CN102579042A

CN102579042A - 多级恒流脉冲发生电路

Info

Publication number: CN102579042A
Application number: CN2012100562512A
Authority: CN
Inventors: 邬小玫; 王建飞; 杨圣均; 方祖祥
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: CN102579042B

Abstract

本发明属于医疗仪器技术领域，具体为一种多级恒流脉冲发生电路。所述多级恒流脉冲发生电路包括：反激式高压充电电路、电阻网络分压电路、三极管恒流输出控制电路和微控制器。反激式高压充电电路由反激式开关电源产生所需高压并对储能电容充电；电阻网络分压电路对储能电容上的电压进行分压，得到所需各级电压；三极管恒流输出控制电路取出各级电压，实现对发射极参考电阻的恒压控制，参考电阻取固定阻值，即可实现对集电极负载的恒流控制。微控制器实现对反激式高压充电电路的充电控制和反馈控制、电阻网络分压电路各模拟开关的通断控制和三极管恒流输出控制电路的输出控制等。本发明脉冲发生电路的脉宽、幅度可调，可用于术前神经定位和术中神经监测。

Description

多级恒流脉冲发生电路

技术领域

本发明属于医疗仪器技术领域，具体涉及一种脉宽、幅度可调的多级恒流脉冲发生电路，用于术前神经定位和术中神经监测。

背景技术

术前神经刺激可用于定位神经位置，术中神经刺激可用于监测神经状况。

外周神经阻滞是很多外科手术的必须步骤，而准确定位神经丛的位置是阻滞手术成功的关键。传统的外周神经阻滞手术结合解剖图采用盲探法，即依赖医生的经验和患者对异感的反馈来判断注药针尖是否到达合适的位置。若医生的经验不足，这种盲目试探的方法可能会对患者神经造成机械性损伤并带来疼痛；又或者患者处于昏迷状态或不配合时，该方法即无法实施，特别对于肥胖患者，其体表由于堆积大量脂肪导致体表解剖标志不明显，该方法效果即变得非常有限。

神经生理监测技术是目前神经外科和脊柱外科领域受到广泛关注的一项技术，其主要是通过采用特定参数的电脉冲刺激神经，观察神经的各项指标来了解和监控神经的功能状况，临床上用于术中避免神经损伤和预防术后神经功能受损。运动诱发电位（MEP）监测是术中神经监护（Intraoperative Neuromonitoring，IONM）系统的重要组成部分，可在不开颅的条件下对皮层运动区施加刺激，实时评估手术中处于危险状态的神经系统功能的完整性，并提示术者采取干预措施使神经损伤消除或减至最小。MEP的实施需要特殊的高压、大电流、短脉冲电刺激器，且输出刺激脉冲的电压、电流、宽度的变化范围大，刺激模式多。

参考专利：《神经丛刺激系统及神经丛刺激器》，申请号201120096646.6。

发明内容

基于上述两个背景，即术前神经刺激可用于定位神经位置和术中神经刺激可用于监测神经状况，本发明的目的在于提出一种脉宽、幅度可调的多级恒流脉冲发生电路。根据临床需求不同，可选择参数不同的刺激模式，主要体现在脉冲强度，即电流幅度、脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲个数的不同。本电路尤其适合于运动诱发电位监测。

神经刺激器的关键技术是多级恒流脉冲发生电路的设计，而多级恒流脉冲发生电路的关键在于多级和恒流控制。因为要求的电流级数较多，为满足电流的调节精度，使用高压充电电路在储能电容上得到高压，保证在电阻网络中两相邻档级间有足够的压差。恒流要求刺激电流的幅度不受负载阻抗变化的影响。

本发明提出的脉宽、幅度可调的多级恒流脉冲发生电路，由反激式高压充电电路、电阻网络分压电路、三极管恒流输出控制电路和微控制器组成。其中，所述反激式高压充电电路将外供低压直流电源升压至所需高电压并对储能电容充电；所述电阻网络分压电路由电阻网络对储能电容上的电压分压，得到所需各级目标电压；所述三极管恒流输出控制电路由三极管基极从电阻分压网络取出所需档级电压，利用三极管发射极和基极的压差恒定原理，实现对发射极参考电阻的恒压控制，参考电阻取固定阻值，即可实现对集电极负载的恒流控制；所述微控制器实现反激式高压充电电路的充电控制和反馈控制、电阻网络分压电路各模拟开关的通断控制和三极管恒流输出控制电路的输出控制。恒流脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲个数等由微控制器控制总开关导通、关断时间和导通次数实现。

