Boost電路及DC-DC模塊，刺激電路和植入式醫療器械的制作方法【專利摘要】本發明涉及一種Boost電路以及采用該Boost電路的DC?DC模塊，刺激電路和植入式醫療器械。該Boost電路包括：電感元件、開關管，二極管以及電容；其中，所述電感元件飽和時滿足以下條件：當RL≥Rmin,L>L’min＝N×Lmin；當RL<Rmin，其中，Rmin＝Vin/Iinmax，RL為該電感元件的電阻，Rmin為該開關管導通期間回路中的最小串聯電阻，L為該電感元件的電感量，Vin為該Boost電路工作的輸入電壓，Vo為該Boost電路工作的輸出電壓，Ts為該開關管的切換周期，D為該開關管的占空比，R表示該Boost電路工作的負載電阻，Iinmax為該Boost電路工作的最大輸入電流，N為變換系數，N≥1，ILPK為電感元件的峰值電流。【專利說明】Boost電路及DC-DC模塊，刺激電路和植入式醫療器械
技術領域：
[0001]本發明涉及醫療器械相關
技術領域：
，尤其，涉及一種植入式醫療器械(ImplantableMedicalDevice，IMD)〇【
背景技術：
】[0002]植入式醫療器械種類很多，如心臟起搏器和除顫器、植入式神經刺激器、植入式肌肉刺激器等。植入式醫療器械一般包含體內植入裝置和體外控制裝置，兩者之間通過雙向無線通訊交換信息。[0003]在現有的技術中，植入式醫療器械一般利用電池供電，通過脈沖發生電路發出特定頻率的刺激脈沖，對特定的靶點進行刺激，從而改善患者的癥狀。所述脈沖發生電路通常包括一DC-DC開關電路，其中含有帶磁芯的電感器件。然而，在強磁場環境下，例如磁共振成像(MRI)環境下，該DC-DC開關電路中的電感由于磁芯飽和而導致電感量顯著下降，使得電路參數變化，會影響脈沖發生電路發出的刺激脈沖，從而影響對患者的治療效果以及帶來安全隱患。【
發明內容】[0004]本發明提出一種帶磁芯電感的Boost電路設計方法，能夠確保在強磁場環境下DC-DC開關電路的正常輸出。[0005]-種Boost電路，其包括:電感元件、開關管，二極管以及電容;其中，所述電感元件飽和時滿足以下條件：[0006]當RL>Rmin，L>L'min=NXLmin;[0007][0008][0009]Rl為該電感元件的電阻，Rmin為該開關管導通期間回路中的最小串聯電阻，L為該電感元件的電感量，Vin為該Boost電路工作的輸入電壓，Vo為該Boost電路工作的輸出電壓，Ts為該開關管的切換周期，D為該開關管的占空比，R表示該Boost電路工作的負載電阻，Iinmax為該Boost電路工作的最大輸入電流，由電源模塊或穩壓器的最大輸出能力決定，N為變換系數，Imi為電感元件的峰值電流，1。[0010]如上述Boost電路，優選地，N=1.3。[0011]如上述Boost電路，更優選地，N=1.5。[0012]如上述Boost電路，最優選地，N=1.8。[0013]一種DC-DC模塊，其包括:一Boost電路，其特征在于，所述Boost電路為上述Boost電路。[0014]-種脈沖發生器的刺激電路，其包括:一電源模塊，一穩壓器，一DC-DC模塊，一輸出控制模塊以及一反饋控制模塊;所述DC-DC模塊包括一Boost電路;其中，所述Boost電路為上述Boost電路。[0015]-種植入式醫療器械，其包括:植入體內的脈沖發生器和刺激電極，其中，所述脈沖發生器包括上述刺激電路。[0016]如上述植入式醫療器械，其中，所述脈沖發生器還包括通訊模塊。[0017]如上述植入式醫療器械，其中，所述脈沖發生器還包括存儲模塊。[0018]如上述植入式醫療器械，其中，進一步包括延長導線。[0019]如上述植入式醫療器械，其中，進一步包括外部程控儀。[0020]如上述植入式醫療器械，其中，所述植入式醫療器械為心臟起搏器、除顫器、腦深部電刺激器、脊髓刺激器、迷走神經刺激器或腸胃刺激器。[0021]相較于現有技術，本發明通過對刺激電路中的Boost變換結構電路進行設計，使得采用該刺激電路的植入式醫療器械可以安全的在MRI環境下工作。