CN118253035A - 可编程有源神经刺激装置、电子设备 - Google Patents
可编程有源神经刺激装置、电子设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118253035A CN118253035A CN202310209125.4A CN202310209125A CN118253035A CN 118253035 A CN118253035 A CN 118253035A CN 202310209125 A CN202310209125 A CN 202310209125A CN 118253035 A CN118253035 A CN 118253035A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stimulation
- voltage
- switch
- word line
- circuit unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000007383 nerve stimulation Effects 0.000 title description 10
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 claims abstract description 261
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 48
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 claims abstract description 24
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 claims description 23
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 19
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 12
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 claims description 7
- 210000000278 spinal cord Anatomy 0.000 claims description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 210000000860 cochlear nerve Anatomy 0.000 claims description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 17
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 4
- 210000001525 retina Anatomy 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 241000282693 Cercopithecidae Species 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 210000000857 visual cortex Anatomy 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 208000008035 Back Pain Diseases 0.000 description 1
- 208000032041 Hearing impaired Diseases 0.000 description 1
- 208000002193 Pain Diseases 0.000 description 1
- 206010033799 Paralysis Diseases 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 210000000944 nerve tissue Anatomy 0.000 description 1
- 235000001968 nicotinic acid Nutrition 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002207 retinal effect Effects 0.000 description 1
- 101150018075 sel-2 gene Proteins 0.000 description 1
Landscapes
- Electrotherapy Devices (AREA)
Abstract
本公开涉及一种可编程有源神经刺激装置、电子设备，所述装置包括：多个刺激电路单元，每个刺激电路单元均包括写操作组件、信息存储组件与刺激操作组件，所述写操作组件、所述信息存储组件及所述刺激操作组件相互连接，控制模块，连接于至少一个刺激电路单元，用于：控制所述写操作组件对所述信息存储组件进行写操作以写入刺激信息，所述刺激信息用于确定进行神经电刺激的刺激信号的强度；通过所述写操作组件控制所述刺激操作组件的控制端的电压或电流，以使得所述刺激操作组件根据所述信息存储组件内存储的刺激信息输出刺激信号。本公开实施例可以实现神经电刺激，通过大规模集成刺激电路单元，能够实现通道数的大规模提升，大幅降低成本。
