CN109954209A - 一种用于功能性电刺激的高压驱动电路系统 - Google Patents

一种用于功能性电刺激的高压驱动电路系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，包括外部输入电源隔离模块、电源保护和滤波模块、线性低压输出电源模块、数据通信接口、嵌入式主控电路、高压电源和滤波模块、高压稳定控制电路模块和电压监测电路模块；所述外部输入电源隔离模块、电源保护和滤波模块和线性低压输出电源模块依次电性连接，组成分压电路；所述嵌入式主控电路通过数据通信接口控制上下位机；所述高压电源和滤波模块、高压稳定控制电路模块和电压监测电路模块依次电性连接。本发明基于分布式电源电路设计架构，将数功率型电路与数字电路、模拟小信号电路分离设计，提高了系统的稳定性和可靠性；根据不同的应用需求进行配置。

Description

一种用于功能性电刺激的高压驱动电路系统
技术领域
本发明涉及功能性电刺激设备领域，具体涉及一种用于功能性电刺激的高压驱动电路系统。
背景技术
功能性电刺激技术是一种康复技术，使用人体能够适应的脉冲电流刺激失去神经控制或者神经控制不完善的肌肉，控制肌肉来实现下肢的周期性运动，用以实现代替或矫正肢体和器官已丧失的功能。功能性电刺激技术在刺激神经肌肉的同时，也刺激传导神经，加上不断重复的运动模式信息，传入中枢神经系统，在皮层形成兴奋痕迹，逐渐恢复原有的运动机能。该技术的主要临床应用有逆转患者肌肉萎缩，提升肌力；重建患者运动控制中枢，恢复传导通路；促进患者N细胞再生，促进髓鞘再生；维持患者骨密度，改善心肺功能；防止患者褥疮，改善糖耐量；训练心血管系统和心肺系统；促进局部血液循环；防止深静脉血栓；减轻肌肉痉挛；减少患者并发症，改善生活质量等。
现有专利CN102711906A提供了一种能够输出稳定的电刺激并且检测稳定的自主肌电信号的电刺激装置，该电刺激装置包括：无变压器的升压电路、第一电极和第二电极、放大电路、控制器、H桥电路，其包括串联连接同时公共连接端子连接到第二电极的第一开关和第三开关以及串联连接同时公共连接端子连接到第一电极的第二开关和第四开关，该第一开关、第二开关、第三开关和第四开关并联连接，所述H桥电路由控制器控制；绝缘型DC-DC转换器、调节器，其输出由DC-DC转换器输出的电源电压的中点电压；以及第三电极，其连接到调节器和放大电路的基准端子并且被设置在皮肤表面上。现有专利CN101904743B公开了一种恒电流刺激器及电流刺激器系统，包括MCU、脉冲控制电路、高压发生电路、恒流发生控制电路以及485总线接口电路，其中所述485总线接口电路实现MCU与主机之间的通讯，所述脉冲控制电路在MCU的控制下，输出脉冲宽度、频率和方向可调的脉冲电流作为刺激电流，所述恒流发生控制电路接收MCU的控制信号来决定刺激电流的大小，并保证刺激电流的恒定，所述高压发生电路与所述脉冲控制电路电连接，并向脉冲控制电路施加直流电压，以产生足够强的刺激强度。
目前，市场上的功能性电刺激器还存在以下弊端，高压输出单一、安全性低、不能形成有效的动态反馈调节等。
发明内容
基于上述技术问题，本发明实现了一种基于可用于截瘫患者康复治疗的功能性电刺激器高压驱动电路，能够提供20-200V电压可调，最大140mA电流输出的重复有序电刺激信号。功能性点刺激器是康复治疗系统中的核心功能单元，本发明基于嵌入式系统和高压驱动相结合的方案，实时接收控制指令按照治疗方案流程，安全可控的输出用于驱动患侧肌肉的功率型高压信号，以到达到康复训练的目的，提高患者的肌力，具体技术方案如下：
一种用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，包括外部输入电源隔离模块、电源保护和滤波模块、线性低压输出电源模块、数据通信接口、嵌入式主控电路、高压电源和滤波模块、高压稳定控制电路模块和电压监测电路模块；所述外部输入电源隔离模块、电源保护和滤波模块和线性低压输出电源模块依次电性连接，组成分压电路；所述嵌入式主控电路通过数据通信接口控制上下位机；所述高压电源和滤波模块、高压稳定控制电路模块和电压监测电路模块依次电性连接。
具体地，所述外部输入电源隔离模块采用医疗级的隔离型DCDC变换模块，将外部输入的宽范围直流电压(9-24V，默认+12V)转换为板内系统需要的低压数字+5V直流电压，输入输出安全隔离，降低触电的风险。
