對可植入式刺激器使用雙相電流刺激激勵的生物阻抗測量方法技術

用于通過注入具有選擇的脈沖間延遲、第一和第二電流脈沖相位的單個低延遲雙相電流刺激來確定在電極?電解液界面處的生物阻抗的方法和設備，其涉及獲取沿雙相電流刺激波形的瞬態(tài)電極電壓。也執(zhí)行基于跨所述多時間位置的瞬態(tài)電極電壓、確定在電極?電解液/組織界面處的電極的等效電路參數。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請的交叉引用本申請要求2014年4月29日提交的美國臨時專利申請序列號61/985,583的優(yōu)先權和權益，其整體內容通過援引并入在此。關于聯邦贊助的研究或開發(fā)的聲明不適用計算機程序附錄的通過援引并入不適用受版權保護的材料的注意本專利文檔中的材料的一部分受美國和其他國家的版權法下的版權保護。版權的所有人并不反對由專利文檔或專利公開的任何人的傳真復制，如其在美國專利和商標局中公共可獲得的文件或記錄，但無論如何以其他方式保留所有的版權。版權所有人在此并不放棄其令該專利文檔保持保密的權利，包括但不限于其根據37C.F.R.§1.14的權利。
技術介紹
1.
本技術公開一般地涉及電刺激器，并且更具體地，涉及確定針對于電刺激器的生物阻抗。2.背景討論功能電刺激器的適當應用依賴于具有在電極-電解液界面處的生物阻抗的一些知識。阻抗也可以用作以下的指標：(1)評估電極和目標組織之間的鄰近度，(2)估計刺激參數的安全邊界，和/或(3)用作監(jiān)視內部器官的活動(即，腸/結腸/胃中的平滑肌的收縮/放松)或血管張力的生物標記。用于估計生物阻抗的一種簡單方法是基于在固定頻率處的小正弦電流的注入和在電極處的誘發(fā)電壓的測量。然而，該方法僅能提供在給定頻率處的阻抗的信息而不具有可用的等效電路模型。在另一個方法中，電化學阻抗譜(EIS)已經廣泛應用于導出電極-電解液阻抗。EIS是基于電極的偽線性特性并且小的AC電位(典型地在1和10mV之間)被應用于激勵電化電池。然而，電極-電解液/組織阻抗并非線性。因此，激勵電壓的加倍可能并不必然如期望的那樣加倍施加的電流，而刺激通常誘發(fā)在電極處的大的瞬變電壓。因此，EIS看起來并不是用于刺激電極的阻抗測量的最佳方法。此外，EIS方法的硬件成本較高，當將EIS集成進神經刺激器時需要額外的復雜度。已經提出基于電壓/電流脈沖激勵的生物阻抗測量以推斷出三元素Randles電池電極模型的參數。這些建議之一涉及向電極內注入電流刺激并且測量得到的電壓，但是僅可以導出電極-組織電阻。在一個方法中出現了復雜的計算，其復雜度阻礙了其被并入到可植入式刺激器內。這些方法之一能夠獲取Randles電池的所有參數，但先決條件是向電極遞送具有有限脈沖寬度的刺激，這不僅實現起來有問題并且將造成電極過電位高于其水窗(“waterwindow”)。因此，可以看出就確定生物阻抗而言已經做出略微成功的多種嘗試。因此，需要一種可行的解決方法來用于確定在電極-電解液/組織界面處的生物阻抗。
技術實現思路
獲得關于電極的等效電路參數的信息在許多方面是有用的，例如電極替換和刺激信號生成。通過使用等效電路參數，可以對刺激參數設置安全邊界，以便不超過電極的水窗。提供了一種阻抗測量技術，其具有使用可植入式神經刺激器和現成的處理單元(例如，微控制器)的實施的概念驗證的系統(tǒng)。通過注入處于若干微安到幾十微安范圍內、具有刻意插入的脈沖間延遲的單一低強度雙相電流刺激，并且通過獲取在三個指定好的定時間隔處的瞬態(tài)電極電壓，所提供的技術產生電極等效電路的參數。使用低強度刺激允許導出電極雙層電容，因為當電極過電位小時，電容電荷注入起主導。插入脈沖間延遲創(chuàng)建了用于估計法拉弟電阻的控制的放電時間。通過測量(a)分離的電路元件所構成的仿真的Randles電池的阻抗以及(b)使用定制的鉑電極陣列來將估計的參數與從阻抗分析器所導出的結果進行比較，所提供的方法已經被驗證。