Description
技术领域
本公开涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种可编程有源神经刺激装置、电子设备。
背景技术
随着电子、生物等领域蓬勃发展，人们在越来越多的场景下使用电神经刺激，用于神经功能恢复和神经调控。如在人工耳蜗领域中，美国Advanced Bionics公司与澳大利亚Cochlear分别开发了16通道与22通道神经假体为深度失聪患者修复听觉能力。在人工视网膜领域，美国Second Sight公司与德国Retina Implant AG公司分别开发了60通道ArgusII电刺激神经假体与1600通道Alpha AMS光电转换神经假体为患者提供简单的感知、识别与导航能力，法国Pixium Vision公司开发了378通道的Prima产品为视觉损伤患者提供一定程度的视觉恢复功能；在脊髓刺激器领域，美国Medtronic公司与Boston Scientific公司开发了16通道与32通道的脊髓刺激器为背痛患者缓解疼痛，也为下肢瘫痪患者恢复一定行走能力；在脑刺激领域，荷兰神经研究所采用了16组64通道的Utah电极组成了一个1024通道刺激***，对猴脑视觉皮层进行刺激并使其完成简单的感知任务(参考Chen,X.,Wang,F.,Fernandez,E.&Roelfsema,P.R.Shape perception via a high-channel-countneuroprosthesis in monkey visual cortex.Science(1979)370,1191–1196(2020).)。
然而，通常的神经电刺激，生成刺激信号源的硅基芯片与刺激信号输出端间的互联方式是通过一维导线直接连接的，这导致电刺激通道数量十分有限，与人类视觉、听觉与脑神经所天然具备的感知与处理信号的神经通路数量大相径庭，严重制约了神经假体所能承载的最大信息量。
目前电刺激神经假体主要采用传统半导体与集成电路制造工艺，所能形成电极数量仅能达到百级或千级，无法达到超高通道数量的要求。并且传统制造工艺形成的***，通常无法避免大而硬的特质，不具备神经组织所需的机械柔韧性，且工艺成本极高，无法实现大面积集成，对于超高通道数电极阵列的制备与实现存在难以调和的困难。相比于直接电刺激存在的通道数有限的问题，Alpha AMS与Prima的人工视网膜技术所采用的光电转换结合电刺激技术可提升通道数量(参考Chenais,N.A.L.,Airaghi Leccardi,M.J.I.&Ghezzi,D.Photovoltaic retinal prosthesis restores high-resolution responses tosingle-pixel stimulation in blind retinas.Commun Mater 2,28(2021).)但光电传感器产生的电刺激信号存在连续直流刺激神经的根本问题，且该技术难以拓展到除视觉以外的神经调控应用中。
因此，神经电刺激技术需要一种新的技术手段解决现有技术中存在的通道数难以大规模提升的问题。
发明内容
根据本公开的一方面，提供了一种可编程有源神经刺激装置，所述装置包括：
多个刺激电路单元，每个刺激电路单元均包括写操作组件、信息存储组件与刺激操作组件，所述写操作组件、所述信息存储组件及所述刺激操作组件相互连接，
控制模块，连接于至少一个刺激电路单元，用于：
控制所述写操作组件对所述信息存储组件进行写操作以写入刺激信息，所述刺激信息用于确定进行神经电刺激的刺激信号的强度；
通过所述写操作组件控制所述刺激操作组件的控制端的电压或电流，以使得所述刺激操作组件根据所述信息存储组件内存储的刺激信息输出刺激信号。
在一种可能的实施方式中，所述写操作组件包括第一开关，所述信息存储组件包括存储电容，所述刺激操作组件包括压控电流源；所述第一开关的第一端、第二端及控制端分别连接于第一位线、所述压控电流源的控制端及第一字线，所述压控电流源的第一端连接于所述存储电容的第一端及偏置电压源，所述存储电容的第二端连接于所述压控电流源的控制端，所述压控电流源的第二端用于输出刺激信号，其中，所述存储电容的第一端与第二端间的电压差与所述刺激操作组件产生的刺激信号的幅值具有相关关系。
在一种可能的实施方式中，所述控制模块还用于：
控制所述第一位线的电压与所述偏置电压源间的差分电压，该差分电压与刺激信号的幅值对应；
控制所述第一字线的电压使得所述第一开关导通，对所述存储电容充电，以使得所述压控电流源产生刺激信号；
控制所述第一字线的电压使得所述第一开关断开，以保持所述存储电容上已写入的数据。
在一种可能的实施方式中，所述刺激操作组件还包括第二开关及第二字线，所述第二开关的第一端连接于所述压控电流源的第二端，所述第二开关的控制端连接于所述第二字线，所述第二开关的第二端用于输出刺激信号。
在一种可能的实施方式中，所述控制模块还用于：
通过控制所述第二字线的电压幅度、起始时刻及维持时间，控制所述第二开关的导通与断开状态，以同步各个刺激电路单元输出的刺激信号并控制刺激信号的脉冲的宽度。
