[发明专利]一种神经前端闭环刺激电路

说明书

本发明涉及植入式生物医疗领域，尤其涉及一种神经前端闭环刺激电路。本发明包括高压产生单元、刺激电流偏置单元、双相刺激电流产生单元、电流适配单元；高压产生单元用于将输入电压泵升至所需的高工作电压；刺激电流偏置单元设定标准刺激电流并传输至电极；双相刺激电流产生单元用于产生双相刺激电流；电流适配单元检测输出信号反馈至输入端，调整工作电压与负载阻抗相匹配，使输出双相刺激电流保持稳定。本发明电流最大误差小于5%；输出额定电流不变，系统输出总能根据负载变化匹配最小工作电压，降低了系统功耗。

技术领域

本发明涉及植入式生物医疗领域，尤其涉及一种神经前端闭环刺激电路。

背景技术

自从1957年的第一个植入式人工耳蜗(Cochlea Implant)以及1958年的第一个植入式心律调节器(pace maker)问世以来，CMOS技术的发展为生医电子领域带来了许多突破性的革新，基于CMOS芯片的植入式医疗系统在临床医学上得到越来越广泛的应用。1986至1995年，人体实验验证了功能性电刺激系统(Functional Electrical Stimulation，FES)可以用于治疗某些由神经系统紊乱导致的疾病，它通过为异常神经组织提供刺激以补充或替代神经受损个体丧失的功能。目前美国食品药品管理局(Food and DrugAdministration，FDA)已经核准一些FES设备可以用于人体，当前医学界正在使用的电子设备，诸如植入式视网膜、人工耳蜗、心律调节器、脊髓刺激器等都是功能性电刺激的应用。功能性电刺激如今可以辅助治疗许多以往不能治疗的神经类疾病，例如视觉障碍、听力损伤、癫痫等，极大地改善了人们的生活质量。如中国发明专利《多功能闭环神经反馈刺激设备及其方法》(申请号：201780068083.X)。

神经刺激器作为FES系统最核心的部分，在设计时直接驱动电极，并作用于神经组织以实现某些神经受损类疾病的治疗。现有神经刺激器包括恒压刺激模式和恒流刺激模式。而临床试验显示，生物体组织的种类、所处位置以及芯片植入时间的不同，会使得电极的有效阻抗在很宽的范围内变化。相较于恒压刺激模式，采用恒流刺激模式的神经刺激器可不受人体阻抗变化的影响，但相对能耗大，结构相对复杂。

此外，为了兼顾安全性，刺激电流通常采用双相刺激电流。采用恒流刺激模式，刺激器必须输出稳定的刺激电流。这就意味着，当负载阻抗变化时，为了使刺激电流大小稳定在保证刺激有效的特定范围值内，植入式神经刺激系统中刺激部位所需刺激电压的电压值覆盖范围较宽，这对刺激电路产生能够根据负载变化的线性输出电压提出了要求。传统的针对特定负载的刺激器已不适用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种神经前端闭环刺激电路。本发明采用闭环负反馈控制，针对变化负载，驱动电压可在较宽范围变化以保证稳定的刺激电流输出，电流最大误差小于5％；另一方面，输出额定电流不变，系统输出总能根据负载变化匹配最小工作电压，降低了系统功耗。

本发明的技术方案是：一种神经前端闭环刺激电路，包括高压产生单元、刺激电流偏置单元、双相刺激电流产生单元、电流适配单元；高压产生单元用于将输入电压泵升至工作电压；刺激电流偏置单元设定标准刺激电流并传输至电极；双相刺激电流产生单元用于产生双相刺激电流；电流适配单元检测输出信号反馈至输入端，其特征在于，电流适配单元为：

构成电流镜的第一NMOS管、第二NMOS管以及电阻R、比较器；

第一NMOS管的栅极以及漏极与第二NMOS管的栅极相连，源极连接至地电位；

第二NMOS管的栅极与第一NMOS管的栅极以及漏极相连，漏极通过电阻R连接至电源VDD的同时与比较器的同相端相连，源极与地相连；

比较器的同相端连接至第二NMOS管的漏极以及电阻R，反相端连接至外加电源，外加电源为电源VDD的一半，输出端与高压产生单元相连。