CN1099300C - 控制电路和驱动电子驱动电流通过动物体表的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于传送药剂的电子驱动设备(10)包括一个可调的升压倍数控制器(100，200)，该控制器用于将电源(102，202)的电压升压至一个工作电压V_w，该电压刚好足够用来提供通过电极(108，112)的所需的治疗电流值I₁，且至少有一个电极装有待传送的药剂。

Description

控制电路和驱动电子驱动电流通过动物体表的方法

本发明涉及一种用于将一种良性试剂(例如：药)通过表皮或粘膜送人病人体内的电子驱动(electrotransport)设备。更确切地说，本发明涉及的是一个带有一个改进式电源的便携式或病人戴在身上的电子驱动传送设备。

“电子驱动”在这里一般是指通过表层，如皮肤、粘液膜或指甲，进行药物的传送，这种传送是在电势的诱导或帮助下完成的。例如，一种良性的药剂可在电子驱动传送的作用下，通过皮肤进入动物(如：人类)的系统循环。

电子驱动过程在将盐酸利多卡因、氢化可的松、氟化物、青霉素、地塞米松磷酸钠、及许多其它药物通过皮肤引入体内的过程中是有帮助的。可能电子驱动最通常的用途是在离子电泳疗法中，通过传送毛果芸香碱来诊断膀胱的纤维化。毛果芸香碱刺激汗液的产生，将汗液收集起来并分析其氯化物的含量，从而检测这种病是否存在。

现有的电子驱动设备使用至少两个与身体的某部分(例如：皮肤)直接连接的电极。第一电极也称作主动或施主电极，它在电子驱动的作用下将药剂(如：一种药或一种前药)送入体内。第二电称也称作反或返回电极，它与第一电极一起使电路通过身体成为回路。一种电源，例如电池，通过电极向身体提供电流。例如，如果待传送的药剂带正电(即阳离子)，则阳极将成为主动电极，而阴极则作为反电极使电路闭合。如果待传送的药剂带负电(即阴离子)，则阴极将成为施主电极，而阳极作为反电极。

另一方面，阳极和阴极都可用来将带有相反电荷的药物送入体内。在这种情况下，两个电极同时既为施主电极，又为反电极。例如，阳极中同时既传送阳离子药剂，又作为阴极的“反”电极。类似地，阴极可同时既传送阴离子药剂，又作为阳极的“反”电极。

一个广泛使用的电子驱动过程-电迁移(也称为离子电泳)，与带电离子在电诱导下的传送有关。另一种电子驱动-电渗透，与在所加电场的影响下，施主容器中液体试剂的流动有关，这种液体中包含有待传送的试剂。还有一种电子驱动过程-电成孔(eletroporection)，与在高压脉冲的作用下，生物膜上暂时出现的孔有关。由于施主容器中药物浓度与病人体内组织中药物浓度存在差别，药剂一部分在被扩散的作用下通过皮肤。在任一个电子驱动的过程中，以上这种过程中至少有二个会在某种程度上同时发生。相应地，在这里使用的“电子驱动”这个词应给其最广泛的可能的解释，即它包括至少一种药剂的电诱导或增强的传送，该药剂可以是带电的，不带电的，或是两者的混合。

药物和药剂这二个词在这里交替使用，并且给其以最广泛的解释，即任何输入到活的生物体内以产生一个所期望的(通常是好的)效果的起治疗作用的物质。这包括了所有主要治疗领域的药物，包括(但不局限于此)：抗感染药，如抗苏素和抗病毒的药；止痛药，包括芬太尼，舒芬太尼，丁丙诺啡，和止痛药制剂；麻醉剂；减食欲剂；抗关节炎药；止喘药，如特普他林；抗惊厥药；抗抑郁药；抗糖尿病的药；止泻药；抗组胺药；消炎药；抗偏头痛剂；抗多动症药剂，如莨菪胺和蒽丹色创；防晕药；抗肿瘤药；抗帕金森氏症药；止痒药；精神抑制药；退热药；镇痉药，包括胃肠的和尿道的；抗胆碱能药；拟交感神经药；黄嘌呤衍生物；心血管药，包括钙离子阻滞剂，例如尼非地平；β受体阻滞剂；β受体激动剂如多巴酚丁胺和利托君；抗心律失常药；抗高血压药，如阿替洛尔；肾上腺皮质浸膏抑制剂，如雷尼司啶；利尿药；血管舒张药，包括主血管，冠状、周边及脑血管；中枢神经系统兴奋剂；咳嗽和感冒制剂；减充血剂；诊断剂；荷尔蒙，如副甲状腺荷尔蒙；催眠药；免疫抑制剂；肌肉松弛药；副交感神经阻滞药；拟副交感神经药；前列腺素；蛋白质；肽；神经兴奋剂；镇静药；和安定药。

