JP2009518144A - 移植可能な医療装置用のバッテリ保護及びゼロボルトバッテリ復帰システム - Google Patents

Abstract

再充電可能なバッテリを保護するのに使用可能であると共に、再充電可能なバッテリをゼロボルト状態からでさえ確実に充電するのに使用可能な回路が開示されており、これは、移植可能な医療装置に採用された場合に特に有用である。この回路は２つの充電経路を含んでおり、第１の経路は、バッテリ電圧が閾値よりも低い場合に比較的低い電圧でバッテリをとろとろ充電するためのものであり、また、第２の経路は、バッテリ電圧が或る閾値を超えている場合に比較的高めの電流でバッテリを充電するためのものである。第１のとろとろ充電経路には受動的なダイオードが使用され、これは、バッテリ電圧が確実なゲート制御には低過ぎる場合でさえとろとろ充電を可能にする。一方、第２の高電流充電経路にはゲート制御可能なスイッチ（好ましくはＰＭＯＳトランジスタ）が、電圧がより高い場合に使用され、従ってこのスイッチは一層確実にゲート制御可能である。２つの経路間の第２のダイオードにより、とろとろ充電期間中に上記ゲート制御可能なスイッチを介して基板に漏れることが確実になくなる。負荷が、上記スイッチを介して、好ましくは上記負荷を切り離すのに特に使用される第２のスイッチを介して、バッテリに接続される。
【選択図】図７

Description

＜関連出願へのクロスレファレンス＞
この国際特許出願は、２００５年１２月７日提出の米国仮特許出願第６０／７４８２４０号に基づく優先権を主張するものであり、この米国仮特許出願はその参照をもってその全体が本明細書に含まれるものである。

＜技術分野＞
本発明は、一般に、バッテリ保護及びゼロボルトバッテリ復帰のための回路及び技術に関するものであり、好ましくは移植可能な（植え込み型）刺激装置（スティミュレータデバイス）、特には移植可能なパルス生成器に使用されるためのものに関する。

移植可能な刺激装置は、各種の生物学的不調の治療のために、電気刺激を生成して肉体の神経及び組織に与えるものであり、心臓の不整脈を治療するためのペースメーカ、心臓の細動を治療するための除細動器、聴覚消失を治療するための蝸牛刺激器、視覚消失を治療するための網膜刺激器、調和した手足の動きを生成するための筋肉刺激器、慢性の痛みを治療するための脊髄刺激器、運動性及び精神性の不調を治療するための大脳皮質及び脳深部の刺激器、並びにその他、尿失禁、睡眠時の無呼吸、肩の亜脱臼等を治療するための神経刺激器がある。本発明は、一般に、その参照をもって全体が本明細書に含まれる２００５年７月８日提出の米国特許出願第１１／１７７５０３号に開示されているような脊髄刺激（Spinal Cord Stimulation (ＳＣＳ)）システム内での発明の利用に焦点を合わせているが、上述したような用途の全てにおいて適用可能性を見出せるかもしれない。

脊髄刺激は、或る種の患者群における痛みを低減するための十分に受け入れられた臨床手法である。ＳＣＳシステムは、典型的には、移植可能なパルス生成器（Implantable Pulse Generator (ＩＰＧ)）又は高周波（Radio-Frequency (ＲＦ)）送受信器、電極、少なくとも１つの電極リード、及び、任意ではあるが、少なくとも１つの電極リード延長部を含んでいる。電極は、電極リードの末端にあり、典型的には脊髄の硬膜に沿って移植され、また、ＩＰＧ又はＲＦ送受信器は、電極を介して脊柱内の神経線維に伝達される電気パルスを生成する。個々の電極接点（「電極」）が所望のパターン及び間隔で配置されることにより、電極アレイを形成する。１以上の電極リード中の個々のワイヤが、上記アレイ中の各電極に接続される。電極リードは脊柱から出ており、一般には１以上の電極リード延長部が付いている。更に、電極リード延長部は、典型的には患者の胴体の周囲において、ＩＰＧ又はＲＦ送受信器が移植された皮下ポケットへと掘り進めて設置される。或いは、電極がＩＰＧ又はＲＦ送受信器に直接接続されてもよい。他のＳＣＳシステム及び他の刺激システムの例については、その参照をもって全体が本明細書に含まれる米国特許第３６４６９４０号および３８２２７０８号を参照されたい。勿論、移植可能なパルス発生器は、移植されたバッテリや外部電源から供給されるような、動作用のエネルギを必要とするアクティブ装置である。

明らかなように、ＩＰＧは、機能するための電力を必要とする。そのような電力は、幾つかの異なる方法で供給可能である。例えば、再充電可能又は再充電不可能なバッテリを使用することにより、又は、外部の充電器から提供される電磁（ＥＭ）誘導により、或いは、それら及びその他の手法を組み合わせることにより、供給可能である。そのことは、その参照をもって全体が本明細書に含まれる米国特許第６５５３２６３号（「２６３特許」）に、更に詳細に論じられている。これらの手法の好ましい点は、おそらく、ＩＰＧ内にリチウムイオンバッテリやリチウムイオンポリマーバッテリのような再充電可能なバッテリを使用することである。そのような再充電可能なバッテリは、一般に、再充電と再充電との間の十分な期間中（例えば一日又はそれ以上）ＩＰＧを動作させるのに十分な電力を供給可能である。再充電は、電磁（ＥＭ）誘導を利用して行なうことができ、その場合、電磁（ＥＭ）界が外部の充電器によってＩＰＧへ送られる。従って、バッテリが再充電を必要としている時は、ＩＰＧの移植された患者が外部の充電器を動作可能にして、（例えば、患者が寝ている場合は夜に、又はその他の都合のよい期間中に）経皮的に（すなわち、患者の肌を介して）バッテリを充電することができる。

その種のシステムの基本原理が、上記２６３特許の目立った内容を強調して記載した図１に示されている。図示のように、このシステムは外部充電器２０８及びＩＰＧ１００をそれぞれ対応部分に備えている。なお、充電器２０８内のコイル２７９が、患者の肌２７８を介した経皮的伝達の可能な電磁（ＥＭ）界２９０を生成する。外部充電器２０８は、何らかの既知の手段、例えばバッテリを介して、或いは、壁に取り付けられたコンセントにプラグを差し込むこと等により、電力駆動可能である。電磁界２９０がＩＰＧ１００でもう１つのコイル２７０に出会うと、ＡＣ電圧がコイル２７０内に誘導される。このＡＣ電圧は、次に、標準的なブリッジ回路を備えてもよい整流器６８２でＤＣ電圧に整流される。（電磁界２９０と関係付けられたデータテレメトリ（data telemetry）が追加的に存在していてもよいが、その詳細は本開示とは無関係であるので無視する。）次に、整流後のＤＣ電圧は充電コントローラ６８４へ送られ、この充電コントローラは一般に、ＤＣ電圧を調整して、バッテリ１８０を再充電するのに必要な定電圧出力又は定電流出力のどちらかを生成するよう動作する。充電コントローラ６８４の出力、すなわち充電コントローラがバッテリ１８０をどれだけ積極的に充電するかは、後に更に詳細に説明するように、バッテリ電圧Ｖｂａｔに依存する。（充電コントローラ６８４は、２６３出願で開示されているように、コイル２７０を用いて、バックテレメトリ（back telemetry）を介し外部充電２０８へとバッテリ１８０の充電ステータスを報告するのに使用されることも可能だが、この機能は本開示とは特には関係ないので、更には論じない。）

