CN106474624A - 基于参数可调的经颅电刺激治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于参数可调的经颅电刺激治疗仪,包括：微控制单元(4)、用户操作单元、刺激电极(3)以及电流控制电路(9)；所述用户操作单元将用户的操作信号发送至微控制单元(4)进行数模转换处理，并由微控制单元(4)向电流控制电路(9)发送与刺激波形对应的电压信号，由所述电流控制电路(9)改变刺激电极(3)的刺激波形和电流强度。本发明中的治疗仪体积小，便携性好；拥有良好的用户操作按键系统，响应快、稳定性好，同时配有实时显示参数变化的液晶显示屏，使用户有一个良好的人机交互体验，并能够实现正负波形的输出，使有效适用于不同使用者。此外本发明还设置了多级安全检测系统，能够最大程度地保护使用者的安全。

Description

基于参数可调的经颅电刺激治疗仪

技术领域

本发明涉及小型便携式设备、医疗康复技术领域，具体地，涉及一种基于参数可调的经颅电刺激治疗仪。

背景技术

随着现代社会生活节奏的加快、人们生活压力的增加，越来越多的人开始受到神经精神类疾病的折磨。以脑卒中为例，脑卒中是中老年人致残的最主要的原因，中国是脑卒中的重灾区，每年发病人数约300万。随着医疗水平的提高，病死率虽不断下降，但致残率却高达70％～80％，不但给家庭、社会带来沉重的负担，而且严重影响患者的生活质量。目前针对于该类神经精神性疾病的治疗主要通过药物、人工康复训练以及现代物理治疗等方式实现。目前，无创脑刺激技术在脑卒中后肢体运动功能康复中的作用逐渐得到重视。其中，经颅电刺激的应用最为广泛。经颅电刺激是一种非侵袭性的电刺激方法，刺激效果具有极性特点，刺激结束后的效应取决于刺激的强度和刺激持续的时间，如果刺激的时间持续足够长，刺激结束后皮质的兴奋性的改变可持续达1h，通过调节刺激的持续时间和强度，刺激后效应的持续时间可以被控制。与其他物理治疗方法相比，经颅电刺激虽然刺激较弱，但易引起皮质兴奋性的变化，且刺激后效应比经颅磁刺激等其他方法持久，几乎不会引起不良反应；简便易携带；设备的价格低廉；更为优越的是可设立假刺激组进行对照研究。这些优势促进了经颅电刺激近十年的迅猛发展。

经文献检索发现，中国专利公开号为CN102580235A，专利名称为：经颅直流电刺激仪，申请日为2012年02月24日。该专利文献公开的设备提供一种结构设置更为合理、能安全、聚焦、多通道地刺激大脑功能皮质的经颅直流电刺激仪。该电刺激仪存在以下不足：

1)、刺激模式单一，只具备直流电刺激模式，无法实现交流电刺激以及伪刺激等模式；

2)、文献中虽然提及有皮肤电阻检测模块，但也只是在电阻过大时发出警报，没有在硬件或者软件上及时停止电刺激，无法很好地保护使用者。

经文献检索发现，中国专利公开号为CN105664357A，专利名称为：多参数可调经颅电刺激系统，申请日为2016年6月15日。该专利文献提出了可实现tDCS、tACS以及tRNS的可选刺激的一种多参数可调经颅电刺激系统，并且能够实现tDCS刺激时电流的闭环控制、tACS刺激时电流幅值和电流频率的调节以及tRNS刺激时噪声类型的调节。该刺激器可用移动终端对参数进行设定，但存在以下不足：

1)、该刺激系统没有安全检测环节，无法在电刺激发生意外的时候为使用者提供安全保护；

2)、刺激电流只有正电流刺激，无法消除长时间刺激产生的电荷积累。

总体来说，市场上现有经颅电刺激产品大多刺激模式单一，没有安全保护措施，没有实现刺激电流的正负对称刺激以消除电荷积累，难以满足人们对经颅电刺激设备使用的要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于参数可调的经颅电刺激治疗仪。

根据本发明提供的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪，包括：微控制单元、用户操作单元、刺激电极以及电流控制电路；所述用户操作单元将用户的操作信号发送至微控制单元进行数模转换处理，并由微控制单元向电流控制电路发送与刺激波形对应的电压信号，由所述电流控制电路改变刺激电极的刺激波形和电流强度。

优选地，所述用户操作单元上设置有多个用户操作按键，所述用户操作按键包括：模式选择按键、调幅按键Amp+、调幅按键Amp-、调频按键Fre+、调频按键Fre-、相位/占空比调节按键；其中：

