8包括具有高 转换速率的电流810的初始涌入，然后达到峰值或尖峰812。尖峰812之后是到稳态电流值 816的指数衰减814。例如，这种类型的电流响应也可以被称为电压阶跃响应。系统802可 以从医生接收关于所指定的要施加到区域的目标稳态电流值816的指令或输入，这是对患 者804的期望电荷剂量。恒定电压脉冲806的电压是对区域实现指定的目标稳态电流值的 计算出的电压电平。例如，欧姆定律（V = R*I)可以被用来计算所需的电压电平，这依赖于 患者区域804的当前电阻元素和指定的目标稳态电流值。根据示例实施例，患者804的当 前电阻元素可以以多种方式来确定，如本文详细描述的。
[0061] 对于每个后续的脉冲，电压脉冲806的计算出的恒定电压电平被调整，以实现指 定的目标稳态电流（由于患者电阻元素的可能改变）。这种电压调整是通过测量实际由目 标电压输送的电流、确定当前电阻元素、然后调整目标电压电平来进行的。医生或用户关于 稳态电流指定刺激，使得系统输送恒定的期望电荷，而不考虑患者的电阻元素。
[0062] 相应地，对于每个脉冲，电压被调节到由患者804的指定的目标稳态电流定义的 电压电平，使得每个脉冲的开关激活在该电压电平提供初始涌入，并且其中结果产生的电 流实现指定的目标稳态电流值。在本文应当认识到，具有非常快的电压上升时间（例如，10 至20ns)的刺激导致实现相同刺激所需的显著更少的稳态电流。应当注意的是，示例性实 施例使用恒定电压脉冲，这与仅仅生成矩形恒定电流脉冲的脉冲发生器形成对照，并且与 其不同。
[0063] 在图8所示的示例电路820中，脉冲发生电路820可以包括至少一个可控的恒定 电压源822以及开关电路824,其中开关电路824包括例如在H-桥配置中的开关。还示出 了备用路径826,该路径允许电和的选择性排出，它是从开关电路824开始的备选。
[0064] 现在参考图9和10,示出了根据示例实施例施加到患者的不对称脉冲序列900的 图。图10是作为具有指定频率的脉冲串被应用的脉冲序列900。在示例实施例中，所示出 的脉冲序列是一个或多个阴极被放在身体上（一个或多个）刺激目标站点，而阳极放在另 一个合适站点以便完成神经刺激路径的结果。在所示出的例子中，每个脉冲序列可以包括 后面跟着正脉冲的负脉冲，其中正脉冲是负脉冲幅度的四分之一，并且具有负脉冲四倍时 间的脉冲宽度。这允许跨患者区域的电荷得以平衡。其它示例不对称脉冲可以具有不同的 幅度和脉冲宽度比，其中净电荷被平衡（例如，等于或接近零）。
[0065] 参考图9,不对称脉冲序列900示出了施加到患者的电流脉冲序列902和电压脉冲 序列904。在电压脉冲序列904的负脉冲，所施加的电压被设置为恒定的负电压电平906 (例 如，-V)。电压电平906是依赖于期望的目标稳态电流值和目前已知的患者电阻元素的值来 计算的。在电压脉冲序列904的正脉冲，电压作为恒定的正电压电平908施加，这是负电压 电平的四分之一（例如，1/4)和负脉冲的脉冲宽度的四倍。
[0066]在电流序列902的负脉冲，电流脉冲包括具有高转换速率的电流910的初始涌入， 然后其到达峰值或尖峰912。尖峰912之后是到稳态电流值916的指数衰减914。通常，医 生通过指定稳态电流值916来定义期望的脉冲序列902的参数，并且电压电平906被控制 为实现稳态电流值916。
[0067]在电流序列902的正脉冲，电流脉冲包括具有高转换速率的电流920的初始涌入， 然后其到达峰值或尖峰922。尖峰922之后是到稳态电流926的指数衰减924。
[0068] 现在参考图11和12,示出了根据实施例施加到患者的对称脉冲序列1100的图。 图12是作为具有指定频率的脉冲串被施加的脉冲序列1100。例如，所示出的脉冲序列是一 个或多个阴极被放在身体上（一个或多个）刺激目标站点，而阳极放在另一个合适站点以 便完成神经刺激路径的结果。在所示出的例子中，每个脉冲序列可以包括具有相等且相反 幅度并且具有相等脉冲宽度的负脉冲和正脉冲。这允许跨患者区域的电荷得以平衡。
