用于制动的系统和方法

专利名称：用于制动的系统和方法
技术领域：
本发明的实施例 一般地涉及用于降低人或动物的活动性的系统 和方法。
背景技术：
递送带电射弹(projectile)的武器已被用于自卫和执法。这些武 器一般递送刺激信号经过目标，其中目标是人类或动物。这种武器中 的一种传统种类包括Cover的美国专利3，803，463和4，253，132中描述 的那种类型的传导能量型武器。这些武器一般向目标发射射弹，以便 射弹所携带的电极与目标接触，从而完成经由系缚金属线递送刺激信 号以经过电极并经过目标的电路。其他传统传导能量型武器省略了射 弹，并且在目标靠近武器时通过与目标接触的电极递送刺激信号。
刺激信号可以是一 系列电压相对较高的脉冲，已知这些脉冲会导 致目标疼痛。在刺激信号被递送时，高阻抗缝隙(例如空气或衣物) 可能存在于电极和目标的导电组织之间。传统刺激信号包括电压相对较高(例如50,000伏特)的信号，以电离跨越这种达2英寸的缝隙的 路径。结果，刺激信号可能被传导经过目标的组织，而无需将射弹穿 透到组织中。在某些传统的传导能量型武器中，使用了能量相对较高的波形。 该波形是根据利用被麻醉的猪来测量哺乳动物对能量型武器的刺激的 肌肉响应的研究而开发的。利用能量较高的波形的设备被称为电肌肉 破坏(EMD )设备，并且一般具有2001年12月12日递交的Patrick Smith的美国专利申请10/016,082中描述的类型，这里通过引用将该 申请结合进来。施加到动物的骨骼肌的EMD波形一般导致该骨骼肌 剧烈收缩。EMD波形显然超越了目标的神经系统的肌肉控制，从而导 致骨骼肌不自主地锁紧，并且可能造成目标完全无法运动。不幸的是，能量相对较高的EMD波形一般是从功率容量较高的 能量源产生的。在一种实现方式中，手持式发射设备包括8个AA大 小(标称1.5伏特)的电池、大容量电容器以及变压器，以在被系繂 着的射弹中生成26瓦特的EMD输出。2003年2月11日递交的Magne Nerheim的美国专利申请 10/447,447中描述的那种类型的双脉冲波形提供了电压相对较高、电 流强度较低的脉冲(以形成经过缝隙的电弧，如上所述)，之后是电 压相对较低、电流强度较高的脉冲(以刺激目标)。比起用于上述EMD 波形的功率来，可用减少80%的功率来实现对骨骼肌的作用。非常需要一种用于传导能量型武器中的更有效的刺激信号，以使 人类目标无法运动而不会造成持久的伤害或死亡。在本申请之前的十 年中，在美国每年有超过30，000人由于子弹创伤而死亡。此外，每年有数千警员由于与一般公众中的不顺从者对抗而受伤。有更多的这种 不顺从者在被送往警方拘留的过程中而受伤。如果没有用于递送更有效的刺激信号的系统和方法，就无法实现传导能量型武器的成本、可
靠性、射程和有效性的进一步改善。传导能量型武器的应用仍将有限， 从而妨碍了执法并无法向个人提供增强的自卫。发明内容根据本发明的不同方面，一种用于利用经由电极耦合到目标的刺激信号来对目标进行制动(immobilize)的方法，包括按任何顺序 (a )根据冲击阶段提供刺激信号；(b )根据保持阶段提供刺激信号； 以及(c)根据休止阶段提供刺激信号。根据本发明的不同方面， 一种用于对目标进行制动的电路包括电 荷存储电路和处理器电路。处理器电路获得第一值，将电荷存储电路 耦合到目标以对电荷存储电路进行放电并将电荷递送到目标中，获得 第二值，并且在根据第 一值和第二值指示递送了预定电荷之后限制放 电。第一值对应于存储在电荷存储电路中的初始电荷。第二值对应于 存储在电荷存储电路中的当前电荷量。根据本发明的不同方面， 一种用于利用经由电极耦合到目标的刺 激信号对目标进行制动的方法，包括按任何顺序(a)在电极上提供 脉冲，其中每个脉冲具有小于电离电势的峰值电压；并且每个脉冲递送从约20微库仑到约300微库仑范围中的电荷；以及(b)重复该 脉冲，以形成具有从约每秒5脉冲到约每秒30脉冲的范围中的脉冲重 复速率的一系列脉冲。根据本发明的不同方面， 一种用于对目标进行制动的电路包括电 荷存储电路和处理器电路。该处理器电路将电荷存储电路耦合到目标 以从小于电离电势的第一电压幅值开始通过目标释放存储的电荷；并 且在由处理器电路所监视的电压跨过一个阈值电压幅值之后限制放 电。阈值电压幅值是根据针对连续骨骼肌收缩的预定电荷的递送。根据本发明的不同方面， 一种用于对目标进行制动的电路包括电 荷存储电路和处理器电路。该处理器电路将电荷存储电路耦合到目标 以从小于电离电势的第一电压幅值开始通过目标释放存储的电荷；并 且在经过某个时间之后限制放电。该时间是根据针对连续骨骼肌收缩
