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KR102093188B1 - Multi-Bit Charge Detecting Circuit for Bio Current Stimulator - Google Patents

Multi-Bit Charge Detecting Circuit for Bio Current Stimulator Download PDF

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Publication number
KR102093188B1
KR102093188B1 KR1020180168363A KR20180168363A KR102093188B1 KR 102093188 B1 KR102093188 B1 KR 102093188B1 KR 1020180168363 A KR1020180168363 A KR 1020180168363A KR 20180168363 A KR20180168363 A KR 20180168363A KR 102093188 B1 KR102093188 B1 KR 102093188B1
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KR
South Korea
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channel
voltage
charge
switch
input
Prior art date
Application number
KR1020180168363A
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Korean (ko)
Inventor
강진구
박장우
Original Assignee
인하대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

Provided is a multi-bit charge amount detecting circuit for a bio-stimulator. The multi-bit charge amount detecting circuit for a bio-stimulator of the present invention comprises: a first buffer which receives a first input as an input, and has a first switch to which an output terminal is connected; a second buffer which receives a second input as an input and has a second switch to which an output terminal is connected; and a capacitor which has one end connected to the first switch and an ADC, and has the other end connected to a third switch connected to the second switch and a ground. During a charge detection operation, the first switch and the second switch are turned on, and, during an output operation, the third switch is turned on.

Description

생체 자극기를 위한 멀티 비트 전하량 탐지 회로{Multi-Bit Charge Detecting Circuit for Bio Current Stimulator}Multi-Bit Charge Detecting Circuit for Bio Current Stimulator

본 발명은 뇌심부 자극기의 전하균형 동작에 사용되는 전하량 탐지 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a charge amount detection circuit used in the charge balance operation of the deep brain stimulator.

생체 자극기는 생체 신경을 전류 또는 전압을 이용한 자극을 통하여 생체 자극기의 목적에 따라 시각정보를 시신경에 전달을 하거나 파킨슨병 환자를 위한 뇌자극으로 수전증 및 운동신경을 안정화 시키는 역할을 한다. 종래기술들을 살펴보면 무선으로 전력을 전송하고 자극에 필요한 데이터를 무선으로 전송하여 생체 내에서 반영구적인 사용을 목적으로 연구되고 있다. 생체 자극기는 보다 안전한 전류 자극기를 이용하여 설계하는 것이 바람 직하다. 생체 내에 삽입되어 동작하기 때문에 부피가 작아야 하고 또 가장 중요한 것은 생체 내에 자극으로 인해 전하가 세포에 쌓여 손상을 주지 않도록 설계 되어야 한다.The bio-stimulator serves to transmit visual information to the optic nerve according to the purpose of the bio-stimulator through stimulation using a current or voltage, or to stabilize the hydronephrosis and motor nerves as brain stimulation for Parkinson's disease patients. Looking at the prior art, it is being studied for the purpose of semi-permanent use in vivo by transmitting power wirelessly and wirelessly transmitting data necessary for stimulation. It is preferable to design the biostimulator using a safer current stimulator. Since it is inserted and operated in a living body, it must be small in volume, and most importantly, it must be designed to prevent electric charges from accumulating in the cell and causing damage due to stimulation in the living body.

종래 기술에 따른 일반적인 전류 자극기는 컨트롤러의 신호에 따라 스위치가 온/오프 됨으로써 전류의 방향을 제어하고 DAC에 입력에 따라 전류의 크기를 제어한다.The conventional current stimulator according to the prior art controls the direction of the current by turning on / off the switch according to the signal of the controller and controls the magnitude of the current according to the input to the DAC.