【附圖說明】[0022]圖1為本發明實施例采用的腦深部電刺激器的結構示意圖。[0023]圖2為本發明實施例提供的腦深部電刺激器的脈沖發生器的內部結構示意圖。[0024]圖3為本發明實施例提供的腦深部電刺激器的典型的Boost變換結構電路圖。[0025]圖4為本發明實施例提供的腦深部電刺激器的脈沖發生器的刺激電路的電感元件的電感電流與電感量之間的關系。[0026]圖5為圖3的Boost變換結構電路的電感元件的電感量與電阻之間的關系。[0027]圖6為本發明實施例提供的腦深部電刺激器的帶有開關的Boost變換結構電路圖。[0028]圖7為圖6的Boost變換結構電路的電感元件的電感量與電阻之間的關系。[0029]主要元件符號說明[0030]腦深部電刺激器10[0031]外部程控儀11[0032]脈沖發生器12[0033]一電源模塊120[0034]穩壓器121[0035]DC-DC模塊122[0036]輸出控制模塊123[0037]反饋控制模塊124[0038]延長導線14[0039]刺激電極16[0040]電極觸點18[0041]如下具體實施例將結合上述附圖進一步說明本發明。【具體實施方式】[0042]本發明提供了一種脈沖發生器的刺激電路以及采用該刺激電路的植入式醫療器械。該植入式醫療器械可以為心臟起搏器、除顫器、腦深部電刺激器、脊髓刺激器、迷走神經刺激器、腸胃刺激器或者其他類似的植入式醫療器械。本發明僅以腦深部電刺激器為例進行說明，結合附圖對本發明進一步說明。[0043]請參見圖1，所述腦深部電刺激器10包括:一外部程控儀11以及植入體內的脈沖發生器12,延長導線14和刺激電極16組成。所述外部程控儀11控制該脈沖發生器12用于產生一定模式的電脈沖，通過該延長導線14傳到刺激電極16的電極觸點18處，通過該電極觸點18刺激特定核團可以達到治療疾病的目的。[0044]請參見圖2,所述脈沖發生器12包括:一電源模塊120,一穩壓器121，一DC-DC模塊122,一輸出控制模塊123以及一反饋控制模塊124。所述電源模塊120通常是電池，包括可充電電池或不可充電電池。所述電源模塊120輸出電壓可能會隨時間或輸出電流大小而產生波動，因此需要經過穩壓器121穩壓，向電路提供穩定的供電。為了使輸出的刺激幅度可變，需要采用DC-DC模塊122將穩壓器121輸出進行電壓變換轉換到實際需要的電壓。所述輸出控制模塊123控制是否輸出刺激信號以及輸出的刺激信號的頻率和脈沖寬度。所述反饋控制模塊124將輸出的刺激信號反饋給該DC-DC模塊122，以調節該DC-DC模塊122的工作模式。可以理解，所述脈沖發生器12還可以包括通訊模塊、存儲模塊等。[0045]請參見圖3,為所述DC-DC模塊122的典型的Boost變換結構電路圖。所述Boost變換結構電路中含有電感元件。該電感元件含有磁芯，從而以較小的電感線圈尺寸達到較大的電感量。所述磁芯材料通常為鐵氧體。所述電感元件的電感量為L，其電阻值為Rl。所述DC-DC模塊122的Boost變換結構電路還包括開關管M，二極管D以及電容C。所述Boost變換結構電路工作時通過所述穩壓器121輸入電壓Vin，并輸出一電壓V。。所述穩壓器121自身最大的輸出電流或者由于該電源模塊120輸出能力的限制導致穩壓器121最大的輸出電流為Iinmax。[0046]當電路處于磁場環境下時，磁芯會被磁化，從而影響電感量的大小，當磁場達到一定強度，磁芯會飽和，也即外加磁場再增加，其磁化程度不再變化，從而喪失提高線圈電感的作用，導致電感元件的電感量明顯下降，進而影響該DC-DC模塊122的Boost變換結構電路的工作。其影響包括兩個方面，一是該DC-DC模塊122的Boost變換結構電路的瞬時電流增加，有可能會超出所述電源模塊120供電能力，二是造成能量輸運能力不足，可能會導致刺激輸出信號異常。[0047]為了防止上述影響，本發明對所述DC-DC模塊122的Boost變換結構進行的專門設計。