的预定电荷的递送。根据本发明的不同方面的电路和方法通过有效地对目标进行制 动、通过降低严重伤害或死亡的危险和/或以比使用现有技术的系统更 少的能量花费进行长时间的制动，从而至少部分地解决了上述问题。


现将参考附图更详细描述本发明的实施例，附图中类似的标号表示类似的元件，其中图l是根据本发明的不同方面的利用刺激信号来制动的系统的功 能性框图；图2是图1的系统中使用的制动设备的功能性框图。图3是图2的制动设备所提供的刺激信号的定时图；以及图4是图2的制动设备所执行的过程的功能性流程图。
具体实施方式
根据本发明的不同方面的系统向动物递送刺激信号以使动物无 法运动。制动适合是暂时性的，例如为了使动物免遭危险，或者为了 阻挠动物的动作，以便对活动性施加更永久的限制。电极可能通过动 物本身的动作(例如动物朝向电极运动)、通过朝向动物推进电极(例 如电极是带电射弹的一部分)、通过展开(deployment)机构和/或通 过重力而与动物接触。例如，图1-4的系统100包括发射设备102和 弹盒104。弹盒104包括一个或多个射弹132，其中每一个具有波形生 成器136。发射设备102包括电源112、瞄准装置114、推进装置116和波 形控制器122。推进装置116包括推进激活器118和推进物120。在备 选实现方式中，推进物120是弹盒104的一部分。在对波形生成器136 进行相当的简化的情况下，可省略波形控制器122，如下所述。在发射设备102的制造和操作中可采用任何传统材料和技术。例 如，电源112可以包括一个或多个可再充电电池，瞄准装置114可包 括激光枪瞄准器，推进激活器118可包括在某些方面与手枪的板机类 似的机械触发器，推进物120可包括压缩的氮气。在一种实现方式中， 发射设备是手持式的，并且可以以与常规手枪类似的方式操作。在操 作中，弹盒104被安放在发射设备102之上或之中，用户的手动操作 导致携带电极的射弹被从发射设备102推出，并朝向目标(例如动物， 如人类)，并且在电极与目标电耦合之后，刺激信号被递送经过目标 组织的一部分。可以利用任何传统技术将射弹132系绰到发射设备102和发射设 备102中的适当电路(未示出)，以便向电源134提供替代或辅助电 源；触发、重新触发或控制波形生成器136;激活、重新激活或控制 展开；和/或与射弹132中的仪器(未示出)合作在发射设备102处接 收从电极142提供的信号。波形控制器包括无线通信接口和用户接口。通信接口可包括无线 电或红外收发器。用户接口可包括小键盘和平板显示器。例如，波形 控制器122通过与波形生成器136的无线电通信形成和维持链路，以 便利用传统的信令和数据通信协议进行控制和遥测。波形控制器122 包括操作者接口，该操作者接口能够向系统100的用户显示状态并且 能够自动地或根据用户需要向波形生成器136发出控制(例如命令、 消息或信号)。控制帮助控制射弹132的任何方面和/或收集来自射弹 132的任何电路的数据。控制可影响刺激信号的时间和幅度特性，其 中包括整体启动、重启动和停止功能。遥测可包括对波形生成器136 或射弹132中的其他仪器(未示出)利用传统技术实现的反馈控制。 状态可包括刺激信号和刺激信号递送电路的任何特性。弹盒104包括具有电源134、波形生成器136和电极展开装置138 的射弹132。电极展开装置138包括展开激活器140和一个或多个电 极142。电源134可以包括针对相对较高的能量输出对体积比率而选 择的任何传统电池。波形生成器136接收来自电源134的电力，并且 根据本发明的不同方面生成刺激信号。刺激信号被递送到一个电路中， 该电路是通过经由电极142穿过目标的路径完成的。电源134、波形 生成器136和电极142合作，以形成刺激信号递送电路，该电路还可 包括不由展开激活器142展开的一个或多个附加电极(例如通过射弹 132的碰撞而放置)。