次に、充電コントローラ６８４の出力は、バッテリ１８０が過充電又は過放電するのをそれぞれ防止する２つのスイッチ７０１、７０２と出会う。図示のように、これらのトランジスタはＮチャネルトランジスタであり、それらはそのゲートがバイアスされると「オン」になって、充電コントローラ６８４の出力をバッテリ１８０に接続可能である。これらのゲートの制御はバッテリ保護回路６８６によって与えられ、このバッテリ保護回路は、後から更に詳細に再度説明するように、バッテリ電流及びバッテリ電圧を制御信号として受け取る。例えば、バッテリ１８０が過大な電圧を示した時はいつでも、バッテリ保護回路６８６が過充電トランジスタ７０１のゲートをオフに切り換えて、バッテリが更に充電することから保護する。トランジスタ７０１、７０２とバッテリ１８０との間に位置するヒューズが、バッテリが非常な高電流の事態（不図示）となることから更に保護するために使用されてもよい。バッテリ１８０は、電極刺激回路のような、すなわちバッテリ１８０が最終的に電力供給する回路である、ＩＰＧ１００内の幾つかの負荷のうちの１つに接続される。バッテリ１８０は、そのような負荷に負荷スイッチ５０４を介して接続され、この負荷スイッチは、バッテリ１８０を負荷から分離して、それらの一方が他方に悪影響を与えないよう保護することが可能である。この負荷スイッチ５０４は、充電コントローラ６８４の一部であることが好ましく、それ自身の集積回路を備えていてもよいが、このことは厳密に必要であるというわけではない。

先に参照した２６３特許において論じられているように、充電回路６８４は、バッテリ電圧Ｖｂａｔのステータスに依存して、異なる方法でバッテリ１８０を充電可能である。その開示の内容を繰り返すまでもなく、バッテリ１８０のそのような選択的充電は、特にリチウムイオンベースのバッテリが使用されている場合に、バッテリを安全に充電するの
に有益である。本来、この安全な充電設計は、バッテリ電圧Ｖｂａｔが著しく減少した場合に、より小さな電流でバッテリ１８０を充電し、また、バッテリ電圧がまだ十分に充電されていないがより高くより安全なレベルである場合に、より大きな電流で充電する。

Ｖｂａｔ＝４．２Ｖがバッテリ１８０の公称電圧であるような実施形態について考える。Ｖｂａｔ＜２．５Ｖである場合、充電コントローラ６８４は低レベルの電流、例えばＩｂａｔ＝１０ｍＡで、バッテリ１８０を「とろとろ（trickle）」と充電する。バッテリが充電されてＶｂａｔが上昇するにつれ、より大きな充電電流が使用可能となる。例えば、一旦Ｖｂａｔ＞２．５Ｖとなると、Ｉｂａｔ＝５０ｍＡの充電電流が充電コントローラ６８４によって設定される。一旦４．２Ｖの公称電圧に近付くと、充電コントローラ６８４はその出力に定電流を流す代わりに定電圧を供給することにより、バッテリ１８０を充電し続ける。このことは、充電が続くにつれバッテリ電流が徐々に小さくなってくることで明白である。バッテリ充電期間中におけるＶｂａｔとＩｂａｔとの関係が、図２に図式的に示されている。勿論、これら種々の電流値及び電圧値は単なる例示であって、想定するシステムに応じて他のパラメータが適切であるかもしれない。充電電流の２つよりも多くのレベル（例えば、１０ｍＡ、２５ｍＡ、及び５０ｍＡ）が段階的に使用されてもよい。

先に述べたように、バッテリ保護回路６８６は、バッテリを充電コントローラ６８４から切り離すことにより、バッテリが充電期間中に損傷を被る可能性を防止する。特に、Ｖｂａｔが安全値（例えば４．２Ｖよりも大きな値）を超えると、過充電トランジスタ７０１がバッテリ保護回路６８６により無効にされて、更なる充電を阻止する。同様に、バッテリ電圧が所定値よりも小さい場合、及びＩｂａｔが所定値を超えた場合には、過放電トランジスタ７０２が無効にされて、バッテリの放電を防止する。バッテリ保護回路６８６は、２つのトランジスタ７０１、７０２を制御するものとして開示されているが、過充電及び過放電の両期間中にバッテリ１８０を無効にするよう機能する単一の無効保護トランジスタを制御するようにしてもよい。負荷スイッチ５０４は、部品を分離するよう同様に制御されて、それら部品を有害な電圧及び電流から保護するようにしてもよい。

図１の充電及び保護回路が適切であったとしても、その機能は、バッテリ電圧が極めて低くなると妨害される。２６３特許で説明されているように、それはバッテリ保護回路６８６がバッテリ電圧Ｖｂａｔによって駆動されているからであり、従って、Ｖｂａｔが極度に低くなると（例えば、ゼロボルトに近付くと）、バッテリ保護回路６８６は望み通りに機能しなくなる場合がある。これに関して、Ｖｂａｔが極めて低くなった場合、すなわちバッテリ１８０が充電を必要としている場合、バッテリ保護回路６８６はトランジスタ７０１及び７０２をオンできる必要があり、さもないと、充電コントローラ６８４が充電電流Ｉｂａｔをバッテリへ通過させることができなくなる、ということに注意されたい。しかし、Ｉｂａｔが低いと、バッテリ保護回路６８６がＮチャネルトランジスタ７０１及び７０２のゲートをオンするのに十分な電圧を生成するのが困難になる場合がある。特に、バッテリ保護回路６８６は、Ｖｇｓ（すなわち、トランジスタのゲート・ソース間の電位差）よりも大きなトランジスタ用ゲート電圧を生成できなければいけない。手短に言えば、バッテリ保護回路は、トランジスタでの見かけ上のソース電圧として与えられる、トランジスタの閾値電圧（Ｖｔ）を超えるゲート電圧を生成できる必要がある。Ｖｂａｔがこの閾値よりも低い場合、バッテリ保護回路６８６は、トランジスタ７０１及び７０２をオンするのに適切な程に高いゲート電圧を生成することができないことがある。

このようなことになると、Ｖｂａｔが低くてバッテリ１８０が充電を非常に必要としている場合であっても、バッテリ１８０の充電ができなくなる。言い換えれば、図１における充電及び保護回路は、Ｖｂａｔが極めて低い、すなわちゼロボルト又はゼロボルトに近い場合には、潜在的に故障し易いということである。最悪の場合、そのことは、ＩＰＧ１
００が復帰できなくなり、もしそれが患者の中に移植されている場合には、その装置を外科的に除去して交換するという思い切ったステップを必要とするかもしれない、ということを意味している。しかし、これは不運なことであり、なぜならば、ＩＰＧの移植された患者に、その移植された自身の装置をこつこつと充電するのを、必ずしも頼ることができず、従って、バッテリが力を出し切って再充電不能になるという心配が全く現実のものとなるからである。

結果として、移植可能な医療装置におけるバッテリ用の保護及びゼロボルト復帰のための改良型の回路及び技術が有益である。その解決方法がここに用意されている。

ゼロボルト状態からでも再充電可能バッテリを保護して確実に充電するのに使用できる回路が開示されており、これは移植可能な医療装置内に採用された場合に特に有用である。この回路は２つの充電経路を含んでおり、第１の経路は、バッテリ電圧が閾値よりも低い場合にバッテリを比較的低い電流でとろとろと充電するためのものであり、第２の経路は、バッテリ電圧が或る閾値を超えた場合にバッテリを比較的高い電流で充電するためのものである。信頼できるゲート制御にはバッテリ電圧が低すぎる場合でさえとろとろと充電するのを可能にする第１のとろとろ充電経路には、受動的なダイオードが使用され、一方、電圧がもっと高い場合に、第２のより高い電流充電経路にはゲート制御可能なスイッチ（好ましくはＰＭＯＳトランジスタ）が使用され、従ってこのスイッチは一層高い信頼性でゲート制御可能である。とろとろ充電期間中に、上記ゲート制御可能なスイッチを介して基板に漏れるのを、２つの経路間の第２のダイオードが確実になくする。負荷が、上記スイッチを介して、好ましくは、上記負荷を切り離すために特に使用される第２のスイッチを介して、バッテリに接続される。