종래기술들을 살펴보면 대부분 자극기의 제어를 MCU(Micro Controller Unit)를 이용하기 때문에 복잡한고 다양한 기능을 이용하고 설계 할 수 있지만 MCU가 많은 부피를 차지 한다는 단점이 있다. 기존에 제안된 자극 과정은 캐소딕(cathodic) 파형의 크기와 시간을 입력하고 MCU를 통해 애노딕(anodic) 파형의 크기와 시간을 계산하는 방법과 캐소딕(cathodic) 파형의 크기, 시간, 애노딕(anodic) 파형의 크기, 시간을 모두 입력하여 자극기를 제어하는 방법을 사용한다. 그리고, 한 번의 자극과 방출이 끝나면 전하 균형을 통해 쌓인 전하가 없도록 한다.Looking at the prior art, most of the control of the stimulator uses a microcontroller unit (MCU), so it is possible to use and design complex and diverse functions, but it has a disadvantage that the MCU occupies a large volume. The previously proposed stimulation process is to input the size and time of the cathodic waveform, calculate the size and time of the anodic waveform through the MCU, and the size, time, and magnitude of the cathodic waveform. It uses a method of controlling the stimulator by inputting both the size and time of the anodic waveform. And, after one stimulation and release, there is no charge accumulated through charge balance.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제안된 전하탐지회로가 포함된 전류 자극기를 통해 채널 양단의 전압 차에 따라 다른 펄스폭의 양자극 파형을 만들어 빠르게 채널 양단의 전압을 안전 전압 미만으로 떨어뜨릴 수 있는 회로를 제공하는데 있다. 또한, 매 자극이 끝날 때 마다 항상 안전 전압 미만이 됨을 보장하고, 높은 사양의 ADC 없이 양단의 전압 차를 정확히 디지털 신호로 만들어 내어 뒷 단의 계산량을 줄이고자 한다.Technical problem to be achieved by the present invention is to create a quantum pole waveform of a different pulse width according to the voltage difference across the channel through the current stimulator including the proposed charge detection circuit can quickly drop the voltage across the channel below the safe voltage In providing circuits. In addition, it is guaranteed to always be below the safety voltage at the end of each stimulation, and it is intended to reduce the amount of computation in the rear stage by accurately producing the digital signal of the voltage difference at both ends without a high-end ADC.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 생체 자극기를 위한 멀티 비트 전하량 탐지 회로는 제1 입력을 입력으로 받고, 제1 스위치에 출력단이 연결되는 제1 버퍼, 제2 입력을 입력으로 받고, 제2 스위치에 출력단이 연결되는 제2 버퍼 및 제1 스위치와 ADC에 일단이 연결되고, 제2 스위치와 접지에 연결된 제3 스위치에 다른 단이 연결되는 캐패시터를 포함하고, 전하탐지 동작 시에는 제1 스위치 및 제2 스위치가 온 되고, 출력 동작 시에는 제3 스위치가 온 된다. In one aspect, the multi-bit charge detection circuit for a bio-stimulator proposed in the present invention receives a first input as an input, a first buffer connected to an output terminal to a first switch, a second input as an input, and a second It includes a second buffer connected to the output terminal to the switch and a capacitor connected to the first switch and ADC, and the other terminal connected to the third switch connected to the second switch and ground, and the first switch during charge detection operation. And the second switch is turned on, and the third switch is turned on during the output operation.

전하탐지 동작 시, 제1 입력 및 제2 입력이 캐패시터에 전압의 형태로 저장되어 채널 양단의 전압 차가 캐패시터 양단의 전압 차가 된다. In the charge detection operation, the first input and the second input are stored in the form of a voltage in the capacitor, so that the voltage difference across the channel becomes the voltage difference across the capacitor.

출력 동작 시, 캐패시터에 저장된 전압이 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되어 출력된다. During the output operation, the voltage stored in the capacitor is converted to a digital signal through the ADC and output.

전하균형 동작 시, 캐패시터에 남아 있는 전하량에 따라 가변적인 자극 길이를 만들고, 채널 양단의 전압 차를 탐지하여 디지털 신호로 변환한다. During the charge balancing operation, a variable stimulus length is created according to the amount of charge remaining in the capacitor, and the voltage difference across the channel is detected and converted into a digital signal.

채널 양단의 전압 차가 안전 범위를 벗어난 경우, 채널 양단의 전압이 안전 전압 미만으로 떨어지도록 채널 양단의 전압 차에 따라 다른 펄스폭의 양자극 파형을 만든다. When the voltage difference across the channel is out of the safe range, a quantum pole waveform having a different pulse width is generated according to the voltage difference across the channel so that the voltage across the channel falls below the safety voltage.

또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 생체 자극기를 위한 멀티 비트 전하량 탐지 회로의 동작 방법은 제1 입력을 통해 양자극을 입력 받고, 제2 입력을 통해 음자극을 입력 받는 단계, 제1 스위치 및 제2 스위치가 온 되어 제1 입력 및 제2 입력이 캐패시터에 전압의 형태로 저장되어 채널 양단의 전압 차를 탐지하는 전하탐지 동작 단계 및 제3 스위치가 온 되어 캐패시터에 저장된 전압이 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되어 출력되는 출력 동작 단계를 포함한다. In another aspect, an operation method of a multi-bit charge amount detection circuit for a bio-stimulator proposed in the present invention includes receiving a quantum pole through a first input and receiving a negative stimulus through a second input. When the switch and the second switch are turned on, the first input and the second input are stored in the form of a voltage in the capacitor to detect a voltage difference across the channel, and a charge detection operation step to detect the voltage difference across the channel and the third switch is turned on to store the ADC in the voltage stored in the capacitor. And an output operation step that is converted into a digital signal and output.