這里所提供的方法可以被集成進可植入式或商用的神經刺器系統(tǒng)，而在功耗、硬件成本和計算方法具有低的開銷。當前商用的神經刺激器僅可以測量在給定頻率處的電極阻抗。相比較而言，本公開產生電路參數，其輔助確定電極和組織之間的鄰近度，并且還可以用于設置刺激參數以阻止電極破壞。在本公開中，激勵是基于使用具有脈沖間延遲的雙相電流脈沖。該技術使用了電極特性本身，其中當電極過電位小時并且法拉弟電荷轉移過程并不發(fā)生時，純電容電荷注入主導從電極到組織的初始電荷轉移。刻意指定的脈沖間延遲周期接著以簡單的計算和低硬件成本而被應用以獲取電極的Randles電池模型的參數。插入的脈沖間延遲的范圍主要取決于確定其放電時間常量的電極的尺寸以及現成的處理單元(即，微處理器)的分辨率。脈沖間延遲的長度必須被設置成確保腐壞電極的過電位大于量化器(即，模數轉化器)的最小分辨率。一般來說，最大脈沖間延遲可以被設置近似于電極放電時間常量的2.8倍。在一個實施方式中，所提供的技術采用雙相電流刺激激勵來產生電極的等效電路模型的參數，而沒有復雜的計算和硬件設置。此外，所提供的技術可以方便地集成進商用系統(tǒng)而具有很少的額外開銷，因為現代的刺激器通常被設計成允許使用生成雙相電流刺激來驅動電極。所提供的技術可以應用于許多各種不同的刺激器，并且也可應用于針對假體器官的可植入式刺激器。在一個實施方式中，為了監(jiān)視內部器官沿胃腸道(即胃、腸、結腸)的傳播活動或血管平滑肌的張力，可以執(zhí)行放置在組織頂部上的多個電極的同時多部位刺激以實時測量生物阻抗變化。重要的是要知道向這些電極遞送的刺激必須是時間交織的，以確保遞送的電流確實流向地/參考電極，而非流進附屬的刺激電極。上述的設置使得能夠測量胃腸道的傳播的慢波或針對于閉環(huán)可植入式刺激物的血壓。其也可以用于對腸的/自律神經系統(tǒng)的臨床研究。將在本說明書的下面部分公開本技術的另外方面，其中具體實施方式用于全面公開本技術的優(yōu)選實施方式而不對加以限制。附圖說明通過參考下面的附圖將更為全面地了解本公開的技術，而這些附圖僅用于說明性的目的：圖1是人體內的電極放置的示圖，例如可以使用本公開的一個實施方式。圖2是如圖1中所看到的多個電極的阻抗的繪圖，如在本公開的一個實施方式內所使用的。圖3A到3C是與Randle電池、步進電流刺激和電極電壓波形相關聯的示意和波形圖。圖4A和圖4B是脈沖間延遲(圖4B)內的雙相電流刺激和在電極(圖4A)處的感應電壓，其根據本公開的一個實施方式可以用于確定Randle電池的參數。圖5A和圖5B是使用片上系統(tǒng)(SoC)的多通道神經刺激物的示意圖，其根據本公開的至少一個實施方式來確定生物阻抗。圖6A和圖6B是根據本公開的至少一個實施方式的對于在兩個不同強度等級處的脈沖間延遲內的雙相電流刺激的電極響應的波形圖。圖7A到圖7C是根據本公開的至少一個實施方式用于測試生物阻抗測量的3x9鉑聚酰亞胺電極陣列。圖8A和圖8B是根據本公開的至少一個實施方式確定的電極的估計的電路參數與變化的脈沖寬度和強度比較的繪圖。圖9是根據本公開的一個實施方式的用于確定生物阻抗的方法的流程圖。具體實施方式1.介紹當理解電極-電解液界面的阻抗時，明顯的優(yōu)勢從電極-刺激應用導出。如果電路參數已知，可以確定刺激強度和脈沖寬度的限度以便不超過電極使用不足的水窗和刺激器的適應電壓。通過本公開來表征電極-電解液界面也為額外的應用提供優(yōu)勢。圖1示出將這里所公開的生物阻抗表征方法應用于示出為位于內部器官內的可能位置處的電極18以用于跟蹤平滑肌活動的示例性實施方式。通過將這些技術應用于內部器官(例如，胃12、大腸14和小腸16)的正常或病態(tài)平滑肌，可以通過電極-電解液界面中的阻抗變化來監(jiān)視肌肉活動的收縮/放松。