脉冲控制电路和方法、脉冲发生器以及脑深部电刺激系统

技术领域

本发明属于植入式医疗仪器技术领域，尤其是涉及一种脉冲控制电路和方法、脉冲发生器以及脑深部电刺激系统。

背景技术

随着脑外科手术技术和神经电子科学技术的发展，脑深部电刺激(Deep brainstimulation，DBS)凭借其优于损毁手术的临床效果，可以实现不破坏脑组织的神经介入手术过程以及治疗方案的可逆，成为世界范围内晚期帕金森病的首选治疗手段。现有的脑深部电刺激系统主要由植入体内的脉冲发生器(IPG)，刺激电极(Lead)，体内延长导线(Extension)，体外程控设备(Programer&Remoter)以及相关手术工具(Surgical tool)等部分组成。在这个系统中，植入体内的脉冲发生器(IPG)的精确脉冲刺激是具备更好的治疗效果和更高的可靠性的基础，国内外已获得脑深部电刺激设备销售资质的企业均不遗余力的研制有关脉冲发生器的产品。

现有的IPG的脉冲电流源大都是采用运放来实现，内部电路需要数十个场效应管，如图1所示，是现有技术中一种IPG的内部电路结构图，其电路结构复杂、器件繁多且功耗大。

为了满足现有的脉宽和周期的精确控制需要高速的逻辑电路，导致功耗比较大。但如果想降低功耗，则需要牺牲控制精度，线性度也会随之下降，无法实现IPG的精确脉冲刺激。因此，需要提出一种结构简单功耗低的IPG控制电路方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲控制电路和方法、脉冲发生器以及脑深部电刺激系统，用于解决现有技术中IPG的内部电路结构复杂、器件繁多且功耗大的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的第一方面提出一种脉冲控制电路，包括第一电源、脉冲开启器件、脉冲关闭器件、镜像电流源以及脉冲生成电路；

所述镜像电流源具有第一输出端以及第二输出端；

所述镜像电流源的输入端连接所述第一电源的正极，所述第一输出端连接所述脉冲开启器件的一端，所述第二输出端与所述脉冲关闭器件的一端及所述脉冲生成电路连接，所述脉冲生成电路与所述第一电源的正极和负极连接；

所述脉冲开启器件的另一端以及所述脉冲关闭器件的另一端均连接至所述第一电源的负极；

所述脉冲生成电路用于输出第三脉冲信号，所述脉冲开启器件通过第一脉冲信号控制所述第三脉冲信号的开启，所述脉冲关闭器件通过第二脉冲信号控制所述第三脉冲信号的关闭；

所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号配合以控制所述第三脉冲信号的脉宽。

可选的，所述脉冲开启器件为第一场效应管，所述脉冲关闭器件为第二场效应管；

所述第一场效应管的栅极用于接收所述第一脉冲信号，所述第一场效应管的漏极连接所述第一输出端，所述第一场效应管的源极连接所述第一电源的负极；

所述第二场效应管的栅极用于接收所述第二脉冲信号，所述第二场效应管的漏极连接所述第二输出端，所述第二场效应管的源极连接所述第一电源的负极。

可选的，所述镜像电流源包括第三场效应管以及第四场效应管；

所述第三场效应管的栅极分别连接所述第四场效应管的栅极以及所述第三场效应管的漏极，所述第三场效应管的源极连接所述第一电源的正极，所述第三场效应管的漏极用作所述第一输出端并连接所述第一场效应管的漏极；

所述第四场效应管的源极连接所述第一电源的正极，所述第四场效应管的漏极用作所述第二输出端并连接所述第二场效应管的漏极以及所述脉冲生成电路。

可选的，所述脉冲生成电路包括第五场效应管、第六场效应管、第一电容以及稳压管；

所述第一电容的一端连接所述稳压管的阴极以及所述第四场效应管的漏极，所述第一电容的另一端以及所述第六场效应管的源极均连接所述第一电源的负极；

所述第五场效应管的源极连接所述第一电源的正极，所述第五场效应管的栅极以及所述第六场效应管的栅极均连接所述稳压管的阳极，所述第五场效应管的漏极与所述第六场效应管的漏极连接并用于输出所述第三脉冲信号。