在一种可能的实施方式中，所述刺激操作组件还包括第三开关及第三字线，所述第三开关的第一端连接于所述压控电流源的第二端，所述第三开关的第二端连接于地，所述第三开关的控制端连接于所述第三字线。
在一种可能的实施方式中，所述控制模块还用于：
通过控制所述第三字线的电压使得所述第三开关导通，对所述压控电流源的第二端上的电极放电，以使得所述压控电流源的第二端上电极积累的电荷重置。
在一种可能的实施方式中，所述刺激操作组件还包括第二开关、第三开关、第二字线及第三字线，所述第二开关的第一端连接于所述压控电流源的第二端，所述第二开关的第二端用于输出刺激信号，所述第二开关的控制端连接于所述第二字线，所述第三开关的第一端连接于所述第二开关的第二端，所述第三开关的第二端连接于地，所述第三开关的控制端连接于所述第三字线。
在一种可能的实施方式中，所述控制模块还用于：
通过控制所述第二字线的电压幅度、起始时刻及维持时间，控制所述第二开关的导通与断开状态，以同步各个刺激电路单元输出的刺激信号并控制刺激信号的脉冲的宽度；和/或
通过控制所述第三字线的电压使得所述第三开关导通，对所述压控电流源的第二端上的电极放电，以使得所述压控电流源的第二端上电极积累的电荷重置。
在一种可能的实施方式中，所述多个刺激电路单元以多行多列形式排列，形成刺激电路阵列，其中，所述刺激电路阵列的同一行的刺激电路单元之间通过字线相连，所述刺激电路阵列的同一列内的刺激电路单元之间通过位线相连，
其中，所述控制模块用于：
对所述刺激电路阵列按行或按列进行刺激信息的写操作；
对任意数目的刺激电路单元进行同步刺激操作。
在一种可能的实施方式中，当进行某一个刺激电路单元的写操作时，所述控制模块通过对应刺激电路单元的第一字线驱动并导通对应刺激电路单元的写操作组件，通过对应刺激电路单元的第一位线的电压控制对应刺激电路单元的信息存储组件的电压，以改变存储信息状态；
在一种可能的实施方式中，当进行某一个刺激电路单元的刺激操作时，所述控制模块通过对应刺激电路单元的第一字线、或第一字线及第二字线驱动并导通对应刺激电路单元的刺激操作组件，以通过对应刺激电路单元的第一位线的刺激信息，输出对应刺激电路单元的刺激信号。
根据本公开的一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括所述的可编程有源神经刺激装置。
在一种可能的实施方式中，所述电子设备包括听觉神经假体、视觉神经假体、脊髓刺激器、脑刺激***的至少一种。
本公开实施例的可编程有源神经刺激装置通过控制模块控制所述写操作组件对所述信息存储组件进行写操作以写入刺激信息，以控制进行神经电刺激的刺激信号的强度；通过所述写操作组件控制所述刺激操作组件的控制端的电压或电流，以使得所述刺激操作组件根据所述信息存储组件内存储的刺激信息输出刺激信号，可以实现神经电刺激，通过大规模集成刺激电路单元，能够实现通道数的大规模提升，大幅降低成本。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。
图1示出了根据本公开实施例的可编程有源神经刺激装置的示意图。
图2示出了根据本公开实施例的刺激电路单元电路结构示意图。
图3示出了根据本公开实施例的刺激电路单元电路结构示意图。
图4示出了根据本公开实施例的刺激电路单元电路结构示意图。
图5示出了根据本公开实施例的刺激电路单元电路结构示意图。
图6示出了根据本公开实施例的刺激电路阵列的示意图。
图7示出了根据本公开实施例的拓展了同步刺激、脉冲宽度可调与刺激电极电荷重置功能的刺激电路阵列的信号时序图。
图8示出了根据本公开实施例的在第四技术方案与第二技术方案下刺激电路单元的刺激信号输出端电压的仿真结果图。
图9示出了根据本公开实施例的拓展了同步刺激与脉冲宽度可调的刺激电路单元阵列信号仿真结果图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或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公开和简化描述，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公开的限制。
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。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
请参阅图1，图1示出了根据本公开实施例的可编程有源神经刺激装置的示意图。
如图1所示，所述装置包括：
多个刺激电路单元10，每个刺激电路单元10均包括写操作组件110、信息存储组件120与刺激操作组件130，所述写操作组件110、所述信息存储组件120及所述刺激操作组件130相互连接，
控制模块20，连接于至少一个刺激电路单元10，用于：
控制所述写操作组件110对所述信息存储组件120进行写操作以写入刺激信息，所述刺激信息用于确定进行神经电刺激的刺激信号的强度；
通过所述写操作组件110控制所述刺激操作组件130的控制端的电压或电流，以使得所述刺激操作组件130根据所述信息存储组件120内存储的刺激信息输出刺激信号。
本公开实施例的可编程有源神经刺激装置通过控制模块20控制所述写操作组件110对所述信息存储组件120进行写操作以写入刺激信息，以控制进行神经电刺激的刺激信号的强度；通过所述写操作组件110控制所述刺激操作组件130的控制端的电压或电流，以使得所述刺激操作组件130根据所述信息存储组件120内存储的刺激信息输出刺激信号，可以实现神经电刺激，通过大规模集成刺激电路单元10，能够实现通道数的大规模提升，大幅降低成本。
