微处理器控制的E类驱动器相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2013年7月29日并且名称为
“MICROPROCESSORCONTROLLEDCLASSEDRIVER”(微处理器控
制的E类驱动器)的美国临时申请No.61/859,471的权益，其全文以引用的
方式并入本文中。
背景技术
随着时代发展，使用医疗装置治疗疾病的做法越来越普及。在许多
情况下，并且随着这些医疗装置做得越来越小，这些医疗装置时常被植入
在患者体内。虽然随着植入式装置尺寸的减小，装置的合意性逐渐提高，
但植入过程仍然时常需要进行复杂的手术，而这可将患者暴露于巨大的风
险之中并且恢复时间延长。鉴于此，需要另外的方法、系统和装置以提高
植入医疗装置的易行性以及此类植入的医疗装置的易用性。
发明内容
本发明的一个方面涉及充电器。该充电器包括：充电线圈，该充电
线圈被配置成与植入式装置磁耦合以对植入式装置再充电；电连接到充电
线圈的E类驱动器，该E类驱动器包括开关电路，该开关电路通过向其施
加第一电压来切换；以及电流传感器，该电流传感器被定位成感测穿过充
电线圈的电流。该充电器可包括处理器，该处理器电连接到E类驱动器以
接收指示穿过充电线圈的电流的数据，并且电连接到E类驱动器以通过向
开关电路施加第一电压来控制开关电路。在一些实施例中，处理器可接收
指示穿过充电线圈的电流的数据并且响应于所接收的数据来控制开关电
路。
在一些实施例中，开关电路可为晶体管。在一些实施例中，晶体管
可为MOSFET。在一些实施例中，处理器电连接到E类驱动器以接收指示
开关电路的第二电压的数据。在一些实施例中，处理器可接收指示开关电
路的第二电压的数据，并且响应于所接收的指示开关电路的第二电压的数
据来控制开关电路。
在一些实施例中，在开关电路的漏极处测量第二电压并且向开关电
路的栅极施加第一电压。在一些实施例中，处理器经由分压器电连接到E
类驱动器，该分压器包括第一电阻器和第二电阻器。在一些实施例中，处
理器可感测功率开关晶体管电压，并且确定是否调整向开关电路施加第一
电压的第一频率，第一频率的所述调整可减轻一个或数个传播延迟。
在一些实施例中，处理器可检索识别第二频率的储存值，第一电压
基于所感测到的功率开关晶体管电压以该第二频率来施加。在一些实施例
中，处理器可将所检索的识别施加第一电压的第二频率的储存值与一个或
数个频率限制进行比较。在一些实施例中，如果第二频率不超过所述一个
或数个频率限制，则将第一频率设定为第二频率。在一些实施例中，当第
二频率超过所述一个或数个频率限制之一时，将第一频率设定为所述一个
或数个频率限制中的被超过的一个。
本发明的一个方面涉及充电器。该充电器包括：充电线圈，该充电
线圈可生成具有某个频率的磁场并且可与植入式装置磁耦合以对植入式装
置再充电；电连接到充电线圈的E类驱动器；以及可在至少三个频率之间
调制磁场频率的FSK模块。
在一些实施例中，所述至少三个频率包括第一频率、第二频率和第
三频率。在一些实施例中，第三频率是最高的频率，第二频率是最低的频
率。在一些实施例中，充电器包括处理器，该处理器电连接到FSK模块并
且可控制FSK模块。在一些实施例中，处理器可选择性地使充电器以数据
非传输状态或数据传输状态工作。
在一些实施例中，当充电器以数据非传输状态工作时，载波信号具
有第一频率。在一些实施例中，当充电器以数据传输状态工作时，处理器
控制FSK模块以在第二频率与第三频率之间调制载波信号。
在一些实施例中，FSK模块包括两个电容器和两个晶体管。在一些
实施例中，将FSK模块的两个电容器和两个晶体管电连接以使得这两个电
容器可通过FSK模块被选择性地包括在电路中。在一些实施例中，处理器
可控制FSK模块的两个晶体管以通过FSK模块选择性地将两个电容器包括
在电路内。在一些实施例中，FSK的电路内选择性包括两个电容器可在第
一频率、第二频率与第三频率之间调制磁场频率。
本发明的一方面涉及在植入式装置充电期间与植入式装置通信的方
法。该方法包括利用充电线圈生成充电信号，所述充电信号具有初始第一
频率；以及通过在低于第一频率的第二频率与高于第一频率的第三频率之
间调制充电信号的频率来传输数据。
在一些实施例中，该方法可包括生成传输数据，所述传输数据可为
所传输的数据。在一些实施例中，传输数据可为二进制格式。在一些实施
例中，通过在第二频率与第三频率之间调制充电信号的频率使传输数据以
二进制格式传输。
在一些实施例中，通过FSK模块调制充电信号的频率。在一些实
施例中，FSK模块可包括两个电容器和两个晶体管。在一些实施例中，将
FSK模块的两个电容器和两个晶体管电连接以使得这两个电容器可通过
FSK模块被选择性地包括在电路中，从而调制充电信号的频率。
本发明的一个方面涉及控制充电器的方法。该方法包括：在充电器
与植入式装置之间形成磁耦合，所述磁耦合对植入式装置充电；设定驱动
信号的初始频率，该驱动信号的该频率由处理器设定，并且该驱动信号控
制开关的打开和关闭；感测开关处第一时间的电压；基于该开关处第一时
间的电压，检索识别第二频率的值；以及改变驱动信号的频率。
在一些实施例中，改变驱动信号的频率可包括将驱动信号的频率从
第一频率改为第二频率。在一些实施例中，该方法可包括检索一个或数个
频率限制，这些频率限制提供驱动信号的可接受频率范围的上限和下限。
在一些实施例中，该方法可包括将第二频率与所述一个或数个频率限制进
行比较。
在一些实施例中，改变驱动信号的频率可包括在第二频率超过所述
一个或数个频率限制之一的情况下，将驱动信号的频率从第一频率改为所
述一个或数个频率限制之一。在一些实施例中，改变驱动信号的频率可包
括在第二频率不超过所述一个或数个频率限制的情况下，将驱动信号的频
率从第一频率改为第二频率。在一些实施例中，驱动信号的频率改变可减
轻传播延迟的影响。在一些实施例中，可多次调整驱动信号的频率以减轻
