具有自适应电路的非侵入性神经激活器的制作方法

具有自适应电路的非侵入性神经激活器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年6月26日提交的美国临时专利申请序列no.62/866,845的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及通过局部刺激器(stimulator)激活神经以控制或影响包括人类在内的哺乳动物的肌肉、组织、器官或包括疼痛在内的感觉。


背景技术：

4.神经疾病可能导致失去对肌肉和其它身体功能的控制、感觉丧失或疼痛。外科手术和药物有时治疗这些疾病，但有局限性。本发明涉及一种用于提供治疗和改善功能的其它选项的系统。
附图说明
5.图1图示了被粘贴到用户的踝骨后面的位置的示例贴片。
6.图2是图示图1的贴片的示例的与硬件/软件相关的元件的框图。
7.图3a是提供反馈的单级升压电路的示例的电路图。
8.图3b是使用升压电路的输出的电荷施加电路的示例的电路图。
9.图3c是提供反馈的两级升压电路的示例的电路图。
10.图4是监测和控制输出电压(包括其斜坡率)的控制器的功能的流程图。
11.图5是根据自适应协议的一个示例的流程图。
12.图6是根据一个示例的在自适应协议中使用的差分积分器电路。
13.图7是根据一个示例的与电荷持续时间与频率相关的用于向自适应协议提供反馈的表格。
14.图8图示了根据示例发明的电荷测量电路。
15.图9图示了根据示例发明的贴片的堆叠视图。
16.图10a和图10b图示了根据示例发明的电极的示例。
具体实施方式
17.根据本文公开的各种示例的非侵入性神经激活器包括新颖的电路系统，以将电压充分升压至所需水平并维持用于神经激活的基本恒定的电荷水平。此外，反馈回路提供了对施加的电荷水平的自动确定和适应。
18.图1图示了示例贴片100，其也被称为智能创可贴或智能板或局部神经激活器(“tna”)或局部神经激活贴片，该贴片100被粘贴到用户105的踝骨110后面的位置。在图1的示例中，贴片100适于激活/刺激用户105的胫神经，并且可以特别成形以适应粘贴到用户105的左脚踝或右脚踝。在其它示例中，将贴片100佩戴在用户105的不同位置处，以从不同
位置激活胫神经或激活用户105的不同神经。
19.贴片100用于刺激这些神经并且是方便的、不引人注目的、自供电的，并且可以通过智能电话或其它控制设备进行控制。这具有非侵入性、由消费者自己控制以及潜在地无需处方就可以在柜台上分发的优点。贴片100提供了一种刺激神经而不穿透真皮的手段，并且可以在适合于感兴趣神经的位置处施加到真皮表面。在示例中，贴片100由用户施加并且是一次性的。
20.示例中的贴片100可以是可以在一些示例中使用粘合剂被固定地贴附到用户的任何类型的设备，并且包括处理器/控制器和由处理器执行的指令，或者也可以是没有软件指令的硬件实现，以及将电刺激施加到用户皮肤表面的电极和相关联的电路系统。在一个示例中，贴片100在用户上提供局部神经激活/刺激以向用户提供益处，包括对膀胱过度活动症(“oab”)进行膀胱管理。
21.在一个示例中，贴片100可以包括柔性基板；基板的包括粘合剂并且适于接触真皮的可延展的真皮贴合底表面；基板的大致平行于底表面的柔性顶部外表面；被定位在贴片上靠近底表面并位于顶部外表面下方并直接接触柔性基板的一个或多个电极；嵌入在贴片中并位于顶部外表面下方并作为直接接触柔性基板的芯片上系统集成的电子电路系统(如本文公开的)，该电子电路系统作为芯片上系统集成并且包括与被配置为电激活一个或多个电极的可延展的真皮贴合底表面一体的电信号发生器、耦合到电信号发生器的信号激活器、响应于对一根或多根神经的刺激而提供反馈的神经刺激传感器、被配置为与远程激活设备通信的天线、与电信号发生器电通信的电源，以及信号激活器，其中信号激活器被配置为响应于由天线接收到与激活设备的通信而激活并且电信号发生器被配置为响应于由信号激活器的激活而生成一个或多个电刺激，并且电刺激被配置为至少在贴片100附近的一个位置处刺激佩戴贴片100的用户的一根或多根神经。在题为“topical neurological stimulation”的美国专利no.10,016,600中公开了除本文公开的新颖细节之外的贴片100的示例的其它细节，该专利的公开内容通过引用并入本文。
22.图2是图示图1的贴片100的示例的与硬件/软件相关的元件的框图。贴片100包括执行以下功能的电子电路或芯片1000：与诸如智能电话或钥匙扣(fob)的外部控制设备或诸如基于云的处理设备的外部处理进行通信、经由根据治疗方案产生大范围电场的电极1008的神经激活，以及大范围的传感器1006，诸如但不限于机械运动和压力、温度、湿度、声学、化学和定位传感器。在另一个示例中，贴片100包括换能器1014，以将信号发送到组织或从组织接收信号。
23.一种布置是将各种各样的这些功能集成到芯片上系统1000中。其中示出了用于数据处理、通信、换能器接口和存储的控制单元1002，以及一个或多个连接到电极1008的刺激器1004和传感器1006。控制单元1002可以由通用处理器/控制器、或专用处理器/控制器或专用逻辑电路来实现。合并天线1010以通过控制单元1002来用于外部通信。还包括内部电源1012，其可以是例如电池。其它示例可以包括外部电源。可能需要包括一个以上的芯片，以容纳用于数据处理和刺激的大范围电压。电子电路和芯片将经由能够传输数据和/或功率的设备内的导电轨道相互通信。
