CN109731223B - 电路及具有其的神经肌肉电刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电路及具有其的神经肌肉电刺激装置，所述电路包括：直流输入端、调压电路、桥式输出电路、电流检测模块和控制模块；所述调压电路的第一端连接到直流输入端、第二端连接到桥式输出电路的高端，所述桥式输出电路的低端连接到所述电流检测模块的第一端，所述电流检测模块的第二端接地，所述电流检测模块用于获取所述桥式输出电路所输出的电流值；在所述调压电路的第二端与第一NMOS管的漏极连接，第一NMOS管的源极接地、栅极与控制模块连接；当需要桥式输出电路输出的电流快速降低时，该控制模块能够提高向第一NMOS管所输出的第一PWM的占空比，从而快速降低该电流。

Description

电路及具有其的神经肌肉电刺激装置

技术领域

本发明涉及生物肌电信号采集和处理技术领域，尤其涉及一种电路及具有其的神经肌肉电刺激装置。

背景技术

神经肌肉电刺激是一项应用低频电流通过特定肌肉群使其抽搐或者收缩，继而达到“功能”修复的技术，电刺激的输出可以分为恒定电流输出和恒定电压输出两种方式。其中，有一种恒定电流输出需要输出电流的方向是变化的，但电流大小恒定的。可以理解的是，人体阻抗是一个难以严格确定的值，即不同的人、不同的部分、不同的体位以及电极与人体接触的面积不同都会导致人体阻抗不一样或发生变化。因此，在实际中，即使为电极提供额定的电压，但电极所输出的电流的大小却难以确定或者是变化的。单一方向的电刺激输出，会对人体产生电解作用，双向对称的电刺激输出可以避免该问题的发生。

因此，如何设计一种能够提供具有方向变化、但电流值恒定的电路，就成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电路及具有其的神经肌肉电刺激装置。

为了实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种电路，包括：直流输入端、调压电路、桥式输出电路、电流检测模块和控制模块；所述调压电路的第一端连接到直流输入端、第二端连接到桥式输出电路的高端，所述桥式输出电路的低端连接到所述电流检测模块的第一端，所述电流检测模块的第二端接地，所述电流检测模块用于获取所述桥式输出电路的输出电流值；在所述调压电路的第二端与第一NMOS管的漏极连接，第一NMOS管的源极接地、栅极与控制模块连接；所述控制模块在接收到快速降低电流指令或者确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于等于预设阈值时，提高向第一NMOS管所输出的第一PWM的占空比，其中，所述预设阈值大于零。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述调压电路包括：电感、第二NMOS管、二极管和电容；所述电感的第一端连接直流输入端，第二端连接所述二极管的正极，所述二极管的负极连接所述桥式输出电路的高端；所述控制模块连接到第二NMOS管的栅极，且第二NMOS管的漏极连接到所述二极管的正极、源极接地，所述电容连接在所述二极管的负极和地之间；所述控制模块在确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于零且小于预设阈值时，降低向第二NMOS管所输出的第二PWM的占空比；所述控制模块在确定所述输出电流值与预设电流值的差值小于零时，增加向第二NMOS管所输出的第二PWM的占空比。

作为本发明一实施方式的进一步改进，在所述电感的第一端通过DC/DC稳压电路连接直流输入端。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述电感的第二端连接到第三电阻的第一端，第三电阻的第二端分别连接到第二NMOS管的漏极和二极管的正极。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述调压电路的第二端通过第一电阻连接到桥式输出电路的高端。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述桥式输出电路包括上臂左桥、上臂右桥、下臂左桥和下臂右桥，所述控制模块在同一时刻能够导通上臂左桥和下臂右桥、且断开上臂右桥和下臂左桥，所述控制模块在同一时刻能够导通上臂右桥和下臂左桥、且断开上臂左桥和下臂右桥。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述电流检测模块包括：第二电阻和信号放大电路，第二电阻的第一端连接到所述桥式输出电路的低端，第二电阻的第二端接地，所述信号放大电路的第一端连接到第二电阻的第一端，所述信号放大电路的第二端连接到控制模块，所述信号放大电路用于将第二电阻的第一端的电压值放大M倍后发送到控制模块，其中，M>1；

所述控制模块基于所接收到的电压值得到所述桥式输出电路所输出的输出电流值，其中，所述输出电流值＝(所接收到的电压值÷M)÷第二电阻的阻值。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述控制模块还用于：

每隔一段预设时间，就执行以下操作：接收所述电流检测模块所发送的输出电流值；

在确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于零且小于预设阈值时，基于所述差值确定第二PWM的第一减小值，将第二PWM的占空比Perc2修改为“Perc2-第一减小值”，占空比“Perc2-第一减小值”能够使得桥式输出电路的输出电流等于预设电流值；