[0069] 参考图11，不对称脉冲序列1100示出了施加到患者的电流脉冲序列1102和电压 脉冲序列1104。在电压脉冲序列1104的负脉冲，所施加的电压被设置为恒定的负电压电平 1106 (例如，-V)。电压电平1106是依赖于期望的目标稳态电流值和目前已知的患者电阻 元素的值来计算的。在电压脉冲序列1104的正脉冲，电压作为恒定的正电压电平1108施 加，它与负电压电平具有相同的幅度（例如，+V)。
[0070] 在电流序列1102的负脉冲，仍然参考图11，电流脉冲包括具有高转换速率的电流 1110的初始涌入，然后其到达峰值或尖峰1112。尖峰1112之后是到稳态电流值1116的指 数衰减1114。通常，医生通过指定稳态电流值1116来定义期望的脉冲序列1102的参数，并 且电压电平1106被处理器408 (图4)控制为实现稳态电流值1116。
[0071] 在电流序列1102的正脉冲，仍然参考图11，电流脉冲包括具有高转换速率的电流 1120的初始涌入，然后其到达峰值或尖峰1122。尖峰1122之后是到稳态电流1124的指数 衰减1124。
[0072] 现在参考图2,根据一种示例实施例提供了 FES系统200的高级图。在这种特定 的实施例中，FES系统200由外部系统组成，但是，在一些示例实施例中，类似的系统可以 被设计并实现为用于内部实现（例如，至少一些元件作为可植入系统）。系统200 -般包 括输出级202,该级包括用于创建电脉冲的功率级204和调节功率级204的操作的控制器 206。系统200还可以包括，或者被配置成，与一个或多个刺激电极208操作耦合，以便把由 功率级204生成的脉冲输送到有针对性的组织，例如，通过皮肤（例如，皮肤电极/经由皮 肤（transcutaneous)电极）、直接通过穿透身体（例如，经皮（percutaneous)电极）、电极 直接植入身体、诸如便携式电源（例如，图3中的304)的至少一些其它部分也植入身体、和 /或FES系统200的至少一些或全部植入身体，等等。还说明性地提供了控制器，例如中央 处理平台或中央逻辑210,以便向输出级202传送预期的脉冲特点，例如，来自医生或操作 者用户接口（例如，经由一个或多个激活开关、拨号盘、（一个或多个）脚踏开关、（一个或 多个）手动开关，和/或其它此类用户可操作的接口，和/或经由为了实现而被系统存储或 以别的方式访问的一个或多个用户可选的编程的刺激序列）或者来自另一设备，诸如被配 置成基于一个或多个感测到的生理参数调节或影响FES系统200的操作的一个或多个生理 传感器212,的外部输入。可被用来驱动FES系统200的示例生理信号可以包括，例如，EMG 信号、大脑信号、EEG、EC〇G及其它。示例实施例可以应用到使用这种信号的用户交互协议。 例如，EMG的4个通道可以被用来帮助控制脉冲输送。例如，这些感测到的生理参数可以与 所讨论的FET治疗的效果关联或者指示其。其它控制反馈传感器或检测器也可以被中央处 理平台或中央逻辑210考虑。
[0073] 用于刺激的FES脉冲的结构可以由几个特点来确定，例如：脉冲类型（电流或电 压）、幅度、持续时间、上升时间、频率、极性、相位的个数和对称性，这些特点将在下面进一 步描述。
[0074] 脉冲类型：如以上所指出的，电流调节的脉冲的提供允许期望的电荷被控制。会 影响这种脉冲的组织电阻中变量间和变量内的差异可以包括，但不限于，例如通常由于FES 导致的排汗、皮肤运动和增加的循环。在FES疗法的一些示例性实施例中，电流调节会是优 选的，因为期望的电荷被输送到组织，而不考虑组织电阻。
[0075] 脉冲幅度和持续时间：一般而言，动作电位只有在如果膜电位达到阈值膜电位时 才生成。从患者到患者，存在不同组织阻抗范围。而且，在每个患者当中，每种类型的组织 可以具有截然不同的阻抗。因此，FES生成的脉冲的不同电流可以是解决这些阻抗变化所 必需的。而且因此，被刺激的组织的类型会变成用于确定给定FES治疗的幅度水平和脉冲 持续时间的参数。例如，小肌肉的局部刺激一般需要较短较小强度的脉冲，而较深的肌肉刺 激需要较高的幅度和较长的脉冲持续时间。
