一种多通道全集成神经电刺激系统技术方案

本发明专利技术涉及一种多通道全集成神经电刺激系统，包括微处理器、数字电路、串并联电荷泵和输出驱动电路，微处理器通信连接数字电路，数字电路由微处理器配置有刺激参数及输出驱动电路电压切换顺序，并生成对应的数字信号，输出驱动电路的数量为多个，数字电路分别连接串并联电荷泵和各个输出驱动电路，串并联电荷泵用于产生多级输出电压并为各个输出驱动电路供电；各个输出驱动电路均具有动态电压切换功能。与现有技术相比，本发明专利技术各个输出驱动电路的输出电压可以根据负载和所需要的刺激电流独立优化，克服了传统恒流模式刺激效率低的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种多通道全集成神经电刺激系统


[0001]本专利技术涉及神经电刺激
，尤其是涉及一种多通道全集成神经电刺激系统。

技术介绍

[0002]目前一些学者提出神经电刺激治疗的方案，其原理是通过植入设备将指定量的电荷注入神经组织并激发神经组织产生一定的生理响应。目前神经电刺激模式主要有三种：恒压刺激、恒流刺激以及恒电荷刺激。恒压刺激(如图1中的(a)区域所示)是最早提出的一种刺激方式，实现方式是在电极两端加入固定电压，但由于其刺激电流不可控，对生物组织会造成不可逆的伤害，在实际的生物医疗领域应用极少。恒电荷刺激(如图1中的(c)区域所示)具有极高的安全性，其可控制每次注入目标组织的电荷，但恒电荷刺激每个刺激通道需要一个微法(～μF)级别的电容，这在小体积高通道数电刺激系统中是一个较难实现的条件，目前应用仍较少。恒流电刺激(如图1中的(b)区域所示)是现在的主流电刺激模式，其刺激电流可控，具有极高的安全性，但其主要问题是刺激效率较低。如图1中的(d)区域所示，刺激电极的等效阻抗由于电极植入位点不同会有很大的差异，导致不同的刺激电流下所需的顺从电压V
comp
会有不同。为了兼容最大的刺激电流I
max
和最大可能的电极阻抗Z
max
，需要电路系统提供给刺激电路的电源电压VDDS大于I
max
×
Z
max
。
[0003]为了解决恒流电刺激中能量效率低的问题，过去10年研究者们基于动态调节电源电压的方法不断优化提高恒流电刺激电路的能量效率。其主要思想是根据电极的阻抗变化动态的调节提供给电刺激电路的电源电压VDDS，如2012年Arfifine等人通过反馈利用电流传感器检测和调整DCDC电压变换器电路的电流，从而达到动态的调节刺激器电源电压VDDS的目的，但是因为该电路存在大电感的问题，所以对于多通道情况并不适用。2013年Ian Williams团队提出了能产生多级电压且可配置的电荷泵结构，但是该电路主要问题是多通道只能使用同一个动态配置的电源电压VDDS，不能进行多个刺激通道同时优化VDDS，且其使用了高压工艺增加了面积和成本。2017年Z.Luo团队提出了一种基于数字信号动态切换电源的方案可以同时激活所有通道的刺激器，但该方法不能单独控制每一个通道的VDDH。2021年Xuetao Zeng提出单输入独立可配置多输出(SIMICO)的多路选择器结构，使每个刺激通道的顺应电压可独立调节，解决了多通道单独优化VDDS的问题，大大提高了多通道刺激器的能量效率，但在该结构的电路中，轻负载情况下大部分能量消耗在产生多个VDDS的电荷泵电路上，造成在小刺激电流时能量效率降低，而小刺激电流(<50μA)在多通道植入式微电刺激应用中是一个十分普遍和典型的值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多通道全集成神经电刺激系统。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种多通道全集成神经电刺激系统，包括微处理器、数字电路、串并联电荷泵和输出驱动电路，所述微处理器通信连接所述数字电路，所述数字电路由微处理器配置有刺激参数及输出驱动电路电压切换顺序，并生成对应的数字信号，所述输出驱动电路的数量为多个，所述数字电路分别连接串并联电荷泵和各个输出驱动电路，所述串并联电荷泵用于产生多级输出电压并为各个输出驱动电路供电；各个所述输出驱动电路均具有动态电压切换功能。
[0007]进一步地，所述输出驱动电路包括多选一开关、恒流源、浮动锁存器和上电复位电路，
[0008]所述浮动锁存器的输入端连接所述串并联电荷泵和数字电路，用于根据数字信号和多级输出电压产生多级输出电平；
[0009]所述多选一开关的输入端连接浮动锁存器和数字电路，用于根据浮动锁存器产生的多级输出电平和数字电路发送的指令进行输出电压选择；
[0010]所述上电复位电路连接在浮动锁存器的输入端，用于在系统启动时固定浮动锁存器的输出状态；
[0011]所述恒流源的输出端连接多选一开关，用于提供恒定的刺激电流。
[0012]进一步地，所述多选一开关的一端连接浮动锁存器，另一端连接有第一NMOS管，该第一NMOS管连接有CCOFF信号，所述恒流源接入多选一开关和第一NMOS管之间，所述恒流源还连接有电压比较器，该电压比较器的输出端连接在多选一开关和恒流源之间；