射弹132可包括一个主体，该主体具有隔间或其他结构，用于安 放电源134、用于波形生成器136的电路组合件以及电极展开装置138。 该主体可以形成为传统弹道学形状(例如湿润空气动力形式)。电极展开装置包括任何使电极从装填(stowed)配置移动到展开(deployed)配置的机构。例如，在电极142是被推动经过空气到达 目标的射弹的一部分的实现方式中，装填配置为射弹的精确行进提供 了空气动力稳定性。展开配置经由刺穿组织直接完成刺激信号递送电 路，或经由进入组织中的电孤而间接完成刺激信号递送电路。已发现 约7英寸的间距比约1.5英寸的间距更有效；并且较长的间距可能也 是适用的，例如一个电极在大腿中，另一个在手中。当电极分离得更 远时，剌激信号显然会经过更多组织，从而产生更有效的刺激。根据本发明的不同方面，电极展开是在射弹132和目标接触之后 激活的。可以通过展开激活器的方位改变；展开激活器相对于射弹主 体的位置改变；展开激活器的方向、速度或加速度的改变；和/或电极(例如电极142或通过射弹132和目标的碰撞而放置的电极)之间的 导电率的改变，来确定接触。对于低成本射弹，通过机械特性来检测 碰撞并且通过机械能量的释放或重新定向来展开电极的展开激活器 140是优选的。根据本发明的不同方面，目标的行为可能促进电极的展开。例如， 射弹前部的一个或多个间隔较近的电极可能附着到目标，以激起目标 的疼痛反应。 一个或多个电极可能被暴露并被适当地定向(例如远离 目标)。暴露可以发生在飞行期间或碰撞之后。目标的疼痛可能是由 刺入目标肉中的电极倒钩而导致的，或者如果存在两个间隔较近的电 极，则可能由于间隔较近的电极之间的刺激信号递送而导致。虽然这 些电极可能太靠近在一起以至于不能适当地制动，但是刺激信号可以 产生足够的疼痛和迷向(disorientation)。对疼痛的典型响应行为是 用手(或嘴，如果是动物的话)抓住所感觉到的导致疼痛之处，以尝试去除电极。这就是所谓的"手部陷阱(hand trap)"方法，这种方法 利用这种典型响应行为来将一个或多个暴露的电极植入目标手部(或 嘴部)之中。通过抓住射弹， 一个或多个暴露的电极刺穿目标的手部 (或嘴部)。目标的手部(或嘴部)之中的暴露的电极一般与其他电 极间隔得很远，以使得另 一 个电极与该暴露的电极之间的刺激可以允 许适当的制动。在一种备选系统实现方式中，省略了发射设备102、弹盒104和 射弹132;并且将电源134、波形生成器136和电极展开装置138形成 制动设备150以适合于其他传统的在目标之上或附近放置的形式。在 另一种备选实现方式中，省略了展开装置138，并且通过目标行为和/ 或重力来放置电极142。可以利用传统技术来包装制动设备150，以用 于个人安全(例如安置在人类目标的衣物中，或动物的藏身之处，以 便将来激活)、设施安全(为监视摄像头、设备关断或紧急响应提供 时间)或军事目的(例如地雷)。射弹132可以是致命的或非致命的。在备选实现方式中，射弹132 包括任何用于施行致命武力的传统技术。这里所论述的制动包括对目标的自主运动的任何抑制。例如，制 动可包括导致疼痛或干扰正常肌肉功能。制动不需要包括目标的全部 运动或全部肌肉。优选地，不扰乱非自主肌肉功能(例如用于循环和 呼吸的)。在局部性电极放置的变体中， 一个或多个骨骼肌的功能丧 失就完成了适当的制动。在另一种实现方式中，导致适当强度的疼痛 以扰乱目标完成运动任务的能力，从而使目标丧失能力。发射设备102的备选实现方式可包括传统上可获得的武器(例如 枪支、枪榴弹发射器、车载炮)，或用这些传统上可获得的武器来替 换。射弹132可经由爆炸性装料120 (例如火药、黑火药)来递送。 射弹132也可经由压缩气体(例如氮气或二氧化碳气)的释放和/或压 力(例如弹簧力，或由化学反应(例如汽车气嚢展开中使用的那种类 型的反应)产生的力)的迅速释放来推进。