本公开实施例的可编程有源神经刺激装置能够在小型化硅基芯片与大面积柔性电极间形成全新的***控制架构，为实现超高通道数的电刺激神经调控功能提供了可行方案。
本公开实施例对写操作组件110、信息存储组件120与刺激操作组件130、控制模块20的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况及需要采用合适的技术手段实现。
下面对写操作组件110、信息存储组件120与刺激操作组件130、控制模块20可能实现方式进行示例性介绍。
在一个示例中，控制模块20可以包括处理组件，示例性的，处理组件包括但不限于单独的处理器，或者分立元器件，或者处理器与分立元器件的组合。所述处理器可以包括电子设备中具有执行指令功能的控制器，所述处理器可以按任何适当的方式实现，例如，被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现。在所述处理器内部，可以通过逻辑门、开关、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等硬件电路执行所述可执行指令。
请参阅图2，图2示出了根据本公开实施例的刺激电路单元电路结构示意图。
在一种可能的实施方式中，如图2所示，所述写操作组件110可以包括第一开关N1，所述信息存储组件120包括存储电容Cs，所述刺激操作组件130包括压控电流源(Ny)；所述第一开关N1的第一端、第二端及控制端分别连接于第一位线Vd、所述压控电流源的控制端及第一字线Vs，所述压控电流源的第一端连接于所述存储电容Cs的第一端及偏置电压源VDD，所述存储电容Cs的第二端连接于所述压控电流源的控制端，所述压控电流源的第二端用于输出刺激信号，其中，所述存储电容Cs的第一端与第二端间的电压差与所述刺激操作组件130产生的刺激信号的幅值具有相关关系，示例性的，所述刺激信号可以为刺激电流，所述存储电容Cs的第一端与第二端间的电压差与所述刺激操作组件130产生的刺激电流的电流值具有相关关系。
示例性的，所述压控电流源可以包括压控开关Ny，所述第一开关N1、所述压控开关Ny可以基于晶体管的半导体制备工艺实现，例如所述第一开关N1、所述压控开关Ny可以通过传统金属氧化物场效应晶体管与新型材料薄膜晶体管等通用的开关器件实现，如非晶硅薄膜晶体管、多晶硅薄膜晶体管、金属氧化物晶体管、有机薄膜晶体管等，示例性的，所述第一开关N1、所述压控开关Ny均可以为PMOS晶体管。
示例性的，所述压控电流源的第二端可以通过刺激电极(刺激电极的一个极板接地，另一个极板接压控电流源的第二端)向目标部位施加刺激信号，本公开实施例对可编程有源神经刺激装置的应用场景不做限定，即对目标部位不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况及需要将可编程有源神经刺激装置应用在合适的场景，只要针对不同的场景适应性配置刺激电路单元10的规模及各个刺激电路单元10的刺激参数即可，示例性的，本公开实施例的可编程有源神经刺激装置可以应用于人工耳蜗领域，为深度失聪患者修复听觉能力，也可以应用于人工视网膜领域为患者提供感知、识别与导航能力，或为视觉损伤患者提供一定程度的视觉恢复功能，还可以应用于脊髓刺激领域作为脊髓刺激器为背痛患者缓解疼痛，或为下肢瘫痪患者恢复一定行走能力，亦可以应用于脑刺激领域对视觉皮层进行刺激并使其完成感知任务。
在一种可能的实施方式中，所述控制模块20还可以用于：
控制所述第一位线Vd的电压与所述偏置电压源间的差分电压，该差分电压与刺激信号的幅值对应；
控制所述第一字线Vs的电压使得所述第一开关N1导通，对所述存储电容Cs充电，以使得所述压控电流源产生刺激信号；
控制所述第一字线Vs的电压使得所述第一开关N1断开，以保持所述存储电容Cs上已写入的数据。
请参阅图3，图3示出了根据本公开实施例的刺激电路单元电路结构示意图。
在一种可能的实施方式中，如图3所示，所述刺激操作组件130还可以包括第二开关N2及第二字线Vc，所述第二开关N2的第一端连接于所述压控电流源的第二端，所述第二开关N2的控制端连接于所述第二字线Vc，所述第二开关N2的第二端用于输出刺激信号，示例性的，所述第二开关N2的第二端通过刺激电极输出刺激信号。
示例性的，所述压控电流源可以包括压控开关Ny，所述第一开关N1、所述压控开关Ny、第二开关N2可以基于晶体管的半导体制备工艺实现，例如所述第一开关N1、所述压控开关Ny、第二开关N2可以通过传统金属氧化物场效应晶体管与新型材料薄膜晶体管等通用的开关器件实现，如非晶硅薄膜晶体管、多晶硅薄膜晶体管、金属氧化物晶体管、有机薄膜晶体管等，示例性的，所述第一开关N1、所述压控开关Ny、第二开关N2均可以为PMOS晶体管。
在一种可能的实施方式中，所述控制模块20还用于：
通过控制所述第二字线Vc的电压幅度、起始时刻及维持时间，控制所述第二开关N2的导通与断开状态，以同步各个刺激电路单元10输出的刺激信号并控制刺激信号的脉冲的宽度。
本公开实施例通过额外设置第二开关N2及第二字线Vc，可以使得可编程有源神经刺激装置具有同步刺激与脉冲宽度可调的功能，通过控制所述第二字线Vc的电压幅度、起始时刻及维持时间，控制所述第二开关N2的导通与断开状态，以同步各个刺激电路单元10输出的刺激信号并控制刺激信号的脉冲的宽度。