传播延迟的影响。
根据下文提供的详细说明，本发明可应用的其他领域将显而易见。
应当理解，在示出各种实施例的同时给出的详细说明和具体实例旨在仅仅
用于说明目的，而未必用来限制本发明的范围。
附图说明
图1为植入式神经刺激系统的一个实施例的示意图。
图2为植入式神经刺激系统的互连性的一个实施例的示意图。
图3为外部脉冲发生器和/或植入式脉冲发生器的构造的一个实施例
的示意图，该外部脉冲发生器和/或植入式脉冲发生器是植入式神经刺激系
统的一部分。
图4为充电器的一个实施例的示意图，该充电器是植入式神经刺激
系统的一部分。
图5为充电电路的一个实施例的功能框图。
图6为充电电路的一个实施例的示意图。
图7为从充电模式过渡到同步充电/数据传输模式的一个实施例的图
解说明。
图8为示出来自充电电路的测量结果的一个实施例的图表。
图9为示出当正确调谐开关时间时充电电路的测量结果的一个实施
例的图表。
图10为示出当开关时间太慢时来自充电电路的测量结果的一个实
施例的图表。
图11为示出当开关时间太快时来自充电电路的测量结果的一个实
施例的图表。
图12为示出用于控制充电电路的开关时间的过程的一个实施例的
流程图。
在附图中，类似的部件和/或特征结构可以具有相同的附图标记。
在附图标记被用于说明描述的地方，该说明描述适用于具有相同附图标记
的任一类似部件。
具体实施方式
大部分的西方(欧洲和美国)人受到神经性疼痛(归因于神经损伤
的慢性难治性疼痛)的影响。在许多人中，这种疼痛是严重的。数千位患
者患有涉及神经的慢性难治性疼痛。神经性疼痛可能非常难以治疗，只有
半数患者实现了局部缓解。因此，确定个体患者的最佳治疗仍然具有挑战
性。常规治疗包括某些抗抑郁药、抗癫痫药及阿片类药物。然而，这些药
物的副作用可能是有害的。在这些情况的一些中，电刺激可提供对这种疼
痛的有效治疗而不产生与药物相关的副作用。
脊髓刺激器为用于将脉冲电信号递送至脊髓以控制慢性疼痛的装
置。由于电刺激是一种单纯的电治疗并且不导致与药物所致的那些副作用
类似的副作用，因此越来越多的医生和患者偏爱将电刺激而不是药物用作
疼痛治疗。脊髓刺激(SCS)的确切的疼痛缓解机制尚且未知。早期SCS试验
是基于闸门控制理论，其假定疼痛是由两种传入神经纤维传输。一种是较
大的有髓鞘的Aδ纤维，其携带快速强烈疼痛讯息。另一种是较小的无髓鞘
的“C”纤维，其传输悸痛性慢性疼痛讯息。称为Aβ的第三类神经纤维是
“非疼痛感受型”，这就意味着它不传输疼痛刺激。闸门控制理论宣称，
由Aδ和C疼痛纤维传输的信号可被非疼痛感受型Aβ纤维的激活/刺激阻挠
并且因此抑制个体对疼痛的感知。因此，神经刺激通过在疼痛讯息到达大
脑之前阻滞这些疼痛讯息来提供疼痛缓解。
SCS经常用于治疗腰椎手术失败综合征，由于局部缺血而具有顽固
性疼痛的一种慢性疼痛综合征。所有SCS患者中的大部分(可能占30％至
40％)已被报道出现SCS并发症。这就增加了患者疼痛管理的总成本并降
低了SCS的功效。常见并发症包括：感染、出血、神经组织损伤、将装置
置入了错误的区室、硬件失灵、引线迁移、引线破损、引线连接断开、引
线腐蚀、植入部位处的疼痛、发生器过热以及充电器过热。常见并发症的
发生率高得令人惊讶：包括引线延长线连接问题、引线破损、引线迁移以
及感染。
周围神经病变(可用电刺激进行治疗的另一种病症)可为先天性的或
后天性的。后天性周围神经病变的原因包括神经的物理损伤(创伤)、病
毒、肿瘤、毒素、自身免疫反应、营养不良、酒精中毒、糖尿病以及血管
和代谢紊乱。后天性周围神经病变分为三个大类：由全身性疾病导致的那
些、由创伤导致的那些以及由感染或影响神经组织的自身免疫疾病导致的
那些。后天性周围神经病变的一个例子是三叉神经痛，其中三叉神经(头
部和面部的大神经)的损伤导致面部一侧受到剧烈的闪电般疼痛的急性发
作。
具有周围神经性疼痛的很大部分患者出于各种原因而并未从SCS中
受益。然而，许多这些患者可经由直接电刺激对应周围神经而获得可接受
水平的疼痛缓解。这种疗法称为周围神经刺激(PNS)。由于FDA批准的
PNS装置在美国市场尚不可商购获得，因此标准脊髓刺激(SCS)装置经常被
疼痛治疗医生在核准标示外使用来医治这种病症。已出售的相当部分的
SCS装置可能已被在核准标示外用于PNS。
由于当前的市售SCS系统设计用于刺激脊髓而不是用于周围神经刺
激，因此相比用于SCS，用于PNS存在更多的与SCS系统的使用相关联的
设备并发症。当前的SCS装置(发生器)大而笨重。在将SCS用于PNS的
情况下，SCS发生器通常植入在腹部中或者臀部上方的后腰中，并且长引
线跨多个关节穿引到达手臂、腿部或面部中的目标周围神经。关节的过度
穿引以及跨越引起增加的术后疼痛以及更高的装置故障率。另外，刚性引
线可导致皮肤糜烂和穿透，其中引线在植入的前数年中故障率太高。许多
甚而大部分并发症导致置换手术以及甚至在某些情况下的多个置换手术。
图1示出植入式神经刺激系统100的一个实施例，所述植入式神经
刺激系统100可为例如周围植入式神经刺激系统100。在一些实施例中，植
入式神经刺激系统100可用于治疗患有例如源自周围神经的慢性、严重、
顽固性神经疼痛的患者。在一些实施例中，植入式神经刺激系统100可用
于刺激目标周围神经或脊椎的后硬膜外腔。
植入式神经刺激系统100可包括一个或数个脉冲发生器。脉冲发生
器可包括各种形状和尺寸，并且可由各种材料制成。在一些实施例中，所
述一个或数个脉冲发生器可生成一个或数个递送至神经以控制疼痛的非消
融性电脉冲。在一些实施例中，这些脉冲可具有介于0-1,000mA、0-
100mA、0-50mA、0-25mA之间的脉冲振幅和/或任何其他或中间范围的振
幅。脉冲发生器中的一个或多个可包括处理器和/或存储器。在一些实施例
中，所述处理器可提供指令给植入式神经刺激系统100的其他部件，并且
