CN109364371A - 一种反馈式动物神经电刺激装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电刺激装置，一种反馈式动物神经电刺激装置，包括主控模块、多通道刺激脉冲发生模块、连接模块、无线通信模块、运动姿态捕捉模块、日历时钟模块及电源管理模块，所述多通道刺激脉冲发生模块还包括刺激电流生成单元并与其相连的多通道隔离单元。本发明的反馈式动物神经电刺激装置使用运动姿态捕捉模块获取受体动物的运动状态信息，以便于为电刺激装置的闭环控制提供反馈信息，此外，本发明的反馈式动物神经电刺激装置能够确保多个通道的电刺激电流相互隔离并能互不干扰地进行有效电刺激，并且能够根据电刺激装置工作时长调整电刺激参数以克服受体动物头部在植入电极后周围生理组织的生长对电流刺激效果的影响。

Description

一种反馈式动物神经电刺激装置
技术领域
本发明涉及一种电刺激装置，更具体地说，涉及一种反馈式动物神经电刺激装置。
背景技术
动物的运动行为受脑区中特定区域的神经元的控制，相应区域的神经元放电能够控制动物运动行为，故采用适当的刺激方式调节相应区域的神经元放电能够控制动物的运动行为。现阶段的神经电刺激器从刺激源上主要分为两种：恒压源刺激和恒流源刺激。恒压源刺激的好处是电压能及时施加到神经组织上，能够保证刺激的快速性，但由于动物神经组织是阻抗和容抗的结合体，会使得恒压刺激效果不稳定，而采用恒流源刺激则可以避免这一问题。此外，恒流源刺激对电极的要求不高，并且也不容易造成局部电荷积累，故本装置使用电流源作为刺激源。由于动物脑部各个区域电位差未知，故不能让各个电极之间存在公共电势现象，需要保证各个电极之间相互电气隔离从而避免破坏动物脑部各个区域的电位差。目前，大多数植入式神经电刺激器均采用开环控制方式，即刺激参数由刺激前确定而不能根据实际刺激效果及时改变。中国专利CN201010239761.4中的反馈式闭环控制将刺激电极和测量电极合二为一，通过电极选择控制单元进行切换，从而获取反馈信息，但在一些使用条件下，测量电极和刺激电极并不在同一脑部区域。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种反馈式动物神经电刺激装置。该装置采用高度集成的低功耗芯片，实现日历时钟记录、无线通信、姿态捕捉以及生成多通道相互隔离且参数可调的刺激电流。装置能够通过日历时钟记录获取刺激器工作时长，并根据工作时长调整刺激参数；能够通过无线通信方式接收无线控制台的控制命令，实现刺激参数调整以及刺激电流输出的开环控制；也能够通过运动姿态捕捉模块获取受体动物的运动状态，并将运动状态作为反馈信息对输出的刺激电流进行闭环控制。
为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种反馈式动物神经电刺激装置，包括主控模块、多通道刺激脉冲发生模块、连接模块、无线通信模块、运动姿态捕捉模块、日历时钟模块及电源管理模块，所述多通道刺激脉冲发生模块还包括刺激电流生成单元并与其相连的多通道隔离单元，所述主控模块核心部件是STM32F411单片机，主控模块通过UART通信接口连接无线通信模块进行无线通信数据的接收与发送并根据无线通信模块接收的控制命令进行开环电刺激控制；所述主控模块还通过UART通信接口连接运动姿态捕捉模块进行受体动物的GPS地址和姿态角度数据的采集，为主控模块进行反馈式闭环电刺激提供反馈信息；所述主控模块还通过I2C通信接口