电子驱动在控制肽，多肽，蛋白质和其它太分子的传送方面是有用的。这些大分子物质通常一个分子的重量至少为300道尔顿，且大多为300-40,000道尔顿。在这个重量范围内的肽和蛋白质有以下一些，(但不仅限于这些)：LHRH；LHRH类似物，例如乙基酰胺，高纳瑞林，纳发阮林和左旋二肽(leuprolide)：胰岛素；促胰岛素(insulotropin)；降钙素；奥曲肽；内啡肽；TRH；NF-36(化学名字是N＝〔〔(S)-4-氧-2-氮杂环丁烷基〕酰基〕-L-组氨酰基-L-脯氨酰胺)；liprecin；垂体激素，例如HGH，HMG和醋酸去氨加压素；滤包类黄体素；aANF；生长因子，例如生长因子释放因子(GFRF或GHRH)；bMSH；生长抑制因子；缓激肽；生长激素；衍生血小板生长因子；天冬酰胺酶；木爪凝乳蛋白酶；缩胆囊肽；卵壳蛋白促性腺素；促肾上腺皮质激素(ACTH)；红细胞生成素；依前列醇(血小板抗凝剂)；胰高血糖素；HCG；hirulog；透明质酸酶；干扰素；白细胞间介素；绝经促性素(尿促卵泡素(FSH)和LH)；催产素；链激酶；组织纤溶酶原激活素；加压素；醋酸去氨加压素；ACTH类似物；ANP；ANP清除抑制剂；增血压素II拮抗物；抗利尿激素拮抗剂；抗利尿激素拮抗物；缓激肽拮抗物；CD-4；神经酰胺酶(cerabase)；CSF_s；脑啡肽；FAB生成物；lgE肽抑制基因；1GF-1；神经营养因子；集落刺激因子；甲状旁腺激素和拮抗剂；甲状旁腺激素拮抗物；前列腺素拮抗物；pentigeride；C蛋白；S蛋白；肾素抑制剂；胸腺素alpha-1；血栓溶解剂；THF；疫苗；加压素拮抗剂类似物；alpha-1抗胰蛋白酶(重组体)；和TGF-beta。

电子驱动设备通常需一个药剂容器或药剂源，或是该药剂的一个前置器，该药剂由电子驱动传送人体内的药剂。这种最好是离子化或可离子化的试剂的容器或药剂源的例子包括在Jacobsen发明的美国专利4,250,878中公开的一种小袋子或是在Webster发明的美国专利4,383,529中公开的一种预成型凝胶体。这种容器与电子驱动设备的阴极或阳极电相连，用来提供一个固定的或一种或多种所需药剂的可更新的药源。

最近，在电子驱动领域又出现了一些美国专利，这表示人们对该模式的药传送器的持续的兴趣。例如，在Vernon等发明的美国专利3,991,755，Jacobsen等发明的美国专利4,141,359，Wilson发明的美国专利4,398,545和Jacobsen发明的美国专利4,250,878中公开了电子驱动设备的例子及它们的一些应用。

近年来，特别是随着微型化电子线路(例如，集成电路)和高能量轻型电池(例如，锂电池)的发展，电子驱动传送设备已经变得越来越小了。价格低廉的微型化电子线路和袖珍式高能量电池的出现意味着整个设备可以做得足够地小，使得其戴在病人的皮肤上时，从衣服外面看上去并不引人注目。这种病人甚至可以在电子驱动设备进行药物传送的时候自由走动，同时能够做各种通常的活动。

但是，仍存在一些局限性限制了这个有价值的技术的更广泛的应用。其中一个局限性就是电子驱动传送设备的体积和成本。尤其是用来为电子驱动设备供电的电池，它对这种小型的便携式的电子驱动传送设备的整体尺寸、重量及成本的影响很大。减少所用电池的数量和/或成本将使电子驱动的药物传送设备的成本更低，体积更小。

减小给电子驱动设备供电的电池数量的一种方法就是使用升压电路。升压电路是电子技术中公知的一种电路。一般的升压电路接受一个输入电压(例如，3.0伏特)，并将其升高一个预定的信数(例如，×2)从而得到一个“升高”的输出电压(例如：6.0伏＝3.0伏×2)。在经皮肤的电子驱动传送设备中已经采用了升压电路。见Maurer等的美国专利5,254,081(第二列，34-39行)。

该电路允许电子驱动设备比没有使用升压电路时，使用较少的电池或电压较低的电池来传送预定大小的电流。这样，由于一般的升压电路只需较少的电池和/或电压较低的电池来为设备供电，从而降低了电子驱动传送设备的成本。

由于在电子驱动传送的过程中，病人体表(例如，皮肤)的电阻值不恒定，降低电子驱动传送设备的电源的成本的问题变得复杂了。因为驱动通过病人皮肤的特定大小的电流(i)所需的电压与皮肤的阻抗是成比例的(即，根据欧姆定律其中V＝iR_skin)，所以在电子驱动传送的过程中所需的电压大小也不是固定的。例如，当电子驱动过程刚开始时，病人的初始的皮肤阻值相对较高，这时需要电源产生较高的电压来传送一个预定大小的电流。可是，几分钟之后(即当电流通过皮肤1至30分钟后)，皮肤的阻值下降，这时传送一个预定大小的电流所需的电压就比电子驱动传送刚开始时要小得多了。作为例子可参看Haak等的美国专利5,374,242，其中公开了将皮肤电阻与2个或2个以上的电池串联或并联以适应皮肤阻值的变化。

尽管一般的升压电路可以提供所需的输出电压来适应高的初始皮肤阻值，但它们却降低了设备的效率，并且当皮肤阻值低于初始状态时，需要更多的电池输出电压，这样导致了低效率以及电池大小和成本的增加。

Jacobsen等的美国专利4,141,359中公开了一种直流一直流(DC-DC)转换器，该转换器的变压器以主电源的一个固定的电压系数将主线圈中的电流的周期变化感应耦合到次级线圈的电流脉冲。次级线圈电流的脉冲由治疗电极传导通过皮肤。次级电流的均值或直流值由误差电压和反馈电路进行控制，这样次级电流的均值保持恒定。Jacobsen电路的一个缺点是其固定的加倍的电压的峰值直接加在电极上。当皮肤阻抗较低时，峰值电压是不必要的，而且它产生了一个治疗电流的不必要的高的电流脉冲，并可能对皮肤产生不良影响。

Teillaud等的美国专利5,426,387公开了一种带有一个电子开关组件的开关式电源的设备。电子开关组件的闭合将控制对电感的充电，当电子开关组件重新开启时，该电感将对一个电容充电，该电容的两端上所加的是该设备的输出电压。该设备包括一个同步的数字计数器，和一个微控制器用来向计数器连续加载一个预定序列的数，这是对计数器计数的一种约束；其中计数器控制电子开关组件以一个预定的时间间隔周期地闭合，这样设备的输出电压将跟踪一条与该数字的序列对应的预定的波形。Teillaud设备的一个缺点是它需要一个相对贵的，复杂且体积大的微控制器/计数器设备来提供一个特定大小的治疗电流。因此，Teillaud设备可能不适合于那些需要体积小，重量轻，价格便宜的电子驱动传送设备的应用。

