CN102335482A - 混沌多维电刺激系统 - Google Patents

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雷敏
孟光
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Abstract

一种医疗器械技术领域的混沌多维电刺激系统，包括：多维混沌信号发生器、多通道功率放大控制器、控制模块以及若干多通道刺激电极，其中：多维混沌信号发生器产生连续的三维可调混沌信号并输出至多通道功率放大控制器，多通道功率放大控制器对输入的三维混沌信号进行电能放大并输出电压和电流至多通道刺激电极，控制模块分别输出控制指令至多维混沌信号发生器和多通道功率放大控制器以使混沌信号发生器进入不同的震荡状态并独立调节各通道刺激信号强度，多通道刺激电极设置于人体表。本发明通过在肌肉-神经等人体部位布置多通道刺激电极，实现对电场以及刺激电流的空间控制。

Description

混沌多维电刺激系统
技术领域
本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的装置，具体是一种混沌多维电刺激系统。
背景技术
人体是通过生物电传导实现肌肉动作的，当外伤或疾病引起生物电传导异常后，人们需要使用电刺激康复治疗设备进行治疗，通过外部电流以替代生物电对神经-肌肉系统进行刺激，从而达到防止肌肉萎缩，甚至使早期瘫痪病人重建神经网络、治愈康复。同时，使用神经肌肉电刺激，配合主动运动，可增强运动员肌力，提高运动员训练效果。
通过对文献检索发现，目前电刺激平台已有多种实现方法以及相关产品，如中国发明专利申请(申请号：200710037653.7)实现了可选择脉冲波、方波、三角波、梯形波等几种常见波形电信号进行电刺激的平台系统；中国发明专利(申请号：200420102908.5)则通过将病人患部肌电信号采集并予以放大之后，对肌肉-神经进行刺激；中国发明专利(申请号：96111681.1)通过仿生学原理，将传统推拿、按摩的生物电信号简化成脉冲信号、纺锤形信号，然后予以病人电刺激达到特点的效果。
目前功能电刺激康复治疗系统均是通过一对正负电极，是利用确定的单相波(例如脉冲波)或者交变信号(例如方波、三角波等)对肌肉-神经系统进行刺激训练或者治疗。电刺激时在两个电极之间形成电场，该电场大小随时间变化，但是空间方向却是固定的，即为交变脉动电场，而形成的刺激电流为交变脉动电流。同时，这些确定的波形信号，仅能改变频率占空比、频率等少量参数，且只含有少量的离散的谐波成分，对人体的刺激是机械、重复式的。而人体是复杂的、连续的、混沌而又有序的有机体，容易对这种机械式的电刺激产生疲劳，并且对该类型电刺激进行抑制，这样，长时间的机械式的交变脉动电刺激治疗效果不能保证。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种混沌多维电刺激系统，采用多漩涡混沌电路产生连续频谱的多维混沌信号，将所得的多维信号放大以及并对混沌状态进行控制，实现对刺激电场和电流的控制；通过在肌肉-神经等人体部位布置多通道刺激电极，实现对电场以及刺激电流的空间控制。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：多维混沌信号发生器、多通道功率放大控制器、控制模块以及若干多通道刺激电极，其中：多维混沌信号发生器产生连续的三维可调混沌信号并输出至多通道功率放大控制器，多通道功率放大控制器对输入的三维混沌信号进行电能放大并输出电压和电流至多通道刺激电极，控制模块分别输出控制指令至多维混沌信号发生器和多通道功率放大控制器以使混沌信号发生器进入不同的震荡状态并独立调节各通道刺激信号强度，多通道刺激电极设置于人体表；所述的多维混沌信号发生器为多涡卷混沌电路，内置多个级联的不同斜率伏安特性的非线性二极管。
所述的多维混沌信号发生器包括：震荡储能部分和与之相连的混沌模式控制部分，其中：震荡储能部分由第一电容、蔡氏电感和蔡氏电阻组成，混沌模式控制部分由可调电阻和并联的第二电容以及非线性电阻组成，其中：非线性电阻为多级并联形式且并联级数为3～6级；三维混沌信号分别取自电路中第一电容电压Uc1、第二电容电压Uc2以及蔡氏电阻电压UR0，通过调节可调电阻的阻值实现不同的混沌状态的切换。
所述的多通道功率放大控制器包括至少三个单通道独立可调的功率放大单元，每个功率放大单元采用功率放大集成芯片LM3886构成独立单元，并通过输出变压器升压至适合的刺激电压值。
