具有快速开启时间的电流感测多输出电流刺激器的制造方法
【专利说明】具有快速开启时间的电流感测多输出电流刺激器
[0001]本申请要求于2013年3月15日提交的美国临时申请N0.61/788，871的权益。前述申请的主题据此全文以引用的方式并入本文。
技术领域
[0002]本发明涉及电流镜电路，其能够在需要受控的电流递送以及找到功能性电刺激(FES)中的特定实用性的应用中广泛使用。
【背景技术】
[0003]通常在FES应用中，电流刺激器用于提供可编程电流脉冲，这些电流脉冲被导向穿过电极以刺激目标神经肌肉组织。通过电极传递的电流脉冲的振幅和持续时间一般通过数模转换器(DAC)被编程。DAC的电流输出通常在电流刺激器上被放大至所需的输出电流振幅。电流放大通常利用电流镜电路实现，尤其对于MOSFET器件而言，电流增益通过控制电流镜输入侧晶体管和输出侧晶体管的器件半导体管芯宽度(W)与长度(L)之比(W/L)实现。例如，在图1的现有技术电流镜电路中，输入侧晶体管Ml和输出侧晶体管M2的W/L比率决定了总电流增益。
[0004]有关传递的电流的振幅的错误主要是由于刺激器的有限输出阻抗，以及输入侧晶体管Ml和输出侧晶体管M2之间的任何失配错误所致。一种补偿刺激器的输出阻抗效应的技术是构造图1的电路，将晶体管MCl和MC2包括在共源共栅布置中，以增大刺激器的输出阻抗。通常，为了补偿输入侧晶体管和输出侧晶体管的失配，一般是增大晶体管的宽度和/或长度。然而，增大器件的W和L会带来负面影响，即刺激器从开启到关闭之间(反之亦然)的响应时间由于晶体管电容的增大而显著变慢。当刺激器电流被编程以实现低电流振幅时，这种变慢尤其易实现。
[0005]在高级应用中，设想刺激器输出电流被单独和独立地编程为通过多个电极，而不是通过仅单个电极。对于如图2A中所示的候选电路，设想共源共栅晶体管可以分成多个共源共栅晶体管，即晶体管MC (2)到MC (η)，它们提供输出电流至相应的“负载”，并且总输出电流等于输入DAC电流乘以电流增益K。输出OUT (2)至OUT (η)传递的输出电流数量是可控的，方法是开关各共源共栅晶体管至电压源VBP的栅极来开启特定晶体管和开关各共源共栅晶体管至VS的栅极来关闭特定晶体管。在这类情况下，各输出电流以及各输出电流之和可能会根据不同电极/组织阻抗以及每个输出处的电压而变化。
[0006]如图2Β所示，一种减少这些变化的技术是利用差动放大器或运算放大器(opamp)来尝试调节刺激器的工作。在这种情况下，被指定为A的到运算放大器20的一个输入是共源共栅晶体管MC (2)到MC (η)的漏极的公共互连器，而被指定为B的到运算放大器20的另一个输入是预定的基准电压。在工作中，图2Β的调节设计努力保持输入A处的电压等于输入B处的电压，使得恒定电流ID2流经晶体管M2，而无论开启或关闭的输出的数量。然而，当不同数量的电极被编程用于电流/刺激递送时，由于耦接到运算放大器20的不同负载电容和负载，这种方法可能效果不佳。另外，当相对小的电流被编程并且很大数量的电极被启动时，特别期望有长的开启时间和关闭时间。尤其在利用高电压晶体管来使共源共栅晶体管适应输出处的高电压时，这种情况会较为复杂。高电压晶体管通常具有高阈值电压，并且通常需要在晶体管开启之前有一段长时间来充电至阈值电压。在某些情况下，可能需要改善多电极应用的输出电流准确性而无需连续校准的电路设计，以及具有更少晶体管管芯面积的设计。在建立电流增益K的过程中，可能理想的是，至少在某些情况下避免对晶体管管芯大小的依赖来建立增益并且依赖于更可靠的参数诸如电阻器。