可选的，所述第三脉冲信号的周期为T，其中T＝C*R*10，C为所述第一电容的容值，R为所述第四场效应管的沟道电阻阻值。

可选的，所述第四场效应管的沟道电阻阻值为1KΩ。

可选的，所述第一场效应管、所述第二场效应管以及所述第六场效应管均为N沟道场效应管。

可选的，所述第三场效应管、所述第四场效应管以及所述第五场效应管均为P沟道场效应管。

可选的，所述第一脉冲信号的频率为100Hz。

可选的，所述第二脉冲信号的频率为100Hz。

可选的，所述第一电源为10V直流电源。

本发明的第二方面提出一种脉冲控制方法，利用上述特征描述中任一所述的脉冲控制电路。

可选的，所述脉冲控制方法包括：

S1：对所述脉冲开启器件施加所述第一脉冲信号，对所述脉冲关闭器件施加所述第二脉冲信号，所述脉冲生成电路输出所述第三脉冲信号；

S2：调整所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号的时间间隔以控制所述第三脉冲信号的脉宽。

本发明的第三方面提出一种脉冲发生器，包括上述特征描述中任一所述的脉冲控制电路。

本发明的第四方面提出一种脑深部电刺激系统，包括所述的脉冲发生器。

本发明提出一种脉冲控制电路和方法、脉冲发生器以及脑深部电刺激系统，与现有技术不同之处在于，利用脉冲开启器件和脉冲关闭器件来控制脉冲生成电路输出的脉冲。电路元器件数量极大的减少，降低了电路自身功耗和故障率，提高了脉冲控制电路的稳定性，同时更低的功耗可以延长植入式的电池寿命。

此外，本发明提供的控制电路中，可仅仅利用六个场效应管达到与使用集成运放同样的输出刺激精度和脉宽控制精度，在电路原理设计上实现由繁杂设计转化为构思巧妙的精简设计。

另外，现有技术中的场效应管内阻小于100欧姆，本发明采用内阻为1KΩ的场效应管，可以提高控制分辨率和线性度，在同等精度需求下可以实现对刺激脉冲脉宽和周期的精确控制。

附图说明

图1为现有技术中IPG内部电路示意图；

图2为本发明实施例提供的一种脉冲控制电路示意图；

图3为本发明另一实施例提供的一种脉冲控制方法流程示意图；

100-镜像电流源，200-脉冲生成电路，T1-第一场效应管，T2-第二场效应管，T3-第三场效应管，T4-第四场效应管，T5-第五场效应管，T6-第六场效应管，D-稳压管，C1-第一电容，DC-第一电源。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

如图2所示，本发明的第一方面提出一种脉冲控制电路，包括第一电源DC、脉冲开启器件、脉冲关闭器件、镜像电流源100以及脉冲生成电路200，所述镜像电流源100具有第一输出端以及第二输出端。所述镜像电流源100的输入端连接所述第一电源DC的正极，所述第一输出端连接所述脉冲开启器件的一端，所述第二输出端与所述脉冲关闭器件的一端及所述脉冲生成电路200连接。所述脉冲开启器件的另一端以及所述脉冲关闭器件的另一端均连接至所述第一电源DC的负极。所述脉冲开启器件用于控制第一脉冲信号，所述脉冲关闭器件用于控制第二脉冲信号。所述脉冲生成电路200用于输出第三脉冲信号，所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号配合以控制所述第三脉冲信号的脉宽。

与现有技术不同之处在于，利用脉冲开启器件和脉冲关闭器件来控制脉冲生成电路200输出的脉冲。电路元器件数量极大的减少，降低了电路自身功耗和故障率，提高了脉冲控制电路的稳定性，同时更低的功耗可以延长植入式的电池寿命。

优选地，所述脉冲开启器件为第一场效应管T1，所述脉冲关闭器件为第二场效应管T2。所述第一场效应管T1的栅极用于接收所述第一脉冲信号，所述第一场效应管T1的漏极连接所述第一输出端，所述第一场效应管T1的源极连接所述第一电源DC的负极。所述第二场效应管T2的栅极用于接收所述第二脉冲信号，所述第二场效应管T2的漏极连接所述第二输出端，所述第二场效应管T2的源极连接所述第一电源DC的负极。

所述脉冲开启器件与所述脉冲关闭器件均可选用场效应管，场效应管的种类有很多种，为了方便说明，在本发明实施例中所述第一场效应管T1以及所述第二场效应管T2均可选用N沟道场效应管，具体型号可选用AO3400N沟道场效应管。但是并不局限于这一种类型，其它类型的场效应管也可实现，在此不做限制。

