CN103893914B - 程控多通道电生理刺激器 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗仪器技术领域，具体为一种程控多通道电生理刺激器。包括：上位机控制界面、微控制器、脉冲幅度控制电路、桥式放电电路、CPLD、脉冲分发电路。其中，上位机控制界面设置脉冲参数、脉冲发放通道等，把相应的控制指令按照串口通信协议格式发送给微控制器和CPLD；微控制器设置脉冲各项参数，控制相应硬件电路动作，按参数要求产生脉冲；CPLD控制相应通道导通或截止，决定脉冲发放的空间分布区域；脉冲分发电路将桥式放电电路输出的脉冲波通过通道接入对应电极。本发明的脉冲幅度、宽度、间隔、周期、个数、波形、通道数均可灵活调整，可用于心脏起搏式低能量除颤，或者其他需要采用电生理刺激器研究、诊断或治疗的领域。

Description

程控多通道电生理刺激器

技术领域

本发明属于医疗仪器技术领域，具体涉及一种可程控多通道的电生理刺激器，可用于心脏起搏式低能量除颤，或者其他需要采用电生理刺激器研究、诊断或治疗的领域。

背景技术

电生理刺激器是指可以向生物体组织施加电刺激的设备。电生理刺激器是研究生物体电生理特征的必备工具，比如在测定骨骼肌细胞神经冲动的传导速度实验中，将刺激电极放在外周神经附近，观察并测量刺激脉冲发出到测量电极处测得肌肉兴奋之间的时间间隔，从而计算得到神经冲动传导的速度，同时也可以知道引起肌肉兴奋所需要的电刺激强度；另一方面，电生理刺激器也可以用于生物组织的电生理功能监测，比如在神经外科和脊柱外科手术中，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，可用于避免术中神经损伤和预防术后神经功能受损。

在心脏诊断和治疗领域，电生理刺激器也大有用处。利用与心脏同步发放的一组或若干组精确定时的早搏电脉冲来刺激心脏，观察并记录心脏产生的反应，可以有效地检查出潜在的心脏传导系统方面的病变：如利用电生理刺激器测量动作电位时程恢复特性，可以有效评估病人发生心律失常的风险。在治疗心脏病变方面，心脏起搏器已经被证明在治疗心动过缓方面具有巨大的应用价值。在治疗快速性心律失常方面，抗心动过速起搏已经被临床试验证实可有效终止部分房性或室性心动过速。而对于最恶性的心律失常——室颤，也可以尝试利用电生理刺激器来终止，即所谓的起搏式除颤。

起搏式除颤是尝试将一定模式的弱电刺激施加在心肌上，以期达到除颤的目的，是一种低能量除颤的方法，可以显著减轻高能电击对人体的伤害。用于起搏式除颤的电生理刺激器必须能够发放心脏起搏式脉冲，具体说来应具备以下功能：1.具有多路脉冲输出能力；2.各路输出脉冲的空间范围可以任意组合；3.各路脉冲幅度、宽度、间隔、周期、个数可调；4.脉冲波形可为双相波或单相波。

发明内容

基于上述背景，针对起搏式除颤所需的电生理刺激器的设计需求，本发明的目的在于设计一种脉冲参数可程控，刺激通道及刺激模式可调节的多通道电生理刺激器，脉冲幅度、宽度、间隔、周期、个数、波形、通道数均可灵活调整。

本发明提出的可程控多通道电生理刺激器，由上位机控制界面、微控制器（MCU）、脉冲幅度控制电路、桥式放电电路、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、脉冲分发电路组成。其中：

所述上位机控制界面设置各项脉冲参数，刺激发放通道等，然后把相应的控制指令按照串口通信协议的格式发送给微控制器（MCU）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）；

所述微控制器（MCU）接收上位机的控制指令，设置脉冲的波形（双相/单相）、宽度、幅度、间隔、周期、个数等参数，根据指令控制相应硬件电路动作，按参数要求发放脉冲；

所述脉冲幅度控制电路利用外供低压直流电源对储能电容充电至设定电压值，该电压送入桥式放电电路，决定了脉冲幅度；所述桥式放电电路采用两对开关管构成H型桥路，形成两个电流方向相反的放电回路，两个放电回路交替导通截止，使系统能够发放双相脉冲波，通过控制开关管的导通截止时间、次数控制脉冲宽度、间隔、个数等参数；

所述复杂可编程逻辑器件（CPLD）接收上位机的控制指令，控制相应通道导通或截止，从而决定脉冲发放的空间分布区域；

所述脉冲分发电路将桥式放电电路输出的脉冲波通过导通的通道接入对应电极。

本发明中，上位机控制界面根据设置上位机与MCU和CPLD串口通信协议的数据格式，设置脉冲的波形（双相/单相）、宽度、幅度、间隔、周期、个数等参数，设置刺激电极的导通区域，控制刺激脉冲开始/停止发放的整个过程，并可实时显示刺激器工作状态。

本发明中，微控制器接收上位机的控制指令，设置脉冲的波形、幅度、宽度、间隔、个数、周期等参数。微控制器通过信号Ctrl1控制脉冲幅度控制电路，调节脉冲幅度；通过信号Ctrl2~Ctrl5控制组成桥式放电电路四个开关管的导通或截止，进而，控制脉冲的宽度、幅度、间隔、个数、周期、波形等。

本发明中，脉冲幅度控制电路根据设置的脉冲幅度，利用反激式开关电源将储能电容充电至设置的目标电压值。所述脉冲幅度控制电路由直流电源DC、开关管Q1、变压器T1、二极管D1、储能电容C1和比较器A1连接组成。其中变压器T1初级的一端（同名端）接低压直流电源的正极，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GND；开关管Q1栅极的控制信号Ctrl1接比较器A1的输出端，比较器A1的反相输入端接储能电容C1的反馈电压V_Ref，比较器A1的同相输入端接微控制器的数-模转换输出电压V_DAC。变压器T1次级的同名端接接储能电容C1的负极并接虚地FGND，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。输出电压V1接入桥式放电电路。

本发明中，桥式放电电路中，由开关管Q2和开关管Q5组成一对放电回路，由开关管Q3和开关管Q4组成另一对放电回路，开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4和开关管Q5依次对应的控制信号Ctrl2~Ctrl5来自微控制器，当控制信号Ctrl2、控制信号Ctrl5为高电平，控制信号Ctrl3、控制信号Ctrl4为低电平时，开关管Q2、开关管Q5导通，开关管Q3、开关管Q4截止，发放正相脉冲；当控制信号Ctrl2、控制信号Ctrl5为低电平，控制信号Ctrl3、控制信号Ctrl4为高电平时，开关管Q2、开关管Q5截止，开关管Q3、开关管Q4导通，发放负相脉冲。两组放电回路交替导通截止，即可实现发放双相波。发放的电脉冲V2接入脉冲分发电路。

本发明中，复杂可编程逻辑器件（CPLD）接收上位机的控制指令，输出控制信号Ctrl6~Ctrl(N+5)（N为电子开关个数），控制脉冲分发电路中的N个电子开关的通断，每个电子开关的一端接电脉冲V2，另一端分别接到对应的电极上。控制信号输出为高电平时，电脉冲V2通过导通的电子开关管接到相应的电极。

本发明的可程控多通道电生理刺激器的脉冲幅度、宽度、间隔、周期、个数、波形、通道数均可灵活调整，可用于心脏起搏式低能量除颤，或者其他需要采用电生理刺激器研究、诊断或治疗的领域。

附图说明

图1是刺激器系统框架图。

图2是上位机控制界面图。

图3是脉冲幅度控制电路图。

图4是桥式放电电路图。

图5是脉冲分发电路图。

具体实施方式

本发明提供的程控多通道电生理刺激器，可用于心脏起搏式低能量除颤研究。在本具体实施例中，共有64路电极；脉冲波形可设置为单相波或双相波；脉冲幅度为0.1~100V；脉冲宽度为1~10ms；脉冲间隔1~10ms；脉冲周期100~1000ms；脉冲个数1~10。

具体实施方式如下：

图1所示为本发明刺激器系统框架图，由上位机控制界面M1、微控制器（MCU）M2、脉冲幅度控制电路M3、桥式放电电路M4、复杂可编程逻辑器件（CPLD）M5、脉冲分发电路M6组成。上位机控制界面M1设置各项脉冲参数，脉冲发放通道等，然后把相应的控制指令按照设定的串口通信协议的数据格式发送给MCUM2和CPLDM3；MCUM2接收上位机控制界面M1的控制指令，设置脉冲幅度、宽度、间隔、个数等参数，通过信号Ctrl1控制脉冲幅度控制电路M3充电至设定电压值V1，通过信号Ctrl2~Ctrl5控制桥式放电电路M4的4个开关管导通截止；脉冲幅度控制电路M3的核心是反激式开关电源，利用外供低压直流电源对储能电容C1充电至设定电压值V1，V1的取值范围为0.1~100V，该电压送入桥式放电电路M4，决定了脉冲幅度；桥式放电电路M4采用两对开关管构成H桥路，形成两个电流方向相反的放电回路，两个放电回路交替导通截止，使系统能够发放双相脉冲波，通过控制开关管的导通截止时间、次数控制脉冲宽度、间隔、周期、个数等参数，输出的电压脉冲V2接入脉冲分发电路M6；CPLDM5接收上位机控制界面M1的控制指令，在本具体实施中共有64路电极（N=64），所以CPLDM5输出Ctrl6~Ctrl69共64个控制信号，控制刺激分发电路M6中相应通道的导通截止，从而决定脉冲发放的空间分布区域；脉冲分发电路M6共64个开关通道，分别接64路电极，电极贴放在心脏的不同部位，每一路上端都接电脉冲V2。

图2所示为上位机的控制界面图。通过该控制界面M1，用户可以设置脉冲的各项参数和相应的导通通道。该控制界面由3个功能块组成，分别为MCU设置模块，CPLD设置模块，开始/停止刺激模块。MCU设置模块中设置上位机与MCUM2串口通信的数据格式，设置脉冲的波形（双相/单相）、宽度、幅度、间隔、周期、个数等参数，实时显示数据收发情况，并可控制储能电容C1的充放电过程。CPLD设置模块设置上位机与CLPDM5串口通信的数据格式，设置刺激电极的导通区域，并可实时显示数据收发情况。前两个模块数据设置完成之后，按下开始/停止刺激按钮即可控制发放脉冲，并显示一些辅助时间信息。

图3所示为脉冲幅度控制电路图。脉冲幅度控制电路M3由直流电源DC、比较器A1、开关管Q1、变压器T1、二极管D1、储能电容C1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GND；开关管Q1的栅极接比较器A1的输出信号Ctrl1。变压器T1次级的同名端接接储能电容C1的负极并接浮地FGND，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。比较器A1的反相输入端接储能电容C1的反馈电压V_Ref，比较器的同相输入端接微控制器M2的数-模转换输出电压V_DAC。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的初级有电流流过，此时次级有感应电动势，但是由于二极管D1的反向截止，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，次级会感应反相电动势，瞬时产生高电压，于是二极管D1正向导通，实现对储能电容C1充电。开关管Q1反复通断即可实现持续充电，最终能量存储于储能电容C1上。控制信号Ctrl1采用高频的PWM信号。微控制器M2接收上位机控制界面M1的控制指令，根据脉冲幅度参数设置输出不同的电压V_DAC，当V_DAC＞V_Ref时，Ctrl1输出PWM信号，开关管Q1正常通断，充电电路工作，对储能电容C1充电，电压V1升高，同时反馈电压V_Ref升高；当V_DAC＜V_Ref时，Ctrl1变为低电平，开关管Q1始终关断，停止对储能电容C1充电。储能电容C1的反馈电压V_Ref是由电压V1分压后经过采样电路得到，分压电路在此不再列出。为保证起搏式除颤有足够的能量供应，选取电容C1=4000uF。此处脉冲幅度控制电路M3引用专利ZL200720074627.7。

图4所示为桥式放电电路图。桥式放电电路M4由两对场效应管构成一个H桥路，Q2和Q5管、Q3和Q4管分别组成一对放电回路，各场效应管的栅极控制信号Ctrl2~Ctrl5接自微控制器M2，Q2和Q3的漏极接储能电容C1上端，Q4和Q5的源极接虚地FGND，P、N两端把电脉冲V2接入后级的脉冲分发电路M6中。当Ctrl2和Ctrl5为高电平，Ctrl3和Ctrl4为低电平时，Q2和Q5导通，Q3和Q4截止，电脉冲V2从P端接到N端；当Ctrl2和Ctrl5为低电平，Ctrl3和Ctrl4为高电平时，Q2和Q5截止，Q3和Q4导通，电脉冲V2从N端接到P端。通过控制信号Ctrl2~Ctrl5，可以在P、N两端实现双相波脉冲的方法。

图5所示为脉冲分发电路图。CPLDM5输出64个控制信号Ctrl6~Ctrl69，控制64个光电耦合器的通断，每个光电耦合器的次级上端接电脉冲V2，下端接对应电极。CPLD接收来自上位机控制界面M1的指令，设定脉冲发放区域，使对应的控制信号输出为高电平，电脉冲V2通过导通的光电耦合器接到相应的电极，刺激相应的心脏区域。

以上仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，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内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书要求所界定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种可程控多通道电生理刺激器，其特征在于，由上位机控制界面、微控制器、脉冲幅度控制电路、桥式放电电路、复杂可编程逻辑器件和脉冲分发电路组成；其中：

所述上位机控制界面根据上位机与微控制器和复杂可编程逻辑器件串口通信协议的数据格式，设置脉冲的参数：波形、宽度、幅度、间隔、周期、个数，设置刺激电极的导通通道，然后把相应的控制指令按照通讯协议格式，通过串口发送给微控制器和复杂可编程逻辑器件，控制刺激脉冲开始/停止发放的整个过程，并实时显示刺激器的工作状态；

所述微控制器接收上位机的控制指令，设置脉冲的参数：幅度、宽度、间隔、个数、周期、波形；微控制器通过控制信号Ctrl1控制脉冲幅度控制电路，调节脉冲幅度；发放4个控制信号Ctrl2~Ctrl5到桥式放电电路，控制脉冲的宽度、间隔、个数、周期、波形；

所述脉冲幅度控制电路利用外供低压直流电源将储能电容充电至设定电压值；

所述桥式放电电路采用两对开关管构成H桥路，形成两个电流方向相反的放电回路，两个放电回路交替导通截止，使刺激器能够发放双相脉冲波，通过控制开关管的导通截止时间、次数控制脉冲参数：宽度、间隔、个数；

所述复杂可编程逻辑器件接收上位机的控制指令，控制相应通道导通或截止，从而决定脉冲发放的空间分布区域；

所述脉冲分发电路将桥式放电电路输出的脉冲波通过导通的通道接入对应电极；

其中，输出脉冲的波形是正脉冲、负脉冲或双相脉冲，幅度为0.1~100V、间隔为1~10ms、脉冲宽度为1~10ms、周期为100~1000ms、个数为1~10。

2.根据权利要求1所述的可程控多通道电生理刺激器，其特征在于，所述脉冲幅度控制电路由直流电源DC、开关管Q1、变压器T1、二极管D1、储能电容C1和比较器A1连接组成；其中变压器T1初级的一端即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GND；开关管Q1栅极的控制信号Ctrl1由比较器A1的输出端进行控制，比较器A1的反相输入端接储能电容C1的反馈电压V_Ref，比较器A1的同相输入端接微控制器的数-模转换输出电压V_DAC；变压器T1次级的同名端接储能电容C1的负极并接虚地FGND，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；输出电压V1接入桥式放电电路。

3.根据权利要求1所述的可程控多通道电生理刺激器，其特征在于，所述桥式放电电路中，由开关管Q2和开关管Q5组成一对放电回路，由开关管Q3和开关管Q4组成另一对放电回路；开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4和开关管Q5依次对应来自微控制器的控制信号Ctrl2~Ctrl5，当控制信号Ctrl2、控制信号Ctrl5为高电平，控制信号Ctrl3、控制信号Ctrl4为低电平时，开关管Q2、开关管Q5导通，开关管Q3、开关管Q4截止，发放正相脉冲；当控制信号Ctrl2、控制信号Ctrl5为低电平，控制信号Ctrl3、控制信号Ctrl4为高电平时，开关管Q2、开关管Q5截止，开关管Q3、开关管Q4导通，发放负相脉冲；两组放电回路交替导通截止，即可实现发放双相波；发放的电脉冲V2接入脉冲分发电路。

4.根据权利要求1所述的可程控多通道电生理刺激器，其特征在于，所述复杂可编程逻辑器件接收上位机的控制指令，输出控制信号Ctrl6~Ctrl(N+5)，N为电子开关个数，控制脉冲分发电路中的N个电子开关的通断，每个电子开关的一端接电脉冲V2，另一端分别接到对应的电极上；控制信号输出为高电平时，电脉冲V2通过导通的电子开关管接到相应的电极。