技术领域
[0001]本
发明涉及植入式
电子系统，并且具体地涉及这些装置的 供电系统。
背景技术
[0002]非常常见的有源的植入式系统可能看起来如图1中所描绘 的一样。该常见的有源的植入式系统由两个植入的子系统组成：供应 系统101和单芯片处理系统102。供应系统101可以包括输入触头103和 104，以及输出触头107和108。输入触头典型地经由感应线圈105(具 有相关的电感L2)彼此连接。植入的线圈105可以感应地耦合到另外的 外部线圈106(具有其自身的电感L1)，外部线圈106位于体外。两个线 圈形成弱耦合
变压器，其中外部线圈106作为初级线圈，植入的线圈105 作为次级线圈。这允许经由无破损的
皮肤表面传输
电能(经皮
能量传 输)。供应系统101在供电输出触头107和108处将射频(rf)
信号u2(t) 转换为适当的内部信号uP(t)。供电输出触头107和108通过隔离的布线 111和112连接到处理系统输入触头109和110。信号uP(t)可以为处理系统 102提供有能量和信息。忽略布线111和112的
电阻抗，信号uP(t)还出现 在处理系统输入触头109和110之间。
[0003]处理系统102典型地进行特定的测量和/或有源刺激任务， 例如
生物电信号的测量、化学物质的感应和/或将电信号施加到周围组 织。利用一组
电极113感测和/或施加信号。处理系统102的一个特殊的 属性在于，由于限制性很强的空间要求，导致整个功能可能被集成在 单个电子芯片上。与利用气密密封的封装来保护
电路避免
接触体液的 供应系统101相反，处理系统102典型地只通过各种薄的
钝化层(例如
氧化物)来保护。另外，可能没有用于额外的电子部件诸如外部二极 管或者分布电容器的空间。
[0004]如图1中所示的系统的一个特定示例可以是如在Margalit E， Maia M，Weiland JD，Greenberg RJ，Fujii GY，Torres G，Piyathaisere DV， O’Hearn TM，Liu W，Lazzi G，Dagnelie G，Scribner DA，de Juan E和 Humayun MS，Retinal Prosthesis For The Blind，Survey of Ophthalmology， 第47卷，No.4，2002年7月-8月(通过引用并入这里)中描述的人工视 网膜。在该系统中，处理系统芯片位于内层
视网膜的表面上(视网膜 前进路(epiretinal approach))或者在视网膜下腔中(视网膜下进路 (subretinal approach))。典型地，处理芯片的尺寸是几个平方毫米， 并且厚度是微米的几十分之一。为了保护，处理芯片由若干光透材料 层
覆盖。该处理芯片可以包括子单元阵列，其中每个子单元包括光电
二极管、模拟
放大器和刺激电极。这些子单元可以被设计为把来自图 像的光能(
光子)转换为电脉冲以刺激视网膜的剩余的功能性细胞。
[0005]不幸的是，没有实现早期的对于这样的植入的
数据处理芯 片能够仅由入射光供电而不使用外部电源的希望。因此视网膜处理芯 片必须连接到提供能量和
控制信号的供应系统。例如，供应系统可以 植入在
耳后的区域中，类似于例如在Waltzman SB和Cohen NL， Cochlear Implants，ISBN 0-86577-882-5，Thieme New York，2000(通过 引用并入这里)中描述的人工耳蜗。这样的供应系统可以包括能够使 用经皮感应链路再充电(如果需要)的如例如在Zierhofer CM和 Hochmair ES，High-Efficiency Coupling-Insensitive Power And Data Transmission Via An Inductive Link，IEEE-Trans.Biomed.Eng.BME-37， pp.716-723，1990年7月(通过引用并入这里)中所描述的可再充电
电池。 因此，获得了如图1中所示的系统配置。
发明内容
[0006]本发明的代表性
实施例包括一种植入式电子系统。植入式 电源包括：多个能量输入端口，用于接收外部产生的电源信号；以及 多个能量输出端口，用于产生(develop)检测到的能量信号。植入式 人工处理模