[0007]此外，在一些情况下，确保不同输出电流水平下的快速开启时间的设计可能会有帮助，这些不同输出电流水平包括小输出电流传递条件，尤其是使用能够输出大电流水平的多个可编程刺激电极。然而，在许多刺激器设计中，用于传递小输出电流水平的开启时间通常很长。这主要是由于:只有小电流可以流经晶体管，以实现小输出电流水平来对晶体管的寄生电容充电，尤其是栅极至源极电容。开启时间甚至更长，尤其是对于能够被编程为具有大电流输出的高电压刺激器。对于这些高电压刺激器，所需的大输出电流水平需要很大的高电压晶体管，因为这些晶体管的增益相对低。另外，由于与这些高电压晶体管相关联的阈值电压相对高，为了开启这些高电压晶体管，将会花费更长的时间来使小电流输出将栅极至源极电压充电至高于阈值电压。
【发明内容】
[0008]本发明的一个非限制性实施例包括晶体管对，优选的是MOSFET晶体管，每对晶体管以电流镜构造连接，并且以共源共栅布置耦接到源晶体管。每一对晶体管具有输入侧晶体管和输出侧晶体管，每对晶体管中的输出侧晶体管电耦接到相应的和对应的组织刺激电极。因此输出侧晶体管实现了提供多电流刺激器功能的电路。本发明还包括运算放大器或差动放大器，其一个输入耦接到基准电压，另一个输入耦接到输出侧晶体管，并且其输出驱动源晶体管。在稳态下，运算放大器使输出侧晶体管的电压保持等于基准电压。
[0009]在一些情况下，电流源提供经过第一电阻器以建立基准电压的恒定电流，并且电压源提供经过第二电阻器以建立输出侧晶体管的电压的所有刺激电流。电流增益K代表一个系数，将恒定电流的值乘以该系数得到总刺激电流；电流增益K等于第一电阻器和第二电阻器值的比率。这样，本发明避免了对在对应半导体管芯中定义的MOSFET晶体管宽度和长度值的依赖，而是依赖于更可靠的电阻器值来实现所需的电流增益。
[0010]在一些情况下，有利的是，在电路开启时，由于放大器输入电压不同，运算放大器的输出非常大，因此由运算放大器驱动的源晶体管提供大的初始电流来使与输出侧晶体管相关联的电容放电，这导致刺激器开启时间会发生显著改善(缩短)，几乎与刺激器输出的数量无关。
[0011 ] 本发明的一个实施例涉及周围植入式神经刺激系统。该周围植入式神经刺激系统可以包括脉冲发生器，该脉冲发生器包括产生基准电流的基准电流发生器，和多输出电流刺激器电路。在一些实施例中，多输出电流刺激器电路可以包括能够例如连接到基准电流发生器的电流源。多输出电流刺激器电路可以包括耦接到电流源以提供基准电压的第一电阻器，和至少一个输出侧晶体管，该输出侧晶体管具有用于提供输出电流的电流输出端子。在一些实施例中，多输出电流刺激器电路可以包括第二电阻器和差动放大器，该第二电阻器耦接于电压源和至少一个输出侧晶体管之间从而提供公共感测电压。在一些实施例中，该差动放大器包括:第一输入，其耦接到基准电压；第二输入，其耦接到公共感测电压；和输出，其被布置用于根据基准电压和公共感测电压之间的差值驱动至少一个输出侧晶体管。
[0012]在一些实施例中，周围植入式神经刺激系统可以包括连接到脉冲发生器的引线。此引线可以包括多个导电电极和多个非导电区域。在周围植入式神经刺激系统的一些实施例中，脉冲发生器可包括多个电脉冲程序，这些电脉冲程序能够例如影响脉冲发生器产生的电脉冲的频率和强度。
[0013]在一些实施例中，周围植入式神经刺激系统可包括能够与脉冲发生器通信以创建多个电脉冲程序中的一个的控制器，和/或能够与脉冲发生器通信以选择多个电脉冲程序中的一个的控制器。在一些实施例中，周围植入式神经刺激系统可包括位于差动放大器的输出和输出侧晶体管之间的第一开关。第一开关可以根据多个电脉冲程序中的一个被关闭。