根据本发明的不同方面，波形生成器可以按任何顺序执行以下操作中的一个或多个选择用于刺激信号递送电路中的电极，电离电极 和目标之间的缝隙中的空气，提供初始刺激信号，提供备选刺激信号， 以及对操作者输入作出响应以控制上迷操作中的任何操作。在 一种实 现方式中，这些操作大部分是由处理器所执行的固件来控制的，以允 许波形生成器的小型化、降低成本和提高可靠性。例如，图2的波形 生成器200可以;故用作上述波形生成器136。波形生成器200包括低 电压电源204、高电压电源206、开关208、处理器电路220和收发器 240。低电压电源接收来自电源134的DC电压，并提供用于波形生成 器200的操作的其他DC电压。例如，低电压电源204可包括传统的 开关式电源电路(例如Linear Technology销售的LTC3401)，以接 收来自电源134的电池的1.5伏特，并提供5伏特和3.3伏特DC。高电压电源接收来自低电压电源的未经稳压的DC电压，并提供 脉冲式的、电压相对较高的波形，作为刺激信号VP。例如，高电压 电源206包括开关式电源232、变压器234、整流器236和存储电容器 C12，所有这些都是传统技术的。在一种实现方式中，包括传统电路 (例如Linear Technology销售的LTC1871)的开关式电源232接收 来自低电压电源204的5伏特DC，并且为变压器234提供相对较低 的AC电压。进入开关式电源232的反馈控制信号确保了信号VP的 峰值电压不超过某个限度(例如500伏特)。变压器234将在其初级 绕組上的相对较低的AC电压升高为两个次级绕组中每一个之上的相 对较高的AC电压(例如500伏特)。整流器236为充电电容器C12 提供DC电流。开关208通过在短时间中导通以形成脉冲；然后断开，从而在电 极上形成刺激信号VP。可从电容器C12获得的放电电压在脉沖持续 期间降低。当开关208断开时，电容器C12可以被再充电，以为每个 脉冲提供相同的放电电压。处理器电路220包括具有根据本发明的不同方面编程的微处理 器、存储器和模数转换器的传统可编程控制，以执行上述方法。基于射弹的收发器按上文所述的方式与波形控制器通信。例如，收发器240包括适合于随时在射弹132和发射设备102之间进行数据 通信的射频(例如约450 MHz)发送器和接收器。例如，根据适合于 通信链路的辐射器和拾取器(例如天线或红外设备)的放置和设计， 可以以射弹132的任何适当配置建立136和122之间的通信链路。在 一种实现方式中，射弹132在四种配置中工作(l)装填配置，其中 空气动力翼片和可展开电极处于存储位置和方位；(2)飞行中配置， 其中空气动力翼片处于从射弹132中伸展开来的位置；(3)在与目标 接触之后的碰撞配置；以及(4)电极展开配置。刺激信号可包括任何经由电极递送以建立或维持经过目标的刺 激信号递送电路和/或使目标无法运动的信号。根据本发明的不同方 面，这些目的是用具有多个阶段的信号来实现的。每个阶段包括这样 一段时间，在该时间段期间， 一个或多个波形经由波形生成器和耦合 到波形生成器的电极而被连续递送。根据本发明的不同方面，构成完 整波形的阶段可以按任何顺序包括以下阶段(a)路径形成阶段，用 于电离可能与电极串联的去到目标组织的空气隙；(b )路径测试阶 段，用于测量刺激信号递送电路的电特性(例如是否存在与目标组织 串联的空气隙)；(c)冲击阶段，用于使目标无法运动；(d)保持 阶段，用于阻碍目标的进一步运动；以及(e)休止阶段，用于允许目 标的有限活动性(例如允许目标喘气)。每个阶段的信号特性的示例在图3中示出。在图3中，刺激信号 的两个阶段归属于路径管理，三个阶段归属于目标管理。每个阶段的 波形形状可以具有正幅度(如图所示)、负幅度或者在相同阶段的重 复中在正负幅度之间交替。路径管理阶段包括路径形成阶段和路径测 试阶段，如上所迷。在路径形成阶段中，波形形状可包括初始峰(电压或电流)、随 后的极性交替的较小的峰以及幅度衰减的拖尾。初始峰值电压可超过 预期长度的空气隙的电离电势(例如约50千伏，优选为IO千伏)。