圖2繪出對于圖1A中所看到的六個電極的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種生物阻抗測量設備，包括：(a)電極刺激電路，其配置用于向所附接的電極生成低強度雙相電流刺激；(b)其中所述雙相電流刺激包括第一極性的第一相位、相位間延遲和跟著的第二極性的第二相位；(c)模數轉換器，其配置用于耦合到所述電極，以用于響應于所述雙相電流刺激來登記電壓波形；(d)至少一個處理器；以及(e)存儲囂，其存儲由所述至少一個處理囂可執(zhí)行的指令；(f)所述指令在由所述至少一個處理囂執(zhí)行時，執(zhí)行包括以下的步驟：(i)在所述雙相電流刺激期間獲取在多個點處的瞬態(tài)電極電壓；以及(ii)響應于關于所述雙相電流刺激和其脈沖間延遲來分析所述瞬態(tài)電極電壓，確定電極等效電路的參數。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.04.29 US 61/985,5831.一種生物阻抗測量設備，包括：(a)電極刺激電路，其配置用于向所附接的電極生成低強度雙相電流刺激；(b)其中所述雙相電流刺激包括第一極性的第一相位、相位間延遲和跟著的第二極性的第二相位；(c)模數轉換器，其配置用于耦合到所述電極，以用于響應于所述雙相電流刺激來登記電壓波形；(d)至少一個處理器；以及(e)存儲囂，其存儲由所述至少一個處理囂可執(zhí)行的指令；(f)所述指令在由所述至少一個處理囂執(zhí)行時，執(zhí)行包括以下的步驟：(i)在所述雙相電流刺激期間獲取在多個點處的瞬態(tài)電極電壓；以及(ii)響應于關于所述雙相電流刺激和其脈沖間延遲來分析所述瞬態(tài)電極電壓，確定電極等效電路的參數。2.根據權利要求1所述的設備，其中所述通過確定在電極-電解液/組織界面處的電極的等效電路參數，確定所述生物阻抗。3.根據權利要求1所述的設備，其中所述生物阻抗包括在生物有機體或系統(tǒng)中的電極-電解液/組織處的阻抗。4.根據權利要求1所述的設備，其中獲取電壓的所述多個點包括沿所述雙相電流刺激的至少三個位置。5.根據權利要求4所述的設備，其中用于獲取電壓的所述多個點包括(i)電流應用的第一相位的開始，(ii)第一相位的結尾，(iii)脈沖間延遲的結尾。6.根據權利要求1所述的設備，其中響應于測量瞬態(tài)電壓增量而估計組織-溶液電阻Rs，而測量瞬態(tài)電壓增量是響應于在所述雙相電流刺激中應用瞬態(tài)電流。7.根據權利要求1所述的設備，其中基于刺激電極的初始純電容充電來估計雙層電容Cdl。8.根據權利要求1所述的設備，其中用于在所述電極-電解液/組織界面處的電極的所述等效電路被建模為Randles電池，其具有電荷轉移電阻RCT，雙層電容Cdl和組織-溶液電阻RS。9.根據權利要求8所述的設備，其中響應于當電極過電位小時電容電荷注入是主導的，使用低強度刺激允許電極中的雙層電容Cdl的估計。10.根據權利要求8所述的設備，其中在所述脈沖間延遲期間，可控的放電發(fā)生，從其確定電荷轉移電阻RCT。11.根據權利要求1所述的設備，其中所述設備被配置用于集成進可植入式或商用神經刺激器系統(tǒng)。12.根據權利要求1所述的設備，其中確定生物阻抗可以用于監(jiān)視平滑肌收縮/放松波的傳播。13.根據權利要求1所述的設備，其中所述低強度雙相電流刺激被時間交織，以便用作生物標記物來監(jiān)視平滑肌傳播活動。14.根據權利要求1所述的設備，其中所述設備被配置用于支持通過所附接電極的同時電刺激和記錄。15.一種用于測量生物阻抗的方法，包括：(a)向配...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：文泰·劉，一佳·盧，志偉·程，
申請(專利權)人：加利福尼亞大學董事會，
類型：發(fā)明
國別省市：美國;US