具有快速開啟時間的電流感測多輸出電流刺激器的制造方法
【專利說明】具有快速開啟時間的電流感測多輸出電流刺激器
[0001]本申請要求于2013年3月15日提交的美國臨時申請N0.61/788，871的權(quán)益。前述申請的主題據(jù)此全文以引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及電流鏡電路，其能夠在需要受控的電流遞送以及找到功能性電刺激(FES)中的特定實用性的應(yīng)用中廣泛使用。
【背景技術(shù)】
[0003]通常在FES應(yīng)用中，電流刺激器用于提供可編程電流脈沖，這些電流脈沖被導(dǎo)向穿過電極以刺激目標(biāo)神經(jīng)肌肉組織。通過電極傳遞的電流脈沖的振幅和持續(xù)時間一般通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)被編程。DAC的電流輸出通常在電流刺激器上被放大至所需的輸出電流振幅。電流放大通常利用電流鏡電路實現(xiàn)，尤其對于MOSFET器件而言，電流增益通過控制電流鏡輸入側(cè)晶體管和輸出側(cè)晶體管的器件半導(dǎo)體管芯寬度(W)與長度(L)之比(W/L)實現(xiàn)。例如，在圖1的現(xiàn)有技術(shù)電流鏡電路中，輸入側(cè)晶體管Ml和輸出側(cè)晶體管M2的W/L比率決定了總電流增益。
[0004]有關(guān)傳遞的電流的振幅的錯誤主要是由于刺激器的有限輸出阻抗，以及輸入側(cè)晶體管Ml和輸出側(cè)晶體管M2之間的任何失配錯誤所致。一種補償刺激器的輸出阻抗效應(yīng)的技術(shù)是構(gòu)造圖1的電路，將晶體管MCl和MC2包括在共源共柵布置中，以增大刺激器的輸出阻抗。通常，為了補償輸入側(cè)晶體管和輸出側(cè)晶體管的失配，一般是增大晶體管的寬度和/或長度。然而，增大器件的W和L會帶來負面影響，即刺激器從開啟到關(guān)閉之間(反之亦然)的響應(yīng)時間由于晶體管電容的增大而顯著變慢。當(dāng)刺激器電流被編程以實現(xiàn)低電流振幅時，這種變慢尤其易實現(xiàn)。
[0005]在高級應(yīng)用中，設(shè)想刺激器輸出電流被單獨和獨立地編程為通過多個電極，而不是通過僅單個電極。對于如圖2A中所示的候選電路，設(shè)想共源共柵晶體管可以分成多個共源共柵晶體管，即晶體管MC (2)到MC (η)，它們提供輸出電流至相應(yīng)的“負載”，并且總輸出電流等于輸入DAC電流乘以電流增益K。輸出OUT (2)至OUT (η)傳遞的輸出電流數(shù)量是可控的，方法是開關(guān)各共源共柵晶體管至電壓源VBP的柵極來開啟特定晶體管和開關(guān)各共源共柵晶體管至VS的柵極來關(guān)閉特定晶體管。在這類情況下，各輸出電流以及各輸出電流之和可能會根據(jù)不同電極/組織阻抗以及每個輸出處的電壓而變化。
[0006]如圖2Β所示，一種減少這些變化的技術(shù)是利用差動放大器或運算放大器(opamp)來嘗試調(diào)節(jié)刺激器的工作。在這種情況下，被指定為A的到運算放大器20的一個輸入是共源共柵晶體管MC (2)到MC (η)的漏極的公共互連器，而被指定為B的到運算放大器20的另一個輸入是預(yù)定的基準(zhǔn)電壓。在工作中，圖2Β的調(diào)節(jié)設(shè)計努力保持輸入A處的電壓等于輸入B處的電壓，使得恒定電流ID2流經(jīng)晶體管M2，而無論開啟或關(guān)閉的輸出的數(shù)量。然而，當(dāng)不同數(shù)量的電極被編程用于電流/刺激遞送時，由于耦接到運算放大器20的不同負載電容和負載，這種方法可能效果不佳。另外，當(dāng)相對小的電流被編程并且很大數(shù)量的電極被啟動時，特別期望有長的開啟時間和關(guān)閉時間。尤其在利用高電壓晶體管來使共源共柵晶體管適應(yīng)輸出處的高電壓時，這種情況會較為復(fù)雜。高電壓晶體管通常具有高閾值電壓，并且通常需要在晶體管開啟之前有一段長時間來充電至閾值電壓。在某些情況下，可能需要改善多電極應(yīng)用的輸出電流準(zhǔn)確性而無需連續(xù)校準(zhǔn)的電路設(shè)計，以及具有更少晶體管管芯面積的設(shè)計。在建立電流增益K的過程中，可能理想的是，至少在某些情況下避免對晶體管管芯大小的依賴來建立增益并且依賴于更可靠的參數(shù)諸如電阻器。