24.贴片100解释来自控制单元1002的数据流，以从控制指令中分离出消息首部和定界符。在一个示例中，控制指令包括诸如电压水平和脉冲模式的信息。贴片100根据控制指
令激活刺激器1004以生成对放置在真皮/组织上的电极1008的刺激信号。在另一个示例中，贴片100激活换能器1014以将信号发送到组织。在另一个示例中，控制指令使得从由贴片100存储的库(诸如控制单元1002内的存储库)中检索诸如电压水平和脉冲模式的信息。
25.贴片100从组织接收感觉信号，并将它们转换为由控制单元1002识别的数据流。感觉信号可以包括电、机械、声学、光学和化学信号。感觉信号由贴片100通过电极1008或从源自机械、声学、光学或化学换能器的其它输入接收。例如，来自组织的电信号通过电极1008被引入到贴片100、从模拟信号转换为数字信号，然后被插入到通过天线1010发送到外部控制设备的数据流中。在另一个示例中，声学信号由换能器1014接收、从模拟信号转换为数字信号，然后被插入到通过天线1010发送到外部控制设备的数据流中。在一些示例中，来自组织的感觉信号直接与外部控制设备接口以进行处理。
26.在以上公开的贴片100的示例中，当用于诸如对oab的膀胱管理的治疗性治疗时，需要通过将电压升压至选定的水平并在激活哺乳动物的神经时提供相同水平的电荷来控制电压。此外，需要通过选择性地使用电池电量来节省电池寿命。此外，需要创建紧凑的电子封装，以促进将电子封装以普通创可贴的尺寸范围安装在相对较小的哺乳动物皮肤贴片上。
27.为了满足上述需求，示例实现了包括反馈电路和电荷施加电路的新颖升压电路。图3a是提供反馈的单极升压电路200的示例的电路图。图3b是使用升压电路200的输出的电荷施加电路300的示例的电路图。升压电路200包括电子部件和控制器/处理器270两者，该控制器/处理器270包括指令序列，这些指令一起修改由贴片100通过电极输送到用户105的外部真皮的激活/刺激的电压水平。示例中的控制器/处理器270实现了图2的控制单元1002。
28.单级v
boost
29.升压电路200可以通过使用数字控制回路以从电池源创建经调节的电压，输出电压250，来代替独立的模拟控制的升压调节器。提供输出电压250作为输入电压以对施加电路300进行充电。在示例中，该电压提供通过真皮/皮肤的神经刺激电流，以为膀胱过度活动症提供治疗。在电压输出节点250处的输出电压250或“vb
oost”通过控制器270使用两条数字反馈路径220、230。在这些路径中的每条路径中，控制器270使用指令序列来解释电压监视器226处的测量电压或“v
adc”以及电流监视器234处测得的量或“i
adc”，并确定用于准确和稳定的输出电压250的适当输出控制。
30.升压电路200包括一起实现升压转换器电路210的电感器212、二极管214、电容器216。电压监测电路220包括由顶部电阻器222或“r
t”、底部电阻器224或“r
b”和电压监视器226形成的电阻分压器。电流监测电路230包括电流测量电阻器232或“r
i”和电流监测器234。脉冲宽度调制(“pwm”)电路240包括场效应晶体管(“fet”)开关242和pwm驱动器244。输出电压250用作电能的汇(sink)。输入电压260或“v
bat”是电能的来源，并且可以由图2的电源1012来实现。
31.pwm电路240改变数字方波固定频率信号内的“接通”时间，以改变命令电源开关“接通”与“断开”的时间比率。在升压电路200中，pwm驱动器244将fet开关242驱动到“接通”和“断开”状态。
32.在操作中，当fet开关242接通(即导通)时，fet开关242的漏极被降至接地/gnd或
接地节点270。fet开关242保持接通，直到其电流达到由充当伺服控制器的控制器270选择的水平为止。该电流被测量为由电流监视器234检测到的电流测量电阻器232上的代表电压。由于电感器212的电感，能量被存储在电感器212内的磁场中。电流流过电流测量电阻器232而接地，直到fet开关242被pwm驱动器244而打开。
33.当达到预期的脉冲宽度持续时间时，控制器270断开fet开关242。电感器212中的电流从fet开关242重新路由到二极管214，从而使二极管214转发电流。二极管214对电容器216进行充电。因此，在电容器216处的电压水平由控制器270来控制。
34.使用电压监视器226和控制器270的外部伺服环路来控制输出电压250。由电阻分压器使用顶部电阻器222、底部电阻器224和电压监视器226来测量输出电压250。选择顶部电阻器222和底部电阻器224的值，以将底部电阻器224两端的电压保持在电压监视器226的监测范围内。控制器270监测来自电压监视器226的输出值。
35.电荷施加电路300包括脉冲施加电路310，该脉冲施加电路310包括启用开关314。除非输出电压250在输出电压250的期望值的期望的上和下范围内，否则控制器270不允许启用开关314接通。脉冲施加电路310由控制器270通过断言启用信号312或“vsw”来操作，该启用信号312接通启用开关314以使由输出电压250表示的电能通过电极320。同时，控制器270继续监测输出电压250，并控制pwm驱动器244以接通和断开fet开关242，并将电容器216维持到输出电压250的期望值。
36.输出电压250的稳定性可以由通过fet开关242、电流测量电阻232和电流监视器234的可选内部反馈回路来提高。控制器270以比电压监视器226上的监测更快的速率监测电流监视器234的输出值，使得在二极管214的阴极处获得的电压变化最小化，从而改善了对输出电压250的电压摆幅以及负载灵敏度的控制。