具體分析如下：[0048]在開關管導通期間，電感元件的電流k滿足式(1):[0049](1)[0050]其中，iLPK為電感元件的峰值電流，L為電感元件的電感量，Vin為所述電源模塊120的輸入電壓，Rl為電感元件的電阻，％為開關管Μ的切換周期，D為開關管Μ的占空比。[0051]由上述式(1)可得到在開關管導通期間，電感元件的電流的表達式(2):[0052][0053]其中，t表示表示開關管Μ的導通時間長度。由式(2)可看到，電感元件的電流k與電感量L成非線性關系。為了更加直觀的說明電感量L的變化對電感元件的電流k的影響，固定式(2)中的其它參數，改變電感量L，得到不同電感量L下，電感元件的電流k隨時間的變化曲線如圖4所示。[0054]由圖4可看到，電感量L的變化，對電感元件的電流k的影響表現在兩個方面:首先是電感元件的電流k的增長率，電感量L越小，電感元件的電流k的增長率越大。其次是電感元件的峰值電流im(，在開關管導通期間，電感量L越小，電感元件的峰值電流?χρκ越大。[0055]Boost電路開關管導通期間回路中的最小串聯電阻Rmin滿足公式(3):[0056]Rmin=Vin/lir?ax(3)。[0057]考慮最大電流不能超過電路供電能力，即電感元件的峰值電流iLPK不能超過Ii_x，得到式(4):[0058][0059]由式(3)和(4)最終得到如下結果：[0060]當RL>Rmin時，電感量L任意選取；[0061]當RL〈Rmin時，電感量L的選取必須滿足下式(5)的要求：[0062][0063]電感元件存儲的能量El如式(6)所示：[0064](6)〇[0065]當考慮電阻Rl時及穩壓器121最大的輸出電流為Iinmax，電感元件存儲的能量El隨著電感量L的減小而減小。這是由于Rl和Iinmax的存在影響了電感電流的增長速率及峰值，從而使電感量的減小占主導地位。[0066]在一個開關周期內，當所述電源模塊120和儲能電感提供的能量小于負載及電感等效串聯電阻消耗的能量時，輸出電壓將下降，具體表達式如式(7)所示：[0067](7)[0068]其中，~、El分別代表所述電源模塊120及儲能電感在一個開關周期內提供的能量，分別代表負載及電感等效串聯電阻在一個開關周期內消耗的能量。得到式(7)的精確解非常困難，下面推導使輸出電壓下降的電感量L的范圍。[0069]理想狀態下，負載的能量由所述電源模塊120與儲能電感一同提供，電感只提供高于輸入電壓的那部分電壓。但是由于Rl的影響，所述電源模塊120的一部分能量消耗在此電阻上，最惡劣的情況就是所述電源模塊120的能量全部消耗在此電阻上。當不考慮Rl的能量消耗時，得到使輸出電壓下降的最惡劣電感量Lmin的表達式如式(8)所示[0070](B)[0071]其中，R表不負載電阻，Vo為輸出電壓，Ilpk為電感兀件的峰值電流。另外，Ilpk滿足如下關系：[0072](9)[0073]為了滿足電路正常工作的要求，本發明要求L>NXLmin，N為變換系數，且N多1。本發明分別通過式(5)和式(8)以及數值模擬的方法，得到如圖5所示的結果，并經驗的得到實際不引起輸出電壓下降的最小電感量通常都大于式(8)的1.3倍，即N=l.3。為了確保安全，更優選地，N=1.5,最選地，N=1.8。以便能滿足圖3的電路在各種磁場環境的正常工作的要求。[0074]請進一步參考圖6,考慮在Boost變換電路的輸出端設置開關Si得到改變后的Boost變換電路，該Boost變換電路輸出脈沖電流。[0075]圖6中，所述電源模塊120經過穩壓器121后產生恒定的電壓Vi。該電壓作為Boost變換器的輸入電壓。虛線框內為Boost變換器的核心電路，該電路由電感L，電感直流電阻見，開關管Μ，續流二極管D，輸出濾波電容C，負載R構成。為了產生輸出脈沖，電容C和負載R之間設置模擬開關31』〇〇^變換器的控制方式為電壓反饋，8卩，反饋電阻心1及1^2產生反饋電壓Vfb，該電壓與預期電壓Vref進行比較，比較結果與控制脈沖共同調控開關管Μ的開與斷。