具体地，所述电源保护和滤波模块包括整流器，二极管、稳压二极管和滤波器，所述整流器与二极管串联形成前端串联电路，所述前端串联电路与稳压二极管并联形成后端并联电路，所述后端并联电路与滤波器串联，所述电源保护和滤波模块对变换后的低压数字直流电压进行整流处理、防反处理和差模共模滤波，提高供电系统的稳定性、可靠性，并降低电源噪声等。
具体地，所述线性低压输出电源模块所述线性低压输出电源模块采用可将数字电源转换成系统内需求的低噪声高质量电源的分布式电源架构，满足模拟电路和数字电路的需求，并将高压功率电路和小信号电路供电切割，避免功率信号对模拟小信号的影响。
优选地，所述线性低压输出电源模块的输出端包括高压功率电路的供电电压5VD和小信号电路供电电压3.3VD。
优选地，所述数据通信接口采用无线蓝牙串口模块，实现功能性电刺激器与上位机控制系统的数据通信，实时接收上位机控制指令，并返回下位机的运行状态和ERROR信息。
具体地，所述嵌入式主控电路包括单片机核心单元，所述单片机核心单元包括上下位机数据通信模块、指令解析模块、信号采集与分析模块、控制参数生成模块、运行初始化模块、电流电压采集模块和波形控制时序生成模块，并监测关键信号运行状态。
具体地，所述高压电源和滤波模块包括DCDC变换模块和LC储能滤波电路，二者串联。
优选地，所述DCDC变换模块采用高稳定工业级的Boost-UP型隔离DCDC变换模块以实现+5V直流到+200V电压的逆变换，所述LC储能滤波电路用于对高压直流信号进行能量存储和滤波以保证高压输出时信号平滑功率稳定。
具体地，所述高压稳定控制电路模块包括ADC、DAC和电压比较器，所述DAC接入所述电压比较器的同相输入端，设定稳定输出电压电流的参考值，所述ADC接入电压比较器的反相输入端，通过电阻网络采集实时输出的电流，所述电压比较器对同相和反相端电压值进行比较，控制功率型MOSFET(IR640S)的通断，实现恒流恒压的稳定可控输出。
具体地，所述电压监测电路模块包括电压电路监测保护电路、DAC和电压比较器，所述DAC接入所述电压比较器的同相输入端，设定稳定输出电压的参考值，所述小信号电路的供电电压输入电压比较器的反相输入端，所述电压比较器输出的电压比较信号作为开关量接入所述电压电路监测保护电路；所述电压监测电路模块主要实现低压侧的电流和电压的供给稳定，设定安全限流，当供给电流超过设定值，及时关断，保证低压侧瞬时能量供给过大而导致的系统不稳定，保护低压侧电源电路和小信号电路。
本系统中生成的电刺激波形参数如下：
波形：双极性方波；频率：20-100Hz可调；电压：20-200V可调；电流：0-140mA可调；脉宽：10-500us可调；通道数：单刺激器6通道输出，可扩展。
本发明具有以下有益效果：
一、基于嵌入式的高压驱动电路设计具有设计灵活，安全可靠，功能完善，强弱信号分离，可编程，实时性强等优点，可以应用于康复治疗和临床科研等场景；
二、作为一个独立的功能单元可与下肢型被动康复踏车结合使用，构建一种智能型的主被动一体的康复运动系统；
三、基于分布式电源电路设计架构，将数功率型电路与数字电路、模拟小信号电路分离设计，提高了系统的稳定性和可靠性；
四、结合嵌入式实时系统的可编程开发，能够实现定制化开发和功能扩展，根据不同的应用需求进行配置，具有实时性高、成本低、易扩展、通用性强等特点。
附图说明
图1为本发明实施例1中的高压驱动电路系统；
图2为本发明实施例1中的分压电路示意图；
图3为本发明电刺激生成波形图；
附图标记：1-电压设置DAC，2-第一电压比较器，3-分压电路，4-电压电路监测保护电路，5-DCDC变换模块，6-LC储能滤波电路，7-电流设置DAC，8-第二电压比较器，9-ADC，10-第一稳压电路，11-第二稳压电路，12-隔离型DCDC变换模块，13-无线蓝牙串口模块，14-嵌入式主控电路。
具体实施例
实施例1
一种用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，包括
1)外部输入电源隔离模块：采用医疗级的隔离型DCDC变换模块12，将外部输入的宽范围直流电压+12V转换为板内系统需要的低压数字+5V直流电压，输入输出安全隔离，降低触电的风险；
