多通道可植入的神经刺激器制造技术

一个传送器和可植入接收器的结合体，其中数据是以一种数据格式从传送器被传送到接收器，在该接收器中，须被刺激的各通道适宜于以单极、双极或模拟方式来传送信息．该数据格式包括两种形式的编码字：即其中一位被分配于每一通道并可被用来产生单极脉冲或双极脉冲的波形的过渡字，及可在一通道同时产生模拟波形的幅值字．输出系统的一个基本元件是一电流源数模变换器，它响应于编码字而在每一通道上形成适当的输出．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术一般说来是针对生物医学工程领域的，更详细地说，是要设计一种听觉修补系统的可植入的接收刺激器。 个别深度聋者，其听力损失超过90分贝。就大部分情况而论，还没有办法通过外科手术或其他治疗来恢复他们的听力。听觉修补术以电刺激神经细胞组织，产生声觉，为深度聋者恢复听力。 神经修补系统主要由四个部分组成语言加工硬件，功率和数据传送器，植入的接收器/刺激器以及植入的电极。起语言加工作用的外部电子部件是技术独立体的课题，不是本专利申请的一部分。使用加尔布雷思(Galbraith)先生同时申请的题为“宽带感应透皮功率和数据连接器”，可获得通过皮肤的连接。作为参考，加尔布雷思先生的上述文章合并在本文里，见代理人摘要№.A-41832，斯坦福No.S84-100。本系统采用数字编码信号，并将这些信号连同能量通过皮肤送入植入的刺激器。刺激器将位流解码，并把电荷或电流波形送入植入听觉神经或耳蜗的电极。 本专利技术的目的是要提供改进功率和数据传送器以及有关的植入接收器/刺激器。刺激的波形必须符合三个安全要求电荷平衡，电流限制和电荷限制。图1说明上述要求中的二个要求，用现有技术达成的示于图1A，用本专利技术的技术达成的示于图1B。波形是电荷平衡的，即它们是双相电流脉冲，各相位包含的面积相同。这一点之所以必需是因为直流净电荷会促使骨质生长，破坏与刺激器交接的神经细胞组织，使植入物无用。再者，电荷不平衡的波形引起植入电极的表面处的电解。电解使物质从电极放出来，会使电极的寿命从数年降低到数星期。因而刺激器必须回收传送到电极的所有电荷以防上神经细胞的破坏，并保证足够的植入物寿命。 现有技术的刺激器传送多种不同类型的波型，图1A所示是其中的一个例子。这些刺激器通过控制向电极放电的电容器上的电压来测得被传送的电荷。这是一种控制电荷而不是控制电流的解决办法。 本专利技术的目的是提供既控制电荷也控制流向听觉神经电流的传送器。有证据说明，大电流密度会引起神经的损坏，与电极表面面积结合的容性放电设计的峰值电流，其电流密度处于有破坏力的范围内。 再者，那些最常用又最适于植入用的铂电极，只能在损失物质前，承受等于或低于400nC/cm2的极限电荷密度。因此，本专利技术的一个目的就是要把电荷密度限制于这个数值之下。 作为小结，刺激波形的安全要求必须坚持电荷的平衡，电荷的限制和电流的限制以防止神经细胞的可能破坏。 接下去参看图2。图2A和2B显示现有技术刺激器所能得到的波形格式。本专利技术的一个目的是要提供图2C，2D和2E所示的波形，也就是一种数值化模拟的、双极脉冲(两个反相180°的矩形波形)、单极脉冲(矩形)波形。 现有技术的已知可植刺激器可分成不同的种类。本专利技术的目的就是要提供全部三种类型的刺激器。 此外，一个完善的刺激器应具有多个分开的刺激输出，可能多达或多于八个的输出。 本专利技术的另一个目的是要提供独立的多通道操作，这是一种许多已知的刺激器所缺少的功能。这种独立的多通道刺激器之所以需要，是因为一个成功的刺激器的算法对于不同的听觉神经的独立电荷来说最需要有多个独立通道。 本专利技术的另一个目的是要提供一种系统，其中的分辨功率超过听觉系统的分辨功率。早期的响度差别试验指出，要能够明确分辨出事物，两个刺激器之间的电荷差可以低到1.5n C，这个电荷增量连同250微安的最大电流意味着脉冲刺激器的最小时间增量应在二微秒左右。本专利技术的目的是要提供低到或低于2微秒的时间分辨增量。 本专利技术的再一个目的是要提供一种体积小、可携带而且效率高的系统，它可以一整天只用一组晶体管收音机用的乾电池来操作，因此，在实际应用上它是很方便的。 为了提供本专利技术的这些和其他的目的，把传送器和可植入的接收器结合起来，利用一种数据格式使数据由传送器输送到接收器，各个受激通道适于输送单极、双极或模拟形式的信息。 