本发明的一个目的是提供一种方法用以提高带有升压电路的电子驱动药物传送设备的工作效率。

本发明的另一个目的是提供一种方法使电子驱动药物传送装置工作时，电源电压可升至一个可与药物传送条件(例如：皮肤阻值)最佳匹配的值。

本发明提供了一种用于操作带有升压电路的电子驱动药物传送设备的方法，该升压电路是用来提升电源(如，电池)的输出电压的，在该电路中提升倍数是根据病人的皮肤阻值自动进行控制的。该设备适合于通过电子驱动过程将药剂送入动物的体表(例如：人的皮肤)。该设备有一个带有输出电压的电源(如，一个或几个电池)。电源的输出电压由电压升压器升高用以提供工作电压，该电压放大器的放大系数可调。从体表的电阻值，通过体表的压降和/或通过体表的电流中选出一个体表参数进行测量，并且放大系数可根据所测得的体表参数进行调整，从而获得调整后的工作电压。通过所测得的身体参数(例如，皮肤阻抗)对提升系数进行调整，这样设备就只需要用来传送预定的驱动电流所需的电压，而升压电路并没有消耗多余的电压。这样，本发明的方法就提高了电子驱动传送设备的工作效率。

从以下的文字说明和附图中可清楚地看到本发明的以上及其它的一些特点、目的及优点，其中

图1是本发明的一个电子驱动药物传送设备的透视图。

图2是本发明的一个电子驱动设备的部件分解图。

图3所示的是病人的皮肤阻值随着时间推移的衰减。

图5是图4电路的工作时序图。

图6是本发明的另一个可调电压升压电路的原理图。

图7是图6电路的工作时序图。

图8是本发明的另一个可调电压升压电路的原理图。

本发明的电子线路实际上可用于任何一种电子驱动传送设备中，尽管在那些适用于以电子驱动方式将药物送入皮肤的设备中该电路会有特殊的用途。图1和图2所示的是可以采用本发明的电路的电子驱动药物传送设备的例子。根据图1所示的一个电子驱动设备10的透视图，该设备有一个按钮式的可选启动开关12和一个可选的发光二极管14，当设备10工作时，该二极管发光。

图2是本发明的第二种设备10’的部件分解图。图2中的设备10’与图1中设备10的差别在于发光二极管14’的位置不同。在本发明的这种实施方式中，发光二极管14’靠近按钮开关12，位于设备10’的一端。设备10’包括以下几部分：一个上外壳16，一个电路板组件18，一个下外壳20，阳极22，阴极24，阳极容器26，阴极容器28和可粘在皮肤上的粘接件30。上外壳16有边翼15，用来帮助将设备10’固定在病从的皮肤上。上外壳16最好用注模的合成橡胶(醋酸乙烯(ethylene vinylacetate))构成。印刷电路板组件18包括一个与分离元件耦合的集成电路18和电池32。电路板组件18由装脚(图2中未画)穿过开孔13a和13b与外壳16相连。装脚的端头被加热或融化后，将电路板组件18热桩钉(heat stake)于外壳16上。下外壳通过粘接件30与上外壳16相连接；粘接件30的上表面34同时与下外壳20和包括边翼15的下表面在内的上外壳16粘在一起。

电路板组件(18)的下侧(图中画出了一部分)有一个扣式电池32。其它型号的电池也可用来为设备10’供电。

设备10’通常包括电池32，电子线路19、40，电极22、24，和装药/化学试剂的容器26、28，所有这些组件被集成在一起成为一个整装的单元。电路板组件18的输出(图2中未画)利用粘性的导电片42，42’，通过下外壳20上的凹陷25，25’中的开孔23，23’与电极24，22建立起电气连接。电极22和24反过来在机械上和电子上都与装药容器26，28的上表面44，44’直接接触。装药容器26，28的下表面46，46’通过粘接件30上的孔29，29’与病人的皮肤相接触。

当按下按钮开关12，电路板组件18上的电子线路向电极/容器22，26和24，28传送给定的传送时间的预定大小的直流电流。最好设备通过让发光二极管14’变亮和/或从例如蜂鸣器中发出听觉信号，向用户发出一个视觉和/或听觉上的药物传送开始的确定消息。这样药物就在电子驱动的作用下由容器26，28之一送入病人的皮肤。

阳极22最好由银组成，同时阴极最好由氯化银组成。容器26和28最好由水凝胶聚合物材料组成。电极22、24和容器26，28装在下外壳中。容器26、28中一个是“施主”容器，装有待传送的治疗试剂(例如，药)，另一种容器通常装的是生物兼容的电解液。

按钮开关12，电路板组件18上的电子线路和电池32被胶粘着封在上外壳16和下外壳20之间。上外壳16最好由橡胶或其它合成橡胶材料组成。下外壳20最好由塑料或合成橡胶板材料(例如聚乙烯)组成，这样可以很容易地注模形成凹陷25，25’，并挖成开口23，23’。组装成的设备10’最好是耐水的(即防溅)，并且最好是防水的。该系统有一个的下部轮廓容易与身体相吻合，从而允许佩戴部位及其周围的活动自由。容器26、28位于设备10’的与皮肤接触的一侧，它们之间分得足够地开以避免在正常的操作和使用中发生短路。

用周边粘接件30将设备10’粘到病人的体表(例如，皮肤)上，粘接件30的上面为34，与皮肤接触的一面为36。粘接面36上的粘性材料可以确保在用户正常运动时，设备10’固定在身体上，同时还允许在预定的佩戴时间(例如，24小时)之后，能够将其取下。上粘接面34贴在下外壳20上，同时将电极和装药容器固定在凹陷25，25’之中，并且将下外壳20与上外壳16粘在一起。