在一种实现方式中，波形形状被形成为来自传统谐振电路的衰减振荡。 具有一个或多个峰的一个波形形状可能就足以电离跨越缝隙(例如空 气隙)的路径。或者可以在断定需要电离并且需要再次尝试电离(例 如先前的尝试失败或电离后的空气受到破坏)的路径测试阶段(或者 与另一阶段同时的监视)之后，重复施加这种波形形状路径。在路径测试阶段中，发起电压波形并将其施加在一对电极上，以 确定路径是否具有足够进入路径形成、冲击或保持阶段的一个或多个 电特性。可通过任何传统技术，例如监视在预定时间段中被耦合以提 供电流到电极中的电容器上的初始电压和最终电压，来确定路径阻抗。在一种实现方式中，电压脉冲的形状基本上是矩形的，具有约450伏 特峰值幅度，并且持续时间约为IO微秒。可接连若千次测试路径，以 形成平均测试结果，例如从一到三个电压脉冲形成平均测试结果，如 上所述。对电极的所有组合测试可以在约1毫秒内完成。路径测试的 结果可被用于选择一对电极，以用于随后的路径形成、冲击或保持阶 段。可在未对所有可能的电极对完成测试的情况下做出选择，例如， 当以从最优选到最不优选的顺序来测试电极对时就是如此。在冲击阶段中，发起电压波形并将其施加在一对电极上。 一般该 波形足以干扰目标骨骼肌的自主控制，尤其是大腿和/或小腿的肌肉的 自主控制。在另一种实现方式中，在实现的制动中包括手部、足部、 腿部和臂部的使用。该电极对可以是在测试阶段期间选择的；或者是由路径形成阶段为导电准备的。根据本发明的不同方面，冲击阶段中 使用的波形形状包括具有减小的幅度的脉沖(例如梯形形状)。在一 种实现方式中，波形形状是从初始电压和终止电压之间的电容器放电 生成的。对于包括要维持的电离的路径，初始电压可以是相对较高的电 压，或者对于不包括电离的路径，可以是相对较低的电压。就像图3 中那样，初始电压可对应于刺激峰值电压(SPV)(例如约为骨骼肌 神经动作电势)。对于快速上升时间波形，SPV实质上可以是初始电 压。电离作用之后的SPV可为从约3千伏到约6千伏，优选为约5千
伏。没有电离作用的SPV可为从约100伏到约600伏，优选为从约 350伏到约500伏，更优选为400伏。
可确定终止电压以便在每个脉冲中递送预定的电荷。每脉冲电荷 最小值可被设计为确保连续肌肉收缩，而不是非连续肌肉抽搐。在其 中每脉冲电荷高于约15微库仑的人类目标中观察到了连续肌肉收缩。 在一种实现方式中使用了约50微库仑的最小值。85微库仑的最小值 是优选的，虽然更高的能量花费就伴随着更高的最小每脉冲电荷。
可确定每脉冲电荷最大值以避免目标的心脏纤维性颤动。对于人 类目标，在每脉冲1355微库仑或更高的情况下观察到了纤维性颤动。 值1355是在相对较宽范围的脉冲重复速率(例如从约5到50脉冲每 秒)、与目标电阻变化相一致的相对较宽范围的脉冲持续时间(例如 从约10到约1000微秒)以及相对较宽范围的每脉冲峰值电压(例如 从约50到约1000伏特)上观察到的平均值。500微库仑的最大值大 大降低了纤维性颤动的危险，而更低的最大值(例如约IOO微库仑) 是优选的，以便节约能量花费。
脉沖持续时间优选地是由上述电荷递送所规定的。根据本发明的 不同方面的脉冲持续时间一般长于那些使用高于空气电离电势的峰值 脉冲电压的传统系统。脉冲持续时间可以在从约20到约500微秒的范 围中，优选在从约30到约200微秒的范围中，最优选为在从约30到 约IOO微秒的范围中。
通过节约每脉冲的能量花费，可实现更长的制动持续时间，并且 可以使用更小更轻的电源(例如在包括电池的射弹中)。在一种实现 方式中，在射弹中包括了一个AAAA大小的电池，以在可能延续到约 IO分钟的目标管理期间递送约1瓦特的功率。在这种实施例中，适当 的每脉冲电荷范围可以是从约50到约150微库仑。
初始和终止电压可被设计为在具有从约30微秒到约210微秒(例 如约50到IOO微秒)范围中的持续时间的脉冲中递送每脉冲电荷。足 以递送适当的每脉冲电荷的放电持续时间部分地依赖于目标处电极之 间的电阻。例如，约IOO微秒的一次RC时间常数放电可对应于约1.75
微法的电容和约60欧姆的电阻。放电到50伏的IOO伏初始电压可从 1.75微法电容器提供87.5微库仑。
可计算终止电压以确保预定电荷的递送。例如，可观察与电容器 上的电压相对应的初始值。随着电容器放电以向目标中递送电荷，观 察到的值可能减小。可基于初始值和希望在每个脉冲中递送的电荷来 计算终止值。在放电期间，可监视该值。当观察到终止值时，可以以 任何传统方式来限制(或停止)进一步的放电。在备选实现方式中， 对递送的电流积分以提供递送的电流的量度。监视到的达到极限值的 测量值可被用于限制(或停止)进一步递送电荷。