从所述其他部件接收信息。所述处理器可根据储存的指令来起作用，所述
储存的指令可位于与处理器相联的存储器中和/或位于植入式神经刺激系统
100的其他部件中。所述处理器可根据所存储的指令来做出决定。所述处理
器可包括微处理器，诸如来自![]()
或AdvancedMicroDevices、![]()
等厂
商的微处理器等。
在一些实施例中，指示处理器运行的储存指令可由硬件、软件、脚
本语言、固件、中间件、微码、硬件描述语言和/或其任何组合来实现。在
软件、固件、中间件、脚本语言和/或微码中实现时，进行必要任务的程序
代码或代码段可储存在机器可读介质诸如存储介质中。代码段或机器可执
行指令可表示过程、功能、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件
包、脚本、类或指令、数据结构和/或程序语句的任何组合。代码段可通过
传递和/或接收信息、数据、变元、参数和/或存储内容而连接到另一代码段
或硬件电路。信息、变元、参数、数据等可经由包括存储器共享、消息传
递、令牌传递、网络传输等在内的任何适合的手段来传递、转发或传输。
在一些实施例中，一个或两个脉冲发生器的存储器可为含有储存指
令的存储介质。所述存储器可表示用于储存数据的一个或多个存储器，包
括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁性RAM、磁芯存储器、
磁盘存储介质、光学存储介质、闪存装置和/或用于储存信息的其他机器可
读介质。在一些实施例中，所述存储器可在处理器内或在处理器外部实
现。在一些实施例中，所述存储器可为任何类型的长期、短期、易失性、
非易失性或其他存储介质，并且不限于任何特定类型的存储器或任何特定
数量的存储器，或其上储存记忆内容的任何特定类型的介质。在一些实施
例中，所述存储器可包括例如易失性和非易失性存储器中的一者或两者。
在一个具体实施例中，所述存储器可包括易失性部分，诸如RAM存储器；
以及非易失性部分，诸如闪速存储器。
在一些实施例中，脉冲发生器中的一个可为外部脉冲发生器102或
植入式脉冲发生器104。外部脉冲发生器102可用于评估患者对于用植入式
神经刺激系统100治疗和/或对于植入式脉冲发生器104置入体内的适合
性。
在一些实施例中，脉冲发生器中的一个可为植入式脉冲发生器
104，其尺寸、形状以及制造材料可被确定为允许将植入式脉冲发生器104
植入体内。在一些实施例中，植入式脉冲发生器104的尺寸和形状可被确
定为允许将植入式脉冲发生器104置于身体中的任何所需位置处，并且在
一些实施例中，置于周围神经附近使得(下文所述的)引线不跨关节穿引
和/或使得不需要延长电缆。
植入式脉冲发生器104可包括一个或数个储能特征结构。在一些实
施例中，这些特征结构可被配置为储存可用于操作植入式脉冲发生器104
的能量(诸如电能)。这些储能特征结构可包括例如一个或数个电池(包
括可再充电电池)、一个或数个电容器、一个或数个燃料电池等。
在一些实施例中，由脉冲发生器生成的电脉冲可经由一个或数个引
线递送至一条或数条神经110和/或至一条或数条神经110附近的组织。引
线可包括导电性部分，诸如电极或电极的接触部分，以及非导电性部分。
引线可具有多种形状，可为多种尺寸，并且可由多种材料制成，所述尺
寸、形状和材料可由应用或其他因素决定。
在一些实施例中，引线可包括阳极引线106和/或阴极引线108。在
一些实施例中，阳极引线106和阴极引线108可为相同的引线，但可从脉
冲发生器接收不同极性的脉冲。
在一些实施例中，引线可直接连接至脉冲发生器，并且在一些实施
例中，引线可经由连接器112和连接器线缆114连接至脉冲发生器。连接
器112可包括能够将引线电连接至连接器线缆114的任何装置。同样，连
接器线缆可为能够将不同电脉冲传输至阳极引线106和阴极引线108的任
何装置。
在一些实施例中，植入式神经刺激系统100可包括充电器116，该
充电器可被配置为在植入式脉冲发生器104被植入体内时对植入式脉冲发
生器104再充电。充电器116可包括各种形状、尺寸和特征结构，并且可
由各种材料制成。类似于脉冲发生器102、104，充电器116可包括具有与
以上所讨论的那些相似的特征的处理器和/或存储器。在一些实施例中，充
电器116可经由电感耦合对植入式脉冲发生器104再充电。
在一些实施例中，可经由控制器来控制电脉冲的一个或数个特性。
在一些实施例中，这些特性可包括，例如，电脉冲的频率、强度、波形、
持续时间或时序和幅值的其他方面。在一个实施例中，这些特性可包括，
例如，电压、电流等。在一个实施例中，第一电脉冲可具有第一特性，并
且第二电脉冲可具有第二特性。电脉冲的此控制可包括对一个或数个电脉
冲程序、脉冲方案或脉冲波形的创建，而在一些实施例中，这可包括对一
个或数个已有的电脉冲程序、脉冲方案或脉冲波形的选择。在图1所示出
的实施例中，植入式神经刺激系统100包括控制器即临床医生编程器118。
临床医生编程器118可用于创建一个或数个脉冲程序、脉冲方案或脉冲波
形和/或用于选择已创建的脉冲程序、脉冲方案或脉冲波形中的一者或数
者。在一些实施例中，临床医生编程器118可用于对脉冲发生器的运行进
行编程，所述脉冲发生器包括例如外部脉冲发生器102和植入式脉冲发生
器104这两者或其一。临床医生编程器118可包括可有线地和/或无线地与
脉冲发生器通信的计算装置。在一些实施例中，临床医生编程器118可被
进一步配置为从脉冲发生器接收指示脉冲发生器和引线的运行和/或有效性
的信息。
在一些实施例中，植入式神经刺激系统100的控制器可包括患者遥
控器120。患者遥控器120可包括可经由有线或无线连接与脉冲发生器通信
的计算装置。患者遥控器120可用于对脉冲发生器进行编程，并且在一些
实施例中，患者遥控器120可包括由临床医生编程器118创建的一个或数
个脉冲生成程序、脉冲方案或脉冲波形。在一些实施例中，患者遥控器120
