CN101584909B - 一种便携式无创神经原性膀胱治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种便携式无创神经原性膀胱治疗仪，涉及医疗仪器领域。该治疗仪采用FPGA集成电路产生一系列数字脉冲信号，模拟人体排尿时神经元产生的一系列生理电脉冲信号，通过两组心电监护电极输送到人体膀胱周围的皮肤穴位，来刺激控制膀胱收缩的肌肉，最终达到治疗和缓解膀胱残余尿增多、尿潴留及尿失禁等疾病。其优点是体积小、工作稳定可靠、受使用场合的限制小、价格便宜，便于携带。

Description

一种便携式无创神经原性膀胱治疗仪

技术领域

本发明涉及一种医疗仪器，具体是一种便携式膀胱治疗仪。

技术背景

神经原性膀胱是临床上常见的膀胱功能性疾病之一，其发病原因有很多，如脊髓损伤、中枢神经系统病变、某些药物的副作用等。主要表现为残余尿增多、尿潴留及尿失禁等。此外，产后及过量饮酒也有可能影响到膀胱正常功能而导致上述现象的发生。若不及时治疗，则可能引发上尿路感染，进而引起全身性感染和肾功能衰竭而导致患者死亡。现在，随着科技的发展，虽然可以通过一些有创手段对患者进行治疗，如插导尿管、通过手术植入刺激器等，但患者要承受手术带来的巨大痛苦及高额费用，同时也限制了患者的活动范围，降低了患者的生活质量。如果采用保守治疗，对于该疾病效果甚微。而电刺激在治疗神经原性膀胱方面有很好的疗效，但现有电刺激治疗仪设备存在如下缺点：1)设备体积较大。现有电刺激治疗仪一般采用分立式元件设计，导致硬件电路板的设计体积较大，工作稳定性差。2)设备价格昂贵。该设备的开发需要涉及电子工程学、生物医学、医疗器械设计等多个不同的领域，综合性较强，设计难度较大，如中国专利神经元膀胱治疗仪(专利申请号02272944.5)，采用单片机及分立元器件设计，导致硬件电路板的设计体积较大，工作稳定性差，设备价格相对昂贵，设备不具有便携性，且使用场合受限。目前市面上出现的神经原性膀胱治疗仪产品多为垄断性产品，价格昂贵，一般患者无力购买，难以得到广泛应用和普及。3)设备不具有便携性，且使用场合受限。由于现有无创膀胱治疗仪采用分立式元件设计，系统体积较大，不具有便携性；而且需要有220V交流电源供电，因此无法满足流动患者随时随地治疗要求，使用场合受到限制。

发明内容

针对现有神经原性膀胱治疗设备体积较大，不便于携带，使用场合受限，价格昂贵等缺陷，本发明设计了一种便携式无创神经原性膀胱治疗仪。

本发明设计的便携式无创神经原性膀胱治疗仪，采用FPGA集成电路产生一系列数字脉冲信号，模拟人体排尿时神经元产生的一系列生理电脉冲信号，通过两组心电监护电极输送到人体膀胱周围的皮肤穴位，来刺激控制膀胱收缩的肌肉，最终达到治疗和缓解膀胱残余尿增多、尿潴留及尿失禁等疾病。