按钮开关12很方便地位于设备10’的上表面，并可隔着衣服将其打开。最好能够采用在较短的时间内，例如3秒按两个按钮开关12的方式来接通设备开始进行药物传送，这样可以减少意外启动设备10’的可能性。

当药物传送刚开始时，病人的皮肤阻值通常相当高，而过一段时间后，皮肤的阻值会大大地下降。图3所示的是该特征曲线，由图中所示下降的皮肤阻值将大致接近于一个稳定状态值。若放电速率为0.1mA/cm²，该稳定状态值通常为20至30kohm-cm²数量级，而皮肤阻值的初始值通常要高出几倍或许多倍。

在现有的电子驱动传送设备技术中，电源电压和/或升压电路的升压倍数选得足够的大，以克服工作开始阶段时高的皮肤阻值。可是，当工作进入稳定状态时，随着皮肤阻值的降低，采用现有技术的设备的工作电压就过高了。在采用现有技术的某些设备中，在稳定的工作状态下传送特定电流所需的工作电压是电子驱动传送刚开始时传送同样大小的电流所需电压的一半或者更少。相应地，由于皮肤电阻从初始的高值的降后，升压电路中电压的浪费，使得采用现有技术的设备的效率不是很高。

图4所示的是根据本发明的升压倍数可调的升压电子驱动电路100的原理图，该系数根据所测得的治疗负载电流进行调整。与刚才所描述的现有技术相比，这种设计能更有效地利用电池，从而使设备的体积和成本都大大降低了。电路100包括一个电池形式的电源102，和一个电压控制的结点104，该结点与一个电极组件108电气连接。用传统的方式，如粘合剂、橡皮膏、带子或类似的东西将电极组件108附着在动物身体110的某个部位。动物体表在图中用一个可变电阻负载R_v来代表，所表示的是电流I_l通过时，皮肤阻抗的变化。

另一个电极组件112类似地附着在动物身体112的另一个部位。电极组件112与一个串联电流检测电阻114相连接。电极108，112，体表110和测量电阻114形成了一个负载电流通路，用来传导负载电流I_l。电极组件108、112相当于图2所示的电极/容器组合件22，26和24，28。电极组件108，112中至少有一个装有适合于用电子驱动传送入动物体内110的一种形式(例如，一种水溶剂)的药剂(例如，一种药物盐)。

储能电感118连在电池102和整流二极管120的正极之间。二极管120的负极与电压控制的电结点104相连。一个滤波电容122接在结点104和系统地之间。

可控开关124有一个控制输入126，它的一端128与二极端120的正极和电感118的结点相连接，另一端130与系统地相连接。控制输入126可以使开关124打开或闭合，从而在端点128和130之间产生一个低阻值的连接，这样可以通过一个低阻值通路将电感118与系统地断开或接通。开关124可以是一个电子开关设备，例如双极性或FET型的晶体管。

控制电路132有一个控制输出134与开关控制的输N126相连。控制电路132包括有一个反馈输入133，用来控制控制输出126和开关输入136。

可参照图5来理解可调的升压电路100的工作情况。当电路100启动后，例如按下图1中所示的按钮开关12，控制电路132首先将输入136与系统地相连。这使得测量电阻114开始传导来自负载110的负载电流I_l。

然后，控制电路132触发控制输出134，这样开关124将电感118的一端与地接通，接通时间为T₁。在时间T₁之内，被电池102驱动的电感电流I_i增加到一个最大值I_p。

当T₁结束时，控制电路132改变输出134，再次触发开关输入126，则开关124打开一段时间T₂。在T₂之内，电感电流I_i不会流向地，而是被强制通过二极管120流入电结点104。滤波电容122为瞬时电流I_j提供了一个低阻抗通路，然后在T₂这段时间内I_i衰减为0，同时由于电容122的充电电器结点104的电压升高。

在T₁这段时间内，通过充电电流I_i，电感118存储能量。在T₂这段时间中，电感118通过二极管120向滤波电容122释放能量。这样电感118在能量损失很少的情况下，将能量由电池102转移到电容122中，能量损失仅由二极管120的压降和电感118、电池102和连接处的很小串联电阻产生。这样，负载电流I₁的能量源不直接来自于电池102，而是来自于电容122(即，在T₁时间段内)，或电容122和电感118的组合(即，在T₂时间内)。

控制电路132可无限重复T₁，T₂周期，或是在以下所述情况下停止。结点104处的电压V_w被升至电池102的可调倍数，这个可调的倍数同时间段T₁和T₂的值决定。这样，可以通过调整T₁，T₂的值来调整升压倍数。

图5中的虚线表示由控制电路132控制的漏掉的或延迟的脉冲。当不需要脉冲用来补充电容122的消耗的电荷时，会发生这种情况，比如当所需的治疗电流I₁相对较低时。图5中的虚线表示升压倍数的控制方式可以是脉冲宽度调制，脉冲频率调制，脉冲跳跃，或其中几种的组合。

可调的工作电压V_w使负载电流I₁经过动物身体负载110、测试电阻114后流入开关输入端136，然后流至地。

反馈输入端133测出由负载电流I₁在测试电阻114上产生的电压。控制电路132通过调整时间段T₁和T₂对反馈输入133作出反应，从而升高工作电压V_w。这是通过将控制电路132中所设的参考电区与在输入端133测出的电压进行比较来完成的。如果在输入端133测出的电压进行比较来完成的。如果在输入端133所测得的电压小于参考电压，则控制电路132将使开关124以很高的频率进行开关操作，直到电压V_w升高到了合适的值。通常，开关124关闭的时间越长(即，T₁越长)，则在电感118上所产生的电压越大，升压倍数也越大。电池电压可以由于电感118而提升。电感118上所产生的电压等于电感值(L)乘以电流流经电感的速度：