[0007]此外，在一些情況下，確保不同輸出電流水平下的快速開啟時間的設(shè)計可能會有幫助，這些不同輸出電流水平包括小輸出電流傳遞條件，尤其是使用能夠輸出大電流水平的多個可編程刺激電極。然而，在許多刺激器設(shè)計中，用于傳遞小輸出電流水平的開啟時間通常很長。這主要是由于:只有小電流可以流經(jīng)晶體管，以實現(xiàn)小輸出電流水平來對晶體管的寄生電容充電，尤其是柵極至源極電容。開啟時間甚至更長，尤其是對于能夠被編程為具有大電流輸出的高電壓刺激器。對于這些高電壓刺激器，所需的大輸出電流水平需要很大的高電壓晶體管，因為這些晶體管的增益相對低。另外，由于與這些高電壓晶體管相關(guān)聯(lián)的閾值電壓相對高，為了開啟這些高電壓晶體管，將會花費更長的時間來使小電流輸出將柵極至源極電壓充電至高于閾值電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一個非限制性實施例包括晶體管對，優(yōu)選的是MOSFET晶體管，每對晶體管以電流鏡構(gòu)造連接，并且以共源共柵布置耦接到源晶體管。每一對晶體管具有輸入側(cè)晶體管和輸出側(cè)晶體管，每對晶體管中的輸出側(cè)晶體管電耦接到相應(yīng)的和對應(yīng)的組織刺激電極。因此輸出側(cè)晶體管實現(xiàn)了提供多電流刺激器功能的電路。本發(fā)明還包括運算放大器或差動放大器，其一個輸入耦接到基準(zhǔn)電壓，另一個輸入耦接到輸出側(cè)晶體管，并且其輸出驅(qū)動源晶體管。在穩(wěn)態(tài)下，運算放大器使輸出側(cè)晶體管的電壓保持等于基準(zhǔn)電壓。
[0009]在一些情況下，電流源提供經(jīng)過第一電阻器以建立基準(zhǔn)電壓的恒定電流，并且電壓源提供經(jīng)過第二電阻器以建立輸出側(cè)晶體管的電壓的所有刺激電流。電流增益K代表一個系數(shù)，將恒定電流的值乘以該系數(shù)得到總刺激電流；電流增益K等于第一電阻器和第二電阻器值的比率。這樣，本發(fā)明避免了對在對應(yīng)半導(dǎo)體管芯中定義的MOSFET晶體管寬度和長度值的依賴，而是依賴于更可靠的電阻器值來實現(xiàn)所需的電流增益。
[0010]在一些情況下，有利的是，在電路開啟時，由于放大器輸入電壓不同，運算放大器的輸出非常大，因此由運算放大器驅(qū)動的源晶體管提供大的初始電流來使與輸出側(cè)晶體管相關(guān)聯(lián)的電容放電，這導(dǎo)致刺激器開啟時間會發(fā)生顯著改善(縮短)，幾乎與刺激器輸出的數(shù)量無關(guān)。
[0011 ] 本發(fā)明的一個實施例涉及周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)。該周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)可以包括脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器包括產(chǎn)生基準(zhǔn)電流的基準(zhǔn)電流發(fā)生器，和多輸出電流刺激器電路。在一些實施例中，多輸出電流刺激器電路可以包括能夠例如連接到基準(zhǔn)電流發(fā)生器的電流源。多輸出電流刺激器電路可以包括耦接到電流源以提供基準(zhǔn)電壓的第一電阻器，和至少一個輸出側(cè)晶體管，該輸出側(cè)晶體管具有用于提供輸出電流的電流輸出端子。在一些實施例中，多輸出電流刺激器電路可以包括第二電阻器和差動放大器，該第二電阻器耦接于電壓源和至少一個輸出側(cè)晶體管之間從而提供公共感測電壓。在一些實施例中，該差動放大器包括:第一輸入，其耦接到基準(zhǔn)電壓；第二輸入，其耦接到公共感測電壓；和輸出，其被布置用于根據(jù)基準(zhǔn)電壓和公共感測電壓之間的差值驅(qū)動至少一個輸出側(cè)晶體管。
[0012]在一些實施例中，周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)可以包括連接到脈沖發(fā)生器的引線。此引線可以包括多個導(dǎo)電電極和多個非導(dǎo)電區(qū)域。在周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)的一些實施例中，脈沖發(fā)生器可包括多個電脈沖程序，這些電脈沖程序能夠例如影響脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電脈沖的頻率和強度。
[0013]在一些實施例中，周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)可包括能夠與脈沖發(fā)生器通信以創(chuàng)建多個電脈沖程序中的一個的控制器，和/或能夠與脈沖發(fā)生器通信以選擇多個電脈沖程序中的一個的控制器。在一些實施例中，周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)可包括位于差動放大器的輸出和輸出側(cè)晶體管之間的第一開關(guān)。第一開關(guān)可以根據(jù)多個電脈沖程序中的一個被關(guān)閉。
[0014]本發(fā)明的一個實施例涉及周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括能夠產(chǎn)生一個或若干個電脈沖的脈沖發(fā)生器。脈沖發(fā)生器可包括能夠產(chǎn)生基準(zhǔn)電流的電流發(fā)生器，和包括刺激器電路的刺激器。在一些實施例中，刺激器電路根據(jù)第一電阻器和第二電阻器電阻之比放大基準(zhǔn)電流。該系統(tǒng)可包括連接到脈沖發(fā)生器的一條或多條引線。在一些實施例中，這一條或多條引線可包括一個或多個電極，并且這一條或多條引線可將一個或若干個電脈沖從脈沖發(fā)生器傳導(dǎo)至一個或多個電極。