请参阅图4，图4示出了根据本公开实施例的刺激电路单元电路结构示意图。
在一种可能的实施方式中，如图4所示，所述刺激操作组件130还可以包括第三开关N3及第三字线Vr，所述第三开关N3的第一端连接于所述压控电流源的第二端，所述第三开关N3的第二端连接于地，所述第三开关N3的控制端连接于所述第三字线Vr。
示例性的，所述压控电流源可以包括压控开关Ny，所述第一开关N1、所述压控开关Ny、第三开关N3可以基于晶体管的半导体制备工艺实现，例如所述第一开关N1、所述压控开关Ny、第三开关N3可以通过传统金属氧化物场效应晶体管与新型材料薄膜晶体管等通用的开关器件实现，如非晶硅薄膜晶体管、多晶硅薄膜晶体管、金属氧化物晶体管、有机薄膜晶体管等，示例性的，所述第一开关N1、所述压控开关Ny、第三开关N3均可以为PMOS晶体管。
在一种可能的实施方式中，所述控制模块20还可以用于：
通过控制所述第三字线Vr的电压使得所述第三开关N3导通，对所述压控电流源的第二端上的电极放电，以使得所述压控电流源的第二端上的刺激电极积累的电荷重置。
本公开实施例通过额外设置第三开关N3及第三字线Vr，可以使得可编程有源神经刺激装置具有刺激电极对电平重置的功能，通过控制所述第三字线Vr的电压使得所述第三开关N3导通，对所述压控电流源的第二端上的电极放电，以使得所述压控电流源的第二端上电极积累的电荷重置。
请参阅图5，图5示出了根据本公开实施例的刺激电路单元电路结构示意图。
在一种可能的实施方式中，如图5所示，所述刺激操作组件130还可以包括第二开关N2、第三开关N3、第二字线Vc及第三字线Vr，所述第二开关N2的第一端连接于所述压控电流源的第二端，所述第二开关N2的第二端用于输出刺激信号，所述第二开关N2的控制端连接于所述第二字线Vc，所述第三开关N3的第一端连接于所述第二开关N2的第二端，所述第三开关N3的第二端连接于地，所述第三开关N3的控制端连接于所述第三字线Vr。
示例性的，所述压控电流源可以包括压控开关Ny，所述第一开关N1、所述压控开关Ny、第二开关N2、第三开关N3可以基于晶体管的半导体制备工艺实现，例如所述第一开关N1、所述压控开关Ny、第二开关N2、第三开关N3可以通过传统金属氧化物场效应晶体管与新型材料薄膜晶体管等通用的开关器件实现，如非晶硅薄膜晶体管、多晶硅薄膜晶体管、金属氧化物晶体管、有机薄膜晶体管等，示例性的，所述第一开关N1、所述压控开关Ny、第二开关N2、第三开关N3均可以为PMOS晶体管，当然，在本公开实施例实施例中，p型晶体管仅是一个示例，所有具有开关特性的器件理论上都可以用于搭建本公开实施例中提出的刺激电路单元10电路。
在一种可能的实施方式中，所述控制模块20还用于：
通过控制所述第二字线Vc的电压幅度、起始时刻及维持时间，控制所述第二开关N2的导通与断开状态，以同步各个刺激电路单元10输出的刺激信号并控制刺激信号的脉冲的宽度；和/或
通过控制所述第三字线Vr的电压使得所述第三开关N3导通，对所述压控电流源的第二端上的电极放电，以使得所述压控电流源的第二端上电极积累的电荷重置。
本公开实施例通过额外设置第二开关N2及第二字线Vc，可以使得可编程有源神经刺激装置具有同步刺激与脉冲宽度可调的功能，通过额外设置第三开关N3及第三字线Vr，可以使得可编程有源神经刺激装置具有刺激电极对电平重置的功能，即通过控制所述第二字线Vc的电压幅度、起始时刻及维持时间，控制所述第二开关N2的导通与断开状态，以同步各个刺激电路单元10输出的刺激信号并控制刺激信号的脉冲的宽度，通过控制所述第三字线Vr的电压使得所述第三开关N3导通，对所述压控电流源的第二端上的电极放电，以使得所述压控电流源的第二端上电极积累的电荷重置。
请参阅图6，图6示出了根据本公开实施例的刺激电路阵列的示意图。
在一种可能的实施方式中，如图6所示，所述多个刺激电路单元10以多行多列形式排列，形成刺激电路阵列，其中，所述刺激电路阵列的同一行的刺激电路单元10之间通过字线相连，所述刺激电路阵列的同一列内的刺激电路单元10之间通过位线相连。
通过所述刺激电路阵列，本公开实施例可以形成功能化集成电路的***，从而能够在小型化硅基芯片与大面积柔性电极间形成全新的***控制架构，为实现超高通道数的电刺激神经调控功能提供方法。
在一种可能的实施方式中，所述控制模块20可以用于：
对所述刺激电路阵列按行或按列进行刺激信息的写操作；
对任意数目的刺激电路单元10进行同步刺激操作。
示例性的，所述控制模块20控制所述刺激电路阵列中各个字线、各个位线的电压状态，以通过所述刺激电路单元10精准地控制阵列内各个刺激信号输出端的电流值，实现神经电刺激，且各个刺激信号输出端之间的电流值可以是相互独立的。
在一种可能的实施方式中，当进行某一个刺激电路单元10的写操作时，所述控制模块20通过对应刺激电路单元10的第一字线Vs驱动并导通对应刺激电路单元10的写操作组件110，通过对应刺激电路单元10的第一位线Vd的电压控制对应刺激电路单元10的信息存储组件120的电压，以改变存储信息状态；
在一种可能的实施方式中，当进行某一个刺激电路单元10的刺激操作时，所述控制模块20通过对应刺激电路单元10的第一字线Vs、或第一字线Vs及第二字线Vc驱动并导通对应刺激电路单元10的刺激操作组件130，以通过对应刺激电路单元10的第一位线Vd的刺激信息，输出对应刺激电路单元10的刺激信号。
请参阅图7，图7示出了根据本公开实施例的拓展了同步刺激、脉冲宽度可调与刺激电极电荷重置功能的刺激电路阵列的信号时序图。