[0013]当所述CCOFF信号为高电平时，所述多选一开关接地，所述输出驱动电路工作在电压模式，由浮动锁存器和多选一开关产生高压脉冲；
[0014]当所述CCOFF信号为低电平时，所述多选一开关连接恒流源，所述输出驱动电路工作在电流模式，在系统工作过程中，所述第一NMOS管的源端电压不断减小，当第一NMOS管的源端电压低过预设的阈值电压时，所述电压比较器输出高电平，改变所述多选一开关的输入信号，实现动态电压切换。
[0015]进一步地，所述多选一开关包括多个PMOS管和NMOS管，通过各个PMOS管和NMOS管的导通和关断选择多级输出电压。
[0016]进一步地，所述串并联电荷泵包括基础N型晶体管开关、基础电容、VDD电源、多个电荷泵单元和控制该串并联电荷泵的CLK控制信号，所述基础N型晶体管开关、基础电容和VDD电源依次串联，所述基础N型晶体管开关的一端连接有输入电压，所述CLK控制信号电压为0到VDD，多个电荷泵单元依次并联在所述基础电容的两端，各个所述电荷泵单元均包括第一并联N型晶体管开关、并联电容、第二并联N型晶体管开关和P型晶体管开关，各个电荷泵单元中的第一并联N型晶体管开关、并联电容和第二并联N型晶体管开关依次串联后并联在基础电容或前一电荷泵单元中的并联电容的两端，所述P型晶体管开关的两端分别连接第一并联N型晶体管开关远离并联电容的一端，以及并联电容远离第一并联N型晶体管开关的一端，所述电荷泵单元的第一并联N型晶体管开关和并联电容之间通过输出引脚输出电压，各个所述电荷泵单元的第一并联N型晶体管开关和第二并联N型晶体管开关均连接有对应的CLK控制信号。
[0017]进一步地，当所述CLK控制信号为高电平时，则对应电荷泵单元的第一并联N型晶体管开关和第二并联N型晶体管开关导通，P型晶体管开关断开，对应的并联电容或基础电
容充电。
[0018]进一步地，当所述CLK控制信号为高电平时，则对应的电荷泵单元的第一并联N型晶体管开关和第二并联N型晶体管开关关断，对应的P型晶体管开关导通，输出对应级数的输出电压。
[0019]进一步地，所述串并联电荷泵为输出驱动电路提供0～4
×
VDD的电压源。
[0020]进一步地，所述微处理器为单片机STM32微处理器。
[0021]进一步地，各个所述输出驱动电路均根据对应的数字信号输出电压。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0023](1)本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多通道全集成神经电刺激系统，其特征在于，包括微处理器、数字电路、串并联电荷泵和输出驱动电路，所述微处理器通信连接所述数字电路，所述数字电路由微处理器配置有刺激参数及输出驱动电路电压切换顺序，并生成对应的数字信号，所述输出驱动电路的数量为多个，所述数字电路分别连接串并联电荷泵和各个输出驱动电路，所述串并联电荷泵用于产生多级输出电压并为各个输出驱动电路供电；各个所述输出驱动电路均具有动态电压切换功能。2.根据权利要求1所述的一种多通道全集成神经电刺激系统，其特征在于，所述输出驱动电路包括多选一开关、恒流源、浮动锁存器和上电复位电路，所述浮动锁存器的输入端连接所述串并联电荷泵和数字电路，用于根据数字信号和多级输出电压产生多级输出电平；所述多选一开关的输入端连接浮动锁存器和数字电路，用于根据浮动锁存器产生的多级输出电平和数字电路发送的指令进行输出电压选择；所述上电复位电路连接在浮动锁存器的输入端，用于在系统启动时固定浮动锁存器的输出状态；所述恒流源的输出端连接多选一开关，用于提供恒定的刺激电流。3.根据权利要求2所述的一种多通道全集成神经电刺激系统，其特征在于，所述多选一开关的一端连接浮动锁存器，另一端连接有第一NMOS管，该第一NMOS管连接有CCOFF信号，所述恒流源接入多选一开关和第一NMOS管之间，所述恒流源还连接有电压比较器，该电压比较器的输出端连接在多选一开关和恒流源之间；当所述CCOFF信号为高电平时，所述多选一开关接地，所述输出驱动电路工作在电压模式，由浮动锁存器和多选一开关产生高压脉冲；当所述CCOFF信号为低电平时，所述多选一开关连接恒流源，所述输出驱动电路工作在电流模式，在系统工作过程中，所述第一NMOS管的源端电压不断减小，当第一NMOS管的源端电压低过预设的阈值电压时，所述电压比较器输出高电平，改变所述多选一开关的输入信号，实现动态电压切换。4.根据权利要求2所述的一种多通道全集成神经电刺激系统，其特征在于，所述多选一开关包括多个PMOS管和NMOS管，通过各个PMOS管和NMOS管的导通和关断选择多级输出电压。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘静，姚镭，张轩，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：