可用于选择已有的脉冲生成程序、脉冲方案或脉冲波形中的一者或数者，
并且选择例如所述一个或数个脉冲生成程序、脉冲方案或脉冲波形中的被
选者的持续时间。
有利地，植入式神经刺激系统100的以上概述的部件可用于控制并
达成电脉冲的产生，以便减轻患者疼痛。
现在参考图2，其为示出植入式神经刺激系统100的互连性的一个
实施例的示意图。如图2中所见，植入式神经刺激系统100的数个部件经
由网络110互连。在一些实施例中，网络110允许植入式神经刺激系统100
的部件之间的通信。网络110可为例如局域网(LAN)、广域网(WAN)、有线
网络、自定义网络、无线网络、电话网络诸如手机网络、互联网、万维网
或任何其他所需的网络或不同网络的组合。在一些实施例中，网络110可
使用任何所需的通信协议和/或网络协议。网络110可包括植入式神经系统
100的两个或更多个部件之间的任何通信互连。在一个实施例中，植入式神
经刺激系统100的装置之间的通信可根据任何通信协议进行，包括例如近
场通信(NFC)、蓝牙等所涵盖的那些。在一些实施例中，系统的不同部件可
利用不同的通信网络和/或协议。
如以下更详细地描述，在一些实施例中，充电器116可与植入式脉
冲发生器104直接通信，而不依赖于网络110。该通信在图2中通过线140
示出。在一些实施例中，可通过将数据传输功能集成到充电器116和植入
式脉冲发生器104(或其他植入式装置)中的一者或两者的一个或数个部件
或系统中来实现该通信。在一个具体实施例中，可通过例如将移频键控
(“FSK”)功能结合到充电器116和植入式脉冲发生器104中的一者或两
者的充电系统中来实现该通信。在一个此类实施例中，充电器116会在正
常再充电期间产生载波频率。在需要通信或其他数据传输的情况下，可在
两个或更多个频率之间调制载波频率以执行通信或传输数据。
现在参考图3，其示出外部脉冲发生器102和/或植入式脉冲发生器
104的构造的一个实施例的示意图。在一些实施例中，可使用脉冲发生器
102、104之一的处理器、存储器和/或其他硬件部件来实施脉冲发生器
102、104之一的构造的每个部件。在一些实施例中，脉冲发生器102、104
之一的构造的部件可包括与脉冲发生器102、104之一的硬件交互以实现所
需结果的软件。
在一些实施例中，脉冲发生器102/104可包括例如网络接口300或
者通信模块。网络接口300或者通信模块可被配置为访问网络110以允许
植入式神经刺激系统100的脉冲发生器102、104与其他部件之间的通信。
在一些实施例中，网络接口300或者通信模块可包括一根或数根天线和软
件，所述软件被配置为控制所述一根或数根天线以向植入式神经刺激系统
100的一个或数个其他部件发送信息以及从这些部件接收信息。
脉冲发生器102、104可进一步包括数据模块302。数据模块302可
被配置为管理与脉冲发生器102、104的身份和特性相关的数据。在一些实
施例中，该数据模块可包括一个或数个数据库，所述一个或数个数据库可
例如包括与脉冲发生器102、104相关的信息，诸如脉冲发生器的识别、脉
冲发生器102、104的一个或数个特性等。在一个实施例中，识别脉冲发生
器102的数据可包括例如脉冲发生器102、104的序号和/或脉冲发生器
102、104的其他标识符，包括例如脉冲发生器102的唯一标识符。在一些
实施例中，与脉冲发生器102、104的特性相关的信息可包括例如识别脉冲
发生器102、104的功能的数据、识别脉冲发生器102、104的功耗的数
据、识别脉冲发生器102、104的充电容量和/或脉冲发生器102、104的电
能储存容量的数据、识别脉冲发生器102、104的潜在的和/或最大的充电速
率的数据等。
脉冲发生器102、104可包括脉冲控制器304。在一些实施例中，脉
冲控制器304可被配置为控制一个或数个脉冲通过脉冲发生器102、104的
生成。例如，在一些实施例中，该信息可识别一个或数个脉冲波形、脉冲
程序等。该信息可进一步指定例如由脉冲发生器102、104生成的脉冲频
率、由脉冲发生器102、104生成的脉冲持续时间、由脉冲发生器102、104
生成的脉冲强度和/或脉冲幅值，或与通过脉冲发生器102、104进行的一个
或数个脉冲的创建相关的任何其他细节。在一些实施例中，该信息可指定
脉冲波形和/或脉冲程序的多个方面，诸如脉冲波形和/或脉冲程序的持续时
间等。在一些实施例中，可将与脉冲发生器102、104的脉冲发生相关的和/
或用于控制该脉冲发生的信息储存在存储器内。
脉冲发生器102、104可包括充电模块306。在一些实施例中，充电
模块306可被配置为控制和/或监视脉冲发生器102、104的充电/再充电。
在一些实施例中，例如，充电模块306可包括被配置为接收能量以对脉冲
发生器102、104再充电的一个或数个特征结构，诸如一个或数个感应线圈/
特征结构，所述感应线圈/特征结构可与充电器116的一个或数个感应线圈/
特征结构相互作用以形成感应耦合，从而对脉冲发生器102、104再充电。
在一些实施例中，充电模块306可包括被配置为监视脉冲发生器
102、104的充电的硬件和/或软件。在一些实施例中，所述硬件可包括例如
充电线圈，该充电线圈可例如为接收线圈，该接收线圈被配置成与充电器
116的充电线圈磁耦合。在一些实施例中，脉冲发生器102、104可被配置
成在脉冲发生器102、104的充电期间经由FSK接收和/或发送数据。
脉冲发生器102、104可包括储能装置308。储能装置308(其可包
括储能特征结构)可为被配置为储存能量的任何装置，并且可包括例如一
个或数个电池、电容器、燃料电池等。在一些实施例中，储能装置308可
被配置为从充电模块306接收充电能量。
现在参考图4，其示出充电器116的一个实施例的示意图。。在一
些实施例中，可使用充电器116的处理器、存储器和/或其他硬件部件实施