本発明の上記又は他の態様が、図面と共に示される以下の一層詳細な説明から、一層明らかになる。

以下の説明は、本発明を実施するために現在考え得る最良の形態についての説明である。この説明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の一般原理を記述するために例示的になされたものである。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等を参照して決定されるべきである。

この開示の焦点となっている本発明のバッテリ保護及びゼロボルト復帰の態様について論じる前に、ここに開示された回路及び技術を使用できる移植可能な刺激装置の回路、構造、及び機能が、図３〜６に関して十分に記載される。この開示された移植可能な刺激装置は、移植可能なパルス生成器（ＩＰＧ）又は同様な電気刺激器及び／又は電気センサを備えていてもよく、これらは多くの異なるタイプの刺激システムの構成要素として使用可能である。特に、以下の記載は、例示的な実施形態としての脊髄刺激（ＳＣＳ）システム内への本発明の使用に関するものである。しかし、本発明はそれに限定されるものではないと理解されるべきである。むしろ、本発明は、改良型のバッテリ保護及びゼロボルト復帰技術から利益を得ることのできるいずれのタイプの移植可能な電気回路でも使用可能である。例えば、本発明は、ペースメーカ、移植可能なポンプ、除細動器、蝸牛刺激器、網膜刺激器、調和した手足の動きを生成するよう構成された刺激器、大脳皮質及び脳深部の刺激器、又は、尿失禁、睡眠時の無呼吸、肩の亜脱臼等を治療するよう構成されたいずれかその他の刺激器における一部として使用可能である。更に、この技術は、非医療及び／又は移植不能な装置又はシステムにも同様に使用可能であり、すなわち、ゼロボルトバッテリ復帰及び／又は保護が必要又は要望されるどのような装置又はシステムにも使用可能である。

まず図３を見ると、本発明を使用可能な例示的ＳＣＳシステムの各種構成要素を描いたブロック図が示されている。これらの構成要素は、３つの広いカテゴリー、すなわち移植可能な構成要素１０、外部の構成要素２０、及び外科的な構成要素３０に、細分化可能である。図３に見られるように、移植可能な構成要素１０は、移植可能なパルス生成器（ＩＰＧ）１００、電極アレイ１１０、及び（必要に応じて）リード延長部１２０を含んでいる。延長部１２０は、電極アレイ１１０をＩＰＧ１００に電気的に接続するために使用可能である。例示的な実施形態においては、ＩＰＧ１００は、以下に図５又は図６と共に一層十分に説明されるが、誘導による充電プロセス期間中の渦電流加熱を低減するための、丸い高抵抗率のチタン合金ケース内に収納された、再充電可能、多チャンネル、かつテレメトリ制御型のパルス生成器を備えていてもよい。このＩＰＧ１００は、電極アレイ１１０内に含まれる多数の電極、例えば電極Ｅ_１〜Ｅ_１６を介して、電気刺激を与えてもよい。

この点に関して、ＩＰＧは、刺激用の電気回路（「刺激回路」）、例えば再充電可能バッテリ等の電源、及びテレメトリシステムを含んでいてもよく、後者は本開示の発明の実施形態に特に関連している。典型的には、ＩＰＧ１００は、腹部内又は臀部の丁度最上部のいずれかに外科的に形成されたポケット内に配置される。もちろん、それは患者の肉体の別の場所に移植されてもよい。ＩＰＧ１００は、一旦移植されると、リード延長部１２０（必要な場合）及び電極アレイ１１０を備えるリードシステムに接続される。リード延長部１２０は、例えば、脊柱に穴を掘るようにしてもよい。リードシステム１１０及びリード延長部１２０は、一旦移植されて何らかの試用の刺激期間が終了すると、そこに常置されるようになる。それに対し、ＩＰＧ１００は、故障時に取替えられてもよい。

図４に最も良く示されているように、また、図３にも示されているように、電極アレイ１１０及びそれに関係付けられたリードシステムは、典型的には、今述べたばかりのリード延長システム１２０を介して、移植可能なパルス生成器（ＩＰＧ）１００に接続される。電極アレイ１１０は、経皮的リード延長部１３２及び／又は外部ケーブル１３４の使用を介して、外部の試用刺激器１４０に接続されてもよい。この外部の試用刺激器１４０は、典型的には、ＩＰＧ１００が含んでいるのと同じか類似のパルス生成回路を含んでおり、電極アレイが移植された後であってＩＰＧ１００の移植の前の例えば７〜１０日間、提供されるべき刺激の有効性を試験するために、試用ベースで使用される。

相変わらず図３及び４を参照して、先に述べたように、ハンドヘルドプログラマ（ＨＨＰ）２０２が、適当な非侵襲型の通信リンク２０１、例えばＲＦリンク、を介してＩＰＧ１００を制御するために使用されてもよい。そのような制御により、一般に、ＩＰＧ１００のオン又はオフの切り替えが可能になり、また、患者又は臨床医が刺激パラメータ、例えばパルスの振幅、幅、及び速度、を規定の限度内に設定するのが可能になる。ＨＨＰ２０２は、他のリンク２０５′、例えば赤外リンク、を介して、外部の試用刺激器１４０にリンクされてもよい。ＩＰＧの詳細なプログラミングは、好ましくは、外部の臨床医のプログラマ（ＣＰ）２０４（図３）の使用を介してなされ、このプログラマはハンドヘルドであってもよく、また、リンク２０１ａを介して直接に、又はＨＨＰ２０２を介して間接的に、ＩＰＧ１００に接続されてもよい。外部充電器２０８がリンク２９０、例えば誘導リンク、を介してＩＰＧに非侵襲的に接続されたことにより、充電器２０８に蓄積され或いは利用可能にされたエネルギが、背景技術のところで説明したようにＩＰＧ１００内に収納された再充電可能バッテリ１８０に接続可能である。

次に図５を見ると、本発明の実施形態を使用し得る移植可能なパルス生成器（ＩＰＧ）１００の一実施形態の主たる構成要素を描いたブロック図が示されている。図５から分かるように、このＩＰＧはメモリ回路１６２に接続されたマイクロコントローラ（μＣ）１
６０を含んでいる。このμＣ１６０は、典型的には、マイクロプロセッサ及びそれに関係付けられたロジック回路を備えており、制御ロジック回路１６６、タイマーロジック１６８、並びに発振及びクロック回路１６４と連携して、選択された動作プログラム及び刺激パラメータに従いμＣ１６０がＩＰＧの動作を制御するのを可能にする、必要な制御信号及びステータス信号を生成する。（ここで使用される「マイクロコントローラ」は、ＩＰＧ内の信号を処理可能な何らかの集積装置であって、一般的なマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、又は、ＡＳＩＣチップのような特定用途のプロセッサを含むその他の信号プロセッサを含むものとして理解されるべきである。）