本发明中，采用反激式高压充电电路作为开关电源以获得所需高压，所述反激式高压充电电路可采用专利ZL 200720074627.7所述的电路。反激式开关电源具有结构简单、成本低、体积小、效率高等优点。

本发明中，电阻网络可在大范围实现以确定步长分压。所述电阻网络分压电路可将储能电容电压分为所需目标档级。

本发明中，电阻网络分压级数与输入到负载上的恒流脉冲级数保持一致。

本发明中，在电阻网络保持不变的情况下，发射极参考电阻取不同阻值，可实现在不同输出电流范围内有不同的调节步长。

该多级恒流脉冲发生电路的主要功能之一是输出脉冲幅度分级可调。实现脉冲幅度可调的方法众多，本发明中采用电阻网络对储能电容电压进行分压，获得所需各档级电压。由电容放电公式U_t=U₀e^-t/RC（其中U_t为电容当前电压，U₀为电容初始电压）可知，当前电压U_t相对于初始电压U₀的衰减由放电时间t、放电阻抗R和储能电容容值C决定。当放电时间t的最大值、放电阻抗R的最小值一定时，可根据所要求的误差（U_t相对于U₀的衰减）选择合适的储能电容容值。储能电容容值越大，在t和R一定的情况下，U_t相对于U₀的衰减越小，即输出脉冲幅度的误差越小；但应该指出的是，储能电容的容值越大，其充电时间就越长，电容的体积也越大。故应该根据所设定的误差范围和充电时间要求选择合适的储能电容容值。

对于电阻网络分压电路，本发明设计了两种方案：

第一种方案是采用两级电阻网络分压的方法。设电压被分成X档级，则第一级分压电阻将电压等分为m级，第二级分压电阻将电压等分为n级，满足X=m·n即可，所需电阻总数N=m+n，m、n为正整数。微控制器控制第二级电阻网络两端的模拟开关，使第二级分压电阻并于第一级电阻的不同部分得到不同档级的目标电压。

第二种方案是采用二进制指数编码的单级电阻网络。该方案可减少电阻数目，以及改善第二级电阻驱动能力不足的问题。设电压被分成X档级，电阻数为N，满足2^N-1≤X≤2^N即可，根据电阻所处位置设置相应的权值2ⁿ（n=1,2,…）。不同权值的电阻两端有相应权值的电压，通过模拟开关组合目标权值电阻两端的电压即可得到不同档级的目标电压。

两种电阻网络各有优缺点，各自适合不同的应用场合。两级电阻网络的优点在于所需模拟开关数目小，控制简单；而二进制指数编码的电阻网络的优点在于所需电阻数目小，驱动能力强。

在本发明中，负载电流最大将达到安培数量级。在耐高压三极管领域，三极管的电流放大倍数β大多为10左右，由电阻网络提供的旁路电流将不足以驱动该三极管正常工作。故所述三极管恒流输出控制电路采用多级三极管复合成的达林顿管形式，且工作于射极跟随模式。实施方式中采用了两级三极管复合成达林顿管的形式，在电阻网络阻值较大的情况下可以考虑复合更多级的三极管，每增加一级三极管，基极电流的驱动能力将增加一个数量级。同时，单个三极管基极与发射极的压差在硅管一般为0.7V，多级三极管的压差随复合三极管数目的增加成正比例增长。相应地，通过在主电阻网络上串联对应数量且导通压降为0.7V的二极管即可补偿该线性误差。电阻网络阻值和复合三极管的级数将依据分压电阻可承受的最大功率和三极管的电流放大倍数β共同权衡决定。

附图说明

图1是电路总框图。

图2是反激式高压充电电路图。

图3是电阻网络分压电路图A。

图4是电阻网络分压电路图B。

图5是三极管恒流输出控制电路图。

具体实施方式

本发明提供的多级恒流脉冲发生电路，可用于术前神经定位和术中神经监测。在本具体实施例中，负载阻抗不超过3KΩ；最大输出脉冲电流不超过100mA，10mA以下以步长0.1mA调节，10mA-100mA以步长1mA调节；发放一组脉冲的总宽度不超过10ms；输出脉冲电流误差不超过±10%。