充电器116的构造的每个部件。在一些实施例中，充电器116的构造的部
件可包括与充电器116的硬件交互实现所需结果的软件。
在一些实施例中，充电器116可包括例如网络接口350或者通信模
块。网络接口350或者通信模块可被配置为访问网络110以允许植入式神
经刺激系统100的充电器116与其他部件之间的通信。在一些实施例中，
网络接口350或者通信模块可包括一根或数根天线和软件，所述软件被配
置为控制所述一根或数根天线以向植入式神经刺激系统100的一个或数个
其他部件发送信息以及从这些部件接收信息。
充电器116可包括充电模块352。充电模块352可被配置为控制和/
或监视脉冲发生器102、104中的一个或数个的充电。在一些实施例中，充
电模块352可包括一个或数个特征结构，所述一个或数个特征结构被配置
成在充电期间传输能量。在一个实施例中，这些特征结构可包括一个或数
个充电线圈，所述一个或数个充电线圈可为例如一个或数个传输线圈，所
述一个或数个传输线圈可与脉冲发生器102、104的充电线圈磁耦合，从而
对脉冲发生器102、104再充电。在一些实施例中，该充电线圈可通过多个
参数，包括例如电感和/或品质因子(Q)，来描述。类似地，在一些实施例
中，传输线圈与接收线圈之间的磁耦合可通过一个或多个参数包括例如耦
合系数来描述。
在一些实施例中，充电器116的充电模块352可被配置成在脉冲发
生器102、104的充电期间经由FSK发送和/或接收数据。将在以下更详细
地论述充电模块352的这些部件的细节。
充电器116可包括数据模块354。数据模块354可被配置成管理要
传输到脉冲发生器102、104的数据和/或从脉冲发生器102、104接收的数
据。该信息可包括例如对脉冲发生器102、104上的软件的更新、脉冲波
形、与脉冲发生器102、104的用户相关的更新，等等。在一些实施例中，
数据模块354可被配置成生成传输数据，所述传输数据随后可被传送到植
入式脉冲发生器104。在一些实施例中，通过将数据转化成对应于充电模块
352的通信能力的编码形式来生成传输数据。在充电模块352可在两个频率
之间调制以传送数据的一个实施例中，可将该数据转化成二进制格式。
现在参考图5，其示出充电器116的充电模块352的充电电路500
的一个实施例的功能框图。如图所示，充电电路包括处理器502，该处理器
可对应于以上相对于充电器116所述的处理器。在一些实施例中，处理器
502可电连接到充电模块352的其他部件，从而从充电模块352的这些其他
部件接收信号并进而控制充电模块352的这些其他部件。
在一些实施例中，并且在不同情形下，充电模块352可以一个或数
个不同的频率工作。在一些实施例中，处理器502允许监视充电电路的工
作频率。在这样一个实施例中，处理器502可用于控制充电模块352的工
作频率并且确保充电模块的工作频率在所需的一个或多个范围内。这在工
作频率范围由例如政府或政府机构指定的实施例中特别重要。在此类实施
例中，处理器502可确保在监管范围内工作并且可提供在处理器超出频率
容限工作的情况下关闭充电模块352的能力。
处理器502可连接至E类驱动器504，该E类驱动器可为例如E类
功率转换器。E类驱动器504可用于将AC转换为DC。在一些实施例中，
E类驱动器504可为有效电路，可通过使E类驱动器504的有源元件(通常
为FET，包括MOSFET)完全接通或断开从而避开线性工作区域来获得所
述效率。在一些实施例中，当穿过该有源元件的电压和电流为零或接近零
时，可能发生这种切换。在一些实施例中，当有源元件上的dv/dt为零时，
可能发生有源元件的接通，以使得匹配网络的开关定时或调谐的小误差不
会显著降低电路的效率。以下将以更大的篇幅论述E类驱动器504的细
节。
如图5中所见，在一些实施例中，E类驱动器504可包括或连接到
充电线圈506，该充电线圈可为传输线圈。在一些实施例中，E类驱动器
504可用于经由电感耦合来对植入式装置供电。在此类实施例中，E类驱动
器504的电感线圈可用于两个目的：充当线圈506，同时也用于E类驱动器
504的负载网络。
另外，在一些实施例中，E类驱动器可包括或连接到FSK模块
508。在一些实施例中，FSK模块可包括一个或数个特征结构，该一个或数
个特征结构可由处理器508控制以调制和/或改变由充电线圈506形成的磁
场的频率。在一些实施例中，FSK模块508可被控制以形成至少2个频
率、至少3个频率、至少4个频率、至少5个频率和/或任何其他或中间数
量的频率。在一个实施例中，FSK模块508可被控制以在第一频率、第二
频率与第三频率之间切换。在一个实施例中，第一频率可为中间频率，第
二频率为相对较低的频率，而第三频率为相对较高的频率。以下将以更大
的篇幅论述FSK模块508的细节。
现在参考图6，其示出充电器116的充电模块352的充电电路500
的一个实施例的示意图。如图6中所见，充电电路500包括处理器502、E
类驱动器504、充电线圈506和FSK模块508。
E类驱动器504包括功率开关晶体管(SW1)，该功率开关晶体管可
为例如FET晶体管。功率开关晶体管(SW1)可具有：连接至电感器(L1)的漏
极(D1)，该电感器充当向E类驱动器504供应直流电的电流源；连接到接
地点602的源极(S1)；以及连接到处理器502的栅极(G1)。在一些实施例
中，处理器502可通过改变电压施加到栅极(G1)的程度或电压是否施加到
栅极(G1)来控制功率开关晶体管(SW1)。施加到栅极(G1)的电压在图6中标
识为驱动信号(VG1)。
E类驱动器504可包括负载匹配网络604，该负载匹配网络可包括
电容器(Cs)和(Cp)以及充电线圈(L2)。在一些实施例中，负载匹配网络
604、电容器(Cs)和(Cp)以及充电线圈(L2)的特性与E类驱动器504的其他
部件结合，赋予充电电路500固有频率，该固有频率可为脉冲响应频率。