본 발명의 실시예들에 따르면 제안된 전하탐지회로가 포함된 전류 자극기는 채널 양단의 전압 차에 따라 다른 펄스폭의 양자극 파형을 만들어내므로 빠르게 채널 양단의 전압을 안전 전압 미만으로 떨어뜨릴 수 있으며, 매 자극이 끝날 때 마다 항상 안전 전압 미만이 됨을 보장할 수 있다. 또한 높은 사양의 ADC 없이 양단의 전압 차를 정확히 디지털 신호로 만들어 내어 뒷 단의 계산량을 줄일 수 있다.According to embodiments of the present invention, the current stimulator including the proposed charge detection circuit generates a quantum pole waveform having a different pulse width according to the voltage difference across the channel, so the voltage across the channel can be quickly dropped below the safety voltage. It is possible to ensure that the voltage is always below the safety voltage at the end of each stimulation. In addition, it is possible to reduce the amount of calculation in the rear stage by accurately generating the voltage difference between the two stages into a digital signal without a high specification ADC.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포와 전극 모델을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 자극기를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하균형 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류자극 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플링 동작과 출력 동작 시 전하량 탐지기를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 자극기를 위한 멀티 비트 전하량 탐지 회로의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과 파형을 나타내는 도면이다.
1 is a view showing a cell and electrode model according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a current stimulator according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a charge balancing algorithm according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a current stimulation waveform according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a charge amount detector during a sampling operation and an output operation according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating an operation of a multi-bit charge amount detection circuit for a bio-stimulator according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing a simulation result waveform according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포와 전극 모델을 나타내는 도면이다. 1 is a view showing a cell and electrode model according to an embodiment of the present invention.

전하균형 동작이 필요한 이유는 전극의 등가모델로부터 설명할 수 있다. 도 1은 세포와 전극의 전기적 특성을 모사한 등가모델로 도 2의 CH_N과 CH_P에 연결된다. The reason for the charge balancing operation can be explained from the equivalent model of the electrode. 1 is an equivalent model that mimics the electrical characteristics of cells and electrodes, and is connected to CH_N and CH_P in FIG. 2.

생체 조직의 등가 저항은 자극을 위해 생체 조직에 직접 닿는 프로브의 위치 및 자극 부위에 따라 달라지지만 일반적으로 100KΩ정도로 볼 수 있고 이 저항이 도 1에서 Rs이다. 이 생체 조직에 자극을 주기 위해 자극기의 프로브를 직접 대게 되면 프로브에 의해서 캐패시턴스가 생성되고 이는 평균적으로 100nF정도이다. 이 캐패시터의 병렬기생저항인 Re는 10MΩ정도인데 이는 만약 자극동작을 통해 캐패시터가 충전된 경우 짧은 시간 안에 스스로 방전 될 수 없음을 나타낸다. The equivalent resistance of the biological tissue varies depending on the position of the probe and the stimulation site directly contacting the biological tissue for stimulation, but it is generally seen as about 100KΩ, and this resistance is Rs in FIG. 1. When the probe of the stimulator is directly applied to stimulate this biological tissue, a capacitance is generated by the probe, which is about 100 nF on average. The parallel parasitic resistance Re of this capacitor is about 10 MΩ, which means that if the capacitor is charged through stimulation, it cannot be discharged by itself within a short time.

전류 자극을 위해 CH_P에서 CH_N방향으로 전류가 흐를 때 Re가 Ce보다 훨씬 큰 임피던스를 가지므로 전류는 Ce로 대부분 흐르게 되고 이 전류가 캐패시터 양단에 전압이 형성된다. 자극이 끝나고 난 뒤 이 캐패시터에 의해 채널 사이에 전압이 생성되게 되는데 이 전압이 50mV를 넘어가게 되면 물의 전기분해 현상 및 PH 농도 변화 등 생체 조직에 손상을 야기할 수 있는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 자극 후 전하균형을 맞춰 50mV 미만으로 유지하는 것이 중요하다. When current flows from CH_P to CH_N for current stimulation, Re has a much larger impedance than Ce, so most of the current flows to Ce, and this current forms a voltage across the capacitor. After the stimulation is over, a voltage is generated between the channels by the capacitor. When the voltage exceeds 50 mV, problems that may cause damage to biological tissues, such as electrolysis of water and a change in pH concentration, may occur. Therefore, it is important to keep the charge balance after stimulation below 50 mV.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 자극기를 나타내는 도면이다. 2 is a view showing a current stimulator according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 전하균형 알고리즘으로 전류자극을 수행하기 위해서는 이중위상으로 전류자극이 가능해야 하며 전류의 크기를 조절할 수 있는 자극기가 필요하다. 해당 전류자극기는 M1이 전류원으로써 DAC 출력을 게이트 전압으로 받아 자극 전류의 세기를 결정하고 M2 ~ M5가 스위치로 동작하여 전류의 방향을 결정한다. In order to perform the current stimulation with the charge balancing algorithm according to an embodiment of the present invention, the current stimulation must be possible in a dual phase and a stimulator capable of adjusting the magnitude of the current is required. The current stimulator determines the intensity of the stimulation current by receiving the DAC output as the gate voltage as M1, and M2 ~ M5 operate as a switch to determine the direction of the current.

도 2(a)는 스위치 S5, S3가 닫혀 음자극 전류(Anode stimulation current)가 CH_N에서 CH_P로, 다시 말해 세포로 흐르는 상태를 나타내며 도 2(b)는 S4, S2가 닫혀 양자극 전류(Cathode stimulation current)가 CH_P에서 CH_N으로 흐르는 상태를 나타낸다. FIG. 2 (a) shows the state in which the switches S5 and S3 are closed to flow the anode stimulation current from CH_N to CH_P, that is, to the cell. FIG. 2 (b) shows that S4 and S2 are closed to close the quantum pole current (Cathode) stimulation current) from CH_P to CH_N.