動作プログラム及び刺激パラメータは、ＩＰＧ１００へテレメータされ、そこで（コイル１７０及び／又はその他のアンテナ要素を含む）アンテナ２５０を介して受信され、例えばＲＦテレメトリ回路１７２を介して処理され、そして例えばメモリ１６２の中に格納されてもよい。先に述べたように、ＲＦテレメトリ回路１７２は、ＨＨＰ２０２又はＣＰ２０４から受信した信号を復調して、動作プログラム及び／又は刺激パラメータを再生する。特には、アンテナ２５０によって受信された信号は、送受信スイッチ２５４を通過して、増幅器及びフィルタ２５８へと至る。受信信号は、そこから、例えば周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）復調を用いて（２６２で）復調され、そのデータは次に、処理及び／又はその結果としての格納を行うためのマイクロコントローラ１６０に送られる。ＲＦテレメトリ回路１７２が、情報をＨＨＰ２０２又はＣＰ２０４へ送信するのに使用されて、そのステータスを或る形態で報告すると、マイクロコントローラ１６０がその関連データを送信ドライバ２５６へと送り、そこでキャリアがデータによって変調され、かつ、送信のために増幅される。続いて、送受信スイッチ２５４が送信ドライバ２５６と通信するように設定され、次にこの送信ドライバが、送信されるべきデータをアンテナへと駆動する。

マイクロコントローラ１６０は、バス１７３を介してモニタ回路１７４にも接続されている。このモニタ回路１７４は、ＩＰＧ１００全体における各種ノード又はその他のポイント１７５、例えば電源電圧、電流値、温度、各種電極Ｅ_１・・・Ｅ_Ｎに取り付けられた電極のインピーダンス等、のステータスをモニタする。モニタ回路１７４を介して検出された情報データは、テレメトリ回路１７２を通り、コイル１７０を介して、ＩＰＧ外部の遠隔場所（例えば、移植されていない場所）へと送られてもよい。

ＩＰＧ１００の動作用電力は、先に述べたように、例えばリチウムイオンバッテリ又はリチウムイオンポリマーバッテリを備える再充電可能な電源１８０から得られてもよい。この再充電可能バッテリ１８０は、未調整の電圧を電力回路１８２へ供給する。この電力回路１８２は、次に、各種電圧１８４を生成するが、それらの幾つかは、ＩＰＧ１００内に配置された各種回路が必要とするのに応じて調整され、また、それらの幾つかは調整されない。好ましい実施形態においては、既に述べたように、バッテリ１８０が、外部の携帯用充電器２０８（図１、図３）によって形成された電磁界によって充電される。携帯用充電器２０８がＩＰＧ１００の近くに（例えば、数センチメートル離れて）配置されると、携帯用充電器２０８から発せられた電磁界が充電コイル２７０中に（たとえ患者の皮膚を通してであっても）電流を誘導する。この電流は次に、背景技術のところで説明したように、整流され調整されてバッテリ１８０に充電される。更に、充電テレメトリ回路２７２が充電回路と関係付けられており、このテレメトリ回路は、例えばバッテリがフル充電である場合、従って携帯用充電器が遮断可能である場合、携帯用充電器２０８に報告するために、ＩＰＧ１００によって使用される。

例示的な一実施形態において、Ｎ個の電極のうちの幾つかが、ｋ個の可能なグループすなわち「チャネル」に割り当てられてもよい。好ましい一実施形態において、ｋは４に等しい。更に、Ｎ個の電極のうちの幾つかが、動作可能であり、又はｋ個のチャネルのうち
の幾つかに含まれ得る。チャネルは、どの電極が選択されて、刺激すべき組織内に電界を形成するための電流を同期的にソース（source）又はシンク（sink）するのかを識別する。チャネル上の電極の振幅及び極性は、例えばＨＨＰ２０２による制御に応じて変わるようにしてもよい。ＣＰ２０４内の外部プログラミングソフトウェアは、対応できるプログラム可能な特徴のなかでもとりわけ典型的には、所定のチャネルの電極のための電極極性、振幅、パルス速度、及びパルス幅を含むパラメータを設定するように使用される。

Ｎ個のプログラム可能な電極は、ｋ個のチャネルの幾つかに正（ソース電流）、負（シンク電流）、又はオフ（電流なし）の極性を有するようにプログラムされ得る。更に、Ｎ個の電極のそれぞれが、二極モード又は多極モードで動作可能であり、そこでは、例えば２つ以上の電極コンタクトが同時に電流をソース／シンクするようにグループ化される。或いは、Ｎ個の電極のそれぞれが単極モードで動作可能であり、そこでは、例えばチャネルに関係付けられた電極コンタクトがカソード（負）として構成され、また、ケース電極（すなわち、ＩＰＧケース）がアノード（正）として構成される。

更に、所定の電極コンタクトに対してソース又はシンクされる電流パルスの振幅が、幾つかの別々の電流レベル、例えば０ｍＡから１０ｍＡまでの間における０．１ｍＡ毎、のうちの１つにプログラムされてもよい。また、電流パルスのパルス幅は、好ましくは都合の良いインクリメントで、例えば、０ミリ秒から１ミリ秒までを１０マイクロ秒（μｓ）のインクリメントで、調整可能である。同様に、パルス速度は、受け入れ可能な限度内、例えば０Ｈｚから１０００Ｈｚまで、で調整可能であることが好ましい。他のプログラム可能な構成としては、開始時／終了時のスローなランピング（slow start/end ramping）、急な刺激サイクル（Ｘ時間オンし、Ｙ時間オフする）、及びオープンループ又はクローズドループのセンシングモードを含み得る。

ＩＰＧ１００によって生成される刺激パルスは、チャージバランスされてもよい。これは、所定の刺激パルスと関係付けられた正電荷の量がそれと等量かつ逆の負電荷で相殺されるという意味である。チャージバランスは、所望のチャージバランス条件を達成する受動キャパシタ放電を与えるキャパシタＣ_Ｘを接続することにより成し得る。或いは、バランスのとれた正及び負の位相を有する、アクティブな二相又は多相のパルスが、必要とされるチャージバランス条件を達成するよう使用されてもよい。

手短に言えば、ＩＰＧ１００は、Ｎ個の電極における電流を個々に制御することができる。マイクロコントローラ１６０を用い、制御ロジック１６６及びタイマーロジック１６８と連携して出力電流デジタル−アナログ電流（ＤＡＣ）回路１８６を制御することにより、各電極コンタクトは、単極のケース電極を含む他の電極コンタクトと対になるか又はグループ化されることが可能になって、電流刺激パルスの供給される極性、振幅、速度、パルス幅、及びチャネルが制御される。

図５に示されるように、ＩＰＧ１００内に含まれる多くの回路が、単一用途に特定された集積回路（ＡＳＩＣ）１９０上で実現されてもよい。これにより、ＩＰＧ１００の全体サイズが非常に小さくなり、そして、密封された適当なケース内に容易に収納できるようになる。ＩＰＧ１００は、Ｎ個のフィードスルーを含むようにすることで、ケース外側のリードシステムの一部を形成するＮ個の電極を有する上記密封されたケースの内側から、個々に電気コンタクトを形成できるようにしてもよい。

先に述べたように、使用時に、ＩＰＧ１００は外科的に形成されたポケット内、例えば腹部内又は臀部の丁度最上部内に、配置されてもよく、また、（随意ではあるがリード延長部１２０と、電極アレイ１１０とを含む）リードシステムに取り外し可能に接続されてもよい。リードシステムは常置されるようにしたものであるが、ＩＰＧ１００は故障した
場合に交換できるようにしてもよい。

ＩＰＧ１００のテレメトリ構成により、ＩＰＧのステータスのチェックが可能になる。例えば、ＨＨＰ２０２及び／又はＣＰ２０４がＩＰＧ１００とプログラミングセッションを開始した場合、外部のプログラマが再充電のための評価時間を算出できるよう、バッテリの容量がテレメータされる。電流刺激パラメータに生じた何らかの変化がバックテレメトリ（back-telemetry）を介して確認され、これにより、そのような変化が移植システム内で正確に受信かつ実行されていることが確認される。更に、外部プログラマによる質問があった場合に、移植システム１０内に格納された全てのプログラム可能な設定が１つ以上の外部プログラマへアップロードされてもよい。