所述模式选择按键能够任意选择正弦波刺激、方波刺激、直流恒定波形刺激以及伪刺激这四种刺激模式；所述调幅按键Amp+和所述调幅按键Amp-用于实现电流强度的调节；所述调频按键Fre+和所述调频按键Fre-用于实现刺激频率的调节；所述相位/占空比调节按键用于在正弦波模式下调节相位、在方波模式下调节占空比。

优选地，还包括显示屏，所述显示屏用于实时显示用户当前使用的状态，所述状态包括：用户选择的刺激模式、刺激电路强度、刺激频率。

优选地，所述电流控制电路包括：电压偏置电路、双运放恒流源电路；所述电压偏置电路用于将微控制单元内的数模转换器输出的0～3V电压转变为-3～3V的正负对称电压；所述双运放恒流源电路用于产生-3mA～3mA的电流，且该电流不随电极片阻抗变化。

优选地，还包括电源模块，所述电源模块包括：3.7V聚合物锂电池、3.3V降压电路、35V升压电路、-35V降压电路；所述3.3V降压电路用于为微控制单元供电；所述35V升压电路和-35V降压电路用于为电流控制电路中的电压偏置电路和双运放恒流源电路供电。

优选地，还包括安全模块，所述安全模块包括保险丝、阻抗检测子模块、刺激参数阈值设定子模块；所述保险丝用于限定电刺激最大电流小于等于5mA，当电流大于5mA时保险丝熔断；所述阻抗检测子模块用于实时检测人体阻抗，当人体阻抗大于设定阈值时，则停止刺激；所述刺激参数阈值设定子模块用于限定刺激波形的频率、电流以及运行时间的阈值，当超过频率、电流以及运行时间中的任一阈值时，治疗仪禁止使用或者强制调节到阈值范围内。

优选地，所述微控制单元采用基于ARM内核的STM32F103系列芯片，所述STM32F103系列芯片内部自带了2路数模转换器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪体积小，便携性好；拥有良好的用户操作按键系统，响应快、稳定性好，同时配有实时显示参数变化的液晶显示屏，使用户有一个良好的人机交互体验。

2、本发明能够实现正负波形的输出，使得刺激电流强度在±3mA范围内可调，正负波形对称刺激可以有效抵消刺激过程的电荷积累；采用双运放恒流源电路产生一个与使用者阻抗大小无关的恒流刺激，可以有效适用于不同使用者。

3、本发明的优选方案在直流恒定波形的刺激下，设置了刺激波形的渐入渐出时间，有效地避免了电流突然变化时使用者眼前产生白光；配备了多级安全检测系统，能够最大程度地保护使用者的安全。

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为本发明提供的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪的原理结构示意图；

图2为本发明的显示屏和电极结构示意图。

图中：

1-硬件电路；

2-软件程序；

3-刺激电极；

4-微控制单元；

5-用户操作按键；

6-OLED液晶显示屏；

7-安全模块；

8-数模转换器；

9-电流控制电路；

10-模式选择按键；

11-调幅按键Amp+；

12-调幅按键Amp-；

13-调频按键Fre+；

14-调频按键Fre-；

15-相位/占空比调节按键；

16-保险丝；

17-阻抗检测子模块；

18-刺激参数阈值设定子模块；

19-电压偏置电路；

20-双运放恒流源电路；

21-3.7V聚合物锂电池；

22-3.3V降压电路；

23-35V升压电路；

24--35V降压电路。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪，包括：硬件电路、软件程序以及刺激电极；其中，所述硬件电路包括微控制单元、用户操作按键、OLED液晶显示屏、安全模块、电流控制电路。

所述微控制单元采用一款基于ARM内核的STM32F103系列芯片，其内部自带了2路DAC(即所述数模转换器)。

所述用户操作按键通过软件程序向所述微控制单元发送控制指令，此指令通过所述数模转换器变成与刺激波形对应的电压值输出，经过所述电流控制电路输出满足要求的刺激波形到所述刺激电极。

所述OLED液晶显示屏将实时显示一些菜单和刺激参数，如刺激模式、刺激电流大小、刺激频率等。

所述用户操作按键包括六个按键，分别为：模式选择按键、调幅按键Amp+、调幅按键Amp-、调频按键Fre+、调频按键Fre-、相位/占空比调节按键；所述模式选择按键可以任意选择正弦波刺激、方波刺激、直流恒定波形刺激以及伪刺激四种刺激模式；所述调幅按键Amp+和所述调幅按键Amp-用来实现电流强度的调节，每次按下所述调幅按键Amp+(所述调幅按键Amp-)电流增大(减小)0.1mA；所述调频按键Fre+和所述调频按键Fre-用来实现刺激频率的调节，每次按下所述调频按键Fre+(所述调频按键Fre-)频率增大(减小)100Hz；所述相位/占空比调节按键用来在正弦波模式下调节相位，按下所述相位/占空比调节按键相位变化10°、在方波模式下调节占空比，按下所述相位/占空比调节按键占空比变化10(百分比)。