이 때 M2와 M3 게이트 단자에 인가된 Op-Amp는 가상접지의 원리를 이용해 M1의 드레인 단자의 전압을 80mV로 만들어줘 M1이 깊은 트라이오드 영역에서 동작하게 만들고 전류원으로써 M1의 게이트전압(VDAC)에 선형적으로 동작하도록 한다. At this time, the Op-Amp applied to the M2 and M3 gate terminals makes the voltage of the drain terminal of M1 to 80mV by using the principle of virtual ground, making M1 operate in the deep triode region and the gate voltage of M1 as the current source (VDAC) To operate linearly.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하균형 알고리즘을 나타내는 도면이다. 3 is a view showing a charge balancing algorithm according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따르면, 양 전극 사이의 전하량에 따라 유동적인 길이의 양 전류 펄스를 인가함으로써 빠르게 전하 균형을 이루는 가변 펄스폭 알고리즘 적용하여 종래기술보다 개선된 자극 패턴을 만들어내도록 하였다. 본 발명에서 제안하는 전하균형 알고리즘은 처음에는 대기상태(Wait)로 있다가 체외기로부터 데이터를 받게 되면 음자극(Anode Stimulation)을 진행하고 음자극이 끝나면 휴지기간(Delay)을 갖고 전극 양단의 전하량을 확인한다. 전극 양단의 전하량을 확인하여 그 전압레벨에 따라 전하균형을 맞추기 위한 전류의 펄스 길이를 가변하여 양자극(Cathode Stimulation)을 인가한다. 전하량 탐지(Charge Detection)을 통해 최종적으로 전극 양단의 전압이 50mV 미만이 될 때까지 반복적으로 수행된 다음 50mV 미만이 되면 자극을 끝내고 다시 대기상태(Wait)로 돌아간다. According to an embodiment of the present invention, by applying a positive pulse of a flexible length in accordance with the amount of charge between the two electrodes to apply a variable pulse width algorithm that quickly balances the charge to create an improved stimulation pattern than the prior art. The charge balancing algorithm proposed in the present invention is initially in a standby state, and when data is received from an external device, it proceeds with negative stimulation, and when the negative stimulation ends, it has a delay period and the amount of charge across the electrodes. To confirm. Check the amount of charge at both ends of the electrode and apply the quantum pole (Cathode Stimulation) by varying the pulse length of the current to match the charge balance according to the voltage level. Through charge detection, it is repeatedly performed until the voltage at both ends of the electrode is less than 50 mV, and when it is less than 50 mV, the stimulation is terminated and it returns to the standby state.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류자극 파형을 나타내는 도면이다. 4 is a view showing a current stimulation waveform according to an embodiment of the present invention.

도 4에 적용된 알고리즘에 의한 자극 전류 파형이 나타나있다. 전류자극은 음자극(Anode stimulation)과 전하균형동작(Charge balancing)으로 구성되어 있고 전하균형동작은 양자극(Cathode stimulation)과 전하량 탐지(Charge detecting)동작이 포함되어 있다.The stimulation current waveform by the algorithm applied in FIG. 4 is shown. The current stimulation consists of negative stimulation and charge balancing, and the charge balancing operation includes cathode stimulation and charge detecting.

전하량 탐지 구간에서는 전류가 흐르지 않고 이 때 세포 양단의 전압 차를 측정하여 안전전압(50mV) 미만인지를 판단하고 안전 전압보다 크면 도 3에서 V_electrode 값에 따라 다른 펄스 길이의 양자극을 반복하며 안전 전압 범위(safe zone) 미만이 되면 전하균형동작이 끝나게 된다. In the charge amount detection section, the current does not flow, and at this time, the voltage difference across the cells is measured to determine whether it is below the safety voltage (50 mV), and if it is greater than the safety voltage, the quantum pole of different pulse length is repeated according to the V_electrode value in FIG. When it is less than the safe zone, the charge balancing operation ends.

본 발명에서 제안하는 회로는 전하탐지 시 채널 양단의 전압 차를 계산하는 전하량 탐지 회로이다. 종래기술의 전하량 탐지 회로는 안전 전압 범위 안인지 밖인지 여부만 판단하는 회로이지만 제안하는 회로는 안전 전압 범위를 벗어난다면 얼만큼 벗어났는지 까지 판단하여 그 값에 따라 도 4처럼 양자극의 길이를 조절하도록 할 수 있다. The circuit proposed in the present invention is a charge amount detection circuit that calculates a voltage difference across the channel during charge detection. The prior art charge detection circuit is a circuit that only determines whether it is within or outside the safe voltage range, but the proposed circuit determines how far it is out of the safe voltage range and adjusts the length of the quantum pole as shown in FIG. 4 according to the value. You can do it.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플링 동작과 출력 동작 시 전하량 탐지기를 나타내는 도면이다. 5 is a view showing a charge amount detector during a sampling operation and an output operation according to an embodiment of the present invention.