37.在一个示例中，将倍压器电路添加到升压电路200以将高电压输出加倍或减小fet 242上的电压应力。当fet 242接通时，倍压器电路在传输电容器中积累电荷，并在fet 242断开时将电压添加到升压电路200的输出。
38.如所描述的，在示例中，控制器270使用多个反馈回路来调整pwm驱动器244的占空比，以创建跨值范围的稳定输出电压250。控制器270使用多个反馈回路和监测电路参数来控制输出电压250并评估硬件的适当功能。控制器270按照反馈和监测值起作用，以便通过禁用错误的电功能来提供改善的患者安全性和减少的电危害。
39.在一些示例中，控制器270用固件或软件代码来实现监测指令。在一些示例中，控制器270用硬件状态机来实现监测指令。
40.在一些示例中，电压监视器226是控制器270的内部特征。在一些示例中，电压监视器226是外部部件，其将它的数字输出值传递到控制器270的数字输入端口。
41.在一些示例中，电流监视器234是控制器270的内部特征。在一些示例中，电流监视器234是外部部件，其将它的数字输出值传递到控制器270的数字输入端口。
42.与已知电路相比，升压电路200的优点是减少了部件数量，这可以导致成本降低、电路板尺寸减小和可靠性更高。此外，升压电路200提供了对所有反馈数据的集中处理，这导致对故障的更快响应。此外，升压电路200控制来自v
bat 260的流出电流，这增加了电池的使用寿命和可靠性。
43.两级v
boost
44.图3c是提供反馈的两级升压电路280的示例的电路图，该电路可以用作其它示例发明中的电路200的替代。两级升压电路280提供对图3a的升压电路200的增强。两级升压电路280将电路200的升压电路210分成两部分：包括电感器212的第一级升压电路282，其从v
bat
产生v
switch
，以及包括二极管d
1 214和电容器c
1 216的第一级升压电路284。电路284将v
half 288升高到v
boost 250。
45.第二级升压电路286被插入在电路282和284之间，以将v
switch
升高到v
half
，在示例发明中，v
half
大约是最终v
boost
电压的一半。电路286包括二极管d
2 292和d
3 290，以及电容器c
2 293和c
3 291。
46.在操作中，当fet 242“接通”时，v
switch
接地并且电感器l
1 212电流斜升。电容器c
3 291通过正向偏置二极管d
2 292充电到比v
half 288低大约一个二极管压降的电压。当fet 242被“关断”时，电感器l
1 212中的电流重新定向以流过二极管d
3 290，从而对电容器c
2 293充电。二极管d
2 292上的正向偏置导致v
switch
上升到v
half
上的电压以上。现在，在fet 242的先前“接通”周期中被充电到v
half
的c
3 291导致二极管d
1 214的阳极侧上升到v
half
加v
switch
，其大约是v
half
的两倍，因为v
switch
大约是v
half
。组合电压导致二极管d
1 214导通，继而将电容器c1充电至该双倍电压。
47.与图3a的电路200相比，两级升压电路280的优点在于fet 242上的最大电压较低，升压比率较低，并且电感器l
1 212可以更小。
48.图4是监测和控制输出电压250(包括其斜坡率)的控制器270的功能的流程图。在一个示例中，图4和下面图5的流程图的功能由存储在存储器或其它计算机可读或有形介质中的软件来实现，并由处理器执行。在其它示例中，功能可以由硬件执行(例如，通过使用专用集成电路(“asic”)、可编程门阵列(“pga”)、现场可编程门阵列(“fpga”)等)或硬件和软件的任何组合。
49.fet开关242的脉冲宽度调制由一个或多个脉冲来控制，对于该一个或多个脉冲，每个脉冲宽度的设置允许或多或少的电荷作为电压通过二极管214累积在电容器216处。该脉冲宽度设置被称为斜坡强度并且在410处被初始化。控制器270使用在412处初始化的阶段索引，以预定的脉冲宽度顺序地启用每个脉冲组，每次一个阶段。期望的斜坡强度在424处被转换为脉冲宽度，这根据脉冲宽度启用和禁用fet开关242。在fet开关242为“接通”时的间隔期间，电流由电流监视器234在430处进行测量，并在436处与预期值进行核对。当电流达到预期值时，该阶段完成并且在440处递增阶段索引。如果在442处已经应用了期望的阶段数量，那么该功能完成。否则，该功能在420处继续到下一个阶段。
50.由于图4的功能，贴片100中使用的v
bat 260会操作较长的时间，因为从电池汲取的电流以较低的增长率斜升，从而减少了为实现每次激活/刺激治疗的最终电压水平250所需的峰值电流。pwm 244的占空比由控制器270来调整，以改变410处的斜坡强度，从而提高电池的使用寿命。
51.在已知的神经刺激设备中，用于控制流向电极的电流的开环协议没有反馈控制。其命令设置电压，但不检查实际输送的电流。刺激脉冲是基于预设参数发送的，并且无法基于来自患者的解剖结构的反馈进行修改。当设备被移除并重新定位时，电极的放置会发生变化。解剖结构的湿度和温度也在全天变化。如果预设了电压，那么所有这些因素都会影响实际的电荷输送。电荷控制是患者的安全特征并且促进改善患者的舒适度、治疗一致性和
治疗效果。