块包括：多个通过布线连接到能量输出端口的人工 (prosthetic)处理输入端口，用于接收检测到的能量信号；以及多个 人工处理输出端口，用于产生人工刺激信号输出来
电刺激目标神经组 织。多个端口中的每个适于在不产生dc电势的情况下操作。
[0007]在另外的实施例中，电源和/或人工处理模块可以处于非气 密的耐湿封装中。多个端口中的至少一个可以包括可断开的连接器以 允许布线容易地附接到多个端口以及从多个端口拆开。
[0008]在各种实施例中，外部产生的电源信号是例如通过植入的 接
收线圈进行处理(develop)的
射频信号。外部产生的电源信号可以 包含能量和信息。
[0009]一些实施例可以进一步包括至少一对输出端口，用于产生 接收到的能量信号，而无需在输出端口之间产生dc电势。处理模块可以 接收所接收到的能量信号。处理模块可以位于气密密封的封装之中。 处理模块可以被耦合到组织相互作用元件，例如刺激电极元件或者组 织感应器元件。
[0010]实施例还包括植入式人工系统，包括根据任何前述的植入 式电子系统。特定的系统可以是人工耳蜗系统或者人工视网膜系统。
[0011]另一实施例包括具有单个植入式非气密耐湿封装的植入式 电子系统，包括电源和人工处理模块。电源包括能量输入端口，用于 接收外部产生的电源信号。人工处理模块具有人工处理输出端口，用 于产生电刺激目标神经组织的人工刺激信号输出。端口中的每个都适 于在不产生dc电势的情况下操作。
[0012]在另外的这些实施例中，封装可以是单芯片封装。端口中 的至少一个可以包括可断开的连接器，以允许布线容易地附接到端口 或者从端口拆开。外部产生的电源信号可以是射频信号。外部产生的 电源信号可以由植入的接收线圈接收处理(develop)并且/或者可以包 含能量和信息。
[0013]实施例还包括植入式人工系统，包括根据以上实施例中的 任何实施例的植入式电子系统。例如，该系统可以是人工耳蜗系统或 者人工视网膜系统。
附图说明
[0014]图1示出一般的植入的电子系统的功能性元件。
[0015]图2示出根据本发明的一个实施例的供应系统的功能性元 件。
[0016]图3示出与图2中的系统相关的各种信号。
[0017]图4示出单芯片处理器的一个特定实施例的一般构造。
[0018]图5示出由作为二极管
开关的MOS晶体管组成的全波整流 器的示例。
[0019]图6示出由有源MOS-晶体管组成的全波
整流器的示例。
[0020]图7示出用于在单芯片处理器中产生刺激的系统的一个示 例。
具体实施方式
[0021]本发明的实施例涉及植入式电子系统，该系统在其端口之 间不产生dc电势。例如，该植入式电子系统可以是如图1中所示的带有 无dc的输入和输出触头的供应系统和单芯片处理器。供应系统和/或单 芯片处理器可以包括在非气密的耐湿封装中，其在被植入时是透气的， 但是耐湿性受到潮湿生物有源植入环境的影响。在其它特定实施例中， 耐湿封装可以被气密地密封。
[0022]图2示出具有无dc的输入和输出触头的植入式电源的实施 例。供应输入触头201和202、供应输出触头203和204以及供应输入线 圈205在耐湿封装200外。植入的供应输入线圈205(具有电感L2)和供 应输入电容器206(具有电容C2)表示用来接收外部产生的射频(rf) 能量信号u2(t)的并联
调谐电路。假设供应输入线圈205是理想的，在输 入触头201和202之间没有产生dc电势。信号u2(t)是全波整流的并且利用 包括两个二极管和两个电容器(电容C0)的整流器电路207进行平滑。 为了足够大的电容C0，得到的
电压VCC和VSS是类dc电势。供应系统还 包括时钟发生器209，其产生非重叠的
时钟信号φ1(t)和φ2(t)。这些时 钟信号φ1(t)和φ2(t)在转换矩阵208中控制开关。
[0023]如图3中所示，在当φ1(t)＝VCC且φ2(t)＝VSS的时段期间， 电压VCC和VSS分别连接到供应输出触头203和204，从而uP(t)＝VCC- VSS。反之，在φ1(t)＝VSS且φ2(t)＝VCC期间，则uP(t)＝VSS-VCC。对于 φ1(t)＝VSS且φ2(t)＝VCC来说，供应输出触头203和204是浮动的，即它 们不具有被限定的电势。如果状态φ1(t)＝VCC的平均持续时间等于状态 φ2(t)＝VCC的平均持续时间，那么供应输出触头203和204在彼此之间不 具有dc电势。另外，尽管在整流器207中二极管电压下降，相对于供应 输入触头201和202也没有dc电压。在电压uP(t)不具有浮动相并且状态φ 1(t)＝VCC和φ2(t)＝VCC持续时间相等的情况下，产生用于芯片的信号处 理级的几乎无毛刺的dc
