一种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及神经刺激器技术领域，特别涉及一种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器置。
【背景技术】
[0002]神经刺激器是一种以一定程度的电流脉冲刺激神经靶点以调整或恢复脑部、神经或肌肉的功能的医疗器械。目前广泛的应用于脊髓刺激、深部脑刺激、人工耳蜗和视网膜假体的治疗。神经刺激器使用两个独立的数模转换器(DAC)发出正负电流脉冲刺激神经靶点的电极刺激脉冲波形如图一所示。常用刺激使用数字开关保持输出脉冲周期相等即Ta =Tc,目如的电路技术能精确的提供控制彳目号满足Ta和Tc精确相等。然而受到电路工艺误差等限制数模转换器(DAC)却不能产生足够匹配的阳极电流Ia、阴极电流Ic，即便采用高精度设计的DAC和高度匹配的版图布局也不能输出满足生物安全性的双相电流。
[0003]同时目前有多种方案用于解决电流刺激产生的残余电荷。包括:利用隔直大电容释放残余电荷:在电极上接入电容将残余电荷释放到地、用MOS管搭建电极短路电路消除残余电荷:将残余电荷通过NMOS (N沟道金属氧化物半导体场效应管)和PMOS (P沟道金属氧化物半导体场效应管)搭建的通路释放。
[0004]传统的神经刺激器是通过设置隔直大电容的方式消除残余电荷使之电势归零，但是隔直大电容的方法因为所需电容大于10nF所需体积较大无法在芯片内部集成，限制了其在多通道刺激器领域的应用，较大的体积也会加大植入式神经刺激器的手术难度。
[0005]传统方法还有通过电极短路方式释放残余电荷，即单一的阳极电流输出结束以后通过电极短路的技术将电极内的电荷释放到地，风险在于每次做电极短路的时间是恒定的，实际中由于电极电阻的变化导致释放电荷的容量的改变，从而可能存在几次刺激都没有完成释放的情况，残余电荷逐渐累积。电极短路电路组成的残余电荷消除系统会受到电极电阻变化引起系统误差，电极电势并不能随时检测，在一段时间内仍会存在积累电荷过多的风险。
[0006]为解决上述问题提出一种模拟校准技术，该技术基于模拟反馈的电荷平衡技术，在脉冲刺激之前通过校准系统匹配双向电流大小，采用额外的MOS管输出补偿电流同时通过片上集成采样电容储存补偿电流的状态以保持刺激脉冲时的补偿电流。然而该模拟校准技术虽然能够在一定程度上缩减误差，却无法达到真正意义上的精准，在临床应用上仍然不能达到理想效果。
【实用新型内容】
[0007]基于上述情况，有必要提供了一种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器。
[0008]—种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器，包括阳极输出端、阴极输出端、数字校准电路、设置在阳极输出端和阴极输出端之间的开关控制电路、与开关控制电路连接的电极，所述数字校准电路包括顺次连接电压检测电路和逻辑运算组件，所述电压检测电路与开关控制电路电性连接，所述逻辑运算组件与阳极输出端或阴极输出端电性连接。
[0009]进一步，还包括模拟校准电路，所述模拟校准电路包括顺次连接的负反馈电路和补偿电路；所述负反馈电路与开关控制电路连接，所述补偿电路电性连接至阳极输出端或阴极输出端。
[0010]更进一步的，所述开关控制电路由第一开关电路和第二开关电路并联而成，所述第一开关电路包括串联的第一开关和第二开关，所述第二开关电路包括串联的第三开关和第四开关。
[0011]具体的，所述电极连接在第一开关和第二开关之间，所述负反馈电路和电压检测电路均连接在第三开关和第四开关之间。
[0012]再者，所述阳极输出端包括顺次连接的阳极数模转换器和阳极运算放大器，所述阴极输出端包括顺次连接的阴极数模转换器和阴极运算放大器；所述逻辑运算组件连接至阳极数模转换器或阴极数模转换器；所述补偿电路连接至阳极运算放大器或阴极运算放大器。
[0013]具体的，所述电压检测电路包括一电压比较器，所述电压比较器采集输出电压并将输出电压与基准电压进行比较，将比较的结果传输给逻辑运算组件，所述逻辑运算组件根据比较结果，控制阳极输出端或阴极输出端输出满足最小位误差的输出电流。