2)电源保护和滤波模块：包括整流器，二极管、稳压二极管和滤波器，所述整流器与二极管串联形成前端串联电路，所述前端串联电路与稳压二极管并联形成后端并联电路，所述后端并联电路与滤波器串联，所述电源保护和滤波模块对变换后的低压数字直流电压进行整流处理、防反处理和差模共模滤波，提高供电系统的稳定性、可靠性，并降低电源噪声等；
3)线性低压输出电源模块：将第一稳压电路10和第二稳压电路11采用分布式电源架构，使数字+5V电源转换成系统内需求的低噪声高质量电源，满足模拟电路和数字电路的需求，并将高压功率电路和小信号电路供电切割，避免功率信号对模拟小信号的影响；所述线性低压输出电源模块的输出端包括高压功率电路的供电电压5VD和小信号电路供电电压3.3VD；
4)数据通信接口：数据接口采用无线蓝牙串口模块13，实现刺激器与上位机控制系统的数据通信，实时接收上位机控制指令，并返回下位机的运行状态和ERROR信息；
5)嵌入式主控电路14：主控电路以单片机为核心单元，辅以外部电路，实现最小核心控制子系统，所述单片机核心单元包括上下位机数据通信模块、指令解析模块、信号采集与分析模块、控制参数生成模块、运行初始化模块、电流电压采集模块和波形控制时序生成模块，并监测关键信号运行状态等；
6)高压电源和滤波模块：包括高稳定工业级的Boost-UP型隔离DCDC变换模块5和LC储能滤波电路6，二者串联，所述隔离DCDC变换模块5为PICO5SA200，实现+5V直流到+200V电压的逆变换，所述LC储能滤波电路6对高压直流信号进行能量存储和滤波，保证高压输出时信号平滑，功率稳定；
7)高压稳定控制电路模块：包括ADC9、DAC7和第二电压比较器8，所述DAC7接入所述第二电压比较器8的同相输入端，设定稳定输出电压电流的参考值，所述ADC9接入第二电压比较器8的反相输入端，通过阻值为1kΩ的电阻网络采集实时输出的电流，所述第二电压比较器8对同相和反相端电压值进行比较，控制功率型MOSFET(IR640S)的通断，实现恒流恒压的稳定可控输出。
8)电压监测电路模块：包括电压电路监测保护电路4、DAC1和第一电压比较器2，所述DAC1接入所述第一电压比较器2的同相输入端，设定稳定输出电压的参考值，所述小信号电路的供电电压输入第一电压比较器2的反相输入端，所述第一电压比较器2输出的电压比较信号作为开关量接入所述电压电路监测保护电路4；所述电压监测电路模块主要实现低压侧的电流和电压的供给稳定，设定安全限流，当供给电流超过设定值，及时关断，保证低压侧瞬时能量供给过大而导致的系统不稳定，保护低压侧电源电路和小信号电路；
所述外部输入电源隔离模块、电源保护和滤波模块和线性低压输出电源模块依次电性连接，组成分压电路；所述嵌入式主控电路14通过无线蓝牙串口模块13控制上下位机；所述高压电源和滤波模块、高压稳定控制电路模块和电压监测电路模块依次电性连接。
该实施例中生成的电刺激波形图如图3所示，波形为双极性方波；频率为20-100Hz可调；电压为20-200V可调；电流为0-140mA可调；脉宽为10-500us可调；通道数为单刺激器6通道输出，可扩展。
该实施例中高压驱动电路系统的实施过程为：首先外部输入电源隔离模块将外部直流电压安全地转换为+5V直流电压，该直流电压经整流、防反和滤波后，由线性低压输出电源模块中的分布式电源架构的稳压电路，分为高压功率电路的供电电源+5VD和小信号电路的供电电源+3.3VD，之后高压功率电路的供电电源进入高压电源和滤波模块，将+5VD变换为+200VD的高压输出；在系统实施的过程中，在DAC7中设置稳定输出电流的参考值，在ADC9中接入电路中的电流采样值，通过第二电压比较器8进行比较来控制功率型MOSFET(IR640S)的通断，从而实现恒流恒压的稳定可控输出；另一方面，所述小信号电路的供电电源+3.3VD接入第一电压比较器2的反相输入端，所述第一电压比较器2输出的电压比较信号作为开关量接入所述电压电路监测保护电路4；所述电压监测电路模块主要实现低压侧的电流和电压的供给稳定，设定安全限流，当供给电流超过设定值，及时关断，保证低压侧瞬时能量供给过大而导致的系统不稳定，保护低压侧电源电路和小信号电路。整个系统的信号接收与反馈控制命令等都是通过无线蓝牙串口模块13由嵌入式主控电路14传向各模块。