在一些实施例中，并且如上所述，充电线圈(L2)可为负载匹配网络
604的部件，并且也可为与植入式脉冲发生器104的接收线圈磁耦合的传输
线圈。在此类实施例中，线圈电流(IL2)穿过充电线圈(L2)并且产生磁场，
该磁场可与植入式脉冲发生器104的接收线圈耦合。
在一些实施例中，并且如图6所示，E类驱动器504可包括电流传
感器(T1)，该电流传感器(T1)可与充电线圈(L2)串联并且可用于测量穿过充
电线圈(L2)的电流量。如图6所示，电流传感器(T1)可连接至处理器502，
从而允许由电流传感器(T1)生成的电流数据被处理器502接收。在一些实施
例中，并且如上所述，该电流数据可至少部分用于通过处理器502生成控
制信号。
在一些实施例中，处理器502可经由开关电压电路606连接至E类
驱动器504。在一些实施例中，该开关电压电路606可包括功率开关晶体管
(SW1)的漏极与处理器502之间的电连接。在一些实施例中，该开关电压电
路606可包括特征结构，这些特征结构用于调整在功率开关晶体管(SW1)的
漏极侧处所测量的电压，以使得在处理器502处所接收的电压与处理器502
兼容。在一些实施例中，如果功率开关晶体管(SW1)的漏极侧处的电压太
低，则这可包括放大器的使用，而在一些实施例中，如果功率开关晶体管
(SW1)的漏极侧处的电压太高，则这可包括一个或数个降压特征结构的使
用。在图6所示的实施例中，在功率开关晶体管(SW1)的漏极侧与处理器
502之间定位有包括电阻器R4和R5的分压网络608。在一些实施例中，该
分压网络608可进一步由缓冲器作补充，该缓冲器可进一步调适由处理器
502接收的电压。
在一些实施例中，处理器502和E类驱动器504，包括充电线圈
506，可如下工作。经由充当电流源的电感器(L1)向E类驱动器504供应电
能。向充电线圈(L2)提供线圈电流(IL2)，所述电流产生可与植入式脉冲发
生器104的接收线圈磁耦合的磁场以对植入式脉冲发生器再充电。负载电
流(IL2)被电流传感器(T1)感测，并且在一些实施例中，被缓冲、方波化并
且提供到处理器502。处理器502监视负载电流(IL2)的零交叉电流过渡并且
调整开关功率晶体管(SW1)的栅极(G1)的驱动信号(VG1)。处理器502的使
用允许优化SW1接通和断开过渡以提高效率，并且允许这些点随着工作频
率的变化而变化以维持对电路的更密切控制。
在一些实施例中，处理器502可调整功率开关晶体管(SW1)的接通
和断开时间中的一者或两者，以使所有磁耦合条件下的效率以及对传输线
圈的外部影响最大化。例如，如果期望在处理器502接收到零交叉信号之
前接通功率开关晶体管(SW1)，那么可基于上一个周期或上几个周期的来自
电流传感器(T1)的反馈信号为下一个周期调整定时。还可从开关电压电路
606获得针对电路工作的另外的反馈，该开关电压电路监视功率开关晶体管
(SW1)上的电压。在一些实施例中，可使用来自开关电压电路606的数据来
基于FET上的最小电压以接通点控制功率开关晶体管(SW1)。在一些实施
例中，开关电压电路606可被配置成提供针对功率开关晶体管(SW1)的漏极
电压的峰值振幅的反馈，以检测E类驱动器504是否在正常工作并且帮助
确保工作安全可靠。
在一些实施例中，并且如图6所示，充电电路500可包括FSK模块
508。FSK模块508可包括被配置成允许调制E类驱动器504的固有频率的
一个或数个部件。在一些实施例中，可选择性地将所述一个或数个部件包
括在E类驱动器504的电路中或从其中排除，从而选择性地调制E类驱动
器504的固有频率。
在图6所示的实施例中，FSK模块508可包括第二电容器(C2)和第
三电容器(C3)以及第二开关晶体管(SW2)和第三开关晶体管(SW3)。在一些
实施例中，电容器(C2、C3)可具有任何所需的特性，并且可为任何所需
的电容器。类似地，晶体管(SW2、SW3)可具有任何所需的特性并且可
为任何所需类型的晶体管。在一些实施例中，晶体管(SW2、SW3)可包
括FET晶体管。
在一些实施例中，并且如图6所示，FSK模块508可被配置成使得
电容器(C2、C3)可选择性地电包括在充电电路500中。确切地，在一些
实施例中，处理器502可电连接到开关晶体管(SW2、SW3)的栅极
(G2、G3)，以允许控制开关晶体管(SW2、SW3)的开关。如图6所
示，例如，当第三晶体管(SW3)被切换成接通时，E类驱动器504连接到接
地点610并且没有电容器(C2、C3)包括在充电电路500中。或者，如果
第二晶体管(SW2)被切换成接通并且第三晶体管(SW3)被切换成断开，那么
E类驱动器503连接到接地点612并且第三电容器(C3)被包括在充电电路
500中。最后，如果两个晶体管(SW2、SW3)均被切换成断开，那么E类
驱动器504连接到接地点614并且第二与第三电容器(C2、C3)被包括在
充电电路500中。通过选择性地将第二和第三电容器(C2、C3)包括在充
电电路500中，可允许选择性地在充电电路的三个固有频率之间调制，所
述选择性调制可用于将来自充电器116的数据传输到植入式脉冲发生器
104。
现在参考图7，其示出从充电模式过渡到同步充电/数据传输模式的
一个实施例的图解说明。在充电电路500包括FSK模块508的一些实施例
中，可调制充电电路500的固有频率，以便除了对植入式脉冲发生器104
再充电外，还与植入式脉冲发生器104通信和/或将数据传输至植入式脉冲
发生器104。在一些实施例中，并且如图7所示，充电器116的FSK模块
508可被配置成在第一频率、低于第一频率的第二频率与高于第一频率的第
三频率之间交替。在一些实施例中，FSK模块508可将充电器116配置成
产生用于以第一中间频率对植入式脉冲发生器104再充电的磁场。
如图7所示，充电电路500在充电模式期间以第一频率进行的工作