用于控制所述第一场效应管T1的所述第一脉冲信号可视为脉冲打开信号，用于控制所述第二场效应管T2的所述第二脉冲信号可视为脉冲关闭信号。当所述第一脉冲信号给所述第一场效应管T1的栅极以低电平时，所述第一场效应管T1处于关断状态，此时，所述第一输出端的电路处于断路状态，没有电流流过。根据镜像电流电路的原理可知，所述第二输出端的电路也同样没有电流流过，此时所述脉冲生成电路200处于断路状态无法发出所述第三脉冲信号。当所述第一脉冲信号给所述第一场效应管T1的栅极以高电平时，所述第一场效应管T1处于导通状态，此时，所述第一输出端的电路处于导通状态，有电流流过。根据镜像电流电路的原理可知，所述第二输出端的电流也流过与所述第一输出端相同的电流，此时可以实现向所述脉冲生成电路200供电以使其生成所述第三脉冲信号。但是由于所述第二场效应管T2与所述脉冲生成电路200是并联连接关系，若在此时给与所述第二场效应管T2的栅极以高电平，所述第二场效应管T2处于导通状态，所述第二输出端的电流就不会或者只有部分流过所述脉冲生成电路200，导致无法生成所述第三脉冲信号；若在此时给与所述第二场效应管T2的栅极以低电平，所述第二场效应管T2处于关断状态，所述第二输出端的电流就会全部流入所述脉冲生成电路200，所述脉冲生成电路200可以生成所述第三脉冲信号。因此，可实现通过所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的时间间隔来控制所述第三脉冲信号的脉宽。

具体地，所述镜像电流源100可包括第三场效应管T3以及第四场效应管T4。所述第三场效应管T3的栅极分别连接所述第四场效应管T4的栅极以及所述第三场效应管T3的漏极，所述第三场效应管T3的源极连接所述第一电源DC的正极，所述第三场效应管T3的漏极用作所述第一输出端并连接所述第一场效应管T1的漏极。所述第四场效应管T4的源极连接所述第一电源DC的正极，所述第四场效应管T4的漏极用作所述第二输出端并连接所述第二场效应管T2的漏极以及所述脉冲生成电路200。通常情况下，所述镜像电流源100可用两个场效应管来实现，当然并不局限于这一种情况，其他可以实现与镜像电流源100相同功能的电路或者器件同样可以用作替换或变形。

为了方便说明，在本发明实施例中所述第三场效应管T3以及所述第四场效应管T4均可选用P沟道场效应管，具体型号可选用AO6800P沟道场效应管。但是并不局限于这一种类型，其它类型的场效应管也可实现，在此不做限制。

进一步地，所述脉冲生成电路200包括第五场效应管T5、第六场效应管T6、第一电容C1以及稳压管D。所述第一电容C1的一端连接所述稳压管D的阴极以及所述第四场效应管T4的漏极，所述第一电容C1的另一端以及所述第六场效应管T6的源极均连接所述第一电源DC的负极。所述第五场效应管T5的源极连接所述第一电源DC的正极，所述第五场效应管T5的栅极以及所述第六场效应管T6的栅极均连接所述稳压管D的阳极，所述第五场效应管T5的漏极与所述第六场效应管T6的漏极连接并用于输出所述第三脉冲信号。

当所述第一脉冲信号给所述第一场效应管T1的栅极以低电平时，所述第一场效应管T1处于关断状态，此时，所述第一输出端的电路处于断路状态，没有电流流过。根据镜像电流电路的原理可知，所述第二输出端的电路也同样没有电流流过，此时所述脉冲生成电路200处于断路状态无法发出所述第三脉冲信号。

当所述第一脉冲信号给所述第一场效应管T1的栅极以高电平时，所述第一场效应管T1处于导通状态，此时，所述第一输出端的电路处于导通状态，有电流流过。根据镜像电流电路的原理可知，所述第二输出端的电流也流过与所述第一输出端相同的电流，此时可以实现向所述脉冲生成电路200供电以使其生成所述第三脉冲信号。但是由于所述第二场效应管T2与所述脉冲生成电路200是并联连接关系，若在此时给与所述第二场效应管T2的栅极以高电平，所述第二场效应管T2处于导通状态，所述第二输出端的电流就不会或者只有部分流过所述脉冲生成电路200，导致无法生成所述第三脉冲信号；若在此时给与所述第二场效应管T2的栅极以低电平，所述第二场效应管T2处于关断状态，所述第二输出端的电流会给所述第一电容C1充电，所述第一电容C1进入充电过程。当所述第一电容C1的充电过程完成后，此时如果给所述第二场效应管T2的栅极以高电平，所述第二场效应管T2处于导通状态，所述第一电容C1两端的电压会小于其已充好的电压，所述第一电容C1进入放电过程并输出脉冲电压，当所述第一电容C1的放电电压大于所述稳压管D的方向击穿电压时，所述稳压管D反向导通，同时给所述第五场效应管T5和所述第六场效应管T6的栅极施加高电平，所述第五场效应管T5和所述第六场效应管T6处于导通状态，并输出脉冲信号也即所述第三脉冲信号。