Boost變換器的電路參數如下:輸入電壓Vi，輸出電壓V。，占空比D，Μ的控制頻率fs，對應的控制周期為Ts，且Ts=1/fs，輸出脈沖的頻率為fP，脈寬為WP，通常fs>>fP。[0076]在脈沖輸出的一個周期內，R消耗的能量ER如下式(10)所示：[0077][0078]在脈沖輸出的一個周期內，所述DC-DC模塊122工作了fs/fP個周期，那么L共向負載傳遞的能量如下式(11):[0079](11)〇：[0080]忽略Rl的影響，則得到式（12):[0081]EL=ER(V〇-Vi)/V〇(12)。[0082]在脈沖輸出的一個周期內，當Vi及L提供給負載的能量總和小于R消耗的能量Er時，V。下降。由此，得到使V。下降的最小電感Lmin的表達式（13)如下：[0083](13)[0084]其中，Ilpk滿足上述式（9)〇[0085]式(8)是在忽略電阻Rl的影響時，得到的最小電感表達式。實際上，導致V。下降的最小電感值要大于式(8)中得到的電感值。為此，本發明分別通過式(5)，式（13)以及采用電路數值模擬的方法得到輸出電壓下降的最小電感值。結果如圖7所示。由圖7可見，當N=l.8時，能滿足圖6的電路正常工作的要求。[0086]綜上可得到所述DC-DC模塊122中磁芯電感飽和時需要滿足的要求：[0087](a)當Rl多Rmin，L>L'min=NXLmin;[0088](b)當RL〈Rmin[0089]其中，Rmin=Vin/Ii_x，Lmin由式（13)確定，N彡1。優選地，N=1·3。更優選地，N=1.5。最優選地小=1.8。[0090]本發明通過對刺激電路中的DC-DC模塊122進行設計，使得采用該刺激電路的植入式醫療器械可以安全的在MRI環境下工作。[0091]以上已經給出了本發明的多個實施方式，可以理解的是，在不偏離本公開內容精神以及范圍的情況下，可以做出各種變化、替換、以及改變，這些實施方式也在本發明的保護范圍內。【主權項】1.一種Boost電路，其包括:電感元件，開關管，開關，二極管以及電容；其特征在于，所述電感元件飽和時滿足以下條件：當Rl彡Rmin，L>L'min=NXLmin;Rl為該電感元件的電阻，Rmin為該開關管導通期間回路中的最小串聯電阻，L為該電感元件的電感量，Vin為該Boost電路工作的輸入電壓，Vo為該Boost電路工作的輸出電壓，Ts為該開關管的切換周期，D為該開關管的占空比，R表示該Boost電路工作的負載電阻，Iinmax為該Boost電路工作的最大輸入電流，N為變換系數，I，Imi為電感元件的峰值電流。2.如權利要求1所述的Boost電路，其特征在于，N=1.3。3.如權利要求1所述的Boost電路，其特征在于，N=1.5。4.如權利要求1所述的Boost電路，其特征在于，N=1.8。5.-種DC-DC模塊，其包括:一Boost電路，其特征在于，所述Boost電路為如權利要求1至4任意一項所述的Boost電路。6.-種脈沖發生器的刺激電路，其包括:一電源模塊，一穩壓器，一DC-DC模塊，一輸出控制模塊以及一反饋控制模塊;所述DC-DC模塊包括一Boost電路;其特征在于，所述Boost電路為如權利要求1至4任意一項所述的Boost電路。7.-種植入式醫療器械，其包括:植入體內的脈沖發生器和刺激電極，其特征在于，所述脈沖發生器包括如權利要求6所述的刺激電路。8.如權利要求7所述的植入式醫療器械，其特征在于，所述脈沖發生器還包括通訊模塊和存儲模塊。9.如權利要求7所述的植入式醫療器械，其特征在于，進一步包括外部程控儀。10.如權利要求7所述的植入式醫療器械，其特征在于，所述植入式醫療器械為心臟起搏器、除顫器、腦深部電刺激器、脊髓刺激器、迷走神經刺激器或腸胃刺激器。【文檔編號】H02M3/158GK105896984SQ201610453725【公開日】2016年8月24日【申請日】2016年6月21日【發明人】姜長青,白冰,張鋒,李路明【申請人】清華大學