电源电压。在特定实施例中，产生的信号可以包 含能量和信息。
[0024]在图4中示出单芯片植入式电子系统的示例。利用一个或多 个
钝化层就诸如体液的湿度对该单处理器芯片400进行保护。处理器芯 片400包括集成的整流器403和实现
信号处理和/或产生刺激脉冲的功能 的后续处理级404。处理级404的正确操作依赖于具有一个特定极性的 电源电压，诸如由集成的整流器403产生的电压。对于理想的整流器， 如果
输入信号被限定，那么该整流器
输出信号在幅值上等于输入信号， 即uR(t)＝|uP(t)|。如果输入信号uP(t)由供应系统产生，诸如图2中所示的 供应系统，那么然后在当uP(t)是非浮动的时段期间，uR(t)＝VCC-VSS。
[0025]图5和图6中示出集成的整流器的示例。在图5中描绘的整流 器表示教科书方法，其中MOS晶体管501、502、503和504被分别作为 二极管进行开关，即栅极被连接到漏极。虽然该方法非常适合于集成， 一个缺点在于分别发生跨MOS晶体管在源极和漏极之间的电压降，USD ≈1-2V。因此
输出电压被减小2USD，即uR(t)＝|uP(t)|-2 USD。对于低电 压应用来说，该减小可能是重要考虑。
[0026]图6中所示的方法还利用MOS晶体管并且由此很适合于集 成，但是其避免了在于2005年7月8日提交的美国临时
专利申请60/697, 624中描述的跨晶体管的大电压降，该美国临时专利申请通过引用并入 这里。有两个PMOS晶体管601和603，以及两个NMOS晶体管602和 604，其被作为导通/切断开关来操作。能够使用标准的CMOS技术。晶 体管的栅极直接连接到输入电压干线。对于足够幅值的输入电压差来 说，确保uR(t)≈|uP(t)|。四个晶体管应该足够大，从而在开关导通状态 期间仅有小的电压降。如果电压降太大(典型地，大于大约0.7V)， 则寄生衬底PN二极管趋于变得导电。
[0027]图7示出用于在单芯片系统700内产生刺激的系统的示例。 为了方便，仅示出一个刺激电极对708和709，而这些电极之间的阻抗 由电阻元件负载
电阻器710表示。目标是在输入触头701和702之间或者 在刺激电极对708和709之间不产生dc电压电势。假设无dc的输入电压 uP(t)由诸如图3中所示的恒压段组成，并且集成的整流器703诸如在图6 中所示，如果uP(t)是非浮动的，那么整流后的电压是uR(t)≈VCC-VSS。 能够例如，通过产生对称的双相脉冲，以电荷平衡式脉冲来实现刺激。 对于第一相，在第一
电流源704(例如PMOS晶体管)中施加电流幅值 iP(t)并且第一开关706(例如NMOS晶体管)接通。对于第二相，在第 二电流源705(例如NMOS晶体管)中施加电流幅值iN(t)并且第二开关 707(例如PMOS晶体管)接通。随着这样的开关过程，在电极707和708 处的平均电势分别是(VCC-VSS)/2。除了确保在708/709处的平均电势等 于在701/702处的平均电势之外，即使例如通过某种非气密的有机材料 提供的在701/702处的绝缘是不完美的。
[0028]在其它实施例中，电源和人工处理电路可以被集成在一个 单芯片上，该芯片被某种非气密的材料封装。该芯片本身被氧化物或 者氮化物层或者某些类似的材料保护以避免体液，仅暴露输入和输出 焊盘，其必然地由某种耐
腐蚀生物相容性金属，诸如铂、铱、金、铌、
钛或者钽组成。因此整个系统由非
气密封装的单芯片、一个或者多个 经由某种rf载波接收能量和信息信号的接收器线圈、以及一组电极组 成。
[0029]可以使用许多公知的整流电路。电容器C0(如在图2中所示 的)是集成的芯片电容器，其在尺寸上受到某种程度的限制。为了获 得足够平滑的dc供应，这要求足够高频的rf载波或者矩形形状的输入信 号。在后一种情况中，感应经皮传输系统需要是足够的宽频带。
[0030]尽管已经公开了本发明的各种示例性实施例，但是能够做 出实现本发明的一些优点的各种改变和
修改，而不偏离本发明的真实 范围。相关申请的交叉引用
[0000]本申请要求于2006年5月18日提交的美国专利申请11/436, 403的优先权，其内容通过引用并入这里。