在确定所述输出电流值与预设电流值的差值小于零时，基于所述差值确定第二PWM的第一增加值，将第二PWM的占空比Perc2修改为Perc2+第一增加值，占空比“Perc2+第一增加值”能够使得桥式输出电路的输出电流等于预设电流值。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述控制模块还用于：

每隔一段预设时间，就执行以下操作：接收所述电流检测模块所发送的输出电流值，在确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于等于预设阈值时，基于所述差值确定第一PWM的第二增加值，将第一PWM的占空比Perc1修改为Perc1+第二增加值，占空比“Perc1+第二增加值”能够使得桥式输出电路的输出电流等于预设电流值；之后逐步降低第一PWM的占空比Perc1直至第一PWM的占空比Perc1等于预设占空比。

本发明实施例还提供了一种神经肌肉电刺激装置，所述神经肌肉电刺激装置包含上述的电路，以及电连接到所述桥式输出电路中的电极。

相对于现有技术，本发明的技术效果在于：本发明实施例提供一种电路及具有其的神经肌肉电刺激装置，所述电路包括：调压电路，在所述调压电路的第二端与第一NMOS管的漏极连接，第一NMOS管的源极接地、栅极与控制模块连接；当需要桥式输出电路输出的电流快速降低时，该控制模块能够提高向第一NMOS管所输出的第一PWM的占空比，从而快速降低该电流。

附图说明

图1是本发明实施例中的电流的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一NMOS管可以被称为第二NMOS管，并且类似地第二NMOS管也可以被称为第一NMOS管，这并不背离本申请的保护范围。

本发明实施例提供了一种电路，如图1所示，包括：

直流输入端V1、调压电路1、桥式输出电路2、电流检测模块3和控制模块4；这里，如图1所示，其中，桥式输出电路2包括上臂左桥Q1、上臂右桥Q2、下臂左桥Q3和下臂右桥Q4，在上臂左桥Q1和下臂左桥Q3之间设置有连接点A，在上臂右桥Q2和下臂右桥Q4之间设置有连接点B，在连接点A和B之间可以设置有负载。其中，上臂左桥Q1和下臂右桥Q4为一组，上臂右桥Q2和下臂左桥Q3为一组，这两组状态互补，即当一组导通时，另一组必须关断，即：(1)当上臂左桥Q1与下臂右桥Q4导通时，负载的电流从高端经连接点A，再流向连接点B，之后流向低端；(2)反之，当上臂右桥Q2与下臂左桥Q3导通时，负载的电流从高端流经连接点B，再流向A，之后流向低端。这里，控制模块4可以为MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，也可以为PID(Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分控制器)控制器，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。

所述调压电路1的第一端连接到直流输入端V1、第二端连接到桥式输出电路2的高端，所述桥式输出电路2的低端连接到所述电流检测模块3的第一端，所述电流检测模块3的第二端接地，所述电流检测模块3用于获取所述桥式输出电路2的输出电流值；

在所述调压电路1的第二端与第一NMOS管M1的漏极连接，第一NMOS管M1的源极接地、栅极与控制模块4连接；

所述控制模块4在接收到快速降低电流指令或者确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于等于预设阈值时，提高向第一NMOS管M1所输出的第一PWM的占空比，其中，所述预设阈值大于零。这里，如图1所示，第一NMOS管M1可以理解为一个放电管，当施加在第一NMOS管M1的栅极上的PWM的占空比增加时，能够降低施加在桥式输出电路2高端的电压，并且速度非常快；因此，该电路能够快速的降低桥式输出电路2中的连接点AB之间的电流，从而使得该电流为恒定值，即预设电流值。发明人在实验中，发现该电路可以将桥式输出电路2的调节时间由从几百毫秒降低至几十毫秒。

可选的，如图1所示，在第一NMOS管M1的栅极与控制模块4之间可以串联有电阻R4。

优选的，所述调压电路1包括：

电感L、第二NMOS管M2、二极管D和电容C；

所述电感L的第一端连接直流输入端V1，第二端连接所述二极管D的正极，所述二极管D的负极连接所述桥式输出电路2的高端；

所述控制模块4连接到第二NMOS管M2的栅极，且第二NMOS管M2的漏极连接到所述二极管D的正极、源极接地，所述电容C连接在所述二极管D的负极和地之间；

所述控制模块4在确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于零且小于预设阈值时，降低向第二NMOS管M2所输出的第二PWM的占空比；