      V_ind＝L(dI_i/dt)这样，通过电感118后，得到一个较高的电压(该电压一部分由电感118的电感值决定，另一部分由通过电感118的电流的速率决定，该速率由T₁和T₂的值来控制)和一个较低的电流，因为进入电感118的功率必需与电感118输出的能量相等。

另外控制电路132使得时间段T₁，T₂结合电感118的值，负载电阻值110的值、电容122的电容量值相应于反馈输入端133上出现的电压而设置，这样电容122对电压V_w进行平滑和调整，提供一个负载电流I₁，该电流是一个预定大小的基本恒定的电流(DC)。

这样，电极组件108和112，及动物的身体110不会象在现有的技术中那样被加上高的电压峰值，而是只加上了最小的足够驱动所需负载电流I₁的电压值。

通过控制电路132调整T₁，T₂来使V_w升高到一个最小的绝对值，该电压的大小能够提供负载电流并使之维持所需的预定值。如果负载110的阻值太高，从而不可能在V_w不超过安全电压的情况下，得到预定的电流I₁，则一个电压限制装置，如齐纳二极管116，将接在电极组件108和112之间，用来限制供给负载110的电压。通常V_w的最大安全限制值约为24伏。可由具有不同击穿电压的齐纳二极管116来获得不同的电压限定值，或者使用下面进一步描述的安全措施。

一旦负载110的阻值降低到在最大安全电压的条件下，负载电流I₁可以达到预定值时，控制电路132将对反馈输入端133的反馈量作出反应，并调整T₁和T₂，使电压V_w升高到足够维持电流为给定的值，而不受阻值进一步下降的影响。

受控的电连接处104的工作电压V_w为电池102电压的倍数，且只要负载电压小于齐纳二极管116所设定的限制电压时，工作电压V_w刚好足够使负载电流I₁为给定的值。

能量从电池102传到负载110和电容122时的低损耗，在电池容量一定的情况下，最大地延长了电池102的使用寿命。这就使得对于某一给定的治疗方案可以使用便小的电池，或者说，延长了在某一给定成本下治疗的使用时间。

通过负载110的预定的电流I₁可以是固定的或是时变值。无论是哪一种情况，控制电路132都将提供方法，用来产生要使用的预定的电流-时间曲线。这可由在技术中常用的方法来完成，例如采用差分比较器，比较器的一个输入端与测量电阻114相连接，另一个输入端与一个固定的参考电压相连，或是将另一个输入端与一个数/模转换器的输出相连，该数/模(D/A)转换器是由一个存有预先设计的模式的同步ROM驱动的(图4中未画)。

电路100还可以带有一个保护电路138。保护电路138有高阻抗和低阻抗检测功能，同时还包括有一个输入140，该输入端用来测量负载110上的压降，并将所测得的压降与预定的最小限定值相比较。电路138还包括一个输入端142，该输入端测量通过负载110的电流I₁，并将所测得的电流与预定的最大限定值相比较。保护电路提供了技术人常用的阻抗检测和断电保护。例如参见Jacobsen等发明的美国专利4,141,359的图1中所示的保护电路。

保护电路138通过电压输入140和电流输入142来监测负载110的阻值，并且当负载110的阻值超过预定的上限值或低于预定的下限值时，关闭电路100的升压功能。将美国专利4,141,359中描述的类型的保护和断电电路138加入升压电路100中是在普通的电气技术人员的能力范围之内的。

在使用中，电极组件108和112采用传统的方式附着在皮肤的表面110，治疗电流器开关装置(未示出)如图1中所示的开关12来启动。控制电路132开始控制开关124的开和关的切换。电感电流I_i的重复脉冲使得电感交替地在开启周期T₁中，通过开关124到地进行充电并在闭合时间周期T₂中，向电容122放电。

通过调整开启和闭合周期T₁和T₂，电流I_i的脉冲使电压V_w乘上了一个可以调整的升压倍数，这个过程直至反馈输入133的信号指示负载电流I₁正常时为止。

图6所示的是根据本发明的另一个可调的电压自举电路200。电路200包括有一个电池202，一个电感204，一个二极管206，一个电压控制的电结点207，一个电低电阻的滤波电容208和电极组件210，212，这两个电极组件由传统的方式附着于动物身体213的不同部位。在图中动物身体213由一个可变电阻R_v来表示，用以强调负载213的阻值随着时间和电流发生变化。

电极组件210、212中至少有一个装有适合以电子驱动方式传送入动物身体213内的药剂。

电路200包括一个N沟道的场效应晶体管(FET)开关218用于开关电感电流I_i，一个电感电流测量电阻220，和一个负载电流测量电阻214。本电路还包括一个高效的，可调的DC-DC步进控制器216。由加州，森尼韦尔的Maxim Integrated Products公司生产的MaximMAX773是控制器216较好的选择。

图6所示的是MAX 773控制器216的一个简化的原理图，该图足以说明本发明的意图。MAX773控制器的更详尽的原理图可查阅MAX773数据表19-0201；Revo；11；93；该表可从制造商处获得。控制器216是一个集成电路，该集成电路将其内部元件用集成电路生产过程中形成的导电轨迹连接起来。外部的管脚是用来通过传统的印刷电路板与外部元件相连接的。传统的印刷电路板是在绝缘的衬底上镀上铜或其它导电材料做成的。参考在这所描述的电气连接来理解图6中所示的内部电路或外部电路。参考MAX773控制器电路的元件来说明电路216中所描述的功能。与传统的脉冲频率(PFM)转换器利用从分压电路中获得的误差电压来控制转换器的输出电压为一恒定值不同，控制器216与测量电阻214相连接，并利用其产生一个误差电压来控制平均负载电流I₁。MAX773控制器也工作在高频(高于300KHZ)，允许使用较小的外部元件。控制器216包括有一个参考电压管脚256，一个接地管脚258，一个接地转换输入端260，一个低阈值输入端262，一个反馈输入端264，一个断电输入端266，一个电流测量输入端268和一个电源总线输入端270。