备选实现方式中的脉冲持续时间可以比IOO孩吏秒大不少，例如达 到1000微秒。较长的脉沖持续时间增大了心脏纤维性颤动的危险。在 一种实现方式中，连续的冲击脉冲极性交替，以驱散聚集在目标中以 不利地影响目标心脏的电荷。
在冲击阶段期间，以约5到约50脉冲每秒的速率递送脉冲，优 选地以约20脉冲每秒的速率递送脉冲。冲击阶段从该阶段的第一脉冲 的上升沿持续到最后一个脉冲的下降沿，持续时间为1到5秒，优选 为2秒。
在保持阶段中，发起电压波形并将其施加在一对电极上。 一般此 波形足够以低于冲击阶段的程度阻碍活动性和/或继续制动。保持阶段 需要的功率一般低于冲击阶段。利用混杂在冲击阶段之间的保持阶段 使得在固定电源耗尽(例如电池电源)时制动效果能够继续一段比起 无保持阶段情况下继续冲击阶段时更长的时间。保持阶段的刺激信号 可以如上所迷主要干扰目标骨骼肌的自主控制，或者可以主要导致疼 痛和/或迷向。该对电极可以与先前的路径形成、路径测试或冲击阶段 中使用的相同或不同，优选与紧挨其前的冲击阶段的相同。根据本发 明的不同方面，保持阶段中使用的波形形状包括具有减小的幅度(例 如梯形形状)和初始电压(SPV)的脉冲，正如以上参考冲击阶段所 论述。可确定终止电压，以递送预定的小于冲击阶段中使用的脉冲的 每脉冲电荷(例如从30到IOO微库仑)。在保持阶段期间，可以以约
5到15脉冲每秒的速率递送脉沖，优选以约10 Ji^冲每秒的速率递送 脉冲。保持阶段从该阶段的第一脉沖的上升沿持续到最后一个脉沖的 下降沿，持续时间为约20到约40秒(例如约28秒)。
休止阶段是用来改善目标和/或系统操作者的个人安全的阶段。 在一种实现方式中，休止阶段不包括任何刺激信号。因此，与以上参 考保持阶段所描述的类似，休止阶段的使用节约了电池功率。通过降 低目标进入较对高危险的物理或情感状况的可能性，改善了目标的安 全。高危险物理状况包括丧失非自主肌肉控制(例如循环或呼吸)的 危险、惊厥、痉挛或与神经紊乱相关联的发作(例如癫痫、麻醉剂过 量)的危险。高危险情感状况包括无理性行为的危险，例如源于对立 即死亡的恐惧的行为或自杀性行为。利用休止阶段可降低对目标的长 期健康造成损害的危险(例如使疤痕组织和/或有害的外伤的形成达到 最低限度)。休止阶段可持续1到5秒，优选为2秒。
在一种实现方式中，冲击阶段之后是重复的一系列交替的保持阶 段和休止阶段。
在上述任何一种展开电极配置中，剌激信号可在各种电极之间切 换，以使得在任何特定时刻不是所有电极都是活动的。因此，用于向 多个电极施加刺激信号的方法包括，以任何顺序(a)选择一对电极； (b )向所选的那对施加刺激信号；(c)监视递送到目标中的能量(或 电荷)；(d)如果递送的能量(或电荷)低于某个限度，则断定所 选电极中至少有一个没有充分耦合到目标以形成刺激信号递送电路； 以及(e)重复选择、施加和监视，直到递送预定的总刺激量(能量和 /或电荷)。执行这种方法的微处理器可以在少于一毫秒内识别出适当 的电极，以使得用于选择电极的时间不被目标所察觉。
根据本发明的不同方面的波形生成器可执行用于递送刺激信号 的方法，该方法包括选择路径，为刺激信号准备该路径，以及提供该 刺激信号以获得一连串效果，这些效果以任何顺序包括比较高的制 动效果(例如上述冲击阶段)、比较低的制动效果(例如上述保持阶 段)以及比较起来最低的制动效果(例如上述休止阶段)。例如，图
4的方法400被实现为被存储在存储器设备上(例如由传统盘介质和/ 或半导体电路所存储和/或运送)并被安装以便被处理器执行(例如在 处理器电路220的只读存储器中)的指令。
方法400开始于如上所述的路径测试阶段，该阶段包括用于确定 可接受的或优选的电极对的循环(402-408)。由于射弹可能包括许多 电极，因此任何的电极子集都可被选择以用于施加刺激信号。存储在 波形生成器200的处理器可访问的存储器中的数据可包括电极子集
(例如电极对)的列表，优选地是从用于最大制动效果的最优选电极 子集到最不优选的电极子集的有序列表。在一种实现方式中，有序列 表指示用于上述所有阶段中的一个电极子集的一种优先选择。在另一 种实现方式中，该列表被排序以表示对多于一个阶段中的每一个阶段 各自的电极子集的优先选择。方法400使用 一个列表来表达适当的电 极优先选择。备选实现方式包括多于一个列表和/或多于一个循环