所述控制模块4在确定所述输出电流值与预设电流值的差值小于零时，增加向第二NMOS管M2所输出的第二PWM的占空比。

这里，当提高向第二NMOS管M2所输入的PWM的占空比时，则调压电路1所输出的电压值(即施加在桥式输出电路2的高端的电压值)会增加；当降低向第二NMOS管M2所输入的PWM的占空比时，则调压电路1所输出的电压值(即施加在桥式输出电路2的高端的电压值)会降低。

可选的，所述控制模块4在确定所述输出电流值等于预设电流值时，保持向第一NMOS管M1所输出的第一PWM的占空比不变，并且保持向第二NMOS管M2所输出的第二PWM的占空比不变。

可选的，在第二NMOS管M2的栅极连接有电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接到控制模块4。

优选的，在所述电感L的第一端通过DC/DC(Direct Current，直流电流)稳压电路11连接直流输入端V1。这里，DC/DC稳压电路11能够输出额定电压。

优选的，所述电感L的第二端连接到第三电阻R3的第一端，第三电阻R3的第二端分别连接到第二NMOS管M2的漏极和二极管D的正极。

优选的，所述调压电路1的第二端通过第一电阻R1连接到桥式输出电路2的高端。这里，在实际使用中，桥式输出电路2中的连接点A和B之间如果发生短路，则会导致桥式输出电路2中的电流过大，因此，第一电阻R1能够进行限流，从而对桥式输出电路2进行保护。

优选的，所述桥式输出电路2包括上臂左桥Q1、上臂右桥Q2、下臂左桥Q3和下臂右桥Q4，所述控制模块4在同一时刻能够导通上臂左桥Q1和下臂右桥Q4、且断开上臂右桥Q2和下臂左桥Q3，所述控制模块4在同一时刻能够导通上臂右桥Q2和下臂左桥Q3、且断开上臂左桥Q1和下臂右桥Q4。

可选的，所述控制模块4在确定所述输出电流值大于最大许可值时，同时断开上臂左桥Q1和上臂右桥Q2，或者同时断开下臂左桥Q3和下臂右桥Q4。这里，当电流过大时，很有可能对用户造成伤害，因此，需要控制桥式输出电路2停止输出电流，以保护用户的安全。

优选的，所述电流检测模块3包括：第二电阻R2和信号放大电路31，第二电阻R2的第一端连接到所述桥式输出电路2的低端，第二电阻R2的第二端接地，所述信号放大电路31的第一端连接到第二电阻R2的第一端，所述信号放大电路31的第二端连接到控制模块4，所述信号放大电路31用于将第二电阻R2的第一端的电压值放大M倍后发送到控制模块4，其中，M>1；

所述控制模块4基于所接收到的电压值得到所述桥式输出电路2所输出的输出电流值，其中，所述输出电流值＝所述电压值÷M÷第二电阻的阻值。这里，由上面的分析可知，桥式输出电路2中的电流I会经过第二电阻R2流入到地中，第二电阻R2的第一端的电压＝I*R2，即I＝第二电阻R2的第一端的电压值÷R2，从而信号放大电路31能够将第二电阻R2的第一端的电压值信号进行放大M倍后，并输入到控制模块4，在控制模块4中可以设置有ADC(Analog-to-Digital Convert，模/数转换器)电路，从而电流值I＝所接收到的电压值÷M÷R2，即得到桥式输出电路2的连接点A和B之间的电流值。

优选的，所述控制模块还用于：

每隔一段预设时间，就执行以下操作：接收所述电流检测模块3所发送的输出电流值；

在确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于零且小于预设阈值时，基于所述差值确定第二PWM的第一减小值，将第二PWM的占空比Perc2修改为“Perc2-第一减小值”，占空比“Perc2-第一减小值”能够使得桥式输出电路2的输出电流等于预设电流值；

在确定所述输出电流值与预设电流值的差值小于零时，基于所述差值确定第二PWM的第一增加值，将第二PWM的占空比Perc2修改为Perc2+第一增加值，占空比“Perc2+第一增加值”能够使得桥式输出电路2的输出电流等于预设电流值。

优选的，所述控制模块还用于：

每隔一段预设时间，就执行以下操作：接收所述电流检测模块3所发送的输出电流值，在确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于等于预设阈值时，基于所述差值确定第一PWM的第二增加值，将第一PWM的占空比Perc1修改为Perc1+第二增加值，占空比“Perc1+第二增加值”能够使得桥式输出电路2的输出电流等于预设电流值；之后逐步降低第一PWM的占空比Perc1直至第一PWM的占空比Perc1等于预设占空比。