可持续到时间t1，在时间t1时，处理器502控制FSK模块508以调制充电
电路500的固有频率，从而开始数据传输并且进入充电电路500的充电/数
据传输工作模式。如图7所示，可通过将充电电路500的固有频率调制为
第三频率来开始这种模式改变，然而，同样地，可通过将充电电路500的
固有频率调制为第二频率来开始这种模式改变。在时间t2时，处理器502
控制FSK模块508以将充电电路500的固有频率从第三频率调制为第二频
率，最后，在时间t3时，处理器502控制FSK模块508以将充电电路500
的固有频率从第二频率调制为第一频率。如图所示，在时间t3时，充电电
路500退出充电/数据传输工作模式并且再次进入充电工作模式。在一些实
施例中，可按中间频率进行充电，该中间频率可为载波频率，并且可通过
在各自高于或低于中间频率的频率之间调制来进行数据传输。
现在参考图8，其为描绘充电电路500的测量结果的一个实施例的
图表800。图表800描绘四条迹线，第一迹线802对应于相对于时间穿过充
电线圈(L2)的实际线圈电流(IL2)。如图表800中所描绘，在一些实施例
中，线圈电流(IL2)可相对于时间正弦地变化。图表800进一步识别时间
803，在时间803处，穿过充电线圈(L2)的线圈电流(IL2)发生数个零交叉电
流过渡之一。
图表800描绘了对应于驱动信号(VG1)的第二迹线804。如图表800
中所见，驱动信号(VG1)可包括重复的方脉冲函数。在一些实施例中，第二
迹线可包括：第一位置806，在该位置处，功率开关晶体管(SW1)打开；以
及第二位置808，在该位置处，功率开关晶体管(SW1)关闭。在一些实施例
中，驱动信号(VG1)的特征可在于频率和时间长度，其中对应于功率开关晶
体管(SW1)关闭时间的后续的第二位置808以所述频率出现，并且驱动信号
(VG1)保持在第二位置808中达所述时间长度。
图表800描绘第三迹线810，在施加了电压箝位的情况下该第三迹
线对应于由电流传感器T1所感测的电流。如图所见，该电流输出与电压箝
位的组合得到周期性截断函数。图表800识别时间812，在时间812处，电
流传感器T1感测时间803的零交叉电流过渡。如图所见，时间803和时间
812由传播延迟(DY1)分离。
图表800描绘第四迹线814，该第四迹线对应于从缓冲器到T1的输
出以及进入处理器502的输入。该第四迹线814进一步对应于基于第三迹
线810的受缓冲器影响的输出。第四迹线814可为重复的方脉冲函数，所
述函数具有第一水平816和第二水平818。如图表800中所见，时间820识
别在线圈电流(IL2)在时间803处的零交叉电流过渡后，从第一水平816到
第二水平818的第一过渡的时刻。时间820与时间812之间的时间分离为
传播延迟(DY2)。
除了延迟(DY1、DY2)外，在充电电路500的工作中还发生两个
另外的传播延迟。在一个实施例中，这些延迟可包括(1)处理器502花费的
处理时间和(2)功率开关晶体管(SW1)的接通时间。在一些实施例中，这些
传播延迟可对充电电路500的工作造成不利影响，因为使用目前利用的控
制方法不能及时校正不正确的定时。在现有技术中，等到识别出需要改变
定时的时候，进行所述改变的正确时间已过去。在一个实施例中，并且为
了抵消这些传播延迟，处理器502可包括识别驱动信号(VG1)的不同频率和
/或驱动信号(VG1)在第二位置808上可保持的不同时间长度的表。在一些
实施例中，可在充电电路500的评估期间在不同的负载条件下生成该表中
的值，所述不同的负载条件可例如复制与植入式脉冲发生器的不同磁耦
合。通过使用处理器控制来实施驱动信号定时的改变(这导致驱动信号
(VG1)的频率发生改变和/或驱动信号(VG1)在第二位置808上所持续的时间
长度不同)，驱动信号在线圈驱动电路的下一个(或后一个)周期进入第
二位置808，诸如下图9所示。由此，任何传播延迟诸如以上所识别的那些
均在下一个(或后一个)周期固有地得到补偿，从而不会折损发射器的工
作效率。
图9至图11描绘图表900、1000、1100，这些图表示出了不同的驱
动信号频率对充电电路500的工作的影响。确切地讲，图表900描绘在施
加了电压箝位的情况下对应于由电流传感器T1所感测的电流的第一迹线
902。如图所见，该电流输出与电压箝位的组合得到周期性截断函数。图表
900识别时间904，在时间904处，电流传感器T1感测零交叉电流过渡。
图表900描绘了对应于驱动信号(VG1)的第二迹线906。如图表900
中所见，驱动信号(VG1)可包括重复的方脉冲函数。在一些实施例中，第二
迹线906可包括：第一位置908，在该位置处，功率开关晶体管(SW1)打
开；以及第二位置910，在该位置处，功率开关晶体管(SW1)关闭。在一些
实施例中，功率开关晶体管(SW1)的关闭可使漏极(D1)经由源极(S1)连接到
接地点602。所述连接可将功率开关晶体管(SW1)上的电压驱动为零。
图表900进一步描绘对应于功率开关晶体管(SW1)上所感测的电压
的第三迹线912。第三迹线912具有第一正弦部分914和第二平坦部分
916。在一些实施例中，第三迹线912的第一正弦部分914指示功率开关晶
体管(SW1)上的变化的电压，并且第二平坦部分916可识别在功率开关晶体
管(SW1)关闭后功率开关晶体管(SW1)上的电压，在图6的实施例中，所述
电压为零。在针对充电电路500的条件正确调谐了驱动信号(VG1)的频率的
一些实施例中，第三迹线912的第二平坦部分916可为平坦的，或换句话
讲，无梯级。
图10的图表1000描绘与图表900相同特性的迹线的一个实施例，
但其中驱动信号(VG1)的频率太低，并且功率开关晶体管(SW1)切换太迟。
确切地讲，图表1000描绘对应于由电流传感器T1所感测的电流的第一迹
线1002，其中施加了电压箝位并且识别了时间1004，在时间1004处，电