该治疗仪具体包括，电源切换模块、开关电源模块、FPGA电路及FPGA控制模块、液晶显示模块、电源及信号隔离模块、脉冲放大模块、R-C网络输出模块、心电监护电极。电源切换模块负责切换治疗仪由AC适配器供电还是由锂电池供电，电源切换模块的输出分别连接5V开关电源模块和3.3V开关电源模块，由其进行稳压后分别输出稳定的5V和3.3V电压，5V开关电源模块的输出为液晶显示模块供电，并通过电源隔离模块为脉冲放大模块和R-C网络提供工作电压，3.3V开关电源模块的输出送入FPGA电路进行译码，转换为对应的PWM占空比值，经信号隔离模块隔离后输入脉冲放大模块的升压电路输入端，通过对脉冲放大模块中电感L1及电容D1进行充放电，使其输出电压范围为4V 40V，通过限流电阻实现最大8mA输出电流限制，脉冲放大模块输出的方波脉冲送入R-C网络输出模块的输入端，R-C网络输出模块中包括多个T型R-C网络，在每个T型R-C网络的输出端连接有心电监护电极，通过对R-C网络中的电容进行充放电，输入的方波脉冲转变为具有相同幅值的指数波脉冲，指数波脉冲输出到连接在R-C网络的输出端连接有心电监护电极，再通过对应的电极输出到人体。

脉冲放大模块的升压电路采用MAX1553，脉冲放大模块中电感L1取值可为4.7μH，电容D1取值可为0.47μF，当PWM占空比值为0％占空比时对应最小输出电压4V，100％占空比时对应最大输出电压40V。限流电阻R2及R3的阻值设置分别为330kΩ及10kΩ。5V开关电源模块采用转换效率高达85％以上的升压型DC-DC转换芯片RT9277A。

本发明提出的便携式无创神经原性膀胱治疗仪，充分利用现代集成电路低成本、低功耗、高性能等特点，大量采用高集成度的元件，大大减小了系统的体积及功耗。而且由于多采用市场上常见的器件，因此其成本较低。与现有的治疗产品相比，该治疗仪具有成本低、体积小、携带方便等特点，可以普及到家庭，使患者不必在医院进行住院治疗，方便了需要长期治疗的患者，使其不但能够满足住院病人的治疗，而且能够满足院外病人的治疗。与现有的治疗方法相比，该治疗仪采用无创方式进行治疗，患者不用承受手术带来的痛苦及费用。

附图说明

图1本发明提出的便携式无创神经原性膀胱治疗仪结构框图

图2膀胱治疗仪脉冲放大模块框图 

图3R-C网络变换后的指数脉冲波形图

具体实施方式

本发明的便携式无创神经原性膀胱治疗仪，采用高频刺激抑制横纹肌收缩实现电刺激下的生理性排尿过程，该原理是Thuroff等通过犬实验研究发现的。膀胱逼尿肌属平滑肌，尿道外括约肌属横纹肌，两者对电刺激频率的反应特性不同。尿道括约肌在刺激频率为33～50Hz时收缩最强烈，但随着频率的增加会出现疲劳，到达高峰后收缩力很快下降。当刺激频率很快时，在几个连续的动作电位之后，横纹肌细胞膜的不应期延长，对以后的刺激不再发生动作电位，从而出现高频抑制现象。但膀胱逼尿肌却不受频率的影响。在高频刺激下仍可收缩，因此使膀胱内压力上升，最终实现将尿液排出体外。

根据上述特点，本发明设计一种便携式无创神经原性膀胱治疗仪，采用FPGA集成电路产生一系列数字脉冲信号，模拟人体排尿时，神经元产生的一系列生理电脉冲信号，通过两组心电监护电极输送到人体膀胱周围的皮肤穴位，来刺激控制膀胱收缩的肌肉，最终达到治疗和缓解膀胱残余尿增多、尿潴留及尿失禁等疾病。