其中，拓展了同步刺激、脉冲宽度可调与刺激电极电荷重置功能的刺激电路阵列即为图5所示的刺激电路单元的电路结构。
示例性的，如图7所示，信号包括前一刺激周期、当前刺激周期、下一刺激周期的刺激信息(刺激强度数据)Vd[1:n]，刺激电路单元10选通信号Vs1、Vs2、…、Vsm等，输出控制信号Vc，放电重置信号Vr，刺激电路单元10电流输出I11、I12、…、Imn等。因为信号是周期性的，所以本公开实施例着重说明当前刺激周期中的信号。
示例性的，如图7所示，刺激强度数据Vd[1:n]在刺激强度存入时存入数据，在刺激信号同步输出和电极放电电路重置时保持为低电平。刺激电路单元10选通信号Vs1、Vs2、Vsm等在刺激强度存入时按照Vs1到Vsm的顺序依次由高电平变为低电平，保持一段时间后恢复高电平，且每路刺激电路单元10选通信号保持低电平的时间相同，最后全部刺激电路单元10选通信号在刺激信号同步输出和电极放电电路重置时保持高电平。输出控制信号Vc在刺激强度存入时保持高电平，在刺激信号同步输出时保持低电平，在刺激电极放电进行电路重置时保持高电平。放电重置信号Vr在刺激强度存入和刺激信号同步输出时保持高电平，在电极放电电路重置时保持低电平。刺激电路单元10电流输出I11、I12、Imn等仅在刺激信号同步输出时不为低电平，且m×n(m、n均为正数)个刺激电路单元10电流输出均独立可控，在刺激强度存入和电极放电电路重置时保持为低电平。
请参阅图8，图8示出了根据本公开实施例的在第四技术方案与第二技术方案下刺激电路单元的刺激信号输出端电压的仿真结果图。
其中，为便于说明，将图2所示的刺激电路单元的电路结构称为第一技术方案，将图3所示的刺激电路单元的电路结构称为第二技术方案，将图4所示的刺激电路单元的电路结构称为第三技术方案，将图5所示的刺激电路单元的电路结构称为第四技术方案，其中，第四技术方案扩展了刺激电极电荷重置功能，第二技术方案未扩展刺激电极电荷重置功能。。
示例性的，如图8所示，因为信号是周期性的，所以本公开实施例一方面着重说明当前刺激周期中的信号变化，对于扩展了刺激电极电荷重置功能的第四技术方案的刺激电极电压(图8中的b图)，经过一个周期刺激电极电压可以复位到接近初始电压，确保下一周期工作正常；对于未扩展刺激电极电荷重置功能的第二技术方案的刺激电极电压(图8中的a图)，经过一个周期刺激电极电压会发生一个偏移，影响下一周期工作。另一方面着重说明多个周期下信号的积累效应(图8中的c图)，由于经过一个周期扩展了刺激电极电荷重置功能的第四技术方案的刺激电极电压可以复位到初始电压，所以在经过多个周期后刺激电极电压维持在初始电压附近；由于经过一个周期未扩展刺激电极电荷重置功能的第二技术方案的刺激电极电压会发生一个偏移，所以在经过多个周期后刺激电极电压会出现很大的漂移。
请参阅图9，图9示出了根据本公开实施例的拓展了同步刺激与脉冲宽度可调的刺激电路单元阵列信号仿真结果图。
其中拓展了同步刺激与脉冲宽度可调的刺激电路单元即为图3所示的刺激电路单元的电路结构(第二技术方案)。
示例性的，如图9所示，信号包括当前刺激周期与下一刺激周期的刺激强度数据Vdata[1:3]，刺激电路单元10选通信号Vsel1、Vsel2，输出控制信号Vctrl，刺激电路单元10电流输出I11、I12、I21、I22、I31、I32。因为信号为周期性的，所以本公开实施例着重说明当前刺激周期中的信号。
示例性的，如图9所示，刺激强度数据Vdata[1:3]在刺激强度存入时存入数据。刺激电路单元10选通信号Vsel1，Vsel2在刺激强度存入时按照Vsel1到Vsel2的顺序依次由低电平变为高电平，保持一段时间后恢复低电平，且每路刺激电路单元10选通信号保持高电平的时间相同，最后全部刺激电路单元10选通信号在刺激信号同步输出时保持低电平。输出控制信号Vc在刺激强度存入时保持低电平，在刺激信号同步输出时保持高电平。刺激电路单元10电流输出I11、I12、I21、I22、I31、I32仅在输出控制信号Vctrl为高电平时不为低电平，且3×2个刺激电路单元10电流输出均独立可控，在刺激强度存入的其他时间与刺激信号同步输出时保持为低电平。
根据本公开的一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括所述的可编程有源神经刺激装置。
在一种可能的实施方式中，所述电子设备包括听觉神经假体、视觉神经假体、脊髓刺激器、脑刺激***的至少一种。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (13)
1.一种可编程有源神经刺激装置，其特征在于，所述装置包括：
多个刺激电路单元，每个刺激电路单元均包括写操作组件、信息存储组件与刺激操作组件，所述写操作组件、所述信息存储组件及所述刺激操作组件相互连接，
控制模块，连接于至少一个刺激电路单元，用于：
控制所述写操作组件对所述信息存储组件进行写操作以写入刺激信息，所述刺激信息用于确定进行神经电刺激的刺激信号的强度；