连接日历时钟模块进行通信，用于记录电刺激装置的工作时长，自动调整电刺激参数以保证电刺激效果的一致性；所述主控模块与刺激电流生成单元相连，用于将STM32F411单片机内部的高性能12位DAC生成的电刺激电压转换成刺激电流生成单元生成相应的电刺激电流，再经过多通道隔离单元将电刺激电流分成多通道相互隔离的电刺激电流输出；所述多通道隔离单元通过连接模块与受体动物植入电极相连，用于将多通道电刺激电流导通至受体动物植入电极处进行电刺激，所述运动姿态捕捉模块及日历时钟模块分别与多通道刺激脉冲发生模块相连。
所述无线通信模块采用A9G型GPRS和GPS通信模块并通过GPRS网络与外接无线控制台建立TCP连接并接收受体动物的GPS信号获取位置数据，无线控制台具有固定的公网IP并开通特定的TCP端口，无线通信模块通过公网IP与TCP端口建立数据通信连接，用于接收无线控制台的控制命令以及发送反馈式动物神经电刺激装置的工作状态信息。
所述运动姿态捕捉模块采用MPU9250型MEMS运动传感器获取载体的三轴加速度、三轴角速度及三轴磁场强度，经过在STM32F411单片机中数据预处理和EKF数据融合后获得姿态角度数据，刺激装置利用该姿态角度数据作为反馈信息进行刺激参数调整从而对受体动物的运动行为进行闭环控制。
所述日历时钟模块采用PCF8563芯片为核心进行时间记录，装置启动时，主控模块通过I2C通信接口将启动时刻的时间数据写入日历时钟芯片PCF8563中，该芯片以此为起点记录时间，主控模块可以通过I2C读取当前时刻的时间数据，包括年、月、日、星期、时、分、秒，主控模块将启动时刻时间数据和当前时刻时间数据对比即可得到电刺激装置的工作时长，电刺激装置便可利用工作时长进行刺激参数更新从而调整刺激电流波形，以抵消受体动物植入电极处生理组织的生长对电流刺激效果的影响从而保证刺激效果的一致性。
所述刺激电流生成单元，采用MCP6231高精度运算放大器和NX7002型N-MOSFET构成的V/I转换电路为核心，将主控模块DAC输出的电压波形转换为电流波形输出至多通道隔离单元，刺激电流生成单元中的电压电流转换比例由转换电路中的5K精密电阻确定，可将幅值范围为0～2.5V的电压波形转换为幅值范围为0～500uA的电流波形，该电流通过多通道隔离单元后便可转换成多通道相互隔离的双极性电流。
所述多通道隔离单元采用MUX507型多路选择模拟开关芯片将刺激电流生成单元生成的单通道单极性电流转换成多通道相互隔离的双极性电流，其转换过程由开关芯片的通路选择实现，即将一路输入分时切换至多路输出，并通过切换输出端口连接的电压极性可以将单极性电流调整为双极性电流，开关芯片的通路切换由主控模块中STM32F411单片机的GPIO引脚控制。
所述连接模块采用Omnetics公司的PZN系列连接件将刺激电流输出至受体动物待刺激脑区，进行双极性电流刺激以达到相应的受体动物运动行为控制。
所述电源管理模块由锂离子聚合物电池、DCDC升压转换器和线性稳压器三部分组成，其中锂离子聚合物电池提供3.7V供电电源，DCDC升压转换器将锂离子聚合物电池提供的3.7V电压转换为15V，为刺激电流生成单元的V/I转换部分提供高压电源，线性稳压器为电刺激装置中其它部分提供稳定的3.3V电源。
所述电刺激装置能够实时获取受体动物的运动状态信息，即受体动物的GPS地址和姿态角度数据，作为反馈信息进行PI闭环控制，调整电刺激参数从而达到良好的刺激效果，也可使用受体动物运动状态反馈信息进行PI闭环控制刺激从而控制受体动物运动行为。