上述实施例1实现了一种基于可用于截瘫患者康复治疗的FES刺激器高压驱动电路，能够提供20-200V电压可调，最大140mA电流输出的重复有序电刺激信号。FES刺激器是康复治疗系统中的核心功能单元，本设计基于嵌入式系统和高压驱动相结合的方案，实时接收控制指令按照治疗方案流程，安全可控的输出用于驱动患侧肌肉的功率型高压信号，以到达到康复训练的目的，提高患者的肌力。
上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，包括外部输入电源隔离模块、电源保护和滤波模块、线性低压输出电源模块、数据通信接口、嵌入式主控电路、高压电源和滤波模块、高压稳定控制电路模块和电压监测电路模块；所述外部输入电源隔离模块、电源保护和滤波模块和线性低压输出电源模块依次电性连接，组成分压电路；所述嵌入式主控电路通过数据通信接口控制上下位机；所述高压电源和滤波模块、高压稳定控制电路模块和电压监测电路模块依次电性连接。
2.根据权利要求1所述的用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，其特征在于，所述外部输入电源隔离模块采用医疗级的隔离型DCDC变换模块，将外部输入的直流电压转换为系统内需要的低压数字直流电压，输入输出安全隔离，降低触电的风险。
3.根据权利要求1所述的用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，其特征在于，所述电源保护和滤波模块包括整流器，二极管、稳压二极管和滤波器，所述整流器与二极管串联形成前端串联电路，所述前端串联电路与稳压二极管并联形成后端并联电路，所述后端并联电路与滤波器串联，所述电源保护和滤波模块对变换后的低压数字直流电压进行整流处理、防反处理和差模共模滤波。
4.根据权利要求1所述的用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，其特征在于，所述线性低压输出电源模块采用可将数字电源转换成系统内需求的低噪声高质量电源的分布式电源架构。
5.根据权利要求4所述的用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，其特征在于，所述线性低压输出电源模块的输出端包括高压功率电路的供电电压5VD和小信号电路供电电压3.3VD。
6.根据权利要求1所述的用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，其特征在于，所述嵌入式主控电路包括单片机核心单元，所述单片机核心单元包括上下位机数据通信模块、指令解析模块、信号采集与分析模块、控制参数生成模块、运行初始化模块、电流电压采集模块和波形控制时序生成模块。
7.根据权利要求1所述的用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，其特征在于，所述高压电源和滤波模块包括串联在一起的DCDC变换模块和LC储能滤波电路。
8.根据权利要求7所述的用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，其特征在于，所述DCDC变换模块采用高稳定工业级的Boost-UP型隔离DCDC变换模块以实现+5V直流到+200V电压的逆变换，所述LC储能滤波电路用于对高压直流信号进行能量存储和滤波以保证高压输出时信号平滑功率稳定。
9.根据权利要求1所述的用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，其特征在于，所述高压稳定控制电路模块包括ADC、DAC和电压比较器，所述DAC接入所述电压比较器的同相输入端，设定稳定输出电压电流的参考值，所述ADC接入电压比较器的反相输入端，通过电阻网络采集实时输出的电流，所述电压比较器对同相和反相端电压值进行比较，控制功率型MOSFET的通断，实现恒流恒压的稳定可控输出。
10.根据权利要求1所述的用于功能性电刺激的高压驱动电路系统，其特征在于，所述电压监测电路模块包括电压电路监测保护电路、DAC和电压比较器，所述DAC接入所述电压比较器的同相输入端，设定稳定输出电压的参考值，所述小信号电路的供电电压输入电压比较器的反相输入端，所述电压比较器输出的电压比较信号作为开关量接入所述电压电路监测保护电路。
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