[0076] 脉冲上升时间：电流脉冲的上升时间在提供增强的FES治疗当中可以是相关的。 例如，如果脉冲上升时间太慢，则膜电位可以适应或者对刺激进行调整。相应地，尽管以别 的方式有足够的刺激脉冲，但是阈值膜电位无法到达并且期望的神经-肌肉激励无法发 生。类似地，改进的（即，减小的）脉冲上升时间可以转化为对实现相似刺激的脉冲幅度 的更低需求。这种脉冲幅度的减小可以转化为功耗的减小和施加到组织的总绝对电荷的减 小，这在某些应用中是特别关心的。
[0077] 脉冲频率：脉冲输送的频率确定组织中动作电位生成的速率。如果刺激频率处于 或大于40Hz，则所生成的动作电位造成持续的肌肉（强直性痉挛）收缩。如果刺激频率在 16和40Hz之间，则许多个体可以感觉到断续的肌肉收缩（非强直性痉挛手收缩）；但是， 肌肉仍然能够生成功能性任务。对于低于16Hz的刺激频率，持续的（强直性痉挛）肌肉收 缩是非常不可能的。刺激频率越高，肌肉疲劳越快并且患者经历的不适越少。在大约〇到 100Hz的脉冲频率内，刺激频率一般确定AP的速率。超出100Hz，AP的速率不一定与刺激 频率的量成比例。高于1000Hz的刺激频率会使可激励的组织瘫痪并且因此不生成AP。 [0078] 脉冲极性和对称性：脉冲可以是单极（正或负）或者双极（正和负）。双极脉冲 可以是对称或不对称的。这些特点的不同置换在例如图1中示出。
[0079] 以上提到的特点定义在FES应用中使用的脉冲的类型和形状。对于外部刺激，例 如，由于随时间推移在组织中累积的过多电荷会导致抽搐过程并造成显著的组织损害和疼 痛，因此关于组织的电荷平衡优选地被维持。为此，在每个方向施加相同数量电荷的双极脉 冲在临床实践中最常被使用。相信具有处于给定幅度和持续时间的一个负脉冲和处于四分 之一幅度四倍持续时间的另一个正脉冲的不对称脉冲对于外部FES应用产生改进的结果， 但是，在不背离本公开内容的一般语境的情况下，其它脉冲持续时间与幅度比也可以在本 语境下考虑。依赖于手边的应用，对脉冲刺激参数的改进的精度和控制可以允许更准确和 有效的治疗，但没有提到改进的患者安全性和舒适水平。例如，减小的脉冲上升时间（这会 有效地有助于被用来生成期望肌肉收缩的脉冲幅度（能量）的减少）的提供、对脉冲时间 特点和脉冲幅度的紧密控制全都会有助于减小电荷累积的可能性，并且因此代表FES系统 改进的恒定机会。
[0080] 参考图3,并且根据一种示例实施例，一般性地绘出了示例性输出级300。在这个 例子中，输出级300 -般包括操作耦合到诸如电池等电源304的第一电功率级302,以增加 经由开关电路310向负载308的可用于实现各种FES脉冲序列/参数的电压供给。还提供 了控制器312,以便根据一个或多个可选的FES治疗序列/参数控制输出级300的各个操作 方面，诸如电压和/或电流调节和控制，以调节FES参数值和/或实现各种安全过程，以及 脉冲发生电路的控制操作。还可以提供一般的FES微控制器314,用于提供全面控制特征， 例如，在结合输出级300的全面FES系统的语境下。在一种实施例中，第一功率级302包括 数字控制的开关模式电源（SMPS)。为了在改变电流方向的同时实现期望的脉冲响应时间 (例如，在短时间帧内从V到1/4V)，在一种示例实施例中，第一功率级302可以包括，例如， 串联的四个SMPS电源，使得所有电源的开关或中继可以导致总电压V，并且仅一个电源的 开关或中继可以允许电压供给容易地降至1/4V。
[0081] 现在将更详细地描述开关电路310。为了产生双极不对称脉冲，例如，一般而言，刺 激必须在给定的幅度从正/负电流切换，之后是在这个幅度一部分的相反极性的电流（例 如，在一个例子中是从I到-1/41)。开关电路310可以被用来快速改变负载的电压和电流 方向，诸如通过H-桥中的开关。相应地，输出级300可以快速改变电压的幅度从V到1/4V 以及到负载的电流流的方向。
[0082] 图4是根据示例实施例的另一示例FES系统400的高级图。图5是FES系统400 的详细示意图。FES系统400可以包括平板计算机402、电源404、电池406、处理器板408、 一个或多个刺激板410 (示出了八个刺激板）和多个输出信道416 (示出了八个输出通道）。