图1所示为本发明的电路框图。反激式高压充电电路S1将12V直流电源升压至1300V，并对储能电容充电；电阻网络分压电路S2对储能电容C1上电压进行分压，考虑负载上最大压降为300V，从储能电容上分出1000V电压，并按照步长10V分档；三极管恒流输出控制电路S3利用三极管发射极与基极的恒定压差实现对射极参考电阻的恒压控制，参考电阻取为固定电阻，即可实现对负载的恒流控制，取射极参考电阻阻值为100 KΩ或10 KΩ，可实现对输出脉冲电流在10mA以下以步长0.1mA或10mA以上以步长1mA进行调节的目的。微控制器实现反激式高压充电电路S1的充电控制和反馈控制、电阻网络分压电路S2各模拟开关的通断控制和三极管恒流输出控制电路S3的输出控制。

图2所示为本发明的反激式高压充电电路图。所述反激式高压充电电路由直流电源DC、开关管Q1、变压器T1、储能电容C1、二极管D1、电阻R1连接组成。其中变压器T1初级的一端（同名端）接直流电源的正极，另一端接开关管Q1的漏极；开关管Q1的源极接直流电源的负极并接实地；开关管Q1的栅极接来自控制器的控制信号。变压器T1次级的同名端接接储能电容C1的负极并接浮地，另一端接二极管D1的正极；二极管D1的负极接储能电容C1的正极。电阻R1为后级总的等效阻抗，与储能电容C1并联。控制信号Ctrl1控制开关管Q1的导通和关断。当开关管Q1导通时，低压直流电源DC对变压器T1充电，变压器T1初级有电流流过，此时次级有感应电势，但是由于二极管D1反向截止，次级没有电流，能量存储在变压器T1之中。当开关管Q1关断时，初级电流骤减为0，但由于变压器磁通不能突变，次级会感应反相电势，于是二极管D1正向导通，实现对储能电容C1充电。开关管Q1反复开关即可实现持续充电，最终，能量存储于储能电容上。此处反激式高压充电电路引用专利ZL 200720074627.7。

本发明中取储能电容的容值C1=120uF，根据公式

Figure 2012100562512100002DEST_PATH_IMAGE001

，其中t≤10ms，在本具体实施中R1≥10KΩ，令t=10ms，R1=10KΩ，可算得放电结束时电容电压衰减至初始值的99.2%,也即输出脉冲电流的最大误差不超过1%。所以在一次脉冲发放过程中可认为输出始终保持恒流。

图3所示为本发明的电阻网络分压电路图A，这是一种两级电阻网络。第一级以串联方式连接的电阻（本例中为电阻R2，R30,R31...R39串联的电阻串），第一个电阻R2所在端接开关管Q2的发射极，最后的电阻R39所在端接浮地；Vcc接在开关管Q2的发射极；开关管Q2的集电极接储能电容C1的正极，基极接来自微控制器的控制信号ctrl2。第二级以串联方式连接的电阻（本例中为电阻串R40-R49），通过模拟开关可选择性地并联于R30-R39中的任何一个电阻上。同时，微控制器通过控制第二级电阻网络与后级相接的模拟开关，使不同的Vin接入后级三极管恒流控制电路中。当开关管Q2导通时，储能电容C1上1300V电压施加于10个串联联结的等值电阻R30-R39和电阻R2上，考虑负载上最大压降为300V，在电阻R2上取300V电压用于产生图3和图5中跟随器正常工作时所需电源Vcc与基极电压的压差。余下的1000V电压按照步长10V分档，这样1000V电压被等分成100级。第一级分压电阻将电压等分为m=10级，每个电阻两端电压为100V。第二级也等分为n=10级，微控制器控制第二级电阻网络两端的模拟开关，使第二级分压电阻并于第一级某个电阻两端，使每个电阻两端电压为10V，即实现了步长10V调节。所需电阻总数N=20。脉冲的宽度、数目和间隔由控制信号Ctrl2通过控制开关管Q2的开通时间和次数决定。