52.作为对照，贴片100的示例包括使用控制器270调节由电极320施加的电荷来解决这些缺点的特征。控制器270对刺激波形的电压进行采样，从而为自适应协议提供反馈和阻抗计算以实时修改刺激波形。使用差分积分器对由刺激波形输送到解剖结构的电流进行积分并采样，然后求和以确定输送到用户用于治疗(诸如oab治疗)的实际电荷。在刺激事件中的每个脉冲之后，该数据将被分析并用来实时地修改后续脉冲。
53.这种硬件自适应允许固件协议实现自适应协议。该协议通过更改输出电压(“v
boost”)250来调节施加到人体的电荷。治疗通过周期性脉冲序列来执行，这些周期性脉冲通过电极320将电荷输送到人体内。一些治疗的参数是固定的，而一些参数是用户可调整的。强度、持续时间和频率可以是用户可调整的。用户可以针对舒适度和功效根据需要来调整这些参数。如果有不适感，那么强度可以降低，而如果没有任何感觉，那么强度可以升高。如果最大可接受的强度导致无效的治疗，那么可以增加持续时间。
54.图5中示出了根据以上公开的自适应协议的一个示例的流程图。自适应协议力求在治疗期间反复且可靠地输送目标电荷(“q
target”)，并考虑以下任何环境变化：
55.num_pulses
←
f1(new parameters)
56.其中治疗中的刺激脉冲数“num_pulses”是用户提供的参数的函数。因此，图5的功能是基于反馈来调整施加到用户的电荷水平，而不是使用恒定水平。
57.表达为在累积目标电荷的度量时的更新：
58.qtarget
←
qtarget f2(mon_current)
59.其中累积电荷“q
target”是监视的电流mon_current的函数。电荷累加器加入差分积分器输出。因此，测得的电压水平与电荷成比例。
60.在一个示例中，自适应协议包括两个阶段：采集阶段500和再现阶段520。用户参数的任何变化都会将自适应协议置于采集阶段。当开始第一治疗时，将基于新参数来计算新的基准电荷。在502处的新的采集阶段，丢弃了来自先前电荷施加的所有数据。在一个示例中，502指示当前使用的第一次，其中用户将贴片100放置在身体的一部分上，并且手动调整作为一系列电荷脉冲的电荷水平，直到感觉合适为止，或者随时手动或自动地改变电荷水平。然后治疗开始。该施加电荷功能的数学表达式如下：
61.在治疗中输送的电荷为
62.其中t是持续时间；f是“重复率”的频率；q
pulse
(i)是在作为电压mon_current提供的治疗脉冲串中由pulse(i)输送的测量电荷，该电压mon_current是图6中所示的差分积分器电路的结果(即，每个脉冲的平均电荷量)。图6的差分积分器电路700是用于对随时间测量的电流进行积分并对输送的电荷进行量化并因此确定在治疗脉冲上的电荷输出的电路的示例。治疗中的脉冲数量为t*f。
63.如图6中所示，mon_current 760是差分积分器电路700的结果。模数转换(“adc”)710特征用于将电压量化成表示输送的电荷的数量。使用开尔文连接740在电极a 720和电极b 730之间测量电压。电极a 720和电极b 730连接到头座(header)750。包括了参考电压
vref 770，以保持测量结果在范围内。
64.在一些示例中，模数转换710是控制器270的内部特征。在一些示例中，模数转换710是外部部件，其将它的数字输出值传递到控制器270上的数字输入端口。
65.在504和506处，对每个脉冲进行采样。在一个示例中，504和506的功能以20hz的脉冲率持续10秒，这可以被认为是完整的治疗周期。采集阶段500的结果是q
target
的目标脉冲电荷。
66.图7是根据一个示例的表格，该表格示出了针对两个参数：频率和持续时间测得的每次治疗的脉冲数量。频率被示出在y轴上并且持续时间被示出在x轴上。一般而言，当使用更多脉冲时，自适应协议会执行得更好。一个示例使用了最少100个脉冲来提供对电荷数据反馈的可靠收敛，但是在其它示例中可以使用更少数量的脉冲。参考图7，20hz的频率设置和10秒的持续时间产生了200个脉冲，这对于允许自适应电流协议再现先前的电荷是期望的。
67.在一个示例中，当用户在采集阶段500和基准电荷q
target
的结果采集之后发起另一个后续治疗时，再现阶段520开始。例如，如上所述，完整的治疗周期可能需要10秒钟。在例如等待时段522所示的两个小时的暂停之后，用户然后可以发起另一个治疗。在该阶段期间，自适应协议会尝试为每个后续治疗输送q
target
。再现阶段520的功能是需要的，因为在等待时段522期间，诸如因汗水或空气湿度而引起的用户身体的阻抗的条件可能已经改变。在治疗中的每个脉冲的结束时对差分积分器进行采样。此时，开始下一个治疗，并且在524处针对每个脉冲对差分积分器进行采样，以便与采集阶段q
target
进行比较。对脉冲采样包括依据总电荷测量脉冲的输出。图6的积分器的电压输出(被称为mon_current 760)与输送的电荷是直接线性关系，并提供了对有多少电荷正在离开设备并进入用户的读数。在526处，将每个单个脉冲与在采集阶段500中确定的电荷值(即目标电荷)进行比较，并且下一个脉冲将在差分的方向上进行调整。
68.num_pulses＝(t*f)
69.在每个脉冲之后，将观察到的电荷q
pulse
(i)与每个脉冲的预期电荷进行比较。
70.q
pulse
(i)》q
target
/num_pulses？
71.然后针对随后的脉冲通过以下公式在528处(减少)或在530处(增加)对输出电荷或“v
boost”进行修改：
72.dv(i)＝g[q
target
/num_pulses-q
pulse
(i)]
[0073]
其中g是经验上确定的电压调整系数。该处理在532处继续直到最后一个脉冲为止。