次に図６へ進むと、本発明と共に使用可能なＩＰＧ１００′の代替の実施形態の混合ブロック図が描かれている。このＩＰＧ１００′は、アナログのダイとデジタルのダイの両方、又は集積回路（ＩＣ）を含んでおり、これらは、例えば直径約４５ｍｍ及び最大厚約１０ｍｍを有する単一の密封された丸いケース内に収納されてもよい。ＩＰＧ１００′内に含まれる回路の多くは、図５に示されたＩＰＧ１００内に含まれた回路と同一又は類似である。ＩＰＧ１００′は、プロセッサのダイ又はチップ１６０′、ＲＦテレメトリ回路１７２′（これは典型的にはディスクリート部品で実現される）、充電器コイル２７０′、再充電可能バッテリ１８０′、バッテリ充電器及び保護回路２７２′、１８２′、メモリ回路１６２′（ＳＥＥＰＲＯＭ）及び１６３′（ＳＲＡＭ）、デジタルＩＣ１９１′、アナログＩＣ１９０′、並びに、キャパシタアレイ及びヘッダコネクタ１９２′を含んでいる。

キャパシタアレイ及びヘッダコネクタ１９２′は、１６個の出力減結合キャパシタを含むと共に、各減結合キャパシタの一方の側を上記密封されたケースを介して、電極アレイ１１０又はリード延長部１２０の取り外し可能に接続されたコネクタに接続するためのそれぞれのフィードスルーコネクタを含む。

プロセッサ１６０′は、完全な双方向の通信及びプログラミング用の主装置を備えた、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）やフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等によって実現可能である。プロセッサ１６０′は、８０８６コア（８０８６は、例えばインテル社等から入手可能な市販のマイクロプロセッサである）、又はそれと同じのもので低パワーのもの、ＳＲＡＭ又はその他のメモリ、２個の同期型シリアルインターフェース回路、シリアルＥＥＰＲＯＭインタフェース、及びＲＯＭブートローダ７３５を利用してもよい。プロセッサダイ１６０′は、効率的なクロック発振回路１６４′と、ＱＦＡＳＴＲＦテレメトリ法を実行する（先に述べた）ミキサ及び符号化／復号化回路とを更に含んでもよい。アナログ−デジタル変換（Ａ／Ｄ）回路７３４もプロセッサ１６０′上に存在することにより、種々のシステムレベル、アナログ信号、インピーダンス、レギュレータステータス、およびバッテリ電圧をモニタするのを可能にしている。プロセッサ１６０′は、ＩＰＧ１００′内で利用される他の個々のＡＳＩＣへの必要な通信リンクを更に含む。プロセッサ１６０′は、全ての類似のプロセッサと同様、そのメモリ回路内に格納されたプログラムに従って動作する。

アナログＩＣ（ＡＩＣ）１９０′は、供給電力の調整、刺激出力、並びにインピーダンスの測定及びモニタを含む、ＩＰＧ１００′の機能に必要な幾つかのタスクを実行する主たる集積回路として機能するＡＳＩＣを備えていてもよい。電子回路１９４′は、インピーダンスを測定及びモニタする機能を実行する。

アナログＩＣ１９０′は、例えば組織のような負荷に電流を供給するように構成された出力電流ＤＡＣ回路１８６′をも含んでいてよい。出力電流ＤＡＣ回路１８６′は、合計
２０ｍＡまで、かつ、１つのチャネルには１２．７ｍＡまで０．１ｍＡ毎に、伝達するように構成されてもよい。しかし、出力電流ＤＡＣ回路１８６′は、例示的な一実施形態に従い、何らかの量の合計電流、及び１つのチャネルへの何らかの量の電流を伝達するように構成されてもよい、ということに注意されたい。

ＩＰＧ１００′用のレギュレータが、プロセッサ及びデジタルシーケンサに電圧を供給する。アナログＩＣ１９０′上に存在するデジタルインタフェース回路に、同様に電圧が供給される。プログラマブルレギュレータが、出力電流ＤＡＣ回路１８６′用の動作電圧を供給する。結合キャパシタＣ_Ｘ及び電極Ｅ_Ｘと、アナログＩＣ１８６′上の残りの回路が、全てＩＰＧ１００の密封ケース内に収納されてもよい。フィードスルーピンが、ヘッダコネクタ１９２′の一部として含まれており、これにより、結合キャパシタＣ_Ｎの各々と、それぞれの電極Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、・・・、Ｅ_１６との間を電気的に接続することが可能になる。

デジタルＩＣ（ＤｉｇＩＣ）１９１′は、プロセッサ１６０′と出力電流ＤＡＣ回路１８６′との間の主インタフェースとして機能し、その主たる機能は、刺激情報を出力電流ＤＡＣ回路１８６′へ供給することである。よって、このＤｉｇＩＣ１９１′は、プロセッサ１６０′によって促されると、刺激レベル及びシーケンスを制御し変化させる。例示的な一実施形態においては、ＤｉｇＩＣ１９１′はテジタル用途に特定された集積回路（デジタルＡＳＩＣ）からなる。

移植可能な刺激器の基本構造を理解してもらうために、今、この開示の焦点であるバッテリ保護及びゼロボルト復帰の態様についての詳細な説明へと焦点を移す。この開示の技術は、ゼロボルトバッテリ復帰の問題が独自のものである移植可能な医療装置において実施される場合に特に有用であるが、この開示の技術はゼロボルトバッテリ復帰が有益であるいずれかの装置又はシステムに利益を与え得る。従って、移植可能な医療装置の文脈内での開示は、単なる例示として理解されるべきである。

改良型のバッテリ保護及びゼロボルト復帰回路５００が、図７に示されている。その構成要素の多くが先に図１に関して論じた構成要素と同様であるので、ここで述べるように僅かに機能が異なっていても、それらには同じ要素符号が付されている。保護及びゼロボルト復帰回路５００は、好ましくは集積回路上に形成されるが、ディスクリート部品からなっていてもよい。更に、回路５００は、充電コントローラ６８４又はＩＰＧ１００内のその他の集積回路と共に集積化されてもよく、機能の集積化及び／又は組み合わせのレベルは単に設計上の選択にすぎない。

手短に言えば、保護及びゼロボルト復帰回路５００は、好ましい実施形態においては、２つの別々の充電経路を備えており、１つはとろとろ（trickle）と充電するためのもの（これはノード「Ｔｒｉｃｋｌｅ」として示されている）であり、もう１つは通常の充電に使用されるもの（これはノード「Ｐｌｕｓ」として示されている）である。少なくとも１つのダイオード５０１（能動的にゲート制御されなければならないトランジスタとは違う、受動装置）が、ノードＴｒｉｃｋｌｅとバッテリ電圧Ｖｂａｔとの間に存在する。（簡略化のために図７中には示されていないが、もし２つ以上のダイオードが使用される場合、それらは直列に接続される。）主スイッチ５０３（好ましくはＰチャネルＭＯＳトランジスタ）が、ノードＰｌｕｓとＶｂａｔとの間に存在しており、これは主スイッチ制御回路５０５によって制御されるが、このことは図８に関して一層詳細に説明される。負荷スイッチ５０４が、ノードＰｌｕｓと負荷（これはノード「Ｖｄｄ」として示されている）との間に存在しており、これは概して図１の負荷スイッチと機能が同じである。しかし、バッテリ１８０を負荷に接続するためには、両スイッチ５０３、５０４が閉じるよう、主スイッチ制御５０５が前者を制御し、かつ、例えば充電コントローラ６８４が後者を制御する必要がある、ということに注意しなければいけない。更に、ダイオード５０２がノードＰｌｕｓ及びＴｒｉｃｋｌｅの間に存在する。（図７には簡略化のために１つのダイオードしか示されていないが、他の実施形態においては、ダイオード５０２は、実際に、ダイオード５０１と同様、直列接続されたダイオードの鎖からなっていてもよい。）