为了方便说明，在本发明实施例中所述第五场效应管T5可选用P沟道场效应管，所述第六场效应管T6均可选用N沟道场效应管，具体型号可选用AO6800P沟道场效应管以及AO3400N沟道场效应管。但是并不局限于这一种类型，其它类型的场效应管也可实现，在此不做限制。需要注意的是，在本发明实施例中，所述N沟道场效应管以及所述P沟道场效应管的参数应当对称互补，具体可表现为开启电压绝对值相近，导通电流绝对值相近，以及导通电阻相近等参数。

所述第三脉冲信号的周期为T，其中T＝C*R*10，C为所述第一电容C1的容值，R为所述第四场效应管T4的沟道电阻阻值。可通过调整所述第一电容C1的容值以及所述第四场效应管T4的沟道电阻阻值来控制所述第三脉冲信号的周期。

可选地，所述第四场效应管T4的沟道电阻阻值为1KΩ。与现有技术中的场效应管内阻小于100Ω相比，本发明采用内阻为1KΩ的场效应管提高控制分辨率、线性度，同等精度需求下可以实现对刺激脉冲脉宽和周期的精确控制。

为了方便说明本发明的技术方案，以下通过更加具体的实施例对本发明的IPG控制电路进行详细描述，在本实施例中，所述第一场效应管T1、所述第二场效应管T2以及所述第六场效应管T6均可选用AO3400N沟道场效应管，所述第三场效应管T3、所述第四场效应管T4以及所述第五场效应管T5均可选用AO6800P沟道场效应管。所述第一脉冲信号以及所述第二脉冲信号的频率可选用100Hz，所述第一电源DC可选用10V直流电源。如图2所示，电路的具体连接关系如下：

12V直流电源DC的正极连接AO6800P沟道场效应管T3、T4、T5的源极；12V直流电源DC的负极连接AO3400N沟道场效应管T1、T2、T6的源极和1uf电容C1的一端并且接地；周期100Hz脉冲打开信号Vg连接AO3400N沟道场效应管T1的栅极；周期100Hz脉冲关闭信号Voff连接AO3400N沟道场效应管T2的栅极；AO6800P沟道场效应管T3、T4栅极相连并且连接AO6800P沟道场效应管T3的漏极和AO3400N沟道场效应管T1的漏极；AO6800P沟道场效应管T4的漏极和AO3400N沟道场效应管T2的漏极相连并且连接1uf电容C1的另一端和1N4743稳压管D的阴极；1N4743稳压管D的阳极连接AO6800P沟道场效应管T5的栅极和AO3400N沟道场效应管T6的栅极；AO6800P沟道场效应管T5的漏极和AO3400N沟道场效应管T6的漏极相连并且连接周期100Hz输出脉冲Vo。

本发明的另一实施例提出一种脉冲控制方法，利用上述特征描述中任一所述的脉冲控制电路。

可选地，如图3所示，所述脉冲控制方法包括：

S1：对所述脉冲开启器件施加所述第一脉冲信号，对所述脉冲关闭器件施加所述第二脉冲信号，所述脉冲生成电路200输出所述第三脉冲信号；

S2：调整所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号的时间间隔以控制所述第三脉冲信号的脉宽。

本发明的实施例还提出一种脉冲发生器，包括上述特征描述中任一所述的脉冲控制电路。

本发明的实施例还提出一种脑深部电刺激系统，包括所述的脉冲发生器。

综上所述，本发明提出一种脉冲控制电路和方法、脉冲发生器以及脑深部电刺激系统，与现有技术不同之处在于，利用脉冲开启器件和脉冲关闭器件来控制脉冲生成电路输出的脉冲。电路元器件数量极大的减少，降低了电路自身功耗和故障率，提高了脉冲控制电路的稳定性，同时更低的功耗可以延长植入式的电池寿命。

此外，本发明提供的控制电路中，可仅仅利用六个场效应管达到与使用集成运放同样的输出刺激精度和脉宽控制精度，在电路原理设计上实现由繁杂设计转化为构思巧妙的精简设计。

另外，现有技术中的场效应管内阻小于100欧姆，本发明采用内阻为1KΩ的场效应管，可以提高控制分辨率和线性度，在同等精度需求下可以实现对刺激脉冲脉宽和周期的精确控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。