所述安全模块包括保险丝、阻抗检测、刺激参数阈值设定；所述保险丝在硬件上严格限制了电刺激最大电流不超过5mA，否则所述保险丝将熔断；所述阻抗检测将实时检测人体阻抗，当阻抗过大时，停止刺激；所述刺激参数阈值设定规定了刺激波形的频率、电流以及运行时间的阈值，超过阈值的设置会被禁止或者强制调节到阈值范围内。

所述电流控制电路包括电压偏置电路、双运放恒流源电路；所述电压偏置电路目的是将所述数模转换器输出的0～3V电压转变为-3～3V的正负对称电压；所述双运放恒流源电路目的是产生-3mA～3mA的不随电极片阻抗变化的电流。

所述电源模块包括3.7V聚合物锂电池、3.3V降压电路、35V升压电路、-35V降压电路；所述3.3V降压电路可以为所述微控制单元供电；所述35V升压电路和-35V降压电路均用来为所述电压偏置电路和双运放恒流源电路供电。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做更加详细的描述。

如图1所示，本发明的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪的结构是，该治疗仪包括相互连接的三部分：硬件电路1、软件程序2和刺激电极3；所述硬件电路1包括微控制单元4、用户操作按键5、OLED液晶显示屏6、安全模块7、数模转换器8、电流控制电路9、电源模块。

所述微控制单元4采用一款基于ARM内核的STM32F103系列芯片，其内部自带了2路DAC(即所述数模转换器8)。

所述用户操作按键5通过软件程序2向所述微控制单元4发送控制指令，此指令通过所述数模转换器8变成与刺激波形对应的电压值输出，经过所述电流控制电路9输出满足要求的刺激波形到所述刺激电极3。

所述OLED液晶显示屏6将实时显示一些菜单和刺激参数，如刺激模式、刺激电流大小、刺激频率等。

所述用户操作按键5包括六个按键，分别为：模式选择按键10、调幅按键Amp+11、调幅按键Amp-12、调频按键Fre+13、调频按键Fre-14、相位/占空比调节按键15；所述模式选择按键10可以任意选择正弦波刺激、方波刺激、直流恒定波形刺激以及伪刺激四种刺激模式；所述调幅按键Amp+11和所述调幅按键Amp-12用来实现电流强度的调节；所述调频按键Fre+13和所述调频按键Fre-14用来实现刺激频率的调节；所述相位/占空比调节按键15用来在正弦波模式下调节相位、在方波模式下调节占空比。

所述安全模块7包括保险丝16、阻抗检测子模块17、刺激参数阈值设定子模块18；所述保险丝16在硬件上严格限制了电刺激最大电流不超过5mA，否则所述保险丝16将熔断；所述阻抗检测子模块17实时检测人体阻抗，当阻抗过大时，停止刺激；所述刺激参数阈值设定子模块18规定了刺激波形的频率、电流以及运行时间的阈值，超过阈值的设置会被禁止或者强制调节到阈值范围内。

所述电流控制电路9包括电压偏置电路19、双运放恒流源电路20；所述电压偏置电路19目的是将所述数模转换器8输出的0～3V电压转变为-3～3V的正负对称电压；所述双运放恒流源电路20目的是产生-3mA～3mA的不随电极片阻抗变化的电流。

所述电源模块10包括3.7V聚合物锂电池21、3.3V降压电路22、35V升压电路23、-35V降压电路24；所述3.3V降压电路22可以为所述微控制单元4供电；所述35V升压电路23和-35V降压电路24均用来为所述电压偏置电路19和双运放恒流源电路20供电。

本发明的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪功能是这样实现的：

如图1所示，本发明的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪包括硬件电路1、软件程序2以及刺激电极3。硬件电路包括微控制单元4、用户操作按键5、OLED液晶显示屏6、安全模块7、数模转换器8、电流控制电路9、电源模块10。用户操作按键由模式选择按键10、调幅按键Amp+11、调幅按键Amp-12、调频按键Fre+13、调频按键Fre-14、相位/占空比调节按键15等6个按键组成。安全模块包括保险丝16、阻抗检测17、刺激参数阈值设定18。电流控制电路由电压偏置电路19和双运放恒流源电路20组成。电源模块10由3.7V聚合物锂电池21、3.3V降压电路22、35V升压电路23、-35V降压电路24等3部分组成。