便携式无创神经原性膀胱治疗仪结构框图如图1所示，该治疗仪具体包括，电源切换模块、开关电源模块、FPGA电路及FPGA控制模块、液晶显示模块、电源及信号隔离模块、脉冲放大模块、R-C网络输出模块、心电监护电极。电源切换模块负责切换治疗仪由AC适配器供电还是由锂电池供电，FPGA控制模块控制治疗仪各模块的工作，电源切换模块的输出分别连接5V开关电源模块和3.3V开关电源模块，由其进行稳压后分别输出稳定的5V和3.3V电压，5V开关电源模块为液晶显示模块提供电源，并通过电源隔离模块为脉冲放大模块和R-C网络提供工作电压，3.3V开关电源模块的输出送入FPGA电路进行译码，转换为对应的PWM占空比值，经信号隔离模块隔离后输入脉冲放大模块的升压电路输入端，通过对脉冲放大模块中电感L1及电容D1进行充放电，使其输出电压范围为4V-40V，通过限流电阻实现最大8mA输出电流限制，脉冲放大模块输出的方波脉冲送入R-C网络输出模块的输入端，R-C网络输出模块中包括多个T型R-C网络，在每个T型R-C网络的输出端连接有心电监护电极，通过对R-C网络中的电容进行充放电，输入的方波脉冲转变为具有相同幅值的指数波脉冲，指数波脉冲输出到连接在R-C网络的输出端连接有心电监护电极，再通过对应的电极输出到人体。

当接入AC适配器后，电源切换模块将系统电源切换至AC适配器供电，并自动对锂电池进行充电，直至电池充满；断开AC适配器后，电源切换模块将系统电源切换至锂电池供电。AC适配器和锂电池的输出经5V开关电源模块和3.3V开关电源模块稳压后，分别为后续模块提供稳定的5V电压和3.3V电压。

FPGA控制模块作为本治疗仪的控制核心，对包括液晶显示模块、键盘、信号隔离模块及脉冲放大模块等进行控制，使其按照设计的功能运行。脉冲信号经信号隔离模块送入脉冲放大模块，脉冲放大模块在FPGA控制模块的控制下，将脉冲放大至所需的幅度，分别送入R-C网络模块的R-C网络1至R-C网络4，通过R-C网络的冲放电特性，选择合适的R、C参数，可将脉冲放大模块输出的具有一定强度的方波脉冲变换为符合人体生理特性的指数波脉冲，再通过相应的电极输出，实现对人体膀胱逼尿肌进行刺激的目的。由于电极直接和人体相接触，为了避免意外触电情况的发生，采用电源隔离模块和信号隔离模块分别对脉冲放大模块的电源和信号进行隔离，使与人体相接触的部分在电气上完全与前端隔离，避免了可能的意外触电情况的发生。

本治疗仪的电源及信号隔离模块采用专用隔离芯片，以提高整个系统的可靠性，减小体积及功耗。电源隔离模块采用TI的DCP020503隔离芯片。该隔离芯片内置振荡器，将输入端的直流电压转换为一定频率的交流电压，再通过变压器线圈，将转换后的电压耦合至输出端，实现输入端与输出端间的电源隔离。其外围电路非常简单，仅需在电源输入端和输出端与地之间分别接入一个滤波电容(可采用2.2uF的陶瓷电容)。信号隔离模块采用ADI的ADuM1410信号隔离芯片。它采用脉冲变压器将输出信号与输入信号进行隔离。信号隔离模块的驱动电路检测输入信号的逻辑跳变，当检测到上升沿时产生双脉冲，下降沿时产生单脉冲，产生的单脉冲信号或双脉冲信号通过变压器耦合至输出端，通过输出解码器进行解码，恢复出原信号波形。该芯片可在3V或5V的电压下正常工作，提供4路信号隔离，且其使用简单，不需增加任何外围器件便可使用。

本发明的脉冲放大模块的框图如图2所示，据相关医学理论，为达到较好的治疗效果，输出到人体的脉冲电流范围应为0～8mA。由于人体皮肤阻抗范围为2K～5KΩ，所以，脉冲放大模块的输出电压应至少能达到40V。该模块采用MAX1553升压芯片，通过PWM进行输出电压调节。FPGA对从开关电源输出的稳压电压值进行译码，将其转换为对应的PWM占空比值，经信号隔离模块ADuM1410隔离后，输入至MAX1553的数字输入端BRT，MAX1553根据输入的PWM值，对电感L1及电容D1进行充放电，实现输出电压的调节。其中电感L1取值可为4.7μH，电容D1取值为0.47μF，当PWM占空比值为0％占空比时对应最小输出电压4V，100％占空比时对应最大输出电压40V。MAX1553还具有限流保护功能，防止过高电流对人体造成危害。根据MAX1553芯片手册，设置限流电阻R2及R3的阻值，当输出检测端OV检测到输出电流大于设置的门限值时，关闭芯片MAX1553内部的MOSFET，从而使输出电压衰减，实现限流的目的。根据MAX1553芯片手册，本治疗仪可设置限流电阻R2及R3的阻值分别为330kΩ及10kΩ，实现最大8mA的输出电流限制。