(402-408)(例如每个阶段有一个列表和/或循环)。在另一种备选 实现方式中，列表包括相同子集的相同条目，以便在干扰测试或刺激 信号之前和之后测试子集。
根据方法400，在路径管理之后，处理器220执行目标管理。路 径管理可包括路径形成，如上所述。如下所述，目标管理可^C中断以 执行路径管理(434)。对于目标管理，处理器220在阶段序列中提供 刺激信号，如上所述。在一种实现方式中，阶段序列是通过执行循环
(424-444)实现的。
对于预定义的阶段序列的每个(424)阶段，执行循环(426-442) 以提供适当的刺激信号。在进入内循环(426-442)之前，识别阶段。 阶段序列可包括一个冲击阶段，之后是交替的保持和休止阶段，如上 所述。
在所识别的阶段持续期间(426)，处理器220为电容器(例如 用于信号VP的C12)充电(428)直到有足够递送的电荷(例如IOO 微库仑)可用或者充电被提供脉沖的要求(例如经由收发器240的操 作者命令、电极测试的结果或定时器期满)所中断。然后处理器220
形成脉冲(例如冲击阶段脉沖或保持阶段脉沖)，该脉沖具有按上述
方式设置的SPV的值(422或414)。在一种实现方式中，处理器220 通过观察存储电容器电压(例如VC)的减小(436)直到这种电压等 于或超过极限电压(例如约228伏)，来计量电荷的递送(432 )。对 适当的极限电压的选择可遵循公知的关系AQ=CAV，其中Q是以库 仑为单位的电荷量；C是以法拉为单位的电容；V是以伏特为单位的 电容器电压。
在电荷递送的计量期间，处理器220可检测到(434)针对所识 别的阶段正在使用的路径已发生故障。 一旦发生故障，处理器220就 退出所识别的阶段，退出所识别的阶段序列，并返回(402 )路径测试， 如上所述。
当已递送了所识别的阶段的电荷量(436)时，结束脉冲(例如 信号VP) ( 440 )。在结束脉冲之后提供的电压可以是零(例如使所 识别的电极中的至少 一个开路)或标称电压(例如足以维持电离作用)。
如果所识別的阶段未完成，则处理在内循环顶部处继续(426)。 当阶段的持续时间尚未期满时；或者当尚未递送预定量的脉冲时，所 识别的阶段就可能未完成。否则，处理器220识别(444)阶段序列中 的下一阶段，并且处理在外循环中继续(424)。外循环可重复阶段序 列(如图所示)直到波形生成器的电源被完全耗尽。
对于每个(402)列出的电极子集，处理器220在所识别的电极 子集上施加(404)测试电压。在一种实现方式中，处理器220施加比 较低的测试电压(例如约500伏)，以确定包括所识别的电极的刺激 信号递送电路的阻抗。可通过估计电流、电荷或电压来确定阻抗。例 如，处理器220可观察与用于提供测试电压的电容器(例如C12)上 的电压相对应的信号的电压(例如VC)的变化。如果观察到的电压 变化(例如峰值或平均绝对值)超过某个限度，则所识别出的电极被 认为是合适的，并且刺激峰值电压被设置为450伏。否则，如果未在 列表末尾处，则另一个子集被识别(408)并且循环继续(402)。
在另一种实现方式中，处理器220利用递送适当的电荷(例如从
约20到约50微库仑)而施加比较低的测试电压(例如约500伏)， 以吸引目标朝向电极运动。例如，运动可能造成后向电极刺穿目标的 手部，从而建立经过目标组织中的相对较长的路径的优选电路。在一 种实现方式中，后向电极与该子集的电极邻近，并且也是该子集的成 员。或者，后向电极可以与该子集的其他电极相对较远和/或不是该子 集的成员。
一种实现方式中使用的测试信号具有用于这里所论述的刺激信 号的范围内的脉冲幅度和脉沖宽度。 一个或多个脉冲构成一个子集的 测试。在备选实现方式中，在子集测试期间测试信号被连续施加，并 且每个子集的测试持续时间与用于这里所论述的刺激信号的范围内的 脉冲宽度相对应。
如果在列表末尾没有找到可接受的对，则处理器220如上所述识 别用于路径形成阶段的电极对。处理器220以传统方式向电极施加 (212)电离电压。假设发生电离，则随后的冲击阶段和保持阶段可利 用刺激峰值电压来维持电离。因此，SPV被设置(414)为3千伏。