所述多通道隔离单元中每个通道的刺激电流为双极性电流，刺激电流波形为方波，刺激参数包括脉冲频率、脉冲占空比、脉冲幅值、脉冲串数、脉冲数、脉冲串间隔，占空比范围为1％～99％，电流幅值范围为0uA～500uA，频率范围为10Hz～1000Hz，每个刺激电流由多个脉冲串组成，脉冲串间的间隔可调，脉冲串个数可调，刺激通道能够支持的负载阻抗为0Ω～30KΩ。
本发明有益效果是：一种反馈式动物神经电刺激装置，包括主控模块、多通道刺激脉冲发生模块、连接模块、无线通信模块、运动姿态捕捉模块、日历时钟模块及电源管理模块，所述多通道刺激脉冲发生模块还包括刺激电流生成单元并与其相连的多通道隔离单元，所述主控模块核心部件是STM32F411单片机，主控模块通过UART通信接口连接无线通信模块进行无线通信数据的接收与发送并根据无线通信模块接收的控制命令进行开环电刺激控制；所述主控模块还通过UART通信接口连接运动姿态捕捉模块进行受体动物的GPS地址和姿态角度数据的采集，为主控模块进行反馈式闭环电刺激提供反馈信息；所述主控模块还通过I2C通信接口连接日历时钟模块进行通信，用于记录电刺激装置的工作时长，自动调整电刺激参数以保证电刺激效果的一致性；所述主控模块与刺激电流生成单元相连，用于将STM32F411单片机内部的高性能12位DAC生成的电刺激电压转换成刺激电流生成单元生成相应的电刺激电流，再经过多通道隔离单元将电刺激电流分成多通道相互隔离的电刺激电流输出；所述多通道隔离单元通过连接模块与受体动物植入电极相连，用于将多通道电刺激电流导通至受体动物植入电极处进行电刺激，所述运动姿态捕捉模块及日历时钟模块分别与多通道刺激脉冲发生模块相连。与已有技术相比，本发明能够直接使用无线通信模块接收的控制命令进行开环控制受体动物的运动行为，也可使用运动姿态捕捉模块获取的受体动物运动状态反馈信息进行PI闭环控制刺激从而控制受体动物运动行为；能够自动根据刺激器工作时长自动调整刺激参数，从而保证刺激效果的一致有效性；能够确保各个刺激电流通道相互隔离，从而保证各个刺激通道能够独立工作。最终，提供一种能够多通道独立刺激、操控方便、刺激效果稳定的动物神经电刺激装置。
附图说明
图1是反馈式动物神经电刺激装置使用时连接示意图。
图中：1、受体动物脑部，2、受体动物待刺激脑区植入电极连接端，3、连接线，4、反馈式动物神经电刺激装置，5、无线控制台。
图2是反馈式动物神经电刺激装置原理框图。
图3是多通道独立刺激电流波形产生部分的电路示意图。
图中：1a、主控模块输出的电压波形，2a、电压转换电流电路，3a、多通道隔离单元电路，4a、多通道独立刺激电流输出。
图4是一个完整的双极性刺激电流波形图。
图中：1b、刺激电流幅值，2b、刺激电流频率，3b、脉冲串间隔，4b、刺激电流占空比，5b、单串脉冲个数，6b、脉冲串个数。
图5是反馈式动物神经电刺激装置工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，反馈式动物神经电刺激装置4通过连接线3与受体动物脑部1中的受体动物待刺激脑区植入电极连接端2连接，反馈式动物神经电刺激装置4通过无线通信链路与无线控制台5建立连接，进行数据通信。