전하량 탐지기는 자극 후 채널 양단의 전압 차이가 안전 범위인 50mV미만인지는 판단하여 추가적인 전하균형동작이 필요한지는 판단하는 중요한 블록이다. 하지만 기존 알고리즘인 펄스 삽입법과 오프셋 조절방법에 사용된 전하량 탐지기는 단순하게 양단의 전압 차가 50mV미만인지 아닌지 여부만 판단한다. 그러므로 본 발명에서 적용한 양 단의 전압 차의 크기에 따라 다른 펄스파형을 만들어내는 알고리즘에 사용하기에는 부적합하다. 따라서 본 발명에서는 펄스 폭 변조 알고리즘에 사용 가능한 새로운 전하량 탐지기를 제안한다. The charge detector is an important block to determine if the voltage difference across the channel after stimulation is less than 50mV, which is a safe range, to determine whether additional charge balancing operation is necessary. However, the charge detector used in the conventional algorithms of pulse insertion and offset adjustment simply determines whether the voltage difference between the two ends is less than 50 mV. Therefore, it is unsuitable for use in an algorithm that generates different pulse waveforms depending on the magnitude of the voltage difference between both ends applied in the present invention. Therefore, the present invention proposes a new charge amount detector that can be used in a pulse width modulation algorithm.

제안하는 전하량 탐지기는 우선 채널에 영향을 주지 않으면서 양단의 전압을 측정하기 위해 채널의 양단을 버퍼 입력으로 받아 전하 측정 동작을 채널과 분리시켰다. 양단의 전위차를 구하기 위해 2개의 ADC를 이용해 각각의 전위를 디지털 신호로 변경하여 디지털 적으로 양단의 전위를 빼서 확인하는 방법이 있을 수 있다. 하지만 이렇게 할 경우 높은 유효비트를 갖는 ADC 2개와 추가로 뺄셈기가 필요하게 되어 많은 전력과 칩면적이 필요하게 된다. 하지만 제안하는 전하량 탐지기는 도 5와 같이 캐패시터 하나와 ADC하나로 양단의 전위차를 5bit 온도계코드로 변환한다. The proposed charge detector first separated the charge measurement operation from the channel by receiving both ends of the channel as a buffer input to measure the voltage at both ends without affecting the channel. To find the potential difference between the two ends, there may be a method of converting each potential into a digital signal using two ADCs and digitally subtracting the potentials at both ends to check. However, this requires two ADCs with high effective bits and an additional subtractor, which requires a lot of power and chip area. However, the proposed charge detector converts the potential difference at both ends into a 5-bit thermometer code with one capacitor and one ADC as shown in FIG. 5.

도 5(a)는 전하탐지 동작 시의 회로도이고, 도 5(b)는 출력 동작 시의 회로도이다. Fig. 5 (a) is a circuit diagram during charge detection operation, and Fig. 5 (b) is a circuit diagram during output operation.

전하량 탐지회로의 동작은 전하탐지 동작과 출력 동작으로 구분할 수 있다. 전하탐지 동작에서는 도 5(a)와 같이 전하탐지 동작 시에는 S1과 S2가 닫히며 CH_P와 CH_N을 입력으로 받아 버퍼를 통해 캐패시터(C)에 전압의 형태로 저장한다. 캐패시터 양단의 전압을 VP와 VN이라고 하면 VP = CH_P, VN = CH_N이 된다. 따라서 채널 양단의 전압 차는 캐패시터 양단의 전압 차인 VP-VN이 된다. The operation of the charge amount detection circuit can be divided into a charge detection operation and an output operation. In the charge detection operation, S1 and S2 are closed during the charge detection operation as shown in FIG. 5 (a), and CH_P and CH_N are received as input and stored in the form of voltage in the capacitor C through the buffer. If the voltage across the capacitor is VP and VN, VP = CH_P and VN = CH_N. Therefore, the voltage difference across the channel is VP-VN, which is the voltage difference across the capacitor.

도 5(b)와 같이 출력 동작에서는 S1과 S2를 열고 S3를 닫아 VN을 0으로 내리면서 VP값을 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 본 발명의 실시예에 따른 측정에 사용한 회로는 5비트를 출력하도록 설계하였다. 예를 들어, VP를 ADC 입력으로 받아 5비트 온도계코드 출력인 B<4:0>으로 내보내어 디지털 신호로 변환한다. 제안된 전하 탐지기는 캐패시터 한 개와 ADC 하나만으로 두 채널 사이의 전위차를 측정할 수 있어 적은 면적과 전력을 소모한다.In the output operation as shown in FIG. 5 (b), S1 and S2 are opened and S3 is closed to lower VN to 0, and the VP value is converted into a digital signal through an ADC and output. The circuit used for the measurement according to the embodiment of the present invention was designed to output 5 bits. For example, it receives the VP as an ADC input and sends it to B <4: 0>, a 5-bit thermometer code output, to convert it into a digital signal. The proposed charge detector can measure the potential difference between two channels with only one capacitor and one ADC, thus consuming less area and power.