[0074]
在一些示例中，电压调整系数在存储在控制单元的存储器中的查找表中找到。在一些示例中，电压调整系数源自控制单元中的逻辑电路。
[0075]
在一些示例中，电压调整系数在控制单元的软件中找到。q
target
、num_pulses和q
pulse
[i]的值从控制单元实时发送到外部控制设备，于是g的值从外部控制设备实时发送回控制单元。
[0076]
安全特征确保v
boost
永远不会被调高超过10％。如果需要更多电荷，那么可以增加重复率或持续时间。
[0077]
在一个示例中，升压电路使用专用电路来伺服升压电压。这些电路处理电压和/或
电流测量结果，以控制升压电路的开关的pwm占空比。系统控制器可以通过调节升压电路中反馈回路的增益来设置电压。这是通过数字电位计或其它数模电路来完成的。
[0078]
在一个示例中，一般而言，在采集阶段500期间针对每个脉冲对电流进行采样以建立用于再现的目标电荷。然后，在再现阶段520期间，经由数字电位计(本文称为“电位计(pot)”)来调整电压，以实现所建立的target_charge。
[0079]
数字电位计在启动时用实际电压进行校准。用每个抽头(wiper)值的采样电压来生成表格。还预先计算表格，从而存储每个电位计电平下1v和5v输出差值(delta)所需的电位计抽头增量。这使得能够在再现阶段期间快速参考电压调整。由于电池电平，该表格可能需要周期性重新校准。
[0080]
在一个示例中，在采集阶段500期间，数据集＝100个脉冲，并且对每个脉冲进行采样，并且将平均值用作再现阶段520的target_charge。一般而言，较少的脉冲提供较弱的数据样本，以用作再现阶段520的基础。
[0081]
在一个示例中，在采集阶段500期间，最大数据集＝1000个脉冲。最大值用于避免在累积样本总和时32位整数的溢出。此外，在一个示例中，1000个脉冲是足够大的数据集，并且可能不需要收集更多的脉冲。
[0082]
对于上面的示例，经过1000个脉冲之后，将计算target_charge。采集阶段中超过1000个附加脉冲对计算目标电荷没有贡献。在其它示例中，当期望更长的治疗周期时间时，最大数据集大于1000个脉冲。
[0083]
在一个示例中，前3-4个脉冲通常高于其余脉冲，因此在采集阶段500中不使用这些前3-4个脉冲。在再现阶段520中也对此进行了考虑。使用这些太高的值会导致目标电荷被设置得太高，并且在再现阶段520中对后续治疗过度刺激。在其它示例中，可以应用更先进的求平均算法来消除高值和低值。
[0084]
在示例中，可能担心自动增加电压的安全问题。例如，如果设备与用户皮肤之间的连接不良，那么电压可能会在530处自动调整直到最大值。然后可能例如由于用户牢固地按压设备而阻抗减小，这可能导致突然高的电流。因此，在一个示例中，如果样本比目标高500mv或更高，那么它将立即调整到最小电压。然后，该示例保持在再现阶段520中，并且应调整回目标电流/电荷水平。在另一个示例中，为单次治疗设置了最大电压增加(例如，10v)。实现已建立的target_charge并不需要比此更多。在另一个示例中，为vboost设置了最大值(例如，80v)。
[0085]
在各种示例中，期望在再现阶段520期间具有稳定性。在一个示例中，这是通过逐步调整电压来实现的。但是，相对较大的步长调整可能会导致振荡或过度刺激。因此，电压调整可以以较小的步长来进行。步长尺寸可以基于目标电流和样本电流之间的差值(delta)以及实际的v
boost
电压水平。这促进快速和稳定/平滑地收敛到目标电荷，并在较低电压下使用更渐进的调整来用于更敏感的用户。
[0086]
以下是可以被评估以确定调整步长的条件。
[0087]
delta-mon_current＝abs(sample_mon_current-target_charge)对于增加调整，如果delta_mon_current》500mv并且vboost》20v，那么步长＝5v
[0088]
(对于减小调整，500mv的差值会触发紧急减小到最小电压)
[0089]
如果delta_mon_current》200mv，那么步长＝1v
[0090]
如果delta_mon_current》100mv并且delta_mon_current》5％*sample_mon_current，那么步长＝1v
[0091]
在其它示例中，以带有大约10％的电压缓冲的低于目标电压的电压开始新的治疗。在治疗开始时阻抗是未知的。这些示例在治疗结束时保存使用中的target_voltage。如果用户未手动调整强度参数，那么它将用带有10％的缓冲的保存的target_voltage开始新的治疗。这用10％的缓冲快速地实现了目标电流，从而避免了在阻抗被降低的情况下可能的过度刺激。这也补偿了通常较高的前3-4个脉冲。
[0092]
如所公开的，示例施加初始电荷水平，并且然后基于施加的电流量的反馈来自动调整。电荷量可以在施加时向上或向下变化。因此，本发明的实现不是在整个治疗周期中设置并然后施加固定的电压水平，而是测量正在输入给用户的电荷量，并在整个治疗过程中相应地进行调整以维持适合于电流环境的目标电荷水平。
[0093]
以上描述的自适应电路提供了一种手段，以监测通过电极发送到用户组织的电荷，并调整发送的电荷的强度和持续时间，以便适应通过电极与皮肤界面以及通过用户组织的阻抗变化，使得在目标神经处的场强处于克服该位置处该神经动作电位并激活神经冲动所需的范围之内。这些阻抗变化可能是由于环境变化引起的，诸如皮肤或底层组织的潮湿或干燥；或由于所施加的乳液等引起的；或由于组织变化引起的，诸如皮肤干燥；或由于设备在用户皮肤上的放置的变化引起的，诸如由于移除贴片并在相对于目标神经的不同位置或朝向重新应用贴片引起的；或由于上述和其它因素的组合引起的。