如图2、3所示，一种反馈式动物神经电刺激装置，包括主控模块、多通道刺激脉冲发生模块、连接模块、无线通信模块、运动姿态捕捉模块、日历时钟模块及电源管理模块，所述多通道刺激脉冲发生模块还包括刺激电流生成单元并与其相连的多通道隔离单元，所述主控模块核心部件是STM32F411单片机，主控模块通过UART通信接口连接无线通信模块进行无线通信数据的接收与发送；所述主控模块还通过UART通信接口连接运动姿态捕捉模块进行受体动物的GPS地址和姿态角度数据的采集，为主控模块进行反馈式闭环刺激提供反馈信息；所述主控模块还通过I2C通信接口连接日历时钟模块进行通信，用于记录电刺激装置的工作时长，电刺激装置可利用工作时长自动调整电刺激参数以保证电刺激效果的一致性；如图3的1a、2a所示，所述主控模块与刺激电流生成单元相连，用于将STM32F411单片机内部的高性能12位DAC生成的电刺激电压转换成刺激电流生成单元生成相应的电刺激电流；如图3的3a、4a所示，单路刺激电流再经过多通道隔离单元分成多通道相互隔离的电刺激电流输出；所述多通道隔离单元通过连接模块与受体动物植入电极相连，用于将多通道电刺激电流导通至受体动物植入电极处进行电刺激。所述运动姿态捕捉模块及日历时钟模块分别与多通道刺激脉冲发生模块相连。所述无线通信模块采用A9G型GPRS和GPS通信模块并通过GPRS网络与外接无线控制台建立TCP连接并接收受体动物的GPS信号获取位置数据，无线控制台具有固定的公网IP并开通特定的TCP端口，无线通信模块通过公网IP与TCP端口建立数据通信连接，用于接收无线控制台的控制命令以及发送反馈式动物神经电刺激装置的工作状态信息。所述运动姿态捕捉模块采用MPU9250型MEMS运动传感器获取载体的三轴加速度、三轴角速度及三轴磁场强度，经过在STM32F411单片机中数据预处理和EKF数据融合后获得姿态角度数据。所述日历时钟模块采用PCF8563芯片为核心进行时间记录，装置启动时，主控模块通过I2C通信接口将启动时刻的时间数据写入日历时钟芯片PCF8563中，该芯片以此为起点记录时间，主控模块可以通过I2C读取当前时刻的时间数据，包括年、月、日、星期、时、分、秒，主控模块将启动时刻时间数据和当前时刻时间数据对比即可得到电刺激装置的工作时长，电刺激装置便可利用工作时长进行刺激参数更新。所述刺激电流生成单元，采用MCP6231高精度运算放大器和NX7002型N-MOSFET构成的V/I转换电路为核心，将主控模块DAC输出的电压波形转换为电流波形输出至多通道隔离单元，刺激电流生成单元中的电压电流转换比例由转换电路中的5K精密电阻确定，将幅值范围为0～2.5V的电压波形转换为幅值范围为0～500uA的电流波形。所述多通道隔离单元采用MUX507型多路选择模拟开关芯片将刺激电流生成单元生成的单极性电流转换成多通道相互独立的双极性电流，其开关切换由主控模块中STM32F411单片机的GPIO引脚控制。所述连接模块采用Omnetics公司的PZN系列连接件将刺激电流输出至受体动物待刺激脑区，进行双极性电流刺激以达到相应的受体动物运动行为控制。所述电源管理模块由锂离子聚合物电池、DCDC升压转换器和线性稳压器三部分组成，其中锂离子聚合物电池提供3.7V供电电源，DCDC升压转换器将锂离子聚合物电池提供的3.7V电压转换为15V，为刺激电流生成单元的V/I转换部分提供高压电源，线性稳压器为电刺激装置中其它部分提供稳定的3.3V电源。
如图4所示，反馈式动物神经电刺激装置输出的刺激电流为双极性刺激电流，电流波形为方波，刺激电流的参数包括刺激脉冲幅值、刺激脉冲频率、脉冲串间隔、刺激脉冲占空比、单串脉冲个数、脉冲串个数。如图2所示，刺激装置能够通过日历时钟模块获得刺激装置的工作时长，刺激装置可以利用工作时长作为输入调整刺激装置的刺激参数从而调整刺激电流波形，以抵消受体动物植入电极处生理组织的生长对电流刺激效果的影响从而保证刺激效果的一致性。