제안하는 회로를 통해 전하균형 동작 시 남아있는 전하량에 따라 가변적인 자극 길이를 만들어 낼 수 있으며, 높은 사양의 ADC 없이도 채널 양단의 전압 차를 정확히 탐지하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.Through the proposed circuit, it is possible to create a variable stimulus length according to the amount of charge remaining during charge balancing operation, and it is possible to accurately detect the voltage difference across the channel and convert it into a digital signal without a high-end ADC.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 자극기를 위한 멀티 비트 전하량 탐지 회로의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 6 is a flowchart illustrating an operation of a multi-bit charge amount detection circuit for a bio-stimulator according to an embodiment of the present invention.

제안하는 생체 자극기를 위한 멀티 비트 전하량 탐지 회로의 동작 방법은 제1 입력을 통해 양자극을 입력 받고, 제2 입력을 통해 음자극을 입력 받는 단계(610), 제1 스위치 및 제2 스위치가 온 되어 제1 입력 및 제2 입력이 캐패시터에 전압의 형태로 저장되어 채널 양단의 전압 차를 탐지하는 전하탐지 동작 단계(620) 및 제3 스위치가 온 되어 캐패시터에 저장된 전압이 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되어 출력되는 출력 동작 단계(630)를 포함한다. The proposed method of operation of the multi-bit charge detection circuit for the bio-stimulator receives the quantum pole through the first input and the negative stimulus through the second input (610), the first switch and the second switch are on The first input and the second input are stored in the form of a voltage in the capacitor to detect the voltage difference across the channel, the charge detection operation step 620 and the third switch are turned on so that the voltage stored in the capacitor is converted into a digital signal through the ADC. And an output operation step 630 which is converted and output.

전류자극은 음자극(Anode stimulation)과 전하균형동작(Charge balancing)으로 구성되어 있고 전하균형동작은 양자극(Cathode stimulation)과 전하량 탐지(Charge detecting)동작이 포함되어 있다.The current stimulation consists of negative stimulation and charge balancing, and the charge balancing operation includes cathode stimulation and charge detecting.

전하탐지 동작 단계를 포함하는 전하균형 동작 시, 캐패시터에 남아 있는 전하량에 따라 가변적인 자극 길이를 만들고, 채널 양단의 전압 차를 탐지하여 디지털 신호로 변환한다. In the charge balancing operation including the charge detection operation step, a variable stimulus length is generated according to the amount of charge remaining in the capacitor, and a voltage difference across the channel is detected and converted into a digital signal.

채널 양단의 전압 차가 안전 범위를 벗어난 경우, 채널 양단의 전압이 안전 전압 미만으로 떨어지도록 채널 양단의 전압 차에 따라 다른 펄스폭의 양자극 파형을 만든다. When the voltage difference across the channel is out of the safe range, a quantum pole waveform having a different pulse width is generated according to the voltage difference across the channel so that the voltage across the channel falls below the safety voltage.

본 발명의 실시예에 따르면, 양 전극 사이의 전하량에 따라 유동적인 길이의 양 전류 펄스를 인가함으로써 빠르게 전하 균형을 이루는 가변 펄스폭 알고리즘 적용하여 종래기술보다 개선된 자극 패턴을 만들어내도록 하였다. 본 발명에서 제안하는 전하균형 알고리즘은 처음에는 대기상태로 있다가 체외기로부터 데이터를 받게 되면 음자극을 진행하고 음자극이 끝나면 휴지기간을 갖고 전극 양단의 전하량을 확인한다. 전극 양단의 전하량을 확인하여 그 전압레벨에 따라 전하균형을 맞추기 위한 전류의 펄스 길이를 가변하여 양자극을 인가한다. 전하량 탐지를 통해 최종적으로 전극 양단의 전압이 50mV 미만이 될 때까지 반복적으로 수행된 다음 50mV 미만이 되면 자극을 끝내고 다시 대기상태로 돌아간다.According to an embodiment of the present invention, by applying a positive pulse of a flexible length in accordance with the amount of charge between both electrodes to apply a variable pulse width algorithm that quickly balances the charge to create an improved stimulation pattern than the prior art. The charge balancing algorithm proposed in the present invention is initially in a standby state, and when data is received from an external device, negative stimulation proceeds, and when the negative stimulation is over, a period of rest is used to check the amount of charge across the electrodes. Check the amount of charge across the electrodes and apply the quantum pole by varying the pulse length of the current to match the charge balance according to the voltage level. Through the detection of the amount of charge, it is repeatedly performed until the voltage at both ends of the electrode is less than 50 mV, and when it is less than 50 mV, the stimulation is terminated and the state returns to the standby state.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과 파형을 나타내는 도면이다. 7 is a view showing a simulation result waveform according to an embodiment of the present invention.