据相关医学理论，指数脉冲可以选择性的对病变组织进行刺激而不对正常组织进行刺激，而方波脉冲则不具有这种选择性效果，因此，指数脉冲比方波脉冲能够达到更好的治疗效果。本发明的R-C网络输出模块负责将脉冲放大模块产生的方波脉冲变换为指数波脉冲，如图3所示为R-C网络变换后的指数脉冲波形图。该治疗仪的R-C网络采用T型R-C网络，在每个R-C网络的输出端分别连接有电极，通过对T型R-C网络中的电容进行充放电，将脉冲放大模块输出的具有一定幅值的方波脉冲转变为具有相同幅值的指数波脉冲，再通过对应的电极输出到人体。该R-C网络可采用120Ω电阻及4.7uF电容采用T型连接构成，可避免由于电容饱和而导致的输出波形平顶现象，对治疗效果产生影响。4个R-C网络分别对应4个电极，将其分为2组，贴在膀胱四周相应的穴位上，交替对穴位进行刺激，以此达到对人体病变组织进行选择性治疗的目的。

Claims (4)

1.一种便携式无创神经原性膀胱治疗仪，其特征在于，包括，电源切换模块、开关电源模块、FPGA电路及FPGA控制模块、液晶显示模块、电源及信号隔离模块、脉冲放大模块、R-C网络输出模块、心电监护电极，电源切换模块的输出通过5V开关电源模块和3.3V开关电源模块稳压输出5V和3.3V电压，3.3V开关电源模块的输出送入FPGA电路进行译码，并转换为对应的PWM占空比值，经信号隔离模块隔离后输入脉冲放大模块的升压电路输入端，通过对脉冲放大模块中电感L1及电容D1进行充放电，使其输出电压范围为4V-40V，通过限流电阻实现最大8mA输出电流限制，当PWM占空比值为0％占空比时对应最小输出电压4V，100％占空比时对应最大输出电压40V，脉冲放大模块输出的方波脉冲送入R-C网络输出模块的输入端，R-C网络输出模块中包括多个T型R-C网络，在每个T型R-C网络的输出端连接有心电监护电极，通过对R-C网络中的电容进行充放电，输入的方波脉冲转变为具有相同幅值的指数波脉冲，指数波脉冲输出到连接在R-C网络的输出端连接有心电监护电极，再通过对应的电极输出到人体。

2.根据权利要求1所述的便携式无创神经原性膀胱治疗仪，其特征在于，所述放大模块中升压电路选择MAX1553，电感L1取值为4.7μH，电容D1取值为0.47μF，设置限流电阻R2及R3的阻值分别为330kΩ及10kΩ，实现最大8mA的输出电流限制。

3.根据权利要求1所述的便携式无创神经原性膀胱治疗仪，其特征在于，5V开关电源模块中电压转换部分采用升压型DC-DC转换芯片RT9277A，电源隔离模块采用内置振荡器的DCP020503隔离芯片，信号隔离模块采用ADuM1410信号隔离芯片。

4.根据权利要求1所述的便携式无创神经原性膀胱治疗仪，其特征在于，R-C网络输出模块中包括多个T型R-C网络，在每个T型R-C网络的输出端连接有心电监护电极，T型R-C网络的电阻为120Ω，电容为4.7uF。

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