如图5所示，反馈式动物神经电刺激装置启动后，按照远程控制台的控制命令和日历时钟模块记录的工作时长进行电刺激参数更新，在需要电刺激时进行相应的电刺激控制。电刺激控制分为两种，一种是开环电刺激控制，一种是闭环电刺激控制。开环电刺激控制是反馈式动物神经电刺激装置直接将远程控制台的控制命令用于电刺激电流生成并输出至相应的电刺激通道，此过程需要无线控制台一直参与，是一种在线控制方式。如图2所示，闭环电刺激控制是反馈式动物神经电刺激装置在接收到闭环电刺激控制命令后，利用PI控制器将刺激装置运动姿态捕捉模块采集到的受体动物的运动状态数据作为反馈信息控制电刺激参数的调整，从而输出相应的电刺激电流，该过程除了触发时刻需要无线控制台参与外，后续过程中的电刺激参数调整由反馈式动物神经电刺激装置自动完成，是一种离线控制。闭环电刺激控制中PI控制器的控制参数需要由使用人员针对受体动物调试确定，PI控制器的控制参数在确定后可以通过无线控制台以无线方式发送至反馈式动物神经电刺激装置。
本发明优点在于：本发明的反馈式动物神经电刺激装置使用运动姿态捕捉模块获取受体动物的运动状态信息，以便于为反馈式动物神经电刺激装置的闭环控制提供反馈信息，此外，本发明的反馈式动物神经电刺激装置能够确保多个通道的电刺激电流相互隔离并能互不干扰地进行有效电刺激，并且能够根据反馈式动物神经电刺激装置工作时长调整电刺激参数以克服受体动物头部在植入电极后周围生理组织的生长对电流刺激效果的影响。

Claims (10)

1.一种反馈式动物神经电刺激装置，包括主控模块、多通道刺激脉冲发生模块、连接模块、无线通信模块、运动姿态捕捉模块、日历时钟模块及电源管理模块，其特征在于：所述多通道刺激脉冲发生模块还包括刺激电流生成单元并与其相连的多通道隔离单元，所述主控模块核心部件是STM32F411单片机，主控模块通过UART通信接口连接无线通信模块进行无线通信数据的接收与发送并根据无线通信模块接收的控制命令进行开环电刺激控制；所述主控模块还通过UART通信接口连接运动姿态捕捉模块进行受体动物的GPS地址和姿态角度数据的采集，为主控模块进行反馈式闭环电刺激提供反馈信息；所述主控模块还通过I2C通信接口连接日历时钟模块进行通信，用于记录电刺激装置的工作时长，自动调整电刺激参数以保证电刺激效果的一致性；所述主控模块与刺激电流生成单元相连，用于将STM32F411单片机内部的高性能12位DAC生成的电刺激电压转换成刺激电流生成单元生成相应的电刺激电流，再经过多通道隔离单元将电刺激电流分成多通道相互隔离的电刺激电流输出；所述多通道隔离单元通过连接模块与受体动物植入电极相连，用于将多通道电刺激电流导通至受体动物植入电极处进行电刺激，所述运动姿态捕捉模块及日历时钟模块分别与多通道刺激脉冲发生模块相连。
2.根据权利要求1所述一种反馈式动物神经电刺激装置，其特征在于：所述无线通信模块采用A9G型GPRS和GPS通信模块并通过GPRS网络与外接无线控制台建立TCP连接并接收受体动物的GPS信号获取位置数据，无线控制台具有固定的公网IP并开通特定的TCP端口，无线通信模块通过公网IP与TCP端口建立数据通信连接，用于接收无线控制台的控制命令以及发送反馈式动物神经电刺激装置的工作状态信息。