所述的功率放大单元信号输入端设有可变电阻以对输入信号进行衰减，当可变电阻对信号无衰减时得到该功率放大单元的最大电压增益为120；该功率放大单元的空载最大输出电压Vpp＝140v，短路最大输出电流ipp＝100mA。
所述的控制模块包括：电源开关、控制电路、显示电路和电流电压限制电路，其中：控制电路由增益旋钮、模式旋钮及控制电位器组成，模式旋钮与可调电阻相连用于切换调节电刺激混沌信号，增益旋钮分别与控制电位器对应连接用于调节各通道输出电压的大小；显示电路由A/D转换单元、单片机以及液晶屏组成；电流电压限制电路将单片机采集的电刺激电流电压信号进行分析，并在刺激电压或者电流超过设定阈值时发出控制信号关闭多通道功率放大控制器。
所述的多通道刺激电极共六个且每两个一对构成多通道空间三维电刺激模式，三对多通道刺激电极之间相互垂直并形成空间旋转和/或脉动电场。
本发明技术效果包括：
1)丰富了电刺激信号谐波成分。通过可控制的多漩涡混沌电路，可使电路谐波成分覆盖0-5kHz的连续宽带范围，同时，当调节电路处于周期震荡状态时，亦可产生离散的谐波频谱，与传统电刺激相兼容。
2)非机械的连续动态电刺激。由于混沌信号的准周期与伪随机性，刺激信号永远不会与过去重复，因此机体对这种刺激不容易疲劳，而保持较高的训练与治疗效果。
3)对多维信号的多通道控制与输出。通过提取混沌电路中的多维信号，并分别对各信号放大以及电流、电压控制，从而控制各通道刺激强度，最终以多通道刺激电流形式输出。
4)空间多自由度的电刺激。通过在肌肉-神经等人体部位按空间方位布置多通道刺激电极，并给电极施加经过控制输出的多维混沌电压，电极将在肌肉-神经组织形成多个电极的叠加电场，随着多维混沌信号的变化，该电场大小和方向均变化，同时，多电极的电场在空间的叠加将产生旋转电场，因此而产生的旋转和/或脉动电流刺激将是一种全新的机体刺激方式，也是对交变脉动电流刺激的改进。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为蔡式电路示意图及其伏安特性。
图3为多通道功率放大控制器示意图及其伏安特性。
图4为实施例混沌信号空间形态示意图。
图5为功放单元示意图。
图6为控制面板外观效果图。
图7为形成空间旋转电场的电极布置示意图。
图8为传统电刺激与本发明混沌电刺激电压频谱比较图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本实施例包括：直流电源0、多维混沌信号发生器1、多通道功率放大控制器2、控制模块3以及六个多通道刺激电极组成的三组多通道刺激电极对4、5、6，其中：多维混沌信号发生器1产生连续的三维可调混沌信号并输出至多通道功率放大控制器2，多通道功率放大控制器2对输入的三维混沌信号进行电能放大并输出电压和电流至三组多通道刺激电极对4、5、6，控制模块3分别对多维混沌信号发生器1和多通道功率放大控制器2设置参数以使混沌信号发生器1进入不同的震荡状态并独立调节各通道刺激信号强度，三组多通道刺激电极对4、5、6设置于人体表，直流电源0分别与多维混沌信号发生器1、多通道功率放大控制器2和控制模块3相连以提供电源。
所述的多维混沌信号发生器1为多涡卷混沌电路，是在蔡氏电路基础上通过改变非线性电阻，内置多个级联的不同斜率伏安特性的非线性二极管，而三维混沌信号分别取自电路中的Uc1，Uc2，UR0，通过调节可调电阻R使电路进入不同的混沌状态，该多维混沌信号发生器1具体包括：震荡储能部分的第一电容C1、电感L、混沌模式控制部分的第二电容C2、可调电阻R以及对电路混沌化起关键作用的非线性电阻g(Uc1)，其中：非线性电阻g(Uc1)为多级并联形式，并联级数在3～6，并构成不同的多涡卷混沌信号发生器1，具体伏安特性如图3，示波器显示其一定参数下混沌信号空间相图如图4。
所述的多通道功率放大控制器2包括至少三个单通道独立可调的功率放大单元7、8、9，每个单元均采用一颗功率放大集成芯片LM3886构成独立的功率放大单元7、8、9，并通过输出变压器升压至适合的刺激电压值，如图5所示，功率放大单元7、8、9LM3886的信号输入端设有可变电阻Rin以对输入信号进行衰减，当可变电阻Rin对信号无衰减时得到该功率放大单元7、8、9的最大电压增益为120。同时，单元应满足空载最大输出电压Vpp＝140v，短路最大输出电流ipp＝100mA。