图4所示为本发明的电阻网络分压电路图B，这是一种权电阻网络。由R5和一串阻值相关的电阻R6、2*R6、……、64*R6（其中2*R6表示的阻值为R6的2倍，余同）串联后组成。电阻R5所在端接开关管Q3的发射极电阻，R6所在端接浮地；Vcc接在开关管Q3的发射极；开关管Q3的集电极接储能电容C1的正极，基极接控制器的控制信号ctrl3。同时，微控制器通过控制电阻网络与后级相接的模拟开关，使不同的Vin接入后级三极管恒流控制电路中。电压被分成X=100档级，电阻总数N=7。当开关管Q3导通时，储能电容C1上1300V电压施加于R6-64*R6和R5上，在电阻R5上取30V电压，余下的1270V施加于7个串联的权值电阻上，即可实现步长10V调节。每个电阻两端的电压值正比于其权值，模拟开关控制不同权值的电阻相组合，即可得到不同档级的目标电压。Vcc约为1300V，恒流要求分100档，故电阻网络最高分压为1000V，又考虑负载上最大压降为300V，所以能够满足图4和图5中跟随器正常工作时所需Vcc与基极电压的压差。脉冲的宽度、数目和间隔由控制信号Ctrl3通过控制开关管Q3的开通时间和次数决定。

图5所示为本发明的三极管恒流输出控制电路图。三极管Q4和三极管Q5复合成达林顿管。输入电压Vin接自图3中第二级分压电阻，或者接自图4中目标电压对应的电阻节点。Vcc接自图3中三极管Q2的发射极，或者图4中三极管Q3的发射极，约为1300V，该电压需满足三极管正常工作时集电极负载的最大压降要求。在三极管导通的情况下，单个三极管发射极和基极的压差恒定，发射极参考电阻Rref取固定阻值，即可实现对集电极负载的恒流控制。电阻R7取为100KΩ或10KΩ，可实现对输出脉冲电流在10mA以下以步长0.1mA或10mA以上以步长1mA进行调节。为补充两级三极管复合导致的压差1.4V，可在主电阻网络接地端串联两个导通电压为0.7V的二极管。

以上仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书要求所界定的保护范围为准。

Claims

1.一种多级恒流脉冲发生电路，其特征在于：包括反激式高压充电电路、电阻网络分压电路、三极管恒流输出控制电路和微控制器；其中：

所述反激式高压充电电路将外供低压直流电源升压至所需高电压并对储能电容充电；

所述电阻网络分压电路由电阻网络对储能电容上的电压分压，得到所需各级目标电压；

所述三极管恒流输出控制电路由三极管基极从电阻分压网络取出所需档级电压，利用三极管发射极和基极的压差恒定原理，实现对发射极参考电阻的恒压控制，参考电阻取固定阻值，即可实现对集电极负载的恒流控制；

所述微控制器实现反激式高压充电电路的充电控制和反馈控制、电阻网络分压电路各模拟开关的通断控制和三极管恒流输出控制电路的输出控制；

恒流脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲个数等由微控制器控制总开关导通、关断时间和导通次数实现。

2.根据权利要求1所述的多级恒流脉冲发生电路，其特征在于，电阻网络分压级数与输入到负载上的恒流脉冲级数保持一致。

3.根据权利要求1所述的多级恒流脉冲发生电路，其特征在于，在电阻网络保持不变的情况下，发射极参考电阻取不同阻值，得到不同的电流调节步长。

4.根据权利要求1所述的多级高压恒压脉冲发生电路，其特征在于，所述反激式高压充电电路由直流电源DC、开关管Q1、变压器T1、储能电容C1、二极管D1、电阻R1连接组成；其中变压器T1初级的一端（同名端）接直流电源的正极，另一端接开关管Q1的漏极；开关管Q1的源极接直流电源的负极并接实地；开关管Q1的栅极接来自控制器的控制信号；变压器T1次级的同名端接储能电容C1的负极并接浮地，另一端接二极管D1的正极；二极管D1的负极接储能电容C1的正极；电阻R1与储能电容C1并联。

5.根据权利要求1所述的多级恒流脉冲发生电路，其特征在于，所述电阻网络分压电路采用两级电阻网络，设电压被分成X级，则第一级分压电阻网络将电压等分为m级，第二级分压电阻网络将电压等分为n级，满足X=m·n，所需电阻总数N=m+n；m、n为正整数。

6.根据权利要求1所述的多级恒流脉冲发生电路，其特征在于，所述电阻网络分压电路采用二进制指数编码的单级电阻实现，设电压被分成X级，电阻总数为N，满足2^N-1≤X≤2^N即可；根据电阻所处位置设置相应的权值2ⁿ，n=1,2,…，不同权值的电阻两端有相应权值的电压，通过模拟开关组合目标权值电阻两端的电压即实现电压的分级控制。

7.根据权利要求1所述的多级恒流脉冲发生电路，其特征在于，所述三极管恒流输出控制电路采用由多级三极管复合成的达林顿管形式，且工作于射极跟随模式。