以上描述论迷了本发明的优选实施例，这些优选实施例可以被改 变或修改，而不会脱离权利要求书所限定的本发明的范围。虽然为了 描述清楚起见，描述了本发明的若千个特定实施例，但是本发明的范 围是想要由以下所阐迷的权利要求来度量的。
权利要求
1. 一种用于利用经由电极耦合到目标的刺激信号来对所述目标进行制动的方法；该方法包括根据冲击阶段提供所述刺激信号； 根据保持阶段提供所述刺激信号；以及 根据休止阶段提供所述刺激信号。
2. 如权利要求l所述的方法，其中所述冲击阶段期间的所述刺激信号包括第一重复速率；并且 所述保持阶段期间的所述剌激信号包括小于所述第 一 重复速率 的第二重复速率。
3. 如权利要求l所述的方法，其中所述冲击阶段期间的所述刺激信号包括向所迷目标递送第 一 电 荷的第一脉沖；所述保持阶段期间的所述刺激信号包括向所述目标递送小于所 述第一电荷的第二电荷的第二脉冲。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述冲击阶段期间的所述刺 激信号具有小于电离电势的峰值电压。
5. 如权利要求1所述的方法，还包括根据路径形成阶段和根据信号。
6. 如权利要求1所迷的方法，其中在冲击阶段中提供所迷刺激 信号的步骤包括提供一系列脉冲，所述脉沖系列具有从约5脉冲每 秒到约50脉沖每秒的范围中的脉冲重复速率；以及以小于电离电势的 峰值电压提供所述系列中的至少一个脉冲，以递送从约20微库仑到约 1355微库仑范围中的电荷。
7. 如权利要求6所述的方法，其中每个脉冲递送从约50到约150 微库仑的范围中的电荷。
8. 如权利要求6所述的方法，还包括反转所述系列中连续脉冲的极性。
9. 一种用于对目标进行制动的电路，该电路包括 电荷存储电路；以及处理器电路，其获得与存储在所述电荷存储电路中的初始电荷相 对应的第一值，将所述电荷存储电路耦合到所述目标以对所述电荷存 储电路进行放电并将电荷递送到所述目标中，获得与存储在所述电荷 存储电路中的当前电荷量相对应的第二值，并且在根据所述第一值和 所述第二值指示递送了预定电荷之后限制放电。
10. 如权利要求9所述的电路，其中所述预定电荷处于从约20 到约1355微库仑的范围中。
11. 如权利要求9所述的电路，其中所述预定电荷处于从约50 到约150微库仑的范围中。
12. —种包括如权利要求9所述的电路的射弹。
13. —种用于对目标进行制动的系统，该系统包括发射设备和如 权利要求12所述的射弹。
14. 一种用于对目标进行制动的电路，该电路包括 电荷存储电路；以及处理器电路，其将所述电荷存储电路耦合到所述目标以经由一系 列脉冲释放存储的电荷通过所迷目标以获得连续的肌肉收缩，所述系 列中的每个脉冲具有小于约500伏特的峰值电压幅值，每个脉沖在由 所述处理器电路所监视的电压跨过阈值电压幅值之后完成，所述阈值 电压幅值是根据在从约20到约500微秒范围内的一段时间中递送的预 定电荷的，所述脉冲系列的重复速率具有从约5到约50脉冲每秒的范 围。
15. 如权利要求9所述的电路，其中所述预定电荷处于从约20 到约500微库仑的范围中。
16. 如权利要求9所述的电路，其中所述预定电荷处于从约50 到约150微库仑的范围中。
17. —种包括如权利要求14所述的电路的射弹。
18. —种用于对目标进行制动的系统，该系统包括发射设备和如 权利要求17所述的射弹。
全文摘要
用于利用经由电极耦合到目标的刺激信号来使诸如人类或动物之类的目标无法运动的系统和方法根据冲击阶段、保持阶段和休止阶段来提供刺激信号。冲击阶段和保持阶段可以包括具有例如从10到20脉冲每秒的脉冲重复速率的脉冲，每个脉冲递送预定量的电荷，例如在小于约500伏特峰值下为约100微库仑。保持阶段可以以与冲击阶段相比更少的能量花费来继续制动。由于冲击阶段和保持阶段可以通过干扰目标神经系统对骨骼肌的控制来制动，因此休止阶段可以允许目标喘气。
文档编号H05C3/00GK101124856SQ200480033258
公开日2008年2月13日 申请日期2004年10月7日 优先权日2003年10月7日
发明者帕特里克·W.·史密斯, 马格尼·H.·纳海姆 申请人:天射国际公司