3.根据权利要求1所述一种反馈式动物神经电刺激装置，其特征在于：所述运动姿态捕捉模块采用MPU9250型MEMS运动传感器获取载体的三轴加速度、三轴角速度及三轴磁场强度，经过在STM32F411单片机中数据预处理和EKF数据融合后获得姿态角度数据，刺激装置利用该姿态角度数据作为反馈信息进行刺激参数调整从而对受体动物的运动行为进行闭环控制。
4.根据权利要求1所述一种反馈式动物神经电刺激装置，其特征在于：所述日历时钟模块采用PCF8563芯片为核心进行时间记录，装置启动时，主控模块通过I2C通信接口将启动时刻的时间数据写入日历时钟芯片PCF8563中，该芯片以此为起点记录时间，主控模块可以通过I2C读取当前时刻的时间数据，包括年、月、日、星期、时、分、秒，主控模块将启动时刻时间数据和当前时刻时间数据对比即可得到电刺激装置的工作时长，电刺激装置便可利用工作时长进行刺激参数更新从而调整刺激电流波形，以抵消受体动物植入电极处生理组织的生长对电流刺激效果的影响从而保证刺激效果的一致性。
5.根据权利要求1所述一种反馈式动物神经电刺激装置，其特征在于：所述刺激电流生成单元，采用MCP6231高精度运算放大器和NX7002型N-MOSFET构成的V/I转换电路为核心，将主控模块DAC输出的电压波形转换为电流波形输出至多通道隔离单元，刺激电流生成单元中的电压电流转换比例由转换电路中的5K精密电阻确定，可将幅值范围为0～2.5V的电压波形转换为幅值范围为0～500uA的电流波形，该电流通过多通道隔离单元后便可转换成多通道相互隔离的双极性电流。
6.根据权利要求1所述一种反馈式动物神经电刺激装置，其特征在于：所述多通道隔离单元采用MUX507型多路选择模拟开关芯片将刺激电流生成单元生成的单通道单极性电流转换成多通道相互隔离的双极性电流，其转换过程由开关芯片的通路选择实现，即将一路输入分时切换至多路输出，并通过切换输出端口连接的电压极性可以将单极性电流调整为双极性电流，开关芯片的通路切换由主控模块中STM32F411单片机的GPIO引脚控制。
7.根据权利要求1所述一种反馈式动物神经电刺激装置，其特征在于：所述连接模块采用Omnetics公司的PZN系列连接件将刺激电流输出至受体动物待刺激脑区，进行双极性电流刺激以达到相应的受体动物运动行为控制。
8.根据权利要求1所述一种反馈式动物神经电刺激装置，其特征在于：所述电源管理模块由锂离子聚合物电池、DCDC升压转换器和线性稳压器三部分组成，其中锂离子聚合物电池提供3.7V供电电源，DCDC升压转换器将锂离子聚合物电池提供的3.7V电压转换为15V，为刺激电流生成单元的V/I转换部分提供高压电源，线性稳压器为电刺激装置中其它部分提供稳定的3.3V电源。
9.根据权利要求1所述的反馈式动物神经电刺激装置，其特征在于：所述电刺激装置能够实时获取受体动物的运动状态信息，即受体动物的GPS地址和姿态角度数据，作为反馈信息进行PI闭环控制，调整电刺激参数从而达到良好的刺激效果，也可使用受体动物运动状态反馈信息进行PI闭环控制刺激从而控制受体动物运动行为。
10.根据权利要求1所述的反馈式动物神经电刺激装置，其特征在于：所述多通道隔离单元中每个通道的刺激电流为双极性电流，刺激电流波形为方波，刺激参数包括脉冲频率、脉冲占空比、脉冲幅值、脉冲串数、脉冲数、脉冲串间隔，占空比范围为1％～99％，电流幅值范围为0uA～500uA，频率范围为10Hz～1000Hz，每个刺激电流由多个脉冲串组成，脉冲串间的间隔可调，脉冲串个数可调，刺激通道能够支持的负载阻抗为0Ω～30KΩ。
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