、數(shù)字電路64和存儲(chǔ)器64的細(xì)節(jié)描述于上文引用的申請(qǐng)案‘510中，此處不再對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。通過(guò)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)塊53監(jiān)測(cè)Vup，其將Vup與參考電壓Vref進(jìn)行比較以確定Vup是否過(guò)低。若過(guò)低，則此塊53通過(guò)控制信號(hào)boost I指示第一升壓式轉(zhuǎn)換器53運(yùn)行，如下文將進(jìn)一步解釋。
[0010]第二升壓式轉(zhuǎn)換器70用于生成不同的電源電壓V+，稱為順從電壓，以向在電極16中的一個(gè)或多個(gè)處產(chǎn)生治療電流脈沖(1ut)的電流生成電路74供電。在圖4A中，此電流生成電路包含一個(gè)或多個(gè)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)74，其根據(jù)數(shù)字控制信號(hào)(CNTR)提供指定量值、頻率和持續(xù)時(shí)間的電流脈沖。因?yàn)橹付娏髅}沖能夠?qū)τ诮o定患者在不同的時(shí)間而不同，或?qū)τ诓煌幕颊叨煌?，因此V+不是固定的，而是被設(shè)定為最佳電平，其非過(guò)低而不能提供指定的電流脈沖，亦非過(guò)高而浪費(fèi)電池34的電力。具體地，V+監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)電路76監(jiān)測(cè)DAC 74上的電壓降，其使用該電壓降以根據(jù)控制信號(hào)boost 2來(lái)控制第二升壓式轉(zhuǎn)換器70生成適當(dāng)量值的電源電壓V+。再次，可在上文引用的申請(qǐng)案‘510中找到關(guān)于順從電壓生成的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。
[0011]第一升壓式轉(zhuǎn)換器52(產(chǎn)生Vup)和第二升壓式轉(zhuǎn)換器70(產(chǎn)生V+)兩者均可包含如圖4B所示的相同基本電路，其包含熟知的基于電感器的升壓式轉(zhuǎn)換器。當(dāng)通過(guò)控制信號(hào)boost I或boost 2啟動(dòng)時(shí)，脈沖寬度調(diào)制器80調(diào)制被發(fā)送到晶體管84的柵極的時(shí)鐘信號(hào)(CLK)的脈沖寬度(PW)。當(dāng)晶體管84接通時(shí)，電流(I)流過(guò)電感器82。當(dāng)晶體管84斷開(kāi)時(shí)，電感器82中的電流通過(guò)二極管86對(duì)電容器88放電，其中電容器88的頂板包含第一升壓式轉(zhuǎn)換器52中的Vup或第二升壓式轉(zhuǎn)換器70中的順從電壓V+。因?yàn)殡娙萜?8已被充電到電池電壓Vbat，所以來(lái)自電感器82的額外電荷使Vup或V+升壓到高于Vbat的值，其中二極管86防止此剩余電荷反向消散入電路。除了存儲(chǔ)電荷之外，電容器88還對(duì)Vup和V+進(jìn)行濾波和穩(wěn)定化。因此，當(dāng)晶體管84的柵極在接通和斷開(kāi)之間振蕩時(shí)，Vup或V+以由柵極脈沖串的占空度確定的速率繼續(xù)升壓。當(dāng)控制信號(hào)boost I或boost 2禁用時(shí)，晶體管84的柵極處的振蕩暫停，其導(dǎo)致當(dāng)電荷被這些電源所連接的電路消耗時(shí)Vup或V+下降。當(dāng)然，用于第一和第二升壓式轉(zhuǎn)換器52和70的電路值的細(xì)節(jié)將根據(jù)其不同的功能及其必須產(chǎn)生的電壓而不同。控制信號(hào)boost I和boost 2可為數(shù)字或模擬信號(hào)，并且可包含數(shù)字或模擬值，其指示出升壓式轉(zhuǎn)換器必須如何“艱苦”工作以產(chǎn)生希望的電源電壓。
[0012]已知升壓式轉(zhuǎn)換器具有干擾可在IPG中運(yùn)行的遙測(cè)電路的可能性。參看美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案2010/0211132號(hào)，其在產(chǎn)生順從電壓V+的第二升壓式轉(zhuǎn)換器70的上下文中論述了此問(wèn)題。這是因?yàn)?，通過(guò)流經(jīng)其電感器82的電流I，升壓式轉(zhuǎn)換器在運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生磁場(chǎng)85，所述磁場(chǎng)85可耦合到IPG中的通信線圈40。即使通信線圈40具有較高的品質(zhì)因數(shù)和良好的頻帶外噪聲抑制，電感器82產(chǎn)生的磁場(chǎng)85仍可具有通常處于通信線圈頻帶(例如，從10kHz到150kHz)內(nèi)的頻率分量。此外，存在于磁場(chǎng)85中的頻率分量難以控制，這是因?yàn)槠淙Q于升壓式轉(zhuǎn)換器在任何給定時(shí)間產(chǎn)生的