这里，可以理解的是，占空比是有一个取值范围的，即[0，1]，因此，当提高第一PWM的占空比时，第一PWM的占空比会接近1，则可以理解的是，之后便无法再次提高第一PWM的占空比，因此，为了让该电路能够持续稳定的运行下去，需要将第一PWM的占空比降到合理水平，即预设占空比，此外，在调整的过程中，需要确保流经所述桥式输出电路2的电流值不变。

本发明实施例二提供了一种神经肌肉电刺激装置，所述神经肌肉电刺激装置包含有实施例一中的电路，以及电连接到所述桥式输出电路2中的两个电极。这里，电极的数量可以为两个，一个电极电连接到连接点A，另一个电连接到连接点B。

这两个电极中的一个连接到连接点A，另一个连接到连接点B。并且这两个电极所输出的波形可以为对称的双向方波、单向方波或不对称的双向脉冲等。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电路，其特征在于，包括：

直流输入端、调压电路、桥式输出电路、电流检测模块和控制模块；

所述调压电路的第一端连接到直流输入端、第二端连接到桥式输出电路的高端，所述桥式输出电路的低端连接到所述电流检测模块的第一端，所述电流检测模块的第二端接地，所述电流检测模块用于获取所述桥式输出电路的输出电流值；

在所述调压电路的第二端与第一NMOS管的漏极连接，第一NMOS管的源极接地、栅极与控制模块连接；

所述控制模块在接收到快速降低电流指令或者确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于等于预设阈值时，提高向第一NMOS管所输出的第一PWM的占空比，其中，所述预设阈值大于零；

其中，所述调压电路包括：

电感、第二NMOS管、二极管和电容；

所述电感的第一端连接直流输入端，第二端连接所述二极管的正极，所述二极管的负极连接所述桥式输出电路的高端；

所述控制模块连接到第二NMOS管的栅极，且第二NMOS管的漏极连接到所述二极管的正极、源极接地，所述电容连接在所述二极管的负极和地之间；

所述控制模块在确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于零且小于预设阈值时，降低向第二NMOS管所输出的第二PWM的占空比；

所述控制模块在确定所述输出电流值与预设电流值的差值小于零时，增加向第二NMOS管所输出的第二PWM的占空比。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：

在所述电感的第一端通过DC/DC稳压电路连接直流输入端。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：

所述电感的第二端连接到第三电阻的第一端，第三电阻的第二端分别连接到第二NMOS管的漏极和二极管的正极。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：

所述调压电路的第二端通过第一电阻连接到桥式输出电路的高端。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：

所述桥式输出电路包括上臂左桥、上臂右桥、下臂左桥和下臂右桥，所述控制模块在同一时刻能够导通上臂左桥和下臂右桥、且断开上臂右桥和下臂左桥，所述控制模块在同一时刻能够导通上臂右桥和下臂左桥、且断开上臂左桥和下臂右桥。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，

所述电流检测模块包括：第二电阻和信号放大电路，第二电阻的第一端连接到所述桥式输出电路的低端，第二电阻的第二端接地，所述信号放大电路的第一端连接到第二电阻的第一端，所述信号放大电路的第二端连接到控制模块，所述信号放大电路用于将第二电阻的第一端的电压值放大M倍后发送到控制模块，其中，M>1；

所述控制模块基于所接收到的电压值得到所述桥式输出电路所输出的输出电流值，其中，所述输出电流值＝(所接收到的电压值÷M)÷第二电阻的阻值。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述控制模块还用于：

每隔一段预设时间，就执行以下操作：接收所述电流检测模块所发送的输出电流值；在确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于零且小于预设阈值时，基于所述差值确定第二PWM的第一减小值，将第二PWM的占空比Perc2修改为“Perc2-第一减小值”，占空比“Perc2-第一减小值”能够使得桥式输出电路的输出电流等于预设电流值；在确定所述输出电流值与预设电流值的差值小于零时，基于所述差值确定第二PWM的第一增加值，将第二PWM的占空比Perc2修改为Perc2+第一增加值，占空比“Perc2+第一增加值”能够使得桥式输出电路的输出电流等于预设电流值。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述控制模块还用于：

每隔一段预设时间，就执行以下操作：接收所述电流检测模块所发送的输出电流值，在确定所述输出电流值与预设电流值的差值大于等于预设阈值时，基于所述差值确定第一PWM的第二增加值，将第一PWM的占空比Perc1修改为Perc1+第二增加值，占空比“Perc1+第二增加值”能够使得桥式输出电路的输出电流等于预设电流值；之后逐步降低第一PWM的占空比Perc1直至第一PWM的占空比Perc1等于预设占空比。

9.一种神经肌肉电刺激装置，其特征在于：

所述神经肌肉电刺激装置包含权利要求1-8任一项所述的电路，以及电连接到所述桥式输出电路中的电极。

Images