控制器216还包括一个带有输出231的第一两输入比较器230，一个带有输出233的第二两输入比较器232，第一参考电压242，第二参考电压244(例，1.5伏)，带有输出247的第三两输入比较器246，带有一个开关控制输出252和一个开关控制输出254的PFM/PWM驱动电路240和一个第二N沟道FET开关250。

可参考图6和图7来理解电路200的工作。电路200以一种新颖的方式使用控制器216，使电池202的能量以很高的效率转化为电压控制的电器结点207处的可调的放大电压V_w，并同时控制负载电流I₁。

参考图6，根据本发明，负载电流I₁的一部分反馈至反馈输入端264。测量电阻214的一端与反馈输入端264相连。电阻214的这一端还与电极组件212相连，用来获取负载电流I₁。电阻214的另一端与控制器216的输入端260相连。开关250的源极与系统地相连。开关250的栅极与比较器246的输出247相连。比较器246的反相输入端与输入管脚262相连。输入管脚262与系统地相连。比较器246的非反向输入端与参考电压244相连。参考电压244还与参考电压管脚256相连。比较器246被驱动，这样输出247总为高。这样开关250被驱动，将管脚260与地接通，从而负载电流I₁通过测量电阻214流入地。

输入端264与比较器232的反相输入端相连。比较器232的非反相输入与参考电压244相连。比较器的输出端233与PFM/PWM驱动电路240相连。

比较器230的输出231与PFM/PWM驱动电路240相连。比较器230的反相输入端与参考电压242相连。比较器230的非反相输入端与电流测量输入端268相连。输入端268与电感电流测量电阻220的一端相连。电阻220的另一端与系统地相连。控制器216的接地管脚258也与系统地相连。

PFM/PWM驱动电路240的一个输出端与输出端252相连。输入端270与电池202的一端相连。电池202的另一端与系统地相连。PFM/PUM驱动电路240的一个输出端与输出端254相连。输出端252和254都与外部的N通道开关218的栅极相连。开关218的漏极与能量存储电感204的一端和整流二极管206的正极的结点相连。开关218的源极与电流测量电阻220与电流测量输入端268相连的一端相连。

电感204的另一端与电源总线输入端270和电池202的端头相连。一个滤波电容276连在输入端270和地之间。一个滤波电容278连在电压管脚256和地之间。在感兴趣的脉冲频率上，滤波电容276和278的动态阻抗很小。

二极管206的负极与一个电结点207相连。结点207还与滤波电容208的一端，齐纳二极管280的负极和电极组件210相连。齐纳二极管280的正极和电容208的另一端与地相连。结点207结束了电路200，该电路在结点207处将工作电压V_w升压为电源电压(即电压202)的可调倍数的电压。

齐纳二极管280提供了一种装置用来限制电极组件210和212之间的电压的峰值，也就是动物身体负载213所承受的最大电压。

参考图6和7来理解升压倍数可调电路200的工作。当电能由是民池202传至输入端270，同时输入信号266的逻辑电平正确，控制器216开始工作。如果输入262保持为低，同时比较器247的非反相输入端处于从参考电压244获得的电压，比如1.5伏，则比较器的输出246将为高。由于开关250的栅极上加的是高电压，输入260将通过开关250的栅极上加的是高电压，输入260将通过开关250的漏极与地相接通。这将使得电阻214从电极组件212获取负载电流I₁。

与传统的PFM转换器一样，直到电压比较器232测出输入电流不正常时，开关218才会打开。然而，与传统的PFM转换器不同的是，MAX773使用的是电感电流峰值极限测量电阻220、参考电压242，比较器230及由PFM/PWM驱动电路240产生的最大开关接通时间和最小开关断开时间的组合；而没有振荡器。通常最大的开关接通时间T₁是16微秒，最小的开关断开时间T₂是2.3微秒。

一但断开，最小断开时间将使开关218在T₂这段时间保持断开。在这个最小时间过后，开关218要么(1)如果输出电流T₁正常，则保持断开状态，或是(2)如果输出电流I_l不正常，它将再次接通。

当开关218断开时，电感电流I_i流经二极管206，在结点207处流入电容208，补充由负载213消耗的电荷。可以看出，充电电流I_i的这种开关方式为结点207处的工作电压V_w提供了一个可调升压倍数的电池202电压，该电压刚好足够提供所需的恒定电流I_l。由电感204产生的峰值电压将正好超过二极管206的压降和工作电压V_w，从而使电池202的能量损失最小。

控制器216的电路允许电路200以大负载连续导通模式(CCM)工作，同时保持高效率。当电源开关218接通时，它将保持接通状态，直到(1)最大接通时间将其断开(通常为16微秒以后)，或(2)电感电流I_i达到了由电感电流限制电阻220，参考电压242和比较器230所设置的峰值电流限制值I_p。在这种情况下，接通时间将小于最大接通时间T₁。将电感电流的峰值限定在一个预定的最大值I_p之内，可以避免电感204的饱和，同时允许使用更小的电感值，即更小的元件。

如果平均负载电流I₁低于由参考电压244的值V_ref和测量电阻214的电阻值R_s通过关系式

V_ref＞I_l·R_s所设定的所需值时，PFM/PWM驱动电路240将自动调整接通时间T₁和断开时间T₂，并使开关218交替地接通和断开，直至负载电流T₁正常为止。