음자극이 끝나고 나서 전하탐지를 하고 그에 따른 출력 비트에 따라 양자극 펄스의 길이가 정해짐을 확인할 수 있다. 양자극이 진행될수록 채널 양단의 전위차가 줄어들기 때문에 양자극 펄스는 갈수록 줄어드는 모습을 보이며, 최종적으로 안전전압 미만이 되었을 때 자극이 종료되는 것을 확인하였다.After the negative stimulation is over, the charge is detected and the length of the quantum pole pulse is determined according to the output bit. Since the potential difference across the channel decreases as the quantum pole progresses, the quantum pole pulse gradually decreases, and it is confirmed that the stimulus is terminated when the safety voltage is finally lower than the safety voltage.

본 발명의 실시예들에 따르면 제안된 전하탐지회로가 포함된 전류 자극기는 채널 양단의 전압 차에 따라 다른 펄스폭의 양자극 파형을 만들어내므로 빠르게 채널 양단의 전압을 안전 전압 미만으로 떨어뜨릴 수 있으며, 매 자극이 끝날 때 마다 항상 안전 전압 미만이 됨을 보장할 수 있다. 또한 높은 사양의 ADC 없이 양단의 전압 차를 정확히 디지털 신호로 만들어 내어 뒷 단의 계산량을 줄일 수 있다. According to embodiments of the present invention, the current stimulator including the proposed charge detection circuit generates a quantum pole waveform having a different pulse width according to the voltage difference across the channel, so the voltage across the channel can be quickly dropped below the safety voltage. It is possible to ensure that the voltage is always below the safety voltage at the end of each stimulation. In addition, it is possible to reduce the amount of calculation in the rear stage by accurately generating the voltage difference between the two stages into a digital signal without a high-end ADC.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.  또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.  이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.  예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.  또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented with hardware components, software components, and / or combinations of hardware components and software components. For example, the devices and components described in the embodiments include, for example, a processor, controller, arithmetic logic unit (ALU), digital signal processor (micro signal processor), microcomputer, field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may run an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. For convenience of understanding, a processing device may be described as one being used, but a person having ordinary skill in the art, the processing device may include a plurality of processing elements and / or a plurality of types of processing elements. It can be seen that may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or a processor and a controller. In addition, other processing configurations, such as parallel processors, are possible.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.  소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.  소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instruction, or a combination of one or more of these, and configure the processing device to operate as desired, or process independently or collectively You can command the device. Software and / or data may be interpreted by a processing device, or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. Can be embodied in The software may be distributed on networked computer systems, and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.  상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.  상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.  컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.  프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.  The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and constructed for the embodiments or may be known and usable by those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc., as well as machine language codes produced by a compiler.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.  예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by a limited embodiment and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and / or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form from the described method, or other components Alternatively, even if replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (8)