本发明的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪可以实现4种刺激模式。使用者在使用时，首先将本治疗仪的刺激电极3的阳极贴于患侧部位，而阴极贴于参考电极部位，并注入生理盐水让电极与头皮保持接通状态。按下本治疗仪的系统总开关，此时系统上电指示灯点亮，表明系统由3.7V聚合物锂电池21供电成功。然后使用者可以通过用户操作按键5选择各个刺激参数。模式选择按键10可以选择四种刺激模式：正弦波刺激、方波刺激、直流恒定波形刺激。在刺激模式选择完成之后，调幅按键Amp+11和调幅按键Amp-12可以调节刺激电流的强度，每次按下按键电流均变化0.1mA；调频按键Fre+13和调频按键Fre-14可以调节刺激电流的频率，每次按下按键电流频率变化100Hz；相位/占空比调节按键15在正弦波刺激模式下可以调节刺激波形的相位，每次按下按键相位变化10°、在方波刺激模式下可以调节刺激波形的占空比，每次按下按键占空比变化10(百分比)。在各个刺激参数设置完成之后，启动程序，此时所设置的控制指令将由软件程序2发送到微控制单元4，微控制单元4将控制指令由内部DMA发送到DAC(数模转换器8)，由数模转换器8输出的是一个大小为0～3V的电压信号1，该信号1经过电流控制电路9中的电压偏置电路19将变成一个大小为-3V～3V的电压信号2，该信号2经过双运放恒流源电路20之后将变成一个与人体阻抗无关的恒流信号3，该恒流信号3将对患侧部位产生电刺激，从而因此患侧部位兴奋，达到治疗的目的。在达到设定的刺激时间时，微控制单元4将控制软件程序2自动退出，完成一次刺激。本治疗仪还加入了安全模块7，其包含的保险16、阻抗检测17、刺激参数阈值设定18均用来对刺激过程进行实时监控，一旦发现刺激电流过大时，会自动断开电路或停止软件程序2，以最大程度地保护使用者。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种基于参数可调的经颅电刺激治疗仪，其特征在于，包括：微控制单元(4)、用户操作单元、刺激电极(3)以及电流控制电路(9)；所述用户操作单元将用户的操作信号发送至微控制单元(4)进行数模转换处理，并由微控制单元(4)向电流控制电路(9)发送与刺激波形对应的电压信号，由所述电流控制电路(9)改变刺激电极(3)的刺激波形和电流强度。

2.根据权利要求1所述的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪，其特征在于，所述用户操作单元上设置有多个用户操作按键，所述用户操作按键包括：模式选择按键(10)、调幅按键Amp+(11)、调幅按键Amp-(12)、调频按键Fre+(13)、调频按键Fre-(14)、相位/占空比调节按键(15)；其中：

所述模式选择按键(10)能够任意选择正弦波刺激、方波刺激、直流恒定波形刺激以及伪刺激这四种刺激模式；所述调幅按键Amp+(11)和所述调幅按键Amp-(12)用于实现电流强度的调节；所述调频按键Fre+(13)和所述调频按键Fre-(14)用于实现刺激频率的调节；所述相位/占空比调节按键(15)用于在正弦波模式下调节相位、在方波模式下调节占空比。

3.根据权利要求1所述的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪，其特征在于，还包括显示屏，所述显示屏用于实时显示用户当前使用的状态，所述状态包括：用户选择的刺激模式、刺激电路强度、刺激频率。

4.根据权利要求1所述的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪，其特征在于，所述电流控制电路(9)包括：电压偏置电路(19)、双运放恒流源电路(20)；所述电压偏置电路(19)用于将微控制单元内的数模转换器(8)输出的0～3V电压转变为-3～3V的正负对称电压；所述双运放恒流源电路(20)用于产生-3mA～3mA的电流，且该电流不随电极片阻抗变化。

5.根据权利要求1或4所述的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块包括：3.7V聚合物锂电池(21)、3.3V降压电路(22)、35V升压电路(23)、-35V降压电路(24)；所述3.3V降压电路(22)用于为微控制单元(4)供电；所述35V升压电路(23)和-35V降压电路(24)用于为电流控制电路(9)中的电压偏置电路(19)和双运放恒流源电路(20)供电。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪，其特征在于，还包括安全模块(7)，所述安全模块(7)包括保险丝(16)、阻抗检测子模块(17)、刺激参数阈值设定子模块(18)；所述保险丝(16)用于限定电刺激最大电流小于等于5mA，当电流大于5mA时保险丝(16)熔断；所述阻抗检测子模块(17)用于实时检测人体阻抗，当人体阻抗大于设定阈值时，则停止刺激；所述刺激参数阈值设定子模块(18)用于限定刺激波形的频率、电流以及运行时间的阈值，当超过频率、电流以及运行时间中的任一阈值时，治疗仪禁止使用或者强制调节到阈值范围内。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的基于参数可调的经颅电刺激治疗仪，其特征在于，所述微控制单元(4)采用基于ARM内核的STM32F103系列芯片，所述STM32F103系列芯片内部自带了2路数模转换器。