通过所述写操作组件控制所述刺激操作组件的控制端的电压或电流，以使得所述刺激操作组件根据所述信息存储组件内存储的刺激信息输出刺激信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述写操作组件包括第一开关，所述信息存储组件包括存储电容，所述刺激操作组件包括压控电流源；所述第一开关的第一端、第二端及控制端分别连接于第一位线、所述压控电流源的控制端及第一字线，所述压控电流源的第一端连接于所述存储电容的第一端及偏置电压源，所述存储电容的第二端连接于所述压控电流源的控制端，所述压控电流源的第二端用于输出刺激信号，其中，所述存储电容的第一端与第二端间的电压差与所述刺激操作组件产生的刺激信号的幅值具有相关关系。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制模块还用于：
控制所述第一位线的电压与所述偏置电压源间的差分电压，该差分电压与刺激信号的幅值对应；
控制所述第一字线的电压使得所述第一开关导通，对所述存储电容充电，以使得所述压控电流源产生刺激信号；
控制所述第一字线的电压使得所述第一开关断开，以保持所述存储电容上已写入的数据。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述刺激操作组件还包括第二开关及第二字线，所述第二开关的第一端连接于所述压控电流源的第二端，所述第二开关的控制端连接于所述第二字线，所述第二开关的第二端用于输出刺激信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制模块还用于：
通过控制所述第二字线的电压幅度、起始时刻及维持时间，控制所述第二开关的导通与断开状态，以同步各个刺激电路单元输出的刺激信号并控制刺激信号的脉冲的宽度。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述刺激操作组件还包括第三开关及第三字线，所述第三开关的第一端连接于所述压控电流源的第二端，所述第三开关的第二端连接于地，所述第三开关的控制端连接于所述第三字线。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制模块还用于：
通过控制所述第三字线的电压使得所述第三开关导通，对所述压控电流源的第二端上的电极放电，以使得所述压控电流源的第二端上电极积累的电荷重置。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述刺激操作组件还包括第二开关、第三开关、第二字线及第三字线，所述第二开关的第一端连接于所述压控电流源的第二端，所述第二开关的第二端用于输出刺激信号，所述第二开关的控制端连接于所述第二字线，所述第三开关的第一端连接于所述第二开关的第二端，所述第三开关的第二端连接于地，所述第三开关的控制端连接于所述第三字线。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制模块还用于：
通过控制所述第二字线的电压幅度、起始时刻及维持时间，控制所述第二开关的导通与断开状态，以同步各个刺激电路单元输出的刺激信号并控制刺激信号的脉冲的宽度；和/或
通过控制所述第三字线的电压使得所述第三开关导通，对所述压控电流源的第二端上的电极放电，以使得所述压控电流源的第二端上电极积累的电荷重置。
10.根据权利要求1～9任一项所述的装置，其特征在于，所述多个刺激电路单元以多行多列形式排列，形成刺激电路阵列，其中，所述刺激电路阵列的同一行的刺激电路单元之间通过字线相连，所述刺激电路阵列的同一列内的刺激电路单元之间通过位线相连，
其中，所述控制模块用于：
对所述刺激电路阵列按行或按列进行刺激信息的写操作；
对任意数目的刺激电路单元进行同步刺激操作。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，
当进行某一个刺激电路单元的写操作时，所述控制模块通过对应刺激电路单元的第一字线驱动并导通对应刺激电路单元的写操作组件，通过对应刺激电路单元的第一位线的电压控制对应刺激电路单元的信息存储组件的电压，以改变存储信息状态；
当进行某一个刺激电路单元的刺激操作时，所述控制模块通过对应刺激电路单元的第一字线、或第一字线及第二字线驱动并导通对应刺激电路单元的刺激操作组件，以通过对应刺激电路单元的第一位线的刺激信息，输出对应刺激电路单元的刺激信号。
12.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1～11任一项所述的可编程有源神经刺激装置。
13.根据权利要求12所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备包括听觉神经假体、视觉神经假体、脊髓刺激器、脑刺激***的至少一种。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2022116894615 | 2022-12-27 | ||
| CN202211689461 | 2022-12-27 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118253035A true CN118253035A (zh) | 2024-06-28 |
Family
ID=91603054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310209125.4A Pending CN118253035A (zh) | 2022-12-27 | 2023-02-27 | 可编程有源神经刺激装置、电子设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118253035A (zh) |