保護及びゼロボルト復帰回路５００は、基本的に２つの動作モード、すなわち充電モードと放電モード、をサポート及び制御する。

例えば通常動作期間中に、バッテリ１８０が主スイッチ５０３及び負荷スイッチ５０４を介して負荷に接続された場合は、放電モードが関係する。放電モードにおいては、回路５００が、短絡すなわちノードＰｌｕｓ又はＶｄｄからグランドへの短絡、及び／又は、過大電流の引き込みを検知することができ、そのどちらも、ＩＰＧ１００で問題が生じたことを証明することになる。どちらの状態が検知されても、主スイッチ５０３が主スイッチ制御回路５０５によってオフに切り替えられて、バッテリ１８０の消耗が防止され、そして外部充電器２０８がオンされるまでオフのままとなる。この点については、後に更に詳細に論じられる。

充電モードは、更に２つのサブモード、すなわちとろとろ充電モードと通常充電モード、に分類可能であり、これらは図１及び２に関して論じたものと類似している。充電コントローラ６８４によって、バッテリ１８０の電圧Ｖｂａｔが２．５Ｖよりも小さいことが検知されると、回路はとろとろ充電モードとなる。これから理解されるように、とろとろ充電期間中は、電流（Ｉｔｒｉｃｋｌｅ；約１０ｍＡ）が充電コントローラ６８４からノードＴｒｉｃｋｌｅを介して通過し、バッテリが２．５Ｖまで充電される。Ｖｂａｔが一旦２．５Ｖに等しくなると、充電コントローラ６８４が通常充電モードに切り換わり、その結果、大きな電流（Ｉｎｏｒｍａｌ；約５０ｍＡ）がノードＰｌｕｓを介してバッテリへと流れる。バッテリ１８０が最終的に完全に充電されると、主スイッチ５０３がオフに切り替えられて、バッテリ１８０が充電コントローラから分離される。

既に述べたように、主スイッチ５０３は主スイッチ制御回路５０５によってオン・オフ制御される。ここでは、主スイッチ５０３を開閉するために回路５０５内のロジックがどのように反応するのかを、手短に説明するのが有用である。図８は、スイッチ５０３を開閉するのに使用される各種の検知回路を示しており、これらは図７中には明確には示されていない。保護に関連して、当業者はこれら各種センサが充電コントローラ６８４と共に集積化されてもよいということを理解するであろう。

図８には、４つのセンサ、すなわち短絡センサ５１０、バッテリ電圧センサ５１２、過大電流センサ５１６、及び主スイッチ基板センサ５２０が示されている。各センサは、図示されているように、バッテリ電圧ＶｂａｔかノードＰｌｕｓの電圧のいずれかを入力として受け取る。リード（reed）スイッチ５２２（好ましくは他の集積回路から分離されたディスクリート部品とする）を使って、主スイッチ５０３を自由にディセーブルすることで、幾つかの他の理由のために、バッテリ１８０の充電又は放電を終了できる。

短絡センサ５１０はノードＰｌｕｓの電圧を監視する。この電圧が受容可能な値（例えば０．８Ｖ）よりも低く降下すると、短絡がＰｌｕｓとグランドとの間（又は、負荷スイッチ５０４がオンの場合はＶｄｄとグランドとの間）に存在するということをセンサ５１０が推定して、主スイッチ５０３を無効にするよう主スイッチ制御回路５０５に指示し、その結果、バッテリ１８０が分離されてその消耗が防止される。安全性の理由から、もし短絡センサ５１０が主スイッチ制御回路５０５に指示して主スイッチ５０３を無効にした場合は、外部充電器２０８（図１）がノードＰｌｕｓを、受容可能な動作電圧まで上昇させるまで、主スイッチ５０３は常時開放したままであることが好ましい。勿論、外部充電
器２０８が最終的に主スイッチ５０３をリセットできるかどうかは、最初の短絡を引き起こした状態、すなわち「ちょっとした故障」、の除去にかかっている。

バッテリ電圧センサ５１２は、バッテリ１８０の電圧Ｖｂａｔを検知し、その電圧値を充電コントローラ６８４に知らせるように使用されることで、例えば、とろとろ充電と通常充電との間の遷移がいつなのかを充電コントローラが知るようにする。バッテリ電圧センサ５１２は、Ｖｂａｔが高すぎる（例えば４．２Ｖよりも大きい）かどうかを推定するのにも役立ち、もしそうである場合は、自己放電回路５１４をアクティベートして電圧を正しいレベルにまで降下させる。通常動作期間中に、Ｖｂａｔが通常動作パラメータ、例えば２．５Ｖと４．２Ｖの間、である場合は、バッテリ電圧センサ５１２が主スイッチ制御５０５に指示して、主スイッチ５０３を閉じさせ、また、そうでない場合は制御５０５に指示してスイッチ５０３を無効にする。バッテリ電圧センサ５１２にとって関心のある種々の電圧レベル（例えば２．５Ｖ、４．２Ｖ）を刈り込んで、マルチビットバス（不図示）を介したプロセス変数に合わせるように、値を調整してもよい。

過大電流センサ５１６は、短絡センサ５１０と同様、高い電流引き込みがあった場合にバッテリ１８０を切り離すように使用される。好ましい実施形態においては、センサ５１６は、主スイッチ５０３に加わる電圧降下、すなわちノードＰｌｕｓからＶｂａｔまでの電圧降下、を測定することにより、過大電流を検知する。主スイッチ５０３の「オン」抵抗（Ｖｂａｔ＝３．６Ｖの場合、好ましくは０．１２オームから０．１９オームまでの間）を知り、もし上記電圧降下が過大な（例えば４００ｍＡよりも大きな）高電流引き込みを示唆している場合、短絡センサ５１０は主スイッチ制御５０５に指示して、主スイッチ５０３を無効にする。

主スイッチ基板センサ５２０は、主スイッチ５０３を横切る電流の流れの極性（充電か放電か）を監視し、主スイッチのＮウェル３１５をＰｌｕｓ又はＶｂａｔの高い方に接続して、基板への電流流失を防止する。このことは、以下で更に述べる。

図８に示された各種センサは、バンドギャップ基準回路のような標準的な基準回路、電圧分割器、差動増幅器、比較器等を用いて構成可能である。そのようなセンサ回路は周知であり、当業者が認識するように幾つかの異なる形態を取り得るので、それらについて更には論じない。

主スイッチ５０３は、図９中に断面で示されているような、Ｎウェル中に存在するＰＭＯＳトランジスタで実現される。主スイッチ５０３のソース及びドレイン領域（これらは、当業者が認識するように別々に対称的に形成されており、従って図９中では勝手に名付けられている）は、バッテリ１８０が充電中か放電中かに依存する異なる電圧の下に置かれる。例えば、通常充電期間中は、充電コントローラ６８４からのバイアスによりノードＰｌｕｓに高い電圧がもたらされ、一方、放電中は、バッテリ１８０によりＶｂａｔに比較的高い電圧がもたらされる。