[0015]在周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)的一些實施例中，刺激器電路可包括具有第一輸入和第二輸入的差動放大器。在一些實施例中，第一電阻器可親接到第一輸入，第二電阻器可親接到第二輸入。
[0016]在一些實施例中，周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)包括與第二電阻器電連接的多個輸出，并且在該系統(tǒng)的一些實施例中，流經(jīng)第二電阻器的刺激器輸出電流等于流經(jīng)輸出的電流之和。在周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)的一些實施例中，第一電阻器和第二電阻器中的一者或兩者可以是多個電阻器。在周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)的一些實施例中，第一電阻器的多個電阻器可串聯(lián)布置，并且/或者在一些實施例中，第二電阻器的多個電阻器可并聯(lián)布置。
[0017]本發(fā)明的一個實施例涉及周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括能夠產(chǎn)生一個或若干個電脈沖的脈沖發(fā)生器。脈沖發(fā)生器可包括能夠產(chǎn)生基準(zhǔn)電流的電流發(fā)生器，和包括刺激器電路的刺激器。在一些實施例中，刺激器電路可包括源晶體管，該源晶體管具有連接到一個或若干個輸出晶體管的一個或若干個柵極的輸出。該系統(tǒng)可包括連接到脈沖發(fā)生器的一條或多條引線，這一條或多條引線可包括一個或多個電極。在一些實施例中，這一條或多條引線可將一個或若干個電脈沖從脈沖發(fā)生器傳導(dǎo)至一個或多個電極。
[0018]在周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)的一些實施例中，源晶體管的漏極可連接到一個或若干個輸出晶體管的一個或若干個柵極。在一些實施例中，周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)可包括差動放大器。在一些實施例中，差動放大器的輸出可以被布置用于驅(qū)動源晶體管。
[0019]本發(fā)明的一個實施例涉及治療神經(jīng)性疼痛的方法。這種方法可包括在身體的周圍部分中植入脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生一個或若干個電脈沖。在一些實施例中，脈沖發(fā)生器可包括刺激器電路，該刺激器電路能夠根據(jù)第一電阻器和第二電阻器的電阻之比放大基準(zhǔn)電流。在一些實施例中，這種方法可包括在身體的周圍部分中植入引線，該引線可包括一個或多個電極，將引線的一個或多個電極布置為靠近周圍神經(jīng)，并將引線連接到脈沖發(fā)生器。
[0020]在一些實施例中，這種治療神經(jīng)性疼痛的方法還可包括利用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電脈沖；并利用引線將電脈沖傳導(dǎo)至周圍神經(jīng)。
[0021]本發(fā)明的一個實施例涉及治療神經(jīng)性疼痛的方法。這種方法可包括在身體的周圍部分中植入脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器能夠產(chǎn)生一個或若干個電脈沖。在一些實施例中，脈沖發(fā)生器可包括刺激器電路，該刺激器電路可包括源晶體管，該源晶體管具有連接到一個或若干個輸出晶體管的一個或若干個柵極的輸出。在一些實施例中，這種方法可包括在身體的周圍部分中植入引線，該引線可包括一個或多個電極，將引線的一個或多個電極布置為靠近周圍神經(jīng)，并將引線連接到脈沖發(fā)生器。
[0022]在一些實施例中，這種治療神經(jīng)性疼痛的方法可包括利用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生電脈沖；并利用引線將電脈沖傳導(dǎo)至周圍神經(jīng)。
[0023]本發(fā)明的一個實施例涉及周圍植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括能夠產(chǎn)生一個或若干個電脈沖的脈沖發(fā)生器。脈沖發(fā)生器可包括能夠產(chǎn)生基準(zhǔn)電流的電流發(fā)生器，和可包括刺激器電路的刺激器。在一些實施例中，對于小于50mA的輸出電流，刺激器電路具有小于5 μ s的開啟時間。在一些實施例中，該系統(tǒng)可包括連接到脈沖發(fā)生器的一條或多條引線。