[0014]具体的，所述负反馈电路和补偿电路之间还设置有采样电容，所述采样电容用于存储和提供补偿电压。
[0015]进一步，所述负反馈电路和采样电容之间还设置有传输门电路。
[0016]具体的，所述传输门电路为虚拟传输门电路。
[0017]进一步的，所述数字校准电路还包括开关单元，所述开关单元用于控制数字校准电路关闭。
[0018]本实用新型一种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器，开创性提出数字校准，该数字校准电路包括顺次连接电压检测电路和逻辑运算组件，所述电压检测电路与开关控制电路连接，所述逻辑运算组件与阳极输出端或阴极输出端连接。采用该校准电路的神经刺激器能输出高度匹配的双相电流脉冲，具有易于集成、高稳定性、电流幅度误差小的特点。并且基于现有技术采用隔直大电容或电极短路方式消除残余电荷，本实用新型的神经刺激器，从输出上直接精确控制电流的匹配度，从源头控制残余电荷积累的产生，因此不用再使用隔直大电容，也不用设置电极短路电路，减小了神经刺激器的体积，也降低了手术难度。
【附图说明】
[0019]图1为神经刺激器输出脉冲波形示意图；
[0020]图2为本实用新型一种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器的电路示意图；
[0021]图3为本实用新型一种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器的具体电路图；
[0022]图4为本实用新型一种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器的虚拟传输门电路示意图；
[0023]图5为本实用新型一种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器输出电流为93uA仿真输出波形示意图；
[0024]图6为本实用新型一种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器输出电流为152uA仿真输出波形示意图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0026]如图2-3所示，一种具有新型电荷平衡系统的神经刺激器，包括阳极输出端、阴极输出端、数字校准电路、模拟校准电路、设置在阳极输出端和阴极输出端之间的开关控制电路、与开关控制电路连接的电极。阳极输出端包括顺次连接的阳极数模转换器PDAC和阳极运算放大器Al，阴极输出端包括顺次连接的阴极数模转换器nDAC和阴极运算放大器A2。
[0027]开关控制电路由第一开关电路和第二开关电路并联而成，所述第一开关电路包括串联的第一开关SI和第二开关S2，所述第二开关电路包括串联的第三开关S3和第四开关S4。所述电极连接在第一开关SI和第二开关S2之间。
[0028]数字校准
[0029]数字校准电路包括顺次连接电压检测电路和逻辑运算组件，所述电压检测电路与开关控制电路连接，所述逻辑运算组件与阳极输出端或阴极输出端连接，具体的，所述逻辑运算组件连接至阳极数模转换器PDAC或阴极数模转换器nDAC。所述电压检测电路包括电压比较器，电压比较器连接在第三开关和第四开关之间；电压比较器分别对输出电压和基准电压进行实时采集和比较来分析，并将比较结果传输给逻辑运算组件，在本实施例中，该逻辑运算组件具体为SAR逻辑单元。
[0030]基于SAR逻辑的数字校准工作原理如图3所示，电压比较器对Vout (两个DAC的连接点电压)和Vref (基准电压)的实时采集和比较来分析Ic和Ia的大小，并将比较结果传输给逻辑运算组件即SAR逻辑单元。在本实施例中，SAR逻辑单元连接至阴极数模转换器nDAC。电压比较器的输出驱动SAR逻辑单元，使nDAC (NM0S数模转换器)的输出电流Inc (阴极电流的组成部分，由nDAC输出的电流)逐次逼近pDAC (PM0S数模转换器)的电流Ia(阳极电流)。
[0031]具体的，SAR逻辑单元先将nDAC (数字模拟转换器)的最高位置I (即DAC输入为10000)，电压比较器进行电压检测并比较Vout和Vref大小，若Vout大于