[0094]
本文公开的组合电路和电路控制生成了在随后的使用中重复的电荷。电压升压通过按需生成电压来节省电池电量。结果是有效且紧凑的电子封装，其适合安装在织物或类似材料上或之中以粘附到真皮上，从而允许将电极放置在要激活的选定神经附近。
[0095]
振荡器定时
[0096]
在一些示例中，控制器270包括实时时钟(“rtc”)电路，该电路用于测量时间间隔，包括激活脉冲之间的时间和激活脉冲的宽度。rtc电路在控制器270上连续运行以连续实时跟踪。但是，这种连续操作会消耗260电池的电量。
[0097]
在一些示例中，rtc电路未被使用并且被控制器270中的固件设置为非操作模式。固件使用具有已知频率的片上振荡器设置定时器，并且因此可以测量时间间隔。当贴片100连接到钥匙扣(fob)或智能控制器时，固件会使计数器清零，使得归零时间是后续激活事件的初始时间。每当如由片上振荡器测量的定时器上的时间过去时，固件就调整计数器的值。固件可以向钥匙扣或智能控制器或两者报告计数器值。钥匙扣和智能控制器使用它们自己的控制器中的实时时钟通过将与计数器值和激活周期成比例的值与实时时钟值相加来计算激活时间的实时值。这种方法允许固件避免使用片上实时时钟，从而在贴片100中节省功耗并延长电池寿命。该方法允许钥匙扣或智能控制器计算用于贴片100激活的实时标记。这些标记对于分析贴片100的操作是有用的。片上振荡器连续运行，但比片上实时时钟消耗明显更少的电量。
[0098]
电荷输送的电流测量
[0099]
在一些示例中，输送给用户的电荷是使用差分放大器计算的，如图6中所示和以上所公开的。图8图示了根据示例发明的电荷测量电路1100。图8的电路可以用作图6的差分放大器的替代方案。
[0100]
在电路1100中，电流测量电阻器1144用于向控制器270提供作为负载电流1120进入到负载中的电流随时间的测量。对升压调节器再充电所需的电荷量用作测量在电极320处传递给用户的电荷量。控制器270获取与升压调节器的电流输入成比例的测量电压mon_ibat 1140作为输入，并且对于每个应用脉冲重复这种获取。控制器270对从每个mon_ibat 1140测量计算的电荷求和以确定通过电流测量电阻器1144的总电荷。以类似的方式，控制器270使用电池电压测量电阻器1132测量电池260处的电压vbat 1110作为mon_vbat 1130。控制器270使用mon_vbat 1130的值来检查电池260是否继续输出足够的电压。
[0101]
当与图6的差分积分器相比时，图8中的电路1100的设计使用更少的部件，不需要精密部件，并且在印刷电路板上使用更少的空间。
[0102]
用于精细强度控制的自适应波形
[0103]
示例发明中的振荡器时钟频率被选择为优化时钟电路的功耗，同时还为微控制器操作和诸如上文所述的其它定时电路提供足够的速度。
[0104]
图3a和3c的pwm电路根据改变振荡器时钟周期的计数来修改脉冲宽度。由于时钟频率有限，难以在pwm占空比中获得足够的分辨率来在刺激中创建足够的不同强度水平。这导致用户无法在太弱的一个水平和可能太强的下一个更高水平之间进行选择。
[0105]
因此，示例发明包括一种控制方法，该方法通过使用pwm占空比进行前述水平选择并改为在升压电压斜升至如由微控制器模数转换器(“adc”)读取的期望电压的时刻进行刺激而被增强以提供水平之间更高的辨别力。因此，实现了多得多的强度水平，其中强度水平之间的间隙与受基于高得多的adc测量频率的pwm分辨率限制的那些相比更小。一旦将刺激脉冲输送给患者，adc对微控制器的反馈就用于缩短pwm活动时间。
[0106]
除了提供更多水平的强度调整之外，示例发明通过停止升压电压输出直到需要下一个脉冲来节省电池电量。
[0107]
此外，pwm占空比从用于刺激的一系列脉冲中的第一个脉冲到最后一个脉冲而不同，以在刺激开始时使用较低占空比脉冲，并在刺激后期使用较高占空比脉冲。由较低占空比形成的较窄脉冲减少了对电池电路的充电需求，使得与没有占空比自适应的电路相比，电流需求开始得更慢，并继续通过刺激脉冲序列来提供更宽的脉冲和更高的电流需求，以便保持在电池的电流规格范围内，同时也升高以满足用户在调整强度时所需的刺激能量。
[0108]
较低的初始电池电流使用允许改进的电池容量利用率。这种优化允许比首次启用升压电压时需要高电流输送的电路更彻底地使用电池的电荷。
[0109]
贴片的堆叠
[0110]
图9图示了根据示例发明的贴片100的堆叠视图。底层910是在面向皮肤的一侧具有粘合剂的织物带。对于每个电极920，在底层中切出孔912。可移除纸914粘附到底层910的面向皮肤侧上的粘合剂。两个或更多个电极920通过导线922耦合到印刷电路板组件(“pcba”)930。
[0111]
电极920被聚酰亚胺胶带a 924覆盖以防止从电极920到pcba 930的短路并防止电极930在组件的层内移动。每个电极930在面向皮肤的表面上涂覆有水凝胶926。每个电极920具有覆盖水凝胶926的释放层。电池夹932附接到pcba 930。电池936插入到电池夹932中。电池拉片938插入到电池夹932中。pcba 930包裹在聚酰亚胺胶带b 934中，以限制用户接触电子器件。在面向pcba的一侧具有粘合剂的织物胶带的顶层940堆叠在顶部以完成组