-
2023
- 2023-02-27 CN CN202310209125.4A patent/CN118253035A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10744318B2 (en) | Current output architecture for an implantable stimulator device | |
| US9375575B2 (en) | Short duration pre-pulsing to reduce stimulation-evoked side-effetcs | |
| US9782593B2 (en) | Fractionalized stimulation pulses in an implantable stimulator device | |
| Lo et al. | A fully-integrated high-compliance voltage SoC for epi-retinal and neural prostheses | |
| US9737703B2 (en) | Method to enhance afferent and efferent transmission using noise resonance | |
| ES2602989T3 (es) | Sistema de estimulación para controlar el orden de reclutamiento neuronal y el efecto clínico | |
| Shah et al. | Optimization of electrical stimulation for a high-fidelity artificial retina | |
| US9421369B2 (en) | Circuit architecture for high channel count high-voltage neural stimulator | |
| US20080228236A1 (en) | Active discharge systems and methods | |
| Jiang et al. | A multichannel high-frequency power-isolated neural stimulator with crosstalk reduction | |
| Ha et al. | A fully integrated RF-powered energy-replenishing current-controlled stimulator | |
| Eckmiller et al. | Exploration of a dialog-based tunable retina encoder for retina implants | |
| CN108028996B (zh) | 微电荷刺激的方法和*** | |
| CN118253035A (zh) | 可编程有源神经刺激装置、电子设备 | |
| CN111603676B (zh) | 一种柔性人工视网膜刺激芯片 | |
| Noorsal et al. | Multichannel microstimulating SoC | |
| Seok et al. | A 16-channel neural stimulator IC with DAC sharing scheme for artificial retinal prostheses | |
| Jiang et al. | Stimulation management for a multichannel vestibular neural prosthesis | |
| Schwarz et al. | Area saving stimulator cells for multielectrode arrays featuring adaptive waveform generation and monitoring | |
| Lim et al. | A 16-channel neural stimulator with DAC sharing scheme for visual prostheses | |
| Noorsal et al. | An architecture for a universal neural stimulator with almost arbitrary current waveform | |
| Jiang et al. | Vestibular prosthesis design for restoring balance | |
| Talukder et al. | Parallel Multiplexing-a Solution of Large Scale Stimulation Needed by the Retinal Prostheses to Maintain the Persistence of Vision |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |