CN104606779A - 适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器 - Google Patents

Abstract

一种适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，包括电源模块、直流电源转换模块、主控芯片模块、数模转换模块、恒流源转换模块、全桥模块比较器模块以及数模两种隔离器，电源模块输出连接模电隔离器，模电隔离器的输出连接直流电源转换模块，直流电源转换模块向其他模块供电，主控芯片、数电隔离器、数模转换模块、恒流源转换模块、全桥模块依次相连，全桥模块的另一输出端连接比较器模块，比较器的输出端连接主控芯片模块，将输出的电流信号反馈给主控芯片模块，使其对输出电流进行闭环调控，实现具有可编程控制输出电流的脉宽、频率，并将此电刺激信号通过电极连接到受试者的皮肤上。本发明提供一种宽输出范围、高精度、多通道的电刺激器。

Description

适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体讲，涉及一种适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器。

背景技术

人体的触觉神经位于皮肤的真皮层。人工电触觉技术期望刺激皮肤触觉神经，产生动作电位传递到大脑的感知皮层，使人产生替代的触觉感知，比如压力、振动、滑觉、粗糙度、刚度等。该技术主要应用于遥操作、虚拟现实、假肢、医疗机器人、游戏娱乐等领域。本专利旨在通过非侵入式的经皮电脉冲刺激实现对真皮层触觉感知神经元的刺激。电脉冲需要通过表皮传递到真皮。表皮是皮肤最外面的一层，一般平均厚度为0.2mm，由内到外主要包括五层，分别为：基地细胞层、棘层、颗粒层、透明层以及角质层，其中还包含有汗腺孔。真皮及皮下组织的导电性能非常好，可以认为是一个纯电阻，皮肤的阻抗主要取决于角质层。角质层不容易导电，可以认为是一个非常薄的绝缘膜，它就类似于电容的中间介质，而电极和真皮就相当于电容的两个极性板。由于表皮中还含有汗腺孔，人在排出汗液的同时，汗液里面会带有Na+和Cl-离子，这就导致表皮是导电的。

而现阶段的电刺激器从刺激源上来说主要分为两种：恒压源刺激和恒流源刺激。恒压源的好处是电压能及时施加到神经上，保证刺激的快速性，而恒流源从施加到负载到达恒流效果需要一定的时间来稳定电流。而且在皮肤未接触到电极的时候电路不会导通，对电路有保护作用，但是由于人体是阻抗和容抗的结合体，会使得恒压刺激不稳定。恒流源刺激好处就是刺激稳定，对电极的要求不高，相对于恒压源来说不会容易造成电荷的局部积累。

经检索发现，目前有一些电刺激器相关的专利发布，例如下面三个：

授权公告号为CN200620002384.1的实用新型专利公开了一种低频电刺激的电路。其原理是在一振荡电路中，由一方波产生器构成基本振荡电路，并辅以周边一些晶振管和电阻产生第一段连续性方波，且另包含有第二段控制波形产生电路与第三段控制波产生电路，以分别产生间歇性方波与复合式方波。利用第一选择与调整电路选择所需的方波，且其具有第一可变电阻，已调整被选择方波的输出频率。并且输出电路的第二可变电阻能调整被选择方波的输出强度，藉以达到多段方波输出的可调整性。当该低频电刺激器的传导件接触人体皮肤时，所输出的脉冲电压、电流不会令人感到有刺痛感。

授权公告号为CN01109329.3的发明专利公开了一种电刺激器的脉冲调制中频的方法及其装置，其将中频指数波分解为多项奇次的正弦谐波，以多波形脉冲对该中频指数波进行幅度调制，由不同波形的脉冲调制，产生不同的生理动力效果，而产生对人体穴位的振、抖、扣等电刺激，并以甚低频的多波形脉冲对已调至的中频调制波进行再调制，以产生对人体穴位的压、按、揉等电刺激，使人体能耐受较大的刺激量，且刺激部位较深，改善了现有电刺激因电解作用而造成皮肤损伤的缺点。

授权公告号为CN102058396的发明专利公开了一种电刺激器的设计方法，主要服务于大脑皮层的电刺激,通过双击压控恒流源电路和最高电压产生电路实现所需的点刺激脉冲输出，其使用两级光电三极管完成恒流源输出。

由于上述已有的电刺激器专利目的主要是刺激肌肉、穴位或者大脑皮层，大多适用于对电刺激的敏感性要求比较低的情况，并且以往的电刺激器通道数较少，难以满足触觉神经电刺激准确性和多样性的要求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，是一种具有宽输出范围、高精度、多通道的便携式电刺激设备，可专门用于人体皮肤真皮层的触觉神经刺激，产生替代的触觉感知。能够刺激真皮的感知神经元，对电刺激的敏感性要求非常高，且能达到现有技术中的电刺激器的电脉冲输出的范围和精度都达不到的要求，从而满足刺激神经触觉感知的需求。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，包括电源模块、直流电源转换模块、主控芯片模块、数模转换模块、恒流源转换模块、全桥模块比较器模块以及数字电路隔离模块和模拟电路隔离模块，电源模块输出连接模电隔离模块，模拟电路隔离模块的输出连接直流电源转换模块，直流电源转换模块向其他模块供电，电刺激器的主控芯片、数字电路隔离模块、数模转换模块、恒流源转换模块、全桥模块依次相连，全桥模块的另一输出端连接比较器模块，比较器的输出端连接主控芯片模块，将输出的电流信号反馈给主控芯片模块，使其对输出电流进行闭环调控，实现具有可编程控制输出电流的脉宽、频率，并将此电刺激信号通过电极连接到受试者的皮肤上。

所述主控芯片模块，将上位机PC发送的信号通过相应的通讯协议编码输出所需要的方波信号，其信号的高电平电压取决于主控芯片的供电电压，此时可编程调节电脉冲的频率和脉宽；所述数字电路隔离模块，将主控芯片输出的8路共地线的非独立通道隔离开，实现数字电路部分的隔离；所述的数模转换模块，将数字电路隔离模块转化后的8路数电信号转化为模电信号，此时输出方波的幅值取决于该模块的调控；所述的恒流源转换模块，将数模转换模块转换后的模拟恒压的方波信号转化为模拟恒流的方波信号；所述的全桥转换模块，通过改变模块中电流流向实现控制输出电流极性的目的；所述的比较器模块，将全桥模块输出的方波信号反馈给主控芯片，形成闭环的电流输出控制，保证其输出精度；所述的模拟电路隔离模块实现8路输入的模拟电路彼此独立；所述的11.1V锂电池模块和直流电源转换模块为其余的各个模块提供所需电压。

进一步地，主控芯片MSP430f5438属于低功耗型芯片，在系统空闲时可使其CPU处于睡眠状态，以降低能耗，提高可便携性。

进一步地，输出的通道数多少，可根据使用用途决定，刺激器在不扩展I/O的情况下，可独立输出16路方波刺激脉冲。

进一步地，所述电源模块为11.1V。

进一步地，对于电刺激器中的高压模块，为了减少其在启动时所产生不稳定的电流冲击，该模块采用两级DC/DC的升压模块，将电压从11.1V升压到36V，再从36V升压到90V。由于3.3V、15V、-15V电压较小，所以仅采用一级升压和降压电路。

进一步地，对于模拟电路隔离模块，采取的隔离方式为独立电源供电。

进一步地，对于数字电路隔离模块，为了保证输出脉冲脉宽的范围和精度，电刺激器采取的是高速光耦隔离模块，而光耦的供电来源于本通道的独立电源。

进一步地，对于数模转换模块，为了保证输出脉冲的幅值和降低延时时间，电刺激器采用的是12位高速数模转换芯片。

进一步地，考虑到人体阻抗在刺激过程中可能发生变化，为了保证输出电流和刺激效果的稳定，电刺激器采用双级运算放大器搭建恒流源模块，不仅实现恒压源向恒流源的转化，并且可以避免冲击电流对人体皮肤的损害。

进一步地，考虑到可变的电流极性的需求，在全桥转换模块中采取了四个大功率的三级管搭建全桥电路，实现通过控制两个管脚电压来实现电流极性的切换。

进一步地，为了保证电脉冲的输出精度，电刺激器通过比较器将全桥电路输出的脉冲信息反馈给主控芯片，形成闭环反馈，实时的调控输出特性。

进一步地，电刺激器的最终输出脉冲的幅值范围：0—10mA，精度为0.1mA；输出脉冲的脉宽范围：50μs—1ms，精度为10μs；输出的频率范围：0—2KHz，精度为1Hz，电刺激的每个通道的启动延时时间为10ms。

本发明是利用数模转换、恒流源转换，将8通道数字电路的方波脉冲转化为一个具有可编程控制脉宽、频率的多通道电刺激器，其主要特点体现在：

(1)该电刺激由于在数字电路和模拟电路上都设计了合理的隔离模块，所以整个电刺激的输出通道间均为隔离状态，这样避免了在刺激人体皮肤时可能产生的通道间的串扰影响。

(2)通过双向运算放大器的设计，提高了恒流源转换模块的转换精度，也减少了由于人体皮肤阻抗的变化所带来的冲击电流，避免了可能对人体皮肤的伤害。

(3)通过四个大功率三级实现电刺激输出电流的快速切换，避免了机械操作的延时和不可编程控制。

(4)通过该装置提供的宽输出、高精度、多通道的刺激电流，将丰富皮肤电刺激的模式，提高刺激精度，改善刺激效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是皮肤神经的等效电路图；

图2是本发明的电气控制系统中的结构框图；

图3是本发明的90V高压模块原理图；

图4是本发明的模电隔离模块原理图；

图5是本发明的恒流源模块原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是人体皮肤的等效电路图，模型的建立是基于以下几个假设的：1)神经元的等效电路是二维的，并且主要包括轴突的轴向电阻、膜的电阻、静电位以及电容，轴突方向为轴，另外一个方向为z轴；2)电流方向也是两维的；3)郎氏节在x轴方向是均匀分布的；4)轴突和膜是被动的，即图中的电阻和电容不会随着电压的变化而变化；5)神经分布在绝对均匀、导电的介质中。

图1从二维显示了神经的等效电路，为了不失一般性，对不同的膜标记为1-n，且每个膜之间的距离为Δx，在有髓鞘的神经模型中，郎氏节的长度为L。图中C_m表示膜径向方向的电容值，G_m表示膜径向方向的电阻值，G为内部轴向电阻值，D为轴突的半径。在径向方向的电流设为I_i，经过G_m的电流大小为I_i，n。第n个膜的外部电压为V_e，n，内部电压为V_i，n，膜内静电压为V_r，所以通过节点定理可以得到：

C_md(V_i，n-V_e，n)/dt+I_i，n+G(V_i，n-V_i，n-1)+G(V_i，n-V_i，n+1)＝0       (1)

V_n＝V_i，n-V_e，n+V_r                                                (2)

将公式(2)代入公式(1)，可以得到：

dV_n/dt＝(G(V_n-1-2V_n+V_n+1+V_e，n-1-2V_e，n+V_e，n+1)-I_i，n)/C_m    (3)

公式(3)显示了膜外电压V_e，n对膜内电压的影响，它的产生主要是外部电极在皮肤组织内传递一段距离后产生的，主要与电极的位置和皮肤的电导率有关。

经过膜内电阻的电流主要分为三种，钠离子、钾离子以及漏电流组成，公式为：

I_i，n＝I_Na+I_K+I_L＝πDLi_i，n            (4)

G＝πD²/4ρ_iΔx                       (5)

C_m＝πDLc_m                           (6)

其中I_Na为Na离子的流动电流，I_K为K离子的流动电流，I_L为内部漏电流，ρ_i为膜内单位面积的等效电阻，i_i，n为离子电流密度。综合公式(4)、(5)、(6)至公式(3)可以得到：

${\mathrm{dV}}_n/\mathrm{dt}=\{\frac{\mathrm{D\Δx}}{4{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{iL}}}\·(\frac{V_{n-1}-2V_n+V_{n+1}}{{\mathrm{\Δx}}^2}+\frac{V_{e,n-1}-2V_{e,n}+V_{e,n+1}}{{\mathrm{\Δx}}^2})-i_{i,n}\}/c_m---\left(7\right)$

由公式(7)可以看到神经外电流源的影响如下式所示：

$f_n\left(t\right)=\frac{V_{e,n-1}-2V_{e,n}+V_{e,n+1}}{{\mathrm{\Δx}}^2}---\left(8\right)$

因此，通过皮肤外加电刺激的方法，电刺激器可以通过调制输出脉冲的极性、幅值、频率和脉宽来干预人体的离子传导来产生预计的效果，从而对相应皮肤部位进行刺激。

参见图2所示，本发明较佳实施例中，适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，包括11.1V锂电池1，模拟电路隔离模块2，直流电源转换模块3、恒流源转换模块4，全桥转换模块5，多通道输出6，比较器7，数模转换模块8，数字电路隔离模块9和主控芯片10。其中主控芯片10通过软排线连接到数字电路隔离模块9，然后数字电路隔离模块9通过FPC线连接至数模转换模块8，数模转换模块8通过FPC线连接至恒流源模块4，比较器7通过FPC线连接全桥模块5和数模转换模块8，电源模块1和直流电源转换模块3分别通过软排线连接各个模块。

本实施例的直流电源转换模块3，参见图3所示，电刺激器的高压模块需要在供电电压为12V的基础上升至90V的高压。从电路的稳定性角度出发，需要设计多层级的升压电路，将电压从12V逐步升至90V，但是这样整个电路的体积过于庞大，无法满足设计需求中小型化的要求。所以在兼顾输出电压的稳定性以及电路复杂程度，选择主控芯片为LT3580，该芯片是凌力尔特公司(Linear Technology)生产的一款稳定的高压输出芯片，一共有8个管脚，最高的耐受电压和电流分别为150V和2A，可由11.1V的锂电池供电，并且需要3.3V的额外输出电压使能主控芯片。其中电容C3,C4,C5,C6,C19分别接地和相应的输入输出端，其功能是为了降低高频噪声对电路的影响，电阻R2,R6为平衡电阻连接相应的管脚，其功能是为了稳定各管脚的输出电流，从而保证主控芯片的正常工作。电阻R7,R8为整流二极管D4，D5的电流平衡电阻，一段连接到各自的滤波电容，另一端连接到各自的整流二极管。整流二极管D5,D6主要是和主控芯片的第一配置电源端相连，可输出90V高压P2。整流二极管D3,D4主要是主控芯片的第二配置电源端相连，可输出120V高压P7。用户可根据实际需要进行相应的配置和连接。其电压的输出计算公式为：

$V_{\mathrm{out}}=2.8*\frac{R_1+R_3+R_7}{R_2}\≈90V---\left(9\right)$

本实施例中的数电隔离模块9，由于各通道的控制信号均来自同一单片机，所以所有通道的地均连接于一处。为了使得所有输出通道能够独立的刺激皮肤的每一个位置，并且降低通道间串流的影响，需要在控制信号进入数模转换模块前进行隔离。考虑到控制信号是直接控制输出的高精度脉宽值，所以本刺激器选用了高速光耦转换芯片6N136对所有通道进行数字隔离。6N136的转换速率高达1MBit/s，满足最小脉宽精度10us的要求。参见图4所示，其中VIN为数字电路接受上位机信息后输出的控制信号，R12为主控芯片3管脚的电流平衡电阻，其功能是减少电流冲击对主控芯片的影响，从而保证其稳定工作。主控芯片的5脚和8脚均连接独立的3.3V高功率电源，满足VOUT的功率输出要求，在输出VOUT前，需要经过由电容C22和电阻R16组成的电路的滤波后输入下一级电路。

本实施例中的恒流源转换模块8，参见图5所示，图中有两个运算放大器。设定第二级运放的正输入电压为U，即其等效电路中电流为：

$I_0=\frac{R_4{R}_2(R_1+R_2)+U(R_2{R}_3-R_1{R}_4)-R_2{V}_1(R_3+R_4)}{{\mathrm{RR}}_1(R_3+R_4)}---\left(10\right)$

若R₁＝R₂＝R₃＝R₄，公式(10)可转变为：

$I_o=\frac{V_2-V_1}{R}---\left(11\right)$

因此如果将运算放大器的正输入接地，那么其输出电流的计算公式如下：

$I_o=U_{\mathrm{REF}}*\frac{D-1}{2^{12}*R}---\left(12\right)$

按照此公式，电流的输出精度可以达到0.01mA。

由于皮肤电刺激的最高刺激电压为90V，所以为了保证恒流源输出的稳定性，要求运算放大器的供电电压至少大于90V。本文采用的主控芯片为OPA454是德州仪器公司(Texas Instruments)的一片高压运算放大器。在本实施例中使用两片该芯片实现恒压向恒流的转变。其中VOUT为图4中的VOUT，连接第一级运算放大器的2脚和3脚，其中90V电源来自图3的输出电压。电容C20，C21，电阻R11，R13构成相应电源的滤波电路，降低高频噪音对电路输出稳定性的影响，同理C23，C24，电阻R18，R19。图中P14为最终的恒流源输出端。本实施例中，共有8个电刺激器输出通道，其余的7个通道的连接方式类似。

本实施例中的数据发送端为PC机。PC机发出控制指令。在PC端有专门的指令控制软件，通过发送脉宽、频率、极性信息给下位机MSP430f5438，可以实现所需要的数字脉冲信号。进一步，通过对数字脉冲信号的隔离、数模转换、恒流源转换和全桥转换4个模块的作用，实现所需要的模拟方波信号，已完成相应的人体皮肤电刺激模式。本发明实施例具有使用控制简单方便、低能耗和便携性的优点，使用者可以连续佩戴使用12小时，并且系于腰间，不会有特别的负重感。通过本实施例发送的电刺激信号，用于人体皮肤触觉神经刺激，对假肢手的触觉反馈、电理疗等残疾人辅助设备实现较好的输出效果，实现刺激模式多样化和可控性的显著提高。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，其特征在于，包括电源模块(1)、直流电源转换模块(3)、主控芯片模块(10)、数模转换模块(8)、恒流源转换模块(4)、全桥模块(5)比较器模块(7)以及模拟电路隔离模块(2)和数字电路隔离模块(9)，电源模块(1)输出连接模拟电路隔离模块(2)，模拟电路隔离模块(2)的输出连接直流电源转换模块(3)，直流电源转换模块(3)向其他模块供电，电刺激器的主控芯片(10)、数字电路隔离模块(9)、数模转换模块(8)、恒流源转换模块(4)、全桥模块(5)依次相连，全桥模块(5)的另一输出端连接比较器模块(7)，比较器(7)的输出端连接主控芯片模块(10)，将输出的电流信号反馈给主控芯片模块(10)，使其对输出电流进行闭环调控，实现具有可编程控制输出电流的脉宽、频率，并将此电刺激信号通过电极连接到受试者的皮肤上。

2.根据权利要求1所述的适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，其特征在于，输出的通道数多少，根据使用用途决定，通过扩展主控芯片模块的I/O口来实现。

3.根据权利要求1所述的适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，其特征在于，所述模拟电路隔离模块，采取的隔离方式为独立电源供电。

4.根据权利要求1所述的适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，其特征在于，为了保证输出脉冲脉宽的范围和精度，所述数字电路隔离模块采用高速光耦隔离模块，光耦的供电来源于其通道的独立电源。

5.根据权利要求1所述的适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，其特征在于，为了保证输出脉冲的幅值和降低延时时间，所述数模转换模块采用12位高速数模转换芯片。

6.根据权利要求1所述的适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，其特征在于，考虑到人体阻抗在刺激过程中可能发生变化，为了保证输出电流和刺激效果的稳定，所述恒流源转换模块采用双级运算放大器搭建，不仅实现恒压源向恒流源的转化，并且避免冲击电流对人体皮肤的损害。

7.根据权利要求1所述的适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，其特征在于，考虑到可变的电流极性的需求，所述全桥转换模块采用四个大功率的三级管搭建全桥电路，实现通过控制两个管脚电压来实现电流极性的切换。

8.根据权利要求1所述的适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，其特征在于，所述电刺激器的最终输出脉冲的幅值范围为：0—10mA，精度为0.1mA；输出脉冲的脉宽范围：50μs—1ms，精度为10μs；输出的频率范围：0—2KHz，精度为1Hz，电刺激的每个通道的启动延时时间为10ms。