装。踝骨切口942被设计为底层910和顶层940的形状以容纳踝骨并帮助用户正确放置贴片100。
[0112]
水凝胶自适应
[0113]
水凝胶926的粘度和组成的变化导致物质从其在每个电极上的原始区域迁移到更宽区域的变化，从而可能接触贴片100的尺寸之外的皮肤。随着水凝胶的迁移，其电气性能发生变化。pcba 930上的电路系统在每次治疗期间实时测量施加到皮肤的电压。自适应电路计算输送到皮肤的电荷，其是许多参数的函数，包括水凝胶926的电导率。因此，贴片100的性能得以维持，而设备的水凝胶部分改变其性能。自适应电路调整电荷输送，以也考虑身体和皮肤电导率、汗水和贴片接触的所有变化。
[0114]
随着水凝胶926的性能随时间降低，pcba 930中的自适应电路和固件在特定贴片通电并且在用户皮肤上时记录其预期寿命。当贴片100确定设备的生命周期即将结束时，固件会向钥匙扣或智能控制器发信号通知，以便用户接收到该贴片已达到其极限的指示。
[0115]
从电极到pcba的压接连接
[0116]
在制造电极时，每个电极920都涂有水凝胶926。在一些示例中，当制造电极920时，导线922以永久方式，诸如通过焊接连接到电极和pcba 930两者。电极加导线加pcba组件各自封装在气密袋中，直到它们随后与胶带和粘合剂层组装以形成完整的贴片100。由于这些组装步骤的复杂性，电极上的水凝胶可能会暴露在空气和湿气中一段时间，这会影响水凝胶的预期寿命。
[0117]
在示例中，电极920涂有水凝胶926，但在该阶段没有附接导线。替代地，将小夹子焊接到每个电极，这不会影响水凝胶，也不会将电极附接到任何需要在组装线上花费更长时间的更大组件。这些涂敷的电极各自用热封或其它手段装在气密袋中。在涂敷的电极处于气密袋内期间，水凝胶不会降级。
[0118]
在示例中，将导线922插入到先前已焊接到电极920的小夹子中，与将线束直接焊接或附接到电极920相比，这种连接更牢固并且更不容易出现缺陷。夹子和导线不影响水凝胶926。每个涂敷的电极920，连同其夹子和附接的导线，用热封或其它手段装在气密袋中。水凝胶926在涂敷电极处于密封袋内期间不会降级。涂覆的电极920仅在它们连接到pcba 930之前立即从它们的气密袋中取出。
[0119]
将涂敷电极920与pcba 930分开作为两个不同的子组件直到放入完整的贴片100中的另一个益处是，发现有缺陷或因在货架上的时间过长而过期的涂敷电极可以被丢弃，而无需花费丢弃已经附接的pcba。更昂贵的pcba的保质期与涂敷电极的保质期无关。这两个子组件的库存可以独立存放、检查和管理。这降低了贴片100设备的总制造成本而不影响它们的性能。
[0120]
模切织物带
[0121]
在一些示例中，使用织物带的实心层将底层910放置为电极920上方的层。因此，贴片100的总厚度部分地由电极920上方的织物带的厚度决定。此外，为了将电极920牢固地放置在织物带层上，织物带上的纸盖必须被拉回以暴露粘合剂涂层。这导致胶带的粘合特性降级。
[0122]
在贴片100的示例中，根据那些部件的限定尺寸，切割底层910织物带以为每个电极920创建孔912。每个电极920放置在对应的孔中，顶部没有增加织物带层的厚度。由于不
需要将纸盖拉回以将电极920安装到织物带，因此织物带的粘合性不受影响。可以用模具切割孔以产生准确的边缘，而没有可能干扰电极920的撕裂或纤维。
[0123]
符合脚踝骨轮廓
[0124]
在一些示例中，贴片100具有矩形形状。这允许pcba 930、电池936和电极920装配在织物和粘合剂底层910和顶层940之间，并且由用户粘贴到皮肤，然后在使用后剥离并丢弃。在一些示例中，贴片100具有符合其将被粘贴到皮肤的位置的轮廓的形状。正确定位贴片100的参考点是脚踝或踝骨。因此，贴片100具有沿着垂直侧的踝骨切口942，当贴片100紧靠踝骨放置时，该切口容纳踝骨。
[0125]
在一些示例中，切口942仅在一侧被设计到贴片100中，使得电池936、pcba 930和电极920在左脚踝或右脚踝之一上正确对齐。然后可以提供两种类型的贴片100——一种用于左脚踝，其中切口942在第一垂直侧，另一种用于右脚踝，其中切口942在第二垂直侧。
[0126]
在一些示例中，切口942在两个垂直侧被设计到贴片100中，使得电池936、pcba 930和电极920在左脚踝或右脚踝中的任一个上正确对齐。贴片100然后可以只以一种类型提供。
[0127]
电池和电池拉片
[0128]
贴片100包括电池936，电池936被电池夹932包围，组装到pcba 930上。在制造过程中，电池936插入到电池夹932中以固定它而防止其脱落。除了电池本身之外，电池拉片938放置在电池936的一个触点和电池夹932中的对应触点之间。电池拉片938防止电池936和电池夹932在该接触处电连接，直到电池拉片938被移除。当就位时，存在开路，使得贴片100不被激活并且在移除电池拉片938之前不消耗电量。
[0129]
在一些示例中，电池拉片938被设计为通过沿着与电池936插入电池夹932中的方向相反的方向将其拉出而被移除。这种拉动动作可能导致电池本身移动，因为它会受到朝电池夹932开口侧的拉力。这种电池移动可能导致贴片100停止操作或永远不会激活。
[0130]
在一个示例中，电池拉片938和电池夹932被设计为使得电池拉片938在与电池936被推入到电池夹932中相同的方向上被拉出。因此，将电池拉片938拉出贴片100的力仅用于使电池936在其电池夹932中更加牢固。这减少了电池936无意移动的机会以及对贴片100的激活或操作的影响。