主スイッチ５０３のソース及びドレイン領域が、異なる電圧極性の下に置かれるので、Ｎウェルの電位（図９中のノード「Ｂｉａｓ」）は、いつでも主スイッチ５０３のソース又はドレインのうちの高い方の電位に接続されており、ＰＭＯＳトランジスタではより典型的であるように単純にＮウェルをＶｂａｔに常にバイアスしておくのではない。これにより、基板への望ましくない電流引き込みが防止される。

この問題を示すため、バッテリの通常充電について考える。充電が始まると、ノードＰｌｕｓでの電流の供給（すなわち電圧）が、Ｖｂａｔと比べ、すなわちＶｂａｔにおける充電の電流レベルに依存して、比較的高くなる。ＶｂａｔがノードＢｉａｓでＮウェルに
接続されると、寄生のＰＮＰバイポーラトランジスタ（図９の５４０）がオンし、その結果、バッテリ１８０をとろとろ充電しようとする電流が主スイッチ５０３の基板に流れてしまう。電流のそのような不慮の吸い上げは、バッテリ１８０の充電を少なくとも遅らせ、重大な場合は、バッテリ１８０の充電を全く妨げることになる。しかし、この問題は、単にＮウェル（Ｂｉａｓ）をノードＰｌｕｓに接続することによって直せるというわけではない。これは、放電期間中であるが故に、スイッチ５０３のソース／ドレインの他方で寄生効果が起こり、すなわち、放電期間中には、ＶｂａｔがＰｌｕｓよりも高くなり、このことが他端子での寄生ＰＮＰバイポーラトランジスタ（図９の５４２）をオンさせ、これにより、そうでなければ負荷によって使用可能であった電流を、基板へと不注意に流出させてしまうことになる可能性があるためである。この問題を処理するためには、既に述べたように、先に論じた（図８を参照のこと）主スイッチ基板センサ５２０のような極性制御回路を介して、Ｎウェル（ノードＢｉａｓ）が主スイッチ５０３のソース又はドレインノードのうちの高い方にバイアスされる。そのような極性制御回路の設計は、当業者によって容易になされるものであり、また、多くの異なる方法でなされ得る。

今論じている保護及びゼロボルト復帰回路５００についての概観を踏まえると、どのようにして、ゼロボルト状態からでさえバッテリ１８０を保護及び充電するように動作するのかについてに絞った関心を向けられるだろう。

このことに関しては、先に述べたように、図７においてとろとろ充電経路（ノードＴｒｉｃｋｌｅ、電流Ｉｔｒｉｃｋｌｅ）が通常充電経路（ノードＰｌｕｓ、電流Ｉｎｏｒｍａｌ）から分離されるということに注意されたい。ゼロボルト復帰は、これら２つの充電経路を分離するための駆動要因である。ＴｒｉｃｋｌｅノードとＰｌｕｓノードとを分離することにより、とろとろ充電電流（Ｉｔｒｉｃｋｌｅ）がＰｌｕｓノードに流れるのを防止することができ、従って、主スイッチ５０３中のバイポーラトランジスタ寄生が関係しなくなる。同時に、とろとろ電流が主スイッチ５０３をバイパスするので、低電圧でのスイッチのステータスにおける潜在的な不安定性がほとんど関係なくなる。

しかし、関係するのが、ノードＰｌｕｓを介した基板への電流漏れの可能性である。これは、一実施形態において、とろとろ充電期間中にノードＰｌｕｓを適当な電圧レベルに保持することにより緩和される。特に、好ましい一実施形態では、とろとろ充電期間中にノードＰｌｕｓがＶｂａｔに接続される。これは、一実施形態では（１つ又はそれ以上の）ダイオード５０２の使用を介して実現される。ダイオード５０２の機能は、とろとろ充電期間中にダイオード５０１にかかる電圧降下と一致させて、Ｐｌｕｓの電圧をＶｂａｔと同一に維持し、とろとろ充電電流がスイッチ５０３を介して基板に漏れないようにすることである。言い換えれば、５０２が存在しないとすると、Ｐｌｕｓでの電圧がバッテリの電圧を下回り、５０３が基板に漏らす可能性がある。

図７ではダイオード５０１及び５０２が単一のダイオードとして示されているが、それとは異なる数のダイオードが使用されてもよい。好ましい一実施形態においては、直列接続された２つのダイオードがダイオード５０１及び５０２に使用される。更に、良く知られているように、ダイオード５０１、５０２は、ソース及びドレインのうちの一方が基板（ウェル）に接続されたトランジスタとして実現可能である、ということが理解されるべきである。そのように、ここで使用されるような「ダイオード」は、そのような構造、及び一方向の電流伝達を可能にするその他の何らかの構造を含んでいるものとして理解されるべきである。

とろとろ充電期間中にＰｌｕｓをＶｂａｔに保持することで、Ｎウェルが同様にＶｂａｔにバイアスされた場合でさえ、Ｐｌｕｓとウェルとの間のゼロボルト電位差のために、寄生バイポーラトランジスタ５４０（図９）はオンされることがない。更に、このバイア
スの仕組みに従って、主スイッチ５０３の全ての接続ノードが同一の電位に保持され、すなわち、ソース＝ドレイン＝Ｎウェル＝Ｖｂａｔとなる。その結果、トランジスタのゲート上にどのような電位が存在しようと、主スイッチ５０３を介して電流が流れることができない。そうは言っても、主スイッチ５０３をオフすることが望まれる場合には、先に説明したようにＮウェルがバイアスされるのと丁度同じように、主スイッチ５０３のゲートを、そのソース及びドレイン領域での見かけ上の２つの電圧のうちの高い方にバイアスすることが、相変わらず好ましい。（これらの機能の両方のために、同様な回路が使用されてもよい。）これは、とろとろ充電中にＰＭＯＳ主スイッチ５０３が確実に導通しないようにする更なる手助けにさえなる。

従って、背景技術のところで論じた図１の回路に対し、トランジスタ７０１、７０２をオンさせる可能性に影響を与えていたＶｂａｔの低い値は意味がなくなり、バッテリのゼロボルト復帰がノードＴｒｉｃｋｌｅを介して実現される。このことは、バッテリ電圧センサ５１２（図８）のような各種センサがＶｂａｔのより低い値で確実に動作できない場合であっても、真実であり、なぜならば、とろとろ充電は、そのようなセンサが主スイッチ制御５０５へ何を示していたのかということや、主スイッチ制御５０５が主スイッチ５０３のゲートをどのようにバイアスするのかということとは関係なしに、信頼性を以って起こりえるからである。とろとろ充電期間中にＰｌｕｓノードが電流を引き込むのを効果的に防止することで、ダイオード５０１の順方向閾値に打ち勝つための非常に高いバイアスを充電コントローラ６８４がノードＴｒｉｃｋｌｅに供給するようにして、所望のとろとろ電流Ｉｔｒｉｃｋｌｅを生成することにより、とろとろ充電が実現可能となる。

今述べたようにバッテリ１８０が一旦とろとろ充電されると、最終的に、Ｖｂａｔは通常充電が起こり得るレベル（例えば２．５Ｖ）まで上昇する。復習すると、このクロスオーバーの状態にあるＶｂａｔを監視するのは、図８のバッテリ電圧センサ５１２の機能であり、主スイッチ制御５０５と同様、Ｖｂａｔが適当に高いレベル（例えば２．０Ｖ）まで一旦充電されると確実に機能を開始することになる。このように、とろとろ充電期間中は主スイッチ５０３のゲート電圧が無意味になるが、通常充電期間中はソース、ドレイン、及びウェルにおける電圧状態が電流の流れを妨げるので、主スイッチ制御５０５及びそれに報告する他のセンサが今確実にスイッチ５０３をオンして、充電コントローラ６８４からノードＰｌｕｓへの、そして最終的にはバッテリ１８０への電流（Ｉｎｏｒｍａｌ）の流れを許容し得る適当なレベルまで、電圧が充電される。通常充電期間中はノードＰｌｕｓでの電圧が比較的高いので、ダイオード５０２は逆バイアスされ、その結果、ノードＴｒｉｃｋｌｅへの電流の流れが防止される。