[0083] 在示例实施例中，电池406被选择为12V至16. 8V，2000mAh，具有2A的最大充电/ 放电电流。这种较低的额定功率被发现提供更大的稳定性并且不易发生中断。在示例实施 例中，每个生成的恒定电压脉冲可以包括更快的上升时间，从而，当与具有需要较高的必需 指定目标稳态电流的较慢上升时间的矩形恒定电流脉冲（由于患者的电容或其它成分）或 恒定电压脉冲相比时，导致较低的必需指定目标稳态电流。该系统可以，例如，节省所消耗 的电力或需要由电源提供的总能量的量（例如，与具有较高电流吸取的其它系统相比，每 个脉冲以及电池406的整体寿命需要较小的电流）。
[0084] 诸如平板计算机402的计算机设备包括至少存储器、设备控制器、显示屏、通信子 系统（例如，无线和/或以太网）以便经由局域网和/或因特网通信，以及诸如触摸屏的用 户输入设备。平板计算机402便于操作者容易使用。平板计算机402上显示的是用户界面。 平板计算机402可以连接到因特网，用于传送处方和患者数据，这在本文更详细地描述。平 板计算机402还被用来控制处理器板408并有效地控制刺激板410。控制通常被隔离，从而 不损坏平板计算机402并且隔离患者与地球地和线路电压。在用户界面上的示例控制可以 向用户提供指定用于特定患者的治疗规程的选项，诸如目标稳态电流值、脉冲宽度、脉冲频 率，以及这些参数随时间推移的任何变化。通过用户界面，在一些示例实施例中，用户可以 通过在存储器（或者其它可远程访问的存储设备）中存储计划来作为过程预先计划这些和 其它参数，用于由处理器板408实现。
[0085] 根据一些示例实施例，处理器板408运行实时操作系统，以便控制刺激脉冲的输 送。例如，处理器板408可以包括ARM7微处理器。例如，这连接到八个刺激板410,刺激板 可单独操作连接到八个输出通道416。处理器板408还可以利用诸如脚踏开关412和/或 手动开关414的手工开关被激活。诸如外部传感器或控制反馈传感器（这里未示出）的其 它输入也可以耦合到处理器板408或刺激板410。在一些示例实施例中，这些开关412、414 可以是关-开两位开关（dead-man switch)，意味着用户必须按住开关来开始治疗，并且释 放开关自动地停止治疗。
[0086] 通信协议提供用于从平板计算机402向处理器板408传送新治疗计划（program) 的方法。一旦计划被加载，它就存储在例如非易失性EEPR0M存储器中。治疗计划定义脉冲 特点（诸如频率、幅度、脉冲宽度、脉冲类型和（一个或多个）脉冲串轮廓）。该计划还指定 治疗的持续时间以及它是如何被触发的（例如，通过模拟或数字用户输入）。该命令允许平 板计算机402指示处理器板408开始治疗、暂停治疗、恢复治疗、停止治疗。来自处理器板 408的状态信息包括来自隔离的数字/模拟患者输入的数据（仅包络信息）和报警信息。 [0087] 平板计算机402的用户界面应用可被配置成处理以下任务：
[0088] 1.治疗选择。这涉及选择用于患者的适当治疗。这还可以涉及通过服务USB创建 /编辑现有的治疗或加载新治疗或者从因特网下载治疗。
[0089] 2.向刺激器发送配置文件。假设新文件在每次治疗开始时被发送到微控制器板。 治疗文件是刺激器板执行的动作的脚本。平板计算机402把脚本翻译成压缩的二进制脚 本。脚本文件的基本功能如下：
[0090] 开始条件：定义输入状态和执行过程的治疗的可能阶段。例如，等待按钮按下。
[0091] 同步到其它通道。等待其它通道完成它们的控制循环。
[0092] 返回参数：定义输出的频率、脉冲类型和幅度、允许的电流范围（两组阈值：报警 和错误等级）。
[0093] 用于重复序列的循环。
[0094] 终止条件（诸如超时、输入状态的改变）。
[0095] 3.读取并显示微控制器的序列号、固件版本。平板计算机402读取用于每个输出 的状态信息，诸如错误标志、电池电量、当前施加的脉冲类型、脉冲频率、脉冲持续时间、目 标输出电流，以及实际的...