[0131]
电极离型膜
[0132]
组装的贴片100中的每个电极920都覆盖有聚对苯二甲酸乙二醇酯(“pet”)硅覆盖的离型膜926。当贴片100粘贴到皮肤时，离型膜被用户拉开。在一些示例中，pet硅覆盖的离型膜926是透明的。当用户可能无法确定胶带是否已被移除时，这可能导致用户方面混淆的情况。将贴片100粘贴到皮肤并且任何一个电极920仍被胶带覆盖将导致贴片100无效。这种无效性可能直到第一次使用贴片100治疗时才会注意到。如果在用户有尿急的感觉时发现粘贴的贴片100无效，那么用户可能难以正确排尿或移除贴片100、从电极上剥下胶带或粘贴新贴片100并用重新粘贴的或新的设备抑制尿急。
[0133]
在示例中，覆盖电极920的pet硅覆盖离型膜926被选择为对用户显眼的颜色，使得用户将容易确定胶带是否已被移除。
[0134]
示例使用电路系统和固件在贴片100最初被激活时以简短的低能量脉冲或脉冲序列来刺激电极电路。如果贴片100在粘贴到皮肤之前被激活，那么电极就绪测试将失败。在
这种情况下，电极就绪测试根据固件或硬件中的定时器一次又一次地重复，直到或者定时器全部到期或者测试通过。当发现贴片100表现出适合其设计的电路性能时，测试通过。当贴片100未正确准备时，诸如未移除电极膜，或在定时器全部到期时尚未施加到皮肤，测试失败。当电极就绪测试失败时，贴片100向钥匙扣或智能控制器发信号通知，钥匙扣或智能控制器进而通知用户。电极就绪测试以用户可能无法检测到的方式实现，并最大限度地减少测试对电池电量的使用。
[0135]
可移除纸
[0136]
在一些示例中，可移除纸914覆盖底层910的粘合剂侧。可移除纸914可以是多个部分，当贴片100粘贴到皮肤时，每个部分都被用户拉开。这些可移除纸可以是覆盖每个电极920的pet膜926的片的补充。因此，在示例中，用户必须移除所有这些片以暴露完整的粘性表面来固定到皮肤。
[0137]
在示例中，底层910是一个完整的片，具有一个可移除纸914。用户在一个动作中移除所有可移除纸。在示例中，底层910是两片或更多片，具有两个或更多个可移除纸914。用户移除所有可移除纸。在示例中，单个可移除纸914被设计有拉片，以便用户在与贴片100的长轴成直角的方向上将可移除纸从底层拉出。这种运动减少了贴片100的组装的内部部件所承受的力。
[0138]
在示例中，可移除纸914覆盖底层910并且覆盖所有pet膜部分926。粘合剂将可移除纸顶表面附接到聚酰亚胺胶带a面向皮肤的表面，使得用户将可移除纸从底层拉出并且在一个动作中从电极920移除pet膜片。
[0139]
还可以通过在顶层和底层之间添加材料，诸如可以缓冲电极和电子部件的缓冲材料，使贴片100更加舒适。在贴片100的至少一部分中，缓冲材料可以设置在底层之下和顶层之上。缓冲材料可以包括纤维素纤维(例如，木浆纤维)、其它天然纤维、合成纤维、机织或非织造片材、稀松布网或其它稳定结构、超吸收材料、泡沫、粘结剂材料等，以及其组合。
[0140]
水凝胶与电极边缘重叠
[0141]
在一些示例中，每个电极920都覆盖有水凝胶926，水凝胶926符合电极920的尺寸，使得当贴片100施加到皮肤时，电极920的边缘暴露于用户的皮肤。在贴片100粘贴到皮肤的过程中，该边缘可能会磨损或切割用户的皮肤。
[0142]
在一些示例中，水凝胶926的尺寸被设计为与电极920的边缘重叠。水凝胶926以制造中使用的放置准确度放置在电极920上，使得电极920的边缘总是被水凝胶926覆盖。这防止边缘电极920接触用户的皮肤。因此消除了电极920磨损或切割用户皮肤的风险。
[0143]
开关的安全检查
[0144]
在一些示例中，如上所述，电路中的fet开关根据来自固件的控制打开和关闭。当需要神经激活时，开关闭合以向电极920提供电压。当神经激活停止时，开关被打开以停止向电极920提供电压。在示例中，在发出命令更改状态之前，固件检查每个开关的打开或关闭状态。在命令开关关闭之前，固件检查开关是否处于打开状态；并且在命令开关打开之前，固件检查开关是否处于闭合状态。通过在开关两端传递低电压来检查状态，该低电压的幅度足以被控制器270中的adc检测到，但低于用户皮肤上可感知的幅度。
[0145]
在示例中，每当开关处于闭合状态时，控制器270测量每个开关处的电压，并且如果测量的电压超过最大限制，那么开关打开并且电压检查失败。这些状态检查和电压检查
作为固件中与改变开关状态相关的每个控制例程的一部分来执行。如果检测到开关处于错误状态，那么固件在控制器的非易失性存储器中记录错误状态，禁用电压电路，并且固件将整个贴片100置于安全状态。这种安全状态禁止激活，并且贴片100被视为无效并被丢弃。
[0146]
电极中的矩阵图案
[0147]
图10a和10b图示了根据示例发明的电极的示例。在图10a中，两个电极920中的每一个被镀到作为连续区域的基板层上。在图10b中，两个电极920中的每一个都以矩阵图案电镀，使得每个电极920的表面是平坦的。不存在使用连续电镀区域时可能出现的波纹，并且电极920平贴在用户的皮肤上。矩阵的每个元件连接到由激活电压驱动的公共电结，使得激活电压被同时驱动到矩阵的所有元件。
[0148]
计算图10b的矩阵形式的电极920的总面积以在用户的皮肤上提供足够的覆盖，以允许电极在用于神经激活的目标位置上的放置变化。
[0149]
本文具体图示和/或描述了几个示例。但是，将认识到的是，在不脱离本发明的精神和预期范围的情况下，以上教导涵盖了所公开示例的修改和变化并且这些修改和变化在所附权利要求的范围内。