可以通过开关方式，例如图1中所示的开关12，将断电输入端266与逻辑高电平相接，来启动可调升压倍数的电路200的工作。当断电输入端266为高电平时，MAX773电路进入断电模式。当处于该模式时，内部的偏置电路(包括参考电压)被断开，开关250进入一个高阻状态，(由于从电池202通过电感204到电极组件210的直流通路)工作电压比电池202的电压低一个二极管的压降。电池202的输出电流为V_w/I_l。但是由于开关250的高阻状态没有电流通路，且负载电流I_l为0。

本发明另一种实现方式中，可以通过设计负载电流测量电阻214的值来使电流I_l为某一特定的曲线。可以通过让负载电流I_l与其它并联或串联电阻的切换来设计电阻214的值。在技术上，这种切换控制装置是公知的。

图8所示的是一个带有另一个电压升压电路的电子驱动设备300的原理图。设备300与在图1和2中所示的设备10和10’不同，它有一个可重复使用的控制器302，该控制器可分别与多个一次性的，最好是抛弃型的装药组件304每次一个地连续耦合，可抛弃型的装药组件304附着于动物(例如：人)的体表，例如皮肤306，图8中以一个可变电阻来表示。装药组件304有一对电极(即阳电极308和阴电极310)，至少应有一个电极装有将通过电子驱动方式传入皮肤306中的药剂。装药组件304和控制器302可由一对金属插件式连接器336，338，机械地电子地耦合在一起。这样，电子驱动负载电流I_l通过导电的插件式连接器336、338流入装药组件304和病人身体。

控制器302包括两个部分的电路：一个是电压升压电路312，用来将电源(例如，电池)318所提供的电压V₊升高至工作电压V_w；和一低负载电压电流吸收电路314。当负载电阻R₁上的电压V_w较高时，也就是当V_w大于V₊减去二极管电压V_d(串联二极管315上的压降)时，电压升压电路312通过电感320和二极管315为负载306提供电能，如以下的更详细描述。

当负载电阻R₁降至一个较低的值，这样

〔(I_l·R_l)+V_ref〕＜(V₊-V_d)，负载电流的控制将转换到电流吸收电路314，该电路使得控制器302可以在一个更低的皮肤阻抗(R_l)下工作，具有比图4和图6中所描述的电路更高的效率。

电压升压电路312与电流吸收电路314的配合工作可以与使用典型的PFM/PWM控制器332合在一起进行解释。这种控制器332的代表例子是加州，森尼韦尔的Maxim Integrated Products，公司的MAX 771，尽管该技术中可得到，其它的PFM/PWM转换控制也可以被采用。

电源318通常是一个有正极和负极的电池。正极V₊与电路332上的电源输入管脚232和电感320的一端相连。电池318的负极与系统地相连。

电感320的另一端与二极管315的正极和n沟道开关236的漏极324的结点相连。

开关326的源极与峰值电流测量电阻328的一端相连。电阻328的另一端与系统地相连。开关326的栅极与电路322的一个开关控制输出端330相连。

电路322的一个测量输入端332与也开关326的源极和峰值电流测量电阻328之间的结点相连。

二极管315的负极与滤波电容334的一端相连。电容334的另一端与系统地相连。电容334和二极管315的负极的结点通过插件式连接器336与跟病人皮肤306相接触的阳电极308相接。阴电极310也与病人的皮肤306相接触，并且与插件式接头338相连。

插件式接头338与带有栅极和源极的第二n沟通晶体管340的漏极相连。晶体管340的漏极和源极串联在一起，组成了接收负载电流I_l的电流吸收电路314的一部分。晶体管340的源极与第一负载电流源电阻342的一端相连，该电阻的阻值为R₂。电阻342的另一端与阻值为R₃的第二负载电流源电阻344相连。电阻344的另一端与系统地相连。

电阻342和电阻344的结点与一个有高电压增益A_v的高阻抗的双输入的差分运算放大器346的反相输入端相连。运算放大器346的输出与晶体管340的栅极相连。运放346的非反相输入端与电路322的参考电压输出端348(V_ref)相连。

晶体管340的源极与电阻342的一端相连的结点与电路322的反馈输入350(FB)相连，用来控制通过病人的负载电流I_l。

电路302有二种工作方式：(i)当皮肤阻值R₁高时(ii)当皮肤阻值R₁低时。第一种工作工式如下。当皮肤阻抗R₁为高时，这样，

〔(I_l·R₁)+V_ref〕＞(V₊-V_d)，电流I_l由电路322控制。在负载电流测量电阻342与输入350相连的一端，有电压反馈。电路322将输入350的电压与V_ref输入348的电压相比较，并调整输出330的开关频率和脉冲宽度，交替地用电流I_i对电感320充电，并通过二极管315向电容334放电直至在输入350处的反馈电压(由负载电流I_l乘上(R₂+R₃)的和，即反馈电阻342和344的阻抗值之和，得出)等于参考电压V_ref348。

电阻342和344的值，运放346的增益346和输出348的值V_ref的选择要使得在需要的负载电流I_l下，输出端348的电压V_ref和运放反向输入端上的电阻342和电阻344结点处的反馈电压的差值会使运放346的输出足够驱动晶体管的栅极，使其完全导通。

电阻342，344上反馈电压的一部分反馈至运放346的反向输入端。选择R₂∶(R₂+R₃)的电阻比值和运放346的增益A_v，使得运放346的输出驱动晶体管开关340至一个低阻状态，这样它与电阻344基本上没有电阻的关联。

因此，当I_l的平均值太低，即I_l与(R₃+R₂)的积小于V_ref348时，反馈输入350与峰值电流测量电阻328一起使得开关输出330以某一频率和脉宽开关足够以电流I_i对电感320进行充放电，以使得通过皮肤的平均电流I_l将处于正常状态而不使电感320饱和。