要約すれば、保護及びゼロボルト復帰回路５００は、バッテリの保護と、ゼロボルト状態からさえものバッテリ１８０の充電との両方が可能である。保護は、バッテリ１８０を、負荷スイッチ５０４を介して負荷から分離できると共に、主スイッチ５０３及びダイオード５０１を介して充電コントローラから分離できること（これは、充電コントローラ６８４へのバッテリの放電を防止する）により、提供される。この種の保護は、回路５００が充電されるのを妨げない。その代わりに、２つの分離した充電経路Ｐｌｕｓ及びＴｒｉｃｋｌｅを提供することにより、バッテリが低電圧である場合は保護回路が低レベル充電を禁止するというようなことはなしに、一方の経路（Ｔｒｉｃｋｌｅ）を介してバッテリを充電可能である。一旦適度に充電されると、もう一方の経路（Ｐｌｕｓ）が、保護回路（例えば主スイッチ５０３）を介してバッテリを通常電圧まで充電するのに使用される。従って、バッテリ及び負荷が、不利な電圧及び電流状態から保護され得るようになり、バッテリは完全に復帰され得る。先に述べたように、これは、回路５００がＩＰＧ１００のような移植可能な医療装置内に組み入れられた場合に特に重要である。そのようになっていない場合は、故障時に、完全に消耗したバッテリを復帰させるために、装置を外科的に取り出すのがあたりまえであったのである。

ここに開示された本発明は、その特定の実施形態及び用途によって記述されたが、特許請求の範囲に記載された発明の文言上及び均等の範囲から逸脱することなしに、当業者により多くの変更及び変形を加えられてもよい。

移植可能なパルス生成器（ＩＰＧ）を充電するための外部充電器を備える従来のシステムを示す図であり、ＩＰＧにおける充電コントローラ及びバッテリ保護の態様を示している。 図１の充電コントローラによる指令に基づく、バッテリの充電期間中におけるバッテリ電圧とバッテリ電流との関係を、図式的に示す図である。 本発明に係る移植可能な刺激装置を採用した脊髄刺激（ＳＣＳ）システムの、移植可能な外部の外科的構成要素の一例を示すブロック図である。 図１のＳＣＳシステムの各種構成要素を示す図である。 本発明を使用できる移植可能な刺激装置の一実施形態の主たる構成要素を示すブロック図である。 本発明を使用できる移植可能な刺激装置の他の実施形態を示すブロック図である。 図１に示されたのと類似のシステムを示す図であるが、本発明の一実施形態に係る改良型のバッテリ保護及びゼロボルト復帰回路を含んでいる。 図７の改良型の保護及びゼロボルト復帰回路と共に使用される各種センサを示す図である。 図７の改良型の保護及びゼロボルト復帰回路に使用される主たるスイッチを示す図であり、これは存在し得る寄生電流経路を示している。

Claims (22)

1. 移植可能な医療装置用の保護及び復帰回路であって、
   再充電可能なバッテリと、
   前記再充電可能なバッテリを充電する充填コントローラと、
   少なくとも１つのダイオードを介して前記バッテリを充電する、前記充電コントローラと前記バッテリの端子との間の第１の充電経路であって、前記バッテリの電圧が閾値よりも低い場合にアクティブになって前記バッテリをゼロボルトから充電する第１の充電経路と、
   第１のスイッチを介して前記バッテリを充電する、前記充電コントローラと前記バッテリの前記端子との間の第２の充電経路であって、前記バッテリの電圧が前記閾値よりも高い場合にアクティブになって前記バッテリを充電する第２の充電経路と、
   を備える回路。
2. 前記第１のスイッチがオフすることにより前記第２の充電経路を非アクティブにする請求項１記載の回路。
3. 負荷が第２の充電経路に接続されることで、前記第１のスイッチがアクティブにされて前記バッテリを前記負荷に接続する請求項１記載の回路。
4. 前記第１のスイッチと前記負荷との間に、前記負荷を切り離すための第２のスイッチを更に備える請求項３記載の回路。
5. 前記第１の充電経路と前記第２の充電経路との間に少なくとも１つのダイオードを更に備える請求項１記載の回路。
6. 前記第１のスイッチがＰＭＯＳトランジスタからなる請求項１記載の回路。
7. 前記ＰＭＯＳトランジスタのウェルが前記ＰＭＯＳトランジスタのソース又はドレインよりも高くバイアスされる請求項６記載の回路。
8. 前記ＰＭＯＳトランジスタのウェルが前記バッテリ電圧にバイアスされる請求項６記載の回路。
9. 前記ＰＭＯＳトランジスタのウェルが、前記第１の充電経路上へ前記充電コントローラによって出力された電圧にバイアスされる請求項６記載の回路。
10. 移植可能な医療装置用の保護及び復帰回路であって、
    端子を有する再充電可能なバッテリと、
    第１の出力及び第２の出力を有し、前記再充電可能なバッテリを充電する充電コントローラと、
    少なくとも１つの第１のダイオードを備える、前記充電コントローラの前記第１の出力と前記バッテリの端子との間の第１の充電経路と、
    ゲート制御可能な第１のスイッチを備える、前記充電コントローラの前記第２の出力と前記バッテリの端子との間の第２の充電経路と、
    前記第１の出力と前記第２の出力との間に接続された少なくとも１つの第２のダイオードと、
    を備える回路。
11. 前記第１のスイッチがオフすることにより前記第２の充電経路を非アクティブにする請
    求項１０記載の回路。
12. 第２のスイッチを介して前記第２の出力に接続された負荷を更に備える請求項１０記載の回路。
13. 前記第１のスイッチがＰＭＯＳトランジスタからなる請求項１０記載の回路。
14. 前記ＰＭＯＳトランジスタのウェルが前記ＰＭＯＳトランジスタのソース又はドレインよりも高くバイアスされる請求項１３記載の回路。
15. 前記ＰＭＯＳトランジスタのウェルが前記バッテリの電圧にバイアスされる請求項１３記載の回路。
16. 前記ＰＭＯＳトランジスタのウェルが前記第１の出力上の電圧にバイアスされる請求項１３記載の回路。
17. 移植可能な医療装置中のバッテリを再充電する方法であって、
    前記バッテリの電圧がゼロ以上でありかつ閾値以下である場合、比較的低い電流を生成して、第１の経路を介し前記バッテリの端子を充電することと、
    前記バッテリの電圧が前記閾値よりも大きい場合、比較的高い電流を生成して、第２の経路を介し前記バッテリの前記端子を充電することと、
    を含む方法。
18. 前記バッテリの端子が前記第１の経路を介して充電中である場合、前記第２の経路がスイッチによって開放される請求項１７記載の方法。
19. 前記第１の経路が受動要素のみを備え、前記第２の経路がゲート制御可能な能動要素を備える請求項１７記載の方法。
20. 前記ゲート制御可能な能動要素がＰＭＯＳトランジスタを含み、前記ＰＭＯＳトランジスタのウェルがバイアスされることにより、該ウェルを通る電流漏れを確実になくする請求項１９記載の方法。
21. 過剰な放電が検出された場合、前記ゲート制御可能な能動要素が非アクティブにされる請求項１９記載の方法。
22. 前記バッテリがリチウムイオンバッテリ又はリチウムイオンポリマーバッテリである請求項１７記載の方法。