[0014]本发明的一个实施例涉及周围植入式神经刺激系统。该系统包括能够产生一个或若干个电脉冲的脉冲发生器。脉冲发生器可包括能够产生基准电流的电流发生器，和包括刺激器电路的刺激器。在一些实施例中，刺激器电路根据第一电阻器和第二电阻器电阻之比放大基准电流。该系统可包括连接到脉冲发生器的一条或多条引线。在一些实施例中，这一条或多条引线可包括一个或多个电极，并且这一条或多条引线可将一个或若干个电脉冲从脉冲发生器传导至一个或多个电极。
[0015]在周围植入式神经刺激系统的一些实施例中，刺激器电路可包括具有第一输入和第二输入的差动放大器。在一些实施例中，第一电阻器可親接到第一输入，第二电阻器可親接到第二输入。
[0016]在一些实施例中，周围植入式神经刺激系统包括与第二电阻器电连接的多个输出，并且在该系统的一些实施例中，流经第二电阻器的刺激器输出电流等于流经输出的电流之和。在周围植入式神经刺激系统的一些实施例中，第一电阻器和第二电阻器中的一者或两者可以是多个电阻器。在周围植入式神经刺激系统的一些实施例中，第一电阻器的多个电阻器可串联布置，并且/或者在一些实施例中，第二电阻器的多个电阻器可并联布置。
[0017]本发明的一个实施例涉及周围植入式神经刺激系统。该系统包括能够产生一个或若干个电脉冲的脉冲发生器。脉冲发生器可包括能够产生基准电流的电流发生器，和包括刺激器电路的刺激器。在一些实施例中，刺激器电路可包括源晶体管，该源晶体管具有连接到一个或若干个输出晶体管的一个或若干个栅极的输出。该系统可包括连接到脉冲发生器的一条或多条引线，这一条或多条引线可包括一个或多个电极。在一些实施例中，这一条或多条引线可将一个或若干个电脉冲从脉冲发生器传导至一个或多个电极。
[0018]在周围植入式神经刺激系统的一些实施例中，源晶体管的漏极可连接到一个或若干个输出晶体管的一个或若干个栅极。在一些实施例中，周围植入式神经刺激系统可包括差动放大器。在一些实施例中，差动放大器的输出可以被布置用于驱动源晶体管。
[0019]本发明的一个实施例涉及治疗神经性疼痛的方法。这种方法可包括在身体的周围部分中植入脉冲发生器，该脉冲发生器能够产生一个或若干个电脉冲。在一些实施例中，脉冲发生器可包括刺激器电路，该刺激器电路能够根据第一电阻器和第二电阻器的电阻之比放大基准电流。在一些实施例中，这种方法可包括在身体的周围部分中植入引线，该引线可包括一个或多个电极，将引线的一个或多个电极布置为靠近周围神经，并将引线连接到脉冲发生器。
[0020]在一些实施例中，这种治疗神经性疼痛的方法还可包括利用脉冲发生器产生电脉冲；并利用引线将电脉冲传导至周围神经。
[0021]本发明的一个实施例涉及治疗神经性疼痛的方法。这种方法可包括在身体的周围部分中植入脉冲发生器，该脉冲发生器能够产生一个或若干个电脉冲。在一些实施例中，脉冲发生器可包括刺激器电路，该刺激器电路可包括源晶体管，该源晶体管具有连接到一个或若干个输出晶体管的一个或若干个栅极的输出。在一些实施例中，这种方法可包括在身体的周围部分中植入引线，该引线可包括一个或多个电极，将引线的一个或多个电极布置为靠近周围神经，并将引线连接到脉冲发生器。
[0022]在一些实施例中，这种治疗神经性疼痛的方法可包括利用脉冲发生器产生电脉冲；并利用引线将电脉冲传导至周围神经。
[0023]本发明的一个实施例涉及周围植入式神经刺激系统。该系统包括能够产生一个或若干个电脉冲的脉冲发生器。脉冲发生器可包括能够产生基准电流的电流发生器，和可包括刺激器电路的刺激器。在一些实施例中，对于小于50mA的输出电流，刺激器电路具有小于5 μ s的开启时间。在一些实施例中，该系统可包括连接到脉冲发生器的一条或多条引线。