流传感器T1感测零交叉电流过渡。图表1000进一步识别对应于驱动信号
(VG1)的第二迹线1006。该第二迹线1006包括：第一位置1008，在该位置
处，功率开关晶体管(SW1)打开；以及第二位置1010，在该位置处，功率
开关晶体管(SW1)关闭。
图表1000描绘对应于功率开关晶体管(SW1)上所感测的电压的第三
迹线1012。第三迹线1012具有第一正弦部分1014和第二平坦部分1018。
如图表1000中所见，由于驱动信号(VG1)的频率太低，由第三迹线1012指
示的电压在功率开关晶体管(SW1)关闭之前降低到低于零，并且在功率开关
晶体管(SW1)关闭时经由梯级1018跳到零电压。
图11的图表1100描绘与图表900相同特性的迹线的一个实施例，
但其中驱动信号(VG1)的频率太高，并且功率开关晶体管(SW1)切换太早。
确切地讲，图表1100描绘对应于由电流传感器T1所感测的电流的第一迹
线1102，其中施加了电压箝位并且识别了时间1104，在时间1004处，电
流传感器T1感测零交叉电流过渡。图表1100进一步识别对应于驱动信号
(VG1)的第二迹线1106。该第二迹线1106包括：第一位置1108，在该位置
处，功率开关晶体管(SW1)打开；以及第二位置1110，在该位置处，功率
开关晶体管(SW1)关闭。
图表1100描绘对应于功率开关晶体管(SW1)上所感测的电压的第三
迹线1112。第三迹线1112具有第一正弦部分1114和第二平坦部分1118。
如图表1100中所见，由于驱动信号(VG1)的频率太高，由第三迹线1012指
示的电压在功率开关晶体管(SW1)关闭之前未达到零，并且在功率开关晶体
管(SW1)关闭时经由梯级1118跳到零电压。在图10和图11的实施例中，
充电电路的效率由于驱动信号(VG1)的频率太低或太高而受到不利影响。
现在参考图12，其示出一个流程图，该流程图示出用于控制充电电
路500的频率的过程1200的一个实施例。该过程在框1202处开始，其中
驱动信号(VG1)的初始频率在该处设定。在一些实施例中，该初始频率可为
可例如储存在充电器116的存储器和/或植入式神经刺激系统100的其他部
件中的默认频率。
在设定驱动信号(VG1)的初始频率后，过程1200继续到决定状态
1204，在该状态中确定是否发生了电流零交叉过渡。在一些实施例中，可
基于从电流传感器(T1)接收到的数据进行该确定。如果确定没有发生电流零
交叉过渡，那么过程1200等待某个时间长度(所述时间长度可例如是预先
确定的)，并且随后返回到决定状态1204。
如果确定发生了电流零交叉过渡，那么过程1200继续到框1206，
在该框处感测或读取功率开关晶体管电压。在一些实施例中，可从开关电
压电路606读取该电压。在一些实施例中，功率开关晶体管电压的读取可
包括确定在功率开关晶体管(SW1)关闭之前和/或功率开关晶体管(SW1)关闭
之时功率开关晶体管(SW1)处的电压是大于、小于还是等于在功率开关晶体
管(SW1)关闭之后功率开关晶体管(SW1)处的电压。在一些实施例中，可在
对应于电流零交叉的第一时间处读取功率开关晶体管的电压。
在读取了功率开关晶体管电压后，过程1200继续到框1208，在该
框处读取对应于所读取的功率开关晶体管电压的开关时间。在一些实施例
中，该开关时间可为驱动信号(VG1)的频率。该开关时间可从开关时间表的
条目中读取，所述开关时间表可通过在多种情况和负载条件下分析充电电
路500来生成。在一些实施例中，该步骤可导致检索用于调整驱动信号
(VG1)的频率的值，以更密切地匹配充电电路500的特性和/或负载条件。
在检索到对应于所读取的功率开关晶体管(SW1)电压的开关时间
后，过程1200继续到框1210，在该框处检索频率限制。在一些实施例中，
这些频率限制可对应于对充电电路500的工作频率的一个或数个限制，诸
如一个或数个法定限制、监管限制等。在一个实施例中，例如，这些频率
限制可对应于上限(高限)和下限(低限)中的一者或两者。
在检索到这些频率限制后，过程1200继续到框1212，在该框处将
这些频率限制与检索到的对应的开关时间进行比较。在一些实施例中，可
由充电器116的处理器执行该比较。在将这些频率限制与开关时间进行比
较后，过程1200继续到决定状态1214，在该状态中确定检索到的对应的开
关时间是否在这些频率限制内。可由充电器116的处理器执行该比较。
如果确定检索到的对应的开关时间不在频率限制内，则过程1200
继续到框1216，在该框处将开关时间设定为频率上限和频率下限中的一
者。在一些实施例中，所述频率上限和频率下限中的一者可为决定状态
1214中所暗示的频率上限和频率下限中的任一者。在将开关时间设定为频
率上限和频率下限中的一者，或返回到决定状态1214后，如果确定开关时
间在频率限制内，则过程1200继续到框1218，在该框处施加该开关时间，
因为驱动信号(VG1)的频率被设定为检索到的对应的开关时间。在施加了开
关时间后，过程1200返回到决定状态1204，并且如上所述继续。在一些实
施例中，并且与传播延迟的情况一样，该周期可重复多次直到开关时间被
识别，这可减轻传播延迟并且对应于充电电路500的运行。在一些实施例
中，并且在开关时间被识别(令人满意地减轻传播延迟和/或传播延迟的影
响)后，充电电路500可在所述开关时间以稳定状态工作。
在前面的说明中，参考其具体实施例对本发明加以描述，但本领域
技术人员将认识到本发明不限于所述具体实施例。以上描述的本发明的各
特征结构和方面可以个别地或结合地使用。而且，在不脱离本说明书的更
宽泛的精神和范围的情况下，本发明可用于除本文所描述的那些以外的任
何数量的环境和应用。因此，本说明书和附图应视为示例性的而非限制性
的。应认识到如本文所用的术语“包含”、“包括”、以及“具有”特别
地旨在被解读为开放式的技术术语。