电路322的作用是将I_i限制在一个峰值电流，使得当测量电阻328上的峰值电压和限定晶体管326的打开脉冲宽度时，电感320不会饱和。

另一方面工作方式(ii)，如下由电流吸收电路314来控制。当病人皮肤的阻值R₁趋向低值时，即

〔(I_l·R₁)+V_ref〕＜(V₊-V_d)负载电流I_l将不受皮肤电阻R₁的限制，并且将继续增长。

在界限内，当R₁接近零时，I_l将升高，仅由电压V₊除以电阻342，344的串联值和晶体管340的阻值来限流。

I_l的升高将驱动晶体管340的源极电压为正，直至反馈输入350使得升压电路开始失去对负载电流I_l的控制时为止，电路322不必触发开关326来维持负载电流I_l。

在图8的电路中，选择电阻342和344使得R₃∶(R₂+R₃)的比值足够接近于等于1，即R₂的电阻值远小于R₃的阻值(例如，R₂＝3欧姆；R₃＝1.5千欧)，在方式(ii)中，当I_l升高且电阻R₃上的电压升高时，运放346输入端的电压差降得足够低，使得运放346的输出电压低于晶体管340的栅极电压。

晶体管340脱离和状态，并开始与R₂和R₃串联表现出变化的阻抗。晶体管阻抗的变化将由运放346和输入，V_ref和包反馈电压的一部分(即输入运放346的反馈电压，该反馈电压等于负载电流乘以阻值R₃，即I_l·R₃)来控制。由晶管340提供的附加阻抗的变化将阻止I_l继续增加。

运放346的增益A_v和比值R₃∶(R₂+R₃)的选择使得方式(i)和方式(ii)中电流I_l的差别足够小。使用增益大于1000的运放，3欧姆的R₂，1.5千欧的R₃将使该差别远小于5％。在前面，这种情况是由附加的逻辑控制器(即，一个微处理器)，电阻和开关来解决的。逻辑控制器将检测到“低于电源电压”的情况，并接入一个与负载306串联的电阻，迫使升压电路312重新建立电流控制。加入微处理器和其它元件增加了成本和工作时电流的消耗，降低了效率。如果没有必要，让升压电路312连续工作，这样效率不高。当电源电压更大一些时，这就更成了一个问题。

电流吸收电路314与升压电路312一起为将治疗电流I_l在皮肤电阻的较大变化范围内控制在一个相对稳定的值提供了一种简单，低成本、电效率高的有效方法。

在方式(ii)中由晶体管340提供的附加阻抗可由其它有源设备提供，例如一个P沟道晶体管或一个pnp或npn型的双极性晶体管，或类似的设备。电流的测量可由霍尔效应测量器或其它磁测量设备，例如，开关电流采样转换器来提供。也可由分离的晶体管和电阻、电容组成一个差分放大器来提供合适的反馈放大，这种电路的设计对于那些熟练的技术人员来说是不成问题的。

尽管在此已对本发明的实施方式的一些特点及发明者所认为的实现本发明的最佳方式进行了说明，但还可以做很多不同的实施方式。因此，本发明的范围仅由以下权利要求书来决定。

Claims (9)

1.一种控制电路用于电子驱动传送设备，所述电子驱动传送设备包括第一和第二电极用于将该设备连接于动物体表，以通过动物体表提供药剂，所述控制电路包括：

一个直流电源节点，用于接收直流功率输入；

一个电感，具有第一和第二触点，第一电感触点耦联于所述直流电源节点；

一个二极管，具有一个阳极耦联于第二电感触点，一个阴极耦联于所述第一电极；

一个开关，具有一个控制输入，所述开关位于阳极和电路地之间；

一个第一滤波电容，耦联于阴极和电路地之间；

一个检测电阻，耦联于所述第二电极和电路地之间；以及

一个开关控制器，具有一个控制输出耦联于所述开关的控制输入，和一个传感器输入耦联于所述第二电极和所述检测电阻之间的一个节点，

其中所述开关控制器触发所述开关以在所述第一电极引发一个工作电压，该引发的工作电压驱动一个电子驱动电流通过动物体表并通过所述检测电阻，以及

其中所述开关控制器将在传感器输入产生的电压与一个参考电压比较，并且将工作电压提升至一个值，足以使在传感器输入产生的电压基本等于参考电压。

2.根据权利要求1的控制电路，其中所述开关控制器连续提升工作电压至一个值，足以将在反馈输入产生的电压保持为基本等于参考电压，并且其中通过动物体表的电子驱动电流被保持在一个预定的水平，而与动物体表电阻的变化无关。

3.根据权利要求2的控制电路，其中所述检测电阻的值被改变，以使电子驱动电流跟随一个预定的电流-时间曲线。

4.根据权利要求1的控制电路，进一步包括一个第二检测电阻耦联于所述开关和电路地之间，其中所述开关控制器限制通过所述电感、所述开关和所述第二检测电阻的峰值电流。

5.一种驱动电子驱动电流通过动物体表的方法，包括以下步骤：

在串联结合的动物体表和检测电阻上施加一个工作电压，以驱动电子驱动电流通过动物体表，并且通过检测电阻；

将在检测电阻上产生的电压与参考电压比较；以及

将工作电压提升至一个水平，足以使在检测电阻上产生的电压基本等于参考电压。

6.根据权利要求5的方法，其中工作电压被连续提升至一个水平，足以将在检测电阻上产生的电压保持为基本等于参考电压，并且其中通过动物体表的电子驱动电流被保持在一个预定的水平，而与动物体表电阻的变化无关。

7.根据权利要求6的方法，进一步包括以下步骤，改变检测电阻的值，以使电子驱动电流跟随一个预定的电流-时间曲线。

8.根据权利要求5的方法，其中所述调节工作电压的步骤包括以下步骤，触发直流-直流升压变换器中的一个开关，该变化器包括一个储能电感、一个整流二极管和一个滤波电容。

9.根据权利要求8的方法，进一步包括以下步骤，限制通过储能电感的峰值电流。

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