所述的控制模块3包括：电源开关、控制电路、显示电路和电流电压限制电路，控制面板的外观如图6所示，其中：控制电路由面板旋钮及对应电路中的电位器组成，模式旋钮与图2中可调电阻R对应，用于调节电刺激混沌信号，可使信号处于周期震荡(非混沌)、单漩涡混沌以及多漩涡混沌的不同震荡状态。而每通道的增益旋钮与图5中可调电阻Rin对应，用于调节各通道输出电压的大小。显示电路由A/D转换、单片机以及液晶屏等相关器件组成，能同时显示电刺激各通道输出电压及刺激电流。电流电压限制电路将单片机采集的电刺激电流电压信号进行分析，当刺激电压或者电流超过人体忍受极限时(例如120V/20mA)，发出控制信号将继电器J(图5)断开切断电刺激防止对人体造成危险与伤害。
所述的多通道刺激电极4、5、6共6个且每两个一对构成多通道空间三维电刺激模式，3对多通道刺激电极4、5、6之间相互垂直并形成空间旋转和/或脉动电场，如图7所示。
本装置主要创新点在于将混沌电路技术与神经-肌肉功能电刺激技术相结合，使得电刺激信号由离散的少量的谐波频谱变成连续频谱而改善电刺激效果(如图8)，由于混沌信号的准周期与伪随机性，刺激信号永远不会与过去重复，因此机体对这种刺激不容易疲劳，而保持较高的训练与治疗效果，同时，本装置不限于蔡氏电路与多漩涡混沌电路信号用于电刺激，在此平台上可将各种混沌电路(例如陈氏混沌电路、洛伦茨混沌电路以及超混沌电路等)用于功能电刺激。其次，本装置另一创新点在于将传统的单电极4、5、6电刺激扩展多电极4、5、6刺激，由传统的交变/脉动刺激电场改进为空间旋转和/或脉动的多维刺激电场，同时，本装置不限于3对电极4、5、6的3维电刺激，若采用超混沌电路，则可以得到至少4维混沌电信号的多维电刺激。因此可预计本装置的多维混沌电刺激系统将有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种混沌多维电刺激系统，其特征在于，包括：多维混沌信号发生器、多通道功率放大控制器、控制模块以及若干多通道刺激电极，其中：多维混沌信号发生器产生连续的三维可调混沌信号并输出至多通道功率放大控制器，多通道功率放大控制器对输入的三维混沌信号进行电能放大并输出电压和电流至多通道刺激电极，控制模块分别输出控制指令至多维混沌信号发生器和多通道功率放大控制器以使混沌信号发生器进入不同的震荡状态并独立调节各通道刺激信号强度，多通道刺激电极设置于人体表；
所述的多维混沌信号发生器为多涡卷混沌电路，内置多个级联的不同斜率伏安特性的非线性二极管。
2.根据权利要求1所述的混沌多维电刺激系统，其特征是，所述的多维混沌信号发生器包括：震荡储能部分和与之相连的混沌模式控制部分，其中：震荡储能部分由第一电容、蔡氏电感和蔡氏电阻组成，混沌模式控制部分由可调电阻和并联的第二电容以及非线性电阻组成，其中：非线性电阻为多级并联形式且并联级数为3～6级；三维混沌信号分别取自电路中第一电容电压Uc1、第二电容电压Uc2以及蔡氏电阻电压UR0，通过调节可调电阻的阻值实现不同的混沌状态的切换。
3.根据权利要求1所述的混沌多维电刺激系统，其特征是，所述的多通道功率放大控制器包括至少三个单通道独立可调的功率放大单元，每个功率放大单元采用功率放大集成芯片LM3886构成独立单元，并通过输出变压器升压至适合的刺激电压值。
4.根据权利要求3所述的混沌多维电刺激系统，其特征是，所述的功率放大单元信号输入端设有可变电阻以对输入信号进行衰减，当可变电阻对信号无衰减时得到该功率放大单元的最大电压增益为120；该功率放大单元的空载最大输出电压vpp＝140v，短路最大输出电流ipp＝100mA。
5.根据上述任一权利要求所述的混沌多维电刺激系统，其特征是，所述的控制模块包括：电源开关、控制电路、显示电路和电流电压限制电路，其中：控制电路由增益旋钮、模式旋钮及控制电位器组成，模式旋钮与可调电阻相连用于切换调节电刺激混沌信号，增益旋钮分别与控制电位器对应连接用于调节各通道输出电压的大小；显示电路由A/D转换单元、单片机以及液晶屏组成；电流电压限制电路将单片机采集的电刺激电流电压信号进行分析，并在刺激电压或者电流超过设定阈值时发出控制信号关闭多通道功率放大控制器。
6.根据上述任一权利要求所述的混沌多维电刺激系统，其特征是，所述的多通道刺激电极共六个且每两个一对构成多通道空间三维电刺激模式，三对多通道刺激电极之间相互垂直并形成空间旋转和/或脉动电场。
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