数据格式包括两类数码字一种是过渡字，其中每一位都分派给各自的通道，可以用来产生单极脉冲或双极脉冲波形;还有一种是幅值字，它能产生每次一个通道的模拟波形。 输出系统的一个主要元件是数字换为模拟的转换器的电流源，它对应于数码字在各通道形成有用的输出。每个输出由一组八个电流源组成，其中四个的电流同一极性，另四个的电流极性相反。在四个为一组的组合里，电流源是二进制的关系，即I，2 I，4 I和8 I。在这样的安排下，每一通道能够提供16种幅值乘上二个极性的电流，即32种电流量。这通道只不过是五位的数-模转换器。 输出电路有电荷平衡开关，这是一种在数-模转换器中不常见的开关。这些开关的设计在关掉电流源时能回收剩余的电荷。当然设计也应在剩余电荷过大的电荷恢复期间限制电流，这样才不至引起神经的破坏。 每个通道的电荷平衡(不应通过直流电流或电荷)和电荷限制是用来防止电极的破坏和骨质生长的。电荷的平衡是用电荷平衡开关和用隔直流电容器来实现的。电荷限制则只用隔直流电容器来实现。 各个通道上的电荷电平是用一种由众多并接的开关组成的梯形网络开关确定的;闭合各个开关使电流电平比在撒手不管先前的开关时的电流要成倍增加。 本专利技术的其它若干优点和特色因而可由下列详细说明变得明显，请参看下列的图表 图1 说明刺激波形的所需性质; 图2 说明所需刺激波形的例子; 图3 说明自传送器向接收器输送数据的数据字格式; 图4 从略图来说明听觉修补术的植入电子器件; 图5和图6说明使用主题系统可以产生的波形例子; 图7 说明电压稳压器和调频解调器，它们是接合到参差调谐耦合系统的接收部分; 图8A和8B详细说明逻辑芯片和控制逻辑芯片的定时，这种逻辑芯片能检测和部份解出传送的数据; 图9A和9B分别是电流源芯片的简化图形和详细电路，电流源芯片相应于逻辑芯片的输出，提供电极上的电流信号以刺激听觉神经; 先来叙述用于控制植入系统的编码图例，参见图3。设计本数码的三个主要目的是 一.解释失效的机构和限制它们的潜在效应。这个目的是使主题不受不正确的刺激。它也防止电极过早的失效，以及未到期就破坏神经细胞组织。 二.在保留产生接近随意波形能力时，尽量减少产生波形所需的位数。这个目的是要减少紧邻动作之间发生定时矛盾的可能性，也要尽量减少一个动作的持续时间，并扩大刺激器的灵活性。 三.减低数据对器体公差和漂移的灵敏性。本目的增加植入物的再生产能力和耐用性。 外部定时控制(ETC)码由两个字，即“过渡字”和“幅值字”组成，如图3所示。每个字长十一位，而且由一起始位开始。数据被送至具有浮动字帧的串行位流，故起始位表示一个字的开始。奇偶检验位检测一个字里奇数位的误差。ID位区分“幅值字”和“过渡字”。剩下的八位包括“过渡字”的状态命令和“幅值字”的电流电平和地址命令。 “过渡字”同时寻访多电极刺激阵列(图4)的全部八个通道，它是专为用来增加系统用作脉冲刺激器时的灵活性而设的。脉冲输出有三种可能的状态，即两个不同方向的电流加上一个电荷平衡。(电荷平衡的意思是将电极和物体地短路，因而收回留在其上的剩余电荷)。如在一个“过渡字”里，有一个“一”在给定的输出位位置出现，则本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种神经刺激器，其特征在于，该神经刺激器包含一传送器，一可植入接收器以及将上述传送器耦合到上述接收器的方法，上述接收器包括接到植入者神经的多个输出通道，上述接收器包括以单极或双极方式，或者交替以模拟方式同时寻访上述各个通道以刺激上述神经。

【技术特征摘要】
US 1985-4-2 719,2311、一种神经刺激器，其特征在于，该神经刺激器包含一传送器，一可植入接收器以及将上述传送器耦合到上述接收器的方法，上述接收器包括接到植入者神经的多个输出通道，上述接收器包括以单极或双极方式，或者交替以模拟方式同时寻访上述各个通道以刺激上述神经。2、权利要求1所述的刺激器，其特征在于，上述接收器包括耦合到上述各个通道的电流源。上述电流源器件由一开关网络组成，闭合开关的数目有选择地规定封围在任一通道上的电荷和电流。3、权利要求1所述的刺激器，其特征在于，上述寻访方法进一步包括为规定上述任一通道上的模拟电流波形量化的方法。4、权利要求1所述的刺激器，其特征在于，该刺激器进一步包括一个接到刺激器的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：道格拉斯塞西尔加尔布雷恩，
申请(专利权)人：莱兰斯坦福初级大学评议会，
类型：发明
国别省市：US[美国]