제1 입력을 입력으로 받고, 제1 스위치에 출력단이 연결되는 제1 버퍼;
제2 입력을 입력으로 받고, 제2 스위치에 출력단이 연결되는 제2 버퍼; 및
제1 스위치와 ADC에 일단이 연결되고, 제2 스위치와 접지에 연결된 제3 스위치에 다른 단이 연결되는 캐패시터
를 포함하고,
전하탐지 동작 시에는 제1 스위치 및 제2 스위치가 온 되고, 출력 동작 시에는 제3 스위치가 온 되고,
전하균형 동작 시, 캐패시터에 남아 있는 전하량에 따라 가변적인 자극 길이를 만들고, 채널 양단의 전압 차를 탐지하여 디지털 신호로 변환하고,
채널 양단의 전압 차가 안전 범위를 벗어난 경우, 벗어난 정도를 판단하여 채널 양단의 전압이 안전 전압 미만으로 떨어지도록 채널 양단의 전압 차에 따라 다른 펄스폭의 양자극 파형을 만들고,
채널에 영향을 주지 않으면서 양단의 전압을 측정하기 위해 채널의 양단을 제1 버퍼 및 제2 버퍼를 통해 입력으로 받아 전하 측정 동작을 채널과 분리시키고, 캐패시터 하나와 ADC하나로 양단의 전위차를 온도계코드로 변환하며,
대기상태(Wait)로 있다가 데이터를 받게 되면 음자극(Anode Stimulation)을 진행하고 음자극이 끝나면 휴지기간(Delay)을 갖고 전극 양단의 전하량을 확인하여 전압레벨에 따라 전하균형을 맞추기 위한 전류의 펄스 길이를 가변하여 양자극(Cathode Stimulation)을 인가하는 멀티 비트 전하량 탐지 회로.
A first buffer receiving the first input as an input and having an output terminal connected to the first switch;
A second buffer receiving the second input as an input and having an output terminal connected to the second switch; And
Capacitor with one end connected to the first switch and ADC, and the other end connected to the second switch and the third switch connected to ground.
Including,
The first switch and the second switch are turned on during the charge detection operation, and the third switch is turned on during the output operation,
During the charge balancing operation, a variable stimulus length is created according to the amount of charge remaining in the capacitor, and the voltage difference across the channel is detected to be converted into a digital signal,
If the voltage difference across the channel is outside the safety range, determine the degree of deviation and create a quantum pole waveform of different pulse width according to the voltage difference across the channel so that the voltage across the channel falls below the safety voltage.
In order to measure the voltage at both ends without affecting the channel, both ends of the channel are received as inputs through the first buffer and the second buffer, separating the charge measurement operation from the channel, and the potential difference between both ends is measured by a capacitor and one ADC. Convert to
When it is in the standby state and receives data, it proceeds with negative stimulation, and when the negative stimulation has ended, it has a rest period and checks the amount of charge across the electrodes. Multi-bit charge detection circuit that applies quantum pole (Cathode Stimulation) by varying the pulse length.
제1항에 있어서,
전하탐지 동작 시, 제1 입력 및 제2 입력이 캐패시터에 전압의 형태로 저장되어 채널 양단의 전압 차가 캐패시터 양단의 전압 차가 되는
멀티 비트 전하량 탐지 회로.
According to claim 1,
In the charge detection operation, the first input and the second input are stored in the form of a voltage in the capacitor so that the voltage difference across the channel becomes the voltage difference across the capacitor.
Multi-bit charge detection circuit.
제1항에 있어서,
출력 동작 시, 캐패시터에 저장된 전압이 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되어 출력되는
멀티 비트 전하량 탐지 회로.
According to claim 1,
During output operation, the voltage stored in the capacitor is converted to a digital signal through the ADC and output.
Multi-bit charge detection circuit.
삭제delete 삭제delete 제1 입력을 통해 양자극을 입력 받고, 제2 입력을 통해 음자극을 입력 받는 단계;
제1 스위치 및 제2 스위치가 온 되어 제1 입력 및 제2 입력이 캐패시터에 전압의 형태로 저장되어 채널 양단의 전압 차를 탐지하는 전하탐지 동작 단계; 및
제3 스위치가 온 되어 캐패시터에 저장된 전압이 ADC를 통해 디지털 신호로 변환되어 출력되는 출력 동작 단계
를 포함하고,
전하균형 동작 시, 캐패시터에 남아 있는 전하량에 따라 가변적인 자극 길이를 만들고, 채널 양단의 전압 차를 탐지하여 디지털 신호로 변환하고,
채널 양단의 전압 차가 안전 범위를 벗어난 경우, 벗어난 정도를 판단하여 채널 양단의 전압이 안전 전압 미만으로 떨어지도록 채널 양단의 전압 차에 따라 다른 펄스폭의 양자극 파형을 만들고,
채널에 영향을 주지 않으면서 양단의 전압을 측정하기 위해 채널의 양단을 제1 버퍼 및 제2 버퍼를 통해 입력으로 받아 전하 측정 동작을 채널과 분리시키고, 캐패시터 하나와 ADC하나로 양단의 전위차를 온도계코드로 변환하며,
대기상태(Wait)로 있다가 데이터를 받게 되면 음자극(Anode Stimulation)을 진행하고 음자극이 끝나면 휴지기간(Delay)을 갖고 전극 양단의 전하량을 확인하여 전압레벨에 따라 전하균형을 맞추기 위한 전류의 펄스 길이를 가변하여 양자극(Cathode Stimulation)을 인가하는
멀티 비트 전하량 탐지 방법.
Receiving a quantum pole through a first input and a negative stimulus through a second input;
A charge detection operation step in which the first switch and the second switch are turned on so that the first input and the second input are stored in a capacitor in the form of a voltage to detect a voltage difference across the channel; And
An output operation step in which the voltage stored in the capacitor is converted to a digital signal through the ADC when the third switch is turned on and output.
Including,
During the charge balancing operation, a variable stimulus length is created according to the amount of charge remaining in the capacitor, and the voltage difference across the channel is detected to be converted into a digital signal,
If the voltage difference across the channel is outside the safety range, determine the degree of deviation and create a quantum pole waveform of different pulse width according to the voltage difference across the channel so that the voltage across the channel falls below the safety voltage.
In order to measure the voltage at both ends without affecting the channel, both ends of the channel are received as inputs through the first buffer and the second buffer, separating the charge measurement operation from the channel, and the potential difference between both ends is measured by a capacitor and one ADC. Convert to
When it is in the standby state and receives data, it proceeds with negative stimulation, and when the negative stimulation has ended, it has a rest period and checks the amount of charge across the electrodes. Applying a quantum pole (Cathode Stimulation) by varying the pulse length
Multi-bit charge detection method.
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JP2012100708A (en) * 2010-11-05 2012-05-31 Nidek Co Ltd Stimulation circuit for living tissue
JP2016512707A (en) * 2013-03-15 2016-05-09 マインドテック・インコーポレイテッド Electrical stimulation system with pulse control

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